JP6132650B2 - 共焦点顕微鏡装置 - Google Patents

Description

本発明は、共焦点顕微鏡装置に関し、特に、複数の三次元画像を貼り合わせてなる貼り合わせ画像を生成する共焦点顕微鏡装置に関する。

視野を移動させて試料の異なる領域を撮像した複数の画像を貼り合わせることにより、解像を低下させることなく広い視野の画像を生成する技術が知られている。この技術を、対物レンズの光軸方向（以降、高さ方向またはＺ方向と記す）に高い分解能を有し三次元画像を生成することができる共焦点顕微鏡装置に適用することで、三次元画像を貼り合わせた画像（以降、三次元貼り合わせ画像）を得ることができる。

ところで、共焦点顕微鏡装置を用いた三次元画像の生成は、対物レンズの光軸と直交するＸＹ方向へレーザ光を走査することにより得られる共焦点画像を、ある高さ測定範囲内で対物レンズの焦点面をＺ方向に変化させて複数取得することにより行われる。このため、複数の三次元画像を貼り合わせた三次元貼り合わせ画像の生成には比較的長い時間を要するという点が技術的な課題として認識されている。このような技術的な課題に関連する技術は、例えば、特許文献１に開示されている。

特許文献１に開示される装置は、すでに測定した測定エリアの基準面の高さとこれから測定する測定エリアの基準面の高さとの差分を求めて、この差分だけ高さ方向に関するサンプリング範囲（つまり、高さ測定範囲）をオフセットするという共焦点高さ測定装置である。この共焦点高さ測定装置では、高さ測定範囲を無駄に広くする必要がないため、高さ測定の時間を短縮することができる。

特開２００５−０５５２１７号公報

しかしながら、特許文献１に開示される装置では各測定エリアの高さ測定範囲の幅は一定である。このため、例えば半導体ウェハ上に形成されたバンプなど、測定対象物がある程度一定の高さであるサンプルには有効であるが、例えば高さが不規則に変化するサンプルなど、測定エリア毎に高さが異なるサンプルの場合には、最適な高さ測定範囲を設定することは困難である。その結果、高さ測定範囲の幅を比較的広く設定せざるを得ない。

このため、共焦点顕微鏡装置により高さ測定範囲を無駄に広くすることなく短時間で貼り合わせ画像を生成する、特許文献１に開示される技術とは異なる技術が求められている。

以上のような実情を踏まえ、本発明は、三次元貼り合わせ画像を短時間で生成することができる共焦点顕微鏡装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様は、試料の異なる複数の領域の各々で前記試料の異なる高さに対して取得された複数の第１の共焦点画像から高さ情報を有する三次元画像を生成し、生成した前記複数の三次元画像を貼り合わせて貼り合わせ画像を生成する共焦点顕微鏡装置であって、共焦点顕微鏡本体と、前記共焦点顕微鏡本体を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記複数の領域の各々で、当該領域に隣接するすでに三次元画像が生成された領域の高さ情報に基づいてオートフォーカス処理の高さ方向の開始位置であるオートフォーカス開始位置を決定して、当該領域に対して前記オートフォーカス開始位置から前記オートフォーカス処理を実行し、前記オートフォーカス処理により定まる高さ方向の位置を含むように第２の高さ範囲を決定し、前記第２の高さ範囲内で複数の第２の共焦点画像を取得し、前記複数の第２の共焦点画像から算出される前記試料の当該領域の高さの最大値と最小値から、前記複数の第１の共焦点画像を取得する第１の高さ範囲を決定する共焦点顕微鏡装置を提供する。

本発明の第２の態様は、第１の態様に記載の共焦点顕微鏡装置において、前記制御装置は、前記複数の領域の各々で、前記オートフォーカス処理により定まる高さ方向の位置を含むように、前記第２の高さ範囲を決定し、前記オートフォーカス処理により定まる高さ方向の位置を探索開始位置として、前記第２の高さ範囲内で前記複数の第２の共焦点画像を取得する共焦点顕微鏡装置を提供する。

本発明の第３の態様は、第１の態様に記載の共焦点顕微鏡装置において、前記共焦点顕微鏡本体は、前記試料に光を照射する対物レンズと、前記対物レンズの瞳位置と光学的に共役な位置に配置されて前記試料を走査する走査手段と、を有し、前記制御装置は、前記複数の第２の共焦点画像を取得するときに、前記複数の第１の共焦点画像を取得するときよりも前記試料を粗く走査するように、前記走査手段を制御する共焦点顕微鏡装置を提供する。

本発明の第４の態様は、第１の態様に記載の共焦点顕微鏡装置において、前記制御装置は、前記第２の高さ範囲内に当該領域に隣接する領域の高さの最大値または最小値が含まれない場合には、当該領域に隣接する領域の高さの最大値及び最小値が前記第２の高さ範囲に含まれるように前記第２の高さ範囲を伸張する共焦点顕微鏡装置を提供する。

本発明の第５の態様は、第１の態様に記載の共焦点顕微鏡装置において、前記制御装置は、当該領域に隣接するすでに三次元画像が生成された領域の高さの最小値を前記オートフォーカス開始位置として決定する共焦点顕微鏡装置を提供する。

本発明の第６の態様は、第１の態様に記載の共焦点顕微鏡装置において、前記制御装置は、当該領域に隣接するすでに三次元画像が生成された領域が複数存在するときに、当該領域に隣接するすでに三次元画像が生成された複数の領域の高さの最小値を前記オートフォーカス開始位置として決定する共焦点顕微鏡装置を提供する。

本発明の第７の態様は、第１の態様に記載の共焦点顕微鏡装置において、前記制御装置は、当該領域の中心座標で前記オートフォーカス処理を実行する共焦点顕微鏡装置を提供する。

