JP3018538B2 - Optical waveguide device, confocal laser scanning differential interference microscope using the same, and information detection method - Google Patents
Optical waveguide device, confocal laser scanning differential interference microscope using the same, and information detection methodInfo
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Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明はコンフォーカルレーザ走
査顕微鏡に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a confocal laser scanning microscope.
【0002】[0002]
【従来の技術】コンフォーカルレーザ走査顕微鏡は、レ
ーザ光源と、レーザ光源からの光束を被検物体上に集光
して光スポットを形成する照明光学系と、被検物体から
の光束を検出面上に集光する集光光学系と、検出面上に
集光された光束を検出する検出手段と、被検物体に対し
て光スポットを相対的に移動させるための走査手段とを
有し、被検物体上にレーザ光を集光し又検出面上におい
てもピンホール開口を通して光検出している。このた
め、焦点深度が非常に浅いという利点を有しており、種
々の用途に用いられようとしている。2. Description of the Related Art A confocal laser scanning microscope is composed of a laser light source, an illumination optical system for converging a light beam from the laser light source on a test object to form a light spot, and a detecting surface for detecting the light beam from the test object. A focusing optical system that focuses light on the top, a detection unit that detects a light beam focused on the detection surface, and a scanning unit that relatively moves the light spot with respect to the test object, Laser light is condensed on the test object, and light is detected on the detection surface through the pinhole opening. For this reason, it has an advantage that the depth of focus is very shallow, and is going to be used for various applications.
【0003】[0003]
【発明が解決しようとする課題】このようなコンフォー
カルレーザ走査顕微鏡を用いて、微分干渉像を得るため
には、従来の一般的光学顕微鏡における微分干渉装置の
構成を用いて実現することができる。しかしながら、複
雑な構成となり、しかも歪みの少ない特殊な対物レン
ズ、ノマルスキープリズム、波長板等が必要であるため
各光学要素の所望の精度での製造が困難であり、高価な
装置となるという欠点があった。To obtain a differential interference image using such a confocal laser scanning microscope can be realized by using a configuration of a differential interference device in a conventional general optical microscope. . However, since a complicated configuration is required, and a special objective lens, a Nomarski prism, a wave plate, and the like with a small distortion are required, it is difficult to manufacture each optical element with a desired accuracy, resulting in an expensive device. there were.
【0004】本発明の目的は、小型にして製造が容易で
あり、かつ物体の位相情報と振幅情報とを独立に得るこ
とのできるコンフォーカルレーザ走査微分干渉顕微鏡を
提供することにある。[0004] It is an object of the present invention to provide a confocal laser scanning differential interference microscope which is small in size, easy to manufacture, and capable of independently obtaining phase information and amplitude information of an object.
【0005】[0005]
【課題を解決する為の手段】上記目的のために本発明で
は導波路デバイスを用い、従来の構成とは全く異なる原
理により微分干渉像を得るものである。すなわち、コン
フォーカルレーザ走査顕微鏡において、光検出手段にチ
ャネル導波路が形成された電気光学効果を有する基板を
設け、該チャネル導波路は前記検出面上に入射端面を持
ち且つ基板表面に電極が設けられたダブルモード導波路
領域と該ダブルモード導波路を2本のシングルモード導
波路に分岐させる導波路分岐領域とを有し、さらに分岐
された2本のシングルモード導波路を伝搬する光を各々
検出する検出素子とを設けたものである。In order to achieve the above object, the present invention uses a waveguide device and obtains a differential interference image by a principle completely different from that of the conventional structure. That is, in a confocal laser scanning microscope, a substrate having an electro-optical effect in which a channel waveguide is formed is provided in a light detection unit, and the channel waveguide has an incident end surface on the detection surface and an electrode is provided on the substrate surface. Having a divided double mode waveguide region and a waveguide branch region for branching the double mode waveguide into two single mode waveguides, and further transmitting light propagating through the two branched single mode waveguides. And a detection element for detection.
【0006】また、照明光学系と集光光学系とで同一の
対物レンズを共用した所謂落射照明型のコンフォーカル
レーザ走査顕微鏡においては、検出手段にチャネル導波
路の形成された電気光学効果を有する基板を設け、この
チャネル導波路は前記検出面上に端面を持ち且つ基板表
面に電極が設けられたダブルモード導波路領域と該ダブ
ルモード導波路を3本のシングルモード導波路に分岐さ
せる導波路分岐領域とを有する構成とし、該3本のシン
グルモード導波路の中央の1本にはレーザ光源からの照
明光束を導いて対物レンズを介して被検物体上に光スポ
ットを形成し、該3本のシングルモード導波路の内の外
側の2本のシングルモード導波路を伝搬する光を各々検
出する検出素子を設けた構成とすることも可能である。In a so-called epi-illumination type confocal laser scanning microscope in which the same objective lens is shared between the illumination optical system and the condensing optical system, the detecting means has an electro-optical effect in which a channel waveguide is formed. A substrate, wherein the channel waveguide has a double-mode waveguide region having an end surface on the detection surface and an electrode provided on the substrate surface, and a waveguide for branching the double-mode waveguide into three single-mode waveguides A light spot formed on a test object through an objective lens by guiding an illumination light beam from a laser light source to a central one of the three single mode waveguides. It is also possible to adopt a configuration in which detection elements for detecting light propagating through two outer single-mode waveguides among the single-mode waveguides are provided.
