(57)【要約】      （修正有）【課題】本発明は、Z軸の機械的駆動なくし、かつ光学収差もない共焦点光学系を有するレーザ顕微鏡を提供する。【解決手段】ピンホール４から出たレーザ光は広がりながら、液晶のフィルタ１０を通過し、液晶の屈折率に応じて光路長が決定された結像レンズ６に入射する。結像レンズ６を通過後は無限補正中を並行光として進行し、XY走査ミラー７を通過して対物レンズ８に入射する。対物レンズ８から出射する光はある距離でフォーカスされて２次元的にそのレーザ光が試料表面を走査する。レーザ光は再び対物レンズ８に試料側がら入射し  結像レンズ６を通過し、ビームスプリッタ１１を直進してピンホール５に集光される。このとき試料表面に焦点が一致したときにのみピンホール５を通過することになるので、XY走査した表面上のピントのあったところの位置を知ることができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプル面上に照射されたビームスポットからの反射／散乱光を光学系の結像面に置かれたピンホールを通して検出する共焦点光学系であって、結像レンズとピンホールとの間に屈折率可変型平行平板を配置したことを特徴とする共焦点光学系。
【請求項２】
屈折率可変型平行平板が液晶平板、非線形材料、複屈折ガラス・結晶、油状物質である請求項１記載の共焦点光学系。
【請求項３】
液晶平板が強誘電性液晶である請求項２記載の共焦点光学系。
【請求項４】
結像面に置かれたピンホールの前段に検光子を配設してなる請求項１記載の共焦点光学系。
【請求項５】
請求項１乃至４の共焦点光学系を使用したレーザ顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共焦点の光学系に関するもので、例えば大型化かつ微細する半導体ウエハ・液晶・ＰＤ・ＥＬD等の表示パネルなどの生産設備や検査設備に実機搭載できる3次元光学微細観測装置に適用できる。
【背景技術】
【０００２】
従来よりレーザ顕微鏡は、３次元像がとれる、ピンぼけがない、シャープな高解像な画像を実現できるとしたデジタルＣＣＤカメラに置き換わる優れた目として注目されてきた。
従来のレーザ顕微鏡の構成を図４に示す（例えば、特許文献１）。図４において、レーザ光源４１からの出射光はレンズ４２により集光され、光路を光軸に対して直交する２次元方向に変化させる音響光学素子４３を介してハーフミラー４５に入射される。入射光はハーフミラー４５で反射され、レンズ４６により被測定物４７に照射される。被測定物４７からの反射光（被測定光）は、レンズ４６で集光されてハーフミラー４５を透過し、光検出器４８に入射される。これにより、光検出器４８で被測定物４７の像が捕らえられる。このような構成において、音響光学素子４３でハーフミラー４５の入射光の光路を光軸に対して直交する２次元方向に変化させることにより、被測定物４７に対する光の走査を行う。
【０００３】
しかしながら、上記従来技術に示すレーザ顕微鏡では、レンズ４６（対物レンズ）を機械的に動かすことでそのフォーカス位置（Z軸位置）を変化させていたが、その方式には次のような問題点があった。  
Z軸ステージの精度  高精度のものは高価であり、メンテナンスが難しい。特にバックラッシュという機械駆動特有のヒステリシスの問題がついてまわるために、Z軸ステージが精密に移動できない場合がある。その場合は3次元合成像に凹凸解析結果に深刻な影響を及ぼすことがある。そのため、ステージに位置を計測するためのあらたなリニアエンコーダやリニアスケールなるコンポーネントを設置する必要があるが、その取り付け方にも精度が要求されるため、システム全体の精密維持がきわめて難しい構成となることを余儀なくされていた。そのため操作上扱いづらい問題がった。
また、長期信頼性を考えた場合局部的に使用頻度が高くなるため磨耗故障により精度が維持できなかった。
また騒音によって自らが振動をする要因を発生することで、計測データ収集中にサブμｍ以下の精度に大きく影響し、除振装置上で使用測定環境を充実させなければ使えないというコスト高の要因をはらんでいた。
【０００４】
