JPH08211296A - 共焦点走査型光学顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 走査速度が速い共焦点走査型光学顕微鏡を提
供し、また、測定点の位置の特定が安定している共焦点
走査型光学顕微鏡を提供する。 【構成】 点光源と等価な光源を光源単位とし、光源単
位を複数個組み合わせてなる走査単位内で光源単位で異
なる波長を含む光の照射を周期的に行なう光源と、複数
個の検出単位を備え波長の光を検出する検出器と、光源
と検出器とを光学的に共役な位置に配置し、光源単位と
検出単位を一対一に対応させる共焦点光学系とを備え、
共焦点光学系は波長に対して光学的収差を持ち、光学的
収差によって試料における深さ方向の焦点位置を異なら
せ、試料像を検出器の同一面上に結像させる光学系を含
んだ共焦点走査型光学顕微鏡によって、試料の高速並列
光ビーム走査と深さ方向の検出を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、走査型顕微鏡に関し、
特に、共焦点走査型光学顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、走査型顕微鏡として、走査型超音
波顕微鏡、走査型電子顕微鏡、走査型トンネル顕微鏡や
走査型原子間顕微鏡に代表される近接場走査型顕微鏡、
走査型光学顕微鏡等が知られている。これらの走査型顕
微鏡の中で、走査型超音波顕微鏡は対象試料を水等の音
波の伝導体雰囲気中に置く必要がある。また、走査型電
子顕微鏡は測定環境が真空中である必要があり観察環境
を大気中とすることができず、高エネルギー電子線によ
って試料にダメージを与える虞があるという問題点があ
る。また、近接場走査型顕微鏡は、プローブが試料と接
触して試料にタメージを与える虞があるという問題点が
ある。これに対して、走査型光学顕微鏡の一つである共
焦点走査型光学顕微鏡は、光学顕微鏡でいわれる分解能
はサブミクロン程度であるが、共焦点光学系の持つ性質
から一般に光学顕微鏡より焦点深度が浅く、しかも得ら
れる像の強度は光学顕微鏡の２乗倍であるという特性が
ある。

【０００３】図８，９は共焦点光学系を説明するための
図である。図８の（ａ）はピントが合っている場合の光
学図であり、図８の（ｂ）はピントが合っていない場合
の光学図である。ピントが合っている場合には、点光源
Ｓからの光は試料表面で結像し、その反射光はレンズを
経て再び点光源Ｓに戻る。一方、ピントが合っていない
場合、反射光は点光源Ｓに集中しない。また、図９は多
点光源の場合において、縮小像と拡大像における光学系
を示しており、点光源Ｓ１あるいはＳ２から出て試料上
の点Ｏ１ないし点Ｏ２で反射した光も再び点光源Ｓ１な
いし点光源Ｓ２に戻るものである。

【０００４】そのため、点光源Ｓに戻る反射光の強度
は、試料上での像のピントが外れるに従って急速に低下
する。従って、共焦点走査型光学顕微鏡は良好なＳ／Ｎ
比を得ることができる。共焦点走査型光学顕微鏡は、こ
の焦点深度が浅く、そのＳ／Ｎ比が良いという特性によ
って、試料が透明あるいは半透明であれば、その内部を
光学的に切断した３次元像を観察することができる。ま
た、前記した走査型顕微鏡と異なり観察環境を大気中と
することができ、試料に対するダメージを除くことがで
きる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
共焦点走査型光学顕微鏡では、試料の観察あたって試料
自体を走査するか、あるいは固定した試料に対して光ビ
ームを走査する必要がある。試料自体の走査は例えば試
料を載せたＸ−Ｙステージの駆動により行い、また、光
ビームの走査は例えばガルバノミラーや音響光学偏向器
を用いている。しかしながら、これらの走査手段は走査
速度が遅く、また、ガルバノミラーや音響光学偏向器等
は位置の再現性が良好でなく、測定点の位置の特定が曖
昧で不安定であるという問題点がある。そこで、本発明
は前記した従来の共焦点走査型光学顕微鏡の問題点を解
決した共焦点走査型光学顕微鏡を提供することを目的と
するものであり、走査速度が速い共焦点走査型光学顕微
鏡を提供し、また、測定点の位置の特定が安定している
共焦点走査型光学顕微鏡を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本出願の第１の発明は、
点光源と等価な光源を光源単位とし、該光源単位を複数
個組み合わせてなる走査単位内で前記光源単位の光の照
射を周期的に行なう光源と、複数個の検出単位を備えた
検出器と、光源と検出器とを光学的に共役な位置に配置
し、光源単位と検出単位を一対一に対応させる共焦点光
学系とを備えるた共焦点走査型光学顕微鏡によって、高
速並列光ビーム走査を行い、前記目的を達成する。

【０００７】本出願の第２の発明は、異なる波長を含む
光源と、該波長の光を検出する検出器と、光源と検出器
とを光学的に共役な位置に配置する共焦点光学系とを備
え、共焦点光学系は前記波長に対して光学的収差を持
ち、光学的収差によって試料における深さ方向の焦点位
置を異ならせ、試料像を検出器の同一面上に結像させる
光学系を含んだ共焦点走査型光学顕微鏡によって、試料
の深さ方向の検出を行い、前記目的を達成する。

【０００８】本出願の第３の発明は、点光源と等価な光
源を光源単位とし、光源単位を複数個組み合わせてなる
走査単位内で光源単位で異なる波長を含む光の照射を周
期的に行なう光源と、複数個の検出単位を備え波長の光
を検出する検出器と、光源と検出器とを光学的に共役な
位置に配置し、光源単位と検出単位を一対一に対応させ
る共焦点光学系とを備え、共焦点光学系は波長に対して
光学的収差を持ち、光学的収差によって試料における深
さ方向の焦点位置を異ならせ、試料像を検出器の同一面
上に結像させる光学系を含んだ共焦点走査型光学顕微鏡
によって、試料の高速並列光ビーム走査と深さ方向の検
出を行い、前記目的を達成する。

【０００９】本出願の第４の発明は、点光源と等価な光
源を光源単位とし、該光源単位を複数個組み合わせてな
る走査単位内で前記光源単位で異なる波長を含む光の断
続的照射を周期的に行なう光源と、複数個の検出単位を
備え同時に入射した光から前記波長を選択して検出する
検出器と、光源と検出器とを光学的に共役な位置に配置
し光源単位と検出単位を一対一に対応させる共焦点光学
系とを備え、この共焦点光学系は波長に対して光学的収
差を持ち、この光学的収差によって試料における深さ方
向の焦点位置を異ならせ、試料像を検出器の同一面上に
結象させる光学系を含む共焦点走査型光学顕微鏡によっ
て、光の断続的照射の一周期内で記波長に対応して検出
を行い、前記目的を達成する。

【００１０】本発明において、等価な点光源は、検出器
あるいは光学系から見て実質的に点光源として扱うこと
ができる点光源であり、スリットや液晶素子等の光制御
手段による光の遮断，通過や光の方向変化により、放射
される光が点光源からの光として扱えることできるもの
である。本発明の光源単位は、一つの光源として扱える
光源の集合であり、一つの光源あるいは隣接する複数個
の光源によって構成することができるものである。ま
た、本発明の走査単位は、点滅が周期的に行われる光源
単位の集まりであり、全走査範囲は複数個の走査単位に
よって形成することができ、走査単位内において光源単
位を順次干渉しないように点滅させることにより全走査
範囲の走査を行うことができるものである。そして、本
発明の並列ビーム走査は、この点光源を相互に干渉しな
いように点滅させることにより１次元あるいは２次元の
並列光源を構成し、この並列光源から出射される並列な
ビームによって走査を行うものである。

【００１１】また、本発明の検出単位は、一つの検出手
段として扱える検出手段の集合であり、一つの検出手段
あるいは隣接する複数個の検出手段によって構成するこ
とができるものである。本発明の第１の実施態様は、光
源単位と検出単位は相似形であり、光源を構成する光源
単位の縦横の個数と検出器を構成する検出単位の縦横の
個数とは比例関係にあるものであり、これによって、光
源と検出器との共役関係を形成することができる。本発
明の第２の実施態様は、光源を面発光アレイにより構成
するものであり、これによって、個々の点光源の点滅制
御を行うことができる。

【００１２】本発明の第３の実施態様は、光源は液晶素
子を用いた光シャッターアレイを備えた構成とすること
ができ、これによって、ビームパターンの制御を容易に
行うことができる。本発明の第４の実施態様は、光源を
マトリックス状の窓を備えた光マスクの遮光により構成
することがてき、これによって、光の減衰を伴うことな
く走査を行うことができる。本発明の第５の実施態様
は、光マスクの表面に鋸歯状の形状を形成するものであ
り、これによって、マスク面からの不要な反射光を軽減
することができる。

【００１３】本発明の第６の実施態様は、光学的に検出
器の前方に点光源アレイと光学的に共役な光マスクを設
け、該光マスクを点光源アレイの駆動と同期させる構成
とするものであり、これによって、検出器へのノイズ光
の混入を防止するたとができる。本発明の第７の実施態
様は、入射光と試料からの反射光との比を測定する構成
とするものであり、これによって、入射光量の変動を補
正することができる。本発明の第８の実施態様は、検出
したスペクトルパターンと正常のスペクトルパターンと
の比較を行う構成とするものであり、これによって、異
常パターンの検出を行うことができる。本発明の第９の
実施態様は、光の断続的照射の一周期内において波長に
対応した検出は、波長域内に通過域を含む光学的バンド
パスフィルタを光学的に検出器の前に設け、これによっ
て、波長を選択して検出することができる。

【００１４】

【作用】本出願の第１の発明は、同時並列的な光走査ビ
ームによって機械的な構成を用いることなく走査を行な
うことができるものである。本出願の第１の発明におい
て、光源を形成している走査単位内で個々の光源単位か
ら周期的に光の照射を行う。この光を共焦点光学系を介
して試料に照射する。試料から反射された反射光を再び
共焦点光学系を介して検出器に導く。共焦点光学系を介
して導光することにより、点光源の光源単位と検出器の
検出単位は一対一に対応する。周期的に光源の点滅を行
うと、共焦点光学系により検出器では試料を実質的に光
ビーム走査を行うことになる。図１，２は第１の発明の
並列光ビーム走査の原理を説明するための図である。図
１において、Ｄは検出器アレイ、Ｓは点光源アレイ、Ｈ
はハーフミラー、Ｌはレンズ、Ｏは試料である。検出器
アレイＤ及びレンズＬは同一の光軸（主軸）に配置さ
れ、点光源Ｓは該主軸に対して９０°の角度で光軸上に
配置される。また、ハーフミラーＨは、主軸に対して４
５°の角度で光軸上に配置される。これによって、点光
源Ｓと検出器アレイＤはハーフミラーＨを介して光学的
に共役に配置されることになる。