【0007】[0007]
【作用】本発明では、被検物体で反射されたレーザスポ
ットは、対物レンズ、結像レンズ等からなる集光光学系
によって、検出面上にて再びスポット像となる。このス
ポット像が形成される位置に、ダブルモードチャネル導
波路をスポット像の中心とダブルモードチャネル導波路
の中心が一致するように配置すると、導波路の幅方向の
スポット像振幅分布がスポット中心を原点としたとき偶
関数であればダブルモード導波路内には偶モードしか励
振されない。それ以外の場合は偶・奇両モードが励振さ
れる。ここでダブルモード領域に続いてシングルモード
チャネル導波路に分岐する導波路分岐領域を設けておけ
ば、偶モードのみ励振された場合は二つの分岐に等量の
光が分配され、それ以外の場合は偶モードと奇モードの
干渉が生じるため二つの分岐に分配される光量は一般に
等しくない。一般に被検物体に傾斜、すなわち物理的な
傾斜は勿論、屈折率傾斜など光路長を変化させるすべて
の傾斜及び、光透過率分布又は光反射率分布の傾斜があ
ると、スポット像の振幅分布は奇関数成分をもつように
なり、このときダブルモード導波路内に偶・奇両モード
が励振されその結果二つの分岐に分配されると光量が等
しくなくなる。従って、二つの分岐を伝搬する光量の差
を検出することによって、被検物体の微視的な傾斜を検
出できることになる。According to the present invention, the laser spot reflected by the object to be detected again becomes a spot image on the detection surface by a condensing optical system including an objective lens, an imaging lens, and the like. When the double mode channel waveguide is arranged at the position where the spot image is formed such that the center of the spot image coincides with the center of the double mode channel waveguide, the spot image amplitude distribution in the width direction of the waveguide is aligned with the spot center. If the origin is an even function, only the even mode is excited in the double mode waveguide. Otherwise, both the even and odd modes are excited. Here, if a waveguide branch region that branches into a single mode channel waveguide is provided after the double mode region, an equal amount of light is distributed to two branches when only the even mode is excited, and in other cases Since the interference between the even mode and the odd mode occurs, the amount of light distributed to the two branches is generally not equal. In general, if the test object has a slope, that is, a physical slope, as well as any slope that changes the optical path length such as a refractive index slope, and a slope of the light transmittance distribution or the light reflectance distribution, the amplitude distribution of the spot image becomes It has an odd function component. At this time, even and odd modes are excited in the double mode waveguide, and as a result, if the two modes are distributed, the light amounts become unequal. Therefore, by detecting the difference between the amounts of light propagating through the two branches, the microscopic inclination of the test object can be detected.
【0008】いま被検物の傾き角をθとし、 sinθ=α
とする。傾き0の場合のスポット振幅分布をu(x)、
ダブルモード導波路の固有界分布を偶・奇両モードにつ
いてそれぞれfe(x)、fo(x)とするとu(x)、fe
(x)は偶関数、fo(x)は奇関数である。傾きのある
ときのスポット振幅分布uα(x)はk=2π/λ
(λ:波長)として uα(x)≒u(x)exp(ikαx) =u(x)〔cos(kαx)+isin(kαx)〕 (1) と表される。Now, let the inclination angle of the test object be θ, sin θ = α
And Let u (x) denote the spot amplitude distribution when the inclination is 0,
Assuming that the eigenfield distribution of the double mode waveguide is fe (x) and fo (x) for both the even and odd modes, u (x) and fe
(X) is an even function, and fo (x) is an odd function. The spot amplitude distribution uα (x) when there is a slope is k = 2π / λ
As (λ: wavelength), uα (x) ≒ u (x) exp (ikαx) = u (x) [cos (kαx) + isin (kαx)] (1)
【0009】ここで、偶モードの励振効率ηe は、Here, the excitation efficiency η e of the even mode is
【0010】[0010]
【数1】 (Equation 1)
【0011】となり、一方奇モードの励振効率ηo は、On the other hand, the excitation efficiency η o of the odd mode is
【0012】[0012]
【数2】 (Equation 2)
【0013】となる。積分範囲を適当に選び、この範囲
で|kαx|≪2πならば、 cos(kαx)≒1, sin(kαx)≒kαx となるから、u(x)、fo(x)、fe(x)が一定の関
数であることより、 ηe ≒一定 ηo ∝iα (4) となることがわかる。偶モードと奇モードの干渉による
光強度変化はC1、C2を実定数とし、φを分岐点に於ける
偶・奇両モードの位相差とすれば I∝|ηe ±iηo exp{iφ}|2 =|C1±iαC2 exp{iφ}|2 (5) よって、 exp{iφ}=±iにとれば(5)はおおむ
ね I=C1 2 ±2αC1C2 (6) となってαに比例した強度変化が得られ、いわゆる微分
像を得ることができる。## EQU1 ## An integration range is appropriately selected, and if | kαx | ≪2π in this range, then cos (kαx) ≒ 1, sin (kαx) ≒ kαx, so that u (x), fo (x), and fe (x) Since it is a constant function, it can be seen that η e ∝constant η o ∝iα (4). The light intensity change due to the interference between the even mode and the odd mode is represented by I∝ | η e ± iη o exp {where C 1 and C 2 are real constants and φ is the phase difference between the even and odd modes at the branch point. iφ} | 2 = | C 1 ± iαC 2 exp {iφ} | 2 (5) Therefore, taking into exp {iφ} = ± i ( 5) is approximately I = C 1 2 ± 2αC 1 C 2 (6) As a result, a change in intensity proportional to α is obtained, and a so-called differential image can be obtained.
