(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
共焦点装置において、
レーザ光源と、
このレーザ光源の出力光を開孔に通過させて出射させる共焦点スキャナと、
この共焦点スキャナからの出射光を試料に集光する光学顕微鏡と、
前記試料からの戻り光のうち前記共焦点スキャナの開孔を通過した光を撮影して断面画像を得る撮影手段と、
前記共焦点スキャナで予め測定した光軸方向位置−光量特性に基づき前記断面画像の光量から前記試料の光軸方向位置を光軸方向の走査をすることなしに求める制御手段と
を備えたことを特徴とする共焦点装置。
【請求項２】
前記制御手段が、
前記共焦点スキャナで予め測定した異なる焦点位置の２種類の光軸方向位置−光量特性に基づき前記撮影手段で得られた異なる焦点位置の２種類の断面画像の光量から前記試料の光軸方向位置を光軸方向の走査をすることなしに求めることを特徴とする
請求項１記載の共焦点装置。
【請求項３】
前記光学顕微鏡のステージ若しくはレンズを動かし焦点位置を変化させることにより異なる焦点位置の２種類の前記断面画像を得ることを特徴とする
請求項２記載の共焦点装置。
【請求項４】
焦点位置の異なる２つの共焦点スキャナの出力光を光分岐手段で合波すると共に前記２つの共焦点スキャナからの出力光の偏光方向をそれぞれ変えることにより異なる焦点位置の２種類の前記断面画像を得ることを特徴とする
請求項２記載の共焦点装置。
【請求項５】
焦点位置の異なる２つの共焦点スキャナの出力光を光分岐手段で合波すると共に前記２つの共焦点スキャナからの出力光の測定波長をそれぞれ変えることにより異なる焦点位置の２種類の前記断面画像を得ることを特徴とする
請求項２記載の共焦点装置。
【請求項６】
焦点位置の異なる２つの共焦点スキャナの出力光を光分岐手段で合波すると共に前記２つの共焦点スキャナからの出力光の測定時間をそれぞれ変えることにより異なる焦点位置の２種類の前記断面画像を得ることを特徴とする
請求項２記載の共焦点装置。
【請求項７】
前記制御手段で得られた前記試料の光軸方向位置に基づき前記試料の３次元形状を求めることを特徴とする
請求項１及び請求項２記載の共焦点装置。
【請求項８】
前記共焦点スキャナが走査型若しくはスキャンレス型の共焦点スキャナであるとを特徴とする
請求項１記載の共焦点装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、共焦点装置に関し、特に光軸方向の走査が不要な共焦点顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の共焦点装置は複数の開孔を有する円板を回転させ開孔を通過した光を集光して試料を走査する等により共焦点画像を得て、また、光軸方向に順次走査して得られる断面画像に基づき３次元形状を再構築するものである。
【０００３】
図７はこのような従来の共焦点装置の一例を示す構成ブロック図である。図７において１はレーザ光源、２は共焦点スキャナ、３は光学顕微鏡、４はステージ駆動手段、５はカメラ等の撮影手段、６はコンピュータ等の制御手段である。
【０００４】
レーザ光源１の出力光は光ファイバ等により共焦点スキャナ２に入射される。共焦点スキャナ２は複数の開孔を有する円板を回転させ、入射されたレーザ光をこれらの開孔に通過させて出射させる。光学顕微鏡３は共焦点スキャナ２からの出射光をステージ上に設置された試料（図示せず。）上に集光する。また、ステージ駆動手段４は試料を入射光軸方向に駆動する。さらに、共焦点スキャナ２にはカメラ等の撮影手段５が設置され、撮影手段５の出力信号は制御手段６に接続される。
【０００５】
ここで、図７に示す共焦点装置の動作を説明する。光学顕微鏡３により試料上に集光される光は共焦点スキャナ２を構成する円板の複数の開孔を通過し、試料からの戻り光は再び円板の複数の開孔を通過して撮影手段５に入射される。このため、撮影手段５において得られる画像は共焦点画像となる。
【０００６】
さらに、その円板は回転しているので、試料に集光される光のスポットは試料上を走査することになり撮影手段５では光軸方向に垂直な平面の試料の断面画像を得ることができる。
【０００７】
この状態で、ステージ駆動手段４を制御して試料を光軸方向に順次走査しながら前述の断面画像を制御手段６に蓄積すると共に制御手段６により複数の断面画像を再構築して３次元形状を求めることが可能になる。
