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(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】6812149
(24)【登録日】2020年12月18日
(45)【発行日】2021年1月13日
(54)【発明の名称】走査型顕微鏡、及び、走査型顕微鏡の制御方法
(51)【国際特許分類】
G02B 21/06 20060101AFI20201228BHJP
G02B 26/10 20060101ALI20201228BHJP
【ＦＩ】
G02B21/06
G02B26/10 C
G02B26/10 104Z
【請求項の数】12
【全頁数】22
(21)【出願番号】特願2016-130702(P2016-130702)
(22)【出願日】2016年6月30日
(65)【公開番号】特開2018-4905(P2018-4905A)
(43)【公開日】2018年1月11日
【審査請求日】2019年3月27日
(73)【特許権者】
【識別番号】000000376
【氏名又は名称】オリンパス株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100074099
【弁理士】
【氏名又は名称】大菅 義之
(74)【代理人】
【識別番号】100121083
【弁理士】
【氏名又は名称】青木 宏義
(74)【代理人】
【識別番号】100138391
【弁理士】
【氏名又は名称】天田 昌行
(72)【発明者】
【氏名】高橋 千佳
(72)【発明者】
【氏名】谷 洋輔
【審査官】
小倉 宏之
(56)【参考文献】
【文献】
特開平０６−０８８７２４（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開平０３−２１１５１７（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００８−１７０６４１（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００９−１４５８２６（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開平１０−２６０１３２（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１６−００９１５７（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１２−１３４８４６（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｇ０２Ｂ ２１／０６
Ｇ０２Ｂ ２６／１０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
振動運動により互いに直交する方向に光で試料を走査する第１のスキャナと第２のスキャナとを含む２次元走査手段であって、前記第１のスキャナは前記第２のスキャナよりも高速に前記試料を走査する２次元走査手段と、
前記２次元走査手段を制御する走査制御手段と、
前記２次元走査手段により走査された前記試料からの光を検出する光検出器と、
前記第２のスキャナの往路期間と復路期間の両方で前記光検出器からの信号をサンプリングするサンプリング手段と、備え、
前記走査制御手段は、前記第１のスキャナの走査方向についての画像有効信号が示す期間の中心が、サンプリングクロックの遅延に起因するサンプリングクロックの分布が中心クロックに対して対称でないサンプリングクロックにおいて、前記第１のスキャナの往路期間中に発生するサンプリングクロックのうちの中心クロックが発生するタイミング又は前記第１のスキャナの復路期間中に発生するサンプリングクロックのうちの中心クロックが発生するタイミングに一致するように、前記第１のスキャナの走査方向についての画像有効信号の出力タイミングを調整する
ことを特徴とする走査型顕微鏡。
前記２次元走査手段を制御する走査制御手段と、
前記２次元走査手段により走査された前記試料からの光を検出する光検出器と、
前記第２のスキャナの往路期間と復路期間の両方で前記光検出器からの信号をサンプリングするサンプリング手段と、備え、
前記走査制御手段は、前記第１のスキャナの走査方向についての画像有効信号が示す期間の中心が、サンプリングクロックの遅延に起因するサンプリングクロックの分布が中心クロックに対して対称でないサンプリングクロックにおいて、前記第１のスキャナの往路期間中に発生するサンプリングクロックのうちの中心クロックが発生するタイミング又は前記第１のスキャナの復路期間中に発生するサンプリングクロックのうちの中心クロックが発生するタイミングに一致するように、前記第１のスキャナの走査方向についての画像有効信号の出力タイミングを調整する
ことを特徴とする走査型顕微鏡。
【請求項2】
請求項１に記載の走査型顕微鏡において、
前記走査制御手段は、前記第２のスキャナの往路期間中の走査軌跡と復路期間中の走査軌跡が対応するように、前記２次元走査手段を制御する
ことを特徴とする走査型顕微鏡。
前記走査制御手段は、前記第２のスキャナの往路期間中の走査軌跡と復路期間中の走査軌跡が対応するように、前記２次元走査手段を制御する
ことを特徴とする走査型顕微鏡。
【請求項3】
請求項１又は請求項２に記載の走査型顕微鏡において、
前記走査制御手段は、第２のスキャナの駆動信号波形が三角波となるように、前記２次元走査手段を制御する
ことを特徴とする走査型顕微鏡。
前記走査制御手段は、第２のスキャナの駆動信号波形が三角波となるように、前記２次元走査手段を制御する
ことを特徴とする走査型顕微鏡。
【請求項4】
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の走査型顕微鏡において、
前記サンプリング手段は、
前記第２のスキャナの往路期間中に、前記第１のスキャナ往路期間と復路期間の一方で前記光検出器からの信号をサンプリングし、
前記第２のスキャナの復路期間中に、前記第１のスキャナの往路期間と復路期間の他方で前記光検出器からの信号をサンプリングする
ことを特徴とする走査型顕微鏡。
前記サンプリング手段は、
前記第２のスキャナの往路期間中に、前記第１のスキャナ往路期間と復路期間の一方で前記光検出器からの信号をサンプリングし、
前記第２のスキャナの復路期間中に、前記第１のスキャナの往路期間と復路期間の他方で前記光検出器からの信号をサンプリングする
ことを特徴とする走査型顕微鏡。
【請求項5】
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の走査型顕微鏡において、
前記サンプリング手段は、前記第１のスキャナの往路期間と復路期間の両方で前記光検出器からの信号をサンプリングする
ことを特徴とする走査型顕微鏡。
前記サンプリング手段は、前記第１のスキャナの往路期間と復路期間の両方で前記光検出器からの信号をサンプリングする
ことを特徴とする走査型顕微鏡。
【請求項6】
請求項５に記載の走査型顕微鏡において、
前記走査制御手段は、
前記第２のスキャナの往路期間中であって前記第１のスキャナの往路期間中に走査した位置を、前記第２のスキャナの復路期間中であって前記第１のスキャナの復路期間中に走査するように、前記２次元走査手段を制御し、
前記第２のスキャナの往路期間中であって前記第１のスキャナの復路期間中に走査した位置を、前記第２のスキャナの復路期間中であって前記第１のスキャナの往路期間中に走査するように、前記２次元走査手段を制御する
ことを特徴とする走査型顕微鏡。
前記走査制御手段は、
前記第２のスキャナの往路期間中であって前記第１のスキャナの往路期間中に走査した位置を、前記第２のスキャナの復路期間中であって前記第１のスキャナの復路期間中に走査するように、前記２次元走査手段を制御し、
前記第２のスキャナの往路期間中であって前記第１のスキャナの復路期間中に走査した位置を、前記第２のスキャナの復路期間中であって前記第１のスキャナの往路期間中に走査するように、前記２次元走査手段を制御する
ことを特徴とする走査型顕微鏡。
