JPH0438325B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、観察すべき試料を微小スポツト状に
集束した光ビームで２次元的に走査し、試料から
の反射光又は透過光を用いて撮像する走査型顕微
鏡撮像装置に関するものである。

（従来の技術） 観察すべき試料を微小スポツト状に集束した光
ビームで２次元的に走査して試料を撮像する走査
型顕微鏡装置が実用化されている。この従来の顕
微鏡装置では、レーザ光源からの光をガルバノミ
ラーから成る第１の偏向ミラーにより主走査方向
に高速偏向すると共に、第２の偏向ミラーにより
副走査方向に低速偏向してから対物レンズに入射
させている。この走査ビームは対物レンズにより
微小スポツト状に集束して試料上に入射する。従
つて、試料は微小スポツト状に集束した光ビーム
により２次元的に走査され、試料からの反射光は
対物レンズで受光され、再び第２及び第１の偏向
ミラーを順次通過してからフオトマルに入射し電
気信号に変換される。この既知の走査型顕微鏡装
置は、試料からの光学情報を電気信号として得る
ように構成しているから、像の明るさやコントラ
スト等を電気的に調整できると共にモニタ上で試
料を観察でき幅広い用途を具えている。

（発明が解決しようとする課題） 上述した走査型顕微鏡装置は、試料からの光
を、副走査を行う第２の偏向ミラー及び主走査を
行う第１の偏向ミラーを経てからフオトマルに入
射させているので、フオトマル上には静止したス
ポツト状の光が入射する。

一方、光ビームを高精度に高速偏向することは
極めて困難である。特に、ガルバノミラーのよう
な機械的駆動機構を用いてビーム偏向する場合、
テレビレートで高速偏向することは不可能であ
り、一方低速偏向の場合でも走査速度にムラが生
じたり走査長が変動する不具合がある。これら走
査速度ムラや走査長の変動が生ずると画像が歪む
不都合が生じてしまう。特に主走査方向に高速偏
向を行う第１の偏向装置は走査ビームに速度ムラ
や変動を生じ易いため、試料からの光を第１の偏
向装置を経てフオトマルに入射させる構成では、
特に顕著な画像歪みが生じてしまう。

これに対して、光電変換装置として２次元固体
撮像装置を用い、試料からの反射光を偏向装置を
通過させることなく２次元固体撮像装置に入射さ
せる方法も考えられる。しかしながら、２次元固
体撮像装置は高解像度のものが得られ難く、例え
ば欠陥検査装置のような用途に対しては解像度が
不足する欠点がある。しかも、２次元固体撮像装
置を用いて光電変換する場合、各受光素子に迷光
が入射し易く、Ｓ／Ｎ比が低下する不具合が生じ
てしまう。

従つて、本発明の目的は上述した欠点を除去
し、偏向装置による影響を受けにくく画像歪みの
ない高解像度の画像を撮像できる走査型顕微鏡撮
像装置を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明による走査型顕微鏡撮像装置は光ビーム
を発生する光源と、この光源から発生した光ビー
ムを主走査方向に高速偏向する第１の偏向装置
と、ビーム偏向ミラーを有し、前記第１の偏向装
置で偏向された走査ビームを前記主走査方向と直
交する副走査方向に偏向する第２の偏向装置と、
この第２の偏向装置からの走査ビームを試料上に
微小スポツトとして照射して試料を２次元的に走
査すると共に試料からの反射光を受光する対物レ
ンズと、複数の受光素子が前記主走査方向に沿つ
て一次元的に配列され、前記対物レンズから発す
る光を受光して光電出力信号を出力するリニアイ
メージセンサとを具え、前記対物レンズで受光さ
れた試料からの反射光を前記第２偏向装置を介し
て前記リニアイメージセンサ上に微小スポツト状
に結像させ、前記リニアイメージセンサを試料か
らの反射光により走査するように構成したことを
特徴とする。

