JP3568286B2 - 共焦点走査型光学顕微鏡及びこの顕微鏡を使用した測定方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、観察試料の表面情報を測定するために使用される共焦点走査型光学顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、点状光源によって観察試料の表面を点状に照明し、この照明された試料表面からの透過光または反射光を再び点状に集光してピンホール開口を有する検出器に結像させ、この検出器により結像の濃度情報を得る共焦点走査型光学顕微鏡があった。
【０００３】
図８（ａ）は一般的な共焦点走査型光学顕微鏡の概略構成図である。同図において、点状光源９１から出射された点状光は、ハーフミラー９２を通過した後に収差が補正された対物レンズ９３によって観察試料９４の表面に点状結像される。
【０００４】
そして、この点状照明の上記試料９４による反射光は、再び対物レンズ９３を通過した後に上記ハーフミラー９２で反射されて集光する。この集光位置にはピンホール９５が配設されており、このピンホール９５を通過した上記反射光が光検出器９６によって検出される。
【０００５】
このような点状照明を観察試料９４表面の測定領域全体にわたって行ない、その反射光の光検出器９６による検出信号をラスタ走査等のように二次元走査することにより、観察試料９４表面の二次元画像が得られるようになっている。
【０００６】
ところで、観察試料９４の表面は全体にわたって平坦とは限らず、例えば図８（ａ）中のＬに示すように対物レンズ９３の集光位置からずれた位置にある面も存在する。このような面Ｌから反射した反射光は、ピンホール９５上に集光することはない。したがって、このような反射光はピンホール９５を通過することができず、このため光検出器９６で検出されない。すなわち、共焦点走査型光学顕微鏡では、対物レンズ９３の集光位置つまり合焦位置に存在する試料面の光学像のみが測定できるものである。
【０００７】
次に、例えば図８（ｂ）に示すように高さの異なる複数の観測面Ａ，Ｂ，Ｃを有する試料９４′を共焦点走査型光学顕微鏡で観察する場合、観測面Ａに合焦させたときには他の観測面Ｂ，Ｃの光学像は全く見えなくなる。このため、すべての観測面Ａ，Ｂ，Ｃについての合焦画像を同時に観測することは不可能である。
【０００８】
しかし、例えば観測面Ａ，Ｂ，Ｃに対し順次合焦させてその合焦画像を順次画像メモリに格納し、これらの合焦画像を演算処理により合成することにより全観測面Ａ，Ｂ，Ｃに合焦した観測画像を得ることができる。なお、この合焦観測画像の合成は、実際には各画素について明るさが最大となる値を保持させることによりなされる。
【０００９】
以上説明した試料表面の観測方法については、例えば「ＴＨＥＯＲＹ ＡＮＤＰＲＡＣＴＩＣＥ ＯＦ ＳＣＡＮＮＩＮＧ ＯＰＴＩＣＡＬ ＭＩＣＲＯＳＣＯＰＹ」（１２６〜１３０頁）に開示されている。すなわち、試料面の一点に集束光を照射した状態で、まずその光軸方向（Ｚ方向）に上記集束光を走査して、かかる走査中に輝度が最大となる位置（Ｚ位置）を検出し保存する。次に、上記集束光をＸ方向に移動させることにより試料面の次の一点に上記集束光の初期照射点を位置させ、この状態で上記集束光をＺ方向へ走査して、かかる走査中に輝度が最大となる位置（Ｚ位置）を検出し保存する。
【００１０】
以後同様に、集束光の初期照射点の位置をＸ方向及びＹ方向にステップ的に移動させるごとに集束光をＺ方向へ走査し、これらの走査で検出された輝度の最大値をそれぞれ保存する。かくして、輝度変化に基づいて試料の表面情報が測定される。
【００１１】
ところが、上記のような観測を行なう場合に、従来の共焦点走査型光学顕微鏡では次のような不具合が生じていた。
すなわち、光検出器により得られた検出信号は、信号レベルが最適値になるように可変利得増幅回路において増幅される。この場合、試料の観察もしくは測定範囲における反射率が一定ならば問題はない。しかし、試料の観察もしくは測定範囲内に反射率が異なる複数の部位が存在すると、正確な検出信号が得られなくなる。
【００１２】
そこで、特願平７−３５４７４号では、試料が高さによって反射率が大きく異なる観察面を持っている場合に、測定範囲の途中で信号レベルを変化させることで、反射率が異なる複数の部位でも観察可能としている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特願平７−３５４７４号が想定している反射率が異なる複数の部位が存在する試料とは、例えば上記図８（ｂ）で示したような段状形状の試料であり、Ａ面がガラス面、Ｂ面が鏡面、…というように、信号レベルを変化させる位置をＡ面とＢ面の間、Ｂ面とＣ面の間の各垂直な部分とすることで対処している。
【００１４】
したがって、例えばＶ字形の溝がある形状等のように、平面部と斜面部が連続している試料では、平面部と斜面部との境界で確実に信号レベルを変化させることができず、その境界部分では正確な観察、測定を行なうことができないという不具合がある。
【００１５】
本発明は上記のような実情に鑑みてなされたもので、観察面の形状が連続的に変化すると共に、観察面の反射率が形状に依存して大きく異なるような観察試料であっても、形状が変化する境界部分を確実に検出し、その位置から信号レベルを適正な値に設定することで常に正確な形状測定を行なうことが可能な共焦点走査型光学顕微鏡及びこの顕微鏡を使用した測定方法を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、試料に対し集束光を照射する対物光学系と、上記集束光と上記試料とを相対的に二次元方向へ走査する二次元走査手段と、上記対物光学系の焦点位置と上記試料の位置とを相対的に光軸方向へ移動するＺ軸移動手段と、上記集束光の上記試料による反射光を受光してその受光強度に応じた検出信号を出力する光検出手段と、この光検出手段から出力された検出信号の信号レベルを可変する利得可変手段とを備えた共焦点走査型光学顕微鏡において、上記光検出手段からの検出信号の信号レベルが予め設定された適正範囲にあるか否かを判断する判断手段と、この判断手段により検出信号の信号レベルが予め設定された適正範囲外であると判断した場合に上記利得可変手段の利得を可変制御して該信号レベルが予め設定された適正範囲内となるように調整する利得制御手段とを具備するようにしている。
【００１７】
この結果、請求項１記載の発明によれば、上記光検出手段からの検出信号の信号レベルが予め設定された適正範囲にあるか否かを判断手段が随時判断している。そして、この判断手段により検出信号の信号レベルが予め設定された適正範囲外であると判断した場合に、利得制御手段が上記利得可変手段の利得を可変制御して、該信号レベルが予め設定された適正範囲内となるように調整することになる。したがって、観察面の形状が連続的に変化し、且つ観察面の反射率が形状に依存して大きく異なるような観察試料であっても、形状が変化する境界部分を確実に検出し、その位置から信号レベルを適正な値に設定することで常に正確な形状測定を行なうことが可能な共焦点走査型光学顕微鏡を実現できる。
【００１８】
請求項２記載の発明は、試料に対し集束光を照射する対物光学系と、上記集束光と上記試料とを相対的に二次元方向へ走査する二次元走査手段と、上記対物光学系の焦点位置と上記試料の位置とを相対的に光軸方向へ移動するＺ軸移動手段と、上記集束光の上記試料による反射光を受光してその受光強度に応じた検出信号を出力する光検出手段と、この光検出手段から出力された検出信号の信号レベルを可変する利得可変手段とを備えた共焦点走査型光学顕微鏡を使用して上記試料の表面測定を行なうに際し、上記光検出手段からの検出信号の信号レベルが予め設定された適正範囲にあるか否かを判断する判断工程と、この判断工程により検出信号の信号レベルが予め設定された適正範囲外であると判断した場合に上記利得可変手段の利得を可変制御して該信号レベルが予め設定された適正範囲内となるように調整する利得制御工程とを有するようにしている。
