特許 5847282 共焦点顕微鏡システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5847282

(24)【登録日】2015年12月4日

(45)【発行日】2016年1月20日

(54)【発明の名称】共焦点顕微鏡システム

(51)【国際特許分類】

   G02B 21/06 20060101AFI20151224BHJP

   G02B 21/36 20060101ALI20151224BHJP

   H04N 5/225 20060101ALI20151224BHJP

   H04N 5/238 20060101ALI20151224BHJP

   H04N 5/235 20060101ALI20151224BHJP

   H04N 5/232 20060101ALI20151224BHJP

【ＦＩ】

   G02B21/06

   G02B21/36

   H04N5/225 C

   H04N5/238 Z

   H04N5/235

   H04N5/232 Z

   H04N5/232 A

【請求項の数】10

【全頁数】31

(21)【出願番号】特願2014-243006(P2014-243006)

(22)【出願日】2014年12月1日

(62)【分割の表示】特願2011-12032(P2011-12032)の分割

【原出願日】2011年1月24日

(65)【公開番号】特開2015-52805(P2015-52805A)

(43)【公開日】2015年3月19日

【審査請求日】2014年12月3日

(73)【特許権者】

【識別番号】000129253

【氏名又は名称】株式会社キーエンス

(74)【代理人】

【識別番号】100098305

【弁理士】

【氏名又は名称】福島 祥人

(72)【発明者】

【氏名】岡本 陽一

(72)【発明者】

【氏名】苅部 卓哉

【審査官】 井亀 諭

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−２５８４３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０４７４６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−０４１１２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−１９５５３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−０６１７２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０９２８５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１７０５７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０５８４１８９４（ＵＳ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００５／０１３３６９２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００８／０２９７５９７（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ １９／００ − ２１／００

Ｇ０２Ｂ ２１／０６ − ２１／３６

Ｈ０４Ｎ ５／２２２− ５／２５７

Ｇ０１Ｂ １１／００ − １１／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

観察対象物にレーザ光を出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射されたレーザ光を二次元走査する走査光学系と、
前記走査光学系にて走査されたレーザ光を観察対象物に集光する対物レンズと、
観察対象物からのレーザ光の反射光を受光する受光素子と、
前記受光素子の出力信号に基づいて、複数の画素に対応する画素データを出力する画素データ出力部と、
前記レーザ光源および前記受光素子の少なくとも１つを制御することにより、画素データの値を調整するための感度パラメータを設定する感度設定部と、
前記対物レンズの光軸方向に沿って前記対物レンズと観察対象物との間の相対的な距離を変化させながら前記画素データ出力部から出力される画素データに基づいて、画素ごとに前記対物レンズの光軸方向における受光強度分布のピーク強度を示す超深度画像データを生成する画像データ生成部と、を備える共焦点顕微鏡システムであって、
前記画像データ生成部は、
前記超深度画像データの取得開始指令を契機として、前記感度設定部により前記感度パラメータが第１の感度値に設定された状態で、前記対物レンズと観察対象物との間の相対的な距離を変化させて前記超深度画像データを第１の超深度画像データとして生成する第１の機能と、
前記第１の機能により生成された第１の超深度画像データの各画素が示すピーク強度に関して予め定められた条件を満足するか否かを判定し、判定結果に基づき前記感度設定部により前記感度パラメータを前記第１の感度値よりも大きい第２の感度値に変更する第２の機能と、
前記感度設定部により前記感度パラメータが前記第２の感度値に設定された状態で、前記対物レンズと観察対象物との間の相対的な距離を変化させて前記超深度画像データを第２の超深度画像データとして生成する第３の機能と、を有し、
前記第２の機能による判定結果に基づいて、前記第１の超深度画像データから観察対象物の表面の状態を示す表面画像データを生成しまたは前記第１の超深度画像データと前記第２の超深度画像データとの合成データから観察対象物の表面の状態を示す表面画像データを生成することを特徴とする共焦点顕微鏡システム。

【請求項2】

前記対物レンズを光軸方向に移動させるレンズ駆動部をさらに備え、
前記画像データ生成部は、前記第１の機能および前記第３の機能の両方において、前記レンズ駆動部を制御することにより、前記対物レンズと観察対象物との間の相対的な距離を変化させることを特徴とする請求項１記載の共焦点顕微鏡システム。

【請求項3】

前記画像データ生成部は、前記第２の機能において、所定値以下のピーク強度を有する画素に関する判定値を生成し、生成した判定値と予め定められたしきい値とを比較して判定を行うことを特徴とする請求項１または２記載の共焦点顕微鏡システム。

【請求項4】

前記画像データ生成部は、前記第２の機能において前記第１の機能により生成された第１の超深度画像データの各画素が示すピーク強度に関して前記条件が満足される場合に、前記感度設定部により前記感度パラメータを前記第１の感度値から前記第２の感度値に変更しないとともに、前記第３の機能を実行しないことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の共焦点顕微鏡システム。

【請求項5】

前記画像データ生成部は、前記第２の機能において前記第１の機能により生成された第１の超深度画像データの各画素が示すピーク強度に関して前記条件が満足されない場合に、前記感度設定部により前記感度パラメータを前記第１の感度値から前記第２の感度値に自動的に変更することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の共焦点顕微鏡システム。

【請求項6】

前記感度設定部は、前記画像データ生成部による前記第２の機能において、前記受光素子のゲインを制御することにより前記感度パラメータを前記第１の感度値から前記第２の感度値に変更することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の共焦点顕微鏡システム。

【請求項7】

前記感度設定部は、前記画像データ生成部による前記第２の機能において、前記レーザ光源から出射されるレーザ光の量を前記受光素子のゲインよりも優先的に制御することにより、前記感度パラメータを前記第１の感度値から前記第２の感度値に変更することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の共焦点顕微鏡システム。

【請求項8】

観察対象物からのレーザ光の反射光を前記受光素子に導く受光光学系をさらに備え、
前記感度設定部は、前記レーザ光源、前記受光素子および前記受光光学系のうち少なくとも１つを制御することにより、前記感度パラメータを設定することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の共焦点顕微鏡システム。

【請求項9】

前記画像データ生成部は、画素ごとに前記対物レンズの光軸方向における受光強度分布のピーク位置を示す高さデータを生成することを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の共焦点顕微鏡システム。

【請求項10】

前記走査光学系は、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を観察対象物の表面に設定された単位領域内で二次元走査し、
前記画像データ生成部は、単位領域ごとに表面画像データを生成し、単位領域ごとに生成された表面画像データ同士を連結することにより、単位領域よりも大きい面積の画像データを生成することを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の共焦点顕微鏡システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、共焦点顕微鏡システムに関する。

【背景技術】

【0002】

共焦点顕微鏡では、レーザ光源から出射されたレーザ光が対物レンズにより測定対象物に集光される。測定対象物からの反射光が受光レンズにより集光され、ピンホールを通して受光素子に入射する（例えば、特許文献１参照）。レーザ光は測定対象物の表面で二次元的に走査される。また、測定対象物と対物レンズとの間の相対的な距離を変化させることにより受光素子の受光量の分布が変化する。測定対象物の表面に焦点が合ったときに受光量のピークが現れる。受光量分布のピーク強度に基づいて非常に高い焦点深度を有する超深度画像を得ることができる。また、受光量分布のピーク位置に基づいて測定対象物の表面の高さ分布を示す高さ画像を得ることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００８−８３６０１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

共焦点顕微鏡の受光素子の出力信号はＡ／Ｄ変換器（アナログ／デジタル変換器）によりデジタル信号に変換され、各画素に対応する画素データとして出力される。測定対象物の上下方向の複数の位置で一定の領域の画素データに基づいて共焦点画像データが生成され、複数の共焦点画像データに基づいて観察対象物の超深度画像または高さ画像が表示部に表示される。

【0005】

観察対象物の表面からの反射光の量が多い場合には、受光素子の出力信号が飽和することがある。それにより、受光量分布のピーク強度およびピーク位置を検出することができない。そのような場合、受光素子のゲイン等の感度パラメータを低く設定することにより、受光素子の出力信号の飽和を防止することができる。一方、観察対象物の表面からの反射光の量が少ない場合には、受光素子の出力信号のレベルがノイズのレベルよりも小さくなることがある。それにより、受光量分布のピークをノイズから識別することができない。そのような場合、感度パラメータを高く設定することにより、受光素子の出力信号のレベルをノイズのレベルよりも高くすることができる。

【0006】

しかしながら、観察対象物の表面の状態により反射光の量が多い領域と少ない領域とが混在することがある。このような場合には、感度パラメータを観察対象物の領域ごとに異なる値に設定しなければ、観察対象物の表面の状態を正確に検出することができない。

【0007】

観察対象物の表面の状態に応じて使用者が感度パラメータを適切な値に設定する作業は煩雑であるとともに時間がかかる。

【0008】

本発明の目的は、使用者が煩雑な作業を行うことなく、観察対象物の表面の状態を短い時間で正確に観察することが可能な共焦点顕微鏡システムを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

［Ａ］本発明
（１）本発明に係る共焦点顕微鏡システムは、観察対象物にレーザ光を出射するレーザ光源と、レーザ光源から出射されたレーザ光を二次元走査する走査光学系と、走査光学系にて走査されたレーザ光を観察対象物に集光する対物レンズと、観察対象物からのレーザ光の反射光を受光する受光素子と、受光素子の出力信号に基づいて、複数の画素に対応する画素データを出力する画素データ出力部と、レーザ光源および受光素子の少なくとも１つを制御することにより、画素データの値を調整するための感度パラメータを設定する感度設定部と、対物レンズの光軸方向に沿って対物レンズと観察対象物との間の相対的な距離を変化させながら画素データ出力部から出力される画素データに基づいて、画素ごとに対物レンズの光軸方向における受光強度分布のピーク強度を示す超深度画像データを生成する画像データ生成部と、を備える共焦点顕微鏡システムであって、画像データ生成部は、超深度画像データの取得開始指令を契機として、感度設定部により感度パラメータが第１の感度値に設定された状態で、対物レンズと観察対象物との間の相対的な距離を変化させて超深度画像データを第１の超深度画像データとして生成する第１の機能と、第１の機能により生成された第１の超深度画像データの各画素が示すピーク強度に関して予め定められた条件を満足するか否かを判定し、判定結果に基づき感度設定部により感度パラメータを第１の感度値よりも大きい第２の感度値に変更する第２の機能と、感度設定部により感度パラメータが第２の感度値に設定された状態で、対物レンズと観察対象物との間の相対的な距離を変化させて超深度画像データを第２の超深度画像データとして生成する第３の機能と、を有し、第２の機能による判定結果に基づいて、第１の超深度画像データから観察対象物の表面の状態を示す表面画像データを生成しまたは第１の超深度画像データと第２の超深度画像データとの合成データから観察対象物の表面の状態を示す表面画像データを生成するものである。

【0010】

（２）共焦点顕微鏡システムは、対物レンズを光軸方向に移動させるレンズ駆動部をさらに備え、画像データ生成部は、第１の機能および第３の機能の両方において、レンズ駆動部を制御することにより、対物レンズと観察対象物との間の相対的な距離を変化させてもよい。

【0011】

（３）画像データ生成部は、第２の機能において、所定値以下のピーク強度を有する画素に関する判定値を生成し、生成した判定値と予め定められたしきい値とを比較して判定を行ってもよい。

