JP2008268387A

JP2008268387A - 共焦点顕微鏡

Info

Publication number: JP2008268387A
Application number: JP2007108771A
Authority: JP
Inventors: Kazunori Koga; 和典古賀
Original assignee: Nidec Tosok Corp
Current assignee: Nidec Powertrain Systems Corp
Priority date: 2007-04-18
Filing date: 2007-04-18
Publication date: 2008-11-06

Abstract

【課題】測定時間を短縮することができる共焦点顕微鏡を提供する。
【解決手段】光源２２の光からライン状の輝線を取り出し、輝線から放射された白色光を、色収差発生レンズ３４で連続した波長成分に色分散した後、対物レンズ３６を介してステージ３７上の試料２１に照射する。色分散されたライン状の輝線は、光軸４１上に波長ごとに連続して高さ方向に結像し、試料２１の表面のある１つの点に１つの波長の光が焦点を結ぶ。試料２１表面に焦点を結んだ波長の光の反射光を、対物レンズ３６を介して色収差発生レンズ３４で集光した後、スリット５２で焦点を結ぶように構成する。スリット５２を通過した光を、分光素子６２で分光して２次元アレイ光検出器８２に結像する。
【選択図】図１

Description

本発明は、被測定物の微小な高さや表面粗さを計測する共焦点顕微鏡に関する。

従来、レーザー光を用いて被測定物の表面形状を把握する顕微鏡が知られている（例えば、特許文献１）。

この顕微鏡では、レーザー光を対物レンズにより試料上に集光し、その反射光を受光素子に集光するように共焦点光学系を構成し、前記対物レンズと前記試料とをＺ方向に相対的に変位させ、受光光量が極大値となるＺ方向の位置を測定することで試料表面の高さ位置を求めていた。
特開平８−２１０８１９号公報

しかしながら、このような従来の顕微鏡にあっては、試料表面の高さを求めるために、試料と対物レンズとの相対距離をＺ方向に一定量変位させ、そのときの受光光量を記憶し、次にまた相対距離を一定量変位させ、前のＺ位置での受光光量と比較するという作業を繰返して受光光量が極大値となるＺ位置を求めることにより試料の高さを測定していた。

このように、試料と対物レンズとの相対距離をＺ軸方向で変位させながらデータを取得する必要があるため、測定に時間がかかるという欠点があった。

また、Ｚ方向の測定精度を上げるためには、繰返してデータ取得する際のＺ方向間隔を狭くして分解能を上げる必要がある。この場合、データ取得回数が増大するため、測定時間がさらにかかるという欠点があった。

本発明は、このような従来の課題に鑑みてなされたものであり、測定時間を短縮することができる共焦点顕微鏡を提供することを目的とするものである。

前記課題を解決するために本発明の共焦点顕微鏡にあっては、白色光源と、該白色光源から発する光からライン状の輝線を得る手段と、前記ライン状の輝線の光を色収差発生レンズにより連続した波長成分に色分散し、対物レンズにより試料上に波長ごとのライン状の輝線を光軸上に沿って深度方向に連続して結像し、当該試料からの反射光又は透過光を対物レンズおよび色収差発生レンズにより結像面に結像する手段と、前記結像面にスリットを設け、スリットを通過した光を分光する手段と、分光された光を２次元アレイ光検出器に結像する手段と、を備えている。

すなわち、試料表面のある１点には、所定の波長の光が焦点を結ぶ。前記対物レンズに近い方には、波長の短い青色側の光が、遠い方には波長の長い赤色側の光が焦点を結ぶことになる。

また、前記試料に焦点を結んだ光は反射もしくは透過し、その反射光もしくは透過光は対物レンズと色収差発生レンズによりスリットに結像され、共焦点効果を得た後に分光手段で分光された後、２次元アレイ光検出器に結像される。

このとき、試料表面で焦点を結んだ波長以外の波長成分の光も前記試料で反射、もしくは透過されるが、焦点を結んでいないため対物レンズおよび色収差発生レンズでスリットに集光されスリットを通過する際の光量は非常に少なくなり、焦点を結んだ波長成分の光と分別可能となる。このような共焦点効果により試料上に焦点を結んだ光のみを検出することが可能となる。

