JPH04208913A - 光導波路デバイス及びそれを用いたコンフォーカルレーザ走査微分干渉顕微鏡 - Google Patents
光導波路デバイス及びそれを用いたコンフォーカルレーザ走査微分干渉顕微鏡Info
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- JPH04208913A JPH04208913A JP2400212A JP40021290A JPH04208913A JP H04208913 A JPH04208913 A JP H04208913A JP 2400212 A JP2400212 A JP 2400212A JP 40021290 A JP40021290 A JP 40021290A JP H04208913 A JPH04208913 A JP H04208913A
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
ＵＯＯＯＩ】
【産業上の利用分野】本発明はコンフシ−カルレーザ走
査顕微鏡に間する。 ［０００２］ （従来の技術）コンフォルカル１．・−・ザ走査顕微鏡
は、Ｉ／−ザ光源と、レーザ光源からの光束を被検物体
上に集光１、て光スポットを形成する照明光学系と、被
検物体からの光束を検出面上に集光する集光光学系と、
検出向上に集光、ぢねた光束を検出する検出手段と、被
検物体に対し、て光スポラ１−を相対的（＝移動させる
ための走査手段とを有し、被検物体上に１７−ザ光を集
光り、又検出面上においてもピンホール開口を通しで光
検出（ッている。このため、焦点深度が非常に浅いとい
う利点を有しており、種々の用途に用いられようとして
いる。 ［０００３Ｎ 【発明が解決しようとする課１５このようなＴコンフォ
・−カルレーザ走査顕微鏡を用いて、微分干渉像を得る
ためには、従来の一般的光学顕微鏡における微分干渉装
置の構成を用いて実現することができる。（７かしなが
ら、複雑な構成となり、しかも歪みの少ない特殊な対物
し・ンズ、ノマルスギープリズム、波長板等が必要であ
るため各光学検素の所望の精度での製造が困難であり、
高価な装置となるという欠点かあ・った。 ［０００４Ｎ本発明の目的は、小型にして製造の容易な
コンフォーカルレーザ走査微分干渉顕微鏡を得ることに
ある。 ［０００５Ｎ ［課題を解決する為の手段］ ト、記目的のために本発
明では導波路デバイスを用い、従来の構成とは全く異な
る原理により微分干渉像を得るものである。すなオ）ち
、］ンフォ・−カルレーザ走査顕微鏡において、光検出
手段にチャネル導波路が形成された基板を設け、該チャ
ネル導波路は前記検出面」−に入射端面を持つダブルモ
ード導波路領域と該ダブルモード導波路を２＊のシング
ルモー ド導波路に分岐ざぜる導波路分岐領域とを有し
、さらに分岐された２木のシングルモード導波路を伝搬
する光を各々検出する検出素子とを設けたものである。 ｉｏ ００６）ｌまた、照明光学系と集光光学系とで同
一の対物ｔ／レンズ共用Ｉ７た所謂落射照明型のコンフ
ォー・カルレーザ走査顕微鏡においては、検出手段にチ
ャネル導波路の形成された基板を設け、このチャネル導
波路は前記検出面上に端面を持°つダブルモー・ド導波
路領域と該ダブ７１−″計−ド導波路を３本のシング刀
・・モード導波路に分岐ざ刊゛る導波路分岐領域とを有
ゲイ）構成とし、該３本のシングルモード導波路の中央
０月−本にはｌｚ−ザ光源からの照明光束を導いて、λ
・１物１／ンズを介して被検物体１−′、に光スポット
を形成し、該：３本のシングル］″−ニード導波路の内
の外側の２本のシングルモード導波路を伝搬する光を各
々検出する検出素子を設けた構成とすることも可能であ
る。 ［０００７］ 【作用】本発明では、被検物体で反射されたレーザスポ
ットは、対物レンズ、結像レンズ等からなる集光光学系
によって、検出面上にて再びスポット像となる。このス
ポット像が形成される位置に、ダブルモードチャネル導
波路をスポット像の中心とダブルモードチャネル導波路
の中心が一致するように配置すると、導波路の幅方向の
スポット像振幅分布がスポット中心を原点としたとき偶
関数であればダブルモード導波路内には偶モードしか励
振されない。それ以外の場合は偶・奇両モードが励振さ
れる。ここでダブルモード領域に続いてシングルモード
チャネル導波路に分岐する導波路分岐領域を設けておけ
ば、偶モードのみ励振された場合は二つの分岐に等量の
光が分配され、それ以外の場合は偶モードと奇モードの
干渉が生じるため二つの分岐に分配される光量は一般に
