(57)【要約】【課題】偶然誤差と、Ｚ走査の離散的な光強度情報取得に起因する量子化誤差を低減する３次元形状測定装置を提供する。【解決手段】３次元形状測定装置は、対物レンズに対して標本位置を相対的に光軸方向に移動させる移動手段と、３次元形状情報を生成する回数を取得する回数取得手段と、移動手段を制御して前記標本位置を前記対物レンズに対して相対的に離散的に移動させる移動制御手段と、標本位置の変化に応じて前記標本からの観察光の離散的な光強度情報を取得し、光強度情報に基づいて最大光強度を得る標本位置を取得し、標本位置に基づいて３次元形状情報を生成する処理を取得した回数行う３次元形状情報生成手段と、を備え、移動制御手段は、取得した回数分３次元形状情報が生成される場合、光強度情報を離散的に取得する標本位置を３次元形状情報の生成毎に相互に異ならせるように移動手段を制御することにより、上記課題の解決を図る。【選択図】      図１
2009128063.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対物レンズに対して標本の位置を少なくとも光軸方向へ相対的に移動させることができる顕微鏡により撮像された複数の２次元画像から該標本の３次元形状を測定する３次元形状測定装置であって、
前記対物レンズに対する前記標本位置を相対的に前記光軸方向に移動させる移動手段と、
前記移動手段を制御して、前記標本位置を前記対物レンズに対して、相対的に、離散的に移動させる移動制御手段と、
前記標本の３次元形状情報を生成する回数を取得する回数取得手段と、
前記標本位置の変化に応じて前記標本からの観察光の離散的な光強度情報を取得し、該光強度情報に基づいて最大光強度を得る該標本位置を取得し、該最大強度を得る該標本位置に基づいて前記３次元形状情報を生成する処理を前記回数取得手段で取得した回数行う３次元形状情報生成手段と、
を備え、
前記移動制御手段は、前記回数取得手段で取得した回数分前記３次元形状情報が生成される場合、前記光強度情報を離散的に取得する前記標本位置を前記３次元形状情報の生成毎に相互に異ならせるように前記移動手段を制御する
ことを特徴とする３次元形状測定装置。
【請求項２】
前記３次元形状情報生成手段は、前記光強度情報が離散的に取得される前記標本位置を前記３次元形状情報の生成毎に相互に異ならせて生成された前記回数分の３次元形状情報を平均して、前記標本の３次元形状情報とする
ことを特徴とする請求項１に記載の３次元形状測定装置。
【請求項３】
前記３次元形状測定装置は、さらに、
予め生成された前記３次元形状情報に基づいて設定された所定の測定対象の設定情報を取得する測定対象取得手段と、
前記測定対象の設定情報に基づいて、３次元形状情報生成手段により得られた前記３次元形状情報から前記測定対象に対応する３次元形状を測定する測定手段と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の３次元形状測定装置。
【請求項４】
前記移動制御手段は、前記光強度情報を離散的に取得する前記標本位置を前記３次元形状情報の生成毎に相互に異ならせる際のずれ量を、前記回数取得手段で取得された回数に応じて変化させる
ことを特徴とする請求項１に記載の３次元形状測定装置。
【請求項５】
前記ずれ量は、前記移動制御手段による１回の移動ステップ量を前記回数取得手段で取得された回数で除算することによって算出される
ことを特徴とする請求項４に記載の３次元形状測定装置。
【請求項６】
前記移動制御手段により前記光強度情報を離散的に取得する前記位置を前記３次元形状情報の生成毎に相互に異ならせる際のずれ量は、任意に設定できる
ことを特徴とする請求項１に記載の３次元形状測定装置。
【請求項７】
前記３次元形状情報生成手段は、前記最大光強度を得る前記標本位置を取得する際、複数の前記光強度情報から所定数の光強度情報を抽出し、該抽出した所定数の光強度情報に適合する変化曲線上の最大値を算出し、該最大値に対応する前記標本位置を推定し、該推定した前記標本位置を３次元形状情報として取得する
ことを特徴とする請求項１に記載の３次元形状測定装置。
【請求項８】
対物レンズに対して標本の位置を少なくとも光軸方向へ相対的に移動させることができる顕微鏡により撮像された複数の２次元画像から該標本の３次元形状を測定する３次元形状測定装置の動作方法であって、
前記対物レンズに対する前記標本位置を相対的に、離散的に前記光軸方向に移動させ、
前記標本の３次元形状情報を生成する回数を取得し、
前記標本位置の変化に応じて前記標本からの観察光の離散的な光強度情報を取得し、該光強度情報に基づいて最大光強度を得る該標本位置を取得し、該標本位置に基づいて前記３次元形状情報を生成する処理を前記取得した回数行い、
前記取得した回数分前記３次元形状情報を生成する場合、前記光強度情報を離散的に取得する前記標本位置を前記３次元形状情報の生成毎に相互に異ならせるように、前記標本位置を移動させる
