JPH063594A - コンフォーカルレーザ走査微分干渉顕微鏡 - Google Patents

コンフォーカルレーザ走査微分干渉顕微鏡

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JPH063594A
JPH063594A JP4159722A JP15972292A JPH063594A JP H063594 A JPH063594 A JP H063594A JP 4159722 A JP4159722 A JP 4159722A JP 15972292 A JP15972292 A JP 15972292A JP H063594 A JPH063594 A JP H063594A
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JP4159722A
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Takashi Shionoya
孝 塩野谷
Jiyun Iwasaki
純 岩▲さき▼
Yasushi Oki
裕史 大木
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 そこで本発明の目的は、被検物体と顕微鏡と
の相対的回転を必要とすることなく、被検物体の所望の
方向についての微分像を得ることができるコンフォーカ
ルレーザ走査顕微鏡を提供する。 【構成】 照明光学系４と、集光光学系４と、検出手段
８と、走査手段３と、その入射口がピンホールを兼用し
た導波路とを有し、前記導波路２８は、入射光の光軸対
して垂直な少なくとも２つの方向に導波路構造を有し、
前記入射光を伝搬する際の前記２つの方向の導波モード
を、前記入射光の前記２つの方向における電界分布に応
じて、０次モードおよび１次モード、または、０次モー
ドのみのいずれかを、前記２つの導波方法でそれぞれ選
択して伝搬するダブルモードの導波路であり、前記検出
手段は、前記導波路から出射される光のパターンを用い
て、前記物体からの反射光の前記２つの方向におけるそ
れぞれの電界分布を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はコンフォーカルレーザ走
査顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】コンフォーカルレーザ走査顕微鏡は、レ
ーザ光源と、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、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、検出面上に
集光された光束を検出する検出手段と、被検物体に対し
て光スポットを相対的に移動させるための走査手段とを
有し、被検物体上にレーザ光を集光し又検出面上におい
てもピンホール開口を通して光検出している。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。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】このようなコンフォー
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。しかしながら、複
雑な構成となり、しかも歪の少ない特殊な対物レンズ、
ノマルスキープリズム、波長板等が必要であるため各光
学要素の所望の精度での製造が困難であり、高価な装置
になるという欠点があった。
【０００４】このために本発明者らは先に特願平２−４
００２１２号として、導波路を用いて小型で簡単な構成
において物体の位相情報と振幅情報とを独立に得ること
のできるコンフォーカルレーザ走査微分干渉顕微鏡を提
案した。すなわち、被検物体にレーザ光を集光し、その
レーザスポットの集光光学系によるスポット像位置に、
ダブルモードチャネル導波路を配置し、続いて複数のチ
ャネル導波路に分岐する導波路分岐領域を設けたもので
ある。そして、分岐されたチャネル導波路を通る光量差
を検出することによって、被検物体の微視的な傾斜を検
出するものであった。
【０００５】しかしながら、上記による先の提案の構成
においては、ダブルモード導波路領域の幅方向に対して
の位相情報又は振幅情報の微分信号を得ることは可能で
あるが、ダブルモード導波路領域の幅方向に対して垂直
な方向に対しては、微分信号の検出能力がないという問
題点があった。このためには、先に提案した顕微鏡装置
を被検物体に対して相対的に回転させることで、ダブル
モード導波路領域の幅方向に対して垂直な方向の情報を
