(57)【要約】【課題】分解能を高めた画像処理方法を提供する。【解決手段】物体を撮像装置に対して相対移動させながら当該撮像装置により得られた、物体の表面の複数の画像に基づく画像処理方法であって、複数の画像から物体の表面における同一箇所に該当する部分を抽出するとともに、当該抽出した部分の信号強度から物体の表面高さを求めて、表面高さの度数分布を求めるステップ（Ｓ１０１〜Ｓ１０２）と、度数分布に基づいて表面高さの確率密度関数を算出し、確率密度関数が最大となる表面高さを表面高さの真値として求めるステップ（Ｓ１０３）とを有している。【選択図】図３
2010019673.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体を撮像装置に対して相対移動させながら前記撮像装置により得られた、前記物体の表面の複数の輝度情報に基づく画像処理方法であって、
前記複数の輝度情報から前記物体の表面における同一箇所に該当する部分を抽出するとともに、前記抽出した部分に関する所定の特性値を求めて、前記抽出した部分における前記特性値の度数分布を求める第１のステップと、
前記度数分布に基づいて前記特性値の確率密度関数を算出し、前記確率密度関数が最大となる特性値を前記抽出した部分における前記特性値の真値として求める第２のステップとを有することを特徴とする画像処理方法。
【請求項２】
前記画像処理方法は、前記撮像装置を構成する光学系の光軸と垂直な方向へ、前記物体を前記撮像装置に対して相対移動させながら前記撮像装置により撮像して得られた、前記物体の表面の複数の画像に基づく画像処理方法であり、
前記第１のステップでは、前記複数の画像から前記物体の表面における同一箇所に該当する部分を抽出するとともに、前記抽出した部分の信号強度を求めて、前記抽出した部分における前記信号強度の度数分布を求め、
前記第２のステップでは、前記度数分布に基づいて前記信号強度の確率密度関数を算出し、前記確率密度関数が最大となる信号強度を前記抽出した部分における前記信号強度の真値として求め、
前記真値として求めた前記信号強度に基づいて、前記物体の表面の画像を生成する第３のステップをさらに有することを特徴とする請求項１に記載の画像処理方法。
【請求項３】
前記画像処理方法は、前記撮像装置を構成する撮像光学系の光軸に沿って、前記物体を前記撮像装置に対して相対移動させながら前記撮像装置により撮像して得られた、前記物体の表面の複数の画像に基づく画像処理方法であり、
前記第１のステップでは、前記複数の画像から前記物体の表面における同一箇所に該当する部分を抽出するとともに、前記抽出した部分の信号強度から前記物体の表面高さを求めて、前記抽出した部分における前記表面高さの度数分布を求め、
前記第２のステップでは、前記度数分布に基づいて前記表面高さの確率密度関数を算出し、前記確率密度関数が最大となる表面高さを前記抽出した部分における前記表面高さの真値として求めることを特徴とする請求項１に記載の画像処理方法。
【請求項４】
物体の表面を撮像可能な撮像装置と、
前記物体を前記撮像装置に対して相対移動させる相対移動部と、
前記相対移動部を利用して前記物体を前記撮像装置に対して相対移動させながら前記撮像装置により撮像して得られた、前記物体の表面の複数の画像に対して画像処理を行う画像処理部とを備え、
前記画像処理部は、前記複数の画像から前記物体の表面における同一箇所に該当する部分を抽出するとともに、前記抽出した部分に関する所定の特性値を求めて、前記抽出した部分における前記特性値の度数分布を求める第１の演算処理部と、
前記度数分布に基づいて前記特性値の確率密度関数を算出し、前記確率密度関数が最大となる特性値を前記抽出した部分における前記特性値の真値として求める第２の演算処理部とを有することを特徴とする顕微鏡装置。
【請求項５】
前記撮像装置は、前記物体の表面の像を結像する撮像光学系および、前記撮像光学系により結像された前記物体の表面の像を撮像する撮像素子を有し、
前記相対移動部は、前記撮像光学系の光軸と垂直な方向へ前記物体を前記撮像装置に対して相対移動させるように構成されており、
前記第１の演算処理部は、前記複数の画像から前記物体の表面における同一箇所に該当する部分を抽出するとともに、前記抽出した部分の信号強度を求めて、前記抽出した部分における前記信号強度の度数分布を求め、
前記第２の演算処理部は、前記度数分布に基づいて前記信号強度の確率密度関数を算出し、前記確率密度関数が最大となる信号強度を前記抽出した部分における前記信号強度の真値として求め、
前記画像処理部は、前記真値として求めた前記信号強度に基づいて、前記物体の表面の画像を生成する第３の演算処理部をさらに有することを特徴とする請求項４に記載の顕微鏡装置。
【請求項６】
前記撮像装置は、前記物体の表面の像を結像する撮像光学系および、前記撮像光学系により結像された前記物体の表面の像を撮像する撮像素子を有し、
前記相対移動部は、前記撮像光学系の光軸に沿って前記物体を前記撮像装置に対して相対移動させるように構成されており、
前記第１の演算処理部は、前記複数の画像から前記物体の表面における同一箇所に該当する部分を抽出するとともに、前記抽出した部分の信号強度から前記物体の表面高さを求めて、前記抽出した部分における前記表面高さの度数分布を求め、
