(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料光路と参照光路とを分離した分離光路干渉光学系を備えた透過試料の観測に用いる干渉顕微鏡において、前記分離光路干渉光学系は、試料光路と参照光路に分岐する第１の部分ミラーと、前記試料光路を折り返す第１の折り返しミラーと、前記参照光路を折り返す第２の折り返しミラーと、折り返された前記試料光路と前記参照光路とを合致させる第２の部分ミラーとからなる干渉ループを備え、光源からの入射光路に対して、前記干渉ループにおける前記試料光路と前記参照光路とが互いに平行に出射するように、前記第１の部分ミラーと前記第１の折り返しミラーとを剛体状に一体化して第１の光学要素を構成し、前記参照光路と前記試料光路とを重ね合わせて１つの観察光路として出射するように、前記第２の部分ミラーと前記第２の折り返しミラーとを剛体状に一体化して第２の光学要素を構成し、且つ前記第１の光学要素と前記第２の光学要素の平行度を常に保持させるように配置したことを特徴とする干渉顕微鏡。
【請求項２】
前記第１の部分ミラーと第１の折り返しミラー、及び前記第２の折り返しミラーと第２の部分ミラーを、それぞれ単一の光学部品で構成したことを特徴とする請求項１記載の干渉顕微鏡。
【請求項３】
前記干渉ループに試料微細構造観察用照明光路を共存させ、該干渉ループからの出射光路に変倍用レンズを備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の干渉顕微鏡。
【請求項４】
前記干渉ループへの入射光路に異なる波長の干渉用照明光を導入し、異なる波長の干渉図形を観測できるように構成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の干渉顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、干渉顕微鏡に関し、特に振動、衝撃等の変動の大きい悪環境下で高精度計測と観察を行うことの可能な干渉顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、試料の計測に用いられる干渉光学系としては、反射型試料の計測に用いられるマイケルソン型干渉光学系や、透過型試料の計測に用いられるマッハーツェンダ型干渉光学系のように、試料光路と参照光路を完全に分けて構成した分離光路干渉光学系と、常光線と異常光線に対してそれぞれ異なった２つの焦点をもつ二重焦点レンズを用いて試料光路と参照光路に分割し、試料面の異なる場所を通過させた後再び両光路を合致させる共通光路干渉光学系とがある。
【０００３】
図７は、上記マイケルソン型干渉光学系を示す図で、光源１０１  より発した光束はレンズ１０２  により平行光となり、ビームスプリッタ１０３  により試料光路１０４  への試料光と参照光路１０５  への参照光とに分割される。そして試料光は試料面１０６  で反射され、参照光は参照面１０７  で反射されて、それぞれビームスプリッタ１０３  で再び合致して干渉図形を生成し、観測位置１０８  で観測するようになっている。
【０００４】
また、マッハーツェンダ型干渉光学系は、図８に示すように構成されている。すなわち、光源１１１  から発した光はレンズ１１２  により平行光となり、その平行光は半透明鏡１１３  により２方向に分けられ、試料光１１４  と参照光１１５  とになる。そして、試料光１１４  はミラー１１６  で反射され試料１１８  を透過して半透明鏡１１９  に入射する。また参照光１１５  はミラー１１７  で反射され半透明鏡１１９  に入射し、試料光と再び合致し干渉図形を生成する。その干渉図形をレンズ１２０  により拡大し、観測位置１２１  で観測するようになっている。
【０００５】
