JPH1089912A - 干渉顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 再現性および精度の良い計測値が得られる干
渉顕微鏡を提供する。 【解決手段】 コヒーレントな照明光を発生する光源手
段21,22,23と、この光源手段からの照明光により観察物
体30と参照物体31との干渉像を生成する干渉装置27と、
干渉装置27によって生成される干渉像の拡大像を所定の
結像面に形成する対物レンズ26と、拡大像を撮像する撮
像装置32と、光源手段から観察物体30を経由して干渉像
までの光路と光源手段から参照物体31を経由して干渉像
までの光路との位相差を変調する位相変調装置36と、位
相変調装置36で位相差を変調することにより、撮像装置
32から得られる複数の干渉像に基づいて観察物体30の表
面近傍での位相分布を算出する位相分布算出手段33と、
この位相分布算出手段33で算出される位相分布の特異点
が明確に現れるように、観察物体30に対する対物レンズ
26の焦点位置を調節する焦点調節装置35とを有する。

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、微小物体の形状
を測定、検査するための干渉顕微鏡に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】干渉計に顕微鏡を組み合わせて、微小物
体の形状を測定、検査する干渉顕微鏡は、従来種々のも
のが提案されている。特に、位相を測定できる干渉顕微
鏡（位相顕微鏡）を用いて物体の表面近傍における像の
位相分布を測定し、その位相の飛び（特異点）より、従
来の光学顕微鏡の解像よりも小さい構造の観察が可能で
あることが、例えば、V.P.Tychinsky, "ON SUPERRESOLU
TION OF PHASE OBJECTS", Optics Communications,74(1
989),pp41-45、あるいは、D.M.Gale,et.al.,"LINNIK MI
CROSCOPE IMAGING",Applied Optics,35(1996),pp131-14
8 等に示されている。この大きさ無限小の特異点は、通
常、物体の光学物性的不連続点( 異なる２つの物質の境
界または段差位置等）のごく近傍に発生することが多
い。したがって、その特異点の位置を測定すれば、その
発生原因となっている光学物性的不連続点を高い精度で
測定することができる。

【０００３】図３は、従来の干渉顕微鏡の一例を示すも
のである。この干渉顕微鏡は、マイケルソンタイプの干
渉計を用いたもので、レーザ等の単色光源からなる光源
１より射出したコヒーレントな照明光は、集光レンズ
２、ハーフミラー３および対物レンズ４を経て観察物体
５に照射される。また、その照明光の一部は、対物レン
ズ４と観察物体５との間に設けられたハーフミラーより
なる干渉装置６によって参照物体７に照射される。これ
ら観察物体５および参照物体７から反射した光は、干渉
装置６で合成されて干渉し、その合成像が対物レンズ４
およびハーフミラー３を経て所定の結像面に配置した、
例えばＣＣＤよりなる撮像装置８上に拡大投影され、そ
の像がコントローラ９を経て画像表示装置１０に表示さ
れる。

【０００４】ここで、撮像装置８の撮像面（所定の結像
面）には、干渉装置６から観察物体５で反射して再び干
渉装置６まで戻る観察光路１１の光路長と、干渉装置６
から参照物体７で反射して再び干渉装置６まで戻る参照
光路１２の光路長との局所的な差に応じた干渉縞が発生
している。したがって、コントローラ９により位相変調
器１３を駆動して、参照物体７を光軸方向に移動させ、
これにより光路長差を少しずつ変化させて、干渉縞を移
動させながら複数の干渉画像を撮像装置８によって取り
込めば、それらの干渉画像に基づいて観察物体表面近辺
の位相分布を算出することができる。このように複数の
干渉画像より位相分布を算出する方法は、Catherine Cr
eath,"PHASE-MEASUREMENT INTERFEROMETRY TECHNIQUE
S",Progress in Qptics XXVI,Amsterdam 1988,pp350-39
3 、および特開平５−２３２３８４号公報に詳しく説明
されている。