本発明の第８の態様は、第７の態様に記載の共焦点顕微鏡装置において、前記制御装置は、前記オートフォーカス処理が、当該領域の中心座標で合焦状態に至らない場合には、当該領域の他の座標で前記オートフォーカス処理を実行する共焦点顕微鏡装置を提供する。

本発明の第９の態様は、第２の態様に記載の共焦点顕微鏡装置において、前記共焦点顕微鏡本体は、前記試料に光を照射する対物レンズと、前記対物レンズの瞳位置と光学的に共役な位置に配置されて前記試料を走査する走査手段と、前記対物レンズの焦点面からの光を検出する光検出器と、前記対物レンズと前記試料との間の相対距離を変化させるＺ位置変更手段と、を有し、前記制御装置は、前記Ｚ位置変更手段を制御して前記相対距離を変化させながら前記光検出器から受信する信号に基づいて合焦状態を判定する前記オートフォーカス処理を実行し、前記Ｚ位置変更手段を制御して前記対物レンズの焦点面を前記探索開始位置から前記第２の高さ範囲内にある複数の高さ位置に移動させて、前記走査手段を制御して前記複数の高さ位置の各々で前記試料を走査し、前記走査手段の走査位置の情報と前記光検出器から受信する信号に基づいて前記複数の第２の共焦点画像を取得する共焦点顕微鏡装置を提供する。

本発明の第１０の態様は、第９の態様に記載の共焦点顕微鏡装置において、前記制御装置は、前記複数の第２の共焦点画像を取得するときに、前記Ｚ位置変更手段が前記複数の第１の共焦点画像を取得するときよりも大きなピッチで前記相対距離を変化させるように、前記Ｚ位置変更手段を制御する共焦点顕微鏡装置を提供する。

本発明の第１１の態様は、第９の態様に記載の共焦点顕微鏡装置において、前記第１の共焦点画像を取得するときのピッチと前記第２の共焦点画像を取得するときのピッチは、前記対物レンズの倍率毎に予め決定されている共焦点顕微鏡装置を提供する。

本発明の第１２の態様は、第９の態様に記載の共焦点顕微鏡装置において、前記制御装置は、前記対物レンズの焦点面が、前記第２の高さ範囲内で前記探索開始位置から前記試料に向って移動して、その後、前記対物レンズに向って移動するように、前記Ｚ位置変更手段を制御する共焦点顕微鏡装置を提供する。

本発明の第１３の態様は、第９の態様に記載の共焦点顕微鏡装置において、前記探索開始位置から前記第２の高さ範囲の下限までの距離は、前記対物レンズの作動距離に基づいて算出される共焦点顕微鏡装置を提供する。

本発明の第１４の態様は、第９の態様に記載の共焦点顕微鏡装置において、前記共焦点顕微鏡本体は、さらに、前記試料を前記対物レンズに対して前記対物レンズの光軸と直交する方向に移動させるＸＹ位置変更手段を有し、前記制御装置は、前記ＸＹ位置変更手段を制御して、前記対物レンズの光軸上に配置される領域を前記試料の前記複数の領域の間で切り替える共焦点顕微鏡装置を提供する。
本発明の第１５の態様は、第１４の態様に記載の共焦点顕微鏡装置において、前記制御装置は、前記ＸＹ位置変更手段を制御して、切り替え後の領域が切り替え前にすでに前記対物レンズの光軸上に配置された領域に隣接するように、前記対物レンズの光軸上に配置される領域を前記試料の前記複数の領域の間で切り替える共焦点顕微鏡装置を提供する。

本発明によれば、三次元貼り合わせ画像を短時間で生成することができる共焦点顕微鏡装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る共焦点顕微鏡装置の構成を示す図である。 利用者が図１に示す共焦点顕微鏡装置に貼り合わせ画像を生成させる手順を示すフローチャートである。 観察すべき試料の一例を示す斜視図である。 図１に示す共焦点顕微鏡装置のモニタに表示される画面の一例を示す図である。 図４に示す画面の画像表示領域の拡大図である。 図１に示す共焦点顕微鏡装置で行われる貼り合わせ画像生成処理の手順を示すフローチャートである。 図１に示す共焦点顕微鏡装置で行われる高さ測定範囲決定処理の手順を示すフローチャートである。 図１に示す共焦点顕微鏡装置で行われる高さ測定範囲決定処理を説明するための図である。 隣接状態について説明するための図である。 単位領域の切り替え順序の決定方法を説明するための図である。

図１は、本発明の一実施形態に係る共焦点顕微鏡装置１の構成を示す図である。共焦点顕微鏡装置１は、三次元画像を貼り合わせてなる三次元貼り合わせ画像を生成する装置である。この共焦点顕微鏡装置１は、三次元画像を生成するために試料の異なる複数の領域で取得される共焦点画像（第１の共焦点画像）を取り込む高さ測定範囲（第１の高さ範囲）を各領域で自動的且つ適切に判断する。このため、無駄に広い高さ測定範囲から共焦点画像を取得することがないため、短時間で三次元画像及び三次元貼り合わせ画像を生成することができる。

共焦点顕微鏡装置１は、図１に示すように、共焦点顕微鏡本体１００、共焦点顕微鏡本体１００を制御する制御装置１１２、及び、モニタ１１３を備えている。

共焦点顕微鏡本体１００は、レーザ光源１０１、偏光ビームスプリッタ（以降、ＰＢＳと記す）１０２、試料１０６を走査する走査手段である二次元走査部１０３、１／４λ板１０４、試料１０６に光を照射する対物レンズ１０５、結像レンズ１０７、ピンホール板１０８、光検出器１０９、ＡＤ変換器１１０、レボルバ１１１、Ｘ−Ｙステージ１１４、白色光源１１５、結像レンズ１１６、及び、ＣＣＤカメラ１１７を備えている。

