JPH09197280A - 走査型光学顕微鏡の走査直線性補正方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、試料の正確な形状を再現でき、しか
も構成が簡単で、検出精度の向上を実現できる走査型光
学顕微鏡の走査直線性補正方法を提供する。 【解決手段】事前に１画素幅の反射部を１画素幅の間隔
に形成した１次元格子３０に対しＸ方向スキャナにより
スキャンされる照明光により得られる測定データをサン
プリング回路１３に取り込み、これを所定のサンプリン
グクロックを用いてＡ／Ｄ変換回路２１によりＡ／Ｄ変
換するとともに、このＡ／Ｄ変換された反射部の幅に応
じたデータ間隔をクロック数で測定し、該測定結果から
Ｘ方向スキャナの直線性誤差を考慮したサンプリングク
ロックデータを生成してメモリ回路２２に記憶してお
き、このメモリ回路２２に記憶されたサンプリングクロ
ックデータを、その後の試料からの測定データに対する
サンプリングクロックとして使用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、走査型光学顕微鏡
の走査直線性を補正するための走査直線性補正方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように走査型光学顕微鏡は、観察
試料に対してレーザ光を対物レンズを介して照射し、こ
れにより観察試料を透過した光（透過光）もしくは反射
光を、または点状の光を照射したことにより試料から発
生した蛍光を、再び対物レンズおよび光学系を介して点
状に結像し、これを検出器で検出して像の濃淡情報を得
るようにし、さらに試料をＸおよびＹ軸の２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
作する光学系を用い、これらによるＸ−Ｙ走査に同期さ
せてＣＲＴディスプレイなどの表示装置上にＸ−Ｙ走査
対応の濃淡情報の信号に応じた輝点を表示することで観
察画像を得るようにしている。

【０００３】この場合、レーザ光が走査される試料の透
過光、反射光、蛍光などを光電子増倍管やフォトダイオ
ードなどの光電変換器により電気信号に変換した後、Ａ
／Ｄ変換回路により量子化し、これを画像データとして
記憶するようにしている。

【０００４】また、レーザ光を試料面上で２次元走査す
る手段として、２つのガルバノメータスキャナを回転軸
が直交するように配置し、一方を数十Ｈｚの低速の鋸歯
状波、他方を数百Ｈｚの高速の鋸歯状波により駆動する
ものが用いられている。この場合、各ガルバノメータス
キャナは、フィードバック回路を有するドライバにより
駆動され、常に入力信号に応じた回転角度を得られるよ
うになっている。

【０００５】また、Ａ／Ｄ変換回路では、高速側のガル
バノメータスキャンに同期して１スキャン内で数百画素
分のデータをサンプリングするが、この時のサンプリン
グクロックとして、ガルバノメータスキャナを駆動する
鋸歯状波形に同期した一定間隔のクロックが用いられ
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、ガルバノメ
ータスキャナのステップ応答時間は、高速なもので１０
分の数ｍｓ程度で、このようなスキャナを数百Ｈｚの鋸
歯状波により駆動すると、フィードバック回路を最適化
したとしても、図７に示すようにデータサンプリング区
間において理想とする鋸歯状波形ａに対して数％程度の
直線性誤差ｘを有する鋸歯状波形ｂを生ずるようにな
り、このような走査波形の下で同図横軸に示す一定間隔
のサンプリングクロックによりデータサンプリングする
と、同図縦軸に示す像面上のサンプリングは、位置的に
不等間隔でサンプリングすることになり、試料の正確な
形状を再現することができなくなる。

【０００７】そこで、従来、特開平６−１４８５２５号
公報や特開平５−１２７２０８号公報に開示されるよう
にスキャナにより偏向された光を１次元格子状のスケー
ルに導き、このスケール上をスキャンさせ、スケールを
透過する光量を受光素子により検出してサンプリングク
ロックを得るようにしたものが考えられている。

【０００８】しかし、このようなものでは、位置的に等
間隔となるサンプリングクロックを得ることができる
が、このために専用の受光素子、増幅回路、高速比較回
路などを必要とするため構成が複雑となり、さらに特開
平６−１４８５２５号公報のものにおいては、光路内に
分岐光学素子を挿入しているため、光源光量、試料から
の反射光、蛍光の一部を損失することにより、検出精度
が低下するという問題点があった。