前記第２の演算処理部は、前記度数分布に基づいて前記表面高さの確率密度関数を算出し、前記確率密度関数が最大となる表面高さを前記抽出した部分における前記表面高さの真値として求めることを特徴とする請求項４に記載の顕微鏡装置。
【請求項７】
対物レンズを有して物体の表面の拡大像を所定の撮像面上に結像する拡大光学系と、
前記拡大光学系により結像された前記拡大像の輝度を検出する撮像装置と、
前記物体および前記拡大光学系の少なくとも一方を前記拡大光学系の光軸に沿って相対移動させ、前記拡大光学系による合焦位置を変化させる第１の相対移動部と、
前記物体および前記拡大光学系の少なくとも一方を前記第１の相対移動部よりも粗大な範囲で相対移動させ、前記拡大光学系による合焦位置を変化させる第２の相対移動部と、
前記第２の相対移動部よりも微小な範囲で前記相対移動させる前記第１の相対移動部による相対移動量を検出する第１の検出部と、
前記第１の検出部よりも低い検出精度を有して前記第２の相対移動部による相対移動量を検出する第２の検出部と、
前記撮像装置により検出された輝度情報と前記第１の検出部による相対移動量と前記第２の検出部による相対移動量とに基づいて、前記物体の表面形状を求める演算部とを備えて構成されることを特徴とする顕微鏡装置。
【請求項８】
前記第２の相対移動部は、前記対物レンズを前記拡大光学系の光軸に沿って前記第１の相対移動部よりも粗大な範囲で相対移動させることを特徴とする請求項７に記載の顕微鏡装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体を撮像装置に対して相対移動させながら撮像して得られた、物体の表面の複数の画像に基づく画像処理方法、および、このような画像処理機能を備えた顕微鏡装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
顕微鏡装置には、光学顕微鏡により観察される物体の表面高さを算出して表面形状を求められる装置がある（例えば、特許文献１を参照）。このような顕微鏡装置５００は、例えば図１０に示すように、対物レンズ５４０をピエゾ駆動装置５３０により、例えば１秒間に１５回の割合で連続的に（所定の上下幅で）上下方向、すなわち顕微鏡の光軸に沿った方向に往復走査させる。このように往復走査させながら、対物レンズ５４０により結像された試料５５０の画像は、１／９００秒間に１枚の割合で高速度カメラ５１０により撮像されるとともに、ディジタル信号に変換されて制御用プロセッサ５９０に出力される。制御用プロセッサ５９０は、入力された画像の各画素について合焦度（合焦の度合い）を計算し、往復走査における上限位置から下限位置までの範囲内において、画素毎に最も高い合焦度が検出された光軸方向位置をそれぞれ各画素に対応する点の相対高さとして求める。
【０００３】
次に、光学顕微鏡を用いて画像取得が可能な顕微鏡装置の例について述べる。このような顕微鏡装置６００は、例えば図１１に示すように、試料台６６０に置かれた試料６５０の光学顕微鏡（対物レンズ６４０等）による拡大像は、ＣＣＤカメラ６１０の撮像面上に結像され、ＣＣＤカメラ６１０において光電変換がなされてその画像信号が制御用プロセッサ６９０に入力されることで、制御用プロセッサ６９０に画像として取り込まれる。
【特許文献１】特許第３７３７４８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
そして、このような画像取得を行う顕微鏡装置においては、より高い分解能が求められていた。
【０００５】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、分解能を高めた画像処理方法および顕微鏡装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このような目的達成のため、本発明に係る画像処理方法は、物体を撮像装置に対して相対移動させながら前記撮像装置により得られた、前記物体の表面の複数の輝度情報に基づく画像処理方法であって、前記複数の輝度情報から前記物体の表面における同一箇所に該当する部分を抽出するとともに、前記抽出した部分に関する所定の特性値を求めて、前記抽出した部分における前記特性値の度数分布を求める第１のステップと、前記度数分布に基づいて前記特性値の確率密度関数を算出し、前記確率密度関数が最大となる特性値を前記抽出した部分における前記特性値の真値として求める第２のステップとを有している。
【０００７】
なお、上述の画像処理方法において、前記撮像装置を構成する光学系の光軸と垂直な方向へ、前記物体を前記撮像装置に対して相対移動させながら前記撮像装置により撮像して得られた、前記物体の表面の複数の画像に基づく画像処理方法である場合には、前記第１のステップでは、前記複数の画像から前記物体の表面における同一箇所に該当する部分を抽出するとともに、前記抽出した部分の信号強度を求めて、前記抽出した部分における前記信号強度の度数分布を求め、前記第２のステップでは、前記度数分布に基づいて前記信号強度の確率密度関数を算出し、前記確率密度関数が最大となる信号強度を前記抽出した部分における前記信号強度の真値として求め、前記真値として求めた前記信号強度に基づいて、前記物体の表面の画像を生成する第３のステップをさらに有することが好ましい。
