JPH0289016A

JPH0289016A - 走査型顕微鏡

Info

Publication number: JPH0289016A
Application number: JP63240182A
Authority: JP
Inventors: Masato Shibuya; 眞人渋谷
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1988-09-26
Filing date: 1988-09-26
Publication date: 1990-03-29
Also published as: US5086222A

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は走査型顕微鏡、特に位相物体の認識を可能とし
た走査型顕微鏡に関する。

〔従来の技術〕

従来、走査型顕微鏡は高解像力であって電気信号の処理
によって平面画像を得ることができるため信号処理が容
易であり、また光学系の構成も軸上収差の補正のみで良
いため比較的簡単な構成で可能になるという特徴を有し
、種々実用に供されてきている。

〔発明の解決すべき課題〕

しかしながら、従来の走査型顕微鏡では、被検物体が無
色透明な位相物体である場合には、高解像力を生かした
十分な画像を得ることができず、微小でしかも位相差の
小さい物体を見ることは困難であった。

本発明の目的は、微小で僅かの位相差を有する物体をも
明瞭に認識することのできる走査型顕微鏡を提供するこ
とにあ。

〔課題を解決するための手段〕

本発明による走査型顕微鏡は、コヒーレント光源から供
給される波面に、位相の異なる領域を形成して被検物体
上に集光して照射し、被検物体からの光束を対物レンズ
で集光して受光するにあたって、位相部材による位相の
異なる領域の一方に対応する領域の光と他方に対応する
領域の光とを分離して受光する構成としたものである。

すなわち、原理的には第１図に示す如き構成を有してお
り、コヒーレント光源と、該コヒーレント光源から供給
される光束を被検物体上に集光して照射する照射対物レ
ンズと、前記コヒーレント光源と該照射対物レンズとの
間に配置されて被検物体に達する光束波面に部分的な所
望の位相差を設けるための第１位相領域と第２位相領域
とを形成する位相部材と、該被検物体からの光束を集光
する集光対物レンズと、該集光対物レンズにより集光さ
れた被検物体からの光束のうち前記位相部材の第１位相
領域と第２位相領域との一方に対応する領域の光と他方
に対応する領域の光をとを分離して受光する光電検出手
段と、前記被検物体と前記照射対物レンズによる集光位
置とを相対的に走査するための走査手段とを有するもの
である。

そして、光電検出手段において、集光対物レンズにより
集光された被検物体からの光束のうち位相部材の第１位
相領域と第２位相領域との一方に対応する領域の光と他
方に対応する領域の光とを分離するためには、位相部材
による第１位相領域と第２位相領域との一方の領域に対
応する領域の光を遮光する遮光部材を集光対物レンズと
光電検出器との間に配置することが最も簡単な構成とな
る。このようにして、信号処理手段により、光電検出器
からの信号を走査手段による走査と同期して記憶し、表
示手段にて被検物体上の位相パターンについての２次元
像が表示される。

〔作　用］上記の構成によれば、被検物体上に微細な位相パターン
が存在する場合に、この位相パターンで位相変換を受け
た回折光が、位相板によって区分された２つの位相変換
領域の他方に対応する領域に入射して、その領域に達す
る０次回折光と干渉し、位相パターンの位相情報がコン
トラスト差として検出されるのである。即ち第１図の構
成では、被検査物体上の位相パターンで位相変換を受け
た回折光が、遮光板による遮光領域以外に達して遮光板
を通過し、この回折光と遮光板を通過する０次回折光と
が干渉することによって、位相パターンを明部或いは暗
部として検出することが可能となる。

本発明による位相差検出の原理を説明するに先だって、
従来の一般的走査型顕微鏡において位相物体を検出でき
なかった理由を、第８図（Ａ）及び（Ｂ）を参照して説
明する。

第８図（Ａ）は従来の走査型顕微鏡の原理的構成の概略
を示す光路図であり、コヒーレント光源としてのレーザ
１からの光束が照射対物レンズ２によっ被検物体３上に
集光され、被検物体３からの光が集光対物レンズ４によ
って集光されて光電検出手段５によって光強度が検出さ
れる。被検物体３が部分的に透過率の異なるパターンを
有している場合には、走査手段６によって被検物体３と
照射対物レンズによる集光位置とを相対的に移動するこ
とによって、光電検出器５による受光光強度が変化する
。そして、信号処理手段１０によって逐次光電検出手段
からの光情叩が記憶されて、被検物体３の平面的パター
ンの像が、例えばＣＲＴ等の表示手段１１上でコントラ
ストや色調差によって表示される。

