JP2000075210A - 小型走査共焦点顕微鏡 - Google Patents

小型走査共焦点顕微鏡

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 マイクロ機械加工されて静電気的に作動する
走査鏡とマイクロ機械加工されたバイナリレンズを使用
した小型走査光学顕微鏡を提供すること。 【解決手段】 点光源として機能し且つ反射光を集光す
る光ファイバを含む走査光学顕微鏡が、開示されてい
る。視野を走査するために光を走査させる走査機構と共
に、光ファイバからの光を像平面上で合焦させて像平面
から反射した光を集め、それを光ファイバ内に合焦させ
るレンズもまた、開示されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】本出願は、１９９５年１１月
７日に出願された仮出願第６０／００６３０３号の優先
権を主張するものである。本発明は、一般には小型共焦
点顕微鏡に関し、特にマイクロ機械加工鏡を用いた走査
共焦点顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】生物
学、医学及び半導体処理工程でごく普通に用いられる標
準的な光学顕微鏡は、大型である。一般的には、組織標
本は、顕微鏡スライド上に取り付けられた後に、生体外
で観察される。このような顕微鏡は、大型すぎるので、
皮膚や人体の内部器官の生体内観察には適さない。従っ
て、皮膚の黒腫の観察、歯及び歯肉の観察、動脈、静脈
及び人体器官内の細胞の内視鏡検査に使用することがで
きる小型顕微鏡が望まれている。最終的に、かかる顕微
鏡を皮下注射針内に取り付けることができるならば、生
体内生検を行うために、或いは、静脈、動脈、人体の他
の血管内の血流やプラズマ、涙管内の流体、及び小血管
内の全体的な状態等の、人体の顕微鏡的特徴を観察する
ために、好適であろう。小型顕微鏡の生物学的用途につ
いて説明がなされているが、本発明の小型顕微鏡を、小
管を通過させる内視鏡観察や半導体その他の材料の処理
工程時における現局位置での観察に使用することができ
る。
【０００３】現在の趨勢は、カテーテル内に取り付けた
小型器具で臨床処置を行うこと、光ファイバ装置で血管
内の内部観察を行うこと、並びにレーザ及び光ファイバ
技術を用いて手術を行うことである。このような処置を
用いることにより、旧来の外科的方法を用いた場合よ
り、人体に対する損傷が遙かに減少する。内視鏡で現在
得られる最良の解像度は１０乃至２０μｍ程度であるの
で、顕微鏡レベルでの処置観察は、有益であろう。他の
例としては、生検の実施が極端な痛みを伴う子宮内の癌
細胞の観察である。この目的の体内撮像技術は、組織を
そのまま残し、現在の医療慣習を相当改善するものとな
っている。従来、幾つかの光ファイバ顕微鏡が提案され
てきたが、それらはいずれも大き過ぎたり緩慢過ぎたり
で、フレーム時間は、数秒程度であり、解像度は極めて
劣っていた1-6 。従って、これらの顕微鏡は、顕微鏡レ
ベルでの体内実時間撮像には適していなかった。
【０００４】本発明者らは、近年の論文で振動ファイバ
顕微鏡について報告した。約０．８ｍｍ平方の振動ガラ
ス棒の端部に、フォトリソグラフィック手段で製作した
フレネルレンズを取り付けた。棒の他方の端部に接着し
た光ファイバからレンズを照射し、レンズから約１ｍｍ
の距離に直径１．８μｍ程度のスポットを形成した。観
察対象から反射された光は、ファイバとレンズを通過し
て検出器に達する。検出器からの信号は、適当な処理を
行った後に、画像変換器を介してビデオ画像として表示
された。断面矩形の棒は、該棒と外側管との間に印加さ
れた静電界により、ｘ及びｙ方向に僅かに異なる機械的
共振周波数で、振動させた。従って、レンズからの合焦
スポットは、ラスタパターン（リサージュ模様）を形成
した。振動周波数は、８ｋＨｚ程度であり、単一フレー
ムの画像の形成には、約１／２０秒かかった。解像度
は、約２μｍであった。この顕微鏡は、固定された大構
造で振動棒を支持しなければならず、支持構造が大型化
して体内での使用に適さない、という欠点を有してい
た。
【０００５】本発明の目的は、マイクロ機械加工小型走
査光学顕微鏡を提供することである。本発明の別の目的