【０００８】
また、上述の画像処理方法において、前記撮像装置を構成する撮像光学系の光軸に沿って、前記物体を前記撮像装置に対して相対移動させながら前記撮像装置により撮像して得られた、前記物体の表面の複数の画像に基づく画像処理方法である場合には、前記第１のステップでは、前記複数の画像から前記物体の表面における同一箇所に該当する部分を抽出するとともに、前記抽出した部分の信号強度から前記物体の表面高さを求めて、前記抽出した部分における前記表面高さの度数分布を求め、前記第２のステップでは、前記度数分布に基づいて前記表面高さの確率密度関数を算出し、前記確率密度関数が最大となる表面高さを前記抽出した部分における前記表面高さの真値として求めることが好ましい。
【０００９】
また、第１の発明に係る顕微鏡装置は、物体の表面を撮像可能な撮像装置と、前記物体を前記撮像装置に対して相対移動させる相対移動部と、前記相対移動部を利用して前記物体を前記撮像装置に対して相対移動させながら前記撮像装置により撮像して得られた、前記物体の表面の複数の画像に対して画像処理を行う画像処理部とを備え、前記画像処理部は、前記複数の画像から前記物体の表面における同一箇所に該当する部分を抽出するとともに、前記抽出した部分に関する所定の特性値を求めて、前記抽出した部分における前記特性値の度数分布を求める第１の演算処理部と、前記度数分布に基づいて前記特性値の確率密度関数を算出し、前記確率密度関数が最大となる特性値を前記抽出した部分における前記特性値の真値として求める第２の演算処理部とを有している。
【００１０】
なお、上述の顕微鏡装置において、前記撮像装置は、前記物体の表面の像を結像する撮像光学系および、前記撮像光学系により結像された前記物体の表面の像を撮像する撮像素子を有し、前記相対移動部は、前記撮像光学系の光軸と垂直な方向へ前記物体を前記撮像装置に対して相対移動させるように構成される場合には、前記第１の演算処理部は、前記複数の画像から前記物体の表面における同一箇所に該当する部分を抽出するとともに、前記抽出した部分の信号強度を求めて、前記抽出した部分における前記信号強度の度数分布を求め、前記第２の演算処理部は、前記度数分布に基づいて前記信号強度の確率密度関数を算出し、前記確率密度関数が最大となる信号強度を前記抽出した部分における前記信号強度の真値として求め、前記画像処理部は、前記真値として求めた前記信号強度に基づいて、前記物体の表面の画像を生成する第３の演算処理部をさらに有することが好ましい。
【００１１】
また、上述の顕微鏡装置において、前記撮像装置は、前記物体の表面の像を結像する撮像光学系および、前記撮像光学系により結像された前記物体の表面の像を撮像する撮像素子を有し、前記相対移動部は、前記撮像光学系の光軸に沿って前記物体を前記撮像装置に対して相対移動させるように構成される場合には、前記第１の演算処理部は、前記複数の画像から前記物体の表面における同一箇所に該当する部分を抽出するとともに、前記抽出した部分の信号強度から前記物体の表面高さを求めて、前記抽出した部分における前記表面高さの度数分布を求め、前記第２の演算処理部は、前記度数分布に基づいて前記表面高さの確率密度関数を算出し、前記確率密度関数が最大となる表面高さを前記抽出した部分における前記表面高さの真値として求めることが好ましい。
【００１２】
また、第２の発明に係る顕微鏡装置は、対物レンズを有して物体の表面の拡大像を所定の撮像面上に結像する拡大光学系と、前記拡大光学系により結像された前記拡大像の輝度を検出する撮像装置と、前記物体および前記拡大光学系の少なくとも一方を前記拡大光学系の光軸に沿って相対移動させ、前記拡大光学系による合焦位置を変化させる第１の相対移動部と、前記物体および前記拡大光学系の少なくとも一方を前記第１の相対移動部よりも粗大な範囲で相対移動させ、前記拡大光学系による合焦位置を変化させる第２の相対移動部と、前記第２の相対移動部よりも微小な範囲で前記相対移動させる前記第１の相対移動部による相対移動量を検出する第１の検出部と、前記第１の検出部よりも低い検出精度を有して前記第２の相対移動部による相対移動量を検出する第２の検出部と、前記撮像装置により検出された輝度情報と前記第１の検出部による相対移動量と前記第２の検出部による相対移動量とに基づいて、前記物体の表面形状を求める演算部とを備えて構成される。
【００１３】
なお、上述の顕微鏡装置において、前記第２の相対移動部は、前記対物レンズを前記拡大光学系の光軸に沿って前記第１の相対移動部よりも粗大な範囲で相対移動させることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、分解能を高めることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の好ましい実施形態について説明する。第１実施形態に係る顕微鏡装置を図１に示しており、この顕微鏡装置１は、顕微鏡本体１０と、撮像部２０と、制御用プロセッサ３０とを主体に構成される。顕微鏡本体１０は、撮像部２０を上下移動可能に支持する顕微鏡ベース１１と、顕微鏡ベース１１の底部に固設された顕微鏡用試料台１２と、顕微鏡ベース１１に支持された撮像部２０を上下に（撮像部２０の光軸に沿って）移動させるパルスモーター１３と、撮像部２０の上下方向位置（光軸方向位置）を検出可能なエンコーダー１４とを有して構成される。