【００１５】したがって、検出器アレイＤ上の１つの検
出素子ａ’は点光源Ｓ上の１つの発光素子ａと光学的共
役の関係にあり、発光素子ａから出た光はハーフミラー
Ｈで反射され、レンズＬによって試料Ｏ上のｂ点に結像
される。そして、ｂ点からの反射光あるいは電磁波はハ
ーフミラーＨを介して検出器アレイＤのａ’点の検出素
子上に結像される。第１の発明の並列光ビーム走査は、
前記構成と点光源アレイの各点光源を互いに干渉しない
ように点滅させて形成される並列光源により行う。この
並列光源からの光をレンズを介して試料表面に映像とし
て結像照射させ、結像した各点から反射された光信号を
再び同一のレンズを通して検出器アレイ上に集光結像さ
せ、各点光源に対応して光学的共役位置に配置された各
点検出器で同時並列的に測定することにより行う。

【００１６】図２は、点光源を４つの光源単位を備えた
走査単位によって構成し、検出器を４つの検出素子を備
えた検出単位によって構成し、両者を共焦点光学系を介
して光学的に連結している。点光源において、例えば
ａ，ｂ，ｃ，ｄで示される光源単位を順に点滅させ、こ
の光源による光の試料への照射及び試料からの反射光の
検出器への照射を共焦点光学系を介して行い、検出器に
おいて光源単位に対応した検出単位で光信号の測定を行
うことによって、同時並列的に測定することにより行
う。

【００１７】本出願の第２の発明は、深さ方向の測定を
行なうものである。本出願の第２の発明において、光源
から異なる波長を含んだ光を共焦点光学系を介して試料
に照射する。共焦点光学系に含まれる光学系は波長に対
して光学的収差を有しているため、波長に応じて試料に
おける深さ方向の焦点位置は異なる。この異なる焦点位
置から反射される試料像は、再び共焦点光学系を介して
検出器の同一面上に結像させる検出器に導かれ、これに
よって、深さ方向の測定を行なうものである。また、こ
の反射光は共焦点光学系を介して導光することにより、
点光源の光源単位と検出器の検出単位は一対一に対応し
ている。

【００１８】図３は第２の発明の並列光ビーム走査の原
理を説明するための図である。図３において、１１は光
源１に含まれる白色光源、１２はアパーチャー、３１は
平行光線を形成するコリメータ、３２は点光源を形成す
る光マスク、４１はハーフミラー、４２は対物レンズ、
５は試料、７は分光器である。図において、点光源位置
である光マスク３２の形状と分光器７の入口スリットの
形状を一致させて光学的に共役に配置し、点光源面と分
光器の入口スリット面とを４５°に配置したハーフミラ
ーを介して９０°に配置することによって、点光源の点
ａから射出された光をハーフミラーで反射し、対物レン
ズによって試料に集光結像させる。ここで、対物レンズ
の屈折率は波長によって異なるため、光の波長（λ1 ＜
・・・＜λn ）の短いほうから試料に向かって点ｂλ1
・・・ｂλn の順番で結像され、また、逆に点ｂλ1 ・
・・ｂλn から出た光は各波長の光はレンズによって一
点に集光結像される。

【００１９】図において、波長λ1 及びλ2 の光が試料
表面の位置ｂ1 と裏面位置ｂ2 に結像したとすると、こ
こで反射された光は再び対物レンズ、ハーフミラーを通
過して光学的に点光源位置ａと共役な位置にある分光器
の入口スリット位置ａ’に全て結像される。ここで、波
長λ1 及びλ2 以外の波長の光も試料の表面及び裏面で
同時に反射されるが、共焦点光学系によってほとんどの
光は分光器の入口スリット位置に届かず分散消失する。
ここで分光器によって反射光のスペクトル特性を測定
し、波長λ1 及びλ2 を測定する。そして、この波長測
定によって試料側の深さ方向の結像位置等を求めること
ができる。なお、一般に、光は屈折率の異なる物質に進
入するとその境界で反射現象が発生するため、試料の表
面位置及び裏面位置において反射光が発生する。

【００２０】第３の発明は、前記した本出願の第１の発
明による同時並列的に行う光ビーム走査と本出願の第２
の発明による深さ方向の測定とを組み合わせることによ
って試料の３次元測定を行うものである。本出願の第３
の発明において、光源を形成している走査単位内で個々
の光源単位から周期的に異なる波長を含んだ光の照射を
行い、この光を共焦点光学系を介して試料に照射する。
共焦点光学系に含まれる光学系は波長に対して光学的収
差を有しているため、波長に応じて試料における深さ方
向の焦点位置は異なる。この異なる焦点位置から反射さ
れる試料像は、再び共焦点光学系を介して検出器の同一
面上に結像させる検出器に導かれる。また、この反射光
は共焦点光学系を介して導光することにより、点光源の
光源単位と検出器の検出単位は一対一に対応している。
周期的に光源の点滅を行うと、共焦点光学系により検出
器では試料を実質的に光ビーム走査を行うことになり、
試料の３次元測定を行うことができる。

【００２１】第３の発明では、レンズの光波長に対する
収差を利用して深さ方向の測定において、光源の照射波
長を段階的あるいは連続的に順次変化させ、この波長変
化と同期して試料からの反射光を共焦点光学系を介して
観察，測定を行う。この第３の発明において、光波長は
点検出器アレイの１フレーム毎の走査で順次変化させ、
これにしたがって深さ方向の測定を行っている。そのた
め、一つの試料について複数の層（ｎ層）の断層像を求
める場合には、１フレーム毎に各層の測定を行うため、
ｎ個のフレームの測定が必要となる。つまり、断層数と
同数の回数の掃引数（フレーム数）を必要とすることに
なる。したがって、全ての断層像を１フレーム時間内で
収集測定することはできず、リアルタイム観察が困難と
なる。一般のモニターの表示速度は２４フレーム／秒、
あるいは３０フレーム／秒であるため、１／２４秒ある
いは１／３０秒の間に、面及び複数層の断層像を測定し
収集する必要がある。

【００２２】本出願の第４の発明は、上記要求を満足さ
せて、多層段層像の測定において、面情報と多層の深さ
方向の情報の全てを、点検出器アレイの１回の掃引によ
って１フレーム時間内で観察し測定する共焦点走査型光
学顕微鏡である。本出願の第４の発明において、光源を
形成している走査単位内で個々の光源単位から周期的に
異なる波長を含んだ光の断続的照射を行い、この光を共
焦点光学系を介して試料に照射する。共焦点光学系に含
まれる光学系は波長に対して光学的収差を有しているた
め、波長に応じて試料における深さ方向の焦点位置は異
なる。この異なる焦点位置から反射される試料像は、再
び共焦点光学系を介して検出器の同一面上に結像させる
検出器に導かれる。また、この反射光は共焦点光学系を
介して導光することにより、点光源の光源単位と検出器
の検出単位は一対一に対応している。検出器は、同時に
入射した光から前記波長を選択して深さ方向の情報を得
るとともに、周期的に光源の点滅を行うと、共焦点光学
系により検出器では試料を実質的に光ビーム走査を行う
ことになり、試料の３次元測定を一フレームの走査で行
うことができる。

【００２３】図４は第４の発明の３次元測定の原理を説
明するための図である。図４において、１２は光源１に
含まれる単波長の光源、３３は光源からの光を拡大し平
行光線を形成するコリメータ、４１はハーフミラー、４
２は対物レンズ、４３は平行光ビーム走査用光マスク、
５は試料、６１は反射光像の結像レンズ、６２は拡大
（縮小）レンズ、８はカラーフィルタ付き点検出器アレ
イである。また、図５は図４における像関係を示してい
る。平行光ビーム走査用光マスク４３の一つの窓（ｃ
面）から出た互いに独立な光束（λ11，λ12，λ21，λ
22）を対物レンズによって試料面（ｄ面）に設定倍率で
結像させる。このとき、各波長の光は対物レンズの持つ
収差特性に従って異なる深さ方向で結像する。この像か
ら反射された光は再び共焦点光学系によって光マスクの
窓に集光され、ｃ面に結像される。この像を結像レンズ
によってｂ面にく結像させ、さらに拡大レンズによって
点検出器アレイのａ面に光マスクの窓寸法の拡大像とし
て結像する。

【００２４】このとき、各点検出器の光学的前面に透過
中心波長がそれぞれλ11，λ12，λ21，λ22で互いに独
立した光学フィルタを設けると、反射光のλ11，λ12，
λ21，λ22はそれぞれ独立した点検出器によって測定す
ることができる。この測定を本出願の第１〜第３の発明
に示した光ビーム走査により行う。このとき、光学フィ
ルタ等によって光の波長選択を行うことによって、干渉
を起こさせることなく同時に複数個の波長の照射を行う
ことができ、、１フレーム中に複数回の走査を行うこと
ができる。図６は第４の発明における点検出器アレイの
配列とカラーフィルタの配列を示す図である。カラーフ
ィルタはｎ×ｍ個の種類によって形成され、Ｎ×Ｍの点
検出素子を備えた点検出器アレイの前面の（１，１）〜
（ｎ，ｍ）のブロック上に構成される。そして、このカ
ラーフィルタの分光透過特性は、例えば、図７に示すよ
うに独立した特性を備えている。また、光マスクの窓寸
法はこのカラーフィルタのブロック（１，１）〜（ｎ，
ｍ）の縦横寸法と相似形に形成される。したがって、第
４の発明は、前記した本出願の第３の発明による試料の
３次元測定を、１フレーム中に複数個の走査を同時に行
うものである。

【００２５】

【実施例】以下、本発明の実施例を図を参照しながら詳
細に説明する。 〔本出願の第１の発明〕以下に高速並列光ビーム走査を
行う本出願の第１の発明について説明する。 （第１の発明の第１実施例の構成）はじめに、第１の発
明の第１実施例の構成について、図１０の実施例の構成
図、図１１の点光源アレイの構成図、図１２の点検出器
アレイの構成図、及び図１３の点検出器アレイの他の構
成図を用いて説明する。

