JP2009047460A - 共焦点顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】撮像領域内に局所的に高輝度又は低輝度の部位が存在しても、画像全体として鮮明な２次元画像及び３次元画像を撮像できる共焦点顕微鏡を実現する。
【解決手段】本発明による共焦点顕微鏡は、フレーム画像信号を高ゲイン及び低ゲインで交互に増幅する増幅手段（３２，３３）と、一連の高ゲイン増幅画像及び低ゲイン増幅画像から全焦点画像をそれぞれ形成する手段（３６，３７，３８，３９）を有する。２つの全焦点画像から適正輝度範囲の画素を抽出して画素合成を行う（４３）。増幅手段のゲイン情報と画素合成手段（４３）からの出力信号とに基づいて、増幅率補正された全焦点画像を形成し（４４）、増幅補正された全焦点画像についてγ補正等の輝度補正を行い（４５）、全ての画素が適正輝度範囲内の２次元画像情報を出力する。
【選択図】 図４

Description

本発明は共焦点顕微鏡、特に撮像領域中に局所的に高輝度又は低輝度の部位が混在しても撮像領域全体について適正な輝度範囲の全焦点画像を形成できる共焦点顕微鏡に関するものである。

試料表面を集束したレーザビームにより２次元的に走査して試料表面の３次元画像を撮像するレーザ顕微鏡が実用化されている（例えば、特許文献１参照）。このレーザ顕微鏡では、対物レンズと試料との間の相対的距離を変化させながら集束したレーザビームにより試料表面を多数回２次元走査し、試料表面からの反射光を光検出器で受光し、各画素ごとに輝度が最大となる全焦点画像及び輝度が最大となるＺ軸方向の位置座標を各画素ごとに検出し、全焦点画像とＺ軸方向の位置情報とに基づいて試料表面の３次元画像を形成している。
特開平９−６１７２０号公報

レーザ顕微鏡は共焦点光学系を利用しているため、ＣＣＤカメラで撮像した２次元画像に比べて高い解像度の２次元画像を撮像でき、半導体デバイス等を観察するのに高い有用性を有している。

レーザ顕微鏡は高い解像度を有するものの、試料表面の反射率や形状によっては鮮明な画像が撮像できない場合がある。例えば、半導体デバイスを観察する場合、アルミ配線やバンプの反射率が高いため、これらの部位からの反射光強度が高くなり、飽和輝度レベルを超えてしまい、これらの部位の画像が鮮明に形成されない欠点がある。一方、半導体デバイスにビィアホールや斜面が存在すると、これらの部位からは主として散乱光が光検出手段に入射し、光検出手段からの出力信号強度が著しく低下するため、当該部位のビデオ信号のＳ／Ｎ比が低下し、画像が不鮮明になると共に正確な形状情報が出力されない欠点がある。

本発明の目的は、撮像領域内に高輝度の画像部分や低輝度の画像部分が混在しても、撮像領域全体について鮮明な２次元画像及び３次元画像を撮像できる共焦点顕微鏡を実現することにある。

本発明による共焦点顕微鏡は、観察すべき試料と対物レンズとの間の相対距離を変えながら走査ビームにより試料表面を２次元走査し、試料表面からの反射光を光検出手段により受光し、光検出手段からの出力信号及び試料と対物レンズとの間の相対距離検出手段からの出力信号とに基づいて試料表面の２次元画像情報及び形状情報を出力する共焦点顕微鏡において、
光検出手段からの出力信号を高ゲイン及び低ゲインで交互に増幅し、一連の高ゲイン増幅画像と一連の低ゲイン増幅画像とを出力する増幅手段と、
一連の高ゲイン増幅画像から各画素の最大輝度値を検出し、各画素が最大輝度値により構成される第１の全焦点画像を形成する第１の全焦点画像形成手段、及び一連の低ゲイン増幅画像から各画素の最大輝度値を検出し、各画素が最大輝度値により構成される第２の全焦点画像を形成する第２の全焦点画像形成手段と、
一連の高ゲイン増幅画像から各画素の最大輝度値を発生する光軸方向の位置を検出する第１の位置検出手段、及び前記一連の低ゲイン増幅画像から各画素の最大輝度値を発生する光軸方向の位置を検出する第２の位置検出手段と、
試料の２次元画像について、適正輝度範囲を規定する上限及び下限の閾値を設定する適正輝度範囲設定手段と、
前記第１及び第２の全焦点画像から輝度値が適正輝度範囲内の画素を抽出して、適正輝度範囲内の輝度値の画素を合成する画素合成手段と、
前記増幅手段のゲイン情報と画素合成手段からの出力信号とに基づいて、増幅率補正された全焦点画像を形成する画像合成手段と、
増幅率補正され全焦点画像について輝度補正を行う手段とを具えることを特徴とする。

