JP4303465B2 - Confocal microscope - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学倍率によって決まる測定範囲内の試料表面を光で走査し、試料からの光を共焦点光学系を介して受光素子で受光し、その受光情報に基づいて前記試料表面の高さ分布情報又は画像情報を取得する共焦点顕微鏡に関し、詳しくは、光走査手段の少なくとも一部が共振型スキャナによって構成されている共焦点顕微鏡に関する。
【0002】
【従来の技術】
共焦点顕微鏡を用いた試料の測定では、試料の表面が光走査手段によって光(例えばレーザ光)で走査される。試料からの光(例えば反射光)が共焦点光学系を介して受光素子で受光され、その受光量に基づいて試料の高さ分布情報や超深度画像(焦点深度が非常に深い画像)等の画像情報が取得される。ステージに載置された試料と対物レンズとの距離を光軸方向に変化させると、共焦点光学系のピンホールを通って受光素子に入射する光の強さ(受光量)が変化し、試料の表面にピントが合ったときに受光量が最大となる。したがって、最大受光量が得られるときの試料と対物レンズとの距離情報から試料の表面の高さ情報を算出し、試料の表面を光で走査することによって試料の表面の高さ分布を取得することができる。
【0003】
また、試料表面の各点(画素)でピントが合ったときの受光量の情報(すなわち各画素の最大受光量の情報)をつなぎ合わせることにより、焦点深度の非常に深い試料表面の白黒画像を得ることができる。この画像がいわゆる超深度画像である。あるいは、任意の注目画素で最大受光量が得られたときの試料と対物レンズとの距離に固定した場合は、注目画素の部分と高低差が大きい部分の画素の受光量は著しく小さくなり、注目画素と同じ高さの部分のみが明るい画像(いわゆるスライス画像)が得られる。
【0004】
上記のような共焦点顕微鏡の光走査手段は通常、水平走査手段と垂直走査手段からなる二次元の光走査手段である。この場合、走査周期の比較的長い(周波数の低い)垂直走査手段にはガルバノ(電磁型)スキャナを使用し、走査周期の短い(周波数の高い)水平走査手段にはレゾナント(共振型)スキャナを使用することが多い。
【0005】
ガルバノスキャナがミラーの角度を略等速度で変化させることができるのに対して、レゾナント(共振型)スキャナは正弦波を駆動信号とする振動によってミラーの角度を変化させるので、その角速度は正弦波状に変化し、走査範囲の中央付近で最大となり、走査範囲の両端部に近づくほど角速度がゼロに近づく。したがって、光走査によって得られる画像の中央部と両端部での一画素当たりの走査方向での寸法差が画像歪となって現れる。つまり、画像の中央部が間延びして周辺部が詰まる歪が発生する。
【0006】
この画像歪を抑えるには、共振型スキャナの走査範囲のうちの角速度が比較的直線状に変化する中央部付近、すなわち正弦波のゼロクロスを中心とする略直線状に変化する部分を使用する必要がある。しかし、例えばカラー撮像素子で得られたカラー画像との位置合わせのためにオフセット調整を行う場合のように、実際に使用する領域の外側にある程度の調整領域を確保しておく必要がある。このため、共振型スキャナの走査範囲のうちの両端部近くの非線形歪を伴う部分も含めてできるだけ広い領域を有効利用できる方が有利である。
【0007】
また、共振型スキャナの特性上、往路と復路の所要時間が同じである。したがって、往路のみを走査に用いた場合は一周期の半分のみが利用され、残り半分は無駄な時間ということになる。そこで、復路も有効利用する往復走査を行うことが考えられる。
【0008】
上記のように、共振型スキャナの走査範囲のうちの両端部近くの非線形歪を伴う部分を有効活用するための従来の技術として、共振型スキャナのミラーの裏面に補助レーザ光を照射し、その反射光で等間隔のパターンを走査することによって得られる時間的に非等間隔のタイミングで試料のサンプリングを行う方法がある(例えば特開2000−147395公報参照)。この際、ラインメモリを使用して復路のサンプリングデータの並び順を入れ替えることにより、往復走査が可能になる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来の方法は、共振型スキャナのミラーの裏面に補助レーザ光を照射してその反射光で等間隔パターンを走査するための光学系が必要であり、その分構造が複雑になる。また、精密加工技術も必要となる。
【0010】
本発明は、上記のような課題に鑑み、新たな光学系を付加することなく、共振型スキャナの走査範囲のうちの両端部近くの非線形歪を伴う部分を有効活用し、かつ、往復走査を可能にした共焦点顕微鏡を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明の共焦点顕微鏡は、光学倍率によって決まる測定範囲内の試料表面を光で走査し、試料からの光を共焦点光学系を介して受光素子で受光し、その受光情報に基づいて前記試料表面の高さ分布情報又は画像情報を取得する共焦点顕微鏡であって、光による試料表面の走査のための光走査手段の少なくとも一部が共振型スキャナを用いて構成され、共振型スキャナによって光で走査された試料からの光を受光素子で受光して得られた受光情報を一定時間ごとにサンプリングして整数型のメモリアドレスのアドレス順にバッファメモリに蓄積し、逆三角関数演算を含む演算処理によって求められたアドレス対応テーブルにしたがって、バッファメモリに蓄積されたサンプリングデータを非等間隔の整数型のメモリアドレスを指定してバッファメモリから読み出すことにより、測定範囲内の試料表面における略等間隔の画素位置ごとの受光情報を求めることを特徴とする。
【0012】
このような構成によれば、従来技術で述べたような光学系を追加する方法ではなく、バッファメモリを用いたアドレス変換処理によって、一定時間ごとにサンプリングされた非等間隔のサンプリングデータを等間隔の画素位置の受光情報に変換することができる。これによって、生成された画像の中央部が間延びして周辺部が詰まる歪を解消することができる。
【0013】
好ましい実施形態において、共振型スキャナによる往復走査を実現するために、アドレス対応テーブルにおいて、順方向走査におけるサンプリングデータを読み出すアドレスの順番と逆方向走査におけるサンプリングデータを読み出すアドレスの順番とを互いに逆方向にしている。
【0014】
別の好ましい実施形態において、アドレス対応テーブルにしたがってバッファメモリから非等間隔のアドレスでサンプリングデータを読み出す際に、隣接する2つのアドレスのサンプリングデータを用いて補間処理を行うことによって略等間隔の画素位置の受光情報の精度を高める。つまり、逆三角関数演算によって求めた等間隔の画素位置に対応するアドレスは小数点以下の端数を含む値となるので、この端数を補間係数として隣接する2つのアドレスのサンプリングデータを用いて補間処理を行うことにより、精度が高くなる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【0016】
図1は、本発明の実施形態に係る共焦点顕微鏡システムの概略構成を示している。共焦点顕微鏡システム1は、共焦点光学系2及び非共焦点光学系3を有する共焦点顕微鏡と、共焦点顕微鏡のレーザ駆動回路44、第1AD変換器41、CCD駆動回路43、第2AD変換器42、対物レンズ移動機構40、マイクロコンピュータを用いた制御部46等を含むコントローラと、コントローラに接続された表示装置47及び入力装置48とを備えている。
【0017】
まず、共焦点顕微鏡の共焦点光学系2とその信号処理について説明する。共焦点光学系2は、試料wkに単色光(例えばレーザ光)を照射するための光源10、第1コリメートレンズ11、偏光ビームスプリッタ12、1/4波長板13、水平走査装置14a、垂直走査装置14b、第1リレーレンズ15、第2リレーレンズ16、対物レンズ17、結像レンズ18、ピンホール板9、受光素子19等を含んでいる。
【0018】
光源10には、例えば青色レーザ光を発する半導体レーザが用いられる。レーザ駆動回路44によって駆動される光源10から出たレーザ光は、第1コリメートレンズ11を通り、偏光ビームスプリッタ12で光路を曲げられ、1/4波長板13を通過する。この後、水平走査装置14a及び垂直走査装置14bによって水平(横)方向及び垂直(縦)方向に偏向された後、第1リレーレンズ15及び第2リレーレンズ16を通過し、対物レンズ17によって試料ステージ30上に置かれた試料wkの表面に集光される。
【0019】
水平走査装置14aはレゾナント(共振型)スキャナで構成され、垂直走査装置14bはガルバノ(電磁型)スキャナで構成されている。両者でレーザ光を水平及び垂直方向に偏向させることにより、試料wkの表面をレーザ光で走査する。説明の便宜上、水平方向をX方向、垂直方向をY方向ということにする。対物レンズ17は、対物レンズ移動機構40によりZ方向(光軸方向)に駆動される。これにより、対物レンズ17の焦点と試料wkとの光軸方向での距離を変化させることができる。
【0020】
ただし、対物レンズ17の焦点と試料wkとの光軸方向での距離は、他の方法で変化させることもできる。例えば、対物レンズ17をZ方向に駆動する代わりに試料ステージ30をZ方向に駆動してもよい。あるいは、対物レンズ17と試料wkとの間に屈折率が変化するレンズを挿入することにより、対物レンズ17の焦点をZ方向に移動させる構成も可能である。なお、試料ステージ30は、手動操作によってX、Y方向及びZ方向に変位可能である。
【0021】
