JPH08271803A - 共焦点走査型光学顕微鏡の自動画像形成装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】複数の高さの平面を持ち、各平面間の斜面が急
峻な観察試料を測定する場合であっても、その測定範囲
の自動設定を正確に行なう。 【構成】光検出器13の出力信号に対する任意の信号レベ
ルと試料8 の異なる高さの平面領域数とを設定すること
で、光検出器13の出力信号レベルが上記設定した信号レ
ベル以下となっている画素数を計数し、Ｚ移動回路15に
より光軸方向に移動を行ないながら得られる上記画素数
が予め設定された画素数以上となったか否かにより観察
試料の当該走査位置が平面領域であるか否かを検出し、
この検出結果と上記設定した平面領域数とに基づいて試
料8 の上限位置と下限位置とを検出する画像処理ユニッ
ト14を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、共焦点走査型光学顕微
鏡の自動画像形成装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、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共焦点光学系を有する顕微鏡
があった。

【０００３】以下、この共焦点光学系を有する顕微鏡に
ついて図７を参照して説明する。

【０００４】図７（ａ）はその概略構成図であって、点
状光源３１から出た光は、ハーフミラー３２を通過し、
収差の良く補正された対物レンズ３３によって観察試料
３４上に点として結像され、観察試料３４を照明するよ
うになっている。

【０００５】この観察試料３４で反射した光は、再び対
物レンズ３３を通った後にハーフミラー３２で反射さ
れ、集光する。この集光位置にはピンホール開口を形成
したピンホール板３５が配置され、そのピンホール開口
を通過した光は光検出器３６で検出される。そして、観
察試料３４をテレビのラスター走査と同じように２次元
走査することによって、観察試料３４の２次元画像が得
られるようになっている。

【０００６】ところで、図７（ａ）中に破線で示す光
は、対物レンズ３３の集光位置からずれた位置Ｌからの
光を示している。このずれた光は、ピンホール板３５の
ピンホール開口の位置では集光しないので、ピンホール
板３５を通過できず、光検出器３６には到達しない。こ
のことから、このような光学系では、対物レンズ３３の
集光位置つまり合焦位置のみの画像を得ることが可能に
なる。

【０００７】これは、観察試料３４の観察面が平面状の
場合には有効であるが、図７（ｂ）のように観察面が段
状で高さの異なる部分が複数存在する非平面状の観察試
料３４の場合には画像を得ることが困難である。図７
（ｂ）で示す観察試料３４は、高さの高い部分Ｂと、高
さの低い部分Ｃと、高さの中間部分Ａとからなり、いま
例えばＡの観察面に合焦した場合、通常の光学顕微鏡で
はＢやＣの観察面はぼけてしまう。このため、一度の観
察操作によりＡ，Ｂ，Ｃの全部の観察面に合焦した画像
を得ることは不可能である。

【０００８】もちろん、図７（ａ）の顕微鏡を用いて図
７（ｂ）の観察試料３４の観察面の画像を得る場合に
は、例えばＡの観察面をピント合わせた画像を保存し、
同じようにして得られたＢの観察面の画像と、Ｃの観察
面の画像と保存してすべてたし合せれば、全面に合焦し
た画像を得ることができる。この場合、実際には、各画
素について、明るさの最大値を保持させればよい。

【０００９】以上の光学的特性を利用して試料の表面形
状を測定することができる。この技術について「THEORY
AND PRACTICE OF SCANNING OPTICAL MICROSCOPY」
（Ｐ．１２６〜Ｐ．１３０）に開示されている。

【００１０】ここでは、試料の１点に集光し、その点に
ついて光軸方向（Ｚ軸方向）に走査を行ない、走査中に
輝度が最高となるＺ位置を検出して記憶する。次に、集
光した光をＸ方向に移動させ、その点位置でＺ軸方向に
走査を行なって走査中の輝度が最高となるＺ位置を検出
して記憶する。以上の走査を繰返しＸ方向及びＹ方向に
行なうことにより、試料の表面の形状（凹凸）を測定す
ることができるものである。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上述した共焦点光学系
を有する顕微鏡では、観察試料が対物レンズの焦点位置
から外れると画像が消えてしまうことになる。焦点位置
から外れるということは、そのときの試料の位置が最も
高い場所を過ぎた位置か、もしくは最も低い場所を過ぎ
た位置であることを示している。この特性を利用して、
試料の最も高い位置と最も低い位置を自動的に設定する
ことができる。

【００１２】この技術は特開平６−３０８３９３号に開
示されている。すなわち、試料が合焦位置からはずれて
いけばいくほど、得られる画像全体が黒くなっていく。
これは、画像を形成している各画素の輝度レベルが零に
近くなると共に、この輝度レベルの画素数が増加してい
くことを示している。特開平６−３０８３９３号では、
画像の輝度信号のレベルを設定し、そのレベルの画素が
全体の画素に占める割合を調べることで、試料の最も高
い位置と最も低い位置の判断を行なっている。

