JP2007139884A - 共焦点走査型顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】高精度な高さ計測を実現すると共にユーザの操作性を向上する。
【解決手段】光検出器５は、対物レンズ１５と対物レンズ１５の集光位置に対し共役な位置に配置されているピンホール板１８とを通過して試料１６から到来する光の強度の検出を行う。制御部２は、当該光の強度に基づいて試料１６の共焦点画像を取得する一方で、試料１６に対して関心領域を指定し、指定した関心領域を条件算出対象領域として取得する。更に、制御部２は、当該共焦点画像を取得するときの光検出器５の検出感度を、取得した条件算出対象領域内の輝度情報から算出し、試料１６に対する対物レンズ１５の相対的な位置であって光検出器５の検出感度を当該算出された感度に切り替える位置を算出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光学系を介して試料を光で走査することにより試料の表面情報を測定する光学顕微鏡の技術に関するものであり、特に、共焦点走査型顕微鏡による測定の技術に関する。

共焦点顕微鏡は、試料からの光を、共焦点絞りを介して光検出器で検出し、その検出量に基づいて、試料の焦点深度が深い画像や三次元像を取得する。ここで、対物レンズの焦点と試料の相対的な位置を光軸方向に変化させる、すなわちＺ走査させると、共焦点絞りを介して検出器に入射する光の量が変化し、試料の表面に焦点が合うと検出器における受光量が最大になる。従って、検出器において最大受光量が得られるときの対物レンズの焦点と試料との相対的な位置から当該焦点位置における試料表面の高さ情報を算出することができるので、試料の表面全体を光で走査することによって試料の表面全体の高さ情報を取得することができる。

ところで、高さ方向に反射率が大きく異なる試料を観察・測定する場合や、高さ方向に段差を有する試料を観察・測定する場合には、検出器の感度若しくは光源の光量を調節しておき、指定されたＺ位置において、調整された検出器の感度若しくは光源の光量で撮像する必要がある。この点に関し、例えば特許文献１には、試料の反射率に応じ、検出器の感度と検出器の感度を切り替えるＺ位置とを装置のユーザが複数設定する構成を有している走査型試料測定装置が開示されている。

この他、本発明に関連する技術として、特許文献２には、試料暗部の光検出信号及び高さデータのＳ／Ｎを劣化させることなく光検出のダイナミックレンジを拡大する光検出回路についての技術が開示されている。
特開平９−２１１３３３号公報 特開２００５−１７３５５５号公報

前掲した特許文献１に開示されている技術では、検出器の最適な検出感度と当該検出器の感度を切り替えるＺ位置とを、装置のユーザが探し出して設定することを前提としているため、試料の形状や試料の反射率によっては、この設定の作業は煩雑なものとなり手間がかかる。

本発明は上述した問題に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、高精度な高さ計測を実現すると共にユーザの操作性を向上することである。

本発明の態様のひとつである走査型共焦点顕微鏡は、対物レンズと当該対物レンズの集光位置に対し共役な位置に配置されている共焦点絞りとを通過して試料から到来する光の強度の検出を行う光検出手段と、当該光検出手段からの光の強度に基づいて当該試料の共焦点画像を取得する共焦点画像取得手段と、当該試料に対して関心領域を指定し、指定した関心領域を条件算出対象領域として取得する関心領域指定手段と、当該共焦点画像を取得するときの当該光検出手段の検出感度を、当該関心領域指定手段により取得される条件算出対象領域内の輝度情報から算出する検出感度算出手段と、当該試料に対する当該対物レンズの相対的な位置であって当該光検出手段の検出感度を当該検出感度算出手段で算出された感度に切り替える位置を算出するＺ切替位置算出手段と、を有することを特徴とするものであり、この特徴によって前述した課題が解決される。

なお、上述した本発明に係る走査型共焦点顕微鏡において、当該試料の画像を取得する撮像手段を更に有し、当該関心領域指定手段は、当該撮像手段で取得された試料の画像に対する複数の部分領域を当該関心領域として指定する、ように構成してもよい。

また、前述した本発明に係る走査型共焦点顕微鏡において、当該検出感度算出手段は、当該光検出手段によって検出した当該関心領域における光の強度の最大値及び最小値に基づいて、当該関心領域における当該検出感度を算出するように構成してもよい。

また、前述した本発明に係る走査型共焦点顕微鏡において、当該検出感度算出決定手段で算出した当該関心領域毎の検出感度の下での関係であって、当該試料に対する当該対物レンズの相対的な位置と当該光検出手段で検出される光の強度との関係を示すＩ−Ｚ曲線を当該関心領域毎に取得するＩ−Ｚ曲線取得手段を更に有し、当該Ｚ切替位置算出手段は、当該Ｉ−Ｚ曲線取得手段により取得される関心領域毎の当該Ｉ−Ｚ曲線に基づいて当該切り替え位置を算出する、ように構成してもよい。

なお、このとき、当該Ｚ切替位置算出手段は、当該Ｉ−Ｚ曲線取得手段により取得される関心領域毎の当該Ｉ−Ｚ曲線と、当該Ｉ-Ｚ曲線上に設定される閾値に基づいて当該切り替え位置を算出するように構成してもよい。

なお、このとき、当該Ｚ切替位置算出手段は、当該対物レンズの光軸方向で隣接している２つの当該関心領域のＩ−Ｚ曲線と当該閾値とが交わるときの位置を算出し、当該算出した各々の位置の中間位置を当該切り替え位置として算出するように構成してもよい。

