(57)【要約】【課題】  装置の大型化やコストの上昇を抑えつつ、黒つぶれのない明るい焦点深度拡大画像が迅速に得られる結像光学装置を提供する。【解決手段】  結像光学系の光路内に挿入された色収差光学素子１０は、光軸方向の色収差を発生させる。これにより、色収差光学素子１０から対物レンズ３に入射した光は、波長毎に異なる深さの標本面Ｓに集光する。ＣＣＤ５上には、それぞれ異なる位置で集光する光が、対物レンズ３、色収差光学素子１０、ハーフミラー２、および結像レンズ４を介して結像する。その結果、標本面Ｓの異なる深さの像を加算し焦点深度を拡大された加算画像が１度に撮像される。画像処理部６は、その画像に対し、劣化した中間域成分を強調するため空間周波数フィルタ処理を行い、像を鮮明化する。行う。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体の像を形成する結像光学系を備えた結像光学装置において、
前記結像光学系の光路内に配置され、該光路方向の色収差を発生させる光学手段と、
前記光学手段により発生する色収差によって形成された焦点深度が拡大された像に対し、空間周波数フィルタ処理を行うフィルタリング手段と、
を具備することを特徴とする結像光学装置。
【請求項２】
前記光学手段が光路内に配置された結像光学系は、前記像の形成に寄与する各波長の光が各焦点位置前後で示す波面収差に対し、該焦点位置を基準に対称性を与えるものである、
ことを特徴とする請求項１記載の結像光学装置。
【請求項３】
前記光学手段が光路内に配置された結像光学系は、該光路に対し垂直な方向の色収差について補正されている、
ことを特徴とする請求項２記載の結像光学装置。
【請求項４】
前記光学手段は、前記結像光学系の瞳位置、その共役位置、或いはそれらの近傍に配置される、
ことを特徴とする請求項１記載の結像光学装置。
【請求項５】
前記光学手段は、前記結像光学系から挿脱可能であり、該光学手段を用いた焦点深度拡大像と該光学手段を用いない像を選択して切り替えられる、
ことを特徴とする請求項１記載の結像光学装置。
【請求項６】
前記フィルタリング手段は、前記結像光学系で用いられる光に対して光学的な振幅変化を発生させる光学フィルタである、
ことを特徴とする請求項１記載の結像光学装置。
【請求項７】
前記フィルタリング手段は、前記光学手段と一体化されている、
ことを特徴とする請求項１記載の結像光学装置。
【請求項８】
前記一体化された前記フィルタリング手段、及び前記光学手段は、前記結像光学系から挿脱可能であり、該フィルタリング手段、及び該光学手段を用いた焦点深度拡大像と、該フィルタリング手段、及び該光学手段を用いないで得られた像を選択して切り替えられる、
ことを特徴とする請求項７記載の結像光学装置。
【請求項９】
物体の像を形成する結像光学系の光路内に配置される光学ユニットであって、
光軸方向の色収差を発生させる光学手段と、
前記結像光学系で用いられる光に対して光学的な振幅変化を発生させる光学フィルタと、
を具備することを特徴とする光学ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、焦点深度を拡大した物体像を形成するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
結像光学系により物体の像を形成する結像光学装置は、光学顕微鏡装置などとして広く用いられている。これらの結像光学装置は、例えば半導体ウェハの微細なパターンを検査する用途などに用いられ、不可欠のものとなっている。
【０００３】
上記のような微細パターンの撮像は、その微細さゆえに高分解能（高解像度）が要求されるが、一方、パターンの構造によっては、高分解能（高解像度）を保ったまま深い焦点深度を持つことが要求される。しかし、光学的な高分解能と焦点深度は、分解能を高くするほど焦点深度は浅くなるという関係にあり、この関係を示す一般的な式も周知である。そのような背景から、高い分解能を維持させつつ、焦点深度の深い像を得るという、相反する要求が強まっている。
【０００４】
