JP2007286284A - 共焦点走査型顕微鏡システム、及びそれを使用した観察方法 - Google Patents

Abstract

【課題】試料の測定対象面に段差が存在する場合、反射率の異なる部位が存在する場合、または透過面が存在する場合においても、これらの影響を受けずに測定を行うことができる共焦点走査型光学顕微鏡システムを提供する。
【解決手段】共焦点走査型光学顕微鏡システムは、試料の測定対象範囲となる領域を複数に分割した領域である分割領域と、該分割領域に対応して設定される該分割領域についての光軸方向に関する観察範囲である分割領域観察範囲と、を設定し、相対位置変位手段によりその各分割領域観察範囲を試料を変位させて、該分割領域観察範囲内で取得された２次元画像の各画素データから代表となる画素データである代表画素データを取得し、その代表画素データに基づいて、観察画像を構築することにより、上記課題を解決する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、試料表面の高さを観察する装置に関するものであり、特に高さ情報を取得する共焦点走査型顕微鏡装置に関するものである。

共焦点走査型顕微鏡は、光源からの光をスポット状にして試料面を走査するとともに、試料面からの反射光のうち共焦点絞りを通過した光のみを光検出器により電気信号に変換し、試料面の三次元情報を得ることができる。

このような共焦点走査型顕微鏡では、光軸上で焦点の合ったときに検出される光量は最大となり、焦点から外れたところではその光量はほぼゼロになる。したがって、Ｚ軸方向に所定のピッチで試料面を移動させながら、試料面をスポット光で二次元走査することで、試料の高さ情報を得ることができる。

また、近年では、赤外光により試料を透過して内部構造物の高さ情報を得られる赤外共焦点走査型顕微鏡が実用化されてきた。
特許第３７０４３８７号公報 特開平９−６８４１３号公報

ところで、試料面は全体にわたって平坦とは限らず、面によって反射率が異なることが多い。例えば、特許文献１では、領域を設けて反射率に応じた検出器の利得値を設定し、画像を取得することが開示されている。特許文献１では、測定対象面に反射率の異なる部位が存在する場合でも、この反射率の相違の影響を受けずに測定を行う試みがされている。

しかしながら、この技術においては、領域に関わらずそれぞれの取込高さにおいて得られた検出信号が高さ画像構築に使われるため、着目する領域の結果が別の領域のための利得条件の影響を受ける可能性がある。

また、透明膜を観察した場合や赤外光観察の場合に、透過面の上面と下面を区別して画像化することができない。
上記のような事情に鑑み、本発明では、試料の測定対象面に段差が存在する場合、反射率の異なる部位が存在する場合、または透過面が存在する場合においても、これらの影響を受けずに測定を行うことができる共焦点走査型光学顕微鏡システム及びそれを使用した観察方法を提供する。

本発明にかかる共焦点走査型顕微鏡システムは、光を照射する光源と、試料に対して前記光源より照射された照射光を相対的に２次元方向へ走査させる２次元走査手段と、前記走査された照明光を集光させる対物光学系と、前記対物光学系により集光させた照明光を前記試料に照射して反射された反射光を検出し、その検出強度に応じた検出信号を出力する光検出手段と、前記光検出手段から出力された前記検出信号に基づいて、２次元画像を取得する２次元画像取得手段と、前記対物光学系に対する前記試料の位置を相対的に変位させる相対位置変位手段と、前記試料の測定対象範囲を複数の領域に分割して得られる分割領域に対応する光軸方向についての観察範囲である分割領域観察範囲に関する情報が格納された分割領域関連情報格納手段と、前記各分割領域観察範囲において前記相対位置変位手段により前記試料を変位させる場合、該分割領域観察範囲内で取得された前記２次元画像の各画素データから代表となる画素データを取得する代表画素データ取得手段と、前記代表画素データに基づいて、観察画像を構築する観察画像構築手段と、を備えることを特徴とする。

前記共焦点走査型顕微鏡システムにおいて、前記代表画素データ取得手段は、前記分割領域観察範囲内で取得された前記２次元画像の各画素データのうち、最大の輝度を有する画素データを前記代表画素データとして取得することを特徴とする。

前記共焦点走査型顕微鏡システムにおいて、前記各分割領域観察範囲において前記相対位置変位手段により前記試料を離散的に変位させた場合、前記代表画素データ取得手段は、前記分割領域観察範囲内で取得された複数の前記２次元画像の各画素データについて、最大の輝度値を有する画素データを含む画素データに基づいて輝度値の変化曲線を算出し、該変化曲線の最大値を前記代表画素データとして取得することを特徴とする。

