JP2004015636A - サンプリングクロック発生装置及びサンプリングクロック発生方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】光の走査を行わせる手段の動作に忠実にサンプリング可能なサンプリングクロックを発生させる。
【解決手段】レーザ光源３６によって共振スキャナ２１のミラーに照射されたレーザ光の該ミラーからの反射光が照射している位置を位置検出素子３７が検出する。位置検出素子３７から出力されるこの位置を示す位置信号は、走査型共焦点レーザ顕微鏡において走査が行われているときにおける試料へのレーザ光の照射位置を示す信号として利用できる。位置比較器２５は、この位置信号と、ＶＣＯ２９から出力されるクロックの数を計数するカウンタ３０の計数結果に基づいて生成される追従位置信号との偏差に対応する偏差信号を生成する。ＶＣＯ２９はこの偏差信号に基づいた周波数の信号を発振させ、該信号をサンプリングクロックとして出力する。
【選択図】 図２
【解決手段】レーザ光源３６によって共振スキャナ２１のミラーに照射されたレーザ光の該ミラーからの反射光が照射している位置を位置検出素子３７が検出する。位置検出素子３７から出力されるこの位置を示す位置信号は、走査型共焦点レーザ顕微鏡において走査が行われているときにおける試料へのレーザ光の照射位置を示す信号として利用できる。位置比較器２５は、この位置信号と、ＶＣＯ２９から出力されるクロックの数を計数するカウンタ３０の計数結果に基づいて生成される追従位置信号との偏差に対応する偏差信号を生成する。ＶＣＯ２９はこの偏差信号に基づいた周波数の信号を発振させ、該信号をサンプリングクロックとして出力する。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料に光を走査してその試料の情報を取得する光走査型サンプリングシステムにおけるサンプリングクロック発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
試料に光を走査させると共にその走査に同期したサンプリングクロックを発生させ、光検出器によって検出される前記試料の反射光、蛍光、若しくは透過光をサンプリングすることでその試料の情報を取得する光走査型サンプリングシステムとして、例えば走査型共焦点レーザ顕微鏡がある。
【０００３】
走査型共焦点レーザ顕微鏡には、光走査を行わせるために、主にガルバノスキャナや共振スキャナが用いられている。共振スキャナはその動作原理から正弦波状に鏡を振動させる。一方のガルバノスキャナも、画面の更新速度を上げるために正弦波状に鏡を振動させることがある。これらの振動によって鏡の角度が正弦波状に変化する。
【０００４】
試料へ照射する光を反射させる鏡の角度が正弦波状に変化すると、光走査による試料への光照射位置が時間に応じて正弦波状に変化することになる。例えば、試料の反射光、蛍光、若しくは透過光を検出した光検出器から出力される検出信号を、システムのタイミングを管理する水晶発振器等の発振器から得られる発振信号を用いて等時間間隔でのサンプリングを行うと、図９（ａ）に示すように、試料上でのサンプリング位置が等間隔とならないため、画面の両端と中央との間で著しく歪んだ画像が取得されることになってしまう。
【０００５】
このような等時間間隔におけるサンプリング位置が不等間隔になってしまう走査に対しては、図９（ｂ）に示すように、サンプリングの時間間隔をこの走査に対応させて予め不等間隔にし、最終的に得られる画像における試料上の位置関係（画素の位置関係）が等間隔になるようにする必要がある。
【０００６】
正弦波状の走査に対応させるように不等間隔であるサンプリングクロックを発生させる技術は、例えば、特開平５−１３６９４８号公報、特開平７−１５４５４４号公報、特開２００１−２１８２９号公報などに開示されている。
特開平５−１３６９４８号公報に開示されている技術では、正弦波状の速度信号パターンをＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）に記憶させておき、スキャナの１周期に同期させてＲＯＭからその速度信号パターンを出力し、それを乗算型Ｄ／Ａ（Ｄｉｇｉｔａｌ ｔｏ Ａｎａｌｏｇｕｅ）コンバータで制御信号に変換して電圧制御発振器（Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ：以下、「ＶＣＯ」という）に与え、このＶＣＯの出力をサンプリングクロックとして得ている。つまり、このＲＯＭに格納されている速度信号パターンをサンプリングクロックにより順次アドレスして読み出し、ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）を用いてそのＲＯＭに格納されている速度信号パターンの１周期をスキャナの周期に合致させるように乗算型Ｄ／Ａコンバータによって、その速度信号パターンのゲインが調整されながら、ＶＣＯが駆動される。ＶＣＯは自身の生成するサンプリングクロックをＦ−Ｖ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｔｏ Ｖｏｌｔａｇｅ）コンバータヘ通し、ＲＯＭパターンからの偏差をフィードバックしている。
【０００７】
特開平７−１５４５４４号公報に開示されている技術では、スキャナの１周期に同期した逓倍クロックをＰＬＬにより発生させ、上述した技術と同様に、この逓倍クロックにより速度パターンの記憶されたＲＯＭをアドレスする。このときＲＯＭから読み出された速度パターンが乗算器とＤ／Ａコンバータとにより制御信号に変換され、Ｖ−Ｆ（Ｖｏｌｔａｇｅ ｔｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）コンバータによりこの信号からサンプリングクロックを得る。ＲＯＭから読み出された速度パターンに対して乗算器によって行われるゲインの調整は、ＲＯＭパターン（速度信号）を積分することで得られる位置情報を画像有効範囲長に合致させるように行われる。
【０００８】
特開２００１−２１８２９号公報に開示されている技術では、同様にスキャナの１周期に同期した逓倍クロックをＰＬＬにより発生させ、これにより速度パターンの記憶されたＲＯＭをアドレスする。ＲＯＭから読み出された速度パターンの１周期をスキャナ周期に合致させるように乗算型Ｄ／Ａコンバータでゲイン調整を行い、この乗算型Ｄ／Ａコンバータからの出力を制御信号としてＶＣＯに与えることでサンプリングクロックを得ている。
【０００９】
一方で、ガルバノスキャナは位置の制御が可能であるので、これを正弦波で駆動する場合においては駆動信号源側にその目標位置を連ねた駆動波形として正弦波形をＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）に記憶させておく。更に、この駆動波形と共に、サンプリング位置が時間軸上で等間隔になるようなサンプリングクロックのパターンも記憶させておく。これをサンプリングクロックの数倍から十倍以上の周波数を持つ、水晶発振器などにより得られるシステム全体のタイミングを管理するクロックで順次アドレスし、駆動波形データをデジタル−アナログ変換して駆動回路に供給し、このとき同時に出力されるサンプリングクロックでサンプリングを行うようにすることで、図９（ｂ）のように試料上でのサンプリング位置が等間隔になるようにする方式が一般的である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
共振スキャナの場合、前述した技術ではいずれもＲＯＭに速度パターンをあらかじめ記憶させておき、スキャナの１周期に同期させたこの速度パターンで電圧制御発振手段を制御することによって不等時間間隔のサンプリングクロックを得ている。
【００１１】
ところで、これらの方法はスキャナの実際の動作が理想的に正弦波状の動作をしていることを前提とし、数学的な考察からパターンデータを生成している。このようにして生成したパターンデータを実際に装置で使用すると、様々な誤差要因が重畳するため、最終的に得られる画像の線形性は必ずしも最良の状態になるとは限らない。このようにして生じた誤差をデータの補正で相殺することも可能ではあるが、この手法では数千点にも及ぶパターンデータの一部を修正することになり、更には長時間に渡る試行錯誤をも必要となる。また、この作業をプログラムによってデータ生成を行うようにしたとしても、そのようなデータ生成を行うための治具の開発には多大な苦労を強いられることとなる。
【００１２】