また、Z軸の駆動機構を不要とした光学顕微鏡として、対物レンズに液晶を封入し、液晶に印加する電圧の値を調整して液晶の屈折率を変えて顕微鏡の焦点を変化させるものもある（特許文献２）。
【０００５】
【特許文献１】特開平5-257064号公報
【特許文献２】特開平10-293255号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献２では、対物レンズの間にサンドイッチして液晶のような屈折率媒体を入れているので、せっかく空間位置を調整して収差調整をした接合組レンズそのものの品質がくずれてしまい、焦点距離調整どころか像はぼけてしまう欠点がある。したがって、通常の接眼レンズと対物レンズを使った顕微鏡に液晶を用いた屈折率板（光炉長調整板）は使えない。
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、光学収差を生じることなく課題解決をすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するため、サンプル面上に照射されたビームスポットからの反射／散乱光を光学系の結像面に置かれたピンホールを通して検出する共焦点光学系であって、結像レンズとピンホールとの間に屈折率可変型平行平板を配置したことを特徴とする。
サンプル面上での焦点（ビームスポット）は結像面でも焦点となり、焦点部分だけを選択して検出することから共焦点と呼ばれている。共焦点光学系では焦点ずれがある試料面からの光はピンホールをほとんど通過しないため、サンプル上の焦点が合った部分だけを選択した、焦点深度のきわめて浅い画像となる。本発明では、共焦点光学系に屈折率可変型平行平板を組み合わせることにより、光学収差を生じることなく、かつ従来の数１０分の１の重量で信頼性、高精度が実現できる。
【０００８】
本発明の原理を図１に示す。
ピンホールPと結像レンズの間に厚さｔ、屈折率ｎの平行平板を入れると
PP’=ｔ・（１−１/ｎ）
だけピンホールが結像レンズに近づく。したがって、倍率ｍ倍の顕微鏡系の対物側では
Δ＝PP’／ｍ2
だけ正規のピント位置より奥にピントが合うようになる。
【０００９】
本発明における屈折率可変型平行平板は、例えば、液晶平板、非線形材料、複屈折ガラス・結晶等を用いることができるが、これらに限定されない。
また、液晶平板を用いる場合は、強誘電性液晶が好ましい。TN液晶でも高速化が可能であるが特に、強誘電性液晶を用いれば、TN液晶より数百倍の速度での動作が可能であるので、高速3次元表示には最適である。
液晶平板の場合、液晶表示パネルは、一対の電極板の間に液晶を封入して構成される。各電極板は、通常、ガラス基板に電極として機能しうる、例えばＩＴＯ膜を蒸着して形成される。セルギャップ（一対の電極板の間の距離）は、１〜10mm、好ましくは５μｍ〜１ｍｍである。印加電圧は、10ｍV〜50V、好ましくは、20ｍV〜20Vで、これら条件により焦点位置は、0.01μm〜1mm変動させることができる。
さらに、本発明は、結像面に置かれたピンホールの前段に検光子を配設してもよい。検光子としては、例えば、非線形光学素子、偏光材料などを用いることができる。
また、本発明の共焦点光学系は、例えばレーザ顕微鏡に使用できる。レーザ光は偏光特性を有しており、液晶にある一定方向に振動した成分が入射すると、液晶がその振動方向と並行な場合において、レーザ光は、液晶という屈折率媒体を通過する際に、液晶のチルト角（液晶の傾き）に対応して光の屈折率が影響を受ける。共焦点系における場合は、光線の開口角が変化することによって、対物レンズから対象物に集光されるレーザ光のスポットの焦点位置が、上下方向に変化することになり、その光を検出系が受ける際に、フォーカス位置が、試料の凹凸に応じて変化することになるため上下方向の高さ情報を得ることが可能となる。特にレーザ光を用いると、もともとレーザが偏光特性をもっているので、液晶の屈折率異方性がそのまま使える。
