(57)【要約】【課題】画像や形状を計測するシステムにおいて、空間分解能を高める。【解決手段】対象物の画像又は形状を計測する計測システム（１００）は、画素値を示す受信信号を夫々出力可能であり且つ受信面に沿って配列される複数のメイン画素に区画された受信素子（１０１）と、この受信面に沿った方向における受信素子と対象物との相対的な位置関係を、メイン画素を更に区画したサブ画素の単位で変更する駆動手段（１０２）とを備える。計測システムは更に、前記位置関係が変更される毎に受信素子から出力される受信信号の２次元分布に基づいて、画素値をサブ画素の単位で演算する演算手段（１１３）を備える。【選択図】図１
2008032647.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物の画像又は形状を計測する計測システムであって、
画素値を示す受信信号を夫々出力可能であり且つ受信面に沿って配列される複数のメイン画素に区画された受信素子と、
前記受信面に沿った方向における前記受信素子と前記対象物との相対的な位置関係を、前記メイン画素を更に区画したサブ画素の単位で変更する駆動手段と、
前記位置関係が変更される毎に前記受信素子から出力される前記受信信号の２次元分布に基づいて、前記画素値を前記サブ画素の単位で演算する演算手段と
を備えることを特徴とする計測システム。
【請求項２】
前記駆動手段は、
前記対象物を載置する台と、
該台を前記受信面に沿った方向に対応する方向に前記サブ画素の単位で移動可能な移動装置と、
前記受信素子が前記受信信号を出力する動作に連動して前記台を移動させるように前記移動装置を制御する制御手段と
を備えることを特徴とする請求項１に記載の計測システム。
【請求項３】
前記対象物へ光を照射する光照射手段と、
前記対象物からの光を拡大すると共に結像して前記受信素子へ導く結像光学系と
を更に備え、
前記受信素子は、受光素子を有することを特徴とする請求項２に記載の計測システム。
【請求項４】
前記駆動手段は、
前記受信素子を前記受信面に沿った方向に前記サブ画素の単位で移動可能な移動装置と、
前記受信素子が前記受信信号を出力する動作に連動して前記受信素子を移動させるように前記移動装置を制御する制御手段と
を備えることを特徴とする請求項１に記載の計測システム。
【請求項５】
前記演算手段は、前記２次元分布に基づくシフト加算法によって前記画素値を前記サブ画素の単位で演算することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の計測システム。
【請求項６】
前記演算手段は、前記２次元分布に基づく逐次代入法によって前記画素値を前記サブ画素の単位で演算することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の計測システム。
【請求項７】
対象物の画像又は形状を計測する計測システムであって、画素値を示す受信信号を夫々出力可能であり且つ受信面に沿って配列される複数のメイン画素に区画された受信素子と、前記受信面に沿った方向における前記受信素子と前記対象物との相対的な位置関係を、前記メイン画素を更に区画したサブ画素の単位で変更する駆動手段とを備えた計測システムにおける、画像又は形状計測方法であって、
前記位置関係が変更される毎に前記受信素子から出力される前記受信信号の２次元分布を取得する取得工程と、
該取得された２次元分布に基づいて、前記画素値を前記サブ画素の単位で演算する演算工程と
を備えることを特徴とする画像又は形状計測方法。
【請求項８】
コンピュータを、請求項１から６のいずれか一項に記載の計測システムに備えられる演算手段として機能させることを特徴とするコンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば光学顕微鏡におけるCCD（Charge Coupled Device：電荷合素子）などの、受光素子の有限空間サイズにより制限される空間分解能を信号処理により向上させる機能を有する、画像又形状を計測する計測システム及び方法、並びにコンピュータプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の計測システムが適用される光学顕微鏡では、対象物上における結像光学系の集光限界に対応する微小領域（以下単に「微小点」という）からの光線は、撮像系の受光素子における多数の画素（「ピクセル」）上の対応点に集光される。画素は夫々、有限の矩形の区画、例えば３μｍ×３μｍ、である。他方で、結像光学系により、光線を1点に集光させることは、光の回折現象により不可能であり、実際には、直径０．３μｍ程度の微小点に集光させる。従って、画素のサイズ又は微小点のサイズに応じて、各画素からの信号には、複数の微小点からの光線に相当する信号が混ざる。この混ざる分だけ画素間にはボケが存在することになり、光学顕微鏡における空間分解能は、画素サイズ又は微小点のサイズに対して低くなる。
【０００３】
