JP2004212622A - Confocal microscope - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a confocal microscope realizing the effective utilization of a part with non-linear distortion near both ends of a scanning range by a resonate type scanner and reciprocative scanning. <P>SOLUTION: In an optical scanner for scanning the surface of a sample with light, a horizontal scanner is constituted to use the resonate type scanner, light receiving information obtained by receiving the light from the sample scanned with the light by the resonate type scanner by a photodetector is sampled every fixed time and stored in a buffer memory 70, and the sampling data stored in the buffer memory 70 are read out at unequal interval addresses according to an address correspondence table 73 obtained by arithmetic processing including inverse trigonometric function arithmetic operation, whereby the received light information at every pixel position at nearly equal intervals on the surface of the sample in a measuring range is obtained. In the case of reciprocative scanning, the order of addresses for reading out the sampling data is set to reverse directions between forward direction scanning and reverse direction scanning. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学倍率によって決まる測定範囲内の試料表面を光で走査し、試料からの光を共焦点光学系を介して受光素子で受光し、その受光情報に基づいて前記試料表面の高さ分布情報又は画像情報を取得する共焦点顕微鏡に関し、詳しくは、光走査手段の少なくとも一部が共振型スキャナによって構成されている共焦点顕微鏡に関する。
【0002】
【従来の技術】
共焦点顕微鏡を用いた試料の測定では、試料の表面が光走査手段によって光(例えばレーザ光)で走査される。試料からの光(例えば反射光)が共焦点光学系を介して受光素子で受光され、その受光量に基づいて試料の高さ分布情報や超深度画像(焦点深度が非常に深い画像)等の画像情報が取得される。ステージに載置された試料と対物レンズとの距離を光軸方向に変化させると、共焦点光学系のピンホールを通って受光素子に入射する光の強さ(受光量)が変化し、試料の表面にピントが合ったときに受光量が最大となる。したがって、最大受光量が得られるときの試料と対物レンズとの距離情報から試料の表面の高さ情報を算出し、試料の表面を光で走査することによって試料の表面の高さ分布を取得することができる。
【0003】
また、試料表面の各点(画素)でピントが合ったときの受光量の情報(すなわち各画素の最大受光量の情報)をつなぎ合わせることにより、焦点深度の非常に深い試料表面の白黒画像を得ることができる。この画像がいわゆる超深度画像である。あるいは、任意の注目画素で最大受光量が得られたときの試料と対物レンズとの距離に固定した場合は、注目画素の部分と高低差が大きい部分の画素の受光量は著しく小さくなり、注目画素と同じ高さの部分のみが明るい画像(いわゆるスライス画像)が得られる。
【0004】
上記のような共焦点顕微鏡の光走査手段は通常、水平走査手段と垂直走査手段からなる二次元の光走査手段である。この場合、走査周期の比較的長い(周波数の低い)垂直走査手段にはガルバノ(電磁型)スキャナを使用し、走査周期の短い(周波数の高い)水平走査手段にはレゾナント(共振型)スキャナを使用することが多い。
【0005】
ガルバノスキャナがミラーの角度を略等速度で変化させることができるのに対して、レゾナント(共振型)スキャナは正弦波を駆動信号とする振動によってミラーの角度を変化させるので、その角速度は正弦波状に変化し、走査範囲の中央付近で最大となり、走査範囲の両端部に近づくほど角速度がゼロに近づく。したがって、光走査によって得られる画像の中央部と両端部での一画素当たりの走査方向での寸法差が画像歪となって現れる。つまり、画像の中央部が間延びして周辺部が詰まる歪が発生する。
【0006】
この画像歪を抑えるには、共振型スキャナの走査範囲のうちの角速度が比較的直線状に変化する中央部付近、すなわち正弦波のゼロクロスを中心とする略直線状に変化する部分を使用する必要がある。しかし、例えばカラー撮像素子で得られたカラー画像との位置合わせのためにオフセット調整を行う場合のように、実際に使用する領域の外側にある程度の調整領域を確保しておく必要がある。このため、共振型スキャナの走査範囲のうちの両端部近くの非線形歪を伴う部分も含めてできるだけ広い領域を有効利用できる方が有利である。
【0007】
また、共振型スキャナの特性上、往路と復路の所要時間が同じである。したがって、往路のみを走査に用いた場合は一周期の半分のみが利用され、残り半分は無駄な時間ということになる。そこで、復路も有効利用する往復走査を行うことが考えられる。
【0008】
上記のように、共振型スキャナの走査範囲のうちの両端部近くの非線形歪を伴う部分を有効活用するための従来の技術として、共振型スキャナのミラーの裏面に補助レーザ光を照射し、その反射光で等間隔のパターンを走査することによって得られる時間的に非等間隔のタイミングで試料のサンプリングを行う方法がある(例えば特開2000−147395公報参照)。この際、ラインメモリを使用して復路のサンプリングデータの並び順を入れ替えることにより、往復走査が可能になる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来の方法は、共振型スキャナのミラーの裏面に補助レーザ光を照射してその反射光で等間隔パターンを走査するための光学系が必要であり、その分構造が複雑になる。また、精密加工技術も必要となる。
【0010】
本発明は、上記のような課題に鑑み、新たな光学系を付加することなく、共振型スキャナの走査範囲のうちの両端部近くの非線形歪を伴う部分を有効活用し、かつ、往復走査を可能にした共焦点顕微鏡を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明の共焦点顕微鏡は、光学倍率によって決まる測定範囲内の試料表面を光で走査し、試料からの光を共焦点光学系を介して受光素子で受光し、その受光情報に基づいて試料表面の高さ分布情報又は画像情報を取得する共焦点顕微鏡であって、光による試料表面の走査のための光走査手段の少なくとも一部が共振型スキャナを用いて構成され、共振型スキャナによって光で走査された試料からの光を受光素子で受光して得られた受光情報を一定時間ごとにサンプリングしてバッファメモリに蓄積し、逆三角関数演算を含む演算処理によって求められたアドレス対応テーブルにしたがって、バッファメモリに蓄積されたサンプリングデータを非等間隔のアドレスで読み出すことにより、測定範囲内の試料表面における略等間隔の画素位置ごとの受光情報を求めることを特徴とする。
【0012】
このような構成によれば、従来技術で述べたような光学系を追加する方法ではなく、バッファメモリを用いたアドレス変換処理によって、一定時間ごとにサンプリングされた非等間隔のサンプリングデータを等間隔の画素位置の受光情報に変換することができる。これによって、生成された画像の中央部が間延びして周辺部が詰まる歪を解消することができる。
【0013】
好ましい実施形態において、共振型スキャナによる往復走査を実現するために、アドレス対応テーブルにおいて、順方向走査におけるサンプリングデータを読み出すアドレスの順番と逆方向走査におけるサンプリングデータを読み出すアドレスの順番とを互いに逆方向にしている。
【0014】
別の好ましい実施形態において、アドレス対応テーブルにしたがってバッファメモリから非等間隔のアドレスでサンプリングデータを読み出す際に、隣接する2つのアドレスのサンプリングデータを用いて補間処理を行うことによって略等間隔の画素位置の受光情報の精度を高める。つまり、逆三角関数演算によって求めた等間隔の画素位置に対応するアドレスは小数点以下の端数を含む値となるので、この端数を補間係数として隣接する2つのアドレスのサンプリングデータを用いて補間処理を行うことにより、精度が高くなる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【0016】
図1は、本発明の実施形態に係る共焦点顕微鏡システムの概略構成を示している。共焦点顕微鏡システム1は、共焦点光学系2及び非共焦点光学系3を有する共焦点顕微鏡と、共焦点顕微鏡のレーザ駆動回路44、第1AD変換器41、CCD駆動回路43、第2AD変換器42、対物レンズ移動機構40、マイクロコンピュータを用いた制御部46等を含むコントローラと、コントローラに接続された表示装置47及び入力装置48とを備えている。
【0017】