【００１３】しかしながら、例えば上記図７（ｂ）に示
した形状の観察試料３４において、Ａ面とＢ面、もしく
はＢ面とＣ面の間の切り立った面の傾斜がきついような
場合、この斜面で反射した光はほとんど対物レンズに戻
らない可能性がある。このため、このような位置での画
像信号は、黒レベルの画像がほとんどになる。この状態
は、試料が合焦位置から外れた状態と酷似している。こ
のため、特開平６−３０８３９３号の技術では、合焦位
置が斜面にあるにも拘らず、試料の最も高い位置か最も
低い位置を検出したという、誤った判断をしてしまう可
能性が常にあり、信頼性に乏しいという不具合があっ
た。

【００１４】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、複数の異なった高さの平面を持ち、且つそれぞれの
平面の間の斜面が急峻な形状を有した観察試料を測定す
る場合であっても、その測定範囲の自動設定を正確に行
なうことができ、さらに自動設定中の試料と対物レンズ
との干渉を未然に防ぐことも可能な共焦点走査型光学顕
微鏡の自動画像形成装置を提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
点状光源から出た光を観察試料に集光する対物レンズ
と、観察試料からの光を検出する光検出器と、観察試料
に集光した光と観察試料とを相対的に２次元走査する走
査機構と、上記対物レンズの焦点位置と観察試料との相
対的な位置を光軸方向に移動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、上記検出器の検出信号
に対する任意の信号レベルを設定するレベル設定手段
と、上記観察試料の異なる高さの平面領域数を設定する
平面数設定手段と、上記検出器の検出信号のレベルが上
記レベル設定手段で設定した信号レベル以下となってい
る画素数を計数する画素数計数手段と、上記移動機構に
より光軸方向に移動を行ないながら上記画素数計数手段
からの画素数が予め設定された画素数以上となったか否
かにより観察試料の当該走査位置が平面領域であるか否
かを検出する第１の検出手段と、この第１の検出手段の
検出結果と上記平面数設定手段で設定した平面領域数と
に基づいて観察試料の上限位置と下限位置とを検出する
第２の検出手段とを具備するようにしている。

【００１６】請求項２記載の発明では、請求項１記載の
発明において、上記第２の検出手段は観察試料の上限位
置を先に検出し、観察試料の下限位置を検出する際の上
記移動機構による移動範囲に制限を与えるようにしてい
る。

【００１７】

【作用】この結果、請求項１記載の発明によれば、複数
の異なった高さの平面を持ち、且つそれぞれの平面の間
の斜面が急峻な形状を有した観察試料を測定する場合で
あっても、対物レンズの焦点位置と観察試料との相対的
な位置を移動させてその上下限位置を正確に検出し、測
定範囲の自動設定を確実に行なうことができる。

【００１８】また請求項２記載の発明によれば、請求項
１記載の発明の効果に加えて、対物レンズの焦点位置と
観察試料との相対的な位置を移動させて観察試料の上下
限位置を自動設定する際、観察試料と対物レンズとの干
渉を未然に防ぐことができる。

【００１９】

【実施例】以下本発明の一実施例について図面を参照し
て説明する。

【００２０】図１は共焦点走査型光学顕微鏡全体のシス
テム構成を示している。同図で１が共焦点走査型光学顕
微鏡であり、２が走査光の光源となるレーザ光源であ
る。このレーザ光源２より発生されたスポット光として
のレーザ光は、ミラー３で全反射され、ハーフミラー４
を介した後に２次元走査機構５に送られる。

【００２１】この２次元走査機構５は、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
ラーとを有しており、後述するＸＹ走査制御ユニット１
６からの制御を受けて２つのガルバノミラーをＸ軸方
向、Ｙ方向に振ることでスポット光をテレビのラスター
走査と同様にＸＹ走査するもので、この２次元走査機構
５により走査されたスポット光は、レボルバ６を介して
対物レンズ７より微動ステージ９上に載置支持された試
料８に照射される。

【００２２】すなわち、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、微動ステージ
９は試料８を保持するものである。また、微動ステージ
９は粗動ステージ１０上に設けられる。

【００２３】対物レンズ７のうち、所望の倍率を持つも
のをレボルバ６により切換えて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微動ステー
ジ９上の試料８に２次元走査しながら照射することがで
きる。

【００２４】この照射による反射光は対物レンズ７を通
って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。

【００２５】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
導くためのもので、ハーフミラー４で得られた試料８か
らの反射光はレンズ１１により集光され、所定の径に開
口したピンホール板１２を介して光検出器１３に送られ
る。

