JP2003043363A

JP2003043363A - 共焦点顕微鏡

Info

Publication number: JP2003043363A
Application number: JP2001228490A
Authority: JP
Inventors: Yasuhisa Nishiyama; 泰央西山
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2001-07-27
Filing date: 2001-07-27
Publication date: 2003-02-13

Abstract

(57)【要約】【課題】セクショニング効果を生かしつつ、簡単な構成
で、様々な表面状態の試料に対しても明るさむらの無い
３次元画像を、短時間で効率良く構築できる共焦点顕微
鏡を提供すること。【解決手段】光源（２１）からの照明光を、所定のパタ
ーンが変化動作するマスクパターン部材（２２）から対
物レンズ（２３）を介して試料（７）に結像し、前記試
料（７）からの光を再び前記対物レンズ（２３）から前
記マスクパターン部材（２２）を介して撮像手段（２
５）に入射して前記試料（７）の観察像を得る共焦点顕
微鏡において、前記撮像手段（２５）の連続する垂直同
期信号と、前記マスクパターン部材（２２）の変化動作
に同期して前記照明光の光量を制御する制御手段（２
７）を備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、共焦点顕微鏡に関
する。

【０００２】

【従来の技術】一般に共焦点顕微鏡は、ディスクスキャ
ン型とレーザー走査型の二つがよく知られている。この
うちディスクスキャン型共焦点顕微鏡は、通常の顕微鏡
と比較して横方向分解能が高いだけでなく、試料の高さ
方向（Ｚ軸方向）に対して非常に高いセクショニング効
果を持つという大きな特徴を有している。このディスク
スキャン型共焦点顕微鏡と画像処理技術とを組み合わせ
ることによって、試料の３次元画像構築が可能であると
いう優れた効果が奏される。

【０００３】図６は、従来のディスクスキャン型共焦点
顕微鏡の代表的な構成を示す図である。このディスクス
キャン型共焦点顕微鏡では、目視観察と撮像装置（ＣＣ
Ｄカメラ）による観察との２通りの観察方法を行なえる
が、以下ではＣＣＤカメラを用いた例を示す。

【０００４】光源１から放射された照明光は、コリメー
タレンズ２を介してハーフミラー３に入射し、ここで反
射されてマスクパターン部材、ここでは回転ディスク２
０に照射される。この回転ディスク２０は、例えばニポ
ウディスクと呼ばれる螺旋状に複数のピンホールが形成
されたものである。回転ディスク２０は、その中心がモ
ーター５の回転軸５ａに取り付けられており、モーター
５によって所定の回転速度で回転する。回転ディスク２
０に照射された照明光は、前記複数のピンホールを通過
し、対物レンズ６によって試料７上に集光される。

【０００５】試料７からの反射光は、再び対物レンズ
６、回転ディスク２０のピンホールを介してハーフミラ
ー３を透過し、集光レンズ８によりＣＣＤカメラ９に入
射する。ＣＣＤカメラ９は、試料７からの反射光を撮像
してその画像信号を出力する。コンピュータ１０は、Ｃ
ＣＤカメラ９から出力された画像信号を取り込み、画像
処理を行なって所望の画像データを記憶するとともに、
モニタ１１に試料７の観察像を表示する。

【０００６】上記の構成では、ＣＣＤカメラ９で試料７
の観察像を撮像する場合、ＣＣＤカメラ９の露光時間と
回転ディスク２０の回転速度とを適切な関係にしない
と、撮像した画像に明るさむらが発生することになる。
ＣＣＤカメラ９の露光時間は、回転ディスク２０が観察
している視野全体を均一に走査する最小時間の整数倍に
なっている必要がある。従って、例えば回転ディスク２
０の回転速度が決まっているなら、ＣＣＤカメラ９の露
光時間を最適化する必要があり、逆に露光時間が決まっ
ているなら、回転ディスク２０の回転速度を最適化する
必要がある。

【０００７】この点を鑑みて構成されたディスクスキャ
ン型共焦点顕微鏡としては、例えば特開平９−８０３１
５号公報及び特開平９−２９７２６７号公報に開示され
ているものがある。これらはニポウディスクと撮像素子
とを使用し、ディスクの回転と撮像素子との同期を取っ
て、画像に明るさむらが生じることを防止するよう構成
されている。

【０００８】また、例えば複数のピンホールから成るパ
ターンがランダムに形成されたパターン付き明部と、パ
ターンの形成されていないパターン無し明部と、遮光を
行なう遮光部とが混在するディスクを使用し、上記二つ
の明部を通して撮像された画像を基に画像処理を行なう
ことで共焦点画像を得る方法を用いたものもある。この
場合も、当然のことながらディスクの回転と撮像素子と
の同期は必須である。