まず、共焦点顕微鏡の共焦点光学系2とその信号処理について説明する。共焦点光学系2は、試料wkに単色光(例えばレーザ光)を照射するための光源10、第1コリメートレンズ11、偏光ビームスプリッタ12、1/4波長板13、水平走査装置14a、垂直走査装置14b、第1リレーレンズ15、第2リレーレンズ16、対物レンズ17、結像レンズ18、ピンホール板9、受光素子19等を含んでいる。
【0018】
光源10には、例えば青色レーザ光を発する半導体レーザが用いられる。レーザ駆動回路44によって駆動される光源10から出たレーザ光は、第1コリメートレンズ11を通り、偏光ビームスプリッタ12で光路を曲げられ、1/4波長板13を通過する。この後、水平走査装置14a及び垂直走査装置14bによって水平(横)方向及び垂直(縦)方向に偏向された後、第1リレーレンズ15及び第2リレーレンズ16を通過し、対物レンズ17によって試料ステージ30上に置かれた試料wkの表面に集光される。
【0019】
水平走査装置14aはレゾナント(共振型)スキャナで構成され、垂直走査装置14bはガルバノ(電磁型)スキャナで構成されている。両者でレーザ光を水平及び垂直方向に偏向させることにより、試料wkの表面をレーザ光で走査する。説明の便宜上、水平方向をX方向、垂直方向をY方向ということにする。対物レンズ17は、対物レンズ移動機構40によりZ方向(光軸方向)に駆動される。これにより、対物レンズ17の焦点と試料wkとの光軸方向での距離を変化させることができる。
【0020】
ただし、対物レンズ17の焦点と試料wkとの光軸方向での距離は、他の方法で変化させることもできる。例えば、対物レンズ17をZ方向に駆動する代わりに試料ステージ30をZ方向に駆動してもよい。あるいは、対物レンズ17と試料wkとの間に屈折率が変化するレンズを挿入することにより、対物レンズ17の焦点をZ方向に移動させる構成も可能である。なお、試料ステージ30は、手動操作によってX、Y方向及びZ方向に変位可能である。
【0021】
本実施形態の共焦点顕微鏡では、制御部46からの制御信号によって対物レンズ移動機構40を介して対物レンズ17がZ軸方向に電動で移動可能であると共に、試料ステージ30は、ステージ手動操作機構31を介して手動操作によってX方向、Y方向及びZ方向に変位可能である。また、入力装置48のキー操作(例えばアップ/ダウンキーの操作)によって制御部46及び対物レンズ移動機構40を介して対物レンズ17を上下動することも可能である。
【0022】
試料wkで反射されたレーザ光は、上記の光路を逆に辿る。すなわち、対物レンズ17、第2リレーレンズ16及び第1リレーレンズ15を通り、水平走査装置14a及び垂直走査装置14bを介して1/4波長板13を再び通る。この結果、レーザ光は偏光ビームスプリッタ12を透過し、結像レンズ18によって集光される。集光されたレーザ光は、結像レンズ18の焦点位置に配置されたピンホール板9のピンホールを通過して受光素子19に入射する。受光素子19は、例えばフォトマルチプライヤチューブ(光電子増倍管)やフォトダイオードで構成され、受光量を電気信号に変換する。受光量に相当する電気信号は、出力アンプ及びゲイン制御回路(図示せず)を介して第1AD変換器41に与えられ、ディジタル値に変換される。
【0023】
上記のような構成の共焦点光学系2により、試料wkの高さ(深さ)情報を取得することができる。以下に、その原理を簡単に説明する。
【0024】
上述のように、対物レンズ17が対物レンズ移動機構40によってZ方向(光軸方向)に駆動されると、対物レンズ17の焦点と試料wkとの光軸方向での距離が変化する。そして、対物レンズ17の焦点が試料wkの表面に結ばれたときに、試料wkの表面で反射されたレーザ光は上記の光路を経て結像レンズ18で集光され、ほとんどすべてのレーザ光がピンホール板9のピンホールを通過する。したがって、このときに、受光素子19の受光量が最大になる。逆に、対物レンズ17の焦点が試料wkの表面からずれている状態では、結像レンズ18によって集光されたレーザ光はピンホール板9からずれた位置に焦点を結ぶので、一部のレーザ光しかピンホールを通過することができない。その結果、受光素子19の受光量は著しく低下する。
【0025】
したがって、試料wkの表面の任意の点について、対物レンズ17をZ方向(光軸方向)に駆動しながら受光素子19の受光量を検出すれば、その受光量が最大になるときの対物レンズ17のZ方向位置(対物レンズ17の焦点と試料wkとの光軸方向での距離)を高さ情報として一義的に求めることができる。
【0026】
実際には、対物レンズ17を1ステップ(1ピッチ)移動するたびに水平走査装置14a及び垂直走査装置14bによって試料wkの表面を走査して受光素子19の受光量を得る。対物レンズ17をZ方向での測定範囲の下端から上端までZ方向に移動させたとき、走査範囲内の各点(画素)について、Z方向位置に応じて変化する受光量データが得られる。
【0027】
図2は、対物レンズ17のZ方向位置に応じて変化する受光量データの例を示すグラフである。このような受光量データに基づいて、最大受光量とそのときのZ方向位置が各点(画素)ごとに得られる。したがって、試料wkの表面高さのXY平面での分布が得られる。
【0028】
得られた表面高さの分布情報は、いくつかの方法で表示装置47のモニタ画面に表示することができる。例えば3次元表示によって試料の高さ分布(表面形状)を立体的に表示することができる。あるいは、高さデータを輝度データに変換することにより、明るさの二次元分布として表示できる。高さデータを色差データに変換することにより、高さの分布を色の分布として表示することもできる。
【0029】
また、XY走査範囲内の各点(画素)について得られた受光量を輝度データとする輝度信号から、試料wkの表面画像(白黒画像)が得られる。各画素における最大受光量を輝度データとして輝度信号を生成すれば、表面高さの異なる各点でピントの合った焦点深度の非常に深い超深度画像が得られる。また、任意の注目画素で最大受光量が得られた高さ(Z方向位置)に固定した場合は、注目画素の部分と高低差が大きい部分の画素の受光量は著しく小さくなるので、注目画素と同じ高さの部分のみが明るい画像が得られる。
【0030】
つぎに、共焦点顕微鏡に備えられた非共焦点光学系3とその信号処理について説明する。非共焦点光学系3は、試料wkに白色光(カラー画像撮影用の照明光)を照射するための白色光源20、第2コリメートレンズ21、第1ハーフミラー22、第2ハーフミラー23、カラーCCD(イメージセンサー)24等を含んでいる。また、非共焦点光学系3は共焦点光学系2の対物レンズ17を共用しており、2つの光学系1,2の光軸は部分的に一致している。
【0031】
白色光源20には例えば白色ランプが用いられるが、自然光又は室内光を利用してもよい。白色光源20から出た白色光は、第2コリメートレンズ21を通り、第1ハーフミラー22で光路を曲げられ、対物レンズ17によって試料ステージ30上に置かれた試料wkの表面に集光される。
【0032】
試料wkで反射された白色光は、対物レンズ17、第1ハーフミラー22、第2リレーレンズ16を通過し、第2ハーフミラー23で反射されてカラーCCD24に入射して結像する。カラーCCD24は、共焦点光学系2のピンホール板9のピンホールと共役又は共役に近い位置に設けられている。カラーCCD24で撮像されたカラー画像は、CCD駆動回路43によって読み出され、そのアナログ出力信号は第2AD変換器42に与えられ、ディジタル値に変換される。このようにして得られたカラー画像は、試料wkの観察用の拡大カラー画像として表示装置47のモニタ画面に表示される。
【0033】
また、共焦点光学系2で得られた超深度画像と非共焦点光学系3で得られた通常のカラー画像とを合成し、すべての画素で略ピントの合った焦点深度の深いカラー超深度画像を生成し、表示することもできる。
【0034】
上記のようなカラー画像に関する処理についても、制御部46を含むコントローラが司る。コントローラにはコンソール(操作卓)のような入力装置48やCRT(陰極線管)又はLCD(液晶表示装置)のような表示装置47が接続されている。また、マウスのようなポインティングデバイスも入力装置48として接続される。
【0035】
ユーザは、表示装置47の画面上に表示されるガイダンスにしたがって入力装置48を用いて種々の測定用パラメータを設定することができる。例えば、対物レンズ17のZ方向移動範囲(測定範囲)や移動ピッチを設定する。あるいは、試料wkの表面の光反射率等に応じて受光素子19の受光感度(PMTゲイン)やNDフィルタによる減衰量の設定を行うことにより、画面に表示された超深度画像やスライス画像が適当な明るさ(輝度)になるように調整する。また、カラーCCD24によるカラー画像の取得のためのシャッタースピードやゲイン及びホワイトバランスの設定を行う。また、後述するような種々の走査モードの設定を行う。
【0036】
また、本実施形態の共焦点顕微鏡システム1(のコントローラ)には、パーソナルコンピュータのような外部コンピュータシステムを接続するインターフェイスも備えられている。専用ソフトウェアをインストールした外部コンピュータシステムを共焦点顕微鏡システム1に接続することにより、上記のような測定条件を外部コンピュータシステムの画面上で設定し、あるいは、共焦点顕微鏡システム1で取得した画像の処理を外部コンピュータシステムの画面に表示させ、加工することが可能になる。
【0037】
図3は、共焦点顕微鏡システム1のコントローラに外部コンピュータシステム50を接続したハードウェア構成例を示すブロック図である。外部コンピュータシステム50は、CRT又はLCD等の表示装置51、キーボード52、マウス(他のポインティングデバイスでもよい)53、RS232C、USB(ユニバーサルシリアルバス)、IEEE1394等の通信インターフェイス54、処理装置(CPU)55、半導体記憶媒体である主メモリ56、補助記憶装置である固定ディスク装置57及びリムーバブルディスク装置58を備えている。
【0038】
共焦点顕微鏡システム1の制御を行うための専用ソフトウェアは、CD−ROMのような記憶媒体59に記憶された状態で供給され、CD−ROMドライブ装置のようなリムーバブルディスク装置58によって記憶媒体59から読み出され、固定ディスク装置57にインストールされる。固定ディスク装置57にインストールされたプログラムは、主メモリ56にロードされ、処理装置55によって実行される。
