JP4884764B2 - Laser microscope - Google Patents

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本発明は、計測光学系と観察光学系とを有し、試料の2次元画像及び共焦点画像を撮像すると共に試料の断面形状を測定するレーザ顕微鏡に関するものである。   The present invention relates to a laser microscope that has a measurement optical system and an observation optical system, takes a two-dimensional image and a confocal image of a sample, and measures the cross-sectional shape of the sample.

観察すべき試料表面をレーザビームにより2次元走査し、試料からの反射光をリニァイメージセンサで受光素子するレーザ顕微鏡が既知である(例えば、特許文献1参照)。このレーザ顕微鏡においては、レーザビームは、音響光学素子により主走査方向に偏向されると共にガルバノミラーを用いて副走査方向に偏向され、対物レンズによりスポット状に集束されて試料表面に投射されている。試料表面からの反射ビームは、対物レンズで集光され、主走査方向に配列された複数の受光素子を有するリニァイメージセンサにより受光され、リニァイメージセンサからの映像出力について信号処理が行われ、ビデオ信号が出力されている。   A laser microscope is known in which the surface of a sample to be observed is two-dimensionally scanned with a laser beam and reflected light from the sample is received by a linear image sensor (see, for example, Patent Document 1). In this laser microscope, the laser beam is deflected in the main scanning direction by an acousto-optic device, deflected in the sub-scanning direction using a galvanometer mirror, focused in a spot shape by an objective lens, and projected onto the sample surface. . The reflected beam from the sample surface is collected by an objective lens, received by a linear image sensor having a plurality of light receiving elements arranged in the main scanning direction, and signal processing is performed on video output from the linear image sensor. The video signal is output.

上述したレーザ顕微鏡は高い解像度の画像を撮像することができ、撮像された2次元画像をモニタ上に表示し、モニタ上の画像から試料の実際の画像の寸法を計測する計測装置としても利用されている。例えば、半導体デバイスの製造工程において、基板上に形成された電極の幅が所定の幅に形成されているか否か検査するため、レーザ顕微鏡により撮像された2次元画像をモニタ上に表示し、モニタ上で電極幅の寸法が計測されている。   The above-mentioned laser microscope can capture a high-resolution image, displays the captured two-dimensional image on a monitor, and is also used as a measurement device that measures the size of the actual image of the sample from the image on the monitor. ing. For example, in a semiconductor device manufacturing process, in order to inspect whether or not the width of an electrode formed on a substrate is formed to a predetermined width, a two-dimensional image captured by a laser microscope is displayed on a monitor, and the monitor The electrode width dimension is measured above.

また、対物レンズを光軸方向に移動させながら、試料表面をレーザビームにより1次元走査し、各画素の輝度値が最大となる光軸方向の位置を検出することにより試料の断面形状を計測する断面形状測定装置としても利用されている(例えば、特許文献2参照)。このように、レーザ顕微鏡は、試料の2次元画像の撮像と共に試料の所定の部位の寸法計測にも広く利用されている。   In addition, while moving the objective lens in the optical axis direction, the sample surface is scanned one-dimensionally with a laser beam, and the cross-sectional shape of the sample is measured by detecting the position in the optical axis direction where the luminance value of each pixel is maximum. It is also used as a cross-sectional shape measuring device (for example, see Patent Document 2). As described above, the laser microscope is widely used for measuring a dimension of a predetermined portion of the sample as well as capturing a two-dimensional image of the sample.

特開昭62−18179号公報Japanese Patent Laid-Open No. 62-18179 特開平8−160306号公報JP-A-8-160306

上述したレーザ顕微鏡は高い分解能を有し、試料の外観計測に利用することができる。しかしながら、高価な音響光学素子を用いて主走査を行っているため、製造コストが高価になる欠点があった。また、音響光学素子を用いてビーム偏向する場合、レーザビームの入射角の調整作業が煩雑な欠点も指摘されている。一方、水銀ランプとスリット開口を有するアパーチャーを用いてライン状光ビームを発生させ、ライン状光ビームにより試料を走査するレーザ顕微鏡も提案されている。しかし、水銀ランプは高価であるためレーザ顕微鏡の製造コストが大幅に高価になってしまう。また、水銀ランプは大きいため、レーザ顕微鏡自体が大型化する欠点がある。   The laser microscope described above has a high resolution and can be used for measuring the appearance of a sample. However, since the main scanning is performed using an expensive acoustooptic device, there is a drawback that the manufacturing cost is high. In addition, when the beam is deflected using an acousto-optic device, it has been pointed out that the adjustment work of the incident angle of the laser beam is complicated. On the other hand, a laser microscope has also been proposed in which a line-shaped light beam is generated using a mercury lamp and an aperture having a slit opening, and a sample is scanned with the line-shaped light beam. However, since the mercury lamp is expensive, the manufacturing cost of the laser microscope is significantly increased. Further, since the mercury lamp is large, there is a drawback that the laser microscope itself is enlarged.

また、レーザ顕微鏡の焦点深度は浅いため、凹凸のある試料表面を観察する場合、焦点の合った一部の部位の画像しか撮像されず、合焦していない部位の画像が表示されない欠点がある。このため、観察すべき視野を設定する際、視野設定が困難になる欠点がある。この場合、対物レンズを光軸方向に移動させながら多数の画像を撮像し、各画素について最大の輝度値を求め、最大輝度値の2次元画像を形成し、得られた2次元画像から視野設定する方法が既知である。しかし、この方法では、多数枚の2次元画像を撮像しなければならず、2次元画像の撮像に長時間かかる欠点がある。   In addition, since the depth of focus of the laser microscope is shallow, when observing an uneven sample surface, there is a drawback that only an image of a part in focus is captured, and an image of an unfocused part is not displayed. . For this reason, when setting the visual field which should be observed, there exists a fault which becomes difficult to set visual field. In this case, move the objective lens in the direction of the optical axis to capture a large number of images, find the maximum brightness value for each pixel, form a 2D image with the maximum brightness value, and set the field of view from the obtained 2D image. The method to do is known. However, in this method, a large number of two-dimensional images must be captured, and there is a drawback that it takes a long time to capture a two-dimensional image.

さらに、特許文献2に記載されているように、対物レンズと試料との間の距離を変えながら、ガルバノミラーによりレーザビームを主走査方向に1次元走査して断面形状を測定する方法では、Z軸方向の走査と主走査方向の走査の両方を行う必要があるため、断面形状の測定に時間がかかる欠点がある。   Further, as described in Patent Document 2, in the method of measuring the cross-sectional shape by scanning the laser beam one-dimensionally in the main scanning direction with a galvano mirror while changing the distance between the objective lens and the sample, Z Since both the scanning in the axial direction and the scanning in the main scanning direction need to be performed, there is a drawback that it takes time to measure the cross-sectional shape.

さらに、特許文献2に記載されているように、共焦点光学系を計測光学系として利用し、計測光学系と観察光学系とを有するレーザ顕微鏡が提案されている。このレーザ顕微鏡では、共焦点光学系と観察光学系とをハーフミラーでカップリングしている。しかし、2つの光学系をカップリングする光学系としてハーフミラーを用いた場合、観察光がリニァイメージセンサに入射してクロストークが生じ、ノイズレベルの高い画像が形成されてしまう。このため、計測光学系から出力される1次元画像の品質が低下し、計測精度が低下する欠点がある。   Further, as described in Patent Document 2, there has been proposed a laser microscope using a confocal optical system as a measurement optical system and having a measurement optical system and an observation optical system. In this laser microscope, the confocal optical system and the observation optical system are coupled by a half mirror. However, when a half mirror is used as an optical system for coupling the two optical systems, the observation light enters the linear image sensor, causing crosstalk, and an image with a high noise level is formed. For this reason, there is a drawback that the quality of the one-dimensional image output from the measurement optical system is lowered and the measurement accuracy is lowered.

さらに、例えばLSIのように表面に凹凸のある試料表面を観察する場合、通常の2次元CCDカメラを用いて撮像したのでは、合焦した部位は鮮明な画像が撮像されるが、合焦点から外れた部位は不鮮明な画像が撮像されてしまい。視野全体について合焦した画像を観察したい要請に合致しなくなってしまう。さらに、表面に凹凸がある試料については、試料の断面形状ないし断面プロファイルを測定する強い要請もある。このような試料については、1台の測定装置を用いて2次元画像及び共焦点画像を撮像できると共に断面形状も測定できれば、高い汎用性を有するレーザ顕微鏡が実現される。   Furthermore, for example, when observing a sample surface with an uneven surface, such as an LSI, if an image is taken using a normal two-dimensional CCD camera, a sharp image is captured at the in-focus area, but from the in-focus position. An unclear image is picked up at the removed part. The request to observe the focused image for the entire field of view is not met. Furthermore, there is a strong demand for measuring the cross-sectional shape or cross-sectional profile of a sample with a rough surface. For such a sample, if a two-dimensional image and a confocal image can be taken using a single measuring apparatus and the cross-sectional shape can be measured, a laser microscope having high versatility can be realized.

本発明の目的は、音響光学素子や水銀ランプを用いることなく試料表面を2次元走査できるレーザ顕微鏡を実現することにある。
本発明の別の目的は、音響光学素子を用いることなく試料表面を2次元走査できると共に観察すべき視野の設定が容易に行うことができるレーザ顕微鏡を提供することにある。
さらに、本発明の別の目的は、試料の断面形状の測定に要する測定時間を一層短縮できるレーザ顕微鏡を提供することにある。
本発明の別の目的は、計測光学系と観察光学系を有するレーザ顕微鏡において、試料の断面プロファイルないし断面形状を正確に計測できるレーザ顕微鏡を提供することにある。
さらに、本発明の別の目的は、試料の2次元画像及び共焦点画像並びに断面形状を撮像できるレーザ顕微鏡を提供することにある。
An object of the present invention is to realize a laser microscope that can two-dimensionally scan a sample surface without using an acousto-optic element or a mercury lamp.
Another object of the present invention is to provide a laser microscope that can two-dimensionally scan the surface of a sample without using an acoustooptic device and can easily set the field of view to be observed.
Furthermore, another object of the present invention is to provide a laser microscope that can further reduce the measurement time required for measuring the cross-sectional shape of a sample.
Another object of the present invention is to provide a laser microscope capable of accurately measuring a cross-sectional profile or cross-sectional shape of a sample in a laser microscope having a measurement optical system and an observation optical system.
Furthermore, another object of the present invention is to provide a laser microscope capable of capturing a two-dimensional image and a confocal image of a sample and a cross-sectional shape.