本発明では、対物レンズと試料表面との間の相対距離（走査ビームの集束点と試料との間の相対距離）を変えながら試料表面を撮像し、順次形成されるフレーム画像を高増幅率と低増幅率で交互に増幅し、一連の高ゲイン増幅画像と一連の低ゲイン増幅画像を形成する。一連の高ゲイン増幅画像と低ゲイン増幅画像から全焦点画像をそれぞれ形成し、２つの全焦点画像について、適正輝度範囲内の画像部分を切り出して合成画像を形成し、合成画像について増幅率補正を行って、ダイナミックレンジが拡大した全焦点画像を形成する。そして、得られた全焦点画像について画像全体が適正輝度範囲内のものとなるように輝度補正しているので、撮像領域内に局所的に高輝度画像や低輝度画像が混在しても、撮像領域全体について適正輝度範囲の画像を出力することが可能である。

本発明による別の共焦点顕微鏡は、観察すべき試料と対物レンズとの間の相対距離を変えながら走査ビームにより試料表面を２次元走査し、試料表面からの反射光を、偶数番目の受光素子からの出力信号と奇数番目の受光素子からの出力信号とを分離して出力するラインセンサにより受光し、当該ラインセンサからの出力信号及び試料と対物レンズとの間の相対距離検出手段からの出力信号とに基づいて試料表面の２次元画像情報及び形状情報を出力する共焦点顕微鏡において、
前記ラインセンサの偶数番目の受光素子からの一連の出力信号を高ゲイン又は低ゲインで増幅し、奇数番目の受光素子からの一連の出力信号を低ゲイン又は高ゲインで増幅する増幅手段と、
一連の高ゲイン増幅画像から各画素の最大輝度値を検出し、各画素が最大輝度値により構成される第１の全焦点画像を形成する第１の全焦点画像形成手段、及び一連の低ゲイン増幅画像から各画素の最大輝度値を検出し、各画素が最大輝度値により構成される第２の全焦点画像を形成する第２の全焦点画像形成手段と、
一連の高ゲイン増幅画像から各画素の最大輝度値を発生する光軸方向の位置を検出する第１の位置検出手段、及び前記一連の低ゲイン増幅画像から各画素の最大輝度値を発生する光軸方向の位置を検出する第２の位置検出手段と、
試料の２次元画像について、適正輝度範囲を規定する上限及び下限の閾値を設定する適正輝度範囲設定手段と、
前記第１及び第２の全焦点画像から輝度値が適正輝度範囲内の画素を抽出して、適正輝度範囲内の輝度値の画素を合成する画素合成手段と、
前記増幅手段のゲイン情報と画素合成手段からの出力信号とに基づいて、増幅率補正された全焦点画像を形成する画像合成手段と、
増幅率補正され全焦点画像について輝度補正を行う手段とを具えることを特徴とする。

光検出手段として、偶数番目の受光素子からの出力信号と奇数番目の受光素子からの出力信号とを分離して出力するラインセンサを用いれば、偶数番目の受光素子から出力される一連の出力信号と奇数番目の受光素子から出力される一連の出力信号とを増幅率を変えて増幅することが可能である。よって、Ｚ軸方向の分解能を低下させることなく、一連の高ゲイン増幅画像と一連の低ゲイン増幅画像と、容易に出力することが可能である。

本発明による共焦点顕微鏡の好適実施例は、第１の位置検出手段及び第２の位置検出手段からの出力信号と、前記画素合成手段から出力される合成画素情報とを受取り、最大輝度値を発生する位置情報のうち、最大輝度値が適正輝度範囲内の画素のＺ軸方向の位置情報を合成する合成手段を有することを特徴とする。本例では、輝度値が適正輝度範囲内の画素のＺ軸方向の位置情報を用いるので、例えばビィアホールの底面等のように、反射光の強度が極端に低い部位についても正確なＺ軸方向の情報を出力することが可能になる。

