JP2005172805A - 試料情報測定方法および走査型共焦点顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】 観察試料の表面形状を直感的で判りやすく表示することができるとともに、 ３次元情報取得の操作性を格段に向上することが可能な試料情報測定方法および走査型共焦点顕微鏡を提供すること。
【解決手段】 対物レンズを通して光源からの光を試料に照射し、対物レンズの集光位置と試料との相対的な位置を集束光の光軸方向に沿って離散的に変化させ、各相対位置での試料からの光強度情報をそれぞれ取得し、それら光強度情報群から複数の光強度情報を抽出し、抽出した複数の光強度情報に適合する変化曲線上の最大値と、それを与える相対位置を推定し、その推定した光強度情報の最大値と相対位置をそれぞれ輝度情報と高さ情報として取得するに際して、対物レンズの集光位置と試料との相対的な位置を集束光の光軸方向に沿って離散的に繰り返し往復動作させることで、試料の輝度情報と高さ情報を連続的に取得する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、試料情報測定方法および走査型共焦点顕微鏡に関し、特に、走査型共焦点顕微鏡を用いて試料の高さ方向に関する表面情報を測定して、試料の３次元的形状を視認し易いよう表示するための試料情報測定方法および走査型共焦点顕微鏡に関する。

従来、走査型共焦点顕微鏡は、試料に点状照明し、試料からの透過光または反射光、蛍光を共焦点絞り上に集光させる。その後、この共焦点絞りを透過する光の強度を光検出器で検出することによって試料の表面情報を取得している。また、点状照明を種々の方法によって試料面上を走査することにより、試料の広い範囲の表面情報を取得することができる。

図３０は、従来の走査型共焦点顕微鏡の概略的な構成を示す図である。
図３０に示す走査型共焦点顕微鏡では、光源１から出射した光が、ビームスプリッター２を透過した後、２次元走査機構３に入射する。２次元走査機構３は、第１の光スキャナ３ａと第２の光スキャナ３ｂとからなり、光束を２次元に走査し、対物レンズ７へと導く。対物レンズ７へ入射した光束は、集束光となって試料８の表面上を走査する。

試料８の表面で反射した光は、再び対物レンズ７から２次元走査機構３を介してビームスプリッター２に導入された後、ビームスプリッター２によって反射され結像レンズ９によってピンホール１０上に集光する。ピンホール１０により試料８の集光点以外からの反射光をカットし、ピンホール１０を通過する光だけを光検出器１１によって検出する。

試料８は、試料台１３上に載置されており、ステージ１４および光検出器１１は、コンピュータ１２によって制御されている。
ここで、対物レンズ７による集光位置は、ピンホール１０と光学的に共役な位置にあり、試料８が対物レンズ７による集光位置にある場合は、試料８からの反射光がピンホール１０上で集光してピンホール１０を通過する。試料８が対物レンズ７による集光位置からずれた位置にある場合は、試料８からの反射光はピンホール１０上では集光しておらず、ピンホール１０を通過しない。

図３１は、対物レンズ７と試料８の相対位置（Ｚ）と光検出器１１の出力（Ｉ）の関係を示す図である。
以下この関係をＩ−Ｚカーブと呼ぶ。

図３１に示すように、試料８が対物レンズ７の集光位置Ｚ₀にある場合、光検出器１１の出力は最大となり、この位置から対物レンズ７と試料８の相対位置が離れるに従い光検出器１１の出力は急激に低下する。

この特性により、２次元走査機構３によって集光点を２次元走査し、光検出器１１の出力を２次元走査機構３に同期して画像化すれば、試料８のある特定の高さのみが画像化され、試料８を光学的にスライスした画像（共焦点画像）が得られる。さらに、ステージ１４で試料８を光軸方向に離散的に移動させ、各位置で２次元走査機構３を走査して共焦点画像を取得し、試料８上の各点で光検出器１１の出力が最大になるステージ１４の位置を検出することにより試料８の高さ情報が得られる。また、試料各点における光検出器１１の出力の最大値を重ねて表示することにより、全ての面にピントの合った画像（以降、エクステンド画像）を得ることが出来る。

ところで、このような構成によって試料８の高さを計測する際、測定精度を高めようとするとステージ１４の１回当りの移動量を小さくすることが必要になり、計測に時間がかかる。そこで、ステージ１４の１回当りの移動量を小さくすることなく、試料８の高さ計測の精度を高める高さ測定方法が提案されている（特許文献１参照。）。

この方法では、ステージ１４をある移動量で動かしながら光検出器１１の出力を順次取得し、それらの中でその値が最大になっているところのステージ１４の位置、およびその前後の位置の計３点での光検出器１１の出力に基づいてＩ−Ｚカーブを２次曲線で近似し、光検出器１１の出力が本来最大となるステージ１４の位置をステージ１４の移動量以下の精度で求め、高さ情報を得ている。

また、高さ方向における試料の相対移動量を小さくすることなく、高分解能で試料の表面形状を計測することを目的として、試料の高さ方向において互いに異なる複数の高さ位置で共焦点画像をそれぞれ撮像し、これらの共焦点画像に基づき、画素ごとに以下のようにして当該画素に対応する試料の表面情報としての表面高さデータＨ（ｘ，ｙ）を求める技術が開示されている。（特許文献２参照。）
具体的には、高さ方向において光量が最大となる第１高さ位置Ｄ（ｍ）を求めるとともに、第１高さ位置Ｄ（ｍ）での第１光量Ｆm（ｘ，ｙ）と、第１高さ位置Ｄ（ｍ）の上方側および下方側でそれぞれ近接する第２および第３高さ位置Ｄ（ｍ−１），Ｄ（ｍ＋１）での第２および第３光量Ｆm−１（ｘ，ｙ），Ｆm＋１（ｘ，ｙ）を求める。そして、これらに基づき、高さ位置に対する光量の変化を示す２次曲線を求め、この２次曲線から光量の極値を求める。さらに、この極値に対応する高さ位置Ｄｍａｘを表面高さデータＨ（ｘ，ｙ）とするものである。

また、光軸方向に走査することなく試料の光軸方向位置及び３次元形状を得ることが可能な走査型共焦点顕微鏡が開示されている。この走査型共焦点顕微鏡は、レーザ光源と、このレーザ光源の出力光を開孔に通過させて出射させる共焦点スキャナと、この共焦点スキャナからの出射光を試料に集光する光学顕微鏡と、試料からの戻り光のうち共焦点スキャナの開孔を通過した光を撮影して断面画像を得る撮影手段と、光軸方向位置−光量特性に基づき断面画像の光量から試料の光軸方向位置を求める制御手段とを設けるというものである（特許文献３参照。）。
特開平９−６８４１３号公報 特開平９−１１３２３５号公報 特開平１１−２６４９３３号公報

上述のように、走査型共焦点顕微鏡などの３次元測定装置では、これらの従来技術を実際に利用し試料の立体的な形状を得ることができている。
しかしながら、以下のような前提のもとに使用されていること、及びそのために３次元の情報を得るための事前操作において不便さを感じることが時々ある。

すなわち、本来、３次元（Ｚ軸方向）の測定を行う場合、共焦点画像は試料のある特定の位置の高さのみの輝度情報を抽出した２次元（ＸＹ方向）画像であるので、Ｚ軸方向にこの焦点面を移動させながら情報を取得し加工しなければならないという問題点がある。

このことは、試料の高さ情報を得るにはＺ軸方向にある移動範囲を設定しておく必要があることを意味している。ところが、通常の走査では２次元画像しか得られないにもかかわらず、試料形状の微細なＺ軸方向の位置関係をどのように捉えるかというと、使用者がステージ１４を上下方向に移動させ、変化する共焦点画像を観察し、おおよその位置関係をつかんでから高さ情報を得るためのＺ軸方向の移動範囲を決定している。これは初心者には非常にイメージしにくい概念であり、また慣れていても煩わしい作業である。また、共焦点画像は合焦位置の輝度情報しか得ていないので、試料の形状によっては全体が真っ暗に近い画像となるときがあり、ステージ１４を移動させているうちにＺ軸のどの辺りにいるのか見失ってしまい不必要に上下動を繰り返す羽目になることもある。

また、上記作業を１度行えば出来上がった高さ情報が果たして適切に得られているのかという点においても習熱度が要求され、初心者には難しい条件出しの１つになっているという問題点がある。

一連の高さ情報取得動作が完了して高さ情報が得られると、それを３Ｄ表示や解析に利用したりするのが一般的な使われ方であるが、仮に取得条件が不適切であった場合、ここまで作業を行ってから初めて得られたデータに不備があることが判明する。高さ情報の不備の原因として考えられるのは、ステージ１４の移動中の共焦点画像に輝度飽和があること、ステージ１４の移動範囲や移動量設定が不適切であること、試料８表面の反射率が低くＳ／Ｎが悪いこと、急斜面であり反射光が得られていないことなどが挙げられる。

