JP2002277743A

JP2002277743A - 共焦点光走査プローブ装置

Info

Publication number: JP2002277743A
Application number: JP2001076696A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Okawa; 敦大川
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2001-03-16
Filing date: 2001-03-16
Publication date: 2002-09-25
Anticipated expiration: 2021-03-16
Also published as: JP5006489B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ノイズが少なく、Ｓ／Ｎの良い、鮮明な観察
画像を得る。【解決手段】共焦点光走査プローブ装置１は、スキャ
ナを有するプローブ１と、前記スキャンを駆動する制御
装置２と、前記プローブ１に光を供給し、前記プローブ
１からの光学像を検出して電気信号にする光学ユニット
３と、前記光学ユニット３からの信号を特定の周波数成
分だけ通過させるフィルタ装置５０１と、前記フィルタ
装置５０１からの電気信号を画像化する画像化装置４
と、前記画像化装置４からの映像を表示するモニタ５
と、スキャナを駆動する駆動波形の基準となるクロック
を発生させる外部クロック発生器７とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は共焦点光走査プロー
ブ装置、更に詳しくは光学像の電気信号のノイズ除去部
分に特徴のある共焦点光走査プローブ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来技術として、特開平９−２３０２４
８号公報において、マイクロ機械加工された小型の共焦
点顕微鏡について開示されている。また、特開平３−８
７８０４号公報において、内視鏡ヘッドに搭載した小型
の共焦点顕微鏡システムについて開示されている。ま
た、特開２０００−１７１７１８号公報、検出信号をＡ
／Ｄ変換により画像化し、画素演算により輸郭強調等を
行う共焦点光走査装置が開示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来技術により生体の
細胞などを観察する際、構成される固定反射ミラーやフ
ァイバ端面からの反射光や散乱光が、光信号の直流成分
ノイズとして、観察対象の信号に加わってしまう。これ
により、本来必要とする観察対象の信号が直流成分ノイ
ズに埋もれて、十分な観察ができない可能性がある。

【０００４】また、従来技術のように、検出器により検
出した光信号を電気信号に変換し、それを画像化装置に
て画像化する際、Ａ／Ｄ変換が必要であるため、あらか
じめ低域通過フィルタで、検出器からの電気信号を高周
波成分を除去するのが一般的である。しかし、この低域
通過フィルタを、Ａ／Ｄ変換時のサンプリング周波数に
近いカットオフ周波数にすると、スキャナの駆動周波数
の高調波成分などの高周波ノイズが画像に入り、画質劣
化の原因となる可能性がある。

【０００５】また、従来技術のように、検出器により検
出した光信号を電気信号に変換し、それを画像化装置に
て画像化する際、Ａ／Ｄ変換が必要であるため、あらか
じめ低域通過フィルタで、検出器からの電気信号を高周
波成分を除去するのが一般的である。しかし、この低域
通過フィルタを、サンプリングの定理による、Ａ／Ｄ変
換時のサンプリング周波数に近いカットオフ周波数にす
ると、スキャナの駆動周波数の高調波成分が画像に入
り、ノイズの原因となる可能性がある。

【０００６】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
であり、ノイズが少なく、Ｓ／Ｎの良い、鮮明な観察画
像を得ることのできる共焦点光走査プローブ装置を提供
することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の共焦点光走査プ
ローブ装置は、一方の方向に駆動しなおかつそれと他方
の方向に駆動するスキャナを有するプローブと、前記ス
キャナを駆動する制御装置と、被検部に光を照射する光
源と、前記光源からの光をプローブ先端に導くための光
ファイバと、前記光ファイバからの光を被検部に合焦さ
せ、被検部からの光を前記光ファイバ端面に集光させる
合焦手段と、前記被検部からの戻り光の少なくとも一部
を光源からの光の光路から分離する分離手段と、前記分
離された光を検出する検出器と、前記検出器からの信号
をＡ／Ｄ変換して画像化する画像化装置と、画像を表示
するモニタとを有する共焦点光走査プローブ装置におい
て、前記検出器からの信号のうち少なくとも概直流信号
成分を除去するフィルタ装置を有して構成される。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施の形態について述べる。

【０００９】図１ないし図１９は本発明の第１の実施の
形態に係わり、図１は共焦点光走査プローブ装置の構成
を示すブロック図、図２は図１のフィルタ装置の構成を
示す構成図、図３は図２のＨＰＦの周波数特性を示す
図、図４は図２のＨＰＦの作用を説明する図、図５は図
２のＨＰＦの第１の変形例の構成を示す図、図６は図２
のＨＰＦの第２の変形例の構成を示す図、図７は図２の
ＨＰＦの第３の変形例の構成を示す図、図８は図２のＨ
ＰＦの第４の変形例の構成を示す図、図９は図２のＨＰ
Ｆの第５の変形例の構成を示す図、図１０は図２のＬＰ
Ｆの周波数特性を示す図、図１１は図２のＬＰＦの第１
の変形例の構成を示す図、図１２は図２のＬＰＦの第２
の変形例の構成を示す図、図１３は図２のＬＰＦの第３
の変形例の構成を示す図、図１４は図２のＬＰＦの第４
の変形例の構成を示す図、図１５は図２のＬＰＦの第５
の変形例の構成を示す図、図１６は図１のプローブの先
端部を示す断面図、図１７は図１６のプローブのスキャ
ナの構造を示す断面図、図１８は図１７のスキャナの構
造を示す平面図、図１９は図１７のスキャナの詳細構造
を示す平面図である。

