JP2000275528A - 走査型共焦点顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、試料の測定時に走査手段や倍率、解
像度に左右されることなく必要な領域の測定を高速に行
うこと。 【解決手段】試料４に対してレーザ光を２次元走査し、
試料４による反射光、蛍光又は透過光を受光し、この受
光強度に応じた検出信号を試料４の画像情報として得る
走査型共焦点顕微鏡に、試料４に対するレーザ光の２次
元走査範囲を指定する走査範囲指定手段２３を備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、試料に対する集束
光の走査制御やデータ処理を改善して処理の高速化を図
った走査型共焦点顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査型共焦点顕微鏡は、点状光源によっ
て観察試料（以下、試料と称する）の表面を点状に照明
し、この照明された試料表面からの透過光または反射光
を再び点状に集光してピンホール開口を有する検出器に
結像させ、この検出器により結像の輝度情報を得るとい
う共焦点作用を利用した顕微鏡である。

【０００３】図７は一般的な走査型共焦点顕微鏡の概略
構成図である。

【０００４】点光源１から出射された点状光は、ハーフ
ミラー２を通過したのち収差が補正された対物レンズ３
によって試料４の表面に点状結像される。そして、この
点状照明の試料４による反射光は、再び対物レンズ３を
通過したのちハーフミラー２で反射されて集光する。こ
の集光位置にはピンホール５が配置されており、このピ
ンホール５を通過した上記反射光は光検出器６によって
検出される。

【０００５】このような点状照明をラスタ走査等により
試料４の表面の測定領域全体にわたって２次元走査を行
い、その反射光の光検出器６による検出信号を画像表示
することにより、試料４の表面の２次元画像が得られ
る。

【０００６】この２次元走査には例えばＸ方向にはガル
バノスキャナやレゾナントスキャナ、Ｙ方向にはガルバ
ノスキャナが用いられている。これらＸ，Ｙスキャナに
ガルバノスキャナを組み合わせた場合は、試料４の表面
の走査速度は約１枚／秒程度になり、走査速度を少し向
上させるためにＸスキャナにレゾナントスキャナを用い
たものでは約５枚／秒程度となっている。なお、画素数
は、１０２４×７６８画素となっている。

【０００７】このような走査型共焦点顕微鏡では、上記
共焦点作用により段差のある試料４の表面全てに合焦し
た画像を得られる走査が可能である（以下、エクステン
ド走査）。これは合焦位置で得られる試料４の輝度は最
大輝度となることを利用したもので、ある対物レンズ３
（又は試料４）位置にて得られる試料４の輝度情報と対
物レンズ３（又は試料４）を光軸方向に微少位置ずらし
たところで得られる試料４の輝度情報とを比較し、これ
ら２枚の画像の同一画素同士で輝度の高い方の画素を残
して行くことで、最終的にある光軸方向範囲で得られる
試料４の画像が試料４表面全体に合焦した２次元画像と
なる。また、上記画素比較の際、輝度が高いと判断され
た場合、その時の光軸方向の位置を記憶させることで最
終的に試料４の高さ（凹凸）の情報が得られる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記エ
クステンド走査では、試料４の２次元走査と対物レンズ
３（又は試料４）の移動を光軸方向のある範囲分行って
初めて試料４の高さ等の情報が得られるので、その取得
時間は走査速度、データ処理速度、対物レンズ３（又は
試料４）の移動時間、全移動範囲によって決定され、通
常の２次元情報のみの取得に比べ時間が大幅に必要なも
のである。

【０００９】特にエクステンド走査などのように１度の
測定に大量に画像データ（輝度情報）を必要とする場
合、全体の測定時間を短縮するには、２次元走査による
試料４の輝度情報の取得時間（画像更新時間）を短縮す
ることが必要である。

【００１０】近年における例えばバンプ測定のように規
則正しく配列された段差サンプルなどを大量に連続的に
測定するような場合には、試料４の測定時間の短縮が必
須となってくる。