は、マイクロ機械加工されて静電気的に作動する走査鏡
を使用した小型走査光学顕微鏡を提供することである。
本発明の更に別の目的は、マイクロ機械加工されて静電
気的に作動する走査鏡とマイクロ機械加工されたバイナ
リレンズを使用した小型走査光学顕微鏡を提供すること
である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、単一モ
ード光ファイバ光源／検出器と合焦対物レンズとの間に
配設されて静電気的に作動する走査鏡を含む、走査光学
顕微鏡が提供される。本発明の上記及びその他の目的
は、添付図面に基づいて読まれる以下の説明から、より
完全に理解されよう。
【０００７】
【発明の実施の形態】本発明による小型走査共焦点顕微
鏡は、図１の斜視図、図２の分解図、及び図３乃至図５
の断面図に示されている。顕微鏡は、シリコン基板１
１、接着シリコン板１２、単一モード光ファイバ１３、
シリコンスペーサ１４、シリコンスペーサ１４に接着さ
れた石英ガラスレンズプレート１６を含む。接着シリコ
ン板１２は、単一モード光ファイバ１３と石英ガラスレ
ンズ板１６内に形成された小型対物レンズ１９との間に
配設される一対のマイクロ機械加工走査鏡１７、１８を
含む。シリコンスペーサ１４は、＜１１１＞面２２を有
する開口部２１を形成するようにエッチングされた＜１
００＞シリコンから成る。図３を参照すると、ファイバ
１３からの光ビーム２３は、先ず、エッチング＜１１１
＞面２２から第一の走査鏡１７上に反射され、次に、レ
ンズ板１６上の金属化鏡２４から第二の走査鏡１８上に
反射されて戻る。次いで、光ビームは、第二の走査鏡１
８から反射して、石英ガラスレンズ板１６内にエッチン
グされたオフアクシス・ゾーンプレート対物レンズ１９
を通過する。該レンズは、ファイバからの出力を標本面
上の点２６に像形成する。鏡が回転すると、この点は視
野全体に亘り走査される。標本から反射して戻った光
は、レンズ１９により再び像形成され、同じ経路に沿っ
てファイバに戻り、検出されて像形成するように処理さ
れる。ファイバは小さなピンホールのように振る舞うの
で、装置は、共焦点顕微鏡であり、共焦点走査光学顕微
鏡から期待される有効範囲と横方向解像度を有する。
【０００８】鏡走査器は、シリコンマイクロ機械加工技
術を用いて製造される。走査器及び空間光変調器に使用
されるマイクロ機械加工捩じれ鏡は、非常に多くの著者
8-14により報告がなされている。二枚の鏡の回転軸線
は、一方の鏡がｘ方向の光ビームを走査し、他方の鏡が
ｙ方向の光ビームを走査するように、直交している。や
がて説明されるように、鏡１７、１８は、静電気的に回
転駆動される。シリコン基板１１は、鏡１７、１８の下
側に離間した凹部２８、２９を形成すべくマスキングを
してエッチングされ、鏡１７、１８が回転し得るように
している。基板をマスキングし、導電領域を形成するよ
うに不純物が注入される。より詳細に言えば、凹部２８
の底部に二つの導電領域３１、３２が形成され、凹部２
９の底部に二つの導電領域３３、３４が形成される。こ
れらの領域は、イオン注入リード線４１、４２、及び４
３、４４を介して、イオン注入接触領域３６、３７、及
び３８、３９に接続される。表面には、接着熱酸化物層
４６が形成される。凹部２８、２９内の酸化物上には、
窒化シリコンキャップが形成され、後続の金属化工程時
の絶縁体を構成している。
【０００９】シリコン板１２は、板上の酸化物層及び基
板酸化物４６を介して、基板１１に接着される。板１２
上には、窒化シリコン層４７が形成されており、また、
適当なマスキング及びエッチングにより窓５１、５２及
び５３、５４が形成され、接触領域３６、３７及び３
８、３９を露出させている。鏡１７、１８は、窒化シリ
コン細片５７をヒンジとして残して、スロット５６をエ
ッチングすることにより画定される。エッチングにより
ヒンジの下側からシリコンを除去する一方、鏡面の下側
のシリコンは残して、硬質の鏡を構成する。鏡を画定し
た後、シリコン板１２の上に導電層を堆積し、鏡の表面
上に、反射面と、導電領域３１、３２及び３３、３４と
共働して鏡をヒンジの周りに回転させる静電力を付与す
るキャパシタの一方の板を構成する。鏡の作動は、鏡の
表面上の導電薄膜と個々の注入領域３１、３２及び３
３、３４との間に電圧を印加することにより、達成され