【０００８】
この結果、ステージ駆動手段４で試料を光軸方向に順次走査しながら光軸方向に垂直な平面の複数の断面画像を蓄積し、制御手段６でこれらの断面画像を再構築することにより、３次元形状を得ることが可能になる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図７に示す共焦点装置では複数の断面画像を得るためにステージ駆動手段４で光軸方向に走査をするため１つの３次元形状を得るためには測定時間がかかってしまう。このため、ＦＡ（Ｆａｃｔｏｒｙ  Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ）ラインや半導体ライン等で用いる場合には測定時間の長さが問題になってしまう。また、別途ステージ駆動手段４を設けなければならず、測定精度もこのステージ駆動手段の駆動精度に依存してしまうと言った課題があった。
従って本発明が解決しようとする課題は、光軸方向に走査することなく試料の光軸方向位置及び３次元形状を得ることが可能な共焦点装置を実現することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
共焦点装置において、レーザ光源と、このレーザ光源の出力光を開孔に通過させて出射させる共焦点スキャナと、この共焦点スキャナからの出射光を試料に集光する光学顕微鏡と、前記試料からの戻り光のうち前記共焦点スキャナの開孔を通過した光を撮影して断面画像を得る撮影手段と、前記共焦点スキャナで予め測定した光軸方向位置−光量特性に基づき前記断面画像の光量から前記試料の光軸方向位置を光軸方向の走査をすることなしに求める制御手段とを備えたことにより、光軸方向の走査をすることなしに試料の光軸方向位置を得ることができる。
【００１１】
請求項２記載の発明は、
請求項１記載の発明である共焦点装置において、
前記制御手段が、前記共焦点スキャナで予め測定した異なる焦点位置の２種類の光軸方向位置−光量特性に基づき前記撮影手段で得られた異なる焦点位置の２種類の断面画像の光量から前記試料の光軸方向位置を光軸方向の走査をすることなしに求めることにより、一般形状の試料であっても光軸方向の走査をすることなしに試料の光軸方向位置を得ることができる。
【００１２】
請求項３記載の発明は、
請求項２記載の発明である共焦点装置において、
前記光学顕微鏡のステージ若しくはレンズを動かし焦点位置を変化させることにより、異なる焦点位置の２種類の前記断面画像を得ることができる。
【００１３】
請求項４記載の発明は、
請求項２記載の発明である共焦点装置において、
焦点位置の異なる２つの共焦点スキャナの出力光を光分岐手段で合波すると共に前記２つの共焦点スキャナからの出力光の偏光方向をそれぞれ変えることにより、異なる焦点位置の２種類の前記断面画像を得ることができる。
【００１４】
請求項５記載の発明は、
請求項２記載の発明である共焦点装置において、
焦点位置の異なる２つの共焦点スキャナの出力光を光分岐手段で合波すると共に前記２つの共焦点スキャナからの出力光の測定波長をそれぞれ変えることにより、異なる焦点位置の２種類の前記断面画像を得ることができる。
【００１５】
請求項６記載の発明は、
請求項２記載の発明である共焦点装置において、
焦点位置の異なる２つの共焦点スキャナの出力光を光分岐手段で合波すると共に前記２つの共焦点スキャナからの出力光の測定時間をそれぞれ変えることにより、異なる焦点位置の２種類の前記断面画像を得ることができる。
【００１６】
請求項７記載の発明は、
請求項１及び請求項２記載の発明である共焦点装置において、
前記制御手段で得られた前記試料の光軸方向位置に基づき前記試料の３次元形状を求めることにより、光軸方向の走査をすることなしに試料の３次元形状を得ることが可能になる。
【００１７】
請求項８記載の発明は、
請求項１記載の発明である共焦点装置において、
前記共焦点スキャナを走査型若しくはスキャンレス型の共焦点スキャナとすることにより、光軸方向に垂直な平面の走査方法が限定されない。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係る共焦点装置の一実施例を示す構成ブロック図である。図１において１〜３，５及び６は図７と同一符号を付してあり、７は対物レンズ、８は試料である。
【００１９】