【０００９】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、試料の正確な形状を再現できるとともに、構成が簡
単で、しかも検出精度の低下を防止できる走査型光学顕
微鏡の走査直線性補正方法を提供することを目的とす
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
１画素幅の目盛線を１画素幅の間隔に形成した１次元格
子に対しスキャナ手段によりスキャンされる照明光によ
り得られる測定データを所定のサンプリングクロックを
用いてＡ／Ｄ変換するとともに、該Ａ／Ｄ変換されたデ
ータより格子間隔をクロック数で測定し、該測定結果か
ら前記スキャナ手段の直線性誤差を考慮したサンプリン
グクロックデータを生成して記憶手段に記憶しておき、
該記憶手段に記憶されたサンプリングクロックデータ
を、試料からの測定データに対するサンプリングクロッ
クとして使用するようにしている。

【００１１】請求項２記載の発明は、請求項１記載にお
いて、１次元格子は、試料が載置される走査型光学顕微
鏡のステージに載置するようにしている。

【００１２】請求項３記載の発明は、請求項１記載にお
いて、１次元格子は、試料からの像面と共役な光路中に
挿脱可能に配置されるようにしている。

【００１３】この結果、請求項１または２記載の発明に
よれば、予めスキャナ手段の直線性誤差を考慮したサン
プリングクロックデータを記憶手段に記憶しておき、こ
の記憶手段に記憶されたサンプリングクロックデータ
を、試料からの測定データに対するサンプリングクロッ
クとして使用するようになるので、試料に対して位置的
に等間隔なサンプリングクロックにより、像面上で一定
間隔のデータを測定することができ、試料の形状を忠実
に再現することができ、さらに、従来のものと比べて
も、専用の素子や回路などを必要としないため、構成を
簡単なものにでき、さらに光路内に分岐光学素子が挿入
されないので、光源光量、試料からの反射光、蛍光の一
部を損失するようなことがなく、検出精度の低下も防止
できる。

【００１４】また、請求項３記載の発明によれば、測定
を行う直前に１次元格子を挿入してサンプリングクロッ
クデータを作成することが可能となり、直線性誤差の経
時変化の影響などを排除できる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に従い説明する。

【００１６】（第１の実施の形態）図１は、本発明の第
１の実施の形態の走査型光学顕微鏡の光学的構成を示し
ている。図において、１は光源であるレーザ発信器で、
このレーザ発信器１より射出されたレーザ光をビームエ
キスパンダ２を介して光路分割素子３に入射するように
している。ここで、光路分割素子３には、ビームスプリ
ッタやダイクロイックミラーなどが用いられる。

【００１７】また、光路分割素子３での反射光をＸ方向
スキャナ４およびＹ方向スキャナ５に順に入射し、ここ
で２次元走査するように偏向し、Ｙ方向スキャナ５を射
出された照明光を瞳投影レンズ６、結像レンズ７を介し
て対物レンズ８に入射し、テーブル上の試料９面で２次
元走査するようにしている。ここでのＸ方向スキャナ４
およびＹ方向スキャナ５には、ガルバノメータスキャナ
が用いられる。

【００１８】そして、試料９での透過光をコレクタレン
ズ１０、リレーレンズ１１を介して透過光検出用光電変
換回路１２に与え、この透過光検出用光電変換回路１２
からの出力をサンプリング回路１３に与えるようにして
いる。一方、試料９からの反射光、あるいは／および蛍
光については、上述の照明光と逆の光路をたどって光路
分割素子３に達し、この光路分割素子３と共焦点光学系
１４を透過してダイクロイックミラー１５、１６をそれ
ぞれ介して光電変換回路１７、１８に与え、これら光電
変換回路１７、１８からの出力をサンプリング回路１
９、２０に与えるようにしている。