【００１９】
この結果、上記光検出手段からの検出信号の信号レベルが予め設定された適正範囲にあるか否かを判断工程で随時判断している。そして、この判断工程により検出信号の信号レベルが予め設定された適正範囲外であると判断した場合に、利得制御工程に移行して上記利得可変手段の利得を可変制御し、該信号レベルが予め設定された適正範囲内となるように調整することになる。したがって、観察面の形状が連続的に変化し、且つ観察面の反射率が形状に依存して大きく異なるような観察試料であっても、形状が変化する境界部分を確実に検出し、その位置から信号レベルを適正な値に設定することで常に正確な形状測定を行なうことができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施の一形態を説明する。
図１は本発明の実施の一形態に係る共焦点走査型光学顕微鏡全体のシステム構成を示すものである。同図で、１は共焦点走査型光学顕微鏡本体であり、この顕微鏡本体１内の２が走査光の光源となるレーザ光源である。このレーザ光源２より発生されたスポット光としてのレーザ光は、ミラー３で全反射され、ハーフミラー４を介した後に２次元走査機構５に送られる。
【００２１】
ここでレーザ光の強度は、レーザ光源２の電源であるレーザ電源ユニット２６で調整することができると共に、レーザ光源２とミラー３との間に配置したＮＤフィルタ２７を回転させて、レーザ光の透過量を変化させることでも調整することができる。
【００２２】
ＮＤフィルタ２７は、その詳細な構成は後述するが、モータ２８により回転駆動されてレーザ光の透過量を可変制御するものであり、モータ２８はモータ駆動回路２９からの駆動信号に従うものである。これらの調整は、コンピュータ１７からの命令に対応して画像処理ユニット１４に送出され、この画像処理ユニット１４内のＣＰＵ３０が上記レーザ電源ユニット２６やモータ駆動回路２９に制御信号を送出することで行なわれる。
【００２３】
上記２次元走査機構５は、例えばＸ軸方向走査用のガルバノミラーとＹ軸方向走査用のガルバノミラーとを有しており、後述するＸＹ走査制御ユニット１６からの制御を受けて２つのガルバノミラーをＸ軸方向、Ｙ軸方向に振ることでスポット光をテレビジョン方式におけるラスタ走査と同様にＸＹ走査するもので、この２次元走査機構５により走査されたスポット光は、レボルバ６を介して対物レンズ７により微動ステージ９上に載置された試料８に照射される。
【００２４】
すなわち、レボルバ６は、倍率の異なる複数の対物レンズ７を保持したものであり、微動ステージ９は試料８を保持するものである。そして、微動ステージ９は粗動ステージ１０上に設けられる。
【００２５】
レボルバ６に保持される複数の対物レンズ７のうち、所望の倍率を持つ者をレボルバ６の回転により切換えて顕微鏡の観察光路中に位置設定することで、この位置設定された対物レンズ７を介して２次元走査機構５からのスポット光を微動ステージ９上の試料８に２次元走査しながら照射することができる。
【００２６】
この照射による反射光は対物レンズ７を通って２次元走査機構５に戻り、２次元走査機構５からハーフミラー４へと戻される。
ハーフミラー４は、２次元走査機構５に対するレーザ光源２の出射光路上に設けられ、２次元走査機構５を介して得られる試料８からの反射光を検出系に導くためのもので、ハーフミラー４で得られた試料８からの反射光は、レンズ１１により集光され、所定の径に開口したピンホール板１２を介して光検出器１３に送られる。
【００２７】
すなわち、光検出器１３は、その受光面にレンズ１１及びこのレンズ１１の焦点位置にあるピンホール板１２とを配するもので、このピンホール板１２を介して得られる光をその光量に対応したアナログの電気信号（輝度信号）に変換し、画像処理ユニット１４内のレベル判定回路３１、ＣＰＵ３０からＤ／Ａ変換回路３７を介してオフセット値が設定されるオフセット調整回路３２、及び同じくＣＰＵ３０からＤ／Ａ変換回路３６を介してゲイン値が設定されるゲイン調整回路３３を経て、Ａ／Ｄ変換回路３４でカウンタ回路３８からのサンプリングクロックに同期してデジタルデータとされた後に画像メモリ１４ａへ送出される。
【００２８】
この画像処理ユニット１４は、２つの画像メモリ１４ａ，１４ｂを有しており、これら画像メモリ１４ａ，１４ｂはそれぞれ共に１フレーム分の記憶容量を有している。ここでは、１フレームの記憶容量を例えば５１２画素×５１２画素×８ビット（２５６階調／画素）とする。
【００２９】
これら２つの画像メモリ１４ａ，１４ｂのうちの上記画像メモリ１４ａは、上記光検出器１３で得られた反射光の輝度情報を、スポット光の現在のＸＹ走査位置に対応した画素位置に８ビットデータとしてカウンタ回路３８からの書込みタイミング信号に同期して記憶することで試料８の画像信号を記憶するものである。
【００３０】
この画像メモリ１４ａへの記憶は、前回の同走査位置での輝度情報よりも今回の輝度情報の方が大きな値を有する（明るい）場合に、この走査位置の画像情報として更新保持することで、高さ位置の異なる画像を足し込むことができるようにしたものである。
【００３１】
また、上記他方の画像メモリ１４ｂは、スポット光の現在のＸＹ走査位置に対応した画素位置にＺ移動方向の情報、具体的にはＺ移動回路１５からレボルバ６が何回移動したかを数えた回数値をカウンタ回路３８からの書込みタイミング信号に同期して記憶する。
【００３２】
この場合に画像処理ユニット１４は、上記画像メモリ１４ａで輝度情報を更新保持させた場合、すなわち、画像メモリ１４ａの画像データを参照して、前回のその位置での輝度情報よりも今回の輝度情報の方が大きい（明るい）場合に、画像メモリ１４ｂに対して上記回数の値をデータとして更新させ、記憶保持させる機能を有するものである。
【００３３】
画像メモリ１４ｂにはこのようにして、各画素位置においてその画素位置で最大輝度を示す情報があるときのレボルバ移動回数値がＺ走査方向の情報、すなわち高さ位置を示すこととなる情報として記憶される。
【００３４】
上記Ｚ移動回路１５は、コンピュータ１７または上記画像処理ユニット１４に制御されて上記レボルバ６をその高さ方向、すなわち観察光路軸に沿ったＺ軸方向に基準幅単位で移動させるべく制御を行なう回路であり、レボルバ６を基準幅単位で移動させる毎にその位置情報をカウントするカウント機能と、そのカウント値を上記画像メモリ１４ｂへ送出する機能とを有している。
【００３５】
しかるに、この画像処理ユニット１４とＺ移動回路１５及び上記２次元走査機構５を制御するＸＹ走査制御ユニット１６を統括制御するものとしてコンピュータ１７が設けられる。
【００３６】
このコンピュータ１７は、上記ＸＹ走査制御ユニット１６、Ｚ移動回路１５及び画像処理ユニット１４の統括制御の他に、画像データの保存、再生、編集等を行なうなど、全体の制御、処理の中枢を担うもので、必要な情報や画像等をモニタディスプレイ１８により表示出力させる。
【００３７】
さらに、試料８の測定を行なう際に、微動ステージ９に載せた試料８に対する大まかなピント合わせを行なうものとして、テレビ光学系が用意されている。これは、レーザ走査による共焦点画像でピント合わせを行なう場合に、焦点深度が極端に浅いためにやや使いづらい点を考慮して用いられるものである。
【００３８】