ことを特徴とする３次元形状測定装置の動作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共焦点顕微鏡を用いた３次元形状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
共焦点顕微鏡は、サンプルを点光源によって点状照明し、サンプルからの透過光又は反射光をピンホール上に集光させた後、このピンホールを透過する光の強度を光検出器で検出することによってサンプルの表面情報を取得する。
【０００３】
図９は、一般的な共焦点顕微鏡の概略的な構成を示す。同図に示す共焦点顕微鏡は、点光源１から出射した点状光が、ハーフミラー２を透過した後、収差補正された対物レンズ３によってサンプル面４上に点状集光される。この照明されたサンプル面４から反射した反射光は、再び対物レンズ３からハーフミラー２に導入された後、ハーフミラー２によって反射され所定の位置に集光する。集光位置に設けたピンホール５によりサンプル４上の集光点以外からの反射光をカットし、ピンホール５を透過した光だけを光検出器６によって検出する。
【０００４】
このような光検出をサンプル面４の全体に亘って行い、サンプル面４からの反射光をテレビのラスター走査と同様に２次元走査する。これによって、サンプル面４の２次元像を得ることができる。
【０００５】
ところで、サンプル面４の表面は平坦な面ではなく、例えば符号Ａで示すような対物レンズ３の集光位置からずれた面も存在する。共焦点顕微鏡では、このような面Ａから反射した光（破線で示す）は、ピンホール５上に集光することはない。よって、集光位置以外からの反射光は、ピンホール５でカットされて光検出器６で検出されない。このために共焦点顕微鏡は、対物レンズ３の集光位置、即ち合焦位置に存在するサンプル面４の光学像のみを高精度に測定することができる。また、サンプルと対物レンズの相対距離を所定の移動ステップ量で離散的に移動して光軸方向に焦点を移動し、各位置で光強度を検出することによって、３次元空間のスライス像が得られることになる。
【０００６】
半導体基板など表面を光源からの光が通過しないようなサンプルについては、光強度が最大となる光軸方向の位置がサンプル表面に焦点が合っている位置と考えられる。よって、サンプルと対物レンズの相対距離を所定の移動ステップ量で離散的に移動して複数枚のスライス像を取得し、取得した複数枚のスライス像の中で光軸方向の最大の光強度を与える各画素毎の高さ情報を求めることで、そのサンプルの３次元形状情報が得られる。
【０００７】
この３次元形状情報は、光軸方向（Ｚ方向）の移動ステップ量を小さくして測定を行えば、それだけ高分解能の画像を得ることができるが、その分測定時間が多くかかってしまう。そこで、Ｚ方向の移動ステップ量を大きくすることによって、Ｚ走査のスループットを向上させると共に、高い分解能を得る方法がある（例えば、特許文献１。）。
【０００８】
特許文献１では、以下の方法を開示している。まず、対物レンズの集束位置とサンプルとの相対位置を光軸方向（Ｚ方向）に離散的に変化させる。それから、各相対位置において、光源からの出射光を光学顕微鏡の対物レンズを通してサンプルに入射し、各位置におけるサンプルからの反射光の光強度を検出する。その後、最大の光強度検出値を含む複数の光強度検出値に基づいて、これら光強度が示す変化曲線を求める。そして、この変化曲線上において最大値を与える相対位置を推定し、その相対位置を高さ情報とする。
【０００９】
具体的には、最大の光強度を検出したＺ方向の位置及びその前後のＺ方向の位置の計３点の光強度検出値を用いて、光強度が示す変化曲線を２次関数で近似することによって、光強度が最大値となる高さ位置を推定する。特許文献１に開示された方法により、Ｚ走査において１回に移動する移動ステップ量を大きくして３次元形状情報を得ることができる。これにより、移動回数を減少させ、Ｚ走査のスループットを向上させている。
【００１０】
また、特許文献２には、以下のＺ走査方法が開示されている。まず、サンプルと対物レンズの相対距離を変化させて、共焦点画像を複数取得する。それから、複数の推定方法を用いて、複数の共焦点画像から、サンプルの高さの推定値を求める。そして、複数の推定方法それぞれによって求めた複数の推定値を加算平均して高さ情報とする。これにより１つの推定方法による高さの推定値が含む誤差の影響を他の推定値によって、小さくすることができる。
【００１１】
また、特許文献３では以下の方法が開示されている。光軸方向の各同じ位置（Ｚ位置）で複数の共焦点画像を順次取得して格納し、これら画像を画素単位で結合する。そのようにして生成した混合画像を３次元形状情報とする。これにより、各Ｚ位置での光強度情報のばらつきが低減され、ＸＹ方向およびＺ方向の解像が改善される。
【特許文献１】特開平９−６８４１３号公報
【特許文献２】特開２００４−６１３３４号公報
【特許文献３】特表２００２−５１７７７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、特許文献１及び特許文献２の方法では、１回のみのＺ走査に基づいていることから、取得された光強度情報には偶然誤差が含まれている。
