(57)【要約】【課題】ライン状光ビームを用いて試料の断面形状及び2次元共焦点画像を撮像するレーザ顕微鏡を提供する。【解決手段】レーザ光源（１０）から発生したレーザビームをマイクロミラー装置（１５）により非コヒーレントなライン状光ビームに変換する。ライン状光ビームは振動ミラー（６２）により周期的に偏向され、対物レンズ（２３）を介して試料（２７）に入射する。試料からのライン状の反射光は、振動ミラー（６２）経てリニァイメージセンサ（２９）により受光される。また、観察光もカップリング光学系（２１）及び対物レンズを介して試料に入射し、2次元ＣＣＤ（３６）により2次元画像が撮像される。振動ミラー（６２）を静止ミラーとして用いることにより試料の断面形状が撮像され、ビーム偏向ミラーとして用いることにより共焦点画像が撮像される。【選択図】図１
2007171817.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
観察すべき試料の1次元画像を撮像する計測光学系と、前記試料の2次元画像を撮像する観察光学系と、計測光学系から出力される1次元画像信号を用いて試料の断面形状情報を出力する信号処理回路とを具えるレーザ顕微鏡において、
前記観察光学系は、観察光を発生する照明光源と、照明光源から出射した観察光を前記対物レンズの光路に結合するカップリング光学系と、前記試料からの反射光を、前記対物レンズ及びカップリング光学系を介して受光する2次元撮像装置とを有し、
前記計測光学系は、計測光であるレーザビームを、第１の方向に延在する非コヒーレントなライン状光ビームに変換するライン状光ビーム発生手段と、ライン状光ビームを観察すべき試料に向けて投射する対物レンズと、対物レンズと試料との間の相対距離を変化させる手段と、対物レンズと試料との間の相対距離を光軸方向の位置情報として検出する位置検出手段と、前記第１の方向と対応する方向に配列された複数の受光素子を有し、試料から出射するライン状の反射光を受光して試料の1次元画像情報を出力するリニァイメージセンサとを有し、  
前記リニァイメージセンサは、前記対物レンズと試料との間の相対距離を変えながら試料に向けてライン状光ビームを投射する間に、所定の周波数で複数の1次元画像を順次出力し、
前記信号処理回路は、前記リニァイメージセンサから出力される複数の1次元画像情報及び前記位置検出手段から出力される位置情報を受け取る手段と、前記複数の1次元画像の各画素について最大輝度値を検出するピーク値検出手段と、各画素について輝度値が最大となる光軸方向の位置を検出する手段と、前記検出された位置情報を記憶するＺ軸メモリと、Ｚ軸メモリに記憶されている位置情報から試料の断面形状画像を出力する手段とを有することを特徴とするレーザ顕微鏡。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザ顕微鏡において、前記ライン状光ビーム発生装置は、前記レーザビームを発生するレーザ光源と、光入射面に2次元マトリックス状に配置した複数のマイクロミラー素子を有するマイクロミラー装置と、マイクロミラー素子を全体として一律に駆動させる駆動パルス発生装置と、前記レーザ光源とマイクロミラー装置との間に配置したビームスプリッタとを有し、レーザ光源から出射したレーザビームはマイクロミラー装置の光入射面に垂直に入射することを特徴とするレーザ顕微鏡。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のレーザ顕微鏡において、前記カップリング光学系は、前記計測光を透過し観察光を反射するシャープカットフィルタで構成されていることを特徴とするレーザ顕微鏡。
【請求項４】
請求項１、２又は３に記載のレーザ顕微鏡において、さらに、試料の断面形状と2次元画像とを重畳して表示する手段を有することを特徴とするレーザ顕微鏡。
【請求項５】
観察すべき試料の共焦点画像を撮像する共焦点光学系と、試料を観察光で照明し、試料の2次元画像を撮像する観察光学系と、前記共焦点光学系から出力される画像信号及び観察光学系から出力される画像信号について信号処理してビデオ信号を出力する信号処理装置とを有するレーザ顕微鏡において、
前記共焦点光学系は、レーザビームを、第１の方向に延在する非コヒーレントなライン状光ビームに変換するライン状光ビーム発生手段と、前記ライン状光ビームを前記第１の方向と直交する第２の方向に周期的に偏向するビーム偏向手段と、ライン状光ビームを観察すべき試料に向けて投射する対物レンズと、対物レンズと試料との間の相対距離を変化させる手段と、対物レンズと試料との間の相対距離を光軸方向の位置情報として検出する位置検出手段と、前記第１の方向と対応する方向に配列された複数の受光素子を有し、試料から出射するライン状の反射光を受光して映像出力を出力するリニァイメージセンサとを有し、
前記観察光学系は、観察光を発生する照明光源と、照明光源から出射した観察光を前記対物レンズの光路に結合するカップリング光学系と、前記試料からの反射光を、前記対物レンズ及びカップリング光学系を介して受光する2次元撮像装置とを有し、
前記信号処理回路は、対物レンズと試料との間の相対距離を変えながら撮像された複数の2次元画像について各画素の最大輝度値を検出する手段と、2次元画像の各画素の最大輝度値を記憶する第１の画像メモリと、前記各画素の最大輝度値を発生する光軸方向の位置を記憶するＺ軸メモリと、前記2次元撮像装置から出力される2次元画像情報を記憶する第2の画像メモリとを有し、
