(57)【要約】【課題】大きな傾斜を有する被検物表面であってもその表面の像を取得することができる光学装置を提供する。【解決手段】共焦点顕微鏡１は、光源２１からの射出光を第１照明光および第２照明光に分割するビームスプリッター２３と、第１照明光を被検物２上に集光して照射する対物レンズ群２６と、第２照明光を被検物２における第１照明光が集光される側の反対側から被検物２の方に向かって照射する反射ミラー２７ａ，２７ｂおよびビームエキスパンダー２８と、第２照明光を第１照明光と異なる方向から被検物２上における第１照明光と同一の集光点に集光して照射する放物レンズ３０と、被検物２から反射された光を結像する対物レンズ群２６および集光レンズ４２と、被検物２上の集光点から反射されてくる光を透過させるピンホール４３と、ピンホール４３を透過した光の光強度を検出するディテクター４４とを備えることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を第１照明光および第２照明光に分割する分割光学系と、
前記第１照明光を被検物上に集光して照射する第１照明光学系と、
前記第２照明光を前記被検物における前記第１照明光が集光される側の反対側から前記被検物の方に向かって照射する第２照明光学系と、
前記第２照明光を前記第１照明光と異なる方向から前記被検物上における前記第１照明光と同一の集光点に集光して照射する集光部材と、
前記被検物から反射された光を結像する結像光学系と、
前記結像光学系において前記被検物上の前記集光点と共役関係となる位置に設けられ、前記集光点から反射されてくる光を透過させる光分離部材と、
前記光分離部材を透過した光の光強度を検出する光検出手段とを備えることを特徴とする光学装置。
【請求項２】
前記集光部材は、前記第１照明光学系と前記被検物の間に設けられ、前記第１照明光学系から射出された前記第１照明光を透過させるとともに、前記被検物を覆う放物面を有し、
前記第１照明光学系は、前記第１照明光を前記集光部材を透過せた後に前記放物面の焦点に集光させ、
前記第２照明光学系は前記第２照明光を平行光として照射し、この第２照明光が前記放物面で反射して前記放物面の焦点に集光することを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【請求項３】
前記集光部材は、前記第１照明光学系と前記被検物の間に設けられ、前記第１照明光学系から射出された前記第１照明光を透過させるとともに、前記被検物を覆う楕円面を有し、
前記第１照明光学系は、前記第１照明光を前記集光部材を透過せた後に前記楕円面における面に近い側の第１焦点に集光させ、
前記第２照明光学系は前記第２照明光を前記楕円面における面から遠い側の第２焦点に集光するように照射し、この第２照明光が前記楕円面で反射して前記楕円面の前記第１焦点に集光することを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【請求項４】
前記集光部材は、前記第１照明光学系と前記被検物の間に設けられ、前記第１照明光学系から射出された前記第１照明光を通過させる通過口と、前記被検物を覆う放物面とを有し、
前記第１照明光学系は、前記第１照明光を前記集光部材の前記通過口を通過せた後に前記放物面の焦点に集光させ、
前記第２照明光学系は前記第２照明光を平行光として照射し、この第２照明光が前記放物面で反射して前記放物面の焦点に集光することを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【請求項５】
前記集光部材は、前記第１照明光学系と前記被検物の間に設けられ、前記第１照明光学系から射出された前記第１照明光を通過させる通過口と、前記被検物を覆う楕円面とを有し、
前記第１照明光学系は、前記第１照明光を前記集光部材の前記通過口を通過せた後に前記楕円面における面に近い側の第１焦点に集光させ、
前記第２照明光学系は前記第２照明光を前記楕円面における面から遠い側の第２焦点に集光するように照射し、この第２照明光が前記楕円面で反射して前記楕円面の前記第１焦点に集光することを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【請求項６】
