JPH08190053A - 共焦点走査型光学顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】試料と対物レンズの衝突を防止すること。 【構成】光源 2からの出射光を試料に集光する対物レン
ズ 7と、試料 8からの光を検出する光検出器13と、試料
に集光した光と試料とを相対的に２次元走査する走査機
構 5と、対物レンズの焦点位置と試料の位置を相対的に
光軸方向に走査する移動機構とを有する共焦点走査型光
学顕微鏡において、試料の観察範囲または測定範囲を決
定するのに、最初に対物レンズと試料とが近付く方向に
のみ移動を許可し、対物レンズの焦点位置を試料の最上
面に移動させたならばそれを上限に次は順次対物レンズ
の焦点位置と試料とが接離する方向への移動を許可して
焦点位置が試料の上面の最低面に来る位置を見つけられ
るようにし、移動量が対物レンズの動作距離を越える場
合には移動を中止させる機能を持たせる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、走査型光学顕微鏡に係
わり、特に点状光源によって観察試料を点状に照明し、
照明された試料からの透過光または反射光を再び点状に
結像させて、ピンホール開口を有する検出器で像の濃度
情報を得る共焦点型の光学顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】光学顕微鏡は、ステージ上に載置したプ
レパラート上の試料を、対物レンズで拡大して観察する
構造であり、一般に、試料の照明はランプなどの光源か
らの光をコンデンサレンズを用いて試料の観察領域全体
に、均等になるようにしてあてる構造を採用していた。

【０００３】しかしながら、照明系としてこのような構
造を採用した場合、フレア等の問題があり、また、低コ
ントラストの試料を観察するにあたっては大変見ずらい
と云う問題があり、これを改善するものとして点状光投
射型（スポット光投射型）の光学顕微鏡が提案された。
この光学顕微鏡は点光源によって観察試料を点状に照射
し、これにより観察試料を透過した光（透過光）を再び
点状に結像し、これをピンホール開口を有する検出器で
検出して像の濃度情報を得るようにしたものである。但
し、これだけでは点状光源が照射された点の濃度しか得
られないので、試料をＸ軸およびＹ軸の方向に移動して
二次元面内で機械的に移動させるＸ‐Ｙ走査方式や光路
をスキャン操作する光学系などを採用し、これらによる
Ｘ‐Ｙ走査に同期してＣＲＴディスプレイなどの画像表
示装置をＸ‐Ｙ走査させながら、前記濃度情報の信号対
応に輝度表示して画像として観察できるようにしてい
る。これは一種の走査型光学顕微鏡である。

【０００４】ところで、試料面に対物レンズを介して点
光源を導く光学系と、対物レンズを通して試料面から光
をピンホールを介して検出器に導く光学系とで共焦点の
関係にし、試料における対物レンズの合焦位置の像を検
出器に導くものを共焦点光学顕微鏡といい、この構成の
場合、焦点から外れる部分の光はピンホールの手前で光
路がピンホールからずれてしまうので、検出できないよ
うになり、合焦位置の像のみを得ることができるように
なる。

【０００５】このように、共焦点光学顕微鏡は点状光源
によって観察試料を点状に照明し、この照明された試料
からの透過光または反射光を再び点状に結像させて、ピ
ンホール開口を有する検出器で像の濃度情報を得る顕微
鏡であるが、その構成例を図３にて説明する。

【０００６】図３（ａ）は従来の共焦点光学顕微鏡の概
略図であって、点光源３１、ハーフミラー３２、対物レ
ンズ３３、ピンホール板３５、光検出器３６から構成さ
れている。点光源３１から出射した光はハーフミラー３
２を通過して、点光源３１の出射光路上にある収差の良
く補正された対物レンズ３３によって試料３４上に点と
して結像され、試料３４を照明する。そして、試料３４
で反射した光は再び対物レンズ３３を通ってハーフミラ
ー３２で反射され、集光される。

【０００７】反射光路上の集光位置にはピンホールをこ
こに位置させたピンホール板３５が配置され、このピン
ホール板３５のピンホールを通った光はピンホール板３
５の背面側に設けられた光検出器３６に入射されて検出
されることになる。そして試料３４に照射する点光源３
１の光を、テレビのラスタ走査と同じように２次元走査
することによって、試料３４の２次元画像を得ることが
できる。

【０００８】ところで図３（ａ）において、実線で示す
光路の光は、対物レンズ３３の焦点位置に合焦する光で
あり、合焦点を通る面はｆ１である。また、点線で示す
光路の光は、対物レンズ３３の焦点位置からずれた位置
Ａからの光を示しており、この場合、位置Ａを通る面は
ｆ２であるとする。

【０００９】これらのうち、実線で示す光路の光はピン
ホール板３５のピンホール位置上で集光するが、上記位
置Ａからの光はピンホール板３５のピンホール位置上で
は集光しない。従って、上記位置Ａからの光はピンホー
ル板３５におけるピンホールを通過できず、光検出器３
６には到達しない。

【００１０】このような光学系では、対物レンズの集光
位置、すなわち、合焦位置のみの画像を得ることが可能
になる。つまり共焦点光学系は、光軸方向に分解能をも
つ光学系といえる。そのため、図３（ｂ）に示すよう
に、Ａ，Ｂ，Ｃ異なる高さを持つ試料３４について、例
えば、高さＡの面に合焦位置を持たせた場合には高さＡ
の面の像のみが得られ、また、高さＢの面に合焦位置を
持たせた場合には高さＢの面の像のみが得られ、また、
高さＣの面に合焦位置を持たせた場合には高さＣの面の
像のみが得られることになる。

