(57)【要約】【課題】試料表面の測定範囲をずらして取得した複数の画像をつなぎあわせて広い範囲の合成画像を生成する際に、元の画像の光量偏心を補正して輝度むらの少ない合成画像を得ることができる共焦点顕微鏡システムを提供する。【解決手段】共焦点顕微鏡システム１は、均一な光反射率を有する鏡面試料を測定して得られた画像に基づいて算出した光学収差に起因する光量偏心の補正量を画素位置ごとに記憶する補正量記憶手段９８と、通常の測定によって得られた試料表面の画像に対して補正量記憶手段９８から読み出した補正量に基づく光量偏心の補正を画素位置ごとに実行する光量偏心補正手段９７とを備えている。【選択図】  図１０
2004170572.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学倍率によって決まる測定範囲内の試料表面からの光を共焦点光学系を介して受光素子で受光し、その受光情報を処理して得られる前記試料表面の画像を生成し、前記測定範囲をずらしながら生成した複数の画像をつなぎ合わせて１枚の合成画像を生成する画像つなぎ合わせモードを備えた共焦点顕微鏡システムであって、
均一な光反射率を有する鏡面試料を測定して得られた画像に基づいて算出した光学収差に起因する光量偏心の補正量を画素位置ごとに記憶する補正量記憶手段と、
通常の測定によって得られた試料表面の画像に対して前記補正量記憶手段から読み出した補正量に基づく光量偏心の補正を画素位置ごとに実行する光量偏心補正手段と
を備えていることを特徴とする共焦点顕微鏡システム。
【請求項２】
共焦点顕微鏡システムを用いて、その光学倍率によって決まる測定範囲内の試料表面の画像を生成し、前記測定範囲をずらしながら生成した複数の画像をつなぎ合わせて１枚の合成画像を生成する際に、光学収差に起因する合成画像の光量偏心を低減するための補正方法であって、
（ａ）均一な光反射率を有する鏡面試料を測定したときに得られた画像における各画素の輝度が等しくなるように、各画素の補正量を算出して記憶手段に記憶するステップと、
（ｂ）通常の測定によって得られた画像における各画素の輝度に対して、前記記憶手段から読み出した補正量に基づく補正を行うステップと、
（ｃ）前記ステップ（ｂ）の補正を全画素について実行した後の画素を測定結果として出力又は保存するステップと
を備えていることを特徴とする共焦点顕微鏡システムの光量偏心補正方法。
【請求項３】
前記ステップ（ａ）において、前記鏡面試料を測定したときに得られた画像にメディアンフィルタ処理を施すことによってノイズを取り除いた後に各画素の補正量の算出を行うことを特徴とする
請求項２記載の共焦点顕微鏡システムの光量偏心補正方法。
【請求項４】
光学倍率によって決まる測定範囲内の試料表面からの光を共焦点光学系を介して受光素子で受光し、その受光情報を処理して得られる前記試料表面の画像を生成し、前記測定範囲をずらしながら生成した複数の画像をつなぎ合わせて１枚の合成画像を生成する画像つなぎ合わせモードを備えた共焦点顕微鏡システムに接続されたコンピュータに実行させるプログラムであって、
均一な光反射率を有する鏡面試料を測定したときに得られた画像のデータを前記共焦点顕微鏡システムから受信するステップと、
前記画像における各画素の輝度が等しくなるように、各画素の補正量を算出するステップと、
算出した各画素の補正量のデータを前記共焦点顕微鏡システムに送信するステップと
を備えていることを特徴とするコンピュータプログラム。
【請求項５】
前記共焦点顕微鏡システムから受信した画像にメディアンフィルタ処理を施すことによってノイズを取り除くステップを更に備え、メディアンフィルタ処理後の画像を用いて各画素の補正量が算出されることを特徴とする
請求項４記載のコンピュータプログラム。
【請求項６】
請求項４又は５記載のコンピュータプログラムが記録されたコンピュータ読み取り可能な記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料表面の測定範囲をずらしながら生成した複数の画像をつなぎ合わせて広い範囲の合成画像を生成する画像つなぎ合わせモードを備えた共焦点顕微鏡システム、合成画像の輝度むらを低減するための光量偏心補正方法、及びその方法を実現するためのコンピュータプログラムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
共焦点顕微鏡は、試料表面を光で走査し、試料表面からの光を共焦点光学系を介して受光素子で受光し、受光情報を処理して得られる超深度画像（焦点深度が非常に深い画像）等の共焦点画像を画面に表示する。対物レンズの焦点と試料との距離を光軸方向（すなわち試料の高さ方向）に変化させると、共焦点光学系を介して受光素子に入射する光の量、すなわち受光量が変化し、試料の表面にピントが合ったときに受光量が最大となる。したがって、最大受光量が得られるときの対物レンズの焦点と試料との距離から試料表面の各点の高さ情報が求められる。
【０００３】
求められた試料表面の高さ分布情報は、例えば三次元表示によって表示装置の画面上に表示される。あるいは、高さ分布を輝度分布や色分布に置き換えて画面上に表示することができる。表示装置としてＣＲＴ（陰極線管）やＬＣＤ（液晶表示装置）が使用され、共焦点顕微鏡に制御用のコントローラ、表示装置、コンソール等が接続されて共焦点顕微鏡システムが構成される。
【０００４】
