(57)【要約】【課題】共振型スキャナの走査範囲のうちの両端部近くの非線形歪を伴う部分を有効活用し、かつ、往復走査を可能にした共焦点顕微鏡を提供する。【解決手段】光による試料表面の走査のための光走査装置のうち、水平走査装置が共振型スキャナを用いて構成され、共振型スキャナによって光で走査された試料からの光を受光素子で受光して得られた受光情報を一定時間ごとにサンプリングしてバッファメモリ７０に蓄積し、逆三角関数演算を含む演算処理によって求められたアドレス対応テーブル７３にしたがって、バッファメモリ７０に蓄積されたサンプリングデータを非等間隔のアドレスで読み出すことにより、測定範囲内の試料表面における略等間隔の画素位置ごとの受光情報を求める。往復走査の場合は、順方向走査と逆方向走査とでサンプリングデータを読み出すアドレスの順番を互いに逆方向にする。【選択図】  図６
2004212622.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を光で走査し、試料からの光を共焦点光学系を介して受光素子で受光し、その受光情報に基づいて前記試料表面の高さ分布情報又は画像情報を取得する共焦点顕微鏡であって、
光による試料表面の走査のための光走査手段の少なくとも一部が共振型スキャナを用いて構成され、
前記共振型スキャナによって光で走査された試料からの光を前記受光素子で受光して得られた受光情報を一定時間ごとにサンプリングしてバッファメモリに蓄積し、
逆三角関数演算を含む演算処理によって求められたアドレス対応テーブルにしたがって、前記バッファメモリに蓄積されたサンプリングデータを非等間隔のアドレスで読み出すことにより、測定範囲内の試料表面における略等間隔の画素位置ごとの受光情報を求めることを特徴とする共焦点顕微鏡。
【請求項２】
前記共振型スキャナによる往復走査を実現するために、前記アドレス対応テーブルにおいて、順方向走査におけるサンプリングデータを読み出すアドレスの順番と逆方向走査におけるサンプリングデータを読み出すアドレスの順番とを互いに逆方向にしたことを特徴とする
請求項１記載の共焦点顕微鏡。
【請求項３】
前記アドレス対応テーブルにしたがって前記バッファメモリから非等間隔のアドレスでサンプリングデータを読み出す際に、隣接する２つのアドレスのサンプリングデータを用いて補間処理を行うことによって前記略等間隔の画素位置の受光情報の精度を高めることを特徴とする
請求項１又は２記載の共焦点顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学倍率によって決まる測定範囲内の試料表面を光で走査し、試料からの光を共焦点光学系を介して受光素子で受光し、その受光情報に基づいて前記試料表面の高さ分布情報又は画像情報を取得する共焦点顕微鏡に関し、詳しくは、光走査手段の少なくとも一部が共振型スキャナによって構成されている共焦点顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
共焦点顕微鏡を用いた試料の測定では、試料の表面が光走査手段によって光（例えばレーザ光）で走査される。試料からの光（例えば反射光）が共焦点光学系を介して受光素子で受光され、その受光量に基づいて試料の高さ分布情報や超深度画像（焦点深度が非常に深い画像）等の画像情報が取得される。ステージに載置された試料と対物レンズとの距離を光軸方向に変化させると、共焦点光学系のピンホールを通って受光素子に入射する光の強さ（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試料と対物レンズとの距離情報から試料の表面の高さ情報を算出し、試料の表面を光で走査することによって試料の表面の高さ分布を取得することができる。
【０００３】
また、試料表面の各点（画素）でピントが合ったときの受光量の情報（すなわち各画素の最大受光量の情報）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。この画像がいわゆる超深度画像である。あるいは、任意の注目画素で最大受光量が得られたときの試料と対物レンズとの距離に固定した場合は、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（いわゆるスライス画像）が得られる。
【０００４】
上記のような共焦点顕微鏡の光走査手段は通常、水平走査手段と垂直走査手段からなる二次元の光走査手段である。この場合、走査周期の比較的長い（周波数の低い）垂直走査手段にはガルバノ（電磁型）スキャナを使用し、走査周期の短い（周波数の高い）水平走査手段にはレゾナント（共振型）スキャナを使用することが多い。
【０００５】
