特許 6971770 拡大観察装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6971770

(24)【登録日】2021年11月5日

(45)【発行日】2021年11月24日

(54)【発明の名称】拡大観察装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 21/00 20060101AFI20211111BHJP

   G02B 7/04 20210101ALI20211111BHJP

   G02B 7/08 20210101ALI20211111BHJP

   G01B 11/24 20060101ALN20211111BHJP

   G01B 9/04 20060101ALN20211111BHJP

【ＦＩ】

   G02B21/00

   G02B7/04 C

   G02B7/08 A

   !G01B11/24 A

   !G01B9/04

【請求項の数】10

【全頁数】26

(21)【出願番号】特願2017-201985(P2017-201985)

(22)【出願日】2017年10月18日

(65)【公開番号】特開2019-74692(P2019-74692A)

(43)【公開日】2019年5月16日

【審査請求日】2020年9月23日

(73)【特許権者】

【識別番号】000129253

【氏名又は名称】株式会社キーエンス

(74)【代理人】

【識別番号】110001427

【氏名又は名称】特許業務法人前田特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】柏原 光宏

【審査官】 瀬戸 息吹

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−０７２９７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１２２３７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−３３００３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１５２２５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−１３８９３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平９−１３８３５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−９２６９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１７−１０７２１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平７−９１９４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１４／０１８５１３６（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ １９／００ − ２１／３６

Ｇ０２Ｂ ７／０２ − ７／１６

Ｇ０１Ｂ ９／００ − ９／１０

Ｇ０１Ｂ １１／００ − １１／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

観察対象物を拡大して観察可能にする拡大観察装置において、
観察対象物を載置するための載置台と、
観察対象物に向けて光を照射する観察用照明と、
所定の中心軸まわりに回転するレボルバ、及び、該レボルバに対して取付可能な複数の対物レンズを有する観察光学系と、
前記観察光学系と前記載置台との相対距離を変更自在な垂直移動機構と、
高さ情報を検知する高さ情報検知手段と、
前記観察光学系を介して観察対象物を撮像するための受光素子と、
前記垂直移動機構による前記相対距離に対応して前記高さ情報検知手段により検知した高さ情報と前記受光素子により取得した画像とに基づいてフォーカス探索をするフォーカス探索手段と、を備え、
前記複数の対物レンズは、光学レンズを有する第１レンズと、前記観察用照明を光源とする光路が光学レンズの周囲に設けられて成る第２レンズと、を含んで構成され、
前記レボルバの下面には、前記第１レンズを取り付けるための１以上の第１取付孔と、前記第２レンズを取り付けるための２以上の第２取付孔とが、前記中心軸と同心の円周に沿って各々等間隔で並んでいるとともに、その円周方向において、前記第２取付孔の間に前記第１取付孔が配置されていることを特徴とする拡大観察装置。

【請求項2】

観察対象物を拡大して観察可能にする拡大観察装置において、
観察対象物を載置するための載置台と、
観察対象物に向けて光を照射する観察用照明と、
所定の中心軸まわりに回転するレボルバ、及び、該レボルバに対して取付可能な複数の対物レンズを有する観察光学系と、
前記観察光学系と前記載置台との相対距離を変更自在な垂直移動機構と、
高さ情報を検知する高さ情報検知手段と、
前記観察光学系を介して観察対象物を撮像するための受光素子と、
前記垂直移動機構による前記相対距離に対応して前記高さ情報検知手段により検知した高さ情報と前記受光素子により取得した画像とに基づいてフォーカス探索をするフォーカス探索手段と、を備え、
前記複数の対物レンズは、光学レンズを有する第１レンズと、前記観察用照明を光源とする光路が光学レンズの周囲に設けられて成る第２レンズと、を含んで構成され、
前記レボルバの下面には、前記第１レンズを取り付けるための１以上の第１取付孔と、前記第２レンズを取り付けるための２以上の第２取付孔とが、前記中心軸と同心の円周に沿って各々非等間隔で並んでいることを特徴とする拡大観察装置。

【請求項3】

請求項１又は２に記載された拡大観察装置において、
前記レボルバを回転可能に支持する観察ユニットと、
前記観察ユニットに設けられ、前記レボルバ、及び、該レボルバに取り付けられた対物レンズに対して側方から接離するように構成されたレボルバストッパと、を備え、
前記レボルバストッパは、
前記レボルバを係止するための係止部と、
前記対物レンズの側部に設けられた電極へと接続されることにより、該電極を介して前記観察用照明に電力を供給するよう構成された端子と、を有することを特徴とする拡大観察装置。

【請求項4】

請求項１から３のいずれか１項に記載された拡大観察装置において、
前記レボルバの下面には、前記第２レンズにおいて前記観察用照明を光源とする光路を位置決めするための位置決め突起、又は、位置決め穴が形成されていることを特徴とする拡大観察装置。

【請求項5】

請求項１から４のいずれか１項に記載された拡大観察装置において、
前記第２レンズは、前記レボルバに対して磁力により取り付けられることを特徴とする拡大観察装置。

【請求項6】

請求項５に記載された拡大観察装置において、
前記レボルバと前記第２レンズとは、該レボルバ及び第２レンズの一方に形成される第１位置決め部と、その他方に形成される第２位置決め部とからなる相補的な凹凸形状によって位置決めされ、
前記第１位置決め部および前記第２位置決め部の少なくとも一方には、前記第２レンズを前記レボルバに対して磁力により取り付けるための磁石が設けられることを特徴とする拡大観察装置。

【請求項7】

請求項１から４のいずれか１項に記載された拡大観察装置において、
前記レボルバと前記第２レンズとは、該レボルバ及び第２レンズの一方に形成される第１位置決め部と、その他方に形成される第２位置決め部とからなる相補的な凹凸形状によって位置決めされ、
前記第２レンズは、前記レボルバに対して前記凹凸形状を介して嵌合されることを特徴とする拡大観察装置。

【請求項8】

請求項６又は７に記載された拡大観察装置において、
前記第２レンズを構成する前記光学レンズは、前記レボルバの下面に対して螺合取付される一方、前記第２レンズにおいて前記観察用照明を光源とする光路は、前記凹凸形状を介して位置決めされることを特徴とする拡大観察装置。

【請求項9】

請求項１から８のいずれか１項に記載された拡大観察装置において、
前記レボルバは、前記第２レンズの外部に設けられた前記観察用照明を光源としかつ、該レボルバを貫通する光路を有することを特徴とする拡大観察装置。

【請求項10】

請求項１から８のいずれか１項に記載された拡大観察装置において、
前記観察用照明の光源は、前記第２レンズに収容されていることを特徴とする拡大観察装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、観察対象物を拡大して観察可能にする拡大観察装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来より、複数の対物レンズを備えた拡大観察装置が知られている。この拡大観察装置では、対物レンズごとに倍率等が異なっており、それら対物レンズが取り付けられたレボルバを回転させることによって、観察に用いる対物レンズを変更するようになっている。

【0003】

特許文献１には、そうしたレボルバの一例が記載されている。具体的に、この特許文献１に記載されたレボルバは、所定の中心軸（回転中心）まわりに回転するように構成されており、複数の対物レンズは、その中心軸と同心の円周に沿って等間隔に並んでいる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０００−３３００３４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

前記特許文献１に記載されているように、レボルバに対して複数の対物レンズを取り付けるときには、例えば、上述の円周方向に沿って、各対物レンズを倍率順に並べることが考えられる。

【0006】

ところで、一般的な拡大観察装置では、その観察対象に向けて光を照射することが求められる。この場合、光の照射方法としては、いわゆるリング照明が知られている。

【0007】

リング照明とは、対物レンズの外周からリング状の光を照射するものであり、一般的には、低倍率の対物レンズにおいて用いられる。そのため、低倍率側の対物レンズに関してはリング照明を採用する一方、高倍率側の対物レンズに関してはリング照明を採用せず、同軸落射照明など、他の方法のみを採用することが考えられる。この場合、上述のように、各対物レンズを倍率順に並べた場合、リング照明を採用した対物レンズ同士が、前記円周方向において隣接するようになる。

【0008】

しかし、リング照明を採用した場合、対物レンズを成す光学レンズの周囲に別体の照明ユニットを取り付けたり、いわゆる暗視野対物レンズとするべく、光学レンズの周囲にリング状の光路を設けたりする必要があるため、対物レンズの寸法は、径方向に嵩むことになる。

【0009】

そのため、仮に、複数の対物レンズを等間隔に並べたときに、リング照明を採用した対物レンズ同士が隣接する場合、レンズ間の干渉を抑制するためには、リング照明を採用していない対物レンズも含めて、全ての対物レンズを離間させることが求められる。

【0010】

しかし、全ての対物レンズを離間させてしまうと、レボルバの大型化や重量増を招いたりする可能性がある。このことは、レボルバの振動抑制等を考慮すると好ましくない。

【0011】

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、レボルバの小型化及び軽量化を実現可能とすることにある。

