JP2009258191A - 走査型レーザ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】高Ｓ／Ｎ比と高解像力とのどちらの要求にも応えることのできる走査型レーザ顕微鏡を提供する。
【解決手段】受光系１８０は、二次元走査させながら測定サンプル１０の表面に照射したときに該表面で反射して対物レンズ１５０及び共焦点絞り１７０を通過して到来するレーザ光を受光して、その光量の情報を出力する。この受光系１８０の増幅部１８２は、受光系１８０が該レーザ光を受光してから該レーザ光の光量の情報を出力するまでの応答速度を決定する受光系１８０の帯域幅を変更する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、顕微鏡の技術に関し、特に、走査型レーザ顕微鏡の技術に関する。

三次元形状を非接触で測定する装置として走査型レーザ顕微鏡が知られている。この装置は、対物レンズで１点に集光したレーザ光で被検物の表面を高速に２次元走査し、その反射光を、対物レンズの焦点位置に対し光学的に共役な位置に配置した共焦点絞りを介して、受光する。共焦点絞りをこの位置に配置すると、受光される反射光が、当該表面において対物レンズの焦点に合った部分についてのもののみとなるので、この受光した反射光を映像化することで、この合焦部分のみを観察できるようになる。

この原理を利用し、当該反射光の画像（輝度画像）を構成する各画素の輝度値が極大となるときの対物レンズと被検物との相対距離Ｚの値を画素毎に求めることで、被検物の表面全体の高さ形状計測を行うことができる。また、このときの各画素の極大輝度値で画像を形成すると、被検物の表面が全体に亘り合焦している全焦点画像を得ることもできる。

ところで、走査型レーザ顕微鏡は、ある瞬間において被検物上の１点を照明し、その１点からの反射光を受光素子により取得する。通常の走査型レーザ顕微鏡では、例えば１枚の画像サイズに相当する１０２４×１０２４ピクセルの各画素のデータを、毎秒数枚〜数十枚分取得する。従って、例えば１０２４×１０２４＝１Ｍピクセルを毎秒５枚取得する場合には、受光素子は１Ｍポイント×５枚、つまり毎秒５Ｍポイントものデータサンプリングを行う必要がある。また、このような高速のデータを伝送するために、走査型レーザ顕微鏡の受光系には数Ｍ〜数十ＭＨｚ程度の周波数帯域幅（以下では「センサ帯域幅」と称することとする）に相当する応答速度が要求される。このセンサ帯域幅の確保が十分でない場合には、得られる画像のコントラストが低下してしまう。つまり、受光素子でのサンプリング速度に対して受光系の応答が追いつかない場合には、画像におけるＸＹ方向（前述した相対距離Ｚの方向に直交する平面上の方向）の解像力が劣化する。

一方、前述した高さ形状計測において、検出精度を高めるには、受光系のＳ／Ｎ比（信号対雑音比）を高めることが要求される。このためには、前述したセンサ帯域幅は狭くする方が好ましい。すなわち、センサ帯域幅を狭くすると、受光系のＳ／Ｎ比は良くなり、高さ測定精度は向上する。

このように、受光系のＳ／Ｎ比は解像力とトレードオフの関係にある。つまり、センサ帯域幅を広くすると、ＸＹ方向の解像力は劣化しないが、ランダムノイズの高周波成分を制限することができないため、Ｓ／Ｎ比は低下する。逆に、センサ帯域幅を狭くすると、Ｓ／Ｎ比は高くなり、高さ測定精度は向上するが、ＸＹ方向の解像力は劣化する。

このＳ／Ｎ比と解像力とを両立させるために、解像力を劣化させない程度に十分なセンサ帯域幅を確保する一方で、このセンサ帯域幅の下で異なる時刻に得た複数の輝度画像を積算することでＳ／Ｎ比を向上させる手法が、一般に行われている。

また、例えば特許文献１には、共焦点絞りの径を可変にし、微弱光のような光量の小さい光を検出する際には、共焦点絞り径を大きくして受光する光量を増やすことで受光系のＳ／Ｎ比を向上させる一方で、光量が大きい場合には、共焦点絞り径を小さくして解像力を確保するという技術が開示されている。
特開２００７−１３３４１９号公報

走査型レーザ顕微鏡の使用目的は、高い解像力を必要とする場合、あるいは、高精度での高さ計測が必要で解像力の劣化は許容できる場合、などのように、その使用場面により様々である。しかし、走査型レーザ顕微鏡の前述したセンサ帯域幅を、解像力とＳ／Ｎ比のバランスを見て製品設計時に決定したまま不変のものとしている現状では、上述したどちらの使用目的においても不満が残ることがあり得る。

ここで、前述したように、輝度画像を積算することでＳ／Ｎ比を向上させる手法は、複数の輝度画像を取得する作業に時間が費やされてしまう。
また、特許文献１に開示されている、共焦点絞りの径を可変にする技術は、直径が通常は数十〜数百マイクロメートル程度である共焦点絞りの径を高精度に保持するのは難しいため、装置が高価ものとなる。また、共焦点絞り径を大きくした場合には、受光系に入射する光量が増えてＳ／Ｎ比は向上するが、共焦点光学系のセクショニング効果（高さ方向の分解能）も小さくなるので、高さ検出の総合性能としては、必ずしも向上するとはいえない。