【００１１】ここで一般的に、ピンホールの径が小さけ
れば光軸方向の分解能が向上していくという傾向があ
る。ここで、図３（ｂ）のように、高さの異なる試料３
４を、対物レンズと接眼レンズからなる従来の一般的な
光学顕微鏡で観察する場合を考えてみる。一般的な光学
顕微鏡では倍率の高い対物レンズ程、焦点深度が浅く、
しかもその焦点位置に観察面を合わせるので、Ａ面に合
焦した場合、これと高さが異なるＢ面やＣ面はぼけてし
まう。同様にＢ面に合焦した場合にはＡ面やＣ面がぼけ
てしまい、Ｃ面に合焦した場合にはＡ面やＢ面がぼけて
しまうといった具合に、ある高さ位置に合焦させれば、
その位置と同じ高さの部分は鮮明な顕微鏡像として観察
できるものの、他の高さ位置の像はぼけて観察できない
不具合がある。従って、一般的な光学顕微鏡ではＡ，
Ｂ，Ｃの全部の面に合焦した画像を得ることは不可能で
あった。

【００１２】しかしながら、共焦点光学系を持つ走査型
の顕微鏡の場合、Ａ面にピントを合わせた画像を取得し
てこれを保存し、Ｂ面にピントを合わせた画像を取得し
てこれを保存し、さらにＣ面にピントを合わせた画像を
取得してこれを保存した後、これら保存した画像を足し
合わせると、高さの異なるこれらＡ，Ｂ，Ｃ面を持つ試
料３４であっても、これらＡ，Ｂ，Ｃ面全面それぞれに
合焦した画像が容易に得られることになり、凹凸の高低
差の大きい試料についてその表面を鮮明な顕微鏡画像と
して観察することができる。

【００１３】そして、使用にあたり、試料の一点にビー
ムを集光し、その点についてビームの光軸方向（Ｚ軸方
向）に合焦位置を変えるようにした走査を行い（Ｚ軸方
向走査）、それが終わればつぎに試料の別の位置にビー
ムを移動させてＺ軸方向走査を行うことで画素データを
取得し、その際、各画素について明るさの最大値を示し
た時の高さ情報（Ｚ軸情報）を保持させれば、試料の表
面形状を測定することができる。これについては「ＴＨ
ＥＯＲＴ ＡＮＤ ＰＲＡＣＴＩＣＥ ＯＦＳＣＡＮＮ
ＩＮＧ ＯＰＴＩＣＡＬ ＭＩＣＲＯＳＣＯＰＹ」（Ｐ
１２６〜Ｐ１３０）に開示されている。

【００１４】すなわち、試料の一点にビームを集光し、
その点について光軸方向（Ｚ軸方向）に走査を行い、走
査中に輝度が最高になるＺ位置を検出し、その情報を記
憶する。次に集光した光をＸ方向に移動させ、その点で
Ｚ軸方向に走査を行い、走査中に輝度が最高になるＺ方
向位置を検出し、その情報を記憶する。このように、一
点についてＺ軸走査を行い、それを終えるとＸ軸方向お
よびＹ軸方向に位置を移動してつぎの別なＸ軸およびＹ
軸位置においてＺ軸走査を行うといったことを繰り返
し、各Ｘ，Ｙ位置における最大の輝度を示したＺ軸位置
情報を記憶して行くと、共焦点光学系では対物レンズの
合焦位置から外れる高さ位置からの反射光は検出されに
くいので、最大の輝度を示したＺ軸位置が対物レンズの
合焦位置であることがわかり、従って、その時のＺ軸位
置を保存すると各画素における保存データは試料のその
画素位置での高さ情報を示すこととなり、これより試料
の表面形状を測定することができることになる。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】共焦点光学顕微鏡は点
状光源によって観察試料を点状に照明し、照明された試
料からの透過光または反射光を再び点状に結像させて、
ピンホール開口を有する検出器で像の濃度情報を得る顕
微鏡であり、この共焦点光学顕微鏡を用いると凹凸の高
さの大きい試料について、その表面画像を鮮明に捕らえ
た顕微鏡像を得ることができ、また、試料の高さ方向の
情報も取得できて試料の凹凸状態の高さ測定もできるよ
うになる。

【００１６】このように、共焦点光学顕微鏡においては
試料の一点に集光しその点について光軸方向（Ｚ方向）
に走査を行い、走査中に輝度が最高になるＺ位置を検出
し記憶し、次に集光した光をＸ方向に移動させ、その点
でＺ方向に走査を行い走査中に輝度が最高になるＺ位置
を検出し記憶するといった走査を繰り返し、Ｘ方向およ
びＹ方向に行うことで、試料の表面形状を測定する。

【００１７】そのため、Ｚ方向の情報、すなわち、高さ
情報を得るには、対物レンズの焦点位置と試料を相対的
に移動させなければならない。しかしながら対物レンズ
３３には図４に示すように、対物レンズ３３の先端から
焦点位置ｆまでの距離（動作距離）ＷＤが決まっている
ので、測定しようとする試料３４の形状によっては、測
定範囲の設定時に対物レンズ３３と試料３４が衝突して
しまう可能性がある。

【００１８】たとえば試料３４の位置は固定しておき、
対物レンズ３３を上下動させる構成を考える。前述のよ
うに画像が消える位置が測定範囲の上限または下限にな
る。このため、図５（ａ）の［ I］のように試料３４の
最も高い場所ＰＨと最も低い場所ＰＬの差ｄｌが対物レ
ンズ３３の動作距離ＷＤよりも小さい場合は、ＰＨの位
置に対物レンズ３３の焦点ｆを位置させて走査した後
（図５（ａ）の［II］）、ＰＬの位置に対物レンズ３３
の焦点ｆを位置させて走査させようとしても（図５
（ａ）の［ III］）、対物レンズ３３は試料３４のＰＨ
の位置にぶつかることがなく、観察や測定を実施できる
ことになり、支障なく測定範囲の上限位置と下限位置の
設定ができる。

【００１９】しかしながら、図５（ｂ）の［ I］のよう
に試料３４の最も高い場所ＰＨと最も低い場所ＰＬの差
ｄｌ´が対物レンズ３３の動作距離ＷＤよりも大きい場
合、ＰＨの位置に対物レンズ３３の焦点ｆを位置させて
走査した後（図５（ｂ）の［II］）、ＰＬの位置に対物
レンズ３３の焦点ｆを位置させて走査させようとすると
（図５（ｂ）の［ III］）、対物レンズ３３は試料３４
のＰＨの位置にぶつかってしまうことになり、試料３４
の最も下の面を検出する前に対物レンズ３３が試料３４
の高い場所ＰＨに衝突して対物レンズ３３や試料３４を
損傷してしまうという問題が生じる。