また、対物レンズの焦点と試料との距離を光軸方向に所定ピッチで変化させながら試料表面の各点の最大受光量（ピントが合ったときの受光量）を取得し、各点の最大受光量をつなぎ合わせることにより、焦点深度の非常に深い試料表面の白黒画像を得ることができる。この画像が超深度画像である。
【０００５】
また、任意の注目画素で最大受光量が得られるように対物レンズの焦点と試料との距離を固定した場合は、注目画素の部分と高低差が大きい部分の画素の受光量は著しく小さくなり、注目画素と同じ高さの部分のみが明るい白黒画像が得られる。この画像をスライス画像ということにする。
【０００６】
更に、共焦点光学系と一部の光軸を共通にする非共焦点光学系を備えた共焦点顕微鏡がある。白色光で照射された試料からの光を非共焦点光学系を介してカラー撮像素子で受光することにより、超深度画像と同じ範囲の試料表面のカラー画像を得ることができる。このカラー画像は超深度画像と異なり焦点深度の浅いものであるが、試料表面概略を観察する際に、あるいは目的の部分の共焦点画像を得るために試料の位置決めを行う際に役立つ。また、カラー画像の輝度信号を超深度画像の輝度信号で置き換えるような合成処理を行うことにより、焦点深度の深いカラー画像（これをカラー超深度画像という）を得ることができる。
【０００７】
上記のような共焦点顕微鏡は、通常の光学顕微鏡と同様に視野が狭いという欠点を内包している。つまり、光学倍率が高くなるほど、一視野として観察（測定）できる試料表面の範囲（以下、測定範囲という）が狭くなる。このような欠点をカバーするために、測定範囲をずらして測定した複数（例えば３×３枚）の測定結果（例えば共焦点画像）をつなぎ合わせることにより、広い範囲（例えば９倍近くの面積）の画像ファイルを生成することが考えられる。このような複数の画像のつなぎ合わせは、ディジタルカメラで得られた画像ファイルをつなぎ合わせる処理と同様の技術を用いて実現することができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
共焦点顕微鏡も光学系を有する装置であることから、光学収差の問題を内包している。この問題は、例えば得られた超深度画像の周辺部が中央部に比べて少し暗くなる現象として現れる。この現象を光量偏心ということにする。
【０００９】
人間の目の特性上、画像の周辺部が中央部に比べて少し暗い状態は特に違和感が無い。また、光学系の改良によって光学収差を小さくする工夫が為され、上記の光学収差に起因する光量偏心はほとんど目立たなくなっている。
【００１０】
しかしながら、前述のように、試料表面の広い範囲の画像を得るために複数の画像のつなぎ合わせ処理を行った場合に、個々の画像の周辺部の暗い部分が新たに合成された広い画像の中央部又はその付近に位置することになり、違和感が生じてしまう。
【００１１】
本発明は上記のような課題に鑑み、試料表面の測定範囲をずらして取得した複数の画像をつなぎあわせて広い範囲の合成画像を生成する際に、元の画像の光量偏心を補正して輝度むらの少ない合成画像を得ることができる共焦点顕微鏡システムを提供することを目的とする。そのような光量偏心補正の方法及びその方法を実現するためのコンピュータプログラムを提供することも本発明の目的である。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明による共焦点顕微鏡システムは、光学倍率によって決まる測定範囲内の試料表面からの光を共焦点光学系を介して受光素子で受光し、その受光情報を処理して得られる試料表面の画像を生成し、測定範囲をずらしながら生成した複数の画像をつなぎ合わせて１枚の合成画像を生成する画像つなぎ合わせモードを備えた共焦点顕微鏡システムであって、均一な光反射率を有する鏡面試料を測定して得られた画像に基づいて算出した光学収差に起因する光量偏心の補正量を画素位置ごとに記憶する補正量記憶手段と、通常の測定によって得られた試料表面の画像に対して補正量記憶手段から読み出した補正量に基づく光量偏心の補正を画素位置ごとに実行する光量偏心補正手段とを備えていることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明による共焦点顕微鏡システムの光量偏心補正方法は、共焦点顕微鏡システムを用いて、その光学倍率によって決まる測定範囲内の試料表面の画像を生成し、測定範囲をずらしながら生成した複数の画像をつなぎ合わせて１枚の合成画像を生成する際に、光学収差に起因する合成画像の光量偏心を低減するための補正方法であって、（ａ）均一な光反射率を有する鏡面試料を測定したときに得られた画像における各画素の輝度が等しくなるように、各画素の補正量を算出して記憶手段に記憶するステップと、（ｂ）通常の測定によって得られた画像における各画素の輝度に対して、記憶手段から読み出した補正量に基づく補正を行うステップと、（ｃ）ステップ（ｂ）の補正を全画素について実行した後の画素を測定結果として出力又は保存するステップとを備えていることを特徴とする。
【００１４】
上記のような共焦点顕微鏡システム及び光量偏心補正方法によれば、試料表面の広い範囲の画像を得るために複数の画像のつなぎ合わせ処理を行った場合に、元の複数の画像のそれぞれについて光量偏心補正によって中心部と周辺部との光量偏心が解消又は低減されるので、それらをつなぎ合わせて得られた合成画像における輝度むらが解消又は低減され、目立たなくなる。
【００１５】
