JPS63155114A - 走査型顕微鏡 - 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】 本発明は、物体面に配置されている物体を観察するため
の走査型顕微鏡であって、コヒーレントな放射を発する
放射源と、放射源からの放射を物体面に放射スポットと
して集束する対物レンズ系と、放射スポットから発する
放射ビームの２個の分離された半部からの放射をそれぞ
れ検出するように配置されている２個の放射検出器を有
する放射感知検出系とを具える走査型顕微鏡に関するも
のである。ビームスポットは回折が制限されていること
が望ましい。この型式の顕微鏡は、例えば生化学用のセ
ルや集積回路を形成するために１又はそれ以上の処理が
施されている半導体材料片のような物体の位相構造を観
察するのに極めて好適である。

この型式の顕微鏡は、雑誌「ジャーナル　オブマイクロ
スコープ（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐ
ｅ）　Ｊ、第１３５巻、Ｐｔ、３　　第２７５〜２８６
真に掲載されているデー、ケイ、ハミルトン（口、に、
　Ｈａｍｉｌｔｏｎ）等の論文「インブルーブト　イメ
ージング　オブ　フェイズ　グラディエンツ　イン　ス
キャンニングオプティカル　マイクロスコープ（Ｉｍｐ
ｒｏｖｅｄｉｍａｇｉｎｇ　ｏｆ　ｐｈａｓｅ　ｇｒｕ
ｄｉｅｎｔｓ　ｉｎ　ｓｃａｎｎｉｎｇ　ｏρｔｉｃａ
１ｍｉｃｒｉｓｃｏｐｅ　Ｊに記載されている。

この既知の顕微鏡においては、物体を通過する放射が２
個の放射感知検出器によって検出され、各検出器が放射
コアの約半分の放射光を受光して電気信号に変換されて
いる。これら検出器は並列配置されると共に絞りにより
部分的にカバーされ、検出器の放射感知面の形状によっ
て影響を受けないようにされている。この場合、検出器
面の形状を適切に選択することにより、すなわち検出器
面の形状を観察すべき物体の特性に適合させることによ
り高い解像度を達成することができる。

しかしながら、放射ビームが物体上で十分に集束してい
ない場合或いは物体が無限の厚さを有する場合、検出器
によって検出された放射が対物レンズ系の撮像面外の構
造によって強い影響を受けてしまう。例えば、撮像面か
らはずれた振幅構造からの放射が撮像面内にある位相構
造から発する信号に影響を及ぼすおそれがある。従って
、検出器信号から取り出した振幅信号又は位相信号が、
もはや物体面の構造を正確に再現しなくなってしまう。

更に、勿論観察像の解像力の低下も生じてまう。

従って、本発明の目的は、上述した欠点が改善された顕
微鏡を提供するものである。この目的を達成するため、
本発明による走査型顕微鏡は、前記検出器を互いに分離
されている点検出器とし、物体面から放射検出器までの
放射光路中にビーム分割素子を配置し、物体面を検出器
上に結像する結像レンズ系を物体面と各検出器との間に
配置したことを特徴とする。この結像レンズ系は検出器
の各々に対して個別のものとしてもよく、或いは両方の
検出器に対して共用することもできる。点検出器は、放
射感知面が限られた範囲で回折されたスポットの面積よ
りも一層小さい検出器として理解されるべきである。実
際には、このような検出器は、極めて小さな開口を有す
る絞り、いわゆるピンホール絞りを例えばフォトダイオ
ードのような放射感知素子の前面に配置することにより
実現される。