【０００５】また、従来の他の干渉顕微鏡として、例え
ば、図４に示すように、リニークタイプの干渉計を用い
るものや、図５に示すように、ミロータイプの干渉計を
用いるものがある。なお、図４および図５では、図３に
示したコントローラおよび画像表示装置の図示を省略し
てある。これらの干渉顕微鏡では、光源１としてレーザ
光源を用い、該レーザ光源１から射出される照明光を、
２つの正レンズ１５ａ，１５ｂ、およびそれらの間に設
けたピンホール１６を経て対物レンズの瞳位置に集光
し、これにより観察物体５上に平面波として照射するよ
うにしている。

【０００６】すなわち、図４に示す干渉顕微鏡で用いて
いるリニークタイプの干渉計は、対物レンズの作動距離
が短いために、マイケルソンタイプの干渉計を構成でき
ないときに用いられるひとつの方式で、干渉装置６を構
成するハーフミラーは、観察対物レンズ４ａより上方に
位置し、参照光路１２側では観察光路１１上の観察対物
レンズ４ａと共役な位置に、観察対物レンズ４ａと光学
的に同一の参照対物レンズ４ｂが配置される。なお、こ
の場合、照明光を対物レンズ４ａ，４ｂに導くためのハ
ーフミラーは、干渉装置６のハーフミラーで代用できる
が、それに限るものではない。

【０００７】また、図５に示すＭirauタイプの干渉計を
用いる干渉顕微鏡は、レーザ光源１からの照明光を、正
レンズ１５ａ、ピンホール１６、正レンズ１５ｂ、ハー
フミラー１７および対物レンズ４を経て観察物体５に照
射すると共に、対物レンズ４と観察物体５との間の光路
中に、光軸に垂直にハーフミラーである干渉装置６を配
置し、この干渉装置６による観察物体５の共役位置に参
照物体７を配置したものである。この干渉顕微鏡におい
ては、干渉装置６および参照物体７が対物レンズ４に対
して固定されている場合には、対物レンズ４と観察物体
５との距離を変えて、光路長差を変化させることによ
り、位相分布を得る干渉像を算出することができる。

【０００８】ところで、観察物体表面近傍における位相
特異性の検出には、以下の問題がある。すなわち、上述
したD.M.Galeの論文にも示されているように、観察され
る位相分布が、観察物体に対する対物レンズの焦点位置
に著しく敏感であることである。例えば、上記文献で
は、開口数ＮＡ＝０．９の対物レンズに、波長λ＝０．
６３３μｍの光源を用いているので、対物レンズの焦点
深度Δは、Δ＝λ／２ＮＡ² から、Δ＝０．４μｍとな
るが、観測される位相分布は、焦点位置を０．１μｍず
らしただけでも大きく変化してしまう。

【０００９】さらに、本発明者による観察物体表面近傍
における詳細かつ入念な電場解析によれば、特異点は必
ずしも観察物体表面上に焦点が合ったときに現れるわけ
ではないことが判明した。このことを図６および図７を
用いて説明する。

【００１０】図６（ａ）は、本発明者が電場解析に用い
た観察物体のモデルを示すものである。このモデルは、
酸化シリコン（ＳｉＯ₂ ）基板１８上に、２μｍの周期
で、幅１．５μｍ、間隔０．５μｍ、厚さ０．２μｍの
窒化シリコン（Ｓｉ₃ Ｎ₄ ）膜１９を形成したものであ
る。ＳｉＯ₂ 基板１８およびＳｉ₃ Ｎ₄ 膜１９の屈折率
ｎは、それぞれｎ＝１．５およびｎ＝２とした。この観
察物体に、上方から波長λ＝０．６３μｍで、溝に沿っ
て平行（紙面に垂直）な電場を持つＰ偏光の平面波を垂
直に入射させる。

【００１１】図６（ｂ）は、図６（ａ）に示した観察物
体を、ＮＡ＝０．９の対物レンズから見たときに、観察
物体表面近傍にできる見かけの電場の位相分布の等高線
を示すものである。この場合、観察物体の構造に基づく
特異点は、観察物体の表面ではなく、ＳｉＯ₂ 基板１８
の内側約０．０８μｍの位置に現れる。

