(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多数の微小開口部を持つ基板を回転させ、この基板の微小開口部を通過した照射光を試料に対して走査し、試料からの反射光を受光して試料のスライス画像を得ると共に、相対的に試料を光軸方向に移動させて前記スライス画像を得ることができるように構成された共焦点顕微鏡装置において、
前記試料からの反射光の光量に応じて測定光量あるいはスライス画像の信号レベルを変化させる制御手段と、
前記制御手段により変化させた前記測定光量あるいは前記スライス画像の信号レベルを数値化するＡＤ変換器と、
このＡＤ変換器の出力に対して前記測定光量あるいはスライス画像の信号レベルの変化量を重み付けして、画素ごとに複数のスライス画像の中で前記試料の光軸方向に最大光量を与える位置をピークサーチし、前記試料の三次元画像または焦点深度の深い画像を得る画像再構築手段と、
を具備したことを特徴とする共焦点顕微鏡装置。
【請求項２】
前記試料からの反射光の光量に応じて測定光量あるいはスライス画像の信号レベルを変化させる制御手段は、前記試料を照射する照射光の光源の光量を変化させる機能を有することを特徴とする請求項１記載の共焦点用顕微鏡装置。
【請求項３】
前記制御手段として自動ゲイン制御回路を使用したことを特徴とする請求項１記載の共焦点顕微鏡装置。
【請求項４】
前記制御手段は、スライス画像の一部を受光する手段を備え、その手段の受光量に応じて前記自動ゲイン制御回路のゲイン値を決定するようにしたことを特徴とする請求項３記載の共焦点顕微鏡装置。
【請求項５】
前記制御手段は、フレームメモリを含み、前記自動ゲイン制御回路から出力される画像信号をフレームメモリに保存すると共に、自動ゲイン制御回路のゲイン値を画像信号のブランクエリアに記録するようにしたことを特徴とする請求項３記載の共焦点顕微鏡装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は共焦点顕微鏡装置に関し、特に複数の共焦点スライス画像を再構築して三次元立体画像を得る共焦点顕微鏡装置におけるスライス画像取得時のダイナミックレンジ拡大のための改善に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、加工技術の向上と共にミクロな三次元形状の計測への要求が高まっている。またバイオテクノロジーの分野でも分子のもつ三次元構造が注目されてきた。これらに応えるものとして、干渉顕微鏡や共焦点顕微鏡等がある。
【０００３】
ここでは共焦点顕微鏡をとり上げる。図４は従来の共焦点顕微鏡装置の一例を示す構成図である。共焦点スキャナ２を介して出射される光源１のレーザ光は顕微鏡の対物レンズ３で集束され試料４上に照射される。試料４で反射した光は再び対物レンズ３を介して共焦点スキャナ２に戻る。スキャナ２部で結像した試料面の像はカメラ６により撮像され、その出力信号はアナログ・デジタル変換器７でデジタル変換されて中央処理装置（以下ＣＰＵと言う）８に読み取られる。
【０００４】
共焦点スキャナ２は試料４に照射する光ビームを光軸と直角な方向（ＸＹ軸方向）に二次元走査することができる。したがってカメラ６では試料の走査面の像、すなわちスライス像を捉えることができる。
【０００５】
一方、試料４を載せたステージ５は、ステージ移動機構９により光軸方向（高さ方向あるいはＺ軸方向とも呼ぶ）に移動可能になっている。ステージ移動機構９はＣＰＵ８により制御され、その移動量はＣＰＵ８で確認できるようになっている。
【０００６】
ステージを移動させつつ撮像したスライス像は、メモリ１０に保存しておくことができる。ＣＰＵ８はＺ軸移動量と前記各スライス像から試料の例えば三次元表示画像を再構築し、その画像データをフレームメモリ１１に保存する。フレームメモリ１１の画像はＣＲＴ１２上に表示される。
【０００７】
更に述べれば、このような共焦点顕微鏡装置は、ピンポイントで照明する方式であるため、レーザ光または非レーザ光とピンホールの組み合わせが用いられる。このような組み合わせによれば、測定点以外からの散乱光を容易に防止することができるという効果が得られる。
【０００８】
また、受光器の前には空間フィルタとしてピンホールが設置され、測定点以外からの光がカットされる。すなわち、測定点同一面内にあるノイズ光はピンホールの横に結像し、受光器には入らないようにカットされる。
【０００９】
また、光軸方向にずれた点の光は対物レンズによってピンホールの前で広がり、そのため受光される光は激減する。要するに、光軸上で焦点のあったときのみ光量が増大し、ピントの外れた点では光量がほぼ零となる。
このことから、共焦点顕微鏡は光軸方向にも分解能を持つことが知られている。
【００１０】
以上のような構成の共焦点顕微鏡では三次元空間中の一点だけを測定できる。試料に照射する光を光軸と直角な方向に二次元走査ずれば試料の三次元空間中のスライス像を得ることができる。
