(57)【要約】【課題】構成が簡単で計測時間を大幅に短縮する可変鏡形状切替による物体計測方法及びそれを用いた非走査型共焦点顕微鏡を実現する。【解決手段】軸方向の走査なしに物体の高さ形状を計測する単色光源による共焦点顕微鏡を作成した。ここでは共焦点顕微鏡（システム）内の可変鏡７の形状を切り替えて変化させることにより３から５種類の異なったデフォーカス発生させ、それぞれの状態における共焦点出力強度より物体の高さを決定している。可変鏡７の形状の最適化には遺伝的アルゴリズムを用い、最適化の際の指標として横方向（ｘ−ｙ面に平行な方向）の共焦点スポット形状の空間スペクトルの情報エントロピーを用いている。実際に作成したシステムを用いて計測物体の軸方向（矢印２１で示される方向）の位置を５０μｍの範囲内において誤差０．６４％で計測することに成功した。【選択図】  図１
2004361361.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可変鏡と、対物レンズと、を具備し、
計測すべき物体の任意の高さに焦点を作るような前記対物レンズのデフォーカスを発生させるように、前記可変鏡の形状を切り替えて変化させることにより、切り替えられた該可変鏡の形状を用いて取得された共焦点出力強度の値から、前記計測すべき物体の高さを計測することを特徴とする非走査型共焦点顕微鏡。
【請求項２】
前記可変鏡は薄膜電場駆動型であることを特徴とする請求項１記載の非走査型共焦点顕微鏡。
【請求項３】
前記可変鏡の形状は、共焦点スポットのスペクトルの情報エントロピーを最大化するように、最適化アルゴリズムを用いて予め最適化されることを特徴とする請求項１又は２に記載の非走査型共焦点顕微鏡
【請求項４】
可変鏡の形状を切り替えて変化させることにより、対物レンズのデフォーカスを発生させて計測すべき物体の任意の高さに焦点を作り、
前記焦点を作るように切り替えられた前記可変鏡の形状を用いて共焦点出力強度の値を取得し、
前記共焦点出力強度の値から、前記計測すべき物体の高さを計測することを特徴とする可変鏡形状切替による物体計測方法。
【請求項５】
前記可変鏡の形状は、共焦点スポットのスペクトルの情報エントロピーを最大化するように、最適化アルゴリズムを用いて予め最適化されることを特徴とする請求項４に記載の可変鏡形状切替による物体計測方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、医学、生物学、物理学、分析学、構造解析学、精密機械工学、その他広く物体の形状を計測する分野で利用される可変鏡形状切替法を用いた非走査型共焦点顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
精密機械工業等の、物体の精密な加工を必要とする工業分野等に於いては、加工された物体の表面形状を高精度で定量的に計測可能なシステムが必要とされる。このような物体の形状を計測する手段の一つとして、共焦点走査型顕微鏡がある。共焦点走査型顕微鏡は、点状プローブ（計測）で走査を行い、３次元で非常にコントラストの高い像を生み出すためにレーザー等を用いた顕微鏡である。共焦点走査型顕微鏡は、振動に対する耐性があり、簡便な光学系である等の理由から、広く物体の形状を計測する分野で利用されている。
【０００３】
このような共焦点走査型顕微鏡は、上述したように、基本的に点状プローブ（点計測）であるため、高さの情報を得るためだけでも１次元の機械的な走査を行う必要がある。そして、物体の３次元形状を得るためには、同様に３次元の機械的な走査が必要となる。このような走査は計測時間の増大の原因となるため、幾つかの応用分野においては致命的な問題となってきた。
【０００４】
横方向の走査についての上記問題に関しては、並列共焦点走査型顕微鏡により解決されてきた。つまり、並列共焦点走査型顕微鏡とは、共焦点走査型顕微鏡に、光学的文字認識等に用いられ多数列の孔を螺旋状に開けたＮｉｐｋｏｗ（ニプコウ）ディスクと呼ばれるデバイスを使用したり、対物レンズとしてマイクロレンズアレイを使用したり、又はこれら上記の組み合わせである回転マイクロレンズアレイを使用した顕微鏡である。
