(57)【要約】【課題】被計測物体の３次元的変位を高精度に計測できる新規な方法及び装置を提供する。【解決手段】光源１１の光軸上に被計測物体Ｓを配置するとともに、被計測物体Ｓの相異なる位置に、光源１１から複数の光Ｌ１及びＬ２を集光させる。次いで、被計測物体Ｓからの複数の光Ｌ１及びＬ２に対応した複数の拡大像Ｒ１及びＲ２を得、これら拡大像に関する光強度を測定することにより、被計測物体Ｓの変位を計測する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の光源を準備する工程と、
前記光源の光軸上に被計測物体を配置するとともに、前記被計測物体の相異なる位置に、前記光源から複数の光を集光させる工程と、
前記被計測物体からの前記複数の光に対応した複数の拡大像を得る工程と、
前記複数の拡大像に関する光強度を測定することにより、前記被計測物体の変位を計測する工程と、
を具えることを特徴とする、物体の変位計測方法。
【請求項２】
前記複数の光は、それぞれ波長が異なることを特徴とする、請求項１に記載の物体の変位計測方法。
【請求項３】
前記複数の光は、それぞれ偏光面が異なることを特徴とする、請求項１に記載の物体の変位計測方法。
【請求項４】
前記複数の光は、前記光源より発せられた単一の光を複屈折性の光学素子に入射及び出射させることによって得た常光線及び異常光線であることを特徴とする、請求項３に記載の物体の変位計測方法。
【請求項５】
前記複数の拡大像を分離した後に、それぞれの前記拡大像に関する光強度を測定することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一に記載の物体の変位計測方法。
【請求項６】
前記複数の拡大像に関する前記光強度は、多分割型のセンサで測定することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一に記載の物体の変位計測方法。
【請求項７】
前記多分割型のセンサにおいて、前記複数の拡大像それぞれに関する前記光強度を比較することによって、前記被計測物体の、前記光源の前記光軸と略平行な方向における変位を計測することを特徴とする、請求項６に記載の物体の変位計測方法。
【請求項８】
前記多分割型のセンサにおいて、前記複数の拡大像に関する前記光強度の、面内成分を比較することによって、前記被計測物体の、前記光源の前記光軸と略垂直な平面内における変位を計測することを特徴とする、請求項６に記載の物体の変位計測方法。
【請求項９】
前記光源は点光源であって、前記複数の光は集光レンズを用いて集光させることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一に記載の物体の変位計測方法。
【請求項１０】
前記光源はレーザ光源であって、前記レーザ光源からの平行光を所定の開き角で拡大して得た照明光から前記複数の光を構成し、前記複数の光を集光レンズを用いて集光させることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一に記載の物体の変位計測方法。
【請求項１１】
前記照明光は円錐形レンズを用いて得ることを特徴とする、請求項１０に記載の物体の変位計測方法。
【請求項１２】
前記照明光はスキャナ素子を用いて得ることを特徴とする、請求項１０に記載の物体の変位計測方法。
【請求項１３】
所定の光源と、
前記光源から発せられた光から複数の光を生成するための光生成手段と、
前記光源の光軸上に配置した被計測物体の相異なる位置に、前記複数の光を集光させるための集光手段と、
前記被計測物体からの前記複数の光に対応した複数の拡大像に関する光強度を測定するための光強度測定手段と、
を具えることを特徴とする、物体の変位計測装置。
【請求項１４】
前記光源は、それぞれ異なる発振波長を有する複数の光源から構成されるとともに、前記光生成手段は、前記複数の光源から構成されることを特徴とする、請求項１３に記載の物体の変位計測装置。