【００２６】すなわち、光検出器１３は、その受光面の
前面にレンズ１１とピンホール板１２とを配し、レンズ
１１の焦点位置にピンホール板１２が位置するもので、
このピンホール板１２を介して得られる光をその光量に
対応したアナログの電気信号（輝度信号）に変換し、画
像処理ユニット１４へ送出する。

【００２７】この画像処理ユニット１４は、２つの画像
メモリ１４Ａ，１４Ｂを有しており、それぞれ１フレー
ム分の記憶容量を有するものであり、ここでは共に、例
えば５１２画素×５１２画素×８ビット（２５６階調）
を１フレーム分として画像を記憶するものとする。

【００２８】このうち画像メモリ１４Ａは、上記光検出
器１３で得られた反射光の輝度情報を、スポット光の現
在のＸＹ走査位置に対応した画素位置に８ビットデータ
として記憶することで画像信号を記憶するものである。

【００２９】この記憶は、前回のその走査位置での輝度
情報よりも今回の輝度情報の方が大きい（明るい）場合
に、その走査画素位置の画像情報として更新保存するこ
とで、高さ位置の異なる画像を足し込むことができるよ
うにしたものである。

【００３０】また画像メモリ１４Ｂは、スポット光の現
在のＸＹ走査位置に対応した画素位置にＺ移動方向の情
報、具体的にはＺ移動回路１５からレボルバ６が何回移
動したかを数えた回数の値が与えられる。

【００３１】この場合に画像処理ユニット１４は、画像
メモリ１４Ａの画像データを参照して、前回のその位置
での輝度情報よりも今回の輝度情報のレベルが高い場合
に、画像メモリ１４Ｂに対して上記回数の値をデータと
して更新させ、記憶保存させる機能を持たせてある。

【００３２】画像メモリ１４Ｂにはこのようにして、各
画素位置においてその画素位置で最大輝度を示す情報が
あるときのレボルバ移動回数値がＺ走査方向の情報（こ
の情報は高さ位置を示すことになる）として記憶され
る。

【００３３】画像処理ユニット１４に対してのスポット
光の現在のＸＹ走査位置情報はＸＹ走査制御ユニット１
６よりコンピュータ１７を介して与えられる。画像処理
ユニット１４は、上記光検出器１３からの出力信号を受
けて自動画像形成の際の自動範囲設定とその設定値のコ
ンピュータ１７への伝達とＺ移動回路１５の制御、後述
する端面検出、合焦位置の移動制御等を行なうと共に、
画像メモリ１４Ａ，１４Ｂに記憶したデータを読出して
コンピュータ１７に与える処理を行なう。

【００３４】Ｚ移動回路１５は、コンピュータ１７また
は上記画像処理ユニット１４に制御されて上記レボルバ
６をその高さ方向、すなわちＺ軸方向に基準幅単位で移
動させるべく制御を行なう回路であり、レボルバ６を基
準幅単位で移動させる毎にその位置情報をカウントする
カウント機能と、そのカウント値を上記画像メモリ１４
Ｂへ送出する機能とを有している。

【００３５】しかるに、この画像処理ユニット１４とＺ
移動回路１５及び上記２次元走査機構５を制御するＸＹ
走査制御ユニット１６を統括制御するものとして、コン
ピュータ１７が設けられる。このコンピュータ１７は、
上記ＸＹ走査制御ユニット１６、Ｚ移動回路１５及び画
像処理ユニット１４の統括制御の他に、画像データの保
存、再生、編集等を行なうなど、全体の制御、処理の中
枢を担うもので、必要な情報や画像等をモニタディスプ
レイ１８により表示出力する。

【００３６】さらに、試料８の測定を行なう際に、微動
ステージ９に載せた試料８に対する大まかなピント合わ
せを行なうものとして、テレビ光学系が用意されてい
る。これは、レーザ走査による共焦点画像でピント合わ
せを行なう場合に、焦点深度が極端に浅いためにやや使
いづらい点を考慮して用いられるものである。

【００３７】すなわち、白色光源１９で発生された光が
レンズ２０を介した後にハーフミラー２１で全反射さ
れ、レンズ２２を介して、２次元走査機構５とレボルバ
６の間のレーザ光路に挿入されたミラー２３で反射され
て、レボルバ６を介して対物レンズ７より微動ステージ
９上に載置支持された試料８に照射される。

【００３８】そして、この照射による反射光は対物レン
ズ７を通ってミラー２３により反射され、レンズ２２を
介した後に上記ハーフミラー２１を通過し、レンズ２４
によりテレビカメラ２５上に結像する。