一方、共通光路干渉光学系は図９に示すように構成されている。まず、光源１３１  より発する照明光をレンズ１３２  により平行照明光束にした後、干渉図形を生成すべき試料光と参照光とに分割するために、第１偏向ビームスプリッタ１３３  と第２偏向ビームスプリッタ１３４  を順次配列し、次に第２偏向ビームスプリッタ１３４  の反射面を始点及び終点とするループ光路を３枚のミラー１３５  を用いて構成する。この際、第１偏向ビームスプリッタ１３３  は、その反射面による反射光路が、前記ループ光路のなす平面と４５度傾くように配置されている。そして、光源１３１  からの平行照明光束を第２偏向ビームスプリッタ１３４  で透過成分光が透過する場合、ループ光路内のレンズ１３６  の後側焦点位置に一旦収束し、発散光束としてループ光路内を一周通過して射出し、また反射成分光はループ光路内に入射することなく平行光束のまま反射して、上記透過成分光と同じ光路に乗るようになっている。
【０００６】
更に、上記ループ光路から射光する２光束のうち、例えば反射成分光は、１／４λ板１３７  に入射してπ／２の位相差の変換を受けて円偏光に転換され、レンズ１３８  により試料面１３９  の一点に収束して参照光となる。また透過成分光も同様に１／４λ板１３７  に入射通過して上記反射成分光と逆回りに回転する円偏光に転換され、レンズ１３８  により試料面１３９  の全域に拡がり試料光となる。
【０００７】
これらの２光束は試料面１３９  からそのまま反射し、１／４λ板１３７  を再び通過して、それぞれ入射時と振動方向を丁度９０度変化した２つの光束になり、再びループ光路に入射する。そして、新しい反射成分光（入射時ループ光路を既に順回りに一周している）は、第２偏向ビームスプリッタ１３４  で反射されてループ光路に入射せず、直接第１偏向ビームスプリッタ１３３  に向かい、一方新しい透過成分光（これは入射時における反射成分光でループ光路に入射していない）はループ光路に入射し、逆回りに一周して射出し、第１偏向ビームスプリッタ１３３  に向かう。第１偏向ビームスプリッタ１３３  は、上記新しい透過成分光及び反射成分光に対して検光子として振る舞うから、第１偏向ビームスプリッタ１３３  で反射された前記両光束は、互いに干渉して干渉図形を生成し、観測位置１４０  で観測するようになっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図７及び図８に示した分離光路干渉光学系においては、試料を平行光束で照射するように構成されているので、干渉顕微鏡としての必須機能である微細構造の観察は、そのままでは行えない。そのため、干渉図形の計測作業と、微細構造の観察作業は、それぞれ別個に行うようになっており、したがって、時間的な変化が速く再現性の困難な結晶成長過程の観察などには適用できないという問題点があった。また、この干渉光学系では、光源からの平行光束を半透明鏡で２方向に試料光と参照光とに分け、そして試料光と参照光を同じ光路位置に再び一致させなければならず、したがって、平行光束を分離し再び一致させる光学系を構成するミラー等の光学部品のいずれかが、振動や衝撃などにより僅かに変動することによって、干渉図形に乱れを生じさせてしまうという問題点があった。更に、また干渉図形の調整のための光学部品及び機構を精細に工夫を凝らして製作しなければならず、操作にも高度の熟練を要するという問題点があった。
【０００９】
一方、図９に示した共通光路干渉光学系においては、その構造上、試料光と参照光が常に同一光路であり、試料面を共に通過するため、干渉図形の計測においては参照光の影響があり、誤差の要因となっている。また、倍率を変えるため対物レンズ１３８  を取り換えようとする場合は、ループ光路内に配置したレンズ１３６  も同時に交換しなければならず、したがって倍率を変えることができないという欠点がある。
【００１０】
本発明は、従来の干渉光学系における上記問題点を解消するためになされたもので、振動や衝撃等が印加された状態においても高精度の干渉図形の計測が行え、また微細構造の観察を同時に行えるようにした干渉顕微鏡を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段及び作用】
