(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
観察対象である試料情報に応じて変化するアナログ信号を得て該試料の画像データを生成する顕微鏡装置において、
前記試料情報を取得する手段であって、該試料情報に応じて変化するアナログ信号を生成させる試料情報取得手段と、
該試料情報取得手段により該試料情報を取得するための取得条件を記憶する取得条件記憶手段と、
該取得条件から、前記試料情報取得手段固有の分解能である装置分解能を算出し、該装置分解能を満たす前記画像データを前記アナログ信号から生成するために必要なサンプリング周波数を決定するサンプリング周波数決定手段と、
該サンプリング周波数決定手段で決定されたサンプリング周波数を用いて前記アナログ信号のサンプリングを行なうことにより、該アナログ信号をデジタル信号に変換して前記画像データを生成する画像データ生成手段と、
該画像データ生成手段で生成された画像データを記憶する画像データ記憶手段と、
該画像データ記憶手段から記憶された前記画像データを取得し、該画像データから任意の画像サイズの観察画像を生成して表示装置に出力する観察画像出力手段と、
利用者が任意のサンプリング周波数を指定できるサンプリング周波数入力手段と、
該サンプリング周波数入力手段に指定された第１のサンプリング周波数と、前記サンプリング周波数決定手段が決定した第２のサンプリング周波数と、を比較し、前記第１のサンプリング周波数が、前記第２のサンプリング周波数に対して一定の範囲にない場合、前記表示装置にその旨を表示して警告を行なうサンプリング周波数判断手段と、
を備える走査型顕微鏡装置。
【請求項２】
前記画像サイズを任意に指定できる画像サイズ指定手段を、
さらに備える請求項１に記載の走査型顕微鏡装置。
【請求項３】
前記観察画像出力手段は、前記画像サイズ指定手段で指定された画像サイズの観察画像を生成する、
ことを特徴とする請求項２に記載の走査型顕微鏡装置。
【請求項４】
前記サンプリング周波数決定手段は、前記装置分解能を満たす前記画像データを前記アナログ信号から生成するために必要なサンプリング周波数であって、前記取得条件毎にあらかじめ用意されたサンプリング周波数から、任意のサンプリング周波数を選択する、
ことを特徴とする請求項１に記載の走査型顕微鏡装置。
【請求項５】
前記画像データ生成手段は、前記観察画像を連続的に生成する場合に、前記サンプリング周波数決定手段が決定したサンプリング周波数より小さい周波数を用いて前記アナログ信号のサンプリングを行なう、
ことを特徴とする請求項１に記載の走査型顕微鏡装置。
【請求項６】
前記試料情報取得手段は、前記試料に対してレーザ光を照射して該反射光を検出する光学系を有し、該反射光の強度に応じて変化するアナログ信号を生成するレーザ顕微鏡で構成される、
ことを特徴とする請求項１に記載の走査型顕微鏡装置。
【請求項７】
前記装置分解能は、前記レーザ顕微鏡の光学分解能である、
ことを特徴とする請求項６に記載の走査型顕微鏡装置。
【請求項８】
前記取得条件には、前記レーザ顕微鏡が有する対物レンズ、視野寸法、レーザ光の波長および走査速度が含まれる、
ことを特徴とする請求項６に記載の走査型顕微鏡装置。
【請求項９】
前記試料情報取得手段は、前記試料と相互作用が働くことによって変位するプローブを有し、該変位に応じて変化するアナログ信号を生成するプローブ顕微鏡で構成される、
ことを特徴とする請求項１に記載の走査型顕微鏡装置。
【請求項１０】
前記装置分解能は、前記プローブ顕微鏡の面内分解能である、
ことを特徴とする請求項９に記載の走査型顕微鏡装置。
【請求項１１】
前記取得条件には、前記プローブ顕微鏡が有する走査プローブの先端径、視野寸法および走査速度が含まれる、
ことを特徴とする請求項９に記載の走査型顕微鏡装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微細な試料の表面形状情報などの試料情報をモニタなどの表示手段に表示することができる顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
微細な試料の表面形状情報をモニタで観察する場合、走査型光学顕微鏡や走査型プローブ顕微鏡などが広く用いられる。
例えば、特許文献１には、光源から出射された光を対物レンズで試料表面上に集光させ、その集光された光を平面方向に走査し、その反射光を受光素子で受光し、サンプリングクロック発生装置によって発生するサンプリングクロックによって、受光信号をアナログ−デジタル変換部でデジタル変換し、変換後の情報をモニタに表示することで、試料表面の形状情報を観察する走査型光学顕微鏡について開示されている。
【０００３】
従来、走査型光学顕微鏡の場合、上述のアナログ−デジタル変換に使用するサンプリングクロックの周波数（以下、単に「サンプリング周波数」という）は、対物レンズのＮＡ（開口数）と光源波長との組合わせに関係なく、モニタの解像度に合わせて、常に同じサンプリング周波数を使用していた。また、走査型プローブ顕微鏡の場合も、走査プローブの先端径に関係なく、常に同じサンプリング周波数を使用していた。
【特許文献１】特開平１０−３１１９４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、サンプリング周波数をモニタの解像度に合わせて使用した場合、観察したい視野に最適なサンプリング周期で観察画像を取得できていない場合が生じる。
例えば、光学分解能若しくは機械的な分解能よりサンプリング周波数の方が低い場合（以下、「アンダーサンプリング」という）、顕微鏡は自身の持つ光学性能を有効に使いきれない。
【０００５】
また、光学分解能より過度に高いサンプリング周波数を使用している場合（以下、「オーバーサンプリング」という）、顕微鏡は必要以上にデータを取得することとなり、メモリ等の資源を多大に消費してしまう。
【０００６】
