JPH0763994A - 赤外顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 マッピング測定の各測定点での赤外測定を合
焦状態で行なえるようにするとともに、試料表面の形状
に関するデータも得ることができるようにする。 【構成】 試料面のＸＹ平面内の複数点での測定を行な
うマッピング測定用の測定点を設定するためのマッピン
グ測定点設定部１０２、マッピング測定点設定部１０２
に設定された測定点への試料ステージの移動を制御する
マッピング制御部１０３、試料ステージにより位置決め
された各測定点において試料ステージをＺ軸方向に移動
させ、撮像素子１００からの画像情報をもとにして合焦
位置を求めるオートフォーカス部１０４、各測定点のＸ
Ｙ位置データとオートフォーカス部１０４により求めら
れた合焦位置でのＺ位置データとを記憶する試料表面デ
ータ記憶部１０５、及び各測定点でオートフォーカス部
１０４により求められた合焦位置での赤外検出部１０１
による検出データを記憶する赤外データ記憶部１０６が
設けられている。出力としては赤外データ記憶部１０６
からの赤外マッピングデータと試料表面データ記憶部１
０５からの試料表面データをともに出力でき。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は試料測定部位の画像情報
を検出する撮像素子と、試料測定部位の赤外情報を検出
する赤外検出部とを備えた赤外顕微鏡に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】赤外顕微鏡においては試料面のＸＹ平面
内の複数点での測定を行なうマッピング測定を行なうこ
とができるようにしたものが実用化されている。そのよ
うな赤外顕微鏡では、試料の多数の点での赤外測定を行
なうために、測定しようとする測定点の位置を設定して
おき、その位置情報に従って電動ＸＹステージを駆動し
て各測定点での赤外測定を順次自動的に行なっていく。
試料のＺ軸方向に対しては最初に可視光による焦点合わ
せを手動で行ない、ＸＹ平面内の第２点目以降の測定点
についてはコンピュータ制御によりＸＹステージを動か
せることによって測定点を移動させるが、２点目以降の
測定点での焦点合わせを行なっていない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】試料表面が平坦な場合
は測定点の第１点目で焦点合わせをするだけですむ場合
もあるが、凹凸のある試料の場合には、第２点目以降の
測定点は焦点でないところで赤外測定を行なっているこ
とになる。特に異物を含んだ試料でその異物の分析を行
なうような場合には特に試料表面が凹凸をもっているこ
とが多い。また、赤外顕微鏡で試料の表面形状に関する
データを得るようにしたものは存在しない。そこで、本
発明は表面に凹凸をもつ試料であってもマッピング測定
の各測定点での赤外測定を合焦状態で行なえるようにす
るとともに、試料表面の形状に関するデータも得ること
ができるようにすることを目的とするものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】図１により本発明を示
す。試料測定部位の赤外情報を検出するために赤外光
源、干渉計、赤外検出器などを含む赤外検出部１０１を
備え、試料表面を可視光で観察したり焦点合わせを行な
うために試料測定部位の画像情報を検出する撮像素子１
００が設けられている。試料面のＸＹ平面内の複数点で
の測定を行なうマッピング測定用の測定点を設定するた
めのマッピング測定点設定部１０２、マッピング測定点
設定部１０２に設定された測定点への試料ステージの移
動を制御するマッピング制御部１０３、試料ステージに
より位置決めされた各測定点において試料ステージをＺ
軸方向に移動させ、撮像素子１００からの画像情報をも
とにして合焦位置を求めるオートフォーカス部１０４、
各測定点のＸＹ位置データとオートフォーカス部１０４
により求められた合焦位置でのＺ位置データとを記憶す
る試料表面データ記憶部１０５、及び各測定点でオート
フォーカス部１０４により求められた合焦位置での赤外
検出部１０１による検出データを記憶する赤外データ記
憶部１０６が設けられている。出力としては赤外データ
記憶部１０６からの赤外マッピングデータ及び試料表面
データ記憶部１０５からの試料表面データをともに出力
できるようになっている。

