JP6552039B2 - 走査型顕微鏡、及び、画素データ生成方法 - Google Patents

Description

本発明は、走査画像の画素データを生成する技術に関する。

共焦点顕微鏡は、試料を光で走査する走査型顕微鏡の一種であり、現在、様々な用途で広く利用されている。共焦点顕微鏡は、その光学的セクショニング効果を利用して、非接触で３次元形状を測定することができる。このため、３次元形状を測定する測定装置としても利用されている。

共焦点顕微鏡を測定装置として利用する場合、触針の先端で試料をなぞる接触式測定装置と比較して、試料を傷つける虞がないといったメリットがある。一方で、反射率が低い試料を測定する場合や表面が大きく傾斜した試料を測定する場合などには、検出光量が不足してＳ／Ｎ比が劣化してしまうことがある。このため、共焦点顕微鏡において、Ｓ／Ｎ比を改善して信頼性の高い測定を行うための技術が様々提案されている。

例えば、特許文献１には、試料の反射率が低く画像信号にノイズが多く含まれる場合に、画像信号を積算してノイズを低減する技術が記載されている。また、特許文献２には、異なるピンホール径で取得した信号を比較しより信頼性が高いと判断された信号に基づいて、全焦点画像及び高さ情報を得る技術が記載されている。

特開平９−２１１３３３号公報 特開２００９−１７５６８２号公報

しかしながら、特許文献１では、異なるフレームの画像信号が利用されるため、積算回数を増やすほど画像信号を取得するタイミング間に大きな時間差が生じてしまう。このような、時間差の発生はデータの信頼性の面から見て望ましくない。また、特許文献２では、ピンホール径の異なる複数の検出系が必要となるため、装置の構成が複雑になり、装置全体が高価になってしまう。

以上のような実情を踏まえ、本発明は、装置構成を過度に複雑化することなく、信頼性の高い画素データを生成する技術を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、試料を光で非等速に走査する走査手段を含む、走査光学系と、前記走査手段により走査された前記試料からの光を検出し、アナログ信号を出力する光検出器と、一定の周波数でサンプリングクロックを生成するクロック生成手段と、前記クロック生成手段で生成された前記サンプリングクロックに従って、前記光検出器から出力されたアナログ信号をオーバーサンプリングし、デジタル信号を出力するサンプリング手段と、前記試料の各領域に対応する画素データを、前記サンプリング手段から出力された空間的に等間隔に並んだサンプル位置で取得した複数のデジタル信号に基づいて生成する画素データ生成手段と、を備える走査型顕微鏡を提供する。

本発明の別の態様は、非等速に走査する走査手段と光検出器を備える走査型顕微鏡の画素データ生成方法であって、前記走査手段により走査された試料からの光を前記光検出器で検出し、一定の周波数でサンプリングクロックを生成し、前記サンプリングクロックに従って、前記光検出器から出力されたアナログ信号をオーバーサンプリングし、前記試料の各領域に対応する画素データを、オーバーサンプリングで得られた空間的に等間隔に並んだサンプル位置で取得した複数のデジタル信号に基づいて生成する画素データ生成方法を提供する。

本発明によれば、装置構成を過度に複雑化することなく、信頼性の高い画素データを生成することができる。

実施例１に係る走査型顕微鏡１００の構成を例示した図である。 走査方法の一例を示した図である。 画素領域と画素データの関係の一例を示した図である。 画素領域と画素データの関係の別の例を示した図である。 高さ情報生成処理のフローチャートである。 ＩＺカーブの一例を示した図である。 実施例１に係るクロック生成回路１５の構成の一例を示したブロック図である。 実施例１に係るサンプリングクロックと走査位置の関係を示す図である。 実施例２に係るサンプリングクロックと走査位置の関係を示す図である。

図１は、本実施例に係る走査型顕微鏡１００の構成を例示した図である。図２は、走査型顕微鏡１００による走査方法の一例を示した図である。走査型顕微鏡１００は、レーザ光が集光した光スポットで試料Ｓを走査するレーザ走査型顕微鏡であり、共焦点光学系を備える共焦点顕微鏡でもある。走査型顕微鏡１００は、例えば、試料Ｓの高さ情報（表面粗さ情報を含む）を生成する３次元測定装置として利用される。なお、本明細書では、光スポットが形成される試料Ｓ上の位置を、走査位置と記す。

