JPH09281402A

JPH09281402A - 物体観察装置

Info

Publication number: JPH09281402A
Application number: JP8119726A
Authority: JP
Inventors: Tsuneyuki Hagiwara; 恒幸萩原; Tatsuro Otaki; 達朗大瀧
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-04-17
Filing date: 1996-04-17
Publication date: 1997-10-31

Abstract

(57)【要約】【課題】光学系に残留する位相の回転を除去するとと
もに、任意の照明系の開口絞りの大きさで理想的なコン
トラストの微分干渉像を観察する。【解決手段】直交する偏光方向の光ＥＯ，ＯＥの位相
差が、ポラライザ１０，１／４波長板１２によって調整
され、ノマルスキープリズム１４でシャーして物体に照
射される。物体を透過又は反射した光は、ノマルスキー
プリズム２０で合成され、更に偏光ビームスプリッタ２
２によって可干渉な偏光成分が取り出される。得られた
第１，第２の方向の可干渉な偏光成分の第１，第２の画
像に対し、強度比の調整が行われ、更にそれらの差信号
から微分干渉像が得られる。これにより、光学系の残留
位相の回転が除去され、理想的なコントラストの微分干
渉像が任意の開口絞りの大きさで観察可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、微分干渉顕微鏡
などの物体観察装置にかかり、更に具体的には、光学系
に残留する位相回転や開口絞りに対するコントラストの
改良に関するものである。

【０００２】

【背景技術と発明が解決しようとする課題】物体観察装
置，例えば微分干渉顕微鏡において、観察対象の物体が
存在しないときの理想的な光学系による干渉像の強度
は、一般的にゼロとなる。しかし、主光線以外の光線に
対しては、対物レンズなどによる付加的な位相差が残留
する。このような光学系に残留する位相の回転を除去す
るための一つの手法としては、光学式レクチファイアが
ある。また、かかる残留位相の回転は、照明系の開口絞
りを絞ることによっても改善される。

【０００３】しかしながら、光学的レクチファイアを用
いる手法は、落射照明の微分干渉顕微鏡には利用するこ
とが困難であるという不都合がある。また、開口絞りを
絞る手法は、照明系の全開口を利用するレーザ走査式の
顕微鏡には適用が不可能であり、結果的に良好なコント
ラストを得ることができない。また、照明系の開口絞り
を絞ると光量の損失が大きくなってしまうという不都合
もある。

【０００４】この発明は、以上の点に着目したもので、
光学系に残留する位相の回転を除去するとともに、任意
の照明系の開口絞りの大きさで理想的なコントラストの
微分干渉像を観察することができ、結像式やレーザー走
査式の顕微鏡を単純な光学系によって構成することがで
きる物体観察装置を提供することを、その目的とするも
のである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、物体を照明す
るための光を供給する照明手段（50,54）；これによっ
て供給された光のうち、直交する第１及び第２の偏光方
向の光の位相差を調整するための位相差調整手段（10,1
2,14,20,24）；これによって位相差が調整された第１の
偏光方向の光と第２の偏光方向の光の光軸を相対的にシ
ャーして観察対象の物体に照射する光分離手段（14,2
4）；物体を透過又は反射した前記第１の偏光方向の光
と第２の偏光方向の光を合成する光合成手段（20,2
4）；この光合成手段から供給された光から、第１及び
第２の異なる方向において可干渉な偏光成分をそれぞれ
得るためのフィルタ手段（22）；これによって得られた
第１及び第２の方向の可干渉な偏光成分に基づいて第１
及び第２の画像を得る撮像手段（70,74）；これによっ
て得られた第１及び第２の画像に対し、強度調整を行っ
て微分干渉像を得る演算手段（76,78）；を備えたこと
を特徴とする。

【０００６】他の発明は、物体を照明するための光を供
給する照明手段（100）；これによって供給された光の
うち、直交する第１及び第２の偏光方向の光の位相差を
調整するための位相差調整手段（10,12,14,20,24）；こ
れによって位相差が調整された第１の偏光方向の光と第
２の偏光方向の光の光軸を相対的にシャーして観察対象
の物体に照射する光分離手段（14,24）；物体を透過又
は反射した前記第１の偏光方向の光と第２の偏光方向の
光を合成する光合成手段（20,24）；この光合成手段か
ら供給された光から可干渉な偏光成分をそれぞれ得るた
めのフィルタ手段（110）；これによって得られた可干
渉な偏光成分に基づいて画像を得る撮像手段（114）；
これによって得られた画像を格納するための画像格納手
段（116）；前記位相差調整手段によって第１の位相に
調整されたときに格納された第１の画像と、第２の位相
に調整されたときに格納された第２の画像に対し、強度
調整を行って微分干渉像を得る演算手段（66）；を備え
たことを特徴とする。

【０００７】主要な態様によれば、前記位相差調整手段
は、回転可能なポラライザ（10）及び１／４波長板（1
2），電圧によって屈折率が制御可能な液晶，光軸を横
切る方向に前記光分離手段及び前記光合成手段の少なく
とも一方を移動させる手段（64），のいずれかで構成さ
れる。

【０００８】前記光分離手段及び光合成手段の少なくと
も一方は、例えば、複屈折性プリズム（14,20,24）によ
って構成される。前記フィルタ手段は、例えば、偏光ビ
ームスプリッタ（22）又はアナライザ（110）で構成さ
れる。前記照明手段は、例えば、レーザ光源（50）と、
これから出力されたレーザビームを走査する走査手段
（54）を含む。走査手段は、例えば、物体を透過又は反
射した光の光路中に配置され、物点と共役な位置にピン
ホール（90,92）が設けられる。また、前記演算手段
は、前記第一及び第二の画像の信号強度比を調整する信
号比調整手段（76）；これによって所定の強度比に調整
された二つの信号の差信号を得る差信号演算手段（7
8）；を備えたことを特徴とする。信号比調整手段は、
主光線以外の光線の付加的な位相差に相当する強度比調
整を行う。

