JPH0280906A - 光学像コントラストを発生させる装置 - 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〕 この発明は、第一グリッドと、物面の第一グリッドの像
を発生させる投影装置と、第一グリッドの像と対象物と
の間の第一相対運動を発生させる第一装置と、第一グリ
ッドに幾何学的に類似な第二グリッドと、発生した第一
グリッドの像が第二グリッドの面でこの第二グリッドに
合同となるように結像倍率を選択し、物面を第二グリッ
ドの面に結像する装置とを装備した光画像コントラスト
を発生させる装置に関する。

〔従来の技術〕

古典的な光画像形成には、焦点深度と分解能に関して種
々の限界がある。これ等の深度と分解能は、特にモアレ
効果を用いた最近の装置とグリッドスケール法によって
向上しいる。この場合、光学変換器及び電子回路に関連
して、人間の目による直接的な像観察の要求とは異なっ
ている。

西独特許第３５２７０７４号公報から、主にステレオ操
作される顕微鏡に導入するために使用される、モアレパ
ターンを発生させる投影グリッドと基準グリッドを装備
した装置は公知である。この装置では、投影グリッドと
基準グリノドの相対位置を開閉可能な面に平行なガラス
板、主に周期的な交番開閉によって可変できる。この装
置は、モアレ効果によって生じる等高線によって対象物
の表面形態を測定するのに使用される。

この公知の装置は、高い顕微鏡分解能と深い焦点深度を
存する装置には適していない。投影グリッドと基準グリ
ッドは、固定した構造部品に統合する必要がある。相対
運動は後置した光学部品によって発生して周期的である
。基準グリッドは対象物に対して相対移動しないので、
物面全体だけを一様に観察するのでなく、ゴリッド開口
に結像した部分のみ観察される。

西独特許第２３６０１９７号公報、及びＧ１口、Ｘ１ａ
ｏ。

Ｇ、Ｓ、Ｋｉｎｏ、　５ＰＩＥ　Ｖｏｌ、　８０９．　
Ｓｃａｎｎｉｎｇ　ＩｍａｇｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇ
ｙ　１９８７．　ｐ、　１０７により、多数の物点を同
時観測する共焦点走査顕微鏡は公知である。この場合、
回転する点状グリッド円板にプコウ板）が使用されてい
る。

照明するため、この円板は対象物上に結像される。検出
すため、この対象物は前記円板上に逆結像される。

共焦点装置によって物面での分解能を改善でき、古典的
な顕微鏡に比べて深い焦点深度を得ることができる。多
くの点を同時観測することによって、公知の単一照明走
査顕微鏡に比べて、改善された光効率とより早い撮像が
行える。

照明ビーム光路と検出ビーム光路は、円板と対象物の間
で合致する。この合致は、検出光を散乱光と区別する場
合、重大な問題を引き起こし、この分離によって検出に
かなりな光の損失が生じる。

Ｘｌａｏ等著に引用された同じ原理によるＰｅｔｒａｎ
等の装置は、回転する円板の種々の領域から二つの穴を
照明ビーム光路と検出ビーム光路のために利用している
。従って、充分正確なニブコラ板を作製し、光学系を調
整することは非常に困難になる。何故なら、照明側の穴
のビーム光路が、物点を通過して照明側の穴に必ず正確
に一致し、しかも円板の全ての穴に対して一致する必要
があるからである。

〔発明の課題〕

この発明の課題は、モアレ装置と同時走査装置の利点を
統合し、その場合、部品経費を低減し簡単に調節できる
光学像のコントラストを発生させる装置を提供すること
にある。

〔課題の解決〕

上記の課題は、上記種類に属する装置の場合、第二グリ
ッドの面内で対象物の像と第一グリッドの像とが第二グ
リッドに比べて何時でも異なった相対運動速度を示し、
第二グリッドの面内で対象物の画像と第二グリッドの間
の第二相対運動を発生させる第二装置が配設してあり、
空間変調は物面中の対象物の光学特性に依存し、また時
間変調は第二グリッドとこのグリッド上に生じる第一グ
リッドの像の間の速度差に依存し、第二グリッドを通過
して空間変調と時間変調した光に対する検出装置を装備
していることによって解決されている。