【０００５】

【作用】マッピング測定点設定部１０２によりマッピン
グ測定しようとする測定点（ｘｎ，ｙｎ）を設定し、測
定動作を開始させると、その設定された測定点に試料を
順次位置決めするように試料ステージのＸＹステージが
マッピング制御部１０３によって制御される。各位置決
めされた測定点においては、オートフォーカス部１０４
が撮像素子１００から画像情報を入力し、試料ステージ
のＺステージを制御して試料ステージをＺ軸方向に移動
させて合焦位置を求める。合焦位置の求め方としては種
々の方法が知られており、いずれの方法によってもよい
が、例えば実施例で説明するようなコントラスト関数を
求めてその関数が最大となる位置を合焦位置とする方法
をとることができる。合焦位置が求められると、その測
定点について赤外検出部１０１により赤外吸収スペクト
ルを求められたり、ある波数での赤外吸収値が求められ
る。求められた赤外データはＸＹ位置データとともに赤
外データ記憶部１０６に記憶されていく。設定された各
測定点で同様にしてオートフォーカス部１０４で合焦点
が求められ、合焦点での赤外データが求められることに
より、赤外データ記憶部１０６には赤外マッピングデー
タが記憶される。

【０００６】一方、オートフォーカス部１０４で求めら
れた合焦位置のＺ位置データはその測定点でのＸＹ位置
データとともに試料表面データ記憶部１０５に記憶され
ていき、試料表面データ記憶部１０５にはその試料表面
の形状に関するデータが記憶されることになる。試料表
面データ記憶部１０５と赤外データ記憶部１０６の記憶
データは随時モニタ上や記録計上に出力することができ
る。

【０００７】

【実施例】図２は一実施例の外観図であり、（Ａ）は全
体の概略正面図、（Ｂ）はその赤外顕微鏡部の側面図で
ある。赤外顕微鏡部２５には試料が置かれる試料ステー
ジ２６が電動ＸＹステージとなっており、試料をＸＹ平
面内で移動させるとともに、試料ステージ２６がＺステ
ージ２７に取りつけられ、試料は試料ステージ２６とと
もにＺ軸方向にも移動させられて光学系の焦点の合った
合焦位置に位置決めされる。試料ステージ２６を挾んで
その上側には反射対物鏡として上部カセグレイン鏡１５
が配置され、下部にはコンデンサとして下部カセグレイ
ン鏡１４が配置されている。赤外顕微鏡部２５には試料
測定部位の画像情報を得る手段として撮像素子のビデオ
カメラ２８が設けられている。４４は赤外検出部の一部
を構成する干渉計である。２９はシステムコントロール
部であり、赤外顕微鏡部２５及び干渉計４４と通信・信
号・電力用ケーブル３０で接続されている。４３は得ら
れたデータを出力するモニタ用ＣＲＴである。

【０００８】図３により赤外顕微鏡部の光学系を説明す
る。赤外測定を行なうために、紙面垂直方向の奥側に配
置された干渉計からの赤外光を赤外顕微鏡の光路上に導
入するためにミラー９が配置され、反射測定モード時に
試料にその赤外光を導くために、ミラー７、集光鏡８及
びエッジミラー２０が配置されている。試料ステージ１
６の上部には上部カセグレイン鏡１５、下部には下部カ
セグレイン鏡１４が配置され、ミラー９，７、集光鏡８
及びエッジミラー２０を含む光学系により導かれた赤外
光がカセグレイン鏡１５により試料ステージ１６上の試
料に表面側から集光して照射される。透過測定モードで
ミラー９により導入された赤外光を試料に導入するため
に、ミラー１１、集光鏡１０及びミラー１３が配置さ
れ、これらの光学系により導かれた赤外光は下部カセグ
レイン鏡１４によって試料ステージ１６上の試料に裏面
側から集光して照射される。試料からの反射赤外光又は
透過赤外光を検出器６へ導くために、上部カセグレイン
鏡１５から赤外光を導くアパーチャ１７、ミラー３，４
及び集光鏡５が配置されている。

【０００９】可視光による観察又はビデオカメラによる
画像情報の検出を行なうために、反射観察モードのため
の可視光光源１が上部に配置され、その光源１からの可
視光を光路上に導くためにハーフミラー２と集光鏡２１
が配置されている。導かれた可視光は上部カセグレイン
鏡１５により試料上に表面側から集光して照射される。
透過観察モードのために、下部には可視光光源２２が配
置されており、光源２２からの可視光を光路に導入する
ために、ミラー１２が配置されている。そのミラー１２
からミラー１３、下部カセグレイン鏡１４を経て試料の
裏面側から試料に可視光が集光して照射される。試料か
らの反射光又は透過光はカセグレイン鏡１５からアパー
チャ１７を経て、集光鏡２１及びハーフミラー２を通
り、レンズ１８でビデオカメラ１９に導かれる。ビデオ
カメラ１９の位置にはビデオカメラに代えて三眼鏡筒を
配置することができるようになっている。これらの光学
素子のうち、ハーフミラー２、ミラー１２、エッジミラ
ー２０及び集光鏡２１は光路に対して出入れ可能に配置
されており、ミラー９はその反射方向を変更できるよう
に角度が可変に指示されている。