【００１０】図１に示すように、本実施の形態の共焦点
光走査プローブ装置１は、スキャナを有するプローブ１
と、前記スキャンを駆動する制御装置２と、前記プロー
ブ１に光を供給し、前記プローブ１からの光学像を検出
して電気信号にする光学ユニット３と、前記光学ユニッ
ト３からの信号を特定の周波数成分だけ通過させるフィ
ルタ装置５０１と、前記フィルタ装置５０１からの電気
信号を画像化する画像化装置４と、前記画像化装置４か
らの映像を表示するモニタ５と、スキャナを駆動する駆
動波形の基準となるクロックを発生させる外部クロック
発生器７とを備える。これらは、次のような接続関係に
なっている。

【００１１】プローブ１は、信号線１ａを介して制御装
置２と電気的かつ着脱可能に接続され、さらに光ファイ
バ１ｂにより制御装置２のコネクタ１１を介して光学ユ
ニット３のコネクタ１７に光学的かつ着脱可能に接続ざ
れている。

【００１２】光学ユニット３は、光源としてのレーザダ
イオード(以下、ＬＤと称す)１５と、フォトマルチブラ
イアチューブ(以下、ＰＭＴと称す)ユニット１６と、４
端子カブラ８とからなる。

【００１３】光学ユニット３において、４端子カブラ８
は、４つの端部８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄを有し、端部８
ａは光ファイバ１ｃに光学的に接続され、８ｂはLD15に
光学的に接続されている。また、端部８ｄは光ファイバ
終端８ｈにより終端され、端部８ｃはＰＭＴユニット１
６に光学的に接続されている。端部８ａ，８ｄから入っ
た光はそれぞれ分岐されて端部８ｂ，８ｃに伝えられ、
逆にまた、端部８ｂ，８ｃから入った光はそれぞれ分岐
されて、端部８ａ，８ｄに伝えられる構成になってい
る。

【００１４】ＬＤ１５で発生するレーザ光は、端部８
ｂ、４端子カブラ８、端部８ａ、コネクタ１１、光ファ
イバ１ｃ、コネクタ１１、光ファイバ１ｂを介してプロ
ーブ１へ伝送され、プローブ１内のスキャナ（後述）に
て観察対象を２次元（ＸＹ方向）に光走査する。

【００１５】プローブ１内のスキャナにて走査し、観察
対象から反射する光信号は、光ファイバ１ｂ、コネクタ
１１、光ファイバ１ｃ、コネクタ１７、端部８ａ、４端
子カブラ８、端部８ｃ、を介して、ＰＭＴユニット１６
に伝送され、ここで、光信号が電気信号に光電変換され
る。ＰＭＴユニット１６で光電変換された電気信号
は、信号線１６ｂ、コネクタ１８、信号線５０１ａ、お
よびコネクタ５０４を介してフィルタ装置５０１へ伝送
される。

【００１６】さらにＰＭＴユニット１６は、それを駆動
する駆動電源２１と、信号線２１ａ、コネクタ１９、信
号線１６ｃを介して電気的に接続されている。

【００１７】制御装置２において、制御回路９は、信号
線９ａを介してコネクタ１３に接続されている。また、
制御回路９は信号線９ｂを介してコネクタ１１に電気的
に接続されている。この制御回路９は、コネクタ１３か
ら信号線９ａを介して入力されるスキャナ駆動信号を取
り込み、これを増幅して、信号線９ｂを介してコネクタ
１１に出力できるようになっている。

【００１８】画像化装置４は画像化信号を生成する装置
であり、コネクタ２４，２５，２６，５０２を備えてい
る。コネクタ２４にはモニタ５が信号線４ｄを介して電
気的に接続されている。

【００１９】また、画像化装置４はコネクタ２６、信号
線４ｂおよびコネクタ１３を介して制御装置２に電気的
に接続されいる。画像化装置４のコネクタ２６には、信
号線４ｅを介して、スキャナを駆動する駆動波形の基準
となるクロックを発生させる外部クロック発生器７が電
気的に接続されている。

【００２０】また、画像化装置４はコネクタ２５、信号
線４ｃおよびコネクタ５０３を介して光学ユニット３に
電気的に接続され、相互に伝達可能となっており、信号
線１６ｅにより、ＰＭＴユニット１６内のマルチブライ
アチューブの感度を制御する信号を画像化装置４から伝
送する。

【００２１】さらに、画像化装置４は、コネクタ５０
２、信号線５０１ｂ，コネクタ５０５を介してフィルタ
装置５０１と電気的に接続されており、フィルタ装置５
０１から出力される信号が入力される。

【００２２】フィルタ装置５０１はＰＭＴユニット１６
と、信号線１６ｂ、コネクタ１８、信号線５０１ａ、コ
ネクタ５０４を介して電気的に接続されて、ＰＭＴユニ
ット１６内のマルチブライアチューブによって光電変換
された電気信号がフィルタ装置５０１に入力される。フ
ィルタ装置５０１において、特定の周波数成分の電気信
号のみを通過させて、コネクタ５０５、信号線５０１
ｂ、コネクタ５０２を介して、画像化装置４へ出力され
る。