【請求項7】
請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の走査型顕微鏡において、さらに、
前記サンプリング手段から出力されるデジタル信号に基づいて前記試料の画像データを生成する画像データ生成装置を備え、
前記画像データ生成装置は、
前記第２のスキャナの往路期間中に前記サンプリング手段から出力されたデジタル信号に基づいて、第１の画像データを生成し、
前記第２のスキャナの復路期間中に前記サンプリング手段から出力されたデジタル信号に基づいて、第２の画像データを生成する
ことを特徴とする走査型顕微鏡。
前記サンプリング手段から出力されるデジタル信号に基づいて前記試料の画像データを生成する画像データ生成装置を備え、
前記画像データ生成装置は、
前記第２のスキャナの往路期間中に前記サンプリング手段から出力されたデジタル信号に基づいて、第１の画像データを生成し、
前記第２のスキャナの復路期間中に前記サンプリング手段から出力されたデジタル信号に基づいて、第２の画像データを生成する
ことを特徴とする走査型顕微鏡。
【請求項8】
請求項１に記載の走査型顕微鏡において、さらに、
前記サンプリング手段から出力されるデジタル信号に基づいて前記試料の画像データを生成する画像データ生成装置を備え、
前記走査制御手段は、前記第２のスキャナの往路期間中の走査軌跡と復路期間中の走査軌跡が、前記第２のスキャナの走査方向に異なるように、前記２次元走査手段を制御し、
前記画像データ生成装置は、
前記第２のスキャナの往路期間中に前記サンプリング手段から出力されたデジタル信号と前記第２のスキャナの復路期間中に前記サンプリング手段から出力されたデジタル信号に基づいて、画像データを生成する
ことを特徴とする走査型顕微鏡。
前記サンプリング手段から出力されるデジタル信号に基づいて前記試料の画像データを生成する画像データ生成装置を備え、
前記走査制御手段は、前記第２のスキャナの往路期間中の走査軌跡と復路期間中の走査軌跡が、前記第２のスキャナの走査方向に異なるように、前記２次元走査手段を制御し、
前記画像データ生成装置は、
前記第２のスキャナの往路期間中に前記サンプリング手段から出力されたデジタル信号と前記第２のスキャナの復路期間中に前記サンプリング手段から出力されたデジタル信号に基づいて、画像データを生成する
ことを特徴とする走査型顕微鏡。
【請求項9】
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の走査型顕微鏡において、
前記走査制御手段は、前記第２のスキャナの駆動信号波形に対して前記第２のスキャナの走査方向についての画像有効信号の出力タイミングを調整する
ことを特徴とする走査型顕微鏡。
前記走査制御手段は、前記第２のスキャナの駆動信号波形に対して前記第２のスキャナの走査方向についての画像有効信号の出力タイミングを調整する
ことを特徴とする走査型顕微鏡。
【請求項10】
請求項９に記載の走査型顕微鏡において、
前記走査制御手段は、前記第２のスキャナの往路期間中に画像化される前記第２のスキャナの走査方向についての画像有効範囲と前記第２のスキャナの復路期間中に画像化される前記第２のスキャナの走査方向についての画像有効範囲とが合うように、前記第２のスキャナの駆動信号波形に対して前記第２のスキャナの走査方向についての画像有効信号の出力タイミングを調整する
ことを特徴とする走査型顕微鏡。
前記走査制御手段は、前記第２のスキャナの往路期間中に画像化される前記第２のスキャナの走査方向についての画像有効範囲と前記第２のスキャナの復路期間中に画像化される前記第２のスキャナの走査方向についての画像有効範囲とが合うように、前記第２のスキャナの駆動信号波形に対して前記第２のスキャナの走査方向についての画像有効信号の出力タイミングを調整する
ことを特徴とする走査型顕微鏡。
【請求項11】
請求項９又は請求項１０に記載の走査型顕微鏡において、
前記走査制御手段は、前記画像有効信号を時間的に遅延する方向にずらす
ことを特徴とする走査型顕微鏡。
前記走査制御手段は、前記画像有効信号を時間的に遅延する方向にずらす
ことを特徴とする走査型顕微鏡。
【請求項12】
振動運動により互いに直交する方向に光で試料を走査する第１のスキャナと第２のスキャナとを含む２次元走査手段を備える走査型顕微鏡の制御方法であって、
前記第１のスキャナよりも低速に前記試料を走査する前記第２のスキャナの往路期間中に、前記２次元走査手段により走査された前記試料からの光を検出する光検出器からの信号をサンプリングし、
前記第２のスキャナの復路期間中に、前記光検出器からの信号をサンプリングし、
前記第１のスキャナの走査方向についての画像有効信号が示す期間の中心が、サンプリングクロックの遅延に起因するサンプリングクロックの分布が中心クロックに対して対称でないサンプリングクロックにおいて、前記第１のスキャナの往路期間中に発生するサンプリングクロックのうちの中心クロックが発生するタイミング又は前記第１のスキャナの復路期間中に発生するサンプリングクロックのうちの中心クロックが発生するタイミングに一致するように、前記第１のスキャナの走査方向についての画像有効信号の出力タイミングを調整する
ことを特徴とする制御方法。
前記第１のスキャナよりも低速に前記試料を走査する前記第２のスキャナの往路期間中に、前記２次元走査手段により走査された前記試料からの光を検出する光検出器からの信号をサンプリングし、
前記第２のスキャナの復路期間中に、前記光検出器からの信号をサンプリングし、
前記第１のスキャナの走査方向についての画像有効信号が示す期間の中心が、サンプリングクロックの遅延に起因するサンプリングクロックの分布が中心クロックに対して対称でないサンプリングクロックにおいて、前記第１のスキャナの往路期間中に発生するサンプリングクロックのうちの中心クロックが発生するタイミング又は前記第１のスキャナの復路期間中に発生するサンプリングクロックのうちの中心クロックが発生するタイミングに一致するように、前記第１のスキャナの走査方向についての画像有効信号の出力タイミングを調整する
ことを特徴とする制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の開示は、走査型顕微鏡、及び、走査型顕微鏡の制御方法に関する。
【背景技術】
【0002】
従来から、対象物の三次元情報を取得する装置として、共焦点顕微鏡などのレーザ走査型顕微鏡が知られている。例えば、工業用途で用いられるレーザ走査型顕微鏡は、半導体、ナノ材料などの対象物の三次元形状を非接触で測定することが可能である。
【0003】
レーザ走査型顕微鏡は、一般に、ＣＣＤイメージセンサ、ＣＭＯＳイメージセンサなどを用いた光学顕微鏡に比べて、高い分解能で対象物の画像を取得することができる。その一方で、対象物を走査するため画像取得に時間がかかるといった課題が指摘されている。
【0004】
レーザ走査型顕微鏡による短時間での画像取得を可能とする技術として、例えば、特許文献１に記載されるような往復スキャンが知られている。従来技術における往復スキャンは、レーザ走査型顕微鏡の典型的なスキャン方式であるラスタスキャンにおいて利用される技術である。Ｙ方向に比べて高速な走査が行われるＸ方向の走査の往路と復路の両方で画像を取得する往復スキャンを利用することで、スキャナの動作周波数を変更することなく、所定時間内に２倍の画像を取得することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開２０１６−００９１５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
レーザ走査型顕微鏡での画像取得を高速化するため、上述した往復スキャンを含む様々な技術が提案されているが、レーザ走査型顕微鏡の分野では、さらなる高速化を実現するために、新たな技術が求められている。
【0007】