本実施形態の共焦点顕微鏡では、制御部46からの制御信号によって対物レンズ移動機構40を介して対物レンズ17がZ軸方向に電動で移動可能であると共に、試料ステージ30は、ステージ手動操作機構31を介して手動操作によってX方向、Y方向及びZ方向に変位可能である。また、入力装置48のキー操作(例えばアップ/ダウンキーの操作)によって制御部46及び対物レンズ移動機構40を介して対物レンズ17を上下動することも可能である。
【0022】
試料wkで反射されたレーザ光は、上記の光路を逆に辿る。すなわち、対物レンズ17、第2リレーレンズ16及び第1リレーレンズ15を通り、水平走査装置14a及び垂直走査装置14bを介して1/4波長板13を再び通る。この結果、レーザ光は偏光ビームスプリッタ12を透過し、結像レンズ18によって集光される。集光されたレーザ光は、結像レンズ18の焦点位置に配置されたピンホール板9のピンホールを通過して受光素子19に入射する。受光素子19は、例えばフォトマルチプライヤチューブ(光電子増倍管)やフォトダイオードで構成され、受光量を電気信号に変換する。受光量に相当する電気信号は、出力アンプ及びゲイン制御回路(図示せず)を介して第1AD変換器41に与えられ、ディジタル値に変換される。
【0023】
上記のような構成の共焦点光学系2により、試料wkの高さ(深さ)情報を取得することができる。以下に、その原理を簡単に説明する。
【0024】
上述のように、対物レンズ17が対物レンズ移動機構40によってZ方向(光軸方向)に駆動されると、対物レンズ17の焦点と試料wkとの光軸方向での距離が変化する。そして、対物レンズ17の焦点が試料wkの表面に結ばれたときに、試料wkの表面で反射されたレーザ光は上記の光路を経て結像レンズ18で集光され、ほとんどすべてのレーザ光がピンホール板9のピンホールを通過する。したがって、このときに、受光素子19の受光量が最大になる。逆に、対物レンズ17の焦点が試料wkの表面からずれている状態では、結像レンズ18によって集光されたレーザ光はピンホール板9からずれた位置に焦点を結ぶので、一部のレーザ光しかピンホールを通過することができない。その結果、受光素子19の受光量は著しく低下する。
【0025】
したがって、試料wkの表面の任意の点について、対物レンズ17をZ方向(光軸方向)に駆動しながら受光素子19の受光量を検出すれば、その受光量が最大になるときの対物レンズ17のZ方向位置(対物レンズ17の焦点と試料wkとの光軸方向での距離)を高さ情報として一義的に求めることができる。
【0026】
実際には、対物レンズ17を1ステップ(1ピッチ)移動するたびに水平走査装置14a及び垂直走査装置14bによって試料wkの表面を走査して受光素子19の受光量を得る。対物レンズ17をZ方向での測定範囲の下端から上端までZ方向に移動させたとき、走査範囲内の各点(画素)について、Z方向位置に応じて変化する受光量データが得られる。
【0027】
図2は、対物レンズ17のZ方向位置に応じて変化する受光量データの例を示すグラフである。このような受光量データに基づいて、最大受光量とそのときのZ方向位置が各点(画素)ごとに得られる。したがって、試料wkの表面高さのXY平面での分布が得られる。
【0028】
得られた表面高さの分布情報は、いくつかの方法で表示装置47のモニタ画面に表示することができる。例えば3次元表示によって試料の高さ分布(表面形状)を立体的に表示することができる。あるいは、高さデータを輝度データに変換することにより、明るさの二次元分布として表示できる。高さデータを色差データに変換することにより、高さの分布を色の分布として表示することもできる。
【0029】
また、XY走査範囲内の各点(画素)について得られた受光量を輝度データとする輝度信号から、試料wkの表面画像(白黒画像)が得られる。各画素における最大受光量を輝度データとして輝度信号を生成すれば、表面高さの異なる各点でピントの合った焦点深度の非常に深い超深度画像が得られる。また、任意の注目画素で最大受光量が得られた高さ(Z方向位置)に固定した場合は、注目画素の部分と高低差が大きい部分の画素の受光量は著しく小さくなるので、注目画素と同じ高さの部分のみが明るい画像が得られる。
【0030】
つぎに、共焦点顕微鏡に備えられた非共焦点光学系3とその信号処理について説明する。非共焦点光学系3は、試料wkに白色光(カラー画像撮影用の照明光)を照射するための白色光源20、第2コリメートレンズ21、第1ハーフミラー22、第2ハーフミラー23、カラーCCD(イメージセンサー)24等を含んでいる。また、非共焦点光学系3は共焦点光学系2の対物レンズ17を共用しており、2つの光学系1,2の光軸は部分的に一致している。
【0031】
白色光源20には例えば白色ランプが用いられるが、自然光又は室内光を利用してもよい。白色光源20から出た白色光は、第2コリメートレンズ21を通り、第1ハーフミラー22で光路を曲げられ、対物レンズ17によって試料ステージ30上に置かれた試料wkの表面に集光される。
【0032】
試料wkで反射された白色光は、対物レンズ17、第1ハーフミラー22、第2リレーレンズ16を通過し、第2ハーフミラー23で反射されてカラーCCD24に入射して結像する。カラーCCD24は、共焦点光学系2のピンホール板9のピンホールと共役又は共役に近い位置に設けられている。カラーCCD24で撮像されたカラー画像は、CCD駆動回路43によって読み出され、そのアナログ出力信号は第2AD変換器42に与えられ、ディジタル値に変換される。このようにして得られたカラー画像は、試料wkの観察用の拡大カラー画像として表示装置47のモニタ画面に表示される。
【0033】
また、共焦点光学系2で得られた超深度画像と非共焦点光学系3で得られた通常のカラー画像とを合成し、すべての画素で略ピントの合った焦点深度の深いカラー超深度画像を生成し、表示することもできる。
【0034】
上記のようなカラー画像に関する処理についても、制御部46を含むコントローラが司る。コントローラにはコンソール(操作卓)のような入力装置48やCRT(陰極線管)又はLCD(液晶表示装置)のような表示装置47が接続されている。また、マウスのようなポインティングデバイスも入力装置48として接続される。
【0035】
ユーザは、表示装置47の画面上に表示されるガイダンスにしたがって入力装置48を用いて種々の測定用パラメータを設定することができる。例えば、対物レンズ17のZ方向移動範囲(測定範囲)や移動ピッチを設定する。あるいは、試料wkの表面の光反射率等に応じて受光素子19の受光感度(PMTゲイン)やNDフィルタによる減衰量の設定を行うことにより、画面に表示された超深度画像やスライス画像が適当な明るさ(輝度)になるように調整する。また、カラーCCD24によるカラー画像の取得のためのシャッタースピードやゲイン及びホワイトバランスの設定を行う。また、後述するような種々の走査モードの設定を行う。
【0036】
また、本実施形態の共焦点顕微鏡システム1(のコントローラ)には、パーソナルコンピュータのような外部コンピュータシステムを接続するインターフェイスも備えられている。専用ソフトウェアをインストールした外部コンピュータシステムを共焦点顕微鏡システム1に接続することにより、上記のような測定条件を外部コンピュータシステムの画面上で設定し、あるいは、共焦点顕微鏡システム1で取得した画像の処理を外部コンピュータシステムの画面に表示させ、加工することが可能になる。
【0037】
図3は、共焦点顕微鏡システム1のコントローラに外部コンピュータシステム50を接続したハードウェア構成例を示すブロック図である。外部コンピュータシステム50は、CRT又はLCD等の表示装置51、キーボード52、マウス(他のポインティングデバイスでもよい)53、RS232C、USB(ユニバーサルシリアルバス)、IEEE1394等の通信インターフェイス54、処理装置(CPU)55、半導体記憶媒体である主メモリ56、補助記憶装置である固定ディスク装置57及びリムーバブルディスク装置58を備えている。
【0038】
共焦点顕微鏡システム1の制御を行うための専用ソフトウェアは、CD−ROMのような記憶媒体59に記憶された状態で供給され、CD−ROMドライブ装置のようなリムーバブルディスク装置58によって記憶媒体59から読み出され、固定ディスク装置57にインストールされる。固定ディスク装置57にインストールされたプログラムは、主メモリ56にロードされ、処理装置55によって実行される。
【0039】
このような専用ソフトウェアによって実行される処理には、共焦点顕微鏡システム1の測定条件の設定を行うための処理や測定の結果得られた画像の処理等が含まれている。次に、測定条件の設定のための画面表示における走査モードの選択について説明する。
【0040】
図4は、走査モードの選択を含む測定条件の設定のための画面表示の例を示す図である。表示装置51に表示される画面表示60において、左側の領域61は共焦点顕微鏡システム1の非共焦点光学系3のカラーCCD24から得られたカラー画像や共焦点光学系2の受光素子19から得られた共焦点画像又は高さ分布の測定結果等を表示するための領域であり、その右側に測定条件の設定のための縦長の領域62が表示されている。
【0041】
図5は、図4の画面表示60における測定条件の設定のための領域62の拡大図である。「スキャン設定」と表示された箇所の右側に走査モードの選択を行うための選択ブロック63が設けられている。この選択ブロック63の右端の下向き三角マークをマウス53でクリックすると、図5に示すようなプルダウンメニュー64が現れる。プルダウンメニュー64には、「ノーマル」、「パート1/2」、「パート1/3」、「スキップ」、「スキップ1/2」の5種類の走査モードが選択肢として含まれており、ユーザはマウス53を用いてこれらの選択肢の中から1つの走査モードを選択することができる。