他の有利な構成は、従属請求項２〜１４に記載されてい
る。

〔発明の効果〕

この発明による装置は、公知光学装置、特に顕微鏡に簡
単に組み込むことができる。

白色光に対してどんな光源でも使用できる。フリッカ−
測光法は、検出の光強度ないし結像時間と照明による対
象物の負担との間の効果的な妥協を与える。散乱光と反
射を防止し、光学の深度の段階変化を可能に１．２、超
分解能を達成できる。最良な分解能と焦点深度はグリッ
ドとし２て二次元点グリッドを用いて得られる。しかし
、装置の分解能と光強度の間をうまく妥協させることは
直線グレーテ・イングを用いても得られる。対象物を反
射光及び透過光の明視野と暗視野で観察できる。蛍光顕
微鏡の場合種々の利点が生じる。

適当な演算処理回路を用いると、付加的な光学及び光電
部品を用いないで自動焦点合わせが可能になる、 〔実施例］ この発明による装置の具体例を図面に模式的に示し、詳
しく説明する。

第１図にｔよ、先ず公知の顕微鏡が示し１．である。

対象物ｌは入射絞り３を備えた対物レンズ２とフィール
ド【／ンズ４とを通過して（中間）像面５上に結像し、
検出系６によって捕捉される。この検出系６は、目視観
察の場合、接眼レンズと１１で構成されるが、好ましく
は光電画像変換器、例えばＣＣＤカメラでも構成できる
。

対象物１の反射照明には、光源７、集束レンズ８とレン
ズつと１０を装備した装置が使用される。

ビームスプリッタ−１２を用いて、反射ビーム光路が結
像ビーム光路に導入される。

この発明によれば、上記の顕微鏡には第一グリッド１３
が挿入される。このグリッドは透明な円板に放射状の直
線グリッドに作製されていて、反射照明装置の照明絞り
面１１に配設してある。従って、グリッド１３の鮮明な
像が物面１に投影される。モータＩ４はグリッド円板Ｉ
３を回転させ、二の発明による第一相対運動である物面
のグリッド１３像の移動を発生させる。

物面５には、更に第二グリッド１５が配設してある。こ
のグリッドは第一グリッド１３と同じように、グリッド
円板として形成してあり、同じパターンから再生技術に
よって作製できる。

第二モータ１６は第二グリッド円板１５を回転させ、像
面５中の物面の像に対して第二相対運動を発生させる。

従って、この光学装置は照明絞り面１１を物面で反射さ
せて像面５に倍率１：１で結像させるように構成されて
いる。両方のグリッド１３と１５上では、それぞれ一つ
の平面が照明されるか、あるいは検出系６によって捕捉
される。

この平面は、対象’Ｔｈｌに対して顕微鏡の視野を完全
に利用させる。

第一グリッド１３の照明された面は、対象物１が構造の
ない状態で反射した場合、第二グリッド１５の検出面上
に同一形状に結像される。この場合、回転するグリッド
円板１３と１５の間に一定の相対角度関係が生じる。こ
の角度関係では、第一プリント１３の像が第二グリッド
１５で遮蔽される。モータ１４によって第一グリッド円
板１３は角速度ｗ＋、で回転し、モータ１６は第二グリ
ッド円板１５を上記の角速度とは異なる角速度Ｗ、。

で回転させる。

回転軸から付属するグリッド点までの半径方向の距離ｒ
と第一グリッド１３の位置周期又は格子定数から、対象
物１の点の照明を時間的に変調する円周間ｗ、＝Ｗ、、
−ｒ・Ωが生じる。

第二グリッド１５が運動すると、対象物１の像が像面５
でサンプリング走査され、検出系６に現れる。対象物１
の点の像は、図示した具体例のように「とΩが、両方の
グリッド１３．１５で同じ場合、周！１ＪＩＷ、＝Ｗ、
、・ｒ・Ωで時間的に変調される。