２次元画像である共焦点画像は、２次元走査機構３の走査に同期して連続的に更新されており、そのＺ軸位置において輝度飽和の有無や２次元走査範囲の設定が所望の範囲であるかなどは画像を見れば瞬時に判断がつき簡単に適切な設定に調整することができる。しかし、高さ情報になった途端にＺ軸移動方向全体に渡って設定条件に不備がないかを見るには、使用者が試料８の範囲全体を移動させてみて目視で確認するか、一度高さ情報を取ってみて条件を適当に変え再度確認するというサイクルを繰り返さなくてはならない。

このように、高さ情報を得るための事前操作として、ステージ１４を移動させながら２次元的な共焦点の画像を得つつ、これを見て試料８の３次元的な構造を使用者が推測し、あらかじめ欲しい範囲が含まれるようにステージ１４の移動範囲を設定しなければならない。また、高さ情報が適切に得られているかは一連の工程の最後に出来上がった高さ情報を見て良否を判断しなくてはならず、取り直しをする必要がある場合など、時間的にも作業的にも２次元画像に比べて著しく不便さを伴ってしまう。

本発明は、上記従来技術の欠点に鑑みてなされたもので、観察試料の表面形状を直感的で判りやすく表示することができるとともに、 ３次元情報取得の操作性を格段に向上することが可能な試料情報測定方法および走査型共焦点顕微鏡を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、下記のような構成を採用した。
すなわち、本発明の一態様によれば、本発明の試料情報測定方法は、対物レンズを通して光源からの光を試料に照射し、前記対物レンズの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離散的に変化させ、各相対位置での前記試料からの光強度情報をそれぞれ取得し、それら光強度情報群から複数の光強度情報を抽出し、前記抽出した複数の光強度情報に適合する変化曲線上の最大値と、それを与える前記相対位置を推定し、その推定した光強度情報の最大値と相対位置をそれぞれ輝度情報と高さ情報として取得する走査型共焦点顕微鏡における試料情報測定方法であって、前記対物レンズの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離散的に繰り返し往復動作させることで、前記試料の輝度情報と高さ情報を連続的に取得することを特徴とする。

また、本発明の試料情報測定方法は、前記試料の輝度情報と高さ情報を連続的に取得している際に、前記試料を高精度に計測する計測モード用の画像を取り込むための指示がされることにより、前記集束光を光軸方向に沿って離散的に変化させる移動間隔（ステップ）を、前記試料の輝度情報と高さ情報を連続的に取得している際と比較して、同等又はより小さくして３次元画像データを取得することが望ましい。

また、本発明の試料情報測定方法は、前記試料の輝度情報と高さ情報を連続的に取得している際に、前記試料を高精度に計測する計測モード用の画像を取り込むための指示がされることにより、前記試料に対して対物レンズの集光位置を、前記集束光の光軸に対して垂直方向に走査する２次元走査間隔（ステップ）を、前記試料の輝度情報と高さ情報を連続的に取得している際と比較して、同等又はより小さくして３次元画像データを取得することが望ましい。

また、本発明の試料情報測定方法は、前記連続的に得られる前記試料の輝度情報と高さ情報とに基づいて、前記試料の形状を連続的に更新しながら表示することが望ましい。
また、本発明の試料情報測定方法は、前記連続的に更新しながら表示される試料形状上に測定位置を指定し、前記指定した測定位置に基づいて、前記試料形状を測定することが望ましい。

また、本発明の一態様によれば、本発明の走査型共焦点顕微鏡は、光源からの光を試料に対して集束させる対物レンズと、前記集束光の光軸方向に沿って、前記対物レンズの集光位置と前記試料の位置を相対的に移動させる移動機構と、前記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、前記共焦点絞りを通過する光の強度を検出する光検出器とを備えた走査型共焦点顕微鏡であって、前記移動機構によって前記対物レンズの集光位置と前記試料の相対的な位置を前記集束光の光軸方向に治って離散的に繰り返し往復動作させる手段と、各相対位置での前記試料からの光強度情報をそれぞれ取得する手段と、それら光強度情報群から複数の光強度情報を抽出する手段と、前記抽出した複数の光強度情報に適合する変化曲線上の最大値と、それを与える前記相対位置を推定する手段と、その推定した光強度情報の最大値と相対位置をそれぞれ輝度情報と高さ情報として取得する輝度及び高さ情報演算手段とを備え、前記輝度及び高さ情報演算手段が、前記移動機構の反転動作から次の反転動作までの間に取得される各相対位置での前記試料からの光強度情報を前記光強度情報群として取り扱い、前記移動機構の往復動作に合わせて前記輝度情報と高さ情報とを連続的に取得することを特徴とする。

また、本発明の走査型共焦点顕微鏡は、前記試料を高精度に計測する計測モード用の画像を取り込むための３次元画像データ取得指示部を備え、前記試料の輝度情報と高さ情報を連続的に取得している際に、前記３次元画像データ取得指示部が指示されることにより、前記輝度及び高さ情報演算手段は、前記集束光を光軸方向に沿って離散的に変化させる移動間隔（ステップ）を、前記試料の輝度情報と高さ情報を連続的に取得している際に比較して、同等又はより小さくして３次元画像データを取得することが望ましい。

また、本発明の走査型共焦点顕微鏡は、前記集束光の光軸に対して垂直方向に走査する２次元走査部と、前記試料を高精度に計測する計測モード用の画像を取り込むための３次元画像データ取得指示部とをさらに備え、前記試料の輝度情報と高さ情報を連続的に取得している際に、前記３次元画像データ取得指示部が指示されることにより、前記輝度及び高さ情報演算手段は、前記集束光の光軸に対して垂直方向に走査する２次元走査間隔（ステップ）を、前記試料の輝度情報と高さ情報を連続的に取得している際に比較して、同等又はより小さくして３次元画像データを取得することが望ましい。

また、本発明の走査型共焦点顕微鏡は、前記連続的に得られる前記試料の輝度情報と高さ情報とに基づいて、前記試料の形状を連続的に更新しながら表示する表示手段をさらに備えることが望ましい。

また、本発明の走査型共焦点顕微鏡は、前記連続的に更新しながら表示される試料形状上に測定位置を指定する測定位置指示部と、前記測定位置指示部で指定された測定位置に基づいて、試料形状を測定する試料形状測定部とをさらに備えることが望ましい。

また、本発明の一態様によれば、本発明の試料情報測定方法は、対物レンズを通して光源からの光を試料に照射し、前記対物レンズの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離散的に変化させ、各相対位置での前記試料からの光強度情報をそれぞれ取得し、
それら光強度情報群から複数の光強度情報を抽出し、前記抽出した複数の光強度情報に適合する変化曲線上の最大値と、それを与える前記相対位置を推定し、その推定した光強度情報の最大値と相対位置をそれぞれ輝度情報と高さ情報として取得する走査型共焦点顕微鏡における試料情報測定方法であって、前記対物レンズの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離散的に繰り返し往復動作させることで、前記試料の輝度情報と高さ情報を連続的に取得し、前記取得した高さ情報に基づいて作成された前記試料形状の３Ｄ画像と前記輝度情報とを同一画面上に、連続的に更新しながら表示させることを特徴とする。

また、本発明の試料情報測定方法は、前記輝度情報を用いて共焦点画像を作成し、前記３Ｄ画像と共に同一画面上に、連続的に更新しながら表示することが望ましい。
また、本発明の試料情報測定方法は、前記共焦点画像が、エクステンド画像であることが望ましい。

また、本発明の一態様によれば、本発明の試料情報測定方法は、対物レンズを通して光源からの光を試料に照射し、前記対物レンズの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離散的に変化させ、各相対位置での前記試料からの光強度情報をそれぞれ取得し、それら光強度情報群から複数の光強度情報を抽出し、前記抽出した複数の光強度情報に適合する変化曲線上の最大値と、それを与える前記相対位置を推定し、その推定した光強度情報の最大値と相対位置をそれぞれ輝度情報と高さ情報として取得し、前記試料からの非共焦点画像情報を前記光強度情報とは別に取得する走査型共焦点顕微鏡における試料情報測定方法であって、前記対物レンズの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離散的に繰り返し往復動作させることで、前記試料の輝度情報と高さ情報を連続的に取得し、前記取得した高さ情報に基づいて作成された前記試料形状の３Ｄ画像と前記非共焦点画像情報とを同一画面上に、連続的に更新しながら表示させることを特徴とする。

