JPH11218677A - 共焦点ディスク - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、多数のピンホールを有するディス
クを回転することにより共焦点画像を得るディスク走査
型共焦点顕微鏡において、照明効率を向上し迷光を減少
させることを目的とする。 【解決手段】 共焦点ディスク１上に円錐型の導光部２
を、ピンホールと同軸で配列することによって、照明光
が効率よくピンホールを通過するようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ディスク走査型共
焦点顕微鏡におけるディスクの構造に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】図９に典型的な従来型の共焦点ディスク
８１を示す。ディスクの上に螺旋状にピンホールが設け
られており、ピンホール以外の部分は遮光されていて光
を通さないようになっている。

【０００３】本発明が解決する課題を明らかにするため
に、ディスク走査型共焦点顕微鏡について図８を用いて
説明する。光源３から射出された照明光はコリメータレ
ンズ４により集光されて分岐光学素子５を通過して共焦
点ディスク８１に入射する。照明光は共焦点ディスク８
１のピンホールを通過して回折により広がって対物レン
ズ６に入射し、物体７に投射される。照明光は物体７で
反射し、反射光となって再び対物レンズ６に入射し、共
焦点ディスク８１のピンホール近傍に集光される。物体
７が共焦点ディスク８１のピンホール面と共役な位置に
ある場合は反射光は完全にピンホールに集光してピンホ
ールを通過する。ピンホールを通過した光は分岐光学素
子５により光路を偏向せられて、２次元検出器９上に到
達する。このとき結像レンズ８にとって共焦点ディスク
８１上のピンホールと２次元検出器９の検出面は共役と
なっている。

【０００４】このような構成で共焦点ディスクをモータ
１０により回転させると、物体７に投影されたピンホー
ルの像が物体７上を隙間無く走査することになり、回転
が十分高速であれば２次元検出器９の露光時間内に視野
全体を走査することができ、共焦点画像を得ることがで
きることになる。この例で用いられた図９の共焦点ディ
スク８１を従来発明Ａとする。

【０００５】従来発明Ａを用いたディスク走査型共焦点
顕微鏡の問題は照明効率と、ディスク上面での照明の反
射による迷光である。実際の共焦点ディスクは螺旋状の
ピンホールを一条だけではなく多数もっており、隣り合
うピンホール間の間隔がピンホールの直径の１０倍程度
あることを条件に、共焦点ディスク一面にピンホールが
設けられる。ピンホール間の間隔はぼけた光がピンホー
ル間で混じり合うことがほとんどないように上記のよう
にピンホールの直径の１０倍程度の距離をあける必要が
あるため、共焦点ディスク一面にピンホールを設けたと
しても、共焦点ディスクからピンホールを通して通過で
きる照明光は１％以下となる。通過できなかった照明光
の多くはディスク上面で反射し、迷光となって２次元検
出器に到達してしまう。この迷光を防ぐために偏光を利
用した対策が施されるが、反射があまりにも大きいため
十分ではない。

【０００６】この問題点を解決するために、共焦点ディ
スク上にピンホールと同軸でピンホールと同数のマイク
ロ集光レンズを設けて、照明効率を上げかつ迷光を減少
させる発明が特開平４−３３０４１２に開示されている
（この共焦点ディスクを従来発明Ｂとする）。しかし、
この発明もこの発明者自身の後発の発明である特開平５
−６０９８０明細書内で発明者自身が問題点を指摘して
いる。

【０００７】共焦点ディスク上にマイクロ集光レンズと
ピンホールをもうけると、確かに照明光がピンホールを
通過する率は大きくなり、またその分迷光も減少する。
しかし、そのような構成の場合、物体から反射してきて
再びピンホールを通過した信号光はマイクロ集光レンズ
によって平行光となってしまうため、結像レンズによっ
てピンホールの像を２次元検出器上に結像させることが
できなくなる。そのため、結像レンズなしで直接マイク
ロ集光レンズからの平行光を２次元検出器上に導くかま
たは結像レンズによってマイクロ集光レンズの像を２次
元検出器上に集光させるしかない（これも結局平行光の
まま２次元検出器に到達することになる）。そのように
すると視野サイズ（２次元検出器上に結像する像全体の
物体面での大きさ）に対する平行光のビームサイズが、
マイクロ集光レンズが無い、従来発明Ａの共焦点ディス
クの時の視野サイズに対するピンホールの像（スポッ
ト）サイズと比べて明らかに大きく、つまり横分解能が
低下することになる。照明効率をあげるためにマイクロ
集光レンズの径を大きくすればするほど横分解能が低下
し、逆にマイクロ集光レンズの径を小さくすると横分解
能の低下は小さくなるが照明効率が上がらないことにな
る。