【０００９】本発明の主要な態様には、次のようなもの
もある。（1）光透過性の物体を観察する物体観察装置であっ
て、第一の光線を射出するレーザー光源と、第一の光線
を第一の偏光状態と第二の偏光状態の２つの直線偏光で
あって互いに異なる方向に進行する光線に分離する光線
分離手段と、前記２つの直線偏光の光線を集光し、光透
過性の物体内の第一の領域内で２つのビームスポットを
形成するコンデンサレンズと、前記２つのビームスポッ
トを前記第一の領域内で２次元走査する走査手段と、前
記光透過性の物体から透過方向に発生する光線を集光し
得る対物レンズと、前記光透過性の物体を透過し、前記
対物レンズによって屈折された前記２つの直線偏光の光
線を第三の偏光状態の第二の光線に合成する、光線合成
手段と、前記第二の光線の第一の偏光状態と第二の偏光
状態の二つの直線偏光の光線の相対的な位相差量で有る
第一の位相差を調整する位相差調整手段と、前記第二の
光線を、第四の偏光状態と第五の偏光状態の二つの直線
偏光の光線に分離する、偏光分離手段と、前記第四の偏
光状態の光線を光電変換する第一の光電変換素子と、前
記第五の偏光状態の光線を光電変換する第二の光電変換
素子と、前記第一の光電変換素子と、前記第二の光電変
換素子の各々の光電変換信号の信号強度の比を調整する
信号比調整手段と、前記信号比調整手段によって所定の
強度比になった二つの信号の差である差信号を出力する
差信号出力手段を有することを特徴とする物体観察装
置。

【００１０】（2）光反射性の物体を観察する物体観察
装置であって、第一の光線を射出するレーザー光源と、
前記光反射性の物体から反射方向に発生する光線を集光
し得る光軸に沿って配置された対物レンズと、前記第一
の光線を、前記光軸に沿って配置された前記対物レンズ
に向けて反射させる第一のハーフミラーと、前記第一の
ハーフミラーで反射された第一の光線を、第一の偏光状
態と第二の偏光状態の２つの直線偏光であって互いに異
なる方向に進行する光線に分離する光線分離手段を有
し、前記対物レンズは前記２つの直線偏光の光線を集光
し、光反射性の物体内の第一の領域内で２つのビームス
ポットを形成し、前記第一の偏光状態と第二の偏光状態
の２つの直線偏光であって互いに異なる方向に進行する
光線は、前記対物レンズを通過し、前記光反射性の物体
に衝突し、反射され、再び該対物レンズに入射し、前記
光線分離手段に二再び入射し、第三の偏光状態の第二の
光線になって該光線分離手段を射出し、前記第一のハー
フミラーを透過し、更に、前記２つのビームスポットを
前記第一の領域内で２次元走査する走査手段と、前記第
一の偏光状態と第二の偏光状態の二つの直線偏光の光線
の相対的な位相差量である第一の位相差を調整する位相
差調整手段と、前記第二の光線を第四の偏光状態と第五
の偏光状態の２つの直線偏光の光線に分離する、第一の
偏光分離手段と、前記第四の偏光状態の光線を光電変換
する第一の光電変換素子と、前記第五の偏光状態の光線
を光電変換する第二の光電変換素子と、前記第一の光電
変換素子と、前記第二の光電変換素子の各々の光電変換
信号の信号強度の比を調整する信号比調整手段と、前記
信号比調整手段によって所定の強度比となった二つの信
号の差である差信号を出力する差信号出力手段を有する
ことを特徴とする物体観察装置。

【００１１】（3）前記第一の位相差はπの整数倍であ
ることを特徴とする（1）又は（2）記載の物体観察装
置。（4）前記第四の偏光状態は直線偏光であって、前記第
一の偏光状態の直線偏光の偏波面に対して９０゜の整数
倍をなすことを特徴とする（1）〜（3）のいずれかに記
載の物体観察装置。（5）前記第五の偏光状態は直線偏光であって、前記第
四の偏光状態の直線偏光の偏波面に対して直交すること
を特徴とする（1）〜（4）のいずれかに記載の物体観察
装置。

【００１２】（6）光透過性の物体を観察する物体観察
装置であって、第一の光線を射出する光源と、該光源か
らの第一の光線をポラライザ角に平行な直線偏光にす
る、回転可能なポラライザと、ポラライザを透過した第
一の光線を、第一の偏光状態と第二の偏光状態の２つの
直線偏光であって互いに異なる方向に進行する光線に分
離する光線分離手段と、前記２つの直線偏光の光線を
集光し、光透過性の物体内の第一の領域内を一括して透
過照明するコンデンサレンズと、前記光透過性の物体か
ら透過方向に発生する光線を集光し得る対物レンズと、
前記光透過性の物体を透過し、前記対物レンズによって
屈折された前記２つの直線偏光の光線を第三の偏光状態
の第二の光線に合成する、光線合成手段と、前記第一の
偏光状態と第二の偏光状態の二つの直線偏光の光線の相
対的な位相差量を調整する位相差調整手段と、前記第三
の偏光状態の第二の光線を、第四の偏光状態の光線にす
る、アナライザと、前記第四の偏光状態の光線を光電変
換する撮像素子と、前記撮像素子の出力する画像信号を
読みだし可能な状態で格納する、画像格納手段を有し、
同一物体の画像であって、前記位相差調整手段による前
記第一の偏光状態と前記第二の偏光状態の二つの直線偏
光の光線の相対的な位相差量が、第一の位相差の場合の
第一の画像と第二の位相差の場合の第二の画像を前記画
像格納手段に格納し、前記画像格納手段から同一物体の
画像であって、前記位相差調整手段による前記第一の偏
光状態と前記第二の偏光状態の二つの直線偏光の光線の
相対的な位相差量が、第一の位相差の場合の第一の画像
と第二の位相差の場合の第二の画像を読みだし、さら
に、前記第一の画像と第二の画像の信号強度の比を調整
する信号比調整手段と、前記信号比調整手段によって所
定の強度比になった二つの画像信号の差である差画像を
出力する差画像出力手段を有することを特徴とする物体
観察装置。

