(57)【要約】【課題】焦点合わせに要する時間を短縮することができるフォーカス検出方法及び共焦点顕微鏡を提供する。【解決手段】本発明に係るフォーカス検出方法は、共焦点光学系２０のフォーカス検出方法であって、試料５０の測定面５１で反射した反射光１２を対物レンズ３４により集光するステップと、反射光１２をナイフエッジプリズム３６におけるナイフエッジ部３６ｅに入射させ、反射光１２を２分割するステップと、２分割された反射光１２のうち第１反射光１２ａを、第１チャンネル３９ａ及び第２チャンネル３９ｂを含むバンドルファイバ３９に入射させるステップと、第１チャンネル３９ａを透過した部分の第１強度、第２チャンネル３９ｂを透過した部分の第２強度を検出するステップと、第１強度及び第２強度に基づいて、焦点位置を検出するステップと、を備える。【選択図】図６
2019133044.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共焦点光学系のフォーカス検出方法であって、
試料の測定面を照明する照明光が前記測定面で反射した反射光を対物レンズにより集光するステップと、
前記対物レンズにより集光した前記反射光を、ナイフエッジプリズムにおける第１反射面及び第２反射面により構成されたナイフエッジ部に入射させ、前記反射光を２分割するステップと、
２分割された前記反射光のうち前記第１反射面で反射された第１反射光を、前記第１反射光の光軸方向及び前記ナイフエッジ部の延在方向に直交する方向に並んだ第１チャンネル及び第２チャンネルを含むバンドルファイバに入射させるステップと、
前記第1反射光における前記第１チャンネルを透過した部分の第１強度を検出するステップと、
前記第1反射光における前記第２チャンネルを透過した部分の第２強度を検出するステップと、
前記第１強度及び前記第２強度に基づいて、前記測定面に対する前記対物レンズの焦点位置を検出するステップと、
を備えたフォーカス検出方法。
【請求項２】
検出された前記焦点位置に基づいて、前記測定面と前記対物レンズとの間の距離を単調に増加させてピントを合わせる、または、単調に減少させてピントを合わせるステップをさらに備えた、
請求項１に記載のフォーカス検出方法。
【請求項３】
前記焦点位置を検出するステップにおいて、
前記第１強度が前記第２強度よりも大きい場合に、前記焦点位置は前記対物レンズから見て前記測定面よりも後側に位置し、
前記第２強度が前記第１強度よりも大きい場合に、前記焦点位置は前記対物レンズから見て前記測定面よりも前側に位置することを検出する、
請求項１または２に記載のフォーカス検出方法。
【請求項４】
前記バンドルファイバにおいて、前記第１チャンネルと前記第２チャンネルとの間に第３チャンネルがさらに設けられた、
請求項１〜３のいずれか一項に記載のフォーカス検出方法。
【請求項５】
前記第１チャンネル及び前記第２チャンネルのコア径は、前記第３チャンネルの前記コア径よりも大きい、
請求項４に記載のフォーカス検出方法。
【請求項６】
共焦点光学系のフォーカス検出方法であって、
試料の測定面を照明する照明光が前記測定面で反射した反射光を対物レンズにより集光するステップと、
前記対物レンズにより集光した前記反射光を、ナイフエッジプリズムにおける第１反射面及び第２反射面により構成されたナイフエッジ部に入射させ、前記反射光を２分割するステップと、
２分割された前記反射光のうち前記第１反射面で反射された第１反射光を検出して前記測定面の第１画像を撮像するステップと、
２分割された前記反射光のうち前記第２反射面で反射された第２反射光を検出して前記測定面の第２画像を撮像するステップと、
前記第１画像の位置及び前記第２画像の位置に基づいて、前記測定面に対する前記対物レンズの焦点位置を検出するステップと、
を備えたフォーカス検出方法。
【請求項７】
共焦点光学系を備えた共焦点顕微鏡であって、
前記共焦点光学系は、
試料の測定面を照明する照明光が、前記測定面で反射した反射光を集光する対物レンズと、
第１反射面及び第２反射面により構成されたナイフエッジ部を有し、前記ナイフエッジ部に入射された前記反射光を２分割するナイフエッジプリズムと、
２分割された前記反射光のうち前記第１反射面で反射した第１反射光が入射し、前記第１反射光の光軸方向及び前記ナイフエッジ部の延在方向に直交する方向に並んだ第１チャンネル及び第２チャンネルを含むバンドルファイバと、
前記第１反射光における前記第１チャンネルを通過した部分の第１強度及び前記第１反射光における前記第２チャンネルを通過した部分の第２強度を検出する受光素子と、
を含み、
前記第１強度及び前記第２強度に基づいて、前記測定面に対する前記対物レンズの焦点位置を検出可能な共焦点顕微鏡。
【請求項８】
前記焦点位置に基づいて、前記測定面と前記対物レンズと間の距離を単調に増加させてピントを合わせる、または、単調に減少させてピントを合わせる、
請求項７に記載の共焦点顕微鏡。
【請求項９】
前記第１強度が前記第２強度よりも大きい場合に、前記焦点位置は前記対物レンズから見て前記測定面よりも後側に位置し、
前記第２強度が前記第１強度よりも大きい場合に、前記焦点位置は前記対物レンズから見て前記測定面よりも前側に位置する、
請求項７または８に記載の共焦点顕微鏡。
【請求項１０】
前記バンドルファイバにおいて、前記第１チャンネルと前記第２チャンネルとの間に第３チャンネルがさらに設けられた、
請求項７〜９のいずれか一項に記載の共焦点顕微鏡。
【請求項１１】
前記第１チャンネル及び前記第２チャンネルのコア径は、前記第３チャンネルの前記コア径よりも大きい、
請求項１０に記載の共焦点顕微鏡。
【請求項１２】
共焦点光学系を備えた共焦点顕微鏡であって、
前記共焦点光学系は、
試料の測定面を照明する照明光が、前記測定面で反射した反射光を集光する対物レンズと、
第１反射面及び第２反射面により構成されたナイフエッジ部を有し、前記ナイフエッジ部に入射された前記反射光を２分割するナイフエッジプリズムと、
２分割された前記反射光のうち前記第１反射面で反射された第１反射光を検出して前記測定面の第１画像を撮像する受光素子と、
２分割された前記反射光のうち前記第２反射面で反射された第２反射光を検出して前記測定面の第２画像を撮像する受光素子と、
を含み、
前記第１画像の位置及び前記第２画像の位置に基づいて、前記測定面に対する前記対物レンズの焦点位置を検出可能な共焦点顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォーカス検出方法及び共焦点顕微鏡に関し、例えば、焦点合わせを迅速に行えることができるフォーカス検出方法及び共焦点顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
共焦点顕微鏡は、対物レンズの焦点があった部分のみの情報を得ることができる。焦点を合わせる方法としては、前ピン後ピン方式や光てこ方式があげられる。焦点が合っているかどうかを判断するためには、対物レンズの光軸方向に試料または対物レンズを移動させて輝度情報を得なければならず、焦点合わせに時間がかかっていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−２２２１０９号公報
【特許文献２】特開２０１７−０９０６３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
焦点位置が対物レンズから見て試料の測定面よりも後側、または、測定面よりも前側のうち、どちらにずれているかを迅速に把握することができれば、焦点合わせに要する時間を大きく短縮することができると期待される。
【０００５】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、焦点合わせに要する時間を短縮することができるフォーカス検出方法及び共焦点顕微鏡を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係るフォーカス検出方法は、共焦点光学系のフォーカス検出方法であって、試料の測定面を照明する照明光が前記測定面で反射した反射光を対物レンズにより集光するステップと、前記対物レンズにより集光した前記反射光を、ナイフエッジプリズムにおける第１反射面及び第２反射面により構成されたナイフエッジ部に入射させ、前記反射光を２分割するステップと、２分割された前記反射光のうち前記第１反射面で反射された第１反射光を、前記第１反射光の光軸方向及び前記ナイフエッジ部の延在方向に直交する方向に並んだ第１チャンネル及び第２チャンネルを含むバンドルファイバに入射させるステップと、前記第1反射光における前記第１チャンネルを透過した部分の第１強度を検出するステップと、前記第1反射光における前記第２チャンネルを透過した部分の第２強度を検出するステップと、前記第１強度及び前記第２強度に基づいて、前記測定面に対する前記対物レンズの焦点位置を検出するステップと、を備える。このような構成により、焦点合わせに要する時間を短縮することができる。