すなわち、白色光源１９で発生された光がレンズ２０を介した後にハーフミラー２１で全反射され、レンズ２２を介して、２次元走査機構５とレボルバ６の間のレーザ光路に挿入されたミラー２３で反射されて、レボルバ６を介して対物レンズ７により微動ステージ９上に載置支持された試料８に照射される。
【００３９】
そして、この照射による反射光は対物レンズ７を通ってミラー２３により反射され、レンズ２２を介した後に上記ハーフミラー２１を通過して、レンズ２４によりテレビカメラ２５上に結像する。
【００４０】
このテレビカメラ２５で撮影された試料画像は上記モニタディスプレイ１８で表示されるもので、観察者はこのモニタディスプレイ１８の画像を見ながら粗動ステージ１０を動かしてピント合わせを行なう。このとき観察者は、試料８のおおよその形状と合焦位置とを知ることができる。
【００４１】
次いで上記実施の一形態の動作として、レーザ光源２で発生されたレーザ光によって試料８の形状を測定する場合の詳細を説明する。
しかるに、試料８の形状を測定するにあたっては、試料８の形状に起因する反射率の差が大きくても、確実に信号をとらえることができるように、反射率の変化に応じて輝度信号のレベルを調整する必要がある。ここで、本発明が特徴とする、後述する形状変化に伴う反射率の変化を検出して輝度信号のレベルを適正範囲に設定する信号調整機能を用いるものである。
【００４２】
なお、以下の説明では、試料８の形状として、図２に示すようなＶ字状の溝を有するものを用いることする。すなわちこの図２で示す試料８は、２つの平面部Ａ，Ａと、これら平面部Ａ，Ａに挟まれた一対の斜面部Ｂ，Ｂとを有している。
【００４３】
動作当初には、まず、平面部Ａと斜面部Ｂを画像化できるようにその信号レベルを調べる。走査に先立ってレーザ光源２の出力、ＮＤフィルタ２７の値、ゲイン調整回路３３でのゲイン、オフセット調整回路３２のオフセット値は予め設定されている値（デフォルト値）となっている。この状態でレーザ走査を開始し、合焦位置を平面部Ａに合わせる。
【００４４】
図３は試料８のＸ方向の輝度信号のレベルを表わすものである。図３（ａ）はデフォルト値での輝度信号のレベルを例示するものであり、ハッチングで示す範囲が予め設定された適正範囲である（以下同様）。この状態では、平面部Ａ及び斜面部Ｂ共に輝度信号が適正範囲から外れ、特に斜面部Ｂは合焦位置にないために輝度信号がゼロレベルとなっていることがわかる。
【００４５】
上記図３（ａ）に示したようなデフォルト値での輝度信号が得られた場合、観察者は平面部Ａの輝度信号が適正範囲内となるように、ゲイン値の変更を行なう。ゲイン値の変更はコンピュータ１７から画像処理ユニット１４に対してメッセージが出される。
【００４６】
画像処理ユニット１４のＣＰＵ３０は、命令された数値データをＤ／Ａ変換回路３６でアナログ値に変換させた後にゲイン調整回路３３に与え、新しいゲイン値としてセットする。
【００４７】
したがって、得られる輝度信号は新しいゲイン値により信号増幅されることとなる。図３（ｂ）は新しいゲイン値αによる輝度信号を表わしたものであり、平面部Ａが適正範囲内となっていることがわかる。
【００４８】
次に、ゲイン調整回路３３でのゲイン値をαとしたままＺ移動回路１５によりレボルバ６をＺ方向に移動させ、合焦位置を試料８の斜面部Ｂに合わせる。この斜面部Ｂはレーザ光が斜め方向に反射されるため、光検出器１３に戻ってくる量が平面部Ａに比して極端に少なくなる。このため、ゲイン調整回路３３でのゲイン値がαであっても、輝度信号のレベルが適正範囲内に入らない場合があり、これは斜面部Ｂの傾きに依存する。ここでは、傾きが急峻である場合も想定しており、例えば図３（ｃ）に示すようなレベルの輝度信号が得られるものとする。このとき、平面部Ａの輝度信号がゼロレベルとなっているのは、上記レボルバ６の移動により平面部Ａが合焦位置から外れているためである。
【００４９】
そこで、斜面部Ｂの輝度信号を適正範囲内とするために、上記αとは別のゲインβを上記と同様にしてゲイン調整回路３３に設定する。ここでは「α＜β」であり、図３（ｄ）はゲインβを設定した場合に得られる輝度信号のレベルを表わしている。
【００５０】
当然のことながら、ゲイン値をβとしたままで合焦位置を平面部Ａに合わせると、図３（ｅ）に示すように平面部Ａの輝度信号のレベルが適正範囲を大きく上回って飽和レベルとなってしまい、測定に不都合を生じることとなる。このため、平面部Ａと斜面部Ｂとの境界を確実に検出するとともに、ゲインをαからβへ、またはβからαへ切換えなければならない。
【００５１】
上記のようにして平面部Ａと斜面部Ｂの最適ゲイン値が得られたため、次に測定範囲の設定を行なう。
測定範囲の設定は、前述した如く試料８が合焦位置から外れると輝度信号がゼロレベルとなる現象を利用して行なわれるもので、その始めには、平面部Ａが合焦位置にある位置からレボルバ６を上方向、すなわち対物レンズ７と試料８とが離れる方向に移動させる。
【００５２】
すると、平面部Ａも合焦位置から外れてくるために輝度信号が徐々に小さくなり、最後にゼロレベルとなる。この輝度信号がゼロレベルとなったときに、モニタディスプレイ１８には試料８の画像は表示されず、真っ黒となる。したがって、観察者はこの位置が測定範囲の上限であると判別できる。
【００５３】
下限位置の設定は、レボルバ６を下方向、すなわち対物レンズ７と試料８とが近付く方向に移動させ、斜面部Ｂの画像が消える位置を探せばよい。
測定範囲の設定が終了すると、この範囲をどのくらいの細かさ、すなわち分解能で測定するのかを決定する。測定範囲と分解能、移動回数の関係は以下のようになっている。すなわち、
測定範囲＝分解能×移動回数
例えば、１００［μｍ］の測定範囲を１［μｍ］の分解能で測定する場合は、レボルバ６をＺ方向に１００回移動させることになる。
【００５４】
以上のようにして、測定に必要なパラメータが得られる。実際に測定を開始するためには、図４に示すようなパラメータを設定するソフトウェアを用意しておき、モニタディスプレイ１８に表示される上記図４に示したような画面に従って上記パラメータの数値入力を行なう。なお、この数値入力は個々のパラメータの数値がわかった時点で個別に入力することも可能である。
【００５５】
以上のようにパラメータの設定を終了すると、続いて測定が開始される。
すなわち測定の開始時には、コンピュータ１７から画像処理ユニット１４、Ｚ移動回路１５に対して測定開始の命令が出される。Ｚ移動回路１５は、測定範囲の上限に対物レンズ７が位置するようにレボルバ６をＺ方向に移動させる。また画像処理ユニット１４からは、ＸＹ走査駆動信号の基となる信号がカウンタ回路３８から出されてＸＹ走査制御ユニット１６に与えられる。
【００５６】
また、カウンタ回路３８からは、上記ＸＹ走査制御ユニット１６に対するＸＹ走査に関する信号の他に、ＸＹ走査に同期して輝度信号をデジタル値に変換するための上述したＡ／Ｄ変換回路３４に対するサンプリングクロック、画像メモリ１４ａ，１４ｂへの書込みタイミング信号、ＸＹの走査が１回終了する毎にＺ移動回路１５に対するレボルバ６をパラメータで設定された分解能（基準単位量）で移動させるための信号等がそれぞれ出力される。
【００５７】
図５で示すように、測定範囲の上限からゲイン値αでＸＹ走査及びＺ方向への移動が行なわれる。そして、何回かの移動が終了すると、対物レンズ７の合焦位置が試料８の平面部Ａに一致する。この位置でのＸＹ走査が終了すると、合焦位置は基準単位量移動して斜面部Ｂに移動する。
【００５８】
対物レンズ７の合焦位置がゲイン値αのままで斜面部Ｂに移動すると、得られる輝度信号のレベルは、前述した図３（ｃ）に示した如く適正範囲外となる。この現象がレベル判定回路３１によって検出される。
【００５９】