【００１２】図７は、図６（ａ）に示した観察物体に対
し、図６（ｂ）に示した特異点が現れる深さ位置ｚ₀ か
ら、その焦点深度（±０．４μｍ）の範囲内で、０．１
μｍ毎に焦点位置を変化させたときに、ＮＡ＝０．９の
対物レンズによって測定される位相分布の変化を示した
ものである。ここで、ｚ₀₊は特異点のごく僅か上方の位
置を、ｚ_0-はそのごく僅か下方の位置を示す。図７から
明らかなように、対物レンズの焦点位置が、上方からｚ
₀ を経て下方へ通過すると、特異点の位置ｚ₀における
位相の飛びが、＋１８０°から−１８０°へと変化す
る。これは、位相の飛び＋１８０°と−１８０とが数学
的に等価であることに起因する。ただし、位相軸の原点
は任意にとれるので、ｚ₀ における特異点での位相の飛
びの根元を０とした。

【００１３】対物レンズの焦点がｚ₀ に合焦している場
合は、特異点において鋭い位相の飛びが見られるととも
に、特異点を境にして位相の飛びの方向が±１８０°逆
転する。この飛びの横位置は、観察物体の表面段差の横
位置にほぼ一致するので、その段差の横位置ｘは、この
位相飛び位置の測定精度で求まることになる。

【００１４】一方、対物レンズが、ｚ₀ −０．４μｍま
たはｚ₀ ＋０．４μｍの位置に合焦している場合は、特
異点近傍において急激な位相の変化があるものの、位相
の飛びが見られないため、特異点の位置の特定が難しく
なる。

【００１５】以上のように、特異点近傍では、対物レン
ズの焦点深度０．４μｍの範囲の焦点位置の変化でも、
位相分布が大きく変化する。したがって、特異点をもと
に観察物体の形状を測定するには、対物レンズの焦点位
置を正確に特異点に合わせることが望ましく、しかも、
その特異点は、観察物体の表面にあるとは限らない、と
いうことが分かる。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
干渉顕微鏡では、観察物体の明視野像を見ながら、その
像が鮮鋭に見えるように対物レンズの位置を調整する
か、あるいは自動合焦装置（ＡＦ）を用いて対物レンズ
の位置を調整するようにしているため、いずれの場合
も、通常の焦点深度程度の焦点誤差を含むことになる。
このため、観察物体の形状を測定しようとしても、常に
特異点が現れる位置で測定することができず、再現性お
よび精度の良い計測値を求めることが非常に困難である
という問題がある。

【００１７】この発明は、このような従来の問題点に着
目してなされたもので、観察物体の形状を測定する場合
でも、再現性および精度の良い計測値が得られるよう適
切に構成した干渉顕微鏡を提供することを目的とするも
のである。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明に係る干渉顕微鏡は、コヒーレントな照明
光を発生する光源手段と、この光源手段からの照明光に
より観察物体と参照物体との干渉像を生成する干渉装置
と、前記干渉装置によって生成される干渉像の拡大像を
所定の結像面に形成する対物レンズと、前記拡大像を撮
像する撮像装置と、前記光源手段から前記観察物体を経
由して前記干渉像までの光路と、前記光源手段から前記
参照物体を経由して前記干渉像までの光路との位相差を
変調する位相変調装置と、この位相変調装置で前記位相
差を変調することにより、前記撮像装置から得られる複
数の干渉像に基づいて前記観察物体の表面近傍での位相
分布を算出する位相分布算出手段と、この位相分布算出
手段で算出される前記位相分布の特異点が明確に現れる
ように、前記観察物体に対する前記対物レンズの焦点位
置を調節する焦点調節装置とを有することを特徴とする
ものである。

【００１９】前記位相変調装置は、前記光源手段と前記
撮像装置との間の光路中に配置した波長可変フィルタを
有するのが、構成を簡単にする点で好ましい。

【００２０】前記光源手段は、波長可変光源をもって構
成し、前記位相変調装置は、前記波長可変光源から射出
される照明光の波長を変化させるよう構成するのが、全
体の構成を簡単にする点で好ましい。

【００２１】

【発明の実施の形態】この発明に係る干渉顕微鏡では、
測定した位相分布の特異点が明確に現れるように、焦点
調節手段により観察物体に対する顕微鏡の対物レンズの
焦点位置を調整することにより、観察物体の形状を再現
性および精度良く測定することを可能としている。