【0039】
このような専用ソフトウェアによって実行される処理には、共焦点顕微鏡システム1の測定条件の設定を行うための処理や測定の結果得られた画像の処理等が含まれている。次に、測定条件の設定のための画面表示における走査モードの選択について説明する。
【0040】
図4は、走査モードの選択を含む測定条件の設定のための画面表示の例を示す図である。表示装置51に表示される画面表示60において、左側の領域61は共焦点顕微鏡システム1の非共焦点光学系3のカラーCCD24から得られたカラー画像や共焦点光学系2の受光素子19から得られた共焦点画像又は高さ分布の測定結果等を表示するための領域であり、その右側に測定条件の設定のための縦長の領域62が表示されている。
【0041】
図5は、図4の画面表示60における測定条件の設定のための領域62の拡大図である。「スキャン設定」と表示された箇所の右側に走査モードの選択を行うための選択ブロック63が設けられている。この選択ブロック63の右端の下向き三角マークをマウス53でクリックすると、図5に示すようなプルダウンメニュー64が現れる。プルダウンメニュー64には、「ノーマル」、「パート1/2」、「パート1/3」、「スキップ」、「スキップ1/2」の5種類の走査モードが選択肢として含まれており、ユーザはマウス53を用いてこれらの選択肢の中から1つの走査モードを選択することができる。
【0042】
「ノーマル」は通常の走査モードであり、走査範囲が光学倍率によって決まるXY平面における測定範囲の全体であると共に走査線数が最大数(例えば768本)である。「パート1/2」では、垂直走査範囲が全体の中央部1/2となり、走査線数もそれに応じて1/2(例えば384本)になる。「パート1/3」では、垂直走査範囲が全体の中央部1/3となり、走査線の数もそれに応じて1/3になる。
【0043】
「スキップ」では、走査範囲は測定範囲の全体であるが、走査線数が1/2になる。つまり、隣接する走査線の間隔が2倍に広がっている。「スキップ1/2」では、隣接する走査線の間隔が2倍に広がり、かつ、垂直走査範囲が全体の中央部1/2となる。したがって、走査線数は1/4になる。なお、いずれの走査モードでも水平走査範囲は変化せず測定範囲全体の水平方向長さに等しい。また、スキップによって隣接する走査線の間隔が2倍に広がる場合は、補間処理によって走査線の間の画素データが生成される。
【0044】
図5において、プルダウンメニュー64によって一部隠れているが、「スキャン設定」と表示された箇所の下側に「ダブルスキャン」と表示され、その左側にチェックボックス65が設けられている。ユーザがマウス53を用いてこのチェックボックス65にチェックを入れると水平走査に関して往復走査が設定され、チェックを外すと通常の一方向走査が設定される。
【0045】
前述のように水平走査のための水平走査装置14aはレゾナント(共振型)スキャナで構成され、正弦波駆動信号によって自励式にミラーの反射面が所定の周波数で振動する。したがって、往路と復路の所要時間が同じ(半周期)であり位相変化も同等であるので往復走査が可能である。往復走査を行う場合は一方向走査の場合に比べて、一垂直走査当たりの水平走査回数が同じであれば見かけ上2倍の走査線数が得られることになり、その分だけ測定精度が良くなる。逆に、一垂直走査当たりの水平走査回数を半分に低減しても、見かけ上の走査線数が同じであるので、測定精度の低下はほとんどないことになる。一垂直走査当たりの水平走査回数が半分に低減されれば、測定全体の所要時間が半分近くまで低減される。
【0046】
しかし、共振型スキャナは正弦波を駆動信号とする振動によってミラーの角度を変化させるので、その角速度は正弦波状に変化し、走査範囲の中央付近で最大となり、走査範囲の両端部に近づくほど角速度がゼロに近づく。したがって、光走査によって得られる画像の中央部と両端部での一画素当たりの走査方向での寸法差が画像歪となって現れる。つまり、画像の中央部が間延びして周辺部が詰まる歪が発生する。
【0047】
この画像歪を解消する方法として、本実施形態の共焦点顕微鏡システム1では、受光情報を一定時間ごとにサンプリングしてバッファメモリに蓄積し、逆三角関数演算を含む演算処理によって求められたアドレス対応テーブルにしたがって、バッファメモリに蓄積されたサンプリングデータを非等間隔のアドレスで読み出すことにより、測定範囲内の試料表面における略等間隔の画素位置の受光情報を求める。
【0048】
図6は、本実施形態において、共振型スキャナを用いた走査で得られた受光量のサンプリングデータから等間隔位置の受光量データを得るための構成を示すブロック図である。受光素子19から出力される電圧信号は、第1AD変換器41でディジタル値に変換される。この際、タイミング発生器71から与えられるタイミング信号にしたがって、一定時間ごとのサンプリングデータとしてディジタル値がバッファメモリ70に入力される。バッファメモリ70は、入力された等間隔時間ごとのサンプリングデータをアドレス順に記憶する。
【0049】
読み出しアドレス発生部72が、後述するアドレス対応テーブル73にしたがってバッファメモリ70のアドレッシングを行うことにより、バッファメモリ70の記憶データ(の一部)が非等間隔のアドレスで読み出される。これにより、等間隔の画素位置ごとの受光量データが読み出される。アドレス対応テーブル73は、後述するように、走査モードを含む測定条件の設定が行われた段階で逆三角関数演算を含む演算処理によって求められ、メモリに記憶される。
【0050】
バッファメモリ70の記憶データを非等間隔のアドレスで読み出したデータをそのまま等間隔の画素位置ごとの受光量データとしてもよいが、図6の構成では、更に補間演算部74による補間演算を行うことにより、等間隔の画素位置ごとの受光量データの精度を高めている。つまり、逆三角関数演算によって求めた等間隔の画素位置に対応するアドレスは小数点以下の端数を含む値となるので、この端数を補間係数として隣接する2つのアドレスのサンプリングデータを用いて補間処理を行うことにより、精度が高くなる。この補間演算の詳細については後述する。
【0051】
また、アドレス対応テーブル73を生成する際に、往復走査モードが選択された場合は、順方向走査におけるサンプリングデータを読み出すアドレスの順番と逆方向走査におけるサンプリングデータを読み出すアドレスの順番とを互いに逆方向にしている。
【0052】
次に、アドレス対応テーブル73について説明する。図7は、共振型スキャナによる走査スポット(光スポット)の位置変化(正確にはミラーの角度変化)を示すグラフである。例えば時刻がt0,t1,・・・t14と変化するときに、光のスポットの位置が左端(+D)から右端(−D)まで変化すると仮定する。もちろん、実際のサンプリングタイムはもっと細かい。
【0053】
共振型スキャナはミラーの角度が正弦波状に変化するため、等間隔の時刻t0,t1,・・・t14に対応する走査スポットの位置は図7(a)に示すように、走査範囲の中央部で間延びし、両端部で詰まった非等間隔となる。したがって、一定時間ごとにサンプリングされた受光量のデータをそのまま等間隔の画素データとして使用した場合は、画像の中央部が間延びして周辺部が詰まる歪が発生することになる。また、図7(b)は、走査スポットの位置を等間隔にしたときに時刻t0,t1,・・・t14が非等間隔になる様子を示している。
【0054】
図7(a)及び(b)において、走査スポットの位置をPとし、走査周期をTとし、時刻t0,t1,・・・t14を変数tで表したとき、三角関数(余弦関数)cosを用いれば、P=Dcos(2πt/T)となる。また、逆三角関数(逆余弦関数)arccosを用いれば、t=(T/(2π))arccos(P/D)となる。例えばP=+D(左端)の位置に対応する時刻t0は(T/(2π))arccos(1)=0となり、P=−D(右端)の位置に対応する時刻t14は(T/(2π))arccos(−1)=T/2となる。一般に、走査スポットの位置の移動ピッチ(画素ピッチに対応する)をaとし、nを自然数としたとき、P=D(1−an)の位置に対応する時刻t(n)は、t(n)=(T/(2π))arccos(1−an)で表される。
【0055】
したがって、時刻t(n)のサンプリングデータがバッファメモリ70に入っていれば、それを読み出すことにより、等間隔の位置P=D(1−an)における受光量データを得ることができる。バッファメモリには一定時間間隔でサンプリングされたデータがアドレス順に記憶されているので、時刻t(n)が求まれば、対応するアドレスが求まり、所望の受光量データが得られる。実際には計算で求めた時刻t(n)に対応するアドレスが整数にはならず、小数点以下の端数が生ずる。この場合は、整数値にまるめる処理を行うか、隣接する2つのアドレスのサンプリングデータを用いて補間処理を行うことになる。本実施形態では、補間処理を行うことによって精度を高めている。詳細については後述する。なお、往復走査を行う場合の逆方向走査で得られたサンプリングデータについては、読み出すアドレスの順序を逆にする必要がある。
【0056】
次に、具体的な数値を挙げて上記の説明を補足する。例えば、走査周期T=125μsec(発振周波数8kHz)、サンプリング周波数30MHzとした場合、1走査周期当たり3750個のサンプリングデータを得ることができる。これは往復走査の場合であって、一方向走査当たり1875個のサンプリングデータが得られることになる。
【0057】
上記のように往復走査の3750個のサンプリングデータが得られ、バッファメモリ70にアドレス順に記憶される。この記憶されたデータの一部を18MHzのレートで読み出して画面に表示する場合を考える。このとき、水平走査周期125μsecの間に読み出されるデータの数は2250個であり、一方向走査当たり1125個となる。
【0058】
正規化した位置信号が+1(左端)から−1(右端)まで変化すると、画面の左端から右端まで走査したことになる。n番目の位置に対応する位置データを1−2n/1125とすると、このときの時刻t(n)はt(n)=(T/(2π))arccos(1−2n/1125)で表される。
【0059】
