JP3560123B2 - 共焦点装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、共焦点装置に関し、特に光軸方向の走査が不要な共焦点顕微鏡に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の共焦点装置は複数の開孔を有する円板を回転させ開孔を通過した光を集光して試料を走査する等により共焦点画像を得て、また、光軸方向に順次走査して得られる断面画像に基づき3次元形状を再構築するものである。
【0003】
図7はこのような従来の共焦点装置の一例を示す構成ブロック図である。図7において1はレーザ光源、2は共焦点スキャナ、3は光学顕微鏡、4はステージ駆動手段、5はカメラ等の撮影手段、6はコンピュータ等の制御手段である。
【0004】
レーザ光源1の出力光は光ファイバ等により共焦点スキャナ2に入射される。共焦点スキャナ2は複数の開孔を有する円板を回転させ、入射されたレーザ光をこれらの開孔に通過させて出射させる。光学顕微鏡3は共焦点スキャナ2からの出射光をステージ上に設置された試料(図示せず。)上に集光する。また、ステージ駆動手段4は試料を入射光軸方向に駆動する。さらに、共焦点スキャナ2にはカメラ等の撮影手段5が設置され、撮影手段5の出力信号は制御手段6に接続される。
【0005】
ここで、図7に示す共焦点装置の動作を説明する。光学顕微鏡3により試料上に集光される光は共焦点スキャナ2を構成する円板の複数の開孔を通過し、試料からの戻り光は再び円板の複数の開孔を通過して撮影手段5に入射される。このため、撮影手段5において得られる画像は共焦点画像となる。
【0006】
さらに、その円板は回転しているので、試料に集光される光のスポットは試料上を走査することになり撮影手段5では光軸方向に垂直な平面の試料の断面画像を得ることができる。
【0007】
この状態で、ステージ駆動手段4を制御して試料を光軸方向に順次走査しながら前述の断面画像を制御手段6に蓄積すると共に制御手段6により複数の断面画像を再構築して3次元形状を求めることが可能になる。
【0008】
この結果、ステージ駆動手段4で試料を光軸方向に順次走査しながら光軸方向に垂直な平面の複数の断面画像を蓄積し、制御手段6でこれらの断面画像を再構築することにより、3次元形状を得ることが可能になる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図7に示す共焦点装置では複数の断面画像を得るためにステージ駆動手段4で光軸方向に走査をするため1つの3次元形状を得るためには測定時間がかかってしまう。このため、FA(Factory Automation)ラインや半導体ライン等で用いる場合には測定時間の長さが問題になってしまう。また、別途ステージ駆動手段4を設けなければならず、測定精度もこのステージ駆動手段の駆動精度に依存してしまうと言った課題があった。
従って本発明が解決しようとする課題は、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共焦点装置を実現することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項1記載の発明は、
共焦点装置において、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、前記試料からの戻り光のうち前記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、前記共焦点スキャナで予め測定した光軸方向位置−光量特性に基づき前記断面画像の光量から前記試料の光軸方向位置を光軸方向の走査をすることなしに求める制御手段とを備えたことにより、光軸方向の走査をすることなしに試料の光軸方向位置を得ることができる。
【0011】
請求項2記載の発明は、
請求項1記載の発明である共焦点装置において、
前記制御手段が、前記共焦点スキャナで予め測定した異なる焦点位置の2種類の光軸方向位置−光量特性に基づき前記撮影手段で得られた異なる焦点位置の2種類の断面画像の光量から前記試料の光軸方向位置を光軸方向の走査をすることなしに求めることにより、一般形状の試料であっても光軸方向の走査をすることなしに試料の光軸方向位置を得ることができる。
【0012】