【００２２】ここで、再び図６および図７を用いて、こ
の発明に係る干渉顕微鏡による特異点の検出方法につい
て説明する。実際の測定に際しては、まず、観察物体の
明視野像を用いて、干渉顕微鏡の対物レンズの焦点位置
を観察物体のほぼ表面に合わせる。その際、例えば、対
物レンズが観察物体の表面に正確に合焦すると、その焦
点位置は、図６（ｂ）より、ｚ₀ の位置から対物レンズ
側（上方）に０．２８μｍ離れた位置、すなわちｚ₀ か
らＳｉＯ₂ 基板１５の表面までの距離０．０８μｍと、
Ｓｉ₃ Ｎ₄ 膜１６の高さ０．２μｍとを加えた位置にあ
るので、観察される位相分布は、図７に、ｚ₀ ＋０．３
μｍで示すようなカーブとなる。しかし、この位相分布
は、全体的に滑らかで、急激な位相の飛びの部分が存在
していないため、特異点の位置の特定は困難となる。

【００２３】次に、焦点位置を０．１μｍ上方に移動し
てみると、観察される位相分布は、ｚ₀ ＋０．４μｍで
示されるカーブとなる。この場合は、以前よりも位相分
布がより滑らかになり、特異点の特徴が薄れるので、間
違った方向に焦点移動したと判断することができる。

【００２４】そこで、次に下方に焦点位置を移動して行
くことにする。０．１μｍ毎に焦点位置を下方に移動し
ながら位相分布を測定して行くと、図７のｚ₀ ＋０．２
μｍで示されるカーブ、およびｚ₀ ＋０．１μｍで示さ
れるカーブのように、次第に特異点付近での位相の立ち
上がりが急になり、ｚ₀ で遂に特異点での１８０°の位
相の飛びが観測され、これにより特異点の位置を精度良
く容易に特定することができる。

【００２５】焦点位置を特異点の下方より始めた場合も
同様である。この場合も、特異点の特徴である位相の飛
びが大きくなるように上方に焦点を合わせ直してゆく
と、遂には、１８０°の位相の飛びが観測される焦点位
置に到着するので、特異点を精度良く求めることができ
る。

【００２６】なお、焦点位置の一回当たりの移動量は、
０．１μｍに限らず、特異点から遠い位置においては、
移動量を大きくして早く特異点近傍に到着するように
し、特異点近傍においては、移動量を小さくして特異点
に精密に近づけるようにすることにより、特異点の位置
を効率良く、しかも精度良く特定することができる。

【００２７】以上の説明では、１８０°の位相の飛びが
観測されることを前提にしたが、実際には、光学的ノイ
ズや電気的ノイズ等の外乱要因によって、必ずしも１８
０°の位相の飛びを検出できるわけではない。また、観
察物体によっては、特異点における位相の飛びが１８０
°より小さく、かつその上下において位相が逆転しない
場合もある。そのような場合には、位相の飛びが最大と
なるように焦点位置を調節すれば良い。また、特異点近
傍での位相変化の傾きの微分値を算出し、その微分値が
最大となるように焦点位置を調節しても良い。

【００２８】さらに、位相の飛びと所定の閾値とを比較
し、その比較結果に基づいて、焦点位置を調節するよう
にしても良い。例えば、観察物体の材質や形状の見当が
予め付いている場合は、理論的または経験的に特異点近
辺における位相の飛びの量が予想できるので、実用上許
容できる焦点範囲における位相飛びの値に基づいて所定
の閾値を予め設定し、観察される位相飛びの量がその閾
値を越えるように焦点位置を調節しても良い。

【００２９】また、特異点の上下では、位相の飛びの方
向が反転するので、その性質を利用して焦点位置を特異
点に近づけるようにしてもよい。この場合は、初めは焦
点移動量を大きく取りながら位相分布を測定し、位相の
飛びの方向が反転したら、焦点移動の方向を逆にすると
共に、その移動量を小さくまたは半分にして、同様の動
作を繰り返せば、特異点に速く到達することができる。

【００３０】さらに、特異点に合焦している場合は、２
つの特異点の間で位相分布が平坦になるので、その性質
を利用して、位相分布の差分をとり、その絶対値の最大
が小さくなるように、焦点位置を調節しても良い。