【請求項１５】
前記光生成手段は、互いに偏光面が異なる前記複数の光を生成することを特徴とする、請求項１３に記載の物体の変位計測装置。
【請求項１６】
前記光生成手段は複屈折性の光学素子を含み、常光線及び異常光線を生成することを特徴とする、請求項１５に記載の物体の変位計測装置。
【請求項１７】
前記複数の拡大像を分離するための分離手段を具えることを特徴とする、請求項１３〜１６のいずれか一に記載の物体の変位計測装置。
【請求項１８】
前記光強度測定手段は、多分割型のセンサを含むことを特徴とする、請求項１３〜１７のいずれか一に記載の物体の変位計測装置。
【請求項１９】
前記光源は点光源であって、前記複数の光を集光させるための集光レンズを具えることを特徴とする、請求項１３〜１８のいずれか一に記載の物体の変位計測装置。
【請求項２０】
前記光源はレーザ光源であって、前記レーザ光源からの平行光を所定の開き角で拡大して照明光を得るための照明光生成手段と、前記複数の光を集光させるための集光レンズを具えることを特徴とする、請求項１３〜１９のいずれか一に記載の物体の変位計測装置。
【請求項２１】
前記照明光生成手段は円錐形レンズを含むことを特徴とする、請求項２０に記載の物体の変位計測装置。
【請求項２２】
前記照明光生成手段はスキャナ素子を含むことを特徴とする、請求項２０に記載の物体の変位計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体の変位計測方法、及び物体の変位計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ｎｍオーダの高い精度で、光学顕微鏡下の位置変位を計測する方法として次のものが知られている。例えば、拡大された顕微鏡像を多分割型のセンサーで受光し、光強度のバランスから１次元（非特許文献１）、あるいは、２次元の変位を求める方法である。
【０００３】
また、対物レンズ後焦点面での散乱光の強度変化から、同様に２次元変位を求める方法も提案されている（非特許文献２）。この方法によれば、１ｎｍ程度の精度で微小位置変位のリアルタイム計測を実現することができる。また、この方法では、数ｎｍの精度で光軸方向への仕置変位を計測することができ、３次元的な変位の計測をも実現させている。
【０００４】
さらに、観察する試料の焦点位置の変位によって、顕微鏡像の光が臨界角プリズムに入射する角度が変化するのを利用した計測方法（非特許文献３）も提案されている。この方法によれば、マイクロビーズなどの微小物体の光軸方向への変位を１ｎｍの精度で計測することができる。
【０００５】
【非特許文献１】Kamimura, S. Direct measurement of nanometer displacement under an optical microscope, Applied Optics, 29:2382-2391 (1987)
【０００６】
【非特許文献２】Pralle, A. Prummer, M. Florin, E.L. Stelzer, E.H.K.&Hoerber, J.K.I.I. Three dimensional high resolution particle tracking for optical tweezers by forward searching light. Microscopy Research and Techniques, 44:378-386(1999)
【０００７】
【非特許文献３】Higurashi, E. Sawada, R & Ito, T. Axial and lateral displacement measurement of a microsphere based on the critical-angle method, Japanese Journal of Applied Physics, 37:4191-4196(1998)
【０００８】