そこで従来の計測システムとして、例えば、フーリエ変換法やアンシャープマスキング法などの画素を最小単位と考えて、画素間に存在するボケをなくす方法がある。また、画素内をさらに分割し（サブピクセルと呼ぶ）その受光量分布を算出するサブピクセル処理がある。サブピクセル処理は、各画素の中心にその画素の受光量の数値を割付け、隣り合う画素の数値から、関数あてはめにより、補間してサブピクセルの受光量の数値を決定する方法である（特許文献１及び２参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２１９１４２
【特許文献２】特開２００４−１７７６７９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述したサブピクセル処理等の計測システムによれば、近時のCCD等における微細化を背景とする、画素のサイズの微細化を生かしただけの空間分解能を達成することや、或いはこれに代えて又は加えて近時の結像光学系等における集光機能の向上を背景とする、微小点のサイズの微細化を生かしただけの空間分解能を達成することは、困難或いは実践上不可能であるという技術的問題点がある。
【０００６】
本発明は例えばかかる問題に鑑み空間分解能を高めることが可能な計測システム及び方法、並びにコンピュータプログラムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の計測システムは上記課題を解決するために、対象物の画像又は形状を計測する計測システムであって、画素値を示す受信信号を夫々出力可能であり且つ受信面に沿って配列される複数のメイン画素に区画された受信素子と、前記受信面に沿った方向における前記受信素子と前記対象物との相対的な位置関係を、前記メイン画素を更に区画したサブ画素の単位で変更する駆動手段と、前記位置関係が変更される毎に前記受信素子から出力される前記受信信号の２次元分布に基づいて、前記画素値を前記サブ画素の単位で演算する演算手段とを備える
本発明の計測システムによれば、対象物の表面又は内部に係る画像又は形状が、例えば電磁気学的に又は光学的に、計測される。尚、本発明における「画像」とは、例えば、モノトーンの濃度（明度）や色度等の、光学的な濃度値の分布（光量の分布）で表現される場合に適用される概念であり、「形状」とは、例えば、凹凸形状や深さ段差等の、対象物の表面付近や内部における３次元的な或いは２次元的な形状の分布で表現される場合に適用される概念である。例えば、Ｘ，Ｙ座標系上の数値が、濃度値で表現される場合に「画像」と呼び、高さ（Ｚ軸方向）で表現される場合に「形状」と呼ぶことで区別する。このような観点から、本発明における「画像」と「形状」とは概念的に区別することに意義がある。しかしながら、広義的な「画像」の概念は、「形状」を含むことができるので、以下の説明では単に「画像」という用語を用いている場合がある。従って、「画像」は、顕微鏡や電子顕微鏡写真、或いは通常のカメラで撮影される如き、可視画でもよい。
【０００８】
その動作時には、例えばCCD等を有する受信素子によって、メイン画素の単位で、画素値を示す受信信号が出力される。ここに本発明に係る「受信素子」とは、受信面にて、例えば光、電磁波、素粒子等を受信すると、対象物に係る画素値を示す電気的な受信信号に変換して出力する素子である。受信素子は、例えば受光素子である。本発明に係る「メイン画素」とは、例えば所謂「画素」或いは「ピクセル」に相当し、例えば受光信号などの、受信信号を出力可能な最小単位である。また、本発明に係る「サブ画素」とは、例えば所謂「サブピクセル」に相当し、画素が便宜上区画されたものであり、受信素子によって、サブ画素の単位で、受信信号を出力することは不可能である。言い換えれば、一のメイン画素を構成する複数のサブ画素単位での画素値の合算を示す受信信号が、該一のメイン画素の単位での受信信号として出力される。また、本発明に係る「画素値」は、例えば対象物の表面における濃度値、輝度値、凹凸の高さ或いは段差などの、当該計測システムが計測対象とする、所定種類の画素値であり、電気的な受信信号に示される値である。受信信号は、例えば受光信号である。
【０００９】
よって、複数或いは多数のサブ画素をまとめた単位であるメイン画素単位の受信信号をそのまま用いるのでは、サブ画素の単位まで空間分解能を高めることは、本質的に困難或いは不可能である。例えば、従来のサブピクセル法を利用したとしても、かかるメイン画素の単位での受信信号に基づく限り、画素内における光量等の物理量を、画素の分布を正確に把握することはできない。
【００１０】
しかるに本発明では特に、先ず例えばステッパ等を有する駆動手段によって、受信面に沿った方向における受信素子と対象物との相対的な位置関係が、サブ画素の単位で変更される。すると、駆動手段によって、相隣接するメイン画素を跨いで位置関係は変更され、位置関係が変更される毎に出力されるメイン画素単位の受信信号は、今回の位置関係の変更により新たにメイン画素に含まれることになる又は含まれないことになるサブ画素の画素値に応じて変化することになる。更に、位置関係が変更される毎に出力されるメイン画素単位の受信信号は、今回の位置関係の変更によってメイン画素に対するサブ画素の新たな位置（例えば、メイン画素の中央位置なのか、端位置なのかなど）に応じても、変化することになる。しかも、サブ画素単位でメイン画素のサイズに比べて微小に変更されるので、結局、メイン画素単位の受信信号は、サブ画素単位での画素値に応じた２次元分布を有することになる。言い換えれば、サブ画素単位で位置関係が変化されつつ得られる受信信号の、複数の２次元分布間の相異に基づいて、サブ画素単位での画素値を特定できる或いは逆算できることになる。