【０００９】また、このようなディスクスキャン型共焦
点顕微鏡の持つセクショニング効果を利用して、試料７
の３次元画像を構築するには、対物レンズ６と試料７と
の相対的距離をある程度微小なステップ量で移動させな
がら、そのステップ毎に明るさむらの無い共焦点画像を
得る必要がある。そのために、特開２０００−２７５５
３４号公報に開示されている共焦点顕微鏡においては、
図７に示すような制御を行ない、回転ディスクの回転と
ＣＣＤカメラの露光とＺ軸の移動とを同期させる手法が
取られている。

【００１０】図７の制御方法によれば、回転ディスクの
１回転を検出するセンサの信号（ＤＩＳＫ）を用いて、
ＣＣＤカメラヘのトリガ信号（Ｔｒｉｇｇｅｒ）を回転
ディスクが２回転する毎に１回生成する。そして、ＣＣ
Ｄカメラが露光を終了し、画像を転送している間にＺ軸
の移動（Ｚ）を完了するようにして、明るさむらの無い
共焦点画像を複数枚取得し、３次元画像を構築するよう
にしている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
方法によれば、図７に示すようにＣＣＤカメラの露光と
画像の転送とが順次交互に行なわれている（非同期トリ
ガーモード：Asynchronous Reset Mode）。このた
め、ＣＣＤカメラの持つ画像転送レートが充分に生かさ
れておらず、さらなる高速な３次元画像の構築が望まれ
ている。特に、かかる共焦点顕微鏡を半導体検査ライン
等においてインライン検査に用いる場合には、検査時間
の短縮は重要な課題であり、画像構築時間の短縮は必須
である。

【００１２】また、試料の表面状態や反射率等、様々な
検査対象を考慮すると、画像のＳ／Ｎ比の低下を防止す
るために、例えば反射率が低い試料に対してはＣＣＤカ
メラの露光時間を延ばす等の制御を行なう必要がある。
しかし、そうした場合、ＣＣＤカメラの露光と同期する
必要がある回転ディスクの回転速度も制御する必要が生
じるなど、煩雑な制御が必要になる。さらには、検査対
象の表面状態によって画像構築時間が変わってしまい、
その結果、検査時間も変わってしまうという不都合も生
じる。

【００１３】本発明の目的は、共焦点顕微鏡の特徴であ
るセクショニング効果を生かしつつ、簡単な構成で、様
々な表面状態の試料に対しても明るさむらの無い３次元
画像を、短時間で効率良く構築できる共焦点顕微鏡を提
供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】課題を解決し目的を達成
するために、本発明の共焦点顕微鏡は以下の如く構成さ
れている。

【００１５】（１）本発明の共焦点顕微鏡は、光源から
の照明光を、所定のパターンが変化動作するマスクパタ
ーン部材から対物レンズを介して試料に結像し、前記試
料からの光を再び前記対物レンズから前記マスクパター
ン部材を介して撮像手段に入射して前記試料の観察像を
得る共焦点顕微鏡において、前記撮像手段の連続する垂
直同期信号と、前記マスクパターン部材の変化動作に同
期して前記照明光の光量を制御する制御手段を備えてい
る。

【００１６】（２）本発明の共焦点顕微鏡は上記（１）
に記載の顕微鏡であり、かつ光学系の一部或いは全体と
前記試料とを光軸方向に相対的に移動させる焦点方向駆
動手段を備え、前記制御手段は、前記垂直同期信号と前
記マスクパターン部材の変化動作に同期して前記光量及
び前記焦点方向駆動手段を制御する。

【００１７】上記手段を講じた結果、それぞれ以下のよ
うな作用を奏する。

【００１８】（１）本発明の共焦点顕微鏡によれば、共
焦点顕微鏡の特徴であるセクショニング効果を生かし
て、明るさむらの無い試料の３次元画像を短時間で効率
良く構築できる。

【００１９】（２）本発明の共焦点顕微鏡によれば、撮
像時間や画質を犠牲にすることなく、簡単な構成で光量
ダイナミックレンジを拡張でき、様々な表面状態の試料
に対して明るさむらの無い３次元画像を構築することが
可能になる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。

【００２１】（第１の実施の形態）図１は、本発明の第
１の実施の形態に係るディスクスキャン型共焦点顕微鏡
の構成を示す図である。図１において図６と同一な部分
には同一符号を付し、その説明を省略する。

