JP5024864B2 - コンフォーカル顕微鏡、及びコンフォーカル画像の撮像方法 - Google Patents

Description

本発明は、コンフォーカル顕微鏡、及びコンフォーカル画像の撮像方法に関する。

従来のコンフォーカル顕微鏡では、１本のスリットを透過した光が試料に対して照明され、試料からの反射光は、１次元ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ−Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）により検出される構成を採用している（例えば、特許文献１）。このような従来のスリットコンフォーカル顕微鏡においては、マニュアル操作による焦点合わせを行うことが一般的であった。すなわち、１次元ＣＣＤカメラで検出される光量に応じて焦点合わせを行なっている。従来のコンフォーカル顕微鏡では、例えば、画像のコントラストや鮮鋭度から焦点合わせを行なっている。あるいは、観察光学系と別に設置したフォーカス光学系を用いてオートフォーカスを行なっている。
特開平１０−１０４５２３号公報

しかしながら、昨今の顕微鏡の使用において、所定の線幅や段差、粗さを自動で測定する必要性がでてきている。そのようなシステムを組む上で、低コストの焦点合わせ機構は、必要不可欠の機構となってきている。そして、焦点を合わせた状態で、観察や測定を行なう必要がある。しかしながら、従来のスリットコンフォーカル顕微鏡では、簡便な構成で焦点合わせを行なうことができないという問題点がある。

このように、従来のコンフォーカル顕微鏡では、簡便に焦点を調整することができないという問題点があった。
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、簡便な構成で焦点を調整することができるコンフォーカル顕微鏡、及びコンフォーカル画像の撮像方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様に係るコンフォーカル顕微鏡は、照明光を出射する光源と、前記光源からの照明光を線状の光に変換する光変換手段と、前記線状の光を走査する走査手段と、前記光変換手段と共役な位置に配置された試料上に前記線状の光を結像し、前記試料からの透過光又は反射光を結像面に結像する結像手段と、前記透過光又は前記反射光を受光するよう前記結像面に配置され、前記線状の光に対応する画素列を有する観察用検出器と、前記光源からの光の光路上に配置され、前記光源からの光の一部を遮光する遮光部材と、前記走査手段によって前記線状の光とともに走査される光のうち前記試料で反射した光を検出する焦点位置用センサと、前記遮光部材を前記光路上に配置している状態における焦点位置用センサからの出力に基づいて、前記線状の光の焦点位置を調整する焦点調整手段と、を備えるものである。これにより、簡便な構成で焦点を調整することができる。

本発明の第２の態様に係るコンフォーカル顕微鏡は、上記のコンフォーカル顕微鏡であって、前記位置検出用センサからの出力を積分する積分回路をさらに備え、前記積分回路での積分値に基づいて、前記焦点調整手段が焦点を調整することを特徴とするものである。これにより、正確に焦点を調製することができる。

本発明の第３の態様に係るコンフォーカル顕微鏡は、上記のコンフォーカル顕微鏡であって、前記走査手段の走査端に配置された走査位置検出用検出器と、前記走査位置検出用検出器からの出力に基づいて、前記積分回路の積分値を増減させないクランプ動作を行なうクランプ回路と、をさらに備えるものである。これにより、正確に焦点を調製することができる。

本発明の第４の態様に係るコンフォーカル顕微鏡は、上記のコンフォーカル顕微鏡であって、前記走査位置検出用検出器からの出力に基づいて、前記積分回路の積分値をリセットすることを特徴とするものである。これにより、正確に焦点を調製することができる。

本発明の第５の態様に係るコンフォーカル顕微鏡は、上記のコンフォーカル顕微鏡であって、前記光変換手段がライン状の照明用開口部を有するスリット板であって、前記スリット板に焦点位置用センサに受光される光を透過する焦点位置用開口部が設けられていることを特徴とするものである。これにより、簡便な構成で焦点を調製することができる。

本発明の第６の態様に係るコンフォーカル顕微鏡は、上記のコンフォーカル顕微鏡であって、前記焦点調整手段によって焦点が調整されている状態で、前記観察用検出器で線状の光を受光して観察を行なう場合に、前記遮光部材が前記光源からの光の一部を遮光しないことを特徴とするものである。これにより、正確に焦点を調製した状態で観察することができる。

本発明の第７の態様に係るコンフォーカル画像の撮像方法は、コンフォーカル光学系を介して光を検出して、コンフォーカル画像を撮像するコンフォーカル画像の撮像方法であって、光路上に配置された遮光部材によって光の一部を遮光するステップと、前記遮光された光を走査手段によって走査するステップと、前記走査された光を前記試料に集光して照射するステップと、前記試料で反射した反射光を焦点位置用センサで検出するステップと、前記焦点位置用センサからの出力に基づいて、前記試料の焦点を調整するステップと、前記試料の焦点が調整された状態で、ライン状の光を前記走査手段によって走査するステップと、前記走査手段によって走査されたライン状の光を前記試料に集光して照射するステップと、前記試料に照射されたライン状の光のうち前記試料で反射した反射光、又は前記試料を透過した透過光を、前記線状の光に対応する画素列を有する観察用検出器でコンフォーカル光学系を介して受光するステップとを有するものである。これにより、簡便に焦点を調製することができる。

本発明の第８の態様に係るコンフォーカル画像の撮像方法は、上述の撮像方法であって、前記試料の焦点を調整するステップでは、前記焦点位置用センサからの出力を積分した積分値に基づいて、前記焦点を調整することを特徴とするものである。これにより、正確に焦点を調製することができる。

本発明の第９の態様に係るコンフォーカル画像の撮像方法は、上述の撮像方法であって、前記走査手段に走査端では、前記積分値を増減させないクランプ動作を行なうことを特徴とするものである。これにより、正確に焦点を調製することができる。

本発明の第１０の態様に係るコンフォーカル画像の撮像方法は、上述の撮像方法であって、前記走査手段の走査の一端において、前記積分値がリセットされることを特徴とするものである。これにより、正確に焦点を調製することができる。