前記第２照明光学系と前記被検物の間に設けられ、前記第２照明光の一部を遮断する遮蔽部材を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光学装置。
【請求項７】
前記被検物上において前記集光点を移動させる制御を行い、前記光検出手段により検出された光強度と前記被検物の位置情報とを対応づけて前記被検物の観察画像を形成する画像形成手段を備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検物表面の像を取得する光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
被検物表面の像を得る観察光学系を備えた光学装置として、微小な被検物の形状を高精度で計測できる共焦点顕微鏡が知られている（例えば、特許文献１を参照）。共焦点顕微鏡は、対物レンズの後側焦点位置にピンホールを置くことにより、焦点近傍以外から出る光を除去してコントラストの高い画像が得られるようにしたものであり、焦点を被検物に対して水平方向に一定量ずつ相対移動させて被検物の走査画像（断面画像データ）を取得すれば、焦点面と一致した部分だけが明るくなる画像が高さごとに得られ、さらに断面像を高さを変えながら得ることにより、精度の高い３次元画像が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７‐２７９０８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような光学装置では、被検物表面に大きな傾斜が存在する場合、図４に示すように、対物レンズ６から被検物２に入射した照明光は対物レンズ６に戻らず、光検出器において検出することができないため、被検物表面の傾斜に大きな制約があるという問題があった。
【０００５】
本発明はこのような課題に鑑みたものであり、大きな傾斜を有する被検物表面であってもその表面の像を取得することができる光学装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このような目的を達成するため、本発明に係る光学装置は、光を第１照明光および第２照明光に分割する分割光学系と、前記第１照明光を被検物上に集光して照射する第１照明光学系と、前記第２照明光を前記被検物における前記第１照明光が集光される側の反対側から前記被検物の方に向かって照射する第２照明光学系と、前記第２照明光を前記第１照明光と異なる方向から前記被検物上における前記第１照明光と同一の集光点に集光して照射する集光部材と、前記被検物から反射された光を結像する結像光学系と、前記結像光学系において前記被検物上の前記集光点と共役関係となる位置に設けられ、前記集光点から反射されてくる光を透過させる光分離部材と、前記光分離部材を透過した光の光強度を検出する光検出手段とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、大きな傾斜を有する被検物表面であってもその表面の像を取得することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明を適用した共焦点顕微鏡の構成を示す図である。
【図２】上記共焦点顕微鏡における変形例を示す図である。
【図３】(ａ)，(ｂ)は上記共焦点顕微鏡における他の変形例を示す図である。
【図４】従来の光学装置における課題を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。本発明を適用した共焦点顕微鏡１の構成を図１に示す。共焦点顕微鏡１は、被検物２を支持する支持機構１０と、被検物２の表面に照明光を照射する照明光学系２０と、被検物２の像を取得する観察光学系４０と、支持機構１０の駆動制御および被検物２の形状算出を行うコンピュータ５０とを備えて構成される。
【００１０】
支持機構１０は、被検物２を載置支持する移動ステージ１１を有し、移動ステージ１１に載置された被検物２を照明光学系２０から射出される照明光の光軸に直交する方向（ＸＹ方向）および光軸方向（Ｚ方向）に移動させることが可能に構成されている。移動ステージ１１は、光が透過可能な材料で形成されている。