前記共焦点走査型顕微鏡システムは、さらに、前記それぞれの分割領域に応じて、前記光検出手段の検出感度を制御する光検出制御手段と、を備えることを特徴とする。
前記分割領域関連情報格納手段には、さらに、前記分割領域毎に前記光検出手段の検出レベルが格納され、前記光検出制御手段は、前記分割領域関連情報格納手段から前記分割領域毎の検出レベルを取得して、前記光検出手段の検出感度を制御することを特徴とする。

前記共焦点走査型顕微鏡システムにおいて、前記光源と、前記対物光学系と、前記光検出手段はそれぞれ、赤外光源、赤外光学系、赤外光検出装置であることを特徴とする。
前記代表画素データには、少なくとも、輝度値と、前記光軸方向についての位置情報とが含まれることを特徴とする。

本発明にかかる表示装置に観察画像が表示される共焦点走査型顕微鏡システムの観察方法は、前記表示装置に表示された試料の測定対象範囲を複数の領域に分割し、光軸方向における前記分割した各領域についての測定範囲を設定し、前記試料と共焦点走査型顕微鏡の対物光学系との相対位置を前記光軸方向に変化させて、前記試料対物光学系により集束させた照明光を２次元方向に走査して前記試料に照射して反射された反射光を検出してその検出強度に応じた検出信号を取得し、前記設定した測定範囲内で取得した検出信号に基づく各画素の輝度情報のうち代表となる輝度情報を有する代表画素データを取得し、前記代表画素データに基づいて、観察画像を構築することを特徴とする。

本発明を用いることにより、試料の測定対象面に段差が存在する場合、反射率の異なる部位が存在する場合、または透過面が存在する場合においても、これらの影響を受けずに測定を行うことができる。

本発明の実施形態にかかる共焦点走査型顕微鏡システムは、光源と、２次元走査手段と、対物光学系と、光検出手段と、２次元画像取得手段と、相対位置変位手段と、分割領域関連情報格納手段と、代表画素データ取得手段と、観察画像構築手段と、を備える。

光源（例えば、光源１に対応する）は、光を照射するものである。２次元走査手段（例えば、２次元走査機構３に対応する）は、前記試料に対して前記光源より照射された照射光を相対的に２次元方向へ走査させる。対物光学系（例えば、対物レンズ７に対応する）は、２次元走査手段により走査された照明光を集光させる。

光検出手段（例えば、光検出器１１に対応する）は、対物光学系により集光させた照明光を試料に照射して反射された反射光を検出してその検出強度に応じた検出信号を出力する。

２次元画像取得手段（例えば、コンピュータ１２に対応する）は、光検出手段から出力された検出信号に基づいて、２次元画像を取得する。相対位置変位手段（例えば、Ｚレボルバ６に対応する）は、対物光学系に対する試料の位置を相対的に変位させる。

分割領域関連情報格納手段（例えば、領域高さ範囲設定テーブル３０に対応する）には、前記試料の測定対象範囲となる領域を複数に分割した領域である分割領域と、該分割領域に対応して設定される該分割領域についての光軸方向に関する観察範囲である分割領域観察範囲と、に関する情報が格納されている。

代表画素データ取得手段（例えば、コンピュータ１２に対応する）は、試料の測定対象範囲を相対位置変位手段により試料を変位させる場合、その相対位置がそれぞれの分割領域観察範囲内に入ったら、その分割領域観察範囲内で取得された複数の２次元画像の各画素データ（同一の２次元座標により示される複数の画素データ）から、代表となる画素データ（代表画素データ）を取得する。

観察画像構築手段（例えば、コンピュータ１２に対応する）は、代表画素データに基づいて、観察画像を構築する。
このように構成することにより、試料の測定対象面に段差が存在したり、反射率の異なる部位が存在したり、または透過面が存在したりしても、光軸方向について任意に設定した各範囲内での各画素の代表値を得ることができるので、ノイズ成分が除去された観察画像を取得することができる。

なお、代表画素データは、様々な方法により得ることができる。例えば、代表画素データ取得手段は、それぞれの分割領域観察範囲内で取得された複数の２次元画像の各画素データのうち、最大の画素値を有する画素データを代表画素データとして取得することができる。

このように構成することにより、光軸方向について任意に設定した各範囲内での各画素の最大輝度を有する画素データを得ることができる。
また、代表画素データ取得手段は、分割領域観察範囲内で取得された複数の２次元画像の各画素データについて、最大の輝度値を有する画素データを含む画素データに基づいて輝度値の変化曲線を算出し、該変化曲線の最大値を前記代表画素データとして取得することができる。

このように構成することにより、光軸方向への移動ステップの間隔を大きくすることができるので、測定に要する時間を短縮することができる。
共焦点走査型顕微鏡システムは、さらに、前記それぞれの分割領域に応じて、光検出手段の検出感度を制御する光検出制御手段（例えば、コンピュータ１２に対応する）と、を備える。