好ましい実施形態において、上記の方法のステップ（ａ）において、鏡面試料を測定したときに得られた画像にメディアンフィルタ処理を施すことによってノイズを取り除いた後に各画素の補正量の算出を行う。これにより、鏡面試料に小さなごみやキズがある場合でも、それによる誤った補正が回避される。
【００１６】
また、本発明によるコンピュータプログラムは、光学倍率によって決まる測定範囲内の試料表面からの光を共焦点光学系を介して受光素子で受光し、その受光情報を処理して得られる試料表面の画像を生成し、測定範囲をずらしながら生成した複数の画像をつなぎ合わせて１枚の合成画像を生成する画像つなぎ合わせモードを備えた共焦点顕微鏡システムに接続されたコンピュータに実行させるプログラムであって、均一な光反射率を有する鏡面試料を測定したときに得られた画像のデータを共焦点顕微鏡システムから受信するステップと、画像における各画素の輝度が等しくなるように、各画素の補正量を算出するステップと、算出した各画素の補正量のデータを共焦点顕微鏡システムに送信するステップとを備えていることを特徴とする。
【００１７】
好ましい実施形態において、コンピュータプログラムは、共焦点顕微鏡システムから受信した画像にメディアンフィルタ処理を施すことによってノイズを取り除くステップを更に備え、メディアンフィルタ処理後の画像を用いて各画素の補正量が算出される。
【００１８】
上記のようなコンピュータプログラムを用いることにより、共焦点顕微鏡システムに高速処理が可能なコンピュータシステムを接続して、光量偏心補正のための補正量を算出することができる。特に、処理時間がかかるメディアンフィルタ処理を高速に実行することが可能になる。
【００１９】
このようなコンピュータプログラムは、例えばＣＤ−ＲＯＭのようなコンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で供給され、記憶媒体からコンピュータにインストールされて実行される。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２１】
図１は、本発明の実施形態に係る共焦点顕微鏡システムの概略構成を示している。共焦点顕微鏡システム１は、共焦点光学系２及び非共焦点光学系３を有する共焦点顕微鏡と、共焦点顕微鏡のレーザ駆動回路４４、第１ＡＤ変換器４１、ＣＣＤ駆動回路４３、第２ＡＤ変換器４２、対物レンズ移動機構４０、マイクロコンピュータを用いた制御部４６等を含むコントローラと、コントローラに接続された表示装置４７及び入力装置（コンソール）４８とを備えている。
【００２２】
まず、共焦点顕微鏡の共焦点光学系２とその信号処理について説明する。共焦点光学系２は、試料ｗｋに単色光（例えばレーザ光）を照射するための光源１０、第１コリメートレンズ１１、偏光ビームスプリッタ１２、１／４波長板１３、水平偏向装置１４ａ、垂直偏向装置１４ｂ、第１リレーレンズ１５、第２リレーレンズ１６、対物レンズ１７、結像レンズ１８、ピンホール板９、受光素子１９等を含んでいる。
【００２３】
光源１０には、例えば赤色レーザ光を発する半導体レーザが用いられる。レーザ駆動回路４４によって駆動される光源１０から出たレーザ光は、第１コリメートレンズ１１を通り、偏光ビームスプリッタ１２で光路を曲げられ、１／４波長板１３を通過する。この後、水平偏向装置１４ａ及び垂直偏向装置１４ｂによって水平（横）方向及び垂直（縦）方向に偏向された後、第１リレーレンズ１５及び第２リレーレンズ１６を通過し、対物レンズ１７によって試料ステージ３０上に置かれた試料ｗｋの表面に集光される。
【００２４】
水平偏向装置１４ａはレゾナント（共振型）スキャナーで構成され、垂直偏向装置１４ｂはガルバノ（電磁型）スキャナーで構成されている。両者でレーザ光を水平及び垂直方向に偏向させることにより、試料ｗｋの表面をレーザ光で走査する。説明の便宜上、水平方向をＸ方向、垂直方向をＹ方向ということにする。対物レンズ１７は、対物レンズ移動機構４０によりＺ方向（光軸方向）に駆動される。これにより、対物レンズ１７の焦点と試料ｗｋとの光軸方向（すなわち試料ｗｋの高さ方向）での距離を変化させることができる。
【００２５】
ただし、対物レンズ１７の焦点と試料ｗｋとの光軸方向での距離は、他の方法で変化させることもできる。例えば、対物レンズ１７をＺ方向に駆動する代わりに試料ステージ３０をＺ方向に駆動してもよい。あるいは、対物レンズ１７と試料ｗｋとの間に屈折率が変化するレンズを挿入することにより、対物レンズ１７の焦点をＺ方向に移動させる構成も可能である。
【００２６】
本実施形態の共焦点顕微鏡では、制御部４６からの制御信号によって対物レンズ移動機構４０を介して対物レンズ１７がＺ軸方向に電動で移動可能であると共に、試料ステージ３０は、ステージ手動操作機構３１を介して手動操作によってＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向に変位可能である。また、入力装置４８のキー操作（例えばアップ／ダウンキーの操作）によって制御部４６及び対物レンズ移動機構４０を介して対物レンズ１７を上下動することも可能である。
【００２７】