前記カップリング光学系を、レーザビームの波長光を透過し観察光を反射するシャープカットフィルタで構成したことを特徴とするレーザ顕微鏡。
【請求項６】
請求項５に記載のレーザ顕微鏡において、前記振動ミラーは、ライン状光ビームを周期的に偏向するビーム偏向モードと静止ミラーとして用いられる静止モードの２つのモード間で切り換えられ、ビーム偏向モードにおいてライン状光ビームを前記第２の方向に周期的に偏向し、静止モードにおいて静止ミラーとして動作し、
さらに、前記信号処理回路は、対物レンズと試料との間の相対距離を変えながら撮像された複数の1次元画像について各画素の最大輝度値を検出する手段と、前記1次元画像の各画素について最大輝度値を発生する光軸方向の位置を検出する手段と、検出された位置を記憶するメモリと、当該メモリに記憶されている位置情報から断面形状画像を作成する手段とを有することを特徴とするレーザ顕微鏡。
【請求項７】
請求項６に記載のレーザ顕微鏡において、さらに、表示モード切換手段と画像表示装置とを具え、試料の2次元画像、2次元共焦点画像、３次元画像、断面形状、前記2次元画像に断面形状が重畳された合成画像及び前記2次元共焦点画像に断面形状が重畳された合成画像を選択的に表示することを特徴とするレーザ顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、計測光学系と観察光学系とを有し、試料の2次元画像及び共焦点画像を撮像すると共に試料の断面形状を測定するレーザ顕微鏡に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
観察すべき試料表面をレーザビームにより2次元走査し、試料からの反射光をリニァイメージセンサで受光素子するレーザ顕微鏡が既知である（例えば、特許文献１参照）。このレーザ顕微鏡においては、レーザビームは、音響光学素子により主走査方向に偏向されると共にガルバノミラーを用いて副走査方向に偏向され、対物レンズによりスポット状に集束されて試料表面に投射されている。試料表面からの反射ビームは、対物レンズで集光され、主走査方向に配列された複数の受光素子を有するリニァイメージセンサにより受光され、リニァイメージセンサからの映像出力について信号処理が行われ、ビデオ信号が出力されている。
【０００３】
上述したレーザ顕微鏡は高い解像度の画像を撮像することができ、撮像された2次元画像をモニタ上に表示し、モニタ上の画像から試料の実際の画像の寸法を計測する計測装置としても利用されている。例えば、半導体デバイスの製造工程において、基板上に形成された電極の幅が所定の幅に形成されているか否か検査するため、レーザ顕微鏡により撮像された2次元画像をモニタ上に表示し、モニタ上で電極幅の寸法が計測されている。
【０００４】
また、対物レンズを光軸方向に移動させながら、試料表面をレーザビームにより1次元走査し、各画素の輝度値が最大となる光軸方向の位置を検出することにより試料の断面形状を計測する断面形状測定装置としても利用されている（例えば、特許文献２参照）。このように、レーザ顕微鏡は、試料の2次元画像の撮像と共に試料の所定の部位の寸法計測にも広く利用されている。
【０００５】
【特許文献１】特開昭６２−１８１７９号公報
【特許文献２】特開平８−１６０３０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したレーザ顕微鏡は高い分解能を有し、試料の外観計測に利用することができる。しかしながら、高価な音響光学素子を用いて主走査を行っているため、製造コストが高価になる欠点があった。また、音響光学素子を用いてビーム偏向する場合、レーザビームの入射角の調整作業が煩雑な欠点も指摘されている。一方、水銀ランプとスリット開口を有するアパーチャーを用いてライン状光ビームを発生させ、ライン状光ビームにより試料を走査するレーザ顕微鏡も提案されている。しかし、水銀ランプは高価であるためレーザ顕微鏡の製造コストが大幅に高価になってしまう。また、水銀ランプは大きいため、レーザ顕微鏡自体が大型化する欠点がある。
【０００７】
また、レーザ顕微鏡の焦点深度は浅いため、凹凸のある試料表面を観察する場合、焦点の合った一部の部位の画像しか撮像されず、合焦していない部位の画像が表示されない欠点がある。このため、観察すべき視野を設定する際、視野設定が困難になる欠点がある。この場合、対物レンズを光軸方向に移動させながら多数の画像を撮像し、各画素について最大の輝度値を求め、最大輝度値の2次元画像を形成し、得られた2次元画像から視野設定する方法が既知である。しかし、この方法では、多数枚の2次元画像を撮像しなければならず、2次元画像の撮像に長時間かかる欠点がある。
【０００８】
さらに、特許文献２に記載されているように、対物レンズと試料との間の距離を変えながら、ガルバノミラーによりレーザビームを主走査方向に1次元走査して断面形状を測定する方法では、Ｚ軸方向の走査と主走査方向の走査の両方を行う必要があるため、断面形状の測定に時間がかかる欠点がある。
【０００９】
さらに、特許文献２に記載されているように、共焦点光学系を計測光学系として利用し、計測光学系と観察光学系とを有するレーザ顕微鏡が提案されている。このレーザ顕微鏡では、共焦点光学系と観察光学系とをハーフミラーでカップリングしている。しかし、２つの光学系をカップリングする光学系としてハーフミラーを用いた場合、観察光がリニァイメージセンサに入射してクロストークが生じ、ノイズレベルの高い画像が形成されてしまう。このため、計測光学系から出力される1次元画像の品質が低下し、計測精度が低下する欠点がある。
