JP2001281550A - 共焦点走査型顕微鏡および画像情報構築方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】測定対象面に反射率の異なる部位が複数存在す
る試料に対してもその影響を受けずに正確な測定を行え
る共焦点走査型光学顕微鏡を提供する。 【解決手段】共焦点走査型光学顕微鏡は、共焦点光学系
と、その集光点を試料に対して二次元方向に走査する手
段と、集光点を試料に対して光軸方向に走査する手段
と、試料からの反射光を検出する光検出手段と、その検
出信号の信号レベルを可変する利得可変手段と、利得可
変手段で変更された検出信号を画像データへ変換するＡ
/Ｄ変換手段とを備えており、試料からの反射光を良好
に検出できる基準範囲を設定し、走査に応じて画像デー
タの画素の値が基準範囲に収まるように利得可変手段の
利得値を調整し、画像データの各画素の値と調整した利
得値に基づいて光検出手段から出力される検出信号を算
出し、その算出値に基づいて試料の表面の画像データを
構築する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、観察試料の表面情
報を測定するための共焦点走査型光学顕微鏡および画像
情報構築方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】共焦点走査型光学顕微鏡は、点光源から
発せられた光を観察試料の表面または内部の一点に集光
し、試料からの透過光または反射光を再び一点に集光
し、試料の表面または内部からの光の集光点に対して共
役な位置に配置されたピンホールを介して検出器で検出
するようにし、点光源からの光を二次元に走査して画像
処理した二次元画像を観察する顕微鏡である。一般的な
共焦点走査型光学顕微鏡の概略的な構成を図１４に示
す。

【０００３】図１４において、点光源２１２から出射さ
れた光は、ハーフミラー２１４を通過した後、対物レン
ズ２１６によって一点に合焦する。合焦点からの反射光
は、対物レンズ２１６を通過し、ハーフミラー２１４で
反射された後、一点に集光する。この集光位置にはピン
ホール２２０が配置されており、ピンホール２２０を通
過した光のみが光検出器２２２で検出される。

【０００４】従って光軸に垂直な面(合焦面)２１８上の
所定領域において、ラスター走査等の二次元走査を行
い、光検出器２２２の検出信号を二次元走査の位置情報
と合わせて処理することによって、合焦面２１８上に存
在する試料の二次元画像が得られる。

【０００５】また、合焦面２１８からずれた面２１８'
からの反射光は、ピンホール２２０からはずれた位置に
集光するため、ピンホール２２０をほとんど通過でき
ず、光検出器２２２で検出されない。従って、共焦点走
査型光学顕微鏡では、合焦面２１８上に存在する試料の
表面または内部の光学像のみが測定される。

【０００６】次に、例えば図１７に示されるように、高
さの異なる複数の観察面Ａ，Ｂ，Ｃを有する試料を共焦
点走査型光学顕微鏡で観察する場合を想定する。この場
合、観察面Ａに合焦させたときには他の観察面Ｂ，Ｃの
光学像はぼやけてしまう。このため、すべての観察面
Ａ，Ｂ，Ｃについての合焦画像を同時に観察することは
できない。

【０００７】しかし、例えば観察面Ａ，Ｂ，Ｃに対し順
次合焦させてその合焦画像を順次画像メモリに格納し、
これらの合焦画像を演算処理により合成することによっ
て、全観察面Ａ，Ｂ，Ｃに合焦した三次元の観察画像を
得ることができる。合焦観察画像の合成は、実際には各
画素について明るさが最大となる値を保持させることに
より行われる。

【０００８】以上に説明した試料表面の観察方法は、例
えば「THEORY AND PRACTICE OF SCANNING OPTICAL MICRO
SCOPY」(１２６〜１３０頁)に開示されている。すなわ
ち、試料面の一点に集束光を照射した状態(初期照射点)
で、まず、その光軸方向(Ｚ方向)に集束光を走査し、走
査中に反射光の輝度値が最大となる位置(Ｚ位置)を検出
し輝度値と共に保存する。次に、集束光をＸ方向に移動
させ、試料面の次の一点(観察点)に集束光の初期照射点
を位置させ、この状態で集束光をＺ方向へ走査し、走査
中に反射光の輝度値が最大となる位置(Ｚ位置)を検出し
輝度値と共に保存する。以後同様に、集束光の初期照射
点の位置をＸ方向およびＹ方向にステップ的に移動さ
せ、その各点において、集束光をＺ方向へ走査し、これ
らの走査で検出された反射光の輝度値の最大となる位置
を輝度値と共にそれぞれ保存する。このようにして、輝
度変化に基づく試料の表面情報を測定する。

【０００９】この合焦観察画像の構築および試料の表面
情報の測定手順を、図１５と図１６に示すフローチャー
トを参照して説明する。図１５において、まず、画像構
築工程Ｓ１１０を行う。画像構築工程Ｓ１１０では、図
１６に示されるように、まず、工程Ｓ１１１において、
現在の集束光の合焦位置に対応した画素の輝度値が、Ｚ
方向の走査の中で最大となっているか判断する。もし最
大ならば、工程Ｓ１１２において、輝度値の最大値を採
用することで、保持する輝度値を最大値に更新するとと
もに、保持するＺ位置を輝度値が最大となる位置(高さ)
に更新する。

【００１０】また、画像構築工程Ｓ１１０を、予め決め
られた１フレームのサイズ(ＸＹ走査範囲)およびＺ走査
範囲だけ繰り返し行うために、以下の順序で集束光の合
焦位置の移動処理をおこなう。図１５において、まず、
工程Ｓ１５１でＸ方向の位置が、１ライン終了位置に移
動するまで、Ｘ方向へ１ステップ移動工程Ｓ１５２と、
画像構築工程Ｓ１１０を繰り返し行う。工程Ｓ１５１で
Ｘ方向の位置が１ライン終了したならば、工程Ｓ１５３
でＹ方向の位置が１フレーム終了位置に移動するまで、
Ｘ方向を移動先頭位置に戻す工程Ｓ１５４とＹ方向へ１
ステップ移動工程Ｓ１５５を行い、前述の工程Ｓ１１０
と工程Ｓ１５１と工程Ｓ１５２の処理を繰り返し行う。
工程Ｓ１５３でＹ方向の１フレーム終了していれば、工
程Ｓ１５６でＺ方向位置が終了位置に移動するまで、Ｙ
方向を移動先頭位置に戻す工程Ｓ１５７とＺ方向への１
ステップ移動工程Ｓ１５８と、前述の工程Ｓ１１０と工
程Ｓ１５１〜工程Ｓ１５５の処理を繰り返し行う。以上
の処理によって、走査の順序は図１８に示されるように
なる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
観察を行なう場合に、従来の共焦点走査型光学顕微鏡で
は、以下のような不具合が生じる。光検出器により得ら
れた検出信号は、信号レベルが最適値になるように可変
利得増幅回路において増幅される。この場合、試料の観
察もしくは測定範囲における反射率が一定ならば問題は
ない。しかし、試料の観察もしくは測定範囲内に反射率
が異なる複数の部位が存在すると、正確な検出信号が得
られなくなる。

