JP2003057553A

JP2003057553A - 共焦点走査型顕微鏡

Info

Publication number: JP2003057553A
Application number: JP2001241946A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Oba; 雅宏大場
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2001-08-09
Filing date: 2001-08-09
Publication date: 2003-02-26

Abstract

(57)【要約】【課題】様々な試料を測定する際に、簡単に対物レンズ
の像面湾曲を考慮した補正をすることの出来る共焦点走
査型顕微鏡を提供すること。【解決手段】対物レンズ３により集光された光束を試料
４の表面に沿って相対的に走査させる走査機構２と、対
物レンズ３の光軸に沿って光束の集光位置と試料４の位
置を相対的に移動させるステージ５と、前記集光位置と
共役な位置に配置された微小開口と、該微小開口を通過
する光の強度を検出する光検出器１１と、光検出器１１
からの信号を画像データとして記憶するメモリ８と光検
出器１１からの信号が最大となる前記集光位置と試料４
の位置との相対位置を記憶する記憶装置１３とを有する
CPU 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、試料の高さ測定機
能を備えた共焦点走査型顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】共焦点走査型顕微鏡は、点光源を用いて
試料面を走査すると共に、試料面からの反射光の内ピン
ホールを通過した光のみを光検出器により電気信号に変
換して、資料面の三次元情報を得るようにしたものであ
る。

【０００３】つまり、このような共焦点走査型顕微鏡
は、レーザ光などの点光源によって、試料面をピンポイ
ントで照明することにより、測定点以外からの散乱光を
抑制し、そして、光検出器の前面に空間フィルタとして
のピンホールを配置し、測定点と同一面内にあるノイズ
光をピンホール周辺に結像させてノイズ光を除去する。
また、光軸方向にずれた面からの反射光をカットして、
光電変換器により三次元空間中の一点だけを測定できる
ようにしている。

【０００４】ところで、共焦点走査型顕微鏡は、光軸方
向に分解能を持つことも知られている。つまり、共焦点
走査型顕微鏡は、試料が焦点位置に近づくにつれてピン
ホールを通過する光量が増大し、試料が焦点位置に近づ
くにつれて光量が減少する光学特性を有する。光量は試
料が焦点位置に一致した時に最大になり、焦点から大き
く外れた位置では光量が略零になる。この光学特性を利
用して、試料面でスポット光を二次元走査し且つ光軸方
向に所定のピッチで焦点をずらすことにより、三次元空
間におけるスライス像が得られることになる。半導体基
板などのような試料では、光源からの光が表面を通過し
ない。そのため、光量が最大となる光軸方向の位置が試
料面と考えられる。そこで、複数枚のスライス像の中で
光量が最大となる光軸方向の位置を記憶していくと、そ
の試料の三次元の表面形状画像が得られることになる。

【０００５】ところで、共焦点光学系は対物レンズを有
しているため、上記のようにして得られた表面形状画像
には対物レンズの像面湾曲による誤差が含まれている。
ここで、像面湾曲について、図３を用いて説明する。図
３は対物レンズによるレーザ光の集光の様子を示す図で
ある。偏向を行なっていない場合、レーザ光は軸上光と
して光軸Ｏに沿って進み、光軸Ｏ上の点Ａに集光する。
ここで、Ｐ１は点Ａを通り且つ光軸Ｏに垂直な面であっ
て、近軸像面と呼ばれるものである。次に偏向を行なっ
た場合、対物レンズに像面湾曲がないとすると、レーザ
光は軸上光として近軸像面上の点Ｂに集光する。ところ
が、実際には対物レンズは像面湾曲を持つため、点Ｂで
はなく、点Ｂに近い点Ｃに集光する。Ｐ２は偏向角を変
化させた時のレーザ光の集光点Ｃを重ねて成る面即ち像
面湾曲による湾曲面であり、これは対物レンズの合焦位
置でもある。

【０００６】このように像面湾曲がある状態で、近軸像
面の位置を試料位置として、そこに平面試料を置いて形
状測定した場合、試料が平面であるにもかかわらず、測
定した結果は曲面になってしまう。これは、軸上では合
焦位置と試料位置が一致しているため、合焦位置からの
ずれ量は零であるが、軸外では合焦位置と試料位置との
間にずれが生じるため、合焦位置からのずれを高さの変
化として検出してしまうからである。