【０００５】
一方、軸（縦）方向の走査に関しては、上記問題を解決するための一つの方法として、色収差を用いた共焦点顕微鏡が先行技術として開発されている。この先行技術では、対物レンズの色収差のため焦点の軸方向での位置が光源の波長によって異なることを利用し、広帯域光源とカラーディテクターを用いて軸方向の走査なしに物体の高さを計測するシステム（装置）である（例えば非特許文献１参照）。
【０００６】
【非特許文献１】
Ｔｉｚｉａｎｉ  Ｈ．  Ｊ．  ａｎｄ  Ａｃｈｉ  Ｒ．  ａｎｄ  Ｋｒａｅｍｅｒ  Ｒ．  Ｎ．，  ”Ｃｈｒｏｍａｔｉｃ  ｃｏｎｆｏｃａｌ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ  ｗｉｔｈ  ｍｉｃｒｏｌｅｎｓｅｓ，”  Ｊ．  Ｍｏｄ．  Ｏｐｔ．，  ４３，  １５５−１６３，  （１９９６）．
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のシステムでは、広帯域な光源と、カラーＣＣＤカメラ等のカラーディテクターが必要であるため、（１）システムの構成が複雑で大がかりになり、計測装置（システム）そのものも高価になること、（２）計測装置の精度が落ちる場合があること、等の問題点がある。その上に、従来のシステムでは、計測の際に計測物体の吸収スペクトル特性を考慮する必要がある。このため、各計測の度に吸収スペクトルを個別に計測することが必要となり、この計測のためにシステムの光学系が複雑かつ高価になる他、計測時間も長くなってしまう等、その計測に労力と時間を大幅に費やすこととなる。
【０００８】
本発明は、上記の問題を解決するために、広帯域な光源及びカラーディテクターを不要とし、かつ、計測物体の吸収スペクトル特性を考慮する必要を無くして、システムの構成が簡単で、計測時間を大幅に短縮することができる、可変鏡切替による物体計測方法、及び、この方法を用いた非走査型の共焦点顕微鏡を実現することを課題とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために、可変鏡と、対物レンズと、を具備し、計測すべき物体の任意の高さに焦点を作るような前記対物レンズのデフォーカスを発生させるように、前記可変鏡の形状を切り替えて変化させることにより、切り替えられた該可変鏡の形状を用いて取得された共焦点出力強度の値から、前記計測すべき物体の高さを計測することを特徴とする非走査型共焦点顕微鏡を提供する。
【００１０】
前記可変鏡は薄膜電場駆動型であることが好ましい。
【００１１】
前記可変鏡の形状は、共焦点スポットのスペクトルの情報エントロピーを最大化するように、最適化アルゴリズムを用いて予め最適化されることが好ましい。
【００１２】
また、本発明は、可変鏡の形状を切り替えて変化させることにより、対物レンズのデフォーカスを発生させて計測すべき物体の任意の高さに焦点を作り、前記焦点を作るように切り替えられた前記可変鏡の形状を用いて共焦点出力強度の値を取得し、前記共焦点出力強度の値から、前記計測すべき物体の高さを計測することを特徴とする可変鏡形状切替による物体計測方法を提供する。
【００１３】
前記可変鏡の形状は、共焦点スポットのスペクトルの情報エントロピーを最大化するように、最適化アルゴリズムを用いて予め最適化されることが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明に係る可変鏡形状切替による物体計測方法（以下、単に物体計測方法という）及びそれを用いた非走査型共焦点顕微鏡（以下、単に共焦点顕微鏡という）の実施の形態を実施例に基づいて図面を参照して説明する。本発明の実施例を説明する前に、まず、本発明の原理について簡単に説明する。
【００１５】