【００２２】図１に示すディスクスキャン型共焦点顕微
鏡においては、光源としてのＬＥＤ２１から照射された
照明光がコリメータレンズ２とハーフミラー３を介し
て、マスクパターン部材、ここでは回転ディスク２２に
照射される。この回転ディスク２２に形成された複数の
ピンホールを通過した照明光は、結像レンズ２３、対物
レンズ２４によって試料７上に集光される。

【００２３】試料７からの反射光は、再び対物レンズ２
４、結像レンズ２３、回転ディスク２２のピンホールを
介してハーフミラー３を透過し、集光レンズ８によりＣ
ＣＤカメラ２５に入射する。

【００２４】回転ディスク２２は、その中心がモーター
５の回転軸５ａに取り付けられており、モーター５によ
って所定の回転速度で回転する。回転ディスク２２上に
は、図２に示すような４つの透過孔３０が形成されてい
る。これら透過孔３０がフォトインタラプタ２６を横切
ることで、回転検出信号Ｑが生成される。

【００２５】コントローラ２７は、フォトインタラプタ
２６の回転検出信号ＱとＣＣＤカメラ２５の垂直同期信
号（パルス信号）Ｕを取り込むとともに、光源２１の点
灯／消灯を制御する信号Ｐを出力する機能と、結像レン
ズ２３の焦点方向への駆動機構を制御する信号Ｒを出力
する機能を有している。コントローラ２７は、これら各
信号のタイミングを制御している。

【００２６】コンピュータ２８は、ＣＣＤカメラ２５か
ら出力される画像信号Ｓを取り込み、必要に応じて画像
処理等を施し、画像或いは演算結果をモニタ２９に表示
する。またコンピュータ２８は、コントローラ２７に対
して通信路を介してコマンドＴを発行する機能を有して
いる。

【００２７】図３は、各信号のタイムチャートを示す図
である。ＣＣＤカメラ２５は、所定のタイミングで露
光、画像転送を行なっている。外部同期を必要としない
場合、図３に示すように、ＣＣＤカメラ２５は所定の間
隔で発生する垂直同期信号Ｕに合わせて露光を開始し、
次の垂直同期信号に合わせて先に露光した画像を転送す
ると同時に次の画像を露光する。このように画像転送と
次の露光が同時に行なわれ、代表的な例として通常は１
秒あたり３０枚の画像が転送される。つまり、垂直同期
信号Ｕの時間間隔は約０．０３３秒ということになる。

【００２８】回転ディスク２２は、観察している視野全
体を均一に走査する最小時間単位で回転検出信号（パル
ス信号）Ｑを出力する。回転ディスク２２には、図２に
示すように円周付近に４つの透過孔３０が等間隔で設け
られているので、４分の１回転毎にパルス信号が出力さ
れる。回転ディスク２２は、モーター５によって、２つ
の垂直同期信号Ｕ間で回転検出信号Ｑが複数回出力され
るような回転速度になる。例えば図３では、２つの垂直
同期信号Ｕ間で回転検出信号Ｑが８回出力されている。
この場合、回転ディスク２２は毎秒約６０回転の速度で
回転するようになっている。

【００２９】次に、上記のように構成されたディスクス
キャン型共焦点顕微鏡の作用について説明する。コント
ローラ２７は、コンピュータ２８から３次元画像の取り
込みを指示されると、連続して発生するＣＣＤカメラ２
５の垂直同期信号Ｕを受けた直後の回転検出信号Ｑに同
期して、ＬＥＤ２１へ信号Ｐを出力してＬＥＤ２１を点
灯させる。

【００３０】続いてコントローラ２７は、所定回数（４
回）の回転検出信号Ｑを受けた後に、ＬＥＤ２１へ信号
Ｐを出力してＬＥＤ２１を消灯させる。この場合、ＣＣ
Ｄカメラ２５は、垂直同期信号Ｕを出力後に所定の時間
だけ露光しており、ＬＥＤ２１が点灯している間のみ試
料７からの反射光を蓄積する。

【００３１】コントローラ２７は、ＬＥＤ２１を消灯さ
せると同時に、結像レンズ２３へ信号Ｒを出力して、結
像レンズ２３を次に画像を取得する位置まで光軸方向
（Ｚ軸方向）へ移動させる。

【００３２】以上の動作を所定の回数だけ繰り返すこと
により、試料７の３次元画像が構築される。この場合、
毎回同条件で露光されるので、明るさむらの無い３次元
画像の構築が可能となる。

