JP5075722B2 - Scanning laser microscope - Google Patents

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Description

本発明は、顕微鏡の技術に関し、特に、走査型レーザ顕微鏡の技術に関する。   The present invention relates to a technique of a microscope, and more particularly to a technique of a scanning laser microscope.

三次元形状を非接触で測定する装置として走査型レーザ顕微鏡が知られている。この装置は、対物レンズで1点に集光したレーザ光で被検物の表面を高速に2次元走査し、その反射光を、対物レンズの焦点位置に対し光学的に共役な位置に配置した共焦点絞りを介して、受光する。共焦点絞りをこの位置に配置すると、受光される反射光が、当該表面において対物レンズの焦点に合った部分についてのもののみとなるので、この受光した反射光を映像化することで、この合焦部分のみを観察できるようになる。   A scanning laser microscope is known as an apparatus for measuring a three-dimensional shape in a non-contact manner. In this apparatus, the surface of the object to be scanned is two-dimensionally scanned at high speed with a laser beam condensed at one point by the objective lens, and the reflected light is arranged at a position optically conjugate with the focal position of the objective lens. Light is received through the confocal stop. If the confocal stop is placed at this position, the reflected light received is only for the portion of the surface that is in focus with the objective lens. Only the focus area can be observed.

この原理を利用し、当該反射光の画像(輝度画像)を構成する各画素の輝度値が極大となるときの対物レンズと被検物との相対距離Zの値を画素毎に求めることで、被検物の表面全体の高さ形状計測を行うことができる。また、このときの各画素の極大輝度値で画像を形成すると、被検物の表面が全体に亘り合焦している全焦点画像を得ることもできる。   By using this principle, the value of the relative distance Z between the objective lens and the test object when the luminance value of each pixel constituting the reflected light image (luminance image) is maximized is determined for each pixel. The height shape measurement of the entire surface of the test object can be performed. Further, if an image is formed with the maximum luminance value of each pixel at this time, it is possible to obtain an omnifocal image in which the surface of the test object is in focus throughout.

ところで、走査型レーザ顕微鏡は、ある瞬間において被検物上の1点を照明し、その1点からの反射光を受光素子により取得する。通常の走査型レーザ顕微鏡では、例えば1枚の画像サイズに相当する1024×1024ピクセルの各画素のデータを、毎秒数枚〜数十枚分取得する。従って、例えば1024×1024=1Mピクセルを毎秒5枚取得する場合には、受光素子は1Mポイント×5枚、つまり毎秒5Mポイントものデータサンプリングを行う必要がある。また、このような高速のデータを伝送するために、走査型レーザ顕微鏡の受光系には数M〜数十MHz程度の周波数帯域幅(以下では「センサ帯域幅」と称することとする)に相当する応答速度が要求される。このセンサ帯域幅の確保が十分でない場合には、得られる画像のコントラストが低下してしまう。つまり、受光素子でのサンプリング速度に対して受光系の応答が追いつかない場合には、画像におけるXY方向(前述した相対距離Zの方向に直交する平面上の方向)の解像力が劣化する。   By the way, the scanning laser microscope illuminates one point on the test object at a certain moment, and the reflected light from the one point is acquired by the light receiving element. In a normal scanning laser microscope, for example, data of 1024 × 1024 pixels corresponding to one image size is acquired for several to several tens of images per second. Therefore, for example, when acquiring 1024 × 1024 = 1M pixels per second, it is necessary for the light receiving element to perform data sampling of 1M points × 5, that is, 5M points per second. In order to transmit such high-speed data, the light receiving system of the scanning laser microscope corresponds to a frequency bandwidth of about several M to several tens of MHz (hereinafter referred to as “sensor bandwidth”). Response speed is required. If the sensor bandwidth is not sufficiently secured, the contrast of the obtained image is lowered. That is, when the response of the light receiving system cannot catch up with the sampling speed of the light receiving element, the resolving power in the XY direction (the direction on the plane perpendicular to the direction of the relative distance Z) in the image is deteriorated.

一方、前述した高さ形状計測において、検出精度を高めるには、受光系のS/N比(信号対雑音比)を高めることが要求される。このためには、前述したセンサ帯域幅は狭くする方が好ましい。すなわち、センサ帯域幅を狭くすると、受光系のS/N比は良くなり、高さ測定精度は向上する。   On the other hand, in the above-described height shape measurement, in order to increase the detection accuracy, it is required to increase the S / N ratio (signal-to-noise ratio) of the light receiving system. For this purpose, it is preferable to reduce the sensor bandwidth described above. That is, if the sensor bandwidth is narrowed, the S / N ratio of the light receiving system is improved and the height measurement accuracy is improved.

このように、受光系のS/N比は解像力とトレードオフの関係にある。つまり、センサ帯域幅を広くすると、XY方向の解像力は劣化しないが、ランダムノイズの高周波成分を制限することができないため、S/N比は低下する。逆に、センサ帯域幅を狭くすると、S/N比は高くなり、高さ測定精度は向上するが、XY方向の解像力は劣化する。   Thus, the S / N ratio of the light receiving system is in a trade-off relationship with the resolving power. That is, when the sensor bandwidth is widened, the resolution in the XY directions does not deteriorate, but the high-frequency component of random noise cannot be limited, so the S / N ratio decreases. Conversely, when the sensor bandwidth is narrowed, the S / N ratio is increased and the height measurement accuracy is improved, but the resolving power in the XY directions is deteriorated.

このS/N比と解像力とを両立させるために、解像力を劣化させない程度に十分なセンサ帯域幅を確保する一方で、このセンサ帯域幅の下で異なる時刻に得た複数の輝度画像を積算することでS/N比を向上させる手法が、一般に行われている。   In order to achieve both the S / N ratio and the resolving power, a sufficient sensor bandwidth is secured so as not to degrade the resolving power, and a plurality of luminance images obtained at different times are integrated under the sensor bandwidth. In general, a technique for improving the S / N ratio is performed.

また、例えば特許文献1には、共焦点絞りの径を可変にし、微弱光のような光量の小さい光を検出する際には、共焦点絞り径を大きくして受光する光量を増やすことで受光系のS/N比を向上させる一方で、光量が大きい場合には、共焦点絞り径を小さくして解像力を確保するという技術が開示されている。
特開2007−133419号公報
For example, in Patent Document 1, when the light of a small amount of light such as weak light is detected by changing the diameter of the confocal stop, the light is received by increasing the amount of light received by increasing the diameter of the confocal stop. A technique is disclosed in which the S / N ratio of the system is improved while the confocal aperture diameter is reduced to ensure the resolving power when the amount of light is large.
JP 2007-133419 A

走査型レーザ顕微鏡の使用目的は、高い解像力を必要とする場合、あるいは、高精度での高さ計測が必要で解像力の劣化は許容できる場合、などのように、その使用場面により様々である。しかし、走査型レーザ顕微鏡の前述したセンサ帯域幅を、解像力とS/N比のバランスを見て製品設計時に決定したまま不変のものとしている現状では、上述したどちらの使用目的においても不満が残ることがあり得る。   The purpose of use of the scanning laser microscope varies depending on the situation of use, such as when high resolution is required, or when high-precision height measurement is required and degradation of resolution is acceptable. However, in the present situation where the sensor bandwidth of the scanning laser microscope is unchanged as determined at the time of product design in view of the balance between the resolving power and the S / N ratio, dissatisfaction remains for either of the above-mentioned usage purposes. It can happen.

ここで、前述したように、輝度画像を積算することでS/N比を向上させる手法は、複数の輝度画像を取得する作業に時間が費やされてしまう。
また、特許文献1に開示されている、共焦点絞りの径を可変にする技術は、直径が通常は数十〜数百マイクロメートル程度である共焦点絞りの径を高精度に保持するのは難しいため、装置が高価ものとなる。また、共焦点絞り径を大きくした場合には、受光系に入射する光量が増えてS/N比は向上するが、共焦点光学系のセクショニング効果(高さ方向の分解能)も小さくなるので、高さ検出の総合性能としては、必ずしも向上するとはいえない。
Here, as described above, the method of improving the S / N ratio by integrating the luminance images takes time to obtain a plurality of luminance images.
In addition, the technology disclosed in Patent Document 1 that makes the diameter of the confocal stop variable is that the diameter of the confocal stop that is usually about several tens to several hundreds of micrometers is maintained with high accuracy. Since it is difficult, the device becomes expensive. Also, when the confocal aperture diameter is increased, the amount of light incident on the light receiving system is increased and the S / N ratio is improved, but the sectioning effect (resolution in the height direction) of the confocal optical system is also reduced. The overall performance of height detection is not necessarily improved.

本発明は上述した問題に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、高S/N比と高解像力とのどちらの要求にも応えることのできる走査型レーザ顕微鏡を提供することである。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and a problem to be solved is to provide a scanning laser microscope that can meet both requirements of a high S / N ratio and a high resolution. It is.