本発明の原理では、計測すべき物体（計測物体）の任意の高さに焦点を作るようなデフォーカス（受像面の移動）を発生させるように可変鏡のパターン（形状）を切り替えることで計測すべき物体の高さの計測を行う。さらに詳述すると、本発明の共焦点顕微鏡では、対物レンズのデフォーカスを、この共焦点顕微鏡中に設置させた可変鏡の形状を切り替えることにより変化させ、３種類もしくはそれ以上の可変鏡の形状で取得された共焦点出力強度（計測物体上、もしくは計測物体内部に作られる焦点と共焦点な関係にある焦点面の中心における光強度）の値から計測物体の高さを計測している。つまり、本発明の共焦点顕微鏡では、可変鏡に任意のデフォーカスを与えることにより、機械的な走査を行うことなく軸方向（縦方向、計測物体の高さ方向）の走査が可能である。
【００１６】
（実施例）
図１は、本発明の実施例に係る共焦点顕微鏡の模式的な概略構成を示す図である。本発明の実施例に係る共焦点顕微鏡は、光源１と、偏光子（偏光板）２と、光源１からの光を集光・拡大するピンホール３及びレンズ１１、１２、１３と、光線束を分離するビームスプリッタ４及び偏光ビームスプリッタ５と、可変鏡（補償鏡）７と、対物レンズ（顕微対物レンズ）９と、走査ステージ１０と、ディテクターであるＣＣＤカメラ６と、コントロールユニット１４と、を含む。
【００１７】
光源１としては、単色光源である、波長６３２．８ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザーが例えば用いられる。コントロールユニット１４は、走査ステージ１０、可変鏡（補償鏡）７、及びＣＣＤカメラ６に接続されており、それぞれを制御する。走査ステージ１０は、上記コントロールユニット１１に制御されて、例えばピエゾ素子により矢印２１で示される方向（図１の紙面の上下方向、軸方向、計測物体の高さ方向）に移動可能なピエゾステージである。走査ステージ１０には、計測物体（図示せず）が載置される。また、可変鏡７は、薄膜電場駆動型である。薄膜電場駆動型可変鏡とは、基板に微小電極を複数配置し、その上部に空気層を配置し、さらにその上部に金属薄膜を配置した可変鏡である。ここで、この金属薄膜が鏡の役割をはたし、また、微小電極、及び金属薄膜に電位差を加えることにより、その電気的な斥力及び引力により、その形状が変化する。
【００１８】
本発明の特徴の一つは、計測すべき物体（計測物体）の任意の高さに焦点を作るような対物レンズ９のデフォーカスを発生させるように、コントロールユニット１１を介して薄膜電場駆動型の可変鏡７の形状をスイッチする（可変鏡の形状を切り替えて変化させる）ことである。そして、切り替えられた可変鏡７の形状を用いて、取得された共焦点出力強度の値から、計測すべき物体（計測物体）の高さを計測することである。つまり、可変鏡切替（切り替え）による物体計測方法を用いることである。そして、この方法を用いて、本発明の実施例に係る共焦点顕微鏡が発明されているのである。
【００１９】
上記の可変鏡切替による物体計測方法について、以下にまとめると、可変鏡７の形状を切り替えて変化させることにより、対物レンズ２１のデフォーカス（受像面の移動）を発生させて計測すべき物体の任意の高さに焦点を作る。次に、これらの焦点を作るように切り替えられた可変鏡７の形状を用いて、共焦点出力強度の値を取得する。取得された共焦点出力強度の値から、計測すべき物体の高さを計測するのである。
【００２０】
また、本発明の実施例に係る共焦点顕微鏡で、ディテクターとして使用されているＣＣＤカメラ６は、具体的には、モノクロＣＣＤカメラと呼ばれる単色光を計測する計測装置である。さらに、本発明の物体計測方法を用いた共焦点顕微鏡では、実施例で示されるように、多色光だけでなく単色光を光源として使用することができる。つまり、従来技術の共焦点顕微鏡（装置）のように、物体を計測するために多色光を用いる必要がなく、また、カラーＣＣＤカメラやスペクトロメータ等のスペクトル情報を計測できる計測装置も不要である。したがって、本発明の共焦点顕微鏡の構成自体が簡単となり、安価で、計測の精度が落ちることなく、計測時間を大幅に短縮することができる等の利点がある。
【００２１】