【００１１】
照明光学系２０は、レーザ光を射出する光源２１と、光源２１から射出された光を平行光に変換するコリメータレンズ２２と、コリメータレンズ２２によって変換された平行光を透過と反射によって二つの光に分割するビームスプリッター２３と、ビームスプリッター２３を透過した平行光を透過させて光量を調整するＮＤフィルタ２４と、ＮＤフィルタ２４を透過した平行光に対して傾けて配置されたハーフミラー２５と、ハーフミラー２５で反射した平行光を集光させる対物レンズ群２６とを有して構成される。
【００１２】
光源２１から射出した光は、コリメータレンズ２２によって平行光に変換されてビームスプリッター２３に入射し、そのうちのビームスプリッター２３を透過した平行光（以下この平行光を第１照明光と称する）がＮＤフィルタ２４に入射する。ビームスプリッター２３を透過した第１照明光は、ＮＤフィルタ２４によって光量が調整されてハーフミラー２５に入射し、ハーフミラー２５で反射した第１照明光が対物レンズ群２６によって集光され、後述する放物レンズ３０を透過した後に、移動ステージ１１に載置された被検物２に照射される。
【００１３】
また、照明光学系２０は、ビームスプリッター２３で反射した平行光を被検物２における第１照明光が照射される側の反対側に導く反射ミラー２７ａ，２７ｂと、反射ミラー２７ａ，２７ｂによって導かれた平行光の径を変換するビームエキスパンダー２８と、ビームエキスパンダー２８によって変換された平行光の一部を遮断する遮蔽マスク２９と、移動ステージ１１に載置された被検物２と対物レンズ群２６の間に配置された放物レンズ３０とを有して構成される。
【００１４】
光源２１から射出してコリメータレンズ２２を通りビームスプリッター２３で反射した平行光（以下この平行光を第２照明光と称する）は、反射ミラー２７ａ，２７ｂによって被検物２における第１照明光が照射される側の反対側に導かれ、ビームエキスパンダー２８に入射する。ビームエキスパンダー２８によって所定サイズの径の平行光に変換（拡大）された第２照明光は、遮蔽マスク２９および移動ステージ１１を透過した後に放物レンズ３０に入射する。
【００１５】
放物レンズ３０は、移動ステージ１１に載置された被検物２と対向する放物面３０ａを有し、遮蔽マスク２９および移動ステージ１１を透過した第２照明光（平行光）が放物面３０ａで反射して放物面３０ａの焦点Ａに集光するように構成されている。放物面３０ａは、断面が放物線となる回転対称の凹曲面である。放物レンズ３０は、移動ステージ１１に載置された被検物２を放物面３０ａが覆うように設けられている。ビームエキスパンダー２８は、第２照明光が放物面３０ａ全体に入射するように光の径を拡大し、放物面３０ａ全体で反射された第２照明光が上記焦点Ａに集光するようになっている。
【００１６】
上記対物レンズ群２６は、第１照明光が放物レンズ３０を透過した後に放物面３０ａの焦点Ａに集光するように設計されている。すなわち、第１照明光および第２照明光は何れも放物面３０ａの焦点Ａに集光され、被検物２に照射されるようになっている。上記ＮＤフィルタ２４は、放物面３０ａの焦点Ａに集光する第１照明光および第２照明光が互いに同じ光量となるように、第１照明光の光量を調整するようになっている。なお、ＮＤフィルタ２４を第２照明光の光路中に設けて、第１照明光と同じ光量となるように第２照明光の光量を調整するようにしてもよい。
【００１７】
遮蔽マスク２９は、ビームエキスパンダー２８と移動ステージ１１の間に配置され、第２照明光が放物面３０ａにおける第１照明光の透過領域Ｔ１に直接入射しないように（すなわち対物レンズ群２６に直接入射しないように）第２照明光の一部を遮断する遮蔽領域２９ａを有して構成されている。遮断領域２９ａは上記透過領域Ｔ１に対応した大きさになっている。遮蔽マスク２９における遮蔽領域２９ａ以外の部分は、上記移動ステージ１１と同様に、光が透過可能に構成されている。被検物２は、遮蔽領域２９ａによって第２照明光が遮断される移動ステージ１１上の領域に載置されている。
【００１８】