本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、常に観察したい視野に最適なサンプリング周波数で観察画像を取得する顕微鏡装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本走査型顕微鏡装置は、観察対象である試料情報に応じて変化するアナログ信号を得て該試料の画像データを生成する顕微鏡装置において、前記試料情報を取得する手段であって、該試料情報に応じて変化するアナログ信号を生成させる試料情報取得手段と、該試料情報取得手段により該試料情報を取得するための取得条件を記憶する取得条件記憶手段と、該取得条件から、前記試料情報取得手段固有の分解能である装置分解能を算出し、該装置分解能を満たす前記画像データを前記アナログ信号から生成するために必要なサンプリング周波数を決定するサンプリング周波数決定手段と、該サンプリング周波数決定手段で決定されたサンプリング周波数を用いて前記アナログ信号のサンプリングを行なうことにより、該アナログ信号をデジタル信号に変換して前記画像データを生成する画像データ生成手段と、該画像データ生成手段で生成された画像データを記憶する画像データ記憶手段と、該画像データ記憶手段から記憶された前記画像データを取得し、該画像データから任意の画像サイズの観察画像を生成して表示装置に出力する観察画像出力手段と、利用者が任意のサンプリング周波数を指定できるサンプリング周波数入力手段と、該サンプリング周波数入力手段に指定された第１のサンプリング周波数と、前記サンプリング周波数決定手段が決定した第２のサンプリング周波数と、を比較し、前記第１のサンプリング周波数が、前記第２のサンプリング周波数に対して一定の範囲にない場合、前記表示装置にその旨を表示して警告を行なうサンプリング周波数判断手段と、を備える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によると、常に観察したい視野に最適なサンプリング周波数で観察画像を取得する顕微鏡装置を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態について、図１〜図１２に基づいて説明する。
（第１の実施例）
図１は、本実施例に係る共焦点走査型レーザ顕微鏡１００の構成例を示す図である。
【００１０】
本実施例に係る共焦点走査型レーザ顕微鏡１００は、試料にレーザ光を照射して観察画像を取得する光学系を有するレーザ顕微鏡本体１０１と、レーザ顕微鏡本体１０１を制御してモニタ１０３に観察画像を出力するコントローラ１０２と、出力される観察画像を表示するモニタ１０３と、を備える。
【００１１】
ここで、レーザ顕微鏡本体１０１は、レーザ光源１１０、ＰＢＳ（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  ＢｅａｍＳｐｌｉｔｔｅｒ）１１１、２次元走査手段１１２、１／４λ板１１３、レボルバ１１４,対物レンズ１１５、結像レンズ１１６、ピンホール１１７、光検出器１１８、ＡＤ変換器１１９を少なくとも備える。
【００１２】
レーザ光源１１０から出射した光は、ＰＢＳ１１１を透過する。そして、２次元走査手段１１２に入射する。２次元走査手段１１２は、レボルバ１１４に装着された対物レンズ１１５を介して試料１２０に照射する光束を２次元的に走査する。この時、光束は、１／４λ板１１３により直線偏光から円偏光に変換される。
【００１３】
２次元走査手段１１２は、対物レンズ１１５の瞳と共役な位置に配置されているので、対物レンズ１１５の瞳へ入射した光束は、収束光となって試料１２０上の焦点が合った面を走査する。
【００１４】
ここで、２次元走査手段１１２およびレボルバ１１４は、コントローラ１０２によって制御される。なお、本実施例に係る２次元走査手段１１２では、一般的に使用されているラスタスキャンといわれる方法を用いて走査を行なうが、これに限定する趣旨ではない。
【００１５】
一方、試料１２０の表面で反射した光束は、再び対物レンズ１１５、１／４λ板１１３、２次元走査手段１１２を介してＰＢＳ１１１に導入される。そして、当該光束は、ＰＢＳ１１１によって反射され、結像レンズ１１６によってピンホール１１７上に集光される。
【００１６】
ここで、対物レンズ１１５による集光位置は、ピンホール１１７と光学的に共役な位置になっている。すなわち、試料１２０上の任意の表面が対物レンズ１１５による集光位置にある場合、試料１２０からの反射光はピンホール１１７上で集光するので、当該反射光はピンホール１１７を通過する。また、試料１２０の任意の表面が対物レンズ１１５による集光位置からずれている場合、試料１２０からの反射光はピンホール１１７上に集光していないので、当該反射光はピンホール１１７を通過しない。
【００１７】
以上のようにして、光検出器１１８は、試料１２０の表面が対物レンズ１１５の集光位置に位置する領域の反射光のみを受光する。
光検出器１１８からの検出信号は、ＡＤ変換器１１９でアナログ−デジタル変換され、コントローラ１０２に出力される。コントローラ１０２は、当該検出信号から観察画像を生成し、当該観察画像をモニタ１０３に出力する。その結果、共焦点走査型レーザ顕微鏡１００の使用者は、試料１２０の観察画像をモニタ１０３で観察することが可能となる。
【００１８】
以上に説明した構成において、例えば、試料情報取得手段は、レーザ顕微鏡本体１０１（ＡＤ変換器１１９を除く）に対応する。また、取得条件記憶手段は、条件入力部２０６および光原波長記憶部２０４に対応する。また、サンプリング周波数決定手段は、サンプリング周波数演算部２０３に対応する。また、画像データ生成手段は、ＡＤ変換器１１９およびサンプリングクロック発生部２０９に対応する。また、画像データ記憶手段は、検出信号受信部２００および検出信号記憶部２０２に対応する。また、観察画像出力手段は、表示画像構築部２０７および表示画像記憶部２０８に対応する。
【００１９】
図２は、本実施例に係るコントローラ１０２の構成を示すブロック図である。
