CN1441278A - 光扫描装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供极小型并且构造简单，容易控制光点位置，既不要求高精度的光轴重合，又能够降低制造成本的光扫描装置。它具有使从光源装置(2)发出的照射光入射到扫描用透镜(3)，并成为向着配置在它的焦点位置(FP)的聚光透镜(4)的平行光束，再由该聚光透镜(4)会聚在被观测面(OS)上的光学系统(5)，其中上述光源装置(2)是通过将照射光轴(LZ)与扫描用透镜(3)的光轴(SZ)平行的半导体激光器(7)安装在能够沿与扫描用透镜(3)的光轴(SZ)正交的XY面调整位置的载物台(6)上形成的。

Description

光扫描装置

技术领域

本发明涉及在显微镜视野下使光点移动到观察区域内的任意位置的光扫描装置。

背景技术

光扫描装置，特别是使用激光光源的激光扫描装置，可以用于将通过照射激光捕捉到的微小检体移动到任意位置的激光操纵，和在显微镜视野下将激光照射在生物组织上进行加热·切断等加工的显微镜激光加工等方面，它的应用范围是极其广阔的。

图5所示的已有的激光扫描装置21是通过以下方式形成的：在从内置有平行光管透镜24的半导体激光器22到将发出的光会聚在被观察面OS上的会聚透镜23的光轴LX上，配置使该激光相对于光轴LX上下左右摆动的电镜25X，25Y、使上下左右摆动的激光与光轴平行地折射的第1扫描用透镜26A、使该激光成为平行光并向会聚透镜23折射的第2扫描用透镜26B。

由此，因为在电镜25X，25Y和会聚透镜23之间安装了第1和第2扫描用透镜26A，26B，所以通过使电镜25X，25Y倾斜规定角度和用会聚透镜23会聚偏移的光程，就能够缩小激光点的偏移量而只移动微小的距离，并能够在显微镜视野下进行激光点扫描。

发明内容

但是，一般地说，因为第1和第2扫描用透镜26A、26B使用相同焦距f的2块凸透镜，配置成各自的焦点位置一致，所以，它们的间隔是焦距f的2倍，并且会聚透镜23被配置在第2扫描用透镜26B的焦点位置上。

另外，通常要确保第1扫描用透镜26A和电镜25Y的间隔在第1扫描用透镜26A的焦距f以上，还要确保从电镜25X到半导体激光器22的距离大致等于第1扫描用透镜26A的焦距f。

所以，从半导体激光器22到会聚透镜23，激光扫描装置21的长度要是焦距的4倍以上，存在着装置大型化的问题。

特别是将激光扫描装置21装入横置显微镜31中时，如图6所示，与在显微镜31的侧面和背面形成的接口35A(35B)连接。

这时，将显微镜31的物镜32用作会聚透镜23，使从物镜32到目镜33的光轴MX在半透明镜34A(34B)处分支出来的分光光轴SX₁(SX₂)与激光扫描装置21的光轴LX一致。

所以，从物镜32通过半透明镜34A(34B)到第2扫描用透镜26B的光程长就原封不动地成为第2扫描用透镜26B的焦距。

这时，因为最低也需要焦距f＝20cm左右，所以整个装置会超过1m。

因此，本发明者们试验制作了如图7所示那样的小型激光扫描装置41。

它是通过以下方式构成的：在从内置有平行光管透镜24的半导体激光器22到将发出的光会聚在被观察面OS上的会聚透镜23的光轴LX上，配置使该激光发散的凹透镜42、会聚该发散光的会聚透镜43、使该会聚光相对于光轴LX上下左右摆动的电镜25X和25Y、使上下左右摆动的激光成为平行光并向会聚透镜23折射的扫描用透镜44。