【0042】
「ノーマル」は通常の走査モードであり、走査範囲が光学倍率によって決まるXY平面における測定範囲の全体であると共に走査線数が最大数(例えば768本)である。「パート1/2」では、垂直走査範囲が全体の中央部1/2となり、走査線数もそれに応じて1/2(例えば384本)になる。「パート1/3」では、垂直走査範囲が全体の中央部1/3となり、走査線の数もそれに応じて1/3になる。
【0043】
「スキップ」では、走査範囲は測定範囲の全体であるが、走査線数が1/2になる。つまり、隣接する走査線の間隔が2倍に広がっている。「スキップ1/2」では、隣接する走査線の間隔が2倍に広がり、かつ、垂直走査範囲が全体の中央部1/2となる。したがって、走査線数は1/4になる。なお、いずれの走査モードでも水平走査範囲は変化せず測定範囲全体の水平方向長さに等しい。また、スキップによって隣接する走査線の間隔が2倍に広がる場合は、補間処理によって走査線の間の画素データが生成される。
【0044】
図5において、プルダウンメニュー64によって一部隠れているが、「スキャン設定」と表示された箇所の下側に「ダブルスキャン」と表示され、その左側にチェックボックス65が設けられている。ユーザがマウス53を用いてこのチェックボックス65にチェックを入れると水平走査に関して往復走査が設定され、チェックを外すと通常の一方向走査が設定される。
【0045】
前述のように水平走査のための水平走査装置14aはレゾナント(共振型)スキャナで構成され、正弦波駆動信号によって自励式にミラーの反射面が所定の周波数で振動する。したがって、往路と復路の所要時間が同じ(半周期)であり位相変化も同等であるので往復走査が可能である。往復走査を行う場合は一方向走査の場合に比べて、一垂直走査当たりの水平走査回数が同じであれば見かけ上2倍の走査線数が得られることになり、その分だけ測定精度が良くなる。逆に、一垂直走査当たりの水平走査回数を半分に低減しても、見かけ上の走査線数が同じであるので、測定精度の低下はほとんどないことになる。一垂直走査当たりの水平走査回数が半分に低減されれば、測定全体の所要時間が半分近くまで低減される。
【0046】
しかし、共振型スキャナは正弦波を駆動信号とする振動によってミラーの角度を変化させるので、その角速度は正弦波状に変化し、走査範囲の中央付近で最大となり、走査範囲の両端部に近づくほど角速度がゼロに近づく。したがって、光走査によって得られる画像の中央部と両端部での一画素当たりの走査方向での寸法差が画像歪となって現れる。つまり、画像の中央部が間延びして周辺部が詰まる歪が発生する。
【0047】
この画像歪を解消する方法として、本実施形態の共焦点顕微鏡システム1では、受光情報を一定時間ごとにサンプリングしてバッファメモリに蓄積し、逆三角関数演算を含む演算処理によって求められたアドレス対応テーブルにしたがって、バッファメモリに蓄積されたサンプリングデータを非等間隔のアドレスで読み出すことにより、測定範囲内の試料表面における略等間隔の画素位置の受光情報を求める。
【0048】
図6は、本実施形態において、共振型スキャナを用いた走査で得られた受光量のサンプリングデータから等間隔位置の受光量データを得るための構成を示すブロック図である。受光素子19から出力される電圧信号は、第1AD変換器41でディジタル値に変換される。この際、タイミング発生器71から与えられるタイミング信号にしたがって、一定時間ごとのサンプリングデータとしてディジタル値がバッファメモリ70に入力される。バッファメモリ70は、入力された等間隔時間ごとのサンプリングデータをアドレス順に記憶する。
【0049】
読み出しアドレス発生部72が、後述するアドレス対応テーブル73にしたがってバッファメモリ70のアドレッシングを行うことにより、バッファメモリ70の記憶データ(の一部)が非等間隔のアドレスで読み出される。これにより、等間隔の画素位置ごとの受光量データが読み出される。アドレス対応テーブル73は、後述するように、走査モードを含む測定条件の設定が行われた段階で逆三角関数演算を含む演算処理によって求められ、メモリに記憶される。
【0050】
バッファメモリ70の記憶データを非等間隔のアドレスで読み出したデータをそのまま等間隔の画素位置ごとの受光量データとしてもよいが、図6の構成では、更に補間演算部74による補間演算を行うことにより、等間隔の画素位置ごとの受光量データの精度を高めている。つまり、逆三角関数演算によって求めた等間隔の画素位置に対応するアドレスは小数点以下の端数を含む値となるので、この端数を補間係数として隣接する2つのアドレスのサンプリングデータを用いて補間処理を行うことにより、精度が高くなる。この補間演算の詳細については後述する。
【0051】
また、アドレス対応テーブル73を生成する際に、往復走査モードが選択された場合は、順方向走査におけるサンプリングデータを読み出すアドレスの順番と逆方向走査におけるサンプリングデータを読み出すアドレスの順番とを互いに逆方向にしている。
【0052】
次に、アドレス対応テーブル73について説明する。図7は、共振型スキャナによる走査スポット(光スポット)の位置変化(正確にはミラーの角度変化)を示すグラフである。例えば時刻がt0,t1,・・・t14と変化するときに、光のスポットの位置が左端(+D)から右端(−D)まで変化すると仮定する。もちろん、実際のサンプリングタイムはもっと細かい。
【0053】
共振型スキャナはミラーの角度が正弦波状に変化するため、等間隔の時刻t0,t1,・・・t14に対応する走査スポットの位置は図7(a)に示すように、走査範囲の中央部で間延びし、両端部で詰まった非等間隔となる。したがって、一定時間ごとにサンプリングされた受光量のデータをそのまま等間隔の画素データとして使用した場合は、画像の中央部が間延びして周辺部が詰まる歪が発生することになる。また、図7(b)は、走査スポットの位置を等間隔にしたときに時刻t0,t1,・・・t14が非等間隔になる様子を示している。
【0054】
図7(a)及び(b)において、走査スポットの位置をPとし、走査周期をTとし、時刻t0,t1,・・・t14を変数tで表したとき、三角関数(余弦関数)cosを用いれば、P=Dcos(2πt/T)となる。また、逆三角関数(逆余弦関数)arccosを用いれば、t=(T/(2π))arccos(P/D)となる。例えばP=+D(左端)の位置に対応する時刻t0は(T/(2π))arccos(1)=0となり、P=−D(右端)の位置に対応する時刻t14は(T/(2π))arccos(−1)=T/2となる。一般に、走査スポットの位置の移動ピッチ(画素ピッチに対応する)をaとし、nを自然数としたとき、P=D(1−an)の位置に対応する時刻t(n)は、t(n)=(T/(2π))arccos(1−an)で表される。
【0055】
したがって、時刻t(n)のサンプリングデータがバッファメモリ70に入っていれば、それを読み出すことにより、等間隔の位置P=D(1−an)における受光量データを得ることができる。バッファメモリには一定時間間隔でサンプリングされたデータがアドレス順に記憶されているので、時刻t(n)が求まれば、対応するアドレスが求まり、所望の受光量データが得られる。実際には計算で求めた時刻t(n)に対応するアドレスが整数にはならず、小数点以下の端数が生ずる。この場合は、整数値にまるめる処理を行うか、隣接する2つのアドレスのサンプリングデータを用いて補間処理を行うことになる。本実施形態では、補間処理を行うことによって精度を高めている。詳細については後述する。なお、往復走査を行う場合の逆方向走査で得られたサンプリングデータについては、読み出すアドレスの順序を逆にする必要がある。
【0056】
次に、具体的な数値を挙げて上記の説明を補足する。例えば、走査周期T=125μsec(発振周波数8kHz)、サンプリング周波数30MHzとした場合、1走査周期当たり3750個のサンプリングデータを得ることができる。これは往復走査の場合であって、一方向走査当たり1875個のサンプリングデータが得られることになる。
【0057】
上記のように往復走査の3750個のサンプリングデータが得られ、バッファメモリ70にアドレス順に記憶される。この記憶されたデータの一部を18MHzのレートで読み出して画面に表示する場合を考える。このとき、水平走査周期125μsecの間に読み出されるデータの数は2250個であり、一方向走査当たり1125個となる。
【0058】
正規化した位置信号が+1(左端)から−1(右端)まで変化すると、画面の左端から右端まで走査したことになる。n番目の位置に対応する位置データを1−2n/1125とすると、このときの時刻t(n)はt(n)=(T/(2π))arccos(1−2n/1125)で表される。
【0059】
時刻T/2におけるデータ位置(アドレスに相当する)は1875であるから、時刻t(n)におけるデータ位置mは、m=1875×tn×2/Tとなる。求められたデータ位置mを整数にまるめた値を改めてアドレスmとすれば、読み出しパルスのn番目でアドレスmのデータを読み出すことにより、n番目の位置におけるデータが得られる。
【0060】