【００１０】
さらに、例えばLSIのように表面に凹凸のある試料表面を観察する場合、通常の2次元CCDカメラを用いて撮像したのでは、合焦した部位は鮮明な画像が撮像されるが、合焦点から外れた部位は不鮮明な画像が撮像されてしまい。視野全体について合焦した画像を観察したい要請に合致しなくなってしまう。さらに、表面に凹凸がある試料については、試料の断面形状ないし断面プロファイルを測定する強い要請もある。このような試料については、１台の測定装置を用いて2次元画像及び共焦点画像を撮像できると共に断面形状も測定できれば、高い汎用性を有するレーザ顕微鏡が実現される。
【００１１】
本発明の目的は、音響光学素子や水銀ランプを用いることなく試料表面を2次元走査できるレーザ顕微鏡を実現することにある。
本発明の別の目的は、音響光学素子を用いることなく試料表面を2次元走査できると共に観察すべき視野の設定が容易に行うことができるレーザ顕微鏡を提供することにある。
さらに、本発明の別の目的は、試料の断面形状の測定に要する測定時間を一層短縮できるレーザ顕微鏡を提供することにある。
本発明の別の目的は、計測光学系と観察光学系を有するレーザ顕微鏡において、試料の断面プロファイルないし断面形状を正確に計測できるレーザ顕微鏡を提供することにある。
さらに、本発明の別の目的は、試料の2次元画像及び共焦点画像並びに断面形状を撮像できるレーザ顕微鏡を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明によるレーザ顕微鏡は、観察すべき試料の1次元画像を撮像する計測光学系と、前記試料の2次元画像を撮像する観察光学系と、計測光学系から出力される1次元画像信号を用いて試料の断面形状情報を出力する信号処理回路とを具えるレーザ顕微鏡において、
前記観察光学系は、観察光を発生する照明光源と、照明光源から出射した観察光を前記対物レンズの光路に結合するカップリング光学系と、前記試料からの反射光を、前記対物レンズ及びカップリング光学系を介して受光する2次元撮像装置とを有し、
前記計測光学系は、計測光であるレーザビームを、第１の方向に延在する非コヒーレントなライン状光ビームに変換するライン状光ビーム発生手段と、ライン状光ビームを観察すべき試料に向けて投射する対物レンズと、対物レンズと試料との間の相対距離を変化させる手段と、対物レンズと試料との間の相対距離を光軸方向の位置情報として検出する位置検出手段と、前記第１の方向と対応する方向に配列された複数の受光素子を有し、試料から出射するライン状の反射光を受光して試料の1次元画像情報を出力するリニァイメージセンサとを有し、  
前記リニァイメージセンサは、前記対物レンズと試料との間の相対距離を変えながら試料に向けてライン状光ビームを投射する間に、所定の周波数で複数の1次元画像を順次出力し、
前記信号処理回路は、前記リニァイメージセンサから出力される複数の1次元画像情報及び前記位置検出手段から出力される位置情報を受け取る手段と、前記複数の1次元画像の各画素について最大輝度値を検出するピーク値検出手段と、各画素について輝度値が最大となる光軸方向の位置を検出する手段と、前記検出された位置情報を記憶するＺ軸メモリと、Ｚ軸メモリに記憶されている位置情報から試料の断面形状画像を出力する手段とを有することを特徴とする。
【００１３】
本発明では、コヒーレントなレーザビームをマイクロミラー装置により非コヒーレントなライン状光ビームに変換しているので、音響光学素子や水銀ランプを用いることなく試料の1次元画像を撮像することができ、製造コストが大幅に安価になる。さらに、試料と対物レンズとの間の相対距離を変化させながら試料の複数の1次元画像を撮像する際、ライン状光ビームを光軸方向に変位させるだけですむため、断面形状測定に要する時間を大幅に短縮することができる。これに対して、特許文献２に記載のレーザ顕微鏡では、対物レンズを光軸に移動させる間に、振動ミラーによりレーザビームを周期的に偏向して試料の複数の1次元画像を撮像している。しかし、この走査方法では、レーザビームを走査しなければならないため、測定時間に限界がある。
【００１４】
本発明によるレーザ顕微鏡の好適実施例は、ライン状光ビーム発生装置は、レーザ光源と、光入射面に2次元マトリックス状に配置した複数のマイクロミラー素子を有するマイクロミラー装置と、マイクロミラー素子を全体として一律に駆動させる駆動パルス発生装置と、前記レーザ光源とマイクロミラー装置との間に配置したビームスプリッタとを有し、レーザ光源から出射したレーザビームはマイクロミラー装置の光入射面に垂直に入射することを特徴とする。レーザビームをマイクロミラー装置の光入射面に斜めに入射させた場合、光路設計が極めて煩雑になる。これに対して、偏向ビームスプリッタを介してレーザビームを垂直に入射させる場合、レーザ光源から出射しマイクロミラー装置に入射するビームとマイクロミラー装置から出射するビームとが互いに直交する関係になるため、光路設計が大幅に緩和される利点がある。
【００１５】
本発明によるレーザ顕微鏡の別の好適実施例は、前記レーザ光源を、紫外又は近紫外の波長域の計測光を発生する半導体レーザで構成したことを特徴とする。
【００１６】