本発明の態様のひとつである走査型レーザ顕微鏡は、二次元走査させながら試料の表面に照射したときに該表面で反射して対物レンズ及び共焦点絞りを通過して到来するレーザ光を受光して、その光量の情報を出力する受光系と、該受光系が該レーザ光を受光してから該レーザ光の光量の情報を出力するまでの応答速度を決定する該受光系の帯域幅を変更する帯域幅変更手段と、を有するというものである。   A scanning laser microscope, which is one aspect of the present invention, receives laser light that passes through an objective lens and a confocal stop when reflected on the surface of a sample while being scanned two-dimensionally. And changing the bandwidth of the light receiving system that determines the response speed from when the light receiving system receives the laser light until it outputs the light amount information of the laser light. Bandwidth changing means.

なお、上述した走査型レーザ顕微鏡において、該走査型レーザ顕微鏡に対し予め複数設定されている動作モードからそのうちのひとつを選択する指示を取得する動作モード選択指示取得手段を更に有し、該帯域幅変更手段は、該動作モード選択指示取得手段が取得した指示に係る動作モードに基づいて該受光系の帯域幅を変更する、ように構成することができる。   The scanning laser microscope described above further includes operation mode selection instruction acquisition means for acquiring an instruction to select one of a plurality of operation modes set in advance for the scanning laser microscope. The changing unit can be configured to change the bandwidth of the light receiving system based on the operation mode related to the instruction acquired by the operation mode selection instruction acquiring unit.

また、前述した走査型レーザ顕微鏡において、該受光系は、該レーザ光を受光して該レーザ光の光量に応じた大きさのアナログ電気信号を出力する光電変換素子を備えており、該受光系が出力する該レーザ光の光量の情報は、該アナログ電気信号であり、該帯域幅変更手段は、該アナログ電気信号を増幅する、帯域幅の異なる複数のアナログ信号増幅器と、該アナログ電気信号の増幅に使用するアナログ信号増幅器を切り替える増幅器切替手段と、を備える、ように構成することができる。   In the above-described scanning laser microscope, the light receiving system includes a photoelectric conversion element that receives the laser light and outputs an analog electric signal having a magnitude corresponding to the amount of the laser light. The information on the light quantity of the laser beam output from the signal is the analog electric signal, and the bandwidth changing means amplifies the analog electric signal, a plurality of analog signal amplifiers having different bandwidths, and the analog electric signal And an amplifier switching means for switching an analog signal amplifier used for amplification.

また、前述した走査型レーザ顕微鏡において、該受光系は、該レーザ光を受光して該レーザ光の光量に応じた大きさのアナログ電気信号を出力する光電変換素子を備えており、該受光系が出力する該レーザ光の光量の情報は、該アナログ電気信号であり、該帯域幅変更手段は、該アナログ電気信号を増幅するアナログ信号増幅器と、該アナログ信号増幅器の帯域幅を決定している該アナログ信号増幅器の回路定数を変更する回路定数変更手段と、を備える、ように構成することができる。   In the above-described scanning laser microscope, the light receiving system includes a photoelectric conversion element that receives the laser light and outputs an analog electric signal having a magnitude corresponding to the amount of the laser light. The information on the amount of light of the laser beam output from is the analog electrical signal, and the bandwidth changing means determines the analog signal amplifier that amplifies the analog electrical signal and the bandwidth of the analog signal amplifier. Circuit constant changing means for changing the circuit constant of the analog signal amplifier.

本発明の別の態様のひとつである走査型レーザ顕微鏡は、二次元走査させながら試料の表面に照射したときに該表面で反射して対物レンズ及び共焦点絞りを通過して到来するレーザ光を受光して、その光量の情報を出力する受光系を複数有しており、該受光系は、該レーザ光を受光してから該レーザ光の光量の情報を出力するまでの応答速度を決定する帯域幅が互いに異なっている、というものである。   A scanning laser microscope, which is another aspect of the present invention, reflects laser light that passes through an objective lens and a confocal stop when reflected on the surface of a sample while being scanned two-dimensionally. It has a plurality of light receiving systems that receive light and output information on the amount of light, and the light receiving system determines a response speed from receiving the laser light to outputting information on the amount of light of the laser light. The bandwidth is different from each other.

なお、上述した走査型レーザ顕微鏡において、該走査型レーザ顕微鏡に対し予め複数設定されている動作モードからそのうちのひとつを選択する指示を取得する動作モード選択指示取得手段と、該動作モード選択指示取得手段が取得した指示に係る動作モードに基づいて、複数の該受光系が各々出力する該レーザ光の光量の情報を選択する光量情報選択手段と、を有するように構成することができる。   In the scanning laser microscope described above, an operation mode selection instruction acquisition means for acquiring an instruction to select one of a plurality of operation modes set in advance for the scanning laser microscope, and the operation mode selection instruction acquisition And a light amount information selecting unit that selects information on the light amount of the laser beam output from each of the plurality of light receiving systems based on an operation mode related to the instruction acquired by the unit.

本発明によれば、以上のようにすることにより、高S/N比と高解像力とのどちらの要求にも応えることのできる走査型レーザ顕微鏡を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a scanning laser microscope capable of meeting both requirements for a high S / N ratio and a high resolving power as described above.

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
まず図1について説明する。図1は、本発明を実施する走査型レーザ顕微鏡の構成の第一の例を示している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, FIG. 1 will be described. FIG. 1 shows a first example of the configuration of a scanning laser microscope embodying the present invention.

この走査型レーザ顕微鏡は、レーザ顕微鏡本体100と、コンピュータ200と、指示部300と、表示部400とを備えて構成されている。
レーザ顕微鏡本体100は、制御部110と、レーザ光源120と、ビームスプリッタ130と、XY走査機構140と、複数の対物レンズ150と、対物レンズ切換え機構160と、共焦点絞り170と、受光系180と、Z走査機構190とを備えて構成されている。
The scanning laser microscope includes a laser microscope main body 100, a computer 200, an instruction unit 300, and a display unit 400.
The laser microscope main body 100 includes a control unit 110, a laser light source 120, a beam splitter 130, an XY scanning mechanism 140, a plurality of objective lenses 150, an objective lens switching mechanism 160, a confocal stop 170, and a light receiving system 180. And a Z scanning mechanism 190.

制御部110は、コンピュータ200から送られてくる動作指示に従い、レーザ顕微鏡本体100の各構成要素の制御を行う。
レーザ光源120はレーザ光を励起して出力する。レーザ光源120から出力されたレーザ光は、ビームスプリッタ(BS)130を透過してXY走査機構140を通過した後に光路上の対物レンズ150を通過して、試料である測定サンプル10の表面に照射される。ここで、コンピュータ200の動作指示に応じて制御部110がXY走査機構140を制御すると、XY走査機構140が、このレーザ光を、測定サンプル10の表面上でXY方向(レーザ顕微鏡本体100の光路上の対物レンズ150の光軸に垂直である2方向)に二次元走査させる。
The control unit 110 controls each component of the laser microscope main body 100 in accordance with an operation instruction sent from the computer 200.
The laser light source 120 excites and outputs laser light. The laser light output from the laser light source 120 passes through the beam splitter (BS) 130, passes through the XY scanning mechanism 140, and then passes through the objective lens 150 on the optical path to irradiate the surface of the measurement sample 10 that is a sample. Is done. Here, when the control unit 110 controls the XY scanning mechanism 140 in accordance with an operation instruction of the computer 200, the XY scanning mechanism 140 transmits the laser light on the surface of the measurement sample 10 in the XY direction (the light of the laser microscope main body 100). Two-dimensional scanning is performed in two directions perpendicular to the optical axis of the objective lens 150 on the road.

なお、コンピュータ200の動作指示に応じて制御部110が対物レンズ切換え機構160を制御することにより、レーザ顕微鏡本体100の光路上の対物レンズ150を切り換えることができる。   Note that the control unit 110 controls the objective lens switching mechanism 160 in accordance with an operation instruction of the computer 200, so that the objective lens 150 on the optical path of the laser microscope main body 100 can be switched.

測定サンプル10の表面に照射されたレーザ光は当該表面で反射する。この反射したレーザ光は、光路上の対物レンズ150及びXY走査機構140を通過した後に、ビームスプリッタ(BS)130で今度は反射して共焦点絞り170へと向かう。   The laser beam irradiated on the surface of the measurement sample 10 is reflected by the surface. The reflected laser light passes through the objective lens 150 and the XY scanning mechanism 140 on the optical path, and is then reflected by the beam splitter (BS) 130 and travels toward the confocal stop 170.

共焦点絞り170は、その開口部が、対物レンズの焦点位置に対し光学的に共役な位置に配置されている。従って、測定サンプル10の表面で反射したレーザ光のうち、当該表面における対物レンズ150の焦点位置で反射したもののみが、共焦点絞り170の開口部を通過して受光系180に届く。   The opening of the confocal stop 170 is disposed at a position optically conjugate with the focal position of the objective lens. Therefore, only the laser beam reflected from the surface of the measurement sample 10 that is reflected at the focal position of the objective lens 150 on the surface passes through the opening of the confocal stop 170 and reaches the light receiving system 180.