例えば、前記試料に凹凸があり、試料上のある点では青色の波長の光が焦点を結び、別のある点では赤色の波長の光が焦点を結んだとすると、それぞれの反射光は対物レンズで補足され、色収差発生レンズでスリットに集光される。このスリットを通過した青色の波長の光と赤色の波長の光とは、コリメータレンズにより平行光となり分光素子に入射する。

そして、この分光素子に入射した青色の波長の光と赤色の波長の光とは、前記分光素子から異なる角度で射出され結像レンズの異なる位置に入射し、２次元アレイ光検出器上の異なる位置に結像される。

このように、分光された光の２次元アレイ光検出器への結像位置は、試料表面のＹ軸上の高さ位置と相関があり、試料上の１次元線上の高さ情報を一括してリアルタイムに得ることが可能となる。

以上説明したように本発明の共焦点顕微鏡にあっては、被測定物の１次元線上の微小な３次元形状を一括してリアルタイムに測定することが可能となる。

したがって、被測定物と対物レンズとの相対距離をＺ方向に変位させながら各Ｚ位置での受光光量を記憶して比較しなければならなかった従来と比較して、測定時間を大幅に短縮することができる。

以下、本発明の一実施の形態を図面に従って説明する。図１は、本実施の形態にかかる共焦点顕微鏡１を示す図であり、該共焦点顕微鏡１は、被測定物の微小な高さや表面粗さを計測する装置である。

この共焦点顕微鏡１は、共焦点光学系１１と観察光学系１２とを備えている。

まず共焦点光学系１１について説明する。

この共焦点光学系１１は、被測定物としての試料２１表面の高さ情報をリアルタイムに得るためのもので、光源２２は、例えばハロゲンランプあるいはキセノンランプ等の白色光源で構成されている。

この光源２２からの光は、スリット板３１のスリット３２を通過するように構成されており、これによりライン状の輝線が取り出される。このライン状の輝線から放射された白色光は、第１のハーフミラー３３を介して、色収差発生レンズ３４を通過するように構成されており、該色収差発生レンズ３４によって連続した波長成分に色分散された後、第２のハーフミラー３５により折り曲げられ、対物レンズ３６を介してステージ３７上の前記試料２１に照射されるように構成されている。ここで、前記対物レンズ３６は、色収差が無視できるように補正されていることが望ましい。

これにより、色分散されたライン状の輝線は、前記対物レンズ３６によって光軸４１上に波長ごとに連続して高さ方向に結像され、前記試料２１の表面のある１つの点には１つの波長の光が焦点を結ぶ。そして、この試料２１の表面に焦点を結んだ波長の光は反射され、再び前記対物レンズ３６に向かうように構成されている。

この対物レンズ３６を通った光は、前記第２のハーフミラー３５で折り曲げられ、前記色収差発生レンズ３４で集光された後、前記第１のハーフミラー３３で折り曲げられ、結像面５１に設けられたスリット５２に焦点を結ぶように構成されている。

このとき、前記試料２１に焦点を結ばない波長の光も試料２１表面で反射され、前記対物レンズ３６を通過して前記結像面５１の前記スリット５２に向かうこととなるが、これらの光は、このスリット５２に集光することができない。このため、大部分がスリット５２を通過できず、極わずかな光量しか通過することができないので、前記試料２１に焦点を結んだ波長成分の光との分別が可能となる。

そして、このスリット５２を通過した光は、コリメータレンズ６１により平行光とされた後、分光素子６２に入射するように構成されている。

図２及び図３には、この分光素子６２としてプリズム−グレーティング−プリズムを採用した例が示されている。

このプリズム−グレーティング−プリズムは、２つのプリズム７１，７２の間にグレーティング７３を挟みこんだ構造となっており、入射光はグレーティング７３により分光され、設定したある波長の光は直進し、それより短いかあるいは長い波長の光は入射光に対して角度をもって射出されるように構成されている。なお、この分光素子６２には、プリズムあるいはグレーティングを単独で用いても良い。

このような分光素子６２により分光された光は、結像レンズ８１により２次元アレイ光検出器８２に結像される。

この２次元アレイ光検出器８２としては、ＣＣＤエリア撮像素子あるいはＣＭＯＳエリア撮像素子を用いることができる。図２に示したように、前記２次元アレイ光検出器８２には、前記スリット５２を通過した光が帯状に結像され、帯の形状は、前記試料２１に結像したライン状の輝線の範囲において当該試料２１の高さ形状と相関する。