なお、レボルバ１１１は、対物レンズ１０５を切り替える手段であるとともに、対物レンズ１０５と試料１０６との間の相対距離を変化させるＺ位置変更手段でもある。また、Ｘ−Ｙステージ１１４は、試料１０６を対物レンズ１０５に対して対物レンズ１０５の光軸と直交する方向に移動させるＸＹ位置変更手段である。

レーザ光源１０１から出射したレーザ光は、ＰＢＳ１０２を透過した後、二次元走査部１０３に入射する。二次元走査部１０３は、例えばガルバノミラーである。二次元走査部１０３で偏向されたレーザ光は、１／４λ板１０４で直線偏光から円偏光に変換された後に、レボルバ１１１に装着されている対物レンズ１０５を経由して試料１０６へ照射される。

共焦点顕微鏡本体１００では、二次元走査部１０３は対物レンズ１０５の瞳位置と光学的に共役な位置に配置されている。このため、二次元走査部１０３がレーザ光を偏向させることで、レーザ光の集光位置が対物レンズ１０５の焦点面上をＸＹ方向に移動し、これによって、試料１０６がレーザ光で二次元に走査される。

ここで、二次元走査部１０３による二次元走査と、レボルバ１１１の回転駆動により共焦点顕微鏡本体１００の光路上に配置される対物レンズ１０５の切替と、対物レンズ１０５の光軸方向（Ｚ方向）へのレボルバ１１１の駆動、対物レンズ１０５の光軸と直交する方向（ＸＹ方向）へのＸ−Ｙステージ１１４の駆動は、制御装置１１２によって制御される。なお、二次元走査部１０３による二次元走査の手法としては、共焦点顕微鏡で一般的に使用されている、ラスタスキャンを採用する。

試料１０６の表面で反射したレーザ光（以降、反射光と記す）は、対物レンズ１０５を経由して入射する１／４λ板１０４で円偏光から直線偏光に変換された後に、二次元走査部１０３を経由してＰＢＳ１０２に入射する。このとき、ＰＢＳ１０２に入射する反射光は、レーザ光源１０１側からＰＢＳ１０２に入射するレーザ光の偏光面とは直交する偏光面を有しているため、ＰＢＳ１０２で反射して、結像レンズ１０７に導かれる。

結像レンズ１０７は、ＰＢＳ１０２で反射した反射光を集光させる。ＰＢＳ１０２からの反射光路上に設けられたピンホール板１０８には、対物レンズ１０５の焦点面に形成されるレーザ光の集光位置と光学的に共役な位置にピンホールが形成されている。このため、試料１０６表面のある部位が対物レンズ１０５によるレーザ光の集光位置にある場合には、この部位からの反射光は、ピンホールに集光されて当該ピンホールを通過する。その一方、試料１０６表面のある部位が対物レンズ１０５によるレーザ光の集光位置からずれている場合には、この部位からの反射光は、ピンホールに集光しないので、ピンホールを通過せず、ピンホール板１０８によって遮断される。

ピンホールを通過した光は、光検出器１０９で検出される。光検出器１０９は、例えば、光電子増倍管（ＰＭＴ）である。光検出器１０９は、このピンホールを通過した光、すなわち、試料１０６の表面のうち対物レンズ１０５によるレーザ光の集光位置に位置する部位のみからの反射光を受光し、その受光光量に応じた大きさの検出信号を、当該部位の輝度を示す輝度信号として出力する。アナログ信号であるこの輝度信号は、ＡＤ変換器１１０でアナログ−デジタル変換された上で、当該部位の輝度を示す輝度値情報として制御装置１１２に入力される。制御装置１１２は、この輝度値情報と、二次元走査部１０３による二次元走査における走査位置の情報とに基づき、試料１０６の共焦点画像（スライス画像ともいう）を生成する。

また、この共焦点顕微鏡は、以下に説明するようにして、試料１０６の三次元画像を生成することができる。
まず、制御装置１１２が、レボルバ１１１を対物レンズ１０５の光軸方向（Ｚ方向）に駆動させる制御を行って試料１０６と対物レンズ１０５との相対距離を変化させる。そして、当該相対距離が所定値だけ変化する毎に、二次元走査部１０３で試料１０６を走査して共焦点画像を生成する。このようにして生成された複数の共焦点画像における同一位置の各画素（Ｚ方向に垂直な平面上のおいて同一位置の画素）の輝度値を比較する。そして、画素毎に、最大の輝度値と、その最大の輝度値を有する共焦点画像を取得したときのレボルバ１１１のＺ方向の位置情報（高さ情報）とを検出して保存する。その後、この保存された輝度値と高さ情報とを用いて、試料１０６の三次元画像を生成する。

ここで、三次元画像は、各画素の平面上での位置情報と各画素において輝度値が最大であるときの高さ情報とを三次元座標上に配置して構築される画像である。なお、制御装置１１２は、三次元画像の代わりにエクステンド画像を生成してもよい。エクステンド画像は、試料１０６の表面全体にピントの合った画像であり、複数の共焦点画像における各画素の最大の輝度値を、各画素の輝度値として割り当てて構築される画像である。

さらに、この共焦点顕微鏡は、以下に説明するようにして、試料１０６の異なる複数の領域に対して生成された複数の三次元画像を貼り合わせて、三次元貼り合わせ画像を生成することができる。

まず、制御装置１１２が、複数の領域の三次元画像を生成するためにＸ−Ｙステージ１１４を移動させる際に、隣接する領域が一定量以上重複するように、Ｘ−Ｙステージ１１４を移動させる。そして、隣接する領域について生成された三次元画像の相対位置関係をパターンマッチングにより判断する。その後、得られた相対位置関係を用いて三次元画像を貼り合わせることで、三次元貼り合わせ画像を生成する。