【００２６】図１０の構成図は点光源アレイ制御によっ
て、高速並列光ビーム走査を行う共焦点走査型光学顕微
鏡のブロック構成を示している。図１０において、５は
試料、１３は例えば発振波長が４８８ｎｍで出力が５ｍ
ｗのアルゴンイオンレーザのレーザ光源であり、３２は
マトリックス窓形の光マスク、３３はビーム拡大機能を
備えた並行光ビームを得るためのコリメータ、３４は光
マスクの駆動ユニット、３５は光マスクの駆動ユニット
３４を制御する制御装置、３６は位置検出装置、３７は
位置検出装置３６からのアナログ信号をデジタル信号に
変換する変換器、４１はハーフミラー、４２は対物レン
ズ、４３は対物レンズの焦点調整を行う焦点手動調整機
構、７１はＣＣＤイメージカメラ、７２はＣＣＤイメー
ジカメラの制御装置、７３は制御装置７２からの信号を
表示する表示装置、９１は共焦点走査型光学顕微鏡の制
御を行うとともに、測定データの解析を行う中央制御装
置、９２は中央制御装置の操作卓及び解析データの表示
を行う表示装置、９３は中央制御装置の印字端末及び解
析データの印字を行う印字装置である。

【００２７】以下、前記構成における点光源アレイ及び
点検出器アレイの構成について説明する。図１１は点光
源アレイの一例を示しており、縦ｍ個，横ｎ個にマトリ
ックス状に配列された発光素子あるいは光源の後方に配
置されたマスクの窓等の実質的に点光源と見ることがで
きる構成要素によって構成される。また、各点光源の大
きさは縦ｈ，横ｗとする。したがって、点光源アレイの
縦方向の長さはｍ×ｈで、横方向の長さはｎ×ｗとな
る。

【００２８】また、図１２は点検出器アレイの一例を示
しており、縦Ｍ個，横Ｎ個にマトリックス状に例えば固
体素子イメージセンサ（以下、ＣＣＤイメージセンサと
いう）を配列して構成される。なお、ＣＣＤイメージセ
ンサは受光部分とイメージ信号を転送する走査部分の２
つの部分を備えた素子であり、光電変換された電荷の蓄
積と、垂直帰線の期間に蓄積部への蓄積電荷の転送と、
該蓄積部からのイメージ信号の転送とを、１フレーム
（画面１枚の走査の間）の間に行い、新たに次のイメー
ジ信号の測定を行うよう構成されている。つまり、垂直
帰線信号の立ち上がりと立ち下がりの期間内に、全ての
面への光ビーム走査を完了するならば、通常のビデオモ
ニタと同様にリアルタイムで試料表面の状態観察を行う
ことができる。なお、点検出器アレイの各検出素子（画
素）の寸法を縦Ｈ，横Ｗとする、点検出器アレイの縦方
向の長さはＭ×Ｈで、横方向の長さはＮ×Ｗとなる。

【００２９】点光源アレイと点検出器アレイの各素子の
縦及び横の寸法は相似形でことが望ましく、以下の関係
式によって表される。 Ｈ：Ｗ＝ｈ：ｗ また、点光源アレイと点検出器アレイの縦及び横の個数
は比例していることが望ましく、その比を整数Ｋとする
と以下の関係式によって表すことができる。 Ｎ／ｎ＝Ｍ／ｍ＝Ｋ （Ｎ＞ｎ，Ｍ＞ｍ） 前記図１１，１２では、Ｎ＝ｎ，Ｍ＝ｍ，Ｈ＝ｈ，Ｗ＝
ｗの場合を表しているが、比例定数Ｋが”１”でない場
合には、点光源アレイと点検出器アレイが共役となるよ
うに、両者あるいは一方の光学的に縮小あるいは拡大し
て前記関係を満足するよう構成する。また、図１３に示
す点検出器アレイの他の実施例は、Ｎ＝２ｎ，Ｍ＝２ｍ
とした場合である。この場合には、点検出器アレイの一
つの検出素子の部分に４個の点光源が対応することにな
る。

【００３０】（第１の発明の第１実施例の作用）次に、
第１の発明の第１実施例の作用について説明する。図１
０において、レーザ光源１３からコリメータ３３を介し
て得られる並列光ビームを光マスク３２に照射する。光
マスク３２は駆動ユニット３４によって２次元方向に周
期的に駆動され、受光側から見て並列光ビームの点滅を
行わせる。また、この駆動ユニット３４の位置制御は、
位置検出装置３６により測定した位置信号を変換器３７
でデジタル信号に変換した後に中央制御装置９１に送
り、中央制御装置９１は位置信号に基づいて駆動指令を
制御装置３５に送ることによって行われる。

【００３１】光マスク３２からの光ビームは、ハーフミ
ラー４１によって試料５側に偏向され、対物レンズ４２
によって試料５上に結像される。試料上の像は、再び対
物レンズ４２及びハーフミラー４１を通過してＣＣＤイ
メージカメラ７１に結像される。制御装置１２は、中央
制御装置９１から１フレーム毎に起動命令を受けて蓄積
電荷の読み取りや、光電気変換による電荷蓄積等のＣＣ
Ｄイメージセンサの機能を制御し、得られたビデオ信号
及び制御信号を表示装置７３や中央制御装置９１へ送信
する。図１６は、ＣＣＤイメージセンサの電荷の蓄積と
転送、及び点光源の駆動のタイミングを説明するタイミ
ングチャートである。ＣＣＤイメージセンサは２つの垂
直帰線パルスに間に光電変換した電荷を蓄積し、垂直帰
線の期間に該蓄積電荷を蓄積部へ転送する。そして、蓄
積部はこの蓄積電荷を次の２つの垂直帰線パルスに間に
おいてイメージ信号として転送を行う。なお、Ｘ軸移動
及びＹ軸移動は、後述するように点光源の駆動を表して
いる。また、中央制御装置は得られたビデオ信号等を解
析して解析データを求め、表示装置９２への表示や印字
装置９３への印字を行う。

【００３２】次に、図１４を用いて点光源の点滅動作に
ついて説明し、さらに図１５，図１６を用いてこの点光
源による全面走査の動作について説明する。となり合う
２点の光源距離には限界があり、限界距離内にある光源
または像を区別することはできない。この限界距離は、
取り扱う光の波長に比例し対物レンズの開口数（ＮＡ）
に反比例する。したがって、点光源アレイの１つ１つの
点光源を点灯させるには限界距離以上離れた点光源を点
灯させる必要がある。したがって、必要とする光ビーム
の大きさによって、図１４の（ａ）及び（ｂ）に示すよ
うに点灯の組み合わせを変更する場合がある。図中斜線
部分は点灯した点光源を示している。

【００３３】ここで、図１４の（ａ）に示すように１ピ
クセル単位で点灯させる場合において、図１５を用いて
全面走査を行う動作を説明する。図１５において、全面
走査は（ａ）→（ｂ）→（ｃ）→（ｄ）の順で行われ
る。（ａ）では例えば（Ｘ，Ｙ）の座標で表される点光
源を点灯させ、（ｂ）ではＸ軸の正の方向に１ピクセル
分移動させて（Ｘ＋１，Ｙ）の座標で表される点光源を
点灯させ、（ｃ）ではさらにＹ軸の負の方向に１ピクセ
ル分移動させて例えば（Ｘ＋１，Ｙ−１）の座標で表さ
れる点光源を点灯させ、（ｄ）ではさらにＸ軸の負の方
向に１ピクセル分移動させて例えば（Ｘ，Ｙ−１）の座
標で表される点光源を点灯させる。これらの４つの点光
源を１つの走査単位とし、この走査単位中における点光
源の周期的な点滅を全面について繰り返すことによっ
て、となり合う点光源の干渉を起こすことなく全面の走
査を行うことができる。

【００３４】（第１の発明の第１実施例の実例）この第
１実施例では、点光源とその試料上の点の縮小倍率を調
整し、試料上での１つの像の１辺の大きさを約１μｍに
したとき、試料上で約１．９×１．０ｍｍ2 の面積の光
ビーム走査を３．３ｍｓｅｃ（１フレーム時間）で行う
ことができる。また、このとき、最小スポットの寸法は
１辺が０．５μｍ〜０．６μｍとすることができる。

【００３５】（第１の発明の第２実施例）次に、第１の
発明の第２実施例について説明する。この第２実施例
は、点光源アレイとして面発光レーザダイオード等の面
発光素子を用いるものであり、その他の構成は前記第１
実施例と同様であるため、点光源アレイの構成について
のみ説明する。面発光レーザダイオードは、図１７に示
すように、基板の上下に共振器を構成した半導体レーザ
を行列状に配列したもので、点滅を個々に制御すること
ができるものである。この面発光レーザダイオードを図
１８の構成図に示すように検出器アレイと共役となる位
置に配置することによって、共焦点走査型光学顕微鏡を
構成することができる。

【００３６】（第１の発明の第３実施例の構成）次に、
第１の発明の第３実施例について説明する。この第３実
施例は、点光源アレイにおいて、光シャッターとして液
晶パネルを用いるものであり、その他の構成は前記第１
実施例と同様であるため、点光源アレイの構成について
のみ説明する。液晶パネルは、図１９に示すように、液
晶分子を挟んで両側に透明電極を設け、該電極への電圧
の印加により透過光の制御を行うことができるものであ
り、入射光の偏光を一致させておくことによって光シャ
ッターとして使用することができる。この液晶パネル
は、図２０に示すよう、光源からの並列ビームの光学的
後方に配置し、図１９の（ｂ）に示すように点光源に対
応させてマトリックス状に配置した電極への電圧印加を
制御することによって、受光側から見た場合の点光源の
点滅を個々に制御することもできる。

【００３７】この液晶パネルによる点光源を用いた場合
には、（１）一般に用いられる検出器アレイとの寸法上
の整合性で都合が良い。（２）画素数が多いため、点光
源の個数を増加させることができる。（３）射出光が偏
光しているため、検出器までの光学素子や試料等による
乱反射光の除去が容易である。（４）マトリックス状の
ビームパターンを映像パターンとして容易に形成するこ
とができる。（５）１点１点の走査が可能である。
（６）光シャッターへの適用が容易である。等の効果が
ある。

【００３８】（第１の発明の第４実施例の構成）次に、
第１の発明の第４実施例について説明する。この第４実
施例は、点光源アレイにおいて、光マスクを駆動するこ
とによって点光源の点滅を行うものであり、その他の構
成は前記第１実施例と同様であるため、点光源アレイの
構成についてのみ説明する。図２１は、マトリックス窓
形光マスクの構成例を示しており、低反射率の薄いガラ
ス板（例えば、０．５ｍｍ〜１ｍｍ程度）に光学的リソ
グラフィー等の加工手段によって形成することができ
る。窓は図示するように例えばＷの間隔で等間隔に配列
され、窓の縦横の個数及び寸法は検出器の縦横の個数及
び寸法と相似形で形成される。窓の個数は横がＮ／２
個、縦がＭ／２個である。窓の寸法例としては、例えば
７．３×７．６μｍ2 で９６０×５１８個とする構成を
用いることができる。