このように構成することにより、各分割領域に応じて、光検出手段のゲインを調整することができる。
分割領域関連情報格納手段には、さらに、分割領域毎に光検出手段の検出レベルが格納され、光検出制御手段は、分割領域関連情報格納手段から分割領域毎の検出レベルを取得して、光検出手段の検出感度を制御することができる。

このように構成することにより、各分割領域に応じて、光検出手段のゲインを設定することができる。
なお、この共焦点走査型顕微鏡システムは、光源と、対物光学系と、光検出手段にそれぞれ、赤外光源、赤外光学系、赤外光検出装置を用いてもよい。

このように構成することにより、試料として例えばシリコン基板を用いた場合に、そのシリコン基板の表面領域と内部透過により得られた面領域とを得ることができる。
また、前記代表画素データには、少なくとも、輝度値と、光軸方向についての位置情報とが含まれる。

このように構成することにより、代表画素データ間の差分を取得することにより代表画素データ間の相対距離を得ることができるので、前記試料の段差を容易に得ることができる。

＜第１の実施形態＞
本実施形態では、試料の測定対象面に段差が存在する場合、各段差に対応した観察領域及びその観察領域に対応するＺ方向の範囲を設定し、レボルバを変位させて２次元画像を取得し、その設定範囲での各画素の輝度値のうち最も高い画素値を取得する顕微鏡システムについて説明する。

図１は、本実施形態における走査型共焦点顕微鏡システムの構成を示す。図１において、走査型共焦点顕微鏡システムは、概して、走査型共焦点顕微鏡と、コンピュータ（以下、ＰＣと称する）１２、モニタ１５から構成される。

この走査型共焦点顕微鏡では、光源１から出射した光が、ビームスプリッター２を透過した後、２次元走査機構３に入射する。
２次元走査機構３は、第１の光スキャナ３ａと第２の光スキャナ３ｂとからなる。２次元走査機構３では第１の光スキャナ３ａと第２の光スキャナ３ｂにより、光源１からの光束を２次元に走査し、その光束を対物レンズ７へと導く。

対物レンズ７へ入射した光束は、集束光となって試料８の表面上を走査する。試料８の表面で反射した光は、再び対物レンズ７から２次元走査機構３を介してビームスプリッター２に導入される。そして、ビームスプリッター２によって反射された光は、結像レンズ９によってピンホール１０上に集光される。

ピンホール１０では、試料８の集光点からの光のみ通過し、試料８の集光点以外からの反射光がカットされる。ピンホール１０を通過する光は、光検出器１１によって検出される。

Ｚレボルバ６は、複数の対物レンズ７を保有しており、所望の倍率の対物レンズ７を２次元走査の光路中に挿入することができる。また、Ｚレボルバ６は、Ｚ軸方向に移動可能であるので、対物レンズ７の集光位置と試料８の相対位置とを変化させることができる。

試料８は、試料台１３上に載置されており、ステージ１４によってＸＹ（光軸に対して垂直方向）方向に移動可能となっている。
ＰＣ１２は、２次元走査機構３、Ｚレボルバ６、及び光検出器１１等の走査型共焦点顕微鏡の構成要素と接続されている。これらの構成要素は、ＰＣ１２に記憶された顕微鏡制御プログラムによって制御されている。したがって、使用者は、モニタ１５に表示される所定の画面を通じて、走査型共焦点顕微鏡を構成する各部を操作することができる。

ここで、対物レンズ７による集光位置は、ピンホール１０と共役な位置にある。例えば、試料８が対物レンズ７による集光位置にある場合は、試料８からの反射光がピンホール１０上で集光してピンホールを通過する。試料８が対物レンズ7による集光位置からずれた位置にある場合は、試料８からの反射光はピンホールを通過しない。

図２は、対物レンズ７と試料８間のＺ方向についての相対位置（Ｚ）と、光検出器１１の検出信号レベル（Ｉ）の関係（Ｉ−Ｚカーブ）を示す。試料８が対物レンズ７の集光位
置Ｚ_cにある場合、光検出器１１から出力される検出信号レベルは最大となり、この位置から対物レンズ７と試料８の相対位置が離れるに従い、光検出器１１の検出信号レベルは急激に低下する。

この特性により、２次元走査機構３によって集光点を２次元走査し、光検出器１１の出力を２次元走査機構３に同期して画像化すれば、試料８のある特定の高さのみが画像化され、試料８を光学的にスライスした画像（共焦点画像）が得られる。そして、上記画像は、モニタ１５に上記操作画面と合わせて表示される。