また、光学的なズームをかける目的でスキャナ振幅を変化させる場合があるが、このような変化をさせた場合には、走査の基本波から生成されている同期信号のスキャナに対する位相がずれてしまうことがあるため、回路全体の動作点がずれる可能性がある。これは、コンパレータを用いて正弦波速度信号のゼロクロスの検出が行われているため、ズームによってスキャナ振り角を小さくすると速度信号振幅も小さくなり、ゼロクロス点付近での正弦波速度信号の傾斜が緩くなってしまうためにその検出位置がずれてくることに起因している。即ち、ズームを行うと視野が例えば右（画像が左）に移動する現象が発生すると考えられる。ＲＯＭに記憶されている速度パターンはスキャナ動作と位相遅れなく完全に合致していることを前提として生成されているので、ズームによって位相ずれが生じると画像の歪み具合に変化が生じてしまうことになる。これにオフセットを与えて補正することは可能ではあるが、ズーム全範囲にわたって各点で個別調整をする必要が生じることとなる。
【００１３】
また、走査における画像化の効率を上げるために往復サンプリングを行う場合には、共振スキャナの走査速度のみに着目して速度パターンが生成されるため、現実には往復で画素ずれを起こさないようにすることは至難の業であると考えられる。仮に速度パターンを調整することによって往復での微妙な速度変化に合わせることができたとしても、周期管理だけを行っている関係上、クロック発生数と周波数変化の度合いとのつじつまは合わせ得るが、各サンプリングクロック発生のタイミングが位置として往復で合致している保証は無い。
【００１４】
更に、ＶＣＯを制御する制御信号に何らかのノイズが混入した場合にはノイズの混入時点でのＶＣＯ出力周波数の変化が起こるが、この場合にはその瞬間の画素（画像位置）から後のサンプリングクロック発生タイミングがずれることになる。走査が１周期終わってみると、途中で本来の周波数変化と異なる周波数の変化が起こったことでパターン１周期（全アドレスカウント時間）に変化が起こり、共振スキャナの周期（同期信号）に対して位相誤差が生じてしまう。ＰＬＬが働いているため、このノイズ混入の影響はＰＬＬの応答時間に渡って発生し、その結果、複数回の走査に渡って同期がずれてしまい著しい画像劣化を引き起こすこととなる。
【００１５】
一方、前述のようなガルバノスキャナの正弦波駆動においては、走査周期とサンプリング点数の組み合わせによってデータ量やクロック周波数が著しく変化する。また、サンプリングクロックパターンの周波数変化は量子化されており、不等時間サンプリングの精度を向上させようとするほどデータ量を増やし、より高周波のクロックでＲＡＭアドレスを進めていかなくてはならず、サンプリングクロック発生のために必要以上に高速な回路を形成する必要がある。
【００１６】
これらの問題を鑑み、光走査型サンプリングシステムにおいて画像劣化の無いサンプリングを行うため、光の走査を行わせる手段の動作に忠実にサンプリング可能なサンプリングクロックを発生させることが本発明が解決しようとする課題である。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、試料に対して光を走査して得られる反射光、蛍光、若しくは透過光のサンプリングを行うためのクロックを発生させる装置または方法を前提とする。
【００１８】
そして、本発明の態様のひとつであるサンプリングクロック発生装置では、前記光の走査において該光が照射している位置を示す信号である位置信号を取得する位置信号取得手段と、前記位置信号に追従させる信号であって位置を示すものである追従位置信号を生成する追従位置信号生成手段と、前記位置信号と前記追従位置信号との偏差に対応する信号である偏差信号を生成する偏差信号生成手段と、前記偏差信号に基づいた周波数の信号を発振させ、該信号をサンプリングクロックとして出力する周波数可変発振手段と、を有し、前記追従位置信号生成手段は、前記周波数可変発振手段により出力されたサンプリングクロックに基づいて前記追従位置信号を生成するように構成することによって前述した課題を解決する。
【００１９】
上記の構成によれば、サンプリングクロックとして用いるために発振させる信号の周波数を、位置信号取得手段によって取得される位置信号と、サンプリングクロックに基づいて生成される追従位置信号との偏差に基づいて変化させるので、位置信号が示している光の走査において該光が照射している位置と、追従位置信号が示している位置とのずれが小さくなるようなサンプリングクロックを発生させることができ、光の走査を行わせる手段の動作に忠実なサンプリングを可能とする。
【００２０】
なお、上述した本発明に係るサンプリングクロック発生装置において、前記位置信号生成手段は、前記光を反射若しくは屈折させる光学素子であって前記試料に対して該光の走査を行なわせるために振動させる該光学素子の状態を示す情報より前記位置信号を生成するように構成することができる。
【００２１】
更に、この場合において、前記位置信号生成手段は、前記光学素子に入射させた光が該光学素子で反射して照射された位置を示す情報より前記位置信号を生成することを特徴とする
この構成によれば、光の走査において該光が照射している位置を示す位置信号を取得する位置信号生成手段を構成することができる。
【００２２】
また、前述した本発明に係るサンプリングクロック発生装置において、前記周波数可変発振手段は、前記偏差信号の位相を所定のものへと変化させる第一の移相手段と、前記第一の移相手段によって位相が変化した偏差信号についての絶対値を示す信号を生成して出力する絶対値信号生成手段と、前記絶対値信号生成手段から出力された信号の電圧値に基づいた周波数の信号を発振させる電圧制御発振手段と、を有するように構成することができる。
【００２３】
この構成によれば、偏差信号に基づいた周波数の信号を発振させ、該信号をサンプリングクロックとして出力する周波数可変発振手段を構成することができる。
また、前述した本発明に係るサンプリングクロック発生装置において、前記追従位置信号生成手段は、前記サンプリングクロックのクロックの数を計数する計数手段と、前記計数手段によって計数されたクロックの数に対応した信号を前記追従位置信号として生成する信号生成手段と、を有するように構成することができる。
【００２４】
更に、この場合において、前記試料に対する光の走査では往復の走査が行われ、前記計数手段は、前記往復の走査における一方の方向の走査において昇順の計数が行われ、該往復の走査における他方の方向の走査において降順の計数が行われるように構成することができる。
【００２５】
この構成によれば、位置信号取得手段によって取得された位置信号に追従させる追従位置信号を、周波数可変発振手段により出力されたサンプリングクロックに基づいて生成することができる。
また、前述した本発明に係るサンプリングクロック発生装置において、前記サンプリングクロックに同期している同期信号であって、該サンプリングクロックに従って行われた前記サンプリングのうちから前記試料における所定の範囲への前記光の照射に基づいて得られたものを識別する該同期信号を生成する同期信号生成手段を更に有するように構成することができる。
【００２６】
この構成によれば、サンプリングされたもののうち、試料における所定の範囲に属するもの、例えば試料の画像データとして有効に利用し得る範囲に属するものの抽出を容易に行うことができる。
また、前述した本発明に係るサンプリングクロック発生装置において、前記位置信号の位相を調整して、前記走査における前記試料への前記光の照射から前記サンプリングクロックの発生までの間の時間遅延を吸収する第二の移相手段を更に有するように構成することができる。
【００２７】
この構成によれば、位置信号が示している光の走査において該光が照射している位置と、追従位置信号が示している位置とのずれを更に小さくしたサンプリングクロックを発生させることができる。
また、前述した本発明に係るサンプリングクロック発生装置において、前記位置信号取得手段によって取得された位置信号の振幅を所定の大きさに調整する振幅調整手段を更に有するように構成することができる。
【００２８】
この構成によれば、位置信号の振幅が所定の大きさとなるように調整されるため、例えばズーム観察のための走査範囲の変更によって生じる元の位置信号の振幅の変化が当該サンプリングに及ぼす影響を低減することができる。
また、前述した本発明に係るサンプリングクロック発生装置において、前記偏差信号と前記追従位置信号との位相を比較する位相比較手段を更に有し、前記周波数可変発振手段は、前記偏差信号と該周波数可変発振手段によって発振させる信号の周波数との対応関係を、前記位相比較手段による比較結果に基づいて変化させるように構成することができる。
【００２９】
この構成によれば、偏差信号と発振させる信号の周波数との対応付けが位相比較手段による比較結果に基づいて行われるので、周波数可変発振手段において偏差信号によって要求されている周波数の発振がその偏差信号では困難であるような場合にも、より安定で且つ確実にサンプリングクロックを発生させることができる。