【００１９】図２は、このように構成した走査型光学顕
微鏡に用いられるサンプリング回路１３（１９）（２
０）の概略構成を示している。

【００２０】この場合、光電変換回路１２（１７）（１
８）からの信号をＡ／Ｄ変換回路２１に入力し、また、
Ａ／Ｄ変換回路２１にメモリ回路２２からの出力データ
を与え、このメモリ回路２２からの出力をサンプリング
クロックとしてＡ／Ｄ変換回路２１により光電変換回路
１２（１７）（１８）からの信号をＡ／Ｄ変換するよう
にしている。

【００２１】ここで、メモリ回路２２は、予め制御回路
２３によって所定パターンのサンプリングクロックデー
タを書き込んだもので、クロック回路２４により駆動さ
れるカウンタ回路２５が出力するアドレス信号によりＡ
／Ｄ変換回路２１に対して、このサンプリングクロック
データを出力するようにしている。なお、ここでのメモ
リ回路２２への事前の所定パターンのサンプリングクロ
ックデータの書き込みについては後述する。また、メモ
リ回路２２は、Ａ／Ｄ変換回路２１に対して０または１
のデータをクロック信号として出力すればよく、従っ
て、最低１ビットのデータ幅があればよい。

【００２２】そして、Ａ／Ｄ変換回路２１からの出力デ
ータは、制御回路２３により図示しないデータメモリに
記憶し、また表示装置に表示するようになっている。

【００２３】また、カウンタ回路２５からの出力を駆動
回路２６を介してＸ方向スキャナ４を構成するガルバノ
メータスキャナに与えるようにしている。

【００２４】次に、このように構成した実施の形態の動
作を説明する。

【００２５】まず、サンプリング回路１３においてＸ方
向スキャナ４の走査の直線性を補正するための所定パタ
ーンのサンプリングクロックデータをメモリ回路２２に
書き込むまでを説明する。

【００２６】まず、標準サンプルとして１次元格子３０
を用意し、この１次元格子３０を図１に示すように試料
９に代えてテーブル上に載置して通常の走査を実行す
る。ここでの１次元格子３０は、図３に示すように光透
過性の基板３０１の上に目盛線をなす反射部３０２を等
間隔で形成したもので、この反射部３０２からなる目盛
線の幅と、これら目盛線の間の光透過部３０３の幅は、
それぞれ１画素幅と等しくなるようにしている。

【００２７】この場合、制御回路２３よりメモリ回路２
２に対し、最高速のサンプリングクロックを与えるデー
タを書き込む。ここでの最高速のデータは、０と１が交
互に並べられたデータのことをいい、このようなデータ
を書き込むことで、メモリ回路２２より図４（ｂ）に示
すクロック回路２４の１／２の周波数（１／２ｆｃｌ
ｋ）の信号を出力する。そして、この最高速のサンプリ
ングクロックを用いて、１次元格子３０面にスキャンさ
れる照明光により得られ、光電変換回路１２（１７）
（１８）を介してＡ／Ｄ変換回路２１に取り込まれる測
定データをサンプリングすることにより、図４（ｃ）に
示すＡ／Ｄ変換データを生成する。

【００２８】ここでの標準サンプルの測定は、Ｙ方向ス
キャナ５を一定の位置で固定しておき、Ｘ方向スキャナ
４をカウンタ回路２５の出力に同期した駆動回路２６よ
り出力される図４（ａ）に示すような駆動波形により駆
動している。

【００２９】そして、Ａ／Ｄ変換回路２１より出力され
る図４（ｃ）に示すＡ／Ｄ変換データに対して各エッジ
を検出するためのしきい値ｈを設定し、このしきい値ｈ
により各線幅、つまり１次元格子３０の線状の反射部３
０２の幅をピクセル幅としてクロック数で測定する（図
４（ｄ））。

【００３０】次に、制御回路２３では、ピクセル幅の測
定結果に基づいて各線幅ごとに１クロック分のパルスを
発生し、これをＸ方向スキャナ４の直線性誤差を考慮し
た図４（ｅ）に示すサンプリングクロックデータとして
メモリ回路２２に書き込むようになる。