しかしながら、上述した方法では、物体の３次元変位を同時に計測できず、計測精度もｎｍオーダが限界であって、それ以上の精度、例えばｐｍオーダの計測精度を実現することはできないでいた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、被計測物体の３次元的変位を高精度に計測できる新規な方法及び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】
【００１０】
上記目的を達成すべく、本発明は、
所定の光源を準備する工程と、
前記光源の光軸上に被計測物体を配置するとともに、前記被計測物体の相異なる位置に、前記光源から複数の光を集光させる工程と、
前記被計測物体からの前記複数の光に対応した複数の拡大像を得る工程と、
前記複数の拡大像に関する光強度を測定することにより、前記被計測物体の変位を計測する工程と、
を具えることを特徴とする、物体の変位計測方法に関する。
【００１１】
また、本発明は、
所定の光源と、
前記光源から発せられた光から複数の光を生成するための光生成手段と、
前記光源の光軸上に配置した被計測物体の相異なる位置に、前記複数の光を集光させるための集光手段と、
前記被計測物体からの前記複数の光に対応した複数の拡大像に関する光強度を測定するための光強度測定手段と、
を具えることを特徴とする、物体の変位計測装置に関する。
【００１２】
本発明によれば、所定の光源より、波長又は偏光面などが互いに異なる複数の光を、光軸上に配置された被計測物体の異なる位置に照射し、反射、あるいは回折・散乱に関する光強度を測定するようにしている。したがって、前記複数の拡大像それぞれの光強度を比較することによって、前記被計測物体の前記光軸方向の変位を知ることができ、それぞれの拡大像中における面内成分の光強度を比較することによって、前記被計測物体の前記光軸と垂直な面内方向の変位を知ることができる。したがって、前記被計測物体の３次元的変位をリアルタイムで計測することができる。
【００１３】
また、前記拡大像に関する光強度は、前記被計測物体の僅かな変位によっても微妙に変化するようになるので、前記被計測物体の変位を高精度に、例えばｎｍオーダからｐｍオーダで計測することができる。
【００１４】
なお、波長が異なる複数の光を得るためには、それぞれの波長に応じた複数の光源を準備したり、単一の光源から発せられた光を高調波発生素子などの変調素子を介したりすることによって実現することができる。
【００１５】
また、偏光面が異なる複数の光を得るためには、単一の光源から発せられた光を所定の光学素子に導入し、その複屈折作用を利用することによって、常光線及び異常光線を生成するようにすれば、それらの偏光面は互いに９０°の角度をなして交差するので、目的とする前記複数光を得ることができる。
【００１６】
さらに、前記複数の拡大像に関する光強度は、４分割フォトダイオードなどの多分割センサを用いて測定することができる。これによって、前記被計測物体の変位計測精度をさらに向上させることができる。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したように、本発明によれば、被計測物体の３次元的変位を高精度に計測できる新規な方法及び装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の詳細、並びにその他の特徴及び利点について、最良の形態に基づいて詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本発明の物体の変位計測装置の一例を示す構成図である。図１に示すように、本発明の変位計測装置１０においては、点光源１１と、この点光源１１の、光軸Ａ上における前方向に順次に設けられた集光レンズ１２と、複屈折性の光学素子１３とを具えている。さらに、被計測物体Ｓを介して、対物レンズ１４と、ビームスプリッタ１５とが設けられ、ビームスプリッタ１５の後方及び下方には、それぞれ４分割フォトダイオード１６及び１７が設けられている。