走査型顕微鏡１００は、図１に示すように、顕微鏡本体１０、コンピュータ２０、表示装置３０、入力装置４０を備えている。顕微鏡本体１０は、走査光学系、光検出器１３、走査駆動制御回路１４、クロック生成回路１５、Ａ／Ｄ変換器１６、変位計１７、焦点移動機構１８を備えている。走査光学系は、レーザ光源１、ミラー２、ハーフミラー３、二次元走査機構４、ミラー５、レンズ６、レボルバ７、対物レンズ８、ステージ９、レンズ１１、共焦点絞り１２を備えている。

二次元走査機構４は、レーザ光源１からのレーザ光で試料Ｓを走査する走査手段であり、走査駆動制御回路１４により制御される。二次元走査機構４は、対物レンズ８の光軸と直交するＸ方向に試料Ｓを走査する走査手段であるスキャナ４ａと、対物レンズ８の光軸及びＸ方向と直交するＹ方向に試料Ｓを走査する走査手段であるスキャナ４ｂを備えている。例えば、スキャナ４ａは共振スキャナであり、スキャナ４ｂはガルバノスキャナである。共振スキャナは、ガルバノスキャナよりも高速な走査が可能である。ただし、その速度は周期運動の期間中一定ではなく、その速度変化はサイン関数で表わされる。つまり、非等速に試料Ｓを走査する。一方、ガルバノスキャナは、共振スキャナよりも概して低速であるものの、周期運動の期間中一定の速度で試料Ｓを走査することができる。共振スキャナとガルバノスキャナからなる二次元走査機構４は、一方向に他方向よりも高速に走査することが求められるラスタースキャンに好適である。

共焦点絞り１２は、ピンホールが形成された絞りである。共焦点絞り１２は、対物レンズ８の前側焦点位置以外の位置で反射した光を遮断するため、対物レンズ８の前側焦点位置と光学的に共役な位置にピンホールが位置するように、配置されている。例えば、共焦点絞り１２は、レンズ１１の後側焦点面に配置される。

光検出器１３は、二次元走査機構４により走査された試料Ｓからの光を検出し、検出した光強度に応じたアナログ信号を出力する光電変換素子である。光検出器１３は、例えば、光電子増倍管（PMT:Photomultiplier Tube）である。

走査駆動制御回路１４は、二次元走査機構４を制御する回路である。走査駆動制御回路１４は、例えば、図２に示す軌跡１９で光スポットが移動するように、つまり、ラスタースキャンが行われるように、二次元走査機構４を制御する。以降では、ラスタースキャンを構成するライン走査（図２におけるＸ方向への走査）の周期を走査周期と記す。また、走査駆動制御回路１４は、二次元走査機構４の走査タイミングを示す信号（以降、走査タイミング信号と記す。）をクロック生成回路１５に出力する。走査タイミング信号は、例えば、スキャナ４ａがＸ方向への各ライン走査の開始タイミングを示す信号である。

クロック生成回路１５は、試料Ｓ上のサンプリング位置が等間隔に移動するようにサンプリングクロックを生成し、Ａ／Ｄ変換器１６に出力するクロック生成手段である。つまり、クロック生成回路１５で生成されるサンプリングクロックは、スキャナ４ａの走査速度に同期したサンプリングクロックであり、走査速度が速いときほどクロック間隔が短くなり、走査速度が遅いときほどクロック間隔が長くなる。なお、本明細書では、サンプリング位置とは、サンプリングが行われる時の走査位置のことをいう。

クロック生成回路１５は、走査速度に同期したサンプリングクロックを、例えば、走査駆動制御回路１４から受信した走査タイミング信号と、スキャナ４ａの速度波形情報とに基づいて生成する。なお、速度波形情報は、スキャナ４ａが試料Ｓを走査している期間中、試料Ｓ上に形成される光スポットの移動速度がどのように変化するかを示す情報であり、より具体的には、１走査周期中の各タイミングにおける光スポットの移動速度の情報である。各タイミングにおけるサンプリング位置は、走査タイミング信号と速度波形情報に基づいて、特定することができる。

Ａ／Ｄ変換器１６は、光検出器１３から出力されたアナログ信号をオーバーサンプリングして、光検出器１３で検出された光強度に応じたデジタル信号を出力するサンプリング手段である。デジタル信号はサンプリング位置の輝度値を示している。Ａ／Ｄ変換器１６は、クロック生成回路１５で生成されたサンプリングクロックに従って、アナログ信号をオーバーサンプリングする。ここで、オーバーサンプリングとは、スキャナ４ａで行われるライン走査の１周期中に、水平方向の画素数を上回る回数のサンプリングを行うことをいう。また、水平方向の画素数とは、１ラインの走査で得られた信号から生成される画素データの最大個数のことであり、走査型顕微鏡１００では、１ラインの走査で得られた信号に基づいて画素データ生成部２１で生成される画素データの数のことである。なお、Ａ／Ｄ変換器１６は入力信号の時間積分をＡ／Ｄ変換してもよい。