次に、図１を参照しつつ、本発明の共焦点顕微鏡の作用について説明する。本発明に係る共焦点顕微鏡の光源１から発射されたレーザー光は、偏光子２、レンズ１１、ピンホール３を経てレンズ１２でコリメートされた後、ビームスプリッタ４、偏光ビームスプリッタ５、及び１／４波長板８を通過し、可変鏡（補償鏡）７で反射される。その後、レーザー光は、偏光ビームスプリッタ５を通過して走査ステージ１０上に載置された計測すべき物体（計測物体）（図示せず）の表面で集光され、反射される。反射されたレーザー光は、再び偏光ビームスプリッタ５及び１／４波長板８を通過して、可変鏡（補償鏡）７を通過した後（反射された後）、さらに再び、１／４波長板８、偏光ビームスプリッタ５を通過し、ビームスプリッタ４を経て、レンズ１３へと導かれる。そして、ディテクターであるＣＣＤカメラ６の受像面上に共焦点スポットを形成する。
【００２２】
なお、既に述べたように、本発明の実施例に係る共焦点顕微鏡では、ディテクターとしてＣＣＤカメラ６を使用している。（一般的な共焦点顕微鏡では、本実施例のようにＣＣＤカメラではなくピンホールと点ディテクターを、通常使用する）。ＣＣＤカメラ６を用いるのは、後述する可変鏡（補償鏡）７の形状の最適化のためである。本発明の共焦点顕微鏡では、可変鏡（補償鏡）７の形状の最適化は、一つの可変鏡（補償鏡）７につき最初に一度行うものである。そのため原理的には、一旦、可変鏡（補償鏡）７の形状の最適化を行った後に、ＣＣＤカメラ６をピンホールと点ディテクターに置き換えてもよい。このような置き換えにより、本発明に係る共焦点顕微鏡の構成をより単純化すると共に計測時間を向上させることも可能である。
【００２３】
既に述べたように、本発明に係る共焦点顕微鏡では、可変鏡（補償鏡）７に任意のデフォーカスを与えることにより、機械的な走査を行うことなく軸方向（縦方向、矢印２１で示される方向、）の走査が可能である。ただし、後に述べるように、本発明の共焦点顕微鏡（本システム）では厳密な意味での走査は行っていない。計測物体が設置される走査ステージ１０は最初のキャリブレーション（較正、更正）にのみに用いられ、実際の計測の際には駆動しない。つまり、走査ステージ１０は最初の更正の時にのみ駆動される。
【００２４】
また、この光学系、つまり、本発明の実施例に係る共焦点顕微鏡では、レーザー光等の光が計測物体に入射する前と後の２回可変鏡（補償鏡）７を通過するため、インフォーカスの（焦点が合っている）状態では、最終的（２回目）に可変鏡（補償鏡）７から出てくる光の波面は平面になっている。
【００２５】
既に述べたように、本発明の物体計測方法では、本発明の共焦点顕微鏡を用いて、計測すべき物体（計測物体）の任意の高さに焦点を作るようなデフォーカスを発生させるように可変鏡（補償鏡）７のパターン（形状）を切り替えることにより、計測物体の高さの計測を行う。このような本発明の原理（本発明の物体計測方法）について、さらに詳しく以下に説明する。
【００２６】
本実施例の共焦点顕微鏡において、上記の可変鏡（補償鏡）７のパターン（形状）を得るために、最適化アルゴリズムの例である遺伝的アルゴリズムを用いた可変鏡（補償鏡）７の形状の最適化を予め行う。ここで、遺伝的アルゴリズムとは、複数の状態におけるコスト値を計算し、そのうち、より最適な値を持つ状態を複数採用し、不採用とした状態の代替として新たな状態を作成し、試行を行い、同様の試行を繰り返すことで、状態を最適化するようなアルゴリズムである。
【００２７】
なお、本実施例では、遺伝的アルゴリズムを用いるが、これに限られず、他の最適化アルゴリズム、例えば、シミュレーテッドアニーリング（焼きなまし最適化アルゴリズム）法や、トライ・アンド・エラー法を用いることも可能である。ここで、シミュレーテッドアニーリング法とは、一度の試行において、一つ前の試行から多少条件をかえた別の一つの条件のコスト値を求め、そのコスト値を前回の試行のコスト値と比較し、コスト値を最小化するような最適化の場合は、より小さなコスト値を、コスト値を最大化するような最適化の場合は、より大きなコスト値を、持つほうの試行条件を採用し、その試行過程を繰り返すことで、試行条件を最適化するようなアルゴリズムである。この際、試行を繰り返すにしたがって条件の変更量を少なくしていく。また、トライ・アンド・エラー法は、無作為な試行を行い、その誤差を前回の試行の誤差と比較し、そのうち誤差の小さいほうを採用し、さらに、その値を次なる無作為な試行と比較していくという行為を繰り返していく最適化アルゴリズムである。
