JP2017009765A - Scanning microscope and method of generating pixel data - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technique for generating highly reliable pixel data without excessively complicating a device configuration.SOLUTION: A scanning microscope 100 detects light from a sample S scanned by a two-dimensional scanning mechanism 4 using an optical detector 13, and oversamples an analog signal generated by the optical detector 13 using an A/D converter 16. The scanning microscope 100 has a pixel data generator 21 configured to generate pixel data corresponding to each region of the sample S on the basis of a plurality of digital signals output by the A/D converter 16.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、走査画像の画素データを生成する技術に関する。   The present invention relates to a technique for generating pixel data of a scanned image.

共焦点顕微鏡は、試料を光で走査する走査型顕微鏡の一種であり、現在、様々な用途で広く利用されている。共焦点顕微鏡は、その光学的セクショニング効果を利用して、非接触で3次元形状を測定することができる。このため、3次元形状を測定する測定装置としても利用されている。   A confocal microscope is a type of scanning microscope that scans a sample with light, and is currently widely used in various applications. A confocal microscope can measure a three-dimensional shape in a non-contact manner by utilizing its optical sectioning effect. For this reason, it is also used as a measuring device for measuring a three-dimensional shape.

共焦点顕微鏡を測定装置として利用する場合、触針の先端で試料をなぞる接触式測定装置と比較して、試料を傷つける虞がないといったメリットがある。一方で、反射率が低い試料を測定する場合や表面が大きく傾斜した試料を測定する場合などには、検出光量が不足してS/N比が劣化してしまうことがある。このため、共焦点顕微鏡において、S/N比を改善して信頼性の高い測定を行うための技術が様々提案されている。   When a confocal microscope is used as a measuring device, there is an advantage that there is no risk of damaging the sample as compared with a contact-type measuring device that traces the sample with the tip of a stylus. On the other hand, when measuring a sample with low reflectivity or when measuring a sample with a greatly inclined surface, the detected light quantity may be insufficient and the S / N ratio may deteriorate. For this reason, in the confocal microscope, various techniques for improving the S / N ratio and performing highly reliable measurement have been proposed.

例えば、特許文献1には、試料の反射率が低く画像信号にノイズが多く含まれる場合に、画像信号を積算してノイズを低減する技術が記載されている。また、特許文献2には、異なるピンホール径で取得した信号を比較しより信頼性が高いと判断された信号に基づいて、全焦点画像及び高さ情報を得る技術が記載されている。   For example, Patent Document 1 describes a technique for reducing noise by integrating image signals when the reflectance of the sample is low and the image signal contains a lot of noise. Patent Document 2 describes a technique for obtaining an omnifocal image and height information based on a signal determined to be more reliable by comparing signals acquired with different pinhole diameters.

特開平9−211333号公報JP-A-9-212333 特開2009−175682号公報JP 2009-175682 A

しかしながら、特許文献1では、異なるフレームの画像信号が利用されるため、積算回数を増やすほど画像信号を取得するタイミング間に大きな時間差が生じてしまう。このような、時間差の発生はデータの信頼性の面から見て望ましくない。また、特許文献2では、ピンホール径の異なる複数の検出系が必要となるため、装置の構成が複雑になり、装置全体が高価になってしまう。   However, in Patent Document 1, since image signals of different frames are used, a larger time difference occurs between timings of acquiring image signals as the number of integration increases. The occurrence of such a time difference is undesirable from the viewpoint of data reliability. Moreover, in patent document 2, since the several detection system from which a pinhole diameter differs is required, the structure of an apparatus becomes complicated and the whole apparatus will become expensive.

以上のような実情を踏まえ、本発明は、装置構成を過度に複雑化することなく、信頼性の高い画素データを生成する技術を提供することを目的とする。   In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a technique for generating highly reliable pixel data without excessively complicating the device configuration.

本発明の一態様は、試料を光で走査する走査手段を含む、走査光学系と、前記走査手段により走査された前記試料からの光を検出し、アナログ信号を出力する光検出器と、前記光検出器から出力されたアナログ信号をオーバーサンプリングし、デジタル信号を出力するサンプリング手段と、前記試料の各領域に対応する画素データを、前記サンプリング手段から出力された複数のデジタル信号に基づいて生成する画素データ生成手段を備える走査型顕微鏡を提供する。   One aspect of the present invention includes a scanning optical system including a scanning unit that scans a sample with light, a light detector that detects light from the sample scanned by the scanning unit, and outputs an analog signal; A sampling unit that oversamples an analog signal output from the photodetector and outputs a digital signal, and pixel data corresponding to each region of the sample is generated based on a plurality of digital signals output from the sampling unit Provided is a scanning microscope provided with pixel data generating means.

本発明の別の態様は、走査手段と光検出器を備える走査型顕微鏡の画素データ生成方法であって、前記走査手段により走査された試料からの光を前記光検出器で検出し、前記光検出器から出力されたアナログ信号をオーバーサンプリングし、前記試料の各領域に対応する画素データを、オーバーサンプリングで得られた複数のデジタル信号に基づいて生成する画素データ生成方法を提供する。   Another aspect of the present invention is a pixel data generation method for a scanning microscope comprising a scanning means and a photodetector, wherein light from a sample scanned by the scanning means is detected by the photodetector, and the light Provided is a pixel data generation method for over-sampling an analog signal output from a detector and generating pixel data corresponding to each region of the sample based on a plurality of digital signals obtained by over-sampling.

本発明によれば、装置構成を過度に複雑化することなく、信頼性の高い画素データを生成することができる。   According to the present invention, it is possible to generate highly reliable pixel data without excessively complicating the device configuration.

実施例1に係る走査型顕微鏡100の構成を例示した図である。1 is a diagram illustrating a configuration of a scanning microscope 100 according to Example 1. FIG. 走査方法の一例を示した図である。It is the figure which showed an example of the scanning method. 画素領域と画素データの関係の一例を示した図である。It is the figure which showed an example of the relationship between a pixel area and pixel data. 画素領域と画素データの関係の別の例を示した図である。It is the figure which showed another example of the relationship between a pixel area and pixel data. 高さ情報生成処理のフローチャートである。It is a flowchart of a height information generation process. IZカーブの一例を示した図である。It is the figure which showed an example of the IZ curve. 実施例1に係るクロック生成回路15の構成の一例を示したブロック図である。FIG. 3 is a block diagram illustrating an example of a configuration of a clock generation circuit 15 according to the first embodiment. 実施例1に係るサンプリングクロックと走査位置の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the sampling clock concerning Example 1, and a scanning position. 実施例2に係るサンプリングクロックと走査位置の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the sampling clock concerning Example 2, and a scanning position.

図1は、本実施例に係る走査型顕微鏡100の構成を例示した図である。図2は、走査型顕微鏡100による走査方法の一例を示した図である。走査型顕微鏡100は、レーザ光が集光した光スポットで試料Sを走査するレーザ走査型顕微鏡であり、共焦点光学系を備える共焦点顕微鏡でもある。走査型顕微鏡100は、例えば、試料Sの高さ情報(表面粗さ情報を含む)を生成する3次元測定装置として利用される。なお、本明細書では、光スポットが形成される試料S上の位置を、走査位置と記す。   FIG. 1 is a diagram illustrating the configuration of a scanning microscope 100 according to the present embodiment. FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a scanning method using the scanning microscope 100. The scanning microscope 100 is a laser scanning microscope that scans the sample S with a light spot on which laser light is condensed, and is also a confocal microscope including a confocal optical system. The scanning microscope 100 is used as, for example, a three-dimensional measurement apparatus that generates height information (including surface roughness information) of the sample S. In this specification, the position on the sample S where the light spot is formed is referred to as a scanning position.

走査型顕微鏡100は、図1に示すように、顕微鏡本体10、コンピュータ20、表示装置30、入力装置40を備えている。顕微鏡本体10は、走査光学系、光検出器13、走査駆動制御回路14、クロック生成回路15、A/D変換器16、変位計17、焦点移動機構18を備えている。走査光学系は、レーザ光源1、ミラー2、ハーフミラー3、二次元走査機構4、ミラー5、レンズ6、レボルバ7、対物レンズ8、ステージ9、レンズ11、共焦点絞り12を備えている。   As shown in FIG. 1, the scanning microscope 100 includes a microscope main body 10, a computer 20, a display device 30, and an input device 40. The microscope main body 10 includes a scanning optical system, a photodetector 13, a scanning drive control circuit 14, a clock generation circuit 15, an A / D converter 16, a displacement meter 17, and a focus moving mechanism 18. The scanning optical system includes a laser light source 1, a mirror 2, a half mirror 3, a two-dimensional scanning mechanism 4, a mirror 5, a lens 6, a revolver 7, an objective lens 8, a stage 9, a lens 11, and a confocal stop 12.