変位計１７は、レボルバ７とともに移動する対物レンズ８の光軸方向へ移動量を測定する手段である。変位計１７は、対物レンズ８の光軸方向の移動量を、コンピュータ２０に出力するように構成されている。焦点移動機構１８は、レボルバ７を光軸方向へ移動させる手段である。焦点移動機構１８は、例えば、ステッピングモータであってもよく、また、ピエゾ素子であってもよい。なお、焦点移動機構１８は、対物レンズ８と試料Ｓの距離を変化させるものであればよいため、レボルバ７の代わりにステージ９を光軸方向に移動させてもよい。その場合、変位計１７は、ステージ９の光軸方向への移動量を測定するように構成される。

顕微鏡本体１０では、レーザ光源１から出射したレーザ光は、ミラー２を反射し、ハーフミラー３、二次元走査機構４を介してミラー５へ入射する。ミラー５で対物レンズ８の光軸方向に反射したレーザ光は、レンズ６により所定の光束径に拡大されて、対物レンズ８によりステージ９に配置された試料Ｓ上に光スポットを形成する。試料Ｓを反射したレーザ光は、再び対物レンズ８に入射し、レンズ６、ミラー５、二次元走査機構４を介してハーフミラー３に入射する。ハーフミラー３で反射したレーザ光は、レンズ１１により集光し共焦点絞り１２に形成されたピンホールを通って光検出器１３で検出される。走査型顕微鏡１００は、二次元走査機構４で走査位置を移動させながらＡ／Ｄ変換器１６でサンプリングを繰り返すことで、各サンプリング位置のデジタル信号（つまり、各サンプリング位置の輝度値）を得ることができる。

コンピュータ２０は、例えば、ＣＰＵ、メモリ、ハードディスクなどの補助記憶装置を備えている。メモリにロードしたプログラムをＣＰＵで実行することで、ＣＰＵが画素データ生成部２１及び表示用データ生成部２２として動作する。即ち、コンピュータ２０は、画素データ生成部２１と表示用データ生成部２２を備えている。コンピュータ２０は、顕微鏡本体１０からの出力信号に基づいて画素データを生成し、生成した画素データに基づいて試料Ｓの高さ情報や全焦点画像データを生成する。生成されたデータは、補助記憶装置に記録する。

画素データ生成部２１は、試料Ｓの各領域（画素領域）に対応する画素データを、Ａ／Ｄ変換器１６から出力された複数のデジタル信号に基づいて生成する。画素データ生成部２１で生成される複数の画素データの各々は、同数のデジタル信号に基づいて生成されることが望ましい。

ある画素領域に対応する画素データは、その画素領域内のサンプリング位置で取得された複数のデジタル信号に基づいて生成されることが望ましい。例えば、１走査周期中に２０４８回のサンプリングを行って１ライン当たり水平方向に１０２４画素の画素データを生成する場合であれば、図３に示すように、画素データ生成部２１は、１画素目の画素データを１回目と２回目のサンプリングで取得されたデジタル信号に基づいて生成し、２画素目の画素データを３回目と４回目のサンプリングで取得されたデジタル信号に基づいて生成し、Ｎ画素目の画素データを２Ｎ−１回目と２Ｎ回目のサンプリングで取得されたデジタル信号に基づいて生成することが望ましい。

また、ある画素領域に対応する画素データは、その画素領域内のサンプリング位置とその画素領域に隣接する画素領域内のサンプリング位置で取得された複数のデジタル信号に基づいて生成されてもよい。例えば、１走査周期中に２０４８回のサンプリングを行って１ライン当たり水平方向に１０２４画素の画素データを生成する場合であれば、図４に示すように、画素データ生成部２１は、２画素目の画素データを２回目から５回目までのサンプリングで取得されたデジタル信号に基づいて生成し、Ｎ画素目の画素データを２Ｎ−２回目から２Ｎ＋１回目までのサンプリングで取得されたデジタル信号に基づいて生成してもよい。この場合、１画素目の画素データは、０回目のサンプリング位置におけるデジタル信号を補間演算により推定し、推定されたデジタル信号と１回目から５回目までのサンプリングで取得されたデジタル信号に基づいて、１画素目の画素データが生成されてもよい。