【００３３】また、コントローラ２７は、ＬＥＤ２１を
点灯する期間をＣＣＤカメラ２５の露光時間内において
自由に設定できる。つまり、試料７からの反射光量が大
きい場合は短期間、反射光量が小さい場合は長期間にＬ
ＥＤ２１の点灯期間を設定できるので、光量のダイナミ
ックレンジが拡張可能で、様々な表面状態の試料に対し
て適用できる。

【００３４】このように本第１の実施の形態において
は、コントローラ２７は、ＣＣＤカメラ２５を連続撮像
モード（Continuous Mode）によりＣＣＤカメラ２５自
身の持つ最高画像転送レートにて動作させ、ＣＣＤカメ
ラ２５の垂直同期信号と回転ディスク２２の回転に同期
してＬＥＤ２１を点灯させて照明光の照射を開始し、回
転ディスク２２が所定の回転数だけ回転する期間のみＬ
ＥＤ２１から照明光を照射させ、ＣＣＤカメラ２５にお
いて露光させる。さらにコントローラ２７は、ＣＣＤカ
メラ２５のシャッターが閉じた時に結像レンズ２３を移
動させるのではなく、ＬＥＤ２１を消灯させた時つまり
ＣＣＤカメラ２５の露光終了と同時に結像レンズ２３を
移動させる。このため、共焦点顕微鏡の特徴であるセク
ショニング効果を生かしつつ、明るさむらの無い試料の
３次元画像を短時間で効率良く構築できる。

【００３５】さらに、試料の表面状態に応じてＬＥＤ２
１の点灯時間（回転ディスク２２の回転数）を制御でき
るので、光量のダイナミックレンジの拡張が容易であ
り、様々な試料に適用できる。

【００３６】（第２の実施の形態）図４は、本発明の第
２の実施の形態に係るディスクスキャン型共焦点顕微鏡
の構成を示す図である。図４において図１と同一な部分
には同一符号を付し、その説明を省略する。

【００３７】本第２の実施の形態が第１の実施の形態と
異なる点は、コントローラ３７の機能と、ＬＥＤ３１
と、コントローラ３７からＬＥＤ３１に対して出力され
る制御信号Ｐ’にある。コントローラ３７は、第１の実
施の形態に示したコントローラ２７と同様にＬＥＤ３１
の点灯／消灯を制御する機能とともに、発光光量を制御
する機能を有し、制御信号Ｐ’を出力する。ＬＥＤ３１
は、制御信号Ｐ’に基づいて点灯／消灯が可能であると
ともに、発光光量の調節が可能である。

【００３８】図５は、各信号のタイムチャートを示す図
である。以下、図５を用いて本第２の実施の形態による
ディスクスキャン型共焦点顕微鏡の作用について説明す
る。コントローラ３７には、予め観察する試料７の情報
が与えられている。その情報とは、各試料面における反
射率の情報であり、例えば、底面は高反射率を有し、試
料面に形成されている突起物の頂上付近は低反射率を有
する等の情報である。これらの情報を基に、コントロー
ラ３７は撮像するＺ方向毎にＬＥＤ３１に対して点灯／
消灯の制御とともに発光光量の制御を行なう。例えば、
図５の５１〜５３に示す部分では発光光量が多く、５
４，５４に示す部分では発光光量が少なくなっている。

【００３９】さらに、第１の実施の形態によるディスク
スキャン型共焦点顕微鏡と同様に、ＬＥＤ３１を点灯す
る期間をＣＣＤカメラ２５の露光時間内において自由に
設定できるので、第１の実施の形態によるディスクスキ
ャン型共焦点顕微鏡に比べてさらに光量ダイナミックレ
ンジを拡張でき、様々な表面状態の試料に対して適用で
きる。

【００４０】このように本第２の実施の形態において
は、撮像時間の延長や画像の劣化等を引き起こすことな
く、第１の実施の形態に比べてさらに光量ダイナミック
レンジを拡張することができ、共焦点顕微鏡の特徴であ
るセクショニング効果を生かしつつ、明るさむらの無い
試料の３次元画像を短時間で効率良く構築できる。

【００４１】なお、本発明は上記各実施の形態のみに限
定されず、要旨を変更しない範囲で適宜変形して実施で
きる。

【００４２】例えば、上記第１、第２の実施の形態にお
いては、マスクパターン部材として回転ディスクを用い
ているが、これに限らず、回転ディスクが回転している
のと同様に、液晶表示装置にピンホールを回転表示させ
たり、所定の範囲で揺動表示させることで実現してもよ
い。また、液晶表示装置にラインパターンを回転表示、
若しくは９０度の範囲で揚動表示させてもよい。

