JPH11218677A - Confocal disk - Google Patents

Confocal disk

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JPH11218677A
JPH11218677A JP3034798A JP3034798A JPH11218677A JP H11218677 A JPH11218677 A JP H11218677A JP 3034798 A JP3034798 A JP 3034798A JP 3034798 A JP3034798 A JP 3034798A JP H11218677 A JPH11218677 A JP H11218677A
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JP
Japan
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pinhole
light
disk
cone
confocal
Prior art date
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Pending
Application number
JP3034798A
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Japanese (ja)
Inventor
Mitsuhiro Ishihara
満宏 石原
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Takaoka Toko Co Ltd
Original Assignee
Takaoka Electric Mfg Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce stray light by increasing lighting efficiency by providing reflecting surfaces, which are coaxial with pinholes on the confocal disk and gradually expand from the pinhole openings in the direction where illumination light is made incident, by the pinholes. SOLUTION: On the confocal disk 1, fine light guide parts 2 are arranged spirally. Each light guide part 2 is structured by cutting the pointed part of a cone so that the diameter of the cross section becomes equal to pinhole size needed for confocal constitution and in a tapered cylinder shape whose top and bottom surfaces are not covered, and the internal surface is a mirror surface. Parallel luminous flux which is parallel to the center axis of the cone is made incident as illumination light. The incident luminous flux is reflected repeatedly by the reflecting internal surface of the cone or not reflected at all to travel toward the pointed part of the cone, so that it is emitted from the tip hole finally at a large divergence angle. The illumination light never returns from the reflecting surface of the cone when the angle of the slanting surface of the cone is not very large, and the illumination light which entering the cone is all emitted from the hole.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、ディスク走査型共
焦点顕微鏡におけるディスクの構造に関するものであ
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a structure of a disk in a disk scanning confocal microscope.

【0002】[0002]

【従来の技術】図9に典型的な従来型の共焦点ディスク
81を示す。ディスクの上に螺旋状にピンホールが設け
られており、ピンホール以外の部分は遮光されていて光
を通さないようになっている。
2. Description of the Related Art FIG. 9 shows a typical conventional confocal disk 81. A spiral pinhole is provided on the disk, and portions other than the pinhole are shielded from light and do not transmit light.

【0003】本発明が解決する課題を明らかにするため
に、ディスク走査型共焦点顕微鏡について図8を用いて
説明する。光源3から射出された照明光はコリメータレ
ンズ4により集光されて分岐光学素子5を通過して共焦
点ディスク81に入射する。照明光は共焦点ディスク8
1のピンホールを通過して回折により広がって対物レン
ズ6に入射し、物体7に投射される。照明光は物体7で
反射し、反射光となって再び対物レンズ6に入射し、共
焦点ディスク81のピンホール近傍に集光される。物体
7が共焦点ディスク81のピンホール面と共役な位置に
ある場合は反射光は完全にピンホールに集光してピンホ
ールを通過する。ピンホールを通過した光は分岐光学素
子5により光路を偏向せられて、2次元検出器9上に到
達する。このとき結像レンズ8にとって共焦点ディスク
81上のピンホールと2次元検出器9の検出面は共役と
なっている。
In order to clarify the problem to be solved by the present invention, a disk scanning confocal microscope will be described with reference to FIG. The illumination light emitted from the light source 3 is condensed by the collimator lens 4, passes through the branch optical element 5, and enters the confocal disk 81. Illumination light is confocal disk 8
The light passes through one pinhole, spreads by diffraction, enters the objective lens 6, and is projected on the object 7. The illumination light is reflected by the object 7, becomes reflected light, reenters the objective lens 6, and is collected near the pinhole of the confocal disk 81. When the object 7 is at a position conjugate with the pinhole surface of the confocal disk 81, the reflected light is completely converged on the pinhole and passes through the pinhole. The light passing through the pinhole is deflected in the optical path by the branching optical element 5 and reaches the two-dimensional detector 9. At this time, the pinhole on the confocal disk 81 and the detection surface of the two-dimensional detector 9 are conjugate to the imaging lens 8.

【0004】このような構成で共焦点ディスクをモータ
10により回転させると、物体7に投影されたピンホー
ルの像が物体7上を隙間無く走査することになり、回転
が十分高速であれば2次元検出器9の露光時間内に視野
全体を走査することができ、共焦点画像を得ることがで
きることになる。この例で用いられた図9の共焦点ディ
スク81を従来発明Aとする。
When the confocal disk is rotated by the motor 10 in such a configuration, the image of the pinhole projected on the object 7 scans over the object 7 without any gap. The entire field of view can be scanned within the exposure time of the dimension detector 9, and a confocal image can be obtained. The confocal disk 81 of FIG. 9 used in this example is referred to as Conventional Invention A.