本発明によるレーザ顕微鏡の好適実施例は、さらに、試料の断面形状と2次元画像とを重畳して表示する手段を有することを特徴とする。観察光学系により撮像された2次元画像と断面形状とをスーパーインポーザを介してモニタ上に重ねて表示することにより、試料のどの部位の断面形状を測定したか明瞭に把握することができる。
【００１７】
本発明によるレーザ顕微鏡の別の好適実施例は、ライン状光ビーム発生手段と対物レンズとの間に、入射したライン状光ビームを前記第１の方向と直交する第２の方向に周期的に偏向する振動ミラーを配置し、前記計測光学系が、試料の1次元画像及び試料の2次元共焦点画像を撮像することを特徴とする。本発明では、２つのビーム偏向手段を用いてレーザビームを主走査方向及び副走査方向に偏向するのではなく、主走査方向に延在するライン状光ビームを用いているから、光路中に振動ミラーを配置するだけで試料を2次元走査することが可能である。この結果、当該レーザ顕微鏡は、試料の断面形状を測定できるだけでなく、試料の2次元共焦点画像も撮像できる。共焦点画像は、観察光学系により撮像された2次元画像よりも解像度が一層高い画像であるから、分解能が要求される試料の撮像に好適であり、種々の用途に利用することができる。
【００１８】
本発明によるレーザ顕微鏡の好適実施例は、前記対物レンズと試料との間の相対距離を変化させる手段として、対物レンズをその光軸方向に移動させる駆動装置を用い、前記位置検出手段として、対物レンズの光軸方向の位置を検出する手段を用いることを特徴とする。
【００１９】
本発明による別のレーザ顕微鏡は、観察すべき試料の共焦点画像を撮像する共焦点光学系と、試料を白色光で照明し、試料の2次元画像を撮像する観察光学系と、前記共焦点光学系から出力される画像信号及び観察光学系から出力される画像信号について信号処理してビデオ信号を出力する信号処理装置とを有するレーザ顕微鏡において、
前記共焦点光学系は、レーザビームを、第１の方向に延在する非コヒーレントなライン状光ビームに変換するライン状光ビーム発生手段と、前記ライン状光ビームを前記第１の方向と直交する第２の方向に周期的に偏向するビーム偏向手段と、ライン状光ビームを観察すべき試料に向けて投射する対物レンズと、対物レンズと試料との間の相対距離を変化させる手段と、対物レンズと試料との間の相対距離を光軸方向の位置情報として検出する位置検出手段と、前記第１の方向と対応する方向に配列された複数の受光素子を有し、試料から出射するライン状の反射光を受光して映像出力を出力するリニァイメージセンサとを有し、
前記観察光学系は、観察光を発生する照明光源と、照明光源から出射した観察光を前記対物レンズの光路に結合するカップリング光学系と、前記試料からの反射光を、前記対物レンズ及びカップリング光学系を介して受光する2次元撮像装置とを有し、
前記信号処理回路は、対物レンズと試料との間の相対距離を変えながら撮像された複数の2次元画像について各画素の最大輝度値を検出する手段と、2次元画像の各画素の最大輝度値を記憶する第１の画像メモリと、前記各画素の最大輝度値を発生する光軸方向の位置を記憶するＺ軸メモリと、前記2次元撮像装置から出力される2次元画像情報を記憶する第2の画像メモリとを有し、
前記カップリング光学系をレーザビームの波長光を透過し観察光を反射するシャープカットフィルタで構成したことを特徴とする。
【００２０】
本発明では、カップリング光学系として、レーザビームの波長光を透過し観察光を反射するシャープカットフィルタで構成する。シャープカットフィルタは、レーザ光の偏波面特性に悪影響を与えない優れた特性を有するため、カップリング光学系から出射したレーザビームを円偏光として試料に入射させることができる。この結果、共焦点画像を高品質な画像として撮像することができる。
【００２１】
本発明によるレーザ顕微鏡の好適実施例は、振動ミラーは、共焦点画像撮像モードと断面形状撮像モードの２つのモード間で切り換えられ、共焦点画像撮像モードにおいてライン状光ビームを前記第２の方向に周期的に偏向し、断面形状撮像モードにおいて静止ミラーとして動作し、
さらに、前記信号処理回路は、対物レンズと試料との間の相対距離を変えながら撮像された複数の1次元画像について各画素の最大輝度値を検出する手段と、前記1次元画像の各画素について最大輝度値を発生する光軸方向の位置を検出する手段と、検出された位置を記憶するメモリと、当該メモリに記憶されている位置情報から断面形状画像を作成する手段とを有することを特徴とする。
本発明では、ライン状光ビームにより試料表面を走査しているから、振動ミラーを静止状態に維持すると共に対物レンズを光軸方向に移動させるだけで、試料の断面形状を撮像することができる。このように、短時間で断面形状を測定できるので、視野設定した後試料の選択された部位の断面形状をモニタ上に表示することができる。この断面形状は、第１の方向（主走査方向）の断面形状に制限されるが、試料表面を2次元走査せずに測定できるため、視野設定等の際に有益である。
【発明の効果】
【００２２】
本発明では、レーザビームを非コヒーレントなライン状光ビームに変換するライン状光ビームを用いているので、製造コストが一層安価であり、且つ断面形状測定に要する時間が大幅に短縮されたレーザ顕微鏡が実現される。さらに、レーザ光を透過し観察光を反射するシャープカットフィルタを用いて計測光学系と観察光学系とをカップリングしているので、コストが安価であると共にクロストークが発生せず高品質の画像を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図１は本発明によるレーザ顕微鏡の一例を示す線図である。本例では、計測光学系１と観察光学系２とを有し、計測光学系により試料の断面形状を測定し、観察光学系により試料の2次元画像を撮像する。計測光学系１は、レーザ光源１０を有する。レーザ光源１０として、波長が４０８ｎｍの計測光を出射する半導体レーザを用いる。レーザ光源１０から出射したレーザ光は、エキスパンダ光学系１１により拡大光束に変換され、シリンドリカルレンズ１２により第２の方向に集束した偏平なビームに変換される。当該ビームは、偏光ビームスプリッタ１３を透過し、１／４波長板１４を通過してマイクロミラー装置（ＤＭＤ）１５の光入射面に垂直に入射する。