【0014】従って、このような微分像を得るために
は、ダブルモードとシングルモードとの分岐点に於て、
両モード間に90°の奇数倍の位相差がもたらされるこ
とが必要である。このために、前記ダブルモードの領域
の長さLは両モードのよく知られた完全結合長(偶・奇
両モードの位相差が 180°となる長さ) をLcとした場合 L=Lc(2m+1)/2 (m=0,1,2,…) (7) とするのが好ましい。Therefore, in order to obtain such a differential image, at the branch point between the double mode and the single mode,
It is necessary to provide an odd multiple of 90 ° of phase difference between both modes. For this reason, the length L of the double mode region is defined as Lc where Lc is the well-known complete coupling length of both modes (the length at which the phase difference between the even and odd modes becomes 180 °). 2m + 1) / 2 (m = 0, 1, 2,...) (7)
【0015】尚、(1)式は物体の傾斜を考えているか
ら、位相物体を想定していることになる。本発明は位相
物体のみならず、強度変調物体(光の透過率又は反射率
が変化するような物体)にも適用できる。こうした物体
はたとえばαを実数として uα(x)=u(x)(1+αx) (8) などと表現できる。このとき明らかに ηe ≒一定 , ηo ∝α (9) となるから、偶奇両モードの干渉によって二つの分岐に
分配される光量比が最大となるのは分岐点に於て両モー
ド間に180°の整数倍の位相差がもたらされたとき、
即ち(5)式で exp{iφ}=±1 と置いた場合であ
る。Since equation (1) considers the inclination of an object, it assumes a phase object. The present invention can be applied not only to a phase object but also to an intensity-modulated object (an object whose light transmittance or reflectance changes). Such an object can be expressed as, for example, uα (x) = u (x) (1 + αx) (8) where α is a real number. At this time, η e ≒ constant and η o ∝α (9), so that the ratio of the amount of light distributed to the two branches due to the interference of the even and odd modes becomes the maximum between the two modes at the branch point. When a phase difference of an integral multiple of 180 ° is provided,
That is, this is the case where exp {iφ} = ± 1 in the equation (5).
【0016】よって、強度変調物体の微分像をみるため
にはダブルモード領域の長さLは結合長Lcの整数倍 L=mLc (m=1,2,…) (10) が好ましい。即ち、ダブルモード領域の長さLのとり方
いかんによって物体の位相変調部分、又は強度変調部分
のみの微分像をみることができるわけである。Therefore, in order to view the differential image of the intensity-modulated object, it is preferable that the length L of the double mode region is an integral multiple of the coupling length Lc. L = mLc (m = 1, 2,...) (10) That is, a differential image of only the phase modulation portion or the intensity modulation portion of the object can be viewed depending on how the length L of the double mode region is set.
【0017】そして、本発明の如く基板が電気光学効果
を持つ場合には、ダブルモード領域上に配置された電極
を介してこの領域に電圧を印加することにより、完全結
合長Lcを変化させることができる。従って、ダブルモー
ド領域の長さが一定値Lであっても、電圧の調整により
上記(7)式と(10)式との両方を満たすことが可能
であり、ダブルモード領域の機械的な長さを一定としつ
つ、電気光学効果により物体の位相情報と振幅情報とを
独立に得ることが可能である。When the substrate has an electro-optic effect as in the present invention, the complete coupling length Lc is changed by applying a voltage to this region via an electrode arranged on the double mode region. Can be. Therefore, even if the length of the double mode region is a constant value L, it is possible to satisfy both the above expressions (7) and (10) by adjusting the voltage, and the mechanical length of the double mode region is It is possible to obtain the phase information and the amplitude information of the object independently by the electro-optic effect while keeping the constant.
【0018】すなわち、チャネル導波路のダブルモード
領域上に配置された電極に電圧を印加することにより、
ダブルモード領域に於ける完全結合長LcをLc1 とLc2 に
変化させ、該ダブルモード領域の一定の長さLに対し
て、 L≒mLc1 (m=1,2,…) L≒Lc2(2m+1)/2 (m=0,1,2,…) が成立する構成とすることにより、Lc1 の場合に上記
(10)式の如く物体の振幅情報を得ることができ、Lc
2 の場合に上記(7)式の如く物体の位相情報を得るこ
とができるのである。That is, by applying a voltage to the electrodes arranged on the double mode region of the channel waveguide,
The complete coupling length Lc in the double mode region is changed to Lc 1 and Lc 2, for a given length L of the double mode region, L ≒ mLc 1 (m = 1,2, ...) L ≒ Lc 2 (2m + 1) / 2 (m = 0,1,2, ...) by is configured to hold, it is possible to obtain the amplitude information of the object as described above (10) in the case of Lc 1, Lc
In the case of 2 , the phase information of the object can be obtained as in the above equation (7).
【0019】[0019]
【実施例】図1は本発明の第1実施例を示す概略構成図
であって、半導体レーザ光源1を出た光はハーフミラー
2で反射され、周知のX−Y2次元スキャニング手段3
を経て対物レンズ4に入射し、物体面5に集光される。
物体面5で反射した後再び対物レンズ4及びX−Y2次
元スキャニング手段3を経てハーフミラー2を透過した
光は、電気光学効果を有する基板6上に形成されたチャ
ネル導波路7の入射端面が配置された検出面上に集光さ
れる。チャネル導波路7は基板に電極17を配設したダ
ブルモード導波路であり、ダブルモード導波路7中を伝
搬した光はやがて分岐領域8に達し2本のシングルモー
ド導波路9、10にパワーが分配され、基板6に接合され
た2つの光検出器11、12に至る。ここでチャネル導波路
7の入射端がピンホールと同様の働きをするので、この
構成はコンフォーカルレーザ走査顕微鏡を構成する。こ
こで、ハーフミラー2と対物レンズ4とが照明光学系を
形成し、対物レンズ4が集光光学系を形成している。FIG. 1 is a schematic structural view showing a first embodiment of the present invention. Light emitted from a semiconductor laser light source 1 is reflected by a half mirror 2, and a well-known XY two-dimensional scanning means 3 is used.