あるいは、このとき、当該Ｚ切替位置算出手段は、当該対物レンズの光軸方向で隣接している２つの当該関心領域の各々に対して当該Ｉ−Ｚ曲線が極大値を呈しているときの位置を算出し、当該算出した各々の位置の中間位置を当該切り替え位置として算出するように構成してもよい。

また、前述した本発明に係る走査型共焦点顕微鏡において、当該Ｚ切替位置算出手段は、当該対物レンズの光軸方向に隣接している２つの当該関心領域の各々に対し当該対物レンズの焦点が合焦するときの位置を算出し、当該算出した中間の位置を当該切り替え位置として算出する、ように構成してもよい。

このような構成によれば、高さ方向に反射率が大きく異なる試料を観察、測定する、または高さ方向に大きな段差を有する試料を観察、測定する場合においても煩わしい設定なしに実施することが可能となり、操作性が向上する。さらに撮像した画像において、高精度な高さ計測が可能となる。

本発明によれば、以上のように構成することにより、高精度な高さ計測が実現でき、且つ、ユーザの操作性が向上するという効果を奏する。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明を実施する走査型共焦点顕微鏡の構成を示している。この走査型共焦点顕微鏡（以下、「本装置」と称することとする）は、主に、顕微鏡部１、制御部２、表示部３、入力部４より構成されている。

顕微鏡部１は、Ｘ軸方向走査用のミラーとＹ軸走査用のミラーとを有する走査光学系１１を観察光路上に備えている。このミラーには例えば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System ）ミラーやガルバノミラーが用いられる。レーザ光源１０からのレーザ光は、光強度調整用の光学素子２０、ミラー１３、及びハーフミラー１２を介して走査光学系１１に入射する。走査光学系１１は、レーザ光源１０からのレーザ光を二次元走査するための機構であり、ミラーをＸ軸方向及びＹ軸方向に振ることで対物レンズ１５に対するスポット光を試料１６上においてＸ及びＹの２方向に振ることができる。

一方、白色光源２６からの白色光は、光強度調整用の光学素子２７と、ハーフミラー２８とを介して試料１６に照射される。
対物レンズ１５はレボルバ１４に取り付けられている。レボルバ１４は、倍率の異なる複数の対物レンズ１５を同時に保持可能であり、その中から任意のものを観察光路上に挿入するための機構である。

試料１６が載置されているステージ１７は、ハンドル２１に連結された昇降機構により光軸方向に上下移動可能になっている。
レーザ光による試料１６からの反射光は、対物レンズ１５を通り、ハーフミラー２８を介してハーフミラー２８−１で反射され、走査光学系１１に導かれる。また、白色光による試料１６からの反射光は、対物レンズ１５を通り、ハーフミラー２８、２８−１を介して、固体撮像素子２５に導かれる。走査光学系１１に導かれた光は、走査光学系１１からハーフミラー１２へと戻される。ハーフミラー１２で反射した試料からの反射光は、ハーフミラー２４で分割され、共焦点用の光検出器５と非共焦点用の光検出器２２とに導かれることとなる。このそれぞれの検出系に設けているレンズ１９及び２３は、ハーフミラー２４を介して到来する走査光学系１１からの反射光を集光するレンズである。

ピンホール板１８には所要の径のピンホールを開けてある。このピンホールは、光検出器５の受光面の前面であってレンズ１９の焦点位置に配置される。共焦点用の光検出器５は、このピンホールを介して得られる光をその光量対応の電気信号に変換する。なお、試料１６が対物レンズ１５による集光位置からずれた位置にある場合は、試料１６からの反射光はピンホールを通過しない。つまり、このピンホールは、対物レンズ１５の集光位置に対し共役な位置に配置されている共焦点絞りである。

図２Ａは、ステージ１７上での対物レンズ１５の集光位置を示した図である。
今、試料１６が対物レンズ１５の集光位置Ｚ（０）にある場合、すなわち同図におけるａ面に焦点が合っている場合、光検出器５の出力は最大となる。その一方、この集光位置Ｚ（０）から対物レンズ１５と試料１６との相対位置が離れるに従い光検出器５の出力は急激に低下する。対物レンズ１５と試料１６との光軸方向（Ｚ軸方向）の相対位置Ｚに対する、光検出器５の出力レベルＩ（すなわち光検出器５で検出される試料１６から到来する光の強度）の関係を表しているＩ−Ｚ曲線の例を図２Ｂに示す。

図２Ｂに示した特性を利用し、二次元走査機構を含む走査光学系１１によって集光点を二次元走査したときの光検出器５の出力を二次元走査機構に同期して画像化すれば、試料１６における特定の高さのみが画像化され、試料１６を光学的にスライスした共焦点画像を得ることができる。そして、高さの異なる複数の共焦点画像を取得し、これらの画像を重ね合わせれば試料１６の三次元画像を得ることができる。

なお、非共焦点用の検出手段である光検出器２２は、上記のピンホールを介さずにレンズ２３から到来する光をその光量対応の電気信号に変換する。
図１の説明へ戻る。

制御部２は、走査光学系１１を制御する二次元走査駆動制御部と、ステージ１７を上下移動させる焦準機構を制御するＺ走査駆動制御部と、光検出器５の感度を設定する検出感度設定部と、光検出器５からの信号を処理する画像処理部と、を備えて構成される。