試料ｗｋで反射されたレーザ光は、上記の光路を逆に辿る。すなわち、対物レンズ１７、第２リレーレンズ１６及び第１リレーレンズ１５を通り、水平偏向装置１４ａ及び垂直偏向装置１４ｂを介して１／４波長板１３を再び通る。この結果、レーザ光は偏光ビームスプリッタ１２を透過し、結像レンズ１８によって集光される。集光されたレーザ光は、結像レンズ１８の焦点位置に配置されたピンホール板９のピンホールを通過して受光素子１９に入射する。受光素子１９は、例えばフォトマルチプライヤチューブ（光電子増倍管）やフォトダイオードで構成され、受光量を電気信号に変換する。受光量に相当する電気信号は、出力アンプ及びゲイン制御回路（図示せず）を介して第１ＡＤ変換器４１に与えられ、ディジタル値に変換される。
【００２８】
上記のような構成の共焦点光学系２により、試料ｗｋの高さ（深さ）情報を取得することができる。以下に、その原理を簡単に説明する。
【００２９】
上述のように、対物レンズ１７が対物レンズ移動機構４０によってＺ方向（光軸方向）に駆動されると、対物レンズ１７の焦点と試料ｗｋとの光軸方向での相対距離が変化する。そして、対物レンズ１７の焦点が試料ｗｋの表面に結ばれたときに、試料ｗｋの表面で反射されたレーザ光は上記の光路を経て結像レンズ１８で集光され、ほとんどすべてのレーザ光がピンホール板９のピンホールを通過する。したがって、このときに、受光素子１９の受光量が最大になる。逆に、対物レンズ１７の焦点が試料ｗｋの表面からずれている状態では、結像レンズ１８によって集光されたレーザ光はピンホール板９からずれた位置に焦点を結ぶので、一部のレーザ光しかピンホールを通過することができない。その結果、受光素子１９の受光量は著しく低下する。
【００３０】
したがって、試料ｗｋの表面の任意の点について、対物レンズ１７をＺ方向（光軸方向）に駆動しながら受光素子１９の受光量を検出すれば、その受光量が最大になるときの対物レンズ１７のＺ方向位置（対物レンズ１７の焦点と試料ｗｋとの光軸方向での距離）を高さ情報として一義的に求めることができる。
【００３１】
実際には、対物レンズ１７を１ステップ（１ピッチ）移動するたびに水平偏向装置１４ａ及び垂直偏向装置１４ｂによって試料ｗｋの表面を走査して受光素子１９の受光量を得る。対物レンズ１７をＺ方向での測定範囲の下端から上端までＺ方向に移動させたとき、走査範囲内の各点（画素）について、Ｚ方向位置に応じて変化する受光量データが得られる。
【００３２】
図２は、対物レンズ１７のＺ方向位置に応じて変化する受光量の例を示すグラフである。このような受光量データに基づいて、最大受光量とそのときのＺ方向位置が各点（画素）ごとに得られる。したがって、試料ｗｋの表面高さのＸＹ平面での分布が得られる。この処理は、マイクロコンピュータを用いた制御部４６によって実行される。
【００３３】
得られた表面高さの分布情報は、いくつかの方法で表示装置４７のモニタ画面に表示することができる。例えば３次元表示によって試料の高さ分布（表面形状）を立体的に表示することができる。あるいは、高さデータを輝度データに変換することにより、明るさの二次元分布として表示できる。高さデータを色差データに変換することにより、高さの分布を色の分布として表示することもできる。
【００３４】
また、ＸＹ走査範囲内の各点（画素）について得られた受光量を輝度データとする輝度信号から、試料ｗｋの表面画像（白黒画像）が得られる。各画素における最大受光量を輝度データとして輝度信号を生成すれば、表面高さの異なる各点でピントの合った焦点深度の非常に深い超深度画像が得られる。また、任意の注目画素で最大受光量が得られた高さ（Ｚ方向位置）に固定した場合は、注目画素の部分と高低差が大きい部分の画素の受光量は著しく小さくなり、注目画素と同じ高さの部分のみが明るい画像（すなわちスライス画像）が得られる。
【００３５】
つぎに、共焦点顕微鏡に備えられた非共焦点光学系３とその信号処理について説明する。非共焦点光学系３は、試料ｗｋに白色光（カラー画像撮影用の照明光）を照射するための白色光源２０、第２コリメートレンズ２１、第１ハーフミラー２２、第２ハーフミラー２３、カラーＣＣＤ（イメージセンサー）２４等を含んでいる。また、非共焦点光学系３は共焦点光学系２の対物レンズ１７を共用しており、２つの光学系１，２の光軸は部分的に一致している。
【００３６】
白色光源２０には例えば白色ランプが用いられるが、特に専用の光源を設けず、自然光又は室内光を利用してもよい。白色光源２０から出た白色光は、第２コリメートレンズ２１を通り、第１ハーフミラー２２で光路を曲げられ、対物レンズ１７によって試料ステージ３０上に置かれた試料ｗｋの表面に集光される。
【００３７】
試料ｗｋで反射された白色光は、対物レンズ１７、第１ハーフミラー２２、第２リレーレンズ１６を通過し、第２ハーフミラー２３で反射されてカラーＣＣＤ２４に入射して結像する。カラーＣＣＤ２４は、共焦点光学系２のピンホール板９のピンホールと共役又は共役に近い位置に設けられている。カラーＣＣＤ２４で撮像されたカラー画像は、ＣＣＤ駆動回路４３によって読み出され、そのアナログ出力信号は第２ＡＤ変換器４２に与えられ、ディジタル値に変換される。このようにして得られたカラー画像は、試料ｗｋの観察用の拡大カラー画像として表示装置４７のモニタ画面に表示される。
【００３８】
また、共焦点光学系２で得られた超深度画像と非共焦点光学系３で得られた通常のカラー画像とを組み合わせて、すべての画素で略ピントの合った焦点深度の深いカラー超深度画像を生成し、表示することもできる。例えば、非共焦点光学系３で得られたカラー画像を構成する輝度信号を共焦点光学系２で得られた超深度画像の輝度信号で置き換える合成処理により、カラー超深度画像を生成することができる。同様に、非共焦点光学系３で得られたカラー画像を構成する輝度信号を共焦点光学系２で得られたスライス画像の輝度信号で置き換える合成処理により、カラースライス画像を生成することができる。