【００１６】
顕微鏡用試料台１２の上面には、例えば平板状に形成された試料５が載置される。パルスモーター１３は、制御用プロセッサ３０に構成される駆動制御装置３１（図２を参照）からのモーター駆動信号に応じて、撮像部２０を顕微鏡用試料台１２上の試料５に対して上下方向、すなわち撮像部２０を構成する撮像光学系（対物レンズ２１および顕微鏡鏡筒装置２３）の光軸に沿って相対移動させる。エンコーダー１４は、１０ｎｍの検出ピッチで高精度に、撮像部２０の上下方向位置（光軸方向位置）を検出し、検出信号を制御用プロセッサ３０の高速画像プロセッサ３２（図２を参照）へ出力する。
【００１７】
撮像部２０は、顕微鏡用試料台１２の上方に対向して設けられた対物レンズ２１と、下側に対物レンズ２１が取り付けられた顕微鏡用照明装置２２と、顕微鏡用照明装置２２の上側に取り付けられた顕微鏡鏡筒装置２３と、顕微鏡鏡筒装置２３の上側に取り付けられた高速度カメラ２４とを有して構成される。対物レンズ２１は、ピエゾ駆動装置２５を介して顕微鏡用照明装置２２の下側に取り付けられる。
【００１８】
ピエゾ駆動装置２５は、印加電圧を変えることにより長さが変化するピエゾ素子（図示せず）と、ピエゾ素子を作動させるコントローラ（図示せず）とを有して構成されており、本実施形態においては、１秒間に１５回の割合で連続的に所定幅（例えば、１００μｍの幅）の範囲を往復移動可能となっている。このピエゾ駆動装置２５が対物レンズ２１と顕微鏡用照明装置２２との間に取り付けられているため、ピエゾ駆動装置２５の駆動力によって、対物レンズ２１は撮像部２０を構成する撮像光学系（対物レンズ２１および顕微鏡鏡筒装置２３）の光軸に沿った方向に（すなわち、上下方向に）往復移動する。
【００１９】
なお、ピエゾ駆動装置２５は、制御用プロセッサ３０に構成される駆動制御装置３１（図２を参照）からのピエゾ素子駆動信号に応じて作動するようになっている。また、ピエゾ駆動装置２５のコントローラには、ピエゾ駆動装置２５（すなわち、対物レンズ２１）の往復移動位置を検出するセンサー（図示せず）が内蔵されている。このセンサーは、エンコーダー１４よりも低い精度で、ピエゾ駆動装置２５（すなわち、対物レンズ２１）の往復移動位置を検出し、その検出信号を制御用プロセッサ３０の高速画像プロセッサ３２（図２を参照）へ出力する。
【００２０】
顕微鏡用照明装置２２は、いわゆる落射照明であって、対物レンズ２１を介して試料５の表面（上面）に照明光を照射する。顕微鏡用照明装置２２の基端部は、顕微鏡ベース１１の上端部に取り付けられ、これにより対物レンズ２１やピエゾ駆動装置２５を含む撮像部２０全体が顕微鏡ベース１１に（光軸に沿って）上下移動可能に支持される。顕微鏡鏡筒装置２３は、その内部に結像レンズ（図示せず）を有して構成され、対物レンズ２１と協働して、顕微鏡用照明装置２２により照明光が照射された試料５の表面からの光を高速度カメラ２４の撮像面上に集光し、試料５の表面の拡大像を結像させる。
【００２１】
高速度カメラ２４は、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子２４ａを有して、例えば１／９００秒間に１回の割合で連続撮像可能に構成されており、撮像素子２４ａ表面の撮像面上に形成された試料５の表面の拡大像を撮像して得られた画像信号（輝度情報）をディジタル信号に変換して、制御用プロセッサ３０の高速画像プロセッサ３２（図２を参照）へ出力する。制御用プロセッサ３０は、図２に示すように、パルスモーター１３およびピエゾ駆動装置２５の作動を制御する駆動制御装置３１と、詳細は後述する画像処理を行う高速画像プロセッサ３２と、これらの作動を統括的に制御する制御用コンピュータ３３とを有して構成される。
【００２２】
このように構成される顕微鏡装置１において、顕微鏡用照明装置２２から発せられた照明光は、対物レンズ２１を介して試料５の表面（上面）に照射される。顕微鏡用照明装置２２により照明光が照射された試料５の表面からの光は、対物レンズ２１および顕微鏡鏡筒装置２３により高速度カメラ２４の撮像面上に集光され、試料５の表面の拡大像が結像される。高速度カメラ２４は、試料５の表面の拡大像を撮像するとともに、撮像して得られた画像信号をディジタル信号に変換して、制御用プロセッサ３０の高速画像プロセッサ３２へ出力する。
【００２３】