【００１３】（7）光反射性の物体を観察する物体観察
装置であって、第一の光線を射出する光源と、前記光反
射性の物体から反射方向に発生する光線を集光し得る光
軸に沿って配置された対物レンズと、前記第一の光線を
ポラライザ角に平行な直線偏光にする、回転可能なポラ
ライザと、前記第一の光線を、前記光軸に沿って配置さ
れた前記対物レンズに向けて反射させるハーフミラー
と、ハーフミラーで反射された第一の光線を、第一の偏
光状態と第二の偏光状態の２つの直線偏光であって互い
に異なる方向に進行する光線に分離する光線分離手段を
有し、前記第一の偏光状態と第二の偏光状態の２つの直
線偏光であって互いに異なる方向に進行する光線は、前
記対物レンズを通過し、前記光反射性の物体に衝突し、
反射され、再び該対物レンズに入射し、前記光線分離手
段に再び入射し、第三の偏光状態の第二の光線になって
該光線分離手段を射出し、前記ハーフミラーを透過し、
更に、前記第一の偏光状態と第二の偏光状態の２つの直
線偏光の光線の相対的な位相差量を調整する位相差調整
手段と、前記第三の偏光状態の第二の光線を、第四の偏
光状態の光線にする、アナライザと、前記第四の偏光状
態の光線を光電変換する撮像素子と、前記撮像素子の出
力する画像信号を読み出し可能な状態で格納する、画像
格納手段を有し、同一物体の画像であって、前記位相差
調整手段による前記第一の偏光状態と前記第二の偏光状
態の２つの直線偏光の光線の相対的な位相差量が、第一
の位相差の場合の第一の画像と第二の位相差の場合の第
二の画像を前記画像格納手段に格納し、前記画像格納手
段から同一物体の画像であって、前記位相差調整手段に
よる前記第一の偏光状態と前記第二の偏光状態の２つの
直線偏光の光線の相対的な位相差量が、第一の位相差の
場合の第一の画像と第二の位相差の場合の第二の画像を
読み出し、更に、前記第一の画像と第二の画像の信号強
度の比を調整する信号比調整手段と、前記信号比調整手
段によって所定の強度比になった２つの画像信号の差で
ある差画像を出力する差画像出力手段を有することを特
徴とする物体観察装置。

【００１４】（8）前記第一の位相差と第二の位相差は
πの奇数倍であることを特徴とする前記（6）又は（7）
記載の物体観察装置。（9）前記光線分離手段と前記光線合成手段のどちらか
一方、または両方が複屈折性プリズムであることを特徴
とする前記（1）〜（8）のいずれかに記載の物体観察装
置。（10）前記位相差調整手段は、１／４波長板と光軸を中
心として回転可能なポラライザとの組合せであることを
特徴とする前記（1）〜（9）のいずれかに記載の物体観
察装置。（11）前記位相差調整手段は、前記光線分離手段と前記
光線合成手段のどちらか一方、または両方を光軸を横切
る方向に移動させることによって位相差を調整し得るこ
とを特徴とする前記（1）〜（9）のいずれかに記載の物
体観察装置。

【００１５】（12）前記偏光分離手段は偏光ビームスプ
リッタであることを特徴とする前記（1）〜（11）のい
ずれかに記載の物体観察装置。

【００１６】本発明によれば、照明手段から供給された
光のうち、直交する第１及び第２の偏光方向の光の位相
差が、位相差調整手段によって調整される。調整後の第
１の偏光方向の光と第２の偏光方向の光の光軸は、光分
離手段によってを相対的にシャーして観察対象の物体に
照射される。物体を透過又は反射した前記第１の偏光方
向の光と第２の偏光方向の光は、光合成手段によって合
成され、更に第１及び第２の異なる方向において可干渉
な偏光成分がフィルタ手段によって取り出される。

【００１７】撮像手段では、得られた第１及び第２の方
向の可干渉な偏光成分に基づいて第１及び第２の画像が
得られる。これによって得られた第１及び第２の画像に
対し、演算手段で強度調整を行って微分干渉像を得る。
これにより、光学系に残留する位相の回転が除去され、
理想的なコントラストの微分干渉像が任意の照明系の開
口絞りの大きさで観察可能となる。

【００１８】この発明の前記及び他の目的，特徴，利点
は、以下の詳細な説明及び添付図面から明瞭になろう。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、発明の実施の形態につい
て、実施例を参照しながら詳細に説明する。本発明にか
かる物体観察装置は、例えば微分干渉顕微鏡，特にレー
ザ走査型の顕微鏡に好適である。

【００２０】

【第１の基本的形態】最初に、実施例の第１の基本的な
形態について図１を参照しながら説明する。なお、同図
中の各素子に対して、それぞれ直交座標（Ｘ1，Ｙ1）〜
（Ｘ4，Ｙ4）は光軸ＡＸに対して直交し、かつ同じ方位
となるように設定される。また、同様に直交座標（Ｘ
5，Ｙ5）を、光軸ＡＸを折り返した反射側光軸ＡＸ１に
直交し、かつ直交座標（Ｘ1，Ｙ1）〜（Ｘ4，Ｙ4）と同
じ方位となるように設定する。つまり、照明側から見た
ときに、各座標軸が重なるように座標が設定される。以
下、それらの方位を単に（ｘ，ｙ）と表現する。