【００３１】また、上記の位相分布の差分は、特異点に
おいて絶対値が最大になるので、その性質を利用して焦
点位置を特異点に近づけるようにすることもできるし、
特異点の上下では、位相分布の差分の符号が反転するの
で、それを利用して焦点位置を特異点に近づけるように
することもできる。

【００３２】さらに、位相分布そのものではなく、位相
の差分値を用いることもできる。すなわち、位相の差分
値は、特異点近辺で特に大きな絶対値を持つので、上述
した位相の飛びを位相の差分値で置き換えて焦点位置を
特異点に近づけるようにすることもできる。

【００３３】なお、この発明に係る干渉顕微鏡において
は、干渉計として、上述したマイケルソンタイプやミロ
ータイプのものを含むシェアリング干渉計、およびリニ
ークタイプを含む二光路干渉計の他、ウォラストンやノ
マルスキの複屈折プリズム等を用いる共通光路干渉計
等、およそ観察物体の形状に応じた干渉画像を生成でき
る種々の干渉計を用いることができる。

【００３４】

【実施例】以下、この発明の実施例について図面を参照
して説明する。図１は、この発明に係る干渉顕微鏡の第
１実施例を示すものである。この干渉顕微鏡では、白熱
光源２１からの光を、集光レンズ２２を経て単色フィル
タ２３を透過させることによりコヒーレントな照明光を
得、この照明光を明るさ絞り（ＡＳ）を含む照明光学系
２４、およびハーフミラー２５を経て対物レンズ２６の
瞳位置に集光した後、ハーフミラーを有するマイケルソ
ンタイプの干渉装置２７により観察光路２８および参照
光路２９に分割して、それぞれ観察物体３０および参照
物体３１をケーラー照明する。ここで、白熱光源２１、
集光レンズ２２および単色フィルタ２３は、光源手段を
構成する。

【００３５】また、観察物体３０および参照物体３１で
反射される光は、観察光路２８および参照光路２９を引
き返して、干渉装置２７によって再び合成して干渉さ
せ、その合成像を対物レンズ２６およびハーフミラー２
５を経て、対物レンズ２６の焦平面上に配置した、例え
ばＣＣＤよりなる撮像装置３２上に拡大投影して、その
像をコントローラ３３に取り込むようにする。

【００３６】コントローラ３３では、撮像装置３２から
取り込んだ干渉像を明視野像として画像表示装置３４に
表示したり、あるいは取り込んだ複数の干渉像から位相
分布を演算して画像表示装置３４に表示するようにす
る。また、観察物体３０は、例えばピエゾ素子からなる
焦点調節装置３５上に固定し、参照物体３１は、例えば
ピエゾ素子からなる位相変調装置３６に固定して、これ
ら焦点調節装置３５および位相変調装置３６をコントロ
ーラ３３により駆動制御するようにする。

【００３７】なお、上記構成において、単色フィルタ２
３のバンド幅、および照明光学系２４に含まれる明るさ
絞りＡＳの径は、干渉像の明るさと、観察物体３０上で
のコヒーレンス度との兼ね合いにより設定する。また、
撮像装置３２の１ピクセルの大きさは、例えば、対物レ
ンズ２６のエアリーディスクの１／１０〜１／１００程
度とする。

【００３８】この実施例における観察物体３０の観察方
法は、次の通りである。まず、画像表示装置３４で明視
野像を観察しながら、対物レンズ２６の焦点を観察物体
３０の表面に合わせる。なお、この焦点合わせは、撮像
装置３２からの信号に基づいて、コントローラ３３によ
り焦点調節装置３５を駆動して自動的に行うＡＦでもよ
い。次に、コントローラ３３により位相変調装置３６を
駆動して、いわゆる４バケット方式に代表されるフリン
ジスキャン法などに基づいて、参照物体３１を光軸方向
に、例えば１／４波長づつ移動させながら、例えば４〜
５枚の干渉像を取り込み、その複数の画像から観察物体
３０上の現在の焦点位置における位相分布を算出する。

【００３９】その後、コントローラ３３により焦点調節
装置３５を駆動して、観察物体３０を光軸方向に僅かに
移動し、その状態で、同様の手順により、当該焦点位置
における位相分布を算出する。次に、コントローラ３３
において、上記のようにして算出した２つの位相分布か
ら、より特異点の特徴が出ている焦点位置を自動的に選
択して、次の位相分布を測定する焦点位置を設定し、同
様な手順を繰り返す。特異点を明確に特定できる焦点位
置に到達したら、その位置での位相分布により観察物体
２４の形状を測定する。