【００３９】
上記のようなカラー画像に関する処理についても、制御部４６を含むコントローラが司る。コントローラにはコンソール（操作卓）のような入力装置４８やＣＲＴ（陰極線管）又はＬＣＤ（液晶表示装置）のような表示装置４７が接続されている。
【００４０】
ユーザは、表示装置４７の画面上に表示されるガイダンスにしたがって入力装置４８を用いて種々の測定用パラメータを設定することができる。例えば、対物レンズ１７のＺ方向移動範囲（測定範囲）や移動ピッチを設定する。あるいは、試料ｗｋの表面の光反射率等に応じて受光素子１９の受光感度（ＰＭＴゲイン）やＮＤフィルタによる減衰量の設定を行うことにより、画面に表示された超深度画像やスライス画像が適当な明るさ（輝度）になるように調整する。また、カラーＣＣＤ２４によるカラー画像の取得のためのシャッタースピードやゲイン及びホワイトバランスの設定を行う。
【００４１】
また、本実施形態の共焦点顕微鏡システム１（のコントローラ）には、パーソナルコンピュータのような外部コンピュータシステムを接続するための通信インターフェイスも備えられている。共焦点顕微鏡システム１の制御を行うための専用ソフトウェアをインストールした外部コンピュータシステムを共焦点顕微鏡システム１に接続することにより、取得された試料ｗｋの画像情報や高さ分布情報等の加工をシームレスに行うことが可能になる。
【００４２】
図３は、共焦点顕微鏡システム１のコントローラに外部コンピュータシステム５０を接続したハードウェア構成例を示すブロック図である。外部コンピュータシステム５０は、ＣＲＴ又はＬＣＤ等の表示装置５１、キーボード５２、マウス（他のポインティングデバイスでもよい）５３、ＲＳ２３２Ｃ、ＵＳＢ（ユニバーサルシリアルバス）、ＩＥＥＥ１３９４等の通信インターフェイス５４、処理装置（ＣＰＵ）５５、半導体記憶媒体である主メモリ５６、補助記憶装置である固定ディスク装置５７及びリムーバブルディスク装置５８を備えている。
【００４３】
共焦点顕微鏡システム１の制御を行うための専用ソフトウェアは、ＣＤ−ＲＯＭのような記憶媒体５９に記憶された状態で供給され、ＣＤ−ＲＯＭドライブ装置のようなリムーバブルディスク装置５８によって記憶媒体５９から読み出され、固定ディスク装置５７にインストールされる。固定ディスク装置５７にインストールされた専用ソフトウェアは、主メモリ５６にロードされ、処理装置５５によって実行される。
【００４４】
このような専用ソフトウェアによって実行される処理には、共焦点顕微鏡システム１の測定条件の設定を行うための処理や測定の結果得られた画像をつなぎ合わせて合成画像を生成する画像つなぎ合わせ処理が含まれている。また、画像つなぎ合わせ処理によって得られた合成画像の輝度むらを低減するための光量偏心補正処理も含まれている。次に、画像つなぎ合わせ処理の一例として、つなぎ合わせる複数の画像と位置を手動で指定する手動つなぎ合わせモードについて説明する。
【００４５】
図４は、手動つなぎ合わせモードにおいて表示装置５１に表示される画面表示の例を示す図である。画面表示６０の右下の領域６１は、合成対象の複数枚の画像を表示する領域である。画面表示６０の右上の領域６２は、ポインティングデバイスを用いて複数枚の画像を１枚ずつ移動させてつなぎ合わせた合成画像を表示する領域である。画面表示６０の左側の領域６３は、つなぎ合わせの条件を設定するための領域である。
【００４６】
図５は、図４の画面表示６０におけるつなぎ合わせの条件を設定するための領域６３の拡大図である。上側のブロック７０では、パッチワークデータファイルの作成（すなわち合成画像ファイルの手動作成）の条件を設定する。サブブロック７１では、基準データタイプ（すなわち画像の合成に使用する情報の種類）を選択する。光量データ、Ｒ、Ｇ、Ｂの４種類の中から選択可能である。光量データは前述の超深度画像を構成する各画素の受光量データを意味する。Ｒ、Ｇ、Ｂは前述の非共焦点光学系で得られたカラー画像を各画素のカラー成分である赤、緑、青をそれぞれ意味している。
【００４７】
サブブロック７２では、保存対象データ（すなわち合成画像の種類）を選択可能である。カラー生画、光量データ、カラーデータ、高さデータの４種類のデータについて、それぞれ保存するか否かを選択することができる。カラー生画は非共焦点光学系で得られたカラー画像を意味し、光量データは前述の超深度画像を意味し、カラーデータは前述のカラー超深度画像を意味し、高さデータは前述の表面高さの分布情報の画像を意味する。
【００４８】
サブブロック７３では、重ね位置自動補正を行うか（ＯＮ）否か（ＯＦＦ）を選択することができる。この重ね位置自動補正は、２つの隣接画像の重なり部分が一致するように重ね位置の微調整を自動的に行う画像処理を意味する。このような画像処理は公知の技術である。
【００４９】
サブブロック７４では、上記のような設定条件を作成条件設定ファイルとして保存するか否かを選択することができる。「条件ファイル作成」ボタンをマウス５３でクリックすると、作成条件設定ファイルが作成され保存される。以降、同一条件で合成画像の生成を行う場合は、該当する作成条件設定ファイルを読み出すことにより、簡単に条件設定を行うことができる。
【００５０】