上記問題点を解決するため、本発明は、試料光路と参照光路とを分離した分離光路干渉光学系を備えた透過試料の観測に用いる干渉顕微鏡において、前記分離光路干渉光学系は、試料光路と参照光路に分岐する第１の部分ミラーと、前記試料光路を折り返す第１の折り返しミラーと、前記参照光路を折り返す第２の折り返しミラーと、折り返された前記試料光路と前記参照光路とを合致させる第２の部分ミラーとからなる干渉ループを備え、光源からの入射光路に対して、前記干渉ループにおける前記試料光路と前記参照光路とが互いに平行に出射するように、前記第１の部分ミラーと前記第１の折り返しミラーとを剛体状に一体化して第１の光学要素を構成し、前記参照光路と前記試料光路とを重ね合わせて１つの観察光路として出射するように、前記第２の部分ミラーと前記第２の折り返しミラーとを剛体状に一体化して第２の光学要素を構成し、且つ前記第１の光学要素と前記第２の光学要素の平行度を常に保持させるように配置するものである。
【００１２】
このように構成することにより、前記第１の部分ミラーと第１の折り返しミラー、及び前記第２の折り返しミラーと第２の部分ミラーは、それぞれ剛体状に一体化されて第１の光学要素及び第２の光学要素を構成すると共に、第１及び第２の光学要素は常に平行度を保持するように配置されているため、それらの一体化されている光学素子間ではずれが生ぜず、且つ第１及び第２の光学要素は常に平行度が保持され、したがって、振動等をうけても、光路長は変動せず、干渉ループにおける試料光路と参照光路の平行関係は保たれ、第２の部分ミラーで両光路を確実に合致させることができ、安定した干渉図形を得ることができる。
【００１３】
また、干渉ループに試料微細構造観察用照明光路を共存させ、干渉ループからの出射光路に変倍用レンズを備えることにより、干渉図形と共に、鮮明な試料の微細構造像を同時に観察することが可能となる。
【００１４】
【実施例】
次に、実施例について説明する。図１は、本発明に係る干渉顕微鏡の基本的な構成を示す概念図である。図１において、１は光源、２は該光源１より発する照明光（例えば波長４８０  ｎｍ）を平行照明光束にするレンズ、３は平行照明光束の進行方向に配置された第１のプリズムで、平行照明光束を受け、干渉図形を生成すべき試料光と参照光とに分割するためのものであり、分岐ハーフミラー４と折り返しミラー５とを、入射光の光軸に対して出射する試料光の試料光軸７と参照光の参照光軸６が平行になるように、一体的な単一の光学部品として形成し、第１のプリズム３を構成している。
【００１５】
そして、試料光軸７に試料８を配置すると共に、参照光軸６及び試料光軸７を通る２光束の出射方向に沿って第２のプリズム９を配置している。この第２のプリズム９は、第１のプリズム３と同様な構成を有し、合致ハーフミラー１０と折り返しミラー１１とを一体的な単一の光学部品として形成したものであり、第１のプリズム３を１８０  °回転した態様で配置し、試料光と参照光を合致ハーフミラー１０で一致させるようにしている。そして、第２のプリズム９の合致ハーフミラー１０上で得られる干渉図形は、レンズ（対物レンズと結像レンズを合体したもの）１２を介して、観測位置１３で観測するようになっている。なお、図１において、１４は参照光軸６上に配置された干渉縞調整用の一対のクサビ形プリズムであり、１５は該クサビ形プリズム１４の挿入による光路長変化に対応して設置された、光路長補正のためのコンペンセータである。干渉縞の調整は、従来は折り返しミラーの調整により行われているが、本発明においては折り返しミラーは合致ハーフミラーと一体化されて単一のプリズムを構成しているので、単独に調整できないため、上記クサビ形プリズム１４を参照光軸６上に配置しているもので、このクサビ形プリズム１４は必須のものではなく、省略することも可能である。
【００１６】