【０００７】
また、本発明に係るフォーカス検出方法は、共焦点光学系のフォーカス検出方法であって、試料の測定面を照明する照明光が前記測定面で反射した反射光を対物レンズにより集光するステップと、前記対物レンズにより集光した前記反射光を、ナイフエッジプリズムにおける第１反射面及び第２反射面により構成されたナイフエッジ部に入射させ、前記反射光を２分割するステップと、２分割された前記反射光のうち前記第１反射面で反射された第１反射光を検出して前記測定面の第１画像を撮像するステップと、２分割された前記反射光のうち前記第２反射面で反射された第２反射光を検出して前記測定面の第２画像を撮像するステップと、前記第１画像の位置及び前記第２画像の位置に基づいて、前記測定面に対する前記対物レンズの焦点位置を検出するステップと、を備える。このような構成により、焦点合わせに要する時間を短縮することができる。
【０００８】
さらに、本発明に係る共焦点顕微鏡は、共焦点光学系を備えた共焦点顕微鏡であって、前記共焦点光学系は、試料の測定面を照明する照明光が、前記測定面で反射した反射光を集光する対物レンズと、第１反射面及び第２反射面により構成されたナイフエッジ部を有し、前記ナイフエッジ部に入射された前記反射光を２分割するナイフエッジプリズムと、２分割された前記反射光のうち前記第１反射面で反射した第１反射光が入射し、前記第１反射光の光軸方向及び前記ナイフエッジ部の延在方向に直交する方向に並んだ第１チャンネル及び第２チャンネルを含むバンドルファイバと、前記第１反射光における前記第１チャンネルを通過した部分の第１強度及び前記第１反射光における前記第２チャンネルを通過した部分の第２強度を検出する受光素子と、を含み、前記第１強度及び前記第２強度に基づいて、前記測定面に対する前記対物レンズの焦点位置を検出可能である。このような構成により、焦点合わせに要する時間を短縮することができる。
【０００９】
また、本発明に係る共焦点顕微鏡は、共焦点光学系を備えた共焦点顕微鏡であって、前記共焦点光学系は、試料の測定面を照明する照明光が、前記測定面で反射した反射光を集光する対物レンズと、第１反射面及び第２反射面により構成されたナイフエッジ部を有し、前記ナイフエッジ部に入射された前記反射光を２分割するナイフエッジプリズムと、２分割された前記反射光のうち前記第１反射面で反射された第１反射光を検出して前記測定面の第１画像を撮像する受光素子と、２分割された前記反射光のうち前記第２反射面で反射された第２反射光を検出して前記測定面の第２画像を撮像する受光素子と、を含み、前記第１画像の位置及び前記第２画像の位置に基づいて、前記測定面に対する前記対物レンズの焦点位置を検出可能である。このような構成により、焦点合わせに要する時間を短縮することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、焦点合わせに要する時間を短縮することができるフォーカス検出方法及び共焦点顕微鏡を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態１に係る共焦点顕微鏡を例示した構成図である。
【図２】実施形態１に係る共焦点顕微鏡の照明光及び反射光の光路の一部を一直線上に並べて配置させた構成を例示した図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、実施形態１に係る共焦点顕微鏡において、対物レンズの焦点が試料の測定面に位置する場合の反射光を例示した図であり、（ａ）は、ナイフエッジプリズムによる遮光がない場合の反射光を示し、（ｂ）は、ナイフエッジプリズムにより第２反射光が遮光された場合の第１反射光を示し、（ｃ）は、ナイフエッジプリズムにより第１反射光が遮光された場合の第２反射光を示す。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は、実施形態１に係る共焦点顕微鏡において、対物レンズの焦点が対物レンズから見て測定面よりも後側に位置する場合の反射光を例示した図であり、（ａ）は、ナイフエッジプリズムによる遮光がない場合の反射光を示し、（ｂ）は、ナイフエッジプリズムにより第２反射光が遮光された場合の第１反射光を示し、（ｃ）は、ナイフエッジプリズムにより第１反射光が遮光された場合の第２反射光を示す。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は、実施形態１に係る共焦点顕微鏡において、対物レンズの焦点が対物レンズから見て測定面よりも前側に位置する場合の反射光を例示した図であり、（ａ）は、ナイフエッジプリズムによる遮光がない場合の反射光を示し、（ｂ）は、ナイフエッジプリズムにより第２反射光が遮光された場合の第１反射光を示し、（ｃ）は、ナイフエッジプリズムにより第１反射光が遮光された場合の第２反射光を示す。
【図６】実施形態１に係る共焦点顕微鏡において、焦点位置を検出するための構成を例示した構成図である。
【図７】実施形態１に係る共焦点顕微鏡において、バンドルファイバの断面を例示した図である。
【図８】実施形態１に係る共焦点顕微鏡において、バンドルファイバ端面における第１チャンネル及び第２チャンネル直前の第１反射光を例示した図である。
【図９】実施形態１に係る共焦点顕微鏡において、バンドルファイバ端面における第１チャンネル及び第２チャンネル直前の第２反射光を例示した図である。
【図１０】実施形態１に係る共焦点顕微鏡において、バンドルファイバの第１チャンネルを透過した光の強度（第１強度）及びバンドルファイバの第２チャンネルを透過した光の強度（第２強度）を例示したグラフであり、横軸は、デフォーカスを示し、縦軸は、第１反射光の強度を示す。
【図１１】実施形態１に係る共焦点顕微鏡において、第１強度と第２強度との差を規格化したグラフであり、横軸は、デフォーカスを示し、縦軸は、（第２強度−第１強度）／（第２強度＋第１強度）を示す。
【図１２】実施形態１に係る共焦点顕微鏡１において、フォーカス検出方法を例示したフローチャート図である。
【図１３】実施形態１の変形例に係る共焦点顕微鏡を例示した構成図である。
【図１４】実施形態２に係る共焦点顕微鏡を例示した構成図である。
【図１５】実施形態２に係る共焦点顕微鏡の３分岐バンドルファイバを例示した断面図である。
【図１６】実施形態２に係る共焦点顕微鏡において、バンドルファイバ端面における第１チャンネル、第２チャンネル及び第３チャンネル直前の第１反射光を例示した図である。
【図１７】実施形態２に係る共焦点顕微鏡において、バンドルファイバ端面における第１チャンネル、第２チャンネル及び第３チャンネル直前の第２反射光を例示した図である。
【図１８】実施形態２に係る共焦点顕微鏡において、第１強度、第２強度及び第３強度を例示したグラフであり、横軸はデフォーカスを示し、縦軸は第１反射光の強度を示す。
【図１９】実施形態２に係る共焦点顕微鏡の焦点深度を例示した図である。
【図２０】（ａ）及び（ｂ）は、実施形態２に係る共焦点顕微鏡において、オートフォーカスをかける範囲を例示した図である。
【図２１】実施形態２の変形例に係る３分岐バンドルファイバを例示した断面図である。
【図２２】実施形態３に係る共焦点顕微鏡において、遮光無し、右側遮光及び左側遮光の画像を例示した図である。
【図２３】（ａ）及び（ｂ）は、実施形態３に係る共焦点顕微鏡において、オートフォーカスをかける範囲を例示した図である。
【図２４】実施形態３に係る共焦点顕微鏡において、デフォーカスが−０．４［μｍ］の場合の遮光無し、右側遮光及び左側遮光の画像における各反射光の強度を例示したグラフであり、横軸は、画像における位置を示し、縦軸は、各反射光の強度を示す。
【図２５】実施形態３に係る共焦点顕微鏡において、デフォーカスが−０．２［μｍ］の場合の遮光無し、右側遮光及び左側遮光の画像における各反射光の強度を例示したグラフであり、横軸は、画像における位置を示し、縦軸は、各反射光の強度を示す。
【図２６】実施形態３に係る共焦点顕微鏡において、デフォーカスが０［μｍ］の場合の遮光無し、右側遮光及び左側遮光の画像における各反射光の強度を例示したグラフであり、横軸は、画像における位置を示し、縦軸は、各反射光の強度を示す。