【００１１】
なお、焦点位置で光量がピークになるため、半導体等のように表面を持つ試料を測定した場合には光量が最大になる光軸位置が試料の表面と考えられる。したがって、複数のスライス像の中で光軸方向に最大光量を与える位置を画素ごとにピークサーチして各画素のピーク値を与える高さを求め、それらの高さを基に画像を再構築することにより試料の三次元表面形状画像を得ることができる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、試料に急斜面があったり、表面反射率が低くて走査している間にピークが非常に小さい場合には、そのままピークサーチを行うと結果的にノイズを拾うことになり画質が悪化してしまうという課題があった。
つまり、例えば８ビットのＡＤ変換器７であればダイナミックレンジは８ビットに限されてしまう。
【００１３】
本発明は、上記の課題を解決するもので、ダイナミックレンジを容易に拡大することのできる共焦点顕微鏡装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために請求項１に記載の発明では、多数の微小開口部を持つ基板を回転させ、この基板の微小開口部を通過した照射光を試料に対して走査し、試料からの反射光を受光して試料のスライス画像を得ると共に、相対的に試料を光軸方向に移動させて前記スライス画像を得ることができるように構成された共焦点顕微鏡装置において、
前記試料からの反射光の光量に応じて測定光量あるいはスライス画像の信号レベルを変化させる制御手段と、
前記制御手段により変化させた前記測定光量あるいは前記スライス画像の信号レベルを数値化するＡＤ変換器と、
このＡＤ変換器の出力に対して前記測定光量あるいはスライス画像の信号レベルの変化量を重み付けして、画素ごとに複数のスライス画像の中で前記試料の光軸方向に最大光量を与える位置をピークサーチし、前記試料の三次元画像または焦点深度の深い画像を得る画像再構築手段と、
を具備したことを特徴とする。
【００１５】
請求項１に記載の発明では、制御手段により試料からの反射光の光量に応じて測定光量あるいはスライス画像の信号レベルを変化させる。すなわち、常にある所定範囲の測定光量あるいは信号レベルになるように制御する。これによりＳＮ比が良くなる。
つづいて、画像再構築手段により、このように変化させたときの変化量を重み付けしつつ、試料の光軸方向の各位置でのスライス画像についてピークサーチを行う。
このようにして、試料の三次元画像あるいは焦点深度の深い画像を容易に得ることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下図面を用いて本発明を詳しく説明する。図１は本発明に係る共焦点顕微鏡装置の一実施例を示す構成図である。なお、図１は試料の高さ画像演算を行う共焦点顕微鏡装置の実施例である。図１において、図４と同等部分には同一符号を付し、その部分の説明は省略する。
【００１７】
本発明は、試料からの反射光の光量に応じて画像信号あるいは測定光量を変化させる制御手段と、その変化させた量をスライス画像に重み付けしながら各スライス画像をピークサーチし、試料の三次元画像または焦点深度の深い画像を得る画像再構築手段を持つことを特徴とする。
【００１８】
なお、本実施例では、上記制御手段に自動ゲイン制御回路（ＡＧＣ回路）およびＡＤ変換器を用い、画像再構築手段にはＣＰＵを用いている。
以下各構成要素および動作について詳細に説明する。
【００１９】
ＡＧＣ回路２１は、カメラ６から出力されるスライス画像の信号レベルを制御するもので、制御された信号レベルの出力（スライス画像）はＮＴＳＣ信号でＡＤ変換器２２に送られる。またＡＧＣ回路２１のゲイン値はＡＤ変換２３に送られる。
【００２０】
ＣＰＵ２４はＡＤ変換器２２のスライス画像にＡＤ変換器２３のゲイン値を重み付けしながらピークサーチを行う。なお、ＣＰＵ２４はステージ移動機構９を駆動すると共にＺ方向移動量をＡＤ変換器２５を介して読み取ることができる。
【００２１】
このような構成におげる動作を次に説明する。カメラ６で試料４のスライス像を撮影するところまでの動作は従来例と同様である。カメラ６の撮影信号はＡＧＣ回路２１に導かれ、レベル制御され、ＮＴＳＣ信号としてＡＤ変換器２２に入力される。
【００２２】
このとき、試料４に急斜面があったり、走査している間にピークが非常に小さい場合には、カメラ６からの共焦点スライス画像はノイズが大きくコントラストの小さいデータであるが、ＡＧＣ回路２１を通すことによりゲインを増大させ、信号レベルを持ち上げたＮＴＳＣ信号としてＡＤ変換器２２に送られる。
【００２３】
そしてこのときの各フレームごとのＡＧＣ回路２１のゲイン値はＡＤ変換器２３に送られる。ＣＰＵ２４はＡＤ変換器２２から読み取ったＮＴＳＣ信号のスライス画像にＡＤ変換器２３から読み取ったゲイン値を重み付けしつつピークサーチを行う。