【００２０】
光学素子１３は、例えば方解石、ＹＶＯ４（バナジン酸イットリウム）及びＢＢＯ（β−ホウ酸バリウム）などの結晶から構成することができ、その主面と結晶光学軸とが互いに平行となっている。
【００２１】
点光源１１から出射された光は、所定の開き角θで拡大しながら進行し、随時図示しない偏光板などで偏光操作が行われて直線偏光とした後、集光レンズ１２に至り、被計測物体Ｓに向けて集光される。前記直線偏光は、その集光過程において光学素子１３を通過する。このとき、前記直線偏光の偏光面が光学素子１３の結晶光学軸と４５度をなすようにして、前記直線偏光を光学素子１３に導入することにより、前記直線偏光から常光線Ｌ１と異常光線Ｌ２とが生成されるようになる。
【００２２】
これらの光線に対する光学素子１３の屈折率は互いに異なるので、常光線Ｌ１及び異常光線Ｌ２が光学素子１３を通過した後は、前記光学軸上の異なる位置に焦点するようになる。したがって、被計測物体Ｓを、これらの焦点位置に配置することによって、被計測物体Ｓからは、常光線Ｌ１及び異常光線Ｌ２に対応した拡大像Ｒ１及びＲ２が得られるようになる。
【００２３】
拡大像Ｒ１及びＲ２は対物レンズ１４を通過した後ビームスプリッタ１５に至り、これらの偏光面の相異に基づいて後方（右方）及び下方に分離され、それぞれ４分割フォトダイオード１６及び１７に至る。分割フォトダイオード１６及び１７では、拡大像Ｒ１及びＲ２に関する光強度が測定される。これらフォトダイオードで測定された光強度は電気信号に変換された後に増幅され、図示しない加算回路及び差動回路によって演算される。
【００２４】
図１に示すように、４分割フォトダイオード１６の各ダイオードで計測した、拡大像Ｒ１に関する光強度（電気信号）をそれぞれＡ１、Ｂ１、Ｃ１及びＤ１とし、４分割フォトダイオード１７の各ダイオードで計測した、拡大像Ｒ２に関する光強度（電気信号）をそれぞれＡ２、Ｂ２、Ｃ２及びＤ２とする。
【００２５】
被計測物体Ｓが、光軸Ａに沿って平行（Ｚ方向）に変位した場合、常光線Ｌ１及び異常光線Ｌ２の、被計測物体Ｓに対する絶対的な焦点位置が変化するので、前記変位は、拡大像Ｒ１及びＲ２の絶対的（総合的）な光強度の変化に反映されることになる。したがって、この場合は、上述した加算回路及び差動回路によって、（Ａ１＋Ｂ１＋Ｃ１＋Ｄ１）−（Ａ２＋Ｂ２＋Ｃ２＋Ｄ２）を演算し、この演算値の基準値（例えば０）からの変化を読み取ることによって、被計測物体Ｓの、光軸Ａ方向の変位を計測することができる。
【００２６】
一方、被計測物体Ｓが、光軸Ａと略垂直な面内（ＸＹ方向）に変位した場合、常光線Ｌ１及び異常光線Ｌ２それぞれの、被計測物体Ｓに対する焦点位置が変化するようになるので、前記変位は、拡大像Ｒ１及びＲ２それぞれの面内成分の光強度変化に反映されることになる。したがって、この場合は、上述した加算回路及び差動回路によって、（Ａ１＋Ｂ１＋Ａ２＋Ｂ２）−（Ｃ１＋Ｄ１＋Ｃ２＋Ｄ２）及び（Ａ１＋Ｄ１＋Ａ２＋Ｄ２）−（Ｂ１＋Ｃ１＋Ｂ２＋Ｃ２）が演算し、これら演算値の基準値（例えば０）からの変化を読み取ることによって、被計測物体Ｓの、光軸Ａと垂直な面内における変位を計測することができる。
【００２７】
上述した演算は同時に行うことができるため、被計測物体Ｓの、光軸Ａ方向及び光軸Ａと垂直方向の変位を同時に計測することができる。したがって、図１に示す装置を用い、上述した操作に従って計測を実行すれば、被計測物体Ｓの３次元的変位をリアルタイムで計測することができる。
【００２８】
また、被計測物体Ｓの僅かな変位に対しても常光線Ｌ１及び異常光線Ｌ２の焦点位置が異なるために、それによって得る拡大像Ｒ１及びＲ２の光強度も敏感に変化するので、被計測物体Ｓの変位、特に３次元的変位を高精度に、例えばｎｍオーダからｐｍオーダで計測することができる。
【００２９】
図２は、図１に示す物体の変位計測装置の変形例を示す構成図である。図２に示す変位計測装置２０においては、金属板などの平板部材Ｓの表面に形成されたマイクロビーズなどの微小物体Ｓ０の変位を計測するように構成されている。