本発明によるレーザ顕微鏡は、観察すべき試料の共焦点画像を撮像する共焦点光学系と、試料を観察光で照明し、試料の2次元画像を撮像する観察光学系と、前記共焦点光学系から出力される画像信号及び観察光学系から出力される画像信号について信号処理してビデオ信号を出力する信号処理装置とを有するレーザ顕微鏡において、
前記共焦点光学系は、レーザビームを、第1の方向に延在する非コヒーレントなライン状光ビームに変換するライン状光ビーム発生手段と、前記ライン状光ビームを前記第1の方向と直交する第2の方向に周期的に偏向するビーム偏向手段と、ライン状光ビームを観察すべき試料に向けて投射する対物レンズと、対物レンズと試料との間の相対距離を変化させる手段と、対物レンズと試料との間の相対距離を光軸方向の位置情報として検出する位置検出手段と、前記第1の方向と対応する方向に配列された複数の受光素子を有し、試料から出射するライン状の反射光を受光して画像信号を出力するリニァイメージセンサとを有し、
前記観察光学系は、観察光を発生する照明光源と、照明光源から出射した観察光を前記対物レンズの光路に結合するカップリング光学系と、前記試料からの反射光を、前記対物レンズ及びカップリング光学系を介して受光する2次元撮像装置とを有し、
前記信号処理回路は、対物レンズと試料との間の相対距離を変えながら撮像された複数の2次元画像について各画素の最大輝度値を検出する手段と、2次元画像の各画素の最大輝度値を記憶する第1の画像メモリと、前記各画素の最大輝度値を発生する光軸方向の位置を記憶するZ軸メモリと、前記2次元撮像装置から出力される2次元画像情報を記憶する第2の画像メモリとを有し、
前記ライン状光ビームは紫外又は近紫外の波長域の光により構成され、前記観察光は、可視域の白色光により構成され、
前記カップリング光学系は、前記ライン状光ビームを構成する光を透過し前記観察光を反射するシャープカットフィルタで構成され、
当該レーザ顕微鏡は、試料の2次元画像、2次元共焦点画像、3次元画像、断面形状画像、又は前記2次元画像に断面形状画像が重畳された合成画像を出力することを特徴とする。
A laser microscope according to the present invention includes a confocal optical system that captures a confocal image of a sample to be observed, an observation optical system that illuminates the sample with observation light and captures a two-dimensional image of the sample, and the confocal optical system. In a laser microscope having a signal processing device that performs signal processing on the image signal output from the image signal output from the observation optical system and outputs a video signal,
The confocal optical system includes a line-shaped light beam generating unit that converts a laser beam into a non-coherent line-shaped light beam extending in a first direction, and the line-shaped light beam orthogonal to the first direction. Beam deflecting means for periodically deflecting in the second direction, an objective lens for projecting the line-shaped light beam toward the specimen to be observed, means for changing the relative distance between the objective lens and the specimen, A position detection unit that detects a relative distance between the objective lens and the sample as position information in the optical axis direction and a plurality of light receiving elements arranged in a direction corresponding to the first direction, and emits from the sample. A linear image sensor that receives line-like reflected light and outputs an image signal ;
The observation optical system includes an illumination light source that generates observation light, a coupling optical system that couples observation light emitted from the illumination light source to the optical path of the objective lens, and reflected light from the sample to the objective lens and the cup. A two-dimensional imaging device that receives light via a ring optical system,
The signal processing circuit includes means for detecting a maximum luminance value of each pixel for a plurality of two-dimensional images captured while changing a relative distance between the objective lens and the sample, and a maximum luminance value of each pixel of the two-dimensional image. A first image memory for storing the image, a Z-axis memory for storing a position in the optical axis direction at which the maximum luminance value of each pixel is generated, and a second image information for storing the two-dimensional image information output from the two-dimensional imaging device. Two image memories,
The line-shaped light beam is composed of light in the ultraviolet or near ultraviolet wavelength region, and the observation light is composed of white light in the visible region,
The coupling optical system is configured by a sharp cut filter that transmits light constituting the line-shaped light beam and reflects the observation light,
The laser microscope outputs a two-dimensional image of a sample, a two-dimensional confocal image, a three-dimensional image, a cross-sectional shape image, or a composite image in which the cross-sectional shape image is superimposed on the two-dimensional image .

本発明では、コヒーレントなレーザビームをマイクロミラー装置により非コヒーレントなライン状光ビームに変換しているので、音響光学素子や水銀ランプを用いることなく試料の1次元画像を撮像することができ、製造コストが大幅に安価になる。さらに、試料と対物レンズとの間の相対距離を変化させながら試料の複数の1次元画像を撮像する際、ライン状光ビームを光軸方向に変位させるだけですむため、断面形状測定に要する時間を大幅に短縮することができる。これに対して、特許文献2に記載のレーザ顕微鏡では、対物レンズを光軸に移動させる間に、振動ミラーによりレーザビームを周期的に偏向して試料の複数の1次元画像を撮像している。しかし、この走査方法では、レーザビームを走査しなければならないため、測定時間に限界がある。   In the present invention, since a coherent laser beam is converted into a non-coherent line-shaped light beam by a micromirror device, a one-dimensional image of a sample can be taken without using an acousto-optic element or a mercury lamp. Cost is significantly reduced. Furthermore, when taking multiple one-dimensional images of the sample while changing the relative distance between the sample and the objective lens, the line-shaped light beam only needs to be displaced in the direction of the optical axis. Can be greatly shortened. On the other hand, in the laser microscope described in Patent Document 2, while moving the objective lens to the optical axis, a laser beam is periodically deflected by a vibrating mirror to capture a plurality of one-dimensional images of the sample. . However, this scanning method has a limitation in measurement time because the laser beam must be scanned.

本発明によるレーザ顕微鏡の好適実施例は、ライン状光ビーム発生装置は、レーザ光源と、光入射面に2次元マトリックス状に配置した複数のマイクロミラー素子を有するマイクロミラー装置と、マイクロミラー素子を全体として一律に駆動させる駆動パルス発生装置と、前記レーザ光源とマイクロミラー装置との間に配置したビームスプリッタとを有し、レーザ光源から出射したレーザビームはマイクロミラー装置の光入射面に垂直に入射することを特徴とする。レーザビームをマイクロミラー装置の光入射面に斜めに入射させた場合、光路設計が極めて煩雑になる。これに対して、偏向ビームスプリッタを介してレーザビームを垂直に入射させる場合、レーザ光源から出射しマイクロミラー装置に入射するビームとマイクロミラー装置から出射するビームとが互いに直交する関係になるため、光路設計が大幅に緩和される利点がある。   In a preferred embodiment of the laser microscope according to the present invention, the line-shaped light beam generator includes a laser light source, a micromirror device having a plurality of micromirror elements arranged in a two-dimensional matrix on the light incident surface, and a micromirror element. A drive pulse generator for driving uniformly as a whole, and a beam splitter disposed between the laser light source and the micromirror device, and the laser beam emitted from the laser light source is perpendicular to the light incident surface of the micromirror device It is characterized by being incident. When the laser beam is incident obliquely on the light incident surface of the micromirror device, the optical path design becomes extremely complicated. On the other hand, when the laser beam is incident vertically through the deflecting beam splitter, the beam emitted from the laser light source and incident on the micromirror device and the beam emitted from the micromirror device are orthogonal to each other. There is an advantage that the optical path design is greatly relaxed.

本発明によるレーザ顕微鏡の別の好適実施例は、前記レーザ光源を、紫外又は近紫外の波長域の計測光を発生する半導体レーザで構成したことを特徴とする。   Another preferred embodiment of the laser microscope according to the present invention is characterized in that the laser light source is composed of a semiconductor laser that generates measurement light in the ultraviolet or near ultraviolet wavelength region.

本発明によるレーザ顕微鏡の好適実施例は、さらに、試料の断面形状と2次元画像とを重畳して表示する手段を有することを特徴とする。観察光学系により撮像された2次元画像と断面形状とをスーパーインポーザを介してモニタ上に重ねて表示することにより、試料のどの部位の断面形状を測定したか明瞭に把握することができる。   The preferred embodiment of the laser microscope according to the present invention is further characterized by further comprising means for displaying the cross-sectional shape of the sample and the two-dimensional image in a superimposed manner. By displaying the two-dimensional image captured by the observation optical system and the cross-sectional shape superimposed on the monitor via the superimposer, it is possible to clearly grasp which part of the sample the cross-sectional shape was measured.

本発明によるレーザ顕微鏡の別の好適実施例は、ライン状光ビーム発生手段と対物レンズとの間に、入射したライン状光ビームを前記第1の方向と直交する第2の方向に周期的に偏向する振動ミラーを配置し、前記計測光学系が、試料の1次元画像及び試料の2次元共焦点画像を撮像することを特徴とする。本発明では、2つのビーム偏向手段を用いてレーザビームを主走査方向及び副走査方向に偏向するのではなく、主走査方向に延在するライン状光ビームを用いているから、光路中に振動ミラーを配置するだけで試料を2次元走査することが可能である。この結果、当該レーザ顕微鏡は、試料の断面形状を測定できるだけでなく、試料の2次元共焦点画像も撮像できる。共焦点画像は、観察光学系により撮像された2次元画像よりも解像度が一層高い画像であるから、分解能が要求される試料の撮像に好適であり、種々の用途に利用することができる。   In another preferred embodiment of the laser microscope according to the present invention, an incident line-shaped light beam is periodically inserted in a second direction perpendicular to the first direction between the line-shaped light beam generating means and the objective lens. A deflecting oscillating mirror is disposed, and the measurement optical system captures a one-dimensional image of the sample and a two-dimensional confocal image of the sample. In the present invention, since the laser beam is not deflected in the main scanning direction and the sub-scanning direction by using two beam deflecting means, but a line-shaped light beam extending in the main scanning direction is used, vibrations are generated in the optical path. It is possible to scan a sample two-dimensionally only by arranging a mirror. As a result, the laser microscope can not only measure the cross-sectional shape of the sample, but can also capture a two-dimensional confocal image of the sample. Since the confocal image is an image having a higher resolution than the two-dimensional image captured by the observation optical system, the confocal image is suitable for imaging a sample that requires resolution, and can be used for various applications.

本発明によるレーザ顕微鏡の好適実施例は、前記対物レンズと試料との間の相対距離を変化させる手段として、対物レンズをその光軸方向に移動させる駆動装置を用い、前記位置検出手段として、対物レンズの光軸方向の位置を検出する手段を用いることを特徴とする。 In a preferred embodiment of the laser microscope according to the present invention, a drive device that moves the objective lens in the direction of its optical axis is used as means for changing the relative distance between the objective lens and the sample, and the objective is used as the position detection means. A means for detecting the position of the lens in the optical axis direction is used.

