JP2008275538A - 三次元形状測定器及び試料画像構築装置 - Google Patents

Abstract

【課題】微細な試料の表面各部の高さ情報から当該表面の画像を得るための新たな手法を提供する。
【解決手段】三次元形状測定器により取得された試料の表面各部の高さを示す高さ情報が高さ画像記憶部２０１で記憶される。画像−擬似輝度画像変換部２０７は、まず、当該試料の表面各部の高さ情報に基づいて当該表面各部の傾きを示す傾き情報を算出する。そして、この表面各部の傾きを当該試料表面の画像における当該表面各部の輝度に対応付けて当該画像における輝度情報を生成し、この輝度情報を用いて当該試料表面の輝度画像を構築する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、試料表面の画像を取得する技術に関し、特に、微細な試料についての画像の取得に好適な技術に関する。

一般に、非接触方式による微細な試料の三次元観察を行う場合、顕微干渉計測法が知られている。
例えば特許文献１には、顕微干渉計測法による試料の計測結果の取り込みと、その試料の三次元画像の形成方法とについて開示されている。顕微干渉計測法では、まず、低コヒーレントな照明光を分岐し、その一方を対物レンズにて試料表面に集光させ、もう一方を参照ミラーなどに集光させる。そして、これら２つの反射光を干渉させた干渉像を取り込む。この干渉像の取り込みを、対物レンズと試料との相対距離を変えながら行うことで得られる干渉像の強度分布より、試料の高さ画像（試料表面各部の高さ（厚み）の違いを色彩等の違いとして表した画像も含む）を構築する。

なお、非接触方式による微細な試料の三次元観察を行う方法の例として、上述した特許文献１では、顕微干渉計測法が用いられている。微細な試料の三次元観察を行うための高さ情報を得る手段としては、この他に、例えば、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）やＳＴＭ（走査型トンネル顕微鏡）などのＳＰＭ（走査型プローブ顕微鏡）も知られている。

また、例えば特許文献２には、輝度画像（光源から試料に光を照射し、その反射光を検出器で受光し、試料上の輝度分布を輝度や色彩等の違いとして表した画像）を取得できる共焦点レーザ顕微鏡が開示されている。

この特許文献２に開示されている顕微鏡は、レーザ光源から出射されたレーザ光を対物レンズで試料表面上に集光させ、その集光されたレーザ光を平面方向に走査したときの反射レーザ光を受光することによって、試料表面の観察画像を得る走査型レーザ顕微鏡（ＬＳＭ）である。加えて、この顕微鏡は、対物レンズと試料との相対距離を変えながら反射レーザ光を受光して得られる、受光強度最大時の受光強度と、対物レンズと試料との相対距離のデータとを基にして、全焦点画像や三次元画像を取得する。更に、この顕微鏡は、白色光源から試料に照射された光の反射光をＣＣＤカメラで取得して色情報を取得し、ＬＳＭにより取得される高さ画像にこの色情報を張り合わせることで、試料のカラー三次元画像の提供を可能としている。

また、例えば特許文献３に開示されている三次元測定装置は、ＣＣＤカメラで取得した色情報に、高さ情報と平面分解能の高いＬＳＭで取得した輝度情報とを反映することで、試料のカラー画像の取得を可能としている。
特開２００４−２８６４７号公報 特開２００４−２９５３７号公報 特開２００１−８２９３５号公報

しかし、特許文献１に開示の手法により構築される画像は、単に高さ情報の違いを表して構築するものであるため、必ずしも見やすい画像が得られるとは限らない。例えば、試料において同一高さの部位でも、その部位の反射率や表面状態が異なった場合には、見え方は異なるはずであるが、特許文献１に開示の手法により構築される画像では、同じ高さ位置の部位は同一の表現となってしまう。

また、特許文献２に開示の手法では、ＬＳＭで取得した高さ画像に張り合わせる色情報（カラー情報）は、コントラストが低いため、張り合わせたカラー画像は、ぼやけたようなものになってしまうと考えられる。

また、特許文献３に開示の手法では、ＣＣＤカメラで取得した色情報に、コントラストの高いＬＳＭで取得した輝度情報を反映しているので、特許文献２に開示の手法により得られるものよりもコントラストの良好なカラー画像の取得が可能であると考えられる。しかし、特許文献３の手法は、元来試料の反射率の影響を含んでいるカラー画像に対し、試料の反射率の影響を含んでいる輝度情報を更に反映させるものであるため、試料表面の色表現の正確性には疑問が残る。

本発明は上述した問題に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、微細な試料の表面各部の高さ情報から当該表面の画像を得るための新たな手法を提供することである。

本発明の態様のひとつである三次元形状測定器は、測定対象である試料の表面各部の高さを示す高さ情報を取得する高さ情報取得手段と、該試料の表面各部の高さ情報に基づいて、該表面各部の傾きを示す傾き情報を算出する傾き情報算出手段と、該傾き情報で示されている該試料の表面各部の傾きを該試料表面の画像における該表面各部の輝度に対応付けて該画像における輝度情報を生成する輝度情報生成手段と、該輝度情報を用いて該試料表面の輝度画像を構築する輝度画像構築手段と、を有することを特徴とするものであり、この特徴によって前述した課題を解決する。