【００３９】このテレビカメラ２５で撮影された試料画
像は、上記モニタディスプレイ１８で表示されるもの
で、観察者はこのモニタディスプレイ１８の画像を見な
がら粗動ステージ１０を動かしてピント合わせを行な
う。このとき観察者は、試料８のおおよその形状と合焦
位置とを知ることができる。

【００４０】次に、上記実施例の動作として、レーザ光
源２で発生されたレーザ光によって試料８の形状を測定
する場合の詳細を説明する。試料形状を測定するにあた
っては、高さ方向（Ｚ軸方向）の測定範囲を設定する必
要がある。ここで、本発明による測定範囲の自動設定が
用いられるものである。

【００４１】以下の説明では、試料８として図２に示す
ような形状のものを用いるものとする。図２（ａ）で示
す試料８は、高さの高い平面部分Ａ、高さの低い平面部
分Ｅ、これらＡ面とＥ面との間に位置する高さの中間の
平面部分Ｃ、上記Ａ面とＣ面との間の斜面部分Ｂ、上記
Ｃ面とＥ面との間の斜面部分Ｄ及び上記Ｅ面と試料８底
面との間の斜面部分Ｆを有し、各斜面部分Ｂ，Ｄ，Ｆは
切立った急峻なものとする。

【００４２】そして、上記テレビ光学系で大まかに合わ
せた合焦位置を同図（ａ）中の合焦初期位置Ｘとする。
また、図２（ｂ）に試料８の側面図を併せて示す如く、
合焦初期位置ＸからＡ面の方向を上限方向、合焦初期位
置ＸからＥ面の方向を下限方向と仮定する。

【００４３】図３及び図４は主として画像処理ユニット
１４による動作処理内容を示すもので、その当初には各
パラメータの設定を行なう（ステップＳ１〜Ｓ７）。

【００４４】まず、検出基準レベルＶref の設定を行な
う（ステップＳ１）。

【００４５】この検出基準レベルＶref は、光検出器１
３からの画像信号Ｖinのレベルとの比較に用いられるも
のである。前述した如く試料８が対物レンズ７の合焦位
置から外れた状態や反射したレーザ光が戻ってこない状
態では、光検出器１３からの画像信号Ｖinが理想的には
零となる。したがって、検出基準レベルＶref の値も零
に設定すればよいが、通常、画像信号Ｖinにはノイズ成
分等が重畳されている場合も多々あるため、零もしくは
零に近いレベルが設定されるものである。

【００４６】次に検出基準画素数Ｎref の設定を行なう
（ステップＳ２）。

【００４７】この検出基準画素数Ｎref は、レーザ画像
を構成する総画素数に対して、画像信号Ｖinが検出基準
レベルＶref 以下であったときの画素数を示すものであ
る。試料８が対物レンズ７の合焦位置から外れた状態や
反射したレーザ光が戻ってこない状態に近付くほど画像
上の黒い領域が増えてくる、すなわち検出基準レベルＶ
ref 以下の画像信号Ｖinであった画素の割合が増えてく
るものである。このような性質を踏まえた上で、検出基
準画素数Ｎref の値が設定されることになる。

【００４８】次に上限方向の面数Ｎupの設定を行なう
（ステップＳ３）。

【００４９】この上限方向の面数Ｎupは、合焦初期位置
Ｘから上限方向にある平面の数を示すもので、本実施例
では図２に示す如く合焦初期位置Ｘより上限方向にある
平面はＡ面のみであるので、「Ｎup＝１」となる。

【００５０】次に下限方向の面数Ｎdownの設定を行なう
（ステップＳ４）。

【００５１】この下限方向の面数Ｎdownは、合焦初期位
置Ｘから下限方向にある平面の数を示すもので、本実施
例では図２に示す如く合焦初期位置Ｘより下限方向にあ
る平面はＣ面とＥ面であるので、「Ｎdown＝２」とな
る。

【００５２】次に上限方向と下限方向のいずれを先に検
出するか、その検出方向の設定を行なう（ステップＳ
５）。

【００５３】上下限の方向は、基本的にはどちらから先
に行ってもよいが、対物レンズ７の動作距離よりも測定
範囲（試料８の形状）が広い場合では、試料８と対物レ
ンズ７とが物理的に干渉する危険性がある。そのため、
最初に対物レンズ７と試料８との間隔が広がる方向、す
なわち上限方向を検出するように移動させたほうがよい
ことになる。

【００５４】このように、検出方向を常に上限方向から
開始する場合には、予め内部設定を行なっておくこと
で、観察者によるパラメータ設定の手間を省くようにし
ておいてもよい。

