(57)【要約】【課題】円筒形状を有するサンプルの側面の焦点面に対する傾斜が小さくなるようにサンプルの側面に合焦する。【解決手段】顕微鏡システム１は、レーザ顕微鏡装置１０とコンピュータ６０とステージコントローラ５０を備える。レーザ顕微鏡装置１０は、対物レンズ１０８を有する顕微鏡本体１００を備え、円筒形状のサンプルＳの共焦点画像を取得する。コンピュータ６０は、共焦点画像に含まれるサンプルＳの側面部分を特定する。ステージコントローラ５０は、サンプルＳと対物レンズ１０８との間の光軸方向の距離を変更する前に取得した第１共焦点画像に基づいてコンピュータ６０が特定した第１側面部分の第１共焦点画像中における第１位置と、距離を変更した後に取得した第２共焦点画像に基づいてコンピュータ６０が特定した第２側面部分の第２共焦点画像中における第２位置と、の違いに応じて、サンプルＳに対する対物レンズの光軸の相対位置を変更する。【選択図】図１
2019035837.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対物レンズを有する顕微鏡本体を備え、円筒形状のサンプルの共焦点画像を取得するレーザ顕微鏡装置と、
前記共焦点画像に含まれる前記サンプルの側面部分を特定する処理装置と、
前記サンプルと前記対物レンズの位置関係を制御する駆動制御装置と、を備え、
前記駆動制御装置は、前記サンプルと前記対物レンズとの間の前記対物レンズの光軸方向の距離を変更する前に前記レーザ顕微鏡装置で取得した第１共焦点画像に基づいて前記処理装置が特定した第１側面部分の前記第１共焦点画像中における第１位置と、前記距離を変更した後に前記レーザ顕微鏡装置で取得した第２共焦点画像に基づいて前記処理装置が特定した第２側面部分の前記第２共焦点画像中における第２位置と、の違いに応じて、前記サンプルに対する前記対物レンズの光軸の相対位置を変更する
ことを特徴とする顕微鏡システム。
【請求項２】
請求項１に記載の顕微鏡システムにおいて、
前記駆動制御装置は、前記対物レンズを前記サンプルから離れる方向に動かすことで前記距離を変更した後に、前記対物レンズを前記第１位置から前記第２位置へ向かう方向に動かすことで前記相対位置を変更する
ことを特徴とする顕微鏡システム。
【請求項３】
請求項２に記載の顕微鏡システムにおいて、さらに、
前記顕微鏡本体が固定された第１ステージであって、前記光軸と直交する方向に移動する第１ステージと、
前記顕微鏡本体が固定された第２ステージであって、前記光軸方向に移動する第２ステージと、を備え、
前記駆動制御装置は、
前記第２ステージを制御して前記対物レンズを前記サンプルから離れる方向に動かすことで前記距離を変更し、
前記第１ステージを制御して前記対物レンズを前記第１位置から前記第２位置へ向かう方向に動かすことで前記相対位置を変更する
ことを特徴とする顕微鏡システム。
【請求項４】
請求項２に記載の顕微鏡システムにおいて、さらに、
前記顕微鏡本体が固定された第１ステージであって、前記光軸と直交する方向に移動する第１ステージを備え、
前記レーザ顕微鏡装置は、さらに、前記対物レンズを前記光軸方向に動かす準焦装置を備え、
前記レーザ顕微鏡装置は、前記準焦装置を制御して前記対物レンズを前記サンプルから離れる方向に動かすことで前記距離を変更し、
前記駆動制御装置は、前記第１ステージを制御して前記対物レンズを前記第１位置から前記第２位置へ向かう方向に動かすことで前記相対位置を変更する
ことを特徴とする顕微鏡システム。
【請求項５】
請求項２乃至請求項４のいずれか１項に記載の顕微鏡システムにおいて、
前記レーザ顕微鏡装置は、前記駆動制御装置が前記相対位置を変更した後に第３共焦点画像を取得し、
前記処理装置は、
前記第３共焦点画像に基づいて第３側面部分を特定し、
少なくとも前記第３側面部分の幅に基づいて、前記サンプルの側面と前記対物レンズの焦点面とのなす角が小さいか否かを判定する
ことを特徴とする顕微鏡システム。
【請求項６】
請求項５に記載の顕微鏡システムにおいて、
前記処理装置は、前記第３側面部分の幅が前記サンプル及び前記レーザ顕微鏡装置の仕様に応じて予め決められている閾値との比較結果に基づいて、前記側面と前記焦点面とのなす角が小さいか否かを判定する
ことを特徴とする顕微鏡システム。
【請求項７】
請求項５に記載の顕微鏡システムにおいて、
前記処理装置は、前記第１側面部分の幅と前記第３側面部分の幅の比較結果に基づいて、前記側面と前記焦点面とのなす角が小さいか否かを判定する
ことを特徴とする顕微鏡システム。
【請求項８】
請求項５乃至請求項７のいずれか１項に記載の顕微鏡システムにおいて、
前記駆動制御装置は、前記処理装置が前記側面と前記焦点面とのなす角が小さいと判定すると、さらに前記距離を変更する
ことを特徴とする顕微鏡システム。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の顕微鏡システムにおいて、
前記レーザ顕微鏡装置は、さらに、前記第１共焦点画像を取得する前に前記サンプルの側面に合焦する
ことを特徴とする顕微鏡システム。
【請求項１０】
請求項９に記載の顕微鏡システムにおいて、
前記レーザ顕微鏡装置は、
さらに、前記サンプルの明視野画像を取得する撮像装置を有し、
前記撮像装置が取得した前記明視野画像に基づいて、前記第１共焦点画像を取得する前に前記サンプルの側面に合焦する
ことを特徴とする顕微鏡システム。
【請求項１１】
請求項９に記載の顕微鏡システムにおいて、
前記レーザ顕微鏡装置は、さらに、
開口を有し、前記開口が前記対物レンズの焦点位置と光学的に共役な位置に位置するように配置された共焦点絞りと、
前記共焦点絞りを通過した光を検出する光検出器と、を備え、
前記光検出器から出力された信号の強度に基づいて、前記第１共焦点画像を取得する前に前記サンプルの側面に合焦する