ガルバノスキャナがミラーの角度を略等速度で変化させることができるのに対して、レゾナント（共振型）スキャナは正弦波を駆動信号とする振動によってミラーの角度を変化させるので、その角速度は正弦波状に変化し、走査範囲の中央付近で最大となり、走査範囲の両端部に近づくほど角速度がゼロに近づく。したがって、光走査によって得られる画像の中央部と両端部での一画素当たりの走査方向での寸法差が画像歪となって現れる。つまり、画像の中央部が間延びして周辺部が詰まる歪が発生する。
【０００６】
この画像歪を抑えるには、共振型スキャナの走査範囲のうちの角速度が比較的直線状に変化する中央部付近、すなわち正弦波のゼロクロスを中心とする略直線状に変化する部分を使用する必要がある。しかし、例えばカラー撮像素子で得られたカラー画像との位置合わせのためにオフセット調整を行う場合のように、実際に使用する領域の外側にある程度の調整領域を確保しておく必要がある。このため、共振型スキャナの走査範囲のうちの両端部近くの非線形歪を伴う部分も含めてできるだけ広い領域を有効利用できる方が有利である。
【０００７】
また、共振型スキャナの特性上、往路と復路の所要時間が同じである。したがって、往路のみを走査に用いた場合は一周期の半分のみが利用され、残り半分は無駄な時間ということになる。そこで、復路も有効利用する往復走査を行うことが考えられる。
【０００８】
上記のように、共振型スキャナの走査範囲のうちの両端部近くの非線形歪を伴う部分を有効活用するための従来の技術として、共振型スキャナのミラーの裏面に補助レーザ光を照射し、その反射光で等間隔のパターンを走査することによって得られる時間的に非等間隔のタイミングで試料のサンプリングを行う方法がある（例えば特開２０００−１４７３９５公報参照）。この際、ラインメモリを使用して復路のサンプリングデータの並び順を入れ替えることにより、往復走査が可能になる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来の方法は、共振型スキャナのミラーの裏面に補助レーザ光を照射してその反射光で等間隔パターンを走査するための光学系が必要であり、その分構造が複雑になる。また、精密加工技術も必要となる。
【００１０】
本発明は、上記のような課題に鑑み、新たな光学系を付加することなく、共振型スキャナの走査範囲のうちの両端部近くの非線形歪を伴う部分を有効活用し、かつ、往復走査を可能にした共焦点顕微鏡を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の共焦点顕微鏡は、光学倍率によって決まる測定範囲内の試料表面を光で走査し、試料からの光を共焦点光学系を介して受光素子で受光し、その受光情報に基づいて試料表面の高さ分布情報又は画像情報を取得する共焦点顕微鏡であって、光による試料表面の走査のための光走査手段の少なくとも一部が共振型スキャナを用いて構成され、共振型スキャナによって光で走査された試料からの光を受光素子で受光して得られた受光情報を一定時間ごとにサンプリングしてバッファメモリに蓄積し、逆三角関数演算を含む演算処理によって求められたアドレス対応テーブルにしたがって、バッファメモリに蓄積されたサンプリングデータを非等間隔のアドレスで読み出すことにより、測定範囲内の試料表面における略等間隔の画素位置ごとの受光情報を求めることを特徴とする。
【００１２】
このような構成によれば、従来技術で述べたような光学系を追加する方法ではなく、バッファメモリを用いたアドレス変換処理によって、一定時間ごとにサンプリングされた非等間隔のサンプリングデータを等間隔の画素位置の受光情報に変換することができる。これによって、生成された画像の中央部が間延びして周辺部が詰まる歪を解消することができる。
【００１３】
好ましい実施形態において、共振型スキャナによる往復走査を実現するために、アドレス対応テーブルにおいて、順方向走査におけるサンプリングデータを読み出すアドレスの順番と逆方向走査におけるサンプリングデータを読み出すアドレスの順番とを互いに逆方向にしている。
【００１４】
別の好ましい実施形態において、アドレス対応テーブルにしたがってバッファメモリから非等間隔のアドレスでサンプリングデータを読み出す際に、隣接する２つのアドレスのサンプリングデータを用いて補間処理を行うことによって略等間隔の画素位置の受光情報の精度を高める。つまり、逆三角関数演算によって求めた等間隔の画素位置に対応するアドレスは小数点以下の端数を含む値となるので、この端数を補間係数として隣接する２つのアドレスのサンプリングデータを用いて補間処理を行うことにより、精度が高くなる。
【００１５】
【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。
【００１６】
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４８とを備えている。