【0005】従来発明Aを用いたディスク走査型共焦点
顕微鏡の問題は照明効率と、ディスク上面での照明の反
射による迷光である。実際の共焦点ディスクは螺旋状の
ピンホールを一条だけではなく多数もっており、隣り合
うピンホール間の間隔がピンホールの直径の10倍程度
あることを条件に、共焦点ディスク一面にピンホールが
設けられる。ピンホール間の間隔はぼけた光がピンホー
ル間で混じり合うことがほとんどないように上記のよう
にピンホールの直径の10倍程度の距離をあける必要が
あるため、共焦点ディスク一面にピンホールを設けたと
しても、共焦点ディスクからピンホールを通して通過で
きる照明光は1%以下となる。通過できなかった照明光
の多くはディスク上面で反射し、迷光となって2次元検
出器に到達してしまう。この迷光を防ぐために偏光を利
用した対策が施されるが、反射があまりにも大きいため
十分ではない。
[0005] Problems of the disk scanning confocal microscope using the conventional invention A are illumination efficiency and stray light due to reflection of illumination on the upper surface of the disk. An actual confocal disk has not only one spiral pinhole but also a large number of spiral pinholes, provided that the distance between adjacent pinholes is about 10 times the diameter of the pinhole, and that a pinhole is formed on one surface of the confocal disk. Provided. The distance between the pinholes must be about 10 times the diameter of the pinholes as described above so that blurred light hardly mixes between the pinholes. Is provided, the illumination light that can pass through the pinhole from the confocal disk is 1% or less. Most of the illuminating light that has not passed is reflected on the upper surface of the disk, becomes stray light, and reaches the two-dimensional detector. In order to prevent this stray light, countermeasures using polarized light are taken, but this is not enough because the reflection is too large.

【0006】この問題点を解決するために、共焦点ディ
スク上にピンホールと同軸でピンホールと同数のマイク
ロ集光レンズを設けて、照明効率を上げかつ迷光を減少
させる発明が特開平4−330412に開示されている
(この共焦点ディスクを従来発明Bとする)。しかし、
この発明もこの発明者自身の後発の発明である特開平5
−60980明細書内で発明者自身が問題点を指摘して
いる。
In order to solve this problem, Japanese Patent Laid-Open Publication No. Hei 4 (1999) discloses a method of increasing the illumination efficiency and reducing stray light by providing a micro-condensing lens on the confocal disk coaxially with the pinhole and the same number as the pinhole. The confocal disk is referred to as a conventional invention B (Japanese Patent No. 330412). But,
This invention is also a later invention of the inventor of the present invention.
In the specification of -60980, the inventor himself points out a problem.

【0007】共焦点ディスク上にマイクロ集光レンズと
ピンホールをもうけると、確かに照明光がピンホールを
通過する率は大きくなり、またその分迷光も減少する。
しかし、そのような構成の場合、物体から反射してきて
再びピンホールを通過した信号光はマイクロ集光レンズ
によって平行光となってしまうため、結像レンズによっ
てピンホールの像を2次元検出器上に結像させることが
できなくなる。そのため、結像レンズなしで直接マイク
ロ集光レンズからの平行光を2次元検出器上に導くかま
たは結像レンズによってマイクロ集光レンズの像を2次
元検出器上に集光させるしかない(これも結局平行光の
まま2次元検出器に到達することになる)。そのように
すると視野サイズ(2次元検出器上に結像する像全体の
物体面での大きさ)に対する平行光のビームサイズが、
マイクロ集光レンズが無い、従来発明Aの共焦点ディス
クの時の視野サイズに対するピンホールの像(スポッ
ト)サイズと比べて明らかに大きく、つまり横分解能が
低下することになる。照明効率をあげるためにマイクロ
集光レンズの径を大きくすればするほど横分解能が低下
し、逆にマイクロ集光レンズの径を小さくすると横分解
能の低下は小さくなるが照明効率が上がらないことにな
る。
When a micro condenser lens and a pinhole are formed on a confocal disk, the rate of illumination light passing through the pinhole is increased, and stray light is reduced accordingly.
However, in such a configuration, since the signal light reflected from the object and passed through the pinhole again becomes parallel light by the micro condenser lens, the image of the pinhole is formed on the two-dimensional detector by the imaging lens. Image cannot be formed. Therefore, there is no choice but to directly guide the parallel light from the micro condenser lens to the two-dimensional detector without the imaging lens, or to condense the image of the micro condenser lens on the two-dimensional detector by the imaging lens. Eventually arrives at the two-dimensional detector as parallel light). In such a case, the beam size of the parallel light with respect to the field size (the size of the entire image formed on the two-dimensional detector on the object plane) becomes
The image (spot) size of the pinhole with respect to the field size of the confocal disk of the invention A without the micro condenser lens is clearly larger, that is, the lateral resolution is reduced. The larger the diameter of the micro condenser lens to increase the illumination efficiency, the lower the lateral resolution decreases. Conversely, the smaller the diameter of the micro condenser lens, the smaller the decrease in the lateral resolution but the higher the illumination efficiency. Become.