ことを特徴とする顕微鏡システム。
【請求項１２】
対物レンズを有する顕微鏡本体を備え、円筒形状のサンプルの共焦点画像を取得するレーザ顕微鏡装置と、前記共焦点画像に含まれる前記サンプルの側面部分を特定する処理装置と、前記サンプルと前記対物レンズの位置関係を制御する駆動制御装置と、を備える顕微鏡システムの制御方法であって、
前記レーザ顕微鏡装置が、前記サンプルと前記対物レンズとの間の前記対物レンズの光軸方向の距離を変更する前に、前記サンプルの第１共焦点画像を取得し、
前記処理装置が、前記第１共焦点画像に基づいて第１側面部分を特定し、
前記レーザ顕微鏡装置が、前記駆動制御装置が前記距離を変更した後に、前記サンプルの第２共焦点画像を取得し、
前記処理装置が、前記第２共焦点画像に基づいて第２側面部分を特定し、
前記駆動制御装置が、前記第１側面部分の前記第１共焦点画像中における第１位置と、前記第２側面部分の前記第２共焦点画像中における第２位置と、の違いに応じて、前記サンプルに対する前記対物レンズの光軸の相対位置を変更する
ことを特徴とする制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書の開示は、顕微鏡システム、及び、顕微鏡システムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、レーザ走査型共焦点顕微鏡装置は、サンプル表面の高さ、表面の粗さ、表面に形成されたパターンなどを非接触で計測して、サンプルを検査する装置として知られている。レーザ走査型共焦点顕微鏡装置は、例えば、特許文献１に記載されている。
【０００３】
レーザ走査型共焦点顕微鏡装置（以降、単にレーザ顕微鏡装置と記す。）は、対物レンズでスポット状に集光したレーザ光をサンプルに照射してサンプルを２次元方向（対物レンズの光軸と直交するXY平面方向）に走査する。そして、サンプルで反射した光を、共焦点絞りを介して光検出器で受光する。共焦点絞りの開口は対物レンズの焦点位置と光学的に共役な位置に設けられているため、焦点の合った部分からの反射光しか共焦点絞りを通過せず光検出器で受光されない。そのため、レーザ顕微鏡装置は、通常の光学顕微鏡装置に比べて浅い焦点深度を有し、合焦部分のみが画像化された輝度画像を得ることができる。この画像は、一般に共焦点画像と呼ばれている。
【０００４】
レーザ顕微鏡装置でサンプルの表面形状（高さ、粗さ、パターンなどを含む）を計測する際には、この焦点深度の浅さが利用される。具体的には、対物レンズとサンプルとの光軸方向（Z方向）の距離を変えながら焦点深度の浅い共焦点画像を複数取得する。そして、複数の共焦点画像から各画素位置における最大輝度を与えるZ位置（つまり、合焦位置）を求めることで、サンプルの表面形状の計測が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１７７１５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、計測対象となるサンプルには、印刷用ロール、エンジン部品など円筒形状を有するものがある。円筒形状を有するサンプルの側面、つまり、曲面を計測する場合、側面と焦点面のなす角ができる限り小さい状態で側面を計測することが望ましい。これは、焦点面に対して側面が大きく傾斜している場合には、その傾斜が小さい場合よりも計測誤差が生じやすいからである。
【０００７】
以上のような実情を踏まえ、本発明の一側面に係る目的は、円筒形状を有するサンプルの側面の焦点面に対する傾斜が小さくなるようにサンプルの側面に合焦する技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様に係る顕微鏡システムは、対物レンズを有する顕微鏡本体を備える、円筒形状のサンプルの共焦点画像を取得するレーザ顕微鏡装置と、前記共焦点画像に含まれる前記サンプルの側面部分を特定する処理装置と、前記サンプルと前記対物レンズの位置関係を制御する駆動制御装置と、を備える。前記駆動制御装置は、前記サンプルと前記対物レンズとの間の前記対物レンズの光軸方向の距離を変更する前に前記レーザ顕微鏡装置で取得した第１共焦点画像に基づいて前記処理装置が特定した第１側面部分の前記第１共焦点画像中における第１位置と、前記距離を変更した後に前記レーザ顕微鏡装置で取得した第２共焦点画像に基づいて前記処理装置が特定した第２側面部分の前記第２共焦点画像中における第２位置と、の違いに応じて、前記サンプルに対する前記対物レンズの光軸の相対位置を変更する。
【０００９】
本発明の一態様に係る顕微鏡システムの制御方法は、対物レンズを有する顕微鏡本体を備える、円筒形状のサンプルの共焦点画像を取得するレーザ顕微鏡装置と、前記共焦点画像に含まれる前記サンプルの側面部分を特定する処理装置と、前記サンプルと前記対物レンズの位置関係を制御する駆動制御装置と、を備える顕微鏡システムの制御方法である。前記レーザ顕微鏡装置が、前記サンプルと前記対物レンズとの間の前記対物レンズの光軸方向の距離を変更する前に、前記サンプルの第１共焦点画像を取得する。前記処理装置が、前記第１共焦点画像に基づいて第１側面部分を特定する。前記レーザ顕微鏡装置が、前記駆動制御装置が前記距離を変更した後に、前記サンプルの第２共焦点画像を取得する。前記処理装置が、前記第２共焦点画像に基づいて第２側面部分を特定する。前記駆動制御装置が、前記第１側面部分の前記第１共焦点画像中における第１位置と、前記第２側面部分の前記第２共焦点画像中における第２位置と、の違いに応じて、前記サンプルに対する前記対物レンズの光軸の相対位置を変更する。
【発明の効果】
【００１０】
