JP5319505B2 - レーザ共焦点顕微鏡、及び、試料表面検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ共焦点顕微鏡、及び、レーザ共焦点顕微鏡を用いた試料表面の検出方法に関する。

現在、非接触で微細な表面形状を測定する装置として、レーザ共焦点顕微鏡が普及している。図８は、従来のレーザ共焦点顕微鏡の構成を例示した図である。

図８に例示されるレーザ共焦点顕微鏡１００では、レーザ光源１０１から射出された直線偏光であるレーザ光は、入射光を偏光特性に基づいて分離する偏光ビームスプリッタ１０２を透過し、２次元走査手段１０３で偏向され、レンズ１０４及びレンズ１０５からなるリレー光学系を介して、λ／４板１０６に入射する。λ／４板１０６に入射したレーザ光は、直線偏光から円偏光に変換され、対物レンズ１０７を介して試料１０８に照射される。

試料１０８を反射したレーザ光は、対物レンズ１０７を介して入射するλ／４板１０６で、円偏光から直線偏光に変換される。この直線偏光の偏光面は、レーザ光源１０１から射出されたレーザ光の偏光面と直交している。このため、リレー光学系及び２次元走査手段１０３を介して、偏光ビームスプリッタ１０２に入射したレーザ光は、偏光ビームスプリッタ１０２を反射し、結像レンズ１０９に入射する。

結像レンズ１０９は、レーザ光を、対物レンズ１０７の焦点位置と光学的に共役な位置に配置されたピンホールを有する共焦点絞り１１０上に集光させ、光検出器１１１は、共焦点絞り１１０を通過したレーザ光を検出する。このような構成では、対物レンズ１０７の焦点位置（つまり、レーザ光の集光位置）以外からのレーザ光は、共焦点絞り１１０により遮断されるため、試料１０８の位置を焦点位置に合わせることで、試料１０８に完全に焦点の合った画像が得られる。

なお、試料１０８に照射されるレーザ光は、対物レンズ１０７の焦点位置にスポット状に集光するが、焦点位置は、２次元走査手段１０３により、対物レンズ１０７の光軸と直交する面内で２次元に移動することができる。このため、レーザ共焦点顕微鏡１００は、２次元走査手段１０３を用いて試料１０８を２次元に走査し、その走査と同期して、光検出器１１１の出力から画像を形成することで、光軸と直交する面により光学的にスライスされた試料１０８の画像を得ることができる。また、レーザ共焦点顕微鏡１００は、試料１０８を保持する試料台１１３が配置されたステージ１１４が光軸方向に移動することにより、試料１０８を光軸方向に走査することもできる。このため、レーザ共焦点顕微鏡１００は、任意の光軸方向の位置で、光学的にスライスされた試料１０８の画像を得ることができる。なお、２次元走査手段１０３、光検出器１１１、及び、ステージ１１４の動作は、制御部１１２により制御されていて、形成された試料１０８の画像は、表示部１１５に表示される。

落射照明を用いたレーザ共焦点顕微鏡では、図８に例示されるような偏光ビームスプリッタを用いた構成が一般的である。この構成は、レーザ光源が直線偏光を射出し得るという特性を踏まえると、照明光路の一部と検出光路の一部を共通化した場合であっても、偏光特性を利用することで、高い光の利用効率を実現できるためである。このような偏光ビームスプリッタを用いた構成のレーザ共焦点顕微鏡は、例えば、特許文献１で開示されている。

図９は、試料１０８の対物レンズ１０７に対する光軸方向の相対位置（以降、Ｚ位置と記す。）と、光検出器１１１からの出力（Ｉ）の関係（以降、ＩＺ特性と記す。）を例示した図である。なお、図９では、Ｚ位置Ｚ０は、試料１０８表面が対物レンズ１０７の焦点位置と一致するＺ位置を示している。

図９で例示されるＩＺ特性を示す曲線Ｎでは、光検出器１１１からの出力は、Ｚ位置Ｚ０で最大となる。また、試料１０８表面が対物レンズ１０７の焦点位置から離れると、光検出器１１１からの出力は急激に低下する。

試料表面が対物レンズ１０７の焦点位置と一致したときに最大の出力が得られる、このようなＩＺ特性を利用することで、レーザ共焦点顕微鏡は、試料１０８表面の位置、つまり、試料１０８の高さに関する情報を得ることが可能であり、試料１０８の表面形状を測定することができる。

また、Ｚ位置毎に得られた試料１０８の画像を合成することで、試料１０８の高さが光軸と直交する方向で異なっている場合であっても、試料１０８全体に完全に焦点が合った画像、いわゆるエクステンド画像を得ることもできる。

特開２００１−１００１０３号公報

しかしながら、レーザ共焦点顕微鏡は、すべての試料に対して、上記のようなＩＺ特性を示すわけではない。試料表面が対物レンズの焦点位置と一致したときに、光検出器の出力が最大とならない試料が存在することも知られている。そのような試料を観察する場合、従来のレーザ共焦点顕微鏡では、試料表面を正確に検出することが困難であるため、試料の形状を正確に測定することが困難である。

例えば、断面図において、図１０に例示される表面形状を有する試料１０８ａは、図１１に例示される表面形状を有する試料１０８ｂとして認識されてしまい、正確な形状が測定されない。

これは、焦点位置を光軸（Ｚ軸）方向に移動させて各Ｚ位置で反射したレーザ光の光量を検出すると、焦点位置が表面ＳＦ１上の点Ｐ１と一致するＺ位置Ｚ１での光量よりも、焦点位置が表面ＳＦ１の点Ｐ１と一致せずに、焦点位置が点Ｐ２と一致するＺ位置Ｚ２での光量の方が、より多く検出されるからである。

より詳細には、Ｚ位置Ｚ１では、表面ＳＦ１と入射光Ｌが直交していないため、焦点位置、且つ、集光位置である点Ｐ１を反射し対物レンズに入射するレーザ光の光量が、表面と入射光が直交している場合に比べて少ない。このため、共焦点絞りを通過し検出されるレーザ光の光量も少ない。