【００３０】
また、本発明の別の態様のひとつであるサンプリングクロック発生方法では、前記光の走査において該光が照射している位置を示す信号である位置信号を取得し、前記位置信号に追従させる信号であって位置を示すものである追従位置信号を生成し、前記位置信号と前記追従位置信号との偏差に対応する信号である偏差信号を生成し、前記偏差信号に基づいた周波数の信号を発振させ、該信号をサンプリングクロックとして出力し、前記追従位置信号は、前記サンプリングクロックに基づいて生成されるようにすることによって前述した課題を解決する。
【００３１】
なお、この本発明に係るサンプリングクロック発生方法において、前記位置信号は、前記光を反射若しくは屈折させる光学素子であって前記試料に対して該光の走査を行なわせるために振動させる該光学素子の状態を示す情報より生成されるようにすることができる。
【００３２】
また、前述した本発明に係るサンプリングクロック発生方法において、前記偏差信号に基づいた周波数の信号を発振させるために、前記偏差信号の位相を所定のものへと変化させ、位相を変化させた前記偏差信号についての絶対値を示す信号を生成し、生成された前記絶対値を示す信号の電圧値に基づいた周波数の信号を発振させるようにすることができる。
【００３３】
これらの方法によれば、前述した本発明に係るサンプリングクロック発生装置と同様の作用・効果が得られる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。
図１は本発明を実施する走査型共焦点レーザ顕微鏡の構成を示している。
図１において、顕微鏡本体１は以下のように構成されている。
【００３５】
レーザ光源６は試料１１の表面を走査するスポット光としてのレーザ光を発生させるためのレーザ光源であり、ミラー７は、このレーザ光源６からのレーザ光を２次元走査機構５に導くための反射鏡である。
２次元走査機構５はミラー７を介して得たレーザ光源６からのレーザ光を２次元走査するための機構である。これは２次元走査駆動制御回路４の制御のもとにスポット光を水平面上でＸＹ走査するものであるが、例えば、Ｘ軸方向走査用の共振スキャナとＹ軸方向走査用のガルバノスキャナとを設け、これらのスキャナを各々Ｘ軸方向及びＹ軸方向に振動させることによって対物レンズ１０に対するスポット光の光路をＸＹ方向に振らせることができる。
【００３６】
レボルバ９は倍率の異なる複数の対物レンズ１０を保持するものである。レボルバ９はＺ軸駆動制御回路１６による制御によって光軸方向（上下方向）に移動させることが可能であり、また、複数の対物レンズ１０のうちから所望の倍率であるものをレボルバ９の切り替えにより顕微鏡の観察光路中に位置するように設定することができる。この位置設定された対物レンズ１０を介して２次元走査機構５からのスポット光がステージ１２上の試料１１に２次元走査しながら照射される。なお、ステージ１２は試料１１を保持するものである。
【００３７】
一方、照射されたスポット光についての試料１１からの反射光は対物レンズ１０を通って２次元走査機構５に戻り、２次元走査機構５からハーフミラー８へと戻される。
ハーフミラー８は、２次元走査機構５に対するレーザ光源６の出射光路上に設けられ、２次元走査機構５を介して得られる試料１１からの反射光を検出系である光検出器１５へ導くための半透明鏡である。
【００３８】
レンズ１３はハーフミラー８を介して得た２次元走査機構５からの反射光を集光するレンズである。
ピンホール板１４は所要の径のピンホールが開けられている板であり、光検出器１５の受光面の前面におけるレンズ１３の焦点位置にそのピンホールが配置される。
【００３９】
光検出器１５はピンホール板１４に開けられているピンホールを介して得られる光をその光量対応の電気信号に変換する光検出素子である。
光検出器１５、２次元走査駆動制御回路４、及びＺ軸移動制御回路１６はそれぞれ顕微鏡入出力回路１７に接続されている。
【００４０】
顕微鏡入出力回路１７は走査型共焦点レーザ顕微鏡本体の信号入出力窓口にあたるものである。顕微鏡入出力回路１７は、光検出器１５で光電変換された信号を２次元走査駆動制御回路４からのタイミング信号と共にコンピュータ２へ送り、また、コンピュータ２から送られてくる各種の制御信号を２次元走査駆動制御回路４やＺ軸移動制御回路１６、その他図示しない顕微鏡内部の制御回路へ転送する中継を行っている。
【００４１】
コンピュータ２の内部には制御回路１８と画像入力回路１９とが備えられている。
制御回路１８はコンピュータ２に対し図示しない入力手段を機能させてオペレータが命令した処理を適切に実行するようにコンピュータ２の全体を制御するものである。
【００４２】
画像入力回路１９は光検出器１５で光電変換された信号と２次元走査駆動制御回路４からのタイミング信号を受け取る。コンピュータ２は画像入力回路１９で受け取ったこれらの信号に基づいた画像化の処理を行い、生成された画像をモニタ３に表示させる。こうすることで試料１１の表面情報が得られる。
【００４３】
本発明は、図１に示した走査型共焦点レーザ顕微鏡の２次元走査機構５と２次元走査駆動制御回路４の一部（Ｘ軸方向走査用の共振スキャナ及びタイミング信号の生成部）とによって構成されるサンプリングクロック発生装置によって実施される。以下、この実施の形態を実施例毎に説明する。
＜実施例１＞
図２は本発明を実施するサンプリングクロック発生装置の第一の例の構成を示している。以下、同図について説明する。
【００４４】
共振スキャナ２１は駆動回路２２により正弦波状にミラーを振動させるものである。
駆動回路２２は共振スキャナ２１に内蔵されている速度ピックアップコイルによるミラーの速度信号に基づいて自励発振を行い、フィードバック制御でその駆動振幅の制御を行うものである。
【００４５】
レーザ光源３６は共振スキャナ２１のミラーにレーザ光を照射するものであり、その反射光は位置検出素子３７（以下ＰＳＤ）で検出される。ＰＳＤ３７は共振スキャナ２１のミラーの位置（状態）の検出を行うものであり、共振スキャナ２１のミラーの位置に応じて反射の方向が変化する反射光によって照射されているＰＳＤ３７上の位置に応じた信号が出力されるというものである。この信号は、図１においてレーザ光源６から照射されたレーザ光が共振スキャナ２１のミラーによって反射した後に照射している試料１１の位置を示している信号として利用することができる。なお、レーザ光源３６は、図１のレーザ光源６と同じ物で走査型共焦点レーザ顕微鏡内のレーザ光を光学的に分岐したものを用いるようにしてもよいし、半導体レーザ等を別途設けるようにしてもよい。
【００４６】
ＰＳＤ３７からの出力はアンプ３８で増幅され、アンプ３８からは共振スキャナ２１のミラーの位置に対応した正弦波状の信号（この信号を「ミラー位置信号」と称することとする）が出力される。
ミラー位置信号はまず移相回路２３に入力される。移相回路２３では共振スキャナ２１の真のミラー位置とその位置に対応するサンプリングクロックの発生との間の遅延時間差の補正が行われる。
【００４７】
位相調整されたミラー位置信号（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ）は、ＡＧＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｇａｉｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ）回路２４へ入力され、所定の振幅に調節される。
位置比較器２５は、一方の入力端子に入力されるＡＧＣ回路２４で振幅制御されたＰｏｓｉｔｉｏｎ信号と、もう一方の入力端子に入力される再生位置信号（Ｆ．Ｂ．Ｐｏｓｉｔｉｏｎ）との差分を出力するものである。
【００４８】
移相回路２６は位置比較器２５から出力される位置の差分信号を微分した信号を得るためにその差分信号の位相を変化させ、共振スキャナ２１の速度等価の信号へと置き換えるものである。
比較器２７は、移相回路２６から出力される差分信号のゼロクロス位置においてＨレベルとＬレベルとが交互に切り替わるＣＹＣＬＥ信号を生成する。
【００４９】
絶対値回路２８は、移相回路２６から出力される差分信号の絶対値を示す信号を生成する。生成された差分信号はＣｏｎｔｒｏｌ信号としてＶＣＯ２９に与えられる。このＶＣＯ２９によって発振させた信号がサンプリングクロック（ＳＣＬＫ）となる。
【００５０】
カウンタ３０はＳＣＬＫをカウントする、例えば１２ｂｉｔのアップダウンカウンタであり、画像の有効部分の画素数（有効画素数）と該画像における無効期間に相当する画素数とに基づいて予め与えられる走査半周期分のサンプリングクロック数をカウントする毎にアップカウントとダウンカウントとを交互に繰り返すものである。
【００５１】