【００１１】
そこで本発明では、サブ画素単位での受信信号を取得することの代用として、サブ画素単位で位置関係が変更される毎に受信素子からメイン画素の単位で出力される受信信号の２次元分布に基づいて、例えばCPU、コントローラ、メモリ等を有する演算手段によって、サブ画素の単位で画素値が演算される。即ち、メイン画素内に存在する本来の光量分布を、サブ画素単位で位置関係を変更しつつ取得される複数の２次元分布に基づく推測或いは逆算によって、演算できる。
【００１２】
以上の結果、例えばCCD等における画素ピッチの微細化技術との関係で一定の限界がある、メイン画素のサイズに対して、実質的に空間分解能を高めることができる。或いは、これに代えて又は加えて、例えば回折現象等との関係で一定の限界がある微小点のサイズに対して、実質的に空間分解能を高めることもできる。即ち演算によって画素間におけるボケを効果的に低減できる。
【００１３】
本発明の計測システムの一態様では、前記駆動手段は、前記対象物を載置する台と、該台を前記受信面に沿った方向に対応する方向に前記サブ画素の単位で移動可能な移動装置と、前記受信素子が前記受信信号を出力する動作に連動して前記台を移動させるように前記移動装置を制御する制御手段とを備える。
【００１４】
この態様によれば、その動作時には、コントローラ等を有する制御手段による制御下で、例えばピエゾ素子を利用したステッパ等を有する、移動装置によって対象物を載置する台が、サブ画素の単位で移動されつつ、受信信号が出力される。この結果、比較的容易にして、サブ画素単位で複数の受信信号を連続的に或いは規則的に取得できる。よって、位置関係がメイン画素の区画を跨ってサブ画素単位で変更された際の受信信号の２次元分布が容易にして得られ、これに基づくサブ画素単位での画素値が得られる。よって、空間分解能に極めて優れた光学顕微鏡や電子顕微鏡等を構築可能となる。尚、このような台を移動させる移動装置は、例えば、複数のメイン画素間の比較的大きな移動を行うためのものと、サブ画素の単位で比較的小さな移動を行うためのものと、複数種類の装置を組み合わせて構成してもよい。
【００１５】
この態様では、前記対象物へ光を照射する光照射手段と、前記対象物からの光を拡大すると共に結像して前記受信素子へ導く結像光学系とを更に備え、前記受信素子は、受光素子を有してもよい。
【００１６】
このように構成すれば、光学的に対象物の画像や形状を計測する光学顕微鏡において、結像光学系における回折現象等との光学現象との関係で一定の限界がある微小点のサイズに対して、空間分解能を高めることができるので、実用上非常に有利である。
【００１７】
或いは本発明の計測システムの他の態様では、前記駆動手段は、前記受信素子を前記受信面に沿った方向に前記サブ画素の単位で移動可能な移動装置と、前記受信素子が前記受信信号を出力する動作に連動して前記受信素子を移動させるように前記移動装置を制御する制御手段とを備える。
【００１８】
この態様によれば、その動作時には、コントローラ等を有する制御手段による制御下で、例えばピエゾ素子を利用したステッピングモータ等を有する、移動装置によって、例えばCCD等を有する受信素子が、サブ画素の単位で移動されつつ、受信信号が出力される。この結果、比較的容易にして、サブ画素単位で複数の受信信号を連続的に或いは規則的に取得できる。よって、位置関係がメイン画素の区画を跨ってサブ画素単位で変更された際の受信信号の２次元分布が容易にして得られ、これに基づくサブ画素単位での画素値が得られる。よって、空間分解能に極めて優れたカメラ或いは所謂デジカメ（デジタルカメラ）等を構築可能となる。尚、このような受信素子を移動させる移動装置は、例えば、複数のメイン画素間の比較的大きな移動を行うためのものと、サブ画素の単位で比較的小さな移動を行うためのものと、複数種類の装置を組み合わせて構成してもよい。
【００１９】
本発明の計測システムの他の態様では、前記演算手段は、前記２次元分布に基づくシフト加算法によって前記画素値を前記サブ画素の単位で演算する。
【００２０】
この態様によれば、演算手段によって、既存のシフト加算法によって、比較的容易にして、画素値をサブ画素の単位で演算できる。ここに、本発明に係る「シフト加算法」とは、複数の画素値の和から、注目するサブ画素の画素値を逆算する方法である。具体的には、シフト加算法では、先ず、計測される対象物上の微小範囲に対応する、受光素子の配列上の範囲を評価範囲として設定する。そして該評価範囲に含まれる、注目するサブ画素及び複数の他のサブ画素の画素値の和の算出を、注目するサブ画素を含むように行う。かかる算出を、受信素子と対象物との相対的な位置関係をサブ画素の単位で変更する毎に行う。このようにして算出された複数の画素値の和から、注目するサブ画素の画素値を逆算する。
