(57)【要約】【課題】倍率の異なる対物レンズの瞳の径の違いに影響されることなく、試料に対する高い検出精度と高い合焦検出感度を得ることが可能な共焦点レーザ顕微鏡を提供する。【解決手段】本発明は、レーザ光源１と、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３と、複数のビームエキスパンダ１７と、２次元走査機構４と、瞳投影レンズ５と、結像レンズ６と、１／４波長板７と、対物レンズ９と、ステージ１２と、結像レンズ１３と、ピンホール１４と、光検出器１５と、を備え、ビームエキスパンダ１７は、入射したレーザビーム２のビーム径を、光路上に配置された対物レンズ９の瞳８の径と略同一に変更させる共焦点レーザ顕微鏡を提供する。【選択図】      図１
2008040154.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームを出射する光源と、
前記光源から出射された前記レーザビームを偏向して試料を走査する２次元走査機構と、
前記２次元走査機構によって偏向された前記レーザビームを前記試料に結像させる複数の対物レンズと、
前記光源と前記２次元走査機構の間に配置され、前記光源から出射された前記レーザビームを透過させ、前記試料から反射した反射光を反射させるビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタで反射した前記反射光を受光する受光部と、
前記受光部によって受光された前記反射光の強度に基づいて前記試料の高さ情報を算出する算出部と、
を具備する共焦点レーザ顕微鏡であって、
前記ビームスプリッタと前記２次元走査機構の間に配置され、前記ビームスプリッタを透過する前記レーザビームの径を前記光路上に配置された前記対物レンズに対応させて変更させるビーム径変更部と、
を具備することを特徴とする共焦点レーザ顕微鏡。
【請求項２】
前記複数の対物レンズを保持し、前記複数の前記対物レンズのいずれか１つを前記光路上に配置する対物レンズ配置部と、
を具備し
前記対物レンズ配置部が前記複数の対物レンズのいずれか１つを前記光路上に配置した際に、前記ビーム径変更部は、前記レーザビームの径を前記光路上に配置された前記対物レンズの瞳の径に基づいて変更させることを特徴とする請求項１に記載の共焦点レーザ顕微鏡。
【請求項３】
前記対物レンズ配置部は、レボルバであることを特徴とする請求項２に記載の共焦点レーザ顕微鏡。
【請求項４】
前記ビーム径変更部は、
異なる拡大倍率をそれぞれ有し、前記ビームスプリッタを透過する前記レーザビームの径を拡大させる複数のビーム拡大器と、
前記ビーム拡大器を保持し、前記ビーム拡大器の中から前記レーザビームの径を前記光路上に配置された前記対物レンズの瞳の径に基づいて前記ビーム拡大器を前記光路上に配置するビーム拡大器配置部と、
を具備することを特徴とする請求項１、または２に記載の共焦点レーザ顕微鏡。
【請求項５】
前記ビーム径変更部は、
前記ビームスプリッタを透過する前記レーザビームの径を光路上に配置された前記対物レンズの瞳の径に基づいて可変する複数の光学部材と、前記光学部材間の相対距離を調整する光学部材調整部と、からなるビーム径可変部と、
を具備することを特徴とする請求項１、または２に記載の共焦点レーザ顕微鏡。
【請求項６】
前記ビーム径可変部は、前記光学部材調整部により前記光学部材間の相対距離を調整することで、前記レーザビームの径を可変にすることを特徴とする請求項５に記載の共焦点レーザ顕微鏡。
【請求項７】
前記ビーム拡大器配置部は、レボルバであることを特徴とする請求項４に記載の共焦点レーザ顕微鏡。
【請求項８】
前記対物レンズは、
複数の光学部材と、
前記光学部材間の相対距離を調整する調整部と、
を具備することを特徴とする請求項１に記載の共焦点レーザ顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料の高さ情報を測定及び観察する共焦点レーザ顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば工業系の検査分野において共焦点レーザ顕微鏡は、ステージに載置したウエハ等の試料の高さ情報を測定及び観察するために有効な機器であり、非常にコントラストの高い試料の画像を得ることができる。
【０００３】
そこで図６及び図７を参照して一般的な共焦点レーザ顕微鏡の構成について説明する。
【０００４】
図６は、一般的な共焦点レーザ顕微鏡の概略構成図である。
【０００５】
共焦点レーザ顕微鏡には、照明用光源としてレーザ光源１が設けられている。このレーザ光源１は、直線偏光の特性を有しているレーザビーム２を出射する。レーザビーム２の光路上には、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３と、回動することによってレーザビーム２を偏向させて試料１１上で走査させる２次元走査機構４が順次配置されている。２次元走査機構４は、後述する対物レンズ９の瞳８と共役な位置に配置されている。２次元走査機構４の下方には、瞳投影レンズ５、結像レンズ６、１／４波長板７、対物レンズ９、ステージ１２に載置されている試料１１が順次配置されている。偏光ビームスプリッタ３の下方には、結像レンズ１３、ピンホール１４、受光面１６を有する光検出器１５が順次配置されている。ピンホール１４は、対物レンズ９を通過したレーザビーム２の結像位置と共役な位置に配置されている。