【課題を解決するための手段】

【0012】

前記目的を達成するために、第１の発明は、観察対象物を拡大して観察可能にする拡大観察装置において、観察対象物を載置するための載置台と、観察対象物に向けて光を照射する観察用照明と、所定の中心軸まわりに回転するレボルバ、及び、該レボルバに対して取付可能な複数の対物レンズを有する観察光学系と、前記観察光学系と前記載置台との相対距離を変更自在な垂直移動機構と、高さ情報を検知する高さ情報検知手段と、前記観察光学系を介して観察対象物を撮像するための受光素子と、前記垂直移動機構による前記相対距離に対応して前記高さ情報検知手段により検知した高さ情報と前記受光素子により取得した画像とに基づいてフォーカス探索をするフォーカス探索手段と、を備え、前記複数の対物レンズは、光学レンズを有する第１レンズと、前記観察用照明を光源とする光路が光学レンズの周囲に設けられて成る第２レンズと、を含んで構成され、前記レボルバの下面には、前記第１レンズを取り付けるための１以上の第１取付孔と、前記第２レンズを取り付けるための２以上の第２取付孔とが、前記中心軸と同心の円周に沿って各々等間隔で並んでいるとともに、その円周方向において、前記第２取付孔の間に前記第１取付孔が配置されていることを特徴とする。

【0013】

この構成によれば、第２レンズは、観察用照明を光源とする光路の分だけ第１レンズよりも大径となる。そして、前記のように第１取付孔と第２取付孔を配置することで、各対物レンズを等間隔で並べつつも、２つの第２レンズの間に第１レンズを配置することが可能となる。こうした構成は、各対物レンズを等間隔で並べたときに第２レンズ同士を隣接させたような構成と比較して、各取付孔を可能な限り近接させることができるため、レボルバの小型化及び軽量化を実現することができる。

【0014】

第２の発明は、観察対象物を拡大して観察可能にする拡大観察装置において、観察対象物を載置するための載置台と、観察対象物に向けて光を照射する観察用照明と、所定の中心軸まわりに回転するレボルバ、及び、該レボルバに対して取付可能な複数の対物レンズを有する観察光学系と、前記観察光学系と前記載置台との相対距離を変更自在な垂直移動機構と、高さ情報を検知する高さ情報検知手段と、前記観察光学系を介して観察対象物を撮像するための受光素子と、前記垂直移動機構による前記相対距離に対応して前記高さ情報検知手段により検知した高さ情報と前記受光素子により取得した画像とに基づいてフォーカス探索をするフォーカス探索手段と、を備え、前記複数の対物レンズは、光学レンズを有する第１レンズと、前記観察用照明を光源とする光路が光学レンズの周囲に設けられて成る第２レンズと、を含んで構成され、前記レボルバの下面には、前記第１レンズを取り付けるための１以上の第１取付孔と、前記第２レンズを取り付けるための２以上の第２取付孔とが、前記中心軸と同心の円周に沿って各々非等間隔で並んでいることを特徴とする。

【0015】

この構成によれば、前記のように第１取付孔と第２取付孔を配置することで、例えば隣り合う第２取付孔の間の距離（特に、各第２取付孔の中心軸間の距離）を十分に確保する一方で、隣り合う第１取付孔同士を近接させることができる。そのことで、レボルバの小型化及び軽量化を実現することができる。

【0016】

第３の発明は、前記レボルバを回転可能に支持する観察ユニットと、前記観察ユニットに設けられ、前記レボルバ、及び、該レボルバに取り付けられた対物レンズに対して側方から接離するように構成されたレボルバストッパと、を備え、前記レボルバストッパは、前記レボルバを係止するための係止部と、前記対物レンズの側部に設けられた電極へと接続されることにより、該電極を介して前記観察用照明に電力を供給するよう構成された端子と、を有することを特徴とする。

【0017】

ここで、仮に、レボルバストッパと端子とを別体とした場合、端子を移動させるための機構が別途必要となり、装置の大型化を招く可能性がある。

【0018】

対して、前記の構成によれば、レボルバストッパに端子を設けることにより、拡大観察装置をコンパクトに構成することができる。

【0019】

第４の発明は、前記レボルバの下面には、前記第２レンズにおいて前記観察用照明を光源とする光路を位置決めするための位置決め突起、又は、位置決め穴が形成されていることを特徴とする。

【0020】

第５の発明は、前記第２レンズは、前記レボルバに対して磁力により取り付けられることを特徴とする。

【0021】

第６の発明は、前記レボルバと前記第２レンズとは、該レボルバ及び第２レンズの一方に形成される第１位置決め部と、その他方に形成される第２位置決め部とからなる相補的な凹凸形状によって位置決めされ、前記第１位置決め部および前記第２位置決め部の少なくとも一方には、前記第２レンズを前記レボルバに対して磁力により取り付けるための磁石が設けられることを特徴とする。

【0022】

第７の発明は、前記レボルバと前記第２レンズとは、該レボルバ及び第２レンズの一方に形成される第１位置決め部と、その他方に形成される第２位置決め部とからなる相補的な凹凸形状によって位置決めされ、前記第２レンズは、前記レボルバに対して前記凹凸形状を介して嵌合されることを特徴とする。

【0023】

第８の発明は、前記第２レンズを構成する前記光学レンズは、前記レボルバの下面に対して螺合取付される一方、前記第２レンズにおいて前記観察用照明を光源とする光路は、前記凹凸形状を介して位置決めされることを特徴とする。

【0024】

第９の発明は、前記レボルバは、前記第２レンズの外部に設けられた前記観察用照明を光源としかつ、該レボルバを貫通する光路を有することを特徴とする。

【0025】

第１０の発明は、前記観察用照明の光源は、前記第２レンズに収容されていることを特徴とする。

【発明の効果】

【0026】

本発明によれば、レボルバの小型化及び軽量化を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】本発明の実施形態に係る拡大観察装置のシステム構成を示す模式図である。

【図2】観察ユニットの斜視図である。

【図3】観察ユニットの光学系及び照明系を示す模式図である。

【図4】拡大観察装置のブロック図である。

【図5】１つの画素において観察対象物のＺ方向の位置と受光強度との関係を示す図である。

【図6】測定時の手順を示すフローチャートである。

【図7】複数の対物レンズが取り付けられた状態のレボルバを示す側面図である。

【図8】複数の対物レンズが取り付けられた状態のレボルバを下方から見て示す図である。

【図9】複数の対物レンズが取り外された状態のレボルバを示す側面図である。

【図10】複数の対物レンズが取り外された状態のレボルバを下方から見て示す図である。

【図11】上図はリング照明付き対物レンズを上方から見て示す図であり、下図はリング照明付き対物レンズを正面から見て示す図である。

【図12】第１及び第２取付孔の配置を概略的に示す図である。

【図13】レボルバストッパのリリース状態とホールド状態を下方から見て示す図である。

【図14】レボルバストッパのリリース状態とホールド状態を側方から見て示す図である。

【図15】第２の実施形態を示す図１２対応図である。

【図16】第１及び第２の実施形態の変形例を概略的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0028】

《第１の実施形態》
以下、本発明を実施するための第１の形態（以下、単に「実施形態」又は「第１の実施形態」という）を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

【0029】

（拡大観察装置１の全体構成）
図１は、本発明の実施形態に係る拡大観察装置１のシステム構成を示す模式図である。この拡大観察装置１は、観察対象物ＳＰを拡大して観察可能にするための装置であり、例えば単に顕微鏡と呼ぶことや、デジタルマイクロスコープ、走査顕微鏡等と呼ぶことができる。また、後述するように、観察対象物ＳＰの三次元形状を取得できることから三次元形状測定機と呼ぶこともできる。

【0030】

拡大観察装置１は、観察ユニット２と外部ユニット３とで構成することができるが、外部ユニット３を観察ユニット２に組み込んで一体化することもできる。観察ユニット２と外部ユニット３とで拡大観察装置１を構成する場合には、外部ユニット３に、観察ユニット２に電力を供給する電力供給装置３ａを設けることができる。観察ユニット２と外部ユニット３とは、配線２ａによって接続されている。

【0031】

また、拡大観察装置１には、操作用端末４を接続することができる。外部ユニット３に内蔵されている通信部３ｂ（図４に示す）によって操作用端末４の接続が可能になる。操作用端末４は、表示部５、キーボード６、マウス７及び記憶装置８を備えている。操作用端末４は、観察ユニット２や外部ユニット３に組み込んで一体化して拡大観察装置１の構成部材とすることができ、この場合は「操作用端末」ではなく、コントロールユニット等と呼ぶことができるが、この実施形態では、観察ユニット２及び外部ユニット３とは別体としている。

【0032】

表示部５、キーボード６、マウス７及び記憶装置８についても、それぞれ観察ユニット２や外部ユニット３に組み込んで一体化して拡大観察装置１の構成部材とすることができる。つまり、操作用端末４、表示部５、キーボード６、マウス７及び記憶装置８も拡大観察装置１の一部とすることができ、例えば、表示部５付きの拡大観察装置１、キーボード６及びマウス７（操作部）付きの拡大観察装置１とすることもできる。

