JP2004101831A

JP2004101831A - 共焦点顕微鏡

Info

Publication number: JP2004101831A
Application number: JP2002263033A
Authority: JP
Inventors: Hirohisa Fujimoto; 藤本　洋久
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2002-09-09
Filing date: 2002-09-09
Publication date: 2004-04-02

Abstract

【課題】この発明は、簡易な構成で、且つ、簡便にして容易に高精度な共焦点画像の取得を実現し得るようにすることにある。
【解決手段】Ｚステージ３０に対向して移動量検出用の測定器３２を配し、この測定器３２で対物レンズ２４の集光位置と試料２６との相対位置を検出し、この相対位置情報と、光強度の最大光強度値を含む複数の光強度情とに基づいて光強度情報が示す変化曲線の最大値と、それを与える相対位置を推定し、この推定した光強度の最大値と相対位置を、反射輝度情報と高さ情報として共焦点画像を生成するように構成し、所期の目的を達成した。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば試料に光を照射して反射光に基づいて試料の表面情報を測定する共焦点顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の共焦点顕微鏡は、試料を点状照明し、試料からの透過光又は反射光を共焦点絞り上に集光させた後、この共焦点絞りを透過する光の強度を光検出器で検出することによって、試料の表面情報を取得する。このため、共焦点顕微鏡は、その点状照明を種々の方法により試料面上に走査することにより、試料の広い範囲の表面情報を取得することが可能となる。
【０００３】
図４は、このような従来の走査型の共焦点顕微鏡を示すもので、光源１から出射された光は、ビームスプリッター２を透過した後、反射鏡３を介して２次元走査機構４に入射されて２次元走査される。この２次元走査機構４により走査された光は、対物レンズ５により、試料台６上に載置された試料７上に照射する集光点が２次元的に走査される。
【０００４】
この試料７の表面で反射した光は、再び対物レンズ５に導かれて２次元走査機構４、反射鏡３を介してビームスプリッター２の反射光路に導かれた後、該ビームスプリッター２によって反射されて結像レンズ８によって共焦点絞り９上に集光される。共焦点絞り９は、上記対物レンズ５と共役な位置に配され、上記試料７の集光点以外からの反射光をカットし、集光点のみの光だけを光検出器１０に出力する。光検出器１０は、共焦点絞り９を通過した集光点のみの光強度を検出する。
【０００５】
上記試料台６は、Ｚステージ１１に搭載され、このＺステージ１１によって光軸方向に移動制御される。このＺステージ１１は、上記２次元走査機構４及び光検出器１０と共にコンピュータで構成される処理制御部１２に接続される。この処理制御部１２は、制御プログラムにしたがってＺステージ１１、２次元走査機構４及び光検出器１０等の顕微鏡各部を駆動制御し、その操作画面をモニタ１３に表示する。
【０００６】
ここで、上記対物レンズ５による集光位置は、共焦点絞り９と光学的に共役な位置にあることで、試料７が対物レンズ５による集光位置にある場合、試料７からの反射光が共焦点絞り９上に集光され、該共焦点絞り９を通過する。そして、試料７が対物レンズ５による集光位置からずれた位置にある場合には、該試料７からの反射光が共焦点絞り９上に集光されないことで、共焦点絞り９を僅かしか通過することがない。
【０００７】
上記構成により、Ｉ―Ｚカーブと称する対物レンズ５と試料７の相対位置（Ｚ）と光検出器１０の出力（Ｉ）の関係は、図５に示すように試料７が対物レンズ５の集光位置Ｚ０に有る場合、光検出器１０の出力が最大となり、この位置から対物レンズ５と試料７の相対位置が離れるにしたがい光検出器１０の出力が急激に低下される。この特性を利用して、処理制御部１２は、２次元走査機構４によって集光点を２次元走査して試料７上に照射し、光検出器１０の出力を２次元走査機構４に同期して画像化して試料７を光学的にスライスした画像（共焦点画像）を取得する。
【０００８】
また、Ｚステージ１１で試料７を光軸方向に移動させ、各位置で２次元走査機構４を走査して共焦点画像を取得し、試料７上の各点で光検出器１０の出力が最大になるＺステージ１１の位置を検出することにより、試料７の高さ情報を取得する。そして、試料７各点で光検出器１０の出力の最大値を重ねて表示することにより、全ての面にピントの合った画像が取得される。