すなわち、レベル判定回路３１はコンパレータで構成されており、予め設定された基準信号レベルより、入力信号、ここでは輝度信号、のレベルが大きいか否かを判断する回路であり、このコンパレータを２つ使用して、一方を適正範囲の上限、他方を適正範囲の下限の検出に使用するものとする。当然のことながら、これら２つのコンパレータに使用する基準信号は上記ＣＰＵ３０によって自由に設定可能とするものである。
【００６０】
このようにして、観察面の状態が変化したことはレベル判定回路３１からＣＰＵ３０へ伝えられるので、ここでＣＰＵ３０はゲイン値をαからβに変更する。そして、斜面部Ｂでは、対物レンズ７の合焦位置が測定範囲の下限位置に到達するまでゲイン値βで画像の取込みが行なわれる。
【００６１】
その後、対物レンズ７の合焦位置が測定範囲の下限位置に到達した時点で測定が終了する。
前述した如くレベル判定回路３１は、輝度信号のレベルが適正範囲外となることを利用して、観察面の状態が変化したことを検出するようになっている。しかしながら、測定開始直後のＺ軸方向での位置では平面部Ａが対物レンズ７の合焦位置と離れており、この位置での輝度信号のレベルも適正範囲外となってしまうため、このままではこの位置でゲイン値をαからβに変更してしまうこととなる。
【００６２】
このような誤動作を避けるためにレベル判定回路３１には、一度適正範囲に入った後の輝度信号に対してレベル判定を開始するという条件を設けておく。
なお、上記実施の形態の動作ではゲイン値を変化させる場合について説明したが、上記図４で示したように、他にもオフセット位置、ＮＤフィルタ値、レーザ出力値についても同様の動作を行なう。
【００６３】
このうち、オフセット値は、図６（ａ）に示すように、輝度信号の全体のレベル、すなわち直流成分が大きく変化し、微小時間内での変化、すなわち交流成分が小さい場合で、交流成分のみを大きくしたい際などに有効である。
【００６４】
これは例えば、図６（ａ）で示した状態のままゲイン値を大きくすると、直流成分の方が大きいために容易に飽和レベルとなってしまうので、オフセット値を変化させてこの直流成分を差引いて、その後にゲイン値を大きくするようにすれば、図６（ｂ）に示すように交流成分のみを増幅することができるものである。
【００６５】
また、試料８に照射されるレーザ光の光量が多ければ多い程、光検出器１３に戻る反射光の光量も増えることとなる。例えば、図２に示した形状の試料８で、レーザ光の照射光量が多いためにゲイン値が最小であるにもかかわらず、斜面部Ｂの輝度信号のレベルが適正範囲に入ることも考えられる。
【００６６】
このような状態では、対物レンズ７の合焦位置が平面部Ａに来たときは平面部Ａの輝度信号のレベルは飽和状態となっている。しかしながら、ゲイン値は最小であるので、それ以上小さくすることができなくなってしまう。
【００６７】
ＮＤフィルタ値及びレーザ出力値のパラメータはこのような状態のときに可変設定するべく使用するものとして用意されている。どちらも試料８に照射されるレーザ光の光量を調整する機能を持っており、この機能により、平面部Ａでの光量を調整して、ゲインが最小値であっても、輝度信号のレベルを適正範囲内に入れることができるようになるものである。
【００６８】
具体的には、レベル出力値は画像処理ユニット１４のＣＰＵ３０がレーザ電源ユニット２６を直接制御して加減調整する。
また一方、ＮＤフィルタ値は、図７（ａ）に示すような同一円周上にその透過率を連続的に変化するＮＤフィルタ２７ａや、図７（ｂ）に示す如くそれぞれ異なった透過率の複数のＮＤフィルタ（図では「ＮＤ１」〜「ＮＤ５」のように示す）を同一円周上に配置して構成されているＮＤフィルタ２７ｂを使用し、これをＣＰＵ３０の制御によりモータ２８で回転させてレーザ光路中に選択的に挿入することで、結果としてレーザ光量を変化させるものである。
【００６９】
なお、上記実施の形態では、対物レンズ７と試料８の相対位置を変化させるためのＺ軸方向の移動をレボルバ６を移動させることで行なったが、これとは反対に、レボルバ６の位置は固定とし、微動ステージ９もしくは粗動ステージ１０をＺ軸方向に移動させるものとしてもよい。
【００７０】
さらに、輝度信号のゲイン値、オフセット、ＮＤフィルタ値及びレーザ出力値の設定はすべて行なう必要はなく、必要なものだけを設定するようにしてもよく、装置構成もこれに対応して必要なもののみを選択して構成するようにしてもよい。
【００７１】
また、試料８の形状についても、連続的に観察面の形状が変化していれば対応可能であり、上記図２で示した形状に限るものではないことは勿論であって、例えば形状の変化により反射率が大きく変化する部分が２か所以上あるものでも、図４、図５で示した領域の数をその数に応じて設定することで同様に対応することができる。
【００７２】
【発明の効果】
以上に述べた如く本発明によれば、観察面の形状が連続的に変化し、且つ観察面の反射率が形状に依存して大きく異なるような観察試料であっても、形状が変化する境界部分を確実に検出し、その位置から信号レベルを適正な値に設定することで常に正確な形状測定を行なうことが可能な共焦点走査型光学顕微鏡及びこの顕微鏡を使用した測定方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態に係る共焦点走査型光学顕微鏡全体のシステム構成を示す図。
【図２】図１の試料の形状を例示する図。
【図３】同実施の形態に係る輝度信号のレベルの変化を例示する図。
【図４】同実施の形態に係るパラメータ設定画面を例示する図。
【図５】同実施の形態に係る合焦動作を説明する図。
【図６】同実施の形態に係る輝度信号のオフセット値による変化を例示する図。
【図７】図１のＮＤフィルタの具体構成を例示する図。
【図８】一般的な共焦点走査型光学顕微鏡の概略構成図と試料の一例を示した図。
【符号の説明】
１…顕微鏡本体
２…レーザ光源
３，２３…ミラー
４，２１，９２…ハーフミラー
５…２次元走査機構
６…レボルバ
７，９３…対物レンズ
８，９４…観察試料
９…微動ステージ
０…粗動ステージ
１１，２０，２２，２４…レンズ
１２…ピンホール板
１３，９６…光検出器
１４…画像処理ユニット
１４ａ，１４ｂ…画像メモリ
１５…Ｚ移動回路
１６…ＸＹ走査制御ユニット
１７…コンピュータ
１８…モニタディスプレイ
１９…白色光源
２５…テレビカメラ（ＴＶＣ）
２６…レーザ電源ユニット
２７，２７ａ，２７ｂ…ＮＤフィルタ
２８…モータ
２９…モータ駆動回路
３０…ＣＰＵ
３１…レベル判定回路
３２…オフセット調整回路
３３…ゲイン調整回路
３４…Ａ／Ｄ変換回路
３６，３７…Ｄ／Ａ変換回路
３８…カウンタ回路
９１…点状光源
９５…ピンホール
【発明の属する技術分野】
本発明は、観察試料の表面情報を測定するために使用される共焦点走査型光学顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、点状光源によって観察試料の表面を点状に照明し、この照明された試料表面からの透過光または反射光を再び点状に集光してピンホール開口を有する検出器に結像させ、この検出器により結像の濃度情報を得る共焦点走査型光学顕微鏡があった。
【０００３】
図８（ａ）は一般的な共焦点走査型光学顕微鏡の概略構成図である。同図において、点状光源９１から出射された点状光は、ハーフミラー９２を通過した後に収差が補正された対物レンズ９３によって観察試料９４の表面に点状結像される。
【０００４】
そして、この点状照明の上記試料９４による反射光は、再び対物レンズ９３を通過した後に上記ハーフミラー９２で反射されて集光する。この集光位置にはピンホール９５が配設されており、このピンホール９５を通過した上記反射光が光検出器９６によって検出される。