＊＊等しくない。一般に被検物体に傾斜、すなわち物理
的な傾斜は勿論、屈折率傾斜など光路長を変化させるす
べての傾斜及び、光透過率分布又は光反射率分布の傾斜
があると、スポット像の振幅分布は奇関数成分をもつよ
うになり、このときダブルモード導波路内に偶・奇両モ
ードが励振されその結果二つの分岐に分配されると光量
が等しくなくなる。従って、二つの分岐を伝搬する光量
の差を検出することによって、被検物体の微視的な傾斜
を検出できることになる。 ［０００８］いま被検物の傾き角をθとし、ｓｉｎθ＝
αとする。傾きＯの場合のスポット振幅分布をＵ （Ｘ
）、ダブルモード導波路の固有界分布を偶・奇両モード
についてそれぞれｆｅ （ｘ） 、ｆｏ （ｘ）とする
とｕ （ｘ） 、 ｆｅ（ｘ）は偶関数、ｆｏ （ｘ）
は奇関数である。傾きのあるときのスポット振幅分布Ｕ
α（Ｘ）はに＝２π／λ（λ：波長）として と表される。 ［０００９］ここで、偶モードの励振効率η、は、ｙ※
［００１０１ ※ 【数１］ となり、一方今モードの励振効率η。 ［００１１１ は、 ★【数２］ ★ となる。積分範囲を適当に選び、この範囲でｌｋαＸ（
２πならば、 ｃｏｓ （ｋαｘ）≠１． ｓｉｎ （ｋαｘ）
’＝ｋａｘとなるから、ｕ （ｘ） 、ｆｏ （ｘ）
、 ｆｅ （ｘ）が一定の関数であることより、
☆☆山≠一定 η
。ｃｃｉα （４）となることがわかる。偶モー
ドと奇モードの干渉による光強度変化はＣＩ、Ｏ２を実
定数とし、φを分岐点に於ける偶・奇両モードの位相差
とすれば よって、ｅｘｐ（ｉφ）＝±ｉにとれば（５）はおおむ
ね ■＝Ｃ１２±２αｃｔ Ｃ２（６） となってαに比例した強度変化が得られ、いわゆる微分
像を得ることができる。 ［００１２］従って、このような微分像を得るために◆
◆は、ダブルモードとシングルモードとの分岐点に於て
、両モード間に９０°の奇数倍の位相差がもたらされる
ことが必要である。このために、前記ダブルモードの領
域の長さしは両モードのよく知られた完全結合長（偶・
奇両モードの位相差が１８０°となる長さ）をＬｃとし
た場合とするのが好ましい。 ［００１３］尚、 （１）式は物体の傾斜を考えている
か＊＊ら、位相物体を想定していることになる。本発明
は位相物体のみならず、強度変調物体（光の透過率又は
反射率が変化するような物体）にも適用でテ；゛る。こ
うした物体はたとえばαを実数として などと表現できる。このどき明らかに となるから、偶奇両モー ドの干渉によって二つの分岐
に一分配される光量比が最大となるのは分岐点に於て両
モード間に］−８０°の整数倍の位相差がもたらされた
２−き、即ぢ（５）式でｅｘｐ（ｉφ）−・ｉ−１と置
いた場合である。 ［００１４）よ−って、強度変調物体の微分作をみるに
、めにはダブルモード領域の長ざしは結合長Ｌｅの整数
倍Ｌ＝ｎｔｅ （ｍ＝１．２．−＝＞ （１
０）が好まし７い。即ぢ、ダブルモード領域の長ざり、
のとり方いかんによって物体の位相変調部分、又は強度
変調部分のみの微分像をみることができるわけである。 ［００１５３ 【実施例］図１−は本発明の第１実施例を示ｊ−概略構
成図であって、半導体レーザ尤源〕を出た光はハーフミ
ラ−２で反射され、周知のＸ−Ｙ２次元スキャニング手
段３を経て対物１／ンズ４に入射ｊ〜、物体面５に集光
される。 物体面５で反射し、た後再び対物シ２・ンズ４及びＸ−
Ｙ２次＊ビ、弓ｔスキヤニ：、ジグ手段３を経てハーフ
ミラ−２を透過した光は、基板６」二に形成されたチャ
ネル導波路７の入射端面が配置された検出面一ヒに集光
される。チャネル導波路７はダブルモー ド導波路であ
り、ダブルモード導波路７中を伝搬した光はやがて分岐
＠城８に達し２本のシングルモー ド導波路９、】−０
にパワーが分配され、基板６に接合された２つの光検出
器月、１−２に至る。ここでチャネル導波路７の入射端
がピンホールと同様の＠きをするので、この構成はコン
フォーカルレーザ走査顕微鏡を構成する。ここで、ハー
フミラ−２と対物レンズ４とが照明光学系を形成し、対
物レンズ４が集光光学系を形成している。 ［００１６）そして前述した通り、レーザスポットで照
明ざイ′また物体５上の一点に傾ぎがあった場合、チャ
ネル導波路７の入射端に結像し７たレーザスボッｌ−の
位相分布に傾斜が生じる。この傾斜によりダブルモ・−
ド導波路７内に偶・奇両モードが励振され、両モードの
干渉により２つの光検出器１１．１２に達する光パワー
の比が変化する。よって、作動検出手段１３によて）で
２つの検出器１１．２１２の出力の差動信号］４をとる
ことによって、物体面上の微小な凸凹を検知することが
