JP2008052177A - 共焦点光学系 - Google Patents

Abstract

【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】本発明では、半導体レーザ１のレーザ光は、ピンホール３を通過するように集光レンズ２で集光される。ピンホール３から出たレーザ光は広がりながら、X、Y、Z方向走査用液晶ゾーンプレート５を通過した後、対物レンズ６に入射する。対物レンズ２から出射する光は３次元的に試料表面を走査される。レーザ光は、同一光学系を通ってビームスプリッタ４で９０度に反射して、ピンホール８に集光され、光センサ９に入る。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９を通過することになるので、XYZ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１

Description

本発明は、共焦点の光学系に関するもので、例えばレーザ顕微鏡、全焦点カメラ、3次元計測装置、段差計測器、マシンビジョン及びロボットビジョン用のカメラに適用できる。

従来よりレーザ顕微鏡などの光学装置は、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（例えば、特許文献１）。一般的な構成としては、レーザ光源からの出射光はレンズにより集光され、光路を光軸に対して直交する２次元方向に変化させる光学素子を介してハーフミラーに入射される。入射光はハーフミラーで反射され、対物レンズにより被測定物に照射される。被測定物からの反射光（被測定光）は、対物レンズで集光されてハーフミラーを透過し、光検出器に入射される。これにより、光検出器で被測定物の像が捕らえられる。

しかしながら、上記従来技術に示すレーザ顕微鏡では、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あった。
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。

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（特許文献２）や、電気光学効果を利用して光学系の焦点位置を電気的に変化させる焦点位置変化手段を共焦点光学系と別に設けたものもある（特許文献３）。

特開平5-257064号公報 特開平10-293255号公報 特開平9-96512号公報

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。また、特許文献３は、共焦点光学系とは別に焦点位置変化手段が必要となり、装置が重量化するなどの欠点がある。
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、装置の重量化を生じることなく課題解決をすることを目的とする。

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、光学系が、少なくとも照射系のピンホールから出た光を結像する結像レンズ、結像したコリメート光を試料に照射する対物レンズ、試料からの反射／散乱光を前記対物レンズ、結像レンズを通過した後、検出系のピンホールに通過させるビームスプリッタからなり、前記結像レンズがフレネルゾーンプレートであることを特徴とする。
ここで、フレネルゾーンプレートが、液晶レンズ、MEMS（Micro Electro Mechanical System）によって形成してなることが好ましい。
フレネルゾーンプレートとは、黒白の同心円模様または直線帯状の縞模様によって、回折という現象をつかって光を集め結像するものをいう。液晶を用いれば、フレネルゾーンプレートというレンズの役割をする同心円パターンを高速でレンズを移動させることと同様のことを行うことができる。
ゾーンプレートについて、さらに説明すると、レーザ等の光源の光波長をλとし、輪帯とよばれる、同心円の半径R１には、ｆ∝R1＊R1/λという関係がある。したがって、この円の中心が動けば、レンズが移動したことと同じ効果がうまれ、XとY方向に光軸を走査できる。また、輪帯の半径が動くように変化させると、ｆすなわち、Z軸走査をする距離に対応する焦点距離が変化し、Z軸方向の走査が可能となり、例えば３次元計測装置が格段に軽量化できる。
また、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、共焦点光学系内に液晶空間変調素子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。

なお、液晶レンズは、ドットマトリックスのような液晶空間変調素子が好ましいが、例えばあらかじめ製作したフレネルゾーンプレートパターンを液晶の電気光学屈折効果を利用することで、パターン位置を光学的に変化させるものでもよい。
MEMS（Micro Electro Mechanical System）とは、半導体の微細加工技術を駆使して作製された微小な部品から構成される電気機械システムである。

本発明における液晶空間変調素子は、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。更に液晶は、他の電気光学結晶と比較して、低電圧で大きな光学定数変化が得られるので、駆動回路が簡単でしかも低コストでできる。
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。

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全焦点カメラ、精密3次元計測装置、画像認識用３Dカメラ、精密サブミクロン段差計測器、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。特にレーザを使用してシャープなモノクロ像がとれるといった意味からロボットの画像認識上都合のよい像がとれるという意味から、マシンビジョンやロボットビジョン用のカメラとして使える。