而且，在设置凹透镜42的焦距为f₁₃，会聚透镜43的焦距为f₁₂，扫描用透镜44的焦距为f₁₁，凹透镜42与会聚透镜43的间隔为c，电镜25Y和扫描用透镜44的间隔为b，扫描用透镜44与会聚透镜23的间隔为a时，以满足下列公式

b＝f₁₁a/(a-f₁₁)

f₁₃＝-{f₁₁f₁₂/(f₁₁-f₁₂)-c}

为条件，配置列各光学器件。

由此，因为只要一个扫描用透镜44就足够了，所以能够缩短从半导体激光器22到会聚透镜23长度，实现装置整体的小型化。

但是，在无论哪种情形中，都因为由电镜25X，25Y的倾斜角决定激光点的位置，而它的控制很麻烦，而且组装时要求光轴重合具有极高的精度，所以就存在制造上很费工夫，制造成本上升，成品率恶化的问题。

另外，因为已有的激光扫描装置21，41使用的透镜数也很多，所以与此相当地，使光轴重合很麻烦，特别是要求与电镜25X，25Y的光轴重合具有高精度。

因此，本发明将提供极小型并且构造简单，容易控制，既不要求高精度的光轴重合，又能够降低制造成本的光扫描装置作为技术课题。

为了解决这个课题，权利要求项1的发明的特征是它备有使从光源装置发出的照明光入射到扫描用透镜，成为向着配置在它的焦点位置的聚光透镜的平行光束，通过该聚光透镜会聚在被观测面上的光学系统。其中通过将照射光轴与扫描用透镜的光轴平行的发光部分(7)安装在能够沿与扫描用透镜的光轴正交的XY面调整位置的载物台上，形成上述光源装置。

通过权利要求项1的发明，使从发光元件等的发光部分发出的光在与扫描用透镜的光轴平行地前进后，经过扫描用透镜的折射，成为向着它的焦点前进的平行光束，再通过配置在焦点位置的聚光透镜会聚在被观测面上，形成光点。

这时，因为将发光部分被安装在能够沿与扫描用透镜的光轴正交的XY面调整位置的载物台上，所以通过调整载物台的位置使扫描用透镜的入射位置移动，与这个偏移量对应地改变入射到聚光透镜的平行光束的入射角度，使会聚在被观测面上的光点移动位置。

这样，因为通过调整XY方向的位置，能够在XY方向调整激光点的位置所以使控制变得容易。因为不需要使用电镜，所以不要求高精度的光轴重合而使制造变得简单，也降低了成本。因为只要一个扫描用透镜就足够了，所以能够使光学系统整体小型化。

权利要求项2的发明是通过将使从发光部分发出的照射光扩散并入射到扫描用透镜的凹透镜与发光部分安装在一起，并且将凹透镜的焦点置于扫描用透镜的光源一侧的焦平面上而将凹透镜配置在扫描用透镜和它的焦平面中间来实现的。

根据权利要求项2的发明，因为能够将发光部分配置得比较接近扫描用透镜，而且能够使用小口径的凹透镜，所以能够使装置更加小型化。

权利要求项3的发明是通过将使发光部分的照射光会聚后入射到扫描用透镜的会聚透镜与该发光部分安装在一起，并且将该会聚透镜的焦点置于扫描用透镜的光源一侧的焦平面旁边那样地配置会聚透镜来实现的。

根据权利要求项3的发明，因为将照射光会聚在扫描用透镜的焦平面上，所以通过将针孔等设置在这个会聚位置上，容易进行光束整形。

另外，如权利要求项4的发明那样，如果将会聚透镜配置成能够沿光轴方向前后移动，则能够通过调整会聚透镜的位置调整光点的成像深度。

进一步，如权利要求项5的发明那样，如果用引导从照明光源发出的照明光的光纤作为光源装置的发光部分，则能够使载物台上更简单化，并且如果来自被观察面(OS)的照明光和通过同一光程返回到光纤内的观察光由分光器进行分光并由光检测器进行检测，则也能够用作共焦点显微镜。