一方、白色光源１１５から出射した光（白色光）は、レボルバ１１１に装着されている対物レンズ１０５の瞳位置に集光して、その後、試料１０６に照射される。これにより、ケーラー照明により試料１０６が照明される。試料１０６表面で反射した反射光は、結像レンズ１１６へ入射し、結像レンズ１１６は、この反射光をＣＣＤ（結合素子）カメラ１１７の受光面に集光する。

ＣＣＤカメラ１１７は、対物レンズ１０５の焦点面と光学的に共役な位置に受光面を有するカメラである。ＣＣＤカメラ１１７は受光面に集光された反射光により試料１０６を撮像して、試料１０６の非共焦点画像を生成する。生成された非共焦点画像は制御装置１１２に送られる。

以上のように、共焦点顕微鏡装置１では、制御装置１１２が共焦点顕微鏡本体１００を制御することで、共焦点画像、三次元画像、三次元貼り合わせ画像、及び、非共焦点画像が生成される。そして、制御装置１１２は、これらの画像を適宜モニタ１１３に表示させることができる。

以下、図２を参照しながら、共焦点顕微鏡装置１の利用者が共焦点顕微鏡装置１に三次元貼り合わせ画像を生成させる手順について説明する。図２は、共焦点顕微鏡装置１の利用者が共焦点顕微鏡装置１に三次元貼り合わせ画像を生成させる手順を示すフローチャートである。

まず、利用者は、共焦点顕微鏡装置１のＸ−Ｙステージ１１４に観察すべき試料１０６、つまり、画像化の対象となる試料１０６を設置する（ステップＳ１）。ここでは、利用者は、例えば図３に示すような試料１０６をＸ−Ｙステージ１１４に設置する。

次に、利用者は、非共焦点画像を取得するために利用する対物レンズ１０５を選択する（ステップＳ２）。ここでは、利用者は、モニタ１１３に表示される図４に示すＧＵＩ画面２００に設けられた対物レンズ選択部２０３のボタンを押下することで、例えば１０倍の対物レンズを、利用する対物レンズ１０５として選択する。制御装置１１２は、ボタンの押下を検出して利用者が選択した対物レンズ１０５を判断し、選択された対物レンズ１０５が光路上に配置されるようにレボルバ１１１を制御する。

その後、利用者は、ボタン２０４を押下して試料１０６の非共焦点画像の生成を指示し、制御装置１１２で生成された非共焦点画像をモニタ１１３の画像表示部２０１で確認する（ステップＳ３）。

次に、利用者は、共焦点画像を取得するために利用する対物レンズ１０５を選択する（ステップＳ４）。ここでは、利用者は、対物レンズ選択部２０３のボタンを押下することで、例えば５０倍の対物レンズを、利用する対物レンズ１０５として選択する。制御装置１１２は、ボタンの押下を検出して利用者が選択した対物レンズ１０５を判断し、選択された対物レンズ１０５が光路上に配置されるようにレボルバ１１１を制御する。

その後、利用者は、画像表示部２０１に表示された非共焦点画像中で、試料１０６の複数の領域を貼り合わせ領域として指定する（ステップＳ５）。ここでは、利用者は、まずボタン２０５を押下して領域指定の開始を指示する。領域指定の開始が指示されると、制御装置１１２は、図５に示すように、画像表示部２０１に領域指定するためのカーソル２１０を表示させる。利用者は、カーソル２１０を移動させて画像表示部２０１に表示されている試料１０６の所望の領域を所定の操作（例えば、ダブルクリック等）によって選択する。これを繰り返すことで、図５に示すような複数の単位領域２１１からなる貼り合わせ領域２２０を指定する。利用者は再びボタン２０５を押下して、領域指定の終了を指示する。なお、ここで、制御装置１１２は、隣接する単位領域が所定量互いに重複するようにカーソル２１０の移動を制限してもよい。

最後に、利用者は、ボタン２０６を押下して貼り合わせ画像の生成を指示する（ステップＳ６）。これを受けて、制御装置１１２は、ステップＳ５で指定された貼り合わせ領域２２０を構成する各単位領域２１１に対して三次元画像を生成し、さらに、それらを貼り合わせて三次元貼り合わせ画像を生成する。

以下、図６を参照しながら、共焦点顕微鏡装置１で行われる貼り合わせ画像生成処理の手順について説明する。図６は、共焦点顕微鏡装置１で行われる貼り合わせ画像生成処理の手順を示すフローチャートである。ここで、制御装置１１２は、ＣＰＵ、主記憶装置、補助記憶装置を備えていて、図６に示す貼り合わせ画像生成処理は、ＣＰＵが補助記憶装置に格納された制御プログラムを主記憶装置に展開して実行することにより行われる。

まず、制御装置１１２は、利用者によって指定された貼り合わせ領域２２０を構成する複数の単位領域２１１を移動する順序を決定する（ステップＳ１０）。換言すると、Ｘ−Ｙステージ１１４を制御して対物レンズ１０５の光軸上に配置される単位領域２１１を複数の単位領域２１１間で切り替える、切り替え順序を決定する。

ここでは、切り替え後の単位領域が切り替え前にすでに対物レンズ１０５の光軸上に配置された領域に隣接するように、対物レンズ１０５の光軸上に配置される領域を、貼り合わせ領域２２０を構成する複数の単位領域の間で切り替える。これは、後述するように、ある単位領域の高さ測定範囲は隣接する単位領域のデータを利用して決定されるからである。なお、切り替え順序の決定方法については後述する。

切り替え順序が決定されると、制御装置１１２は、ステップＳ１０で決定した切り替え順序に従ってＸ−Ｙステージ１１４を制御し、最初の単位領域２１１上に対物レンズ１０５を位置させる（ステップＳ２０）。

その後、制御装置１１２は、その単位領域２１１の高さ測定範囲（第１の高さ範囲）を決定する（ステップＳ３０）。ここで、高さ測定範囲とは、三次元画像の生成に使用される複数の共焦点画像（第１の共焦点画像）を取得する高さ範囲のことである。ステップＳ３０の高さ測定範囲決定処理の詳細については、後述する。