同期回路３１はカウンタ３０のカウント値を受け取り、図示しない入力部より予め与えられている走査半周期分のサンプリングクロック数に基づいてカウンタ３０へのアップカウント・ダウンカウントの切り換え信号（Ｕ／Ｄ）や画像有効期間信号（ＤＥ）を生成する。
【００５２】
位相比較器３２は、比較器２７から出力されるＣＹＣＬＥ信号と同期回路３１から出力されるＵ／Ｄ信号との位相を比較し、その位相差に応じた出力信号を出力する。この出力信号はローパスフィルタ３３（以下、「ＬＰＦ」という）を通過させ、ＶＣＯ２９の発振周波数レンジの制御信号（ＦＲＣ）としてＶＣＯ２９に入力される。
【００５３】
Ｄ／Ａコンバータ３４は例えば１２ｂｉｔのＤ／Ａコンバータであり、カウンタ３０でのカウント値を対応するアナログ電圧信号に変換する。
レベルシフト回路３５は、Ｄ／Ａコンバータ３４から出力された単一極性であるアナログ電圧信号のレベルシフトを行って正負両極性の信号へと変換するものである。このレベルシフト回路３５から出力される信号はＦ．Ｂ．Ｐｏｓｉｔｉｏｎ信号となり、Ｐｏｓｉｔｉｏｎ信号との差分を得る位置比較器２５ヘ戻され、その一方の入力に入力される。
【００５４】
次に、上述した図２に示すサンプリングクロック発生装置の動作について、図３を適宜参照しながら説明する。
光源３６からのレーザ光についての共振スキャナ２１のミラーによる反射光はＰＳＤ３７に照射される。駆動回路２２に電力が印加されて共振スキャナ２１が動作を開始するとこの反射光のＰＳＤ３７での軌跡は正弦波状の振動軌跡となり、正弦波状のミラー位置信号が得られる。ミラー位置信号は移相回路２３に入力され、Ｐｏｓｉｔｉｏｎ信号（図３（ａ））が得られる。
【００５５】
移相回路２３の移相量は、最終的には走査の光学的中心が得られる画像の中心となるように決定されるが、試料１１の表面上のある点にレーザ光が照射されたときの光検出器１５の検出信号が適切にサンプリングされ、走査範囲に対する試料１１の表面情報が有効画面内位置に適切に再配置されるように設定される。
【００５６】
Ｐｏｓｉｔｉｏｎ信号はＡＧＣ回路２４に入力されて共振スキャナ２１の光学ズームに伴うミラー位置信号の振幅変化を相殺して常に一定の振幅の信号となるように調整され、その後位置比較器２５に入力される。
位置比較器２５では、Ｐｏｓｉｔｉｏｎ信号と後述する仕組みで発生させられる内部の再生位置信号（Ｆ．Ｂ．Ｐｏｓｉｔｉｏｎ）とを減算することでその差分を取る。つまり、共振スキャナ２１のミラー位置と画像の画素位置とが一致するところでサンプリングクロックが生成されるように常に位置フィードバックをかけているのである。なお、位置の比較において２つの位置信号間に遅延があると歪みが生じるため、Ｆ．Ｂ．Ｐｏｓｉｔｉｏｎ信号とＰｏｓｉｔｉｏｎ信号とを同相にする必要があるが、位置比較器２５によって差分を取る信号の振幅が同一であると出力信号がなくなってしまうので、ここでは帰還されてくるＦ．Ｂ．Ｐｏｓｉｔｉｏｎ信号の振幅の方が小さくなるようにしている（図３（ｂ）及び（ｃ））。
【００５７】
ｓｉｎ（ωｔ）−ｋ×ｓｉｎ（ωｔ）＝（１−ｋ）×ｓｉｎ（ωｔ）………（１） ｋ：振幅比（０＜ｋ＜１）
次に、ＶＣＯ２９へのＣｏｎｔｒｏｌ信号としては、共振スキャナ２１の位置変化に対応する信号ではなく、共振スキャナ２１の速度変化に対応した信号を与えなくてはならないので、位置比較器２５の出力信号（１）の位相状態をＰｏｓｉｔｉｏｎ信号の微分となる余弦波、つまり９０°の位相関係になるようにする必要がある。この調整が移相回路２６によって行われる（図３（ｄ））。
【００５８】
移相回路２６によって位相調整された後の差分信号は、絶対値回路２８を通って全波整流された後、Ｃｏｎｔｒｏｌ信号としてＶＣＯ２９へ供給される（図３（ｅ））。
以上のようにして、ＶＣＯ２９からは共振スキャナ２１の速度変化に対応したＳＣＬＫが出力される（図３（ｇ））。
【００５９】
なお、比較器２７では移相回路２６から出力された差分信号のゼロクロス点を検出することでＣＹＣＬＥ信号を生成している（図３（ｆ））が、Ｐｏｓｉｔｉｏｎ信号の振幅がＡＧＣ回路２４によって常に所定の大きさとなるように制御されているため差分信号の振幅も一定振幅となるので、この差分信号がゼロクロス点を横切るときの傾きがズームによって変化することはなく、従ってＣＹＣＬＥ信号に位相ずれは生じない。
【００６０】
次に、Ｆ．Ｂ．Ｐｏｓｉｔｉｏｎ信号の生成過程を説明する。
前述したように、カウンタ３０は与えられた走査半周期分のクロック数カウント毎にそのアップダウンが入れ替わっている。仮にＶＣＯ２９へ入力されるＣｏｎｔｒｏｌ信号がレベル変化のない直流であったとすると、ＶＣＯ２９はある一定周波数のクロックを出力する。このとき、カウンタ３０のカウント値の進み方は時間的に一定であり、所定数のカウントの度にアップダウンが入れ替わるので、Ｄ／Ａコンバータ３４の出力波形は三角波となる（図４（ａ））。つまり、ＶＣＯ２９とカウンタ３０の組み合わせによってＶＣＯ２９へのＣｏｎｔｒｏｌ信号を積分する効果を持っている。
【００６１】
従って、図２に示した場合のように、Ｃｏｎｔｒｏｌ信号として余弦波状の信号が入力されるとＶＣＯ２９の出力のＳＣＬＫは粗密波となり、カウンタ３０のカウント値の進み方、即ちＤ／Ａコンバータ３４の出力波形は時間的に正弦波状に変動するものとなる（図４（ｂ））。
【００６２】
ここで、一例として、図５に示すように画像の有効期間ＮＥＮを１０２４画素とし、走査に対する画像化効率を８８％とすると、共振スキャナ２１の半周期に対する全クロック数は１１６４、前側無効期間ＮＬ は７０画索、後側無効期間ＮＴ （＝ＮＬ ）は７０画素となる。これらの値を図示していない入力部により同期回路３１へ設定したときには、同期回路３１はＶＣＯ２９によって得られたＳＣＬＫを上記の所定数だけ計数し、「０」と「１１６４」でＵ／Ｄ信号を切り換え、「７０」から「１０９３」の期間にＤＥ信号を出力するように構成する。
【００６３】
つまり、このカウンタ３０のカウント値は走査範囲及び画面内の画素位置にそのまま対応しているので、Ｆ．Ｂ．Ｐｏｓｉｔｉｏｎ信号の電圧値は共振スキャナ２１のＰｏｓｉｔｉｏｎ信号と同じく画面内の位置を表しており、ＶＣＯ２９がそれまで出力してきたＳＣＬＫの周波数変化によって描かれている。
【００６４】
この信号が位置比較器２５の入力に帰還されているので、共振スキャナ２１のミラー位置変化に常に追従するようにＶＣＯ２９へのＣｏｎｔｒｏｌ信号が与えられていることになり、その結果ＶＣＯ２９は各画素位置間でのＳＣＬＫの周波数変化度を逐次補正しながら動作していることとなるので、画像歪みのないサンプリングクロックが生成されるのである。
【００６５】
なお、前述した往復サンプリングを行う場合であっても、同じカウント値を通過するときは走査に対して同じ位置を示していることとなるから、アップカウント時とダウンカウント時とにおいて同一の画素位置でＤＥ信号を生成すればよく、サンプリング位置のずれが生じることはない。
【００６６】
但し、このままでは、Ｐｏｓｉｔｉｏｎ信号への追従性は保証されるものの、ＶＣＯ２９へのＣｏｎｔｒｏｌ信号の電圧値と出力されるＳＣＬＫの実際の周波数との対応が決まらない。つまり、共振スキャナ２１の走査の各半周期内にちょうど上述の「１１６４」の全クロック数が出力されることを保証する必要がある。また、カウント値「０」及び「１１６４」の点では速度が０でなくてはならないので、Ｃｏｎｔｒｏｌ信号のゼロ点、つまり前述したＣＹＣＬＥ信号とＵ／Ｄ信号との変化点が合致していなくてはならない。そのためには、Ｃｏｎｔｒｏｌ信号に対するＶＣＯ２９の感度を調節して、ＣＹＣＬＥ信号とＵ／Ｄ信号の位相を合わせてやればよい。この様子について図６を用いて説明する。
【００６７】
位相比較器３２はＣＹＣＬＥ信号（図６（ｂ））とＵ／Ｄ信号（図６（ｃ））とを位相比較し、その差に応じた誤差信号を出力する（図６（ｄ））。出力された誤差信号をＬＰＦ３３に通して平滑化することでＦＲＣ信号（図６（ｅ））が得られ、このＦＲＣ信号でＶＣＯ２９の感度の調節を行う。
【００６８】
ＶＣＯ２９の感度が変わるということは、同じＣｏｎｔｒｏｌ信号電圧範囲に対する出力周波数範囲が変化するということになる。ＶＣＯ２９ではＣｏｎｔｒｏｌ信号の形状に応じてＳＣＬＫの周波数が上昇及び下降する。ＶＣＯ２９の感度が高めであって且つＣｏｎｔｒｏｌ信号の電圧差に対する周波数変化範囲が大きく与えられているときにはＳＣＬＫの周波数は高めとなり、共振スキャナ２１の走査半周期に対し前述の１１６４個のＳＣＬＫ計数時間、つまりＵ／Ｄ信号の位相を速くさせるように制御がされる。逆に、ＶＣＯ２９の感度が低めであって且つＣｏｎｔｒｏｌ信号の電圧差に対する周波数変化範囲が小さく与えられているときにはＳＣＬＫの周波数が低めとなり、前述の１１６４個のＳＣＬＫ計数時間、つまりＵ／Ｄ信号の位相を遅くさせるように制御がされる。位相比較器３２は、このＣｏｎｔｒｏｌ信号（ＣＹＣＬＥ信号）とＵ／Ｄ信号とのずれがなくなるようにＦＲＣ信号を常に制御する。