次に、本実施形態を適用した試料情報測定方法について説明する。
図３は、本実施形態を説明するために観察に用いる試料８の一例を示す。同図では、上面Ａ、下面Ｂの段差がある試料を示す。以下では、この試料８を観察対象として説明する。

図４は、本実施形態における走査型共焦点顕微鏡により撮像された２次元画像を示す。同図は、走査型共焦点顕微鏡により図３の試料８を上面側（Ｚ軸方向）から撮像して、モニタ１５に表示された２次元画像２０である。なお、２次元画像は、走査型共焦点顕微鏡の撮像部（図示しないＣＣＤ等）より撮像されたものでもよい。

モニタ１５に２次元画像２０が表示されると、操作者は、ＰＣ１２の入力デバイス（図示しないマウス等）を用いて、領域設定枠２３の位置および大きさを任意に設定することができる。ここでは、図３の上面Ａの輪郭に合わせて領域設定枠２３を設定している。

本実施形態では、この領域設定枠２３で設定された領域内を第１領域２１とし、領域設定枠２３の範囲外の領域を第２領域２２とする。なお、領域設定は、矩形、楕円を含む円形、任意の曲線で囲まれる図形を複数設定することが可能である。

図５は、本実施形態における領域高さ範囲設定テーブルを示す。領域高さ範囲設定テーブル３０は、領域毎の取込高さ範囲を設定して記憶させる領域高さ範囲設定テーブルである。領域高さ範囲設定テーブル３０には、図４で設定した各領域のＺ位置の下限と上限とを設定することができる。領域高さ範囲設定テーブル３０は、コンピュータ１２の記憶装置（不図示）に格納されている。

図６は、本実施形態における試料面高さと領域毎の取込有効範囲の例を示す。同図は、図３の試料８を側面方向から観察した場合を示している。縦軸は、対物レンズ７と試料８間のＺ方向についての相対位置を示す。

図６では、取込開始位置４０から取込終了位置４１の範囲が走査対象範囲である。このうち、実際に画像の取り込みが行われる範囲は、第１領域２１のデータ有効範囲４２と、第２領域２２のデータ有効範囲４３で示す部分である。

図７は、本実施形態におけるＺ位置を領域高さ範囲設定テーブル３０に設定する処理フローを示す。本フローは、ＰＣ１２で実行されるものである。ここでは、図４に示した領域の設定は予めされているものとする。

操作者は、まず、モニタ１５により試料８を共焦点画像で観察する（ステップ１。以下、ステップを「Ｓ」と称する）。
次に、操作者は、下面Ｂが見えなくなるまで、Ｚレボルバ６を下げて、取込開始位置を決定する（Ｓ２）。ここでは、操作者は、ＰＣ１２によりＺレボルバ６を制御して、モニタ１５を参照しながら、Ｚレボルバ６を下面Ｂが見えなくなる位置まで下げる。その後、操作者が例えばＰＣ１２の操作画面上で所定ボタンを押すと、Ｚレボルバ６の停止位置が取込開始位置４０として決定される。その時のＺ位置情報がＰＣ１２に読み込まれて、領域高さ範囲設定テーブル３０に記憶される。

次に、操作者は、上面Ａが見えなくなるところまで、Ｚレボルバ６を上げて、取込終了位置を決定する（Ｓ３）。ここでは、操作者は、ＰＣ１２によりＺレボルバ６を制御して、モニタ１５を参照しながら、Ｚレボルバ６を上面Ａが見えなくなる位置まで上げる。その後、操作者が例えばＰＣの操作画面上で所定ボタンを押すと、そのＺレボルバ６の停止位置が取込終了位置４１として決定される。その時のＺ位置情報がＰＣ１２に読み込まれて、領域高さ範囲設定テーブル３０に記憶される。

次に、操作者は、ＰＣ１２によりＺレボルバ６を制御して、Ｚレボルバ６を再び下げて、第１領域２１に指定した上面Ａが見えなくなる上限及び下限のＺ位置（図６で言えば、第１領域２１のデータ有効範囲４２の上限及び下限）をそれぞれ登録する（Ｓ４）。ここでは、観察している状態で、例えば、図５に示すようなテーブルのイメージがモニタ１５に表示されて、その画面内の各領域の下限及び上限のＺ位置を示すところがボタン状になっていて、それぞれのボタンを押すことでＰＣ１２内の領域高さ範囲設定テーブル３０に登録されて、モニタ１５のＺ位置情報が表示されるようにしてもよい。

さらに、操作者は、ＰＣ１２によりＺレボルバ６を制御して、Ｚレボルバ６を下げていき、下面Ｂが見えなくなる上限及び下限のＺ位置（図６で言えば、第２領域２２のデータ有効範囲４３の上限及び下限）をそれぞれ上記同様に登録する（Ｓ５）。ここでの処理はＳ４と同様である。