本発明による共焦点顕微鏡の別の好適実施例は、画像合成手段は、高ゲインの増幅率をａとし、低ゲインの増幅率をｂとした場合に、前記第２の全焦点画像の画素の輝度値をａ／ｂ倍して増幅率補正を行うことを特徴とする。

本発明による共焦点顕微鏡の好適実施例は、前記画素合成手段は、前記画素合成手段は、第１の全焦点画像の輝度値と下限の閾値とを比較して下限の閾値以上の輝度値の画素を抽出し、第２の全焦点画像の輝度値と上限の閾値とを比較して上限の閾値以下の輝度値の画素を抽出することを特徴とする。

本発明による共焦点顕微鏡の別の好適実施例は、輝度補正手段は、合成された全焦点画像の全ての画素の輝度値が前記適正輝度範囲内の輝度値となるようにγ補正を行うことを特徴とする。

本発明では、一連の高ゲイン増幅画像及び低ゲイン増幅画像から全焦点画像を形成し、得られた全焦点画像について適正輝度範囲の輝度値を有する画素を抽出し、抽出された画素の輝度値について増幅率補正を行い、ダイナミックレンジが拡大した全焦点画像を形成し、その後輝度補正を行っているので、撮像領域内に局所的に高輝度の部位や低輝度の部位が混在しても、画像全体として適正輝度範囲の２次元画像を出力することが可能である。

図１は本発明による共焦点顕微鏡の光学系の構成を示す線図である。レーザ光源１から出射したレーザビームは、コリメータレンズ２に拡大平行光束に変換されて、音響光学素子３に入射する。音響光学素子３は、入射したレーザビームを主走査方向（Ｘ方向）に所定の周波数で周期的に偏向する。音響光学素子３から出射したレーザビームは、偏光ビームスプリッタ４を透過し、振動ミラー５に入射する。この振動ミラー５は、入射したレーザビームを主走査方向と直交する副走査方向に周期的に偏向する。振動ミラー５から出射したレーザビームは、２個のリレーレンズ６及び７、並びに１／４波長板８を透過して対物レンズ９に入射する。対物レンズ９にはサーボモータ１０が連結され、光軸方向（Ｚ軸方向）に所定の距離範囲にわたって変位する。また、サーボモータには、対物レンズの光軸方向の位置を検出するエンコーダ１１を連結し、対物レンズのＺ軸方向の位置情報を出力する。

レーザビームは、対物レンズにより集束され、集束した走査ビームとして試料１２に入射する。試料１２はＸＹステージ１３上に支持する。走査ビームは、主走査方向及び副走査方向に周期的に偏向されているから、試料表面は集束した走査ビームにより２次元的に走査されることになる。また、測定中に、対物レンズ９は光軸方向に所定の速度で移動するので、走査ビームの集束点と試料表面との間の相対的な距離は変化も変化する。従って、試料表面は、集束点が順次変化する走査ビームにより、繰り返し２次元走査されることになる。

試料表面から出射した反射ビームは、対物レンズ９により集光され、１／４波長板８並びに２個のリレーレンズ７及び６を経て振動ミラー５に入射する。そして、振動ミラーによりデスキャンされ、偏光ビームスプリッタ４入射する。反射ビームは１／４波長板８を２回透過しているので、その偏光面が９０°回転し、偏光ビームスプリッタの偏光面で反射する。偏光ビームスプリッタ４から出射した反射ビームは結像レンズ１４を経てラインセンサ１５に入射する。ラインセンサ１５は、音響光学素子のビーム偏向方向と対応する方向にそってライン状に配列された複数の受光素子を有する。よって、試料からの反射ビームは、受光素子列上を音響光学素子の走査周波数で走査することになる。

ラインセンサ１５の各受光素子に蓄積された電荷は、読出回路から供給される駆動信号により順次読み出され、前置増幅器１６により増幅され、ビデオ信号として信号処理回路に供給される。信号処理回路では、ラインセンサから順次読み出されたビデオ信号に基づいて、フレーム画像を形成し、フレーム画像信号を順次出力する。すなわち、走査ビームの集束点が光軸方向に変位した状態で撮像された一連の２次元画像を順次出力する。