【００１０】図３は反射測定モードを表したものであ
る。集光鏡２１は光路から除かれている。干渉計からの
赤外光がミラー９により導かれて、ミラー７、集光鏡８
からエッジミラー２０を経て上部カセグレイン鏡１５で
集光されて試料ステージ１６上の試料に照射される。試
料からの反射赤外光が上部カセグレイン鏡１５で集めら
れ、ミラー３，４から集光鏡５を経て検出器６へ導かれ
て検出される。

【００１１】図４は反射観察モードを表したものであ
る。上側の光源１が点灯され、その光源１からの可視光
がハーフミラー２、集光鏡２１を経て上部カセグレイン
鏡１５で集光されて試料ステージ１６上の試料に照射さ
れる。試料からの反射光が上部カセグレイン鏡１５で集
められ、集光鏡２１からハーフミラー２を経てレンズ１
８でビデオカメラ１９又は三眼鏡筒に導入される。

【００１２】図５は透過測定モードを表したものであ
る。赤外光を導入するミラー９の角度が変えられ、干渉
計からの赤外光がミラー９によって下側のミラー１１へ
導かれ、集光鏡１０からミラー１３を経て下部カセグレ
イン鏡１４によって試料の裏面側から試料に集光され
る。試料を透過した赤外光は上部カセグレイン鏡１６で
集められ、ミラー３，４及び集光鏡５を経て検出器６へ
導かれて検出される。

【００１３】図６は透過観察モードを表したものであ
る。下側の光源２２が点灯され、その光源２２からの可
視光がミラー１２，１３を経て下部カセグレイン鏡１４
で集光され、試料の裏面側から試料に照射される。試料
を透過した可視光が上部カセグレイン鏡１５で集めら
れ、集光鏡２１を経てレンズ１８で集光されてビデオカ
メラ１９又は三眼鏡筒へ導かれる。

【００１４】図７は一実施例における制御系を表したも
のである。図の右側に顕微鏡部２５が示され、左側にシ
ステムコントロール部２９が示されている。システムコ
ントロール部２９は動作を制御するために、内部バス３
６に接続されたＣＰＵ３９を備え、干渉計４４と赤外顕
微鏡部２５との間を接続するためにシグナル用ポート３
５が内部バス３６に接続されている。検出された赤外デ
ータやマッピングを行なったＸＹ位置及びオートフォー
カス動作を行なって焦点合わせを行なった合焦位置（Ｚ
位置）などを記憶するメモリのＳＲＡＭ３２、動作制御
プログラムを記憶したメモリのＲＯＭ３８、及びＳＲＡ
Ｍ３２の記憶データを画像としてモニタのＣＲＴ４３へ
出力するための画像処理部４２が内部バス３６を介して
ＣＰＵ３９に接続されている。測定者と交信できるよう
にするためにキーボード４１がキーボード用Ｉ／Ｏポー
ト４０を介して内部バス３６に接続されている。

【００１５】赤外顕微鏡部２５にはコントロール部２５
ａが設けられ、コントロール部２５ａの動作を制御する
ために、内部バス４８に接続されたＣＰＵ４９が設けら
れている。システムコントロール部２９との間でデータ
や命令の授受を行なう通信用ＩＣ４５、データを一時記
憶するメモリのＳＲＡＭ４６、動作プログラム記憶した
ＲＯＭ４７、及び画像データの転送処理を行なうＤＭＡ
コントローラ５５が内部バス４８に接続されている。ビ
デオカメラ１９からのビデオ信号を増幅するために増幅
器５２ａと５２ｂが並列に接続され、増幅器５２ａで増
幅されたビデオ信号をデジタル信号に変換するためにＡ
／Ｄコンバータ５１が内部バス４８に接続されている。
増幅器５２ｂで増幅されたビデオ信号から同期信号を取
り出してＣＰＵ４９へ供給するために、同期信号生成回
路６３が設けられている。内部バス４８にはさらにモー
タドライバ５４が接続されている。モータドライバ５４
は試料ステージのＸＹステージ及びＺステージのそれぞ
れを駆動するＸモータ５５、Ｙモータ５６及びＺモータ
５７を制御するとともに、ハーフミラー２を出入れする
ためのモータ５８、集光鏡２１を出入れするためのモー
タ５９、エッジミラー２０を出入れするためのモータ６
０、ミラー１２を出入れするためのモータ６１及び赤外
光導入用ミラー９の角度を変えるためのモータ６２をも
制御する。Ａ／Ｄコンバータ５１により変換された画像
データのデジタル信号はＤＭＡコントローラ５０の働き
によりＳＲＡＭ４６上に記憶され、その記憶されたデー
タに基づいてオートフォーカス機能が実現される。