【００４０】なお、図１においては、レーザ光源を用い
て光源手段を構成することもできるが、白熱光源２１を
用いたほうが、レーザ光特有のスペックルノイズを回避
できるので、精度の良い測定が可能となる。また、位相
変調装置３６は、使用する光の周波数を変調する周波数
変調手段をもって構成することもできる。すなわち、観
察光路２８と参照光路２９との光路長差が物理的に固定
されている場合には、使用する光の波長を変えれば、そ
れに反比例して位相差も変化するので、周波数変調手段
により光の波長を変えれば、上述したと同様の作用を行
わせることができる。

【００４１】この場合の周波数変調手段は、例えば、光
源と撮像装置３２との間の光路中に波長可変フィルタを
挿入して構成することができ、これにより位相変調装置
の構成を簡単にできる。また、光源として半導体レーザ
等の波長可変光源を用いて、出射される照明光の波長を
変化させるように構成することができる。このようにす
れば、全体の構成をより簡単にできる。

【００４２】図２は、この発明に係る干渉顕微鏡の第２
実施例を示すものである。この干渉顕微鏡は、ノマルス
キータイプの微分干渉計を用いたもので、光源手段を構
成するレーザ光源４１から平行光として射出されたコヒ
ーレントな照明光は、正レンズ４２ａ、ピンホール４
３、正レンズ４２ｂ、位相変調装置４４およびハーフミ
ラー４５を経てノマルスキープリズム４６に入射させ、
ここで偏光方向が直交する２本の光線に分割して、それ
らの光線を対物レンズ４７を経て、該対物レンズ４７の
分解能程度に離れた平行光として観察物体４８に照射す
る。なお、観察物体４８は、例えばピエゾ素子からなる
焦点調節装置４９上に固定する。

【００４３】観察物体４８で反射される２本の光線は、
再び対物レンズ４７を経てノマルスキープリズム４６に
入射させ、ここで１本の光線に合成する。したがって、
この実施例では、観察物体４８そのものが対物レンズ４
７の分解能程度ずれて参照物体となる。このノマルスキ
ープリズム４６で合成された観察物体４８での反射光の
２つの偏光成分は、ハーフミラー４５を経て検光子５０
に入射させ、ここで所定の方向の偏光成分のみ抽出して
干渉させて、その干渉像を対物レンズ４７の焦平面に配
置した撮像装置５１上に形成する。なお、図２では、フ
レアを防止するために、ノマルスキープリズム４６、検
光子５０および撮像装置５１を、光軸に対し僅かに傾け
てある。

【００４４】位相変調装置４４は、１／２波長板４４ａ
および１／４波長板４４ｂと、１／２波長板４４ａを光
軸を中心に回転駆動するステッピングモータ４４ｃとを
有するセナルモンタイプの偏光補償板を用いて構成し、
これによりノマルスキープリズム４６で分離される２つ
の偏光成分の光量比および位相差を制御するようにす
る。なお、１／４波長板４４ｂおよび検光子５０のそれ
ぞれの振動方向は、ノマルスキープリズム４６で分離さ
れる２つの偏光成分の光量が等しくなるように、その２
つの偏光方向に対して±４５°をなす方向に設定する。
このようにして、１／２波長板４４ａをステッピングモ
ータ４４ｃにより回転駆動すれば、ノマルスキープリズ
ム４６で分離される２つの偏光成分の位相差を、１／２
波長板４４ａの回転角度の４倍で変化させることができ
る。

【００４５】位相変調装置４４のステッピングモータ４
４ｃ、および焦点調節装置４９は、図示しないコントロ
ーラによって駆動制御し、また、撮像装置５１で撮像し
た干渉像はコントローラに取り込んで、図示しない画像
表示装置に明視野像として表示したり、複数の干渉像か
ら位相分布を算出して、それを画像表示装置に表示する
ようにする。