上記の態様によれば、円筒形状を有するサンプルの側面の焦点面に対する傾斜が小さくなるようにサンプルの側面に合焦することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態に係る顕微鏡システム１の構成を例示した図である。
【図２】顕微鏡本体１００の構成を例示した図である。
【図３】コンピュータ６０の構成を例示したブロック図である。
【図４】対物レンズ１０８の望ましい位置について説明するための図である。
【図５】顕微鏡システム１が行う処理の一例を示すフローチャートである。
【図６】合焦後に取得した共焦点画像を例示した図である。
【図７】対物レンズ１０８を光軸方向に動かした後に取得した共焦点画像を例示した図である。
【図８】対物レンズ１０８を光軸と直交する方向に動かした後に取得した共焦点画像を例示した図である。
【図９】対物レンズ１０８を光軸と直交する方向に動かした後に取得した共焦点画像の別の例を示した図である。
【図１０】第２の実施形態に係る顕微鏡システムが行う処理の別の例を示すフローチャートである。
【図１１】顕微鏡本体２００の構成を例示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
［第１の実施形態］
図１は、本実施形態に係る顕微鏡システム１の構成を例示した図である。図１に示す顕微鏡システム１は、サンプルＳと対物レンズ１０８の光軸方向の距離を変更しながら共焦点画像を繰り返し取得することで、サンプルＳの表面を計測して、サンプルＳを検査するシステムである。
【００１３】
顕微鏡システム１が対象とするサンプルＳは、円筒形状を有していて、顕微鏡システム１は、円筒形状を有するサンプルＳの側面を計測してサンプルＳを検査する。なお、円筒形状を有するサンプルＳの側面とは、円筒の表面のうちの曲面のことをいう。
【００１４】
顕微鏡システム１は、レーザ走査型共焦点顕微鏡装置（以降、レーザ顕微鏡装置と記す）１０を備えている。
【００１５】
レーザ顕微鏡装置１０は、円筒形状のサンプルＳの共焦点画像を取得する。レーザ顕微鏡装置１０は、対物レンズ１０８を有する顕微鏡本体１００と、顕微鏡本体１００を制御する顕微鏡コントローラ２０を備えている。なお、顕微鏡本体１００と顕微鏡コントローラ２０は、図１に示すように別体として構成されていてもよく、単一の筐体内に一体に構成されてもよい。
【００１６】
図２は、顕微鏡本体１００の構成を例示した図である。顕微鏡本体１００は、図２に示すように、レーザ１０１、レンズ１０２、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１０３、二次元走査装置１０４、リレー光学系１０５、１／４λ板１０６、ミラー１０７、対物レンズ１０８、レンズ１０９、共焦点絞り１１０、光電子増倍管（ＰＭＴ）１１１、Ａ／Ｄ変換器１１２、準焦装置１１３を備えている。準焦装置１１３は、対物レンズ１０８を対物レンズ１０８の光軸方向に動かす装置である。
【００１７】
レーザ１０１から出射したレーザ光は、レンズ１０２、ＰＢＳ１０３を透過した後、二次元走査装置１０４に入射する。二次元走査装置１０４は、２つのスキャナを備え、例えば、ガルバノミラーとレゾナントスキャナを含んでいる。なお、二次元走査装置１０４は、２つのガルバノミラーを含んでも良い。二次元走査装置１０４で偏向されたレーザ光は、リレー光学系１０５を介して入射する１／４λ板１０６で直線偏光から円偏光に変換された後に、ミラー１０７で反射し、対物レンズ１０８を経由してサンプルＳへ照射される。
【００１８】
顕微鏡本体１００では、二次元走査装置１０４は対物レンズ１０８の瞳位置と光学的に共役な位置又はその近傍に配置されている。このため、二次元走査装置１０４がレーザ光を偏向させることで、レーザ光の集光位置が対物レンズ１０８の焦点面上を、対物レンズ１０８の光軸と直交するXY方向に移動し、これによって、サンプルＳがレーザ光で二次元に走査される。
【００１９】
二次元走査装置１０４による二次元走査（XY走査）は、顕微鏡コントローラ２０によって制御される。二次元走査装置１０４による二次元走査の手法としては、例えば、共焦点顕微鏡で一般的に使用されている、ラスタスキャンが採用される。
【００２０】
サンプルＳの表面で反射したレーザ光（以降、反射光と記す）は、対物レンズ１０８、ミラー１０７を経由して入射する１／４λ板１０６で円偏光から直線偏光に変換される。その後に、リレー光学系１０５、二次元走査装置１０４を経由してＰＢＳ１０３に入射する。このとき、ＰＢＳ１０３に入射する反射光は、レーザ１０１側からＰＢＳ１０３に入射するレーザ光の偏光面とは直交する偏光面を有している。このため、反射光は、ＰＢＳ１０３で反射して、レンズ１０９に導かれる。
【００２１】
レンズ１０９は、ＰＢＳ１０３で反射した反射光を集光する。ＰＢＳ１０３からの反射光路上に設けられた共焦点絞り１１０には、共焦点絞り１１０には、対物レンズ１０８の焦点面に形成されるレーザ光の集光位置と光学的に共役な位置にピンホール（開口）が形成されている。換言すると、共焦点絞り１１０は、ピンホールを有し、そのピンホールが対物レンズ１０８の焦点位置と光学的に共役な位置に位置するように配置されている。このため、サンプルＳ表面のある部分が対物レンズ１０８によるレーザ光の集光位置にある場合には、その部分からの反射光は、ピンホールに集光し当該ピンホールを通過する。その一方、サンプルＳ表面のある部分が対物レンズ１０８によるレーザ光の集光位置からずれている場合には、その部分からの反射光は、ピンホールに集光しないので、ピンホールを通過せず、共焦点絞り１１０によって遮断される。
【００２２】