請求項3記載の発明は、
請求項2記載の発明である共焦点装置において、
前記光学顕微鏡のステージ若しくはレンズを動かし焦点位置を変化させることにより、異なる焦点位置の2種類の前記断面画像を得ることができる。
【0013】
請求項4記載の発明は、
請求項2記載の発明である共焦点装置において、
焦点位置の異なる2つの共焦点スキャナの出力光を光分岐手段で合波すると共に前記2つの共焦点スキャナからの出力光の偏光方向をそれぞれ変えることにより、異なる焦点位置の2種類の前記断面画像を得ることができる。
【0014】
請求項5記載の発明は、
請求項2記載の発明である共焦点装置において、
焦点位置の異なる2つの共焦点スキャナの出力光を光分岐手段で合波すると共に前記2つの共焦点スキャナからの出力光の測定波長をそれぞれ変えることにより、異なる焦点位置の2種類の前記断面画像を得ることができる。
【0015】
請求項6記載の発明は、
請求項2記載の発明である共焦点装置において、
焦点位置の異なる2つの共焦点スキャナの出力光を光分岐手段で合波すると共に前記2つの共焦点スキャナからの出力光の測定時間をそれぞれ変えることにより、異なる焦点位置の2種類の前記断面画像を得ることができる。
【0016】
請求項7記載の発明は、
請求項1及び請求項2記載の発明である共焦点装置において、
前記制御手段で得られた前記試料の光軸方向位置に基づき前記試料の3次元形状を求めることにより、光軸方向の走査をすることなしに試料の3次元形状を得ることが可能になる。
【0017】
請求項8記載の発明は、
請求項1記載の発明である共焦点装置において、
前記共焦点スキャナを走査型若しくはスキャンレス型の共焦点スキャナとすることにより、光軸方向に垂直な平面の走査方法が限定されない。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図1は本発明に係る共焦点装置の一実施例を示す構成ブロック図である。図1において1〜3,5及び6は図7と同一符号を付してあり、7は対物レンズ、8は試料である。
【0019】
レーザ光源1の出力光は光ファイバ等により共焦点スキャナ2に入射される。共焦点スキャナ2は複数の開孔を有する円板を回転させ、入射されたレーザ光をこれらの開孔に通過させて出射させる。光学顕微鏡3は共焦点スキャナ2からの出射光を対物レンズ7を用いて試料8上に集光する。また、共焦点スキャナ2にはカメラ等の撮影手段5が設置され、撮影手段5の出力信号は制御手段6に接続される。
【0020】
ここで、図1に示す実施例の動作を図2及び図3を用いて説明する。図2は試料の代わりに鏡を光軸方向に走査した時に撮影手段5で得られる光量と光軸方向位置との関係を示す特性曲線図、図3は図2の特性と試料との関係を示す説明図である。また、共焦点画像を得る基本動作については図7に示す従来例と同様であるので説明は省略する。
【0021】
撮影手段5では焦点位置に鏡が位置する場合に最大の光量が得られ、焦点位置の前後では光量が低下する。すなわち、図2中”FP01”に示す焦点位置で最大の光量が得られ、鏡が図2中”Z001”、”Z002”及び”Z003”に示すように焦点位置から順次離れるに従い光量が”L001”、”L002”及び”L003”と言ったように順次低下して行く。従って、このような光軸方向位置−光量特性を予め測定し制御手段6に格納しておく
【0022】
一方、試料8として図3中”SP01”に示すように光軸方向に垂直な平面”ST01”、”ST02”及び”ST03”が階段状に存在する試料を考える。また、各平面での反射率は”100%”(鏡と同値)と仮定する。
【0023】
さらに、図3中”SP01”に示すような試料の図3中”ST01”、”ST02”及び”ST03”に示す平面の位置が図2中”Z001”、”Z002”及び”Z003”に示す光軸方向位置と等しくなるとする。
【0024】
このような位置関係で図3中”SP01”に示すような試料の断面画像を撮影手段5で撮影すると、例えば、図3中”P001”に示すような断面画像が得られる。図3中”P001”に示すような断面画像において、図3中”ST01”、”ST02”及び”ST03”に示す平面の位置は図2中”Z001”、”Z002”及び”Z003”に示す光軸方向位置と等しいので断面画像中で図3中”ST01”、”ST02”及び”ST03”に示す平面の部分の光量は”L001”、”L002”及び”L003”となる。