【００１７】
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、水平走査装置１４ａ、垂直走査装置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。
【００１８】
光源１０には、例えば青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、水平走査装置１４ａ及び垂直走査装置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。
【００１９】
水平走査装置１４ａはレゾナント（共振型）スキャナで構成され、垂直走査装置１４ｂはガルバノ（電磁型）スキャナで構成されている。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との光軸方向での距離を変化させることができる。
【００２０】
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。なお、試料ステージ３０は、手動操作によってＸ、Ｙ方向及びＺ方向に変位可能である。
【００２１】
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。
【００２２】
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、水平走査装置１４ａ及び垂直走査装置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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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走査装置１４ａ及び垂直走査装置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。
【００２７】
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データ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。
【００２８】
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。
【００２９】
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るので、注目画素と同じ高さの部分のみが明るい画像が得られる。
【００３０】
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。
【００３１】
白色光源２０には例えば白色ランプが用いられるが、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。
【００３２】
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。
【００３３】
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合成し、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。
【００３４】
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。また、マウスのようなポインティングデバイスも入力装置４８として接続される。
【００３５】
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。また、後述するような種々の走査モードの設定を行う。
【００３６】
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インターフェイスも備えられている。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、上記のような測定条件を外部コンピュータシステムの画面上で設定し、あるいは、共焦点顕微鏡システム１で取得した画像の処理を外部コンピュータシステムの画面に表示させ、加工することが可能になる。
【００３７】
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。
【００３８】
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プログラムは、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。