受光系180は、共焦点絞り170を通過して到来したレーザ光を受光して、その光量の情報を輝度情報としてコンピュータ200へ出力する。受光系180は、受光素子181と増幅部182とを備えて構成されており、その詳細については後述する。   The light receiving system 180 receives laser light that has passed through the confocal stop 170 and outputs information on the amount of light to the computer 200 as luminance information. The light receiving system 180 includes a light receiving element 181 and an amplifying unit 182, and details thereof will be described later.

Z走査機構190は、コンピュータ200の動作指示に応じて制御部110により制御され、対物レンズ切換え機構160をZ方向(レーザ顕微鏡本体100の光路上の対物レンズ150の光軸の方向)に上下動させて、光路上の対物レンズ150と測定サンプル10との相対距離Zを変化させる。   The Z scanning mechanism 190 is controlled by the control unit 110 according to the operation instruction of the computer 200, and moves the objective lens switching mechanism 160 up and down in the Z direction (the direction of the optical axis of the objective lens 150 on the optical path of the laser microscope main body 100). Thus, the relative distance Z between the objective lens 150 and the measurement sample 10 on the optical path is changed.

コンピュータ200は、レーザ顕微鏡本体100の制御部110へ各種の動作指示を与えると共に、受光系180から受け取る輝度情報の取得を行う。また、コンピュータ200は、このようにして得られた輝度情報に基づいた各種の制御処理を行う。例えば、コンピュータ200は、この輝度情報を、XY走査機構140による二次元走査における走査制御信号に基づいて取得する各画素の輝度値とすることで、測定サンプル10表面の輝度画像を生成する処理を行う。あるいは、コンピュータ200は、Z走査機構190を制御させて対物レンズ150と測定サンプル10との相対距離Zを変化させて、この輝度画像を構成する各画素の輝度値が極大となるときの相対距離Zの値を画素毎に求めることで、測定サンプル10の表面全体の高さ形状の計測処理を行う。また、このときの各画素の極大輝度値を用いて、測定サンプル10の全焦点画像を生成する処理を行う。   The computer 200 gives various operation instructions to the control unit 110 of the laser microscope main body 100 and acquires luminance information received from the light receiving system 180. The computer 200 performs various control processes based on the luminance information obtained in this way. For example, the computer 200 uses the luminance information as the luminance value of each pixel acquired based on the scanning control signal in the two-dimensional scanning by the XY scanning mechanism 140, thereby generating a luminance image on the surface of the measurement sample 10. Do. Alternatively, the computer 200 controls the Z scanning mechanism 190 to change the relative distance Z between the objective lens 150 and the measurement sample 10, and the relative distance when the luminance value of each pixel constituting the luminance image becomes maximum. By obtaining the value of Z for each pixel, the measurement processing of the height shape of the entire surface of the measurement sample 10 is performed. Moreover, the process which produces | generates the omnifocal image of the measurement sample 10 is performed using the local maximum luminance value of each pixel at this time.

指示部300は、図1の走査型レーザ顕微鏡の使用者からの各種の動作指示を取得してコンピュータ200へ通知するものであり、例えば文字キーボード装置やマウス装置である。なお、この動作指示には、図1の走査型レーザ顕微鏡に対し予め複数設定されている動作モードからそのうちのひとつを選択する指示などがある。   The instruction unit 300 acquires various operation instructions from the user of the scanning laser microscope of FIG. 1 and notifies the computer 200, and is, for example, a character keyboard device or a mouse device. This operation instruction includes an instruction to select one of a plurality of operation modes set in advance for the scanning laser microscope of FIG.

表示部400は、コンピュータ200により作成される測定サンプル10の各種画像を表示する。また、走査型レーザ顕微鏡の動作に関する各種の設定用画面などといった、指示部300が取得する使用者からの各種の指示を識別するためのGUI画面を、コンピュータ200による制御の下で表示する。   The display unit 400 displays various images of the measurement sample 10 created by the computer 200. Further, a GUI screen for identifying various instructions from the user acquired by the instruction unit 300 such as various setting screens related to the operation of the scanning laser microscope is displayed under the control of the computer 200.

なお、コンピュータ200は、ごく標準的な構成のコンピュータ、すなわち、制御プログラムの実行によってコンピュータ200全体の動作制御を司るMPU等の演算処理装置と、この演算処理装置が必要に応じてワークメモリとして使用するメインメモリと、各種のプログラムや制御データなどを記憶して保存しておく例えばハードディスク装置などの記憶装置と、レーザ顕微鏡本体100、指示部300、及び表示部400との間で行われる各種のデータの授受を管理するインタフェース部と、を有しているコンピュータ、を利用することができる。   The computer 200 is a computer having a very standard configuration, that is, an arithmetic processing unit such as an MPU that controls the operation of the entire computer 200 by executing a control program, and the arithmetic processing unit uses it as a work memory as necessary. Various memories performed between the main memory, a storage device such as a hard disk device that stores and stores various programs and control data, and the laser microscope main body 100, the instruction unit 300, and the display unit 400 A computer having an interface unit for managing the exchange of data can be used.

なお、コンピュータ200が行う前述した処理は、これらの処理をコンピュータ200に行わせるための制御プログラムを予め作成しておいて記憶装置に格納しておくようにする。コンピュータ200は、指示部300が取得した所定の指示に応じて演算処理装置が当該制御プログラムを記憶装置から読み出して実行すると、前述した処理を行えるようになる。   Note that the above-described processing performed by the computer 200 creates a control program for causing the computer 200 to perform these processing in advance and stores it in a storage device. The computer 200 can perform the above-described processing when the arithmetic processing device reads the control program from the storage device and executes it in accordance with a predetermined instruction acquired by the instruction unit 300.

次に図2について説明する。図2は、図1に示した受光系180の詳細構成を示している。受光系180は、前述したように、受光素子181と増幅部182とを備えて構成されている。   Next, FIG. 2 will be described. FIG. 2 shows a detailed configuration of the light receiving system 180 shown in FIG. As described above, the light receiving system 180 includes the light receiving element 181 and the amplifying unit 182.

受光素子181は、共焦点絞り170を通過して到来したレーザ光を受光して、そのレーザ光の光量に応じた大きさのアナログ電気信号を出力する光電変換素子であり、例えばPMT(フォトマルチプライヤ)である。なお、受光素子181としてPMTを用いる代わりに、PD(フォトダイオード)やAPD(アバランシェフォトダイオード)などを使用してもよい。   The light receiving element 181 is a photoelectric conversion element that receives laser light that has passed through the confocal stop 170 and outputs an analog electric signal having a magnitude corresponding to the amount of the laser light. Pliers). Instead of using the PMT as the light receiving element 181, a PD (photodiode), an APD (avalanche photodiode), or the like may be used.

増幅部182は、I−V変換部183と帯域幅変更部184とを備えて構成されている。
I−V変換部(電流−電圧変換部)183は、受光素子181が、レーザ光の受光量に応じた大きさの電流信号(光電流)を出力する場合に、負荷抵抗R0によってその電流信号を電圧信号に変換するものである。なお、図2において負荷抵抗R0に並列に接続されている容量C0は、受光素子181自身や受光素子181と増幅部182との電気配線などに存在する浮遊容量を等価回路として表したものである。このとき、I−V変換部183の通過帯域幅(以下、単に「帯域幅」と称することとする)f0は下記の[数1]式で表される。
The amplifying unit 182 includes an IV converting unit 183 and a bandwidth changing unit 184.
When the light receiving element 181 outputs a current signal (photocurrent) having a magnitude corresponding to the amount of received laser light, the IV converter (current-voltage converter) 183 receives the current signal by the load resistor R0. Is converted into a voltage signal. Note that the capacitor C0 connected in parallel with the load resistor R0 in FIG. 2 represents the stray capacitance existing in the light receiving element 181 itself or the electric wiring between the light receiving element 181 and the amplifying unit 182 as an equivalent circuit. . At this time, the pass bandwidth (hereinafter simply referred to as “bandwidth”) f0 of the IV conversion unit 183 is expressed by the following [Equation 1].

受光素子181の出力インピーダンスを無視して考えると、図2の回路から明らかなように、負荷抵抗R0を大きくするとI−V変換部183から出力される信号の電圧は大きくなる。しかし、[数1]式から明らかなように、負荷抵抗R0を大きくすると、I−V変換部183の帯域幅f0は狭くなってしまうので、負荷抵抗R0は、受光系180で十分なセンサ帯域幅を確保できる値に設定しておき、固定値とする。 When the output impedance of the light receiving element 181 is ignored, as is apparent from the circuit of FIG. 2, when the load resistance R0 is increased, the voltage of the signal output from the IV conversion unit 183 increases. However, as is clear from the formula [1], if the load resistance R0 is increased, the bandwidth f0 of the IV conversion unit 183 becomes narrow. Therefore, the load resistance R0 has a sufficient sensor bandwidth in the light receiving system 180. The width is set to a value that can be secured and set to a fixed value.