なお、上述した本発明に係る三次元形状測定器において、該輝度情報生成手段による該試料の表面各部の傾きと輝度との対応付けでは、該傾きが大きくなるほど輝度が単調に低下するように対応付けるように構成することができる。

また、前述した本発明に係る三次元形状測定器において、該輝度情報生成手段による該試料の表面各部の傾きと輝度との対応付けは、該試料の表面に白色光を照射したときにおける該試料の表面からの反射光の輝度特性に従って行うように構成することもできる。

また、前述した本発明に係る三次元形状測定器において、該輝度情報生成手段による該試料の表面各部の傾きと輝度との対応付けは、該傾きと該輝度との対応関係を予め定義しておいたテーブルを参照して行うように構成することもできる。

また、前述した本発明に係る三次元形状測定器において、該傾き情報算出手段は、該高さ情報で示されている該試料の表面各部の高さを微分演算することで該傾き情報を算出するように構成することもできる。

また、前述した本発明に係る三次元形状測定器において、該高さ情報に基づいて、該試料の三次元画像を構築する三次元画像構築手段と、該三次元画像と該輝度画像とを重畳合成する画像合成手段と、を更に有するように構成することもできる。

また、前述した本発明に係る三次元形状測定器において、該高さ情報に含まれていたノイズ成分の影響を、該傾き情報に基づいて除去する除去手段を更に有するように構成することもできる。

なお、このとき、該ノイズ成分除去手段は、該傾き情報算出手段により算出された傾き情報で示されている傾きのうち、該高さ情報取得手段によって定まる該傾きの検出限界の範囲外のものを、該検出限界の値に制限することで、ノイズ成分の影響を除去するように構成することもできる。

また、前述した本発明に係る三次元形状測定器において、該試料の表面のカラー画像を取得する画像取得手段と、該画像取得手段が取得したカラー画像を構成している各画素の輝度情報を、該輝度情報生成手段により生成される輝度情報に置換することで、該カラー画像を変換する画像変換手段と、を更に有するように構成することもできる。

本発明の別の態様のひとつである試料画像構築装置は、試料の表面各部の高さを示す高さ情報に基づいて、該表面各部の傾きを示す傾き情報を算出する傾き情報算出手段と、該傾き情報で示されている該試料の表面各部の傾きを該試料表面の画像における該表面各部の輝度に対応付けて該画像における輝度情報を生成する輝度情報生成手段と、該輝度情報を用いて該試料表面の輝度画像を構築する輝度画像構築手段と、を有することを特徴とするものであり、この特徴によって前述した課題を解決する。

本発明によれば、新たな手法により、微細な試料の表面各部の高さ情報から当該表面の画像を得ることができるようになるという効果を奏する。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

まず図１について説明する。図１は本実施例に係る三次元形状測定器の構成を示している。なお、この三次元形状測定器は、測定対象である試料の表面各部の高さを示す高さ情報を、顕微干渉計測法により取得するものである。

図１に示す三次元形状測定器は、試料９の上方に配置された干渉対物レンズ５と、ＣＣＤカメラ１１と、干渉対物レンズ５から出射する光を集光して試料９の像をＣＣＤカメラ１１の受光面に結像させる結像レンズ１０と、コントローラ１２と、コントローラ１２内の画像処理部１３で画像処理された画像を表示するモニタ１４と、照明光学系１と、を備えて構成されている。

干渉対物レンズ５は、対物レンズ６と、ビームスプリッタ８と、参照ミラー７と、を備えて構成されている。これらの構成要素は全て干渉対物レンズ５の光軸上に配置されており、いわゆるミラウ型干渉光学系を構成している。なお、参照ミラー７は、ビームスプリッタ８を介して対物レンズ６における試料９側の焦点位置と光学的に共役な位置に配置されており、その表面が鏡面となっている。

また、照明光学系１は可視域から赤外域までの光を発する白色光源２（たとえばハロゲン光源）と、白色光源２からの光を集光して干渉対物レンズ５へ光を導く投影光学系３と、ハーフミラー４と、を備えて構成されている。

この図１の構成において、白色光源２から発した光は、投影光学系３により集光され、ハーフミラー４で反射して干渉対物レンズ５へと導かれ、対物レンズ６に入射する。対物レンズ６に入射した光は集光されて試料９を照明すると共に、ビームスプリッタ８で反射して参照ミラー７も照明する。

試料９で反射した光は、ビームスプリッタ８を透過する。一方、参照ミラー７で反射した光はビームスプリッタ８で反射する。このとき、このそれぞれの光が干渉する。この干渉した光が対物レンズ６から出射する。

対物レンズ６から出射した光は、ハーフミラー４を透過した後、結像レンズ１０によりＣＣＤカメラ１１の受光面において干渉像として集光される。ここで集光された干渉像は、コントローラ１２内の画像処理部１３で画像処理されてモニタ１４で表示される。

なお、コントローラ１２の実体は、ごく標準的な構成のコンピュータ、すなわち、制御プログラムの実行によってコンピュータ全体の動作制御を司るＭＰＵ等の演算処理装置と、この演算処理装置が必要に応じてワークメモリとして使用するメインメモリと、各種のプログラムや制御データなどを記憶して保存しておく例えばハードディスク装置などの記憶装置と、ＣＣＤカメラ１１から送られてくる干渉像の画像データの受信制御を行うインタフェース部と、種々の操作に対応付けられて示される操作者からの指示を取得する入力部と、モニタ１４での各種の画面や情報の表示を管理する出力部と、を有して構成されているコンピュータ、を利用することができる。