放射源を物体面に結像すると共に物体面を点検出器に結
像する顕微鏡は共焦点顕微鏡として称されている。この
ような顕微鏡は視野深度が極めて浅くなる利点を有して
いる。物体面の外部に位置する細部は入射放射ビームの
一部分だけによって照明され点検出器に非合焦となって
結像する。従って、これらの細部は検出信号の強度に僅
かに影響を及ぼすことになる。共焦点顕微鏡は、物体面
において一層良好な解像度を有している。けだし、２個
の結像系を用いることにより物体面中の点が通常の顕微
鏡よりも一層幅の狭い点として応答するからである。こ
れらの利点は、１９８０年発行の雑誌「アプライド　フ
ィジクス」の第１１９頁〜第１２８真に記載されている
ティー、ウィルソン（Ｔ、　Ｗｉｌｓｏｎ）等による論
文「イメージング　プロパティーズアンド　アプリケー
ションズ　オブ　スキャンニング　オプティカル　マイ
クロスコープス（ＩｍａｇｉｎｇＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓ
　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　Ｓｃａｎ
ｎｉｎｇ　ＯｐｔｉｐａｌＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅｓ）に
記載されている。視野深度が浅いため、差動位相コント
ラスト顕微鏡に共焦点の原理を用いることにより、結像
面（撮像面）からはずれた部分の物体構造による観察信
号の乱れが抑制される利点が達成される。

本発明は、共焦点顕微鏡を差動位相コントラスト顕微鏡
に用いることにより有効な利点が達成されるという認識
に基づくものである。

本発明による顕微鏡の好適実施例は、ビーム分割素子を
二重光学喫で構成したことを特徴とする。

本発明による顕微鏡の別の実施例は、物体によって反射
された放射を検出する特許請求の範囲第１項または第２
項記載の走査型顕微鏡において、前記放射源から物体面
までの放射光路中にビームスプリッタを配置したことを
特徴とする。このビームスプリッタは、反射した放射の
一部を分離し、分離したビームを点検出器に向けて反射
する。

本発明による顕微鏡のこの実施例は、さらに前記放射源
が、直線偏光ビームを放射するのに好適なものとされ、
前記ビームスプリッタが放射感知ビームスプリッタとさ
れると共に、用いる放射の波長をλとした場合にビーム
スプリッタと物体面との間にλ／４板を配置したことを
特徴とする。従って、この有効な放射は高効率のものと
して用いることができる。

本発明の好適実施例は、物体によって反射された放射を
検出する走査型顕微鏡において、対物レンズ系及び結像
レンズ系が少なくとも１個の共通の光学素子を有するこ
とを特徴とする。対物レンズ系および結像レンズ系の主
レンズ（又は複数のレンズ）が等しい場合、多数の収差
を補正することができる。更に、光学系の整列性の問題
を解消できると共にコストの低減も達成される。

物体の１個の点だけを時間的に観察するこの型式の顕微
鏡では物体上のスポット点および物体を互いに移動させ
る手段を設ける必要がある。この手段は例えば物体を装
着するためのテーブルを有し、このテーブルを物体面に
平行に移動させることにより実現される。また、この手
段は、例えば物体に向かう放射の放射光路及び物体から
発生す。

る放射の放射光路の共通の光路中に配置した移動ミラー
のような制御可能なビーム偏向素子で構成することがで
きる。

物体からの反射光を検出する本発明の顕微鏡の一実施例
は、前記ビームスプリッタと物体面との間にビーム偏向
手段を配置したことを特徴とする。

このビーム偏向手段は、例えば物体をライン状に走査す
る回動ミラー及びこの第１の回動ミラーと共働して物体
面を走査する第２の回動ミラーを具えることができる。

物体に入射する放射の光路中及び物体から発する放射の
光路中にビーム偏向手段を配置することにより、２個の
走査系間での同期を省略することができる。

以下図面に基づいて本発明の詳細な説明する。

第１ａ図において、参照符号１０は放射源であり、例え
ばレーザ或いは図示のような広範囲のビームを放射する
非コヒーレント放射源とこの前面に配置した絞りとの組
み合わせで構成することができる。放射源１０からの放
射光は、対物レンズ系２０によって物体面３０に微小ス
ポットＡとして焦束される。放射スポットからの放射を
放射感知検出系５０によって検出する。集光系４０を物
体面３０と検出装置５０との間に配置することができる
。放射検出装置５０は放射感知検出器５１及び５２を有
し、これら検出器を顕微鏡の光軸ｏ−ｏ’のいずれかの
側で互いにできるだけ接近させて配置する。物体面３０
内の物体を放射スポットで走査すると共に、２個の検出
器５１及び５２の出力信号を減算及び加算し、更に出力
信号を図示しない画像処理装置で処理することによって
物体の振幅・位相画像を得る。