しかしながら、被検物体３上に微細な僅かの位相差を有
する位相パターンが存在する場合には、第８図（Ｂ）に
示した如く、検出される光強度にはほとんど変化がなく
検出できない、第８図（Ｂ）は光電検出器で受光する光
について振幅と位相とを表す複素平面上でのベクトル図
である。すなわち、照射光Ａ１に対して、微細位相パタ
ーンでθだけ位相変換を受けた光はＡ２となり、この位
相変換量は極めてわずかであるため、Ａ、とＡ２との強
度差がほとんどなく、ベクトルａに対応する位相パター
ンによる位相変換情報を検出することはできない。

このような従来の構成に対し、第１図に原理的構成を示
した本願発明においては、位相部材２０が、位相を例え
ば１／４ｍ長、即ち９０″だけ進める第１位相領域Ａと
、位相差を生じない第２位相領域Ｂとを有し、コヒーレ
ント光源ｌからの波面が互いに９０＠だけ位相の異なる
２つの領域に分割される。そして、集光対物レンズ４と
光電検出手段５との間に配置された遮光部材３０は、位
相部材によって区分された第１位相領域Ａと第２位相領
域Ｂとの一方の領域を遮光する。図示した構成では第２
領域Ｂに対応する領域を遮光し、被検物体３からの０次
回折光のうち第１領域Ａに対応する光のみが光電検出器
５に入射するように構成されている。

いま、被検物体３上に位相パターンが存在しない場合に
は、遮光部材３０による開口領域（第１位相領域Ａに対
応）Ａ゛に達する光は、第２図（Ａ）に示す如く、第１
位相領域Ａからの先人〇のみであり、遮光部材３０の遮
光領域（第１位相領域已に対応）Ｂ°上に達する光は、
第２図（Ｂ）に示す如く、第２位相領域Ｂからの光Ｂ０
のみである。第１位相領域Ａからの光Ａ０の位相が、第
２位相領域Ｂからの光Ｂ６に対して９０”位相が進んで
いるのは、位相部材２０による。

そして、被検物体３上に微細な位相パターンが存在する
場合には、遮光部材３０の開口領域（第１位相領域Ａに
対応）Ａ°上に達する光は、第３図（Ａ）に示す如く、
第１位相領域Ａからの光Ａに加えて、第１位相領域Ａか
らの光のうちで微細位相パターンによって位相変換を受
けて回折された光ａｌ＋及び第２位相領域Ｂからの光の
うちで微細位相パターンによって位相変換を受けて回折
された光ｂ！との合成となる。ここで、光ａ１の位相は
、光Ａ１に対して９０°異なるため干渉することがなく
、光Ａ１と同位相の光ｂ２が先人と干渉する。従って、
光電検出手段５によって検出される光の実質的合成振幅
は（ＡＩ＋ｂＺ）となり、微細位相パターンの存在する
点の光振幅が、それが存在しない点の光振幅Ａ１よりも
大きくなって明確な強度差として検出される。すなわち
、信号処理手段１０により、強度（Ａ＋）”の均一な視
野内において、微細位相パターンが（Ａ＋ｂ、）”の強
度として認識されるのである。ここで、微細位相パター
ンによって受ける位相変換が第３図（Ａ）の如く正であ
れば、視野内でより明るく認識され、負であれば視野内
でより暗く認識され、微細位相パターンの持つ位相情報
に応して明■ｒを生ずる。ここで、第１位相領域からの
回折光ａ１よりも第２位相領域からの回折光ｂ２の方が
大きいのは、位相部材による区分領域が第２位相領域Ｂ
の方が大きくなっており、第２位相領域Ｂからの光強度
がより大きいからである。

この場合、光強度Ａ、と光強度ｂｔとが同程度の大きさ
であることが両者の干渉効果を大きくし、位相パターン
による明暗差を強調できる。このためには、位相部材２
０において、遮光部材３０の開口領域に対応する領域の
光透過率を低下させることが一策であるが、信号処理手
段ｌＯによって任意に信号処理を行うことができるため
、例えば表示する視野内の直流成分を減衰させることに
よって、表示遮断１１においてコントラストを高めた表
示が容易に可能となる。