【００２８】
遺伝的アルゴリズム用いた可変鏡７の形状の最適化の過程においては、走査ステージ１０上に計測物体に代えて参照鏡（図示せず）を設置する。そして、走査ステージ１０の軸方向（矢印２１で示される方向、図１の紙面上下方向）の変位を、例えば＋２５μｍ〜−２５μｍの範囲で５通りに変化させ、それぞれの状態で焦点が上記参照鏡の鏡面の高さに結ばれるように可変鏡（補償鏡）７の形状の最適化を行う。
【００２９】
多光子共焦点顕微鏡（入射波が反射したものを直接計測するのではなく、入射波と被計測物体の非線形相互作用により発生した光、つまり、蛍光、もしくは高調波、低調波を計測する共焦点顕微鏡である。）においては、共焦点出力強度そのものが最適化の指標として用いられる。しかし、多光子共焦点顕微鏡等のように蛍光等の非線形性を用いない共焦点顕微鏡では、同様の方法では必ずしもうまく動作しない。そこで、本実施例では、最適化の指標としてＣＣＤカメラ６によって計測される共焦点スポットのスペクトルの情報エントロピーεを用いている。ここで、ＣＣＤカメラ６の受像面や参照鏡の鏡面等の面上に結ばれた焦点を共焦点スポットといい、以下、最適化されたそれぞれの状態をチャンネル（Ｃｈ．）と呼ぶ。
【００３０】
この情報エントロピーεは以下のように計算される。最適化の過程において、ＣＣＤカメラ６で計測される共焦点スポットの形状をｆ（ｘ，ｙ）とする。但し、ｆは、参照鏡の鏡面（ｘ−ｙ平面）上の座標（ｘ，ｙ）の関数である。この共焦点スポットの形状ｆ（ｘ，ｙ）を本発明の実施例に係る共焦点顕微鏡に接続された計算機（図示せず）上で離散フーリエ変換することでそのスペクトルｆ＾（μ，ν）を求める。これを規格化することにより、次の数式１で示すようにこのスペクトルｆ＾（μ，ν）の確率分布Ｐ（μ，ν）を得る。
【００３１】
【数１】
2004361361.tif 000003
【００３２】
数式１で得られた確率分布Ｐ（μ，ν）から、以下の数式２で示されるようにその情報エントロピーεを求めることができる。
【００３３】
【数２】
2004361361.tif 000004
【００３４】
このように、情報エントロピーとは、ある確率分布Ｐ（ｘ，ｙ）から数式２によって得られる値をいう。
【００３５】
可変鏡（補償鏡）７の形状はこの情報エントロピーεを最大化するように最適化されている。情報エントロピーεは、確率分布にかたよりがある場合に減少するという性質がある。つまり、全ての確率が一点に集まっている時に最小になり、全ての点で確率が等しい時に最大になる。すなわち、スペクトルの情報エントロピーεが増大するということは、スペクトルｆ＾（μ，ν）とフーリエ変換の関係にある元の共焦点スポットは１点に集まっていくということである。
【００３６】
この際に、スペクトルの情報エントロピーεを最大化するのではなく、共焦点スポットそのものの情報エントロピーを最小化することでも最適化可能なように思われる。しかし、実際にはノイズや可変鏡（補償鏡）７の初期形状による共焦点スポットの歪みなどの問題のために必ずしも予期したような最適化は行えない。これは、複数のピークが最大化された状態がこの最適化の極所解として存在するからである。スペクトルの情報エントロピーεの最大化では、スペクトル領域に於いて実領域のピーク同士が干渉することからこの局所解を回避できているものと考えられる。
【００３７】
実際の遺伝的アルゴリズムでは、薄膜電場駆動型の可変鏡（補償鏡）７の各駆動電極（図示せず）への入力値を要素とした３０個体の集団を用いて、５０世代の世代交代を行っている。各世代間の世代交代においては、各個体は前述の情報エントロピーεによりランキングされ（順位づけられ）、上位７５％の個体からランダムに両親を選択し、各要素をランダムに入れ替えることで次の世代を作り出している。また、最適化の過程においては、可変鏡（補償鏡）７の持っている初期特性のばらつきも吸収されるため、可変鏡（補償鏡）７には高い精度は要求されない。
