形状解析レーザー顕微鏡 – metoree本番管理

形状解析レーザー顕微鏡とは

形状解析レーザー顕微鏡 (英: 3D laser scanning confocal microscope) とは、レーザー光を用いて、物体の表面形状を測定できる顕微鏡です。

同様の機能を持ったものに、カンチレバーのような接触式のプローブを搭載した顕微鏡もありますが、表面に触れるため試料を傷つけたり、破損したりする恐れがあります。一方、形状解析レーザー顕微鏡は光の反射を利用するので、非接触での検査が可能です。

光学系は一般的な共焦点レーザー顕微鏡と全く同じですが、3次元の情報を得るために、高速のMEMSスキャナーやレゾナントスキャナーを採用することで、スキャン時間を短縮する製品が多く販売されています。

形状解析レーザー顕微鏡は、様々な製品の検査や問題点の探索などに用いられます。特に半導体部品やプリント基板は、部品自体が非常に小さく、精緻な表面構造をもっているため、非接触・非破壊での検査が可能な形状解析レーザー顕微鏡を使用する場合が多いです。

問題のない製品をリファレンスとして用いて、検査品の画像と重ね合わせることで、問題箇所の迅速な発見ができます。また、非接触であるため柔らかい試料にも対応可能で、特殊な前処理なども不要なことから食品などの検査にも使用されます。

形状解析レーザー顕微鏡は、レーザーを照射してその反射光を検出することによって、表面の形状情報を取得します。

光の強度は距離の二乗で減衰するので、反射光の強度をモニターすれば、表面までの距離がわかります。このとき、非焦点からの光が挿入すると、反射光の増減が平均化されて感度が落ちてしまいます。

これを防ぐために、形状解析レーザー顕微鏡では、共役する焦点面にピンホールを配置した共焦点光学系を採用し、非焦点面からの余分な光をカットします。こうして正確に得られる表面までの距離情報を、レーザーのXY方向スキャンにより、2次元情報として得ることが可能です。

さらに対物レンズをZ方向にスキャンすれば、立体的な3次元形状解析を行うことができます。平面方向の空間分解能は、一般的な光学顕微鏡と同様に、アッベの法則によりレーザーの波長に依存します。

そのため、試料に問題が無ければ、より波長の短い405nmなどの近紫外レーザーを用いると、高分解能の測定が可能です。

顕微鏡には、主に光学顕微鏡、電子顕微鏡、走査型プローブ顕微鏡の3種類があります。レーザー顕微鏡は、光学顕微鏡の中の1つです。

レーザー顕微鏡のレーザー照射から画像表示までの手順は、次の6ステップになります。

レーザー顕微鏡における表面の粗さは、部品加工面の凸凹状態を表す指標です。表面粗さは、ハイト (高さ) やディープ (深さ) 、ディスタンス (間隔) が違う山および谷が連続する周期的な形状を指します。

表面粗さによって、手触りや質感が変化しますが、表面粗さの大きい表面ほど触るとざらざらし、光の反射も減少します。逆に、表面粗さが小さいものは表面がなめらかで、ミラーの様に激しく光を反射します。

現代では製品の質感や手触り等が重要視されており、外観の品質管理上における粗さは重要な指標です。表面粗さを示す指標として、平均値を使った算術的な平均の粗さ (Ra) 、山と谷の合計を使った最大高さ (Rz) 等が挙げられます。