【0033】

キーボード６及びマウス７は、従来から周知のコンピュータ操作用の機器であり、操作用端末４を操作するための操作部であり、これらによって拡大観察装置１を操作することができる。キーボード６及びマウス７の操作により、各種情報の入力や選択操作、画像の選択操作、領域指定、位置指定等を行うことができる。キーボード６及びマウス７は、操作部としての一例であり、キーボード６及びマウス７の代わり、またはキーボード６及びマウス７に加えて、たとえば、各種ポインティングデバイス、音声入力機器、タッチ操作パネル等のコンピュータ操作用の機器を使用することもできる。

【0034】

表示部５は、例えば、液晶表示パネルや有機ＥＬパネル等のようなカラー表示可能な表示デバイスで構成されている。表示部５に操作部としてのタッチ操作パネルを組み込むようにしてもよい。

【0035】

また、後述する各部材、手段、素子、ユニット等は、観察ユニット２、外部ユニット３、操作用端末４のいずれに設けられていてもよい。

【0036】

拡大観察装置１には、上述した機器や装置以外にも、操作や制御を行うための装置、プリンタ、その他の各種処理を行うためのコンピュータ、記憶装置、周辺機器等を接続することもできる。この場合の接続は、例えば、ＩＥＥＥ１３９４、ＲＳ−２３２ｘやＲＳ−４２２、ＵＳＢ等のシリアル接続、パラレル接続、あるいは１０ＢＡＳＥ−Ｔ、１００ＢＡＳＥ−ＴＸ、１０００ＢＡＳＥ−Ｔ等のネットワークを介して電気的、あるいは磁気的、光学的に接続する方法等を挙げることができる。また、有線接続以外にも、ＩＥＥＥ８０２．ｘ等の無線ＬＡＮやＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）等の電波、赤外線、光通信等を利用した無線接続等でもよい。さらにデータの交換や各種設定の保存等を行うための記憶装置に用いる記憶媒体としては、例えば、各種メモリカードや磁気ディスク、光磁気ディスク、半導体メモリ、ハードディスク等を利用することができる。尚、拡大観察装置１は、観察ユニット２及び外部ユニット３と、それら以外の前記各種ユニットや装置、機器を組み合わせて全体を拡大観察システム、デジタルマイクロスコープシステム等ということもできる。

【0037】

（観察ユニット２の全体構成）
観察ユニット２の外観形状は図２等に示すようになっており、作業台等に載置されるベース２０と、ベース２０の奥側部分から上側へ向かって延びる支持部２１と、支持部２１の上部に設けられたヘッド部２２とで構成されている。観察ユニット２は、ヘッド部２２を介して後述の電動レボルバ２８を回転可能に支持している。尚、観察ユニット２の手間側とは、作業者（観察者）が観察ユニット２に対して通常の操作姿勢で向かい合ったときに作業者に近くなる側であり、観察ユニット２の奥側とは、作業者が観察ユニット２に対して通常の操作姿勢で向かい合ったときに作業者から遠くなる側である。これは説明の便宜を図るために定義するだけであり、実際の使用状態を限定するものではない。

【0038】

観察ユニット２は、観察対象物ＳＰを載置するための水平な電動載置台２３と、図３等に示す観察対象物ＳＰに向けて光を照射する観察用照明としての同軸落射照明２４及びリング照明２５と、点光源としてのレーザー出力部２６と、観察光学系としての非共焦点観察光学系３０及び共焦点観察光学系４０と、撮像素子（受光素子）５０と、光電子倍増管（受光素子）５１とを備えている。観察光学系は、テレセントリック光学系である。

【0039】

電動載置台２３は、図１や図２に示す昇降ダイヤル２３ａの回転操作によって上下方向に移動させることができるようになっている。観察対象物ＳＰの厚みや高さに応じて使用者が昇降ダイヤル２３ａを回転操作するのは、他の光学顕微鏡と同様である。

【0040】

（非共焦点観察光学系３０の構成）
非共焦点観察光学系３０は、従来から光学顕微鏡に使用されている光学系の基本構造と同様に構成することができ、同軸落射照明２４及びリング照明２５を観察用の光源としており、観察対象物ＳＰから反射した光を撮像素子５０によって受光するように構成されている。具体的には、非共焦点観察光学系３０は、観察対象物ＳＰ側から撮像素子５０側に向かって順に配置された対物レンズ２７、電動の変倍機構である電動レボルバ（レボルバ）２８、第１ハーフミラー３１及び第２ハーフミラー３２を少なくとも備えている。第１ハーフミラー３１は無偏光ハーフミラーとすることができる。第１ハーフミラー３１及び第２ハーフミラー３２は、対物レンズ２７の観察光路上に配置されており、観察対象物ＳＰが照明されていると、観察対象物ＳＰで反射された光Ｌ１が、対物レンズ２７、第１ハーフミラー３１及び第２ハーフミラー３２を通って撮像素子５０で受光される。

【0041】

撮像素子５０は、観察対象物ＳＰの画像を取得するために、非共焦点観察光学系３０を介して観察対象物ＳＰを撮像する。具体的には、撮像素子５０は、非共焦点観察光学系３０を通して得られた光の強度を電気信号に変換するＣＣＤ(charge-coupled device)やＣＭＯＳ（complementary metal oxide semiconductor）等の撮像素子からなるイメージセンサを使用することができるが、これらに限られるものではない。撮像素子５０は、色情報も取得することができるセンサである。また、撮像素子５０の露光時間は任意に調整可能となっている。

【0042】

（同軸落射照明２４の構成）
同軸落射照明２４は、対物レンズ２７を介して観察対象物ＳＰを照明するための光源となる照明ユニットであり、対物レンズ２７の光軸上に照明光路が位置するように観察対象物ＳＰの観察面を照明する。同軸落射照明２４は、例えばＬＥＤ等の発光体２４ａを有するとともに、その発光体２４ａの光が入射するコレクタ２４ｂ、リレーレンズ２４ｃ、ミラー２４ｄ及びレンズ２４ｅを有している。発光体２４ａの光は、コレクタ２４ｂ及びリレーレンズ２４ｃを通った後、ミラー２４ｄによって方向変換されてからレンズ２４ｅに入射する。レンズ２４ｅから出射した光は、第１ハーフミラー３１によって観察対象物ＳＰ方向へ変換されてから対物レンズ２７の観察光軸上に照射され、対物レンズ２７を通って観察対象物ＳＰを照明する。同軸落射照明２４は、後述す制御部７２によってＯＮ／ＯＦＦ及びＯＮ時の光量が制御される。

【0043】

同軸落射照明２４は、鏡面もしくは鏡面に近い観察面を観察するのに適しており、観察面の反射率の違いをコントラスト高く観察することができるという利点がある。

【0044】

（リング照明２５の構成）
リング照明２５は、図３に模式的に示しているように、対物レンズ２７の周囲を囲むように配置された非同軸落射照明であり、対物レンズ２７の光軸の周囲から観察対象物ＳＰを照明する。図７に示すように、電動レボルバ２８には、対物レンズ２７を取り付けるための複数の取付孔２８ａ、２８ｂが回転中心線周りに間隔をあけて形成されており、それら取付孔２８ａ、２８ｂの各々に倍率の異なる対物レンズ２７Ａ、２７Ｂが取り付けられている。対物レンズ２７Ａは、リング照明２５を有さない光学レンズ（以下、単に「レンズ」という場合がある）によって構成されている。対して、対物レンズ２７Ｂは、光学レンズ２７ａ（図１１を参照）の外周部にリング照明２５が取り付けられて成る。以下に説明するように、対物レンズ２７Ｂを構成する光学レンズ２７ａの周囲には、リング照明２５のケース２５ａに収容された光源から出射される光のための光路が設けられている。

【0045】

以下の記載では、２種類の対物レンズ２７を区別するために、リング照明２５を有さない対物レンズ２７Ａを「第１レンズ」２７Ａと呼称する一方、リング照明２５を有する対物レンズ２７Ｂを「第２レンズ」２７Ｂと呼称する場合がある。

【0046】

また、複数の取付孔２８ａ、２８ｂのうち、第１レンズ２７Ａを取り付けるための取付孔２８ａを「第１取付孔」２８ａと呼称する一方、第２レンズ２７Ｂを取り付けるための取付孔２８ｂを「第２取付孔」２８ｂと呼称する場合もある。

【0047】

リング照明２５は、複数のＬＥＤ等の光源（図示せず）を収容したリング形状のケース２５ａと、ケース２５ａの下部に設けられた光透過部材２５ｂとを有している。ケース２５ａは、対物レンズ２７Ｂが有するレンズの周囲を囲むように形成されており、内部に収容されている複数の光源は、対物レンズ２７Ｂが有するレンズの周囲を囲むように配置されている。光源から出射された光は、光透過部材２５ｂによって集光されて電動載置台２３に載置されている観察対象物ＳＰに向けて照射される。電動レボルバ２８の回動位置が、対物レンズ２７Ａを現在の観察用対物レンズとして選択する位置にある場合には、リング照明２５は機能しないが、対物レンズ２７Ｂを現在の観察用対物レンズとして選択する位置である場合には、リング照明２５を機能させることができる。リング照明２５は、後述する照明制御部７２ｃによってＯＮ／ＯＦＦ及びＯＮ時の光量が制御される。