また、レーザ顕微鏡以外にも精密3次元計測、画像認識用３Dカメラ、精密サブミクロン段差計、パネルギャップ計測装置、放射率自動補正赤外線検出装置、生体認識カメラ、などにも使用できる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明では、従来の機械駆動に比較して電力もきわめて省力化でき、さらに3次元像を構築する上で画質の直接要因となる光センサ信号のSNそのものが、モータのノイズ成分が存在しなくなることでローノイズで実現でき、鮮明な画像を表現することが可能である。
また、本発明では、レーザ顕微鏡の荷重の要因となっていたＺ軸ステージや測長部位を１つの光学フィルタにおきかけることができるため従来より約数十分の一の減量にすることが可能となる。このように軽量化できるため大型ステージのとりつけて3次元顕微鏡を移動する際に働く、慣性がわずかとなり、本カメラの移動制御が簡易にできるようになるため、3次元顕微鏡のワークの特定の計測部位に移動する際の制御がきわめてローコストでできるようになる。これによっていろいろな実装方法が実現できるようになり、生産装置の設計もきわめて容易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の共焦点光学系を使用したレーザ顕微鏡の概略図を図２に示す。図２において、１はレーザ光源であり、レーザ光源１からの出射光はレンズ２により集光され、ピンホール４を通過後、ビームスプリッタ１１に入射する。ビームスプリッタ１１では、レーザ光源１からの光は光軸に直交する方向に反射され、反射方向には、結像レンズ６、XY走査ミラー７が配置されている。XY走査ミラー７は、ビームスプリッタ１１からの光路を光軸に対して直交する二次元方向に変化させる。例えば、平面鏡がピエゾ素子などによりXY方向に微動駆動される。８は対物レンズであり、測定試料９に対する光の走査を行う。
測定試料９からの反射光（被測定光）は、結像レンズ６で集光されてビームスプリッタ１１を透過し、ピンホール５を通過して光センサ３に入射する。
上記は、従来のレーザ顕微鏡の構成であるが、本発明ではピンホール４の後段に屈折率可変型平行平板、例えば液晶のフィルタ１０を設けたことを特徴とする。平行平板なので、液晶レンズだと、液晶パネルの製作において、ITOのパターンを屈折率分布にあわせて変更する必要があるが、この場合は平板内を一様に変化させるので、ローコストで実現性が高く、簡便に製作することが可能で像の本来の分解能（解像度）は低下させる原因にはならない。なお、液晶のフィルタ１０は、図示しない駆動電圧調整部により印加電圧が調整される。
【００１２】
以上の構成において、レーザ光は、レンズ２を通過する際にその先に設けたピンホール４を通過するように集光される。ピンホール４の大きさは、１〜100ミクロン程度である。  ピンホール４から出たレーザ光は広がりながら、液晶のフィルタ１０を通過する。その際にレーザ光の偏光面は液晶の屈折率に応じて光路長が決定された、結像レンズ６に入射する。
結像レンズ６を通過後は無限補正中を並行光として進行し、途中XY走査ミラー７を通過して対物レンズ８に入射すると、対物レンズ８から出射する光はある距離でフォーカスされて２次元的にそのレーザ光が試料表面を走査される。
レーザ光は、今度は再び対物レンズ８に試料側から入射し  結像レンズ６を通過し、ビームスプリッタ１１を直進してピンホール５に集光される。このとき試料表面に焦点が一致したときにのみピンホール５を通過することになるので、XY走査した表面上のピントのあったところの位置を知ることができる。
【００１３】
同様の操作を液晶の印加電圧を変更することでレーザ光の屈折率を変化させて、その光路長を変えれば（すなわち上下方向に焦点位置を変化させれば）、そのピントの合った試料面の情報のみを再び知ることができる。この操作を繰り返した後、ピンホールを通過した反射レーザ光のXY位置と、光路長の変化のデータより、試料表面の凹凸形状を、演算することで3次元合成像を知ることから再生することが可能となる。従来はこの焦点位置の移動をZ軸ステージに固定された対物レンズを移動することで行っていた。
【００１４】
図３は、液晶のチルト角（光路に対して垂直方向の傾き）の変化に応じたレーザ光の屈折率変化を示している。