【００１１】ところが、走査速度を速くするために開示
されている技術としては例えば音響光学素子を使用した
２次元走査があるが、この技術だと走査角が大きくとれ
ないため全体の視野が制限されてしまうことや、又ＣＣ
Ｄラインセンサを使用した２次元走査では通常の共焦点
光学系で得られる解像度には及ばないなどの問題も付随
してしまう。

【００１２】そこで本発明は、試料の測定時に走査手段
や倍率（観察視野）、解像度に左右されることなく必要
な領域の測定を高速に行える走査型共焦点顕微鏡を提供
することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】請求項１によれば、試料
に対して集束光を２次元走査して試料による反射光、蛍
光又は透過光を受光し、この受光強度に応じた検出信号
を試料の画像情報として得る走査型共焦点顕微鏡におい
て、試料に対する集束光の２次元走査範囲を指定する走
査範囲指定手段を備えた走査型共焦点顕微鏡である。

【００１４】請求項２によれば、試料に対して集束光を
２次元走査して試料による反射光、蛍光又は透過光を受
光し、この受光強度に応じた検出信号を試料の画像情報
として得る走査型共焦点顕微鏡において、試料の画像情
報のうち指定されたデータ取得範囲の画像情報のみを有
効情報として得るデータ取得範囲指定手段を備えた走査
型共焦点顕微鏡である。

【００１５】請求項３によれば、試料に対して集束光を
２次元走査して試料による反射光、蛍光又は透過光を受
光し、この受光強度に応じた検出信号を試料の画像情報
として得る走査型共焦点顕微鏡において、試料に対する
集束光の２次元走査範囲を指定する走査範囲指定手段と
試料の画像情報のうち指定されたデータ取得範囲の画像
情報のみを有効情報として得るデータ取得範囲指定手段
を備えた走査型共焦点顕微鏡である。

【００１６】

【発明の実施の形態】(1)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。

【００１７】図１は走査型共焦点顕微鏡のブロック構成
図である。

【００１８】顕微鏡本体１００にはレーザー光源１０が
設けられている。このレーザー光源１０は試料４の表面
を走査するスポット光（集束光）としてのレーザー光を
発生させるものである。このレーザー光源１０の光路上
にはミラー１１が配置され、このミラー１１は、このレ
ーザー光源１０からのレーザー光を２次元走査機構１２
に導くための反射鏡である。

【００１９】この２次元走査機構１２は、ミラー１１を
介して得たレーザー光源１０からのレーザー光を２次元
走査するための機構で、２次元走査駆動制御回路１３の
制御のもとにスポット光をＸＹ走査するものとなってい
る。この２次元走査機構１２は、例えば、Ｘ軸方向走査
用のレゾナントスキャナとＹ軸方向走査用のガルバノス
キャナとを有し、これらスキャナをＸ軸方向、Ｙ軸方向
に振ることで対物レンズ１４に対するスポット光の光路
をＸＹ方向に振らせるものとなっている。

【００２０】レボルバ１５は、倍率の異なる複数の対物
レンズ１４を保持したものである。又、ステージ１６
は、試料４を保持するものである。

【００２１】しかるに、複数の対物レンズ１４のうちの
所望の倍率を持つ対物レンズ１４をレボルバ１５の切り
替えにより顕微鏡の観察光路中に位置設定することで、
この位置設定された対物レンズ１４を介して２次元走査
機構１２からのスポット光をステージ１６上の試料４上
に２次元走査しながら照射することができるものとなっ
ている。

【００２２】一方、試料４からの反射光は対物レンズ１
４を通り２次元走査機構１２に戻り、この２次元走査機
構１２からハーフミラー１７へと戻される構成となって
いる。このハーフミラー１７は、２次元走査機構１２に
対するレーザー光源１０の出射光路上に設けられ、２次
元走査機構１２を介して得られる試料４からの反射光を
検出系に導くための半透明鏡である。