二次元走査機構4は、レーザ光源1からのレーザ光で試料Sを走査する走査手段であり、走査駆動制御回路14により制御される。二次元走査機構4は、対物レンズ8の光軸と直交するX方向に試料Sを走査する走査手段であるスキャナ4aと、対物レンズ8の光軸及びX方向と直交するY方向に試料Sを走査する走査手段であるスキャナ4bを備えている。例えば、スキャナ4aは共振スキャナであり、スキャナ4bはガルバノスキャナである。共振スキャナは、ガルバノスキャナよりも高速な走査が可能である。ただし、その速度は周期運動の期間中一定ではなく、その速度変化はサイン関数で表わされる。つまり、非等速に試料Sを走査する。一方、ガルバノスキャナは、共振スキャナよりも概して低速であるものの、周期運動の期間中一定の速度で試料Sを走査することができる。共振スキャナとガルバノスキャナからなる二次元走査機構4は、一方向に他方向よりも高速に走査することが求められるラスタースキャンに好適である。   The two-dimensional scanning mechanism 4 is a scanning unit that scans the sample S with the laser light from the laser light source 1 and is controlled by the scanning drive control circuit 14. The two-dimensional scanning mechanism 4 includes a scanner 4a that is a scanning unit that scans the sample S in the X direction orthogonal to the optical axis of the objective lens 8, and the sample S in the Y direction that is orthogonal to the optical axis of the objective lens 8 and the X direction. A scanner 4b as scanning means for scanning is provided. For example, the scanner 4a is a resonant scanner, and the scanner 4b is a galvano scanner. Resonant scanners can scan faster than galvano scanners. However, the speed is not constant during the period of the periodic motion, and the speed change is expressed by a sine function. That is, the sample S is scanned at non-constant speed. On the other hand, although the galvano scanner is generally slower than the resonant scanner, it can scan the sample S at a constant speed during the periodical motion. The two-dimensional scanning mechanism 4 composed of a resonance scanner and a galvano scanner is suitable for raster scanning that requires scanning in one direction at a higher speed than in the other direction.

共焦点絞り12は、ピンホールが形成された絞りである。共焦点絞り12は、対物レンズ8の前側焦点位置以外の位置で反射した光を遮断するため、対物レンズ8の前側焦点位置と光学的に共役な位置にピンホールが位置するように、配置されている。例えば、共焦点絞り12は、レンズ11の後側焦点面に配置される。   The confocal stop 12 is a stop in which a pinhole is formed. The confocal stop 12 is arranged so that a pinhole is positioned at a position optically conjugate with the front focal position of the objective lens 8 in order to block light reflected at a position other than the front focal position of the objective lens 8. ing. For example, the confocal stop 12 is disposed on the rear focal plane of the lens 11.

光検出器13は、二次元走査機構4により走査された試料Sからの光を検出し、検出した光強度に応じたアナログ信号を出力する光電変換素子である。光検出器13は、例えば、光電子増倍管(PMT:Photomultiplier Tube)である。   The photodetector 13 is a photoelectric conversion element that detects light from the sample S scanned by the two-dimensional scanning mechanism 4 and outputs an analog signal corresponding to the detected light intensity. The photodetector 13 is, for example, a photomultiplier tube (PMT).

走査駆動制御回路14は、二次元走査機構4を制御する回路である。走査駆動制御回路14は、例えば、図2に示す軌跡19で光スポットが移動するように、つまり、ラスタースキャンが行われるように、二次元走査機構4を制御する。以降では、ラスタースキャンを構成するライン走査(図2におけるX方向への走査)の周期を走査周期と記す。また、走査駆動制御回路14は、二次元走査機構4の走査タイミングを示す信号(以降、走査タイミング信号と記す。)をクロック生成回路15に出力する。走査タイミング信号は、例えば、スキャナ4aがX方向への各ライン走査の開始タイミングを示す信号である。   The scanning drive control circuit 14 is a circuit that controls the two-dimensional scanning mechanism 4. For example, the scanning drive control circuit 14 controls the two-dimensional scanning mechanism 4 so that the light spot moves along the locus 19 shown in FIG. 2, that is, the raster scan is performed. Hereinafter, the cycle of line scanning (scanning in the X direction in FIG. 2) constituting the raster scan is referred to as a scanning cycle. Further, the scanning drive control circuit 14 outputs a signal indicating the scanning timing of the two-dimensional scanning mechanism 4 (hereinafter referred to as a scanning timing signal) to the clock generation circuit 15. The scanning timing signal is, for example, a signal that indicates the start timing of each line scan in the X direction by the scanner 4a.

クロック生成回路15は、試料S上のサンプリング位置が等間隔に移動するようにサンプリングクロックを生成し、A/D変換器16に出力するクロック生成手段である。つまり、クロック生成回路15で生成されるサンプリングクロックは、スキャナ4aの走査速度に同期したサンプリングクロックであり、走査速度が速いときほどクロック間隔が短くなり、走査速度が遅いときほどクロック間隔が長くなる。なお、本明細書では、サンプリング位置とは、サンプリングが行われる時の走査位置のことをいう。   The clock generation circuit 15 is a clock generation unit that generates a sampling clock so that the sampling positions on the sample S move at equal intervals and outputs the sampling clock to the A / D converter 16. That is, the sampling clock generated by the clock generation circuit 15 is a sampling clock synchronized with the scanning speed of the scanner 4a. The faster the scanning speed, the shorter the clock interval, and the slower the scanning speed, the longer the clock interval. . In this specification, the sampling position refers to the scanning position when sampling is performed.

クロック生成回路15は、走査速度に同期したサンプリングクロックを、例えば、走査駆動制御回路14から受信した走査タイミング信号と、スキャナ4aの速度波形情報とに基づいて生成する。なお、速度波形情報は、スキャナ4aが試料Sを走査している期間中、試料S上に形成される光スポットの移動速度がどのように変化するかを示す情報であり、より具体的には、1走査周期中の各タイミングにおける光スポットの移動速度の情報である。各タイミングにおけるサンプリング位置は、走査タイミング信号と速度波形情報に基づいて、特定することができる。   The clock generation circuit 15 generates a sampling clock synchronized with the scanning speed based on, for example, the scanning timing signal received from the scanning drive control circuit 14 and the speed waveform information of the scanner 4a. The velocity waveform information is information indicating how the moving speed of the light spot formed on the sample S changes during the period in which the scanner 4a scans the sample S, and more specifically. 1 is information on the moving speed of the light spot at each timing during one scanning cycle. The sampling position at each timing can be specified based on the scanning timing signal and velocity waveform information.

A/D変換器16は、光検出器13から出力されたアナログ信号をオーバーサンプリングして、光検出器13で検出された光強度に応じたデジタル信号を出力するサンプリング手段である。デジタル信号はサンプリング位置の輝度値を示している。A/D変換器16は、クロック生成回路15で生成されたサンプリングクロックに従って、アナログ信号をオーバーサンプリングする。ここで、オーバーサンプリングとは、スキャナ4aで行われるライン走査の1周期中に、水平方向の画素数を上回る回数のサンプリングを行うことをいう。また、水平方向の画素数とは、1ラインの走査で得られた信号から生成される画素データの最大個数のことであり、走査型顕微鏡100では、1ラインの走査で得られた信号に基づいて画素データ生成部21で生成される画素データの数のことである。なお、A/D変換器16は入力信号の時間積分をA/D変換してもよい。   The A / D converter 16 is a sampling unit that oversamples the analog signal output from the photodetector 13 and outputs a digital signal corresponding to the light intensity detected by the photodetector 13. The digital signal indicates the luminance value at the sampling position. The A / D converter 16 oversamples the analog signal according to the sampling clock generated by the clock generation circuit 15. Here, oversampling means that sampling is performed more times than the number of pixels in the horizontal direction during one cycle of line scanning performed by the scanner 4a. The number of pixels in the horizontal direction is the maximum number of pixel data generated from a signal obtained by scanning one line. In the scanning microscope 100, the number of pixels is based on the signal obtained by scanning one line. This is the number of pixel data generated by the pixel data generation unit 21. The A / D converter 16 may A / D convert the time integration of the input signal.