【０００６】
レーザビーム２は、対物レンズ９により試料１１にて結像した場合のみ、ピンホール１４によって遮光されることなく、受光面１６にて受光される。よって共焦点レーザ顕微鏡は、通常の顕微鏡よりフレア光を少なくすることができ、観察者は、高分解能、高コントラスト、且つ焦点深度の浅い画像を得ることができる。
【０００７】
ところで共焦点レーザ顕微鏡の場合、ピンホール１４の穴径により共焦点効果の度合いが変化する。ピンホール１４の穴径が小さいほど、共焦点効果が強くなり、観察者は高分解能、高コントラスト、且つ焦点深度の浅い画像を得ることができる。ただし、対物レンズ９のＮＡやレーザビーム２の波長などにより、ピンホール１４の穴径を小さくしても、分解能の向上には限度がある。
【０００８】
次に図７を参照して一般的な共焦点レーザ顕微鏡のシステムの構成について説明する。
【０００９】
指示部３５は、対物レンズ９と試料１１の相対距離を調整するためにレボルバ１０、またはステージ１２の少なくとも一方をレーザビーム２の光軸方向に移動させる指示信号を制御部３２に出力する。制御部３２は、この信号を受信してレボルバ１０、またはステージ１２の少なくとも一方を駆動させる駆動（制御）信号を駆動機構に出力する。駆動機構は、この制御信号を受けてレボルバ１０、またはステージ１２の少なくとも一方を移動させる。これにより相対距離が調整される。
【００１０】
また、例えば観察者が指示部３５において使用する対物レンズ９を選択した際に、指示部３５は、使用する対物レンズ９をレーザビーム２の光路上に配置する制御信号を制御部３２を介してレボルバ１０に出力する。これによりレボルバ１０は電動回転して、対物レンズ９を光路上に配置する。
【００１１】
試料１１からの反射光が、受光面１６にて受光された際に、光検出器１５は、反射光の強度に応じて変化する検出信号を演算部３１に出力する。演算部３１は、この検出信号を輝度情報として処理する。
【００１２】
演算部３１は、この検出信号を制御部３２を介して２次元走査機構４の走査位置と、同期をとりながら一定の周期でサンプリングし、観察画像を構築する。表示部３４には、演算部３１で構築された観察画像が表示される。この観察画像は、メモリ３３に記憶される。演算部３１は、記憶された観察画像を後から読み出して、表示部３４に表示させることもできる。
【００１３】
共焦点レーザ顕微鏡には、上述したように複数の対物レンズ９が設けられていている。これら対物レンズ９の瞳８の径は、対物レンズ９の倍率によってそれぞれ異なることが一般的である。レボルバ１０に複数の対物レンズが保持されている場合、対物レンズ９の性能を最大限に発揮させるためには、レーザビーム２の径は、全ての対物レンズ９の瞳８を満たす必要がある。
【００１４】
例えばレーザビーム２の径が、複数の対物レンズ９の中で最も径の大きい対物レンズ９の瞳８の径と略同一である場合に、観察者が、他の対物レンズ９に切り換えたとする。切り換えた際、切り換えた対物レンズ９の瞳８の径が上述したレーザビーム２の径よりも小さい場合、レーザビーム２の一部が対物レンズ９の瞳８によってケラれてしまう。これにより十分なレーザビーム２が対物レンズ９に入射することはなく、結果として試料１１に結像されるレーザビーム２の光量が減少し、観察画像のＳ／Ｎは劣化してしまう。
【００１５】
また、上述したように試料１１に結像された場合、試料１１から反射し、対物レンズ９の瞳８を透過するレーザビーム２の径は、対物レンズ９の瞳８の径と略同一である。  
従って結像レンズ１３に入射されるレーザビーム２の径は、観察者が対物レンズ９を切り換えるごとに変化してしまう。これにより結像レンズ１３で結像されるレーザビーム２のスポット径も変化してしまうため、観察画像の共焦点効果は、対物レンズ９によって変化してしまう。
【００１６】
これにより、上述したようにレーザビーム２の光量が減少すると、受光面１６にて受光される光量も変化する。よって観察画像のＳ／Ｎは劣化し、検出精度も低下してしまう。
【００１７】
また例えば対物レンズ９の瞳８の径が上述したレーザビーム２の径より小さい場合、ピンホール１４の穴径は比較的大きめでも十分である。しかし対物レンズ９の瞳８の径が上述したレーザビーム２の径より大きい場合、ピンホール１４の穴径を小さくする必要がある。
【００１８】
レーザビーム２のビーム径を変える手段としてビームエキスパンダがある。このビームエキスパンダを光路上に配置することで、レーザビーム２のビーム径を対物レンズ９の瞳８の径と略同一に拡大または縮小させることができる。
【００１９】
なおビームエキスパンダを配置した共焦点レーザ顕微鏡が、特許文献１乃至特許文献３に開示されている。
【特許文献１】特開平７−６３５０８号公報
【特許文献２】特開平７−１２５２５号公報
【特許文献３】特開平９−２５１１２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
上述した特許文献１乃至特許文献３に開示されているビームエキスパンダは、光路上に配置されているだけである。そのため例えばレボルバが倍率の異なる複数の対物レンズ９を保持している場合、ビームエキスパンダが全ての対物レンズ９の瞳８の径に合わせてレーザビーム２の径を変更させることは、出来ない。
【００２１】