【００２１】図示しない光源から射出された照明用の光
線ｉ00は、回転可能なポラライザ１０，１／４波長板１
２，ノマルスキープリズム１４を順に透過してコンデン
サレンズ１６に入射する。ポラライザ１０は、ｘ軸に対
する方位角θ1が透過する光の偏光方向であり、この角
度θ1は、ポラライザ１０を回転させることで変更可能
となっている。１／４波長板１２は、光学軸である早い
軸ｎeとこれに直交する遅い軸ｎoを有し、早い軸ｎeの
方位角はｘ軸に対して４５゜，遅い軸ｎoの方位角はｘ
軸に対して−４５゜に設定されている。入射光のうち、
遅い軸ｎoに平行な偏波面の直線偏光成分は、早い軸ｎe
に平行な偏波面の直線偏光成分に対して１／４波長（９
０゜）の位相遅れが生じる。１／４波長板１２を透過し
た光線は、ノマルスキープリズム１４とコンデンサレン
ズ１６によって、物体面Ｓである（Ｘ3，Ｙ3）座標平面
上で２σシャーした光線ＥＯ，ＯＥとなる。光線ＥＯ
は、Ｙ3軸に平行な偏波面の直線偏光となり、光線ＯＥ
はＸ3軸に平行な偏波面の直線偏光となる。

【００２２】例えば、ポラライザ１０の方位角θ1が１
／４波長板１２の早い軸ｎeと一致しているときは、光
線ｉ00のうちの早い軸ｎe方向の偏光光がそのまま透過
する。ポラライザ１０の方位角θ1が１／４波長板１２
の遅い軸ｎoと一致しているときは、光線ｉ00のうちの
遅い軸ｎo方向の偏光光が１／４波長板１２による９０
゜位相遅れの後に透過する。このように、ポラライザ１
０と１／４波長板１２の作用によって、直交する２つの
直線偏光成分ＥＯ，ＯＥの位相差が任意に調整可能とな
っている。具体的には、光線ＥＯ，ＯＥの相対的な位相
差αは、ポラライザ角θ1を変化させることで、後述す
る（2）式のように可変できる。

【００２３】次に、物体面Ｓ上の物体を透過した光線
は、対物レンズ１８，ノマルスキープリズム２０の作用
により再び１つの光線に合成される。なお、物体が位相
差の無い完全な平行平板である場合に、２つのノマルス
キープリズム１４，２０の間で照明光ＥＯ，ＯＥ間に与
えられる位相差が２πの整数倍となるように、ノマルス
キープリズム１４，２０の位置が光軸ＡＸを横切る方向
に調整される。

【００２４】ノマルスキープリズム２０によって再び１
つになった光線は、偏光ビームスプリッタ２２に入射す
る。偏光ビームスプリッタ２２に達した光線のうち、ｘ
軸に対してθ2＝４５゜の方位に平行な偏波面の成分は
透過して光線ｉ1となり、ｘ軸に対してθ3＝１３５゜の
方位に平行な偏波面の成分は反射されて光線ｉ2とな
り、光軸ＡＸ1に沿って進行する。これにより、照明光
ＯＥ，ＥＯからそれぞれ振幅干渉成分が取り出される。
そして、後述するように、２つの干渉成分の差から微分
干渉像が得られる。

【００２５】次に、レンズのＯＴＦの影響は考えないも
のとし、物体，例えばレチクルなどの段差位置における
光線ｉ1，ｉ2による微分干渉像の強度を求める。なお、
観察対象の物体の段差は、基本的に１次元の構造である
ので以下の解析では光学系を含めてすべての１次元で行
うこととする。実際の光学系は２次元であるが、以下の
議論では１次元の仮定で全く差し支えない。また、以下
の説明では、結像型の微分干渉顕微鏡の結像面における
点像の強度をもって説明するが、レーザ走査光学系の微
分干渉顕微鏡によっても焦点深度が異なる以外は、結像
型の微分干渉顕微鏡における照明系のσ値を適当に設定
すれば全く同一の微分干渉像が得られるので、走査型の
ものにも基本的に適用可能である。

【００２６】また、この実施例は微分干渉顕微鏡の光学
系を踏襲したレーザ走査顕微鏡の構成となっている。こ
のため、光線分離手段であるノマルスキープリズム１４
にって生じる物体上の２つのビームの振幅や位相情報
は、光線合成手段であるノマルスキープリズム２０内に
おける２つの光波の干渉によって生じる１つの光線に保
存される。従って、像平面以外の位置，例えば瞳共役平
面近傍などに設置された光電変換素子によっても微分干
渉像を得ることができる。干渉像を得るための撮像手段
（例えば光電変換素子）の設置位置は、光線合成手段以
降ならばどこでもよい。

【００２７】図１に示す微分干渉顕微鏡によって得られ
る一つの像点には、ノマルスキープリズム１４のシャー
による間隔２σだけ互いに離れた２つの物点が対応す
る。これらをＯ（＋δ），Ｏ（−δ）として両者の相対
的な位相差をΨとすれば、次の（1）式のようになる。
なお、この（1）式は複素表示であり、ａ，ｂは振幅成
分を表わし、exp（jΨ）は位相成分を表わす。「ｊ」は
虚数単位である。

【００２８】

【数１】

【００２９】微分干渉顕微鏡によって付加される位相差
をα1，α2とすれば、ポラライザ１０の方位角θ1との
関係は、次の（2）式のようになる。そして、光線ｉ1，
ｉ2に対応した理想的な光学系における干渉像の強度Ｉi
1（α1），Ｉi2（α2）は、Ｃを定数として次の（3）式
のようになる。

【００３０】

【数２】

【数３】

【００３１】ここで、ポラライザ１０の方位角θ1＝−
π／４とすると、光線ｉ1，ｉ2に対応した２つの像平面
上での理想的な光学系による干渉像の強度Ｉi1（α
1），Ｉi2（α2）は、次の（4），（5）式でそれぞれ示
される。

【００３２】

【数４】

【数５】

【００３３】（4）式からすると、物体がない場合は、
ａ＝ｂ，Ψ＝０であるから、理想的な光学系による干渉
像の強度Ｉi1（α1）はゼロとなる。しかし、主光線以
外の光線には対物レンズ１８などによる付加的な位相差
が残留する。例えば、透過照明型の微分干渉顕微鏡で、
物体が存在しないときに照明系の開口絞りを小さくする
ことによって主光線のみを干渉させて、前記（4）式の
干渉像強度Ｉi1（α1）を、ほとんどゼロにすることが
できる。しかし、開口絞りを開けていくと、背景（バッ
クグラウンド）が徐々に明るくなるという現象が実験的
に観察できる。これは、上述した付加的な位相差の残留
が原因である。