この三次元形状測定器を用いて試料９の高さ情報を取得する手順について説明する。
まず、図示しない対物レンズ走査機構を動作させて干渉対物レンズ５をその光軸方向に沿って走査して得られる干渉画像を順次取得する。そして、得られた画像の画素毎に、その干渉強度が最大であるときの走査位置を求める。この画素毎の干渉強度最大の走査位置に基づいて試料９の高さ情報が得られる。また、この画素毎の干渉強度最大の走査位置に高さ情報を対応付けると試料９の高さ画像（三次元画像）が構築される。

次に、本実施例における画像処理部１３の機能構成について、図２を用いて説明する。コントローラ１２では、所定の制御プログラムを実行することによって、コントローラ１２の実体であるコンピュータの各構成要素を、これより説明する各機能ブロックとして機能させる。

高さ画像構築部２０６は、三次元形状測定器により取得された試料９の高さ情報より高さ画像（三次元画像）を構築する。構築された高さ画像の画像データは、高さ画像記憶部２０１で記憶される。

高さ画像−擬似輝度画像変換部２０７は、まず、高さ画像記憶部２０１で記憶されている高さ情報（高さ画像）に基づき、各画素における隣接画素との傾き（勾配）を示す値（傾き値）を、試料９の表面各部の傾き情報として算出する。そして、画素毎に、この傾き値を予め定義されている輝度値に対応付けることで各画素の傾き値を輝度値に変換することにより、試料９表面の輝度情報を生成する。そして、この輝度情報より試料９表面の輝度画像を構築する。

高さ画像−擬似輝度画像変換部２０７は、この試料９表面の輝度情報の生成を、カラーマップ記憶部２０４に予め格納しておいた、対応付けテーブルを参照することによって行う。図３のグラフは、この対応付けテーブルにおける傾き値と輝度値との対応関係の定義例を示したものである。

図３のグラフに示した定義例では、傾き値（絶対値）の増加に対して輝度値が単調に減少する特性を有している。上述した対応付けテーブルでこのような傾向の定義を行っておくと、構築される試料９表面の輝度画像において、傾斜が急である部位ほどその部位が暗く（輝度が低く）表現される。この傾向は、試料９を反射型顕微鏡で観察した場合の傾向と同様になる。

反射型顕微鏡において、照明光を対物レンズ側から照射しながら観察試料の観察を行うと、観察試料における傾斜の急な部位は、照明光の当該部位での反射光が対物レンズに入射する光量が少なくなるので、得られる観察試料の画像におけるその部位は暗くなる。従って、図３に示されている定義例を対応付けテーブルとして採用することにより、反射型顕微鏡での観察により得られる画像に類似した輝度の傾向を有する輝度画像を得ることができる。

なお、実在する反射型顕微鏡において、観察試料の勾配量と、照明光として白色光を用いて当該観察試料を照明したときの当該観察試料表面からの反射光の輝度との関係を実測し、この実測結果に従った対応付けテーブルを作成してカラーマップ記憶部２０４に予め格納しておくようにしてもよい。

なお、以下の説明では、このようにして構築される試料９表面の輝度画像を「擬似輝度画像」と称することとする。
図４は、高さ画像−擬似輝度画像変換部２０７によって行われる、試料９の画像の変換例を示したものである。

高さ画像−擬似輝度画像変換部２０７は、まず、試料９の高さ画像３０１を構成している各画素についての傾き値を算出する。傾き画像３０２は、この画素毎の傾き値を画像として構築したものである。続いて、高さ画像−擬似輝度画像変換部２０７は、カラーマップ記憶部２０４に格納されている対応付けテーブルを参照し、画素毎の傾き値を輝度値に変換して輝度情報を生成し、この輝度情報より試料９表面の擬似輝度画像３０３を構築する。

以上のようにして構築された擬似輝度画像３０３は、擬似輝度画像記憶部２０２で一旦記憶される。その後、擬似輝度画像記憶部２０２に記憶されている擬似輝度画像は、画像転送Ｉ／Ｏ２０５からモニタ１４へと転送され、モニタ１４で表示される。

次に図５について説明する。図５は、画像処理部１３における高さ画像−擬似輝度画像変換部２０７によって行われる、高さ画像−擬似輝度画像変換処理の処理内容をフローチャートで示したものである。なお、この処理は、コントローラ１２であるコンピュータの記憶装置に予め格納されている所定の制御プログラムを、当該コンピュータの演算処理装置が読み出して実行することによって実現される。

図５において、まず、Ｓ１０１では、試料９の高さ画像を高さ画像記憶部２０１から読み込む処理が行われる。
続くＳ１０２では、前ステップの処理によって取得した高さ画像を構成する各画素に対して微分演算処理を施すことによって、各画素における傾き値を算出する処理が行われる。なお、本実施例では、図６に示した３×３の一次微分フィルタを用いてこの微分演算処理を行うものとする。すなわち、傾き値の算出対象である画素を中心とする上下左右の９つの画素の高さ情報に対し、図６に示す係数を乗算し、その結果を合計することによって、各画素の傾き値を算出する。

