JP2008052177A - 共焦点光学系 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明では、半導体レーザ1のレーザ光は、ピンホール3を通過するように集光レンズ2で集光される。ピンホール3から出たレーザ光は広がりながら、X、Y、Z方向走査用液晶ゾーンプレート5を通過した後、対物レンズ6に入射する。対物レンズ2から出射する光は3次元的に試料表面を走査される。レーザ光は、同一光学系を通ってビームスプリッタ4で90度に反射して、ピンホール8に集光され、光センサ9に入る。このとき試料表面に焦点が一致したときにのみピンホール9を通過することになるので、XYZ走査した表面上のピントのあったところの位置を知ることができる。
【選択図】図1
Description
Z軸ステージの精度 高精度のものは高価であり、メンテナンスが難しい。特にバックラッシュという機械駆動特有のヒステリシスの問題がついてまわるために、Z軸ステージが精密に移動できない場合がある。その場合は3次元合成像に凹凸解析結果に深刻な影響を及ぼすことがある。そのため、ステージに位置を計測するためのあらたなリニアエンコーダやリニアスケールなるコンポーネントを設置する必要があるが、その取り付け方にも精度が要求されるため、システム全体の精密維持がきわめて難しい構成となることを余儀なくされていた。そのため操作上扱いづらい問題があった。
また、長期信頼性を考えた場合局部的に使用頻度が高くなるため磨耗故障により精度が維持できなかった。
また、騒音によって自らが振動をする要因を発生することで、計測データ収集中にサブμm以下の精度に大きく影響し、除振装置上で使用測定環境を充実させなければ使えないというコスト高の要因をはらんでいた。
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、光学収差、装置の重量化を生じることなく課題解決をすることを目的とする。
ここで、フレネルゾーンプレートが、液晶レンズ、MEMS(Micro Electro Mechanical System)によって形成してなることが好ましい。
フレネルゾーンプレートとは、黒白の同心円模様または直線帯状の縞模様によって、回折という現象をつかって光を集め結像するものをいう。液晶を用いれば、フレネルゾーンプレートというレンズの役割をする同心円パターンを高速でレンズを移動させることと同様のことを行うことができる。
ゾーンプレートについて、さらに説明すると、レーザ等の光源の光波長をλとし、輪帯とよばれる、同心円の半径R1には、f∝R1*R1/λという関係がある。したがって、この円の中心が動けば、レンズが移動したことと同じ効果がうまれ、XとY方向に光軸を走査できる。また、輪帯の半径が動くように変化させると、fすなわち、Z軸走査をする距離に対応する焦点距離が変化し、Z軸方向の走査が可能となり、例えば3次元計測装置が格段に軽量化できる。
また、サンプル面上での焦点(ビームスポット)は結像面でも焦点となり、焦点部分だけを選択して検出することから共焦点と呼ばれている。共焦点光学系では焦点ずれがある試料面からの光はピンホールをほとんど通過しないため、サンプル上の焦点が合った部分だけを選択した、焦点深度のきわめて浅い画像となる。本発明では、共焦点光学系内に液晶空間変調素子を組み合わせることにより、光学収差を生じることなく、かつ従来の数10分の1の重量で信頼性、高精度が実現できる。
MEMS(Micro Electro Mechanical System)とは、半導体の微細加工技術を駆使して作製された微小な部品から構成される電気機械システムである。
液晶平板の場合、液晶表示パネルは、一対の電極板の間に液晶を封入して構成される。各電極板は、通常、ガラス基板に電極として機能しうる、例えばITO膜を蒸着して形成される。セルギャップ(一対の電極板の間の距離)は、1〜10mm、好ましくは5μm〜1mmである。印加電圧は、10mV〜50V、好ましくは、20mV〜20Vで、これら条件により焦点位置は、0.01μm〜1mm変動させることができる。
また、レーザ顕微鏡以外にも全焦点カメラ、精密3次元計測装置、画像認識用3Dカメラ、精密サブミクロン段差計測器、パネルギャップ計測装置、放射率自動補正赤外線検出装置、生体認識カメラ、などにも使用できる。特にレーザを使用してシャープなモノクロ像がとれるといった意味からロボットの画像認識上都合のよい像がとれるという意味から、マシンビジョンやロボットビジョン用のカメラとして使える。
また、本発明では、レーザ顕微鏡の荷重の要因となっていたZ軸ステージや測長部位を1つの光学フィルタにおきかけることができるため、従来より約数十分の一の減量にすることが可能となる。このように軽量化できるため大型ステージにとりつけて3次元顕微鏡を移動する際に働く、慣性がわずかとなり、本カメラの移動制御が簡易にできるようになるため、3次元顕微鏡のワークの特定の計測部位に移動する際の制御がきわめてローコストでできるようになる。これによっていろいろな実装方法が実現できるようになり、生産装置の設計もきわめて容易となる。
また、全焦点なので、オートフォーカス等の従来のわずらわしい機構が不要で、撮影に時間を要しない。また、フラットパネルディスプレー等の大面積ワーク等の検査において、画像連結によってパノラマ像をつくるときに、高さ情報があるため、従来のように、張り合わせると高さが違うためにつぎはぎ像になることはなく、精度よく画像をはりあわせることが可能になる。
また、共焦点原理は、フォーカス以外の背景は除去してしまう原理なので、画像処理によって、ピンぼけ像を除外する等の計測誤差に影響していたあいまいなソフト処理は不要になる。