【００２０】また、対物レンズ３３を試料３４に対して
位置決めするにあたり、上記上限位置もしくは下限位置
について、どちらを先に決めるかは特に決まっていない
ため、最初に下限位置を設定するよな場合も、誤って対
物レンズ３３が試料３４に衝突してしまうということも
生じる。

【００２１】そこで、この発明の目的とするところは、
測定範囲の領域設定をするに際して試料と対物レンズの
衝突を防止することができるようにして、試料や対物レ
ンズの損傷を未然に防止できるようにした共焦点走査型
光学顕微鏡を提供することにある。

【００２２】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決し、上
記目的を達成するために本発明の共焦点走査型光学顕微
鏡はつぎのように構成する。すなわち、光源からの出射
光を対物レンズを介して試料に集光すると共に、上記出
射光を試料に対して相対的に２次元走査し、対物レンズ
を介して試料から得られた光を対物レンズと共焦点の関
係にある光学系を介して光検出器により検出して画像情
報を得るようにし、前記対物レンズの焦点位置と試料の
位置を相対的に光軸方向に走査する移動機構により当該
光軸方向に所要のピッチで走査することにより前記試料
の共焦点画像を得る共焦点走査型光学顕微鏡において、
前記移動機構による走査方向に対しての範囲を決定する
場合に、前記対物レンズの焦点位置を試料の最上面から
前記対物レンズが引き離される方向に対してのみ移動を
可能に規制制御し、上限が決定された後はこれを上限と
して前記対物レンズと試料の接離方向に対しての移動を
可能にし、移動量が前記対物レンズの焦点距離を越える
場合には移動を中止させるべく前記移動機構を制御する
制御手段を具備することを特徴としている。

【００２３】

【作用】このような構成の本装置は、前記対物レンズの
焦点位置と試料の位置を相対的に光軸方向に走査するた
めに移動機構があり、前記試料の観察または測定範囲を
決定するのに、最初に前記対物レンズの焦点位置を試料
の最上面に移動させ、測定上限を決め、そこから前記対
物レンズの焦点位置と試料が近づく方向に移動させて測
定下限を決め、その後、試料に対して光を２次元走査し
つつ、測定上下限の範囲で移動機構を駆動させて対物レ
ンズの焦点位置と試料の位置を相対的に光軸方向に走査
させ、これによって得られる光検出器からの出力をもと
に共焦点画像を得るが、前記試料の観察または測定範囲
を決定するのに、最初に前記対物レンズの焦点位置を試
料の最上面に移動させ、この位置から測定範囲の上限位
置を決定するまでは移動操作に対して制御手段は前記対
物レンズの焦点位置を試料の最上面から前記対物レンズ
が引き離される方向に対してのみ移動可能に規制制御
し、ピントが決まって上限位置が定まったならば、これ
を上限に前記対物レンズと試料が接離する方向に対して
の移動を可能に制御し、移動量が前記対物レンズの焦点
距離を越える場合には移動を中止させるべく制御する。

【００２４】このように本装置は、対物レンズのピント
を試料の一番上の面に合わせるべく対物レンズと試料と
の距離を近付ける方向にのみ移動を許可し、対物レンズ
のピントが試料の一番上の面に合ったならば、つぎにそ
れを上限に対物レンズの焦点距離の範囲内で該対物レン
ズと試料とが接離する方向に対しての移動を許可するよ
うにしたので、対物レンズと試料との間の接離方向に対
する移動可能な距離を対物レンズの動作距離（焦点距
離）以内にすることができるようになり、対物レンズと
試料の衝突を防止することができるようになる。

【００２５】

【実施例】以下、本発明の実施例について、図面を参照
して説明する。本発明による第１実施例のシステムを図
１に示す。図１において、１は共焦点走査型光学顕微鏡
であり、２はレーザ光源、３はミラー、４はハーフミラ
ー、５は２次元走査機構、６はレボルバ、７は対物レン
ズ、８は試料、９はステージ、１０は粗動ステージ、１
１はレンズ、１２はピンホール板、１３は光検出器、１
４はミラー、１５はレンズ、１６はハーフミラー、１７
は白色光源、１８は撮像装置としてのＴＶカメラ、１９
はコンピュータ、２０はディスプレイ、２２は画像処理
ユニット、２２Ａ，２２Ｂは画像メモリ、２３はＺ移動
駆動制御回路、２４はモニタ、２５は操作部である。

【００２６】操作部２５はコンピュータ１９に対して各
種コマンドや操作指令を与えたり、モード設定したりす
るためのものであり、キーボードなどの他、トラックボ
ールやジョイスティック、あるいはマウスなどのポイン
ティングデバイスなどを含んでいる。

【００２７】ステージ９は試料８を載置し、これをＸＹ
軸方向位置合わせとＺ軸方向位置合わせとを可能にした
ものであり、粗動ステージ１０はステージ９を保持して
これをＺ軸方向に移動操作することができるものであ
る。

【００２８】レーザ光源２は試料８の表面を走査するス
ポット光としてのレーザ光を発生するためのレーザ光源
であり、ミラー３はこのレーザ光源２からのレーザ光を
２次元走査機構５に導くための反射鏡である。２次元走
査機構５はミラー３を介して得たレーザ光源２からのレ
ーザ光を２次元走査（ＸＹ走査）するための機構であ
り、レボルバ６に取り付けられた対物レンズ７を介して
ステージ９上の試料８にレーザ光を２次元走査しながら
照射することができる。

