JPS6180215A - 走査型顕微鏡撮像装置 - 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、撮像装置、特に、Ｓ／Ｎ比の向上及び画像歪
みの発生防止を図った撮像装置に関するものである。

（従来の技術） 従来、光学式走査型顕微鏡撮像装置が実用化されている
。この顕微鏡撮像装置は、微小スポット状に収束した光
束を２個の偏向器で２次元的に偏向して試料を高速で走
査し、試料からの反射光又は透過光をフォトマル等の受
光素子で検出し、試料からの光学情報を電気信号として
得るように構成されている。従って、スポット状ビーム
で試料を走査する構成としているから迷光の発生を防止
できる利点があるばかりでなく、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、巾広い用途を具えている。

一方、撮像装置としては固体撮像素子を用いた二次元固
体撮像装置が開発され、種々の用途に用いられるように
なってきた。この場合には試料を一杯に照明し、試料の
像を二次元固体撮像装置に投影している。

（発明が解決しようとする問題点） 上述したように光学式走査型顕微鏡撮影装置は多くの利
点を具えているが、光ビームで高速走査するため、受光
素子として感度の高いフォトマルを用いなければならず
、装置が大型化し且つ高価になる欠点がある。また、偏
向素子により光ビームを一定の走査速度で試料を走査す
ることは極めて困難であり、走査速度にムラが生ずる場
合がある。このような場合に受光素子としてフォトマル
を用いると画像に歪みが発生してしまい試料像を正確に
再現できない不都合が生じていた。一方、固体撮像素子
は感度が低いので強力な光源が必要となり、同様に装置
が大型化する欠点がある。更に、二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。

（問題点を解決するための手段） 本発明の目的は、上述した欠点を除去し、小形かつ安価
であり、高解像度の画像が得られると共に、走査速度に
ムラが生じても画像に歪みが発生しない撮像装置を提供
するものであり、本発明による撮像装置は、光ビームを
放射する光源と、光源から発する光ビームを所定の走査
周波数で主走査方向及びこれと直交する副走査方向に偏
向させて試料上に照射する偏向手段と、試料からの光束
を集光する対物レンズと、複数の素子が前記走査方向に
一次元的に配列され対物レンズから発する光束を受光し
て所定の読出し周波数で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ることを特徴とするものである
。

（作　用） 本発明は、スポット状に収束した光ビームを試料上で主
走査方向及び副走査方向に走査する２個の偏向器と、受
光素子としてリニアイメージセンサを用い、試料上での
主走査方向の走査周波数をイメージセンサの読出し周波
数のほぼ整数倍に設定し、試料の同一画素から発した光
束をイメージセンサで複数回受光させ、イメージセンサ
の電荷蓄積効果を利用して小形で出力の小さい光源を用
いてもＳ／Ｎ比の高い光電出力信号を得ると共に、試料
の画素とイメージセンサの素子とを常に１対１に対応さ
せて画像歪みの発生を除去している。

（実施例） 第１図は本発明による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の偏向素子で
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、試料上のＸ方向（主走査方向
）に走査周波数ｆ、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−６及び全反射ミラー
７で反射されてから第２の偏向素子である振動ミラー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）に偏向し副走査
を行なう。振動ミラー８で反射された光ビームは、対物
レンズ９により微小スポット状に収束されてから試料１
０に入射する。これにより、試料１０は微小スポット状
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−６を透
過して微小スポット状に収束された状態で、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素子をＸ方向に一次元的に配列し、
試料１０からの反射光を各素子により受光して光電変換
を行ない、読出し周波数ｆ２で各素子に生じた電荷量を
読み出すよう構成する。

第２図は、リニアイメージセンサ１１上に投影されるビ
ームスポットとリニアイメージセンサを構成する各素子
との関係を示す平面図である。試料１０からの反射光は
イメージセンサ１１上で微小スポット状に投影されるが
、本例では投影されるビームスポット１２の径を各素子
１１ａ〜ｌｌｎの受光面より若干大きいスポット径とな
るように構成する。

投影されたビームスポット１２は、素子１１ａ〜ｌｌｎ
の配列方向であるＸ方向に偏向されるから、試料１１か
らの反射光は各素子１１ａ〜ｌｌｎにより順次−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の画素とり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１１の各
素子の受光面より大きいスポッ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
誤差を生じた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ット径が変動
し易すいため、ズーム撮影機能を具える撮像装置に有効
である。

第３図は、リニアイメージセンサ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１２
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ｆ　２　＝ｆｔ　／　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ｆ　ｚ　＝ｆＨ／　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。