また、本発明の一態様によれば、本発明の試料情報測定方法は、対物レンズを通して光源からの光を試料に照射し、前記対物レンズの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離散的に変化させ、各相対位置での前記試料からの光強度情報をそれぞれ取得し、
それら光強度情報群から複数の光強度情報を抽出し、前記抽出した複数の光強度情報に適合する変化曲線上の最大値と、それを与える前記相対位置を推定し、その推定した光強度情報の最大値と相対位置をそれぞれ輝度情報と高さ情報として取得し、前記対物レンズを通して白色光源からの白色光を前記試料に照射し、前記試料からのカラー画像情報を取得する走査型共焦点顕微鏡における試料情報測定方法であって、前記対物レンズの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離散的に繰り返し往復動作させることで、前記試料の輝度情報と高さ情報を連続的に取得し、前記取得した高さ情報に基づいて作成された前記試料形状の３Ｄ画像と前記カラー画像情報とを同一画面上に、連続的に更新しながら表示させることを特徴とする。

また、本発明の試料情報測定方法は、前記３Ｄ画像が、前記形状が得られる毎に更新しながら表示され、前記３Ｄ画像とともに表示する前記輝度情報、前記非共焦点画像情報、前記共焦点画像情報または前記カラー画像情報が、情報が取得される毎に更新しながら表示されることが望ましい。

また、本発明の試料情報測定方法は、前記連続的に更新しながら画像を表示する表示画面上に、前記画像が更新されるタイミングを知らせるようにしたことが望ましい。
また、本発明の一態様によれば、本発明の走査型共焦点顕微鏡は、光源からの光を試料に対して集束させる対物レンズと、前記集束光の光軸方向に沿って、前記対物レンズの集光位置と前記試料の位置を相対的に移動させる移動機構と、前記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、前記共焦点絞りを通過する光の強度を検出する光検出器とを備えた走査型共焦点顕微鏡であって、前記移動機構によって前記対物レンズの集光位置と前記試料の相対的な位置を前記集束光の光軸方向に治って離散的に繰り返し往復動作させる手段と、各相対位置での前記試料からの光強度情報をそれぞれ取得する手段と、それら光強度情報群から複数の光強度情報を抽出する手段と、前記抽出した複数の光強度情報に適合する変化曲線上の最大値と、それを与える前記相対位置を推定する手段と、その推定した光強度情報の最大値と相対位置をそれぞれ輝度情報と高さ情報として取得し、前記移動機構の反転動作から次の反転動作までの間に取得される各相対位置での前記試料からの光強度情報を前記光強度情報群として取り扱い、前記移動機構の往復動作に合わせて前記輝度情報と高さ情報とを連続的に取得する輝度及び高さ情報演算手段と、前記連続的に得られる前記試料の輝度情報と高さ情報とに基づいて、前記試料形状の３Ｄ画像を作成し、前記輝度情報とともに同一画面上に、連続的に更新しながら表示する表示手段とを備えることを特徴とする。

また、本発明の走査型共焦点顕微鏡は、前記表示手段が、前記輝度情報を用いて共焦点画像を作成し、前記３Ｄ画像と共に同一画面上に、連続的に更新しながら表示することが望ましい。

また、本発明の走査型共焦点顕微鏡は、前記共焦点画像が、エクステンド画像であることが望ましい。
また、本発明の一態様によれば、本発明の走査型共焦点顕微鏡は、光源からの光を試料に対して集束させる対物レンズと、前記集束光の光軸方向に沿って、前記対物レンズの集光位置と前記試料の位置を相対的に移動させる移動機構と、前記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、前記共焦点絞りを通過する光の強度を検出する光検出器とを備えた走査型共焦点顕微鏡であって、前記移動機構によって前記対物レンズの集光位置と前記試料の相対的な位置を前記集束光の光軸方向に治って離散的に繰り返し往復動作させる手段と、各相対位置での前記試料からの光強度情報をそれぞれ取得する手段と、それら光強度情報群から複数の光強度情報を抽出する手段と、前記抽出した複数の光強度情報に適合する変化曲線上の最大値と、それを与える前記相対位置を推定する手段と、その推定した光強度情報の最大値と相対位置をそれぞれ輝度情報と高さ情報として取得し、前記移動機構の反転動作から次の反転動作までの間に取得される各相対位置での前記試料からの光強度情報を前記光強度情報群として取り扱い、前記移動機構の往復動作に合わせて前記輝度情報と高さ情報とを連続的に取得する輝度及び高さ情報演算手段と、前記試料からの非共焦点画像情報を前記光強度情報とは別に取得する非共焦点画像情報取得手段と、前記連続的に得られる前記試料の高さ情報に基づいて前記試料形状の３Ｄ画像を作成し、前記非共焦点画像情報取得手段によって取得した非共焦点画像情報とともにを同一画面上に、連続的に更新しながら表示する表示手段とを備えることを特徴とする。

また、本発明の一態様によれば、本発明の走査型共焦点顕微鏡は、光源からの光を試料に対して集束させる対物レンズと、前記集束光の光軸方向に沿って、前記対物レンズの集光位置と前記試料の位置を相対的に移動させる移動機構と、前記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、前記共焦点絞りを通過する光の強度を検出する光検出器とを備えた走査型共焦点顕微鏡であって、前記移動機構によって前記対物レンズの集光位置と前記試料の相対的な位置を前記集束光の光軸方向に治って離散的に繰り返し往復動作させる手段と、各相対位置での前記試料からの光強度情報をそれぞれ取得する手段と、それら光強度情報群から複数の光強度情報を抽出する手段と、前記抽出した複数の光強度情報に適合する変化曲線上の最大値と、それを与える前記相対位置を推定する手段と、その推定した光強度情報の最大値と相対位置をそれぞれ輝度情報と高さ情報として取得し、前記移動機構の反転動作から次の反転動作までの間に取得される各相対位置での前記試料からの光強度情報を前記光強度情報群として取り扱い、前記移動機構の往復動作に合わせて前記輝度情報と高さ情報とを連続的に取得する輝度及び高さ情報演算手段と、前記対物レンズを通して白色光源からの白色光が前記試料に入射され、前記試料からのカラー画像情報を取得するカラー画像情報取得手段と、前記連続的に得られる前記試料の高さ情報に基づいて前記試料形状の３Ｄ画像を作成し、前記カラー画像情報取得手段によって取得したカラー画像情報とともにを同一画面上に、連続的に更新しながら表示する表示手段とを備えることを特徴とする。

また、本発明の走査型共焦点顕微鏡は、前記表示手段が、前記形状が得られる毎に更新しながら前記３Ｄ画像を表示し、前記輝度情報、前記非共焦点画像情報または前記カラー画像情報が、情報が取得される毎に更新しながら表示することが望ましい。

また、本発明の走査型共焦点顕微鏡は、前記表示手段が、前記画像の更新のタイミングに示す画像更新表示部を備えることが望ましい。

本発明によれば、試料の輝度及び高さ計測をステージの移動回数を少なくして高速で行うことが可能であり、しかもこれを繰り返し連続的に行うので、瞬時に試料の３次元構造を取得することができる。

また、本発明によれば、試料の３次元構造を取得するとともに、得られた輝度・高さ情報を同時に表示し、これを常に更新し続けるので一目で試料の３次元構造を理解したり、条件設定の修正をしたりすることが可能となる。

また、本発明によれば、試料の３次元構造を繰り返し連続的に取得して表示するとともに、同時に試料の２次元情報を表示するため、瞬時に試料の３次元構造を認識することができ、かつ容易に試料の位置合わせをすることができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について述べる。
図１は、本発明の第１の実施の形態を適用した走査型共焦点顕微鏡の構成を示す図である。

図１に示す走査型共焦点顕微鏡では、光源１から出射した光が、ビームスプリッター２を透過した後、２次元走査機構３に入射する。２次元走査機構３は、第１の光スキャナ３ａと第２の光スキャナ３ｂとからなり、光束を２次元に走査し、対物レンズ７へと導く。対物レンズ７へ入射した光束は、集束光となって試料８の表面上を走査する。

試料８の表面で反射した光は、再び対物レンズ７から２次元走査機構３を介してビームスプリッター２に導入された後、ビームスプリッター２によって反射され結像レンズ９によってピンホール１０上に集光する。ピンホール１０により試料８の集光点以外からの反射光をカットし、ピンホール１０を通過する光だけを光検出器１１によって検出する。

Ｚレボルバ６は、複数の対物レンズ７を保有し、所望の倍率の対物レンズ７を２次元走査の光路中に挿入することができるとともに、Ｚ軸方向に移動可能となっており、対物レンズ７の集光位置と試料８の相対位置とを変化させることができるようになっている。

試料８は、試料台１３上に載置されており、ステージ１４によってＸＹ方向に移動可能となっている。２次元走査機構３、Ｚレボルバ６および光検出器１１等は、コンピュータ１２に記憶された顕微鏡制御プログラムよって制御され、使用者はモニタ１５に表示される操作画面を通じて各部を操作することが出来る。

ここで、対物レンズ７による集光位置は、ピンホール１０と光学的に共役な位置にあり、試料８が対物レンズ７による集光位置にある場合は、試料８からの反射光がピンホール１０上で集光してピンホール１０を通過する。試料８が対物レンズ７による集光位置からずれた位置にある場合は、試料８からの反射光はピンホール１０上では集光しておらず、ピンホール１０を通過しない。