【0012】

（４）画像データ生成部は、第２の機能において第１の機能により生成された第１の超深度画像データの各画素が示すピーク強度に関して条件が満足される場合に、感度設定部により感度パラメータを第１の感度値から第２の感度値に変更しないとともに、第３の機能を実行しなくてもよい。

【0013】

（５）画像データ生成部は、第２の機能において第１の機能により生成された第１の超深度画像データの各画素が示すピーク強度に関して条件が満足されない場合に、感度設定部により感度パラメータを第１の感度値から第２の感度値に自動的に変更してもよい。

【0014】

（６）感度設定部は、画像データ生成部による第２の機能において、受光素子のゲインを制御することにより感度パラメータを第１の感度値から第２の感度値に変更してもよい。

【0015】

（７）感度設定部は、画像データ生成部による第２の機能において、レーザ光源から出射されるレーザ光の量を受光素子のゲインよりも優先的に制御することにより、感度パラメータを第１の感度値から第２の感度値に変更してもよい。

【0016】

（８）共焦点顕微鏡システムは、観察対象物からのレーザ光の反射光を受光素子に導く受光光学系をさらに備え、感度設定部は、レーザ光源、受光素子および受光光学系のうち少なくとも１つを制御することにより、感度パラメータを設定してもよい。

【0017】

（９）画像データ生成部は、画素ごとに対物レンズの光軸方向における受光強度分布のピーク位置を示す高さデータを生成してもよい。

【0018】

（１０）走査光学系は、レーザ光源から出射されたレーザ光を観察対象物の表面に設定された単位領域内で二次元走査し、画像データ生成部は、単位領域ごとに表面画像データを生成し、単位領域ごとに生成された表面画像データ同士を連結することにより、単位領域よりも大きい面積の画像データを生成してもよい。

【0019】

［Ｂ］参考形態
（１）第１の参考形態に係る顕微鏡システムは、観察対象物の表面の状態を観察する顕微鏡システムであって、光を出射する光源と、受光素子と、観察対象物の表面に設定された単位領域内で、光源から出射された光を集光しつつ観察対象物に照射するとともに、観察対象物に照射された光を受光素子に導く光学系と、受光素子の出力信号に基づいて複数の画素に対応する画素データを出力する画素データ出力部と、光源、光学系および受光素子の少なくとも１つを制御することにより、画素データの値を調整するための感度パラメータを設定する感度設定部と、感度設定部により感度パラメータが第１の値に設定された状態で画素データ出力部により出力される画素データに基づいて観察対象物の表面の状態を示す画素ごとの画像データを生成する第１の測定および感度設定部により感度パラメータが第１の値よりも大きい第２の値に設定された状態で画素データ出力部により出力される画素データに基づいて観察対象物の表面の状態を示す画素ごとの画像データを生成する第２の測定を行うための画像データ生成部とを備え、画像データ生成部は、単位領域ごとに、第１の測定時に生成される画像データに基づいて第２の測定を行うか否かを判定するための判定値を生成し、生成された判定値に基づいて第１の測定の結果が予め定められた条件を満足するか否かを判定し、第１の測定の結果が条件を満足しない場合に第２の測定を行い、第１の測定時に生成された画像データと第２の測定時に生成された画像データとを合成することにより観察対象物の表面の状態を示す表面画像データを生成し、第１の測定の結果が条件を満足する場合に第２の測定を行わず、第１の測定時に生成された画像データに基づいて表面画像データを生成し、単位領域ごとに生成された表面画像データ同士を連結することにより、単位領域よりも大きい面積の画像データを生成するものである。

【0020】

その顕微鏡システムにおいては、光源から出射された光が光学系により集光されつつ観察対象物に照射され、観察対象物に照射された光が受光素子に導かれる。受光素子の出力信号に基づいて複数の画素に対応する画素データが出力される。

【0021】

感度パラメータが第１の値に設定された状態で画素ごとの画像データを生成する第１の測定が行われる。第１の測定時に生成される画像データに基づいて第２の測定を行うか否かを判定するための判定値が生成される。生成された判定値に基づいて、第１の測定の結果が予め定められた条件を満足するか否かが判定される。

【0022】

第１の測定の結果が条件を満足しない場合には、感度パラメータが第２の値に設定された状態で画素ごとの画像データを生成する第２の測定が行われる。これにより、観察対象物の表面の状態に応じて異なる感度パラメータで画像データが生成される。第１の測定時に生成された画像データと第２の測定時に生成された画像データとが合成されることにより表面画像データが生成される。これにより、観察対象物の表面の状態が領域ごとに異なる場合でも、観察対象物の表面の状態を正確に観察することができる。

【0023】

一方、第１の測定の結果が条件を満足する場合には、第２の測定は行われず、第１の測定時に生成された画像データに基づいて表面画像データが生成される。このように、１回の測定で観察対象物の表面の状態を示す表面画像データが生成されるので、合成処理を行うことなく短時間で表面画像データを生成することができる。

【0024】

これらの結果、使用者が煩雑な作業を行うことなく、観察対象物の表面の状態を短い時間で正確に観察することが可能となる。

【0025】

（２）画像データ生成部は、第１の測定時に生成される画像データの値が予め定められたしきい値以下であるか否かを判定するとともに、しきい値以下の値を有する画像データの数を判定値として生成してもよい。

【0026】

第１の測定時に生成される画像データの値が予め定められたしきい値以下であるか否かが判定されるとともに、しきい値以下の値を有する画像データの数が判定値として生成される。これにより、観察対象物の表面の状態に応じて異なる感度パラメータで画像データを生成すべきか否かを容易かつ適切に判定することができる。

【0027】

（３）画像データ生成部は、第１および第２の測定を行った場合に、第１の測定時に生成された画像データのうちしきい値よりも高い値を有すると判定された画像データと、第２の測定時に生成された画像データのうち第１の測定時にしきい値以下の値を有すると判定された画像データに対応する画像データとを合成することにより観察対象物の表面の状態を示す表面画像データを生成してもよい。

【0028】

第１および第２の測定が行われた場合には、第１の測定時に生成された画像データのうちしきい値よりも高い値を有すると判定された画像データと、第２の測定時に生成された画像データのうち第１の測定時にしきい値以下の値を有すると判定された画像データに対応する画像データとが合成される。それにより、表面画像データが生成される。したがって、簡単な処理で観察対象物の表面の状態をより正確に観察することができる。

【0029】

（４）感度設定部は、光源から出射される光の量、光学系における光の減衰量および受光素子のゲインの少なくとも１つを制御することにより感度パラメータを設定してもよい。この場合、感度設定部により感度パラメータが自動的に設定される。

【0030】

（５）感度設定部は、感度パラメータを第１の値から第２の値に変更する際に、第１の光源から出射される光の量または光学系における光の減衰量を受光素子のゲインよりも優先的に制御してもよい。

【0031】

この場合、受光素子のゲインの増加によるノイズレベルの増加が防止される。したがって、ノイズレベルを増加させることなく感度パラメータを適切な第２の値に変更することができる。

【0032】

（６）感度設定部は、第１の測定時に生成された画像データに基づいて第２の測定時の感度パラメータの第２の値を決定してもよい。

【0033】

これにより、第１の測定時に生成された画像データに基づいて、第２の測定時の感度パラメータの第２の値を適切に設定することができる。

【0034】

（７）感度設定部は、単位領域内の全ての画素に対応する画素データの値が画素データ出力部の出力上限値よりも小さくなるように、感度パラメータの第１の値を設定してもよい。

【0035】

（８）第２の参考形態に係る表面状態観察方法は、観察対象物の表面の状態を観察する顕微鏡システムに用いられる表面状態観察方法であって、光源から光を出射するステップと、観察対象物の表面に設定された単位領域内で、光源から出射された光を光学系により集光しつつ観察対象物に照射するとともに、観察対象物に照射された光を受光素子に導くステップと、受光素子の出力信号に基づいて複数の画素に対応する画素データを出力するステップと、光源、光学系および受光素子の少なくとも１つを制御することにより、画素データの値を調整するための感度パラメータを設定するステップと、単位領域ごとに、感度パラメータが第１の値に設定された状態で出力される画素データに基づいて観察対象物の表面の状態を示す画素ごとの画像データを生成する第１の測定を行うステップと、第１の測定時に生成される画像データに基づいて第２の測定を行うか否かを判定するための判定値を生成し、生成された判定値に基づいて第１の測定の結果が予め定められた条件を満足するか否かを判定するステップと、第１の測定の結果が条件を満足しない場合に、感度パラメータが第１の値よりも大きい第２の値に設定された状態で出力される画素データに基づいて観察対象物の表面の状態を示す画素ごとの画像データを生成する第２の測定を行い、第１の測定時に生成された画像データと第２の測定時に生成された画像データとを合成することにより観察対象物の表面の状態を示す表面画像データを生成し、第１の測定の結果が条件を満足する場合に、第２の測定を行わず、第１の測定時に生成された画像データに基づいて表面画像データを生成するステップと、単位領域ごとに生成された表面画像データ同士を連結することにより、単位領域よりも大きい面積の画像データを生成するステップとを備えるものである。

【0036】

その表面状態観察方法においては、光源から出射された光が光学系により集光されつつ観察対象物に照射され、観察対象物に照射された光が受光素子に導かれる。受光素子の出力信号に基づいて複数の画素に対応する画素データが出力される。

【0037】

感度パラメータが第１の値に設定された状態で画素ごとの画像データを生成する第１の測定が行われる。第１の測定時に生成される画像データに基づいて第２の測定を行うか否かを判定するための判定値が生成される。生成された判定値に基づいて、第１の測定の結果が予め定められた条件を満足するか否かが判定される。

【0038】

第１の測定の結果が条件を満足しない場合には、感度パラメータが第２の値に設定された状態で画素ごとの画像データを生成する第２の測定が行われる。これにより、観察対象物の表面の状態に応じて異なる感度パラメータで画像データが生成される。第１の測定時に生成された画像データと第２の測定時に生成された画像データとが合成されることにより表面画像データが生成される。これにより、観察対象物の表面の状態が領域ごとに異なる場合でも、観察対象物の表面の状態を正確に観察することができる。

【0039】

一方、第１の測定の結果が条件を満足する場合には、第２の測定は行われず、第１の測定時に生成された画像データに基づいて表面画像データが生成される。このように、１回の測定で観察対象物の表面の状態を示す表面画像データが生成されるので、合成処理を行うことなく短時間で表面画像データを生成することができる。

【0040】

これらの結果、使用者が煩雑な作業を行うことなく、観察対象物の表面の状態を短い時間で正確に観察することが可能となる。

【0041】

（９）第３の参考形態に係る表面状態観察プログラムは、観察対象物の表面の状態を観察する顕微鏡システムに用いられる表面状態観察処理を処理装置に実行させる表面状態観察プログラムであって、光源から光を出射する処理と、観察対象物の表面に設定された単位領域内で、光源から出射された光を光学系により集光しつつ観察対象物に照射するとともに、観察対象物に照射された光を受光素子に導く処理と、受光素子の出力信号に基づいて複数の画素に対応する画素データを出力する処理と、光源、光学系および受光素子の少なくとも１つを制御することにより、画素データの値を調整するための感度パラメータを設定する処理と、単位領域ごとに、感度パラメータが第１の値に設定された状態で出力される画素データに基づいて観察対象物の表面の状態を示す画素ごとの画像データを生成する第１の測定を行う処理と、第１の測定時に生成される画像データに基づいて第２の測定を行うか否かを判定するための判定値を生成し、生成された判定値に基づいて第１の測定の結果が予め定められた条件を満足するか否かを判定する処理と、第１の測定の結果が条件を満足しない場合に、感度パラメータが第１の値よりも大きい第２の値に設定された状態で出力される画素データに基づいて観察対象物の表面の状態を示す画素ごとの画像データを生成する第２の測定を行い、第１の測定時に生成された画像データと第２の測定時に生成された画像データとを合成することにより観察対象物の表面の状態を示す表面画像データを生成し、第１の測定の結果が条件を満足する場合に、第２の測定を行わず、第１の測定時に生成された画像データに基づいて表面画像データを生成する処理と、単位領域ごとに生成された表面画像データ同士を連結することにより、単位領域よりも大きい面積の画像データを生成する処理とを処理装置に実行させるものである。