, And is incident on the objective lens 4 and is focused on the object plane 5.
Light reflected by the object plane 5 and transmitted through the half mirror 2 again through the objective lens 4 and the XY two-dimensional scanning means 3 is incident on the incident end face of the channel waveguide 7 formed on the substrate 6 having the electro-optical effect. The light is focused on the arranged detection surface. The channel waveguide 7 is a double mode waveguide in which an electrode 17 is provided on a substrate, and the light propagated in the double mode waveguide 7 reaches the branch region 8 and the power is applied to the two single mode waveguides 9 and 10. The light is distributed and reaches two photodetectors 11 and 12 bonded to the substrate 6. Since the incident end of the channel waveguide 7 has the same function as a pinhole, this configuration constitutes a confocal laser scanning microscope. Here, the half mirror 2 and the objective lens 4 form an illumination optical system, and the objective lens 4 forms a condenser optical system.
【0020】そして前述した通り、レーザスポットで照
明された物体5上の一点に傾き又は反射率の勾配があっ
た場合、チャネル導波路7の入射端に結像したレーザス
ポットの位相分布又は強度分布に傾斜が生じる。この傾
斜によりダブルモード導波路7内に偶・奇両モードが励
振され、両モードの干渉により2つの光検出器11,12に
達する光パワーの比が変化する。よって、作動検出手段
13によって2つの検出器11,12の出力の差動信号14をと
ることにより、物体面上の微小な段差又は反射率変化を
検知することができる。このときダブルモード領域の長
さLは、完全結合長をLcとして、物体の位相分布を観察
するときは、 L=Lc(2m+1)/2 (m=0,1,2,…) 同様に、物体の強度分布を観察するときは、 L=mLc (m=1,2,…) とすればよく、この構成が微分干渉系となることは上述
したとおりである。As described above, when a point on the object 5 illuminated by the laser spot has a slope or a reflectance gradient, the phase distribution or the intensity distribution of the laser spot formed on the incident end of the channel waveguide 7. Is inclined. Due to this inclination, even and odd modes are excited in the double mode waveguide 7, and the ratio of the optical power reaching the two photodetectors 11 and 12 changes due to interference of both modes. Therefore, the operation detecting means
By taking the differential signal 14 of the output of the two detectors 11 and 12 by the 13, a minute step or a change in reflectance on the object surface can be detected. At this time, when observing the phase distribution of the object with the complete coupling length as Lc, the length L of the double mode region is as follows: L = Lc (2m + 1) / 2 (m = 0, 1, 2,...) When observing the intensity distribution of the object, L = mLc (m = 1, 2,...) May be used, and this configuration is a differential interference system, as described above.
【0021】ここで、基板6は電気光学効果を有してい
るので、電極17に印加する電圧を変化させれば、完全
結合長Lcを変化させることができる。よって、上記の2
つの条件は電極17に印加する電圧を調整することで、
同一のダブルモード領域の長さLに対して成り立つ。即
ち、一つの導波路デバイスで物体の位相分布と強度分布
とを独立に検出することができる。Here, since the substrate 6 has an electro-optic effect, the complete coupling length Lc can be changed by changing the voltage applied to the electrode 17. Therefore, the above 2
One condition is to adjust the voltage applied to the electrode 17,
The same holds for the length L of the same double mode area. That is, the phase distribution and the intensity distribution of the object can be independently detected by one waveguide device.
【0022】具体的には、差動信号14をX−Y2次元ス
キャニング手段3から被検物体上における光ビームの位
置に対応させて記憶し画像化するための制御手段15によ
り、モニター16に所望の微分干渉像を表示することがで
きる。尚、上記実施例においては、ダブルモード導波路
7に電圧を印加するための電極17を導波路7に対して
対称な2電極の配置としたが、用いられる基板の状態
(結晶基板であれば結晶軸の方向など)により、必ずし
も図1に示したごとき電極配置が最適であるとは限らな
い。Specifically, the control means 15 for storing and imaging the differential signal 14 from the XY two-dimensional scanning means 3 in correspondence with the position of the light beam on the object to be inspected, is transmitted to the monitor 16. Can be displayed. In the above embodiment, the electrode 17 for applying a voltage to the double mode waveguide 7 has two electrodes symmetrical with respect to the waveguide 7. Depending on the direction of the crystal axis, etc.), the electrode arrangement as shown in FIG. 1 is not always optimal.
【0023】図2は本発明の第2実施例を示す概略構成
図であり、この構成では照明光学系と集光光学系とで対
物レンズ28を共用しており、検出用の導波路の一部が
レーザ光を導くための照明系の機能を併せ持っている。
レーザ光源21は半導体レーザであり、電気光学効果をも
つ基板22上に形成されたシングルモードチャネル導波路
23に対して光結合効率が最も大きくなるように、基板22
に固定されている。導波路23に入射したレーザ光は分岐
24を経て、基板表面に電極35が配設されたダブルモー
ド導波路25を伝搬する。導波路の分岐24においては、
ダブルモード導波路25に対して3本のシングルモード導
波路が結合されており、真ん中のシングルモード導波路
23は照明用に、外側の2本のシングルモード導波路は後
述する検出用に用いられる。このとき真ん中のシングル
モードチャネル導波路23の中心線とダブルモード導波路
25の中心線とが一致するような位置関係にすることによ
って、真ん中のシングルモードチャネル導波路23からダ
ブルモード導波路25へ入射する光は、ダブルモード導波
路25内で偶モードしか励振しない。従って事実上レーザ
光はシングルモード状態で端面26から出射する。FIG. 2 is a schematic diagram showing a second embodiment of the present invention. In this configuration, the illumination optical system and the condensing optical system share the objective lens 28, and one of the detection waveguides is used. The unit also has a function of an illumination system for guiding a laser beam.