【００３１】この場合、メモリ回路２２には、電源のＯ
Ｎ／ＯＦＦに関係なく、書き込まれたデータを保持す
る、例えばフラッシュメモリやＥＥＰＲＯＭなどの不揮
発性メモリやバッテリにより記憶保持機能のついたＳＲ
ＡＭなどが用いられ、上述したようにして得られたサン
プリングクロックデータを、これ以降の測定で、常時使
用できるようにしている。

【００３２】その後、テーブル上の１次元格子３０を取
り除き、試料９を載置して通常の走査を実行するように
なる。

【００３３】この場合、試料９での透過光がコレクタレ
ンズ１０、リレーレンズ１１を介して透過光検出用光電
変換回路１２に与えられ、透過光検出用光電変換回路１
２からの出力がサンプリング回路１３に与えられると、
サンプリング回路１３では、光電変換回路１２からの信
号がＡ／Ｄ変換回路２１に取り込まれ、メモリ回路２２
からの出力をサンプリングクロックとして光電変換回路
１２からの測定データはＡ／Ｄ変換されるようになる。

【００３４】この場合、メモリ回路２２より出力される
サンプリングクロックは、上述したように予め標準サン
プルを測定したもので、図４（ｅ）に示すようにＸ方向
スキャナ４の走査直線性誤差を考慮したものになるの
で、このようなサンプリングクロックを用いてデータサ
ンプリングを実行することによりＸ方向スキャナ４の走
査直線性を補正できることになる。つまり、この時のサ
ンプリングクロックは、試料９に対して位置的に等間隔
なものになるので、像面上で一定の間隔のデータを測定
することができ、これにより試料９の形状を忠実に再現
することができるようになる。

【００３５】従って、このようにすれば、事前に１画素
幅の反射部３０２を１画素幅の間隔に形成した１次元格
子３０に対しＸ方向スキャナ４によりスキャンされる照
明光により得られる測定データをサンプリング回路１３
に取り込み、これを所定のサンプリングクロックを用い
てＡ／Ｄ変換回路２１によりＡ／Ｄ変換するとともに、
このＡ／Ｄ変換された反射部３０２の幅に応じたデータ
より格子間隔をクロック数で測定し、該測定結果からＸ
方向スキャナ４の直線性誤差を考慮したサンプリングク
ロックデータを生成してメモリ回路２２に記憶してお
き、このメモリ回路２２に記憶されたサンプリングクロ
ックデータを、その後の試料からの測定データに対する
サンプリングクロックとして使用するようにしたので、
Ｘ方向スキャナ４の走査直線性を補正することができ、
この時のサンプリングクロックは、試料９に対して位置
的に等間隔なものとして得られることから、像面上で一
定の間隔のデータを測定することができ、これにより試
料９の形状を忠実に再現することができる。

【００３６】また、従来の各公報のものと比べても、専
用の受光素子、増幅回路、高速比較回路などを必要とし
ないため、構成を簡単なものにでき、さらに光路内に分
岐光学素子を挿入する必要がないので、光源光量、試料
からの反射光、蛍光の一部を損失するようなことがな
く、検出精度の低下も防止できる。

【００３７】なお、上述では、Ｙ方向スキャナ５を固定
していたが、このＹ方向スキャナ５についても各Ｙスキ
ャナ位置でのＸスキャナの直線性を補正するようにメモ
リ回路２２に２次元サンプリングクロックデータを持た
せることも可能である。このようにすると、例えば、光
学系の収差による像の２次元での歪みまで補正すること
が可能になる。

【００３８】また、上述では、サンプリング回路１３、
１９、２０全てについて図２に示す構成のものを使用す
る場合について述べたが、サンプリング回路１３、１
９、２０の少なくとも一つを図２に示す構成とし、残り
のものについて作成したサンプリングクロックを供給す
るようにしてもよい。

【００３９】（第２の実施の形態）図５は第２の実施の
形態の概略構成を示すもので、図１と同一部分には同符
号を付している。

【００４０】この場合、瞳投影レンズ６と結合レンズ７
との間、コレクタレンズ１０とリレーレンズ１１との間
は、それぞれ試料面と共役な位置に当たることから、こ
れらのいずれかの位置の光路中に１次元格子３１を挿脱
可能に配置するようになっている。但し、瞳投影レンズ
６と結合レンズ７との間、コレクタレンズ１０とリレー
レンズ１１との間および試料面の各位置は、それぞれ倍
率が異なるので、使用する１次元格子３１の反射部のピ
ッチを、それぞれの倍率に対応させたものにする必要が
ある。