制御装置１１２は、ステップＳ３０で決定された高さ測定範囲で、三次元画像の生成に使用される複数の第１の共焦点画像を生成し（ステップＳ４０）、生成した複数の第１の共焦点画像から三次元画像を生成する（ステップＳ５０）。

三次元画像が生成されると、制御装置１１２は、すべての単位領域２１１に切り替え済みか否かを判断し（ステップＳ６０）、切り替え済みでない単位領域２１１が存在すると判断した場合には、ステップＳ１０で決定した切り替え順序に従ってＸ−Ｙステージ１１４を制御し、次の単位領域２１１上に対物レンズ１０５を位置させる（ステップＳ７０）。その後、制御装置１１２は、上述したステップＳ３０からステップＳ６０の処理を実行する。

一方、ステップＳ６０ですべての単位領域２１１に切り替え済みであると判断した場合には、制御装置１１２は、そのすべての単位領域２１１の三次元画像を貼り合わせて、三次元貼り合わせ画像を生成する（ステップＳ８０）。なお、生成した三次元貼り合わせ画像をモニタ１１３に表示される。

次に、図７を参照しながら、図６のステップＳ３０に示す高さ測定範囲決定処理の詳細について説明する。なお、図７は、高さ測定範囲決定処理の手順を示すフローチャートである。

高さ測定範囲決定処理が開始されると、制御装置１１２は、まず、現在対物レンズ１０５の光軸上に位置する単位領域（以降、現在領域と記す）に隣接する単位領域であって、すでに三次元画像が生成された単位領域（以降、隣接領域と記す）の高さ情報に基づいて、オートフォーカス処理（以降、ＡＦ処理と記す）の高さ方向の開始位置であるＡＦ開始位置Ｐ１を決定する（ステップＳ３１）。

ここでは、図８（ａ）に示すように、例えば、隣接領域の高さの最小値をＡＦ開始位置Ｐ１として決定する。ＡＦ開始位置は、隣接領域の高さの最小値に限られず、隣接領域の高さの平均値や中央値（即ち、隣接領域の三次元画像の全画素の高さ情報の平均値や中央値）であってもよい。また、隣接領域全体の高さ情報の代わりに隣接領域のうちの現在領域と重複している部分の高さ情報（最小値、平均値、中央値など）に基づいてＡＦ開始位置を決定してもよい。なお、現在領域が最初の単位領域であり、隣接領域の高さ情報が存在しない場合には、予め設定されている高さをＡＦ開始位置として決定する。
その後、制御装置１１２は、ステップＳ３１で決定したＡＦ開始位置Ｐ１から、現在領域に対してＡＦ処理を実行する（ステップＳ３２）。

ＡＦ処理は、レボルバ１１１を制御して対物レンズ１０５と試料１０６との間の相対距離を変化させながらレーザ光源１０１から出射したレーザ光を試料１０６に照射し、光検出器１０９から受信する信号に基づいて合焦状態を判定する処理である。制御装置１１２は、信号強度がピークに達した状態を合焦状態として判定する。

より詳細には、制御装置１１２は、ＡＦ処理を開始すると、レボルバ１１１を制御して、対物レンズ１０５の焦点位置をＡＦ開始位置Ｐ１から所定のピッチで試料１０６に近づく方向に移動させて、その後、所定のピッチで試料１０６から遠ざかる方向に移動させる。この際、対物レンズの焦点位置のＸＹ座標は一定の座標に維持される。ＡＦ処理中の対物レンズの焦点位置のＸＹ座標は、例えば、図８（ａ）に示すように、現在領域のＸＹ座標の中心座標である。ただし、現在領域の中心座標で合焦状態に至らない場合には、現在領域の他の座標、例えば、ＡＦ開始位置Ｐ１を決定するために利用した高さ情報を有する隣接領域側の端部の座標など、でＡＦ処理を再度行ってもよい。なお、ＡＦ開始位置Ｐ１から所定ピッチで移動させる方向は、最初に、試料１０６から遠ざかる方向に移動させ、その後、試料１０６に近づく方向に移動させてもよい。

ＡＦ処理における所定のピッチは、例えば、対物レンズ１０５の倍率毎に予め決定されている。また、図８（ａ）に矢印で示されるように、ＡＦ処理で対物レンズ１０５を移動させる高さ範囲の幅Ｗも予め決定されている。特に、ＡＦ開始位置Ｐ１から高さ範囲の下限までの距離は、対物レンズ１０５の作動距離に基づいて算出される距離に決定されている。

ＡＦ処理が終了すると、制御装置１１２は、図８（ｂ）に示すように、ＡＦ処理により定まる高さ方向の位置、つまり、合焦状態にあるときの対物レンズ１０５の焦点位置を、プレスキャンの探索開始位置Ｐ２として決定する（ステップＳ３３）。

制御装置１１２は、さらに、探索開始位置Ｐ２に基づいてプレスキャンを実行する高さ範囲（第２の高さ範囲）を決定する（ステップＳ３４）。ここでは、プレスキャンを実行する高さ範囲は、探索開始位置Ｐ２を含むように決定される。

図８（ｂ）に矢印で示されるように、プレスキャンを実行する高さ範囲の幅Ｗも予め決定されている。特に、探索開始位置Ｐ２から高さ範囲の下限までの距離は、対物レンズ１０５の作動距離に基づいて算出される距離に決定される。

なお、図８（ａ）及び図８（ｂ）では、ＡＦ処理とプレスキャンの対象となる高さ範囲の幅が同じである例を示したが、これらは異なっていてもよい。例えば、プレスキャンを実行する高さ範囲内に隣接領域の高さの最大値または最小値が含まれない場合には、制御装置１１２は、隣接領域の高さの最大値及び最小値が含まれるようにプレスキャンを実行する高さ範囲を伸張してもよい。