る。導電薄膜は、また、注入接触領域３６、３７、及び
３８、３９も覆っている。シリコン板１２の上側表面の
薄膜は、接触領域の薄膜とは接触しない。
【００１０】図６のオフアクシス・ゾーンプレート対物
レンズは、電子ビームリソグラフィックパターン転写及
び異方性リアクティブイオンエッチングを用いて、製造
される。レンズに対する光ビームの入射角及び射出角
は、特に、レンズから放出されたビームが二次収差を生
じることなく視野の全体に亘り十分に合焦するように、
設計される。レンズ格子の局部構造は、オンアクシス像
形成用に設計された同様のレンズに対するレンズ効率を
増加させるべく、それ自体最適化されている。顕微鏡に
より形成される像の質は、レンズの構造により左右され
る。伝統的な顕微鏡対物レンズは、像の収差を最小にす
るように組み合わされた多くのガラス要素から構成され
ている。本発明の場合、極めて単純な単一要素の対物レ
ンズの使用からくる利益がある。単一光波長のレーザ光
源を用いているため、より一般的な屈折型でなく回折型
レンズを用いることができる。回折型レンズが関連設計
パラメータの厳格な制御の下でリソグラフ的に製造し得
るので、これは、製造上の観点から著しい利点である。
しかしながら、単一の回折型レンズ要素で顕微鏡を実現
しようとした場合、収差の無い像形成は期待し得ないも
のとされている。
【００１１】軸方向に対称な格子レンズの収差は、良く
知られている。この用途では、高解像度、従って、対物
レンズ内の高開口数が望まれる。レンズ絞りを有する軸
方向対称格子レンズ内の開口数を制限する主収差（所謂
三次収差）は、非対称収差である。ジグザグの光路を顕
微鏡に使用した場合、軸方向には対称ではないがレンズ
法線から一定角度で入射する光ビームから像を形成する
ように設計されたレンズが必要となる。一般に、このよ
うなオフアクシスレンズは、線形非点収差と呼ばれる一
層重大な二次収差を受ける。しかしながら、対象ビーム
及び像ビームの入射角が適正に選定されるならば、二次
非点収差は消失し、像形成は、再び三次非対象収差の影
響を受ける、ことが見出された。角度の制約は、図７で
定義したα1、α2 、γ1 及びγ2 を用いて、以下の式
で表される。
【００１２】sin（α1）／γ1＝ sin（α2）／γ2 このレンズの位相関数は、視野の中心点Ｐ1及びＰ2が互
いの完全な像となるものである。レンズ平面の法線に対
して入射及び射出ビームが形成する角度に対するこの制
約に基づいて顕微鏡が構成されている場合、オフアクシ
スレンズの像形成収差は、より一般的な軸方向に対称な
レンズの収差と全く同様である。この関係から著しく逸
脱すると、計器の性能は極端に悪くなり、従って、上述
した構造的関係は、顕微鏡の動作に極めて重要である。
他方、オフアクシス像形成に有利な状況が存在する場
合、全体寸法を極めて小さく且つ構造を単純に維持しつ
つ、ジグザグ光路を有する顕微鏡を実現することが可能
となる。
【００１３】図から、物体平面及び像平面が光ビームの
走行方向に対して垂直である、ことに最終的に留意され
たい。反射顕微鏡の場合、レンズが標本から反射された
光を集光しなければならないので、このことは重要であ
る。標本平面が入射ビームに対して傾斜している場合、
反射光は、その経路を再び辿ってレンズに戻ることがで
きない。図８には、単一モード光ファイバ照射／検出系
が示されている。波長６３２．８ナノメートルの３ｍｗ
ヘリウム−ネオンレーザ等の光源６１は、単一モード光
ファイバ６２の一方の端部に光を供給する。該ファイバ
は、点光源及び顕微鏡の共焦点動作の検出器として機能
するファイバ１３に光を伝送する可撓性導管として使用
される。単一レンズは、ファイバからの光を標本上で合
焦させ、後方散乱光を集光する。方向性結合器６３は、
標本からの反射光を光検出器６４上に誘導して出力信号
６６を得る。
【００１４】走査検出器の電子インタフェースは、原理
的には単純である。図９及び図１０を参照すると、各走
査鏡は、回転軸線の両側に一つづつ、対称的に配設され
た二つの電極３１、３２及び３３、３４により駆動され
る。電極と鏡平面との間に電圧を印加すると、電圧の大
きさの二乗に比例する吸引静電力が生じる。鏡を一方向
又は他方向に傾斜させると、一方の電極に電圧が同時に