【００１２】例えば、図１９に示されるように、試料の
表面に、反射率の低いガラス面と反射率の高い鏡面とが
混在しているとする。ここで、利得設定前の試料に適合
しない利得が設定されている場合の検出信号レベルは、
それぞれ図２０(ａ)と図２１(ａ)のようになる。そうす
ると、鏡面において得られた検出信号レベルが最適値と
なるように可変利得増幅回路の利得を設定すると、ガラ
ス面において得られた検出信号の信号レベルは図２０
(ｂ)に示されるように小さなものとなり、検出感度の低
下を生じる。これに対しガラス面により得られる検出信
号レベルに合わせて可変利得増幅回路の利得を設定する
と、鏡面において得られた検出信号レベルは図２１(ｂ)
に示されるように飽和して、従来の検出信号が消失して
しまう。

【００１３】また、例えば図２２に示されるように、表
面に段差を有し、上段は鏡面で下段はガラス面となって
いる試料表面の高さ位置を、共焦点走査型光学顕微鏡を
使用して測定する場合にも以下のような不具合が生じ
る。上段(鏡面)において得られた検出信号レベルに合わ
せて可変利得増幅回路の利得を設定すると、鏡面のＺ方
向の強度分布には例えば図２３(ａ)に示されるように尖
鋭なピーク値が現れるため、合焦位置でピークを検出す
ることができる。しかし、下段(ガラス面)において得ら
れた検出信号レベルに対して利得は小さ過ぎ、このため
Ｚ方向の強度分布は全体的に低レベルとなってピークを
検出することが困難となる。これに対し下段(ガラス面)
において得られた検出信号レベルに合わせて利得を設定
すると、図２３(ｂ)に示されるようにガラス面による強
度分布からはピークの検出が可能となる。しかし、鏡面
による強度分布には飽和部分が発生して合焦位置でピー
クを検出することが出来なくなる。

【００１４】このような不具合を改善するために、既に
三つの提案がなされている。

【００１５】第一の提案は、特開平８−２９２１９８に
開示されているように、プリスキャン(予備走査)によっ
て異なる反射率に対応した利得値を求めておき実際の走
査時にこの利得値を使う手法である。しかし、この手法
では、最適な利得値を求めるために作業者による前設定
が必要であり、所望の画像データを得るためには、作業
者への負担が大きくかつスループットが低くなるという
不具合がある。

【００１６】第二の提案は、特開平７−１２５２５に開
示されているように、反射率が異なる複数の面に対応し
た光検出系を追加する手法である。しかし、この手法で
は、反射率が異なる部位が増える毎に対応した数だけ光
検出系が必要となるため、システムが複雑でかつ高価に
なってしまうという不具合がある。

【００１７】第三の提案は、特開平１１−１８３８０３
に開示されているように、ピークを検出する元データを
利得により増幅した結果の信号で比較せずに、結果の信
号とその利得を元に検出器で検出された信号を求めるこ
とで、ダイナミックレンジを拡大する手法である。

【００１８】しかし、この手法では、Ｚ位置が同一の１
フレームの画像に対して、利得値が１つしか設定できな
いため、試料に段差があり、しかも同じ段の平面内に反
射率の異なる部位を有する場合や、図２０と図２１で示
したように同一の利得値でそれぞれの部位を検出できな
い場合には、測定ができないか、この部位ごとに測定を
わけて行わなければならないという不具合がある。

【００１９】本発明は、このような事情に着目して成さ
れたものであり、その目的は、作業者による、前設定が
なく、かつ試料の測定対象面に応じて検出信号の利得の
異なる部位が複数存在する場合でも、この検出信号の利
得の異なる部位での影響を受けずに常に正確な測定を行
なうことができる共焦点走査型光学顕微鏡およびこの顕
微鏡を使用した画像情報構築方法を提供することであ
る。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成する本
発明の共焦点走査型光学顕微鏡は、試料に集束光を照射
する対物光学系と、前記集束光と前記試料とを相対的に
二次元方向へ移動走査する二次元走査手段と、前記対物
光学系の焦点位置と前記試料の位置とを相対的に光軸方
向へ移動走査する光軸方向走査手段と、前記集束光の前
記試料の反射光又は透過光を受光してその受光強度に応
じた検出信号を出力する光検出手段と、光検出手段から
出力された検出信号の信号レベルを可変する利得可変手
段と、前記利得可変手段によって変更した検出信号を画
像データへ変換するＡ/Ｄ変換手段と、試料の測定を行
う際に、前記試料の反射光又は透過光の受光強度を良好
に検出できる有効範囲を設定する制御と、前記二次元走
査手段と前記光軸方向走査手段の少なくとも一方による
走査動作に応じて画像データの画素の値が前記有効範囲
の設定制御で設定された有効範囲に収まるように前記利
得可変手段の利得値を調整する制御と、画像データの各
画素の値と利得可変手段に対して調整された利得値に基
づいて光検出手段から出力された検出信号を算出する制
御と、前記検出信号算出値に基づいて試料の表面の画像
データを構築する制御とを行わせる制御部とを備えてい
ることを特徴とする。

【００２１】上記の目的を達成する本発明の画像情報構
築方法は、光源からの光を走査光学系を介して試料の各
走査面を走査する工程と、各走査面からの光を光検出器
でアナログ信号に変換する工程と、このアナログ信号に
対してオフセット調整及びゲイン調整を施す工程と、オ
フセット調整及びゲイン調整が施されたアナログ信号を
Ａ/Ｄ変換器でデジタル信号に変換する工程と、このデ
ジタル信号に所定の信号処理を施す信号処理工程とを有
しており、前記信号処理工程は、前記デジタル信号に逆
算処理を施して、実数データを求める工程と、各走査面
相互の同一位置における実数データ同士の大小を比較す
ることによって、観察画像の高輝度情報及び高さ情報を
求める工程とを有し、前記オフセット調整及びゲイン調
整は、試料の各反射率又は透過率毎に行われて、その各
反射率又は透過率毎に設定したオフセット調整量及びゲ
イン調整量を保存すると共に、前記観察画像の高輝度情
報及び高さ情報を求める工程では、各々の反射率又は透
過率に対応した最適なオフセット調整量及びゲイン調整
量が選択され、試料の各走査面からの輝度情報及び高さ
情報を求めると同時に、各走査面のうち他の反射率又は
透過率を有する部位を走査した際の光検出器からの出力
を飽和状態信号として保存するプロセスを繰り返し、飽
和状態信号が無くなるまで、飽和状態信号のみを更新し
て行くことを特徴とする。

【００２２】

【発明の実施の形態】［第一の実施の形態］図１に示さ
れるように、本実施形態の共焦点走査型光学顕微鏡は、
顕微鏡本体１１２と、顕微鏡本体１１２の制御および検
出画像の処理を行なう制御処理部１１４とを備えてい
る。

【００２３】顕微鏡本体１１２は、試料１２２が載置さ
れるステージ１２４と、ステージ１２４の垂直上方に配
置された対物レンズ１１０を有している。対物レンズ１
１０はレボルバ１１８により倍率の切替えが可能となっ
ている。対物レンズ１１０は二次元走査機構１１６に支
持されている。二次元走査機構１１６は例えば２個のス
テップモータを駆動源として備えており、二次元走査駆
動回路１３８から出力される駆動信号に従って動作し、
対物レンズ１１０を水平方向(ＸＹ方向)に移動走査す
る。

【００２４】ステージ１２４は、図示しない昇降機構に
支持されている。昇降機構は、ステップモータ等の駆動
源を備えており、制御回路１６０により制御される昇降
駆動回路１５８から出力される駆動信号に従ってステー
ジ１２４を対物レンズ１１０の光軸方向(Ｚ方向)で一定
量ずつステップ的に昇降移動させる。昇降駆動回路１５
８は、ステージ１２４のステップ駆動中の１ステップ毎
にステップ信号を発生し、アナログ処理ユニット１４６
へ出力する。