【００５５】次に、合焦初期位置Ｘが平面領域か斜面領
域かの設定を行なう（ステップＳ６）。

【００５６】これは、合焦位置が例えば図２の形状の試
料８でＡ面のような平面領域と、Ｂ面のような斜面領域
とでは判断の仕方が異なるために設定されるもので、こ
こでは合焦初期位置ＸはＢ面、すなわち斜面領域である
ので、斜面領域を設定する。

【００５７】そしてパラメータの最後に、レボルバ６の
移動量単位の設定を行なう（ステップＳ７）。

【００５８】これは、測定範囲の自動設定で対物レンズ
７の合焦位置を移動しながら画像信号を評価するためで
あり、レボルバ６を上下に移動させることでレボルバ６
に取り付けられた対物レンズ７が上下に移動し、その合
焦位置と試料８との相対的な位置を光軸方向（Ｚ方向）
に変化させるものである。

【００５９】このレボルバ６の移動量単位は、小さく設
定するとＺ方向の移動が細かく行われるので検出精度が
高くなるが、その分時間がかかるというデメリットがあ
る。反対に、レボルバ６の移動量単位を大きく設定する
とＺ方向の移動が粗く行われるので検出精度が低くなる
が、その反面、時間を短縮できるので、検出精度と設定
時間のトレードオフにより最適な値が設定される。

【００６０】なお、測定範囲を自動設定した後、実際の
測定のために再びレボルバ６を移動させるが、この測定
のためのレボルバ６の移動量単位は別に設定することに
なる。

【００６１】以上のようにして各パラメータの設定を終
了すると、合焦初期位置Ｘにおいてレーザ光による走査
が開始される（ステップＳ８）。

【００６２】この走査により試料８で反射した光は光検
出器１３で光電変換され、画像を構成する各画素の画像
信号Ｖinが得られるもので、走査位置の画素毎にこの得
られた画像信号Ｖinと検出基準レベルＶref とにより
「Ｖin＜Ｖref 」となるかを判断する（ステップＳ
９）。

【００６３】そして、「Ｖin＜Ｖref 」となるときにの
み、画素数のカウントを行なう（ステップＳ１０）。

【００６４】以後、１画面の走査が終了したと判断され
るまで（ステップＳ１１）、各画素位置で上記ステップ
Ｓ９，Ｓ１０によるこの「Ｖin＜Ｖref 」となるときの
みの画素数のカウントが連続して行われるもので、１画
面の走査が終了したと判断されると、この時点で画像を
構成する総画素数のうち検出基準レベルＶref より画像
信号Ｖinが低いと判断された画素数Ｎが判明する。

【００６５】ここで、前述した如く平面領域と斜面領域
とでは判断の仕方が異なるので、上記ステップＳ６によ
り設定した現在の合焦位置が平面領域であるか否かを判
断する（ステップＳ１２）。

【００６６】この時点では合焦初期位置Ｘは斜面である
Ｂ面にあるので、これがステップＳ１２で判断されて、
次にカウントした画素数Ｎが、予め設定しておいた検出
基準画素数Ｎref より小さいか否かの判断を行なう（ス
テップＳ１３）。

【００６７】図５に示す如く、合焦初期位置ＸのあるＢ
面はほぼ垂直に切立っているため、対物レンズ７から試
料８に照射されたレーザ光はほとんど斜め下に反射され
る。したがって、反射光のほとんどは対物レンズ７に戻
ってこないから、画像のほとんどは真っ黒なものとな
り、結果として検出基準レベルＶref 以下の画像信号Ｖ
inの画素数が多くなる。

【００６８】このように斜面領域では、１画面の走査を
行なっている間に「Ｎ＞Ｎref 」となり、これがステッ
プＳ１３で判断されて、次にレボルバ６の移動方向を決
めるべく、現時点が上限位置を設定中であるか否か判断
する（ステップＳ１５）。

【００６９】現時点では上限位置を設定中であるので、
これが判断されて、次にレボルバ６を上限方向に上記ス
テップＳ７で設定した移動量単位だけＺ移動回路１５に
より移動させ（ステップＳ１６）、再び上記ステップＳ
８からの処理に戻って、１画面分の走査を行なわせる。

【００７０】この結果、図６（ａ）に示す状態から図６
（ｂ）に示すように対物レンズ７の合焦位置が上限方向
に移動し、新しい合焦位置と試料８の位置でレーザ光の
走査が開始されるもので、対物レンズ７の合焦位置が斜
面領域にある間は、上記の処理が繰返し実行される。

【００７１】次に、対物レンズ７の合焦位置が平面領域
に近付いてきた場合について示す。対物レンズ７の合焦
位置が平面領域に近付いてくると、試料８からの反射光
が対物レンズ７に戻ってくるようになる。