本発明は上述した問題に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、高Ｓ／Ｎ比と高解像力とのどちらの要求にも応えることのできる走査型レーザ顕微鏡を提供することである。

本発明の態様のひとつである走査型レーザ顕微鏡は、二次元走査させながら試料の表面に照射したときに該表面で反射して対物レンズ及び共焦点絞りを通過して到来するレーザ光を受光して、その光量の情報を出力する受光系と、該受光系が該レーザ光を受光してから該レーザ光の光量の情報を出力するまでの応答速度を決定する該受光系の帯域幅を変更する帯域幅変更手段と、を有するというものである。

なお、上述した走査型レーザ顕微鏡において、該走査型レーザ顕微鏡に対し予め複数設定されている動作モードからそのうちのひとつを選択する指示を取得する動作モード選択指示取得手段を更に有し、該帯域幅変更手段は、該動作モード選択指示取得手段が取得した指示に係る動作モードに基づいて該受光系の帯域幅を変更する、ように構成することができる。

また、前述した走査型レーザ顕微鏡において、該受光系は、該レーザ光を受光して該レーザ光の光量に応じた大きさのアナログ電気信号を出力する光電変換素子を備えており、該受光系が出力する該レーザ光の光量の情報は、該アナログ電気信号であり、該帯域幅変更手段は、該アナログ電気信号を増幅する、帯域幅の異なる複数のアナログ信号増幅器と、該アナログ電気信号の増幅に使用するアナログ信号増幅器を切り替える増幅器切替手段と、を備える、ように構成することができる。

また、前述した走査型レーザ顕微鏡において、該受光系は、該レーザ光を受光して該レーザ光の光量に応じた大きさのアナログ電気信号を出力する光電変換素子を備えており、該受光系が出力する該レーザ光の光量の情報は、該アナログ電気信号であり、該帯域幅変更手段は、該アナログ電気信号を増幅するアナログ信号増幅器と、該アナログ信号増幅器の帯域幅を決定している該アナログ信号増幅器の回路定数を変更する回路定数変更手段と、を備える、ように構成することができる。

本発明の別の態様のひとつである走査型レーザ顕微鏡は、二次元走査させながら試料の表面に照射したときに該表面で反射して対物レンズ及び共焦点絞りを通過して到来するレーザ光を受光して、その光量の情報を出力する受光系を複数有しており、該受光系は、該レーザ光を受光してから該レーザ光の光量の情報を出力するまでの応答速度を決定する帯域幅が互いに異なっている、というものである。

なお、上述した走査型レーザ顕微鏡において、該走査型レーザ顕微鏡に対し予め複数設定されている動作モードからそのうちのひとつを選択する指示を取得する動作モード選択指示取得手段と、該動作モード選択指示取得手段が取得した指示に係る動作モードに基づいて、複数の該受光系が各々出力する該レーザ光の光量の情報を選択する光量情報選択手段と、を有するように構成することができる。

本発明によれば、以上のようにすることにより、高Ｓ／Ｎ比と高解像力とのどちらの要求にも応えることのできる走査型レーザ顕微鏡を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
まず図１について説明する。図１は、本発明を実施する走査型レーザ顕微鏡の構成の第一の例を示している。

この走査型レーザ顕微鏡は、レーザ顕微鏡本体１００と、コンピュータ２００と、指示部３００と、表示部４００とを備えて構成されている。
レーザ顕微鏡本体１００は、制御部１１０と、レーザ光源１２０と、ビームスプリッタ１３０と、ＸＹ走査機構１４０と、複数の対物レンズ１５０と、対物レンズ切換え機構１６０と、共焦点絞り１７０と、受光系１８０と、Ｚ走査機構１９０とを備えて構成されている。

制御部１１０は、コンピュータ２００から送られてくる動作指示に従い、レーザ顕微鏡本体１００の各構成要素の制御を行う。
レーザ光源１２０はレーザ光を励起して出力する。レーザ光源１２０から出力されたレーザ光は、ビームスプリッタ（ＢＳ）１３０を透過してＸＹ走査機構１４０を通過した後に光路上の対物レンズ１５０を通過して、試料である測定サンプル１０の表面に照射される。ここで、コンピュータ２００の動作指示に応じて制御部１１０がＸＹ走査機構１４０を制御すると、ＸＹ走査機構１４０が、このレーザ光を、測定サンプル１０の表面上でＸＹ方向（レーザ顕微鏡本体１００の光路上の対物レンズ１５０の光軸に垂直である２方向）に二次元走査させる。

なお、コンピュータ２００の動作指示に応じて制御部１１０が対物レンズ切換え機構１６０を制御することにより、レーザ顕微鏡本体１００の光路上の対物レンズ１５０を切り換えることができる。

測定サンプル１０の表面に照射されたレーザ光は当該表面で反射する。この反射したレーザ光は、光路上の対物レンズ１５０及びＸＹ走査機構１４０を通過した後に、ビームスプリッタ（ＢＳ）１３０で今度は反射して共焦点絞り１７０へと向かう。