従って、像点の光強度の変調は二つの周期Ｗ１とｗ２の
重畳によって生じて、周期ｗ、＝Ｗ＋ｗ２の唸りが生じ
る（ヘテロダイン効果）。

即ち、検出系６によって像が捕捉され、その光強度は全
ての点で同時に唸り周期ｗ、で変調する。

変調が遅い場合、即ちＷｓ　＜　２０　Ｈｚで変調する
場合、上記像を人間の目で充分観察できる。この像は光
強度の振動の振幅コントラストを示す。即ち、典型的な
明るい個所は振動の強い振幅を示し、典型的な暗い個所
は変調されていない。

この発明による上記振幅コントラストを用いると、両方
のメンシュ又はグリッド１３と１５が適切に形成された
時、同時共焦点走査顕微鏡の全ての利点が得られる。従
って、高い空間周波数又は格子定数は、主に顕微鏡から
非コヒーレンス伝送できる半分から全空間周波数までの
範囲にある。

検出系６によって捕捉した像には、正確に計算した場合
、唸り周期ｗ８では変調していない成分、特に−様な光
と加算周期ｗ、＋ｗ、及びｗ２を有する成分が含まれて
いる。これ等の成分は簡単に濾波できる。従って、周期
ＷＩとＷ２をその差Ｗ５より大きく選定し、検出系６（
目、ＣＣＤカメラ）の時定数に合わせると有利である。

格子の向きにほぼ垂直に移動するグリッドを直線グレー
ティングで形成することを説明する。従って、装置は特
に光強度が強く、視野の１０％〜２０％を同時に良好に
観察できる。もちろん、超分解能はグリッドの向きに垂
直な方向でのみ住しる。従って、直線グレーティングを
使用する場合、超分解能の方向を対象物の優先方向に回
転させることのできる画像回転用の光学手段を装備する
と有利である。例えば、これにはビームスプリッタ−１
２と対物レンズ２の間の光路に回転プリズムを挿入する
ことができる。この方法は、例えば半導体素子の構造幅
の測定に特に適している。

グリッド１３と１５を点状開口を有する二次元グリッド
で形成すると、共焦点走査顕微鏡の最高の分解と焦点深
度が得られる。しかし、直線グレーティングを使用する
のに比べて、光強度の損失が生じる。

回転する円板グリッド１３．１５による外に、運動する
二つのグリッドと相対運動を発生させる装置１４．１６
を他の系によっても構成することができる。

透過光顕微鏡の場合、これに対する例が第２図に示して
ある。照明用の絞り３ａを装備した集光レンズ２ａは、
透過光顕微鏡の場合、更に絞り３ｂを装備した対物レン
ズ２ｂに対して必要になる。

照明装置の照明絞り面１１には、例えば平行直線格子で
ある第一グリッド１３が固定配設してある。

このグリッドは物面に結像されている。この像と物体ｌ
の間の第一相対運動は、回転可能な面平行ガラス板３４
と駆動部１４ａで構成された装置によって生じる。

第二グリッド１５と第二相対運動を発生させる第二装置
も同じ手段で構成すると有利である。

例えば、基板に圧電的に発生させた連続する超音波も、
又はグリッド１５ｂとして及び同時に相対運動用の装置
１６ｂとしての他の光学的手段も使用できる。この場合
、部品から生じる振動問題を伴うこの部品の運動を防止
できる。

第２図の例では、第二グリッド１５ｂと第二相対運動用
の第二装置１６ｂがそれに応じて形成される。更に、像
面５ａにブラング・セル３５が配設してある。二枚のレ
ンズ３６．３８及びその間に配設した位相板３７は、第
二グリッド１５ｂを通過した像を発生させる装置を補完
している。この像は、検出系６によって捕捉され、第１
図の例の場合のように処理される。ここでも、通常照明
ビーム光路に同じ装置が装備される。

第１図が適切な回路の例を示す、検出系６によって捕捉
された像を電子的に評価すると効果的である。

光バリヤ１７と１８によって、グリッド１３と１５が周
期Ｗ１とＷｚをサンプリングし、マルチプレクサ１９と
後置した低域濾波器２０によって唸り周ｕＭ　ｗ　ｓを
有する電子信号が形成される。この信号は光機械通路で
検出系６の像に刻み込まれている。この信号から、しき
い値検出器２１はシーケンス周期ｗ、の同期信号を形成
する。この同期信号は以下の動作を制御する。