また、ピンホール１４の穴径を可変にすることにより、観察画像の共焦点効果を調整可能にした共焦点レーザ顕微鏡もある。  
この場合、共焦点効果の調整により観察画像のコントラストや分解能を向上させることは可能であるが顕微鏡の光学部材の分解能は、対物レンズ９のＮＡとレーザビーム２の波長によって限界値が決まるためピンホール１４の穴径が可変しても、分解能は、上記限界値以上に向上させることはできない。また微小な穴径のピンホール１４の穴中心を、光軸中心位置に調整するのは容易ではない作業である。
【００２２】
上記課題に鑑み、本発明では、レーザビームの径を光路上に配置されている対物レンズの瞳の径と略同一に可変または拡大させる手段を設け、それによりＳ／Ｎが良く、最適なコントラスト、分解能の高い画像を得ることができる共焦点レーザ顕微鏡を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明は目的を達成するために、レーザビームを出射する光源と、光源から出射されたレーザビームを偏向して試料を走査する２次元走査機構と、２次元走査機構によって偏向されたレーザビームを試料に結像させる複数の対物レンズと、  光源と２次元走査機構の間に配置され、光源から出射されたレーザビームを透過させ、試料から反射した反射光を反射させるビームスプリッタと、ビームスプリッタで反射した反射光を受光する受光部と、受光部によって受光された反射光の強度に基づいて試料の高さ情報を算出する算出部と、を具備する共焦点レーザ顕微鏡であって、ビームスプリッタと２次元走査機構の間に配置され、ビームスプリッタを透過するレーザビームの径を光路上に配置された対物レンズに対応させて変更させるビーム径変更部と、を具備することを特徴とする共焦点レーザ顕微鏡を提供する。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、レーザビームの径を光路上に配置されている対物レンズの瞳の径と略同一に可変、または拡大させることでＳ／Ｎが良く、最適なコントラスト、分解能の高い画像を得ることができる共焦点レーザ顕微鏡を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明に係る第１の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。  
図１は、本実施形態の共焦点レーザ顕微鏡の概略構成図である。図２は、共焦点レーザ顕微鏡のシステムの構成について示す図である。前述した図６、図７と同一構成部には同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。図１に示すレーザビーム２の光路は、レーザビーム２が２次元走査機構４にて偏向された際の偏向範囲の中心と端部の光路を示している。
【００２６】
共焦点レーザ顕微鏡のレーザビーム２の光路上には、上述した図６に示す配置と同様にレーザビーム２を出射するレーザ光源１、レーザ光源１から出射されたレーザビーム２を透過させ、後述する反射光を下方に反射させる偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３と、回動することによってレーザビーム２を偏向させて試料１１を走査させる２次元走査機構４が順次配置されている。偏光ビームスプリッタ３によってレーザビーム２の光路は分岐される。２次元走査機構４は、後述する対物レンズ９の瞳８と共役な位置に配置されている。
【００２７】
２次元走査機構４の下方には、瞳投影レンズ５、結像レンズ６、１／４波長板７、複数の（本実施形態では３個とした）対物レンズ９を保持するレボルバ１０、試料１１を載置するステージ１２が順次配置されている。また偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３の下方には、結像レンズ１３、ピンホール１４、受光面１６を有する光検出器１５が順次配置されている。
【００２８】
観察者は、レボルバ１０を手動、または電動にて回転させることでそれぞれ倍率の異なる対物レンズ９のいずれか１つを光路上に配置することが可能である。観察者は、試料１１に合わせて対物レンズ９を選択することができる。このようにレボルバ１０は、対物レンズ９のいずれか１つを光路上に配置する対物レンズ配置部である。
【００２９】
またレボルバ１０、ステージ１２の少なくとも一方には、図示しない駆動機構が設けられている。この駆動機構は、レボルバ１０、ステージ１２の少なくともいずれか一方を光軸に沿って移動させる。よって駆動機構は、光軸上に配置されている対物レンズ９と試料１１の相対距離を調整する。駆動機構は、試料１１の形状によらずレボルバ１０、ステージ１２の少なくともいずれか一方を移動させ（相対距離を調整して）、ピントを合わせる。これによりレーザビーム２は、試料１１上に結像することができる。
【００３０】
レーザビーム２の光路上であり、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３と２次元走査機構４の間には、本発明の特徴であるビーム径変更部が固定配置されている。このビーム径変更部は、ビーム径を拡大させるビーム拡大器であるビームエキスパンダ１７と、拡大率の異なる複数のビームエキスパンダ１７を保持し、ビームエキスパンダ１７のいずれか１つを光路上に配置するビーム拡大器配置部であるビームエキスパンダ用レボルバ１８を有している。