【００２３】フィルタ装置５０１は、図２に示すような
フィルタ回路５０６を有し、フィルタ回路５０６は高周
波帯域の周波数成分を通過させる高周波通過フィルタ
（以下、ＨＰＦと称す）５０７、低周波帯城の周波数成
分を通過させる低周波通過フィルタ（以下、ＬＰＦと称
す）５０８からなる。

【００２４】ＰＭＴユニット１６からの電気信号には、
プローブ１により得られる観察対象画像信号の他に、ス
キャナをはじめとする光学系により発生するノイズ信号
も存在する。このノイズ信号を低減するために、次のよ
うに信号処理を行う。なお、ノイズ信号の発生源につい
ての説明は後述する。

【００２５】まず、ＰＭＴユニット１６からの電気信号
はＨＰＦ５０７に入力される。ＨＰＦ５０７は抵抗Ｒ
1、コンデンサＣ1により構成され、ＰＭＴユニット１６
からの電気信号のうち、図３に示すように高域通過カッ
トオフ周波数（電気信号の利得が−３ｄＢ＝約半分にな
る周波数）ｆhcより低い周波数成分の信号を減衰させる
周波数特性となっている。なお、高域通過カットオフ周
波数ｆhcは、以下で算出される。

【００２６】ｆhc＝１／（２πＲ1Ｃ1）（１）例えば、スキャナの低速側周波数が４Ｈｚの場合、高域
通過カットオフ周波数ｆhcは４Ｈｚ以下（例えば１Ｈ
ｚ）になるように、またスキャナの低速側周波数が２０
Ｈｚの場合、高域通過カットオフ周波数ｆhcは２０Ｈｚ
以下（例えば１０Ｈｚ）になるように、各々抵抗Ｒ1、
コンデンサＣ1の値が決定される。

【００２７】特に、高城通過カットオフ周波数ｆhcを限
りなくゼロ（直流）に近づけると、図４に示すように、
後述のプローブ１を構成する光学系による直流成分ノイ
ズを含む電気信号（図４（ａ）参照）から、ＨＰＦ５０
７により直流成分ノイズを除去されて、観察対象からの
電気信号を多く含む交流成分の信号が抽出される（図４
（ｂ）参照）。

【００２８】なお、図２において、ＨＰＦ５０７は抵抗
Ｒ1、コンデンサＣ1のみで構成されているが、図５のよ
うに、抵抗ＲとコイルＬで構成しても良い。ただし、こ
の時の高域通過カットオフ周波数ｆhcは、以下のように
なる。

【００２９】ｆhc＝Ｒ／２πＬ（２）また、図２におけるＨＰＦ５０７を、図６のように２
次、あるいは図示しないがそれ以上の多段のフィルタと
しても良い。もちろん、図５の構成を２次、あるいはそ
れ以上の多段としても良い。もちろん、図示しないが抵
抗とコンデンサ、抵抗とコイルとの多段のフィルタとし
ても良い。

【００３０】また、抵抗、コンデンサ、コイル等の受動
素子によりフィルタを構成する代わりに、図７のよう
に、オペアンプなどの能動素子を使ったアクティブフィ
ルタとしても良い。もちろん、抵抗とコンデンサの代わ
りに、図示しないが抵抗とコイルとしても良い。

【００３１】また、図７に加えて、抵抗とコンデンサを
図８のように２次、あるいは図示しないがそれ以上の多
段のフィルタとしても良い。もちろん、抵抗とコンデン
サの代わりに、図示しないが抵抗とコイルとしても良
い。

【００３２】さらに、図７と図８を組合せて、図９のよ
うに複数のオペアンプによる多次（図９の場合は５次）
のアクティブフィルタとしても良い。もちろん、図示し
ないが図２，５，６，７，８，９の組み合わせによって
考えられるフィルタ、あるいはその他の素子を含んだ構
成で同様の機能を有するフィルタであれば何でも良い。

【００３３】また、図２，５，６，７，８，９あるいは
それらの組み合わせによって構成されるフィルタにおい
て、抵抗、コンデンサ、コイル等の値を適切に設定し
て、利得を必要に応じて１あるいは１以外になるように
設定しても良い。

【００３４】次に、ＨＰＦ５０７から出力される信号
は、ＬＰＦ５０８に入力される。ＬＰＦ５０８は、図
２に示すように、抵抗Ｒ2、コンデンサＣ2により構成さ
れ、ＨＰＦ５０７からの電気信号のうち、図１０に示す
ように、低域通過カットオフ周波数ｆlcよりも高い周波
数成分を減衰させる周波数特性となっている。なお、低
域通過カットオフ周波数ｆlcは、以下で算出される。

【００３５】ｆlc＝１／（２πＲ2Ｃ2）（３）一方、プローブ１内のスキャナの高速駆動側の走査範囲
をＸ、プローブ１が有する光学的解像度をｒとすると、
画像化装置４でＡ／Ｄ変換して画像化する際、スキャナ
の高速駆動側が１往復する間に必要な表示画素数は、少
なくとも２Ｘ／ｒとなる。なお、ここで２倍しているの
はスキャナの高速駆動側周波数ｆxの１周期の間に走査
される距離は、走査範囲Ｘを往復するので２倍となるた
めである。よって、画像化装置４でのＡ／Ｄ変換のサン
プリング周波数ｆsplは、スキャナの高速駆動側が１往
復する間に必要が表示画素数に、スキャナの高速駆動側
周波数ｆxを乗算すれば良いので、以下のようになる。