また、本発明による走査型顕微鏡撮像装置は試
料からの透過光を用いて撮像することもでき、透
過型の顕微鏡撮像装置は、光ビームを発生する光
源と、この光源から発生した光ビームを主走査方
向に高速偏向する第１の偏向装置と、ビーム偏向
ミラーを有し、前記第１の偏向装置で偏向された
走査ビームを前記主走査方向と直交する副走査方
向に偏向する第２の偏向装置と、この第２の偏向
装置からの走査ビームを試料上に微小スポツトと
して照射して試料を２次元的に走査するコンデン
サレンズと、複数の受光素子が前記主走査方向に
沿つて一次元的に配列され、試料からの透過光を
受光して光電出力信号を出力するリニアイメージ
センサと、ビーム偏向ミラーを有し、前記第２偏
向装置と同期して前記試料からの透過光を前記リ
ニアイメージセンサに向けて偏向する第３の偏向
装置と、前記試料からの透過光をリニアイメージ
センサ上に微小スポツトとして結像する光学系と
を具え、前記リニアイメージセンサを前記試料か
らの透過光により走査するように構成したことを
特徴とする。

（作用） 本発明では、光源から放射された光ビームを主
走査方向及びこれと直交する副走査方向に偏向
し、偏向された走査ビームを対物レンズを介して
試料上に微小スポツトとして投射する。従つて、
試料は微小スポツト状の光ビームで２次元的に走
査されることになる。試料からの反射光または透
過光は対物レンズで受光され、反射型の場合には
第２の偏向装置を介して又透過型の場合には第２
の偏向装置と同期した第３の偏向装置を介してリ
ニアイメージセンサ上に微小スポツトとして結像
させる。リニアイメージセンサに入射する光は主
走査を行う第１の偏向装置を通過していないか
ら、この入射光は主走査方向と対応する方向、す
なわちリニアイメージセンサを構成する多数の受
光素子の配列方向に沿つて偏向されることにな
り、従つてリニアイメージセンサは試料からの微
小スポツト状に集束した光により１次元的に走査
されることになる。従つて、試料は微小スポツト
状の光ビームにより走査され、試料からの光は微
小スポツト状に集束した光として受光され光電変
換されるので、本発明による走査型顕微鏡装置
は、共焦点型の撮像装置を構成し、高解像度の画
像を撮像することができる。

また、試料からの光は第２の偏向装置だけを通
過してリニアイメージセンサに入射するから、第
１の偏向装置に起因する速度ムラや変動による影
響が除去され、画像歪みの少ない鮮明な画像を撮
像することができる。特に、第１の偏向装置が主
走査方向に高速偏向し、第２の偏向装置が副走査
方向に低速偏向して２次元走査する場合、高速走
査を行う第１の偏向装置の変動分が軽減されるた
め、偏向装置に起因する画像歪みを除去すること
ができる。また、試料からの光は第１の偏向装置
を通過しないから、第１の偏向装置の選択の自由
度が拡大し、音響光学素子のような電気信号によ
りテレビレートで高速ビーム偏向を行なう偏向装
置を用いることができる。従つて、第１の偏向装
置として音響光学素子を用いれば、テレビレート
で主走査することができ、リアルタイムでの撮像
が可能になる。

（実施例） 第１図は本発明による走査型顕微鏡撮像装置の
一例の構成を示す線図である。レーザ光源１から
発した光ビームはエクスパンダ２によりその光束
が拡げられてから第１の偏向装置である音響光学
素子３に入射する。この音響光学素子３は光ビー
ムを高速振動させ、試料をＸ方向（主走査方向）
に走査周波数f₁で高速走査する。音響光学素子３
で偏向された光ビームは、集束レンズ４により集
束され、リレーレンズ５を経てハーフミラー６及
び全反射ミラー７で反射してから第２の偏向装置
である振動ミラー８に入射する。この振動ミラー
８は光ビームを試料上のＸ方向と直交するＹ方向
（副走査方向）に低速偏向させ副走査を行う。振
動ミラー８で反射した光ビームは、対物レンズ９
により微小スポツト状に収束されて試料１０に入
射する。これにより、試料１０は微小スポツト状
の光ビームによりＸ方向及びＹ方向に所定の走査
周波数で走査されることになる。本例では試料か
らの反射光を検出して試料の光学情報を得るよう
構成する。試料１０で反射した光ビームは再び対
物レンズ９を経て振動ミラー８及び全反射ミラー
７で反射し、ハーフミラー６を透過して微小スポ
ツト状に収束した状態で、リニアイメージセンサ
１１に入射する。このリニアイメージセンサ１１
は試料１０に対してリレーレンズ５と共役な位置
に配置され、試料からの反射光を主走査方向の１
ライン毎に受光するように各受光素子がＸ方向に
一次元的に配列され、試料１０からの反射光を各
受光素子により受光して光電変換を行い、読み出
し周波数f₂で各素子に生じた電荷量を読み出すよ
う構成する。従つて、リニアイメージセンサ１１
は試料からの反射光により周波数f₁で走査される
ことになる。本例では、音響光学素子３の走査周
波数f₁及びリニアイメージセンサの読出周波数f₂
は共にテレビレートに設定する。このように、試
料からの反射光を高速偏向装置を介することなく
低速偏向手段だけを介して光電変換装置に入射さ
せることにより、高速偏向手段の選択の自由度が
増大し、本例のように音響光学素子３を高速偏向
手段として用いることができる。この音響光学素
子は機械的駆動機構を有していないから、高速走
査における走査速度を一層均一にすることがで
き、撮像装置の耐久性を向上させることもでき
る。