Ｓ１０３では、前ステップの処理によって算出された各画素の傾き値を２乗し、得られた値の平方根をとることにより、その傾き値の絶対値を求める処理が行われる。なお、傾き値の絶対値の取得手法として、他の手法を採用することも可能である。

Ｓ１０４では、カラーマップ記憶部２０４に格納されている対応付けテーブルを参照して画素毎の傾き値を輝度値に変換することで輝度情報を生成し、この輝度情報より擬似輝度画像を構築する。

以上の高さ画像−擬似輝度画像変換処理が実行されることによって、試料９表面の擬似輝度画像が構築される。
以上のように、本実施例によれば、試料９の表面の傾斜の程度に応じ、急な斜面に対しては低輝度であり、水平面に対しては高輝度である試料９の擬似輝度画像を構築することができる。すなわち、主に高さ情報を取得する三次元形状測定器で、高さ画像（三次元画像）のみでなく、擬似的な輝度画像をも提供することができるようになる。

なお、試料９によっては、高さ画像より算出される各画素の傾き値の分布が、図７Ａの分布図に示すように、ある値に集中してしまう場合がある。このような分布を有するものについて擬似輝度画像をそのまま構築すると、輝度の濃淡の差が少ない画像となってしまい、試料９を認識し辛いものとなってしまうことがある。

そこで、このような傾き値の分布を有している場合には、傾き値のわずかな違いで輝度値が大きく異なるように、傾き値と輝度値との対応関係を変化させてもよい。具体的には、例えば以下のようにする。

まず、図７Ａの分布を求め、当該分布における傾き値の最大値と最小値とを求める。
次に、この最大値と最小値との差を算出し、更に、この差の値の例えば２０％の値を算出し、この値を定数Ａとする。

次に、先に求めた最大値に定数Ａの値を減算し、この減算結果を傾き値Ｂとする。
なお、ここでは、最大値に定数Ａの値を減算して傾き値Ｂを求めたが、基準となる傾き値が求められれば、他の方法でもよい。

次に、図７Ｂの分布図に示すように、この傾き値Ｂを、例えば傾き値の取り得る値の範囲の中央値（図７Ｂの例では、傾き値の取り得る値の範囲である０から２５５における中央値である１２８）となるようにする。すなわち、元の各画素の傾き値に対し、［中央値／傾き値Ｂ］を乗算することで各画素の傾き値を変更する。そして、カラーマップ記憶部２０４に格納されている対応付けテーブルを参照し、この変更後の傾き値を輝度値に変換して擬似輝度画像を構築する。

以上のようにして擬似輝度画像を構築することにより、各画素の傾き値の分布が集中している場合でも、傾斜の様子の認識が容易な試料９の擬似輝度画像を得ることができる。
なお、上述したようにする代わりに、図７Ａのような傾き値の分布の場合に適した対応付けテーブルを用意してカラーマップ記憶部２０４に予め格納しておき、このテーブルを参照して傾き値から輝度値への変換を行うようにしてもよい。

また、図１の三次元形状測定器により構築される試料９の高さ画像（三次元画像）に対し、本実施例により構築される試料９についての擬似輝度画像を重畳合成する処理を画像処理部１３が行うようにして、擬似輝度画像を三次元に構築することも可能である。

また、本実施例では、顕微干渉計測法を用いて試料９の高さ情報を取得しているが、この他の三次元形状測定器（例えば、ＡＦＭやＳＴＭなどのＳＰＭ）を用いて取得するように構成することも可能である。

また、本実施例では、高さ画像から各画素の傾き値を算出するために、図６に示した一次微分フィルタによる微分演算処理を行っているが、この代わりに、例えば、ゾーベル（Sobel ）フィルタやプレブィット（Prewitt ）フィルタ等といった、画像中の境界（エッジ）検出等に用いられるフィルタによる微分演算処理を用いて算出することも可能である。

また、図５に示した高さ画像−擬似輝度画像変換処理においては、Ｓ１０３の処理により傾き値の絶対値を求め、続くＳ１０４の処理において、対応付けテーブルの参照により、傾き値の絶対値から輝度値への変換を行うようにしていた。この代わりに、負の値である傾き値についても対応する輝度値を対応付けテーブルで定義しておくようして、対応付けテーブルの参照による傾き値から輝度値への変換を、傾き値の絶対値を求めることなく行えるようにしてもよい。

本実施例は、試料９の高さ情報に含まれ得るノイズ成分の影響を除去して擬似輝度画像を構築するというものである。
本実施例に係る三次元形状測定器の構成は、図１に示した実施例１に係るものと同一である。但し、コントローラ１２内の画像処理部１３の機能構成が、実施例１におけるもの（図２）と異なっている。

ここで図８について説明する。図８は、本実施例における画像処理部１３の機能構成を示している。
図８の構成は、ノイズ除去処理部２０９と検出器特性記憶部２１０とを有している点において、図２に示した実施例１の構成と異なっており、図２に示したものと同一の構成要素は同様の機能を提供する。

