JP2004102032A - 走査型共焦点顕微鏡装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】散乱などにより反射光が弱くなるエッジ部等を有する試料に対しても、正確な高さ情報を取得できるようにする。
【解決手段】本装置は、試料１０からの反射光を検出する手段としてノーマル感度の光検出器１５と高感度の光検出器１９を備える。そして、レボルバ７の各測定位置において、試料１０の表面の各測定点についての光検出器１５の検出データと光検出器１９の検出データを取得し、予め設定された閾値以上の光検出器１９の検出データがあった場合には、それを、光検出器１５の対応する検出データに置き換える。このようにして得られた、レボルバ７の各測定位置における検出データに基づいて、高さ情報を取得する。これにより上記課題を解決する。
【選択図】図１
【解決手段】本装置は、試料１０からの反射光を検出する手段としてノーマル感度の光検出器１５と高感度の光検出器１９を備える。そして、レボルバ７の各測定位置において、試料１０の表面の各測定点についての光検出器１５の検出データと光検出器１９の検出データを取得し、予め設定された閾値以上の光検出器１９の検出データがあった場合には、それを、光検出器１５の対応する検出データに置き換える。このようにして得られた、レボルバ７の各測定位置における検出データに基づいて、高さ情報を取得する。これにより上記課題を解決する。
【選択図】図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料からの光を検出して試料の高さ情報を取得する走査型共焦点顕微鏡装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６は、一般的な走査型共焦点顕微鏡装置の概略構成図である。
同図に示した装置では、レーザ光のような点状光が、点光源４１からハーフミラー４２を透過し、対物レンズ４３によって試料４４上に点状結像される。このようにして点状照明された試料４４からの反射光は、再び対物レンズ４３を通過してハーフミラー４２によって反射され、所定位置へ集光される。そして、対物レンズ４３の集光位置と共役な位置に配置されたピンホール４５を通過した反射光のみが光検出器４６によって検出される。例えば、同図の破線に示したように、対物レンズ４３の集光位置が試料４４の表面にないときの試料４４からの反射光は、ピンホール４５上に集光されないので、そのほとんどの光はピンホール４５を通過せず、光検出器４６に到達することはない。
【０００３】
このような構成により、本装置では、対物レンズ４３の集光位置が試料の表面にあるときの光検出器４６の出力（輝度情報）、すなわち合焦位置にあるときの光検出器４６の出力を得ることが可能になる。
また、試料４４の表面の測定領域全体にわたって二次元走査を行い、その測定領域の各測定点について、前述のように合焦位置にあるときの光検出器４６の出力を取得して、それらに基づく画像を表示させることにより、試料４４の表面の二次元画像（輝度画像）を取得することができる。
【０００４】
また、本装置では、試料４４の高さ（凹凸）情報を取得することも可能である。この場合には、同図の実線に示したように試料４４の表面が対物レンズ４３の集光位置にあるときに得られる光検出器４６の出力が最大になることを利用して、その取得が行なわれる。すなわち、試料４４と対物レンズ４３の相対位置を離散的に移動させ、各相対位置にて光検出器４６の出力を取得して、その光検出器４６の出力が最大となるときの相対位置が、試料４４の高さ情報として取得される。
【０００５】
例えば、ある相対位置にて光検出器４６の出力Ｉｎ を取得したときに、それまでに取得した光検出器４６の出力の中で最も出力の大きかった光検出器４６の出力Ｉｍａｘ と比較し、Ｉｎ ＞Ｉｍａｘ のときはＩｍａｘ を更新して次の相対位置へ移り、Ｉｎ ＜＝Ｉｍａｘ のときはそのまま次の相対位置へ移動する、等といった処理が繰り返し行われることによって、光検出器４６の出力が最大となるときの相対位置が求められ、それが試料４４の高さ情報として取得される。
【０００６】
続いて、このような手法によって、図７に示した高さＡ、Ｂ、Ｃの表面部を有する試料４４の高さ情報を取得する場合について説明する。
この場合、高さＡの表面部４７、高さＢの表面部４８、及び高さＣの表面部４９の各測定点については、各々光検出器４６の出力が最大となるときの相対位置を求めることによって正確な高さ情報を取得することができる。また、このようにして取得した各高さ情報を合成することによって、試料４４の表面部４７、４８、及び４９の三次元情報を取得することができる。
【０００７】
しかしながら、試料４４のエッジ面部５０、５１のように、試料表面の傾斜が急なエッジ部では、照明光が散乱し、試料４４から対物レンズ４３に入射される反射光の光量が少なくなるために、光検出器４６の出力はノイズ等の影響を受けやすくなり、本来取得されるべき光検出器４６の出力が最大となる相対位置を誤り、取得された高さ情報が実際の試料４４の表面の形状とかけ離れたものになってしまう虞がある。
【０００８】
そこで、例えば特許文献１には、エッジ部等を有する試料の高さ情報を取得するときには、ノイズ等の影響を受けたと判定された高さ情報をカットし、或いはノイズ等の影響を受けたと判定された高さ情報を推定値に置き換える、等といった技術が提案されている。この提案によれば、図８（ａ） に示したような断面形状を有する試料の表面形状（断面形状）を表示させる場合には、ノイズ等の影響を受けたと判定された試料のエッジ部ＷＳに対応する高さ情報に基づく表面形状については、同図（ｃ） に示したように表示されないか、或いは同図（ｄ） に示したように他と区別して点線にて表示されるようになる。尚、同図（ｂ） は、取得されたままの高さ情報に基づいて表示された試料の表面形状を示している。
【０００９】
【特許文献１】
特開平０８−２１０８１９号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この手法によれば、ノイズ等の影響を受けたと判定された高さ情報は、無効にされるか或いは推定値に置き換えられるものであるため、その高さ情報を正確に取得することはできない。
【００１１】
本発明の課題は、上記実情に鑑み、散乱などにより反射光が弱くなるエッジ部等を有する試料に対しても、正確な高さ情報を取得することができる走査型共焦点顕微鏡装置を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の第一の態様は、光源からの光を試料に集束させる対物レンズと、該対物レンズによって試料に集束される光を走査する二次元走査手段と、前記対物レンズによる集光位置と前記試料との相対的な位置を前記集束光の光軸方向に沿って移動させる焦点位置移動手段と、前記対物レンズの集光位置と共役な位置に配置された複数の共焦点絞りと、該複数の共焦点絞りの各々に対応して設けられ、各々対応する前記共焦点絞りを通過する光の強度を検出する、感度の異なる複数の光検出手段と、該複数の光検出手段により検出された光の強度に関する情報の編集を行う編集手段と、該編集手段による編集により得られた光の強度に関する情報に基づいて前記試料の高さ情報を取得する手段と、を備えた走査型共焦点顕微鏡装置である。
【００１３】
上記の構成によれば、感度の異なる複数の光検出手段によって光の強度に関する情報が検出され、編集手段によってそれらが編集されることによって、正確な光の強度に関する情報のみを取得することができる。また、それに基づいて試料の高さ情報が取得されることによって、正確な試料の表面形状を取得することができる。よって、反射光が微弱になるエッジ部等を有する試料に対しても正確な高さ情報を取得することができる。
【００１４】
本発明の第二の態様は、上記第一の態様において、前記編集手段は、前記複数の光検出手段により検出された光の強度に関する情報が記憶される記憶手段と、該記憶手段に記憶された複数の光の強度に関する情報において、一の前記光検出手段により検出された光の強度に関する情報の中の無効と判定された情報を、他の前記光検出手段により検出された光の強度に関する情報の中の対応する情報に置き換える手段と、を備えた構成である。
【００１５】
この構成によれば、例えば試料からの光が微弱であったために一の光検出手段によって正確な光の強度に関する情報を取得できなかったときには、その情報を、感度の異なる他の光検出手段によって取得された正確な光の強度に関する情報に置き換えることが可能になり、正確な試料の高さ情報を取得することが可能になる。
【００１６】
本発明の第三の態様は、上記第一又は第二の態様において、前記複数の光検出手段のうちの一つは、対応する前記共焦点絞りを通過する光の強度をフォトンカウンティング法により検出する、構成である。
この構成によれば、一の光検出器により検出される光の強度に関する情報は、フォトンカウンティング法により検出されるようになる。
【００１７】