共焦点顕微鏡の特性として、走査ビームの集束点を光軸方向にそってスキャンしながら試料表面の２次元画像を撮像すると、走査ビームの集束点が試料表面と一致した場合、光検出器から最大輝度の出力信号が発生する。従って、対物レンズを光軸方向に変位させながら繰り返し撮像し、各画素ごとに最大輝度値を求めると共に、最大輝度値を発生するＺ軸方向の位置を検出することにより試料の表面形状が測定される。

一方、共焦点顕微鏡においては、光検出器に入射する試料表面からの反射光の光量は、試料表面の反射率や形状に応じて変化する。例えば、試料表面にアルミ配線等の反射率の高い部材が形成されている場合、周囲の半導体材料からの反射光よりも多量の反射光が光検出器に入射する。また、試料表面が平面の場合、光検出器には正反射光が入射し、試料表面が斜面の場合散乱光が入射する。この場合、正反射光と散乱光とでは、光検出器に入射する入射光量が大幅に相違する。一方、高輝度画像部分の輝度レベルが飽和輝度レベルを超えると、モニタ上に正確な画像が表示されない事態が生じてしまう。また、ビデオ信号の輝度レベルが低いと、Ｓ／Ｎ比が低下してしまい、正確な３次元情報が出力されなくなってしまう。

上述した事項を踏まえ、本発明では、順次出力されるフレーム画像信号を増幅する手法として、高ゲイン増幅と低ゲイン増幅とを交互に行う増幅手段を用いる。すなわち、対物レンズを光軸方向に移動させながら撮像した２次元画像について高ゲイン及び低ゲインで交互に増幅し、高ゲインで増幅された一連のフレーム画像及び低ゲインで増幅された一連のフレーム画像を取得する。そして、一連の高ゲイン増幅画像及び低ゲイン増幅画像について、各画素の最大輝度値により構成される全焦点画像及び最大輝度値を発生させるＺ軸方向の位置情報を各画素ごとに検出する。

フレーム画像について、高輝度側の第１の閾値と低輝度側の第２の閾値とを設定し、これら第１及び第２の閾値により規定される輝度範囲を適正輝度範囲とする。そして、一連の高ゲインフレーム画像及び低ゲインフレーム画像について、適正輝度範囲内の画像部分を切り出し、増幅率補正を行って画像合成し、最後に輝度補正を行って撮像領域全体について適正輝度範囲の画像を形成する。

上述した本発明の基本思想を図２及び図３に基づいて説明する。図２Ａに断面として示す形状の試料の２次元画像及び３次元形状を測定する。試料には、１つの段差の平面部２０と、斜面２１と底面２２により構成される凹部が形成されている。当該試料を走査ビームにより２次元走査し、得られたフレーム画像信号を高ゲイン及び低ゲインで増幅した場合に得られる輝度分布を図２Ｂ及び図２Ｃに示す。図２Ｂは高ゲインで増幅されたフレーム画像のあるラインに沿う輝度分布を示し、図２Ｃは低ゲインで増幅されたフレーム画像の輝度分布を示す。試料の平面部から主として正反射光が受光素子に入射するため、ビデオ信号を高ゲインで増幅した場合、輝度値が飽和してしまう。一方、凹部の斜面の部分においては、主として微弱な散乱光が受光素子に入射するため、高ゲインで増幅すると適正な輝度レベルの画像が形成される。これに対して、ビデオ信号を低ゲインで増幅した場合、平面部は適正な輝度レベルの画像が形成されるが、凹部の斜面部及び底部の輝度レベルが大幅に低く、Ｓ／Ｎ比が低い不安定な画像が形成される。

図３に示すように、本発明では、適正輝度範囲を設定し、その上限側の輝度レベルを第１の閾値とし、下限側の輝度レベルを第２の閾値とする。図３Ａに示すように、高ゲインで増幅した場合、試料の平面部の輝度値は第１の閾値を超えてしまう。一方、凹部の斜面及び底面の輝度値は適正輝度範囲にある。そこで、適正輝度範囲内の画像領域である凹部の画像を有効画像領域として用いる。一方、図３Ｂに示すように、低ゲインで増幅した場合、平面部の画像は適正輝度範囲内の輝度レベルであり、凹部の輝度は適正輝度範囲外の輝度レベルである。よって、低ゲイン増幅画像については、平面部の画像を有効画像として用いる。従って、観察すべき試料中の平面部の画像については低ゲイン増幅画像を用い、凹部の画像については高ゲイン増幅画像を用いれば、撮像領域全体について適正輝度範囲の画像が得られることになる。