【0008】そこで上記の特開平5−60980ではよ
り完全な改良が開示されている。図7を用いて説明す
る。この発明ではマイクロ集光レンズのアレイ面とピン
ホールのアレイ面を別のディスク(マイクロ集光レンズ
アレイディスク71、ピンホールアレイディスク72)
に形成し、分岐光学素子5をそれらのディスクの間に配
置するようにしている。このような構造とすると、物体
7からの信号光はマイクロ集光レンズを通らないことに
なるため平行光束とはならず、マイクロ集光レンズが無
い場合と同様の横分解能を得ることができる。もちろん
照明光はマイクロ集光レンズによって集光されるため照
明効率は高い。また、マイクロ集光レンズによって集光
された照明光はそのほとんどがピンホールを通過するた
めピンホールアレイディスク72上面ではほとんど照明
の反射がないことになり、2次元検出器9に到達する迷
光は著しく小さくなる。この発明におけるマイクロ集光
レンズアレイディスク71とピンホールアレイディスク
72および固定の分岐光学素子5よりなる共焦点ディス
クを従来発明Cとする。従来発明Cはディスク走査型共
焦点顕微鏡の問題点をほぼ完全な形で解決した画期的な
ものであった。
Therefore, the above-mentioned Japanese Patent Laid-Open No. 5-60980 discloses a more complete improvement. This will be described with reference to FIG. In the present invention, the array surface of the micro condenser lens and the array surface of the pinhole are separated from each other by a separate disk (micro condenser lens array disk 71, pinhole array disk 72).
And the branch optical element 5 is arranged between the disks. With such a structure, the signal light from the object 7 does not pass through the micro condenser lens, so that it does not become a parallel light flux, and the same lateral resolution as in the case without the micro condenser lens can be obtained. Of course, the illumination light is condensed by the micro condenser lens, so that the illumination efficiency is high. Since most of the illumination light condensed by the micro condenser lens passes through the pinhole, there is almost no reflection of illumination on the upper surface of the pinhole array disk 72, and stray light reaching the two-dimensional detector 9 is not reflected. It becomes significantly smaller. The confocal disk comprising the micro condenser lens array disk 71, the pinhole array disk 72 and the fixed branch optical element 5 according to the present invention is referred to as Conventional Invention C. Conventional invention C is an epoch-making solution which almost completely solves the problem of the disk scanning confocal microscope.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来発明Cに
おいてもいくつかの問題点を指摘することができる。ま
ず本質的ではないが製作上の困難である。マイクロ集光
レンズアレイディスク71とピンホールアレイディスク
72が分かれているため数十万個にも及ぶマイクロ集光
レンズとピンホールをμmオーダの精度で位置あわせす
るのは簡単ではない。従来発明Bのようにディスク基板
の表裏にマイクロ集光レンズとピンホールを形成するの
に比べて、位置決めマークの検出方法、ディスク相互の
傾きなど困難が多い。また、ディスクどうしの位置決め
だけでなく、分岐光学素子5のディスクに対する傾きも
非常に厳しい精度が要求されてくる。分岐光学素子5は
視野以上のサイズが必要であるからかなり大きなものと
なるため、少しでも傾けばスポットはピンホール上から
ズレてしまう。
However, some problems can be pointed out in the conventional invention C as well. First, it is not essential, but difficult to manufacture. Since the micro condenser lens array disk 71 and the pinhole array disk 72 are separated, it is not easy to align hundreds of thousands of micro condenser lenses and pinholes with an accuracy of the order of μm. Compared to forming a micro condenser lens and a pinhole on the front and back of the disk substrate as in the conventional invention B, there are many difficulties such as a method of detecting a positioning mark and inclination of disks. Further, not only positioning of the disks but also inclination of the branch optical element 5 with respect to the disks requires extremely strict accuracy. Since the branching optical element 5 is required to have a size larger than the field of view, it becomes quite large, so that even if it is slightly tilted, the spot is shifted from above the pinhole.

【0010】さらに、より本質的な問題がある。分岐光
学素子5の大きさは基本的に2次元検出器9のサイズ以
上の大きさが必要になるためどうしてもディスク間の距
離はかなり大きくとらざるを得ない。そのため、マイク
ロ集光レンズの焦点距離は非常に長いものになりマイク
ロ集光レンズの開口数(以下N.A.と略記する)は非
常に小さいものになるか、そうでないようにするために
はレンズ径をかなり大きいものとしなければならない。
N.A.が小さいと回折の影響で小さいスポットを形成
させることができなくなる。またマイクロ集光レンズの
レンズ径を大きくすると同軸で並べることのできるピン
ホールの数がすくなくなり得られる共焦点画像分解能が
悪くなってしまう。そうしないためにはディスクの径を
大きくしなければならない。
Further, there is a more essential problem. The size of the branch optical element 5 is essentially the distance between inevitably because it requires the size or the size of the two-dimensional detector 9 disk must be adopted quite large. Therefore, the focal length of the micro condenser lens becomes very long, and the numerical aperture (hereinafter abbreviated as NA) of the micro condenser lens becomes very small or it is necessary to prevent it from being so. The lens diameter must be quite large.
N. A. Is small, a small spot cannot be formed due to the influence of diffraction. In addition, when the lens diameter of the micro condenser lens is increased, the number of pinholes that can be arranged coaxially becomes small, and the obtained confocal image resolution deteriorates. To avoid this, the diameter of the disk must be increased.