共焦点絞り１７０は、その開口部が、対物レンズの焦点位置に対し光学的に共役な位置に配置されている。従って、測定サンプル１０の表面で反射したレーザ光のうち、当該表面における対物レンズ１５０の焦点位置で反射したもののみが、共焦点絞り１７０の開口部を通過して受光系１８０に届く。

受光系１８０は、共焦点絞り１７０を通過して到来したレーザ光を受光して、その光量の情報を輝度情報としてコンピュータ２００へ出力する。受光系１８０は、受光素子１８１と増幅部１８２とを備えて構成されており、その詳細については後述する。

Ｚ走査機構１９０は、コンピュータ２００の動作指示に応じて制御部１１０により制御され、対物レンズ切換え機構１６０をＺ方向（レーザ顕微鏡本体１００の光路上の対物レンズ１５０の光軸の方向）に上下動させて、光路上の対物レンズ１５０と測定サンプル１０との相対距離Ｚを変化させる。

コンピュータ２００は、レーザ顕微鏡本体１００の制御部１１０へ各種の動作指示を与えると共に、受光系１８０から受け取る輝度情報の取得を行う。また、コンピュータ２００は、このようにして得られた輝度情報に基づいた各種の制御処理を行う。例えば、コンピュータ２００は、この輝度情報を、ＸＹ走査機構１４０による二次元走査における走査制御信号に基づいて取得する各画素の輝度値とすることで、測定サンプル１０表面の輝度画像を生成する処理を行う。あるいは、コンピュータ２００は、Ｚ走査機構１９０を制御させて対物レンズ１５０と測定サンプル１０との相対距離Ｚを変化させて、この輝度画像を構成する各画素の輝度値が極大となるときの相対距離Ｚの値を画素毎に求めることで、測定サンプル１０の表面全体の高さ形状の計測処理を行う。また、このときの各画素の極大輝度値を用いて、測定サンプル１０の全焦点画像を生成する処理を行う。

指示部３００は、図１の走査型レーザ顕微鏡の使用者からの各種の動作指示を取得してコンピュータ２００へ通知するものであり、例えば文字キーボード装置やマウス装置である。なお、この動作指示には、図１の走査型レーザ顕微鏡に対し予め複数設定されている動作モードからそのうちのひとつを選択する指示などがある。

表示部４００は、コンピュータ２００により作成される測定サンプル１０の各種画像を表示する。また、走査型レーザ顕微鏡の動作に関する各種の設定用画面などといった、指示部３００が取得する使用者からの各種の指示を識別するためのＧＵＩ画面を、コンピュータ２００による制御の下で表示する。

なお、コンピュータ２００は、ごく標準的な構成のコンピュータ、すなわち、制御プログラムの実行によってコンピュータ２００全体の動作制御を司るＭＰＵ等の演算処理装置と、この演算処理装置が必要に応じてワークメモリとして使用するメインメモリと、各種のプログラムや制御データなどを記憶して保存しておく例えばハードディスク装置などの記憶装置と、レーザ顕微鏡本体１００、指示部３００、及び表示部４００との間で行われる各種のデータの授受を管理するインタフェース部と、を有しているコンピュータ、を利用することができる。

なお、コンピュータ２００が行う前述した処理は、これらの処理をコンピュータ２００に行わせるための制御プログラムを予め作成しておいて記憶装置に格納しておくようにする。コンピュータ２００は、指示部３００が取得した所定の指示に応じて演算処理装置が当該制御プログラムを記憶装置から読み出して実行すると、前述した処理を行えるようになる。

次に図２について説明する。図２は、図１に示した受光系１８０の詳細構成を示している。受光系１８０は、前述したように、受光素子１８１と増幅部１８２とを備えて構成されている。

受光素子１８１は、共焦点絞り１７０を通過して到来したレーザ光を受光して、そのレーザ光の光量に応じた大きさのアナログ電気信号を出力する光電変換素子であり、例えばＰＭＴ（フォトマルチプライヤ）である。なお、受光素子１８１としてＰＭＴを用いる代わりに、ＰＤ（フォトダイオード）やＡＰＤ（アバランシェフォトダイオード）などを使用してもよい。

増幅部１８２は、Ｉ−Ｖ変換部１８３と帯域幅変更部１８４とを備えて構成されている。
Ｉ−Ｖ変換部（電流−電圧変換部）１８３は、受光素子１８１が、レーザ光の受光量に応じた大きさの電流信号（光電流）を出力する場合に、負荷抵抗Ｒ０によってその電流信号を電圧信号に変換するものである。なお、図２において負荷抵抗Ｒ０に並列に接続されている容量Ｃ０は、受光素子１８１自身や受光素子１８１と増幅部１８２との電気配線などに存在する浮遊容量を等価回路として表したものである。このとき、Ｉ−Ｖ変換部１８３の通過帯域幅（以下、単に「帯域幅」と称することとする）ｆ０は下記の［数１］式で表される。