このときの図３１に示された対物レンズ７と試料８の相対位置（Ｚ）と光検出器１１の出力（Ｉ）の関係であるＩ−Ｚカーブのとおり、試料８が対物レンズ７の集光位置Ｚ₀にある場合、光検出器１１の出力は最大となり、この位置から対物レンズ７と試料８の相対位置が離れるに従い光検出器１１の出力は急激に低下する。

この特性により、 ２次元走査機構３によって集光点を２次元走査し、光検出器１１の出力を２次元走査機構３に同期して画像化すれば、試料８のある特定の高さのみが画像化され、試料８を光学的にスライスした画像（共焦点画像）が得られる。そして、上記画像は、モニタ１５に上記操作画面と合わせて表示される。

次に、図１に示した走査型共焦点顕微鏡を用いて、本発明を適用した試料情報測定方法について説明する。
図２は、計測する試料の形状例を説明するための図である。

上記走査型共焦点顕微鏡が計測する試料８として図２のような試料を考える。すなわち、試料８は、一方の端から他方の端へａ面、ｂ面、ｃ面へと高さ（Ｚ方向への厚さ）が異なり、かつ、厚い（高い）順にｂ面、ｃ面、ａ面となる３面を有しているとする。

図３は、ｃ面に焦点を合わせた場合の画像表示例を示す図である。
まず、走査型共焦点顕微鏡の２次元走査を開始し、試料８のｃ面に焦点を合わせる。このとき、モニタ１５には、図３に示すような画像が表示される。具体的には、「走査開始／停止」ボタンにより走査型共焦点顕微鏡が画像取得を開始し、「対物」ボタンで所望の倍率の対物レンズ７を選択し、「ズーム」スクロールバーと合わせて観察部位が所望の大きさで表示されるように調節する。そして、「Ｚ位置」スクロールバーでＺレボルバ６を上下に移動させ、対物レンズ７の焦点面を試料８のｃ面に合わせる。

図４は、Ｚ方向の走査範囲の設定を説明するための図である。
焦点面を試料８のｃ面に合わせた後に、Ｚ方向の走査範囲を決定する。このＺ方向の走査範囲を条件設定するのは図４に示した「Ｚ走査範囲」で示された領域を対象とすることとしている。これまでの走査型共焦点顕微鏡は、焦点位置を上下に移動させてこの試料８のおおよその形状と「Ｚ走査範囲」の領域を２次元画像を見ながら推測し決定していたが、本発明では以下に述べるプロセスの働きにより、モニタ１５に直接表示される試料８の表示からＺ走査範囲の設定が可能となる。イメージ的には、「対物」ボタンでＸＹ方向の基準視野範囲を選択し、「Ｚ位置」スクロールバーでＺ方向の基準位置を選択している。そしてさらに、「ズーム」及び「Ｚ範囲」スクロールバーによって３次元走査の範囲を設定している。

コンピュータ１２には輝度及び高さ演算プログラムが記憶されており、この輝度及び高さ演算プログラムが実行されることにより、共焦点画像を利用した輝度及び高さ情報が得られる。

この輝度及び高さ測定プロセスについて説明する。
Ｚ範囲のスクロールバーをゼロ以外の値に設定すると、図４のようにＺレボルバ６は現在の焦点位置（ｃ面）を中心にスクロールバーでの設定値に対応したＺ走査範囲の間を上下にステップ移動し始める。使用者はモニタ１５に表示される試料８の画像を見ながら、上記操作画面より希望するＺ走査範囲を設定することとなる。設定されたＺ走査範囲内をあらかじめ決められた移動ピッチΔＺでＺレボルバ６は移動し、Ｚ相対位置毎に、共焦点画像が取得される。説明を簡単にするため共焦点画像取得は５枚、即ち、Ｚレボルバ６の移動回数が４回であるとし、それぞれＺ（−２）、Ｚ（−１） 、Ｚ（０）、Ｚ（１）、Ｚ（２）の位置であるとする。この時の試料８の任意の点（例えば、ａ面、ｂ面、ｃ面上の点）の光強度情報を得る。

図５は、ａ面、ｂ面、ｃ面上の点の光強度群のＩ−Ｚカーブを示す図であり、図６は、Ｚ（−２）乃至Ｚ（２）の位置での光強度群を示す図である。
上記ａ面、ｂ面、ｃ面上の点の光強度群は、図５に示した各点のようにＩ−Ｚカーブ上の値となる。

次に、各点において上記光強度情報を比較し、最大強度となった（Ｉ（ｎ）、Ｚ（ｎ））、その前後の値（Ｉ（ｎ−１）、Ｚ（ｎ−１））、（Ｉ（ｎ＋１）、Ｚ（ｎ＋１））を抽出する。図４の場合でａ面について言えば、最大強度点は、（Ｉａ（−１）、Ｚａ（−１））、その前後が（Ｉａ（０）、Ｚａ（０））、（Ｉａ（−２）、Ｚａ（−２））となる。そして、この３点を通る近似２次曲線を想定し、その極値を求めることで真の最大値Ｉａ［ｍａｘ］ と、それを与えるＺレボルバ６の位置Ｚａ［ｍａｘ］を得ることができるので、試料８表面の輝度及び相対高さを移動ピッチΔＺ以上の分解能で求めることが可能となる。ｂ面、ｃ面についても同様である。ｂ面での最大強度点は（Ｉｂ（１）、Ｚｂ（１））、その前後が（Ｉｂ（０）、Ｚｂ（０））、（Ｉｂ（２）、Ｚｂ（２））となり、これらから（Ｉｂ［ｍａｘ］、Ｚｂ［ｍａｘ］）が得られる。そして、ｃ面での最大強度点は（Ｉｃ（０）、Ｚｃ（０））、その前後が（Ｉｃ（−１）、Ｚｃ（−１））、（Ｉｃ（１）、ＺＣ（１））となり、これらから（Ｉｃ［ｍａｘ］、Ｚｃ［ｍａｘ］）が得られる。

図７は、全面に渡って焦点が合った場合の画像表示例を示す図である。
この共焦点画像５枚で１回の輝度・高さ情報の抽出が可能であるので、 Ｚレボルバ６のステップ移動をＺ（−２）→Ｚ（−１）→Ｚ（０）→Ｚ（１）→Ｚ（２）→Ｚ（１）→Ｚ（０）→Ｚ（−１）→Ｚ（−２）→・・・と繰り返し行えば、図７のように連続的に試料８のa面からｂ面までの構造を得ることができる。このとき、顕微鏡画像ウィンドウに表示されている高さ方向の位置が悪ければ、Ｚ走査範囲の中心、即ち、「Ｚ位置」を変えるか、幅の方が悪ければ、「Ｚ範囲」そのものを変えることでエクステンド画像を確認しながら設定を最適に調節することもできる。これは、顕微鏡画像ウィンドウに全面に合焦した画像が全部映っていれば、その試料８の高さ方向に対して十分な領域で走査が行われていることが一目で判断できることを意味している。

一方、これらの処理がどのくらいの時間で行われるかと言うと、例えば、画像サイズを１０２４×７６８とし、Ｚ走査範囲を５μｍ（ΔＺ＝１μｍ）程度とすると、１枚の共焦点画像を得るのに約２００ｍｓ、Ｚレボルバ６のステップ移動に約２００ｍｓであるので、５枚の画像を得るのに約１．８秒かかる。これに処理時間を付加しても約２秒あれば１回の輝度・高さ情報が更新されることになる。

但し、Ｚレボルバ６を上下にステップ移動させて連続的に画像取得している関係上、５枚目の画像は次回の輝度・高さ情報を得るための１枚目の共焦点画像として利用できるので、 ２秒以内で１回の更新が期待できる。このくらいであれば十分実用的な更新速度であるといえる。更新速度に関しては、１枚の共焦点画像のライン数やＺレボルバ６のステップ移動量、ステップ回数（範囲）によって組み合わせが様々に考えられるので、使用者があらかじめ決められた所望の組み合わせの中から自由に選択することができる。例えば更新を速くしたいのであれば、共焦点画像のライン数を制限し、Ｚ走査範囲を必要最小限に狭くしておけば良い。また、ここでは５枚の画像を使って説明したが、原理的には光強度情報群から極大値を求めるのには３枚の画像があれば良く、、更新速度をより向上させることができる。

次に、第２の実施の形態について説明する。
本第２の実施の形態における走査型共焦点顕微鏡の構成は、図１を用いて説明した実施の形態と同様である。但し、モニタ１５に表示される試料８の情報は３Ｄ表示化されている。