【０００８】そこで上記の特開平５−６０９８０ではよ
り完全な改良が開示されている。図７を用いて説明す
る。この発明ではマイクロ集光レンズのアレイ面とピン
ホールのアレイ面を別のディスク（マイクロ集光レンズ
アレイディスク７１、ピンホールアレイディスク７２）
に形成し、分岐光学素子５をそれらのディスクの間に配
置するようにしている。このような構造とすると、物体
７からの信号光はマイクロ集光レンズを通らないことに
なるため平行光束とはならず、マイクロ集光レンズが無
い場合と同様の横分解能を得ることができる。もちろん
照明光はマイクロ集光レンズによって集光されるため照
明効率は高い。また、マイクロ集光レンズによって集光
された照明光はそのほとんどがピンホールを通過するた
めピンホールアレイディスク７２上面ではほとんど照明
の反射がないことになり、２次元検出器９に到達する迷
光は著しく小さくなる。この発明におけるマイクロ集光
レンズアレイディスク７１とピンホールアレイディスク
７２および固定の分岐光学素子５よりなる共焦点ディス
クを従来発明Ｃとする。従来発明Ｃはディスク走査型共
焦点顕微鏡の問題点をほぼ完全な形で解決した画期的な
ものであった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来発明Ｃに
おいてもいくつかの問題点を指摘することができる。ま
ず本質的ではないが製作上の困難である。マイクロ集光
レンズアレイディスク７１とピンホールアレイディスク
７２が分かれているため数十万個にも及ぶマイクロ集光
レンズとピンホールをμmオーダの精度で位置あわせす
るのは簡単ではない。従来発明Ｂのようにディスク基板
の表裏にマイクロ集光レンズとピンホールを形成するの
に比べて、位置決めマークの検出方法、ディスク相互の
傾きなど困難が多い。また、ディスクどうしの位置決め
だけでなく、分岐光学素子５のディスクに対する傾きも
非常に厳しい精度が要求されてくる。分岐光学素子５は
視野以上のサイズが必要であるからかなり大きなものと
なるため、少しでも傾けばスポットはピンホール上から
ズレてしまう。

【００１０】さらに、より本質的な問題がある。分岐光
学素子５の大きさは基本的に２次元検出器９のサイズ以
上の大きさが必要になるためどうしてもディスク間の距
離はかなり大きくとらざるを得ない。そのため、マイク
ロ集光レンズの焦点距離は非常に長いものになりマイク
ロ集光レンズの開口数（以下Ｎ．Ａ．と略記する）は非
常に小さいものになるか、そうでないようにするために
はレンズ径をかなり大きいものとしなければならない。
Ｎ．Ａ．が小さいと回折の影響で小さいスポットを形成
させることができなくなる。またマイクロ集光レンズの
レンズ径を大きくすると同軸で並べることのできるピン
ホールの数がすくなくなり得られる共焦点画像分解能が
悪くなってしまう。そうしないためにはディスクの径を
大きくしなければならない。

【００１１】具体的に考えてみる。共焦点顕微鏡におい
てピンホール直径は結像性能を決める大切なパラメータ
ーであるのでピンホール直径はあまり自由にはならな
い。顕微鏡の対物レンズ６として市販の標準的なものを
用いる場合はなおさらである。一般的な顕微鏡対物レン
ズ６の像側Ｎ．Ａ．は約０．０３程度であるから、ピン
ホール上に集光されるスポット径は目安的な計算で１．
２２×λ／（Ｎ．Ａ．）より、照明波長λを５５０ｎｍ
として２２．５μm程度となる。十分共焦点の効果を得
るためにはやはりこのスポットサイズ前後の径のピンホ
ール直径とすべきであろう。とすればマイクロ集光レン
ズ側のＮ．Ａ．もこの程度の大きさが理想的には必要で
ある。もともとマイクロ集光レンズは集光が目的である
ため、ある程度の効果があるのならば必ずしもピンホー
ル径に近いスポットに絞る必要はないが、迷光のことや
照明効率を考慮すればやはり対物レンズ６の物体側Ｎ．
Ａ．と同じにするのに越したことはない。しかし、例え
ばマイクロ集光レンズアレイ７１ディスクとピンホール
アレイディスク７２との間の距離が１０ｍｍあるとした
場合０．０３のＮ．Ａ．を得るためにはマイクロ集光レ
ンズのレンズ径を０．６ｍｍ程度にしなければならなく
なる。これはピンホール径を２０μmと考えた場合、そ
の３０倍となりピンホールディスク上のピンホールの配
列をかなり粗にしなければならないことになる。逆にピ
ンホール間隔をピンホール直径の１０倍である０．２ｍ
ｍに固定して考えると、マイクロ集光レンズのレンズ径
が０．２ｍｍとなるわけだからＮ．Ａ．は０．０１程度
となり、そのときのスポット径は約６７μmである。こ
れでは集光効率が悪くかつ迷光も多くなってしまう。