【００２３】レンズ１８は、このハーフミラー１７を介
して得た２次元走査機構１２からの反射光を集光するも
のであり、又ピンホール板１９は所要の径のピンホール
を開けたもので、光検出器２０の受光面の前面における
レンズ１８の焦点位置に配置されている。

【００２４】この光検出器２０は、ピンホール板１９の
ピンホールを介して得られる光をその光量対応の電気信
号に変換する光検出素子である。

【００２５】この光検出器２０で光電変換された信号を
２次元走査駆動制御回路１３からのタイミング信号と共
にコンピュータ２１に送られ、このコンピュータ２１に
おいて画像化されモニタ２２に表示することで試料４の
表面情報が得られるものとなっている。

【００２６】又、このコンピュータ２１は、試料４に対
するレーザー光の２次元走査範囲を指定する走査範囲指
定手段２３の機能を有している。この走査範囲指定手段
２３は、２次元走査機構１２による試料４へのＹ方向走
査の範囲を制限するもので、この走査範囲の設定は、オ
ペレータがモニタ２２に表示されている試料４の表面情
報を基にして入力装置２４から行なうものとなってお
り、この設定された指定領域は２次元走査駆動制御回路
１３に送られるようになっている。なお、入力装置２４
としては、例えばマウスやキーボードである。

【００２７】次に上記の如く構成された顕微鏡による作
用について説明する。

【００２８】レーザー光源１０から出力されたレーザー
光は、ミラー１１で２次元走査機構１２に導かれ、この
２次元走査機構１２におけるＸ軸方向走査用のレゾナン
トスキャナ及びＹ軸方向走査用のガルバノスキャナの振
り動作によってＸＹ軸方向に走査される。

【００２９】この走査されたレーザー光は、対物レンズ
１４を通して試料４上にスポット光として走査されなが
ら照射される。

【００３０】一方、この試料４からの反射光は、対物レ
ンズ１４を通って２次元走査機構１２に戻り、この２次
元走査機構１２からハーフミラー１７、レンズ１８、そ
してピンホール板１９を通って光検出器２０に入射す
る。

【００３１】この光検出器２０は、入射した試料４から
の反射光を光電変換し、その信号をコンピュータ２１に
送出する。

【００３２】このコンピュータ２１は、光検出器２０か
らの信号を取り込み、２次元走査駆動制御回路１３から
のタイミング信号に従って画像化し、その画像をモニタ
２２に表示する。

【００３３】図２はモニタ２２に画像として表示された
試料４の一例を示す。なお、この画像は、走査範囲を指
定するために取り込まれた非共焦点画像であり、検査対
象となる試料４として基板２５上に複数の半田の球２６
が格子状に配置されたものである。なお、半田の球２６
は、頂上が少しつぶれている。

【００３４】ここで、この基板２５と球２６の上部との
間の高さを測定する場合について説明すると、通常、走
査型共焦点顕微鏡にて試料４の表面情報を取得すると、
図２のように表示領域全体をレーザー走査し、更新速度
は４枚／秒程度（例えば視野数１８に内接する１：１の
長方形領域…１０２４画素×１０２４ラインとする）と
なる。エクステンド走査をして基板２５と球２６の上部
との段差を測定すると、例えば２００ステップ分だけ対
物レンズ１４を光軸方向に移動をさせた場合、全体のデ
ータ取得には約９０秒を要する。このうちほぼ半分は画
像取得の時間（約５０秒）で、残りの半分が対物レンズ
１４を機械的に移動させるにかかる時間（約４０秒）で
ある。仮に精度向上のために１０００ステップ分を取ろ
うとすれば約４５０秒（約７分３０秒）も要することに
なる。

【００３５】これに対して本発明装置では、走査型共焦
点顕微鏡のオペレータがモニタ２２に表示される試料４
の表面情報を基に入力装置２４からレーザー光のＹ方向
走査範囲を指定する。