【００６９】
こうすることにより、共振スキャナ２１の各半周期に対しＣｏｎｔｒｏｌ信号の形状に応じて加減速する１１６４個のＳＣＬＫが出る時間が一致するように、ＶＣＯ２９へ与えられるＦＲＣ信号のレベルが調整されることになる。最終的にはＶＣＯ２９の出力であるＳＣＬＫは共振スキャナ２１の速度変化を反映した周波数変化を伴うクロックとなり、ミラー位置の変化量が等間隔となる位置及び時間でサンプリングクロックが発生することになる。
【００７０】
なお、ＶＣＯ２９へのＣｏｎｔｒｏｌ信号にノイズが混入した場合、それはＳＣＬＫの発生タイミングが変化することを意味するのでＦ．Ｂ．Ｐｏｓｉｔｉｏｎ信号の波形に変化が現れる。この変化が現れると位置比較器２５の働きによって位置の差分信号が直ちに変化し、後に続くＳＣＬＫのタイミングを微調整する帰還動作がかかる。これは共振スキャナ２１の走査の半周期よりもずっと短い時間内で起こるので、ノイズの混入した画素付近が影響されるだけで済む。つまり、周期管理しか行われないときのようなエラーが継続的に保持されることによる半周期毎のＵ／Ｄ信号切り換えタイミングずれは起き難くなり、位相比較器３２による複数走査周期にまたがる補正動作を誘発する可能性も低減する。
【００７１】
このように、速度ループと位置ループを併せ持つことでより安定で確実なサンプリングクロックを発生させることができる。
以上に説明したように、ＶＣＯ２９で生成されるＳＣＬＫの周波数変化を、共振スキャナ２１の位置信号とＳＣＬＫを使って内部で再生した位置信号との偏差を基準にして生じさせるようにしたので、各画素間での走査速度の変化が直接反映されるようになり、サンプリング位置ずれが起きなくなる。
【００７２】
また、位相比較の基準になるＣＹＣＬＥ信号を、ズームを行っても共振スキャナ２１の動作との位相ずれが生じないようにしたので、ズームに関わらず常に安定したサンプリングクロックが得られる。さらに、ＶＣＯ２９へのＣｏｎｔｒｏｌ信号にノイズが混入しても再生位置信号に変化が現れるので直ちに帰還がかかり、耐性が向上する。
【００７３】
なお、ここでは往復サンプリングの例で説明したが、同期回路３１における有効画素期間信号の半周期側をマスクする、あるいは絶対値回路２８において半波整流を行うと共にカウンタ３０の動作を変更する等によって片側サンプリングを行うようにすることももちろん可能であり、さらに画像期間、有効画素数も変更可能である。
【００７４】
また、図２に示すサンプリングクロック発生装置において、移相回路２６を位置比較器２５の出力に挿入する代わりに、位置比較器２５のＦ．Ｂ．Ｐｏｓｉｔｉｏｎ信号の入力側に挿入するようにしてもこの装置に所望の動作を行わせることは可能であり、更には、移相回路２６を削除すると共に移相回路２６に本来行わせるべき位相の調整を移相回路２３に行わせるようにしてもこの装置に所望の動作を行わせることは可能である。なお、このような回路の変形は、後述する実施例２及び実施例３においても適用可能である。
【００７５】
また、ＶＣＯ２９へのＣｏｎｔｒｏｌ信号の電圧値と出力されるＳＣＬＫの実際の周波数との対応が予め保証されているのであれば、図２においてＦＲＣ信号を生成するための回路である、比較器２７、位相比較器３２及びＬＰＦ３３を削除しても所望のクロックを得ることができる。
＜実施例２＞
図７は本発明を実施するサンプリングクロック発生装置の第二の例の構成を示している。図７において、図２に示した第一の例と同様の機能を有している構成要素には同一の符号を付している。
【００７６】
以下、図７のうち、図２に示した構成と異なっている部分について説明する。
図７において、駆動回路２２は、図２におけるものと同様に、共振スキャナ２１に内蔵されている速度ピックアップコイルによるミラーの速度信号に基づいて自励発振を行い、フィードバック制御でその駆動振幅の制御を行うものであるが、更に共振スキャナ２１の振動の速度を示している速度信号を出力する機能を有している。
【００７７】
積分器４０は共振スキャナ２１のミラーの位置（状態）の検出を行うものであり、駆動回路２２から出力される共振スキャナ２１の速度信号を積分することによってそのミラーの位置を示す信号を生成して出力する。この信号は共振スキャナ２１のミラー位置に対応した正弦波状の信号（ミラー位置信号）であり、移相回路２３に入力される。
【００７８】
また、絶対値回路２８とＶＣＯ２９の間には可変ゲイン回路４１が挿入されており、ＬＰＦ３３の出力がゲイン制御信号（ｇａｉｎ）として与えられている。
以上のような図７の構成においては、共振スキャナ２１と駆動回路２２との自励発振によって正弦波状の速度信号が駆動回路２２から出力されると、積分器４０がこれを積分することによって共振スキャナ２１のミラー位置信号を生成する。こうして得られたミラー位置信号が移相回路２３に入力されると、前述した実施例１と同様の動作が図７に示す残りの構成要素において行われ、その結果、ＳＣＬＫがＶＣＯ２９から出力される。
【００７９】
なお、図７に示す構成では、ＶＣＯ２９へ印加されるＣｏｎｔｒｏｌ信号の電圧値とその電圧値に応じて生成されるＳＣＬＫの実際の周波数との対応を次のようにして取っている。すなわち、比較器２７からのＣＹＣＬＥ信号と同期回路３１からのＵ／Ｄ信号との位相差を位相比較器３２が検出するとその検出結果を示す信号が出力される。この信号はＬＰＦ３３を通過させることによってｇａｉｎ信号となる。可変ゲイン回路４１がこのｇａｉｎ信号を受け取ると、ＶＣＯ２９に与えられるＣｏｎｔｒｏｌ信号の振幅を調整する。これによってＶＣＯ２９から出力されるＳＣＬＫの周波数範囲が変更され、結果としてＣＹＣＬＥ信号とＵ／Ｄ信号の位相が合致した状態で安定するように動作する。
＜実施例３＞
図８は本発明を実施するサンプリングクロック発生装置の第三の例の構成を示している。図８において、図２に示した第一の例と同様の機能を有している構成要素には同一の符号を付している。なお、図８においては、ミラー位置信号（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ）を生成するための構成を示していないが、この構成は図２に示した第一の例におけるものでも図７に示した第二の例におけるものでもどちらでもよい。
【００８０】
以下、図８のうち、図２に示した構成と異なっている部分について説明すると、図８においては、ＬＰＦ３３の出力がＤ／Ａコンバータ３４のリファレンス端子へと導かれている部分が異なっている。
図８に示す構成においては、ＶＣＯ２９へ印加されるＣｏｎｔｒｏｌ信号の電圧値とその電圧値に応じて出力されるＳＣＬＫの実際の周波数との対応を次のようにして取っている。すなわち、比較器２７から出力されるＣＹＣＬＥ信号と同期回路３１から出力されるＵ／Ｄ信号との位相差を位相比較器３２が検出するとその検出結果を示す信号が出力される。この信号はＬＰＦ３３を通過させることによってＶＲＥＦ信号となる。Ｄ／Ａコンバータ３４はこのＶＲＥＦ信号を受け取るとその出力振幅を変更してＦ．Ｂ．Ｐｏｓｉｔｉｏｎ信号の振幅の大きさを変化させる。その結果、位置比較器２５での出力である差分信号の振幅が変化する。これはＣｏｎｔｒｏｌ信号の振幅が変化していることなので、前述した実施例２と同様に、ＶＣＯ２９から出力されるＳＣＬＫの周波数範囲が変更され、結果としてＣＹＣＬＥ信号とＵ／Ｄ信号の位相が合致した状態で安定するように動作する。
【００８１】
但し、位置比較器２５の出力で振幅が変化するとＣＹＣＬＥ信号の位相ずれに影響するが、ここでの補正量は走査半周期でのクロック数の補正レベルであるので、ずれが生じるようなことにはならない。
その他、本発明は、上述した実施形態に限定されることなく、種々の改良・変更が可能である。例えば、以上までに説明したもの以外にも、共振スキャナ２１の位置信号が得られるような手段を講じ、その結果として得られた位置信号を移相回路２３に入力すれば所望の動作が得られるので、位置信号の生成は別の方法で代替してもよい。また、それら複数の手段を選択できるような回路を設けてもよい。さらに、速度ループの調整方法についてもＶＣＯ２９の出力周波数範囲が変化し、同期回路３１でのＵ／Ｄ信号がＣＹＣＬＥ信号に合致するような制御であれば、他の方法でも構わない。
【００８２】
また、本発明のサンプリングクロック発生装置内のＶＣＯ制御信号（Ｃｏｎｔｒｏｌ）は、試料からの反射光・蛍光・透過光の光量測定を実施する場合にも有用である。試料上のレーザ光の移動は正弦波的な動きをしており、単位時間当たりの移動量が場所によって異なっている。すなわち、走査範囲内でピクセル毎のレーザ照射エネルギーが異なってしまうので、光量測定における条件が位置により変わってしまう。この問題は、サンプリングパルスを生成するＶＣＯ制御信号でレーザ照射パワーに変調をかけることで解決できる。つまり、速度の遅い走査両端ではパワーを弱くし、速度の速い走査中央ではパワーを強くすることでピクセル毎のレーザ照射エネルギーが等しくなるので、試料からの反射光・蛍光・透過光の正確な光量測定が実現できる。