【0048】

また、リング照明２５以外にも、対物レンズ２７の周囲から観察対象物ＳＰの観察面を照明する側射照明や、対物レンズ２７の光軸の周囲から観察対象物ＳＰの観察面を照明する暗視野照明を使用することもできる。これら照明は従来から顕微鏡に使用されている照明であることから詳細な説明は省略する。

【0049】

リング照明２５、側射照明及び暗視野照明の場合、紙などの拡散体や凹凸の大きい観察面を観察するのに適しており、対物レンズ２７の周囲又は光軸の周囲から光を照射するため、同軸落射照明２４では光が返って来ないような傾斜面も明るく照らすことができるという利点がある。また、暗視野対物レンズを使用することもできる。

【0050】

フォーカス合成の原理では、観察対象物ＳＰの観察面にピントが合っているか否かをその点の高さの判定手段として用いているため、同軸落射照明２４よりもリング照明２５（側射照明及び暗視野照明）が適している場合がある。

【0051】

（共焦点観察光学系４０の構成）
図３に示す共焦点観察光学系４０は、従来から共焦点顕微鏡に使用されている光学系の基本構造と同様に構成することができ、レーザー出力部２６を光源としており、観察対象物ＳＰで反射した光を光電子倍増管５１で受光するように構成されている。光電子倍増管５１は、共焦点観察光学系４０を介して観察対象物ＳＰを測定するための部品である。

【0052】

共焦点観察光学系４０は、前記非共焦点観察光学系３０の対物レンズ２７と電動レボルバ２８とを有しており、従って、対物レンズ２７と電動レボルバ２８は、共焦点観察光学系４０及び非共焦点観察光学系３０で共通化されている。

【0053】

さらに、共焦点観察光学系４０は、ダイクロイックプリズム４１と、第１レンズ４２と、ＸＹスキャナ部４３と、１／４波長板４４と、偏光ビームスプリッタ４５と、ピンホールレンズ４６と、ピンホール板４７と、減光フィルタ（ＮＤフィルタ）４８とを少なくとも備えている。ダイクロイックプリズム４１は、特定の波長の光を反射し、その他の波長の光を通すように構成された従来から周知の部材であり、対物レンズ２７の観察光軸上に配置されている。この実施形態ではダイクロイックプリズム４１はレーザー出力部２６から出射された光を反射するように構成されている。

【0054】

ダイクロイックプリズム４１の反射光軸上には、第１レンズ４２が配置されている。ＸＹスキャナ部４３は、第１レンズ４２と波長板４４との間に配置されている。また、光電子倍増管５１と偏光ビームスプリッタ４５との間に、ピンホールレンズ４６、ピンホール板４７及び減光フィルタ４８が配置されている。レーザー出力部２６は、偏光ビームスプリッタ４５に向けて光を出射するように配置されている。減光フィルタ４８は、光電子倍増管５１に入射するレーザー光Ｌ２を減衰させるために用いられる。そのため、光電子倍増管５１に入射するレーザー光Ｌ２が十分に弱い場合には減光フィルタ４８が設けられなくてもよい。減光フィルタ４８は、制御ユニット６０によって制御されるようになっており、減光率の変更が可能である。

【0055】

ＸＹスキャナ部４３は、ガルバノミラー４３ａと、レゾナント４３ｂとを有している。ガルバノミラー４３ａ及びレゾナント４３ｂは従来から光を走査する場合に用いられるものであることから詳細な説明は省略する。レーザー出力部２６から出射された光は、偏光ビームスプリッタ４５及び波長板４４を通ってＸＹスキャナ部４３に入射する。ＸＹスキャナ部４３に入射した光は、ガルバノミラー４３ａ及びレゾナント４３ｂの動作によって観察対象物ＳＰの観察面上を二次元的（Ｘ方向及びＹ方向）に走査される。Ｘ方向は、観察ユニット２の左右方向とし、また、Ｙ方向は、観察ユニット２の奥行き方向とすることができるが、これに限られるものではなく、Ｘ方向及びＹ方向は任意に設定することができる。

【0056】

ＸＹスキャナ部４３は、観察対象物ＳＰの観察面上に光を二次元的に走査させることができるように構成されたユニットであればよく、上述した構造に限られるものではない。例えば、２つのガルバノミラーを組み合わせたガルバノスキャナ方式や、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入力して超音波を発生させて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方式（レゾナント方式）や、一列ないし多数列のピンホールを螺旋状に持つ円盤を回転させてピンホールを通過した光が観察対象物ＳＰの観察面上を走査するように構成されたニポウディスク方式等であってもよい。

【0057】

また、観察対象物ＳＰで反射されたレーザー光Ｌ２は、対物レンズ２７、第１ハーフミラー３１を通った後、第２ハーフミラー３２で反射されて第１レンズ４２、ＸＹスキャナ部４３、波長板４４を通って偏光ビームスプリッタ４５により反射されてピンホールレンズ４６に向かう。ピンホールレンズ４６に入射したレーザー光Ｌ２はピンホールレンズ４６によって集光されてからピンホール板４７に形成されたピンホールの方向に向かって進み、ピンホールを通過したレーザー光Ｌ２が減光フィルタ４８を通って光電子倍増管５１に入射する。尚、光電子倍増管５１の代わりに、前記のような撮像素子を使用することもできるし、フォトダイオード及び増幅器からなる受光素子を使用することもできる。また、光電子倍増管５１の露光時間は任意に調整可能になっている。

【0058】

共焦点観察光学系４０では、光電子倍増管５１の前において、観察対象物ＳＰの観察面と共役になる位置にピンホールを配置しており、そのピンホールは極めて微小である。従って、レーザー出力部２６から出射されたレーザー光Ｌ２が観察対象物ＳＰの観察面で焦点を結ぶと、その観察面からの反射光は、ピンホールレンズ４６を通ってからピンホール板４７に形成されたピンホールで集光し、これにより、光電子倍増管５１で受光する光量が著しく大きくなるので、光強度値（輝度値）が大きくなる。一方、レーザー光Ｌ２が観察対象物ＳＰの観察面で焦点を結んでいないと、その観察面からの反射光は、ピンホール板４７によって遮光されてピンホールを殆ど通過しないので、光電子倍増管５１で受光する光量が著しく小さくなり、輝度値が小さくなる。

【0059】

従って、ＸＹスキャナ部４３によるレーザー光Ｌ２の二次元的な走査領域（撮像領域、測定領域）のうち、観察対象物ＳＰの観察面で焦点が合った部分については明るく、一方、それ以外の高さの部分については暗くなる。共焦点観察光学系４０では、点光源を用いた光学系であることから分解能に優れた輝度情報を取得することができる。

【0060】

（レーザー出力部２６の構成）
レーザー出力部２６は、対物レンズ２７を介して観察対象物ＳＰを照明するためのレーザー光を生成して射出する機器であり、共焦点観察光学系４０用の光源となるものである。レーザー出力部２６は、例えばＨｅ−Ｎｅガスレーザや半導体レーザ等を使用することができる。また、レーザー出力部２６の代わりに、点光源を生成することができる各種光源を利用することができ、例えば高輝度ランプとスリットの組み合わせ等であってもよい。また、光源は、点光源であってもよいし、帯状のビーム光を発生する光源であってもよい。

【0061】

（Ｚ軸移動機構の構成）
観察ユニット２は、対物レンズ２７と電動載置台２３との相対距離を変更自在なＺ軸駆動部（垂直移動機構）５２（図１及び図３に模式的に示す）と、高さ情報を検知する高さ情報検知部（高さ情報検知手段）５３（図４に示す）とを備えている。Ｚ軸駆動部５２は、例えばステッピングモータと、ステッピングモータの出力軸の回転を上下方向の直線運動に変換する運動変換機構とを備えており、ヘッド部２２に設けられている。Ｚ軸駆動部５２のステッピングモータを回転させることにより、電動レボルバ２８が上下方向に移動し、これにより、対物レンズ２７と電動載置台２３との相対距離を変更することができる。対物レンズ２７と電動載置台２３との相対距離の変更ピッチを最小で１ｎｍ程度に設定することができる精度をＺ軸駆動部５２が有している。