【００３６】ｆspl＝ｆx×（２Ｘ／ｒ）＝（２×Ｘ×ｆx）／ｒ（４）サンプリングの定理により、画像化装置４への出力は、
ｆspl／２以下に低域通過カットオフ周波数を設定する
必要があるので、低域通過カットオフ周波数ｆlcは、以
下のようになる。

【００３７】ｆlc≦ｆspl／２＝（Ｘ×ｆx）／ｒ（５）以上により、例えば、スキャナの走査範囲が１００μ
ｍ、高速駆動側周波数ｆxが５００Ｈｚ、光学的解像度
が０．５μｍの場合、式（５）より、低域通過カットオ
フ周波数ｆlcが１００ｋＨｚ以下となるように、式
（２）の抵抗Ｒ2、コンデンサＣ2の値が決定される。

【００３８】また、例えばスキャナの走査範囲が１００
μｍ、高速駆動側周波数fxが３ｋＨｚ、光学的解像度が
０．５μｍの場合、式（４）より、低域通過カットオフ
周波数ｆlcが６００ｋＨｚ以下となるように、式（２）
の抵抗Ｒ2、コンデンサＣ2の値が決定される。

【００３９】上述のLPF508により、例えばスキャナの高
速駆動側の駆動周波数の高調波による高周波成分のノイ
ズを除去することができる。

【００４０】なお、図２において、ＬＰＦ５０８は抵抗
Ｒ2、コンデンサＣ2のみで構成されているが、図１１の
ように、抵抗ＲとコイルＬで構成しても良い。ただし、
この時の低域通過カットオフ周波数ｆlcは、以下のよう
になる。

【００４１】ｆlc＝Ｒ／２πＬ（６）また、図３におけるＬＰＦ５０８を、図１２のように２
次、あるいは図示しないがそれ以上の多段のフィルタと
しても良い。もちろん、図１１の構成を２次、あるいは
それ以上の多段としても良い。もちろん、図示しないが
抵抗とコンデンサ、抵抗とコイルとの多段のフィルタと
しても良い。

【００４２】また、抵抗、コンデンサ、コイル等の受動
素子によりフィルタを構成する代わりに、図１３のよう
に、オペアンプなどの能動素子を使ったアクティブフィ
ルタとしても良い。もちろん、抵抗とコンデンサの代わ
りに、図示しないが抵抗とコイルとしても良い。

【００４３】また、図１３に加えて、抵抗とコンデンサ
を図１４のように２次、あるいは図示しないがそれ以上
の多段のフィルタとしても良い。もちろん、抵抗とコン
デンサの代わりに、図示しないが抵抗とコイルとしても
良い。

【００４４】さらに、図１３と図１４を組合せて、図１
５のように複数のオペアンプによる多次（図１５の場合
は５次）のアクティブフィルタとしても良い。もちろ
ん、図示しないが図２，１１，１２，１３，１４，１５
の組み合わせによって考えられるフィルタ、あるいはそ
の他の素子を含んだ構成で同様の機能を有するフィルタ
であれば何でも良い。

【００４５】また、図２，１１，１２，１３，１４，１
５あるいはそれらの組み合わせによって構成されるフィ
ルタにおいて、抵抗、コンデンサ、コイル等の値を適切
に設定して、必要に応じて利得を１あるいは１以外にな
るように設定しても良い。

【００４６】次に、プローブ１の先端部２００について
図１６ないし図１９を参照して説明する。

【００４７】プローブ１の外形形状は、図１６に示すよ
うに、円柱状に構成されている。プローブ１の外側は、
チューブ２２４と、その内部に納められたコイルパイプ
２２５によって構成されている。また、コイルパイプ２
２５の内部には、光ファイバ２１７と、電気ケーブル２
１８とが通っている。先端部には、コイルパイプ止め２
２６があり、コイルパイプ２２５の先端部が接着されて
いる。また、コイルパイプ止め２２６の内側は、図の網
掛け部のように絶縁物質２４４で満たされている。ま
た、コイルパイプ止め２２６にはガイドパイプ２２７が
接着されており、チュープ２２４は、図のように糸巻き
接着２２８によって、これらに固定されている。

【００４８】スキャニングミラー２３２の構造、製作方
法は後述する。スキャニングミラー２３２は、図のよう
にカバーガラス２４０、レンズ２３７を介して図の位置
に配置されており、配線２３３、基板２３４、フレキシ
ブル基板２３５、電気ケーブル２１８および信号線１ａ
を介して、制御装置２内の制御回路９と電気的に接続さ
れている。なお、電気ケーブル２１８からフレキシブル
基板２５５へ延びる導電性の電線は、図のように絶縁チ
ューブ２３６で覆われている。

【００４９】また、スキャニングミラー２３２は、ミラ
ーガラス台２３１、間隔管２３０、光ファイバ２１７の
先端部を固定的に保持するフェルール２２９に固定され
ている。ただし、スキャニングミラー２３２と、光ファ
イバ２１７と一体的に研磨されテーパ形状をなすフェル
ール２２９の先端は、接触せず、わずかに隙間があいて
いる。

【００５０】また、レンズ２３７はレンズ枠２３８に接
着固定されており、間隔管２３９を介してミラー台２３
１に固定されている。さらに、レンズ枠２３８はガイド
パイプ２２７にも固定されている。さらに、レンズ枠２
３８はガイドパイプ２２７にも固定されている。間隔管
２３９は、図１６（ｂ）に示すように、断面線Ａ−Ａに
示す断面構造となっている。