このように構成した干渉顕微鏡において、第１のプリズム３の分岐ハーフミラー４により試料光と参照光に分離されて、第２のプリズム９の合致ハーフミラー１０で再び合致するまでの両光束の伝播すべき光路長は全く同一になる。また、振動等によって第１及び第２のプリズム３，９が変動しても、両プリズム３，９の平行度が保たれている限り、光路長は変動せず、第２のプリズム９の合致ハーフミラー１０で必ず両光束を一致させることができる。したがって、装置の剛性の不足により振動が生じても、極めて安定した干渉図形が得られ、容易な操作の干渉顕微鏡を実現することができる。
【００１７】
なお、上記構成においては、分岐ハーフミラーと折り返しミラーを、また合致ハーフミラーと折り返しミラーを、それぞれ一体化して単一のプリズムとしたものを示したが、これらの光学素子を一体化して単一の光学部品として構成する代わりに、分岐ハーフミラーと折り返しミラーを、また合致ハーフミラーと折り返しミラーを、それぞれ剛性の大なる基板上に一体的に固定して構成するようにしても同等の作用効果が得られる。
【００１８】
次に、図１に示した基本的な構成の変形例を図２に基づいて説明する。この変形例は、光源の偏光性を利用するようにしたもので、この場合は、分岐ハーフミラー４を偏光ビームスプリッタに変え、合致ハーフミラー１０の後段に偏光板１６を設置することにより、容易に偏光の干渉顕微鏡として使用することができる。
【００１９】
また、図１に示した基本構成では、透過照明を用いるようにしたものを示したが、落射照明を用いる場合には、図３に示すように、照明光源１７を、その照明光がコンデンサレンズ１８を介して第２のプリズム９に入射される位置に配置するか、もしくは、コンデンサレンズ１８，ハーフミラーなどの部分ミラー１９及び対物レンズ１２ａを介して第２のプリズム９に入射される位置に配置すればよい。なお、図３において、１２ｂは結像レンズである。
【００２０】
次に、具体的な実施例を図４に基づいて説明する。図４において、図１に示した基本的な構成と同一又は対応する部材には、同一符号を付して示している。この実施例においては、干渉図形を得るための光源１の他に、試料の微細構造の顕微鏡像を得るための、光源１からの照明光とは異なる波長（例えば５５０  ｎｍ）の照明光を発する光源２１を設け、該光源２１からの照明光を集光するためのコンデンサレンズ２２を備えている。また、このコンデンサレンズ２２からの照明光束の光路を干渉光路に共存させるために、分岐ハーフミラー４と合致ハーフミラー５ａとを一体的に形成した単一の光学部品である第１のプリズム３ａを用い、前記光源２１からの照明光束を、第１のプリズム３ａの合致ハーフミラー５ａに入射させ、試料光軸７上に干渉光路と顕微鏡用照明光路とを共存させる。
【００２１】
更に、第２のプリズム９の合致ハーフミラー１０からの干渉図形の観測光路上に対物レンズ２３と結像レンズ２４からなる変倍用レンズを設け、観測位置１３で試料８の微細構造の顕微鏡像が得られるように構成している。
【００２２】
このように構成した実施例においては、図１に示した基本的な構成のものと同様に、振動が生じた場合でも、極めて安定した干渉図形の計測ができると共に、顕微鏡用照明光路を干渉光路に共存させるようにしているので、同時に試料の微細構造の鮮明な顕微鏡像を観察することができる。なお、第１のプリズム３ａの分岐ハーフミラー４あるいは合致ハーフミラー５ａ、更には第２のプリズム９の合致ハーフミラー１０に、観測したい波長別に波長別分割コートを施すことにより、波長別の任意の干渉図形あるいは顕微鏡像を得ることができる。図５に、波長別分割コートの特性の一例を示す。なお、図５において、横軸は波長λ（ｎｍ）、縦軸は透過率（％）を示す。
【００２３】
次に、具体的な他の実施例を、図６に基づいて説明する。図６において、図１に示した基本的な構成及び図４に示した実施例と同一又は対応する部材には同一符号を付して示している。この実施例は、図４に示した実施例において、更に、異なる波長の２つの干渉用照明光を用いて、２種類の干渉図形が得られるようにしたものである。
【００２４】