【０００９】
ところが、上記共焦点顕微鏡にあっては、共焦点画像を生成するために試料７の高さを計測するのに、測定精度を高めようとすると、Ｚステージ１１の１回当りの移動量を小さくすることが必要となるために、その測定に多くの時間を費やすという不都合を有する。
【００１０】
そこで、最近では、特開平０９―０６８４１３号公報に開示されるようにＺステージ１１の移動量を小さくすることなく、試料７の高さ計測の精度を高めるようにした測定方法が提案されている。この測定方法は、光検出器１０の出力が最大になるＺステージ１１の移動量、及びその前後での移動量の計３点で光検出器１０の出力に基づいてＩ―Ｚカーブを２次曲線で近似し、光検出器１０の出力が最大となるＺステージ１１の位置をＺステージ１１移動量以下の精度で求め、高さ情報を求める。
【００１１】
しかしながら、上記測定方法では、Ｉ―Ｚカーブを２次曲線やその他の曲線で近似して光検出器１０の出力が最大となるＺステージ１１の位置を求めることになることで、Ｉ―Ｚカーブが対物レンズ５の集光位置近傍で急激に変化するため、Ｚ軸を正確に動かすことが重要となる。
【００１２】
このため、Ｚステージ１１を光軸方向に駆動する際、処理制御部１２からの指示値と異なると、近似曲線が異なった曲線となるという不都合を有する。特に、検出点数を少なくすると誤差が大きくなるために、Ｚステージ１１の駆動制御を高精度、かつ高分解能で駆動しなけらばならないことで、動作制御が面倒であるという問題を有する。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べたように、従来の共焦点顕微鏡では、高精度な共焦点画像を取得するのに多大な時間を費やしたり、あるいは動作制御が面倒となるという問題を有する。
【００１４】
この発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、簡易な構成で、且つ、簡便にして容易に高精度な共焦点画像の取得を実現し得るようにした共焦点顕微鏡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】
この発明は、光源からの光を試料に対して集束させて該試料からの反射光を取り込む対物レンズと、前記光の光軸方向に沿って前記対物レンズの集光位置と前記試料の位置を相対的に移動させる移動機構と、前記対物レンズの集光位置と共役な位置に配置される共焦点絞りと、この共焦点絞りを通過する光の強度を検出する光検出器と、前記対物レンズの集光位置と前記試料との相対位置を検出する測定手段と、前記対物レンズの集光位置と前記試料の相対位置を変化させ、前記光検出器で検出した光強度の最大光強度値を含む複数の光強度情報と前記測定手段で検出した位置情報とに基づいて光強度情報が示す変化曲線の最大値と、それを与える相対位置を推定し、この推定した光強度の最大値と相対位置を、反射輝度情報と高さ情報として共焦点画像を生成する処理制御手段とを備えて共焦点顕微鏡を構成した。
【００１６】
上記構成によれば、測定手段で検出した対物レンズの集光位置と前記試料との相対位置情報と、光強度の最大光強度値を含む複数の光強度情とに基づいて光強度情報が示す変化曲線の最大値と、それを与える相対位置を推定し、この推定した光強度の最大値と相対位置を、反射輝度情報と高さ情報として共焦点画像を生成していることにより、試料の輝度及び高さ寸法を最小限の情報に基づいて取得することが可能となる。従って、対物レンズの集光位置と試料の位置を相対的に移動させる移動機構の簡略化を図ったうえで、容易に高精度な共焦点画像の取得が可能となる。
【００１７】
また、この発明は、前記測定手段を、対物レンズの光軸上に配置するように構成した。これによれば、簡易な構成を実現したうえで、対物レンズの集光位置と試料との相対位置を高精度に検出することが可能となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１９】
図１は、この発明の一実施の形態に係る共焦点顕微鏡を示すもので、光源２０から出射された光は、ビームスプリッター２１を透過した後、反射鏡２２を介して２次元走査機構２３に入射されて２次元走査される。この２次元走査機構２３により走査された光は、対物レンズ２４により、試料台２５に載置された試料２６上に照射する集光点が２次元的に走査される。
【００２０】
この試料２６の表面で反射した光は、再び対物レンズ２４に導かれて上記２次元走査機構２３、反射鏡２２を介してビームスプリッター２１の反射光路に導かれて、該ビームスプリッター２１によって反射され、結像レンズ２７によって共焦点絞り２８上に集光される。
