JPH0221203A - 位相差検出装置 - Google Patents

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、微小透明物体の厚み、形状などを検出するデ
ジタル式位相差顕微鏡などに用いられ得る位相差検出装
置に関するものである。

従来の技術 ガラス板上の透明電極のような透明微小物体や、生きた
細胞や組織などのように、無色透明でただ屈折率や厚み
が周囲と異なるにすぎない部分が多くコントラストが極
めて弱い被測定物体の厚み、寸法、形状などを観測する
ために、位相差顕微鏡が開発されている。このような位
相差顕微鏡の一種に、レーザ光を出力するゼーマンレー
ザと、偏光ビームスプリフタにてレーザ光をＳ波および
Ｐ波に分割して一方を被測定物体中を通過させた後、再
び偏光ビームスプリフタによって合波する光学系と、こ
の合波光を検出することにより干渉ビート信号を出力す
るホトセンサと、その干渉ビート信号と基準ビート信号
との位相差を検出して、位相差を示すアナログ信号を出
力する位相計とを備え、被測定物体をレーザ光に対して
直交する方向へ相対移動させつつ逐次得られた位相差に
基づいて被測定物体の厚みや形状などを表示するものが
ある。

発明が解決しようとする課題 このようなデジタル式位相差顕微鏡においては、高い安
定性能を備えたレーザ光源、たとえば高安定化ゼーマン
レーザが用いられるが、このような高安定化ゼーマンレ
ーザでも、−ａに、それから出力されるレーザ光につい
て１０−９程度の高い周波数安定度が得られるけれども
、それから出力される直交２周波のレーザ光のビート周
波数については１０−３程度の低い周波数安定度しか得
られない。このため、被測定物体の通過による位相差を
高い精度にて測定することができず、被測定物体の厚み
や形状などを充分な精度で検出することが出来ない場合
があった。

本発明は以上の事情を背景として為されたものであり、
その目的とするところは、たとえば位相差顕微鏡におい
て、被測定物体の通過による位相差、およびこの位相差
に基づいて得られる被測定物体の厚みや形状などを充分
な精度で検出することを可能とするために、被測定物体
の通過による位相差を高精度にて検出できる位相差検出
装置を提供することにある。

課題を解決するための手段 斯る目的を達成するため、本発明の要旨とするところは
、被測定物体を透過した光が受ける位相差を高精度に検
出する位相差検出装置であって、（ａ）レーザ光を出力
するレーザ光源と、（ｂ）前記レーザ光を２つの光路に
分離し、一方の光路のレーザ光を前記被測定物体に通過
させた後、その２つの光路のレーザ光を合波する光学装
置と、（Ｃ１前記２つの光路のレーザ光間に周波数差を
形成するためにそれら光路の少なくとも一方に設けられ
、通過するレーザ光の周波数を変化させる音響光学変調
素子と、（ｄ）前記光学装置により合波されたレーザ光
を受光し、前記２つの光路のレーザ光間に形成される周
波数差と同様の周波数を基本的に備え且つ前記被測定物
体による位相差情報を含む位相差ビート信号を出力する
ホトセンサと、（ｅ）前記音響光学変調素子により形成
される周波数差を有する基準ビート信号と前記位相差ビ
ート信号とに基づいて、前記被測定物体により与えられ
た位相差を計数するデジタル式位相差検出回路とを、含
むことにある。

作用および発明の効果 このようにすれば、前記２つの光路の少なくとも一方に
介在させられた音響光学変調素子により、２つの光路の
レーザ光間に周波数差が形成されるので、極めて安定し
たビート周波数が得られる。

すなわち、音響光学変調素子には、水晶のような超音波
発振子からの表面弾性波が伝播される基板が設けられて
おり、その超音波発振子は、結晶振動子を備えた発振回
路からの安定した周波数の駆動信号により励振されるよ
うになっているため、このように構成された音響光学変
調素子を透過したレーザ光には、極めて安定した周波数
シフトが付与されるのである。したがって、ビート周波
数の安定度が低いレーザ光源を用いる従来の場合に比較
して、高い精度にて位相差が測定され得て、被測定物体
の厚みや形状などを充分な精度で検出することが出来る
のである。

実施例 以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明す
る。なお、以下の説明において、各光学素子は、図示し
ない機枠に固定されて、相対位置が変化しないように設
けられている。