【００５１】また、レンズ２３７は、中心部付近にミラ
ー蒸着部２４５が設けられている。

【００５２】先端カバー２４１は、間隔管２４２を介し
てレンズ枠２３８に固定されており、さらに先端カバー
２４１は、ガイドパイプ２２７にも接着固定されてい
る。先端カバー２４１には、カバーガラス２４０が固定
されている。さらに、電気ケーブル２１８には、信号線
１ａを介して制御装置２のＧＮＤに接続されているＧＮ
Ｄ線があり、このＧＮＤ線と、プローブ１の先端部を構
成する導電性のコイルパイプ２２５、コイルパイプ止め
２２６、フレキシブル基板２３５、基板２３４、間隔管
２３０、間隔管２３９、レンズ枠２３８、先端カバー２
４１、および間隔管２４２が、各々の接触部分で溶接さ
れており、これらすべてが電気的に導通している。ま
た、チューブ２２４と先端カバー２４１との隙間は、接
着剤２４３が充填されている。

【００５３】スキャニングミラー２３２は、図１７に示
すように、シリコン基板２５０にエッチングを行い、凹
部２５１を形成させている。また、裏面からもエッチン
グされて、凹部２４８、貫通穴２４７を形成している。
プレート２５２はシリコン基板上に接着され、基板上の
酸化物層によってシリコン基板２５０と絶縁されてい
る。さらに適切にマスクした後プレート２５２の上面に
窒化膜２５３を設け、これをミラー部２４９に必要な部
分を残してエッチングする。このときのミラー部２４９
を上面から見た図を図１８に示す。図の網かけ部は窒化
膜を設けなかった部分である。

【００５４】さらに、図１９に示すように、その上に導
電層を形成し、電極２５４ａ，２５４ｂ，２５４ｃ，２
５４ｄと、ミラー部２４９と、配線２５３ａ，２５３
ｂ，２５３ｃ，２５３ｄとを製作する。この電極２５４
ａ，２５４ｂはミラーの役割も兼ねる。ここで適切にエ
ッチングを行うことにより、窒化膜に覆われていない部
分を取り除く。このとき、ヒンジ部２５６，２５７の両
側からアンダーエッチされることにより、窒化膜部分の
みが残り、図１９に示すように、この部分を軸にして中
心部２５５が回転できるようになる。上記電極２５４
ａ，２５４ｂに互いに位相が反転する正弦波を印加する
ことで、くぼみ部２４８に形成されるＧＮＤ部とでキャ
パシタを形成し、ミラー部２４９がＸ方向に静電気力で
共振駆動する。また、中心部２５５の中心には中心穴２
４６が設けられている。また、電極２５３ａ，２５３
ｂ，２５３ｃ，２５３ｄは、前述した電気ケーブル２１
８、信号線１ａを介して制御装置２のコネクタ１１に接
続されている。

【００５５】次に、共焦点光走査プローブ装置の光学系
の動作を説明する。ＬＤ１５からのレーザ光は、端部８
ｂ、ファイバカプラ８、端部８ａ、コネクタ１７、光フ
ァイバ１ｃ、コネクタ１１、光ファイバｌｂを介して光
ファイバ２１７のコアに供給される。この光ファイバ２
１７のコアからの光は、シリコンミラー２５０の貫通穴
２４７、ミラー部２４９の中心穴２４６を通って、レン
ズ２３７へ向かう。この光は、レンズ２３７表面のミラ
ー蒸着部２４５によって反射され、広がりながらスキャ
ンニングミラー２３２のミラー部２４９へ向かい、これ
により反射される。続いて、この光は、レンズ２３７で
集光され、カバーガラス２４０を通って焦点を結ぶ。こ
の焦点からの反射光は入射光と同じ光路を逆方向に通
り、再び、光ファイバ２１７のコアで焦点を結び、これ
に入射される。このとき、焦点２５９以外からの反射光
は、入射光と同じ光路を通ることができず、光ファイバ
２１７のコアにほとんど入射できない。つまり、このコ
アが小さいピンホールの働きをし、共焦点顕微鏡と同等
の解像度を持つようになる。

【００５６】次に、プローブ１において発生するノイズ
について説明する。

【００５７】光ファイバ２１７の出射端部の散乱光や、
レンズ２３７表面のミラー蒸着部２４５の光ファイバ２
１７の出射端部への直接反射光は、スキャニングミラー
２３２により走査される観察対象の画像情報とは異な
り、ほぼ直流成分のノイズとして、ＰＭＴユニット１６
まで伝達されて光電変換されることになる。

【００５８】そこで、上述のフィルタ装置５０１のＨＰ
Ｆ５０７によって高周波帯域成分の信号のみを通過さ
せ、直流成分を除去し、図４（ｂ）に示すように交流信
号へと変換する。これにより、ほぼ直流成分のノイズを
除去することができる。またＬＰＦ５０８によって、低
周波帯域成分の信号のみを通過させ、スキャナの駆動の
影響により発生する高調波などの高周波成分のノイズを
除去できる。

【００５９】なお、本実施の形態では、光学ユニットと
フィルタ装置が別々に構成されているが、これらを統合
して一体化した構成としても良い。また、画像化装置も
合わせて一体的に構成しても良い。また、フィルタ装
置、画像化装置、および光学ユニットのうちの少なくと
も２つを一体化した構成にしても良い。