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にとりつけて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。
また、全焦点なので、オートフォーカス等の従来のわずらわしい機構が不要で、撮影に時間を要しない。また、フラットパネルディスプレー等の大面積ワーク等の検査において、画像連結によってパノラマ像をつくるときに、高さ情報があるため、従来のように、張り合わせると高さが違うためにつぎはぎ像になることはなく、精度よく画像をはりあわせることが可能になる。
また、共焦点原理は、フォーカス以外の背景は除去してしまう原理なので、画像処理によって、ピンぼけ像を除外する等の計測誤差に影響していたあいまいなソフト処理は不要になる。
またアクティブカメラなので、画像処理カメラの外付け照明が不要になる。そのため、被写体や環境によって、生じる影によって画像計測誤差が生じた従来の問題は解決される。これは、3次元コードなので生体や人工の認証コードを読み取るコードリーダにもなる。 また、この光学系を利用すれば、撮影のみならず、光造形や、細胞膜の開閉によって遺伝子を導入する道具や、異型細胞を検出し除去する道具として使用することも可能である。

さらに、XとYとZ方向の走査を一度に行うことができ、しかも結像レンズの機能も備えることで光学系が非常にシンプルとなって、小型化が可能となる。

本発明の実施例を図１に示す。図１は3次元計測用の共焦点光学系の概略図で、１はレーザ光源（半導体レーザ）であり、レーザ光源１からの出射光は集光レンズ２により集光され、ピンホール３を通過後、ビームスプリッタ４に入射する。ビームスプリッタ４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、透過方向には、X、Y、Z方向走査用液晶ゾーンプレート５、対物レンズ６、X,Y,Z方向走査面（試料位置）７がある。
半導体レーザ１のレーザ光は、ピンホール３を通過するように集光レンズ２で集光される。ピンホール３から出たレーザ光は広がりながら、X、Y、Z方向走査用液晶ゾーンプレート５を通過した後、対物レンズ６に入射する。対物レンズ６から出射する光は３次元的に試料表面を走査される。レーザ光は、同一光学系を通ってビームスプリッタ４で９０度に反射して、ピンホール８に集光され、光センサ９に入る。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９を通過することになるので、XYZ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。

本発明は、X、Y、Zスキャナとして、X,Y,Z方向走査用液晶ゾーンプレート５を設けた点に特徴がある。液晶マトリクスパネルにゾーンプレートに相当するパターンを液晶によって表示させて、そのゾーンプレートの形状（具体的には同心円の直径）を変化させることで、焦点位置を電気的にコントロールできるとともにそのゾーンプレートに相当するパターンをXとY方向に移動させるような表示をすることで、あたかもレンズがXとY方向に移動させたのと同じ効果が得られる。
それによって、XとYとZ方向の走査を一度に行うことができ、しかも結像レンズの機能も備えることで光学系が非常にシンプルとなって、小型化が可能となる。またレーザ光を用いれば、レーザの照射範囲は対物レンズの瞳径の大きさがあればいいので、空間変調素子は約２０ｍｍ角程度の大きさで充分で、従来にはない小型共焦点撮影装置が実現できる。特に高速スキャンをする場合は強誘電性液晶（FLCやSSFLC）などを用いることが望ましい。

図２は、図１で使用するX,Y,Z方向走査用液晶ゾーンプレート５の原理について説明をする。X,Y,Z方向走査用液晶ゾーンプレート５は、液晶ドットマトリクスパネルで、同心円状の多数の透明電極が形成されており、液晶駆動IC２２により電圧を印加する電極を選択する。なお、２１はフレキシブルプリント基板、２３はコネクタ端子であり、コネクタ端子２３には図示しない直流電源が接続される。
光の通過するところが白で、通らないところを黒で表示しており、光の干渉をおさえたり、強め合ったりすることで、光の利用率を高める工夫が可能である。それによって同心円数を決める。レーザ等の光源の光波長をλとし、輪帯とよばれる、同心円の半径R１には、ｆ∝R1＊R1/λという関係があるため、これに基いて設計をする。
したがって、この円の中心が動けば、レンズが移動したことと同じ効果がうまれ、XとY方向に光軸を走査できる。また、輪帯の半径が動くようにグラフィック表示を変化させると、ｆすなわち、焦点距離が変化し、たとえば対物レンズから出射されたレーザスポットの結像位置を光軸に並行に移動させることができる。したがって、材料としては、そのグラフィック表示を高速で実現できる強誘電性液晶がもっとも理想的である。
ドットマトリクスのサイズは、０．２×０．２ｍｍ程度がのぞましく。それ以下なら尚いい。ドット数は１２８×１２８以上が望ましい。

