(57)【要約】【課題】共焦点顕微鏡はニポウディスクを回転することによって、光が撮像面をスキャンするが、得られる画像はニポウディスクの回転速度とカメラのフレームレート（シャッタースピードはフレームレートと同じと仮定）により、異なるものとなる。例えば、ニポウディスク１回転で４枚の画像か得られる場合に、ニポウディスクなどの光学素子の特性が、回転している位置によって異なると、輝度が不定期に変化するフリッカとして現れる。【解決手段】高さ測定部に１垂直同期信号毎に時間差を持ったフレームバッファを複数段設け、それぞれの画像の画素毎に平均を行い、その平均画像を用いて、高さ測定を行う。なお、好ましくは、フレームバッファの段数はニポウデイスクが１回転分の映像枚数である。【選択図】図５
2010266406.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共焦点顕微鏡を使用した高さ測定装置において、前記共焦顕微鏡のＺ軸座標位置を移動可能な制御部と、前記共焦顕微鏡の結像画像を撮像するカメラと、前記Ｚ軸の座標位置を出力するリニアスケールと、装置の制御と高さ測定を行う制御測定部とを有した高さ測定装置において、前記制御部は、前記共焦顕微鏡のＺ軸座標位置を始点位置から終点位置に移動時、前記共焦顕微鏡の画像を過去の連続した所定数の画像の平均を行いながら取り込み、１つ前の平均画像の輝度値を比較しながら、より輝度値の高い画素とそのリニアスケールから読み出したＺ座標を残す機能を有する高さ測定部を具備することを特徴とする高さ測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は被写体像を共焦顕微鏡で拡大し、拡大した被写体像の画像に基づいて、被写体の高さを測定する高さ測定装置に関わり、特に医療用若しくは産業用の高さ測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高さ測定装置に用いる共焦点顕微鏡は、合焦点位置と光学的に共役な位置にピンホールを設け、合焦点以外の光が通るのを防ぐことで、通常の光学顕微鏡より、精細な画像を得ることが可能な顕微鏡である。
従来の共焦点顕微鏡を図１によって説明する。図１は、従来の共焦点顕微鏡の基本原理を説明するための模式的な図である。100 は光源、101 は結像レンズ、102 はハーフミラー、103 はニポウディスク、104 はピンホール、105 は対物レンズ、106 は被測定対象物の試料面、107 は結像レンズ、108 は撮像面である。
【０００３】
図１において、光源 100 から出力された平行光は、結像レンズ 101 によって、ニポウディスク 103 の特定のピンホール 104 に結像する。ニポウディスク 103 の前にはハーフミラー 102 があるが、結像レンズ 101 からの光を透過させ、逆方向から入る反射光を反射させるもの（後述）である。
ピンホール 104 を通過した光は対物レンズ 105 に入り、試料面 106 に到達する。試料面 106 からの反射光は対物レンズ 105 に戻り、再びピンホール 104 を通過して、共焦点効果を得る。
この再びピンホール 104 を通過した反射光は、ハーフミラー 102 に入り、90［°］（ π／２［rad］）方向を変え、結像レンズ 107 を通過して、撮像面 108 に結像する。
【０００４】
ニポウディスクは、数千のピンホールを持っており、これらが回転することで、数千本の光が、試料面 106 をスキャンすることとなる。即ち、試料面 106 に到達し、試料面 106 からの反射光は対物レンズ 105 に戻り、再びピンホール 104 を通過した反射光は、ハーフミラー 102 を介して、撮像面 108 に結像し、撮像面 108 をスキャンし、撮像面 108 で１枚の画像を得ることができる。
【０００５】
共焦点顕微鏡は、合焦点以外の光をほとんど通さないために、通常の光学顕微鏡よりも、被写体深度が極めて浅い。
例えば、図２に示すように、中央部がなだらかな山形をした形状の試料 201 を Z 軸方向（高さ方向）に向かって、裾野から頂上に移動しながら、映像を取得すると共にその時の Z 座標値を記録していく。図２は、試料の高さ方向の変化を模式的に示した図である。