すなわち、干渉図形生成用の、例えば波長４８０  ｎｍの照明光を発する第１の光源１ａと、波長７８０  ｎｍの照明光を発する第２の光源１ｂとを設け、これらの光源１ａ，１ｂが発する照明光をダイクロイックミラー３１を介して、第１のプリズム３ａの分岐ハーフミラー４に入射させるように構成する。また、観測光路の結像レンズ２４の後段に、波長別分割コートを施した分岐ハーフミラー３２を設けて、顕微鏡像を透過させ、干渉図形を反射させて分離し、更に反射させた干渉図形の観測光路にダイクロイックミラー３３を設けて、２つの干渉図形を分離し、透過干渉図形は更に三角プリズム３４を介して、それぞれの観測位置３５，３６で観測できるように構成するものである。
【００２５】
このように構成した実施例においては、試料の微細構造の顕微鏡像を観察できると共に、２波長による２種類の干渉図形を観測することが可能となる。
【００２６】
また、一般に、２つの異なる波長λ１，λ２の光に対する試料の屈折率の濃度依存性αと、温度依存性βを予め計測しておけば、２つの異なる波長の光に対する干渉図形の観測から、屈折率の変化量ΔＮ１，ΔＮ２を求めることにより、その変化量ΔＮ１，ΔＮ２から試料の濃度変化ΔＣと温度変化ΔＴを、次に示すような連立方程式を解くことによって求めることができる。
ΔＮ１＝α１・ΔＣ＋β１・ΔＴ
ΔＮ２＝α２・ΔＣ＋β２・ΔＴ
【００２７】
なお、上記実施例では、２つの光源１ａ，１ｂから合致ハーフミラーを用いて、２つの異なる波長の照明光を導入し、また干渉図形の観測光路において分岐ハーフミラーを用いて、２種類の干渉図形を分離して観測するようにしたものを示したが、２つの光源１ａ，１ｂからの照明光を、シャッタを設けて切り換えて導入するように構成することにより、分岐ハーフミラー３２及びダイクロイックミラー３３を省くことが可能となる。
【００２８】
なお、上記基本構成及び各実施例における、分岐ハーフミラー及び合致ハーフミラーの分岐率又は合致率は、通常１：１であるが、本発明は、このような構成に限定されるものではなく、観察及び干渉に支障のない範囲において、分岐率又は合致率は任意の値とした部分ミラーを用いることができるものである。
【００２９】
【発明の効果】
以上実施例に基づいて説明したように、本発明によれば、振動等の悪環境下においても極めて安定した干渉図形を観測することができ、操作性を向上させることができる。また顕微鏡用照明光路を干渉光路と共存させることにより、干渉図形と同時に試料の微細構造の鮮明な顕微鏡像を観察することができる。また、波長の異なる干渉用光源を設けることにより、異なる波長の干渉図形を観測することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る干渉顕微鏡の基本的な構成を示す概念図である。
【図２】図１に示した基本構成の変形例を示す図である。
【図３】図１に示した基本構成において、落射照明を用いる場合の構成を示す図である。
【図４】本発明の具体的な実施例を示す概略構成図である。
【図５】波長別分割コートの特性の一例を示す図である。
【図６】本発明の具体的な他の実施例を示す概略構成図である。
【図７】従来のマイケルソン型干渉光学系を示す構成図である。
【図８】従来のマッハーツェンダ型干渉光学系を示す構成図である。
【図９】従来の共通光路干渉光学系を示す構成図である。
【符号の説明】
１  光源
２  レンズ
３  第１のプリズム
４  分岐ハーフミラー
５  折り返しミラー
６  参照光軸
７  試料光軸
８  試料
１０  合致ハーフミラー
１１  折り返しミラー
１２  レンズ
１３  観測位置
１４  クサビ形プリズム
１５  コンペンセータ
１６  偏光板
１７  照明光源
１８  コンデンサレンズ
１９  部分ミラー
２１  光源
２２  コンデンサレンズ
２３  対物レンズ
２４  結像レンズ
３１  ダイクロイックミラー
３２  分岐ハーフミラー
３３  ダイクロイックミラー
３４  三角プリズム
３５，３６  観測位置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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