得ることが可能にはなる。しかし試料と顕微鏡とを相対
的に回転するための機構が別途に必要となり、幅方向
と、それに垂直な方向を一度に観察することができない
という問題がある。
【０００６】そこで本発明の目的は、被検物体と顕微鏡
との相対的回転を必要とすることなく、被検物体の所望
の方向についての微分像を得ることのできるコンフォー
カルレーザ走査顕微鏡を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決する為の手段】上記の課題を解決するため
に本発明によれば、レーザ光スポットを物体上に照射す
るための照明光学系と、前記物体からの反射光を検出面
上に集光する集光光学系と、前記検出面上に集光された
反射光を検出する検出手段と、前記物体に対して前記レ
ーザ光スポットを相対的に走査させる走査手段とを有す
るコンフォーカルレーザ走査顕微鏡であって、前記集光
光学系と検出光学系との間に配置された、前記集光光学
系で集光された前記反射光を伝搬するための導波路を有
する光学素子を有し、前記導波路は、入射光の光軸対し
て垂直な少なくとも２つの方向に導波路構造を有し、前
記入射光を伝搬する際の前記２つの方向の導波モード
を、前記入射光の前記２つの方向における電界の振幅分
布に応じて、０次モードおよび１次モード、ならびに、
０次モードのみのいずれかを、前記２つの導波方向でそ
れぞれ選択して伝搬するダブルモードの導波路であり、
前記検出手段は、前記導波路から出射される光を受光し
て、前記２つの方向のそれぞれの導波モードが、０次モ
ードおよび１次モード、ならびに、０次モードのみのい
ずれであるかを検出することにより、前記物体からの反
射光の前記２つの方向におけるそれぞれの電界から振幅
分布を検出す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が提供される。
【０００８】
【作用】本発明の原理については先の上記出願において
詳細に説明したとおりであるが、以下にその概要を説明
しておく。
【０００９】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の
入射口をスポット像の中心とダブルモードチャネル導波
路入射口の中心とが一致するよう配置する。この時導波
路の幅方向のスポット像振幅分布が、スポット中心を原
点とした時偶関数であれば、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。
【００１０】受光面が少なくとも２つに分割された検出
素子は、ダブルモードチャネル導波路の出射口に配置さ
れて、導波路の出射口から出射されるスポット像を検出
する。検出素子の受光面の中心は、導波路の出射口の中
心と一致するように配置する。ダブルモード導波路内
に、偶モードのみ励振された場合は、２つの受光面に等
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２つの受光面に分配される光量は
一般に等しくない。
【００１１】一般に被検物体のダブルモードチャネル導
波路入射口に対する傾斜、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２つの受光面に分配される光量が等しくなく
なる。従って、２つの受光面の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。
【００１２】いま検出物のダブルモード導波路の入射口
に対する傾き角をθとし、ｓｉｎθ＝αとする。傾きθ
の場合のスポット振幅分布をｕ（ｘ）、ダブルモード導
波路の固有電界分布を偶・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）
はぐ偶関数、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ｕα（ｘ）はｋ＝２π／λ（λ＝
波長）として ｕα（ｘ）≒ｕ（ｘ）ｅｘｐ（ｉｋαｘ） ＝ｕ（ｘ）［ｃｏｓ（ｋαｘ）＋ｉｓｉｎ（ｋαｘ）］ （１） と表される。
【００１３】ここで偶モードの励振効率ηeは、
【００１４】
【数１】
【００１５】となり、一方奇モードの数励振効率η
oは、
【００１６】
【数２】
【００１７】となる。積分範囲を適当に選び、この範囲
で｜ｋαｘ｜≪２πならば、 ｃｏｓ（ｋαｘ）≒１， ｓｉｎ（ｋαｘ）≒ｋαｘ となるから、ｕ（ｘ），ｆｏ（ｘ），ｆｅ（ｘ）が一定
の関数であることより、 ηe≒一定 ηo∝ｉα （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Ｃ1，Ｃ2を実定数とし、φをダブルモード