一方、試料１０８ａの溝が正三角形形状であるため、表面ＳＦ１を反射した入射光Ｌは、表面ＳＦ２に対して直角に入射する。また、表面ＳＦ１上の点Ｐ１と対物レンズ１０の光軸上の点Ｐ２の間の距離は、表面ＳＦ１上の点Ｐ１と表面ＳＦ２上の点Ｐ３の間の距離に等しい。つまり、Ｚ位置Ｚ２では、点Ｐ２及び点Ｐ３はいずれも対物レンズ１０の焦点位置であるが、集光位置は点Ｐ３となる。このため、Ｚ位置Ｚ２で焦点位置（点Ｐ３）を反射し対物レンズに入射するレーザ光の光量は、Ｚ位置Ｚ１で焦点位置（点Ｐ１）を反射し対物レンズに入射するレーザ光の光量よりも多くなる。したがって、共焦点絞りを通過し検出されるレーザ光の光量も多くなる。

その結果、光検出器で最も多くの光量が検出され、光検出器から最も大きな出力が得られるＺ位置を試料表面として認識する一般的なレーザ共焦点顕微鏡では、Ｚ位置Ｚ２を試料表面として誤検出する。このため、一般的なレーザ共焦点顕微鏡は、図１０に例示される試料１０８ａを図１１に例示される試料１０８ｂとして認識してしまう。
以上のような実情を踏まえ、本発明では、試料表面を正確に検出することができるレーザ共焦点顕微鏡、及び、表面検出方法を提供することを課題とする。

本発明の第１の態様は、照明光を射出するレーザ光源と、試料に照明光を照射する対物レンズと、対物レンズの焦点位置と試料の間の、対物レンズの光軸方向の相対距離を変化させる焦点位置変更手段と、レーザ光源と対物レンズの間の光路上に配置され、入射光を偏光特性に基づいて分離する偏光分離手段と、偏光分離手段と対物レンズの間の光路上に固定された第１のλ／４板と、偏光分離手段と対物レンズの間の光路に対して挿脱可能に配置された第２のλ／４板と、焦点位置と光学的に共役な位置に配置された共焦点絞りと、共焦点絞りを通過した試料からの検出光を検出し、検出光の強度に応じた信号を出力する光検出器と、を含み、第２のλ／４板は、対物レンズの光軸と直交する面に対して傾斜した表面を有する溝を含む、多重反射試料を観察する場合に、偏光分離手段と対物レンズの間の光路に対して挿入されるレーザ共焦点顕微鏡を提供する。

本発明の第２の態様は、第１の態様に記載のレーザ共焦点顕微鏡において、さらに、第２のλ／４板が光路から取り除かれた第１の状態と、第２のλ／４板が光路に対して挿入された第２の状態とで、レーザ光源から射出される照明光の量を変化させる光源制御手段を含むレーザ共焦点顕微鏡を提供する。

本発明の第３の態様は、第１の態様に記載のレーザ共焦点顕微鏡において、さらに、第２のλ／４板が光路から取り除かれた第１の状態と、第２のλ／４板が光路に対して挿入された第２の状態とで、光検出器の露光時間を変化させる露光時間制御手段を含むレーザ共焦点顕微鏡を提供する。

本発明の第４の態様は、第１の態様に記載のレーザ共焦点顕微鏡において、さらに、第２のλ／４板が光路から取り除かれた第１の状態と、第２のλ／４板が光路に対して挿入された第２の状態とで、光検出器の感度を変化させる検出感度制御手段を含むレーザ共焦点顕微鏡を提供する。

本発明の第５の態様は、第２の態様乃至第４の態様のいずれか１つに記載のレーザ共焦点顕微鏡において、さらに、第１の状態と第２の状態の間の状態変化を検知する状態変化検知手段を含むレーザ共焦点顕微鏡を提供する。

本発明の第６の態様は、第１の態様に記載のレーザ共焦点顕微鏡において、さらに、第２のλ／４板が光路から取り除かれた第１の状態で得られる相対位置と光検出器の出力との第１の関係に基づいて、第２のλ／４板の光路への挿入の要否を判断する判断手段を含むレーザ共焦点顕微鏡を提供する。

本発明の第７の態様は、第６の態様に記載のレーザ共焦点顕微鏡において、判断手段は、第１の関係が、所定の閾値以上の出力を持つ複数の出力のピークを有するか否かにより、第２のλ／４板の挿入の要否を判断するレーザ共焦点顕微鏡を提供する。

本発明の第８の態様は、第１の態様に記載のレーザ共焦点顕微鏡において、第２のλ／４板は、対物レンズと第１のλ／４板の間の光路に対して挿脱可能に配置されるレーザ共焦点顕微鏡を提供する。

本発明の第９の態様は、第８の態様に記載のレーザ共焦点顕微鏡において、さらに、対物レンズを保持するレボルバを含み、第２のλ／４板は、レボルバ内に配置されるレーザ共焦点顕微鏡を提供する。

本発明の第１０の態様は、第１の態様に記載のレーザ共焦点顕微鏡において、第１のλ／４板、及び、光路に対して挿入された第２のλ／４板は、光軸と直交する面に対して、０．１°以上の角度を成すレーザ共焦点顕微鏡を提供する。

本発明の第１１の態様は、レーザ共焦点顕微鏡を用いた、対物レンズの光軸と直交する面に対して傾斜した表面を有する溝を含む多重反射試料の表面検出方法であって、対物レンズの焦点位置からの反射光を検出し、試料の対物レンズに対する光軸方向の相対位置毎に、光検出器から出力を取得する反射光検出ステップと、反射光検出ステップで得られた相対位置と出力との関係から、試料が多重反射試料か否かを判断する試料判断ステップと、試料判断ステップで試料が多重反射試料であると判断された場合に、焦点位置からの散乱光を検出し、相対位置毎に、光検出器から出力を取得する散乱光検出ステップと、散乱光検出ステップで得られた相対位置と出力との関係から、試料の表面を検出する表面検出ステップと、を含む多重反射試料の表面検出方法を提供する。

本発明の第１２の態様は、第１１の態様または第１２の態様に記載の多重反射試料の表面検出方法において、さらに、試料判断ステップと散乱光検出ステップの間に、レーザ光源から射出される照明光の光量を増加させる光源制御ステップを含む多重反射試料の表面検出方法を提供する。