時刻T/2におけるデータ位置(アドレスに相当する)は1875であるから、時刻t(n)におけるデータ位置mは、m=1875×tn×2/Tとなる。求められたデータ位置mを整数にまるめた値を改めてアドレスmとすれば、読み出しパルスのn番目でアドレスmのデータを読み出すことにより、n番目の位置におけるデータが得られる。
【0060】
実際には、計算で求められたデータ位置mは、小数点以下の端数を含む。例えばm=123.4が得られた場合に、アドレスm=123とm=124の2つのデータを用いて補間処理を行えば、実際のデータ位置m=123.4における精度の高いデータが得られる。アドレスm=123におけるデータをd1、アドレスm=124におけるデータをd2とすれば、データ位置m=123.4におけるデータdは直線補間によれば、d=0.6d1+0.4d2となる。一般に、データ位置mの小数点以下の端数(補間係数に相当する)をqとすれば、mの整数部のアドレスのデータd1と隣接する(+1の)アドレスのデータd2とを用いた直線補間演算により、d=(1−q)d1+q×d2で求めることができる。
【0061】
走査モード等の測定条件が設定された段階で等間隔位置とそれに対応するバッファメモリのアドレスとの関係を求めてアドレス対応テーブルとして記憶する際に、アドレスである整数値と共に上記の端数(補間係数)も等間隔位置に対応させて記憶しておけばよい。図8は、等間隔位置nと読み出しアドレスm及び補間係数qとの対応関係を示すアドレス対応テーブルの例を示す図である。図6に示したブロック図の補間演算部74は、アドレス対応テーブルに記憶された補間係数を用いて上述のような直線補間処理を実行する。
【0062】
図9は、補間演算部74の構成例を示すブロック図である。補間演算部74は、主演算回路81、+1加算回路82及び1の補数演算回路83を備えている。アドレス対応テーブル73から得られたアドレスmは+1加算回路82を経てm+1となって第1バッファメモリ70Aのアドレスポートに与えられると共に、アドレスmがそのまま第2バッファメモリ70Bのアドレスポートに与えられる。また、アドレス対応テーブル73から得られた補間係数qは、1の補数演算回路83を経て1−qとなり、qと1−qが主演算回路81に与えられる。
【0063】
主演算回路81は、第1バッファメモリ70Aから読み出されたデータd1に1−qを掛けた値(1−q)d1と第2バッファメモリ70Bから読み出されたデータd2にqを掛けた値q×d2とを加算して、データ位置(m+q)におけるデータd=(1−q)d1+q×d2を算出する。こうして算出された等間隔の位置ごとのデータが補間演算部74から出力される。
【0064】
なお、図9では、アドレスmのデータd1とアドレスm+1のデータd2を同時に読み出して高速演算を行うために第1及び第2のバッファメモリ70A及び70Bを設け、第1AD変換器41からのサンプリングデータを第1及び第2のバッファメモリ70A及び70Bに記憶させている。アドレスmのデータd1とアドレスm+1のデータd2を時間的にずらして読み出す場合は図6に示したように、1つのバッファメモリ70で足りる。
【0065】
これまでの説明では、図7に示したように、走査範囲の左端位置(+D)から右端位置(−D)までのサンプリングデータを全て読み出す対象としたが、実際には、両端部のサンプリングデータは使用しないようにゲート信号を用いてデータ読み出し制御を行っている。つまり、図7で位置の中央部(ゼロクロス)を中心とする所定の範囲内のサンプリングデータを読み出すようにしている。
【0066】
図10は、ゲート信号を用いた読み出し制御の例を示す図である。(a)は、アドレス対応テーブルを用いてサンプリングデータを等間隔の位置ごとのデータに変換した後の走査を模式的に示している。また、往復走査における復路(逆方向走査)で得られたサンプリングデータについてアドレスの順序を逆にする処理を完了した状態を示している。(b)は、等間隔の位置ごとのデータ列を模式的に示している。(c)は、上述のゲート信号を表している。この信号がHレベルの期間だけデータ読み出しが有効になる。
【0067】
図10(d)は、ゲート信号を時間軸の前側へ少しずらした状態を示している。このように、ゲート信号をずらすことにより、読み出すデータ範囲の中心を走査範囲の中心からずらすことができる。これによって前述のオフセット調整が可能になる。もちろん、ゲート信号をずらさないでアドレス対応テーブルにおける等間隔の位置nに対するアドレス(データ位置)mの値をずらすことによってもオフセット調整が可能である。
【0068】
また、アドレス対応テーブルにおける等間隔の位置nに対するアドレス(データ位置)mの値を信号処理系の遅れ時間に応じて補正する。片方向走査の場合はこの遅れ時間補正が必ずしも必要ではないが、往復走査の場合は遅れ時間が往路と復路とで互いに逆方向に作用するので、遅れ時間補正が必要となる。
【0069】
また、図10(e)は、片方向走査を行う場合のゲート信号を示している。このように、ゲート信号を替えることによって、片方向(往路)のデータの読み出しのみを有効とすることができる。
【0070】
図11は、走査モード等の測定条件の設定が完了した段階で実行するアドレス対応テーブルの生成処理のフローチャートである。ステップ#101で逆三角関数(arccos)演算によりデータ位置mを計算する。ステップ#102で主として信号処理系の遅れ時間の補正量を加算する。続くステップ#103でオフセット調整量を加算する。
【0071】
次のステップ#104で、上記のようにして求められたデータ位置mの整数部を改めてアドレスmとすると共に、小数部を補間係数qとする。こうして、等間隔の位置nとそれぞれの位置nに対応するアドレスm及び補間係数qからなるアドレス対応テーブルが生成される。
【0072】
次のステップ#105で往復走査が設定されているか否かをチェックし、往復走査が設定されている場合は往復走査用のゲート信号が選択される(ステップ#106)。往復走査が設定されていない場合は前述のような片方向走査用のゲート信号が選択される(ステップ#107)。次のステップ#108で、上記のようにして生成されたアドレス対応テーブルを記憶し、処理を終了する。
【0073】
以上、適宜変形例を含めながら本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記の実施形態に限らず、種々の形態で実施することができる。例えば、上記の実施形態の共焦点顕微鏡は反射型の顕微鏡であるが、透過型の共焦点顕微鏡にも本発明を適用することができる。透過型の顕微鏡の場合は、試料の裏面から共焦点光学系のレーザ光及び非共焦点光学系の白色光が照射される。共焦点光学系の光源はレーザ光源を含む単色光源はもちろんのこと、複数波長を含むものであってもよい。非共焦点光学系の光源は自然光又は室内光で代用することもできる。
【0074】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の共焦点顕微鏡によれば、共振型スキャナによって一定時間ごとにサンプリングされた非等間隔のサンプリングデータを、バッファメモリを用いたアドレス変換処理によって、等間隔の画素位置の受光情報に変換することができる。これによって、生成された画像の中央部が間延びして周辺部が詰まる歪を解消することができる。また、順方向走査におけるサンプリングデータを読み出すアドレスの順番と逆方向走査におけるサンプリングデータを読み出すアドレスの順番とを互いに逆方向にすることにより、共振型スキャナによる往復走査を比較的容易に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係る共焦点顕微鏡システムの概略構成を示す図である。
【図2】対物レンズのZ方向位置に応じて変化する受光量データの例を示すグラフである。
【図3】共焦点顕微鏡システムのコントローラに外部コンピュータシステムを接続したハードウェア構成例を示すブロック図である。
【図4】走査モードの選択を含む測定条件の設定のための画面表示の例を示す図である。
【図5】図4の画面表示における測定条件の設定のための領域の拡大図である。
【図6】共振型スキャナを用いた走査で得られた受光量のサンプリングデータから等間隔位置の受光量データを得るための構成を示すブロック図である。
【図7】共振型スキャナによる走査スポットの位置変化(正確にはミラーの角度変化)を示すグラフである。
【図8】等間隔位置nと読み出しアドレスm及び補間係数qとの対応関係を示すアドレス対応テーブルの例を示す図である。
【図9】補間演算部の構成例を示すブロック図である。
【図10】ゲート信号を用いた読み出し制御の例を示す図である。
【図11】走査モード等の測定条件の設定が完了した段階で実行するアドレス対応テーブルの生成処理のフローチャートである。
【符号の説明】
1 共焦点顕微鏡システム
2 共焦点光学系
14a 水平走査装置(共振型スキャナ)
14b 垂直走査装置(ガルバノスキャナ)
19 受光素子
47,51 表示装置
70、70A,70B バッファメモリ
73 アドレス対応テーブル
74 補間演算部
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention scans a sample surface within a measurement range determined by an optical magnification with light, receives light from the sample with a light receiving element via a confocal optical system, and adjusts the height of the sample surface based on the received light information. The present invention relates to a confocal microscope for acquiring distribution information or image information, and more particularly, to a confocal microscope in which at least a part of an optical scanning unit is configured by a resonance type scanner.