本発明の第四の態様は、光源からの光を試料に集束させる対物レンズと、該対物レンズによって試料に集束される光を走査する二次元走査手段と、前記対物レンズによる集光位置と前記試料との相対的な位置を前記集束光の光軸方向に沿って移動させる焦点位置移動手段と、前記対物レンズの集光位置と共役な位置に配置された共焦点絞りと、該共焦点絞りを通過する光の強度を複数の異なる感度の何れかにより検出する光検出手段と、該光検出手段により検出された光の強度に関する情報の編集を行う編集手段と、該編集手段による編集により得られた光の強度に関する情報に基づいて前記試料の高さ情報を取得する手段と、を備えた走査型共焦点顕微鏡装置である。
【００１８】
上記の構成によれば、複数の異なる感度によって光の強度に関する情報が検出され、編集手段によってそれらが編集されることによって、正確な光の強度に関する情報のみを取得することができる。また、それに基づいて試料の高さ情報が取得されることによって、正確な試料の表面形状を取得することができる。よって、反射光が微弱になるエッジ部等を有する試料に対しても正確な高さ情報を取得することができる。
【００１９】
本発明の第五の態様は、上記第四の態様において、前記編集手段は、前記光検出手段により検出された光の強度に関する情報が記憶される記憶手段と、該記憶手段に記憶された複数の光の強度に関する情報において、一の前記感度により検出された光の強度に関する情報の中の無効と判定された情報を、他の前記感度により検出された光の強度に関する情報の中の対応する情報に置き換える手段と、を備えた構成である。
【００２０】
この構成によれば、例えば試料からの光が微弱であったために一の感度によって正確な光の強度に関する情報を取得できなかったときには、その情報を、他の何れかの感度によって取得された正確な光の強度に関する情報に置き換えることが可能になり、正確な試料の高さ情報を取得することが可能になる。
【００２１】
本発明の第六の態様は、上記第四又は第五の態様において、前記光検出手段は、前記共焦点絞りを通過する光の強度を前記複数の異なる感度のうちの一つにより検出するときは、フォトンカウンティング法により検出する、構成である。
この構成によれば、一の感度により検出される光の強度に関する情報は、フォトンカウンティング法により検出されるようになる。
【００２２】
【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ながら説明する。
図１は、本発明の第一の実施の形態に係る走査型共焦点顕微鏡装置の構成例を示した図である。
【００２３】
同図に示した装置において、レーザ光源１から出射されたレーザ光は、ミラー２によって反射され、ハーフミラー３を透過して、二次元走査機構４へ入射される。
二次元走査機構４は、コンピュータ５によって制御される二次元走査駆動制御回路６の制御の基に、入射されたレーザ光をＸＹ方向に二次元走査することによって、レボルバ７にセットされている対物レンズ８によって集束されるスポット光を、Ｚステージ９に載置された試料１０の表面に二次元走査させる。
【００２４】
尚、レボルバ７は、倍率の異なる複数の対物レンズを保持するものであり、その複数の対物レンズのうちの所望の対物レンズを、観察光路中にセットすることができるように構成されている。また、レボルバ７は、コンピュータ５によって制御される焦点移動機構１１の制御の基に、光軸方向に移動されるように構成されており、そのレボルバ７が光軸方向に移動されることによって、それにセットされている対物レンズ８の集光位置が光軸方向に移動されるようになっている。また、焦点移動機構１１と二次元走査駆動制御回路６とは電気的に接続されており、これらがコンピュータ５に制御されることによって、レボルバ７の移動に伴う対物レンズ８の集光位置の移動と二次元走査機構４による二次元走査とが同期して制御されるようになっている。
【００２５】
一方、二次元走査機構４の走査によって試料１０から反射した光は、対物レンズ８を通って二次元走査機構４に戻り、さらに二次元走査機構４からハーフミラー３へと戻され、ハーフミラー３によって反射されて検出系へ導かれる。そして、ハーフミラー３によって反射された試料１０からの反射光は、ハーフミラー１２によって二方向に等分割される。すなわち、分割された一方の、ハーフミラー１２を透過した試料１０からの反射光は、レンズ１３を透過し、ピンホール板１４のピンホールを通過して光検出器（例えばＰＭＴ： Ｐｈｏｔｏ Ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ Ｔｕｂｅ ）１５に受光される。また、分割された他方の、ハーフミラー１２を反射した試料１０からの反射光は、ミラー１６によって反射されてレンズ１７を透過し、ピンホール板１８のピンホールを通過して光検出器（例えばＰＭＴ）１９に受光される。
【００２６】
尚、レンズ１３は、ハーフミラー１２を透過した試料１０からの反射光を集光し、レンズ１７は、ハーフミラー１２を反射しミラー１６を反射した試料１０からの反射光を集光するものである。また、ピンホール板１４、１８は、それぞれ所定径のピンホールを有し、それぞれ対物レンズ８の集光位置と共役な位置に配置されていると共に、ピンホール板１４は光検出器１５の受光面の前であってレンズ１３の焦点位置に配置され、ピンホール板１８は光検出器１９の受光面の前であってレンズ１７の焦点位置に配置されている。
【００２７】
また、光検出器１５と光検出器１９は検出感度が異なり、光検出器１５は、ノーマル感度（通常の感度）により、ピンホール板１４のピンホールを介して得られる光をその光量に応じた電気信号に変換し、光検出器１９は、光検出器１５よりも高い感度により、ピンホール板１８のピンホールを介して得られる光をその光量に対応した電気信号に変換する検出器である。例えば、光検出器１９は、フォトンカウンティング法によって光量を検出するものである。
【００２８】
このような構成によって、試料１０からの反射光の光量が少なく、ノーマル感度の光検出器１５では正確に検出できないような場合であっても、高感度の光検出器１９によりそれを正確に検出することが可能になる。
また、このようにして光検出器１５、１９によって得られた検出信号（光の強度に関する情報）は、それぞれ二次元走査駆動制御回路６からのタイミング信号と共にコンピュータ５へ送られ、そして、コンピュータによって、その検出信号の編集処理等が行なわれて試料１０の高さ情報が取得され、その高さ情報に基づく画像がモニタ２０に表示される、等といった処理が行われる。
【００２９】
図２は、上述した走査型共焦点顕微鏡装置において、光検出器１５、１９によって検出された検出信号の編集処理に係る構成の一例を示した図である。
同図に示したように、コンピュータ５は、メモリ５ａ、５ｂ、及び画像処理部５ｃ等を備えており、光検出器１５によってノーマル感度にて検出された検出信号（検出データ）はメモリ５ａに、また光検出器１９によって高感度にて検出された検出信号（検出データ）はメモリ５ｂにそれぞれ保存されるようになっている。
【００３０】
また、試料１０の表面の同一の測定位置について得られた、メモリ５ａに保存される検出信号と、メモリ５ｂに保存される検出信号は、同一のアドレスに保存されるようになっている。
このような構成によって、レボルバ７が焦点移動機構１１によって測定位置へ移動され、そこで、試料１０の表面の測定範囲が二次元走査機構４によって二次元走査されたときの光検出器１５及び１９の検出信号が、それぞれメモリ５ａ及び５ｂに保存されるようになる。
【００３１】
また、画像処理部５ｃは、メモリ５ｂに保存されている、高感度により検出された試料１０の表面の各測定点の検出データを読み出し、各検出データについて、検出データの示す値が予め設定されている閾値（飽和していると判定される値）以上であるか否かを判定し、それが閾値以上であると判定したときには、その検出データを、メモリ５ａに保存されている対応するアドレスの検出データに置き換えるといった編集処理を行い、また、このようにして取得した、このときのレボルバ７の測定位置における各検出データを、不図示のメモリに保存する等の処理を行う。
【００３２】
次に、上述した構成の走査型共焦点顕微鏡装置によって行なわれる、試料１０の高さ情報を取得する処理について説明する。
まず、ユーザによって、高さ方向の測定範囲、高さ方向の移動ステップ（レボルバ７の移動ステップ）、及び試料１０の表面の測定範囲（二次元走査範囲）等が設定されて、測定が開始されると、設定された高さ方向の測定範囲に従って、レボルバ７が測定開始位置へ移動され、そこで試料１０の表面の二次元走査範囲の二次元走査が行なわれて、試料１０表面の各測定点についての光検出器１５及び１９の検出データが、それぞれメモリ５ａ及び５ｂに保存される。
【００３３】
そして、前述の画像処理部５ｃによる編集処理によって、メモリ５ｂに保存されている各検出データが閾値以上であるか否かが判定され、閾値以上であると判定された検出データは、メモリ５ａに保存されている対応するアドレスの検出データに置き換えられ、このときのレボルバ７の測定位置における試料１０の表面の各測定点の検出データが取得される。
【００３４】
以上のような処理を、設定されている高さ方向の測定範囲内の移動ステップ毎のレボルバ７の各位置において行うことによって、レボルバ７の各測定位置における、試料１０の表面の各測定点についての検出データが取得される。