【００２５】レーザ光源１３６から発せられたレーザ光
は、ミラー１３４およびハーフミラー１３２を経て対物
レンズ１１０に導かれ、対物レンズ１１０で集束されて
試料１２２にスポット照射される。この照射されたスポ
ット光による試料１２２からの反射光は、対物レンズ１
１０、二次元走査機構１１６を戻りハーフミラー１３２
で反射され、レンズ１３０で集光される。レンズ１３０
による合焦位置にはピンホール１２８が配置されてお
り、反射光のうちこのピンホール１２８を通過した光だ
けが光検出器１２６で受光される。光検出器１２６で
は、試料１２２からの反射光が光電変換されて、アナロ
グ画像信号が出力される。

【００２６】制御処理部１１４は、昇降駆動回路１５８
と、二次元走査駆動回路１３８と、アナログ処理ユニッ
ト１４６と、画像処理ユニット１４８と、キーボード等
の入力部１６２と、制御回路１６０とを備えている。

【００２７】アナログ処理ユニット１４６は、中央処理
部(ＣＰＵ)１４０と、デジタル/アナログ(Ｄ/Ａ)変換器
１４２と、可変利得増幅回路１４４とを備えている。可
変利得増幅回路１４４は、光検出器１２６から出力され
たアナログ画像信号の信号レベルを可変制御する。ＣＰ
Ｕ１４０は、光検出器１２６からの信号レベルを可変制
御するための利得値データを記憶するメモリを有し、可
変利得増幅回路１４４の利得値を可変制御する。ＣＰＵ
１４０から読み出された利得値データは、Ｄ/Ａ変換器
１４２によりアナログ電圧に変換されて、可変利得増幅
回路１４４に与えられる。

【００２８】二次元走査中に制御回路１６０から発生さ
れるサンプリング信号は、光検出器１２６から出力され
たアナログ画像信号をデジタル信号に変換するために使
用される。

【００２９】画像処理ユニット１４８は、例えば５１２
画素×５１２画素×８ビット(２５６階調)の画像信号を
記憶可能な画像メモリ１５２と、５１２画素×５１２画
素×６４ビット(１０^-306〜１０³⁰⁶実数)の検出信号メ
モリ１５４と、５１２画素×５１２画素×８ビット(２
５６階調)の高さ情報を記憶可能な高さ画像メモリ１５
６とを備えている。

【００３０】画像処理ユニット１４８は、アナログ処理
ユニット１４６の可変利得増幅回路１４４から出力され
たアナログ画像信号をＡ/Ｄ変換器１５０でデジタル化
して画像メモリ１５２に記憶する。

【００３１】検出信号メモリ１５４は、後述する検出信
号算出工程で得られた検出信号の中で、Ｚ方向の走査中
に最大となる値を記憶する。

【００３２】高さ画像メモリ１５６は、昇降駆動回路１
５８から出力されたステップ信号の数をカウントするカ
ウンタを有しており、カウントされたステップ数を試料
１２２のＺ方向の高さ情報として記憶する。なお、カウ
ンタには、測定開始前に設定したＺ方向の移動領域を表
わすカウント値が初期設定される。

【００３３】入力部１６２は、制御手段１６０に対し
て、動作開始の指示を行う。制御回路１６０は、例えば
主制御部としてマイクロコンピュータを備えており、試
料１２２の二次元画像を得るための二次元走査制御手段
を有している。制御回路１６０は、メモリを有してお
り、後述する基準範囲設定工程、利得値調整工程、検出
信号算出工程、画像構築工程で記憶する必要があるデー
タを適宜記憶する。

【００３４】次に、共焦点走査型光学顕微鏡の動作を、
制御回路１６０の制御手順に従って説明する。図２〜図
６は制御回路１６０の制御手順と制御内容を示すフロー
チャートである。

【００３５】測定に先立ち、制御回路１６０は基準範囲
設定工程Ｓ１０を行う。これは、試料の反射情報とノイ
ズ情報とを分けるために、Ａ/Ｄ変換器１５０のダイナ
ミックレンジの有効範囲を指定する工程である。以下、
図３を参照して、基準範囲設定工程Ｓ１０について説明
する。

【００３６】まず、工程Ｓ１１では、ノイズ成分によっ
てダイナミックレンジが狭くならないように、不図示の
シャッターなどにより、光検出器１２６へ反射光の入力
を遮断し、この状態で、オフセット回路などにより、Ａ
/Ｄ変換器１５０から出力される画像データの輝度値を
ほぼ０に調整する。

【００３７】次に、工程Ｓ１２では、ランダムノイズの
増減に影響されないようにＡ/Ｄ変換器１５０から出力
される画像データの輝度値の出力範囲で有効な下限値を
求める。一定の利得値に対して、Ａ/Ｄ変換器１５０か
ら出力される画像データの輝度値は、図７に示されるよ
うに、ランダムノイズなどのノイズ変動レベルの影響に
よって時間と共に変化する。このランダムノイズなどの
ノイズ変動レベルの範囲を例えば、Ｉminとすれば、有
効範囲の下限値はＩminとなる。

【００３８】続いて、工程Ｓ１３では、Ａ/Ｄ変換器１
５０から出力される画像データの輝度値の飽和を検出す
るための有効範囲の上限値を求める。これは、従来技術
で説明した図２３(ｂ)の鏡面に対する検出信号レベルの
ような飽和状態を検出するための輝度値の上限を設定す
るために行う。これをＩmaxとすれば、有効範囲の上限
値はＩmaxとなる。

【００３９】次に、工程Ｓ１４では、前述の工程Ｓ１２
と工程Ｓ１３によって求められたＩmaxとＩminの値を制
御回路１６０のメモリに記憶する。最後に、画像測定を
正しく行うために、前述のシャッターを開ける。

【００４０】次に、制御回路１６０は利得調整工程Ｓ２
０を行う。これは、現在の集束光の照射位置にＡ/Ｄ変
換器１５０によって変換後の画像データの輝度値が前述
の基準範囲内になるように利得値を調整する処理であ
る。実際には、試料表面の反射率が、直前の照射位置と
同じであれば、利得値は変更しない。反射率が異なる部
位の境界前後で、利得を調整することにより、試料から
の反射光をその反射率によらず正しく検出することを可
能にする。以下、図４を参照して、利得調整工程Ｓ２０
について説明する。

【００４１】まず、工程Ｓ２１では、現在の利得値を元
に可変利得増幅回路１４４で増幅された光検出信号をＡ
/Ｄ変換器１５０によって変換後の画像データの輝度値
を画像メモリ１５２に記憶する。

【００４２】次に、工程Ｓ２２では、画像メモリ１５２
に記憶した輝度値が前述の基準範囲設定工程Ｓ１０で求
められたＡ/Ｄ変換器１５０のダイナミックレンジの有
効範囲の下限値Ｉminより小さいか判断する。小さい場
合には、工程Ｓ２３において利得値を最大値に設定し、
ＣＰＵ１４０によりこれを可変利得増幅回路１４４に設
定する。

【００４３】続いて、工程Ｓ２４では、工程Ｓ２１と同
様に輝度値を取得する。次に、工程Ｓ２５では、画像メ
モリ１５２に記憶した輝度値が前述の基準範囲設定工程
Ｓ１０で求められたＡ/Ｄ変換器１５０のダイナミック
レンジの有効範囲の上限値Ｉmaxより大きいか判断す
る。大きい場合には、工程Ｓ２６において利得値を１/
Ｇ倍して、工程Ｓ２４に戻る。ここで、Ｇとしては、１
回の利得値の変更後に前述の基準範囲の上限値Ｉmaxが
下限値Ｉmin以下にならなければ良いので、Ｇ＜Ｉmax/
Ｉminを満たせばよい。