【0042】

その表面状態観察プログラムにおいては、光源から出射された光が光学系により集光されつつ観察対象物に照射され、観察対象物に照射された光が受光素子に導かれる。受光素子の出力信号に基づいて複数の画素に対応する画素データが出力される。

【0043】

感度パラメータが第１の値に設定された状態で画素ごとの画像データを生成する第１の測定が行われる。第１の測定時に生成される画像データに基づいて第２の測定を行うか否かを判定するための判定値が生成される。生成された判定値に基づいて、第１の測定の結果が予め定められた条件を満足するか否かが判定される。

【0044】

第１の測定の結果が条件を満足しない場合には、感度パラメータが第２の値に設定された状態で画素ごとの画像データを生成する第２の測定が行われる。これにより、観察対象物の表面の状態に応じて異なる感度パラメータで画像データが生成される。第１の測定時に生成された画像データと第２の測定時に生成された画像データとが合成されることにより表面画像データが生成される。これにより、観察対象物の表面の状態が領域ごとに異なる場合でも、観察対象物の表面の状態を正確に観察することができる。

【0045】

一方、第１の測定の結果が条件を満足する場合には、第２の測定は行われず、第１の測定時に生成された画像データに基づいて表面画像データが生成される。このように、１回の測定で観察対象物の表面の状態を示す表面画像データが生成されるので、合成処理を行うことなく短時間で表面画像データを生成することができる。

【0046】

これらの結果、使用者が煩雑な作業を行うことなく、観察対象物の表面の状態を短い時間で正確に観察することが可能となる。

【0047】

（１０）第４の参考形態に係る顕微鏡システムは、観察対象物の表面の状態を観察する顕微鏡システムであって、光を出射する光源と、受光素子と、光源から出射された光を集光しつつ観察対象物に照射するとともに、観察対象物に照射された光を受光素子に導く光学系と、受光素子の出力信号に基づいて複数の画素に対応する画素データを出力する画素データ出力部と、光源、光学系および受光素子の少なくとも１つを制御することにより、画素データの値を調整するための感度パラメータを設定する感度設定部と、感度設定部により感度パラメータが第１の値に設定された状態で画素データ出力部により出力される画素データに基づいて観察対象物の表面の状態を示す画素ごとの画像データを生成する第１の測定および感度設定部により感度パラメータが第１の値よりも大きい第２の値に設定された状態で画素データ出力部により出力される画素データに基づいて観察対象物の表面の状態を示す画素ごとの画像データを生成する第２の測定を行うための画像データ生成部とを備え、画像データ生成部は、第１の測定時に生成される画像データに基づいて第２の測定を行うか否かを判定するための判定値を生成し、生成された判定値に基づいて第１の測定の結果が予め定められた条件を満足するか否かを判定し、第１の測定の結果が条件を満足しない場合に第２の測定を行い、第１の測定時に生成された画像データと第２の測定時に生成された画像データとを合成することにより観察対象物の表面の状態を示す表面画像データを生成し、第１の測定の結果が条件を満足する場合に第２の測定を行わず、第１の測定時に生成された画像データに基づいて表面画像データを生成するものである。

【0048】

（１１）第５の参考形態に係る表面状態観察方法は、観察対象物の表面の状態を観察する顕微鏡システムに用いられる表面状態観察方法であって、光源から光を出射するステップと、光源から出射された光を光学系により集光しつつ観察対象物に照射するとともに、観察対象物に照射された光を受光素子に導くステップと、受光素子の出力信号に基づいて複数の画素に対応する画素データを出力するステップと、光源、光学系および受光素子の少なくとも１つを制御することにより、画素データの値を調整するための感度パラメータを設定するステップと、感度パラメータが第１の値に設定された状態で出力される画素データに基づいて観察対象物の表面の状態を示す画素ごとの画像データを生成する第１の測定を行うステップと、第１の測定時に生成される画像データに基づいて第２の測定を行うか否かを判定するための判定値を生成し、生成された判定値に基づいて第１の測定の結果が予め定められた条件を満足するか否かを判定するステップと、第１の測定の結果が条件を満足しない場合に、感度パラメータが第１の値よりも大きい第２の値に設定された状態で出力される画素データに基づいて観察対象物の表面の状態を示す画素ごとの画像データを生成する第２の測定を行い、第１の測定時に生成された画像データと第２の測定時に生成された画像データとを合成することにより観察対象物の表面の状態を示す表面画像データを生成し、第１の測定の結果が条件を満足する場合に、第２の測定を行わず、第１の測定時に生成された画像データに基づいて表面画像データを生成するステップとを備えるものである。

【0049】

（１２）第６の参考形態に係る表面状態観察プログラムは、観察対象物の表面の状態を観察する顕微鏡システムに用いられる表面状態観察処理を処理装置に実行させる表面状態観察プログラムであって、光源から光を出射する処理と、光源から出射された光を光学系により集光しつつ観察対象物に照射するとともに、観察対象物に照射された光を受光素子に導く処理と、受光素子の出力信号に基づいて複数の画素に対応する画素データを出力する処理と、光源、光学系および受光素子の少なくとも１つを制御することにより、画素データの値を調整するための感度パラメータを設定する処理と、感度パラメータが第１の値に設定された状態で出力される画素データに基づいて観察対象物の表面の状態を示す画素ごとの画像データを生成する第１の測定を行う処理と、第１の測定時に生成される画像データに基づいて第２の測定を行うか否かを判定するための判定値を生成し、生成された判定値に基づいて第１の測定の結果が予め定められた条件を満足するか否かを判定する処理と、第１の測定の結果が条件を満足しない場合に、感度パラメータが第１の値よりも大きい第２の値に設定された状態で出力される画素データに基づいて観察対象物の表面の状態を示す画素ごとの画像データを生成する第２の測定を行い、第１の測定時に生成された画像データと第２の測定時に生成された画像データとを合成することにより観察対象物の表面の状態を示す表面画像データを生成し、第１の測定の結果が条件を満足する場合に、第２の測定を行わず、第１の測定時に生成された画像データに基づいて表面画像データを生成する処理とを処理装置に実行させるものである。

【発明の効果】

【0050】

本発明によれば、使用者が煩雑な作業を行うことなく、観察対象物の表面の状態を短い時間で正確に観察することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0051】

【図1】本発明の一実施の形態に係る共焦点顕微鏡システムの構成を示すブロック図である。

【図2】Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向を定義するための図である。

【図3】１つの画素についての観察対象物のＺ方向の位置と受光素子の受光強度との関係を示す図である。

【図4】ピーク強度と観察対象物の形状との関係を説明するための図である。

【図5】ワイドダイナミックレンジ処理を説明するための図である。

【図6】表示部の一表示例を示す図である。

【図7】図６の第１の感度パラメータ設定枠を示す図である。

【図8】第２の感度パラメータ設定ウィンドウを示す図である。

【図9】表面状態観察処理のフローチャートである。

【図10】表面状態観察処理のフローチャートである。

【図11】表面状態観察処理のフローチャートである。

【図12】表面状態観察処理のフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0052】

本発明の一実施の形態に係る共焦点顕微鏡システムについて図面を参照しながら説明する。

【0053】

（１）共焦点顕微鏡システムの基本構成
図１は、本発明の一実施の形態に係る共焦点顕微鏡システム５００の構成を示すブロック図である。図１に示すように、共焦点顕微鏡システム５００は、測定部１００、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）２００、制御部３００および表示部４００を備える。測定部１００は、レーザ光源１０、Ｘ−Ｙスキャン光学系２０、受光素子３０、照明用白色光源４０、カラーＣＣＤ（電荷結合素子）カメラ５０およびステージ６０を含む。ステージ６０上には、観察対象物Ｓが載置される。

【0054】

レーザ光源１０は、例えば半導体レーザである。レーザ光源１０から出射されたレーザ光は、レンズ１により平行光に変換された後、ハーフミラー４を透過してＸ−Ｙスキャン光学系２０に入射する。なお、レーザ光源１０に代えて水銀ランプ等の他の光源が用いられてもよい。この場合、水銀ランプ等の光源とＸ−Ｙスキャン光学系２０との間に帯域通過フィルタが配置される。水銀ランプ等の光源から出射された光は、帯域通過フィルタを通過することにより単色光となり、Ｘ−Ｙスキャン光学系２０に入射する。

【0055】

Ｘ−Ｙスキャン光学系２０は、例えばガルバノミラーである。Ｘ−Ｙスキャン光学系２０は、ステージ６０上の観察対象物Ｓの表面上においてレーザ光をＸ方向およびＹ方向に走査する機能を有する。Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向の定義については後述する。Ｘ−Ｙスキャン光学系２０により走査されたレーザ光は、ハーフミラー５により反射された後、ハーフミラー６を透過し、対物レンズ３によりステージ６０上の観察対象物Ｓに集光される。なお、ハーフミラー４〜６に代えて偏光ビームスプリッタが用いられてもよい。

【0056】

観察対象物Ｓにより反射されたレーザ光は、対物レンズ３およびハーフミラー６を透過した後、ハーフミラー５により反射され、Ｘ−Ｙスキャン光学系２０を透過する。Ｘ−Ｙスキャン光学系２０を透過したレーザ光は、ハーフミラー４により反射され、レンズ２により集光され、ピンホール部材７のピンホールおよびＮＤ（Neutral Density）フィルタ８を透過して受光素子３０に入射する。このように、本実施の形態においては反射型の共焦点顕微鏡システム５００が用いられるが、観察対象物Ｓが細胞等の透明体である場合には、透過型の共焦点顕微鏡システムが用いられてもよい。

【0057】

ピンホール部材７のピンホールは、レンズ２の焦点位置に配置される。ＮＤフィルタ８は、受光素子３０に入射するレーザ光の強度を減衰させるために用いられる。そのため、レーザ光の強度が十分減衰されている場合には、ＮＤフィルタ８は設けられなくてもよい。

【0058】

本実施の形態では、受光素子３０は光電子増倍管である。受光素子３０としてフォトダイオードおよび増幅器を用いてもよい。受光素子３０は、受光量に対応するアナログの電気信号（以下、受光信号と呼ぶ）を出力する。制御部３００は、２つのＡ／Ｄ変換器（アナログ／デジタル変換器）、ＦＩＦＯ（First In First Out）メモリおよびＣＰＵ（中央演算処理装置）を含む。受光素子３０から出力される受光信号は、制御部３００の１つのＡ／Ｄ変換器により一定のサンプリング周期でサンプリングされるとともにデジタル信号に変換される。Ａ／Ｄ変換器から出力されるデジタル信号は、ＦＩＦＯメモリに順次蓄積される。ＦＩＦＯメモリに蓄積されたデジタル信号は画素データとして順次ＰＣ２００に転送される。