【００８３】
【発明の効果】
以上詳述したように、試料に対して光を走査して得られる反射光、蛍光、若しくは透過光のサンプリングを行うためのクロックを本発明に係る装置若しくは方法により得るようにすることにより、走査を行う手段の動作パターンに常に追従しサンプリング位置のずれが生じなくなり、ノイズに対する耐性が向上し、走査を行う手段における光学ズーム等に起因する位相ずれが起きなくなる等の効果が得られる。
【００８４】
また、本発明によれば、当該サンプリングクロックの発生のために必要以上の高速回路は不要となり、スキャナの走査範囲に対して任意の有効画素数を効率的に画像期間に割り当てることができ、サンプリングクロック発生回路に与える位置情報に精度とコストとを考慮した適当な組み合わせが選択できる等の効果も得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施する走査型レーザ顕微鏡の構成を示す図である。
【図２】本発明を実施するサンプリングクロック発生装置の第一の例の構成を示す図である。
【図３】図２に示すサンプリングクロック発生装置の各部の信号波形を示す図である。
【図４】Ｆ．Ｂ．Ｐｏｓｉｔｉｏｎ信号の生成過程を説明する図である。
【図５】走査と画像化期間との対応関係の一例を示す図である。
【図６】ＶＣＯの感度調整を説明する図である。
【図７】本発明を実施するサンプリングクロック発生装置の第二の例の構成を示す図である。
【図８】本発明を実施するサンプリングクロック発生装置の第三の例の構成を示す図である。
【図９】サンプリングクロックのタイミングと走査位置との関係を説明する図である。
【符号の説明】
１ 顕微鏡本体
２ コンピュータ
３ モニタ
４ ２次元走査駆動制御回路
５ ２次元走査機構
６ レーザ光源
７ ミラー
８ ハーフミラー
９ レボルバ
１０ 対物レンズ
１１ 試料
１２ ステージ
１３ レンズ
１４ ピンホール板
１５ 光検出器
１６ Ｚ軸移動制御回路
１７ 顕微鏡入出力回路
１８ 制御回路
１９ 画像入力回路
２１ 共振スキャナ
２２ 駆動回路
２３ 移相回路
２４ ＡＧＣ回路
２５ 位置比較器
２６ 移相回路
２７ 比較器
２８ 絶対値回路
２９ ＶＣＯ
３０ カウンタ
３１ 同期回路
３２ 位相比較器
３３ ＬＰＦ
３４ Ｄ／Ａ
３５ レベルシフト回路
３６ 光源
３７ 位置検出素子
３８ アンプ
４０ 積分器
４１ 可変ゲイン回路
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料に光を走査してその試料の情報を取得する光走査型サンプリングシステムにおけるサンプリングクロック発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
試料に光を走査させると共にその走査に同期したサンプリングクロックを発生させ、光検出器によって検出される前記試料の反射光、蛍光、若しくは透過光をサンプリングすることでその試料の情報を取得する光走査型サンプリングシステムとして、例えば走査型共焦点レーザ顕微鏡がある。
【０００３】
走査型共焦点レーザ顕微鏡には、光走査を行わせるために、主にガルバノスキャナや共振スキャナが用いられている。共振スキャナはその動作原理から正弦波状に鏡を振動させる。一方のガルバノスキャナも、画面の更新速度を上げるために正弦波状に鏡を振動させることがある。これらの振動によって鏡の角度が正弦波状に変化する。
【０００４】
試料へ照射する光を反射させる鏡の角度が正弦波状に変化すると、光走査による試料への光照射位置が時間に応じて正弦波状に変化することになる。例えば、試料の反射光、蛍光、若しくは透過光を検出した光検出器から出力される検出信号を、システムのタイミングを管理する水晶発振器等の発振器から得られる発振信号を用いて等時間間隔でのサンプリングを行うと、図９（ａ）に示すように、試料上でのサンプリング位置が等間隔とならないため、画面の両端と中央との間で著しく歪んだ画像が取得されることになってしまう。
【０００５】
このような等時間間隔におけるサンプリング位置が不等間隔になってしまう走査に対しては、図９（ｂ）に示すように、サンプリングの時間間隔をこの走査に対応させて予め不等間隔にし、最終的に得られる画像における試料上の位置関係（画素の位置関係）が等間隔になるようにする必要がある。
【０００６】
正弦波状の走査に対応させるように不等間隔であるサンプリングクロックを発生させる技術は、例えば、特開平５−１３６９４８号公報、特開平７−１５４５４４号公報、特開２００１−２１８２９号公報などに開示されている。
特開平５−１３６９４８号公報に開示されている技術では、正弦波状の速度信号パターンをＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）に記憶させておき、スキャナの１周期に同期させてＲＯＭからその速度信号パターンを出力し、それを乗算型Ｄ／Ａ（Ｄｉｇｉｔａｌ ｔｏ Ａｎａｌｏｇｕｅ）コンバータで制御信号に変換して電圧制御発振器（Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ：以下、「ＶＣＯ」という）に与え、このＶＣＯの出力をサンプリングクロックとして得ている。つまり、このＲＯＭに格納されている速度信号パターンをサンプリングクロックにより順次アドレスして読み出し、ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）を用いてそのＲＯＭに格納されている速度信号パターンの１周期をスキャナの周期に合致させるように乗算型Ｄ／Ａコンバータによって、その速度信号パターンのゲインが調整されながら、ＶＣＯが駆動される。ＶＣＯは自身の生成するサンプリングクロックをＦ−Ｖ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｔｏ Ｖｏｌｔａｇｅ）コンバータヘ通し、ＲＯＭパターンからの偏差をフィードバックしている。
【０００７】
特開平７−１５４５４４号公報に開示されている技術では、スキャナの１周期に同期した逓倍クロックをＰＬＬにより発生させ、上述した技術と同様に、この逓倍クロックにより速度パターンの記憶されたＲＯＭをアドレスする。このときＲＯＭから読み出された速度パターンが乗算器とＤ／Ａコンバータとにより制御信号に変換され、Ｖ−Ｆ（Ｖｏｌｔａｇｅ ｔｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）コンバータによりこの信号からサンプリングクロックを得る。ＲＯＭから読み出された速度パターンに対して乗算器によって行われるゲインの調整は、ＲＯＭパターン（速度信号）を積分することで得られる位置情報を画像有効範囲長に合致させるように行われる。
【０００８】
特開２００１−２１８２９号公報に開示されている技術では、同様にスキャナの１周期に同期した逓倍クロックをＰＬＬにより発生させ、これにより速度パターンの記憶されたＲＯＭをアドレスする。ＲＯＭから読み出された速度パターンの１周期をスキャナ周期に合致させるように乗算型Ｄ／Ａコンバータでゲイン調整を行い、この乗算型Ｄ／Ａコンバータからの出力を制御信号としてＶＣＯに与えることでサンプリングクロックを得ている。
【０００９】
一方で、ガルバノスキャナは位置の制御が可能であるので、これを正弦波で駆動する場合においては駆動信号源側にその目標位置を連ねた駆動波形として正弦波形をＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）に記憶させておく。更に、この駆動波形と共に、サンプリング位置が時間軸上で等間隔になるようなサンプリングクロックのパターンも記憶させておく。これをサンプリングクロックの数倍から十倍以上の周波数を持つ、水晶発振器などにより得られるシステム全体のタイミングを管理するクロックで順次アドレスし、駆動波形データをデジタル−アナログ変換して駆動回路に供給し、このとき同時に出力されるサンプリングクロックでサンプリングを行うようにすることで、図９（ｂ）のように試料上でのサンプリング位置が等間隔になるようにする方式が一般的である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
共振スキャナの場合、前述した技術ではいずれもＲＯＭに速度パターンをあらかじめ記憶させておき、スキャナの１周期に同期させたこの速度パターンで電圧制御発振手段を制御することによって不等時間間隔のサンプリングクロックを得ている。