受光素子１８１の出力インピーダンスを無視して考えると、図２の回路から明らかなように、負荷抵抗Ｒ０を大きくするとＩ−Ｖ変換部１８３から出力される信号の電圧は大きくなる。しかし、［数１］式から明らかなように、負荷抵抗Ｒ０を大きくすると、Ｉ−Ｖ変換部１８３の帯域幅ｆ０は狭くなってしまうので、負荷抵抗Ｒ０は、受光系１８０で十分なセンサ帯域幅を確保できる値に設定しておき、固定値とする。

帯域幅変更部１８４は増幅器１８５を備えており、Ｉ−Ｖ変換部１８３から出力される電圧信号を増幅して出力信号とする。この出力信号は、受光系１８０が受光したレーザ光の光量の情報（輝度情報）として、コンピュータ２００に送られる。コンピュータ２００では、インタフェース部に備えられているＡ／Ｄ変換部（不図示）により、この輝度情報の電圧値をデジタルデータに変換して利用する。

また、帯域幅変更部１８４は、帯域幅が可変であるローパスフィルタを備えており、この帯域幅を変化させることで、受光系１８０の帯域幅の変更を行う。この受光系１８０の帯域幅は、レーザ光を受光してからその受光量の情報を出力するまでの受光系１８０の応答速度を決定する。

次に図３について説明する。図３は、帯域幅変更部１８４の詳細構成の第一の例を示している。
図３に示す帯域幅変更部１８４は、一対の差動入力を有するオペアンプ（演算増幅器）１８５−１と、フィードバック抵抗Ｒ１と、接地抵抗Ｒｓとで構成される基本的な非反転増幅器におけるフィードバック抵抗Ｒ１に、コンデンサＣ１が並列接続されているものである。従って、この非反転増幅器は、コンデンサＣ１により帯域制限がされている。

ここで、コンデンサＣ１は容量可変のものであり、その値は、コンピュータ２００の動作指示に応じて制御部１１０により制御される。より具体的には、例えばコンデンサＣ１としてスイッチドキャパシタを使用し、制御部１１０は、当該スイッチドキャパシタに与えられる制御パルスの周波数を変化させることで、その容量を変化させる。

この図３に示した帯域幅変更部１８４の帯域幅ｆ１は、下記の［数２］式で表される。

また、図３に示した帯域幅変更部１８４を用いた場合、増幅部１８２全体の帯域幅ｆは、下記の［数３］式で表される。

つまり、増幅部１８２は、その内部に設けられている帯域幅変更部１８４の帯域幅ｆ１を変更すると、増幅部１８２全体の帯域幅ｆ、すなわち受光系１８０の帯域幅を変更することができる。

従って、図１の走査型レーザ顕微鏡を用いて取得する測定サンプル１０の観察像に高い解像力を必要とする場合には、使用者は、受光系１８０の帯域幅を広げる指示を指示部３００へ与えるようにする。そして、コンピュータ２００は、この指示を指示部３００から取得した場合には、所定の動作指示を制御部１１０に与えて、図３に示した帯域幅変更部１８４におけるコンデンサＣ１の容量を小さくする制御を制御部１１０に行わせる処理を行うようにする。すると、受光系１８０の帯域幅は広くなるので、得られる測定サンプル１０の観察像の解像力が高くなる。

一方、図１の走査型レーザ顕微鏡を用いて、測定サンプル１０の高さ計測を高精度で行う必要がある場合には、使用者は、受光系１８０の帯域幅を狭める指示を指示部３００へ与えるようにする。そして、コンピュータ２００は、この指示を指示部３００から取得した場合には、所定の動作指示を制御部１１０に与えて、図３に示した帯域幅変更部１８４におけるコンデンサＣ１の容量を大きくする制御を制御部１１０に行わせる処理を行うようにする。すると、受光系１８０の帯域幅が狭くなってＳ／Ｎ比が向上するので、測定サンプル１０の高さ計測の精度が高くなる。

なお、使用者が上述した指示を指示部３００へ直接与える代わりに、以下のようにしてもよい。
すなわち、まず、前述した図１の走査型レーザ顕微鏡の動作モードとして、測定サンプル１０の観察像を高い解像力で取得する高解像優先モードや、測定サンプル１０の高さ計測を高精度に行う高精度測定モードなどを予め設定しておく。そして、使用者が、これらの動作モードからそのうちのひとつを選択する指示（例えば選択ボタンの押下操作などによる指示）を指示部３００へ与えるようにする。このとき、コンピュータ２００は、この指示を指示部３００から取得したときに、指示に係る選択内容が高解像優先モードであった場合には、所定の動作指示を制御部１１０に与えて、図３に示した帯域幅変更部１８４におけるコンデンサＣ１の容量を小さくする制御を制御部１１０に行わせる処理を行うようにする。また、コンピュータ２００は、この指示を指示部３００から取得したときに、指示に係る選択内容が高精度測定モードであった場合には、所定の動作指示を制御部１１０に与えて、図３に示した帯域幅変更部１８４におけるコンデンサＣ１の容量を大きくする制御を制御部１１０に行わせる処理を行うようにする。

このように、指示部３００が取得した指示に係る動作モードに基づいて、帯域幅変更部１８４が受光系１８０の帯域幅を変更するようにしてもよい。このようにすることで、走査型レーザ顕微鏡の操作性が向上する。