以上のような実情を踏まえ、本発明の一側面は、画像取得時間の短縮を可能とする走査型顕微鏡及び走査型顕微鏡の制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明の一側面に係る走査型顕微鏡は、振動運動により互いに直交する方向に光で試料を走査する第１のスキャナと第２のスキャナとを含む２次元走査手段であって、前記第１のスキャナは前記第２のスキャナよりも高速に前記試料を走査する２次元走査手段と、前記２次元走査手段を制御する走査制御手段と、前記２次元走査手段により走査された前記試料からの光を検出する光検出器と、前記第２のスキャナの往路期間と復路期間の両方で前記光検出器からの信号をサンプリングするサンプリング手段と、備え、前記走査制御手段は、前記第１のスキャナの走査方向についての画像有効信号が示す期間の中心が、サンプリングクロックの遅延に起因するサンプリングクロックの分布が中心クロックに対して対称でないサンプリングクロックにおいて、前記第１のスキャナの往路期間中に発生するサンプリングクロックのうちの中心クロックが発生するタイミング又は前記第１のスキャナの復路期間中に発生するサンプリングクロックのうちの中心クロックが発生するタイミングに一致するように、前記第１のスキャナの走査方向についての画像有効信号の出力タイミングを調整する。
【0011】
本発明の一側面に係る走査型顕微鏡の制御方法は、振動運動により互いに直交する方向に光で試料を走査する第１のスキャナと第２のスキャナとを含む２次元走査手段を備える走査型顕微鏡の制御方法であって、前記第１のスキャナよりも低速に前記試料を走査する前記第２のスキャナの往路期間中に、前記２次元走査手段により走査された前記試料からの光を検出する光検出器からの信号をサンプリングし、前記第２のスキャナの復路期間中に、前記光検出器からの信号をサンプリングし、前記第１のスキャナの走査方向についての画像有効信号が示す期間の中心が、サンプリングクロックの遅延に起因するサンプリングクロックの分布が中心クロックに対して対称でないサンプリングクロックにおいて、前記第１のスキャナの往路期間中に発生するサンプリングクロックのうちの中心クロックが発生するタイミング又は前記第１のスキャナの復路期間中に発生するサンプリングクロックのうちの中心クロックが発生するタイミングに一致するように、前記第１のスキャナの走査方向についての画像有効信号の出力タイミングを調整する。【発明の効果】
【0012】
本発明の一側面によれば、画像取得時間の短縮を可能とする走査型顕微鏡及び走査型顕微鏡の制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】第１の実施形態に係る走査型顕微鏡１００の構成を例示した図である。
【図2】走査型顕微鏡１００による走査方法の一例を示した図である。
【図3】ＩＺカーブの一例を示した図である。
【図4】コンピュータ２０のハードウェアの構成を例示した図である。
【図5】走査型顕微鏡１００の制御処理のフローチャートである。
【図6】Ｙ方向についての片側スキャンにおける駆動信号波形を示した図である。
【図7】Ｙ方向についての片側スキャンにおけるスキャナの応答特性を示した図である。
【図8】Ｙ方向についての往復スキャンにおける駆動信号波形を示した図である。
【図9】Ｙ方向についての往復スキャンにおけるスキャナの応答特性を示した図である。
【図10】走査設定毎の有効期間と無効期間の比率を比較した図である。
【図11】Ｙ方向についての往復スキャンにおける往路でのサンプリング軌跡を示した図である。
【図12】Ｙ方向についての往復スキャンにおける復路でのサンプリング軌跡を示した図である。
【図13】第２の実施形態に係るクロック生成回路５０の構成の一例を示したブロック図である。
【図14】クロック生成回路５０から出力されるサンプリングクロックと走査位置の関係を示す図である。
【図15】Ｙ方向についての往復スキャンにおける往路でのサンプリング軌跡を示した図である。
【図16】Ｙ方向についての往復スキャンにおける復路でのサンプリング軌跡を示した図である。
【図17】Ｙ方向に走査するスキャナの応答遅延と画像有効範囲の関係を示した図である。
【図18】Ｙ方向に走査するスキャナの応答遅延と画像有効範囲の関係を示した別の図である。
【図19】Ｙ方向に走査するスキャナの応答遅延に起因する画像有効範囲の変動を抑制する方法について説明する図である。
【図20】Ｙ方向に走査するスキャナの応答遅延に起因する画像有効範囲の変動を抑制する別の方法について説明する図である。
【図21】サンプリングクロックの遅延に起因する画像有効範囲の変動を説明する図である。
【図22】サンプリングクロックの遅延に起因する画像有効範囲の変動を抑制する方法について説明する図である。
【図23】Ｙ方向についての往復スキャンにおける往路と復路のサンプリング軌跡を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
［第１の実施形態］図１は、本実施形態に係る走査型顕微鏡１００の構成を例示した図である。図２は、走査型顕微鏡１００による走査方法の一例を示した図である。図３は、ＩＺカーブの一例を示した図である。図４は、走査型顕微鏡１００に含まれるコンピュータ２０のハードウェアの構成を例示した図である。
【0015】
走査型顕微鏡１００は、レーザ光で試料Ｓを走査するレーザ走査型顕微鏡であり、共焦点光学系を備える共焦点顕微鏡でもある。走査型顕微鏡１００は、例えば、試料Ｓの高さ情報（表面粗さ情報を含む）を生成する３次元測定装置として利用される。なお、本明細書では、レーザ光が集光した光スポットが形成される試料Ｓ上の位置を走査位置と記し、光スポットが移動する軌跡を走査軌跡と記す。
【0016】
走査型顕微鏡１００は、図１に示すように、顕微鏡本体１０、コンピュータ２０、表示装置３０、入力装置４０を備えている。顕微鏡本体１０は、走査光学系、光検出器１３、走査駆動制御回路１４、クロック生成回路１５、Ａ／Ｄ変換器１６、変位計１７、焦点移動機構１８を備えている。走査光学系は、レーザ１、ミラー２、ハーフミラー３、二次元走査機構４、ミラー５、レンズ６、レボルバ７、対物レンズ８、ステージ９、レンズ１１、共焦点絞り１２を備えている。
【0017】
二次元走査機構４は、振動運動により互いに直交する方向にレーザ１からのレーザ光で試料を走査するスキャナ４ａ（第１のスキャナ）とスキャナ４ｂ（第２のスキャナ）とを含む二次元走査手段であり、走査駆動制御回路１４により制御される。スキャナ４ａは、対物レンズ８の光軸と直交するＸ方向に試料Ｓを走査する、例えば、共振スキャナ又はガルバノスキャナである。スキャナ４ｂは、対物レンズ８の光軸及びＸ方向と直交するＹ方向に試料Ｓを走査する、例えば、ガルバノスキャナである。二次元走査機構４では、スキャナ４ａは、スキャナ４ｂよりも高速に試料Ｓを走査する。
【0018】
共焦点絞り１２は、ピンホールが形成された絞りである。共焦点絞り１２は、対物レンズ８の前側焦点位置以外の位置で反射した光を遮断するため、対物レンズ８の前側焦点位置と光学的に共役な位置にピンホールが位置するように、配置されている。例えば、共焦点絞り１２は、レンズ１１の後側焦点面に配置される。
【0019】
光検出器１３は、二次元走査機構４により走査された試料Ｓからの光を検出し、検出した光強度に応じたアナログ信号を出力する。光検出器１３は、例えば、光電子増倍管（PMT:Photomultiplier Tube）である。
【0020】
走査駆動制御回路１４は、二次元走査機構４を制御する走査制御手段であり、ラスタスキャンが行われるように、二次元走査機構４を制御する。以降では、ラスタスキャンを構成するライン走査（図２におけるＸ方向への走査）の周期を走査周期と記す。また、走査駆動制御回路１４は、二次元走査機構４の走査タイミングを示す信号（以降、走査タイミング信号と記す。）をクロック生成回路１５に出力する。走査タイミング信号は、例えば、スキャナ４ａがＸ方向への各ライン走査の開始タイミングを示す信号である。
【0021】
クロック生成回路１５は、サンプリングクロックを生成し、Ａ／Ｄ変換器１６に出力するクロック生成手段である。なお、本明細書では、サンプリング位置とは、サンプリングが行われた走査位置のことをいい、サンプリング軌跡とは、サンプリング位置の軌跡をいう。
【0022】