また、偶然誤差を低減するには特許文献３の方法を応用するか、または複数回のＺ走査を行う必要がある。しかしながら、複数回のＺ走査を行ったとしても、単純にサンプルと対物レンズの相対距離を変化させ光強度情報の取得を反復するだけならば、Ｚ走査を離散的に行うことによる量子化誤差の影響は避けられない。
【００１３】
上記の課題に鑑み、本発明では、偶然誤差と、Ｚ走査の離散的な光強度情報取得に起因する量子化誤差を低減する３次元形状測定装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明にかかる、対物レンズに対して標本の位置を少なくとも光軸方向へ相対的に移動させることができる顕微鏡により撮像された複数の２次元画像から該標本の３次元形状を測定する３次元形状測定装置は、前記対物レンズに対する前記標本位置を相対的に前記光軸方向に移動させる移動手段と、前記移動手段を制御して、前記標本位置を前記対物レンズに対して、相対的に、離散的に移動させる移動制御手段と、前記標本の３次元形状情報を生成する回数を取得する回数取得手段と、前記標本位置の変化に応じて前記標本からの観察光の離散的な光強度情報を取得し、該最大強度を得る該光強度情報に基づいて最大光強度を得る該標本位置を取得し、該標本位置に基づいて前記３次元形状情報を生成する処理を前記回数取得手段で取得した回数行う３次元形状情報生成手段と、を備え、前記移動制御手段は、前記回数取得手段で取得した回数分前記３次元形状情報が生成される場合、前記光強度情報を離散的に取得する前記標本位置を前記３次元形状情報の生成毎に相互に異ならせるように前記移動手段を制御することを特徴とする。
【００１５】
前記３次元形状測定装置において、前記３次元形状情報生成手段は、前記光強度情報が離散的に取得される前記標本位置を前記３次元形状情報の生成毎に相互に異ならせて生成された前記回数分の３次元形状情報を平均して、前記標本の３次元形状情報とすることを特徴とする。
【００１６】
前記３次元形状測定装置は、さらに、予め生成された前記３次元形状情報に基づいて設定された所定の測定対象の設定情報を取得する測定対象取得手段と、前記測定対象の設定情報に基づいて、３次元形状情報生成手段により得られた前記３次元形状情報から前記測定対象に対応する３次元形状を測定する測定手段と、を備えることを特徴とする。
【００１７】
前記３次元形状測定装置において、前記移動制御手段は、前記光強度情報を離散的に取得する前記標本位置を前記３次元形状情報の生成毎に相互に異ならせる際のずれ量を、前記回数取得手段で取得された回数に応じて変化させることを特徴とする。
【００１８】
前記３次元形状測定装置において、前記ずれ量は、前記移動制御手段による１回の移動ステップ量を前記回数取得手段で取得された回数で除算することによって算出されることを特徴とする。
【００１９】
前記３次元形状測定装置において、前記移動制御手段により前記光強度情報を離散的に取得する前記位置を前記３次元形状情報の生成毎に相互に異ならせる際のずれ量は、任意に設定できることを特徴とする。
【００２０】
前記３次元形状測定装置において、前記３次元形状情報生成手段は、前記最大光強度を得る前記標本位置を取得する際、複数の前記光強度情報から所定数の光強度情報を抽出し、該抽出した所定数の光強度情報に適合する変化曲線上の最大値を算出し、該最大値に対応する前記標本位置を推定し、該推定した前記標本位置を３次元形状情報として取得することを特徴とする。
【００２１】
本発明にかかる、対物レンズに対して標本の位置を少なくとも光軸方向へ相対的に移動させることができる顕微鏡により撮像された複数の２次元画像から該標本の３次元形状を測定する３次元形状測定装置の動作方法は、前記対物レンズに対する前記標本位置を相対的に、離散的に前記光軸方向に移動させ、前記標本の３次元形状情報を生成する回数を取得し、前記標本位置の変化に応じて前記標本からの観察光の離散的な光強度情報を取得し、該光強度情報に基づいて最大光強度を得る該標本位置を取得し、該標本位置に基づいて前記３次元形状情報を生成する処理を前記取得した回数行い、前記取得した回数分前記３次元形状情報を生成する場合、前記光強度情報を離散的に取得する前記標本位置を前記３次元形状情報の生成毎に相互に異ならせるように、前記標本位置を移動させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、偶然誤差と、Ｚ走査の離散的な光強度情報取得に起因する量子化誤差を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明の実施形態における３次元形状測定装置は、対物レンズに対して標本の位置を少なくとも光軸方向へ相対的に移動させることができる顕微鏡により撮像された複数の２次元画像から該標本の３次元形状情報を取得するものである。当該３次元形状測定装置は、移動手段、回数取得手段、移動制御手段、３次元形状情報生成手段を備える。