【0062】

高さ情報検知部５３は、対物レンズ２７と電動載置台２３との相対距離を検知することができるリニアスケール（リニアエンコーダ）等で構成されている。高さ情報検知部５３は、対物レンズ２７と電動載置台２３との相対距離の変化が１ｎｍであっても検知できるように構成されている。この実施形態では、電動載置台２３がＺ軸方向に移動可能となっているとともに、対物レンズ２７もＺ軸方向に移動可能となっている。そして、フォーカス探索時には、電動載置台２３を固定した状態で対物レンズ２７をＺ軸方向に駆動するので、結果的に、対物レンズ２７と電動載置台２３との相対距離が変化することになる。そのときの対物レンズ２７のＺ軸方向の位置をリニアスケールで検出することにより、高さ情報を検知することができる。尚、対物レンズ２７がＺ軸方向に動かないように固定しておき、フォーカス探索時には、電動載置台２３をＺ軸方向に駆動するようにしてもよい。この場合、電動載置台２３のＺ軸方向の位置をリニアスケールで検出することにより、高さ情報を検知することができる。つまり、フォーカス探索時に電動載置台２３及び対物レンズ２７のいずれをＺ軸方向に駆動しても高さ情報検知部５３によって高さ情報を検知することができる。

【0063】

観察光学系は観察対象物ＳＰにピントを合わせるオートフォーカス機構を備えている。オートフォーカス機構は、Ｚ軸駆動部５２によって構成することができる。すなわち、Ｚ軸駆動部５２により、対物レンズ２７と、電動載置台２３に載置されている観察対象物ＳＰとの相対距離を変化させることができるので、周知のコントラストＡＦ等と同様なアルゴリズムを利用して観察対象物ＳＰにピントが合うまでＺ軸駆動部５２によって対物レンズ２７を上下方向に移動させることで、オートフォーカス機構を実現できる。

【0064】

（ステージ駆動部５４の構成）
ステージ駆動部５４は、電動載置台２３を水平方向（Ｘ方向及びＹ方向）に移動させるための装置である。すなわち、電動載置台２３は、図１に示す載置台支持部材２３Ａとは別体とされており、載置台支持部材２３Ａに対して水平方向に移動可能に支持されている。電動載置台２３は例えばリニアモータ等のアクチュエータを備えており、このアクチュエータにより、載置台支持部材２３Ａ内の所定範囲内で電動載置台２３をＸ方向及びＹ方向に移動させることができる。

【0065】

（制御ユニット６０の構成）
観察ユニット２は制御ユニット６０を有している。制御ユニット６０は、外部ユニット３に設けられていてもよいし、操作用端末４に設けられていてもよい。制御ユニット６０は、拡大観察装置１の各部を制御するとともに各種演算及び処理等を行うためのユニットであり、ＣＰＵやＭＰＵ、システムＬＳＩ、ＤＳＰや専用ハードウェア等で構成することができる。制御ユニット６０は、後述するように様々な機能を搭載しているが、これらは論理回路によって実現されていてもよいし、ソフトウェアを実行することによって実現されていてもよい。以下、制御ユニット６０について詳細に説明する。

【0066】

制御ユニット６０には、レーザー出力部２６、同軸落射照明２４、リング照明２５、電動レボルバ２８、ＸＹスキャナ部４３、減光フィルタ４８、撮像素子５０、光電子倍増管５１、Ｚ軸駆動部５２、高さ情報検知部５３及びステージ駆動部５４が接続されている。制御ユニット６０により、レーザー出力部２６、同軸落射照明２４、リング照明２５、電動レボルバ２８、ＸＹスキャナ部４３、減光フィルタ４８、撮像素子５０、光電子倍増管５１、Ｚ軸駆動部５２及びステージ駆動部５４が制御され、また、撮像素子５０、光電子倍増管５１及び高さ情報検知部５３の出力信号は制御ユニット６０に入力される。

【0067】

（電動レボルバ制御部６１の構成）
制御ユニット６０は、観察光学系の倍率を変更するために電動レボルバ２８を制御するレボルバ制御部（変倍機構制御部）６１を有している。電動レボルバ制御部６１は、電動レボルバ２８を回転させることによって所望の対物レンズ２７を非共焦点観察光学系３０及び共焦点観察光学系４０の対物レンズ２７とする。予め電動レボルバ２８に取り付けられている複数の対物レンズ２７の中から、使用者がスイッチ、キーボード６、マウス７等の操作によって所望の対物レンズ２７を選択すると、選択された対物レンズ２７が非共焦点観察光学系３０及び共焦点観察光学系４０の対物レンズ２７となるように、電動レボルバ制御部６１が電動レボルバ２８を回転させた後、停止させる。

【0068】

図７に示すように、電動レボルバ２８には倍率の異なる対物レンズ２７Ａ、２７Ｂが取り付けられており、電動レボルバ２８のどの取付孔２８ａ、２８ｂにどの対物レンズ２７Ａ、２７Ｂが取り付けられているかは、制御ユニット６０が有する記憶部７３に記憶されている。したがって、電動レボルバ制御部６１は、記憶部７３に記憶されている情報と、使用者による選択情報とに基づいて、上述したように電動レボルバ２８を制御することができる。電動レボルバ２８のどの取付孔２８ａ、２８ｂにどの対物レンズ２７Ａ、２７Ｂが取り付けられているかについては、使用者が操作用端末４から入力してもよいし、対物レンズ２７を電動レボルバ２８のセンサによって自動認識させるようにしてもよい。

【0069】

電動レボルバ２８を制御することで、非共焦点観察光学系３０及び共焦点観察光学系４０の倍率を変更することができる。電動レボルバ２８に加えて、または電動レボルバ２８に代えて、電動ズームレンズからなる対物レンズ（図示せず）を設けてもよい。電動ズームレンズは電動の変倍機構であり、電動ズームレンズを作動させることにより、非共焦点観察光学系３０及び共焦点観察光学系４０の倍率を変更することができる。この場合、電動ズームレンズを制御する部分が、変倍機構制御部となる。使用者による選択情報に基づいて変倍機構制御部が電動ズームレンズを制御することで、所望の倍率とすることができる。

【0070】

電動レボルバ２８は、表示部５に表示されるユーザーインターフェースを介して操作することもできるし、観察ユニット２に設けられたスイッチ等で操作することもできる。電動レボルバ２８にすることで使用者が手でレボルバを回す必要が無くなるので、レボルバを回す際に観察対象物ＳＰ上にゴミ等が落ちることがなくなる。

【0071】

（載置台制御部６２の構成）
図４に示すように、制御ユニット６０は、電動載置台２３の水平位置を変更する載置台制御部６２を有している。載置台制御部６２は、ステージ駆動部５４を制御することで電動載置台２３の水平位置を変更することができる。電動載置台２３の水平位置は、例えば電動載置台２３の中心部のＸ座標及びＹ座標で指定することができる。載置台制御部６２が電動載置台２３の水平位置を変更する場合は、例えば、後述するナビゲーション画像を新規で取得する場合、ナビゲーション画像を取得し直す場合、ナビゲーション画像を追加取得する場合等があるが、これらの場合に限らず、使用者が観察範囲や位置を指定した場合にも、指定された範囲を観察することができるように、電動載置台２３の水平位置を載置台制御部６２が変更する。

【0072】

（フォーカス探索手段の構成）
制御ユニット６０は、Ｚ軸駆動部５２による前記相対距離に対応して高さ情報検知部５３により検知した高さ情報と前記撮像素子５０により取得した画像とに基づいてフォーカス探索をする第１フォーカス探索手段６３と、Ｚ軸駆動部５２による前記相対距離に対応して高さ情報検知部５３により検知した高さ情報と前記光電子倍増管５１により取得した信号とに基づいてフォーカス探索をする第２フォーカス探索手段６４とを備えている。ここで、前記相対距離とは、高さ情報検知部５３が検知した高さ情報に基づいて得られた距離である。この相対距離は、対物レンズ２７の先端面と、電動載置台２３の上面との距離とすることができるが、これに限られるものでなく、対物レンズ２７の所定部位と、電動載置台２３の所定部位との上下方向の離間距離とすることができる。

【0073】

第１フォーカス探索手段６３は、同軸落射照明２４及びリング照明２５の少なくとも一方により観察対象物ＳＰを照明し、撮像素子５０により取得した画像に基づいてフォーカス探索を実行する。具体的には、Ｚ軸駆動部５２を制御して対物レンズ２７と電動載置台２３との相対距離を変化させながら、撮像素子５０により取得した画像に基づいて観察対象物ＳＰにピントを合わせる。ピントが合った時に高さ情報検知部５３が検知した高さ情報に基づいて得られた相対距離をて記憶部７３に記憶しておく。これが第１フォーカス探索手段６３で取得されたフォーカス位置（合焦位置）となる。

【0074】

第２フォーカス探索手段６４は、レーザー出力部２６により観察対象物ＳＰを照明し、光電子倍増管５１により取得した信号に基づいてフォーカス探索を実行する。具体的には、Ｚ軸駆動部５２を制御して対物レンズ２７と電動載置台２３との相対距離を変化させながら、光電子倍増管５１により取得した信号に基づいて観察対象物ＳＰにピントを合わせる。このとき、上述したように、光電子倍増管５１での受光光量が最も大きくなった時が、観察対象物ＳＰにピントが合っていると判定することができる。この判定手順の詳細については後述する。ピントが合った時に高さ情報検知部５３が検知した高さ情報に基づいて得られた相対距離を記憶部７３に記憶しておく。これが第２フォーカス探索手段６４で取得されたフォーカス位置（合焦位置）となる。

