JPH0961720A

JPH0961720A - 共焦点走査型光学顕微鏡及びこの顕微鏡を使用した測定方法

Info

Publication number: JPH0961720A
Application number: JP22066895A
Authority: JP
Inventors: Mitsunori Yamamoto; 満則山本
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1995-08-29
Filing date: 1995-08-29
Publication date: 1997-03-07
Anticipated expiration: 2015-08-29
Also published as: JP3568286B2

Abstract

(57)【要約】【課題】観察面の形状が連続的に変化し、且つ観察面の
反射率が形状に依存して大きく異なるような観察試料で
も、形状が変化する境界部分を確実に検出し、常に正確
な形状測定を行なう。【解決手段】試料8 による反射光を受光してその受光強
度に応じた検出信号を出力する光検出器13と、この光検
出器13からの検出信号の信号レベルを可変するゲイン調
整回路33とを備えた共焦点走査型光学顕微鏡において、
上記光検出器13の検出信号の信号レベルが予め設定され
ている適正範囲にあるか否かを判断するレベル判定回路
31と、このレベル判定回路31により検出信号の信号レベ
ルが予め設定されている適正範囲外であると判断した場
合に上記ゲイン調整回路33の利得を可変制御して該信号
レベルが予め設定されている適正範囲内となるように調
整するＣＰＵ30とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、観察試料の表面情
報を測定するために使用される共焦点走査型光学顕微鏡
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、点状光源によって観察試料の
表面を点状に照明し、この照明された試料表面からの透
過光または反射光を再び点状に集光してピンホール開口
を有する検出器に結像させ、この検出器により結像の濃
度情報を得る共焦点走査型光学顕微鏡があった。

【０００３】図８（ａ）は一般的な共焦点走査型光学顕
微鏡の概略構成図である。同図において、点状光源９１
から出射された点状光は、ハーフミラー９２を通過した
後に収差が補正された対物レンズ９３によって観察試料
９４の表面に点状結像される。

【０００４】そして、この点状照明の上記試料９４によ
る反射光は、再び対物レンズ９３を通過した後に上記ハ
ーフミラー９２で反射されて集光する。この集光位置に
はピンホール９５が配設されており、このピンホール９
５を通過した上記反射光が光検出器９６によって検出さ
れる。

【０００５】このような点状照明を観察試料９４表面の
測定領域全体にわたって行ない、その反射光の光検出器
９６による検出信号をラスタ走査等のように二次元走査
することにより、観察試料９４表面の二次元画像が得ら
れるようになっている。

【０００６】ところで、観察試料９４の表面は全体にわ
たって平坦とは限らず、例えば図８（ａ）中のＬに示す
ように対物レンズ９３の集光位置からずれた位置にある
面も存在する。このような面Ｌから反射した反射光は、
ピンホール９５上に集光することはない。したがって、
このような反射光はピンホール９５を通過することがで
きず、このため光検出器９６で検出されない。すなわ
ち、共焦点走査型光学顕微鏡では、対物レンズ９３の集
光位置つまり合焦位置に存在する試料面の光学像のみが
測定できるものである。

【０００７】次に、例えば図８（ｂ）に示すように高さ
の異なる複数の観測面Ａ，Ｂ，Ｃを有する試料９４′を
共焦点走査型光学顕微鏡で観察する場合、観測面Ａに合
焦させたときには他の観測面Ｂ，Ｃの光学像は全く見え
なくなる。このため、すべての観測面Ａ，Ｂ，Ｃについ
ての合焦画像を同時に観測することは不可能である。

【０００８】しかし、例えば観測面Ａ，Ｂ，Ｃに対し順
次合焦させてその合焦画像を順次画像メモリに格納し、
これらの合焦画像を演算処理により合成することにより
全観測面Ａ，Ｂ，Ｃに合焦した観測画像を得ることがで
きる。なお、この合焦観測画像の合成は、実際には各画
素について明るさが最大となる値を保持させることによ
りなされる。

【０００９】以上説明した試料表面の観測方法について
は、例えば「ＴＨＥＯＲＹＡＮＤＰＲＡＣＴＩＣＥ
ＯＦＳＣＡＮＮＩＮＧＯＰＴＩＣＡＬＭＩＣＲＯ
ＳＣＯＰＹ」（１２６〜１３０頁）に開示されている。
すなわち、試料面の一点に集束光を照射した状態で、ま
ずその光軸方向（Ｚ方向）に上記集束光を走査して、か
かる走査中に輝度が最大となる位置（Ｚ位置）を検出し
保存する。次に、上記集束光をＸ方向に移動させること
により試料面の次の一点に上記集束光の初期照射点を位
置させ、この状態で上記集束光をＺ方向へ走査して、か
かる走査中に輝度が最大となる位置（Ｚ位置）を検出し
保存する。