【００３９】
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の処理等が含まれている。次に、測定条件の設定のための画面表示における走査モードの選択について説明する。
【００４０】
図４は、走査モードの選択を含む測定条件の設定のための画面表示の例を示す図である。表示装置５１に表示される画面表示６０において、左側の領域６１は共焦点顕微鏡システム１の非共焦点光学系３のカラーＣＣＤ２４から得られたカラー画像や共焦点光学系２の受光素子１９から得られた共焦点画像又は高さ分布の測定結果等を表示するための領域であり、その右側に測定条件の設定のための縦長の領域６２が表示されている。
【００４１】
図５は、図４の画面表示６０における測定条件の設定のための領域６２の拡大図である。「スキャン設定」と表示された箇所の右側に走査モードの選択を行うための選択ブロック６３が設けられている。この選択ブロック６３の右端の下向き三角マークをマウス５３でクリックすると、図５に示すようなプルダウンメニュー６４が現れる。プルダウンメニュー６４には、「ノーマル」、「パート１／２」、「パート１／３」、「スキップ」、「スキップ１／２」の５種類の走査モードが選択肢として含まれており、ユーザはマウス５３を用いてこれらの選択肢の中から１つの走査モードを選択することができる。
【００４２】
「ノーマル」は通常の走査モードであり、走査範囲が光学倍率によって決まるＸＹ平面における測定範囲の全体であると共に走査線数が最大数（例えば７６８本）である。「パート１／２」では、垂直走査範囲が全体の中央部１／２となり、走査線数もそれに応じて１／２（例えば３８４本）になる。「パート１／３」では、垂直走査範囲が全体の中央部１／３となり、走査線の数もそれに応じて１／３になる。
【００４３】
「スキップ」では、走査範囲は測定範囲の全体であるが、走査線数が１／２になる。つまり、隣接する走査線の間隔が２倍に広がっている。「スキップ１／２」では、隣接する走査線の間隔が２倍に広がり、かつ、垂直走査範囲が全体の中央部１／２となる。したがって、走査線数は１／４になる。なお、いずれの走査モードでも水平走査範囲は変化せず測定範囲全体の水平方向長さに等しい。また、スキップによって隣接する走査線の間隔が２倍に広がる場合は、補間処理によって走査線の間の画素データが生成される。
【００４４】
図５において、プルダウンメニュー６４によって一部隠れているが、「スキャン設定」と表示された箇所の下側に「ダブルスキャン」と表示され、その左側にチェックボックス６５が設けられている。ユーザがマウス５３を用いてこのチェックボックス６５にチェックを入れると水平走査に関して往復走査が設定され、チェックを外すと通常の一方向走査が設定される。
【００４５】
前述のように水平走査のための水平走査装置１４ａはレゾナント（共振型）スキャナで構成され、正弦波駆動信号によって自励式にミラーの反射面が所定の周波数で振動する。したがって、往路と復路の所要時間が同じ（半周期）であり位相変化も同等であるので往復走査が可能である。往復走査を行う場合は一方向走査の場合に比べて、一垂直走査当たりの水平走査回数が同じであれば見かけ上２倍の走査線数が得られることになり、その分だけ測定精度が良くなる。逆に、一垂直走査当たりの水平走査回数を半分に低減しても、見かけ上の走査線数が同じであるので、測定精度の低下はほとんどないことになる。一垂直走査当たりの水平走査回数が半分に低減されれば、測定全体の所要時間が半分近くまで低減される。
【００４６】
しかし、共振型スキャナは正弦波を駆動信号とする振動によってミラーの角度を変化させるので、その角速度は正弦波状に変化し、走査範囲の中央付近で最大となり、走査範囲の両端部に近づくほど角速度がゼロに近づく。したがって、光走査によって得られる画像の中央部と両端部での一画素当たりの走査方向での寸法差が画像歪となって現れる。つまり、画像の中央部が間延びして周辺部が詰まる歪が発生する。
【００４７】
この画像歪を解消する方法として、本実施形態の共焦点顕微鏡システム１では、受光情報を一定時間ごとにサンプリングしてバッファメモリに蓄積し、逆三角関数演算を含む演算処理によって求められたアドレス対応テーブルにしたがって、バッファメモリに蓄積されたサンプリングデータを非等間隔のアドレスで読み出すことにより、測定範囲内の試料表面における略等間隔の画素位置の受光情報を求める。
【００４８】
図６は、本実施形態において、共振型スキャナを用いた走査で得られた受光量のサンプリングデータから等間隔位置の受光量データを得るための構成を示すブロック図である。受光素子１９から出力される電圧信号は、第１ＡＤ変換器４１でディジタル値に変換される。この際、タイミング発生器７１から与えられるタイミング信号にしたがって、一定時間ごとのサンプリングデータとしてディジタル値がバッファメモリ７０に入力される。バッファメモリ７０は、入力された等間隔時間ごとのサンプリングデータをアドレス順に記憶する。