なお、画素データは、画素データに含まれるノイズ成分の割合（Ｓ／Ｎ比）が複数のデジタル信号の各々に含まれるノイズ成分の割合よりも少なくなるように生成されればよい。つまり、ノイズが軽減されればよく、画素データ生成部２１ではノイズ除去を目的とした任意の演算が採用し得る。具体的には、画素データ生成部２１は、最頻値又は最大値の選択、平均化など、複数のデジタル信号を統計的に処理して画素データを生成してもよい。また、画素データ生成部２１は、ローパスフィルタ処理により画素データを生成してもよい。平均化を例にノイズ除去効果を説明すると、ノイズは正規分布で発生していると考えられるため、Ｎ個のデジタル信号を平均することでノイズを１／√Ｎに減衰させることができる。また、サンプリング数を増やすほどノイズの割合を低下させることができる。

また、画素データは、画素データのダイナミックレンジが複数のデジタル信号の各々のダイナミックレンジよりも大きくなるように生成されてもよい。具体的には、画素データ生成部２１は、複数のデジタル信号を積算して画素データを生成してもよい。この場合、Ａ／Ｄ変換器１６により制限されるダイナミックレンジを上回る、広いダイナミックレンジを有する画素データを生成することができる。また、光検出器１３に入射する光量が小さい場合には、その光量に応じた信号（以降、微小信号と記す）は常時発生するわけではなく、確率的に発生する。より多くサンプリングして積算することで確率的に発生する微小信号を捉える可能性が高まる。この点もダイナミックレンジの拡大に寄与するため、実質的な分解能を向上させることができる。なお、Ａ／Ｄ変換器１６が、積分回路を有し、アナログ信号の時間的な積分値をサンプリングする場合にも同様の効果を得ることができる。また、画素データ生成部２１は、ダイナミックレンジを拡張する演算（例えば、積算）とノイズを抑える演算（例えば、平均化）を利用者の指示に基づいて切換えて実行するように、構成されていてもよい。

表示用データ生成部２２は、画素データ生成部２１で生成された画素データから表示用の画素データを生成する。表示用データ生成部２２は、画素データ生成部２１で生成された画素データをそのまま表示用の画素データとして出力してもよい。また、表示装置３０の画素数に応じて、画素データ生成部２１で生成された２つ以上の画素データから１つの表示用の画素データを生成してもよい。

表示装置３０は、コンピュータ２０が生成した画素データの集合である画像データに基づいて、試料Ｓの画像を表示する表示手段である。表示装置３０は、例えば、液晶ディスプレイであってもよく、又は、有機ＥＬディスプレイであってもよい。表示装置３０は、コンピュータ２０が画像データを生成する毎に、最新の画像データに基づいて試料Ｓの画像を表示してもよく、また、試料Ｓの画像以外の種々の情報を表示してもよい。

入力装置４０は、ユーザの操作に応じた命令をコンピュータ２０へ入力する入力装置である。入力装置４０は、例えば、マウス、キーボード、タッチパネルなどである。

図５は、走査型顕微鏡１００で行われる高さ情報生成処理のフローチャートである。図６は、ＩＺカーブの一例を示した図である。以下、図５及び図６を参照しながら、試料Ｓの高さ情報の生成方法について説明する。

まず、走査型顕微鏡１００は、Ｘ方向へ試料Ｓを走査しながらオーバーサンプリングを行う（ステップＳ１）。ここでは、二次元走査機構４が行うライン走査により光スポットが試料Ｓ上でＸ方向に移動する間に、Ａ／Ｄ変換器１６がサンプリングクロックに従って、試料Ｓからの光を検出した光検出器１３からのアナログ信号をオーバーサンプリングする。なお、サンプリングクロックは、サンプリング位置が試料Ｓ上を等間隔に移動するように生成されているため、ステップＳ１では、試料の輝度値が空間的に等間隔に測定される。

次に、走査型顕微鏡１００は、１ライン分の画素データを生成する（ステップＳ２）。ここでは、Ａ／Ｄ変換器１６から出力された複数のデジタル信号に基づいて、画素データ生成部２１が試料Ｓのライン上の各領域の画素データを生成する。例えば、ステップＳ１で１ライン走査中に２０４８回のサンプリングを行っている場合に、それぞれ異なる２回のサンプリングによって得られた２つのデジタル信号に基づいて１画素の画素データを生成し、計１０２４画素の画素データを生成する。なお、ステップＳ１とステップＳ２が順番に行われる例が示されているが、ライン走査の終了を待つことなく、必要数のデジタル信号が生成される度に画素データが生成されてもよい。