【0059】

照明用白色光源４０は、例えばハロゲンランプまたは白色ＬＥＤ（発光ダイオード）である。照明用白色光源４０により発生された白色光は、ハーフミラー６により反射された後、対物レンズ３によりステージ６０上の観察対象物Ｓに集光される。

【0060】

観察対象物Ｓにより反射された白色光は、対物レンズ３、ハーフミラー６およびハーフミラー５を透過してカラーＣＣＤカメラ５０に入射する。カラーＣＣＤカメラ５０に代えてＣＭＯＳ（相補性金属酸化膜半導体）イメージセンサ等の撮像素子が用いられてもよい。カラーＣＣＤカメラ５０は、受光量に対応する電気信号を出力する。カラーＣＣＤカメラ５０の出力信号は、制御部３００の他の１つのＡ／Ｄ変換器により一定のサンプリング周期でサンプリングされるとともにデジタル信号に変換される。Ａ／Ｄ変換器から出力されるデジタル信号は、カメラデータとして順次ＰＣ２００に転送される。

【0061】

制御部３００は、画素データおよびカメラデータをＰＣ２００に与えるとともに、ＰＣ２００からの指令に基づいてＮＤフィルタ８によるレーザ光の減衰率、受光素子３０のゲイン（受光感度）およびカラーＣＣＤカメラ５０を制御する。また、制御部３００は、ＰＣ２００からの指令に基づいてＸ−Ｙスキャン光学系２０を制御することによりレーザ光を観察対象物Ｓ上でＸ方向およびＹ方向に走査させる。

【0062】

対物レンズ３は、レンズ駆動部６３によりＺ方向に移動可能に設けられる。制御部３００は、ＰＣ２００からの指令に基づいてレンズ駆動部６３を制御することにより対物レンズ３をＺ方向に移動させることができる。これにより、対物レンズ３に対する観察対象物Ｓの相対的なＺ方向の位置を変化させることができる。

【0063】

ＰＣ２００は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）２１０、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）２２０、作業用メモリ２３０および記憶装置２４０を含む。ＲＯＭ２２０には、システムプログラムが記憶される。作業用メモリ２３０は、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）からなり、種々のデータの処理のために用いられる。記憶装置２４０は、ハードディスク等からなる。記憶装置２４０には、表面状態観察プログラムが記憶されるとともに、制御部３００から与えられる画素データおよびカメラデータ等の種々のデータを保存するために用いられる。表面状態観察プログラムの詳細は後述する。

【0064】

ＣＰＵ２１０は、制御部３００から与えられる画素データに基づいて画像データを生成する。以下、画素データに基づいて生成される画像データを共焦点画像データと呼ぶ。また、共焦点画像データに基づいて表示される画像を共焦点画像と呼ぶ。

【0065】

ＣＰＵ２１０は、制御部３００から与えられるカメラデータに基づいて画像データを生成する。以下、カメラデータに基づいて生成される画像データをカメラ画像データと呼ぶ。また、カメラ画像データに基づいて表示される画像をカメラ画像と呼ぶ。

【0066】

ＣＰＵ２１０は、生成した共焦点画像データおよびカメラ画像データに作業用メモリ２３０を用いて各種処理を行うとともに、共焦点画像データに基づく共焦点画像およびカメラ画像データに基づくカメラ画像を表示部４００に表示させる。また、ＣＰＵ２１０は、後述するステージ駆動部６２に駆動パルスを与える。

【0067】

表示部４００は、例えば液晶ディスプレイパネルまたは有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）パネルにより構成される。

【0068】

ステージ６０は、Ｘ方向移動機構、Ｙ方向移動機構およびＺ方向移動機構を有する。Ｘ方向移動機構、Ｙ方向移動機構およびＺ方向移動機構には、ステッピングモータが用いられる。

【0069】

ステージ６０のＸ方向移動機構、Ｙ方向移動機構およびＺ方向移動機構は、ステージ操作部６１およびステージ駆動部６２により駆動される。使用者は、ステージ操作部６１を手動で操作することにより、ステージ６０を対物レンズ３に対して相対的にＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向に移動させることができる。

【0070】

ステージ駆動部６２は、ＰＣ２００より与えられる駆動パルスに基づいて、ステージ６０のステッピングモータに電流を供給することにより、ステージ６０を対物レンズ３に相対的にＸ方向、Ｙ方向またはＺ方向に移動させることができる。

【0071】

（２）共焦点画像、超深度画像および高さ画像
図２は、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向を定義するための図である。図２に示すように、対物レンズ３により集光されたレーザ光が観察対象物Ｓに照射される。本実施の形態においては、対物レンズ３の光軸の方向をＺ方向と定義する。また、Ｚ方向と直交する面において、互いに直交する二方向をそれぞれＸ方向およびＹ方向と定義する。Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向を矢印Ｘ，Ｙ，Ｚでそれぞれ示す。

【0072】

Ｚ方向において対物レンズ３に対する観察対象物Ｓの表面の相対的な位置を観察対象物ＳのＺ方向の位置と呼ぶ。共焦点画像データの生成は、単位領域ごとに行なわれる。単位領域は対物レンズ３の倍率により定まる。

【0073】

観察対象物ＳのＺ方向の位置が一定の状態で、Ｘ−Ｙスキャン光学系２０により単位領域内のＹ方向の端部でレーザ光がＸ方向に走査される。Ｘ方向の走査が終了すると、レーザ光がＸ−Ｙスキャン光学系２０によりＹ方向に一定の間隔変移される。この状態でレーザ光がＸ方向に走査される。単位領域内でレーザ光のＸ方向の走査およびＹ方向の変移が繰り返されることにより、単位領域のＸ方向およびＹ方向の走査が終了する。次に、対物レンズ３がＺ方向に移動される。それにより、対物レンズ３のＺ方向の位置が前回と異なる一定の状態で、単位領域のＸ方向およびＹ方向の走査が行なわれる。観察対象物ＳのＺ方向の複数の位置で単位領域のＸ方向およびＹ方向の走査が行なわれる。

【0074】

観察対象物ＳのＺ方向の位置ごとにＸ方向およびＹ方向の走査により共焦点画像データが生成される。これにより、単位領域内でＺ方向の位置が異なる複数の共焦点画像データが生成される。

【0075】

ここで、共焦点画像データのＸ方向の画素数は、Ｘ−Ｙスキャン光学系２０によるレーザ光のＸ方向の走査速度と制御部３００のサンプリング周期とにより定まる。１回のＸ方向の走査（１本の走査線）におけるサンプリング数がＸ方向の画素数となる。また、単位領域の共焦点画像データのＹ方向の画素数は、Ｘ方向の走査の終了ごとのＸ−Ｙスキャン光学系２０によるレーザ光のＹ方向の変移量により定まる。Ｙ方向における走査線の数がＹ方向の画素数となる。さらに、単位領域の共焦点画像データの数は、対物レンズ３のＺ方向の移動回数により定まる。単位領域の複数の共焦点画像データに基づいて後述する方法で、超深度画像データおよび高さ画像データが生成される。

【0076】

図２の例では、まず、ステージ６０の最初の位置で単位領域ｓ１における観察対象物Ｓの複数の共焦点画像データが生成されるとともに単位領域ｓ１の超深度画像データおよび高さ画像データが生成される。続いて、ステージ６０が順次移動することにより単位領域ｓ２〜ｓ４における観察対象物Ｓの複数の共焦点画像データが生成されるとともに単位領域ｓ２〜ｓ４の超深度画像データおよび高さ画像データが生成される。この場合、隣接する単位領域の一部が互いに重なるように、単位領域ｓ１〜ｓ４が設定されてもよい。それにより、パターンマッチングを行うことにより、複数の単位領域ｓ１〜ｓ４の超深度画像データおよび高さ画像データを高い精度で連結することができる。特に、複数の単位領域の合計の面積が後述する画素データの取得範囲よりも大きい場合には、取得範囲からはみ出す部分の面積に相当する部分が重なり部分として設定される。

【0077】

図３は、１つの画素についての観察対象物ＳのＺ方向の位置と受光素子３０の受光強度との関係を示す図である。図１に示したように、ピンホール部材７のピンホールはレンズ２の焦点位置に配置される。そのため、観察対象物Ｓの表面が対物レンズ３の焦点位置にあるときに、観察対象物Ｓにより反射されたレーザ光がピンホール部材７のピンホールの位置に集光される。それにより、観察対象物Ｓにより反射されたレーザ光の大部分がピンホール部材７のピンホールを通過して受光素子３０に入射する。この場合、受光素子３０の受光強度は最大になる。それにより、受光素子３０から出力される受光信号の電圧値は最大となる。

【0078】

一方、観察対象物Ｓの表面が対物レンズ３の焦点位置が外れた位置にあるときには、観察対象物Ｓにより反射されたレーザ光はピンホール部材７のピンホールの前または後の位置に集光される。それにより、観察対象物Ｓにより反射されたレーザ光の多くはピンホール部材７のピンホールの周囲の部分で遮られ、受光素子３０の受光強度は低下する。それにより、受光素子３０から出力される受光信号の電圧値は低下する。

【0079】

このように、観察対象物Ｓの表面が対物レンズ３の焦点位置にある状態で受光素子３０の受光強度分布にピークが現れる。各単位領域の複数の共焦点画像データから、画素ごとにＺ方向における受光強度分布が得られる。それにより、画素ごとに受光強度分布のピーク位置とピーク強度（ピークの受光強度）とが得られる。

【0080】

各単位領域の複数の画素についてのＺ方向におけるピーク位置を表すデータを高さ画像データと呼び、高さ画像データに基づいて表示される画像を高さ画像と呼ぶ。高さ画像は、観察対象物Ｓの表面形状を表す。また、各単位領域の複数の画素についてのピーク強度を表すデータを超深度画像データと呼び、超深度画像データに基づいて表される画像を超深度画像と呼ぶ。超深度画像は、観察対象物Ｓの表面のすべての部分に対物レンズ３の焦点が合った状態で得られる画像である。ＰＣ２００は、制御部３００から与えられる単位領域の複数の画素データに基づいて単位領域の複数の共焦点画像データを生成し、複数の共焦点画像データに基づいて単位領域の高さ画像データおよび超深度画像データを生成する。

【0081】

（３）ピーク強度と観察対象物の形状との関係
図４は、ピーク強度と観察対象物Ｓの形状との関係を説明するための図である。図４（ａ）に示すように、例えば円柱形状を有する観察対象物Ｓをその観察対象物Ｓの中心軸ＳＣがＹ方向に平行となるように配置する。この状態で、観察対象物Ｓの上側の外周面の周方向に沿う線ＳＬ上の高さ画像データおよび超深度画像データを生成する。

【0082】

観察対象物Ｓの外周面のうちの上端部分ＳＵはＸＹ平面にほぼ平行である。上端部分ＳＵが対物レンズ３の焦点位置にある場合、図４（ａ）に太い矢印ＲＡで示すように、焦点位置に集光されたレーザ光のほぼ全てが対物レンズ３に向かって反射し、その対物レンズ３を透過して受光素子３０に入射する。