【００１６】ここで、図１の各部と図７の対応関係を示
すと、マッピング測定点設定部１０２はシステムコント
ロール部２９におけるＣＰＵ３９とＳＲＡＭ３７、ＲＯ
Ｍ３８により実現され、キーボード４１からの入力によ
りマッピング測定点が設定される。オートフォーカス部
１０４は顕微鏡のコントロール部２５ａでのＣＰＵ４９
とＳＲＡＭ４６及びＲＯＭ４７により実現される。マッ
ピング制御部１０３は顕微鏡部のコントロール部２５ａ
でＣＰＵ４９とモータドライバ５４により実現され、シ
ステムコントロール部２９に設定されたマッピング測定
点に基づいてマッピング動作が制御される。試料表面デ
ータ記憶部１０５と赤外データ記憶部１０６はシステム
コントロール部２９のＳＲＡＭ３７により実現される。

【００１７】次に、図８から図１０により一実施例の動
作を説明する。図８はシステム全体の動作を示すフロー
チャートである。まず、測定者は顕微鏡に試料をセット
し、可視観察モード（反射観察モード又は透過観察モー
ド）にしてマッピングしたい領域を探す。このとき、最
初の測定点（ｘ₀，ｙ₀）において、手動で試料の焦点合
わせを行なうか、オートフォーカス機能を用いて自動的
に焦点合わせを行なう。現在位置データは（ｘ₀，ｙ₀，
ｚ₀）であり、ｚ₀は合焦点におけるＺ位置である。そし
て、キーボード４１からマッピング領域での測定点を設
定する。測定点をｍ点とする。その後、マッピング動作
をスタートさせる。

【００１８】マッピング動作のスタートにより顕微鏡は
赤外測定モード（反射測定モード又は透過測定モード）
に移行し、システムコントロール部２９は赤外測定を行
ない、データ処理を行なってそのときの測定データｆ
(ｘ₀，ｙ₀）をメモリに記憶する。それとともに、現在
位置データ（ｘ₀，ｙ₀，ｚ₀）もメモリに記憶する。

【００１９】マッピングを行なうために、現在位置を
（ｘｎ，ｙｎ，ｚｎ）とし、ＸＹ平面内で次の位置（ｘ
_n+1，ｙ_n+1，ｚｎ）にステージを移動する。この移動で
はＺ軸方向は変化させない。次に、赤外測定モードから
可視観察モードに移行し、オートフォーカス動作が行な
われる。オートフォーカスは後で図９及び図１０により
詳しく説明する。オートフォーカス動作によりＺ軸方向
の合焦位置ｚ_n+1が決定され、Ｚ座標がその合焦位置へ
移動して現在位置（ｘ_n+1，ｙ_n+1，ｚ_n+1）が求められ
る。この現在位置（ｘ_n+1，ｙ_n+1，ｚ_n+1）がメモリに
記憶される。そして可視観察モードから赤外観察モード
に移行し、赤外測定が行なわれ、データ処理が行なわれ
て赤外測定データｆ(ｘ_n+1，ｙ_n+1，ｚ_n+1）が求められ
てメモリに記憶される。

【００２０】ｎが設定されたｍになるまではＸＹ面内で
ＸＹ座標が順次次の位置へ移動され、各測定点でオート
フォーカス動作が行なわれて合焦位置が決定され、赤外
測定が行なわれる。この動作はｎが設定されたｍに達す
るまで繰り返される。各測定点の位置データ（ｘｉ，ｙ
ｉ，ｚｉ）と赤外測定データｆ(ｘｉ，ｙｉ，ｚｉ）は
記憶される。