実際には、計算で求められたデータ位置mは、小数点以下の端数を含む。例えばm=123.4が得られた場合に、アドレスm=123とm=124の2つのデータを用いて補間処理を行えば、実際のデータ位置m=123.4における精度の高いデータが得られる。アドレスm=123におけるデータをd1、アドレスm=124におけるデータをd2とすれば、データ位置m=123.4におけるデータdは直線補間によれば、d=0.6d1+0.4d2となる。一般に、データ位置mの小数点以下の端数(補間係数に相当する)をqとすれば、mの整数部のアドレスのデータd1と隣接する(+1の)アドレスのデータd2とを用いた直線補間演算により、d=(1−q)d1+q×d2で求めることができる。
【0061】
走査モード等の測定条件が設定された段階で等間隔位置とそれに対応するバッファメモリのアドレスとの関係を求めてアドレス対応テーブルとして記憶する際に、アドレスである整数値と共に上記の端数(補間係数)も等間隔位置に対応させて記憶しておけばよい。図8は、等間隔位置nと読み出しアドレスm及び補間係数qとの対応関係を示すアドレス対応テーブルの例を示す図である。図6に示したブロック図の補間演算部74は、アドレス対応テーブルに記憶された補間係数を用いて上述のような直線補間処理を実行する。
【0062】
図9は、補間演算部74の構成例を示すブロック図である。補間演算部74は、主演算回路81、+1加算回路82及び1の補数演算回路83を備えている。アドレス対応テーブル73から得られたアドレスmは+1加算回路82を経てm+1となって第1バッファメモリ70Aのアドレスポートに与えられると共に、アドレスmがそのまま第2バッファメモリ70Bのアドレスポートに与えられる。また、アドレス対応テーブル73から得られた補間係数qは、1の補数演算回路83を経て1−qとなり、qと1−qが主演算回路81に与えられる。
【0063】
主演算回路81は、第1バッファメモリ70Aから読み出されたデータd1に1−qを掛けた値(1−q)d1と第2バッファメモリ70Bから読み出されたデータd2にqを掛けた値q×d2とを加算して、データ位置(m+q)におけるデータd=(1−q)d1+q×d2を算出する。こうして算出された等間隔の位置ごとのデータが補間演算部74から出力される。
【0064】
なお、図9では、アドレスmのデータd1とアドレスm+1のデータd2を同時に読み出して高速演算を行うために第1及び第2のバッファメモリ70A及び70Bを設け、第1AD変換器41からのサンプリングデータを第1及び第2のバッファメモリ70A及び70Bに記憶させている。アドレスmのデータd1とアドレスm+1のデータd2を時間的にずらして読み出す場合は図6に示したように、1つのバッファメモリ70で足りる。
【0065】
これまでの説明では、図7に示したように、走査範囲の左端位置(+D)から右端位置(−D)までのサンプリングデータを全て読み出す対象としたが、実際には、両端部のサンプリングデータは使用しないようにゲート信号を用いてデータ読み出し制御を行っている。つまり、図7で位置の中央部(ゼロクロス)を中心とする所定の範囲内のサンプリングデータを読み出すようにしている。
【0066】
図10は、ゲート信号を用いた読み出し制御の例を示す図である。(a)は、アドレス対応テーブルを用いてサンプリングデータを等間隔の位置ごとのデータに変換した後の走査を模式的に示している。また、往復走査における復路(逆方向走査)で得られたサンプリングデータについてアドレスの順序を逆にする処理を完了した状態を示している。(b)は、等間隔の位置ごとのデータ列を模式的に示している。(c)は、上述のゲート信号を表している。この信号がHレベルの期間だけデータ読み出しが有効になる。
【0067】
図10(d)は、ゲート信号を時間軸の前側へ少しずらした状態を示している。このように、ゲート信号をずらすことにより、読み出すデータ範囲の中心を走査範囲の中心からずらすことができる。これによって前述のオフセット調整が可能になる。もちろん、ゲート信号をずらさないでアドレス対応テーブルにおける等間隔の位置nに対するアドレス(データ位置)mの値をずらすことによってもオフセット調整が可能である。
【0068】
また、アドレス対応テーブルにおける等間隔の位置nに対するアドレス(データ位置)mの値を信号処理系の遅れ時間に応じて補正する。片方向走査の場合はこの遅れ時間補正が必ずしも必要ではないが、往復走査の場合は遅れ時間が往路と復路とで互いに逆方向に作用するので、遅れ時間補正が必要となる。
【0069】
また、図10(e)は、片方向走査を行う場合のゲート信号を示している。このように、ゲート信号を替えることによって、片方向(往路)のデータの読み出しのみを有効とすることができる。
【0070】
図11は、走査モード等の測定条件の設定が完了した段階で実行するアドレス対応テーブルの生成処理のフローチャートである。ステップ#101で逆三角関数(arccos)演算によりデータ位置mを計算する。ステップ#102で主として信号処理系の遅れ時間の補正量を加算する。続くステップ#103でオフセット調整量を加算する。
【0071】
次のステップ#104で、上記のようにして求められたデータ位置mの整数部を改めてアドレスmとすると共に、小数部を補間係数qとする。こうして、等間隔の位置nとそれぞれの位置nに対応するアドレスm及び補間係数qからなるアドレス対応テーブルが生成される。
【0072】
次のステップ#105で往復走査が設定されているか否かをチェックし、往復走査が設定されている場合は往復走査用のゲート信号が選択される(ステップ#106)。往復走査が設定されていない場合は前述のような片方向走査用のゲート信号が選択される(ステップ#107)。次のステップ#108で、上記のようにして生成されたアドレス対応テーブルを記憶し、処理を終了する。
【0073】
以上、適宜変形例を含めながら本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記の実施形態に限らず、種々の形態で実施することができる。例えば、上記の実施形態の共焦点顕微鏡は反射型の顕微鏡であるが、透過型の共焦点顕微鏡にも本発明を適用することができる。透過型の顕微鏡の場合は、試料の裏面から共焦点光学系のレーザ光及び非共焦点光学系の白色光が照射される。共焦点光学系の光源はレーザ光源を含む単色光源はもちろんのこと、複数波長を含むものであってもよい。非共焦点光学系の光源は自然光又は室内光で代用することもできる。
【0074】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の共焦点顕微鏡によれば、共振型スキャナによって一定時間ごとにサンプリングされた非等間隔のサンプリングデータを、バッファメモリを用いたアドレス変換処理によって、等間隔の画素位置の受光情報に変換することができる。これによって、生成された画像の中央部が間延びして周辺部が詰まる歪を解消することができる。また、順方向走査におけるサンプリングデータを読み出すアドレスの順番と逆方向走査におけるサンプリングデータを読み出すアドレスの順番とを互いに逆方向にすることにより、共振型スキャナによる往復走査を比較的容易に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係る共焦点顕微鏡システムの概略構成を示す図である。
【図2】対物レンズのZ方向位置に応じて変化する受光量データの例を示すグラフである。
【図3】共焦点顕微鏡システムのコントローラに外部コンピュータシステムを接続したハードウェア構成例を示すブロック図である。
【図4】走査モードの選択を含む測定条件の設定のための画面表示の例を示す図である。
【図5】図4の画面表示における測定条件の設定のための領域の拡大図である。
【図6】共振型スキャナを用いた走査で得られた受光量のサンプリングデータから等間隔位置の受光量データを得るための構成を示すブロック図である。
【図7】共振型スキャナによる走査スポットの位置変化(正確にはミラーの角度変化)を示すグラフである。
【図8】等間隔位置nと読み出しアドレスm及び補間係数qとの対応関係を示すアドレス対応テーブルの例を示す図である。
【図9】補間演算部の構成例を示すブロック図である。
【図10】ゲート信号を用いた読み出し制御の例を示す図である。
【図11】走査モード等の測定条件の設定が完了した段階で実行するアドレス対応テーブルの生成処理のフローチャートである。
【符号の説明】
1 共焦点顕微鏡システム
2 共焦点光学系
14a 水平走査装置(共振型スキャナ)
14b 垂直走査装置(ガルバノスキャナ)
19 受光素子
47,51 表示装置
70、70A,70B バッファメモリ
73 アドレス対応テーブル
74 補間演算部
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention scans a sample surface within a measurement range determined by optical magnification with light, receives light from the sample with a light receiving element via a confocal optical system, and determines the height of the sample surface based on the received light information. More specifically, the present invention relates to a confocal microscope in which at least a part of an optical scanning unit is configured by a resonance scanner.