本実施例に係るコントローラ１０２は、ＡＤ変換器１１９からの検出信号を受信する検出信号受信部２００と、２次元走査手段１１２等に対して条件設定を行なう条件設定部２０１と、受信した検出信号を記憶する検出信号記憶部２０２と、最適なサンプリング周波数を算出するサンプリング周波数演算部２０３と、使用するレーザ光源１１０の波長を記憶する光源波長記憶部２０４と、モニタ１０３とのＩ／Ｆ（Ｉｎｔｅｒ／Ｆａｃｅ）である画像転送Ｉ／Ｆ２０５と、条件入力画面等から各種条件を取得し、記憶する条件入力部２０６と、検出信号から表示するための観察画像を生成する表示画像構築部２０７と、その観察画像を記憶する表示画像記憶部２０８と、任意のサンプリング周波数のサンプリングクロックを生成するサンプリングクロック発生部２０９と、を備える。
【００２０】
検出信号受信部２００は、ＡＤ変換器１１９が出力する検出信号を受信し、検出信号記憶部２０２に転送する。一方、検出信号記憶部２０２は、当該転送された検出信号を記憶する。
【００２１】
条件設定部２０１は、条件入力部２０６により取得した条件（例えば、選択する対物レンズのＮＡ、走査幅など）を２次元走査手段１１２やレボルバ１１４に転送する。本実施例では、２次元走査手段１１２には走査幅を転送し、レボルバ１１４には選択する対物レンズ種類を転送する。また、条件設定部２０１は、サンプリングクロック発生部２０９から得るサンプリングクロックをＡＤ変換器１１９に供給する。
【００２２】
サンプリング周波数演算部２０３は、条件入力部２０６により、最適なサンプリング周波数を算出するための各種条件（例えば、対物レンズのＮＡ等）を取得するとともに、使用しているレーザ光源１１０の波長を光源波長記憶部２０４から取得する。そして、取得した対物レンズ１１５のＮＡとレーザ光源１１０の波長との組合わせにおいて、最適なサンプリング周波数を算出する。
【００２３】
画像転送Ｉ／Ｆ２０５は、表示画像記憶部２０８に記憶されている観察画像をモニタ１０３に出力し、当該観察画像をモニタ１０３上に表示させる。
表示画像構築部２０７は、検出信号記憶部２０２から検出信号を取得し、モニタ１０３に表示する画像サイズに合わせて観察画像を生成する。なお、表示する画像サイズは、条件入力部２０６から取得する。
【００２４】
サンプリングクロック発生部２０９は、サンプリング周波数演算部２０３で算出したサンプリング周波数にしたがってサンプリングクロックを生成する。例えば、ＰＬＬ回路等を用いて実現可能である。
【００２５】
以上、説明したコントローラ１０２は、例えば、揮発性／不揮発性の記憶装置やＣＰＵを備える情報処理装置によって実現することができる。
例えば、検出信号記憶部２０２、光源波長記憶部２０４および表示画像記憶部２０８は、揮発性／不揮発性の記憶装置（ＲＡＭ、フラッシュメモリ、磁気記憶装置など）を用いて実現できる。また、サンプリング周波数演算部２０３や条件入力部２０６は、不揮発性の記憶装置にあらかじめ記憶したプログラムにしたがってＣＰＵに命令を実行させることによって実現できる。
【００２６】
表示画像構築部２０７は、サンプリング周波数演算部２０３と同様に、不揮発性の記憶装置にあらかじめ記憶したプログラムにしたがってＣＰＵに命令を実行させることによって実現してもよいし、専用のハードウェアやＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）などによって実現してもよい。サンプリングクロック発生部２０９には、例えば、ＰＬＬ回路を用いればよい。
【００２７】
図３は、本実施例に係る条件入力部２０６による条件取得処理の例を示す図である。
本実施例に係る条件取得処理では、コントローラ１０２が備えるＣＰＵが所定のプログラム命令にしたがってモニタ１０３上にＧＵＩ（以下、「条件入力画面３００」という）を表示する。そして、使用者が条件入力画面３００に対してマウス等を用いて各種条件を指定すると、条件入力部２０６が当該条件を取得し、記憶する。なお、取得した条件は、図示しない揮発性／不揮発性の記憶装置に適宜記憶してもよい。
【００２８】
本実施例に係る条件入力画面３００は、対物レンズ設定部３０１と、ズーム条件設定部３０２と、モニタ１０３に表示する画像サイズを設定する表示画像サイズ設定部３０３と、画像取得ボタン３０４と、を備える。
【００２９】
対物レンズ設定部３０１は、レボルバ１１４に接続されている対物レンズ１１５を選択する画面である。図３には、５倍、１０倍、２０倍、５０倍、１００倍、１５０倍の対物レンズ１１５が選択可能な場合の画面の例を示している。
【００３０】
ズーム条件設定部３０２は、２次元走査手段１１２の走査幅を設定する画面である。
表示画像サイズ設定部３０３は、モニタ１０３に出力する観察画像の画像サイズを設定する画面である。
【００３１】
上記設定が行なわれ、画像取得ボタン３０４が押下されると、観察画像の取得、モニタ１０３への観察画像の出力が開始される。
図４は、本実施例に係る共焦点走査型レーザ顕微鏡１００の処理を示すフローチャートである。
【００３２】
ステップＳ４００において、使用者が画像取得ボタン３０４を押下すると、共焦点走査型レーザ顕微鏡１００は、観察画像の取得処理を開始する。そして、共焦点走査型レーザ顕微鏡１００は、処理をステップＳ４０１に移行する。
【００３３】
ステップＳ４０１において、条件入力部２０６は、条件入力画面３００に設定された各種条件（例えば、対物レンズのＮＡ、ズーム条件、表示画像サイズ等）を取得する。そして、処理をステップＳ４０２に移行する。
【００３４】
ステップＳ４０２において、サンプリング周波数演算部２０３は、条件入力部２０６から取得した対物レンズ１１５のＮＡと、光源波長記憶部２０４に記憶されている光源波長値λから、本実施例に係る共焦点走査型レーザ顕微鏡１００の光学分解能δを求め、さらに、ＡＤ変換器１１９における最適なサンプリング周波数ｆｓｐを算出する。
【００３５】
具体的には、以下の演算をサンプリング周波数演算部２０３が行なう。