【００４９】
読み出しアドレス発生部７２が、後述するアドレス対応テーブル７３にしたがってバッファメモリ７０のアドレッシングを行うことにより、バッファメモリ７０の記憶データ（の一部）が非等間隔のアドレスで読み出される。これにより、等間隔の画素位置ごとの受光量データが読み出される。アドレス対応テーブル７３は、後述するように、走査モードを含む測定条件の設定が行われた段階で逆三角関数演算を含む演算処理によって求められ、メモリに記憶される。
【００５０】
バッファメモリ７０の記憶データを非等間隔のアドレスで読み出したデータをそのまま等間隔の画素位置ごとの受光量データとしてもよいが、図６の構成では、更に補間演算部７４による補間演算を行うことにより、等間隔の画素位置ごとの受光量データの精度を高めている。つまり、逆三角関数演算によって求めた等間隔の画素位置に対応するアドレスは小数点以下の端数を含む値となるので、この端数を補間係数として隣接する２つのアドレスのサンプリングデータを用いて補間処理を行うことにより、精度が高くなる。この補間演算の詳細については後述する。
【００５１】
また、アドレス対応テーブル７３を生成する際に、往復走査モードが選択された場合は、順方向走査におけるサンプリングデータを読み出すアドレスの順番と逆方向走査におけるサンプリングデータを読み出すアドレスの順番とを互いに逆方向にしている。
【００５２】
次に、アドレス対応テーブル７３について説明する。図７は、共振型スキャナによる走査スポット（光スポット）の位置変化（正確にはミラーの角度変化）を示すグラフである。例えば時刻がｔ０，ｔ１，・・・ｔ１４と変化するときに、光のスポットの位置が左端（＋Ｄ）から右端（−Ｄ）まで変化すると仮定する。もちろん、実際のサンプリングタイムはもっと細かい。
【００５３】
共振型スキャナはミラーの角度が正弦波状に変化するため、等間隔の時刻ｔ０，ｔ１，・・・ｔ１４に対応する走査スポットの位置は図７（ａ）に示すように、走査範囲の中央部で間延びし、両端部で詰まった非等間隔となる。したがって、一定時間ごとにサンプリングされた受光量のデータをそのまま等間隔の画素データとして使用した場合は、画像の中央部が間延びして周辺部が詰まる歪が発生することになる。また、図７（ｂ）は、走査スポットの位置を等間隔にしたときに時刻ｔ０，ｔ１，・・・ｔ１４が非等間隔になる様子を示している。
【００５４】
図７（ａ）及び（ｂ）において、走査スポットの位置をＰとし、走査周期をＴとし、時刻ｔ０，ｔ１，・・・ｔ１４を変数ｔで表したとき、三角関数（余弦関数）ｃｏｓを用いれば、Ｐ＝Ｄｃｏｓ（２πｔ／Ｔ）となる。また、逆三角関数（逆余弦関数）ａｒｃｃｏｓを用いれば、ｔ＝（Ｔ／（２π））ａｒｃｃｏｓ（Ｐ／Ｄ）となる。例えばＰ＝＋Ｄ（左端）の位置に対応する時刻ｔ０は（Ｔ／（２π））ａｒｃｃｏｓ（１）＝０となり、Ｐ＝−Ｄ（右端）の位置に対応する時刻ｔ１４は（Ｔ／（２π））ａｒｃｃｏｓ（−１）＝Ｔ／２となる。一般に、走査スポットの位置の移動ピッチ（画素ピッチに対応する）をａとし、ｎを自然数としたとき、Ｐ＝Ｄ（１−ａｎ）の位置に対応する時刻ｔ（ｎ）は、ｔ（ｎ）＝（Ｔ／（２π））ａｒｃｃｏｓ（１−ａｎ）で表される。
【００５５】
したがって、時刻ｔ（ｎ）のサンプリングデータがバッファメモリ７０に入っていれば、それを読み出すことにより、等間隔の位置Ｐ＝Ｄ（１−ａｎ）における受光量データを得ることができる。バッファメモリには一定時間間隔でサンプリングされたデータがアドレス順に記憶されているので、時刻ｔ（ｎ）が求まれば、対応するアドレスが求まり、所望の受光量データが得られる。実際には計算で求めた時刻ｔ（ｎ）に対応するアドレスが整数にはならず、小数点以下の端数が生ずる。この場合は、整数値にまるめる処理を行うか、隣接する２つのアドレスのサンプリングデータを用いて補間処理を行うことになる。本実施形態では、補間処理を行うことによって精度を高めている。詳細については後述する。なお、往復走査を行う場合の逆方向走査で得られたサンプリングデータについては、読み出すアドレスの順序を逆にする必要がある。
【００５６】
次に、具体的な数値を挙げて上記の説明を補足する。例えば、走査周期Ｔ＝１２５μｓｅｃ（発振周波数８ｋＨｚ）、サンプリング周波数３０ＭＨｚとした場合、１走査周期当たり３７５０個のサンプリングデータを得ることができる。これは往復走査の場合であって、一方向走査当たり１８７５個のサンプリングデータが得られることになる。
【００５７】