ノイズ除去処理部２０９では、後述するノイズ除去処理が行われる。また、検出器特性記憶部２１０には、図１に示した三次元形状測定器により検出し得る傾き値の検出限界値が予め格納されている。

三次元形状測定器における傾き値の検出限界について説明する。
三次元形状測定器では、対物レンズ６のＮＡ（開口数）に依存して分解能が定まるため、試料９表面において、このＮＡによって定まる特定の傾き値よりも急な傾斜は、本来検出することができない。従って、試料９の高さ画像から算出される傾き値が、この検出限界閾値を超えている場合、この傾き値は、ノイズとみなすことができる。

例えば、図９の（ａ）に例示した試料についての高さ画像を求めると、図９の（ｂ）における斜線部のような試料が存在していない部位に、ノイズ成分が表れる。このようなノイズ成分を含む高さ画像に対して図５に示した高さ画像−擬似輝度画像変換処理を施すと、試料が存在していないこの部位にも何がしかの像が現れてしまう虞がある。高さ画像−擬似輝度画像変換処理では、画像に対し微分演算処理を施すので、画像に含まれるノイズが僅かであっても、そのノイズを強調してしまう傾向があるためである。

そこで、本実施例では、ノイズ除去処理部２０９が、このような高さ情報に含まれていたノイズ成分の影響を除去するノイズ除去処理を行う。具体的には、まず、試料９の高さ画像より算出される各画素の傾き値を、前述した三次元形状測定器における傾き値の検出限界閾値と比較し、傾き値がこの閾値を超えており、検出限界の範囲外になっている画素については、その傾き値を、検出限界閾値に置換して制限する。そして、この置換を行った後、各画素に対し、上下左右の９つの隣接画素の傾き値の平均をとるノイズ除去演算を施し、新たな傾き値を画素毎に算出する。

このようにして算出されたノイズ除去後の各画素の傾き値は、その後、高さ画像−擬似輝度画像変換部２０７により輝度値に変換されて輝度情報が生成され、この輝度情報より擬似輝度画像が構築される。

このようにして構築される擬似輝度画像は、例えば図９の（ｃ）のようになり、図９（ｂ）における斜線部のような試料が存在していない部位に、像が現れることはない。
ここで図１０について説明する。図１０は、画像処理部１３におけるノイズ除去処理部２０９によって行われる、ノイズ除去処理の処理内容をフローチャートで示したものである。なお、この処理は、コントローラ１２であるコンピュータの記憶装置に予め格納されている所定の制御プログラムを、当該コンピュータの演算処理装置が読み出して実行することによって実現される。

この図１０の処理は、図５に示した高さ画像−擬似輝度画像変換処理におけるＳ１０３の処理とＳ１０４の処理との間に実行される。
まず、Ｓ２０１では、検出器特性記憶部２１０に予め格納されている、図１に示した三次元形状測定器についての傾き値の検出限界閾値を参照して取得する処理が行われる。

続くＳ２０２では、図５のＳ１０３までの処理の実行により取得されている各画素の傾き値を前ステップの処理によって取得された閾値と比較し、傾き値がこの閾値を超えており、検出限界の範囲外になっている画素について、その傾き値を検出限界閾値に置換して制限する処理が行われる。

続くＳ２０３では、各画素に対し、上下左右の９つの隣接画素の傾き値の平均をとる３×３のノイズ除去フィルタによるノイズ除去演算を行い、新たな傾き値を画素毎に算出する処理が行われる。そして、このＳ２０３の処理を終えた後には、図５のＳ１０４に処理を進め、試料９表面の擬似輝度画像を構築する処理が実施例１と同様に行われる。

以上のノイズ除去処理が実行されることにより、試料９の高さ画像に含まれていたノイズの影響を抑制した擬似輝度画像が構築できるようになる。
なお、本実施例では、各画素の傾き値を利用するノイズ除去の処理を例に挙げて説明したが、他の一般的なノイズ除去フィルタを使用してノイズ除去を行うことも可能である。

本実施例では、三次元形状測定器として共焦点走査型レーザ顕微鏡を使用して試料表面の擬似輝度画像を構築する。更に、本実施例では、試料表面のカラー（色彩）画像と高さ情報とを共焦点走査型レーザ顕微鏡により取得し、当該試料表面のカラー画像における輝度情報を、当該高さ情報から生成される当該試料表面の輝度情報に置換することで、当該カラー画像の変換を行う。このようにすると、変換前のものよりもコントラストの良好な試料表面のカラー画像を得ることができる。

図１１について説明する。図１１は、本実施例に係る三次元形状測定器である共焦点走査型レーザ顕微鏡の構成を示している。
図１１において、レーザ光源５０１から出射した光は、ＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）５０２を透過した後、二次元走査部５０３に入射する。なお、レーザ光源５０１からさせる光量は、コントローラ５１２により、レーザパワー調整用ＤＡ（デジタル−アナログ）変換器５１１を介して制御される。

二次元走査部５０３は、入射した光束を二次元走査して対物レンズ５０５へと導く。この二次元走査部５０３は、対物レンズ５０５の瞳と共役な位置に配置されており、従って、対物レンズ５０５の瞳へ入射した光束は収束光となって試料５０６の焦点面上を走査する。なお、また、二次元走査部５０３から出射した光束は、１／４λ板５０４を通過する際に直線偏光から円偏光へと変換される。