できる。、−のときダブルモー ド領域の長さＬは、
完全結合長をＬｅと（，２で、とすればよく、この構成
が微分干渉系となることは４−でに述べた通りである。 具体的には、差動信号１４をＸ−Ｙ２次元スギャニンジ
グ段３から被検物体−１−における光ビームの位置に対
応させ−ｒ記憶し画像化するための制御手段１５により
、モニター１６に微分干渉像を表示することができる。 ［００１７］図２は本発明の第２実施例を示す概略構成
図であり、この構成では照明光学系と集光光学系とで対
物レンズ２８を共用し−Ｃおり、検出用の導波路の一部
がレーザ光を導くための照明系の（機能を併ぜ持−）て
いる。 レーザ光源２１．は半導体レーザであり、基板２２」―
に形成されたシングルモードチャネル導波路２３に対し
て光結合効率が最も大きくなるように、基板２２に固定
さ第１ている。 導波路２３に入射したレーザ光は分岐２４を経てダブル
モード導波路２５を伝搬する。導波路の分岐２４におい
ては、ダブルモ・−ド導波路２５に対して３本のシング
ルモード導波路が結合さ′４１でおり、真ん中のシング
ルモ・−ド導波路２３は照明用１八外側の２本のシング
ルモ・−ド導波路は後述する検出用に用いられる。この
とき真ん中のシングルモードチャネル導波路２３の中心
線とダブルモード導波路２５の中心線とが一致するよう
な位置関係にすることによって、真／’ｔノ中のシング
ルモードチャネル導波路２３からダブルモード導波路２
５へ入射する光は、ダブルモード導波路２５内で偶モー
ドＩ２．か励振しない。従って事実上レーザ光はシング
ルモ・−・ド状態で端面２６から６躬する。 ［０Ｏ１８３ダブルモード導波路２５の端面を射出する
照明光束は、Ｘ−Ｙ２次元スギャニンジグ段２７を経て
対物※※Ｉ／ンズレンに入射し、物体面２９＋６に集光
される。物体面２９で反射した後再び対物レンズ２８及
びＸ−Ｙ２２次元スキヤニジグ手段２７を経た光束は、
基板２２ト２に形成されたチャネル導波路２５の端面が
配置された検出面２Ｇ上に集光される、こ、こにレーザ
スポットが形成される。このあとは第１実施例と同じで
、物体面の傾斜に伴い２つのシングル二［−ｉ：チャネ
ル８波路３０．３１に分配されるパワー比が変わり、基
板２２に固定された光検出器３２．３３にて導波路３０
．３１からの光を検出（７差動信号３４をとねば、微分
干渉信号が得られる。図２においては、作動信号３４と
Ｘ−Ｙ２次元スキＡ・ニング手段２７からの信号により
画像化するための制御手段及びモニターは、図１に示し
た第１実施例の構成と同等であるため、省略した。 ［００１，９１図３は、本発明の第３実施例を示す概略
構成図であり、レーザ光源４］からの光束はコリメータ
１ノンズＩノンズ４２により平行光束に変換され、バー
・フミラ−，４３で反射されたのち、：］−Ｙ２次）ｔ
スキヤニ２フ手段４４を経て対物しンズ４５Ｌこより被
検物体４Ｇ］―に集光される。被検物体４６からの反射
光は対物１．？２・ズ４５の集光作用を受け、Ｘ−Ｙ２
次元スギャニンジグ段４４、ハーフミラ−４３を透過し
て検出手段に導かねる。、＝の第３実施例の構成では、
検出手段として２つの導波路デバイス５０．６０を用い
ており、各々の導波路デバイスに対して物体からの反射
光を供給するハ・−・フミラー７０が配置されている。 勿論ハーフミラ−７０は揺動鏡や着脱可能な反射ミラー
であっでもよい。各導波路デバイスには、図１に示１．
ｙ ノ、：、、第１実□ 絶倒の基板６上に形成された
導波路デバイスと同様に、それぞれダブルモード導波路
５１．６１とこれに続いて分岐された２本のシングルモ
ード導波路５２．５３及び６２．６３が設けられ、各々
のシングルモード導波路の射出端には光検出器５４．５
５及び６４．６５が接合されている。そして、各光検出
器からの信号の作動信号を得るための作動検出手段５６
．６６が設けられていることを前記図１の構成と同様で
ある。 ［００２０１ここで重要なのは、第１の導波路デバイス
５０及び第２導波路デバイス６０に於けるダブルモード
導波路領域５１．６１のそれぞれの長さＬｌ、Ｌ２であ
る。いま偶モードと奇モードの完全結合長をＬｃとおい
てＬ＋＝ｍＬｃ （ｍ＝１． ２．−＝）
Ｌ２＝ＬＣ（２ｍ＋１） ／２ （ｍ＝０． １
． ２．−）のように選べば、第１の導波路デバイス５
０の出力からは、ダブルモードとシングルモードとの間
に１８０°の整数倍の位相差がもたらされるために、物
体の強度分布の微分像を、また第２導波路デバイス６０
の出力からは、両モード間に９０°の奇数倍の位相差が
もたらされるため、物体の位相分布の微分像を、それぞ