【0025】
この時、制御手段6は格納されている光軸方向位置−光量特性に基づき撮影手段5で得られた断面画像の光量を分析しその光量が”L001”であれば光軸方向位置は”Z001”と判断し、光量が”L002”であれば光軸方向位置は”Z002”と判断し、また、光量が”L003”であれば光軸方向位置は”Z003”と判断する。また、制御手段6はこの位置情報に基づき試料の3次元形状を再構築して表示等する。
【0026】
この結果、制御手段6で光軸方向位置−光量特性に基づき撮影手段5で得られた断面画像の光量を分析することにより、光軸方向の走査をすることなしに試料の光軸方向位置を得ることができ、また、この光軸方向位置に基づき3次元形状を得ることが可能になる。
【0027】
但し、実際の試料の形状は一般に図3中”SP01”に示すような好適な形状ではなく斜面等を有し、また、その反射率も”100%”ではなくその位置により異なっていることが多い。このような場合の動作を図4及び図5を用いて説明する。図4は試料の代わりに鏡を光軸方向に走査した時に撮影手段5で得られる光量と光軸方向位置との関係を示す特性曲線図、図5は図4の特性と試料との関係を示す説明図である。
【0028】
図4中”FP02”及び”FP03”に示す2つの焦点位置の場合に得られる2種類の光軸方向位置−光量特性を予め測定し制御手段6に格納しておく。
【0029】
例えば、焦点位置が”FP02”の場合には、光軸方向位置”Z101”、”Z102”、”Z103”及び”Z104”で光量がそれぞれ”L101”、”L102”、”L103”及び”L104”となり、焦点位置が”FP03”の場合には、光軸方向位置”Z101”、”Z102”、”Z103”及び”Z104”で光量がそれぞれ”L201”、”L202”、”L203”及び”L204”となるとする。
【0030】
そして、撮影手段5により焦点位置が”FP02”の状態で断面画像を、焦点位置が”FP03”の状態でもう一枚の断面画像をそれぞれ得て制御手段6に取り込んで処理する。
【0031】
例えば、試料8が図5中”SP02”に示すような形状であり、また、図5中”ST11”に示す試料の頂点が光軸方向位置”Z101”であったとすると、図5中”SP02”に試料の反射率が”100%”であれば、焦点位置が”FP02”の場合の断面画像では光量が”L101”となり、焦点位置が”FP03”の場合の断面画像では光量が”L201”となるはずである。
【0032】
しかし、実際には反射率は低いので光軸方向位置−光量特性は図5中の破線に示すような特性になる。このため、図5中の拡大図に示すように光軸方向位置が”Z101”であっても焦点位置が”FP02”及び”FP03”の場合の断面画像では光量が”L301”及び”L302”となってしまう。
【0033】
ここで、制御手段6には反射率が”100%”の場合の光軸方向位置−光量特性が格納されているので、図5中の拡大図から光量が”L301”の場合は光軸方向位置が”Z301”と、光量が”L302”の場合には光軸方向位置が”Z302”と実際の光軸方向位置とは異なった位置として判断されてしまう。
【0034】
但し、両者の誤差方向は互いに反対方向への変化であり、図5中の拡大図中の破線の傾きの絶対値が等しいと仮定すれば誤差分”ΔZ”は互いに等しくなり、
Z301=Z101+ΔZ (1)
Z302=Z101−ΔZ (2)
となる。
【0035】
従って、式(1)と式(2)を加算して”1/2”にすることにより、
(Z101+ΔZ+Z101−ΔZ)/2
=2×Z101/2
=Z101 (3)
となり、誤差分を補正することが可能になる。
【0036】
ここで、一般に光軸方向位置−光量特性は非線形の関数であるので、式(3)に示すように単純には補正ができないが、制御手段6に補正用のテーブルを設けたり、近似式を設定し演算処理で補正することが可能になる。すなわち、斜面等を有し、反射率もその位置により異なっている試料であっても3次元形状を得ることが可能になる。
【0037】
この結果、制御手段6で異なる焦点位置の2種類の光軸方向位置−光量特性に基づき撮影手段5で得られた異なる焦点位置の2種類の断面画像の光量を分析することにより、一般形状の試料であっても光軸方向の走査をすることなしに試料の光軸方向位置を得ることができ、また、この光軸方向位置に基づき3次元形状を得ることが可能になる。