ピンホールを通過した光は、ＰＭＴ１１１で検出される。ＰＭＴ１１１は、共焦点絞り１１０を通過した光を検出する光検出器の一例である。ＰＭＴ１１１は、このピンホールを通過した光、すなわち、サンプルＳの表面のうち対物レンズ１０８によるレーザ光の集光位置に位置する部分のみからの反射光を受光する。そして、Ａ／Ｄ変換器１１２は、ＰＭＴ１１１での受光光量に応じた大きさのアナログ信号である検出信号を二次元走査装置１０４の同期信号に基づいてサンプリングし、当該部分の輝度を示すデジタル信号である輝度データとして顕微鏡コントローラ２０へ出力される。
【００２３】
顕微鏡コントローラ２０は、顕微鏡本体１００を制御する装置である。顕微鏡コントローラ２０は、レーザ１０１の発光制御、二次元走査装置１０４の走査制御、準焦装置１１３の駆動制御、などを行う。また、顕微鏡コントローラ２０は、顕微鏡本体１００から受信した輝度データに基づいて共焦点画像の画像データを生成し、コンピュータ６０へ出力する。
【００２４】
顕微鏡システム１は、レーザ顕微鏡装置１０に加えて、ステージ３０と、ステージコントローラ５０を備えている。
【００２５】
ステージ３０は、XYステージ３１とZステージ３２を含んでいる。第１ステージであるXYステージ３１は、対物レンズ１０８の光軸と直交するXY方向に移動する電動ステージであり、XYステージ３１には、顕微鏡本体１００が固定されている。第２ステージであるZステージ３２は、対物レンズ１０８の光軸と直交するZ方向に移動する電動ステージであり、Zステージ３２には、顕微鏡本体１００が固定されている。ステージ３０（XYステージ３１及びZステージ３２）に固定された顕微鏡本体１００は、ステージ３０の移動に伴って移動する。ステージ３０の移動は、ステージコントローラ５０により制御される。ステージコントローラ５０は、コンピュータ６０からの命令に従ってステージ３０を動かしてもよい。また、ステージコントローラ５０には、入力装置の一例であるジョイスティック８０が接続されている。ステージコントローラ５０は、利用者によるジョイスティック８０の操作に応じて、ステージ３０を動かしてもよい。
【００２６】
ステージコントローラ５０は、サンプルＳと対物レンズ１０８の位置関係を制御する駆動制御装置の一例である。ステージコントローラ５０は、上述したように、ステージ３０を制御することで、サンプルＳと対物レンズ１０８の位置関係を変更する。より詳細には、ステージコントローラ５０は、XYステージ３１を制御することで、サンプルＳに対する対物レンズ１０８の光軸の相対位置を変更する。また、ステージコントローラ５０は、Zステージ３２を制御することで、サンプルＳと対物レンズ１０８の間の距離を変更する。ここで、サンプルＳと対物レンズ１０８の間の距離は、対物レンズ１０８の光軸方向の距離である。
【００２７】
顕微鏡システム１は、さらに、サンプルＳを把持するサンプル把持装置４０を備えている。サンプル把持装置４０は、円筒形状を有するサンプルＳの中心軸を水平方向に向けた状態で、サンプルＳを左右両側から把持する装置である。サンプル把持装置４０は、中心軸周りサンプルＳを回転させるモータ４１を備えている。モータ４１の回転は、ステージコントローラ５０により制御される。ステージコントローラ５０は、コンピュータ６０からの命令に従ってモータ４１を制御してサンプルＳを回転させる。
【００２８】
顕微鏡システム１は、さらに、顕微鏡システム１全体の動作を制御するコンピュータ６０を備えている。コンピュータ６０は、顕微鏡本体１００が取得した共焦点画像に含まれるサンプルＳの側面部分を特定する処理装置の一例である。コンピュータ６０は、例えば、図３に示すような、標準的なコンピュータである。また、コンピュータ６０には、表示装置の一例であるディスプレイ７０と、入力装置の一例であるキーボード９０とが接続されている。ディスプレイ７０は、例えば、液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイなどである。
【００２９】
図３は、コンピュータ６０の構成を例示したブロック図である。コンピュータ６０、図３に示すように、プロセッサ６１、メモリ６２、ストレージ６３、インタフェース装置６４、及び可搬記憶媒体６６が挿入される可搬記憶媒体駆動装置６５を備え、これらがバス６７によって相互に接続されている。
【００３０】
プロセッサ６１は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）などであり、プログラムを実行してプログラムされた処理を行う。メモリ６２は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）であり、プログラムの実行の際に、ストレージ６３または可搬記憶媒体６６に記憶されているプログラムまたはデータを一時的に記憶する。
【００３１】
ストレージ６３は、例えば、ハードディスク、フラッシュメモリであり、主に各種データやプログラムの記憶に用いられる。ストレージ６３には、例えば、後述する閾値データが予め格納されても良い。
【００３２】
インタフェース装置６４は、コンピュータ６０以外の装置（例えば、顕微鏡コントローラ２０、ディスプレイ７０、キーボード９０など）と信号をやり取りする回路である。可搬記憶媒体駆動装置６５は、光ディスクやコンパクトフラッシュ（登録商標）等の可搬記憶媒体６６を収容するものである。可搬記憶媒体６６は、ストレージ６３を補助する役割を有する。ストレージ６３及び可搬記憶媒体６６は、それぞれプログラムを記憶した非一過性のコンピュータ読取可能記憶媒体の一例である。
【００３３】
なお、図３に示す構成は、コンピュータ６０のハードウェア構成の一例であり、コンピュータ６０はこの構成に限定されるものではない。コンピュータ６０は、汎用装置ではなく専用装置であってもよい。コンピュータ６０は、プログラムを実行するプロセッサの代わりに又は加えて、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などの電気回路を備えてもよい。