【００１０】以後同様に、集束光の初期照射点の位置を
Ｘ方向及びＹ方向にステップ的に移動させるごとに集束
光をＺ方向へ走査し、これらの走査で検出された輝度の
最大値をそれぞれ保存する。かくして、輝度変化に基づ
いて試料の表面情報が測定される。

【００１１】ところが、上記のような観測を行なう場合
に、従来の共焦点走査型光学顕微鏡では次のような不具
合が生じていた。すなわち、光検出器により得られた検
出信号は、信号レベルが最適値になるように可変利得増
幅回路において増幅される。この場合、試料の観察もし
くは測定範囲における反射率が一定ならば問題はない。
しかし、試料の観察もしくは測定範囲内に反射率が異な
る複数の部位が存在すると、正確な検出信号が得られな
くなる。

【００１２】そこで、特願平７−３５４７４号では、試
料が高さによって反射率が大きく異なる観察面を持って
いる場合に、測定範囲の途中で信号レベルを変化させる
ことで、反射率が異なる複数の部位でも観察可能として
いる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記特
願平７−３５４７４号が想定している反射率が異なる複
数の部位が存在する試料とは、例えば上記図８（ｂ）で
示したような段状形状の試料であり、Ａ面がガラス面、
Ｂ面が鏡面、…というように、信号レベルを変化させる
位置をＡ面とＢ面の間、Ｂ面とＣ面の間の各垂直な部分
とすることで対処している。

【００１４】したがって、例えばＶ字形の溝がある形状
等のように、平面部と斜面部が連続している試料では、
平面部と斜面部との境界で確実に信号レベルを変化させ
ることができず、その境界部分では正確な観察、測定を
行なうことができないという不具合がある。

【００１５】本発明は上記のような実情に鑑みてなされ
たもので、観察面の形状が連続的に変化すると共に、観
察面の反射率が形状に依存して大きく異なるような観察
試料であっても、形状が変化する境界部分を確実に検出
し、その位置から信号レベルを適正な値に設定すること
で常に正確な形状測定を行なうことが可能な共焦点走査
型光学顕微鏡及びこの顕微鏡を使用した測定方法を提供
することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
試料に対し集束光を照射する対物光学系と、上記集束光
と上記試料とを相対的に二次元方向へ移動走査する二次
元走査手段と、上記対物光学系の焦点位置と上記試料の
位置とを相対的に光軸方向へ移動走査する光軸走査手段
と、上記集束光の上記試料による反射光を受光してその
受光強度に応じた検出信号を出力する光検出手段と、こ
の光検出手段から出力された検出信号の信号レベルを可
変する可変利得形レベル可変手段とを備えた共焦点走査
型光学顕微鏡において、上記光検出手段からの検出信号
の信号レベルが予め設定されている適正範囲にあるか否
かを判断する判断手段と、この判断手段により検出信号
の信号レベルが予め設定されている適正範囲外であると
判断した場合に上記可変利得形レベル可変手段の利得を
可変制御して該信号レベルが予め設定されている適正範
囲内となるように調整する利得制御手段とを具備するよ
うにしている。

【００１７】この結果、請求項１記載の発明によれば、
上記光検出手段からの検出信号の信号レベルが予め設定
されている適正範囲にあるか否かを判断手段が随時判断
している。そして、この判断手段により検出信号の信号
レベルが予め設定されている適正範囲外であると判断し
た場合に、利得制御手段が上記可変利得形レベル可変手
段の利得を可変制御して、該信号レベルが予め設定され
ている適正範囲内となるように調整することになる。し
たがって、観察面の形状が連続的に変化し、且つ観察面
の反射率が形状に依存して大きく異なるような観察試料
であっても、形状が変化する境界部分を確実に検出し、
その位置から信号レベルを適正な値に設定することで常
に正確な形状測定を行なうことが可能な共焦点走査型光
学顕微鏡を実現できる。