【図２７】実施形態３に係る共焦点顕微鏡において、デフォーカスが＋０．２［μｍ］の場合の遮光無し、右側遮光及び左側遮光の画像における各反射光の強度を例示したグラフであり、横軸は、画像における位置を示し、縦軸は、各反射光の強度を示す。
【図２８】実施形態３に係る共焦点顕微鏡において、デフォーカスが＋０．４［μｍ］の場合の遮光無し、右側遮光及び左側遮光の画像における各反射光の強度を例示したグラフであり、横軸は、画像における位置を示し、縦軸は、各反射光の強度を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本実施形態の具体的構成について図面を参照して説明する。以下の説明は、本発明の好適な実施の形態を示すものであって、本発明の範囲が以下の実施の形態に限定されるものではない。以下の説明において、同一の符号が付されたものは実質的に同様の内容を示している。
【００１３】
（実施形態１）
実施形態１に係る共焦点顕微鏡を説明する。まず、共焦点顕微鏡の基本構成と焦点位置を検出する原理を説明する。その後、焦点位置を検出するための共焦点顕微鏡の構成及び焦点位置を検出するフォーカス検出方法を説明する。
【００１４】
＜共焦点顕微鏡の基本構成＞
実施形態１に係る共焦点顕微鏡の基本構成を説明する。図１は、実施形態１に係る共焦点顕微鏡を例示した構成図である。図１に示すように、共焦点顕微鏡１は、光源１０及び共焦点光学系２０を備えている。共焦点顕微鏡１は、試料５０の測定面５１に焦点を合わせて、測定面５１を観察する。
【００１５】
光源１０は、照明光１１を生成する。光源１０は、例えば、波長４０５ｎｍの半導体レーザを用いる。なお、半導体レーザの波長は４０５ｎｍに限定しなくてもよい。また、半導体レーザ以外のレーザでもよい。また、連続スペクトルに複数の輝線を含む水銀キセノンランプ、紫外から赤外域（１８５ｎｍ〜２０００ｎｍ）に幅広い連続スペクトルを有するキセノンランプ、白色ダイオード、白色レーザ等を用いて、バンドパスフィルタで特定域の波長の光を取り出してもよい。
【００１６】
共焦点光学系２０は、アナモルフィックプリズム２１、ビームエキスバンダ２２、偏光ビームスプリッタ２３、ミラー２４、ガルバノミラーＸ２５、レンズ２６〜２９、ガルバノミラーＹ３１、λ／４板３２、ダイクロイックミラー３３、対物レンズ３４、可変焦点レンズ３５、ナイフエッジプリズム３６、ファイバ３７及び受光素子４０を含んでいる。
【００１７】
光源１０で生成された照明光１１は、光源１０から出射する。光源１０から出射した照明光１１は、アナモルフィックプリズム２１に入射する。アナモルフィックプリズム２１は、入射した照明光１１の形状を成形する。例えば、アナモルフィックプリズム２１は、照明光１１の光軸に直交する断面の形状を真円状に成形する。
【００１８】
アナモルフィックプリズム２１によって成形された照明光１１は、ビームエキスバンダ２２によって拡大される。ビームエキスバンダ２２は、照明光１１の真円状の断面の直径をより大きな直径の円となるように拡大させる。
【００１９】
ビームエキスバンダ２２によって拡大された照明光１１は、偏光ビームスプリッタ２３に入射する。偏光ビームスプリッタ２３は、入射した照明光１１の一部を透過させ、一部を反射させる。偏光ビームスプリッタ２３を透過した照明光１１は、ミラー２４で反射する。
【００２０】
ミラー２４で反射した照明光１１は、ガルバノミラーＸ２５に入射する。ガルバノミラーＸ２５は、試料５０の測定面５１上を照明光１１でスキャンさせる。測定面５１をＸＹ平面とした場合に、例えば、Ｘ軸方向にスキャンさせる。ガルバノミラーＸ２５で反射した照明光１１は、レンズ２６によって、一次像を形成された後、レンズ２７によって、平行光に戻される。
【００２１】
レンズ２７を透過した照明光１１は、ガルバノミラーＹ３１に入射する。ガルバノミラーＹ３１は、試料５０の測定面５１上を照明光１１でスキャンさせる。測定面５１をＸＹ平面とした場合に、例えば、Ｙ軸方向にスキャンさせる。したがって、ガルバノミラーＸ２５及びガルバノミラーＹ３１により、試料５０の測定面５１を２次元的にスキャンすることができる。ガルバノミラーＹ３１で反射された照明光１１は、レンズ２８によって、一次像を形成された後、レンズ２９によって、平行光に戻される。
【００２２】
レンズ２９を透過した照明光１１は、λ／４板３２に入射する。λ／４板３２は、偏光状態を変化させる。例えば、λ／４板３２は、直線偏光の照明光を円偏光に変える。λ／４板３２によって偏光状態が変化された照明光１１は、ダイクロイックミラー３３で反射する。ダイクロイックミラー３３は、照明光１１における特定の波長の光を反射し、その他の波長の光を透過させる。
【００２３】
ダイクロイックミラー３３で反射した照明光１１は、対物レンズ３４で集光され、試料５０の測定面５１を照明する。ガルバノミラーＸ２５及びＹ３１によって、測定面５１上をＸＹ方向にスキャンさせながら、試料５０の測定面５１を照明する。試料５０の測定面５１を照明した照明光１１は、試料５０の測定面５１で反射する。
【００２４】
測定面５１で反射した反射光１２は、対物レンズ３４によって集光される。このように、対物レンズ３４は、試料５０の測定面５１を照明する照明光１１が測定面５１で反射した反射光１２を集光する。なお、対物レンズ３４は、照明光１１により測定面５１から発生した蛍光を集光してもよい。その場合には、反射光１２は、蛍光を含む意味で用いる。対物レンズ３４で集光された反射光１２は、偏光ビームスプリッタ２３まで逆の光路をたどる。
【００２５】
すなわち、反射光１２は、ダイクロイックミラー３３、λ／４板３２、レンズ２９、レンズ２８、ガルバノミラーＹ３１、レンズ２７、レンズ２６、ガルバノミラーＸ２５、ミラー２４を経て、偏光ビームスプリッタ２３に入射する。偏光ビームスプリッタ２３で反射した反射光１２は、可変焦点レンズ３５を透過する。可変焦点レンズ３５を透過した反射光１２は、ナイフエッジプリズム３６に入射する。
【００２６】
ナイフエッジプリズム３６は、例えば、二等辺直角三角形を２つの対向する底面とする三角柱状のプリズムである。ナイフエッジプリズム３６は、ナイフエッジ部３６ｅを有している。ナイフエッジ部３６ｅは、各底面を構成する二等辺三角形の直角の各頂点を結ぶ稜線に形成されている。したがって、ナイフエッジ部３６ｅは、一方向に延在している。ナイフエッジ部３６ｅを挟む隣り合う側面は直角をなしている。直角をなす隣り合う側面を第１反射面３６a及び第２反射面３６ｂとする。このように、ナイフエッジプリズム３６は、第１反射面３６a及び第２反射面３６ｂにより構成されたナイフエッジ部３６ｅを有している。
【００２７】
可変焦点レンズ３５を透過した反射光１２の光軸は、ナイフエッジ部３６ｅの延在方向に直交する。また、反射光１２の光軸は、第１反射面３６ａ及び第２反射面３６ｂとのなす角が等しくなるような方向から、ナイフエッジ部３６ｅに入射する。よって、第１反射面３６a及び第２反射面３６ｂに対する反射光１２の入射角は等しい。
【００２８】
ナイフエッジプリズム３６は、ナイフエッジ部３６ｅに入射された反射光１２を２分割する。ナイフエッジ部３６ｅに入射した反射光１２は、第１反射面３６ａで反射した第１反射光１２ａ及び第２反射面３６ｂで反射した第２反射光１２ｂに２分割される。２分割された反射光１２のうち第１反射光１２ａは、一方のファイバ３７に入射する。また、２分割された反射光１２のうち第２反射光１２ｂは、他方のファイバ３７に入射する。
【００２９】
ファイバ３７は、反射光１２ａ及び１２ｂを透過する。ファイバ３７のコア径は、例えば、２００［μｍ］以下が好ましい。例えば、ファイバ３７のコア径は、２５〜５０［μｍ］が好ましい。ファイバ３７は受光素子４０に接続している。各ファイバ３７に入射した各反射光１２は、ファイバ３７を介して受光素子４０により検出される。測定面５１を照明光１１でスキャンすることにより、測定面５１の画像が撮像される。
【００３０】
図２は、実施形態１に係る共焦点顕微鏡１の照明光１１及び反射光１２の光路の一部を一直線上に並べて配置させた構成を例示した図である。図２に示すように、一直線上に並べて配置させた場合に、光源側を前側、試料側を後側という。つまり、照明光１１または反射光１２が進む方向を後側といい、その反対方向を前側という。
【００３１】
ここで、共焦点顕微鏡１の光路を説明するために、ＸＹＺ直交座標軸を導入する。照明光１１及び反射光１２の光軸方向をＺ軸方向とする。後側を＋Ｚ軸方向といい、前側を−Ｚ軸方向とする。ナイフエッジ部３６ｅの延在方向をＸ軸方向する。
【００３２】
