レーザー顕微鏡

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。

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。

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。

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。

レーザー共焦点（コンフォーカル）顕微鏡は、焦点深度の深い観察画像（全焦点画像）による観察と3次元形状の測定が同時に行うことができ、拡大観察機器と測定機器を兼ね備えた機器といえます。試料に対する大きさや材質の制限がなく、常温・大気中の環境下で観察ができ、操作が容易で光学顕微鏡感覚で使える機器です。試料への前処理が不要であり、カラー観察もできるため、対象物の状態を忠実に解析することができます。たとえば、透明体の膜表面、膜の内部・裏面の観察、膜厚形状なども測定することができます。

一般に、レーザー共焦点顕微鏡は、対象物や測定内容によっては、垂直分解能や走査・測定スピードにおいて課題が生じることがありました。白色干渉の原理であれば、倍率に依存することなく、安定した垂直分解能を保持することができます。また、スキャン速度が高く、低倍率での広範囲の測定を得意とするため、高倍率／低倍率での使用が安定します。キーエンスのレーザー顕微鏡は、レーザー共焦点方式と白色干渉方式に加え、Z軸の焦点位置ごとに確実なスキャンを可能とするフォーカスバリエーション（共焦点）方式の3つのスキャン原理を1台に集約しました。これにより、対象物の形状や材質、反射率、透明度などを問いません。

レーザー共焦点・白色干渉・フォーカスバリエーション（焦点移動）の3つ方法式を搭載したキーエンスのレーザー顕微鏡であれば、広視野で対象物全体の凹凸形状を測定することができ、そのまま1台で肉眼では見ることができない微細形状を高精細なデータで取得し、表面粗さまで確実に捉えることができます。ミリからマイクロ、ナノ単位の測定・解析を自由自在に行うことができます。また、複数の測定機や顕微鏡を使用する場合に比べて、測定・解析にかかる時間を飛躍的に短縮できるほか、データを一元管理することができるのも大きなメリットです。