【００２４】
移動手段は、前記対物レンズに対する前記標本位置を相対的に前記光軸方向に移動させる。移動手段は、例えば本実施形態でいえば、ステージ３４に相当する。
回数取得手段は、前記標本の３次元形状情報を生成する回数を取得する。回数取得手段は、例えば本実施形態でいえば、所定の入力画面を表示して３次元形状情報生成処理を実行させる回数を設定させるコンピュータ２８に相当する。
【００２５】
移動制御手段は、前記移動手段を制御して、前記標本位置を前記対物レンズに対して、相対的に、離散的に移動させる。移動制御手段は、例えば本実施形態でいえば、Ｚ方向移動制御回路４４に相当する。
【００２６】
３次元形状情報生成手段は、前記標本位置の変化に応じて前記標本からの観察光の離散的な光強度情報を取得し、該光強度情報に基づいて最大光強度を得る該標本位置を取得し、該標本位置に基づいて前記３次元形状情報を生成する処理を前記取得した回数行う。３次元形状情報生成手段は、例えば本実施形態でいえば、３次元形状情報演算手段４２（または、コンピュータ２８を含んでいても良い）に相当する。
【００２７】
このような構成において、前記移動制御手段は、前記取得した回数分前記３次元形状情報が生成される場合、前記光強度情報を離散的に取得する前記標本位置を前記３次元形状情報の生成毎に相互に異ならせるように前記移動手段を制御する。そして、前記３次元形状情報生成手段は、前記光強度情報が離散的に取得される前記標本位置を前記３次元形状情報の生成毎に相互に異ならせて生成された前記回数分の３次元形状情報を平均して、前記標本の３次元形状情報とする。
【００２８】
さらに、前記移動制御手段は、前記光強度情報を離散的に取得する前記標本位置を前記３次元形状情報の生成毎に相互に異ならせる際のずれ量を、前記取得された回数に応じて変化させる。前記ずれ量は、前記移動制御手段による１回の移動ステップ量を前記取得された回数で除算することによって算出される。なお、前記移動制御手段により前記光強度情報を離散的に取得する前記位置を前記３次元形状情報の生成毎に相互に異ならせる際のずれ量は、任意に設定してもよい。
【００２９】
これにより、偶然誤差と、Ｚ走査の離散的な光強度情報取得に起因する量子化誤差を低減することができる。
前記３次元形状測定装置は、さらに、測定対象取得手段、測定手段を備えてもよい。
【００３０】
測定対象取得手段は、予め生成された前記３次元形状情報に基づいて設定された所定の測定対象の設定情報を取得する。測定対象取得手段は、例えば本実施形態でいえば、予め生成して、モニタ４６に表示された３次元形状情報に対して、測定対象となる位置と位置間を設定することができるコンピュータ２８に相当する。
【００３１】
測定手段は、前記測定対象の設定情報に基づいて、３次元形状情報生成手段により得られた前記３次元形状情報から前記測定対象に対応する３次元形状を測定する。測定手段は、例えば本実施形態でいえば、図６のＳ１４及びＳ１５を実行する３次元形状情報演算手段４２（または、コンピュータ２８を含んでいても良い）に相当する。
【００３２】
このように構成することにより、これにより、偶然誤差と、Ｚ走査を離散的に行うことによる量子化誤差を低減することが可能である他に、観察者にとっても操作性のよい測定方法を実現している。
【００３３】
また、前記３次元形状情報生成手段は、前記最大光強度を得る前記標本位置を取得する際、複数の前記光強度情報から所定数の光強度情報を抽出し、該抽出した所定数の光強度情報に適合する変化曲線上の最大値を算出し、該最大値に対応する前記標本位置を推定し、該推定した前記標本位置を３次元形状情報として取得してもよい。
【００３４】
このように構成することにより、さらにＺ走査の量子化誤差が低減される効果が得られる。よって、同じ移動回数でより精度のよい３次元形状情報の取得が可能となる。
以下に、本発明の実施形態について詳述する。
【００３５】
＜第１の実施形態＞
本実施形態における共焦点走査型顕微鏡では、共焦点光学系を使用してサンプルの３次元形状情報を複数回取得する際に、サンプルの３次元形状情報を離散的に取得する位置を互いに異ならせて取得し、取得された複数の３次元形状情報を平均することでサンプルの３次元形状情報とするものである。
【００３６】
図１は、第１の実施形態における共焦点走査型光学顕微システムの構成を示す。第１の実施形態は、共焦点光学系１６を使用してサンプルを２次元走査することにより表面情報を取得する例である。
【００３７】
共焦点光学系１６では、レーザ光源１８から出射した走査用レーザ光は、ミラー２０で反射して、ハーフミラー２２を介して２次元走査機構２４に入射する。
２次元走査機構２４は、走査制御ユニット２６を介してコンピュータ２８に接続されている。２次元走査機構２４は、コンピュータ２８からの命令によって走査制御ユニット２６から出力される走査制御信号Ｐ１に基づいて駆動の制御がされる。２次元走査機構２４は、走査制御信号Ｐ１に基づいて走査用レーザ光をレボルバ３０にセットされた対物レンズ３２を介してステージ３４上のサンプル３６に微小スポットに集光させる。２次元走査機構２４は、この状態で走査用レーザ光をサンプル３６上にテレビのラスター走査と同様にＸＹ方向に走査させる。