本発明による別のレーザ顕微鏡は、観察すべき試料の共焦点画像を撮像する共焦点光学系と、試料を観察光で照明し、試料の2次元画像を撮像する観察光学系と、前記共焦点光学系から出力される画像信号及び観察光学系から出力される画像信号について信号処理してビデオ信号を出力する信号処理装置とを有するレーザ顕微鏡において、
前記共焦点光学系は、レーザビームを、第1の方向に延在する非コヒーレントなライン状光ビームに変換するライン状光ビーム発生手段と、入射したライン状光ビームを周期的に偏向するビーム偏向モードと静止ミラーとして動作する静止モードとの2つのモード間で選択的に切り換えられ、ビーム偏向モードにおいては入射したライン状光ビームを前記第1の方向と直交する第2の方向に周期的に偏向し、静止モードにおいて静止ミラーとして動作する振動ミラーと、前記ライン状光ビームを観察すべき試料に向けて投射する対物レンズと、対物レンズと試料との間の相対距離を変化させる手段と、対物レンズと試料との間の相対距離を光軸方向の位置情報として検出する位置検出手段と、前記第1の方向と対応する方向に配列された複数の受光素子を有し、試料から出射するライン状の反射光を受光して画像信号を出力するリニァイメージセンサとを有し、
前記観察光学系は、観察光を発生する照明光源と、照明光源から出射した観察光を前記対物レンズの光路に結合するカップリング光学系と、前記試料からの反射光を、前記対物レンズ及びカップリング光学系を介して受光する2次元撮像装置とを有し、
前記信号処理回路は、対物レンズと試料との間の相対距離を変えながら撮像された複数の2次元画像について各画素の最大輝度値を検出する手段と、2次元画像の各画素の最大輝度値を記憶する第1の画像メモリと、前記各画素の最大輝度値を発生する光軸方向の位置を記憶するZ軸メモリとを有し、
さらに、前記信号処理回路は、対物レンズと試料との間の相対距離を変えながら撮像された複数の1次元画像について各画素の最大輝度値を検出する手段と、前記1次元画像の各画素について最大輝度値を発生する光軸方向の位置を検出する手段と、検出された位置を記憶するメモリと、当該メモリに記憶されている位置情報から断面形状画像を作成する手段とを有し、
前記振動ミラーはビーム偏向モードと静止モードとの間で選択的に切り換えられ、前記信号処理回路は、振動ミラーがビーム偏向モードに設定された場合試料の2次元共焦点画像又は試料の3次元画像を出力し、静止モードに設定された場合試料の断面形状画像を出力し、
当該レーザ顕微鏡は、前記振動ミラーを選択的に切り換えることにより、試料の2次元画像、2次元共焦点画像、3次元画像、断面形状画像、又は前記2次元画像に断面形状画像が重畳された合成画像を選択的に出力することを特徴とする。
Another laser microscope according to the present invention includes a confocal optical system that captures a confocal image of a sample to be observed, an observation optical system that illuminates the sample with observation light and captures a two-dimensional image of the sample, and the confocal lens. In a laser microscope having a signal processing device that performs signal processing on an image signal output from an optical system and an image signal output from an observation optical system and outputs a video signal,
The confocal optical system includes a line-shaped light beam generating unit that converts a laser beam into a non-coherent line-shaped light beam extending in a first direction, and a beam that periodically deflects the incident line-shaped light beam. It is selectively switched between two modes, a deflection mode and a stationary mode that operates as a stationary mirror. In the beam deflection mode, the incident line light beam is periodically shifted in a second direction orthogonal to the first direction. An oscillating mirror that operates as a stationary mirror in a stationary mode, an objective lens that projects the linear light beam toward the sample to be observed, and a means for changing the relative distance between the objective lens and the sample; A position detection means for detecting a relative distance between the objective lens and the sample as position information in the optical axis direction, and a plurality of the detectors arranged in a direction corresponding to the first direction. Has a light receiving element, and a linear § image sensor for outputting an image signal by receiving the linear reflected light emitted from the sample,
The observation optical system includes an illumination light source that generates observation light, a coupling optical system that couples observation light emitted from the illumination light source to the optical path of the objective lens, and reflected light from the sample to the objective lens and the cup. A two-dimensional imaging device that receives light via a ring optical system,
The signal processing circuit includes means for detecting a maximum luminance value of each pixel for a plurality of two-dimensional images captured while changing a relative distance between the objective lens and the sample, and a maximum luminance value of each pixel of the two-dimensional image. And a Z-axis memory for storing a position in the optical axis direction for generating the maximum luminance value of each pixel,
Furthermore, the signal processing circuit detects a maximum luminance value of each pixel for a plurality of one-dimensional images captured while changing the relative distance between the objective lens and the sample, and for each pixel of the one-dimensional image Means for detecting a position in the optical axis direction that generates the maximum luminance value, a memory for storing the detected position, and a means for creating a cross-sectional shape image from the position information stored in the memory;
The oscillating mirror is selectively switched between a beam deflection mode and a stationary mode, and the signal processing circuit is configured such that a two-dimensional confocal image of the sample or a three-dimensional image of the sample when the oscillating mirror is set to the beam deflection mode. When the stationary mode is set, the cross-sectional image of the sample is output.
The laser microscope selectively switches the oscillating mirror so that a two-dimensional image of the sample, a two-dimensional confocal image, a three-dimensional image, a cross-sectional shape image, or a composite in which the cross-sectional shape image is superimposed on the two-dimensional image. An image is selectively output .

本発明では、カップリング光学系として、レーザビームの波長光を透過し観察光を反射するシャープカットフィルタで構成する。シャープカットフィルタは、レーザ光の偏波面特性に悪影響を与えない優れた特性を有するため、カップリング光学系から出射したレーザビームを円偏光として試料に入射させることができる。この結果、共焦点画像を高品質な画像として撮像することができる。   In the present invention, the coupling optical system is constituted by a sharp cut filter that transmits the wavelength light of the laser beam and reflects the observation light. Since the sharp cut filter has excellent characteristics that do not adversely affect the polarization plane characteristics of the laser light, the laser beam emitted from the coupling optical system can be incident on the sample as circularly polarized light. As a result, the confocal image can be captured as a high-quality image.

本発明によるレーザ顕微鏡において、振動ミラーは、ビーム偏向モードと静止モードの2つのモード間で切り換えられ、ビーム偏向モードにおいてライン状光ビームを前記第2の方向に周期的に偏向し、静止モードにおいて静止ミラーとして動作し、
さらに、前記信号処理回路は、対物レンズと試料との間の相対距離を変えながら撮像された複数の1次元画像について各画素の最大輝度値を検出する手段と、前記1次元画像の各画素について最大輝度値を発生する光軸方向の位置を検出する手段と、検出された位置を記憶するメモリと、当該メモリに記憶されている位置情報から断面形状画像を作成する手段とを有することを特徴とする。
本発明では、ライン状光ビームにより試料表面を走査しているから、振動ミラーを静止状態に維持すると共に対物レンズを光軸方向に移動させるだけで、試料の断面形状を撮像することができる。このように、短時間で断面形状を測定できるので、視野設定した後試料の選択された部位の断面形状をモニタ上に表示することができる。この断面形状は、第1の方向(主走査方向)の断面形状に制限されるが、試料表面を2次元走査せずに測定できるため、視野設定等の際に有益である。
In the laser microscope according to the present invention , the oscillating mirror is switched between two modes of a beam deflection mode and a stationary mode, and the line-shaped light beam is periodically deflected in the second direction in the beam deflection mode, and in the stationary mode. Acts as a stationary mirror,
Furthermore, the signal processing circuit detects a maximum luminance value of each pixel for a plurality of one-dimensional images captured while changing the relative distance between the objective lens and the sample, and for each pixel of the one-dimensional image It has means for detecting the position in the optical axis direction that generates the maximum luminance value, memory for storing the detected position, and means for creating a cross-sectional shape image from the position information stored in the memory. And
In the present invention, since the surface of the sample is scanned with the line-shaped light beam, the cross-sectional shape of the sample can be imaged only by keeping the vibrating mirror stationary and moving the objective lens in the optical axis direction. Thus, since the cross-sectional shape can be measured in a short time, the cross-sectional shape of the selected part of the sample can be displayed on the monitor after setting the visual field. This cross-sectional shape is limited to the cross-sectional shape in the first direction (main scanning direction), but it can be measured without two-dimensional scanning of the sample surface, which is useful when setting the visual field.

本発明では、レーザビームを非コヒーレントなライン状光ビームに変換するライン状光ビームを用いているので、製造コストが一層安価であり、且つ断面形状測定に要する時間が大幅に短縮されたレーザ顕微鏡が実現される。さらに、レーザ光を透過し観察光を反射するシャープカットフィルタを用いて計測光学系と観察光学系とをカップリングしているので、コストが安価であると共にクロストークが発生せず高品質の画像を形成することができる。   In the present invention, since the line light beam for converting the laser beam into a non-coherent line light beam is used, the manufacturing cost is further reduced and the time required for measuring the cross-sectional shape is greatly reduced. Is realized. In addition, the measurement optical system and the observation optical system are coupled using a sharp cut filter that transmits laser light and reflects observation light, so that the cost is low and crosstalk does not occur. Can be formed.

図1は本発明によるレーザ顕微鏡の一例を示す線図である。本例では、計測光学系1と観察光学系2とを有し、計測光学系により試料の断面形状を測定し、観察光学系により試料の2次元画像を撮像する。計測光学系1は、レーザ光源10を有する。レーザ光源10として、波長が408nmの計測光を出射する半導体レーザを用いる。レーザ光源10から出射したレーザ光は、エキスパンダ光学系11により拡大光束に変換され、シリンドリカルレンズ12により第2の方向に集束した偏平なビームに変換される。当該ビームは、偏光ビームスプリッタ13を透過し、1/4波長板14を通過してマイクロミラー装置(DMD)15の光入射面に垂直に入射する。   FIG. 1 is a diagram showing an example of a laser microscope according to the present invention. In this example, the measurement optical system 1 and the observation optical system 2 are provided, the cross-sectional shape of the sample is measured by the measurement optical system, and a two-dimensional image of the sample is captured by the observation optical system. The measurement optical system 1 has a laser light source 10. As the laser light source 10, a semiconductor laser that emits measurement light having a wavelength of 408 nm is used. The laser light emitted from the laser light source 10 is converted into an expanded light beam by the expander optical system 11 and converted into a flat beam focused in the second direction by the cylindrical lens 12. The beam passes through the polarization beam splitter 13, passes through the quarter-wave plate 14, and enters the light incident surface of the micromirror device (DMD) 15 perpendicularly.