帯域幅変更部184は増幅器185を備えており、I−V変換部183から出力される電圧信号を増幅して出力信号とする。この出力信号は、受光系180が受光したレーザ光の光量の情報(輝度情報)として、コンピュータ200に送られる。コンピュータ200では、インタフェース部に備えられているA/D変換部(不図示)により、この輝度情報の電圧値をデジタルデータに変換して利用する。   The bandwidth changing unit 184 includes an amplifier 185, and amplifies the voltage signal output from the IV conversion unit 183 to generate an output signal. This output signal is sent to the computer 200 as information (luminance information) on the amount of laser light received by the light receiving system 180. In the computer 200, the voltage value of the luminance information is converted into digital data and used by an A / D conversion unit (not shown) provided in the interface unit.

また、帯域幅変更部184は、帯域幅が可変であるローパスフィルタを備えており、この帯域幅を変化させることで、受光系180の帯域幅の変更を行う。この受光系180の帯域幅は、レーザ光を受光してからその受光量の情報を出力するまでの受光系180の応答速度を決定する。   The bandwidth changing unit 184 includes a low-pass filter whose bandwidth is variable, and changes the bandwidth of the light receiving system 180 by changing the bandwidth. The bandwidth of the light receiving system 180 determines the response speed of the light receiving system 180 from when the laser beam is received until the information of the received light amount is output.

次に図3について説明する。図3は、帯域幅変更部184の詳細構成の第一の例を示している。
図3に示す帯域幅変更部184は、一対の差動入力を有するオペアンプ(演算増幅器)185−1と、フィードバック抵抗R1と、接地抵抗Rsとで構成される基本的な非反転増幅器におけるフィードバック抵抗R1に、コンデンサC1が並列接続されているものである。従って、この非反転増幅器は、コンデンサC1により帯域制限がされている。
Next, FIG. 3 will be described. FIG. 3 shows a first example of a detailed configuration of the bandwidth changing unit 184.
The bandwidth changing unit 184 shown in FIG. 3 includes a feedback resistor in a basic non-inverting amplifier including an operational amplifier (operational amplifier) 185-1 having a pair of differential inputs, a feedback resistor R1, and a ground resistor Rs. A capacitor C1 is connected in parallel to R1. Therefore, this non-inverting amplifier is band-limited by the capacitor C1.

ここで、コンデンサC1は容量可変のものであり、その値は、コンピュータ200の動作指示に応じて制御部110により制御される。より具体的には、例えばコンデンサC1としてスイッチドキャパシタを使用し、制御部110は、当該スイッチドキャパシタに与えられる制御パルスの周波数を変化させることで、その容量を変化させる。   Here, the capacitor C1 has a variable capacity, and its value is controlled by the control unit 110 in accordance with an operation instruction of the computer 200. More specifically, for example, a switched capacitor is used as the capacitor C1, and the control unit 110 changes its capacitance by changing the frequency of the control pulse given to the switched capacitor.

この図3に示した帯域幅変更部184の帯域幅f1は、下記の[数2]式で表される。   The bandwidth f1 of the bandwidth changing unit 184 shown in FIG. 3 is expressed by the following [Equation 2].

また、図3に示した帯域幅変更部184を用いた場合、増幅部182全体の帯域幅fは、下記の[数3]式で表される。 When the bandwidth changing unit 184 shown in FIG. 3 is used, the bandwidth f of the entire amplifying unit 182 is expressed by the following [Equation 3].

つまり、増幅部182は、その内部に設けられている帯域幅変更部184の帯域幅f1を変更すると、増幅部182全体の帯域幅f、すなわち受光系180の帯域幅を変更することができる。 That is, the amplifying unit 182 can change the bandwidth f of the entire amplifying unit 182, that is, the bandwidth of the light receiving system 180 by changing the bandwidth f 1 of the bandwidth changing unit 184 provided therein.

従って、図1の走査型レーザ顕微鏡を用いて取得する測定サンプル10の観察像に高い解像力を必要とする場合には、使用者は、受光系180の帯域幅を広げる指示を指示部300へ与えるようにする。そして、コンピュータ200は、この指示を指示部300から取得した場合には、所定の動作指示を制御部110に与えて、図3に示した帯域幅変更部184におけるコンデンサC1の容量を小さくする制御を制御部110に行わせる処理を行うようにする。すると、受光系180の帯域幅は広くなるので、得られる測定サンプル10の観察像の解像力が高くなる。   Therefore, when a high resolving power is required for the observation image of the measurement sample 10 acquired using the scanning laser microscope of FIG. 1, the user gives an instruction to the instruction unit 300 to widen the bandwidth of the light receiving system 180. Like that. When the computer 200 obtains this instruction from the instruction unit 300, the computer 200 gives a predetermined operation instruction to the control unit 110, and controls the bandwidth changing unit 184 shown in FIG. 3 to reduce the capacitance of the capacitor C1. The control unit 110 performs the process. Then, since the bandwidth of the light receiving system 180 is widened, the resolution of the observation image of the obtained measurement sample 10 is increased.

一方、図1の走査型レーザ顕微鏡を用いて、測定サンプル10の高さ計測を高精度で行う必要がある場合には、使用者は、受光系180の帯域幅を狭める指示を指示部300へ与えるようにする。そして、コンピュータ200は、この指示を指示部300から取得した場合には、所定の動作指示を制御部110に与えて、図3に示した帯域幅変更部184におけるコンデンサC1の容量を大きくする制御を制御部110に行わせる処理を行うようにする。すると、受光系180の帯域幅が狭くなってS/N比が向上するので、測定サンプル10の高さ計測の精度が高くなる。   On the other hand, when it is necessary to measure the height of the measurement sample 10 with high accuracy using the scanning laser microscope of FIG. 1, the user instructs the instruction unit 300 to narrow the bandwidth of the light receiving system 180. To give. When the computer 200 obtains this instruction from the instruction unit 300, the computer 200 gives a predetermined operation instruction to the control unit 110 to increase the capacity of the capacitor C1 in the bandwidth changing unit 184 shown in FIG. The control unit 110 performs the process. Then, since the bandwidth of the light receiving system 180 is narrowed and the S / N ratio is improved, the accuracy of the height measurement of the measurement sample 10 is increased.

なお、使用者が上述した指示を指示部300へ直接与える代わりに、以下のようにしてもよい。
すなわち、まず、前述した図1の走査型レーザ顕微鏡の動作モードとして、測定サンプル10の観察像を高い解像力で取得する高解像優先モードや、測定サンプル10の高さ計測を高精度に行う高精度測定モードなどを予め設定しておく。そして、使用者が、これらの動作モードからそのうちのひとつを選択する指示(例えば選択ボタンの押下操作などによる指示)を指示部300へ与えるようにする。このとき、コンピュータ200は、この指示を指示部300から取得したときに、指示に係る選択内容が高解像優先モードであった場合には、所定の動作指示を制御部110に与えて、図3に示した帯域幅変更部184におけるコンデンサC1の容量を小さくする制御を制御部110に行わせる処理を行うようにする。また、コンピュータ200は、この指示を指示部300から取得したときに、指示に係る選択内容が高精度測定モードであった場合には、所定の動作指示を制御部110に与えて、図3に示した帯域幅変更部184におけるコンデンサC1の容量を大きくする制御を制御部110に行わせる処理を行うようにする。
Instead of directly giving the instruction described above to the instruction unit 300 by the user, the following may be performed.
That is, first, as the operation mode of the scanning laser microscope of FIG. 1 described above, a high-resolution priority mode for acquiring an observation image of the measurement sample 10 with high resolution, and a high-precision measurement of the height of the measurement sample 10 An accuracy measurement mode and the like are set in advance. Then, the user gives an instruction to select one of these operation modes (for example, an instruction by pressing a selection button or the like) to the instruction unit 300. At this time, when the computer 200 obtains this instruction from the instruction unit 300, if the selection content related to the instruction is the high resolution priority mode, the computer 200 gives a predetermined operation instruction to the control unit 110, In the bandwidth changing unit 184 shown in FIG. 3, the control unit 110 performs control to reduce the capacitance of the capacitor C1. In addition, when the computer 200 obtains this instruction from the instruction unit 300, if the selected content related to the instruction is the high-precision measurement mode, the computer 200 gives a predetermined operation instruction to the control unit 110, and FIG. A process for causing the control unit 110 to perform control to increase the capacitance of the capacitor C1 in the illustrated bandwidth changing unit 184 is performed.

このように、指示部300が取得した指示に係る動作モードに基づいて、帯域幅変更部184が受光系180の帯域幅を変更するようにしてもよい。このようにすることで、走査型レーザ顕微鏡の操作性が向上する。   As described above, the bandwidth changing unit 184 may change the bandwidth of the light receiving system 180 based on the operation mode related to the instruction acquired by the instruction unit 300. By doing so, the operability of the scanning laser microscope is improved.