[0002]
[Prior art]
In measurement of a sample using a confocal microscope, the surface of the sample is scanned with light (for example, laser light) by an optical scanning unit. Light from the sample (for example, reflected light) is received by a light receiving element via a confocal optical system, and based on the amount of received light, information such as height distribution information of the sample and an ultra-deep image (an image having a very deep focal depth) is obtained. Image information is obtained. When the distance between the sample placed on the stage and the objective lens is changed in the direction of the optical axis, the intensity (light receiving amount) of light incident on the light-receiving element through the pinhole of the confocal optical system changes. When the surface is focused, the amount of received light is maximized. Therefore, height information of the surface of the sample is calculated from the distance information between the sample and the objective lens when the maximum amount of received light is obtained, and the height distribution of the surface of the sample is obtained by scanning the surface of the sample with light. be able to.
[0003]
Also, by combining information on the amount of light received when each point (pixel) on the sample surface is in focus (that is, information on the maximum amount of light received by each pixel), a monochrome image of the sample surface with a very deep depth of focus can be obtained. Obtainable. This image is a so-called super-depth image. Alternatively, if the distance between the sample and the objective lens when the maximum amount of received light is obtained at an arbitrary pixel of interest is fixed, the amount of light received by the pixel at the portion where the height difference from the portion of the pixel of interest is large becomes extremely small. An image (so-called slice image) in which only the portion having the same height as the pixel is bright can be obtained.
[0004]
The optical scanning means of the confocal microscope as described above is usually a two-dimensional optical scanning means comprising a horizontal scanning means and a vertical scanning means. In this case, a galvano (electromagnetic) scanner is used for the vertical scanning means having a relatively long scanning cycle (low frequency), and a resonant (resonant) scanner is used for the horizontal scanning means having a short scanning cycle (high frequency). Often used.
[0005]
While a galvano scanner can change the angle of a mirror at approximately the same speed, a resonant (resonant) scanner changes the angle of the mirror by vibration using a sine wave as a drive signal, so the angular velocity is sinusoidal. , And becomes maximum near the center of the scanning range, and the angular velocity approaches zero as approaching both ends of the scanning range. Therefore, a dimensional difference in the scanning direction per pixel between the center and both ends of an image obtained by optical scanning appears as image distortion. That is, distortion occurs in which the central portion of the image is extended and the peripheral portion is blocked.
[0006]
In order to suppress this image distortion, it is necessary to use a portion near the center of the scanning range of the resonance type scanner where the angular velocity changes relatively linearly, that is, a portion which changes substantially linearly around the zero cross of the sine wave. There is. However, it is necessary to secure a certain adjustment area outside the area actually used, such as in the case of performing offset adjustment for alignment with a color image obtained by a color image sensor. For this reason, it is advantageous to be able to effectively use a region as large as possible including a portion with nonlinear distortion near both ends in the scanning range of the resonance type scanner.
[0007]
Also, due to the characteristics of the resonance type scanner, the time required for the forward path and the time required for the return path are the same. Therefore, when only the outward path is used for scanning, only half of one cycle is used, and the other half is wasted time. Therefore, it is conceivable to perform reciprocal scanning that also effectively uses the return path.
[0008]
As described above, as a conventional technique for effectively utilizing a portion with non-linear distortion near both ends of the scanning range of the resonance type scanner, an auxiliary laser beam is applied to the back surface of the mirror of the resonance type scanner. There is a method of sampling a sample at non-equidistant timing obtained by scanning a pattern at regular intervals with reflected light (see, for example, JP-A-2000-147395). At this time, by reversing the arrangement order of the sampling data on the return path using the line memory, reciprocal scanning becomes possible.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional method as described above requires an optical system for irradiating the back surface of the mirror of the resonance type scanner with auxiliary laser light and scanning the equally-spaced pattern with the reflected light, and the structure is complicated accordingly. become. In addition, precision processing technology is required.
[0010]
The present invention has been made in view of the above-described problems, and effectively utilizes a portion of the scanning range of the resonance type scanner having nonlinear distortion near both ends thereof without adding a new optical system, and performs reciprocating scanning. It is an object to provide a confocal microscope that has been made possible.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The confocal microscope of the present invention scans a sample surface within a measurement range determined by optical magnification with light, receives light from the sample with a light receiving element via a confocal optical system, and based on the received light information, the sample surface. A confocal microscope for acquiring height distribution information or image information, wherein at least a part of light scanning means for scanning a sample surface with light is configured using a resonance type scanner, and the resonance type scanner The light-receiving information obtained by receiving light from the scanned sample by the light-receiving element is sampled at predetermined time intervals, stored in a buffer memory, and according to an address correspondence table obtained by an arithmetic process including an inverse trigonometric function operation. By reading out the sampling data stored in the buffer memory at non-equidistant addresses, each pixel position at substantially equal intervals on the sample surface within the measurement range is read. And obtaining the reception information.
[0012]
According to such a configuration, unequally-spaced sampled data sampled at regular time intervals is obtained by an address conversion process using a buffer memory, instead of a method of adding an optical system as described in the related art. Can be converted into the light reception information of the pixel position. Thus, it is possible to eliminate the distortion in which the central portion of the generated image is extended and the peripheral portion is blocked.
[0013]
In a preferred embodiment, in order to realize the reciprocating scanning by the resonance type scanner, in the address correspondence table, the order of the address for reading out the sampling data in the forward scanning and the order of the address for reading out the sampling data in the backward scanning are set in opposite directions. I have to.
[0014]
In another preferred embodiment, when the sampling data is read from the buffer memory at non-equidistant addresses according to the address correspondence table, the interpolation processing is performed by using the sampling data of two adjacent addresses, so that the pixels at substantially equal intervals are read. Increase the accuracy of the received light information of the position. That is, since the addresses corresponding to the equally-spaced pixel positions obtained by the inverse trigonometric function operation are values including fractions after the decimal point, interpolation processing is performed using sampling data of two adjacent addresses using the fractions as interpolation coefficients. By doing so, the accuracy is increased.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0016]
FIG. 1 shows a schematic configuration of a confocal microscope system according to an embodiment of the present invention. The confocal microscope system 1 includes a confocal microscope having a confocal optical system 2 and a non-confocal optical system 3, a laser driving circuit 44, a first AD converter 41, a CCD driving circuit 43, and a second AD converter of the confocal microscope. 42, a controller including an objective lens moving mechanism 40, a controller 46 using a microcomputer, and the like, and a display device 47 and an input device 48 connected to the controller.
[0017]
First, the confocal optical system 2 of the confocal microscope and its signal processing will be described. The confocal optical system 2 includes a light source 10 for irradiating the sample wk with monochromatic light (for example, laser light), a first collimating lens 11, a polarizing beam splitter 12, a quarter-wave plate 13, a horizontal scanning device 14a, and vertical scanning. The device 14b includes a first relay lens 15, a second relay lens 16, an objective lens 17, an imaging lens 18, a pinhole plate 9, a light receiving element 19, and the like.
[0018]
As the light source 10, for example, a semiconductor laser that emits blue laser light is used. Laser light emitted from the light source 10 driven by the laser drive circuit 44 passes through the first collimator lens 11, the optical path is bent by the polarization beam splitter 12, and passes through the 波長 wavelength plate 13. Then, after being deflected in the horizontal (horizontal) direction and the vertical (vertical) direction by the horizontal scanning device 14a and the vertical scanning device 14b, the light passes through the first relay lens 15 and the second relay lens 16, and is sampled by the objective lens 17. The light is focused on the surface of the sample wk placed on the stage 30.
[0019]
The horizontal scanning device 14a is configured by a resonant (resonant type) scanner, and the vertical scanning device 14b is configured by a galvano (electromagnetic) scanner. By deflecting the laser light in both the horizontal and vertical directions, the surface of the sample wk is scanned with the laser light. For convenience of description, the horizontal direction is referred to as an X direction, and the vertical direction is referred to as a Y direction. The objective lens 17 is driven in the Z direction (optical axis direction) by the objective lens moving mechanism 40. Thereby, the distance in the optical axis direction between the focus of the objective lens 17 and the sample wk can be changed.
[0020]
However, the distance in the optical axis direction between the focal point of the objective lens 17 and the sample wk can be changed by another method. For example, instead of driving the objective lens 17 in the Z direction, the sample stage 30 may be driven in the Z direction. Alternatively, a configuration in which the focal point of the objective lens 17 is moved in the Z direction by inserting a lens whose refractive index changes between the objective lens 17 and the sample wk is also possible. The sample stage 30 can be displaced in the X, Y, and Z directions by manual operation.
[0021]
In the confocal microscope of the present embodiment, the objective lens 17 can be electrically moved in the Z-axis direction via the objective lens moving mechanism 40 by a control signal from the control unit 46, and the sample stage 30 is provided with a stage manual operation mechanism. It can be displaced in the X direction, the Y direction and the Z direction by a manual operation via 31. In addition, the objective lens 17 can be moved up and down via the control unit 46 and the objective lens moving mechanism 40 by a key operation of the input device 48 (for example, an operation of an up / down key).