上記のように往復走査の３７５０個のサンプリングデータが得られ、バッファメモリ７０にアドレス順に記憶される。この記憶されたデータの一部を１８ＭＨｚのレートで読み出して画面に表示する場合を考える。このとき、水平走査周期１２５μｓｅｃの間に読み出されるデータの数は２２５０個であり、一方向走査当たり１１２５個となる。
【００５８】
正規化した位置信号が＋１（左端）から−１（右端）まで変化すると、画面の左端から右端まで走査したことになる。ｎ番目の位置に対応する位置データを１−２ｎ／１１２５とすると、このときの時刻ｔ（ｎ）はｔ（ｎ）＝（Ｔ／（２π））ａｒｃｃｏｓ（１−２ｎ／１１２５）で表される。
【００５９】
時刻Ｔ／２におけるデータ位置（アドレスに相当する）は１８７５であるから、時刻ｔ（ｎ）におけるデータ位置ｍは、ｍ＝１８７５×ｔｎ×２／Ｔとなる。求められたデータ位置ｍを整数にまるめた値を改めてアドレスｍとすれば、読み出しパルスのｎ番目でアドレスｍのデータを読み出すことにより、ｎ番目の位置におけるデータが得られる。
【００６０】
実際には、計算で求められたデータ位置ｍは、小数点以下の端数を含む。例えばｍ＝１２３．４が得られた場合に、アドレスｍ＝１２３とｍ＝１２４の２つのデータを用いて補間処理を行えば、実際のデータ位置ｍ＝１２３．４における精度の高いデータが得られる。アドレスｍ＝１２３におけるデータをｄ１、アドレスｍ＝１２４におけるデータをｄ２とすれば、データ位置ｍ＝１２３．４におけるデータｄは直線補間によれば、ｄ＝０．６ｄ１＋０．４ｄ２となる。一般に、データ位置ｍの小数点以下の端数（補間係数に相当する）をｑとすれば、ｍの整数部のアドレスのデータｄ１と隣接する（＋１の）アドレスのデータｄ２とを用いた直線補間演算により、ｄ＝（１−ｑ）ｄ１＋ｑ×ｄ２で求めることができる。
【００６１】
走査モード等の測定条件が設定された段階で等間隔位置とそれに対応するバッファメモリのアドレスとの関係を求めてアドレス対応テーブルとして記憶する際に、アドレスである整数値と共に上記の端数（補間係数）も等間隔位置に対応させて記憶しておけばよい。図８は、等間隔位置ｎと読み出しアドレスｍ及び補間係数ｑとの対応関係を示すアドレス対応テーブルの例を示す図である。図６に示したブロック図の補間演算部７４は、アドレス対応テーブルに記憶された補間係数を用いて上述のような直線補間処理を実行する。
【００６２】
図９は、補間演算部７４の構成例を示すブロック図である。補間演算部７４は、主演算回路８１、＋１加算回路８２及び１の補数演算回路８３を備えている。アドレス対応テーブル７３から得られたアドレスｍは＋１加算回路８２を経てｍ＋１となって第１バッファメモリ７０Ａのアドレスポートに与えられると共に、アドレスｍがそのまま第２バッファメモリ７０Ｂのアドレスポートに与えられる。また、アドレス対応テーブル７３から得られた補間係数ｑは、１の補数演算回路８３を経て１−ｑとなり、ｑと１−ｑが主演算回路８１に与えられる。
【００６３】
主演算回路８１は、第１バッファメモリ７０Ａから読み出されたデータｄ１に１−ｑを掛けた値（１−ｑ）ｄ１と第２バッファメモリ７０Ｂから読み出されたデータｄ２にｑを掛けた値ｑ×ｄ２とを加算して、データ位置（ｍ＋ｑ）におけるデータｄ＝（１−ｑ）ｄ１＋ｑ×ｄ２を算出する。こうして算出された等間隔の位置ごとのデータが補間演算部７４から出力される。
【００６４】
なお、図９では、アドレスｍのデータｄ１とアドレスｍ＋１のデータｄ２を同時に読み出して高速演算を行うために第１及び第２のバッファメモリ７０Ａ及び７０Ｂを設け、第１ＡＤ変換器４１からのサンプリングデータを第１及び第２のバッファメモリ７０Ａ及び７０Ｂに記憶させている。アドレスｍのデータｄ１とアドレスｍ＋１のデータｄ２を時間的にずらして読み出す場合は図６に示したように、１つのバッファメモリ７０で足りる。
【００６５】
これまでの説明では、図７に示したように、走査範囲の左端位置（＋Ｄ）から右端位置（−Ｄ）までのサンプリングデータを全て読み出す対象としたが、実際には、両端部のサンプリングデータは使用しないようにゲート信号を用いてデータ読み出し制御を行っている。つまり、図７で位置の中央部（ゼロクロス）を中心とする所定の範囲内のサンプリングデータを読み出すようにしている。
【００６６】
図１０は、ゲート信号を用いた読み出し制御の例を示す図である。（ａ）は、アドレス対応テーブルを用いてサンプリングデータを等間隔の位置ごとのデータに変換した後の走査を模式的に示している。また、往復走査における復路（逆方向走査）で得られたサンプリングデータについてアドレスの順序を逆にする処理を完了した状態を示している。（ｂ）は、等間隔の位置ごとのデータ列を模式的に示している。（ｃ）は、上述のゲート信号を表している。この信号がＨレベルの期間だけデータ読み出しが有効になる。
【００６７】