図２の破線に沿って、山形形状部の断面をとると図３(a) となる。図３(a) は、縦軸に高さ（ Z 軸方向）、横軸に X 軸方向の位置座標をとった模式図である。この図では便宜的に、横軸を X 軸方向の位置座標としたが、 XY 平面上の位置 座標としても良い。
また、図３は試料の高さ方向の変化と輝度値との関係を模式的に示した図である。図３(b) は、図３(a) において、合焦点位置の高さ（ Z 軸座標）を Z1 、Z2 、Z3 、・・・、Z7 、Z8 それぞれで撮像した画素の輝度値を示した図である。図３(b) において、縦軸は、山形形状の高さ、横軸は、それぞれ、合焦点位置の高さ Z1 、Z2 、Z3 ・・・、Z7 、Z8 それぞれで撮像した画素の輝度値である。
【０００６】
図３(b) に示すように、各合焦点位置の高さ、即ち、各 Z 座標位置（ Z1 、Z2 、Z3 、・・・、Z7 、Z8 ）に、それぞれの輝度値のピーク（ I1 、I2 、I3 、・・・、I7 、I8 ）があることがわかる。なお、この図３(b) のそれぞれの曲線を、以後、Z カーブと呼ぶ。
共焦点顕微鏡では、この Z カーブは、一般的な光学的顕微鏡よりも、被写体深度が浅いために、急峻なカーブとなる。そのため、Z カーブ（輝度値）のピーク位置の Z 座標値で、合焦点位置の特定が極めて容易である。
即ち、撮値面の各画素に対して、Z カーブを取得することで、各画素位置の高さ情報を得ることができる。また、本明細書では、各画素に対して、 Z カーブの頂点位置の輝度値を取り出して作成した画像を全焦点画像と称する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−１１１８８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述したように、共焦点顕微鏡はニポウディスクを回転することによって、光が撮像面をスキャンする。得られた画像は、ニポウディスクの回転速度とカメラのフレームレート（シャッタースピードはフレームレートと同じと仮定）により、異なるものとなる。
例えば、
（１）回転速度を１８００［rpm］、カメラのフレームレートを３０［fps］とすると、ニポウディスク１回転で、１枚の画像が得られる。
（２）回転速度を１８００［rpm］、カメラのフレームレートを１２０［fps］とすると、ニポウディスク１／４回転で、１枚の画像が得られる。
【０００９】
上述の（２）において、ニポウディスク１／４回転で１枚の画像を構成する場合では、ニポウディスク１回転で４枚の画像が得られる。しかし、ニポウディスクなどの光学素子の特性が、回転している位置によって異なると、４枚の画像の輝度などが不均一になる。これらの不均一な画像は連続表示させると、輝度が不定期に変化するフリッカとして現れる。
【００１０】
特許文献１には、画素の輝度値を１ライン毎に積算し、現在のフレーム画像及び過去の複数フレーム画像にわたって、各フレーム画像の同一ラインに対して１ライン毎の積算結果を平均化し、１ライン毎の積算結果について、積算結果の平均値で除算し、その除算結果から電源周波数が５０［Hz］か６０［Hz］かを判定し、その判定結果に基づいて、シャッタースピードを所定の値に切替えることで、電源周波数の違いに起因するフリッカの発生を抑圧している。
しかし、上記特許文献１と異なり、本発明の課題は、電源周波数の違いではなく、ニポウディスクなどの光学素子の特性が、回転している位置によって異なること起因するものである。
上記の問題に鑑み、本発明は、共焦点顕微鏡の出力画像を平均化することによって、フリッカを低減可能な、高さ測定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】
【００１１】
上記の課題を解決するために、本発明は、測定制御部内の高さ測定のために、１垂直同期信号毎に時間差を持ったフレームバッフアを複数段設け、それぞれの画像の画素毎に平均を行い、その平均画像を用いて、高さ測定を行うものである。
【００１２】