その後、制御装置１１２は、決定した高さ範囲でプレスキャンを実行し、複数の共焦点画像（第２の共焦点画像）を取得する（ステップＳ３５）。
プレスキャンは、レボルバ１１１を制御して対物レンズ１０５の焦点面を探索開始位置Ｐ２からステップＳ３４で決定した高さ範囲内にある複数の高さ位置に移動させて、二次元走査部１０３を制御してその複数の高さ位置の各々で試料１０６を走査し、二次元走査部１０３の走査位置の情報と光検出器１０９から受信する信号とに基づいて複数の第２の共焦点画像を取得する処理である。

このとき、制御装置１１２は、図６のステップＳ４０で複数の第１の共焦点画像を取得するときよりも、例えば、ラスタスキャンのＸ方向またはＹ方向への走査回数を減らすなどして、二次元走査部１０３が試料１０６を粗く走査するように二次元走査部１０３を制御する。これにより、プレスキャンに要する時間の短縮が図られる。さらに、制御装置１１２は、複数の第１の共焦点画像を取得するときよりも大きなピッチで相対位置を変化させるようにレボルバ１１１を制御してもよい。これにより、プレスキャンに要する時間のさらなる短縮が図られる。

なお、プレスキャンにおけるレボルバ１１１の制御は、ＡＦ処理におけるレボルバ１１１の制御と同様である。つまり、対物レンズ１０５の焦点位置を探索開始位置Ｐ２から所定のピッチで試料１０６に近づく方向に移動させて、その後、所定のピッチで試料１０６から遠ざかる方向に移動させる。プレスキャンにおけるＺ方向のピッチは、例えば、対物レンズ１０５の倍率毎に予め決定されている。なお、所定ピッチで移動させる方向は、最初に、試料１０６から遠ざかる方向に移動させ、その後、試料１０６に近づく方向に移動させてもよい。

最後に、制御装置１１２は、ステップＳ３５で取得した複数の第２の共焦点画像から、現在領域の高さ測定範囲を決定する（ステップＳ３６）。
より詳細には、複数の第２の共焦点画像から試料１０６の現在領域の高さの最大値と最小値を算出し、その最大値と最小値から高さ測定範囲を決定する。高さ測定範囲は、例えば、算出された高さの最大値から最小値までの範囲としてもよい。また、少し余裕を見て、例えば、最大値をＺ方向のピッチ幅によって決定される所定量だけ上回る高さから最小値を同じく所定量だけ下回る高さまでとしてもよい。なお、現在領域の高さの最大値と最小値は、三次元画像を生成する際と同様に、画素毎に複数の第２の共焦点画像の輝度値を比較することにより算出される。

以上のように、共焦点顕微鏡装置１によれば、図８（ｃ）に示すように、試料１０６が実際に存在する高さ範囲に高さ測定範囲（幅Ｗ１）が制限される。このため、共焦点顕微鏡装置１によれば、高さ測定範囲を無駄に広くすることないため、短時間で三次元画像及び三次元貼り合わせ画像を生成することができる。また、自動的に必要な高さ測定範囲が決定されることから、利用者が手動で高さ測定範囲を設定する場合のように高さ測定範囲の設定の妥当性を検証する必要がない。この点によっても、三次元画像及び三次元貼り合わせ画像の生成時間の短縮が図られる。

また、共焦点顕微鏡装置１によれば、高さ測定範囲の決定の自動化により、顕微鏡操作に不慣れな利用者でも共焦点顕微鏡装置１を用いて容易に三次元貼り合わせ画像を生成することが可能となる。熟練した利用者にとっても作業が簡素されて作業負担が低減されるといったメリットがある。また、利用者によって得られる高さ測定結果や三次元貼り合わせ画像が異なるといった事態を減らすことができるため、測定結果の信頼性の向上にも寄与する。
また、共焦点顕微鏡装置１によれば、以下の理由により、三次元画像の生成が失敗する可能性を低く抑えることができる。

プレスキャンによる第２の共焦点画像の取得は第１の共焦点画像の取得よりも高速に行われる。このため、プレスキャンを実行する高さ範囲（第２の高さ範囲）の幅を比較的広く設定しても三次元画像及び三次元貼り合わせ画像の生成時間が過度に長くなることがないため、第２の高さ範囲の幅を予め比較広く設定することができる。これにより、試料１０６の現在領域の高さの最大値と最小値が第２の高さ範囲に収まらず適切な高さ測定範囲を決定できないことが原因で三次元画像及び三次元貼り合わせ画像の生成に失敗してしまうといった事態を回避することができる。

Ｚ方向への走査、特に、試料１０６へ向う方向への走査では、対物レンズ１０５と試料１０６が接触する可能性がある。このため、走査範囲、つまり、プレスキャンを実行する高さ範囲を無制限に広く設定することはできない。しかしながら、共焦点顕微鏡本体１００では、プレスキャンが行われる前にＡＦ処理が行われる。これにより、プレスキャンは必ず試料１０６表面から行われることになるため、プレスキャンを行う限られた高さ範囲内に、試料１０６の現在領域の高さの最大値と最小値が収まる可能性が高くなる。このため、三次元画像及び三次元貼り合わせ画像の生成が失敗する可能性を低く抑えることができる。

さらに、共焦点顕微鏡本体１００は、一般的に高さ測定装置が不得手とする、測定順序に沿って高さが下向きに傾斜した形状を有する試料の測定にも有効である。

そのような試料の高さを測定する場合、対物レンズ１０５を試料１０６に近づける方向へ移動させて試料１０６に合焦する必要がある。しかしながら、対物レンズ１０５と試料１０６の接触を回避するために試料１０６へ近づく方向への走査範囲は限られているのが通常である。このため、一般的な高さ測定装置では、下向きの大きく傾斜した試料の測定は難しい。