【００２１】
本発明の計測システムの他の態様では、前記演算手段は、前記２次元分布に基づく逐次代入法によって前記画素値を前記サブ画素の単位で演算する
この態様によれば、演算手段によって、既存の逐次代入法によって、比較的容易にして、画素値をサブ画素の単位で演算できる。ここに、本発明に係る「逐次代入法」とは、繰り返し演算により、注目するサブ画素の画素値を推測する方法である。具体的には、逐次代入法では、先ず、サブ画素の画素値に仮の値を設定する。次に、計測される対象物上の微小範囲に対応する、受光素子の配列上の範囲を評価範囲として設定する。そして該評価範囲に注目するサブ画素を含むように、受信素子と対象物との相対的な位置関係をサブ画素の単位で変更する毎に、評価範囲に含まれるサブ画素の画素値の和と、サブ画素に設定されている仮の値から算出されるサブ画素の和とを比較し、新たな仮の値を設定する。このような仮の値を設定する処理を繰り返すことで、注目するサブ画素のサブ画素単位での画素値を推測する。
【００２２】
本発明の画像又は形状計測方法は上記課題を解決するために、対象物の画像又は形状を計測する計測システムであって、画素値を示す受信信号を夫々出力可能であり且つ受信面に沿って配列される複数のメイン画素に区画された受信素子と、前記受信面に沿った方向における前記受信素子と前記対象物との相対的な位置関係を、前記メイン画素を更に区画したサブ画素の単位で変更する駆動手段とを備えた計測システムにおける、画像又は形状計測方法であって、前記位置関係が変更される毎に前記受信素子から出力される前記受信信号の２次元分布を取得する取得工程と、該取得された２次元分布に基づいて、前記画素値を前記サブ画素の単位で演算する演算工程とを備える。
【００２３】
本発明の画像又は形状計測方法によれば、上述した本発明の計測システムの場合と同様に、メイン画素のサイズに対して、実質的に空間分解能を高めることができ、微小点のサイズに対して、実質的に空間分解能を高めることもできる。
【００２４】
尚、本発明の画像又は形状計測方法においても、上述した本発明の計測システムにおける各種態様と同様の各種態様を採ることが可能である。
【００２５】
本発明のコンピュータプログラムは上記課題を解決するために、コンピュータを上述した本発明に係る計測システム（但し、その各種態様を含む）に備えられる演算手段として機能させる。
【００２６】
本実施形態のコンピュータプログラムによれば、当該コンピュータプログラムを格納するＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ等の記録媒体から、当該コンピュータプログラムを、計測システムに備えられたコンピュータに読み込んで実行させれば、或いは、当該コンピュータプログラムを通信手段を介してダウンロードさせた後に実行させれば、上述した本発明に係る計測システムを比較的簡単に構築できる。これにより、上述した本発明に係る計測システムの場合と同様に、メイン画素のサイズに対して、実質的に空間分解能を高めることができ、微小点のサイズに対して、実質的に空間分解能を高めることもできる。
【００２７】
本発明の作用及び他の利得は次に説明する実施するための最良の形態から明らかにされよう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２９】
＜第1実施形態＞
本発明の計測システム及び方法、並びにコンピュータプログラムに係る第1実施形態を、図１から図４を参照して説明する。
【００３０】
先ず、図１を参照して、本実施形態に係る計測システムの構成について説明する。図１は、本実施形態に係る計測システムのブロック図である。
【００３１】
図１において、計測システム１００は、制御部１１０と、撮像素子１０１と、駆動装置１０２とを備えている。制御部１１０は、走査制御装置１１１と、画像メモリ１１２と、演算部１１３とを備えている。計測システム１００は、更に、表示装置１０３、プリンタ１０４、及び記憶装置１０５を備えて構成されている。
【００３２】
撮像素子１０１は、本発明に係る「受信素子」の一例である受光素子であり、例えばCCDなどの、光を電気信号に変換する電子部品である。ここで、撮像素子１０１の受光面は、複数のピクセルに区画されている。尚、本実施形態に係る「ピクセル」は、本発明に係るメイン画素の一例である。撮像素子１０１は、ピクセルの単位で、受光信号を出力するように構成されている。画像メモリ１１２は、撮像素子１０１によって撮像された複数の画像を蓄える。画像は、撮像素子１０１からピクセルの単位で出力された受光信号を、例えば濃度値として、受信信号の２次元分布を記録している。
【００３３】