Ａ／Ｄ変換器１６は、光検出器１３から出力されたアナログ信号をサンプリングして、光検出器１３で検出された光強度に応じたデジタル信号を出力するサンプリング手段である。デジタル信号はサンプリング位置の輝度値を示している。Ａ／Ｄ変換器１６は入力信号の時間積分をＡ／Ｄ変換してもよい。Ａ／Ｄ変換器１６は、クロック生成回路１５で生成されたサンプリングクロックに従って、アナログ信号をサンプリングする。具体的には後述するように、スキャナ４ｂの往路期間と復路期間の両方で光検出器１３からの信号をサンプリングする。
【0023】
変位計１７は、レボルバ７とともに移動する対物レンズ８の光軸方向へ移動量を測定する手段である。変位計１７は、対物レンズ８の光軸方向の移動量を、コンピュータ２０に出力するように構成されている。焦点移動機構１８は、レボルバ７を光軸方向へ移動させる手段である。焦点移動機構１８は、例えば、ステッピングモータであってもよく、また、ピエゾ素子であってもよい。なお、焦点移動機構１８は、対物レンズ８と試料Ｓの距離を変化させるものであればよいため、レボルバ７の代わりにステージ９を光軸方向に移動させてもよい。その場合、変位計１７は、ステージ９の光軸方向への移動量を測定するように構成される。なお、移動量は、Ｚ方向の座標であるＺ位置に対応する。
【0024】
顕微鏡本体１０では、レーザ１から出射したレーザ光は、ミラー２を反射し、ハーフミラー３、二次元走査機構４を介してミラー５へ入射する。ミラー５で対物レンズ８の光軸方向に反射したレーザ光は、レンズ６により所定の光束径に拡大されて、対物レンズ８によりステージ９に配置された試料Ｓ上に光スポットを形成する。試料Ｓを反射したレーザ光は、再び対物レンズ８に入射し、レンズ６、ミラー５、二次元走査機構４を介してハーフミラー３に入射する。ハーフミラー３で反射したレーザ光は、レンズ１１により集光し共焦点絞り１２に形成されたピンホールを通って光検出器１３で検出される。
【0025】
走査型顕微鏡１００では、二次元走査機構４で走査位置をＸ方向及びＹ方向に移動させながらＡ／Ｄ変換器１６でサンプリングを繰り返すことで、Ｘ方向とＹ方向の二次元に分布した各サンプリング位置のデジタル信号（つまり、各サンプリング位置の輝度値）を得ることができる。さらに、焦点移動機構１８で走査位置をＺ方向に移動させるたびに上述の処理を繰り返すことで、Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向の三次元に分布した各サンプリング位置のデジタル信号（つまり、各サンプリング位置の輝度値）を得ることができる。
【0026】
コンピュータ２０は、Ｘ方向とＹ方向の二次元に分布したサンプリング位置のデジタル信号に基づいて、試料Ｓの断層像を表す走査画像データを生成する画像データ生成装置である。また、コンピュータ２０は、Ｚ方向に異なる複数のサンプリング位置のデジタル信号と変位計１７から出力されたＺ位置とに基づいて、走査画像データの画素領域毎に輝度変化曲線（以降、ＩＺカーブと記す）を生成する。そして、ＩＺカーブ基づいてその画素領域の高さを特定することで、試料Ｓの高さ情報を生成する。コンピュータ２０は、例えば、図３に示すようにサンプリングが行われた位置の高さのうちの最大輝度値Ｉ０を示す高さＺ０をその画素領域の高さとして特定してもよく、また、ＩＺカーブの形状を算出し、ＩＺカーブで輝度値が極大となる高さをその画素領域の高さとして特定してもよい。図３では、黒丸はサンプリング結果を示している。さらに、コンピュータ２０は、画素領域毎に特定された高さに対応する画素データに基づいて、走査範囲全体にピントが合った全焦点画像データを生成してもよい。
【0027】
図４は、コンピュータ２０のハードウェアの構成を例示した図である。コンピュータ２０は、例えば、標準的なコンピュータであり、プロセッサ２１、メモリ２２、入出力インターフェース２３、ストレージ２４、及び、可搬記録媒体２６が挿入される可搬記録媒体駆動装置２５を備え、これらがバス２７によって相互に接続されている。なお、図４は、コンピュータ２０のハードウェア構成の一例であり、コンピュータ２０はこの構成に限定されるものではない。
【0028】
プロセッサ２１は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）などであり、プログラムを実行してプログラムされた処理を行う。なお、プログラムされた処理の一例は、例えば、走査画像や全焦点画像などの画像データを生成する画像データ生成処理、ＩＺカーブを算出して高さ情報を生成する高さ測定処理などである。
【0029】
メモリ２２は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）であり、プログラムの実行の際に、ストレージ２４または可搬記録媒体２６に記録されているプログラムまたはデータを一時的に記憶する。入出力インターフェース２３は、コンピュータ２０以外の装置（例えば、Ａ／Ｄ変換器１６、表示装置３０、入力装置４０など）と信号をやり取りする回路である。
【0030】
ストレージ２４は、例えば、ハードディスク、フラッシュメモリであり、主に各種データやプログラムの記録に用いられる。可搬記録媒体駆動装置２５は、光ディスクやコンパクトフラッシュ（登録商標）等の可搬記録媒体２６を収容するものである。可搬記録媒体２６は、ストレージ２４を補助する役割を有する。
【0031】
表示装置３０は、コンピュータ２０が生成した画像データに基づいて、試料Ｓの画像を表示するディスプレイである。表示装置３０は、例えば、液晶ディスプレイであってもよく、又は、有機ＥＬディスプレイであってもよい。表示装置３０は、コンピュータ２０が画像データを生成する毎に、最新の画像データに基づいて試料Ｓの画像を表示してもよく、また、試料Ｓの画像以外の種々の情報を表示してもよい。表示装置３０には、画像の他に、測定結果、測定条件なども表示される。
【0032】
入力装置４０は、ユーザの操作に応じた命令をコンピュータ２０へ入力する入力装置である。入力装置４０は、例えば、マウス、キーボード、タッチパネルなどである。
【0033】
図５は、走査型顕微鏡１００の制御処理のフローチャートである。走査型顕微鏡１００では、Ｙ方向に走査するスキャナ４ｂが往復スキャンを行うように、走査駆動制御回路１４が二次元走査機構４を制御する。ここで、往復スキャンとは、往路と復路の両方で試料Ｓを走査することをいう。より詳細には、走査型顕微鏡１００は、図５に示すように制御される。まず、サンプリング手段であるＡ／Ｄ変換器１６がスキャナ４ｂの往路期間中に光検出器１３からの信号をサンプリングし、コンピュータ２０へ出力する（ステップＳ１）。その後、Ａ／Ｄ変換器１６がスキャナ４ｂの復路期間中に光検出器１３からの信号をサンプリングし、コンピュータ２０へ出力する（ステップＳ２）。そして、コンピュータ２０は、スキャナ４ｂの往路期間中にＡ／Ｄ変換器１６から出力されたデジタル信号に基づいて１枚の画像データ（第１の画像データ）を生成する（ステップＳ３）。さらに、コンピュータ２０は、スキャナ４ｂの復路期間中にＡ／Ｄ変換器１６から出力されたデジタル信号に基づいてもう１枚の画像データ（第２の画像データ）を生成する（ステップＳ４）。これにより、従来よりも画像１枚当たりの取得時間（以降、単に画像取得時間と記す）を短縮することができる。
【0034】
図６は、Ｙ方向についての片側スキャンにおける駆動信号波形を示した図である。図７は、Ｙ方向についての片側スキャンにおけるスキャナの応答特性を示した図である。図８は、Ｙ方向についての往復スキャンにおける駆動信号波形を示した図である。図９は、Ｙ方向についての往復スキャンにおけるスキャナの応答特性を示した図である。図１０は、走査設定毎の有効期間と無効期間の比率を比較した図である。
【0035】
以下、図６から図１０を参照しながら、Ｙ方向の往復スキャンが行われる走査型顕微鏡１００について、片側スキャンが行われる従来の走査型顕微鏡と比較しながら、詳細に説明する。なお、走査型顕微鏡１００では、Ｘ方向に走査するスキャナ４ａは往路と復路の一方で試料Ｓを走査する片側スキャンを行う。
【0036】