【００３６】例えばオペレータは図３に示すようにマウ
スやキーボードにて表示画像中からＹ走査方向に対して
高さ測定に有効な領域Ｑを指定する。この指定領域Ｑは
測定の対象となる部位が含まれる領域に限定すれば良
く、本実施の形態の場合は、基板２５と球２６の頂上と
であるＡ，Ｂ点間の高さを測定するものであるので、こ
れらＡ，Ｂ点を含むＹ走査方向の領域を指定すればよ
い。一例として球２６全体がちょうど入る程度に選んだ
とし、その領域がＹ方向全視野の半分であるとする。走
査範囲指定手段２３は、設定された指定領域Ｑの情報を
２次元走査駆動制御回路１３に伝えられ、これによりレ
ーザ光のＹ方向走査範囲が制御される。

【００３７】通常のＹスキャナの駆動パターンは図４の
実線のような波形であり、周期は約４Ｈｚでその中で走
査の有効領域（１０２４ライン分）と無効領域（レーザ
ーの帰線期間）が存在している。このうち無効領域はエ
クステンドなどの画像演算をコンピュータ２１が処理す
るのに必要な時間を考慮して決定されている。

【００３８】表示画像中で指定領域Ｑが図３のように指
定され、エクステンド走査が開始されると、コンピュー
タ２１は２次元走査駆動制御回路１３に指示を発し、Ｙ
スキャナの駆動パターンが図４の破線にて示されるもの
へ切り換える。このとき上記指定領域ＱはＹ方向全走査
範囲の半分が指定されたことになり、有効領域が５１２
ライン分に減少している。すなわち、測定用のデータ取
得は当初の半分の１０２４画素×５１２ライン分の長方
形の領域のみで行われることになる。Ｙ方向走査の周期
はほぼ半分程度（約８Ｈｚ）に短縮され、この設定では
全体のデータ取得時間は２００ステップで約７０秒（画
像取得約３０秒、対物レンズの移動約４０秒）となり、
１０００ステップでは約３３０秒（５分３０秒）とな
る。画像の取得枚数が多いほどその効果は顕著に現れて
くることになる。

【００３９】ちなみに帰線期間の割合が現実的に無視で
きるのは有効領域１２８ライン程度（１／８）までであ
り画像の更新速度が３０Ｈｚ程度になる。これ以上高速
にすることも可能だがスキャナそのものの応答速度や演
算時間の面で制約となり効果が薄れてきてしまう。これ
はＹ方向の両端付近で画像に歪みが出る、演算が帰線中
に間に合わなくなるなどである。１２８ラインの設定の
場合、全体のデータ取得時間は２００ステップで約５０
秒（画像取得約１０秒、対物レンズの移動約４０秒）と
なり、１０００ステップでは約２４０秒（４分）とな
る。

【００４０】なお、指定領域Ｑの指定方法は上記に限っ
た方法ではなくとも良いし、Ｙ走査方向の指定領域Ｑの
幅口検査対象部分（有効データ取得領域）の大きさに応
じてライン数を任意に設定することができ、例えば図３
中で示す半円球２６の頂点データが含まれる領域の直径
に等しいＹ走査方向り指定領域Ｑ’に指定することがで
きる。又、Ｙ方向の位置も中央に限らず試料上の検査対
象部位の位置によっては上下方向で自由に設定でき、２
次元走査の手段も他のスキャナを使用しても良い。

【００４１】以上のように測定対象領域が限定されてい
るなどして通常の走査領域全てのデータが有効利用され
ない場合、特定の一部のみのデータが必要な場合、また
測定用の画像取得枚数が多い場合などはＹ方向走査領域
を限定することで画像更新速度を向上させ、全体の測定
用データ取得時間の短縮を図るように走査範囲指定手段
２３からの指令にて２次元走査機構１２が動作すること
になる。