[0022]
The laser light reflected by the sample wk reverses the above optical path. That is, the light passes through the objective lens 17, the second relay lens 16, and the first relay lens 15, and again passes through the quarter-wave plate 13 via the horizontal scanning device 14a and the vertical scanning device 14b. As a result, the laser light passes through the polarization beam splitter 12 and is condensed by the imaging lens 18. The condensed laser light passes through the pinhole of the pinhole plate 9 disposed at the focal position of the imaging lens 18 and enters the light receiving element 19. The light receiving element 19 is composed of, for example, a photomultiplier tube (photomultiplier tube) or a photodiode, and converts the amount of received light into an electric signal. The electric signal corresponding to the amount of received light is provided to the first AD converter 41 via an output amplifier and a gain control circuit (not shown), and is converted into a digital value.
[0023]
The height (depth) information of the sample wk can be acquired by the confocal optical system 2 configured as described above. The principle will be briefly described below.
[0024]
As described above, when the objective lens 17 is driven in the Z direction (optical axis direction) by the objective lens moving mechanism 40, the distance in the optical axis direction between the focus of the objective lens 17 and the sample wk changes. When the focal point of the objective lens 17 is focused on the surface of the sample wk, the laser light reflected on the surface of the sample wk is condensed by the imaging lens 18 via the above optical path, and almost all the laser light is It passes through the pinhole of the pinhole plate 9. Therefore, at this time, the amount of light received by the light receiving element 19 is maximized. Conversely, when the focus of the objective lens 17 is shifted from the surface of the sample wk, the laser light condensed by the imaging lens 18 focuses on a position shifted from the pinhole plate 9, so that a part of the laser beam is focused. Only light can pass through the pinhole. As a result, the amount of light received by the light receiving element 19 is significantly reduced.
[0025]
Therefore, if the amount of light received by the light receiving element 19 is detected at any point on the surface of the sample wk while driving the objective lens 17 in the Z direction (optical axis direction), the objective lens 17 when the amount of received light is maximized is detected. (Distance in the optical axis direction between the focal point of the objective lens 17 and the sample wk) can be uniquely obtained as height information.
[0026]
Actually, each time the objective lens 17 is moved by one step (one pitch), the horizontal scanning device 14a and the vertical scanning device 14b scan the surface of the sample wk to obtain the amount of light received by the light receiving element 19. When the objective lens 17 is moved in the Z direction from the lower end to the upper end of the measurement range in the Z direction, light reception amount data that changes according to the Z direction position is obtained for each point (pixel) in the scanning range.
[0027]
FIG. 2 is a graph showing an example of received light amount data that changes according to the Z-direction position of the objective lens 17. Based on such received light amount data, the maximum received light amount and the Z-direction position at that time are obtained for each point (pixel). Therefore, the distribution of the surface height of the sample wk on the XY plane is obtained.
[0028]
The obtained surface height distribution information can be displayed on the monitor screen of the display device 47 by several methods. For example, the height distribution (surface shape) of the sample can be displayed three-dimensionally by three-dimensional display. Alternatively, the height data can be converted into luminance data to be displayed as a two-dimensional distribution of brightness. By converting the height data into color difference data, the height distribution can be displayed as a color distribution.
[0029]
Further, a surface image (monochrome image) of the sample wk can be obtained from a luminance signal using the received light amount obtained for each point (pixel) in the XY scanning range as luminance data. If a luminance signal is generated using the maximum amount of received light in each pixel as luminance data, an ultra-deep image with an extremely deep focal depth focused at each point having a different surface height can be obtained. When the height (Z direction position) at which the maximum amount of received light is obtained at an arbitrary target pixel is fixed, the amount of received light of a pixel having a large height difference from the target pixel becomes extremely small. A bright image is obtained only in the portion having the same height as.
[0030]
Next, the non-confocal optical system 3 provided in the confocal microscope and its signal processing will be described. The non-confocal optical system 3 includes a white light source 20, a second collimating lens 21, a first half mirror 22, a second half mirror 23, and a color for irradiating the sample wk with white light (illumination light for capturing a color image). It includes a CCD (image sensor) 24 and the like. In addition, the non-confocal optical system 3 shares the objective lens 17 of the confocal optical system 2, and the optical axes of the two optical systems 1 and 2 partially match.
[0031]
For example, a white lamp is used as the white light source 20, but natural light or indoor light may be used. The white light emitted from the white light source 20 passes through the second collimating lens 21, the optical path is bent by the first half mirror 22, and is focused on the surface of the sample wk placed on the sample stage 30 by the objective lens 17. .
[0032]
The white light reflected by the sample wk passes through the objective lens 17, the first half mirror 22, and the second relay lens 16, is reflected by the second half mirror 23, enters the color CCD 24, and forms an image. The color CCD 24 is provided at a position conjugate with or close to the pinhole of the pinhole plate 9 of the confocal optical system 2. The color image picked up by the color CCD 24 is read out by the CCD drive circuit 43, and its analog output signal is given to the second AD converter 42 and converted into a digital value. The color image thus obtained is displayed on the monitor screen of the display device 47 as an enlarged color image for observing the sample wk.
[0033]
In addition, the super-depth image obtained by the confocal optical system 2 and the normal color image obtained by the non-confocal optical system 3 are combined, and a deep color super-depth having a focal depth substantially in focus at all pixels. Images can also be generated and displayed.
[0034]
The controller including the control unit 46 is also in charge of the processing regarding the color image as described above. An input device 48 such as a console (operation console) and a display device 47 such as a CRT (cathode ray tube) or an LCD (liquid crystal display device) are connected to the controller. A pointing device such as a mouse is also connected as the input device 48.
[0035]
The user can set various measurement parameters using the input device 48 according to the guidance displayed on the screen of the display device 47. For example, a moving range (measurement range) and a moving pitch of the objective lens 17 in the Z direction are set. Alternatively, by setting the light receiving sensitivity (PMT gain) of the light receiving element 19 and the amount of attenuation by the ND filter according to the light reflectance of the surface of the sample wk, etc., the super-depth image or the slice image displayed on the screen is appropriate. Adjust so that the brightness (brightness) is high. Further, the shutter speed, gain, and white balance for obtaining a color image by the color CCD 24 are set. In addition, various scan modes are set as described later.
[0036]
Further, the confocal microscope system 1 (controller thereof) of the present embodiment is also provided with an interface for connecting an external computer system such as a personal computer. By connecting the external computer system with the dedicated software installed to the confocal microscope system 1, the above-described measurement conditions are set on the screen of the external computer system, or the processing of images acquired by the confocal microscope system 1 is performed. Can be displayed on the screen of the external computer system and processed.
[0037]
FIG. 3 is a block diagram illustrating an example of a hardware configuration in which an external computer system 50 is connected to a controller of the confocal microscope system 1. The external computer system 50 includes a display device 51 such as a CRT or LCD, a keyboard 52, a mouse (or another pointing device) 53, a communication interface 54 such as an RS232C, a USB (universal serial bus), IEEE1394, and a processing device (CPU). 55, a main memory 56 as a semiconductor storage medium, a fixed disk device 57 as an auxiliary storage device, and a removable disk device 58.
[0038]
The dedicated software for controlling the confocal microscope system 1 is supplied in a state stored in a storage medium 59 such as a CD-ROM, and is supplied from the storage medium 59 by a removable disk device 58 such as a CD-ROM drive. It is read and installed in the fixed disk device 57. The program installed in the fixed disk device 57 is loaded into the main memory 56 and executed by the processing device 55.
[0039]
The processing executed by such dedicated software includes processing for setting measurement conditions of the confocal microscope system 1 and processing of an image obtained as a result of the measurement. Next, the selection of the scanning mode in the screen display for setting the measurement conditions will be described.
[0040]
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a screen display for setting measurement conditions including selection of a scanning mode. In a screen display 60 displayed on the display device 51, a left area 61 is obtained from a color image obtained from the color CCD 24 of the non-confocal optical system 3 of the confocal microscope system 1 or from a light receiving element 19 of the confocal optical system 2. An area for displaying the obtained confocal image or the measurement result of the height distribution and the like, and on the right side thereof, a vertically long area 62 for setting measurement conditions is displayed.
[0041]
FIG. 5 is an enlarged view of an area 62 for setting measurement conditions in the screen display 60 of FIG. A selection block 63 for selecting a scanning mode is provided on the right side of the portion where “scan setting” is displayed. When the downward triangle mark on the right end of the selection block 63 is clicked with the mouse 53, a pull-down menu 64 as shown in FIG. 5 appears. The pull-down menu 64 includes five types of scanning modes “Normal”, “Part 1/2”, “Part 1/3”, “Skip”, and “Skip 1/2” as options. One scanning mode can be selected from these options using the mouse 53.
[0042]
“Normal” is a normal scanning mode in which the scanning range is the entire measurement range on the XY plane determined by the optical magnification and the number of scanning lines is the maximum number (for example, 768). In "Part 1/2", the vertical scanning range becomes 1/2 of the central portion of the whole, and the number of scanning lines also becomes 1/2 (for example, 384) accordingly. In “Part 1/3”, the vertical scanning range becomes 1/3 of the central portion of the whole, and the number of scanning lines becomes 1/3 accordingly.