【００４６】この実施例においても、第１実施例と同様
にして、まず、明視野像を撮像しながら、対物レンズ４
７の焦点を観察物体４８の表面に合わせ、その状態で、
位相変調装置４４を制御して、直交する偏光成分の位相
差を変調して複数枚の干渉像を取り込み、その複数の画
像から観察物体４８上の現在の焦点位置における位相分
布を算出する。

【００４７】その後、焦点調節装置４９を制御して、観
察物体４８を光軸方向に僅かに移動し、その状態で、同
様の手順により、当該焦点位置における位相分布を算出
して、前回算出した位相分布と比較し、その比較からよ
り特異点の特徴が出ている焦点位置を自動的に選択し
て、次の位相分布を測定する焦点位置を設定し、同様な
手順を繰り返す。特異点を明確に特定できる焦点位置に
到達したら、その位置での位相分布により観察物体４８
の形状を測定する。

【００４８】この実施例によれば、参照物体が観察物体
４８そのものであるので、コントラストの極めて高い干
渉縞を得ることができると共に、観察光路と参照光路と
がほぼ共通なので、観察物体４８の顕微鏡に対する振動
による影響を受けにくいという利点がある。また、１／
２波長板４４ａの回転により、直交する偏光成分の位相
差を正確に制御できる利点がある。したがって、観察物
体４８の形状をより再現性および精度良く測定すること
ができる。

【００４９】さらに、レーザ光源４１から射出される照
明光を、一旦ピンホール４３で絞るようにしているの
で、観察物体４８上に位相測定する領域程度の大きさの
ガウスビームとして結像させることができる。したがっ
て、焦点位置での波面が平面となり、微視的に見れば平
面波照明と同じになるので、単純なケーラー照明よりも
照明範囲を狭くでき、効率良く照明することができる。

【００５０】なお、図２では、光源手段をレーザ光源４
１をもって構成したが、第１実施例と同様に白色光源に
代表されるインコヒーレントな光源を用いて構成するこ
ともできる。この場合には、位相変調装置４４を構成す
る１／２波長板４４ａに代えて偏光子を用いる。したが
って、この場合には、位相差は偏光子の回転角度の２倍
だけ変化することになる。

【００５１】また、位相変調装置４４は、上記のような
セナルモンタイプの偏光補償板を用いる構成に限らず、
コントローラによって位相差を制御できる電気光学素子
を用いて構成することもできるし、微分干渉計を構成す
るノマルスキープリズム４６を光軸に対して垂直に移動
させて、位相差を制御するように構成することもでき
る。

【００５２】付記項 １．請求項１〜３のいずれか記載の干渉顕微鏡におい
て、前記焦点調節装置は、少なくとも２種類の焦点調節
機能を有し、そのうちの１つが前記干渉像によって観察
される特異点を用いて焦点合わせを行うことを特徴とす
る干渉顕微鏡。 ２．付記項１記載の干渉顕微鏡において、前記焦点調節
装置は、前記干渉像の明視野像を用いて焦点合わせを行
う機能を有することを特徴とする干渉顕微鏡。 ３．請求項１〜３のいずれか記載の干渉顕微鏡におい
て、前記焦点調節装置は、少なくとも２種類の自動焦点
調節機能を有し、そのうちの１つが前記干渉像によって
観察される特異点を用いて焦点合わせを自動的に行うこ
とを特徴とする干渉顕微鏡。 ４．請求項１〜３、付記項１〜３のいずれか記載の干渉
顕微鏡において、前記焦点調節装置は、前記対物レンズ
の焦点位置が前記特異点から離れた位置にあるときは、
焦点合わせの移動量を大きくし、前記焦点位置が前記特
異点の近傍の位置にあるときは、焦点合わせの移動量を
小さくすることを特徴とする干渉顕微鏡。 ５．請求項１〜３、付記項１〜４のいずれか記載の干渉
顕微鏡において、前記特異点は、前記観察物体上の位相
分布を測定して検出することを特徴とする干渉顕微鏡。 ６．付記項５記載の干渉顕微鏡において、前記焦点調節
装置は、前記特異点における位相の飛びが大きくなるよ
うに焦点合わせを行うことを特徴とする干渉顕微鏡。 ７．付記項５記載の干渉顕微鏡において、前記焦点調節
装置は、前記特異点における前記位相の飛びがある閾値
を越えるように焦点合わせを行うことを特徴とする干渉
顕微鏡。 ８．付記項５記載の干渉顕微鏡において、前記焦点調節
装置は、前記特異点における前記位相の飛びの符号が逆
転する位置近傍に焦点合わせを行うことを特徴とする干
渉顕微鏡。 ９．付記項８記載の干渉顕微鏡において、前記干渉像に
よって観察される特異点を用いて前記焦点調節装置によ
り前記対物レンズの焦点位置を調節する際に、まず１回
あたりの焦点合わせの移動量を比較的大きくとり、前記
特異点における前記位相の飛びの符号が逆転したら、焦
点合わせの移動方向を逆にすると共に、その移動量を小
さくまたは半分にする動作を繰り返し行うことを特徴と
する干渉顕微鏡。 １０．付記項５記載の干渉顕微鏡において、前記焦点調
節装置は、２つの特異点間における位相分布が平坦にな
るように焦点合わせを行うことを特徴とする干渉顕微
鏡。 １１．付記項５記載の干渉顕微鏡において、前記焦点調
節装置は、２つの特異点間における位相分布の差分の絶
対値の最大値が小さくなるように焦点合わせを行うこと
を特徴とする干渉顕微鏡。