【００１８】請求項２記載の発明は、試料に対し集束光
を照射する対物光学系と、上記集束光と上記試料とを相
対的に二次元方向へ移動走査する二次元走査手段と、上
記対物光学系の焦点位置と上記試料の位置とを相対的に
光軸方向へ移動走査する光軸走査手段と、上記集束光の
上記試料による反射光を受光してその受光強度に応じた
検出信号を出力する光検出手段と、この光検出手段から
出力された検出信号の信号レベルを可変する可変利得形
レベル可変手段とを備えた共焦点走査型光学顕微鏡を使
用して上記試料の表面測定を行なうに際し、上記光検出
手段からの検出信号の信号レベルが予め設定されている
適正範囲にあるか否かを判断する判断工程と、この判断
工程により検出信号の信号レベルが予め設定されている
適正範囲外であると判断した場合に上記可変利得形レベ
ル可変手段の利得を可変制御して該信号レベルが予め設
定されている適正範囲内となるように調整する利得制御
工程とを有するようにしている。

【００１９】この結果、上記光検出手段からの検出信号
の信号レベルが予め設定されている適正範囲にあるか否
かを判断工程で随時判断している。そして、この判断工
程により検出信号の信号レベルが予め設定されている適
正範囲外であると判断した場合に、利得制御工程に移行
して上記可変利得形レベル可変手段の利得を可変制御
し、該信号レベルが予め設定されている適正範囲内とな
るように調整することになる。したがって、観察面の形
状が連続的に変化し、且つ観察面の反射率が形状に依存
して大きく異なるような観察試料であっても、形状が変
化する境界部分を確実に検出し、その位置から信号レベ
ルを適正な値に設定することで常に正確な形状測定を行
なうことができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明の実施
の一形態を説明する。図１は本発明の実施の一形態に係
る共焦点走査型光学顕微鏡全体のシステム構成を示すも
のである。同図で、１は共焦点走査型光学顕微鏡本体で
あり、この顕微鏡本体１内の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】ここでレーザ光の強度は、レーザ光源２の
電源であるレーザ電源ユニット２６で調整することがで
きると共に、レーザ光源２とミラー３との間に配置した
ＮＤフィルタ２７を回転させて、レーザ光の透過量を変
化させることでも調整することができる。

【００２２】ＮＤフィルタ２７は、その詳細な構成は後
述するが、モータ２８により回転駆動されてレーザ光の
透過量を可変制御するものであり、モータ２８はモータ
駆動回路２９からの駆動信号に従うものである。これら
の調整は、コンピュータ１７からの命令に対応して画像
処理ユニット１４に送出され、この画像処理ユニット１
４内のＣＰＵ３０が上記レーザ電源ユニット２６やモー
タ駆動回路２９に制御信号を送出することで行なわれ
る。

【００２３】上記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軸方向に振ることでスポット光をテレビジョン方
式におけるラスタ走査と同様に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により微動ステージ９上
に載置された試料８に照射される。

【００２４】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。そして、微動ステー
ジ９は粗動ステージ１０上に設けられる。

【００２５】レボルバ６に保持される複数の対物レンズ
７のうち、所望の倍率を持つ者をレボルバ６の回転によ
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。

【００２６】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。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。

【００２７】すなわち、光検出器１３は、その受光面に
レンズ１１及びこのレンズ１１の焦点位置にあるピンホ
ール板１２とを配するもので、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内の
レベル判定回路３１、ＣＰＵ３０からＤ／Ａ変換回路３
７を介してオフセット値が設定されるオフセット調整回
路３２、及び同じくＣＰＵ３０からＤ／Ａ変換回路３６
を介してゲイン値が設定されるゲイン調整回路３３を経
て、Ａ／Ｄ変換回路３４でカウンタ回路３８からのサン
プリングクロックに同期してデジタルデータとされた後
に画像メモリ１４ａへ送出される。

【００２８】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、これら画像メモリ
１４ａ，１４ｂはそれぞれ共に１フレーム分の記憶容量
を有している。ここでは、１フレームの記憶容量を例え
ば５１２画素×５１２画素×８ビット（２５６階調／画
素）とする。

【００２９】これら２つの画像メモリ１４ａ，１４ｂの
うちの上記画像メモリ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カウ
ンタ回路３８からの書込みタイミング信号に同期して記
憶することで試料８の画像信号を記憶するものである。

【００３０】この画像メモリ１４ａへの記憶は、前回の
同走査位置での輝度情報よりも今回の輝度情報の方が大
きな値を有する（明るい）場合に、この走査位置の画像
情報として更新保持することで、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。