本発明の第１１の態様に係るコンフォーカル画像の撮像方法は、上述の撮像方法であって、前記線状の光をライン状の照明用開口部を有するスリット板によって生成し、前記スリット板に設けられた焦点位置用開口部を通過して、前記試料で反射した反射光を前記焦点位置用センサで検出することを特徴とするものである。これにより、簡便に焦点を調製することができる。

本発明の第１２の態様に係るコンフォーカル画像の撮像方法は、上述の撮像方法であって、前記ライン状の光を前記走査手段によって走査するステップでは、前記光の一部が遮光されていないことを特徴とするものである。

本発明によれば、簡便な構成で焦点を調整することができるコンフォーカル顕微鏡、及びコンフォーカル画像の撮像方法を提供することができる。これにより、正確に焦点を調製した状態で観察することができる。

本実施の形態に係るコンフォーカル顕微鏡においては、二つの領域を有する光センサからなる二分割センサとスリットの近傍に設けられた遮光板とを有するフォーカス機構を有している。このフォーカス機構によって、コンフォーカル顕微鏡における焦点合わせを自動で行うことができ、かつ低コストで行うことができる。以下に、本発明を適用可能な実施の形態が説明される。以下の説明は、本発明の実施形態を説明するものであり、本発明が以下の実施形態に限定されるものではない。説明の明確化のため、以下の記載は、適宜、省略及び簡略化がなされている。又、当業者であれば、以下の実施形態の各要素を、本発明の範囲において容易に変更、追加、変換することが可能である。

本発明にかかるコンフォーカル顕微鏡の構成について図１を用いて説明する。図１はコンフォーカル顕微鏡１の構成概略図である。本実施の形態に係るコンフォーカル顕微鏡１は、光学系１００と、回路部２００とを有している。光学系１００は、光源１０１、レンズ１０２、１０３、１０６、１０７、１０８、ビームスプリッタ１０４、ガルバノミラー１０５、二分割光センサ１０９、ＣＣＤラインセンサ１１０、及び試料ホルダ１１１を備えている。また、本実施の形態に係るコンフォーカル顕微鏡１の光学系１００は、遮光板１２０及びスリット板１３０を有している。さらに、この光学系１００からの光は、試料ホルダ１１１上に載置された試料３００に集光される。このように、本実施の形態にかかる顕微鏡は、スリットコンフォーカル顕微鏡である。

本実施の形態では、試料３００のコンフォーカル画像を撮像するＣＣＤラインセンサ１１０を備えている。光源１０１からスリット板１３０を透過した光が試料３００を反射して、ＣＣＤラインセンサ１１０により検出される。また、ガルバノミラー１０５を用いることによって、試料３００上を光が走査できるようにしている。すなわち、試料３００上を走査するために、ガルバノミラー１０５を用いる、このことによって、光源１０１からの光の焦点位置が対物レンズ１０７の軸と垂直な方向に変化する。ガルバノミラー１０５は、例えば、３０Ｈｚで光を走査する。ガルバノミラー１０５は、スリット板１３０を通過した線状の光を走査する。これにより、スリットコンフォーカル画像が撮像される。

光源１０１は、例えば白色光源、蛍光励起光源等であり、さらに具体的には、水銀ランプ、ハロゲンランプ等種々の光源を用いることができる。また、発振位相の異なるレーザダイオードを２次元に配列して光源を構成してもよい。発振位相の異なるレーザダイオードを発振させることにより、スペックル（光の干渉により発生する小さな斑点）の発生を抑制することができる。さらに、光源１０１に複数の光ファイバが束ねられたバンドルファイバを設けても良い。すなわち、バンドルファイバから出射された光を照明光として利用してもよい。

二分割光センサ１０９は、二つの領域である領域Ａと領域Ｂに分割された二分割ＰＤ（Ｐｈｏｔｏ ｄｉｏｄｅ）である。本実施の形態に係るコンフォーカル顕微鏡においては、この二分割光センサ１０９の二つの領域において検知された光量によって、試料面が焦点位置に対してずれているか否かを判定することができる。また、試料面が焦点位置に対してずれている場合、試料面がレンズ１０７側にずれているか、レンズ１０７から遠ざかる側にずれているかを判定することができる。すなわち、二分割光センサ１０９は焦点合わせに用いられる。

試料ホルダ１１１は、Ｚ軸駆動モータ２０８を有し、試料３００を図１における上下に移動できるようになっている。この試料ホルダ１１１は、後述するＺ軸駆動モータ２０８によって上下移動しており、この上下移動によって、試料面が焦点位置にくるように制御されている。すなわち、試料ホルダ１１１の上下移動によって、焦点調整が行なわれる。具体的には、二分割光センサ１０９からの出力に応じてＺ軸駆動モータ２０８を駆動する。そして、Ｚ軸駆動モータ２０８の駆動によって試料ホルダ１１１を上下移動させて、試料３００を合焦点位置に移動させる。なお、試料ホルダ１１１を移動して焦点位置を調整する構成に限らず、レンズ１０７などを移動して焦点位置を調整してもよい。

遮光板１２０はスリット板１３０の近傍に設けられており、図１における左右に動かすことが可能になっている。遮光板１２０は、スリット板１３０とレンズ１０３の間に配置される。焦点位置検出時においては、遮光板１２０が光路上に移動して光源１０１からの光を半分だけ遮断するようになっている。それに対して、通常のマスク検査時には、遮光板１２０は、図１における左に動いて光源１０１からの光を試料３００に全て照射されるようになっている。すなわち、コンフォーカル顕微鏡で観察する際には、遮光板１２０が光路上から外れる。このように遮光板１２０は光路上に移動可能に設けられている。そして、通常の観察時には、遮光板１２０は、光路上から取り除かれ、焦点位置検出時には、光路上に配置される。遮光板１２０は、ソレノイドやモータやシリンダなどのアクチュエータによって、精度よく移動される。この遮光板１２０を光路上に配置すると、瞳に対して非対称に照明することができる。具体的には、瞳の片側半分が遮光され、もう片側半分のみから照明される。