例えば、ガルバノミラーＸ２５、レンズ２６、レンズ２７、ガルバノミラーＹ３１、レンズ２８、レンズ２９を透過した照明光１１は、対物レンズ３４で集光される。対物レンズ３４で集光された照明光１１は、試料５０の測定面５１を照明する。試料５０の測定面５１を照明するまでの光路を、行きの光学系２０ａの光路という。
【００３３】
照明光１１が測定面５１で反射した反射光１２は、対物レンズ３４で集光される。対物レンズ３４で集光された反射光１２は、レンズ２９、レンズ２８、ガルバノミラーＹ３１、レンズ２７、レンズ２６、ガルバノミラーＸ２５を透過して、ナイフエッジプリズム３６に入射する。ナイフエッジプリズム３６で２分割された反射光１２は、ファイバ３７を経由して、受光素子４０により検出される。測定面５１で反射した反射光１２の光路を帰りの光学系２０ｂの光路という。
【００３４】
＜焦点位置を検出する原理＞
次に、実施形態１に係る共焦点顕微鏡１において、焦点位置を検出する原理を説明する。まず、対物レンズ３４の焦点が試料５０の測定面５１に位置する場合を説明する。
【００３５】
図３（ａ）〜（ｃ）は、実施形態１に係る共焦点顕微鏡１において、対物レンズ３４の焦点が試料５０の測定面５１に位置する場合の反射光を例示した図であり、（ａ）は、ナイフエッジプリズム３６による遮光がない場合の反射光を示し、（ｂ）は、ナイフエッジプリズム３６により第２反射光１２ｂが遮光された場合の第１反射光１２ａを示し、（ｃ）は、ナイフエッジプリズム３６により第１反射光１２ａが遮光された場合の第２反射光１２ｂを示す。遮光がない場合とは、ナイフエッジプリズム３６のナイフエッジ部３６ｅにより反射光１２が２分割されない場合をいう。図３（ａ）に示すように、対物レンズ３４の焦点が試料５０の測定面５１に位置する場合には、反射光１２は受光素子４０上で焦点を結ぶ。
【００３６】
図３（ｂ）に示すように、ナイフエッジプリズム３６により第２反射光１２ｂが遮光された場合の第１反射光１２ａは、受光素子４０上で焦点を結ぶ。ここで、第１反射光１２ａの光軸方向をＺ軸方向とし、ナイフエッジ部３６ｅの延在方向をＸ軸方向とする。そして、Ｙ軸方向における＋Ｙ軸方向側を右側とし、−Ｙ軸方向側を左側とする。この場合には、反射光１２の右側が遮光された状態となっている。
【００３７】
図３（ｃ）に示すように、ナイフエッジプリズム３６により第１反射光１２ａが遮光された場合の第２反射光１２ｂは、受光素子４０上で焦点を結ぶ。この場合には、反射光１２の左側が遮光された状態となっている。
【００３８】
次に、対物レンズ３４と試料５０とが近づいて、対物レンズ３４の焦点が対物レンズ３４から見て測定面５１よりも後側に位置する、−（マイナス）デフォーカスの場合を説明する。
【００３９】
図４（ａ）〜（ｃ）は、実施形態１に係る共焦点顕微鏡１において、対物レンズ３４の焦点が対物レンズ３４から見て測定面５１よりも後側に位置する場合の反射光１２を例示した図であり、（ａ）は、ナイフエッジプリズム３６による遮光がない場合の反射光１２を示し、（ｂ）は、ナイフエッジプリズム３６により第２反射光１２ｂが遮光された場合の第１反射光１２ａを示し、（ｃ）は、ナイフエッジプリズム３６により第１反射光１２ａが遮光された場合の第２反射光１２ｂを示す。図４（ａ）に示すように、−（マイナス）デフォーカスの場合には、反射光１２は、受光素子４０上で広がっており、受光素子４０よりも後側で焦点を結ぶ。
【００４０】
図４（ｂ）に示すように、−デフォーカスの場合には、第１反射光１２ａは、受光素子４０上で広がっており、受光素子４０よりも後側で焦点を結ぶ。この場合には、反射光１２の右側のピンボケを遮光し、左側にピンボケした状態となっている。
【００４１】
図４（ｃ）に示すように、−デフォーカスの場合には、第２反射光１２ａは、受光素子４０上で広がっており、受光素子４０よりも後側で焦点を結ぶ。この場合には、反射光１２の左側のピンボケを遮光し、右側にピンボケした状態となっている。
【００４２】
次に、対物レンズ３４と試料５０とが遠ざかり、対物レンズ３４の焦点が対物レンズ３４から見て測定面５１よりも前側に位置する、＋（プラス）デフォーカスの場合を説明する。
【００４３】
図５（ａ）〜（ｃ）は、実施形態１に係る共焦点顕微鏡１において、対物レンズ３４の焦点が対物レンズ３４から見て測定面５１よりも前側に位置する場合の反射光を例示した図であり、（ａ）は、ナイフエッジプリズム３６による遮光がない場合の反射光を示し、（ｂ）は、ナイフエッジプリズム３６により第２反射光１２ｂが遮光された場合の第１反射光１２ａを示し、（ｃ）は、ナイフエッジプリズム３６により第１反射光１２ａが遮光された場合の第２反射光１２ｂを示す。図５（ａ）に示すように、＋デフォーカスの場合には、反射光１２は、受光素子４０上よりも前側で焦点を結ぶ。
【００４４】
図５（ｂ）に示すように、＋デフォーカスの場合には、第１反射光１２ａは、受光素子４０よりも前側で焦点を結ぶ。この場合には、反射光１２の左側のピンボケを遮光し、右側にピンボケした状態となっている。
【００４５】
図５（ｃ）に示すように、＋デフォーカスの場合には、第２反射光１２ｂは、受光素子４０よりも前側で焦点を結ぶ。この場合には、反射光１２の右側のピンボケを遮光し、左側にピンボケした状態となっている。
【００４６】
このように、試料５０の測定面５１に対する対物レンズ３４の焦点位置が、対物レンズ３４から見て後側に位置するのか前側に位置するかによって、ナイフエッジ部３６ｅによって２分割された反射光１２のピンボケの状態が異なる。よって、ナイフエッジ部３６ｅによって２分割された反射光１２のピンボケの状態から測定面５１に対する対物レンズ３４の焦点位置を検出することができる。以上が本実施形態における焦点位置を検出する原理である。
【００４７】
＜焦点位置を検出するための共焦点顕微鏡の構成＞
次に、実施形態１に係る共焦点顕微鏡１において、焦点位置を検出するための構成を説明する。
【００４８】
図６は、実施形態１に係る共焦点顕微鏡１において、焦点位置を検出するための構成を例示した構成図である。図６に示すように、共焦点顕微鏡１の共焦点光学系２０は、基本構成の他に、ビームスプリッタ３８、バンドルファイバ３９及び受光素子４０を含んでいる。
【００４９】
ビームスプリッタ３８は、ナイフエッジ部３６ｅとファイバ３７との間に配置されている。ビームスプリッタ３８は、第１反射光１２ａの一部を反射させて取り出す。取り出した第１反射光１２ａをバンドルファイバ３９に入射させる。バンドルファイバ３９には、２分割された反射光１２のうち、第１反射面３６ａで反射した第１反射光１２ａが入射する。なお、バンドルファイバ３９を第２反射面３６ｂ側に配置して、２分割された反射光１２のうち、第２反射面３６ｂで反射した第２反射光１２ｂを入射させてもよい。
【００５０】
図７は、実施形態に係る共焦点顕微鏡１において、バンドルファイバ３９を例示した断面図である。図７に示すように、バンドルファイバ３９は、第１チャンネル３９ａ及び第２チャンネル３９ｂを含んでいる。各チャンネルのファイバのコア径は、例えば、２００［μｍ］である。第１チャンネル３９ａ及び第２チャンネル３９ｂの各ファイバは、第１反射光１２ａの光軸方向及びナイフエッジ部３６ｅの延在方向に直交する方向に並んでいる。第１反射光１２ａは、第１チャンネル３９ａを通過した部分と、第２チャンネルを通過した部分とを含んでいる。ビームスプリッタ３８によりバンドルファイバ３９側に取り出された第１反射光１２ａは、フォーカス調整用に用いられる。ビームスプリッタ３８を透過し、ファイバ３７を経由した第１反射光１２ａは、計測用に用いられる。
【００５１】
第１チャンネル３９ａを透過した部分の強度を第１強度といい、第２チャンネル３９ｂを透過した部分の強度を第２強度という。そうすると、受光素子４０は、第１反射光１２ａにおける第１チャンネル３９ａを通過した部分の第１強度及び第１反射光１２ａにおける第２チャンネル３９ｂを通過した部分の第２強度を検出する。
【００５２】
図８は、実施形態１に係る共焦点顕微鏡１において、バンドルファイバ端面における第１チャンネル３９ａ及び第２チャンネル３９ｂ直前の第１反射光１２ａを例示した図である。すなわち、ナイフエッジプリズム３６における第１反射面３６ａで反射した第１反射光１２ａをビームスプリッタ３８でバンドルファイバ３９に取り込んだ場合を示している。
【００５３】
図８に示すように、デフォーカスが−０．４［μｍ］の場合、すなわち、対物レンズ３４の焦点が対物レンズ３４から見て測定面５１の後側に０．４［μｍ］の位置にある場合には、第１チャンネル３９ａ直前の第１反射光１２ａは、左側に大きくピンボケしている。なお、画像の一辺の長さは、２００［μｍ］である。第２チャンネル３９ｂを透過した第１反射光１２ａは、ほとんど検出することができない。
