JP2004361361A

JP2004361361A - Measuring method for object by shape-switching for changeable mirror and non-scanning confocal microscope using the same

Info

Publication number: JP2004361361A
Application number: JP2003163223A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Yasuno; 嘉晃安野; Toyohiko Yatagai; 豊彦谷田貝
Original assignee: INST TSUKUBA LIAISON CO Ltd; Institute of Tsukuba Liaision Co Ltd
Current assignee: INST TSUKUBA LIAISON CO Ltd; Institute of Tsukuba Liaision Co Ltd
Priority date: 2003-06-09
Filing date: 2003-06-09
Publication date: 2004-12-24

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a measuring method for an object by switching for shifting a changeable mirror, largely reducing a measuring time with an easy structure, and a non-scanning confocal microscope using the same. <P>SOLUTION: The confocal microscope by a monochromatic light source measures the height shape of the object without scanning in an axial direction. Three to five kinds of different defocuses are generated by switching the shape of a changeable mirror 7 in the confocal microscope (system) to change it, and then the height of the object is determined by confocal output intensity in respective condition. Genetic Algorithm is used for the optimization of the shape of the changeable mirror 7, and the information entropy of the spatial spectrum of a confocal spot shape in a longitudinal direction (a direction parallel to an x-y surface) is used as the index at the optimization. The position in the axial direction of the object (a direction indicated by an arrow 21) can be measured with an error 0.64% in the range of 50 μm by using a system actually prepared. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【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】
ＴｉｚｉａｎｉＨ．Ｊ．ａｎｄＡｃｈｉＲ．ａｎｄＫｒａｅｍｅｒＲ．Ｎ．， ”Ｃｈｒｏｍａｔｉｃｃｏｎｆｏｃａｌｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙｗｉｔｈｍｉｃｒｏｌｅｎｓｅｓ，” 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】

【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】

【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＝（Ｒ_１，Ｒ_２，…）で表すと、単位球面上の投影座標ベクトルｒ＝（ｒ_１，ｒ_２，…）は、以下の数式３で表される。
【００４１】
【数３】