【００７２】したがって、検出基準レベルＶref より大
きい画像信号Ｖinを得た画素の数が増えることとなり、
その結果カウント画素数Ｎが少なくなって「Ｎ＜Ｎref
」となることで、これがステップＳ１３で判断され
て、合焦位置が平面領域に入ったことを宣言する処理を
行なう（ステップＳ１４）。

【００７３】その後、上限設定中であることを確認した
後（ステップＳ１５）、レボルバ６をさらに移動量単位
だけ上限方向に移動させ（ステップＳ１６）、再び上記
ステップＳ８からの処理に戻って、１画面分の走査を行
なわせる。

【００７４】１画面分の走査を終え、引き続いて上記と
同様のカウント画素数Ｎと検出基準画素数Ｎref との比
較を行なうが、対物レンズ７の合焦位置が平面領域に入
ったため、これがステップＳ１２で判断され、続いてス
テップＳ２０で「Ｎ＞Ｎref」であるか否かの判断を行
なう。

【００７５】対物レンズ７の合焦位置が平面領域にある
場合には、前述したように「Ｎ＜Ｎref 」となるので、
これがステップＳ２０で判断され、上記ステップＳ１５
を介してステップＳ１６でレボルバ６をさらに移動量単
位だけ上限方向に移動させ、再び上記ステップＳ８から
の処理に戻って、１画面分の走査を行なわせる。

【００７６】このレボルバ６の上限方向への移動によ
り、対物レンズ７の合焦位置が平面領域を外れて上限位
置に近付くにつれて、画像信号Ｖinは小さくなり、試料
８の画像は消えていく。したがってカウント画素数Ｎが
大きくなり、最終的には「Ｎ＞Ｎref 」となる。これが
ステップＳ２０で判断されると、すなわち平面領域を検
出したこととなるので、続いてこの平面領域数をカウン
トしてそのカウント値をＭとする（ステップＳ２１）。

【００７７】そして、検出した平面領域が最終検出面で
あるか否かを判断する（ステップＳ２２）。

【００７８】これは、検出平面のカウント値Ｍと上記ス
テップＳ３，Ｓ４で設定した上限方向の面数Ｎupもしく
は下限方向の面数Ｎdownの値が一致するか否かにより判
断されるもので、一致した場合には最終面と判断され、
一致しない場合には対物レンズ７の合焦位置が斜面領域
に入ったことを宣言する処理を行なう（ステップＳ２
３）。

【００７９】ここでは、検出平面のカウント値Ｍが
「１」であり、上記ステップＳ３で設定した上限方向の
面数Ｎupが「１」であるので、検出した平面が最終面で
あるものと判断し（ステップＳ２２）、次にその最終面
が上限位置の最終面か、下限位置の最終面かを判断する
（ステップＳ２４）。

【００８０】ここでは上限位置の最終面であるためにこ
れがステップＳ２４で判断され、次にこの時点でのレボ
ルバ６の位置を測定範囲の上限位置として記憶する（ス
テップＳ２５）。

【００８１】その後、次に測定範囲の下限位置を検出す
るために対物レンズ７の合焦位置が上記合焦初期位置Ｘ
となるようにレボルバ６をＺ移動回路１５により移動さ
せ（ステップＳ２６）、検出方向を下限方向とする設定
を行なった後（ステップＳ27）、上記ステップＳ８から
の処理に戻って、上記上限方向の場合と同様にして下限
方向にレボルバ６を移動させながら走査を実行する。

【００８２】但し、下限方向へのレボルバ６の移動に際
しては、上記した上限方向への移動とは一部異なった処
理を行なう。

【００８３】これはすなわち、対物レンズ７と試料８と
が物理的に干渉してしまうのを防止すべく行なわれるも
ので、上記ステップＳ１５で現時点が上限位置を設定中
ではないと判断した後、対物レンズ７の動作距離ＷＤが
上限位置からのレボルバ６の移動量Ｌを越えたか否か判
断する（ステップＳ１７）。

【００８４】「ＷＤ＞Ｌ」である場合、次にレボルバ６
を下限方向に移動量単位だけＺ移動回路１５により移動
させ（ステップＳ１８）、再び上記ステップＳ８からの
処理に戻って、１画面分の走査を行なわせる。

【００８５】しかしながら「ＷＤ＜Ｌ」である場合、す
なわち対物レンズ７の動作距離ＷＤを上限位置からのレ
ボルバ６の移動量Ｌが越えてしまった場合には、試料８
の一番低い面に対物レンズ７の合焦位置が到達する前
に、試料８の一番高い部分が対物レンズ７に当たってし
まうことになるので、警告を発して例えばモニタディス
プレイ１８で表示させ（ステップＳ１９）、レボルバ６
の動作を中止するか、もしくは図示する如くこの図３及
び図４の処理を終了させる。