【００５４】
デフォーカスが−０．２［μｍ］の場合には、第１チャンネル３９ａ直前の第１反射光１２ａは、左側にピンボケしている。しかしながら、−０．４［μｍ］の場合よりは小さくなっている。また、−０．４［μｍ］の場合よりも強度が大きくなっている。第２チャンネル３９ｂを透過した第１反射光１２ａは、ほとんど検出することができない。
【００５５】
デフォーカスが０［μｍ］の場合、すなわち、焦点位置が測定面にある場合には、第１チャンネル３９ａ及び第２チャンネル３９ｂ直前の第１反射光１２ａは、ちょうど、第１チャンネル３９ａ及び第２チャンネル３９ｂの間で焦点を結ぶ。したがって、第１チャンネル３９ａ及び第２チャンネル３９ｂを透過した第１反射光１２ａは、ほとんど検出することができない
【００５６】
デフォーカスが＋０．２［μｍ］の場合、すなわち、対物レンズ３４の焦点が対物レンズ３４から見て測定面５１よりも前側に０．２［μｍ］ずれた位置にある場合には、第２チャンネル３９ｂ直前の第１反射光１２ａは、右側にピンボケしている。しかしながら、＋０．４［μｍ］の場合よりは小さい。また、＋０．４［μｍ］の場合よりも強度が大きい。第１チャンネル３９ａを透過した第１反射光１２ａは、ほとんど検出することができない。
【００５７】
デフォーカスが＋０．４［μｍ］の場合には、第２チャンネル３９ｂ直前の第１反射光１２ａは、右側に大きくピンボケしている。第１チャンネル３９ａを透過した第１反射光１２ａは、ほとんど検出することができない。
【００５８】
図９は、実施形態１に係る共焦点顕微鏡１において、バンドルファイバ端面における第１チャンネル３９ａ及び第２チャンネル３９ｂ直前の第２反射光１２ｂを例示した図である。ナイフエッジプリズム３６における第２反射面３６ｂで反射した第２反射光１２ｂをビームスプリッタ３８でバンドルファイバ３９に取り込んだ場合には、第１チャンネル３９ａ及び第２チャンネル３９ｂを透過した第２反射光１２ｂのピンボケ状態は、第１反射光１２ａにおける関係と左右が逆になる。
【００５９】
図９に示すように、デフォーカスが−０．４［μｍ］の場合には、第２チャンネル３９ｂ直前の第２反射光１２ｂは、右側に大きくピンボケしている。第１チャンネル３９ａを透過した第２反射光１２ｂは、ほとんど検出することができない。
【００６０】
デフォーカスが−０．２［μｍ］の場合には、第２チャンネル３９ｂ直前の第２反射光１２ｂは、右側にピンボケしている。しかしながら、−０．４［μｍ］の場合よりは小さくなっている。また、−０．４［μｍ］の場合よりも強度が大きくなっている。第１チャンネル３９ａを透過した第２反射光１２ｂは、ほとんど検出することができない。
【００６１】
デフォーカスが０［μｍ］の場合には、第１チャンネル３９ａ及び第２チャンネル３９ｂ直前の第２反射光１２ｂは、ちょうど、第１チャンネル３９ａ及び第２チャンネル３９ｂの間で焦点を結ぶ。したがって、第１チャンネル３９ａ及び第２チャンネル３９ｂを透過した第２反射光１２ｂは、ほとんど検出することができない
【００６２】
デフォーカスが＋０．２［μｍ］の場合には、第１チャンネル３９ａ直前の第２反射光１２ｂは、左側にピンボケしている。しかしながら、＋０．４［μｍ］の場合よりは小さい。また、＋０．４［μｍ］の場合よりも強度が大きい。第２チャンネル３９ｂを透過した第２反射光１２ｂは、ほとんど検出することができない。
【００６３】
デフォーカス量が＋０．４［μｍ］の場合には、第１チャンネル３９ａ直前の第２反射光１２ｂは、左側に大きくピンボケしている。第２チャンネル３９ｂを透過した第２反射光１２ｂは、ほとんど検出することができない。
【００６４】
図１０は、実施形態１に係る共焦点顕微鏡１において、バンドルファイバの第１チャンネルを透過した光の強度（第１強度）及びバンドルファイバの第２チャンネルを透過した光の強度（第２強度）を例示したグラフであり、横軸はデフォーカスを示し、縦軸は第１反射光１２ａの強度を示す。
【００６５】
図１０に示すように、第１チャンネル３９ａを透過した部分の第１強度は、デフォーカスが−１．０［μｍ］から−０．４［μｍ］までは、単調に増加する。デフォーカスが−０．４［μｍ］から−０．１［μｍ］までは、第１強度は微増する。デフォーカスが−０．１［μｍ］から０［μｍ］までは、第１強度は急激に減少する。デフォーカスが０［μｍ］から＋０．１［μｍ］までは、第１強度は減少し、デフォーカスが＋０．１［μｍ］以上で、第１強度はほとんど検出することができない。
【００６６】
第２チャンネル３９ｂを透過した部分の第２強度は、デフォーカスが−０．１［μｍ］以下で、ほとんど検出することができない。デフォーカスが−０．１［μｍ］から０［μｍ］までは、第２強度は急激に増加する。デフォーカスが０［μｍ］から＋０．１［μｍ］までは、第２強度は増加する。デフォーカスが＋０．１［μｍ］から＋０．３［μｍ］までは、第２強度は微増する。デフォーカスが＋０．３［μｍ］から＋１．０［μｍ］までは、第１強度は単調に減少する。
【００６７】
図１１は、実施形態１に係る共焦点顕微鏡１において、第１強度と第２強度との差を規格化したグラフであり、横軸は、デフォーカスを示し、縦軸は、（第２強度−第１強度）／（第２強度＋第１強度）を示す。
【００６８】
図１１に示すように、規格化した第１強度と第２強度との差は、デフォーカスが−０．１［μｍ］以下で、−１である。デフォーカスが−０．１［μｍ］から０［μｍ］までは、差は−１から＋０．６まで急激に増加する。デフォーカスが０［μｍ］から＋０．１［μｍ］までは、差は＋０．６から＋１まで増加する。デフォーカスが＋０．１［μｍ］以上で、差は＋１である。
【００６９】
なお、図１１においては、差が０になるデフォーカスが０に一致していないが、理想的には差が０になるデフォーカスは０であり、差の検出を繰り返せば誤差が減少し、０に近づく。
【００７０】
本実施形態の共焦点顕微鏡１においては、第１強度及び第２強度に基づいて、測定面５１に対する対物レンズ３４の焦点位置を検出可能である。例えば、第１強度が第２強度よりも大きい場合に、対物レンズ３４の焦点は対物レンズ３４から見て測定面５１よりも後側、すなわち、焦点位置は測定面５１よりも対物レンズ側とは反対側に位置する。また、第２強度が第１強度よりも大きい場合に、対物レンズ３４の焦点位置は対物レンズ３４から見て測定面５１よりも前側、すなわち、焦点位置は測定面５１よりも対物レンズ３４側に位置する。
【００７１】
このように、本実施形態の共焦点顕微鏡１は、焦点位置が試料の測定面５１に対してどちらにずれているかを迅速に把握することができる。よって、焦点位置が、測定面５１よりも後側に位置する場合には、測定面５１と対物レンズ３４と間の距離を単調に増加させてピントを合わせることができる。すなわち、測定面５１または対物レンズ３４を光軸に沿って往復移動させる必要がない。また、焦点位置が、測定面５１よりも前側に位置する場合には、測定面５１と対物レンズ３４と間の距離を単調に減少させてピントを合わせることができる。この場合にも、測定面５１または対物レンズ３４を光軸に沿って往復移動させる必要がない。したがって、焦点合わせに要する時間を大きく短縮することができる。
【００７２】
＜フォーカス検出方法＞
次に、共焦点顕微鏡１における共焦点光学系２０のフォーカス検出方法を説明する。図１２は、実施形態に係る共焦点顕微鏡１において、フォーカス検出方法を例示したフローチャート図である。
【００７３】
図１２のステップＳ１１に示すように、まず、反射光１２を対物レンズ３４により集光する。具体的には、試料５０の測定面５１を照明する照明光１１が測定面５１で反射した反射光１２を対物レンズにより集光する。
【００７４】
次に、ステップＳ１２に示すように、反射光１２を２分割する。具体的には、対物レンズ３４により集光した反射光１２を、ナイフエッジプリズム３６における第１反射面３６ａ及び第２反射面３６ｂにより構成されたナイフエッジ部３６ｅに入射させる。そして、反射光１２を２分割する。
【００７５】
次に、ステップＳ１３に示すように、２分割された反射光１２をバンドルファイバ３９に入射させる。具体的には、２分割された反射光１２のうち第１反射面３６ａで反射された第１反射光１２ａを、第１チャンネル３９ａ及び第２チャンネル３９ｂのファイバを含むバンドルファイバ３９に入射させる。ここで、第１チャンネル３９ａ及び第２チャンネル３９ｂは、第１反射光１２ａの光軸方向及びナイフエッジ部３６ｅの延在方向に直交する方向に並んでいる。