【００４１】なお、この第２の実施の形態では、光路中
への挿脱機構として、１次元格子３１自体を移動するよ
うにしているが、図６に示すように１次元格子３１自体
は固定しておき、例えば、全反射プリズムやミラーなど
の光路分岐光学素子３２を移動可能に配置するようにし
てもよい。

【００４２】従って、このようにすれば、Ｘ走査方向に
対する１次元格子３１の正確な配置を容易に実現するこ
とができるので、例えば、測定を行う直前に１次元格子
３１を挿入してサンプリングクロックデータを作成する
などすることによって、直線性誤差の経時変化の影響な
どを排除することもできる。

【００４３】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、試料
に対して位置的に等間隔なサンプリングクロックによ
り、像面上で一定間隔のデータを測定することができ、
試料の形状を忠実に再現することができ、さらに、従来
のものと比べても、専用の素子や回路などを必要としな
いため、構成を簡単なものにでき、さらに光路内に分岐
光学素子が挿入されないので、光源光量、試料からの反
射光、蛍光の一部を損失するようなことがなく、検出精
度の低下も防止できる。

【００４４】また、測定を行う直前に１次元格子を挿入
してサンプリングクロックデータを作成することが可能
となり、直線性誤差の経時変化の影響などを排除でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態が適用される走査型
光学顕微鏡の光学的構成の一例を示す図。

【図２】第１の実施の形態に用いられるサンプリング回
路の概略構成を示す図。

【図３】第１の実施の形態に用いられる１次元格子を示
す図。

【図４】第１の実施の形態を説明するための波形図。

【図５】本発明の第２の実施の形態の概略構成を示す
図。

【図６】第２の実施の形態の他の例の概略構成を示す
図。

【図７】スキャナによる走査直線性誤差を説明するため
の図。

【符号の説明】

１…レーザ発信器、 ２…ビームエキスパンダ、 ３…光路分割素子、 ４…Ｘ方向スキャナ、 ５…Ｙ方向スキャナ、 ６…瞳投影レンズ、 ７…結像レンズ、 ８…対物レンズ、 ９…試料、 １０…コレクタレンズ、 １１…リレーレンズ、 １２…透過光検出用光電変換回路、 １３…サンプリング回路、 １４…共焦点光学系、 １５、１６…ダイクロイックミラー、 １７、１８…光電変換回路、 １９、２０…サンプリング回路、 ２１…Ａ／Ｄ変換回路、 ２２…メモリ回路、 ２３…制御回路、 ２４…クロック回路、 ２５…カウンタ回路、 ２６…駆動回路、 ３０、３１…１次元格子、 ３０１…基板、 ３０２…反射部、 ３０３…光透過部、 ３２…光路分岐光学素子。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 １画素幅の目盛線を１画素幅の間隔に形
   成した１次元格子に対しスキャナ手段によりスキャンさ
   れる照明光により得られる測定データを所定のサンプリ
   ングクロックを用いてＡ／Ｄ変換するとともに、該Ａ／
   Ｄ変換されたデータより格子間隔をクロック数で測定
   し、該測定結果から前記スキャナ手段の直線性誤差を考
   慮したサンプリングクロックデータを生成して記憶手段
   に記憶しておき、該記憶手段に記憶されたサンプリング
   クロックデータを、試料からの測定データに対するサン
   プリングクロックとして使用することを特徴とする走査
   型光学顕微鏡の走査直線性補正方法。
2. 【請求項２】 １次元格子は、試料が載置される走査型
   光学顕微鏡のステージに載置することを特徴とする請求
   項１記載の走査型光学顕微鏡の走査直線性補正方法。
3. 【請求項３】 １次元格子は、試料からの像面と共役な
   光路中に挿脱可能に配置されることを特徴とする請求項
   １記載の走査型光学顕微鏡の走査直線性補正方法。