レーザ光源１の出力光は光ファイバ等により共焦点スキャナ２に入射される。共焦点スキャナ２は複数の開孔を有する円板を回転させ、入射されたレーザ光をこれらの開孔に通過させて出射させる。光学顕微鏡３は共焦点スキャナ２からの出射光を対物レンズ７を用いて試料８上に集光する。また、共焦点スキャナ２にはカメラ等の撮影手段５が設置され、撮影手段５の出力信号は制御手段６に接続される。
【００２０】
ここで、図１に示す実施例の動作を図２及び図３を用いて説明する。図２は試料の代わりに鏡を光軸方向に走査した時に撮影手段５で得られる光量と光軸方向位置との関係を示す特性曲線図、図３は図２の特性と試料との関係を示す説明図である。また、共焦点画像を得る基本動作については図７に示す従来例と同様であるので説明は省略する。
【００２１】
撮影手段５では焦点位置に鏡が位置する場合に最大の光量が得られ、焦点位置の前後では光量が低下する。すなわち、図２中”ＦＰ０１”に示す焦点位置で最大の光量が得られ、鏡が図２中”Ｚ００１”、”Ｚ００２”及び”Ｚ００３”に示すように焦点位置から順次離れるに従い光量が”Ｌ００１”、”Ｌ００２”及び”Ｌ００３”と言ったように順次低下して行く。従って、このような光軸方向位置−光量特性を予め測定し制御手段６に格納しておく
【００２２】
一方、試料８として図３中”ＳＰ０１”に示すように光軸方向に垂直な平面”ＳＴ０１”、”ＳＴ０２”及び”ＳＴ０３”が階段状に存在する試料を考える。また、各平面での反射率は”１００％”（鏡と同値）と仮定する。
【００２３】
さらに、図３中”ＳＰ０１”に示すような試料の図３中”ＳＴ０１”、”ＳＴ０２”及び”ＳＴ０３”に示す平面の位置が図２中”Ｚ００１”、”Ｚ００２”及び”Ｚ００３”に示す光軸方向位置と等しくなるとする。
【００２４】
このような位置関係で図３中”ＳＰ０１”に示すような試料の断面画像を撮影手段５で撮影すると、例えば、図３中”Ｐ００１”に示すような断面画像が得られる。図３中”Ｐ００１”に示すような断面画像において、図３中”ＳＴ０１”、”ＳＴ０２”及び”ＳＴ０３”に示す平面の位置は図２中”Ｚ００１”、”Ｚ００２”及び”Ｚ００３”に示す光軸方向位置と等しいので断面画像中で図３中”ＳＴ０１”、”ＳＴ０２”及び”ＳＴ０３”に示す平面の部分の光量は”Ｌ００１”、”Ｌ００２”及び”Ｌ００３”となる。
【００２５】
この時、制御手段６は格納されている光軸方向位置−光量特性に基づき撮影手段５で得られた断面画像の光量を分析しその光量が”Ｌ００１”であれば光軸方向位置は”Ｚ００１”と判断し、光量が”Ｌ００２”であれば光軸方向位置は”Ｚ００２”と判断し、また、光量が”Ｌ００３”であれば光軸方向位置は”Ｚ００３”と判断する。また、制御手段６はこの位置情報に基づき試料の３次元形状を再構築して表示等する。
【００２６】
この結果、制御手段６で光軸方向位置−光量特性に基づき撮影手段５で得られた断面画像の光量を分析することにより、光軸方向の走査をすることなしに試料の光軸方向位置を得ることができ、また、この光軸方向位置に基づき３次元形状を得ることが可能になる。
【００２７】
但し、実際の試料の形状は一般に図３中”ＳＰ０１”に示すような好適な形状ではなく斜面等を有し、また、その反射率も”１００％”ではなくその位置により異なっていることが多い。このような場合の動作を図４及び図５を用いて説明する。図４は試料の代わりに鏡を光軸方向に走査した時に撮影手段５で得られる光量と光軸方向位置との関係を示す特性曲線図、図５は図４の特性と試料との関係を示す説明図である。
【００２８】
図４中”ＦＰ０２”及び”ＦＰ０３”に示す２つの焦点位置の場合に得られる２種類の光軸方向位置−光量特性を予め測定し制御手段６に格納しておく。
【００２９】
例えば、焦点位置が”ＦＰ０２”の場合には、光軸方向位置”Ｚ１０１”、”Ｚ１０２”、”Ｚ１０３”及び”Ｚ１０４”で光量がそれぞれ”Ｌ１０１”、”Ｌ１０２”、”Ｌ１０３”及び”Ｌ１０４”となり、焦点位置が”ＦＰ０３”の場合には、光軸方向位置”Ｚ１０１”、”Ｚ１０２”、”Ｚ１０３”及び”Ｚ１０４”で光量がそれぞれ”Ｌ２０１”、”Ｌ２０２”、”Ｌ２０３”及び”Ｌ２０４”となるとする。
【００３０】
そして、撮影手段５により焦点位置が”ＦＰ０２”の状態で断面画像を、焦点位置が”ＦＰ０３”の状態でもう一枚の断面画像をそれぞれ得て制御手段６に取り込んで処理する。
【００３１】