【００３４】
図４は、対物レンズ１０８の望ましい位置について説明するための図である。円筒形状を有するサンプルＳの側面を計測する場合、側面と焦点面のなす角ができる限り小さいことが望ましい。換言すると、サンプルＳの天頂位置ＡＰが対物レンズ１０８の光軸上に位置するようにサンプルＳと対物レンズ１０８の位置関係を調整することが望ましい。これは、焦点面に対する側面の傾斜が大きすぎると、求められる計測精度を達成することが難しくなるからである。
【００３５】
また、側面と焦点面のなす角を小さくすることで、サンプルＳの計測時間を短縮することができる。例えば、図４に示すように、対物レンズ１０８の光軸が天頂位置ＡＰに比較的近い位置Ｐ１に位置するとき（このときの傾斜角度はθ１）と、対物レンズ１０８の光軸が天頂位置ＡＰから比較的遠い位置Ｐ２に位置するとき（このときの傾斜角度はθ２（＞θ１））とを比較する。同じ頂角αに対応するサンプルＳの表面を計測するためには、位置Ｐ１では光軸方向に距離Ｄ１だけ走査すれば足りるのに対して、位置Ｐ２では光軸方向に距離Ｄ２（＞距離Ｄ１）も走査しなければならない。三次元計測の処理時間に占めるZスタック処理（光軸方向に走査しながら共焦点画像を取得する処理）の処理時間の割合が大きいことを踏まえると、傾斜（つまり、側面と焦点面のなす角）を小さくすることで大幅な処理時間の短縮が期待できる。
【００３６】
このため、円筒形状を有するサンプルＳの表面形状を計測する場合、計測処理を開始する前に、顕微鏡システム１は、側面と焦点面のなす角が小さくなるように、サンプルＳと対物レンズ１０８との位置関係を調整する。これにより、顕微鏡システム１は、従来のシステムに比べて、計測精度と計測時間を改善することができる。
【００３７】
図５は、顕微鏡システム１が行う位置調整処理の一例を示すフローチャートである。図５に示す位置調整処理は、顕微鏡システム１の制御方法の一例である。図６は、合焦後に取得した共焦点画像を例示した図である。図７は、対物レンズ１０８を光軸方向に動かした後に取得した共焦点画像を例示した図である。図８は、対物レンズ１０８を光軸と直交する方向に動かした後に取得した共焦点画像を例示した図である。図９は、対物レンズ１０８を光軸と直交する方向に動かした後に取得した共焦点画像の別の例を示した図である。以下、顕微鏡システム１が計測処理を開始する前に行う位置調整処理について、図５から図９を参照しながら、説明する。
【００３８】
なお、図５に示す位置調整処理では、ステップＳ３とステップＳ７で共焦点画像が取得される。ステップＳ３で取得する共焦点画像は、第１共焦点画像、又は第３共焦点画像、又は、第１共焦点画像であり且つ第３共焦点画像である。ステップＳ７で取得する共焦点画像は、第２共焦点画像である。第１共焦点画像は、サンプルＳと対物レンズ１０８の間の距離を変更するステップＳ６の処理の前後に取得される画像のうちの、ステップＳ６の処理の前に取得される画像という意味で使用される。第２共焦点画像は、サンプルＳと対物レンズ１０８の間の距離を変更するステップＳ６の処理の前後に取得される画像のうちの、ステップＳ６の処理の後に取得される画像という意味で使用される。また、第３共焦点画像は、サンプルＳに対する対物レンズ１０８の光軸の相対位置を変更するステップＳ９の処理の後に取得される画像という意味で使用される。
【００３９】
コンピュータ６０が位置調整プログラムを実行することで、顕微鏡システム１は、図５に示す位置調整処理を開始する。位置調整処理が開始されると、まず、顕微鏡システム１は、登録座標へ顕微鏡本体１００を移動する（ステップＳ１）。ここでは、コンピュータ６０の命令に従ってステージコントローラ５０がステージ３０を制御して、予め登録されている登録座標へ顕微鏡本体１００を動かす。これにより、対物レンズ１０８がサンプルＳの上方に位置する。
【００４０】
次に、顕微鏡システム１は、サンプルＳの側面に合焦する（ステップＳ２）。ここでは、コンピュータ６０の命令に従って、後述するステップＳ３での共焦点画像の取得前に、レーザ顕微鏡装置１０がオートフォーカス処理を実行する。レーザ顕微鏡装置１０は、例えば、準焦装置１１３を用いて対物レンズ１０８を光軸方向に動かしながら、ＰＭＴ１１１から出力される信号の強度に基づいて、サンプルＳの側面に合焦する。なお、以降では、レーザ顕微鏡装置１０の視野の中心位置で検出される光の信号の強度が最大となるように、準焦装置１１３が対物レンズ１０８を移動させることで、サンプルＳの側面に合焦した場合を例に説明する。
【００４１】
サンプルＳの側面に合焦すると、顕微鏡システム１は、共焦点画像を取得する（ステップＳ３）。ここでは、コンピュータ６０の命令に従って、レーザ顕微鏡装置１０が共焦点画像を取得する。図６には、ステップＳ２に続いて行われるステップＳ３において取得した共焦点画像が例示されている。
【００４２】
図６に示す共焦点画像には、高い輝度を有する明るい領域Ｒ１と低い輝度を有する暗い領域Ｒ２が含まれている。共焦点画像中の領域Ｒ１は、焦点深度内に位置するサンプルＳの側面に対応する画像領域であり、共焦点画像に含まれるサンプルＳの側面部分である。また、共焦点画像中の領域Ｒ２は、焦点深度内にサンプルＳの側面がない画像領域である。
【００４３】
この例では、ステップＳ２のオートフォーカス処理が視野の中心位置における信号強度に基づいて行われているため、領域Ｒ１は、視野の中心位置を含んでいる。また、サンプルＳが円筒形状を有しているため、領域Ｒ１は、サンプルＳの中心軸の方向に沿って延びた帯形状を有している。
【００４４】