また、X,Y,Z方向走査用液晶ゾーンプレート５は、図３に示すように回折現象を使って、帯を時系列に変化させることで、ゾーンの中心を移動させて、XあるいはY方向の光軸走査が可能である。図３（ｂ）は、図２とは、液晶表示されたゾーンプレート３４’だけが異なり、それ以外は同じ構成要素である。ゾーンプレート３４’の表示は、図３（ａ）のようにバーコードのようなものなので、動画で表現できる表示デバイアスなら液晶表示パネルに限定はされない。ドットマトリクスのサイズは、０．２×０．２ｍｍ程度がのぞましく。それ以下なら尚いい。ドット数は１２８×１２８以上が望ましい。

図４は、図１のZ方向の走査に用いる構造と原理を示しているとともに、もう一つ特徴があり、図２や図３の別方法でもある。
図２や図３は、液晶ドットマトリクスによって、ゾーンプレートを表現したが、走査する解像度はこの液晶のマトリクスのドットサイズによって制限されているため、分解能に限界がある。分解能を向上させることを目的としてゾーンプレートを連続的に変化させた方法について述べる。
すなわち、電極パターンをあらかじめ透明電極で印刷作製し、そこに印加する電圧を変化させて電位勾配を連続的に変化させて、白と黒の輪帯の幅を可変し、焦点距離や光軸を変化させる方法を示す。
また、この方法が空間変調素子（ドットマトリクス）を使うより、高速応答特性を有している。すなわち、高解像で高速応答でX、Y、Zを走査することを実現する方法である。この方法は、屈折率の分布を使うものではない。したがって、用いる液晶は、応答電圧特性が急峻なもの、すなわち閾値電圧以上ではON、以下ではOFFという白か黒かの2値化特性を持つものが望ましい。しかし、用いる電極には、電界を連続的に可変させるために高抵抗電極を用いる方が望ましい。

図４は焦点制御方法を模式的に示しており、液晶に加える電界を同様に時間経過とともに変化させることで、輪帯とよばれる輪の半径が液晶の配列がかわることで変化し、その結果、焦点距離移動が生ずる。 液晶フレネルゾーンプレートは、Z軸のフォーカス位置を制御するために用いる。フレネルゾーンプレートは、輪帯とよばれる直径によって、焦点の距離が、プラス側（凸）マイナス側（凹）に変化する特性をもっている。たとえば、図４（ａ）のように液晶層１２３を下電極１２１と上部電極１２２で挟み、下電極をCOM（アース）、上部電極１２２を図４（ｂ）のように構成し、高抵抗透明電極１１３、低抵抗透明電極１１４を設置するとV1とV2の電圧間において直線的に電圧値が傾斜することがわかっている。
電圧特性が急峻な応答特性を持つ液晶を利用すると、応答する閾値以上の部分で液晶の配列が一様に変化するところが、図２で示した不均一分布を形成させる方法と違う点である。すなわち、それ以上の電圧がかかると液晶は、黒く反転するようにセットする。V２をV２´にまで変化させると（図４（ｃ）→（ｄ））、液晶固有の閾値特性が一定であれば、輪帯が連続的に変化する。これによって焦点位置も連続的にかえることができる。これは円形のゾーンプレートのみではなく図３で示した平行のゾーンプレートにも応用可能である。すなわち、1度の液晶の立ち上がり応答によって、フォーカスが設定された境界条件から境界条件まで高速で連続的に変化させることができ超高速焦点距離制御素子が可能である。
この閾値電圧によって焦点距離が精密に制御できることで、対物レンズより出射されたレーザビームの焦点位置が正確に計算でき、それによって、試料の高さが計測することができる。

本発明の一実施例図 液晶マトリクスパネルの原理図 液晶ゾーンプレートの変形実施例図 焦点制御方法を模式的に示した図

符号の説明

１：レーザ光源
２：集光レンズ
５：X、Y、Z方向走査用液晶ゾーンプレート
６：対物レンズ
７：X,Y,Z方向走査面（試料位置）７がある。

Claims (4)

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、光学系が、少なくとも照射系のピンホールから出た光を結像する結像レンズ、結像したコリメート光を試料に照射する対物レンズ、試料からの反射／散乱光を前記対物レンズ、結像レンズを通過した後、検出系のピンホールに通過させるビームスプリッタからなり、前記結像レンズがフレネルゾーンプレートであることを特徴とする共焦点光学系。
2. フレネルゾーンプレートが、液晶レンズ、MEMSによって構成してなることを特徴とする共焦点光学系。
3. 請求項１乃至２記載の共焦点光学系を使用した光学装置。
4. 光学装置が、レーザ顕微鏡、全焦点カメラ、3次元計測装置、段差計測器、マシンビジョン及びロボットビジョン用のカメラのいずれかである請求項３記載の光学装置。

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