【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＝（ｍ_１，ｍ_２，…）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（ｎｕｍｅｒｉｃａｌａｐｅｒｔｕｒｅ，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Ｐｅｎｔｉｕｍ９０ＭＨｚ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
６ＣＣＤカメラ
７可変鏡（補償鏡）
８１／４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[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a non-scanning confocal microscope using a variable mirror shape switching method used in medicine, biology, physics, analytics, structural analysis, precision mechanical engineering, and other fields that widely measure the shape of an object. About.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In an industrial field that requires precise processing of an object, such as the precision machine industry, a system capable of measuring the surface shape of the processed object with high accuracy and quantitatively is required. As one of means for measuring the shape of such an object, there is a confocal scanning microscope. A confocal scanning microscope is a microscope that uses a laser or the like to scan with a point probe (measurement) and generate a three-dimensional image with very high contrast. The confocal scanning microscope is widely used in the field of measuring the shape of an object because it is resistant to vibration and is a simple optical system.
[0003]
As described above, since such a confocal scanning microscope is basically a point probe (point measurement), it is necessary to perform one-dimensional mechanical scanning just to obtain height information. . Then, in order to obtain the three-dimensional shape of the object, similarly, three-dimensional mechanical scanning is required. Since such scanning causes an increase in measurement time, it has become a fatal problem in some application fields.
[0004]
The above problem of lateral scanning has been solved by a parallel confocal scanning microscope. That is, a parallel confocal scanning microscope refers to a confocal scanning microscope that uses a device called a Nipko disk, which is used for optical character recognition or the like and has a large number of rows of holes formed in a spiral shape. A microscope using a microlens array as a lens or a rotating microlens array that is a combination of the above.
[0005]
On the other hand, regarding scanning in the axial (longitudinal) direction, a confocal microscope using chromatic aberration has been developed as a prior art as one method for solving the above problem. In this prior art, the height of an object is measured without an axial scan using a broadband light source and a color detector, utilizing the fact that the position of the focal point in the axial direction differs depending on the wavelength of the light source due to the chromatic aberration of the objective lens. This is a system (apparatus) (for example, see Non-Patent Document 1).
[0006]
[Non-patent document 1]
Tiziani H .; J. and Achi R. and Kraemer R.S. N. , "Chromatic Confocal Microscopy with Microlenses," J. Am. Mod. Opt. , 43, 155-163, (1996).
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above-mentioned conventional system requires a broadband light source and a color detector such as a color CCD camera. Therefore, (1) the configuration of the system is complicated and large, and the measuring device (system) itself becomes expensive. And (2) the accuracy of the measuring device may be reduced. In addition, in the conventional system, it is necessary to consider the absorption spectrum characteristics of the measurement object at the time of measurement. For this reason, it is necessary to measure the absorption spectrum individually for each measurement, and this measurement makes the optical system of the system complicated and expensive, and the measurement time becomes long. And spend a lot of time.
[0008]
The present invention solves the above problems by eliminating the need for a broadband light source and a color detector, and eliminating the need to consider the absorption spectrum characteristics of the measurement object. It is an object of the present invention to realize an object measurement method using variable mirror switching and a non-scanning confocal microscope using this method.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problem, the present invention includes a deformable mirror and an objective lens, so as to generate a defocus of the objective lens so as to focus on an arbitrary height of an object to be measured. By switching and changing the shape of the variable mirror, the height of the object to be measured is measured from the value of the confocal output intensity obtained using the switched shape of the variable mirror. To provide a non-scanning confocal microscope.
[0010]
Preferably, the variable mirror is of a thin film electric field driven type.
[0011]
Preferably, the shape of the deformable mirror is pre-optimized using an optimization algorithm so as to maximize the information entropy of the spectrum of the confocal spot.
[0012]
Further, in the present invention, by switching and changing the shape of the deformable mirror, a defocus of the objective lens is generated, a focus is formed at an arbitrary height of the object to be measured, and the focus is switched so as to form the focus. Obtaining a value of confocal output intensity using the shape of the variable mirror, and measuring a height of the object to be measured from the value of the confocal output intensity, wherein the object measurement by variable mirror shape switching Provide a method.
[0013]
Preferably, the shape of the deformable mirror is pre-optimized using an optimization algorithm so as to maximize the information entropy of the spectrum of the confocal spot.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Embodiments of an object measurement method (hereinafter simply referred to as an object measurement method) and a non-scanning confocal microscope (hereinafter simply referred to as a confocal microscope) using the same according to the present invention are described based on examples. This will be described with reference to the drawings. Before describing the embodiments of the present invention, first, the principle of the present invention will be briefly described.
[0015]
According to the principle of the present invention, measurement is performed by switching the pattern (shape) of a deformable mirror so as to generate defocus (movement of an image receiving surface) such that a focus is formed at an arbitrary height of an object to be measured (measurement object). The height of the object to be measured is measured. More specifically, in the confocal microscope of the present invention, the defocus of the objective lens is changed by switching the shape of the variable mirror installed in the confocal microscope, and three or more types of variable mirrors are used. The height of the measurement object is measured from the value of the confocal output intensity (light intensity at the center of the focal plane that has a confocal relationship with the focus formed on the measurement object or inside the measurement object) acquired in step (1). That is, in the confocal microscope of the present invention, by giving an arbitrary defocus to the variable mirror, scanning in the axial direction (vertical direction, height direction of the measurement object) can be performed without performing mechanical scanning.
[0016]
(Example)
FIG. 1 is a diagram showing a schematic schematic configuration of a confocal microscope according to an embodiment of the present invention. A confocal microscope according to an embodiment of the present invention includes a light source 1, a polarizer (polarizing plate) 2, a pinhole 3 for condensing and expanding light from the light source 1,