【００３８】
可変鏡（補償鏡）７の形状が最適化された後、本発明の共焦点顕微鏡におけるキャリブレーション（較正、更正）のために、各チャンネルでの共焦点軸応答を計測する。この共焦点軸応答は、上述した参照鏡を走査ステージで軸方向（矢印２１で示される方向）に走査することで計測され、実際の高さ計測の際の参照チャンネル出力として用いられる。この際、通常の共焦点顕微鏡において用いられるピンホールと点ディテクターの代わりに、本発明の共焦点顕微鏡においては、ディテクターとしてＣＣＤカメラ６の２２ピクセル（２２μｍ×２２μｍ）上での強度が用いられている。
【００３９】
この様にして計測された各チャンネル（Ｃｈ．１からＣｈ．５）の共焦点軸応答を図２に示す。それぞれのチャンネルにおいて、可変鏡７の形状は、異なった高さの参照鏡で最適化されている。なお、実際の計測の際には、軸方向（矢印２１で示される方向）の走査は行われず、各チャンネルにおける共焦点出力強度（単に共焦点出力ともいう）の値だけが計測される。これを、最初に計測された参照チャンネル出力強度（単に参照チャンネル出力ともいう）の値と比較することにより、計測物体の高さを決定するのである。
【００４０】
参照チャンネル出力の値から計測物体の高さへの変換は、具体的には以下のように行われる。各チャンネルを弦とした空間を考え、その中の単位球表面への各参照チャンネル出力の投影を考える。キャリブレーション（較正、更正）の際に計測された参照チャンネル出力の値をベクトルＲ＝（Ｒ１，Ｒ２，…）で表すと、単位球面上の投影座標ベクトルｒ＝（ｒ１，ｒ２，…）は、以下の数式３で表される。
【００４１】
【数３】
2004361361.tif 000005
【００４２】
チャンネル数が例えば３の場合の投影された参照チャンネル出力の様子を図３に示す。図３は、参照チャンネル出力の単位球面上への投影図である。それぞれの参照チャンネル出力は単位球面上に投影され、また、その単位球のある空間の各軸はそれぞれのチェンネルの出力強度に対応している。投影された参照チャンネル出力は、プロットされた点Ｐよりなる曲線で表されている。ここで、プロットされた点Ｐよりなる曲線のそれぞれの端は、計測レンジ（範囲）のそれぞれの端を表している。参照チャンネル出力から計測物体の高さを算出する際には、実際に計測された各チャンネルにおける共焦点出力もこの単位球面上に投影し、この投影された計測点、つまり、実際に計測された各チャネルにおける共焦点出力を表す単位球面上に投影された点から、各参照点、つまり、投影された参照チャンネル出力を表す点までの、単位球の球殻（球面）上での距離θを次の数式を用いて計算する。
【００４３】
θ＝ａｒｃｃｏｓ（ｒ・ｍ）
【００４４】
ここで、ベクトルｍ＝（ｍ１，ｍ２，…）は単位球面上における投影された計測点（実際に計測された各チャネルにおける共焦点出力を表す単位球面上に投影された点）の座標である。そして、最も近い値を持つ参照点（投影された参照チャンネル出力を表す点）を探すことで計測点の高さを知ることができる。
【００４５】
本実施例では、少なくとも３チャンネル使用することにより、３ショット（３回強度情報を計測するだけで）で計測点の高さの計測が可能となっている。これは、通常（従来）の共焦点顕微鏡において、計測点の高さを計測するためには１次元の情報を連続して計測する必要があるため、最低１００回以上の計測が必要であることと比べて、大幅に計測回数を減らすことができる。一方、このような計測方法はより多いチャンネル数に対しても適用可能であり、計測時間とのトレードオフの元に（計測時間が多少長くなるものの）、計測精度を向上させることが可能である。実際、後に５チャンネルを用いた精度向上も実験的に示されている。
【００４６】
（実験例）