即ち、本発明の共焦点顕微鏡を使用した高さ測定装置において、前記共焦顕微鏡のＺ軸座標位置を移動可能な制御部と、前記共焦顕微鏡の結像画像を撮像するカメラと、前記Ｚ軸の座標位置を出力するリニアスケールと、装置の制御と高さ測定を行う測定制御部とを有した高さ測定装置において、前記測定制御部は、前記共焦顕微鏡のＺ軸座標位置を始点位置から終点位置に移動時、前記共焦顕微鏡の画像を過去の連続した所定数の画像の平均を行いながら取り込み、１つ前の平均画像の輝度値を比較しながら、より輝度値の高い画素とそのリニアスケールから読み出したＺ座標を残す機能を有する高さ測定部を具備することで、ニポウディスクやそれに付随する光学的素子の輝度むらを低減できるものである。。
【００１３】
好ましくは、フレームバッファの段数は、ニポウディスクが１回転当たり取得する画像の枚数と同一にするものである。即ち、フレームバッファの段数は、ニポウディスクが１回転をするように設計する。つまり、回転速度を１８００［rpm］、カメラのフレームレートが１２０［fps］であるとすると、ニポウディスクが１回転すると画像が４枚得られる。従って、フレームバッファを４段設け、これらの画像を平均して、高さ測定を行うものである。
即ち、本発明は、共焦点顕微鏡を使用した高さ測定装置において、Z 軸を駆動可能な制御部を有し、Z 軸にリニアスケールを有し、Z 軸を始点位置から終点位置に移動時、顕微鏡の画像を過去の連続した複数画像の平均を行いながら取り込み、１つ前の平均画像の輝度値を比較しながら、より輝変値の高い画素とそのリニアスケールから読み出したZ 座標を残す機能を有することで、ニポウディスクやそれに付随する光学的素子の輝度むらを低減できる共焦点顕微鏡を使用した高さ測定装置である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、共焦点顕微鏡からの画像のフリッカを低減できるため、高さ測定を行うと、より精度の高い測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】従来の共焦点顕微鏡の基本原理を説明するための模式的な図である。
【図２】試料の高さ方向の変化を模式的に示した図である。
【図３】試料の高さ方向の変化と輝度値との関係を模式的に示した図である。
【図４】本発明の高さ測定装置の一実施例の構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の高さ測定装置の測定制御部４１３における高さ測定ユニットの構成の一実施例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、各図の説明において、従来の技術を説明した図１と図２を含め、同一の機能を有する構成要素には同一の参照番号を付し、重複を避けるため、できるだけ説明を省略する。
【００１７】
本発明の共焦点顕微鏡を用いた高さ測定装置の一実施例の構成を図４によって説明する。図４は、本発明の高さ測定装置の一実施例の全体構成を示す模式的なブロック図である。高さ測定装置は、線幅測定装置とほぼ同様の構成で、その構成上の違いは、顕微鏡が図４に示した共焦点の部品を含む顕微鏡であること、また、正確な Z 座標（高さ座標）が取得できるように、リニアスケールを備え、カメラ等のイメージセンサからの映像と Z 座標より、高さ測定を可能とする高さ測定手段を有することである。
【００１８】
図４において、401 はカメラ、402 は共焦点顕微鏡、403 は対物レンズ、404 は被測定対象物である試料、405 は試料台、406 は Y 軸駆動部、407 は X 軸駆動部、408 はリニアスケール、409 は Z 軸駆動部、410 は XYZ 軸制御部、411 は PC（ Personal Computer ）、412 は光源、413 は測定制御部である。
光源 412 は、例えば、ランプの中に封じ込まれているガスが金属ハロゲン化合物（例えば、水銀灯、等）のメタルハライドランプである。また、カメラ 401 は、TV（ Tele-Vision ）カメラ等の連写撮影可能なイメージセンサであれば良い。