【００８６】なお、対物レンズ７の動作距離ＷＤにはば
らつきを生じる可能性があるため、ため、余裕を見込ん
でその値を設定する際には標準値より若干小さい値を設
定してもよい。

【００８７】但し、このステップＳ１７〜Ｓ１９の処理
は始めに上限位置を検出した後に下限位置を検出する処
理手順をとる場合にのみ有効であり、始めに下限位置を
検出する場合にはほとんど効果が得られない。

【００８８】しかして、Ｂ面の斜面領域の検出が終了
し、次にＣ面の平面領域の検出が行なわれる。このＣ面
は最終面ではないため、引き続きＤ面の斜面領域の検出
を行ない、さらにＥ面の平面領域の検出を行なう。

【００８９】Ｅ面の平面領域の検出を終えた時点で検出
平面のカウント値Ｍが「２」となり、下限方向の面数Ｎ
downの値が一致するので、ステップＳ２２で最終面であ
ると判断される。

【００９０】よって、このＥ面の平面領域が下限方向の
最終面であると判断され（ステップＳ２４）、次にこの
時点でのレボルバ６の位置を測定範囲の下限位置として
記憶し（ステップＳ２８）、以上でこの図３及び図４の
処理を終了する。

【００９１】以上のようにして、試料８の測定範囲の上
限位置と下限位置とが自動的に設定される。自動設定に
使用する各パラメータを、コンピュータ１７内のメモリ
に保存できるようにしておけば、様々な試料に応じて設
定が可能であり、試料に応じて保存しているパラメータ
を読出すことで、測定に要する手間をより簡易化するこ
とができる。

【００９２】なお、平面領域をカウントする処理（ステ
ップＳ２１）においては、以下のような問題を考慮した
処理が行なわれている。

【００９３】すなわち、図５のように平面領域はある幅
を持っている。したがって、移動単位量の値によっては
この幅の中で焦点位置が２回以上横切る可能性がある。
この場合、「Ｎ＞Ｎref 」の判断も２回以上行なわれ、
同じ平面領域にもかかわらず異なる平面領域と判断して
しまうことになる。

【００９４】このため、ステップＳ２１での処理では一
度「Ｎ＞Ｎref 」になった場合は、その後「Ｎ＞Ｎref
」になってもカウントが行なわれないようにする。た
だし、このままでは次の平面領域があった場合にそれを
カウントできなくなる。このため、平面領域を過ぎて斜
面領域になり「Ｎ＞Ｎref 」になった時、次の平面領域
の検出に備えて再びステップＳ２１でのカウントが行な
われるような処理にしておく。

【００９５】次に、最終平面領域を検出した時、その時
のレボルバの位置を上限位置もしくは下限位置として記
憶する処理（ステップＳ２７，Ｓ２８）においても、以
下の処理が行なわれる。

【００９６】上限位置と下限位置は測定範囲に相当す
る。測定時にはこの範囲で再度レボルバを動かして測定
を行なうことになる。ここでレボルバの移動は機械的に
行なわれるため、多少の移動誤差が生じる。このため、
測定範囲をぎりぎりに設定すると、上記の移動誤差によ
って測定範囲が予め設定していた範囲と異なってしまう
恐れがある。

【００９７】このため、ステップＳ２７，Ｓ２８での処
理においては上記誤差を見込んで、測定範囲を大きめに
設定する処理が組み込まれている。

【００９８】測定範囲を大きく設定する手段としては以
下の方法が考えられる。

【００９９】（１）平面領域を検出した位置に、予め設
定してある量を加えてその位置を上限もしくは下限位置
とする。

【０１００】予め設定してある量としては、移動単位量
を数倍した値とする。この数倍の量については、コンピ
ュータなどから観察者が設定できるものとする。

【０１０１】（２）最終平面領域を過ぎた領域には何も
存在しない。このためこの領域では「Ｎ＜Ｎref 」にな
る。したがって、最終平面領域を過ぎてもレボルバを移
動させ、「Ｎ＜Ｎref 」になった位置を上限もしくは下
限位置とする。

【０１０２】なお、上記実施例では、Ｚ移動回路１５が
レボルバ６をＺ軸方向に移動させて合焦位置の移動を行
なうものとして説明したが、対物レンズ７と試料８との
相対的なＺ軸方向での位置が移動すればよいので、例え
ばレボルバ６ではなく微動ステージ９をＺ軸方向に移動
させるものとしてもよい。