以上のように、図１の走査型レーザ顕微鏡によれば、受光系１８０のセンサ帯域やＳ／Ｎ特性の変更を容易に行うことができる。従って、高い解像力を必要とする場合、あるいは、高精度での高さ計測が必要で解像力の劣化は許容できる場合、などのように、使用者の要求に沿った特性を提供することができる。また、この特性の変更ために機械的な動作は行わないので、装置を小型に構成することが可能であり、また、装置のコストも安価になる。

なお、図３に示した帯域幅変更部１８４では、非反転増幅器の帯域幅を決定している回路定数として、コンデンサＣ１の値を、制御部１１０の制御により変更するようにしていた。この代わりに、コンデンサＣ１を固定値とすると共に、非反転増幅器の帯域幅を決定している回路定数として、フィードバック抵抗Ｒ１の値を、制御部１１０の制御により変更するようにして、受光系１８０の帯域幅を変更するようにしてもよい。但し、フィードバック抵抗Ｒ１の値を変更した場合には、非反転増幅器の増幅度も変化してしまうので、この場合には、並行して接地抵抗Ｒｓの値も変更するようにして、非反転増幅器の増幅度の変化を抑制するようにする。

次に図４について説明する。図４は、帯域幅変更部１８４の詳細構成の第二の例を示している。
図４に示す帯域幅変更部１８４は、一対の差動入力を有するオペアンプ１８５ａと、フィードバック抵抗Ｒａと、接地抵抗Ｒｓとで構成される基本的な非反転増幅器におけるフィードバック抵抗ＲａにコンデンサＣａが並列接続されて構成されている第一増幅器、一対の差動入力を有するオペアンプ１８５ｂと、フィードバック抵抗Ｒｂと、接地抵抗Ｒｓとで構成される基本的な非反転増幅器におけるフィードバック抵抗ＲｂにコンデンサＣｂが並列接続されて構成されている第二増幅器、及び、一対の差動入力を有するオペアンプ１８５ｃと、フィードバック抵抗Ｒｃと、接地抵抗Ｒｓとで構成される基本的な非反転増幅器におけるフィードバック抵抗ＲｃにコンデンサＣｃが並列接続されて構成されている第三増幅器、並びに、信号選択回路１８６を備えて構成されている。

ここで、アナログ信号増幅器である第一増幅器、第二増幅器、及び第三増幅器それぞれの帯域幅ｆａ、ｆｂ、及びｆｃは、前掲した［数２］式におけるコンデンサＣ１の値をそれぞれＣａ、Ｃｂ、及びＣｃに置き換えると共に、この式におけるフィードバック抵抗Ｒ１の値をそれぞれＲａ、Ｒｂ、及びＲｃに置き換えることにより、求めることができる。なお、本実施形態においては、この値を、抵抗Ｒａ＝Ｒｂ＝Ｒｃとし、コンデンサＣａ、Ｃｂ、及びＣｃを、Ｃａ＜Ｃｂ＜Ｃｃが成立する互いに異なる値に設定することで、アナログ信号増幅器である第一増幅器、第二増幅器、及び第三増幅器それぞれの帯域幅ｆａ、ｆｂ、及びｆｃを互いに異なるもの（ｆａ＞ｆｂ＞ｆｃ）とする。

信号選択回路１８６には、第一増幅器、第二増幅器、及び第三増幅器それぞれの出力信号ａ、ｂ、及びｃが入力される。信号選択回路１８６は、例えばリレー回路であり、出力信号ａ、ｂ、及びｃのうちのいずれか１つが、コンピュータ２００の動作指示に応じた制御部１１０の制御により選択され、選択されたものを、帯域幅変更部１８４の出力（すなわち受光系１８０の出力）として出力する。

このように、図４の構成では、信号選択回路１８６が、Ｉ−Ｖ変換部１８３から出力される電圧信号（すなわち、受光素子１８１が受光したレーザ光の受光量を示すアナログ電気信号）の増幅に使用する増幅器を、帯域幅が互いに異なる第一増幅器、第二増幅器、及び第三増幅器の３つの増幅器の間で切り替えると、受光系１８０の帯域幅が変更される。

従って、図１の走査型レーザ顕微鏡を用いて取得する測定サンプル１０の観察像に高い解像力を必要とする場合には、使用者は、受光系１８０の帯域幅を広げる指示を指示部３００へ与えるようにする。そして、コンピュータ２００は、この指示を指示部３００から取得した場合には、所定の動作指示を制御部１１０に与えて、図４に示した帯域幅変更部１８４における出力信号ａを信号選択回路１８６に選択させる制御を制御部１１０に行わせる処理を行うようにする。すると、受光系１８０の帯域幅は広くなるので、得られる測定サンプル１０の観察像の解像力が高くなる。

一方、図１の走査型レーザ顕微鏡を用いて、測定サンプル１０の高さ計測を高精度で行う必要がある場合には、使用者は、受光系１８０の帯域幅を狭める指示を指示部３００へ与えるようにする。そして、コンピュータ２００は、この指示を指示部３００から取得した場合には、所定の動作指示を制御部１１０に与えて、図４に示した帯域幅変更部１８４における出力信号ｃを信号選択回路１８６に選択させる制御を制御部１１０に行わせる処理を行うようにする。すると、受光系１８０の帯域幅が狭くなってＳ／Ｎ比が向上するので、測定サンプル１０の高さ計測の精度が高くなる。