【００３１】
ビームエキスパンダ１７は、レーザビーム２の径を光路上に配置されている対物レンズ９の瞳８の径と略同一にするために拡大させる。詳細には、レボルバ１０の回転により光路上に配置される対物レンズ９が切り換わった際に、光路上に配置された対物レンズ９の瞳８の径とレーザビーム２のビーム径を略同一にする倍率を有するビームエキスパンダ１７が、ビームエキスパンダ用レボルバ１８によって光路上に配置される。そのため各ビームエキスパンダの拡大倍率は、それぞれ異なっている。よって本実施形態におけるビームエキスパンダ１７を透過したレーザビーム２のビーム径は、常に対物レンズ９の瞳８の径と略同一になる。これにより常に対物レンズ９のＮＡを満たすレーザビーム２が対物レンズ９に入射される。なお本実施形態におけるビームエキスパンダ１７と対物レンズ９は、１対１の対応であるため、対物レンズ９と同数（３個）のビームエキスパンダ１７がビームエキスパンダ用レボルバ１８に保持されている。
【００３２】
次に図２を参照して本実施形態における共焦点レーザ顕微鏡のシステムの構成について説明する。
【００３３】
本実施形態における共焦点レーザ顕微鏡のシステム３０には、図７と同様に演算部３１と、制御部３２と、メモリ３３と、表示部３４と、指示部３５と、が設けられている。
【００３４】
これら各部位は上述した図７に示す各部位と同様な構成、動作であるため以下には本実施形態における特徴のみ記載する。
【００３５】
上述したようにレーザビーム２の径は、ビームエキスパンダ１７によって光路上に配置されている対物レンズ９の瞳８の径と略同一に拡大される。そのためメモリ３３には、予め対物レンズ９に対応したビームエキスパンダ１７の組み合わせが記憶されている。この組み合わせとは、対物レンズ９の倍率情報と、レーザビーム２の径を光路上に配置されている対物レンズ９の瞳８の径とが略同一になるようにレーザビーム２の径を拡大させるビームエキスパンダ１７の倍率情報の組み合わせである。
【００３６】
次に本実施形態における共焦点レーザ顕微鏡の動作方法について説明する。
【００３７】
本システムにおいて、観察者が指示部３５に観察に使用する対物レンズ９を光路上に配置するように指示する。これにより指示部３５は、レーザビーム２の光路上に使用する対物レンズ９を配置する制御信号を制御部３２を介してレボルバ１０に出力する。これによりレボルバ１０は電動回転して、対物レンズ９を光路上に配置する。同時に制御部３２は、メモリ３３に記憶されている組み合わせ情報の中から、選択された対物レンズ９に対応するビームエキスパンダ１７の倍率情報を読み出す。
【００３８】
制御部３２は、読み出した倍率情報を有するビームエキスパンダ１７を光路上に配置するようにビームエキスパンダ用レボルバ１８に制御信号を出力する。ビームエキスパンダ用レボルバ１８は、制御信号を受信した後、回転してこのビームエキスパンダ１７を光路上に配置する。
【００３９】
なお観察者が対物レンズ９を手動にて切り換える場合、図示しない検知部が光路上に配置されている対物レンズ９を検知し、この対物レンズ９に対応する倍率情報を制御部３２に出力する。制御部３２は、この倍率情報を受信し、メモリ３３を参照する。参照した制御部３２は、メモリ３３に記憶されている組み合わせ情報の中から、光路上に配置されている対物レンズ９に対応するビームエキスパンダ１７を読み出す。
【００４０】
制御部３２は、読み出したビームエキスパンダ１７を光路上に配置するようにビームエキスパンダ用レボルバ１８に制御信号を出力する。ビームエキスパンダ用レボルバ１８は、制御信号を受信した後、回転してこのビームエキスパンダ１７を光路上に配置する。
【００４１】
なお観察者は、直接手動にてレボルバ１０、ビームエキスパンダ用レボルバ１８を回転させてもよい。
【００４２】
また観察者は、指示部３５、制御部３２を介して駆動機構によって前述したように対物レンズ９と試料１１の相対距離を調整する。
【００４３】
レーザ光源１から出射されたレーザビーム２の径は、ビームエキスパンダ１７を透過することで光路上に配置された対物レンズ９の瞳８の径と略同一になる。ビームエキスパンダ１７によって径が拡大したレーザビーム２は、２次元走査機構４に入射する。図１に示すレーザビーム２の光路は、レーザビーム２が２次元走査機構４にて偏向された際の偏向範囲の中心と片側端部の光路を示している。
【００４４】
２次元走査機構４にて偏向されたレーザビーム２は、瞳投影レンズ５、結像レンズ６、１／４波長板７、対物レンズ９の瞳８、光路上に配置されている対物レンズ９を透過する。透過したレーザビーム２は、対物レンズ９によってステージ１２に載置された試料１１に結像される。
【００４５】
レーザビーム２の径は、ビームエキスパンダ１７によって対物レンズ９の瞳８の径と略同一である。そのため、レーザビーム２は、対物レンズ９の瞳８によってケラれることがなく、光量が減少することなく試料１１に照射される。またレーザビーム２に対物レンズ９のＮＡを十分満たすため、対物レンズ９が持つ分解能を十分に発揮することができる。
【００４６】
なお直線偏光の特性を有するレーザビーム２は、１／４波長板７を透過することで円偏光に変換される。変換されたレーザビーム２は、対物レンズ９によって試料１１に結像され、回折により点（スポット）状の光を生じる。
【００４７】