一方、遮光部材３０の遮光領域Ｂ゛に到達する光は、第
３図（Ｂ）に示す如く、第２位相領域Ｂからの光Ｂ１に
加えて、第２位相領域Ｂからの光のうちで微細位相パタ
ーンによって位相変換を受けて回折された光ｂ１．及び
第１位相領域Ａからの光のうちで微細位相パターンによ
って位相変換を受けて回折された光ａ２との合成となる
。ここで、光ｂ１の位相は、光Ｂ１に対して９０″′異
なるため干渉することがなく、光Ｂ１と同位相の光ａ２
が光Ｂ１と干渉する。従って、遮光部材３０の構成を第
１図に示したのとは逆に、第１位相領域Ａに対応する領
域Ａ゛を遮光し、第２位相領域Ｂに対応する領域Ｂ°の
光を１ｆｆｉ遇させる構成とすれば、強度Ｂ１の均一な
視野内において、微細位相パターンが（Ｂｌ　　　ａｚ
）”の強度としてＬｅ、識することが可能となる。この
場合は、第３図（Ａ）の場合と逆に、位相パターンによ
る位相変換が正であれば−様な視野内で微細位相パター
ンがより暗い像として認識され、位相変換が負であれば
より明るい像として認識されることになる。

上記第３図（Ａ）及び第３図（Ｂ）の何れの状態として
検出するかは任意であるが、第３図（Ａ）の場合のよう
に、位相部材２０において区分される２つの位相領域の
うち広い領域に対応する領域を遮光する構成とした方が
、回折光の受光量が比較的大きくなるため効率的であり
、コントラストがよくなる。

ところで、第１図に示し如く、光電検出手段において、
集光対物レンズにより集光された被検物体からの光束の
うち位相部材の第１位相領域と第２位相領域との一方に
対応する領域の光と他方に対応する領域の光とを分離す
るために、一方の領域を遮光する遮光部材を設けるので
はなく、第１と第２の位相領域に対応する領域の光をそ
れぞれ独立に分離して受光する構成とすることも可能で
ある。この場合には、被検査物体上の微細位相パターン
の像を、背景に対してより明るいパターンとして得られ
ると同時に、より暗いパターンとしても得ることが可能
となる。尚、信号処理手段によって表示手段１１上の明
暗を反転することは容易である。

また、上記の如き本発明の構成においては、遮光部材を
通過する領域、即ち第１図に示した構成では位相板によ
る第１位相領域の大きさが波長程度に極めて小さい場合
には、位相板と検出用の遮光板との共役関係を保つこと
が必要となるが、位相板の位相変換領域の大きさは波長
に比べれば十分に大きいため、実用上は位相板と遮光板
とが共役でなくても問題はない。

〔実施例〕

以下に、本発明の実施例について説明する。

第４図（Ａ）は本発明による第１実施例の概略構成を示
す光路図である。

コヒーレント光源としてレーザｌを用い、このレーザは
ビーム径を所定の大きさとするためのビームエキスパン
ダ等を含んでいる。レーザ１からの光束は位相板２１で
部分的に位相変換を受けた後、照射対物レンズ２により
被検物体３上に集光される。被検物体３からの光は集光
対物レンズ４によって集光され、遮光板３１の開口部３
１ａを通過した光が光電検出器５に達する。光電検出器
５は受光光の強度に応じた信号を発し、信号処理手段１
０に入力され記憶されて表示手段ｌｌ上に所望の形態に
て被検物体３の位相情報を表示する。

ここで、位相板２１は第４図（Ｂ）の平面図に示される
如く、輪帯状の第１位相領域２１Ａと、これと相補的な
第２位相領域２１Ｂとを有しており、輪帯状の第１位相
領域２ＬＡは第２位相領域２１Ｂに対してｌ／４波長だ
け位相が早められる。また、遮光板３１は位相板２１の
輪帯状第１位相領域２１Ａに対応する輪帯状の開口部３
１ａを有しており、その他の領域に達する光を遮断する
。