これに対して、共焦点顕微鏡本体１００では、試料１０６に近づく方向への走査範囲が制限されている点は同様であるが、ＡＦ処理とプレスキャンのそれぞれで高さ方向への走査が行われる。これにより、試料１０６へ近づく方向への走査範囲が最大で２倍広がることになるため、試料１０６の下限が走査範囲内に収まる可能性が高くなり、試料１０６の測定が可能となる。なお、このような観点からは、ＡＦ開始位置は隣接領域の高さの最小値であることが望ましい。

以下、単位領域の切り替え順序の決定方法の一例について説明する。図９は隣接状態について説明するための図である。図１０は単位領域の切り替え順序の決定方法を説明するための図である。

切り替え後の単位領域が切り替え前にすでに対物レンズ１０５の光軸上に配置された領域に隣接するように対物レンズ１０５の光軸上に配置される領域を切り替えるための切り替え順序は、例えば、次のようにして決定される。なお、ここで、隣接するとは図９（ａ）に示すように面で接している状態（以下、隣接状態と記す）を指し、図９（ｂ）に示すように点で接している状態は含まないものとする。
まず、図１０（ａ）に示すように、上から順に、左から右へＸ方向に移動して、利用者が指定した単位領域を探す。

単位領域が発見されると、その右側にさらに単位領域が隣接しているかどうか判断する。右側には単位領域が隣接していない場合には、図１０（ｂ）に示すように、下側に単位領域が隣接しているかどうか判断し、下側に単位領域が隣接していれば、その単位領域に移動する。

次に、左右に単位領域が隣接しているかどうか判断する。一方にのみ単位領域が隣接する場合には、その方向に移動する。両方に単位領域が隣接する場合には、左右どちらにより多くの単位領域が隣接しているかを判断する。そして、図１０（ｃ）に示すように少ない方向から先に移動し、次に図１０（ｄ）に示すように多い方向へ移動する。
この手順を繰り返すことで、図１０（ｅ）及び図１０（ｆ）に示すように、移動が行われる。

下側にも左右にも隣接する単位領域が存在しない場合には、現在の行にまだ移動していない単位領域が存在するかどうか判断する。存在する場合には、図１０（ｇ）に示すように、その単位領域に移動する。

現在の行にまだ移動していない単位領域が存在しなくなると、過去に移動した単位領域に隣接する単位領域を探す。ここでは、図１０（ｈ）に示すように、５番目に移動した単位領域の上側に隣接する単位領域が発見されるため、その単位領域に移動する。
さらに、その単位領域に隣接するまだ移動していない単位領域が存在するかどうか判断し、図１０（ｉ）に示すように、隣接する単位領域に移動する。
なお、以上の切り替え順序の決定方法はあくまで一例であり、その他の方法で切り替え順序が決定されてもよい。

上述した実施形態は、発明の理解を容易にするために具体例を示したものであり、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。共焦点顕微鏡装置１は、特許請求の範囲により規定される本発明の思想を逸脱しない範囲において、さまざまな変形、変更が可能である。

例えば、貼り合わせ領域２２０を指定するために必ずしも事前に非共焦点画像を生成し表示する必要はない。このため、共焦点顕微鏡装置１は、非共焦点画像を取得する構成が省略された構成を有していてもよい。

また、共焦点画像を取得する構成を利用してＡＦ処理を実行する例を示したが、ＡＦ処理は、専用のＡＦユニットにより実行されても良い。このため、共焦点顕微鏡装置１は、さらに、ＡＦユニットを備えていてもよい。

また、アクティブ方式のＡＦ処理が実行される例を示したが、ＡＦ処理はアクティブ方式に限られず、例えば、ＣＣＤカメラ１１７を利用したパッシブ方式で行われてもよい。パッシブ方式が採用される場合には、傾斜の強い試料に対しても対応可能とするために、関心領域（ＲＯＩ）を利用者が画面上で指定して、その関心領域の輝度情報のみを用いてＡＦ処理が行われるように構成されてもよい。

１ 共焦点顕微鏡装置
１００ 共焦点顕微鏡本体
１０１ レーザ光源
１０２ ＰＢＳ
１０３ 二次元走査部
１０４ １／４λ板
１０５ 対物レンズ
１０６ 試料
１０７、１１６ 結像レンズ
１０８ ピンホール板
１０９ 光検出器
１１０ ＡＤ変換器
１１１ レボルバ
１１２ 制御装置
１１３ モニタ
１１４ Ｘ−Ｙステージ
１１５ 白色光源
１１７ ＣＣＤカメラ
２００ ＧＵＩ画面
２０１ 画像表示部
２０２ 光学ズーム選択部
２０３ 対物レンズ選択部
２０４、２０５、２０６ ボタン
２１０ カーソル
２１１ 単位領域
２２０ 貼り合わせ領域
Ｐ１ ＡＦ開始位置
Ｐ２ 探索開始位置

Claims (15)