変位計17は、レボルバ7とともに移動する対物レンズ8の光軸方向へ移動量を測定する手段である。変位計17は、対物レンズ8の光軸方向の移動量を、コンピュータ20に出力するように構成されている。焦点移動機構18は、レボルバ7を光軸方向へ移動させる手段である。焦点移動機構18は、例えば、ステッピングモータであってもよく、また、ピエゾ素子であってもよい。なお、焦点移動機構18は、対物レンズ8と試料Sの距離を変化させるものであればよいため、レボルバ7の代わりにステージ9を光軸方向に移動させてもよい。その場合、変位計17は、ステージ9の光軸方向への移動量を測定するように構成される。   The displacement meter 17 is a means for measuring the amount of movement of the objective lens 8 that moves together with the revolver 7 in the optical axis direction. The displacement meter 17 is configured to output the amount of movement of the objective lens 8 in the optical axis direction to the computer 20. The focal point movement mechanism 18 is a means for moving the revolver 7 in the optical axis direction. The focal point movement mechanism 18 may be, for example, a stepping motor or a piezo element. Since the focal point moving mechanism 18 may be any mechanism that changes the distance between the objective lens 8 and the sample S, the stage 9 may be moved in the optical axis direction instead of the revolver 7. In that case, the displacement meter 17 is configured to measure the amount of movement of the stage 9 in the optical axis direction.

顕微鏡本体10では、レーザ光源1から出射したレーザ光は、ミラー2を反射し、ハーフミラー3、二次元走査機構4を介してミラー5へ入射する。ミラー5で対物レンズ8の光軸方向に反射したレーザ光は、レンズ6により所定の光束径に拡大されて、対物レンズ8によりステージ9に配置された試料S上に光スポットを形成する。試料Sを反射したレーザ光は、再び対物レンズ8に入射し、レンズ6、ミラー5、二次元走査機構4を介してハーフミラー3に入射する。ハーフミラー3で反射したレーザ光は、レンズ11により集光し共焦点絞り12に形成されたピンホールを通って光検出器13で検出される。走査型顕微鏡100は、二次元走査機構4で走査位置を移動させながらA/D変換器16でサンプリングを繰り返すことで、各サンプリング位置のデジタル信号(つまり、各サンプリング位置の輝度値)を得ることができる。   In the microscope body 10, the laser light emitted from the laser light source 1 reflects the mirror 2 and enters the mirror 5 via the half mirror 3 and the two-dimensional scanning mechanism 4. The laser beam reflected by the mirror 5 in the direction of the optical axis of the objective lens 8 is enlarged to a predetermined light beam diameter by the lens 6 and forms a light spot on the sample S arranged on the stage 9 by the objective lens 8. The laser light reflected from the sample S enters the objective lens 8 again, and enters the half mirror 3 through the lens 6, the mirror 5, and the two-dimensional scanning mechanism 4. The laser beam reflected by the half mirror 3 is collected by the lens 11 and detected by the photodetector 13 through a pinhole formed in the confocal stop 12. The scanning microscope 100 obtains a digital signal at each sampling position (that is, a luminance value at each sampling position) by repeating sampling by the A / D converter 16 while moving the scanning position by the two-dimensional scanning mechanism 4. Can do.

コンピュータ20は、例えば、CPU、メモリ、ハードディスクなどの補助記憶装置を備えている。メモリにロードしたプログラムをCPUで実行することで、CPUが画素データ生成部21及び表示用データ生成部22として動作する。即ち、コンピュータ20は、画素データ生成部21と表示用データ生成部22を備えている。コンピュータ20は、顕微鏡本体10からの出力信号に基づいて画素データを生成し、生成した画素データに基づいて試料Sの高さ情報や全焦点画像データを生成する。生成されたデータは、補助記憶装置に記録する。   The computer 20 includes an auxiliary storage device such as a CPU, a memory, and a hard disk. When the CPU loads the program loaded in the memory, the CPU operates as the pixel data generation unit 21 and the display data generation unit 22. That is, the computer 20 includes a pixel data generation unit 21 and a display data generation unit 22. The computer 20 generates pixel data based on the output signal from the microscope body 10, and generates height information and omnifocal image data of the sample S based on the generated pixel data. The generated data is recorded in the auxiliary storage device.

画素データ生成部21は、試料Sの各領域(画素領域)に対応する画素データを、A/D変換器16から出力された複数のデジタル信号に基づいて生成する。画素データ生成部21で生成される複数の画素データの各々は、同数のデジタル信号に基づいて生成されることが望ましい。   The pixel data generation unit 21 generates pixel data corresponding to each region (pixel region) of the sample S based on a plurality of digital signals output from the A / D converter 16. Each of the plurality of pixel data generated by the pixel data generation unit 21 is preferably generated based on the same number of digital signals.

ある画素領域に対応する画素データは、その画素領域内のサンプリング位置で取得された複数のデジタル信号に基づいて生成されることが望ましい。例えば、1走査周期中に2048回のサンプリングを行って1ライン当たり水平方向に1024画素の画素データを生成する場合であれば、図3に示すように、画素データ生成部21は、1画素目の画素データを1回目と2回目のサンプリングで取得されたデジタル信号に基づいて生成し、2画素目の画素データを3回目と4回目のサンプリングで取得されたデジタル信号に基づいて生成し、N画素目の画素データを2N−1回目と2N回目のサンプリングで取得されたデジタル信号に基づいて生成することが望ましい。   It is desirable that pixel data corresponding to a certain pixel region is generated based on a plurality of digital signals acquired at sampling positions in the pixel region. For example, in the case of generating 1024 pixel pixel data in a horizontal direction per line by performing 2048 samplings during one scanning cycle, the pixel data generating unit 21 includes the first pixel as shown in FIG. Pixel data is generated based on the digital signals acquired by the first and second samplings, pixel data of the second pixel is generated based on the digital signals acquired by the third and fourth samplings, and N It is desirable to generate the pixel data of the pixel based on the digital signals acquired by the 2N-1 and 2N samplings.

また、ある画素領域に対応する画素データは、その画素領域内のサンプリング位置とその画素領域に隣接する画素領域内のサンプリング位置で取得された複数のデジタル信号に基づいて生成されてもよい。例えば、1走査周期中に2048回のサンプリングを行って1ライン当たり水平方向に1024画素の画素データを生成する場合であれば、図4に示すように、画素データ生成部21は、2画素目の画素データを2回目から5回目までのサンプリングで取得されたデジタル信号に基づいて生成し、N画素目の画素データを2N−2回目から2N+1回目までのサンプリングで取得されたデジタル信号に基づいて生成してもよい。この場合、1画素目の画素データは、0回目のサンプリング位置におけるデジタル信号を補間演算により推定し、推定されたデジタル信号と1回目から5回目までのサンプリングで取得されたデジタル信号に基づいて、1画素目の画素データが生成されてもよい。   Further, pixel data corresponding to a certain pixel area may be generated based on a plurality of digital signals acquired at a sampling position in the pixel area and a sampling position in a pixel area adjacent to the pixel area. For example, in the case of generating 1024 pixel pixel data in a horizontal direction per line by performing 2048 samplings during one scanning cycle, the pixel data generating unit 21 includes the second pixel as shown in FIG. Pixel data is generated based on the digital signal acquired by sampling from the second time to the fifth time, and pixel data of the N pixel is generated based on the digital signal acquired by sampling from the 2N−2th time to the 2N + 1th time. It may be generated. In this case, the pixel data of the first pixel is obtained by estimating the digital signal at the sampling position of the 0th time by interpolation calculation, and based on the estimated digital signal and the digital signal acquired by the sampling from the first time to the fifth time, Pixel data for the first pixel may be generated.