それを実現させた従来の結像光学装置としては、例えば特許文献１、非特許文献１にそれぞれ記載されたものがある。特許文献１に記載された従来の結像光学装置（共焦点顕微鏡装置）では、縦色収差（光軸方向の色収差）を発生させる付加光学系を結像光学系に搭載し、物体の高さ情報を波長つまり色に置き換えて観察する装置が提案されている。ここでは、ニプコー（Nipkow）円板として知られる開口部を設けたディスクを回転させる共焦点顕微鏡において、光路内に上記付加光学系を配置することにより、物体からの反射光のうち、波長ごとに異なる焦点位置からの反射光成分のみが、円板の開口部を通過するようにしている。これにより深さのある物体の構造を色で示し、像内すべてに焦点の合った、焦点深度拡大画像を得ている。
【０００５】
非特許文献１には、従来のホイスラー式の焦点深度拡大方法について記述されている。ホイスラー式の焦点深度拡大方法について、図６の構造図を用いて説明する。これは、焦点の合っていない、いわゆるデフォーカス像を含んだ加算画像を形成し、次に加算画像に画像処理を施すことで焦点深度を拡大させるものである。
【０００６】
図６において、光源７１から出射された光は、ハーフミラー７２で反射され、対物レンズ７３を介して標本面ＳＭ上に集光する。その標本面ＳＭ上で反射した光は、対物レンズ７３、及びハーフミラー７２を介して結像レンズ７４に入射し、標本面ＳＭの像としてＣＣＤ７５上に結像する。この像は、ＣＣＤ７５によって電気信号に変換された画像となり、画像処理部７７に入力される。画像処理部７７で処理された画像は、モニタ７８に表示される。ここにおいて、対物レンズ７３、及び結像レンズ７４により結像光学系が構成されている。また、対物レンズ７３は、Ｚステージ７６に取り付けられており、光軸方向に移動可能である。
【０００７】
このような構成の結像光学装置において、焦点深度拡大の動作は次のようになる。
Ｚステージ７６の移動により、標本面ＳＭと対物レンズ７間の距離を順次変化させながら、ＣＣＤ７５による画像の取り込みが行われる。ＣＣＤ７５によって取り込まれた、焦点位置の異なる複数枚の画像は、画像処理部７７により加算され、これによって焦点深度が拡大された加算画像となる。さらに画像処理部７７では、空間周波数の中間域成分が劣化した加算画像に対し、これを強調する空間周波数フィルタ処理が施される。これにより、デフォーカス像を含んだ加算画像は、鮮明な画像に変換される。その結果、モニタ７８には、鮮明でかつ焦点深度が拡大された加算画像が表示されるのである。
【特許文献１】特開平１０−３１１６１号公報
【特許文献２】特開２００３−１３１１３８号公報
【非特許文献１】Vol.6 No.1, Sep.1972  OPTICS COMMUNICATIONS G.HAUSLER
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に記載された従来の結像光学装置では、開口部を設けた円板、及びその円板を回転させる機構を搭載しなければならず、装置が大型化してしまう。また、共焦点顕微鏡として良好なセクショニング効果が得られるような形状を持つ開口部では、光量ロスが大きく、反射率の低い物体では十分な反射光が得られないため、像が黒つぶれしてしまうという問題点があった。
【０００９】
図６に示すような構成の従来の結像光学装置では、Ｚステージ７６の移動に伴う複数回の撮像によって得た複数枚の画像の加算を行うことから、真直度の良いＺステージ７６が求められるが、そのようなＺステージ７６は高価であり、装置のコスト上昇につながっていた。また、撮像はＺステージ７６を移動させながら行うため、加算画像を得るまでに多くの時間を要していた。
【００１０】
これに対し、特許文献２に記載された従来の結像光学装置は、ホイスラー式の焦点深度拡大方法を利用して結像光学系に生じる球面収差の影響を除去しようとするものである。ここでは色収差を焦点移動平均に用いており、結果として球面収差とともに色収差も補正され、かつ付随的に焦点深度を拡大するものが提案されている。このように、特許文献２では、Ｚステージ７６の移動を無くし、色収差を用いて焦点移動平均を行おうとしているが、ここで言う色収差とは、当然のことながら光軸方向の色収差についてであり、光軸に対し垂直な方向の色収差が存在した場合には焦点深度拡大の効果が得られない。色収差補正を考慮していない光学系では、光軸方向の色収差とともに、光軸に対し垂直な方向の色収差も存在することは周知である。従って、装置の大型化を招くことなく光学系に存在する光軸方向の色収差をのみを実用的に利用することは、難しい。