その後、顕微鏡システム１は、ステップＳ３で取得した共焦点画像を解析する（ステップＳ４）。ここでは、コンピュータ６０が共焦点画像を解析する。具体的には、コンピュータ６０は、ステップＳ３で取得した共焦点画像に含まれる領域Ｒ１を特定する。その後、コンピュータ６０は、さらに、領域Ｒ１の共焦点画像中の位置と領域Ｒ１の幅を算出する。
【００４５】
なお、領域Ｒ１の位置は、例えば、領域Ｒ１の重心位置である。また、領域Ｒ１の幅は、例えば、帯形状を有する領域Ｒ１の短手方向の幅である。領域Ｒ１の幅が長手方向の沿って一定でない場合には、領域Ｒ１の重心位置での幅を領域Ｒ１の幅として扱ってもよい。また、領域Ｒ１の幅の平均値、最小値、最大値などを、領域Ｒ１の幅として扱ってもよい。
【００４６】
共焦点画像の解析が終了すると、顕微鏡システム１は、ステップＳ４で算出した側面部分（領域Ｒ１）の幅が閾値以上か否かを判定する（ステップＳ５）。ここでは、コンピュータ６０は、ストレージ６３に予め格納されている閾値データを読み出して、ステップＳ４で算出した領域Ｒ１の幅と閾値データが示す閾値とを比較することで、上記の判定を行う。
【００４７】
閾値データが示す閾値は、サンプルの側面と焦点面とのなす角が十分に小さくなったときに取得された共焦点画像に含まれる領域Ｒ１の幅を示している。領域Ｒ１の幅は、サンプルの天頂が対物レンズ１０８の光軸に近づくほど、つまり、サンプルの側面と焦点面とのなす角が小さくなるほど、大きくなる。これは、サンプルの側面と焦点面とのなす角が小さいほど、焦点深度内に収まるサンプルＳの側面の範囲が広がるからである。このため、ステップＳ４で算出した領域Ｒ１の幅が閾値（幅）以上であれば、サンプルの側面と焦点面とのなす角は十分に小さいと判定することができる。
【００４８】
なお、閾値データは、サンプルの仕様（例えば、径など）と顕微鏡装置の仕様（例えば、倍率、焦点深度など）の組み合わせ毎に、予めストレージ６３に格納されている。これらの閾値データは、事前に実験等を行い、サンプルの側面と焦点面とのなす角が小さいときに算出された領域Ｒ１の幅に基づいて生成される。また、サンプルの仕様と顕微鏡装置の仕様から閾値を、実験を行うことなく算出し、算出した閾値を示す閾値データを生成してもよい。
【００４９】
顕微鏡システム１は、ステップＳ４で算出された領域Ｒ１の幅が閾値以上であると判定したときには（ステップＳ５ＹＥＳ）、位置調整処理を終了する。これは、顕微鏡システム１が、すでに、サンプルの側面と焦点面とのなす角が小さくなるようにサンプルの側面に合焦している状態にあると考えられるためである。
【００５０】
一方、顕微鏡システム１は、ステップＳ４で算出された領域Ｒ１の幅が閾値未満であると判定すると（ステップＳ５ＮＯ）、ステップＳ６からステップＳ９の処理を行い、サンプルの側面と焦点面とのなす角を小さくする。これは、領域Ｒ１の幅が閾値未満である場合には、サンプルの側面と焦点面とのなす角が大きいと判定できるからである。
【００５１】
ステップＳ６からステップＳ９では、顕微鏡システム１は、まず、Zステージ３２を動かしてサンプルＳと対物レンズ１０８の間の距離を変更する（ステップＳ６）。ここでは、ステージコントローラ５０がZステージ３２を制御して、対物レンズ１０８をサンプルＳから離れる方向に動かす。これにより、サンプルＳと対物レンズ１０８の間の距離を変更する。以降、サンプルＳと対物レンズ１０８の間の距離を相対距離とも記す。
【００５２】
Zステージ３２の移動が終了すると、顕微鏡システム１は、共焦点画像を取得する（ステップＳ７）。ここでは、コンピュータ６０の命令に従って、レーザ顕微鏡装置１０が共焦点画像を取得する。図７には、ステップＳ７で取得した共焦点画像が例示されている。図７に示す共焦点画像にも、図６に示す共焦点画像と同様に、高い輝度を有する明るい領域Ｒ１と低い輝度を有する暗い領域Ｒ２が含まれている。
【００５３】
相対距離変更後に取得した図７に示す共焦点画像は、相対距離変更前に取得した図６に示す共焦点画像とは異なる位置に領域Ｒ１を含んでいる。これは、相対距離の変更により焦点面が光軸方向に移動し、その結果、サンプルＳの側面の異なる範囲が焦点深度内の位置にすることになったためである。
【００５４】
その後、顕微鏡システム１は、ステップＳ７で取得した共焦点画像を解析する（ステップＳ８）。ここでは、コンピュータ６０が共焦点画像を解析する。具体的には、コンピュータ６０は、ステップＳ７で取得した共焦点画像に含まれるサンプルＳの領域Ｒ１を特定する。その後、コンピュータ６０は、さらに、領域Ｒ１の共焦点画像中の位置を算出する。
【００５５】
共焦点画像の解析が終了すると、顕微鏡システム１は、XYステージ３１を動かしてサンプルＳに対する対物レンズ１０８の光軸の相対位置を変更する（ステップＳ９）。ここでは、ステージコントローラ５０は、相対距離を変更する前にレーザ顕微鏡装置１０が取得した共焦点画像に基づいてコンピュータ６０が特定した側面部分（以降、第１側面部分と記す。）のその共焦点画像中における位置（以降、第１位置と記す。）と、相対距離を変更した後にレーザ顕微鏡装置１０で取得した共焦点画像に基づいてコンピュータ６０が特定した側面部分（以降、第２側面部分と記す。）のその共焦点画像中における位置（以降、第２位置）と、の違いに応じて、XYステージ３１を制御して相対位置を変更する。つまり、図６に示す共焦点画像の領域Ｒ１（第１側面部分）の位置と図７に示す共焦点画像の領域Ｒ１（第２側面部分）の位置の違いに応じて、相対位置を変更する。
【００５６】
より具体的には、ステージコントローラ５０は、XYステージ３１を制御して、対物レンズ１０８を第１位置から第２位置へ向かう方向に動かすことで相対位置を変更する。これは、図６及び図７に示すように、対物レンズ１０８をサンプルＳから離れる方向に動かしたときには、領域Ｒ１は画像内においてサンプルＳの天頂位置に向かう方向へ移動するからである。
【００５７】