なお、画素データは、画素データに含まれるノイズ成分の割合(S/N比)が複数のデジタル信号の各々に含まれるノイズ成分の割合よりも少なくなるように生成されればよい。つまり、ノイズが軽減されればよく、画素データ生成部21ではノイズ除去を目的とした任意の演算が採用し得る。具体的には、画素データ生成部21は、最頻値又は最大値の選択、平均化など、複数のデジタル信号を統計的に処理して画素データを生成してもよい。また、画素データ生成部21は、ローパスフィルタ処理により画素データを生成してもよい。平均化を例にノイズ除去効果を説明すると、ノイズは正規分布で発生していると考えられるため、N個のデジタル信号を平均することでノイズを1/√Nに減衰させることができる。また、サンプリング数を増やすほどノイズの割合を低下させることができる。   Note that the pixel data may be generated so that the ratio of noise components (S / N ratio) included in the pixel data is smaller than the ratio of noise components included in each of the plurality of digital signals. That is, it suffices if the noise is reduced, and the pixel data generation unit 21 can employ any calculation for the purpose of noise removal. Specifically, the pixel data generation unit 21 may generate pixel data by statistically processing a plurality of digital signals such as mode value selection, maximum value selection, and averaging. Further, the pixel data generation unit 21 may generate pixel data by low-pass filter processing. The noise removal effect will be described by taking averaging as an example. Since the noise is considered to be generated in a normal distribution, the noise can be attenuated to 1 / √N by averaging N digital signals. Moreover, the ratio of noise can be reduced as the number of samplings is increased.

また、画素データは、画素データのダイナミックレンジが複数のデジタル信号の各々のダイナミックレンジよりも大きくなるように生成されてもよい。具体的には、画素データ生成部21は、複数のデジタル信号を積算して画素データを生成してもよい。この場合、A/D変換器16により制限されるダイナミックレンジを上回る、広いダイナミックレンジを有する画素データを生成することができる。また、光検出器13に入射する光量が小さい場合には、その光量に応じた信号(以降、微小信号と記す)は常時発生するわけではなく、確率的に発生する。より多くサンプリングして積算することで確率的に発生する微小信号を捉える可能性が高まる。この点もダイナミックレンジの拡大に寄与するため、実質的な分解能を向上させることができる。なお、A/D変換器16が、積分回路を有し、アナログ信号の時間的な積分値をサンプリングする場合にも同様の効果を得ることができる。また、画素データ生成部21は、ダイナミックレンジを拡張する演算(例えば、積算)とノイズを抑える演算(例えば、平均化)を利用者の指示に基づいて切換えて実行するように、構成されていてもよい。   Further, the pixel data may be generated such that the dynamic range of the pixel data is larger than each dynamic range of the plurality of digital signals. Specifically, the pixel data generation unit 21 may generate pixel data by integrating a plurality of digital signals. In this case, pixel data having a wide dynamic range exceeding the dynamic range limited by the A / D converter 16 can be generated. Further, when the amount of light incident on the photodetector 13 is small, a signal corresponding to the amount of light (hereinafter referred to as a minute signal) does not always occur, but occurs probabilistically. By sampling and accumulating more, the possibility of catching minute signals that occur stochastically increases. Since this point also contributes to the expansion of the dynamic range, the substantial resolution can be improved. The same effect can be obtained when the A / D converter 16 has an integration circuit and samples the temporal integration value of the analog signal. Further, the pixel data generation unit 21 is configured to switch and execute a calculation (for example, integration) for extending the dynamic range and a calculation (for example, averaging) for suppressing noise based on a user instruction. Also good.

表示用データ生成部22は、画素データ生成部21で生成された画素データから表示用の画素データを生成する。表示用データ生成部22は、画素データ生成部21で生成された画素データをそのまま表示用の画素データとして出力してもよい。また、表示装置30の画素数に応じて、画素データ生成部21で生成された2つ以上の画素データから1つの表示用の画素データを生成してもよい。   The display data generation unit 22 generates display pixel data from the pixel data generated by the pixel data generation unit 21. The display data generation unit 22 may output the pixel data generated by the pixel data generation unit 21 as it is as display pixel data. One display pixel data may be generated from two or more pieces of pixel data generated by the pixel data generation unit 21 according to the number of pixels of the display device 30.

表示装置30は、コンピュータ20が生成した画素データの集合である画像データに基づいて、試料Sの画像を表示する表示手段である。表示装置30は、例えば、液晶ディスプレイであってもよく、又は、有機ELディスプレイであってもよい。表示装置30は、コンピュータ20が画像データを生成する毎に、最新の画像データに基づいて試料Sの画像を表示してもよく、また、試料Sの画像以外の種々の情報を表示してもよい。   The display device 30 is a display unit that displays an image of the sample S based on image data that is a collection of pixel data generated by the computer 20. The display device 30 may be, for example, a liquid crystal display or an organic EL display. The display device 30 may display an image of the sample S based on the latest image data each time the computer 20 generates image data, or may display various information other than the image of the sample S. Good.

入力装置40は、ユーザの操作に応じた命令をコンピュータ20へ入力する入力装置である。入力装置40は、例えば、マウス、キーボード、タッチパネルなどである。   The input device 40 is an input device that inputs a command corresponding to a user operation to the computer 20. The input device 40 is, for example, a mouse, a keyboard, a touch panel, or the like.

図5は、走査型顕微鏡100で行われる高さ情報生成処理のフローチャートである。図6は、IZカーブの一例を示した図である。以下、図5及び図6を参照しながら、試料Sの高さ情報の生成方法について説明する。   FIG. 5 is a flowchart of height information generation processing performed in the scanning microscope 100. FIG. 6 is a diagram showing an example of the IZ curve. Hereinafter, a method for generating the height information of the sample S will be described with reference to FIGS. 5 and 6.

まず、走査型顕微鏡100は、X方向へ試料Sを走査しながらオーバーサンプリングを行う(ステップS1)。ここでは、二次元走査機構4が行うライン走査により光スポットが試料S上でX方向に移動する間に、A/D変換器16がサンプリングクロックに従って、試料Sからの光を検出した光検出器13からのアナログ信号をオーバーサンプリングする。なお、サンプリングクロックは、サンプリング位置が試料S上を等間隔に移動するように生成されているため、ステップS1では、試料の輝度値が空間的に等間隔に測定される。   First, the scanning microscope 100 performs oversampling while scanning the sample S in the X direction (step S1). Here, the photodetector in which the A / D converter 16 detects light from the sample S according to the sampling clock while the light spot moves in the X direction on the sample S by line scanning performed by the two-dimensional scanning mechanism 4. The analog signal from 13 is oversampled. Since the sampling clock is generated so that the sampling positions move on the sample S at equal intervals, in step S1, the luminance values of the sample are spatially measured at equal intervals.

次に、走査型顕微鏡100は、1ライン分の画素データを生成する(ステップS2)。ここでは、A/D変換器16から出力された複数のデジタル信号に基づいて、画素データ生成部21が試料Sのライン上の各領域の画素データを生成する。例えば、ステップS1で1ライン走査中に2048回のサンプリングを行っている場合に、それぞれ異なる2回のサンプリングによって得られた2つのデジタル信号に基づいて1画素の画素データを生成し、計1024画素の画素データを生成する。なお、ステップS1とステップS2が順番に行われる例が示されているが、ライン走査の終了を待つことなく、必要数のデジタル信号が生成される度に画素データが生成されてもよい。   Next, the scanning microscope 100 generates pixel data for one line (step S2). Here, the pixel data generation unit 21 generates pixel data of each region on the line of the sample S based on a plurality of digital signals output from the A / D converter 16. For example, when 2048 samplings are performed during one line scanning in step S1, pixel data of one pixel is generated based on two digital signals obtained by two different samplings, and a total of 1024 pixels Pixel data is generated. Note that although an example in which step S1 and step S2 are sequentially performed is shown, pixel data may be generated every time a necessary number of digital signals are generated without waiting for the end of line scanning.