Ｙ方向について片側スキャンを行う従来の走査型顕微鏡では、片側スキャン後にスキャン開始位置まで戻る期間である往路期間又は復路期間の一方（以降、帰線期間と記す）をできる限り短くすることが望ましい。このため、走査駆動制御回路は、往路と復路でのスキャナの動作スピードを異ならせて、帰線期間におけるスキャナの動作スピードが画像有効期間を含む片側スキャン期間におけるスキャナの動作スピードよりも高速になるように、二次元走査機構を制御する。従って、従来の走査型顕微鏡では、図６に示すように、Ｙ方向についての駆動信号波形Ｌ１は鋸波である。
【0037】
なお、本明細書では、Ｙ方向についての駆動信号波形は、Ｙ方向についての時間毎の走査目標位置を示す波形であり、Ｙ方向についての時間毎の実際の走査位置を示す駆動波形とは区別する。
【0038】
鋸波である駆動信号波形Ｌ１は、スキャナの折り返し地点において、非常に高い周波数成分を含んでいる。このため、スキャナが駆動信号波形Ｌ１に従って制御されると、折り返し地点においてフィードバック制御が一時的に追いつかず、スキャナの応答が遅延して走査位置が走査目標位置からずれてしまう。従って、スキャナの駆動波形Ｌ１ａは、図７に示すように、折り返し地点Ｒ１において駆動信号波形Ｌ１から乖離した波形を示す。なお、折り返し地点Ｒ２においても、スキャナの駆動波形Ｌ１ａは駆動信号波形Ｌ１から乖離する。
【0039】
駆動波形Ｌ１ａが駆動信号波形Ｌ１から乖離している期間中に得られるデジタル信号を使用して画像データを生成すると、画像が歪んでしまう。このため、従来の走査型顕微鏡では、Ｙ方向の走査範囲全体が画像化されるわけではない。スキャナの応答遅延に起因する画像の歪みが許容範囲内に収まるように、画角の80％から90％程度の範囲が画像化されるに過ぎない。なお、図６に示す実線Ｌ２は、画像化される走査範囲（画像有効範囲）に対応する期間である画像有効期間を示している。
【0040】
また、フィードバック制御が追いつかずスキャナが遅延している状態（例えば、折り返し地点Ｒ１）では、制御を取り戻すためにスキャナに瞬間的に非常に大きな電流が流れ、大きな力が加わってスキャナが物理的に急峻に動くことになる。このため、画像が歪むだけではなく、装置に振動が発生してしまう。この振動は画質や測定データの精度に悪影響を及ぼすことがある。
【0041】
これに対して、Ｙ方向について往復スキャンを行う走査型顕微鏡１００では、走査駆動制御回路１４は、往路と復路でのスキャナ４ｂの動作スピードが同じになるように、二次元走査機構４を制御する。このため、走査型顕微鏡１００では、図８に示すように、Ｙ方向についての駆動信号波形Ｌ３は三角波である。また、破線で示す駆動信号波形Ｌ３に重ねて表示した実線Ｌ４、実線Ｌ５は、それぞれ往路期間中の画像有効期間を、復路期間中の画像有効期間を示している。
【0042】
三角波である駆動信号波形Ｌ３は、鋸波である駆動信号波形Ｌ１に比べると、スキャナの折り返し地点において低い周波数成分を含んでいる。このため、スキャナが駆動信号波形に従って制御されると、折り返し地点Ｒ３でもスキャナの応答が大きく遅延することはない。スキャナの駆動波形Ｌ３ａは、図９に示すように、折り返し地点Ｒ３において駆動信号波形Ｌ３から乖離することなく、走査位置がおよそ走査目標位置どおりに変化する。
【0043】
従って、走査型顕微鏡１００では、走査駆動制御回路１４がスキャナ４ｂの駆動信号波形が三角波となるように二次元走査機構４を制御することで、往路と復路の両方で画像を取得しつつ、従来の走査型顕微鏡に比べて画像の歪みを抑えることができる。このため、走査型顕微鏡１００によれば、従来の走査型顕微鏡よりも、画質を劣化させることなく効率的に画像を取得することが可能であり、画像取得時間の短縮を図ることができる。また、折り返し地点での大きな電流の発生も抑えることができるため、省電力化、及び、低振動化も併せて実現することができる。
【0044】
また、走査型顕微鏡１００では、画像の歪みが少ないため、往路期間（又は復路期間）に占める画像有効期間の割合を、従来の走査型顕微鏡に比べて大きくしてもよい。これは、無効期間に対する有効期間（画像有効期間）の割合の増加につながるため、画像取得時間のさらなる短縮に寄与し得る。さらに、走査型顕微鏡１００では、画像の歪みが少ないため、スキャナの動作スピードを速くしてもよい。例えば、従来の走査型顕微鏡では動作周波数20Hzで使用していたスキャナを、動作周波数30Hzで使用してもよい。スキャナの動作スピードの高速化も、画像取得時間のさらなる短縮に寄与し得る。なお、これらは、間引きスキャンが行われる場合に特に有効である。
【0045】
間引きスキャンとは、Ｘ方向の走査（ライン走査）の一部を間引くことで画像取得時間の短縮を図る技術である。間引きスキャンにより間引かれた領域の画素データは、周囲の画素データを補間することで算出される。
【0046】
従来の走査型顕微鏡において、間引きスキャンが行われない場合には、片側スキャン期間に対する帰線期間の割合は比較的小さい。このため、Ｙ方向について片側スキャンを行う場合であっても、有効期間と無効期間とを含む全期間に対する有効期間の割合は一般に高く、例えば、図１０（ａ）に示すように８割以上である。なお、図１０（ａ）に示す破線Ｌ６は駆動信号波形であり、実線Ｌ７は画像有効期間を示している。
【0047】
しかしながら、従来の走査型顕微鏡が間引きスキャンを行う場合、スキャナの動作スピードが速くなり、その結果、片側スキャン期間が短くなり、片側スキャン期間に対する帰線期間の割合が相対的に大きくなる。そのため、例えば、８ライン毎にライン走査を行う間引きスキャン（１／８スキャン）を行う場合には、図１０（ｂ）に示すように、全期間に対する有効期間の割合は６割弱にまで低下してしまう。このことは、間引きスキャンによる時間短縮効果が画像取得時間の短縮に十分に反映されていないことを意味する。なお、図１０（ｂ）に示す破線Ｌ８は駆動信号波形であり、実線Ｌ９は画像有効期間を示している。
【0048】
これに対して、Ｙ方向に往復スキャンを行う走査型顕微鏡１００では、例えば、８ライン毎にライン走査を行う間引きスキャン（１／８スキャン）を行う場合であっても、全期間に対する有効期間の割合は高く維持される。図１０（ｃ）に示す例では、間引くスキャンを行っているにも関わらず、有効期間の割合が間引きスキャンを行わない従来の走査型顕微鏡の場合よりも高くなり、９割弱にまで達する。なお、図１０（ｃ）に示す破線Ｌ１０は駆動信号波形であり、実線Ｌ１１は画像有効期間を示している。
【0049】
図１０（ａ）から図１０（ｃ）に示すように、走査型顕微鏡１００では、間引きスキャンが行われる場合、つまり、スキャナ４ｂの動作スピードが速い場合でも、有効期間の割合を高く維持することができる。このため、間引きスキャンに起因するスキャナ４ｂの動作スピードの向上を画像取得時間の短縮に十分に反映させることができる。
【0050】
図１１は、Ｙ方向についての往復スキャンにおける往路でのサンプリング軌跡を示した図である。図１２は、Ｙ方向についての往復スキャンにおける復路でのサンプリング軌跡を示した図である。以下、図１１及び図１２を参照しながら、走査型顕微鏡１００において、スキャナ４ｂの往復スキャンで取得される２枚の画像間のずれを抑制する方法について説明する。
【0051】
ライン走査が行われる走査周期は短いため、スキャナ４ｂをステップ駆動させた場合であっても、各停止位置でスキャナ４ｂは完全には停止しない。従って、ラスタスキャンにおける走査位置は実質的にはＸ方向とＹ方向の両方向に移動し、サンプリング位置も実質的にはＸ方向とＹ方向の両方向に移動する。この場合、スキャナ４ｂの往路期間と復路期間の両方で、スキャナ４ａの片側スキャン期間を往路期間（又は復路期間）に設定すると、スキャナ４ｂの往路期間と復路期間でサンプリング軌跡が異なることになる。このため、往路期間に取得する画像と復路期間に取得する画像間でサンプリング位置にずれが生じてしまう。
【0052】
そこで、走査型顕微鏡１００では、スキャナ４ｂの往路期間中の走査軌跡とスキャナ４ｂの復路期間中に走査軌跡が対応するように、走査駆動制御回路１４が二次元走査機構４を制御する。ここで、走査軌跡が対応するとは、走査軌跡が実質的に同じ軌跡を示すことをいい、スキャナ４ｂの往路期間中の走査軌跡の開始位置が復路期間中の走査軌跡の終了位置と一致し、スキャナ４ｂの往路期間中の走査軌跡の終了位置が復路期間中の走査軌跡の開始位置と一致することが望ましい。