一方、高ゲイン増幅画像と低ゲイン増幅画像とを単に合成しただけでは、輝度レベルが不連続な画像が形成されてしまう。そこで、本発明では、輝度の連続性を確保するため、増幅率補正を行い、輝度のダイナミックレンジが拡大された疑似画像を生成する。増幅率補正の方法として、例えば高ゲイン増幅の利得をａとし、低ゲイン増幅の利得をｂとした場合、低ゲインで増幅した画像の輝度値をａ／ｂ倍した輝度の画像を生成する。このようにして得られた画像を図３Ｃに示す。

最後に図３Ｄに示すように、増幅率補正されダイナミックレンジが拡大した画像について、例えばγ補正を行い、画像全体の輝度レベルが適正輝度範囲内のものとなるように補正する。この結果、撮像領域内に高輝度部分や低輝度部分が混在しても、輝度飽和が解消され、画像全体が適正輝度範囲の２次元画像が出力される。

次に、各画素の最大輝度値を発生するＺ軸方向の位置情報の検出について説明する。試料表面のＺ軸方向の位置情報については、最大輝度値が適正輝度範囲内の場合、当該最大輝度値を発生するＺ軸方向の位置を有効Ｚ軸方向位置として利用する。そして、高ゲイン増幅画像のＺ軸情報と低ゲイン増幅画像のＺ軸情報を合成してＺ軸情報として出力する。

図４は、本発明による信号処理回路の一例を示す線図である。ラインセンサ１５はタイミング制御回路３０から出力される駆動信号により読出制御され、その出力信号は第１のセレクタ３１に入力する。第１のセレクタ３１もタイミング制御回路３０から供給される制御信号により駆動制御され、入力するビデオ信号をフレーム画像として、第１増幅器３２及び第２増幅器３３に交互に供給する。第１及び第２の増幅器３２及び３３は、ゲイン設定回路３４により設定された増幅率でフレーム画像信号を増幅する。第１の増幅器３２は、高ゲインで増幅し、第２の増幅器３３は第１の増幅器よりも低い低ゲインで増幅する。高ゲイン及び低ゲインで交互に増幅されたフレーム画像信号は、フレーム分離回路３５に供給され、一連の高ゲイン増幅画像と一連の低ゲイン増幅画像とに分離される。従って、フレーム分離回路３４から、対物レンズと試料表面との間の相対的距離を変えながら撮像した一連の高ゲイン増幅画像及び低ゲイン増幅画像がそれぞれ出力する。

一連の高ゲイン増幅画像は第１の比較器セレクタ３６の一方の入力端子に供給され、第１のフレームメモリ３６に各画素の輝度値が記憶される。第１の比較器セレクタの他方の入力端子には、第１のフレームメモリ３７に記憶した各画素の輝度値が入力する。第１の比較器セレクタは、新たに入力した各画素の輝度値とフレームメモリに記憶されている輝度値とを比較し、大きな輝度値をセレクタにより選択して第１のフレームメモリに記憶する。この結果、対物レンズと試料表面との間の相対的距離を変えながら撮像し得られた複数の高ゲイン増幅フレーム画像について、全ての画素の輝度値が最大輝度値により構成される２次元画像である全焦点画像が第１のフレームメモリに記憶される。

一連の低ゲイン増幅画像は第２の比較器セレクタ３８の一方の入力端子に供給され、第２のフレームメモリ３９に各画素の輝度値が記憶される。第２の比較器セレクタの他方の入力端子には、第２のフレームメモリ３９に記憶した各画素の輝度値が入力する。第２の比較器セレクタは、新たに入力した各画素の輝度値とフレームメモリに記憶されている輝度値とを比較し、大きな輝度値をセレクタにより選択して第２のフレームメモリに記憶する。よって、対物レンズと試料表面との間の相対的距離を変えながら撮像し得られた複数の低ゲインフレーム画像について、全ての画素の輝度値が最大輝度値により構成される２次元画像である全焦点画像が第２のフレームメモリに記憶される。