画素データが生成されると、走査型顕微鏡100は、全てのラインで画素データを生成済みか否かを判断する(ステップS3)。ここでは、例えば、垂直方向の画素数が768であれば、768ライン全てで画素データを生成済みであるか否かをコンピュータ20が判断する。全てのラインで画素データが生成されていない場合には、走査型顕微鏡100は、スキャナ4bでY方向に走査開始位置を移動し(ステップS4)、その後、X方向へ走査しながら行うオーバーサンプリングと画素データの生成とを繰り返す(ステップS1及びステップS2)。これらの処理を全てのラインに対して行うことで、二次元走査機構4の走査範囲内のすべての領域の画素データが生成される。なお、以降では、二次元走査機構4の走査範囲内のすべての領域の画素データの集合を走査画像データと記す。   When the pixel data is generated, the scanning microscope 100 determines whether the pixel data has been generated for all lines (step S3). Here, for example, if the number of pixels in the vertical direction is 768, the computer 20 determines whether or not pixel data has been generated for all 768 lines. If pixel data is not generated for all lines, the scanning microscope 100 moves the scanning start position in the Y direction with the scanner 4b (step S4), and then performs oversampling while scanning in the X direction. The generation of pixel data is repeated (step S1 and step S2). By performing these processes on all lines, pixel data of all areas within the scanning range of the two-dimensional scanning mechanism 4 is generated. Hereinafter, a set of pixel data of all regions within the scanning range of the two-dimensional scanning mechanism 4 is referred to as scanned image data.

全てのラインで画素データが生成されると、走査型顕微鏡100は、全ての高さで画素データを生成済みか否かを判断する(ステップS5)。ここでは、例えば、予め設定された全ての高さで画素データを生成済みであるか否かをコンピュータ20が判断する。なお、高さとは、ステージ9上面から観測面までのZ方向の距離であり、例えば、変位計17からの出力結果に基づいて特定される。設定された全ての高さで画素データが生成されていない場合には、走査型顕微鏡100は、焦点移動機構18でZ方向に走査開始位置を移動し(ステップS6)、その後、全てのラインに対してX方向へ走査しながら行うオーバーサンプリングと画素データの生成とを繰り返す(ステップS1からステップS4)。これにより、各高さにおける走査画像データが生成される。   When pixel data is generated for all lines, the scanning microscope 100 determines whether pixel data has been generated for all heights (step S5). Here, for example, the computer 20 determines whether or not pixel data has been generated at all preset heights. The height is the distance in the Z direction from the upper surface of the stage 9 to the observation surface, and is specified based on the output result from the displacement meter 17, for example. If the pixel data is not generated at all the set heights, the scanning microscope 100 moves the scanning start position in the Z direction by the focus moving mechanism 18 (step S6), and then moves to all lines. On the other hand, oversampling performed while scanning in the X direction and generation of pixel data are repeated (step S1 to step S4). Thereby, scanned image data at each height is generated.

全ての高さで画素データが生成されると、走査型顕微鏡100は、試料Sの高さ情報を生成し(ステップS7)、処理を終了する。ここでは、複数の走査画像データに基づいて、コンピュータ20が画素領域毎に輝度変化曲線(以降、IZカーブと記す)を生成する。そして、IZカーブ基づいてその画素領域の高さを特定することで、試料Sの高さ情報を生成する。なお、例えば、図6に示すようにサンプリングが行われた高さのうちの最大輝度値I0を示す高さZ0を画素領域の高さとして特定してもよく、また、IZカーブの形状を算出し、IZカーブで輝度値が極大となる高さを画素領域の高さとして特定してもよい。図6では、黒丸はサンプリング結果を示している。さらに、コンピュータ20は、画素領域毎に特定された高さの画素データに基づいて、走査範囲全体にピントが合った全焦点画像データを生成してもよい。   When the pixel data is generated at all the heights, the scanning microscope 100 generates the height information of the sample S (Step S7) and ends the process. Here, based on a plurality of scanned image data, the computer 20 generates a luminance change curve (hereinafter referred to as an IZ curve) for each pixel region. Then, the height information of the sample S is generated by specifying the height of the pixel region based on the IZ curve. For example, as shown in FIG. 6, the height Z0 indicating the maximum luminance value I0 of the sampled heights may be specified as the height of the pixel region, and the shape of the IZ curve is calculated. Then, the height at which the luminance value becomes maximum on the IZ curve may be specified as the height of the pixel region. In FIG. 6, black circles indicate the sampling results. Furthermore, the computer 20 may generate omnifocal image data in which the entire scanning range is in focus based on pixel data having a height specified for each pixel region.

本実施例に係る走査型顕微鏡100では、光検出器13から出力されるアナログ信号をオーバーサンプリングして複数のデジタル信号から各画素データを生成する。このため、顕微鏡本体10の構成を過度に複雑化することなく、ノイズ成分の割合を抑えた信頼性の高い画素データを生成することができる。また、共振スキャナが用いられているにも関わらず、空間的に等間隔に並んだサンプリング位置で取得したデジタル信号から画素データを生成することができるため、より高い信頼性を実現することができる。従って、走査型顕微鏡100で生成された画素データに基づいて高さ情報を生成することで、試料のより正確な3次元形状を再現することが可能となる。   In the scanning microscope 100 according to the present embodiment, each pixel data is generated from a plurality of digital signals by oversampling the analog signal output from the photodetector 13. For this reason, it is possible to generate highly reliable pixel data in which the ratio of the noise component is suppressed without excessively complicating the configuration of the microscope body 10. In addition, even though a resonant scanner is used, pixel data can be generated from digital signals acquired at sampling positions that are spatially arranged at equal intervals, so that higher reliability can be realized. . Therefore, by generating the height information based on the pixel data generated by the scanning microscope 100, it is possible to reproduce a more accurate three-dimensional shape of the sample.

従来の走査型顕微鏡では、光学分解能以下の間隔でサンプリングを行っても分解能の向上は見込めないため、サンプリング間隔は光学分解能程度に設計されているのが通常である。しかしながら、S/N比については、サンプリング数を増やすほどS/N比を向上させることができる。このため、走査型顕微鏡100では、試料S上のサンプリング位置が走査光学系の光学分解能よりも狭い間隔で移動するようにサンプリングクロックを生成し、光検出器から出力されたアナログ信号をオーバーサンプリングすることが望ましい。   In a conventional scanning microscope, since improvement in resolution cannot be expected even if sampling is performed at an interval equal to or less than the optical resolution, the sampling interval is usually designed to be about the optical resolution. However, regarding the S / N ratio, the S / N ratio can be improved as the number of samplings is increased. Therefore, in the scanning microscope 100, a sampling clock is generated so that the sampling position on the sample S moves at an interval narrower than the optical resolution of the scanning optical system, and the analog signal output from the photodetector is oversampled. It is desirable.

また、走査型顕微鏡100では、サンプリングタイミングの時間差の小さい複数のデジタル信号に基づいて画素データが生成される。このため、異なるサンプリング位置で取得された複数のデジタル信号に基づいて画素データが生成されるものの、サンプリング位置の差及び時間差が及ぼす影響は軽微である。特に光学分解能よりも狭い間隔でサンプリングした場合には、信頼性への影響は無視できる。従って、複数のデジタル信号から信頼性の高い画素データを生成するメリットを最大限享受することができる。   In the scanning microscope 100, pixel data is generated based on a plurality of digital signals having a small time difference in sampling timing. For this reason, although pixel data is generated based on a plurality of digital signals acquired at different sampling positions, the influence of the sampling position difference and the time difference is negligible. In particular, when sampling is performed at intervals smaller than the optical resolution, the influence on reliability can be ignored. Therefore, the merits of generating highly reliable pixel data from a plurality of digital signals can be fully enjoyed.

最後に、図7及び図8を参照しながら、スキャナ4aの走査速度に同期したサンプリングクロックを生成するクロック生成回路15について説明する。図7はクロック生成回路15の構成の一例を示したブロック図である。図8は、クロック生成回路15で生成されるサンプリングクロックと走査位置の関係を示す図である。なお、図7に示す構成は、あくまでクロック生成回路15の構成の一例であり、クロック生成回路15の構成は図7に示す構成に限れない。   Finally, a clock generation circuit 15 that generates a sampling clock synchronized with the scanning speed of the scanner 4a will be described with reference to FIGS. FIG. 7 is a block diagram showing an example of the configuration of the clock generation circuit 15. FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the sampling clock generated by the clock generation circuit 15 and the scanning position. 7 is merely an example of the configuration of the clock generation circuit 15, and the configuration of the clock generation circuit 15 is not limited to the configuration illustrated in FIG.