第２図は、リニアイメージセンサ１１上に投影
されるビームスポツトとリニアイメージセンサを
構成する各受光素子との関係を示す平面図であ
る。試料１０からの反射光はリニアイメージセン
サ１１上で微小スポツト状に投影されるが、本例
では投影されるビームスポツト１２の径を各素子
１１ａ〜１１ｎの受光面より若干大きいスポツト
径となるように構成する。投影されたビームスポ
ツト１２は、素子１１ａ〜１１ｎの配列方向であ
るＸ方向に偏向されるから、試料１０からの反射
光は各素子１１ａ〜１１ｎにより順次一次元的に
受光され光電出力信号に変換される。このように
構成すれば、試料１０の画素とリニアイメージセ
ンサ１１を構成する各受光素子とは常に１対１で
対応する関係になるので、音響光学素子３による
主走査方向の走査速度にムラが生じても常に各素
子の受光量が若干変化するにすぎず、従来の撮像
装置とは異なり走査速度ムラによる画像歪みの発
生を有効に防止することができる。また、本例の
ように試料１０からの反射光をイメージセンサ１
１の各素子の受光面より大きいスポツト径として
入射させる構成とすれば、イメージセンサ１１に
対する入射光の位置誤差を生ずる場合や外乱振動
に対して安定になる。特にズームで撮影する場合
には光ビームのスポツト径が変動し易すいため、
ズーム撮像機能を具える撮影装置に有効である。

第３図はリニアイメージセンサ１１の読出し周
波数と各素子に蓄積される電荷量との関係を示す
グラフである。リニアイメージセンサ１１は電荷
蓄積能力を具えているから、飽和電荷量に至るま
では受光光量に応じた電荷量が発生し、発生した
電荷量を順次蓄積することができる。第３図Ａ
は、リニアイメージセンサの読出し周波数f₂が光
ビームの主走査方向の走査周波数f₁と等しい場
合、すなわち、光ビームで１回試料を走査する毎
に素子に蓄積された電荷量を読出す構成とした場
合の蓄積電荷量を示し、同図Ｂはf₂＝f₁／２の場
合、すなわち光ビームで２回試料を走査してから
素子に蓄積された電荷量を読出す構成とした場合
の蓄積電荷量を示し、同図Ｃはf₂＝f₁／３の場
合、すなわち光ビームで３回試料を走査してから
素子に蓄積された電荷量を読出す構成とした場合
の蓄積電荷量を示している。

本発明では共焦点型の顕微鏡装置を構成してい
るから、高分解能の試料像を撮像することができ
る。一方、上述したように、リニアイメージセン
サの電荷蓄積効果を利用して試料からの反射光が
リニアイメージセンサを複数回走査してから蓄積
された電荷を読出す構成とすれば、画像信号の
Ｓ／Ｎ比を一層向上させることができる。すなわ
ち、レーザ光は輝度変動分を含んでいるから、リ
ニアイメージセンサを１回走査する場合レーザ光
の輝度変動が画像信号上ノイズして現われてま
う。これに対して複数回走査すれば、レーザ光自
体の輝度変動が平均化され、画像信号のＳ／Ｎ比
を向上させることができる。