このとき、対物レンズ２１は、ピエゾ駆動装置２５の駆動力によって１秒間に１５回の割合で、撮像部２０を構成する撮像光学系（対物レンズ２１および顕微鏡鏡筒装置２３）の光軸に沿った方向に往復移動しており、光学系の焦点位置が連続的に変化するようになっている。これに対し、高速度カメラ２４は、１／９００秒間に１回の割合で試料５の表面（上面）の撮像を連続的に行うため、対物レンズ２１の往復移動に応じて合焦度が変化する複数の画像を取得することが可能である。またこのとき、パルスモーター１３により、例えば３μｍのピッチで、撮像部２０全体を撮像光学系（対物レンズ２１および顕微鏡鏡筒装置２３）の光軸に沿って移動させることで、撮像部２０の複数の光軸方向位置（３μｍピッチの位置）毎に、ピエゾ駆動装置２５により対物レンズ２１を往復移動させながら、高速度カメラ２４が試料５の表面（上面）の撮像を連続的に行うことができる。
【００２４】
なお、高速画像プロセッサ３２には、高速度カメラ２４からの画像信号の他に、エンコーダー１４からの検出信号や、ピエゾ駆動装置２５のコントローラに内蔵されたセンサー（図示せず）からの検出信号が入力される。そのため、試料５の表面を撮像したときの撮像部２０の光軸方向位置や対物レンズ２１の往復移動位置を知ることができる。
【００２５】
本実施形態において、高速画像プロセッサ３２は、高速度カメラ２４から入力された試料５の表面の複数の画像に対し、所定の画像処理を行うことで、試料５の表面高さを求めることが可能である。そこで、試料５の表面高さを求めるための画像処理方法について、図３に示すフローチャートを参照しながら以下に説明する。
【００２６】
まず、高速画像プロセッサ３２は、高速度カメラ２４から入力された試料５の表面の複数の画像に対し、１枚の画像毎に、各画素について合焦度を計算する（ステップＳ１０１）。合焦度を求める手法としては、各画素における信号強度の二次微分値または分散値を算出して求める方法がある。
【００２７】
各画素について合焦度を算出すると、算出した合焦度から試料５の表面高さを求める（ステップＳ１０２）。このとき、対物レンズ２１の往復移動における上限位置から下限位置までの範囲内において、画素毎に最も高い合焦度が検出された光軸方向位置をそれぞれ、各画素に対応する点の相対高さとして求める。
【００２８】
ここで、図４に示すように、相対的０位置（相対的な原点位置）に対するエンコーダー１４の検出値（撮像部２０の光軸方向位置）をｄとし、合焦度が最大となる場合におけるピエゾ駆動装置２５のコントローラに内蔵されたセンサーの検出値をｎ（正の整数）とし、当該センサーの分解距離をｓとすると、試料５の表面高さＨは、次の（１）式のように表わされる。
【００２９】
Ｈ＝ｄ＋（ｎ×ｓ）      （１）
【００３０】
本実施形態においては、前述したように、パルスモーター１３により、撮像部２０全体を撮像光学系（対物レンズ２１および顕微鏡鏡筒装置２３）の光軸に沿って移動させることで、撮像部２０の複数の光軸方向位置毎に、ピエゾ駆動装置２５により対物レンズ２１を往復移動させながら、高速度カメラ２４が試料５の表面の撮像を連続的に行っている。そのため、対物レンズ２１の往復移動によって試料５の表面と合焦可能な撮像部２０の光軸方向位置毎に、すなわちエンコーダー１４の検出値ｄ毎に、試料５の表面高さＨが各画素について複数求められることになる。そこで、試料５の表面高さＨの度数分布を画素毎に抽出して求める。なお、（１）式において、（ｎ×ｓ）の値をセンサーの検出値とすることも可能である。また、撮像部２０および対物レンズ２１が光軸に沿って移動するため、各画像における画素同士の位置関係は、各画像における試料５同士の位置関係と同期する。
【００３１】
試料５の表面高さＨの度数分布を画素毎に求めると、各画素について、例えば図５に示すように、表面高さＨの度数分布Ａは、センサーの分解距離ｓの少なくとも２倍の範囲に分布する。この度数分布Ａは、表面高さＨが生じる確率分布とみなすことができるので、各画素における度数分布Ａにそれぞれ正規分布関数をあてはめて確率密度関数Ｂを算出し、確率密度関数Ｂが最大となる表面高さを各画素における表面高さの真値として求める（ステップＳ１０３）。このようにして画素毎に求められた試料５の表面高さのデータは、制御用コンピュータ３３により外部モニター３５へ出力され、試料５の表面高さの測定結果として外部モニター３５に表示される。
【００３２】
ところで、図１０に示した従来の顕微鏡装置５００において、測定対象となる表面高さの分解能の基準である高速度カメラ５１０による撮像ピッチは、対物レンズ５４０の走査幅（往復移動幅）を、撮像フレーム数、すなわち従来例の場合は３０で除算した値であり、走査幅を１００μｍとすると、３．３μｍである。一方、半導体、電子材料、薄型ディスプレイ等の開発、検査の分野では、数ｎｍ以下の分解能が求められている。また、高分解能特性を保ちつつ、１００μｍ以上、例えば数ｍｍの段差を測定する必要性もある。
【００３３】
なお、このような課題を解決するために、公知技術である高分解能で走査幅がｍｍオーダーのセンサーを搭載することが考えられるが、図１２（ａ）に示すように、光学顕微鏡の焦点近傍における光束Ｉの光線密度は、焦点位置で理論的に点になることはなく、回折現象により、光の波長（約５００ｎｍ）のオーダーとなる。そこで、図１２（ｂ）に示すように、高分解能のセンサーが検出する反射光量分布も、焦点位置近傍における光量分布が平坦になってしまう。そのため、表面高さ方向を高分解能で位置決めして反射光を検出したとしても、光学顕微鏡の焦点位置を高分解能で決めることはできない。