The laser light source 21 is a semiconductor laser, and is a single mode channel waveguide formed on a substrate 22 having an electro-optical effect.
In order to maximize the optical coupling efficiency with respect to 23,
It is fixed to. Laser light incident on waveguide 23 branches
After passing through 24, the light propagates through the double mode waveguide 25 in which the electrode 35 is provided on the substrate surface. In the branch 24 of the waveguide,
Three single mode waveguides are coupled to the double mode waveguide 25, and the single mode waveguide in the middle
23 is used for illumination, and the two outer single-mode waveguides are used for detection described later. At this time, the center line of the middle single mode channel waveguide 23 and the double mode waveguide
By making the positional relationship such that the center line of 25 coincides with the center line, light incident on the double mode waveguide 25 from the middle single mode channel waveguide 23 excites only the even mode in the double mode waveguide 25. Therefore, the laser light is actually emitted from the end face 26 in a single mode state.
【0024】ダブルモード導波路25の端面を射出する照
明光束は、X−Y2次元スキャニング手段27を経て対物
レンズ28に入射し、物体面29上に集光される。物体面29
で反射した後再び対物レンズ28及びX−Y2次元スキャ
ニング手段27を経た光束は、基板22上に形成されたチャ
ネル導波路25の端面が配置された検出面26上に集光され
る、ここにレーザスポットが形成される。このあとは第
1実施例と同じで、物体面の傾斜に伴い2つのシングル
モードチャネル導波路30、31に分配されるパワー比が変
わり、基板22に固定された光検出器32、33にて導波路3
0、31からの光を検出し差動信号34をとれば、微分干渉
信号が得られる。図2においては、作動信号34とX−Y
2次元スキャニング手段27からの信号により画像化する
ための制御手段及びモニターは、図1に示した第1実施
例の構成と同等であるため、省略した。The illumination light beam emitted from the end face of the double mode waveguide 25 enters the objective lens 28 via the XY two-dimensional scanning means 27 and is focused on the object plane 29. Object surface 29
After being reflected by the objective lens 28 and the XY two-dimensional scanning means 27 again, the light flux is condensed on the detection surface 26 on which the end face of the channel waveguide 25 formed on the substrate 22 is arranged. A laser spot is formed. Thereafter, as in the first embodiment, the power ratio distributed to the two single mode channel waveguides 30 and 31 changes with the inclination of the object plane, and the photodetectors 32 and 33 fixed to the substrate 22 change the power ratio. Waveguide 3
If the light from 0 and 31 is detected and a differential signal 34 is obtained, a differential interference signal can be obtained. In FIG. 2, actuation signal 34 and XY
A control unit and a monitor for forming an image based on a signal from the two-dimensional scanning unit 27 are omitted because they are equivalent to the configuration of the first embodiment shown in FIG.
【0025】ところで、上述した各実施例は、いずれも
対物レンズを照明光学系と集光光学系とに共用するもの
で、所謂落射照明型の顕微鏡を構成しているが、本発明
においては、図2に示した第2実施例の如き構成を除い
て、被検物体の一方の側に照明光学系を、他方の側に集
光光学系を配置した所謂透過型顕微鏡としても構成し得
ることはいうまでもない。In each of the embodiments described above, the objective lens is used in common for the illumination optical system and the condensing optical system, and constitutes a so-called epi-illumination type microscope. Except for the configuration of the second embodiment shown in FIG. 2, the illumination optical system can be configured as a so-called transmission microscope in which an illumination optical system is arranged on one side of the test object and a condensing optical system is arranged on the other side. Needless to say.
【0026】また、上記の各実施例ではレーザ光源及び
光検出器は導波路デバイスに対して外付けとなっている
が、シリコン基板を用いれば、光検出器を導波路デバイ
スと同一基板上に構成することができ、またガリウム砒
素などの化合物半導体基板を用いればレーザ光源と光検
出器との両方を導波路と同一基板上にモノリシックに集
積でき、装置の小型・軽量・調整きの省力化はさらに進
めることができる。そして、ダブルモード導波路は近接
して配置された2本のシングルモード導波路で代用する
ことができる。さらに、2本のシングルモード導波路を
通過する光強度を検出する光検出素子からの作動信号に
対して、適当な処理を加えることにより種々のコントラ
ストをもつ画像が得られることは云うまでもない。In each of the above embodiments, the laser light source and the photodetector are external to the waveguide device. However, if a silicon substrate is used, the photodetector can be mounted on the same substrate as the waveguide device. If a compound semiconductor substrate such as gallium arsenide is used, both the laser light source and the photodetector can be monolithically integrated on the same substrate as the waveguide, thus reducing the size, weight, and adjustment of the device. Can go further. In addition, the double mode waveguide can be replaced by two single mode waveguides arranged close to each other. Further, it is needless to say that an image having various contrasts can be obtained by applying an appropriate processing to the operation signal from the light detecting element for detecting the light intensity passing through the two single mode waveguides. .