【００１２】まだ、問題がある。上で述べたことから、
逆に考えるとマイクロ集光レンズアレイディスク７１と
ピンホールアレイディスク７２との間の距離はできるだ
け短い方がよい。つまり、分岐光学素子５は大きくはで
きないことになる。現在でも、ハイビジョン等の普及に
より２次元検出器９の代表的なものであるＣＣＤセンサ
の画素数は著しく増えており、２０４８×２０４８や４
０９６×４０９６の画素数を有するものもでてきてい
る。一画素あたりの感度を考えると画素そのものを小さ
くするのには限りがあるからどうしてもＣＣＤセンサ全
体のサイズが多画素化により大きくなってしまう。そし
て、顕微鏡の対物レンズ６も最近のものは視野数が３０
ｍｍ程度取れるものも珍しくなくなっている。つまり、
今後はより広い視野を確保するために分岐光学素子５の
サイズはより大きくすることが求められることになる。
従来発明Ｃはこの点でも問題がある。

【００１３】さらに、例えば共焦点顕微鏡を工場の生産
ラインなどでの検査装置として使う場合を考えてみる。
共焦点顕微鏡は三次元計測が可能であり、かつ一般的な
顕微鏡を超える横分解能がえられるために、半導体分野
の検査装置としての利用が期待されている。このような
場合、広い視野を一括で見るためにかなり低倍の対物レ
ンズ６が使用される可能性がある。低倍率で使用する
と、物体に投影されるスポット（ピンホールの像）径が
大きくなる。このとき対象物表面が粗面であるとスポッ
ト内部での物体の凸凹が影響しやすくなる。従来発明は
Ｃに限らず、ＡもＢもスポット内（あるいは１ピンホー
ルから出た光ビーム内部）は位相がそろったコヒーレン
トな光であるため物体にスポット内部で凸凹があるとそ
の凸凹での散乱光で干渉が発生してしまう。つまりスペ
ックルが発生する。スペックルは画質を著しく落とすだ
けでなく、三次元計測の精度にも影響を与えるため好ま
しくない。

【００１４】そこで本発明は、従来発明Ｃのようにマイ
クロ集光レンズアレイディスク７１とピンホールアレイ
ディスク７２とを分ける構成とすることで発生する位置
あわせの問題や、マイクロ集光レンズによる効果が十分
効かなくなる問題、大きい視野が取れなくなる問題をな
くし、かつ従来発明Ｂのように２次元検出器９に到達す
るビームが太くなるために横分解能が低下する問題もな
く、照明効率をあげて、迷光を低減する共焦点ディスク
を提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明では、レンズによ
りピンホールに照明光を集光するのではなく、光トラッ
プの技術によりピンホールに照明光を導くものである。

【００１６】つまり、共焦点ディスク上の各ピンホール
毎に、ピンホールと同軸で、ピンホール開口から照明光
が入射する方向に向かって徐々に広がっていく反射面を
有するように共焦点ディスクを構成する。

【００１７】このようにすると共焦点ディスクに入射す
る照明光はトラップされ反射面で反射しながら反射面の
奥へ、すなわちピンホールの方へ導かれて、最終的にピ
ンホールから射出することになり、照明効率を向上させ
ることができる。ピンホールからの射出光量が増えれば
それだけ共焦点ディスク表面で反射して２次元検出器に
到達する迷光は減少することになる。

【００１８】しかも、物体から反射してきてピンホール
を通過した信号光は、対物レンズの像側Ｎ．Ａ．が上記
トラップ反射面の傾斜に対して小さければ、そのまま平
行光束などにされることなく結像レンズに入射しピンホ
ールの像を２次元検出器上に結像させるので横分解能が
低下するような問題は発生しない。