【００１１】
本発明は上記問題点に鑑み、装置の大型化やコストの上昇を抑えつつ、焦点深度を拡大した、黒つぶれのない明るい画像を迅速に得られる結像光学装置を提供することを目的する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の結像光学装置は、物体の像を形成する結像光学系を備えていることを前提とし、結像光学系の光路内に配置され、該光路方向の色収差を発生させる光学手段と、光学手段により発生する色収差によって形成された焦点深度が拡大された像に対し、空間周波数フィルタ処理を行うフィルタリング手段と、を具備する。
【００１３】
なお、上記光学手段が光路内に配置された結像光学系は、像の形成に寄与する各波長の光が各焦点位置前後で示す波面収差に対し、該焦点位置を基準に対称性を与えることが望ましい。また、光学手段が光路内に配置された結像光学系は、該光路に対し垂直な方向の色収差について補正されていることが望ましい。また、光学手段は、結像光学系の瞳位置、その共役位置、或いはそれらの近傍に配置されることが望ましい。また、光学手段は、結像光学系から挿脱可能であり、該光学手段を用いた焦点深度拡大像と該光学手段を用いない像を選択して切り替えられるようになっていることが望ましい。また、フィルタリング手段は、結像光学系で用いられる光に対して光学的な振幅変化を発生させる光学フィルタであることが望ましい。さらに、フィルタリング手段は、光学手段と一体化されていることが望ましい。また、一体化されたフィルタリング手段、及び光学手段は、結像光学系から挿脱可能であり、該フィルタリング手段、及び該光学手段を用いた焦点深度拡大像と、該フィルタリング手段、及び該光学手段を用いないで得られた像を選択して切り替えられるようになっていることが望ましい。
【００１４】
本発明の光学ユニットは、物体の像を形成する結像光学系の光路内に配置されることを前提としたものであって、光軸方向の色収差を発生させる光学手段と、結像光学系で用いられる光に対して光学的な振幅変化を発生させる光学フィルタと、を具備する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、装置の大型化やコストの上昇を抑えつつ、焦点深度を拡大した、黒つぶれのない明るい画像を迅速に得られる結像光学装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について述べる。
＜第１の実施の形態＞
図１は、第１の実施の形態による結像光学装置の構成図である。
【００１７】
その結像光学装置は、図１に示すように、標本面Ｓを照明するための光源１と、その光源１から出射された光を反射するハーフミラー２と、ハーフミラー２からの光を透過する色収差光学素子１０と、この色収差光学素子１０を透過した光を標本面Ｓに集光する対物レンズ３と、対物レンズ３やハーフミラー２を介して標本面Ｓからの反射光が入射される結像レンズ４と、その結像レンズ４によって形成された像が入射されるＣＣＤ５と、ＣＣＤ５によって電気信号に変換された画像に対し処理を行う画像処理部６と、画像処理部６が処理を行った後の画像を表示するモニタ７と、色収差光学素子１０の光路内への挿入及び退避を行う駆動部８と、画像処理部６及び駆動部８への指示を行う制御部９と、を備えて構成されている。
【００１８】
以上の構成において動作を説明する。
上記色収差光学素子１０は、光軸方向の色収差を発生させるものである。そこで、色収差光学素子１０を光路内に挿入すると、色収差光学素子１０を通り対物レンズ３から標本面Ｓに向かった光は、光軸方向の色収差により、波長によってそれぞれ異なる位置に焦点を結ぶ。つまり、図１の標本面Ｓとして実線および波線で模式的に示したように、各波長の焦点位置は実線上や波線上など、波長により異なる状態になる。使用する光の全波長範囲を考えると、例えば波線で示した範囲が全波長の焦点位置の範囲となるのである。このように、標本面Ｓからの反射光は、色収差光学素子１０の作用により、波長毎に異なる深さに集光する光が集まったものとなるので、この反射光を結像レンズ４に導きＣＣＤ５上に像として形成させると、この像は標本面Ｓの異なる深さの複数の像を加算した加算画像となり、焦点深度が拡大される。