次に解像度について説明する。第４図Ａは従来
の光学式走査型顕微鏡撮像装置による試料上の走
査状態を模式的に示す線図であり、第４図Ｂは本
発明による顕微鏡撮影装置による試料上の走査状
態を模式的に示す線図である。従来の走査型顕微
鏡装置では、出力の小さい光源を用いる場合には
走査速度を遅くして走査線密度を小さく設定せざ
るを得ず、このため走査線間に存在する光学情報
が欠落する不都合が生じていた。一方、光ビーム
の主走査方向の走査周波数f₁をイメージセンサ１
１の読出し周波数f₂のほぼ整数倍となるように設
定すれば、主走査速度を早くし走査線密度を高く
してもほぼ同等の大きさの光電出力信号を得るこ
とができる。この結果、光電出力信号のＳ／Ｎ比
を劣化させたり光ビームの走査速度を遅くするこ
となく走査線密度を等価的に高く設定でき、より
正確に試料の光学情報を再現することができる。
特に、従来の光学走査型顕微鏡によりホトマスク
やレチクルパターンのパターン欠陥検査を行なう
場合には、微小な欠陥が走査線間に存在してしま
い欠陥を見逃すことが応々にしてあつたため、本
発明のように走査線密度を等価的に高く設定でき
ることは、パターン欠陥検査装置にきわめて有効
である。

次にシエーデングの発生防止について説明す
る。通常偏向した光ビームが対物レンズに入射す
る場合、第５図に示すようにレンズによるシエー
デング作用を受け、対物レンズの周辺部に入射し
た光ビームの透過光量が中心部に入射した光ビー
ムの透過光量よりも減少してしまう。この結果、
画像上中心部は明るく再現され、周辺部が暗くな
る不都合が生じてしまう。このような場合、ホト
マルで光電出力信号を作る従来の撮像装置では、
偏向手段による走査速度を変えて補正しようとす
ると画像に歪みが生じてしまう。また、電気的に
補正しようとしても偏向手段による走査速度にム
ラがあるので一義的に補正することは極めて困難
である。これに対して本発明では試料の画像とリ
ニアイメージセンサを構成する各素子とを１：１
に対応させているので、偏向手段による走査速度
を変化させて光ビームが対物レンズの中心部に入
射するときは走査速度が早くなるように設定し、
周辺部に入射するときは走査速度が遅くなるよう
に設定すれば、レンズによるシエーデングを補正
することができ、また電気的にも対物レンズによ
るシエーデング特性を考慮して光電出力信号を増
幅すれば一層正確に補正することができる。

第６図は本発明による撮像装置の変形例の構成
を示す線図である。尚、第１図で用いた構成要素
と同一の構成素子には同一符号を付して説明す
る。本例では振動ミラー８と対物レンズ９との間
に別のリレーレンズ２０及び２１を配置し、音響
光学素子３と振動ミラー８とで形成されるラスタ
像を対物レンズ９により試料１０上に投影する。
このように構成すれば対物レンズ９により試料１
０上に歪みのないラスタ像を投影することがで
き、歪みのない画像信号を得ることができる。

第７図は本発明による撮影装置の別の変形例の
構成を示す線図である。本例では試料からの透過
光を利用して試料を観察する。尚、第１図におい
て用いた構成要素と同一の構成要素には同一符号
に付して説明する。レーザ光源１から発した光ビ
ームをエクスパンダ２でその光束を拡げ、主走査
を行なう第１の偏向装置である音響光学素子３と
リレーレンズ４を経て第１の振動ミラー３０に入
射させる。この第１の振動ミラー３０は矢印ａ及
びｂ方向に回動して副走査を行ない。第２の偏向
装置として作用する。第１の振動ミラー３０で反
射した光ビームはコンデンサレンズ３１により微
小スポツト状に収束され試料１０に入射し、試料
１０をＸ方向及びＹ方向に走査する。試料を透過
した光ビームは対物レンズ９で集光され第２の振
動ミラー３２に入射する。この第２の振動ミラー
３２は第１の振動ミラー３０と同期して振動する
ものとし、第１の振動ミラー３０が矢印ｂ方向に
回動するときはｄ方向に回動し、矢印ａ方向に回
動するときはｃ方向に回動する。第２の振動ミラ
ー３２で反射した光ビームは結像レンズ３３を経
てリニアイメージセンサ１１上に微小スポツトと
して投影され、共焦点型の顕微鏡が構成される。