【００２４】
従来の装置であれば、８ビットのＡＤ変換器を使用したときはその８ビットのＡＤ変換器でダイナミックレンジが制限を受ける。しかし、本発明ではＡＧＣ回路２１を用いたことにより、（ＡＧＣ回路のゲイン値）×（８ビットのＡＤ変換器）にダイナミックレンジを拡大することができ、試料４からの反射光量の小さい場合でもノイズに紛れることなにく確実にピークサーチを行うことができる。
【００２５】
このようにしてピークサーチされたスライス画像はフレームメモリ１１に書込まれ、ＣＲＴ１２上に表示される。
【００２６】
なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。したがって本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形をも含むものである。
【００２７】
例えば、ＡＧＣ回路用２１のＡＤ変換器２２，２３をフレームメモリ１１で兼用することもできる。この場合、フレームメモリにはＡＤ変換機能があるためＡＤ変換器２２，２３が不要となるばかりか、次のようにフレームメモリを巧みに利用することによりスライス画像とゲイン値を同時処理できるという利点も生ずる。
【００２８】
フレームメモリの巧みな利用とは次の通りである。ＮＴＳＣ信号は１フレーム５２５本の走査線を持つが実際にＣＲＴ画面に表示されるのは４９０本程度であり、図２に示すようにフレームの上下１５本ずつ程度はブランクエリアである。そこでこのブランクエリアにＡＧＣ回路２１のゲイン値を記録する。
【００２９】
図３はこの場合のＮＴＳＣ信号を示したもので、垂直同期信号と実画像信号の間にあるブランク期間にゲイン値が重畳されている。したがって、ＣＰＵ２４側では当該フレームのスライス画像とそのゲイン値を同時に読取り、処理することができる。
なお、ＡＧＣ回路２１からフレームメモリに入力する画像信号はＮＴＳＣ方式に限らず、ＰＡＬ方式のものであっても何ら差し支えない。
【００３０】
また、ＡＧＣ回路２１のゲイン値は、スライス画像の特定の一部分の光量に基づいて決めるようにしてもよい。
また、上記実施例のようにスライス画像の信号レベルを変化させるのではなく、光源１の光量を変化させるようにしてもよい。光量制御には、例えば絞りで光量を制御する方式等が適用できる。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば次のような効果がある。
請求項１に記載の発明によれば、制御手段により試料からの反射光の光量に応じて測定光量あるいはスライス画像の信号レベルを変化させ、画像再構成手段によりその変化量を重み付けしてスライス画像のピークサーチを行うようにしたため、ＡＤ変換器のダイナミックレンジ以上のダイナミックレンジで画像を処理することができる効果がある。
更に、ピークサーチはレベル変化させたスライス画像を基にピークサーチを行うため、反射光量の小さい場合でもノイズに紛れることなく確実にピークをサーチすることができる効果がある。
【００３２】
請求項２に記載の発明によれば、試料を照射する照射光の光源の光量を変化させることにより請求項１と同様の効果を得ることができる。
【００３３】
請求項３に記載の発明によれば、自動ゲイン制御回路により容易にスライス画像の信号レベルを変化させることができ、また信号レベルの変化量はゲイン値により容易に読み取ることができるという効果がある。
【００３４】
請求項４に記載の発明によれば、スライス画像の一部の受光量を基に自動ゲイン制御回路のゲイン値を決定できる利点がある。
【００３５】
請求項５に記載の発明によれば、自動ゲイン制御回路から出力されるＮＴＳＣ信号をフレームメモリに保存すると共に、自動ゲイン制御回路のゲイン値はＮＴＳＣ信号におけるブランクエリアに記録するようにしたため、フレームメモリの有効利用、ブランクエリアの有効活用が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る共焦点顕微鏡装置の一実施例を示す構成図である。
【図２】  ブランクエリアについての説明図である。
【図３】  ＮＴＳＣ信号についての説明図である。
【図４】  従来の共焦点顕微鏡装置の一例を示す構成図である。
【符号の説明】
１  光源
２  共焦点スキャナ
３  対物レンズ
４  試料
５  ステージ
６  カメラ
９  ステージ移動機構
１１  フレームメモリ
１２  ＣＲＴ
２１  自動ゲイン制御回路
２２，２３，２５  ＡＤ変換器
２４  ＣＰＵ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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