なお、図６の例では、取込開始位置４０と第１領域２１のデータ有効範囲４３の下限、取込終了位置４１と第２領域２２のデータ有効範囲４３の上限は同じ位置としているが、これに限定されない。例えば、取込開始位置４０と第１領域２１のデータ有効範囲４３の下限、取込終了位置４１と第２領域２２のデータ有効範囲４３の上限が異なっていてもよい。

また、図６の例では設定する領域は２つであるが、これに限定されない。例えば、それ以上の領域を設定してもよい。この場合には領域の上限及び下限の登録を更に繰り返す必要がある。なお、図７の手順は一例であり、Ｓ２からＳ５は手順が入れ替わっても良い。

次に、走査範囲の中から例として、図４に示す第１領域２１内の画素（ｘ₁，ｙ₁）に対する作用を、図８を用いて説明する。
図８は、本実施形態における観察画像を構築するフローを示す。本フローは、ＰＣ１２の記憶装置に格納されている本実施形態にかかるプログラムが、ＰＣ１２の制御装置に読み出されて実行される処理である。以下のフローでは、Ｚ位置に関するカウンタ変数をｉ（初期値：ｉ＝０）、画像内の領域を特定するためのカウンタ変数をｎ（初期値：ｎ＝１）、座標（ｘ，ｙ，ｚ）における輝度値をＩ（ｘ，ｙ，ｚ）、最大の輝度値をＩ_max（初期値：Ｉ_max＝０）で表す。

まず、Ｚレボルバ６をＺ_i位置に移動させる（Ｓ１１）。当該処理は初回の場合（ｉ＝０）、ＰＣ１２より取込開始の指示がされて、Ｚレボルバ６は、取込開始位置Ｚ₀に移動する。そして、そのＺ位置での２次元画像が取得される（Ｓ１２）。

次に、その取得した２次元画像において、現在着目している画素（ｘ，ｙ）がどの領域に含まれるかが判定される（Ｓ１３、Ｓ１４）。例えば、図４の場合では、画素（ｘ₁，ｙ₁）は第２領域２２に含まれると判定される。

次に、領域高さ範囲設定テーブル３０からＳ１３で判定された領域に対応する取込高さ範囲Ｒが読み出される。上記の場合、図５の領域高さ範囲設定テーブル３０より「第２領域 下限：１０００、上限：２４００」が取込高さ範囲Ｒとして取得される。

次に、Ｚレボルバ６の位置Ｚ_iがＳ１３で判定された領域の取込高さ範囲Ｒの範囲内であるか否かが判定される（Ｓ１６）。上記の場合、Ｚレボルバ６の位置Ｚ_iが第２領域２２に対応する取込高さ範囲Ｒ内（下限：１０００〜上限：２４００）かどうかが判定される（Ｓ１６）。Ｚレボルバ６の位置Ｚ_iが取込高さ範囲Ｒ外であれば（Ｓ１６で「Ｎｏ」へ進む）、Ｓ１８へ進む。

Ｚレボルバ６の位置Ｚ_iが取込高さ範囲Ｒ内であれば（Ｓ１６で「Ｙｅｓ」へ進む）、画素（ｘ，ｙ）の輝度値Ｉ（ｘ，ｙ，ｚ）が最大の輝度値Ｉ_maxと比較される（Ｓ１７）。上記の場合、画素（ｘ₁，ｙ₁）の輝度値Ｉ（ｘ₁，ｙ₁，ｚ₀）が最大値Ｉ_maxと比較される（Ｓ１７）。

次に、画素（ｘ，ｙ）の輝度値Ｉが最大値Ｉ_maxよりも大きければ（Ｓ１７で「Ｙｅｓ」へ進む）、その輝度値を最大値Ｉ_maxに格納する。同時に、そのときの高さ情報Ｚ_iがＺ_pとして記憶される（Ｓ１８）。

Ｓ１７の判定で、画素（ｘ，ｙ）の輝度データが最大値Ｉ_max以下であれば（Ｓ１７で「Ｎｏ」へ進む）、Ｓ１９へ進む。
次に、カウンタ変数ｉをインクリメントして、予め決められた移動量分Ｚレボルバが移動するようにＺ位置が計算される（Ｓ１９）。取込終了位置４２を越えるまで、Ｓ１１に戻って同じ処理を繰り返す（Ｓ２０）。

なお、図８のＳ１３からＳ１８は、説明の便宜上、特定の画素に対する作用を例として示したが、実際には２次元走査範囲の全画素に対して同じ処理が施される。このようにして得られた画素データに基づいて、観察画像を構築することができる。