【0027】[0027]
【発明の効果】以上のように本発明によれば、特別な対
物レンズもノマルスキープリズムや波長板等の格別の光
学素子も必要なく、導波路を用いた新しい原理に基づい
て小型で簡単な構成からなるコンフォーカル・レーザ走
査微分干渉顕微鏡を提供することができる。また、特に
図2に示した第2実施例の構成では、従来難しかったレ
ーザ光源と受光側ピンホールの位置合わせが不要となる
という利点も有している。そして、基板の電気光学効果
を利用してダブルモード領域の完全結合長Lcを変えるこ
とで物体の位相変調部分と強度変調部分とを独立にとり
出し、それらの微分像をみることができる。この位相情
報・強度情報の分離は、本発明による顕微鏡の本質的な
特徴と有用性を示すものである。As described above, according to the present invention, there is no need for a special objective lens or a special optical element such as a Nomarski prism or a wave plate, and a small and simple structure based on a new principle using a waveguide. And a confocal laser scanning differential interference microscope comprising: Further, in particular, the configuration of the second embodiment shown in FIG. 2 has an advantage that alignment of the laser light source and the light receiving side pinhole, which has been difficult in the related art, becomes unnecessary. Then, by changing the complete coupling length Lc of the double mode region using the electro-optic effect of the substrate, the phase modulation portion and the intensity modulation portion of the object can be independently taken out, and their differential images can be seen. This separation of phase information and intensity information shows the essential features and usefulness of the microscope according to the present invention.
【図1】第1実施例の概略構成図。FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a first embodiment.
【図2】第2実施例の概略構成図。FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a second embodiment.
1,21,41 レーザ光源 7,25,51,61 ダブルモード導波路 9,10,31,32,33,52,53,62,63 シングルモード導波路 11,12,21,32,33,54,55,64,65 光検出器 17,35 電極 1,21,41 Laser light source 7,25,51,61 Double mode waveguide 9,10,31,32,33,52,53,62,63 Single mode waveguide 11,12,21,32,33,54 , 55,64,65 Photodetector 17,35 electrodes
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−208913(JP,A) 特開 平2−44554(JP,A) 特開 平2−91831(JP,A) 特開 昭61−288102(JP,A) 特開 平2−68738(JP,A) 特開 平2−267513(JP,A) 特開 平3−78720(JP,A) 特開 平3−278009(JP,A) 特開 平4−209339(JP,A) 特開 平4−252444(JP,A) OPTICS COMMUNICAT IONS,VOL.85(1991),P. 177−182 レーザ顕微鏡研究会講演会論文集,7 th(1991年5月10日),p.18−23 光学,Vol.24(12)(1995), p.729−730 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G02B 21/00 G02B 21/06 - 21/36 G01B 11/00 - 11/30 G11B 7/12 - 7/22 Continuation of the front page (56) References JP-A-4-208913 (JP, A) JP-A-2-44554 (JP, A) JP-A-2-91831 (JP, A) JP-A-61-288102 (JP, A) JP-A-2-68738 (JP, A) JP-A-2-267513 (JP, A) JP-A-3-78720 (JP, A) JP-A-3-278009 (JP, A) 4-209339 (JP, A) JP-A-4-252444 (JP, A) OPTICS COMMUNICAT IONS, VOL. 85 (1991), P. 177-182, Proceedings of the Conference on Laser Microscopy, 7th (May 10, 1991), p. 18-23 Optics, Vol. 24 (12) (1995), p. 729-730 (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) G02B 21/00 G02B 21/06-21/36 G01B 11/00-11/30 G11B 7 /12-7/22
Claims (14)
に入射する光に応じて偶モード及び奇モードのいずれか
一方または両方を励振するダブルモードチャネル導波路
領域と、 前記ダブルモードチャネル導波路領域を2つのチャネル
導波路に分岐させる導波路分岐領域と、 前記2本のチャネル導波路を伝搬する光を各々検出する
検出素子と、 前記ダブルモードチャネル導波路領域内における偶−奇
モードの完全結合長を変化させる手段とを有し、 該各々の検出素子による検出信号によって前記光の情報
を検出することを特徴とする光導波路デバイス。A double mode channel waveguide region having an incident end face for receiving light and exciting one or both of an even mode and an odd mode in accordance with the light incident on the incident end face; A waveguide branch region for branching the channel waveguide region into two channel waveguides; a detection element for detecting light propagating through the two channel waveguides; and an even-odd in the double mode channel waveguide region Means for changing a complete coupling length of a mode, wherein the optical information is detected by a detection signal from each of the detection elements.
ポットを形成する照明光学系と、 該被検物体からの光束を検出面上に集光する集光光学系
と、 前記検出面上に入射端面を有し、該入射端面に入射する
光に応じて偶モード及び奇モードのいずれか一方または
両方を励振するダブルモードチャネル導波路領域と、 前記ダブルモードチャネル導波路領域を3つのチャネル
導波路に分岐させる導波路分岐領域と、 前記3本のチャネル導波路のうち外側の2本のチャネル
導波路を伝搬する光を各々検出する検出素子と、 前記ダブルモードチャネル導波路領域の内における偶−
奇モードの完全結合長を変化させる手段とを有し、 前記レーザ光源からの光束は前記3本のチャネル導波路
のうち中央のチャネル導波路に導かれた後、前記ダブル
モードチャネル導波路領域の前記入射端面より射出し、
前記対物レンズを介して前記被検物体上に導かれる構成
とし、 前記各々の検出素子による検出信号によって前記被検物
体の情報を検出することを特徴とする光導波路デバイ
ス。2. A laser light source; an illumination optical system for condensing a light beam from the laser light source to form a light spot on a test object; and condensing a light beam from the test object on a detection surface. A condensing optical system, a double mode channel waveguide region having an incident end face on the detection surface, and exciting one or both of the even mode and the odd mode according to light incident on the incident end face; A waveguide branch region for branching the double mode channel waveguide region into three channel waveguides; a detection element for detecting light propagating through two outer channel waveguides among the three channel waveguides; Even- in the double mode channel waveguide region
Means for changing a complete coupling length of an odd mode, wherein a light beam from the laser light source is guided to a central channel waveguide among the three channel waveguides, Emitted from the incident end face,
An optical waveguide device, wherein the optical waveguide device is configured to be guided onto the test object via the objective lens, and detects information on the test object by a detection signal from each of the detection elements.