本発明の第１３の態様は、第１１の態様に記載の多重反射試料の表面検出方法において、さらに、試料判断ステップと散乱光検出ステップの間に、光検出器の露光時間を増加させる露光時間制御ステップを含む多重反射試料の表面検出方法を提供する。

本発明の第１４の態様は、第１１の態様に記載の多重反射試料の表面検出方法において、さらに、試料判断ステップと散乱光検出ステップの間に、光検出器の光電変換効率を向上させる検出感度制御ステップを含む多重反射試料の表面検出方法を提供する。

本発明によれば、試料表面を正確に検出することができるレーザ共焦点顕微鏡、及び、表面検出方法を提供することができる。

実施例１に係るレーザ共焦点顕微鏡の構成を例示した図である。 図１に例示されるレーザ共焦点顕微鏡を用いて多重反射試料を観察した場合に得られるＩＺ特性を例示した図である。 図１に例示されるレーザ共焦点顕微鏡を用いて多重反射試料を観察した場合に得られる他のＩＺ特性を例示した図である。 実施例２に係るレーザ共焦点顕微鏡の構成を例示した図である。 図４に例示されるレーザ共焦点顕微鏡により、ＩＺ特性が有する所定の閾値以上の出力のピークをカウントする方法の一例を説明するための図である。 図４に例示されるレーザ共焦点顕微鏡を用いた多重反射試料の表面検出方法の一例を説明するためのフローチャートである。 実施例３に係るレーザ共焦点顕微鏡の構成を例示した図である。 従来のレーザ共焦点顕微鏡の構成を例示した図である。 図８に例示されるレーザ共焦点顕微鏡を用いて試料を観察した場合に得られるＩＺ特性を例示した図である。 多重反射試料の断面図である。 図８に例示されるレーザ共焦点顕微鏡を用いて図１０の多重反射試料を観察した場合に得られる多重反射試料の断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の各実施例について説明する。

図１は、本実施例に係るレーザ共焦点顕微鏡の構成を例示した図である。図１に例示されるレーザ共焦点顕微鏡１は、照明光を射出するレーザ光源２と、偏光ビームスプリッタ３と、２次元走査手段４と、レンズ５及びレンズ６からなるリレー光学系と、λ／４板７（第１のλ／４板）と、ホルダー９に格納されたλ／４板８（第２のλ／４板）と、試料１１に照明光を照射する対物レンズ１０と、結像レンズ１２と、共焦点絞り１３と、光検出器１４と、制御部１５と、試料１１を保持する試料台１６が配置されたステージ１７と、表示部１８とを含んで構成されている。

レーザ光源２は、Ｐ偏光である照明光を射出するレーザ光源である。偏光ビームスプリッタ３は、レーザ光源２と対物レンズ１０の間の光路上に配置された、入射光を偏光特性に基づいて分離する偏光分離手段であり、Ｐ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する特性を有している。

２次元走査手段４は、対物レンズ１０の光軸と直交する方向に試料１１を走査する走査手段である。２次元走査手段４としては、例えば、ガルバノミラーなどを用いることができる。リレー光学系は、対物レンズ１０の瞳を２次元走査手段４近傍にリレーする光学系である。

λ／４板７は、入射光の偏光特性を変換する波長板であり、偏光ビームスプリッタ３と対物レンズ１０の間の光路上に固定されている。λ／４板８は、入射光の偏光特性を変換する波長板であり、偏光ビームスプリッタ３と対物レンズ１０の間の光路に対して挿脱可能に配置されている。ここでは、光路に対して挿脱可能なλ／４板８は、対物レンズ１０と光路に固定されたλ／４板７の間の光路上に配置されているが、λ／４板７とλ／４板８の位置関係は、特にこれに限られない。

λ／４板８は、より厳密には、ホルダー９内に固定されている。ホルダー９を光路に対して挿脱することで、λ／４板８は、ホルダー９とともに光路に対して挿脱される。ホルダー９は、観察者が手動でλ／４板８を挿脱することを容易にするために設けられている。

また、λ／４板７及び光路に挿入されたλ／４板８は、それぞれ光軸と直交する面に対して、所定の角度以上、例えば、０．１度以上、の角度を成すことが望ましい。λ／４板７及びλ／４板８が傾けて配置されることにより、λ／４板７及びλ／４板８を反射した照明光が検出光路から逸れた方向に反射されるため、光検出器１４へ入射するフレア等のノイズ成分を抑制することができる。

共焦点絞り１３は、ピンホールを有し、対物レンズ１０の焦点位置と光学的に共役な位置に配置されている。光検出器１４は、ピンホールを通って共焦点絞り１３を通過した試料１１からの光（以降、検出光）を検出し、検出光の強度に応じた信号を出力する光検出器である。光検出器１４としては、例えば、ＰＭＴ（Photo Multiplier Tube）を用いることができる。

ステージ１７は、試料１１及び試料台１６を対物レンズ１０の光軸方向に移動させることにより、対物レンズ１０の光軸上の焦点位置と試料１１の間の光軸方向の相対距離を変化させる焦点位置変更手段であり、試料１１を光軸方向に走査する走査手段である。
制御部１５は、２次元走査手段４と、光検出器１４と、ステージ１７と、表示部１８と、を制御し、試料１１の画像を表示部１８に表示する。

以上のように構成されたレーザ共焦点顕微鏡１は、任意の試料を観察することができる。より詳細には後述するが、λ／４板８は、多重反射試料を観察する場合には、偏光ビームスプリッタ３と対物レンズ１０の間の光路に対して挿入され、それ以外の場合には、光路から取り除かれる。このため、以降では、λ／４板８が光路上から取り除かれている状態（第１の状態）を通常測定モードと記し、λ／４板８が光路に対して挿入された状態（第２の状態）を多重反射試料測定モードと記す。

多重反射試料とは、対物レンズ１０側に、光軸と直交する面に対して傾斜した表面を有する溝を含む試料のことであり、断面図において、例えば、図１０に例示される試料１０８ａは多重反射試料である。なお、多重反射試料の溝の形状は、図１０に例示されるような断面図において、試料１０８ａの溝の形状のような、正三角形状に限られない。断面図において、溝は、対物レンズ１０側から入射する入射光の光路上に複数の反射面を有し、そのうち少なくとも１つの反射面が対物レンズ１０の光軸外に存在すれば、任意の形状を有してもよい。