【0011】具体的に考えてみる。共焦点顕微鏡におい
てピンホール直径は結像性能を決める大切なパラメータ
ーであるのでピンホール直径はあまり自由にはならな
い。顕微鏡の対物レンズ6として市販の標準的なものを
用いる場合はなおさらである。一般的な顕微鏡対物レン
ズ6の像側N.A.は約0.03程度であるから、ピン
ホール上に集光されるスポット径は目安的な計算で1.
22×λ/(N.A.)より、照明波長λを550nm
として22.5μm程度となる。十分共焦点の効果を得
るためにはやはりこのスポットサイズ前後の径のピンホ
ール直径とすべきであろう。とすればマイクロ集光レン
ズ側のN.A.もこの程度の大きさが理想的には必要で
ある。もともとマイクロ集光レンズは集光が目的である
ため、ある程度の効果があるのならば必ずしもピンホー
ル径に近いスポットに絞る必要はないが、迷光のことや
照明効率を考慮すればやはり対物レンズ6の物体側N.
A.と同じにするのに越したことはない。しかし、例え
ばマイクロ集光レンズアレイ71ディスクとピンホール
アレイディスク72との間の距離が10mmあるとした
場合0.03のN.A.を得るためにはマイクロ集光レ
ンズのレンズ径を0.6mm程度にしなければならなく
なる。これはピンホール径を20μmと考えた場合、そ
の30倍となりピンホールディスク上のピンホールの配
列をかなり粗にしなければならないことになる。逆にピ
ンホール間隔をピンホール直径の10倍である0.2m
mに固定して考えると、マイクロ集光レンズのレンズ径
が0.2mmとなるわけだからN.A.は0.01程度
となり、そのときのスポット径は約67μmである。こ
れでは集光効率が悪くかつ迷光も多くなってしまう。
Let's consider concretely. In a confocal microscope, the pinhole diameter is an important parameter that determines the imaging performance, so the pinhole diameter is not very free. This is especially true when a commercially available standard lens is used as the objective lens 6 of the microscope. Image side N.N. of general microscope objective lens 6 A. Is about 0.03, so the spot diameter condensed on the pinhole is calculated by a rough calculation as 1.
From 22 × λ / (NA), the illumination wavelength λ is 550 nm.
Is about 22.5 μm. In order to obtain a sufficient confocal effect, the diameter of the pinhole should be around the spot size. In this case, the N.V. A. This size is ideally required. Originally, the purpose of the micro condenser lens is to collect light, so it is not always necessary to focus on a spot close to the diameter of the pinhole if there is a certain effect. Object side N.
A. There is nothing better than making it the same. However, for example, if the distance between the micro condenser lens array 71 disk and the pinhole array disk 72 is 10 mm, the N.D. A. In order to obtain this, the lens diameter of the micro condenser lens must be about 0.6 mm. This is 30 times that when the diameter of the pinhole is considered to be 20 μm, which means that the arrangement of the pinholes on the pinhole disk must be considerably coarse. Conversely, the pinhole interval is 0.2 m, which is 10 times the pinhole diameter.
m, the diameter of the micro condenser lens is 0.2 mm. A. Is about 0.01, and the spot diameter at that time is about 67 μm. In this case, the light collection efficiency is low and stray light increases.

【0012】まだ、問題がある。上で述べたことから、
逆に考えるとマイクロ集光レンズアレイディスク71と
ピンホールアレイディスク72との間の距離はできるだ
け短い方がよい。つまり、分岐光学素子5は大きくはで
きないことになる。現在でも、ハイビジョン等の普及に
より2次元検出器9の代表的なものであるCCDセンサ
の画素数は著しく増えており、2048×2048や4
096×4096の画素数を有するものもでてきてい
る。一画素あたりの感度を考えると画素そのものを小さ
くするのには限りがあるからどうしてもCCDセンサ全
体のサイズが多画素化により大きくなってしまう。そし
て、顕微鏡の対物レンズ6も最近のものは視野数が30
mm程度取れるものも珍しくなくなっている。つまり、
今後はより広い視野を確保するために分岐光学素子5の
サイズはより大きくすることが求められることになる。
従来発明Cはこの点でも問題がある。
There is still a problem. From the above,
Conversely, the distance between the micro condenser lens array disk 71 and the pinhole array disk 72 should be as short as possible. That is, the branch optical element 5 cannot be made large. Even now, the number of pixels of a typical CCD sensor of the two-dimensional detector 9 has been remarkably increased due to the spread of high-definition television and the like.
Some have a pixel number of 096 × 4096. Considering the sensitivity per pixel, there is a limit to reducing the size of the pixel itself, and the size of the entire CCD sensor is inevitably increased by increasing the number of pixels. Also, the microscope objective lens 6 has a field of view of 30 recently.
What can be obtained about mm is not uncommon. That is,
In the future, the size of the branch optical element 5 will be required to be larger in order to secure a wider field of view.
The conventional invention C has a problem also in this point.

【0013】さらに、例えば共焦点顕微鏡を工場の生産
ラインなどでの検査装置として使う場合を考えてみる。
共焦点顕微鏡は三次元計測が可能であり、かつ一般的な
顕微鏡を超える横分解能がえられるために、半導体分野
の検査装置としての利用が期待されている。このような
場合、広い視野を一括で見るためにかなり低倍の対物レ
ンズ6が使用される可能性がある。低倍率で使用する
と、物体に投影されるスポット(ピンホールの像)径が
大きくなる。このとき対象物表面が粗面であるとスポッ
ト内部での物体の凸凹が影響しやすくなる。従来発明は
Cに限らず、AもBもスポット内(あるいは1ピンホー
ルから出た光ビーム内部)は位相がそろったコヒーレン
トな光であるため物体にスポット内部で凸凹があるとそ
の凸凹での散乱光で干渉が発生してしまう。つまりスペ
ックルが発生する。スペックルは画質を著しく落とすだ
けでなく、三次元計測の精度にも影響を与えるため好ま
しくない。
Further, consider a case where a confocal microscope is used as an inspection device in a factory production line or the like.
A confocal microscope is capable of three-dimensional measurement and has a lateral resolution higher than that of a general microscope, and is therefore expected to be used as an inspection device in the semiconductor field. In such a case, there is a possibility that the objective lens 6 with a considerably low magnification is used to view a wide field of view at a time. When used at a low magnification, the spot (pinhole image) diameter projected on the object becomes large. At this time, if the surface of the object is rough, unevenness of the object inside the spot tends to be affected. In the conventional invention, not only C but also A and B in the spot (or the inside of the light beam emitted from one pinhole) are coherent light having the same phase. Interference occurs due to scattered light. That is, speckle occurs. Speckle is not preferable because it not only significantly lowers the image quality but also affects the accuracy of three-dimensional measurement.