れ取り出すことができる。尚、図３の構成においても、
制御手段及びモニターは、図１に示した第１実施例の構
成と同等であるため、省略した。 ［００２１１ところで、上述した各実施例は、いずれも
対物レンズを照明光学系と集光光学系とに共用するもの
で、所謂落射照明型の顕微鏡を構成しているが、本発明
においては、図２に示した第２実施例の如き構成を除い
て、被検物体の一方の側に照明光学系を、他方の側に集
光光学系を配置した所謂透過型顕微鏡としても構成し得
ることはいうまでもない。 ［００２２］また、上記の各実施例ではレーザ光源及び
光検出器は導波路デバイスに対して外付けとなっている
が、シリコン基板を用いれば、光検出器を導波路デバイ
スと同一基板上に構成することができ、またガリウム砒
素などの化合物半導体基板を用いればレーザ光源と光検
出器との両方を導波路と同一基板上にモノリシックに集
積でき、装置の小型・軽量・調整きの省力化はさらに進
めることができる。そして、ダブルモード導波路は近接
して配置された２本のシングルモード導波路で代用する
ことができる。さらに、２本のシングルモード導波路を
通過する光強度を検出する光検出素子からの作動信号に
対して、適当な処理を加えることにより種々のコントラ
ストをもつ画像が得られることは云うまでもない。 ［００２３］ 【発明の効果】以上のように本発明によれば、特別な対
物レンズもノマルスキープリズムや波長板等の格別の光
学素子も必要なく、導波路を用いた新しい原理に基づい
て小型で簡単な構成からなるコンフォーカル・レーザ走
査微分干渉顕微鏡を提供することができる。また、特に
図２に示した第２実施例の構成では、従来難しかったレ
ーザ光源と受光側ピンホールの位置合わせが不要となる
という利点も有している。そして、図３に示した第３実
施例で述べたようにダブルモード領域の長さしを変える
ことで物体の位相変調部分と強度変調部分とを独立にと
り出し、それらの微分像をみることもできる。この位相
情報・強度情報の分離は、本発明による顕微鏡の本質的
な特徴と有用性を示すものである。
査顕微鏡に間する。 ［０００２］ （従来の技術）コンフォルカル１．・−・ザ走査顕微鏡
は、Ｉ／−ザ光源と、レーザ光源からの光束を被検物体
上に集光１、て光スポットを形成する照明光学系と、被
検物体からの光束を検出面上に集光する集光光学系と、
検出向上に集光、ぢねた光束を検出する検出手段と、被
検物体に対し、て光スポラ１−を相対的（＝移動させる
ための走査手段とを有し、被検物体上に１７−ザ光を集
光り、又検出面上においてもピンホール開口を通しで光
検出（ッている。このため、焦点深度が非常に浅いとい
う利点を有しており、種々の用途に用いられようとして
いる。 ［０００３Ｎ 【発明が解決しようとする課１５このようなＴコンフォ
・−カルレーザ走査顕微鏡を用いて、微分干渉像を得る
ためには、従来の一般的光学顕微鏡における微分干渉装
置の構成を用いて実現することができる。（７かしなが
ら、複雑な構成となり、しかも歪みの少ない特殊な対物
し・ンズ、ノマルスギープリズム、波長板等が必要であ
るため各光学検素の所望の精度での製造が困難であり、
高価な装置となるという欠点かあ・った。 ［０００４Ｎ本発明の目的は、小型にして製造の容易な
コンフォーカルレーザ走査微分干渉顕微鏡を得ることに
ある。 ［０００５Ｎ ［課題を解決する為の手段］ ト、記目的のために本発
明では導波路デバイスを用い、従来の構成とは全く異な
る原理により微分干渉像を得るものである。すなオ）ち
、］ンフォ・−カルレーザ走査顕微鏡において、光検出
手段にチャネル導波路が形成された基板を設け、該チャ
ネル導波路は前記検出面」−に入射端面を持つダブルモ
ード導波路領域と該ダブルモード導波路を２＊のシング
ルモー ド導波路に分岐ざぜる導波路分岐領域とを有し
、さらに分岐された２木のシングルモード導波路を伝搬
する光を各々検出する検出素子とを設けたものである。 ｉｏ ００６）ｌまた、照明光学系と集光光学系とで同
一の対物ｔ／レンズ共用Ｉ７た所謂落射照明型のコンフ
ォー・カルレーザ走査顕微鏡においては、検出手段にチ
ャネル導波路の形成された基板を設け、このチャネル導
波路は前記検出面上に端面を持°つダブルモー・ド導波
路領域と該ダブ７１−″計−ド導波路を３本のシング刀
・・モード導波路に分岐ざ刊゛る導波路分岐領域とを有
ゲイ）構成とし、該３本のシングルモード導波路の中央
０月−本にはｌｚ−ザ光源からの照明光束を導いて、λ
・１物１／ンズを介して被検物体１−′、に光スポット
を形成し、該：３本のシングル］″−ニード導波路の内
