JPH0422811A - 光熱変位顕微鏡 - 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、光熱変位顕微鏡の信号検出方式、並びに装置
性能の改善に関する。

〈従来の技術〉 一般に、物体に断続光を照射すると、物体が膨張と収縮
を繰返し、物体及びその周囲に圧力変動か生じる（光音
響効果）、この光音響効果により発生する光音響信号を
用いて、光学順微鏡で絞り込まれた断続光を試料表面で
走査させることにより、試料の映像か得られる。

第４図はこのような光音響効果を利用した光熱変位顕微
鏡の従来例を示す構成図であり、信号検出にマイクロフ
ォンを用いた構成のものである。

第４図において、密閉されたセル２１の中に置かれた試
料２２に対物レンズ２３によって絞られた断続光を照射
する。この光の一部は表面で反射され、残りは試料２２
に吸収される。吸収された光のエネルギは熱に変わり、
試料２２内に拡散する。

拡散した熱の一部は試料２２の表面近房の気体に伝わり
、気体は膨脂収縮する。このためセル２１内の圧力が上
昇し、音響波が発生する。これをマイクロフォン２４で
検出し、マイクロフォン２４からの信号はロックインア
ンプ２５により同期増幅され、記録される。試料２２の
２次元像を得るためには、セル２１をＸ−Ｙ移動台２６
の上に固定して走査させれば良い。

〈発明が解決しようとする課題〉 しかしながら上記従来技術に示す光熱変位寥微鐘におい
て、光音響効果により発生する音響波の音圧は、１０’
Ｐａ程度と非常に小さく、マイクロフォン２４の検出限
界に近いため、Ｓ　／　Ｎ比の悪い測定となる。又、マ
イクロフォン２４は外部からの騒音や振動による影響を
受は易いので、信号増幅用としてロックインアンプ２５
を使用している。しかし、帯域幅を狭くする必要がある
ため、時定数を大きくしており、測定時間が長くなる。

更に、密閉されたセル２１が必要であるため、構造が複
雑となり、測定できる試料２２の大きさが利尿される等
の課題があった。

本発明は上記従来技術の課題を踏まえて成されたもので
あり、Ｓ／Ｎ比が良く、外部からの騒音や振動の影響を
受は誼い光熱変位参ＷＬ鏡を提供することを目的としな
しのて゛ある。

く課題を解決するための手段〉 上記課題を解決するための本発明の構成は、半導体レー
ザと、この半導体レーザの出力光を変調するための駆動
回路と、前記半導体レーザの出力光を試料上に絞り込む
ための対物レンズと、試料からの反射光を後述の変位検
出光学系へ導くためのビームスプリッタと、試料の微小
変位を検出するための変位検出光学系と、この変位検出
光学系から得られる出力を変位信号に変換する変位信号
処理回路とを設けた構成としたことを特徴とするもので
ある。

く作用〉 本発明によれば、変調光による試料表面の変位を検出す
るものであり、試料セルは必要なく、装置が簡単になる
と共に外部からの騒音や振動の影響を受は離い構造にで
きる。

〈実施例〉 以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明の光熱変位顕Ｒ鏡の一実施例を示す構成
図である。第１図において、１は半導体レーザ、２は半
導体レーザ１の駆動回路、３は発振器、４はビームスプ
リッタ、５はリニアアクチュエータの組み込まれた対物
レンズであり、レンズを光軸方向に動かすことかできる
。６は測定試料、７は試料６の微小変位を検出する変位
検出光学系であり、例えば、第２図に示すような円柱レ
ンズ７１と４分割フォトダイオード７２がら成る非点収
差法を用いた構成とする。８は自動利得制御機能付きの
変位信号処理回路であり、変位検出光字系７の出力信号
から変位信号を演算する。９はロックインアンプであり
、発振器３の出力に同期して変位信号処理回路８の出力
を増幅する。１０は対物レンズ５のリニアアクチュエー
タの制御回路、１１はサンプルホールド回路である。