【００７６】
次に、ステップＳ１４に示すように、第１反射光１２ａにおける第１チャンネル３９ａを透過した部分の第１強度を検出する。また、ステップＳ１５に示すように、第１反射光１２ａにおける第２チャンネル３９ｂを透過した部分の第２強度を検出する。
【００７７】
次に、ステップＳ１６に示すように、第１強度及び第２強度に基づいて、測定面５１に対する対物レンズ３４の焦点位置を検出する。具体的には、第１強度が第２強度よりも大きい場合に、焦点位置は対物レンズ３４から見て測定面５１よりも後側に位置することを検出する。一方、第２強度が第１強度よりも大きい場合に、焦点位置は対物レンズ３４から見て測定面５１よりも前側に位置することを検出する。このようにして、共焦点顕微鏡１のフォーカスを検出することができる。
【００７８】
その後、ステップＳ１７に示すように、検出された焦点位置に基づいて、測定面５１と対物レンズ３４と間の距離を単調に増加させてピントを合わせる。または、測定面５１と対物レンズ３４と間の距離を単調に減少させてピントを合わせる。これにより、共焦点顕微鏡１のフォーカスを合わせることができる。
【００７９】
次に、本実施形態の効果を説明する。
本実施形態の共焦点顕微鏡１は、焦点位置が対物レンズ３４から見て試料５０の測定面５１よりも後側に位置するのか、前側に位置するのかを迅速に把握することができる。よって、焦点位置が、測定面５１よりも後側に位置する場合には、測定面５１と対物レンズ３４と間の距離を単調に増加させてピントを合わせることができる。また、焦点位置が、測定面５１よりも前側に位置する場合には、測定面５１と対物レンズ３４と間の距離を単調に減少させてピントを合わせることができる。よって、測定面５１または対物レンズ３４を光軸に沿って往復移動させる必要がない。したがって、焦点合わせに要する時間を大きく短縮することができる。
【００８０】
図７に示すように、バンドルファイバ３９はファイバのクラッドがあるため、反射光１２を検出することができない不感帯３９ｄを有する。ただし、不感帯３９ｄにおける反射光１２の強度を、不感帯３９ｄ以外の強度から外挿することにより、検出することができる。
【００８１】
図１３は、実施形態１の変形例に係る共焦点顕微鏡１ａを例示した構成図である。図１３に示すように、バンドルファイバ３９を介して受光素子４０により反射光１２を検出する代わりに、２分割ディテクタ４６を用いてもよい。２分割ディテクタ４６は、２つのディテクタ部分を含んでいる。２つのディテクタ部分は、例えば、第１反射光１２ａの光軸方向及びナイフエッジ部３６ｅの延在方向に直交する方向に並んで配置されている。２つのディテクタ部分により検出された第１反射光１２ａの強度を、第１強度及び第２強度とすることにより、焦点位置を判断することができる。２分割ディテクタ４６は、第１チャンネル３９ａ及び第２チャンネル３９ｂを介して検出する場合に比べて、２つのディテクタ部分を配置させるスペースを必要とするが、ファイバのクラッドによる不感帯が無い。
【００８２】
（実施形態２）
次に、実施形態２に係る共焦点顕微鏡２を説明する。本実施形態の共焦点顕微鏡２では、第１チャンネル３９ａと第２チャンネル３９ｂとの間に第３チャンネル３９ｃが設けられたバンドルファイバ４１を用いる。
【００８３】
図１４は、実施形態２に係る共焦点顕微鏡２を例示した構成図である。図１４に示すように、共焦点顕微鏡２の共焦点光学系２０は、ファイバ３７の代わりに３分岐したバンドルファイバ４１を含んでいる。３分岐バンドルファイバ４１は、ナイフエッジプリズム３６により２分割された反射光１２のうち、第１反射光１２a、または、第２反射光１２ｂが入射する。
【００８４】
図１５は、実施形態２に係る共焦点顕微鏡２の３分岐バンドルファイバ４１を例示した断面図である。図１５に示すように、３分岐バンドルファイバ４１は、第１チャンネル３９ａ及び第２チャンネル３９ｂに加えて、第３チャンネル３９ｃを含んでいる。第１チャンネル３９ａ、第２チャンネル３９ｂ及び第３チャンネル３９ｃを構成するファイバは、第１反射光１２aの光軸方向及びナイフエッジ部３６ｅの延在方向に直交する方向に並んでいる。第３チャンネル３９ｃは、第１チャンネル３９ａと第２チャンネル３９ｂとの間に設けられている。各チャンネルのコア径は、例えば、２００［μｍ］である。第１チャンネル３９ａ及び第２チャンネル３９ｂを透過した第１反射光１２ａは、フォーカス調整用に用いられる。第３チャンネル３９ｃを透過した第１反射光１２ａは、計測用に用いられる。
【００８５】
図１６は、実施形態２に係る共焦点顕微鏡２において、３分岐バンドルファイバ端面における第１チャンネル、第２チャンネル及び第３チャンネル直前の第１反射光１２ａを例示した図である。
【００８６】
図１６に示すように、デフォーカスが−０．４［μｍ］の場合、すなわち、焦点位置が対物レンズ３４から見て測定面５１よりも後側に０．４［μｍ］ずれた位置にある場合には、第１チャンネル３９ａを透過した第１反射光１２ａは、わずかに検出することができる。第２チャンネル３９ｂを透過した第１反射光１２ａは、ほとんど検出することができない。第３チャンネル３９ｃを透過した第１反射光１２ａは、左側に大きくピンボケしている。なお、画像の一辺の長さは２００［μｍ］である。
【００８７】
デフォーカスが−０．２［μｍ］の場合には、第１チャンネル３９ａ及び第２チャンネル３９ｂを透過した第１反射光１２ａは、ほとんど検出することができない。第３チャンネル３９ｃを透過した第１反射光１２ａは、左側にピンボケしている。しかしながら、−０．４［μｍ］の場合よりは小さくなっている。また、−０．４［μｍ］の場合よりも強度が大きくなっている。
【００８８】
デフォーカスが０［μｍ］の場合、すなわち、焦点位置が測定面５１にある場合には、第１チャンネル３９ａ及び第２チャンネル３９ｂを透過した第１反射光１２ａは、ほとんど検出することができない。第３チャンネル３９ｃを透過した第１反射光１２ａは、焦点を結ぶ。
【００８９】
デフォーカスが＋０．２［μｍ］の場合、すなわち、焦点位置が対物レンズ３４から見て測定面５１よりも前側に０．２［μｍ］ずれた位置にある場合には、第１チャンネル３９ａ及び第２チャンネル３９ｂを透過した第１反射光１２ａは、ほとんど検出することができない。第３チャンネル３９ｃを透過した第１反射光１２ａは、右側にピンボケしている。しかしながら、＋０．４［μｍ］の場合よりは小さい。また、＋０．４［μｍ］の場合よりも強度が大きい。
【００９０】
デフォーカスが＋０．４［μｍ］の場合には、第１チャンネル３９ａを透過した第１反射光１２ａは、ほとんど検出することができない。第２チャンネル３９ｂを透過した第１反射光１２ａは、わずかに検出することができる。第３チャンネル３９ｃを透過した第１反射光１２ａは、右側に大きくピンボケしている。
【００９１】
図１７は、実施形態２に係る共焦点顕微鏡２において、３分岐バンドルファイバ端面における第１チャンネル、第２チャンネル及び第３チャンネル直前の第２反射光１２ｂを例示した図である。
【００９２】
図１７に示すように、デフォーカスが−０．４［μｍ］の場合には、第１チャンネル３９ａを透過した第２反射光１２ｂは、ほとんど検出することができない。第２チャンネル３９ｂを透過した第２反射光１２ｂは、わずかに検出することができる。第３チャンネル３９ｃを透過した第２反射光１２ｂは、右側に大きくピンボケしている。
【００９３】
デフォーカスが−０．２［μｍ］の場合には、第１チャンネル３９ａ及び第２チャンネル３９ｂを透過した第２反射光１２ｂは、ほとんど検出することができない。第３チャンネル３９ｃを透過した第２反射光１２ｂは、右側にピンボケしている。しかしながら、−０．４［μｍ］の場合よりは小さくなっている。また、−０．４［μｍ］の場合よりも強度が大きくなっている。
【００９４】
デフォーカスが０［μｍ］の場合には、第１チャンネル３９ａ及び第２チャンネル３９ｂを透過した第２反射光１２ｂは、ほとんど検出することができない。第３チャンネル３９ｃを透過した第２反射光１２ｂは、焦点を結ぶ。
【００９５】
デフォーカスが＋０．２［μｍ］の場合には、第１チャンネル３９ａ及び第２チャンネル３９ｂを透過した第２反射光１２ｂは、ほとんど検出することができない。第３チャンネル３９ｃを透過した第２反射光１２ｂは、左側にピンボケしている。しかしながら、＋０．４［μｍ］の場合よりは面積が小さい。また、＋０．４［μｍ］の場合よりも強度が大きい。
【００９６】