駆動装置１０２は、本発明に係る「駆動手段」の一例であり、撮像素子１０１の受光面に沿った方向における撮像素子１０１と対象物との相対的な位置関係を、ピクセルを更に区画したサブピクセルの単位で変更させる駆動を行い、走査制御装置１１１は、駆動装置１０２による駆動動作を撮像素子１０１における撮像動作と同期制御するように構成されている。駆動装置１０２は、撮像素子１０１を駆動させて位置関係を変更させてもよいし、対象物を駆動させて位置関係を変更させてもよい。尚、本実施形態に係る「サブピクセル」は、本発明に係る「サブ画素」の一例である。撮像素子１０１は、サブピクセルの単位で、受光信号を出力するように構成されていない。即ち、撮像素子１０１は、一つのピクセルに含まれる複数のサブピクセルの値の合算を示す受光信号を出力するように構成されている。
【００３４】
演算部１１３は、本発明に係る「演算手段」の一例であり、サブピクセルの単位で位置関係が変更される毎に撮像素子１０１からピクセルの単位で出力される受光信号の２次元分布に基づいて、ピクセルの値をサブピクセルの単位で演算するように構成されている。
【００３５】
次に、演算部１１３において、２次元分布に基づくシフト加算法によってピクセルの値をサブピクセルの単位で演算する方法について、図２を参照して説明する。図２は、撮像素子１０１の受光面を図式的に示す概念図である。
【００３６】
図２において、撮像素子１０１は、ピクセルＡ〜Ｈ及びＶを有している。ピクセルＡ〜Ｈ及びＶは夫々、複数のサブピクセルに区画されている。ここで、各ピクセルを例えば縦横各３分割したときのサブピクセルの理論値をＡｉｊ（ｉ＝１〜３，ｊ＝１〜３），Ｂｉｊ（ｉ＝１〜３，ｊ＝１〜３），…，Ｖｉｊ（ｉ＝１〜３，ｊ＝１〜３）とする。
【００３７】
一例として、サブピクセルの理論値Ｖ１１を演算する方法について説明する。図２（ａ）の状態において、撮像して得られた画像における、評価範囲２０１に含まれるサブピクセルの理論値の和をＴ００とすると、Ｔ００は、下式に従い算出される。
【００３８】
（数１）
Ｔ００＝Ｖ１１＋Ｖ１２＋Ｖ１３＋Ｖ２１＋Ｖ２２＋Ｖ２３＋Ｖ３１＋Ｖ３２＋Ｖ３３
図２（ｂ）に示すように、図２（ａ）の状態から、撮像素子１０１の位置を右に１サブピクセル変更して撮像し得られた画像における、評価範囲２０２に含まれるサブピクセルの理論値の和をＴ１０とし、図２（ｃ）に示すように、図２（ａ）の状態から、撮像素子１０１の位置を下に１サブピクセル変更して撮像し得られた画像における、評価範囲２０３に含まれるサブピクセルの理論値の和をＴ０１とする。同様に撮像素子１０１の位置を右、下に変更して撮像し得られた画像における、各評価範囲に含まれるサブピクセルの理論値の和をＴｉｊ（ｉ＝０〜２，ｊ＝０〜２）とする。
【００３９】
Ｔ１０，Ｔ２０，Ｔ０１，Ｔ０２，Ｔ１１，Ｔ２１，Ｔ０２，Ｔ１２，Ｔ２２の各値は、下式に従い算出される。
【００４０】
（数２）
Ｔ１０＝Ｖ１１＋Ｖ１２＋Ｄ１３＋Ｖ２１＋Ｖ２２＋Ｄ２３＋Ｖ３１＋Ｖ３２＋Ｄ３３
Ｔ２０＝Ｖ１１＋Ｄ１２＋Ｄ１３＋Ｖ２１＋Ｄ２２＋Ｄ２３＋Ｖ３１＋Ｄ３２＋Ｄ３３
Ｔ０１＝Ｖ１１＋Ｖ１２＋Ｖ１３＋Ｖ２１＋Ｖ２２＋Ｖ２３＋Ｂ３１＋Ｂ３２＋Ｂ３３
Ｔ１１＝Ｖ１１＋Ｖ１２＋Ｄ１３＋Ｖ２１＋Ｖ２２＋Ｄ２３＋Ｂ３１＋Ｂ３２＋Ａ３３
Ｔ２１＝Ｖ１１＋Ｄ１２＋Ｄ１２＋Ｖ２１＋Ｄ２３＋Ｄ２２＋Ｂ３１＋Ａ３２＋Ａ３３
Ｔ０２＝Ｖ１１＋Ｖ１２＋Ｖ１３＋Ｂ２１＋Ｂ２２＋Ｂ２３＋Ｂ３１＋Ｂ３２＋Ｂ３３
Ｔ１２＝Ｖ１１＋Ｖ１２＋Ｄ１３＋Ｂ２１＋Ｂ２２＋Ａ２３＋Ｂ３１＋Ｂ３２＋Ａ３３
Ｔ２２＝Ｖ１１＋Ｄ１２＋Ｄ１３＋Ｂ２１＋Ａ２２＋Ａ２３＋Ｂ３１＋Ａ３２＋Ａ３３
Ｔｉｊ（ｉ＝０〜２，ｊ＝０〜２）の和をＳＴとすると、ＳＴは、下式に従い算出される。
【００４１】
（数３）
ＳＴ＝Ｔ００＋Ｔ１０＋Ｔ２０＋Ｔ０１＋Ｔ０２＋Ｔ１１＋Ｔ２１＋Ｔ０２＋Ｔ１２＋Ｔ２２
＝９×Ｖ１１＋６×（Ｖ１２＋Ｖ２１＋Ｂ３１＋Ｄ１３）＋４×（Ｖ２２＋Ｂ３２＋Ａ３３＋Ｄ２３）＋３×（Ｖ３１＋Ｖ１３＋Ｂ２１＋Ｄ１２）＋２×（Ｖ３２＋Ｂ２２＋Ａ２３＋Ｄ３３＋Ａ３２＋Ｄ２２＋Ｖ２３＋Ｂ３３）＋Ｖ３３＋Ｂ２３＋Ａ２２＋Ｄ３２・・・（１）
式（１）からサブピクセルの理論値Ｖ１１は、（ＳＴ−Ｃ）／９となる。ここで、Ｃ＝６×（Ｖ１２＋Ｖ２１＋Ｂ３１＋Ｄ１３）＋４×（Ｖ２２＋Ｂ３２＋Ａ３３＋Ｄ２３）＋３×（Ｖ３１＋Ｖ１３＋Ｂ２１＋Ｄ１２）＋２×（Ｖ３２＋Ｂ２２＋Ａ２３＋Ｄ３３＋Ａ３２＋Ｄ２２＋Ｖ２３＋Ｂ３３）＋Ｖ３３＋Ｂ２３＋Ａ２２＋Ｄ３２である。
【００４２】
同様の処理を注目するサブピクセルを変えて、全サブピクセルについて行うことにより、サブピクセル単位でのピクセルの値が演算される。即ち、ピクセル内に存在する本来の光量分布を、サブピクセルの単位で位置関係を変更しつつ取得される複数の画像に基づく逆算によって、演算することができる。
【００４３】
注目するサブピクセルを変える場合には、図２（ａ）の状態において、注目するサブピクセルが、評価範囲２０１の左上隅になるように評価範囲２０１の位置を変更すればよい。
【００４４】