附图说明

图1是表示与本发明有关的光扫描装置的说明图。

图2是表示将光扫描装置装入横置显微镜中的状态的说明图。

图3是表示其它实施方式的说明图。

图4是表示另一个其它实施方式的说明图。

图5是表示已有技术的说明图。

图6是表示将光扫描装置装入横置显微镜中的状态的说明图。

图7是表示参考技术的说明图。

具体实施方式

下面，我们根据附图具体说明本发明的实施方式。

图1是表示与本发明有关的光扫描装置的说明图，图2是表示将光扫描装置装入横置显微镜中的状态的说明图，图3是表示其它实施方式的说明图。

本例的光扫描装置1，如图1所示，备有使光源装置2的照射光入射到扫描用透镜3，形成向着配置在它的焦点位置FP上的聚光透镜4的平行光束，并通过该聚光透镜4会聚在被观测面OS上的光学系统5。

光源装置2是通过将照射光轴LZ与扫描用透镜3的光轴SZ平行的半导体激光器(发光部分)7安装在能够沿与扫描用透镜3的光轴SZ正交的XY面调整位置的载物台6上，并且将使这个激光束发散并入射到上述扫描用透镜3的凹透镜8与半导体激光器7配置在一起形成的。

将该凹透镜8的焦点FP₈置于扫描用透镜3的光源一侧的焦平面FS上而将该凹透镜(8)配置在扫描用透镜3和它的焦平面FS中间。

即，凹透镜8与扫描用透镜3的间隔等于各个焦距f₈、f₃之差，扫描用透镜3与会聚透镜4的间隔等于扫描用透镜3的焦距f₃。

另外，会聚透镜4选用焦距比扫描用透镜3短的透镜。

这里，当令与半导体激光器7从光轴SZ的偏移量d相对应的被观测面OS上的激光点的偏移量为r，这时入射到会聚透镜4的激光入射角为θ(rad)时，

d＝f₃θ

r＝f₄θ

成立，由此，导出

r/d＝f₄/f₃

的关系。

当用放大倍数100，焦距f₄＝1.8mm的物镜作为会聚透镜4，并设定d＝2778μm，r＝50μm时，扫描用透镜3的焦距f₃则为

f₃＝f₄d/r＝1.8×2778/50＝100(mm)

如果用焦距为-75mm的凹透镜8，则从半导体激光器7到会聚透镜4的距离不足25mm，即使用焦距f₃比较长的扫描用透镜3，包含载物台6的装置整体的长度也在焦距f₃的2倍以下。

这样因为能够使全长变得极短，所以如图2所示，用横置显微镜11的物镜12作为会聚透镜4，在物镜12的旋转体13内部设置半透明镜14，也可以使光扫描装置1直接与旋转体13的侧面连接。

上面是本发明的一个构成例，下面说明它的作用。

当半导体激光器7位于扫描用透镜3的光轴SZ上时，来自半导体激光器7透过内置平行光管透镜(图中未画出)的激光成为平行光束并沿光轴SZ前进，通过凹透镜8使该光束的直径发散，并入射到扫描用透镜3。

因为凹透镜8的焦点在扫描用透镜3的焦平面FS上，所以该激光遵循与从扫描用透镜3的焦点发散并入射的轨迹相同的光线轨迹，它的透过光成为平行光束一直入射到会聚透镜4，透过会聚透镜4的光形成会聚在它的焦点位置上的光点。

其次，当移动载物台6使半导体激光器7从扫描用透镜3的光轴SZ偏移时，来自半导体激光器7透过内置平行光管透镜(图中未画出)的激光成为平行光束与光轴SZ平行地前进，通过凹透镜8发散，入射到扫描用透镜3。

因为凹透镜8的焦点在扫描用透镜3的焦平面FS上，所以该激光遵循与从该焦平面FS发散并入射轨迹相同的光线轨迹，它的透过光成为平行光以规定的入射角θ入射到会聚透镜4，透过会聚透镜4的光在从它的被观测面OS上的焦点位置偏移的地方会聚并形成光点。