本発明ではこのイメージセンサの電荷蓄積効果を利用し
、主走査方向に光ビームを偏向する音響光学素子３によ
る走査周波数ｆ、をリニアイメージセンサ１１の読出し
周波数ｆ２のほぼ整数倍に設定し、試料１０からの反射
光をイメージセンサ１１で複数回受光するように構成す
る。このように構成すれば、主走査方向の周波数ｆ、を
イメージセンサ１１の読出し周波数ｆ２と等しく設定す
る場合に比べ大きい光電出力信号を得ることができ、光
電出力信号のＳ／Ｎ比が向上する。

第３図ではイメージセンサ１１の読出し周波数を変える
ようにしたが、これを一定とし、音響光学素子３による
走査周波数を変えるようにしても同様の効果が得られる
ことは勿論である。

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る
。従来の光学式走査型顕微鏡では、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
設定せざるを得す、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、本発明のよう
に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型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比が劣化したり、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ＲＱ　ｔｆａ
鏡によりホトマスクやレチクロ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ったため本発
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。

次シェ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ェ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
による走査速度を機械的に変えて補正しようとすると画
像に歪みを生じてしまう。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
走査速度を機械的に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、レンズによるシェーデングを機械的手段に
より補正することができ、また電気的にも対物レンズに
よるシェーデング特性を考慮して光電出力信号を増巾す
れば容易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上に投影するようにする。このように構成すれば
対物レンズ９により試料１０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像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を付して説明する。レザー光
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の偏向素子である音響光学素
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の偏向素子として作
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により微小スポット状に収束され試
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が矢印す方向に回動すると
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
に微小スポットとして投影される。本例のように試料か
らの透過光を利用する場合においても、主走査方向に偏
向する音響光学素子３の走査周波数をリニアイメージセ
ンサ１１の読出し周波数のほぼ整数倍とすれば、試料１
０の同一画素から発した光束をリニアイメージセンサ１
１で複数回受光することになり、Ｓ／Ｎ比の高い光電出
力信号を得ることができる。

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って説明したが、
顕微鏡以外の撮像装置例えば等倍像、拡大像や縮小像等
を撮影する撮像装置にも適用できる。また、上述した実
施例では偏向手段による主走査方向の走査周波数ｆ１を
イメージセンサの読出し周波数ｆ２の整数倍としたが、
必ずしも整数倍に一致させる必要はなく、例えばイメー
ジセンサの読出し周波数に対する倍率が大きい場合には
整数倍とならなくても画像上に不都合を生ずることはな
い。更に、偏向手段としてポリゴンミラー等の他の任意
の偏向手段を用いることもできる。

（発明の効果） 上述した本発明の効果を要約すると以下の通りである。

（１１スポット状に収束した光ビームで試料を走査し、
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
らの反射光又は透過光を複数回受光する構成としている
ので、Ｓ／Ｎ比の高い光電出力信号を得ることができる
と共に、走査用光源の小型化を図ることができる。

（２）受光素子としてリニアイメージセンサを用いてい
るので、試料上の画素と受光素子とが常に１対１に正確
に対応し、偏向手段により光ビームの走査速度にムラが
生じても歪みのない試料像を得ることができる。

（３）　　レンズやミラーによるシェーデングが生じて
も試料と受光素子とを正確に対応させているので、電気
的手段又は機械的手段により容易に補正でき、画面全面
に亘って均一の明るさの試料像を得ることができる。

（４）光ビームによる主走査方向の走査周波数をイメー
ジセンサの読出し周波数のほぼ整数倍となるように設定
しているので、光ビームの走査速度を遅くすることなく
等価的な走査綿密度を高くすることができ、試料の光学
情報を正確に再現できるようになり、試料の光学情報の
欠落を回避できる。特に、リニアイメージセンサは１０
００画素以上のものを得ることができるので、高解像度
の光電出力信号を容易に実現することができる。

（５）光源としてレーザ光源を用いれば、試料表面の凹
凸により位相差が生じ、干渉作用による明暗により試料
表面の凹凸を鮮明に映出すること１５′ ができる。

（６）生体試料を観察する場合、レーザ光は生体中に含
まれる機料の螢光成分を励起でき、一方リニアイメージ
センサは螢光領域にも感度を有しているので、螢光フィ
ルタを用いることなく生体像を正確に再現できる。

【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
ポットと素子との関係を示す平面図、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ェ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・・・シー４Ｆ光Ｒ２・・・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−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
ームスポット　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 ｎｒ −Ｉす車Ｆ１ −番某曹王

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、光ビームを放射する光源と、光源から発する光ビー
   ムを所定の走査周波数で主走査方向及びこれと直交する
   副走査方向に偏向させて試料上に照射する偏向手段と、
   試料からの光束を集光する対物レンズと、複数の素子が
   前記主走査方向に一次元的に配列され対物レンズから発
   する光束を受光して所定の読出し周波数で光電出力信号
   を出力するリニアイメージセンサとを具えることを特徴
   とする撮像装置。