【００１９】
上記加算画像は、焦点の合った位置の鮮明な像（以下、合焦画像）のほかに、その位置前後のデフォーカス像を含んでいる為、空間周波数の中間域成分は低域成分に対し劣化し、加算画像全体が均一にボケて見える。図２は合焦画像の空間周波数特性例を説明する図であり、図３は加算画像の空間周波数特性例を説明する図である。これら図２および図３は、空間周波数特性を１次元で簡略化して示しており、横軸は正規化された空間周波数、縦軸はコントラスト値（最大値は１）を示す。加算画像はデフォーカス像を含んでいる為に図３で示すような空間周波数特性を示し、図２に示す合焦画像での空間周波数特性と比較すると、中間域成分で明らかに劣化が見られる。そこで、劣化している中間域成分を回復するための空間周波数フィルタ処理を、加算画像に対し画像処理部６にて行う。これにより加算画像は、像全体が鮮明な状態に回復され焦点深度が拡大された画像として、モニタ７に表示される。
【００２０】
以上のように、色収差光学素子１０を用いて加算画像を光学的に得られるようにしたので、従来の共焦点顕微鏡による結像光学装置に比べ、明るい焦点深度拡大画像が得られる。また、加算画像は１度の撮像により得られるので、図６に示すＺステージ７６のような高精度な機械的移動機構が不要となり、小型でかつ安価な構成で、焦点深度拡大を行う結像光学装置が可能となる。また、機械的移動を伴い複数回の撮像を行う従来の装置と比べると、焦点深度拡大画像の取得が１度の撮像で迅速に行うことが出来るようになり、その結果、振動や温度などの環境変化の影響をより受けにくくなる為、焦点深度拡大画像がより容易に安定して取得することができる。
【００２１】
なお上記のように、加算画像は標本面Ｓの異なる深さの像を加算したものであるから、色収差光学素子１０が挿入された結像光学系は、光軸方向の色収差のみを発生させるもので、光軸と垂直な方向の色収差は良好に補正されており、また、加算画像の形成に寄与する各波長の光がそれぞれの焦点位置前後で対称性を持つような波面収差を示すことが望ましい。これにより焦点深度拡大画像は、より鮮明な、より黒つぶれのない明るい像として得られるようになる。
【００２２】
また、図１に示す制御部９は、不図示の入力部への操作に応じて、駆動部８に色収差光学素子１０の光路内への挿入や退避を行わせ、さらにこれに連動して画像処理部６に対し、中間域成分を回復するための空間周波数フィルタ処理の実行を許可するように動作している。これにより、色収差光学素子１０を用いて得られる焦点深度拡大画像と、焦点深度の浅い通常の合焦画像とを、必要に応じて観察者が選択し切替えて使用することが容易に可能となる。
【００２３】
また、上記本実施の形態では、色収差光学素子１０が対物レンズ３と別体であるかのように記述したが、対物レンズ３が色収差光学素子１０の機能を含んだ、色収差付き対物レンズであってもよい。この場合、これとは別に色収差の補正された対物レンズを回転レボルバなどに配置しておき、レボルバの位置切り換えで焦点深度拡大画像と、通常の合焦画像との切り換えを行う。または、光軸方向の色収差を補正するような補正光学系を用意し、色収差付き対物レンズを含む結像光学系に、挿脱するようにしてもよい。
＜第２の実施の形態＞
上記第１の実施の形態では、画像処理部６が空間周波数フィルタ処理を行っているが、第２の実施の形態では、空間周波数フィルタ処理を画像処理ではなく、これを簡易的に光学的手段を用いて行おうとするものである。
【００２４】
第２の実施の形態による結像光学装置の構成は、大部分は第１の実施の形態におけるそれと同じである。よって、第１の実施の形態と同じ、或いは基本的に同じものには同一符号を用い、第１の実施の形態と異なる部分についてのみ説明する。
【００２５】
図４は、第２の実施の形態による結像光学装置の構成図である。