但し、前述の検出データの置き換えが行われた試料１０の表面の測定点については、その測定点におけるレボルバ７の全ての測定位置について、検出データの置き換えが行われたものとする。
【００３５】
そして、このようにして得られたレボルバ７の各測定位置における各検出データから、試料１０の表面の各測定点について、検出データの示す値が最も大きくなるときのレボルバ７の測定位置が求められ、その求められたレボルバ７の測定位置に基づいて高さ情報が求められる。これにより、試料１０の表面の各測定点についての高さ情報が取得され、必要に応じて、その高さ情報に基づく表面形状がモニタ２０に表示される。尚、本処理では、検出データが示す値の相対差を利用して高さ情報が求められるので、光検出器の感度の絶対値を合わせる等といった調整を必要とせず、ユーザの測定に係る負担を軽減できる。
【００３６】
続いて、このような高さ情報取得処理の具体例について、図３（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ），（ｆ），（ｇ） を用いて説明する。
同図（ａ） は、実際の試料１０の表面形状を示した図である。同図（ａ） に示したように、試料１０は、平面部３１、３３、３５と、斜面部３２、３４からなる表面形状を有している。
【００３７】
同図（ｂ） は、ノーマル感度の光検出器１５を用いずに高感度な光検出器１９のみによって試料１０からの反射光を検出して得られた高さ情報に基づいて得られた表面形状を示した図である。
この場合、試料１０の斜面部３２、３４から反射された光については、光の散乱などにより光量が少なくなるので、高感度の光検出器１９によって正しく検出データが取得され、その斜面部３２、３４の高さ情報を正確に取得できるが、試料１０の平面部３１、３３、３５から反射された光については、高感度の光検出器１９で検出するには光量が多すぎて、その検出データが全て飽和した値を示すことになり、その平面部３１、３３、３５の高さ情報を正確に取得することができない。
【００３８】
同図（ｃ） は、同図（ｂ） の場合の試料１０の表面の各測定点についての、検出データの示す値が最大となるときの検出データの値が、飽和した値であるか正しい値であるかを示した図である。同図（ｃ） の斜線部に示した、試料１０の平面部３１、３３、３５に対応する部分の検出データは飽和した値（正しくない値）を示し、それ以外の試料１０の平面部３２、３４に対応する部分の検出データは正しい値を示している。
【００３９】
一方、同図（ｄ） は、前述の同図（ｂ），（ｃ） の例とは逆に、高感度の光検出器１９を用いずにノーマル感度の光検出器１５のみによって試料１０からの反射光を検出して得られた高さ情報に基づいて得られた表面形状を示した図である。
この場合、試料１０の斜面部３２、３４から反射された光については、光の散乱などにより光量が少なくなるので、ノーマル感度の光検出器１５で検出するには光量が少なすぎて、ノイズ等の影響により正しくない検出データが得られてしまうが、試料１０の平面部３１、３３、３５から反射された光については、ノーマル感度の光検出器１５によって正しく検出データが得られ、その平面部３１、３３、３５の高さ情報を正確に取得することができる。
【００４０】
同図（ｅ） は、同図（ｄ） の場合の試料１０の表面の各測定点についての、検出データの示す値が最大となるときの検出データの値が、正しい値であるか正しくない値であるかを示した図である。同図（ｅ） の斜線部に示した、試料１０の平面部３２、３４に対応する部分の検出データは、ノイズの影響により正しくない値を示し、それ以外の試料１０の平面部３１、３３、３５に対応する部分の検出データは正しい値を示している。
【００４１】
これらに対し、上述の本装置の高さ情報取得処理によれば、高感度の光検出器１９にて得られた検出データが飽和した値を示す場合には、それがノーマル感度の光検出器１５により得られた対応する検出データに置き換えられるので、正しくない検出データに基づいて誤った高さ情報が取得されることがなく、正確な高さ情報を取得することができる。また、必要に応じて、その高さ情報に基づいて正確な表面形状をモニタ２０に表示させることができる。
【００４２】
上記の例では、同図（ｃ） の斜線部に示した正しくない検出データが、同図（ｅ）に示した正しい検出データに置き換えられて、同図（ｇ） に示したように全ての検出データが正しい検出データとなり、この正しい検出データに基づいて正確な高さ情報が取得され、その正確な高さ情報に基づいて、同図（ｆ） に示したような試料１０の正確な表面形状が取得されるようになる。
【００４３】
以上、本実施形態によれば、ノーマル感度の光検出器１５だけでは得ることができなかった、反射光量が少なくなるような斜面部等における高さ情報を正確に取得することができると共に、その高さ情報に基づく試料１０の正確な表面形状を取得することができる。
【００４４】
尚、本実施形態において、図２に示した画像処理部５ｃにより行われる編集処理を、例えば、次のような処理するようにしても良い。すなわち、メモリ５ａに保存されている、ノーマル感度によって検出された試料１０の表面の各点の検出データを読み出し、各検出データについて、その検出データが示す値が予め設定されている閾値以下であるか否かを判定し、閾値以下であると判定したときには、その検出データを、メモリ５ｂに保存されている対応するアドレスの検出データに置き換えるようにしても良い。
【００４５】
また、本実施形態では、光検出手段として、感度の異なる２つの光検出器を適用したが、例えば、感度の異なる３つ以上の光検出器を適用するようにしても良い。この場合には、一の光検出器により検出された検出データの示す値が閾値以上（或いは閾値以下）であるときには、その検出データを他のいずれかの光検出器によって検出された対応する検出データに置き換えるようになる。但し、検出データの置き換えが行われた測定点については、その測定点についてのレボルバ７の全ての測定位置において同一の光検出器により検出された検出データへの置き換えが行われたものとする。
【００４６】
また、本実施形態では、レボルバ７の各測定位置において、ノーマル感度の光検出器１５の検出データと高感度の光検出器１９の検出データが取得され、そこで必要に応じて検出データの置き換えが行われるものであったが、例えば、レボルバ７の全ての測定位置における、ノーマル感度の光検出器１５の検出データと高感度の光検出器１９の検出データを取得して、試料１０の表面の各測定点についての、光検出器１５の検出データの示す値が最大となる検出データを取得すると共に光検出器１９の検出データの示す値が最大となる検出データを取得し、そこで、その光検出器１９の検出データの示す値が最大となる検出データが閾値以上であるときには、前述の光検出器１５の検出データの示す値が最大となる対応する検出データに置き換えるように処理を行っても良い。
【００４７】
次に、本発明の第二の実施の形態について説明する。
図４は、本発明の第二の実施の形態に係る走査型共焦点顕微鏡装置の構成例を示した図である。
同図に示した装置は、検出系の構成が図１に示した構成と異なる。すなわち、図４に示した構成では、光検出手段として１つの光検出器３８を適用し、また、ミラー３により反射された、試料１０からの反射光は、レンズ１３によって集光され、ピンホール板１４のピンホールを通過して光検出器（例えばＰＭＴ）３８に受光されるように構成されている。尚、ピンホール板１４のピンホールは、対物レンズ８の集光位置と共役な位置に配置されている。
【００４８】
また、この光検出器３８は、検出モードとして、ノーマル感度モード及び高感度モード等の複数のモードを備え、コンピュータ５の制御によって何れかのモードが設定されるように構成されている。尚、高感度モードによる光の検出は、例えばフォトンカウンティング法によって行われる。
【００４９】
図５は、この走査型共焦点顕微鏡装置において、光検出器３８により検出された検出信号の編集処理に係る構成を示した図である。
同図に示したように、本実施形態に係るコンピュータ５は、メモリ５ａ、５ｂ、及び画像処理部５ｃに加え、光検出器３８からの検出信号の保存先をメモリ５ａ或いは５ｂの何れかに切り替える切り替え機構５ｄ、及び光検出器３８の検出モードの変更と切り替え機構５ｄの制御を行うコントローラ５ｅ等を備えている。
【００５０】
このような構成によって、レボルバ７が焦点移動機構１１によって測定位置へ移動され、そこで、コントローラ５ｅの制御の基に、光検出器３８の検出モードが高感度モードに変更されると共に、光検出器３８の検出信号の保存先をメモリ５ｂに切り替えるように切り替え機構５ｄが制御されると、試料１０の表面の測定範囲の二次元走査機構４による二次元走査が行われ、このときのレボルバ７の位置における各測定点の検出データがメモリ５ｂに保存され、続いて、コントローラ５ｅの制御の基に、光検出器３８の検出モードがノーマル感度モードに変更されると共に、光検出器３８の検出信号の保存先をメモリ５ａに切り替えるように切り替え機構５ｄが制御されると、再び試料１０の表面の測定範囲の二次元走査機構４による二次元走査が行われ、このときのレボルバ７の位置における各測定点の検出データがメモリ５ａに保存されるようになる。これにより、メモリ５ａには、ノーマル感度モードにて検出された検出データが、メモリ５ｂには、高感度モードにて検出された検出データが保存されるようになる。