【0038】
なお、試料8の厚みとしては図2等に示すような光軸方向位置−光量特性の半値幅程度の測定が可能になる。例えば、対物レンズ7の倍率を”1倍”、共焦点スキャナ2の開孔の直径が”50μm”とすれば前述の半値幅は”約1mm”程度になる。
【0039】
また、歯車等が光軸方向に移動するような動画像であっても光軸方向位置によりその光量が変化するので、予め得られた光軸方向位置−光量特性に基づき歯車等の位置を得ることが可能になる。
【0040】
また、焦点位置の異なる2つの断面画像を得るためには光学顕微鏡5のレンズやステージを動かして焦点位置を変化させれば良い。また、図6に示すような構成にして良い。
【0041】
図6は本発明に係る共焦点装置の他の実施例を示す構成ブロック図である。図6において1a及び1bはレーザ光源、2a及び2bは共焦点スキャナ、9はビームスプリッタ等の光分岐手段、10は対物レンズ、11は試料である。また、光分岐手段9及び対物レンズ10は光学顕微鏡3の一部を構成しており、説明の簡単の為に撮影手段5及び制御手段6の記載は省略してある。
【0042】
図6に示すように焦点位置の異なるそれぞれ2つの共焦点スキャナ2a及び2bを光分岐手段9で合波すると共にそれぞれの共焦点スキャナ2a及び2bの偏光方向、測定波長若しくは測定時間を変えることにより、撮影手段1a及び1bにより焦点位置の異なる2つの断面画像を得ることができる。
【0043】
例えば、光分岐手段9として偏光ビームスプリッタを用いると共に共焦点スキャナ2a及び2bの偏光方向を”0度”及び”90度”としておけば、試料11からの戻り光のうち偏光方向が”0度”の光は共焦点スキャナ2aに入射され、偏光方向が”90度”の光は共焦点スキャナ2bに入射され、それぞれの撮影手段(図示せず。)により焦点位置の異なる2つの断面画像が得られる。
【0044】
また、例えば、光分岐手段9としてダイクロイックミラーを用いると共に共焦点スキャナ2a及び2bの出力光の波長をそれぞれ変えておけば、前述と同様に焦点位置の異なる2つの断面画像を得ることができる。この時、対物レンズの色収差を利用して”FP02”及び”FP03”の異なる焦点位置を実現することも可能である。
【0045】
さらに、一旦、共焦点スキャナ2aを用いて断面画像を得た後に共焦点スキャナ2bを用いて断面画像を測定するように測定時間をずらせば焦点位置の異なる2つの断面画像を得ることができる。
【0046】
また、図6では2つのレーザ光源1a及び1bを例示したが1つのレーザ光源の出力光を分割して共焦点スキャナ2a及び2bに供給しても構わない。
【0047】
また、図4及び図5等の説明に際しては焦点位置の異なる2種類の光軸方向位置−光量特性を求めると共に焦点位置の異なる2つの断面画像を測定して3次元形状を得ているが、より正確な3次元形状を得るために3つ以上の断面画像を用いても構わない。
【0048】
また、共焦点スキャナとしては複数の開孔を有する円板を回転させ、入射されたレーザ光をこれらの開孔に通過させて出射させるスキャン型の共焦点スキャナを例示したが、本願出願人の出願に係る「特願平09−009991」及び「特願平09−125481」に記載したようなスキャンレス型の共焦点スキャナであっても構わない。すなわち、光軸方向に垂直な平面の走査方法には限定されない。
【0049】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
請求項1の発明によれば、制御手段で光軸方向位置−光量特性に基づき撮影手段で得られた断面画像の光量を分析することにより、光軸方向の走査をすることなしに試料の光軸方向位置を得ることができる。
【0050】
また、請求項2の発明によれば、制御手段で異なる焦点位置の2種類の光軸方向位置−光量特性に基づき撮影手段で得られた異なる焦点位置の2種類の断面画像の光量を分析することにより、一般形状の試料であっても光軸方向の走査をすることなしに試料の光軸方向位置を得ることができる。
【0051】
また、請求項3の発明によれば、前記光学顕微鏡のステージ若しくはレンズを動かし焦点位置を変化させることにより、異なる焦点位置の2種類の前記断面画像を得ることができる。
【0052】