这时，当令半导体激光器7的XY偏移量为d_x、d_y时，光点的偏移量r_x，r_y根据扫描用透镜3和会聚透镜4的焦距比f₄/f₃，被表示为

r_x＝d_xf₄/f₃

r_y＝d_yf₄/f₃

这样当移动载物台6使半导体激光器7在XY方向偏移时，在被观测面OS上形成的光点与半导体激光的偏移量成正比地在XY方向偏移，而且，因为存在焦距f₄＜f₃的关系，所以这个偏移量以与焦距比率相应的缩小率缩小，使对使光点偏移到任何位置的载物台6的控制变得极其简单。

图3是表示其它实施方式的说明图。此外对与图1一样的部分标记了相同的标号并省略对它们的详细说明。

用于本例的光扫描装置15的光源装置2是通过将照射光轴LZ与扫描用透镜3的光轴SZ平行的半导体激光器(发光元件)7安装在能够沿与扫描用透镜3的光轴SZ正交的XY面调整位置的载物台6上，并且安装使该激光会聚在扫描用透镜3的焦平面FS上后，入射到上述扫描用透镜3的会聚透镜16形成的。

可以将会聚透镜16配置成能够沿半导体激光器7的照射光轴LZ前后移动，并在它的焦点位置上形成针孔17。

而且，在XY方向移动载物台6和在XY方向一起移动会聚透镜16和针孔17，并且一前后移动会聚透镜16，针孔17就会与会聚透镜16一起前后移动。

与使会聚透镜16位于照射光轴LZ上的O点时的扫描用透镜3的间隔等于各个焦距f₁₆，f₃之和，扫描用透镜3与会聚透镜4的间隔等于扫描用透镜3的焦距f₃。另外，会聚透镜4选用焦距比扫描用透镜3短的透镜。

这时，如果沿照射光轴LZ前后移动会聚透镜16，则因为能够前后移动由会聚透镜4形成的光点的成像深度，所以当安装在显微镜等中时，能够与显微镜的被拍摄界限深度一致地调整成像深度。

进一步，因为通过会聚透镜16，将激光会聚在扫描用透镜3前面的焦平面FS上后，入射到扫描用透镜3，所以如果将针孔17设置在这个会聚位置，则即使当会聚透镜16不使光集中到一点时，也能够得到良好的点光源，能够容易地对光束进行整形，所以，能够形成比会聚透镜4更良好的光点。

此外，与载物台6的移动量成比例地偏移光点和因为存在焦距f₄＜f₃的关系所以偏移量以与焦距比率相对应的缩小率缩小与图1所示的

实施方式相同。

另外，我们在上述说明中说明了将半导体激光器7用作发光部分的情形，但是本发明并不限于此，还能够采用LED和灯光源等任意照明光源，或者，也可以是用引导从配置在远离位置的照明光源发出的光的光纤的光射出端作为发光部分。

图4是表示另一个其它实施方式的图，在与图1～图3一样的部分标记了相同的标号并省略对它们的详细说明。

在本例的光扫描装置51中，光源装置2的发光部分是由将半导体激光器(照明光源)52发出的照明光发射出去的光纤53形成的，使它的照射光轴LZ与上述光轴SZ平行，并将成为照明光射出端53a的前端固定在被设置成能够沿与扫描用透镜3的光轴SZ正交的XY面调整位置的载物台6上。

将在使照明光照射在被观察面OS时的来自被观察面OS的照明光和通过同一光程从照明光射出端53a入射的观察光分光到光检测器54的分光器55安装在光纤53上。

作为这种分光器55，除了可以使用有选择地透过预先设定的任意波长的波长选择分接器和50％：50％地分光的3dB分接器外，还能够用多模分接器，单模分接器，波长分割分接器(包含AWG等的波导路径)，偏振面保存分接器，可变比率分接器，波导路径型分光器等与使用目的相应的任意的分光器。