【００２１】
共焦点絞り２８は、対物レンズ２４と共役な位置に配され、試料２６の集光点以外からの反射光をカットし、集光点のみの光だけを光検出器２９に出力する。光検出器２９は、コンピュータで構成される処理制御手段である処理制御部３１に接続され、共焦点絞り２８を通過した集光点のみの光強度を検出して処理制御部３１に出力する。
【００２２】
ここで、上記対物レンズ２４による集光位置は、共焦点絞り２８と光学的に共役な位置にあることで、試料２６が対物レンズ２４による集光位置にある場合、試料２６からの反射光が共焦点絞り２８上に集光され、該共焦点絞り２８を通過する。そして、試料２６が対物レンズ２４による集光位置からずれた位置にある場合には、該試料２６からの反射光が共焦点絞り２８上に集光されないことで、共焦点絞り２８を僅かしか通過することがない。
【００２３】
上記試料台２５は、Ｚステージ３０に搭載され、このＺステージ３０によって光軸方向に移動制御される。
【００２４】
また、上記Ｚステージ３０には、測定手段を構成する、例えばガラススケール等の測定器３２が、その光軸上に対向配置され、この測定器３２により、対物レンズ２４と試料２６の相対位置であるＺ方向の移動量が検出される。そして、この測定器３２は、上記処理制御部３１に接続され、検出信号を該処理制御部３１に出力する。
【００２５】
測定器３２の読み取り値（Ｚ）は、上記光検出器２９の出力（Ｉ）との関係が、例えば図２に示すＩ―Ｚカーブのように試料２６が対物レンズ２４の集光位置Ｚ０にある場合、光検出器２９の出力が最大となる。そして、この測定器３２の読み取り値（Ｚ）は、集光位置Ｚ０から対物レンズ２４の集光位置と試料２６との相対位置が離間する方向に移動されるにしたがって光検出器２９の出力が急激に低下される特性を有する。
【００２６】
また、上記処理制御部３１には、上記Ｚステージ３０、２次元走査機構２３及び光検出器２９が上記測定器３２とともに接続され、該光検出器２９及び測定器３２の出力に基づいて、予め記憶された制御プログラムにしたがってＺステージ３０及び２次元走査機構２３等の顕微鏡各部を駆動制御する。この際、処理制御部３１は、その操作画面をモニタ３３に表示する。
【００２７】
上記構成により、処理制御部３１は、２次元走査機構２３を駆動制御して集光点を試料２６上に２次元走査し、その光検出器２９の出力を２次元走査機構２３に同期して画像化処理することにより、試料２６のある特定の高さのみを画像化して、試料２６を光学的にスライスした画像（共焦点画像）を生成する。この画像は、上記モニタ３３に上述した操作画面と合わせて表示される。
【００２８】
即ち、処理制御部３１には、予め輝度及び高さ演算プログラムが記憶されている。この輝度及び演算プログラムには、対物レンズ２４毎のＩ―Ｚカーブに合わせた近似曲線が設定されている。処理制御部３１は、測定器３２の測定が開始され、その測定範囲において、決められた移動量△Ｚで、Ｚステージ３０を移動させ、その移動に伴う各Ｚ相対位置毎に、それぞれスライスした共焦点画像を生成する。
【００２９】
ここで、上記光強度情報は、図２中黒丸で示すＩ―Ｚカーブ上の値となり、各点において比較し、例えば最大強度となった（Ｚｍ、Ｉｍａｘ）、その前後の値（Ｚｍ−ΔＺｆ、Ｉ′）、（Ｚｍ＋ΔＺｂ、Ｉ′′）を抽出する。この３点から上記近似曲線に基づいて試料２６の表面の輝度及び相対高さが移動量ΔＺ以上の分解能で求められる。このように推定した試料２６の表面の輝度及び相対高さ情報に基づいて処理制御部３１は、共焦点画像を生成する。
【００３０】
上記Ｚステージ３０の移動量△Ｚを、測定器３２で測定していることで、従来のように正確に移動する必要はなく、また等間隔に配置する必要もないことで、簡易な構成の移動機構を備えても、高精度な画像の生成が可能となる。なお、等間隔に配置しない場合には、その配置に合わせて補正することで、所望の測定精度を確保する。
【００３１】
このように、上記共焦点顕微鏡は、Ｚステージ３０に対向して移動量検出用の測定器３２を配し、この測定器３２で対物レンズ２４の集光位置と試料２６との相対位置を検出し、この相対位置情報と、光強度の最大光強度値を含む複数の光強度情とに基づいて光強度情報が示す変化曲線の最大値と、それを与える相対位置を推定し、この推定した光強度の最大値と相対位置を、反射輝度情報と高さ情報として共焦点画像を生成するように構成した。
【００３２】
これによれば、試料２６の輝度及び高さ寸法を、測定器３２で検出される相対位置情報（Ｚステージ３０の移動情報）に基づいて取得していることにより、対物レンズ２４の集光位置と試料２６の位置を高精度に移動させることがなくなると共に、そのＺステージ３０の移動回数を最小限に保つことができて迅速な算出が可能となる。
