JP2001099618A

JP2001099618A - 顕微鏡画像における深度選択の方法および装置

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Publication number: JP2001099618A
Application number: JP2000200394A
Authority: JP
Inventors: Guenter Schoeppe; シェッペ（原語表記）ＧｕｅｎｔｅｒＳｃｈｏｅｐｐｅギュンター
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1999-07-01
Filing date: 2000-07-03
Publication date: 2001-04-13
Also published as: DE19930816A1

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】顕微鏡画像における深度選択の方法。【解決手段】周期的に変化する明度曲線を有し、且つｎ
を２より大きい整数として格子定数の１／ｎだけ変位す
る投射構造によって、表面情報を検出する方法におい
て、投射画像は、ＣＣＤカメラによって検出され、各画
像点に対して、その都度の格子位相を乗じた明視野輝度
を表示する情報が検出され、これらの画像から正弦成分
および余弦成分が抽出され、式Ｉ．Ｉ_ｘｙ＝Ｉ_ｏｂｘｙ＊ｍ＊ｓｉｎｘ II．Ｉ_ｘｙ＝Ｉ_ｏｂｘｙ＊ｍ＊ｃｏｓｘが構成
され、ｍ＝Ｉ_ｏｂｘｙ＊√（ｓｉｎ^２ｘ＋ｃｏｓ^２ｘ）
／Ｉ_ｏｂｘｙによって、変調度ｍを計算する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、顕微鏡画像におけ
る深度選択の方法および装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】構築された照明によって、顕微鏡画像に
おける深度測定を実施したり、焦点面の外側にある画像
部分を抑制したりすることが知られている（ツァイスの
アクシオマップ、ＷＯ９７／０６５０９、ＷＰＯ９
８／４５７４５）。ＵＳ５４９３４００（ＤＥ９
３０８４８６Ｕ）においては、傾斜格子投影がくさび形
のガラス物体によって、可変の方向へ生成される。

【０００３】この方法の基本は、干渉顕微鏡検査法から
導かれた方法であり、該方法においては、物体平面に投
影された周期的構造物が干渉じまとして解釈され、それ
に伴って、可能な評価が実施される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】そのために、格子が物
体平面に結像され、格子定数の分数の整数部だけ所定の
時間の間、変位する（位相シフト法）か、またはステッ
プ・バイ・ステップで変位する（位相ステップ法）。各
時間間隔において、ないし格子の各位置から、ピクセル
同期のＣＣＤカメラによって、１つの画像が挿入され、
複数の画像が互いに相殺される。

【０００５】

【課題を解決するための手段】格子周期の方向、例え
ば、ｘ方向、のｓｉｎ^２曲線またはｃｏｓ^２曲線の輝度
変化を有する格子が格子定数の１／４だけ３回その都度
変位する場合に、これらの関係を最も簡単に見通すこと
ができる。（原則的には、格子定数の１／２未満の各分
数整数部だけ変位する場合に、該方法が機能する。）

【０００６】その場合に、ホーム・ポジションの画像
は、格子線の方向に垂直な正弦曲線の輝度変調（ｓｉｎ
ｘ）を有する画像として示され、その隣の画像はｃｏ
ｓｘとして示され、その次の画像は−ｓｉｎｘとして
示され、最後の画像は−ｃｏｓｘとして示される。それ
に伴って、明視野にその都度の格子位相を乗じたものを
示す情報が各画像点に対して存在する。この原点情報か
ら、一連の興味深い情報を導き出すことができる。

【０００７】該４個の画像は、次のように表現すること
ができる。１．Ｉ_ｘｙ１＝０.５Ｉ_ａｂｘｙ＊（１＋ｍ＊ｓｉｎｘ）２．Ｉ_ｘｙ２＝０.５Ｉ_ａｂｘｙ＊（１＋ｍ＊ｃｏｓｘ）３．Ｉ_ｘｙ３＝０.５Ｉ_ａｂｘｙ＊（１−ｍ＊ｓｉｎｘ）４．Ｉ_ｘｙ４＝０.５Ｉ_ａｂｘｙ＊（１−ｍ＊ｃｏｓｘ）

【０００８】但し、Ｉ_ａｂｘｙは、物体位置ｘ,ｙから
結像まで寄与する輝度（反射率、伝達率、蛍光性）であ
り、ｍは格子画像の変調度である。１式から３式を減
じ、２式から４式を減じると、次式が得られる。Ｉ．Ｉ_ｘｙ＝Ｉ_oｂｘｙ＊ｍ＊ｓｉｎｘ II．Ｉ_ｘｙ＝Ｉ_oｂｘｙ＊ｍ＊ｃｏｓｘ