また、スリット板１３０は、光源１０１の近傍の光路上に配設される。スリット板１３０によって、光源１０１からの光が線状の光に変換される。このスリット板１３０の位置は、一次像面の位置、ＣＣＤラインセンサ１１０の位置、及び試料面の位置に共役である。スリット板１３０からの光を走査することによって、試料３００におけるコンフォーカル画像を撮像する領域を変化させることができる。すなわち、ガルバノミラー１０５を駆動させて、撮像領域を変化させる。ガルバノミラー１０５は、線状の光と垂直な方向に光を走査する。これにより、試料３００上における光の入射位置が変化して、線状の光が走査される。そして、試料３００で反射した反射光をＣＣＤラインセンサ１１０によって検出する。ＣＣＤラインセンサ１１０の画素は線状の光に対応して配列されている。すなわち、ＣＣＤラインセンサ１１０は線状の光に対応する画素列を有する。これにより、コンフォーカル画像を撮像することができる。このように、ＣＣＤラインセンサ１１０からの出力によって、コンフォーカル画像を観察することができる。

スリット板１３０の概略構造図とそれに対応するセンサ配置を図２に示す。図２（ａ）、及び図２（ｂ）には、それぞれ上側にスリット板１３０の概略構造図が示され、下側にラインセンサ１１０、及び二分割光センサ１０９の配置が示されている。図２に示されるように、スリット板１３０は、焦点位置用開口部１３１と画像照明用開口部１３２とを有している。画像照明用開口部１３２は横長のライン状の開口部である。この画像照明用開口部１３２を通過することによって、光源１０１からの光が線状の光に変換される。なお、焦点位置用開口部１３１と画像照明用開口部１３２とは、図２（ａ）に示したように画像照明用開口部１３２の長手方向と垂直な方向に配置されていてもよい。この場合、ラインセンサ１１０と二分割光センサ１０９とは、ラインセンサ１１０の画素の配列方向と垂直に配置される。あるいは、図２（ｂ）に示すように、焦点位置用開口部１３１と画像照明用開口部１３２とをスリットの長手方向と平行な方向に配置しても良い。この場合、ラインセンサ１１０と二分割光センサ１０９とは、ラインセンサ１１０の画素の配列方向と平行方向に配置される。また、図２（ｂ）に示す構成では、焦点位置用開口部１３１と画像照明用開口部１３２とをつなげてもよい。すなわち、ライン状の開口部の端部を画像照明用開口部１３２として用い、残りの開口部を焦点位置用開口部１３１として用いればよい。このように、焦点位置用開口部１３１と画像照明用開口部１３２との位置関係に応じて、二分割光センサ１０９とＣＣＤラインセンサ１１０の位置が決定される。したがって、二分割光センサ１０９とＣＣＤラインセンサ１１０の物理的な大きさによる制約を緩和することができる。よって、二分割光センサの横方向を大きくすることができ、焦点位置をより正確に検出することができる。

画像照明用開口部１３２は、光源１０１からの光をライン状の光に変換する。すなわち、画像照明用開口部１３２は、ライン状の光を生成する。試料３００を反射した光をＣＣＤラインセンサ１１０によって観測することによってこの試料３００におけるコンフォーカル画像が撮像される。また、焦点位置用開口部１３１を通過した光は、二分割光センサ１０９に照射されることによって、焦点合わせを行っている。焦点位置用開口部１３１は、二分割光センサ１０９の形状に応じた形状を有している。ここでは、焦点位置用開口部１３１を矩形状にしている。

ここで、光源１０１から出射された光の経路について図１を用いて説明する。光源１０１から出射された光は、レンズ１０２によって集光されスリット板１３０に入射される。このスリット板１３０に入射された光は、画像照明用開口部１３２を通過した部分はライン状の光に変換されてレンズ１０３に入射される。また、焦点位置用開口部１３１を通過した光も同様にレンズ１０３に入射する。レンズ１０３に入射された光は、レンズ１０３によって平行光に変換され、ビームスプリッタ１０４によって反射し、ガルバノミラー１０５に入射される。ガルバノミラー１０５を反射した光は、レンズ１０６に入射する。レンズ１０６は、光を１次像面に集光する。そして、レンズ１０６で屈折された光はレンズ１０７に入射する。その後、光はレンズ１０７で屈折され、試料３００を照明する。レンズ１０７は対物レンズであり、照明光を試料３００上に集光する。そして、ガルバノミラー１０５を回転させることによって、試料３００上の所定の撮像位置に照明することが可能になる。

試料３００を反射した反射光は、レンズ１０７に入射する。レンズ１０７は反射光を１次像面に集光する。このようにレンズ１０７は光を試料上、及び１次像面上に結像する。この反射光はレンズ１０６に入射する。そして、反射光は、レンズ１０６で屈折され平行光束となる。平行光束となった反射光は、ガルバノミラー１０５で反射する。このガルバノミラー１０５で反射された反射光は、デスキャンされ、ビームスプリッタ１０４に入射する。そして、反射光の一部は、ビームスプリッタ１０４を通過して、レンズ１０８によってＣＣＤラインセンサ１１０上に集光される。また、光源１０１からスリット板１３０内の焦点位置用開口部１３１を通過した光は、画像照明用開口部１３２を通過した光と同様の光路を通って、二分割光センサ１０９上に集光される。すなわち、焦点位置用開口部１３１を通過した光は、ビームスプリッタ１０４、ガルバノミラー１０５、レンズ１０６、レンズ１０７を介して試料３００に入射する。そして、試料３００で反射した焦点位置用開口部１３１からの光は、レンズ１０７、レンズ１０６、ガルバノミラー１０５、ビームスプリッタ１０４、及びレンズ１０８を介して二分割光センサ１０９に入射する。これにより、二分割光センサ１０９によって、試料３００で反射した反射光を受光することができる。