システム制御用計算機８は、ごく標準的なコンピュータであり、全体の動作制御を行うＣＰＵ（中央演算装置）と、基本制御プログラムが格納されているＲＯＭと、ＣＰＵが制御プログラムを実行する際にワークメモリとして使用するＲＡＭと、ＣＰＵによって実行される各種の制御プログラムや各種のデータを格納しておくハードディスク装置等の記憶部と、顕微鏡部１、表示部３、及び入力部４との間での各種のデータの授受を管理するインタフェース部を有している。システム制御用計算機８は、記憶部に格納されている制御プログラムをＣＰＵが実行することにより、光検出器５の適切な感度レベル値を算出する検出感度算出部として、また、光検出器５の感度レベル値を切り替える適切なＺ位置を算出するＺ切替位置算出部として、また、光検出器５の適切な感度レベル値を複数記憶する検出感度記憶部として、また、光検出器５の適切な感度レベル値を切り替える適切なＺ位置を複数記憶するＺ切替位置記憶部として、また、顕微鏡部１から得られた画像を表示部３で観察しながら領域を指定できる関心領域指定部として、それぞれ機能する。更に、光検出器５からの信号を処理する画像処理部の制御を行うと共に、画像データの保存、再生、編集などといった各種の処理の中枢を担う。

表示部（モニタ）３は、システム制御用計算機８の画像表示端末であり、必要な情報の表示や画像の表示などに使用される。また、入力部４は、例えばキーボードとマウス等のポインティングデバイスとからなり、本装置の使用者による操作に基づいて使用者からの各種の指示を取得する。

なお、本実施形態においては、光検出器５及び２２として、フォトマルチプライヤを用いるが、この代わりに、フォトダイオードやＣＣＤ（電荷撮像素子）のような固体撮像素子であってもよい。フォトマルチプライヤは、制御部２により印加電圧を制御することにより、その検出感度を制御することができる。

フォトマルチプライヤである光検出器５及び２２から各々出力されるアナログ信号は、信号調整部６により振幅（ゲイン）とオフセット量とが調整される。信号調整部６には、このためのオフセット演算部９ｂと増幅部９ａとが備えられている。なお、フォトマルチプライヤは、印加電圧に応じて検出感度を変化させることができるので、増幅部９ａの増幅倍率は所定の値に固定とする。

信号調整部６で調整がされたアナログ信号は、制御部２に備えられているＡ／Ｄ変換部７によりデジタルデータへと変換されてシステム制御用計算機８へ入力される。制御部２は、入力されたデジタルデータに対応する画像を、表示部３で表示可能なものとする。つまり、制御部２は、光検出器５によって検出される光の強度に基づいて試料１６の共焦点画像を取得する。

次に、検出器感度算出部について、更に説明する。
図３は、図１の表示部３に表示される調整条件設定画面の画面例を示している。この画面は制御プログラムから呼び出し可能であり、制御部２には、この画面を構成する画面データが予め格納されている。

この画面では、Ａ／Ｄ変換部７を通過した後のデジタルデータが、Ａ／Ｄ変換部７のダイナミックレンジに対して、どのような範囲に入れるようにするかを設定するためのものである。

この画面においては、「最大最小値指定」と「平均値指定」とのどちらの設定を行うかを本装置の使用者により選択することができる。
この画面において「最大最小値指定」に対する設定を行う場合には、デジタルデータの最大値がダイナミックレンジに対する設定した割合の値を超えないように「最大値」の設定を行い、また、デジタルデータの最小値がダイナミックレンジに対する設定した割合の値以上となるように「最小値」設定を行う。

なお、ダイナミックレンジに対する割合によりこれらの値を指定する代わりに、デジタルデータの数値を直接指定するようにしてもよい。また、少なくとも、最大値の指定さえなされていれば、最小値の指定は必須ではない。

一方、この画面において「平均値指定」に対する設定を行う場合には、次に説明する画像範囲設定に基づいた画像範囲の平均値を、ダイナミックレンジに対してどの程度の割合とするかを指定可能となっている。なお、この代わりに、平均値の数値を直接設定するようにしてもよい。

次に、関心領域指定部について、更に説明する。
表示部３に表示されている試料１６の画像には、後述するＡＦ（自動合焦）制御及び感度調整制御を実行する際に、これらの制御の対象とする領域の範囲（関心領域：ＲＯＩ（Region Of Interest））が、条件算出対象領域として本装置の使用者によって設定される。関心領域指定部は、本装置の使用者が入力部４を操作して試料１６に対して設定した複数の関心領域を条件算出対象領域として取得する。

関心領域を設定する方法を説明する。
図４Ａは、図１の顕微鏡部１から取得されて表示部３に表示されている非共焦点画像の例である。非共焦点では焦点深度が深いため、非共焦点画像には、Ｚ軸方向（光軸方向）における広い範囲に渡る試料１６表面の様子が表される。従って、本装置の使用者は、この非共焦点画像に対し、Ｚ位置の異なる複数の関心領域をまとめて設定することができる。使用者は、まず、図１に示したハンドル２１の操作により、若しくは表示部３に表示される図５に示した制御画面中のＺ位置調整ボタン３１に対するクリック操作により、高さ測定を実施したい領域が表されている非共焦点画像を表示部３に表示させた上で関心領域を設定する。

なお、図４Ａの例では、関心領域ａ、ｂ、ｃとして３ヶ所指定した様子を示している。なお、これらの関心領域のＺ位置の関係は、図２Ａに示す各面において、ａ面上に関心領域ａが、ｂ面上に関心領域ｂが、そして、ｃ面上に関心領域ｃが、それぞれ位置しているものとする。つまり、このように関心領域を設定した場合には、後にＺ位置を変化させながら行われる共焦点画像の観察において、図４Ｂ、図４Ｃ、図４Ｄの順に示すように、指定した３ヶ所の関心領域のいずれかに焦点の合った画像が順次得られる。