多重反射試料を観察する場合、入射光が最初に入射する反射面（第１の反射面）に焦点位置（且つ集光位置）が一致した状態よりも、第１の反射面に焦点位置が一致せずに、第１の反射面を反射した光が入射する他の反射面に焦点位置（且つ集光位置）が一致した状態の方が、光検出器１４で検出される検出光の光量が多いことがある。この場合、従来のレーザ共焦点顕微鏡では、試料表面を誤検出してしまう。このため、本実施例に係るレーザ共焦点顕微鏡１は、後に詳述する多重反射試料測定モードで、多重反射試料を観察する。

また、本実施例に係るレーザ共焦点顕微鏡１は、光軸の方向に複数の層を含み、最も対物レンズ１０側の層の屈折率よりも大きな屈折率を有する層を含む試料の観察にも好適である。このような試料でも、試料表面に対物レンズ１０の焦点位置が一致した状態よりも層間の境界面に対物レンズ１０の焦点位置が一致した状態の方が、光検出器で検出される検出光の光量が多いことがあるためである。
次に、レーザ共焦点顕微鏡１の作用について説明する。

まず、λ／４板８が光路上から取り除かれている通常測定モード（第１の状態）では、レーザ光源２から射出されるＰ偏光である照明光は、偏光ビームスプリッタ３を透過する。偏光ビームスプリッタ３を透過した照明光は、２次元走査手段４で偏向され、レンズ５及びレンズ６からなるリレー光学系を介して、λ／４板７に入射する。λ／４板７に入射した照明光は、Ｐ偏光から円偏光に変換され、対物レンズ１０を介して試料１１に照射される。

試料１１を反射した反射光は、円偏光として対物レンズ１０に入射し、対物レンズ１０を介して入射するλ／４板７で、円偏光からＳ偏光に変換される。このため、リレー光学系及び２次元走査手段４を介して、偏光ビームスプリッタ３に入射した反射光は、偏光ビームスプリッタ３を反射し、結像レンズ１２に入射する。結像レンズ１２は、対物レンズ１０の焦点位置と光学的に共役な位置に配置された共焦点絞り１３上に反射光を集光させる。これにより、対物レンズ１０の焦点位置からの反射光のみが、ピンホールを通って共焦点絞り１３を通過し光検出器１４で検出される。光検出器１４で検出された反射光は、電気信号に変換されて、制御部１５へ出力される。この通常測定モードでは、反射光が光検出器で検出される検出光である。

制御部１５が、対物レンズ１０の焦点位置を、２次元走査手段４によりＸＹ方向へ、ステージ１７によりＺ方向へ移動させることにより、試料１１を走査する。これにより、試料１１の画像は、各焦点位置からの検出光（反射光）が変換された電気信号から形成され、表示部１８に表示される。

なお、多くの試料は、試料表面に焦点位置が一致した状態で最大の出力が得られるＩＺ特性を示す。このため、本実施例に係るレーザ共焦点顕微鏡１は、反射光を検出して得られるＩＺ特性に基づいて、多くの試料の試料表面を正確に検出することができる。従って、レーザ共焦点顕微鏡１の通常測定モードは、多重反射試料を除く、さまざまな種類の試料を対象とした測定モードとして使用可能であり、レーザ共焦点顕微鏡１は、基本的には通常測定モードで動作する。

一方、λ／４板８が光路に挿入されている多重反射試料測定モード（第２の状態）では、レーザ光源２から射出されるＰ偏光である照明光は、偏光ビームスプリッタ３を透過する。偏光ビームスプリッタ３を透過した照明光は、２次元走査手段４で偏向され、レンズ５及びレンズ６からなるリレー光学系を介して、λ／４板７及びλ／４板８に入射する。照明光は、λ／４板７によりＰ偏光から円偏光に変換され、λ／４板８により円偏光からＳ偏光に変換されて、対物レンズ１０を介して試料１１に照射される。

試料１１を反射した反射光は、Ｓ偏光として対物レンズ１０に入射し、対物レンズ１０を介して、λ／４板８及びλ／４板７に入射する。反射光は、λ／４板８によりＳ偏光から円偏光に変換され、λ／４板７により円偏光からＰ偏光に変換され、リレー光学系及び２次元走査手段４を介して、偏光ビームスプリッタ３に入射する。多重反射試料測定モードでは、偏光ビームスプリッタ３に入射する反射光は、Ｐ偏光であるため、偏光ビームスプリッタ３を透過し、光検出器１４では検出されない。このため、多重反射試料測定モードでは、反射光は光検出器で検出される検出光ではない。

ところで、試料１１に照射された照明光の一部は、試料１１の表面で散乱し、散乱光が生じる。このうち、試料１１での散乱により偏光方向が乱れ、Ｐ偏光として対物レンズ１０に入射した散乱光は、λ／４板８及びλ／４板７によりＳ偏光に変換される。より具体的には、λ／４板８によりＰ偏光から円偏光に変換され、λ／４板７により円偏光からＳ偏光に変換される。Ｓ偏光に変換された散乱光は、リレー光学系及び２次元走査手段４を介して入射した偏光ビームスプリッタ３を反射する。散乱光を検出する場合も反射光と同様に、焦点位置からの散乱光のみが、ピンホールを通って共焦点絞り１３を通過し光検出器１４で検出される。光検出器１４で検出された散乱光は、電気信号に変換されて、制御部１５へ出力される。このため、多重反射試料測定モードでは、散乱光が光検出器で検出される検出光である。

多重反射試料測定モードでも、制御部１５が、対物レンズ１０の焦点位置を、２次元走査手段４によりＸＹ方向へ、ステージ１７によりＺ方向へ移動させることにより、試料１１を走査する。これにより、試料１１の画像は、各焦点位置からの検出光（散乱光）が変換された電気信号から形成され、表示部１８に表示される。