図８は、第２の実施に形態にかかる表示例を示す図である。
図８に示した表示例は、輝度及び高さ演算プログラムによって得られた高さ情報の表面部分に、試料８表面の実際の輝度情報を貼り合せて同時に表示させた例である。これが走査型共焦点顕微鏡のレーザ走査に同期して常に更新されるので、エクステンド画像による２次元的な表示に対して実際の試料８の様子をより忠実に立体的に表現したものとなる。このような表示により、 使用者は一目で試料８の詳細な立体情報を得ることが可能になる。一般的な３Ｄ表示ソフトが併せ持つ回転、拡大、縮小などが自在にできるようにし、使用者が所望の角度から観察できるようにしている。

次に、第３の実施の形態について説明する。
上述してきたように、連続的に試料８の３次元の情報が得られて更新されているので、これを利用して試料８の任意の各部の計測を連続的に行い続けることも可能である。

図９は、指示された２点間の距離の表示例を示す図である。
また、３Ｄ表示を用いてそのまま計測することももちろん可能である。３Ｄ表示されている試料８からラインカーソルなどで測定位置を指定し、プロファイルウィンドウで２点間の指定を行えば、画像の更新に合わせて測定結果が連続的に得られる。

なお、ラインカーソルを指示するものとして、例えばコンピュータ１２に接続されているマウス等がある。
例えば、図１０に示したように測定項目の「段差」を選択し、エクステンド画像中の注目点にラインカーソル（クロスカーソル１およびクロスカーソル２）を合わせる。そのラインでの断面プロファイルが得られているので、このプロファイル上で２点を指定すればその間の段差が連続的に測定され、測定値の表示が描画に同期して更新される。今までの走査型共焦点顕微鏡が計測のために３次元取り込みをするとそこで作業の流れが終わってしまい、別条件で初めからやり直しになるところを、この機能は「条件出し」→「測定による確認」→「条件修正」の間に連続性を持たせることを可能としている。

図１１は、指示された２点間のΔＸ、ΔＹ、ΔＺの表示例を示す図である。
３Ｄ表示された試料８に対しマウスなどで空間の１点を指定することは困難であるため、プロファイル表示されるクロスカーソルを３Ｄ画像に対して表示することで任意の１点が指定可能となる。これはある１ライン内のプロファイル計測であっても良いし、複数の異なるプロファイル間を指定できるようにしても良い。計測結果には、指定した２点間のΔＸ、ΔＹ、ΔＺおよび２点間の距離などが走査に同期して連続的に計測され表示も更新される。

次に、第４の実施の形態について説明する。
第４の実施の形態を適用した走査型共焦点顕微鏡は、上述の第１乃至第３の実施の形態を適用した走査型共焦点顕微鏡と同様である。

すなわち、第４の実施の形態を適用した走査型共焦点顕微鏡は、試料８上のＸＹ走査範囲にわたって取得した情報に基づいて、全面に焦点があったエクステンド画像と高さマップ画像とを作成する。高さマップ画像は、コンピュータ１２により処理されモニタ１５上に３次元的に表示させることができる。この３次元的に表示した高さマップ画像、すなわち３Ｄ画像は、その表面にエクステンド画像を貼り付けて表示することができる。

そして、第４の実施の形態を適用した走査型共焦点顕微鏡は、この３Ｄ画像とともにエクステンド画像も同一画面上に同時かつ連続的に更新しながら表示する。
図１２乃至図１７は、３Ｄ画像２１とエクステンド画像２２とをモニタ１５上に表示させた例を示す図である。それぞれ、試料８の表面の３次元形状を示す３Ｄ画像２１と全面にピントの合ったエクステンド画像２２とが、モニタ１５上に同時かつ連続的に更新しながら表示されている。

図１２は、３次元の３Ｄ画像２１と２次元のエクステンド画像２２を同一の画面サイズで表示させた例であり、図１３は、全画面表示した３次元の３Ｄ画像２１上の一部分に２次元のエクステンド画像２２を縮小表示させた例であるが、各々の表示サイズの割合は使用者が見やすいように自由に変えられるようになっていればさらによい。

また、図１４乃至図１６は、図１３と同様に全画面表示した３次元の３Ｄ画像２１上の一部分に２次元のエクステンド画像２２を縮小表示させた例であるが、図１４は、全画面表示した３次元の３Ｄ画像２１として高さ情報を濃淡で表現した例であり、図１５は、全画面表示した３次元の３Ｄ画像２１として高さ情報をラインで表現した例であり、図１６は、全画面表示した３次元の３Ｄ画像２１として高さ情報をメッシュで表現した例である。

また、２次元画像として表示されるものは、エクステンド画像２２に対して所定の画像処理を施したものであってもよい。例えば、エクステンド画像２２に対してエッジ抽出フィルタをかけたものを表示させるようにすれば、３Ｄ画像２１により３次元形状を観察できるとともにエクステンド画像２２によりエッジ部を同時に観察することができる。画像処理としては、そのほかにも例えば２値化フィルタ、境界線抽出フィルタ等、一般的な画像処理手法として知られている種々のものを適用することができる。なお、この画像処理は、連続的に更新されその表示中に行えるようにしても良い。

さらに、２次元画像として表示されるエクステンド画像２２としては、図１７に示したように、高さマップ画像で表現したものであってもよいし、高さマップ画像を元にした等高線画像であってもよい。このようにして、３次元画像である３Ｄ画像２１と２次元的な高さ情報を示すエクステンド画像２２が同時に表示されて、時間の経過とともに連続的に更新されることによって、使用者は高さ方向の情報をより認識しやすくなる。

なお、３Ｄ画像２１は、動作中にも回転、拡大、縮小などが自在にできる。また、Ｚ範囲は、現在の焦点位置を下限として設定されたＺ走査範囲を上下に移動する方式であってもよい。このようにすれば、設計値等からあらかじめ段差量が分かっている試料８に対して最初のＺ走査範囲の指定がしやすくなる。

このように、試料８の３Ｄ画像２１とエクステンド画像２２とをモニタ１５の同じ画面上に連続的に更新表示することで、使用者が試料８の立体的な情報と平面的な情報とを同時に観察することができるため、使用者は視覚的に試料８の表面状態が観察しやすくなる。

次に、第５の実施の形態について説明する。
図１８は、本発明の第５の実施の形態を適用した走査型共焦点顕微鏡の構成を示す図である。

第５の実施の形態を適用した走査型共焦点顕微鏡は、図１に示した第１の実施の形態を適用した走査型共焦点顕微鏡と比較して、ハーフミラー１６および光検出器１７をさらに備えている。

すなわち、試料８の表面で反射した光は、再び対物レンズ７から２次元走査機構３を介してビームスプリッター２に導入された後、結像レンズ９によって集光され、ハーフミラー１６で分割されてそれぞれピンホール１０を介して光検出器１１と光検出器１７によって検出される。光検出器１７によって検出された画像は非共焦点画像であり、焦点深度が広い。

そして、第５の実施の形態を適用した走査型共焦点顕微鏡は、この３Ｄ画像とともに非共焦点画像をも同時に表示する。
次に、図１８に示した走査型共焦点顕微鏡による試料情報測定方法について説明する。なお、高さマップ画像を取得して、繰り返し３次元の画像を表示をさせる方法は、上述の各実施の形態と同様である。

図１９乃至図２２は、３Ｄ画像３１と非共焦点画像３２とをモニタ１５上に表示させた例を示す図である。それぞれ、試料８の表面の３次元形状を示す３Ｄ画像３１と非共焦点画像３２とが、モニタ１５上に同時かつ連続的に更新しながら表示されている。

この時、３Ｄ画像３１の表示は１回の高さ情報の抽出毎に更新され、非共焦点画像３２の表示は各位置Ｚ毎に更新される。すなわち、図４で示したような動作をした場合、３Ｄ画像３１の表示はＺ（−２）からＺ（２）まで移動したところで１回更新され、非共焦点画像３２の表示はＺ（−２）、Ｚ（−１）、Ｚ（０）、Ｚ（１）、Ｚ（２）の各Ｚ位置毎に更新される。

図１９は、Ｚ（−１）における３Ｄ画像３１と非共焦点画像３２とをモニタ１５上に表示させた例を示す図であり、図２０は、Ｚ（０）における３Ｄ画像３１と非共焦点画像３２とをモニタ１５上に表示させた例を示す図であり、図２１は、Ｚ（１）における３Ｄ画像３１と非共焦点画像３２とをモニタ１５上に表示させた例を示す図であり、図２２は、Ｚ（２）における３Ｄ画像３１と非共焦点画像３２とをモニタ１５上に表示させた例を示す図である。

これらの図１９乃至図２２を見れば分かるように、３Ｄ画像３１の表示は１回の高さ情報の抽出毎に更新されるので、図１９乃至図２１までは同じ画像が表示され、図２２で初めて画像が更新されるのに対して、非共焦点画像３２の表示は各位置Ｚ毎に更新されるので、図１９乃至図２２のそれぞれにおいて画像が更新されている。なお、第４の実施の形態と同様に、この場合に表示される非共焦点画像３２は縮小された表示方法であってもよい。