（１）サンプリング周波数演算部２０３は、使用している対物レンズ１１５のＮＡと、使用しているレーザ光源１１０の波長λと、を次式に代入することにより空間周波数ＣＴＦ（Ｃｏｎｔｒａｓｔ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を算出する。
【００３６】
ＣＴＦ  ＝  ２＊ＮＡ／λ  （Ｌｉｎｅ  ｐａｉｒ／ｍｍ）  ・・・・・（１）
（２）サンプリング周波数演算部２０３は、式（１）で算出したＣＴＦを次式に代入することにより光学分解能δを算出する。
【００３７】
δ      ＝  １０００＊{１／（２＊ＣＴＦ）}  （μｍ）        ・・・・・（２）
ここで、最適なサンプリング周波数を、サンプリングして得る画像データの分解能が、光学分解能δを満たす周波数と定義する。この場合、サンプリング定理から、光学分解能δに対して画像データの分解能が２倍以上となる周波数が最適なサンプリング周波数となる。
【００３８】
なお、以下に示す本実施例では、光学分解能δに対して画像データの分解能が２倍となる周波数を最適なサンプリング周波数として算出する例を示すが、これに限定しないのは当然である。例えば、必要に応じて、光学分解能δに対して画像分解能が３倍、４倍、・・・等となる周波数を最適なサンプリング周波数としてもよい。この時、整数倍に限定しないのは当然である。
【００３９】
（３）サンプリング周波数演算部２０３は、式（２）で算出した光学分解能δと、ズーム条件設定部３０２のズーム設定で決まる２次元走査手段１１２の走査幅とその時の走査角とで決まる視野領域の横方向の実視野Ｘと、を次式に代入することにより、サンプリングクロック数Ｎを算出する。
【００４０】
Ｎ      ＝  ２＊（Ｘ／δ）                              ・・・・・（３）
なお、光学分解能δに対して画像分解能が３倍、４倍、・・・となる周波数を最適なサンプリング周波数とする場合には、次式を満たす任意のＮを使用すればよい。
【００４１】
Ｎ’    ≧  ２＊（Ｘ／δ）                              ・・・・・（３）’
（４）本実施例に係る２次元走査手段１１２では、リニアに駆動するガルバノスキャナを使用しているので、サンプリング周波数演算部２０３は、式（３）で算出したサンプリングクロック数Ｎと、ガルバノスキャナの駆動周波数ｆと、を次式に代入することにより、最適なサンプリング周波数ｆｓｐを算出する。
【００４２】
ｆｓｐ  ＝  ２＊Ｎ＊ｆ  （Ｈｚ）                        ・・・・・（４）
上述した（１）〜（４）の処理によって、最適なサンプリング周波数ｆｓｐを算出すると、サンプリング周波数演算部２０３は、当該サンプリング周波数をサンプリングクロック発生部２０９に転送し、処理をステップＳ４０３に移行する。
【００４３】
ステップＳ４０４において、条件設定部２０１は、条件入力部２０６から取得した対物レンズ１１５の種類、２次元走査手段１１２の走査幅、をそれぞれレボルバ１１４、２次元走査手段１１２に転送する。また、条件設定部２０１は、サンプリングクロック発生部２０９から得る最適なサンプリング周波数ｆｓｐのサンプリングクロックを、ＡＤ変換器１１９に供給する。
【００４４】
一方、レボルバ１１４は、転送された対物レンズ１１５の種類に対物レンズを切り替え、２次元走査手段１１２は、転送された走査幅で走査を開始する。また、ＡＤ変換器１１９は、検出信号について最適なサンプリング周波数ｆｓｐでアナログ−デジタル変換を開始する。
【００４５】
ステップＳ４０５において、検出信号受信部２００は、ＡＤ変換器１１９から出力される検出信号を受信し、検出信号記憶部２０２に記憶する。そして、ステップＳ４０６において、表示画像構築部２０７が、検出信号記憶部２０２に記憶された検出信号から、条件入力部２０６から取得した表示画像サイズに合わせた観察画像を生成し、表示画像記憶部２０８に記憶する。
【００４６】
ステップＳ４０７において、画像転送Ｉ／Ｆ２０５は、表示画像記憶部２０８に記憶される観察画像を読み出してモニタ１０３に出力する。これにより、モニタ１０３に観察画像が表示されることとなる。
【００４７】
図５は、ステップＳ４０３による最適なサンプリング周波数ｆｓｐの算出結果の具体例を示す図である。
例えば、ズーム条件設定部３０２の設定（ズーム）が１倍の時と３倍の時とでは、視野領域５００に対する実視野Ｘ（μｍ）が異なってくるので、図５には、ズームが１倍の時の算出結果５０１と、３倍の時の算出結果５０２と、を示している。
【００４８】
また、レーザ光源１１０の波長λが４０７（μｍ）の場合、対物レンズ１１５のＮＡが０．１５（５倍）では、式（１）、式（２）から、光学分解能δが０．６８と算出される。さらに、ズームが１倍の時、実視野Ｘは２５６０（μｍ）となるので、式（３）、式（４）から最適なサンプリング周波数ｆｓｐは６０．４（ＭＨｚ）と算出される。
【００４９】
上述したようにサンプリング周波数演算部２０３が算出した最適なサンプリング周波数ｆｓｐを用いて、サンプリングクロック発生部２０９がサンプリングクロックを生成する。そして、条件設定部２０１が当該サンプリングクロックをＡＤ変換器１１９に供給するので、ＡＤ変換器１１９は、最適なサンプリング周波数ｆｓｐのサンプリングクロックによって、検出信号をアナログ−デジタル変換することとなる。変換された検出信号は、検出信号受信部２００を介して検出信号記憶部２０２に記憶される。
【００５０】
ここで、検出信号記憶部２０２に記憶されているデータ（検出信号）は、常に装置が備える分解能（例えば、第１の実施例における光学分解能δ）を満足する最適なサンプリング周波数ｆｓｐを用いてサンプリングされたデータである。したがって、そのままモニタ１０３に出力しても、モニタ１０３が持つ解像度が、検出信号記憶部２０２に記憶されているデータの解像度と比較して不足する場合が考えられる。
【００５１】