【００２４】
本発明では、マイクロミラー装置の各マイクロミラー素子を個別に駆動して画像表示装置として使用するのではなく、駆動パルス発生装置（図示せず）から全てのマイクロミラー素子に同一の駆動パルスを供給し、各ミラー面の全体としての高速回動により入射したレーザビームを発散性の非コヒーレントな光ビームに変換する。マイクロミラー装置１５は、光入射面に2次元マトリックス状に配置した複数のマイクロミラー素子を有し、各マイクロミラー素子は、例えば１４μｍ×１４μｍの矩形のアルミニウムのミラー面を有する。各マイクロミラー素子に同一の駆動パルスが入力すると、各ミラー面は、全体として高速で往復回動ないし往復傾動し、入射したレーザビームを高速偏向させる。すなわち、各ミラー面は、支持柱を中心にして、供給される駆動パルスに応じて、中立点をはさんで一方の側から他方の側に周期的に高速回動するため、各ミラー面に入射したビーム部分がそれぞれ高速で偏向されることになる。この結果、マイクロミラー装置１５から発散性のライン状光ビームが出射する。尚、マイクロミラー装置による偏向方向を前記第２の方向と直交する第１の方向とし、この第１の方向は、後述するライン状光ビームの延在方向とする。
【００２５】
一方、マイクロミラー装置の各マイクロミラー素子は、全体として同一の駆動パルスが入力しても、各ミラー面は、微視的に見た場合、その質量等の差によりそれぞれランダムな状態で回動ないし傾動する。このため、入射したレーザビームの各マイクロミラー面に入射したビーム部分は、それぞれランダムな状態で反射する。この結果、マイクロミラー装置から出射するライン状光ビームは、ビーム全体として見た場合、位相関係がそれぞれランダムな状態となり、もはやコヒーレント性は維持されず、発散性の非コヒーレントな光ビームに変換される。この結果、グレァ等が発生しない鮮明な画像を撮像することが可能である。尚、マイクロミラー装置によりレーザビームが非コヒーレントな光ビームに変換されることは、実験により実証されている。
【００２６】
マイクロミラー装置１５から出射した非コヒーレントなライン状光ビームは、１／４波長板１４を透過し、偏光ビームスプリッタ１３の偏光面で反射する。偏光ビームスプリッタ１３から出射した光ビームは、集束性の球面レンズ１６に入射し、第１の方向に拡大された平行な光ビームに変換される。このライン状の平行光ビームは、第２のシリンドリカルレンズ１７により第２の方向に集束され、リレーレンズ１８を経て第２の偏光ビームスプリッタ１９に入射する。第２の偏光ビームスプリッタから出射した光ビームは、１／４波長板２０を透過し、カップリング光学系２１に入射する。
【００２７】
カップリング光学系２１は、計測光学系１と観察光学系２とを光学的に結合する光学系であり、例えば光学的に透明な基板上に誘電体多層膜が形成されたシャープカットフィルタで構成する。当該シャープカットフィルタは、波長４０８ｎｍの計測光を透過し、４５０ｎｍ以上の可視光を反射するビームスプリッタとして機能する。当該シャープカットフィルタの反射特性を図２に示す。尚、このシャープカットフィルタは、偏波面特性が良好であるため、円偏光として入射した光ビームの偏波面特性を害することなく対物レンズに入射させることができる。
【００２８】
カップリング光学系２１を透過した光ビームは結像レンズ２２を経て対物レンズ２３に入射する。対物レンズ２３にはサーボモータ２４が連結され、このサーボモータにより光軸方向にそって移動することが可能である。また、対物レンズ２３の光軸方向の位置を検出するエンコーダ２５を設け、このエンコーダ２５により対物レンズの光軸方向の位置を検出する。尚、対物レンズを固定し、試料を支持するステージを対物レンズの光軸方向に移動させて対物レンズと試料との間の相対距離を変化させることも可能である。
【００２９】
計測ビームは、対物レンズ２３により集束され、集束性のライン状光ビームとして、ステージ２６上に載置した観察すべき試料２７上に入射する。試料表面の走査中、対物レンズ２３を光軸方向にそって移動させてＺ軸スキャンを行う。この場合、ライン状光ビームの集束線は光軸方向に移動するから、試料２３の表面に凹凸がある場合、試料表面の各部位は集束線により順次走査されることになる。尚、走査中に、対物レンズ２３の光軸方向の位置はエンコーダ２５により検出する。そして、後述するように、エンコーダ２５により検出されたＺ軸方向の位置情報を用いて試料の表面のＺ軸方向の位置を検出する。
【００３０】
試料２７からライン状の反射光が発生し、当該ライン状の反射光は、対物レンズ２３により集光され、結像レンズ２２、カップリング光学系２１、１／４波長板２０を経て偏光ビームスプリッタ１９に入射する。この試料からの反射光は１／４波長板２０を２回通過しているから、偏光ビームスプリッタ１９を透過し、４２０ｎｍ以上の波長光をカットするフィルタ２８を経てリニァイメージセンサ２９に入射する。尚、当該フィルタ２８は必ずしも必要な構成要素ではなく、必要に応じて配置する。