また、請求項4の発明によれば、焦点位置の異なる2つの共焦点スキャナの出力光を光分岐手段で合波すると共に前記2つの共焦点スキャナからの出力光の偏光方向をそれぞれ変えることにより、異なる焦点位置の2種類の前記断面画像を得ることができる。
【0053】
また、請求項5の発明によれば、焦点位置の異なる2つの共焦点スキャナの出力光を光分岐手段で合波すると共に前記2つの共焦点スキャナからの出力光の測定波長をそれぞれ変えることにより、異なる焦点位置の2種類の前記断面画像を得ることができる。
【0054】
また、請求項6の発明によれば、焦点位置の異なる2つの共焦点スキャナの出力光を光分岐手段で合波すると共に前記2つの共焦点スキャナからの出力光の測定時間をそれぞれ変えることにより、異なる焦点位置の2種類の前記断面画像を得ることができる。
【0055】
また、請求項7の発明によれば、前記制御手段で得られた前記試料の光軸方向位置に基づき前記試料の3次元形状を求めることにより、光軸方向の走査をすることなしに試料の3次元形状を得ることが可能になる。
【0056】
また、請求項8の発明によれば、前記共焦点スキャナとして走査型若しくはスキャンレス型の共焦点スキャナを用いることにより、光軸方向に垂直な平面の走査方法が限定されなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る共焦点装置の一実施例を示す構成ブロック図である。
【図2】鏡を光軸方向に走査した時に撮影手段で得られる光量と光軸方向位置との関係を示す特性曲線図である。
【図3】図2の特性と試料との関係を示す説明図である。
【図4】鏡を光軸方向に走査した時に撮影手段で得られる光量と光軸方向位置との関係を示す特性曲線図である。
【図5】図4の特性と試料との関係を示す説明図である。
【図6】本発明に係る共焦点装置の他の実施例を示す構成ブロック図である。
【図7】従来の共焦点装置の一例を示す構成ブロック図である。
【符号の説明】
1,1a,1b レーザ光源
2,2a,2b 共焦点スキャナ
3 光学顕微鏡
4 ステージ駆動手段
5 撮影手段
6 制御手段
7,10 対物レンズ
8,11 試料
9 光分岐手段
Claims (8)
- 共焦点装置において、
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、
前記試料からの戻り光のうち前記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、
前記共焦点スキャナで予め測定した光軸方向位置−光量特性に基づき前記断面画像の光量から前記試料の光軸方向位置を光軸方向の走査をすることなしに求める制御手段と
を備えたことを特徴とする共焦点装置。 - 前記制御手段が、
前記共焦点スキャナで予め測定した異なる焦点位置の2種類の光軸方向位置−光量特性に基づき前記撮影手段で得られた異なる焦点位置の2種類の断面画像の光量から前記試料の光軸方向位置を光軸方向の走査をすることなしに求めることを特徴とする
請求項1記載の共焦点装置。 - 前記光学顕微鏡のステージ若しくはレンズを動かし焦点位置を変化させることにより異なる焦点位置の2種類の前記断面画像を得ることを特徴とする
請求項2記載の共焦点装置。 - 焦点位置の異なる2つの共焦点スキャナの出力光を光分岐手段で合波すると共に前記2つの共焦点スキャナからの出力光の偏光方向をそれぞれ変えることにより異なる焦点位置の2種類の前記断面画像を得ることを特徴とする
請求項2記載の共焦点装置。 - 焦点位置の異なる2つの共焦点スキャナの出力光を光分岐手段で合波すると共に前記2つの共焦点スキャナからの出力光の測定波長をそれぞれ変えることにより異なる焦点位置の2種類の前記断面画像を得ることを特徴とする
請求項2記載の共焦点装置。 - 焦点位置の異なる2つの共焦点スキャナの出力光を光分岐手段で合波すると共に前記2つの共焦点スキャナからの出力光の測定時間をそれぞれ変えることにより異なる焦点位置の2種類の前記断面画像を得ることを特徴とする
請求項2記載の共焦点装置。 - 前記制御手段で得られた前記試料の光軸方向位置に基づき前記試料の3次元形状を求めることを特徴とする
請求項1及び請求項2記載の共焦点装置。 - 前記共焦点スキャナが走査型若しくはスキャンレス型の共焦点スキャナであるとを特徴とする
請求項1記載の共焦点装置。
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