【００４４】以上によって、画像メモリ１５２に記憶す
る画像データをＡ/Ｄ変換器１５０のダイナミックレン
ジの有効範囲内に収めることができたので、最後にその
時の利得値をＣＰＵ１４０に記憶する。

【００４５】以上の動作を実際に図８のイ、ロ、ハの走
査によって具体的に説明する。図８のイで走査する平面
上には、走査する順に、鏡面、ガラス面、鏡面、という
部位が同一面上に存在する。

【００４６】図９(ａ)は、鏡面を検出できる利得値での
輝度値を示している。まず、最初の鏡面に対する輝度値
は、基準範囲内に収まっているので、利得値と輝度値は
変更されずに記憶される。

【００４７】次に、ガラス面の最初の走査位置に移動す
ると、輝度値が基準範囲下限値を下回るので、工程Ｓ２
３の処理によって、利得値が最大の値に設定される。こ
の時の輝度値は、図９(ｂ)に示されるようになる。続い
て、工程Ｓ２４〜工程Ｓ２６によって、図９(ｃ)に示さ
れるように、ガラス面の輝度値は基準範囲内に収められ
る。この時の輝度値と利得値が記憶される。走査位置が
ガラス面の間は、利得値と輝度値は変更されずに記憶さ
れる。

【００４８】最後に、再び鏡面の最初の走査位置に移動
すると、輝度値が基準範囲上限値を上回るので、工程Ｓ
２４〜工程Ｓ２６によって、図９(ａ)に示されるよう
に、輝度値は基準範囲内に収められる。この時の輝度値
と利得値が記憶される。

【００４９】図８のロで走査する平面上には、走査する
順に、鏡面、ガラス面、鏡面、平面無し、ここでは突出
したガラス面が存在する。鏡面、ガラス面、鏡面まで
は、イで述べた手順と同様の手順となるので、説明は省
略する。

【００５０】最後に、平面無しの最初の走査位置に移動
すると、利得値は鏡面を正しく検出できる値となってい
るため、図１０(ａ)に示されるように、輝度値は基準範
囲下限値を下回るので、工程Ｓ２３の処理によって、利
得値が最大の値に設定される。この時の輝度値は、図１
０(ｂ)に示されるようになる。続いて、工程Ｓ２４〜工
程Ｓ２６によって、図１０(ｃ)に示されるように、輝度
値は基準範囲内に収められる。この時の利得値と輝度値
は、平面無しの部位では、変更されずに記憶される。

【００５１】図８のハで走査する平面上には、走査する
順に、平面無し、ガラス面という部位が存在する。図１
１(ａ)に示されるように、平面無しの部位では、輝度値
が基準範囲内に収まっているので、利得値と輝度値は変
更されずに記憶される。

【００５２】次に、ガラス面の最初の走査位置に移動す
ると、輝度値は基準範囲上限値を上回るので、工程Ｓ２
４〜工程Ｓ２６によって、図１１(ｂ)に示される基準範
囲内に収められる。この時の輝度値と利得値が記憶され
る。

【００５３】次に、制御回路１６０は検出信号算出工程
Ｓ３０を行う。これは、利得調整工程Ｓ２０で得られ
た、輝度値と利得値を元にＡ/Ｄ変換器１５０で変換す
る前の検出信号値を算出するための処理である。以下、
図５を参照して、検出信号算出工程Ｓ３０について説明
する。

【００５４】まず、工程Ｓ３１では、検出信号値を算出
する。検出信号値は、実際には、ＣＰＵ１４０に記憶さ
れた現在の利得値Ｇと、画像メモリ１５２に記憶され
た、現在の照射位置に対応した画素の輝度値Ｉijkと、
現在の照射位置に対応した画素の検出信号Ｖijkとに基
づいて、Ｖijk＝Ｉijk/Ｇによって算出される。

【００５５】最後に、工程Ｓ３２では、算出した結果を
検出信号メモリ１５４に記憶する。

【００５６】続いて、制御回路１６０は画像構築工程Ｓ
４０を行う。これは、検出信号算出工程Ｓ３０で得られ
た検出信号の最大値を保持し、各画素について走査中に
前述の検出信号が最大となる位置(Ｚ位置)を検出し保存
する処理である。これによって、試料表面の反射光の強
弱や高さ位置の検出精度が、Ａ/Ｄ変換器１５０による
変換後の画像信号のダイナミックレンジによらず、利得
値の可変範囲を含めた精度で検出することができる。以
下、図６を参照して、画像構築工程Ｓ４０について説明
する。

【００５７】まず、工程Ｓ４１では、検出信号算出工程
Ｓ３０で得られた検出信号の値と、検出信号メモリ１５
４に記憶されたＺ方向に対して検出信号の最大値とを比
較する。検出信号算出工程Ｓ３０で得られた検出信号の
方が大きい場合には、工程Ｓ４２において、検出信号メ
モリ１５４に記憶されたＺ方向に対して検出信号の最大
値を検出信号算出工程Ｓ３０で得られた検出信号の値と
する。この時のＺ位置を昇降駆動回路１５８から出力さ
れたカウンタの値として高さ画像メモリ１５６に記憶す
る。実際には、検出信号算出工程Ｓ３０で得られた検出
信号Ｖijkと、検出信号メモリ１５４に記憶されたＺ方
向に対して検出信号の最大値Ｖijmと、高さ情報Ｚij
と、昇降駆動回路１５８から出力されたカウンタの値Ｋ
とに基づき、Ｖijk＞Ｖijmの時のみ、Ｖijm＝Ｖijk、Ｚ
ij＝Ｋとする。

【００５８】制御回路１６０は、利得値調整工程Ｓ２０
と検出信号算出工程Ｓ３０と画像構築工程Ｓ４０を、予
め決められた１フレームのサイズ(ＸＹ走査範囲)とＺ走
査範囲に対して繰り返し行うために、以下の手順により
集束光の焦点位置の移動処理を行う。

【００５９】まず、工程Ｓ５１(図２参照)では、Ｘ方向
の位置が１ラインの終了位置か否かを判断する。Ｘ方向
の位置が１ラインの終了位置でない場合には、工程Ｓ５
２において、位置をＸ方向へ１ステップ移動させた後、
利得値調整工程Ｓ２０に戻る。

【００６０】工程Ｓ５１においてＸ方向の位置が１ライ
ンの終了位置である場合には、工程Ｓ５３では、Ｙ方向
の位置が１フレームの終了位置か否かを判断する。Ｙ方
向の位置が１フレームの終了位置でない場合には、工程
Ｓ５４では、Ｘ方向の位置を移動先頭位置に戻し、続い
て、工程Ｓ５５では、位置をＹ方向へ１ステップ移動さ
せた後、利得値調整工程Ｓ２０に戻る。

【００６１】工程Ｓ５３においてＹ方向の位置が１フレ
ームの終了位置である場合には、工程Ｓ５６では、Ｚ方
向の位置がＺ移動範囲の終了位置か否かを判断する。Ｚ
方向の位置がＺ移動範囲の終了位置でない場合には、工
程Ｓ５７では、Ｙ方向の位置を移動先頭位置に戻し、続
いて、工程Ｓ５８では、位置をＺ方向へ１ステップ移動
させた後、利得値調整工程Ｓ２０に戻る。