【００３０】
図２に示す変位計測装置２０においては、点光源１１と、この点光源１１の、光軸Ａ上における前方向に順次に設けられた集光レンズ１２と、複屈折性の光学素子１３とを具えている。光学素子１３の前方には、平板部材Ｓが配置されている。さらに、点光源１１及び集光レンズ１２間にはミラー１８が設けられており、ミラー１８から右方にはビームスプリッタ１５が設けられており、その後方（右方）及び上方には４分割フォトダイオード１６及び１７が設けられている。
【００３１】
点光源１１から出射された光は、所定の開き角θで拡大しながら進行し、随時図示しない偏光板などで偏光操作が行われて直線偏光とした後、集光レンズ１２に至り、被計測物体Ｓに向けて集光される。前記直線偏光は、その集光過程において光学素子１３を通過する。このとき、前記直線偏光の偏光面が光学素子１３の結晶光学軸と４５度をなすようにして、前記直線偏光を光学素子１３に導入することにより、前記直線偏光から常光線Ｌ１と異常光線Ｌ２とが生成されるようになる。
【００３２】
これらの光線に対する光学素子１３の屈折率は互いに異なるので、常光線Ｌ１及び異常光線Ｌ２が光学素子１３を通過した後は、前記光学軸上の異なる位置に焦点するようになる。したがって、平板部材Ｓ上の微小物体Ｓ０を、これらの焦点位置に配置することによって、微小物体Ｓ０からは、常光線Ｌ１及び異常光線Ｌ２に対応した拡大像Ｒ１及びＲ２が得られるようになる。
【００３３】
拡大像Ｒ１及びＲ２は、光学素子１３及び集光レンズ１２を介して常光線Ｌ１及び異常光線Ｌ２と逆方向に進行し、ミラー１８で右方に反射された後、ビームスプリッタ１５に至り、これらの偏光面の相異に基づいて後方（右方）及び上方に分離され、それぞれ４分割フォトダイオード１６及び１７に至る。分割フォトダイオード１６及び１７では、拡大像Ｒ１及びＲ２に関する光強度が測定される。これらフォトダイオードで測定された光強度は電気信号に変換された後に増幅され、図示しない加算回路及び差動回路によって演算される。
【００３４】
図２に示すように、４分割フォトダイオード１６の各ダイオードで計測した、拡大像Ｒ１に関する光強度（電気信号）をそれぞれＡ１、Ｂ１、Ｃ１及びＤ１とし、４分割フォトダイオード１７の各ダイオードで計測した、拡大像Ｒ２に関する光強度（電気信号）をそれぞれＡ２、Ｂ２、Ｃ２及びＤ２とする。
【００３５】
微小物体Ｓ０（平板部材Ｓ）が、光軸Ａに沿って平行（Ｚ方向）に変位した場合、常光線Ｌ１及び異常光線Ｌ２の、微小物体Ｓ０に対する絶対的な焦点位置が変化するので、前記変位は、拡大像Ｒ１及びＲ２の絶対的（総合的）な光強度の変化に反映されることになる。したがって、この場合は、上述した加算回路及び差動回路によって、（Ａ１＋Ｂ１＋Ｃ１＋Ｄ１）−（Ａ２＋Ｂ２＋Ｃ２＋Ｄ２）を演算し、この演算値の基準値（例えば０）からの変化を読み取ることによって、微小物体Ｓ０の、光軸Ａ方向の変位を計測することができる。
【００３６】
一方、微小物体Ｓ０（平板部材Ｓ）が、光軸Ａと略垂直な面内（ＸＹ方向）に変位した場合、常光線Ｌ１及び異常光線Ｌ２それぞれの、微小物体Ｓ０に対する焦点位置が変化するようになるので、前記変位は、拡大像Ｒ１及びＲ２それぞれの面内成分の光強度変化に反映されることになる。したがって、この場合は、上述した加算回路及び差動回路によって、（Ａ１＋Ｂ１＋Ａ２＋Ｂ２）−（Ｃ１＋Ｄ１＋Ｃ２＋Ｄ２）及び（Ａ１＋Ｄ１＋Ａ２＋Ｄ２）−（Ｂ１＋Ｃ１＋Ｂ２＋Ｃ２）を演算し、これら演算値の基準値（例えば０）からの変化を読み取ることによって、微小物体Ｓ０の、光軸Ａと垂直な面内における変位を計測することができる。
【００３７】
上述した演算は同時に行うことができるため、微小物体Ｓ０の、光軸Ａ方向及び光軸Ａと垂直方向の変位を同時に計測することができる。したがって、図１に示す装置を用い、上述した操作に従って計測を実行すれば、微小物体Ｓ０の３次元的変位をリアルタイムで計測することができる。