【００３４】ここで、残留している主光線以外の光線の
付加的な位相差を、物体の位置によらない位相物体Ｏ0
として考慮し、次の（6）式にのように定義する。この
式で、「ａ0」は照明光の振幅を示し、Φは主光線以外
の光線の付加的な位相差の平均値である。なお、「ｊ」
は、前記（1）式と同様に虚数単位である。

【００３５】

【数６】

【００３６】主光線以外の光線の付加的な位相差は、実
際には一つの値ではなく、光線が対物レンズ１８の瞳平
面を通過するときの瞳平面上の位置によって変化する。
従って、ノマルスキープリズム２０などでその位相差を
調整しても、開口絞りを開けた状態における物体がない
ときの強度Ｉi1（α1）（前記（4）式）を完全にゼロと
することはできない。しかし、主光線以外の光線の付加
的な位相差は一般に小さな値であるので、平均値で代表
しても差し支えない。そこで、位相物体Ｏ0を理想的な
光学系で観察したときの強度，つまり開口絞りを開けた
状態における背景強度Ｉi1（Ｏ0,α1），Ｉi2（Ｏ0,α
2）を、次の（7），（8）式のように得る。これらは、
前記（4），（5）式に前記（6）式の振幅及び位相を代
入して得られる。

【００３７】

【数７】

【数８】

【００３８】次に、背景の強度の差動出力Ｓ0を、ｋを
定数として次の（9）式で定義する。この（9）式に前記
（7），（8）式を代入すると、次の（10）式が得られ
る。この式から、背景強度の差動出力Ｓ0＝０とすれ
ば、背景を完全にゼロとすることができる。このときの
cosΦと定数ｋとの関係を求めると、次の（11）式のよ
うになる。このようにして、主光線以外の光線の付加的
な位相差，別言すれば光学系に残留する位相の回転が消
去されるのと同等の効果を、画像として得ることができ
る。

【００３９】

【数９】

【数１０】

【数１１】

【００４０】次に、前記（1）式で示した物体を開口絞
りを開けた状態で観察する場合、付加的な位相差の平均
値Φを考慮した物体をＯｒと表現すれば、次の（12）式
のようになる。このときの前記（9）式に対応する差動
信号Ｓrは、（9）式と同じ定数ｋによって次の（13）式
で示される。

【００４１】

【数１２】

【数１３】

【００４２】他方、前記（4），（5）式に前記（12）式
を代入すると、次の（14），（15）式が得られる。これ
らを前記（13）式に代入すると、次の（16）式が得られ
る。この（16）式の近似は、対物レンズ１８などによる
付加的な位相差の平均値Φが通常１〜２゜程度であるこ
とからすると、精度よく成り立つ。従って、以上の観察
手法によれば、光学系に残留する位相の回転が良好に消
去されるとともに、開口絞りを開けた状態でも、（4）
式で示される理想的な光学系の干渉像Ｉi1（α1）と等
価な像を得ることができる。

【００４３】

【数１４】

【数１５】

【００４４】

【数１６】

【００４５】

【第２の基本的形態】次に、図２を参照しながら第２の
基本的形態について説明する。この形態は、上述した第
１の形態を落射照明法で実施するようにしたものであ
る。この落射照明法では、前記コンデンサーレンズ１６
と対物レンズ１８が対物レンズ２６によって共用されて
おり、ノマルスキープリズム１４，２０もノマルスキー
プリズム２４一つになる。また、物体からの反射光は、
ハーフミラー２８によって照明光学系の光軸ＡＸ0と別
の方向に取り出される。

【００４６】詳述すると、光線ｉ00は、ポラライザ１０
によって、ｘ（Ｘ1）軸に対して方位角θ1の偏波面の直
線偏光となり、１／４波長板１２を透過して位相変調を
受ける。そして、光軸ＡＸ0に沿って進行し、ハーフミ
ラー２８に入射する。ハーフミラー２８によって反射さ
れた光線は、光軸ＡＸに沿って進み、ノマルスキープリ
ズム２４，対物レンズ２６を順に透過する。これらノマ
ルスキープリズム２４，対物レンズ２６の作用によっ
て、（Ｘ3，Ｙ3）座標面である物体面Ｓ上で２δシャー
した照明光ＥＯ，ＯＥが得られる。照明光ＥＯは、Ｙ3
軸に平行な偏波面の直線偏光，照明光ＯＥはＸ3軸に平
行な偏波面の直線偏光である。同様に、照明光ＥＯ，Ｏ
Ｅ間の相対的な位相差αは、ポラライザ１０の方位角θ
1を変化させることによって可変できる（前記（2）式参
照）。

【００４７】物体面Ｓ上の物体によって反射された照明
光は、対物レンズ２６，ノマルスキープリズム２４の作
用により再び１つの光線に合成される。なお、物体が位
相差の無い完全な鏡面である場合に、物体とノマルスキ
ープリズム２４との間で照明光ＥＯ，ＯＥ間に与えられ
る位相差が２πの整数倍となるように、ノマルスキープ
リズム２４の位置が光軸ＡＸを横切る方向に調整され
る。ノマルスキープリズム２４によって再び１つになっ
た光線は、ハーフミラー２８に入射する。そして、これ
を透過した光線が偏光ビームスプリッタ２２に入射す
る。以後の作用は、上述した第１の形態と同様である。