１、左カメラＣＣＤカメラ６）の内容をリセットする。

２、切換開閉器２２は接点位置ＭからＡに切り換わる。

３、画像を蓄積する間撮像し、第一画像記憶器２３に伝
送する（画像Ａ）。

４、切換開閉器２２は接点位置ＡからＭに切り換わる。

５、カメラの内容をリセットする。

６、切換開閉器２２は接点位置ＭからＢに切り換わる。

７、上記３項と同じようであるが、第二画像記憶器２４
に伝送する（画像Ｂ）。

８、切換開閉器２２は接点位置ＢらＭに切り換わる。

こうして、経過は再び最初から始まる。同時に、しきい
値検出器２１の同期信号によって、画像記憶器２３と２
４からの画像ＡとＢが減算回路２５中で減算される、画
像の差Ｃの第三画像記憶器２６への伝送、及びデータを
、例えば画像表示装置２７に出力することが行われる。

画像ＡとＢの一定位相関係によって画像の差Ｃは、もは
や唸り周期ｗ５で変調されなくて、画像表示装置２７上
で通常の方法によって観察できる。カメラ６に達する像
の変調に対して同期信号の位相を調節して、変調画像が
最大強度の時、一方の画像Ａが、また最小強度の時、他
方の画像が撮像されるように、画像ＡとＢに対する↑最
像時間の間隔４３．４４を設定すると有利である。画像
の差Ｃは、この時最大コントラストを示す。

第３図には、検出系６の入力端での明るい物点、灰色の
物点及び黒い物点に対する光強度の時間変調が示してあ
る。これ等の曲線は、唸り周期Ｗ％で変調されている。

例えばこの発明による装置の周囲の明かりから生じる−
様な光成分の強度が零にならない。、黒い点４２の場合
でも零と異なる一定の値になるように作用する。時間間
隔４３では、最大強度の場合、操作３、つまり画像Ａの
撮像が行われる。時間間隔４４では、最小強度の場合、
操作７、つまり画像Ｂの撮影が行われる。

画像ＡとＢの差は、明るい点４０に対して大きな強度差
を、灰色の点４１に対して中間の強度差を、そして黒い
点４２に対して零の強度差を示す。

均一光成分は抑制され、画像変調の時間的に高い周波数
成分は画像蓄積時間によって時間間隔４３．４４にわた
って算定される。

図示したこの発明による装置は、種々の変わった光学系
にも有利に利用できる。

第４図により、センター絞り４５を用いて投影ビーム光
路で第一プリント１３の暗視野照明を行うと、検出系６
によって検出される像の一様成分を大幅に低減できる。

適当な（短波長の）光＃７と、場合によって照明ビーム
光路中のフィルター２９、及び主に二色分離器であるビ
ームスプリッタ−１２と検出系６との間に配設されてい
る照明ビーム光路用の阻１トフィルター３０を用いて蛍
光コントラストを付けことが達成される。しかも、蛍光
減衰時間を空間に依存して測定できる。

更に、第一グリッド１３の像と対象物１々の間の第一相
対運動を発生させる装置１４ムこは、速度調節装置２８
（第１図）を装備する必要がある。

第一グリッド１３の像を経由して対象物１上の光変調の
局部周波数Ｗ、が値２π／′Ｐ（Ｔ−蛍光減衰時間）に
近ずくと、変調した蛍光が検出系６中で強（減衰する。

第二相対運動を前記速度で発生させる第二装置１６も調
節でき、唸り周期Ｗ、を一定に維持すると有利である。

特別な光学的な経費をかけなくても、この装置を用いて
自動スポット焦点合わせ又はインテグレーション焦点合
わせを行うことができる。例えば、広い視野中の著しい
像領域を特定することができ、この領域に焦点を合わせ
ることができる。

そのため、検出系６によって検出された画像の調節可能
な面範囲の光強度振幅は、平面を介して統合される付加
的な組込装置３１が必要である。

対象物１と対物レンズ２の相対位置に対する位置決め装
置３３も同様に必要である。それには、鏡筒（対物レン
ズ２等）用のモータＺ方向駆動（３３ａ）と対象物Ｉの
ｘｙ方向電子位置決め装置３３ｂを組み合わせると効果
的である。第１図には、この様子が示してある。