導波路の出射口に於ける偶・奇両モードの位相差とすれ
ば Ｉ∝｜ηe±ｉηoｅｘｐ｛ｉφ｝｜2＝｜Ｃ1±ｉαＣ2ｅｘｐ｛ｉφ｝｜2 （５） よってｅｘｐ｛ｉφ｝＝±ｉにとれば（５）はおおむね Ｉ＝Ｃ1 2±２αＣ1Ｃ2 （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。従って、このような微分像を得
るためには、ダブルモード導波路の出射口に於て、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、前記ダブルモード導波路の入
射口から出射口までの長さＬは両モードのよく知られた
完全結合長（偶・奇モードの位相差が１８０°となる長
さ）をＬC とした場合 Ｌ＝ＬC（２ｍ＋１）／２ （ｍ＝０，１，２，・・・） （７） とするのが好ましい。
【００１８】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）にも適用できる。こうした物体
はたとえばαを実数として ｕα（ｘ）＝ｕ（ｘ）（１＋αｘ） （８） などと表現できる。このとき明らかに ηe≒一定， ηo∝α （４） となるから、偶奇両モードの干渉によって二つの分岐に
分配される光量比が最大となるのはダブルモード導波路
の出射口に於て両モード間に１８０°の整数倍の位相差
がもたらされたとき、即ち（５）式でｅｘｐ｛ｉφ｝＝
±１と置いた場合である。
【００１９】よって、強度変調物体の微分像を見るため
にはダブルモード導波路の入射口から出射口までの長さ
Ｌは結合長ＬCの整数倍 Ｌ＝ｍＬC （ｍ＝１，２，・・・） （１０） が好ましい。即ち、ダブルモード導波路の入射口から出
射口までの長さＬ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。
【００２０】以上の如きチャネル導波路用いた微分干渉
顕微鏡の原理に則って、本発明においては、導波路の幅
方向及びそれに垂直な方向の二方向にダブルモードであ
る三次元チャネル導波路とその三次元チャネル導波路を
伝搬する光を検出するために、例えば、受光面が四分割
された検出器を用いている。
【００２１】検出器の受光面は、ダブルモード三次元チ
ャネル導波路の出射口の中心に一致する点を原点とする
直交する２軸によって、受光面が四分割されている。分
割されたそれぞれの受光面の受光可能面積は、互いに等
しく構成されている。
【００２２】そして４つの受光面からの信号を処理して
４つの受光面の光量の差を検出することにより、互いの
直交する方向での微分情報を得ることができる。直交す
る２軸でそれぞれ検出された信号を合成することによっ
て、任意の方向でのコントラスト差として微分像を得る
ことを可能としている。
【００２３】具体的には、導波路の幅方向の信号を
Ｉ1、導波路の幅方向に垂直な方向の信号をＩ2とすると
き、両者の合成信号をＩとすれば、 Ｉ＝Ｉ1ｓｉｎθ＋Ｉ2ｃｏｓθ となるような信号処理を行う。ここで、θを０〜πの範
囲で変化させることにより被検物の微分像を得る方向を
変えることができ、試料と顕微鏡を相対的に回転させる
ことなく所望の方向にコントラストのついた微分像を得
ることができる。実用上はコンフォーカルレーザ走査顕
微鏡としてのモニター画面を観察しながら上記θの値を
適宜変化させて被検物体の微分像が最も的確に表現でき
るようなθの値を選択することが好ましい。
【００２４】
【実施例】本発明の一実施例について図面を用いて説明
する。
【００２５】（実施例１）本発明の第１の実施例のコン
フォーカルレーザ走査微分干渉顕微鏡を図１に示す。図
１のように、本実施例のコンフォーカルレーザ走査微分
干渉顕微鏡は、半導体レーザ光源１と、半導体レーザ光
源１から出射された光を偏向するハーフミラ２と、光を
被検物体５上に集光させる対物レンズ４とを光軸上に順
に配置して構成した照明光学系を備えている。また、ハ
ーフミラ２と対物レンズ４との間には、光を被検物体５
上でスキャニングするための周知のＸ−Ｙ二次元スキャ
ニング手段３が配置されている。また、本実施例のコン
フォーカルレーザ走査微分干渉顕微鏡は、三次元チャネ
ル導波路２８と、受光面が四分割されたシリコンフォト
ダイオードを備えた光検出器８とをさらに備えている。
対物レンズ４は、被検物体５からの反射光を集光する集
光光学系を兼用している。三次元チャネル導波路２８お
よび光検出器８は、被検物体５により反射した光を検出
するための光学系を形成している。検出器８の受光面
は、図４のように、同面積の正方形の４つの受光面９，
１０，１１，１２から構成されている。４つの受光面
９，１０，１１，１２は、ＸＹ軸に沿って碁盤目状に配