【００５１】
また、画像処理部５ｃは、このメモリ５ａ及び５ｂに保存された検出データに基づいて、図２を用いて説明した編集処理と同様の処理を行い、必要に応じて検出データの置き換えを行う。また、このようにして取得した、このときのレボルバ７の測定位置における各検出データを不図示のメモリに保存する等といった処理を行う。
【００５２】
次に、本実施形態に係る走査型共焦点顕微鏡装置にて行われる、試料１０の高さ情報を取得する処理について説明する。
この高さ情報取得処理では、レボルバ７の各測定位置において行われる、ノーマル感度にて検出された検出データをメモリ５ａへ、高感度にて検出された検出データをメモリ５ｂへ保存する処理を、１つの光検出器３８、切り替え機構５ｄ、及びコントローラ５ｅ等を用いて、光検出器３８の検出モードを変更すると共に検出データの保存先を切り替えて行うようにしたことが、第一の実施の形態と異なり、その他の処理については、第一の実施の形態と同様にして行なわれる。
【００５３】
以上、本実施形態によれば、従来の走査型共焦点顕微鏡装置と同様に１つの光検出器を用いて、第一の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
尚、本実施形態では、レボルバ７の各測定位置において、高感度モードにて検出データが取得されると共にノーマルモードにて検出データが取得されて、必要に応じて検出データの置き換えが行われるものであったが、例えば、一旦、高感度モードにてレボルバ７の全ての測定位置における検出データを取得し、続いて、ノーマル感度モードにて再びレボルバ７の全ての測定位置における検出データを取得した後に、必要に応じて検出データの置き換えを行うようにしても良い。
【００５４】
この場合、例えば、高感度モードにて取得されたレボルバ７の全ての測定位置における検出データに基づいて、試料１０の高さ情報を取得し、その高さ情報に基づく試料１０の表面形状をモニタ２０に表示させ、このときに、モニタ２０に表示された表面形状を見たユーザによって検出データを置き換えるべき領域が指示されることにより、続くノーマル感度モードにて取得されたレボルバ７の全ての位置における検出データが取得された後に、その指示に従って、検出データの置き換えが行われるようにしても良い。但し、この場合に置き換えられる検出データは、試料１０の表面の各測定位置について取得された、高感度モードにて取得された検出データの値が最大となるときの検出データが、ノーマル感度モードにて取得された検出データの値が最大となるときの対応する検出データに置き換えられる。このような処理が行われることによって、置き換えるべき検出データの指示を手動により行うことが可能になる。
【００５５】
また、この場合には、先にノーマル感度モードにて検出データを取得した後に、続いて高感度モードにて検出データを取得するようにしても良い。或いは、先に何れの検出モードにて検出データを取得するかを、ユーザが設定できるようにしても良い。このようにすることで、ユーザが検出データの置き換えを指示する際に表示される試料１０の表面形状を、何れの検出モードにて取得された検出データに基づく表面形状とするかを設定できるようになる。
【００５６】
また、本実施形態では、レボルバ７の各測定位置において、試料１０の表面の測定範囲が二次元走査される毎に、光検出器３８の検出モードの切り替えと、検出データの保存先の切り替えが行われるものであったが、例えば、試料１０の表面の測定範囲を一次元走査する毎に、それらの切り替えを行うようにしても良い。このようにすることで、一次元走査に係る時間毎に、異なる検出モードによる検出データが取得されるようになるので、その間の試料１０の測定条件（例えば、温度等）の違いにより生じる検出データのバラツキ等の誤差を少なくすることが可能になり、より精度の高い試料１０の表面形状を取得することができる。
【００５７】
また、本実施形態に示したように１つの光検出器を用いて処理を行う場合は、その光検出器の出力を常にモニタして、不確かなデータ（正しくない検出データ）が検出されたときには、光検出器の検出感度を自動的に高感度に変更して再度そのデータを検出する。そして、次に確かなデータが検出されるまでは継続して高感度で検出する。次に確かなデータが検出されたときは、検出感度を自動的にノーマル感度に変更して再度その位置でデータを検出するとともに、次に不確かなデータが検出されるまで、継続してノーマル感度で測定するようにしても良い。
【００５８】
また、上述の第一及び第二の実施の形態では、高感度モードにて検出された検出データとノーマル感度モードにて検出された検出データが異なるメモリに保存されるものであったが、これらを、１つのメモリ上に設けられた２つのメモリ領域の各々へ保存するように構成しても良い。
【００５９】
また、上述の第一及び第二の実施の形態において、光検出器として、ＰＭＴの他、ＡＰＤ（Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ ）などを適用するようにしても良い。
また、上述の第一及び第二の実施の形態では、レボルバ７が移動されることによって、対物レンズ８の集光位置と試料１０との相対位置が変更されるものであったが、Ｚステージ９を移動させることによって、その相対位置を変更させるようにしても良い。
【００６０】
以上、本発明の走査型共焦点顕微鏡装置について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良及び変更を行っても良いのはもちろんである。
【００６１】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、散乱などにより反射光が弱くなるエッジ部等を有する試料に対しても、正確な高さ情報を取得することができる。また、試料の表面の各測定点の高さ情報は、対物レンズの集光位置と試料との相対位置を変化させることによって生じる検出データの相対差を利用して得られるので、光検出手段の感度の絶対値を合わせる等といった調整を行う必要はなく、ユーザの測定に係る負担を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第一の実施の形態に係る走査型共焦点顕微鏡装置の構成例を示した図である。
【図２】第一の実施の形態に係る走査型共焦点顕微鏡装置において、２つの光検出器により検出された検出信号の編集処理に係る構成の一例を示した図である。
【図３】（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ），（ｆ），（ｇ） は、第一の実施の形態に係る表面形状情報の取得処理の具体例を説明するための図である。
【図４】第二の実施の形態に係る走査型共焦点顕微鏡装置の構成例を示した図である。
【図５】第二の実施の形態に係る走査型共焦点顕微鏡装置において、光検出器により検出された検出信号の編集処理に係る構成を示した図である。
【図６】一般的な走査型共焦点顕微鏡装置の概略構成図である。
【図７】高さＡ、Ｂ、Ｃの表面を有する試料を示した図である。
【図８】（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ） は、従来技術を説明するための図である。
【符号の説明】
１ レーザ光源
２ ミラー
３ ハーフミラー
４ 二次元走査機構
５ コンピュータ
５ａ、５ｂ メモリ
５ｃ 画像処理部
５ｄ 切り替え機構
５ｅ コントローラ
６ 二次元走査駆動制御回路
７ レボルバ
８ 対物レンズ
９ Ｚステージ
１０ 試料
１１ 焦点移動機構
１２ ハーフミラー
１３ レンズ
１４ ピンホール板
１５ 光検出器
１６ ミラー
１７ レンズ
１８ ピンホール板
１９ 光検出器
２０ モニタ
３１ 平面部
３２ 斜面部
３３ 平面部
３４ 斜面部
３５ 平面部
３８ 光検出器
４１ 点光源
４２ ハーフミラー
４３ 対物レンズ
４４ 観察試料
４５ ピンホール
４６ 光検出器
４７、４８、４９ 表面部
５０、５１ エッジ面部
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料からの光を検出して試料の高さ情報を取得する走査型共焦点顕微鏡装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６は、一般的な走査型共焦点顕微鏡装置の概略構成図である。
同図に示した装置では、レーザ光のような点状光が、点光源４１からハーフミラー４２を透過し、対物レンズ４３によって試料４４上に点状結像される。このようにして点状照明された試料４４からの反射光は、再び対物レンズ４３を通過してハーフミラー４２によって反射され、所定位置へ集光される。そして、対物レンズ４３の集光位置と共役な位置に配置されたピンホール４５を通過した反射光のみが光検出器４６によって検出される。例えば、同図の破線に示したように、対物レンズ４３の集光位置が試料４４の表面にないときの試料４４からの反射光は、ピンホール４５上に集光されないので、そのほとんどの光はピンホール４５を通過せず、光検出器４６に到達することはない。