本実施例では、本発明の実施例に係る共焦点顕微鏡を用いて、実際に走査ステージ１０上に、計測物体として設置された参照鏡（ミラー）の軸方向（矢印２１で示される方向）の位置を計測し、その計測精度の確認を行った。計測の際には参照鏡（ミラー）の軸方向（上下方向、図１の紙面上において矢印２１で示される方向）の位置をコントロールユニット１４を介してピエゾ素子（図示せず）により変化させ、様々な高さについて計測を行った。その計測結果を図４に示す。
【００４７】
ここで、横軸（水平軸）はピエゾ素子の変位、つまり、実際の参照鏡（ミラー）の軸方向（矢印２１で示される方向）の位置を示し、縦軸（垂直軸）は計測された参照鏡（ミラー）の軸方向（矢印２１で示される方向）の位置を示している。つまり、横軸（水平軸）は実際の計測物体の高さ、縦軸（垂直軸）は計測された計測物体の高さを表している。実線ｇ１、ｇ２で示されているのは傾き１の直線であり、理論値を示している。理想的な計測値はこの直線上に位置するはずである。図４（１）で示されるプロットはチャンネル１、３、５の３チャンネルを用いた計測結果（３チャンネルの出力から計算された高さ）であり、（２）で示されるプロットは１から５の全てのチャンネルを用いた５チャンネルの計測結果（５チャンネルの出力から計算された高さ）である。
【００４８】
図４のグラフより、本発明の共焦点顕微鏡を用いて計測物体の高さを決定できることが実験的にも確認することができた。また、理論値からの平均２乗誤差は、３チャンネル計測の際に４０μｍの範囲内で０．４８μｍ、５チャンネル計測の場合には０．２８μｍであった。これらはそれぞれ計測レンジ（範囲）の１．２％、及び、０．７０％である。また、５チャンネルを利用した場合には計測レンジ（範囲）を５０μｍまで広げることが可能であり、この場合の平均２乗誤差は０．３２μｍで、計測レンジ（範囲）の０．６４％であった。この結果より、チャンネル数を増やすことで精度良く計測可能な範囲が広がっていることがわかる。
【００４９】
なお、本発明に係る共焦点顕微鏡の横方向（図１のｘ−ｙ平面で表される方向、上記軸方向に垂直な方向）の解像度は、対物レンズ９の開口数（ｎｕｍｅｒｉｃａｌ  ａｐｅｒｔｕｒｅ，ＮＡ）によって決定される。ここでは、波長６３２．８ｎｍの光源と開口数（ＮＡ）０．２５の対物レンズとを用いているため、インフォーカス（焦点が合っている状態）での横方向の解像度は２．５３μｍとなる。しかし、本発明の共焦点顕微鏡では計測は常にインフォーカス（焦点が合っている状態）ではない。そのため、軸方向（矢印２１で示される方向）の計測レンジ（範囲）が大きくなった場合、横方向（上記軸方向に垂直な方向）の最低解像度は減少することになる。
【００５０】
本発明の実施例に係る共焦点顕微鏡では、軸方向の計測レンジを４０μｍとすると、計測レンジ末端での横方向解像度は５μｍとなる。インフォーカス（焦点が合っている状態）での解像度は、対物レンズ９の開口数（ＮＡ）を大きくすることで改善可能であるが、同時に、それはインフォーカス（焦点が合っている状態）以外での解像度の低下を引き起こす。よって、実際には、必要とされる計測レンジ、解像度を考慮して最適な開口数（ＮＡ）の対物レンズ９を使用する必要がある。
【００５１】
本実施例に係る共焦点顕微鏡の計測時間は可変鏡（補償鏡）７の応答時間によって決定される。今回用いている可変鏡（補償鏡）７の応答時間は２ｍｓであるため、計測物体の表面上の一点を計測するのに必要な時間はチャンネル数×２ｍｓとなる。また、計測物体の表面全体を計測する、つまり３次元計測の際にも、チャンネルを切り替えた後、計測物体を横方向（ｘ−ｙ平面に平行な方向）全体に走査するため、チャンネルの切り替え回数は一点の計測の場合と変わらない。そのため、３次元計測の際の実際の計測時間は、主に横方向（ｘ−ｙ平面に平行な方向）の走査方法に依存することになる。しかし、この時ですら軸方向（縦方向）に走査する必要がないため、通常の共焦点計測と比べて計測時間は極端に短くなる。
【００５２】