このように、Ｚ走査範囲の各Ｚ位置で取得した非共焦点画像３２を３Ｄ画像３１と同じモニタ１５上の画面に同時かつ連続的に更新しながら表示させることにより、試料８をＸＹ方向に移動させた時等に使用者が試料８の観察場所を見失ってしまうことを避けることができる。特に非共焦点画像３２は焦点深度が深いため、どのＺ位置であっても試料８の表面の情報を得やすく、使用者は非共焦点画像３２と３Ｄ画像３１とを同時に見ながら容易に試料８の位置調整を行うことができる。なお、光スキャナ３ａ、３ｂをＺ範囲走査中ずっと連続的にＸＹ走査させ、非共焦点画像３２を１フレーム毎に更新するようにすればさらに操作性は良くなる。

また、２次元として表示させる画像は、非共焦点画像３２の代わりに、各Ｚ位置での共焦点画像であってもよい。この場合、焦点深度は浅くなるが、焦点が合った部分の変化推移を３次元形状と同時に観察することができる。

図２３乃至図２５は、３Ｄ画像３１と共焦点画像３３とをモニタ１５上に表示させた例を示す図である。それぞれ、試料８の表面の３次元形状を示す３Ｄ画像３１と共焦点画像３３とが、モニタ１５上に同時かつ連続的に更新しながら表示されている。

図２３は、Ｚ（−１）における３Ｄ画像３１と共焦点画像３３とをモニタ１５上に表示させた例を示す図であり、図２４は、Ｚ（０）における３Ｄ画像３１と共焦点画像３３とをモニタ１５上に表示させた例を示す図であり、図２５は、Ｚ（１）における３Ｄ画像３１と共焦点画像３３とをモニタ１５上に表示させた例を示す図である。

次に、第６の実施の形態について説明する。
図２６は、本発明の第６の実施の形態を適用した走査型共焦点顕微鏡の構成を示す図である。

第６の実施の形態を適用した走査型共焦点顕微鏡は、図１に示した第１の実施の形態を適用した走査型共焦点顕微鏡と比較して、白色光源１９およびカラー検出器２０をさらに備えている。

すなわち、白色光源１９から対物レンズ７を介して試料８の表面で反射した光は、例えばカラーＣＣＤ等のカラー検出器２０上に結像され、カラー検出器２０で撮像された信号は、コンピュータ１２内の不図示のカラー画像取込ボードにより取り込まれて、３Ｄ画像とともにカラー画像がモニタ１５上に表示される。

次に、図２６に示した走査型共焦点顕微鏡による試料情報測定方法について説明する。なお、高さマップ画像を取得して、繰り返し３次元の画像を表示をさせる方法は、上述の各実施の形態と同様である。

図２７は、３Ｄ画像４１とカラー画像４２とをモニタ１５上に表示させた例を示す図である。試料８の表面の３次元形状を示す３Ｄ画像４１とカラー画像４２とが、モニタ１５上に同時かつ連続的に更新しながら表示されている。

この時、３Ｄ画像４１の表示は１回の高さ情報の抽出毎に更新され、Ｚ移動動作およびスキャナ走査とカラー画像４２の撮像描画とは非同期に実行できるため、カラー画像４２はほぼフレームレートで更新される。

このように、カラー検出器２０により取得したカラー画像４２を３Ｄ画像４１と同じモニタ１５上の画面に連続的に更新しながら表示させることにより、試料８をＸＹ方向に移動させた時等に使用者が試料８の観察場所を見失ってしまうことを避けることができる。また、カラー画像４２によりカラーの情報を得られるため、使用者は試料８の表面状態を認識しやすく、カラー画像４２と３Ｄ画像４１とを同時に見ながら容易に試料８の位置調整を行うことができる。

また、カラー画像４２をフレームレートで表示更新する代わりに、カラー画像４２の情報からコントラスト等の情報を使って全面にピントが合うように焦点合成したカラーエクステンド画像を、１回のＺ走査毎に表示更新するようにもできる。このようにした場合、３Ｄ画像４１の表面には、共焦点画像から構成されたエクステンド画像の代わりにカラーのエクステンド画像を貼り付けてもよい。

次に、上述の各実施の形態で共通する試料情報計測処理の流れを説明する。
図２８は、試料情報計測処理の流れを示すフローチャートである。
まず、ステップＳ２８１において、使用者が走査型共焦点顕微鏡（ＬＳＭ）による２次元画像で試料８を確認し、ステップＳ２８２において、３次元繰り返し表示を実行させるための開始ボタンを押す。

そして、ステップＳ２８３において、Ｚ位置始動ボタンを操作して観察する試料８のＺ方向の観察位置を調整するとともに、ステップＳ２８４において、３次元繰り返し表示のＺ走査範囲（上端位置から下端位置までの幅）を調整する。

すると、上述の各実施の形態の走査型共焦点顕微鏡は、試料８をＺ方向に繰り返し走査して３Ｄ画像２１、３１、４１を表示する。
この際、例えば、図２９に示すように、モニタ１５上に３Ｄ画像２１の繰り返し表示タイミングを示す３Ｄ画像更新表示灯２３、２４を表示すれば、３Ｄ画像２１が更新されるタイミングを知ることができる。図２９に示した表示例は、３Ｄ画像２１が表示されるサイクル毎に３Ｄ画像更新表示灯２３および２４が交互に表示される例を示している。すなわち、１サイクル目は３Ｄ画像更新表示灯２３が点灯し３Ｄ画像更新表示灯２４が消灯し、２サイクル目は３Ｄ画像更新表示灯２３が消灯し３Ｄ画像更新表示灯２４が点灯し、３サイクル目はまた３Ｄ画像更新表示灯２３が点灯し３Ｄ画像更新表示灯２４が消灯するという具合である。

このように、３Ｄ画像２１が表示されるサイクル毎に３Ｄ画像更新表示灯２３および２４が表示されることにより、使用者は３Ｄ画像２１が更新されるタイミングを知ることができ、測定パラメータを変更するタイミングを図ることができる。なお、この繰り返し走査表示のタイミングを示す３Ｄ画像更新表示は、上記に限定されず、１つの表示灯でも良いし、様々な図形、又は棒状のレベルメータ等でも良い。

図２８の説明に戻る。
ステップＳ２８５において、表示されている３Ｄ画像２１、３１、４１が期待する３次元形状であるのか否かを使用者が判断し、期待する３次元形状でないと判断した場合（ステップＳ２８６：Ｎ）は、ステップＳ２８３以降を繰り返すことにより、観察する試料８のＺ方向の観察位置の再調整（ステップＳ２８３）や、３次元繰り返し表示のＺ走査範囲の再調整（ステップＳ２８４）を行う。

ステップＳ２８６で期待する３次元形状であると判断した場合（ステップＳ２８６：Ｙ）は、ステップＳ２８７において、計測モードでの画像情報を取り込むための３次元画像取り込みボタンを押すことにより、３次元繰り返し表示を停止し、ステップＳ２８８において、ステップＳ２８５の３次元繰り返し表示で観察していた時と同じ走査範囲で、３次元繰り返し表示で観察していた際のＺ走査ステップ又はＸＹ走査ステップと比較して、同等又は小さく自動変換された高精度な３次元画像データを取得する。よって、連続的に更新し表示している画像上での測定より、高精度な測定が可能となる。

以上、本発明を適用した各実施の形態を説明してきたが、本発明を適用する走査型共焦点顕微鏡の構成は、図１、図１８または図２６に示す構成に限らず各種の走査型共焦点顕微鏡に適用することができる。

例えば、円盤上にスパイラル状に複数の微小開口を設けたニポウまたはニプコウ（Ｎｉｐｋｏｗ）ディスクを高速回転させる構成であっても良い。このとき、上記Ｎｉｐｋｏｗディスクが対物レンズの集光位置と共役な位置に配置される微小開口を兼ね、光検出器としてＣＣＤなどの２次元画像センサが用いられる。さらには２次元光走査機構に変えて、１次元光スキャナによって対物レンズの集束光を試料の１ライン上で走査し、試料の断面形状を測定する構成であっても良い。

また、対物レンズ７の集光位置と試料８の位置を相対的に移動させる移動機構として、対物レンズ７を移動するＺレボルバ６に代えて試料８の位置を移動させるステージ機構を用いても良い。

その他、上記の構成に限らず、各種の走査型共焦点顕微鏡に本発明を適用することができる。すなわち、本発明が適用される走査型共焦点顕微鏡および試料情報測定方法は、その機能が実行されるのであれば、上述の実施の形態に限定されることはなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の構成または形状を取ることができる。