【0075】

（三次元形状測定手段の構成）
制御ユニット６０は、第１フォーカス探索手段６３により探索されたフォーカス位置に基づいて観察対象物ＳＰの三次元形状を測定する第１三次元形状測定手段６５と、第２フォーカス探索手段６４により探索されたフォーカス位置に基づいて観察対象物ＳＰの三次元形状を測定する第２三次元形状測定手段６６とを備えている。観察対象物ＳＰの三次元形状は、観察対象物ＳＰの表面形状、テクスチャと呼ぶこともできる。

【0076】

第１三次元形状測定手段６５は、フォーカス合成の原理を使用して観察対象物ＳＰの観察面の三次元形状を把握できる画像を取得する。第１三次元形状測定手段６５で取得する画像は深度合成画像と呼ぶこともできる。深度合成画像は、観察対象物ＳＰの測定対象部分の高低差が対物レンズ２７の被写界深度を超える場合、高さ方向を異ならせて別々に撮像素子５０で撮像した画像の中から、ピントが合った部分（画素）だけを抜き出して合成した画像である。深度合成画像を生成するためには深度合成処理を行えばよく、この深度合成処理は、Ｚ軸駆動部５２によって対物レンズ２７をＺ軸方向（高さ方向）に移動させながら、複数の静止画像を撮像素子５０で撮像して、ピントが合っている領域を合成することで、画面全域にピントが合っている画像を合成する処理である。この場合は、Ｚ軸方向の範囲や、Ｚ軸方向の位置を変更する変更ピッチ等によって数十から数百の静止画像を使用する。

【0077】

撮像素子５０では色情報を取得できるので、第１三次元形状測定手段６５は、観察対象物ＳＰを示すカラー画像を取得できる。

【0078】

第２三次元形状測定手段６６は、レーザー共焦点の原理を使用して観察対象物ＳＰの観察面の三次元形状を把握できる画像を取得する。第２三次元形状測定手段６６は、次のようにして共焦点画像データを生成する。共焦点画像データは、観察対象物ＳＰ上の単位領域ごとに行われる。単位領域は、対物レンズ２７の倍率により定まる。

【0079】

まず、観察対象物ＳＰのＺ方向の位置が一定の状態で、ＸＹスキャナ部４３により単位領域内のＹ方向の端部でレーザー光Ｌ２がＸ方向に走査される。Ｘ方向の走査が終了すると、レーザー光Ｌ２がＸＹスキャナ部４３によりＹ方向に一定の間隔だけ移動する。この状態でレーザー光Ｌ２がＸ方向に走査される。単位領域でのレーザー光Ｌ２のＸ方向の走査及びＹ方向の移動が繰り返されることにより、単位領域のＸ方向及びＹ方向の走査が終了する。次に、Ｚ軸駆動部５２によって対物レンズ２７をＺ軸方向に移動させる。これにより、対物レンズ２７のＺ方向の位置が前回とは異なる状態になり、この状態で、単位領域のＸ方向及びＹ方向の走査が行われる。その後、対物レンズ２７のＺ方向の位置を後述する所定の変更ピッチで移動させて、単位領域のＸ方向及びＹ方向の走査が行われる。これが繰り返される。

【0080】

共焦点画像データのＸ方向の画素数はＸＹスキャナ部４３によるレーザー光Ｌ２のＸ方向の走査速度とサンプリング周期とによって定まる。１回のＸ方向の走査（１本の走査線）におけるサンプリング数がＸ方向の画素数となる。また、Ｙ方向の画素数は、Ｘ方向の走査の終了ごとのＸＹスキャナ部４３によるレーザー光Ｌ２のＹ方向の変移量により定まる。Ｙ方向における走査線の数がＹ方向の画素数となる。

【0081】

単位領域のＸ方向及びＹ方向の走査が終了すると、載置台制御部６２がステージ駆動部５４を制御して電動載置台２３をＸ方向またはＹ方向に移動させ、別の単位領域において同様にＸ方向及びＹ方向の走査を行う。これを繰り返して複数の単位領域についてＸ方向及びＹ方向の走査を行う。得られた各単位領域の共焦点画像データを連結して１つの共焦点画像データにすることができる。

【0082】

図５は、１つの画素において観察対象物ＳＰのＺ方向の位置と光電子倍増管５１の受光強度（受光光量）との関係を示す図である。上述したように、共焦点観察光学系４０では、観察対象物ＳＰの観察面が対物レンズ２７の焦点位置にあるときに、観察対象物ＳＰの観察面で反射されたレーザー光Ｌ２がピンホール板４７に形成されたピンホールで集光される。これにより、観察対象物ＳＰの観察面で反射されたレーザー光Ｌ２の大部分がピンホール板４７に形成されたピンホールを通過して光電子倍増管５１に入射するので、光電子倍増管５１の受光強度が最大になる。よって、光電子倍増管５１から出力される受光信号の電圧値が最大になる。

【0083】

一方、観察対象物ＳＰの観察面が対物レンズ２７の焦点位置から外れた位置にあるときには、観察対象物ＳＰの観察面で反射されたレーザー光Ｌ２がピンホール板４７に形成されたピンホールの前または後で集光されるので、光電子倍増管５１から出力される受光信号の電圧値が大幅に低くなる。

【0084】

このように、観察対象物ＳＰの観察面が対物レンズ２７の焦点位置にある状態で光電子倍増管５１の受光強度分布に急峻なピークが現れる。各単位領域の共焦点画像データから画素ごとにＺ方向における受光強度分布を得ることができる。これにより、画素ごとに受光強度分布のピーク位置（Ｚ座標）とピーク受光強度とを得ることができる。

【0085】

各画素についてＺ方向におけるピーク位置を示すデータを高さ画像データ（三次元形状データ）と呼ぶことができる。この高さ画像データに基づいて表示される画像を高さ画像と呼ぶことができる。高さ画像は、観察対象物ＳＰの観察面の三次元形状を把握できる画像である。

【0086】

つまり、レーザー共焦点の原理では、例えばピンホール等の選択的遮光手段により、合焦時に光電子倍増管５１による受光量が最も多くなり、合焦状態から離れるにつれ、光電子倍増管５１による受光量が急峻に減少することを利用し、画素毎に上記相対距離を変化させた時の光電子倍増管５１による受光量のピーク位置を合焦位置であると判断する。

【0087】

一方、フォーカス合成の原理では、撮像素子５０により取得した画像から、コントラスト、高空間周波成分等に基づいて画素毎に焦点の合っている度合いを示すフォーカス値を算出し、画素毎に上記相対距離を変化させた時のフォーカス値のピーク位置を合焦位置であると判断する。

【0088】

ここで、焦点が合っていないというのは、隣接画素間の輝度差がなくなること（輝度比が１に近づくこと）であり、逆に、焦点が合っているというのは、隣接画素間の輝度差（輝度比）が、焦点が合っていないときに比べ大きい状態である。

【0089】

すなわち、フォーカス合成の原理とレーザー共焦点の原理とでは、合焦判定の方法が違うだけであり、「観察面の各点において最もピントが合っている画像が撮像された相対距離を各点の高さとする高さ画像（三次元形状画像）」を得ることや、「観察面の各点において最もピントが合っている画像を合成して、各点でピントの合った深度合成画像」を得ることについては変わりない。

【0090】

（測定手順）
図６は、拡大観察装置１を用いて観察対象物ＳＰの測定や観察を行う手順を示すフローチャートである。拡大観察装置１を起動した後、ステップＳＡ１では観察対象物ＳＰを電動載置台２３に載置する。その後、ステップＳＡ２では観察対象物ＳＰの測定箇所（観察箇所）を探す。ステップＳＡ３では観察対象物ＳＰの測定箇所にピントを合わせる。これは上述したオートフォーカス機構によって行うことができる。

【0091】

ピントを合わせた後、ステップＳＡ４で対物レンズ２７を選択する。対物レンズ２７を選択すると、電動レボルバ２８が回転して選択した対物レンズ２７による観察が可能になる。次いで、ステップＳＡ５では測定原理を選択する。測定原理とは、フォーカス合成及びレーザー共焦点であり、これらのうち、一方を選択する。ステップＳＡ６では各種パラメータを設定する。そしてステップＳＡ７で観察対象物ＳＰの測定箇所の測定を行う。

【0092】

前記のように、電動レボルバ２８には、観察対象物ＳＰを適切な倍率で観測するべく、倍率の相違する複数の対物レンズ２７が取り付けられており、それら対物レンズ２７は、リング照明２５を有さない第１レンズ２７Ａと、リング照明２５を有する第２レンズ２７Ｂとによって構成されている。以下、電動レボルバ２８の構成について詳細に説明する。

【0093】

（電動レボルバ２８の構成）
図７〜図８に示すように、所定の中心軸Ｃまわりに回転する電動レボルバ２８の下面には、６つの対物レンズ２７が取り付けられている。６つの対物レンズ２７は、３つの第１レンズ２７Ａと、３つの第２レンズ２７Ｂとから構成されている。