【００３１】
リニァイメージセンサ２９は、ライン状光ビームの延在方向である第１の方向と対応する方向に配列した複数の受光素子を有し、試料からのライン状の反射光はリニァイメージセンサ２９の各受光素子により受光される。各受光素子に蓄積した電荷は、コントローラ（図示せず）の制御のもとで所定の周波数で順次読み出され、増幅器３０により増幅され、1次元画像信号として信号処理装置３１に入力する。尚、本例では、カップリング光学系２１として、計測光を透過させ観察光を反射するビームスプリッタとして作用するシャープカットフィルタを用いているので、リニァイメージセンサ２９には観察光がほとんど入射せず、この結果ノイズが大幅に低減された画像信号が出力される。
【００３２】
信号処理回路３１は、リニァイメージセンサ２９から順次読み出された画像信号について信号処理を行ってビデオ出力を発生する。また、エンコーダ２５により検出された対物レンズの位置情報も信号処理回路３１に供給される。尚、サーボモータ２４の駆動制御もコントローラの制御のもとで行われる。
【００３３】
次に、観察光学系２について説明する。ハロゲンランプ等の白色光源（図示せず）から発生した観察光を光ファイバ３２により観察光学系の光路に導入する。観察光は、ビームスプリッタ３３、結像レンズ３４及び４３０ｎｍ以下の波長光をカットするフィルタ３５を経てカップリング光学系２１に入射する。尚、フィルタ３５は必ずしも必要ではなく、必要に応じて配置する。カップリング光学系２１は、波長４０８ｎｍの計測光を透過し、４５０ｎｍ以上の可視光を反射するビームスプリッタとして機能するから、観察光はカップリング光学系２１で反射し、計測光学系の光路を伝搬し、結像レンズ２２及び対物レンズ２３を経て試料２７の表面を照明する。計測光学系１と観察光学系２とは対物レンズを共通に使用しているから、観察光学系からの観察光は、試料２７の計測光学系１の視野を含む視野を照明する。試料表面で反射した観察光は、対物レンズ２３により集光され、結像レンズ２２、カップリング光学系２１、フィルタ３５、結像レンズ３４を経てビームスプリッタ３３に入射する。そして、ビームスプリッタ３３で反射し、2次元ＣＣＤ３６上に結像される。2次元ＣＣＤ３６から出力される2次元画像信号は信号処理回路３１に供給する。
【００３４】
図３は信号処理回路の一例を示す線図である。リニァイメージセンサ２９から出力される1次元画像信号は増幅器３０により増幅され、Ａ／Ｄ変換器４０によりデジタル信号の1次元画像信号に変換される。1次元画像信号は比較器４１に供給される。1次元画像信号はセレクタ４２にも供給され、セレクタを経てメモリ４３に蓄積する。メモリ４３に格納されている画像信号は、比較器４１及びセレクタ４２の第２入力に供給する。比較器４１は、リニァイメージセンサ２９から順次入力する画像信号とメモリ４３から入力する画像信号とを画素毎に比較し、リニァイメージセンサから入力する画像信号の輝度値が大きい場合、書込制御信号を発生し、セレクタ４２に制御信号として供給する。セレクタ４２は新たな輝度値をメモリ４３に供給する。このようにして、Ｚ軸スキャンが終了すると、各画素の輝度値が最大となる1次元画像信号がメモリ４３に蓄積される。
【００３５】
エンコーダ２５から出力される対物レンズの位置情報は、カウンタ４４により計数され、Ｚ軸メモリ４５に供給される。Ｚ軸メモリ４５には、比較器４１から出力される書込制御信号も入力し、この書込制御信号をトリガとしてエンコーダからの出力信号がＺ軸メモリ４５に各画素毎に書き込まれる。従って、対物レンズのＺ軸方向のスキャンが終了した際、Ｚ軸メモリ４５には、最大輝度値を発生する対物レンズ２３の位置情報が書き込まれることになる。輝度値が最大になるＺ軸方向の位置情報は、試料に入射したライン状光ビームの集束点が試料表面上に位置したときの位置であるから、Ｚ軸メモリ４５には、基準位置からの試料の高さ情報、すなわち試料の断面形状ないし断面プロファイルを示す情報が格納される。
【００３６】
Ｚ軸メモリ４５に記憶された位置情報は演算部４６に供給され、演算処理により試料の断面形状が算出され、当該断面形状情報は断面形状メモリに４７に記憶される。この断面形状情報は、モニタ４８に表示される画像を切り換えるモード切換スイッチ４９に供給されると共にスーパーインポーザ５０にも供給する。
【００３７】
2次元ＣＣＤ３６から出力される2次元画像信号は、Ａ／Ｄ変換器５１によりデジタル信号に変換され、画像メモリ５２に記憶する。当該2次元画像信号は、モード切換スイッチ４９に供給されると共にスーパーインポーザ５０に供給される。スーパーインポーザ５０は、試料の2次元画像と断面形状とを合成し、合成画像信号をモード切換スイッチ４９に出力する。この結果、モード切換スイッチ４９は、ユーザにより入力される切換信号により、試料の2次元画像、断面形状、及び2次元画像に断面形状が重畳された合成画像のいずれかの画像をモニタ４８に出力する。
【００３８】
次に、当該レーザ顕微鏡の操作について説明する。ユーザは、観察しようとする試料をセットし、2次元ＣＣＤにより撮像される試料の2次元画像を撮像してモニタ上に出力する。次に、モニタを見ながら、断面形状を撮像したい視野を設定する。次に、撮像モードを切り換え、断面形状を測定する。得られた断面形状を2次元画像に重畳してモニタに出力する。或いは、断面形状だけをモニタ上に表示することもできる。
【００３９】