以上のように、図1の走査型レーザ顕微鏡によれば、受光系180のセンサ帯域やS/N特性の変更を容易に行うことができる。従って、高い解像力を必要とする場合、あるいは、高精度での高さ計測が必要で解像力の劣化は許容できる場合、などのように、使用者の要求に沿った特性を提供することができる。また、この特性の変更ために機械的な動作は行わないので、装置を小型に構成することが可能であり、また、装置のコストも安価になる。   As described above, according to the scanning laser microscope of FIG. 1, the sensor band and S / N characteristics of the light receiving system 180 can be easily changed. Therefore, it is possible to provide characteristics that meet the user's requirements, such as when high resolving power is required, or when height measurement with high accuracy is required and degradation of resolving power is acceptable. Further, since no mechanical operation is performed to change this characteristic, the apparatus can be configured in a small size, and the cost of the apparatus can be reduced.

なお、図3に示した帯域幅変更部184では、非反転増幅器の帯域幅を決定している回路定数として、コンデンサC1の値を、制御部110の制御により変更するようにしていた。この代わりに、コンデンサC1を固定値とすると共に、非反転増幅器の帯域幅を決定している回路定数として、フィードバック抵抗R1の値を、制御部110の制御により変更するようにして、受光系180の帯域幅を変更するようにしてもよい。但し、フィードバック抵抗R1の値を変更した場合には、非反転増幅器の増幅度も変化してしまうので、この場合には、並行して接地抵抗Rsの値も変更するようにして、非反転増幅器の増幅度の変化を抑制するようにする。   In the bandwidth changing unit 184 shown in FIG. 3, the value of the capacitor C <b> 1 is changed under the control of the control unit 110 as a circuit constant that determines the bandwidth of the non-inverting amplifier. Instead, the light receiving system 180 is configured such that the value of the feedback resistor R1 is changed by the control of the control unit 110 as a circuit constant that determines the bandwidth of the non-inverting amplifier while the capacitor C1 is a fixed value. The bandwidth may be changed. However, when the value of the feedback resistor R1 is changed, the amplification factor of the non-inverting amplifier also changes. In this case, the value of the grounding resistor Rs is also changed in parallel, so that the non-inverting amplifier is changed. The change in the degree of amplification is suppressed.

次に図4について説明する。図4は、帯域幅変更部184の詳細構成の第二の例を示している。
図4に示す帯域幅変更部184は、一対の差動入力を有するオペアンプ185aと、フィードバック抵抗Raと、接地抵抗Rsとで構成される基本的な非反転増幅器におけるフィードバック抵抗RaにコンデンサCaが並列接続されて構成されている第一増幅器、一対の差動入力を有するオペアンプ185bと、フィードバック抵抗Rbと、接地抵抗Rsとで構成される基本的な非反転増幅器におけるフィードバック抵抗RbにコンデンサCbが並列接続されて構成されている第二増幅器、及び、一対の差動入力を有するオペアンプ185cと、フィードバック抵抗Rcと、接地抵抗Rsとで構成される基本的な非反転増幅器におけるフィードバック抵抗RcにコンデンサCcが並列接続されて構成されている第三増幅器、並びに、信号選択回路186を備えて構成されている。
Next, FIG. 4 will be described. FIG. 4 shows a second example of the detailed configuration of the bandwidth changing unit 184.
4 includes a capacitor Ca in parallel with a feedback resistor Ra in a basic non-inverting amplifier including an operational amplifier 185a having a pair of differential inputs, a feedback resistor Ra, and a ground resistor Rs. A capacitor Cb is in parallel with a feedback resistor Rb in a basic non-inverting amplifier composed of a first amplifier connected and an operational amplifier 185b having a pair of differential inputs, a feedback resistor Rb, and a ground resistor Rs. A capacitor Cc is connected to a feedback resistor Rc in a basic non-inverting amplifier composed of a second amplifier configured to be connected, an operational amplifier 185c having a pair of differential inputs, a feedback resistor Rc, and a ground resistor Rs. Amplifier connected in parallel, and signal selection It is configured to include a road 186.

ここで、アナログ信号増幅器である第一増幅器、第二増幅器、及び第三増幅器それぞれの帯域幅fa、fb、及びfcは、前掲した[数2]式におけるコンデンサC1の値をそれぞれCa、Cb、及びCcに置き換えると共に、この式におけるフィードバック抵抗R1の値をそれぞれRa、Rb、及びRcに置き換えることにより、求めることができる。なお、本実施形態においては、この値を、抵抗Ra=Rb=Rcとし、コンデンサCa、Cb、及びCcを、Ca<Cb<Ccが成立する互いに異なる値に設定することで、アナログ信号増幅器である第一増幅器、第二増幅器、及び第三増幅器それぞれの帯域幅fa、fb、及びfcを互いに異なるもの(fa>fb>fc)とする。   Here, the bandwidths fa, fb, and fc of the first amplifier, the second amplifier, and the third amplifier, which are analog signal amplifiers, are the values of the capacitor C1 in the above-described [Equation 2], respectively, Ca, Cb, And Cc, and the value of the feedback resistor R1 in this equation can be obtained by replacing with Ra, Rb, and Rc, respectively. In the present embodiment, this value is set to the resistance Ra = Rb = Rc, and the capacitors Ca, Cb, and Cc are set to different values that satisfy Ca <Cb <Cc. The bandwidths fa, fb, and fc of a certain first amplifier, second amplifier, and third amplifier are different from each other (fa> fb> fc).

信号選択回路186には、第一増幅器、第二増幅器、及び第三増幅器それぞれの出力信号a、b、及びcが入力される。信号選択回路186は、例えばリレー回路であり、出力信号a、b、及びcのうちのいずれか1つが、コンピュータ200の動作指示に応じた制御部110の制御により選択され、選択されたものを、帯域幅変更部184の出力(すなわち受光系180の出力)として出力する。   The signal selection circuit 186 receives output signals a, b, and c of the first amplifier, the second amplifier, and the third amplifier, respectively. The signal selection circuit 186 is, for example, a relay circuit, and any one of the output signals a, b, and c is selected by the control of the control unit 110 according to the operation instruction of the computer 200 and is selected. And output as the output of the bandwidth changing unit 184 (that is, the output of the light receiving system 180).

このように、図4の構成では、信号選択回路186が、I−V変換部183から出力される電圧信号(すなわち、受光素子181が受光したレーザ光の受光量を示すアナログ電気信号)の増幅に使用する増幅器を、帯域幅が互いに異なる第一増幅器、第二増幅器、及び第三増幅器の3つの増幅器の間で切り替えると、受光系180の帯域幅が変更される。   As described above, in the configuration of FIG. 4, the signal selection circuit 186 amplifies the voltage signal output from the IV conversion unit 183 (that is, an analog electrical signal indicating the amount of laser light received by the light receiving element 181). When the amplifier used in the above is switched among three amplifiers of the first amplifier, the second amplifier, and the third amplifier having different bandwidths, the bandwidth of the light receiving system 180 is changed.

従って、図1の走査型レーザ顕微鏡を用いて取得する測定サンプル10の観察像に高い解像力を必要とする場合には、使用者は、受光系180の帯域幅を広げる指示を指示部300へ与えるようにする。そして、コンピュータ200は、この指示を指示部300から取得した場合には、所定の動作指示を制御部110に与えて、図4に示した帯域幅変更部184における出力信号aを信号選択回路186に選択させる制御を制御部110に行わせる処理を行うようにする。すると、受光系180の帯域幅は広くなるので、得られる測定サンプル10の観察像の解像力が高くなる。   Therefore, when a high resolving power is required for the observation image of the measurement sample 10 acquired using the scanning laser microscope of FIG. 1, the user gives an instruction to the instruction unit 300 to widen the bandwidth of the light receiving system 180. Like that. When the computer 200 acquires this instruction from the instruction unit 300, the computer 200 gives a predetermined operation instruction to the control unit 110, and uses the output signal a in the bandwidth changing unit 184 shown in FIG. A process for causing the control unit 110 to perform control to be selected is performed. Then, since the bandwidth of the light receiving system 180 is widened, the resolution of the observation image of the obtained measurement sample 10 is increased.

一方、図1の走査型レーザ顕微鏡を用いて、測定サンプル10の高さ計測を高精度で行う必要がある場合には、使用者は、受光系180の帯域幅を狭める指示を指示部300へ与えるようにする。そして、コンピュータ200は、この指示を指示部300から取得した場合には、所定の動作指示を制御部110に与えて、図4に示した帯域幅変更部184における出力信号cを信号選択回路186に選択させる制御を制御部110に行わせる処理を行うようにする。すると、受光系180の帯域幅が狭くなってS/N比が向上するので、測定サンプル10の高さ計測の精度が高くなる。   On the other hand, when it is necessary to measure the height of the measurement sample 10 with high accuracy using the scanning laser microscope of FIG. 1, the user instructs the instruction unit 300 to narrow the bandwidth of the light receiving system 180. To give. Then, when the computer 200 acquires this instruction from the instruction unit 300, the computer 200 gives a predetermined operation instruction to the control unit 110, and the output signal c in the bandwidth changing unit 184 shown in FIG. A process for causing the control unit 110 to perform control to be selected is performed. Then, since the bandwidth of the light receiving system 180 is narrowed and the S / N ratio is improved, the accuracy of the height measurement of the measurement sample 10 is increased.