このような構成において、その動作を第１図、第２図及
び第３図に示す動作波形図を用いて説明する。第３図（
イ）に示すように、発振器３の出力を或一定周波数の矩
形波として、駆動回路２により半導体し〜ザ１の出力を
Ｐｌと２２の間で変調する（第３図（ロ））。半導体レ
ーザ１の出力光は、ビームスブリ・ツタ４を透過して、
対物レンズ５により試料６上に焦点を結ぶ、試料６がち
の反射光は、対物レンズ５を通ってビームスプリッタ４
で反射され、変位検出光学系７の円柱レンズ７１に入射
される。入射された光は、円柱レンズ７１のχ、Ｖ方向
の合焦位置に設置された４分割フォトダイオード７２に
円形像を結ぶ。この円形像は、対物レンズ５の合焦点位
置に設置された試料６の変位に対応して、円形から縦長
楕円や横長楕円の像に変化する（第２図）、この像が４
分割フォトダイオード７２を構成する各素子にてそれぞ
れ検出され、電気信号に変換される。この電気信号の対
角和の差をとることにより、試料６の変位に対応した信
号が得られる。なお、反射光量は半導体レーザ１の変調
光パワーや試料の反射率に応じて変化する。変位信号処
理回路８にて４分割フォトダイオード７２の各素子の対
角和の差信号を対角和の和信号で除算することにより、
変調信号に同期した変位出力（第３図（ハ））が得られ
る。この変位出力はロックインアンプ９に入力され、発
振器３の出力に同期して増幅され、変位量に対応した出
力（第３図（ニ））が得られる。又、変位信号処理回路
８の変位出力は制御回８１０に入力され、対物レンズ５
の焦点位置制御が行われる。測定時には、サンプルホー
ルド回路１１により、制御回路１０からの制御信号を保
持して、対物レンズ５を一定位置に保持する。

なお、上記実施例において、変位検出光学系７の構成は
、円柱レンズ７１と４分割フォトダイオード７２を用い
た非点収差法に限るものではなく、ナイフェツジ法や臨
界角法等の焦点位置誤差検出法を用いても良い。

〈発明の効果〉 以上、実施例と共に具体的に説明したように、本発明に
よれば、 （１）変位検出光学系７は、光学系を任意に設計するこ
とができ、１０ｎ１以下の変位を検出することが可能で
ある。これは、熱膨張による変位に比べて十分小さいた
め、Ｓ／Ｎ比の良い測定が可能である。

（２）ロックインアンプ９の帯域幅は広くても良いため
、時定数が小さくでき、測定時間を短くできる。

（３）変調光による試料表面の変位を検出するため、試
料セルが必要なくなり、横道が簡単となり、試料の大き
さの制限も小さくなる。又、外部からの騒音の影響を受
けなくなる。

（４）半導体レーザ１と対物レンズ５と変位検出光学系
７は一体構成にできるため、同性を高くでき、外部の振
動の影響を受は雛くできる。

（５）変位信号を用いて合焦点制御を行うことができる
ため、構造が簡単となり、試料移動毎の焦点位置調整が
不要であるので、測定時の待ち時間が短くなり、測定が
速くできる。

等の効果を有する光熱変位謬Ｗ１鏡を実現することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光熱変位蓼微鏡の一実施例を示す構成
図、第２図は第１図装置に用いられる変位検出光学系の
具体例を示す構成図、第３図は第１図装置の動作を説明
するための動作波形図、第４図は従来例である。 １・・・半導体レーザ、２・・・駆動回路、３・・・発
振器、４・・・ビームスプリッタ、５・・・対物レンズ
、６・・・測定試料、７・・・変位検出光学系５８・・
・変位信号処理回路、９・・・ロックインアンプ、１０
・・・制御回路、１１・・・サンプルホールド回路、７
１・・・・円柱レンズ、７２・・・４分割フォトタイオ
ード。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　半導体レーザと、この半導体レーザの出力光を変調す
   るための駆動回路と、前記半導体レーザの出力光を試料
   上に絞り込むための対物レンズと、試料からの反射光を
   後述の変位検出光学系へ導くためのビームスプリッタと
   、試料の微小変位を検出するための変位検出光学系と、
   この変位検出光学系から得られる出力を変位信号に変換
   する変位信号処理回路とを設けた構成としたことを特徴
   とする光熱変位顕微鏡