前述した点状の光は、２次元走査機構４によって試料１１上を二次元走査される。この走査範囲は、２次元走査機構４で偏向されるレーザビーム２の振れ幅による。
【００４８】
試料１１から反射されたレーザビーム２（反射光）は、対物レンズ９、１／４波長板７を通過する。
【００４９】
円偏光の特性を有するレーザビーム２は、１／４波長板７を透過することで再び直線偏光に変換される。直線偏光に変換されたレーザビーム２は、レーザ光源１から出射されたレーザビーム２に対して直交する直線偏光の特性を有する。
【００５０】
１／４波長板７を通過したレーザビーム２は、結像レンズ６によって結像する。結像後、レーザビーム２は、瞳投影レンズ５を透過し、２次元走査機構４、ビームエキスパンダ１７を介して偏光ビームスプリッタ３に入射する。
【００５１】
このようにレーザビーム２は、試料１１に入射した時と全く同じ経路を逆に通過して偏光ビームスプリッタ３に入射する。レーザビーム２は、１／４波長板７を透過することで再び直線偏光に変換されており、レーザ光源１から出射された直線偏光の特性を有するレーザビーム２に対して直交している。よって偏光ビームスプリッタ３に入射したレーザビーム２は、偏光ビームスプリッタ３によって反射される。
【００５２】
偏光ビームスプリッタ３により反射されたレーザビーム２は、結像レンズ１３へと導かれる。また２次元走査機構４は、対物レンズ９の瞳位置と共役な位置に配置されているため、２次元走査機構４が軸外を走査しても、レーザビーム２は結像レンズ１３上では動かない。
【００５３】
レーザビーム２は、結像レンズ１３によって点状に絞られ、ピンホール１４を通過する。上述したようにピンホール１４は、対物レンズ９を通過したレーザビーム２の結像位置と共役な位置に配置されている。
【００５４】
なお偏光ビームスプリッタ３を経由して結像レンズ１３に入射するレーザビーム２（反射光）のビーム径は、ビームエキスパンダ１７を透過することによってレーザ光源１から出射されたレーザビーム２のビーム径と略同一になるように縮小される。そのため本実施形態において結像レンズ１３にて結像されるレーザビーム２のスポット径は、対物レンズ９に影響されることなく常に一定である。よって本実施形態は、最適な穴径を有するピンホール１４を配置しておけば、ピンホール１４の穴径を変更する必要がなく、またレーザビーム２は、ピンホール１４によって遮光されることなくピンホール１４を通過し、受光面１６にて受光される。
【００５５】
レーザビーム２が、受光面１６にて受光された際に、光検出器１５は、レーザビーム２の光の強度を輝度情報として検出する。検出後、この検出結果に基づいて、高さ情報を算出する。これにより共焦点効果を持った観察画像が構築される。受光面１６に受光されるレーザビーム２は、対物レンズ９の瞳８によってケラれることがないために、レーザ光源１から出射されたときと比べて受光面１６にて光量が減少することはない。
【００５６】
レーザビーム２のスポット径は常に一定であるため、観察者は、常にＳ／Ｎの良い、高コントラスト、分解能の高い観察画像を得ることができる。
【００５７】
次に共焦点レーザ顕微鏡が試料１１の３次元画像データを取り込む方法について説明する。
【００５８】
この取り込み方法は、観察者が指示部３５から制御部３２を介して演算部３１に指示を出力することにより行われる。
【００５９】
演算部３１が試料１１の３次元画像データをメモリ３３に取り込む場合、共焦点レーザ顕微鏡は、２次元走査機構４による試料１１の観察面上の２次元走査と、上述した駆動機構による相対距離の調整を行う必要がある。
【００６０】
観察者は、手動、または上述したように指示部３５によって、レボルバ１０を回転させ、観察に使用する対物レンズ９を光路上に配置する。その際、試料には、レーザビーム２がスポット状に照射されている。そして２次元走査機構４によりレーザビーム２を試料１１上で走査させ、試料１１からの反射光が受光面１６にて受光される。光検出器１５は、検出した輝度情報を演算部３１に出力する。そして演算部３１は、輝度情報に基づいて高さ情報を算出し、輝度情報を用いて観察画像を構築する。
【００６１】
次に制御部３２は、対物レンズ９と試料１１の相対距離を上述したように駆動機構にて調整して、再び２次元走査機構４がレーザビーム２を試料１１上を走査する。そして演算部３１は、この位置における観察画像を構築する。
【００６２】
なお駆動機構が位置調整する処理は、２次元走査機構４の走査範囲が試料１１上を通過して試料１１の高さ（Ｚ方向）を満たすまで、繰り返し行われる。
【００６３】
このように調整することで演算部３１は、試料１１の観察面上のＸＹ位置（２次元走査機構４によるレーザビーム２の走査方向）における各Ｚ位置（対物レンズ９と試料１１の相対距離）の輝度情報を得ることができる。演算部３１は、ＸＹ位置において、最大の輝度値が受光面１６で検出されるＺ位置を、試料１１上のピント位置と見なすことができる（高さ情報を算出する）。これにより演算部３１は、試料１１の３次元画像を構築する。
【００６４】
このように本実施形態は、異なる拡大倍率を有するビームエキスパンダ１７によってレーザ光源１から出射されたレーザビーム２の径を光路上に配置される対物レンズ９の瞳８の径と略同一になるように拡大することができる。
【００６５】