「ファイル作成」ボタン７５は、後述する手順にしたがって合成画像のファイルを作成する際に最後に押下するボタンである。また、「終了」ボタン７６は、パッチワークデータファイルの作成モードを終了する際に押下されるボタンである。
【００５１】
下側のブロック７７では、合成画像の生成に使用する複数の画像等（すなわち画面に表示される画像）の選択を行う。「フォルダ選択」ボタン７８は、合成画像の生成に使用する複数の画像等が保存されているフォルダ（ディレクトリ）を指定する際に押下される。
【００５２】
サブブロック７９では、表示ファイル種別を選択することができる。通常測定データファイル、パッチワークデータファイル、作成条件設定ファイルの中から１つを選択することができる。通常測定データファイルは、合成画像の生成に使用する複数の画像である。パッチワークデータファイルは、生成された合成画像のファイルである。なお、目的の合成画像に至る途中段階の合成画像のファイルもパッチワークデータファイルに含まれる。作成条件設定ファイルは、上述のようにして保存された設定条件のファイルである。
【００５３】
サブブロック８０では、表示データタイプ（すなわち合成画像の生成に使用する複数の画像の種類）を選択可能である。カラー生画、光量データ、カラーデータ、高さデータの４種類のデータの中から１つを選択することができる。カラー生画は非共焦点光学系で得られたカラー画像を意味し、光量データは前述の超深度画像を意味し、カラーデータはカラー超深度画像を意味し、高さデータは表面高さの分布情報の画像を意味する。後述する操作によって手動で画像をつなぎ合わせる際に、最も視認性に優れた画像の種類（試料によって異なる）を選択することにより、手動によるつなぎ合わせの精度が高くなる。例えば、表面の模様パターンに現れにくい特徴的な凹凸形状を有する試料の場合は、高さデータを処理して得られた画像を用いれば、視認性が良くつなぎ合わせの精度が高くなる。
【００５４】
図６は、画像の手動つなぎ合わせの手順の例を示すフローチャートである。このフローチャートでは、ユーザによる操作と処理装置５５がプログラムにしたがって実行する処理の両方が含まれているが、以下の説明でその区別を明らかにする。
【００５５】
ステップ＃１０１において、ユーザは試料ステージをＸ方向及びＹ方向に適当なピッチで移動させながら測定を実行し、測定範囲の異なる複数の画像を取得、保存する。なお、隣接する画像の端部同士が互いに重なる部分ができるように、試料ステージの移動ピッチを定める必要がある。
【００５６】
ステップ＃１０２でユーザは手動つなぎ合わせモードを開始し、図４に示した画面表示の第３の領域６３（図５参照）において、前述のようなつなぎ合わせ条件の設定を行う（ステップ＃１０３）。続くステップ＃１０４において、合成（つなぎ合わせ）に用いる複数の画像を図４に示した画面表示の第１の領域６１に表示させる。図４の表示例では、第３の領域６３で指定したフォルダに保存されているファイルのサブブロック８０で指定された表示データタイプ（光量データ）の画像６６〜６９等が第１の領域６１に表示されている。なお、サブブロック８０で指定する表示データタイプは、つなぎ合わせの実行中も変更設定可能である。
【００５７】
次のステップ＃１０５において、ユーザは複数の画像を１枚ずつマウス５３でドラッグして第２の領域６２に移動し、つなぎ合わせる位置でドロップする。図４の表示例では、第１の領域６１に表示されている３枚の画像６６〜６８をつなぎ合わせた合成画像６４が第２の領域６２に表示されている。そして、第１の領域６１に表示されている第４の画像６９を第２の領域６２にドラッグし、画像６５として合成画像６４につなぎ合わせようとしている状態が表示されている。
【００５８】
すべての画像を配置した後、次のステップ＃１０６においてユーザは合成処理の実行を指示する。つまり、図５に示した「ファイル作成」ボタン７５を押下する。
【００５９】
合成処理の実行が指示されると、処理装置５５は図５に示したサブブロック７３で重ね位置自動補正がＯＮになっているか否かをチェックし（ステップ＃１０７）、ＯＮになっている場合は重ね位置自動補正を実行する（ステップ＃１０８）。最後のステップ＃１０９で合成画像ファイルの生成、表示及び保存を実行する。図５に示したサブブロック７２で選択された１又は複数の合成画像（データ）ファイルが生成され、保存される。また、第１の領域６１に表示される画像の種類と同様に、サブブロック８０で指定されたタイプの合成画像が第２の領域６２に表示される。
【００６０】
次に、上記のような画像つなぎ合わせ処理において、元の画像の光量偏心を補正して輝度むらの少ない合成画像を得るための方法及び処理について説明する。ここでいう光量偏心は、光学収差に起因して画像の周辺部が中央部に比べて暗くなる（輝度が小さくなる）現象をいう。そのような光量偏心は通常はほとんど目立たないが、複数の画像をつなぎ合わせて合成画像を生成する場合は暗い部分が合成画像の中央部又はその付近に来るために目立つ場合がある。
【００６１】
そこで、本実施形態の共焦点顕微鏡システム１では、あらかじめ定めた鏡面試料（テストサンプル）を測定し、その測定結果から得られる光量偏心量に基づいて補正量を計算して記憶しておき、実際の試料の測定から得られた超深度画像等の画像における光量偏心を補正する光量偏心補正処理を実行する。
【００６２】