次に、前記観察光学系１２に付いて図１を用いて説明する。

すなわち、この観察光学系１２の光源１０１からの光は、コリメータレンズ１０２を通過して第３のハーフミラー１０３で折り曲げられ、前記第２のハーフミラー３５を通過した後、前記対物レンズ３６を介して前記試料２１を照明する。照明された試料２１の像は、前記対物レンズ３６とチューブレンズ１０４を介して撮像カメラ１０５に結像され、当該撮像カメラ１０５を用いて前記試料２１を観察できるように構成されている。

以上の構成にかかる本実施の形態において、前記色収差発生レンズ３４によって波長成分に色分散された光は、前記対物レンズ３６によって波長ごとに深度方向の異なる位置で結像される。このとき、前記対物レンズ３６に近い方には波長の短い青色側の光が、遠い方には波長の長い赤色側の光が焦点を結ぶこととなる。

そして、前記試料２１表面に凹凸があり、例えば当該試料２１上のある点では青色の波長の光が焦点を結び、別のある点では赤色の波長の光が焦点を結ぶ場合、それぞれの反射光は、前記対物レンズ３６で補足され、前記色収差発生レンズ３４で結像面５１のスリット５２に集光される。そして、このスリット５２を通過した青色の波長の光と、赤色の波長の光とは、前記コリメータレンズ６１により平行光とされた後、前記分光素子６２より異なる角度で射出され、前記結像レンズ８１を介して、前記２次元アレイ光検出器８２上の異なる位置に結像される。

このとき、分光された光の前記２次元アレイ光検出器８２への結像位置は、前記試料２１表面のＹ軸上の高さ位置と相関関係にある。このため、前記２次元アレイ光検出器８２への結像位置から前記試料２１表面の高さ情報をリアルタイムに取得することができる。

このように、前記試料２１の１次元線上の微小な３次元形状を一括してリアルタイムに測定することができるため、被測定物と対物レンズとの相対距離をＺ方向に変位させながら各Ｚ位置での受光光量を記憶して比較しなければならなかった従来と比較して、測定時間を大幅に短縮することができる。

また、本実施の形態では、前記試料２１の載置部が前記ステージ３７で構成されている。このため、このステージ３７を作動して前記試料２１を前記ライン状の輝線と交差する方向に移動しながら計測を行うことにより、その測定範囲を面方向に広げることができる。

さらに、前記対物レンズ３６を交換して倍率を変更することより、分解能を変更することもできる。

なお、本実施の形態では、前記試料２１から反射した反射光を用いて試料２１表面の高さ情報を取得する場合に付いて説明したが、これに限定されるものではなく、前記試料２１を透過した透過光によって前記高さ情報を取得しても良い。

本発明の一実施の形態にかかる共焦点顕微鏡の光学系を示す概略構成図である。同実施の形態にかかる分光光学系部分の概略構成図である。同実施の形態にかかる分光光学系の原理図である。

符号の説明

１共焦点顕微鏡
１１共焦点光学系
１２観察光学系
２１試料
２２光源（白色光源）
３２スリット
３３第１のハーフミラー
３４色収差発生レンズ
３５第２のハーフミラー
３６対物レンズ
３７ステージ
５２スリット
６１コリメータレンズ
６２分光素子
８１結像レンズ
８２２次元アレイ光検出器
１０１光源
１０２コリメータレンズ
１０３第３のハーフミラー
１０４チューブレンズ
１０５撮像カメラ

Claims

白色光源と、
該白色光源から発する光からライン状の輝線を得る手段と、
前記ライン状の輝線の光を色収差発生レンズにより連続した波長成分に色分散し、対物レンズにより試料上に波長ごとのライン状の輝線を光軸上に沿って深度方向に連続して結像し、当該試料からの反射光又は透過光を対物レンズおよび色収差発生レンズにより結像面に結像する手段と、
前記結像面にスリットを設け、スリットを通過した光を分光する手段と、
分光された光を２次元アレイ光検出器に結像する手段と、
を備えたことを特徴とする共焦点顕微鏡。