JP5086197B2

JP5086197B2 - 共焦点顕微鏡

Info

Publication number: JP5086197B2
Application number: JP2008189281A
Authority: JP
Inventors: 秀光浅野; 光司久保
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2008-07-23
Filing date: 2008-07-23
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2028-07-23
Also published as: JP2010026344A

Description

本発明は、ニポウディスクを用いた走査型の共焦点顕微鏡に関する。

従来、らせん状にピンホールが形成されたニポウディスクを用いた走査型の共焦点顕微鏡が知られている（特許文献１参照）。特許文献１に記載された共焦点顕微鏡において、光源からの光は、ニポウディスクのピンホールに入射し、これらピンホールを通過した光は、対物レンズを介してピンホールと共役な面（合焦面）上にピンホールの共役像を形成する。そして、被測定物からの反射光は、再度対物レンズ及びニポウディスクのピンホールを通過して検出器に入射する。被測定物が合焦面にあるときには、被測定物からの反射光のほとんどがニポウディスクのピンホールを通過するが、被測定物が合焦面以外のときは、反射光の大部分はニポウディスクのピンホールを通過することができない。そのため、検出器においては、被測定物における合焦面上の情報を得ることができる。このニポウディスクを回転させることにより、ピンホールを高速で走査して、被測定物の表面の全域にわたる合焦面上の情報の取得が可能となる。さらに、合焦面上の情報の取得をＺ軸方向（被測定物の観察面に対して垂直な方向）に、複数回実行することにより、被測定物の三次元形状測定を行うことが可能である。
特許第２８３６８２９号公報

しかし、特許文献１に記載された共焦点顕微鏡を用いて、被測定物の三次元形状測定を行うためには、上述の合焦面の情報の取得をＺ軸方向（被測定物の観察面に対して垂直な方向）に、複数回実行する必要がある。これにより、被測定物の各測定点のＺ軸方向の高さ位置を決定する。Ｚ軸方向に複数回の測定を実行するためには、対物レンズ、ニポウディスク等を含む測定装置、又は被測定物をＺ軸方向に移動させなければならず、機械的な走査精度の影響を受けて計測の精度が落ちるおそれがあった。
また、Ｚ軸方向に複数回の測定を実行するため、被測定物の測定点の位置を求める処理に要する時間が大幅に増加してしまうという問題があった。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、高速且つ正確に被測定物の三次元形状測定を実行することが可能なニポウディスクを用いた走査型の共焦点顕微鏡を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る共焦点顕微鏡は、所定の様式で配置された複数のピンホールを有するニポウディスクと、前記ニポウディスク上の複数の所定の領域に設けられそれぞれ異なる波長帯域の光を透過させる複数のバンドパスフィルタと、被測定物上の複数の点を走査するために前記ニポウディスクを回転させる駆動装置と、前記ニポウディスクの回転変位を測定するロータリエンコーダと、前記ニポウディスクを照明する前記複数のバンドパスフィルタの透過帯域を含む光を出射する光源と、前記ピンホールを通過した光を収束させて前記被測定物上に導くように設けられ光の波長に応じてその焦点距離が変化する軸上色収差を有する対物レンズと、前記被測定物上で反射された光を前記対物レンズ及び前記ニポウディスクを介して検出する光検出器と、前記光検出器により検出された前記被測定物上での光の合焦状態と、前記ロータリエンコーダにより測定された前記ニポウディスクの回転変位とに基づいて前記被測定物の位置を判定する位置判定部とを備えることを特徴とする。

本発明の他の態様に係る共焦点顕微鏡は、所定の様式で配置された複数のピンホールを有するニポウディスクと、前記ニポウディスクの回転方向に配列された前記ニポウディスク上の複数の領域に設けられそれぞれ異なる波長帯域の光を透過させる複数のバンドパスフィルタと、前記ニポウディスクを回転させる駆動装置と、前記ニポウディスクを照明する前記複数のバンドパスフィルタの透過帯域を含む光を出射する光源と、前記光源から前記ニポウディスクに照射され前記ピンホールを通過した光を前記被測定物上に収束させる軸上色収差を有する対物レンズと、前記被測定物上で反射された光を前記対物レンズ及び前記ニポウディスクを介して検出する光検出器と、前記ニポウディスクの複数の領域毎に前記光検出器により検出された前記被測定物からの反射光による画像データを合成して前記被測定物の三次元形状データを生成する演算処理部とを備えたことを特徴とする。