印加され、鏡を当該電極の方に偏向させる。振動動作の
場合、電圧を常に正に維持するのに十分な直流バイアス
を有する正弦波駆動電圧６７が電極に印加される。反対
側の電極には、逆の位相を有する電圧６８が印加される
ので、一方の側が最大電圧となると、他方の側はゼロ電
圧となって、鏡に正味捩じり力が加わる。駆動信号の周
波数は、鏡をその自然共振又はオフ共振状態で振動させ
るように、調節してもよい。共振付近では、鏡の動作
は、駆動電圧波形に対して移相される。標本から反射さ
れた検出光から画像を形成するために、鏡の正確な位置
を知ることが必要である。この目的で、走査変換器６９
が用いられる。該走査変換器は、駆動信号とファイバか
らの検出光信号とを入力し、モニタ７１上での表示或い
はコンピュータ７２上での捕獲に適したラスタ走査画像
を出力する。
【００１５】制御方式としては、二種類が可能である。
最も簡単なものは、図９に示すオープンループ制御であ
る。ここでは、鏡の位置を予測するためには駆動電圧だ
けを監視すればよいという程度まで十分に鏡に対する運
動応答が既知である、と仮定されている。次に、走査変
換器は、ビームの計算された位置に対する検出光信号の
強度を写像する。他方の方式は、図１０のクローズドル
ープ制御である。ここでは、鏡の位置は、独立に監視さ
れ、この情報は、鏡の動作を駆動電圧波形に応じて係止
しようとするフィードバック方式において使用される。
鏡の位置を監視する最も簡単な方法の一つは、鏡板と駆
動電極との間の静電容量を測定することである。この静
電容量は、鏡の角位置と共に変動するので、静電容量の
変動を監視することにより、鏡の位置の直接測定値が得
られる。閉ループ制御の場合、制御ループは、鏡の動作
を駆動電圧に正確に従わせることができるので、走査変
換器は、ｘ及びｙ駆動信号を使用して、鏡の運動につい
ての特定の知識を要することなく、ビームの適正位置に
対する強度を直接写像することができる。
【００１６】顕微鏡は、長さ６ｍｍ、幅２．５ｍｍ、高
さ１ｍｍとして構成された。走査鏡１７は、３００μｍ
×３６０μｍ、走査鏡１８は、５００μｍ×６００μｍ
であった。単一モード光ファイバ１３は、直径１２５μ
ｍであった。顕微鏡は、ラスタ走査像とリサージュ走査
像が得られるように作動させた。第一の例では、顕微鏡
は、４μｍの中心上の幅２μｍのクロム線、及び５μｍ
の線を備えたガラス基板を走査するために使用された。
鏡１７は、約２０Ｖのピーク間正弦波電圧を用いて、
２．７１ｋＨｚの周波数で走査された。鏡１８は、約２
５Ｖのピーク間正弦波電圧を用いて、５Ｈｚの周波数で
駆動された。視野は、３０×２４μｍであった。その結
果生じたラスタ走査像は、図１１に示されており、これ
は、５Ｈｚのフレーム速度で２７１線／フレームを有す
る。２μｍ線は符号７６で示されており、５μｍ線は符
号７７で示されている。
【００１７】第二の例では、顕微鏡は、４μｍの中心上
の幅２μｍのクロム線、及び１０μｍの中心上の５μｍ
線を有するガラス基板を走査するために、使用された。
鏡１７は、約３０Ｖのピーク間正弦波電圧により、４．
３ｋＨｚの周波数で走査された。鏡１８は、約２５Ｖの
ピーク間正弦波電圧により、１．０７ｋＨｚの周波数で
駆動された。視野は、約８０μｍ×６０μｍであった。
その結果生じたリサージュ走査像を、図１２に示す。フ
レーム速度は、２６８線／フレームで８Ｈｚであった。
２μｍ及び５μｍ線は、それぞれ、符号７８及び７９で
示す。もう一つの例では、顕微鏡は、Ｕ字形トレンチを
有する食刻シリコンテスト構造を走査するために、使用
された。鏡１７は、３０Ｖのピーク間正弦波電圧により
４．３ｋＨｚの周波数で走査され、８０μｍ×６０μｍ
の視野が付与された。図１３には、その結果生じたリサ
ージュ走査像が示されている。トレンチは、符号８１で
示す。フレーム速度は、２６８線／フレームで８Ｈｚで
あった。
【００１８】第四の例では、顕微鏡は、ガラススライド
上の赤血球を走査するために使用された。鏡１７は、３
０Ｖのピーク間正弦波駆動電圧により１．０７ｋＨｚの
周波数で走査された。鏡１８は、１５Ｖのピーク間正弦
波駆動電圧により１．０７ｋＨｚの周波数で駆動され
た。視野は、４０μｍ×６０μｍであった。その結果得
られたリサージュ走査像を図１４に示す。赤血球は、符