クロック生成回路15は、位相比較器51、ループフィルタ52、電圧制御発振器(Voltage Controlled Oscillator、以降、VCOと記す)53、カウンタ54、メモリ55、D/Aコンバータ56、VCO57、カウンタ58、位相比較器59、ループフィルタ60を備えている。   The clock generation circuit 15 includes a phase comparator 51, a loop filter 52, a voltage controlled oscillator (hereinafter referred to as VCO) 53, a counter 54, a memory 55, a D / A converter 56, a VCO 57, a counter 58, and a phase comparison. A device 59 and a loop filter 60 are provided.

位相比較器51には、走査駆動制御回路14から出力される走査タイミング信号と、カウンタ54から出力されるタイミング信号(以降、第1タイミング信号と記す。)が入力される。第1タイミング信号については後述する。位相比較器51は、2つの入力信号(走査タイミング信号と第1タイミング信号)の位相差を検出して位相差に応じた信号を出力する。例えば、走査タイミング信号に対して第1タイミング信号が早いほど低い電圧の信号を出力し、遅いほどで高い電圧の信号を出力する。位相比較器51から出力された信号は、ローパスフィルタであるループフィルタ52を介して、VCO53に入力される。VCO53は、可変周波数発振器であり、入力信号(電圧)に応じた周波数のクロックを発生させる。例えば、高電圧が入力されるほど高周波のクロックを発生し、低電圧が入力されるほど低周波のクロックを発生する。カウンタ54は、VCO53からのクロックをカウントし、予め設定されている回数C1(例えば、1000回)カウントする毎に、位相比較器51に第1タイミング信号を出力する。なお、カウンタ54は、後述する位相比較器59にも第1タイミング信号を出力する。   The phase comparator 51 receives a scanning timing signal output from the scanning drive control circuit 14 and a timing signal output from the counter 54 (hereinafter referred to as a first timing signal). The first timing signal will be described later. The phase comparator 51 detects a phase difference between two input signals (scanning timing signal and first timing signal) and outputs a signal corresponding to the phase difference. For example, as the first timing signal is earlier than the scanning timing signal, a lower voltage signal is output, and as the first timing signal is later, a higher voltage signal is output. The signal output from the phase comparator 51 is input to the VCO 53 via the loop filter 52 that is a low-pass filter. The VCO 53 is a variable frequency oscillator and generates a clock having a frequency corresponding to an input signal (voltage). For example, a high frequency clock is generated as a high voltage is input, and a low frequency clock is generated as a low voltage is input. The counter 54 counts the clock from the VCO 53 and outputs a first timing signal to the phase comparator 51 each time it counts a preset number of times C1 (for example, 1000 times). The counter 54 also outputs the first timing signal to a phase comparator 59 described later.

位相比較器51からカウンタ54で構成されるループにより、走査タイミング信号と第1タイミング信号が同周期で且つ同位相に収束する。このため、収束状態では、1走査周期中に一定の時間間隔で回数C1と同数のクロックがVCO53から出力される。つまり、VCO53から一定の周波数のクロックが出力される。   The scanning timing signal and the first timing signal are converged in the same period and in the same phase by a loop constituted by the phase comparator 51 to the counter 54. For this reason, in the convergence state, the same number of clocks as the number of times C1 are output from the VCO 53 at regular time intervals during one scanning cycle. That is, a clock with a constant frequency is output from the VCO 53.

メモリ55は、少なくとも、カウンタ54に設定されている回数C1と同数のアドレス(0から999まで)を有していて、各アドレスにはスキャナ4aの速度波形(サイン波形)を再現するための速度情報が記憶されている。例えば、N番目のアドレス数には(N−1)/C1周期のタイミングでのスキャナ4aの速度情報が記憶されている。D/Aコンバータ56は、カウンタ54がカウントするたびに、カウンタ値に応じたメモリ55のアドレスから速度情報を読み出して、アナログ信号に変換する。これにより、スキャナ4aの速度波形(サイン波形)を再現した電圧がVCO57へ出力される。VCO57は、VCO53と同様に可変周波数発振器であり、入力信号(電圧)に応じた周波数のクロックを発生させる。このため、スキャナ4aの速度が速く入力電圧が高いときには高い周波数でクロックを出力し、速度が遅く入力電圧が低いときには低い周波数でクロックを出力する。なお、VCO57から出力されたクロックは、サンプリングクロックとしてA/D変換器16に出力される。   The memory 55 has at least as many addresses (from 0 to 999) as the number of times C1 set in the counter 54, and each address has a speed for reproducing the speed waveform (sine waveform) of the scanner 4a. Information is stored. For example, the speed information of the scanner 4a at the timing of (N-1) / C1 cycle is stored in the Nth address number. Each time the counter 54 counts, the D / A converter 56 reads speed information from the address of the memory 55 corresponding to the counter value and converts it into an analog signal. As a result, a voltage that reproduces the velocity waveform (sine waveform) of the scanner 4 a is output to the VCO 57. The VCO 57 is a variable frequency oscillator similar to the VCO 53, and generates a clock having a frequency corresponding to an input signal (voltage). Therefore, when the speed of the scanner 4a is high and the input voltage is high, a clock is output at a high frequency, and when the speed is low and the input voltage is low, a clock is output at a low frequency. The clock output from the VCO 57 is output to the A / D converter 16 as a sampling clock.

カウンタ58は、VCO57からのクロックをカウントし、予め設定されている回数C2(例えば、2048回)カウントする毎に、位相比較器59に第2タイミング信号を出力する。位相比較器59は、カウンタ54から出力された第1タイミング信号と、カウンタ58から出力された第2タイミング信号の位相差を検出して位相差に応じた信号を出力する。例えば、第1タイミング信号に対して第2タイミング信号が早いほど低い電圧の信号を出力し、遅いほど高い電圧の信号を出力する。位相比較器59から出力された信号は、ローパスフィルタであるループフィルタ60を介して、D/Aコンバータ56に入力される。D/Aコンバータ56は、位相比較器59からの信号に従ってアナログ信号の大きさを調整して出力する。   The counter 58 counts the clock from the VCO 57 and outputs a second timing signal to the phase comparator 59 each time it counts a preset number of times C2 (for example, 2048 times). The phase comparator 59 detects the phase difference between the first timing signal output from the counter 54 and the second timing signal output from the counter 58 and outputs a signal corresponding to the phase difference. For example, as the second timing signal is earlier than the first timing signal, a lower voltage signal is output, and as the second timing signal is slower, a higher voltage signal is output. The signal output from the phase comparator 59 is input to the D / A converter 56 via the loop filter 60 that is a low-pass filter. The D / A converter 56 adjusts the magnitude of the analog signal according to the signal from the phase comparator 59 and outputs it.

カウンタ54からループフィルタ60で構成されるループにより、第1タイミング信号と第2タイミング信号が同周期で且つ同位相に収束するため、走査タイミング信号と第2タイミング信号も同周期で且つ同位相に収束する。これにより、収束状態では、VCO57から、1走査周期中に回数C2と同数のサンプリングクロックが、走査位置が等間隔に移動するようなタイミングで出力される。つまり、VCO57からスキャナ4aの走査速度に同期したサンプリングクロックが出力される。   Since the first timing signal and the second timing signal converge in the same cycle and in the same phase by the loop composed of the counter 54 and the loop filter 60, the scanning timing signal and the second timing signal also have the same cycle and the same phase. Converge. As a result, in the convergence state, the VCO 57 outputs the same number of sampling clocks as the number of times C2 in one scanning cycle at a timing at which the scanning position moves at equal intervals. That is, the sampling clock synchronized with the scanning speed of the scanner 4a is output from the VCO 57.

以上のように構成されたクロック生成回路15によれば、カウンタ58に設定する回数C2を水平方向の画素数を上回る回数に設定することで、1走査周期中に水平方向の画素数を上回るサンプリングクロックを走査位置が等間隔に移動するようなタイミングで発生させることができる。そして、クロック生成回路15で生成されたサンプリングクロックに従ってA/D変換器16がサンプリングを行うことで、共振スキャナのような非等速で運動するスキャナを用いる場合であっても、図8に示すように、サンプリング位置を等間隔に移動させながら、1画素領域内で複数回サンプリングを行うことができる。   According to the clock generation circuit 15 configured as described above, by setting the number of times C2 set in the counter 58 to a number exceeding the number of pixels in the horizontal direction, sampling exceeding the number of pixels in the horizontal direction during one scanning cycle. The clock can be generated at a timing such that the scanning position moves at equal intervals. Then, even when a scanner that moves at non-constant speed such as a resonant scanner is used by the A / D converter 16 performing sampling in accordance with the sampling clock generated by the clock generation circuit 15, it is shown in FIG. As described above, sampling can be performed a plurality of times within one pixel region while moving the sampling positions at equal intervals.