【００６０】このように本実施の形態では、フィルタ装
置により、プローブ内のファイバ端部の散乱光や、レン
ズ表面のミラー蒸着部の直接反射光による直流成分ノイ
ズが除去されるので、ノイズが少なく、Ｓ／Ｎの良い、
鮮明な観察画像が得られる。

【００６１】特に、本実施の形態におけるスキャナは、
高速駆動側の共振周波数が３ｋＨｚ程度と比較的高く、
単位時間当たりの画像数を多く取得することができる。
すなわち、低速駆動側の周波数も高く、高域通過フィル
タ回路のカットオフ周波数を高く設定することができ、
構成される回路素子の選定が容易となり、安価で構成で
きる。

【００６２】図２０及び図２１は本発明の第２の実施の
形態に係わり、図２０は共焦点光走査プローブ装置のプ
ローブの先端部の構成例を説明するために示す断面図、
図２１は図２０のプローブの先端部の構成例を説明する
ための要部斜視図である。

【００６３】第２の実施の形態は、第１の実施の形態と
ほとんど同じであるので、異なる点のみ説明し、同一の
構成には同じ符号をつけ説明は省略する。

【００６４】プローブ１Ａの先端部３００は、光走査手
段としての走査ユニット３０５と、先端カバーユニット
３０６と、光学枠３０７とを備えている。光学枠３０７
はプローブ１Ａのアウターチューブ３０８の先端部に固
定されている。

【００６５】走査ユニット３０５は、光学枠３０７に固
定されたベース３０９を有している。ベース３０９は、
容易に動かないように、後述するレンズ枠３１４や合焦
手段としての対物レンズ３１５よりも重量が重く設定さ
れている。

【００６６】ベース３０９には光ファイバ３０２の先端
部が固定されている。

【００６７】ベース３０９の両側には、薄板３１０が接
着されている。薄板３１０には、厚み後方に分極された
圧電素子３０４が接着されている。圧電素子３０４に
は、圧電素子３０４を駆動するための電気ケーブル３０
３が接続されている。この電気ケーブル３０３は、プロ
ーブ１Ａの先端部３００の内部を通つて、図１の信号線
１ａと接続され、コネクタ１１を介して制御装置２に接
続されている。

【００６８】薄板３１０の先端部は中間部材３１１に固
定されている。中間部材３１１には２枚の平行な薄板３
１２ａ，３１２ｂが固定されている。薄板３１２ａ，３
１２ｂには圧電素子３１３ａ，３１３ｂが接着されてい
る。

【００６９】薄板３１２ａ，３１２ｂの先端にはレンズ
枠３１４が固定され、このレンズ枠３１４には対物レン
ズ３１５と光ファイバ３０２の先端部を固定的に保持す
るフェルール３１６が固定されている。なお、光ファイ
バ３０２は、フェルール３１６に固定された後、プロー
ブ１Ａの先端部３００がフェルール３１６と一体的に研
磨され、さらに反射防止膜が設けられる。また、圧電素
子３１３ａ，３１３ｂは、電気ケーブル３０３を介して
図１の信号線１ａに接続され、コネクタ１１を介して制
御回路１５と接続されている。

【００７０】また、小型の変位センサ３５０がレンズ枠
３１４に接着固定されており、電気ケーブル３０３、信
号線１ａを介して、制御装置２と電気的に接続されてい
る。変位センサ３５０は、スキャナのＸ方向の位置を、
モニタ５における表示画像の左端を基準とし、最も遠い
位置、すなわち表示画像の右端における位置のときに最
大となるような電圧を出力して、制御装置２内の制御回
路１５へ伝送する。

【００７１】先端カバーユニット３０６は、カバーホル
ダ３１７と、カバーホルダ３１７に固定されたカバーガ
ラス３１８とからなり、カバーホルダ３１７は光学枠３
０７の先端部に固定されている。

【００７２】このような構造にしたことにより、プロー
ブ１Ａの先端部３００は密開される。

【００７３】このようなプローブ１Ａを使用した共焦点
光走査プローブ装置の動作について図１、図２０、図２
１を参照して説明する。

【００７４】ＬＤ１５からのレーザ光は、端部８ｂ、４
端子カプラ８、端部８ａ、コネクタ１７、光ファイバ１
ｃ、コネクタ１１、光ファイバ１ｂを介してプローブ１
Ａの先端部３００に伝送され、プローブ１Ａの先端部３
００の先端面から対物レンズ３１５に向けて出射され
る。

【００７５】この場合、光ファイバ３０２の先端部はフ
ェルール３１６に固定されて一体的に研磨されていると
ともに、研磨された端面に反射防止膜が設けられている
ため、光ファイバ３０２の端面での反射光はきわめて小
さく抑えられる。

【００７６】電気ケーブル３０３には信号線１ａを介し
て制御装置２のグランドと接続したグランド線があり、
そのグランド線と、プローブ１Ａの先端部３００内の導
電部である光学枠３０７、ベース３０９、およびカバー
ホルダ３１７が、各々の接触部分で溶接されており、こ
れらすべてが電気的に導通している。

【００７７】光ファイバ３０２の端面のコア３２１から
発せられた光は、対物レンズ３１５で集光され、カバー
ガラス３１８を透過して、観察対象物３２２の内部で焦
点３２３を結ぶ。