【００３１】また、上記他方の画像メモリ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値をカウンタ回路３
８からの書込みタイミング信号に同期して記憶する。

【００３２】この場合に画像処理ユニット１４は、上記
画像メモリ１４ａで輝度情報を更新保持させた場合、す
なわち、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方が
大きい（明るい）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、記憶保持させる機
能を有するものである。

【００３３】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、す
なわち高さ位置を示すこととなる情報として記憶され
る。

【００３４】上記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、すなわち観察光路軸に沿った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１４ｂ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。

【００３６】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
り表示出力させる。

【００３７】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。

【００３８】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により微動ステー
ジ９上に載置支持された試料８に照射される。

【００３９】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を通過して、レンズ２
４によりテレビカメラ２５上に結像する。

【００４０】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。

【００４１】次いで上記実施の一形態の動作として、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。しかるに、試料８の
形状を測定するにあたっては、試料８の形状に起因する
反射率の差が大きくても、確実に信号をとらえることが
できるように、反射率の変化に応じて輝度信号のレベル
を調整する必要がある。ここで、本発明が特徴とする、
後述する形状変化に伴う反射率の変化を検出して輝度信
号のレベルを適正範囲に設定する信号調整機能を用いる
ものである。

【００４２】なお、以下の説明では、試料８の形状とし
て、図２に示すようなＶ字状の溝を有するものを用いる
ことする。すなわちこの図２で示す試料８は、２つの平
面部Ａ，Ａと、これら平面部Ａ，Ａに挟まれた一対の斜
面部Ｂ，Ｂとを有している。

【００４３】動作当初には、まず、平面部Ａと斜面部Ｂ
を画像化できるようにその信号レベルを調べる。走査に
先立ってレーザ光源２の出力、ＮＤフィルタ２７の値、
ゲイン調整回路３３でのゲイン、オフセット調整回路３
２のオフセット値は予め設定されている値（デフォルト
値）となっている。この状態でレーザ走査を開始し、合
焦位置を平面部Ａに合わせる。

【００４４】図３は試料８のＸ方向の輝度信号のレベル
を表わすものである。図３（ａ）はデフォルト値での輝
度信号のレベルを例示するものであり、ハッチングで示
す範囲が予め設定された適正範囲である（以下同様）。
この状態では、平面部Ａ及び斜面部Ｂ共に輝度信号が適
正範囲から外れ、特に斜面部Ｂは合焦位置にないために
輝度信号がゼロレベルとなっていることがわかる。

【００４５】上記図３（ａ）に示したようなデフォルト
値での輝度信号が得られた場合、観察者は平面部Ａの輝
度信号が適正範囲内となるように、ゲイン値の変更を行
なう。ゲイン値の変更はコンピュータ１７から画像処理
ユニット１４に対してメッセージが出される。

【００４６】画像処理ユニット１４のＣＰＵ３０は、命
令された数値データをＤ／Ａ変換回路３６でアナログ値
に変換させた後にゲイン調整回路３３に与え、新しいゲ
イン値としてセットする。

【００４７】したがって、得られる輝度信号は新しいゲ
イン値により信号増幅されることとなる。図３（ｂ）は
新しいゲイン値αによる輝度信号を表わしたものであ
り、平面部Ａが適正範囲内となっていることがわかる。

【００４８】次に、ゲイン調整回路３３でのゲイン値を
αとしたままＺ移動回路１５によりレボルバ６をＺ方向
に移動させ、合焦位置を試料８の斜面部Ｂに合わせる。
この斜面部Ｂはレーザ光が斜め方向に反射されるため、
光検出器１３に戻ってくる量が平面部Ａに比して極端に
少なくなる。このため、ゲイン調整回路３３でのゲイン
値がαであっても、輝度信号のレベルが適正範囲内に入
らない場合があり、これは斜面部Ｂの傾きに依存する。
ここでは、傾きが急峻である場合も想定しており、例え
ば図３（ｃ）に示すようなレベルの輝度信号が得られる
ものとする。このとき、平面部Ａの輝度信号がゼロレベ
ルとなっているのは、上記レボルバ６の移動により平面
部Ａが合焦位置から外れているためである。

【００４９】そこで、斜面部Ｂの輝度信号を適正範囲内
とするために、上記αとは別のゲインβを上記と同様に
してゲイン調整回路３３に設定する。ここでは「α＜
β」であり、図３（ｄ）はゲインβを設定した場合に得
られる輝度信号のレベルを表わしている。