置されている。検出器８は、受光面の中心が、３次元チ
ャネル導波路の出射口７ｂの中心と一致するように位置
合わせされて、出射口７ｂに接合されている。
【００２６】また、検出器８の受光面９，１０，１１，
１２には、検出した光量を電気信号として、信号処理回
路６０に出力するための、信号線６１，６２，６３，６
４とグランド線６５が接続されている。これらの信号を
処理する信号処理回路６０は、Ｘ軸に沿って隣合う受光
面９と受光面１１の出力信号を加算するための和検出手
段１３と、同じくＸ軸に沿って隣合う受光面１０と受光
面１２の出力信号を加算するための和検出手段１７とを
備えている。さらに、Ｙ軸に沿って隣合う受光面９と受
光面１０の出力信号を加算するための和検出手段１４
と、同じくＹ軸に沿って隣合う受光面１１と受光面１２
の出力信号を加算するための和検出手段１８とを備えて
いる。差動検出器２１は、和検出手段１３と和検出手段
１７の出力信号を差動信号Ｉ2を検出することによりＹ
方向の光量の差をもとめる。差動検出器２２は、和検出
手段１４と和検出手段１８の出力信号を差動信号Ｉ1を
検出することにより、Ｘ方向の光量の差を求める。信号
合成回路２５は、Ｘ方向の差動信号Ｉ1とＹ方向の差動
信号Ｉ2と、ユーザの見たい方向における被検物体の微
分像をしめすために、ユーザが指示した角度φとを用い
て、 Ｉ(φ)＝Ｉ1ｓｉｎφ＋Ｉ2ｃｏｓφ （１１） に従って、φ方向の差動信号Ｉ(φ)を合成する。
【００２７】制御手段２６は、Ｘ−Ｙ二次元スキャニン
グ手段３から被検物体上における光ビームの位置を示す
信号を受け取り、この位置信号と差動信号Ｉ(φ)とを対
応させて記憶し画像データ化する。モニタ２７は、制御
手段から画像データを受け取り画像表示する。
【００２８】三次元チャネル導波路２８についてさらに
説明する。三次元チャネル導波路２８は、屈折率１．４
７５のＳｉＯxＮyを材料とする幅（図１のｘ方向）３μ
ｍ、深さ（図１のｙ方向）３μｍを有するコア部７と、
屈折率１．４６５のＳｉＯ2を材料とするクラッド部６
とにより構成されたダブルモードの３次元チャネル導波
路である。導波路２８のｘ方向のモード次数をｐ，ｙ方
向のモード次数をｑとして、導波路の導波路２８のモー
ドをＥｐｑで表した場合、Ｅ00，Ｅ10，Ｅ01モードのみ
が導波モードとして伝搬し、Ｅ11モードは、伝搬できな
いように構成されている。
【００２９】導波路２８のコア部７の入射口７ａから出
射口７ｂまでの長さＬは、Ｅ00−Ｅ 10モードの完全結合
長をＬC1、Ｅ00−Ｅ01モードの完全結合長をＬC2して、
物体の位相分布を観察するコンフォーカルレーザ走査微
分干渉顕微鏡の場合、 Ｌ≒ＬC1（２ｍ＋１）／２ かつ Ｌ≒ＬC2（２ｎ＋１）／２ （ｍ＝１，２，…）、（ｎ＝１，２，…）とする。
【００３０】また、物体の強度分布を観察するコンフォ
ーカルレーザ走査微分干渉顕微鏡の場合、 Ｌ≒ｍＬC1 かつ Ｌ≒ｎＬC2 （ｍ＝１，２，…）、（ｎ＝１，２，…）とする。
【００３１】三次元チャネル導波路２８の製造方法につ
いて説明する。クラッドとなる屈折率１．４６５のＳｉ
Ｏ2の基板上に、コア部７となる屈折率１．４７５のＳ
ｉＯxＮy膜をＲＦスパッタにより形成したのち、リソグ
ラフィによりＳｉＯxＮy膜をコア形状にパターニングす
る。ＲＦスパッタ時に導入する酸素量と窒素量とを調節
することにより、ＳｉＯxＮy膜のｘとｙとを調節し、任
意の屈折率にすることができる。つぎに、ＲＦスパッタ
によりＳｉＯ2膜を形成することにより、コア形状にな
ったＳｉＯxＮy膜の周囲をＳｉＯ2膜で覆う。これによ
り、ＳｉＯxＮyを材料とするコア部７と、ＳｉＯ2を材
料とするクラッド部が形成される。最後に上述の長さＬ
に切断し、入射口と出射口を研磨して完成させる。
【００３２】つぎに本実施例のコンフォーカルレーザ走
査微分干渉顕微鏡の動作について説明する。
【００３３】図１において、半導体レーザ光源１を出た
光はハーフミラ２で反射され、周知のＸ−Ｙ二次元スキ
ャニング手段３を経て対物レンズ４に入射し、被検物体
５上に集光される。被検物体５の表面で反射した光は、
再び対物レンズ４及びＸ−Ｙ二次元スキャニング手段３
を経て、ハーフミラ２を透過し、三次元チャネル導波路
２８のコア部７の入射口７ａに集光される。三次元チャ
ネル導波路２８は、幅方向（ｘ方向）及びそれに垂直な
方向（ｙ方向）にダブルモードである導波路であり。三
次元チャネル導波路２８のコア部７中を伝搬した光は、
出射口７ｂから出射され、コア部７に接合された受光面
が四分割された光検出器８に至る。光検出器８は四分割
された受光面の中心と三次元チャネル導波路２８の中心
が一致するように接合されている。ここで三次元チャネ