なお、図４では、Z 軸の移動のために、試料を上下する。しかし、対物レンズを含む顕微鏡部分全体を上下しても良い。また更に、試料と顕微鏡部の双方を移動することによっても良い。
【００１９】
光源 412 から出力された光は、共焦点顕微鏡 402 に入力され、対物レンズ 403 を通り、試料 404 の表面に到達する。試料 404 は、到達した光に対する反射光を出射し、出射された反射光は、再び対物レンズ 403 を通り、カメラ 401 の撮像面で結像する。
カメラ 401 は、撮像面に結像された像を撮像して映像信号に変換し、測定制御部 413 に出力する。これによって、撮像された映像は、測定制御部 413 で取り込まれ、画像処理が実行される、高さ測定が為される。
試料 404 の高さ測定の制御は、測定制御部 413 が行う。即ち、測定制御部 413 は、X 軸駆動部 407 、Y 軸駆動部 406 、及び、Z 軸駆動部 409 を、XYZ 軸制御部 410 を介して制御することによって、高さを変更する。例えば、Z 軸駆動部 409 を制御することによって、試料 404 とカメラ 401 、及び試料 404 とニポウディスクのピンホール高さ間の距離が、指定された数値となるように、Z 座標が相対的に変更される。
【００２０】
図５によって、本発明の一実施例を更に説明する。図５は、図４の本発明の高さ測定装置の測定制御部 413 における高さ測定部の構成の一実施例を示す図である。500 は高さ測定部、501 はフレームバッファ、502 は比較画像部、503 は比較部、504 は更新部、505 は計算結果出力部、506 〜 509 はフレームバッファ、510 は平均部、513 は Z 座標部、514 は比較データ部、515 は選択部、516 は高さデータ出力部である。なお、高さ測定部を構成する各部を制御するコントロール部は図示しないが、例えば、CPU であり、測定制御部 413 全体を制御する制御部であり、PC 411 からオペレータが測定制御部 413 を操作することによって動作する。
【００２１】
図５の実施例では、ニポウディスクの回転速度を１８００［rpm］、カメラのフレームレートを１２０［fps］とし、カメラのシャッター速度はフレームレートと同一として説明する。
図５は、測定制御部 413 の一部を構成する高さ測定部 500 の構成を示したものである。高さ測定部 500 は、カメラ 401 の出力画像とリニアスケール 408 の出力データである Z 座標位置を示す値（ Z 座標値）を入力とし、各画素の高さをデータ化した高さデータと全焦点画像とを出力する。
【００２２】
図５において、カメラ 401 は、Z 軸を始点位置から終点位置に移動時、共焦点顕微鏡の画像を撮像し、その出力画像を、高さ測定部 500 のフレームバッファ 506 に出力する。フレームバッファ 506 〜 509 、及び 501 は、カメラ 401 の垂直同期信号に同期して更新される。即ち、フレームバッファ 506 〜 509 、及びフレームバッファ 501 は、それぞれ、測定制御部 413 の内部で、カメラ 401 の映像信号に基づいて生成される垂直同期信号が入力される。これによって、各フレームバッファは、１Ｖ毎に同期及び更新を行う。
フレームバッファ 506 は、入力された画像を、平均部 510 と共に、１垂直同期信号の時間差（以降、１Ｖと称する）遅延して、フレームバッファ 507 に出力する。フレームバッファ 507 は、入力された画像を、平均部 510 と共に、１垂直同期信号の時間差（以降、１Ｖと呼ぶ）遅延して、フレームバッファ 508 に出力する。フレームバッファ 508 は、入力された画像を、１垂直同期信号の時間差（以降、１Ｖと呼ぶ）遅延して、平均部 510 に出力する。このように、フレームバッファ 506 〜 509 は、１Ｖ毎に次々と更新されて行く。
【００２３】
平均部 510 は、フレームバッファ 506 〜 509 から入力される画像の画素毎の輝度値を平均値を算出し、フレームバッファ 501 に出力する。フレームバッファ 501 は、入力された平均値画像を比較部 503 に出力する。なお、例えば、平均部 510 は、１Ｖ毎にリセットされ、フレームバッファ 506 〜 509 から入力される画像の画素毎の輝度値を平均値を算出する。