【００２９】ハーフミラー４は２次元走査機構５に対す
るレーザ光源２の出射光路上に設けられ、２次元走査機
構５を介して得られる試料８からの反射光を検出系に導
くための鏡であって、半透明鏡である。レンズ１１はこ
のハーフミラー４を介して得た２次元走査機構５からの
反射光を集光するレンズであり、ピンホール板１２は所
要の径のピンホールを開けたもので、光検出器１３の受
光面の前面におけるレンズ１１の焦点位置にそのピンホ
ールを位置させて配される。光検出器１３はピンホール
を介して得られる光をその光量対応の電気信号に変換す
る光検出素子である。

【００３０】上記画像メモリ２２Ａ，２２Ｂはそれぞれ
１フレーム分の容量を持つ画像メモリであり、例えば、
５１２画素×５１２画素×８ビット構成で１フレーム分
としたメモリである。

【００３１】画像処理ユニット２２はこの１フレーム分
の容量を持つ２つの画像メモリ２２Ａ，２２Ｂを内蔵
し、前記光検出器１２からの出力信号を受けてこれら画
像メモリ２２Ａ，２２Ｂのうち、例えば、画像メモリ２
２Ａに対し、スポット光の現在のＸＹ走査位置対応の画
素位置にその信号の値を８ビットデータで記憶する処理
を行うと共に、Ｚ移動駆動制御回路２３から与えられる
Ｚ軸方向の現在の走査情報を受けてその値を８ビットデ
ータで画像メモリ２２Ｂにおける上記現在のスポット光
のＸＹ走査位置対応の画素位置に記憶する処理を行う
他、これら画像メモリ２２Ａ，２２Ｂの記憶データを読
出してコンピュータ１９に与えると云った処理を行うも
のである。また、画像処理ユニット２２に対してのスポ
ット光の現在のＸＹ走査位置情報はコンピュータ１９を
介して与えられる。

【００３２】ＸＹ走査駆動制御ユニット２１は２次元走
査機構５の走査制御を行うためのものであり、コンピュ
ータ１９は操作部２５からのコマンドや操作指令を受け
てこれらＸＹ走査駆動制御ユニット２１および画像処理
ユニット２２の制御を行うと共に、画像データの保存、
再生、編集等を行う等制御や処理の中枢を担うものであ
る。

【００３３】また、コンピュータ１９は測定範囲の設定
モードのとき、観察者による操作部２５の操作に基づい
てステージ９を上方向または下方向に移動すべく操作す
るが、この操作を行っても上限位置決定がなされるまで
は、ステージ９を対物レンズ７から遠ざかる方向にしか
移動しないような制限をかけて制御を行い、観察者がこ
れに反した操作を行うと警報を発し、観察者による操作
部２５の操作に基づいて上限位置決定がなされると、そ
の位置でのステージ９位置を上限位置として登録し、観
察者による操作部２５の操作に基づいてステージ９を対
物レンズ７に近付く方向に操作することができるように
制御する他、観察者による操作部２５の操作に基づいて
下限位置決定がなされると、その位置でのステージ９位
置を下限位置として登録し、共焦点画像の収集時に上記
上限位置から下限位置までの間を所定ピッチでステージ
９をＺ軸方向に移動すべく制御する構成としてある。
モニタ２０はコンピュータ１９の画像表示端末であり、
必要な情報の表示や画像の表示等に使用される。

【００３４】レボルバ６は、倍率の異なる複数の対物レ
ンズ７を保持したものであり、ステージ９は試料８を保
持するものであり、複数の対物レンズ７のうちの所望の
倍率を持つものをレボルバ６の切り替えにより、顕微鏡
の観察光路中に位置設定することで、この位置設定され
た対物レンズ７を介して２次元走査機構５からのスポッ
ト光をステージ９上の試料８に照射することができる。
また、試料８からの反射光は対物レンズ７を通り、２次
元走査機構５に戻り、２次元走査機構５からハーフミラ
ー４へと戻される構成である。

【００３５】また、本装置では対物レンズ７と２次元走
査機構５の間の光路に対して進退操作可能なミラー１４
が設けられている。白色光源７は白色光を発生する光源
であり、ハーフミラー１６はミラー１４に対向して配さ
れると共に白色光源７からの光をミラー１４への光路に
反射させて出射させるためのものである。

【００３６】従って、共焦点画像の観察時には、対物レ
ンズ７と２次元走査機構５の間の光路中からミラー１４
を退避させ、光路中にミラー１４を挿入してあるとき
は、共焦点画像が得られない仕組みである。光路中にミ
ラー１４を挿入してあるときは、白色光源７からの光を
ハーフミラー１６にてミラー１４へ反射させて導き、対
物レンズ７方向へと送ることができ、また、対物レンズ
７を介して入射された試料８からの反射光をミラー１４
で反射させてハーフミラー１６へと導くことができる。

【００３７】ＴＶカメラ１８はハーフミラー１６を介し
てミラー１４に対向して配されており、試料８の像をＴ
Ｖ画像信号に変換するものであって、ミラー１４で反射
されて導かれた試料８からの反射光がハーフミラー１６
を透過してＴＶカメラ１８へと導かれる構成である。ミ
ラー１４はＴＶカメラ１８による画像を観察する場合に
対物レンズ７と２次元走査機構５の間の光路中に挿入さ
れ、共焦点画像を観察、測定する際には対物レンズ７と
２次元走査機構５の間の光路中から外される。

【００３８】モニタ２４はＴＶカメラ１８で撮像されて
得られたＴＶ画像信号を映像として表示するＴＶモニタ
である。２次元走査機構５は走査駆動制御ユニット２１
の制御のもとにスポット光をＸＹ走査するものであり、
例えば、Ｘ軸方向走査用のガルバノミラーと、Ｙ軸方向
走査用のガルバノミラーとを有していて、これらガルバ
ノミラーをＸ軸方向、Ｙ軸方向に回動することで対物レ
ンズ７に対するスポット光の光路をＸＹ方向に振らせる
ことができる。

【００３９】Ｚ移動駆動制御回路２３はコンピュータ１
９により制御され、ステージ９をその高さ方向、すなわ
ち、Ｚ軸方向に基準幅単位で駆動移動させるべく制御を
行う回路である。また、Ｚ移動駆動制御回路２３はステ
ージ９をＺ軸方向に基準幅分、駆動移動制御する毎に、
カウントを１づつ進める機能と、このカウント値を画像
処理ユニット２２に与える機能をも有する。