【0094】

具体的に、電動レボルバ２８は、図９〜図１０に示すような略円板状に形成されており、中心軸Ｃまわりに回転することにより、観察に用いる対物レンズ２７を選択することができる。

【0095】

電動レボルバ２８の下面には、６つの取付孔２８ａ、２８ｂが開口している。６つの取付孔２８ａ、２８ｂは、中心軸Ｃと同心の円周に沿って等間隔で並んでおり、第１レンズ２７Ａを取り付けるための第１取付孔２８ａと、第２レンズ２７Ｂを取り付けるための第２取付孔２８ｂとを、３つずつ備えて構成されている。第１取付孔２８ａと第２取付孔２８ｂとは、略同径とされている。

【0096】

なお、ここでいう「間隔」とは、各取付孔２８ａ、２８ｂの中心軸同士の間隔であって、特に、電動レボルバ２８の中心軸Ｃと同心の円周に沿った間隔を示す。図１２に示すように、隣り合う取付孔２８ａ、２８ｂの間隔は、全て等しい（ｒ１＝ｒ２＝ｒ３＝ｒ４＝ｒ５＝ｒ６）。

【0097】

詳しくは、図１０に示すように、中心軸Ｃと同心の円周に沿って、第１取付孔２８ａと第２取付孔２８ｂとが交互に並んでいる。すなわち、この円周方向においては、２つの第２取付孔２８ｂの間に１つの第１取付孔２８ａが配置されている。

【0098】

そして、第１レンズ２７Ａは、リング照明２５を有さない光学レンズによって構成されており、第１取付孔２８ａに対して螺合取付されるようになっている。

【0099】

対して、第２レンズ２７Ｂは、前述のように、光学レンズ２７ａ（図１１を参照）と、その光学レンズ２７ａの外周部に設けられたリング照明２５とを有する。光学レンズ２７ａとリング照明２５とは、分離可能な構成とされており、光学レンズ２７ａを第２取付孔２８ｂに対して螺合取付した後に、その光学レンズ２７ａの周囲にリング照明２５を装着するようになっている。

【0100】

ところで、図１１に示すように、リング照明２５を成すケース２５ａの側面には電極２５ｃが設けられている。この電極２５ｃに対して側方から端子８５（詳しくは後述）を接続することにより、リング照明２５へと電力を供給することができる。

【0101】

このように、電極２５ｃに対して側方から端子８５を接続する場合、第２レンズ２７Ｂ（特にリング照明２５）の角度位置（具体的には、光学レンズ２７ａの光軸を回転中心としたときの角度位置）をより正確に位置決めするような仕組みが求められる。

【0102】

そこで、電動レボルバ２８と第２レンズ２７Ｂとは、その電動レボルバ２８及び第２レンズ２７Ｂの一方に形成される第１位置決め部と、その他方に形成される第２位置決め部とからなる相補的な凹凸形状によって位置決めされるようになっている。第２レンズ２７Ｂにおいて、リング照明２５に係る光路は、そうした凹凸形状を介して位置決めすることができる。

【0103】

詳しくは、電動レボルバ２８の下面には、図１０に示すような位置決め突起（以下、単に「突起部」という）２８ｉが設けられている。この突起部２８ｉは、各第２取付孔２８ｂの周辺に２つずつ設けられており、各々が第１位置決め部を構成している。２つの突起部２８ｉは、電動レボルバ２８の下面から略下方に向かって突出しており、下方から見たときに、第２取付孔２８ｂを径方向（具体的には、中心軸Ｃを中心としたときの径方向）の両側から挟むように配置されている。なお、各突起部２８ｉの先端には、金属が設けられている。この金属は、突起部２８ｉの先端から露出させてもよいし、突起部２８ｉに内蔵させてもよい。

【0104】

対して、第２レンズ２７Ｂの頂部には、図１１に示すような位置決め穴（以下、単に「凹部」という）２７ｄが設けられている。この凹部２７ｄは、各ケース２５ａの上面に２つずつ設けられており、各々が第２位置決め部を構成している。２つの凹部２７ｄは、各突起部２８ｉよりも大径とされており、図１３の下図に示すように、その開口端の周縁は、上方に向かってテーパ状に拡径している。なお、各凹部２７ｄの底面には、磁石２７ｅが埋設されている。

【0105】

よって、電動レボルバ２８に対して螺合された光学レンズ２７ａにリング照明２５を装着するときには、リング照明２５側の各凹部２７ｄを、電動レボルバ２８側の各突起部２８ｉへと挿入する。これにより、リング照明２５が角度方向に位置決めされる。そして、各突起部２８ｉの金属と各凹部２７ｄの磁石との間に作用する磁力により、リング照明２５、ひいては第２レンズ２７Ｂは、電動レボルバ２８に対して取り付けられることになる。このような構成とすることで、第２レンズ２７Ｂを成す光学レンズ２７ａとして、一般的な汎用品を用いたとしても、リング照明２５をより正確に位置決めすることが可能となる。

【0106】

なお、第１及び第２位置決め部の構成は、適宜、変更可能である。

【0107】

例えば、位置決め突起としての突起部２８ｉをリング照明２５に形成する一方、位置決め穴としての凹部２７ｄを電動レボルバ２８の下面に形成してもよい。また、突起部２８ｉの先端に磁石２７ｅを埋設する一方、凹部２７ｄの底部に金属を設けてもよい。

【0108】

また、突起部２８ｉの表面に嵌合形状を形成する一方、凹部２７ｄの内面に被嵌合形状を形成してもよい。この場合、第１位置決め部と第２位置決め部とからなる相補的な凹凸形状によって、第２レンズ２７Ｂと電動レボルバ２８とは互いに嵌合されることになる。

【0109】

またそもそも、突起部２８ｉ及び凹部２７ｄは、双方とも必須ではない。仮に、突起部２８ｉを設けないような構成とした場合、第１取付孔２８ａと第２取付孔２８ｂとは、外見上は略一致することになる。その場合、作業者に第１取付孔２８ａと第２取付孔２８ｂ
とを視認させるべく、第１及び第２取付孔２８ａ、２８ｂのレイアウトを表示部５に表示させてもよい。

【0110】

このようにして、取付孔２８ａ、２８ｂの各々に対し、対応する対物レンズ２７を装着することにより、図７〜図８に示すレイアウトが実現される。取付孔２８ａ、２８ｂの配置からも理解されるように、６つの対物レンズ２７は、電動レボルバ２８の下面に対して、上述の中心軸Ｃと同心の円周に沿って各々等間隔で並んでいるとともに、その円周方向において、第２レンズ２７Ｂの間に第１レンズ２７Ａが位置するように取り付けられている。

【0111】

なお、この電動レボルバ２８は、仮に凹部２７ｄや突起部２８ｉが設けられていなかったとしても、隣り合う第１及び第２取付孔２８ａ、２８ｂの双方に第２レンズ２８Ｂを取り付けようとすると、第２レンズ２８Ｂ同士がぶつかり合って干渉するようなレイアウトとされている。すなわち、隣り合う第１及び第２取付孔２８ａ、２８ｂ間の距離（具体的には、隣り合う取付孔２８ａ、２８ｂの中心を結ぶ直線の長さ）は、第２レンズ２７Ｂの半径を２倍した長さよりも短い。

【0112】

一方、隣り合う第１及び第２取付孔２８ａ、２８ｂ間の距離は、第１レンズ２７Ａの半径と、第２レンズ２７Ｂの半径との和よりも長い。つまり、図７〜図８に示すように、隣り合う第１及び第２取付孔２８ａ、２８ｂの各々に第１レンズ２７Ａと第２レンズ２７Ｂとを取り付けたとしても、２つのレンズがぶつかり合って干渉しないようになっている。

【0113】

上述のように、電動レボルバ２８は、中心軸Ｃまわりに回転することにより、観察に用いる対物レンズ２７を選択するようになっている。そうした動作を精密に行うためには、電動レボルバ２８をヘッド部２２に対して可能な限り精密に位置決めすることが求められる。

【0114】

そこで、電動レボルバ２８の側面には、電動レボルバ２８を位置決めするための位置決め部８１が設けられている。この位置決め部８１は、ヘッド部２２に設けられたレボルバストッパ８２と共に、電動レボルバ２８の固定機構を構成している。位置決め部８１とレボルバストッパ８２とが係合することにより、電動レボルバ２８を回転方向において位置決めすることができる。

【0115】

詳しくは、位置決め部８１は、図９〜図１０に示すように、取付孔２８ａ、２８ｂの各々に対応して１組ずつ設けられており、各々、中心軸Ｃと同心の円周に沿って等間隔で並んでいる。各位置決め部８１は、レボルバ側突起部８１ａと、レボルバ側挿入部８１ｂを１つずつ備えている。

【0116】

対して、レボルバストッパ８２は、不図示のＤＣモータによって駆動される回転軸８３の先端に設けられており、その回転軸８３と一体的に回動可能な板状に形成されている。レボルバストッパ８２は、電動レボルバ２８の側面に沿うような姿勢で支持されており、ＤＣモータからの動力を受けて回転軸８３が回動することにより、図９において実線で示すホールド状態と、２点鎖線で示すリリース状態との間で姿勢を切り替えることができる。

