(57)【要約】【課題】表面に光透過性の膜が形成された試料に対する合焦動作を速くすること。【解決手段】試料台１をステップ下降させたときに順次撮像される各画像データの各コントラスト値ｃ１０、ｃ１１、ｃ１２と予め設定された閾値Ｔｈとを比較し、各コントラスト値ｃ１０、ｃ１１、ｃ１２が閾値Ｔｈを下回っていれば、試料台１を第１のピッチ間隔幅Ｈａでステップ下降し、コントラスト値ｃ１３が閾値Ｔｈを上回ると、試料台１を第１のピッチ間隔幅Ｈａよりも狭い第２のピッチ間隔幅Ｈｂに切替えてステップ下降し、コントラスト値がピークを越えると、試料台１を第２のピッチ間隔幅Ｈｂでステップ上昇させてピークのコントラスト値ｃ１５を得たときの高さ位置に戻す。【選択図】      図１
2005274784.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料を載置した試料台と、
前記試料の観察像を得る観察光学系と、
前記試料台と前記観察光学系との間隔を間欠運動させて相対的に変化させる移動駆動部と、
前記観察光学系により得られた前記観察像を撮像する撮像装置と、
前記撮像装置の撮像により取得された前記観察像の画像データのコントラスト値を演算し求めるコントラスト演算部と、
前記コントラスト演算部により求められた前記コントラスト値と予め設定された閾値とを比較し、前記コントラスト値が前記閾値を下回っていれば、前記移動駆動部による前記試料台と前記観察光学系との間隔を間欠運動させるときのピッチ間隔を第１のピッチ間隔幅に制御し、前記コントラスト値が前記閾値を上回っていれば、前記ピッチ間隔を前記第１のピッチ間隔幅よりも狭い第２のピッチ間隔幅に制御するピッチ可変制御部と、
前記試料台と前記観察光学系との間隔を前記第２のピッチ間隔幅で間欠運動させる毎に、前記コントラスト演算部により求められる前記コントラスト値がピーク値を越えると、前記移動駆動部を制御して前記ピーク値を得た前記試料台と前記観察光学系との間隔に戻して前記観察光学系により合焦の前記観察像を得る合焦制御部と、
を具備したことを特徴とする画像処理装置。
【請求項２】
前記ピッチ可変制御部は、前記第２のピッチ間隔幅を前記観察光学系の被写界深度の２〜３倍に設定することを特徴とする請求項１記載の画像処理装置。
【請求項３】
前記コントラスト演算部により求められた前記コントラスト値が合焦範囲を超えても前記閾値を上回らなければ、前記合焦制御部は、前記試料台と前記観察光学系との間隔の間欠運動方向を反転し、前記試料台と前記観察光学系との間隔を前記第２のピッチ間隔で間欠運動させる毎に前記コントラスト演算部により求められる前記コントラスト値が最大値になると、当該最大値を得た前記試料台と前記観察光学系との間隔に戻して前記観察光学系により合焦の前記観察像を得ることを特徴とする請求項１記載の画像処理装置。
【請求項４】
試料を載置した試料台と、
前記試料の観察像を得る観察光学系と、
前記試料台と前記観察光学系との間隔を相対的に定速度で連続的に変化させる移動駆動部と、
前記観察光学系により得られた前記観察像を一定のタイミング毎に撮像する撮像装置と、
前記撮像装置の撮像により取得された前記観察像の画像データを記憶する記憶部と、
前記撮像装置の撮像により取得された前記観察像の画像データのコントラスト値を演算し求めるコントラスト演算部と、
前記コントラスト演算部により求められた前記コントラスト値と予め設定された閾値とを比較し、前記コントラスト値が前記閾値を下回っていれば、前記移動駆動部による前記試料台と前記観察光学系との間隔を連続的に変化させる速度を第１の速度に制御し、前記コントラスト値が前記閾値を上回っていれば、前記速度を前記第１の速度よりも遅い第２の速度に制御する速度可変制御部と、
前記試料台と前記観察光学系との間隔を前記第２の速度で連続的に変化させている状態で、前記コントラスト演算部により求められる前記コントラスト値がピーク値を越えると、当該ピーク値を得た前記試料台と前記観察光学系との間隔のときの前記画像データを合焦画像として前記記憶部から読み出す合焦画像読出部と、
を具備したことを特徴とする画像処理装置。
【請求項５】