上記構成に係る共焦点顕微鏡によれば、異なる波長の光を透過するバンドパスフィルタが設けられたニポウディスクを回転させることにより、ニポウディスクのピンホールを通過する光の波長を変化させることができる。そして対物レンズに軸上色収差を設けているので、波長に応じて合焦位置が変化する。これにより、ニポウディスクの回転で、異なる焦点位置の複数の画像を取得することができる。そのため、対物レンズ、ニポウディスク等を含む測定装置、又は被測定物をＺ軸方向に移動させることなく被測定物の三次元形状測定を行うことができる。
本発明によれば、高速且つ正確に被測定物の三次元形状測定を実行することが可能なニポウディスクを用いた走査型の共焦点顕微鏡を提供することができる。

以下、添付した図面を参照して本発明の実施の形態に係る共焦点顕微鏡について説明する。

［第１の実施の形態］
（第１の実施の形態に係る共焦点顕微鏡の構成）
図１は、本発明の実施の形態に係る共焦点顕微鏡の基本構成を示している。図１に示すように、共焦点顕微鏡は、ニポウディスク１０、このニポウディスク１０上に配置されたバンドパスフィルタ１１、ニポウディスク１０を回転駆動する駆動装置１３、ニポウディスク１０の回転角度を検出するロータリエンコーダ１４を備える。また、この共焦点顕微鏡は、被測定物Ｓに光を照射する光源１５と、レンズ１６、ビームスプリッタ１７、対物レンズ１８及びリレーレンズ１９等の光学系と、光検出器２０、Ａ／Ｄ変換器２１及び位置判定部２２等の信号処理系とを備える。

ニポウディスク１０は、図２に示すように、円板形状のディスクの中心から外周に向けてらせん状に複数個のピンホール１２が設けられたものである。らせん状のピンホール列においては、ピンホール１２は互いに所定の間隔だけ離れて配置され、複数のピンホール列はニポウディスク１０の径方向に所定の間隔をあけて配置されている。

バンドパスフィルタ１１は、ニポウディスク１０上に設けられて特定の波長の光を透過させ、その特定の波長より短い波長の光及び長い波長の光を反射させる。本実施の形態においてニポウディスク１０は、図２に示すように、扇状に６つの領域Ｒ１〜Ｒ６に分割され、それぞれの領域Ｒ１〜Ｒ６には異なる透過帯域特性を有するバンドパスフィルタ１１が設けられている。図３は領域Ｒ１〜Ｒ６に設けられたバンドパスフィルタ１１の透過帯域特性を示したグラフである。図３に示すように、領域Ｒ１〜Ｒ６にそれぞれ設けられたバンドパスフィルタ１１は異なる波長λ１〜λ６の光を透過させる。

駆動装置１３は、図示しないモータに接続され、ピンホール１２が設けられたニポウディスク１０を回転させる。ニポウディスク１０には、らせん状に複数のピンホール１２が設けられているため、回転させることにより、被測定物Ｓ上の複数の測定点を平面的に走査することができる。本実施の形態におけるニポウディスク１０は、１つの領域Ｒの分（６０°）だけ回転すると、被測定物Ｓの１画面の画像を形成することができる。そのため、駆動装置１３によりニポウディスク１０を１回転させることにより、ニポウディスク１０の領域Ｒ１〜Ｒ６までの６枚の被測定物Ｓの画像を取得することができる。

ロータリエンコーダ１４は、駆動装置１３によって回転されたニポウディスク１０の回転変位を測定する。ロータリエンコーダ１４は、測定したニポウディスク１０の回転変位に基づいて後述する光検出器２０への露光や取得した画像の保存を制御するために用いるものであり、ニポウディスク１０の絶対的な回転角度が検出できることが必要とされる。そのため、例えばアブソリュート方式のロータリエンコーダ、又はインクリメンタル方式のロータリエンコーダで原点を持つもの等を用いることができる。

光源１５は、複数のバンドパスフィルタ１１が透過する光の最大波長λ６及び最小波長λ１よりも広い波長帯域を持った光を照射する光源であり、例えばハロゲンランプ等の白色光源を用いることができる。光源１５から照射された光は、レンズ１６により平行光に変換された後、ビームスプリッタ１７を介してニポウディスク１０に照明され、ピンホール１２を通過する。