【0053】
さらに、走査型顕微鏡１００では、スキャナ４ｂの往路期間中のサンプリング軌跡とスキャナ４ｂの復路期間中にサンプリング軌跡が対応するように、Ａ／Ｄ変換器１６が光検出器１３からのアナログ信号をサンプリングする。具体的には、Ａ／Ｄ変換器１６は、図１１に示すように、スキャナ４ｂの往路期間中で且つスキャナ４ａの往路期間中に光検出器１３からの信号をサンプリングし、図１２に示すように、スキャナ４ｂの復路期間中で且つスキャナ４ａの復路期間中に光検出器１３からの信号をサンプリングする。つまり、スキャナ４ｂの往路と復路でスキャナ４ａの片側スキャンの向きを切り替える。
【0054】
これにより、スキャナ４ｂの往路期間中のサンプリング軌跡Ｔ１とスキャナ４ｂの復路期間中のサンプリング軌跡Ｔ２が対応し、その結果、スキャナ４ｂの往路期間中にサンプリングされたサンプリング位置とスキャナ４ｂの復路期間中にサンプリングされたサンプリング位置とのずれが抑制される。このため、往復スキャンで取得される２枚の画像間のずれを抑制することができる。
【0055】
なお、スキャナ４ａとスキャナ４ｂの往路期間と復路期間の組み合わせは、図１１及び図１２の例に限られない。スキャナ４ｂの往路期間中のサンプリング軌跡とスキャナ４ｂの復路期間中にサンプリング軌跡が対応するように、Ａ／Ｄ変換器１６が光検出器１３からのアナログ信号をサンプリングすればよい。従って、Ａ／Ｄ変換器１６は、スキャナ４ｂの往路期間中にスキャナ４ａの往路期間又は復路期間の一方で光検出器１３からの信号をサンプリングし、スキャナ４ｂの復路期間中にスキャナ４ａの往路期間又は復路期間の他方で光検出器１３からの信号をサンプリングすればよい。
【0056】
コンピュータ２０は、Ａ／Ｄ変換器１６から出力されたデジタル信号がスキャナ４ｂの往路期間中に出力されたデジタル信号かスキャナ４ｂの復路期間中に出力されたデジタル信号かを識別する。そして、信号が出力された期間に応じて画素データを並び替えて画像データを構築する。これにより、スキャナ４ｂの往復スキャンによって得られる２枚の画像の向きを正立像又は倒立像に揃えることができる。デジタル信号が往路期間中に出力されたものか復路期間中に出力されたものかを判断する方法は、特に限定されないが、例えば、走査駆動制御回路１４から出力される状態信号によって判断してもよく、生成中の画像データが何枚目の画像データかによって判断してもよい。
【0057】
走査型顕微鏡１００によれば、往復スキャンで取得される画像間のずれを抑制することができる。このため、精度の高い三次元情報（全焦点画像データ、高さ情報）を短時間で得ることができる。
【0058】
［第２の実施形態］本実施形態に係る走査型顕微鏡は、スキャナ４ａが共振スキャナである点、スキャナ４ｂに加えてスキャナ４ａも往復スキャンを行う点（つまり、Ａ／Ｄ変換器１６がスキャナ４ａの往路期間と復路期間の両方で光検出器１３からの信号をサンプリングする点）、クロック生成回路１５の代わりにクロック生成回路５０を含む点が、走査型顕微鏡１００とは異なる。その他の構成は、走査型顕微鏡１００と同様である。
【0059】
共振スキャナは、一般にガルバノスキャナよりも高速な走査が可能であり、画像取得時間の短縮に有利である。ただし、その動作スピードは周期運動の期間中一定ではなく、その速度変化はサイン関数で表わされる。つまり、非等速に試料Ｓを走査する。このため、時間的に等間隔にサンプリングが行われると、サンプリング位置が空間的に等間隔に並ばないため、画像が歪んでしまう。
【0060】
そこで、本実施形態に係る走査型顕微鏡では、クロック生成回路５０は、試料Ｓ上のサンプリング位置が等間隔に移動するようにサンプリングクロックを生成し、Ａ／Ｄ変換器１６に出力する。つまり、クロック生成回路５０で生成されるサンプリングクロックは、スキャナ４ａの動作スピードに同期したサンプリングクロックであり、動作スピードが速いときほどクロック間隔が短くなり、動作スピードが遅いときほどクロック間隔が長くなる。
【0061】
具体的には、クロック生成回路５０は、動作スピードに同期したサンプリングクロックを、例えば、走査駆動制御回路１４から受信した走査タイミング信号と、スキャナ４ａの速度波形情報とに基づいて生成する。なお、速度波形情報は、スキャナ４ａが試料Ｓを走査している期間中、試料Ｓ上に形成される光スポットの移動速度がどのように変化すべきかを示す情報であり、より具体的には、１走査周期中の各タイミングにおける光スポットの目標とする移動速度の情報である。各タイミングにおけるサンプリング位置は、走査タイミング信号と速度波形情報に基づいて、特定することができる。
【0062】
図１３は、本実施形態に係るクロック生成回路５０の構成の一例を示したブロック図である。図１４は、クロック生成回路５０から出力されるサンプリングクロックとＸ方向の走査位置の関係を示す図である。図１３及び図１４を参照しながら、スキャナ４ａの動作スピードに同期したサンプリングクロックを生成するクロック生成回路１５について説明する。なお、図１３に示す構成は、あくまでクロック生成回路５０の構成の一例であり、クロック生成回路５０の構成は図１３に示す構成に限れない。
【0063】
クロック生成回路５０は、位相比較器５１、ループフィルタ５２、電圧制御発振器（Voltage Controlled Oscillator、以降、ＶＣＯと記す）５３、カウンタ５４、メモリ５５、Ｄ／Ａコンバータ５６、ＶＣＯ５７、カウンタ５８、位相比較器５９、ループフィルタ６０を備えている。
【0064】
位相比較器５１には、走査駆動制御回路１４から出力される走査タイミング信号と、カウンタ５４から出力されるタイミング信号（以降、第１タイミング信号と記す。）が入力される。第１タイミング信号については後述する。位相比較器５１は、２つの入力信号（走査タイミング信号と第１タイミング信号）の位相差を検出して位相差に応じた信号を出力する。例えば、走査タイミング信号に対して第１タイミング信号が早いほど低い電圧の信号を出力し、遅いほどで高い電圧の信号を出力する。位相比較器５１から出力された信号は、ローパスフィルタであるループフィルタ５２を介して、ＶＣＯ５３に入力される。ＶＣＯ５３は、可変周波数発振器であり、入力信号（電圧）に応じた周波数のクロックを発生させる。例えば、高電圧が入力されるほど高周波のクロックを発生し、低電圧が入力されるほど低周波のクロックを発生する。カウンタ５４は、ＶＣＯ５３からのクロックをカウントし、予め設定されている回数Ｃ１（例えば、１０００回）カウントする毎に、位相比較器５１に第１タイミング信号を出力する。なお、カウンタ５４は、後述する位相比較器５９にも第１タイミング信号を出力する。
【0065】
位相比較器５１からカウンタ５４で構成されるループにより、走査タイミング信号と第１タイミング信号が同周期で且つ同位相に収束する。このため、収束状態では、１走査周期中に一定の時間間隔で回数Ｃ１と同数のクロックがＶＣＯ５３から出力される。つまり、ＶＣＯ５３から一定の周波数のクロックが出力される。
【0066】
メモリ５５は、少なくとも、カウンタ５４に設定されている回数Ｃ１と同数のアドレス（０から９９９まで）を有していて、各アドレスにはスキャナ４ａの速度波形（サイン波形）を再現するための速度情報が記憶されている。例えば、Ｎ番目のアドレス数には（Ｎ−１）／Ｃ１周期のタイミングでのスキャナ４ａの速度情報が記憶されている。Ｄ／Ａコンバータ５６は、カウンタ５４がカウントするたびに、カウンタ値に応じたメモリ５５のアドレスから速度情報を読み出して、アナログ信号に変換する。これにより、スキャナ４ａの速度波形（サイン波形）を再現した電圧がＶＣＯ５７へ出力される。ＶＣＯ５７は、ＶＣＯ５３と同様に可変周波数発振器であり、入力信号（電圧）に応じた周波数のクロックを発生させる。このため、スキャナ４ａの速度が速く入力電圧が高いときには高い周波数でクロックを出力し、速度が遅く入力電圧が低いときには低い周波数でクロックを出力する。なお、ＶＣＯ５７から出力されたクロックは、サンプリングクロックとしてＡ／Ｄ変換器１６に出力される。
【0067】