画素データが生成されると、走査型顕微鏡１００は、全てのラインで画素データを生成済みか否かを判断する（ステップＳ３）。ここでは、例えば、垂直方向の画素数が７６８であれば、７６８ライン全てで画素データを生成済みであるか否かをコンピュータ２０が判断する。全てのラインで画素データが生成されていない場合には、走査型顕微鏡１００は、スキャナ４ｂでＹ方向に走査開始位置を移動し（ステップＳ４）、その後、Ｘ方向へ走査しながら行うオーバーサンプリングと画素データの生成とを繰り返す（ステップＳ１及びステップＳ２）。これらの処理を全てのラインに対して行うことで、二次元走査機構４の走査範囲内のすべての領域の画素データが生成される。なお、以降では、二次元走査機構４の走査範囲内のすべての領域の画素データの集合を走査画像データと記す。

全てのラインで画素データが生成されると、走査型顕微鏡１００は、全ての高さで画素データを生成済みか否かを判断する（ステップＳ５）。ここでは、例えば、予め設定された全ての高さで画素データを生成済みであるか否かをコンピュータ２０が判断する。なお、高さとは、ステージ９上面から観測面までのＺ方向の距離であり、例えば、変位計１７からの出力結果に基づいて特定される。設定された全ての高さで画素データが生成されていない場合には、走査型顕微鏡１００は、焦点移動機構１８でＺ方向に走査開始位置を移動し（ステップＳ６）、その後、全てのラインに対してＸ方向へ走査しながら行うオーバーサンプリングと画素データの生成とを繰り返す（ステップＳ１からステップＳ４）。これにより、各高さにおける走査画像データが生成される。

全ての高さで画素データが生成されると、走査型顕微鏡１００は、試料Ｓの高さ情報を生成し（ステップＳ７）、処理を終了する。ここでは、複数の走査画像データに基づいて、コンピュータ２０が画素領域毎に輝度変化曲線（以降、ＩＺカーブと記す）を生成する。そして、ＩＺカーブ基づいてその画素領域の高さを特定することで、試料Ｓの高さ情報を生成する。なお、例えば、図６に示すようにサンプリングが行われた高さのうちの最大輝度値Ｉ０を示す高さＺ０を画素領域の高さとして特定してもよく、また、ＩＺカーブの形状を算出し、ＩＺカーブで輝度値が極大となる高さを画素領域の高さとして特定してもよい。図６では、黒丸はサンプリング結果を示している。さらに、コンピュータ２０は、画素領域毎に特定された高さの画素データに基づいて、走査範囲全体にピントが合った全焦点画像データを生成してもよい。

本実施例に係る走査型顕微鏡１００では、光検出器１３から出力されるアナログ信号をオーバーサンプリングして複数のデジタル信号から各画素データを生成する。このため、顕微鏡本体１０の構成を過度に複雑化することなく、ノイズ成分の割合を抑えた信頼性の高い画素データを生成することができる。また、共振スキャナが用いられているにも関わらず、空間的に等間隔に並んだサンプリング位置で取得したデジタル信号から画素データを生成することができるため、より高い信頼性を実現することができる。従って、走査型顕微鏡１００で生成された画素データに基づいて高さ情報を生成することで、試料のより正確な３次元形状を再現することが可能となる。

従来の走査型顕微鏡では、光学分解能以下の間隔でサンプリングを行っても分解能の向上は見込めないため、サンプリング間隔は光学分解能程度に設計されているのが通常である。しかしながら、Ｓ／Ｎ比については、サンプリング数を増やすほどＳ／Ｎ比を向上させることができる。このため、走査型顕微鏡１００では、試料Ｓ上のサンプリング位置が走査光学系の光学分解能よりも狭い間隔で移動するようにサンプリングクロックを生成し、光検出器から出力されたアナログ信号をオーバーサンプリングすることが望ましい。

また、走査型顕微鏡１００では、サンプリングタイミングの時間差の小さい複数のデジタル信号に基づいて画素データが生成される。このため、異なるサンプリング位置で取得された複数のデジタル信号に基づいて画素データが生成されるものの、サンプリング位置の差及び時間差が及ぼす影響は軽微である。特に光学分解能よりも狭い間隔でサンプリングした場合には、信頼性への影響は無視できる。従って、複数のデジタル信号から信頼性の高い画素データを生成するメリットを最大限享受することができる。

最後に、図７及び図８を参照しながら、スキャナ４ａの走査速度に同期したサンプリングクロックを生成するクロック生成回路１５について説明する。図７はクロック生成回路１５の構成の一例を示したブロック図である。図８は、クロック生成回路１５で生成されるサンプリングクロックと走査位置の関係を示す図である。なお、図７に示す構成は、あくまでクロック生成回路１５の構成の一例であり、クロック生成回路１５の構成は図７に示す構成に限れない。

