コンフォーカル(共焦点)顕微鏡は、従来の光学顕微鏡に比べて高い解像力をもつ測定用の顕微鏡です。照明方式は反射型と透過型がありますが、工業用途で使われるタイプは、主に反射型になります。これにより、凹凸のある試料面に対して、視野内全面にピントの合った高解像度画像を得ることができ、また非破壊、非接触の3次元形状計測を可能にしました。

光源にレーザーが使用されている場合は、レーザー顕微鏡※1と呼ばれていますが、これもコンフォーカル(共焦点)顕微鏡に含まれます。また、スポットやライン状に絞った光をXYスキャンすることで2次元画像を得ることから、SEMやSPMのような走査型顕微鏡の1つとも言えます。

一般的に光学顕微鏡の性能は、使用する光の波長と対物レンズのN.A.(開口数)に大きく影響されます。いくら短い波長の光を使用しても、N.A.を大きくしないと解像力は高くなりません。従って、微細なパターン等の観察にはN.A.の大きい高倍率の対物レンズが必要になります。ところが、このようなレンズを使用して傾斜面や凹凸の大きい試料面を観察すると、視野全体にピントを合わせることが困難になります。これはN.A.が大きい程、焦点深度(XYの解像力を維持できるピントの許容範囲)が浅くなるためで、解像力と焦点深度はトレードオフの関係にあり、両立することができません。

しかしながら、コンフォーカル(共焦点)顕微鏡を使用することで、この相反する課題を解決することができます。それは、この顕微鏡に採用されているコンフォーカル(共焦点)光学系の特徴によるものです。

1. 高解像度画像

コンフォーカル(共焦点)光学系には、従来の顕微鏡と異なり、焦点の合った部分だけが際立って明るく撮像される(非合焦の部分は暗い)特性があります。これをオプティカルセクショニングと呼び、セクショニングされた部分は、焦点の合っていない箇所からの不要散乱光が除去されるため、高コントラストになり、解像度が上がります。
モニターに表示される焦点の合った部分のライブ画像に対して、Zスキャン※2を行うことで、セクショニングされた高解像度画像を、奥行き方向へ繋ぎ合わせることが出来ます。
つまり、焦点位置を変えながら、各画素が最大輝度となるZ位置と最大輝度の値を連続的に画像メモリーに取り込み積算することで、視野全面に焦点が合った1枚の画像を構成することができ、結果として焦点深度を深くすることができます。

2. 3次元画像

さらに、オプティカルセクショニング効果により、Z方向にも解像力を持つという特性が得られます。つまり、Zスキャンによって画像の各点に記録されたZ位置情報から、表面の3次元構造も構成することができます。従って、通常の光学顕微鏡では出来ない、表面形状測定、段差測定、粗さ測定などを行うことができます。

  1. ※1レーザー顕微鏡 = 走査型レーザー共焦点顕微鏡(SLM)
  2. ※2Zスキャン = 光軸方向に試料と対物レンズ間の距離を変化させる走査

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