ドチャネル導波路であることを特徴とする請求項2に記
載の光導波路デバイス。3. The optical waveguide device according to claim 2, wherein said central channel waveguide is a single mode channel waveguide.
ダブルモードチャネル導波路の中心線とが一致している
ことを特徴とする請求項2または3に記載の光導波路デ
バイス。4. The optical waveguide device according to claim 2, wherein a center line of the central channel waveguide coincides with a center line of the double mode channel waveguide.
さをLとし、該ダブルモードチャネル導波路領域内に於
ける偶−奇モードの完全結合長をLcとするとき、前記完
全結合長を変化させる手段によって該偶−奇モードの完
全結合長LcをLc1とLc2 に変化させ、該ダブルモードチ
ャネル導波路領域の長さLに対して L≒mLc1 (m=1,2,…) L≒Lc2(2m+1)/2 (m=0,1,2,…) が成立する構成としたことを特徴とする請求項1,2,
3または4に記載の光導波路デバイス。5. When the length of the double mode channel waveguide region is L and the full coupling length of the even-odd mode in the double mode channel waveguide region is Lc, the perfect coupling length is changed. the even by means of - the complete coupling length Lc of the odd mode is changed to Lc 1 and Lc 2, L ≒ mLc 1 ( m = 1,2, ...) to the length L of the double mode channel waveguide region 3. The structure according to claim 1, wherein L ≒ Lc 2 (2m + 1) / 2 (m = 0, 1, 2,...).
5. The optical waveguide device according to 3 or 4.
板表面上に設けられた電極であることを特徴とする請求
項1,2,3,4または5に記載の光導波路デバイス。6. The optical waveguide device according to claim 1, wherein the means for changing the complete coupling length is an electrode provided on the substrate surface.
ットを形成する照明光学系と、 該被検物体からの光束を検出面上に集光する集光光学系
と、 該検出面上に集光された光束を検出する光検出手段と、 該被検物体に対して前記光スポットを相対的に移動させ
るための走査手段とを有し、 前記光検出手段は前記検出面上に入射端面を有し、該入
射端面に入射する光に応じて偶モード及び奇モードのい
ずれか一方または両方を励振するダブルモードチャネル
導波路領域と、該ダブルモードチャネル導波路領域を2
本のチャネル導波路に分岐させる導波路分岐領域と、 前記分岐された2本のチャネル導波路を伝搬する光を各
々検出する検出素子と、前記ダブルモードチャネル導波
路領域内における偶−奇モードの完全結合長を変化させ
る手段とを有し、 該各々の検出素子による検出信号によって被検物体の情
報を得ることを特徴とするコンフォーカルレーザ走査微
分干渉顕微鏡。7. A laser light source, an illumination optical system for converging a light beam from the laser light source to form a light spot on a test object, and condensing a light beam from the test object on a detection surface. A light-collecting optical system, light-detecting means for detecting a light beam condensed on the detection surface, and scanning means for relatively moving the light spot with respect to the test object; A light detection unit having an incident end face on the detection surface, a double mode channel waveguide region for exciting one or both of an even mode and an odd mode in accordance with light incident on the incident end face; 2 channel waveguide regions
A waveguide branch region for branching into two channel waveguides; a detection element for detecting light propagating through the two branched channel waveguides; and an even-odd mode in the double mode channel waveguide region. A confocal laser scanning differential interference microscope having means for changing a complete coupling length, wherein information on a test object is obtained by a detection signal from each of the detection elements.
ットを形成する照明光学系と、 該被検物体からの光束を検出面上に集光する集光光学系
と、 該検出面上に集光された光束を検出する光検出手段と、 該被検物体に対して前記光スポットを相対的に移動させ
るための走査手段とを有し、 前記照明光学系と集光光学系とは同一の対物レンズを共
用し、 前記光検出手段は前記検出面上に入射端面を有し、該入
射端面に入射する光に応じて偶モード及び奇モードのい
ずれか一方または両方を励振するダブルモードチャネル
導波路領域と、 該ダブルモードチャネル導波路領域を3本のチャネル導
波路に分岐させる導波路分岐領域と、 前記ダブルモードチャネル導波路領域内における偶−奇
モードの完全結合長を変化させる手段と、を有し、 前記レーザ光源からの光束は前記3本のチャネル導波路
のうち中央のチャネル導波路に導かれた後、前記ダブル
モードチャネル導波路領域の前記入射端面より射出し、
前記対物レンズを介して前記被検物体上に導かれる構成
とし、さらに前記光検出手段は前記3本のチャネル導波
路の内の外側の2本のチャネル導波路を伝搬する光を各
々検出する検出素子を有する構成とし、 該検出素子の検出信号によって被検物体の情報を得るこ
とを特徴とするコンフォーカルレーザ走査微分干渉顕微
鏡。8. A laser light source; an illumination optical system for converging a light beam from the laser light source to form a light spot on a test object; and condensing a light beam from the test object on a detection surface. A light-collecting optical system, light-detecting means for detecting a light beam condensed on the detection surface, and scanning means for relatively moving the light spot with respect to the test object; The illumination optical system and the condensing optical system share the same objective lens, and the light detection means has an incident end surface on the detection surface, and performs even mode and odd mode according to light incident on the incident end surface. A double mode channel waveguide region that excites one or both of them; a waveguide branch region that branches the double mode channel waveguide region into three channel waveguides; Change the perfect coupling length of the odd mode Has a means for the light beam from the laser light source after being guided to the center of the channel waveguide of the three channel waveguides, and exits from the incident end face of the double-mode channel waveguide region,
The light guide is configured to be guided onto the object to be inspected via the objective lens, and the light detecting means detects light propagating through two outer channel waveguides among the three channel waveguides. A confocal laser scanning differential interference microscope having a configuration having an element, wherein information on an object to be inspected is obtained by a detection signal of the detection element.