本発明では、マイクロミラー装置の各マイクロミラー素子を個別に駆動して画像表示装置として使用するのではなく、駆動パルス発生装置(図示せず)から全てのマイクロミラー素子に同一の駆動パルスを供給し、各ミラー面の全体としての高速回動により入射したレーザビームを発散性の非コヒーレントな光ビームに変換する。マイクロミラー装置15は、光入射面に2次元マトリックス状に配置した複数のマイクロミラー素子を有し、各マイクロミラー素子は、例えば14μm×14μmの矩形のアルミニウムのミラー面を有する。各マイクロミラー素子に同一の駆動パルスが入力すると、各ミラー面は、全体として高速で往復回動ないし往復傾動し、入射したレーザビームを高速偏向させる。すなわち、各ミラー面は、支持柱を中心にして、供給される駆動パルスに応じて、中立点をはさんで一方の側から他方の側に周期的に高速回動するため、各ミラー面に入射したビーム部分がそれぞれ高速で偏向されることになる。この結果、マイクロミラー装置15から発散性のライン状光ビームが出射する。尚、マイクロミラー装置による偏向方向を前記第2の方向と直交する第1の方向とし、この第1の方向は、後述するライン状光ビームの延在方向とする。   In the present invention, each micromirror element of the micromirror device is not individually driven and used as an image display device, but the same drive pulse is supplied to all the micromirror elements from a drive pulse generator (not shown). Then, the incident laser beam is converted into a divergent non-coherent light beam by the high-speed rotation of each mirror surface as a whole. The micromirror device 15 has a plurality of micromirror elements arranged in a two-dimensional matrix on the light incident surface, and each micromirror element has a rectangular aluminum mirror surface of, for example, 14 μm × 14 μm. When the same drive pulse is input to each micromirror element, each mirror surface rotates or reciprocates at high speed as a whole, and deflects the incident laser beam at high speed. That is, each mirror surface is periodically rotated at high speed from one side to the other side with a neutral point between the mirror pillars according to the drive pulse supplied, so that each mirror surface has a center. Each incident beam portion is deflected at high speed. As a result, a divergent line light beam is emitted from the micromirror device 15. The deflection direction by the micromirror device is a first direction orthogonal to the second direction, and the first direction is an extension direction of a line-shaped light beam to be described later.

一方、マイクロミラー装置の各マイクロミラー素子は、全体として同一の駆動パルスが入力しても、各ミラー面は、微視的に見た場合、その質量等の差によりそれぞれランダムな状態で回動ないし傾動する。このため、入射したレーザビームの各マイクロミラー面に入射したビーム部分は、それぞれランダムな状態で反射する。この結果、マイクロミラー装置から出射するライン状光ビームは、ビーム全体として見た場合、位相関係がそれぞれランダムな状態となり、もはやコヒーレント性は維持されず、発散性の非コヒーレントな光ビームに変換される。この結果、グレァ等が発生しない鮮明な画像を撮像することが可能である。尚、マイクロミラー装置によりレーザビームが非コヒーレントな光ビームに変換されることは、実験により実証されている。   On the other hand, each micromirror element of the micromirror device rotates in a random state due to the difference in mass, etc., when viewed microscopically, even if the same drive pulse is input as a whole Or tilt. For this reason, the beam portion incident on each micromirror surface of the incident laser beam is reflected in a random state. As a result, the line-shaped light beam emitted from the micromirror device is converted into a divergent, non-coherent light beam because the phase relationship becomes random when viewed as a whole beam, the coherency is no longer maintained. The As a result, it is possible to capture a clear image in which no glare or the like occurs. It has been proved by experiments that the laser beam is converted into a non-coherent light beam by the micromirror device.

マイクロミラー装置15から出射した非コヒーレントなライン状光ビームは、1/4波長板14を透過し、偏光ビームスプリッタ13の偏光面で反射する。偏光ビームスプリッタ13から出射した光ビームは、集束性の球面レンズ16に入射し、第1の方向に拡大された平行な光ビームに変換される。このライン状の平行光ビームは、第2のシリンドリカルレンズ17により第2の方向に集束され、リレーレンズ18を経て第2の偏光ビームスプリッタ19に入射する。第2の偏光ビームスプリッタから出射した光ビームは、1/4波長板20を透過し、カップリング光学系21に入射する。   The non-coherent line light beam emitted from the micromirror device 15 passes through the quarter-wave plate 14 and is reflected by the polarization plane of the polarization beam splitter 13. The light beam emitted from the polarization beam splitter 13 enters the converging spherical lens 16 and is converted into a parallel light beam expanded in the first direction. The line-shaped parallel light beam is converged in the second direction by the second cylindrical lens 17, and enters the second polarization beam splitter 19 through the relay lens 18. The light beam emitted from the second polarization beam splitter passes through the quarter wavelength plate 20 and enters the coupling optical system 21.

カップリング光学系21は、計測光学系1と観察光学系2とを光学的に結合する光学系であり、例えば光学的に透明な基板上に誘電体多層膜が形成されたシャープカットフィルタで構成する。当該シャープカットフィルタは、波長408nmの計測光を透過し、450nm以上の可視光を反射するビームスプリッタとして機能する。当該シャープカットフィルタの反射特性を図2に示す。尚、このシャープカットフィルタは、偏波面特性が良好であるため、円偏光として入射した光ビームの偏波面特性を害することなく対物レンズに入射させることができる。   The coupling optical system 21 is an optical system that optically couples the measurement optical system 1 and the observation optical system 2, and includes, for example, a sharp cut filter in which a dielectric multilayer film is formed on an optically transparent substrate. To do. The sharp cut filter functions as a beam splitter that transmits measurement light having a wavelength of 408 nm and reflects visible light having a wavelength of 450 nm or more. The reflection characteristics of the sharp cut filter are shown in FIG. Since the sharp cut filter has good polarization plane characteristics, it can be incident on the objective lens without harming the polarization plane characteristics of the light beam incident as circularly polarized light.

カップリング光学系21を透過した光ビームは結像レンズ22を経て対物レンズ23に入射する。対物レンズ23にはサーボモータ24が連結され、このサーボモータにより光軸方向にそって移動することが可能である。また、対物レンズ23の光軸方向の位置を検出するエンコーダ25を設け、このエンコーダ25により対物レンズの光軸方向の位置を検出する。尚、対物レンズを固定し、試料を支持するステージを対物レンズの光軸方向に移動させて対物レンズと試料との間の相対距離を変化させることも可能である。   The light beam that has passed through the coupling optical system 21 enters the objective lens 23 through the imaging lens 22. A servo motor 24 is connected to the objective lens 23, and can be moved along the optical axis direction by this servo motor. Further, an encoder 25 for detecting the position of the objective lens 23 in the optical axis direction is provided, and the encoder 25 detects the position of the objective lens in the optical axis direction. It is also possible to change the relative distance between the objective lens and the sample by fixing the objective lens and moving the stage supporting the sample in the optical axis direction of the objective lens.

計測ビームは、対物レンズ23により集束され、集束性のライン状光ビームとして、ステージ26上に載置した観察すべき試料27上に入射する。試料表面の走査中、対物レンズ23を光軸方向にそって移動させてZ軸スキャンを行う。この場合、ライン状光ビームの集束線は光軸方向に移動するから、試料23の表面に凹凸がある場合、試料表面の各部位は集束線により順次走査されることになる。尚、走査中に、対物レンズ23の光軸方向の位置はエンコーダ25により検出する。そして、後述するように、エンコーダ25により検出されたZ軸方向の位置情報を用いて試料の表面のZ軸方向の位置を検出する。   The measurement beam is focused by the objective lens 23 and is incident on the sample 27 to be observed placed on the stage 26 as a convergent line-shaped light beam. During scanning of the sample surface, the Z-axis scan is performed by moving the objective lens 23 along the optical axis direction. In this case, since the converging line of the line-shaped light beam moves in the optical axis direction, when the surface of the sample 23 is uneven, each part of the sample surface is sequentially scanned by the converging line. During scanning, the position of the objective lens 23 in the optical axis direction is detected by the encoder 25. As described later, the position information in the Z-axis direction on the surface of the sample is detected using the position information in the Z-axis direction detected by the encoder 25.

試料27からライン状の反射光が発生し、当該ライン状の反射光は、対物レンズ23により集光され、結像レンズ22、カップリング光学系21、1/4波長板20を経て偏光ビームスプリッタ19に入射する。この試料からの反射光は1/4波長板20を2回通過しているから、偏光ビームスプリッタ19を透過し、420nm以上の波長光をカットするフィルタ28を経てリニァイメージセンサ29に入射する。尚、当該フィルタ28は必ずしも必要な構成要素ではなく、必要に応じて配置する。   Line-shaped reflected light is generated from the sample 27, and the line-shaped reflected light is collected by the objective lens 23, passes through the imaging lens 22, the coupling optical system 21, and the ¼ wavelength plate 20, and is then a polarizing beam splitter. 19 enters. Since the reflected light from the sample passes through the quarter-wave plate 20 twice, it passes through the polarizing beam splitter 19 and enters the linear image sensor 29 through a filter 28 that cuts light having a wavelength of 420 nm or more. . The filter 28 is not necessarily a necessary component, and is disposed as necessary.

リニァイメージセンサ29は、ライン状光ビームの延在方向である第1の方向と対応する方向に配列した複数の受光素子を有し、試料からのライン状の反射光はリニァイメージセンサ29の各受光素子により受光される。各受光素子に蓄積した電荷は、コントローラ(図示せず)の制御のもとで所定の周波数で順次読み出され、増幅器30により増幅され、1次元画像信号として信号処理装置31に入力する。尚、本例では、カップリング光学系21として、計測光を透過させ観察光を反射するビームスプリッタとして作用するシャープカットフィルタを用いているので、リニァイメージセンサ29には観察光がほとんど入射せず、この結果ノイズが大幅に低減された画像信号が出力される。   The linear image sensor 29 has a plurality of light receiving elements arranged in a direction corresponding to the first direction which is the extending direction of the linear light beam, and the linear reflected light from the sample is the linear image sensor 29. The light receiving elements receive the light. The charges accumulated in each light receiving element are sequentially read out at a predetermined frequency under the control of a controller (not shown), amplified by the amplifier 30, and input to the signal processing device 31 as a one-dimensional image signal. In this example, a sharp cut filter that acts as a beam splitter that transmits measurement light and reflects observation light is used as the coupling optical system 21, so that almost no observation light is incident on the linear image sensor 29. As a result, an image signal with significantly reduced noise is output.