lenses

11, 12, and 13, and a light beam. A beam splitter 4 and a polarization beam splitter 5, a variable mirror (compensating mirror) 7, an objective lens (micro objective lens) 9, a scanning stage 10, a CCD camera 6 as a detector, a control unit 14, including.
[0017]
As the light source 1, for example, a He-Ne laser having a wavelength of 632.8 nm, which is a monochromatic light source, is used. The control unit 14 is connected to the scanning stage 10, the variable mirror (compensating mirror) 7, and the CCD camera 6, and controls each of them. The scanning stage 10 is a piezo stage which is controlled by the control unit 11 and is movable by a piezo element, for example, in a direction indicated by an arrow 21 (up and down direction of the plane of FIG. 1, axial direction, height direction of the measurement object). is there. A measurement object (not shown) is placed on the scanning stage 10. The variable mirror 7 is of a thin-film electric field drive type. The thin-film electric-field-driven variable mirror is a variable mirror in which a plurality of microelectrodes are disposed on a substrate, an air layer is disposed thereon, and a metal thin film is disposed thereon. Here, the metal thin film plays the role of a mirror, and when a potential difference is applied to the microelectrode and the metal thin film, its shape changes due to its electric repulsion and attractive force.
[0018]
One of the features of the present invention is that a thin-film electric field driving type is provided via the control unit 11 so as to generate a defocus of the objective lens 9 so as to focus on an arbitrary height of an object to be measured (measurement object). Is to switch the shape of the variable mirror 7 (change and change the shape of the variable mirror). Then, the height of the object (measurement object) to be measured is measured from the acquired value of the confocal output intensity using the switched shape of the variable mirror 7. That is, an object measurement method using variable mirror switching (switching) is used. Using this method, a confocal microscope according to an embodiment of the present invention has been invented.
[0019]
The object measurement method by the above-described variable mirror switching can be summarized as follows. By switching and changing the shape of the variable mirror 7, the defocus (movement of the image receiving surface) of the objective lens 21 is generated to detect the object to be measured. Make the focus at any height. Next, the value of the confocal output intensity is obtained using the shape of the variable mirror 7 switched to form these focal points. The height of the object to be measured is measured from the acquired confocal output intensity value.
[0020]
In the confocal microscope according to the embodiment of the present invention, the CCD camera 6 used as a detector is, specifically, a measuring device for measuring monochromatic light called a monochrome CCD camera. Further, in a confocal microscope using the object measurement method of the present invention, as shown in the embodiments, not only polychromatic light but also monochromatic light can be used as a light source. That is, unlike a confocal microscope (apparatus) of the related art, it is not necessary to use polychromatic light to measure an object, and a measuring device such as a color CCD camera or a spectrometer that can measure spectral information is not required. . Therefore, the configuration itself of the confocal microscope of the present invention is simple, inexpensive, and has the advantages that the measurement time can be significantly reduced without lowering the measurement accuracy.
[0021]
Next, the operation of the confocal microscope of the present invention will be described with reference to FIG. The laser light emitted from the light source 1 of the confocal microscope according to the present invention passes through the polarizer 2, the lens 11, the pinhole 3, and is collimated by the lens 12, and then the beam splitter 4, the polarization beam splitter 5, and the 1 / The light passes through the four-wavelength plate 8 and is reflected by the variable mirror (compensating mirror) 7. Thereafter, the laser light passes through the polarizing beam splitter 5 and is condensed and reflected on the surface of an object (measurement object) (not shown) to be measured placed on the scanning stage 10. The reflected laser light passes through the polarizing beam splitter 5 and the quarter-wave plate 8 again, passes through the variable mirror (compensating mirror) 7 (after being reflected), and then returns to the quarter-wave plate again. 8. The light passes through the polarizing beam splitter 5, passes through the beam splitter 4, and is guided to the lens 13. Then, a confocal spot is formed on the image receiving surface of the CCD camera 6, which is a detector.
[0022]
As described above, in the confocal microscope according to the embodiment of the present invention, the CCD camera 6 is used as a detector. (In a general confocal microscope, a pinhole and a point detector are usually used instead of a CCD camera as in this embodiment). The reason why the CCD camera 6 is used is to optimize the shape of a variable mirror (compensating mirror) 7 described later. In the confocal microscope of the present invention, the optimization of the shape of the variable mirror (compensating mirror) 7 is first performed once for one variable mirror (compensating mirror) 7. Therefore, in principle, once the shape of the variable mirror (compensating mirror) 7 is optimized, the CCD camera 6 may be replaced with a pinhole and a point detector. By such replacement, the configuration of the confocal microscope according to the present invention can be further simplified and the measurement time can be improved.