よって本実施形態は、倍率の異なる対物レンズ９の瞳８の径の違いに影響されることなく常に対物レンズ９のＮＡを満たすレーザビーム２を対物レンズ９に入射させることができる。レーザビーム２は、対物レンズ９の瞳８によってケラれることはないため、本実施形態は、光量を減少させることなくレーザビーム２を試料１１に照射させることができる。また、レーザビーム２に対物レンズ９のＮＡを十分に満たすため、対物レンズ９が持つ分解能を十分に発揮することができる。
【００６６】
ビームエキスパンダ１７は、偏光ビームスプリッタ３と２次元走査機構４の間に配置されている。よって結像レンズ１３に入射するレーザビーム２のビーム径は、レーザ光源１から出射されたレーザビーム２のビーム径と常に略同一である。上述したようにレーザビーム２は、ビームエキスパンダ１７によってケラれることなく試料１１に照射された後、結像レンズ１３に入射した後、受光面１６によって受光される。よって観察者は、対物レンズ９の瞳８の径の違いに影響されることなく、Ｓ／Ｎの良く、最適なコントラスト、分解能の高い観察画像を得ることができる。
【００６７】
観察画像の共焦点効果は、ピンホール１４の穴径と結像レンズ１３によって結像されるレーザビーム２のスポット径の相対関係から調整される。結像レンズ１３によって結像されるレーザビーム２のスポット径は、結像レンズ１３に入射するレーザビーム２の径によって決まる。本実施形態におけるレーザビーム２の径は、対物レンズ９に影響されることなく上述したように対物レンズ９の瞳８と略同一である。よって本実施形態は、常に同一の共焦点効果を有する観察画像を得ることができる。
【００６８】
したがって予め結像レンズ１３の焦点距離、レーザビーム２の径と波長、ピンホール１４の穴径の組み合わせによって、最適な共焦点効果が発揮できる。この場合、前述したピンホールの穴径の調整が不要となり、共焦点効果は、対物レンズ９に影響されることなく、常に最適化され、高分解能、高コントラストな観察画像を取得することができる。
【００６９】
またレーザビーム２のビーム径を拡大するビームエキスパンダ１７は、ビームエキスパンダ用レボルバ１８及びシステム３０によって光路上に配置された対物レンズ９に連動して切り換わることも可能であるため、本実施形態は、簡易にビームエキスパンダ１７を光路上に配置することができる。
【００７０】
また、レーザビーム２が対物レンズ９の瞳８に入射する際、レーザビーム２の径が、ビームエキスパンダ１７によって対物レンズ９の瞳８の径を満たすようにしているため、より高解像な観察画像を得ることができる。
【００７１】
また焦点深度も対物レンズ９から結像されるレーザビーム２のＮＡに依存しており、ＮＡが大きいほど焦点深度が浅くなり、Ｚ方向の分解能も向上される。
【００７２】
また共焦点レーザ顕微鏡の共焦点効果は、ピンホール１４の穴径と、結像レンズ１３によって結像されるレーザビーム２のスポット径の相対関係に依存する。結像レンズ１３によって結像されるレーザビーム２の径は、ビームエキスパンダ１７により常にレーザ光源１から出射されたレーザビーム２の径と同一である。よってこの径に合わせた最適な穴径を有するピンホール１４を配置しておけば、共焦点効果が大きくなる。よって観察画像のＸＹ方向の分解能やコントラストが向上する。
【００７３】
なお本実施形態では、図２に示すように３つの対物レンズ９と３つのビームエキスパンダ１７が配置され、１対１の対応であるが、この数及び１対１の対応に限定する必要は無い。例えばともに５個でもよいし６個でもよい。またビームエキスパンダ用レボルバ１８が、複数のビームエキスパンダ１７を保持する場合、ビームエキスパンダ１７を有さない状態（穴空き状態）を形成しても構わない。この場合、レーザビーム２の径は、拡大されずに２次元走査機構４に導かれる（拡大倍率１はとなる）。
【００７４】
次に図３（ａ）、図３（ｂ）を参照して本発明に関わる第２の実施形態について詳細に説明する。前述した第１の実施形態と同一部位については同符合を付し、その詳細な説明は省略する。
【００７５】
図３（ａ）、図３（ｂ）は、ビーム径可変部の一部が光路上で移動する際の概略図である。
【００７６】
本実施形態におけるビーム径変更部は、前述した第１の実施形態と比べてビームエキスパンダ１７、ビームエキスパンダ用レボルバ１８を有していない。
【００７７】
本実施形態におけるビーム径変更部は、偏光ビームスプリッタ３と２次元走査機構４の光路上の間にビーム径可変部１９を配置している。このビーム径可変部１９は、入射するレーザビーム２の径を光路上に配置されている対物レンズ９の瞳８の径と略同一に可変可能である。ビーム径可変部１９は、内部に設けられている光学部材（固定光学部材１９ａと、固定光学部材１９ｂと、可動光学部材１９ｃ）の相対距離を調整することにより、レーザビーム２の径を可変可能である。
【００７８】
次に本実施形態におけるビーム径可変部の構成について説明する。
【００７９】
ビーム径可変部１９には、固定光学部材１９ａと、固定光学部材１９ｂと、可動光学部材１９ｃと、固定光学部材ワク１９ｄと、サーボモータ駆動部１９ｅと、が設けられている。固定光学部材１９ａと、固定光学部材１９ｂと、可動光学部材１９ｃは、レンズである。
【００８０】
固定光学部材１９ａと、固定光学部材１９ｂは、固定光学部材ワク１９ｄに保持されている。また、固定光学部材１９ａと、固定光学部材１９ｂは、配置位置が固定されている。
【００８１】