また、各チャンネルのための遺伝的アルゴリズムによる可変鏡（補償鏡）７の最適化には現時点で３０分程度の時間がかかっている。この時間のほとんどは共焦点スポットのスペクトルの情報エントロピーの計算のために使用されている。今回、本発明者らの作成したプロトタイプである本実施例の共焦点顕微鏡では、この計算にＰｅｎｔｉｕｍ  ９０ＭＨｚの計算機を利用しているが、現在一般的である１ＧＨｚ程度のクロック速度を持った計算機を用いれば、最適化に必要な時間は数分にまで短縮されるはずである。
【００５３】
なお、この最適化は各形状の可変鏡（補償鏡）７の更正（較正、キャリブレーション）のために行われるものであり、常に必要なものではないため、この時間は十分許容範囲であると考えられる。また、今回作成したプロトタイプ（本実施例の共焦点顕微鏡）では、最適化の後の、参照軸応答の計測には、１チャンネルあたり約５分程度の時間を必要としている。これに関しても、その時間のほとんどは計測された画像のストア（処理）など計算機の処理能力に依存する部分で消費されているうえ、常に必要な操作ではないため、この時間は十分に許容範囲内であると考えられる。
【００５４】
本発明の共焦点顕微鏡においては、ＣＣＤカメラ６の２次元性、つまり、ＣＣＤカメラ６は２次元画像が計測できるという特性は、各チャンネルにおける可変鏡（補償鏡）７の形状の最適化のためのみに用いられており、実際の計測操作の際には一点における強度情報のみを計測している。原理的には、この最適化は一つの可変鏡（補償鏡）７について一度だけ行う操作である。このため、ひとたび最適化した後は、ＣＣＤカメラ６を、通常の共焦点顕微鏡と同様のピンホールと点ディテクターに置き換えることが可能である。また、この最適化過程に於いて、可変鏡（補償鏡）７の持つ初期状態での歪みも補正されるため、高精度な可変鏡（補償鏡）７は必要とされない。
【００５５】
以上の理由から、本発明の共焦点顕微鏡（システム）ではこのシステム（系）全体のコストを低く保つことが可能であると考えられる。
【００５６】
可変鏡（補償鏡）の形状を異なったデフォーカスを持つように最適化し、その形状を切り替えることで、軸方向の走査なしに計測物体の軸方向の位置を計測する共焦点顕微鏡を作成した。また、実際に作成した共焦点顕微鏡（システム）を用いて計測物体の軸方向の位置を５０μｍの範囲内において誤差０．６４％で計測することに成功した。
【００５７】
以上、本発明に係る可変鏡形状切替法を用いた非走査型共焦点顕微鏡の実施形態を実施例に基づいて説明したが、本発明は特にこのような実施例に限定されることなく、特許請求の範囲記載の技術的事項の範囲内でいろいろな実施例があることはいうまでもない。
【００５８】
【発明の効果】
以上の構成から成る本発明に係る可変鏡形状切替法を用いた非走査型共焦点顕微鏡によると、単色光源を用いた非走査型の共焦点顕微鏡を実現することができ、非走査型共焦点顕微鏡（システム）の構成が簡単で、計測時間を大幅に短縮することができる。さらに、共焦点顕微鏡（システム、系）全体のコストを低く保つことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係る共焦点顕微鏡の模式的な概略構成を示す図（概要図）である。
【図２】各チャンネルにおける参照共焦点軸応答を示す図である。
【図３】参照チャンネル出力の単位球面上への投影図である。
【図４】計測された物体（計測物体）の高さを示すグラフである。水平軸は実際の計測物体の高さ、垂直軸は計測された計測物体の高さを表している。
【符号の説明】
１    光源
２    偏光子（偏光板）
３    ピンホール
４    ビームスプリッタ
５    偏光ビームスプリッタ
６    ＣＣＤカメラ
７    可変鏡（補償鏡）
８    １／４波長板
９    対物レンズ
１０    走査ステージ
１１、１２、１３    レンズ
１４    コントロールユニット
【図１】
2004361361.tif 000006
【図２】
2004361361.tif 000007
【図３】
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【図４】
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