前記試料台と前記観察光学系との間隔が予め設定された折返し距離に到達しても前記コントラスト値が前記閾値を上回らなければ、前記合焦画像読出部は、前記試料台と前記観察光学系との間隔の変化方向を反転し、前記試料台と前記観察光学系との間隔を前記第２の速度で変化させて前記コントラスト演算部により求められる前記コントラスト値が最大値を得た前記試料台と前記観察光学系との間隔のときの前記画像データを合焦画像として前記記憶部から読み出すことを特徴とする請求項４記載の画像処理装置。
【請求項６】
前記折返し距離は、前記観察光学系の被写界深度の１０〜２０倍に設定することを特徴とする請求項５記載の画像処理装置。
【請求項７】
前記試料は、表面に光透過性の膜が形成されたことを特徴とする請求項１又は４記載の画像処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば半導体ウエハや液晶ディスブレイのガラス基板などの試料を顕微鏡等の観察光学系を通して観察するときの合焦画像の取得時間の短縮化を図った画像処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図９は画像処理装置における観察光学系の構成図である。試料台１上には、半導体ウエハ等の試料２が載置されている。この試料２の表面３上には、光透過性の保護膜４が形成されている。試料台１の上方には、顕微鏡５の対物レンズ６が設けられている。なお、対物レンズ６からの観察光は、途中の図示を省略するが接眼レンズ７に導かれる。
【０００３】
試料２の表面３を観察するときは、試料台１を対物レンズ６を通る光軸Ｐと同一方向に上下移動させて、試料２の表面３を対物レンズ６を有する観察光学系の焦点面Ｆに一致させる。このような合焦動作をオートフォーカス機構によって行うと、図１０に示すように対物レンズ６を有する観察光学系の焦点面Ｆが保護膜４の表面上に一致してしまうことがある。
【０００４】
このような問題を解決するために、特許文献１及び２には、保護膜４を表面３上に形成した試料２でも、その表面３上に合焦させるために、画像データのコントランス値を求め、このコントランス値に基づいて試料台１を位置決めする技術が記載されている。
【０００５】
特許文献１には、図１１のＦ１〜Ｆ３に示すように試料台１を間欠運動により所定ピッチ毎に下降させ、かつ図１２に示すように試料台１の間欠運動のピッチ間隔毎の撮像タイミングで対物レンズ６を通して試料２を撮像する。この試料２の撮像タイミングは、試料台１の間欠運動により試料台１が停止する毎の各時刻ｔ１、ｔ２、…、ｔ１０毎に行なわれ、これら撮像により各画像データが取得される。そして、これら画像データ毎にそれぞれ各コントラスト値ｃ１、ｃ２、…、ｃ１０が求められる。
【０００６】
これらコントラスト値は、対物レンズ６を有する観察光学系の焦点面Ｆが試料２の表面に一致していれば、画像が鮮明となり、試料２の表面の輪郭が明瞭に現れることから、高い値になる。従って、コントラスト値は、図１２に示すように試料台１の間欠運動が進むにつれて高くなり、合焦位置となる時刻ｔ９でピークとなり、その後小さくなる。しかるに、ピーク値を示した時刻ｔ９おいて試料台１と対物レンズ６との間隔のときが、対物レンズ６を有する観察光学系の焦点面Ｆが試料２の表面に一致したときとなる。これにより、試料台１が時刻ｔ９での試料台１と対物レンズ６との間隔に戻すことにより、合焦動作が完了することが記載されている。
【０００７】
特許文献２には、図１３に示すように試料台１を一定の速度で連続的に下降し、かつ一定のタイミング毎に対物レンズ６を通して試料２を撮像してその各画像データを記憶する。そして、これら画像データ毎にそれぞれ各コントラスト値ｃ１、ｃ２、…、ｃ１０を求め、これらコントラスト値ｃ１、ｃ２、…、ｃ１０がピークを越えると、ピーク値を示したときのコントラスト値ｃ９の画像データを読み出して合焦画像データとして表示されたり、使用されることが記載されている。このようにピーク値を示したときの画像データを読み出すので、試料台１を戻す動作が不要になり、特許文献１よりも合焦画像を取得する時間を短くできる。
【特許文献１】特開平１０−４８５１２号公報