【００３８】
走査用レーザ光による２次元走査でサンプル３６から反射した反射光は、対物レンズ３２及び２次元走査機構２４を介してハーフミラー２２まで導光され、このハーフミラー２２によって光検出器４０側へ反射される。
【００３９】
ハーフミラー２２で反射した反射光は、対物レンズ３２の集光位置と共役な位置に配置したピンホール３８を透通した後、光検出器４０に入射する。光検出器４０は、その入射した反射光をその光量に対応した電気信号に変換して３次元形状情報演算手段４２へ出力する。
【００４０】
３次元形状情報演算手段４２には、光検出器４０、コンピュータ２８、及びＺ方向移動制御回路４４が接続されている。３次元形状情報演算手段４２は、光検出器４０から出力される電気信号、コンピュータ２８およびＺ方向移動制御回路４４への指令情報を保存できる。
【００４１】
また、ステージ３４は、コンピュータ２８の命令によってＺ方向移動制御回路４４から出力されるＺ制御信号Ｐ２に基づいて、Ｚ方向へ所定量だけ移動制御される。このとき、ステージ３４の１回あたりの移動ステップ量は、コンピュータ２８によって制御される。
【００４２】
また、測定範囲の設定、各測定範囲内のステージ３４の移動ステップ量の設定、画像表示、及び顕微鏡システムの制御等は、コンピュータ２８に接続されたモニタ４６を介して観察者によって設定される。
【００４３】
以上のように構成された共焦点走査型光学顕微鏡システムでは、観察者がサンプル３６をステージ３４上に載置した後、コンピュータ２８による制御によってサンプル３６上に集光される微小スポットをＸＹ方向に走査する。
【００４４】
そして、ステージ３４をＺ方向に移動制御してサンプル３６に対して合焦動作を行う。このとき、サンプル３６にピントが合ったか否かの判断は、モニタ４６に表示された画像を見ながら行う。
【００４５】
次に、観察者は、測定動作に関する各パラメータの設定を行う。まず、コンピュータ２８によってサンプル３６の測定範囲Ｌ及び、測定を開始するステージ３４の位置Ｚ0を設定した後、Ｚ走査でのステージ３４の１回あたりの移動ステップ量Δを設定する。
【００４６】
この移動ステップ量Δとは、本実施形態では、対物レンズ３２の焦光位置に対してサンプル３６の位置をＺ方向へ移動させる際の１回の移動量である。測定範囲Ｌとステージ３４の１回あたりの移動ステップ量Δとを設定すると、ステージ３４の移動回数ＮはＬ／Δ≦Ｎという関係に従って決定される。
【００４７】
また、本実施形態における共焦点顕微鏡には、通常測定モードと繰返し測定モードの２つの測定モードが備わっている。通常測定モードは、設定した測定範囲Ｌに対して、Ｚ走査を１回行いサンプルの３次元形状情報を生成する方法であり、従来技術で述べた通常の測定方法である。一方、繰返し測定モードについては、詳細は後述するが、Ｚ走査を指定した回数分、繰り返し行った上でサンプルの３次元形状情報を生成する測定方法である。繰返し測定モードを選択した場合、観察者は繰返し取得回数Ｒを設定する。
【００４８】
以下では、繰返し測定モードでの動作を詳細に述べる。観察者は繰返し測定モードを選択し、測定範囲Ｌと移動ステップ量Δおよび繰返し取得回数Ｒを設定した後、サンプル３６に対する測定が開始される。尚、移動回数Ｎは、Ｌ／Δ≦Ｎという関係に従って自動的に決定されるとしたが、所望の移動回数Ｎを設定することもできる。
【００４９】
以下、図２に示すフローチャートを参照して測定動作を説明する。
図２は、本実施形態における繰り返し測定モードでの動作フローを示す。測定が開始されると、３次元形状情報演算手段４２により以下の処理が実行される。まず、繰返し取得回数カウント値ｒは、リセットされる（Ｓ１）。次に、測定開始位置Ｚ0がセットされる（Ｓ２）。
【００５０】
次に、ステージ３４は測定開始位置Ｚ0に移動し、ステージ３４の移動回数のカウンタｎがリセットされる。また、このとき光検出器４０から出力される電気信号Ｉ0は、Ｍ（０）として３次元形状情報演算手段４２内のメモリに保存される（Ｓ３）。
【００５１】
次に、ステージ３４を移動ステップ量Δだけ移動させて、ステージ３４の移動回数のカウンタｎをカウントアップする（Ｓ４）。
次に、光検出器４０から出力される電気信号Ｉnと３次元形状情報演算手段４２に記憶されている値Ｍ（０）とを比較する（Ｓ５）。Ｍ（０）よりＩnの方が大きければ（Ｓ５で「Ｙｅｓ」）、Ｍ（０）にＩnの値を上書き保存する。また、C（０）には、このときのステージ３４の移動回数のカウント値ｎを保存する（Ｓ６）。
【００５２】
Ｓ４〜Ｓ６の処理をＮ回繰り返すことにより（Ｓ７）、光検出器４０から出力される電気信号Ｉnの最大値Ｍ（ｒ）および、最大光強度を示すときのステージ３４の移動回数のカウント値Ｃ（ｒ）が３次元形状情報演算手段４２のメモリに保存される。