第１図において、レーザ光源１０からは、単一周波数の
直線偏光であるレーザ光が出力されるようになっており
、偏光ビームスプリッタ１２により、偏波面が互いに直
交するＳ波（Ｓ偏光成分）とＰ波（Ｐ偏光成分）とに分
割される。上記レーザ光の偏向面の偏光ビームスプリッ
タ１２に対する相対回転位置はこのように設定されてい
る。たとえば、上記レーザ光の偏向面は偏光ビームスプ
リッタ１２の入射面に対して４５°回転させられている
のである。偏光ビームスプリッタ１２を透過させられた
Ｐ波は、第２レンズ１８により被測定物体１６に集光さ
せられるとともに、この被測定物体１６を透過したＰ波
は第２レンズ１８により平行光線に変換される。上記第
ルンズ１４および第２レンズ１８は、被測定物体１６か
ら焦点距離だけ離れてそれぞれ位置させられているので
ある。また、被測定物体１６は、Ｘ−Ｙ駆動装置２０に
よって位置決めされるＸ−Ｙテーブル２２上に載置され
ており、被測定物体１６に対するＰ波の透過点が走査さ
れるようになっている。

上記のように被測定物体１６を透過したＰ波は、ミラー
２４によって反射された後、第１音響光学変調素子２６
を通過させられて、偏光ビームスプリッタ２８に到達す
る。第１音響光学変調素子２６は、所謂ＡＯＭとして知
られているものであり、高い音響光学効果を有する透光
性の基板３０と、この基板３０の端部に設けられた超音
波発振子３２とを備え、超音波発振子３２から発生させ
られる表面弾性波に対応した周期的な屈折率変化に従う
回折作用により、透過光を偏向させるとともに周波数を
シフトさせる。上記超音波発振子３２には、固有の振動
周波数ｆ１を有する水晶振動子３４を備えたよく知られ
た発振駆動回路３６の出力信号が供給される。

前記偏光ビームスプリンタ１２により反射されたＳ波は
、ミラー３８により反射された後、第２音響光学変調素
子４０を透過させられて、偏光ビームスブリフタ２８に
到達する。第２音響光学変調素子４０も、高い音響光学
効果を有する透光性の基板４２と、この基板４２の端部
に設けられた超音波発振子４４とを備え、超音波発振子
４４から発生させられる表面弾性波に対応した周期的な
屈折率変化に従う回折作用により、透過光を偏向させる
とともに周波数をシフトさせる。上記超音波発振子４４
には、固有の振動周波数ｆ２を有する水晶振動子４６を
備えたよく知られた発振駆動回路４８の出力信号が供給
される。

第１音響光学変調素子２６および第２音響光学変調素子
４０においては、よく知られているように、上記表面弾
性波の角周波数をΩとし、回折光の次数をｍとすると、
周波数ｍΩだけがシフトさせられる。たとえば、１次回
折光の場合には周波数Ωだけシフトさせられるのである
。これにより、第１音響光学変調素子２６を通過したＰ
波、および第２音響光学変調素子４０を通過したＳ波に
は、水晶振動子３４および４６の作動に基づいた極めて
高い安定度、たとえば周波数安定度が１０−８程度の正
確な周波数ｆ、およびｆ２のシフトがそれぞれ施される
のである。なお、第１図の第１音響光学変調素子２６お
よび第２音響光学変調素子４０においては、０次回折光
がそれぞれ偏光ビームスプリンタ２８へ到達するように
見えるが、第１音響光学変調素子２６および第２音響光
学変調素子４０を通過した１次回折光が偏向ビームスプ
リンタ２８へ到達するようになっている。

偏光ビームスプリフタ２８は上記Ｐ波およびＳ波を合波
するものである。このようにして合波された位相差ビー
ト光は、上記Ｐ波およびＳ波の偏波面に対してそれぞれ
４５°傾斜させられた検光子５０を通してホトセンサ５
２により検出され、位相差ビート信号ｆカが出力される
。上記偏光ビームスプリッタ１２．２８、およびミラー
２４゜３８は、所謂マンハツエンダー干渉計を構成し、
レーザ光を２つの光路に分離し、τ方の光路のレーザ光
を前記被測定物体に通過させた後、その２つの光路のレ
ーザ光を合波する光学装置５６を構成している。なお、
検光子５０は、ホトセンサ５２により検出されるＰ波成
分とＳ波成分との割合を調節するためのものである。上
記位相差ビート光の強度ｉ、は、次式（１）のように表
され得、基本ビート周波数（ｒｔ　　　ｆｚ）を有する
とともに、被測定物体１６から付与される位相差情仰を
含んでいる。同様に、位相差ビート信号ｆＤも（１）式
により表され得る。たとえば上記周波数ｆ１およびｆ２
には８ＱＭ）Ｉｚおよび７９ＭＨｚがそれぞれ選択され
、このような場合には、上記基本ビート周波数（ｆ＋　
　　ｒｔ）はＩＭＨｚとなる。