次に、試料の2次元画像、2次元共焦点画像、３次元画像及び断面形状を撮像するレーザ顕微鏡について説明する。図４は本発明によるレーザ顕微鏡の第２実施例を示す線図である。尚、図４に示すレーザ顕微鏡において、図１に示す部材と同一の部材には同一符号を付して説明を省略する。レーザビームを非コヒーレントなライン状光ビームに変換する光学系は、図１に示すレーザ顕微鏡と同一であり、本例ではシリンドリカルレンズ１２と偏光ビームスプリッタ１３との間の光路中に全反射ミラー６０を配置して光路を折り曲げる。本例では、第２のビームスプリッタ１９とカップリング光学系２１との間の光路中に、順次１／４波長板２０、結像レンズ６１、振動ミラー６２、リレーレンズ６３、及び全反射ミラー６４を配置する。振動ミラー６２は、入射したライン状光ビームをその延在方向と直交する方向に所定の周波数で周期的に偏向する。従って、試料２７はライン状光ビームにより周期的に2次元走査されることになる。尚、観察光学系２１の後段にリレーレンズ６５を配置する。
【００４０】
試料２７からのライン状の反射光は、光路を逆方向に伝搬して振動ミラー６２に入射する。入射した反射ビームは、振動ミラーによりデスキャンされ、結像レンズ６１、１／４波長板２０を経て偏光ビームスプリッタ１９に入射する。
さらに、偏光ビームスプリッタ１９を透過し、フィルタ２８を経てリニァイメージセンサ２９に入射する。入射したライン状の反射ビームは、振動ミラー６２によりデスキャンされているため、試料からのライン状の反射光はリニァイメージセンサ上に静止した状態となる。リニァイメージセンサの各受光素子に蓄積された電荷は、コントローラ６６の制御のもとで所定の周波数で順次読み出され、増幅器３０により増幅され、信号処理回路６７に供給される。尚、振動ミラー６２及びサーボモータ２４の駆動制御もコントローラ６６の制御のもとで行う。本例でも、カップリング光学系としてレーザ光を透過し観察光を反射するシャープカットフィルタを用いているので、リニァイメージセンサには観察光がほとんど入射せず、ノイズが大幅に低減された画像信号が出力される。
【００４１】
観察光学系は、図１に示す観察光学系と同一の構成であるため、説明は省略する。
【００４２】
図５は、第２の実施例のレーザ顕微鏡の信号処理回路の一例を示す線図である。尚、図３に示す信号処理回路で用いた部材と同一の部材には同一符号を付して説明する。リニァイメージセンサ２９からの出力信号は増幅器３０により増幅され、Ａ／Ｄ変換器４０によりデジタル信号に変換されて比較器７０に入力すると共に、セレクタ７１にも供給され、セレクタ７１を経て第１の画像メモリ７２に記憶される。第１の画像メモリ７２には試料の2次元画像の各画素値が記憶され、各画素値は比較器７０に供給される。比較器７０は、2次元画像の各画素毎に第１の画像メモリ７２に記憶されている画素値とリニァイメージセンサから出力される画素値とを順次比較し、新たに入力した画素値のほうが大きい場合、書込制御信号を発生してセレクタ７２に供給する。セレクタ７１には、リニァイメージセンサからの出力信号と共に第１の画像メモリ７２に記憶されている画素値が供給され、リニァイメージセンサからの出力が大きい場合、比較器から出力される書込制御信号によりリニァイメージセンサからの出力値が選択されて第１の画像メモリ７２に書き込まれる。このようにして、試料の2次元共焦点画像情報が第１の画像メモリ７２に記憶される。第１の画像メモリ７２に記憶された2次元共焦点画像は、モード切換スイッチ７３に供給される。
【００４３】
エンコーダ２５からの出力信号はカウンタ４４により計数されてＺ軸メモリ４５に供給される。Ｚ軸メモリ４５には比較器７０からの出力信号が書込制御信号として入力する。そして、Ｚ軸メモリ４５に最大輝度値を発生するＺ軸方向の位置情報が各画素毎に書き込まれる。ユーザにより指定された方向の断面形状を算出する場合、Ｚ軸メモリに記憶された位置情報から、指定された方向の位置情報が断面形状演算部４６に供給され、指定された方向の断面形状画像が算出され、算出された断面形状画像が断面形状メモリ４７に記憶される。
【００４４】
第１の画像メモリ７２に記憶されている2次元共焦点画像及びＺ軸メモリ４５に記憶されている位置情報は３次元画像作成部７４に供給されて試料の３次元画像が作成される。すなわち、Ｚ軸メモリに記憶されている位置情報は、試料表面の奥行情報ないし高さ情報であるから、この高さ情報と2次元共焦点画像を用いて試料表面の３次元画像を作成することができる。作成された３次元画像はモード切換スイッチ７３に出力される。
【００４５】
2次元ＣＣＤ３６からの画像信号は、Ａ／Ｄ変調器５１によりＡ／Ｄ変換され、第２の画像メモリ５２に記憶される。第２の画像メモリ５２に記憶されている2次元画像情報はスイッチ７５に供給されると共にモード切換スイッチ７３にも供給される。スイッチ７５には第１の画像メモリ７２に記憶されている2次元共焦点画像情報も供給される。このスイッチ７５は、試料の断面形状に重畳される2次元画像として2次元共焦点画像を用いるか又は通常の2次元画像を用いるかを選択するものであり、ユーザが通常の2次元画像上に断面形状画像を重ねることを希望する場合、第２の画像メモリの画像が選択され、2次元共焦点画像を希望する場合第１の画像メモリに記憶されている画像が選択される。選択された2次元画像はスーパーインポーザ７６に供給される。スーパーインポーザには断面形状メモリ４７に記憶されている断面形状画像も入力し、2次元画像に断面形状画像が重畳された画像が出力され、モード切換スイッチ７３に供給される。