【００５３】
次に、繰返し取得回数カウント値ｒをカウントアップする（Ｓ８）。さらに、繰返し取得回数カウント値ｒと繰返し取得回数Ｒを比較する（Ｓ９）。ｒ＝Ｒならば測定終了となる（Ｓ９で「Ｙｅｓ」）。ｒ＜Ｒならば（Ｓ９で「Ｎｏ」）、再びＳ２に戻る。この場合、ステージ初期位置Ｚ0はΔ／Ｒだけ前回のＺ0からシフトし、Ｚ0＋ｒ・（Δ／Ｒ）として上書きされる（Ｓ２）。
【００５４】
以上のようにして、繰返し取得回数Ｒ分だけステージ初期位置Ｚ0をシフトしながら、それぞれのＺ0の最大光強度Ｍ（０）〜Ｍ（Ｒ−１）と最大光強度での移動ステップカウント値Ｃ（０）〜Ｃ（Ｒ−１）が３次元形状情報演算手段４２のメモリに保存される。さらにサンプルからの反射光強度が真に最大となる、対物レンズとサンプルの相対位置Ｚtを求めるために、３次元形状情報演算手段４２のメモリに保存された最大光強度での移動ステップカウント値Ｃ（０）〜Ｃ（Ｒ−１）を用いて、コンピュータ２８で以下の計算を行う。
【００５５】
Ｚt=（Ｚ（１，ｍ）＋Ｚ（２，ｍ）＋・・・＋Ｚ（Ｒ，ｍ））／Ｒ
但し、Ｚ（１，ｍ）、Ｚ（２，ｍ）、・・・、Ｚ（Ｒ，ｍ）はそれぞれ、３次元形状情報演算手段４２のメモリに保存された最大光強度Ｍ（０）、Ｍ（１）、・・・、Ｍ（Ｒ−１）のときのＺの値である。このようにして最終的に繰返し取得回数Ｒ組の３次元形状情報を平均した値をサンプルの高さ情報として生成する。
【００５６】
以上説明した測定動作による効果を、図３を用いて説明する。
図３は、本実施形態における、ＸＹ方向において位置を固定し、Ｚ方向に離散的に位置を移動させた場合のＺ方向の位置Ｚと光検出器４０が出力する光強度Ｉとの関係（以下、「ＩＺカーブ」と呼ぶ。）を示す。また、同図中に示す○，×，□は、本実施形態の測定動作において繰返し取得回数を３回としたときの最大光強度付近のＺとＩの値である。測定１回目のＺとＩを○で表し、２回目を×で表し、３回目を□で表す。
【００５７】
さらに、○で示す測定１回目のＺとＩについて、Ｉが最大値を示すときのＺとＩをそれぞれ、Ｚ（１，ｍ）、Ｉ（１，ｍ）とする。また、Ｚ（１，ｍ）、Ｉ（１，ｍ）より１ステップ前でのＺとＩをそれぞれ、Ｚ（１，ｍ−１）、Ｉ（１，ｍ−１）とする。また、Ｚ（１，ｍ）、Ｉ（１，ｍ）より１ステップ後でのＺとＩをそれぞれ、Ｚ（１，ｍ＋１）、Ｉ（１，ｍ＋１）とする。
【００５８】
また、×で示す測定２回目のＺとＩについても同様に、Ｉが最大値を示すときのＺとＩをそれぞれ、Ｚ（２，ｍ）、Ｉ（２，ｍ）とする。また、Ｚ（２，ｍ）、Ｉ（２，ｍ）より、１ステップ前でのＺとＩをそれぞれ、Ｚ（２，ｍ−１）、Ｉ（２，ｍ−１）とする。また、Ｚ（２，ｍ）、Ｉ（２，ｍ）より１ステップ後でのＺとＩをそれぞれ、Ｚ（２，ｍ＋１）、Ｉ（２，ｍ＋１）とする。また、３回目も同様に符号をつけてあるので、説明は省略する。
【００５９】
同図で示すように、移動ステップ量Δに対して、測定１回目、２回目、３回目の光強度情報の取得位置はΔ／３異なっている。このようにして取得された光強度が最大となる３個のＺについて、前述したようにＺtとして、これらの平均値Ｚt＝（Ｚ（１，ｍ）＋Ｚ（２，ｍ）＋Ｚ（３，ｍ））／３が計算され、サンプルの最終的な３次元形状情報として生成される。
【００６０】
同図より、明らかにＺ走査を離散的に行うことにより量子化誤差を低減させ、かつ加算平均の演算によって、偶然誤差の影響を低減できることが期待できる。
本実施形態によれば、対物レンズとサンプルの相対位置を順次変化させ、サンプルの最大光強度とその時の相対位置を求めるＺ走査を所定の回数繰返し行い、かつ、ステージ初期位置をシフトさせることによってそれぞれの光強度情報の取込の位置を互いにずらすことにより、最終的にそれらの平均値として得られる３次元形状情報について、偶然誤差と、Ｚ走査を離散的に行うことによる量子化誤差が低減することが可能となる。
【００６１】
なお、ステージ初期位置のシフト量をΔ／Ｒとしたが、観察者が任意に設定することも可能である。これにより、それぞれの光強度情報の取込の位置のずれ量を任意に設定できる。
【００６２】
なお、上述した第１の実施形態における第１の実施形態の変形例として、１回の３次元形状情報取得の際に、最大光強度を示すＺ位置１点とその直前・前後のＺ位置２点での光強度の合計３点を２次関数で近似し、その２次曲線の頂点の位置をピーク位置とする方法を用いてもよい。以下、図４〜図５を用いて詳細に説明する。
【００６３】
共焦点走査型顕微鏡において、対物レンズと試料の相対位置を連続的に変化させた場合の光強度の変化は、例えば、「ＴＨＥＯＲＹ  ＡＮＤ  ＰＲＡＣＴＩＣＥ  ＯＦ  ＳＣＡＮＮＩＮＧ  ＯＰＴＩＣＡＬ  ＭＩＣＲＯＳＣＯＰＹ」（Ｐ１２６）に開示されているように以下のように理論的に求められる。
【００６４】
Ｉ（Ｚ）＝｛ｓｉｎ（ｕ／２）／（ｕ／２）｝2  ・・・（１）
ｕ＝８πＺ・ｓｉｎ2（θ／２）／λ
ＮＡ＝ｓｉｎθ
Ｚ      ：焦点からの距離
Ｉ（Ｚ）：位置Ｚでの光強度
ＮＡ    ：対物レンズの開口数