その後、この収束光は試料５０６の表面で反射する。この反射光は、対物レンズ５０５に入射し、１／４λ板５０４及び二次元走査部５０３を介してＰＢＳ５０２に導かれる。ＰＢＳ５０２は、この反射光を結像レンズ５０７へ導き、結像レンズ５０７はこの反射光をピンホール５０８上に集光する。

集光された反射光のうち、試料５０６の集光点以外の光はピンホール５０８により遮断され、当該集光点からの反射光のみが検出器５０９によって検出され、その光量に応じた大きさの電気信号が検出器５０９から出力される。この電気信号はＡＤ（アナログ−デジタル）変換器５１０によりデジタルデータへと変換されてコントローラ５１２に導かれる。

なお、対物レンズ５０５は、図示しないＺ移動機構を駆動させることにより、対物レンズ５０５の光軸方向に移動させることができる。なお、二次元走査部５０３及びＺ移動機構の駆動制御はコントローラ５１２によって行われる。

ここで、ピンホール５０８は、対物レンズ５０５の集光位置と光学的に共役な位置になるように配置されている。従って、試料５０６が対物レンズ５０５の集光位置に位置している場合には、試料５０６からの反射光はピンホール５０８上で集光されてピンホール５０８を通過することができる。一方、試料５０６の位置が対物レンズ５の集光位置から外れている場合には、試料５０６からの反射光はピンホール５０８上には集光しないので、ピンホール５０８を通過できない。

このことから、対物レンズ５０５と試料５０６との相対位置に対する検出器５０９の出力の関係は、次のようになる。すなわち、試料５０６が対物レンズ５０５の集光位置に位置している場合には、光検出器５０９の出力は最大となる。そして、対物レンズ５０５と試料５０６との相対位置が変化し、試料５０６が対物レンズ５０５の焦点位置から離れるに従い光検出器５０９の出力は急激に低下する。従って、集光点を二次元走査すると共に、そのときの光検出器５０９の出力（輝度値）を二次元走査部５０３による走査動作に同期して画像化してモニタ５１３に表示すれば、試料５０６についてのある特定の高さのみが画像として得られる。

更に、試料５０６を対物レンズ５０５の光軸方向に移動させながら、上記と同様にして光検出器５０９の出力（輝度値）を繰り返し取得する。そして、得られた複数の画像における同一位置（光軸方向においての同一位置）の画素の輝度値を比較する。ここで、輝度値が最大のときの輝度値と、そのときのＺ移動機構の位置情報（高さ情報）とを画素毎に検出する。このようにして検出された画素毎の最大輝度値と位置情報（高さ情報）とを用いると、試料５０６表面の高さ画像（三次元画像）を構築することができる。

また、図１１の構成において、白色光源５１４から出射した光（白色光）は、対物レンズ５０５の瞳へ入射すると、この光束は収束光となる。この収束光は、試料５０６の焦点面上で反射した後、対物レンズ５０５に入射し、結像レンズ５１５を経て収束光となって、ＣＣＤカメラ５１６の受光面に集光する。

ＣＣＤカメラ５１６はカラー画像を取得する撮像素子である。ＣＣＤカメラ５１６の受光面には、多数の受光素子が配列されており、受光面に集光した光の各色（光の３原色であるＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の各色）成分の光量に応じた電気信号を受光素子の配置位置に応じて出力する。この電気信号は、試料５０６表面の色彩情報を表したものである。

コントローラ５１２は、ＣＣＤカメラ５１６から転送されてくるＲＧＢ各色成分の電気信号に基づき、試料５０６表面の二次元カラー画像（表面画像）を構築する。構築されたカラー画像のデータは、コントローラ５１２内の画像処理部５２０に送られて画像処理される。

なお、コントローラ５１２の実体は、ごく標準的な構成のコンピュータ、すなわち、制御プログラムの実行によってコンピュータ全体の動作制御を司るＭＰＵ等の演算処理装置と、この演算処理装置が必要に応じてワークメモリとして使用するメインメモリと、各種のプログラムや制御データなどを記憶して保存しておく例えばハードディスク装置などの記憶装置と、レーザ顕微鏡本体５００の各構成要素との間での各種のデータの授受の制御を行うインタフェース部と、種々の操作に対応付けられて示される操作者からの指示を取得する入力部と、モニタ５１３での各種の画面や情報の表示を管理する出力部と、を有して構成されているコンピュータ、を利用することができる。

次に、本実施例における画像処理部５２０の機能構成について、図１２を用いて説明する。
図１２の構成は、表面画像記憶部２０３と画像合成部２０８とを有している点において、図２に示した実施例１における画像処理部１３の構成と異なっており、図２に示したものと同一の構成要素は同様の機能を提供する。なお、本実施例では、カラーマップ記憶部２０４に予め格納しておく対応付けテーブルは、試料５０６の表面形状における傾き値と反射特性との関係を示すものとしておき、反射型顕微鏡自体の特性の影響が含まれている場合には、その影響を除外したものとしておくことが好ましい。