【０００９】この処置によって、同一部分がゼロにな
る。逆に、３式を１式に加え、４式を２式に加えると、
両方の場合において、三角関数を有する画像内容の変調
がゼロになる。明視野画像Ａ_１ないしＡ_２が得られる。Ａ_１：Ｉ_ｘｙ＝Ｉ_ｙx３＋Ｉ_ｘｙ１＝Ｉ_oｂｘｙすなわち、これら４個の部分画像の中に、２個の完全な
明視野画像が含まれている。

【００１０】三角関数を有する変調ｍによって、正確な
焦点面までの距離に関する情報がこれらの画像に印加さ
れている。使用される格子定数、対物レンズの絞り、波
長、および焦点面までの距離に応じて、結像の変調度ｍ
が変化する。対物レンズ、光源および格子の使用におい
て、最初の影響要因は、不変のままである。すなわち、
変調度は、所与の配列において、集束の関数である。

【００１１】個別に二乗し、次に加えることにより、三
角関数のピタゴラスの定理を使用して、Ｉ式およびII式
から、明視野情報をこの変調度に乗じたものを計算する
ことができる。ｍ＝Ｉ_oｂｘｙ＊√（ｓｉｎ^２ｘ＋ｃｏｓ^２ｘ）／Ｉ
_oｂｘｙ

【００１２】ｍを場所の関数としてのみ表示すると、画
像点との間の「距離画像」が得られる。明視野を貫く分
割を除外すると、共焦点顕微鏡において得ることができ
る情報とほとんど同一の情報が得られる。物体の特性
は、最適焦点面との距離が増すにつれて、一層、輝度が
減少する状態で表示される。すなわち、物体の一定の層
が表示される。

【００１３】変調度ｍはｍ≦１であるので、累乗に
よる深度選択度は増大する。範囲の選択によって、すな
わち、表示の域値の設定によって、幾分厚い層を合成画
像に単独に表示することが可能であり、その際に、焦点
から離れて存在するものすべてが限界値によって、表示
から排除される。一般に使用されるＣＣＤカメラによっ
て変調格子が表示される際の信号とノイズの関係、格子
変位の際のステップ誤差、検出の際の非線形性、および
支持点の個数によって、これらの可能性が制約される。

【００１４】原則的には、これまで記述した部分画像か
ら物体の次の情報が得られる。１. 変調格子構造を有しない完全明視野（Ａ_１，
Ａ_２）。２. 物体領域と（方向を有しない）正確な焦点との
「距離情報」（ｍ）。３. 焦点からの距離が増大するにつれて、より暗くな
る物体の明視野情報（共焦画像）（Ａ＊ｍ）４. 焦点の周囲の薄い層のみが完全明視野として表示
されるような画像（ｍにおけるＡ＞限界値）５. ｍの累乗によって選択可能な焦点の周囲のより小
さい領域

【００１５】中央照明の場合は、焦点面の外側に存在す
る画像点が、焦点外にあろうと、焦点内にあろうと、画
像は、何ら情報を取得しない。しかし、傾斜格子投影に
よって、この情報を得ることは、好都合にも、可能であ
る。物体の高さに応じて、格子線は、照明の投射方向に
幾分変位する。

【００１６】上述の式ＩおよびIIから、干渉顕微鏡検査
に類似の分割によって、位相情報ψ _ｘｙがピクセル的に
得られる。 ψ_ｘｙ＝arctan＊ｓｉｎｘ／ｃｏｓｘその場合に、変調度および物体輝度がゼロになる。それ
と同時に、その都度のピクセルが焦点面の上方にあろう
と、下方にあろうと、（それはどういう意味なのか。ど
の事象が進展しているのか。）を決めることができる。

【００１７】ψの符号によって、その都度のピクセルが
焦点面の上方にあるのか、下方にあるのかが判定され
る。その場合に、正号が上方を意味するのかまたは下方
を意味するのかおよび逆を意味するのかは、装置技術の
実情および方法に則った取決めによって、左右される。

【００１８】わずかな変調しかない領域ないし変調が全
くない領域が存在する場合は、通例、表面プロファイル
の再構築アルゴリズム、特に強固に構築された物体にお
ける表面プロファイルの再構築アルゴリズムは、エラー
を示すかまたは全く機能を発揮しない。上述のうちの最
後の状況に遭遇することがある。その場合は、反対方向
の投射を有する照明用のその都度の４個の画像が得られ
る。投射に依存するひずみは、合成画像を追加すること
によって、補正される。