【００５０】当然のことながら、ゲイン値をβとしたま
まで合焦位置を平面部Ａに合わせると、図３（ｅ）に示
すように平面部Ａの輝度信号のレベルが適正範囲を大き
く上回って飽和レベルとなってしまい、測定に不都合を
生じることとなる。このため、平面部Ａと斜面部Ｂとの
境界を確実に検出するとともに、ゲインをαからβへ、
またはβからαへ切換えなければならない。

【００５１】上記のようにして平面部Ａと斜面部Ｂの最
適ゲイン値が得られたため、次に測定範囲の設定を行な
う。測定範囲の設定は、前述した如く試料８が合焦位置
から外れると輝度信号がゼロレベルとなる現象を利用し
て行なわれるもので、その始めには、平面部Ａが合焦位
置にある位置からレボルバ６を上方向、すなわち対物レ
ンズ７と試料８とが離れる方向に移動させる。

【００５２】すると、平面部Ａも合焦位置から外れてく
るために輝度信号が徐々に小さくなり、最後にゼロレベ
ルとなる。この輝度信号がゼロレベルとなったときに、
モニタディスプレイ１８には試料８の画像は表示され
ず、真っ黒となる。したがって、観察者はこの位置が測
定範囲の上限であると判別できる。

【００５３】下限位置の設定は、レボルバ６を下方向、
すなわち対物レンズ７と試料８とが近付く方向に移動さ
せ、斜面部Ｂの画像が消える位置を探せばよい。測定範
囲の設定が終了すると、この範囲をどのくらいの細か
さ、すなわち分解能で測定するのかを決定する。測定範
囲と分解能、移動回数の関係は以下のようになってい
る。すなわち、測定範囲＝分解能×移動回数例えば、１００［μｍ］の測定範囲を１［μｍ］の分解
能で測定する場合は、レボルバ６をＺ方向に１００回移
動させることになる。

【００５４】以上のようにして、測定に必要なパラメー
タが得られる。実際に測定を開始するためには、図４に
示すようなパラメータを設定するソフトウェアを用意し
ておき、モニタディスプレイ１８に表示される上記図４
に示したような画面に従って上記パラメータの数値入力
を行なう。なお、この数値入力は個々のパラメータの数
値がわかった時点で個別に入力することも可能である。

【００５５】以上のようにパラメータの設定を終了する
と、続いて測定が開始される。すなわち測定の開始時に
は、コンピュータ１７から画像処理ユニット１４、Ｚ移
動回路１５に対して測定開始の命令が出される。Ｚ移動
回路１５は、測定範囲の上限に対物レンズ７が位置する
ようにレボルバ６をＺ方向に移動させる。また画像処理
ユニット１４からは、ＸＹ走査駆動信号の基となる信号
がカウンタ回路３８から出されてＸＹ走査制御ユニット
１６に与えられる。

【００５６】また、カウンタ回路３８からは、上記ＸＹ
走査制御ユニット１６に対するＸＹ走査に関する信号の
他に、ＸＹ走査に同期して輝度信号をデジタル値に変換
するための上述したＡ／Ｄ変換回路３４に対するサンプ
リングクロック、画像メモリ１４ａ，１４ｂへの書込み
タイミング信号、ＸＹの走査が１回終了する毎にＺ移動
回路１５に対するレボルバ６をパラメータで設定された
分解能（基準単位量）で移動させるための信号等がそれ
ぞれ出力される。

【００５７】図５で示すように、測定範囲の上限からゲ
イン値αでＸＹ走査及びＺ方向への移動が行なわれる。
そして、何回かの移動が終了すると、対物レンズ７の合
焦位置が試料８の平面部Ａに一致する。この位置でのＸ
Ｙ走査が終了すると、合焦位置は基準単位量移動して斜
面部Ｂに移動する。

【００５８】対物レンズ７の合焦位置がゲイン値αのま
まで斜面部Ｂに移動すると、得られる輝度信号のレベル
は、前述した図３（ｃ）に示した如く適正範囲外とな
る。この現象がレベル判定回路３１によって検出され
る。