【００６２】工程Ｓ５６においてＺ方向の位置がＺ移動
範囲の終了位置である場合には、処理を終了する。以上
の一連の処理によって、図１８に示される順序の試料１
２２に対する走査が終了する。

【００６３】図２のチャートに従って全ての処理が終了
すると、試料の表面情報が、検出信号メモリ１５４に、
利得値の可変範囲を含めた検出精度で得られ、また、試
料の高さ情報が、高さ画像メモリ１５６に、同様の検出
精度で得られる。

【００６４】このように、本実施の形態は、各画素に対
して二次元走査中の輝度変化が基準範囲に収まるように
利得を制御し、得られた輝度値と利得値とを元に、検出
信号の値と前回までの検出信号の最大値と比較し、今回
の値の方が大きければその時の光軸位置を記憶している
ので、段差を有し、しかも同一平面に反射率が異なる複
数の部位を持つ試料に対しても、試料の表面情報を得る
ことができる。

【００６５】上述した実施の形態は、本発明の好適な具
体例の一つを例示的に示しているに過ぎない。従って、
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではな
く、その要旨を逸脱しない範囲において様々な変更や変
形を含む。

【００６６】例えば、本実施の形態では、走査は、ＸＹ
走査により１フレームの情報を取得する毎にＺ走査を繰
り返して行っているが、ＸＹ走査を行なう最中の各点毎
にＺ走査を繰り返し行ってもよい。

【００６７】また、利得値調整工程、検出信号調整工
程、画像構築工程の各工程について、本実施形態では、
各Ｚ位置に対応した１フレーム走査中の１画素毎に行っ
ているが、特にこれらの工程が走査の直後に行うことに
限定されず、各Ｚ位置毎の１フレーム中全ての画素に対
する利得値と検出信号値と高さ情報が得られるのであれ
ばどのような手順であってもよい。

【００６８】具体的には各Ｚ位置で、１フレームまたは
Ｘ方向に１〜数ラインまたはＹ方向に１〜数ライン走査
する毎に利得値調整を繰り返し行い、走査したラインの
全画素について輝度値が基準範囲内になるときの輝度値
と利得値を求めてから、走査したラインの各画素毎に検
出信号調整工程と画像構築工程を行ってもよい。

【００６９】また、検出信号算出工程で検出信号の値を
記憶する検出信号メモリにおいても実数精度でなくても
よい。基準範囲設定工程については、予めシステム固有
の値として、基準範囲を制御回路に記憶しておいてもよ
い。利得調整工程においても、照射位置の輝度値を基準
範囲内になるまで、利得値の最小設定から最大設定値ま
で、設定可能な最小ステップずつ変更していってもよ
い。

【００７０】［第二の実施の形態］図１２に示すよう
に、本発明の第二の実施の形態に係る画像情報構築方法
を用いるシステムは、従来と同様の共焦点走査型光学顕
微鏡(図１４参照)を備えており、光源２１２からのレー
ザ光は、走査光学系２２４によって試料表面に点状結像
され、この試料表面から反射した反射光は、再び走査光
学系２２４を経由した後、ピンホールを通過した光のみ
が光検出器２２２によって検出される。

【００７１】光検出器２２２から出力されたアナログ信
号は、その直流成分がオフセット調整回路２２６で差し
引かれた後、残りの光信号成分がゲイン調整回路２２８
で増幅(Ａ/Ｄ変換器２３０の入力レンジに最適化)され
て、Ａ/Ｄ変換器２３０に入力される。このとき、Ａ/Ｄ
変換器２３０から出力されたデジタル信号(８ビット階
調つまり０〜２５５までの整数データ)に対して、シス
テム制御用計算機２３２において、後述する信号処理を
施すことによって、標本画像の高輝度情報及び高さ情報
を高精度に測定することができる。

【００７２】このシステムでは、システム制御用計算機
２３２からのコマンドによって、共焦点走査型光学顕微
鏡(光源２１２、走査光学系２２４、光検出器２２２)、
オフセット調整回路２２６、ゲイン調整回路２２８、Ａ
/Ｄ変換器２３０の測定パラメータを適宜設定すること
ができる。例えば、オフセット調整回路２２６のオフセ
ット量、ゲイン調整回路２２８の増幅率、Ａ/Ｄ変換器
２３０の入力レンジを適宜変化させることができる。

【００７３】システム制御用計算機２３２には、メモリ
(図示しない)が搭載されており、試料を高さ方向に離散
的に区切った走査面に沿ってレーザ光を走査した際に得
られる試料の高さ方向に沿った複数の二次元画像データ
に対応する各々の整数データと、これら各データを取り
込んだときの各々のオフセット調整量及びゲイン調整量
と、後述する信号処理によって得られた実数データを保
存することができるようになっている。

【００７４】必要なメモリの容量は、整数データの容量
とオフセット調整量とゲイン調整量に応じて変更され
る。例えば、１枚の二次元画像データが１０２４×７６
８ドットで構成され、１ドットの整数データが８ビット
(１バイト)の整数データとして保存される場合には、７
６８キロバイト(kByte)のメモリ容量に設定される。ま
た、比較したい二次元画像データがｎ枚であり、設定さ
れたオフセット調整量及びゲイン調整量が夫々１バイト
で保存できる場合には、全体で(７６８k＋２)×(ｎ＋
１)バイトのメモリ容量が必要となる。

【００７５】本実施の形態では、試料の面２１８の反射
率の種類分だけオフセット調整及びゲイン調整が行われ
る。例えば、ｎ種類の反射率を有する試料の面２１８の
画像情報を構築する場合、まず、ｎ種類の反射率毎にオ
フセット調整量及びゲイン調整量をシステム制御用計算
機２３２に保存する。この場合、反射率の種類や位置に
ついては、例えば、ＩＣパターンが施された半導体ウエ
ハ等の試料の製造段階で予め分かっていれば、各々の反
射率に対応した最適なオフセット調整量及びゲイン調整
量を設定して保存する。最適なオフセット調整量及びゲ
イン調整量の設定方法は、例えば試料の面２１８の反射
率の異なる部位を予めプレ走査して設定する方法などが
利用できる。

【００７６】次に、システム制御用計算機２３２内にお
いて、ｎ種類の反射率は、その反射率の小さい順に並べ
変えられ、その一番低い反射率に対応したオフセット調
整量及びゲイン調整量が選択される。この状態で、試料
の面２１８の高さ方向に沿って全ての走査面にレーザ光
を走査して、高輝度情報及び高さ情報を求める。

【００７７】高輝度情報及び高さ情報は、システム制御
用計算機２３２において、Ａ/Ｄ変換器２３０から出力
されたデジタル信号(試料の高さ方向に沿った複数の二
次元画像データに夫々対応した整数データ)に対して逆
算処理を施して、実数データを求めた後、個々の二次元
画像データ相互の同一座標における実数データ同士の大
小を比較することによって求められる。

【００７８】光検出器２２２から出力されたアナログ信
号即ち電圧値に基づく元の明るさ情報をｖ、オフセット
調整量をｏ、ゲイン調整量をｇとすると、Ａ/Ｄ変換器
２３０から出力されるデジタル信号(整数データ)Ｉは、
Ｉ＝ｇ×ｖ＋ｏなる関係を満足している。