カウンタ５８は、ＶＣＯ５７からのクロックをカウントし、予め設定されている回数Ｃ２（例えば、２０４８回）カウントする毎に、位相比較器５９に第２タイミング信号を出力する。位相比較器５９は、カウンタ５４から出力された第１タイミング信号と、カウンタ５８から出力された第２タイミング信号の位相差を検出して位相差に応じた信号を出力する。例えば、第１タイミング信号に対して第２タイミング信号が早いほど低い電圧の信号を出力し、遅いほど高い電圧の信号を出力する。位相比較器５９から出力された信号は、ローパスフィルタであるループフィルタ６０を介して、Ｄ／Ａコンバータ５６に入力される。Ｄ／Ａコンバータ５６は、位相比較器５９からの信号に従ってアナログ信号の大きさを調整して出力する。
【0068】
カウンタ５４からループフィルタ６０で構成されるループにより、第１タイミング信号と第２タイミング信号が同周期で収束するため、走査タイミング信号と第２タイミング信号も同周期で収束する。また、タイミング信号と実際のスキャナ４ａとの間には電気的遅延が位相ずれとして発生するので、位相を調整する。これにより、収束状態、且つ位相調整された状態では、ＶＣＯ５７から、１走査周期中に回数Ｃ２と同数のサンプリングクロックが、走査位置が等間隔に移動するようなタイミングで出力される。つまり、ＶＣＯ５７から、図１４に示すように、スキャナ４ａの動作スピードに同期したサンプリングクロックが出力される。
【0069】
本実施形態に係る走査型顕微鏡では、クロック生成回路５０から出力されるサンプリングクロックに従ってＡ／Ｄ変換器１６がサンプリングを行う。これにより、ガルバノスキャナよりも高速な共振スキャナであるスキャナ４ａを用いてサンプリング位置を空間的に等間隔に移動させることができる。さらに、Ａ／Ｄ変換器１６は、スキャナ４ａの往路期間と復路期間の両方で光検出器１３からの信号をサンプリングする。従って、本実施形態に係る走査型顕微鏡によれば、画質を劣化させることなく、走査型顕微鏡１００よりも効率的に画像を取得することが可能であり、画像取得時間の短縮をさらに図ることができる。
【0070】
図１５は、Ｙ方向についての往復スキャンにおける往路でのサンプリング軌跡を示した図である。図１６は、Ｙ方向についての往復スキャンにおける復路でのサンプリング軌跡を示した図である。以下、図１５及び図１６を参照しながら、本実施形態に係る走査型顕微鏡において、スキャナ４ｂの往復スキャンで取得される２枚の画像間のずれを抑制する方法について説明する。
【0071】
本実施形態に係る走査型顕微鏡では、スキャナ４ｂの往路期間中の走査軌跡とスキャナ４ｂの復路期間中に走査軌跡が対応するように、走査駆動制御回路１４が二次元走査機構４を制御する。具体的には、走査駆動制御回路１４は、スキャナ４ｂの往路期間中であってスキャナ４ａの往路期間中に走査した位置を、スキャナ４ｂの復路期間中であってスキャナ４ａの復路期間中に走査するように、二次元走査機構４を制御する。さらに、走査駆動制御回路１４は、スキャナ４ｂの往路期間中であってスキャナ４ａの復路期間中に走査した位置を、スキャナ４ｂの復路期間中であってスキャナ４ａの往路期間中に走査するように、二次元走査機構４を制御する。つまり、走査駆動制御回路１４は、スキャナ４ｂの往路期間がスキャナ４ａの往路期間から始まる場合には、スキャナ４ｂの復路期間がスキャナ４ａの復路期間で終わるように二次元走査機構４を制御し、スキャナ４ｂの往路期間がスキャナ４ａの復路期間から始まる場合には、スキャナ４ｂの復路期間がスキャナ４ａの往路期間で終わるように二次元走査機構４を制御すればよい。
【0072】
本実施形態に係る走査型顕微鏡では、走査軌跡とサンプリング軌跡は実質的に同じである。このため、スキャナ４ｂの往路期間と復路期間の走査軌跡を対応させることで、図１６及び図１７に示すように、スキャナ４ｂの往路期間中のサンプリング軌跡Ｔ３とスキャナ４ｂの復路期間中のサンプリング軌跡Ｔ４も対応することになる。その結果、スキャナ４ｂの往路期間中にサンプリングされたサンプリング位置とスキャナ４ｂの復路期間中にサンプリングされたサンプリング位置とのずれが抑制される。このため、往復スキャンで取得される２枚の画像間のずれを抑制することができる。
【0073】
コンピュータ２０は、Ａ／Ｄ変換器１６から出力されたデジタル信号がスキャナ４ｂの往路期間中に出力されたデジタル信号かスキャナ４ｂの復路期間中に出力されたデジタル信号かを識別し、さらに、スキャナ４ａの往路期間中に出力されたデジタル信号かスキャナ４ａの復路期間中に出力されたデジタル信号かを識別する。そして、信号が出力された期間に応じて画素データを並び替えて画像データを構築する。これにより、スキャナ４ｂの往復スキャンによって得られる２枚の画像の向きを正立像又は倒立像に揃えることができる。
【0074】
従って、本実施形態に係る走査型顕微鏡によっても、往復スキャンで取得される画像間のずれを抑制することができる。このため、精度の高い三次元情報（全焦点画像データ、高さ情報）を、走査型顕微鏡１００よりも短時間で得ることができる。
【0075】
［第３の実施形態］従来の走査型顕微鏡では、Ｙ方向についての画像有効信号（以降、Ｙ画像有効信号と記す）の出力タイミングは、Ｙ方向に走査するスキャナの駆動信号波形（以降、Ｙ駆動信号波形と記す）に対して一定である。しかしながら、Ｙ駆動信号波形に対してＹ画像有効信号が一定のタイミングで出力されると、スキャナの応答遅延によって画像化される走査範囲（画像有効範囲）が変化してしまう。
【0076】
図１７及び図１８は、Ｙ方向に走査するスキャナの応答遅延と画像有効範囲の関係を示した図である。図１７に示すように、異なる走査速度で取得された画像（画像Ｍ１、画像Ｍ２、画像Ｍ３）の画像有効範囲は、一般に、スキャナが高速になるほど理想位置からずれた範囲となる。また、図１８の画像Ｍ３及び画像Ｍ４に示すように、画像有効範囲と理想位置のずれは、スキャナの往路と復路で反対向きに生じる。このため、往復スキャンを行う場合には、画像間で画像有効範囲にずれが生じてしまう。
【0077】
本実施形態に係る走査型顕微鏡は、走査駆動制御回路１４がスキャナ４ｂのＹ駆動信号波形に対してスキャナ４ｂのＹ画像有効信号の出力タイミングを調整するように構成されている点が、走査型顕微鏡１００と異なっている。より詳細には、走査駆動制御回路１４は、スキャナ４ｂの往路期間中に画像化される画像有効範囲とスキャナ４ｂの復路期間中に画像化される画像有効範囲とが合うように、スキャナ４ｂの駆動信号波形に対してスキャナ４ｂのＹ画像有効信号の出力タイミングを調整する。
【0078】
従って、本実施形態に係る走査型顕微鏡によれば、スキャナ４ｂの応答遅延の有無によらず、所望の範囲を画像化することができる。このため、例えば、本撮影前に試料を粗く走査する予備撮影と予備撮影よりも密に試料を走査する本撮影とで走査速度が異なる場合であっても、試料の同じ領域を撮影することができる。また、往復スキャンで生じる画質の劣化も抑制することができる。
【0079】
図１９及び図２０は、Ｙ方向に走査するスキャナの応答遅延に起因する画像有効範囲の変動を抑制する方法について説明する図である。上述した調整の具体的な方法については、特に限定されない。例えば、図１９に示すように、画像有効信号の出力タイミングを時間的に遅らせることで調整しても良い。これにより、画像有効信号の出力タイミングが、Ｙ駆動信号波形Ｌ１２を基準とするタイミング（画像有効信号Ｓ１参照）から、実際の走査位置を示すＹ駆動波形Ｌ１２ａを基準とするタイミング（画像有効信号Ｓ２参照）に調整されてもよい。また、図２０に示すように、Ｙ駆動信号波形を時間方向にずらすことで調整しても良い。これにより、画像有効信号Ｓ１の出力タイミングが、調整前のＹ駆動信号波形Ｌ１２を基準とするタイミングから、調整後のＹ駆動信号波形Ｌ１３に対するＹ駆動波形Ｌ１３ａを基準とするタイミングに調整されてもよい。
【0080】
また、走査駆動制御回路１４での調整量は、スキャナ４ｂの走査速度、又は撮像モード（例えば、間引きスキャンか通常スキャンかなど）毎にメモリ等に予め記憶されていることが望ましい。例えば、コンピュータ２０のストレージ２４に格納されていても良く、又は、走査駆動制御回路１４が有するメモリ内に記憶されていても良い。また、特定の走査速度での調整量のみが予め記憶されていて、他の走査速度での調整量については記憶されている調整量を基準にして計算により算出してもよい。