【００１９】また、この発明は、集光部分とピンホール
部分を分離させる必要がないので従来発明Ｃの問題は全
て発生しない。

【００２０】また、このような集光手段はレンズによる
集光のように波面を揃えることが無く、反射面で何度か
反射した光や一度も反射しない光、一度だけ反射した光
などが混じり合って、ピンホールから射出される照明光
のコヒーレンシイは著しく低くなっている。そのため、
スペックルの発生が抑制されることになる。

【００２１】もう一つ効果を付け加えると、屈折、ある
いは回折を利用したレンズで集光する場合は照明光の波
長を変えた場合、色収差により、理想的なスポットとな
らない可能性があるが、本発明は反射を利用しているの
で問題にならない。

【００２２】本発明は、従来発明Ｂとして述べた特開平
４−３３０４１２明細書の請求項１に述べられている複
数のピンホールと複数の集光手段を備えた構成となって
いるが、（１）同明細書の請求項１に“集光手段の焦点
位置”との記述がありレンズ作用を前提としていると考
えられること、（２）同明細書の他の請求項並びに実施
例に本発明に類するものが記述されていおらず、フレネ
ルレンズ、２次曲面鏡、微小凸レンズ、屈折率分散型平
板レンズと、回折、あるいは反射、あるいは屈折と、物
理現象の違いはあってもあくまで“焦点位置”を有する
レンズを集光手段の具体例としていること、（３）従来
発明Ｃとして述べた同じ発明者による発明である特開平
５−６０９８０明細書内に発明者自身によって従来技術
Ｂの問題点として述べられている内容が明らかに本発明
には適合しないこと、から考えれば本発明は特開平４−
３３０４１２公報に開示された発明とは異なると考えら
れる。本発明は光トラップの技術を応用したものであり
レンズ作用を用いたものではない。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態について説明する。図１に本発明の実施の形態
の例を示す。この例は共焦点ディスク１上に微小な導光
部２が螺旋型に並んでいるものである。

【００２４】図２と図３を用いて導光部２について詳細
に説明する。円錐のとがった部分を、その断面の直径が
共焦点に必要なピンホールサイズとなるように切断した
ような構造をしており、上下面はふさがれていない、先
細りの筒状のものである。内面は鏡面となっている。図
３に示すように照明光は円錐の中心軸に平行な平行光束
が入射する。入射した光束は円錐内面の反射面で反射を
繰り返し、あるいは全く反射しないで円錐のとがった方
向へ進んで行き、最終的に先端の穴から広い発散角を持
って射出することになる。図３に示した円錐の斜面の角
度θが著しく大きくない限り照明光がこの円錐の反射面
から戻ってくることは無く、円錐に入射した照明光は全
て先端の穴から射出されることになる。

【００２５】このような形状、作用を持つ導光部２が、
図１に示すように、共焦点ディスク１上に螺旋型で並ん
でいるのである。図１では一条の螺旋しか書かれていな
いが、実際は多数の螺旋を同一ディスク上に形成する。
円錐型の先端の穴がピンホールに相当し、照明側の穴は
例えば先端の穴の直径の１０倍とする。これにより従来
発明Ａと同様のピンホール配列とすることができる。図
４は共焦点ディスク１の下側、つまりピンホール面に相
当する部分である。円錐の先端であるピンホール以外の
部分は遮光膜で覆われており、ディスクの下側から見る
限りは従来発明の共焦点ディスクと変わらない。

【００２６】図５は本実施例の共焦点ディスク１をディ
スク走査型共焦点顕微鏡に組み込んだものである。光源
３から射出された照明光はコリメータレンズ４によって
平行光となって共焦点ディスク１に入射する。各導光部
２に入射した照明光は上述した作用によりその全てがピ
ンホールから射出される。各導光部２間に隙間はほとん
どないから共焦点ディスク１上面で反射してくる光は従
来発明Ａと比べて遥かに少ない。従来発明Ｂと比べて
も、従来発明Ｂにおけるマイクロ集光レンズの表面で反
射する光が無いからより少ないと言える。

【００２７】ピンホールから射出した照明光は対物レン
ズ６により物体７面に投影される。物体７で反射した光
は信号光として再び対物レンズ６に入射し、ピンホール
位置で収束してピンホールを通過する。一般に対物レン
ズ６の像側Ｎ．Ａ．は０．０３程度と非常に小さいの
で、ピンホールを通過した信号光は導光部２の側面など
で反射することなく（当然反射する回折光成分は存在す
るが、小さいものであるからここでは幾何光学的に考え
て表現する。）進み、分岐光学素子５で偏向せられて結
像レンズ８に入射する。結像レンズ８はピンホール面
（円錐の先端面）を２次元検出器９上に結像させるよう
作用し、ピンホールの像が２次元検出器９上に形成され
る。