【０００３】
このような構成により、本装置では、対物レンズ４３の集光位置が試料の表面にあるときの光検出器４６の出力（輝度情報）、すなわち合焦位置にあるときの光検出器４６の出力を得ることが可能になる。
また、試料４４の表面の測定領域全体にわたって二次元走査を行い、その測定領域の各測定点について、前述のように合焦位置にあるときの光検出器４６の出力を取得して、それらに基づく画像を表示させることにより、試料４４の表面の二次元画像（輝度画像）を取得することができる。
【０００４】
また、本装置では、試料４４の高さ（凹凸）情報を取得することも可能である。この場合には、同図の実線に示したように試料４４の表面が対物レンズ４３の集光位置にあるときに得られる光検出器４６の出力が最大になることを利用して、その取得が行なわれる。すなわち、試料４４と対物レンズ４３の相対位置を離散的に移動させ、各相対位置にて光検出器４６の出力を取得して、その光検出器４６の出力が最大となるときの相対位置が、試料４４の高さ情報として取得される。
【０００５】
例えば、ある相対位置にて光検出器４６の出力Ｉｎ を取得したときに、それまでに取得した光検出器４６の出力の中で最も出力の大きかった光検出器４６の出力Ｉｍａｘ と比較し、Ｉｎ ＞Ｉｍａｘ のときはＩｍａｘ を更新して次の相対位置へ移り、Ｉｎ ＜＝Ｉｍａｘ のときはそのまま次の相対位置へ移動する、等といった処理が繰り返し行われることによって、光検出器４６の出力が最大となるときの相対位置が求められ、それが試料４４の高さ情報として取得される。
【０００６】
続いて、このような手法によって、図７に示した高さＡ、Ｂ、Ｃの表面部を有する試料４４の高さ情報を取得する場合について説明する。
この場合、高さＡの表面部４７、高さＢの表面部４８、及び高さＣの表面部４９の各測定点については、各々光検出器４６の出力が最大となるときの相対位置を求めることによって正確な高さ情報を取得することができる。また、このようにして取得した各高さ情報を合成することによって、試料４４の表面部４７、４８、及び４９の三次元情報を取得することができる。
【０００７】
しかしながら、試料４４のエッジ面部５０、５１のように、試料表面の傾斜が急なエッジ部では、照明光が散乱し、試料４４から対物レンズ４３に入射される反射光の光量が少なくなるために、光検出器４６の出力はノイズ等の影響を受けやすくなり、本来取得されるべき光検出器４６の出力が最大となる相対位置を誤り、取得された高さ情報が実際の試料４４の表面の形状とかけ離れたものになってしまう虞がある。
【０００８】
そこで、例えば特許文献１には、エッジ部等を有する試料の高さ情報を取得するときには、ノイズ等の影響を受けたと判定された高さ情報をカットし、或いはノイズ等の影響を受けたと判定された高さ情報を推定値に置き換える、等といった技術が提案されている。この提案によれば、図８（ａ） に示したような断面形状を有する試料の表面形状（断面形状）を表示させる場合には、ノイズ等の影響を受けたと判定された試料のエッジ部ＷＳに対応する高さ情報に基づく表面形状については、同図（ｃ） に示したように表示されないか、或いは同図（ｄ） に示したように他と区別して点線にて表示されるようになる。尚、同図（ｂ） は、取得されたままの高さ情報に基づいて表示された試料の表面形状を示している。
【０００９】
【特許文献１】
特開平０８−２１０８１９号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この手法によれば、ノイズ等の影響を受けたと判定された高さ情報は、無効にされるか或いは推定値に置き換えられるものであるため、その高さ情報を正確に取得することはできない。
【００１１】
本発明の課題は、上記実情に鑑み、散乱などにより反射光が弱くなるエッジ部等を有する試料に対しても、正確な高さ情報を取得することができる走査型共焦点顕微鏡装置を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の第一の態様は、光源からの光を試料に集束させる対物レンズと、該対物レンズによって試料に集束される光を走査する二次元走査手段と、前記対物レンズによる集光位置と前記試料との相対的な位置を前記集束光の光軸方向に沿って移動させる焦点位置移動手段と、前記対物レンズの集光位置と共役な位置に配置された複数の共焦点絞りと、該複数の共焦点絞りの各々に対応して設けられ、各々対応する前記共焦点絞りを通過する光の強度を検出する、感度の異なる複数の光検出手段と、該複数の光検出手段により検出された光の強度に関する情報の編集を行う編集手段と、該編集手段による編集により得られた光の強度に関する情報に基づいて前記試料の高さ情報を取得する手段と、を備えた走査型共焦点顕微鏡装置である。
【００１３】
上記の構成によれば、感度の異なる複数の光検出手段によって光の強度に関する情報が検出され、編集手段によってそれらが編集されることによって、正確な光の強度に関する情報のみを取得することができる。また、それに基づいて試料の高さ情報が取得されることによって、正確な試料の表面形状を取得することができる。よって、反射光が微弱になるエッジ部等を有する試料に対しても正確な高さ情報を取得することができる。
【００１４】
本発明の第二の態様は、上記第一の態様において、前記編集手段は、前記複数の光検出手段により検出された光の強度に関する情報が記憶される記憶手段と、該記憶手段に記憶された複数の光の強度に関する情報において、一の前記光検出手段により検出された光の強度に関する情報の中の無効と判定された情報を、他の前記光検出手段により検出された光の強度に関する情報の中の対応する情報に置き換える手段と、を備えた構成である。
【００１５】
この構成によれば、例えば試料からの光が微弱であったために一の光検出手段によって正確な光の強度に関する情報を取得できなかったときには、その情報を、感度の異なる他の光検出手段によって取得された正確な光の強度に関する情報に置き換えることが可能になり、正確な試料の高さ情報を取得することが可能になる。
【００１６】
本発明の第三の態様は、上記第一又は第二の態様において、前記複数の光検出手段のうちの一つは、対応する前記共焦点絞りを通過する光の強度をフォトンカウンティング法により検出する、構成である。
この構成によれば、一の光検出器により検出される光の強度に関する情報は、フォトンカウンティング法により検出されるようになる。
【００１７】
本発明の第四の態様は、光源からの光を試料に集束させる対物レンズと、該対物レンズによって試料に集束される光を走査する二次元走査手段と、前記対物レンズによる集光位置と前記試料との相対的な位置を前記集束光の光軸方向に沿って移動させる焦点位置移動手段と、前記対物レンズの集光位置と共役な位置に配置された共焦点絞りと、該共焦点絞りを通過する光の強度を複数の異なる感度の何れかにより検出する光検出手段と、該光検出手段により検出された光の強度に関する情報の編集を行う編集手段と、該編集手段による編集により得られた光の強度に関する情報に基づいて前記試料の高さ情報を取得する手段と、を備えた走査型共焦点顕微鏡装置である。
【００１８】
上記の構成によれば、複数の異なる感度によって光の強度に関する情報が検出され、編集手段によってそれらが編集されることによって、正確な光の強度に関する情報のみを取得することができる。また、それに基づいて試料の高さ情報が取得されることによって、正確な試料の表面形状を取得することができる。よって、反射光が微弱になるエッジ部等を有する試料に対しても正確な高さ情報を取得することができる。
【００１９】
本発明の第五の態様は、上記第四の態様において、前記編集手段は、前記光検出手段により検出された光の強度に関する情報が記憶される記憶手段と、該記憶手段に記憶された複数の光の強度に関する情報において、一の前記感度により検出された光の強度に関する情報の中の無効と判定された情報を、他の前記感度により検出された光の強度に関する情報の中の対応する情報に置き換える手段と、を備えた構成である。
【００２０】
この構成によれば、例えば試料からの光が微弱であったために一の感度によって正確な光の強度に関する情報を取得できなかったときには、その情報を、他の何れかの感度によって取得された正確な光の強度に関する情報に置き換えることが可能になり、正確な試料の高さ情報を取得することが可能になる。
【００２１】
本発明の第六の態様は、上記第四又は第五の態様において、前記光検出手段は、前記共焦点絞りを通過する光の強度を前記複数の異なる感度のうちの一つにより検出するときは、フォトンカウンティング法により検出する、構成である。
この構成によれば、一の感度により検出される光の強度に関する情報は、フォトンカウンティング法により検出されるようになる。
【００２２】
【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ながら説明する。