液晶分子は図３のようにある方向に長い形状をしているため、そこを通過する偏光面と長手方向が一致するとそれに応じて偏光屈折率が変化する特性をもっている。印加電圧を変化させるとそれに応じて液晶のチルト角が変化する（図３（（a）〜（ｃ））。ある一定電圧を加えた状態を維持するとそのチルト角は一定となりそれに応じて通過するレーザ光の屈折率は変化する。なぜなら、レーザ光は、その偏光方向と並行な液晶の分子の長手に応じて媒質を通過することで、通過速度が変化し、それによって屈折率が変化することになる。
図３のように幾何光学的に集光ないし広がる光はその屈折率に影響されて、光路長が伸びることになり、その状態で結像レンズを通過した光は対物レンズから再び集光された状態で出射する状況において、その光路長に応じてその焦点位置が前後することになる。
【００１５】
本発明は、上記構成に限定されず、例えばZ軸機械ステージを完全に除去しなくても、細かいところを光学デバイスを組み合わせて使用することで高速化や高信頼性（磨耗頻度減少）が得られる効果もある。
また、サブミクロンレベルだと振動の影響でふわふわ対象物が動いたりするが、光センサの出力をたえず極大に維持するように液晶の屈折率電圧を制御すればいつでもくっきり像を見ることが可能である。
さらに、光センサの出力を最大にするように液晶などの駆動電圧調整部にフィードバックをかけてもよい。
【００１６】
また、本発明は、上記構成に限定されず、例えば図５の構成のものでもよい。図５中図２と同様のものには同一の番号が付してある。図２との相違は、測定試料９上に配向膜５２が付設していること、ピンホール５とビームスプリッタ１１との間に検光子５１が設置されていることである。
図５に示すようにレーザ光源１から出たレーザー光はピンホール４と結像レンズ６を通過して対物レンズ８から出射され、液晶パネルの配向膜５２のような光学的異方性試料上をスキャンされた折に、試料中において常光と異常光の互いに直交する直線偏光が、各々の屈折率に対応して違う速度で媒質中を伝播して再び対物レンズ８にもどってくる。そのとき、その速度差に応じて楕円状に偏光された状態でもどってくる。この光を再び結像レンズ６を通過しビームスプリッタ１１を直進したのち、検光子５１とよばれる複屈折材料（グラントムソン偏光子等）を通過した光がピンホール５を通って、光センサ３に入射する。その際、共焦点の性質によってきわめて微小な異方性の影響を検出することが可能なので、リタデーションΔｎ（屈折率異方性）×ｄ（物理長）の値においてｄが小さくとも微妙な変化を感じ取ることが可能で光学的異方性の強度の空間的な分布を可視化することが可能である。
これにより、延伸したり、液晶パネルのポリイミドなどの配向膜表面をラビング（擦る）したり、なんらかの配向処理を施したりすることで生じる試料の極表面の微妙な光学的異方性を持つものは、通常の偏光光学顕微鏡では検出が不可能であるが、共焦点光学系においては、検出側のピンホールを通した光の強度は、微妙な光量差を検出することが可能なので、検出側の光路に、同様の非線形光学素子や偏光材料などの偏光検出素子（検光子）を設置することで、レーザが試料に照射された後、レーザ光の偏光特性に対して微妙に生じるリタデーション（屈折率異方性×物理長）の変化を、敏感に感じ取ることができるので、分子配向の状況を高解像度の２次元分布として表現することができる。サブミクロンオーダでのこの欠陥を可視化することは、液晶表示パネルなどの場合、その影響によって生ずる画素単位での欠陥箇所を検出することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の原理を表す図
【図２】本発明の共焦点光学系をレーザ顕微鏡に使用した概略図
【図３】液晶のチルト角（光路に対して垂直方向の傾き）の変化に応じたレーザ光の屈折率変化を示した図
【図４】従来のレーザ顕微鏡図
【図５】本発明の共焦点光学系をレーザ顕微鏡に使用した変形図
【符号の説明】
【００１８】
１：レーザ光源
２：レンズ
４，５：ピンホール
６：結像レンズ
８：対物レンズ
１０：屈折率可変型平行平板（液晶のフィルタ）
【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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