[0023]
As described above, in the confocal microscope according to the present invention, an arbitrary defocus is given to the variable mirror (compensating mirror) 7 so that the variable mirror (compensating mirror) 7 can be moved in the axial direction (vertical direction, indicated by an arrow 21) without mechanical scanning. Scanning direction) is possible. However, as will be described later, scanning in a strict sense is not performed by the confocal microscope (the present system) of the present invention. The scanning stage 10 on which the measurement object is placed is used only for the first calibration (calibration and correction), and is not driven during the actual measurement. That is, the scanning stage 10 is driven only at the time of the first correction.
[0024]
Further, in this optical system, that is, in the confocal microscope according to the embodiment of the present invention, light such as laser light passes through the variable mirror (compensating mirror) 7 twice before and after entering the measurement object. In the focused (in-focus) state, the wavefront of light finally coming out of the variable mirror (compensating mirror) 7 (second time) is flat.
[0025]
As described above, the object measurement method of the present invention uses the confocal microscope of the present invention to generate defocus such that a focus is formed at an arbitrary height of an object to be measured (measurement object). By switching the pattern (shape) of the variable mirror (compensating mirror) 7, the height of the measurement object is measured. The principle of the present invention (the object measuring method of the present invention) will be described in more detail below.
[0026]
In the confocal microscope of the present embodiment, in order to obtain the pattern (shape) of the variable mirror (compensating mirror) 7, the shape of the variable mirror (compensating mirror) 7 using a genetic algorithm which is an example of an optimization algorithm Is optimized in advance. Here, the genetic algorithm calculates cost values in multiple states, adopts multiple states with more optimal values among them, creates a new state as an alternative to the state that has not been adopted, and performs a trial. This is an algorithm that optimizes the state by repeating the same trial.
[0027]
In the present embodiment, a genetic algorithm is used. However, the present invention is not limited to this, and other optimization algorithms such as a simulated annealing (annealing optimization algorithm) and a try-and-error method can be used. It is. Here, in the simulated annealing method, in one trial, the cost value of another condition obtained by slightly changing the conditions from the previous trial is obtained, and the cost value is compared with the cost value of the previous trial. , The optimization that minimizes the cost value, the smaller cost value, and the optimization that maximizes the cost value, the higher cost value, An algorithm that optimizes trial conditions by repeating the trial process. At this time, the amount of change in the condition is reduced as the trial is repeated. In addition, the trial and error method performs a random trial, compares the error with the error of the previous trial, adopts the smaller one of the errors, and furthermore, the value is compared with the next random trial. This is an optimization algorithm that repeats the act of comparing.
[0028]
In the process of optimizing the shape of the deformable mirror 7 using the genetic algorithm, a reference mirror (not shown) is provided on the scanning stage 10 instead of the measurement object. The displacement of the scanning stage 10 in the axial direction (the direction indicated by the arrow 21 and the vertical direction in FIG. 1) is changed in five ways within a range of, for example, +25 μm to −25 μm. The shape of the variable mirror (compensation mirror) 7 is optimized so as to be connected to the height of the mirror surface.
[0029]
Multi-photon confocal microscope (a confocal microscope that measures light generated by nonlinear interaction between an incident wave and an object to be measured, that is, fluorescence, or harmonics and subharmonics, instead of directly measuring the reflected incident wave. In a microscope, the confocal output intensity itself is used as an index for optimization. However, a confocal microscope that does not use nonlinearity such as fluorescence, such as a multiphoton confocal microscope, does not always work well with the same method. Therefore, in the present embodiment, the information entropy ε of the spectrum of the confocal spot measured by the CCD camera 6 is used as an index for optimization. Here, a focal point formed on a surface such as an image receiving surface of the CCD camera 6 or a mirror surface of the reference mirror is referred to as a confocal spot, and each optimized state is hereinafter referred to as a channel (Ch.).
[0030]
This information entropy ε is calculated as follows. In the optimization process, the shape of the confocal spot measured by the CCD camera 6 is f (x, y). Here, f is a function of coordinates (x, y) on the mirror surface (xy plane) of the reference mirror. This confocal spot shape f (x, y) is subjected to discrete Fourier transform on a computer (not shown) connected to the confocal microscope according to the embodiment of the present invention, so that the spectrum f ＾ (μ, ν) is obtained. Ask for. By normalizing this, a probability distribution P (μ, ν) of this spectrum f ＾ (μ, ν) is obtained as shown by the following equation 1.
[0031]
(Equation 1)