【００１１】
ところで、これらの方法はスキャナの実際の動作が理想的に正弦波状の動作をしていることを前提とし、数学的な考察からパターンデータを生成している。このようにして生成したパターンデータを実際に装置で使用すると、様々な誤差要因が重畳するため、最終的に得られる画像の線形性は必ずしも最良の状態になるとは限らない。このようにして生じた誤差をデータの補正で相殺することも可能ではあるが、この手法では数千点にも及ぶパターンデータの一部を修正することになり、更には長時間に渡る試行錯誤をも必要となる。また、この作業をプログラムによってデータ生成を行うようにしたとしても、そのようなデータ生成を行うための治具の開発には多大な苦労を強いられることとなる。
【００１２】
また、光学的なズームをかける目的でスキャナ振幅を変化させる場合があるが、このような変化をさせた場合には、走査の基本波から生成されている同期信号のスキャナに対する位相がずれてしまうことがあるため、回路全体の動作点がずれる可能性がある。これは、コンパレータを用いて正弦波速度信号のゼロクロスの検出が行われているため、ズームによってスキャナ振り角を小さくすると速度信号振幅も小さくなり、ゼロクロス点付近での正弦波速度信号の傾斜が緩くなってしまうためにその検出位置がずれてくることに起因している。即ち、ズームを行うと視野が例えば右（画像が左）に移動する現象が発生すると考えられる。ＲＯＭに記憶されている速度パターンはスキャナ動作と位相遅れなく完全に合致していることを前提として生成されているので、ズームによって位相ずれが生じると画像の歪み具合に変化が生じてしまうことになる。これにオフセットを与えて補正することは可能ではあるが、ズーム全範囲にわたって各点で個別調整をする必要が生じることとなる。
【００１３】
また、走査における画像化の効率を上げるために往復サンプリングを行う場合には、共振スキャナの走査速度のみに着目して速度パターンが生成されるため、現実には往復で画素ずれを起こさないようにすることは至難の業であると考えられる。仮に速度パターンを調整することによって往復での微妙な速度変化に合わせることができたとしても、周期管理だけを行っている関係上、クロック発生数と周波数変化の度合いとのつじつまは合わせ得るが、各サンプリングクロック発生のタイミングが位置として往復で合致している保証は無い。
【００１４】
更に、ＶＣＯを制御する制御信号に何らかのノイズが混入した場合にはノイズの混入時点でのＶＣＯ出力周波数の変化が起こるが、この場合にはその瞬間の画素（画像位置）から後のサンプリングクロック発生タイミングがずれることになる。走査が１周期終わってみると、途中で本来の周波数変化と異なる周波数の変化が起こったことでパターン１周期（全アドレスカウント時間）に変化が起こり、共振スキャナの周期（同期信号）に対して位相誤差が生じてしまう。ＰＬＬが働いているため、このノイズ混入の影響はＰＬＬの応答時間に渡って発生し、その結果、複数回の走査に渡って同期がずれてしまい著しい画像劣化を引き起こすこととなる。
【００１５】
一方、前述のようなガルバノスキャナの正弦波駆動においては、走査周期とサンプリング点数の組み合わせによってデータ量やクロック周波数が著しく変化する。また、サンプリングクロックパターンの周波数変化は量子化されており、不等時間サンプリングの精度を向上させようとするほどデータ量を増やし、より高周波のクロックでＲＡＭアドレスを進めていかなくてはならず、サンプリングクロック発生のために必要以上に高速な回路を形成する必要がある。
【００１６】
これらの問題を鑑み、光走査型サンプリングシステムにおいて画像劣化の無いサンプリングを行うため、光の走査を行わせる手段の動作に忠実にサンプリング可能なサンプリングクロックを発生させることが本発明が解決しようとする課題である。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、試料に対して光を走査して得られる反射光、蛍光、若しくは透過光のサンプリングを行うためのクロックを発生させる装置または方法を前提とする。
【００１８】
そして、本発明の態様のひとつであるサンプリングクロック発生装置では、前記光の走査において該光が照射している位置を示す信号である位置信号を取得する位置信号取得手段と、前記位置信号に追従させる信号であって位置を示すものである追従位置信号を生成する追従位置信号生成手段と、前記位置信号と前記追従位置信号との偏差に対応する信号である偏差信号を生成する偏差信号生成手段と、前記偏差信号に基づいた周波数の信号を発振させ、該信号をサンプリングクロックとして出力する周波数可変発振手段と、を有し、前記追従位置信号生成手段は、前記周波数可変発振手段により出力されたサンプリングクロックに基づいて前記追従位置信号を生成するように構成することによって前述した課題を解決する。
【００１９】
上記の構成によれば、サンプリングクロックとして用いるために発振させる信号の周波数を、位置信号取得手段によって取得される位置信号と、サンプリングクロックに基づいて生成される追従位置信号との偏差に基づいて変化させるので、位置信号が示している光の走査において該光が照射している位置と、追従位置信号が示している位置とのずれが小さくなるようなサンプリングクロックを発生させることができ、光の走査を行わせる手段の動作に忠実なサンプリングを可能とする。
【００２０】
なお、上述した本発明に係るサンプリングクロック発生装置において、前記位置信号生成手段は、前記光を反射若しくは屈折させる光学素子であって前記試料に対して該光の走査を行なわせるために振動させる該光学素子の状態を示す情報より前記位置信号を生成するように構成することができる。
【００２１】
更に、この場合において、前記位置信号生成手段は、前記光学素子に入射させた光が該光学素子で反射して照射された位置を示す情報より前記位置信号を生成することを特徴とする
この構成によれば、光の走査において該光が照射している位置を示す位置信号を取得する位置信号生成手段を構成することができる。
【００２２】
また、前述した本発明に係るサンプリングクロック発生装置において、前記周波数可変発振手段は、前記偏差信号の位相を所定のものへと変化させる第一の移相手段と、前記第一の移相手段によって位相が変化した偏差信号についての絶対値を示す信号を生成して出力する絶対値信号生成手段と、前記絶対値信号生成手段から出力された信号の電圧値に基づいた周波数の信号を発振させる電圧制御発振手段と、を有するように構成することができる。
【００２３】
この構成によれば、偏差信号に基づいた周波数の信号を発振させ、該信号をサンプリングクロックとして出力する周波数可変発振手段を構成することができる。
また、前述した本発明に係るサンプリングクロック発生装置において、前記追従位置信号生成手段は、前記サンプリングクロックのクロックの数を計数する計数手段と、前記計数手段によって計数されたクロックの数に対応した信号を前記追従位置信号として生成する信号生成手段と、を有するように構成することができる。
【００２４】
更に、この場合において、前記試料に対する光の走査では往復の走査が行われ、前記計数手段は、前記往復の走査における一方の方向の走査において昇順の計数が行われ、該往復の走査における他方の方向の走査において降順の計数が行われるように構成することができる。
【００２５】
この構成によれば、位置信号取得手段によって取得された位置信号に追従させる追従位置信号を、周波数可変発振手段により出力されたサンプリングクロックに基づいて生成することができる。
また、前述した本発明に係るサンプリングクロック発生装置において、前記サンプリングクロックに同期している同期信号であって、該サンプリングクロックに従って行われた前記サンプリングのうちから前記試料における所定の範囲への前記光の照射に基づいて得られたものを識別する該同期信号を生成する同期信号生成手段を更に有するように構成することができる。
【００２６】
この構成によれば、サンプリングされたもののうち、試料における所定の範囲に属するもの、例えば試料の画像データとして有効に利用し得る範囲に属するものの抽出を容易に行うことができる。
また、前述した本発明に係るサンプリングクロック発生装置において、前記位置信号の位相を調整して、前記走査における前記試料への前記光の照射から前記サンプリングクロックの発生までの間の時間遅延を吸収する第二の移相手段を更に有するように構成することができる。
【００２７】
この構成によれば、位置信号が示している光の走査において該光が照射している位置と、追従位置信号が示している位置とのずれを更に小さくしたサンプリングクロックを発生させることができる。