【００７９】この関係式を満足するデジタル信号(整数
データ)Ｉに対して逆算処理を施して、元の明るさ情報
ｖを実数データＲとして再現すると、Ｒ＝(Ｉ−ｏ)/ｇ
となる。この実数データＲは、システム制御用計算機２
３２内において、浮動小数点型データとして認識され、
試料の各面に対応した輝度ピークはすべて電圧値の変化
として捕らえることができる。

【００８０】このとき、各走査面において比較的高い反
射率を有する部位が存在する場合、その比較的高い反射
率を有する部位を走査した際に光検出器２２２から出力
されるアナログ信号のレベルは、一番低い反射率に対応
したオフセット調整量及びゲイン調整量を越えたものと
なり、Ａ/Ｄ変換器２３０の入力レンジ内に収まらな
い。この場合、Ａ/Ｄ変換器２３０の出力は、飽和状態
(例えば、出力ゼロ)となり、システム制御用計算機２３
２には、比較的高い反射率を有する部位からの輝度情報
が「飽和状態信号」として保存される。

【００８１】次に、二番目に低い反射率に対応したオフ
セット調整量及びゲイン調整量を選択して、上述と同様
の走査を高さ方向に沿って行う。このとき、輝度情報が
「飽和状態」であることが保存されている部位の輝度情
報のみを更新する。そして、残りのｎ−２の反射率につ
いても、同様の処理を行って、「飽和状態」であること
が保存されている部位の輝度情報のみを更新して行くこ
とによって、Ａ/Ｄ変換器２３０から飽和状態信号が出
力されなくなり、そのとき観察画像の高輝度情報及び高
さ情報が測定されることになる。

【００８２】本実施の形態の画像情報構築方法では、こ
のような処理を繰り返すことによって、反射率の違いに
影響されること無く、観察画像の高輝度情報及び高さ情
報を測定することができる。

【００８３】以下、上述した処理プロセスに従った観察
画像の高輝度情報及び高さ情報の具体的な測定方法につ
いて、図１３(ａ)〜図１３(ｃ)を参照して説明する。

【００８４】この測定方法では、図１３(ａ)，図１３
(ｂ)に示すように、互いに反射率が異なり且つ高さ方向
に高低差がある面１〜面３を有する試料２４０の画像情
報を構築する場合を想定しており、面１での反射率をｒ
１、面２での反射率をｒ２、面３での反射率をｒ３と
し、これら３種類の反射率には、ｒ１＞ｒ２＞ｒ３なる
関係があるものとする。この場合、これら面１〜面３の
夫々にレーザ光が合焦されたときに、図１３(ｃ)に示す
ような異なる輝度のピーク１〜３が現れる。即ち、試料
２４０の高い方から順に、ピーク１は、面１の任意の座
標点での輝度のピークであり、ピーク２は、面２の任意
の座標点での輝度のピーク、そして、ピーク３は、面３
の任意の座標点での輝度のピークである。

【００８５】また、この測定方法では、試料２４０を高
さ方向に一定間隔で離散的に区切った２５６面から成る
走査面に沿ってレーザ光を走査させるように設定されて
いる。なお、走査面は、試料２４０の高い方から順に、
符号Ｚ０、Ｚ１〜Ｚ２５５で規定されている。

【００８６】まず、３種類の反射率ｒ１，ｒ２，ｒ３毎
に、これら反射率に対応した最適なオフセット調整量及
びゲイン調整量を設定して、システム制御用計算機２３
２に保存する。

【００８７】次に、システム制御用計算機２３２内にお
いて、３種類の反射率は、その反射率の小さい順に並べ
変えられ、その一番低い反射率ｒ３に対応したオフセッ
ト調整量及びゲイン調整量が選択される。この状態で、
試料２４０の高い方から順に全ての走査面Ｚ０〜Ｚ２５
５に沿ってレーザ光を走査して、高輝度情報及び高さ情
報を求める。

【００８８】即ち、走査面Ｚ０〜Ｚ２４を個別に走査し
て、そのとき得られる高輝度情報及び高さ情報を全てシ
ステム制御用計算機２３２内に記録(保存)する。この走
査面Ｚ０〜Ｚ２４では、レーザ光が合焦する面がないこ
とから、その走査面全体に亘って、Ａ/Ｄ変換器２３０
の出力は、ほぼゼロに等しい。

【００８９】各面１〜面３に対応した輝度ピークを電圧
値の変化として捕らえるための実数データＲは、以下の
説明では、高輝度データと呼ぶことにする。

【００９０】この走査面Ｚ０〜Ｚ２４の走査中に、高輝
度データが全て保存された面(走査完了面)は、次に行わ
れる走査(反射率ｒ２に対応したオフセット調整量及び
ゲイン調整量に基づく２回目の走査)において、再度走
査する必要がないため、走査完了を示すフラグをシステ
ム制御用計算機２３２内に記録すると共に、高輝度情報
及び高さ情報を更新して行く。

【００９１】次に、走査面Ｚ２５〜Ｚ４９を個別に走査
する。

【００９２】この高さ間の走査面Ｚ２５〜Ｚ４９では、
反射率ｒ１の面１に対応するピーク１の高輝度データ
が、Ａ/Ｄ変換器２３０を介してシステム制御用計算機
２３２内に入力される。システム制御用計算機２３２で
は、既に記録された高輝度データと、新たに入力した高
輝度データとを比較して、新たに入力した高輝度データ
が大きければ、その高輝度データを記録し直す(更新す
る)と共に、高さ情報も更新する。但し、高輝度データ
が更新されるのは、走査面Ｚ２５〜Ｚ４９のうち、面１
に対応する領域のみである。

【００９３】続いて、走査面Ｚ５０〜Ｚ７０を個別に走
査する。

【００９４】この高さ間の走査面Ｚ５０〜Ｚ７０では、
一番低い反射率ｒ３に対応したオフセット調整量及びゲ
イン調整量を越えてピーク１が立ち上がるため、Ａ/Ｄ
変換器２３０の入力レンジ内に収まらない。この場合、
Ａ/Ｄ変換器２３０の出力は、飽和状態(例えば、出力ゼ
ロ)となり、システム制御用計算機２３２には、反射率
ｒ１を有する部位からの高輝度データが「飽和状態信
号」として記録される。この場合、飽和状態信号が記録
された部位は、次に行われる走査(反射率ｒ２に対応し
たオフセット調整量及びゲイン調整量に基づく２回目の
走査)において、再度走査する必要があるため、走査完
了を示すフラグは、システム制御用計算機２３２内に記
録しない。

【００９５】以降同様の処理プロセスを経て、走査面Ｚ
１４４まで個別に走査すると、反射率ｒ２の面２に対応
するピーク２の高輝度データが、Ａ/Ｄ変換器２３０を
介してシステム制御用計算機２３２内に入力される。シ
ステム制御用計算機２３２では、既に記録された高輝度
データと、新たに入力した高輝度データとを比較して、
新たに入力した高輝度データが大きければ、その高輝度
データを記録し直す(更新する)と共に、高さ情報も更新
する。但し、高輝度データが更新されるのは、走査面Ｚ
１４４までの面２に対応する領域のみである。

【００９６】続いて、走査面Ｚ１４５〜Ｚ１５５を個別
に走査する。

【００９７】この高さ間の走査面Ｚ１４５〜Ｚ１５５で
は、一番低い反射率ｒ３に対応したオフセット調整量及
びゲイン調整量を越えてピーク２が立ち上がるため、Ａ
/Ｄ変換器２３０の入力レンジ内に収まらない。この場
合、Ａ/Ｄ変換器２３０の出力は、飽和状態(例えば、出
力ゼロ)となり、システム制御用計算機２３２には、反
射率ｒ２を有する部位からの高輝度データが「飽和状態
信号」として記録される。この場合、飽和状態信号が記
録された部位は、次に行われる走査(反射率ｒ２に対応
したオフセット調整量及びゲイン調整量に基づく２回目
の走査)において、再度走査する必要があるため、走査
完了を示すフラグは、システム制御用計算機２３２内に
記録しない。