1. 試料の異なる複数の領域の各々で前記試料の異なる高さに対して取得された複数の第１の共焦点画像から高さ情報を有する三次元画像を生成し、生成した前記複数の三次元画像を貼り合わせて貼り合わせ画像を生成する共焦点顕微鏡装置であって、
   共焦点顕微鏡本体と、
   前記共焦点顕微鏡本体を制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、前記複数の領域の各々で、
   当該領域に隣接するすでに三次元画像が生成された領域の高さ情報に基づいてオートフォーカス処理の高さ方向の開始位置であるオートフォーカス開始位置を決定して、当該領域に対して前記オートフォーカス開始位置から前記オートフォーカス処理を実行し、
   前記オートフォーカス処理により定まる高さ方向の位置を含むように第２の高さ範囲を決定し、
   前記第２の高さ範囲内で複数の第２の共焦点画像を取得し、
   前記複数の第２の共焦点画像から算出される前記試料の当該領域の高さの最大値と最小値から、前記複数の第１の共焦点画像を取得する第１の高さ範囲を決定する
   ことを特徴とする共焦点顕微鏡装置。
2. 請求項１に記載の共焦点顕微鏡装置において、
   前記制御装置は、前記複数の領域の各々で、
   前記オートフォーカス処理により定まる高さ方向の位置を含むように、前記第２の高さ範囲を決定し、
   前記オートフォーカス処理により定まる高さ方向の位置を探索開始位置として、前記第２の高さ範囲内で前記複数の第２の共焦点画像を取得する
   ことを特徴とする共焦点顕微鏡装置。
3. 請求項１に記載の共焦点顕微鏡装置において、
   前記共焦点顕微鏡本体は、前記試料に光を照射する対物レンズと、前記対物レンズの瞳位置と光学的に共役な位置に配置されて前記試料を走査する走査手段と、を有し、
   前記制御装置は、前記複数の第２の共焦点画像を取得するときに、前記複数の第１の共焦点画像を取得するときよりも前記試料を粗く走査するように、前記走査手段を制御する
   ことを特徴とする共焦点顕微鏡装置。
4. 請求項１に記載の共焦点顕微鏡装置において、
   前記制御装置は、前記第２の高さ範囲内に当該領域に隣接する領域の高さの最大値または最小値が含まれない場合には、当該領域に隣接する領域の高さの最大値及び最小値が前記第２の高さ範囲に含まれるように前記第２の高さ範囲を伸張する
   ことを特徴とする共焦点顕微鏡装置。
5. 請求項１に記載の共焦点顕微鏡装置において、
   前記制御装置は、当該領域に隣接するすでに三次元画像が生成された領域の高さの最小値を前記オートフォーカス開始位置として決定する
   ことを特徴とする共焦点顕微鏡装置。
6. 請求項１に記載の共焦点顕微鏡装置において、
   前記制御装置は、当該領域に隣接するすでに三次元画像が生成された領域が複数存在するときに、当該領域に隣接するすでに三次元画像が生成された複数の領域の高さの最小値を前記オートフォーカス開始位置として決定する
   ことを特徴とする共焦点顕微鏡装置。
7. 請求項１に記載の共焦点顕微鏡装置において、
   前記制御装置は、当該領域の中心座標で前記オートフォーカス処理を実行する
   ことを特徴とする共焦点顕微鏡装置。
8. 請求項７に記載の共焦点顕微鏡装置において、
   前記制御装置は、前記オートフォーカス処理が、当該領域の中心座標で合焦状態に至らない場合には、当該領域の他の座標で前記オートフォーカス処理を実行する
   ことを特徴とする共焦点顕微鏡装置。
9. 請求項２に記載の共焦点顕微鏡装置において、
   前記共焦点顕微鏡本体は、前記試料に光を照射する対物レンズと、前記対物レンズの瞳位置と光学的に共役な位置に配置されて前記試料を走査する走査手段と、前記対物レンズの焦点面からの光を検出する光検出器と、前記対物レンズと前記試料との間の相対距離を変化させるＺ位置変更手段と、を有し、
   前記制御装置は、
   前記Ｚ位置変更手段を制御して前記相対距離を変化させながら前記光検出器から受信する信号に基づいて合焦状態を判定する前記オートフォーカス処理を実行し、
   前記Ｚ位置変更手段を制御して前記対物レンズの焦点面を前記探索開始位置から前記第２の高さ範囲内にある複数の高さ位置に移動させて、前記走査手段を制御して前記複数の高さ位置の各々で前記試料を走査し、前記走査手段の走査位置の情報と前記光検出器から受信する信号に基づいて前記複数の第２の共焦点画像を取得する
   ことを特徴とする共焦点顕微鏡装置。
10. 請求項９に記載の共焦点顕微鏡装置において、
    前記制御装置は、前記複数の第２の共焦点画像を取得するときに、前記Ｚ位置変更手段が前記複数の第１の共焦点画像を取得するときよりも大きなピッチで前記相対距離を変化させるように、前記Ｚ位置変更手段を制御する
    ことを特徴とする共焦点顕微鏡装置。
11. 請求項９に記載の共焦点顕微鏡装置において、
    前記第１の共焦点画像を取得するときのピッチと前記第２の共焦点画像を取得するときのピッチは、前記対物レンズの倍率毎に予め決定されている
    ことを特徴とする共焦点顕微鏡装置。
12. 請求項９に記載の共焦点顕微鏡装置において、
    前記制御装置は、前記対物レンズの焦点面が、前記第２の高さ範囲内で前記探索開始位置から前記試料に向って移動して、その後、前記対物レンズに向って移動するように、前記Ｚ位置変更手段を制御する
    ことを特徴とする共焦点顕微鏡装置。
13. 請求項９に記載の共焦点顕微鏡装置において、
    前記探索開始位置から前記第２の高さ範囲の下限までの距離は、前記対物レンズの作動距離に基づいて算出される
    ことを特徴とする共焦点顕微鏡装置。
14. 請求項９に記載の共焦点顕微鏡装置において、
    前記共焦点顕微鏡本体は、さらに、前記試料を前記対物レンズに対して前記対物レンズの光軸と直交する方向に移動させるＸＹ位置変更手段を有し、
    前記制御装置は、前記ＸＹ位置変更手段を制御して、前記対物レンズの光軸上に配置される領域を前記試料の前記複数の領域の間で切り替える
    ことを特徴とする共焦点顕微鏡装置。
15. 請求項１４に記載の共焦点顕微鏡装置において、
    前記制御装置は、前記ＸＹ位置変更手段を制御して、切り替え後の領域が切り替え前にすでに前記対物レンズの光軸上に配置された領域に隣接するように、前記対物レンズの光軸上に配置される領域を前記試料の前記複数の領域の間で切り替える
    ことを特徴とする共焦点顕微鏡装置。