【００４０】また、画像処理ユニット２２には画像メモ
リ２２Ａ，２２Ｂとして例えば、５１２画素×５１２画
素×８ビット（２５６階調）のものがそれぞれ１枚ずつ
用意されている。このうちの画像メモリ２２Ａには、反
射光の電気信号（輝度信号）が保存されることになり、
光検出器１３より検出された電気信号は画像メモリ２２
Ａに対して、スポット光の現在のＸＹ走査位置対応の画
素位置に、データとして記憶保存させるように制御す
る。この記憶はその画素位置の記憶情報と加算して得た
値である。このようにすることで高さ位置の異なる画像
の足し込みができることになる。

【００４１】本装置においては、試料８の画像を得るの
に２通りの選択が可能である。一つは白色光源１７から
の光を使用して試料８を照明し、その反射光を対物レン
ズ７、ミラー１４、レンズ１５、ハーフミラー１６を通
してＴＶカメラ１８でとらえた画像を利用する方式であ
り、もう一つはレーザ光源２からのレーザ光を２次元走
査機構５により２次元走査して試料８に与え、その反射
光を対物レンズ７、２次元走査機構５、ハーフミラー
４、レンズ１１、ピンホール板１２を介して、光検出器
１３に入射させて、光検出器１３からの出力を画像処理
ユニット２２に与えて画像として得、これをディスプレ
イ２０に表示して観察する方式である。

【００４２】つぎに、このような構成の共焦点走査型光
学顕微鏡１における作用を説明する。レーザ２から出射
したレーザ光はミラー３で反射され、ハーフミラー４を
通過して２次元走査機構５に入射する。２次元走査機構
５はコンピュータ１９からの命令に基づき走査制御ユニ
ット２１から発生した走査制御信号によって動作を開始
する。よって、ここでレーザ光はＴＶのラスタ走査と同
様に、ＸおよびＹ方向に偏向される。

【００４３】レーザ光はレボルバ６、対物レンズ７を通
過してステージ９上の試料８に、微小なスポットに集光
するとともに、そのスポットが試料８上を移動してい
く。試料８から反射した光は入射した光路を逆に辿り、
ハーフミラー４で反射されてレンズ１１で集光される。
レンズ１１の集光位置にはここにピンホールを位置させ
たピンホール板１２が配置されている。

【００４４】ピンホール板１２のピンホールを通過した
光は光検出器１３に入射する。光検出器１３は試料の反
射光を電気信号に変換する。電気信号は画像処理ユニッ
ト２２に入力する。画像処理ユニット２２には画像メモ
リ２２Ａ，２２Ｂが用意されており、このうちの１枚の
画像メモリ２２Ａには、反射光の電気信号が保存され
る。ステージ８の光軸方向（Ｚ方向）への移動は、コン
ピュータ１９から移動命令がＺ移動駆動制御回路２３に
出されて行われる。画像メモリ２２ＢにはＺ移動駆動制
御回路２３から、ステージが何回移動したかを数えた回
数の値が保存される。

【００４５】レーザ走査による画像は画像処理ユニット
２２からコンピュータ１９に送られ、コンピュータ１９
のディスプレイ２０に表示される。このほかに、測定範
囲の設定、測定範囲での移動量の設定、画像の表示、及
びシステムの制御はコンピュータ１９のディスプレイ２
０で行われる。

【００４６】このように本装置では顕微鏡画像（輝度信
号）の取得と、高さ情報の取得を同時に行われる。すな
わち、試料８に対するレーザ光のＸＹ走査を、試料８の
凹凸に対する高さ位置毎に行って、輝度情報を集める動
作を行うと共に、得られた上記高さ別の輝度情報を同一
ＸＹ走査位置毎に足し合わせて１枚の画像を作成し、表
示する処理を同時に行う。また、高さ位置を変える毎
に、１ずつカウントを進め、同一ＸＹ走査位置での輝度
信号の値が前回よりも高い時はそのカウント値をそのＸ
Ｙ走査位置対応に更新記録する。つまり、例をあげる
と、高さ位置Ｚ１（カウント値“１”）のときに、Ｘ
１，Ｙ１位置での輝度信号が“０”であり、高さ位置Ｚ
２（カウント値“２”）のときに、Ｘ１，Ｙ１位置での
輝度信号が“０”であり、高さ位置Ｚ３（カウント値
“３”）のときに、Ｘ１，Ｙ１位置での輝度信号が
“１”であったとすると、高さ位置Ｚ３（カウント値
“３”）をＸ１，Ｙ１位置においての高さ位置Ｚ３とし
て記憶するといった具合である。

【００４７】スポット光のＸＹ走査はつぎのようにして
なされ、画像の取得と高さ情報の取得が行われる。すな
わち、本装置では使用開始にあたり、電源を投入する
が、これによりレーザ光源２はレーザ光を発振する。こ
のレーザ光はミラー３で反射され、ハーフミラー４を通
過し、２次元走査機構５に入射する。２次元走査機構５
はコンピュータ１９からの指令に基づき、ＸＹ走査制御
ユニット２１から発生したＸＹ走査制御信号によって動
作を開始する。よって、ここでレーザ光はＴＶのラスタ
走査と同様に、ＸおよびＹ軸方向に偏向される。

【００４８】レーザ光はレボルバ６、対物レンズ７を通
過してステージ８上の試料９に微小なスポットに集光す
るとともに、そのスポット光は上記ＸＹ走査が行われる
ことにより、試料８上を移動していくことができる。試
料８からの反射光は入射した光路を逆に辿り、ハーフミ
ラー４で反射され、レンズ１１で集光される。レンズ１
１による集光位置にはピンホール板１２が配置されてお
り、その後に光検出器１３が設けてある。そのため、こ
のピンホール板１３におけるピンホールを通過した光が
光検出器１３に入射することになり、光検出器１３はこ
のピンホールを通過した光を試料の反射光として電気信
号に変換することになる。