【００３４】
これに対し、第１実施形態の画像処理方法および、このような画像処理機能を備えた顕微鏡装置１によれば、試料５の表面高さＨの確率密度関数を画素毎に算出し、当該確率密度関数が最大となる表面高さを各画素における表面高さの真値として求めるため、検出精度（分解能）が相対的に低いピエゾ駆動装置２５のセンサー（図示せず）を用いても、撮像部２０の複数の光軸方向位置毎に求めた表面高さＨの測定精度は低いが、これら複数の表面高さＨに基づく確率密度関数を算出することで表面高さの測定精度は高まり、試料５の表面高さの測定分解能を向上させることが可能になる。
【００３５】
なお、上述の第１実施形態においては、パルスモーター１３により、例えば３μｍのピッチで、撮像部２０全体を撮像光学系（対物レンズ２１および顕微鏡鏡筒装置２３）の光軸に沿って相対移動させるとともに、ピエゾ駆動装置２５により、例えば１００μｍの往復幅の内で、対物レンズ２１を撮像光学系の光軸に沿って往復移動させ、検出精度が高い（照明光の波長よりも分解能が高い）エンコーダー１４により撮像部２０の光軸方向位置（相対移動量）を検出するとともに、比較的検出精度が低いピエゾ駆動装置２５のセンサー（図示せず）により対物レンズ２１の往復移動位置（相対移動量）を検出している。このようにすれば、試料５の表面高さＨの度数分布を精度よく求めることができるため、試料５の表面高さの測定分解能をより向上させることができる。
【００３６】
また、上述の第１実施形態において、パルスモーター１３により、撮像部２０全体を試料５に対して相対移動させているが、これに限られるものではなく、試料５が載置された顕微鏡用試料台１２を撮像部２０に対して相対移動させるようにしてもよい。
【００３７】
続いて、顕微鏡装置の第２実施形態について、図６を参照しながら説明する。第２実施形態の顕微鏡装置１０１は、顕微鏡本体１１０と、撮像部１２０と、制御用プロセッサ１３０とを主体に構成される。顕微鏡本体１１０は、撮像部１２０を支持する顕微鏡ベース１１１と、顕微鏡ベース１１１の底部に固設された顕微鏡用試料台１１２と、顕微鏡用試料台１１２の上面に設けられた微細駆動ステージ１１３とを有して構成される。
【００３８】
微細駆動ステージ１１３の上面には、例えば平板状に形成された試料１０５が載置される。微細駆動ステージ１１３は、制御用プロセッサ１３０に構成される駆動制御装置１３１（図７を参照）からのステージ駆動信号に応じて、ｎｍオーダーで高精度に、上面で支持する試料１０５を撮像部１２０に対して水平方向、すなわち撮像部１２０を構成する撮像光学系（対物レンズ１２１および顕微鏡鏡筒装置１２３）の光軸と垂直な方向に相対移動させる。微細駆動ステージ１１３には、リニアエンコーダー（図示せず）が内蔵されており、このリニアエンコーダーは、ｎｍオーダーで高精度に、試料１０５（微細駆動ステージ１１３）の水平方向位置を検出し、検出信号を制御用プロセッサ１３０の画像プロセッサ１３２（図７を参照）へ出力する。
【００３９】
撮像部１２０は、顕微鏡用試料台１１２および微細駆動ステージ１１３の上方に対向して設けられた対物レンズ１２１と、下側に対物レンズ１２１が取り付けられた顕微鏡用照明装置１２２と、顕微鏡用照明装置１２２の上側に取り付けられた顕微鏡鏡筒装置１２３と、顕微鏡鏡筒装置１２３の上側に取り付けられた撮像カメラ１２４とを有して構成される。
【００４０】
顕微鏡用照明装置１２２は、いわゆる落射照明であって、対物レンズ１２１を介して試料１０５の表面（上面）に照明光を照射する。顕微鏡用照明装置１２２の基端部は、顕微鏡ベース１１１の上端部に取り付けられ、これにより撮像部１２０全体が顕微鏡ベース１１１に支持される。顕微鏡鏡筒装置１２３は、その内部に結像レンズ（図示せず）を有して構成され、対物レンズ１２１と協働して、顕微鏡用照明装置１２２により照明光が照射された試料１０５の表面からの光を撮像カメラ１２４の撮像面上に集光し、試料１０５の表面の拡大像を結像させる。
【００４１】
撮像カメラ１２４は、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子１２４ａを有して構成されており、撮像素子１２４ａ表面の撮像面上に形成された試料１０５の表面の拡大像を撮像して得られた画像信号（輝度情報）をディジタル信号に変換して、制御用プロセッサ１３０の画像プロセッサ１３２（図７を参照）へ出力する。制御用プロセッサ１３０は、図７に示すように、微細駆動ステージ１１３の作動を制御する駆動制御装置１３１と、詳細は後述する画像処理を行う画像プロセッサ１３２と、これらの作動を統括的に制御する制御用コンピュータ１３３とを有して構成される。
【００４２】
このように構成される顕微鏡装置１０１において、顕微鏡用照明装置１２２から発せられた照明光は、対物レンズ１２１を介して試料１０５の表面（上面）に照射される。顕微鏡用照明装置１２２により照明光が照射された試料１０５の表面からの光は、対物レンズ１２１および顕微鏡鏡筒装置１２３により撮像カメラ１２４の撮像面上に集光され、試料１０５の表面の拡大像が結像される。撮像カメラ１２４は、試料１０５の表面の拡大像を撮像するとともに、撮像して得られた画像信号をディジタル信号に変換して、制御用プロセッサ１３０の画像プロセッサ１３２へ出力する。