そこで、本実施例では、モニタ１０３に観察画像を出力する際は、表示画像サイズ設定部３０３で指定された画像サイズを満たすように、検出信号記憶部２０２に記憶されているデータを表示画像構築部２０７で再構築し、画像転送Ｉ／Ｆ２０５を介してモニタ１０３に出力している。
【００５２】
また、共焦点走査型レーザ顕微鏡１００の使用者が観察画像を解析、および測定する際は、表示画像記憶部２０８に記憶されたデータ（観察画像）を使用せず、検出信号記憶部２０２に記憶されている画像データを使用する。なお、検出信号記憶部２０２に記憶されている画像データを使用して解析、および測定する場合、その解析、および測定する位置の指示等は、表示画像サイズ設定部３０３で指定された画像サイズを満たすように、検出信号記憶部２０２に記憶されているデータを再構築し、モニタ１０３に出力された観察画像上で行う。
【００５３】
以上、説明した共焦点走査型レーザ顕微鏡１００は、レーザ光源１１０からＡＤ変換器１１９までを１経路で構成しているが、複数の経路で構成してもよい。
また、本実施例では、共焦点走査型レーザ顕微鏡１００が静止画像（観察画像）をモニタ１０３に出力するまでの処理について説明したが、例えば、使用者がモニタ１０３上の観察画像をリアルタイムで観察しながら測定部位を特定する場合など、連続的に観察画像をモニタ１０３に表示する場合には、連続的に観察画像を表示している間は、最適なサンプリング周波数ｆｓｐより小さい周波数（例えば、最適なサンプリング周波数ｆｓｐの１／２の周波数）をサンプリング周波数として使用し、静止画像（観察画像）を取得する時のみ最適なサンプリング周波数ｆｓｐを使用するようにしてもよい。
【００５４】
これにより、例えば、リアルタイムで観察し、試料１２０の測定したい部分をモニタ１０３で表示しながら探す場合、メモリの消費量が増加し、システムの動作が遅くなることを防止することが可能となる。
【００５５】
また、本実施例に係る共焦点走査型レーザ顕微鏡１００は、最適なサンプリング周波数ｆｓｐを、式（１）〜式（４）を用いて算出しているが、例えば、対物レンズ１１５のＮＡと実視野Ｘの組合わせに対する最適なサンプリング周波数を、あらかじめテーブルとして用意しておいてもよい。これにより、サンプリング周波数演算部２０３の負荷が軽減される。
【００５６】
また、サンプリング周波数演算部２０３は、ステップＳ４０２において、光学分解能δを満たす画素分解能を有する観察画像を検出信号から生成するために必要なサンプリング周波数を最適なサンプリング周波数ｆｓｐとしているが、必要に応じて、モニタ１０３が表示できる画像サイズの観察画像の画素分解能を有する観察画像を検出信号から生成するために必要なサンプリング周波数を算出し、これを最適なサンプリング周波数ｆｓｐとしてもよい。
（第２の実施例）
図６は、本実施例に係る走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）６００の構成例を示す図である。
【００５７】
本実施例に係る走査型プローブ顕微鏡６００は、プローブの変位から観察画像（以下、「ＳＰＭ画像」という）を取得するプローブ顕微鏡本体６０１と、プローブ顕微鏡本体６０１を制御してモニタ６０３にＳＰＭ画像を出力するコントローラ６０２と、出力されるＳＰＭ画像を表示するモニタ６０３と、を備える。
【００５８】
ここで、プローブ顕微鏡本体６０１は、スキャナ管理部６１１、ＸＹＺスキャナ６１２、ステージ６１３、プローブ６１４、ホルダ６１５、変位検出器６１６、Ｚスキャナドライバ６１７、ＸＹスキャナドライバ６１８、ＡＤ変換器６１９を少なくとも備える。
【００５９】
ＸＹＺスキャナ６１２は、ＸＹＺ方向に電極を有する円筒型圧電体である。このＸＹＺスキャナ６１２にはステージ６１３が固定されており、ステージ６１３の上に試料６２０が載置される。
【００６０】
試料６２０付近には、ホルダ６１５に固定されたプローブ６１４が配置される。試料６２０とプローブ６１４の間に働く相互作用によってプローブ６１４が変位すると、その変位を変位検出器６１６が検出し、変位に応じた出力信号を出力する。本実施例では、プローブ６１４と変位検出器６１６とでセンサ系を構成している。
【００６１】
変位検出器６１６の出力信号はＺスキャナドライバ６１７に入力する。すると、Ｚスキャナドライバ６１７は、ＸＹＺスキャナ６１２に対してＺ駆動信号を出力する。その結果、ＸＹＺスキャナ６１２への印加電圧が変化して、ＸＹＺスキャナ６１２がＺ方向に駆動する。
【００６２】
この時、プローブ６１４の変位が常に一定になるようにステージ６１３をＺ方向に移動するフィードバック制御が行なわれる。
一方、ＸＹＺスキャナ６１２の走査幅を管理するスキャナ管理部６１１は、ＳＰＭ画像を得る為のＸＹトリガ信号をＸＹスキャナドライバ６１８に出力する。ＸＹスキャナドライバ６１８はＸＹ駆動信号を出力する。すると、ＸＹスキャナドライバ６１８の印加電圧が変化してＸＹ走査が行われる。なお、本実施例に係るＸＹ走査には、一般的に使用されているラスタスキャンといわれる方法を用いるが、これに限定する趣旨ではない。
【００６３】
ＡＤ変換器６１９は、コントローラ６０２よりＸ方向のサンプリングクロックを受け、Ｚスキャナドライバ６１７の出力信号、すなわちＺの変位信号をアナログーデジタル変換する。そして、コントローラ６０２に出力する。コントローラ６０２は、変位信号からＳＰＭ画像を生成してモニタ６０３に出力する。その結果、モニタ６０３にＳＰＭ画像が表示される。このＳＰＭ画像を元に、試料の形状測定が行われる。
【００６４】
以上に説明した構成において、例えば、試料情報取得手段は、プローブ顕微鏡本体６０１（ＡＤ変換器６１９を除く）に対応する。また、取得条件記憶手段は、条件入力部７０６、およびプローブ情報記憶部７０４に対応する。また、サンプリング周波数決定演算手段は、サンプリング周波数演算部７０３に対応する。また、画像データ生成手段は、ＡＤ変換器６１９、およびサンプリングクロック発生部７０９に対応する。また、画像データ記憶手段は、検出信号受信部７００および検出信号記憶部７０２に対応する。また、観察画像出力手段は、表示画像構築部７０７、および表示画像記憶部７０８に対応する。