高ゲインで増幅されたフレーム画像から作成した全焦点画像及び低ゲインで増幅されたフレーム画像から作成した全焦点画像は、第１の比較器４０及び第２の比較器４１にそれぞれ供給する。第１の比較器４０は、適正輝度範囲設定回路４２により、適正輝度範囲を規定する低輝度側の第１の閾値が設定され、第２の比較器４１は高輝度側の第２の閾値が設定される。第１の比較器４０において、高ゲイン増幅されたフレーム画像から作成した全焦点画像の各画素の輝度値が順次供給され、第１の閾値以上の輝度値の画素が選択され、選択した画素を画素合成回路４３に出力する。同様に、第２の比較器４１において、低ゲイン増幅されたフレーム画像から作成した全焦点画像の各画素の輝度値が順次供給され、第２の閾値以下の輝度値の画素が選択され、選択した画素を画素合成回路４３に出力する。尚、選択された画素が重複する場合、いずれの全焦点画像から選択した画素を用いることができる。従って、画素合成回路４３から、輝度値が適正輝度範囲内の画素情報が出力され、当該画素情報は画像合成回路４４に出力する。

画像合成回路４４には、上記画素情報に加えて、第１のフレームメモリ３７及び第２のフレームメモリ３９に記憶した全焦点画像の輝度値も供給すると共に、ゲイン設定回路３４により第１及び第２の増幅器に設定されたゲイン（増幅率）も供給する。画像合成回路４４は、第１及び第２の全焦点画像について増幅率補正を行って、ダイナミックレンジが拡大された全焦点画像を形成する。本例では、増幅率補正方法として、低ゲイン増幅画像の各画素の輝度値について増幅率補正を行う。例えば、高ゲイン増幅を行う第１の増幅器のゲインをａとし、低ゲイン増幅を行う第２の増幅器のゲインをｂとした場合、乗算器を用いて低ゲイン増幅画像の各画素の輝度値をａ／ｂ倍して増幅率補正を行う。この増幅率補正を行うことにより、図３Ｃに示すダイナミックレンジが拡大した合成全焦点画像が形成される。

合成された全焦点画像情報は、輝度補正回路４５に供給する。輝度補正回路４５において、例えば合成全焦点画像の全ての画素の輝度値が適正輝度範囲内の輝度値となるようにγ補正を行う。この輝度補正により、撮像領域内に極端に輝度が高い高輝度部分や極端に輝度が低い低輝度部分が混在しても、飽和輝度レベルを超える画素が発生することが防止され、並びに、不安定な低輝度の画像が発生することも防止される。

試料表面のＺ軸方向の位置検出について説明する。対物レンズと試料表面との間の相対距離を変化させる手段であるサーボモータ１０に連結したエンコーダ１１からのカウンタ出力を、Ｚ軸方向の位置情報として第２及び第３のセレクタ４６及び４７にそれぞれ供給する。第２のセレクタ４６により選択されたカウンタ出力は第３フレームメモリ４８に記憶し、当該第３のフレームメモリの位置情報は当該第２のセレクタの他方の入力部に順次供給する。同様に、第３のセレクタ４７により選択されたカウンタ出力は第４フレームメモリ４９に記憶し、当該第４のフレームメモリの位置情報は当該第３のセレクタの他方の入力部に順次供給する。第１の比較器セレクタ３６の比較結果である制御信号、すなわち、フレームメモリに記憶されている輝度値よりも入力した輝度値が大きい場合にセレクタを制御する信号を、第２セレクタ４６に制御入力として供給する。同様に、第２の比較器セレクタ３８の比較結果である制御信号を第３セレクタ４７に制御入力として供給する。従って、第２のセレクタ４６は、一連の高ゲイン増幅画像の各画素について、最大輝度値を発生するＺ軸方向の位置を選択し、第３のフレームメモリ４８に供給する。同様に、第３のセレクタ４７は、一連の低ゲイン増幅画像の各画素について、最大輝度値を発生するＺ軸方向の位置を選択し、第４のフレームメモリ４９に供給する。この結果、第３及び第４のフレームメモリ４８及び４９には、一連の高ゲイン増幅画像及び低ゲイン増幅画像ついて、最大輝度値を発生するＺ軸方向の位置情報が各画素ごとに記憶されることになる。