【0014】そこで本発明は、従来発明Cのようにマイ
クロ集光レンズアレイディスク71とピンホールアレイ
ディスク72とを分ける構成とすることで発生する位置
あわせの問題や、マイクロ集光レンズによる効果が十分
効かなくなる問題、大きい視野が取れなくなる問題をな
くし、かつ従来発明Bのように2次元検出器9に到達す
るビームが太くなるために横分解能が低下する問題もな
く、照明効率をあげて、迷光を低減する共焦点ディスク
を提供することを目的とする。
Therefore, the present invention solves the problem of alignment caused by dividing the micro condenser lens array disk 71 and the pinhole array disk 72 as in the conventional invention C and the effect of the micro condenser lens. Eliminating the problem of not being effective enough and the problem of not being able to obtain a large field of view, and having the problem that the beam reaching the two-dimensional detector 9 becomes thicker as in the conventional invention B, thereby lowering the lateral resolution, increasing the illumination efficiency, It is an object to provide a confocal disk that reduces stray light.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】本発明では、レンズによ
りピンホールに照明光を集光するのではなく、光トラッ
プの技術によりピンホールに照明光を導くものである。
According to the present invention, the illumination light is not focused on the pinhole by a lens, but is guided to the pinhole by a technique of an optical trap.

【0016】つまり、共焦点ディスク上の各ピンホール
毎に、ピンホールと同軸で、ピンホール開口から照明光
が入射する方向に向かって徐々に広がっていく反射面を
有するように共焦点ディスクを構成する。
That is, for each pinhole on the confocal disk, the confocal disk is coaxial with the pinhole so as to have a reflecting surface that gradually spreads in the direction in which the illumination light enters from the pinhole opening. Constitute.

【0017】このようにすると共焦点ディスクに入射す
る照明光はトラップされ反射面で反射しながら反射面の
奥へ、すなわちピンホールの方へ導かれて、最終的にピ
ンホールから射出することになり、照明効率を向上させ
ることができる。ピンホールからの射出光量が増えれば
それだけ共焦点ディスク表面で反射して2次元検出器に
到達する迷光は減少することになる。
In this way, the illuminating light incident on the confocal disk is trapped and reflected by the reflecting surface, guided to the back of the reflecting surface, ie, toward the pinhole, and finally emitted from the pinhole. Thus, the lighting efficiency can be improved. As the amount of light emitted from the pinhole increases, the amount of stray light reflected by the confocal disk surface and reaching the two-dimensional detector decreases.

【0018】しかも、物体から反射してきてピンホール
を通過した信号光は、対物レンズの像側N.A.が上記
トラップ反射面の傾斜に対して小さければ、そのまま平
行光束などにされることなく結像レンズに入射しピンホ
ールの像を2次元検出器上に結像させるので横分解能が
低下するような問題は発生しない。
Further, the signal light reflected from the object and passing through the pinhole is transmitted to the image side N.P. A. If the angle is smaller than the inclination of the trap reflection surface, the light enters the imaging lens without being converted into a parallel light beam or the like and forms an image of the pinhole on the two-dimensional detector. No problem occurs.

【0019】また、この発明は、集光部分とピンホール
部分を分離させる必要がないので従来発明Cの問題は全
て発生しない。
Further, according to the present invention, there is no need to separate the condensing portion and the pinhole portion, so that the problems of the prior art C do not occur at all.

【0020】また、このような集光手段はレンズによる
集光のように波面を揃えることが無く、反射面で何度か
反射した光や一度も反射しない光、一度だけ反射した光
などが混じり合って、ピンホールから射出される照明光
のコヒーレンシイは著しく低くなっている。そのため、
スペックルの発生が抑制されることになる。
In addition, such a light condensing means does not align the wavefront unlike light condensing by a lens, and mixes light that has been reflected several times on the reflecting surface, light that has never been reflected, and light that has been reflected only once. In addition, the coherency of the illumination light emitted from the pinhole is extremely low. for that reason,
The generation of speckle is suppressed.

【0021】もう一つ効果を付け加えると、屈折、ある
いは回折を利用したレンズで集光する場合は照明光の波
長を変えた場合、色収差により、理想的なスポットとな
らない可能性があるが、本発明は反射を利用しているの
で問題にならない。
Another effect is that when condensing with a lens utilizing refraction or diffraction, if the wavelength of the illumination light is changed, an ideal spot may not be obtained due to chromatic aberration. The invention does not matter because it utilizes reflection.