【００１９】最初の「画像カルテット」を２番目の画像
カルテットと比較することによって特定されるのは、位
相自体ではなく、格子線の反対方向の位置である。その
場合に、追加的に、変調度を共に決定し、且つ変調が所
定の限界値の下方にあるこのような領域を数学的方法に
よって表示から除去することが、有利である。

【００２０】画像Ａ_１の格子の線を画像Ａ_２に向かっ
て、所定の方向に変位させると、このことは、配列によ
って限定された関係から制約された集束ずれの方向を意
味する。既知のアルゴリズムとは対照的に、この処理法
によって、限界的に構築された物体および／または奥深
くまで延びている物体も許容されるし、且つ顕微鏡の中
にそれなりに存在する微動装置に関連して、種々の平面
から物体の画像を取得することによって、このような物
体の三次元再構築も許容される。

【００２１】傾斜照明を使用すると、深度選択および画
像の横分解能に対して、さらなる利点がある。傾斜表面
を有する正規の反射表面の場合は、傾斜格子投射には、
さらなる利点がある。反射によって、復帰情報は、表面
要素の二重傾斜角の周りに反射される。最高の絞りを有
する対物レンズを使用する場合も、これによって検査可
能領域の限界が≦３６^Ｏになる。物体単体の焦点位置内
と焦点位置外を区別しない前述の方法における可能傾斜
領域は、傾斜投射によって、９０^Ｏとは異なる角度だけ
拡大することができる。

【００２２】

【発明の実施の形態】アクシオマップにおいては、ｃｏ
ｓ^２曲線の輝度変化を有する格子を有するスライダは、
明視野ダイアフラム平面へ動かすことができた。格子と
の開口絞りの間には、２個の同一のくさびを有する切換
可能なキャリアが存在していたが、反対方向に取付けら
れていた。それによって、照明の傾斜を変化させること
ができた。

【００２３】この装置の短所は、１つの状態からもう１
つの状態への切換時間が長いということであった。また
は、付属装置を改修しなければ、中央照明の可能性がな
かった。これらの短所は、新しい装置においては、回避
される。

【００２４】装置図示されていない顕微鏡の明視野ダイアフラム平面に挿
入可能的には図示されていないスライダにおいて、望ま
しくはｃｏｓ^２曲線の輝度曲線を有する格子Ｇが堅固に
組込まれている。格子定数は、信号の輝度曲線の良好な
再構築性の良好な妥協の故に、格子周期がＣＣＤカメラ
の約８〜１２ピクセルになるように同調されている。
（これらの条件の下で、実際の値の９５％の確実性を有
する変調深度が再現される。）

【００２５】図１において、格子と図示されていない照
明器のコリメータ・レンズの間に、面積計マイクロメー
タＰＭが配置され、該マイクロメータは、スキャナＳ
（例えば、検流計スキャナ）によって段階的に駆動され
且つ回転軸Ａの周りに傾斜させられる。フラット・フェ
ース・プレート３−４をその都度、格子定数の１／４だ
け傾斜させることによって、物体平面における格子の変
位調整が実現するように、スキャナは制御される。その
場合に、スキャナの走査領域は、部分的にのみ、例えば
３０％だけ、利用される。

【００２６】格子と図示されていない絞りダイアフラム
の間に、薄いくさびＫ１（プリズム体）が回転可能な状
態で２個のストッパに当たるように配置されている。も
う１個のほぼ同一のくさびＫ２がフラット・フェース・
プレートＰＭと後続の図示されていないレンズの間に配
置されている。第１ストッパにくさびＫ１が当たって両
方のくさびが重なることによって、第１方向のの絞りダ
イアフラムの画像が格子線に垂直に変位し、もう１個の
ストッパに同じ量だけ当たることによって反対方向に変
位する。

【００２７】３−４の調整が行われた後で、スキャナ
は、ストッパ位置まで動き、その時に、切換スプリング
によって、可動くさびを切換えて両方のストッパ位置の
うちの１つに位置させる。そこにおいて、該くさびは、
機械的フリップ・フロップによってロックされる。これ
は、図２に示されている。

【００２８】くさびＫ１は、ホルダＨ（２方向に傾斜可
能）の中に、光学軸ＡＳ周りに回転可能に配置されてい
る。スキャナ軸Ａは、つまみＭを有し、該つまみは、ま
ず、上方つまみＭＯまたは下方つまみＭＵを経由してス
トッパ位置に到達したときに、ホルダに作用し、上方ス
トッパＡＯおよび下方ストッパＡＵの間でホルダが交換
されるようにする。