【００３８】
また、微小物体Ｓ０の僅かな変位に対しても常光線Ｌ１及び異常光線Ｌ２の焦点位置が異なるために、それによって得る拡大像Ｒ１及びＲ２の光強度も敏感に変化するので、微小物体Ｓ０の変位、特に３次元的変位を高精度に、例えばｎｍオーダからｐｍオーダで計測することができる。
【００３９】
上述した具体例においては、光学素子１３を点光源１１に対して、集光レンズ１２の後方に配置しているが、その前方に配置することもできる。また、被計測物体を計測するための複数の光を、常光線及び異常光線の偏光面の異なる光から構成しているが、複数の光源を用いる、又は高調波発生装置などを用いることにより、波長の異なる光から構成することもできる。
【００４０】
また、上記具体例においては、常光線及び異常光線などの複数の光を生成するに際して点光源を用いているが、比較的大きな光量を必要とする場合は、レーザ光源を用いることができる。しかしながら、レーザ光源を用いた場合においては、被計測物体に対して集光するに際し、前記レーザ光源からのレーザ光を所定の開き角を有するようにして集光レンズに導入する必要がある。
【００４１】
図３〜図６は、光源としてレーザ光源を用いた場合の、レーザ光の集光レンズに対する導入方法を説明するための図である。
【００４２】
図３では、レーザ光Ｔを円錐形レンズ（アキシコン）２１を用いて開き角θで拡大した後、集光レンズ１２に導入するようにしている。図４では、レーザ光Ｔを２次元スキャナなどのスキャナ素子２２を用いて開き角θで拡大した後、集光レンズ１２に導入するようにしている。図５及び図６では、図３及び図４に示す例の変形例であり、円錐形レンズ２１又はスキャナ素子２２でレーザ光Ｔを拡大した後、逆向きに配置した追加の円錐形レンズ２３で平行光とした後に、集光レンズ１２に導入するようにしている。
【００４３】
図３〜図６に示す態様によれば、レーザ光源によるレーザ光を用いた場合においても、集光レンズ１２によって被計測物体Ｓに対して、常光線及び異常光線などの複数の光を焦点させることができ、対応する拡大像を得ることによって被計測物体Ｓの３次元的変位を高精度に計測することができる。
【００４４】
以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明は、光学顕微鏡を使用した生体試料変位計測装置、ナノ精度加工機械、自動焦点制御装置、光学顕微鏡架台位置制御装置、及び微細加工機械の位置制御装置などに好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の物体の変位計測装置の一例を示す構成図である。
【図２】図１に示す物体の変位計測装置の変形例を示す構成図である。
【図３】本発明において、光源としてレーザ光源を用いた場合の、レーザ光の集光レンズに対する導入方法を説明するための図である。
【図４】同じく、本発明において、光源としてレーザ光源を用いた場合の、レーザ光の集光レンズに対する導入方法を説明するための図である。
【図５】同じく、本発明において、光源としてレーザ光源を用いた場合の、レーザ光の集光レンズに対する導入方法を説明するための図である。
【図６】同じく、本発明において、光源としてレーザ光源を用いた場合の、レーザ光の集光レンズに対する導入方法を説明するための図である。
【符号の説明】
【００４７】
１０、２０  物体の変位計測装置
１１  点光源
１２  集光レンズ
１３  光学素子
１４  対物レンズ
１５  ビームスプリッタ
１６、１７  ４分割フォトダイオード
１８  ミラー
Ｓ  被計測物体、平板部材
【図１】
2005172613.tif 000003
【図２】
2005172613.tif 000004
【図３】
2005172613.tif 000005
【図４】
2005172613.tif 000006
【図５】
2005172613.tif 000007
【図６】
2005172613.tif 000008