信号処理回路31は、リニァイメージセンサ29から順次読み出された画像信号について信号処理を行ってビデオ出力を発生する。また、エンコーダ25により検出された対物レンズの位置情報も信号処理回路31に供給される。尚、サーボモータ24の駆動制御もコントローラの制御のもとで行われる。   The signal processing circuit 31 performs signal processing on the image signals sequentially read from the linear image sensor 29 to generate a video output. The position information of the objective lens detected by the encoder 25 is also supplied to the signal processing circuit 31. The drive control of the servo motor 24 is also performed under the control of the controller.

次に、観察光学系2について説明する。ハロゲンランプ等の白色光源(図示せず)から発生した観察光を光ファイバ32により観察光学系の光路に導入する。観察光は、ビームスプリッタ33、結像レンズ34及び430nm以下の波長光をカットするフィルタ35を経てカップリング光学系21に入射する。尚、フィルタ35は必ずしも必要ではなく、必要に応じて配置する。カップリング光学系21は、波長408nmの計測光を透過し、450nm以上の可視光を反射するビームスプリッタとして機能するから、観察光はカップリング光学系21で反射し、計測光学系の光路を伝搬し、結像レンズ22及び対物レンズ23を経て試料27の表面を照明する。計測光学系1と観察光学系2とは対物レンズを共通に使用しているから、観察光学系からの観察光は、試料27の計測光学系1の視野を含む視野を照明する。試料表面で反射した観察光は、対物レンズ23により集光され、結像レンズ22、カップリング光学系21、フィルタ35、結像レンズ34を経てビームスプリッタ33に入射する。そして、ビームスプリッタ33で反射し、2次元CCD36上に結像される。2次元CCD36から出力される2次元画像信号は信号処理回路31に供給する。   Next, the observation optical system 2 will be described. Observation light generated from a white light source (not shown) such as a halogen lamp is introduced into the optical path of the observation optical system by the optical fiber 32. The observation light enters the coupling optical system 21 through the beam splitter 33, the imaging lens 34, and the filter 35 that cuts light having a wavelength of 430 nm or less. Note that the filter 35 is not always necessary, and is disposed as necessary. Since the coupling optical system 21 functions as a beam splitter that transmits measurement light having a wavelength of 408 nm and reflects visible light having a wavelength of 450 nm or more, the observation light is reflected by the coupling optical system 21 and propagates through the optical path of the measurement optical system. Then, the surface of the sample 27 is illuminated through the imaging lens 22 and the objective lens 23. Since the measurement optical system 1 and the observation optical system 2 use the objective lens in common, the observation light from the observation optical system illuminates the visual field including the visual field of the measurement optical system 1 of the sample 27. The observation light reflected from the sample surface is collected by the objective lens 23 and enters the beam splitter 33 through the imaging lens 22, the coupling optical system 21, the filter 35, and the imaging lens 34. Then, the light is reflected by the beam splitter 33 and imaged on the two-dimensional CCD 36. A two-dimensional image signal output from the two-dimensional CCD 36 is supplied to the signal processing circuit 31.

図3は信号処理回路の一例を示す線図である。リニァイメージセンサ29から出力される1次元画像信号は増幅器30により増幅され、A/D変換器40によりデジタル信号の1次元画像信号に変換される。1次元画像信号は比較器41に供給される。1次元画像信号はセレクタ42にも供給され、セレクタを経てメモリ43に蓄積する。メモリ43に格納されている画像信号は、比較器41及びセレクタ42の第2入力に供給する。比較器41は、リニァイメージセンサ29から順次入力する画像信号とメモリ43から入力する画像信号とを画素毎に比較し、リニァイメージセンサから入力する画像信号の輝度値が大きい場合、書込制御信号を発生し、セレクタ42に制御信号として供給する。セレクタ42は新たな輝度値をメモリ43に供給する。このようにして、Z軸スキャンが終了すると、各画素の輝度値が最大となる1次元画像信号がメモリ43に蓄積される。   FIG. 3 is a diagram showing an example of a signal processing circuit. The one-dimensional image signal output from the linear image sensor 29 is amplified by the amplifier 30 and converted into a digital one-dimensional image signal by the A / D converter 40. The one-dimensional image signal is supplied to the comparator 41. The one-dimensional image signal is also supplied to the selector 42 and is stored in the memory 43 via the selector. The image signal stored in the memory 43 is supplied to the second input of the comparator 41 and the selector 42. The comparator 41 compares the image signal sequentially input from the linear image sensor 29 and the image signal input from the memory 43 for each pixel. If the luminance value of the image signal input from the linear image sensor is large, the comparator 41 A control signal is generated and supplied to the selector 42 as a control signal. The selector 42 supplies a new luminance value to the memory 43. Thus, when the Z-axis scan is completed, a one-dimensional image signal that maximizes the luminance value of each pixel is accumulated in the memory 43.

エンコーダ25から出力される対物レンズの位置情報は、カウンタ44により計数され、Z軸メモリ45に供給される。Z軸メモリ45には、比較器41から出力される書込制御信号も入力し、この書込制御信号をトリガとしてエンコーダからの出力信号がZ軸メモリ45に各画素毎に書き込まれる。従って、対物レンズのZ軸方向のスキャンが終了した際、Z軸メモリ45には、最大輝度値を発生する対物レンズ23の位置情報が書き込まれることになる。輝度値が最大になるZ軸方向の位置情報は、試料に入射したライン状光ビームの集束点が試料表面上に位置したときの位置であるから、Z軸メモリ45には、基準位置からの試料の高さ情報、すなわち試料の断面形状ないし断面プロファイルを示す情報が格納される。   The objective lens position information output from the encoder 25 is counted by the counter 44 and supplied to the Z-axis memory 45. A write control signal output from the comparator 41 is also input to the Z-axis memory 45, and an output signal from the encoder is written to the Z-axis memory 45 for each pixel using this write control signal as a trigger. Therefore, when the scanning of the objective lens in the Z-axis direction is completed, the position information of the objective lens 23 that generates the maximum luminance value is written in the Z-axis memory 45. Since the position information in the Z-axis direction where the luminance value is maximized is the position when the focal point of the line-shaped light beam incident on the sample is positioned on the sample surface, the Z-axis memory 45 stores the position information from the reference position. Information on the height of the sample, that is, information indicating the cross-sectional shape or cross-sectional profile of the sample is stored.

Z軸メモリ45に記憶された位置情報は演算部46に供給され、演算処理により試料の断面形状が算出され、当該断面形状情報は断面形状メモリに47に記憶される。この断面形状情報は、モニタ48に表示される画像を切り換えるモード切換スイッチ49に供給されると共にスーパーインポーザ50にも供給する。   The position information stored in the Z-axis memory 45 is supplied to the calculation unit 46, the cross-sectional shape of the sample is calculated by the calculation process, and the cross-sectional shape information is stored in the cross-sectional shape memory 47. The cross-sectional shape information is supplied to the mode changeover switch 49 for switching the image displayed on the monitor 48 and also to the super impose 50.

2次元CCD36から出力される2次元画像信号は、A/D変換器51によりデジタル信号に変換され、画像メモリ52に記憶する。当該2次元画像信号は、モード切換スイッチ49に供給されると共にスーパーインポーザ50に供給される。スーパーインポーザ50は、試料の2次元画像と断面形状とを合成し、合成画像信号をモード切換スイッチ49に出力する。この結果、モード切換スイッチ49は、ユーザにより入力される切換信号により、試料の2次元画像、断面形状、及び2次元画像に断面形状が重畳された合成画像のいずれかの画像をモニタ48に出力する。   The two-dimensional image signal output from the two-dimensional CCD 36 is converted into a digital signal by the A / D converter 51 and stored in the image memory 52. The two-dimensional image signal is supplied to the mode changeover switch 49 and also to the superimposer 50. The superimposer 50 synthesizes the two-dimensional image of the sample and the cross-sectional shape, and outputs a synthesized image signal to the mode switch 49. As a result, the mode changeover switch 49 outputs to the monitor 48 one of the two-dimensional image of the sample, the cross-sectional shape, and the composite image in which the cross-sectional shape is superimposed on the two-dimensional image in response to a switching signal input by the user. To do.

次に、当該レーザ顕微鏡の操作について説明する。ユーザは、観察しようとする試料をセットし、2次元CCDにより撮像される試料の2次元画像を撮像してモニタ上に出力する。次に、モニタを見ながら、断面形状を撮像したい視野を設定する。次に、撮像モードを切り換え、断面形状を測定する。得られた断面形状を2次元画像に重畳してモニタに出力する。或いは、断面形状だけをモニタ上に表示することもできる。   Next, the operation of the laser microscope will be described. The user sets a sample to be observed, captures a two-dimensional image of the sample captured by the two-dimensional CCD, and outputs it on the monitor. Next, while looking at the monitor, a field of view for capturing the cross-sectional shape is set. Next, the imaging mode is switched and the cross-sectional shape is measured. The obtained cross-sectional shape is superimposed on the two-dimensional image and output to the monitor. Alternatively, only the cross-sectional shape can be displayed on the monitor.

次に、試料の2次元画像、2次元共焦点画像、3次元画像及び断面形状を撮像するレーザ顕微鏡について説明する。図4は本発明によるレーザ顕微鏡の第2実施例を示す線図である。尚、図4に示すレーザ顕微鏡において、図1に示す部材と同一の部材には同一符号を付して説明を省略する。レーザビームを非コヒーレントなライン状光ビームに変換する光学系は、図1に示すレーザ顕微鏡と同一であり、本例ではシリンドリカルレンズ12と偏光ビームスプリッタ13との間の光路中に全反射ミラー60を配置して光路を折り曲げる。本例では、第2のビームスプリッタ19とカップリング光学系21との間の光路中に、順次1/4波長板20、結像レンズ61、振動ミラー62、リレーレンズ63、及び全反射ミラー64を配置する。振動ミラー62は、入射したライン状光ビームをその延在方向と直交する方向に所定の周波数で周期的に偏向する。従って、試料27はライン状光ビームにより周期的に2次元走査されることになる。尚、観察光学系21の後段にリレーレンズ65を配置する。   Next, a laser microscope that captures a two-dimensional image, a two-dimensional confocal image, a three-dimensional image, and a cross-sectional shape of a sample will be described. FIG. 4 is a diagram showing a second embodiment of the laser microscope according to the present invention. In the laser microscope shown in FIG. 4, the same members as those shown in FIG. The optical system for converting the laser beam into a non-coherent line-shaped light beam is the same as the laser microscope shown in FIG. 1, and in this example, a total reflection mirror 60 is provided in the optical path between the cylindrical lens 12 and the polarization beam splitter 13. Place and fold the optical path. In this example, in the optical path between the second beam splitter 19 and the coupling optical system 21, the quarter-wave plate 20, the imaging lens 61, the vibration mirror 62, the relay lens 63, and the total reflection mirror 64 are sequentially provided. Place. The oscillating mirror 62 periodically deflects the incident line-shaped light beam at a predetermined frequency in a direction orthogonal to the extending direction. Therefore, the sample 27 is periodically two-dimensionally scanned by the line-shaped light beam. Note that a relay lens 65 is disposed downstream of the observation optical system 21.