【０１０３】以上、実施例に基づいて説明したが、本発
明中には以下の発明が含まれる。

【０１０４】（１） 点状光源から出た光を観察試料に
集光する対物レンズと、観察試料からの光を検出する光
検出器と、観察試料に集光した光と観察試料とを相対的
に２次元走査する走査機構と、上記対物レンズの焦点位
置と観察試料との相対的な位置を光軸方向に移動する移
動機構とを有する共焦点走査型光学顕微鏡において、上
記検出器の検出信号に対する任意の信号レベルを設定す
るレベル設定手段と、上記観察試料の異なる高さの平面
領域数を設定する平面数設定手段と、上記検出器の検出
信号のレベルが上記レベル設定手段で設定した信号レベ
ル以下となっている画素数を計数する画素数計数手段
と、上記移動機構により光軸方向に移動を行ないながら
上記画素数計数手段からの画素数が予め設定された画素
数以上となったか否かにより観察試料の当該走査位置が
平面領域であるか否かを検出する第１の検出手段と、こ
の第１の検出手段の検出結果と上記平面数設定手段で設
定した平面領域数とに基づいて観察試料の上限位置と下
限位置とを検出する第２の検出手段とを具備したことを
特徴とする共焦点走査型光学顕微鏡の自動画像形成装
置。

【０１０５】このようにすれば、複数の異なった高さの
平面を持ち、且つそれぞれの平面の間の斜面が急峻な形
状を有した観察試料を測定する場合であっても、対物レ
ンズの焦点位置と観察試料との相対的な位置を移動させ
てその上下限位置を正確に検出し、測定範囲の自動設定
を確実に行なうことができる。

【０１０６】（２） （１）記載の共焦点走査型光学顕
微鏡の自動画像形成装置において、上記第２の検出手段
は観察試料の上限位置を先に検出し、観察試料の下限位
置を検出する際の上記移動機構による移動範囲に制限を
与えることを特徴とする。

【０１０７】このようにすれば、対物レンズの焦点位置
と観察試料との相対的な位置を移動させて観察試料の上
下源位置を自動設定する際、観察試料と対物レンズとの
干渉を未然に防ぐことができる。

【０１０８】

【発明の効果】以上に述べたように本発明によれば、複
数の異なった高さの平面を持ち、且つそれぞれの平面の
間の斜面が急峻な形状を有した観察試料を測定する場合
であっても、対物レンズの焦点位置と観察試料との相対
的な位置を移動させてその上下限位置を正確に検出し、
測定範囲の自動設定を正確に行なうことができ、さらに
自動設定中の試料と対物レンズとの干渉を未然に防ぐこ
とも可能な共焦点走査型光学顕微鏡の自動画像形成装置
を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るシステム全体の構成を
示すブロック図。

【図２】同実施例に係る観察試料の形状を例示する図。

【図３】同実施例に係る処理内容を示すフローチャー
ト。

【図４】同実施例に係る処理内容を示すフローチャー
ト。

【図５】同実施例に係る動作を説明するための図。

【図６】同実施例に係る動作を説明するための図。

【図７】従来の共焦点光学系を有する走査型顕微鏡を説
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 ３，２３…ミラー ４，２１…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…微動ステージ １０…粗動ステージ １１，２０，２２，２４…レンズ １２…ピンホール板 １３…光検出器 １４…画像処理ユニット １４Ａ，１４Ｂ…画像メモリ １５…Ｚ移動回路 １６…ＸＹ走査制御ユニット １７…コンピュータ １８…モニタディスプレイ １９…白色光源 ２５…テレビカメラ（ＴＶＣ）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 点状光源から出た光を観察試料に集光す
   る対物レンズと、観察試料からの光を検出する光検出器
   と、観察試料に集光した光と観察試料とを相対的に２次
   元走査する走査機構と、上記対物レンズの焦点位置と観
   察試料との相対的な位置を光軸方向に移動する移動機構
   とを有する共焦点走査型光学顕微鏡において、 上記検出器の検出信号に対する任意の信号レベルを設定
   するレベル設定手段と、 上記観察試料の異なる高さの平面領域数を設定する平面
   数設定手段と、 上記検出器の検出信号のレベルが上記レベル設定手段で
   設定した信号レベル以下となっている画素数を計数する
   画素数計数手段と、 上記移動機構により光軸方向に移動を行ないながら上記
   画素数計数手段からの画素数が予め設定された画素数以
   上となったか否かにより観察試料の当該走査位置が平面
   領域であるか否かを検出する第１の検出手段と、 この第１の検出手段の検出結果と上記平面数設定手段で
   設定した平面領域数とに基づいて観察試料の上限位置と
   下限位置とを検出する第２の検出手段とを具備したこと
   を特徴とする共焦点走査型光学顕微鏡の自動画像形成装
   置。
2. 【請求項２】 上記第２の検出手段は観察試料の上限位
   置を先に検出し、観察試料の下限位置を検出する際の上
   記移動機構による移動範囲に制限を与えることを特徴と
   する請求項１記載の共焦点走査型光学顕微鏡の自動画像
   形成装置。