【0081】
なお、本実施形態では、スキャナ４ｂが往復スキャンを行い、スキャナ４ａが片側スキャンを行う例を示したが、スキャン方式の組み合わせは特に限定されない。例えば、スキャナ４ａとスキャナ４ｂが共に往復スキャンを行ってもよい。また、スキャナ４ａとスキャナ４ｂが共に片側スキャンを行ってもよい。さらに、スキャナ４ａが往復スキャンを行い、スキャナ４ｂが片側スキャンを行ってもよい。いずれのケースであってもスキャナ４ｂの応答遅延に起因する画像有効範囲の変動を抑制することができる。
【0082】
［第４の実施形態］従来の走査型顕微鏡では、Ｘ方向についての画像有効信号（以降、Ｘ画像有効信号と記す）は、Ｘ画像有効信号が示す期間（以降、Ｘ画像有効期間と記す）の中心が往路期間又は復路期間（以降、片側期間と記す）の中心に一致するように、出力される。
【0083】
その理由は次のような前提にある。まず、サンプリングクロックはサンプリング位置が等間隔に並ぶように発生する。さらに、片側期間中に発生する全サンプリングクロックのうちの真ん中のサンプリングクロック（以降、中心クロックと記す）によりサンプリングされる位置は走査範囲の中心に位置し、サンプリングクロックの時間方向の分布は中心クロックに対して対称である。これらの前提により、Ｘ画像有効期間の中心が片側期間の中心に一致するようにＸ画像有効期間を設けることで、走査範囲の中心を画像中心とした歪みのない画像を取得することができると考えられるからである。
【0084】
しかしながら、実際には、サンプリングクロックの分布は中心クロックに対して対称ではない。一般的に片側期間の初期のサンプリング周波数は想定された周波数よりも低く、また、片側期間の終期のサンプリング周波数は想定された周波数よりも高くなる。つまり、サンプリングクロックが遅延して発生する。このような現象が生じる要因は様々考えるが、クロック生成回路がサンプリングクロックの周波数が高くなる上りと低くなる下りでは異なる特性を有していること、また、クロック生成回路は、有限の応答性をもっているので、全波整流波形を利用してサンプリングクロックを生成した時、全波整流の折り返し地点を過ぎた付近で立ち上がり部が完全に追従できないこと、などが影響していると考えられる。
【0085】
このため、従来の走査型顕微鏡では、図２１に示すように、Ｘ方向の往路、復路ともに、サンプリングクロックの遅延により画像有効範囲が理想位置に対してずれた画像（画像Ｍ６、画像Ｍ７）が生成されてしまう。また、往路と復路ではスキャンの向きが反対であるため、復路の画像Ｍ６と往路の画像Ｍ７では、理想位置の画像Ｍ５に対して反対向きにずれが生じてしまう。なお、図２１は、サンプリングクロックの遅延に起因する画像有効範囲の変動を説明する図である。
【0086】
本実施形態に係る走査型顕微鏡は、走査駆動制御回路１４がクロック生成回路１５からサンプリングクロックを受信し、サンプリングクロックの周波数の時間変化を示す波形（以降、サンプリング波形と記す）に対してスキャナ４ａのＸ画像有効信号の出力タイミングを調整するように構成されている点が、第２の実施形態に係る走査型顕微鏡と異なっている。より詳細には、走査駆動制御回路１４は、スキャナ４ａの往路期間中に画像化されるスキャナ４ａの走査方向についての画像有効範囲（以降、Ｘ画像有効範囲）とスキャナ４ａの復路期間中に画像化されるＸ画像有効範囲とが合うように、サンプリング波形に対してスキャナ４ａのＸ画像有効信号の出力タイミングを調整する。
【0087】
従って、本実施形態に係る走査型顕微鏡によれば、サンプリングクロックに遅延が生じている場合であっても、共振スキャナを使用した場合に劣化しやすい画像のリニアリティを維持しつつ、所望の範囲を画像化することができる。また、往復スキャンで生じる画質の劣化も抑制することができる。
【0088】
図２２は、サンプリングクロックの遅延に起因する画像有効範囲の変動を抑制する方法について説明する図である。上述した調整は、画像有効信号の出力タイミングを時間的に遅らせることで行われる。具体的には、図２２に示すように、調整前の画像有効信号Ｓ４の出力タイミングよりも調整後の画像有効信号Ｓ５の出力タイミングを遅らせる。なお、調整前の画像有効信号Ｓ４に対応する期間の中心は、片側期間の中心Ｃ１に一致するのに対して、調整後の画像有効信号Ｓ５に対応する期間の中心は、中心クロックＣＣが発生するタイミングＣ２に一致する。
【0089】
なお、上記の調整は、特許文献１に記載されているような、共振スキャナの駆動信号波形（同期信号）に対してサンプリングクロックや画像有効信号の位相をずらす技術とは全く異なる技術であり、共振スキャナにおいて課題となるリニアリティ特性の改善に極めて効果的である。
【0090】
また、走査駆動制御回路１４での調整量は、スキャナ４ｂの走査速度、又は撮像モード（例えば、間引きスキャンか通常スキャンかなど）毎に予め記憶されていることが望ましい。例えば、コンピュータ２０のストレージ２４に格納されていても良く、又は、走査駆動制御回路１４が有するメモリ内に記憶されていても良い。
【0091】
なお、本実施形態では、スキャナ４ａとスキャナ４ｂが往復スキャンを行う例を示したが、スキャン方式の組み合わせは特に限定されない。例えば、スキャナ４ａとスキャナ４ｂが共に片側スキャンを行ってもよい。また、スキャナ４ａが往復スキャンを行い、スキャナ４ｂが片側スキャンを行ってもよい。さらに、スキャナ４ａが片側スキャンを行い、スキャナ４ｂが往復スキャンを行ってもよい。いずれのケースであってもサンプリングクロックの遅延に起因する画像有効範囲の変動を抑制することができる。
【0092】
上述した実施形態は、発明の理解を容易にするための具体例を示したものであり、本発明の実施形態はこれらに限定されるものではない。走査型顕微鏡、及びその制御方法は、特許請求の範囲に記載された発明を逸脱しない範囲において、さまざまな変形、変更が可能である。
【0093】
例えば、第３の実施形態では、走査駆動制御回路１４が、スキャナ４ｂの往路期間中に画像化される画像有効範囲とスキャナ４ｂの復路期間中に画像化される画像有効範囲とが合うように、スキャナ４ｂの駆動信号波形に対してスキャナ４ｂのＹ画像有効信号の出力タイミングを調整する例を示した。しかしながら、走査駆動制御回路１４は、図２３に示すように、往路期間のサンプリング軌跡Ｔ５と復路期間のサンプリング軌跡Ｔ６をＹ方向に敢えてずらして、往路期間と復路期間で画像化される画像有効範囲を変えるように、スキャナ４ｂの駆動信号波形に対してスキャナ４ｂのＹ画像有効信号の出力タイミングを調整してもよい。この場合、往路でサンプリングされた信号と復路でサンプリングされた信号の両方を用いて１枚の画像データを生成することで、Ｙ方向についての分解能を向上させることができる。
【符号の説明】
【0094】
１・・・レーザ、２、５・・・ミラー、３・・・ハーフミラー、４・・・二次元走査機構、４ａ、４ｂ・・・スキャナ、６、１１・・・レンズ、７・・・レボルバ、８・・・対物レンズ、９・・・ステージ、１０・・・顕微鏡本体、１２・・・共焦点絞り、１３・・・光検出器、１４・・・走査駆動制御回路、１５、５０・・・クロック生成回路、１６・・・Ａ／Ｄ変換器、１７・・・変位計、１８・・・焦点移動機構、２０・・・コンピュータ、２１・・・プロセッサ、２２、５５・・・メモリ、２３・・・入出力インターフェース、２４・・・ストレージ、２５・・・可搬記録媒体駆動装置、２６・・・可搬記録媒体、２７・・・バス、３０・・・表示装置、４０・・・入力装置、５１、５９・・・位相比較器、５２、６０・・・ループフィルタ、５３、５７・・・ＶＣＯ、５４、５８・・・カウンタ、５６・・・Ｄ／Ａコンバータ、１００・・・走査型顕微鏡、Ｌ１、Ｌ３、Ｌ６、Ｌ８、Ｌ１０、Ｌ１２、Ｌ１３・・・駆動信号波形、Ｌ１ａ、Ｌ３ａ、Ｌ１２ａ、Ｌ１３ａ・・・駆動波形、Ｓ・・・試料、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６・・・サンプリング軌跡