【0022】本発明は、従来発明Bとして述べた特開平
4−330412明細書の請求項1に述べられている複
数のピンホールと複数の集光手段を備えた構成となって
いるが、(1)同明細書の請求項1に“集光手段の焦点
位置”との記述がありレンズ作用を前提としていると考
えられること、(2)同明細書の他の請求項並びに実施
例に本発明に類するものが記述されていおらず、フレネ
ルレンズ、2次曲面鏡、微小凸レンズ、屈折率分散型平
板レンズと、回折、あるいは反射、あるいは屈折と、物
理現象の違いはあってもあくまで“焦点位置”を有する
レンズを集光手段の具体例としていること、(3)従来
発明Cとして述べた同じ発明者による発明である特開平
5−60980明細書内に発明者自身によって従来技術
Bの問題点として述べられている内容が明らかに本発明
には適合しないこと、から考えれば本発明は特開平4−
330412公報に開示された発明とは異なると考えら
れる。本発明は光トラップの技術を応用したものであり
レンズ作用を用いたものではない。
The present invention has a configuration including a plurality of pinholes and a plurality of light collecting means described in claim 1 of Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 4-330412 described as Conventional Invention B. 1) Claim 1 of the same specification has a description of "focal point of the light condensing means" and is considered to be premised on the lens action. Nothing similar to the invention is described, and Fresnel lenses, quadratic curved mirrors, microconvex lenses, refractive index dispersion type flat lenses, and diffraction, reflection, or refraction are different in physical phenomena, even if they are "focus." (3) The problem of the prior art B by the inventor himself in the specification of Japanese Patent Application Laid-Open No. H5-60980, which is the invention by the same inventor described as the conventional invention C. As a point The contents are base incompatible with clearly present invention, given the present invention is JP-4-
It is considered different from the invention disclosed in the publication No. 330412. The present invention is an application of the technology of an optical trap and does not use a lens function.

【0023】[0023]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態について説明する。図1に本発明の実施の形態
の例を示す。この例は共焦点ディスク1上に微小な導光
部2が螺旋型に並んでいるものである。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows an example of an embodiment of the present invention. In this example, minute light guides 2 are spirally arranged on a confocal disk 1.

【0024】図2と図3を用いて導光部2について詳細
に説明する。円錐のとがった部分を、その断面の直径が
共焦点に必要なピンホールサイズとなるように切断した
ような構造をしており、上下面はふさがれていない、先
細りの筒状のものである。内面は鏡面となっている。図
3に示すように照明光は円錐の中心軸に平行な平行光束
が入射する。入射した光束は円錐内面の反射面で反射を
繰り返し、あるいは全く反射しないで円錐のとがった方
向へ進んで行き、最終的に先端の穴から広い発散角を持
って射出することになる。図3に示した円錐の斜面の角
度θが著しく大きくない限り照明光がこの円錐の反射面
から戻ってくることは無く、円錐に入射した照明光は全
て先端の穴から射出されることになる。
The light guide 2 will be described in detail with reference to FIGS. It has a structure in which the pointed part of a cone is cut so that its cross-sectional diameter becomes the pinhole size required for confocal, and the upper and lower surfaces are unblocked and tapered cylindrical. . The inner surface is a mirror surface. As shown in FIG. 3, the illumination light is a parallel light beam parallel to the central axis of the cone. The incident light beam is repeatedly reflected on the reflection surface on the inner surface of the cone, or travels in a pointed direction of the cone without being reflected at all, and finally exits from the hole at the tip with a wide divergence angle. Unless the angle θ of the inclined surface of the cone shown in FIG. 3 is extremely large, the illumination light does not return from the reflection surface of the cone, and all the illumination light incident on the cone is emitted from the hole at the tip. .

【0025】このような形状、作用を持つ導光部2が、
図1に示すように、共焦点ディスク1上に螺旋型で並ん
でいるのである。図1では一条の螺旋しか書かれていな
いが、実際は多数の螺旋を同一ディスク上に形成する。
円錐型の先端の穴がピンホールに相当し、照明側の穴は
例えば先端の穴の直径の10倍とする。これにより従来
発明Aと同様のピンホール配列とすることができる。図
4は共焦点ディスク1の下側、つまりピンホール面に相
当する部分である。円錐の先端であるピンホール以外の
部分は遮光膜で覆われており、ディスクの下側から見る
限りは従来発明の共焦点ディスクと変わらない。
The light guide 2 having such a shape and function is as follows.
As shown in FIG. 1, they are arranged spirally on the confocal disk 1. Although only one spiral is shown in FIG. 1, many spirals are actually formed on the same disk.
The hole at the tip of the conical shape corresponds to a pinhole, and the hole on the illumination side is, for example, 10 times the diameter of the hole at the tip. Thus, a pinhole arrangement similar to that of the conventional invention A can be obtained. FIG. 4 shows the lower portion of the confocal disk 1, that is, the portion corresponding to the pinhole surface. The portion other than the pinhole, which is the tip of the cone, is covered with a light-shielding film, and is not different from the confocal disk according to the conventional invention when viewed from below the disk.