【特許文献２】特開２００１−５９９３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１は、試料台１を間欠運動により所定ピッチ毎に下降させる毎に試料２を撮像し、これら撮像により取得された各画像データ毎にコントラスト値ｃ１、ｃ２、…、ｃ１０を求める演算を繰り返すために、演算処理の負担が重く、合焦画像を取得するまでの動作が遅くなる。
【０００９】
特許文献２では、試料台１と観察光学系の焦点面Ｆとが離れていると、合焦動作の開始時にはコントラスト値の低い画像データを取得し続け、試料２が焦点面Ｆにある程度近付いてから合焦判定に必要なコントラスト値の高い画像データを取得できるようになる。このため、試料台１と観察光学系の焦点面Ｆとが離れている場合には、合焦判定に必要なコントラスト値の高い画像データを取得できるまでに時間がかかり、合焦動作が遅くなる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、試料を載置した試料台と、試料の観察像を得る観察光学系と、試料台と観察光学系との間隔を間欠運動させて相対的に変化させる移動駆動部と、観察光学系により得られた観察像を撮像する撮像装置と、撮像装置の撮像により取得された観察像の画像データのコントラスト値を演算し求めるコントラスト演算部と、コントラスト演算部により求められたコントラスト値と予め設定された閾値とを比較し、コントラスト値が閾値を下回っていれば、移動駆動部による試料台と観察光学系との間隔を間欠運動させるときのピッチ間隔を第１のピッチ間隔幅に制御し、コントラスト値が閾値を上回っていれば、ピッチ間隔を第１のピッチ間隔幅よりも狭い第２のピッチ間隔幅に制御するピッチ可変制御部と、試料台と観察光学系との間隔を第２のピッチ間隔幅で間欠運動させる毎に、コントラスト演算部により求められるコントラスト値がピーク値を越えると、移動駆動部を制御してピーク値を得た試料台と観察光学系との間隔に戻して観察光学系により合焦の観察像を得る合焦制御部とを具備した画像処理装置である。
【００１１】
本発明は、試料を載置した試料台と、試料の観察像を得る観察光学系と、試料台と観察光学系との間隔を相対的に定速度で連続的に変化させる移動駆動部と、観察光学系により得られた観察像を一定のタイミング毎に撮像する撮像装置と、撮像装置の撮像により取得された観察像の画像データを記憶する記憶部と、撮像装置の撮像により取得された観察像の画像データのコントラスト値を演算し求めるコントラスト演算部と、コントラスト演算部により求められたコントラスト値と予め設定された閾値とを比較し、コントラスト値が閾値を下回っていれば、移動駆動部による試料台と観察光学系との間隔を連続的に変化させる速度を第１の速度に制御し、コントラスト値が閾値を上回っていれば、速度を第１の速度よりも遅い第２の速度に制御する速度可変制御部と、試料台と観察光学系との間隔を第２の速度で連続的に変化させている状態で、コントラスト演算部により求められるコントラスト値がピーク値を越えると、当該ピーク値を得た試料台と観察光学系との間隔のときの画像データを合焦画像として記憶部から読み出す合焦画像読出部とを具備した画像処理装置である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、表面に光透過性の膜が形成された試料に対する合焦動作の速い画像処理装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の第１の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、図９と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明は省略する。
【００１４】
図１は画像処理装置の構成図である。試料台１には、移動機構１０が設けられている。この移動機構１０は、合焦動作時に、試料台１を対物レンズ６を通る光軸Ｐと同一方向（Ｚ方向）にピッチ間隔毎に移動させる、本実施の形態では、下降させる間欠運動を行わせる。この移動機構１０は、例えばモータ１１の軸にボールネジ１２を連結し、このボールネジ１２に螺合する摺動体１３を試料台１に設けた構成である。モータ１１は、モータ駆動部１４によって回転駆動する。