ル導波路２８の入射口７ａがピンホールと同様の働きを
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。
【００３４】そして、導波路の幅方向のモード次数を
ｐ、導波路の幅方向に垂直な方向のモード次数をｑとお
いて導波路のモードがＥpqで表されるとしたとき、前述
した通り、レーザスポットで照射された被検物体５上の
一点に導波路の幅方向（ｘ方向）の傾き又は反射率の勾
配があった場合、三次元チャネル導波路２８のコア部７
内にＥ00・Ｅ10両モードが励振される。この時の導波光
パターンを図３（ｃ）に示す。図３において、導波光パ
ターン中の同心円状の複数の線は、導波光パターンの強
度分布を示す等光強度線である。図３に示した導波光パ
ターンは、中心部が最も光強度が強く、周囲にいくほど
弱くなっている。Ｅ00・Ｅ10両モードが励振された場
合、両モードの干渉により、図３（ｃ）に示す導波光パ
ターンになるので、光検出器８の受光面９の出力と受光
面１０の出力の和検出手段１４により得られる和信号１
６の強度と、受光面１１の出力と受光面１２の出力の和
検出手段１８により得られる和信号２０の強度とは等し
くない。よって、差動検出手段２２によって光検出器８
の受光面９，１０の和信号１６と受光面１１，１２の和
信号２０の差動信号２４をとることにより、物体面上の
導波路の幅方向（ｘ方向）の微小な段差または反射率差
を検知することができる。この時、差動手段２１から
は、信号は出力されない。
【００３５】同様にレーザスポットで照射された被検物
体５の表面上の一点に導波路の幅方向に垂直な方向（ｙ
方向）の傾き又は反射率の勾配があった場合、ダブルモ
ード導波路２８のコア部７内にＥ00・Ｅ01両モードが励
振される。この時の導波光パターンを図３（ｂ）に示
す。両モードの干渉により光検出器８の受光面９の出力
と受光面１１の出力の和検出手段１３により得られる信
号１５の強度と、受光面１０の出力と受光面１２の出力
の和検出手段１７により得られる信号１９の強度とは等
しくない。よって、差動検出手段２１によって光検出器
８の受光面９，１１の和信号１５と１０，１２の和信号
１９の差動信号２３をとることにより、物体面上の導波
路の幅方向に垂直な方向（ｙ方向）の微小な段差または
反射率変化を検知することができる。この時、差動手段
２２からは信号は出力されない。
【００３６】同様にレーザスポットで照射された被検物
体５の表面上に、傾斜又は反射率の勾配がない場合、Ｅ
00モードのみが励振される。この時の導波光パターンを
図３（ａ）に示す。和検出手段１３より得られる信号１
５の強度と、和検出手段１７より得られる信号１９の強
度と、和検出手段１４で得られる信号の強度１６と、和
検出手段１８で得られる信号２０の強度とは、いずれも
等しく、傾斜や反射率の勾配がないことが検知される。
【００３７】さらにレーザスポットで照射された被検物
体５の表面上に、ｘ方向にもｙ方向にも傾斜又は反射率
の勾配がある場合、Ｅ00，Ｅ01，Ｅ10の各モードが励振
される。この時の導波パターンを図３（ｄ）に示す。こ
の時、各モードの干渉により、受光面９，１０，１１，
１２の受光強度は異なるので、差動手段２１および差動
手段２２双方から差動信号２３，２４が出力され、ｘ方
向およびｙ方向の傾斜又は反射率の勾配が検出される。
【００３８】差動信号２３，２４をＩ1，Ｉ2としたと
き、それらに対し信号合成回路は、 Ｉ(φ)＝Ｉ1ｓｉｎφ＋Ｉ2ｃｏｓφ なる処理をφをユーザが指定した０〜πの範囲内の適当
な値に設定して行い、得られた信号をＸ−Ｙ二次元スキ
ャニング手段３から被検物体上における光ビームの位置
に対応させて記憶し画像化するための制御手段２６によ
り、モニタ２７に所望の方向のコントラストをもつ微分
干渉像を表示することができる。
【００３９】（実施例２）つぎに、本発明の第２の実施
例のコンフォーカルレーザ走査微分干渉顕微鏡を図２に
示す。本実施例のコンフォーカルレーザ走査微分干渉顕
微鏡は、光検出器３９が導波路５９の出射口３７ｂの直
接接合されておらず、対物レンズ３８を用いて、カップ
リングされている。半導体レーザ光源３１と、ハーフミ
ラ３２と、Ｘ−Ｙ二次元スキャニング手段３３と、光を
被検物体３５上に集光させる対物レンズ３４とを光軸上
に順に配置して照明光学系が構成されている。また、三
次元チャネル導波路５９と、三次元チャネル導波路５９
から出射された光を集光する対物レンズ３８と、集光点
に配置された、受光面が四分割されたシリコンフォトダ
イオードを備えた光検出器３９とをさらに備えて、被検
物体３５により反射した光を検出するための光学系を形
成している。対物レンズ３３は、被検物体３５からの反