対物レンズ１８は、ピンホール１２を通過した光を収束させて被測定物Ｓ上に導くように設けられている。対物レンズ１８は、通過する光の波長によって、焦点距離が大きく異なるように積極的に軸上色収差を大きくしたレンズである。図４は、対物レンズ１８の機能を示す図である。図４に示すように、バンドパスフィルタ１１が設けられたニポウディスク１０を通過した光源１５からの光の波長が、波長λ１、λ２、λ３（λ１＜λ２＜λ３）である場合、ピンホール１２の像の結像位置はそれぞれｈ１、ｈ２、ｈ３となる。ここで、バンドパスフィルタ１１を透過した光の波長が最大波長λ６である場合のピンホール１２の像の結像位置ｈ６と、波長が最小波長λ１である場合のピンホール１２の像の結像位置ｈ１との間の距離が、被測定物Ｓの測定レンジ以上となるよう対物レンズ１８の軸上色収差の大きさを決定するようにしている。

図１に示すように、被測定物Ｓの表面で反射した光は、再び対物レンズ１８に入射して収束され、ニポウディスク１０のピンホール１２を通過する。そしてビームスプリッタ１７を通過してリレーレンズ１９により収束され、光検出器２０に入射する。光検出器２０は、リレーレンズ１９の焦点位置に配置されたＣＣＤカメラを有するものであり、被測定物Ｓ上にピンホール１２の像が結像された場合に光検出器２０への入射光の光量が最大となるように設定されている。光検出器２０は、撮影画像を検出信号ＤａとしてＡ／Ｄ変換器２１に出力する。

光検出器２０の検出信号Ｄａは、Ａ／Ｄ変換器２１によりデジタル信号Ｄｄに変換され位置判定部２２に入力される。位置判定部２２は、このデジタル信号Ｄｄに基づき、被測定物Ｓ上におけるピンホール１２の像の結像状態を判定する。ピンホール１２の像が被測定物Ｓ上で合焦した時点において、ロータリエンコーダ１４により測定されたニポウディスク１０の回転変位ｒからバンドパスフィルタ１１を透過した光の波長λを求める。そして、位置判定部２２は、バンドパスフィルタ１１を透過した光の波長λ及び対物レンズ１８の軸上色収差により、ピンホール１２の像が被測定物Ｓ上で合焦した時点での被測定物Ｓの位置を判定する。また、位置判定部２２を含む演算処理装置は、この判定結果から被測定物Ｓの三次元形状データを生成する。

（第１の実施の形態に係る共焦点顕微鏡の動作）
次に、図５〜図７を参照して、図１に示す共焦点顕微鏡の動作を説明する。

駆動装置１３は、共焦点顕微鏡による測定動作の開始に伴い、ニポウディスク１０を回転させる。光源１５の照明光量を調整し、光検出器２０に被測定物Ｓが映る状態とする。ニポウディスク１０に設けられたロータリエンコーダ１４により、測定動作時におけるニポウディスク１０の回転変位ｒが測定される。共焦点顕微鏡は、ニポウディスク１０の回転変位ｒに基づき、ニポウディスク１０の領域Ｒの切り替わりに合わせて光検出器２０の電子シャッターを制御する。これにより光検出器２０では、１つの領域Ｒで露光された１枚の画像が取得される。光検出器２０へ入射する光量が弱い場合には、同じ領域Ｒで複数回画像を撮影し、この画像を位置判定部２２で加算することで輝度を上げることができる。

ここで、ニポウディスク１０上には、複数のバンドパスフィルタ１１が設けられており、前述のように、それぞれのバンドパスフィルタ１１は図３に示す波長帯域の光を透過させる。ニポウディスク１０の各領域Ｒ１〜Ｒ６において、ピンホール１２を通過する波長λが異なるため、光検出器２０が検出する検出信号Ｄａは、図５に示すように、いずれかの波長λでピークを示す。すなわち、図６（ａ）〜（ｃ）に示すように、被測定物Ｓが未知の位置ｈｆにある場合に、バンドパスフィルタ１１を透過する光の波長λがニポウディスク１０の回転により変化すると、ある特定の波長λｆ（例えば、λ４）を透過しているときにピンホール１２の像が被測定物Ｓ上に合焦し、光検出器２０の受光光量が最大になる。他の波長の光が透過している場合には、いずれも焦点外れの状態となり、光検出器２０の受光光量は少ない。