[0032]
From the probability distribution P (μ, ν) obtained by Expression 1, the information entropy ε can be obtained as shown by Expression 2 below.
[0033]
(Equation 2)

[0034]
As described above, the information entropy refers to a value obtained from a certain probability distribution P (x, y) by Expression 2.
[0035]
The shape of the variable mirror (compensating mirror) 7 is optimized to maximize this information entropy ε. The information entropy ε has the property of decreasing when there is bias in the probability distribution. That is, the probability becomes minimum when all probabilities are gathered at one point, and becomes maximum when the probabilities are equal at all points. That is, an increase in the information entropy ε of the spectrum means that the original confocal spot having a Fourier transform relationship with the spectrum f ＾ (μ, ν) gathers at one point.
[0036]
At this time, it seems that optimization can be performed by minimizing the information entropy of the confocal spot itself, instead of maximizing the information entropy ε of the spectrum. However, in actuality, the expected optimization cannot always be performed due to problems such as noise and distortion of the confocal spot due to the initial shape of the variable mirror (compensation mirror) 7. This is because a state where a plurality of peaks are maximized exists as an extreme solution of this optimization. In maximizing the information entropy ε of the spectrum, it is considered that this local solution can be avoided because the peaks in the real region interfere with each other in the spectral region.
[0037]
In an actual genetic algorithm, 50 generations of alternations are performed using a group of 30 individuals whose elements are input values to each drive electrode (not shown) of a thin film electric field drive type variable mirror (compensation mirror) 7. Is going. In the generation alternation between the generations, each individual is ranked (ranked) by the information entropy ε described above, and parents are randomly selected from the top 75% of individuals, and each element is randomly replaced, thereby generating the next generation. Has been created. Further, in the process of optimization, high accuracy is not required for the variable mirror (compensation mirror) 7 because variations in the initial characteristics of the variable mirror (compensation mirror) 7 are absorbed.
[0038]
After the shape of the variable mirror (compensating mirror) 7 is optimized, the confocal axis response in each channel is measured for calibration (calibration, correction) in the confocal microscope of the present invention. This confocal axis response is measured by scanning the above-described reference mirror in the axial direction (the direction indicated by the arrow 21) by the scanning stage, and is used as a reference channel output at the time of actual height measurement. At this time, instead of the pinhole and the point detector used in the ordinary confocal microscope, in the confocal microscope of the present invention, the intensity on 22 pixels (22 μm × 22 μm) of the CCD camera 6 is used as the detector. I have.
[0039]
FIG. 2 shows the confocal axis response of each channel (Ch. 1 to Ch. 5) measured in this manner. In each channel, the shape of the deformable mirror 7 is optimized with reference mirrors of different heights. Note that, in the actual measurement, scanning in the axial direction (the direction indicated by the arrow 21) is not performed, and only the value of the confocal output intensity (also simply referred to as confocal output) in each channel is measured. The height of the measurement object is determined by comparing this with the value of the reference channel output intensity (also simply referred to as reference channel output) measured first.
[0040]
The conversion from the value of the reference channel output to the height of the measurement object is specifically performed as follows. Consider a space in which each channel is a chord, and consider the projection of each reference channel output onto the unit sphere surface therein. The value of the reference channel output measured at the time of calibration (calibration, correction) is represented by a vector R = (R ₁ , R ₂ , ...), the projected coordinate vector r = (r ₁ , R ₂ ,...) Are represented by the following Equation 3.
[0041]
[Equation 3]