【０００７】このように、測定した表面形状には像面湾
曲誤差が含まれるため、この誤差を以下のように補正し
ている。まず、平面試料の表面形状を測定し、記憶装置
に記憶させる。ここで得られた表面形状画像は、前述し
た通り光学系の像面湾曲による湾曲面データである。次
に、形状測定を行ないたい試料に対して、平面試料を測
定したときと同じように測定を行なう。このとき得られ
た測定データは、真の表面形状データに像面湾曲誤差が
加わったものである。従って、測定データから記憶装置
に記憶された湾曲面データを引き算する。その結果、測
定データから像面湾曲誤差が補正された真の表面形状デ
ータが得られる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来は
像面湾曲を補正していたが、対物レンズが交換された
り、レーザ光の走査範囲を変更した場合は、改めて平面
試料を測定して湾曲面データを記憶させ直す必要があ
り、様々な試料を測定するような場合に像面湾曲を補正
するための手間が掛かるという問題点があった。また、
平面試料を測定する毎に湾曲面データを記憶させていく
と記憶装置の記憶容量を圧迫することになるという問題
があった。

【０００９】本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなさ
れたものであり、その目的とするところは、様々な試料
を測定する際に、簡単に対物レンズの像面湾曲を考慮し
た補正をすることの出来る共焦点走査型顕微鏡を提供す
ることにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明による共焦点走査型顕微鏡は、光源からの光
を所定の位置に集光させる対物レンズと、該対物レンズ
により集光された光束を試料の表面に沿って相対的に走
査させる走査機構と、前記対物レンズの光軸に沿って前
記光束の集光位置と前記試料の位置を相対的に移動させ
る移動機構と、前記集光位置と共役な位置に配置された
微小開口と、該微小開口を通過する光の強度を検出する
光検出器と、該光検出器からの信号を画像データとして
記憶する第１記憶装置と前記光検出器からの信号が最大
となる前記集光位置と前記試料の位置との相対位置を記
憶する第２記憶装置とを有する演算装置を備え、該演算
装置は、前記対物レンズの像面湾曲量から計算用補正デ
ータを算出する過程と、該計算用補正データによって前
記第２記憶装置に記憶されたデータを補正する過程とを
備えている。本発明によれば、前記像面湾曲量は、前記
走査機構によって決まる走査範囲のうち最大の走査範囲
における量であり、前記計算用補正データは、前記対物
レンズの種類と前記走査機構によって決まる走査範囲と
に基づいて前記像面湾曲量から算出される。また、本発
明によれば、複数の対物レンズ毎に前記像面湾曲量を有
している。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図示
した実施例の基づき説明する。図１は、本発明が適用さ
れる共焦点走査型顕微鏡の概略構成を示している。図
中、１はレーザ光などの点光源からなる光源、２は光源
１からのスポット光を試料４上で走査せせるため、例え
ば、Ｘ軸方向走査用ガルバノミラー又はレゾナントスキ
ャナとＹ軸方向走査用ガルバノミラーを有する二次元走
査スキャナ、３は対物レンズ、５は試料４を載置しＺ軸
方向即ち光軸方向に移動可能のステージ、６はＡ／Ｄ変
換器、７はＣＰＵ、８はメモリ、９はフレームメモリ、
１０は表示部、１１は受光面の前面にピンホールを有す
る光検出器、１２は補正メモリ、１３は記憶装置であ
る。

【００１２】ＣＰＵ７は、各所の制御命令を出すもの
で、例えば、二次元走査スキャナ２に対しレーザ光走査
の開始やステージ５のＺ軸（高さ）方向の走査を指示す
る。また、光検出器１１により検出された試料４の光情
報より光量最大の画素の輝度情報と高さ情報を求め、こ
れらから三次元の表面形状画像を表示部１０に表示させ
るようにする。メモリ８は、ＣＰＵ７で決定される最大
光量情報、ＣＰＵで演算される高さ情報及びＣＰＵで作
成される計算用補正データ等を記憶している。補正メモ
リ１２は、記憶装置１３から読み出された像面湾曲補正
データを記憶していて、計算用補正データを作成する際
に使用される。表示部１０は、ＣＰＵ７で生成された三
次元の表面形状画像や像面湾曲補正後の表面形状画像を
フレームメモリ９を介して表示するようになっている。