【０００５】
このような点状照明を観察試料９４表面の測定領域全体にわたって行ない、その反射光の光検出器９６による検出信号をラスタ走査等のように二次元走査することにより、観察試料９４表面の二次元画像が得られるようになっている。
【０００６】
ところで、観察試料９４の表面は全体にわたって平坦とは限らず、例えば図８（ａ）中のＬに示すように対物レンズ９３の集光位置からずれた位置にある面も存在する。このような面Ｌから反射した反射光は、ピンホール９５上に集光することはない。したがって、このような反射光はピンホール９５を通過することができず、このため光検出器９６で検出されない。すなわち、共焦点走査型光学顕微鏡では、対物レンズ９３の集光位置つまり合焦位置に存在する試料面の光学像のみが測定できるものである。
【０００７】
次に、例えば図８（ｂ）に示すように高さの異なる複数の観測面Ａ，Ｂ，Ｃを有する試料９４′を共焦点走査型光学顕微鏡で観察する場合、観測面Ａに合焦させたときには他の観測面Ｂ，Ｃの光学像は全く見えなくなる。このため、すべての観測面Ａ，Ｂ，Ｃについての合焦画像を同時に観測することは不可能である。
【０００８】
しかし、例えば観測面Ａ，Ｂ，Ｃに対し順次合焦させてその合焦画像を順次画像メモリに格納し、これらの合焦画像を演算処理により合成することにより全観測面Ａ，Ｂ，Ｃに合焦した観測画像を得ることができる。なお、この合焦観測画像の合成は、実際には各画素について明るさが最大となる値を保持させることによりなされる。
【０００９】
以上説明した試料表面の観測方法については、例えば「ＴＨＥＯＲＹ ＡＮＤＰＲＡＣＴＩＣＥ ＯＦ ＳＣＡＮＮＩＮＧ ＯＰＴＩＣＡＬ ＭＩＣＲＯＳＣＯＰＹ」（１２６〜１３０頁）に開示されている。すなわち、試料面の一点に集束光を照射した状態で、まずその光軸方向（Ｚ方向）に上記集束光を走査して、かかる走査中に輝度が最大となる位置（Ｚ位置）を検出し保存する。次に、上記集束光をＸ方向に移動させることにより試料面の次の一点に上記集束光の初期照射点を位置させ、この状態で上記集束光をＺ方向へ走査して、かかる走査中に輝度が最大となる位置（Ｚ位置）を検出し保存する。
【００１０】
以後同様に、集束光の初期照射点の位置をＸ方向及びＹ方向にステップ的に移動させるごとに集束光をＺ方向へ走査し、これらの走査で検出された輝度の最大値をそれぞれ保存する。かくして、輝度変化に基づいて試料の表面情報が測定される。
【００１１】
ところが、上記のような観測を行なう場合に、従来の共焦点走査型光学顕微鏡では次のような不具合が生じていた。
すなわち、光検出器により得られた検出信号は、信号レベルが最適値になるように可変利得増幅回路において増幅される。この場合、試料の観察もしくは測定範囲における反射率が一定ならば問題はない。しかし、試料の観察もしくは測定範囲内に反射率が異なる複数の部位が存在すると、正確な検出信号が得られなくなる。
【００１２】
そこで、特願平７−３５４７４号では、試料が高さによって反射率が大きく異なる観察面を持っている場合に、測定範囲の途中で信号レベルを変化させることで、反射率が異なる複数の部位でも観察可能としている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特願平７−３５４７４号が想定している反射率が異なる複数の部位が存在する試料とは、例えば上記図８（ｂ）で示したような段状形状の試料であり、Ａ面がガラス面、Ｂ面が鏡面、…というように、信号レベルを変化させる位置をＡ面とＢ面の間、Ｂ面とＣ面の間の各垂直な部分とすることで対処している。
【００１４】
したがって、例えばＶ字形の溝がある形状等のように、平面部と斜面部が連続している試料では、平面部と斜面部との境界で確実に信号レベルを変化させることができず、その境界部分では正確な観察、測定を行なうことができないという不具合がある。
【００１５】
本発明は上記のような実情に鑑みてなされたもので、観察面の形状が連続的に変化すると共に、観察面の反射率が形状に依存して大きく異なるような観察試料であっても、形状が変化する境界部分を確実に検出し、その位置から信号レベルを適正な値に設定することで常に正確な形状測定を行なうことが可能な共焦点走査型光学顕微鏡及びこの顕微鏡を使用した測定方法を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、試料に対し集束光を照射する対物光学系と、上記集束光と上記試料とを相対的に二次元方向へ走査する二次元走査手段と、上記対物光学系の焦点位置と上記試料の位置とを相対的に光軸方向へ移動するＺ軸移動手段と、上記集束光の上記試料による反射光を受光してその受光強度に応じた検出信号を出力する光検出手段と、この光検出手段から出力された検出信号の信号レベルを可変する利得可変手段とを備えた共焦点走査型光学顕微鏡において、上記光検出手段からの検出信号の信号レベルが予め設定された適正範囲にあるか否かを判断する判断手段と、この判断手段により検出信号の信号レベルが予め設定された適正範囲外であると判断した場合に上記利得可変手段の利得を可変制御して該信号レベルが予め設定された適正範囲内となるように調整する利得制御手段とを具備するようにしている。
【００１７】
この結果、請求項１記載の発明によれば、上記光検出手段からの検出信号の信号レベルが予め設定された適正範囲にあるか否かを判断手段が随時判断している。そして、この判断手段により検出信号の信号レベルが予め設定された適正範囲外であると判断した場合に、利得制御手段が上記利得可変手段の利得を可変制御して、該信号レベルが予め設定された適正範囲内となるように調整することになる。したがって、観察面の形状が連続的に変化し、且つ観察面の反射率が形状に依存して大きく異なるような観察試料であっても、形状が変化する境界部分を確実に検出し、その位置から信号レベルを適正な値に設定することで常に正確な形状測定を行なうことが可能な共焦点走査型光学顕微鏡を実現できる。
【００１８】
請求項２記載の発明は、試料に対し集束光を照射する対物光学系と、上記集束光と上記試料とを相対的に二次元方向へ走査する二次元走査手段と、上記対物光学系の焦点位置と上記試料の位置とを相対的に光軸方向へ移動するＺ軸移動手段と、上記集束光の上記試料による反射光を受光してその受光強度に応じた検出信号を出力する光検出手段と、この光検出手段から出力された検出信号の信号レベルを可変する利得可変手段とを備えた共焦点走査型光学顕微鏡を使用して上記試料の表面測定を行なうに際し、上記光検出手段からの検出信号の信号レベルが予め設定された適正範囲にあるか否かを判断する判断工程と、この判断工程により検出信号の信号レベルが予め設定された適正範囲外であると判断した場合に上記利得可変手段の利得を可変制御して該信号レベルが予め設定された適正範囲内となるように調整する利得制御工程とを有するようにしている。
【００１９】
この結果、上記光検出手段からの検出信号の信号レベルが予め設定された適正範囲にあるか否かを判断工程で随時判断している。そして、この判断工程により検出信号の信号レベルが予め設定された適正範囲外であると判断した場合に、利得制御工程に移行して上記利得可変手段の利得を可変制御し、該信号レベルが予め設定された適正範囲内となるように調整することになる。したがって、観察面の形状が連続的に変化し、且つ観察面の反射率が形状に依存して大きく異なるような観察試料であっても、形状が変化する境界部分を確実に検出し、その位置から信号レベルを適正な値に設定することで常に正確な形状測定を行なうことができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施の一形態を説明する。