【００１５】
対物レンズ６を通る光軸Ｐ上には、ＣＣＤ等の撮像装置１５が設けられている。この撮像装置１５は、対物レンズ６を有する観察光学系により得られた試料２の観察像を撮像してその画像信号を出力する。
【００１６】
画像取り込み部１６は、撮像装置１５から出力された画像信号を取り込んでその画像データをファイル化する。これらファイル化された画像データは、制御部１７の制御によって記憶部１８に記憶される。なお、マルチスレッドにすると、コントラスト計算を別スレッドで計算させることができるので、高速化することができる。
【００１７】
画像処理部（コントラスト演算部）１９は、記憶部１８に順次記憶される各画像データを読み出し、これら画像データに対して例えば図３に示すように画像データＤを斜め方向に横切るラインＬ上の輝度値を読み取り、これら輝度値からコントラスト値を演算し求める。
【００１８】
試料２として例えば半導体ウエハや液晶ディスプレイのガラス基板などでは、その表面上に格子状の規則的なパターンが形成されている。このような格子状パターンに対して当該パターン方向と同一方向の各輝度値を読み取ってコントラスト値を求めても、そのコントラスト値は、画像データＤ全体のコントラスト値を表わさないため、画像データＤに対して斜め方向に横切るラインＬ上の輝度値を読み取ることにより画像データＤ全体のコントラスト値を求める。なお、画像データＤ全体のコントラスト値は、斜め方向のラインＬ上の輝度値を読み取るに限らず、互いに交差する斜め方向の２本のラインＬ上の輝度値を読み取ってもよく、画像データＤ中の４隅の各領域内における輝度値を読み取ってもよい。
【００１９】
制御部１７は、画像処理部１９により順次求められる各コントラスト値に基づいて試料台１を昇降させるときのピッチ間隔を制御するもので、ピッチ可変制御部２０と、合焦制御部２１とを有する。
【００２０】
ピッチ可変制御部２０は、画像処理部１９により順次求められる各コントラスト値と予め設定された閾値Ｔｈとを比較し、コントラスト値が閾値Ｔｈを下回っていれば、図４に示すように試料台１をステップ下降させるときのピッチ間隔を粗くした第１のピッチ間隔幅Ｈａに制御する指令をモータ駆動部１４に発し、コントラスト値が閾値Ｔｈを上回っていれば、ピッチ間隔を第１のピッチ間隔幅Ｈａよりも狭い第２のピッチ間隔幅Ｈｂに制御する指令をモータ駆動部１４に発する。この第２のピッチ間隔幅Ｈｂは、例えば対物レンズ６を有する観察光学系の被写界深度程度以内に設定するのが好適である。
【００２１】
合焦制御部２１は、試料台１を第２のピッチ間隔幅Ｈｂでステップ下降させる毎に、画像処理部１９により順次求められる各コントラスト値がピーク値を越えると、モータ駆動部１４に対して逆転の指令を発し、試料台１を第２のピッチ間隔幅Ｈｂでステップ上昇させてコントラスト値がピーク値を得たときの試料台１の高さ位置に戻す。
【００２２】
次に、上記の如く構成された装置の合焦動作について説明する。
【００２３】
合焦動作の開始時、試料台１は、上昇し、対物レンズ６に対して接近されている。従って、合焦動作では、試料台１を下降させて対物レンズ６から遠ざける。これにより、試料台１を上昇させたときに対物レンズ６が試料台１に当接するのを予め回避できる。
【００２４】
ピッチ可変制御部２０は、図４に示すように粗い第１のピッチ間隔幅Ｈａで試料台１を下降させる指令をモータ駆動部１４に発する。この指令を受けたモータ駆動部１４は、第１のピッチ間隔幅Ｈａに対応する期間だけモータ１１を回転駆動し、これら回転駆動の後に所定の停止期間Ｓだけモータ１１を停止する間欠運動を行わせる。これにより、モータ１１が各時刻ｔ１０、ｔ１１、ｔ１２毎に第１のピッチ間隔幅Ｈａに対応する期間だけ回転駆動すると、この回転によりボールネジ１２が回転することにより、このボールネジ１２に螺合する摺動体１３を介して試料台１が第１のピッチ間隔幅Ｈａでステップ下降する。
【００２５】
試料台１がステップ下降する毎の各停止期間Ｓになると、撮像装置１５は、対物レンズ６を有する観察光学系により得られた試料２の観察像を撮像してその画像信号を出力する。
【００２６】