クロック生成回路１５は、位相比較器５１、ループフィルタ５２、電圧制御発振器（Voltage Controlled Oscillator、以降、ＶＣＯと記す）５３、カウンタ５４、メモリ５５、Ｄ／Ａコンバータ５６、ＶＣＯ５７、カウンタ５８、位相比較器５９、ループフィルタ６０を備えている。

位相比較器５１には、走査駆動制御回路１４から出力される走査タイミング信号と、カウンタ５４から出力されるタイミング信号（以降、第１タイミング信号と記す。）が入力される。第１タイミング信号については後述する。位相比較器５１は、２つの入力信号（走査タイミング信号と第１タイミング信号）の位相差を検出して位相差に応じた信号を出力する。例えば、走査タイミング信号に対して第１タイミング信号が早いほど低い電圧の信号を出力し、遅いほどで高い電圧の信号を出力する。位相比較器５１から出力された信号は、ローパスフィルタであるループフィルタ５２を介して、ＶＣＯ５３に入力される。ＶＣＯ５３は、可変周波数発振器であり、入力信号（電圧）に応じた周波数のクロックを発生させる。例えば、高電圧が入力されるほど高周波のクロックを発生し、低電圧が入力されるほど低周波のクロックを発生する。カウンタ５４は、ＶＣＯ５３からのクロックをカウントし、予め設定されている回数Ｃ１（例えば、１０００回）カウントする毎に、位相比較器５１に第１タイミング信号を出力する。なお、カウンタ５４は、後述する位相比較器５９にも第１タイミング信号を出力する。

位相比較器５１からカウンタ５４で構成されるループにより、走査タイミング信号と第１タイミング信号が同周期で且つ同位相に収束する。このため、収束状態では、１走査周期中に一定の時間間隔で回数Ｃ１と同数のクロックがＶＣＯ５３から出力される。つまり、ＶＣＯ５３から一定の周波数のクロックが出力される。

メモリ５５は、少なくとも、カウンタ５４に設定されている回数Ｃ１と同数のアドレス（０から９９９まで）を有していて、各アドレスにはスキャナ４ａの速度波形（サイン波形）を再現するための速度情報が記憶されている。例えば、Ｎ番目のアドレス数には（Ｎ−１）／Ｃ１周期のタイミングでのスキャナ４ａの速度情報が記憶されている。Ｄ／Ａコンバータ５６は、カウンタ５４がカウントするたびに、カウンタ値に応じたメモリ５５のアドレスから速度情報を読み出して、アナログ信号に変換する。これにより、スキャナ４ａの速度波形（サイン波形）を再現した電圧がＶＣＯ５７へ出力される。ＶＣＯ５７は、ＶＣＯ５３と同様に可変周波数発振器であり、入力信号（電圧）に応じた周波数のクロックを発生させる。このため、スキャナ４ａの速度が速く入力電圧が高いときには高い周波数でクロックを出力し、速度が遅く入力電圧が低いときには低い周波数でクロックを出力する。なお、ＶＣＯ５７から出力されたクロックは、サンプリングクロックとしてＡ／Ｄ変換器１６に出力される。

カウンタ５８は、ＶＣＯ５７からのクロックをカウントし、予め設定されている回数Ｃ２（例えば、２０４８回）カウントする毎に、位相比較器５９に第２タイミング信号を出力する。位相比較器５９は、カウンタ５４から出力された第１タイミング信号と、カウンタ５８から出力された第２タイミング信号の位相差を検出して位相差に応じた信号を出力する。例えば、第１タイミング信号に対して第２タイミング信号が早いほど低い電圧の信号を出力し、遅いほど高い電圧の信号を出力する。位相比較器５９から出力された信号は、ローパスフィルタであるループフィルタ６０を介して、Ｄ／Ａコンバータ５６に入力される。Ｄ／Ａコンバータ５６は、位相比較器５９からの信号に従ってアナログ信号の大きさを調整して出力する。

カウンタ５４からループフィルタ６０で構成されるループにより、第１タイミング信号と第２タイミング信号が同周期で且つ同位相に収束するため、走査タイミング信号と第２タイミング信号も同周期で且つ同位相に収束する。これにより、収束状態では、ＶＣＯ５７から、１走査周期中に回数Ｃ２と同数のサンプリングクロックが、走査位置が等間隔に移動するようなタイミングで出力される。つまり、ＶＣＯ５７からスキャナ４ａの走査速度に同期したサンプリングクロックが出力される。