図１は本発明の実施の一形態に係る共焦点走査型光学顕微鏡全体のシステム構成を示すものである。同図で、１は共焦点走査型光学顕微鏡本体であり、この顕微鏡本体１内の２が走査光の光源となるレーザ光源である。このレーザ光源２より発生されたスポット光としてのレーザ光は、ミラー３で全反射され、ハーフミラー４を介した後に２次元走査機構５に送られる。
【００２１】
ここでレーザ光の強度は、レーザ光源２の電源であるレーザ電源ユニット２６で調整することができると共に、レーザ光源２とミラー３との間に配置したＮＤフィルタ２７を回転させて、レーザ光の透過量を変化させることでも調整することができる。
【００２２】
ＮＤフィルタ２７は、その詳細な構成は後述するが、モータ２８により回転駆動されてレーザ光の透過量を可変制御するものであり、モータ２８はモータ駆動回路２９からの駆動信号に従うものである。これらの調整は、コンピュータ１７からの命令に対応して画像処理ユニット１４に送出され、この画像処理ユニット１４内のＣＰＵ３０が上記レーザ電源ユニット２６やモータ駆動回路２９に制御信号を送出することで行なわれる。
【００２３】
上記２次元走査機構５は、例えばＸ軸方向走査用のガルバノミラーとＹ軸方向走査用のガルバノミラーとを有しており、後述するＸＹ走査制御ユニット１６からの制御を受けて２つのガルバノミラーをＸ軸方向、Ｙ軸方向に振ることでスポット光をテレビジョン方式におけるラスタ走査と同様にＸＹ走査するもので、この２次元走査機構５により走査されたスポット光は、レボルバ６を介して対物レンズ７により微動ステージ９上に載置された試料８に照射される。
【００２４】
すなわち、レボルバ６は、倍率の異なる複数の対物レンズ７を保持したものであり、微動ステージ９は試料８を保持するものである。そして、微動ステージ９は粗動ステージ１０上に設けられる。
【００２５】
レボルバ６に保持される複数の対物レンズ７のうち、所望の倍率を持つ者をレボルバ６の回転により切換えて顕微鏡の観察光路中に位置設定することで、この位置設定された対物レンズ７を介して２次元走査機構５からのスポット光を微動ステージ９上の試料８に２次元走査しながら照射することができる。
【００２６】
この照射による反射光は対物レンズ７を通って２次元走査機構５に戻り、２次元走査機構５からハーフミラー４へと戻される。
ハーフミラー４は、２次元走査機構５に対するレーザ光源２の出射光路上に設けられ、２次元走査機構５を介して得られる試料８からの反射光を検出系に導くためのもので、ハーフミラー４で得られた試料８からの反射光は、レンズ１１により集光され、所定の径に開口したピンホール板１２を介して光検出器１３に送られる。
【００２７】
すなわち、光検出器１３は、その受光面にレンズ１１及びこのレンズ１１の焦点位置にあるピンホール板１２とを配するもので、このピンホール板１２を介して得られる光をその光量に対応したアナログの電気信号（輝度信号）に変換し、画像処理ユニット１４内のレベル判定回路３１、ＣＰＵ３０からＤ／Ａ変換回路３７を介してオフセット値が設定されるオフセット調整回路３２、及び同じくＣＰＵ３０からＤ／Ａ変換回路３６を介してゲイン値が設定されるゲイン調整回路３３を経て、Ａ／Ｄ変換回路３４でカウンタ回路３８からのサンプリングクロックに同期してデジタルデータとされた後に画像メモリ１４ａへ送出される。
【００２８】
この画像処理ユニット１４は、２つの画像メモリ１４ａ，１４ｂを有しており、これら画像メモリ１４ａ，１４ｂはそれぞれ共に１フレーム分の記憶容量を有している。ここでは、１フレームの記憶容量を例えば５１２画素×５１２画素×８ビット（２５６階調／画素）とする。
【００２９】
これら２つの画像メモリ１４ａ，１４ｂのうちの上記画像メモリ１４ａは、上記光検出器１３で得られた反射光の輝度情報を、スポット光の現在のＸＹ走査位置に対応した画素位置に８ビットデータとしてカウンタ回路３８からの書込みタイミング信号に同期して記憶することで試料８の画像信号を記憶するものである。
【００３０】
この画像メモリ１４ａへの記憶は、前回の同走査位置での輝度情報よりも今回の輝度情報の方が大きな値を有する（明るい）場合に、この走査位置の画像情報として更新保持することで、高さ位置の異なる画像を足し込むことができるようにしたものである。
【００３１】
また、上記他方の画像メモリ１４ｂは、スポット光の現在のＸＹ走査位置に対応した画素位置にＺ移動方向の情報、具体的にはＺ移動回路１５からレボルバ６が何回移動したかを数えた回数値をカウンタ回路３８からの書込みタイミング信号に同期して記憶する。
【００３２】
この場合に画像処理ユニット１４は、上記画像メモリ１４ａで輝度情報を更新保持させた場合、すなわち、画像メモリ１４ａの画像データを参照して、前回のその位置での輝度情報よりも今回の輝度情報の方が大きい（明るい）場合に、画像メモリ１４ｂに対して上記回数の値をデータとして更新させ、記憶保持させる機能を有するものである。
【００３３】
画像メモリ１４ｂにはこのようにして、各画素位置においてその画素位置で最大輝度を示す情報があるときのレボルバ移動回数値がＺ走査方向の情報、すなわち高さ位置を示すこととなる情報として記憶される。
【００３４】
上記Ｚ移動回路１５は、コンピュータ１７または上記画像処理ユニット１４に制御されて上記レボルバ６をその高さ方向、すなわち観察光路軸に沿ったＺ軸方向に基準幅単位で移動させるべく制御を行なう回路であり、レボルバ６を基準幅単位で移動させる毎にその位置情報をカウントするカウント機能と、そのカウント値を上記画像メモリ１４ｂへ送出する機能とを有している。
【００３５】
しかるに、この画像処理ユニット１４とＺ移動回路１５及び上記２次元走査機構５を制御するＸＹ走査制御ユニット１６を統括制御するものとしてコンピュータ１７が設けられる。
【００３６】
このコンピュータ１７は、上記ＸＹ走査制御ユニット１６、Ｚ移動回路１５及び画像処理ユニット１４の統括制御の他に、画像データの保存、再生、編集等を行なうなど、全体の制御、処理の中枢を担うもので、必要な情報や画像等をモニタディスプレイ１８により表示出力させる。
【００３７】
さらに、試料８の測定を行なう際に、微動ステージ９に載せた試料８に対する大まかなピント合わせを行なうものとして、テレビ光学系が用意されている。これは、レーザ走査による共焦点画像でピント合わせを行なう場合に、焦点深度が極端に浅いためにやや使いづらい点を考慮して用いられるものである。
【００３８】
すなわち、白色光源１９で発生された光がレンズ２０を介した後にハーフミラー２１で全反射され、レンズ２２を介して、２次元走査機構５とレボルバ６の間のレーザ光路に挿入されたミラー２３で反射されて、レボルバ６を介して対物レンズ７により微動ステージ９上に載置支持された試料８に照射される。
【００３９】
そして、この照射による反射光は対物レンズ７を通ってミラー２３により反射され、レンズ２２を介した後に上記ハーフミラー２１を通過して、レンズ２４によりテレビカメラ２５上に結像する。
【００４０】
このテレビカメラ２５で撮影された試料画像は上記モニタディスプレイ１８で表示されるもので、観察者はこのモニタディスプレイ１８の画像を見ながら粗動ステージ１０を動かしてピント合わせを行なう。このとき観察者は、試料８のおおよその形状と合焦位置とを知ることができる。
【００４１】
次いで上記実施の一形態の動作として、レーザ光源２で発生されたレーザ光によって試料８の形状を測定する場合の詳細を説明する。
しかるに、試料８の形状を測定するにあたっては、試料８の形状に起因する反射率の差が大きくても、確実に信号をとらえることができるように、反射率の変化に応じて輝度信号のレベルを調整する必要がある。ここで、本発明が特徴とする、後述する形状変化に伴う反射率の変化を検出して輝度信号のレベルを適正範囲に設定する信号調整機能を用いるものである。