【００４６】
次に、当該レーザ顕微鏡の操作について説明する。本例のレーザ顕微鏡は、モード切換スイッチを切り換えることにより、以下の６つのモードで試料を観察することができる。
モード１：2次元画像表示モード
モード２：2次元共焦点画像表示モード
モード３：３次元画像表示モード
モード４：断面形状表示モード
モード５：重畳画像表示モード１（2次元画像＋断面形状）
モード６：重畳画像表示モード２（2次元共焦点画像＋断面形状）
上記６つのモードは、モード切換スイッチ７３を切り換えることにより表示される。
【００４７】
試料観察に際し、ユーザは、観察すべき試料をセットし、切換スイッチをモード１に設定して試料の通常の2次元画像を撮像する。表示モード切換スイッチをモード１に設定することにより、観察光学系だけが駆動し、試料の2次元画像が撮像され、第２の画像メモリに記憶される。同時に、モード切換スイッチ７３は第２の画像メモリ５２の画像情報をモニタに供給するように切り換わり、モニタ４８上に通常の2次元画像が表示される。
【００４８】
視野を設定した後、共焦点画像を観察することを希望する場合、ユーザは、切換スイッチをモード２に設定する。モード２に設定すると、共焦点光学系が駆動し、指定した視野の共焦点画像が撮像され、2次元共焦点画像が第１の画像メモリ７２に格納される。さらに、モード切換スイッチ７３が切り換わり、2次元共焦点画像がモニタ上に表示される。この共焦点画像撮像モードでは、表面に凹凸がある試料でも全ての部位について焦点が合った全焦点画像が撮像される。
【００４９】
さらに、ユーザが、共焦点画像を観察して特定の部位の断面形状の観察を希望する場合、ユーザは切換スイッチをモード６に設定する。モード６に設定すると、断面形状演算部４６が駆動し、指定された方向の画素の位置情報から断面形状を演算し、得られた断面形状画像を断面形状メモリ４７に供給する。さらに、スイッチ７５が2次元共焦点画像をスーパーインポーザ７５に供給するように設定され、スーパーインポーザに2次元共焦点画像と断面形状メモリに格納されている断面形状画像が供給され、2次元共焦点画像上に指定された方向の断面形状画像が重畳された画像がモード切換スイッチに供給され、モニタ上に表示される。勿論、モード５に設定することにより、第２の画像メモリに格納されている通常の2次元画像上に断面形状画像が重畳された画像を表示することも可能である。
【００５０】
次に、図３及び図５に示すレーザ顕微鏡の変形例について説明する。振動ミラー６２として、ライン状光ビームを第２の方向に周期的に偏向するビーム偏向モードと、静止ミラーとして用いる静止モードとの間で切り換えられる振動ミラーを用いる。ビーム偏向モードにおいて2次元共焦点画像を撮像し、静止モードにおいて第１の方向（主走査方向）の断面形状を撮像する。本発明では、ライン状光ビームにより試料表面を2次元走査しているため、振動ミラーを静止ミラーとして用い、対物レンズを光軸方向に移動させるだけで試料の断面形状を撮像することができる効果が達成される。この場合、試料表面を2次元走査することなく断面形状が撮像されるため、短時間で簡易に断面形状画像をモニタ上に表示できる。尚、この場合、図３に示す比較器４１、セレクタ４２、メモリ４３、及びＺ軸メモリ４５を含む回路を付加するだけでモニタ上に表示することができ、断面形状画像をスーパーインポーザに供給することにより2次元画像上に断面形状を重畳することも可能である。
【００５１】
本発明は上述した実施例だけに限定されず種々の変形や変更が可能である。上述した実施例では、対物レンズを駆動して対物レンズと試料との間の相対距離を変化させたが、試料ステージとして３次元駆動型のステージを用い、ステージをＺ軸方向に駆動して対物レンズと試料との間の相対距離を変化させることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明によるレーザ顕微鏡の第１実施例の光学系を示す線図である。
【図２】シャープカットフィルタの光透過反射特性を示す線図である。
【図３】第１の実施例の信号処理回路の一例を示す線である。
【図４】本発明によるレーザ顕微鏡の第２実施例の光学系を示す線図である。
【図５】第２の実施例の信号処理回路を示す線図である。
【符号の説明】
【００５３】
１  計測光学系
２  観察光学系
１０  レーザ光源
１１  エキスパンダ光学系
１２，１７  シリンドリカルレンズ
１３，１９  偏光ビームスプリッタ
１４，２０  １／４波長板
１５  マイクロミラー装置
１６  レンズ
１８  リレーレンズ
２１  カップリング光学系
２２，３４  結像レンズ
２３  対物レンズ
２４  サーボモータ  
２５  エンコーダ
２６  ステージ
２７  試料
２８，３５  フィルタ
２９  リニァイメージセンサ
３０  増幅器
３１  信号処理回路
３２  光ファイバ
３３  ビームスプリッタ
３６  2次元ＣＣＤ
４０，５１  Ａ／Ｄ変換器
４１  比較器
４２  セレクタ
４３  メモリ
４４  カウンタ
４５  Ｚ軸メモリ
４６  断面形状演算部
４７  断面形状メモリ
４８  モニタ
４９  モード切換スイッチ
５０  スーパーインポーザ
５２  画像メモリ
【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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