また、ステージコントローラ５０は、XYステージ３１を制御して、対物レンズ１０８を第１位置と第２位置の間の距離に応じた実距離だけXYステージ３１を動かすことで相対位置を変更してもよい。ここで、第１位置と第２位置の間の距離に応じた実距離とは、共焦点画像上での距離である第１位置と第２位置の間の距離を実空間上での距離に変換したときの距離のことである。これにより、第１位置から第２位置へ移動した領域Ｒ１の位置を第１位置へ戻すことができる。つまり、帯形状を有する領域Ｒ１が共焦点画像の中央に写るように対物レンズ１０８とサンプルＳの位置関係が調整される。
【００５８】
相対位置の変更が終了すると、顕微鏡システム１は、再び、共焦点画像を取得し（ステップＳ３）、取得した共焦点画像を解析する（ステップＳ４）。つまり、ステージコントローラ５０がXYステージ３１を制御して相対位置を変更した後に、レーザ顕微鏡装置１０が共焦点画像（第３共焦点画像）を取得し、コンピュータ６０が取得したその共焦点画像に基づいて領域Ｒ１（第３側面部分）を特定し、領域Ｒ１の幅と位置を算出する。
【００５９】
図８には、ステップＳ９に続いて行われるステップＳ３において取得した共焦点画像が例示されている。図８に示す共焦点画像にも、図６に示す共焦点画像及び図７に示す共焦点画像と同様に、高い輝度を有する明るい領域Ｒ１と低い輝度を有する暗い領域Ｒ２が含まれている。
【００６０】
相対位置変更後に取得した図８に示す共焦点画像に含まれる領域Ｒ１は、相対位置及び相対距離の変更前に取得した図６に示す共焦点画像に含まれる領域Ｒ１とは異なる幅を有している。これは、相対距離及び相対位置の変更により、対物レンズ１０８の光軸とサンプルＳの天頂位置との距離が変化し、焦点面とサンプルＳの側面のなす角が変化したからである。
【００６１】
より具体的には、図８に示す共焦点画像に含まれる領域Ｒ１の幅は、図６に示す共焦点画像に含まれる領域Ｒ１の幅よりも大きな幅Ｗを有している。これは、相対距離及び相対位置の変更により、対物レンズ１０８の光軸とサンプルＳの天頂位置との距離が縮まり、焦点面とサンプルＳの側面のなす角が小さくなったからである。
【００６２】
その後、顕微鏡システム１は、ステップＳ４で新たに算出した領域Ｒ１（側面部分）の幅が閾値以上か否かを判定する（ステップＳ５）。つまり、コンピュータ６０は、サンプルＳの側面と焦点面のなす角が小さいか否かを判定する。具体的には、コンピュータ６０は、領域Ｒ１の幅が、サンプルＳとレーザ顕微鏡装置１０の仕様に応じて予め決められている閾値との比較結果に基づいて、サンプルＳの側面と焦点面のなす角が小さいか否かを判定する。
【００６３】
以降、顕微鏡システム１は、ステップＳ５で領域Ｒ１（側面部分）の幅が閾値以上であると判定されるまで、ステップＳ３からステップＳ９の処理を繰り返す。図９には、ステップＳ９に続いて行われるステップＳ３において取得した共焦点画像の別の例が示されている。図９に示す共焦点画像のように、共焦点画像が領域Ｒ１によって占有されることも起こり得る。このような場合にも、顕微鏡システム１は、領域Ｒ１（側面部分）の幅が閾値以上であると判定してもよい。
【００６４】
以上のように動作する顕微鏡システム１によれば、円筒形状を有するサンプルＳの側面の焦点面に対する傾斜が小さくなるようにサンプルＳの側面に合焦することができる。このため、その後に行われるサンプルＳの計測処理において、高い精度でサンプルＳの形状を計測することができる。また、計測処理において取得する共焦点画像の枚数を少なく抑えることができるため、サンプルＳの計測時間を短縮することができる。
【００６５】
また、顕微鏡システム１によれば、サンプル把持装置４０にサンプルＳを把持させる度にサンプルＳの位置が変化する場合であっても、サンプルＳの側面の焦点面に対する傾斜が小さくなるようにサンプルＳの側面に合焦することができる。これにより、再現性の高い計測が可能となるため、安定した検査結果を得ることができる。
［第２の実施形態］
【００６６】
図１０は、本実施形態に係る顕微鏡システムが行う処理の別の例を示すフローチャートである。なお、本実施形態に係る顕微鏡システムは、図５に示す処理の代わりに図１０に示す処理を行う点を除き、顕微鏡システム１と同様である。このため、顕微鏡システム１と同様の構成要素については、同一の符号で参照する。
【００６７】
図１０に示す処理は、繰り返し算出される領域Ｒ１の幅が最大となる位置に顕微鏡本体１００を移動する点が、図５に示す処理とは異なる。具体的には、図１０に示す処理は、ステップＳ５の代わりにステップＳ１５を行う点と、ステップＳ１５の判定結果がＹＥＳとなったときにステップＳ１６及びステップＳ１７を行う点が、図５に示す処理とは異なる。
【００６８】
ステップＳ１５では、ステップＳ４で算出した側面部分の幅が減少に転じたか否かを判定する。具体的には、ステップＳ４で算出した側面部分の幅のうち最近の２回分を比較して、最も新しく算出した側面部分の幅がその前に算出した側面部分の幅よりも小さくなったか否かを判定する。なお、図１０に示す位置調整処理を開始後、初めてステップＳ１５の処理が行われる場合には、最新のデータ（幅）しか算出されておらず比較が行えないため、判定結果はＮＯとなる。
【００６９】
ステップＳ１６でのZステージ３２の移動は、ステップＳ６でのZステージ３２の移動とは、反対方向に同じ距離だけ行われる。また、ステップＳ１７でのXYステージ３１の移動は、ステップＳ９でのXYステージ３１の移動とは、反対方向に同じ距離だけ行われる。
【００７０】
ステップＳ１５の判定結果がＹＥＳになるのは、即ち、ステップＳ４で算出した側面部分の幅が減少に転じたと判定されるのは、ステップＳ６とステップＳ９での位置調整により、対物レンズ１０８の光軸がサンプルＳの天頂を跨いで移動した結果、移動前よりも焦点面と側面のなす角が大きくなった場合である。このため、ステップＳ１６及びステップＳ１７での移動により、ステップＳ６及びステップＳ９での移動を相殺することで、領域Ｒ１の幅が最大となる位置に顕微鏡本体１００を移動することができる。