【００９８】以降同様の処理プロセスを経て、走査面Ｚ
２３０まで到達した場合、この走査面Ｚ２３０付近のピ
ーク３は、一番低い反射率ｒ３に対応したオフセット調
整量及びゲイン調整量を越えていないため、Ａ/Ｄ変換
器２３０の入力レンジ内に収まる。この場合、Ａ/Ｄ変
換器２３０の出力は、飽和状態とならず、この出力全体
に基づいて、反射率ｒ３を有する面３からの高輝度デー
タ及びその高さ情報が共に更新される。

【００９９】これ以降の走査面Ｚ２３１〜Ｚ２５５の走
査では、Ａ/Ｄ変換器２３０の出力がほぼゼロとなるか
ら、高輝度データは更新されない。

【０１００】以上の処理プロセスを経て、１回目の走査
が終了する。

【０１０１】次に、２回目の走査を行う。

【０１０２】この２回目の走査では、一番低い反射率ｒ
３の次に大きい反射率ｒ２に対応したオフセット調整量
及びゲイン調整量が選択される。そして、この２回目の
走査では、１回目の走査で走査完了のフラグが記録され
た走査面の走査は行わずに、飽和状態信号が記録された
部位の走査のみを行う。

【０１０３】まず、走査面Ｚ５０〜Ｚ７０を走査する場
合、反射率ｒ２に対応したオフセット調整量及びゲイン
調整量を越えてピーク１が一部立ち上がるため、その一
部については、Ａ/Ｄ変換器２３０の入力レンジ内に収
まらない。この場合、Ａ/Ｄ変換器２３０の出力は、ピ
ーク１の一部が飽和状態(例えば、出力ゼロ)となり、シ
ステム制御用計算機２３２には、その部分の高輝度デー
タが「飽和状態信号」として記録される。この場合、飽
和状態信号が記録された部位は、次に行われる走査(反
射率ｒ１に対応したオフセット調整量及びゲイン調整量
に基づく３回目の走査)において、再度走査する必要が
あるため、走査完了を示すフラグは、システム制御用計
算機２３２内に記録しない。

【０１０４】これに対して、ピーク１の残りの部分は、
反射率ｒ２に対応したオフセット調整量及びゲイン調整
量を越えていないため、Ａ/Ｄ変換器２３０の入力レン
ジ内に収まる。この場合、Ａ/Ｄ変換器２３０の出力
は、飽和状態とならず、この出力全体に基づいて、ピー
ク１の残りの部分の高輝度データ及びその高さ情報が共
に更新される。

【０１０５】続いて、走査面Ｚ１４５〜Ｚ１５５を走査
する場合、この走査面におけるピーク２は、反射率ｒ２
に対応したオフセット調整量及びゲイン調整量を越えて
いないため、Ａ/Ｄ変換器２３０の入力レンジ内に収ま
る。この場合、Ａ/Ｄ変換器２３０の出力は、飽和状態
とならず、この出力全体に基づいて、反射率ｒ２を有す
る面２からの高輝度データ及びその高さ情報が共に更新
される。

【０１０６】以上の処理プロセスを経て、２回目の走査
が終了する。

【０１０７】次に、３回目の走査を行う。

【０１０８】この３回目の走査では、一番高い反射率ｒ
１に対応したオフセット調整量及びゲイン調整量が選択
される。そして、この３回目の走査では、１回目及び２
回目の走査で走査完了のフラグが記録された走査面の走
査は行わずに、飽和状態信号が記録された部位の走査の
みを行う。

【０１０９】まず、走査面Ｚ６０付近を走査する場合、
走査面Ｚ６０付近のピーク１は、一番高い反射率ｒ１に
対応したオフセット調整量及びゲイン調整量を越えてい
ないため、Ａ/Ｄ変換器２３０の入力レンジ内に収ま
る。この場合、Ａ/Ｄ変換器２３０の出力は、飽和状態
とならず、この出力全体に基づいて、反射率ｒ１を有す
る面１からの高輝度データ及びその高さ情報が共に更新
される。

【０１１０】以上、３回の走査によって試料２４０全体
の高輝度データと高さ情報が測定され、これら高輝度デ
ータ及び高さ情報に基づいて観察画像が構築される。

【０１１１】このように、本実施の形態によれば、試料
の走査面(例えば、図１３に示す同一面１)内において異
なる反射率が他種類存在する場合であっても、試料２４
０の反射率の種類分だけオフセット調整及びゲイン調整
を行うだけで、試料２４０の段差形状や反射率の違い影
響されること無く、短時間に観察画像の高輝度情報及び
高さ情報を高精度に測定することが可能となる。

【０１１２】第二の実施の形態では、試料２４０からの
反射光を検出するタイプの共焦点走査型光学顕微鏡を備
えたシステムについて説明したが、これに限定されるこ
とは無く、試料２４０からの透過光を検出するタイプの
共焦点走査型光学顕微鏡を備えたシステムにも、本実施
の形態の画像情報構築方法を適用することが可能であ
る。

【０１１３】この変形例の画像情報構築方法に適用した
システムは、図１２に示したシステムと基本的に同様で
あり、光源２１２からのレーザ光は、走査光学系２２４
によって試料表面に点状結像され、この試料を透過した
透過光は、光検出器２２２によって検出される。光検出
器２２２から出力されたアナログ信号は、その直流成分
がオフセット調整回路２２６で差し引かれた後、残りの
光信号成分がゲイン調整回路２２８で増幅(Ａ/Ｄ変換器
２３０の入力レンジに最適化)されて、Ａ/Ｄ変換器２３
０に入力される。このとき、Ａ/Ｄ変換器２３０から出
力されたデジタル信号(試料の高さ方向に沿った複数の
二次元透過画像データに夫々対応した整数データ)に対
して、システム制御用計算機２３２において、上述した
信号処理を施すことによって、観察画像の高輝度情報及
び高さ情報を高精度に測定することができる。

【０１１４】本変形例に適用した信号処理では、システ
ム制御用計算機２３２に取り込まれたデジタル信号(試
料の高さ方向に沿った複数の二次元透過画像データに夫
々対応した整数データ)に対して逆算処理を施して、実
数データを求めた後、個々の二次元透過画像データ相互
の同一中心部における実数データ同士の大小を比較する
ことによって、高輝度情報及び高さ情報を求める。

【０１１５】この場合、二次元透過画像データが１０２
４×７６８ドットで構成されている場合、その中心部で
ある８００×６００ドット領域で大小比較が行われる。

【０１１６】このような信号処理において、まず、比較
する二次元透過画像データの同一中心部のアライメント
(位置出し)を行った後、二次元透過画像データ全体に適
当な明るさが得られるように、オフセット調整量及びゲ
イン調整量を行う。このようにオフセット調整量及びゲ
イン調整量が施された後、Ａ/Ｄ変換器２３０から出力
されたデジタル信号は、システム制御用計算機２３２に
おいて、実数データ(浮動小数点データ)Ｒとして認識さ
れ、この実数データＲの大小を比較することによって、
高輝度情報及び高さ情報が求められる。