次に、本実施の形態に係るコンフォーカル顕微鏡における焦点の合わせ方について説明する。まず、瞳に対称に照明した場合の二分割光センサ１０９の照明箇所について図３を用いて説明する。二分割光センサ１０９はＡ、Ｂの二つの領域に分けられている。図３（ａ）は試料面が焦点位置に位置する場合、図３（ｂ）は試料面が焦点位置よりも前に位置する場合、図３（ｃ）は試料面が焦点位置よりも後ろに位置する場合である。

図３（ａ）に示すように、試料面が焦点位置に位置する場合には、二分割光センサ１０９上に焦点が位置するようになっている。このような状態においては、領域Ａと領域Ｂともに光の照射量は変わらず略等しくなる。また、試料面が焦点位置よりも前に位置する場合（図３（ｂ）参照）においても、試料面が焦点位置よりも後ろに位置する場合（図３（ｃ）参照）においても、領域Ａと領域Ｂともに光の照射量が変わらない。すなわち、二分割光センサ１０９上での光がぼやけるが、その中心位置は変わらない。そのため、瞳に対称に照明した場合には、焦点位置によって、領域Ａと領域Ｂとで検出される光量の差が変化しない。よって、試料面が焦点位置に対してどこにあるかを判定することが困難である。

それに対して、瞳に対して非対称に照明した場合には、焦点位置によって、領域Ａと領域Ｂとで検出される光量の差が変化する。これにより、試料面の焦点位置に対する位置を判定することができる。ここで、瞳に対して非対称に照明した場合の二分割光センサ１０９の照明箇所について図４を用いて説明する。図４（ａ）〜図４（ｃ）は、試料に入射する入射光と試料で反射する反射光とを模式的に示す図である。なお、図４において実線が試料に入射する入射光を示し、点線が試料で反射した反射光を示し、一点鎖線が光軸を示している。また、図４（ａ）は試料面が焦点位置に位置する場合、図４（ｂ）は試料面が焦点位置よりも前に位置する場合、図４（ｃ）は試料面が焦点位置よりも後ろに位置する場合である。この場合においては、瞳に対して半分だけを遮光板１２０によってカットした状態である。すなわち、図４では、左側の光のみで照明した状態が示されている。従って、試料面で反射した反射光は、主に、図４の右側を通って二分割光センサ１０９に入射する。

図４（ａ）に示されるように、試料面が焦点位置に位置する場合には、領域Ａと領域Ｂともに照明される領域が同じであり、領域Ａと領域Ｂともに略同じレベルの信号を出力する。それに対して、試料面が焦点位置よりも前に位置する場合においては、領域Ｂ側にだけ照明されることになる（図４（ｂ）参照）。また、試料面が焦点位置よりも後ろに位置する場合においては、領域Ａ側にだけ照明されることになる（図４（ｃ）参照）。すなわち、焦点位置に応じて、反射光の入射位置が変化する。以上のことから、領域Ａと領域Ｂの照射量を測定することによって、試料面が焦点位置に対して前と後ろのどちら側にいるのかを判定することができる。すなわち、焦点位置によって、領域Ａと領域Ｂとで受光される光が異なる。従って、領域Ａに照射された光量と領域Ｂに照射された光量との差に応じて、焦点合わせを行なうことができる。このように瞳位置において、片側半分のみを遮光して、片側半分で照明することによって、簡便に焦点位置を検出することができる。

この判定においては、一般的に、領域Ａに照射された光量ａと領域Ｂに照射された光量ｂとを加算した（ａ＋ｂ）を分母にして、（ａ−ｂ）を分子にした信号が用いられる。すなわち、（ａ−ｂ）を（ａ＋ｂ）で割った信号が用いられる。そして、（ａ−ｂ）／（ａ＋ｂ）の大きさによって、試料ホルダ１１１をＺ軸駆動モータ２０８によって移動させる。これによって、試料３００に焦点を合わせることができる。すなわち、（ａ−ｂ）／（ａ＋ｂ）の大きさが略ゼロとなったとき、試料面が合焦点位置であると判定する。さらに、（ａ−ｂ）／（ａ＋ｂ）の値が正であるか負であるかによって、焦点が前後どちらにずれているかが判別できる。例えば、（ａ−ｂ）／（ａ＋ｂ）の値が正である場合、すなわち焦点位置が試料３００よりも前方になっている状態と判別される（図４（ｃ）参照）。そして、（ａ−ｂ）／（ａ＋ｂ）の値の大きさによって、焦点位置のずれ量が分る。

次に、回路部２００は、クランプ回路２０１ａ、２０１ｂ、引算回路２０２、加算回路２０３、除算回路２０４、積分回路２０５、サンプルホールド回路２０６、ドライブアンプ２０７、Ｚ軸駆動モータ２０８、ＰＤ（Ｐｈｏｔｏ ｄｉｏｄｅ）２０９ａ、２０９ｂ、及びタイミング回路２１０を備えている。この回路部２００によって、コンフォーカル顕微鏡で観察するときの焦点位置が試料３００に合わせられる。なお、回路部２００として、デジタル回路を用いてもよく、アナログ回路を用いてもよい。もちろん、回路部２００として、アナログ回路とデジタル回路とを組み合わせた回路を用いてもよい。

クランプ回路２０１ａ、２０１ｂは、二分割光センサ１０９に接続されている。上記のように、二分割光センサ１０９は領域Ａと領域Ｂに二分割されている。そして、クランプ回路２０１ａは二分割光センサ１０９の領域Ａに、クランプ回路２０１ｂは二分割光センサ１０９の領域Ｂに接続されている。また、クランプ回路２０１ａ、２０１ｂは、タイミング回路２１０とも接続されている。クランプ回路２０１ａ、２０１ｂは、タイミング回路２１０からのタイミング信号を受信している間の二分割光センサ１０９からの信号を、試料面から反射してきた光以外の光と判定し、このときの信号レベルがゼロとなるよう二分割光センサ１０９からの出力信号をオフセットさせている。これにより、定常的な迷光等によるノイズを低減することができる。