【００３９】図２２は、このマトリックス窓形光マスク
を駆動するための駆動機構の構成図である。図２２にお
いて、駆動機構は例えば積層圧電体セラミックや電磁駆
動等のトランスジューサにより構成することができ、Ｘ
軸方向及びＹ軸方向にそれぞれ配置することによってＸ
−Ｙ方向の２次元的駆動を行わせることができる。そし
て、例えば、Ｘ軸駆動部によるＸ軸方向へのＷの伸縮
や、またＹ軸駆動部によるＹ軸方向へのＨの伸縮を周期
的に繰り返すことによって、前記した全面走査を行うこ
とができる。

【００４０】（第１の発明の第５実施例の構成）次に、
第１の発明の第５実施例について説明する。この第５実
施例は、光マスクによる点光源の駆動の他の実施例であ
り、その他の構成は前記第１実施例と同様であるため、
点光源アレイの構成についてのみ説明する。図２３は、
スリット窓形光マスクの構成例を示しており、（ａ）に
示すような縦方向にスリットが形成されたスリット窓マ
スク（Ｗ）と、（ｂ）に示すような横方向にスリットが
形成されたスリット窓マスク（Ｈ）の２つのスリット窓
マスクの重ね合わせによって構成される。図２４は、こ
のスリット窓形光マスクを駆動するための駆動機構の構
成図である。Ｘ軸駆動部とＹ軸駆動部には、スリット窓
マスク（Ｗ）とスリット窓マスク（Ｈ）がそれぞれパタ
ーン面が対向して接触しない程度の間隔を開けて取り付
けられている。駆動機構は前記実施例４と同様に例えば
積層圧電体セラミックや電磁駆動等のトランスジューサ
により構成することができ、２つのトランスジューサを
縦横駆動させることによって、全面走査を行うことがで
きる。

【００４１】なお、前記第４実施例及びこの第５実施例
において、トランスジューサ制御は、基台と光源にピン
ホールを設け、このピンホールの移動距離を光学的に拡
大し、位置センサで検出して、原点位置及び移動距離
Ｗ，Ｈを制御することができる。また、前記第４実施例
及び第５実施例においては、光の減衰を減少させること
ができ、また、液晶パネルを用いる場合に必要となる駆
動回路によるデッドゾーンを除くことができ、効率的で
ローコストの構成を行うことができる。

【００４２】（第１の発明の第６実施例の構成）次に、
第１の発明の第６実施例について説明する。この第６実
施例は、照明と結像を同一の窓によって共焦点光学系を
構成する共用窓タイプとするものでありその他の構成は
前記第１実施例と同様であるため、図２５の構成図を用
いて共用窓の構成についてのみ説明する。図２５におい
て、試料５側の対物レンズとハーフミラー４２との間に
は共用窓３８が設けられ、同一の窓を照明用と結像用に
共用するものである。これによって、共用窓３８は点光
源であるとともに検出点ともなる。

【００４３】（第１の発明の第７実施例の構成）次に、
第１の発明の第７実施例について説明する。この第７実
施例は、点光源アレイにおいて、その形状を円形とし、
各点光源を円弧状の発光部分によって構成するものであ
り、その他の構成は前記第１実施例と同様である。図２
６におて、円上の点光源アレイは中心を通る放射状の線
と円周とによって区分された点光源を備え、各点光源は
前記した実施例と同様にして相互に干渉することなく周
期的に点滅させることができる。点検出器アレイは、こ
の点光源アレイの形状に対応して円形に形成することが
できる。

【００４４】（第１の発明の第８実施例の構成）次に、
第１の発明の第８実施例について説明する。この第８実
施例は、前記実施例１と同様にの構成において走査方法
を異ならせるものである。以下、走査方法についてのみ
説明する。ここで、従来の共焦点走査型光学顕微鏡にお
いて機械的機構によって行われる走査方法は図２７の
（ａ）に示すものである。従来の走査方法は、図２７の
（ａ）に示すように、一本の走査線により、例えば走査
範囲の一方の軸方向の端から端まで走査し、帰線信号に
よって走査線を一方の軸方向の端部に戻すとともに他方
の軸方向に一定距離ずらし、再び一方の軸方向の端から
端までの走査を行うという操作を繰り返すことによって
行っている。これに対して、本発明においては、図２７
の（ｂ）は前記図１５で示したように、複数個の光ビー
ムをコの字状に走査して行う。

【００４５】図２７の（ｃ）は第８実施例における走査
方法であり、複数個の光ビームの走査を図中の番号で示
すようにＺ字状に走査して行う。また、図２７の（ｄ）
は第８実施例における他の走査方法であり、複数個の光
ビームをコの字状に走査するが、走査単位を前記図２７
の（ｂ）から１ピクセル分ずらして形成するものであ
る。また、図２７の（ｅ）は第８実施例における別の走
査方法であり、複数個の光ビームをコの字状に走査する
が、走査単位を前記図２７の（ｂ），（ｃ）に示すよう
に矩形状から短冊状に形成するものであり、その走査順
は隣接する走査単位における各光源が干渉しないよう位
置をずらして行うものである。さらに、図２７の（ｆ）
は第８実施例における更に別の走査方法であり、短冊状
に形成した走査単位とし、隣接する走査単位をずらして
配置するものである。

【００４６】図２８は、干渉距離と光源の配置との関係
を説明する図であり、隣接する光源を同時に点灯させる
と両者は干渉を起こし、両光源の光を区別することがで
きない。そこで、干渉距離Ｌ以上離れた光源を点灯さ
せ、両光源の光の区別を可能とする。前記図２７におい
て同時に点灯する点光源は、この干渉距離以上にある点
光源となるよう選択し、走査を行うことになる。

【００４７】（第１の発明の第９実施例の構成）次に、
第１の発明の第９実施例について説明する。この第９実
施例は、前記実施例１と同様にの構成において光マスク
の窓の表面に鋸歯状の形状を形成するものであり、これ
によって、マスク面からの不要な反射光を軽減すること
ができる。図２９に示すように、マスク面上の表面を鋸
歯状に形成する。このマスク面に垂直に入射した光はこ
の鋸歯状部分によって検出器以外の方向に反射し、検出
器方向への不要な反射光を軽減する。

【００４８】（第１の発明の第１０実施例の構成）次
に、第１の発明の第１０実施例について説明する。この
第１０実施例は、Ｓ／Ｎ比を向上させるための構成であ
る。本発明の前記実施例において、ＣＣＤイメージセン
サでは全ての点検出器（画素）が１フレーム期間受光状
態となっており、共役関係にある点光源からの信号を受
光する時間はこの１フレーム期間の１／４である。した
がって、残りの３／４の期間では不要な光が進入するこ
とになる。共焦点光学系では、結像できなかった光ビー
ムの反射光は、点光源アレイと光学的に共役にある検出
器アレイ面では、急激に低下するものの、測定のバック
グラウンドノイズとなる虞がある。そこで、第１０実施
例では、演算によってこのバックグラウンドノイズの除
去を行うものである。

【００４９】演算によるバックグラウンドノイズの除去
は、全面走査を多数のフレームによって行うよう制御し
て１フレーム毎のデータを取込み、該データから光マス
クの窓パターンに応じてデータのみを選択，抽出して不
要なデータを除去し、全面走査に要する前記フレームに
ついてデータを重ね合わせることによって行うものであ
る。

【００５０】（第１の発明の第１１実施例の構成）次
に、第１の発明の第１１実施例について説明する。この
第１１実施例は、Ｓ／Ｎ比を向上させるための他の構成
であり、検出器アレイの前に光マスクを設ける構成によ
ってバックグラウンドノイズの除去を行うものである。
図３０において、検出器アレイ８の前に光マスク６３及
びレンズ６４を配置する。光マスク６３は、点光源アレ
イ１と光学的に共役な関係にあり、点光源アレイのマス
クパターンの走査と同期して同じ動作を行わせるもので
ある。これによって、検出器アレイ８への余分な光の混
入を除去する。

【００５１】（第１の発明の効果）前記第１の発明で
は、以下のような効果を有する （１）一般に光学顕微鏡において、試料上に結像した２
点が判別することができる限界距離である分解能ｄｍ
は、対物レンズが理想的である場合には、 ｄｍ＝０．５λ／ｎ・ｓｉｎθ の関係式で表すことができる。なお、λは使用している
波長であり、ｓｉｎθは対物レンズの開口数（ＮＡ）で
あり、ｎは屈折率（空気中ではｎ＝１）である。点光源
の縦横いずれか小さいほうの寸法をｄとすると限界倍率
ＮはＮ＝ｄ／ｄｍとなる。開口数（ＮＡ）に対する最小
分解間隔ｄｍと波長λとの関係を図３１，図３２に示
す。図３１は波長及び開口数と分解能の関係を表す表で
あり、図３２は波長及び開口数と分解能の関係を表す図
である。

【００５２】図３１，図３２において、例えばＮＡ＝
０．９のとき４００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲の光源波長
では０．４μｍ以下の分解能が得られる。つまり、点灯
している点光源像の隣接距離の最小幅を０．４μｍ以下
にすることができ、光学系の倍率を１／１０とすると１
ピクセルの短い辺の寸法を４μｍとすることによって、
試料面上では０．４μｍ単位の光ビーム走査を行うこと
ができる。また、使用する光をレーザ光とすることによ
ってさらにｄｍを小さくすることができ、共焦点光学系
によってさらに分解能を向上させることができる。

【００５３】（２）一度に数万以上の光ビームを一度に
照射することができ、走査時間を短縮することができ
る。したがって、走査面をリアルタイムでモニターする
ことができる。 （３）共焦点光学系を用いることによって点光源と結像
点と検出点が１対１に対応しているため、正確な測定位
置を得ることができる。 （４）共焦点光学系を用いることによって、一般の顕微
鏡と比較して光ビームの系を小さくすることができる。 （５）共焦点光学系を用いることによって、反射光測定
におけるＳ／Ｎ比が良好で、検出感度を高めることがで
きる。

【００５４】〔本出願の第２の発明〕以下に深さ方向の
情報を得る本出願の第２の発明について説明する。 （第２の発明の実施例の構成及び作用）はじめに、第２
の発明の実施例の構成について、図３３の実施例の構成
図を用いて説明する。図３３の構成図は点光源アレイ制
御によって、深さ方向の情報を得る共焦点走査型光学顕
微鏡のブロック構成を示している。図３３において、１
１の白色光源からの光は分光器２によって分光され、所
定の波長の光が光チョッパー２２によって断続光として
出射される。分光器２は、中央制御装置９１からの指令
によって制御されるグレーティング駆動ユニット２１に
より駆動され、波長走査が行われる。また、光チョッパ
ー２２は例えば４００Ｈｚにより入射光を変調するとと
もに、ロックインアンプ７４，７８との同期信号出力と
同期がとられる。コリメータ３１によって形成された並
列光線は、例えば直径１０μｍの点光源ピンホール３９
を通してハーフミラー４１において試料５側に反射され
る。