試料27からのライン状の反射光は、光路を逆方向に伝搬して振動ミラー62に入射する。入射した反射ビームは、振動ミラーによりデスキャンされ、結像レンズ61、1/4波長板20を経て偏光ビームスプリッタ19に入射する。
さらに、偏光ビームスプリッタ19を透過し、フィルタ28を経てリニァイメージセンサ29に入射する。入射したライン状の反射ビームは、振動ミラー62によりデスキャンされているため、試料からのライン状の反射光はリニァイメージセンサ上に静止した状態となる。リニァイメージセンサの各受光素子に蓄積された電荷は、コントローラ66の制御のもとで所定の周波数で順次読み出され、増幅器30により増幅され、信号処理回路67に供給される。尚、振動ミラー62及びサーボモータ24の駆動制御もコントローラ66の制御のもとで行う。本例でも、カップリング光学系としてレーザ光を透過し観察光を反射するシャープカットフィルタを用いているので、リニァイメージセンサには観察光がほとんど入射せず、ノイズが大幅に低減された画像信号が出力される。
The line-shaped reflected light from the sample 27 propagates in the reverse direction along the optical path and enters the vibrating mirror 62. The incident reflected beam is descanned by the vibrating mirror and enters the polarizing beam splitter 19 through the imaging lens 61 and the quarter-wave plate 20.
Further, the light passes through the polarizing beam splitter 19, enters the linear image sensor 29 through the filter 28. Since the incident line-shaped reflected beam is descanned by the vibrating mirror 62, the line-shaped reflected light from the sample is stationary on the linear image sensor. The charges accumulated in each light receiving element of the linear image sensor are sequentially read out at a predetermined frequency under the control of the controller 66, amplified by the amplifier 30, and supplied to the signal processing circuit 67. The drive control of the vibrating mirror 62 and the servo motor 24 is also performed under the control of the controller 66. In this example as well, a sharp cut filter that transmits laser light and reflects observation light is used as the coupling optical system, so almost no observation light is incident on the linear image sensor and noise is greatly reduced. A signal is output.

観察光学系は、図1に示す観察光学系と同一の構成であるため、説明は省略する。   The observation optical system has the same configuration as the observation optical system shown in FIG.

図5は、第2の実施例のレーザ顕微鏡の信号処理回路の一例を示す線図である。尚、図3に示す信号処理回路で用いた部材と同一の部材には同一符号を付して説明する。リニァイメージセンサ29からの出力信号は増幅器30により増幅され、A/D変換器40によりデジタル信号に変換されて比較器70に入力すると共に、セレクタ71にも供給され、セレクタ71を経て第1の画像メモリ72に記憶される。第1の画像メモリ72には試料の2次元画像の各画素値が記憶され、各画素値は比較器70に供給される。比較器70は、2次元画像の各画素毎に第1の画像メモリ72に記憶されている画素値とリニァイメージセンサから出力される画素値とを順次比較し、新たに入力した画素値のほうが大きい場合、書込制御信号を発生してセレクタ72に供給する。セレクタ71には、リニァイメージセンサからの出力信号と共に第1の画像メモリ72に記憶されている画素値が供給され、リニァイメージセンサからの出力が大きい場合、比較器から出力される書込制御信号によりリニァイメージセンサからの出力値が選択されて第1の画像メモリ72に書き込まれる。このようにして、試料の2次元共焦点画像情報が第1の画像メモリ72に記憶される。第1の画像メモリ72に記憶された2次元共焦点画像は、モード切換スイッチ73に供給される。   FIG. 5 is a diagram showing an example of a signal processing circuit of the laser microscope of the second embodiment. The same members as those used in the signal processing circuit shown in FIG. The output signal from the linear image sensor 29 is amplified by the amplifier 30, converted into a digital signal by the A / D converter 40, input to the comparator 70, and also supplied to the selector 71, and the first signal passes through the selector 71. Are stored in the image memory 72. Each pixel value of the two-dimensional image of the sample is stored in the first image memory 72, and each pixel value is supplied to the comparator 70. The comparator 70 sequentially compares the pixel value stored in the first image memory 72 and the pixel value output from the linear image sensor for each pixel of the two-dimensional image, and calculates the newly input pixel value. If it is greater, a write control signal is generated and supplied to the selector 72. The selector 71 is supplied with the pixel value stored in the first image memory 72 together with the output signal from the linear image sensor, and when the output from the linear image sensor is large, the writing output from the comparator is performed. The output value from the linear image sensor is selected by the control signal and written to the first image memory 72. In this way, the two-dimensional confocal image information of the sample is stored in the first image memory 72. The two-dimensional confocal image stored in the first image memory 72 is supplied to the mode changeover switch 73.

エンコーダ25からの出力信号はカウンタ44により計数されてZ軸メモリ45に供給される。Z軸メモリ45には比較器70からの出力信号が書込制御信号として入力する。そして、Z軸メモリ45に最大輝度値を発生するZ軸方向の位置情報が各画素毎に書き込まれる。ユーザにより指定された方向の断面形状を算出する場合、Z軸メモリに記憶された位置情報から、指定された方向の位置情報が断面形状演算部46に供給され、指定された方向の断面形状画像が算出され、算出された断面形状画像が断面形状メモリ47に記憶される。   An output signal from the encoder 25 is counted by the counter 44 and supplied to the Z-axis memory 45. An output signal from the comparator 70 is input to the Z-axis memory 45 as a write control signal. Then, position information in the Z-axis direction that generates the maximum luminance value is written in the Z-axis memory 45 for each pixel. When calculating the cross-sectional shape in the direction specified by the user, the position information in the specified direction is supplied from the position information stored in the Z-axis memory to the cross-sectional shape calculation unit 46, and the cross-sectional shape image in the specified direction Is calculated, and the calculated cross-sectional shape image is stored in the cross-sectional shape memory 47.

第1の画像メモリ72に記憶されている2次元共焦点画像及びZ軸メモリ45に記憶されている位置情報は3次元画像作成部74に供給されて試料の3次元画像が作成される。すなわち、Z軸メモリに記憶されている位置情報は、試料表面の奥行情報ないし高さ情報であるから、この高さ情報と2次元共焦点画像を用いて試料表面の3次元画像を作成することができる。作成された3次元画像はモード切換スイッチ73に出力される。   The two-dimensional confocal image stored in the first image memory 72 and the position information stored in the Z-axis memory 45 are supplied to the three-dimensional image creation unit 74 to create a three-dimensional image of the sample. That is, since the position information stored in the Z-axis memory is depth information or height information of the sample surface, a three-dimensional image of the sample surface is created using this height information and a two-dimensional confocal image. Can do. The created three-dimensional image is output to the mode switch 73.

2次元CCD36からの画像信号は、A/D変調器51によりA/D変換され、第2の画像メモリ52に記憶される。第2の画像メモリ52に記憶されている2次元画像情報はスイッチ75に供給されると共にモード切換スイッチ73にも供給される。スイッチ75には第1の画像メモリ72に記憶されている2次元共焦点画像情報も供給される。このスイッチ75は、試料の断面形状に重畳される2次元画像として2次元共焦点画像を用いるか又は通常の2次元画像を用いるかを選択するものであり、ユーザが通常の2次元画像上に断面形状画像を重ねることを希望する場合、第2の画像メモリの画像が選択され、2次元共焦点画像を希望する場合第1の画像メモリに記憶されている画像が選択される。選択された2次元画像はスーパーインポーザ76に供給される。スーパーインポーザには断面形状メモリ47に記憶されている断面形状画像も入力し、2次元画像に断面形状画像が重畳された画像が出力され、モード切換スイッチ73に供給される。   The image signal from the two-dimensional CCD 36 is A / D converted by the A / D modulator 51 and stored in the second image memory 52. The two-dimensional image information stored in the second image memory 52 is supplied to the switch 75 and also to the mode changeover switch 73. The switch 75 is also supplied with two-dimensional confocal image information stored in the first image memory 72. This switch 75 selects whether to use a two-dimensional confocal image or a normal two-dimensional image as a two-dimensional image superimposed on the cross-sectional shape of the sample. When it is desired to superimpose the cross-sectional shape images, the image in the second image memory is selected, and when the two-dimensional confocal image is desired, the image stored in the first image memory is selected. The selected two-dimensional image is supplied to the superimposer 76. The superimposer also receives a cross-sectional shape image stored in the cross-sectional shape memory 47, outputs an image in which the cross-sectional shape image is superimposed on the two-dimensional image, and supplies the image to the mode switch 73.

次に、当該レーザ顕微鏡の操作について説明する。本例のレーザ顕微鏡は、モード切換スイッチを切り換えることにより、以下の6つのモードで試料を観察することができる。
モード1:2次元画像表示モード
モード2:2次元共焦点画像表示モード
モード3:3次元画像表示モード
モード4:断面形状表示モード
モード5:重畳画像表示モード1(2次元画像+断面形状)
モード6:重畳画像表示モード2(2次元共焦点画像+断面形状)
上記6つのモードは、モード切換スイッチ73を切り換えることにより表示される。
Next, the operation of the laser microscope will be described. The laser microscope of this example can observe the sample in the following six modes by switching the mode changeover switch.
Mode 1: Two-dimensional image display mode Mode 2: Two-dimensional confocal image display mode Mode 3: Three-dimensional image display mode Mode 4: Cross-sectional shape display mode Mode 5: Superimposed image display mode 1 (2D image + cross-sectional shape)
Mode 6: Superimposed image display mode 2 (2D confocal image + sectional shape)
The above six modes are displayed by switching the mode switch 73.