の外側の２本のシングルモード導波路を伝搬する光を各
々検出する検出素子を設けた構成とすることも可能であ
る。 ［０００７］ 【作用】本発明では、被検物体で反射されたレーザスポ
ットは、対物レンズ、結像レンズ等からなる集光光学系
によって、検出面上にて再びスポット像となる。このス
ポット像が形成される位置に、ダブルモードチャネル導
波路をスポット像の中心とダブルモードチャネル導波路
の中心が一致するように配置すると、導波路の幅方向の
スポット像振幅分布がスポット中心を原点としたとき偶
関数であればダブルモード導波路内には偶モードしか励
振されない。それ以外の場合は偶・奇両モードが励振さ
れる。ここでダブルモード領域に続いてシングルモード
チャネル導波路に分岐する導波路分岐領域を設けておけ
ば、偶モードのみ励振された場合は二つの分岐に等量の
光が分配され、それ以外の場合は偶モードと奇モードの
干渉が生じるため二つの分岐に分配される光量は一般に
＊＊等しくない。一般に被検物体に傾斜、すなわち物理
的な傾斜は勿論、屈折率傾斜など光路長を変化させるす
べての傾斜及び、光透過率分布又は光反射率分布の傾斜
があると、スポット像の振幅分布は奇関数成分をもつよ
うになり、このときダブルモード導波路内に偶・奇両モ
ードが励振されその結果二つの分岐に分配されると光量
が等しくなくなる。従って、二つの分岐を伝搬する光量
の差を検出することによって、被検物体の微視的な傾斜
を検出できることになる。 ［０００８］いま被検物の傾き角をθとし、ｓｉｎθ＝
αとする。傾きＯの場合のスポット振幅分布をＵ （Ｘ
）、ダブルモード導波路の固有界分布を偶・奇両モード
についてそれぞれｆｅ （ｘ） 、ｆｏ （ｘ）とする
とｕ （ｘ） 、 ｆｅ（ｘ）は偶関数、ｆｏ （ｘ）
は奇関数である。傾きのあるときのスポット振幅分布Ｕ
α（Ｘ）はに＝２π／λ（λ：波長）として と表される。 ［０００９］ここで、偶モードの励振効率η、は、ｙ※
［００１０１ ※ 【数１］ となり、一方今モードの励振効率η。 ［００１１１ は、 ★【数２］ ★ となる。積分範囲を適当に選び、この範囲でｌｋαＸ（
２πならば、 ｃｏｓ （ｋαｘ）≠１． ｓｉｎ （ｋαｘ）
’＝ｋａｘとなるから、ｕ （ｘ） 、ｆｏ （ｘ）
、 ｆｅ （ｘ）が一定の関数であることより、
☆☆山≠一定 η
。ｃｃｉα （４）となることがわかる。偶モー
ドと奇モードの干渉による光強度変化はＣＩ、Ｏ２を実
定数とし、φを分岐点に於ける偶・奇両モードの位相差
とすれば よって、ｅｘｐ（ｉφ）＝±ｉにとれば（５）はおおむ
ね ■＝Ｃ１２±２αｃｔ Ｃ２（６） となってαに比例した強度変化が得られ、いわゆる微分
像を得ることができる。 ［００１２］従って、このような微分像を得るために◆
◆は、ダブルモードとシングルモードとの分岐点に於て
、両モード間に９０°の奇数倍の位相差がもたらされる
ことが必要である。このために、前記ダブルモードの領
域の長さしは両モードのよく知られた完全結合長（偶・
奇両モードの位相差が１８０°となる長さ）をＬｃとし
た場合とするのが好ましい。 ［００１３］尚、 （１）式は物体の傾斜を考えている
か＊＊ら、位相物体を想定していることになる。本発明
は位相物体のみならず、強度変調物体（光の透過率又は
反射率が変化するような物体）にも適用でテ；゛る。こ
うした物体はたとえばαを実数として などと表現できる。このどき明らかに となるから、偶奇両モー ドの干渉によって二つの分岐
に一分配される光量比が最大となるのは分岐点に於て両
モード間に］−８０°の整数倍の位相差がもたらされた
２−き、即ぢ（５）式でｅｘｐ（ｉφ）−・ｉ−１と置
いた場合である。 ［００１４）よ−って、強度変調物体の微分作をみるに
、めにはダブルモード領域の長ざしは結合長Ｌｅの整数
倍Ｌ＝ｎｔｅ （ｍ＝１．２．−＝＞ （１
０）が好まし７い。即ぢ、ダブルモード領域の長ざり、
のとり方いかんによって物体の位相変調部分、又は強度
変調部分のみの微分像をみることができるわけである。 ［００１５３ 【実施例］図１−は本発明の第１実施例を示ｊ−概略構
成図であって、半導体レーザ尤源〕を出た光はハーフミ
ラ−２で反射され、周知のＸ−Ｙ２次元スキャニング手
段３を経て対物１／ンズ４に入射ｊ〜、物体面５に集光
される。 物体面５で反射し、た後再び対物シ２・ンズ４及びＸ−
Ｙ２次＊ビ、弓ｔスキヤニ：、ジグ手段３を経てハーフ
ミラ−２を透過した光は、基板６」二に形成されたチャ
ネル導波路７の入射端面が配置された検出面一ヒに集光
される。チャネル導波路７はダブルモー ド導波路であ