実際のサブピクセルの理論値の演算において、撮像素子１０１によって、サブピクセルの単位で、受光信号を出力することは不可能であるので、Ｃは具体的に算出されていない。しかしながら、Ｃの値は、注目するサブピクセルの周辺のサブピクセルの理論値を合算したものであるので、注目するサブピクセルを変更してもＣの値は、ほぼ一定の値になると考えている。即ち、Ｃの変動はサブピクセルの理論値の変動に比べて十分小さいと考えている。従って、実際に算出される注目するサブピクセルの理論値は、注目するサブピクセルの理論値に、ある一定の値が加わった値として算出される。そのため、計測システム１００を画像計測システムに適用した場合においては、例えば、算出された値の最小値と最大値との間で階調変換などの後処理を行うことができるので、実用上の問題はない。また、計測システム１００を表面形状計測システムに適用した場合においては、例えば、標準の段差サンプルにより較正を行うことができるので、実用上の問題はない。
【００４５】
次に、以上のように構成された計測システム１００の動作を、図３のフローチャートを用いて説明する。
【００４６】
図３において、先ず処理条件の設定として、撮像素子１０１の1ピクセルの実寸Ｌを入力する（ステップＳ１０１）。1ピクセルの実寸Ｌは、例えば７．４μｍや３．０μｍである。次に、１ピクセルの分割数ｎを入力する（ステップＳ１０２）。分割数ｎは、２以上の整数である。上限については特に制限はないが、好ましくは１００、より好ましくは５０、さらに好ましくは１０である。通常は２，３，４，５の範囲とする。次に、シフト量ＤＬ＝Ｌ／ｎを算出する（ステップＳ１０３）。ここで、シフト量ＤＬは、サブピクセルの一辺の長さに等しい。
【００４７】
次に、撮像素子１０１によって画像が撮像される（ステップＳ１０４）。次に、注目するサブピクセルを含む評価範囲に含まれるサブピクセルの理論値の和を算出する（ステップＳ１０５）。続いて、注目するサブピクセルに対する全ての評価範囲について演算が終了したかが判定され（ステップＳ１０６）、終了していなければ（ステップＳ１０６：Ｎｏ）、撮像素子１０１と対象物との相対的な位置関係をシフト量ＤＬの単位で変更し（ステップＳ１０７）、画像が撮像される（ステップＳ１０４）。
【００４８】
このステップＳ１０６における判定の結果、注目するサブピクセルに対する全ての評価範囲について演算が終了していれば（ステップＳ１０６：Ｙｅｓ）、複数の画像に対して算出された、評価範囲に含まれるサブピクセルの理論値の和から、注目するサブピクセルの理論値を演算する（ステップＳ１０８）。
【００４９】
続いて、全てのサブピクセルの理論値の演算が終了したかが判定され（ステップＳ１０９）、終了していなければ（ステップＳ１０９：Ｎｏ）、注目するサブピクセルを変更し（ステップＳ１１０）、画像が撮像される（ステップＳ１０４）。このステップＳ１１０における結果、全てのサブピクセルの理論値の演算が終了していれば（ステップＳ１０９：Ｙｅｓ）、その演算結果が、表示装置１０３或いはプリンタ１０４によって表示或いは出力され、或いは、記憶装置１０５に記憶される（ステップＳ１１１）。
【００５０】
この種の計測システムが適用される光学顕微鏡などの結像光学系では、対象物上の微小点から反射した光線は、撮像系の受光素子の配列上の対応点に集光される。CCDなどの受光素子における画素は夫々、有限の矩形の区画、例えば３μｍ×３μｍ、である。このため、光学顕微鏡の結像光学系が、仮に微小点に対応する光を1点に集光させたとすれば、一つの画素内に入射した、複数の微小点に対応する光線群の和に相当する電気信号に変換されてしまう。この場合、分解能は、個々の画素のサイズにより律則される。
【００５１】
逆に、実際に光線群を1点に集光させることは、光の回折現象により不可能であり、実際には、直径０．３μｍ程度の領域に集光するが限界である。ここで、試料面上で、この集光限界に相当する直径０．３μｍ程度の微小領域からの光を、対物レンズを含む光学系で１００倍に拡大したとすれば、この光は受光素子面上で３０μｍ程度となる。このため、光学顕微鏡の結像光学系が、微小点に対応する光を1点に集光させようとしても、受光素子面上で、最小に絞られた光線内に、相隣接する数十個の画素が存在することになり、個々の画素についてみれば、やはり複数の微小領域に対応する光線群の和に相当する電気信号に変換されてしまう。この場合、分解能は、集光限界に相当する微小領域のサイズにより律速される。
【００５２】
そこで第１実施形態では、サブピクセル単位での受光信号を取得することの代用として、サブピクセル単位で位置関係が変更される毎に撮像素子からピクセルの単位で出力される受光信号の２次元分布に基づいて、例えばCPU、コントローラ、メモリ等を有する演算手段によって、サブピクセルの単位でピクセルの値が演算される。即ち、ピクセル内に存在する本来の光量分布を、サブピクセル単位で位置関係を変更しつつ取得される複数の２次元分布に基づく逆算によって、演算できる。
【００５３】
以上の結果、例えばCCD等における画素ピッチの微細化技術との関係で一定の限界がある、メイン画素のサイズに対して、実質的に空間分解能を高めることができる。或いは、これに代えて又は加えて、例えば回折現象等との関係で一定の限界がある微小点のサイズに対して、実質的に空間分解能を高めることもできる。即ち演算によって画素間におけるボケを効果的に低減できる。
【００５４】
＜第２実施形態＞
