レーザー顕微鏡

レーザー顕微鏡とは、He-Neガスレーザーや半導体レーザーなどを検鏡のための光源として用いた顕微鏡のことをいいます。その中でも、共焦点（コンフォーカル）光学系と呼ばれる特殊な光学系を採用した顕微鏡は、共焦点顕微鏡、コンフォーカル顕微鏡とも呼ばれ、3次元形状や表面粗さなどさまざまな測定・観察・解析に用いられます。

もっと見る

共焦点（コンフォーカル）方式のレーザ顕微鏡は、高い分解能で対象物の3次元形状を取得することができます。光源にランプやLEDを使用している共焦点顕微鏡もありますが、輝度の高さなどからレーザーが共焦点方式にもっとも適した光源であるといえます。一般的な光学式顕微鏡の場合、受光素子にCMOSを用い、対象物にピントが合っていないボヤけた箇所も含めた像を捉えます。一方、レーザー共焦点顕微鏡は、レーザー光とピンホールなどを用い、以下の共焦点の原理で対象物の像を捉えます。

レーザー共焦点方式の原理

半導体やガス管などを用いたレーザー光源から放たれたレーザー光は、対物レンズで集光されて焦点を結びます。この焦点位置に置かれた対象物表面で反射したレーザーは対物レンズを通過し、再び焦点を結びます。
焦点位置には、ピンホールが配置されています。このとき反射したレーザー光がレーザ光源と同じ位置で焦点を結んでしまわないよう、ハーフミラーで受光素子（PMTやCCD、フォトダイオードなど）側に光軸を変更します。受光素子側で焦点を結んだ光は、ピンホールを通過して、すべての反射光が受光素子に入射します。
一方、焦点位置から外れている場合は、対物レンズで集光されるレーザー光はスポット状に集光されません。反射したレーザー光もピンホール上で焦点を結ばないため、ピンホール上のレーザースポットも大きくなります。そのため、ピンホールを抜けて受光素子に届く光は減少します。レーザー共焦点顕微鏡は、受光素子に戻ってくる反射光の強弱から、試料が焦点位置にあるかどうかを検出します。
このように対物レンズの焦点距離と等しい位置にピンホール、受光素子を配置した光学系を共焦点光学系といい、このような検出原理を共焦点の原理といいます。

レーザ共焦点方式の走査（スキャン）原理

レーザー顕微鏡の代表的なスキャン（走査）方式として、ガルバノスキャナ方式や音響光学素子（AOD）方式、ニポウディスク方式といった種類があります。

ガルバノスキャナ方式：
サーボモータの先端にレーザー光を反射させるミラーが付いています。サーボモータの制御でミラー角度を変えてX軸方向、Y軸方向にレーザー光を走査します。高い画質が得られますが、走査に時間がかかります。
音響光学素子（AOD）方式：
ガラスからなる音響光学媒体に圧電素子を接着し、この圧電素子に電気信号を加えて超音波を発生させ、音響光学媒体中を通るレーザー光を回折させて、光を偏向させる光音響素子を用います。走査速度が速い一方、画像が歪みやすいという課題があります。
ニポウディスク方式：
端に一列ないしは多数列のピンホールを螺旋状に持つ円盤（ディスク）を回転させ、ピンホールを通過した複数の光が試料表面上を走査します。比較的高い画質が得られますが、反射の低い試料の観察は困難です。

先進的なレーザー顕微鏡に併用される異なる走査（スキャン）原理

近年は、複数の異なるスキャン原理を組み合わせた先進的なレーザー顕微鏡が注目を集めています。白色干渉やフォーカスバリエーション（焦点移動）などスキャン原理の違いを使い分けることによって、それぞれの弱点を補い合うことができます。それにより、対象物の材質や形状、表面状態を選ぶことなく、1台でさまざまな対象物の測定・解析に対応することが可能になります。キーエンスの白色干渉計搭載 レーザ顕微鏡 VK-X3000シリーズは、先述のレーザー共焦点方式に加えて、以下の異なる原理を1台に集約し、対象物を選ばず、高倍率／低倍率を問わず、高精度かつ高分解能な測定・解析を可能にしました。

白色干渉の原理：
CMOS素子などの画像センサで光の干渉パターンを観測し、3次元形状を求める計測法です。基準平面鏡（参照面）を内蔵した干渉対物レンズを用いて、基準平面鏡（参照面）と対象物（測定面）に白色LEDなどの白色光を当てます。そうしてそれぞれの反射光同士を干渉させることで、基準平面鏡を基準にして対象物面の形状が、高さ1/2波長ごとの等高線となって干渉縞が現れます。この干渉縞を高精細カラーカメラで捉え、コンピュータ処理を行うことで干渉縞の最大強度の点を求めて凹凸を測定します。