図２は、図１に例示されるレーザ共焦点顕微鏡を用いて多重反射試料を観察した場合の、ＩＺ特性を例示した図である。横軸は、試料１１の対物レンズ１０に対する相対位置であるＺ位置（Ｚ）を示し、縦軸は、光検出器１４からの出力（Ｉ）を示している。曲線Ｎは、通常測定モードでのＩＺ特性を示し、曲線Ｍは、多重反射試料測定モードでのＩＺ特性を示している。なお、試料１１は、図１０に例示される多重反射試料である。

図２に例示されるように、図１０に例示される多重反射試料のＩＺ特性を算出すると、通常測定モード（曲線Ｎ）では、焦点位置が表面ＳＦ１（点Ｐ１）に一致するＺ位置Ｚ１で得られる出力よりも、焦点位置が表面ＳＦ２（点Ｐ３）に一致するＺ位置Ｚ２で得られる出力の方が大きくなる。一方、多重反射試料測定モード（曲線Ｍ）では、焦点位置が表面ＳＦ１（点Ｐ１）に一致するＺ位置Ｚ１で得られる出力の方が、焦点位置が表面ＳＦ２（点Ｐ３）に一致するＺ位置Ｚ２で得られる出力よりも大きくなる。

このような通常測定モードと多重反射試料測定モードのＩＺ特性の違いは、さまざまな要因が考えられる。多重反射試料測定モードは、通常測定モードと比べて、散乱光を検出対象としているため、［１］全体的に光量が少ないこと、［２］光路長差が減衰量に及ぼす影響が大きいこと、［３］反射回数の違いが減衰量に及ぼす影響が大きいこと、などが要因として考えられる。

つまり、多重反射試料測定モードでは、反射光を検出する通常測定モードと比べて、Ｚ位置Ｚ１とＺ位置Ｚ２から生じる光量の差が小さく、Ｚ位置Ｚ２から生じる散乱光の方が、Ｚ位置Ｚ１から生じる散乱光よりも、それらの光量の差以上に、多く減衰することがある。このため、表面ＳＦ２（点Ｐ３）からの検出光は、表面ＳＦ１（点Ｐ１）からの検出光よりも少なくなり得る。

このように、多重反射試料では、反射光を検出して得られるＩＺ特性（曲線Ｎ）は、試料表面に光軸上の焦点位置が一致した状態で最大の出力を示されないが、散乱光を検出して得られるＩＺ特性（曲線Ｍ）は、試料表面に光軸上の焦点位置が一致した状態で最大の出力を示す。このため、本実施例に係るレーザ共焦点顕微鏡１は、散乱光を検出して得られるＩＺ特性に基づいて、試料表面を正確に検出することができる。従って、多重反射試料を観察する場合には、レーザ共焦点顕微鏡１は、多重反射試料測定モードで動作する。

以上、本実施例に係るレーザ共焦点顕微鏡１によれば、任意の試料の表面を正確に検出することができる。このため、試料の形状を正確に測定することができる。より詳細には、多重反射試料を観察する場合には、λ／４板８を光路上に挿入した多重反射試料測定モードでレーザ共焦点顕微鏡１を動作させることにより、試料の表面を正確に検出することができる。また、多重反射試料以外の試料を観察する場合には、λ／４板８を光路から取り除いた通常測定モードでレーザ共焦点顕微鏡１を動作させることにより、試料の表面を正確に検出することができる。

なお、本実施例に係るレーザ共焦点顕微鏡１の構成は、従来のレーザ共焦点顕微鏡の構成に、光路に対して挿脱可能なλ／４板８を追加した構成である。従って、レーザ共焦点顕微鏡１は、従来のレーザ共焦点顕微鏡を利用することができるため、容易に構成することができる。

また、一般に、λ／４板を光路に対して挿脱可能に配置する場合、λ／４板を常に同じ姿勢で光路上に配置することは非常に困難であり、λ／４板の姿勢が変化することがある。λ／４板の姿勢が変化すると、λ／４板を通過した光の偏光特性が変化するため、偏光ビームスプリッタにより分離されて光検出器に入射する検出光の光量が変化してしまう。しかしながら、本実施例に係るレーザ共焦点顕微鏡１は、光路上に固定されたλ／４板７と、光路に対して挿脱可能なλ／４板８と、を含んで構成されているため、図１に例示されるように、姿勢が変化し得るλ／４板８が光路上から取り除かれる通常測定モードでは、λ／４板７と偏光ビームスプリッタ３の間の偏光関係は常に一定の関係となる。従って、本実施例に係るレーザ共焦点顕微鏡１は、λ／４板８を挿脱が繰り返し行われても、通常使用される通常測定モードでは、常に安定した検出光の光量を得ることができる。

また、図２に例示されるように、散乱光を検出する多重反射試料測定モードでは、反射光を検出する通常測定モードと比べて、全体的に出力が小さくなる。このため、観察者がλ／４板８を手動で光路上に挿入し、レーザ共焦点顕微鏡１の測定モードが通常測定モードから多重反射試料測定モードに変化したときに、制御部１５は、レーザ光源２から射出される照明光の光量を増加させてもよい。これにより、図３に例示されるように、発生する散乱光の光量が増加するため、検出される散乱光の光量が増加し、光検出器１４からの出力が増加する。従って、得られるＩＺ特性も曲線Ｍａで示されるＩＺ特性から曲線Ｍｂで示されるＩＺ特性に変化し、レーザ共焦点顕微鏡１により試料表面の判定精度を向上させることができる。この場合、制御部１５は、通常測定モード（第１の状態）と多重反射試料測定モード（第２の状態）とで、レーザ光源２から射出される照明光の光量を変化させる光源制御手段としても機能する。

また、レーザ共焦点顕微鏡１の測定モードが通常測定モードから多重反射試料測定モードに変化したときに、制御部１５は、光検出器１４の露光時間を増加させることにより、光検出器１４からの出力を増加させてもよい。また、複数回試料を走査することにより、露光時間を増加させてもよい。この場合、制御部１５は、通常測定モード（第１の状態）と多重反射試料測定モード（第２の状態）とで、光検出器１４の露光時間を変化させる露光時間制御手段としても機能する。