本発明の第１の実施の形態を適用した走査型共焦点顕微鏡の構成を示す図である。 計測する試料の形状例を説明するための図である。 ｃ面に焦点を合わせた場合の画像表示例を示す図である。 Ｚ方向の走査範囲の設定を説明するための図である。 ａ面、ｂ面、ｃ面上の点の光強度群のＩ−Ｚカーブを示す図である。 Ｚ（−２）乃至Ｚ（２）の位置での光強度群を示す図である。 全面に渡って焦点が合った場合の画像表示例を示す図である。 第２の実施に形態にかかる表示例を示す図である。 指示された２点間の距離の表示例を示す図である。 任意の２点を指示する例を示す画像である。 指示された２点間のΔＸ、ΔＹ、ΔＺの表示例を示す図である。 ３Ｄ画像２１とエクステンド画像２２とをモニタ１５上に表示させた例を示す図（その１）である。 ３Ｄ画像２１とエクステンド画像２２とをモニタ１５上に表示させた例を示す図（その２）である。 ３Ｄ画像２１とエクステンド画像２２とをモニタ１５上に表示させた例を示す図（その３）である。 ３Ｄ画像２１とエクステンド画像２２とをモニタ１５上に表示させた例を示す図（その４）である。 ３Ｄ画像２１とエクステンド画像２２とをモニタ１５上に表示させた例を示す図（その５）である。 ３Ｄ画像２１とエクステンド画像２２とをモニタ１５上に表示させた例を示す図（その６）である。 本発明の第５の実施の形態を適用した走査型共焦点顕微鏡の構成を示す図である。 ３Ｄ画像３１と非共焦点画像３２とをモニタ１５上に表示させた例を示す図（その１）である。 ３Ｄ画像３１と非共焦点画像３２とをモニタ１５上に表示させた例を示す図（その２）である。 ３Ｄ画像３１と非共焦点画像３２とをモニタ１５上に表示させた例を示す図（その３）である。 ３Ｄ画像３１と非共焦点画像３２とをモニタ１５上に表示させた例を示す図（その４）である。 ３Ｄ画像３１と共焦点画像３３とをモニタ１５上に表示させた例を示す図（その１）である。 ３Ｄ画像３１と共焦点画像３３とをモニタ１５上に表示させた例を示す図（その２）である。 ３Ｄ画像３１と共焦点画像３３とをモニタ１５上に表示させた例を示す図（その３）である。 本発明の第６の実施の形態を適用した走査型共焦点顕微鏡の構成を示す図である。 ３Ｄ画像４１とカラー画像４２とをモニタ１５上に表示させた例を示す図である。 試料情報計測処理の流れを示すフローチャートである。 ３Ｄ画像２１の繰り返し表示タイミングを示す３Ｄ画像更新表示灯の表示例を示す図である。 従来の走査型共焦点顕微鏡の概略的な構成を示す図である。 対物レンズ７と試料８の相対位置（Ｚ）と光検出器１１の出力（Ｉ）の関係を示す図である。

符号の説明

１ 光源
２ ビームスプリッター
３ ２次元走査機構
３ａ 第１の光スキャナ
３ｂ 第２の光スキャナ
６ Ｚレボルバ
７ 対物レンズ
８ 試料
９ 結像レンズ
１０ ピンホール
１１ 光検出器
１２ コンピュータ
１３ 試料台
１４ ステージ
１５ モニタ
１６ ハーフミラー
１７ 光検出器
１９ 白色光源
２０ カラー検出器
２１ ３Ｄ画像
２２ エクステンド画像
２３ ３Ｄ画像更新表示灯
２４ ３Ｄ画像更新表示灯
３１ ３Ｄ画像
３２ 非共焦点画像
３３ 共焦点画像
４１ ３Ｄ画像
４２ カラー画像

Claims (24)