また、二分割光センサ１０９は、クランプ回路２０１ａ、２０１ｂを通して引算回路２０２と加算回路２０３に接続されている。すなわち、上記のようにオフセットが調整された二分割光センサ１０９からの信号が、引算回路２０２、及び加算回路２０３に入力される。引算回路２０２においては、二分割光センサ１０９の領域Ａで検知した光量ａから二分割光センサ１０９の領域Ｂで検知した光量ｂを引いた値（ａ−ｂ）を信号として除算回路２０４に出力する。また、加算回路２０３においては、二分割光センサ１０９の領域Ａで検知した光量ａと二分割光センサ１０９の領域Ｂで検知した光量ｂとを加算した値（ａ＋ｂ）を信号として除算回路２０４に出力する。除算回路２０４は、この引算回路２０２からの信号（ａ＋ｂ）を分母とし、加算回路２０３からの信号（ａ−ｂ）を分子として、（ａ−ｂ）／（ａ＋ｂ）の信号を算出する。上記のように、（ａ−ｂ）／（ａ＋ｂ）の信号に基づいて焦点位置が調整される。

この除算回路２０４によって算出された値（ａ−ｂ）／（ａ＋ｂ）は、積分回路２０５に出力される。積分回路２０５においては、除算回路２０４からの（ａ−ｂ）／（ａ＋ｂ）を時間に対して積分していく。この積分時間は、タイミング回路２１０からのリセット信号によって制御されている。この積分回路２０５は、サンプルホールド回路２０６に接続されている。タイミング回路２１０からのサンプル信号がサンプルホールド回路２０６に出力されると、サンプルホールド回路２０６は積分回路２０５から（ａ−ｂ）／（ａ＋ｂ）の時間に対する積分値を取り出す。このサンプルホールド回路２０６に取り出された値は、ドライブアンプ２０７に出力され、ドライブアンプ２０７によってＺ軸駆動モータ２０８に応じた電流値に変換されて出力される。すなわち、ドライブアンプ２０７は、サンプルホールド回路２０６に取り出された値から求められる焦点位置からのずれ量分Ｚ軸駆動モータ２０８が移動するだけの電流量に変換している。ドライブアンプ２０７から入力された電流量によって、Ｚ軸駆動モータ２０８は試料ホルダ１１１を図１における上下に移動させる。このことによって、焦点位置に試料３００を移動させることができる。

さらに、試料３００の端部の上部にＰＤ２０９ａ、２０９ｂを配置している。すなわち、ガルバノミラー１０５によって、試料３００の端部を照射するときになると、このＰＤ２０９ａ、２０９ｂ上に光が照射されるようになる。従って、ガルバノミラー１０５の回転方向が反転するタイミングでＰＤ２０９ａ、２０９ｂに光が照射される。このＰＤ２０９ａ、２０９ｂに光が照射されたときには、ＰＤ２０９ａ、２０９ｂからタイミング回路２１０に信号が出力される。すなわち、ガルバノミラー１０５によって試料面を光が走査している間において、試料の端部を照射する位置に光が照明されたときには、ＰＤ２０９ａ、２０９ｂからタイミング回路２１０に信号が出力されるようになる。ＰＤ２０９ａ、２０９ｂは１次像面上に配置されている。また、ＰＤ２０９ａ、２０９ｂは、視野の外側に配置される。ＰＤ２０９ａ、２０９ｂは、焦点位置用開口部１３１を通過した光を受光する。

試料３００上を光が走査する際に、試料３００の端部で方向転換を行う。すなわち、試料３００の端部において、ガルバノミラー１０５の走査方向が、例えば、１８０°反転する。そのときに行う方向転換は急激に行うことができないため、この試料３００の端部に照射される光は、所定の時間照射されることになる。このため、積分回路２０５によって時間に対する積分を行う場合、試料３００の端部にノイズの原因が存在すると、この部分におけるノイズが所定時間分積分されてしまう。従って、この部分のノイズが積分回路２０５によって積分された値に大きな影響を及ぼす。すなわち、方向転換を行なっている間の影響が大きくなってしまう。本実施の形態に係るコンフォーカル顕微鏡においては、試料３００の端部に光が照射されないように、ＰＤ２０９ａ、２０９ｂを配置している。換言すると、ガルバノミラー１０５の走査の両端にＰＤ２０９ａ、２０９ｂを配置している。

このように、ＰＤ２０９ａ、２０９ｂは照射される光の光量を検出すると同時に、走査端におけるマスクの役割も果たしていることになる。これにより、走査端において走査方向の方向転換を行う際に、焦点位置用開口部１３１を通過した光が試料３００に入射するのを防ぐことができる。よって、方向転換を行なっている間のノイズの影響を低減することができ、焦点合わせを正確に行なうことができる。このように、走査端に配置されたＰＤ２０９ａ、２０９ｂを用いることによって、走査位置を検出することができる。すなわち、ＰＤ２０９ａ、２０９ｂの出力によって、ガルバノミラー１０５の走査が走査端になっているタイミングか否かを判別することができる。走査端において光の走査方向が反転している間の光が二分割光センサ１０９に入射するのを防ぐことができる。

次に、上述の積分回路２０５とサンプルホールド回路２０６とクランプ回路２０１ａ、２０１ｂにおけるタイミングチャートを図５に示す。タイミング回路２１０は、ＰＤ２０９ａ及びＰＤ２０９ｂから出力される信号から、クランプ回路２０１ａ、２０１ｂに出力されるクランプ信号を作成する。このクランプ信号とＰＤ２０９ａ、２０９ｂから出力される信号のタイミングを示したのが図５（ｂ）〜図５（ｄ）である。すなわち、クランプ信号は、ＰＤ２０９ａとＰＤ２０９ｂに照射されている間、タイミング回路２１０から出力されることになる。また、ガルバノミラー１０５の振れ角を図５（ａ）に示している。ここでは、ガルバノミラー１０５の振れ角の基準角度を０として、基準角度からの振れ角を±で示している。ガルバノミラー１０５の振れ角は、一定の周期で変化している。そして、＋方向の振れ角の速度と、−方向の振れ角速度が異なっている。