また、レーザ共焦点顕微鏡１の測定モードが通常測定モードから多重反射試料測定モードに変化したときに、制御部１５は、光検出器１４の光電変換効率、つまり、光検出器１４の検出感度を向上させることにより、光検出器１４からの出力を増加させてもよい。この場合、制御部１５は、通常測定モード（第１の状態）と多重反射試料測定モード（第２の状態）とで、光検出器１４の感度を変化させる検出感度制御手段としても機能する。

また、観察者は、λ／４板８を手動で光路上に挿入するときに、表示部１８に表示されるＧＵＩアプリケーションを使用して、制御部１５にモードの変更を通知してもよい。この場合、制御部１５及び表示部１８は、通常測定モード（第１の状態）と多重反射試料測定モード（第２の状態）の間の状態変化を検出する状態変化検出手段としても機能する。

また、レーザ共焦点顕微鏡１が、さらに、λ／４板８及びホルダー９の位置を検出する不図示のフォトインタラプタを含み、フォトインタラプタの検出結果を制御部１５に通知してもよい。これにより、状態変化を自動的に検出し、検出結果に基づいて、上述した光源制御手段、露光時間制御手段、または、検出感度制御手段を動作させてもよい。この場合、制御部１５及び不図示のフォトインタラプタは、通常測定モード（第１の状態）と多重反射試料測定モード（第２の状態）の間の状態変化を検出する状態変化検出手段としても機能する。

図４は、本実施例に係るレーザ共焦点顕微鏡の構成を例示した図である。図４に例示される本実施例に係るレーザ共焦点顕微鏡１９は、ホルダー９の代わりにホルダー２０を含む点と、制御部１５の代わりにモード演算部２１ａを有する制御部２１を含む点が、レーザ共焦点顕微鏡１と異なっている。また、制御部２１が、レーザ光源２、２次元走査手段４、光検出器１４、及び、ステージ１７に加えて、ホルダー２０を制御する点も、レーザ共焦点顕微鏡１と異なっている。レーザ共焦点顕微鏡１９のその他の構成は、レーザ共焦点顕微鏡１の構成と同様であるので、同一の符号を付して、説明を省略する。

実施例１に係るレーザ共焦点顕微鏡１のホルダー９は、λ／４板８を内部に固定し、手動でλ／４板８毎、光路に対して挿脱されるのに対して、本実施例に係るレーザ共焦点顕微鏡１９のホルダー２０は、λ／４板８を移動可能に収納し、制御部１５の制御により自動でλ／４板８のみを光路に対して挿脱する。より具体的には、例えば、ホルダー２０は、モータを内蔵していて、制御部１５がモータを駆動させることにより、λ／４板８を光路に対して挿脱する。

モード演算部２１ａは、λ／４板８が光路から取り除かれた通常測定モード（第１の状態）で得られる、Ｚ位置と光検出器１４からの出力の関係であるＩＺ特性（第１の関係）から、試料１１が多重反射試料か否かを判断する。つまり、モード演算部２１ａは、多重反射試料か否かを判断することで、λ／４板８の光路への挿入の要否を判断する判断手段である。

モード演算部２１ａは、例えば、通常測定モードでのＩＺ特性が、所定の閾値以上の出力を持つ複数の出力のピークを有するか否かにより、λ／４板８の挿入の要否を判断してもよい。レーザ共焦点顕微鏡１９は、モード演算部２１ａの判断に基づいて、自動的に測定モードを切替えてもよい。

以下、図５及び図６を参照しながら、レーザ共焦点顕微鏡を用いた多重反射試料の表面検出方法の一例について、具体的に説明する。本方法は、自動的に測定モードを切替える方法を含んでいる。

図５は、ＩＺ特性が有する所定の閾値以上の出力のピークをカウントする方法の一例を説明するための図である。図６は、本実施例に係るレーザ共焦点顕微鏡を用いた多重反射試料の表面検出方法を説明するためのフローチャートである。

まず、ステップＳ１では、レーザ共焦点顕微鏡１９は、λ／４板８が光路から取り除かれた通常測定モードで、Ｚ位置毎に光検出器１４からの出力データ（以降、ＩＺデータと記す）を取得する。すなわち、対物レンズ１０の焦点位置からの反射光を検出し、試料１１の対物レンズ１０に対する相対位置（Ｚ位置）毎に、光検出器１４から出力を取得する（反射光検出ステップ）。

次に、ステップＳ２からステップＳ６では、試料１１が多重反射試料か否かを判断する試料判断ステップであり、ステップＳ１で得られた、Ｚ位置と光検出器１４からの出力との関係であるＩＺ特性から、試料１１が多重反射試料か否かを判断する。

具体的には、ステップＳ２では、モード演算部２１ａは、得られたＩＺデータを多項式近似し、図５に例示される、通常測定モードでのＩＺ特性を示す曲線Ｎを算出する。

ステップＳ３では、モード演算部２１ａは、出力（Ｉ値）の所定の閾値ＴＨと曲線Ｎとの交点を算出する。その結果、図５に例示される４つの交点（交点ｎ１、交点ｎ２、交点ｎ３、交点ｎ４）が得られる。なお、所定の閾値ＴＨは、レーザ光源２からの出力などのレーザ共焦点顕微鏡１９の設定に応じて、予め適切な値が選択されている。

ステップＳ４では、モード演算部２１ａは、各交点に対して、交点を中心として予め設定されているＺ方向の幅ｗの範囲を求める。さらに、各交点に対して定められた範囲の両端における出力（Ｉ値）に基づいて、各交点（交点ｎ１、交点ｎ２、交点ｎ３、交点ｎ４）における曲線Ｎの傾き（傾きｇ１、傾きｇ２、傾きｇ３、傾きｇ４）を算出する。

ステップＳ５では、モード演算部２１ａは、ステップＳ４で得られた傾きから閾値ＴＨ以上のピークの数をカウントする。具体的には、Ｚ位置の昇順または降順に傾きを確認し、傾きがプラスからマイナスに変化する毎にピークの数をインクリメントすることで、ピークの数をカウントする。図５に例示される曲線Ｎの場合、傾きｇ１はプラス、傾きｇ２はマイナス、傾きｇ３はプラス、傾きｇ４はマイナスであるので、閾値ＴＨ以上のピークの数は２となる。