もちろん、前述したように、指示部300が取得した指示に係る動作モード(高解像優先モードや高精度測定モード)に基づいて、帯域幅変更部184が受光系180の帯域幅を変更するようにして、走査型レーザ顕微鏡の操作性を向上させるようにしてもよい。   Of course, as described above, the bandwidth changing unit 184 changes the bandwidth of the light receiving system 180 based on the operation mode (high resolution priority mode or high accuracy measurement mode) related to the instruction acquired by the instruction unit 300. Thus, the operability of the scanning laser microscope may be improved.

このように、帯域幅変更部184として図4の構成を採ると、図3の構成に対し、コンデンサCa、Cb、及びCcとして容量値が固定のものを使用するので、回路の信頼性が向上し、また、回路自身が発生するノイズも減少する。   As described above, when the configuration of FIG. 4 is adopted as the bandwidth changing unit 184, the circuit Ca is improved with respect to the configuration of FIG. 3 because capacitors Ca, Cb, and Cc having fixed capacitance values are used. In addition, noise generated by the circuit itself is also reduced.

なお、図4の構成では、互いに帯域幅の異なる3つの増幅器のうちの1つを信号選択回路186が選択して使用するようにしていたが、この代わりに、互いに帯域幅の異なる増幅器を2つのみ、若しくは4つ以上とし、これら互いに帯域幅の異なる複数の増幅器のうちの1つを信号選択回路186が選択して使用するようにしてもよい。   In the configuration of FIG. 4, the signal selection circuit 186 selects and uses one of three amplifiers having different bandwidths. Instead, two amplifiers having different bandwidths are used. One or four or more amplifiers having different bandwidths may be selected and used by the signal selection circuit 186.

次に図5について説明する。図5は、本発明を実施する走査型レーザ顕微鏡の構成の第二の例を示している。
なお、図5において、図1に示した第一の例におけるものと同一の構成要素には同一の符号を付しており、これらについては詳細な説明を省略する。
Next, FIG. 5 will be described. FIG. 5 shows a second example of the configuration of a scanning laser microscope for carrying out the present invention.
In FIG. 5, the same components as those in the first example shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.

図5に示した構成では、図1に示した構成から共焦点絞り170及び受光系180が削除され、その代わりに、ビームスプリッタ501と、第一の共焦点絞り510及び第一の受光系511と、第二の共焦点絞り520及び第二の受光系521とが備えられている。   In the configuration shown in FIG. 5, the confocal stop 170 and the light receiving system 180 are deleted from the configuration shown in FIG. 1. Instead, the beam splitter 501, the first confocal stop 510 and the first light receiving system 511 are removed. And a second confocal stop 520 and a second light receiving system 521.

レーザ光源120から出力されたレーザ光は、ビームスプリッタ(BS)130を透過してXY走査機構140を通過した後に光路上の対物レンズ150を通過して、試料である測定サンプル10の表面に照射される。ここで、コンピュータ200の動作指示に応じて制御部110がXY走査機構140を制御すると、XY走査機構140が、このレーザ光を、測定サンプル10の表面上でXY方向(レーザ顕微鏡本体100の光路上の対物レンズ150の光軸に垂直である2方向)に二次元走査させる。   The laser light output from the laser light source 120 passes through the beam splitter (BS) 130, passes through the XY scanning mechanism 140, and then passes through the objective lens 150 on the optical path to irradiate the surface of the measurement sample 10 that is a sample. Is done. Here, when the control unit 110 controls the XY scanning mechanism 140 in accordance with an operation instruction of the computer 200, the XY scanning mechanism 140 transmits the laser light on the surface of the measurement sample 10 in the XY direction (the light of the laser microscope main body 100). Two-dimensional scanning is performed in two directions perpendicular to the optical axis of the objective lens 150 on the road.

測定サンプル10の表面に照射されたレーザ光は当該表面で反射する。この反射したレーザ光は、光路上の対物レンズ150及びXY走査機構140を通過した後に、ビームスプリッタ(BS)130で今度は反射してビームスプリッタ501へと向かう。   The laser beam irradiated on the surface of the measurement sample 10 is reflected by the surface. The reflected laser light passes through the objective lens 150 and the XY scanning mechanism 140 on the optical path, and is then reflected by the beam splitter (BS) 130 toward the beam splitter 501.

ビームスプリッタ(BS)501は、ビームスプリッタ130から到来するレーザ光を2分する。そして、その50%を透過して第一の共焦点絞り510に向かわせ、残りの50%を反射して第二の共焦点絞り510に向かわせる。   A beam splitter (BS) 501 bisects the laser light coming from the beam splitter 130. Then, 50% of the light is transmitted and directed to the first confocal stop 510, and the remaining 50% is reflected and directed to the second confocal stop 510.

第一の共焦点絞り510は、その開口部が、光路上の対物レンズ150の焦点位置に対し光学的に共役な位置に配置されている。従って、測定サンプル10の表面で反射したレーザ光のうち、当該表面における対物レンズ150の焦点位置で反射したもののみが、第一の共焦点絞り510の開口部を通過して第一の受光系511に届く。   The opening of the first confocal stop 510 is disposed at a position optically conjugate with the focal position of the objective lens 150 on the optical path. Accordingly, only the laser light reflected from the surface of the measurement sample 10 that is reflected at the focal position of the objective lens 150 on the surface passes through the opening of the first confocal stop 510 and passes through the first light receiving system. 511.

第一の受光系511は、第一の共焦点絞り510を通過して到来したレーザ光を受光して、その光量の情報を第一の輝度情報としてコンピュータ200へ出力する。第一の受光系511は、第一の受光素子512と増幅部513とを備えて構成されている。   The first light receiving system 511 receives laser light that has passed through the first confocal stop 510 and outputs information on the amount of light to the computer 200 as first luminance information. The first light receiving system 511 includes a first light receiving element 512 and an amplifying unit 513.

第二の共焦点絞り520は、その開口部が、光路上の対物レンズ150の焦点位置に対し光学的に共役な位置であって、且つ第一の共焦点絞り510とは異なる位置に配置されている。従って、測定サンプル10の表面で反射したレーザ光のうち、当該表面における対物レンズ150の焦点位置で反射したもののみが、第二の共焦点絞り520の開口部を通過して第二の受光系521に届く。   The opening of the second confocal stop 520 is an optically conjugate position with respect to the focal position of the objective lens 150 on the optical path, and is arranged at a position different from the first confocal stop 510. ing. Accordingly, only the laser beam reflected from the surface of the measurement sample 10 that has been reflected at the focal position of the objective lens 150 on the surface passes through the opening of the second confocal stop 520 and passes through the second light receiving system. 521.

第二の受光系521は、第二の共焦点絞り520を通過して到来したレーザ光を受光して、その光量の情報を第二の輝度情報としてコンピュータ200へ出力する。第二の受光系521は、第二の受光素子522と増幅部523とを備えて構成されている。   The second light receiving system 521 receives the laser light that has passed through the second confocal stop 520 and outputs information on the amount of light to the computer 200 as second luminance information. The second light receiving system 521 includes a second light receiving element 522 and an amplifying unit 523.

次に図6について説明する。図6は、図5に示した第一の受光系511及び第二の受光系521の詳細構成を示している。本実施形態では、第一の受光系511と第二の受光系521とは同一の構成を有しており、それぞれ第一の受光素子512及び第二の受光素子522と第一の増幅部513及び第二の増幅部523とを備えて構成されている。   Next, FIG. 6 will be described. FIG. 6 shows a detailed configuration of the first light receiving system 511 and the second light receiving system 521 shown in FIG. In the present embodiment, the first light receiving system 511 and the second light receiving system 521 have the same configuration, and the first light receiving element 512, the second light receiving element 522, and the first amplifying unit 513, respectively. And a second amplifying unit 523.

第一の受光素子512及び第二の受光素子522は、図2に示した構成における受光素子181と同一の構成である。すなわち、第一の受光素子512及び第二の受光素子522は、到来したレーザ光を受光して、そのレーザ光の光量に応じた大きさのアナログ電気信号を出力する光電変換素子であり、例えばPMT(フォトマルチプライヤ)である。なお、ここで、PMTを用いる代わりに、PD(フォトダイオード)やAPD(アバランシェフォトダイオード)などを使用してもよい。   The first light receiving element 512 and the second light receiving element 522 have the same configuration as the light receiving element 181 in the configuration shown in FIG. That is, the first light receiving element 512 and the second light receiving element 522 are photoelectric conversion elements that receive incoming laser light and output an analog electric signal having a magnitude corresponding to the amount of the laser light. PMT (photomultiplier). Here, instead of using the PMT, a PD (photodiode), an APD (avalanche photodiode), or the like may be used.