【0026】図5は本実施例の共焦点ディスク1をディ
スク走査型共焦点顕微鏡に組み込んだものである。光源
3から射出された照明光はコリメータレンズ4によって
平行光となって共焦点ディスク1に入射する。各導光部
2に入射した照明光は上述した作用によりその全てがピ
ンホールから射出される。各導光部2間に隙間はほとん
どないから共焦点ディスク1上面で反射してくる光は従
来発明Aと比べて遥かに少ない。従来発明Bと比べて
も、従来発明Bにおけるマイクロ集光レンズの表面で反
射する光が無いからより少ないと言える。
FIG. 5 shows a case where the confocal disk 1 of this embodiment is incorporated in a disk scanning confocal microscope. The illumination light emitted from the light source 3 is collimated by the collimator lens 4 and enters the confocal disk 1. All of the illumination light incident on each light guide 2 is emitted from the pinhole by the above-described action. Since there is almost no gap between the light guide sections 2, the light reflected on the upper surface of the confocal disk 1 is much smaller than that of the conventional invention A. Compared to the conventional invention B, it can be said that there is less light reflected on the surface of the micro condenser lens in the conventional invention B, so that it is smaller.

【0027】ピンホールから射出した照明光は対物レン
ズ6により物体7面に投影される。物体7で反射した光
は信号光として再び対物レンズ6に入射し、ピンホール
位置で収束してピンホールを通過する。一般に対物レン
ズ6の像側N.A.は0.03程度と非常に小さいの
で、ピンホールを通過した信号光は導光部2の側面など
で反射することなく(当然反射する回折光成分は存在す
るが、小さいものであるからここでは幾何光学的に考え
て表現する。)進み、分岐光学素子5で偏向せられて結
像レンズ8に入射する。結像レンズ8はピンホール面
(円錐の先端面)を2次元検出器9上に結像させるよう
作用し、ピンホールの像が2次元検出器9上に形成され
る。
The illumination light emitted from the pinhole is projected on the surface of the object 7 by the objective lens 6. The light reflected by the object 7 enters the objective lens 6 again as signal light, converges at the pinhole position, and passes through the pinhole. Generally, the image side N.P. A. Is very small, about 0.03, so that the signal light passing through the pinhole does not reflect on the side surface of the light guide 2 or the like (of course, although there is a diffracted light component that is reflected, Then, the light is deflected by the branch optical element 5 and is incident on the imaging lens 8. The imaging lens 8 acts to form an image of the pinhole surface (tip surface of the cone) on the two-dimensional detector 9, and an image of the pinhole is formed on the two-dimensional detector 9.

【0028】この構成において従来発明Bとの大きな違
いは、従来発明Bにおいては物体7で反射してピンホー
ルを通過した信号光は、マイクロ集光レンズにより平行
光束となって分岐光学素子5へ入射することになる点で
ある。平行光束となってしまうと結像レンズ8によりピ
ンホールの像を2次元検出器9上に結ばせることができ
なくなってしまう。だから、レンズを通さず直接2次元
検出器9で検出するか、あるいは等倍のレンズでマイク
ロ集光レンズ面を2次元検出器9上に結像させるしかな
い。(倍率を変えて平行光束を細くすることもできる
が、2次元検出器9上の像の倍率自体が下がるわけだか
ら分解能的には同じである。)マイクロ集光レンズから
射出される平行光束は約ピンホール径の10倍程度にな
るからどうしても横分解能が低下してしまう。
In this configuration, a significant difference from the conventional invention B is that in the conventional invention B, the signal light reflected by the object 7 and passed through the pinhole is converted into a parallel light beam by the micro condenser lens to the branch optical element 5. It is a point that will be incident. If it becomes a parallel light beam, the image of the pinhole cannot be formed on the two-dimensional detector 9 by the imaging lens 8. Therefore, there is no choice but to directly detect the two-dimensional detector 9 without passing through the lens, or to form an image of the micro condenser lens surface on the two-dimensional detector 9 with a lens of the same magnification. (Although the magnification can be changed to make the parallel light beam thinner, the resolution is the same because the magnification itself of the image on the two-dimensional detector 9 is reduced.) The parallel light beam emitted from the micro condenser lens is Since it becomes about 10 times the diameter of the pinhole, the lateral resolution is inevitably reduced.

【0029】しかし、本発明に於いては物体7で反射し
てピンホールを通過した信号光はピンホールから出たま
まの光で結像レンズ8に入射するから、ピンホールの像
を等倍の結像レンズ8により2次元検出器9上に結像さ
せることによりピンホールとほぼ同様の大きさのスポッ
トで検出することができる。つまり横分解能の高い検出
ができる。結像レンズ8、2次元検出器9をあわせて結
像光学系と呼ぶことにすると、結像光学系側から見れ
ば、本発明の共焦点ディスク1は従来発明Aのディスク
と全く変わらない。しかも照明効率は従来発明Bと変わ
らず、従来技術Cよりもよい。
However, in the present invention, the signal light reflected by the object 7 and passing through the pinhole is incident on the imaging lens 8 with the light leaving the pinhole. By forming an image on the two-dimensional detector 9 by the imaging lens 8 described above, a spot having almost the same size as a pinhole can be detected. That is, detection with high lateral resolution can be performed. If the imaging lens 8 and the two-dimensional detector 9 are collectively referred to as an imaging optical system, the confocal disk 1 of the present invention is not different from the disk of the conventional invention A at all from the viewpoint of the imaging optical system. Moreover, the illumination efficiency is the same as that of the conventional technology B and is better than that of the conventional technology C.

【0030】この例では導光部2は円錐状としたが、基
本的に平行光束が反射を繰り返して奥へ進んでいくよう
なものであればよく、例えば、多角錐などでもよい。多
角錘であれば多角錐間を隙間無く配列することも可能と
なるため、より照明効率、迷光対策が完全なものとな
る。
In this example, the light guide portion 2 has a conical shape. However, it is basically sufficient that the parallel light beam repeats reflection and travels to the back, and may be, for example, a polygonal pyramid. If it is a polygonal pyramid, it is possible to arrange the polygonal pyramids without gaps, so that the illumination efficiency and the stray light countermeasure are more complete.