ステップＳ６では、モード演算部２１ａは、ステップＳ５で得られたピークの数が２以上あるかどうかを判定する。ピークの数が２以上である場合、モード演算部２１ａは、試料１１が多重反射試料であり、通常測定モードでは試料１１の表面を誤検出する可能性が高いと判断し、制御部２１に多重反射試料測定モードへの移行するためのモード移行信号を送信する。一方、ピークの数が２未満である場合、モード演算部２１ａは、試料１１は、多重反射試料でなく通常測定モードであり、試料１１の表面を誤検出する可能性が低いと判断し、制御部２１に通常測定モードを維持するためのモード維持信号を送信する。

制御部２１は、モード演算部２１ａからのモード移行信号を受信した場合は、ホルダー２０を制御してλ／４板８を光路に挿入することで、レーザ共焦点顕微鏡１９の測定モードを通常測定モードから多重反射試料測定モードへ切替える（ステップＳ７）。

ステップＳ８では、測定モードの切替えに伴って、光検出器からの出力を増加させるための調整が実施されることが望ましい。レーザ光源２から射出される照明光の光量を増加させてもよく（光源制御ステップ）、光検出器１４の露光時間を増加させてもよい（露光時間制御ステップ）。または、光検出器１４の光電変換効率を向上させてもよい（検出感度制御ステップ）。なお、ステップＳ８は省略してもよい。

ステップＳ９では、多重反射試料測定モードに切替えられたレーザ共焦点顕微鏡１９は、再度試料１１を走査することで、多重反射試料測定モードでのＩＺ特性を取得する。すなわち、対物レンズ１０の焦点位置からの散乱光を検出し、試料１１の対物レンズ１０に対する相対位置（Ｚ位置）毎に、光検出器１４から出力を取得する（散乱光検出ステップ）。

ステップＳ１０では、多重反射試料測定モードでのＩＺ特性の最大出力が得られるＺ位置を試料１１の表面として認識することで、多重反射試料である試料１１の表面を正確に検出することができる（表面検出ステップ）。
また、制御部２１は、モード演算部２１ａからのモード維持信号を受信した制御部２１は、通常測定モードを維持する（ステップＳ１１）。

ステップＳ１２では、通常測定モードでのＩＺ特性の最大出力が得られるＺ位置を試料１１の表面として認識することで、多重反射試料ではない試料１１の表面を正確に検出することができる。
なお、ＩＺ特性のピークの数のカウント方法は、図５及び図６で例示される方法に限定されない。他の方法によりピークの数をカウントしてもよい。

以上、本実施例に係るレーザ共焦点顕微鏡１９によれば、任意の試料の表面を正確に検出することを含む、実施例１に係るレーザ共焦点顕微鏡１と同様の効果を得ることができる。

さらに、本実施例に係るレーザ共焦点顕微鏡１９は、試料が多重反射試料か否かを自動的に判断して、レーザ共焦点顕微鏡１９の測定モードを自動的に切替える。このため、レーザ共焦点顕微鏡１９は、観察者の作業負担を軽減することができる。また、レーザ共焦点顕微鏡１９では、使用に当たり専門的な知識を必要としないため、すべての観察者が容易に試料表面を検出することができる。

また、本実施例に係るレーザ共焦点顕微鏡１９は、自動的に測定モードを切替える代わりに、通常測定モードでのＩＺ特性や、演算部２１ａによる測定モードの切替えの要否に関する判断結果を、表示部１８に表示してもよい。そして、観察者が、表示部１８を確認し、測定モードの切替えを指示してもよい。

図７は、本実施例に係るレーザ共焦点顕微鏡の構成を例示した図である。図７に例示される本実施例に係るレーザ共焦点顕微鏡２２は、対物レンズを保持するレボルバ２３を含む点と、対物レンズ１０の代わりに、レボルバ２３に装着された複数の対物レンズ（対物レンズ１０ａ、対物レンズ１０ｂ、対物レンズ１０ｃ）を含む点と、λ／４板８及びホルダー２０がレボルバ２３内に配置される点が、実施例２に係るレーザ共焦点顕微鏡１９と異なっている。また、制御部２１が、レーザ光源２、２次元走査手段４、光検出器１４、ステージ１７、及び、ホルダー２０に加えて、レボルバ２３を制御する点も、レーザ共焦点顕微鏡１９と異なっている。レーザ共焦点顕微鏡２２のその他の構成は、レーザ共焦点顕微鏡１９の構成と同様であるので、同一の符号を付して、説明を省略する。

レボルバ２３は、制御部２１によって制御されることで、任意の対物レンズを光路上に選択的に挿入することができる。より具体的には、レボルバ２３は、モータを内蔵していて、モータを駆動させることにより任意の対物レンズを光路に対して挿入する。

また、レボルバ２３は、ホルダー２０を装着するために設けられた凹部を有している。図７では、ホルダー２０がレボルバ２３の凹部に装着されている状態が示されているが、ホルダー２０は、容易にレボルバ２３から取り外すことができる。

以上、本実施例に係るレーザ共焦点顕微鏡２２によれば、任意の試料の表面を正確に検出することを含む、実施例２に係るレーザ共焦点顕微鏡１９と同様の効果を得ることができる。

さらに、レーザ共焦点顕微鏡２２には、レボルバ２３にホルダー２０を装着するための凹部が設けられているため、レーザ共焦点顕微鏡１９に比べて、容易に機能を拡張することができる。具体的には、当初、多重反射試料測定モードが不要であったため、ホルダー２０をはずした状態で提供されたレーザ共焦点顕微鏡２２のレボルバ２３の凹部に、ホルダー２０を装着するだけで、容易に多重反射試料測定モードの利用が可能となる。

１、１９、２２、１００・・・レーザ共焦点顕微鏡、２、１０１・・・レーザ光源、３、１０２・・・偏光ビームスプリッタ、４、１０３・・・２次元走査手段、５、６、１０４、１０５・・・レンズ、７、８、１０６・・・λ／４板、１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０７・・・対物レンズ、１１、１０８、１０８ａ、１０８ｂ・・・試料、１２、１０９・・・結像レンズ、１３、１１０・・・共焦点絞り、１４、１１１・・・光検出器、１５、２１、１１２・・・制御部、１６、１１３・・・試料台、１７、１１４・・・ステージ、１８、１１５・・・表示部、９、２０・・・ホルダー、２１ａ・・・モード演算部、２３・・・レボルバ、Ｎ、Ｍ、Ｍａ，Ｍｂ・・・曲線、ｇ１、ｇ２、ｇ３、ｇ４・・・傾き、ｎ１、ｎ２、ｎ３、ｎ４・・・交点、ＴＨ・・・閾値、ｗ・・・幅、ＳＦ１、ＳＦ２・・・表面、Ｐ１、Ｐ２・・・点、Ｚ０、Ｚ１、Ｚ２・・・Ｚ位置