【００２９】固定くさびＫ２および可動くさびＫ１は、
結果としての作用を発生させ、該作用によって、格子線
に垂直な方向に、対物レンズ絞りプレートの中の絞りダ
イアフラムの偏心が結果的に発生する。それに関連し
て、傾斜照明が１方向に発生する。該方法の別の段階に
おいて、スキャナが他方のストッパの近傍に移動するの
で、可動くさびが他方のストッパに当たるように切換え
られ、反対方向の投射を有する傾斜照明が発生する。

【００３０】傾斜照明がない場合の評価の更なる可能性
として、バリヤによって可動くさびが中間位置に保持さ
れ、そのために、顕微鏡対物レンズの出口絞りプレート
の中の絞りダイアフラムの画像の停止が全く発生しな
い。

【００３１】種々の調整の切換えは、非常に迅速（約２
−３ｍｓで）に行われる。該動きの精度は、難なく、格
子定数の約１／１０００の要求精度を達成する（そうで
なかったら、たいてい、２〜４倍の格子空間周波数を有
する望ましくないしま構造が評価画像内に発生する）。

【００３２】画像データを取得するには、ピクセル同調
カメラが必要である。一般に、８ビットのデータ深度で
十分である。ＣＣＤカメラの線形性は、調波のない画像
構造を生成するには、不十分である。この欠陥は、アク
シオマップに場合のように、ロック・アップ・テーブル
によって除去することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】装置の構造図

【図２】くさび方向切替の原理図

【符号の説明】

Ｋ１可動くさびＫ２固定くさびＧ格子ＰＭ面積計マイクロメータＳスキャナＡスキャナ軸ＨホルダＭＯ上方つまみＭＵ下方つまみＭつまみスプリングＡＯ上方ストッパＡＵ下方ストッパＡＳ光軸