【００１３】次に、図２を参照して上記実施例の作用を
説明する。図中、i, jは画素のx,y座標（i = 1, 2, 3,
.......Ni、j＝1, 2, 3,........Nj）、k は zステー
ジ高さ位置（k = 1, 2, 3, ......Nk）である。また、a
(i, j, k)はスライス像の画像データであって、光検出
器１１からの出力信号がここに記憶される。なお、この
画像データは走査毎に更新される。p(i ,j)も画像デー
タであるが、走査毎に得られたa (i, j, k)のうちで最
大の値が最終的に記憶される。h(i, j)は高さデータで
あって、p(i ,j)に最大値が記憶されたときのｚステー
ジの位置が記憶される。なお、このｚステージの位置と
は基準位置からの相対な移動量であって、p(i ,j)に最
大値が記憶された時のｚステージ位置と基準位置との差
である。

【００１４】動作の開始（Ｓ１）に当たり、先ず、各デ
ータの値を初期化する。具体的には、a (i, j, k)、p
(i, j)、h(i, j)に初期値として０を入力する（Ｓ
２）。次に、zステージ５の高さ位置が最大位置かどう
か、つまりk = Nkかどうかを判定する（Ｓ３）。ここ
で、zステージ５の高さ位置k ≠ Nkの場合、このzステ
ージ５の高さ位置kにおける画像データa(i, j, k)を取
得する（Ｓ４）。そして、画像データa(i, j, k)と画像
データp(i, j)の比較を行う（Ｓ５）。ここで、a(i, j,
k) > p(i, j)ならば、p(i, j)にa(i, j, k)を、また、h
(i, j)にzステージの高さ位置kを夫々格納する（Ｓ
６）。最後に、zステージ５の高さ位置を更新つまりk =
k + 1として（Ｓ７）、高さが最大位置かどうかの判定
に戻る。これらの操作を高さが最大位置になるまで、即
ちk = Nkになるまで繰り返す。なお、ｚステージの移動
は、対物レンズに向かって移動するようにしても、対物
レンズから遠ざかるように移動するようにしても良い。

【００１５】上記のようにして得られた測定データにつ
いて像面湾曲誤差を補正する。ここで、予めステップＳ
２からＳ７までと同じ方法により像面湾曲補正データを
取り込んで、記憶装置１３に記憶させておく。この時、
像面湾曲補正データは、各対物レンズ毎にZ軸方向の移
動ステップ量が最小、二次元走査スキャナの走査範囲が
最大で、平面試料を走査して得られたデータとする。

【００１６】ステップＳ３でステージ高さが最大値にな
り、高さデータｈ（ｉ、ｊ）が得られたら、記憶装置１
３に記憶されている像面湾曲補正データを補正メモリ１
２に読み出す（Ｓ８）。この読み出しに際しては、使用
している対物レンズのデータ（対物レンズの種類、倍率
などの固有情報）が参照され、このデータに基づいて同
じ対物レンズの像面湾曲補正データの読み出しが行われ
る。そして、補正メモリ１２に読み出された像面湾曲補
正データを元にして、ＣＰＵ７で計算用補正データを作
成し、メモリ８に記憶させる（Ｓ９）。ここで、計算用
補正データは像面湾曲補正データから二次元走査スキャ
ナの走査範囲、データサイズ等の測定条件に合わせて作
成する。例えば、画像データａ（ｉ，ｊ，ｋ）を取得し
た時の二次元走査スキャナの走査範囲が、最大走査範囲
の１／２であった場合とする。一方、像面湾曲補正デー
タは、前述のように最大走査範囲で取得している。この
場合、両者の走査範囲が異なるので、このままでは像面
湾曲補正データを補正に使えない。そこで、像面像面湾
曲補正データから、上記１／２の走査範囲に該当するデ
ータを取り出す処理を行う。この取り出したデータが、
計算用補正データになる。ただし、取り出したデータの
数は像面湾曲補正データの１／４になる。一方、画像デ
ータａ（ｉ，ｊ，ｋ）のデータ数は、像面湾曲補正デー
タと同じである。そのため、取り出したデータ数と画像
データａ（ｉ，ｊ，ｋ）のデータ数を同じにする必要が
ある。そこで、取り出したデータについて補間処理、例
えば直接補間を行って、データ数を同じにする。このよ
うな処理を行うことにより、最終的に計算用補正データ
を得ることができる。