比較部 503 は、フレームバッファ 501 から入力された画像と、比較画像部 502 から入力された１Ｖ前の合焦点画像と、画素毎に輝度値を比較する。そして、輝度値が大きい方の輝度値を画素毎に選択し、フレームバッファである計算結果出力部 505 に出力する。
計算結果出力部 505 の出力は、入力された画像を、合焦点画像として、更新部 504 に出力すると共に、選択部 515 に出力する。また、計算結果出力部 505 は、入力された画像を、高さ測定部 500 の外部に合焦点画像として出力する。更新部 504 は、入力された画像を比較画像部 502 に出力する。比較画像部 502 は、更新部 504 から入力された画像を比較部 503 に出力する。
【００２４】
リニアスケール 408 の出力は、１Ｖ毎に、Z 座標部 513 の Z 座標位置の値を更新する。Z 座標部 513 は、Z 座標位置の値を選択部 515 に出力する。
選択部 515 は、比較部 503 で選択された画素毎の輝度値が、フレームバッファ 501 の輝度値である場合には、Z 座標部 513 から入力された数値を選択し、比較画像部 502 からの入力である場合には、比較データ部 514 から入力された Z 座標位置の数値を選択し、高さデータ出力部 516 に出力する。
比較データ部 514 は、現在選択されている画素の１Ｖ前の高さデータ出力部 516 から読み出した Z 座標位置の数値を選択部 515 に出力する。
高さデータ出力部 516 は、選択部 515 が選択した Z 座標位置の数値を、画素毎に蓄積する。なお、高さデータ出力部 516 は、測定開始時の Z 座標位置の数値に初期化され、計算結果出力部 505 の全焦点画像、及び比較画像部 502 の画像は、測定開始時の平均画像に初期化される。
【００２５】
以上のように、本発明の高さ測定装置は、共焦点顕微鏡を使用した高さ測定装置において、Z 軸を駆動可能な制御部と、Z 軸の座標位置を出力するリニアスケールを有し、Z 軸を始点位置から終点位置に移動時、共焦顕微鏡の画像を過去の連続した複数画像の平均を行いながら取り込み、１つ前の平均画像の輝度値を比較しながら、より輝度値の高い画素とそのリニアスケールから読み出したZ 座標を残す機能を有することで、ニポウディスクやそれに付随する光学的素子の輝度むらを低減できる。
上記実施例によれば、共焦点顕微鏡を使用した高さ測定装置において、Z 軸を駆動可能な制御部と、Z 軸にリニアスケールとを有し、Z 軸を始点位置から終点位置に移動時、顕微鏡の画像を過去の連続した複数画像の平均を行いながら取り込み、取り込まれた平均画像と１つ前のへ平均画像の輝度値と比較しながら、より輝度値の高い画素とそのリニアスケールから読み出した Z 座標位置の数値を残す機能を有することができる。この結果、ニポウディスクやそれに付随する光学的素子の輝度むらを低減することができる。
【符号の説明】
【００２６】
100：光源、  101：結像レンズ、  102：ハーフミラー、  103：ニポウディスク、  104：ピンホール、  105：対物レンズ、  106：試料面、  107：結像レンズ、  108：撮像面、  401：カメラ、  402：共焦点顕微鏡、  403：対物レンズ、  404：試料、  405：試料台、  406：Y軸駆動部、  407：X軸駆動部、  408：リニアスケール、  409：Z軸駆動部、  410：XYZ軸制御部、  411：PC、  412：光源、  413：測定制御部、  500：高さ測定部、  501：フレームバッファ、  502：比較画像部、  503：比較部、  504：更新部、  505：計算結果出力部、  506〜509：フレームバッファ、  510：平均部、  513：Z座標部、  514：比較データ部、  515：選択部、  516：高さデータ出力部。
【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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