可動光学部材１９ｃは、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように光学部材調整部であるサーボモータ駆動部１９ｅによって光軸に沿って移動する。これにより固定光学部材１９ａと可動光学部材１９ｃ、固定光学部材１９ｂと可動光学部材１９ｃの相対距離が調整される。この調整は、レーザビーム２の径と、観察者が観察に使用するために光路上に配置された対物レンズ９の瞳８の径と、を略同一にするために、レーザビーム２の径を可変させるために行われる。
【００８２】
そのため対物レンズ９と、対物レンズ９に対応する可動光学部材１９ｃの配置位置の組み合わせがメモリ３３に記憶されている。この組み合わせとは、対物レンズ９の倍率情報と、レーザビーム２の径を光路上に配置されている対物レンズ９の瞳８の径と略同一にさせる可動光学部材１９ｃの光軸方向における配置位置情報の組み合わせである。
【００８３】
次に本実施形態における共焦点レーザ顕微鏡の動作方法について説明する。
【００８４】
本システムにおいて、観察者が指示部３５に観察に使用する対物レンズ９を光路上に配置するように指示する。これにより指示部３５は、レーザビーム２の光路上に使用する対物レンズ９を配置する制御信号を制御部３２を介してレボルバ１０に出力する。これによりレボルバ１０は電動回転して、対物レンズ９を光路上に配置する。同時に制御部３２は、メモリ３３に記憶されている組み合わせ情報の中から、選択された対物レンズ９に対応する可動光学部材１９ｃの光軸方向における配置位置情報を読み出す。
【００８５】
制御部３２は、読み出した配置位置に可動光学部材１９ｃを配置するようにサーボモータ駆動部１９ｅに制御信号を出力する。サーボモータ駆動部１９ｅは、制御信号を受信した後、可動光学部材１９ｃを光軸に沿って移動させて配置する（光学部材間の相対距離が調整される）。
【００８６】
なお本実施形態は、サーボモータ駆動部１９ｅにレーザスケールを搭載して、フィードバック回路によって位置調整を行うことも可能である。
【００８７】
また観察者は、手動により可動光学部材１９ｃの配置位置を設定することも可能であり、さらに手動または電動により可動光学部材１９ｃの配置位置を任意に設定することも可能である。これによりレーザビームの径を微細、且つ自由に可変調整することができる。
【００８８】
このように本実施形態は、上述した第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに本実施形態は、レーザビームの径を自由に可変調整することができるため様々な種類の対物レンズ９に対応することができる。ビームエキスパンダ用レボルバ１８を搭載せずにビーム径可変部１９を配置することにより装置全体をコンパクトにすることが可能である。また、前述した第１の実施形態では、ビームエキスパンダ１７と対物レンズ９が１対１の対応であったが、本実施形態は、１つのビーム径可変部１９により複数の対物レンズ９に対応することも可能である。
【００８９】
次に図４（ａ）、図４（ｂ）、図５（ａ）、図５（ｂ）を参照して本発明に関わる第３の実施形態について詳細に説明する。前述した第１の実施形態と同一部位については同符合を付し、その詳細な説明は省略する。
【００９０】
図４（ａ）、図４（ｂ）は、補正環対物レンズの半断面図である。図５（ａ）は、調整リングの内側展開図である。図５（ｂ）は、調整リングの外側展開図である。
【００９１】
本実施形態において、前述した第１、第２の実施形態と比べて共焦点レーザレーザ顕微鏡には、レボルバ１０が設けられていない。
【００９２】
そのため本実施形態は、補正環対物レンズ２１を光路上に配置している。この補正環対物レンズ２１には、複数の光学部材と光学部材間の相対距離を調整する調整部が設けられている。補正環対物レンズ２１は、光学部材間の相対距離を調整することにより、レンズ性能を変更している。レンズ性能の変更には、例えば収差の補正やレンズ倍率の変更である。
【００９３】
補正環対物レンズ２１は、例えばレーザビーム２の波長が１１００ｎｍから１６００ｎｍの近赤外領域の波長を有し、且つ試料１１がシリコンウエハなどの場合に共焦点レーザ顕微鏡に搭載される。観察者はこの補正環対物レンズ２１における光学部材の相対距離の調整に合わせて、ビームエキスパンダ１７の切り替えを行う。
【００９４】
次に本実施形態における補正環対物レンズの構成について説明する。
【００９５】
補正環対物レンズ２１には、光学部材である固定光学部材２１ａ、固定光学部材２１ｂ、３つの可動光学部材２１ｃと、調整部である固定光学部材ワク２１ｄ、固定光学部材ワク２１ｅ、可動光学部材ワク２１ｆ、調整リング２１ｇ、補正環対物レンズカバー２１ｈが設けられている。固定光学部材２１ａと、固定光学部材２１ｂと、可動光学部材２１ｃは、レンズである。
【００９６】
固定光学部材２１ａは、固定光学部材ワク２１ｄに保持され、配置位置が固定されている。  
固定光学部材２１ｂは、固定光学部材ワク２１ｅに保持されて、配置位置が固定されている。  
可動光学部材２１ｃは、可動光学部材ワク２１ｆに保持されている。この可動光学部材ワク２１ｆは、調整リング２１ｇに保持されている。可動光学部材２１ｃは、可動光学部材ワク２１ｆと調整リング２１ｇによって固定光学部材２１ａと固定光学部材２１ｂの間で移動可能である。これにより固定光学部材２１ａ、固定光学部材２１ｂ、可動光学部材２１ｃの相対距離が調整される。
【００９７】