[0042]
FIG. 3 shows a state of the projected reference channel output when the number of channels is, for example, three. FIG. 3 is a projection view of a reference channel output onto a unit spherical surface. Each reference channel output is projected onto a unit sphere, and each axis of the space with the unit sphere corresponds to the output intensity of the respective channel. The projected reference channel output is represented by a curve consisting of plotted points P. Here, each end of the curve formed by the plotted points P represents each end of the measurement range (range). When calculating the height of the measurement object from the reference channel output, the confocal output of each actually measured channel is also projected on this unit spherical surface, and this projected measurement point, that is, the actually measured The distance θ on the spherical shell (spherical surface) of the unit sphere from the point projected on the unit sphere representing the confocal output in each channel to each reference point, that is, the point representing the projected reference channel output. It is calculated using the following formula.
[0043]
θ = arccos (rm)
[0044]
Here, the vector m = (m ₁ , M ₂ ,...) Are the coordinates of the projected measurement points on the unit sphere (points projected on the unit sphere representing the confocal output in each actually measured channel). Then, the height of the measurement point can be known by searching for a reference point having the closest value (a point representing the projected reference channel output).
[0045]
In this embodiment, by using at least three channels, the height of the measurement point can be measured in three shots (only by measuring the intensity information three times). This is because, in a conventional (conventional) confocal microscope, it is necessary to continuously measure one-dimensional information in order to measure the height of a measurement point, so that at least 100 measurements are required. As compared with, the number of times of measurement can be greatly reduced. On the other hand, such a measurement method can be applied to a larger number of channels, and can improve the measurement accuracy based on a trade-off with the measurement time (although the measurement time is slightly longer). . In fact, the improvement in accuracy using five channels has been experimentally shown later.
[0046]
(Experimental example)
In the present embodiment, using the confocal microscope according to the embodiment of the present invention, the reference mirror (mirror) actually set as a measurement object on the scanning stage 10 in the axial direction (direction indicated by arrow 21). The position was measured and the measurement accuracy was confirmed. At the time of measurement, the position of the reference mirror (mirror) in the axial direction (vertical direction, the direction indicated by the arrow 21 on the paper surface of FIG. 1) is changed by a piezo element (not shown) via the control unit 14, Measurements were taken at various heights. FIG. 4 shows the measurement results.
[0047]
Here, the horizontal axis (horizontal axis) indicates the displacement of the piezo element, that is, the actual position of the reference mirror (mirror) in the axial direction (direction indicated by arrow 21), and the vertical axis (vertical axis) is measured. The position of the reference mirror (mirror) in the axial direction (the direction indicated by the arrow 21) is shown. That is, the horizontal axis (horizontal axis) represents the actual height of the measurement object, and the vertical axis (vertical axis) represents the measured height of the measurement object. The solid lines g1 and g2 are the straight lines having the slope 1 and indicate the theoretical values. The ideal measurement should be on this straight line. The plot shown in FIG. 4A is a measurement result (height calculated from the output of the three channels) using three