【0083】

一方、観察対象物Ｓの外周面のうちの両側端部分ＳＥ１，ＳＥ２はＸＹ平面に対してほぼ垂直である。両側端部分ＳＥ１，ＳＥ２の近傍の部分が対物レンズ３の焦点位置にある場合、図４（ａ）に太い点線矢印ＲＢ１で示すように、焦点位置に集光されたレーザ光のほぼ全てが観察対象物Ｓの側方に向かって反射する。そのため、図４（ａ）に点線矢印ＲＢ２で示すように、両側端部分ＳＥ１，ＳＥ２の近傍で反射されるレーザ光はほとんど対物レンズ３を透過せず、受光素子３０にもほとんど入射しない。

【0084】

上記のように、観察対象物Ｓに集光されるレーザ光の強度が一定である場合、受光素子３０の受光強度は、対物レンズ３の焦点位置が観察対象物Ｓの上端部分ＳＵに近づくにつれて大きくなり、対物レンズ３の焦点位置が観察対象物Ｓの両側端部分ＳＥ１，ＳＥ２に近づくにつれて小さくなる。

【0085】

図４（ｂ）にピーク強度と観察対象物ＳのＸ方向の位置との関係が示されている。図４（ｂ）に示すように、観察対象物Ｓの上端部分ＳＵで反射されるレーザ光によるピーク強度の値αに対して、観察対象物Ｓの両側端部分ＳＥ１，ＳＥ２の近傍で反射されるレーザ光によるピーク強度の値βは十分に小さい。

【0086】

高さ画像データおよび超深度画像データは、観察対象物ＳのＺ方向の複数の位置でレーザ光がＸ方向およびＹ方向に走査されることにより取得される複数の画素データに基づいて生成される。対物レンズ３の焦点位置が観察対象物Ｓの表面上にある状態で取得される画素データの値が、ピーク強度の値として取得される。

【0087】

画素データは受光素子３０から出力される受光信号に対応するデジタル信号である。また、画素データは制御部３００のＡ／Ｄ変換器から出力される。したがって、画素データの上限値は、Ａ／Ｄ変換器の出力レンジの上限値（以下、出力上限値ｍａｘと呼ぶ。）である。

【0088】

本実施の形態に係る共焦点顕微鏡システムでは、感度パラメータを変更することができる。ここで、感度パラメータとは、観察対象物Ｓの表面の状態（反射率、向き、粗さおよび色等）が一定の条件で制御部３００により取得されるべき画素データの値を調整するためのパラメータをいう。

【0089】

画素データの値は、レーザ光源１０の光量が大きいほど大きく、レーザ光源１０の光量が小さいほど小さい。また、画像データの値は、ＮＤフィルタ８によるレーザ光の減衰率が大きいほど小さく、ＮＤフィルタ８によるレーザ光の減衰率が小さいほど大きい。さらに、画素データの値は、受光素子３０のゲインが高いほど大きく、受光素子３０のゲインが低いほど小さい。したがって、レーザ光源１０の光量、ＮＤフィルタ８によるレーザ光の減衰率および受光素子３０のゲインのうち少なくとも１つを制御することにより感度パラメータを変更することができる。

【0090】

観察対象物Ｓの表面の状態が一定の条件で感度パラメータが高く設定されると、受光素子３０から出力される受光信号のレベルが高くなり、制御部３００により取得される画素データの値が大きくなる。一方、観察対象物Ｓの表面の状態が一定の条件で感度パラメータが低く設定されると、受光素子３０から出力される受光信号のレベルが低くなり、制御部３００により取得される画素データの値が小さくなる。

【0091】

感度パラメータが高すぎると、受光素子３０から出力される受光信号のレベルが飽和し、制御部３００により取得される画素データの値が出力上限値ｍａｘで飽和する可能性がある。例えば、対物レンズ３の焦点位置が図４（ａ）の観察対象物Ｓの上端部分ＳＵの画素上にあるときに、取得される画素データの値が出力上限値ｍａｘで飽和していると、その画素におけるピーク強度およびピーク位置を取得することができない。そこで、本実施の形態では、高さ画像データおよび超深度画像データを生成するために取得される複数の画素データの値が出力上限値ｍａｘよりも小さくなるように感度パラメータが設定される。

【0092】

一方、感度パラメータが低すぎると、受光素子３０から出力される受光信号のレベルがノイズレベル以下となり、制御部３００により取得される画素データの値が受光素子３０から出力されるノイズのデジタル値（以下、ノイズレベルｎｌと呼ぶ。）以下になる可能性がある。例えば、図４（ａ）の両側端部分ＳＥ１，ＳＥ２の近傍の画素に対応する画素データの値がノイズレベルｎｌ以下であると、両側端部分ＳＥ１，ＳＥ２の近傍の画素に対応する画素データのピークを受光素子３０のノイズから明確に識別することができない。そこで、本実施の形態ではワイドダイナミックレンジ処理が行われる。ワイドダイナミックレンジ処理について説明する。

【0093】

（４）ワイドダイナミックレンジ処理
図５は、ワイドダイナミックレンジ処理を説明するための図である。ワイドダイナミックレンジ処理においては、まず取得される複数の画素データの値が出力上限値ｍａｘよりも小さくなるように感度パラメータを設定する。以下では、ワイドダイナミックレンジ処理の開始後、初めに設定される感度パラメータの値を第１の感度値と呼ぶ。

【0094】

具体的には、初めに対物レンズ３をＺ方向の任意の位置に保持した状態で、単位領域のＸ方向およびＹ方向の走査を行うことにより、単位領域内の全ての画素に対応する画素データを取得する。この状態で、いずれかの画素データの値が出力上限値ｍａｘである場合には、感度パラメータを減少させるために、ＮＤフィルタ８によるレーザ光の減衰率を一定量増加させる。または、感度パラメータを減少させるために、レーザ光源１０の光量または受光素子３０のゲインを一定量減少させる。その後、再び単位領域のＸ方向およびＹ方向の走査を行うことにより、単位領域内の全ての画素に対応する画素データを取得する。

【0095】

感度パラメータの減少および画素データの取得を繰り返すことにより、全ての画素データの値が出力上限値ｍａｘよりも小さくなった場合には、対物レンズ３を一定量Ｚ方向に移動させる。続いて、上記の感度パラメータの減少、画素データの取得、画素データの判定動作および対物レンズ３のＺ方向への移動を繰り返す。最終的に、対物レンズ３が、予め定められているＺ方向の全範囲の移動を完了したときに設定されている感度パラメータの値が、第１の感度値として図１の作業用メモリ２３０に記憶される。このようにして、自動的に第１の感度値が設定される（第１の感度値の自動設定）。

【0096】

上記では、観察対象物ＳのＺ方向の複数の位置で単位領域のＸ方向およびＹ方向の走査を行うとともに複数の画素データを取得しつつ第１の感度値が設定される。これに限らず、第１の感度値は、使用者がＰＣ２００に接続されたマウス等のポインティングデバイスを操作することにより設定されてもよい（第１の感度値の手動設定）。使用者により第１の感度値が設定される例については後述する。

【0097】

第１の感度値が設定された状態で、観察対象物ＳのＺ方向の複数の位置で単位領域のＸ方向およびＹ方向の走査を行う。これにより、複数の画素データを取得し、単位領域内でＺ方向の位置が異なる複数の共焦点画像データを生成する。複数の共焦点画像データに基づいて単位領域の高さ画像データおよび超深度画像データを生成する。

【0098】

高さ画像データおよび超深度画像データの生成時には、各画素ごとに対応する画素データのピーク値をピーク強度として検出する。また、抽出された各ピーク強度が取得されたときの対物レンズ３に対する観察対象物Ｓの相対的なＺ方向の位置をピーク位置として検出する。

【0099】

図５（ａ）の上段に、第１の感度値で取得されたピーク強度と画素数との関係を示すヒストグラムが示される。このヒストグラムにおいては、縦軸が画素数を表し、横軸がピーク強度（画素ごとの画素データのピーク値）を表す。横軸において、ピーク強度の最大値（１００）は、Ａ／Ｄ変換器の出力上限値ｍａｘに相当する。

【0100】

図５（ａ）の下段に、第１の感度値を用いて生成された超深度画像データに基づく超深度画像Ｖ１が示される。超深度画像Ｖ１は、観察対象物Ｓの上側の外周面を表す画像ＳＶ１を含む。画像ＳＶ１の略中央部分ＳＵＶの画素が図４（ａ）の上端部分ＳＵの画素に対応し、画像ＳＶ１の両側辺Ｅ１Ｖ，Ｅ２Ｖの画素が図４（ａ）の両側端部分ＳＥ１，ＳＥ２の画素に対応する。

【0101】

図５（ａ）の横軸において、ピーク強度の値ｔｐ１は、感度パラメータとして第１の感度値が設定されているときのノイズレベルｎｌに相当する。ピーク強度の値ｔｐ１は例えば３である。

【0102】

この場合、値ｔｐ１以下の画素データを受光素子３０のノイズから識別することはできない。そのため、値ｔｐ１以下では、受光素子３０のノイズがピーク強度として検出される可能性がある。したがって、値ｔｐ１以下では正確なピーク強度およびピーク位置を取得することができない。

【0103】

図５（ａ）の超深度画像Ｖ１においては、画像ＳＶ１の中央部およびその近傍の領域ＳＡ１で観察対象物Ｓの表面が複数レベルの濃淡により明確に表される。一方、画像ＳＶ１の両側部に沿った一定幅の領域ＳＢ１と画像ＳＶ１以外の領域ＳＺとが、ほぼ同じ濃度（濃いハッチング）で表される。このように、低い値の画素データしか取得できない領域ＳＢ１，ＳＺでは、受光素子３０のノイズがピーク強度として検出されることにより、広い範囲に渡って画像の濃度が均一化してしまう。この場合、画像ＳＶ１と画像ＳＶ１以外の領域ＳＺとの境界を識別することができない。

【0104】

そこで、第１の感度値で単位領域の高さ画像データおよび超深度画像データを生成した後、ピーク強度が値ｔｐ１以下である画素の数を検出するとともに、検出した画素数を単位領域の全画素数で除算する。このようにして算出される除算値を無効画素比率と呼ぶ。この場合、無効画素比率が大きいほど受光素子３０のノイズから識別できないピークを有する画素データの数が多く、無効画素比率が小さいほど受光素子３０のノイズから識別できないピークを有する画素データの数が少ない。

【0105】

ワイドダイナミックレンジ処理においては、予め図１の記憶装置２４０に基準画素比率が記憶されている。これにより、算出された無効画素比率が基準画素比率以下であるか否かを判定する。

【0106】

無効画素比率が基準画素比率よりも大きい場合には、レーザ光源１０の光量、ＮＤフィルタ８によるレーザ光の減衰率および受光素子３０のゲインのうちの少なくとも１つを制御することにより、感度パラメータを第１の感度値よりも高い第２の感度値に変更する。

【0107】

第２の感度値が設定された状態で、観察対象物ＳのＺ方向の複数の位置で単位領域のＸ方向およびＹ方向の走査を行う。これにより、複数の画素データを取得し、単位領域内でＺ方向の位置が異なる複数の共焦点画像データを生成する。複数の共焦点画像データに基づいて単位領域の高さ画像データおよび超深度画像データを生成する。

【0108】

図５（ｂ）の上段に、第２の感度値で取得されたピーク強度と画素数との関係を示すヒストグラムが示される。このヒストグラムにおいては、縦軸が画素数を表し、横軸がピーク強度（画素ごとの画素データのピーク値）を表す。横軸において、ピーク強度の最大値（１００）は、Ａ／Ｄ変換器の出力上限値ｍａｘに相当する。