以上のように構成されたクロック生成回路１５によれば、カウンタ５８に設定する回数Ｃ２を水平方向の画素数を上回る回数に設定することで、１走査周期中に水平方向の画素数を上回るサンプリングクロックを走査位置が等間隔に移動するようなタイミングで発生させることができる。そして、クロック生成回路１５で生成されたサンプリングクロックに従ってＡ／Ｄ変換器１６がサンプリングを行うことで、共振スキャナのような非等速で運動するスキャナを用いる場合であっても、図８に示すように、サンプリング位置を等間隔に移動させながら、１画素領域内で複数回サンプリングを行うことができる。

図９は、本実施例に係るクロック生成回路で生成されるサンプリングクロックと走査位置の関係を示す図である。なお、本実施例に係る走査型顕微鏡は、クロック生成回路１５の代わりに一定の周波数でサンプリングクロックを生成するクロック生成回路を備える点を除き、走査型顕微鏡１００と同様の構成を有している。

本実施例に係る走査型顕微鏡では、図９に示すように、光検出器１３から出力されるアナログ信号をオーバーサンプリングして、その結果得られた水平方向の画素数を上回る数のデジタル信号から画素領域毎に同数（ここでは、２つ）のデジタル信号を選択して、各画素領域に対応する画素データを生成する。複数のデジタル信号から各画素データが生成される点については実施例１と同様である。このため、本実施例に係る走査型顕微鏡によっても、実施例１に係る走査型顕微鏡１００と同様に、顕微鏡本体１０の構成を過度に複雑化することなく、ノイズ成分の割合を抑えた信頼性の高い画素データを生成することができる。また、生成された画素データに基づいて高さ情報を生成することで試料のより正確な３次元形状を再現することが可能となる点も、走査型顕微鏡１００と同様である。さらに、クロック生成回路１５のような複雑な回路構成を必要せず、一般的なクロック生成回路を利用することができるため、走査型顕微鏡を容易に構成することできる。

一般的に、一定の周波数でクロックを発生させる発振器は、一定ではない周波数でクロックを発振するための発振器（例えば、ＶＣＯなど）よりも高周波でクロックを発振することが可能である。このため、本実施例に係るクロック生成回路で十分に高い周波数のサンプリングクロックで生成することで、図９に示すように、デジタル信号のサンプリング位置は試料上で空間的に等間隔に並んでいないものの、多数のデジタル信号から空間的に等間隔に並んだサンプリング位置で取得した複数のデジタル信号を選択することができる。従って、本実施例によっても、等間隔に並んだサンプリング位置で取得したデジタル信号に基づいて、画素データを生成することが可能である。また、等間隔に並んだサンプリング位置で取得したデジタル信号が存在しない場合でも、多数のデジタル信号から等間隔となる位置でのデジタル信号を補間により算出し、算出したデジタル信号に基づいて画素データを生成してもよい。

上述した実施例は、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、本発明は上述した実施例に限定されるものではない。走査型顕微鏡及び画素データ生成方法は、特許請求の範囲に記載した本発明の範囲内で、さまざまな変形、変更が可能である。

走査型顕微鏡が反射光を検出する例を示したが、検出する光は特に限定されない。例えば、透過光、蛍光、エバネッセント光など照明に起因して発生する任意の光が検出され得る。レーザ光源を例示したが、光源はレーザ光源に限られない。また、走査手段として共振スキャナを使用する例を示したが、走査手段はガルバノスキャナであってもよい。さらに、走査手段が照明光と検出光の両方に作用する例を示したが、走査手段は照明光路と検出光路の少なくとも一方に配置されていればよい。例えば、試料Ｓの走査範囲全体を同時に照明し、検出光路に配置された走査手段を用いて試料Ｓの各領域からの光を光検出器で順次検出してもよい。また、照明光路に配置された走査手段を用いて試料Ｓの各領域を順次照明し、各領域からの光をノンデスキャン検出器（ＮＴＤ）によって検出してもよい。

さらに、走査型顕微鏡は、サンプリングしたデジタル信号を記録しておくことで、必要に応じて画素データを作り直す機能を有してもよい。例えば、表示された画像にノイズの影響が見られる場合に、画素データを生成するデジタル信号の組み合わせを変更して画素データを作り直してもよい。また、コンピュータ２０で画素データを生成する例を示したが、コンピュータ２０を用いたソフトウェア処理によって画素データを生成する代わりに、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などを用いてハードウェア処理によって画素データを生成してもよい。