【００２１】図９と図１０によりオートフォーカス動作
を説明する。測定点においてＺステージを予め設定した
Ｚ軸方向の移動範囲の最下位の位置に移動させる。その
位置でビデオ信号の奇数フィールド又は偶数フィールド
の信号をデジタル化し、メモリに記憶する。コントラス
ト関数を作るために現在のＺステージ位置における評価
値を算出してそれもメモリ上に記憶する。評価値は試料
の一画面分の画像データの最大値と最小値との差であ
り、コントラスト関数は試料ステージのＺ位置に対する
その評価値として表現されたものである。コントラスト
関数は図１０に示されるように、試料ステージ位置ｚに
対する評価値の関数であり、その値が最大値をとる位置
が合焦位置である。このコントラスト関数は一例であ
り、他の関数を用いてオートフォーカスを実現すること
もできる。

【００２２】試料ステージをＺ方向の最上位に向って移
動させながら各Ｚ位置で評価値を算出し、最上位のＺ位
置まで到達したところでコントラスト関数の最大値を算
出する。試料ステージをコントラスト関数が最大値を示
したＺ位置まで移動させる。算出したＺ位置をｚｎ＋₁
として、図８のフローチャートの現在位置のデータに用
いる。

【００２３】このようにして各測定点で可視観察モード
でのオートフォーカス動作により合焦点を求め、その合
焦点で赤外測定モードで赤外分析を行なうことによっ
て、システムコントロール部のＳＲＡＭの試料表面デー
タ記憶部には試料表面形状を表わすデータが記憶され、
赤外データ記憶部の領域には例えばある波数における赤
外吸収データが得られる。それらのデータは随時モニタ
４３上に取り出して画像化することができ、赤外データ
によるマッピングとともに、試料表面の高さ方向の形状
も認識できるようになり、試料面内の異物などの探査に
も利用することができる。

【００２４】

【発明の効果】本発明ではマッピング機能を備えた赤外
顕微鏡にオートフォーカス機能を追加し、オートフォー
カス動作の際に得られた合焦位置でのＺ位置データもＸ
Ｙ位置データとともに記憶させ、マッピングデータとと
もに（ｘ，ｙ，ｚ，）データも随時取り出せるようにし
たので、赤外測定によるマッピング情報の他に、試料の
表面形状も認識することができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を示すブロック図である。

【図２】実施例の外観を示す図であり、（Ａ）は全体の
概略正面図、（Ｂ）は赤外顕微鏡部の側面図である。

【図３】赤外顕微鏡部の光学系を反射測定モードで示す
概略正面図である。

【図４】赤外顕微鏡部の光学系を反射観察モードで示す
概略正面図である。

【図５】赤外顕微鏡部の光学系を透過測定モードで示す
概略正面図である。

【図６】赤外顕微鏡部の光学系を透過測定モードで示す
概略正面図である。

【図７】一実施例の制御系を示すブロック図である。

【図８】同実施例の全体の動作を示すフローチャート図
である。

【図９】同実施例のオートフォーカス動作を示すフロー
チャート図である。

【図１０】同実施例のオートフォーカス動作に用いるコ
ントラスト関数を示す図である。

【符号の説明】

１００ 撮像素子 １０１ 赤外検出部 １０２ マッピング測定点設定部 １０３ マッピング制御部 １０４ オートフォーカス部 １０５ 試料表面データ記憶部 １０６ 赤外データ記憶部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料測定部位の画像情報を検出する撮像
   素子と、試料測定部位の赤外情報を検出する赤外検出部
   とを備えた赤外顕微鏡において、 試料面のＸＹ平面内の複数点での測定を行なうマッピン
   グ測定用の測定点を設定するマッピング測定点設定部
   と、 マッピング測定点設定部に設定された測定点への試料ス
   テージの移動を制御するマッピング制御部と、 試料ステージにより位置決めされた各測定点において試
   料ステージをＺ軸方向に移動させ、前記撮像素子からの
   画像情報をもとにして合焦位置を求めるオートフォーカ
   ス部と、 各測定点のＸＹ位置データと前記オートフォーカス部に
   より求められた合焦位置でのＺ位置データとを記憶する
   試料表面データ記憶部と、 各測定点で前記オートフォーカス部により求められた合
   焦位置での前記赤外検出部による検出データを記憶する
   赤外データ記憶部と、を備え、 前記赤外データ記憶部からの赤外マッピングデータ及び
   前記試料表面データ記憶部からの試料表面データを出力
   できるようにしたことを特徴とする赤外顕微鏡。