従って、光電検出器５によって受光される被検物体から
の光により、前記第３１１　（Ａ）の如く、微細位相パ
ターンの位相情報を光強度変化として検出することが可
能となり、走査手段としての走査ステージ６１を用いて
被検物体３を集光ビームに対して走査することによって
、微細位相パターンをコントラスト像として検出、表示
することができる。尚、本実施例の如く位相板２１の第
１位相領域を輪帯状としたため、微細位相パターンから
の回折光を最も効率良く検出することができ、微細位相
周期パターンのピンチの短いものもより鮮明に検出する
ことができる。また、位相部材の第１位相領域と第２位
相領域との位相差を１／４波長、即ち９０°としたが被
検物体や照明状態との兼ね合いによってはその他の位相
差を設ける構成とすることも可能であり、輪帯状とした
第１位相領域の輪帯の幅も適宜選定することが好ましい
。

第５図は、本発明よる第２実施例の概略構成を示す光路
図であり、ここでは被検物体と集光ビームとの相対的移
動のために、位相板２１と照射対物レンズ２との間に傾
角可変の走査ミラー６０を設け、レーザからの平行光束
が照射対物レンズ２に入射する角度を変化させることに
よって被検物体面上での集光ビームの位置を走査する構
成としている。ここで、走査ミラーによる反射光束の振
れ原点Ｐは、照射対物レンズ２の前側焦点に位置し、被
検物体３は照射対物レンズ２の後側焦点面上に位置する
と共に集光対物レンズ４の前側焦点に位置し、遮光板の
中心点Ｑは集光対物レンズ４の後側焦点面に一敗して配
置されている。

このような構成においても、被検物体上の微細位相パタ
ーンを明暗差として検出表示することが可能であり、走
査ミラー６０により点Ｐを中心として光束を走査して被
検物体上で２次元的に走査することにより、被検物体の
２次元像を簡単にすることが可能となる。また、走査ミ
ラー６０による光束の走査を一方向のみとし、これによ
る集光ビームの移動方向と直行方向に被検物体を載置す
る走査ステージ６１を移動する構成とすることによって
も、被検物体の２次元像を得ることができる。

尚、照射対物レンズ及び集光対物レンズに対する走査ミ
ラーと８光仮との位置関係は本実施例の構成に限られる
ものではない。すなわち、このように走査ミラーによっ
て被検物体上で光ビームを走査する構成においては、走
査ミラーによる反射光束の振れ原点Ｐが照射対物レンズ
２及び集光対物レンズ４に関して遮光板３１の中心点Ｑ
と共役に形成されることが必要であり、これによって位
相板２１の第１位相領域からのＯ次回折光が常に遮光板
３１の開口部３１ａに入射するように構成される。

第６図は本発明による走査型顕微鏡を反射型とした第３
実施例の構成を示す概略光路図である。

この実施例では、位相板２１と対物レンズ８との間に光
路の分割合成機能を有する半ｉ３過鏡７が配置されてお
り、被検物体３上に光束を集光する対物レンズ８が照射
対物レンズと集光対物レンズとの両者の機能を同時に兼
ねている。その他の構成は第４図（Ａ）〜（Ｃ）にて前
述した第１実施例の構成と同一であり、同一の機能を有
する部材には同一の図番を付した。従って、反射型とし
たこの第３実施例においても、被検物体３上の微細位相
パターンを明暗差として検出表示することが可能である
。尚、このような構成においては、半透過鏡７上に位相
変換領域を設けることによって、位相板２１の機能を半
透過鏡７に兼ねさせるように構成することも可能である
。

第７図に示した第４実施例は、前記第３実施例の構成に
おいて、遮光板３１と光電検出器５との間にコンデンサ
ーレンズ９を配置し、遮光板３１を１ｌｌｌ過する光を
光電検出器５上に集光する構成としたものである。これ
により、光電検出器５の受光面の大きさを小さくするこ
とが可能となる。

第７図の第４実施例のようなコンデンサーレンズを介し
て受光する構成は、前述の各実施例においても共通に有
効である。この場合、所謂コンフォーカル型の走査Ｂ微
鏡として、微小開口絞り３２を被検査物体と共役の位置
に配置すれば、被検物体面のピントの合った場合のみに
信号検出が可能となり、フォーカスの情報も得ることが
できる。

それゆえ、例えば対物レンズ８を光軸方向に移動させて
その各々の位置に対する信号の中から、最もコントラス
トまたは強度の強い信号をベストフォーカスの信号とす
ることによって被検物体の表面形状の変化の大きな場合
にも観測が可能となる。