図１は、本発明の第一の実施の形態に係る走査型共焦点顕微鏡装置の構成例を示した図である。
【００２３】
同図に示した装置において、レーザ光源１から出射されたレーザ光は、ミラー２によって反射され、ハーフミラー３を透過して、二次元走査機構４へ入射される。
二次元走査機構４は、コンピュータ５によって制御される二次元走査駆動制御回路６の制御の基に、入射されたレーザ光をＸＹ方向に二次元走査することによって、レボルバ７にセットされている対物レンズ８によって集束されるスポット光を、Ｚステージ９に載置された試料１０の表面に二次元走査させる。
【００２４】
尚、レボルバ７は、倍率の異なる複数の対物レンズを保持するものであり、その複数の対物レンズのうちの所望の対物レンズを、観察光路中にセットすることができるように構成されている。また、レボルバ７は、コンピュータ５によって制御される焦点移動機構１１の制御の基に、光軸方向に移動されるように構成されており、そのレボルバ７が光軸方向に移動されることによって、それにセットされている対物レンズ８の集光位置が光軸方向に移動されるようになっている。また、焦点移動機構１１と二次元走査駆動制御回路６とは電気的に接続されており、これらがコンピュータ５に制御されることによって、レボルバ７の移動に伴う対物レンズ８の集光位置の移動と二次元走査機構４による二次元走査とが同期して制御されるようになっている。
【００２５】
一方、二次元走査機構４の走査によって試料１０から反射した光は、対物レンズ８を通って二次元走査機構４に戻り、さらに二次元走査機構４からハーフミラー３へと戻され、ハーフミラー３によって反射されて検出系へ導かれる。そして、ハーフミラー３によって反射された試料１０からの反射光は、ハーフミラー１２によって二方向に等分割される。すなわち、分割された一方の、ハーフミラー１２を透過した試料１０からの反射光は、レンズ１３を透過し、ピンホール板１４のピンホールを通過して光検出器（例えばＰＭＴ： Ｐｈｏｔｏ Ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ Ｔｕｂｅ ）１５に受光される。また、分割された他方の、ハーフミラー１２を反射した試料１０からの反射光は、ミラー１６によって反射されてレンズ１７を透過し、ピンホール板１８のピンホールを通過して光検出器（例えばＰＭＴ）１９に受光される。
【００２６】
尚、レンズ１３は、ハーフミラー１２を透過した試料１０からの反射光を集光し、レンズ１７は、ハーフミラー１２を反射しミラー１６を反射した試料１０からの反射光を集光するものである。また、ピンホール板１４、１８は、それぞれ所定径のピンホールを有し、それぞれ対物レンズ８の集光位置と共役な位置に配置されていると共に、ピンホール板１４は光検出器１５の受光面の前であってレンズ１３の焦点位置に配置され、ピンホール板１８は光検出器１９の受光面の前であってレンズ１７の焦点位置に配置されている。
【００２７】
また、光検出器１５と光検出器１９は検出感度が異なり、光検出器１５は、ノーマル感度（通常の感度）により、ピンホール板１４のピンホールを介して得られる光をその光量に応じた電気信号に変換し、光検出器１９は、光検出器１５よりも高い感度により、ピンホール板１８のピンホールを介して得られる光をその光量に対応した電気信号に変換する検出器である。例えば、光検出器１９は、フォトンカウンティング法によって光量を検出するものである。
【００２８】
このような構成によって、試料１０からの反射光の光量が少なく、ノーマル感度の光検出器１５では正確に検出できないような場合であっても、高感度の光検出器１９によりそれを正確に検出することが可能になる。
また、このようにして光検出器１５、１９によって得られた検出信号（光の強度に関する情報）は、それぞれ二次元走査駆動制御回路６からのタイミング信号と共にコンピュータ５へ送られ、そして、コンピュータによって、その検出信号の編集処理等が行なわれて試料１０の高さ情報が取得され、その高さ情報に基づく画像がモニタ２０に表示される、等といった処理が行われる。
【００２９】
図２は、上述した走査型共焦点顕微鏡装置において、光検出器１５、１９によって検出された検出信号の編集処理に係る構成の一例を示した図である。
同図に示したように、コンピュータ５は、メモリ５ａ、５ｂ、及び画像処理部５ｃ等を備えており、光検出器１５によってノーマル感度にて検出された検出信号（検出データ）はメモリ５ａに、また光検出器１９によって高感度にて検出された検出信号（検出データ）はメモリ５ｂにそれぞれ保存されるようになっている。
【００３０】
また、試料１０の表面の同一の測定位置について得られた、メモリ５ａに保存される検出信号と、メモリ５ｂに保存される検出信号は、同一のアドレスに保存されるようになっている。
このような構成によって、レボルバ７が焦点移動機構１１によって測定位置へ移動され、そこで、試料１０の表面の測定範囲が二次元走査機構４によって二次元走査されたときの光検出器１５及び１９の検出信号が、それぞれメモリ５ａ及び５ｂに保存されるようになる。
【００３１】
また、画像処理部５ｃは、メモリ５ｂに保存されている、高感度により検出された試料１０の表面の各測定点の検出データを読み出し、各検出データについて、検出データの示す値が予め設定されている閾値（飽和していると判定される値）以上であるか否かを判定し、それが閾値以上であると判定したときには、その検出データを、メモリ５ａに保存されている対応するアドレスの検出データに置き換えるといった編集処理を行い、また、このようにして取得した、このときのレボルバ７の測定位置における各検出データを、不図示のメモリに保存する等の処理を行う。
【００３２】
次に、上述した構成の走査型共焦点顕微鏡装置によって行なわれる、試料１０の高さ情報を取得する処理について説明する。
まず、ユーザによって、高さ方向の測定範囲、高さ方向の移動ステップ（レボルバ７の移動ステップ）、及び試料１０の表面の測定範囲（二次元走査範囲）等が設定されて、測定が開始されると、設定された高さ方向の測定範囲に従って、レボルバ７が測定開始位置へ移動され、そこで試料１０の表面の二次元走査範囲の二次元走査が行なわれて、試料１０表面の各測定点についての光検出器１５及び１９の検出データが、それぞれメモリ５ａ及び５ｂに保存される。
【００３３】
そして、前述の画像処理部５ｃによる編集処理によって、メモリ５ｂに保存されている各検出データが閾値以上であるか否かが判定され、閾値以上であると判定された検出データは、メモリ５ａに保存されている対応するアドレスの検出データに置き換えられ、このときのレボルバ７の測定位置における試料１０の表面の各測定点の検出データが取得される。
【００３４】
以上のような処理を、設定されている高さ方向の測定範囲内の移動ステップ毎のレボルバ７の各位置において行うことによって、レボルバ７の各測定位置における、試料１０の表面の各測定点についての検出データが取得される。
但し、前述の検出データの置き換えが行われた試料１０の表面の測定点については、その測定点におけるレボルバ７の全ての測定位置について、検出データの置き換えが行われたものとする。
【００３５】
そして、このようにして得られたレボルバ７の各測定位置における各検出データから、試料１０の表面の各測定点について、検出データの示す値が最も大きくなるときのレボルバ７の測定位置が求められ、その求められたレボルバ７の測定位置に基づいて高さ情報が求められる。これにより、試料１０の表面の各測定点についての高さ情報が取得され、必要に応じて、その高さ情報に基づく表面形状がモニタ２０に表示される。尚、本処理では、検出データが示す値の相対差を利用して高さ情報が求められるので、光検出器の感度の絶対値を合わせる等といった調整を必要とせず、ユーザの測定に係る負担を軽減できる。
【００３６】
続いて、このような高さ情報取得処理の具体例について、図３（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ），（ｆ），（ｇ） を用いて説明する。
同図（ａ） は、実際の試料１０の表面形状を示した図である。同図（ａ） に示したように、試料１０は、平面部３１、３３、３５と、斜面部３２、３４からなる表面形状を有している。
【００３７】
同図（ｂ） は、ノーマル感度の光検出器１５を用いずに高感度な光検出器１９のみによって試料１０からの反射光を検出して得られた高さ情報に基づいて得られた表面形状を示した図である。
この場合、試料１０の斜面部３２、３４から反射された光については、光の散乱などにより光量が少なくなるので、高感度の光検出器１９によって正しく検出データが取得され、その斜面部３２、３４の高さ情報を正確に取得できるが、試料１０の平面部３１、３３、３５から反射された光については、高感度の光検出器１９で検出するには光量が多すぎて、その検出データが全て飽和した値を示すことになり、その平面部３１、３３、３５の高さ情報を正確に取得することができない。
【００３８】