対物レンズ系２０及び集光レンズ系４０は、図面上単一
の両凸レンズで示す。これらレンズ系は、勿論複合レン
ズ系で構成し、収差を補正することによって良好な結果
を得ることもできる。

第１ｂ図は既知の共焦点顕微鏡の原理を示す。放射源１
０から出射した放射光を対物レンズ系２０によって集束
して物体面３０に好ましくは有限回折の放射スポットＡ
を形成する。差動位相コントラスト顕微鏡を用いる場合
のように、放射源はレーザ或いは前面に配置した絞りを
有する非コヒーレント放射源とすることができる。しか
しながら、絞りを有する非コヒーレントな放射源を用い
る場合、絞りは実質的にコヒーレントな光源が得られる
程度に小さな開口を有する必要がある。このような絞り
はピンホール絞りとして称されている。

物体面に形成した放射スポットを結像レンズ４０によっ
て点状検出装置５０上に結像する。この検出装置５０は
、結像面に配置され同様に微小な開口を有するピンホー
ル絞り５３とこの絞りの後側に配置した例えばホトダイ
オードから成る放射感知検出器５４とを具えている。

共焦点顕微鏡は、走査物体面内に位置しない物体の細部
に対してほぼ不感知である。このような細部は放射ビー
ムの一部分によって照明されるだけであるから放射感知
検出器面上にぼやけて結像し、ぼやけた画像の一部が点
状検出器によって検出されるので、このような細部は検
出信号に極めて微小量しか影響を及ぼさない。

第２図は本発明による顕微鏡の原理を示す。第１ａ図及
び第１ｂ図に示すように、放射源ｌＯ及び対物レンズ系
２０を有し、放射源１０からの放射を対物レンズ２０に
よって集束し物体面３０に有限回折のスポットＡを形成
する。例えば二重光学楔のようなビーム分割素子によっ
て放射ビームを２個のサブビームに分割し、これら２個
のサブビームをそれぞれ放射感知検出器６１及び６２並
びにこれらの前面に配置したピンホール絞り６３及び６
４によって構成される２個の点検出器に入射させる。ビ
ーム分割素子６０の変形例として、例えば幅の狭い面が
互いに対向配置されている２個のプリズムで構成される
二重光学喫や２個の平面ミラーの反射面が互いにある角
度で延在する分割素子とすることができる。

スポットＡからの放射ビームを、結像レンズ４０によっ
て物体面３０が２個の点検出器（６１，６３）及び（６
２，６４）の面上に結像するように配置する。第２図に
示すように、結像レンズ系４０はビーム分割素子と対物
レンズ系との間に配置されているが、別の形態とするこ
ともでき、例えば２個の個別の結像レンズ系をビーム分
割素子と２個の検出器の各々との間に配置するように結
像レンズ系をビーム分割素子と検出器との間に配置する
こともできる。

物体面からの放射ビームを２個のサブビームに分割する
ことにより差動位相コントラスト顕微鏡が得られ、この
顕微鏡は既知の位相コントラスト顕微鏡を超える利点を
有している。すなわち、物体の一部が撮像面内に位置し
ていないことに帰因する２個の検出器によって受光され
た放射の乱れが極めて微小になり、この結果検出器信号
並びにこの検出器信号から再生された振幅・位相画像が
撮像面外の細部によってほとんど影響を受けず、しかも
物体面の微小点としての応答性が増大する。

第３図は本発明による顕微鏡の実際的な実施例を示す。

第３図において参照符号１０は、例えば平行なコヒーレ
ント放射ビームｂを放出するレーザから成る放射源を示
す。この平行ビームは対物レンズ系のレンズ２１及び２
２を通過し、これらレンズによって集束されてほとんど
回折されていないスボッ）Ａを物体面に形成する。物体
面にある物体によって反射された放射は、レンズ２２．
２１．４１及び４２によって構成される結像レンズ系を
通りビーム分割素子６０によって分割された後２個の放
射感知検出器６１及び６２に入射する。ピンホール絞り
６３及び６４を物体の結像面に配置することにより、こ
れらの検出器は有効に点検出器を構成する。図示の如く
、ビーム分割素子６０を結像レンズ系のレンズ素子間に
配置することができるが、検出器と結像レンズ系との間
に配置することもできる。