このようにして２次元画像の取込を行った場合、取込高さ範囲Ｒにおける各領域の各画素の最大輝度値を取得することができる。すなわち、この最大輝度値と、この最大輝度値を有する画素の座標（ｘ，ｙ，ｚ）を代表画素データとして取得する。上記の場合では、画素（ｘ１，ｙ１）に対する輝度データは、第２領域２２のデータ有効範囲内のＺ位置で取得された輝度データのうち最大の輝度データのみを有効な情報として取得される。

なお、本実施形態では、各領域のデータ有効範囲内のＺ位置で取得された輝度データのうち最大の輝度データを取得したが、これに限定されない。例えば、特許文献２に示す方法を適用して、Ｚレボルバ６をＺ方向に離散的に変化させ、各相対位置での試料からの光強度をそれぞれ検出し、最大の光強度検出値を含む複数の光強度検出値に基づいて当該光強度が示す変化曲線上の最大値を与える前記相対位値を推定し、その推定した相対位値に対応する輝度値を算出して代表画素データとしてもよい。

また、例えば、特許文献２に示す方法を適用して、Ｚレボルバ６をＺ方向に離散的に変化させ、各相対位置での試料からの光強度をそれぞれ検出し、これら光強度検出値の中から最大の光強度検出値及び最小の光強度検出値を抽出し、この２つの光強度検出値の平均値を挟む前後２点の光強度検出値による直線近似にて当該光強度が示す変化曲線上で平均値を与える２つのＺ位置を求め、その２つのＺ位置の中点を前記変化曲線上の最大値を与える前記相対位値と推定し、その推定した相対位置に対応する輝度値を算出して代表画素データとしてもよい。

本実施形態によれば、Ｚ方向についてユーザが任意に設定した各観察範囲で各画素の代表値を得ることができる。これにより、着目する表面高さ近傍以外の情報を無視して高さ情報を取得するため、ノイズの影響を受けにくい高さ画像を取得することができる。

＜第２の実施形態＞
本実施形態では、反射率の異なる部位が存在する場合または透過面が存在する場合、各部位または面に対応した領域のＺ方向について任意に範囲を設定し、そのＺ方向の範囲でレボルバを変位させて撮像した画像の各画素の輝度値のうち最も高い画素値を取得する顕微鏡システムについて説明する。なお、本実施形態については、第１の実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図９は、本実施形態における走査型共焦点顕微鏡により撮像された２次元画像を示す。同図は、モニタ１５に表示される２次元画像５０である。操作者は、モニタ１５を参照しながら、図４と同様に、２次元画像５０を左右２分割して第１領域５１、第２領域５２を設定する。後述するが、第２領域５２（下側の膜面）の反射率は、第１領域５１（上側の膜面）の反射率に比べて低いとする。

図１０は、本実施形態における試料である透明膜のＩ−Ｚカーブ及び試料面高さと領域毎の取込有効範囲を示す。Ｉ−Ｚカーブに示すように、下側の膜面の反射率は、上側の膜面の反射率に比べて低い。

領域の設定は、上述の通り、第１の実施形態と同様に行われる。図９で説明したように、２次元画像５０が左右２分割にされて、第１領域５１（膜上面側）、第２領域５２（膜下面側）が設定される。

さらに、第１の実施形態と同様に、第１領域５１のデータ有効範囲６２と第２領域５２のデータ有効範囲６３を決定する。
図１１は、本実施形態における領域高さ範囲設定テーブルを示す。領域高さ範囲設定テーブル７０は、図５の領域高さ範囲設定テーブル３０にデータ項目「ゲイン」を追加したものである。データ項目「ゲイン」には、それぞれの領域に対応して調整される光検出器１１のゲインを格納することができる。なお、ここでは、ゲインを取り上げているが、ゲイン以外の撮像に関する設定項目でもよい。領域高さ範囲設定テーブル７０は、コンピュータ１２の記憶装置に格納されている。

図１２は、本実施形態における観察画像を構築するフローを示す。本フローは、ＰＣ１２の記憶装置に格納されている本実施形態にかかるプログラムが、ＰＣ１２の制御装置に読み出されて実行される処理である。以下のフローでは、Ｚ位置に関するカウンタ変数をｉ（初期値：ｉ＝０）、画像内の領域を特定するためのカウンタ変数をｎ（初期値：ｎ＝１）、座標（ｘ，ｙ，ｚ）における輝度値をＩ（ｘ，ｙ，ｚ）、最大の輝度値をＩ_max（初期値：Ｉ_max＝０）で表す。

まず、Ｚレボルバ６をＺ_i位置に移動させる（Ｓ２１）。当該処理は初回の場合（ｉ＝０）、ＰＣ１２より取込開始の指示がされて、Ｚレボルバ６は、取込開始位置Ｚ₀に移動する。そして、そのＺ位置での２次元画像が取得される（Ｓ２２）。