A：参照ミラー　B：対物レンズ　C：ビームスプリッター　D：サンプル

フォーカスバリエーション（焦点移動）の原理：
被写界深度を基に決められた最適な移動ピッチで対物レンズを下から上に動かしながら、高精細カラーカメラで捉えた高画質画像のフォーカス変化（映像のボケ具合）を検知し、ピントが合った位置で高さを含む3D測定を可能とする方式です。対象物にピントが合っている映像は、隣接する画素の明るさを比較した場合、映像の明暗に応じて輝度差が大きくなります。一方、ピントが合っていない映像では、隣接する黒と白の輝度差が小さくなるため、最も輝度差が大きくなる時点でのレンズ位置を記録することによって対象物の高さ情報を記録できます。また、対物レンズの位置情報は内蔵されたリニアスケール（測長器）でモニタリングすることで、より正確な高さ情報が取得できます。対象物の3D測定を行うと同時に、ピントが合った時点の画像を重ね合わせ、全体に焦点が合った画像を生成することもできます。

レーザー顕微鏡のメリット1：さまざまな対象物の3次元形状の観察・測定が可能

さまざまな対象物に対応することができ、走査電子顕微鏡（SEM）のような真空状態を必要とせず、高倍率と深い焦点深度で全体にピントがあった像での観察はもちろん、3次元形状を確実にスキャンして測定することができます。

レーザー顕微鏡のメリット2：異なる原理の併用で、さらなる対応力を実現

複数の異なるスキャン原理をレーザー共焦点顕微鏡に搭載することで、測定・解析への対応力をさらに高めることができます。白色干渉や焦点移動（フォーカスバリエーション）といったスキャン原理の併用で、1台でそれぞれのメリットを活かし、デメリットを補い合うことができます。

レーザー顕微鏡のメリット3：全体の凹凸形状から表面粗さまで測定・解析を合理化

高倍率/低倍率での測定に対応したレーザー共焦点顕微鏡では、倍率によって異なる目的の測定に使用することができます。低倍率では、広い視野で対象物全体の凹凸形状を、高倍率では非接触で対象物表面の粗さを捉えることができます。

レーザー顕微鏡の業界別導入事例

ヘアラインや鏡面仕上げの表面粗さ測定

表面粗さは規格化されたパラメータが数多くあり、パラメータが多いほど測定が複雑になるため、評価に至るまでに多くの時間を要してしまします。また、数値化だけでは判断も難しく、合否判定や品質管理は困難をきわめます。キーエンスの白色干渉計搭載 レーザ顕微鏡 VK-X3000シリーズであれば、高精度に対象物の表面をスキャンし、定量的な3D測定が可能です。さらに測定結果を42個の粗さパラメータを利用して、複数のサンプルと比較しながら合否判定を行うことも可能。表面粗さの数値化はもちろん、粗さ分布をグラフによって視覚化できるため、材質・加工・質感・手触りなど、外観の違いを瞬時に定量化することができます。

観察画像と形状の同時比較と高解像度・超深度画像の取得

レーザー顕微鏡は、測定中にレーザー反射光量情報を取得します。このレーザー反射光量の情報を利用して対象物の表面状態を画像で取得することができます。白色干渉計搭載 レーザ顕微鏡 VK-X3000シリーズでは、レーザー用の受光素子（PMT）とは別に、カラーCMOSカメラを搭載し、対象物の色情報も同時に取得することができます。レーザー画像は非常に解像度が高く、また、焦点があった部分を積み重ねて画像を生成するため、走査電子顕微鏡（SEM）に匹敵する観察画像を得ることができます。また、高解像度のレーザー画像にカラーCMOSからの色情報を合成することで、対象物全体に焦点のあったカラー画像での観察が可能です。SEMでは実現できないカラー超深度画像も高精度な形状測定も1台で完結します。

大型対象物の測定

通常のレーザー顕微鏡の場合、XYステージに乗せることができる対象物以外は測定することができません。白色干渉計搭載 レーザ顕微鏡 VK-X3000シリーズは、顕微鏡を測定ヘッド部と土台部の二つに分けることができる構造を採用しています。そのため、大型ステージとレーザー顕微鏡を組み合わせて、大型の対象物に対応することができます。つまり、レーザー顕微鏡側の対象物のサイズ制限を解除し、大型対象物専用の治具が対応するサイズにそのまま対応することができます。たとえば、FPDパネルなど大型の対象物に対しても、VK-X3000シリーズの性能をそのまま活かして測定することができます。

Q.

レーザー顕微鏡で3次元測定するには、専門知識やスキル、経験が必要ですか？

A.