【0031】また、多角錐や円錐のように導光部2の反
射面の斜面が直線的(図6(a)参照)である必要もな
い、例えば図6(b)(c)(d)に示すような非直線
形状としてもよい。
Also, the slope of the reflecting surface of the light guide 2 does not need to be linear (see FIG. 6A) like a polygonal pyramid or a cone, for example, as shown in FIGS. 6B, 6C, and 6D. A non-linear shape as shown in FIG.

【0032】また、この発明の実用的な意味で重要なこ
とは、マイクロ集光レンズのように高い加工精度は必要
とされないことである。この例では導光部2の反射面は
鏡面としたが照明光が奥へ行けばよいだけであるから例
えば鏡面の精度(平面度、曲面度)などはラフでよく
(散乱はしてはならない)、形状の精度も必要ない。つ
まり例えば多角錐の場合、斜面の平面が少々凹面になっ
ていたり凸面になっていたりしてもほとんど問題になら
ない。反射率も特に重要ではない。
What is important in the practical sense of the present invention is that high processing accuracy is not required unlike a micro condenser lens. In this example, the reflecting surface of the light guide portion 2 is a mirror surface, but the illumination light only needs to go to the back. Therefore, for example, the accuracy (flatness, curvature) of the mirror surface may be rough (scattering should not be performed). ), The accuracy of the shape is not required. That is, for example, in the case of a polygonal pyramid, there is almost no problem even if the plane of the slope is slightly concave or convex. The reflectivity is not particularly important either.

【0033】[0033]

【発明の効果】本発明は、従来発明Cのように集光手段
のディスクとピンホールアレイディスクとを分ける必要
がないことから、両ディスク間の位置あわせの問題や、
マイクロ集光レンズのN.A.が小さくなって照明効率
が低下する問題、分岐光学素子を大きくできないため大
きい視野が取れなくなる問題等は発生しない。また、従
来発明Bのように2次元検出器に到達するビームが太い
くなるために横分解能が低下する問題もなく、照明効率
をあげて、迷光を低減することが可能になる
According to the present invention, since there is no need to separate the disk of the light condensing means and the pinhole array disk unlike the conventional invention C, there is a problem of alignment between the two disks,
N. of the micro condenser lens A. In this case, there is no problem that the illumination efficiency is reduced due to the decrease of the size, and a problem that a large field of view cannot be obtained because the branch optical element cannot be enlarged. Further, unlike the conventional invention B, the beam reaching the two-dimensional detector becomes thick, so that there is no problem that the horizontal resolution is reduced, and it is possible to increase the illumination efficiency and reduce the stray light.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施の形態の例を示した図である。FIG. 1 is a diagram showing an example of an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の導光部を説明するための図である。FIG. 2 is a diagram for explaining a light guide unit of the present invention.

【図3】本発明の導光部を説明するための図である。FIG. 3 is a diagram for explaining a light guide unit of the present invention.

【図4】本発明の共焦点ディスクを対物レンズ側から見
た図である。
FIG. 4 is a view of the confocal disk of the present invention as viewed from the objective lens side.

【図5】本発明の共焦点ディスクをディスク走査型共焦
点顕微鏡に組み込んだ図である。
FIG. 5 is a diagram in which the confocal disk of the present invention is incorporated in a disk scanning confocal microscope.

【図6】本発明の導光部の反射面形状を説明する図であ
る。
FIG. 6 is a diagram illustrating a reflection surface shape of a light guide unit of the present invention.

【図7】従来技術Cを説明するための図である。FIG. 7 is a diagram for explaining a conventional technique C;

【図8】従来技術Aを説明するための図である。FIG. 8 is a diagram for explaining a conventional technique A.

【図9】従来技術Aの共焦点ディスクを説明するための
図である。
FIG. 9 is a diagram for explaining a confocal disk according to the related art A.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 共焦点ディスク 2 導光部 3 光源 4 コリメータレンズ 5 分岐光学素子 6 対物レンズ 7 物体 8 結像レンズ 9 2次元検出器 10 モータ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Confocal disk 2 Light guide part 3 Light source 4 Collimator lens 5 Branch optical element 6 Objective lens 7 Object 8 Imaging lens 9 Two-dimensional detector 10 Motor

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 多数のピンホールを有するディスクを回
転することにより共焦点画像を得るディスク走査型共焦
点顕微鏡において、各ピンホール毎に、ピンホールと同
軸で、ピンホール開口から照明光が入射する方向に向か
って徐々に広がっていく反射面を有することを特徴とす
る共焦点ディスク。
1. A disk scanning confocal microscope that obtains a confocal image by rotating a disk having a large number of pinholes, wherein for each pinhole, illumination light is incident from a pinhole opening coaxially with the pinhole. A confocal disk characterized by having a reflecting surface that gradually spreads in a direction in which the laser beam travels.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007139870A (en) * 2005-11-15 2007-06-07 Olympus Corp Microscope apparatus
US20210116236A1 (en) * 2018-06-13 2021-04-22 Solarius Asia Ltd. Perforated disk for selecting light for an optical imaging

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