試料観察に際し、ユーザは、観察すべき試料をセットし、切換スイッチをモード1に設定して試料の通常の2次元画像を撮像する。表示モード切換スイッチをモード1に設定することにより、観察光学系だけが駆動し、試料の2次元画像が撮像され、第2の画像メモリに記憶される。同時に、モード切換スイッチ73は第2の画像メモリ52の画像情報をモニタに供給するように切り換わり、モニタ48上に通常の2次元画像が表示される。   When observing the sample, the user sets the sample to be observed, sets the changeover switch to mode 1, and captures a normal two-dimensional image of the sample. By setting the display mode selector switch to mode 1, only the observation optical system is driven, and a two-dimensional image of the sample is taken and stored in the second image memory. At the same time, the mode switch 73 is switched to supply the image information in the second image memory 52 to the monitor, and a normal two-dimensional image is displayed on the monitor 48.

視野を設定した後、共焦点画像を観察することを希望する場合、ユーザは、切換スイッチをモード2に設定する。モード2に設定すると、共焦点光学系が駆動し、指定した視野の共焦点画像が撮像され、2次元共焦点画像が第1の画像メモリ72に格納される。さらに、モード切換スイッチ73が切り換わり、2次元共焦点画像がモニタ上に表示される。この共焦点画像撮像モードでは、表面に凹凸がある試料でも全ての部位について焦点が合った全焦点画像が撮像される。   If the user wishes to observe the confocal image after setting the field of view, the user sets the changeover switch to mode 2. When the mode 2 is set, the confocal optical system is driven, a confocal image of the designated visual field is captured, and the two-dimensional confocal image is stored in the first image memory 72. Further, the mode changeover switch 73 is switched and a two-dimensional confocal image is displayed on the monitor. In this confocal image capturing mode, an omnifocal image in which all parts are in focus is captured even with a sample having uneven surfaces.

さらに、ユーザが、共焦点画像を観察して特定の部位の断面形状の観察を希望する場合、ユーザは切換スイッチをモード6に設定する。モード6に設定すると、断面形状演算部46が駆動し、指定された方向の画素の位置情報から断面形状を演算し、得られた断面形状画像を断面形状メモリ47に供給する。さらに、スイッチ75が2次元共焦点画像をスーパーインポーザ75に供給するように設定され、スーパーインポーザに2次元共焦点画像と断面形状メモリに格納されている断面形状画像が供給され、2次元共焦点画像上に指定された方向の断面形状画像が重畳された画像がモード切換スイッチに供給され、モニタ上に表示される。勿論、モード5に設定することにより、第2の画像メモリに格納されている通常の2次元画像上に断面形状画像が重畳された画像を表示することも可能である。   Further, when the user wishes to observe the cross-sectional shape of a specific part by observing the confocal image, the user sets the changeover switch to mode 6. When the mode 6 is set, the cross-sectional shape calculation unit 46 is driven, calculates the cross-sectional shape from pixel position information in the designated direction, and supplies the obtained cross-sectional shape image to the cross-sectional shape memory 47. Further, the switch 75 is set to supply a two-dimensional confocal image to the superimposer 75, and the superimposer is supplied with the two-dimensional confocal image and the cross-sectional shape image stored in the cross-sectional shape memory. An image in which the cross-sectional shape image in the designated direction is superimposed on the confocal image is supplied to the mode switch and displayed on the monitor. Of course, by setting to mode 5, it is also possible to display an image in which a cross-sectional image is superimposed on a normal two-dimensional image stored in the second image memory.

次に、図4及び図5に示すレーザ顕微鏡の変形例について説明する。振動ミラー62として、ライン状光ビームを第2の方向に周期的に偏向するビーム偏向モードと、静止ミラーとして用いる静止モードとの間で切り換えられる振動ミラーを用いる。ビーム偏向モードにおいて2次元共焦点画像を撮像し、静止モードにおいて第1の方向(主走査方向)の断面形状を撮像する。本発明では、ライン状光ビームにより試料表面を2次元走査しているため、振動ミラーを静止ミラーとして用い、対物レンズを光軸方向に移動させるだけで試料の断面形状を撮像することができる効果が達成される。この場合、試料表面を2次元走査することなく断面形状が撮像されるため、短時間で簡易に断面形状画像をモニタ上に表示できる。尚、この場合、図3に示す比較器41、セレクタ42、メモリ43、及びZ軸メモリ45を含む回路を付加するだけでモニタ上に表示することができ、断面形状画像をスーパーインポーザに供給することにより2次元画像上に断面形状を重畳することも可能である。 Next, a modification of the laser microscope shown in FIGS . 4 and 5 will be described. As the oscillating mirror 62, an oscillating mirror that is switched between a beam deflection mode that periodically deflects a linear light beam in the second direction and a stationary mode that is used as a stationary mirror is used. A two-dimensional confocal image is captured in the beam deflection mode, and a cross-sectional shape in the first direction (main scanning direction) is captured in the still mode. In the present invention, the surface of the sample is two-dimensionally scanned with a line-shaped light beam, so that the cross-sectional shape of the sample can be imaged simply by moving the objective lens in the optical axis direction using a vibrating mirror as a stationary mirror. Is achieved. In this case, since the cross-sectional shape is imaged without scanning the sample surface two-dimensionally, the cross-sectional shape image can be easily displayed on the monitor in a short time. In this case, it is possible to display on the monitor simply by adding a circuit including the comparator 41, the selector 42, the memory 43, and the Z-axis memory 45 shown in FIG. 3, and supply the cross-sectional shape image to the superimposer. By doing so, the cross-sectional shape can be superimposed on the two-dimensional image.

本発明は上述した実施例だけに限定されず種々の変形や変更が可能である。上述した実施例では、対物レンズを駆動して対物レンズと試料との間の相対距離を変化させたが、試料ステージとして3次元駆動型のステージを用い、ステージをZ軸方向に駆動して対物レンズと試料との間の相対距離を変化させることも可能である。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and changes can be made. In the embodiment described above, the objective lens is driven to change the relative distance between the objective lens and the sample. However, a three-dimensional drive type stage is used as the sample stage, and the stage is driven in the Z-axis direction. It is also possible to change the relative distance between the lens and the sample.

本発明によるレーザ顕微鏡の第1実施例の光学系を示す線図である。1 is a diagram showing an optical system of a first embodiment of a laser microscope according to the present invention. シャープカットフィルタの光透過反射特性を示す線図である。It is a diagram which shows the light transmission reflection characteristic of a sharp cut filter. 第1の実施例の信号処理回路の一例を示す線である。It is a line which shows an example of the signal processing circuit of a 1st Example. 本発明によるレーザ顕微鏡の第2実施例の光学系を示す線図である。It is a diagram which shows the optical system of 2nd Example of the laser microscope by this invention. 第2の実施例の信号処理回路を示す線図である。It is a diagram which shows the signal processing circuit of a 2nd Example.

符号の説明Explanation of symbols

1 計測光学系
2 観察光学系
10 レーザ光源
11 エキスパンダ光学系
12,17 シリンドリカルレンズ
13,19 偏光ビームスプリッタ
14,20 1/4波長板
15 マイクロミラー装置
16 レンズ
18 リレーレンズ
21 カップリング光学系
22,34 結像レンズ
23 対物レンズ
24 サーボモータ
25 エンコーダ
26 ステージ
27 試料
28,35 フィルタ
29 リニァイメージセンサ
30 増幅器
31 信号処理回路
32 光ファイバ
33 ビームスプリッタ
36 2次元CCD
40,51 A/D変換器
41 比較器
42 セレクタ
43 メモリ
44 カウンタ
45 Z軸メモリ
46 断面形状演算部
47 断面形状メモリ
48 モニタ
49 モード切換スイッチ
50 スーパーインポーザ
52 画像メモリ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Measurement optical system 2 Observation optical system 10 Laser light source 11 Expander optical system 12, 17 Cylindrical lens 13, 19 Polarizing beam splitter 14, 20 1/4 wavelength plate 15 Micromirror device 16 Lens 18 Relay lens 21 Coupling optical system 22 , 34 Imaging lens 23 Objective lens 24 Servo motor
25 Encoder 26 Stage 27 Sample 28, 35 Filter 29 Linear image sensor 30 Amplifier 31 Signal processing circuit 32 Optical fiber 33 Beam splitter 36 Two-dimensional CCD
40, 51 A / D converter 41 Comparator 42 Selector 43 Memory 44 Counter 45 Z-axis memory 46 Cross-sectional shape calculation unit 47 Cross-sectional shape memory 48 Monitor 49 Mode changeover switch 50 Superimposer 52 Image memory

Claims (6)