１、、＝　’ｌ　＋　２ｃｏｓ　（２π（ｒｔ−ｒｇ）
＋Δｌ・　２π／λ＋Φ、ｔｙ） 但し、ΔｌはＰ波の光路とＳ波の光路との光路差（一定
）、λはレーザ光の波長、Φ８．は被測定物体１６の（
ｘ、ｙ）座標点における位相差である。

また、周波数ｆ、である発振駆動回路３６の出力信号お
よび周波数ｆ！である発振駆動回路４８の出力信号は、
それぞれ信号合成回路５４へ供給されており、ビート周
波数（ｆｔ　　　ｆ２）を有する基準ビート信号ｆ、が
信号合成回路５４から出力される。この基準ビート信号
ｒ、は、（２）式により表され得る。

ｆ　５＝ｃｏ！　　（２π（ｆｔ　　ｆｚ）　　）　　
　・・・（２１上記（１）式および（２）式から明らか
なように、Ｐ波の光路とＳ波の光路との光路差Δｌは一
定であるから、基本的には、（１１式から（２）式を差
し引くと、すなわち位相差ビート信号ｆＤから基・準ビ
ート信号ｆ、を差し引くと、被測定物体１６の（ｘ、ｙ
）座標点における位相差ΦＸ、が算出される。なお、位
相差Φ８．は、被測定物体１６の密度をｎ、厚さをｈと
すると、次式（３）により表され得る。

Φ□＝ｎ　−ｈ・２π／λ　　・　・　・（３）第２図
は、位相差Φ８．を算出するためのデジタル回路を示し
ている。図において、位相差ビート信号ｆＤおよび基準
ビート信号ｆ８は、増幅・波形整形器６０および６２に
より増幅され且つ矩形波に整形された後、第１カウンタ
６４および第２カウンタ６６へ供給される。これらカウ
ンタ６４および６６は、たとえばリングカウンタのよう
に構成されることにより、矩形波とされた位相差ビート
信号ｆＤおよび基準ビート信号ｆ、をそれぞれ計数する
ものであり、図示しないタイミング制御信号に従って計
数内容を第１ラツチ６８および第２ラツチ７０へ出力す
る。ラッチ６８および７０は、前記タイミング制御信号
に同期した信号に応答してカウンタ６４および６６から
供給された計数内容を新たに記憶するとともに減算器７
２へ記憶内容を供給する。減算器７２は、ラッチ６８お
よび７０から供給された計数内容の差を算出して第３ラ
ツチ７４へ供給する。第３ラツチ７４は前記タイミング
制御信号に同期した信号に従って減算器７２から供給さ
れた計数内容の差を新たに記憶するとともにデータバス
ライン７６へ記憶内容を出力する。この第３ラツチ７４
からは、位相差ビート信号ｆ、と基準ビート信号ｆｌｌ
との位相差を２πの倍数（整数）にて表した信号が出力
される。すなわち、位相差ビート信号ｒＤと基準ビート
信号ｒ、との位相差φ８．が次式（４）で表されるもの
とすると、Ｎ　ｘｙを表す信号が第３ラツチ７４から出
力されるのである。

Φ、、＝＜２π・ＮＸｙ＋φｍＶ）　　　・　・　・（
４）また、位相差ビート信号ｆ、および基準ビート信号
ｆ、は、他の増幅・波形整形器７８および８０により増
幅され且つ矩形波に整形された後、アンドゲート８２へ
供給されている。これによりアンドゲート８２は、上記
位相差ビート信号ｆＤおよび基準ビート信号ｆ、の位相
差のうち、２πよりも小さい位相差に対応した時間だけ
開かれる。