画像取り込み部１６は、一例として画像処理機能付のコンピュータのインタフェースボードなどが考えられ、撮像装置１５から出力される画像信号を取り込んでその画像データをファイル化する。これら画像データは、制御部１７の制御によってコンピュータのハードディスクなどの記憶部１８に記憶される。なお、撮像装置１５が常時、試料２の観察像を撮像してその画像信号を出力するものであれば、画像処理部１９は、間欠運動の各停止期間Ｓ毎に撮像装置１５からの画像信号を取り込んでファイル化する。
【００２７】
画像処理部１９は、図２に示す合焦動作フローチャートに従って動作する。画像処理部１９は、ステップ＃１において、上記の如く撮像装置１５から出力される画像信号を取り込んでその画像データをファイル化し、記憶部１８に記憶する。
【００２８】
画像処理部１９は、ステップ＃２において、記憶部１８に順次記憶される各画像データを読み出し、これら画像データの各コントラスト値ｃ１０、ｃ１１、ｃ１２を順次演算し求め、ステップ＃３において、各コントラスト値ｃ１０、ｃ１１、ｃ１２（＝ｃｔ）や対物レンズ６と試料台１との距離ｈｔ、時刻ｔ１０、ｔ１１、ｔ１２などのデータを記憶部１８に記憶する。
【００２９】
ピッチ可変制御部２０は、ステップ＃４において、画像処理部１９により順次求められる各コントラスト値ｃ１０、ｃ１１、ｃ１２と予め設定された閾値Ｔｈとを比較する。この比較の結果、各コントラスト値ｃ１０、ｃ１１、ｃ１２が閾値Ｔｈを下回っていれば、ピッチ可変制御部２０は、ステップ＃５において、図４に示すように試料台１をステップ下降させるときのピッチ間隔を第１のピッチ間隔幅Ｈａに維持する。
【００３０】
このように第１のピッチ間隔幅Ｈａで試料台１が順次ステップ下降し、例えば時刻ｔ１３において画像取り込み部１６により取り込んだ画像データのコントラスト値ｃ１３が閾値Ｔｈを上回ると、ピッチ可変制御部２０は、ステップ＃６において、ピッチ間隔を第１のピッチ間隔幅Ｈａよりも狭い第２のピッチ間隔幅Ｈｂに切替え制御する指令をモータ駆動部１４に発する。これにより、試料台１は、各時刻ｔ１３、ｔ１４、…、ｔ１６毎に例えば対物レンズ６を有する観察光学系の被写界深度の２〜３倍の範囲内の第２のピッチ間隔幅Ｈｂでステップ下降する。
【００３１】
試料台１が第２のピッチ間隔幅Ｈｂに切り替えられてステップ下降する状態でも、画像処理部１９は、撮像装置１５の撮像により取得された各画像データの各コントラスト値ｃ１３、ｃ１４、…、ｃ１６を順次演算し求める。
【００３２】
試料台１が第２のピッチ間隔幅Ｈｂで順次ステップ下降すると、撮像装置１５により撮像される画像は、図５（ａ）に示すような不鮮明な状態から、対物レンズ６を有する観察光学系の焦点面Ｆが試料２の表面に一致すると、同図（ｂ）に示すような試料２の表面の輪郭が明瞭に現れる鮮明な状態になり、再び同図（ｃ）に示すような不鮮明な状態になる。これにより、観察光学系の焦点面Ｆが試料２の表面に一致したときのコントラスト値がピーク値となる。ここで、図４に示すように試料台１を第２のピッチ間隔幅Ｈｂでステップ下降させたときの各コントラスト値ｃ１３、ｃ１４、…、ｃ１６は、コントラスト値ｃ１３、ｃ１４、ｃ１５と順次高くなり、コントラスト値ｃ１６で低下している。
【００３３】
合焦制御部２１は、ステップ＃８において、画像処理部１９により順次求められる各コントラスト値ｃ１３、ｃ１４、…、ｃ１６同士を順次比較して大きいコントラスト値ｃ１５をピーク値として記憶すると共に、コントラストのピーク値ｃ１５、すなわち合焦位置を越えたものと判断する。そして、合焦制御部２１は、ステップ＃９において、ピーク値のコントラスト値ｃ１５を越えた時刻ｔ１６においてモータ駆動部１４に対して逆転の指令を発し、試料台１を第２のピッチ間隔幅Ｈｂでステップ上昇させて、ピークのコントラスト値ｃ１５を得たときの高さ位置に試料台１を戻す。この結果、時刻ｔ１７で対物レンズ６を有する観察光学系の焦点面Ｆは、試料２の表面に一致して合焦動作が完了する。
【００３４】