いいえ、白色干渉計搭載 レーザ顕微鏡 VK-X3000シリーズは、SEMや一般的な顕微鏡よりも簡単に操作することができます。それを可能としたのが「AI-Scan」という機能です。測定者は対象物を置いてクリックするだけで簡単に測定を完了させることができます。反射光量を確実に検知したり、受光量の自動調整で難しい表面状態に対応したり、複数のスキャン条件によって複雑な形状を測定する高度なアルゴリズムで信頼性の高い全自動測定を実現しました。測定者の経験や知識を問わず、誰が何回測定しても結果がバラつくことがありません。また、測定業務が属人化することなく、講習やトレーニングなどの時間も要しません。

Q.

レーザー顕微鏡はどれくらいまでのモニタ倍率に対応できますか？

A.

白色干渉計搭載 レーザ顕微鏡 VK-X3000シリーズ本体の総合倍率は、最大28800倍（23型モニター画面上でのフル画面表示時）まで対応します。特別なチューニングを経て、検品・出荷される専用レンズは、2.5倍～150倍まで豊富にラインナップしています。ワーキングディスタンスがしっかりとれて、ゆとりをもってサンプルを置ける作動距離が長いレンズや、アスペクト比が高い対象物用のレンズなど目的に合ったレンズを選ぶことができます。超長距離100倍レンズの場合でも、作動距離4.7mmに対してモニタ倍率2400倍までをカバーしています。

Q.

レーザー顕微鏡1台につき、1台のPCでしかソフトウェアを使用できませんか？

A.

白色干渉計搭載 レーザ顕微鏡 VK-X3000シリーズは、複数のPCで利用可能な「カンパニーライセンス制」を採っています。つまり、本体は1台でも、事業所内すべてのPCにソフトウェアをインストールして使用することができます。また、遠隔からの使用も可能なので、自宅での在宅ワークはもちろん、出張先のオフィスやホテルから活用することもできます。関係者全員ですぐにデータを共有できるため、迅速なプロジェクト推進が可能となります。

形状や平面度、表面粗さの測定に関する情報を集めたサイトです。レーザー顕微鏡の原理や三次元測定機の使い方、表面粗さを測る測定器の長所短所まで丸ごと紹介します。

詳しくはこちら

• レーザー顕微鏡の原理について
• 他の原理の顕微鏡との違いについて
• どのような測定が可能か
• 測定器としての共焦点レーザー顕微鏡の実力
• 共焦点レーザー顕微鏡が活躍する現場

表面粗さの定義・関連用語から、RaやRzなどの粗さパラメータ、測定器の長所短所まで、「粗さ」について丸ごと学べます。

詳しくはこちら

• 表面粗さ測定の種類と規格
• 面粗さ(ISO 25178)とは
• 非接触式表面粗さ・共焦点レーザ顕微鏡
• 粗さ測定事例

• レーザ顕微鏡入門：VK-X レーザ顕微鏡

  レーザー顕微鏡の原理・特長を基礎からわかりやすく解説しています。これからレーザー顕微鏡を使いたいという人はもちろん、古いレーザー顕微鏡を長年使っているが最新の技術について知りたいという人も必読の1冊です。

  ダウンロード

  
• 職種別/業界別事例集：VK-X レーザ顕微鏡

  これまで諦めていた形状・粗さの測定、観察。SEMや粗さ計、光学顕微鏡、そして今では古くなってしまったレーザー顕微鏡での課題と、最新の解決事例を実際の測定・観察画像とともにわかりやすく紹介する1冊です。

  ダウンロード

  
• 白色干渉顕微鏡をお使いの皆様へ 白色干渉顕微鏡の困りごとを解消します：VK-X レーザ顕微鏡

  観察能力や材質の影響・測定限界、操作・解析作業など、白色干渉顕微鏡のお困りごと別に、最新のレーザー顕微鏡での解決方法を解説します。観察・解析画像の画質や性能、使い勝手の違いをわかりやすく比較することができます。

  ダウンロード

  
• 電子顕微鏡とレーザ顕微鏡の違い 詳しく教えます！

  SEM（走査電子顕微鏡）をお使いの方は必読の1冊。最新の形状解析レーザー顕微鏡なら「簡単にここまでできる」を豊富な測定・観察画像とともにわかりやすく紹介しています。SEMでの課題を解決する、納得情報が盛りだくさんです。

  ダウンロード

  
• 表面粗さの測り方：VK-X レーザ顕微鏡

  触針式表面粗さ測定機の基礎知識、測り方と注意点などを1冊に集約。表面粗さ測定の種類と規格、基本用語や表面粗さの図示方法とその詳しい説明などを網羅。ワークの表面粗さを測定する人には、何かと役立つ情報が満載です。

  ダウンロード