射光を集光する集光光学系を兼用している。検出器３９
の受光面は、実施例１と同様に、ＸＹ軸に沿って碁盤目
状に配置された同面積の正方形の４つの受光面４０，４
１，４２，４３を備えている。対物レンズ３８は、導波
路５９の出射口３７ｂを出射した光を、受光面４０，４
１，４２，４３の中心に集光するように配置されてい
る。
【００４０】信号処理回路６０と、信号合成回路２５
と、制御手段２６と、モニタ２７の構成は、実施例１と
同様であるので説明を省略する。
【００４１】三次元チャネル導波路５９についてさらに
説明する。三次元チャネル導波路５９は、Ｔｉ拡散Ｌｉ
ＮｂＯ3を材料とするコア部３７と、ＬｉＮｂＯ3を材料
とするクラッド部３６とにより構成されたダブルモード
の３次元チャネル導波路である。導波路５９のｘ方向の
モード次数をｐ、ｙ方向のモード次数をｑとして、導波
路の導波路２８のモードをＥｐｑで表した場合、Ｅ00、
Ｅ10，Ｅ01モードのみが導波モードとして伝搬し、Ｅ11
モードは、伝搬できないように構成されている。
【００４２】導波路５９のコア部３７の入射口３７ａか
ら出射口３７ｂまでの長さＬは、Ｅ00−Ｅ10モードの完
全結合長をＬC1、Ｅ00−Ｅ01モードの完全結合長をＬC2
して、物体の位相分布を観察するコンフォーカルレーザ
走査微分干渉顕微鏡の場合、 Ｌ≒ＬC1（２ｍ＋１）／２ かつ Ｌ≒ＬC2（２ｎ＋１）／２ （ｍ＝１，２，…）、（ｎ＝１，２，…）とする。
【００４３】また、物体の強度分布を観察するコンフォ
ーカルレーザ走査微分干渉顕微鏡の場合、 Ｌ≒ｍＬC1 かつ Ｌ≒ｎＬC2 （ｍ＝１，２，…）、（ｎ＝１，２，…）とする。
【００４４】三次元チャネル導波路５９の製造方法につ
いて説明する。クラッドとなる屈折率○○のＬｉＮｂＯ
3の基板上に、Ｔｉ膜をＲＦスパッタにより形成したの
ち、リソグラフィによりＴｉ膜をコア部３７と同じ幅に
パターニングする。Ｔｉ膜を形成したＬｉＮｂＯ3基板
を加熱して、ＴｉをＬｉＮｂＯ3基板に拡散させて、コ
ア部３７を形成する。加熱温度および時間を調節するこ
とにより、拡散深さを調節して、コア部３７のｙ方向の
大きさを任意の大きさに形成することができる。つぎ
に、フォトリソグラフィおよびエッチングを施し、コア
部３７のｘ方向の大きさを任意の大きさにする。このよ
うにコア形状に形成したＴｉの拡散したＬｉＮｂＯ3上
に、ＲＦスパッタによりＬｉＮｂＯ3膜を形成し、Ｔｉ
の拡散したＬｉＮｂＯ3を覆う。これにより、Ｔｉ拡散
ＬｉＮｂＯ3を材料とするコア部７と、ＬｉＮｂＯ3を材
料とするクラッド部が形成される。最後に上述の長さＬ
に切断し、入射口と出射口を研磨して完成させる。
【００４５】つぎに、本実施例のコンフォーカルレーザ
走査微分干渉顕微鏡の動作について説明する。
【００４６】レーザ光源３１からの光はＸ−Ｙ二次元ス
キャニング手段３４を経て対物レンズ３４に入射し、被
検物体３５上に集光される。被検物体３５で反射した
後、再び対物レンズ３４及びＸ−Ｙ二次元スキャニング
手段３２を経た光束は、基板３６に形成された三次元チ
ャネル導波路３７を透過し、対物レンズ３８により受光
面が四分割されている光検出器３６上に集光される。光
検出器３６は四分割された受光面の中心と光スポット像
の中心が一致するように配置されている。このあとは第
１実施例と同じで、物体面の傾斜に伴い検出器３９の４
つの受光面４０，４１，４２，４３に分配されるパワー
比が変わり、光検出器３９で各受光面ごとの光を検出
し、和検出手段４４，４５，４８，４９により和信号４
６，４７，５０，５１をとり、差動検出手段５２，５３
により差動信号５４，５５をとれば、微分干渉信号が得
られる。差動信号５４，５５に第１実施例と同様の処理
を適当にえることにより所望の方向にコントラストをも
つ微分干渉像を得られる。
【００４７】このように、本実施例の第１の実施例と第
２の実施例では、ダブルモードの三次元チャネル導波路
を用いることにより、被検物体の傾斜または反射率の勾
配を、導波路の幅方向（ｘ方向）および深さ方向（ｙ方
向）のデータを同時に得ることができる。従って、これ
らｘ方向とｙ方向のデータを合成することで、ユーザが
見たい任意の方向の被検物体の傾斜または反射率の勾配
のデータを得ることができる。これにより、被検物体を
回転させるための機構を必要とせず、また、ｘ方向とｙ
方向のデータ被検物体を回転させるを１回のデータの取
り込むだけで、被検物体を回転させた場合と同じ、任意
の方向の被検物体の傾斜または反射率の勾配を観察する
ことができる。
【００４８】上述の実施例１，２では、３次元チャネル
導波路を用いたが、チャネル型に限定されるものではな
く、ファイバー型の導波路を用いても同様に構成するこ