またアクティブカメラなので、画像処理カメラの外付け照明が不要になる。そのため、被写体や環境によって、生じる影によって画像計測誤差が生じた従来の問題は解決される。これは、3次元コードなので生体や人工の認証コードを読み取るコードリーダにもなる。 また、この光学系を利用すれば、撮影のみならず、光造形や、細胞膜の開閉によって遺伝子を導入する道具や、異型細胞を検出し除去する道具として使用することも可能である。
半導体レーザ1のレーザ光は、ピンホール3を通過するように集光レンズ2で集光される。ピンホール3から出たレーザ光は広がりながら、X、Y、Z方向走査用液晶ゾーンプレート5を通過した後、対物レンズ6に入射する。対物レンズ6から出射する光は3次元的に試料表面を走査される。レーザ光は、同一光学系を通ってビームスプリッタ4で90度に反射して、ピンホール8に集光され、光センサ9に入る。このとき試料表面に焦点が一致したときにのみピンホール9を通過することになるので、XYZ走査した表面上のピントのあったところの位置を知ることができる。
それによって、XとYとZ方向の走査を一度に行うことができ、しかも結像レンズの機能も備えることで光学系が非常にシンプルとなって、小型化が可能となる。またレーザ光を用いれば、レーザの照射範囲は対物レンズの瞳径の大きさがあればいいので、空間変調素子は約20mm角程度の大きさで充分で、従来にはない小型共焦点撮影装置が実現できる。特に高速スキャンをする場合は強誘電性液晶(FLCやSSFLC)などを用いることが望ましい。
光の通過するところが白で、通らないところを黒で表示しており、光の干渉をおさえたり、強め合ったりすることで、光の利用率を高める工夫が可能である。それによって同心円数を決める。レーザ等の光源の光波長をλとし、輪帯とよばれる、同心円の半径R1には、f∝R1*R1/λという関係があるため、これに基いて設計をする。
したがって、この円の中心が動けば、レンズが移動したことと同じ効果がうまれ、XとY方向に光軸を走査できる。また、輪帯の半径が動くようにグラフィック表示を変化させると、fすなわち、焦点距離が変化し、たとえば対物レンズから出射されたレーザスポットの結像位置を光軸に並行に移動させることができる。したがって、材料としては、そのグラフィック表示を高速で実現できる強誘電性液晶がもっとも理想的である。
ドットマトリクスのサイズは、0.2×0.2mm程度がのぞましく。それ以下なら尚いい。ドット数は128×128以上が望ましい。
図2や図3は、液晶ドットマトリクスによって、ゾーンプレートを表現したが、走査する解像度はこの液晶のマトリクスのドットサイズによって制限されているため、分解能に限界がある。分解能を向上させることを目的としてゾーンプレートを連続的に変化させた方法について述べる。
すなわち、電極パターンをあらかじめ透明電極で印刷作製し、そこに印加する電圧を変化させて電位勾配を連続的に変化させて、白と黒の輪帯の幅を可変し、焦点距離や光軸を変化させる方法を示す。
また、この方法が空間変調素子(ドットマトリクス)を使うより、高速応答特性を有している。すなわち、高解像で高速応答でX、Y、Zを走査することを実現する方法である。この方法は、屈折率の分布を使うものではない。したがって、用いる液晶は、応答電圧特性が急峻なもの、すなわち閾値電圧以上ではON、以下ではOFFという白か黒かの2値化特性を持つものが望ましい。しかし、用いる電極には、電界を連続的に可変させるために高抵抗電極を用いる方が望ましい。
電圧特性が急峻な応答特性を持つ液晶を利用すると、応答する閾値以上の部分で液晶の配列が一様に変化するところが、図2で示した不均一分布を形成させる方法と違う点である。すなわち、それ以上の電圧がかかると液晶は、黒く反転するようにセットする。V2をV2´にまで変化させると(図4(c)→(d))、液晶固有の閾値特性が一定であれば、輪帯が連続的に変化する。これによって焦点位置も連続的にかえることができる。これは円形のゾーンプレートのみではなく図3で示した平行のゾーンプレートにも応用可能である。すなわち、1度の液晶の立ち上がり応答によって、フォーカスが設定された境界条件から境界条件まで高速で連続的に変化させることができ超高速焦点距離制御素子が可能である。
この閾値電圧によって焦点距離が精密に制御できることで、対物レンズより出射されたレーザビームの焦点位置が正確に計算でき、それによって、試料の高さが計測することができる。
2:集光レンズ
5:X、Y、Z方向走査用液晶ゾーンプレート
6:対物レンズ
7:X,Y,Z方向走査面(試料位置)7がある。
Claims (4)
- サンプル面上に照射されたビームスポットからの反射/散乱光を光学系の結像面に置かれたピンホールを通して検出する共焦点光学系であって、光学系が、少なくとも照射系のピンホールから出た光を結像する結像レンズ、結像したコリメート光を試料に照射する対物レンズ、試料からの反射/散乱光を前記対物レンズ、結像レンズを通過した後、検出系のピンホールに通過させるビームスプリッタからなり、前記結像レンズがフレネルゾーンプレートであることを特徴とする共焦点光学系。
- フレネルゾーンプレートが、液晶レンズ、MEMSによって構成してなることを特徴とする共焦点光学系。
- 請求項1乃至2記載の共焦点光学系を使用した光学装置。
- 光学装置が、レーザ顕微鏡、全焦点カメラ、3次元計測装置、段差計測器、マシンビジョン及びロボットビジョン用のカメラのいずれかである請求項3記載の光学装置。
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