図７は、光量偏心補正処理のうちの補正量を求めて記憶する処理のフローチャートである。まず、ステップ＃２０１において鏡面試料を測定し、得られた画像を画面に表示する。この鏡面試料は、例えば基板に金属を蒸着して作製された鏡面を有する光量偏心補正用のテストサンプルである。ごみの付着やキズが極力生じないように作製される。したがって、この鏡面試料の測定によって得られる画像（例えば超深度画像）は、均一な白い画像になるが、光学収差に起因して画像の周辺部が中央部に比べて暗くなる。そこで、得られた画像の各画素の輝度が等しくなるように（例えば最大輝度に等しくなるように）、各画素の補正量（補正係数）を計算すればよい。
【００６３】
しかし、鏡面試料の表面をごみやキズ（すなわちノイズ）が全く無い完全な状態に作製することは非常に難しい。そこで、メディアンフィルタ処理によってそのようなノイズの影響を取り除く。メディアンフィルタ処理は、注目画素を中心とする複数（奇数×奇数）個の画素の値の中から中間値を取り出して注目画素の値とするフィルタ処理である。画像を構成する各画素について順番に上記の処理を実行する。このメディアンフィルタ処理によって、急激に値が変化するノイズを取り除くことができる。メディアンフィルタ処理によるノイズ除去を効果的に行うには、メディアンフィルタのサイズ（奇数×奇数の画素数）を適切に設定する必要がある。メディアンフィルタのサイズが大きいほど処理時間が長くかかり、小さすぎるとノイズが完全に除去されない。
【００６４】
そこで、ステップ＃２０２においてユーザは、画面上でメディアンフィルタのサイズを指定する。図８にメディアンフィルタのサイズ指定の様子を示す。鏡面試料の測定によって得られた画像の中に含まれるごみやキズを囲むように、ユーザがマウス５３のドラッグ操作によって矩形領域８２を指定すると、処理装置５５は指定された矩形領域８２の大きさ（画素数）を計算してメッセージダイアログ８４を表示する。
【００６５】
ユーザがＯＫボタン８５をマウス５３でクリックすれば、処理装置５５は次のステップ＃２０３で上記のメディアンフィルタ処理を実行し、処理後の画像を画面に表示する。ユーザがキャンセルボタン８６をクリックした場合は、矩形領域８２を指定し直すことができる。
【００６６】
メディアンフィルタ処理が実行され表示画像が更新されると、ユーザは画像からノイズが除去されたか否かを目視でチェックする（ステップ＃２０４）。ノイズがまだ残っている場合は、ステップ＃２０２に戻ってメディアンフィルタのサイズ指定からやり直す。今度は、前回より大きいサイズでそのノイズを囲むように矩形領域８２を指定することになる。
【００６７】
このようにしてノイズが除去されると、処理装置５５は次のステップ＃２０５で各画素の補正量（補正係数）を計算する。すべての画素の輝度が等しくなるように補正量が計算される。例えば、画像の中央部に最大輝度の画素があり、周辺部の注目画素の輝度が最大輝度の９０％であるとすれば、その画素の補正係数を１００／９０（丸めて１．１）とする。すべての画素について補正係数を計算し、次のステップ＃２０６で処理装置５５は各画素の補正量を記憶する。記憶場所は例えばコンピュータシステム５０の固定ディスク装置５７でもよいが、通常は通信インターフェイス５４を介して共焦点顕微鏡システム１のコントローラ側に記憶される。
【００６８】
図９は、光量偏心補正処理のうちの実際の測定における補正処理のフローチャートである。一例として、超深度画像の測定における補正処理の場合を示している。この処理は、主として共焦点顕微鏡システム１のコントローラ（制御部４６）が実行する。ステップ＃３０１において、制御部４６は試料を測定し、超深度画像を取得する。
【００６９】
得られた超深度画像は一旦記憶され、次のステップ＃３０２において図７に示した処理で記憶した各画素（位置）における補正量を読み出し、その補正量にしたがって各画素の輝度の補正を実行する。すべての画素について補正が終了すれば（ステップ＃３０３のＹｅｓ）、補正後の超深度画像が測定結果として保存される（ステップ＃３０４）。なお、コンピュータシステム５０が共焦点顕微鏡システム１に接続されている場合は補正後の超深度画像が測定結果としてコンピュータシステム５０に送信され、表示装置５１に表示される。
【００７０】
図１０は、本発明の実施形態に係るシステム構成の機能ブロックを示す図である。但し、このブロック図は、画像のつなぎ合わせを自動的に行う場合の構成例を示している。本発明による光量偏心補正方法は、上述のような手動による画像のつなぎ合わせに限らず、自動で画像をつなぎ合わせる場合にも適用することができる。
【００７１】
図１０の構成において、共焦点顕微鏡システム１にコンピュータシステム５０が接続されており、コンピュータシステム５０は画像つなぎ合わせ手段８８、画像情報記憶手段８９、光量偏心量計算手段９０、最大ノイズ指定手段９１、メディアンフィルタ処理手段９２及び通信制御手段９３を備えている。また、共焦点顕微鏡システム１（のコントローラ）は、通信制御手段９４、ステージ駆動手段９５、撮像・測定手段９６、光量偏心補正手段９７及び補正量記憶手段９８を備えている。
【００７２】
超深度画像等の測定において、共焦点顕微鏡システム１の撮像・測定手段９６によって取得された測定結果（例えば超深度画像データ）は、通信制御手段９４を介してコンピュータシステム５０に送信され、画像情報記憶手段８９（固定ディスク装置５７に設けられた記憶領域）に記憶される。
【００７３】