とができる。
【００４９】また第２の実施例の三次元チャネル導波路
５９は電気光学効果を有しているので、コア部３７の近
辺に、コア部３７に電圧を印加するための電極を配置
し、電極に印加する電圧を変化させれば、完全結合長Ｌ
Cを変化させることができる。これにより、一つの導波
路デバイスで物体の位相分布と強度分布とを独立に検出
することができる。
【００５０】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
型軽量化及び調整の省力化をさらに進めることができ
る。ただし、レーザ光源や光検出器を導波路と一体的に
構成することが難しい場合には、これらを分離して配置
し、オプティカルファイバーやレンズ系によって光を導
く構成としても良い。
【００５１】上記の各実施例の構成において、チャネル
導波路を形成するための好適な材料別な例について説明
しておく。導波路のクラッド基板として、例えばソーダ
ガラス、パイレックス、溶融石英を用いることができ
る。また、基板としてＬｉＮｂＯ3やＬｉＴａＯ3，Ｇａ
Ａｓ，ＩｎＰも用いることができる。これらの電気光学
的効果に基づき電極を形成することによってダブルモー
ド導波路領域の完全結合長ＬCを変えることが可能であ
り、ＧａＡｓ，ＩｎＰではさらにレーザダイオードＬＤ
や検出素子をモノリシックに一体化することも可能であ
る。基板にＳｉを用いる場合には、受光素子を一体化す
ることが可能である。これらを含め、本発明に用い得る
チャネル導波路を形成するための基板と導波層との材料
について、それぞれ表１のように整理することができ、
各材料の特徴に基づいて適宜の材料を用いることが好ま
しい。
【００５２】
【表１】
【００５３】さらに本実施例１，２においては、検出器
の４つの受光面の隣合う受光面の和信号を求めてから、
和信号同士の差を求める構成を示したが、図３に示した
各導波パターンが区別できる構成であればよいので、４
つの受光面の和検出手段を省略して、各受光面の信号を
差動するように構成することもできる。
【００５４】尚、本発明においては、受光面が四分割さ
れた検出器の適当な２つの受光面からの信号の和信号の
差信号により被検物体の微分情報を検出することが可能
であるが、差に変えて和の信号を取る場合には、通常の
コンフォーカルレーザ走査顕微鏡として機能することは
言うまでもない。
【００５５】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、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。
【００５６】また、光検出器からの２つの差動信号を処
理した信号に対して、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言うまで
もない。
【００５７】そして、各実施例では２つの差動手段から
得られる差動信号に処理を加えているが、この信号処理
を行わずに２つの差動信号を別々のモニターに表示する
ことにより物体のある方向とそれに垂直な方向の微分像
を同時に別々に見ることもできる。
【００５８】尚、各実施例においては被検物体と光スポ
ットとを相対的に移動させる手段として、振動鏡や回転
ミラー等のＸ−Ｙ二次元スキャナーによって光スポット
を被検物体上で走査する構成としたが、逆に光スポット
を固定し、被検物体を載置するステージを走査する構成
とすることも可能である。振動鏡や回転ミラー等によっ
て光学系中の光束を振動させて光スポットを走査する場
合には、光学系の残存収差の影響により被検物体上の光
スポットと検出手段の受光面上（ダブルモード導波路領
域の端面）に集光される光スポットとの共役関係を厳密
に維持できない恐れもあり、このような場合にはステー
ジの走査によることが望ましい。
【００５９】
【発明の効果】以上のように本発明によれば導波路を用
いたコンフォーカルレーザ走査微分干渉顕微鏡において
被検物体を光軸に対して回転させることなく、所望の方
向にコントラストがついた微分像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例のコンフォーカルレーザ
走査微分干渉顕微鏡の構成を表す説明図。
【図２】本発明の第２の実施例のコンフォーカルレーザ
走査微分干渉顕微鏡の構成を表す説明図。
【図３】ダブルモードの三次元チャネル導波路に導波す
る導波光パターンを示す説明図。
【図４】光検出器の四分割された受光面を示す下面図。
【符号の説明】