デフォーカスが＋０．４［μｍ］の場合には、第１チャンネル３９ａを透過した第２反射光１２ｂは、わずかに検出することができる。第２チャンネル３９ｂを透過した第２反射光１２ｂは、ほとんど検出することができない。第３チャンネル３９ｃを透過した第２反射光１２ｂは、左側に大きくピンボケしている。
【００９７】
図１８は、実施形態２に係る共焦点顕微鏡２において、第１強度、第２強度及び第３強度を例示したグラフであり、横軸は、デフォーカスを示し、縦軸は、第１反射光１２aの強度を示す。第３チャンネル３９ｃを透過した第１反射光１２ａの強度を第３強度という。
【００９８】
図１８に示すように、第１チャンネル３９ａを透過した第１反射光１２ａの強度である第１強度は、−１．０［μｍ］から−０．８［μｍ］までのデフォーカスにおいて、一定の強度を示す。デフォーカスが−０．８［μｍ］から−０．４［μｍ］までは、第１強度は単調に減少する。デフォーカスが−０．４［μｍ］を超え、＋１．０［μｍ］までは、ほとんど検出することができない。
【００９９】
第２チャンネル３９ｂを透過した第１反射光１２ａの強度である第２強度は、デフォーカスが＋０．３［μｍ］以下で、ほとんど検出することができない。デフォーカスが＋０．３［μｍ］から＋０．８［μｍ］までは、第２強度は単調に増加する。デフォーカスが＋０．８［μｍ］から＋１．０［μｍ］までは、第２強度は一定の強度を示す。
【０１００】
第３チャンネル３９ｃを透過した第１反射光１２ａの強度である第３強度は、−１［μｍ］から−０．４［μｍ］までのデフォーカスにおいて、単調に増加する。デフォーカスが−０．４［μｍ］から＋０．３［μｍ］までは、第３強度は微増する。デフォーカスが＋０．３［μｍ］から＋１．０［μｍ］までは、第３強度は単調に減少する。
【０１０１】
本実施形態の共焦点顕微鏡２においても、第１強度及び第２強度に基づいて、測定面５１に対する対物レンズ３４の焦点位置を検出可能である。例えば、第１強度が第２強度よりも大きい場合に、焦点位置は対物レンズ３４から見て後側、すなわち、焦点位置は測定面５１よりも対物レンズ３４側とは反対側に位置する。また、第２強度が第１強度よりも大きい場合に、焦点位置は対物レンズ３４から見て前側、すなわち、焦点位置は測定面５１よりも対物レンズ３４側に位置する。
【０１０２】
デフォーカスが−０．４［μｍ］から＋０．３［μｍ］までは、第１強度及び第２強度に基づいて、測定面５１に対する対物レンズ３４の焦点位置を判別することが困難な場合がある。しかしながら、デフォーカスが±０．４５［μｍ］程度ではフォーカス検出方法に影響を及ぼさないことを以下で説明する。
【０１０３】
図１９は、実施形態２に係る共焦点顕微鏡２の焦点深度を例示した図である。焦点深度は反射光１２の強度が最大値の８０パーセントを示すデフォーカスの範囲である。図１９に示すように、例えば、倍率が５０倍（５０×）であり、ＮＡが０．８である対物レンズ３４の焦点深度は、０．９［μｍ］である。すなわち、±０．４５［μｍ］のデフォーカスは、焦点深度内であり、フォーカス検出方法に影響を及ぼさない。
【０１０４】
図２０（ａ）及び（ｂ）は、実施形態２に係る共焦点顕微鏡２において、オートフォーカスをかける範囲を例示した図である。図２０（ａ）に示すように、視野内の任意の範囲でオートフォーカスをかけてもよいし、図２０（ｂ）に示すように、視野内の全面でオートフォーカスをかけてもよい。
【０１０５】
図２１は、実施形態２の変形例に係る３分岐バンドルファイバ４２を例示した断面図である。図２１に示すように、３分岐バンドルファイバ４２において、オートフォーカス用の第１チャンネル３９ａ及び第２チャンネル３９ｂのコア径は、第３チャンネルのコア径よりも大きい。例えば、第１チャンネル３９ａ及び第２チャンネル３９ｂのファイバのコア径は、５００［μｍ］であり、第３チャンネル３９ｃのファイバのコア径は、１２５［μｍ］である。
【０１０６】
第１チャンネル３９ａ及び第２チャンネル３９ｂのコア径を大きくすることにより、焦点位置を判別することが可能なデフォーカスの範囲を広げることができる。例えば、−デフォーカス側を−１［μｍ］よりも小さい値にすることができる。＋デフォーカス側を１［μｍ］よりも大きい値にすることができる。また、３分岐バンドルファイバ４２は、第１チャンネル３９ａ及び第２チャンネル３９ｂとして、径の大きいプラスチックファイバを配置したフェルールとしてもよい。
【０１０７】
本変形例によれば、第１チャンネル３９ａ及び第２チャンネル３９ｂのファイバのコア径を、第３チャンネルのファイバのコア径よりも大きくすることができるので、共焦点光学系２０の機能を保持しつつ、焦点位置を判断するためのデフォーカス幅を大きくすることができる。
【０１０８】
（実施形態３）
次に、実施形態３を説明する。実施形態３は、ファイバ３７のコア径が大きい場合の例である。例えば、ファイバ３７のコア径は１００〜２００［μｍ］である。実施形態３に係る共焦点顕微鏡３は、実施形態１で示した共焦点顕微鏡１の基本構成を含んでいる。そして、共焦点光学系２０は、第１受光素子と、第２受光素子と、を含んでいる。第１受光素子は、ナイフエッジプリズム３６によって２分割された反射光１２のうち第１反射面３６ａで反射された第１反射光１２ａを検出して測定面５１の第１画像を撮像する。第２受光素子は、２分割された反射光１２のうち第２反射面３６ｂで反射された第２反射光１２ｂを検出して測定面５１の第２画像を撮像する。
【０１０９】
例えば、図１に示す基本構成において、コア径が大きいファイバ３７を用いて反射光１２を検出する。ナイフエッジプリズム３６のナイフエッジ部３６ｅにより反射光１２が２分割されない場合を、遮光なしいう。ナイフエッジプリズム３６によって第２反射光１２ｂが遮光された第１反射光１２ａを検出する場合を、右側遮光という。ナイフエッジプリズム３６によって第１反射光１２ａが遮光された第２反射光１２ｂを検出する場合を、左側遮光という。
【０１１０】
図２２は、実施形態３に係る共焦点顕微鏡３において、遮光なし（反射光１２）、右側遮光（第１反射光１２ａ）及び左側遮光（第２反射光１２ｂ）の画像を例示した図である。図２２に示すように、遮光なしの場合には（反射光１２）、デフォーカスが０．０［μｍ］において、画像が最もシャープになっている。デフォーカスが−０．２［μｍ］または＋０．２［μｍ］において、ピンボケし、デフォーカスが−０．４［μｍ］または＋０．４［μｍ］において、ピンボケの度合いが大きくなる。
【０１１１】
右側遮光の場合には（第１反射光１２ａ）、各画像はピンボケした部分を含んでいる。また、デフォーカスが−０．４［μｍ］から＋０．４［μｍ］に変化すると、像の位置が右側に移動する。左側遮光の場合には（第２反射光１２ｂ）、各画像はピンボケした部分を含んでいる。また、デフォーカスが−０．４［μｍ］から＋０．４［μｍ］に変化すると、像の位置が左側に移動する。
【０１１２】
図２３（ａ）及び（ｂ）は、実施形態３に係る共焦点顕微鏡３において、オートフォーカスをかける範囲を例示した図である。図２３（ａ）及び（ｂ）に示すように、ナイフエッジ部３６ｅの延在方向が鉛直方向で、第１反射面３６ａ及び第２反射面３６ｂが左右に並んでいる場合には、オートフォーカスをかける範囲を、水平方向のラインにする。
【０１１３】
図２４は、実施形態３に係る共焦点顕微鏡３において、デフォーカスが−０．４［μｍ］の場合の遮光なし（反射光１２）、右側遮光（第１反射光１２ａ）及び左側遮光（第２反射光１２ｂ）の画像における各反射光の強度を例示したグラフであり、横軸は、画像における位置を示し、縦軸は、各反射光の強度を示す。図２４には、各反射光の強度の検出に用いられた各画像も示している。各反射光の強度は、各画像のＡＡ線に沿った位置における強度である。また、右側遮光と左側遮光との差分Ｄも示す。
【０１１４】
図２４に示すように、遮光なしの強度は、所定の２つの位置において、ピークを形成している。右側遮光（第１反射光１２ａ）の強度も、２つの位置においてピークを形成している。しかしながら、右側遮光の場合のピーク位置は、遮光なしの場合のピーク位置よりも左側にずれている。一方、左側遮光の強度も、２つの位置においてピークを形成している。しかしながら、左側遮光の場合のピーク位置は、右側遮光の場合と異なり、遮光なしの場合のピーク位置よりも右側にずれている。したがって、左側遮光の場合のピーク位置は、右側遮光の場合のピーク位置よりも右側にずれている。
【０１１５】
このように、デフォーカスが−０．４［μｍ］の場合には、左側遮光の場合のピーク位置は、右側遮光の場合のピーク位置よりも右側にずれている。また、右側遮光と左側遮光との差分Ｄは、遮光なしの場合のピーク位置を境にして、左側に負の領域が形成され、右側に正の領域が形成されている。