観察光学系４０は、被検物２で反射した光が対物レンズ群２６およびハーフミラー２５を透過した後に入射する位置に配置された反射ミラー４１と、反射ミラー４１で反射した光を集光する集光レンズ４２と、対物レンズ群２６および集光レンズ４２を介して放物面３０ａの焦点Ａと共役な位置に配設されたピンホール４３と、ピンホール４３を通過した光を検出するディテクター（光検出器）４４とを有して構成される。
【００１９】
被検物２で反射して放物レンズ３０を透過した後に対物レンズ群２６に入射する光（以下この光を測定光と称する）は、対物レンズ群２６で集光されてハーフミラー２５に入射し、そのうちのハーフミラー２５を透過した測定光が反射ミラー４１に入射する。反射ミラー４１で反射した測定光は、集光レンズ４２で集光されてピンホール４３に入射する。ピンホール４３は、放物面３０ａの焦点Ａと共役な位置に配設されているため、光軸上の位置として、集光された第１照明光および第２照明光の焦点位置より手前あるいは奥の位置で反射された光を通さず、焦点位置で反射された光のみを通過させる。
【００２０】
ピンホール４３を通過した測定光は、ディテクター４４に入射する。ディテクター４４は光電子倍増管などのポイントセンサであり、受光した光強度を電気信号に変換し、コンピュータ５０に送出する。コンピュータ５０は、受信した電気信号をＡ／Ｄ変換してデジタルデータにする。このデジタルデータを支持機構１０（移動ステージ１１）により被検物２を光軸に直交する方向（ＸＹ方向）に移動させながら取得し、その移動に同期して２次元に配置することで、コンピュータ５０内に焦点位置のみの情報を持った２次元画像データを取得することができる。
【００２１】
コンピュータ５０は、上記のように２次元画像データを取得した後、支持機構１０に移動ステージ１１を光軸方向に一定量移動させる命令を伝達する。この命令を受けて移動ステージ１１は光軸方向に一定量移動する。そして、この移動が完了後、２次元画像の取得を行うことで焦点位置の異なる２次元画像を取得することができる。
【００２２】
このように「移動ステージ１１を光軸方向に一定量移動する」、「２次元画像データの取得を行う」という操作を繰り返すことで、焦点位置の異なる複数の２次元画像データを取得することができる。対物レンズ群２６で集光された第１照明光および放物面３０ａで集光された第２照明光の焦点位置（何れも放物面３０ａの焦点Ａに集光される）は不変であり、移動ステージ１１の光軸方向位置が変化すると相対的に被検物２上での焦点位置が変化する。この結果、取得されたそれぞれの２次元画像データは、それぞれの被検物２の位置に対応した焦点位置の情報を持つ２次元画像データとなり、コンピュータ５０のメモリに記憶される。メモリに記憶された２次元画像データをコンピュータ５０で処理して、被検物２の形状を測定することができる。また、モニタ２１に２次元画像、あるいは３次元画像を表示して被検物２の形状を観察することができる。
【００２３】
以上において説明したように、共焦点顕微鏡１では、対物レンズ群２６によって集光されて被検物２に照射される第１照明光と、放物面３０ａでの反射によって集光されて被検物２に照射される第２照明光とにより、照明開口数を広げることができる。そのため、従来の共焦点顕微鏡では像の取得が不可能であった大きな傾斜を有する被検物表面であっても、その表面の像を取得することができる。
【００２４】
次に、上述の共焦点顕微鏡１の変形例について図２を参照して説明する。この変形例は、上述の照明光学系２０において、ビームエキスパンダー２８に代えて集光レンズ１２８と、遮蔽マスク２９に代えて遮蔽マスク１２９と、放物レンズ３０に代えて楕円レンズ１３０とを有して構成されている。なお、上述の共焦点顕微鏡１と共通する部分には同一符号を付してその説明を省略する。
【００２５】
光源２１から射出してコリメータレンズ２２を通りビームスプリッター２３で反射した平行光（第２照明光）は、反射ミラー２７ａ，２７ｂによって被検物２における第１照明光が照射される側の反対側に導かれ、集光レンズ１２８に入射する。集光レンズ１２８によって集光された第２照明光は、遮蔽マスク１２９および移動ステージ１１を透過した後に楕円レンズ１３０に入射する。なお、集光レンズ１２８は、第２照明光が後述する楕円面１３０ａの焦点Ｂ（楕円面１３０ａに対して遠い側の焦点）に集光するように設計されている。