り、ダブルモード導波路７中を伝搬した光はやがて分岐
＠城８に達し２本のシングルモー ド導波路９、】−０
にパワーが分配され、基板６に接合された２つの光検出
器月、１−２に至る。ここでチャネル導波路７の入射端
がピンホールと同様の＠きをするので、この構成はコン
フォーカルレーザ走査顕微鏡を構成する。ここで、ハー
フミラ−２と対物レンズ４とが照明光学系を形成し、対
物レンズ４が集光光学系を形成している。 ［００１６）そして前述した通り、レーザスポットで照
明ざイ′また物体５上の一点に傾ぎがあった場合、チャ
ネル導波路７の入射端に結像し７たレーザスボッｌ−の
位相分布に傾斜が生じる。この傾斜によりダブルモ・−
ド導波路７内に偶・奇両モードが励振され、両モードの
干渉により２つの光検出器１１．１２に達する光パワー
の比が変化する。よって、作動検出手段１３によて）で
２つの検出器１１．２１２の出力の差動信号］４をとる
ことによって、物体面上の微小な凸凹を検知することが
できる。、−のときダブルモー ド領域の長さＬは、
完全結合長をＬｅと（，２で、とすればよく、この構成
が微分干渉系となることは４−でに述べた通りである。 具体的には、差動信号１４をＸ−Ｙ２次元スギャニンジ
グ段３から被検物体−１−における光ビームの位置に対
応させ−ｒ記憶し画像化するための制御手段１５により
、モニター１６に微分干渉像を表示することができる。 ［００１７］図２は本発明の第２実施例を示す概略構成
図であり、この構成では照明光学系と集光光学系とで対
物レンズ２８を共用し−Ｃおり、検出用の導波路の一部
がレーザ光を導くための照明系の（機能を併ぜ持−）て
いる。 レーザ光源２１．は半導体レーザであり、基板２２」―
に形成されたシングルモードチャネル導波路２３に対し
て光結合効率が最も大きくなるように、基板２２に固定
さ第１ている。 導波路２３に入射したレーザ光は分岐２４を経てダブル
モード導波路２５を伝搬する。導波路の分岐２４におい
ては、ダブルモ・−ド導波路２５に対して３本のシング
ルモード導波路が結合さ′４１でおり、真ん中のシング
ルモ・−ド導波路２３は照明用１八外側の２本のシング
ルモ・−ド導波路は後述する検出用に用いられる。この
とき真ん中のシングルモードチャネル導波路２３の中心
線とダブルモード導波路２５の中心線とが一致するよう
な位置関係にすることによって、真／’ｔノ中のシング
ルモードチャネル導波路２３からダブルモード導波路２
５へ入射する光は、ダブルモード導波路２５内で偶モー
ドＩ２．か励振しない。従って事実上レーザ光はシング
ルモ・−・ド状態で端面２６から６躬する。 ［０Ｏ１８３ダブルモード導波路２５の端面を射出する
照明光束は、Ｘ−Ｙ２次元スギャニンジグ段２７を経て
対物※※Ｉ／ンズレンに入射し、物体面２９＋６に集光
される。物体面２９で反射した後再び対物レンズ２８及
びＸ−Ｙ２２次元スキヤニジグ手段２７を経た光束は、
基板２２ト２に形成されたチャネル導波路２５の端面が
配置された検出面２Ｇ上に集光される、こ、こにレーザ
スポットが形成される。このあとは第１実施例と同じで
、物体面の傾斜に伴い２つのシングル二［−ｉ：チャネ
ル８波路３０．３１に分配されるパワー比が変わり、基
板２２に固定された光検出器３２．３３にて導波路３０
．３１からの光を検出（７差動信号３４をとねば、微分
干渉信号が得られる。図２においては、作動信号３４と
Ｘ−Ｙ２次元スキＡ・ニング手段２７からの信号により
画像化するための制御手段及びモニターは、図１に示し
た第１実施例の構成と同等であるため、省略した。 ［００１，９１図３は、本発明の第３実施例を示す概略
構成図であり、レーザ光源４］からの光束はコリメータ
１ノンズＩノンズ４２により平行光束に変換され、バー
・フミラ−，４３で反射されたのち、：］−Ｙ２次）ｔ
スキヤニ２フ手段４４を経て対物しンズ４５Ｌこより被
検物体４Ｇ］―に集光される。被検物体４６からの反射
光は対物１．？２・ズ４５の集光作用を受け、Ｘ−Ｙ２
次元スギャニンジグ段４４、ハーフミラ−４３を透過し
て検出手段に導かねる。、＝の第３実施例の構成では、
検出手段として２つの導波路デバイス５０．６０を用い
ており、各々の導波路デバイスに対して物体からの反射
光を供給するハ・−・フミラー７０が配置されている。 勿論ハーフミラ−７０は揺動鏡や着脱可能な反射ミラー
であっでもよい。各導波路デバイスには、図１に示１．
ｙ ノ、：、、第１実□ 絶倒の基板６上に形成された
導波路デバイスと同様に、それぞれダブルモード導波路
５１．６１とこれに続いて分岐された２本のシングルモ
ード導波路５２．５３及び６２．６３が設けられ、各々