λ      ：光の波長
（１）式によれば、Ｚ＝０、すなわちサンプルが光学系の焦点位置にあるとき、サンプルからの反射光強度Ｉ（Ｚ）が最大となる。（１）式をＺの２次関数で近似すると、
Ｉ（Ｚ）＝αＺ2＋βＺ＋γ  ・・・（２）
と表される。
【００６５】
図４は、本実施形態の変形例における高さの推定方法の説明図である。同図に示す実線は図３に示したＩＺカーブと同様のものであり、同図中○で示してある位置でＩのサンプリングを行っている。同図に示すように、順次光強度情報の取得を行った中で、光検出器４０の出力値Ｉ（Ｚ）が最大となった位置をＺmで表し、Ｚmに対して１つ前に測定を行った位置をＺm-1で表し、１つ後に測定を行った位置をＺm+1で表す。そして、それぞれの位置での出力値Ｉ（Ｚ）の値をＩm、Ｉm-1、Ｉm+1として、（２）式に代入すると、
Ｉm＝αＺm2+βＺm+γ  ・・・（３）
Ｉm-1＝αＺm-12+βＺm-1+γ
Ｉm+1＝αＺm+12+βＺm+1+γ
となる。
【００６６】
ここで、対物レンズと試料の相対位置を離散的に移動させた時のＺ方向の移動開始位置をＺ0、１回あたりのＺ方向の移動量をΔＺ、光検出器の出力が最大の位置となった時のＺ方向の移動回数をｍとすると、
Ｚm＝Ｚ0＋ΔＺ・m  ・・・（４）
Ｚm-1＝Ｚm−ΔＺ
Ｚm+1＝Ｚm＋ΔＺ
となる。よって、（３）、（４）式からαを求めると、
α＝｛（Ｉm-1−Ｉm）＋（Ｉm+1−Ｉm）｝／（２・ΔＺ2）  ・・・（５）
となる。
【００６７】
ここで、Ｉmは光検出器４０の出力Ｉの最大値であるから、Ｉm＞Ｉm-1、Ｉm＞Ｉm+1の関係になる。また、（５）式からα＜０となる。したがって、Ｚ＝−β／２αのときにＩ（Ｚ）が最大となる。ゆえに、光強度が最大となる位置Ｚpは、
Ｚp＝−β／２α
＝Ｚ0＋ΔＺ・ｍ＋｛（Ｉm+1−Ｉm-1）・ΔＺ｝／［２｛（Ｉm-1−Ｉm）＋（Ｉm+1−Ｉm）｝］  ・・・（６）
となる。
【００６８】
よって、Ｉm、Ｉm-1、Ｉm+1、ｍ、Ｚ0、およびΔＺから（６）式に基づいて、ＩＺカーブを２次関数で近似した場合の光強度が最大となる対物レンズ３２とサンプル３６の相対位置Ｚpを求めることができる。
【００６９】
本変形例では、Ｒ回の３次元形状情報の取得を行った場合、画素ごとにＲ個のＺpを算出する。そして、Ｒ個のＺpの平均値を求め、その値を最終的にサンプルの３次元形状情報とするものである。例えば、３回の３次元形状取得を行ったとすると、各画素について３回ずつ上述したような高さ推定が行われる。これについて図５を用いて説明する。
【００７０】
図５は、本実施形態の変形例における複数回分の２次関数で近似されたＩＺカーブとそのピーク位置を示す。図５に示すように、３次元形状情報取得１回目の高さ推定位置としてＺp1、取得２回目にはＺp2、取得３回目にはＺp3が順次算出される。そして、最終的な３次元形状情報Ｚｔとして、これらの平均値を求める。つまり、Ｚt＝（Ｚp1＋Ｚp2＋Ｚp3）／３となる。
【００７１】
このようにした場合、第１の実施形態に比べて、さらにＺ走査の量子化誤差が低減される効果が得られる。よって、同じ移動回数でより精度のよい３次元形状情報の取得が可能となる。
【００７２】
＜第２の実施形態＞
次に、第２の実施形態に係る共焦点走査型光学顕微鏡システムについて説明する。本実施形態では、繰返し取得した３次元形状情報から、観察者が予め登録した取得指示情報に基づいて所定の３次元形状数値情報を生成するものである。但し、３次元形状数値情報とは、例えばサンプルの所定の位置における線幅、段差、または、粗さの各種パラメータなど、３次元形状情報から得られる１次元の数値情報のことである。本実施形態の構成は第１の実施形態と同一であるため、その説明を省略する。
【００７３】
図６は、本実施形態における測定動作のフローを示す。観察者は始めに、サンプルの３次元形状情報を通常の方法で取得する。つまり、第１の実施形態で説明したようなＺ操作を繰り返し行うのではなく、１回のＺ走査を行いサンプルの３次元形状情報を取得し、３次元画像をモニタ４６に表示する（Ｓ１１）。
【００７４】
次に、観察者は、コンピュータ２８が有する図示しない取得指示手段（例えば、マウス等）を用いて、モニタ４６に表示されたサンプルの３次元形状情報の所定の部位の線幅、段差等の３次元形状数値情報を取得する位置を指示する。これについて図７Ａ及び図７Ｂを用いて説明する。
【００７５】
図７Ａは、本実施形態における３次元形状情報の一例を示す。図７Ｂは、図７Ａの所定の断面情報を示す。例えば図７Ａに示すような、３次元形状情報が取得され、モニタ４６に表示された場合を考える。観察者は、図７Ｂに示すような断面について、周期的な凹凸形状の周期ｗあるいは谷から山までの高さｈを測定する位置として取得指示手段を用いて指定する。すると、３次元形状情報演算手段４２は、観察者が指定した位置を測定取得指示情報として記憶する。この場合、観察者の指定した断面の方向と位置、周期ｗおよび高さｈを測定した座標と、その測定項目が記憶される。それから、観察者は、繰返し取得回数Ｒを指定する（Ｓ１２）。