第一の増幅部513及び第二の増幅部523は、図2に示したものと同一の構成の構成であるI−V変換部183と、帯域幅制限増幅器530とを備えて構成されている。
帯域幅制限増幅器530は、一対の差動入力を有するオペアンプ185−2と、フィードバック抵抗R2と、接地抵抗Rsとで構成される基本的な非反転増幅器におけるフィードバック抵抗R2にコンデンサC2が並列接続されて構成されている。但し、このうちのコンデンサC2の値が、第一の増幅部513と第二の増幅部523とで互いに異なるものとされている。
The first amplifying unit 513 and the second amplifying unit 523 are configured to include an IV conversion unit 183 and a bandwidth limiting amplifier 530 having the same configuration as that shown in FIG. .
In the bandwidth limiting amplifier 530, a capacitor C2 is connected in parallel to a feedback resistor R2 in a basic non-inverting amplifier composed of an operational amplifier 185-2 having a pair of differential inputs, a feedback resistor R2, and a ground resistor Rs. Configured. However, the value of the capacitor C2 is different between the first amplifying unit 513 and the second amplifying unit 523.

第一の増幅部513及び第二の増幅部523それぞれの帯域幅fは、前掲した[数2]式におけるコンデンサC1の値をC2に置き換えると共に、この式におけるフィードバック抵抗R1の値をR2に置き換えることにより、求めることができる。ここで、コンデンサC2の値が互いに異なっているので、第一の増幅部513及び第二の増幅部523それぞれの帯域幅は互いに異なっている。従って、第一の受光系511と第二の受光系521とは、レーザ光を受光してから当該レーザ光の光量の情報を出力するまでの応答速度を決定する帯域幅が、互いに異なっている。   The bandwidth f of each of the first amplifying unit 513 and the second amplifying unit 523 replaces the value of the capacitor C1 in the above equation [2] with C2, and also replaces the value of the feedback resistor R1 in this equation with R2. Can be obtained. Here, since the values of the capacitors C2 are different from each other, the bandwidths of the first amplification unit 513 and the second amplification unit 523 are different from each other. Accordingly, the first light receiving system 511 and the second light receiving system 521 have different bandwidths for determining the response speed from when the laser light is received until the information on the light amount of the laser light is output. .

従って、図5の走査型レーザ顕微鏡を用いて取得する測定サンプル10の観察像に高い解像力を必要とする場合には、使用者は、受光系180の帯域幅を広げる指示を指示部300へ与えるようにする。そして、コンピュータ200は、この指示を指示部300から取得した場合には、第一の受光系511と第二の受光系521とのうち、帯域幅の広い方(すなわち、帯域制限増幅部530におけるコンデンサC2の値が小さい方)から出力される輝度情報に基づいて、測定サンプル10の観察像を生成する処理を行うようにする。すると、得られる測定サンプル10の観察像の解像力が高くなる。   Therefore, when a high resolution is required for the observation image of the measurement sample 10 acquired using the scanning laser microscope of FIG. 5, the user gives an instruction to the instruction unit 300 to widen the bandwidth of the light receiving system 180. Like that. When the computer 200 obtains this instruction from the instruction unit 300, the computer 200 has a wider bandwidth (that is, in the band limiting amplification unit 530) between the first light receiving system 511 and the second light receiving system 521. Based on the luminance information output from the capacitor C2 having the smaller value, processing for generating an observation image of the measurement sample 10 is performed. Then, the resolution of the observation image of the obtained measurement sample 10 is increased.

一方、図5の走査型レーザ顕微鏡を用いて、測定サンプル10の高さ計測を高精度で行う必要がある場合には、使用者は、受光系180の帯域幅を狭める指示を指示部300へ与えるようにする。そして、コンピュータ200は、この指示を指示部300から取得した場合には、第一の受光系511と第二の受光系521とのうち、帯域幅の狭い方(すなわち、帯域制限増幅部530におけるコンデンサC2の値が大きい方)から出力される輝度情報に基づいて、測定サンプル10の高さを計測する処理を行うようにする。すると、受光系180のS/N比が向上するので、測定サンプル10の高さ計測の精度が高くなる。   On the other hand, when it is necessary to measure the height of the measurement sample 10 with high accuracy using the scanning laser microscope of FIG. 5, the user instructs the instruction unit 300 to narrow the bandwidth of the light receiving system 180. To give. When the computer 200 obtains this instruction from the instruction unit 300, the computer 200 has a narrower bandwidth (that is, in the band limiting amplification unit 530) between the first light receiving system 511 and the second light receiving system 521. Based on the luminance information output from the capacitor C2 having the larger value, a process for measuring the height of the measurement sample 10 is performed. Then, since the S / N ratio of the light receiving system 180 is improved, the accuracy of the height measurement of the measurement sample 10 is increased.

もちろん、前述したように、指示部300が取得した指示に係る動作モード(高解像優先モードや高精度測定モード)に基づいて、コンピュータ200が処理する輝度情報の選択を変更するようにして、走査型レーザ顕微鏡の操作性を向上させるようにしてもよい。   Of course, as described above, the selection of the luminance information processed by the computer 200 is changed based on the operation mode (high resolution priority mode or high accuracy measurement mode) related to the instruction acquired by the instruction unit 300. You may make it improve the operativity of a scanning laser microscope.

このように、測定サンプル10の表面で反射して対物レンズ130及び共焦点絞り510若しくは520を通過して到来するレーザ光を受光して、その光量の情報を出力する受光系を複数備え、その各々の帯域幅を互いに異ならせておくようにすることで、使用者の要求に沿った特性を提供することができる。また、このように、複数の受光系を備えることで輝度情報の取得を同時に並行して行えるので、解像力の高い測定サンプル10の観察像の取得と、測定サンプル10の高精度な高さ計測とを同時に行うこともできる。   As described above, a plurality of light receiving systems are provided that receive laser light that is reflected by the surface of the measurement sample 10 and passes through the objective lens 130 and the confocal stop 510 or 520 and outputs information on the amount of light. By making the respective bandwidths different from each other, it is possible to provide characteristics in accordance with the user's request. In addition, since the luminance information can be acquired in parallel by providing a plurality of light receiving systems in this way, acquisition of an observation image of the measurement sample 10 with high resolving power and high-precision height measurement of the measurement sample 10 are possible. Can be performed simultaneously.

なお、このようにして並行して取得した輝度情報を利用し、このうちの高精度高さ測定データを用いて測定サンプル10の三次元画像(形状の鳥瞰図表示)を作成すると共に、その三次元画像の表面に、測定サンプル10についての解像度の高い全焦点画像を貼り付けて表示部400に表示させる画像処理を、当該画像処理を行うための制御プログラムを実行させることで、コンピュータ200に行わせることも可能である。   The luminance information acquired in parallel in this way is used to create a three-dimensional image (a bird's-eye view of the shape) of the measurement sample 10 using high-precision height measurement data, and the three-dimensional The computer 200 is caused to execute image processing for pasting a high-resolution omnifocal image of the measurement sample 10 on the surface of the image and displaying it on the display unit 400 by executing a control program for performing the image processing. It is also possible.

また、このようにして輝度情報を並行して取得することで、帯域幅の狭い受光系から出力される輝度情報で示されている輝度値のうち、所定の閾値未満のものを、帯域幅の広い受光系から出力される輝度情報で示されている輝度値に置き換えて、測定サンプル10の観察像の生成や高さ計測を行うようにすることもできる。   Further, by acquiring the luminance information in parallel in this way, the luminance values indicated by the luminance information output from the light receiving system with a narrow bandwidth are less than the predetermined threshold value. It can replace with the luminance value shown by the luminance information output from a wide light receiving system, and the generation of the observation image of the measurement sample 10 and the height measurement can also be performed.

このようにすると、生成される観察像において、測定サンプル10から十分な反射光量の得られる部分については、(元々十分なS/N比が得られているので、帯域幅の狭い受光系から出力される輝度情報で示されている輝度値が使用され、斜面や粗面などといった、レーザ光の反射光が少ない部分については、S/N比が優れている、帯域幅の広い受光系から出力される輝度情報で示されている輝度値が使用される。従って、このようにすることにより。高反射率領域から微弱光領域に亘り、ダイナミックレンジの広く、かつ解像力も損なわない観察像の生成、及び高さ計測を行うことができる。   In this way, in the generated observation image, a portion where a sufficient amount of reflected light can be obtained from the measurement sample 10 is output from a light receiving system with a narrow bandwidth (since a sufficient S / N ratio is originally obtained). The brightness value indicated by the brightness information is used, and the part with less reflected light of the laser light, such as the slope or rough surface, is output from the light receiving system with a wide bandwidth and excellent S / N ratio. Therefore, the luminance value indicated by the luminance information is used, so that the observation image can be generated in a wide dynamic range from the high reflectance region to the weak light region and without losing the resolution. And height measurement can be performed.