【００４３】
このとき、微細駆動ステージ１１３により、撮像素子１２４ａの１画素分に相当する長さよりも小さいｎｍオーダーのピッチで、試料１０５を撮像部１２０に対して水平方向に縦横に相対移動させることで、試料１０５の複数の水平方向位置毎に、撮像カメラ１２４が試料１０５の表面（上面）の撮像を行うことができる。なお、画像プロセッサ１３２には、撮像カメラ１２４からの画像信号の他に、微細駆動ステージ１１３に内蔵されたリニアエンコーダー（図示せず）からの検出信号が入力される。そのため、試料１０５の表面を撮像したときの試料１０５（微細駆動ステージ１１３）の水平方向位置を知ることができる。
【００４４】
本実施形態において、画像プロセッサ１３２は、撮像カメラ１２４から入力される試料１０５の表面の複数の画像に対し、所定の画像処理を行うことで、より分解能を高めた試料１０５の画像を得ることが可能である。そこで、より分解能を高めた試料１０５の画像を得るための画像処理方法について、図８に示すフローチャートを参照しながら以下に説明する。
【００４５】
まず、画像プロセッサ１３２は、撮像カメラ１２４から入力される試料１０５の表面の複数の画像に対し、１枚の画像毎に、各画素について信号強度を求める（ステップＳ２０１）。なおこのとき、処理時間の関係から、試料１０５の表面を１枚撮像する毎に、各画素について信号強度を求めるのが好ましいが、処理に必要な試料１０５の表面の画像を全て撮像取得してから、各画素について信号強度を求めるようにしてもよい。
【００４６】
各画素について信号強度を求めると、試料１０５の表面の画像における注目する位置での信号強度を求める（ステップＳ２０２）。このとき、例えば図９（ｂ）に示すように、試料１０５の表面の画像における１つの画素領域Ｋを１０×１０のサブ画素領域ｋ，ｋ，…に分割し、分割した領域ｋ毎に信号強度値を算出する。これにより、例えば１０００×１０００の画素を有する撮像素子において、その中心側に位置する５００×５００の画素領域に対して１０×１０のサブ画素領域に分割する処理を行えば、本来は５００×５００の画素領域から、５０００×５０００画素分の信号強度値を得ることができる。
【００４７】
ここで、図９（ａ）を用いてサブ画素領域での信号強度値を求める方法について説明する。なお、図９（ａ）に示すグラフの縦軸は、サブ画素領域での算出された信号強度値（光強度）を示す軸であり、グラフの横軸は、求めた信号強度値（光強度）の度数を示す軸である。サブ画素領域での信号強度値（光強度）を求める方法は、まず、各画素の中心位置での信号強度がわかるので、これらの信号強度を用いて、注目するサブ画素領域を含む画素の中心位置とこれに隣接する画素の中心位置との間で関数フィッティング（補間）を行う。そして、関数フィッティングによって得られた信号強度曲線（光強度曲線）Ｃ１（またはＣ２〜Ｃ４）に基づいて、注目するサブ画素領域での信号強度値（光強度）を求めることができる。
【００４８】
本実施形態においては、前述したように、微細駆動ステージ１１３により、撮像素子１２４ａの１画素分に相当する長さよりも小さいｎｍオーダーのピッチで、試料１０５を撮像部１２０に対して水平方向に縦横に相対移動させる毎に、撮像カメラ１２４が試料１０５の表面の撮像を行っている。そのため、注目するサブ画素領域に対応した位置を一点鎖線Ｄとすると、当該サブ画素領域を含む画素の中心位置は、例えば破線Ｅ１〜Ｅ４のように相対移動することになる。そのため、注目するサブ画素領域を含む画素が相対移動する毎に、すなわち微細駆動ステージ１１３に内蔵されたリニアエンコーダー（図示せず）の検出値毎に、関数フィッティングによって得られた信号強度曲線（光強度曲線）Ｃ１〜Ｃ４および、注目する位置（サブ画素領域）での信号強度値（光強度）が複数求められることになる。そこで、注目する位置に対応する信号強度値（光強度）の度数分布をサブ画素領域毎に抽出して求める。
【００４９】
試料１０５の表面の画像における注目する位置での信号強度値をサブ画素領域毎に求めると、例えば図９（ａ）に示すように、信号強度値（光強度）の度数分布Ｆは、当該信号強度が生じる確率分布とみなすことができる。そこで、各サブ画素領域における度数分布Ｆにそれぞれ正規分布関数をあてはめて確率密度関数Ｇを算出し、確率密度関数Ｇが最大となる信号強度を各サブ画素領域における信号強度の真値として求める（ステップＳ２０３）。
【００５０】
そして、ステップＳ２０３で求めた信号強度に基づいて、試料１０５の表面の画像を生成する（ステップＳ２０４）。これにより、前述したように、例えば１０００×１０００の画素を有する撮像素子において、その中心側に位置する５００×５００の画素領域に対して１０×１０のサブ画素領域に分割する処理を行えば、本来は５００×５００の画素からなる画像から、５０００×５０００の画素を有する分解能の高い画像を得ることができる。このようにして生成された試料１０５の表面の画像データは、制御用コンピュータ１３３により外部モニター１３５へ出力され、分解能の高い試料１０５の表面の画像が外部モニター３５に表示される。
【００５１】