【００５９】すなわち、レベル判定回路３１はコンパレ
ータで構成されており、予め設定された基準信号レベル
より、入力信号、ここでは輝度信号、のレベルが大きい
か否かを判断する回路であり、このコンパレータを２つ
使用して、一方を適正範囲の上限、他方を適正範囲の下
限の検出に使用するものとする。当然のことながら、こ
れら２つのコンパレータに使用する基準信号は上記ＣＰ
Ｕ３０によって自由に設定可能とするものである。

【００６０】このようにして、観察面の状態が変化した
ことはレベル判定回路３１からＣＰＵ３０へ伝えられる
ので、ここでＣＰＵ３０はゲイン値をαからβに変更す
る。そして、斜面部Ｂでは、対物レンズ７の合焦位置が
測定範囲の下限位置に到達するまでゲイン値βで画像の
取込みが行なわれる。

【００６１】その後、対物レンズ７の合焦位置が測定範
囲の下限位置に到達した時点で測定が終了する。前述し
た如くレベル判定回路３１は、輝度信号のレベルが適正
範囲外となることを利用して、観察面の状態が変化した
ことを検出するようになっている。しかしながら、測定
開始直後のＺ軸方向での位置では平面部Ａが対物レンズ
７の合焦位置と離れており、この位置での輝度信号のレ
ベルも適正範囲外となってしまうため、このままではこ
の位置でゲイン値をαからβに変更してしまうこととな
る。

【００６２】このような誤動作を避けるためにレベル判
定回路３１には、一度適正範囲に入った後の輝度信号に
対してレベル判定を開始するという条件を設けておく。
なお、上記実施の形態の動作ではゲイン値を変化させる
場合について説明したが、上記図４で示したように、他
にもオフセット位置、ＮＤフィルタ値、レーザ出力値に
ついても同様の動作を行なう。

【００６３】このうち、オフセット値は、図６（ａ）に
示すように、輝度信号の全体のレベル、すなわち直流成
分が大きく変化し、微小時間内での変化、すなわち交流
成分が小さい場合で、交流成分のみを大きくしたい際な
どに有効である。

【００６４】これは例えば、図６（ａ）で示した状態の
ままゲイン値を大きくすると、直流成分の方が大きいた
めに容易に飽和レベルとなってしまうので、オフセット
値を変化させてこの直流成分を差引いて、その後にゲイ
ン値を大きくするようにすれば、図６（ｂ）に示すよう
に交流成分のみを増幅することができるものである。

【００６５】また、試料８に照射されるレーザ光の光量
が多ければ多い程、光検出器１３に戻る反射光の光量も
増えることとなる。例えば、図２に示した形状の試料８
で、レーザ光の照射光量が多いためにゲイン値が最小で
あるにもかかわらず、斜面部Ｂの輝度信号のレベルが適
正範囲に入ることも考えられる。

【００６６】このような状態では、対物レンズ７の合焦
位置が平面部Ａに来たときは平面部Ａの輝度信号のレベ
ルは飽和状態となっている。しかしながら、ゲイン値は
最小であるので、それ以上小さくすることができなくな
ってしまう。

【００６７】ＮＤフィルタ値及びレーザ出力値のパラメ
ータはこのような状態のときに可変設定するべく使用す
るものとして用意されている。どちらも試料８に照射さ
れるレーザ光の光量を調整する機能を持っており、この
機能により、平面部Ａでの光量を調整して、ゲインが最
小値であっても、輝度信号のレベルを適正範囲内に入れ
ることができるようになるものである。

【００６８】具体的には、レベル出力値は画像処理ユニ
ット１４のＣＰＵ３０がレーザ電源ユニット２６を直接
制御して加減調整する。また一方、ＮＤフィルタ値は、
図７（ａ）に示すような同一円周上にその透過率を連続
的に変化するＮＤフィルタ２７ａや、図７（ｂ）に示す
如くそれぞれ異なった透過率の複数のＮＤフィルタ（図
では「ＮＤ１」〜「ＮＤ５」のように示す）を同一円周
上に配置して構成されているＮＤフィルタ２７ｂを使用
し、これをＣＰＵ３０の制御によりモータ２８で回転さ
せてレーザ光路中に選択的に挿入することで、結果とし
てレーザ光量を変化させるものである。

【００６９】なお、上記実施の形態では、対物レンズ７
と試料８の相対位置を変化させるためのＺ軸方向の移動
をレボルバ６を移動させることで行なったが、これとは
反対に、レボルバ６の位置は固定とし、微動ステージ９
もしくは粗動ステージ１０をＺ軸方向に移動させるもの
としてもよい。