コントローラ５１２で構築された試料５０６表面の二次元カラー画像（表面画像）のデータは、表面画像記憶部２０３で記憶される。
画像合成部２０８は、表面画像記憶部２０３で記憶されている試料５０６表面の二次元カラー画像のデータを読み出し、このカラー画像を構成している各画素の輝度情報を、高さ画像−擬似輝度画像変換部２０７により生成される輝度情報に置換することで、当該カラー画像の変換を行う。

試料５０６表面の二次元カラー画像のデータは、当該画像を構成する画素毎に、ＲＧＢ各色の輝度値を画像情報として有している。この画素毎の画像情報は、各画素の色彩を示す色情報Ｃと、その色情報Ｃで示される色彩の輝度値ｙとで表すことも可能である。なお、このＲＧＢ各色の輝度値と、色情報Ｃ（若しくは色差情報ＣｂＣｒ）及び輝度値ｙとを演算処理により相互に変換できることは周知であり、その変換式も各種提案されている。

ここで図１３について説明する。図１３は、画像合成部２０８によって行われる、カラー画像変換処理の処理内容をフローチャートで示したものである。なお、この処理は、コントローラ１２であるコンピュータの記憶装置に予め格納されている所定の制御プログラムを、当該コンピュータの演算処理装置が読み出して実行することによって実現される。

図１３において、まず、Ｓ３０１では、試料５０６表面の二次元カラー画像のデータを表面画像記憶部２０３から読み込む処理が行われる。
続くＳ３０２では、前ステップの処理によって取得した二次元カラー画像のデータで示されている画素毎のＲＧＢ各色の輝度値を、前述した色情報Ｃ及び輝度値ｙに変換する演算処理が行われる。

続くＳ３０３では、前ステップの処理により算出された画素毎の輝度値を、高さ画像−擬似輝度画像変換部２０７により生成される画素毎の輝度値（「擬似輝度値」と称することとする）ｙ’に置換する処理が行われる。

Ｓ３０４では、Ｓ３０２の処理により算出された画素毎の色情報Ｃと、Ｓ３０３の処理により置換された画素毎の擬似輝度値ｙ’とに対し、Ｓ３０２で実行したものとは逆の演算処理を施して、画素毎のＲＧＢ各色の輝度値Ｒ’Ｇ’Ｂ’へと変換する処理が行われる。

Ｓ３０５では、二次元カラー画像の再構築処理、すなわち、前ステップの処理により得られた画素毎のＲＧＢ各色の輝度値Ｒ’Ｇ’Ｂ’で構成される二次元カラー画像を構築する処理が行われる。この処理により構築されたカラー画像は、その後、画像転送Ｉ／Ｏ２０５からモニタ５１３へと転送され、モニタ５１３で表示される。

以上のカラー画像変換処理が行われることによって、試料５０６表面のカラー画像の変換が行われる。この処理において算出される画素毎のＲＧＢ各色の輝度値Ｒ’Ｇ’Ｂ’には、平面方向（対物レンズ５０５の光軸に対して垂直な方向）及び高さ方向（対物レンズ５０５の光軸の方向）に対する分解能が良好であるという共焦点走査型レーザ顕微鏡の特性が反映される。従って、このようにして再構築された二次元カラー画像は、ＣＣＤカメラ５１６で撮像された変換前の二次元カラー画像よりも、コントラストが向上する。

なお、このコントラストの程度は、元の高さ情報を取得する三次元形状測定器の分解能に依存しており、高さ情報の取得に使用する三次元形状測定器の分解能が高いものであるほど、得られるカラー画像のコントラストがより良好ものになる。

以上のように、本実施例によれば、コントラストの良好なカラー画像を得ることができる。
なお、本実施例では、元の二次元カラー画像を構成する各画素の輝度値を擬似輝度値に置換することで二次元カラー画像を再構築したが、擬似輝度画像を他の画像との組合せに利用することも可能である。例えば、共焦点走査型レーザ顕微鏡において、実施例１のように、試料の高さ画像から擬似輝度画像を構築し、この擬似輝度画像と、当該高さ画像とを組み合わせることで、三次元画像である擬似輝度画像を構築することも可能である。

また、本実施例では、試料表面のカラー画像として、二次元画像を取得して使用した。この代わりに、試料表面のカラー画像として、三次元カラー画像を取得して使用することも可能である。すなわち、例えば、Ｚ移動機構を駆動させながら、ＣＣＤカメラ５１６での試料表面の画像の撮像を繰り返し、当該試料表面における明るさ（輝度）のピークを画素毎に検出する。そして、輝度がピークであるときの高さ位置情報を取得し、得られた高さ位置情報に基づいて生成される三次元形状（立体形状）の表面に、二次元カラー画像を貼り合わせることで試料表面の三次元カラー画像を得る。このようにして得られる三次元カラー画像に対し、本実施例に係る画像の再構築処理を施すことも可能である。

また、本実施例において使用する擬似輝度値を、実施例２で構築したノイズ除去後の擬似輝度画像から得るようにすることも可能である。
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は、上述した各実施形態に限定されることなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良・変更が可能である。