例えば、試料８が図５中”ＳＰ０２”に示すような形状であり、また、図５中”ＳＴ１１”に示す試料の頂点が光軸方向位置”Ｚ１０１”であったとすると、図５中”ＳＰ０２”に試料の反射率が”１００％”であれば、焦点位置が”ＦＰ０２”の場合の断面画像では光量が”Ｌ１０１”となり、焦点位置が”ＦＰ０３”の場合の断面画像では光量が”Ｌ２０１”となるはずである。
【００３２】
しかし、実際には反射率は低いので光軸方向位置−光量特性は図５中の破線に示すような特性になる。このため、図５中の拡大図に示すように光軸方向位置が”Ｚ１０１”であっても焦点位置が”ＦＰ０２”及び”ＦＰ０３”の場合の断面画像では光量が”Ｌ３０１”及び”Ｌ３０２”となってしまう。
【００３３】
ここで、制御手段６には反射率が”１００％”の場合の光軸方向位置−光量特性が格納されているので、図５中の拡大図から光量が”Ｌ３０１”の場合は光軸方向位置が”Ｚ３０１”と、光量が”Ｌ３０２”の場合には光軸方向位置が”Ｚ３０２”と実際の光軸方向位置とは異なった位置として判断されてしまう。
【００３４】
但し、両者の誤差方向は互いに反対方向への変化であり、図５中の拡大図中の破線の傾きの絶対値が等しいと仮定すれば誤差分”ΔＺ”は互いに等しくなり、
Ｚ３０１＝Ｚ１０１＋ΔＺ    （１）
Ｚ３０２＝Ｚ１０１−ΔＺ    （２）
となる。
【００３５】
従って、式（１）と式（２）を加算して”１／２”にすることにより、
（Ｚ１０１＋ΔＺ＋Ｚ１０１−ΔＺ）／２
＝２×Ｚ１０１／２
＝Ｚ１０１    （３）
となり、誤差分を補正することが可能になる。
【００３６】
ここで、一般に光軸方向位置−光量特性は非線形の関数であるので、式（３）に示すように単純には補正ができないが、制御手段６に補正用のテーブルを設けたり、近似式を設定し演算処理で補正することが可能になる。すなわち、斜面等を有し、反射率もその位置により異なっている試料であっても３次元形状を得ることが可能になる。
【００３７】
この結果、制御手段６で異なる焦点位置の２種類の光軸方向位置−光量特性に基づき撮影手段５で得られた異なる焦点位置の２種類の断面画像の光量を分析することにより、一般形状の試料であっても光軸方向の走査をすることなしに試料の光軸方向位置を得ることができ、また、この光軸方向位置に基づき３次元形状を得ることが可能になる。
【００３８】
なお、試料８の厚みとしては図２等に示すような光軸方向位置−光量特性の半値幅程度の測定が可能になる。例えば、対物レンズ７の倍率を”１倍”、共焦点スキャナ２の開孔の直径が”５０μｍ”とすれば前述の半値幅は”約１ｍｍ”程度になる。
【００３９】
また、歯車等が光軸方向に移動するような動画像であっても光軸方向位置によりその光量が変化するので、予め得られた光軸方向位置−光量特性に基づき歯車等の位置を得ることが可能になる。
【００４０】
また、焦点位置の異なる２つの断面画像を得るためには光学顕微鏡５のレンズやステージを動かして焦点位置を変化させれば良い。また、図６に示すような構成にして良い。
【００４１】
図６は本発明に係る共焦点装置の他の実施例を示す構成ブロック図である。図６において１ａ及び１ｂはレーザ光源、２ａ及び２ｂは共焦点スキャナ、９はビームスプリッタ等の光分岐手段、１０は対物レンズ、１１は試料である。また、光分岐手段９及び対物レンズ１０は光学顕微鏡３の一部を構成しており、説明の簡単の為に撮影手段５及び制御手段６の記載は省略してある。
【００４２】
図６に示すように焦点位置の異なるそれぞれ２つの共焦点スキャナ２ａ及び２ｂを光分岐手段９で合波すると共にそれぞれの共焦点スキャナ２ａ及び２ｂの偏光方向、測定波長若しくは測定時間を変えることにより、撮影手段１ａ及び１ｂにより焦点位置の異なる２つの断面画像を得ることができる。
【００４３】
例えば、光分岐手段９として偏光ビームスプリッタを用いると共に共焦点スキャナ２ａ及び２ｂの偏光方向を”０度”及び”９０度”としておけば、試料１１からの戻り光のうち偏光方向が”０度”の光は共焦点スキャナ２ａに入射され、偏光方向が”９０度”の光は共焦点スキャナ２ｂに入射され、それぞれの撮影手段（図示せず。）により焦点位置の異なる２つの断面画像が得られる。
【００４４】
また、例えば、光分岐手段９としてダイクロイックミラーを用いると共に共焦点スキャナ２ａ及び２ｂの出力光の波長をそれぞれ変えておけば、前述と同様に焦点位置の異なる２つの断面画像を得ることができる。この時、対物レンズの色収差を利用して”ＦＰ０２”及び”ＦＰ０３”の異なる焦点位置を実現することも可能である。
【００４５】