【００２８】この構成において従来発明Ｂとの大きな違
いは、従来発明Ｂにおいては物体７で反射してピンホー
ルを通過した信号光は、マイクロ集光レンズにより平行
光束となって分岐光学素子５へ入射することになる点で
ある。平行光束となってしまうと結像レンズ８によりピ
ンホールの像を２次元検出器９上に結ばせることができ
なくなってしまう。だから、レンズを通さず直接２次元
検出器９で検出するか、あるいは等倍のレンズでマイク
ロ集光レンズ面を２次元検出器９上に結像させるしかな
い。（倍率を変えて平行光束を細くすることもできる
が、２次元検出器９上の像の倍率自体が下がるわけだか
ら分解能的には同じである。）マイクロ集光レンズから
射出される平行光束は約ピンホール径の１０倍程度にな
るからどうしても横分解能が低下してしまう。

【００２９】しかし、本発明に於いては物体７で反射し
てピンホールを通過した信号光はピンホールから出たま
まの光で結像レンズ８に入射するから、ピンホールの像
を等倍の結像レンズ８により２次元検出器９上に結像さ
せることによりピンホールとほぼ同様の大きさのスポッ
トで検出することができる。つまり横分解能の高い検出
ができる。結像レンズ８、２次元検出器９をあわせて結
像光学系と呼ぶことにすると、結像光学系側から見れ
ば、本発明の共焦点ディスク１は従来発明Ａのディスク
と全く変わらない。しかも照明効率は従来発明Ｂと変わ
らず、従来技術Ｃよりもよい。

【００３０】この例では導光部２は円錐状としたが、基
本的に平行光束が反射を繰り返して奥へ進んでいくよう
なものであればよく、例えば、多角錐などでもよい。多
角錘であれば多角錐間を隙間無く配列することも可能と
なるため、より照明効率、迷光対策が完全なものとな
る。

【００３１】また、多角錐や円錐のように導光部２の反
射面の斜面が直線的（図６（ａ）参照）である必要もな
い、例えば図６（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示すような非直線
形状としてもよい。

【００３２】また、この発明の実用的な意味で重要なこ
とは、マイクロ集光レンズのように高い加工精度は必要
とされないことである。この例では導光部２の反射面は
鏡面としたが照明光が奥へ行けばよいだけであるから例
えば鏡面の精度（平面度、曲面度）などはラフでよく
（散乱はしてはならない）、形状の精度も必要ない。つ
まり例えば多角錐の場合、斜面の平面が少々凹面になっ
ていたり凸面になっていたりしてもほとんど問題になら
ない。反射率も特に重要ではない。

【００３３】

【発明の効果】本発明は、従来発明Ｃのように集光手段
のディスクとピンホールアレイディスクとを分ける必要
がないことから、両ディスク間の位置あわせの問題や、
マイクロ集光レンズのＮ．Ａ．が小さくなって照明効率
が低下する問題、分岐光学素子を大きくできないため大
きい視野が取れなくなる問題等は発生しない。また、従
来発明Ｂのように２次元検出器に到達するビームが太い
くなるために横分解能が低下する問題もなく、照明効率
をあげて、迷光を低減することが可能になる

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の例を示した図である。

【図２】本発明の導光部を説明するための図である。

【図３】本発明の導光部を説明するための図である。

【図４】本発明の共焦点ディスクを対物レンズ側から見
た図である。

【図５】本発明の共焦点ディスクをディスク走査型共焦
点顕微鏡に組み込んだ図である。

【図６】本発明の導光部の反射面形状を説明する図であ
る。

【図７】従来技術Ｃを説明するための図である。

【図８】従来技術Ａを説明するための図である。

【図９】従来技術Ａの共焦点ディスクを説明するための
図である。

【符号の説明】

１ 共焦点ディスク ２ 導光部 ３ 光源 ４ コリメータレンズ ５ 分岐光学素子 ６ 対物レンズ ７ 物体 ８ 結像レンズ ９ ２次元検出器 １０ モータ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 多数のピンホールを有するディスクを回
   転することにより共焦点画像を得るディスク走査型共焦
   点顕微鏡において、各ピンホール毎に、ピンホールと同
   軸で、ピンホール開口から照明光が入射する方向に向か
   って徐々に広がっていく反射面を有することを特徴とす
   る共焦点ディスク。