このように上記第１の実施の形態によれば、試料台１をステップ下降させたときに順次撮像される各画像データの各コントラスト値ｃ１０、ｃ１１、ｃ１２と予め設定された閾値Ｔｈとを比較し、各コントラスト値ｃ１０、ｃ１１、ｃ１２が閾値Ｔｈを下回っていれば、試料台１を第１のピッチ間隔幅Ｈａでステップ下降し、コントラスト値ｃ１３が閾値Ｔｈを上回ると、試料台１を第１のピッチ間隔幅Ｈａよりも狭い第２のピッチ間隔幅Ｈｂに切替えてステップ下降し、コントラスト値がピークを越えると、試料台１を第２のピッチ間隔幅Ｈｂでステップ上昇させてピークのコントラスト値ｃ１５を得たときの高さ位置に戻す。
【００３５】
これにより、対物レンズ６を有する観察光学系の焦点面Ｆを、保護膜４の形成された試料２の表面上に対して一致させる合焦動作の時間を速くできる。例えば、図４に示すように合焦動作を時刻ｔ１７において完了することができ、従来での合焦完了時刻ｔ１８よりも時間ｔｇだけ短縮できる。
【００３６】
又、例えば対物レンズ６を有する観察光学系の被写界深度内又は被写界深度数倍、例えば２〜３倍の範囲内で少なくともピーク値を含む３点のコントラスト値を求める第２のピッチ間隔幅Ｈｂでステップ下降させて合焦動作させるので、被写界深度の狭い対物レンズ６を用いても合焦動作ができ、かつ精細な画像を取得したい場合でも、高精度に合焦動作ができてその合焦画像を取得できる。
【００３７】
さらに、対物レンズ６を有する観察光学系の焦点面Ｆと試料２との間隔が離れている状態から合焦動作させても、従来の技術に比べ短時間で合焦画像を得ることができる。
【００３８】
次に、本発明の第２の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、図１と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明は省略する。
【００３９】
図６は画像処理装置の構成図である。この画像処理装置の上記第１の実施の形態と相違するところは、モータ駆動部１４は、モータ１１に対して定速度で連続的に下降させる指令を発する。
【００４０】
撮像装置１５は、対物レンズ６を有する観察光学系により得られた試料２の観察像を一定のタイミング毎に撮像してその画像信号を出力する。なお、画像取り込み部１６により撮像装置１５から連続して出力される動画の画像信号を一定のタイミング毎に取り込んでもよい。
【００４１】
制御部１７は、画像処理部１９により順次求められる各コントラスト値に基づいて試料台１を昇降させるときの速度を制御するもので、速度可変制御部２２と、合焦画像読出部２３とを有する。
【００４２】
速度可変制御部２２は、画像処理部１９により順次求められたコントラスト値と予め設定された閾値Ｔｈとを比較し、コントラスト値が閾値Ｔｈを下回っていれば、モータ駆動部１４に対して試料台１の下降速度を通常よりも速い第１の速度ｖ１に制御する指令を発し、コントラスト値が閾値Ｔｈを上回っていれば、試料台１の下降速度を第１の速度ｖ１よりも遅い第２の速度ｖ２に変速する指令を発する。
【００４３】
合焦画像読出部２３は、試料台１を第２の速度で連続的に下降させている状態で、画像処理部１９により順次求められるコントラスト値がピーク値を越えると、当該ピーク値を得た試料台１の高さ位置のときの画像データを合焦画像として記憶部１８から読み出してディスプレイ等に表示出力する。
【００４４】
次に、上記の如く構成された装置の合焦動作について説明する。
【００４５】
合焦動作の開始時、速度可変制御部２２は、図７に示すように通常よりも速い第１の速度ｖ１で試料台１を連続的に下降させる指令をモータ駆動部１４に発する。これにより、試料台１は、通常よりも速い第１の速度ｖ１で連続的に下降する。このとき、撮像装置１５は、対物レンズ６を有する観察光学系により得られた試料２の観察像を一定のタイミング毎に撮像してその画像信号を出力する。画像取り込み部１６は、撮像装置１５からの画像信号を取り込んでその画像データをファイル化して記憶部１８に記憶する。画像処理部１９は、記憶部１８に順次記憶される各画像データを読み出し、これら画像データの各コントラスト値ｃ２０、ｃ２１、ｃ２２を順次演算し求める。
【００４６】
このとき各コントラスト値ｃ２０、ｃ２１、ｃ２２は、予め設定された閾値Ｔｈを下回っているので、速度可変制御部２２は、図７に示すようにモータ駆動部１４に対して試料台１の下降速度を通常よりも速い第１の速度ｖ１に制御維持する。そして、これらコントラスト値ｃ２０、ｃ２１、ｃ２２を求めるときの試料台１の各高さ位置の間隔は、試料台１が通常よりも速い第１の速度ｖ１で連続的に下降するので、広くなる。