１，３１ 半導体レーザ ２，３２ ハーフミラ ３，３３ Ｘ−Ｙスキャナ ４，３４，３８ 対物レンズ ５，３５ 被検物体 ８，３９ 光検出器 １３，１４，１７，１８ 和検出手段 ２１，２２ 差動検出手段 ２５ 信号合成手段 ２６ 制御手段 ２７ モニタ ２８，５９ 三次元チャネル導波路 ６０ 信号処理回路

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 レーザ光スポットを物体上に照射するた
    めの照明光学系と、前記物体からの反射光を検出面上に
    集光する集光光学系と、前記検出面上に集光された反射
    光を検出する検出手段と、前記物体に対して前記レーザ
    光スポットを相対的に走査させる走査手段とを有するコ
    ンフォーカルレーザ走査顕微鏡であって、 前記集光光学系と検出光学系との間に配置された、前記
    集光光学系で集光された前記反射光を伝搬するための導
    波路を有する光学素子を有し、 前記導波路は、入射光の光軸対して垂直な少なくとも２
    つの方向に導波路構造を有し、前記入射光を伝搬する際
    の前記２つの方向の導波モードを、前記入射光の前記２
    つの方向における電界の振幅分布に応じて、０次モード
    および１次モード、ならびに、０次モードのみのいずれ
    かを、前記２つの導波方向でそれぞれ選択して伝搬する
    ダブルモードの導波路であり、 前記検出手段は、前記導波路から出射される光を受光し
    て、前記２つの方向のそれぞれの導波モードが、０次モ
    ードおよび１次モード、ならびに、０次モードのみのい
    ずれであるかを検出することにより、前記物体からの反
    射光の前記２つの方向におけるそれぞれの電界の振幅分
    布を検出す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。
  2. 【請求項２】 請求項１において、前記導波路は、前記
    入射光の前記２つの方向それぞれにおける電界の振幅分
    布が、前記入射口の中心を原点とした偶関数である場合
    には、０次モードによって伝搬し、前記入射口の中心を
    原点とした奇関数である場合には、０次モードおよび１
    次モードで伝搬す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。
  3. 【請求項３】 請求項１または２において、前記検出手
    段は、前記導波路から出射される光を受光して電気信号
    に変換する受光手段と、前記受光部が変換した電気信号
    を処理する回路とを有し、 前記受光部は、前記出射口の中心に対応する点を原点と
    して、前記２つの方向にそれぞれ２つに分割された、４
    つの受光面を有し、 前記電気信号を処理する回路は、前記４つの受光面のう
    ち、前記２つの方向に沿って隣りあった２つの受光面の
    出力信号を比較することにより、前記２つの方向のそれ
    ぞれの導波モードが、０次モードおよび１次モード、ま
    たは、０次モードのみのいずれであるかを検出し、前記
    物体からの反射光の電界の振幅分布を検出することを特
    徴としたコンフォーカルレーザ走査微分干渉顕微鏡。
  4. 【請求項４】 請求項１または２において、前記導波路
    は、前記２つの方向に導波路構造を有する三次元チャネ
    ル導波路であ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。
  5. 【請求項５】 請求項４において、前記三次元チャネル
    導波路の導波路構造を有する２つの方向のうち一方の方
    向のモード次数をｐ、他方の方向モード次数をｑとし
    て、伝搬する光の導波モードをＥpqで表した場合、前記
    三次元チャネル導波路は、Ｅ00，Ｅ01，Ｅ10モードのみ
    が伝搬可能であり、Ｅ11モードは伝搬できないことを特
    徴とするコンフォーカルレーザ走査微分干渉顕微鏡。
  6. 【請求項６】 請求項１において、前記導波路の入射口
    から出射口までの長さをＬとし、前記Ｅ00モードとＥ01
    モードの完全結合長をＬC1とし、Ｅ00モードとＥ01モー
    ドの完全結合長ＬC2とするとき Ｌ≒ｍＬC1 かつ Ｌ≒ｎＬC2 （ｍ＝１，２，・・・）（ｎ＝１，２，・・・） または Ｌ≒ＬC1（２ｍ＋１）／２ かつ Ｌ≒ＬC2（２ｎ＋１）／２ （ｍ＝０，１，２，・・・）（ｎ＝０，１，２，・・・） のいずれかの関係を満たす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。
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