【００１７】続いて、ＣＰＵ７は高さデータから計算用
補正データを減算する（Ｓ１０）。ある画素位置を(x,
y)とすると、高さデータはh(x, y)となり、計算用補正
データはd(x, y)となる。そして、真の表面形状データz
(x, y)は、z(x, y) = h(x, y)−d(x, y)となる。この場
合、高さデータと計算用補正データで取り込み時のＺ軸
ステップ量が異なる時は、画素値の意味が異なることに
なる。従って、ステップ量の小さい方即ち最小ステップ
量で取り込みを行なっている計算用補正データに合わせ
て、高さデータのZ方向の画素値を調整して減算をす
る。減算後は、測定データの画素値の意味が元の画素値
の意味になるように画素値を調整する。例えば、Ｚ軸の
最小ステップ量を１０ｎｍ、高さデータを得た時のＺ軸
ステップ量を５０ｎｍとすると、計算用補正データ値は
１０ｎｍ間隔であり、高さデータ値は５０ｎｍ間隔であ
る。すなわち、高さデータ値は計算用補正データ値の５
倍となる。この場合、真の表面形状データを求めるため
の減算結果ｚ′（ｘ，ｙ）は、ｚ′（ｘ，ｙ）＝（ｈ
（ｘ，ｙ）×５）−ｄ（ｘ、ｙ）となる。減算結果ｚ′
（ｘ，ｙ）は１０ｎｍ間隔であるため、高さデータ値に
合わせるために１／５倍する。即ち、真の表面形状デー
タｚ（ｘ，ｙ）は、ｚ（ｘ，ｙ）＝ｚ′（ｘ，ｙ）／５
となる。このようにすると、真の表面形状データ値も５
０ｎｍ間隔となる。画像の全領域についてこのような計
算を行なうことにより、真の表面形状データが得られ
る。

【００１８】なお、上記実施例で予め記憶する画像湾曲
データは、積算、平滑化などの処理を行なっても良い。
また、上記実施例では、計算用補正データは像面湾曲補
正データから直線補間で補間しているが、多項式補間、
平面方程式による補間、光学設計情報から求めた数式に
よる補間を用いてもよい。また、上記実施例では、記憶
装置に記憶させる像面湾曲補正データは、平面試料の測
定データをそのまま記憶させたが、像面湾曲補正データ
を数式化した平面方程式や、光学設計情報から求めた数
式等によって計算できる補正情報との差分データを記憶
させるようにしても良い。

【００１９】また、上記実施例では、ステージの上下で
試料と対物レンズの相対間隔を変えているが、ステージ
を固定しておいて対物レンズを上下させても良い。ま
た、上記実施例で、ＣＰＵ７、メモリ８、フレームメモ
リ９、表示部１０、補正メモリ１２、記憶装置１３等は
パーソナルコンピュータ等の汎用の情報処理装置を利用
しても構わない。また、図２の処理はコンピュータプロ
グラムにより処理可能で、その処理プログラムはＣＤ−
ＲＯＭやフレキシブルディスク等の記憶媒体に記録さ
れ、必要に応じて前記情報処理装置のメモリ上に前記処
理プログラムを読み出し、ＣＰＵにより実行することに
より実現することも可能である。

【００２０】以上説明したように、本発明の共焦点走査
型顕微鏡は、特許請求の範囲に記載した特徴の他に下記
の特徴を有している。（１）前記光源の波長毎に前記像面湾曲量を有する請求
項２に記載の共焦点走査型顕微鏡。