【００４８】

【実施例１】次に、図３を参照しながら本発明の実施例
１について説明する。基本的な構成は、前記図１と同様
である。図３において、レーザー光源５０から射出され
た光線は、Ｘ軸に対してＹ軸を正としたとき−４５゜の
方位の直線偏光である。この光線は、ビームエキスパン
ダー５２によって平行光となり、反射ミラー５３で反射
されてＸＹ走査部５４に入射する。光線は、ＸＹ走査部
５４で空間的に走査偏向される。走査後の光線は、第１
リレーレンズ５６，第２リレーレンズ５８を経て、コン
デンサーレンズ１６の瞳位置近傍に位置する１／４波長
板１２，ノマルスキープリズム１４に入射する。ノマル
スキープリズム１４を通過すると、互いの偏光方向が直
交する二つの直線偏光であって、僅かな相対角度をなす
光線に分離され、コンデンサレンズ１６に入射する。コ
ンデンサレンズ１６によって屈折された各光線は、スラ
イドガラス６０上の物体６２上でビームスポットを形成
する。

【００４９】物体６２上には、ノマルスキープリズム１
４の作用により、わずかに位置のずれた２つのスポット
が近接して形成される。これらのスポットは、ＸＹ走査
部５４の作用によって物体６２上を２次元走査する。な
お、ＸＹ走査部５４は、同期装置８０，アクチュエータ
８８を介して駆動されている。

【００５０】物体６２を透過した光線は、対物レンズ１
８に入射して屈折され、対物レンズ１８の瞳位置近傍に
位置するノマルスキープリズム２０によって１つの平行
光速に合成される。合成後の光線は、偏光ビームスプリ
ッタ２２に入射する。偏光ビームスプリッタ２２を透過
した光線ｉ1は、ｘ軸に対して４５゜の方位の直線偏光
となる。偏光ビームスプリッタ２２で反射された光線ｉ
2は、ｘ軸に対して１３５゜の方位の直線偏光となる。

【００５１】なお、上述した各光学素子の光軸ＡＸを中
心としたｘ軸に対する方位角は、ｙ軸方向を正とする
と、１／４波長板１２の光学軸は＋４５゜，ノマルスキ
ープリズム１４，２０の楔の向きは０゜，偏光ビームス
プリッタ２２のアナライザ角（θ2）は＋４５゜となっ
ている。なお、これらは、前記図１と同じである。

【００５２】また、上述したように、スライドガラス６
０ないしは物体６２上における２つのビーム間に位相差
を生じるようなものが全くない場合，例えば平行平板の
ようなときに、２つのノマルスキープリズム１４，２０
の間で二つの光線に与えられる位相差の初期値が２πの
整数倍になるように、光軸ＡＸを横切る方向にノマルス
キープリズム１４をアクチュエータ６４によって位置調
整する。アクチュエータ６４は、コンピュータ６６によ
って制御されている。

【００５３】偏光ビームスプリッタ２２を透過した光線
ｉ1は、レンズ６８によって屈折し、ＣＣＤなどで構成
された光電変換素子７０によって光電変換されて映像信
号が出力される。偏光ビームスプリッタ２２で反射され
た光線ｉ2は、レンズ７２によって屈折し、光電変換素
子７４によって光電変換されて映像信号が出力される。
光電変換素子７４から出力される映像信号は、光線ｉ2
に関する光電変換信号であって、減衰器（乗算器）７６
により、係数ｋが前記（11）式に従って乗じられる。な
お、係数ｋは、物体が存在しないときの差動信号がゼロ
となるように実験的に設定してもよい。

【００５４】光電変換素子７０，減衰器７６からそれぞ
れ出力された一組の映像信号は、差動増幅器７８に入力
され、差動増幅器７８では両者の差動信号が出力され
る。この差動信号は、前記（13）又は（16）式に示した
Ｓrに相当する。この差動信号Ｓrは、同期装置８０を経
て画像表示部８２上に表示される。同期装置８０によ
り、信号の取り込みがＸＹ走査部５４の走査に同期して
行われる。

【００５５】他方、コンピュータ６６では、差動信号Ｓ
rがＤ／Ａ変換され、必要に応じて画像データとして蓄
積される。観察者は、インターフェイス８４を介して蓄
積されたデータの画像表示部８２への表示や、周知の画
像処理技術に基づく画像演算を実行できる。なお、本実
施例において、１／４波長板１２はなくても全く問題は
ない。

【００５６】

【実施例２】次に、図４を参照しながら実施例２につい
て説明する。この実施例２は、前記実施例１を落射照明
法によって構成した例であり、前記第２の基本的形態に
対応する。同図において、レーザー光源５０から射出さ
れた光線は、ビームエキスパンダー５２によって平行光
となり、更にＸＹ走査部５４で空間的に走査偏向され
る。走査後の光線は、第１リレーレンズ５６，第２リレ
ーレンズ５８を経て、対物レンズ２６の瞳面と共役な面
の近傍に位置する１／４波長板１２を通過する。１／４
波長板１２を透過した光線は、瞳投影レンズ８６によっ
て屈折し、ハーフミラー２８によって光軸ＡＸに沿った
方向に反射され、ノマルスキープリズム３４に入射す
る。ノマルスキープリズム２４を通過すると、互いの偏
光方向が直交する二つの直線偏光であって、僅かな相対
角度をなす光線に分離して進行し、対物レンズ２６に入
射する。対物レンズ２６によって屈折された各光線は、
スライドガラス６０上の物体６２上でビームスポットを
形成する。

【００５７】物体６２上には、ノマルスキープリズム２
４の作用により、わずかに位置のずれた２つのスポット
が近接して形成される。これらのスポットは、ＸＹ走査
部５４の作用によって物体６２上を２次元走査する。

【００５８】物体６２によって反射された光線は、再び
対物レンズ２６に入射して屈折され、対物レンズ２６の
瞳位置近傍に位置するノマルスキープリズム２４を再度
通過してハーフミラー２８に入射する。全振幅の一部分
はハーフミラー２８を透過して偏光ビームスプリッタ２
２に達する。以後の作用は、上述した実施例１と同様で
あり、差動増幅器７８において差動信号Ｓrが得られ
る。なお、本実施例においても、１／４波長板１２は、
なくても全く問題ない。