のシングルモード導波路の射出端には光検出器５４．５
５及び６４．６５が接合されている。そして、各光検出
器からの信号の作動信号を得るための作動検出手段５６
．６６が設けられていることを前記図１の構成と同様で
ある。 ［００２０１ここで重要なのは、第１の導波路デバイス
５０及び第２導波路デバイス６０に於けるダブルモード
導波路領域５１．６１のそれぞれの長さＬｌ、Ｌ２であ
る。いま偶モードと奇モードの完全結合長をＬｃとおい
てＬ＋＝ｍＬｃ （ｍ＝１． ２．−＝）
Ｌ２＝ＬＣ（２ｍ＋１） ／２ （ｍ＝０． １
． ２．−）のように選べば、第１の導波路デバイス５
０の出力からは、ダブルモードとシングルモードとの間
に１８０°の整数倍の位相差がもたらされるために、物
体の強度分布の微分像を、また第２導波路デバイス６０
の出力からは、両モード間に９０°の奇数倍の位相差が
もたらされるため、物体の位相分布の微分像を、それぞ
れ取り出すことができる。尚、図３の構成においても、
制御手段及びモニターは、図１に示した第１実施例の構
成と同等であるため、省略した。 ［００２１１ところで、上述した各実施例は、いずれも
対物レンズを照明光学系と集光光学系とに共用するもの
で、所謂落射照明型の顕微鏡を構成しているが、本発明
においては、図２に示した第２実施例の如き構成を除い
て、被検物体の一方の側に照明光学系を、他方の側に集
光光学系を配置した所謂透過型顕微鏡としても構成し得
ることはいうまでもない。 ［００２２］また、上記の各実施例ではレーザ光源及び
光検出器は導波路デバイスに対して外付けとなっている
が、シリコン基板を用いれば、光検出器を導波路デバイ
スと同一基板上に構成することができ、またガリウム砒
素などの化合物半導体基板を用いればレーザ光源と光検
出器との両方を導波路と同一基板上にモノリシックに集
積でき、装置の小型・軽量・調整きの省力化はさらに進
めることができる。そして、ダブルモード導波路は近接
して配置された２本のシングルモード導波路で代用する
ことができる。さらに、２本のシングルモード導波路を
通過する光強度を検出する光検出素子からの作動信号に
対して、適当な処理を加えることにより種々のコントラ
ストをもつ画像が得られることは云うまでもない。 ［００２３］ 【発明の効果】以上のように本発明によれば、特別な対
物レンズもノマルスキープリズムや波長板等の格別の光
学素子も必要なく、導波路を用いた新しい原理に基づい
て小型で簡単な構成からなるコンフォーカル・レーザ走
査微分干渉顕微鏡を提供することができる。また、特に
図２に示した第２実施例の構成では、従来難しかったレ
ーザ光源と受光側ピンホールの位置合わせが不要となる
という利点も有している。そして、図３に示した第３実
施例で述べたようにダブルモード領域の長さしを変える
ことで物体の位相変調部分と強度変調部分とを独立にと
り出し、それらの微分像をみることもできる。この位相
情報・強度情報の分離は、本発明による顕微鏡の本質的
な特徴と有用性を示すものである。
【図１】第１実施例の概略構成図。
【図２】第２実施例の概略構成図。
【図３】第３実施例の概略構成図。
１、 ２１． ４１ レーザ光源
７、２５，５１．６１ ダブルモード導波路９ 、１
０．３１．３２．３３．５２．５３．６２．６３ シン
グルモード導波路１１、１２．２１．３２．３３．５４
．５５．６４．６５ 光検出器
０．３１．３２．３３．５２．５３．６２．６３ シン
グルモード導波路１１、１２．２１．３２．３３．５４
．５５．６４．６５ 光検出器
【図１．】
Claims (5)
- 【請求項１】レーザ光源と、該レーザ光源からの光束を
集光して被検物体上に光スポットを形成する照明光学系
と、該被検物体からの光束を検出面上に集光する集光光
学系と、該検出面上に集光された光束を検出する検出手
段と、該被検物体に対して前記光スポットを相対的に移
動させるための走査手段とを有するコンフォーカルレー
ザ走査顕微鏡において、前記光検出手段はチャネル導波
路が形成された基板を有し、該チャネル導波路は前記検
出面上に入射端面を持つダブルモード導波路領域と該ダ
ブルモード導波路を２本のシングルモード導波路に分岐
させる導波路分岐領域とを有し、さらに該検出手段は前
記分岐された２本のシングルモード導波路を伝搬する光
を各々検出する検出素子とを有し、該各々の検出素子に
よる検出信号によって被検物体の情報を得ることを特徴
とするコンフォーカルレーザ走査微分干渉顕微鏡。 - 【請求項２】レーザ光源と、該レーザ光源からの光束を
被検物体上に集光して光スポットを形成する照明光学系