次に、そのＺ位置Ｚ_iがどの領域の高さ取込範囲Ｒに含まれるかが判定される（Ｓ２２、Ｓ２３）。ここでは、領域高さ範囲設定テーブル７０の各領域の上下限と現在のＺ位置Ｚ_iとを比較して、そのＺ_i位置がどの領域に対応する高さ取込範囲Ｒの上下限内に入っているか判定される。これにより、現在のＺ位置Ｚ_iがどの領域に属するかが特定される。

次に、Ｓ２２で判定された領域に対応するゲインを領域高さ範囲設定テーブル７０から取得し、そのゲインを光検出器１１に設定する（Ｓ２４）。その設定されたゲインで２次元画像が取得される（Ｓ２５）。

その後は、第１の実施形態で前述した図８のＳ１３〜Ｓ１８と同じ処理が実行される（Ｓ２６）。
次に、カウンタ変数ｉをインクリメントして、予め決められた移動量分Ｚレボルバが移動するようにＺ位置が計算される（Ｓ２７）。

取込終了位置Ｚを越えるまで、Ｓ１１に戻って同じ処理を繰り返す（Ｓ２８）。なお、本フローでは、説明の便宜上、特定の画素に対する作用を例として示したが、実際には２次元走査範囲の全画素に対して同じ処理が施される。このようにして得られた画素データに基づいて、観察画像を構築することができる。

このようにして取得される画像は、図１０に示すように反射率の低い膜下面を含む第２領域５２のデータ有効範囲では、反射率の高い膜上面を含む第１領域５１のデータ有効範囲よりも高いゲインで取得されるので、十分な光量を持った信号でノイズが少ないという効果を得ることができる。

なお、図９に示す第１領域５１では、図１０に示す第１領域５１のデータ有効範囲内の輝度データから最高輝度が抽出されるため、膜上面のみが画像化される。図９に示す第２領域５２では、図１０に示す第２領域５２のデータ有効範囲内の輝度データから最高輝度が抽出されるため、膜下面のみが画像化される。

これによって、１枚の画像中に膜の上面と下面を同時に観察表示可能な画像を１回の取込動作で得ることができる。また、従来はＩＺプロファイル上で行っていた膜の厚さ測定（Ｉ−Ｚカーブのピーク値の間隔より膜厚を取得することができる）を、上述のように取得した画像上で測定することも可能である。すなわち、図１２のフローより、各画素の最大の輝度値を取得するとともに、そのときのＺ位置情報も取得している。つまり、図１２のフロー後に参照される画像の各画素は輝度値と３次元座標情報を有しているから、画像内の任意の２点間のＺ方向の相対距離を容易に算出できる。

（変形例）
以下では、第２の実施形態の変形例について説明する。ここでの変形例は、走査型共焦点顕微鏡に代えて、赤外レーザ顕微鏡を用いて観察を行う場合について説明する。

図１３は、本実施形態の変形例における赤外レーザ顕微鏡により撮像された２次元画像を示す。例えば、試料として透明膜の代わりにシリコン基板等を赤外レーザ顕微鏡により観察する場合、図１２の処理を実行すると、２次元画像８０が得られる。２次元画像８０は、試料の表面像８１から注目する領域８２のみをくり貫いて見たような視覚的に効果のある画像を得ることができる。領域８２には、この例では透過されてシリコン基板の裏面の配線パターン像が現れている。

なお、表面と内部透過により得られた面との間に段差があっても、第１の実施形態と同様に１回の画像取得で、表面領域と内部透過により得られた面領域とを得ることができる。

また、一定のサンプルを繰り返し観察するような場合、撮像後に領域毎にノイズ除去や特徴抽出等異なる画像処理を実行することにより、良品判定のための良好な画像が得やすくなる。

また、各領域の中心等でオートフォーカスをかけて合焦高さから上下一定の高さ範囲を有効範囲に設定させることで、操作者の設定負担を軽くすることができる。
本発明によれば、試料の測定対象面に段差が存在する場合、反射率の異なる部位が存在する場合、透過面が存在する場合においても、これらの影響を受けずに測定を行うことができる。

なお、本発明は、以上に述べた実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の構成または形態を取ることができる。