【００４９】ここで、本装置は共焦点型の顕微鏡である
からピンホール径が十分小さい場合には試料８から反射
光は、対物レンズ７の合焦位置からのもののみについて
ピンホールを通過することになり、従って、対物レンズ
７の合焦位置にある試料面の反射光のみが光検出器１３
より検出されることなる。

【００５０】光検出器１３より検出された電気信号は画
像処理ユニット２２に入力される。この画像処理ユニッ
ト２２には本実施例の場合、画像メモリとして５１２画
素×５１２画素×８ビット（２５６階調）が２枚用意さ
れている。このうちの１枚の画像メモリ２２Ａには、反
射光の電気信号が保存されることになり、光検出器１３
より検出された電気信号は画像メモリ２２Ａに対して、
スポット光の現在のＸＹ走査位置対応の画素位置に、デ
ータとして記憶保存させる。この記憶はその画素位置の
記憶情報と加算して得た値である。このようにすること
で高さ位置の異なる画像の足し込みができることにな
る。

【００５１】また、別の画像メモリ２２ＢにはＺ軸走査
方向の情報、具体的にはＺ移動駆動制御回路２３から、
ステージを何回移動させたかを数えた回数の値が与えら
れ、画像処理ユニット２２は前回のこの位置での輝度信
号より今回の輝度信号のレベルが高い場合に、画像メモ
リ２２Ｂに対して、スポット光の現在のＸＹ走査位置対
応の画素位置に、上記回数の値をデータとして更新記憶
保存させる。

【００５２】一方、ステージ９の光軸方向（Ｚ軸方向）
への移動は、コンピュータ１９からの指令に基づいてＸ
Ｙ走査完了毎に基準幅単位で行われる。そして、コンピ
ュータ１９から指令を受ける毎にＺ移動駆動制御回路２
３は基準幅単位分のＺ軸方向駆動制御信号を発生して図
示しないステージＺ軸方向駆動操作機構を駆動させ、基
準幅単位分、ステージ９をＺ軸方向に移動させる。

【００５３】ステージ９の移動量はこのように１指令毎
に基準幅単位分であり、移動させる必要が生じる毎に、
コンピュータ１９から指令が出されることになる。測定
範囲の設定、及び各測定範囲でのステージ移動量の基準
幅の設定、画像の表示およびシステムの制御は顕微鏡の
観察者がコンピュータ１９によりそのキーボード操作、
あるいはマウスやジョイステック、トラックボールなど
のポインテングデバイスを操作しつつ、ディスプレイ２
０を見ながら、あるいは、ミラー１４を対物レンズ７と
５との間のレーザ光路に挿入することにより、モニタ２
４に表示された画像を見ながら粗動ステージ１０を粗調
整操作することで、つぎのようにして行う。

【００５４】このシステムでは、観察者は試料８をステ
ージ９に載せ、コンピュータ１９を操作してコンピュー
タ１９より制御指令を発生させることにより、スポット
光のＸＹ走査を開始させて観察と測定に入ることになる
が、最初は試料９にピントを合わせる必要があるため、
ステージ９もコンピュータ１９を使って上下に移動さ
せ、試料８の所望高さ位置に対物レンズ７の焦点が来る
ように調整することができる。

【００５５】この場合は、ピントが合ったか否かは、デ
ィスプレイ２０に表示された画像を見ながら判断する。
すなわち、レーザ光源２を励振させてレーザ光を発生さ
せ、これをＸＹ走査させることで試料８に対するスポッ
ト光のＸＹ走査を行い、これにより得られた反射光を光
検出器１３で検出することにより反射光による画像デー
タを得、これを画素位置対応に画像メモリ２２Ａに記憶
し、これを読出してディスプレイ２０に画像表示するこ
とで、現在のピント状態における画像を観察することが
できるので、これを見ながらステージ９の高さ位置を調
整することで試料８の目的の高さ位置にピント合わせを
行うことができる。

【００５６】共焦点画像を使用して測定範囲を決めるに
はつぎのようにする。画像を観察しながらコンピュータ
１９を操作し、ピントの合った位置からステージ９を下
に移動させる。

【００５７】試料８がピント位置を横切る限り画像は表
示されるが、試料８の最上面がピント位置よりも下に来
ると画像が表示されなくなる。ここで、測定範囲の片側
（上限位置）が決定される。今度は逆にステージ９を上
に移動させて、同様に画像が表示されなくなる位置（下
限位置）を決定する。

【００５８】以上のようにして共焦点画像を使用したＺ
軸方向の測定範囲の決定をすることができるが、しか
し、共焦点画像では焦点深度が極端に浅いため、やや使
いづらい点がある。このため、本システムではＴＶ画像
を使用したピント合わせを行うことができるようにして
ある。

【００５９】ＴＶ画像を使用して測定範囲を決めるに
は、まず観察者はミラー１４を対物レンズ７と５との間
を繋ぐ光路上にミラー１４を挿入し、ＴＶカメラ１８が
使用できるようにする。そして、白熱光源１７を点灯
し、その光をハーフミラー１６、レンズ１５、ミラー１
４を介して対物レンズ７へと送り、ステージ９側に照射
する。ステージ９側からの反射光はこれと逆の経路を辿
り、ハーフミラー１６を透過し、ＴＶカメラ１８にとら
えられ、映像信号化され、この映像信号がモニタ２４に
与えられて画像として表示される。なお、レンズ１５は
ＴＶカメラ１８上に像を結像する機能をも果たす。

【００６０】従って、試料８をステージ９に載せること
で試料８の画像がＴＶカメラ１８で撮像されることにな
り、この撮像された試料画像はモニタ２４に表示される
ので、観察者はこのモニタ画像を見ながら粗動ステージ
１０のＺ軸位置を粗調整して大まかなピント合わせを行
う。