被測定物Ｓの測定点の位置が位置ｈｆとは異なる位置になれば、ピンホール１２の像が被測定物Ｓ上に合焦するときの波長λも、上記のλｆとは異なるものになる。この合焦を得られる波長λと、被測定物Ｓの位置ｈとは、対物レンズ１８の軸上色収差の特性に基づいた対応関係にあるため、合焦時の波長λが分かれば、位置ｈを検出することができる。ここで、波長λは、ロータリエンコーダ１４により測定されたニポウディスク１０の回転角度ｒから求めることができる。例えば基準角度からの回転角度がｒ１〜ｒ２の範囲にあるとき、ニポウディスク１０の領域Ｒ１に設けられたバンドパスフィルタ１１により、波長λ１の光が透過されているものとする。そして、例えば図７に示すような波長λと位置ｈとの対応関係を記憶したテーブルを設け、合焦時の波長λに基づいてテーブルを検索して、被測定物Ｓの位置ｈを求める。つまり波長λｉの光が透過したときの被測定物Ｓ上の合焦点のＺ軸方向の位置がｈｉということになる。これにより、光検出器２０は、ニポウディスク１０の１回転で、６枚の異なる焦点位置の画像を検出する。なお、以上のテーブルは、各領域（波長）において、光源１５及び光検出器２０の強度特性及び感度特性が異なることを考慮して、予め強度補正をしておくことが望ましい。テーブルを設ける代わりに、対応関係を表現した関数により被測定物Ｓの位置ｈを演算するプログラムを備えるようにしてもよい。

このようにして得られた被測定物Ｓの各測定点の高さ位置ｈに基づいて、被測定物Ｓの三次元形状データを生成することができる。

（第１の実施の形態に係る共焦点顕微鏡の効果）
上記のように、本実施の形態に係る共焦点顕微鏡は、異なる波長帯域の光を透過するバンドパスフィルタ１１が設けられたニポウディスク１０を回転させることにより、ニポウディスク１０のピンホール１２を通過する光の波長を変化させることができる。ニポウディスク１０のピンホール１２を通過した光が被測定物Ｓ上に合焦する時の波長λと、被測定物の位置ｈとは、対物レンズ１８の軸上色収差の特性に基づいた対応関係にあるため、ニポウディスク１０を透過した光の波長λから被測定物の位置ｈを検出することができる。本実施の形態に係る共焦点顕微鏡において、対物レンズ１８、ニポウディスク１０等を含む測定装置、又は被測定物ＳをＺ軸方向に移動させることなく被測定物Ｓの三次元形状測定を行うことができる。そのため、機械的な走査精度の影響を受けて計測の精度が落ちるおそれがない。また、Ｚ軸方向に複数回の測定を実行する必要がなく、被測定物Ｓの測定点の位置を求める処理に要する時間を短縮することができる。

本実施の形態に係る共焦点顕微鏡によれば、高速且つ正確に被測定物Ｓの三次元形状測定を実行することができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変更、追加、組み合わせ等が可能である。例えば、本発明の実施の形態に係る共焦点顕微鏡においては、ニポウディスク１０を６つの領域に分割して、それぞれ異なる波長の光を透過するバンドパスフィルタ１１を設けていたが、この領域の数は６つに限られず、さらに多くの領域に分割することが可能である。分割することができる領域の数は、光源１５から照射される光に含まれる波長の範囲と、バンドパスフィルタ１１が透過する光の波長の範囲とにより決定される。

また、共焦点顕微鏡の機械的な移動をする必要のない被測定物ＳのＺ軸方向の測定レンジは、複数のバンドパスフィルタ１１が透過する光の最大波長及び最小波長と対物レンズ１８の軸上色収差の大きさとで決定される。バンドパスフィルタ１１の透過する光の最大波長及び最小波長の範囲が狭い場合には、Ｚ軸方向の移動と組み合わせることにより、Ｚ軸方向の広い範囲の測定が可能となる。バンドパスフィルタ１１の透過する光の最大波長及び最小波長の範囲を広くした場合、粗く形状測定が実行されることになるが、Ｚ軸方向に広い範囲を概観することが可能になる。この場合もＺ軸方向の移動と組み合わせることにより、被測定物Ｓの詳細な形状測定が可能となる。