【００４３】また、上記第１、第２の実施の形態におい
ては、結像レンズ２３を光軸方向に移動させて焦点方向
の移動を行なっているが、対物レンズ２４を移動させる
か、或いは試料７を載置した図示しないステージを移動
させることでも実現できる。また、光源は高速な照射／
非照射の制御あるいは発光光量の制御が可能なものであ
ればＬＥＤに限らず、他の手段を用いてもよい。例え
ば、光源には通常のハロゲンランプを用いて、ハロゲン
ランプから照射される照明光を、光路中の液晶表示装置
等を用いた高速シャッタによって遮断するか、あるいは
発光光量を制御するようにしてもよい。

【００４４】本発明の共焦点顕微鏡は、以下の構成をな
す［１］光源からの照明光を、所定のパターンが変化動作
するマスクパターン部材から対物レンズを介して試料に
結像し、前記試料からの光を再び前記対物レンズから前
記マスクパターン部材を介して撮像手段に入射して前記
試料の観察像を得る共焦点顕微鏡において、前記撮像手
段の連続する垂直同期信号と、前記マスクパターン部材
の変化動作に同期して前記照明光の光量を制御する制御
手段を備えたことを特徴とする共焦点顕微鏡。

【００４５】［２］光学系の一部或いは全体と前記試料
とを光軸方向に相対的に移動させる焦点方向駆動手段を
備え、前記制御手段は、前記垂直同期信号と前記マスク
パターン部材の変化動作に同期して前記光量及び前記焦
点方向駆動手段を制御することを特徴とする上記［１］
に記載の共焦点顕微鏡。

【００４６】［３］前記制御手段は、前記垂直同期信号
と前記マスクパターン部材の変化動作に同期して前記光
源のＯＮ／ＯＦＦを制御することを特徴とする上記
［１］または［２］に記載の共焦点顕微鏡。

【００４７】［４］前記光源のＯＮ時間を、前記マスク
パターン部材の変化動作の回数に応じて設定可能である
ことを特徴とする上記［１］乃至［３］のいずれかに記
載の共焦点顕微鏡。

【００４８】［５］前記試料の情報を記憶する記憶手段
を備え、前記制御手段は、前記記憶手段の情報に基づき
前記光源の発光光量が調節可能であることを特徴とする
上記［１］乃至［４］のいずれかに記載の共焦点顕微
鏡。

【００４９】

【発明の効果】本発明によれば、共焦点顕微鏡の特徴で
あるセクショニング効果を生かしつつ、簡単な構成で、
様々な表面状態の試料に対しても明るさむらの無い３次
元画像を、短時間で効率良く構築できる共焦点顕微鏡を
提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係るディスクスキ
ャン型共焦点顕微鏡の構成を示す図。

【図２】本発明の第１の実施の形態に係る回転ディスク
の構成を示す図。

【図３】本発明の第１の実施の形態に係る各信号のタイ
ムチャートを示す図。

【図４】本発明の第２の実施の形態に係るディスクスキ
ャン型共焦点顕微鏡の構成を示す図。

【図５】本発明の第２の実施の形態に係る各信号のタイ
ムチャートを示す図。

【図６】従来例に係るディスクスキャン型共焦点顕微鏡
の代表的な構成を示す図。

【図７】従来例に係るディスクスキャン型共焦点顕微鏡
の制御方法を示す図。

【符号の説明】

２…コリメータレンズ３…ハーフミラー５…モーター７…試料８…集光レンズ２１…ＬＥＤ（光源）２２…回転ディスク２３…結像レンズ２４…対物レンズ２５…ＣＣＤカメラ２６…フォトインタラプタ２７…コントローラ２８…コンピュータ２９…モニタ３０…透過孔３１…ＬＥＤ（光源）３７…コントローラ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源からの照明光を、所定のパターンが変
化動作するマスクパターン部材から対物レンズを介して
試料に結像し、前記試料からの光を再び前記対物レンズ
から前記マスクパターン部材を介して撮像手段に入射し
て前記試料の観察像を得る共焦点顕微鏡において、前記撮像手段の連続する垂直同期信号と、前記マスクパ
ターン部材の変化動作に同期して前記照明光の光量を制
御する制御手段を備えたことを特徴とする共焦点顕微
鏡。
【請求項２】光学系の一部或いは全体と前記試料とを光
軸方向に相対的に移動させる焦点方向駆動手段を備え、前記制御手段は、前記垂直同期信号と前記マスクパター
ン部材の変化動作に同期して前記光量及び前記焦点方向
駆動手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の
共焦点顕微鏡。