なお、関心領域の設定に用いる画像として、非共焦点画像の代わりに、共焦点画像またはカラー画像でもよいが、焦点深度が深い非共焦点画像若しくはカラー画像を用いる方が関心領域の指定を容易に行うことができるので好ましい。ここで、カラー画像は、光源として図１に示した白色光源２６を用いると共に、図１に示した固体撮像素子２５としてカラーＣＣＤを用いることで取得でき、制御部２は、固体撮像素子２５からの出力信号に基づいて当該カラー画像を生成して表示部３に表示する。

また、関心領域の指定方法としては、表示されている画像に対し、図４Ａに示すように矩形で指定する代わりに、例えば円形で指定する、あるいは任意形状で指定することも可能である。また、画像上の一点をポイント指定することにより、予め決められた領域が指定されるようにしてもよい。

次に、本装置の動作について説明する。
図６Ａは、制御部２によって行われる制御処理の処理内容をフローチャートで示したものである。

図６Ａの処理では、試料１６の画像を取得する際に光検出器５に設定される感度の算出と、光検出器５の感度の切り替えを行うＺ位置の算出とが行われ、これらの算出結果の値が設定される。これらの値の設定後に撮像を開始すると、設定されたＺ位置において光検出器の感度が切り替わり、試料１６の共焦点画像の撮像が行われる。

まず、図６Ａの制御処理を開始する前に、本装置の使用者は、入力部４を操作してＺ走査範囲の上限位置と下限位置との設定を行う。この設定には、例えば表示部３に表示される図５に示した制御画面を利用して行われる。図５の画面例には、前述したＺ位置調整ボタン３１の他に、この設定のためにクリック操作されるＺ走査上限位置設定ボタン３２とＺ走査下限位置設定ボタン３３とが設けられている。

Ｚ走査範囲の上限位置と下限位置との設定がなされた後、図６Ａの制御処理の開始が指示されると、走査光学系１１によるレーザ走査も並行して開始される。なお、図６Ａの制御処理の開始指示は、表示部３に表示されている図７に例示するような制御画面中の「開始」ボタンに対するクリック操作によって行われる。ここで、図７に示した制御画面は、図１の表示部３に表示され、顕微鏡部１を制御する制御部２に格納されている、制御プログラムから呼び出し可能な画面である。

指示に応じて図６Ａの制御処理が開始されると、まず、Ｓ１０１において、前述した条件算出対象領域（複数の関心領域）を読み込む処理が行われる。
Ｓ１０２では、取得した条件算出対象領域によって特定される試料１６における複数の関心領域のうちのひとつに対してＡＦ（自動合焦）を実行する処理が行われる。このＡＦのための処理の詳細は後述する。

Ｓ１０３では、Ｓ１０２の処理によって得られた焦点位置（ＡＦ位置）へとＺ位置を移動させる処理が行われる。なお、Ｚ位置の移動は、試料１６と対物レンズ１５の集光位置との相対位置が変化する手法であれば、どのような手段でも構わないが、本実施形態では、レボルバ１４を上下移動させるものとする。

Ｓ１０４では、光検出器５の感度調整を実行する処理が行われる。この感度調整のための処理の詳細は後述するが、このＳ１０４の処理結果と前述したＳ１０２の処理結果とにより、現在の処理対象としている関心領域についてのＩ−Ｚ曲線を求めることができる。

Ｓ１０５では、Ｓ１０１で読み込んだ複数の関心領域のうちで、上述したＳ１０２からＳ１０４にかけての処理を実行していないものが残っているか否かを判定する処理が行われる。ここで、そのような関心領域が残っていると判定したとき（判定結果がＹｅｓのとき）には、Ｓ１０２へと処理を戻して上述した処理が繰り返される。一方、そのような関心領域はもはや残っていないと判定したとき（判定結果がＮｏのとき）にはＳ１０６に処理を進める。

Ｓ１０６では、Ｓ１０２及びＳ１０４の処理結果より求められるＩ−Ｚ曲線を利用して感度切り替えの設定条件（検出感度の切り替えを行うＺ位置）を決定する処理が行われる。この処理の詳細は後述する。

Ｓ１０７では、Ｓ１０６で決定した感度切り替え設定条件を、図７に例示したような設定画面で表示すると共に、その条件をシステム制御用計算機８に設定する処理が行われる。なお、この設定画面に表示させた感度切り替え設定条件は、使用者が自由に変更することも可能である。

以上までの処理が完了した後に試料１６の三次元画像の取得動作を行わせると、Ｓ１０７において設定された条件の下で、Ｚ位置に基づく光検出器５の感度の切り替えを伴った画像取得が行われるようになる。

次に図６Ｂについて説明する。同図は、図６ＡのＳ１０２の処理である、ＡＦ処理の処理内容をフローチャートで示したものである。
まず、Ｓ２０１において、レボルバ１４を予め設定されているＺ位置へ所定量移動させる処理が行われる。なお、このＺ位置を、本装置の使用者が指定するようにしてもよい。

Ｓ２０２では、現在のＡＦ処理の対象である関心領域を走査してその領域に含まれている画素のうちの所定の位置の輝度データを取得する処理が行われる。なお、輝度データの取得対象とする画素は、関心領域中のいずれでもよい。ここで取得された輝度データは、当該取得時のＺ位置と対応付けられて制御部２で格納される。