channels

1, 3, and 5, and the plot shown in FIG. 5 is a measurement result of five channels using all the channels (heights calculated from outputs of five channels).
[0048]
From the graph of FIG. 4, it was experimentally confirmed that the height of the measurement object can be determined using the confocal microscope of the present invention. The mean square error from the theoretical value was 0.48 μm within a range of 40 μm for three-channel measurement and 0.28 μm for five-channel measurement. These are 1.2% and 0.70% of the measurement range (range), respectively. When five channels are used, the measurement range (range) can be extended to 50 μm. In this case, the mean square error is 0.32 μm, which is 0.64% of the measurement range (range). Was. From this result, it can be seen that the range that can be measured with high accuracy has been expanded by increasing the number of channels.
[0049]
Note that the resolution of the confocal microscope according to the present invention in the lateral direction (the direction represented by the xy plane in FIG. 1 and the direction perpendicular to the axial direction) is determined by the numerical aperture (NA) of the objective lens 9. Is determined by Here, since a light source having a wavelength of 632.8 nm and an objective lens having a numerical aperture (NA) of 0.25 are used, the resolution in the horizontal direction in the in-focus state (in a state of being in focus) is 2.53 μm. . However, in the confocal microscope of the present invention, the measurement is not always in-focus (in-focus state). Therefore, when the measurement range (range) in the axial direction (the direction indicated by the arrow 21) increases, the minimum resolution in the horizontal direction (the direction perpendicular to the axial direction) decreases.
[0050]
In the confocal microscope according to the embodiment of the present invention, when the measurement range in the axial direction is 40 μm, the lateral resolution at the end of the measurement range is 5 μm. The resolution in the in-focus state (in focus) can be improved by increasing the numerical aperture (NA) of the objective lens 9, but at the same time, it can be improved in other than the in-focus state (in focus state). Causes a decrease in resolution. Therefore, in practice, it is necessary to use the objective lens 9 having the optimum numerical aperture (NA) in consideration of the required measurement range and resolution.
[0051]
The measurement time of the confocal microscope according to the present embodiment is determined by the response time of the variable mirror (compensating mirror) 7. Since the response time of the variable mirror (compensating mirror) 7 used this time is 2 ms, the time required to measure one point on the surface of the measurement object is the number of channels × 2 ms. Also, in the case of measuring the entire surface of the measurement object, that is, in the case of three-dimensional measurement, after switching the channel, the measurement object is scanned in the entire horizontal direction (direction parallel to the xy plane). The number of times is not different from the case of single point measurement. Therefore, the actual measurement time at the time of three-dimensional measurement mainly depends on the scanning method in the horizontal direction (direction parallel to the xy plane). However, even at this time, since it is not necessary to scan in the axial direction (vertical direction), the measurement time becomes extremely short as compared with ordinary confocal measurement.
[0052]
At the present time, it takes about 30 minutes to optimize the variable mirror (compensation mirror) 7 using a genetic algorithm for each channel. Most of this time is used for calculating the information entropy of the spectrum of the confocal spot. This time, in the confocal microscope of the present embodiment, which is a prototype created by the present inventors, a Pentium 90 MHz computer is used for this calculation, but a computer having a clock speed of about 1 GHz, which is currently common, is used. If used, the time required for optimization should be reduced to a few minutes.
[0053]
This optimization is performed for the correction (calibration, calibration) of the variable mirror (compensation mirror) 7 of each shape, and is not always necessary. Therefore, it is assumed that this time is sufficiently allowable. Conceivable. Moreover, in the prototype (the confocal microscope of this embodiment) created this time, it takes about 5 minutes per channel to measure the reference axis response after optimization. Also in this case, most of the time is consumed in a part that depends on the processing power of the computer, such as storing (processing) the measured image, and is not always necessary operation. It is considered to be.
[0054]