クロック信号発生器８４は、水晶振動子８６の固有振動
に基づいて予め定められた正確な周波数のクロック信号
ＳＫを発生し、第３カウンタ８８へ供給する。このため
、第３カウンタ８８には、２πよりも小さい位相差に対
応した数のクロック信号ＳＫが計数される。第３カウン
タ８８は、前記タイミング制御信号に従って計数内容を
第４ラツチ９０へ出力すると同時に、次の計数に備えて
クリアされる。第４ラツチ９０は、上記タイミング制御
信号に同期した信号に応答して入力信号を新たに記憶す
るとともに記憶内容をデータバスライン７６へ供給する
。位相差ビート信号ｆ、と基準ビート信号ｆ、との位相
差Φ８．のうち、２πよりも小さい部分、すなわち式（
４）のφ８．を表す信号が第３ラツチ７４から出力され
るのである。位相差を２πの倍数Ｎ　Ｘｙにて表す信号
、および位相差φＵを表す信号が出力される上記回路が
デジタル式位相差検出回路９１を構成している。

ＣＰＵ９２は、予めメモリ　（ＲＯＭ、、ＲＡＭなど）
９４に記憶されたプログラムに従って入力信号を処理し
つつ、モータ駆動回路９８を介して駆動電力をｘ−ｙ駆
動装置２０へ供給し、ｘ−ｙテーブル２２をＸまたはＹ
方向へ所定の速度で移動させる。これにより、ＣＰＵ９
２は、前記単位時間毎に位相差Φｘｙを算出して記憶す
るとともに、表示器９６上に表示する。第３図は、被測
定物体１６がガラス板上の透明電極である場合の表示例
を示している。第３図の縦軸の位相差は厚み寸法に対応
し、横軸の時間は送り距離（走査距離）に対応するので
、図に示された曲線から、透明電極の厚み寸法ｔ、幅寸
法Ｗ、断面プロファイル、電極間距離ｄなどが測定され
得る。

上述のように、本実施例によれば、第１音響光学変調素
子２６および第２音響光学変調素子４０による周波数シ
フトは、水晶振動子３４および４６による１０−’程度
の高い周波数安定度に基づいて発振駆動回路３６．４８
から発生する駆動信号にて行われ、それら第１音響光学
変調素子２６および第２音響光学変調素子４０がＳ波お
よびＰ波の光路に介挿されることにより、基準ビート信
号のビート周波数（ｒ＋−ｒｚ）および位相差ビート信
号の基本的なビート周波数（ｆｌ−ｆ２）が決定される
ので、極めて高い精度にて位相差の測定が行われ得る。

したがって、被測定物体１６０寸法や形状を充分な精度
にて測定することができる。

次に、本発明の他の実施例を説明する。なお、以下の説
明において前述の実施例と共通する部分には同一の符号
を付して説明を省略する。

第４図においては、第１音響光学変調素子２６および第
２音響光学変調素子４０が、Ｓ波の光路に介挿されてい
る。レーザ光（Ｓ波）の周波数をｒｏとすると、上記の
第１音響光学変調素子２６および第２音響光学変調素子
４０を通過したＳ波の周波数はｆｏ−１１，−ｆ２とな
る。第５図は、この作用を詳しく示す図である。図にお
いて、第１音響変調素子２６を透過した光のうちＯ次回
折光は遮光板１００により阻止され、１次回折光だけが
第２音響変調素子４０へ到達する。この１次回折光はｆ
ｌのシフトを受け、その周波数はｆ０＋ｒ、となる。続
いて、第２音響変調素子４０を透過した光のうちＯ次回
折光は遮光板１０２により阻止され、−１次回折光だけ
が偏光ビームスプリッタ２８へ到達する。この−１次回
折光は−ｆ２のシフトをさらに受け、結局その周波数は
ｆ０＋ｆ、−ｆ２となるのである。一方、Ｐ波の周波数
は［。であるから、ホトセンサ５２から出力される位相
差ビート信号ｆ、の基本周波数は、前述の実施例と同様
に（ｆｌ　　ｆｚ）となる。したがって、前述の実施例
と同様の作用効果が得られるのである。

第６図は第１図に対応する他の実施例であり、第７図は
第４図に対応する他の実施例を示している。第６図およ
び第７図においては、前記偏光ビームスプリッタ１２に
替えて無偏光ビームスプリッタ１０４が設けられるとと
もに、無偏光ビームスプリッタ１０４により分割された
２つの光路のうちの一方にλ／２板１０６が配設されて
いる。

このような実施例においては、レーザ光源１０から出力
された直線偏光、たとえばＳ波は無偏光ビームスプリン
タ１０４により２分され、一方のＳ波は前述の実施例と
同様に偏光ブームスプリッタ２８により反射されてホト
センサ５２に向かい、他方のＳ波はλ／２板１０６によ
って偏波面が回転させられるので、偏光ビームスプリッ
タ２８を透過でき、ホトセンサ５２に向かう。これによ
り、第６図および第７図に示された実施例においても、
前述の実施例と同様の作用効果が得られる。