号８２で示されている。フレーム速度は、２６８線／フ
レームで８Ｈｚであった。以上、本発明の特定の実施形
態を説明してきたが、本発明から逸脱することなく変形
を行うことが可能である。例えば、鏡を単一支柱上に片
持ち支持又は支持してもよい。オフアクシス格子レンズ
を反射型レンズとすることもできる。マイクロ機械加工
顕微鏡は、一層小型化して、皮下注射針内に取り付け可
能な走査顕微鏡を構成することができる。かくして、マ
イクロ機械加工走査鏡及び部品を利用した小型走査共焦
点顕微鏡が提供された。
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０月２９日出願 １４．Ｌ．Ｊ．ホーンベック著「空間光変調器」米国特
許第４９５６６１９号、１９９０年、９月１１日
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による小型共焦点走査顕微鏡の斜視図。
【図２】図１の顕微鏡の各部を示す分解組立図。
【図３】図１の線３−３に沿った断面図。
【図４】図１の線４−４に沿った断面図。
【図５】図１の線５−５に沿った断面図。
【図６】図１及び図２に概略が示されたゾーンプレート
線を示した図。
【図７】オフアクシスゾーンプレートレンズの構造に採
用された角度を示した図。
【図８】光ファイバ照射／検出構造を示した図。
【図９】走査鏡及び信号処理回路に関連したオープンル
ープ電子駆動回路を示した図。
【図１０】走査鏡及び信号処理回路に関連したクローズ
ドループ電子駆動回路を示した図。
【図１１】本発明による顕微鏡を用いて撮られたガラス
基板上のクロム線の像を示した図。
【図１２】本発明による顕微鏡を用いて撮られたガラス
基板上のクロム線のもう一つの像を示した図。
【図１３】本発明による顕微鏡を用いて撮られたシリコ
ンテスト構造の像を示した図。
【図１４】本発明による顕微鏡を用いて撮られた赤血球
の像を示した図。
【符号の説明】
１１…シリコン基板 １２…接着シリコン板 １３…単一モード光ファイバ １４…シリコンスペーサ １６…石英ガラスレンズプレート １７、１８…マイクロ機械加工走査鏡 １９…対物レンズ ２３…光ビーム ２８、２９…凹部 ３１、３２、３３、３４…導電領域 ３６、３７、３８、３９…イオン注入領域 ４１、４２、４３、４４…リード線 ５６…スロット ５７…窒化シリコン細片
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成１１年９月１７日（１９９９．９．１
７）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ゴードン エス キノ アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94305 スタンフォード シードロ ウェ イ 867

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 点光源として機能する一方の端部を有す
    る単一モード光ファイバと、該ファイバの前記一方の端
    部からの光を焦点面上の点上に合焦させると共に該点か
    ら反射される光を集光して光ファイバの端部上に前記光
    を合焦させるレンズと、を含む型の走査光学顕微鏡であ
    って、 ファイバからの光を受光して第一の方向に沿って光を走
    査させる第一のマイクロ機械加工走査鏡と、 第一の鏡からの光を受光して該光を直交方向に走査さ
    せ、それにより、前記第一及び第二の方向に焦点面上の
    点を走査する第二のマイクロ機械加工走査鏡と、を含
    む、 ことを特徴とする走査光学顕微鏡。
  2. 【請求項２】 鏡が共面である、ことを特徴とする請求
    項１に記載の走査光学顕微鏡。
  3. 【請求項３】 光ファイバからの光を受光してそれを第
    一の鏡上に案内する傾斜反射鏡と、前記第一の鏡からの
    光を受光してそれを第二の鏡上に反射させ、該第二の鏡
    から光が合焦レンズに案内されるように配設された反射
    鏡と、を含む、 ことを特徴とする請求項１に記載の走査光学顕微鏡。
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