もちろん、前述したように、指示部３００が取得した指示に係る動作モード（高解像優先モードや高精度測定モード）に基づいて、帯域幅変更部１８４が受光系１８０の帯域幅を変更するようにして、走査型レーザ顕微鏡の操作性を向上させるようにしてもよい。

このように、帯域幅変更部１８４として図４の構成を採ると、図３の構成に対し、コンデンサＣａ、Ｃｂ、及びＣｃとして容量値が固定のものを使用するので、回路の信頼性が向上し、また、回路自身が発生するノイズも減少する。

なお、図４の構成では、互いに帯域幅の異なる３つの増幅器のうちの１つを信号選択回路１８６が選択して使用するようにしていたが、この代わりに、互いに帯域幅の異なる増幅器を２つのみ、若しくは４つ以上とし、これら互いに帯域幅の異なる複数の増幅器のうちの１つを信号選択回路１８６が選択して使用するようにしてもよい。

次に図５について説明する。図５は、本発明を実施する走査型レーザ顕微鏡の構成の第二の例を示している。
なお、図５において、図１に示した第一の例におけるものと同一の構成要素には同一の符号を付しており、これらについては詳細な説明を省略する。

図５に示した構成では、図１に示した構成から共焦点絞り１７０及び受光系１８０が削除され、その代わりに、ビームスプリッタ５０１と、第一の共焦点絞り５１０及び第一の受光系５１１と、第二の共焦点絞り５２０及び第二の受光系５２１とが備えられている。

レーザ光源１２０から出力されたレーザ光は、ビームスプリッタ（ＢＳ）１３０を透過してＸＹ走査機構１４０を通過した後に光路上の対物レンズ１５０を通過して、試料である測定サンプル１０の表面に照射される。ここで、コンピュータ２００の動作指示に応じて制御部１１０がＸＹ走査機構１４０を制御すると、ＸＹ走査機構１４０が、このレーザ光を、測定サンプル１０の表面上でＸＹ方向（レーザ顕微鏡本体１００の光路上の対物レンズ１５０の光軸に垂直である２方向）に二次元走査させる。

測定サンプル１０の表面に照射されたレーザ光は当該表面で反射する。この反射したレーザ光は、光路上の対物レンズ１５０及びＸＹ走査機構１４０を通過した後に、ビームスプリッタ（ＢＳ）１３０で今度は反射してビームスプリッタ５０１へと向かう。

ビームスプリッタ（ＢＳ）５０１は、ビームスプリッタ１３０から到来するレーザ光を２分する。そして、その５０％を透過して第一の共焦点絞り５１０に向かわせ、残りの５０％を反射して第二の共焦点絞り５１０に向かわせる。

第一の共焦点絞り５１０は、その開口部が、光路上の対物レンズ１５０の焦点位置に対し光学的に共役な位置に配置されている。従って、測定サンプル１０の表面で反射したレーザ光のうち、当該表面における対物レンズ１５０の焦点位置で反射したもののみが、第一の共焦点絞り５１０の開口部を通過して第一の受光系５１１に届く。

第一の受光系５１１は、第一の共焦点絞り５１０を通過して到来したレーザ光を受光して、その光量の情報を第一の輝度情報としてコンピュータ２００へ出力する。第一の受光系５１１は、第一の受光素子５１２と増幅部５１３とを備えて構成されている。

第二の共焦点絞り５２０は、その開口部が、光路上の対物レンズ１５０の焦点位置に対し光学的に共役な位置であって、且つ第一の共焦点絞り５１０とは異なる位置に配置されている。従って、測定サンプル１０の表面で反射したレーザ光のうち、当該表面における対物レンズ１５０の焦点位置で反射したもののみが、第二の共焦点絞り５２０の開口部を通過して第二の受光系５２１に届く。

第二の受光系５２１は、第二の共焦点絞り５２０を通過して到来したレーザ光を受光して、その光量の情報を第二の輝度情報としてコンピュータ２００へ出力する。第二の受光系５２１は、第二の受光素子５２２と増幅部５２３とを備えて構成されている。

次に図６について説明する。図６は、図５に示した第一の受光系５１１及び第二の受光系５２１の詳細構成を示している。本実施形態では、第一の受光系５１１と第二の受光系５２１とは同一の構成を有しており、それぞれ第一の受光素子５１２及び第二の受光素子５２２と第一の増幅部５１３及び第二の増幅部５２３とを備えて構成されている。

第一の受光素子５１２及び第二の受光素子５２２は、図２に示した構成における受光素子１８１と同一の構成である。すなわち、第一の受光素子５１２及び第二の受光素子５２２は、到来したレーザ光を受光して、そのレーザ光の光量に応じた大きさのアナログ電気信号を出力する光電変換素子であり、例えばＰＭＴ（フォトマルチプライヤ）である。なお、ここで、ＰＭＴを用いる代わりに、ＰＤ（フォトダイオード）やＡＰＤ（アバランシェフォトダイオード）などを使用してもよい。