そして、透過波長域が狭いバンドパスフィルタ１１を用いた場合、被測定物Ｓの高さ位置の測定精度は向上するものの、光検出器２０で得られる光量は減少する。また、光源１５の波長による強度も一定であるとは限らない。そのため、位置判定部２２において、ニポウディスク１０の領域Ｒに応じて計数を掛ける、加算回数を変化させる等の処理を施して得られた信号を調整することができる。

本発明の実施の形態に係る共焦点顕微鏡の構成を示す図である。本発明の実施の形態に係る共焦点顕微鏡のニポウディスクを示す図である。本発明の実施の形態に係る共焦点顕微鏡のバンドパスフィルタが透過する光の波長を示すグラフである。本発明の実施の形態に係る共焦点顕微鏡の対物レンズの機能を説明する図である。本発明の実施の形態に係る共焦点顕微鏡の動作を説明する図である。本発明の実施の形態に係る共焦点顕微鏡の動作を説明する図である。本発明の実施の形態に係る共焦点顕微鏡の動作を説明する図である。

符号の説明

１０・・・ニポウディスク、１１・・・バンドパスフィルタ、１２・・・ピンホール、１３・・・駆動装置、１４・・・ロータリエンコーダ、１５・・・光源、１６・・・レンズ、１７・・・ビームスプリッタ、１８・・・対物レンズ、１９・・・リレーレンズ、２０・・・光検出器、２１・・・Ａ／Ｄ変換器、２２・・・位置判定部、Ｓ・・・被測定物。

Claims

所定の様式で配置された複数のピンホールを有するニポウディスクと、
前記ニポウディスク上の複数の所定の領域に設けられそれぞれ異なる波長帯域の光を透過させる複数のバンドパスフィルタと、
被測定物上の複数の点を走査するために前記ニポウディスクを回転させる駆動装置と、
前記ニポウディスクの回転変位を測定するロータリエンコーダと、
前記ニポウディスクを照明する前記複数のバンドパスフィルタの透過帯域を含む光を出射する光源と、
前記ピンホールを通過した光を収束させて前記被測定物上に導くように設けられ光の波長に応じてその焦点距離が変化する軸上色収差を有する対物レンズと、
前記被測定物上で反射された光を前記対物レンズ及び前記ニポウディスクを介して検出する光検出器と、
前記光検出器により検出された前記被測定物上での光の合焦状態と、前記ロータリエンコーダにより測定された前記ニポウディスクの回転変位とに基づいて前記被測定物の位置を判定する位置判定部と
を備えることを特徴とする共焦点顕微鏡。
前記位置判定部は、前記被測定物上での光の合焦位置と、前記ニポウディスクの回転変位により特定される前記バンドパスフィルタの透過波長とから、前記被測定物の合焦位置の光軸方向の位置を判定する
ことを特徴とする請求項１記載の共焦点顕微鏡。
前記光検出器は、前記ロータリエンコーダにより測定された前記ニポウディスクの回転変位に基づき前記ニポウディスクの所定の領域毎に画像を取り込む
ことを特徴とする請求項１記載の共焦点顕微鏡。
複数の前記バンドパスフィルタは、前記ニポウディスク上の回転方向に分割された複数の扇状の領域のそれぞれに設けられている
ことを特徴とする請求項１記載の共焦点顕微鏡。
所定の様式で配置された複数のピンホールを有するニポウディスクと、
前記ニポウディスクの回転方向に配列された前記ニポウディスク上の複数の領域に設けられそれぞれ異なる波長帯域の光を透過させる複数のバンドパスフィルタと、
前記ニポウディスクを回転させる駆動装置と、
前記ニポウディスクを照明する前記複数のバンドパスフィルタの透過帯域を含む光を出射する光源と、
前記光源から前記ニポウディスクに照射され前記ピンホールを通過した光を前記被測定物上に収束させる軸上色収差を有する対物レンズと、
前記被測定物上で反射された光を前記対物レンズ及び前記ニポウディスクを介して検出する光検出器と、
前記ニポウディスクの複数の領域毎に前記光検出器により検出された前記被測定物からの反射光による画像データを合成して前記被測定物の三次元形状データを生成する演算処理部と
を備えたことを特徴とする共焦点顕微鏡。