【００２６】
楕円レンズ１３０は、移動ステージ１１に載置された被検物２と対物レンズ群２６の間に配置され、被検物２と対向する楕円面１３０ａを有して構成されている。楕円面１３０ａは、断面が楕円となる回転対称の凹曲面である。上述のように第２照明光が集光レンズ１２８によって楕円面１３０ａの焦点Ｂに集光されているので、遮蔽マスク１２９および移動ステージ１１を透過した第２照明光は、楕円面１３０ａで反射して楕円面１３０ａの焦点Ｃ（楕円面１３０ａに近い側の焦点）に集光する。ここでは、対物レンズ群２６は、第１照明光が楕円レンズ１３０を透過した後に楕円面１３０ａの焦点Ｃに集光するように設計されている。すなわち、第１照明光および第２照明光は何れも楕円面１３０ａの焦点Ｃに集光され、被検物２に照射されるようになっている。
【００２７】
遮蔽マスク１２９は、集光レンズ１２８と移動ステージ１１の間に配置され、第２照明光が楕円面１３０ａにおける第１照明光の透過領域Ｔ２に直接入射しないように（すなわち対物レンズ群２６に直接入射しないように）第２照明光の一部を遮断する遮蔽領域１２９ａを有して構成されている。遮断領域１２９ａは楕円面１３０ａにおける透過領域Ｔ２に対応した大きさになっている。遮蔽マスク１２９における遮蔽領域１２９ａ以外の部分は、上記遮断マスク２９と同様に、光が透過可能になっている。被検物２は、遮蔽領域１２９ａによって第２照明光が遮断される移動ステージ１１上の領域に載置されている。
【００２８】
このように共焦点顕微鏡１の変形例においても、対物レンズ群２６によって集光されて被検物２に照射される第１照明光と、楕円面１３０ａでの反射によって集光されて被検物２に照射される第２照明光とにより、照明開口数を広げることができる。そのため、大きな傾斜を有する被検物表面であってもその表面の像を取得することができる。
【００２９】
なお、上記実施形態では、第１照明光が放物レンズ３０もしくは楕円レンズ１３０を透過して集光するようになっているが、放物レンズ３０もしくは楕円レンズ１３０に代えて、図３(ａ)，(ｂ)に示すように、第１照明光の通過口を有した放物面鏡２３０もしくは楕円面鏡３３０を用いて構成することも可能である。
【００３０】
また、上記実施形態では、移動ステージ１１（支持機構１０）によって被検物２を光軸に対してＸＹＺ方向に相対移動させる構成であるが、照明光学系２０および観察光学系４０を被検物２に対して相対移動させるように構成してもよい。
【００３１】
また、上記実施形態では、本発明を適用した一例として共焦点顕微鏡を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば光プローブ法などにも本発明を適用することができる。
【符号の説明】
【００３２】
１    共焦点顕微鏡（光学装置）            ２    被検物
２０  照明光学系                          ２３  ビームスプリッター（分割光学系）
２５  ハーフミラー（第１照明光学系）
２６  対物レンズ群（第１照明光学系、結像光学系）
２７ａ，２７ｂ  反射ミラー（第２照明光学系）
２８  ビームエキスパンダー（第２照明光学系）
２９，１２９  遮蔽マスク（遮蔽部材）      ３０  放物レンズ（集光部材）
３０ａ  放物面                            ４０  観察光学系
４１  反射ミラー（結像光学系）            ４２  集光レンズ（結像光学系）
４３  ピンホール（光分離部材）            ４４  ディテクター（光検出手段）
５０  コンピュータ（画像形成手段）        １３０  楕円レンズ
１３０ａ  楕円面                          ２３０  放物面鏡
３３０  楕円面鏡
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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