ャネル導波路はシングルモードチャネル導波路であるこ
とを特徴とする請求項8に記載のコンフォーカルレーザ
走査微分干渉顕微鏡。9. The confocal laser scanning differential interference microscope according to claim 8, wherein a center channel waveguide among the three channel waveguides is a single mode channel waveguide.
記ダブルモードチャネル導波路の中心線とが一致してい
ることを特徴とする請求項8または9に記載のコンフォ
ーカルレーザ走査微分干渉顕微鏡。10. The confocal laser scanning differential interference microscope according to claim 8, wherein a center line of the central channel waveguide coincides with a center line of the double mode channel waveguide. .
長さをLとし、該ダブルモードチャネル導波路領域内に
於ける偶−奇モードの完全結合長をLcとするとき、前記
完全結合長を変化させる手段によって該偶−奇モードの
完全結合長LcをLc1とLc2 に変化させ、該ダブルモード
チャネル導波路領域の長さLに対して L≒mLc1 (m=1,2,…) L≒Lc2(2m+1)/2 (m=0,1,2,…) が成立する構成としたことを特徴とする請求項7,8,
9または10に記載のコンフォーカルレーザ走査微分干
渉顕微鏡。11. When the length of the double mode channel waveguide region is L and the full coupling length of the even-odd mode in the double mode channel waveguide region is Lc, the perfect coupling length is changed. the even by means of - the complete coupling length Lc of the odd mode is changed to Lc 1 and Lc 2, L ≒ mLc 1 ( m = 1,2, ...) to the length L of the double mode channel waveguide region 9. The structure according to claim 7, wherein L ≒ Lc 2 (2m + 1) / 2 (m = 0, 1, 2,...).
The confocal laser scanning differential interference microscope according to 9 or 10.
基板表面上に設けられた電極であることを特徴とする請
求項7,8,9,10,11または12に記載のコンフ
ォーカルレーザ走査微分干渉顕微鏡。12. A confocal laser scanning device according to claim 7, wherein said means for changing the complete coupling length is an electrode provided on said substrate surface. Differential interference microscope.
面に入射する光に応じて偶モード及び奇モードのいずれ
か一方または両方を励振するダブルモードチャネル導波
路領域に光を入射させ、前記ダブルモードチャネル導波
路領域の完全結合長を所望の値に変化させ、前記ダブル
モードチャネル導波路領域の幅方向の強度分布から該完
全結合長の所望の値に応じた前記光の情報を検出する方
法。13. A double mode channel waveguide region having an incident end face for receiving light and exciting one or both of an even mode and an odd mode in accordance with the light incident on the incident end face. Changing the complete coupling length of the double mode channel waveguide region to a desired value, and obtaining the light information according to the desired value of the complete coupling length from the intensity distribution in the width direction of the double mode channel waveguide region. How to detect.
する光を2本のチャネル導波路に分岐させて検出するこ
とにより、前記ダブルモードチャネル導波路領域の幅方
向の強度分布を検出することを特徴とする請求項13に
記載の方法。14. A light intensity propagating in a width direction of the double mode channel waveguide region is detected by splitting light propagating in the double mode channel waveguide into two channel waveguides and detecting the light. The method according to claim 13, wherein:
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---|---|---|---|
JP3063107A JP3018538B2 (en) | 1991-03-27 | 1991-03-27 | Optical waveguide device, confocal laser scanning differential interference microscope using the same, and information detection method |
EP19910311256 EP0489580B1 (en) | 1990-12-03 | 1991-12-03 | Confocal laser scanning differential interference contrast microscope |
DE69117455T DE69117455T2 (en) | 1990-12-03 | 1991-12-03 | Confocal laser scanning microscope with contrast by difference from interference signals |
US08/364,709 US5581345A (en) | 1990-12-03 | 1994-12-28 | Confocal laser scanning mode interference contrast microscope, and method of measuring minute step height and apparatus with said microscope |
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---|---|---|---|
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JPH04296810A JPH04296810A (en) | 1992-10-21 |
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Family Applications (1)
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Families Citing this family (2)
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US5617500A (en) * | 1994-05-20 | 1997-04-01 | Nikon Corporation | System for detecting an optical information and scanning microscope system |
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1991
- 1991-03-27 JP JP3063107A patent/JP3018538B2/en not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (3)
Title |
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OPTICS COMMUNICATIONS,VOL.85(1991),P.177−182 |
レーザ顕微鏡研究会講演会論文集,7th(1991年5月10日),p.18−23 |
光学,Vol.24(12)(1995),p.729−730 |
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