【００５５】ハーフミラー４１による反射光は、対物レ
ンズ４２を通して試料５に集光結像される。この対物レ
ンズ４２の焦点距離及び材質は試料や測定深さ等に応じ
て選択される。この対物レンズ４２は複数種のレンズが
用意され、倍率変更用レンズ駆動機構と該レンズを搭載
するレンズ交換機構４４によって駆動される。また、試
料５は試料表面の上下位置を調整する試料上下駆動、及
びＸ−Ｙ平面駆動が可能な３次元駆動装置によって、３
次元的に位置決めを行うことができる。なお、試料上下
駆動は結像表面波長設定時に使用される。試料５上の結
像は、再び対物レンズ４２及びハーフミラー４１を通し
て、検出ピンホール６５に結像される。この検出ピンホ
ール６５（例えば直径１０μｍ）は、前記した点光源ピ
ンホール３９と光学的に共役に配置されている。この検
出ピンホール６５の像は集光レンズ６６を介して検出器
８に結像される。

【００５６】検出器８による検出信号は、前記の光チョ
ッパー２２と同期した反射光強度増幅用ロックインアン
プ７４によって信号増幅され、Ａ／Ｄ変換器ユニット７
５に入力される。また、点光源ピンホール３９から光は
ハーフミラー４１及び入射光強度測定用集光レンズ７６
を介して検出器７７に入力される。この検出器７７は光
源強度を検出して、光強度による検出信号の補償を行う
ものである。検出器７７の検出信号は、入射強度増幅用
ロックインアンプ７８によって信号増幅しＡ／Ｄ変換器
ユニット７５に入力する。入射強度増幅用ロックインア
ンプ７８は光チョッパー２２と同期している。Ａ／Ｄ変
換器ユニット７５は、反射光強度と入射光強度との比を
演算する機能を備え、該演算値をＡ／Ｄ変換して中央制
御装置９１に送る。中央制御装置９１は、この反射光強
度と入射光強度との比に応じて光源を制御し、入射光強
度の補償を行う。また、９１は共焦点走査型光学顕微鏡
の制御を行うとともに、測定データの解析を行う中央制
御装置、９２は中央制御装置の操作卓及び解析データの
表示を行う表示装置、９３は中央制御装置の印字端末及
び解析データの印字を行う印字装置である。

【００５７】（第２の発明の実施例の作用）分光器２に
よって分光されて得られた波長の光は、その波長に応じ
て対物レンズの屈折率により試料の深さ方向で結像する
位置が異なり、短い波長は試料の表面に近い位置に結像
され、長い波長は試料の裏面側に結像される。また、逆
に試料の深さ方向で異なる位置にある像は、その像を形
成する波長が異なるため対物レンズの屈折率によって一
点に集光結像される。

【００５８】例えば、異なる波長の光が試料の深さ方向
で異なる位置に結像したとすると、ここで反射された光
は再び対物レンズ、ハーフミラーを通過して光学的に点
光源ピンホール３９と共役な位置にある検出ピンホール
６５に全て結像される。ここで、結像した波長以外の波
長の光も試料の各結像位置において同時に反射される
が、共焦点光学系によってほとんどの光は検出ピンホー
ル６５に届かず分散消失する。ここで検出ピンホール６
５に集光結像した反射光のスペクトル特性の測定によっ
て各波長を測定し、この波長測定によって試料側の結像
位置等を求める。

【００５９】例えば、試料表面のレンズからの距離はレ
ンズの屈折率と焦点距離の関係、レンズの屈折率と焦点
距離の関係、及び焦点距離とレンズと点光源の位置から
求めることができ、また、試料裏面のレンズからの距離
は前記距離に加えて試料の屈折率と波長との関係から求
めることができる。

【００６０】さらに、試料の厚さは前記の試料表面のレ
ンズからの距離と試料裏面のレンズからの距離との差に
よって求めることができる。また、試料中に存在する物
質についても同様にして試料中のおける位置を求めるこ
とができる。ここで、以下に上記関係をより詳細に説明
する。屈折率はレンズの材質によって異なり、また、光
の波長と屈折率の関係もレンズの材質によって異なる。
この関係は、以下のような実験式によって得ることがで
きる。

【００６１】レンズの材質が溶融石英の場合の波長λ
（ｎｍ）と屈折率（ｎ）との関係は以下の実験式の関係
がある。 ｎ2 ＝１＋ａ1 λ2 ／（λ2 −ｂ12）＋ａ2 λ2 ／（λ
2 −ｂ22）＋ａ3 λ2 ／（λ2 −ｂ32） ここで、ａ1 ＝０．６９６１６６３，ａ2 ＝０．４０７
９４２６，ａ3 ＝０．８９７４７９４，ｂ1 ＝０．０６
８４０４３，ｂ2 ＝０．１１６２４１４，ｂ3 ＝９．８
９６１６１である。

【００６２】また、近赤外域や赤外域の波長において、
レンズの材質がフッ化リチウム（ＬｉＦ）の波長λ（ｎ
ｍ）と屈折率（ｎ）との関係は以下の実験式の関係があ
る。

【００６３】 ｎ2 ＝ａ1 −ａ2 λ2 ＋ａ3 ／（λ2 −λc 2 ） ここで、ａ1 ＝１．９２６２２３１，ａ2 ＝０．００７
０５０３４，ａ3 ＝０．００４７１４３３，λc 2 ＝
０．００９４７７３１である。また、同一材質における
レンズの屈折率（ｎ）と焦点距離ｆ’との関係には以下
の関係がある。 ｆ’（ｎ−１）＝一定 ここで、波長λ0 に対して屈折率ｎ0 で焦点距離ｆ0 の
レンズを用い、点光源をレンズからａの距離に置き、そ
の実像が倍率Ｎ0 倍になる空気中での光学系において、
実像がレンズから距離ｂ0 の位置にあるときには、この
光学系の同じ点光源から射出された波長λ1 の光が結像
する位置ｂ1 と前記位置ｂ0 との差は、位置ｂ0 を原点
として以下の式によって表すことができる。 ｂ0 −ｂ1 ＝ｆ0 ・Ｎ0 ・（Ｎ0 ＋１）・〔（ｎ1 −ｎ
0 ）／｛（ｎ1 −１）（Ｎ0 ＋１）−（ｎ0 −１）｝〕 ここで、ｎ1 は波長λ1 に対するレンズの屈折率であ
る。したがって、レンズの材質と使用する波長λから屈
折率ｎを求め、この屈折率ｎを上式に代入することによ
って、光像の結象位置の差（ｂ0 −ｂ1 ）を求めること
ができる。

【００６４】図３４は、溶融石英のレンズの場合におけ
る波長と結像位置との関係を示す図である。図におい
て、４００ｎｍの波長を基準とし、そのときの実像位置
を”０”とし、焦点距離ｆを変化させた場合を示してい
る。また、図３５は、同様にフッ化リチウムのレンズの
場合における波長と結像位置との関係を示す図である。

【００６５】前記した近似式は空気中における結像位置
を示すものであり、試料の持つ屈折率を考慮した場合に
は、試料表面を原点として該位置に点光源のλ0 の波長
が結像するようにしたとき、λ1 の波長の像ができる位
置との距離は、空気中における距離に試料の材質の屈折
率ｎを乗じた値となる。ここで、屈折率ｎを波長λの関
数ｎ（λ）とすると、距離の差は Δｂ＝ｎ（λ）・（ｂ0 −ｂ1 ） によって表すことができる。

【００６６】フッ化リチウムのレンズの場合において、
溶融石英板内に結像させたときの例を図３６，３７，３
８に示す。図３６は倍率１倍で焦点距離を変化させた場
合であり、図３７，３８は倍率０．１倍で焦点距離を変
化させた場合である。前記したように、試料側の異なる
深さ方向の位置を、検出側における一つの焦点位置にお
いて求めることができ、これによって、試料の厚さ検出
や、試料の層の厚さ検出や、試料中における物質の位置
を求めることができる。

【００６７】以下、順に試料の厚さ検出、試料の層の厚
さ検出、試料中における物質の位置の検出について説明
する。はじめに、厚さ検出の場合について説明する。図
３３の構成において表面反射が４００ｎｍの波長で生じ
るように溶融石英の板を配置し、対物レンズの材質をフ
ッ化リチウムとし、焦点距離を２０ｍｍとし、倍率を
０．１倍とし、基準波長を４００ｎｍとした場合には、
図３９に示すような反射光のスペクトルパターンが測定
される。

【００６８】図３９の検出スペクトルパターンでは、４
００ｎｍと６００ｎｍにおいてそれぞれ表面反射と裏面
反射によるピークが得られる。このスペクトル特性を前
記図３８にあてはめると、試料の厚さとして０．８１ｍ
ｍが求まり、前記計算式から０．８１６ｍｍが得られ
る。また、試料が多層の場合においても、同様にして各
層の厚さを求めることができる。図４０は、２層の場合
の検出スペクトルパターンであり、前記図３９の場合と
同様にして求めることができる。

【００６９】次に、試料中の存在する物質に位置検出に
ついて説明する。物質が試料の表面、裏面あるいは試料
中の存在する場合についても、前記と同様にスペクトル
パターンによってその物質の位置を求めることができ
る。なお、図４１は試料中の異物がある場合のスペクト
ルパターンである。また、試料を走査することによっ
て、異物の平面的な大きさを求めることもできる。

【００７０】（第２の発明の実施例の効果）次に、第２
の発明の実施例は、以下のような効果を有する。 （１）第２の発明における深さ方向の検出感度は、対物
レンズの材質，対物レンズの焦点距離，及び倍率によっ
て変化する。例えば、屈折率が小さいほど、また焦点距
離が大きいほど収差は大きくなり、また、倍率が大きい
ほど波長に対する結像位置の差が拡大する。 （２）また、第２の発明における深さ方向の分解能は、
焦点深度によって定まる。ある波長λが結像していると
き、その結像が持っている深さ方向にピントが合う範囲
ｄｚは一般に次式によって表される。 ｄｚ＝０．５・ｎ・λ／（ｓｉｎθ）2 ここで、θはレンズの開口数を与える角度である。この
関係は図４２及び図４３の示している。例えば、開口数
（ＮＡ）が０．９５のレンズによれば、４００ｎｍ〜７
００ｎｍの波長に対して深さ方向に約０．４μｍより良
好な分解能を有している。