【００５３】

【発明の効果】上述のように、この発明の干渉顕微鏡に
よれば、従来の干渉顕微鏡では不可能であった特異点の
位置の再現性および精度の良い測定ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る干渉顕微鏡の第１実施例を示す
図である。

【図２】同じく、第２実施例を示す図である。

【図３】従来の干渉顕微鏡の一例を示す図である。

【図４】同じく、他の例を示す図である。

【図５】同じく、さらに他の例を示す図である。

【図６】本発明者が行った観察物体表面近傍における電
場解析を説明するための図である。

【図７】同じく、位相分布の変化を示す図である。

【符号の説明】

２１ 白熱光源 ２２ 集光レンズ ２３ 単色フィルタ ２４ 照明光学系 ２５ ハーフミラー ２６ 対物レンズ ２７ 干渉装置 ２８ 観察光路 ２９ 参照光路 ３０ 観察物体 ３１ 参照物体 ３２ 撮像装置 ３３ コントローラ ３４ 画像表示装置 ３５ 焦点調節装置 ３６ 位相変調装置 ４１ レーザ光源 ４２ａ，４２ｂ 正レンズ ４３ ピンホール ４４ 位相変調装置 ４４ａ １／２波長板 ４４ｂ １／４波長板 ４４ｃ ステッピングモータ ４５ ハーフミラー ４６ ノマルスキープリズム ４７ 対物レンズ ４８ 観察物体 ４９ 焦点調節装置 ５０ 検光子 ５１ 撮像装置

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 コヒーレントな照明光を発生する光源手
   段と、 この光源手段からの照明光により観察物体と参照物体と
   の干渉像を生成する干渉装置と、 前記干渉装置によって生成される干渉像の拡大像を所定
   の結像面に形成する対物レンズと、 前記拡大像を撮像する撮像装置と、 前記光源手段から前記観察物体を経由して前記干渉像ま
   での光路と、前記光源手段から前記参照物体を経由して
   前記干渉像までの光路との位相差を変調する位相変調装
   置と、 この位相変調装置で前記位相差を変調することにより、
   前記撮像装置から得られる複数の干渉像に基づいて前記
   観察物体の表面近傍での位相分布を算出する位相分布算
   出手段と、 この位相分布算出手段で算出される前記位相分布の特異
   点が明確に現れるように、前記観察物体に対する前記対
   物レンズの焦点位置を調節する焦点調節装置とを有する
   ことを特徴とする干渉顕微鏡。
2. 【請求項２】 請求項１記載の干渉顕微鏡において、 前記位相変調装置は、前記光源手段と前記撮像装置との
   間の光路中に配置した波長可変フィルタを有することを
   特徴とする干渉顕微鏡。
3. 【請求項３】 請求項１記載の干渉顕微鏡において、 前記光源手段は、波長可変光源をもって構成し、前記位
   相変調装置は、前記波長可変光源から射出される照明光
   の波長を変化させるよう構成したことを特徴とする干渉
   顕微鏡。