[0002]
[Prior art]
In measuring a sample using a confocal microscope, the surface of the sample is scanned with light (for example, laser light) by an optical scanning unit. Light from the sample (for example, reflected light) is received by the light receiving element via the confocal optical system, and based on the amount of received light, information such as the height distribution information of the sample and an ultra-deep image (an image with a very deep focal depth) Image information is acquired. When the distance between the sample placed on the stage and the objective lens is changed in the direction of the optical axis, the intensity of light entering the light receiving element through the pinhole of the confocal optical system (the amount of received light) changes. The amount of light received is maximized when the surface of the camera is in focus. Therefore, the height information of the surface of the sample is calculated from the distance information between the sample and the objective lens when the maximum amount of received light is obtained, and the height distribution of the surface of the sample is obtained by scanning the surface of the sample with light. be able to.
[0003]
In addition, by combining information on the amount of light received when each point (pixel) on the sample surface is in focus (that is, information on the maximum amount of light received by each pixel), a monochrome image of the sample surface with a very deep focal depth can be obtained. Obtainable. This image is a so-called ultra-deep image. Alternatively, if the distance between the sample and the objective lens when the maximum amount of received light is obtained at any pixel of interest is fixed, the amount of light received by the pixel of the pixel of interest and the portion where the height difference is large is significantly reduced. A bright image (so-called slice image) is obtained only in a portion having the same height as the pixel.
[0004]
The optical scanning unit of the confocal microscope as described above is usually a two-dimensional optical scanning unit including a horizontal scanning unit and a vertical scanning unit. In this case, a galvano (electromagnetic) scanner is used for the vertical scanning means having a relatively long scanning cycle (low frequency), and a resonant (resonant) scanner is used for the horizontal scanning means having a short scanning cycle (high frequency). Often used.
[0005]
The galvano scanner can change the angle of the mirror at a substantially constant speed, whereas the resonant (resonant type) scanner changes the angle of the mirror by vibration using a sine wave as the drive signal, so the angular speed is sinusoidal. It becomes maximum near the center of the scanning range, and the angular velocity approaches zero as it approaches both ends of the scanning range. Therefore, a dimensional difference in the scanning direction per pixel between the center and both ends of the image obtained by optical scanning appears as image distortion. That is, distortion occurs in which the central portion of the image extends and the peripheral portion is clogged.
[0006]
In order to suppress this image distortion, it is necessary to use a portion in the scanning range of the resonant scanner near the center where the angular velocity changes relatively linearly, that is, a portion that changes substantially linearly around the zero cross of the sine wave. There is. However, as in the case of performing offset adjustment for alignment with a color image obtained by a color image sensor, for example, it is necessary to secure a certain adjustment region outside the region that is actually used. For this reason, it is advantageous that the widest possible region including the portion with nonlinear distortion near both ends in the scanning range of the resonant scanner can be effectively used.
[0007]
Further, due to the characteristics of the resonant scanner, the required time for the forward path and the backward path is the same. Therefore, when only the forward path is used for scanning, only half of one cycle is used, and the remaining half is wasted time. Therefore, it is conceivable to perform reciprocating scanning that also makes effective use of the return path.
[0008]
As described above, as a conventional technique for effectively utilizing the portion with nonlinear distortion near both ends in the scanning range of the resonant scanner, the back surface of the mirror of the resonant scanner is irradiated with auxiliary laser light, There is a method in which a sample is sampled at non-equal intervals in time obtained by scanning an equally spaced pattern with reflected light (see, for example, JP-A-2000-147395). At this time, reciprocal scanning becomes possible by changing the order of the sampling data in the return path using the line memory.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional method as described above requires an optical system for irradiating the back surface of the mirror of the resonance scanner with auxiliary laser light and scanning the equidistant pattern with the reflected light, and the structure is complicated accordingly. become. In addition, precision processing technology is also required.
[0010]
In view of the above-described problems, the present invention effectively utilizes a portion with nonlinear distortion near the both ends of the scanning range of the resonance scanner without adding a new optical system, and performs reciprocal scanning. An object of the present invention is to provide a confocal microscope that is made possible.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The confocal microscope of the present invention scans a sample surface within a measurement range determined by optical magnification with light, receives light from the sample with a light receiving element through a confocal optical system, and the sample is based on the light reception information. A confocal microscope for acquiring surface height distribution information or image information, wherein at least a part of an optical scanning means for scanning the surface of a sample with light is configured using a resonance scanner, and light is emitted by the resonance scanner. The received light information obtained by receiving the light from the sample scanned with the light receiving element is sampled at regular intervals. Integer type memory address order The sampling data stored in the buffer memory is stored at non-uniform intervals according to the address correspondence table obtained by the arithmetic processing including the inverse trigonometric function calculation. Integer type memory address Specify from the buffer memory By reading, light reception information for each pixel position at substantially equal intervals on the sample surface within the measurement range is obtained.
[0012]
According to such a configuration, it is not a method of adding an optical system as described in the prior art, but non-uniformly sampled data sampled at regular intervals by an address conversion process using a buffer memory. Can be converted into light reception information at the pixel position. As a result, it is possible to eliminate the distortion in which the central portion of the generated image extends and the peripheral portion is clogged.
[0013]
In a preferred embodiment, in order to realize reciprocal scanning by a resonance scanner, in the address correspondence table, the order of addresses from which sampling data is read in forward scanning and the order of addresses from which sampling data is read in backward scanning are opposite to each other. I have to.
[0014]
In another preferred embodiment, when sampling data is read from the buffer memory at non-uniformly spaced addresses in accordance with the address correspondence table, interpolation processing is performed using the sampling data of two adjacent addresses, thereby approximately equally spaced pixels. Increase the accuracy of light reception information of position. That is, since the addresses corresponding to the equally spaced pixel positions obtained by the inverse trigonometric function calculation are values including fractions after the decimal point, interpolation processing is performed using the sampling data of two adjacent addresses with this fraction as an interpolation coefficient. Doing so increases the accuracy.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0016]
FIG. 1 shows a schematic configuration of a confocal microscope system according to an embodiment of the present invention. The confocal microscope system 1 includes a confocal microscope having a confocal optical system 2 and a non-confocal optical system 3, a laser drive circuit 44 for the confocal microscope, a first AD converter 41, a CCD drive circuit 43, and a second AD converter. 42, an objective lens moving mechanism 40, a controller including a control unit 46 using a microcomputer, and the like, and a display device 47 and an input device 48 connected to the controller.
[0017]
First, the confocal optical system 2 of the confocal microscope and its signal processing will be described. The confocal optical system 2 includes a light source 10 for irradiating a sample wk with monochromatic light (for example, laser light), a first collimating lens 11, a polarizing beam splitter 12, a quarter wavelength plate 13, a horizontal scanning device 14a, and vertical scanning. A device 14b, a first relay lens 15, a second relay lens 16, an objective lens 17, an imaging lens 18, a pinhole plate 9, a light receiving element 19 and the like are included.
[0018]
As the light source 10, for example, a semiconductor laser that emits blue laser light is used. The laser light emitted from the light source 10 driven by the laser driving circuit 44 passes through the first collimating lens 11, the optical path is bent by the polarization beam splitter 12, and passes through the quarter wavelength plate 13. Thereafter, after being deflected in the horizontal (lateral) direction and the vertical (longitudinal) direction by the horizontal scanning device 14 a and the vertical scanning device 14 b, it passes through the first relay lens 15 and the second relay lens 16 and is sampled by the objective lens 17. The light is condensed on the surface of the sample wk placed on the stage 30.
[0019]
The horizontal scanning device 14a is constituted by a resonant (resonance type) scanner, and the vertical scanning device 14b is constituted by a galvano (electromagnetic type) scanner. The surface of the sample wk is scanned with the laser beam by deflecting the laser beam in both the horizontal and vertical directions. For convenience of explanation, the horizontal direction is referred to as the X direction, and the vertical direction is referred to as the Y direction. The objective lens 17 is driven in the Z direction (optical axis direction) by the objective lens moving mechanism 40. Thereby, the distance in the optical axis direction of the focus of the objective lens 17 and the sample wk can be changed.
[0020]
However, the distance between the focal point of the objective lens 17 and the sample wk in the optical axis direction can be changed by other methods. For example, instead of driving the objective lens 17 in the Z direction, the sample stage 30 may be driven in the Z direction. Alternatively, a configuration in which the focal point of the objective lens 17 is moved in the Z direction by inserting a lens whose refractive index changes between the objective lens 17 and the sample wk is also possible. The sample stage 30 can be displaced in the X, Y and Z directions by manual operation.
[0021]
In the confocal microscope of this embodiment, the objective lens 17 can be electrically moved in the Z-axis direction via the objective lens moving mechanism 40 by a control signal from the control unit 46, and the sample stage 30 has a stage manual operation mechanism. It can be displaced in X direction, Y direction and Z direction by manual operation via 31. Further, the objective lens 17 can be moved up and down via the control unit 46 and the objective lens moving mechanism 40 by a key operation of the input device 48 (for example, operation of an up / down key).