【００５９】

【実施例３】次に、図５を参照しながら実施例３につい
て説明する。この実施例３は、前記実施例２とほぼ同様
であるが、本実施例ではＸＹ走査部５４の位置が異なっ
ている。すなわち、物体６２からの反射光が、もう一度
ＸＹ走査部５４を通過する配置となっており、いわゆる
コンフォーカル顕微鏡の光学構成となっている。

【００６０】このため、光電変換素子７０，７４に入射
する光束は、物体６２上におけるレーザビームの２次元
走査にかかわらず常に静止する。従って、レンズ６８，
７２によって光を集光するとともに、集光点（物点と共
役な点）にピンホール９０，９２を設けてフレアなどの
不必要な光を減少させている。もちろん、本実施例で
も、前記実施例２と同様に１／４波長板１２を設けなく
てもよい。

【００６１】

【実施例４】次に、図６を参照しながら実施例４につい
て説明する。上述した実施例は、いずれもレーザビーム
を走査する走査型の例であるが、以下の実施例は結像型
の例であり、本実施例は図１に相当する透過型の構成と
なっている。

【００６２】図６において、光源１００としては水銀ラ
ンプが用いられており、これから射出された光線は干渉
フィルタ１０２によって最適な波長が選択される。干渉
フィルタ１０２を透過した光は、コレクタレンズ１０
４，第一リレーレンズ１０６，第２リレーレンズ１０８
を順に経て、コンデンサレンズ１２の瞳位置近傍に位置
するポラライザ１０，１／４波長板１２，ノマルスキー
プリズム１４を通過する。これにより、互いの偏光方向
が直交する二つの直線偏光であって、僅かな相対角度を
有する光線に分離して進行し、コンデンサーレンズ１２
によって屈折されて、スライドガラス６０上の物体６２
を透過照明する。

【００６３】物体６２を透過した光線は対物レンズ１８
に入射して屈折するとともに、対物レンズ１８の瞳位置
近傍に位置するノマルスキープリズム２０を透過し、ア
ナライザ１１０に入射する。一部の光線はアナライザ１
１０を透過し、アナライザ角に平行な偏波面の直線偏光
の光線となる。光線としては、後述するように、ポララ
イザ１０の方位角に応じてｉ1，ｉ2が得られる。アナラ
イザ角は、上述した偏光ビームスプリッタ２２のアナラ
イザ角θ2と同様となっている。アナライザ１１０を透
過した光線はレンズ１１２によって屈折され、対物レン
ズ１８の物平面に共役な像平面に干渉像を形成する。そ
して、前記実施例と同様に像平面上に光検知面が位置す
る二次元撮像素子１１４によって光電変換され、映像信
号が２次元撮像素子１１４から出力される。

【００６４】２つのポラライザ方位角に対応して得られ
る２つの画像信号は、画像蓄積部１１６内でＡ／Ｄ変換
され、２つの画像データとして蓄積される。すなわち、
まず、ポラライザ１０の方位角θ1がｘ方向に対して−
π／４にアクチュエータ１１８によって設定され、光線
ｉ1に対応する強度画像が二次元撮像素子１１４で撮像
され、これが画像蓄積部１１６内に保存される。次に、
ポラライザ１０の方位角θ1がｘ方向に対して＋π／４
にアクチュエータ１１８により設定され、光線ｉ2に対
応する強度画像が二次元撮像素子１１４で撮像され、こ
れを画像蓄積部１１６内に保存される。

【００６５】コンピュータ６６では、画像蓄積部１１６
内に格納された２つの画像データのうち、光線ｉ2によ
る画像の強度に対して係数ｋを（11）式に従って乗じて
から、光線ｉ1による画像に対して（13），（16）式に
従って差画像データが算出され、これが画像蓄積部１１
６内に蓄積される。この差画像データは、Ｄ／Ａ変換さ
れて表示部８２に出力されて表示される。なお、観察者
は、前記実施例と同様に、インターフェイス８４よって
蓄積したデータの表示や他の画像演算を選択できる。

【００６６】なお、本実施例における１／４波長板１２
も同様になくてもよい。しかしこの場合、シャーした光
線ＯＥ，ＥＯに対し、任意の位相差をポラライザ１０の
回転によって与えることはできない。

【００６７】

【実施例５】次に、図７を参照しながら実施例５につい
て説明する。この実施例５は、前記実施例４を落者照明
法の構成とした例である。光源１００から射出された光
線は、干渉フィルタ１０２による波長選択の後、コレク
タレンズ１０４，第一リレーレンズ１０６，第２リレー
レンズ１０８，ポラライザ１０，１／４波長板１２を順
に通過し、瞳投影レンズ８６によって屈折されてハーフ
ミラー２８に入射する。ハーフミラー２８により光軸Ａ
Ｘに沿って反射された光線は、ノマルスキープリズム２
４を通過する。これにより、互いの偏光方向が直交する
光線に分離されて進行し、対物レンズ２６によって屈折
されて、スライドガラス６０上の物体６２を落射照明す
る。

【００６８】物体６２で反射した光線は、対物レンズ２
６，ノマルスキープリズム２４，ハーフミラー２８を順
に透過し、アナライザ１１０に入射する。以後の作用
は、前記実施例４と同様である。

【００６９】

【他の実施例】この発明には数多くの実施の形態があ
り、以上の開示に基づいて多様に改変することが可能で
ある。例えば、次のようなものも含まれる。（1）前記実施例では、ＣＣＤなどの２次元撮像素子を
用いたが、撮像手段であれば、どのようなものを用いて
もよい。その他、必要に応じてリレー光学系やミラーを
用いてよい。光源も、水銀ランプの他、各種のものを用
いてよい。２つのビームのシャー量も可変としてよい。

【００７０】（2）前記実施例は、本発明を主として顕
微鏡に適用したものであるが、物体の観察全般に本発明
は適用可能である。例えば、物体の段差測定，磁気ヘッ
ド，ウエハ，レチクルなどの欠陥検査，物体の表面形状
を加味した位置測定に有効である。