【００４２】このように上記第１の実施の形態において
は、試料４に対するレーザー光のＹ方向走査範囲を指定
する走査範囲指定手段２３を備えたので、２次元走査の
副走査方向（Ｙ方向）の情報量（走査量）を変化させる
ことによって、例えば試料４での基板２５と半田の球２
６の上部との間の高さ測定時に、走査手段や倍率（観察
視野）、解像度に左右されることなく必要な領域の測定
を高速に行なうことができる。

【００４３】(2)次に、本発明の第２の実施の形態につ
いて説明する。なお、図１と同一部分には同一符号を符
してその詳しい説明は省略する。

【００４４】図５は走査型共焦点顕微鏡の構成図であ
る。

【００４５】コンピュータ２１の走査範囲指定手段３０
は、試料４に対するレーザー光のＹ方向走査範囲を指定
する機能の他に、光検出器２０の出力信号から得られる
画像データのうち入力装置２４によって図６に示す指定
領域Ｐのみを有効情報として指定するデータ取得範囲指
定手段の機能を兼ね備えている。

【００４６】次に、上記の如く構成された顕微鏡の作用
について説明する。

【００４７】上記第１の実施の形態と同様に、レーザー
光源１０から出力されたレーザー光は、ミラー１１で２
次元走査機構１２に導かれ、この２次元走査機構１２に
よってＸＹ軸方向に走査され、対物レンズ１４を通して
試料４上にスポット光として走査されながら照射され
る。

【００４８】一方、この試料４からの反射光は、対物レ
ンズ１４を通って２次元走査機構１２に戻り、この２次
元走査機構１２からハーフミラー１７、レンズ１８、そ
してピンホール板１９を通って光検出器２０に入射す
る。

【００４９】この光検出器２０は、入射した試料４から
の反射光を光電変換し、その信号をコンピュータ２１に
送出される。

【００５０】この第２の実施の形態では、オペレータが
モニタ２２に表示されている試料４の表面情報（非共焦
点画像）を基に入力装置２４から図６に示すようにレー
ザー光のＹ方向走査範囲を指定する指定領域Ｑと、この
指定領域Ｑの範囲内で取り込まれる画像情報のうち有効
データとなる指定領域Ｐを指定すると、コンピュータ２
１の走査範囲指定手段３０はこの指定された指定領域Ｑ
の情報を２次元走査駆動制御回路１３に送出する。これ
により、レーザー光のＹ方向走査が制御される。

【００５１】そして、コンピュータ２１は、レーザー光
のＹ方向走査が指定領域Ｑに制御されたときの光検出器
２０の出力信号を取り込む。このときコンピュータ２１
の走査範囲指定手段３０により指定された指定領域Ｐに
基づいて試料４の画像を取得する際、２次元走査駆動制
御回路１３からコンピュータ２１へ与えられる画像化の
ためのデータ有効信号を図６に示すように処理する。

【００５２】すなわち、水平同期信号（＊ＨＤ）は１ラ
インの始まりを意味するタイミング信号であり、データ
有効信号（＊ＤＥ）は画像として有効な画素である期間
を意味するタイミング信号である。

【００５３】このうち、オペレータの入力によって指定
された走査範囲指定手段３０からの指令Ｐにより＊ＤＥ
の期間に対応する画素部分すなわちＸ方向のデータ有効
画素部分Ｐが限定される。これによってコンピュータ２
１は、１ラインの１０２４画素内の画素部分Ｐのみが測
定用データとして演算に使用されることになる。

【００５４】しかるに、Ｘ方向のデータ数が減少し、帰
線期間中に演算しなくてはならないデータ量が減少する
ことになる。すなわち、帰線期間の短縮も可能となり、
測定データ取得時間の短縮につながることになる。