【００４２】
なお、以下の説明では、試料８の形状として、図２に示すようなＶ字状の溝を有するものを用いることする。すなわちこの図２で示す試料８は、２つの平面部Ａ，Ａと、これら平面部Ａ，Ａに挟まれた一対の斜面部Ｂ，Ｂとを有している。
【００４３】
動作当初には、まず、平面部Ａと斜面部Ｂを画像化できるようにその信号レベルを調べる。走査に先立ってレーザ光源２の出力、ＮＤフィルタ２７の値、ゲイン調整回路３３でのゲイン、オフセット調整回路３２のオフセット値は予め設定されている値（デフォルト値）となっている。この状態でレーザ走査を開始し、合焦位置を平面部Ａに合わせる。
【００４４】
図３は試料８のＸ方向の輝度信号のレベルを表わすものである。図３（ａ）はデフォルト値での輝度信号のレベルを例示するものであり、ハッチングで示す範囲が予め設定された適正範囲である（以下同様）。この状態では、平面部Ａ及び斜面部Ｂ共に輝度信号が適正範囲から外れ、特に斜面部Ｂは合焦位置にないために輝度信号がゼロレベルとなっていることがわかる。
【００４５】
上記図３（ａ）に示したようなデフォルト値での輝度信号が得られた場合、観察者は平面部Ａの輝度信号が適正範囲内となるように、ゲイン値の変更を行なう。ゲイン値の変更はコンピュータ１７から画像処理ユニット１４に対してメッセージが出される。
【００４６】
画像処理ユニット１４のＣＰＵ３０は、命令された数値データをＤ／Ａ変換回路３６でアナログ値に変換させた後にゲイン調整回路３３に与え、新しいゲイン値としてセットする。
【００４７】
したがって、得られる輝度信号は新しいゲイン値により信号増幅されることとなる。図３（ｂ）は新しいゲイン値αによる輝度信号を表わしたものであり、平面部Ａが適正範囲内となっていることがわかる。
【００４８】
次に、ゲイン調整回路３３でのゲイン値をαとしたままＺ移動回路１５によりレボルバ６をＺ方向に移動させ、合焦位置を試料８の斜面部Ｂに合わせる。この斜面部Ｂはレーザ光が斜め方向に反射されるため、光検出器１３に戻ってくる量が平面部Ａに比して極端に少なくなる。このため、ゲイン調整回路３３でのゲイン値がαであっても、輝度信号のレベルが適正範囲内に入らない場合があり、これは斜面部Ｂの傾きに依存する。ここでは、傾きが急峻である場合も想定しており、例えば図３（ｃ）に示すようなレベルの輝度信号が得られるものとする。このとき、平面部Ａの輝度信号がゼロレベルとなっているのは、上記レボルバ６の移動により平面部Ａが合焦位置から外れているためである。
【００４９】
そこで、斜面部Ｂの輝度信号を適正範囲内とするために、上記αとは別のゲインβを上記と同様にしてゲイン調整回路３３に設定する。ここでは「α＜β」であり、図３（ｄ）はゲインβを設定した場合に得られる輝度信号のレベルを表わしている。
【００５０】
当然のことながら、ゲイン値をβとしたままで合焦位置を平面部Ａに合わせると、図３（ｅ）に示すように平面部Ａの輝度信号のレベルが適正範囲を大きく上回って飽和レベルとなってしまい、測定に不都合を生じることとなる。このため、平面部Ａと斜面部Ｂとの境界を確実に検出するとともに、ゲインをαからβへ、またはβからαへ切換えなければならない。
【００５１】
上記のようにして平面部Ａと斜面部Ｂの最適ゲイン値が得られたため、次に測定範囲の設定を行なう。
測定範囲の設定は、前述した如く試料８が合焦位置から外れると輝度信号がゼロレベルとなる現象を利用して行なわれるもので、その始めには、平面部Ａが合焦位置にある位置からレボルバ６を上方向、すなわち対物レンズ７と試料８とが離れる方向に移動させる。
【００５２】
すると、平面部Ａも合焦位置から外れてくるために輝度信号が徐々に小さくなり、最後にゼロレベルとなる。この輝度信号がゼロレベルとなったときに、モニタディスプレイ１８には試料８の画像は表示されず、真っ黒となる。したがって、観察者はこの位置が測定範囲の上限であると判別できる。
【００５３】
下限位置の設定は、レボルバ６を下方向、すなわち対物レンズ７と試料８とが近付く方向に移動させ、斜面部Ｂの画像が消える位置を探せばよい。
測定範囲の設定が終了すると、この範囲をどのくらいの細かさ、すなわち分解能で測定するのかを決定する。測定範囲と分解能、移動回数の関係は以下のようになっている。すなわち、
測定範囲＝分解能×移動回数
例えば、１００［μｍ］の測定範囲を１［μｍ］の分解能で測定する場合は、レボルバ６をＺ方向に１００回移動させることになる。
【００５４】
以上のようにして、測定に必要なパラメータが得られる。実際に測定を開始するためには、図４に示すようなパラメータを設定するソフトウェアを用意しておき、モニタディスプレイ１８に表示される上記図４に示したような画面に従って上記パラメータの数値入力を行なう。なお、この数値入力は個々のパラメータの数値がわかった時点で個別に入力することも可能である。
【００５５】
以上のようにパラメータの設定を終了すると、続いて測定が開始される。
すなわち測定の開始時には、コンピュータ１７から画像処理ユニット１４、Ｚ移動回路１５に対して測定開始の命令が出される。Ｚ移動回路１５は、測定範囲の上限に対物レンズ７が位置するようにレボルバ６をＺ方向に移動させる。また画像処理ユニット１４からは、ＸＹ走査駆動信号の基となる信号がカウンタ回路３８から出されてＸＹ走査制御ユニット１６に与えられる。
【００５６】
また、カウンタ回路３８からは、上記ＸＹ走査制御ユニット１６に対するＸＹ走査に関する信号の他に、ＸＹ走査に同期して輝度信号をデジタル値に変換するための上述したＡ／Ｄ変換回路３４に対するサンプリングクロック、画像メモリ１４ａ，１４ｂへの書込みタイミング信号、ＸＹの走査が１回終了する毎にＺ移動回路１５に対するレボルバ６をパラメータで設定された分解能（基準単位量）で移動させるための信号等がそれぞれ出力される。
【００５７】
図５で示すように、測定範囲の上限からゲイン値αでＸＹ走査及びＺ方向への移動が行なわれる。そして、何回かの移動が終了すると、対物レンズ７の合焦位置が試料８の平面部Ａに一致する。この位置でのＸＹ走査が終了すると、合焦位置は基準単位量移動して斜面部Ｂに移動する。
【００５８】
対物レンズ７の合焦位置がゲイン値αのままで斜面部Ｂに移動すると、得られる輝度信号のレベルは、前述した図３（ｃ）に示した如く適正範囲外となる。この現象がレベル判定回路３１によって検出される。
【００５９】
すなわち、レベル判定回路３１はコンパレータで構成されており、予め設定された基準信号レベルより、入力信号、ここでは輝度信号、のレベルが大きいか否かを判断する回路であり、このコンパレータを２つ使用して、一方を適正範囲の上限、他方を適正範囲の下限の検出に使用するものとする。当然のことながら、これら２つのコンパレータに使用する基準信号は上記ＣＰＵ３０によって自由に設定可能とするものである。
【００６０】
このようにして、観察面の状態が変化したことはレベル判定回路３１からＣＰＵ３０へ伝えられるので、ここでＣＰＵ３０はゲイン値をαからβに変更する。そして、斜面部Ｂでは、対物レンズ７の合焦位置が測定範囲の下限位置に到達するまでゲイン値βで画像の取込みが行なわれる。
【００６１】
その後、対物レンズ７の合焦位置が測定範囲の下限位置に到達した時点で測定が終了する。
前述した如くレベル判定回路３１は、輝度信号のレベルが適正範囲外となることを利用して、観察面の状態が変化したことを検出するようになっている。しかしながら、測定開始直後のＺ軸方向での位置では平面部Ａが対物レンズ７の合焦位置と離れており、この位置での輝度信号のレベルも適正範囲外となってしまうため、このままではこの位置でゲイン値をαからβに変更してしまうこととなる。