【００７０】さらに、輝度信号のゲイン値、オフセッ
ト、ＮＤフィルタ値及びレーザ出力値の設定はすべて行
なう必要はなく、必要なものだけを設定するようにして
もよく、装置構成もこれに対応して必要なもののみを選
択して構成するようにしてもよい。

【００７１】また、試料８の形状についても、連続的に
観察面の形状が変化していれば対応可能であり、上記図
２で示した形状に限るものではないことは勿論であっ
て、例えば形状の変化により反射率が大きく変化する部
分が２か所以上あるものでも、図４、図５で示した領域
の数をその数に応じて設定することで同様に対応するこ
とができる。

【００７２】

【発明の効果】以上に述べた如く本発明によれば、観察
面の形状が連続的に変化し、且つ観察面の反射率が形状
に依存して大きく異なるような観察試料であっても、形
状が変化する境界部分を確実に検出し、その位置から信
号レベルを適正な値に設定することで常に正確な形状測
定を行なうことが可能な共焦点走査型光学顕微鏡及びこ
の顕微鏡を使用した測定方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態に係る共焦点走査型光学
顕微鏡全体のシステム構成を示す図。

【図２】図１の試料の形状を例示する図。

【図３】同実施の形態に係る輝度信号のレベルの変化を
例示する図。

【図４】同実施の形態に係るパラメータ設定画面を例示
する図。

【図５】同実施の形態に係る合焦動作を説明する図。

【図６】同実施の形態に係る輝度信号のオフセット値に
よる変化を例示する図。

【図７】図１のＮＤフィルタの具体構成を例示する図。

【図８】一般的な共焦点走査型光学顕微鏡の概略構成図
と試料の一例を示した図。

【符号の説明】

１…顕微鏡本体２…レーザ光源３，２３…ミラー４，２１，９２…ハーフミラー５…２次元走査機構６…レボルバ７，９３…対物レンズ８，９４…観察試料９…微動ステージ０…粗動ステージ１１，２０，２２，２４…レンズ１２…ピンホール板１３，９６…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）２６…レーザ電源ユニット２７，２７ａ，２７ｂ…ＮＤフィルタ２８…モータ２９…モータ駆動回路３０…ＣＰＵ３１…レベル判定回路３２…オフセット調整回路３３…ゲイン調整回路３４…Ａ／Ｄ変換回路３６，３７…Ｄ／Ａ変換回路３８…カウンタ回路９１…点状光源９５…ピンホール

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料に対し集束光を照射する対物光学系
と、上記集束光と上記試料とを相対的に二次元方向へ移
動走査する二次元走査手段と、上記対物光学系の焦点位
置と上記試料の位置とを相対的に光軸方向へ移動走査す
る光軸走査手段と、上記集束光の上記試料による反射光
を受光してその受光強度に応じた検出信号を出力する光
検出手段と、この光検出手段から出力された検出信号の
信号レベルを可変する可変利得形レベル可変手段とを備
えた共焦点走査型光学顕微鏡において、上記光検出手段からの検出信号の信号レベルが予め設定
されている適正範囲にあるか否かを判断する判断手段
と、この判断手段により検出信号の信号レベルが予め設定さ
れている適正範囲外であると判断した場合に上記可変利
得形レベル可変手段の利得を可変制御して該信号レベル
が予め設定されている適正範囲内となるように調整する
利得制御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。
【請求項２】試料に対し集束光を照射する対物光学系
と、上記集束光と上記試料とを相対的に二次元方向へ移
動走査する二次元走査手段と、上記対物光学系の焦点位
置と上記試料の位置とを相対的に光軸方向へ移動走査す
る光軸走査手段と、上記集束光の上記試料による反射光
を受光してその受光強度に応じた検出信号を出力する光
検出手段と、この光検出手段から出力された検出信号の
信号レベルを可変する可変利得形レベル可変手段とを備
えた共焦点走査型光学顕微鏡を使用して上記試料の表面
測定を行なうに際し、上記光検出手段からの検出信号の信号レベルが予め設定
されている適正範囲にあるか否かを判断する判断工程
と、この判断工程により検出信号の信号レベルが予め設定さ
れている適正範囲外であると判断した場合に上記可変利
得形レベル可変手段の利得を可変制御して該信号レベル
が予め設定されている適正範囲内となるように調整する
利得制御工程とを有したことを特徴とする共焦点走査型
光学顕微鏡を使用した測定方法。