ところで、図１１に示した従来の顕微鏡装置６００において、光学顕微鏡の分解能は、光の回折現象によりレイリー限界として知られる物理的限界を持ち、緑色の光の場合で約５００ｎｍである。例えば図１３（ｄ）に示すように、試料台６６０の上に試料として５０ｎｍ角の高反射率物体６５１を置いたと仮定する。そうすると、光の回折により、図１３（ｃ）における矢印で示す幅で光量分布が広がり、その半値幅は約５００ｎｍである。このときのＣＣＤカメラの撮像面上での光量分布を図１３（ｃ）に示す。また、図１３（ｂ）のようにＣＣＤ撮像素子６１１が配列されているとすると、各画素において図１３（ａ）に示すような画像信号が検出される。
【００５２】
現状の技術では、撮像素子の開口部の幅を狭くして素子数を増やすことで、対象物面の１０ｎｍ角の光量を信号に変換できるが、光学的にぼけた画像を細かく撮像しているに過ぎず、図１３（ｄ）に示すような高反射率物体６５１の画像を捉えることはできない。電子顕微鏡や原子間力顕微鏡は、５００ｎｍ以下の物体の画像取得に用いられているが、光学顕微鏡の分解能を高めることは、画像取得の簡便性や高速性の観点から、半導体、電子材料の分野のみならず、多くの分野で求められている。
【００５３】
なお、このような課題を解決するために、公知技術である極小の画素を用いる方法や、リレーレンズで対物レンズが結像した像を拡大する方法が考えられるが、光の回折現象で５００ｎｍオーダー以下において光学的なぼけをなくすことはできない。
【００５４】
これに対し、第２実施形態の画像処理方法および、このような画像処理機能を備えた顕微鏡装置１０１によれば、信号強度の確率密度関数をサブ画素領域毎に算出し、当該確率密度関数が最大となる信号強度を各サブ画素領域における信号強度の真値として求めるため、微細駆動ステージ１１３に内蔵されたリニアエンコーダー（図示せず）よりも検出精度（分解能）が相対的に低い撮像素子１２４ａを用いても、試料１０５を相対移動させる毎に求めた信号強度の測定精度は低いが、これら複数の信号強度に基づく確率密度関数を算出することで信号強度の測定精度は高まり、分解能の高い試料１０５の表面の画像を得ることが可能になる。
【００５５】
なお、上述の第２実施形態において、微細駆動ステージ１１３により、試料１０５を撮像部１２０に対して相対移動させているが、これに限られるものではなく、撮像部１２０全体を試料１０５に対して相対移動させるようにしてもよく、撮像カメラ１２４における撮像素子（図示せず）だけを試料１０５に対して相対移動させるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】第１実施形態に係る顕微鏡装置の概略構成図である。
【図２】第１実施形態に係る制御用プロセッサの制御ブロック図である。
【図３】第１実施形態に係る画像処理方法を示すフローチャートである。
【図４】合焦度と光軸方向位置との関係をしめすグラフである。
【図５】試料の表面高さの度数分布である。
【図６】第２実施形態に係る顕微鏡装置の概略構成図である。
【図７】第２実施形態に係る制御用プロセッサの制御ブロック図である。
【図８】第２実施形態に係る画像処理方法を示すフローチャートである。
【図９】（ａ）は信号強度（光強度）の度数分布であり、（ｂ）はサブ画素領域の模式図である。
【図１０】第１の従来例に係る顕微鏡装置の概略構成図である。
【図１１】第２の従来例に係る顕微鏡装置の概略構成図である。
【図１２】（ａ）は焦点近傍における光束の光線密度であり、（ｂ）は焦点近傍における反射光量分布である。
【図１３】５０ｎｍ角の高反射物体を試料としたときの光学像とＣＣＤカメラの各画素における幾何学的関係および各画素から得られる画像信号を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００５７】
１  顕微鏡装置（第１実施形態）          ５  試料
１０  顕微鏡本体                        １３  パルスモーター（第１の相対移動部）
１４  エンコーダー（第１の位置検出部）
２０  撮像部（撮像装置）                ２１  対物レンズ（撮像光学系）
２３  顕微鏡鏡筒装置（撮像光学系および拡大光学系）
２４  高速度カメラ（２４ａ  撮像素子）
２５  ピエゾ駆動装置
３０  制御用プロセッサ
３２  高速画像プロセッサ（第１〜第２の演算処理部）
１０１  顕微鏡装置（第２実施形態）      １０５  試料
１１０  顕微鏡本体                      １１３  微細駆動ステージ（相対移動部）
１２０  撮像部                          １２１  対物レンズ（撮像光学系）
１２３  顕微鏡鏡筒装置（撮像光学系）    １２４  撮像カメラ（１２４ａ  撮像素子）
１３０  制御用プロセッサ
１３２  画像プロセッサ（第１〜第３の演算処理部）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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