【００６１】大まかなピント合わせが終了したならば、
つぎにミラー１４を対物レンズ７と５とを繋ぐレーザ光
路から外す。これにより、ミラー１４により遮られてい
たレーザ光路は光路が確保されることになり、試料８に
対してのレーザ走査が開始できる。従って、観察者の指
令操作により、あるいはミラー１４をレーザ光路から退
避させることにより発生されるコンピュータ１９からの
命令によって、レーザビームのＸＹ走査が開始される。
レーザ走査が開始されると、レーザ走査による画像が２
２の画像メモリ２２Ａ上に得られるので、この画像メモ
リ２２Ａ上の画像をディスプレイ２０に表示させること
で共焦点画像を観察できる。

【００６２】共焦点画像が表示されると観察者はこの表
示画像を見ながら操作部２５を操作して測定範囲の設定
を行う。測定範囲の設定は操作部２５の操作により、ス
テージ９を上下に移動させながら、画像が完全に見えな
くなる位置を捜すことで行う。

【００６３】すなわち、操作部２５を操作してコンピュ
ータ１９に対して測定範囲の設定モードを設定し、さら
に操作部２５の操作によりステージ９を上方向または下
方向に移動すべく操作するが、この操作を行っても上限
位置決定がなされるまでは、ステージ９は対物レンズ７
から遠ざかる方向にしか移動しないような制限をかけて
コンピュータ１９が制御を行うものとする（図２のＳ
２）。

【００６４】この結果、大まかにピントを合わせた最初
の位置からステージ９を下に移動させることはできる
が、ステージ９を上に移動させようとした場合は、ステ
ージ９は移動せず、コンピュータ１９から警告メッセー
ジが出力されることになる（図２のＳ９）。

【００６５】このようにして観察者が操作部２５を操作
して測定範囲の設定モードを設定し、測定範囲設定操作
を行うと、ＸＹ方向に対するレーザ走査を行いつつ、コ
ンピュータ１９はこの操作に対応してステージ９を対物
レンズ７から遠ざかる方向に制御する。そして、観察者
はディスプレイ２０上の試料画像を観察しながら程よい
ところで操作部２５を操作して上限位置設定完了指令を
出し、コンピュータ１９に与える。

【００６６】すなわち、ディスプレイ２０上には、試料
８が対物レンズ７のピント位置を横切る部分がある限
り、画像は表示されるが、試料８の最上面が対物レンズ
７のピント位置よりも下に来ると、ディスプレイ２０上
には画像が表示されなくなるので、この画像が表示され
なくなった時点で、測定範囲の片側（上限位置）が決定
されることになるから、この時点で観察者は操作部２５
を操作して上限位置設定完了指令を出し、コンピュータ
１９に知らせる（図２のＳ３）。これにより、コンピュ
ータ１９はこれ以上のステージ９の下降を停止させて、
この時点でのステージ９の高さ位置の情報を保持する
（ステージ９の高さ位置の値を登録する）（図２のＳ
４）。

【００６７】測定範囲の片側が決定されたならば、次
に、観察者は操作部２５を操作して下限位置設定の作業
に入る。これは操作部２５よりステージ９の上下方向へ
の移動操作指令を与えることで、これを受けたコンピュ
ータ１９は今度は上記高さ位置を上限に、ステージ８を
上下方向いずれにも移動を可能にするように規制を変
え、操作指令対応に上下方向に移動制御することで行わ
れる（図２のＳ５）。

【００６８】すなわち、上限位置設定の段階ではステー
ジ９を下方にのみ移動させたので、今度は逆にステージ
９を上記設定した上限位置を上限に、上方にも移動可能
にさせる。そして、観察者はディスプレイ２０を観察し
ながらステージ９を上下方向に移動させるべく操作しつ
つ、前と同様に画像が表示されなくなる位置（下限位
置）を捜す。

【００６９】ここで、コンピュータ１９は下限方向への
移動制御においては、上記設定した上限位置を基準にし
たステージ９の移動量と現在使用している対物レンズ７
の動作距離（焦点距離）ＷＤとの比較を行い、ステージ
９の移動量が動作距離（焦点距離）ＷＤの範囲を越えな
い範囲で操作部２５からの操作対応にステージ９を上下
方向に移動操作させるように制御する（図２のＳ６）。

【００７０】コンピュータ１９はＷＤを基準とする上記
の比較の結果、ステージ９の移動量が対物レンズ７の動
作距離内であり、操作部２５よりステージ９の上下方向
への移動操作指令が引き続き与えられていれば、それに
応じて引き続きステージ９の上下方向への移動を許可す
る。しかしながら、ステージ９の移動量が対物レンズ７
の動作距離と等しくなった場合には、それ以上、ステー
ジ９を下方へ移動させると対物レンズ７と試料８が衝突
することになるため、コンピュータ１９は操作部２５よ
りステージ９の下方向への移動操作指令が与えられてい
たとしても、ステージ９の移動を停止させるべくＺ移動
駆動制御回路２３を制御する（図２のＳ１０）。これに
より、無理に操作して対物レンズ７と試料８が衝突する
ことを未然に防ぐことができる。

【００７１】また、ステージ９の移動量が対物レンズ７
の動作距離と等しくなる前に、ディスプレイ２０の試料
画像が表示されなくなれば、その時点で下限位置到達で
あることを観察者は知り、操作部２５の操作によるステ
ージ９の上方移動操作を止める。ディスプレイ２０上に
は、試料８が対物レンズ７のピント位置を横切る部分が
ある限り、画像は表示されるが、試料８の最上面が対物
レンズ７のピント位置よりも下に来ると、ディスプレイ
２０上には画像が表示されなくなるので、この画像が表
示されなくなった時点で、測定範囲のもう片方の側（下
限位置）が決定されることになるから、この時点で観察
者は操作部２５によるステージ上方移動操作を中止し、
また、操作部２５を操作して下限位置設定完了指令を出
し、コンピュータ１９に知らせる（図２のＳ７）。これ
により、コンピュータ１９はこれ以上のステージ９の上
昇を停止させて、この時点でのステージ９の高さ位置の
情報を保持する（ステージ９の高さ位置の値を登録す
る）（図２のＳ８）。