本発明は上述した実施例に限定されるものでは
なく幾多の変更や変形が可能である。例えば上述
した実施例では顕微鏡撮像装置として利用する例
を以つて説明したが、顕微鏡以外の撮像装置例え
ば等倍像、拡大像や縮小像等を撮像する撮像装置
にも適用できる。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明によれば試料から
の反射光又は透過光を第１の偏向手段を通過させ
ず、第２の偏向手段だけを介してリニアイメージ
センサに入射させる構成としているから、第１偏
向手段に起因する走査速度ムラや走査長の変動等
の影響が除去され、画像歪みの発生を軽減するこ
とができる。特に、第１の偏向手段により高速走
査を行なう場合、走査速度ムラ等が発生し易すい
ため特に有効である。また、第１の偏向手段の選
択の自由度が増大するから、例えば音響光学素子
のように機械的駆動機構を有しない高速偏向装置
を用いることができ、この結果高精度で高速走査
できると共に、テレビレートでの主走査が可能に
なるためリアルタイムでの撮像も可能になる。

また、リニアイメージセンサの読出周波数f₂を
第１偏向装置の走査周波数f₁の整数倍に設定すれ
ば、Ｓ／Ｎ比のより高い画像信号を得ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による顕微鏡撮像装置の一例の
構成を示す線図、第２図はリニアイメージセンサ
上に投影されるビームスポツトと受光素子との関
係を平面図、第３図はリニアイメージセンサの読
出し周波数と蓄積電荷量との関係を示すグラフ、
第４図Ａは従来の光学式走査型顕微鏡撮像装置の
試料上における走査線の状態を模式的に示す線
図、同図Ｂは本発明による顕微鏡撮像装置の試料
上の走査線の状態を模式的に示す線図、第５図は
対物レンズによるシエーデング作用を示すグラ
フ、第６図及び第７図は本発明による顕微鏡撮像
装置の変形例の構成を示す線図である。 １……レーザ光源、２……エクスパンダ、３…
…音響光学素子、４……集束レンズ、５，２０，
２１……リレーレンズ、６……ハーフミラー、７
……全反射ミラー、８……振動ミラー、９……対
物レンズ、１０……試料、１１……リニアイメー
ジセンサ、１２…ビームスポツト、３０……第１
の振動ミラー、３１……コンデンサレンズ、３２
……第２の振動ミラー、３３……結像レンズ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 光ビームを発生する光源と、この光源から発
   生した光ビームを主走査方向に高速偏向する第１
   の偏向装置と、ビーム偏向ミラーを有し、前記第
   １の偏向装置で偏向された走査ビームを前記主走
   査方向と直交する副走査方向に偏向する第２の偏
   向装置と、この第２の偏向装置からの走査ビーム
   を試料上に微小スポツトとして照射して試料を２
   次元的に走査すると共に試料からの反射光を受光
   する対物レンズと、複数の受光素子が前記主走査
   方向に沿つて一次元的に配列され、前記対物レン
   ズから発する光を受光して光電出力信号を出力す
   るリニアイメージセンサとを具え、前記対物レン
   ズで受光された試料からの反射光を前記第２偏向
   装置を介して前記リニアイメージセンサ上に微小
   スポツト状に結像させ、前記リニアイメージセン
   サを試料からの反射光により走査するように構成
   したことを特徴とする走査型顕微鏡撮像装置。 ２ 光ビームを発生する光源と、この光源から発
   生した光ビームを主走査方向に高速偏向する第１
   の偏向装置と、ビーム偏向ミラーを有し、前記第
   １の偏向装置で偏向された走査ビームを前記主走
   査方向と直交する副走査方向に偏向する第２の偏
   向装置と、この第２の偏向装置からの走査ビーム
   を試料上に微小スポツトとして照射して試料を２
   次元的に走査するコンデンサレンズと、複数の受
   光素子が前記主走査方向に沿つて一次元的に配列
   され、試料からの透過光を受光して光電出力信号
   を出力するリニアイメージセンサと、ビーム偏向
   ミラーを有し、前記第２偏向装置と同期して前記
   試料からの透過光を前記リニアイメージセンサに
   向けて偏向する第３の偏向装置と、前記試料から
   の透過光をリニアイメージセンサ上に微小スポツ
   トとして結像する光学系とを具え、前記リニアイ
   メージセンサを前記試料からの透過光により走査
   するように構成したことを特徴とする走査型顕微
   鏡撮像装置。