第２の実施の形態では、図４に示すとおり、色収差光学素子６１、光学フィルタ６２、及び瞳リレーレンズ６３を、ハーフミラー２と結像レンズ４の間の光路内に配置している。瞳リレーレンズ６３は、結像光学系の瞳位置を共役な位置に再構成し、光学フィルタ６２は再構成された瞳位置近傍に配置されている。なお、色収差光学素子６１と光学フィルタ６２は一体化されていてもよく、これを光学ユニット６０とすると、光学ユニット６０が再構成された瞳位置近傍に配置される。
【００２６】
ここで、光学フィルタ６２は、透過する光に対し円環状に光学的振幅変化を与えるものである。より具体的には、例えば図５に示すような中心対称な透過率分布特性を持つものとする。図５において、横軸は光軸からの正規化された距離、縦軸は透過率をそれぞれ示し、光軸中心での透過率αに対し瞳径にあたる最外周での透過率が０〜αの２０倍程度、その中間位置における透過率がαの２〜２０倍程度であり、その間の透過率は滑らかな曲線を描くか、その曲線に沿った多段階の透過率分布を示すものとする。
【００２７】
図５に示す透過率分布特性を有する光学フィルタ６２を結像光学系の瞳位置近傍に挿入すると、光学フィルタ６２を透過した光の強度は、光軸中心では弱められ、光軸から離れるほど弱められる度合いが低下し、さらに光軸から離れるとまた弱められる。これにより、空間周波数の中間域成分は低域成分に対し強調するように作用される。このような作用は、光源１から標本面Ｓに照射される照明光の開口数が、ある程度絞られている状態であれば、効果として現れる。よって、色収差光学素子６１の作用により焦点深度を拡大された光が、光学フィルタ６２を透過することにより空間周波数フィルタ処理が施され、その結果ＣＣＤ５に結像された像は鮮明で像全体に焦点の合った、且つ焦点深度の拡大された像となるのである。
【００２８】
このように、第２の実施の形態では、空間周波数フィルタ処理を簡易的に光学的手段により行うようにしたので、第１の実施の形態と比べて、処理の高速化が可能となり、リアルタイムに焦点深度拡大画像が得られる。
【００２９】
尚、上記では、結像レンズ４がＣＣＤ５へ結像した像をモニタ７に表示するようにしたが、可視光を用いる光学顕微鏡であれば、代わりに接眼レンズを用いて、リアルタイムに目視観察するようにしても良い。これにより、より安価な焦点深度拡大を行う結像光学装置が実現できる。
【００３０】
また、図４に示す制御部６５は、不図示の入力部への操作に応じて、駆動部６４に光学ユニット６０の光路内への挿入および退避を行わせる。これにより、色収差光学素子１０を用いて得られる焦点深度拡大画像と、焦点深度の浅い通常の合焦画像とを、必要に応じて観察者が選択し切替えて使用することを可能としている。
【００３１】
また、制御部６５および駆動部６４が光学ユニット６０の挿脱を行うように説明したが、観察者が手動で挿脱を行う構造であってもよい。これは第１の実施の形態でも同様である。
【００３２】
また、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形を行っても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】第１の実施の形態による結像光学装置の構成図である。
【図２】焦点の合っている画像の空間周波数特性例を説明する図である。
【図３】加算画像の空間周波数特性例を説明する図である。
【図４】第２の実施の形態による結像光学装置の構成図である。
【図５】光学フィルタが有する透過率分布特性を説明する図である。
【図６】従来の結像光学装置の構成図である。
【符号の説明】
【００３４】
１    光源
２    ハーフミラー
３    対物レンズ
４    結像レンズ
５    ＣＣＤ
６    画像処理部
７    モニタ
８、６４    駆動部
９、６５    制御部
１０、６１    色収差光学素子
４０、６２    光学フィルタ
６０    光学ユニット
６３    瞳リレーレンズ
【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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