実施例１に係る三次元形状測定器の構成を示す図である。 実施例１における画像処理部の機能構成を示す図である。 対応付けテーブルにおける傾き値と輝度値との対応関係の定義例をグラフで示した図である。 試料の画像の変換例を示す図である。 高さ画像−擬似輝度画像変換処理の処理内容をフローチャートで示した図である。 ３×３の一次微分フィルタの係数例を示す図である。 高さ画像より算出される各画素の傾き値の分布が集中している例を示す図である。 高さ画像より算出される各画素の傾き値の分布の分散化の手法を説明する図である。 実施例２における画像処理部の機能構成を示す図である。 実施例２におけるノイズ除去の手法を説明する図である。 ノイズ除去処理の処理内容をフローチャートで示した図である。 実施例３に係る三次元形状測定器である共焦点走査型レーザ顕微鏡の構成を示す図である。 実施例３における画像処理部の機能構成を示す図である。 カラー画像変換処理の処理内容をフローチャートで示した図である。

符号の説明

１ 照明光学系
２、５１４ 白色光源
３ 投影光学系
４ ハーフミラー
５ 干渉対物レンズ
６、５０５ 対物レンズ
７ 参照ミラー
８ ビームスプリッタ
９、５０６ 試料
１１、５１６ ＣＣＤカメラ
１２、５１２ コントローラ
１３、５２０ 画像処理部
１４、５１３ モニタ
２０１ 画像記憶部
２０２ 擬似輝度画像記憶部
２０３ 表面画像記憶部
２０４ カラーマップ記憶部
２０５ 画像転送Ｉ／Ｏ
２０６ 高さ画像構築部
２０７ 画像−擬似輝度画像変換部
２０８ 画像合成部
２０９ ノイズ除去処理部
２１０ 検出器特性記憶部
３０１ 高さ画像
３０２ 傾き画像
３０３ 擬似輝度画像
５００ レーザ顕微鏡本体
５０１ レーザ光源
５０２ ＰＢＳ
５０３ 二次元走査部
５０４ １／４λ板
５０７、５１５ 結像レンズ
５０８ ピンホール
５０９ 光検出器
５１０ ＡＤ変換器
５１１ レーザパワー調整用ＤＡ変換器

Claims (10)

1. 測定対象である試料の表面各部の高さを示す高さ情報を取得する高さ情報取得手段と、
   前記試料の表面各部の高さ情報に基づいて、該表面各部の傾きを示す傾き情報を算出する傾き情報算出手段と、
   前記傾き情報で示されている前記試料の表面各部の傾きを該試料表面の画像における該表面各部の輝度に対応付けて該画像における輝度情報を生成する輝度情報生成手段と、
   前記輝度情報を用いて該試料表面の輝度画像を構築する輝度画像構築手段と、
   を有することを特徴とする三次元形状測定器。
2. 前記輝度情報生成手段による前記試料の表面各部の傾きと輝度との対応付けでは、該傾きが大きくなるほど輝度が単調に低下するように対応付けることを特徴とする請求項１に記載の三次元形状測定器。
3. 前記輝度情報生成手段による前記試料の表面各部の傾きと輝度との対応付けは、前記試料の表面に白色光を照射したときにおける該試料の表面からの反射光の輝度特性に従って行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の三次元形状測定器。
4. 前記輝度情報生成手段による前記試料の表面各部の傾きと輝度との対応付けは、該傾きと該輝度との対応関係を予め定義しておいたテーブルを参照して行うことを特徴とする請求項１から３のうちのいずれか一項に記載の三次元形状測定器。
5. 前記傾き情報算出手段は、前記高さ情報で示されている前記試料の表面各部の高さを微分演算することで前記傾き情報を算出することを特徴とする請求項１から４のうちのいずれか一項に記載の三次元形状測定器。
6. 前記高さ情報に基づいて、前記試料の三次元画像を構築する三次元画像構築手段と、
   前記三次元画像と前記輝度画像とを重畳合成する画像合成手段と、
   を更に有することを特徴とする請求項１から５のうちのいずれか一項に記載の三次元形状測定器。
7. 前記高さ情報に含まれていたノイズ成分の影響を、前記傾き情報に基づいて除去する除去手段を更に有することを特徴とする請求項１から６のうちのいずれか一項に記載の三次元形状測定器。
8. 前記ノイズ成分除去手段は、前記傾き情報算出手段により算出された傾き情報で示されている傾きのうち、前記高さ情報取得手段によって定まる該傾きの検出限界の範囲外のものを、該検出限界の値に制限することで、ノイズ成分の影響を除去することを特徴とする請求項７に記載の三次元形状測定器。
9. 前記試料の表面のカラー画像を取得する画像取得手段と、
   前記画像取得手段が取得したカラー画像を構成している各画素の輝度情報を、前記輝度情報生成手段により生成される輝度情報に置換することで、該カラー画像を変換する画像変換手段と、
   を更に有することを特徴とする請求項１から８のうちのいずれか一項に記載の三次元形状測定器。
10. 試料の表面各部の高さを示す高さ情報に基づいて、該表面各部の傾きを示す傾き情報を算出する傾き情報算出手段と、
    前記傾き情報で示されている前記試料の表面各部の傾きを該試料表面の画像における該表面各部の輝度に対応付けて該画像における輝度情報を生成する輝度情報生成手段と、
    前記輝度情報を用いて該試料表面の輝度画像を構築する輝度画像構築手段と、
    を有することを特徴とする試料画像構築装置。