[0022]
The laser beam reflected by the sample wk follows the above optical path in reverse. That is, it passes through the objective lens 17, the second relay lens 16, and the first relay lens 15, and again passes through the quarter wavelength plate 13 through the horizontal scanning device 14a and the vertical scanning device 14b. As a result, the laser beam passes through the polarization beam splitter 12 and is collected by the imaging lens 18. The condensed laser light passes through the pinhole of the pinhole plate 9 disposed at the focal position of the imaging lens 18 and enters the light receiving element 19. The light receiving element 19 is composed of, for example, a photomultiplier tube (photomultiplier tube) or a photodiode, and converts the amount of received light into an electric signal. An electrical signal corresponding to the amount of received light is supplied to the first AD converter 41 via an output amplifier and a gain control circuit (not shown), and converted into a digital value.
[0023]
With the confocal optical system 2 configured as described above, height (depth) information of the sample wk can be acquired. The principle will be briefly described below.
[0024]
As described above, when the objective lens 17 is driven in the Z direction (optical axis direction) by the objective lens moving mechanism 40, the distance between the focal point of the objective lens 17 and the sample wk in the optical axis direction changes. Then, when the focal point of the objective lens 17 is focused on the surface of the sample wk, the laser light reflected on the surface of the sample wk is condensed by the imaging lens 18 through the above optical path, and almost all the laser light is collected. Passes through the pinhole of the pinhole plate 9. Therefore, at this time, the amount of light received by the light receiving element 19 is maximized. On the contrary, in a state where the focus of the objective lens 17 is deviated from the surface of the sample wk, the laser light collected by the imaging lens 18 is focused at a position deviated from the pinhole plate 9, so that some lasers Only light can pass through the pinhole. As a result, the amount of light received by the light receiving element 19 is significantly reduced.
[0025]
Therefore, if the received light amount of the light receiving element 19 is detected while driving the objective lens 17 in the Z direction (optical axis direction) at any point on the surface of the sample wk, the objective lens 17 when the received light amount becomes maximum. The position in the Z direction (distance between the focal point of the objective lens 17 and the sample wk in the optical axis direction) can be uniquely determined as height information.
[0026]
Actually, each time the objective lens 17 is moved by one step (one pitch), the surface of the sample wk is scanned by the horizontal scanning device 14a and the vertical scanning device 14b to obtain the amount of light received by the light receiving element 19. When the objective lens 17 is moved in the Z direction from the lower end to the upper end of the measurement range in the Z direction, received light amount data that changes in accordance with the position in the Z direction is obtained for each point (pixel) in the scanning range.
[0027]
FIG. 2 is a graph showing an example of received light amount data that changes in accordance with the position of the objective lens 17 in the Z direction. Based on such received light amount data, the maximum received light amount and the position in the Z direction at that time are obtained for each point (pixel). Therefore, the distribution of the surface height of the sample wk on the XY plane is obtained.
[0028]
The obtained surface height distribution information can be displayed on the monitor screen of the display device 47 by several methods. For example, the height distribution (surface shape) of the sample can be displayed three-dimensionally by three-dimensional display. Alternatively, it can be displayed as a two-dimensional distribution of brightness by converting the height data into luminance data. By converting the height data into color difference data, the height distribution can also be displayed as a color distribution.
[0029]
Further, a surface image (black and white image) of the sample wk is obtained from a luminance signal having the received light amount obtained for each point (pixel) in the XY scanning range as luminance data. If a luminance signal is generated by using the maximum amount of received light in each pixel as luminance data, an ultra-deep image having a very deep focal depth in focus at each point having a different surface height can be obtained. In addition, if the height (Z-direction position) at which the maximum received light amount is obtained at any target pixel is fixed, the received light amount of the pixel of the target pixel portion and the portion where the height difference is large is significantly reduced. A bright image is obtained only at the same height.
[0030]
Next, the non-confocal optical system 3 provided in the confocal microscope and its signal processing will be described. The non-confocal optical system 3 includes a white light source 20, a second collimating lens 21, a first half mirror 22, a second half mirror 23, and a color for irradiating the sample wk with white light (illumination light for photographing a color image). A CCD (image sensor) 24 and the like are included. Further, the non-confocal optical system 3 shares the objective lens 17 of the confocal optical system 2, and the optical axes of the two optical systems 1 and 2 partially coincide.
[0031]
For example, a white lamp is used as the white light source 20, but natural light or room light may be used. White light emitted from the white light source 20 passes through the second collimating lens 21, the optical path is bent by the first half mirror 22, and is condensed on the surface of the sample wk placed on the sample stage 30 by the objective lens 17. .
[0032]
The white light reflected by the sample wk passes through the objective lens 17, the first half mirror 22, and the second relay lens 16, is reflected by the second half mirror 23, and enters the color CCD 24 to form an image. The color CCD 24 is provided at a position conjugate to or close to the conjugate with the pinhole of the pinhole plate 9 of the confocal optical system 2. The color image picked up by the color CCD 24 is read out by the CCD drive circuit 43, and the analog output signal is given to the second AD converter 42 and converted into a digital value. The color image thus obtained is displayed on the monitor screen of the display device 47 as an enlarged color image for observing the sample wk.
[0033]
In addition, the super-depth image obtained by the confocal optical system 2 and the normal color image obtained by the non-confocal optical system 3 are synthesized, and the color super-depth with a deep focus depth that is in focus at all pixels. Images can also be generated and displayed.
[0034]
The controller including the control unit 46 also controls the processing related to the color image as described above. An input device 48 such as a console (console console) and a display device 47 such as a CRT (cathode ray tube) or LCD (liquid crystal display device) are connected to the controller. A pointing device such as a mouse is also connected as the input device 48.
[0035]
The user can set various measurement parameters using the input device 48 in accordance with the guidance displayed on the screen of the display device 47. For example, the Z direction movement range (measurement range) and movement pitch of the objective lens 17 are set. Alternatively, by setting the light receiving sensitivity (PMT gain) of the light receiving element 19 and the attenuation amount by the ND filter in accordance with the light reflectance of the surface of the sample wk, the ultra-deep image and slice image displayed on the screen are appropriate. Adjust the brightness (brightness). The shutter speed, gain, and white balance for obtaining a color image by the color CCD 24 are set. In addition, various scanning modes as described later are set.
[0036]
Further, the confocal microscope system 1 (controller) of the present embodiment is also provided with an interface for connecting an external computer system such as a personal computer. By connecting an external computer system in which dedicated software is installed to the confocal microscope system 1, the measurement conditions as described above are set on the screen of the external computer system, or the image acquired by the confocal microscope system 1 is processed. Can be displayed on the screen of an external computer system and processed.
[0037]
FIG. 3 is a block diagram illustrating a hardware configuration example in which the external computer system 50 is connected to the controller of the confocal microscope system 1. The external computer system 50 includes a display device 51 such as a CRT or LCD, a keyboard 52, a mouse (may be another pointing device) 53, an RS232C, a USB (universal serial bus), a communication interface 54 such as IEEE1394, and a processing device (CPU). 55, a main memory 56 that is a semiconductor storage medium, a fixed disk device 57 that is an auxiliary storage device, and a removable disk device 58.
[0038]
Dedicated software for controlling the confocal microscope system 1 is supplied in a state of being stored in a storage medium 59 such as a CD-ROM, and is removed from the storage medium 59 by a removable disk device 58 such as a CD-ROM drive device. It is read and installed in the fixed disk device 57. The program installed in the fixed disk device 57 is loaded into the main memory 56 and executed by the processing device 55.
[0039]
The processing executed by such dedicated software includes processing for setting the measurement conditions of the confocal microscope system 1 and processing of the image obtained as a result of the measurement. Next, selection of the scanning mode in the screen display for setting measurement conditions will be described.
[0040]
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a screen display for setting measurement conditions including selection of a scanning mode. In the screen display 60 displayed on the display device 51, the left region 61 is obtained from the color image obtained from the color CCD 24 of the non-confocal optical system 3 of the confocal microscope system 1 or the light receiving element 19 of the confocal optical system 2. This is a region for displaying the confocal image or the height distribution measurement result, and a vertically long region 62 for setting measurement conditions is displayed on the right side.
[0041]
FIG. 5 is an enlarged view of a region 62 for setting measurement conditions in the screen display 60 of FIG. A selection block 63 for selecting a scanning mode is provided on the right side of the place where “scan setting” is displayed. When the downward triangular mark at the right end of the selection block 63 is clicked with the mouse 53, a pull-down menu 64 as shown in FIG. 5 appears. The pull-down menu 64 includes five types of scanning modes of “normal”, “part 1/2”, “part 1/3”, “skip”, and “skip 1/2” as options. One scan mode can be selected from these options using the mouse 53.
[0042]
“Normal” is a normal scanning mode, in which the scanning range is the entire measurement range in the XY plane determined by the optical magnification, and the maximum number of scanning lines (for example, 768). In “Part 1/2”, the vertical scanning range is ½ of the entire central portion, and the number of scanning lines is ½ (for example, 384 lines) accordingly. In “Part 1/3”, the vertical scanning range is 1/3 of the entire center, and the number of scanning lines is also 1/3 accordingly.