組込装置３１は、画像記憶器２６から一定又は調節可能
な画像Ｃの領域を受は取り、この領域の全ての画素の光
強度に関して積分値を形成する。

検出系６にも点検出器上に画像領域をフォーカスさせる
ことができる。つまり、光学的な組込装置を使用できる
。選択した画像領域の焦点位置は、空間的に積算される
フリッカ−測光信号が一時的に最大振幅を示すとき定ま
る。この最大値は対物レンズ調整部３３Ａの制御回路３
２を用いて自動的に見出すことができる。

調べる対象物１が７三の付帯条件を満たせば、表面測定
も効果的に行える。古典的な光学装置の焦点深度の範囲
内の凹凸構造を有するコントラスのない対象物ｌの場合
、この発明による装置で検出できる深度の表面を主要な
フリッカ−測光信号の振幅の最大値から導ける。つまり
、異なった深度の表面状況を簡単に測定できる。このこ
とは、例えば半導体の構造を検査する場合に有利である
。

透過光装置の場合、同じ位相のずれを有する面が決定さ
える。

両方のグリッド１３．１５がこの発明による異なった速
度でなく同じ速度で運動する場合、つまりグリッド円板
１３．１５が同じ速度で運動する場合、この発明による
装置を原理的にＸ１ａｏ等及び西独特許第２３６０１９
７号公報の公知技術と同じ同時共焦点走査顕微鏡に変換
することができる。

しかし、そうすると、各県の利点を実際に得るため、両
グリッド円板の位相を最高精度で調節して一定に維持す
る必要がある。この問題は、二つのグリッドが異なる速
度を有するこの発明の装置の場合、明らかに生じること
はない。

ＰｅＬｒａｎ等の系に反して、グリッド円板の対称性に
関して極端な要求、つまりどの格子開口にも一定角度の
第二間隔を正確に合わせる必要があること、及び光学系
の調整を省略できると言う利点がある。これに反して、
両方のグリッド１３．１５に対するこの発明による類似
性ないしは合同条件を非常に簡単に達成でき、非常に狭
い範囲にも維持される筈である。

Ｘ１ａｏ等及び西独特許第２３６０１９７号公報による
系に反して、更に照明側のグリッドによって濾波された
光は明らかに検出系に達することができないので、−様
成分の光の問題を大幅に低減すると言う利点がある。こ
の発明による装置の場合にのみ、二つの画像の差を取る
ことによって（第１図と第３図；２２〜２６）説明した
簡単な一様光の抑制が可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、公知反射光顕微鏡に組み込んだ光学像のコン
トラストを発生させるこの発明による装置の具体例の模
式図を示す。 第２図は、異なったグリッド構成と相対運動を発生させ
る装置を装備したこの発明による透過光装置の具体例の
模式図を示す。 第３図は、種々の明るい対象点の光強度の時間変調グラ
フを示す。 第４図は、第一グリッドの暗視野照明のこの発明による
装置の模式図を示す。 図中引用記号： １・・・対象物、 ２・・・対物レンズ、 ５・・・像面、 ６・・・検出系、 ７・・・光源、 １３．１５・・・グリッド円板。 代理人　弁理士　　伊　藤　武　久