[0043]
In “skip”, the scanning range is the entire measurement range, but the number of scanning lines is halved. That is, the interval between adjacent scanning lines is doubled. In the “skip 1/2”, the interval between adjacent scanning lines is doubled, and the vertical scanning range is the central half of the whole. Therefore, the number of scanning lines is reduced to 1/4. Note that the horizontal scanning range does not change in any of the scanning modes and is equal to the horizontal length of the entire measurement range. If the interval between adjacent scanning lines is doubled due to skipping, pixel data between the scanning lines is generated by interpolation.
[0044]
In FIG. 5, although partially hidden by the pull-down menu 64, "double scan" is displayed below the portion where "scan setting" is displayed, and a check box 65 is provided on the left side. When the user checks this check box 65 with the mouse 53, reciprocal scanning is set for horizontal scanning, and when unchecked, normal one-way scanning is set.
[0045]
As described above, the horizontal scanning device 14a for horizontal scanning is constituted by a resonant (resonant type) scanner, and the reflection surface of the mirror vibrates at a predetermined frequency in a self-excited manner by a sine wave drive signal. Therefore, the time required for the forward path and the return path are the same (half cycle) and the phase changes are the same, so that reciprocal scanning is possible. In the case of performing reciprocal scanning, if the number of horizontal scans per vertical scan is the same as in the case of one-way scanning, apparently twice the number of scanning lines can be obtained, and the measurement accuracy is improved accordingly. Become. Conversely, even if the number of horizontal scans per vertical scan is reduced by half, the apparent number of scan lines is the same, so that the measurement accuracy hardly decreases. If the number of horizontal scans per vertical scan is reduced by half, the time required for the entire measurement is reduced by nearly half.
[0046]
However, since the resonance type scanner changes the angle of the mirror by vibration using a sine wave as a drive signal, the angular velocity changes like a sine wave, becomes maximum near the center of the scanning range, and becomes closer to both ends of the scanning range. Approaches zero. Therefore, a dimensional difference in the scanning direction per pixel between the center and both ends of an image obtained by optical scanning appears as image distortion. That is, distortion occurs in which the central portion of the image is extended and the peripheral portion is blocked.
[0047]
As a method for eliminating this image distortion, in the confocal microscope system 1 of the present embodiment, the received light information is sampled at regular time intervals and stored in a buffer memory, and the address correspondence obtained by an arithmetic processing including an inverse trigonometric function operation is calculated. The sampling data stored in the buffer memory is read out at non-equidistant addresses in accordance with the table, thereby obtaining light receiving information at substantially equally spaced pixel positions on the sample surface within the measurement range.
[0048]
FIG. 6 is a block diagram showing a configuration for obtaining received light amount data at equally spaced positions from sampling data of received light amounts obtained by scanning using a resonance scanner in the present embodiment. The voltage signal output from the light receiving element 19 is converted into a digital value by the first AD converter 41. At this time, a digital value is input to the buffer memory 70 as sampling data at predetermined time intervals according to a timing signal given from the timing generator 71. The buffer memory 70 stores the input sampling data at regular intervals in the order of addresses.
[0049]
The read address generator 72 performs addressing of the buffer memory 70 in accordance with an address correspondence table 73 described later, so that (part of) the data stored in the buffer memory 70 is read at non-equidistant addresses. As a result, the received light amount data for each pixel position at equal intervals is read. As will be described later, the address correspondence table 73 is obtained by an arithmetic processing including an inverse trigonometric function operation at the stage when the measurement condition including the scanning mode is set, and is stored in the memory.
[0050]
The data read out from the data stored in the buffer memory 70 at the non-equidistant addresses may be used as it is as the received light amount data for each of the equally-distant pixel positions. However, in the configuration shown in FIG. As a result, the accuracy of the received light amount data for each pixel position at equal intervals is improved. In other words, since the addresses corresponding to the equally-spaced pixel positions obtained by the inverse trigonometric function operation are values including fractions after the decimal point, interpolation processing is performed using sampling data of two adjacent addresses using the fractions as interpolation coefficients. By doing so, the accuracy is increased. Details of this interpolation calculation will be described later.
[0051]
When the reciprocating scanning mode is selected when the address correspondence table 73 is generated, the order of the address for reading the sampling data in the forward scanning and the order of the address for reading the sampling data in the reverse scanning are set in opposite directions. I have to.
[0052]
Next, the address correspondence table 73 will be described. FIG. 7 is a graph showing a change in the position of the scanning spot (light spot) by the resonance type scanner (more precisely, a change in the angle of the mirror). For example, when the time changes from t0, t1,... T14, it is assumed that the position of the light spot changes from the left end (+ D) to the right end (-D). Of course, the actual sampling time is finer.
[0053]
Since the angle of the mirror changes sinusoidally in the resonance type scanner, the position of the scanning spot corresponding to the equally spaced times t0, t1,... T14 is, as shown in FIG. , And become unequally spaced at both ends. Therefore, if data of the amount of received light sampled at regular intervals is used as it is as pixel data at equal intervals, a distortion occurs in which the central portion of the image is extended and the peripheral portion is clogged. FIG. 7B shows a state in which the times t0, t1,... T14 are non-equidistant when the positions of the scanning spots are made equidistant.
[0054]
7A and 7B, when the position of the scanning spot is P, the scanning period is T, and the times t0, t1,... T14 are represented by a variable t, the trigonometric function (cosine function) cos If used, P = Dcos (2πt / T). If an inverse trigonometric function (inverse cosine function) arccos is used, t = (T / (2π)) arccos (P / D). For example, the time t0 corresponding to the position of P = + D (left end) is (T / (2π)) arccos (1) = 0, and the time t14 corresponding to the position of P = −D (right end) is (T / (2π )) Arccos (-1) = T / 2. In general, when a moving pitch (corresponding to a pixel pitch) of a position of a scanning spot is a and n is a natural number, a time t (n) corresponding to a position of P = D (1-an) is t (n). ) = (T / (2π)) arccos (1-an).
[0055]
Therefore, if the sampling data at the time t (n) is in the buffer memory 70, by reading it out, it is possible to obtain the received light amount data at the equally spaced position P = D (1-an). Since data sampled at fixed time intervals is stored in the buffer memory in the order of addresses, if the time t (n) is obtained, the corresponding address is obtained, and desired light receiving amount data is obtained. Actually, the address corresponding to the time t (n) calculated does not become an integer, but a fraction below the decimal point occurs. In this case, processing for rounding to an integer value is performed, or interpolation processing is performed using sampling data of two adjacent addresses. In the present embodiment, the accuracy is increased by performing the interpolation processing. Details will be described later. Note that the order of addresses to be read out needs to be reversed for sampling data obtained by reverse scanning when performing reciprocal scanning.
[0056]
Next, the above description will be supplemented with specific numerical values. For example, when the scanning cycle T is 125 μsec (oscillation frequency 8 kHz) and the sampling frequency is 30 MHz, 3750 sampling data can be obtained per scanning cycle. This is the case of reciprocal scanning, and 1875 pieces of sampling data are obtained per one-directional scanning.
[0057]
As described above, 3750 pieces of sampling data of the reciprocating scanning are obtained and stored in the buffer memory 70 in the order of addresses. Consider a case where a part of the stored data is read out at a rate of 18 MHz and displayed on a screen. At this time, the number of data read out during the horizontal scanning cycle of 125 μsec is 2250, which is 1125 per one-direction scanning.
[0058]
When the normalized position signal changes from +1 (left end) to -1 (right end), it means that the screen has been scanned from the left end to the right end. Assuming that the position data corresponding to the n-th position is 1-2n / 1125, the time t (n) at this time is represented by t (n) = (T / (2π)) arccos (1-2n / 1125). You.
[0059]
Since the data position (corresponding to an address) at time T / 2 is 1875, the data position m at time t (n) is m = 1875 × tn × 2 / T. If a value obtained by rounding the obtained data position m to an integer is set as the address m again, the data at the address n is obtained by reading the data at the address m at the n-th read pulse.
[0060]
In practice, the calculated data position m includes a fraction after the decimal point. For example, when m = 123.4 is obtained, if interpolation processing is performed using two data of addresses m = 123 and m = 124, highly accurate data at the actual data position m = 123.4 is obtained. Can be Assuming that the data at address m = 123 is d1 and the data at address m = 124 is d2, the data d at data position m = 123.4 is d = 0.6d1 + 0.4d2 by linear interpolation. In general, if the fraction below the decimal point (corresponding to the interpolation coefficient) of the data position m is q, linear interpolation calculation using data d1 of an address of an integer part of m and data d2 of an adjacent (+1) address is performed. Thus, d = (1−q) d1 + q × d2.
[0061]
When the relationship between the equally-spaced position and the address of the buffer memory corresponding thereto is determined at the stage when the measurement conditions such as the scanning mode are set and stored as an address correspondence table, the above-mentioned fraction (interpolation coefficient ) May be stored in association with the equally spaced positions. FIG. 8 is a diagram illustrating an example of an address correspondence table indicating the correspondence between the equally-spaced position n, the read address m, and the interpolation coefficient q. The interpolation calculation unit 74 in the block diagram shown in FIG. 6 executes the above-described linear interpolation processing using the interpolation coefficients stored in the address correspondence table.