【0109】

図５（ｂ）の下段に、第２の感度値を用いて生成された超深度画像データに基づく超深度画像Ｖ２が示される。超深度画像Ｖ２は、観察対象物Ｓの上側の外周面を表す画像ＳＶ２を含む。画像ＳＶ２の略中央部分ＳＵＶの画素が図４（ａ）の上端部分ＳＵの画素に対応し、画像ＳＶ２の両側辺Ｅ１Ｖ，Ｅ２Ｖの画素が図４（ａ）の両側端部分ＳＥ１，ＳＥ２の画素に対応する。

【0110】

図５（ｂ）の横軸において、ピーク強度の値ｔｐ２は、第１の感度値に対する第２の感度値の比率（＝第２の感度値／第１の感度値）と図５（ａ）の値ｔｐ１との乗算値である。ピーク強度の値ｔｐ２は例えば９７である。このように、第２の感度値は、ピーク強度の値ｔｐ２がピーク強度の最大値（１００）よりもやや小さくなるように設定される。

【0111】

なお、第２の感度値は、第１の感度値が設定されているときのＮＤフィルタ８によるレーザ光の減衰率を予め定められた一定量減少させることにより設定されてもよいし、第１の感度値が設定されているときのレーザ光源１０の光量または受光素子３０のゲインを予め定められた一定量増加させることにより設定されてもよい。

【0112】

感度パラメータを第１の感度値から第２の感度値に変更する場合、ＮＤフィルタ８によるレーザ光の減衰率またはレーザ光源１０の光量を受光素子３０のゲインよりも優先的に制御することが好ましい。

【0113】

ＮＤフィルタ８によるレーザ光の減衰率またはレーザ光源１０の光量を制御する場合には、感度パラメータの変更の前後でノイズレベルｎｌの大きさがほとんど変化しない。したがって、感度パラメータを第１の感度値から第２の感度値に変更することによりノイズレベルｎｌが増加することが防止される。

【0114】

図５（ｂ）の横軸において、ピーク強度の値ｔｐ３は、感度パラメータとして第２の感度値が設定されているときのノイズレベルｎｌに相当する。ピーク強度の値ｔｐ３は例えば３である。

【0115】

図５（ｂ）の上段に示すように、感度パラメータとして第２の感度値が設定される場合には、多数の画素に対応するピーク強度が最大値（１００）で飽和する。一方、感度パラメータとして第２の感度値が設定されることにより、ノイズレベルｎｌに相当するピーク強度の値ｔｐ３が、ピーク強度の値ｔｐ２よりも十分に小さくなる。これにより、第１の感度値でノイズレベルｎｌ以下のピーク強度を有する画素について、第２の感度値でノイズレベルｎｌよりも大きい値のピーク強度を得ることが可能となる。

【0116】

図５（ｂ）の超深度画像Ｖ２においては、画像ＳＶ２の中央部およびその近傍の領域ＳＡ２で観察対象物Ｓの表面が一定の濃度（白色）で表され、画像ＳＶ２の両側部に沿った一定幅の領域ＳＢ２と画像ＳＶ２以外の領域ＳＺとが複数レベルの濃淡により明確に表される。

【0117】

上記のように、第１の感度値で単位領域の超深度画像データを生成し、第２の感度値で単位領域の超深度画像データを生成した後、２つの超深度画像データを合成する。ここでは、第１の感度値で生成される超深度画像データを第１の超深度画像データと呼び、第２の感度値で生成される超深度画像データを第２の超深度画像データと呼ぶ。

【0118】

まず、単位領域の第１の超深度画像データのうち値ｔｐ１以下のピーク強度を有する画素に対応する部分のデータ（図５（ａ）の領域ＳＢ１）を削除する。また、単位領域の第２の超深度画像データのうち最大値（１００）のピーク強度を有する画素に対応する部分のデータ（図５（ｂ）の領域ＳＡ２）を削除する。

【0119】

続いて、第２の超深度画像データの値を（ｔｐ１／ｔｐ２）の比率で圧縮する。具体的には、値ｔｐ１が３であり、値ｔｐ２が９７である場合に、第２の超深度画像データの値に（３／９７）を乗算する。その後、第１の超深度画像データと圧縮された第２の超深度画像データとを合成する。

【0120】

第２の超深度画像データのうち値ｔｐ２よりも大きく最大値（１００）よりも小さいピーク強度を有する画素に対応する部分の圧縮後のデータは、残りの第１の超深度画像データのうち値ｔｐ１よりも大きく値（３．０９）（＝１００×（３／９７））よりも小さいピーク強度を有する画素に対応する部分のデータと重複する。そこで、第１の超深度画像データと圧縮された第２の超深度画像データとの重複部分では、第１の超深度画像データと圧縮された第２の超深度画像データとの平均値を合成後の超深度画像データとして算出する。

【0121】

これにより、図５（ｃ）に示すように、超深度画像Ｖ１，Ｖ２が合成された超深度画像Ｖ３を得ることができる。超深度画像Ｖ３においては、図４の観察対象物Ｓの表面の上端部分ＳＵから両側端部分ＳＥ１，ＳＥ２までが、複数レベルの濃淡により明確に表される。また、観察対象物Ｓの上側の外周面を表す画像ＳＶ３と画像ＳＶ３以外の領域ＳＺとの境界も濃淡により明確に識別することができる。

【0122】

上記に加えて、第１の感度値で単位領域の高さ画像データを生成し、第２の感度値で単位領域の高さ画像データを生成した後、２つの高さ画像データを合成する。ここでは、第１の感度値で生成される高さ画像データを第１の高さ画像データと呼び、第２の感度値で生成される高さ画像データを第２の高さ画像データと呼ぶ。

【0123】

まず、単位領域の第１の高さ画像データのうち値ｔｐ１以下のピーク強度を有する画素に対応する部分のデータを削除する。次に、単位領域の第２の高さ画像データのうち最大値（１００）のピーク強度を有する画素に対応する部分のデータを削除する。

【0124】

続いて、第１の高さ画像データと第２の高さ画像データとを合成する。この場合においても、第２の高さ画像データのうち値ｔｐ２よりも大きく最大値（１００）よりも小さいピーク強度を有する画素に対応する部分のデータは、残りの第１の高さ画像データのうち値ｔｐ１よりも大きく値（３．０９）（＝１００×（３／９７））よりも小さいピーク強度を有する画素に対応する部分のデータと重複する。そこで、第１の高さ画像データと第２の高さ画像データとの重複部分では、第１の高さ画像データと第２の高さ画像データとの平均値を合成後の高さ画像データとして算出する。このようにして、第１および第２の高さ画像データを合成する。

【0125】

本実施の形態に係るワイドダイナミックレンジ処理は、無効画素比率が基準画素比率以下である場合に、第１の感度値により超深度画像データおよび高さ画像データが生成されることにより終了する。これにより、１回の測定で観察対象物Ｓの表面の状態を示す高さ画像データおよび超深度画像データが生成される。したがって、観察対象物Ｓの表面の状態を短時間で検出することができる。

【0126】

（５）ワイドダイナミックレンジ処理の設定
図６は、表示部４００の一表示例を示す図である。図６に示すように、表示部４００の画面上には、画像表示領域４１０および条件設定領域４２０が表示される。画像表示領域４１０には、共焦点画像データに基づく共焦点画像またはカメラ画像データに基づくカメラ画像が表示される。画像表示領域４１０に、図４の観察対象物Ｓの上側の外周面を表す共焦点画像ＳＶが表示される。条件設定領域４２０には、取得開始ボタン４２５および第１の感度パラメータ設定枠４３０が表示される。

【0127】

第１の感度パラメータ設定枠４３０は、複数のボタンおよび操作用バーを含む。使用者は、画像表示領域４１０に共焦点画像またはカメラ画像が表示された状態で、ＰＣ２００に接続されたマウス等のポインティングデバイスを用いて第１の感度パラメータ設定枠４３０内の複数のボタンおよび操作用バーを操作する。これにより、ワイドダイナミックレンジ処理の設定を行うことができる。第１の感度パラメータ設定枠４３０の詳細は後述する。

【0128】

使用者が条件設定領域４２０の取得開始ボタン４２５を操作すると、Ｚ方向の複数の位置でレーザ光が単位領域のＸ方向およびＹ方向に走査され、複数の画素データが取得される。これにより、単位領域内においてＺ方向の異なる複数の位置に対応する複数の共焦点画像データが生成され、生成された複数の共焦点画像データに基づいて高さ画像データおよび超深度画像データが生成される。高さ画像データおよび超深度画像データの生成動作は、使用者が第１の感度パラメータ設定枠４３０を操作することによるワイドダイナミックレンジ処理の設定内容に応じて変化する。

【0129】

第１の感度パラメータ設定枠４３０の詳細を説明する。図７は図６の第１の感度パラメータ設定枠４３０を示す図である。図７に示すように、第１の感度パラメータ設定枠４３０には、第１の感度値自動設定ボタン４３１、ゲイン手動調整バー４３２、フィルタ手動調整欄４３３、チェックボックス４３４およびワイドダイナミックレンジ設定ボタン４３５が表示される。ゲイン手動調整バー４３２は水平方向に移動可能なスライダ４３２ａ、左ボタン４３２ｂおよび右ボタン４３２ｃを有する。ゲイン手動調整バー４３２においては、スライダ４３２ａの位置が現時点の受光素子３０のゲインの大きさに対応する。

【0130】

使用者は、図１の共焦点顕微鏡システム５００のステージ６０に観察対象物Ｓが載置された状態で、図７の第１の感度値自動設定ボタン４３１を操作する。これにより、上述のように対物レンズ３がＺ方向の複数の位置に移動されつつ単位領域のＸ方向およびＹ方向の走査が行われ、取得される複数の画素データの値の全てが出力上限値ｍａｘよりも小さくなるように感度パラメータの値が第１の感度値に設定される。

【0131】

上述のように、第１の感度値は、使用者により設定されてもよい。使用者は、スライダ４３２ａ、左ボタン４３２ｂおよび右ボタン４３２ｃのいずれかを操作することにより、スライダ４３２ａの位置を変更することができる。この場合、制御部３００は、変更されたスライダ４３２ａの位置に応じて受光素子３０のゲインを制御することにより第１の感度値を設定する。また、使用者は、フィルタ手動調整欄４３３を操作することにより、図１のＮＤフィルタ８によるレーザ光の減衰率を変更することができる。この場合、制御部３００は、使用者によるフィルタ手動調整欄４３３の操作に基づいてＮＤフィルタ８によるレーザ光の減衰率を制御することにより第１の感度値を設定する。

【0132】

第１の感度値が設定された状態で、使用者がチェックボックス４３４を指定すると、ワイドダイナミックレンジ設定ボタン４３５の操作が有効となる。

【0133】

使用者が、ワイドダイナミックレンジ設定ボタン４３５を操作することにより、図６の表示部４００に第２の感度パラメータ設定ウィンドウが表示される。図８は、第２の感度パラメータ設定ウィンドウを示す図である。

【0134】

図８に示すように、第２の感度パラメータ設定ウィンドウ４４０には、チェックボックス４４１、ゲイン手動調整バー４４２、フィルタ手動調整欄４４３およびＯＫボタン４４４が表示される。