【００６５】
図７は、本発明の実施例に係るコントローラ６０２の構成を示すブロック図である。
本実施例に係るコントローラ６０２は、ＡＤ変換器６１９からの検出信号を受信する検出信号受信部７００と、スキャナ管理部６１１に対して条件設定を行なう条件設定部７０１と、受信した検出信号を記憶する検出信号記憶部７０２と、最適なサンプリング周波数を算出するサンプリング周波数演算部７０３と、使用するプローブ６１４に関する情報（例えば、先端径）を記憶するプローブ情報記憶部７０４と、モニタ６０３とのＩ／Ｆ（Ｉｎｔｅｒ／Ｆａｃｅ）である画像転送Ｉ／Ｆ７０５と、条件入力画面等から各種条件を取得し、記憶する条件入力部７０６と、検出信号から表示するためのＳＰＭ画像を生成する表示画像構築部７０７と、そのＳＰＭ画像を記憶する表示画像記憶部７０８と、任意のサンプリング周波数のサンプリングクロックを生成するサンプリングクロック発生部７０９と、を備える。
【００６６】
検出信号受信部７００は、ＡＤ変換器６１９が出力する検出信号を受信し、検出信号記憶部７０２に転送する。一方、検出信号記憶部７０２は、当該転送された検出信号を記憶する。
【００６７】
条件設定部７０１は、条件入力部７０６により取得した条件（例えば、ＸＹＺスキャナ６１２のＸＹ走査幅など）をスキャナ管理部６１１に転送する。また、サンプリングクロック発生部７０９から得るサンプリングクロックをＡＤ変換器６１９に供給する。
【００６８】
サンプリング周波数演算部７０３は、条件入力部７０６により、最適なサンプリング周波数を算出するための各種条件（例えば、ＸＹＺスキャナ６１２のＸＹ走査幅等）を取得するとともに、使用しているプローブ６１４の先端径をプローブ情報記憶部７０４から取得する。そして、取得したＸＹＺスキャナ６１２のＸＹ走査幅とプローブ６１４の先端径の組合わせにおいて最適なサンプリング周波数を算出する。
【００６９】
ここで、画像転送Ｉ／Ｆ７０５、表示画像構築部７０７、表示画像記憶部７０８およびサンプリングクロック発生部７０９については、図２に示した画像転送Ｉ／Ｆ２０５、表示画像構築部２０７、表示画像記憶部２０８およびサンプリングクロック発生部２０９と同様なので、詳細な説明は省略する。
【００７０】
以上、説明したコントローラ６０２は、例えば、揮発性／不揮発性の記憶装置やＣＰＵを備える情報処理装置によって実現することができる。
例えば、検出信号記憶部７０２、プローブ情報記憶部７０４および表示画像記憶部２０８は、揮発性／不揮発性の記憶装置で実現できる。また、サンプリング周波数演算部７０３や条件入力部７０６は、不揮発性の記憶装置にあらかじめ記憶したプログラムにしたがってＣＰＵに命令を実行させることによって実現できる。
【００７１】
表示画像構築部７０７は、サンプリング周波数演算部７０３と同様に、不揮発性の記憶装置にあらかじめ記憶したプログラムにしたがってＣＰＵに命令を実行させることによって実現してもよいし、専用のハードウェアやＦＰＧＡなどによって実現してもよい。サンプリング周波数演算部７０３は、例えば、ＰＬＬ回路を用いればよい。
【００７２】
図８は、本実施例に係る条件入力部７０６による条件取得処理の例を示す図である。
本実施例に係る条件取得処理では、コントローラ６０２が備えるＣＰＵが所定のプログラム命令にしたがってモニタ６０３上にＧＵＩ（以下、「条件入力画面８００」という）を表示する。そして、使用者が条件入力画面８００に対してマウス等を用いて各種条件を指定すると、条件入力部７０６が当該条件を取得し、記憶する。なお、取得した条件は、図示しない揮発性／不揮発性の記憶装置に適宜記憶してもよい。
【００７３】
本実施例に係る条件入力画面８００は、ＸＹＺスキャナ６１２のＸＹ走査幅を設定する走査幅設定部８０１と、モニタ６０３に表示する画像サイズを設定する表示画像サイズ設定部８０２と、画像取得ボタン８０３と、を備える。
【００７４】
以上の設定を行なって画像取得ボタン８０３が押下されると、ＳＰＭ画像の取得、モニタ６０３へのＳＰＭ画像の出力が行なわれる。
使用者が画像取得ボタン８０３を押下すると、サンプリング周波数演算部７０３は、条件入力部７０６によって入力されたＸＹＺスキャナ６１２のＸＹ走査幅と、図９に示すプローブ先端径φと、を用いてＡＤ変換器６１９における最適なサンプリング周波数ｆｓｐを算出する。
【００７５】
具体的には、以下の演算をサンプリング周波数演算部７０３が行なう。
ここで、一般的に、走査型プローブ顕微鏡の空間分解能は、使用しているプローブ６１４の先端径程度となることが知られている。したがって、以下のように、プローブ６１４の先端径から、面内分解能を満たす最適なサンプリング周波数を求めることができる。
【００７６】
なお、サンプリング定理から、面内分解能に対して画像データの分解能が２倍以上となる周波数が最適なサンプリング周波数となるが、本実施例では、面内分解能に対して画像データの分解能が２倍となる周波数を最適なサンプリング周波数として算出する例を示す。ただし、これに限定するものではなく、例えば、必要に応じて、面内分解能に対して画像データの分解能が３倍、４倍、・・・等となる周波数を最適なサンプリング周波数としてもよい。この時、整数倍に限定しないのは当然である。
【００７７】
（５）サンプリング周波数演算部７０３は、使用しているプローブ６１４のプローブ先端径φ（ｎｍ）と、使用しているＸＹＺスキャナ６１２のＸ方向の走査幅をＬ（ｎｍ）と、を次式に代入することにより、面内分解能を満たすサンプリングクロック数Ｎを算出する。
【００７８】
Ｎ      ＝  ２＊（Ｌ／φ）                              ・・・・・（５）
なお、面内分解能に対して画像分解能が３倍、４倍、・・・となる周波数を最適なサンプリング周波数とする場合には、次式を満たす任意のＮを使用すればよい。
【００７９】
Ｎ      ≧  ２＊（Ｌ／φ）                              ・・・・・（５）’