【００６２】
このような誤動作を避けるためにレベル判定回路３１には、一度適正範囲に入った後の輝度信号に対してレベル判定を開始するという条件を設けておく。
なお、上記実施の形態の動作ではゲイン値を変化させる場合について説明したが、上記図４で示したように、他にもオフセット位置、ＮＤフィルタ値、レーザ出力値についても同様の動作を行なう。
【００６３】
このうち、オフセット値は、図６（ａ）に示すように、輝度信号の全体のレベル、すなわち直流成分が大きく変化し、微小時間内での変化、すなわち交流成分が小さい場合で、交流成分のみを大きくしたい際などに有効である。
【００６４】
これは例えば、図６（ａ）で示した状態のままゲイン値を大きくすると、直流成分の方が大きいために容易に飽和レベルとなってしまうので、オフセット値を変化させてこの直流成分を差引いて、その後にゲイン値を大きくするようにすれば、図６（ｂ）に示すように交流成分のみを増幅することができるものである。
【００６５】
また、試料８に照射されるレーザ光の光量が多ければ多い程、光検出器１３に戻る反射光の光量も増えることとなる。例えば、図２に示した形状の試料８で、レーザ光の照射光量が多いためにゲイン値が最小であるにもかかわらず、斜面部Ｂの輝度信号のレベルが適正範囲に入ることも考えられる。
【００６６】
このような状態では、対物レンズ７の合焦位置が平面部Ａに来たときは平面部Ａの輝度信号のレベルは飽和状態となっている。しかしながら、ゲイン値は最小であるので、それ以上小さくすることができなくなってしまう。
【００６７】
ＮＤフィルタ値及びレーザ出力値のパラメータはこのような状態のときに可変設定するべく使用するものとして用意されている。どちらも試料８に照射されるレーザ光の光量を調整する機能を持っており、この機能により、平面部Ａでの光量を調整して、ゲインが最小値であっても、輝度信号のレベルを適正範囲内に入れることができるようになるものである。
【００６８】
具体的には、レベル出力値は画像処理ユニット１４のＣＰＵ３０がレーザ電源ユニット２６を直接制御して加減調整する。
また一方、ＮＤフィルタ値は、図７（ａ）に示すような同一円周上にその透過率を連続的に変化するＮＤフィルタ２７ａや、図７（ｂ）に示す如くそれぞれ異なった透過率の複数のＮＤフィルタ（図では「ＮＤ１」〜「ＮＤ５」のように示す）を同一円周上に配置して構成されているＮＤフィルタ２７ｂを使用し、これをＣＰＵ３０の制御によりモータ２８で回転させてレーザ光路中に選択的に挿入することで、結果としてレーザ光量を変化させるものである。
【００６９】
なお、上記実施の形態では、対物レンズ７と試料８の相対位置を変化させるためのＺ軸方向の移動をレボルバ６を移動させることで行なったが、これとは反対に、レボルバ６の位置は固定とし、微動ステージ９もしくは粗動ステージ１０をＺ軸方向に移動させるものとしてもよい。
【００７０】
さらに、輝度信号のゲイン値、オフセット、ＮＤフィルタ値及びレーザ出力値の設定はすべて行なう必要はなく、必要なものだけを設定するようにしてもよく、装置構成もこれに対応して必要なもののみを選択して構成するようにしてもよい。
【００７１】
また、試料８の形状についても、連続的に観察面の形状が変化していれば対応可能であり、上記図２で示した形状に限るものではないことは勿論であって、例えば形状の変化により反射率が大きく変化する部分が２か所以上あるものでも、図４、図５で示した領域の数をその数に応じて設定することで同様に対応することができる。
【００７２】
【発明の効果】
以上に述べた如く本発明によれば、観察面の形状が連続的に変化し、且つ観察面の反射率が形状に依存して大きく異なるような観察試料であっても、形状が変化する境界部分を確実に検出し、その位置から信号レベルを適正な値に設定することで常に正確な形状測定を行なうことが可能な共焦点走査型光学顕微鏡及びこの顕微鏡を使用した測定方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態に係る共焦点走査型光学顕微鏡全体のシステム構成を示す図。
【図２】図１の試料の形状を例示する図。
【図３】同実施の形態に係る輝度信号のレベルの変化を例示する図。
【図４】同実施の形態に係るパラメータ設定画面を例示する図。
【図５】同実施の形態に係る合焦動作を説明する図。
【図６】同実施の形態に係る輝度信号のオフセット値による変化を例示する図。
【図７】図１のＮＤフィルタの具体構成を例示する図。
【図８】一般的な共焦点走査型光学顕微鏡の概略構成図と試料の一例を示した図。
【符号の説明】
１…顕微鏡本体
２…レーザ光源
３，２３…ミラー
４，２１，９２…ハーフミラー
５…２次元走査機構
６…レボルバ
７，９３…対物レンズ
８，９４…観察試料
９…微動ステージ
０…粗動ステージ
１１，２０，２２，２４…レンズ
１２…ピンホール板
１３，９６…光検出器
１４…画像処理ユニット
１４ａ，１４ｂ…画像メモリ
１５…Ｚ移動回路
１６…ＸＹ走査制御ユニット
１７…コンピュータ
１８…モニタディスプレイ
１９…白色光源
２５…テレビカメラ（ＴＶＣ）
２６…レーザ電源ユニット
２７，２７ａ，２７ｂ…ＮＤフィルタ
２８…モータ
２９…モータ駆動回路
３０…ＣＰＵ
３１…レベル判定回路
３２…オフセット調整回路
３３…ゲイン調整回路
３４…Ａ／Ｄ変換回路
３６，３７…Ｄ／Ａ変換回路
３８…カウンタ回路
９１…点状光源
９５…ピンホール
Claims (3)
- 試料に対し集束光を照射する対物光学系と、上記集束光と上記試料とを相対的に二次元方向へ走査する二次元走査手段と、上記対物光学系の焦点位置と上記試料の位置とを相対的に光軸方向へ移動するＺ軸移動手段と、上記集束光の上記試料による反射光を受光してその受光強度に応じた検出信号を出力する光検出手段と、この光検出手段から出力された検出信号の信号レベルを可変する利得可変手段とを備えた共焦点走査型光学顕微鏡において、上記光検出手段からの検出信号の信号レベルが予め設定された適正範囲にあるか否かを判断する判断手段と、この判断手段により検出信号の信号レベルが予め設定された適正範囲外であると判断した場合に上記利得可変手段の利得を可変制御して該信号レベルが予め設定された適正範囲内となるように調整する利得制御手段とを具備したことを特徴とする共焦点走査型光学顕微鏡。
- 試料に対し集束光を照射する対物光学系と、上記集束光と上記試料とを相対的に二次元方向へ走査する二次元走査手段と、上記対物光学系の焦点位置と上記試料の位置とを相対的に光軸方向へ移動するＺ軸移動手段と、上記集束光の上記試料による反射光を受光してその受光強度に応じた検出信号を出力する光検出手段と、この光検出手段から出力された検出信号の信号レベルを可変する利得可変手段とを備えた共焦点走査型光学顕微鏡を使用して上記試料の表面測定を行なうに際し、上記光検出手段からの検出信号の信号レベルが予め設定された適正範囲にあるか否かを判断する判断工程と、この判断工程により検出信号の信号レベルが予め設定された適正範囲外であると判断した場合に上記利得可変手段の利得を可変制御して該信号レベルが予め設定された適正範囲内となるように調整する利得制御工程とを有したことを特徴とする共焦点走査型光学顕微鏡を使用した測定方法。
- 前記利得制御工程は、前記判断工程により検出信号の信号レベルが予め設定された適正範囲外であると判断した場合に、予め設定された利得値に変更することを特徴とする請求項２記載の共焦点走査型光学顕微鏡を使用した測定方法。
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