第３及び第４のフレームメモリ４８及び４９に記憶したＺ軸方向の位置情報は、合成回路５０に出力する。合成回路５０には、画素合成回路４３から出力される合成画素情報を供給する。合成回路では、第３及び第４のフレームメモリから供給される画素情報のうち、画素合成回路４３から供給される合成画素情報に基づいて適正輝度範囲内の画素のＺ軸方向の位置を記憶する。この結果、合成回路５０から、一連の高ゲイン増幅画像から形成した全焦点画像及び一連の低ゲイン増幅画像から形成した全焦点画像のうち、適正輝度範囲内の画素の最大輝度値を発生するＺ軸方向の位置情報が形状情報として出力される。

図５は本発明による共焦点顕微鏡の変形例を示す線図である。図４で用いた部材と同一の部位には同一符号を付して説明する。本例では、光検出手段として、偶数番目の受光素子からの出力信号と奇数番目の受光素子からの出力信号とを分離して出力するラインセンサ６０を用いる。ラインセンサ６０の奇数番目の受光素子からの一連の出力信号は、高ゲインで増幅する第１の増幅器３２により増幅され、第１の増幅器３２から高ゲイン増幅画像を出力する。偶数番目の受光素子からの一連の出力信号は、第１の増幅器よりも低い低ゲインで増幅する第２の増幅器３３により増幅され、第２の増幅器３３から低ゲイン増幅画像を出力する。これら高ゲイン増幅画像及び低ゲイン増幅画像は、フレーム分離回路３５に分離され、それぞれ第１の比較器セレクタ３６及び第２の比較器セレクタ３８に供給する。その後、図４に記載の信号処理回路に基づいて信号処理され、全焦点画像情報及び形状情報を出力する。

本発明は上述した実施例だけに限定されず種々の変形や変更が可能である。例えば、上述した実施例では、対物レンズと試料表面との間の相対距離を変化させる手段として、対物レンズを光軸方向に移動させたが、試料を支持するステージを対物レンズの光軸方向に沿って移動させることにより、対物レンズと試料表面との間の相対距離を変化させることも可能である。
また、上述した実施例では、撮像手段としてラインセンサを用いが、フォトマルチプライヤ等の各種光検出手段を用いることも可能である。
さらに、図４に示す実施例では、第１のセレクタからフレーム画像信号を出力する構成としたが、ラインセンサからの１ラインごとの出力信号を第１及び第２の増幅器に交互に供給し、フレーム分離回路において高ゲイン増幅画像と低ゲイン増幅画像をそれぞれ出力することも可能である。

本発明による共焦点顕微鏡の光学系の構成を示す線図である。 試料の断面形状並びに高ゲイン増幅画像及び低ゲイン画像の一例を示す図である。 本発明による信号処理を説明する図である。 信号処理回路の一例を示す線図である 。 本発明による共焦点顕微鏡の変形例を示す線図である。

符号の説明

１ レーザ光源
２ コリメータレンズ
３ 音響光学素子
４ 偏光ビームスプリッタ
５ 振動ミラー
・ リレーレンズ
９ 対物レンズ
１０ サーボモータ
１１ エンコーダ
１２ 試料
１３ ＸＹステージ
１４ 結像レンズ
１５ ラインセンサ
１６ 前置増幅器
３０ タイミング制御回路
３１ 第１のセレクタ
３２ 第１の増幅器
３３ 第２の増幅器
３４ ゲイン設定回路
３５ フレーム分離回路
３６，３８ 比較器セレクタ
３７，３９，４８，４９ フレームメモリ
４０，４１ 比較器
４２ 適正輝度範囲設定回路
４３ 画素合成回路
４４ 画像合成回路
４５ 輝度補正回路
５０ 合成回路

Claims (6)