[0043]
In “skip”, the scanning range is the entire measurement range, but the number of scanning lines is halved. That is, the interval between adjacent scanning lines is doubled. In “skip 1/2”, the interval between adjacent scanning lines is doubled, and the vertical scanning range is 1/2 of the entire central portion. Therefore, the number of scanning lines becomes 1/4. In any scanning mode, the horizontal scanning range does not change and is equal to the horizontal length of the entire measurement range. Further, when the interval between adjacent scanning lines is doubled by skipping, pixel data between the scanning lines is generated by interpolation processing.
[0044]
In FIG. 5, although partially hidden by the pull-down menu 64, “double scan” is displayed below the portion where “scan setting” is displayed, and a check box 65 is provided on the left side thereof. When the user checks the check box 65 using the mouse 53, the reciprocating scan is set for the horizontal scan, and when the check is removed, the normal one-way scan is set.
[0045]
As described above, the horizontal scanning device 14a for horizontal scanning is constituted by a resonant (resonant) scanner, and the reflection surface of the mirror vibrates at a predetermined frequency in a self-excited manner by a sine wave drive signal. Accordingly, since the required time for the forward path and the backward path are the same (half cycle) and the phase change is the same, reciprocal scanning is possible. When reciprocating scanning is performed, compared with the case of unidirectional scanning, if the number of horizontal scanning per vertical scanning is the same, the apparent number of scanning lines can be doubled, and the measurement accuracy is improved accordingly. Become. Conversely, even if the number of horizontal scans per vertical scan is reduced by half, the apparent number of scan lines is the same, so that there is almost no decrease in measurement accuracy. If the number of horizontal scans per vertical scan is reduced to half, the time required for the entire measurement is reduced to nearly half.
[0046]
However, since the resonance scanner changes the angle of the mirror by vibration using a sine wave as a drive signal, the angular velocity changes like a sine wave, becomes maximum near the center of the scanning range, and approaches the both ends of the scanning range. Approaches zero. Therefore, a dimensional difference in the scanning direction per pixel between the center and both ends of the image obtained by optical scanning appears as image distortion. That is, distortion occurs in which the central portion of the image extends and the peripheral portion is clogged.
[0047]
As a method of eliminating this image distortion, in the confocal microscope system 1 of the present embodiment, the received light information is sampled at regular intervals, stored in the buffer memory, and the address correspondence obtained by the arithmetic processing including the inverse trigonometric function calculation is performed. According to the table, the sampling data stored in the buffer memory is read out at non-uniformly spaced addresses, thereby obtaining the light receiving information of the pixel positions at substantially regular intervals on the sample surface within the measurement range.
[0048]
FIG. 6 is a block diagram showing a configuration for obtaining received light amount data at equidistant positions from received light amount sampling data obtained by scanning using a resonance scanner in the present embodiment. The voltage signal output from the light receiving element 19 is converted into a digital value by the first AD converter 41. At this time, a digital value is input to the buffer memory 70 as sampling data at regular intervals according to the timing signal given from the timing generator 71. The buffer memory 70 stores the input sampling data at regular intervals in the order of addresses.
[0049]
The read address generation unit 72 performs addressing of the buffer memory 70 in accordance with an address correspondence table 73 described later, whereby (a part of) the stored data in the buffer memory 70 is read at unequal intervals. As a result, the received light amount data for each equally spaced pixel position is read out. As will be described later, the address correspondence table 73 is obtained by arithmetic processing including inverse trigonometric function calculation at the stage where measurement conditions including the scanning mode are set, and is stored in the memory.
[0050]
The data read from the buffer memory 70 at non-uniformly spaced addresses may be used as received light amount data for each equally spaced pixel position, but in the configuration of FIG. Thus, the accuracy of the received light amount data for each equally spaced pixel position is increased. That is, since the addresses corresponding to the equally spaced pixel positions obtained by the inverse trigonometric function calculation are values including fractions after the decimal point, interpolation processing is performed using the sampling data of two adjacent addresses with this fraction as an interpolation coefficient. Doing so increases the accuracy. Details of this interpolation calculation will be described later.
[0051]
When the reciprocal scanning mode is selected when generating the address correspondence table 73, the order of addresses from which sampling data is read in forward scanning and the order of addresses from which sampling data is read in backward scanning are opposite to each other. I have to.
[0052]
Next, the address correspondence table 73 will be described. FIG. 7 is a graph showing changes in the position of the scanning spot (light spot) by the resonant scanner (more precisely, the change in the angle of the mirror). For example, it is assumed that the position of the light spot changes from the left end (+ D) to the right end (−D) when the time changes to t0, t1,. Of course, the actual sampling time is finer.
[0053]
Since the angle of the mirror changes in the resonance scanner in a sine wave shape, the position of the scanning spot corresponding to the equally spaced times t0, t1,... T14 is the center of the scanning range as shown in FIG. It becomes a non-equal interval that extends between and clogs at both ends. Therefore, when the received light amount data sampled at regular intervals is used as it is as pixel data at equal intervals, distortion occurs in which the central portion of the image extends and the peripheral portion is clogged. FIG. 7B shows a state in which the times t0, t1,... T14 are non-uniformly spaced when the positions of the scanning spots are equally spaced.
[0054]
7A and 7B, when the position of the scanning spot is P, the scanning cycle is T, and the times t0, t1,..., T14 are represented by the variable t, the trigonometric function (cosine function) cos is If used, P = Dcos (2πt / T). If an inverse trigonometric function (inverse cosine function) arccos is used, t = (T / (2π)) arccos (P / D). For example, the time t0 corresponding to the position of P = + D (left end) is (T / (2π)) arccos (1) = 0, and the time t14 corresponding to the position of P = −D (right end) is (T / (2π). )) Arccos (-1) = T / 2. In general, when the moving pitch (corresponding to the pixel pitch) of the position of the scanning spot is a and n is a natural number, the time t (n) corresponding to the position of P = D (1-an) is t (n ) = (T / (2π)) arccos (1-an).
[0055]
Therefore, if the sampling data at time t (n) is stored in the buffer memory 70, the received light amount data at the equally spaced positions P = D (1-an) can be obtained by reading it out. Since the buffer memory stores data sampled at regular time intervals in the order of addresses, when the time t (n) is obtained, the corresponding address is obtained and desired received light amount data is obtained. Actually, the address corresponding to the time t (n) obtained by calculation is not an integer, and a fractional part occurs. In this case, processing to round to an integer value is performed, or interpolation processing is performed using sampling data of two adjacent addresses. In the present embodiment, the accuracy is improved by performing an interpolation process. Details will be described later. It should be noted that for the sampling data obtained by reverse scanning when performing reciprocal scanning, it is necessary to reverse the order of addresses to be read.
[0056]
Next, the above description will be supplemented with specific numerical values. For example, when the scanning cycle T = 125 μsec (oscillation frequency 8 kHz) and the sampling frequency 30 MHz, 3750 pieces of sampling data can be obtained per scanning cycle. This is a case of reciprocal scanning, and 1875 sampling data are obtained per one-way scanning.
[0057]
As described above, 3750 pieces of sampling data for reciprocal scanning are obtained and stored in the buffer memory 70 in the order of addresses. Consider a case where a part of the stored data is read out at a rate of 18 MHz and displayed on the screen. At this time, the number of data read out during the horizontal scanning period of 125 μsec is 2250, which is 1125 per one-way scanning.
[0058]
When the normalized position signal changes from +1 (left end) to -1 (right end), scanning is performed from the left end to the right end of the screen. Assuming that the position data corresponding to the n-th position is 1-2n / 1125, the time t (n) at this time is represented by t (n) = (T / (2π)) arccos (1-2n / 1125). The
[0059]
Since the data position (corresponding to the address) at time T / 2 is 1875, the data position m at time t (n) is m = 1875 × tn × 2 / T. Assuming that the value obtained by rounding the obtained data position m to an integer is the address m, the data at the address n can be obtained by reading the data at the address m at the nth read pulse.
[0060]
Actually, the data position m obtained by calculation includes a fractional part. For example, when m = 123.4 is obtained, high-precision data at the actual data position m = 13.4 can be obtained by performing interpolation using two data of addresses m = 123 and m = 124. It is done. If the data at the address m = 123 is d1, and the data at the address m = 124 is d2, the data d at the data position m = 13.4 is d = 0.6d1 + 0.4d2 by linear interpolation. In general, if q is the fractional part of the data position m (corresponding to the interpolation coefficient), the linear interpolation calculation using the data d1 at the address of the integer part of m and the data d2 at the adjacent (+1) address. Thus, d = (1−q) d1 + q × d2.
[0061]
When the relationship between the equidistant position and the corresponding buffer memory address is obtained and stored as an address correspondence table at the stage when the measurement conditions such as the scanning mode are set, the above-mentioned fraction (interpolation coefficient) together with the integer value as the address is stored. ) May be stored in correspondence with the equally spaced positions. FIG. 8 is a diagram showing an example of an address correspondence table showing the correspondence between the equidistant position n, the read address m, and the interpolation coefficient q. The interpolation calculation unit 74 in the block diagram shown in FIG. 6 executes the linear interpolation process as described above using the interpolation coefficient stored in the address correspondence table.