第１の実施形態における走査型共焦点顕微鏡システムの構成を示す。 対物レンズ７と試料８間の相対位置（Ｚ）と、光検出器１１の検出信号レベル（Ｉ）の関係（Ｉ−Ｚカーブ）を示す。 第１の実施形態を説明するために観察に用いる試料８の一例を示す。 第１の実施形態における走査型共焦点顕微鏡により撮像された２次元画像を示す。 第１の実施形態における領域高さ範囲設定テーブルを示す。 第１の実施形態における試料面高さと領域毎の取込有効範囲の例を示す。 第１の実施形態におけるＺ位置を領域高さ範囲設定テーブル３０に設定する処理フローを示す。 第１の実施形態における観察画像を構築するフローを示す。 第２の実施形態における走査型共焦点顕微鏡により撮像された２次元画像を示す。 第２の実施形態における試料である透明膜のＩ−Ｚカーブ及び試料面高さと領域毎の取込有効範囲を示す。 第２の実施形態における領域高さ範囲設定テーブルを示す。 第２の実施形態における観察画像を構築するフローを示す。 第２の実施形態の変形例における赤外レーザ顕微鏡により撮像された２次元画像を示す。

符号の説明

１ 光源
２ ビームスプリッター
３ ２次元走査機構
３ａ 第１の光スキャナ
３ｂ 第２の光スキャナ
６ レボルバ
７ 対物レンズ
８ 試料
９ 結像レンズ
１０ ピンホール
１１ 光検出器
１２ ＰＣ
１３ 試料台
１４ ステージ
１５ モニタ

Claims (8)

1. 光を照射する光源と、
   試料に対して前記光源より照射された照射光を相対的に２次元方向へ走査させる２次元走査手段と、
   前記走査された照明光を集光させる対物光学系と、
   前記対物光学系により集光させた照明光を前記試料に照射して反射された反射光を検出し、その検出強度に応じた検出信号を出力する光検出手段と、
   前記光検出手段から出力された前記検出信号に基づいて、２次元画像を取得する２次元画像取得手段と、
   前記対物光学系に対する前記試料の位置を相対的に変位させる相対位置変位手段と、
   前記試料の測定対象範囲を複数の領域に分割して得られる分割領域に対応する光軸方向についての観察範囲である分割領域観察範囲に関する情報が格納された分割領域関連情報格納手段と、
   前記各分割領域観察範囲において前記相対位置変位手段により前記試料を変位させる場合、該分割領域観察範囲内で取得された前記２次元画像の各画素データから代表となる画素データを取得する代表画素データ取得手段と、
   前記代表画素データに基づいて、観察画像を構築する観察画像構築手段と、
   を備えることを特徴とする共焦点走査型顕微鏡システム。
2. 前記代表画素データ取得手段は、前記分割領域観察範囲内で取得された前記２次元画像の各画素データのうち、最大の輝度を有する画素データを前記代表画素データとして取得する
   ことを特徴とする請求項１に記載の共焦点走査型顕微鏡システム。
3. 前記各分割領域観察範囲において前記相対位置変位手段により前記試料を離散的に変位させた場合、前記代表画素データ取得手段は、前記分割領域観察範囲内で取得された複数の前記２次元画像の各画素データについて、最大の輝度値を有する画素データを含む画素データに基づいて輝度値の変化曲線を算出し、該変化曲線の最大値を前記代表画素データとして取得する
   ことを特徴とする請求項１に記載の共焦点走査型顕微鏡システム。
4. 前記共焦点走査型顕微鏡システムは、さらに、
   前記それぞれの分割領域に応じて、前記光検出手段の検出感度を制御する光検出制御手段と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の共焦点走査型顕微鏡システム。
5. 前記分割領域関連情報格納手段には、さらに、前記分割領域毎に前記光検出手段の検出レベルが格納され、
   前記光検出制御手段は、前記分割領域関連情報格納手段から前記分割領域毎の検出レベルを取得して、前記光検出手段の検出感度を制御する
   ことを特徴とする請求項４に記載の共焦点走査型顕微鏡システム。
6. 前記光源と、前記対物光学系と、前記光検出手段はそれぞれ、赤外光源、赤外光学系、赤外光検出装置である
   ことを特徴とする請求項1記載の共焦点走査型顕微鏡システム。
7. 前記代表画素データには、少なくとも、輝度値と、前記光軸方向についての位置情報とが含まれる
   ことを特徴とする請求項１に記載の共焦点走査型顕微鏡システム。
8. 表示装置に観察画像が表示される共焦点走査型顕微鏡システムの観察方法であって、
   前記表示装置に表示された試料の測定対象範囲を複数の領域に分割し、
   光軸方向における前記分割した各領域についての測定範囲を設定し、
   前記試料と共焦点走査型顕微鏡の対物光学系との相対位置を前記光軸方向に変化させて、前記試料対物光学系により集束させた照明光を２次元方向に走査して前記試料に照射して反射された反射光を検出してその検出強度に応じた検出信号を取得し、
   前記設定した測定範囲内で取得した検出信号に基づく各画素の輝度情報のうち代表となる輝度情報を有する代表画素データを取得し、
   前記代表画素データに基づいて、観察画像を構築する
   ことを特徴とする観察方法。