第一の増幅部５１３及び第二の増幅部５２３は、図２に示したものと同一の構成の構成であるＩ−Ｖ変換部１８３と、帯域幅制限増幅器５３０とを備えて構成されている。
帯域幅制限増幅器５３０は、一対の差動入力を有するオペアンプ１８５−２と、フィードバック抵抗Ｒ２と、接地抵抗Ｒｓとで構成される基本的な非反転増幅器におけるフィードバック抵抗Ｒ２にコンデンサＣ２が並列接続されて構成されている。但し、このうちのコンデンサＣ２の値が、第一の増幅部５１３と第二の増幅部５２３とで互いに異なるものとされている。

第一の増幅部５１３及び第二の増幅部５２３それぞれの帯域幅ｆは、前掲した［数２］式におけるコンデンサＣ１の値をＣ２に置き換えると共に、この式におけるフィードバック抵抗Ｒ１の値をＲ２に置き換えることにより、求めることができる。ここで、コンデンサＣ２の値が互いに異なっているので、第一の増幅部５１３及び第二の増幅部５２３それぞれの帯域幅は互いに異なっている。従って、第一の受光系５１１と第二の受光系５２１とは、レーザ光を受光してから当該レーザ光の光量の情報を出力するまでの応答速度を決定する帯域幅が、互いに異なっている。

従って、図５の走査型レーザ顕微鏡を用いて取得する測定サンプル１０の観察像に高い解像力を必要とする場合には、使用者は、受光系１８０の帯域幅を広げる指示を指示部３００へ与えるようにする。そして、コンピュータ２００は、この指示を指示部３００から取得した場合には、第一の受光系５１１と第二の受光系５２１とのうち、帯域幅の広い方（すなわち、帯域制限増幅部５３０におけるコンデンサＣ２の値が小さい方）から出力される輝度情報に基づいて、測定サンプル１０の観察像を生成する処理を行うようにする。すると、得られる測定サンプル１０の観察像の解像力が高くなる。

一方、図５の走査型レーザ顕微鏡を用いて、測定サンプル１０の高さ計測を高精度で行う必要がある場合には、使用者は、受光系１８０の帯域幅を狭める指示を指示部３００へ与えるようにする。そして、コンピュータ２００は、この指示を指示部３００から取得した場合には、第一の受光系５１１と第二の受光系５２１とのうち、帯域幅の狭い方（すなわち、帯域制限増幅部５３０におけるコンデンサＣ２の値が大きい方）から出力される輝度情報に基づいて、測定サンプル１０の高さを計測する処理を行うようにする。すると、受光系１８０のＳ／Ｎ比が向上するので、測定サンプル１０の高さ計測の精度が高くなる。

もちろん、前述したように、指示部３００が取得した指示に係る動作モード（高解像優先モードや高精度測定モード）に基づいて、コンピュータ２００が処理する輝度情報の選択を変更するようにして、走査型レーザ顕微鏡の操作性を向上させるようにしてもよい。

このように、測定サンプル１０の表面で反射して対物レンズ１３０及び共焦点絞り５１０若しくは５２０を通過して到来するレーザ光を受光して、その光量の情報を出力する受光系を複数備え、その各々の帯域幅を互いに異ならせておくようにすることで、使用者の要求に沿った特性を提供することができる。また、このように、複数の受光系を備えることで輝度情報の取得を同時に並行して行えるので、解像力の高い測定サンプル１０の観察像の取得と、測定サンプル１０の高精度な高さ計測とを同時に行うこともできる。

なお、このようにして並行して取得した輝度情報を利用し、このうちの高精度高さ測定データを用いて測定サンプル１０の三次元画像（形状の鳥瞰図表示）を作成すると共に、その三次元画像の表面に、測定サンプル１０についての解像度の高い全焦点画像を貼り付けて表示部４００に表示させる画像処理を、当該画像処理を行うための制御プログラムを実行させることで、コンピュータ２００に行わせることも可能である。

また、このようにして輝度情報を並行して取得することで、帯域幅の狭い受光系から出力される輝度情報で示されている輝度値のうち、所定の閾値未満のものを、帯域幅の広い受光系から出力される輝度情報で示されている輝度値に置き換えて、測定サンプル１０の観察像の生成や高さ計測を行うようにすることもできる。

このようにすると、生成される観察像において、測定サンプル１０から十分な反射光量の得られる部分については、（元々十分なＳ／Ｎ比が得られているので、帯域幅の狭い受光系から出力される輝度情報で示されている輝度値が使用され、斜面や粗面などといった、レーザ光の反射光が少ない部分については、Ｓ／Ｎ比が優れている、帯域幅の広い受光系から出力される輝度情報で示されている輝度値が使用される。従って、このようにすることにより。高反射率領域から微弱光領域に亘り、ダイナミックレンジの広く、かつ解像力も損なわない観察像の生成、及び高さ計測を行うことができる。