Claims (14)

1. 照明光を射出するレーザ光源と、
   試料に前記照明光を照射する対物レンズと、
   前記対物レンズの焦点位置と前記試料の間の、前記対物レンズの光軸方向の相対距離を変化させる焦点位置変更手段と、
   前記レーザ光源と前記対物レンズの間の光路上に配置され、入射光を偏光特性に基づいて分離する偏光分離手段と、
   前記偏光分離手段と前記対物レンズの間の光路上に固定された第１のλ／４板と、
   前記偏光分離手段と前記対物レンズの間の光路に対して挿脱可能に配置された第２のλ／４板と、
   前記焦点位置と光学的に共役な位置に配置された共焦点絞りと、
   前記共焦点絞りを通過した前記試料からの検出光を検出し、前記検出光の強度に応じた信号を出力する光検出器と、を含み、
   前記第２のλ／４板は、前記対物レンズの光軸と直交する面に対して傾斜した表面を有する溝を含む多重反射試料を観察する場合に、前記偏光分離手段と前記対物レンズの間の光路に対して挿入されることを特徴とするレーザ共焦点顕微鏡。
2. 請求項１に記載のレーザ共焦点顕微鏡において、さらに、
   前記第２のλ／４板が光路から取り除かれた第１の状態と、前記第２のλ／４板が光路に対して挿入された第２の状態とで、前記レーザ光源から射出される前記照明光の量を変化させる光源制御手段を含むことを特徴とするレーザ共焦点顕微鏡。
3. 請求項１に記載のレーザ共焦点顕微鏡において、さらに、
   前記第２のλ／４板が光路から取り除かれた第１の状態と、前記第２のλ／４板が光路に対して挿入された第２の状態とで、前記光検出器の露光時間を変化させる露光時間制御手段を含むことを特徴とするレーザ共焦点顕微鏡。
4. 請求項１に記載のレーザ共焦点顕微鏡において、さらに、
   前記第２のλ／４板が光路から取り除かれた第１の状態と、前記第２のλ／４板が光路に対して挿入された第２の状態とで、前記光検出器の感度を変化させる検出感度制御手段を含むことを特徴とするレーザ共焦点顕微鏡。
5. 請求項２乃至請求項４のいずれか１項に記載のレーザ共焦点顕微鏡において、さらに、
   前記第１の状態と前記第２の状態の間の状態変化を検知する状態変化検知手段を含むことを特徴とするレーザ共焦点顕微鏡。
6. 請求項１に記載のレーザ共焦点顕微鏡において、さらに、
   前記第２のλ／４板が光路から取り除かれた第１の状態で得られる前記相対位置と前記光検出器の出力との第１の関係に基づいて、前記第２のλ／４板の光路への挿入の要否を判断する判断手段を含むことを特徴とするレーザ共焦点顕微鏡。
7. 請求項６に記載のレーザ共焦点顕微鏡において、
   前記判断手段は、前記第１の関係が、所定の閾値以上の出力を持つ複数の出力のピークを有するか否かにより、前記第２のλ／４板の挿入の要否を判断することを特徴とするレーザ共焦点顕微鏡。
8. 請求項１に記載のレーザ共焦点顕微鏡において、
   前記第２のλ／４板は、前記対物レンズと前記第１のλ／４板の間の光路に対して挿脱可能に配置されることを特徴とするレーザ共焦点顕微鏡。
9. 請求項８に記載のレーザ共焦点顕微鏡において、さらに、
   前記対物レンズを保持するレボルバを含み、
   前記第２のλ／４板は、前記レボルバ内に配置されることを特徴とするレーザ共焦点顕微鏡。
10. 請求項１に記載のレーザ共焦点顕微鏡において、
    前記第１のλ／４板、及び、光路に対して挿入された前記第２のλ／４板は、前記光軸と直交する面に対して、０．１°以上の角度を成すことを特徴とするレーザ共焦点顕微鏡。
11. レーザ共焦点顕微鏡を用いた、対物レンズの光軸と直交する面に対して傾斜した表面を有する溝を含む多重反射試料の表面検出方法であって、
    前記対物レンズの焦点位置からの反射光を検出し、試料の前記対物レンズに対する光軸方向の相対位置毎に、光検出器から出力を取得する反射光検出ステップと、
    前記反射光検出ステップで得られた前記相対位置と前記出力との関係から、前記試料が前記多重反射試料か否かを判断する試料判断ステップと、
    前記試料判断ステップで前記試料が前記多重反射試料であると判断された場合に、前記焦点位置からの散乱光を検出し、前記相対位置毎に、前記光検出器から出力を取得する散乱光検出ステップと、
    前記散乱光検出ステップで得られた前記相対位置と前記出力との関係から、前記試料の表面を検出する表面検出ステップと、を含むことを特徴とする多重反射試料の表面検出方法。
12. 請求項１１に記載の多重反射試料の表面検出方法において、さらに、
    前記試料判断ステップと前記散乱光検出ステップの間に、レーザ光源から射出される照明光の光量を増加させる光源制御ステップを含むことを特徴とする多重反射試料の表面検出方法。
13. 請求項１１に記載の多重反射試料の表面検出方法において、さらに、
    前記試料判断ステップと前記散乱光検出ステップの間に、前記光検出器の露光時間を増加させる露光時間制御ステップを含むことを特徴とする多重反射試料の表面検出方法。
14. 請求項１１に記載の多重反射試料の表面検出方法において、さらに、
    前記試料判断ステップと前記散乱光検出ステップの間に、前記光検出器の光電変換効率を向上させる検出感度制御ステップを含むことを特徴とする多重反射試料の表面検出方法。

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