物体に向けて進行する放射と物体から発した放射はビー
ムスプリッタ７１によって互いに分離され、このビーム
スプリッタは例えば入射放射の半分を透過し残り半分を
反射するハーフミラ−とすることができる。しかしなが
ら、ビームスプリッタ７１を偏光感知ビームスプリッタ
とし、放射源１０から放出された放射を直線偏光とする
。放射源１０からの直線偏光した放射は偏光感知ビーム
スプリッタ７１を透過し、ビームスプリッタと物体面と
の間の放射光路の対角位置に配置されているλ７４板７
２によって円偏光に変換される。物体によって反射され
た放射は偏光面が反対方向となる円偏光となり、λ／４
板７２によって偏光面がオリジナルビームの偏光方向と
直交する方向の直線偏光に変換される。

物体からの放射光はほとんど偏光感知ビームスプリンタ
７１によって分割素子６０の方向に反射され、この結果
観察放射光の強度はハーフミラ−を用いる場合よりも一
層高くなる。

この顕微鏡では物体の１個の点だけを観察しているから
、物体の像を形成するために物体及びこの物体上又は物
体中に形成した放射スポットを互いに移動させる手段が
必要となる。第３図の実施例においては、紙面と直交す
る軸７４を中心にして周期的に回動する回動ミラー７３
を設ける。この結果、放射スポットつまり観察点は物体
面内で一方向に移動することになる。他方向の移動は第
２の回動ミラーによって或いは物体が固定されているテ
ーブルを移動することによって達成できる。

物体に向く放射光路および物体から発する放射の放射光
路の共通の光路内に回動ミラーを配置することにより、
１個の回動ミラーを設けるだけで十分であり、しかも同
期させることが不要になる。

回動ミラーを用いる代わりに他の走査手段やビーム偏向
装置を用いることができ、例えば音響光学素子や回転反
射ポリゴンミラーを用いることができる。

【図面の簡単な説明】

第１ａ図及び第１ｂ図は既知の差動位相コントラスト顕
微鏡及び既知の共焦点顕微鏡の構成をそれぞれ示す線図
、 第２図は本発明による共焦点差動位相コントラスト顕微
鏡の原理を示す線図、 第３図は本発明による共焦点差動位相コントラスト顕微
鏡の一例の構成を示す線図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、物体面に配置されている物体を観察するための走査
   型顕微鏡であって、コヒーレントな放射を発する放射源
   と、放射源からの放射を物体面に放射スポットとして集
   束する対物レンズ系と、放射スポットから発する放射ビ
   ームの２個の分離された半部からの放射をそれぞれ検出
   するように配置されている２個の放射検出器を有する放
   射感知検出系とを具える走査型顕微鏡において、前記検
   出器を互いに分離されている点検出器とし、物体面から
   放射検出器までの放射光路中にビーム分割素子を配置し
   、物体面を検出器上に結像する結像レンズ系を物体面と
   各検出器との間に配置したことを特徴とする走査型顕微
   鏡。 ２、前記ビーム分割素子を二重光学楔で構成したことを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の走査型顕微鏡。 ３、物体によって反射された放射を検出する特許請求の
   範囲第１項または第２項記載の走査型顕微鏡において、
   前記放射源から物体面までの放射光路中にビームスプリ
   ッタを配置したことを特徴とする走査型顕微鏡。 ４、前記放射源が、直線偏光ビームを放射するのに好適
   なものとされ、前記ビームスプリッタが放射感知ビーム
   スプリッタとされると共に、用いる放射の波長をλとし
   た場合にビームスプリッタと物体面との間にλ／４板を
   配置したことを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の
   走査型顕微鏡。 ５、前記対物レンズ系及び結像レンズ系が、少なくとも
   １個の共通の光学素子を有することを特徴とする特許請
   求の範囲第３項又は第４項記載の走査型顕微鏡。 ６、前記ビームスプリッタと物体面との間にビーム偏向
   手段を配置したことを特徴とする特許請求の範囲第３項
   、第４項または第５項に記載の走査型顕微鏡。