図１０（ｄ）は、ゲート信号を時間軸の前側へ少しずらした状態を示している。このように、ゲート信号をずらすことにより、読み出すデータ範囲の中心を走査範囲の中心からずらすことができる。これによって前述のオフセット調整が可能になる。もちろん、ゲート信号をずらさないでアドレス対応テーブルにおける等間隔の位置ｎに対するアドレス（データ位置）ｍの値をずらすことによってもオフセット調整が可能である。
【００６８】
また、アドレス対応テーブルにおける等間隔の位置ｎに対するアドレス（データ位置）ｍの値を信号処理系の遅れ時間に応じて補正する。片方向走査の場合はこの遅れ時間補正が必ずしも必要ではないが、往復走査の場合は遅れ時間が往路と復路とで互いに逆方向に作用するので、遅れ時間補正が必要となる。
【００６９】
また、図１０（ｅ）は、片方向走査を行う場合のゲート信号を示している。このように、ゲート信号を替えることによって、片方向（往路）のデータの読み出しのみを有効とすることができる。
【００７０】
図１１は、走査モード等の測定条件の設定が完了した段階で実行するアドレス対応テーブルの生成処理のフローチャートである。ステップ＃１０１で逆三角関数（ａｒｃｃｏｓ）演算によりデータ位置ｍを計算する。ステップ＃１０２で主として信号処理系の遅れ時間の補正量を加算する。続くステップ＃１０３でオフセット調整量を加算する。
【００７１】
次のステップ＃１０４で、上記のようにして求められたデータ位置ｍの整数部を改めてアドレスｍとすると共に、小数部を補間係数ｑとする。こうして、等間隔の位置ｎとそれぞれの位置ｎに対応するアドレスｍ及び補間係数ｑからなるアドレス対応テーブルが生成される。
【００７２】
次のステップ＃１０５で往復走査が設定されているか否かをチェックし、往復走査が設定されている場合は往復走査用のゲート信号が選択される（ステップ＃１０６）。往復走査が設定されていない場合は前述のような片方向走査用のゲート信号が選択される（ステップ＃１０７）。次のステップ＃１０８で、上記のようにして生成されたアドレス対応テーブルを記憶し、処理を終了する。
【００７３】
以上、適宜変形例を含めながら本発明の実施形態を説明したが、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できる。例えば、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。
【００７４】
【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によれば、共振型スキャナによって一定時間ごとにサンプリングされた非等間隔のサンプリングデータを、バッファメモリを用いたアドレス変換処理によって、等間隔の画素位置の受光情報に変換することができる。これによって、生成された画像の中央部が間延びして周辺部が詰まる歪を解消することができる。また、順方向走査におけるサンプリングデータを読み出すアドレスの順番と逆方向走査におけるサンプリングデータを読み出すアドレスの順番とを互いに逆方向にすることにより、共振型スキャナによる往復走査を比較的容易に実現することができる。
【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データ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】走査モードの選択を含む測定条件の設定のための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測定条件の設定のための領域の拡大図である。
【図６】共振型スキャナを用いた走査で得られた受光量のサンプリングデータから等間隔位置の受光量データを得るための構成を示すブロック図である。
【図７】共振型スキャナによる走査スポットの位置変化（正確にはミラーの角度変化）を示すグラフである。
【図８】等間隔位置ｎと読み出しアドレスｍ及び補間係数ｑとの対応関係を示すアドレス対応テーブルの例を示す図である。
【図９】補間演算部の構成例を示すブロック図である。
【図１０】ゲート信号を用いた読み出し制御の例を示す図である。
【図１１】走査モード等の測定条件の設定が完了した段階で実行するアドレス対応テーブルの生成処理のフローチャートである。
【符号の説明】
１  共焦点顕微鏡システム
２  共焦点光学系
１４ａ  水平走査装置（共振型スキャナ）
１４ｂ  垂直走査装置（ガルバノスキャナ）
１９  受光素子
４７，５１  表示装置
７０、７０Ａ，７０Ｂ  バッファメモリ
７３  アドレス対応テーブル
７４  補間演算部
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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