【００７８】この焦点３２３以外からの反射光は、入射
光と同じ光路を逆方向に通り、再び光ファイバ３０２の
コア３２１にほとんど入射できない。このコア３２１が
小さいピンホールの働きをなし、共焦点顕微鏡と同等の
解像度を持つようになる。この状態で制御装置２内の制
御回路９を動作させると制御回路９からの駆動信号は、
信号線９ｂ、コネクタ１１、信号線１ａ、電気ケーブル
３０３を介して、圧電素子３０４、圧電素子３１３ａ，
３１３ｂに伝送される。これにより、圧電素子３０４
と、圧電素子３１３ａ，３１３ｂは、電圧に応じて伸縮
する。すると、圧電素子３０４は薄板３１０に、圧電素
子３１３ａ，３１３ｂは薄板３１２ａ，３１２ｂにそれ
ぞれ張られているために、薄板３１０と、薄板３１２
ａ，３１２ｂを曲げるように動作する。

【００７９】具体的には、圧電素子３１３ａ，３１３ｂ
に位相が互いに反転した正弦波を加えると、レンズ枠３
１４が振動する。これによって、対物レンズ３１５、光
ファイバ３０２の先端部とが移動して、レーザ光の焦点
３２３の位置がＸ方向（図２０参照）にスキャンされ
る。この場合、このスキャナ系の共振周波数で駆動する
と、大きな変位が得られる。

【００８０】一方、制御回路９によつて圧電素子３０４
を伸縮させると、レーザ光の焦点３２３の位置がＸ方向
と垂直なＹ方向にスキャンされる。この場合、Ｙ方向の
振動の周波数をＸ方向のスキャン周波数よりも十分に遅
くすることによって、焦点３２３はラスタ走査される。
これに伴って、走査面３２４の各点の反射光が光ファイ
バ３０２によって伝送されることになる。

【００８１】このようなプローブ１Ａを上記第１の実施
の形態に代えて使用することにより、共焦点光走査プロ
ーブ装置を得ることができる。

【００８２】次に、プローブ１Ａにおいて発生するノイ
ズについて説明する。

【００８３】プローブ１Ａでは、上記第１の実施の形態
で説明したプローブ１のミラー蒸着部２４５のように、
固定反射物が存在しないものの、光ファイバ３０２の出
射端部での散乱光が、再び光ファイバ３０２へと戻るこ
とによる、ほぼ直流成分のノイズが発生し、ＰＭＴユニ
ット１６まで伝達されて光電変換される。

【００８４】そこで、上述のフィルタ装置５０１のＨＰ
Ｆ５０７によって高周波帯域成分の信号のみを通過さ
せ、直流成分を除去し、図４（ｂ）に示すように交流信
号へと変換する。これにより、ほぼ直流成分のノイズを
除去することができる。またＬＰＦ５０８によって、低
周波帯域成分の信号のみを通過させ、スキャナの駆動の
影響により発生する高調波などの高周波成分のノイズを
除去できる。

【００８５】このように本実施の形態では、フィルタ装
置により、プローブ内のファイバ端部の散乱光による直
流成分ノイズが除去されるので、ノイズが少なく、Ｓ／
Ｎの良い、鮮明な観察画像が得られる。

【００８６】特に、本実施の形態におけるスキャナは、
高速駆動側の共振周波数が５００Ｈｚ程度と低いので、
低域通過フィルタ回路のカットオフ周波数を低く設定す
ることができ、構成される回路素子の選定が容易とな
り、安価で構成できる。

【００８７】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、ノ
イズが少なく、Ｓ／Ｎの良い、鮮明な観察画像を得るこ
とができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る共焦点光走査
プローブ装置の構成を示すブロック図