本発明の計測システム及び方法、並びにコンピュータプログラムに係る第２実施形態を、図２及び図４を参照して説明する。第２実施形態では、演算部１１３の演算方法が異なっている以外は、第１実施形態の構成と同様である。よって、第２実施形態について、第１実施形態と重複する説明を省略する。
【００５５】
演算部１１３において、２次元分布に基づく逐次代入法によってピクセルの値をサブピクセルの単位で演算する方法について、図２を参照して説明する。先ず、図２（ａ）の状態において、撮像して得られた画像から、サブピクセルの仮の値を設定する。ここで、各ピクセルを例えば縦横各３分割したときのサブピクセルの仮の値をａｉｊ（ｉ＝１〜３，ｊ＝１〜３），ｂｉｊ（ｉ＝１〜３，ｊ＝１〜３），…，ｖｉｊ（ｉ＝１〜３，ｊ＝１〜３）とする。全サブピクセルの仮の値の設定方法としては、例えば、各ピクセルＡ〜Ｈ及びＶの値を各ピクセルの各サブピクセルの仮の値とする。
【００５６】
次に、図２（ｂ）に示すように、図２（ａ）の状態から、撮像素子１０１の位置と対象物との相対的な位置関係を右に１サブピクセル変更して撮像し得られた画像から、評価範囲２０２に含まれるサブピクセルの理論値の和Ｔ１０を得ると共に、評価範囲２０２に含まれるサブピクセルに、あらかじめ設定されている仮の値の和Ｚ１０を算出する。Ｚ１０は、下式に従い算出される。
【００５７】
（数４）
Ｚ１０＝ｖ１１＋ｖ１２＋ｄ１３＋ｖ２１＋ｖ２２＋ｄ２３＋ｖ３１＋ｖ３２＋ｄ３３
次に、Ｔ１０とＺ１０との差ＤＶを算出し、差ＤＶを１ピクセルの分割数で除した値、ここでは、ＤＶ／９を変更値として、評価範囲２０２に含まれるサブピクセルの仮の値に加え、新たな仮の値とする。例えばｖ１１については、ｖ１１＋ＤＶ／９が新たなｖ１１となる。
【００５８】
同様の処理を撮像素子１０１と対象物との相対的な位置関係をシフト量ＤＬの単位で変更し撮像した各画像について、総変更値Σ｜ＤＶ｜＝Σ｜Ｔｉｊ−Ｚｉｊ｜（ｉ＝０〜２，ｊ＝０〜２）が設定値以下になるまで繰り返し行う。即ち、サブピクセルの仮の値がサブピクセルの理論値に収束するまで、上述の処理を繰り返し行うことにより、サブピクセル単位でのピクセルの値が演算される。従って、ピクセル内に存在する本来の光量分布を、サブピクセルの単位で位置関係を変更しつつ取得される複数の画像に基づく推測によって、演算することができる。
【００５９】
次に、以上のように構成された計測システム１００の動作を、図４のフローチャートを用いて説明する。
【００６０】
図４において、先ず処理条件の設定として、撮像素子１０１の1ピクセルの実寸Ｌを入力する（ステップＳ２０１）。次に、1ピクセルの分割数ｎを入力する（ステップＳ２０２）。次に、シフト量ＤＬ＝Ｌ／ｎを算出する（ステップＳ２０３）。
【００６１】
次に、撮像素子１０１の位置と対象物との相対的な位置関係をシフト量ＤＬの単位で変更すると共に、撮像し複数枚の画像を取得する（ステップＳ２０４）。次に、撮像された画像のうちの１枚からサブピクセルの仮の値を設定する（ステップＳ２０５）。
【００６２】
次に、撮像素子１０１対象物との相対的な位置関係をシフト量ＤＬの単位で変更し撮像された画像から得られる評価範囲のサブピクセルの理論値の和と、サブピクセルに設定されている仮の値から得られる評価範囲のサブピクセルの仮の値の和との差から、各サブピクセルの仮の値の変更値を算出し（ステップＳ２０６）、各サブピクセルの仮の値に変更値を加える（ステップＳ２０７）。
【００６３】
続いて、総変更値が設定値以下になっているかが判定され（ステップＳ２０８）、設定値以下になっていなければ（ステップＳ２０８：Ｎｏ）、撮像素子１０１の位置と対象物との相対的な位置関係をシフト量ＤＬの単位で変更し撮像された他の画像から変更値を算出する（ステップＳ２０６）。
【００６４】
このステップＳ２０８における判定の結果、総変更値が設定値以下になっていれば（ステップＳ２０８：Ｙｅｓ）、その演算結果が、表示装置１０３或いはプリンタ１０４によって表示或いは出力され、或いは、記憶装置１０５に記憶される（ステップＳ２０９）。
【００６５】
以上のように第２実施形態によれば、上述した第１実施形態の場合と同様に、例えばCCD等における画素ピッチの微細化技術との関係で一定の限界がある、メイン画素のサイズに対して、実質的に空間分解能を高めることができる。或いは、これに代えて又は加えて、例えば回折現象等との関係で一定の限界がある微小点のサイズに対して、実質的に空間分解能を高めることもできる。即ち演算によって画素間におけるボケを効果的に低減できる。
【００６６】
＜各種実施例＞
次に以上のように構成された実施形態を適用した各種実施例について説明する。
【００６７】
＜＜第１実施例＞＞
前述の第１実施形態を、光学顕微鏡に適用した第１実施例について、図５を参照して説明する。図５は、本実施例のシステムのブロック図である。
【００６８】