【００４７】
試料台１の下降が進んで例えば時刻ｔ２３において画像取り込み部１６により取り込んだ画像データのコントラスト値ｃ２３が閾値Ｔｈを上回ると、速度可変制御部２２は、図６に示すようにモータ駆動部１４に対して試料台１の下降速度を第１の速度ｖ１よりも遅い第２の速度ｖ２に変速する指令を発する。
【００４８】
これ以降も、撮像装置１５は、対物レンズ６を有する観察光学系により得られた試料２の観察像を一定のタイミング毎に撮像するので、画像処理部１９は、記憶部１８に順次記憶される各画像データの各コントラスト値ｃ２４、ｃ２５、ｃ２６を順次演算し求める。このとき、各コントラスト値ｃ２４、ｃ２５、ｃ２６を求めるときの試料台１の各高さ位置の間隔は、試料台１が第１の速度ｖ１よりも遅い第２の速度ｖ２で連続的に下降するので、狭くなる。そして、この試料台１の各高さ位置の間隔は、対物レンズ６を有する観察光学系の被写界深度以内に設定される。
【００４９】
合焦制御部２１は、画像処理部１９により順次求められる各コントラスト値ｃ２４、ｃ２５、ｃ２６同士を順次比較して最も大きいコントラスト値ｃ２５をピーク値として判断すると、このときに対物レンズ６を有する観察光学系の焦点面Ｆが試料２の表面に一致したと判断し、当該ピーチ値を得た時刻ｔ２５のときにおける試料台１の高さ位置のときの画像データを合焦画像として記憶部１８から読み出してディスプレイ等に表示出力する。
【００５０】
このように上記第２の実施の形態によれば、試料台１を連続的に下降させたときに順次撮像される各画像データのコントラスト値が閾値Ｔｈを下回っていれば、試料台１の下降速度を通常よりも速い第１の速度ｖ１に制御し、コントラスト値が閾値Ｔｈを上回っていれば、試料台１の下降速度を第１の速度ｖ１よりも遅い第２の速度ｖ２に変速し、コントラスト値のピーク値を得た試料台１の高さ位置のときの画像データを合焦画像として記憶部１８から読み出してディスプレイ等に表示出力する。
【００５１】
これにより、対物レンズ６を有する観察光学系の焦点面Ｆを、保護膜４の形成された試料２の表面上に対して一致させる合焦動作の時間を、例えば、図７に示すように従来の合焦完了時刻ｔ２８からよりも時間ｔｈだけ短縮した時刻ｔ２５において完了でき、対物レンズ６を有する観察光学系の焦点面Ｆと試料２との間隔が離れている状態からでも合焦動作させるまでの時間を短縮できる。
【００５２】
又、試料台１を比較的遅い第２の速度ｖ２で下降させたときの各コントラスト値を求める試料台１の各高さ位置の間隔を、対物レンズ６を有する観察光学系の被写界深度以内に設定するので、高精度に合焦動作できて、精細な画像を取得できる。
【００５３】
さらに、コントラスト値のピーク値を得たときの画像データを記憶部１８から読み出してディスプレイ等に表示出力するので、試料台１を戻す動作を行う必要がなく、その分だけ合焦画像を得るまでの時間を短縮できる。
【００５４】
次に、本発明の第３の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、図１及び図６と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明は省略する。
【００５５】
画像処理部１９により順次求められる各画像データの各コントラスト値が低い試料２の場合、対物レンズ６を有する観察光学系の合焦面Ｆの付近でも各コントラスト値が閾値Ｔｈを越えない場合がある。
【００５６】
この場合に対処するために、図１に示す画像処理装置では、合焦制御部２１に図８に示すような試料台１の折り返し距離Ｌｒを設定する。この折り返し距離Ｌｒは、対物レンズ６を有する観察光学系の被写界深度の略１０〜２０倍に設定する。
【００５７】