調整リング２１ｇは、リング形状である。また調整リング２１ｇの内面には、図５（ａ）に示すように傾斜部２１ｉが設けられている。この傾斜部２１ｉには、可動光学部材ワク２１ｆが載置される。また調整リング２１ｇの外面には図５（ｂ）に示すようにメモリ２１ｊが設けられている。  
なお各可動光学部材２１ｃの間隔は可変しない。
【００９８】
調整リング２１ｇが回転すると、傾斜部２１ｉにおける可動光学部材ワク２１ｆの載置位置が変化する。例えば可動光学部材ワク２１ｆが傾斜部２１ｉの低部から高部に移動すると、可動光学部材ワク２１ｆは、図４（ａ）に示す状態から図４（ｂ）に示す状態へと移動する。これにより可動光学部材２１ｃが光軸に沿って移動する。
【００９９】
観察者は、可動光学部材２１ｃを光軸に沿って移動させる際、観察者は、メモリ２１ｊを指標として調整リング２１ｇの回転量を調整し、可動光学部材２１ｃの配置位置を調整する。
【０１００】
このように可動光学部材２１ｃの配置位置が調整されると、補正環対物レンズ２１のＮＡや補正環対物レンズ２１の瞳の径が変化する。
【０１０１】
本実施形態は、上述したようにレーザビーム２の径と変化した補正環対物レンズ２１の瞳の径を略同一にする必要がある。そのため本実施形態は、可動光学部材２１ｃの配置位置にあわせて、レーザビーム２の径と瞳の径を略同一にするビームエキスパンダ１７を光路上に配置する必要がある。
【０１０２】
そのため補正環対物レンズ２１の補正環調整値（可動光学部材２１ｃの配置位置）、と、補正環調整値に対応するビームエキスパンダ１７の倍率情報の組み合わせがメモリ３３に記憶されている。観察者が電動にて可動光学部材２１ｃの配置位置を調整する場合、観察者は、指示部３５に補正環対物レンズ２１の補正環調整値を入力する。入力を受けた制御部３２は、調整リング２１ｇを回転させ、可動光学部材２１ｃの配置位置を調整する。また同時に制御部３２は、メモリ３３に記憶されている組み合わせの中から、入力された補正環対物レンズ２１の補正環調整値に対応するビームエキスパンダ１７の倍率情報を読み出す。制御部３２は、この情報に基づいて指示信号をビームエキスパンダ用レボルバ１８に出力する。ビームエキスパンダ用レボルバ１８は、指示信号を受信した後、補正環調整値に対応するビームエキスパンダ１７を光路上に配置する。
【０１０３】
このように本実施形態において、観察者が、調整リング２１ｇを回転させて固定光学部材２１ａ、固定光学部材２１ｂ、可動光学部材２１ｃの相対距離を調整する。これにより上述した第１、第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。またレンズ性能を変更できるために、レーザビーム２の収差を補正及び対物レンズの倍率を調整できる。
【０１０４】
なお本実施形態において、ビームエキスパンダ用レボルバ１８は、前述した第１の実施形態と同様に手動で回転させても構わない。
【０１０５】
また前述した第２の実施形態のように、ビームエキスパンダ用レボルバ１８を搭載せず、ビーム径可変部１９を搭載してもよい。
【０１０６】
本実施形態では、補正環対物レンズ２１を用いたが、例えばズーム機能を備える対物レンズを光路上に配置してもよい。よってこの対物レンズは、自身でレンズ倍率を調整可能である。このような対物レンズは図４（ａ）、図４（ｂ）に示した構成と同じ構成である。つまり光学的には、位置が固定された固定レンズと、位置調整できる可動レンズと、可動レンズの位置を調整する調整部材と、が設けられていればよい。そしてレンズ倍率に合わせてビームエキスパンダ１７等を配置すればよい。
【図面の簡単な説明】
【０１０７】
【図１】第１の実施形態に係る本実施形態の共焦点レーザ顕微鏡の概略構成図である。
【図２】共焦点レーザ顕微鏡のシステム構成について示す図である。
【図３】図３（ａ）、図３（ｂ）は、第２の実施形態におけるビーム径可変部が光路上で移動する際の概略図である。
【図４】図４（ａ）、図４（ｂ）は、第３の実施形態における補正環対物レンズの半断面図である。
【図５】図５（ａ）は、調整リングの内側展開図である。図５（ｂ）は、調整リングの外側展開図である。
【図６】一般的な共焦点レーザ顕微鏡の概略構成図を示す。
【図７】一般的な共焦点レーザ顕微鏡のシステムの構成について示す図である。
【符号の説明】
【０１０８】
１…レーザ光源、２…レーザビーム、３…偏光ビームスプリッタ、４…２次元走査機構、５…瞳投影レンズ、６…結像レンズ、７…１／４波長板、８…瞳、９…対物レンズ、１０…レボルバ、１１…試料、１２…ステージ、１３…結像レンズ、１４…ピンホール、１５…光検出器、１６…受光面、１７…ビームエキスパンダ、１８…ビームエキスパンダ用レボルバ、１９…ビーム径可変部、１９ａ…固定光学部材、１９ｂ…固定光学部材、１９ｃ…可動光学部材、１９ｄ…固定光学部材ワク、１９ｅ…サーボモータ駆動部、２１…補正環対物レンズ、２１ａ…固定光学部材、２１ｂ…固定光学部材、２１ｃ…可動光学部材、２１ｄ…固定光学部材ワク、２１ｅ…固定光学部材ワク、２１ｆ…可動光学部材ワク、２１ｇ…調整リング、２１ｈ…補正環対物レンズカバー、２１ｉ…傾斜部、２１ｊ…メモリ、３０…システム、３１…演算部、３２…制御部、３３…メモリ、３４…表示部、３５…指示部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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