Ｓ２０３では、焦点位置を見つけたか否かを判定する処理が行われる。この判定は、Ｓ２０２で得られた輝度データが、Ｉ−Ｚ曲線における極大値を呈しているか否かによって判定される。ここで、焦点位置を見つけたと判定されたとき（判定結果がＹｅｓのとき）には、この図６Ｂの処理を終了して図６Ａの処理へ戻る。一方、焦点位置を見つけられていないと判定したとき（判定結果がＮｏのとき）には、Ｓ２０１へと処理を戻して上述した処理が繰り返される。

以上の処理が行われることにより、当該関心領域における焦点位置Ｚ（０）が判明し、更に、図２Ｂに示したような、当該関心領域におけるＺ位置と所定の画素の輝度値との関係を表すＩ−Ｚ曲線が得られる。但し、この図６Ｂの処理において、光検出器５からの出力レベルが、予め定めておいた閾値よりも低い場合には、予め定めておいた値だけ光検出器５の感度を上げてから改めて図６Ｂの処理を行うようにし、逆に、光検出器５からの出力レベルが飽和してしまった場合には、予め定めておいた値だけ光検出器５の感度を下げてから改めて図６Ｂの処理を行うようにする。なお、光検出器５の感度調整処理を次に説明するが、この閾値と光検出器５の感度の上げ下げの値とを、本装置の使用者が自由に設定できるようにしてもよい。

図６Ｃについて説明する。同図は、図６ＡのＳ１０４の処理である、光検出器５の感度調整処理の処理内容をフローチャートで示したものである。
まず、Ｓ３０１において、試料１６に対してレーザ走査を行って画像を取得する処理が行われる。

Ｓ３０２では、取得した画像における、前述した図６ＡのＳ１０１の処理で読み込んだ条件算出対象領域によって示されている関心領域内の輝度（光検出器５で検出された光の強度）の最大値と最小値とを求め、これらの値が、図３に例示した設定画面で設定された値の範囲内であるかどうかを判定する処理が行われる。なお、この判定処理においては、設定画面で設定された値と直接比較する代わりに、設定画面で設定された値から所定の許容誤差を含めた値との比較を行うようにしてもよい。また、この許容誤差は、予め定められている固定値としてもよく、また、本装置の使用者が指定できるようにしてもよい。

このＳ３０２の判定処理において、関心領域の輝度の最大値と最小値とが、設定された値の範囲内であると判定されたとき（判定結果がＹｅｓのとき）には、この図６Ｃの処理を終了して図６Ａへと処理を戻す。一方、設定された値の範囲外であると判定されたとき（判定結果がＮｏのとき）にはＳ３０３に処理を進める。

Ｓ３０３では、関心領域の輝度の最大値と最小値とを設定された値の範囲内にする光検出器５の感度設定値を、現在の感度設定値と、現在の関心領域の輝度値とに基づいて算出する処理が行われる。

本実施形態においては、光検出器５としてフォトマルチプライヤを用いているので、そこへの印加電圧ＨＶを変化させることによってその検出感度を調整することができる。
検出感度Ｇは、ある印加電圧ＨＶにおいて、
Ｇ＝ｋ×ＨＶ^a
で表すことが出来る。ここで、ａ、ｋは、フォトマルチプライヤ固体毎に定まる値である。

例えば、図３に例示した画面において、最大値がダイナミックレンジの９０％以下、最小値が１０％という条件が設定されている場合を考える。
試料１６の反射率をｒとし、本装置の光学系効率をｔとする。感度調整前の状態における印加電圧ＨＶ（１）のときに輝度値Ｉ（１）が得られたとすると、
Ｉ（１）＝Ｇ（１）×ｒ×ｔ
であるから、
Ｉ（１）＝ｒ×ｔ×ｋ×ＨＶ（１）^aとなる。

このときに、Ａ／Ｄ変換部７ダイナミックレンジの９０％の値Ｉ（９０％）とする調整印加電圧をＨＶ（９０％）とする。すると、
Ｉ（１）／Ｉ（９０％）＝｛ＨＶ（１）^a｝／｛ＨＶ（９０％）^a｝
が成立するので、係数ａを得ることができれば、ＨＶ（９０％）が求まる。前述したように、この係数ａはフォトマルチプライヤの固体毎に定まる値であるので、例えば、フォトマルチプライヤの製造メーカから提供される値を用いてもよいが、装置毎に実験を行って、その値を厳密に求めるようにしてもよい。

なお、Ａ／Ｄ変換部７ダイナミックレンジの１０％の値Ｉ（１０％）とする調整印加電圧ＨＶ（１０％）についても、同様の計算を行うことにより求めることができる。
なお、光検出器５として、フォトマルチプライヤの代わりにフォトディテクタを使用する場合には、増幅部９ａの増幅倍率を変化させることによって検出感度を調整することができる。なお、ここで、増幅部９ａとして線形増幅器を使用することにより、所望の検出感度を得るための増幅倍率の算出が容易なものとなる。

また、演算方法は、周知の２分式探索方法等でもよい。
また、感度設定値の算出において、オフセット等の他のパラメータの考慮が必要な場合には、それに応じた演算式を用いて算出するようにすればよい。

Ｓ３０４では、Ｓ３０３で得た値を、光検出器５へ設定する処理が行われる。
Ｓ３０５では、新たなパラメータに基づいて、Ｓ３０１と同様に、試料１６に対してレーザ走査を行って画像を取得する処理が行われる。

Ｓ３０６では、Ｓ３０２と同様に、取得した画像における、前述した図６ＡのＳ１０１の処理で読み込んだ条件算出対象領域によって示されている関心領域内の輝度の最大値と最小値とを求め、これらの値が、図３に例示した設定画面で設定された値の範囲内であるかどうかを判定する処理が行われる。ここで、これらの値が、設定された値の範囲内であると判定されたとき（判定結果がＹｅｓのとき）には、この図６Ｃの処理を終了して図６Ａへと処理を戻す。一方、設定された値の範囲外であると判定されたとき（判定結果がＮｏのとき）にはＳ３０３へと処理を戻して上述した処理が繰り返される。