另外，作为光检测器54，能够用检测激励光和荧光的光电二极管(PD)，二次电子倍增管(PMT)，分光器等与使用目的相应的任意的光检测器。

因此，能够将扫描装置51用作观察放置在被观察面OS上的被观察物体的共焦点显微镜。

即，在一边使载物台6在XY方向移动一边照射激光时，使激光沿放置在被观察面OS上的被观察物体的表面进行扫描，这时，在被观察物体的表面产生例如特定波长的荧光，将该荧光作为观察光，通过与照明光相同的光程从光纤53的照明光射出端53a入射，经过分接器55的分光，由光检测器54检测这个光的波长和强度。

所以，通过计算机处理载物台6的XY数据和检出的光的波长和强度，能够构成关于任何波长的光的图象和共焦点图象。

另外，因为用光纤53引导照明光和观察光两者，所以能够自由地设计光程，也使半导体激光器52，光检测器54，分光器55等光学元件的对准变得简单。

进一步，通过将多个分光器55安装在光纤53上，使单个光检测器与各个分光路径连接，也可以在分光器55和光源装置2或光检测器54之间，安装可变带通光纤滤波器，光隔离器或光纤开关。

即便在本实施方式中，作为光源装置2的照明光源也不仅限于使用半导体激光器52，根据使用目的能够使用LED和通常的灯光源等任意的照明光源。

另外，通过将可变光衰减器(VOA)安装在光纤53上，也可以调整照明光的光量。

如上所述，根据本发明，因为能够通过调整发光部分在XY方向上的位置来调整光点的位置，所以使相关此目的的控制变得极其容易。另外，因为不需要使用电镜，所以不要求高精度的光轴重合，使制造变得简单，也降低了制造成本，因为透镜数很少，所以也容易实现它们的光轴重合。进一步，因为只要一个扫描用透镜就足够了，所以能够实现使光学系统整体小型化那样的非常优越的效果。

Claims (5)

1.一种光扫描装置，其特征在于：其所具有的光学系统(5)利用扫描用透镜(3)将从光源装置(2)发出的照明光折射到配置在其焦点位置(FP)的聚光透镜(4)，并通过该聚光透镜(4)会聚在被观测面(OS)上，其中，通过将照射光轴(LZ)与扫描用透镜(3)的光轴(SZ)平行的发光部分(7)安装在能够沿与扫描用透镜(3)的光轴(SZ)正交的XY面调整位置的载物台(6)上，形成上述光源装置(2)。

2.权利要求项1记载的光扫描装置，其特征在于：将使从上述发光部分(7)发出的照射光扩散入射到上述扫描用透镜(3)的凹透镜(8)与该发光部分(7)并安装在一起，并且将该凹透镜(8)的焦点置于扫描用透镜(3)的光源一侧的焦平面(FS)上而将该凹透镜(8)配置在上述扫描用透镜(3)和它的焦平面(FS)中间。

3.权利要求项1记载的光扫描装置，其特征在于：使上述发光部分(7)的照射光会聚后入射到上述扫描用透镜(3)的会聚透镜(16)与该发光部分(7)安装在一起，并且将该会聚透镜(16)的焦点置于扫描用透镜(3)的光源一侧的焦平面(FS)旁边那样地配置会聚透镜(16)。

4.权利要求项3记载的光扫描装置，其特征在于：将会聚透镜(16)配置成能够沿光轴(LZ)方向前后移动。

5.权利要求项1记载的光扫描装置，其特征在于：上述光源装置(2)的发光部分是由引导从照明光源(52)发出的照明光的光纤(53)形成的，并且将来自被观察面(OS)的照明光和通过同一光程返回来的观察光分光到光检测器(54)的分光器(55)安装在上述光纤(53)上。

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