図9は、本実施例に係るクロック生成回路で生成されるサンプリングクロックと走査位置の関係を示す図である。なお、本実施例に係る走査型顕微鏡は、クロック生成回路15の代わりに一定の周波数でサンプリングクロックを生成するクロック生成回路を備える点を除き、走査型顕微鏡100と同様の構成を有している。   FIG. 9 is a diagram illustrating the relationship between the sampling clock generated by the clock generation circuit according to the present embodiment and the scanning position. The scanning microscope according to the present embodiment has the same configuration as that of the scanning microscope 100 except that a clock generation circuit that generates a sampling clock at a constant frequency is provided instead of the clock generation circuit 15. .

本実施例に係る走査型顕微鏡では、図9に示すように、光検出器13から出力されるアナログ信号をオーバーサンプリングして、その結果得られた水平方向の画素数を上回る数のデジタル信号から画素領域毎に同数(ここでは、2つ)のデジタル信号を選択して、各画素領域に対応する画素データを生成する。複数のデジタル信号から各画素データが生成される点については実施例1と同様である。このため、本実施例に係る走査型顕微鏡によっても、実施例1に係る走査型顕微鏡100と同様に、顕微鏡本体10の構成を過度に複雑化することなく、ノイズ成分の割合を抑えた信頼性の高い画素データを生成することができる。また、生成された画素データに基づいて高さ情報を生成することで試料のより正確な3次元形状を再現することが可能となる点も、走査型顕微鏡100と同様である。さらに、クロック生成回路15のような複雑な回路構成を必要せず、一般的なクロック生成回路を利用することができるため、走査型顕微鏡を容易に構成することできる。   In the scanning microscope according to the present embodiment, as shown in FIG. 9, the analog signal output from the photodetector 13 is oversampled, and the resulting number of digital signals exceeding the number of horizontal pixels is obtained. The same number (two in this case) of digital signals is selected for each pixel region, and pixel data corresponding to each pixel region is generated. The point that each pixel data is generated from a plurality of digital signals is the same as in the first embodiment. For this reason, also in the scanning microscope according to the present embodiment, similarly to the scanning microscope 100 according to the first embodiment, the reliability of the noise component is suppressed without excessively complicating the configuration of the microscope body 10. High pixel data can be generated. In addition, similar to the scanning microscope 100, it is possible to reproduce a more accurate three-dimensional shape of the sample by generating height information based on the generated pixel data. Further, since a general clock generation circuit can be used without requiring a complicated circuit configuration like the clock generation circuit 15, a scanning microscope can be easily configured.

一般的に、一定の周波数でクロックを発生させる発振器は、一定ではない周波数でクロックを発振するための発振器(例えば、VCOなど)よりも高周波でクロックを発振することが可能である。このため、本実施例に係るクロック生成回路で十分に高い周波数のサンプリングクロックで生成することで、図9に示すように、デジタル信号のサンプリング位置は試料上で空間的に等間隔に並んでいないものの、多数のデジタル信号から空間的に等間隔に並んだサンプリング位置で取得した複数のデジタル信号を選択することができる。従って、本実施例によっても、等間隔に並んだサンプリング位置で取得したデジタル信号に基づいて、画素データを生成することが可能である。また、等間隔に並んだサンプリング位置で取得したデジタル信号が存在しない場合でも、多数のデジタル信号から等間隔となる位置でのデジタル信号を補間により算出し、算出したデジタル信号に基づいて画素データを生成してもよい。   In general, an oscillator that generates a clock at a constant frequency can oscillate a clock at a higher frequency than an oscillator (for example, a VCO) that oscillates a clock at a non-constant frequency. For this reason, when the clock generation circuit according to this embodiment generates a sampling clock having a sufficiently high frequency, the sampling positions of the digital signal are not spatially arranged at equal intervals on the sample as shown in FIG. However, it is possible to select a plurality of digital signals acquired from a large number of digital signals at sampling positions that are spatially arranged at equal intervals. Therefore, according to this embodiment, it is possible to generate pixel data based on digital signals acquired at sampling positions arranged at equal intervals. In addition, even when there is no digital signal acquired at equally spaced sampling positions, a digital signal at an equally spaced position is calculated from a large number of digital signals by interpolation, and pixel data is calculated based on the calculated digital signal. It may be generated.

上述した実施例は、発明の理解を容易にするために具体例を示したものであり、本発明は上述した実施例に限定されるものではない。走査型顕微鏡及び画素データ生成方法は、特許請求の範囲に記載した本発明の範囲内で、さまざまな変形、変更が可能である。   The embodiments described above are specific examples for facilitating understanding of the invention, and the present invention is not limited to the embodiments described above. The scanning microscope and the pixel data generation method can be variously modified and changed within the scope of the present invention described in the claims.

走査型顕微鏡が反射光を検出する例を示したが、検出する光は特に限定されない。例えば、透過光、蛍光、エバネッセント光など照明に起因して発生する任意の光が検出され得る。レーザ光源を例示したが、光源はレーザ光源に限られない。また、走査手段として共振スキャナを使用する例を示したが、走査手段はガルバノスキャナであってもよい。さらに、走査手段が照明光と検出光の両方に作用する例を示したが、走査手段は照明光路と検出光路の少なくとも一方に配置されていればよい。例えば、試料Sの走査範囲全体を同時に照明し、検出光路に配置された走査手段を用いて試料Sの各領域からの光を光検出器で順次検出してもよい。また、照明光路に配置された走査手段を用いて試料Sの各領域を順次照明し、各領域からの光をノンデスキャン検出器(NTD)によって検出してもよい。   Although an example in which the scanning microscope detects reflected light has been shown, the light to be detected is not particularly limited. For example, any light generated due to illumination such as transmitted light, fluorescence, and evanescent light can be detected. Although the laser light source is illustrated, the light source is not limited to the laser light source. Moreover, although the example which uses a resonance scanner as a scanning means was shown, the scanning means may be a galvano scanner. Furthermore, although the example in which the scanning unit acts on both the illumination light and the detection light has been shown, the scanning unit may be disposed on at least one of the illumination optical path and the detection optical path. For example, the entire scanning range of the sample S may be illuminated at the same time, and light from each region of the sample S may be sequentially detected by a photodetector using scanning means arranged in the detection light path. In addition, each region of the sample S may be sequentially illuminated using a scanning unit arranged in the illumination optical path, and light from each region may be detected by a non-descan detector (NTD).

さらに、走査型顕微鏡は、サンプリングしたデジタル信号を記録しておくことで、必要に応じて画素データを作り直す機能を有してもよい。例えば、表示された画像にノイズの影響が見られる場合に、画素データを生成するデジタル信号の組み合わせを変更して画素データを作り直してもよい。また、コンピュータ20で画素データを生成する例を示したが、コンピュータ20を用いたソフトウェア処理によって画素データを生成する代わりに、FPGA(Field Programmable Gate Array)などを用いてハードウェア処理によって画素データを生成してもよい。   Further, the scanning microscope may have a function of regenerating pixel data as necessary by recording the sampled digital signal. For example, when noise is seen in the displayed image, the pixel data may be regenerated by changing the combination of digital signals for generating the pixel data. Moreover, although the example which produces | generates pixel data with the computer 20 was shown, instead of producing | generating pixel data by software processing using the computer 20, pixel data is produced | generated by hardware processing using FPGA (Field Programmable Gate Array) etc. It may be generated.