以上の処理によって、光検出器５に対する検出感度の調整が完了し、光検出部５によって一旦検出された関心領域毎の光の強度の最大値及び最小値に基づいて、各関心領域において適切な光検出器５の検出感度が決定される。

なお、図６ＡのＳ１０４の処理によって、光検出器５の検出感度の変更が上述したようにしてなされたときには、その時点でＳ１０４の処理の実行対象としていた関心領域についてのＳ１０２からＳ１０４の処理を改めて実行し、変更後の検出感度の下での当該関心領域についてのＩ−Ｚ曲線を取得するようにする。

次に、図６ＡのＳ１０６の処理によって行われる、光検出器５の検出感度を上述したようにして決定されたものへと切り替えるＺ位置を、関心領域毎のＩ−Ｚ曲線に基づいて決定する手法について説明する。

まず、これらの関心領域毎のＩ−Ｚ曲線を、Ｚ位置を揃えて重ね合わせる。この重ね合わせの第一の例を図８Ａに示す。
次に、本装置の使用者により予め設定されている輝度値Ｉの閾値（ノイズと試料１６からの反射光とを識別する閾値）と、各Ｉ−Ｚ曲線との交点を求める。なお、この閾値の設定は、予め設定しておく代わりに、この時点で設定するようにしてもよい。

ここで、光検出器５の検出感度を関心領域ａのためのものへ切り替えるＺ位置である第一切り替えＺ位置は、関心領域ａ（すなわち図２Ａにおけるａ面）のＩ−Ｚ曲線とこの閾値との交点のＺ位置とする。

なお、使用者により指定されたＺ走査範囲の下限位置が、このときに得られた第一切り替えＺ位置よりも小さい場合、すなわち
（Ｚ走査範囲の下限位置）＜（第一切り替えＺ位置）
におけるＺ走査範囲の下限位置（すなわち、Ｚ走査の開始位置）から第一切り替えＺ位置までの範囲における光検出器５の検出感度は、使用者により任意に指定することができる。

次に、光検出器５の検出感度を関心領域ａのためのものから関心領域ｂのためのものへと切り替えるＺ位置である第二切り替えＺ位置は、関心領域ａ（すなわち図２Ａにおけるａ面）のＩ−Ｚ曲線と関心領域ｂ（すなわち図２Ａにおけるｂ面）のＩ−Ｚ曲線と上述の閾値とに基づいて決定する。

本実施形態においては、第二切り替えＺ位置は、
｛（ａ面のＩ−Ｚ曲線において上記閾値の輝度を呈するときのＺ位置）＋
（ｂ面のＩ−Ｚ曲線において上記閾値の輝度を呈するときのＺ位置）｝／２
で算出する。つまり、対物レンズ１５の光軸方向で隣接している２つの関心領域についてのＩ−Ｚ曲線の各々において、上記の閾値に対応付けられているＺ位置の中間位置を第二切り替えＺ位置とする。但し、
（ａ面のＩ−Ｚ曲線において上記閾値の輝度を呈するときのＺ位置）＞（ａ面の焦点位置）
とし、且つ、
（ｂ面のＩ−Ｚ曲線において上記閾値の輝度を呈するときのＺ位置）＜（ｂ面の焦点位置）
とする。

次に、光検出器５の検出感度を関心領域ｂのためのものから関心領域ｃのためのものへと切り替えるＺ位置である第三切り替えＺ位置は、第二切り替えＺ位置と同様にして求める。すなわち、第三切り替えＺ位置は、
｛（ｂ面のＩ−Ｚ曲線において上記閾値の輝度を呈するときのＺ位置）＋
（ｃ面のＩ−Ｚ曲線において上記閾値の輝度を呈するときのＺ位置）｝／２
で算出する。但し、
（ｂ面のＩ−Ｚ曲線において上記閾値の輝度を呈するときのＺ位置）＞（ｂ面の焦点位置）
とし、且つ、
（ｃ面のＩ−Ｚ曲線において上記閾値の輝度を呈するときのＺ位置）＜（ｃ面の焦点位置）
とする。

以上のようにすることで、光検出器５の検出感度の切り替えを行うのに適切なＺ位置を決定することができる。
なお、関心領域毎のＩ−Ｚ曲線を重ね合わせたときに、図８Ｂに示す第二の例のように、ｂ面のＩ−Ｚ曲線とｃ面のＩ−Ｚ曲線とが重ならないこともある。この場合においても、検出感度の切り替えに適切なＺ位置を得ることができる。

すなわち、第一切り替えＺ位置は、ａ面のＩ−Ｚ曲線と閾値との交点のＺ位置とする。
また、第二切り替えＺ位置は、ａ面のＩ−Ｚ曲線とｂ面のＩ−Ｚ曲線と上述の閾値とより求める。すなわち、第二切り替えＺ位置は、
｛（ａ面のＩ−Ｚ曲線において上記閾値の輝度を呈するときのＺ位置）＋
（ｂ面のＩ−Ｚ曲線において上記閾値の輝度を呈するときのＺ位置）｝／２
で算出する。但し、
（ａ面のＩ−Ｚ曲線において上記閾値の輝度を呈するときのＺ位置）＞（ａ面の焦点位置）
とし、且つ、
（ｂ面のＩ−Ｚ曲線において上記閾値の輝度を呈するときのＺ位置）＜（ｂ面の焦点位置）
とする。