同図（ｃ） は、同図（ｂ） の場合の試料１０の表面の各測定点についての、検出データの示す値が最大となるときの検出データの値が、飽和した値であるか正しい値であるかを示した図である。同図（ｃ） の斜線部に示した、試料１０の平面部３１、３３、３５に対応する部分の検出データは飽和した値（正しくない値）を示し、それ以外の試料１０の平面部３２、３４に対応する部分の検出データは正しい値を示している。
【００３９】
一方、同図（ｄ） は、前述の同図（ｂ），（ｃ） の例とは逆に、高感度の光検出器１９を用いずにノーマル感度の光検出器１５のみによって試料１０からの反射光を検出して得られた高さ情報に基づいて得られた表面形状を示した図である。
この場合、試料１０の斜面部３２、３４から反射された光については、光の散乱などにより光量が少なくなるので、ノーマル感度の光検出器１５で検出するには光量が少なすぎて、ノイズ等の影響により正しくない検出データが得られてしまうが、試料１０の平面部３１、３３、３５から反射された光については、ノーマル感度の光検出器１５によって正しく検出データが得られ、その平面部３１、３３、３５の高さ情報を正確に取得することができる。
【００４０】
同図（ｅ） は、同図（ｄ） の場合の試料１０の表面の各測定点についての、検出データの示す値が最大となるときの検出データの値が、正しい値であるか正しくない値であるかを示した図である。同図（ｅ） の斜線部に示した、試料１０の平面部３２、３４に対応する部分の検出データは、ノイズの影響により正しくない値を示し、それ以外の試料１０の平面部３１、３３、３５に対応する部分の検出データは正しい値を示している。
【００４１】
これらに対し、上述の本装置の高さ情報取得処理によれば、高感度の光検出器１９にて得られた検出データが飽和した値を示す場合には、それがノーマル感度の光検出器１５により得られた対応する検出データに置き換えられるので、正しくない検出データに基づいて誤った高さ情報が取得されることがなく、正確な高さ情報を取得することができる。また、必要に応じて、その高さ情報に基づいて正確な表面形状をモニタ２０に表示させることができる。
【００４２】
上記の例では、同図（ｃ） の斜線部に示した正しくない検出データが、同図（ｅ）に示した正しい検出データに置き換えられて、同図（ｇ） に示したように全ての検出データが正しい検出データとなり、この正しい検出データに基づいて正確な高さ情報が取得され、その正確な高さ情報に基づいて、同図（ｆ） に示したような試料１０の正確な表面形状が取得されるようになる。
【００４３】
以上、本実施形態によれば、ノーマル感度の光検出器１５だけでは得ることができなかった、反射光量が少なくなるような斜面部等における高さ情報を正確に取得することができると共に、その高さ情報に基づく試料１０の正確な表面形状を取得することができる。
【００４４】
尚、本実施形態において、図２に示した画像処理部５ｃにより行われる編集処理を、例えば、次のような処理するようにしても良い。すなわち、メモリ５ａに保存されている、ノーマル感度によって検出された試料１０の表面の各点の検出データを読み出し、各検出データについて、その検出データが示す値が予め設定されている閾値以下であるか否かを判定し、閾値以下であると判定したときには、その検出データを、メモリ５ｂに保存されている対応するアドレスの検出データに置き換えるようにしても良い。
【００４５】
また、本実施形態では、光検出手段として、感度の異なる２つの光検出器を適用したが、例えば、感度の異なる３つ以上の光検出器を適用するようにしても良い。この場合には、一の光検出器により検出された検出データの示す値が閾値以上（或いは閾値以下）であるときには、その検出データを他のいずれかの光検出器によって検出された対応する検出データに置き換えるようになる。但し、検出データの置き換えが行われた測定点については、その測定点についてのレボルバ７の全ての測定位置において同一の光検出器により検出された検出データへの置き換えが行われたものとする。
【００４６】
また、本実施形態では、レボルバ７の各測定位置において、ノーマル感度の光検出器１５の検出データと高感度の光検出器１９の検出データが取得され、そこで必要に応じて検出データの置き換えが行われるものであったが、例えば、レボルバ７の全ての測定位置における、ノーマル感度の光検出器１５の検出データと高感度の光検出器１９の検出データを取得して、試料１０の表面の各測定点についての、光検出器１５の検出データの示す値が最大となる検出データを取得すると共に光検出器１９の検出データの示す値が最大となる検出データを取得し、そこで、その光検出器１９の検出データの示す値が最大となる検出データが閾値以上であるときには、前述の光検出器１５の検出データの示す値が最大となる対応する検出データに置き換えるように処理を行っても良い。
【００４７】
次に、本発明の第二の実施の形態について説明する。
図４は、本発明の第二の実施の形態に係る走査型共焦点顕微鏡装置の構成例を示した図である。
同図に示した装置は、検出系の構成が図１に示した構成と異なる。すなわち、図４に示した構成では、光検出手段として１つの光検出器３８を適用し、また、ミラー３により反射された、試料１０からの反射光は、レンズ１３によって集光され、ピンホール板１４のピンホールを通過して光検出器（例えばＰＭＴ）３８に受光されるように構成されている。尚、ピンホール板１４のピンホールは、対物レンズ８の集光位置と共役な位置に配置されている。
【００４８】
また、この光検出器３８は、検出モードとして、ノーマル感度モード及び高感度モード等の複数のモードを備え、コンピュータ５の制御によって何れかのモードが設定されるように構成されている。尚、高感度モードによる光の検出は、例えばフォトンカウンティング法によって行われる。
【００４９】
図５は、この走査型共焦点顕微鏡装置において、光検出器３８により検出された検出信号の編集処理に係る構成を示した図である。
同図に示したように、本実施形態に係るコンピュータ５は、メモリ５ａ、５ｂ、及び画像処理部５ｃに加え、光検出器３８からの検出信号の保存先をメモリ５ａ或いは５ｂの何れかに切り替える切り替え機構５ｄ、及び光検出器３８の検出モードの変更と切り替え機構５ｄの制御を行うコントローラ５ｅ等を備えている。
【００５０】
このような構成によって、レボルバ７が焦点移動機構１１によって測定位置へ移動され、そこで、コントローラ５ｅの制御の基に、光検出器３８の検出モードが高感度モードに変更されると共に、光検出器３８の検出信号の保存先をメモリ５ｂに切り替えるように切り替え機構５ｄが制御されると、試料１０の表面の測定範囲の二次元走査機構４による二次元走査が行われ、このときのレボルバ７の位置における各測定点の検出データがメモリ５ｂに保存され、続いて、コントローラ５ｅの制御の基に、光検出器３８の検出モードがノーマル感度モードに変更されると共に、光検出器３８の検出信号の保存先をメモリ５ａに切り替えるように切り替え機構５ｄが制御されると、再び試料１０の表面の測定範囲の二次元走査機構４による二次元走査が行われ、このときのレボルバ７の位置における各測定点の検出データがメモリ５ａに保存されるようになる。これにより、メモリ５ａには、ノーマル感度モードにて検出された検出データが、メモリ５ｂには、高感度モードにて検出された検出データが保存されるようになる。
【００５１】
また、画像処理部５ｃは、このメモリ５ａ及び５ｂに保存された検出データに基づいて、図２を用いて説明した編集処理と同様の処理を行い、必要に応じて検出データの置き換えを行う。また、このようにして取得した、このときのレボルバ７の測定位置における各検出データを不図示のメモリに保存する等といった処理を行う。
【００５２】
次に、本実施形態に係る走査型共焦点顕微鏡装置にて行われる、試料１０の高さ情報を取得する処理について説明する。
この高さ情報取得処理では、レボルバ７の各測定位置において行われる、ノーマル感度にて検出された検出データをメモリ５ａへ、高感度にて検出された検出データをメモリ５ｂへ保存する処理を、１つの光検出器３８、切り替え機構５ｄ、及びコントローラ５ｅ等を用いて、光検出器３８の検出モードを変更すると共に検出データの保存先を切り替えて行うようにしたことが、第一の実施の形態と異なり、その他の処理については、第一の実施の形態と同様にして行なわれる。
【００５３】
以上、本実施形態によれば、従来の走査型共焦点顕微鏡装置と同様に１つの光検出器を用いて、第一の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
尚、本実施形態では、レボルバ７の各測定位置において、高感度モードにて検出データが取得されると共にノーマルモードにて検出データが取得されて、必要に応じて検出データの置き換えが行われるものであったが、例えば、一旦、高感度モードにてレボルバ７の全ての測定位置における検出データを取得し、続いて、ノーマル感度モードにて再びレボルバ７の全ての測定位置における検出データを取得した後に、必要に応じて検出データの置き換えを行うようにしても良い。
【００５４】