【００２１】（２）前記像面湾曲量は、前記集光位置近
傍で反射面を光軸方向に沿って移動させることによって
得られる請求項２に記載の共焦点走査型顕微鏡。

【００２２】（３）前記像面湾曲量は、前記試料から前
記微小開口までにある光学系についてシミュレーション
行なって得られる請求項２に記載の共焦点走査型顕微
鏡。

【００２３】（４）共焦点走査型顕微鏡で用いられるデ
ータ補正方法であって、所定の走査条件に基づいて、光
源からの光を試料上で二次元走査すると共に該試料と対
物レンズを相対的に移動させて、光検出器の出力が最大
になる光軸方向の位置を高さデータとして得る第１の過
程と、前記走査条件を前記共焦点走査型顕微鏡から取得
する第２の過程と、予め取得しておいた複数の像面湾曲
補正データが記憶されている記憶装置から、前記走査条
件に基づいて、走査条件に該当する像面湾曲補正データ
を読み出す第３の過程と、前記走査条件に基づいて、前
記第３の過程で読み出された像面湾曲補正データから計
算用補正データを作成する第４の過程と、前記第１の過
程で得られた高さデータから前記第４の過程で得られた
計算用データを減算する第５の過程を備えたデータ補正
方法。

【００２４】（５）前記条件は、前記対物レンズの固有
情報、光源からの光を試料上で二次元走査したときの走
査範囲、試料と対物レンズを相対的に移動させたときの
移動範囲、該移動範囲における移動システム量のうち少
なくとも１つを有する上記（４）に記載のデータ補正方
法。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、最
小限の画像湾曲補正データで様々な試料の測定データに
ついて像面湾曲誤差を補正することの出来る共焦点走査
型顕微鏡を提供することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る共焦点走査型顕微鏡の一実施例の
概略構成図である。

【図２】本発明に係る共焦点走査型顕微鏡の作用を説明
するためのフローチャートである。

【図３】対物レンズによるレーザ光の集光の様子を示す
図である。

【符号の説明】

１光源２二次元走査スキャナ３対物レンズ４試料５ステージ６Ａ／Ｄ変換器７ＣＰＵ８メモリ９フレームメモリ１０表示部１１光検出器１２補正メモリ１３記憶装置

フロントページの続きＦターム(参考） 2F065 AA04 AA24 AA53 BB05 DD00 EE08 FF01 FF04 FF09 FF10 GG04 GG12 HH18 JJ01 JJ09 JJ15 LL62 LL65 MM16 PP24 QQ03 QQ24 QQ25 RR07 SS03 SS13 UU01 UU05 2H051 AA11 CC02 2H052 AA07 AA08 AC04 AC15 AC27 AC34 AD05 AD06 AD16

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源からの光を所定の位置に集光させる対
物レンズと、該対物レンズにより集光された光束を試料
の表面に沿って相対的に走査させる走査機構と、前記対
物レンズの光軸に沿って前記光束の集光位置と前記試料
を相対的に移動させる移動機構と、前記集光位置と共役
な位置に配置された微小開口と、該微小開口を通過する
光の強度を検出する光検出器と、該光検出器からの信号
を画像データとして記憶する第１記憶装置と前記光検出
器からの信号が最大となる前記集光位置と前記試料の位
置との相対位置を記憶する第２記憶装置とを有する演算
装置を備え、該演算装置は、前記対物レンズの像面湾曲
量から計算用補正データを算出する過程と、該計算用補
正データによって前記第２記憶装置に記憶されたデータ
を補正する過程とを備えている共焦点走査型顕微鏡。
【請求項２】前記像面湾曲量は、前記走査機構によって
決まる走査範囲のうち最大の走査範囲における量であ
り、前記計算用補正データは、前記対物レンズの種類と
前記走査機構によって決まる走査範囲とに基づいて前記
像面湾曲量から算出される請求項1に記載の共焦点走査
型顕微鏡。
【請求項３】複数の対物レンズ毎に前記像面湾曲量を有
している請求項２に記載の共焦点走査型顕微鏡。