更に、第三切り替えＺ位置も、第一の例と同様に、
｛（ｂ面のＩ−Ｚ曲線において上記閾値の輝度を呈するときのＺ位置）＋
（ｃ面のＩ−Ｚ曲線において上記閾値の輝度を呈するときのＺ位置）｝／２
で算出する。但し、
（ｂ面のＩ−Ｚ曲線において上記閾値の輝度を呈するときのＺ位置）＞（ｂ面の焦点位置）
とし、且つ、
（ｃ面のＩ−Ｚ曲線において上記閾値の輝度を呈するときのＺ位置）＜（ｃ面の焦点位置）
とする。

以上のようにすることで、図８Ｂに示す第二の例のような場合においても、光検出器５の検出感度の切り替えを行うのに適切なＺ位置を取得することができる。
上述したように、図８Ａに示す第一の例と、図８Ｂに示す第二の例は、関心領域毎のＩ−Ｚ曲線と、輝度値Ｉの閾値との交点のみにより切り替えるＺ位置を決定しているが、次に、第三の例は、関心領域毎のＩ−Ｚ曲線と、輝度値Ｉの閾値との交点と、Ｉ-Ｚ曲線の極大値を呈している位置、つまり、各々の焦点位置（対物レンズ１５の焦点が合焦するときのＺ位置）より、切り替えるＺ位置を決定する手法について説明する。

まず、第一切り替えＺ位置は、前述した第一の例及び第二の例と同様、ａ面のＩ−Ｚ曲線と閾値との交点のＺ位置とする。
次に第二切り替えＺ位置は、ａ面とｂ面との各々の焦点位置（ａ面とｂ面との各々に対して対物レンズ１５の焦点が合焦するときのＺ位置）より求める。

本実施形態においては、第二切り替えＺ位置は、
｛（ａ面の焦点位置）＋（ｂ面の焦点位置）｝／２
で算出する。つまり、対物レンズ１５の光軸方向で隣接している２つの関心領域についてのＩ−Ｚ曲線の各々において、輝度値Ｉが極大値を呈しているときのＺ位置の中間の位置を、第二切り替えＺ位置として決定する。

なお、第三切り替えＺ位置は、第二切り替えＺ位置と同様にして求める。すなわち、第三切り替えＺ位置は、
｛（ｂ面の焦点位置）＋（ｃ面の焦点位置）｝／２
で算出する。

以上のようにすることにより、本実施形態によれば、画像の撮像を行う前に、光検出器５の検出感度と光検出器５の感度切り替えＺ位置とを求めることができる。更に、試料１６に応じた適切な光検出器５の検出感度とその切り替えＺ位置が、使用者が設定していたＺ走査範囲内で自動的に定められるので、三次元画像撮像の準備の際における手簡が省かれる。これらにより、装置の操作性が向上すると共に、高さ計測のための高精度な三次元画像の取得が可能になる。

なお、上述した実施形態においては、光検出器５の検出感度と光検出器５の感度切り替えＺ位置との設定は、使用者により関心領域の指定が全て完了した後に、図７に示した制御画面中の「開始」ボタンに対するクリック操作により開始するようにしていた。その代わりに、これらの設定を、使用者が関心領域を１つずつ指定する度に行うようにすることもできる。このようにするには、図６Ａに示した制御処理に代えて、図９に示した制御処理を制御部２が行うようにすればよい。

以下、図９について説明する。
まず、Ｓ４０１において、前述した条件算出対象領域（試料１６の画像に設定された複数の関心領域）を読み込む処理が行われる。なお、使用者による関心領域の設定は、例えば前述したものと同様、図４Ａに示した試料１６の非共焦点画像に対して行うようにする。

Ｓ４０２では、取得した条件算出対象領域によって特定される試料１６における複数の関心領域のうちのひとつに対してＡＦ（自動合焦）を実行する処理が行われる。このＡＦのための処理の詳細は、図６Ｂに示したものと同様とする。

Ｓ４０３では、Ｓ４０２の処理によって得られた焦点位置（ＡＦ位置）へとＺ位置を移動させる処理が行われる。なお、Ｚ位置の移動の手法としては、例えばレボルバ１４を上下移動させるものとするが、試料１６と対物レンズ１５の集光位置とのＺ相対位置が変化する手法であれば、どのような手段でも構わない。

Ｓ４０４では、光検出器５の感度調整を実行する処理が行われる。この感度調整処理では、図６Ｃに示したものと同様の処理を行う。
Ｓ４０５では、Ｓ４０２及びＳ４０４の処理結果から求められるＩ−Ｚ曲線を利用して感度切り替えの設定条件（検出感度の切り替えを行うＺ位置）を決定する処理が行われる。この決定の手法は、図８Ａ、図８Ｂ、及び図８Ｃを用いて説明したものと同様の手法によって行う。

Ｓ４０６では、Ｓ１０５で決定した感度切り替え設定条件を、図７に例示したような設定画面で表示すると共に、その条件をシステム制御用計算機８に設定する処理が行われる。

以上の処理を制御部２が行うことにより、光検出器５の検出感度と光検出器５の感度切り替えＺ位置との設定を、使用者が関心領域を１つずつ指定する度に行うようにすることができる。