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】周期的に変化する明度曲線を有し、且つ
ｎを２より大きい整数として格子定数の１／ｎだけ変位
する投射構造によって、表面情報を検出する方法におい
て、投射画像は、ＣＣＤカメラによって検出され、各画像点に対して、その都度の格子位相を乗じた明視野
輝度を表示する情報が検出され、これらの画像から正弦成分および余弦成分が抽出され、それらからＩ．Ｉ_ｘｙ＝Ｉ_ｏｂｘｙ＊ｍ＊ｓｉｎｘＩＩ．Ｉ_ｘｙ＝Ｉ_ｏｂｘｙ＊ｍ＊ｃｏｓｘが構成され、そして、Ｉ式およびII式から変調度ｍが計算され、ｍ＝Ｉ_ｏｂｘｙ＊√（ｓｉｎ^２ｘ＋ｃｏｓ^２ｘ）／Ｉ_ｏｂｘｙ表示用に使用されることを特徴とする方法。
【請求項２】さらに、変調格子構造を有しない明視野
画像Ａが構成されることを特徴とする請求項１に記載の
方法。
【請求項３】請求項１または請求項２に記載した方法
において、周期的に変化する明度曲線を有し、且つｎを２より大き
い整数として格子定数の１／ｎだけ変位する、投射構造
によって、表面情報を検出するための方法であって、投射画像は、ＣＣＤカメラによって検出され、各画像点に対して、その都度の格子位相を乗じた明視野
輝度を表示する情報が検出され、該明視野輝度は、１．Ｉ_ｘｙ１＝０.５Ｉ_ｏｂｘｙ＊（１＋ｍ＊ｓｉｎｘ）２．Ｉ_ｘｙ２＝０.５Ｉ_ｏｂｘｙ＊（１＋ｍ＊ｃｏｓｘ）３．Ｉ_ｘｙ３＝０.５Ｉ_ｏｂｘｙ＊（１−ｍ＊ｓｉｎｘ）４．Ｉ_ｘｙ４＝０.５Ｉ_ｏｂｘｙ＊（１−ｍ＊ｃｏｓｘ）と表記される方法であって、１式から３式を減じ、２式から４式を減じることによっ
て、Ｉ式およびII式がＩ．Ｉ_ｘｙ＝Ｉ_ｏｂｘｙ＊ｍ＊ｓｉｎｘ II．Ｉ_ｘｙ＝Ｉ_ｏｂｘｙ＊ｍ＊ｃｏｓｘとなり、Ｉ式およびII式から変調度ｍが計算され、ｍ＝Ｉ_ｏｂｘｙ＊√（ｓｉｎ^２ｘ＋ｃｏｓ^２ｘ）／Ｉ
_ｏｂｘｙによって、表示用に使用されることを特徴とする方法。
【請求項４】請求項３に記載した方法において、１式
に３式を加え、２式に４式を加えることによって、両方
の場合において、画像情報の変調が三角関数と共に消滅
し、４個の部分画像から完全な明視野画像Ａ_１ないしＡ
_２Ａ_１：Ｉ_ｘｙ＝Ｉ_ｙx３＋Ｉ_ｘｙ１＝Ｉ_ｏｂｘｙが取得されることを特徴とする方法。
【請求項５】請求項１〜４のうちの１つにおいて、１．変調格子構造を有しない完全明視野画像（Ａ_１,Ａ
_２）および／または２．正確な焦点からの物体領域の「距離」（方向なし）
（ｍ）および／または３．焦点からの距離が増大するにつれて明度が減少する
物体からの明視野情報（共焦点画像）（Ａ＊ｍ）および
／または４．焦点の周りの薄い層のみが完全明視野として表示さ
れるような画像（ｍ＞限界値）および／または５．ｎが１パーセントより大きいｍからの画像が表示用に使用されることを特徴とする方法。
【請求項６】周期的に変化する明度曲線を有し、且つ
ｎを２より大きい整数として格子定数の１／ｎだけ変位
する、投射構造によって、表面情報を検出するための方
法において、投射画像は、ＣＣＤカメラによって検出され、該構造は、９０度とは異なる角度で投射され、且つ、そ
の都度、照明用のｎ個の画像が、反対方向のほぼ等しい
投射角において検出され、これらの画像からその都度、１個の合成画像が得られ、これらの画像は、別個に、１対の立体図として、および
／または加えられた状態で、表示されることを特徴とす
る方法。
【請求項７】周期的に変化する明度曲線を有し、且つ
ｎを２より大きい整数として格子定数の１／ｎだけ変位
する、投射構造によって、表面情報を検出する方法にお
いて、投射画像は、ＣＣＤカメラによって検出され、各画像点に対して、その都度の格子位相を乗じた明視野
輝度を表示する情報が検出され、これらの画像から正弦成分および余弦成分が抽出され、
それらからＩ．Ｉ_ｘｙ＝Ｉ_ｏｂｘｙ＊ｍ＊ｓｉｎｘ II．Ｉ_ｘｙ＝Ｉ_{ｏａｂｘｙ}＊ｍ＊ｃｏｓｘが構成され、その都度のピクセルを焦点面の上方または下方に割当て
るために、Ｉ式およびII式から除法によって位相情報ψ
_ｘｙ ψ_ｘｙ＝arctan＊ｓｉｎｘ／ｃｏｓｘが得られることを特徴とする方法。
【請求項８】周期的に変化する明度曲線を有し、且つ
ｎを２より大きい整数として格子定数の１／ｎだけ変位
する、投射構造によって、表面情報を検出する方法にお
いて、投射画像は、ＣＣＤカメラによって検出され、該構造は、９０度とは異なる角度で投射され、且つ、その都度、照明用の４個の画像が、反対方向の等
しい投射角において検出され、該画像は、１．Ｉ_ｘｙ１＝０.５Ｉ_ｏｂｘｙ＊（１＋ｍ＊ｓｉｎｘ）２．Ｉ_ｘｙ２＝０.５Ｉ_ｏｂｘｙ＊（１＋ｍ＊ｃｏｓｘ）３．Ｉ_ｘｙ３＝０.５Ｉ_ｏｂｘｙ＊（１−ｍ＊ｓｉｎｘ）４．Ｉ_ｘｙ４＝０.５Ｉ_ｏｂｘｙ＊（１−ｍ＊ｃｏｓｘ）と表記される方法であって、１式から３式を減じ、２式から４式を減じることによっ
て、Ｉ式およびII式がＩ．Ｉ_ｘｙ＝Ｉ_ｏｂｘｙ＊ｍ＊ｓｉｎｘ II．Ｉ_ｘｙ＝Ｉ_ｏｂｘｙ＊ｍ＊ｃｏｓｘとなり、その都度のピクセルを焦点面の上方または下方に割当て
るために、Ｉ式およびII式から除法によって位相情報ψ
_ｘｙ ψ_ｘｙ＝arctan＊ｓｉｎｘ／ｃｏｓｘが得られることを特徴とする方法。
【請求項９】光学軸周りに回転可能なプリズム体１個
以上および光学軸に対して傾斜可能なフラット・フェー
ス・プレート１個を介して、１つの表面に投射された１
個の格子の投射方向を変化させるための配置であって、少なくとも三つの傾斜ステップの後でプリズム体の方向
が変化するように、フラット・フェース・プレートの傾
斜運動の制御がプリズム体の回転運動と連動しているこ
とを特徴とする請求項１〜８のうちの１つに従って変化
させるための配置。
【請求項１０】第２の固定プリズム体をビーム路に備
えたことを特徴とする請求項９に記載の配置。