以上のように、本発明のいずれの実施形態によっても、高い解像力を必要とする場合や、高精度での高さ計測が必要で解像力の劣化は許容できる場合などのように、使用者の要求に沿った特性を提供することができる。また、この特性の変更ために機械的な動作は行わないので、装置を小型に構成することが可能であり、また、装置のコストも安価になる。更に、輝度画像を積算するような手法に比べると測定時間は短い。また、共焦点絞りの径は固定のままで良いので、高精度な位置決め機構は不要であり、共焦点光学系のセクショニング効果を低下させることもないので、高精度化、高解像化が可能である。   As described above, according to any of the embodiments of the present invention, when a high resolving power is required, or when a high-precision height measurement is required and degradation of the resolving power is acceptable, the user's request It is possible to provide characteristics along the line. Further, since no mechanical operation is performed to change this characteristic, the apparatus can be configured in a small size, and the cost of the apparatus can be reduced. Furthermore, the measurement time is short compared to a method that integrates luminance images. In addition, since the diameter of the confocal stop can be fixed, a high-accuracy positioning mechanism is not necessary, and the sectioning effect of the confocal optical system is not reduced, so high accuracy and high resolution are possible. It is.

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は、上述した各実施形態に限定されることなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良・変更が可能である。   As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to each embodiment mentioned above, A various improvement and change are possible within the range which does not deviate from the summary of this invention.

本発明を実施する走査型レーザ顕微鏡の構成の第一の例を示す図である。It is a figure which shows the 1st example of a structure of the scanning laser microscope which implements this invention. 図1に示した受光系の詳細構成を示す図である。It is a figure which shows the detailed structure of the light-receiving system shown in FIG. 帯域幅変更部の詳細構成の第一の例を示す図である。It is a figure which shows the 1st example of a detailed structure of a bandwidth change part. 帯域幅変更部の詳細構成の第二の例を示す図である。It is a figure which shows the 2nd example of a detailed structure of a bandwidth change part. 本発明を実施する走査型レーザ顕微鏡の構成の第二の例を示す図である。It is a figure which shows the 2nd example of a structure of the scanning laser microscope which implements this invention. 図5に示した第一の受光系及び第二の受光系の詳細構成を示す図である。It is a figure which shows the detailed structure of the 1st light reception system shown in FIG. 5, and a 2nd light reception system.

符号の説明Explanation of symbols

10 測定サンプル
100 レーザ顕微鏡本体
110 制御部
120 レーザ光源
130、501 ビームスプリッタ
140 XY走査機構
150 対物レンズ
160 対物レンズ切換え機構
170 共焦点絞り
180 受光系
181 受光素子
182 増幅部
183 I−V変換部
184 帯域幅変更部
185 増幅器
185−1、185−2、185a、185b、185c 演算増幅器
186 信号選択回路
190 Z走査機構
200 コンピュータ
300 指示部
400 表示部
510 第一の共焦点絞り
511 第一の受光系
512 第一の受光素子
513 第一の増幅部
520 第二の共焦点絞り
521 第二の受光系
522 第二の受光素子
523 第二の増幅部
530 帯域幅制限増幅部
R0 負荷抵抗
R1、R2、Ra、Rb、Rc フィードバック抵抗
Rs 接地抵抗
C0 容量
C1、C2、Ca、Cb、Cc コンデンサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Measurement sample 100 Laser microscope main body 110 Control part 120 Laser light source 130,501 Beam splitter 140 XY scanning mechanism 150 Objective lens 160 Objective lens switching mechanism 170 Confocal stop 180 Light receiving system 181 Light receiving element 182 Amplifying part 183 IV conversion part 184 Bandwidth change unit 185 amplifier 185-1, 185-2, 185a, 185b, 185c operational amplifier 186 signal selection circuit 190 Z scanning mechanism 200 computer 300 instruction unit 400 display unit 510 first confocal stop 511 first light receiving system 512 1st light receiving element 513 1st amplification part 520 2nd confocal stop 521 2nd light reception system 522 2nd light reception element 523 2nd amplification part 530 Bandwidth limited amplification part R0 Load resistance R1, R2, Ra, Rb, Rc Feeder Click resistor Rs ground resistance C0 capacitor C1, C2, Ca, Cb, Cc capacitor

Claims (6)

二次元走査させながら試料の表面に照射したときに該表面で反射して対物レンズ及び共焦点絞りを通過して到来するレーザ光を受光して、その光量の情報を出力する受光系と、
前記受光系が前記レーザ光を受光してから該レーザ光の光量の情報を出力するまでの応答速度を決定する該受光系の帯域幅を変更する帯域幅変更手段と、
を有することを特徴とする走査型レーザ顕微鏡。
A light-receiving system that receives the laser light that is reflected by the surface of the sample while irradiating the surface of the sample while being two-dimensionally scanned, passes through the objective lens and the confocal stop, and outputs information on the amount of light;
Bandwidth changing means for changing a bandwidth of the light receiving system for determining a response speed from when the light receiving system receives the laser light to outputting information on a light amount of the laser light;
A scanning laser microscope characterized by comprising:
前記走査型レーザ顕微鏡に対し予め複数設定されている動作モードからそのうちのひとつを選択する指示を取得する動作モード選択指示取得手段を更に有し、
前記帯域幅変更手段は、前記動作モード選択指示取得手段が取得した指示に係る動作モードに基づいて前記受光系の帯域幅を変更する、
ことを特徴とする請求項1に記載の走査型レーザ顕微鏡。
An operation mode selection instruction acquisition means for acquiring an instruction to select one of the operation modes set in advance for the scanning laser microscope;
The bandwidth changing unit changes the bandwidth of the light receiving system based on the operation mode according to the instruction acquired by the operation mode selection instruction acquiring unit.
The scanning laser microscope according to claim 1.
前記受光系は、前記レーザ光を受光して該レーザ光の光量に応じた大きさのアナログ電気信号を出力する光電変換素子を備えており、
前記受光系が出力する前記レーザ光の光量の情報は、前記アナログ電気信号であり、
前記帯域幅変更手段は、
前記アナログ電気信号を増幅する、帯域幅の異なる複数のアナログ信号増幅器と、
前記アナログ電気信号の増幅に使用するアナログ信号増幅器を切り替える増幅器切替手段と、
を備える、
ことを特徴とする請求項1または2に記載の走査型レーザ顕微鏡。
The light receiving system includes a photoelectric conversion element that receives the laser light and outputs an analog electric signal having a magnitude corresponding to the amount of the laser light,
The amount of information of the laser beam output from the light receiving system is the analog electrical signal,
The bandwidth changing means includes
A plurality of analog signal amplifiers having different bandwidths for amplifying the analog electrical signal;
Amplifier switching means for switching an analog signal amplifier used for amplification of the analog electric signal;
Comprising
The scanning laser microscope according to claim 1 or 2.
前記受光系は、前記レーザ光を受光して該レーザ光の光量に応じた大きさのアナログ電気信号を出力する光電変換素子を備えており、
前記受光系が出力する前記レーザ光の光量の情報は、前記アナログ電気信号であり、
前記帯域幅変更手段は、
前記アナログ電気信号を増幅するアナログ信号増幅器と、
前記アナログ信号増幅器の帯域幅を決定している該アナログ信号増幅器の回路定数を変更する回路定数変更手段と、
を備える、
ことを特徴とする請求項1または2に記載の走査型レーザ顕微鏡。
The light receiving system includes a photoelectric conversion element that receives the laser light and outputs an analog electric signal having a magnitude corresponding to the amount of the laser light,
The amount of information of the laser beam output from the light receiving system is the analog electrical signal,
The bandwidth changing means includes
An analog signal amplifier for amplifying the analog electrical signal;
Circuit constant changing means for changing the circuit constant of the analog signal amplifier determining the bandwidth of the analog signal amplifier;
Comprising
The scanning laser microscope according to claim 1 or 2.
二次元走査させながら試料の表面に照射したときに該表面で反射して対物レンズ及び共焦点絞りを通過して到来するレーザ光を受光して、その光量の情報を出力する受光系を複数有しており、
前記受光系は、前記レーザ光を受光してから該レーザ光の光量の情報を出力するまでの応答速度を決定する帯域幅が互いに異なっている、
ことを特徴とする走査型レーザ顕微鏡。
There are multiple light receiving systems that receive laser light that is reflected on the surface of the sample while irradiating the surface of the sample while being scanned two-dimensionally, passes through the objective lens and the confocal stop, and outputs information on the amount of light. And
The light receiving system has mutually different bandwidths for determining a response speed from receiving the laser light to outputting information on the light amount of the laser light.
A scanning laser microscope.
前記走査型レーザ顕微鏡に対し予め複数設定されている動作モードからそのうちのひとつを選択する指示を取得する動作モード選択指示取得手段と、
前記動作モード選択指示取得手段が取得した指示に係る動作モードに基づいて、複数の前記受光系が各々出力する該レーザ光の光量の情報を選択する光量情報選択手段と、
を有することを特徴とする請求項5に記載の走査型レーザ顕微鏡。
An operation mode selection instruction obtaining means for obtaining an instruction to select one of the operation modes set in advance for the scanning laser microscope;
A light amount information selecting unit that selects information on the light amount of the laser light output by each of the plurality of light receiving systems, based on the operation mode according to the instruction acquired by the operation mode selection instruction acquiring unit;
The scanning laser microscope according to claim 5, comprising:
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