【００７１】（3）前記実施例では、位相差調整機構と
して、１／４波長板と回転可能なポラライザを用いた
が、ノマルスキープリズムを光軸を横切る方向に出し入
れすることでも同様の効果を達成可能である。他に、例
えば液晶などの屈折率を可変な素子を用いて位相差調整
を行うようにしてもよい。

【００７２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
位相差が調整された２つの偏光方向の光をシャーして物
体に照射し、合成後の光から得た干渉像に強度調整を行
って微分干渉像を得ることとしたので、光学系に残留す
る位相の回転が良好に除去されるとともに、理想的なコ
ントラストの微分干渉像が任意の照明系の開口絞りの大
きさで観察可能な結像式やレーザ走査式の顕微鏡を単純
な光学構成で得ることができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例の第１の基本的な形態を示す
斜視図である。

【図２】この発明の実施例の第２の基本的な形態を示す
斜視図である。

【図３】この発明の実施例１を示す図である。

【図４】この発明の実施例２を示す図である。

【図５】この発明の実施例３を示す図である。

【図６】この発明の実施例４を示す図である。

【図７】この発明の実施例５を示す図である。

【符号の説明】

１０…ポラライザ１２…１／４波長板１４，２０，２４…ノマルスキープリズム１６…コンデンサレンズ１８，２６…対物レンズ２２…偏光ビームスプリッタ（アナライザ）２８…ハーフミラー５０…レーザ光源５２…ビームエキスパンダ５４…Ｘ−Ｙ走査部５６，５８…リレーレンズ６０…スライドガラス６２…物体６４，８８，１１８…アクチュエータ６６…コンピュータ６８，７２，１１２…レンズ７０，７４，１１４…光電変換素子７６…減衰器７８…差動増幅器８０…同期装置８２…表示部８４…インターフェース８６…瞳投影レンズ９０，９２…ピンホール１００…水銀ランプ１０２…干渉フィルタ１０４…コレクタレンズ１０６，１０８…リレーレンズ１１０…アナライザ１１６…画像蓄積部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｇ０１Ｎ 21/88 Ｇ０１Ｎ 21/88 ＥＧ０２Ｂ 21/00 Ｇ０２Ｂ 21/00

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】物体を照明するための光を供給する照明
手段；これによって供給された光のうち、直交する第１
及び第２の偏光方向の光の位相差を調整するための位相
差調整手段；これによって位相差が調整された第１の偏
光方向の光と第２の偏光方向の光の光軸を相対的にシャ
ーして観察対象の物体に照射する光分離手段；物体を透
過又は反射した前記第１の偏光方向の光と第２の偏光方
向の光を合成する光合成手段；この光合成手段から供給
された光から、第１及び第２の異なる方向において可干
渉な偏光成分をそれぞれ得るためのフィルタ手段；これ
によって得られた第１及び第２の方向の可干渉な偏光成
分に基づいて第１及び第２の画像を得る撮像手段；これ
によって得られた第１及び第２の画像に対し、強度調整
を行って微分干渉像を得る演算手段；を備えたことを特
徴とする物体観察装置。
【請求項２】物体を照明するための光を供給する照明
手段；これによって供給された光のうち、直交する第１
及び第２の偏光方向の光の位相差を調整するための位相
差調整手段；これによって位相差が調整された第１の偏
光方向の光と第２の偏光方向の光の光軸を相対的にシャ
ーして観察対象の物体に照射する光分離手段；物体を透
過又は反射した前記第１の偏光方向の光と第２の偏光方
向の光を合成する光合成手段；この光合成手段から供給
された光から可干渉な偏光成分をそれぞれ得るためのフ
ィルタ手段；これによって得られた可干渉な偏光成分に
基づいて画像を得る撮像手段；これによって得られた画
像を格納するための画像格納手段；前記位相差調整手段
によって第１の位相に調整されたときに格納された第１
の画像と、第２の位相に調整されたときに格納された第
２の画像に対し、強度調整を行って微分干渉像を得る演
算手段；を備えたことを特徴とする物体観察装置。
【請求項３】前記位相差調整手段が、回転可能なポラ
ライザ及び１／４波長板を含むことを特徴とする請求項
１又は２記載の物体観察装置。
【請求項４】前記位相差調整手段が、電圧によって屈
折率が制御可能な液晶であることを特徴とする請求項１
又は２記載の物体観察装置。
【請求項５】前記位相差調整手段が、光軸を横切る方
向に前記光分離手段及び前記光合成手段の少なくとも一
方を移動させる手段であることを特徴とする請求項１又
は２記載の物体観察装置。
【請求項６】前記光分離手段及び光合成手段の少なく
とも一方が複屈折性プリズムであることを特徴とする請
求項１，２，３，４又は５記載の物体観察装置。
【請求項７】前記フィルタ手段は、偏光ビームスプリ
ッタ又はアナライザであることを特徴とする請求項１，
２，３，４，５又は６記載の物体観察装置。
【請求項８】前記照明手段が、レーザ光源と、これか
ら出力されたレーザビームを走査する走査手段を含むこ
とを特徴とする請求項１，２，３，４，５，６又は７記
載の物体観察装置。
【請求項９】前記走査手段を、物体を透過又は反射し
た光の光路中に配置するとともに、物点と共役な位置に
ピンホールを設けたことを特徴とする請求項８記載の物
体観察装置。
【請求項１０】前記演算手段は、前記第一及び第二の画像の信号強度比を調整する信号比
調整手段；これによって所定の強度比に調整された二つ
の信号の差信号を得る差信号演算手段；を備えたことを
特徴とする請求項１，２，３，４，５，６，７，８又は
９記載の物体観察装置。
【請求項１１】前記信号比調整手段は、主光線以外の
光線の付加的な位相差に相当する強度比調整を行うこと
を特徴とする請求項１１記載の物体観察装置。