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、第一グリッド（１３）と、 物面の第一グリッド（１３）の像を発生させる投影装置
   と、 第一グリッド（１３）の像と対象物との間の第一相対運
   動を発生させる第一装置（１４）と、第一グリッド（１
   ３）に対して幾何学的に類似な第二グリッド（１５）と
   、 発生した第一グリッド（１３）の像が第二グリッド（１
   ５）の面でこの第二グリッドに合同となるように結像倍
   率を選択し、物面を第二グリッド（１５）の面に結像す
   る装置と、を装備した光学像のコントラストを発生させ
   る装置において、 第二グリッド（１５）の面内で対象物（１）の像と第一
   グリッド（１３）の像とが第二グリッド（１５）に比べ
   て何時でも異なった相対運動速度を示し、第二グリッド
   （１５）の面内で対象物の画像と第二グリッド（１５）
   の間の第二相対連動を発生させる第二装置（１６）が配
   設してあり、 空間変調は物面の対象物（１）の光学特性に依存し、ま
   た時間変調は第二グリッド（１５）とそれから生じる第
   一グリッド（１３）の像の間の速度差に依存し、第二グ
   リッド（１５）を通過し、空間変調と時間変調した光に
   対する検出装置（６）を装備している、 ことを特徴とする光学像のコントラストを発生させる装
   置。 ２、この装置は光学顕微鏡を使用していることを特徴と
   する請求項１記載の光学像のコントラストを発生させる
   装置。 ３、両方のグリッド（１３、１５）は、直線グレーテイ
   ングで形成してあることを特徴とする請求項１記載の光
   学像のコントラストを発生させる装置。 ４、両グリッド（１３、１５）と対象物（１）の間で像
   を回転させる可動光学手段が装備してあることを特徴と
   する請求項３記載の光学像のコントラストを発生させる
   装置。 ５、両方のグリッド（１３、１５）は、二次元グリッド
   として形成されていることを特徴とする請求項１記載の
   光学像のコントラストを発生させる装置。 ６、二つのグリッド（１３、１５）を透過振幅フィルタ
   ーとして円板に装着し、第一相対運動と第二相対運動を
   異なった角速度で発生させるモータ（１４、１６）によ
   って両方のグリッドを回転させる（第１図）ことを特徴
   とする請求項１記載の光学像のコントラストを発生させ
   る装置。 ７、両方のグリッド（１３、１５）と対象物（１）との
   間に、可動するビーム偏向光学手段（３４）が第一又は
   第二相対運動を発生させる第一又は第二装置として配設
   してある（第２図）ことを特徴とする請求項１記載の光
   学像のコントラストを発生させる装置。 ８、両方のグリッドを移動させる駆動部は、第一又は第
   二相対運動を発生させる第一又は第二装置として配設し
   てある（第１図）ことを特徴とする請求項１記載の光学
   像のコントラストを発生させる装置。 ９、両グリッド（１３、１５）の各一個と相対運動を発
   生させる付属装置（１４、１６）は、制御可能な光学部
   材として共通に形成してある（第２図）ことを特徴とす
   る請求項１記載の光学像のコントラストを発生させる装
   置。 １０、両方のグリッド（１３、１５）は、同じパターン
   による再生技術を用いて作製されていることを特徴とす
   る請求項１記載の光学像のコントラストを発生させる装
   置。 １１、検出装置として、第二グリッド（１５）の面（５
   ）に直接接続する光電画像変換系（６）が配設してあり
   、この系はある時間周期で第二グリッド（１５）を通過
   した光の像を形成することを特徴とする請求項１記載の
   光学像のコントラストを発生させる装置。 １２、時間をずらして検出した二つの像の差を形成する
   系（２２、２３、２４、２５、２６）が後置してあり、
   この系は対象物（１）の像を光強度の時間変調なしに発
   生させることを特徴とする請求項１１記載の光学像のコ
   ントラストを発生させる装置。 １３、投影装置（２、３、７〜１２）は、第一グリッド
   （１３）の像を対象物（１）中で蛍光励起に適した光を
   用いて物面に発生させ、 対象物（１）と第二グリッド（１５）との間に、投影装
   置（２、３、７〜１２）の光の波長に対する阻止フィル
   ター（３０）が配設してあり、 第一相対運動を発生させる第一装置（１４）は、少なく
   とも速度調節装置を保有している、ことを特徴とする請
   求項１記載の光学像のコントラストを発生させる装置。 １４、投影装置（２、３、７〜１２）に対して対象物（
   １）の位置用の位置決め装置（３３ａ、ｂ）と物面の結
   像装置（２、３、４、１２）が装備してあり、 光電画像変換系（６）には、発生した像の調節可能な平
   面範囲の光強度の振幅をこの面に渡って積分する積分装
   置（３１）が後置してあることを特徴とする請求項１１
   記載の光学像のコントラストを発生させる装置。 １５、第一グリッド（１３）の像を物面に発生させる投
   影装置（７〜１２）は、第一グリッド（１３）の暗視野
   照明用の絞り（４５、４６）を装備していることを特徴
   とする請求項１記載の光学像のコントラストを発生させ
   る装置。