この場合、例えば、高感度モードにて取得されたレボルバ７の全ての測定位置における検出データに基づいて、試料１０の高さ情報を取得し、その高さ情報に基づく試料１０の表面形状をモニタ２０に表示させ、このときに、モニタ２０に表示された表面形状を見たユーザによって検出データを置き換えるべき領域が指示されることにより、続くノーマル感度モードにて取得されたレボルバ７の全ての位置における検出データが取得された後に、その指示に従って、検出データの置き換えが行われるようにしても良い。但し、この場合に置き換えられる検出データは、試料１０の表面の各測定位置について取得された、高感度モードにて取得された検出データの値が最大となるときの検出データが、ノーマル感度モードにて取得された検出データの値が最大となるときの対応する検出データに置き換えられる。このような処理が行われることによって、置き換えるべき検出データの指示を手動により行うことが可能になる。
【００５５】
また、この場合には、先にノーマル感度モードにて検出データを取得した後に、続いて高感度モードにて検出データを取得するようにしても良い。或いは、先に何れの検出モードにて検出データを取得するかを、ユーザが設定できるようにしても良い。このようにすることで、ユーザが検出データの置き換えを指示する際に表示される試料１０の表面形状を、何れの検出モードにて取得された検出データに基づく表面形状とするかを設定できるようになる。
【００５６】
また、本実施形態では、レボルバ７の各測定位置において、試料１０の表面の測定範囲が二次元走査される毎に、光検出器３８の検出モードの切り替えと、検出データの保存先の切り替えが行われるものであったが、例えば、試料１０の表面の測定範囲を一次元走査する毎に、それらの切り替えを行うようにしても良い。このようにすることで、一次元走査に係る時間毎に、異なる検出モードによる検出データが取得されるようになるので、その間の試料１０の測定条件（例えば、温度等）の違いにより生じる検出データのバラツキ等の誤差を少なくすることが可能になり、より精度の高い試料１０の表面形状を取得することができる。
【００５７】
また、本実施形態に示したように１つの光検出器を用いて処理を行う場合は、その光検出器の出力を常にモニタして、不確かなデータ（正しくない検出データ）が検出されたときには、光検出器の検出感度を自動的に高感度に変更して再度そのデータを検出する。そして、次に確かなデータが検出されるまでは継続して高感度で検出する。次に確かなデータが検出されたときは、検出感度を自動的にノーマル感度に変更して再度その位置でデータを検出するとともに、次に不確かなデータが検出されるまで、継続してノーマル感度で測定するようにしても良い。
【００５８】
また、上述の第一及び第二の実施の形態では、高感度モードにて検出された検出データとノーマル感度モードにて検出された検出データが異なるメモリに保存されるものであったが、これらを、１つのメモリ上に設けられた２つのメモリ領域の各々へ保存するように構成しても良い。
【００５９】
また、上述の第一及び第二の実施の形態において、光検出器として、ＰＭＴの他、ＡＰＤ（Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ ）などを適用するようにしても良い。
また、上述の第一及び第二の実施の形態では、レボルバ７が移動されることによって、対物レンズ８の集光位置と試料１０との相対位置が変更されるものであったが、Ｚステージ９を移動させることによって、その相対位置を変更させるようにしても良い。
【００６０】
以上、本発明の走査型共焦点顕微鏡装置について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良及び変更を行っても良いのはもちろんである。
【００６１】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、散乱などにより反射光が弱くなるエッジ部等を有する試料に対しても、正確な高さ情報を取得することができる。また、試料の表面の各測定点の高さ情報は、対物レンズの集光位置と試料との相対位置を変化させることによって生じる検出データの相対差を利用して得られるので、光検出手段の感度の絶対値を合わせる等といった調整を行う必要はなく、ユーザの測定に係る負担を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第一の実施の形態に係る走査型共焦点顕微鏡装置の構成例を示した図である。
【図２】第一の実施の形態に係る走査型共焦点顕微鏡装置において、２つの光検出器により検出された検出信号の編集処理に係る構成の一例を示した図である。
【図３】（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ），（ｆ），（ｇ） は、第一の実施の形態に係る表面形状情報の取得処理の具体例を説明するための図である。
【図４】第二の実施の形態に係る走査型共焦点顕微鏡装置の構成例を示した図である。
【図５】第二の実施の形態に係る走査型共焦点顕微鏡装置において、光検出器により検出された検出信号の編集処理に係る構成を示した図である。
【図６】一般的な走査型共焦点顕微鏡装置の概略構成図である。
【図７】高さＡ、Ｂ、Ｃの表面を有する試料を示した図である。
【図８】（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ） は、従来技術を説明するための図である。
【符号の説明】
１ レーザ光源
２ ミラー
３ ハーフミラー
４ 二次元走査機構
５ コンピュータ
５ａ、５ｂ メモリ
５ｃ 画像処理部
５ｄ 切り替え機構
５ｅ コントローラ
６ 二次元走査駆動制御回路
７ レボルバ
８ 対物レンズ
９ Ｚステージ
１０ 試料
１１ 焦点移動機構
１２ ハーフミラー
１３ レンズ
１４ ピンホール板
１５ 光検出器
１６ ミラー
１７ レンズ
１８ ピンホール板
１９ 光検出器
２０ モニタ
３１ 平面部
３２ 斜面部
３３ 平面部
３４ 斜面部
３５ 平面部
３８ 光検出器
４１ 点光源
４２ ハーフミラー
４３ 対物レンズ
４４ 観察試料
４５ ピンホール
４６ 光検出器
４７、４８、４９ 表面部
５０、５１ エッジ面部
Claims (6)
- 光源からの光を試料に集束させる対物レンズと、
該対物レンズによって試料に集束される光を走査する二次元走査手段と、
前記対物レンズによる集光位置と前記試料との相対的な位置を前記集束光の光軸方向に沿って移動させる焦点位置移動手段と、
前記対物レンズの集光位置と共役な位置に配置された複数の共焦点絞りと、
該複数の共焦点絞りの各々に対応して設けられ、各々対応する前記共焦点絞りを通過する光の強度を検出する、感度の異なる複数の光検出手段と、
該複数の光検出手段により検出された光の強度に関する情報の編集を行う編集手段と、
該編集手段による編集により得られた光の強度に関する情報に基づいて前記試料の高さ情報を取得する手段と、
を備えたことを特徴とする走査型共焦点顕微鏡装置。 - 前記編集手段は、
前記複数の光検出手段により検出された光の強度に関する情報が記憶される記憶手段と、
該記憶手段に記憶された複数の光の強度に関する情報において、一の前記光検出手段により検出された光の強度に関する情報の中の無効と判定された情報を、他の前記光検出手段により検出された光の強度に関する情報の中の対応する情報に置き換える手段と、
を備えたことを特徴とする請求項１記載の走査型共焦点顕微鏡装置。 - 前記複数の光検出手段のうちの一つは、
対応する前記共焦点絞りを通過する光の強度をフォトンカウンティング法により検出する、
ことを特徴とする請求項１又は２記載の走査型共焦点顕微鏡装置。 - 光源からの光を試料に集束させる対物レンズと、
該対物レンズによって試料に集束される光を走査する二次元走査手段と、
前記対物レンズによる集光位置と前記試料との相対的な位置を前記集束光の光軸方向に沿って移動させる焦点位置移動手段と、
前記対物レンズの集光位置と共役な位置に配置された共焦点絞りと、
該共焦点絞りを通過する光の強度を複数の異なる感度の何れかにより検出する光検出手段と、
該光検出手段により検出された光の強度に関する情報の編集を行う編集手段と、
該編集手段による編集により得られた光の強度に関する情報に基づいて前記試料の高さ情報を取得する手段と、
を備えたことを特徴とする走査型共焦点顕微鏡装置。 - 前記編集手段は、
前記光検出手段により検出された光の強度に関する情報が記憶される記憶手段と、
該記憶手段に記憶された複数の光の強度に関する情報において、一の前記感度により検出された光の強度に関する情報の中の無効と判定された情報を、他の前記感度により検出された光の強度に関する情報の中の対応する情報に置き換える手段と、
を備えたことを特徴とする請求項４記載の走査型共焦点顕微鏡装置。 - 前記光検出手段は、
前記共焦点絞りを通過する光の強度を前記複数の異なる感度のうちの一つにより検出するときは、フォトンカウンティング法により検出する、
ことを特徴とする請求項４又は５記載の走査型共焦点顕微鏡装置。
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-
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