ところで、以上のようにして光検出器５の検出感度と光検出器５の感度切り替えＺ位置との設定を終えた後に行う試料１６の三次元画像の取得の際、試料１６の形状等の理由により、感度切り替えを行うＺ位置の近傍の領域、すなわち、図８Ａ及び図８Ｂの例で「領域＊」として示した領域において、低輝度のために良質な共焦点画像が取得できないことがある。このようなときには、光検出器５からの出力信号を増幅部９ａで増幅し、画像を得るようにすればよい。ここで、光検出器５からの出力信号を増幅する手法として、例えば特許文献２に開示されている技術を利用してもよい。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は、上述した各実施形態に限定されることなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良・変更が可能である。

本発明を実施する走査型共焦点顕微鏡の構成を示す図である。 ステージ上での対物レンズの集光位置を示す図である。 Ｉ−Ｚ曲線の例を示す図である。 調整条件設定画面の画面例を示す図である。 非共焦点画像の例を示す図である。 共焦点画像の例（その１）を示す図である。 共焦点画像の例（その２）を示す図である。 共焦点画像の例（その３）を示す図である。 制御画面の画面例（その１）を示す図である。 制御部によって行われる制御処理の処理内容の第一の例をフローチャートで示した図である。 ＡＦ処理の処理内容をフローチャートで示した図である。 光検出器の感度調整処理の処理内容をフローチャートで示した図である。 制御画面の画面例（その２）を示す図である。 関心領域毎のＩ−Ｚ曲線の重ね合わせの第一の例を示す図である。 関心領域毎のＩ−Ｚ曲線の重ね合わせの第二の例を示す図である。 関心領域毎のＩ−Ｚ曲線の重ね合わせの第三の例を示す図である。 制御部によって行われる制御処理の処理内容の第二の例をフローチャートで示した図である。

符号の説明

１ 顕微鏡部
２ 制御部
３ 表示部
４ 入力部
５ 光検出器
６ 信号調整部
７ Ａ／Ｄ変換部
８ システム制御用計算機
９ａ 増幅部
９ｂ オフセット演算部
１０ レーザ光源
１１ 走査光学系
１２ ハーフミラー
１３ ミラー
１４ レボルバ
１５ 対物レンズ
１６ 試料
１７ ステージ
１８ ピンホール板
１９ レンズ
２０ 光学素子
２１ ハンドル
２２ 光検出器
２３ レンズ
２４ ハーフミラー
２５ 固体撮像素子
２６ 白色光源
２７ 光学素子
２８ ハーフミラー

Claims (8)

1. 対物レンズと当該対物レンズの集光位置に対し共役な位置に配置されている共焦点絞りとを通過して試料から到来する光の強度の検出を行う光検出手段と、
   前記光検出手段からの光の強度に基づいて前記試料の共焦点画像を取得する共焦点画像取得手段と、
   前記試料に対して関心領域を指定し、指定した関心領域を条件算出対象領域として取得する関心領域指定手段と、
   前記共焦点画像を取得するときの前記光検出手段の検出感度を、前記関心領域指定手段により取得される条件算出対象領域内の輝度情報から算出する検出感度算出手段と、
   前記試料に対する前記対物レンズの相対的な位置であって前記光検出手段の検出感度を前記検出感度算出手段で算出された感度に切り替える位置を算出するＺ切替位置算出手段と、
   を有することを特徴とする走査型共焦点顕微鏡。
2. 前記試料の画像を取得する撮像手段を更に有し、
   前記関心領域指定手段は、前記撮像手段で取得された試料の画像に対する複数の部分領域を前記関心領域として指定する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の走査型共焦点顕微鏡。
3. 前記検出感度算出手段は、前記光検出手段によって検出した前記関心領域における光の強度の最大値及び最小値に基づいて、当該関心領域における前記検出感度を算出することを特徴とする請求項１に記載の走査型共焦点顕微鏡。
4. 前記検出感度算出手段で算出した前記関心領域毎の検出感度の下での関係であって、前記試料に対する前記対物レンズの相対的な位置と前記光検出手段で検出される光の強度との関係を示すＩ−Ｚ曲線を当該関心領域毎に取得するＩ−Ｚ曲線取得手段を更に有し、
   前記Ｚ切替位置算出手段は、前記Ｉ−Ｚ曲線取得手段により取得される関心領域毎の前記Ｉ−Ｚ曲線に基づいて前記切り替え位置を算出する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の走査型共焦点顕微鏡。
5. 前記Ｚ切替位置算出手段は、前記Ｉ−Ｚ曲線取得手段により取得される関心領域毎の前記Ｉ−Ｚ曲線と、前記Ｉ-Ｚ曲線上に設定される閾値に基づいて前記切り替え位置を算出することを特徴とする請求項４に記載の走査型共焦点顕微鏡。
6. 前記Ｚ切替位置算出手段は、前記対物レンズの光軸方向で隣接している２つの前記関心領域のＩ−Ｚ曲線と前記閾値とが交わるときの位置を算出し、前記算出した各々の位置の中間位置を前記切り替え位置として算出することを特徴とする請求項５に記載の走査型共焦点顕微鏡。
7. 前記Ｚ切替位置算出手段は、前記対物レンズの光軸方向で隣接している２つの前記関心領域の各々に対して前記Ｉ−Ｚ曲線が極大値を呈しているときの位置を算出し、前記算出した各々の位置の中間位置を前記切り替え位置として算出することを特徴とする請求項４に記載の走査型共焦点顕微鏡。
8. 前記Ｚ切替位置算出手段は、前記対物レンズの光軸方向に隣接している２つの前記関心領域の各々に対し前記対物レンズの焦点が合焦するときの位置を算出し、前記算出した中間の位置を前記切り替え位置として算出することを特徴とする請求項１に記載の走査型共焦点顕微鏡。