１ レーザ光源
２、５ ミラー
３ ハーフミラー
４ 二次元走査機構
４ａ、４ｂ スキャナ
６、１１ レンズ
７ レボルバ
８ 対物レンズ
９ ステージ
１０ 顕微鏡本体
１２ 共焦点絞り
１３ 光検出器
１４ 走査駆動制御回路
１５ クロック生成回路
１６ Ａ／Ｄ変換器
１７ 変位計
１８ 焦点移動機構
１９ 軌跡
２０ コンピュータ
２１ 画素データ生成部
２２ 表示用データ生成部
３０ 表示装置
４０ 入力装置
５１、５９ 位相比較器
５２、６０ ループフィルタ
５３、５７ ＶＣＯ
５４、５８ カウンタ
５５ メモリ
５６ Ｄ／Ａコンバータ
１００ 走査型顕微鏡
Ｓ 試料

Claims (12)

1. 試料を光で非等速に走査する走査手段を含む、走査光学系と、
   前記走査手段により走査された前記試料からの光を検出し、アナログ信号を出力する光検出器と、
   一定の周波数でサンプリングクロックを生成するクロック生成手段と、
   前記クロック生成手段で生成された前記サンプリングクロックに従って、前記光検出器から出力されたアナログ信号をオーバーサンプリングし、デジタル信号を出力するサンプリング手段と、
   前記試料の各領域に対応する画素データを、前記サンプリング手段から出力された空間的に等間隔に並んだサンプル位置で取得した複数のデジタル信号に基づいて生成する画素データ生成手段と、を備える
   ことを特徴とする走査型顕微鏡。
2. 請求項１に記載の走査型顕微鏡において、
   前記サンプリング手段は、前記アナログ信号を時間積分した積分値をオーバーサンプリングする
   ことを特徴とする走査型顕微鏡。
3. 請求項１または請求項２に記載の走査型顕微鏡において、
   前記画素データ生成手段は、前記試料の異なる領域に対応する複数の画素データの各々を、前記サンプリング手段から出力された同数のデジタル信号に基づいて生成する
   ことを特徴とする走査型顕微鏡。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の走査型顕微鏡において、
   前記画素データ生成手段は、前記画素データに含まれるノイズ成分の割合が前記複数のデジタル信号の各々に含まれるノイズ成分の割合よりも少なくなるように、前記複数のデジタル信号に基づいて前記画素データを生成する
   ことを特徴とする走査型顕微鏡。
5. 請求項４に記載の走査型顕微鏡において、
   前記画素データ生成手段は、前記複数のデジタル信号を統計処理して、前記画素データを生成する
   ことを特徴とする走査型顕微鏡。
6. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の走査型顕微鏡において、
   前記画素データ生成手段は、前記画素データのダイナミックレンジが前記複数のデジタル信号の各々のダイナミックレンジよりも大きくなるように、前記複数のデジタル信号に基づいて前記画素データを生成する
   ことを特徴とする走査型顕微鏡。
7. 請求項６に記載の走査型顕微鏡において、
   前記画素データ生成手段は、前記複数のデジタル信号を積算して、前記画素データを生成する
   ことを特徴とする走査型顕微鏡。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の走査型顕微鏡において、
   前記走査手段は、共振スキャナである
   ことを特徴とする走査型顕微鏡。
9. 請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の走査型顕微鏡において、
   前記画素データ生成手段は、１つ以上の前記画素データから１つの表示用の画素データを生成する
   ことを特徴とする走査型顕微鏡。
10. 請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の走査型顕微鏡において、
    前記サンプリング手段は、前記試料上のサンプリング位置が前記走査光学系の光学分解能よりも狭い間隔で移動するように、前記光検出器から出力されたアナログ信号をオーバーサンプリングする
    ことを特徴とする走査型顕微鏡。
11. 請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の走査型顕微鏡において、
    前記サンプリング手段は、前記走査手段で行われるライン走査の１周期中に、１ラインの走査で得られた信号に基づいて前記画素データ生成手段で生成される前記画素データの数を上回る回数、前記アナログ信号をオーバーサンプリングする
    ことを特徴とする走査型顕微鏡。
12. 非等速に走査する走査手段と光検出器を備える走査型顕微鏡の画素データ生成方法であって、
    前記走査手段により走査された試料からの光を前記光検出器で検出し、
    一定の周波数でサンプリングクロックを生成し、
    前記サンプリングクロックに従って、前記光検出器から出力されたアナログ信号をオーバーサンプリングし、
    前記試料の各領域に対応する画素データを、オーバーサンプリングで得られた空間的に等間隔に並んだサンプル位置で取得した複数のデジタル信号に基づいて生成する
    ことを特徴とする画素データ生成方法。