【００７２】このようにして、ステージ９の移動が可能
な範囲で下限位置を検出することができれば、その段階
で測定範囲の設定を終了することで下限位置の設定をす
ることができる。

【００７３】以上、本装置は光源からの出射光を対物レ
ンズを介して試料に集光し、この集光した光と前記試料
を相対的に２次元走査して得られるこの試料からの光を
光検出手段により検出し、前記２次元走査の走査位置に
対応させて画像メモリに保持して画像を得る共焦点走査
型の光学顕微鏡であって、前記対物レンズの焦点位置と
試料の位置を相対的に光軸方向に走査する移動機構によ
り、所要のピッチで移動させ、前記画像メモリの保持情
報と前記光検出手段の検出出力を参照して前記試料から
の光がより高く検出されたときの前記対物レンズ焦点位
置と試料位置の関係を記憶手段に保存することにより前
記試料の前記光軸方向に対する変化を測定する機能を備
えた共焦点走査型光学顕微鏡において、対物レンズを介
して前記試料に照明光を与える光源を設ける共に、この
光源からの光による前記試料の像を撮像する撮像手段
と、この撮像手段により得られた画像を表示するモニタ
装置とを設け、また、前記移動機構により、前記対物レ
ンズの焦点位置と試料の位置を相対的に光軸方向に走査
するにあたり、走査範囲を決めるに際して、試料に対す
る前記対物レンズのピントを粗調整し、その後、試料か
ら離れる方向に前記対物レンズを遠ざける方向にのみ移
動可能に移動方向を規制制御しつつ、撮像手段による画
像観察しながら像が消える時点で、その位置を対物レン
ズに対する移動上限として登録し、つぎに試料と対物レ
ンズを互いが接離する方向に操作してその移動範囲が上
記上限を越えず、かつ、対物レンズの動作距離内であ
り、撮像手段による画像が消える時点でその位置を対物
レンズに対する移動下限として登録し、この移動上限と
移動下限の範囲でＺ方向移動走査して共焦点画像を得る
ようにした。

【００７４】このように、走査範囲を決めるに際して、
試料に対する前記対物レンズのピントを粗調整した後、
試料に対して前記対物レンズを遠ざける方向にのみ移動
方向を規制制御しつつ両者を引き離し、対物レンズと試
料との移動上限を求め、その後、試料と対物レンズを互
いに近付ける方向に操作してその移動範囲が対物レンズ
の動作距離内で対物レンズに対する移動下限を求め、こ
の移動上限と移動下限の範囲でＺ方向移動走査して共焦
点画像を得るようにしたことから、試料と対物レンズが
ぶつかることが無くなり、試料と対物レンズの損傷を防
ぐことができるようになる。また、試料と対物レンズの
損傷を防ぐことから、装置としての信頼性も飛躍的に向
上する。

【００７５】なお上記実施例では、ステージ９を移動さ
せる場合を説明したが、Ｚ方向移動ステージによってレ
ボルバ６を支持し、Ｚ方向駆動制御回路２３を介してコ
ンピュータ１９により制御される対物レンズ７を上下に
移動させる構成でも同様な考え方で、衝突防止制御が可
能である。

【００７６】また上記例では、ステージの移動量が対物
レンズ動作距離に一致したときにステージの移動を禁止
している。しかしながら、対物レンズの動作距離には選
択する対物レンズに応じてばらつきがあるため、安全を
考えてステージの移動可能範囲を対物レンズの動作距離
の９０％などのように制限するようにしてもよい。

【００７７】また、画像メモリ２２Ａの画像データを利
用すると、共焦点から外れているか否かをコンピュータ
処理により行うことはできるから、観察者の手動操作に
基づく状下限位置の決定を、コンピュータ１９により自
動的に行うようにした装置とすることも可能である。

【００７８】

【発明の効果】以上詳述したように、共焦点光学顕微鏡
において、共焦点画像を得るにあたり試料と対物レンズ
の相対的な移動走査範囲を決めるに際して、移動方向の
規制と移動量の制限を行うことにより、試料と対物レン
ズの衝突を防止することができるようになり、試料と対
物レンズの損傷を防ぐと同時に、信頼性の高い共焦点光
学顕微鏡が得られるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の全体構成を示す概略的なブ
ロック図。

【図２】本発明の作用を説明するためのフローチャー
ト。

【図３】従来技術を説明するための図。

【図４】従来技術を説明するための図。

【図５】従来技術を説明するための図。

【符号の説明】

１…共焦点走査型光学顕微鏡 ２…レーザ光源 ３…ミラー ４…ハーフミラー ５…２次元走査機構 ６…レボルバ ７…対物レンズ ８…試料 ９…ステージ １０…粗動ステージ １１，１４，１５…レンズ １２…ピンホール板 １３…光検出器 １６…ハーフミラー １７…白色光源 １８…ＴＶカメラ １９…コンピュータ ２０…ディスプレイ ２２…画像処理ユニット ２２Ａ，２２Ｂ…画像メモリ ２３…Ｚ移動駆動制御回路 ２４…モニタ ２５…操作部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源からの出射光を対物レンズを介して
   試料に集光すると共に、上記出射光を試料に対して相対
   的に２次元走査し、対物レンズを介して試料から得られ
   た光を対物レンズと共焦点の関係にある光学系を介して
   光検出器により検出して画像情報を得るようにし、前記
   対物レンズの焦点位置と試料の位置を相対的に光軸方向
   に走査する移動機構により当該光軸方向に所要のピッチ
   で走査することにより前記試料の共焦点画像を得る共焦
   点走査型光学顕微鏡において、 前記移動機構による走査方向に対しての範囲を決定する
   場合に、前記対物レンズの焦点位置を試料の最上面から
   前記対物レンズが引き離される方向に対してのみ移動を
   可能に規制制御し、上限が決定された後はこれを上限と
   して前記対物レンズと試料の接離方向に対しての移動を
   可能にし、移動量が前記対物レンズの焦点距離を越える
   場合には移動を中止させるべく前記移動機構を制御する
   制御手段を具備することを特徴とする共焦点走査型光学
   顕微鏡。