合焦制御部２１は、試料台１をステップ下降させて順次求められた各コントラスト値が折り返し距離Ｌｒを超えても閾値Ｔｈを上回らなければ、試料台１のステップ下降を停止して間欠運動方向を反転し、試料台１を第２のピッチ間隔Ｈｂでステップ上昇させる。そして、合焦制御部２１は、各コントラスト値が最大値なると、当該最大値を得た試料台１の高さ位置を合焦位置と判定する。この場合、合焦制御部２１は、順次求められる各コントラスト値同士を順次比較して大きいコントラスト値をピーク値として記憶し、当該ピーク値すなわち合焦位置を越えたものと判断すると、再度モータ駆動部１４に対して逆転の指令を発し、試料台１をピークのコントラスト値を得たときの高さ位置に試料台１を戻す。
【００５８】
一方、図６に示す画像処理装置では、図１に示す画像処理装置と同様に、合焦制御部２１に試料台１の折り返し距離Ｌｒを設定する。
【００５９】
合焦画像読出部２３は、試料台１を連続的に下降させて順次求められた各コントラスト値が折り返し距離Ｌｒを超えても閾値Ｔｈを上回らなければ、試料台２の連続的な下降を停止し、試料台２の移動方向を反転して比較的遅い第２の速度ｖ２で連続的に上昇させる。そして、合焦画像読出部２３は、各コントラスト値が最大値なると、当該最大値を得た試料台１の高さ位置を合焦位置と判定し、このときの画像データを合焦画像として記憶部１８から読み出す。
【００６０】
このように上記第３の実施の形態によれば、画像データのコントラスト値が低い特殊な試料２であって、コントラスト値が閾値Ｔｈを越えなくても、小さな第２のピッチ間隔Ｈａで確実に合焦のピーク点を検出して、対物レンズ６を有する観察光学系の被写界深度以内に高精度に合焦動作できて、精細な画像を取得できる。
【００６１】
なお、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。
【００６２】
上記第１及び第２の実施の形態では、試料台１をステップ下降させたり、連続的に下降させているが、対物レンズ６を有する観察光学系をステップ上昇させたり、連続的に上昇させてもよい。この場合、観察光学系を上昇させたときにコントラスト値のピークが現れるように、対物レンズ６を下降させて試料台１に接近させた高さ位置から上昇させる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明に係る画像処理装置の第１の実施の形態を示す構成図。
【図２】同装置における合焦動作フローチャート。
【図３】同装置における画像処理部によりコントラスト値を求めるために輝度値を読み取る画像データ上のラインを示す模式図。
【図４】同装置において試料台を間欠運動させたときの試料の撮像タイミングを示す図。
【図５】同装置によりステップ降下させたときに撮像される各画像の鮮明状態を示す模式図。
【図６】本発明に係る画像処理装置の第２の実施の形態を示す構成図。
【図７】同装置において試料台を定速度で連続的に下降させたときの試料の撮像タイミングを示す図。
【図８】本発明に係る画像処理装置の第３の実施の形態における試料台の折り返し距離を示す図。
【図９】従来の画像処理装置における観察光学系の構成図。
【図１０】従来の画像処理装置による対物レンズを有する観察光学系の焦点面を試料面上の保護膜上に一致する不具合を示す図。
【図１１】従来の画像処理装置による試料台の間欠運動を示す図。
【図１２】従来の画像処理装置による間欠運動させたときの試料の撮像タイミングを示す図。
【図１３】従来の画像処理装置による試料台を一定の速度で連続的に下降させたときの試料の撮像タイミングを示す図。
【符号の説明】
【００６４】
１：試料台、２：試料、３：試料表面、４：保護膜、５：顕微鏡、６：対物レンズ、７：接眼レンズ、１０：移動機構、１１：モータ、１２：ボールネジ、１３：摺動体、１４：モータ駆動部、１５：撮像装置、１６：画像取り込み部、１７：制御部、１８：記憶部、１９：画像処理部（コントラスト演算部）、２０：ピッチ可変制御部、２１：合焦制御部、２２：速度可変制御部、２３：合焦画像読出部。
【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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【図１２】
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【図１３】
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