1. 観察すべき試料と対物レンズとの間の相対距離を変えながら走査ビームにより試料表面を２次元走査し、試料表面からの反射光を光検出手段により受光し、光検出手段からの出力信号及び試料と対物レンズとの間の相対距離検出手段からの出力信号とに基づいて試料表面の２次元画像情報及び形状情報を出力する共焦点顕微鏡において、
   光検出手段からの出力信号を高ゲイン及び低ゲインで交互に増幅し、一連の高ゲイン増幅画像と一連の低ゲイン増幅画像とを出力する増幅手段と、
   一連の高ゲイン増幅画像から各画素の最大輝度値を検出し、各画素が最大輝度値により構成される第１の画像データを形成する第１の全焦点画像形成手段、及び一連の低ゲイン増幅画像から各画素の最大輝度値を検出し、各画素が最大輝度値により構成される第２の画像データを形成する第２の全焦点画像形成手段と、
   一連の高ゲイン増幅画像から各画素の最大輝度値を発生する光軸方向の位置を検出する第１の位置検出手段、及び前記一連の低ゲイン増幅画像から各画素の最大輝度値を発生する光軸方向の位置を検出する第２の位置検出手段と、
   試料の２次元画像について、適正輝度範囲を規定する上限及び下限の閾値を設定する適正輝度範囲設定手段と、
   前記第１及び第２の全焦点画像から輝度値が適正輝度範囲内の画素を抽出して、適正輝度範囲内の輝度値の画素を合成する画素合成手段と、
   前記増幅手段のゲイン情報と画素合成手段からの出力信号とに基づいて、増幅率補正された全焦点画像を形成する画像合成手段と、
   増幅率補正され全焦点画像について輝度補正を行う手段とを具えることを特徴とする共焦点顕微鏡。
2. 観察すべき試料と対物レンズとの間の相対距離を変えながら走査ビームにより試料表面を２次元走査し、試料表面からの反射光を、偶数番目の受光素子からの出力信号と奇数番目の受光素子からの出力信号とを分離して出力するラインセンサにより受光し、ラインセンサからの出力信号及び試料と対物レンズとの間の相対距離検出手段からの出力信号とに基づいて試料表面の２次元画像情報及び形状情報を出力する共焦点顕微鏡において、
   前記ラインセンサの偶数番目の受光素子からの一連の出力信号を高ゲイン又は低ゲインで増幅し、奇数番目の受光素子からの一連の出力信号を低ゲイン又は高ゲインで増幅する増幅手段と、
   一連の高ゲイン増幅画像から各画素の最大輝度値を検出し、各画素が最大輝度値により構成される第１の全焦点画像を形成する第１の全焦点画像形成手段、及び一連の低ゲイン増幅画像から各画素の最大輝度値を検出し、各画素が最大輝度値により構成される第２の全焦点画像を形成する第２の全焦点画像形成手段と、
   一連の高ゲイン増幅画像から各画素の最大輝度値を発生する光軸方向の位置を検出する第１の位置検出手段、及び前記一連の低ゲイン増幅画像から各画素の最大輝度値を発生する光軸方向の位置を検出する第２の位置検出手段と、
   試料の２次元画像について、適正輝度範囲を規定する第１の閾値及び第１の閾値よりも輝度レベルの低い第２の閾値を設定する適正輝度範囲設定手段と、
   前記第１及び第２の全焦点画像から輝度値が適正輝度範囲内の画素を抽出して、適正輝度範囲内の輝度値の画素を合成する画素合成手段と、
   前記増幅手段のゲイン情報に基づいて、第１の全焦点画像と第２の全焦点画像について増幅率補正を行うと共に、前記合成画素情報に基づき増幅率補正された第１及び第２の全焦点画像を合成する画像合成手段と、
   合成され全焦点画像について輝度補正を行う手段とを具えることを特徴とする共焦点顕微鏡。
3. 請求項１又は２に記載の共焦点顕微鏡において、前記第１の位置検出手段及び第２の位置検出手段からの出力信号と、前記画素合成手段から出力される合成画素情報とを受取り、最大輝度値を発生する位置情報のうち、最大輝度値が適正輝度範囲内の画素のＺ軸方向の位置情報を合成する合成手段を有することを特徴とする共焦点顕微鏡。
4. 請求項１、２又は３に記載の共焦点顕微鏡において、前記画像合成手段は、高ゲインの増幅率をａとし、低ゲインの増幅率をｂとした場合に、前記第２の全焦点画像の画素の輝度値をａ／ｂ倍して増幅率補正を行うことを特徴とする共焦点顕微鏡。
5. 請求項１、２、３又は４に記載の共焦点顕微鏡において、前記画素合成手段は、第１の全焦点画像の輝度値と下限の閾値とを比較して下限の閾値以上の輝度値の画素を抽出し、第２の全焦点画像の輝度値と上限の閾値とを比較して上限の閾値以下の輝度値の画素を抽出することを特徴とする共焦点顕微鏡。
6. 請求項１から５までのいずれか１項に記載の共焦点顕微鏡において、前記輝度補正手段は、合成された全焦点画像の全ての画素の輝度値が前記適正輝度範囲内の輝度値となるようにγ補正を行うことを特徴とする共焦点顕微鏡。

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