1. 対物レンズを通して光源からの光を試料に照射し、
   前記対物レンズの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離散的に変化させ、
   各相対位置での前記試料からの光強度情報をそれぞれ取得し、
   それら光強度情報群から複数の光強度情報を抽出し、
   前記抽出した複数の光強度情報に適合する変化曲線上の最大値と、それを与える前記相対位置を推定し、
   その推定した光強度情報の最大値と相対位置をそれぞれ輝度情報と高さ情報として取得する走査型共焦点顕微鏡における試料情報測定方法において、
   前記対物レンズの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離散的に繰り返し往復動作させることで、前記試料の輝度情報と高さ情報を連続的に取得することを特徴とする試料情報測定方法。
2. 前記試料の輝度情報と高さ情報を連続的に取得している際に、前記試料を高精度に計測する計測モード用の画像を取り込むための指示がされることにより、前記集束光を光軸方向に沿って離散的に変化させる移動間隔（ステップ）を、前記試料の輝度情報と高さ情報を連続的に取得している際と比較して、同等又はより小さくして３次元画像データを取得することを特徴とする請求項１に記載の試料情報測定方法。
3. 前記試料の輝度情報と高さ情報を連続的に取得している際に、前記試料を高精度に計測する計測モード用の画像を取り込むための指示がされることにより、前記試料に対して対物レンズの集光位置を、前記集束光の光軸に対して垂直方向に走査する２次元走査間隔（ステップ）を、前記試料の輝度情報と高さ情報を連続的に取得している際と比較して、同等又はより小さくして３次元画像データを取得することを特徴とする請求項１に記載の試料情報測定方法。
4. 前記連続的に得られる前記試料の輝度情報と高さ情報とに基づいて、前記試料の形状を連続的に更新しながら表示することを特徴とする請求項１に記載の試料情報測定方法。
5. 前記連続的に更新しながら表示される試料形状上に測定位置を指定し、前記指定した測定位置に基づいて、前記試料形状を測定することを特徴とする請求項４に記載の試料情報測定方法。
6. 光源からの光を試料に対して集束させる対物レンズと、
   前記集束光の光軸方向に沿って、前記対物レンズの集光位置と前記試料の位置を相対的に移動させる移動機構と、
   前記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、
   前記共焦点絞りを通過する光の強度を検出する光検出器とを備えた走査型共焦点顕微鏡であって、
   前記移動機構によって前記対物レンズの集光位置と前記試料の相対的な位置を前記集束光の光軸方向に治って離散的に繰り返し往復動作させる手段と、
   各相対位置での前記試料からの光強度情報をそれぞれ取得する手段と、
   それら光強度情報群から複数の光強度情報を抽出する手段と、
   前記抽出した複数の光強度情報に適合する変化曲線上の最大値と、それを与える前記相対位置を推定する手段と、
   その推定した光強度情報の最大値と相対位置をそれぞれ輝度情報と高さ情報として取得する輝度及び高さ情報演算手段とを備え、
   前記輝度及び高さ情報演算手段は、前記移動機構の反転動作から次の反転動作までの間に取得される各相対位置での前記試料からの光強度情報を前記光強度情報群として取り扱い、前記移動機構の往復動作に合わせて前記輝度情報と高さ情報とを連続的に取得することを特徴とする走査型共焦点顕微鏡。
7. 前記試料を高精度に計測する計測モード用の画像を取り込むための３次元画像データ取得指示部を備え、
   前記試料の輝度情報と高さ情報を連続的に取得している際に、前記３次元画像データ取得指示部が指示されることにより、前記輝度及び高さ情報演算手段は、前記集束光を光軸方向に沿って離散的に変化させる移動間隔（ステップ）を、前記試料の輝度情報と高さ情報を連続的に取得している際に比較して、同等又はより小さくして３次元画像データを取得することを特徴とする請求項６に記載の走査型共焦点顕微鏡。
8. 前記集束光の光軸に対して垂直方向に走査する２次元走査部と、
   前記試料を高精度に計測する計測モード用の画像を取り込むための３次元画像データ取得指示部とを備え、
   前記試料の輝度情報と高さ情報を連続的に取得している際に、前記３次元画像データ取得指示部が指示されることにより、前記輝度及び高さ情報演算手段は、前記集束光の光軸に対して垂直方向に走査する２次元走査間隔（ステップ）を、前記試料の輝度情報と高さ情報を連続的に取得している際に比較して、同等又はより小さくして３次元画像データを取得することを特徴とする請求項６に記載の走査型共焦点顕微鏡。
9. 前記連続的に得られる前記試料の輝度情報と高さ情報とに基づいて、前記試料の形状を連続的に更新しながら表示する表示手段をさらに備えることを特徴とする請求項６に記載の走査型共焦点顕微鏡。
10. 前記連続的に更新しながら表示される試料形状上に測定位置を指定する測定位置指示部と、
    前記測定位置指示部で指定された測定位置に基づいて、試料形状を測定する試料形状測定部と、
    をさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の走査型共焦点顕微鏡。
11. 対物レンズを通して光源からの光を試料に照射し、
    前記対物レンズの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離散的に変化させ、
    各相対位置での前記試料からの光強度情報をそれぞれ取得し、
    それら光強度情報群から複数の光強度情報を抽出し、
    前記抽出した複数の光強度情報に適合する変化曲線上の最大値と、それを与える前記相対位置を推定し、
    その推定した光強度情報の最大値と相対位置をそれぞれ輝度情報と高さ情報として取得する走査型共焦点顕微鏡における試料情報測定方法において、
    前記対物レンズの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離散的に繰り返し往復動作させることで、前記試料の輝度情報と高さ情報を連続的に取得し、
    前記取得した高さ情報に基づいて作成された前記試料形状の３Ｄ画像と前記輝度情報とを同一画面上に、連続的に更新しながら表示させることを特徴とする試料情報測定方法。
12. 前記輝度情報を用いて共焦点画像を作成し、前記３Ｄ画像と共に同一画面上に、連続的に更新しながら表示することを特徴とする請求項１１に記載の試料情報測定方法。
13. 前記共焦点画像は、エクステンド画像であることを特徴とする請求項１２に記載の試料情報測定方法。
14. 対物レンズを通して光源からの光を試料に照射し、
    前記対物レンズの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離散的に変化させ、
    各相対位置での前記試料からの光強度情報をそれぞれ取得し、
    それら光強度情報群から複数の光強度情報を抽出し、
    前記抽出した複数の光強度情報に適合する変化曲線上の最大値と、それを与える前記相対位置を推定し、
    その推定した光強度情報の最大値と相対位置をそれぞれ輝度情報と高さ情報として取得し、
    前記試料からの非共焦点画像情報を前記光強度情報とは別に取得する走査型共焦点顕微鏡における試料情報測定方法において、
    前記対物レンズの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離散的に繰り返し往復動作させることで、前記試料の輝度情報と高さ情報を連続的に取得し、
    前記取得した高さ情報に基づいて作成された前記試料形状の３Ｄ画像と前記非共焦点画像情報とを同一画面上に、連続的に更新しながら表示させることを特徴とする試料情報測定方法。
15. 対物レンズを通して光源からの光を試料に照射し、
    前記対物レンズの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離散的に変化させ、
    各相対位置での前記試料からの光強度情報をそれぞれ取得し、
    それら光強度情報群から複数の光強度情報を抽出し、
    前記抽出した複数の光強度情報に適合する変化曲線上の最大値と、それを与える前記相対位置を推定し、
    その推定した光強度情報の最大値と相対位置をそれぞれ輝度情報と高さ情報として取得し、
    前記対物レンズを通して白色光源からの白色光を前記試料に照射し、
    前記試料からのカラー画像情報を取得する走査型共焦点顕微鏡における試料情報測定方法において、
    前記対物レンズの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離散的に繰り返し往復動作させることで、前記試料の輝度情報と高さ情報を連続的に取得し、
    前記取得した高さ情報に基づいて作成された前記試料形状の３Ｄ画像と前記カラー画像情報とを同一画面上に、連続的に更新しながら表示させることを特徴とする試料情報測定方法。
16. 前記３Ｄ画像は、前記形状が得られる毎に更新しながら表示され、
    前記３Ｄ画像とともに表示する前記輝度情報、前記非共焦点画像情報、前記共焦点画像情報または前記カラー画像情報は、情報が取得される毎に更新しながら表示されることを特徴とする請求項１１乃至１５の何れか１項に記載の試料情報測定方法。
17. 前記連続的に更新しながら画像を表示する表示画面上に、前記画像が更新されるタイミングを知らせるようにしたことを特徴とする請求項１１乃至１６の何れか１項に記載の試料情報測定方法。
18. 光源からの光を試料に対して集束させる対物レンズと、
    前記集束光の光軸方向に沿って、前記対物レンズの集光位置と前記試料の位置を相対的に移動させる移動機構と、
    前記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、
    前記共焦点絞りを通過する光の強度を検出する光検出器とを備えた走査型共焦点顕微鏡であって、
    前記移動機構によって前記対物レンズの集光位置と前記試料の相対的な位置を前記集束光の光軸方向に治って離散的に繰り返し往復動作させる手段と、
    各相対位置での前記試料からの光強度情報をそれぞれ取得する手段と、
    それら光強度情報群から複数の光強度情報を抽出する手段と、
    前記抽出した複数の光強度情報に適合する変化曲線上の最大値と、それを与える前記相対位置を推定する手段と、
    その推定した光強度情報の最大値と相対位置をそれぞれ輝度情報と高さ情報として取得し、前記移動機構の反転動作から次の反転動作までの間に取得される各相対位置での前記試料からの光強度情報を前記光強度情報群として取り扱い、前記移動機構の往復動作に合わせて前記輝度情報と高さ情報とを連続的に取得する輝度及び高さ情報演算手段と、
    前記連続的に得られる前記試料の輝度情報と高さ情報とに基づいて、前記試料形状の３Ｄ画像を作成し、前記輝度情報とともに同一画面上に、連続的に更新しながら表示する表示手段とを備えることを特徴とする走査型共焦点顕微鏡。
19. 前記表示手段は、前記輝度情報を用いて共焦点画像を作成し、前記３Ｄ画像と共に同一画面上に、連続的に更新しながら表示することを特徴とする請求項１８記載の走査型共焦点顕微鏡。
20. 前記共焦点画像は、エクステンド画像であることを特徴とする請求項１９記載の走査型共焦点顕微鏡。
21. 光源からの光を試料に対して集束させる対物レンズと、
    前記集束光の光軸方向に沿って、前記対物レンズの集光位置と前記試料の位置を相対的に移動させる移動機構と、
    前記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、
    前記共焦点絞りを通過する光の強度を検出する光検出器とを備えた走査型共焦点顕微鏡であって、
    前記移動機構によって前記対物レンズの集光位置と前記試料の相対的な位置を前記集束光の光軸方向に治って離散的に繰り返し往復動作させる手段と、
    各相対位置での前記試料からの光強度情報をそれぞれ取得する手段と、
    それら光強度情報群から複数の光強度情報を抽出する手段と、
    前記抽出した複数の光強度情報に適合する変化曲線上の最大値と、それを与える前記相対位置を推定する手段と、
    その推定した光強度情報の最大値と相対位置をそれぞれ輝度情報と高さ情報として取得し、前記移動機構の反転動作から次の反転動作までの間に取得される各相対位置での前記試料からの光強度情報を前記光強度情報群として取り扱い、前記移動機構の往復動作に合わせて前記輝度情報と高さ情報とを連続的に取得する輝度及び高さ情報演算手段と、
    前記試料からの非共焦点画像情報を前記光強度情報とは別に取得する非共焦点画像情報取得手段と、
    前記連続的に得られる前記試料の高さ情報に基づいて前記試料形状の３Ｄ画像を作成し、前記非共焦点画像情報取得手段によって取得した非共焦点画像情報とともにを同一画面上に、連続的に更新しながら表示する表示手段とを備えることを特徴とする走査型共焦点顕微鏡。
22. 光源からの光を試料に対して集束させる対物レンズと、
    前記集束光の光軸方向に沿って、前記対物レンズの集光位置と前記試料の位置を相対的に移動させる移動機構と、
    前記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、
    前記共焦点絞りを通過する光の強度を検出する光検出器とを備えた走査型共焦点顕微鏡であって、
    前記移動機構によって前記対物レンズの集光位置と前記試料の相対的な位置を前記集束光の光軸方向に治って離散的に繰り返し往復動作させる手段と、
    各相対位置での前記試料からの光強度情報をそれぞれ取得する手段と、
    それら光強度情報群から複数の光強度情報を抽出する手段と、
    前記抽出した複数の光強度情報に適合する変化曲線上の最大値と、それを与える前記相対位置を推定する手段と、
    その推定した光強度情報の最大値と相対位置をそれぞれ輝度情報と高さ情報として取得し、前記移動機構の反転動作から次の反転動作までの間に取得される各相対位置での前記試料からの光強度情報を前記光強度情報群として取り扱い、前記移動機構の往復動作に合わせて前記輝度情報と高さ情報とを連続的に取得する輝度及び高さ情報演算手段と、
    前記対物レンズを通して白色光源からの白色光が前記試料に入射され、前記試料からのカラー画像情報を取得するカラー画像情報取得手段と、
    前記連続的に得られる前記試料の高さ情報に基づいて前記試料形状の３Ｄ画像を作成し、前記カラー画像情報取得手段によって取得したカラー画像情報とともにを同一画面上に、連続的に更新しながら表示する表示手段とを備えることを特徴とする走査型共焦点顕微鏡。
23. 前記表示手段は、前記形状が得られる毎に更新しながら前記３Ｄ画像を表示し、
    前記輝度情報、前記非共焦点画像情報または前記カラー画像情報は、情報が取得される毎に更新しながら表示することを特徴とする請求項１８、２１または２２に記載の走査型共焦点顕微鏡。
24. 前記表示手段は、前記画像の更新のタイミングに示す画像更新表示部を備えることを特徴とする請求項１８乃至２３の何れか１項に記載の走査型共焦点顕微鏡。