観察すべき試料の共焦点画像を撮像する共焦点光学系と、試料を観察光で照明し、試料の2次元画像を撮像する観察光学系と、前記共焦点光学系から出力される画像信号及び観察光学系から出力される画像信号について信号処理してビデオ信号を出力する信号処理装置とを有するレーザ顕微鏡において、
前記共焦点光学系は、レーザビームを、第1の方向に延在する非コヒーレントなライン状光ビームに変換するライン状光ビーム発生手段と、前記ライン状光ビームを前記第1の方向と直交する第2の方向に周期的に偏向するビーム偏向手段と、ライン状光ビームを観察すべき試料に向けて投射する対物レンズと、対物レンズと試料との間の相対距離を変化させる手段と、対物レンズと試料との間の相対距離を光軸方向の位置情報として検出する位置検出手段と、前記第1の方向と対応する方向に配列された複数の受光素子を有し、試料から出射するライン状の反射光を受光して画像信号を出力するリニァイメージセンサとを有し、
前記観察光学系は、観察光を発生する照明光源と、照明光源から出射した観察光を前記対物レンズの光路に結合するカップリング光学系と、前記試料からの反射光を、前記対物レンズ及びカップリング光学系を介して受光する2次元撮像装置とを有し、
前記信号処理回路は、対物レンズと試料との間の相対距離を変えながら撮像された複数の2次元画像について各画素の最大輝度値を検出する手段と、2次元画像の各画素の最大輝度値を記憶する第1の画像メモリと、前記各画素の最大輝度値を発生する光軸方向の位置を記憶するZ軸メモリと、前記2次元撮像装置から出力される2次元画像情報を記憶する第2の画像メモリとを有し、
前記ライン状光ビームは紫外又は近紫外の波長域の光により構成され、前記観察光は、可視域の白色光により構成され、
前記カップリング光学系は、前記ライン状光ビームを構成する光を透過し前記観察光を反射するシャープカットフィルタで構成され、
当該レーザ顕微鏡は、試料の2次元画像、2次元共焦点画像、3次元画像、断面形状画像、又は前記2次元画像に断面形状画像が重畳された合成画像を出力することを特徴とするレーザ顕微鏡。
A confocal optical system that captures a confocal image of a sample to be observed, an observation optical system that illuminates the sample with observation light and captures a two-dimensional image of the sample, an image signal output from the confocal optical system, and In a laser microscope having a signal processing device that performs signal processing on an image signal output from an observation optical system and outputs a video signal,
The confocal optical system includes a line-shaped light beam generating unit that converts a laser beam into a non-coherent line-shaped light beam extending in a first direction, and the line-shaped light beam orthogonal to the first direction. Beam deflecting means for periodically deflecting in the second direction, an objective lens for projecting the line-shaped light beam toward the specimen to be observed, means for changing the relative distance between the objective lens and the specimen, A position detection unit that detects a relative distance between the objective lens and the sample as position information in the optical axis direction and a plurality of light receiving elements arranged in a direction corresponding to the first direction, and emits from the sample. A linear image sensor that receives line-like reflected light and outputs an image signal ;
The observation optical system includes an illumination light source that generates observation light, a coupling optical system that couples observation light emitted from the illumination light source to the optical path of the objective lens, and reflected light from the sample to the objective lens and the cup. A two-dimensional imaging device that receives light via a ring optical system,
The signal processing circuit includes means for detecting a maximum luminance value of each pixel for a plurality of two-dimensional images captured while changing a relative distance between the objective lens and the sample, and a maximum luminance value of each pixel of the two-dimensional image. A first image memory for storing the image, a Z-axis memory for storing a position in the optical axis direction at which the maximum luminance value of each pixel is generated, and a second image information for storing the two-dimensional image information output from the two-dimensional imaging device. Two image memories,
The line-shaped light beam is composed of light in the ultraviolet or near ultraviolet wavelength region, and the observation light is composed of white light in the visible region,
The coupling optical system is configured by a sharp cut filter that transmits light constituting the line-shaped light beam and reflects the observation light,
The laser microscope outputs a two-dimensional image of a sample, a two-dimensional confocal image, a three-dimensional image, a cross-sectional shape image, or a composite image in which the cross-sectional shape image is superimposed on the two-dimensional image. .
請求項1に記載のレーザ顕微鏡において、前記レーザビームを非コヒーレントなライン状光ビームに変換する手段は、レーザ光源と、光入射面に2次元マトリックス状に配置した複数のマイクロミラー素子を有するマイクロミラー装置と、マイクロミラー素子を全体として一律に駆動させる駆動パルス発生装置とを有することを特徴とするレーザ顕微鏡。 2. The laser microscope according to claim 1, wherein the means for converting the laser beam into a non-coherent line-shaped light beam includes a laser light source and a plurality of micromirror elements arranged in a two-dimensional matrix on the light incident surface. A laser microscope comprising: a mirror device; and a drive pulse generator for driving the micromirror element uniformly as a whole . 観察すべき試料の共焦点画像を撮像する共焦点光学系と、試料を観察光で照明し、試料の2次元画像を撮像する観察光学系と、前記共焦点光学系から出力される画像信号及び観察光学系から出力される画像信号について信号処理してビデオ信号を出力する信号処理装置とを有するレーザ顕微鏡において、
前記共焦点光学系は、レーザビームを、第1の方向に延在する非コヒーレントなライン状光ビームに変換するライン状光ビーム発生手段と、入射したライン状光ビームを周期的に偏向するビーム偏向モードと静止ミラーとして動作する静止モードとの2つのモード間で選択的に切り換えられ、ビーム偏向モードにおいては入射したライン状光ビームを前記第1の方向と直交する第2の方向に周期的に偏向し、静止モードにおいて静止ミラーとして動作する振動ミラーと、前記ライン状光ビームを観察すべき試料に向けて投射する対物レンズと、対物レンズと試料との間の相対距離を変化させる手段と、対物レンズと試料との間の相対距離を光軸方向の位置情報として検出する位置検出手段と、前記第1の方向と対応する方向に配列された複数の受光素子を有し、試料から出射するライン状の反射光を受光して画像信号を出力するリニァイメージセンサとを有し、
前記観察光学系は、観察光を発生する照明光源と、照明光源から出射した観察光を前記対物レンズの光路に結合するカップリング光学系と、前記試料からの反射光を、前記対物レンズ及びカップリング光学系を介して受光する2次元撮像装置とを有し、
前記信号処理回路は、対物レンズと試料との間の相対距離を変えながら撮像された複数の2次元画像について各画素の最大輝度値を検出する手段と、2次元画像の各画素の最大輝度値を記憶する第1の画像メモリと、前記各画素の最大輝度値を発生する光軸方向の位置を記憶するZ軸メモリとを有し、
さらに、前記信号処理回路は、対物レンズと試料との間の相対距離を変えながら撮像された複数の1次元画像について各画素の最大輝度値を検出する手段と、前記1次元画像の各画素について最大輝度値を発生する光軸方向の位置を検出する手段と、検出された位置を記憶するメモリと、当該メモリに記憶されている位置情報から断面形状画像を作成する手段とを有し、
前記信号処理回路は、振動ミラーがビーム偏向モードに設定された場合試料の2次元共焦点画像又は試料の3次元画像を出力し、静止モードに設定された場合試料の断面形状画像を出力し、
当該レーザ顕微鏡は、前記振動ミラーを選択的に切り換えることにより、試料の2次元画像、2次元共焦点画像、3次元画像、断面形状画像、又は前記2次元画像に断面形状画像が重畳された合成画像を選択的に出力することを特徴とするレーザ顕微鏡。
A confocal optical system that captures a confocal image of a sample to be observed, an observation optical system that illuminates the sample with observation light and captures a two-dimensional image of the sample, an image signal output from the confocal optical system, and In a laser microscope having a signal processing device that performs signal processing on an image signal output from an observation optical system and outputs a video signal,
The confocal optical system includes a line-shaped light beam generating unit that converts a laser beam into a non-coherent line-shaped light beam extending in a first direction, and a beam that periodically deflects the incident line-shaped light beam. It is selectively switched between two modes, a deflection mode and a stationary mode that operates as a stationary mirror. In the beam deflection mode, the incident line light beam is periodically shifted in a second direction orthogonal to the first direction. An oscillating mirror that operates as a stationary mirror in a stationary mode, an objective lens that projects the linear light beam toward the sample to be observed, and a means for changing the relative distance between the objective lens and the sample; A position detection means for detecting a relative distance between the objective lens and the sample as position information in the optical axis direction, and a plurality of the detectors arranged in a direction corresponding to the first direction. Has a light receiving element, and a linear § image sensor for outputting an image signal by receiving the linear reflected light emitted from the sample,
The observation optical system includes an illumination light source that generates observation light, a coupling optical system that couples observation light emitted from the illumination light source to the optical path of the objective lens, and reflected light from the sample to the objective lens and the cup. A two-dimensional imaging device that receives light via a ring optical system,
The signal processing circuit includes means for detecting a maximum luminance value of each pixel for a plurality of two-dimensional images captured while changing a relative distance between the objective lens and the sample, and a maximum luminance value of each pixel of the two-dimensional image. And a Z-axis memory for storing a position in the optical axis direction for generating the maximum luminance value of each pixel,
Furthermore, the signal processing circuit detects a maximum luminance value of each pixel for a plurality of one-dimensional images captured while changing the relative distance between the objective lens and the sample, and for each pixel of the one-dimensional image Means for detecting a position in the optical axis direction that generates the maximum luminance value, a memory for storing the detected position, and a means for creating a cross-sectional shape image from the position information stored in the memory;
The signal processing circuit outputs a two-dimensional confocal image of the sample or a three-dimensional image of the sample when the vibrating mirror is set in the beam deflection mode, and outputs a cross-sectional shape image of the sample when set in the stationary mode,
The laser microscope selectively switches the oscillating mirror so that a two-dimensional image of the sample, a two-dimensional confocal image, a three-dimensional image, a cross-sectional shape image, or a composite in which the cross-sectional shape image is superimposed on the two-dimensional image. A laser microscope characterized by selectively outputting an image .
請求項3に記載のレーザ顕微鏡において、前記信号処理回路は、共焦点光学系により撮像された試料の断面形状画像と観察光学系により撮像された試料の2次元画像とを重畳する手段を有し、
当該レーザ顕微鏡は、前記振動ミラーを選択的に切り換えることにより、試料の2次元画像、2次元共焦点画像、3次元画像、及び断面形状画像に加えて、観察光学系により撮像された2次元画像に振動ミラーが静止モードに設定された状態で撮像された断面形状画像が重畳された合成画像を出力することを特徴とするレーザ顕微鏡。
4. The laser microscope according to claim 3, wherein the signal processing circuit includes means for superimposing a cross-sectional shape image of the sample imaged by the confocal optical system and a two-dimensional image of the sample imaged by the observation optical system. ,
The laser microscope selectively switches the oscillating mirror so that a two-dimensional image captured by the observation optical system in addition to a two-dimensional image, a two-dimensional confocal image, a three-dimensional image, and a cross-sectional image of the sample. A laser microscope characterized by outputting a composite image in which a cross-sectional image captured in a state where the vibration mirror is set to a stationary mode is superimposed .
請求項3又は4に記載のレーザ顕微鏡において、前記カップリング光学系は、前記ライン状光ビームを構成する波長光を透過し、前記観察光を反射するシャープカットフィルタで構成したことを特徴とするレーザ顕微鏡。 5. The laser microscope according to claim 3, wherein the coupling optical system includes a sharp cut filter that transmits the wavelength light constituting the linear light beam and reflects the observation light. Laser microscope. 請求項5に記載のレーザ顕微鏡において、前記ライン状光ビーム発生手段は、紫外又は近紫外の波長域の波長光により構成されるライン状光ビームを発生し、前記観察光を発生する照明光源は可視域の白色光を発生し、
前記カップリング光学系は、紫外又は近紫外の波長域の光を透過し可視域の光を反射するシャープカットフィルタで構成したことを特徴とするレーザ顕微鏡。
6. The laser microscope according to claim 5, wherein the line-shaped light beam generating means generates a line-shaped light beam composed of wavelength light in a wavelength region of ultraviolet or near ultraviolet, and the illumination light source for generating the observation light is Generates visible white light,
The laser microscope characterized in that the coupling optical system includes a sharp cut filter that transmits light in the ultraviolet or near-ultraviolet wavelength region and reflects light in the visible region .
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