【０１１６】
図２５は、実施形態３に係る共焦点顕微鏡３において、デフォーカスが−０．２［μｍ］の場合の遮光なし（反射光１２）、右側遮光（第１反射光１２ａ）及び左側遮光（第２反射光１２ｂ）の画像における各反射光の強度を例示したグラフであり、横軸は、画像における位置を示し、縦軸は、各反射光の強度を示す。
【０１１７】
図２５に示すように、右側遮光の場合のピーク位置は、遮光なしの場合のピーク位置よりも左側にずれている。一方、左側遮光の場合のピーク位置は、遮光なしの場合のピーク位置よりも右側にずれている。したがって、左側遮光の場合のピーク位置は、右側遮光の場合のピーク位置よりも右側にずれている。
【０１１８】
このように、デフォーカスが−０．２［μｍ］の場合にも、左側遮光の場合のピーク位置は、右側遮光の場合のピーク位置よりも右側にずれている。また、右側遮光と左側遮光との差分Ｄは、遮光なしの場合のピーク位置を境にして、左側に負の領域が形成され、右側に正の領域が形成されている。
【０１１９】
図２６は、実施形態３に係る共焦点顕微鏡３において、デフォーカスが０［μｍ］の場合の遮光なし（反射光１２）、右側遮光（第１反射光１２ａ）及び左側遮光（第２反射光１２ｂ）の画像における各反射光の強度を例示したグラフであり、横軸は、画像における位置を示し、縦軸は、各反射光の強度を示す。
【０１２０】
図２６に示すように、遮光なしの強度は、所定の２つの位置において、ピークは平らになっている。すなわち、画像がシャープになっている。右側遮光の強度も、２つの位置においてピークは平らになっている。そして、右側遮光の場合のピーク位置は、遮光無しの場合のピーク位置と一致している。左側遮光の強度も、２つの位置においてピークは平らになっている。左側遮光の場合のピーク位置は、右側遮光の場合と同様に、遮光なしの場合のピーク位置と一致している。したがって、左側遮光の場合のピーク位置は、右側遮光の場合のピーク位置と一致している。右側遮光と左側遮光との差分Ｄは、ほとんど検出されない。
【０１２１】
図２７は、実施形態３に係る共焦点顕微鏡３において、デフォーカスが＋０．２［μｍ］の場合の遮光なし（反射光１２）、右側遮光（第１反射光１２ａ）及び左側遮光（第２反射光１２ｂ）の画像における各反射光の強度を例示したグラフであり、横軸は、画像における位置を示し、縦軸は、各反射光の強度を示す。
【０１２２】
図２７に示すように、右側遮光の場合のピーク位置は、遮光なしの場合のピーク位置よりも右側にずれている。一方、左側遮光の場合のピーク位置は、遮光なしの場合のピーク位置よりも左側にずれている。したがって、左側遮光の場合のピーク位置は、右側遮光の場合のピーク位置よりも左側にずれている。
【０１２３】
このように、デフォーカスが＋０．２［μｍ］の場合には、左側遮光の場合のピーク位置は、右側遮光の場合のピーク位置よりも左側にずれている。また、差分Ｄは、遮光なしの場合のピーク位置を境にして、左側に正の領域が形成され、右側に負の領域が形成されている。
【０１２４】
図２８は、実施形態３に係る共焦点顕微鏡３において、デフォーカスが＋０．４［μｍ］の場合の遮光なし（反射光１２）、右側遮光（第１反射光１２ａ）及び左側遮光（第２反射光１２ｂ）の画像における各反射光の強度を例示したグラフであり、横軸は、画像における位置を示し、縦軸は、各反射光の強度を示す。
【０１２５】
図２８に示すように、右側遮光の場合のピーク位置は、遮光なしの場合のピーク位置よりも右側にずれている。一方、左側遮光の場合のピーク位置は、遮光なしの場合のピーク位置よりも左側にずれている。したがって、左側遮光の場合のピーク位置は、右側遮光の場合のピーク位置よりも左側にずれている。
【０１２６】
このように、デフォーカスが＋０．４［μｍ］の場合には、左側遮光の場合のピーク位置は、右側遮光の場合のピーク位置よりも左側にずれている。また、差分Ｄは、遮光なしの場合のピーク位置を境にして、左側に正の領域が形成され、右側に負の領域が形成されている。
【０１２７】
本実施形態の共焦点顕微鏡３によれば、右側遮光における第１反射光１２ａを検出して撮像された第１画像の位置、及び、左側遮光における第２反射光１２ｂを検出して撮像された第２画像の位置に基づいて、測定面５１に対する対物レンズ３４の焦点位置を検出することができる。例えば、左側遮光の場合のピーク位置が、右側遮光の場合のピーク位置よりも右側にずれている場合には、焦点位置が対物レンズ３４から見て測定面５１よりも後側、すなわち、焦点位置は測定面５１よりも対物レンズ３４側とは反対側に位置する。一方、左側遮光の場合のピーク位置が、右側遮光の場合のピーク位置よりも左側にずれている場合には、焦点位置は、対物レンズ３４から見て測定面５１よりも前側、すなわち、焦点位置は測定面５１よりも対物レンズ３４側に位置する。
【０１２８】
また、右側遮光と左側遮光との差分Ｄが、遮光なしの場合のピーク位置を境にして、左側に負の領域が形成され、右側に正の領域が形成されている場合には、焦点位置が対物レンズ３４から見て測定面５１よりも後側に位置する。一方、差分Ｄが、遮光なしの場合のピーク位置を境にして、左側に正の領域が形成され、右側に負の領域が形成されている場合には、焦点位置は、対物レンズ３４から見て測定面５１よりも前側に位置する。
【０１２９】
焦点位置が測定面５１よりも後側に位置する場合には、測定面５１と対物レンズ３４との間の距離を単調に増加させてピントを合わせることができる。焦点位置が測定面５１よりも前側に位置する場合には、測定面５１と対物レンズ３４との間の距離を単調に減少させてピントを合わせることができる。これ以外の構成及び効果は、実施形態１及び２の記載に含まれている。
【０１３０】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はその目的と利点を損なうことのない適宜の変形を含み、更に、上記の実施形態による限定は受けない。
【符号の説明】
【０１３１】
１、１ａ、２、３  共焦点顕微鏡
１０  光源
１１  照明光
１２  反射光
１２ａ  第１反射光
１２ｂ  第２反射光
２０  共焦点光学系
２１  アナモルフィックプリズム
２２  ビームエキスバンダ
２３  偏光ビームスプリッタ
２４  ミラー
２５  ガルバノミラーＸ
２６、２７、２８、２９  レンズ
３１  ガルバノミラーＹ
３２  λ／４板
３３  ダイクロイックミラー
３４  対物レンズ
３５  可変焦点レンズ
３６  ナイフエッジプリズム
３６ａ  第１反射面
３６ｂ  第２反射面
３６ｅ  ナイフエッジ部
３７  ファイバ
３８  ビームスプリッタ
３９、４１、４２  バンドルファイバ
３９ａ  第１チャンネル
３９ｂ  第２チャンネル
３９ｃ  第３チャンネル
３９ｄ  不感帯
４０  受光素子
４６  ２分割ディテクタ
５０  試料
５１  測定面
【図１】
2019133044.tif 000003
【図２】
2019133044.tif 000004
【図３】
2019133044.tif 000005
【図４】
2019133044.tif 000006
【図５】
2019133044.tif 000007
【図６】
2019133044.tif 000008
【図７】
2019133044.tif 000009
【図８】
2019133044.tif 000010
【図９】
2019133044.tif 000011
【図１０】
2019133044.tif 000012
【図１１】
2019133044.tif 000013
【図１２】
2019133044.tif 000014
【図１３】
2019133044.tif 000015
【図１４】
2019133044.tif 000016
【図１５】
2019133044.tif 000017
【図１６】
2019133044.tif 000018
【図１７】
2019133044.tif 000019
【図１８】
2019133044.tif 000020
【図１９】
2019133044.tif 000021
【図２０】
2019133044.tif 000022
【図２１】
2019133044.tif 000023
【図２２】
2019133044.tif 000024
【図２３】
2019133044.tif 000025
【図２４】
2019133044.tif 000026
【図２５】
2019133044.tif 000027
【図２６】
2019133044.tif 000028
【図２７】
2019133044.tif 000029
【図２８】
2019133044.tif 000030