第８図の実施例においては、レーザ光源１０から出力さ
れたレーザ光（直線偏光）は、偏光ビームスプリッタ１
１０によってＳ偏光およびＰ偏光に分離される。一方の
Ｐ偏光は、第１音響光学変調素子２６によりｆ、の周波
数シフトが付与された後、ミラー１１２により反射され
て無偏光ビームスプリンタ１１４へ到達する。他方のＳ
偏光は、第２音響光学変調素子４０によりｆ２の周波数
シフトが付与された後、ミラー１１６により反射されて
無偏光ビームスプリッタ１１４へ到達する。

このようにして無偏光ビームスプリンタ１１４へ到達し
たＳ偏光およびＰ偏光は互いに合波され、たとえばｆ０
＋ｆ、およびｆ、＋ｆ、の２周波数を有し且つ偏波面が
互いに直交する２波から成る合成光とされる。この合成
光の一部は、検光子１１８を通してホトセンサ１２０に
より検出され、基準ビート信号ｆｌｌが出力される。ま
た、上記合成光の他の一部は、第１図或いは第４図の実
施例と同様に構成された光路において、偏光ビームスプ
リッタ１２によりＳ偏光およびＰ偏光に分離された後、
Ｐ偏光が被測定物体１６を通過させられてから、偏光ビ
ームスプリンタ２８により再びＳ偏光およびＰ偏光が合
波され、ホトセンサ５２により検出されるとともに、位
相差ビート信号ｆ。

が出力される。本実施例においては、基準ビート信号ｆ
Ｉｌが検光子１１８を通してホトセンサ１２０により検
出される特徴があるが、その他は、前述の実施例と同様
である。

以上、本発明の一実施例を図面に基づいて説明したが、
本発明はその他の態様においても適用される。

たとえば、前述の実施例では、Ｘ−Ｙテーブル２２を一
次元方向へ移動させつつ位相差を検出し、被測定物体１
６における一次元方向の厚み変化などが測定されていた
が、Ｘ−Ｙテーブル２２を固定した状態で位相差を検出
し、被測定物体１６の表面の変位を測定してもよいし、
Ｘ−Ｙテーブル２２を二次元方向へ移動させつつ位相差
を順次記憶し、その位相差に基づいて二次元画像を表示
させてもよいのである。

また、前述の実施例の発振駆動回路３６．４８は、水晶
発振子３４．４６を用いることにより高い周波数安定度
の駆動信号が出力されるように構成されていたが、他の
結晶を用いたり、他の方式の高安定度発振回路が用いら
れてもよい。

なお、上述したのはあくまでも本発明の一実施例であり
、本発明はその情神を逸脱しない範囲で種々変更が加え
られ得るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例の装置の構成を示す図であ
る。第２図は、第１図の実施例の回路を示すブロック線
図である。第３図は、第２図の回路からの出力例を示す
図である。第４図、第６図、第７図、および第８図は、
本発明の他の実施例の構成を示す第１図に相当する図で
ある。第５図は第４図の第１および第２音響光学変調素
子周辺を拡大してその作用を詳しく示す図である。 ｌＯ：レーザ光源 １６：被測定物体 ２６：第１音響光学変調素子 ４０：第２音響光学変調素子 ５２：ホトセンサ ５６：光学装置 ９１：デジタル式位相差検出回路

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 被測定物体を透過した光が受ける位相差を高精度に検出
   するための位相差検出装置であって、レーザ光を出力す
   るレーザ光源と、 前記レーザ光を２つの光路に分離し、一方の光路のレー
   ザ光を前記被測定物体に通過させた後、該２つの光路の
   レーザ光を合波する光学装置と、前記２つの光路のレー
   ザ光間に周波数差を形成するために該光路の少なくとも
   一方に設けられ、通過するレーザ光の周波数を変化させ
   る音響光学変調素子と、 前記光学装置により合波されたレーザ光を受光し、前記
   ２つの光路のレーザ光間に形成される周波数差と同様の
   周波数を基本的に備え且つ前記被測定物体による位相差
   情報を含む位相差ビート信号を出力するホトセンサと、 前記音響光学変調素子により形成される周波数差を有す
   る基準ビート信号と前記位相差ビート信号とに基づいて
   、前記被測定物体により与えられた位相差を計数するデ
   ジタル式位相差検出回路と、を含むことを特徴とする位
   相差検出装置。