【図２】図１のフィルタ装置の構成を示す構成図

【図３】図２のＨＰＦの周波数特性を示す図

【図４】図２のＨＰＦの作用を説明する図

【図５】図２のＨＰＦの第１の変形例の構成を示す図

【図６】図２のＨＰＦの第２の変形例の構成を示す図

【図７】図２のＨＰＦの第３の変形例の構成を示す図

【図８】図２のＨＰＦの第４の変形例の構成を示す図

【図９】図２のＨＰＦの第５の変形例の構成を示す図

【図１０】図２のＬＰＦの周波数特性を示す図

【図１１】図２のＬＰＦの第１の変形例の構成を示す図

【図１２】図２のＬＰＦの第２の変形例の構成を示す図

【図１３】図２のＬＰＦの第３の変形例の構成を示す図

【図１４】図２のＬＰＦの第４の変形例の構成を示す図

【図１５】図２のＬＰＦの第５の変形例の構成を示す図

【図１６】図１のプローブの先端部を示す断面図

【図１７】図１６のプローブのスキャナの構造を示す断
面図

【図１８】図１７のスキャナの構造を示す平面図

【図１９】図１７のスキャナの詳細構造を示す平面図

【図２０】本発明の第２の実施の形態に係る共焦点光走
査プローブ装置のプローブの先端部の構成例を説明する
ために示す断面図

【図２１】図２０のプローブの先端部の構成例を説明す
るための要部斜視図

【符号の説明】

１，１Ａ…プローブ２…制御装置３…光学ユニット４…画像化装置５…モニタ７…外部クロック発生器８…４端子カプラ９…制御回路１１，１３，１７，１８，１９，２４，２５，２６…コ
ネクタ１５…ＬＤ１６…ＰＭＴユニット５０１…フィルタ装置５０２，５０３，５０４，５０５…コネクタ５０６…フィルタ回路５０７…ＨＰＦ５０８…ＬＰＦ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一方の方向に駆動しなおかつそれと他方
の方向に駆動するスキャナを有するプローブと、前記ス
キャナを駆動する制御装置と、被検部に光を照射する光
源と、前記光源からの光をプローブ先端に導くための光
ファイバと、前記光ファイバからの光を被検部に合焦さ
せ、被検部からの光を前記光ファイバ端面に集光させる
合焦手段と、前記被検部からの戻り光の少なくとも一部
を光源からの光の光路から分離する分離手段と、前記分
離された光を検出する検出器と、前記検出器からの信号
をＡ／Ｄ変換して画像化する画像化装置と、画像を表示
するモニタとを有する共焦点光走査プローブ装置におい
て、前記検出器からの信号のうち、少なくとも概直流信号成
分を除去するフィルタ装置を有することを特徴とする共
焦点光走査プローブ装置。
【請求項２】前記スキャナは、一方の方向に高速に駆
動し、なおかつそれと直交する方向に低速に駆動する２
次元スキャナであることを特徴とする請求項１に記載の
共焦点光走査プローブ装置。
【請求項３】前記フィルタ装置は、前記検出器からの
電気信号のうちの高周波成分のみを通過する高城通過フ
ィルタ回路を有することを特徴とする請求項１に記載の
共焦点光走査プローブ装置。
【請求項４】前記高域通過フィルタ回路は、高城通過
カットオフ周波数が、少なくとも前記スキャナの低速側
駆動周波数以下であることを特徴とする請求項３に記載
の共焦点光走査プローブ装置。
【請求項５】前記フィルタ装置は、前記検出器からの
電気信号のうちの低周波成分のみを通過する低城通過フ
ィルタ回路を有することを特徴とする請求項１に記載の
共焦点光走査プローブ装置。
【請求項６】前記低域通過フィルタ回路は、低城通過
カットオフ周波数が、少なくとも以下の式を満たすこと
を特徴とする請求項５に記載の共焦点光走査プローブ装
置。ｆlc≦（Ｘ×ｆx）／ｒｆlc：低城通過カットオフ周波数Ｘ：前記スキャナの高速駆動側の走査範囲ｆx ：前記スキャナの高速駆動側の周波数ｒ：前記プローブの光学的分解能
【請求項７】前記スキャナは、半導体プロセスにより
生成された２次元走査マイクロマシンミラーを有するこ
とを特徴とする請求項１に記載の共焦点光走査プローブ
装置。
【請求項８】前記スキャナは、少なくとも２つ以上の
圧電素子により、前記プローブ先端部のレンズおよびフ
ァイバ端部を２次元に一体的に走査することを特徴とす
る請求項１に記載の共焦点光走査プローブ装置。
【請求項９】前記高城通過フィルタ回路は、抵抗素子
およびコンデンサの組み合わせから構成されることを特
徴とする請求項３に記載の共焦点光走査プローブ装置。
【請求項１０】前記高域通過フィルタ回路は、抵抗素
子およびコイルの組み合わせから構成されることを特徴
とする請求項３に記載の共焦点光走査プローブ装置。
【請求項１１】前記高域通過フィルタ回路は、抵抗素
子とコンデンサと半導体増幅素子の組み合わせから構成
されることを特徴とする請求項３に記載の共焦点光走査
プローブ装置。
【請求項１２】前記高域通過フィルタ回路は、抵抗素
子とコイルと半導体増幅素子の組み合わせから構成され
ることを特徴とする請求項３に記載の共焦点光走査プロ
ーブ装置。
【請求項１３】前記高域通過フィルタ回路は、抵抗素
子とコンデンサとコイルと半導体増幅素子の組み合わせ
から構成されることを特徴とする請求項３に記載の共焦
点光走査プローブ装置。
【請求項１４】前記低域通過フィルタ回路は、抵抗素
子およびコンデンサの組み合わせから構成されることを
特徴とする請求項５に記載の共焦点光走査プローブ装
置。
【請求項１５】前記低域通過フィルタ回路は、抵抗素
子およびコイルの組み合わせから構成されることを特徴
とする請求項５に記載の共焦点光走査プローブ装置。
【請求項１６】前記低域通過フィルタ回路は、抵抗素
子とコンデンサと半導体増幅素子の組み合わせから構成
されることを特徴とする請求項５に記載の共焦点光走査
プローブ装置。
【請求項１７】前記低城通過フィルタ回路は、抵抗素
子とコイルと半導体増幅素子の組み合わせから構成され
ることを特徴とする請求項５に記載の共焦点光走査プロ
ーブ装置。
【請求項１８】前記低城通過フィルタ回路は、抵抗素
子とコンデンサとコイルと半導体増幅素子の組み合わせ
から構成されることを特徴とする請求項５に記載の共焦
点光走査プローブ装置。
【請求項１９】前記フィルタ装置は、前記検出器と前
記画像化装置の間、前記検出器内、前記画像化装置内、
あるいは前記検出器と前記画像化装置を一体化した装置
内のいずれかに配置されることを特徴とする請求項１に
記載の共焦点光走査プローブ装置。