[0062]
FIG. 9 is a block diagram illustrating a configuration example of the interpolation calculation unit 74. The interpolation calculation unit 74 includes a main calculation circuit 81, a +1 addition circuit 82, and a one's complement calculation circuit 83. The address m obtained from the address correspondence table 73 becomes m + 1 through the +1 addition circuit 82 and is given to the address port of the first buffer memory 70A, and the address m is given to the address port of the second buffer memory 70B as it is. Further, the interpolation coefficient q obtained from the address correspondence table 73 becomes 1-q through the one's complement arithmetic circuit 83, and q and 1-q are given to the main arithmetic circuit 81.
[0063]
The main arithmetic circuit 81 multiplies the data d1 read from the first buffer memory 70A by 1-q (1-q) d1 and the data d2 read from the second buffer memory 70B by q. The value q × d2 is added to calculate data d = (1−q) d1 + q × d2 at the data position (m + q). Data for each equally spaced position calculated in this way is output from the interpolation calculation unit 74.
[0064]
In FIG. 9, first and second buffer memories 70A and 70B are provided to simultaneously read out data d1 at address m and data d2 at address m + 1 and perform high-speed computation. Sampling data from the first AD converter 41 is provided. Are stored in the first and second buffer memories 70A and 70B. When the data d1 at the address m and the data d2 at the address m + 1 are read while being shifted in time, one buffer memory 70 is sufficient as shown in FIG.
[0065]
In the description so far, as shown in FIG. 7, the sampling data from the left end position (+ D) to the right end position (−D) of the scanning range are all read out. The data read control is performed using the gate signal so that it is not used. That is, in FIG. 7, sampling data within a predetermined range centering on the central portion (zero cross) of the position is read.
[0066]
FIG. 10 is a diagram illustrating an example of read control using a gate signal. (A) schematically shows scanning after the sampling data is converted into data for each equally spaced position using the address correspondence table. Further, a state is shown in which the processing for reversing the address order is performed on the sampling data obtained in the return path (reverse scan) in the reciprocating scan. (B) has shown typically the data row | line for every position of equal intervals. (C) represents the gate signal described above. Data reading is valid only during the period when this signal is at the H level.
[0067]
FIG. 10D shows a state in which the gate signal is slightly shifted to the front side of the time axis. Thus, by shifting the gate signal, the center of the data range to be read can be shifted from the center of the scanning range. As a result, the above-described offset adjustment becomes possible. Of course, the offset can be adjusted by shifting the value of the address (data position) m with respect to the equally spaced position n in the address correspondence table without shifting the gate signal.
[0068]
Further, the value of the address (data position) m with respect to the equally spaced position n in the address correspondence table is corrected according to the delay time of the signal processing system. In the case of unidirectional scanning, this delay time correction is not necessarily required. However, in the case of reciprocating scanning, the delay time acts in the opposite direction on the forward path and the backward path, so that the delay time correction is necessary.
[0069]
FIG. 10E shows a gate signal when unidirectional scanning is performed. In this way, by changing the gate signal, only one-way (outward) data reading can be made effective.
[0070]
FIG. 11 is a flowchart of the address correspondence table generation process executed when the setting of the measurement conditions such as the scanning mode is completed. In step # 101, the data position m is calculated by inverse trigonometric function (arccos) calculation. In step # 102, the correction amount of the delay time of the signal processing system is mainly added. In step # 103, the offset adjustment amount is added.
[0071]
In the next step # 104, the integer part of the data position m obtained as described above is set as the address m, and the decimal part is set as the interpolation coefficient q. In this way, an address correspondence table is generated which includes positions n at equal intervals, addresses m and interpolation coefficients q corresponding to the respective positions n.
[0072]
In the next step # 105, it is checked whether or not reciprocating scanning is set. If reciprocating scanning is set, a gate signal for reciprocating scanning is selected (step # 106). If reciprocal scanning is not set, the gate signal for unidirectional scanning as described above is selected (step # 107). In the next step # 108, the address correspondence table generated as described above is stored, and the process ends.
[0073]
As mentioned above, although embodiment of this invention was described including a modification suitably, this invention is not restricted to said embodiment, It can implement with a various form. For example, the confocal microscope of the above embodiment is a reflection type microscope, but the present invention can also be applied to a transmission type confocal microscope. In the case of a transmission type microscope, laser light from a confocal optical system and white light from a non-confocal optical system are irradiated from the back surface of the sample. The light source of the confocal optical system may include not only a monochromatic light source including a laser light source but also a plurality of wavelengths. The light source of the non-confocal optical system can be replaced with natural light or room light.
[0074]
【The invention's effect】
As described above, according to the confocal microscope of the present invention, non-equal-interval sampling data sampled at regular intervals by the resonant scanner is converted into equal-interval pixels by address conversion processing using a buffer memory. It can be converted into light reception information of the position. As a result, it is possible to eliminate the distortion in which the central portion of the generated image extends and the peripheral portion is clogged. In addition, by making the order of addresses for reading sampling data in forward scanning and the order of addresses for reading sampling data in backward scanning opposite to each other, it is possible to realize reciprocating scanning with a resonance scanner relatively easily. it can.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a confocal microscope system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing an example of received light amount data that changes in accordance with the position of the objective lens in the Z direction.
FIG. 3 is a block diagram illustrating a hardware configuration example in which an external computer system is connected to a controller of a confocal microscope system.
FIG. 4 is a diagram showing an example of a screen display for setting measurement conditions including selection of a scanning mode.
FIG. 5 is an enlarged view of a region for setting measurement conditions in the screen display of FIG. 4;
FIG. 6 is a block diagram showing a configuration for obtaining received light amount data at equally spaced positions from received light amount sampling data obtained by scanning using a resonance type scanner.
FIG. 7 is a graph showing a change in the position of a scanning spot (more precisely, a change in the angle of a mirror) by a resonant scanner.
FIG. 8 is a diagram showing an example of an address correspondence table showing a correspondence relationship between an equidistant position n, a read address m, and an interpolation coefficient q.
FIG. 9 is a block diagram illustrating a configuration example of an interpolation calculation unit.
FIG. 10 is a diagram illustrating an example of read control using a gate signal.
FIG. 11 is a flowchart of an address correspondence table generation process to be executed when measurement conditions such as a scanning mode have been set.
[Explanation of symbols]
1 Confocal microscope system
2 Confocal optics
14a Horizontal scanning device (resonance type scanner)
14b Vertical scanning device (galvano scanner)
19 Light receiving element
47,51 display device
70, 70A, 70B Buffer memory
73 Address correspondence table
74 Interpolation calculator

Claims (2)

光学倍率によって決まる測定範囲内の試料表面を光で走査し、試料からの光を共焦点光学系を介して受光素子で受光し、その受光情報に基づいて前記試料表面の高さ分布情報又は画像情報を取得する共焦点顕微鏡であって、
光による試料表面の走査のための光走査手段の少なくとも一部が共振型スキャナを用いて構成され、
前記共振型スキャナによって光で走査された試料からの光を前記受光素子で受光して得られた受光情報を一定時間ごとにサンプリングして整数型のメモリアドレスのアドレス順にバッファメモリに蓄積し、
逆三角関数演算を含む演算処理によって求められたアドレス対応テーブルにしたがって、前記バッファメモリに蓄積されたサンプリングデータを非等間隔に前記整数型のメモリアドレスを指定して前記バッファメモリから読み出す際に前記整数型のメモリアドレスのうち隣接する2つのメモリアドレスのサンプリングデータを用いて補間処理を行うことにより、測定範囲内の試料表面における略等間隔の画素位置ごとの受光情報を求めることを特徴とする共焦点顕微鏡。
The sample surface within the measurement range determined by the optical magnification is scanned with light, the light from the sample is received by the light receiving element via the confocal optical system, and the height distribution information or image of the sample surface based on the received light information A confocal microscope for acquiring information,
At least a part of the optical scanning means for scanning the sample surface with light is configured using a resonant scanner,
Light reception information obtained by receiving light from the sample scanned with light by the resonance type scanner with the light receiving element is sampled at regular intervals and stored in the buffer memory in the order of addresses of integer type memory addresses ,
According to the address correspondence table obtained by the arithmetic processing including the inverse trigonometric function calculation, when reading the sampling data accumulated in the buffer memory from the buffer memory by designating the integer type memory addresses at non-uniform intervals, Interpolation processing is performed using sampling data of two adjacent memory addresses out of the integer type memory addresses, thereby obtaining light reception information for each substantially equidistant pixel position on the sample surface within the measurement range. Confocal microscope.
前記共振型スキャナによる往復走査を実現するために、前記アドレス対応テーブルにおいて、順方向走査におけるサンプリングデータを読み出す前記整数型のメモリアドレスの順番と逆方向走査におけるサンプリングデータを読み出す前記整数型のメモリアドレスの順番とを互いに逆方向にしたことを特徴とする請求項1記載の共焦点顕微鏡。In order to realize reciprocal scanning by the resonance type scanner, in the address correspondence table, the order of the integer type memory address from which the sampling data in the forward scanning is read out and the integer type memory address from which the sampling data in the backward scanning is read out The confocal microscope according to claim 1, wherein the first and second orders are in opposite directions.
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