尚、このようなコンフォーカル型とする構成は、反射系
に限らず透過系でも同様に可能である。

〔効　果〕

以上の如く、本発明によれば微小で僅かの位相差を有す
る物体をもコントラスト差として明瞭に認識することが
可能となる。そして、従来の位相差顕微鏡においては、
照明側に配置される開口と結像側に配置される位相板と
の共役関係が掻めて厳密に保たれることが必要であった
が、本発明の如き走査型顕微鏡における位相差法におい
ては、前述した如く実用上は位相板と遮光板との位置関
係が格別限定されることはなく、設計の自由度が高く製
造上も存利である。また、従来の位相差顕微鏡において
は、被検物体の位相差量に応じて位相領域の透過率を変
化させるために種々の位相板を用意しておく必要があっ
たが、本発明においては信号処理手段において適宜信号
処理を行うことができるため、被検物体上の位相パター
ンの位相状態に応じて最適のコントラスト状態にて表示
することが容易である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による走査型顕微鏡の原理的構成を示す
概略光路図、第２図（Ａ）（Ｂ）はそれぞれ被検物体に
位相パターンが存在しない場合の光の状態を説明する複
素平面図、第３図（Ａ）（Ｂ）はそれぞれ被検物体に微
細位相パターンが存在する場合の光の状態を説明する複
素平面図、第４図（Ａ）は本発明の第１実施例の概略（
Ｎ成を示す光路図、第４図（Ｂ）は位相板の平面図、第
４図（Ｃ）は遮光板の平面図、第５図は第２実施例の概
略構成を示す光路図、第６図は第３実施例の概略構成を
示す光路図、第７図は第４実施例の概略構成を示す光路
図、第８図（Ａ）は従来の走査型顕微鏡の概略構成を示
す光路図、第８図（Ｂ）は従来の構成において位相パタ
ーンからの検出光の状態を説明する複素平面図である。（主要部分の符号の説明〕ｌ・・・コヒーレント光源（レーザ）２・・・照射対物レンズ３・・・被検物体４・・・集光対物レンズ５・・・光電検出手段６．６１・・・走査手段２０．２１・・・位相部材２１Ａ・・・第１位相領域、　　２１Ｂ・・・第２位相
領域３０．３１・・・遮光部材３１ａ・・・遮光部材の開口部

Claims

【特許請求の範囲】１）コヒーレント光源と、該コヒーレント光源から供給
される光束を被検物体上に集光して照射する照射対物レ
ンズと、前記コヒーレント光源と該照射対物レンズとの
間に配置されて被検物体に達する光束波面に部分的な所
望の位相差を設けるための第１位相領域と第２位相領域
とを有する位相部材と、該被検物体からの光束を集光す
る集光対物レンズと、該集光対物レンズにより集光され
た被検物体からの光束のうち前記位相部材の第１位相領
域と第２位相領域との一方の領域に対応する光と他方に
対応する領域の光とを分離して受光する光電検出手段と
、前記被検物体と前記照射対物レンズによる光束の集光
位置とを相対的に走査するための走査手段とを有するこ
とを特徴とする走査型顕微鏡。２）前記光電検出手段は、前記位相部材による第１位相
領域と第２位相領域との一方の領域に対応する領域の光
を遮光するために、前記集光対物レンズにより集光され
る被検物体からの光束中に配置された遮光部材を有する
ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の走査型顕
微鏡。３）前記走査手段は前記被検物体を照射対物レンズの光
軸に対して垂直方向に移動するためのステージ部材を有
することを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第２項
記載の走査型顕微鏡。４）前記走査手段は前記位相部材と前記照射対物レンズ
との間に配置された傾斜角可変の走査ミラーを有し、該
走査ミラーにより反射される光束の振れ原点は前記照射
対物レンズ及び集光対物レンズに関して前記遮光部材と
ほぼ共役であることを特徴とする特許請求の範囲第１項
乃至第２項記載の走査型顕微鏡。５）前記コヒーレント光源と前記照射対物レンズとの間
に光路分割部材を有し、前記照射対物レンズが被検物体
からの反射光を集光する集光対物レンズとして、共用さ
れることを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第４項
記載の走査型顕微鏡。６）前記位相部材の第１位相領域と第２位相領２との位
相差がほぼ１／４波長であることを特徴とする特許請求
の範囲第１項乃至第５項記載の走査型顕微鏡。