【００５５】このように上記第２の実施の形態において
は、試料４に対するレーザー光のＹ方向走査範囲Ｑを指
定して得た画像情報のうちデータ取得範囲Ｐの画像情報
のみを有効データとして取得するので、上記第１の実施
の形態のＹ方向ライン数削減と組み合わせてデータの削
減ができ、これにより走査範囲指定手段３０への領域指
定は通常走査での表示画像中で任意の矩形領域とするこ
とが可能になる。また、演算量が減少することで走査速
度との兼ね合いから必要以上に高速な演算装置、例えば
ＣＰＵを用意する必要もなくなる。なお、上記第１の実
施の形態と同様に、試料４の測定時に走査手段や倍率、
解像度に左右されることなく必要な領域の測定を高速に
行うことは言うまでもない。

【００５６】なお、本発明は、上記第１及び第２の実施
の形態に限定されるものではなく次の通り変形してもよ
い。

【００５７】例えば、上記第２の実施の形態では、Ｙ方
向の走査範囲に対し領域指定Ｑを指定し、データ有効範
囲に対して領域指定Ｑを指定したが、Ｙ方向の走査範囲
を指定せずにＸ方向のデータ取得範囲に対し指定領域Ｐ
のみにしてもよく、又Ｘ，Ｙ方向のデータ取得範囲に対
して指定領域Ｐ，Ｑを指定することもでき、これにより
画像処理の演算量を少なくすることができ、必要な領域
の測定を高速でできる。

【００５８】

【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、試
料の測定時に走査手段や倍率、解像度に左右されること
なく必要な領域の測定を高速に行える走査型共焦点顕微
鏡を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる走査型共焦点顕微鏡の第１の実
施の形態を示す構成図。

【図２】試料として基板上に格子状に半田の球を配置し
たときのモニタ表示された画像を示す模式図。

【図３】レーザー光の２次元走査範囲を指定したときの
画像情報の領域指定を示す図。

【図４】レーザー光の２次元走査範囲を指定したときの
Ｙスキャンの駆動パターンを示す図。

【図５】本発明に係わる走査型共焦点顕微鏡の第２の実
施の形態を示す構成図。

【図６】試料の画像からＸ方向に指定された領域の画像
を取得するときの模式図。

【図７】従来の走査型共焦点顕微鏡の構成図。

【符号の説明】

４：試料、 １０：レーザ光源、 １１：ミラー、 １２：２次元走査機構、 １３：２次元走査駆動制御回路、 １４：対物レンズ、 １５：レボルバ、 １６：ステージ、 １７：ハーフミラー、 １８：レンズ、 １９：ピンホール板、 ２０：光検出器、 ２１：コンピュータ、 ２２：モニタ、 ２３，３０：走査範囲指定手段、 ２４：入力装置。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料に対して集束光を２次元走査して前
   記試料による反射光、蛍光又は透過光を受光し、この受
   光強度に応じた検出信号を前記試料の画像情報として得
   る走査型共焦点顕微鏡において、 前記試料に対する前記集束光の２次元走査範囲を指定す
   る走査範囲指定手段を備えたことを特徴とする走査型共
   焦点顕微鏡。
2. 【請求項２】 試料に対して集束光を２次元走査して前
   記試料による反射光、蛍光又は透過光を受光し、この受
   光強度に応じた検出信号を前記試料の画像情報として得
   る走査型共焦点顕微鏡において、 前記試料の画像情報のうち指定されたデータ取得範囲の
   前記画像情報のみを有効情報として得るデータ取得範囲
   指定手段を備えたことを特徴とする走査型共焦点顕微
   鏡。
3. 【請求項３】 試料に対して集束光を２次元走査して前
   記試料による反射光、蛍光又は透過光を受光し、この受
   光強度に応じた検出信号を前記試料の画像情報として得
   る走査型共焦点顕微鏡において、 前記試料に対する前記集束光の２次元走査範囲を指定す
   る走査範囲指定手段と前記試料の画像情報のうち指定さ
   れたデータ取得範囲の前記画像情報のみを有効情報とし
   て得るデータ取得範囲指定手段を備えたことを特徴とす
   る走査型共焦点顕微鏡。