【０１１７】この場合、中心部(８００×６００ドット
領域)以外の二次元透過画像データの明るさの影響を受
けて、Ａ/Ｄ変換器２３０からの出力が変化した場合で
も、同一中心部における実数データ(元の明るさ情報)Ｒ
同士の大小を比較することができるため、高輝度情報及
び高さ情報を高精度に求めることができる。このように
大小比較した結果に基づいて、第二の実施の形態と同様
に、観察画像の高輝度情報及び高さ情報を高精度に測定
することができる。

【０１１８】このようにすることで、例えば、検出信号
の値を８ビットや１２ビットの整数データにリニアに変
換したり、ガンマ補正などかけて変換した表面情報を容
易に得ることができる。

【０１１９】

【発明の効果】本発明によれば、各画素の検出信号の値
を元々の検出精度を超えない任意のデータ階調の画像デ
ータとして再構築を行い表示することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施形態に係る共焦点走査型光
学顕微鏡のシステム構成図である。

【図２】本発明の第一の実施形態に係る、制御回路の制
御手順を示すフローチャートである。

【図３】本発明の第一の実施形態に係る、基準範囲設定
工程の手順を示すフローチャートである。

【図４】本発明の第一の実施形態に係る、利得調整工程
の手順を示すフローチャートである。

【図５】本発明の第一の実施形態に係る、検出信号算出
工程の手順を示すフローチャートである。

【図６】本発明の第一の実施形態に係る、画像構築工程
の手順を示すフローチャートである。

【図７】本発明の第一の実施形態に係る、基準範囲設定
工程での有効範囲の上限値及び下限値を示すグラフであ
る。

【図８】本発明の第一の実施形態に係る、段差と、反射
率の異なる部位を有する試料の図である。

【図９】図８の試料上をイで示した走査によって得られ
る輝度変化を表すグラフである。

【図１０】図８の試料上をロで示した走査によって得ら
れる輝度変化を表すグラフである。

【図１１】図８の試料上をハで示した走査によって得ら
れる輝度変化を表すグラフである。

【図１２】本発明の第二の実施の形態に係る画像情報構
築方法を適用したシステム構成のブロック図である。

【図１３】本発明の第二の実施の形態に係る画像情報構
築方法を説明するための図であって、（ａ）は試料の平
面図、（ｂ）は試料の側面図、（ｃ）は、試料の高さ方
向に変化する反射率に応じた輝度ピークを示す図であ
る。

【図１４】従来技術に係る、共焦点走査型光学顕微鏡の
概略的な構成図である。

【図１５】従来技術に係る、共焦点走査型光学顕微鏡の
制御手順を示すフローチャートである。

【図１６】従来技術に係る、画像構築工程の手順を示す
フローチャートである。

【図１７】従来技術に係る、複数の段差を有する試料の
図である。

【図１８】従来技術および本発明の第一の実施の形態に
係る、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向の走査順序を示した図である。

【図１９】従来技術に係る、反射率の異なる部位を有す
る試料の図である。

【図２０】従来技術に係る、図１９の試料を幅方向に走
査する時に得られる検出信号レベルの変化を表すグラフ
である。

【図２１】従来技術に係る、図１９の試料を幅方向に走
査する時に得られる検出信号レベルの変化を表すグラフ
である。

【図２２】従来技術に係る、複数の段差を有し、その段
差の反射率が異なる試料の図である。

【図２３】従来技術に係る、図２２の試料をＺ方向に走
査する時に得られる検出信号レベルの変化を表すグラフ
である。

【符号の説明】

１１６ 二次元走査機構 １２０ 対物レンズ １２４ ステージ １２６ 光検出器 １２８ ピンホール １３６ レーザ光源 １３８ 二次元走査駆動回路 １４０ ＣＰＵ １４２ Ｄ/Ａ変換器 １４４ 可変利得増幅回路 １４６ アナログ処理ユニット １４８ 画像処理ユニット １５０ Ａ/Ｄ変換器 １５２ 画像メモリ １５４ 高さ画像メモリ １５６ 検出信号メモリ １５８ 昇降駆動回路 １６０ 制御回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 太田 佳成 東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号 オリ ンパス光学工業株式会社内 Ｆターム(参考） 2F065 AA00 AA53 AA60 BB05 BB22 BB25 BB26 DD00 FF01 FF04 GG04 HH04 HH13 JJ01 JJ15 LL00 LL04 LL30 MM03 MM07 NN03 NN13 PP02 PP12 PP24 QQ03 QQ24 QQ25 QQ36 SS02 SS13 UU05 2H052 AA08 AC04 AC15 AC34 AD20 AF02 AF25 5B047 BA02 BC05 BC09 BC16 CB21 DA01 DB01 DC02 EA01

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料に集束光を照射する対物光学系と、
   前記集束光と前記試料とを相対的に二次元方向へ移動走
   査する二次元走査手段と、前記対物光学系の焦点位置と
   前記試料の位置とを相対的に光軸方向へ移動走査する光
   軸方向走査手段と、前記集束光の前記試料の反射光又は
   透過光を受光してその受光強度に応じた検出信号を出力
   する光検出手段と、光検出手段から出力された検出信号
   の信号レベルを可変する利得可変手段と、前記利得可変
   手段によって変更した検出信号を画像データへ変換する
   Ａ/Ｄ変換手段と、試料の測定を行う際に、前記試料の
   反射光又は透過光の受光強度を良好に検出できる有効範
   囲を設定する制御と、前記二次元走査手段と前記光軸方
   向走査手段の少なくとも一方による走査動作に応じて画
   像データの画素の値が前記有効範囲の設定制御で設定さ
   れた有効範囲に収まるように前記利得可変手段の利得値
   を調整する制御と、画像データの各画素の値と利得可変
   手段に対して調整された利得値に基づいて光検出手段か
   ら出力された検出信号を算出する制御と、前記検出信号
   算出値に基づいて試料の表面の画像データを構築する制
   御とを行わせる制御部とを備えていることを特徴とする
   共焦点走査型光学顕微鏡。
2. 【請求項２】光源からの光を走査光学系を介して試料の
   各走査面を走査する工程と、各走査面からの光を光検出
   器でアナログ信号に変換する工程と、このアナログ信号
   に対してオフセット調整及びゲイン調整を施す工程と、
   オフセット調整及びゲイン調整が施されたアナログ信号
   をＡ/Ｄ変換器でデジタル信号に変換する工程と、この
   デジタル信号に所定の信号処理を施す信号処理工程とを
   有しており、前記信号処理工程は、前記デジタル信号に
   逆算処理を施して、実数データを求める工程と、各走査
   面相互の同一位置における実数データ同士の大小を比較
   することによって、観察画像の高輝度情報及び高さ情報
   を求める工程とを有し、前記オフセット調整及びゲイン
   調整は、試料の各反射率又は透過率毎に行われて、その
   各反射率又は透過率毎に設定したオフセット調整量及び
   ゲイン調整量を保存すると共に、前記観察画像の高輝度
   情報及び高さ情報を求める工程では、各々の反射率又は
   透過率に対応した最適なオフセット調整量及びゲイン調
   整量が選択され、試料の各走査面からの輝度情報及び高
   さ情報を求めると同時に、各走査面のうち他の反射率又
   は透過率を有する部位を走査した際の光検出器からの出
   力を飽和状態信号として保存するプロセスを繰り返し、
   飽和状態信号が無くなるまで、飽和状態信号のみを更新
   して行くことを特徴とする画像情報構築方法。