以上のように、本発明のいずれの実施形態によっても、高い解像力を必要とする場合や、高精度での高さ計測が必要で解像力の劣化は許容できる場合などのように、使用者の要求に沿った特性を提供することができる。また、この特性の変更ために機械的な動作は行わないので、装置を小型に構成することが可能であり、また、装置のコストも安価になる。更に、輝度画像を積算するような手法に比べると測定時間は短い。また、共焦点絞りの径は固定のままで良いので、高精度な位置決め機構は不要であり、共焦点光学系のセクショニング効果を低下させることもないので、高精度化、高解像化が可能である。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は、上述した各実施形態に限定されることなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良・変更が可能である。

本発明を実施する走査型レーザ顕微鏡の構成の第一の例を示す図である。 図１に示した受光系の詳細構成を示す図である。 帯域幅変更部の詳細構成の第一の例を示す図である。 帯域幅変更部の詳細構成の第二の例を示す図である。 本発明を実施する走査型レーザ顕微鏡の構成の第二の例を示す図である。 図５に示した第一の受光系及び第二の受光系の詳細構成を示す図である。

符号の説明

１０ 測定サンプル
１００ レーザ顕微鏡本体
１１０ 制御部
１２０ レーザ光源
１３０、５０１ ビームスプリッタ
１４０ ＸＹ走査機構
１５０ 対物レンズ
１６０ 対物レンズ切換え機構
１７０ 共焦点絞り
１８０ 受光系
１８１ 受光素子
１８２ 増幅部
１８３ Ｉ−Ｖ変換部
１８４ 帯域幅変更部
１８５ 増幅器
１８５−１、１８５−２、１８５ａ、１８５ｂ、１８５ｃ 演算増幅器
１８６ 信号選択回路
１９０ Ｚ走査機構
２００ コンピュータ
３００ 指示部
４００ 表示部
５１０ 第一の共焦点絞り
５１１ 第一の受光系
５１２ 第一の受光素子
５１３ 第一の増幅部
５２０ 第二の共焦点絞り
５２１ 第二の受光系
５２２ 第二の受光素子
５２３ 第二の増幅部
５３０ 帯域幅制限増幅部
Ｒ０ 負荷抵抗
Ｒ１、Ｒ２、Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃ フィードバック抵抗
Ｒｓ 接地抵抗
Ｃ０ 容量
Ｃ１、Ｃ２、Ｃａ、Ｃｂ、Ｃｃ コンデンサ

Claims (6)

1. 二次元走査させながら試料の表面に照射したときに該表面で反射して対物レンズ及び共焦点絞りを通過して到来するレーザ光を受光して、その光量の情報を出力する受光系と、
   前記受光系が前記レーザ光を受光してから該レーザ光の光量の情報を出力するまでの応答速度を決定する該受光系の帯域幅を変更する帯域幅変更手段と、
   を有することを特徴とする走査型レーザ顕微鏡。
2. 前記走査型レーザ顕微鏡に対し予め複数設定されている動作モードからそのうちのひとつを選択する指示を取得する動作モード選択指示取得手段を更に有し、
   前記帯域幅変更手段は、前記動作モード選択指示取得手段が取得した指示に係る動作モードに基づいて前記受光系の帯域幅を変更する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の走査型レーザ顕微鏡。
3. 前記受光系は、前記レーザ光を受光して該レーザ光の光量に応じた大きさのアナログ電気信号を出力する光電変換素子を備えており、
   前記受光系が出力する前記レーザ光の光量の情報は、前記アナログ電気信号であり、
   前記帯域幅変更手段は、
   前記アナログ電気信号を増幅する、帯域幅の異なる複数のアナログ信号増幅器と、
   前記アナログ電気信号の増幅に使用するアナログ信号増幅器を切り替える増幅器切替手段と、
   を備える、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の走査型レーザ顕微鏡。
4. 前記受光系は、前記レーザ光を受光して該レーザ光の光量に応じた大きさのアナログ電気信号を出力する光電変換素子を備えており、
   前記受光系が出力する前記レーザ光の光量の情報は、前記アナログ電気信号であり、
   前記帯域幅変更手段は、
   前記アナログ電気信号を増幅するアナログ信号増幅器と、
   前記アナログ信号増幅器の帯域幅を決定している該アナログ信号増幅器の回路定数を変更する回路定数変更手段と、
   を備える、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の走査型レーザ顕微鏡。
5. 二次元走査させながら試料の表面に照射したときに該表面で反射して対物レンズ及び共焦点絞りを通過して到来するレーザ光を受光して、その光量の情報を出力する受光系を複数有しており、
   前記受光系は、前記レーザ光を受光してから該レーザ光の光量の情報を出力するまでの応答速度を決定する帯域幅が互いに異なっている、
   ことを特徴とする走査型レーザ顕微鏡。
6. 前記走査型レーザ顕微鏡に対し予め複数設定されている動作モードからそのうちのひとつを選択する指示を取得する動作モード選択指示取得手段と、
   前記動作モード選択指示取得手段が取得した指示に係る動作モードに基づいて、複数の前記受光系が各々出力する該レーザ光の光量の情報を選択する光量情報選択手段と、
   を有することを特徴とする請求項５に記載の走査型レーザ顕微鏡。