（６）サンプリング周波数演算部７０３は、ＸＹＺスキャナ６１２のＸ方向の移動速度Ｖ（ｎｍ／ｍｓ）を次式に代入することにより、Ｘ方向における１ライン当りのスキャン時間Ｔ（ｍｓ）を算出する。
【００８０】
Ｔ      ＝  Ｌ／Ｖ  （ｍｓ）                            ・・・・・（６）
（７）サンプリング周波数演算部７０３は、式（５）から算出したサンプリングクロック数Ｎと、式（６）から算出したスキャン時間Ｔと、を次式に代入することにより、最適なサンプリング周波数ｆｓｐを算出する。
【００８１】
ｆｓｐ  ＝  Ｎ／Ｔ  （ｋＨｚ）                          ・・・・・（７）
上述したようにサンプリング周波数演算部７０３が算出した最適なサンプリング周波数ｆｓｐを用いて、サンプリングクロック発生部７０９がサンプリングクロックを生成する。そして、条件設定部７０１が当該サンプリングクロックをＡＤ変換器６１９に供給するので、ＡＤ変換器６１９は、最適なサンプリング周波数ｆｓｐのサンプリングクロックを用いて、Ｚスキャナドライバ６１７からの変位信号を検出信号としてアナログ−デジタル変換することとなる。変換された検出信号は、検出信号受信部７００を介して検出信号記憶部７０２に記憶される。
【００８２】
ここで、検出信号記憶部７０２に記憶されているデータ（検出信号）は、常に装置が備える分解能（例えば、第２の実施例における面内分解能）を満足する最適なサンプリング周波数を用いてサンプリングされたデータである。したがって、そのままモニタ６０３に出力しても、モニタ６０３が持つ解像度が、検出信号記憶部７０２に記憶されているデータの解像度と比較して不足する場合が考えられる。
【００８３】
そこで、本実施例においても、第１の実施例と同様に、モニタ６０３にＳＰＭ画像を出力する際は、表示画像サイズ設定部８０２で指定された画像サイズを満たすように、検出信号記憶部７０２に記憶されているデータを表示画像構築部７０７で再構築し、画像転送Ｉ／Ｆ７０５を介してモニタ６０３に出力している。
【００８４】
また、走査型プローブ顕微鏡６００の使用者がＳＰＭ画像を解析、および測定する際は、表示画像記憶部２０８に記憶されたデータ（ＳＰＭ画像）を使用せず、検出信号記憶部７０２に記憶されている画像データを使用する。なお、検出信号記憶部７０２に記憶されている画像データを使用して解析、および測定を行う場合、その解析、および測定する位置の指示等は、表示画像サイズ設定部８０２で指定された画像サイズを満たすように、検出信号記憶部７０２に記憶されているデータを再構築し、モニタ６０３に出力された観察画像上で行う。
【００８５】
また、本実施例に係る走査型プローブ顕微鏡６００は、最適なサンプリング周波数ｆｓｐを、式（５）〜式（７）を用いて算出しているが、例えば、プローブ６１４の先端径φとＸＹＺスキャナ６１２のＸＹ走査幅の組合せに対する最適なサンプリング周波数を、あらかじめテーブルとして用意しておいてもよい。これにより、サンプリング周波数演算部７０３の負荷が軽減される。
【００８６】
また、サンプリング周波数演算部７０３は、面内分解能を満たす画素分解能を有する検出信号をアナログ信号から生成するために必要なサンプリング周波数を最適なサンプリング周波数ｆｓｐとしているが、必要に応じて、モニタ６０３が表示できる画像サイズの観察画像の画素分解能を有する観察画像を検出信号から生成するために必要なサンプリング周波数を算出し、これを最適なサンプリング周波数ｆｓｐとしてもよい。
（変形例）
上述した第１および第２の実施例では、ＡＤ変換器１１９（ＡＤ変換器６１９）に用いるサンプリングクロックのクロック周波数をサンプリング周波数演算部２０３（サンプリング周波数演算部７０３）で算出したが、例えば、図１０に示すように、条件入力画面１０００上に使用者が所望のサンプリング周波数を任意に設定できるサンプリング周波数設定部１００１を備えるようにしてもよい。
【００８７】
この場合、使用者が設定するサンプリング周波数がアンダーサンプリング（またはオーバーサンプリング）となる可能性がある。そこで、例えば、図１１に示すように、コントローラ１１００にサンプリング周波数判断部１１０１を追加的に設け、使用者が設定したサンプリング周波数がアンダーサンプリング（またはオーバーサンプリング）か否かを判断し、アンダーサンプリング（またはオーバーサンプリング）となる場合には、例えば、図１３に示すポップアップ表示１３００を表示するようにしてもよい。
【００８８】
図１２は、図１１に示したサンプリング周波数判断部１１０１の具体的な処理を示すフローチャートである。以下、サンプリング周波数判断部１１０１を備えるコントローラをコントローラ１１００とする。
【００８９】
使用者が、条件入力画面１０００上に表示された条件について設定を行なって、画像取得ボタン３０４を押下すると、コントローラ１１００は、処理をステップＳ１２０１に移行する。
【００９０】
ステップＳ１２０１において、条件入力部２０６は、条件入力画面１０００から各種設定（例えば、対物レンズのＮＡ、ズーム、サンプリング周波数、表示画像サイズなど）を取得し、記憶する。そして、条件入力部２０６は、処理をステップＳ１２０２に移行する。
【００９１】
ステップＳ１２０２において、サンプリング周波数判断部１１０１は、式（１）〜式（４）を用いて最適なサンプリング周波数ｆｓｐを算出する。または、あらかじめ用意された対物レンズ１１５のＮＡと実視野Ｘの組合わせに対する最適なサンプリング周波数のテーブルから、最適なサンプリング周波数ｆｓｐを取得する。
【００９２】
そして、サンプリング周波数判断部１１０１は、ステップＳ１２０１で取得したサンプリング周波数（以下、「設定サンプリング周波数」という）と、対物レンズ１１５のＮＡと実視野Ｘの組合わせに対する最適なサンプリング周波数ｆｓｐと、を比較する。
【００９３】