【００７１】（第２の発明の他の実施例）前記図３３に
示す実施例においては、白色光源を分光器によって分光
して使用する波長を選出しているが、この白色光源と分
光器の組み合わせによる光源に代えて、波長が可変であ
るレーザ光源を用いることができる。この場合には、分
光器による波長の選出を省略することができる。また、
前記図３３に示す実施例においては、共役ピンホールを
用いているが、図４４に示すようにピンホールが点光源
と検出器窓を兼ねた構成とすることもできる。また、前
記図３３に示す実施例において、検出器側に分光器を設
置した構成とすることもできる。この場合には、入射光
強度の測定においても分光器を設置する必要がある。

【００７２】〔本出願の第３の発明〕以下に平面方向及
び深さ方向の３次元の情報を得る本出願の第３の発明に
ついて説明する。 （第３の発明の第１実施例の構成及び作用）はじめに、
第３の発明の実施例の構成及び作用について、図４５の
実施例の構成図及び図４６のタイムチャートを用いて説
明する。第３の発明の実施例は、前記第１の発明による
高速並列光ビーム走査を行う共焦点走査型光学顕微鏡
と、前記第２の発明による深さ方向の情報を求める共焦
点走査型光学顕微鏡とを組み合わせて、平面方向及び深
さ方向の３次元の情報を得る共焦点走査型光学顕微鏡で
ある。図４５の構成図において、光源は白色光源１１を
分光器２によって分光した光をコリメータ３１によって
並行光ビームとして射出する光源と、レーザ光源１３か
らのレーザ光をビーム拡大器３３によって拡大するとと
もに並行光ビームとして射出する光源の２つが設けられ
ている。

【００７３】一方の光源に設けられる分光器２は、複数
個のバンドパス干渉フィルタを円盤の同心円上に配置
し、この円盤を分光器駆動ユニット２１によって回転さ
せることによって、射出する波長をステップ状に選択可
能としている。また、他方の光源のレーザ光は、ミラー
切り換え駆動ユニット１２７によって駆動される平面ミ
ラー１２６をコリメータ３１を通る光軸上に挿入可能と
なっており、これによって、前記白色光源１１との切り
換えを行うことができる。なお、分光器駆動ユニット２
１とミラー切り換え駆動ユニット１２７はバスを介して
中央制御装置９１に接続されている。

【００７４】光源から射出された光ビームはハーフミラ
ー４１を含んだビームスプリッタによって試料５側と点
検出器１１２側に光の分離を行っている。試料５側に分
離された光ビームは、マトリックス窓形光マスク１０１
において結像される。このマトリックス窓形光マスク１
０１は、点光源窓と点検出窓を共用する窓であり、マス
ク面からの不要な反射を防止するために鋸歯状のエッチ
ングが形成されている。マトリックス窓形光マスク１０
１から射出される光ビームは、該光マスクの位置に配置
された点光源として扱うことができ、対物レンズを介し
て試料５に結像する。

【００７５】なお、対物レンズは、レンズ交換ユニット
４４によってその倍率を交換したり、レンズの焦点距離
に応じて上下位置の調整を行う。また、試料５は試料台
５６上に載置され、さらにこの試料台５６には試料上下
位置微調整ユニット５２及び試料３次元移動ユニット５
４が設けられる。試料上下位置微調整ユニット５２は積
層圧電体セラミック等よりなるトランスジューサを備
え、例えば０．６μｍ／Ｖの変化量によって試料の表面
反射基準の波長調整を行い、また、試料３次元移動ユニ
ット５４は試料上下位置決めにおいては粗動作を行い、
平面移動においては走査面の移動を行う。これらの調整
ユニットは、試料上下位置微調整ユニット駆動ユニット
５３と試料３次元移動ユニット駆動ユニット５５によっ
て駆動される。

【００７６】マトリックス窓形光マスク１０１は、前記
実施例に示した並列光ビーム走査を行うための構成であ
り、光マスク駆動ユニット１０２によってＸ−Ｙ方向の
走査が行われ、また、位置センサ１０３によってその移
動位置の検出が行われる。光マスク駆動制御ユニット１
０４はマトリックス窓形光マスク１０１の駆動制御を行
うものであり、位置センサ１０３からの検出信号があら
かじめ設定された正しい位置の信号となるように光マス
ク駆動ユニット１０２にフィードバックをかける制御を
行う。また、中央制御装置９１からの指令によって、検
出器アレイ８の走査と同期してマトリックス窓形光マス
ク１０１の駆動制御を行う。検出器アレイ８は、マトリ
ックス窓形光マスク１０１上にできる点光源の一つ一つ
の点光源の光強度を検出するものであり、点光源と検出
窓を兼ねる光マスクの各窓と、検出器アレイの各検出器
素子とは光学的に共役となるよう配置されている。

【００７７】なお、検出器アレイ８には、対物レンズを
介してマトリックス窓形光マスク１０１に結像された試
料５の像が、ハーフミラー４１，検出レンズ１２１，１
２２を介して結像される。なお、検出レンズ１２１，１
２２はマトリックス窓形光マスク１０１の点光源アレイ
像を実像像として検出器アレイ８上に結像させるレンズ
であり、例えば溶融石英等の収差の小さな材質により形
成することができる。

【００７８】検出器アレイ８には検出器制御ユニット３
５が接続され、検出器アレイの検出や、中央制御装置９
１からの起動信号による測定データの転送のタイミング
の制御及び駆動を行う。また、各検出素子から検出した
アナログ信号に応じた同期信号のアナログ信号処理ユニ
ット１１５への送信を行う。

【００７９】中央制御装置９１は、アナログ信号処理ユ
ニット１１５からの検出信号によって、前記した高速並
列光ビーム走査と深さ方向の情報検出の処理を行って、
３次元観察を行う。さらに、この実施例においては、照
射光強度の変動及び照射光強度の波長依存性の補償を行
う機構を備えている。この機構は、照射強度に比例した
光強度を検出する点検出器１１２と、検出器アレイの光
電変換によって電荷蓄積が行われた時間と同期して、点
検出器１１２からのアナログ信号を中央制御装置９１か
らの信号に基づいて積分を行う積分器１１３と、中央制
御装置９１からの信号に基づいて積分器１１３からの信
号をサンプル，ホールドし、ＣＣＤイメージセンサのデ
ータ転送期間中に測定値を保持するサンプル，ホールド
回路１１４とアナログ信号処理ユニット１１５とを備え
ている。アナログ信号処理ユニット１１５は、検出器ア
レイ８からのアナログ信号とサンプル，ホールド回路１
１４からのアナログ信号の比を反射率比例電圧として求
め、検出器制御ユニット３５から送られてくる各素子毎
のアナログ信号に同期した転送同期信号のタイミングに
よって、前記反射率比例電圧と基準信号との比較を行
う。

【００８０】そして、反射率比例電圧が基準信号より大
きい場合には、真の反射信号があったものとして１フレ
ーム毎に中央制御装置９１から送信されている輝度変調
信号やカラー信号を映像モニター７３に送信する。一
方、反射率比例電圧が基準信号より小さい場合には、反
射信号がないものとしてあらかじめ設定されているバッ
クグラウンドに相当する輝度変調信号やカラー信号を映
像モニター７３に送信する。また、アナログ信号処理ユ
ニット１１５は、各検出器データ転送タイミング毎に同
期してこの比較信号を中央制御装置９１に送信してい
る。映像モニター７３は、中央制御装置９１からの垂直
同期信号をトリガーとし、アナログ信号処理ユニット１
１５からの輝度変調信号やカラー信号と同期して反射信
号の有無を表示し、試料の平面映像（２次元表示）や断
層映像（３次元表示）を描くものである。

【００８１】（第３の発明の第１実施例の測定例）次
に、分光器として６段階の波長選択を行い、画素数が１
９２０×１０３６で画素サイズが７．３×７．６μｍ2
で走査速度が３０フレーム／秒の検出器アレイを用い、
１つの窓の寸法が検出器アレイの１画素の寸法と１対１
の窓を等間隔で配置し、窓数を９６０×５１８個として
縦横Ｘ−Ｙ駆動により駆動するマトリックス窓形光マス
クを用いた場合において、２次元測定と３次元測定にお
ける測定例を示す。２次元測定において、使用する光源
を出力波長が４８８ｎｍのＡｒイオンレーザとし、対物
レンズの開口数ＮＡを０．９とし、光学系の倍率を１／
２０倍として高分解能観察を行った場合には、照射点１
点あたりのスポット形状は約０．３６５×０．３８μｍ
2 、走査面積は約０．２７５ｍｍ2 、走査速度は０．２
７５ｍｍ2 ×３０フレーム／秒、観察画素数は５９，６
７３，６００画素／秒の結果が得られる。

【００８２】また、使用する光源を出力波長が４８８ｎ
ｍのＡｒイオンレーザとし、対物レンズの開口数ＮＡを
０．５とし、光学系の倍率を１／３倍として中分解能観
察を行った場合には、照射点１点あたりのスポット形状
は約２．５３×２．５３μｍ2 、走査面積は約１２．７
ｍｍ2 、走査速度は１．６ｍｍ2 ×３０フレーム／秒、
観察画素数は５９，６７３，６００画素／秒の結果が得
られる。また、３次元測定において、光源にはハロゲン
ランプを使用し４００ｎｍを起点として１０ｎｍステッ
プで６段階の波長選択を行い、溶融石英による対物レン
ズの開口数ＮＡを０．９とし、光学系の倍率を１／２０
倍とし、焦点ｆを４ｍｍとして高分解能観察を行った場
合には、照射点１点あたりのスポット形状は約０．３６
５×０．３８μｍ2 、走査面積は約０．２７５ｍｍ2 、
焦点深度は最大約０．３１μｍ、屈折率約１．３の試料
について深さ測定は約０〜４．８μｍ、走査速度は０．
２７５ｍｍ2 ×３０フレーム／秒、観察画素数は９，９
４５，６００画素／秒／層の結果が得られる。

【００８３】また、同じく光源としてハロゲンランプを
使用し４００ｎｍを起点として５０ｎｍステップで６段
階の波長選択を行い、フッ化リチウムによる対物レンズ
の開口数ＮＡを０．５とし、光学系の倍率を１／３倍と
し、焦点ｆを１０ｍｍとして中分解能観察を行った場合
には、照射点１点あたりのスポット形状は約２．５３×
２．５３μｍ2 、走査面積は約１２．７ｍｍ2 、焦点深
度は最大約２．３μｍ、屈折率約１．３の試料について
深さ測定は約０〜０．５２ｍｍ、走査速度は１２．７ｍ
ｍ2 ×３０フレーム／秒、観察画素数は９，９４５，６
００画素／秒／層の結果が得られる。