【0135】

第２の感度パラメータ設定ウィンドウ４４０において、使用者がチェックボックス４４１を指定した後、ＯＫボタン４４４を操作する。この場合、図６の取得開始ボタン４２５が操作されることにより、第１の感度値が設定された状態で単位領域の高さ画像データおよび超深度画像データが生成された後、上述の無効画素比率が算出される。

【0136】

算出された無効画素比率が基準画素比率よりも大きい場合には、感度パラメータが第１の感度値よりも高い第２の感度値に変更される。その後、第２の感度値が設定された状態で単位領域の高さ画像データおよび超深度画像データが生成される。最後に、第１の感度値および第２の感度値で生成された第１および第２の高さ画像データが合成されるとともに、第１の感度値および第２の感度値で生成された第１および第２の超深度画像データが合成される。したがって、観察対象物Ｓの表面の状態が領域ごとに異なる場合でも、使用者が煩雑な操作を行うことなく、観察対象物Ｓの表面の状態を正確に検出することができる。

【0137】

一方、算出された無効画素比率が基準画素比率以下である場合には、第１の感度値が設定された状態で取得された画素データに基づいて、単位領域の高さ画像データおよび超深度画像データが生成され、ワイドダイナミックレンジ処理が終了する。これにより、使用者が煩雑な操作を行うことなく、１回の測定で取得された複数の画素データに基づいて高さ画像データおよび超深度画像データが短時間で生成される。

【0138】

第１の感度値と同様に、第２の感度値は、使用者により手動で設定されてもよい。ゲイン手動調整バー４４２においては、スライダ４４２ａの位置が現時点の受光素子３０のゲインの大きさに対応する。

【0139】

チェックボックス４４１が指定されていない状態で、ゲイン手動調整バー４４２およびフィルタ手動調整欄４４３の操作が有効となる。この場合、使用者は、チェックボックス４４１を指定することなくスライダ４４２ａ、左ボタン４４２ｂおよび右ボタン４４２ｃのいずれかを操作することにより、スライダ４４２ａの位置を変更することができる。使用者は、第２の感度パラメータ設定ウィンドウ４４０において、ゲイン手動調整バー４４２を操作した後ＯＫボタン４４４を操作する。

【0140】

この場合、制御部３００は、図６の取得開始ボタン４２５が操作されることにより、第１の感度値で単位領域の第１の高さ画像データおよび第１の超深度画像データが生成された後、ゲイン手動調整バー４４２におけるスライダ４４２ａの位置に基づいて受光素子３０のゲインを制御することにより第２の感度値を設定する。

【0141】

また、使用者は、フィルタ手動調整欄４４３を操作することにより、ＮＤフィルタ８によるレーザ光の減衰率を所望の値に設定することができる。使用者は、第２の感度パラメータ設定ウィンドウ４４０において、フィルタ手動調整欄４４３を操作した後ＯＫボタン４４４を操作する。

【0142】

この場合、制御部３００は、図６の取得開始ボタン４２５が操作されることにより、第１の感度値で単位領域の第１の高さ画像データおよび第１の超深度画像データが生成された後、使用者により設定された値に基づいてＮＤフィルタ８によるレーザ光の減衰率を制御することにより第２の感度値を設定する。

【0143】

上記のように、使用者により第２の感度値が設定された場合には、第１の感度値が設定された状態で単位領域の第１の高さ画像データおよび第１の超深度画像データが生成された後、第２の感度値が設定された状態で単位領域の第２の高さ画像データおよび第２の超深度画像データが生成される。その後、第１および第２の高さ画像データが合成されるとともに、第１および第２の超深度画像データが合成される。

【0144】

（６）表面状態観察処理フロー
図９〜図１２は、表面状態観察処理のフローチャートである。上記のワイドダイナミックレンジ処理は表面状態観察処理の一部を構成する。表面状態観察処理は、使用者により図６および図７の第１の感度パラメータ設定枠４３０が操作されることにより開始される。図１のＣＰＵ２１０は、記憶装置２４０に記憶される表面状態観察プログラムを実行することにより表面状態観察処理を行う。

【0145】

図９に示すように、ＣＰＵ２１０は、まず第１の感度値が設定されているか否かを判定する（ステップＳ１）。具体的には、ＣＰＵ２１０は、図１の作業用メモリ２３０に第１の感度値として感度パラメータの値が記憶されている場合に第１の感度値が設定されていると判定し、作業用メモリ２３０に第１の感度値として感度パラメータの値が記憶されていない場合に第１の感度値が設定されていないと判定する。

【0146】

第１の感度値が設定されている場合、ＣＰＵ２１０は、後述するステップＳ４の処理に進む。一方、第１の感度値が設定されていない場合、ＣＰＵ２１０は、使用者により図７の第１の感度値自動設定ボタン４３１、ゲイン手動調整バー４３２およびフィルタ手動調整欄４３３のいずれかが操作されたか否かに基づいて、第１の感度値の自動設定または手動設定が指令されたか否かを判定する（ステップＳ２）。

【0147】

第１の感度値の自動設定および手動設定のいずれもが指令されていない場合、ＣＰＵ２１０は、ステップＳ１の処理に戻る。一方、ＣＰＵ２１０は、第１の感度値の自動設定が指令された場合に自動的に第１の感度値を設定し、第１の感度値の手動設定が指令された場合に使用者によるゲイン手動調整バー４３２およびフィルタ手動調整欄４３３の操作に従って第１の感度値を設定する（ステップＳ３）。

【0148】

続いて、ＣＰＵ２１０は、使用者により図７のチェックボックス４３４が指定されたか否かに基づいて、ワイドダイナミックレンジ処理が指令されたか否かを判定する（ステップＳ４）。

【0149】

ワイドダイナミックレンジ処理が指令された場合、ＣＰＵ２１０は、使用者により図８のチェックボックス４４１が指定されたか否かに基づいて、第２の感度値の自動設定が指令されたか否かを判定する（ステップＳ５）。

【0150】

第２の感度値の自動設定が指令された場合、ＣＰＵ２１０は、使用者により図６の取得開始ボタン４２５が操作されたか否かに基づいて単位領域の複数の画像データの取得の開始が指令されたか否かを判定する（ステップＳ６）。

【0151】

画像データの取得の開始が指令されていない場合、ＣＰＵ２１０は、上記のステップＳ５の処理に戻る。一方、画像データの取得の開始が指令された場合、ＣＰＵ２１０は、第１の感度値により複数の画素データを取得する（ステップＳ７）。

【0152】

これにより、ＣＰＵ２１０は、取得した複数の画素データに基づいて第１の高さ画像データおよび第１の超深度画像データを生成する（ステップＳ８）。続いて、ＣＰＵ２１０は、第１の高さ画像データおよび第１の超深度画像データに基づいて、第２の感度値により複数の画素データを取得すべきか否かを判定するための値（以下、判定値と呼ぶ。）として無効画素比率を算出する（ステップＳ９）。

【0153】

その後、ＣＰＵ２１０は、無効画素比率が基準画素比率以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０）。無効画素比率が基準画素比率よりも小さい場合、ＣＰＵ２１０は表面状態観察処理を終了する。一方、無効画素比率が基準画素比率以上である場合、ＣＰＵ２１０は予め作業用メモリ２３０に記憶された第２の感度値により複数の画素データを取得する（ステップＳ１１）。これにより、ＣＰＵ２１０は、取得した複数の画素データに基づいて第２の高さ画像データおよび第２の超深度画像データを生成する（ステップＳ１２）。

【0154】

最後に、ＣＰＵ２１０は、第１の高さ画像データと第２の高さ画像データとを合成するとともに、第１の超深度画像データと第２の超深度画像データとを合成し（ステップＳ１３）、表面状態観察処理を終了する。

【0155】

上記のステップＳ５において、第２の感度値の自動設定が指令されていない場合、ＣＰＵ２１０は、使用者により手動で第２の感度値が設定されているか否かを判定する（ステップＳ２１）。

【0156】

第２の感度値が設定されている場合、ＣＰＵ２１０は、後述するステップＳ２４の処理に進む。一方、第２の感度値が設定されていない場合、ＣＰＵ２１０は、使用者により図８のゲイン手動調整バー４４２およびフィルタ手動調整欄４４３のいずれかが操作されたか否かに基づいて、第２の感度値の手動設定が指令されたか否かを判定する（ステップＳ２２）。

【0157】

第２の感度値の手動設定が指令されていない場合、ＣＰＵ２１０は、ステップＳ２１の処理に戻る。一方、ＣＰＵ２１０は、第２の感度値の手動設定が指令された場合に使用者による図８のゲイン手動調整バー４４２およびフィルタ手動調整欄４４３のうちの少なくとも一方の操作に従って第２の感度値を設定する（ステップＳ２３）。

【0158】

次に、ＣＰＵ２１０は、使用者により図６の取得開始ボタン４２５が操作されたか否かに基づいて単位領域の複数の画像データの取得の開始が指令されたか否かを判定する（ステップＳ２４）。

【0159】

画像データの取得の開始が指令されていない場合、ＣＰＵ２１０は、上記のステップＳ５の処理に戻る。一方、画像データの取得の開始が指令された場合、ＣＰＵ２１０は、第１の感度値により複数の画素データを取得する（ステップＳ２５）。

【0160】

これにより、ＣＰＵ２１０は、取得した複数の画素データに基づいて第１の高さ画像データおよび第１の超深度画像データを生成する（ステップＳ２６）。

【0161】

続いて、ＣＰＵ２１０は、予め作業用メモリ２３０に記憶された第２の感度値により複数の画素データを取得する（ステップＳ２７）。これにより、ＣＰＵ２１０は、取得した複数の画素データに基づいて第２の高さ画像データおよび第２の超深度画像データを生成する（ステップＳ２８）。

【0162】

最後に、ＣＰＵ２１０は、第１の高さ画像データと第２の高さ画像データとを合成するとともに、第１の超深度画像データと第２の超深度画像データとを合成し（ステップＳ２９）、表面状態観察処理を終了する。

【0163】

上記のステップＳ４において、ワイドダイナミックレンジ処理が指令されていない場合、ＣＰＵ２１０は、使用者により図６の取得開始ボタン４２５が操作されたか否かに基づいて、単位領域の複数の画像データの取得の開始が指令されたか否かを判定する（ステップＳ３１）。

【0164】

画像データの取得の開始が指令されていない場合、ＣＰＵ２１０は、上記のステップＳ１の処理に戻る。一方、画像データの取得の開始が指令された場合、ＣＰＵ２１０は、第１の感度値により複数の画素データを取得する（ステップＳ３２）。これにより、ＣＰＵ２１０は、取得した複数の画素データに基づいて高さ画像データおよび超深度画像データを生成し（ステップＳ３３）、表面状態観察処理を終了する。

【0165】

上記の表面状態観察処理フローにおいては、ステップＳ５〜Ｓ１３，Ｓ２１〜Ｓ２９の一連の処理が上述のワイドダイナミックレンジ処理に相当する。

【0166】

（７）他の実施の形態
（７−１）上記実施の形態では、第１の高さ画像データおよび第１の超深度画像データの生成後に第２の感度値により複数の画素データを取得すべきか否かを判定するための判定値として無効画素比率が用いられるが、無効画素比率とは異なる値を判定値として用いることもできる。

【0167】

例えば、ＣＰＵ２１０は、第１の高さ画像データおよび第１の超深度画像データの生成後に、観察対象物Ｓの表面のうち予め定められた領域内の複数の画素（例えば単位領域内の５画素、１０画素または全画素等）に対応する複数のピーク強度の値の和または平均値を判定値として算出する。