さらに、一旦、共焦点スキャナ２ａを用いて断面画像を得た後に共焦点スキャナ２ｂを用いて断面画像を測定するように測定時間をずらせば焦点位置の異なる２つの断面画像を得ることができる。
【００４６】
また、図６では２つのレーザ光源１ａ及び１ｂを例示したが１つのレーザ光源の出力光を分割して共焦点スキャナ２ａ及び２ｂに供給しても構わない。
【００４７】
また、図４及び図５等の説明に際しては焦点位置の異なる２種類の光軸方向位置−光量特性を求めると共に焦点位置の異なる２つの断面画像を測定して３次元形状を得ているが、より正確な３次元形状を得るために３つ以上の断面画像を用いても構わない。
【００４８】
また、共焦点スキャナとしては複数の開孔を有する円板を回転させ、入射されたレーザ光をこれらの開孔に通過させて出射させるスキャン型の共焦点スキャナを例示したが、本願出願人の出願に係る「特願平０９−００９９９１」及び「特願平０９−１２５４８１」に記載したようなスキャンレス型の共焦点スキャナであっても構わない。すなわち、光軸方向に垂直な平面の走査方法には限定されない。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
請求項１の発明によれば、制御手段で光軸方向位置−光量特性に基づき撮影手段で得られた断面画像の光量を分析することにより、光軸方向の走査をすることなしに試料の光軸方向位置を得ることができる。
【００５０】
また、請求項２の発明によれば、制御手段で異なる焦点位置の２種類の光軸方向位置−光量特性に基づき撮影手段で得られた異なる焦点位置の２種類の断面画像の光量を分析することにより、一般形状の試料であっても光軸方向の走査をすることなしに試料の光軸方向位置を得ることができる。
【００５１】
また、請求項３の発明によれば、前記光学顕微鏡のステージ若しくはレンズを動かし焦点位置を変化させることにより、異なる焦点位置の２種類の前記断面画像を得ることができる。
【００５２】
また、請求項４の発明によれば、焦点位置の異なる２つの共焦点スキャナの出力光を光分岐手段で合波すると共に前記２つの共焦点スキャナからの出力光の偏光方向をそれぞれ変えることにより、異なる焦点位置の２種類の前記断面画像を得ることができる。
【００５３】
また、請求項５の発明によれば、焦点位置の異なる２つの共焦点スキャナの出力光を光分岐手段で合波すると共に前記２つの共焦点スキャナからの出力光の測定波長をそれぞれ変えることにより、異なる焦点位置の２種類の前記断面画像を得ることができる。
【００５４】
また、請求項６の発明によれば、焦点位置の異なる２つの共焦点スキャナの出力光を光分岐手段で合波すると共に前記２つの共焦点スキャナからの出力光の測定時間をそれぞれ変えることにより、異なる焦点位置の２種類の前記断面画像を得ることができる。
【００５５】
また、請求項７の発明によれば、前記制御手段で得られた前記試料の光軸方向位置に基づき前記試料の３次元形状を求めることにより、光軸方向の走査をすることなしに試料の３次元形状を得ることが可能になる。
【００５６】
また、請求項８の発明によれば、前記共焦点スキャナとして走査型若しくはスキャンレス型の共焦点スキャナを用いることにより、光軸方向に垂直な平面の走査方法が限定されなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る共焦点装置の一実施例を示す構成ブロック図である。
【図２】鏡を光軸方向に走査した時に撮影手段で得られる光量と光軸方向位置との関係を示す特性曲線図である。
【図３】図２の特性と試料との関係を示す説明図である。
【図４】鏡を光軸方向に走査した時に撮影手段で得られる光量と光軸方向位置との関係を示す特性曲線図である。
【図５】図４の特性と試料との関係を示す説明図である。
【図６】本発明に係る共焦点装置の他の実施例を示す構成ブロック図である。
【図７】従来の共焦点装置の一例を示す構成ブロック図である。
【符号の説明】
１，１ａ，１ｂ  レーザ光源
２，２ａ，２ｂ  共焦点スキャナ
３  光学顕微鏡
４  ステージ駆動手段
５  撮影手段
６  制御手段
７，１０  対物レンズ
８，１１  試料
９  光分岐手段
【図１】
0003560123.tif 000002
【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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