コンピュータシステム５０の専用ソフトウェアで構成される画像つなぎ合わせ手段８８は、通信制御手段９３を介して共焦点顕微鏡システム１のステージ駆動手段９５を操作し、所定の位置決めによって測定範囲をずらしながら超深度画像等の画像データを共焦点顕微鏡システム１から取得し、画像情報記憶手段８９に記憶する。その後、画像情報記憶手段８９から読み出した複数の画像データをステージ駆動手段９５によるステージ３０の移動量のデータにしたがってつなぎ合わせる。この際、手動つなぎ合わせ処理で述べたような２つの隣接画像の重なり部分が一致するように重ね位置の微調整が実行される。つなぎ合わせ処理で得られた合成画像は、画像情報記憶手段８９に記憶される。
【００７４】
必要に応じてユーザは前述のように鏡面試料を測定し、光量偏心補正の補正量の計算と記憶を実行させる。コンピュータシステム５０の専用ソフトウェアで構成される光量偏心量計算手段９０は、前述のような処理によって各画素（位置）の補正量を算出する。その際、最大ノイズ指定手段９１によって指定（前述の矩形領域８２の指定に相当する）された領域から求められたサイズのメディアンフィルタを用いてノイズを取り除く処理がメディアンフィルタ処理手段９２によって実行される。
【００７５】
光量偏心量計算手段９０によって算出された各画素（位置）の補正量は、通信制御手段９３を介して共焦点顕微鏡システム１に送信され、補正量記憶手段９８に記憶される。一旦、補正量が補正量記憶手段９８に記憶されると、それ以降の測定において、撮像・測定手段９６が取得した測定結果（画像データ）は光量偏心補正手段９７によって補正量記憶手段９８から読み出された補正量にしたがって補正され、補正後の画像データがコンピュータシステム５０に送信される。
【００７６】
以上、本発明の実施形態を適宜変形例を含めながら説明したが、本発明は上記の実施形態に限らず、種々の形態で実施することが可能である。
【００７７】
例えば、上記の実施形態では、外部コンピュータシステム５０に共焦点顕微鏡システム１の制御を行うための専用ソフトウェアをインストールし、外部コンピュータシステム５０の側で光量偏心補正のための補正量の計算やメディアンフィルタ処理を実行しているが、共焦点顕微鏡システム１の側でそのような処理を実行してもよい。
【００７８】
一般に、外部コンピュータシステム５０で補正量の計算やメディアンフィルタ処理を実行したほうが処理速度が速いメリットが得られる。一方、共焦点顕微鏡システム１の側でそのような処理を実行すれば、外部コンピュータシステム５０との間で光量偏心補正に関するデータのやり取りを行う必要が無い。また、外部コンピュータシステム５０を接続しないで、共焦点顕微鏡システム１に標準装備の表示装置４７及び入力装置４８を用いて測定の実行や測定結果の表示を行う場合にも本発明の光量偏心補正方法を適用することができる。
【００７９】
また、上記の実施形態の共焦点顕微鏡は反射型の顕微鏡であるが、透過型の共焦点顕微鏡にも本発明を適用することができる。透過型の顕微鏡の場合は、試料の裏面から共焦点光学系のレーザ光及び非共焦点光学系の白色光が照射される。共焦点光学系の光源はレーザ光源を含む単色光源はもちろんのこと、複数波長を含むものであってもよい。非共焦点光学系の光源は自然光又は室内光で代用することもできる。
【００８０】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の共焦点顕微鏡システム、光量偏心補正方法及びコンピュータプログラムによれば、試料表面の広い範囲の画像を得るために複数の画像のつなぎ合わせ処理を行った場合に、元の複数の画像のそれぞれについて光量偏心補正によって中心部と周辺部との光量偏心が解消又は低減されるので、それらをつなぎ合わせて得られた合成画像における輝度むらが目立たなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る共焦点顕微鏡システムの概略構成を示す図である。
【図２】対物レンズのＺ方向位置に応じて変化する受光量の例を示すグラフである。
【図３】共焦点顕微鏡システムのコントローラに外部コンピュータシステムを接続したハードウェア構成例を示すブロック図である。
【図４】手動つなぎ合わせモードにおいて表示装置に表示される画面表示の例を示す図である。
【図５】図４の画面表示におけるつなぎ合わせの条件を設定するための領域の拡大図である。
【図６】画像の手動つなぎ合わせの手順の例を示すフローチャートである。
【図７】光量偏心補正処理のうちの補正量を求めて記憶する処理のフローチャートである。
【図８】メディアンフィルタのサイズ指定の様子を示す図である。
【図９】光量偏心補正処理のうちの実際の測定における補正処理のフローチャートである。
【図１０】本発明の実施形態に係るシステム構成の機能ブロックを示す図である。
【符号の説明】
１  共焦点顕微鏡システム
２  共焦点光学系
１９  受光素子
４７，５１  表示装置
５９  記憶媒体
６０  画面表示
９７  光量偏心補正手段
９８  補正量記憶手段
ｗｋ  試料
【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】
2004170572.tif 000009
【図８】
2004170572.tif 000010
【図９】
2004170572.tif 000011
【図１０】
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