【0168】

この場合、図１の記憶装置２４０に予め基準値が記憶される。これにより、ＣＰＵ２１０は、複数のピーク強度の値の和または平均値が基準値以上であるか否かを判定し、和または平均値が基準値よりも小さい場合に表面状態観察処理を終了し、和または平均値が基準値以上である場合に第２の感度値により複数の画素データを取得してもよい。

【0169】

あるいは、ＣＰＵ２１０は、第１の高さ画像データおよび第１の超深度画像データの生成後に、生成された高さ画像データに基づいて単位領域内の全画素に対応する複数のピーク位置を表すデータを生データとして作業用メモリ２３０に記憶する。また、ＣＰＵ２１０は、生データに対してノイズを除去するための平滑化処理（メディアンフィルタ処理等）を行い、平滑化処理後のデータを処理データとして作業用メモリ２３０に記憶する。続いて、ＣＰＵ２１０は、作業用メモリ２３０に記憶された生データおよび処理データを読み込み、画素ごとに対応する処理データと生データとの差分を差分データとして算出する。その後、ＣＰＵ２１０は、画素ごとに算出された差分データの和または平均値を判定値として算出する。

【0170】

この場合においても、図１の記憶装置２４０に予め基準値が記憶される。これにより、ＣＰＵ２１０は、複数の差分データの和または平均値が基準値以上であるか否かを判定し、和または平均値が基準値よりも小さい場合に表面状態観察処理を終了し、和または平均値が基準値以上である場合に第２の感度値により複数の画素データを取得してもよい。

【0171】

（７−２）上記実施の形態では、第２の感度値が予め定められている。これに限らず、第２の感度値は、第１の感度値で取得される複数の画素データに基づいてＣＰＵ２１０により自動的に決定されてもよい。この場合、第２の感度値を適切な値に設定することができる。

【0172】

例えば、一部が削除された第１の超深度画像データと圧縮された第２の超深度画像データとの合成時に、２つの超深度画像データの重複部分に対応する画素の数が一定数以上となるように第２の感度値を設定する。

【0173】

この場合、一部が削除された第１の超深度画像データと圧縮された第２の超深度画像データとの間でパターンマッチングを行うことができる。したがって、第１の超深度画像データと圧縮された第２の超深度画像データとを精度よく合成することができる。

【0174】

同様に、一部が削除された第１の高さ画像データと一部が削除された第２の高さ画像データとの合成時に、２つの高さ画像データの重複部分に対応する画素の数が一定数以上となるように第２の感度値を設定する。

【0175】

この場合においても、一部が削除された第１の高さ画像データと一部が削除された第２の高さ画像データとの間でパターンマッチングを行うことができる。したがって、第１の高さ画像データと第２の高さ画像データとを精度よく合成することができる。

【0176】

（７−３）上記では、無効画素比率を算出するための値ｔｐ１はノイズレベルｎｌに相当するが、値ｔｐ１は第１の感度値で取得される複数の画素データに基づいてＣＰＵ２１０により自動的に決定されてもよい。

【0177】

例えば、一部が削除された第１の超深度画像データと圧縮された第２の超深度画像データとの合成時に、２つの超深度画像データの重複部分に対応する画素の数が一定数以上となるように値ｔｐ１を設定する。

【0178】

この場合、一部が削除された第１の超深度画像データと圧縮された第２の超深度画像データとの間でパターンマッチングを行うことができる。したがって、第１の超深度画像データと圧縮された第２の超深度画像データとを精度よく合成することができる。

【0179】

同様に、一部が削除された第１の高さ画像データと一部が削除された第２の高さ画像データとの合成時に、２つの高さ画像データの重複部分に対応する画素の数が一定数以上となるように値ｔｐ１を設定する。

【0180】

この場合においても、一部が削除された第１の高さ画像データと一部が削除された第２の高さ画像データとの間でパターンマッチングを行うことができる。したがって、第１の高さ画像データと第２の高さ画像データとを精度よく合成することができる。

【0181】

（７−４）上記では、図８のチェックボックス４４１が指定されていない場合に、無効画素比率が算出されず、無効画素比率が基準画素比率以下であるか否かの判定も行われない。これに限らず、図８のチェックボックス４４１が指定されていない場合でも、ＣＰＵ２１０は、第１の感度値による単位領域の第１の高さ画像データおよび第１の超深度画像データの生成後、無効画素比率が基準画素比率以下であるか否かの判定結果に基づいて、第２の感度値による画素データの取得を行うか否かを判定してもよい。

【0182】

（７−５）上記では、共焦点顕微鏡システム５００において表面状態観察処理が実行される。

【0183】

これに限らず、上記の表面状態観察処理は、光源からの光を対物レンズ３を通して観察対象物に収束するように投射し、受光素子３０に導かれる光の強さに対応して取得されるデジタル信号に基づいて観察対象物の表面の状態を観察する顕微鏡システムに適用することができる。投射された光の焦点位置を光軸方向に移動させつつ観察対象物の表面の状態を観察する顕微鏡システムとして、例えば光干渉法を用いた顕微鏡システムおよび光学顕微鏡システム等がある。

【0184】

（７−６）上記実施の形態において、Ｘ−Ｙスキャン光学系２０が制御されることによりレーザ光が観察対象物Ｓ上でＸ方向およびＹ方向に走査されるが、これに限定されない。ステージ６０が移動されることによりレーザ光が観察対象物Ｓ上でＸ方向およびＹ方向に走査されてもよい。

【0185】

また、レーザ光としてライン光（例えばＸ方向に延びる細長い光）が用いられてもよい。この場合、Ｘ−Ｙスキャン光学系２０に代えてＸ方向への走査を行わないＹスキャン光学系が用いられる。また、受光素子３０に代えて、Ｘ方向に対応する方向に配列された複数の受光素子からなるラインＣＣＤカメラ等が用いられる。

【0186】

なお、ラインＣＣＤカメラの各受光素子のＹ方向に対応する方向の受光面のサイズは一般的に数１０μｍである。この場合、ラインＣＣＤカメラの受光面がレンズ２の焦点位置に配置される。観察対象物Ｓの表面が対物レンズ３の焦点位置にあるときに、観察対象物Ｓにより反射されたライン光がラインＣＣＤカメラの受光面に集光される。それにより、観察対象物Ｓにより反射されたライン光の大部分がラインＣＣＤカメラの受光面に入射する。

【0187】

一方、観察対象物Ｓが対物レンズ３の焦点位置から外れた位置にあるときには、観察対象物Ｓにより反射されたライン光はラインＣＣＤカメラの受光面の前または後の位置に集光される。それにより、観察対象物Ｓにより反射されたライン光の一部のみがラインＣＣＤカメラの受光面に入射する。したがって、ラインＣＣＤカメラの前にピンホール部材７を配置することが不要となる。

【0188】

（７−７）上記実施の形態において、対物レンズ３がＺ方向に移動されることにより対物レンズ３に対する観察対象物Ｓの相対的なＺ方向の位置が変化されるが、これに限定されない。ステージ６０がＺ方向に移動されることにより対物レンズ３に対する観察対象物Ｓの相対的なＺ方向の位置が変化されてもよい。

【0189】

（７−８）上記実施の形態において、Ｘ−Ｙスキャン光学系２０が制御されることによりレーザ光が観察対象物Ｓ上でＸ方向およびＹ方向に走査されるが、これに限定されない。ステージ６０が移動されることによりレーザ光が観察対象物Ｓ上でＸ方向およびＹ方向に走査されてもよい。

【0190】

（７−９）上記実施の形態において、ＰＣ２００のＣＰＵ２１０が制御部３００の機能を有していてもよい。この場合、制御部３００は設けられなくてもよい。

【0191】

（８）請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応関係
以下、請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応の例について説明するが、本発明は下記の例に限定されない。

【0192】

観察対象物Ｓが観察対象物の例であり、共焦点顕微鏡システム５００が共焦点顕微鏡システムの例であり、レーザ光源１０がレーザ光源の例であり、受光素子３０が受光素子の例であり、Ｘ−Ｙスキャン光学系２０が走査光学系の例であり、対物レンズ３が対物レンズの例であり、レンズ駆動部６３がレンズ駆動部の例であり、ＮＤフィルタ８が受光光学系の例である。

【0193】

また、第１の感度値および第２の感度値で取得される複数の画素データが画素データの例であり、各画素のピーク値（ピーク強度）を示す画素データが画像データの例であり、制御部３００が画素データ出力部の例であり、ＰＣ２００が感度設定部および画像データ生成部の例である。

【0194】

さらに、無効画素比率を算出するための値ｔｐ１がしきい値の例であり、高さ画像データおよび超深度画像データが表面画像データの例である。また、無効画素比率、複数のピーク強度の値の和または平均値、または複数の差分データの和または平均値が判定値の例であり、第１の感度値による複数の画素データの取得後に算出される無効画素比率が基準画素比率以下であること、複数のピーク強度の値の和または平均値が基準値以上であること、または複数の差分データの和または平均値が基準値以上であることが予め定められた条件の例である。

【0195】

請求項の各構成要素として、請求項に記載されている構成または機能を有する他の種々の要素を用いることもできる。

【産業上の利用可能性】

【0196】

本発明は、種々の共焦点顕微鏡システムに有効に利用することができる。

【符号の説明】

【0197】

１，２ レンズ
３ 対物レンズ
４〜６ ハーフミラー
７ ピンホール部材
８ ＮＤフィルタ
１０ レーザ光源
２０ Ｘ−Ｙスキャン光学系
３０ 受光素子
４０ 照明用白色光源
５０ カラーＣＣＤカメラ
６０ ステージ
６１ ステージ操作部
６２ ステージ駆動部
６３ レンズ駆動部
１００ 測定部
２００ ＰＣ
２１０ ＣＰＵ
２２０ ＲＯＭ
２３０ 作業用メモリ
２４０ 記憶装置
３００ 制御部
４００ 表示部
４１０ 画像表示領域
４２０ 条件設定領域
４２５ 取得開始ボタン
４３０ 第１の感度パラメータ設定枠
４３１ 第１の感度値自動設定ボタン
４３２ ゲイン手動調整バー
４３３ フィルタ手動調整欄
４３４，４４１ チェックボックス
４３５ ワイドダイナミックレンジ設定ボタン
４３２ａ，４４２ａ スライダ
４３２ｂ，４４２ｂ 左ボタン
４３２ｃ，４４２ｃ 右ボタン
４４０ 第２の感度パラメータ設定ウィンドウ
４４２ ゲイン手動調整バー
４４３ フィルタ手動調整欄
４４４ ＯＫボタン
５００ 共焦点顕微鏡システム
ｎｌ ノイズレベル
Ｓ 観察対象物
ｓ１〜ｓ４ 単位領域
ＳＣ 中心軸
ＳＥ１，ＳＥ２ 両側端部分
ＳＬ 線
ＳＵ 上端部分
ＳＵＶ 略中央部分
ＳＶ 共焦点画像
ＳＶ１，ＳＶ２，ＳＶ３ 画像
ｔｐ１，ｔｐ２，ｔｐ３，α，β 値
Ｖ１〜Ｖ３ 超深度画像
Ｅ１Ｖ，Ｅ２Ｖ 両側辺
ＳＡ１，ＳＡ２，ＳＢ１，ＳＢ２，ＳＺ 領域

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】