と、該被検物体からの光束を検出面上に集光する集光光
学系と、該検出面上に集光された光束を検出する検出手
段と、該被検物体に対して前記光スポットを相対的に移
動させるための走査手段とを有するコンフォーカルレー
ザ走査顕微鏡において、前記照明光学系と集光光学系と
は同一の対物レンズを共用し、前記検出手段はチャネル
導波路の形成された基板を有し、該チャネル導波路は前
記検出面上に端面を持つダブルモード導波路領域と該ダ
ブルモード導波路を３本のシングルモード導波路に分岐
させる導波路分岐領域とを有し、該３本のシングルモー
ド導波路の中央の１本には前記レーザ光源よりの照明光
束を導いて前記対物レンズを介して被検物体上に導く構
成とし、さらに前記検出手段は前記３本のシングルモー
ド導波路の内の外側の２本のシングルモード導波路を伝
搬する光を各々検出する検出素子を有する構成とし、該
検出素子の検出信号によって被検物体の情報を得ること
を特徴とするコンフォーカルレーザ走査微分干渉顕微鏡
。 - 【請求項３】前記基板は半導体基板であり、前記光検出
素子は前記導波路と共に該半導体基板上にモノリシック
に形成されていることを特徴とする請求項１乃至２記載
のコンフォーカルレーザ走査微分干渉顕微鏡。 - 【請求項４】前記基板は半導体基板であり、前記光検出
素子及び前記レーザ光源は前記導波路と共に該半導体基
板上にモノリシックに形成されていることを特徴とする
請求項１乃至２記載のコンフォーカルレーザ走査微分干
渉顕微鏡。 - 【請求項５】前記チャネル導波路のダブルモード領域の
長さをＬとし、該ダブルモード領域内に於ける偶−奇モ
ードの完全結合長をＬｃとするとき Ｌ≒ｍＬｃ（ｍ＝１、２、・・・） Ｌ≒Ｌｃ（２ｍ＋１）／２（ｍ＝０、１、２、・・・）
のいずれかの関係を満たすことを特徴とする請求項１乃
至４記載のコンフォーカルレーザ走査微分干渉顕微鏡。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP40021290A JP2934715B2 (ja) | 1990-12-03 | 1990-12-03 | 光導波路デバイス及びそれを用いたコンフォーカルレーザ走査微分干渉顕微鏡 |
| DE69117455T DE69117455T2 (de) | 1990-12-03 | 1991-12-03 | Konfokales Laser-Abtastmikroskop mit Kontrast durch Differenz aus Interferenzsignalen |
| EP19910311256 EP0489580B1 (en) | 1990-12-03 | 1991-12-03 | Confocal laser scanning differential interference contrast microscope |
| US08/364,709 US5581345A (en) | 1990-12-03 | 1994-12-28 | Confocal laser scanning mode interference contrast microscope, and method of measuring minute step height and apparatus with said microscope |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP40021290A JP2934715B2 (ja) | 1990-12-03 | 1990-12-03 | 光導波路デバイス及びそれを用いたコンフォーカルレーザ走査微分干渉顕微鏡 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04208913A true JPH04208913A (ja) | 1992-07-30 |
| JP2934715B2 JP2934715B2 (ja) | 1999-08-16 |
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|---|---|
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- 1990-12-03 JP JP40021290A patent/JP2934715B2/ja not_active Expired - Fee Related
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