【００８４】（第３の発明の第２実施例の構成）第２実
施例は、図４７に示すように、点光源アレイであるマト
リックス窓形光マスク１０１と検出窓面１３０を光学的
に共役の位置に配置するものであり、その他の構成につ
いては前記第１実施例と同様である。この構成により、
共役配置によって点光源と結像点と検出点が１対１に対
応して正確な測定位置を得ることができ、また、反射光
測定におけるＳ／Ｎ比が良好で、検出感度を高めること
ができる。また、検出窓面１３０に光マスク１０１と同
期してかつ光学的に共役な光マスクを設置する構成によ
って、この効果を向上させることができる。

【００８５】（第３の発明の第３実施例の構成）図４８
に示す第３実施例は、前記図４７に示す実施例２中の検
出器１１２に代えて検出器アレイ１１８を用い、検出器
アレイ８と同期して動作させる構成であり、検出器アレ
イ１１８の前には検出レンズ１１６，１１７が配置され
ている。

【００８６】この構成により、試料像を結像する検出器
アレイ８と照射光の強度を検出する検出器アレイ１１８
とは、反射光の比強度を各点光源毎に求めることができ
る。これによって、前記実施例１，２と同様に光源全体
の光源強度の変動や分光器の波長特性による強度の相違
を測定することができる他、並行光ビームのローカリテ
ィーや光マスクの形状誤差等による照射強度の差を補償
することができる。

【００８７】（本出願の第３の発明の効果）従来の共焦
点走査型光学顕微鏡と比較して、リアルタイムで安定で
正確な面観察を行うことができる。また、試料の断層映
像により３次元観察を行うことができる。これによっ
て、例えば、径が８μｍで高さが２．４μｍ程度の赤血
球の活性度，退化度，及び退化の進行状況や、１２μｍ
〜１５μｍ程度の白血球の殺菌状況をリアルタイムで観
察することができる。また、半導体ウエハーや液晶パネ
ルのごみ検査やパターン欠陥検査において測定の高速化
を図ることができる。また、ガラスの厚さ測定や表面コ
ーティング膜の厚さ測定が可能であり、製造プロセスの
管理に応用することができる。

【００８８】〔本出願の第４の発明〕以下に１フレーム
内で面測定及び多層の深さ方向の測定を行う本出願の第
４の発明について説明する。 （第４の発明の実施例の構成及び作用）図４９は第４の
発明の実施例の構成を説明するための構成図であり、図
５０はそのタイムチャートである。図４９に示す構成
は、前記図４５に示した第３の発明の構成における光源
の構成が相違し、その他の構成については共通であるた
め、以下では相違する部分についてのみ説明する。図４
９に示す構成例において、光源は複数個のレーザ光源１
３を備えている。レーザ光源１３の個数及びその波長
は、測定する深さ方向の層数や深さに応じて設定され
る。図では赤色，緑色，及び青色の３色の場合を示して
いる。レーザ光源１３Ｒは赤色のレーザ光を発生する光
源であり、例えば発振波長が６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレ
ーザや発振波長が６７５ｎｍのダイオードレーザを用い
ることができ、レーザ光源１３Ｇは緑色のレーザ光を発
生する光源であり、例えば発振波長が５３２ｎｍの固体
レーザを用いることができ、また、レーザ光源１３Ｂは
青色のレーザ光を発生する光源であり、例えば発振波長
が４７３ｎｍの固体レーザを用いることができる。

【００８９】これらのレーザ光源１３Ｒ，１３Ｇ，１３
Ｂから発せられた光ビームはビームスプリッタ４５Ｒ，
４５Ｇ，４５Ｂによって分割され、一方は試料側に導か
れて点光源窓及び点検出窓とを共用したマトリックス窓
形マスクを介して試料上に結像され、他方は集光レンズ
１１１を介して点検出器１１２Ｒ，１１２Ｇ，１１２Ｂ
に導かれる。点検出器１１２Ｒ，１１２Ｇ，１１２Ｂ
は、各波長の光源強度に比例した光強度を検出する装置
であり、この検出アナログ信号は積分器及びサンプル，
ホールド回路１１３によって積分され、ＣＣＤイメージ
センサのデータ転送期間の間にその測定値を保持する。
この積分処理は、中央制御装置９１からの指令に基づい
て、検出器アレイによって光電変換された電荷が蓄積さ
れる時間と同期して行われる。

【００９０】そして、この積分器及びサンプル，ホール
ド回路１１３の出力は、マルチプレクサ回路１１４にお
いて、中央制御装置９１からの指令に基づき、検出器制
御ユニット３５に同期して、各画素のフィルタの種類に
一致した光源のサンプル，ホールド値を選択し、アナロ
グ信号処理ユニット１１５に出力する。アナログ信号処
理ユニット１１５は、検出器アレイ８からのアナログ信
号とマルチプレクサ回路１１６からのアナログ信号との
比から反射率比例電圧を求め、輝度信号及びカラー信号
を映像モニター７３に出力する。前記の反射率比例電圧
は、アナログ信号処理ユニット１１５において、検出器
制御ユニット３５から送られてくる各素子毎のアナログ
信号に同期した転送同期信号のタイミングによって、基
準信号との比較が行われる。

【００９１】そして、反射率比例電圧が基準信号より大
きい場合には、真の反射信号があったものとして１フレ
ーム毎に中央制御装置９１から送信されているＲ，Ｇ，
Ｂに一致した仮想の輝度変調信号あるいはカラー信号を
映像モニター７３に送信する。一方、反射率比例電圧が
基準信号より小さい場合には、反射信号がないものとし
てあらじめ設定されているバックグラウンドに相当する
輝度変調信号やカラー信号を映像モニター７３に送信す
る。また、アナログ信号処理ユニット１１５は、各検出
器データ転送タイミング毎に同期してこの比較信号を中
央制御装置９１に送信している。また、直接モニタに表
示を行う場合には、Ｒ，Ｇ，Ｂの信号合成を行わず、そ
れぞれ独立した画素として出力し、赤色（または弱輝
度）スポットで構成される像、緑色（または中輝度）ス
ポットで構成される像、青色（または強輝度）スポット
で構成される像をそれぞれ表示することによって、深さ
方向の情報を映像として表示する。また、アナログ信号
処理ユニット１１５は、各点検出器データ転送タイミン
グ毎に同期して前記比較信号を中央制御装置９１に送信
する。映像モニター７３は、中央制御装置９１からの垂
直同期信号をトリガーとし、アナログ信号処理ユニット
１１５からの輝度変調信号やカラー信号と同期して反射
信号の有無を表示し、試料の平面映像（２次元表示）や
断層映像（３次元表示）を描く。

【００９２】図５０のタイムチャートは、１フレーム期
間中に４つの画素を単位とする測定を行い、平面走査と
ともに深さ方向測定を行う場合を示している。光マスク
はＸ軸及びＹ軸方向の移動によって４つの画素を単位と
する領域を順に移動して照射を行う。そして、１フレー
ム期間中の各画素への照射において第１ＣＣＤイメージ
センサ〜第４ＣＣＤイメージセンサは順に信号を蓄積し
積分を行う。この蓄積信号は、次のフレームにおいて転
送が行われる。各第１ＣＣＤイメージセンサ〜第４ＣＣ
Ｄイメージセンサは、その前面に配置されたカラーフィ
ルタによって測定深さに対応して選択された波長を検出
しており、これによって、深さ方向の測定を行う。した
がって、１フレーム期間中に平面走査と深さ方向の測定
の両測定を行うことになる。

【００９３】次に、この実施例で使用する検出器アレイ
の構成について説明する。検出器アレイは、図５１に示
すように例えば縦６４０，横４８０の画素により構成す
ることができ、その前面にカラーフィルタは配列されて
いる。ここでは、検出器の緑色に対する感度を補償する
ために赤（Ｒ）と青（Ｂ）のカラーフィルタに対して、
緑（Ｇ）のカラーフィルタを２倍の画素に配置してい
る。したがって、赤（Ｒ）と青（Ｂ）と２つの緑（Ｇ）
の計４つのカラーフィルタが、試料面上での１つのスポ
ットに対する検出スポットとなる。なお、この実施例で
は、４層の測定に対応する構成であるが、３色分のカラ
ーフィルタの配置によって３層像の観察を行う共焦点走
査型光学顕微鏡となる。

【００９４】また、図５２はＲ，Ｇ，Ｂのそれぞれのカ
ラーフィルタの波長特性を示しており、それぞれ独立し
た非干渉の光源波長の領域（６３３ｎｍ，５３２ｎｍ，
４７３ｎｍ）を有している。これによって、Ｒ，Ｇ，Ｂ
のそれぞれの波長の光がこのカラーフィルタ付きの検出
器アレイに同時に照射されると、各波長に対応した検出
器はカラーフィルタによって測定対象の波長のみを検出
し、他の波長による干渉を除去することができ、１フレ
ームの期間内で複数層の深さ方向の測定を行うことがで
きる。したがって、各波長毎にフレームを異ならせて測
定を行う必要がない。

【００９５】（第４の発明の実施例の作用）次に、第４
の発明の実施例の作用について説明する。図５３は深さ
方向の測定例を示している。図５３は、フッ化リチウム
の材質で、波長４００ｎｍに対する焦点距離が２ｍｍ
で、開口数ＮＡが０．９５のレンズと、１つの窓の寸法
が一辺７．５μｍの正方形のマスクと、投影倍率が１／
２０で４００ｎｍの波長の光が結像する位置を基準位置
とする光学系を用いた場合の光波長と結像位置との関係
を示しており、（ａ）は大気中における値であり、
（ｂ）は試料が光波長に対して平均的に１．３３の屈折
率を持つ場合の値である。ここで、各レーザ波長とその
焦点深度を考慮すると、結像位置は基準位置からの距離
によって表すと、例えば４７３ｎｍの波長では−１．２
４μｍを結像中心として、深度上限が−０．９９μｍ、
深度下限が−１．４８μｍとなり、この深度上限と深度
下限間の深さ方向の情報を持つことになる。