1 レーザ光源
2、5 ミラー
3 ハーフミラー
4 二次元走査機構
4a、4b スキャナ
6、11 レンズ
7 レボルバ
8 対物レンズ
9 ステージ
10 顕微鏡本体
12 共焦点絞り
13 光検出器
14 走査駆動制御回路
15 クロック生成回路
16 A/D変換器
17 変位計
18 焦点移動機構
19 軌跡
20 コンピュータ
21 画素データ生成部
22 表示用データ生成部
30 表示装置
40 入力装置
51、59 位相比較器
52、60 ループフィルタ
53、57 VCO
54、58 カウンタ
55 メモリ
56 D/Aコンバータ
100 走査型顕微鏡
S 試料
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Laser light source 2, 5 Mirror 3 Half mirror 4 Two-dimensional scanning mechanism 4a, 4b Scanner 6, 11 Lens 7 Revolver 8 Objective lens 9 Stage 10 Microscope main body 12 Confocal stop 13 Photo detector 14 Scan drive control circuit 15 Clock generation circuit 16 A / D converter 17 Displacement meter 18 Focus movement mechanism 19 Trajectory 20 Computer 21 Pixel data generation unit 22 Display data generation unit 30 Display device 40 Input devices 51 and 59 Phase comparators 52 and 60 Loop filters 53 and 57 VCO
54, 58 Counter 55 Memory 56 D / A converter 100 Scanning microscope S Sample

Claims (14)

試料を光で走査する走査手段を含む、走査光学系と、
前記走査手段により走査された前記試料からの光を検出し、アナログ信号を出力する光検出器と、
前記光検出器から出力されたアナログ信号をオーバーサンプリングし、デジタル信号を出力するサンプリング手段と、
前記試料の各領域に対応する画素データを、前記サンプリング手段から出力された複数のデジタル信号に基づいて生成する画素データ生成手段を備える
ことを特徴とする走査型顕微鏡。
A scanning optical system including scanning means for scanning the sample with light;
A photodetector that detects light from the sample scanned by the scanning means and outputs an analog signal;
Sampling means for oversampling the analog signal output from the photodetector and outputting a digital signal;
A scanning microscope comprising: pixel data generation means for generating pixel data corresponding to each region of the sample based on a plurality of digital signals output from the sampling means.
請求項1に記載の走査型顕微鏡において、さらに、
前記試料上のサンプリング位置が等間隔に移動するように、サンプリングクロックを生成するクロック生成手段を備え、
前記走査手段は、非等速に前記試料を走査し、
前記サンプリング手段は、前記クロック生成手段で生成された前記サンプリングクロックに従って、前記アナログ信号をオーバーサンプリングする
ことを特徴とする走査型顕微鏡。
The scanning microscope according to claim 1, further comprising:
A clock generating means for generating a sampling clock so that the sampling positions on the sample move at equal intervals;
The scanning means scans the sample at a non-constant speed,
The scanning microscope according to claim 1, wherein the sampling unit oversamples the analog signal in accordance with the sampling clock generated by the clock generation unit.
請求項2に記載の走査型顕微鏡において、
前記クロック生成手段は、前記走査手段の走査タイミングを示す信号と前記走査手段の速度波形情報とに基づいて、前記サンプリングクロックを生成する
ことを特徴とする走査型顕微鏡。
The scanning microscope according to claim 2,
The scanning microscope characterized in that the clock generation means generates the sampling clock based on a signal indicating a scanning timing of the scanning means and velocity waveform information of the scanning means.
請求項1に記載の走査型顕微鏡において、さらに、
一定の周波数でサンプリングクロックを生成するクロック生成手段を備え、
前記走査手段は、非等速に前記試料を走査し、
前記サンプリング手段は、前記クロック生成手段で生成された前記サンプリングクロックに従って、前記アナログ信号をオーバーサンプリングする
ことを特徴とする走査型顕微鏡。
The scanning microscope according to claim 1, further comprising:
A clock generating means for generating a sampling clock at a constant frequency;
The scanning means scans the sample at a non-constant speed,
The scanning microscope according to claim 1, wherein the sampling unit oversamples the analog signal in accordance with the sampling clock generated by the clock generation unit.
請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の走査型顕微鏡において、
前記サンプリング手段は、前記アナログ信号を時間積分した積分値をオーバーサンプリングする
ことを特徴とする走査型顕微鏡。
The scanning microscope according to any one of claims 1 to 4,
The scanning microscope characterized in that the sampling means oversamples an integral value obtained by time-integrating the analog signal.
請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の走査型顕微鏡において、
前記画素データ生成手段は、前記試料の異なる領域に対応する複数の画素データの各々を、前記サンプリング手段から出力された同数のデジタル信号に基づいて生成する
ことを特徴とする走査型顕微鏡。
The scanning microscope according to any one of claims 1 to 5,
The scanning data microscope is characterized in that the pixel data generating means generates each of a plurality of pixel data corresponding to different regions of the sample based on the same number of digital signals output from the sampling means.
請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の走査型顕微鏡において、
前記画素データ生成手段は、前記画素データに含まれるノイズ成分の割合が前記複数のデジタル信号の各々に含まれるノイズ成分の割合よりも少なくなるように、前記複数のデジタル信号に基づいて前記画素データを生成する
ことを特徴とする走査型顕微鏡。
The scanning microscope according to any one of claims 1 to 6,
The pixel data generation unit is configured to generate the pixel data based on the plurality of digital signals so that a ratio of noise components included in the pixel data is smaller than a ratio of noise components included in each of the plurality of digital signals. A scanning microscope characterized by generating
請求項7に記載の走査型顕微鏡において、
前記画素データ生成手段は、前記複数のデジタル信号を統計処理して、前記画素データを生成する
ことを特徴とする走査型顕微鏡。
The scanning microscope according to claim 7,
The scanning data microscope characterized in that the pixel data generating means statistically processes the plurality of digital signals to generate the pixel data.
請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の走査型顕微鏡において、
前記画素データ生成手段は、前記画素データのダイナミックレンジが前記複数のデジタル信号の各々のダイナミックレンジよりも大きくなるように、前記複数のデジタル信号に基づいて前記画素データを生成する
ことを特徴とする走査型顕微鏡。
The scanning microscope according to any one of claims 1 to 6,
The pixel data generation unit generates the pixel data based on the plurality of digital signals so that a dynamic range of the pixel data is larger than each dynamic range of the plurality of digital signals. Scanning microscope.
請求項9に記載の走査型顕微鏡において、
前記画素データ生成手段は、前記複数のデジタル信号を積算して、前記画素データを生成する
ことを特徴とする走査型顕微鏡。
The scanning microscope according to claim 9, wherein
The scanning data microscope characterized in that the pixel data generation means generates the pixel data by integrating the plurality of digital signals.
請求項1乃至請求項10のいずれか1項に記載の走査型顕微鏡において、
前記走査手段は、共振スキャナである
ことを特徴とする走査型顕微鏡。
The scanning microscope according to any one of claims 1 to 10,
The scanning microscope characterized in that the scanning means is a resonant scanner.
請求項1乃至請求項11のいずれか1項に記載の走査型顕微鏡において、
前記画素データ生成手段は、1つ以上の前記画素データから1つの表示用の画素データを生成する
ことを特徴とする走査型顕微鏡。
The scanning microscope according to any one of claims 1 to 11,
The scanning data microscope is characterized in that the pixel data generation means generates one display pixel data from one or more of the pixel data.
請求項1乃至請求項12のいずれか1項に記載の走査型顕微鏡において、
前記サンプリング手段は、前記試料上のサンプリング位置が前記走査光学系の光学分解能よりも狭い間隔で移動するように、前記光検出器から出力されたアナログ信号をオーバーサンプリングする
ことを特徴とする走査型顕微鏡。
The scanning microscope according to any one of claims 1 to 12,
The sampling unit oversamples an analog signal output from the photodetector so that a sampling position on the sample moves at an interval narrower than an optical resolution of the scanning optical system. microscope.
走査手段と光検出器を備える走査型顕微鏡の画素データ生成方法であって、
前記走査手段により走査された試料からの光を前記光検出器で検出し、
前記光検出器から出力されたアナログ信号をオーバーサンプリングし、
前記試料の各領域に対応する画素データを、オーバーサンプリングで得られた複数のデジタル信号に基づいて生成する
ことを特徴とする画素データ生成方法。
A pixel data generation method for a scanning microscope comprising a scanning means and a photodetector,
Detecting light from the sample scanned by the scanning means with the photodetector;
Oversampling the analog signal output from the photodetector,
A pixel data generation method, wherein pixel data corresponding to each region of the sample is generated based on a plurality of digital signals obtained by oversampling.
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