【0117】

また、図１３の一側に示すように、レボルバストッパ８２には、上述の位置決め部８１を介して電動レボルバ２８を係止するように構成された係止部８４が設けられている。

【0118】

この係止部８４は、レボルバストッパ側溝部８４ａと、レボルバストッパ側突起部８４ｂとから構成されている。レボルバストッパ側溝部８４ａとレボルバストッパ側突起部８４ｂは、双方とも、電動レボルバ２８の側面に対して向い合うように配置されている。

【0119】

具体的に、レボルバストッパ側溝部８４ａは、電動レボルバ２８の側面から離れる方向に向かって切り込まれるように形成された、略Ｖ字状の断面を有する溝状に形成されている。このレボルバストッパ側溝部８４ａは、図１３に示すように、リリース状態にあっては、電動レボルバ２８の側面及びレボルバ側突起部８１ａに対して離間する一方、ホールド状態にあっては、電動レボルバ２８の側面に対して近接することにより、レボルバ側突起部８１ａと係合可能とされている。

【0120】

レボルバストッパ側突起部８４ｂは、電動レボルバ２８の側面に向かって突出するように形成されている。このレボルバストッパ側突起部８４ｂは、図１３に示すように、リリース状態にあっては、電動レボルバ２８の側面に対して離間する一方、ホールド状態にあっては、電動レボルバ２８の側面に対して近接することにより、レボルバ側挿入部８１ｂに没入可能とされている。

【0121】

また、レボルバストッパ８２は、上述の端子８５も備えている。端子８５は、リング照明２５の電極２５ｃに接続することにより、その電極２５ｃを介してリング照明２５に電力を供給するよう構成されている。

【0122】

具体的に、端子８５は、レボルバストッパ８２の揺動端付近に配置されており、図９に示すように、電動レボルバ２８に相対する方向に突出している。この端子８５は、図１４に示すように、リリース状態にあっては、電動レボルバ２８に取り付けられた対物レンズ２７に対して離間する一方、ホールド状態にあっては、対物レンズ２７に対して近接することにより、リング照明２５の電極２５ｃに没入可能とされている。

【0123】

ここで、図６のステップＳＡ４に示すように、対物レンズ２７を選択するとき、制御部７２は、Ｚ軸駆動部５２を介して電動レボルバ２８を上方へ移動させる。そして、制御部７２は、ＤＣモータを介して回転軸８３を回動させることにより、レボルバストッパ８２をリリース状態とする。リリース状態においては、部品同士を干渉させることなく、電動レボルバ２８を中心軸Ｃまわりに回転させることができる。

【0124】

続いて、制御部７２は、所望の対物レンズ２７を選択するべく、電動レボルバ２８を回転させる。続いて、制御部７２は、ＤＣモータを介して回転軸８３を回動させることにより、レボルバストッパ８２をホールド状態とする。ホールド状態においては、電動レボルバ２８を回転方向に位置決めする一方で、端子８５を介してリング照明２５に電力を供給することができる。

【0125】

続いて、制御部７２は、Ｚ軸駆動部５２を再び駆動させて、電動レボルバ２８を下方へと移動させる。ここまでに説明した処理を完了すると、制御部７２は、図６のステップＳＡ４からステップＳＡ５に進む。

【0126】

（第１の実施形態の作用効果）
この実施形態によれば、フォーカス合成の原理を使用した測定手法と、レーザー共焦点の原理を使用した測定手法とを実現することができる。

【0127】

また、図７〜図８に示すように、第２レンズ２７Ｂは、リング照明２５の光路の分だけ第１レンズ２７Ａよりも大径となる。そして、各対物レンズ２７は等間隔で並んでいるものの、２つの第２レンズ２７Ｂの間に第１レンズ２７Ａが位置するようにレイアウトされている。このようなレイアウトとすることで、各取付孔２８ａ、２８ｂを近接させることができる。そのことで、電動レボルバ２８の小型化及び軽量化を実現することができる。

【0128】

また、仮に、レボルバストッパ８２と端子８５とを別体とした場合、端子８５を移動させるための機構が別途必要となり、装置の大型化を招く可能性がある。対して、図１４に示すように、レボルバストッパ８２に端子８５を設けることにより、拡大観察装置１をコンパクトに構成することができる。

【0129】

また、端子８５は、回転軸８３が回動することにより、電極２５ｃに対して側方から接離するようになっている。このような構成とすると、例えば、スライド方式によって端子８５と電極２５ｃとを接続するような構成と比較して、電極２５ｃの摩耗を抑制し、ひいては電極２５ｃの耐久性を確保する上で有利になる。

【0130】

（第１の実施形態の変形例）
上述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

【0131】

図１６（ａ）に、第１の実施形態の変形例Ｖ１を示す。この変形例Ｖ１においては、単円が第１取付孔を示す一方、２重円が第２取付孔を示す（後述の変形例Ｖ２〜Ｖ４についても同様である）。この変形例Ｖ１のように、第１取付孔及び第２取付孔の数を変更したとしても、前記実施形態と同様の作用効果を奏することになる。

【0132】

《第２の実施形態》
以下、本発明を実施するための第２の形態（以下、単に「第２の実施形態」という）を図面に基づいて例示する。また、以下の説明において、前記第１の実施形態と共通する、又は、対応する構成要素については、「’」を付した符号を用いる。

【0133】

図１５に本発明の第２の実施形態を示す。この図に示すように、第２の実施形態に示す電動レボルバ２８’の下面には、第１レンズ２７Ａを取り付けるための第１取付孔２８ａ’と、第２レンズ２７Ｂを取り付けるための第２取付孔２８ｂ’とが、中心軸Ｃと同心の円周に沿って各々非等間隔で並んでいる。

【0134】

詳しくは、図１５のｒ１’〜ｒ６’に示すように、第１取付孔２８ａ’同士の間隔は、第１取付孔２８ａ’と第２取付孔２８ｂ’との間隔よりも小さい（例えば、ｒ１’＜ｒ３’）。また、第１取付孔２８ａ’と第２取付孔２８ｂ’との間隔は、第２取付孔２８ｂ’同士の間隔よりも小さい（例えば、ｒ３’＜ｒ４’）。

【0135】

図１５に示すようなレイアウトとすることで、前記第１の実施形態と同様に、電動レボルバ２８の小型化及び軽量化を実現することができる。

【0136】

（第２実施形態の変形例）
上述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

【0137】

例えば、図１６（ｂ）〜（ｄ）に示す変形例Ｖ２〜Ｖ４のように、第１取付孔及び第２取付孔の数等を変更してもよい。これらの変形例Ｖ２〜Ｖ４においても、前記第２の実施形態と同様の作用効果を奏することになる。

【0138】

《他の実施形態》
前記第１及び第２の実施形態では、観察用照明としてリング照明２５を用いた場合について説明したが、前述のように、リング照明２５以外にも、対物レンズ２７の周囲から観察対象物ＳＰの観察面を照明する側射照明を用いることができる。

【0139】

一般に、側斜照明を用いた場合、観察用照明は、前記第１及び第２の実施形態のように、第２レンズ２７Ｂを構成するリング照明２５に収容されるのではなく、第２レンズ２７Ｂの外部（例えば、観察ユニット２の筐体内部）に設けられることになる。この場合、電動レボルバ２８は、その観察用照明を光源としかつ、電動レボルバ２８を貫通する光路を有することになる。前記の構成は、リング照明２５に代えて側斜照明を用いた場合であっても、電動レボルバ２８の小型化及び軽量化を実現する上で有効である。

【産業上の利用可能性】

【0140】

以上説明したように、本発明は、拡大観察装置に適用することができる。

【符号の説明】

【0141】

１ 拡大観察装置
５ 表示部
２３ 電動載置台
２４ 同軸落射照明
２５ リング照明（観察用照明）
２５ｃ 電極
２７ 対物レンズ
２７ａ 光学レンズ
２７ｄ 凹部（位置決め穴）
２７ｅ 磁石
２７Ａ 第１レンズ
２７Ｂ 第２レンズ
２８ 電動レボルバ（レボルバ）
２８ａ 第１取付孔
２８ｂ 第２取付孔
２８ｉ 突起部（位置決め突起、第１位置決め部）
３０ 非共焦点観察光学系（観察光学系）
４０ 共焦点観察光学系（観察光学系）
５０ 撮像素子（受光素子）
５１ 光電子倍増管（受光素子）
５２ Ｚ軸駆動部（垂直移動機構）
５３ 高さ情報検知部（距離検知手段）
５４ ステージ駆動部
６２ 載置台制御部
６３ 第１フォーカス探索手段
６４ 第２フォーカス探索手段
６５ 第１三次元形状測定手段
６６ 第２三次元形状測定手段
７２ 制御部
８２ レボルバストッパ
８４ 係止部
８５ 端子
Ｃ 中心軸
ＳＰ 測定対象物

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】