【００９６】また、同様に、５３２ｎｍの波長では−
１．９０μｍを結像中心として、深度上限が−１．６３
μｍ、深度下限が−２．１８μｍとなり、６３３ｎｍの
波長では−２．６９μｍを結像中心として、深度上限が
−２．３６μｍ、深度下限が−３．０１μｍとなり、そ
れぞれ深度上限と深度下限間の深さ方向の情報を持つこ
とになる。したがって、図５４に示すように、試料表面
の基準面からＢ，Ｇ，Ｒの順で断層像を求めることがで
きる。なお、使用する光源の波長とカラーフィルタの通
過域の波長を変更することによって、試料表面の基準面
からの断層の深さを変更することができる。

【００９７】また、前記例における照明スポット寸法と
分解能とは、図５５に示すような関係で示され、４７３
ｎｍの波長ではスポット寸法が０．４６μｍ，分解能が
０．３５μｍであり、５３２ｎｍの波長ではスポット寸
法が０．５２μｍ，分解能が０．３９μｍであり、６３
３ｎｍの波長ではスポット寸法が０．６１μｍ，分解能
が０．４６μｍとなる。したがって、図５５に示すよう
に分解能はスポット寸法以下であるため、全ての測定が
行うことができる。また、図５６及び図５７は対物レン
ズの焦点距離及び開口数を変更した例を示している。図
５６は焦点距離が５ｍｍ，開口数ＮＡが０．８，投影倍
率が１／１０の場合であり、このときの結像位置は基準
位置からの距離によって表すと、４７３ｎｍの波長では
−６．５μｍを結像中心として、深度上限が−６．１μ
ｍ、深度下限が−６．８μｍとなる。また、同様に、５
３２ｎｍの波長では−１０．０μｍを結像中心として、
深度上限が−９．６μｍ、深度下限が−１０．４μｍと
なり、６３３ｎｍの波長では−１４．１μｍを結像中心
として、深度上限が−１３．６μｍ、深度下限が−１
４．５μｍとなる。

【００９８】また、図５７は焦点距離が１０ｍｍ，開口
数ＮＡが０．５，投影倍率が１／１０の場合であり、こ
のときの結像位置は基準位置からの距離によって表す
と、４７３ｎｍの波長では−１３．０μｍを結像中心と
して、深度上限が−１２．１μｍ、深度下限が−１３．
９μｍとなる。また、同様に、５３２ｎｍの波長では−
１９．９μｍを結像中心として、深度上限が−１９．０
μｍ、深度下限が−２０．９μｍとなり、６３３ｎｍの
波長では−３８．２μｍを結像中心として、深度上限が
−２７．０μｍ、深度下限が−３９．３μｍとなる。

【００９９】（第４の発明の変形例）第４の発明の前記
実施例において、各波長に対応する複数個の光源に代え
て、白色光源を用いる構成とすることもできる。この構
成の場合には、波長の選択を検出器アレイに設けたカラ
ーフィルタによってのみ行うため、検出精度はカラーフ
ィルタの波長選択特性に依存することになる。

【０１００】（第４の発明による効果）第４の発明にお
いては、１フレームの間において平面及び深さ方向の測
定を行うため、ちらつきを減少することができ、残存性
の強いＣＲＴを用いることなく表示を行うことができ
る。また、対象物の速い変化や動きに対しても良好な観
測を及び行うことができる。

【０１０１】（本発明の適用）本発明は、医用、バイオ
テクノロジー、赤血球，白血球の状態観察や細胞及び単
細胞などの生体観察等の生物学や、半導体，液晶分野に
おけるパターン欠陥やゴミなどの検査及び厚さ測定、あ
るいは、食品、地学、マイクロマシニング、教育機器、
産業機械等の種々の応用分野において、試料に生じた物
理的あるいは化学的変化を、試料に光照射を行って反射
光強度や蛍光強度や反射率変化等の反射信号として測定
することができる。

【０１０２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
走査速度が速く、測定点の位置の特定が安定している共
焦点走査型光学顕微鏡を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の発明の並列光ビーム走査の原理を説明す
るための図である。

【図２】第１の発明の並列光ビーム走査の原理を説明す
るための図である。

【図３】第２の発明の並列光ビーム走査の原理を説明す
るための図である。

【図４】第４の発明の３次元測定の原理を説明するため
の図である。

【図５】第４の発明における像関係を説明するための図
である。

【図６】第４の発明における点検出器アレイの配列とカ
ラーフィルタの配列を示す図である。

【図７】第４の発明のカラーフィルタの特性図である。

【図８】共焦点光学系を説明するための図である。

【図９】共焦点光学系を説明するための図である。

【図１０】第１の発明の実施例を説明する構成図であ
る。

【図１１】第１の発明の点光源アレイを説明する構成図
である。

【図１２】第１の発明の点検出器アレイを説明する構成
図である。

【図１３】第１の発明の他の点検出器アレイを説明する
構成図である。

【図１４】第１の発明の点光源の点滅動作を説明する図
である。

【図１５】第１の発明の点光源による全面走査を説明す
る図である。

【図１６】第１の発明の点光源による全面走査を説明す
る図である。

【図１７】面発光レーザダイオードを説明する図であ
る。

【図１８】面発光レーザダイオードを用いた構成を説明
する図である。

【図１９】液晶パネルを説明する図である。

【図２０】液晶パネルを用いた構成を説明する図であ
る。

【図２１】マトリックス窓形光マスクの構成を説明する
図である。

【図２２】マトリックス窓形光マスクを駆動するための
駆動機構の構成図である。

【図２３】スリット窓形光マスクの構成を説明する図で
ある。

【図２４】スリット窓形光マスクを駆動するための駆動
機構の構成図である。

【図２５】第１の発明の第６実施例の構成を説明する図
である。

【図２６】第１の発明の第７実施例の構成を説明する図
である。

【図２７】共焦点走査型光学顕微鏡の走査を説明するた
めの図である。

【図２８】干渉距離と光源の配置との関係を説明する図
である。

【図２９】第１の発明の第９実施例の構成を説明する図
である。

【図３０】第１の発明の第１０実施例の構成を説明する
図である。

【図３１】開口数に対する最小分解間隔と波長との関係
を説明する図表である。

【図３２】開口数に対する最小分解間隔と波長との関係
を説明する図である。

【図３３】第２の発明の実施例を説明する構成図であ
る。

【図３４】溶融石英のレンズの場合における波長と結像
位置との関係を示す図である。

【図３５】フッ化リチウムのレンズの場合における波長
と結像位置との関係を示す図である。

【図３６】フッ化リチウムのレンズの場合において溶融
石英板内に結像させたときの例を説明する図である。

【図３７】フッ化リチウムのレンズの場合において溶融
石英板内に結像させたときの例を説明する図である。

【図３８】フッ化リチウムのレンズの場合において溶融
石英板内に結像させたときの例を説明する図である。

【図３９】厚さ検出における検出スペクトルパターンで
ある。

【図４０】２層の場合の検出スペクトルパターンであ
る。

【図４１】試料中の異物がある場合のスペクトルパター
ンである。

【図４２】深さ方向の分解能を説明する図表である。

【図４３】深さ方向の分解能を説明する図である。

【図４４】第２の発明の他の実施例を説明する図であ
る。

【図４５】第３の発明の実施例を説明する構成図であ
る。

【図４６】第３の発明の実施例のタイムチャートであ
る。

【図４７】第３の発明の第２実施例を説明する構成図で
ある。

【図４８】第３の発明の第３実施例を説明する構成図で
ある。

【図４９】第４の発明の実施例を説明するための構成図
である。

【図５０】第４の発明の実施例を説明するためのタイム
チャートである。

【図５１】第４の発明の検出器アレイの構成を説明する
図である。

【図５２】第４の発明の検出器アレイのカラーフィルタ
の波長特性図である。

【図５３】第４の発明の実施例の深さ方向の測定例であ
る。

【図５４】第４の発明の実施例において３層測定例であ
る。

【図５５】第４の発明の実施例において照明スポット寸
法と分解能の関係を説明する図である。

【図５６】第４の発明の実施例において結像位置と深さ
方向との関係を説明する図である。

【図５７】第４の発明の実施例において結像位置と深さ
方向との関係を説明する図である。

【符号の説明】

Ｏ，５…試料、Ｌ…レンズ、Ｈ，４１…ハーフミラー、
Ｓ…点光源アレイ、Ｄ…検出器アレイ、１…光源、２，
７…分光器、８…検出器、１１…白色光源、３１，３３
…コリメータ、３２…光マスク、４２…対物レンズ。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 点光源と等価な光源を光源単位とし、該
   光源単位を複数個組み合わせてなる走査単位内で前記光
   源単位の光の照射を周期的に行なう光源と、複数個の検
   出単位を備えた検出器と、前記光源と検出器とを光学的
   に共役な位置に配置し、光源単位と検出単位を一対一に
   対応させる共焦点光学系とを備えたことを特徴とする共
   焦点走査型光学顕微鏡。
2. 【請求項２】 異なる波長を含む光源と、前記波長の光
   を検出する検出器と、前記光源と検出器とを光学的に共
   役な位置に配置する共焦点光学系とを備え、前記共焦点
   光学系は前記波長に対して光学的収差を持ち、該光学的
   収差によって試料における深さ方向の焦点位置を異なら
   せ、試料像を検出器の同一面上に結像させる光学系を含
   むことを特徴とする共焦点走査型光学顕微鏡。
3. 【請求項３】 点光源と等価な光源を光源単位とし、該
   光源単位を複数個組み合わせてなる走査単位内におい
   て、前記光源単位毎に異なる波長を含む光の照射を周期
   的に行なう光源と、複数個の検出単位を備え前記波長の
   光を検出する検出器と、前記光源と検出器とを光学的に
   共役な位置に配置し、光源単位と検出単位を一対一に対
   応させる共焦点光学系とを備え、前記共焦点光学系は前
   記波長に対して光学的収差を持ち、該光学的収差によっ
   て試料における深さ方向の焦点位置を異ならせ、試料像
   を検出器の同一面上に結像させる光学系を含むことを特
   徴とする共焦点走査型光学顕微鏡。
4. 【請求項４】 点光源と等価な光源を光源単位とし、該
   光源単位を複数個組み合わせてなる走査単位内におい
   て、前記光源単位毎に異なる波長を含む光の断続的照射
   を周期的に行なう光源と、複数個の検出単位を備え同時
   に入射した光から前記波長を選択して検出する検出器
   と、前記光源と検出器とを光学的に共役な位置に配置
   し、光源単位と検出単位を一対一に対応させる共焦点光
   学系とを備え、前記共焦点光学系は前記波長に対して光
   学的収差を持ち、該光学的収差によって試料における深
   さ方向の焦点位置を異ならせ、検出器の同一面上に結象
   させる光学系を含み、前記光の断続的照射の一周期内で
   前記波長に対応して検出を行うことを特徴とする共焦点
   走査型光学顕微鏡。