図５（ｃ）、（ｄ）で示したＰＤ１、ＰＤ２は、ＰＤ２０９ａ、ＰＤ２０９ｂからの信号である。また、ＰＤ１、ＰＤ２は、走査する方向によって、ＰＤ２０９ａ、ＰＤ２０９ｂのどちらかになる。すなわち、ＰＤ１及びＰＤ２のうちの一方がＰＤ２０９ａからの信号に対応し、他方がＰＤ２０９ｂからの信号に対応する。ここで、ＰＤ２０９ａからＰＤ２０９ｂに向かって走査しているときに観察する場合、ＰＤ２０９ｂからＰＤ２０９ａに向かう速度は、ＰＤ２０９ａからＰＤ２０９ｂに向かう速度より早くなることが一般的である。例えば、光の走査による画像信号の生成には、一定の信号量レベルが必要となるため、一方向の走査は比較的低速で行う。すなわち、一方向のみ低速で走査を行い、ラインセンサ１１０からの出力を所定の信号量レベルまで到達させる。一方、反対方向の走査は、ロスタイムを低減するため、高速で行う。このような場合においては、ＰＤ１がＰＤ２０９ｂに相当し、ＰＤ２がＰＤ２０９ａに相当する。なお、これは、本実施の形態における例として示したものであり、走査方向が逆であってもよいし、どちらの方向における走査速度を一定にして行っても本発明の趣旨に影響はない。図５（ｃ）、及び図５（ｄ）に示すように、ＰＤ１、及びＰＤ２は、走査周期に応じた時間間隔でパルスが出力されるパルス波形となる。ここで、ＰＤ１、及びＰＤ２のそれぞれは、１走査周期毎に１パルス出力される。ここで、走査周期とは、走査の一端から他端まで行った後、一端に戻るまでの時間とする。従って、１走査周期において、光が往復することになるため、走査の中心を２回通過する。ＰＤ１とＰＤ２とパルスのタイミングは、走査速度に応じてずれている。また、ＰＤ２０９ａ、２０９ｂは走査の両端に配置されているため、ＰＤ１とＰＤ２とのパルスは交互に出力される。

クランプ信号は、例えば、ＰＤ１とＰＤ２とのＯＲ出力となる。従って、ＰＤ２０９ａに光が入射するタイミング、及びＰＤ２０９ｂに光が入射するタイミングでクランプ信号が出力される。よって、クランプ信号では、１走査周期毎に２パルス出力される。このクランプ信号がクランプ回路２０１ａ、２０１ｂに出力されている間は、クランプ回路２０１ａ、２０１ｂはクランプ動作を行う。このクランプ動作は、二分割光センサ１０９からの信号の値を基準として、クランプ回路２０１ａとクランプ回路２０１ｂとから出力される値を略ゼロとする動作である。このようにすることによって、除算回路２０４によって積分回路２０５に出力される値がゼロとなるために、積分回路２０５における積分値が一定の値をとるようになる。すなわち、クランプ信号がパルスを出力して、クランプ動作を行なっている間は、積分値が増減しない。したがって、試料３００の端部における信号を積分回路２０５で積算されないようにすることができる。これにより、正確に焦点位置を合わせることができる。

また、タイミング回路２１０は、ＰＤ１からの信号に基づいてサンプル信号とリセット信号とを生成する。サンプル信号とリセット信号のタイミングは、図５（ｅ）、（ｆ）に示されている。サンプル信号はＰＤ１の立ち上がりのときに出力され、ＰＤ１の信号よりも短いパルス幅を有するパルス信号である。また、リセット信号はＰＤ１の立下りのときに出力され、ＰＤ１よりも短いパルス幅を有するパルス信号である。サンプル信号はサンプルホールド回路２０６に出力される。サンプル信号に応じて、サンプルホールド回路２０６は、積分回路２０５に蓄積されている値を取り出しホールドする。そして、サンプルホールド回路２０６は、この値をドライブアンプ２０７に出力する。また、リセット信号は積分回路２０５に出力される。積分回路２０５はリセット信号に応じて積分していた値をゼロにリセットする。すなわち、積分回路２０５はリセット信号と次に入力されるリセット信号との間だけ、除算回路２０４から出力される（ａ−ｂ）／（ａ＋ｂ）信号を積分することになる。すなわち、走査端を除いた１走査周期だけ、（ａ−ｂ）／（ａ＋ｂ）信号を積分する。そして、１走査周期経過後、積分値をリセットしてゼロにする。

以上のようにすることによって、積分回路２０５によって積分された値は、図５（ｇ）に示すような値となる。まず、光が走査の第１の端部に来ると、リセット信号が出力されて積分回路２０５内の値はゼロとなる。次に、ガルバノミラー１０５によって光の走査位置が試料３００の第１の端部から第２の端部に移動する。第１の端部から第２の端部に移動するしている間、（ａ−ｂ）／（ａ＋ｂ）信号が積分される。ここでは、焦点位置が試料３００の後ろ側にあり、（ａ−ｂ）／（ａ＋ｂ）の値が正であるとする（図４（ｃ）参照）。この場合、図５（ｇ）に示すように、積分回路２０５内の積分値は徐々に増加していく。すなわち、位置ずれ量と走査速度に応じた傾きで、積分値が変化して行く。そして、第２の端部に光の走査位置が移動したときに、タイミング回路２１０からクランプ回路２０１ａ、２０１ｂにクランプ信号が出力される。すなわち、ＰＤ２に光が入射するため、ＰＤ２の出力に基づくクランプ信号のパルスが出力される。クランプ信号のパルスが出力されている間、積分値がクランプされるため、積分値は一定になる。よって、クランプ信号のパルスが出力されている間、積分回路２０５内の積分値は正の値で一定となっている。