図５において、光学顕微鏡１０は、サンプル１１を対象とするものであり、撮像素子１４と、サンプル１１へ光を照射するランプ１６と、サンプル１１からの光を拡大すると共に結像して撮像素子１４へ導く対物レンズ１２及び撮像レンズ１３と、サンプル１１を載置するステージ１５と、ステージ１５を撮像素子１４の受光面に沿った方向に対応する方向にサブピクセルの単位で移動可能な駆動装置１０２と、撮像素子１４が受光信号を出力する動作に連動してステージ１５を移動させるように駆動装置１０２を制御する制御部１１０とを備えて構成される。尚、ランプ１６は、本発明に係る「光照射手段」の一例である。また、対物レンズ１２及び撮像レンズ１３は、本発明に係る「結像光学系」の一例である。また、駆動装置１０２は、本発明に係る「移動装置」の一例である。
【００６９】
このように構成されているので、その動作時には、コントローラ等を有する制御部１１０による制御下で、例えばピエゾ素子を利用したステッパ等を有する、駆動装置１０２によってサンプル１１を載置するステージ１５が、サブピクセルの単位で移動されつつ、受信信号が出力される。尚、このようなステージ１５を移動させる駆動装置１０２は、例えば、複数のピクセル間の比較的大きな移動を行うためのものと、サブピクセルの単位で比較的小さな移動を行うためのものと、複数種類の装置を組み合わせて構成してもよい。
【００７０】
本実施例によれば、比較的容易にして、サブ画素単位で複数の受信信号を連続的に或いは規則的に取得できる。よって、位置関係がピクセルの区画を跨ってサブピクセル単位で変更された際の受信信号の２次元分布が容易にして得られ、これに基づくサブピクセル単位でのピクセルの値が得られる。また、結像光学系における回折現象等との光学現象との関係で一定の限界がある微小点のサイズに対して、空間分解能を高めることができるので、実用上非常に有利である。よって、空間分解能に極めて優れた光学顕微鏡を構築可能となる。
【００７１】
尚、光照射手段として、可視光の代わりに電子線を用いることで、空間分解能に極めて優れた電子顕微鏡を構築可能となる。
【００７２】
＜＜第２実施例＞＞
前述の第１実施形態を、カメラに適用した第２実施例について、図６を参照して説明する。図６は、本実施システムのブロック図である。
【００７３】
図６において、カメラ２０は、撮像素子２１と、結像レンズ２２と、撮像素子２１を受光面に沿った方向にサブピクセルの単位で移動可能な精密ＸＹステージ２３と、撮像素子２１が受光信号を出力する動作に連動して撮像素子２１移動させるように精密ＸＹステージ２３を制御する制御部１１０とを備えて構成されている。尚、精密ＸＹステージ２３は、本発明に係る「移動装置」の一例である。
【００７４】
このように構成されているので、その動作時には、コントローラ等を有する制御部１１０による制御下で、例えばピエゾ素子を利用したステッピングモータ等を有する、精密ＸＹステージ２３によって、例えばCCD等を有する撮像素子２１が、サブピクセルの単位で移動されつつ、受光信号が出力される。尚、このような撮像素子２１を移動させる精密ＸＹステージ２３は、例えば、複数のピクセル間の比較的大きな移動を行うためのものと、サブピクセルの単位で比較的小さな移動を行うためのものと、複数種類の装置を組み合わせて構成してもよい。
【００７５】
本実施例によれば、比較的容易にして、サブピクセル単位で複数の受光信号を連続的に或いは規則的に取得できる。よって、位置関係がピクセルの区画を跨ってサブピクセル単位で変更された際の受光信号の２次元分布が容易にして得られ、これに基づくサブピクセル単位でのピクセルの値が得られる。よって、空間分解能に極めて優れたカメラ等を構築可能となる。
【００７６】
尚、本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨、或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う計測システム及び方法もまた、本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る計測システムのブロック図である。
【図２（ａ）】撮像素子１０１の受光面を図式的に示す概念図である。
【図２（ｂ）】撮像素子１０１の受光面を図式的に示す概念図である。
【図２（ｃ）】撮像素子１０１の受光面を図式的に示す概念図である。
【図３】第１実施形態の計測システムの動作を示すフローチャートである。
【図４】第２実施形態の計測システムの動作を示すフローチャートである。
【図５】本発明の第１実施例のシステムのブロック図である。
【図６】本発明の第２実施例のシステムのブロック図である。
【符号の説明】
【００７８】
１０…光学顕微鏡、２０…カメラ、１００…計測システム、１０１…撮像素子、１０２…駆動装置、１１０…制御部、１１１…走査制御装置、１１２…画像メモリ、１１３…演算部
【図１】
2008032647.tif 000003
【図２（ａ）】
2008032647.tif 000004
【図２（ｂ）】
2008032647.tif 000005
【図２（ｃ）】
2008032647.tif 000006
【図３】
2008032647.tif 000007
【図４】
2008032647.tif 000008
【図５】
2008032647.tif 000009
【図６】
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