そして、設定サンプリング周波数が、最適なサンプリング周波数ｆｓｐと略一致である場合、サンプリング周波数判断部１１０１は、設定サンプリング周波数がアンダーサンプリング（またはオーバーサンプリング）でないと判断し、処理をステップＳ１２０４に移行する。例えば、最適なサンプリング周波数ｆｓｐの前後５％の範囲内に設定サンプリング周波数がある場合に略一致と判断すればよい。なお、最適なサンプリング周波数ｆｓｐと判断する範囲は、５％に限定されるものではなく、任意に設定することができる。
【００９４】
また、設定サンプリング周波数が、最適なサンプリング周波数ｆｓｐと略一致でない場合、サンプリング周波数判断部１１０１は、設定サンプリング周波数がアンダーサンプリング（またはオーバーサンプリング）と判断し、処理をステップＳ１２０３に移行する。
【００９５】
ステップＳ１２０３において、サンプリング周波数判断部１１０１は、図１３に示すポップアップ表示１３００を警告メッセージとしてモニタ１０３に表示させ、アンダーサンプリング（またはオーバーサンプリング）であることを使用者に知らしめる。そして、サンプリング周波数判断部１１０１は、処理をステップＳ１２０４に移行する。以後、図４に示したステップＳ４０４〜Ｓ４０８の処理を行なう。
【００９６】
なお、図１０〜図１２では、共焦点走査型レーザ顕微鏡１００のコントローラ１０２にサンプリング周波数判断部１１０１を追加した場合について、コントローラ１１００とし説明したが、走査型プローブ顕微鏡４００のコントローラ６０２にサンプリング周波数判断部１１０１を追加した場合についても同様である。
【００９７】
以上に説明したように、本発明の実施例によれば、サンプリング周波数演算部２０３（またはサンプリング周波数演算部７０３）が、常に最適なサンプリング周波数ｆｓｐを算出し（ステップＳ４０３）、若しくは、あらかじめ用意したテーブルから最適なサンプリング周波数ｆｓｐを取得する。そして、ＡＤ変換器１１９（またはＡＤ変換器６１９）が当該サンプリング周波数ｆｓｐにしたがって検出信号のアナログ−デジタル変換を行なう。
【００９８】
その結果、モニタ１０３（モニタ６０３）の解像度に制限されることなく、常に装置が備える分解能（例えば、第１の実施例における光学分解能δ、第２の実施例における面内分解能）を満足する観察したい視野に最適なサンプリング周波数ｆｓｐでサンプリングされた測定結果（ＳＰＭ画像）を得ることが可能となる。
【００９９】
また、常に、最適なサンプリング周波数ｆｓｐでサンプリングを行なうので、オーバーサンプリングを防止することができる。その結果、オーバーサンプリングに起因して生じる無駄なメモリの消費をなくすことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】第１の実施例に係る共焦点走査型レーザ顕微鏡の構成例を示す図である。
【図２】第１の実施例に係るコントローラの構成を示すブロック図である。
【図３】第１の実施例に係る条件入力部による条件取得処理の例を示す図である。
【図４】第１の実施例に係る共焦点走査型レーザ顕微鏡の処理を示すフローチャートである。
【図５】ステップＳ４０３による最適なサンプリング周波数ｆｓｐの算出結果の具体例を示す図である。
【図６】第２の実施例に係る走査型プローブ顕微鏡の構成例を示す図である。
【図７】第２の発明の実施例に係るコントローラの構成を示すブロック図である。
【図８】第２の実施例に係る条件入力部による条件取得処理の例を示す図である。
【図９】第２の実施例に係るプローブの概要を示す図である。
【図１０】第１の実施例に係る条件入力画面の変形例を示す図である。
【図１１】第１の実施例に係る共焦点走査型レーザ顕微鏡の変形例を示す図である。
【図１２】図１１に示した共焦点走査型レーザ顕微鏡の処理を示すフローチャートである。
【図１３】本変形例に係るポップアップ表示画面の例を示す図である。
【符号の説明】
【０１０１】
１００    ・・・  共焦点走査型レーザ顕微鏡
１０１    ・・・  レーザ顕微鏡本体
１０２    ・・・  コントローラ
１０３    ・・・  モニタ
２００    ・・・  検出信号受信部
２０１    ・・・  条件設定部
２０２    ・・・  検出信号記憶部
２０３    ・・・  サンプリング周波数演算部
２０４    ・・・  光源波長記憶部
２０５    ・・・  画像転送Ｉ／Ｆ
２０６    ・・・  条件入力部
２０７    ・・・  表示画像構築部
２０８    ・・・  表示画像記憶部
２０９    ・・・  サンプリングクロック発生部
３００    ・・・  条件入力画面
６００    ・・・  走査型プローブ顕微鏡
６０１    ・・・  プローブ顕微鏡本体
６０２    ・・・  コントローラ
６０３    ・・・  モニタ
７００    ・・・  検出信号受信部
７０１    ・・・  条件設定部
７０２    ・・・  検出信号記憶部
７０３    ・・・  サンプリング周波数演算部
７０４    ・・・  プローブ情報記憶部
７０５    ・・・  画像転送Ｉ／Ｆ
７０６    ・・・  条件入力部
７０７    ・・・  表示画像構築部
７０８    ・・・  表示画像記憶部
７０９    ・・・  サンプリングクロック発生部
８００    ・・・  条件入力画面
【図２】
0005075602.tif 000002
【図４】
0005075602.tif 000003
【図７】
0005075602.tif 000004
【図９】
0005075602.tif 000005
【図１１】
0005075602.tif 000006
【図１２】
0005075602.tif 000007
【図１】
0005075602.tif 000008
【図３】
0005075602.tif 000009
【図５】
0005075602.tif 000010
【図６】
0005075602.tif 000011
【図８】
0005075602.tif 000012
【図１０】
0005075602.tif 000013
【図１３】
0005075602.tif 000014