そして、ガルバノミラー１０５で方向転換を行い、走査方向を反転させる。これにより、光の走査位置が試料３００の第２の端部から第１の端部まで移動する。第２の端部から第１の端部まで走査している間、積分回路２０５は積分をする。ここでは、試料３００上の略同じ位置を操作しているため、上記のように焦点位置が試料３００の後ろ側にある。よって、（ａ−ｂ）／（ａ＋ｂ）の値が正である。従って、走査位置が試料３００の第２の端部から第１の端部に移動している間でも、積分値が徐々に増加していく。ここで、走査方向を反転させたときに、走査速度を変化させている。これにより、積分値の増加の傾きも変化している。しかしながら、第１の端部から第２の端部までに移動する間の積分値の増加量と、第２の端部から第１の端部までに移動する間の積分値の増加量とは、略同じ値となる。これは、走査方向だけ反転させて、同じ領域を走査しているからである。

そして、第１の端部に光が走査されると、タイミング回路２１０からクランプ信号がクランプ回路２０１ａ、２０１ｂに出力される。すなわち、ＰＤ１に光が入射するため、ＰＤ１の出力に基づくクランプ信号のパルスが出力される。クランプ信号のパルスが出力されている間、積分値がクランプされるため、積分値は一定になる。このときに、タイミング回路２１０からサンプルホールド回路２０６にサンプル信号が出力され、（ａ−ｂ）／（ａ＋ｂ）信号の積分値が取り出される。その後、リセット信号によって、積分回路２０５内の積分値はゼロに戻る。そして、次の走査でも同様に積分値を算出する。このように、第１の端部から第２の端部に移動している間、及び第２の端部から第１の端部まで移動している間において、（ａ−ｂ）／（ａ＋ｂ）信号の積分を継続的に行なう。すなわち、ガルバノミラー１０５による走査が１往復する間、クランプ信号のパルスが出力されているときを除いて、積分を行い続ける。そして、走査が１往復する間の積分値によって焦点を調整する。これにより、試料面における取り込みノイズがキャンセルすることができる。すなわち、試料３００面のパターンなどにより生じるノイズを低減することができる。

例えば、試料面にパターンが形成されている場合、形成されているパターンによって反射率が異なる。従って、パターンの境界近傍では、反射光の光量に差が生じる。この場合、焦点位置が試料面に一致していても、ＰＤ２０９ａで検出される光とＰＤ２０９ｂで検出される光が異なってしまう。例えば、ＰＤ２０９ａで検出される光の光量がＰＤ２０９ｂで検出される光よりも高くなってしまう。この場合、パターンの反射率の違いによって、積分信号にノイズが生じてしまう。しかしながら、本実施の形態ではガルバノミラーによる走査が１往復する間、（ａ−ｂ）／（ａ＋ｂ）信号を積分している。これにより、上記のノイズを低減することができる。すなわち、１往復期間に、光が同じパターンの境界を２回通過することになるため、上記のノイズがキャンセルされる。さらには、パターンの端部の傾斜面や段差で生じるノイズなどもキャンセルされる。このように、積分値を用いることで、正確に焦点合わせを行なうことができる。従って、様々なパターンが形成されている試料３００に対しても、正確に焦点合わせを行なうことができる。もちろん、走査が１往復する間に限らず、走査が複数回往復する間積分を行ってもよい。

以上のように、ＰＤ２０９ａ、２０９ｂからの信号に基づいて、タイミング回路２１０がクランプ信号、リセット信号、及びサンプル信号を出力して制御している。これによって、二分割光センサ１０９の信号から、自動的に焦点合わせを行うことができる。すなわち、走査を１往復している間の積分値によって、その領域の焦点位置のずれを検出することができる。このときの焦点位置の位置ずれ量は、走査を１往復している間に照明した領域における平均値となる。そして、実際に観察を行う場合、上記の位置ずれ量に応じて、Ｚ軸駆動モータ２０８を動作させる。これにより、焦点位置が試料面と略一致した状態で観察することができる。例えば、試料ホルダ１１１を移動させている間に合焦点位置を求める。そして、実際の観察を行う際に、その照明された領域での積分値に応じた焦点位置にする。さらに、積分値に応じた焦点位置からオートフォーカスを行ってもよい。こにょうに、本実施の形態に係るコンフォーカル顕微鏡においては、二分割光センサ１０９と遮光板１２０、回路部２００を用いることによって、簡便に焦点を合わせることができる。

上記のように焦点が調製された状態で、各種の測定を行なう。例えば、３次元形状測定、パターンの段差や線幅の測定を行なう。このとき、焦点が合わせられているため、容易に測定を行なうことができる。

なお、上記の説明では、ガルバノミラー１０５によって光を走査したが、これに限るものではない。例えば、スリット板１３０を移動させて光を走査してもよい。この場合、スリット板１３０は、画像照明用開口部１３２の長手方向と垂直な方向に移動する。例えば、スリット板１３０は、図１における紙面と垂直な方向とに移動することが可能である。このように移動することによって、画像照明用開口部１３２を通過した線状の光とともに、焦点位置用開口部を通過した光を走査することができる。すなわち、撮像用の光と、焦点位置検出用の光とが、同じ走査手段によって走査されればよい。従って、撮像用の光と、焦点合わせ用の光とは、別の光源からの光であってもよい。さらに、スリット板１３０に限らず、シリンドリカルレンズや液晶パネルによって線状の光に変換することも可能である。さらには、スリット板１３０を複数の画像照明用開口部１３２を設けたマルチスリットとしても良い。