In the confocal microscope of the present invention, the two-dimensional nature of the CCD camera 6, that is, the characteristic that the CCD camera 6 can measure a two-dimensional image, is used to optimize the shape of the variable mirror (compensating mirror) 7 in each channel. Only during the actual measurement operation, only intensity information at one point is measured. In principle, this optimization is an operation performed only once for one variable mirror (compensating mirror) 7. For this reason, once optimized, the CCD camera 6 can be replaced with a pinhole and a point detector similar to those of a normal confocal microscope. In addition, in the optimization process, the distortion in the initial state of the variable mirror (compensation mirror) 7 is also corrected, so that the highly accurate variable mirror (compensation mirror) 7 is not required.
[0055]
For the above reasons, it is considered that the confocal microscope (system) of the present invention can keep the cost of the entire system (system) low.
[0056]
By optimizing the shape of the deformable mirror (compensating mirror) so as to have different defocus, and switching the shape, a confocal microscope that measures the axial position of the measurement object without scanning in the axial direction was created. Further, the position of the measurement object in the axial direction was successfully measured with an error of 0.64% within a range of 50 μm using a confocal microscope (system) actually created.
[0057]
As described above, the embodiments of the non-scanning confocal microscope using the variable mirror shape switching method according to the present invention have been described based on the examples. However, the present invention is not particularly limited to such examples, It goes without saying that there are various embodiments within the scope of the technical matters described in the claims.
[0058]
【The invention's effect】
According to the non-scanning confocal microscope using the variable mirror shape switching method according to the present invention having the above configuration, a non-scanning confocal microscope using a monochromatic light source can be realized, and the non-scanning confocal microscope can be realized. The configuration of the microscope (system) is simple, and the measurement time can be significantly reduced. Further, the cost of the entire confocal microscope (system, system) can be kept low.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram (schematic diagram) showing a schematic schematic configuration of a confocal microscope according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a reference confocal axis response in each channel.
FIG. 3 is a projection view of a reference channel output onto a unit spherical surface.
FIG. 4 is a graph showing the height of a measured object (measurement object). The horizontal axis represents the actual height of the measurement object, and the vertical axis represents the height of the measurement object.
[Explanation of symbols]
1 light source
2 Polarizer (polarizing plate)
3 Pinhole
4 Beam splitter
5 Polarizing beam splitter
6 CCD camera
7 Variable mirror (compensating mirror)
8 1/4 wavelength plate
9 Objective lens
10 Scanning stage
11, 12, 13 lenses
14 Control unit

Claims

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。Comprising a deformable mirror and an objective lens,
By switching and changing the shape of the variable mirror so as to generate a defocus of the objective lens that makes a focus at an arbitrary height of an object to be measured, the switched shape of the variable mirror is used. A non-scanning confocal microscope, wherein the height of the object to be measured is measured from the value of the confocal output intensity acquired in step (a).

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。2. The non-scanning confocal microscope according to claim 1, wherein the variable mirror is a thin film electric field driven type.

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The non-scanning mirror according to claim 1 or 2, wherein the shape of the deformable mirror is optimized in advance by using an optimization algorithm so as to maximize the information entropy of the spectrum of the confocal spot. Focus microscope

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。By switching and changing the shape of the deformable mirror, defocus of the objective lens is generated and a focus is created at an arbitrary height of the object to be measured,
Obtain a value of confocal output intensity using the shape of the deformable mirror switched to create the focus,
An object measurement method using variable mirror shape switching, wherein the height of the object to be measured is measured from the value of the confocal output intensity.

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。The object according to claim 4, wherein the shape of the deformable mirror is optimized in advance by using an optimization algorithm so as to maximize information entropy of the spectrum of the confocal spot. Measurement method.