【００７１】
以上のように動作する本実施形態に係る顕微鏡システムによっても、顕微鏡システム１と同様の効果を得ることができる。また、本実施形態に係る顕微鏡システムでは、閾値データが不要なため、閾値データを生成するために事前に行う実験等を省略することができる。
【００７２】
上述した実施形態は、発明の理解を容易にするための具体例を示したものであり、本発明の実施形態はこれらに限定されるものではない。上述した実施形態の一部を他の実施形態に適用しても良い。顕微鏡システム、及び、顕微鏡システムの制御方法は、特許請求の範囲の記載を逸脱しない範囲において、さまざまな変形、変更が可能である。
【００７３】
例えば、顕微鏡システムは、顕微鏡本体１００の代わりに図１１に示す顕微鏡本体２００を備えても良い。顕微鏡本体２００は、共焦点画像を取得するための構成に加えて、明視野画像を取得するための構成を含んでいる点が、顕微鏡本体１００とは異なる。より詳細に説明すると、顕微鏡本体２００は、ミラー１０７の代わりにダイクロイックミラー２０４を備える点、及び、明視野画像を取得するための構成（白色光源２０１、レンズ２０２、ハーフミラー２０３、結像レンズ２０５、撮像装置２０６）を備えている点が、顕微鏡本体１００とは異なる。撮像装置２０６は、サンプルＳの明視野画像を取得する撮像装置であり、例えば、ＣＣＤカメラである。
【００７４】
顕微鏡本体１００の代わりに顕微鏡本体２００を含む場合には、顕微鏡システムは、図５及び図１０のステップＳ２では、撮像装置２０６が取得した明視野画像に基づいて、例えば、コントラストＡＦ処理を行うことで、サンプルの側面に合焦してもよい。
【００７５】
また、顕微鏡本体１００の代わりに顕微鏡本体２００を含む場合には、顕微鏡システムの利用者は、明視野画像を見ながら手動で対物レンズ１０８をサンプルＳの上方まで移動させてもよい。その場合、図５及び図１０のステップＳ１を省略しても良い。
【００７６】
第１の実施形態では、第３側面部分の幅がサンプルＳ及びレーザ顕微鏡装置１０の仕様に応じて予め決められている閾値との比較結果に基づいて、側面と焦点面とのなす角が小さいか否かをコンピュータ６０が判定する例が示されている。また、第２の実施形態では、第１側面部分の幅と第３側面部分の幅の比較結果に基づいて、側面と焦点面とのなす角が小さいか否かをコンピュータ６０が判定する例が示されている。これらの実施形態が示しているように、コンピュータ６０は、少なくとも第３側面部分の幅に基づいて側面と焦点面とのなす角が小さいか否かを判定してもよい。
【００７７】
上述した実施形態では、コンピュータ６０がサンプルＳの側面と焦点面とのなす角が大きいと判定すると、Zステージ３２を制御して相対距離を変更する例を示したが、コンピュータ６０での判定処理のタイミングは、特に限定されない。例えば、判定処理を省略してステージ３０の移動と画像取得及び解析とを所定回数繰り返してもよい。その後、コンピュータ６０が各画像の解析結果に基づいてサンプルＳの側面と焦点面とのなす角が小さくなる対物レンズ１０８とサンプルＳの位置関係を特定し、ステージコントローラ５０が対物レンズ１０８とサンプルＳが特定された位置関係となるようにステージ３０を制御してもよい。
【００７８】
上述した実施形態では、ステージコントローラ５０がZステージ３２を制御することで、相対距離を変更する例を示したが、レーザ顕微鏡装置１０が準焦装置１１３を制御することで相対距離を変更してもよい。例えば、図５のステップＳ６において、ステージコントローラ５０がZステージ３２を制御する代わりに、レーザ顕微鏡装置１０が準焦装置１１３を制御して対物レンズ１０８をサンプルＳから離れる方向に動かすことで相対距離を変更してもよい。
【符号の説明】
【００７９】
１・・・顕微鏡システム、１０・・・レーザ顕微鏡装置、２０・・・顕微鏡コントローラ、３０・・・ステージ、３１・・・XYステージ、３２・・・Zステージ、４０・・・サンプル把持装置、４１・・・モータ、５０・・・ステージコントローラ、６０・・・コンピュータ、６１・・・プロセッサ、６２・・・メモリ、６３・・・ストレージ、６４・・・インタフェース装置、６５・・・可搬記憶媒体駆動装置、６６・・・可搬記憶媒体、６７・・・バス、７０・・・ディスプレイ、８０・・・ジョイスティック、９０・・・キーボード、１００、２００・・・顕微鏡本体、１０１・・・レーザ、１０２、１０９、２０２・・・レンズ、１０３・・・ＰＢＳ、１０４・・・二次元走査装置、１０５・・・リレー光学系、１０６・・・１／４λ板、１０７・・・ミラー、１０８・・・対物レンズ、１１０・・・共焦点絞り、１１１・・・ＰＭＴ、１１２・・・Ａ／Ｄ変換器、１１３・・・準焦装置、２０１・・・白色光源、２０３・・・ハーフミラー、２０４・・・ダイクロイックミラー、２０５・・・結像レンズ、２０６・・・撮像装置、ＡＰ・・・天頂位置、Ｐ１、Ｐ２・・・位置、Ｒ１、Ｒ２・・・領域、Ｓ・・・サンプル
【図１】
2019035837.tif 000003
【図２】
2019035837.tif 000004
【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】
2019035837.tif 000009
【図８】
2019035837.tif 000010
【図９】
2019035837.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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