なお、上記の説明では、焦点合わせを行なうために光の一部を遮光する遮光部材を遮光板１２０として説明したが、これに限るものではない。例えば、光路上に配置された液晶パネルを遮光部材として用いた場合でも、光の一部を遮光することができる。この場合、電気的な切替のみで、遮光を切り替えることができる。すなわち、光路上から遮光部材から出し入りさせる必要がなくなる。さらに、コンフォーカル顕微鏡１におけるコンフォーカル画像の撮像は、遮光部材によって光の一部を遮光したままでも可能である。すなわち、光の一部を遮光したままでは、視野が半分の状態となるが、この場合でも観察することができる。また、上記のコンフォーカル顕微鏡１を試料３００で反射した光を用いて観察する落射照明型顕微鏡として説明したが、これに限るものではない。試料３００を透過した光を用いて観察する透過照明型顕微鏡であってもよい。

本実施の形態のコンフォーカル顕微鏡の構成概略図である。 コンフォーカル顕微鏡内のスリットにおける概略構造図である。 コンフォーカル顕微鏡内のスリットにおける焦点位置用開口部と画像照明用開口部の位置関係の一例である。 瞳に対称に照明した場合の二分割光センサの照明箇所を示す図である。 瞳に非対称に照明した場合の二分割光センサの照明箇所を示す図である。

符号の説明

１ コンフォーカル顕微鏡
１００ 光学系、
１０１ 光源 １０４ ビームスプリッタ １０５ ガルバノミラー
１０２、１０３、１０６、１０７、１０８ レンズ １０９ 二分割光センサ
１１０ ラインセンサ １１１ 試料ホルダ
１２０ 遮光板 １３０ スリット
１３１ 焦点位置用開口部 １３２ 画像照明用開口部
２００ 回路部
２０１ａ、２０１ｂ クランプ回路 ２０２ 引算回路 ２０３ 加算回路
２０４ 除算回路 ２０５ 積分回路 ２０６ サンプルホールド回路
２０７ ドライブアンプ ２０８ 軸駆動モータ ２０９ａ、２０９ｂ ＰＤ
２１０ タイミング回路
３００ 試料

Claims (10)

1. 照明光を出射する光源と、
   前記光源からの照明光を線状の光に変換する光変換手段と、
   前記線状の光を走査する走査手段と、
   前記光変換手段と共役な位置に配置された試料上に前記線状の光を結像し、前記試料からの透過光又は反射光を結像面に結像する結像手段と、
   前記透過光又は前記反射光を受光するよう前記結像面に配置され、前記線状の光に対応する画素列を有する観察用検出器と、
   前記光源からの光の光路上に配置され、前記光源からの光の一部を遮光する遮光部材と、
   前記走査手段によって前記線状の光とともに走査される光のうち前記試料で反射した光を検出する焦点位置用センサと、
   前記遮光部材を前記光路上に配置している状態における焦点位置用センサからの出力に基づいて、前記線状の光の焦点位置を調整する焦点調整手段と、
   前記走査手段の走査端に配置された走査位置検出用検出器と、
   前記走査位置検出用検出器からの出力に基づいて、前記積分回路の積分値を増減させないクランプ動作を行なうクランプ回路と、を備えるコンフォーカル顕微鏡。
2. 前記位置検出用センサからの出力を積分する積分回路をさらに備え、
   前記積分回路での積分値に基づいて、前記焦点調整手段が焦点を調整することを特徴とする請求項１に記載のコンフォーカル顕微鏡。
3. 前記走査位置検出用検出器からの出力に基づいて、前記積分回路の積分値をリセットすることを特徴とする請求項１又は２に記載のコンフォーカル顕微鏡。
4. 前記光変換手段がライン状の照明用開口部を有するスリット板であって、
   前記スリット板に焦点位置用センサに受光される光を透過する焦点位置用開口部が設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のコンフォーカル顕微鏡。
5. 前記焦点調整手段によって焦点が調整されている状態で、前記観察用検出器で線状の光を受光して観察を行なう場合に、前記遮光部材が前記光源からの光の一部を遮光しないことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のコンフォーカル顕微鏡。
6. コンフォーカル光学系を介して光を検出して、コンフォーカル画像を撮像するコンフォーカル画像の撮像方法であって、
   光路上に配置された遮光部材によって光の一部を遮光するステップと、
   前記遮光された光を走査手段によって走査するステップと、
   前記走査された光を前記試料に集光して照射するステップと、
   前記試料で反射した反射光を焦点位置用センサで検出するステップと、
   前記焦点位置用センサからの出力に基づいて、前記試料の焦点を調整するステップと、
   前記試料の焦点が調整された状態で、ライン状の光を前記走査手段によって走査するステップと、
   前記走査手段によって走査されたライン状の光を前記試料に集光して照射するステップと、
   前記試料に照射されたライン状の光のうち前記試料で反射した反射光、又は前記試料を透過した透過光を、前記線状の光に対応する画素列を有する観察用検出器でコンフォーカル光学系を介して受光するステップとを有し、
   前記走査手段に走査端では、前記積分値を増減させないクランプ動作を行なうことを特徴とするコンフォーカル画像の撮像方法。
7. 前記試料の焦点を調整するステップでは、前記焦点位置用センサからの出力を積分した積分値に基づいて、前記焦点を調整することを特徴とする請求項６に記載のコンフォーカル画像の撮像方法。
8. 前記走査手段の走査の一端において、前記積分値がリセットされることを特徴とする請求項６又は７に記載のコンフォーカル画像の撮像方法。
9. 前記線状の光をライン状の照明用開口部を有するスリット板によって生成し、
   前記スリット板に設けられた焦点位置用開口部を通過して、前記試料で反射した反射光を前記焦点位置用センサで検出することを特徴とする請求項６乃至８のいずれかに記載のコンフォーカル画像の撮像方法。
10. 前記ライン状の光を前記走査手段によって走査するステップでは、前記光の一部が遮光されていないことを特徴とする請求項６乃至９のいずれかに記載のコンフォーカル画像の撮像方法。

Images