【００３３】
また、これによれば、測定器３２を用いて対物レンズ２４の集光位置と試料２６との相対位置を検出していることにより、Ｚステージ３０の移動性能に影響を受けることなく、高精度な移動位置の検出が実現されることにより、Ｚステージ３０を移動制御する移動機構の簡略化が図れる。
【００３４】
なお、上記実施の形態では、測定器３２をガラススケールで構成した場合で説明したが、これに限ることなく、その他、レーザ干渉計等の各種の長さを測定する測定器を用いて構成することが可能である。
【００３５】
また、上記実施形態では、試料２６をＺ方向（光軸方向）に移動させて対物レンズ２４との間を相対的に移動させるように構成した場合で説明したが、これに限ることなく、顕微鏡全体を試料２６に対して移動させたり、又は対物レンズ２４を試料２６に対し、相対的に移動させるように構成することも可能で、いずれの構成においても、略同様の効果を得ることができる。
【００３６】
さらに、上記実施の形態では、反射輝度と高さ寸法の算出方法として、近似曲線を２次曲線とし、演算点数を３点として説明したが、これに限定するものではなく、装置特性等に応じて、各種の算出方法が構成可能である。
【００３７】
また、この発明は、上記実施の形態に限ることなく、例えば図３に示すように複数、例えば２個の測定器３４１、３４２をＺテーブル３０の光軸に対して間隔Ｌを有して略対称に配し、この２個の測定器３４１、３４２で対物レンズ２４の集光位置と試料２６との相対位置を測定するように構成することも可能である。但し、図３においては、上記図１と同一部分について、同一符号を付して、その詳細な説明を省略する。
【００３８】
即ち、この図３に示す実施の形態では、Ｚテーブル３０の光軸に対して間隔Ｌを有して略対称に配した２個の測定器３４１、３４２の測定値を、平均化して反射輝度と高さ寸法を求め、この平均化して求めた反射輝度と高さ寸法に基づいて同様に共焦点画像を生成する。
【００３９】
よって、この発明は、上記各実施の形態に限ることなく、その他、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々の変形を実施し得ることが可能である。さらに、上記各実施形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組合せにより種々の発明が抽出され得る。
【００４０】
例えば各実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
【００４１】
【発明の効果】
以上詳述したように、この発明によれば、簡易な構成で、且つ、簡便にして容易に高精度な共焦点画像の取得を実現し得るようにした共焦点顕微鏡を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施の形態に係る共焦点顕微鏡の構成を示した構成説明図である。
【図２】図１の共焦点画像を生成する処理動作を説明するために示した特性図である。
【図３】この発明の他の実施の形態に係る共焦点顕微鏡の構成を示した構成説明図である。
【図４】従来の共焦点顕微鏡の構成を示した構成説明図である。
【図５】従来の共焦点画像を生成する処理動作を説明するために示した特性図である。
【符号の説明】
２０　…　光源
２１　…　ビームスプリッター
２２　…　反射鏡
２３　…　２次元走査機構
２４　…　対物レンズ
２５　…　試料台
２６　…　試料
２７　…　結像レンズ
２８　…　共焦点絞り
２９　…　光検出器
３０　…　Ｚステージ
３１　…　処理制御部
３２　…　測定器
３３　…　モニタ
３４１、３４２　…　測定器

Claims

光源からの光を試料に対して集束させて該試料からの反射光を取り込む対物レンズと、
前記光の光軸方向に沿って前記対物レンズの集光位置と前記試料の位置を相対的に移動させる移動機構と、
前記対物レンズの集光位置と共役な位置に配置される共焦点絞りと、
この共焦点絞りを通過する光の強度を検出する光検出器と、
前記対物レンズの集光位置と前記試料との相対位置を検出する測定手段と、
前記対物レンズの集光位置と前記試料の相対位置を変化させ、前記光検出器で検出した光強度の最大光強度値を含む複数の光強度情報と前記測定手段で検出した位置情報とに基づいて光強度情報が示す変化曲線の最大値と、それを与える相対位置を推定し、この推定した光強度の最大値と相対位置を、反射輝度情報と高さ情報として共焦点画像を生成する処理制御手段と
を具備することを特徴とする共焦点顕微鏡。
前記測定手段は、前記対物レンズの光軸上に配置することを特徴とする請求項１記載の共焦点顕微鏡。