[0062]
FIG. 9 is a block diagram illustrating a configuration example of the interpolation calculation unit 74. The interpolation operation unit 74 includes a main operation circuit 81, a +1 addition circuit 82, and a one's complement operation circuit 83. The address m obtained from the address correspondence table 73 becomes +1 through the +1 adding circuit 82 and is given to the address port of the first buffer memory 70A, and the address m is given to the address port of the second buffer memory 70B as it is. The interpolation coefficient q obtained from the address correspondence table 73 becomes 1-q via the one's complement operation circuit 83, and q and 1-q are given to the main operation circuit 81.
[0063]
The main operation circuit 81 multiplies the value (1-q) d1 obtained by multiplying the data d1 read from the first buffer memory 70A by 1-q and the data d2 read from the second buffer memory 70B by q. By adding the value q × d2, data d = (1−q) d1 + q × d2 at the data position (m + q) is calculated. The data for each position at equal intervals calculated in this way is output from the interpolation calculation unit 74.
[0064]
In FIG. 9, first and second buffer memories 70A and 70B are provided for simultaneously reading out the data d1 of the address m and the data d2 of the address m + 1 and performing a high-speed operation, and the sampling data from the first AD converter 41 is provided. Are stored in the first and second buffer memories 70A and 70B. When the data d1 at the address m and the data d2 at the address m + 1 are read out with a time lag, one buffer memory 70 is sufficient as shown in FIG.
[0065]
In the description so far, as shown in FIG. 7, all the sampling data from the left end position (+ D) to the right end position (-D) of the scanning range is to be read. Is controlled by using a gate signal so as not to use. That is, in FIG. 7, the sampling data within a predetermined range centered on the center of the position (zero cross) is read.
[0066]
FIG. 10 is a diagram illustrating an example of read control using a gate signal. (A) schematically shows scanning after converting sampling data into data for each position at equal intervals using an address correspondence table. Also, a state is shown in which the process of reversing the address order for sampling data obtained on the return path (reverse scan) in reciprocal scanning has been completed. (B) schematically shows a data string for each position at equal intervals. (C) represents the gate signal described above. Data reading is valid only during the period when this signal is at the H level.
[0067]
FIG. 10D shows a state where the gate signal is slightly shifted to the front side of the time axis. Thus, by shifting the gate signal, the center of the data range to be read can be shifted from the center of the scanning range. This enables the offset adjustment described above. Of course, it is also possible to adjust the offset by shifting the value of the address (data position) m with respect to the equally spaced position n in the address correspondence table without shifting the gate signal.
[0068]
Further, the value of the address (data position) m with respect to the equally spaced position n in the address correspondence table is corrected according to the delay time of the signal processing system. In the case of one-way scanning, this delay time correction is not necessarily required, but in the case of reciprocal scanning, the delay time acts in the opposite directions on the outward and return paths, so that the delay time correction is required.
[0069]
FIG. 10E shows a gate signal when performing one-way scanning. In this way, by changing the gate signal, it is possible to make only the reading of data in one direction (outgoing path) effective.
[0070]
FIG. 11 is a flowchart of a process of generating an address correspondence table, which is executed when setting of measurement conditions such as a scanning mode is completed. In step # 101, a data position m is calculated by an inverse trigonometric function (arccos) operation. In step # 102, the correction amount of the delay time of the signal processing system is mainly added. In the next step # 103, the offset adjustment amount is added.
[0071]
In the next step # 104, the integer part of the data position m obtained as described above is set as the address m again, and the decimal part is set as the interpolation coefficient q. Thus, an address correspondence table including the equally spaced positions n, the addresses m corresponding to the respective positions n, and the interpolation coefficients q is generated.
[0072]
At the next step # 105, it is checked whether or not reciprocal scanning has been set. If reciprocal scanning has been set, a gate signal for reciprocal scanning is selected (step # 106). If the reciprocal scanning is not set, the gate signal for one-way scanning as described above is selected (step # 107). In the next step # 108, the address correspondence table generated as described above is stored, and the process ends.
[0073]
As described above, the embodiments of the present invention have been described while appropriately including the modified examples. However, the present invention is not limited to the above embodiments, and can be implemented in various forms. For example, the confocal microscope of the above embodiment is a reflection type microscope, but the present invention can also be applied to a transmission type confocal microscope. In the case of a transmission microscope, laser light of a confocal optical system and white light of a non-confocal optical system are emitted from the back surface of the sample. The light source of the confocal optical system may include not only a monochromatic light source including a laser light source but also a light source including a plurality of wavelengths. The light source of the non-confocal optical system can be replaced by natural light or room light.
[0074]
【The invention's effect】
As described above, according to the confocal microscope of the present invention, non-equidistant sampled data sampled at regular intervals by the resonance scanner is used to convert the equally-spaced pixel data by the address conversion process using the buffer memory. It can be converted into light receiving information of the position. Thus, it is possible to eliminate the distortion in which the central portion of the generated image is extended and the peripheral portion is blocked. In addition, by making the order of the address for reading out the sampling data in the forward scanning and the order of the address for reading out the sampling data in the reverse scanning opposite to each other, it is possible to relatively easily realize the reciprocating scanning by the resonance type scanner. it can.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a confocal microscope system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph illustrating an example of received light amount data that changes according to the Z-direction position of an objective lens.
FIG. 3 is a block diagram illustrating a hardware configuration example in which an external computer system is connected to a controller of the confocal microscope system.
FIG. 4 is a diagram showing an example of a screen display for setting a measurement condition including selection of a scanning mode.
FIG. 5 is an enlarged view of an area for setting measurement conditions in the screen display of FIG. 4;
FIG. 6 is a block diagram showing a configuration for obtaining light reception amount data at equal intervals from sampling data of the light reception amount obtained by scanning using a resonance type scanner.
FIG. 7 is a graph showing a change in the position of a scanning spot by a resonance-type scanner (more precisely, a change in the angle of a mirror).
FIG. 8 is a diagram illustrating an example of an address correspondence table indicating a correspondence relationship between an equally-spaced position n, a read address m, and an interpolation coefficient q.
FIG. 9 is a block diagram illustrating a configuration example of an interpolation operation unit.
FIG. 10 is a diagram illustrating an example of read control using a gate signal.
FIG. 11 is a flowchart of an address correspondence table generation process that is executed when setting of measurement conditions such as a scanning mode is completed.
[Explanation of symbols]
1 Confocal microscope system
2 Confocal optical system
14a Horizontal scanning device (resonant scanner)
14b Vertical scanning device (galvano scanner)
19 Light receiving element
47,51 display device
70, 70A, 70B buffer memory
73 Address Correspondence Table
74 interpolation calculator

Claims (3)

光学倍率によって決まる測定範囲内の試料表面を光で走査し、試料からの光を共焦点光学系を介して受光素子で受光し、その受光情報に基づいて前記試料表面の高さ分布情報又は画像情報を取得する共焦点顕微鏡であって、
光による試料表面の走査のための光走査手段の少なくとも一部が共振型スキャナを用いて構成され、
前記共振型スキャナによって光で走査された試料からの光を前記受光素子で受光して得られた受光情報を一定時間ごとにサンプリングしてバッファメモリに蓄積し、
逆三角関数演算を含む演算処理によって求められたアドレス対応テーブルにしたがって、前記バッファメモリに蓄積されたサンプリングデータを非等間隔のアドレスで読み出すことにより、測定範囲内の試料表面における略等間隔の画素位置ごとの受光情報を求めることを特徴とする共焦点顕微鏡。
A sample surface within a measurement range determined by an optical magnification is scanned with light, light from the sample is received by a light receiving element via a confocal optical system, and height distribution information or an image of the sample surface based on the received light information. A confocal microscope for acquiring information,
At least a part of the light scanning means for scanning the sample surface with light is configured using a resonance type scanner,
The light receiving information obtained by receiving the light from the sample scanned with light by the resonance scanner with the light receiving element is sampled at regular intervals and stored in a buffer memory,
By reading out the sampling data stored in the buffer memory at non-equidistant addresses in accordance with the address correspondence table obtained by the operation processing including the inverse trigonometric function operation, pixels at substantially equal intervals on the sample surface within the measurement range are read out. A confocal microscope characterized by obtaining light receiving information for each position.
前記共振型スキャナによる往復走査を実現するために、前記アドレス対応テーブルにおいて、順方向走査におけるサンプリングデータを読み出すアドレスの順番と逆方向走査におけるサンプリングデータを読み出すアドレスの順番とを互いに逆方向にしたことを特徴とする
請求項1記載の共焦点顕微鏡。
In order to realize the reciprocating scanning by the resonance type scanner, in the address correspondence table, the order of the address for reading the sampling data in the forward scanning and the order of the address for reading the sampling data in the reverse scanning are set to be opposite to each other. The confocal microscope according to claim 1, wherein:
前記アドレス対応テーブルにしたがって前記バッファメモリから非等間隔のアドレスでサンプリングデータを読み出す際に、隣接する2つのアドレスのサンプリングデータを用いて補間処理を行うことによって前記略等間隔の画素位置の受光情報の精度を高めることを特徴とする
請求項1又は2記載の共焦点顕微鏡。
When reading sampling data from the buffer memory at non-equidistant addresses in accordance with the address correspondence table, an interpolation process is performed using sampling data at two adjacent addresses to thereby obtain light reception information at the pixel positions at substantially equal intervals. 3. The confocal microscope according to claim 1, wherein the accuracy of the confocal microscope is increased.
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