【００７６】
次に、第１の実施形態で示したＳ２〜Ｓ９までの動作が実行される（Ｓ１３）。つまり、観察者が指定した繰返し取得回数Ｒ回分、３次元形状情報が取得される。また、このとき、第１の実施形態と同様に繰り返し測定を行う回数毎に、各Ｚ走査においてステージ初期位置がΔ／Ｒだけシフトされて実行される。
【００７７】
次に、Ｓ１３で取得したＲ個の３次元形状情報に対してＳ１２において取得指示手段を用いて設定された測定取得指示情報に基づいて、繰り返し取得回数分、Ｒ組の３次元形状数値情報が生成される（Ｓ１４）。
【００７８】
それから、その生成された３次元形状数値情報の平均値が生成される（Ｓ１５）。これについて、図８を用いて説明する。
図８は、本実施形態における３次元形状数値情報に関するテーブルの一例を示す。当該テーブルは、３次元形状情報演算手段４２のメモリに格納されている。例えば、Ｓ１４で取得されたＲ組の３次元形状数値情報は加算平均され、その平均値が最終的な３次元形状数値情報として生成され、当該テーブルに格納される。なお、このときＲ組の３次元形状数値情報について、標準偏差等の統計情報を同時に生成することも可能である。
【００７９】
このように本実施形態では、始めに３次元形状情報を１つ取得し、その画像に対して取得指示手段を用いて３次元形状数値情報を取得する位置を指定する。そして、指定された繰り返し測定分の３次元形状情報を取得し、その取得された３次元形状それぞれに対して、取得指示手段で設定された位置の３次元形状数値情報を取得して、平均値を生成する。これにより、偶然誤差と、Ｚ走査を離散的に行うことによる量子化誤差を低減することが可能である他に、観察者にとっても操作性のよい測定方法を実現している。
【００８０】
なお、上記第１及び第２実施形態では、Ｚ方向移動方法として、ステージ３4を移動させたが、これに限定されず、他の方法でも構わない。例えば、対物レンズ３２を移動させても良いし、共焦点光学系１６全体を移動させてもよい。
【００８１】
また、第２の実施形態では、Ｓ１で３次元形状情報を取得し、これに基づいてその後の処理を行ったが、予め保存していた３次元形状情報を読み出してその後の処理を行っても良い。
【００８２】
また、第１及び第２の実施形態では、共焦点顕微鏡を用いたが、Ｚ方向に移動させて３次元形状を測定することができる顕微鏡であるならば特に限定されない。例えば、Ｚ方向へ移動可能な白色干渉顕微鏡等でもよい。
【００８３】
本発明によれば、対物レンズとサンプルの相対位置を順次変化させ、サンプルの最大光強度情報とその時の相対位置を求めるＺ走査を所定の回数繰返し行い、かつ、ステージ初期位置をシフトさせることによってそれぞれの光強度情報の取込の位置を互いにずらすことができる。これにより、最終的にそれら３次元形状情報の平均値あるいは、３次元形状情報それぞれに対して出力される３次元形状数値情報の平均値について、偶然誤差と、Ｚ走査を離散的に行うことによる量子化誤差を低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】第１の実施形態における共焦点走査型光学顕微システムの構成を示す。
【図２】第１の実施形態における繰り返し測定モードでの動作フローを示す。
【図３】第１の実施形態における、ＸＹ方向において位置を固定し、Ｚ方向に離散的に位置を移動させた場合のＺ方向の位置Ｚと光検出器４０が出力する光強度Ｉとの関係を示す。
【図４】第１の実施形態の変形例における高さの推定方法の説明図である。
【図５】第１の実施形態の変形例における複数回分の２次関数で近似されたＩＺカーブとそのピーク位置を示す。
【図６】第２の実施形態における測定動作のフローを示す。
【図７Ａ】第２の実施形態における３次元形状情報の一例を示す。
【図７Ｂ】図７Ａの所定の断面情報を示す。
【図８】本実施形態における３次元形状数値情報に関するテーブルの一例を示す。
【図９】一般的な共焦点顕微鏡の概略的な構成を示す。
【符号の説明】
【００８５】
１      点光源
２      ハーフミラー
３      対物レンズ
４      サンプル
５      ピンホール
６      光検出器
１６    共焦点光学系
１８    レーザ光源
２０    ミラー
２２    ハーフミラー
２４    ２次元走査機構
２６    走査制御ユニット
２８    コンピュータ
３０    レボルバ
３２    対物レンズ
３６    サンプル
３８    ピンホール
４０    光検出器
４２    ３次元形状情報演算手段
４４    Ｚ方向移動制御回路
４６    モニタ
【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７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図７Ａ】
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