また、前述した本発明に係るサンプリングクロック発生装置において、前記位置信号取得手段によって取得された位置信号の振幅を所定の大きさに調整する振幅調整手段を更に有するように構成することができる。
【００２８】
この構成によれば、位置信号の振幅が所定の大きさとなるように調整されるため、例えばズーム観察のための走査範囲の変更によって生じる元の位置信号の振幅の変化が当該サンプリングに及ぼす影響を低減することができる。
また、前述した本発明に係るサンプリングクロック発生装置において、前記偏差信号と前記追従位置信号との位相を比較する位相比較手段を更に有し、前記周波数可変発振手段は、前記偏差信号と該周波数可変発振手段によって発振させる信号の周波数との対応関係を、前記位相比較手段による比較結果に基づいて変化させるように構成することができる。
【００２９】
この構成によれば、偏差信号と発振させる信号の周波数との対応付けが位相比較手段による比較結果に基づいて行われるので、周波数可変発振手段において偏差信号によって要求されている周波数の発振がその偏差信号では困難であるような場合にも、より安定で且つ確実にサンプリングクロックを発生させることができる。
【００３０】
また、本発明の別の態様のひとつであるサンプリングクロック発生方法では、前記光の走査において該光が照射している位置を示す信号である位置信号を取得し、前記位置信号に追従させる信号であって位置を示すものである追従位置信号を生成し、前記位置信号と前記追従位置信号との偏差に対応する信号である偏差信号を生成し、前記偏差信号に基づいた周波数の信号を発振させ、該信号をサンプリングクロックとして出力し、前記追従位置信号は、前記サンプリングクロックに基づいて生成されるようにすることによって前述した課題を解決する。
【００３１】
なお、この本発明に係るサンプリングクロック発生方法において、前記位置信号は、前記光を反射若しくは屈折させる光学素子であって前記試料に対して該光の走査を行なわせるために振動させる該光学素子の状態を示す情報より生成されるようにすることができる。
【００３２】
また、前述した本発明に係るサンプリングクロック発生方法において、前記偏差信号に基づいた周波数の信号を発振させるために、前記偏差信号の位相を所定のものへと変化させ、位相を変化させた前記偏差信号についての絶対値を示す信号を生成し、生成された前記絶対値を示す信号の電圧値に基づいた周波数の信号を発振させるようにすることができる。
【００３３】
これらの方法によれば、前述した本発明に係るサンプリングクロック発生装置と同様の作用・効果が得られる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。
図１は本発明を実施する走査型共焦点レーザ顕微鏡の構成を示している。
図１において、顕微鏡本体１は以下のように構成されている。
【００３５】
レーザ光源６は試料１１の表面を走査するスポット光としてのレーザ光を発生させるためのレーザ光源であり、ミラー７は、このレーザ光源６からのレーザ光を２次元走査機構５に導くための反射鏡である。
２次元走査機構５はミラー７を介して得たレーザ光源６からのレーザ光を２次元走査するための機構である。これは２次元走査駆動制御回路４の制御のもとにスポット光を水平面上でＸＹ走査するものであるが、例えば、Ｘ軸方向走査用の共振スキャナとＹ軸方向走査用のガルバノスキャナとを設け、これらのスキャナを各々Ｘ軸方向及びＹ軸方向に振動させることによって対物レンズ１０に対するスポット光の光路をＸＹ方向に振らせることができる。
【００３６】
レボルバ９は倍率の異なる複数の対物レンズ１０を保持するものである。レボルバ９はＺ軸駆動制御回路１６による制御によって光軸方向（上下方向）に移動させることが可能であり、また、複数の対物レンズ１０のうちから所望の倍率であるものをレボルバ９の切り替えにより顕微鏡の観察光路中に位置するように設定することができる。この位置設定された対物レンズ１０を介して２次元走査機構５からのスポット光がステージ１２上の試料１１に２次元走査しながら照射される。なお、ステージ１２は試料１１を保持するものである。
【００３７】
一方、照射されたスポット光についての試料１１からの反射光は対物レンズ１０を通って２次元走査機構５に戻り、２次元走査機構５からハーフミラー８へと戻される。
ハーフミラー８は、２次元走査機構５に対するレーザ光源６の出射光路上に設けられ、２次元走査機構５を介して得られる試料１１からの反射光を検出系である光検出器１５へ導くための半透明鏡である。
【００３８】
レンズ１３はハーフミラー８を介して得た２次元走査機構５からの反射光を集光するレンズである。
ピンホール板１４は所要の径のピンホールが開けられている板であり、光検出器１５の受光面の前面におけるレンズ１３の焦点位置にそのピンホールが配置される。
【００３９】
光検出器１５はピンホール板１４に開けられているピンホールを介して得られる光をその光量対応の電気信号に変換する光検出素子である。
光検出器１５、２次元走査駆動制御回路４、及びＺ軸移動制御回路１６はそれぞれ顕微鏡入出力回路１７に接続されている。
【００４０】
顕微鏡入出力回路１７は走査型共焦点レーザ顕微鏡本体の信号入出力窓口にあたるものである。顕微鏡入出力回路１７は、光検出器１５で光電変換された信号を２次元走査駆動制御回路４からのタイミング信号と共にコンピュータ２へ送り、また、コンピュータ２から送られてくる各種の制御信号を２次元走査駆動制御回路４やＺ軸移動制御回路１６、その他図示しない顕微鏡内部の制御回路へ転送する中継を行っている。
【００４１】
コンピュータ２の内部には制御回路１８と画像入力回路１９とが備えられている。
制御回路１８はコンピュータ２に対し図示しない入力手段を機能させてオペレータが命令した処理を適切に実行するようにコンピュータ２の全体を制御するものである。
【００４２】
画像入力回路１９は光検出器１５で光電変換された信号と２次元走査駆動制御回路４からのタイミング信号を受け取る。コンピュータ２は画像入力回路１９で受け取ったこれらの信号に基づいた画像化の処理を行い、生成された画像をモニタ３に表示させる。こうすることで試料１１の表面情報が得られる。
【００４３】
本発明は、図１に示した走査型共焦点レーザ顕微鏡の２次元走査機構５と２次元走査駆動制御回路４の一部（Ｘ軸方向走査用の共振スキャナ及びタイミング信号の生成部）とによって構成されるサンプリングクロック発生装置によって実施される。以下、この実施の形態を実施例毎に説明する。
＜実施例１＞
図２は本発明を実施するサンプリングクロック発生装置の第一の例の構成を示している。以下、同図について説明する。
【００４４】
共振スキャナ２１は駆動回路２２により正弦波状にミラーを振動させるものである。
駆動回路２２は共振スキャナ２１に内蔵されている速度ピックアップコイルによるミラーの速度信号に基づいて自励発振を行い、フィードバック制御でその駆動振幅の制御を行うものである。
【００４５】
レーザ光源３６は共振スキャナ２１のミラーにレーザ光を照射するものであり、その反射光は位置検出素子３７（以下ＰＳＤ）で検出される。ＰＳＤ３７は共振スキャナ２１のミラーの位置（状態）の検出を行うものであり、共振スキャナ２１のミラーの位置に応じて反射の方向が変化する反射光によって照射されているＰＳＤ３７上の位置に応じた信号が出力されるというものである。この信号は、図１においてレーザ光源６から照射されたレーザ光が共振スキャナ２１のミラーによって反射した後に照射している試料１１の位置を示している信号として利用することができる。なお、レーザ光源３６は、図１のレーザ光源６と同じ物で走査型共焦点レーザ顕微鏡内のレーザ光を光学的に分岐したものを用いるようにしてもよいし、半導体レーザ等を別途設けるようにしてもよい。
【００４６】
ＰＳＤ３７からの出力はアンプ３８で増幅され、アンプ３８からは共振スキャナ２１のミラーの位置に対応した正弦波状の信号（この信号を「ミラー位置信号」と称することとする）が出力される。
ミラー位置信号はまず移相回路２３に入力される。移相回路２３では共振スキャナ２１の真のミラー位置とその位置に対応するサンプリングクロックの発生との間の遅延時間差の補正が行われる。
【００４７】
位相調整されたミラー位置信号（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ）は、ＡＧＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｇａｉｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ）回路２４へ入力され、所定の振幅に調節される。
位置比較器２５は、一方の入力端子に入力されるＡＧＣ回路２４で振幅制御されたＰｏｓｉｔｉｏｎ信号と、もう一方の入力端子に入力される再生位置信号（Ｆ．Ｂ．Ｐｏｓｉｔｉｏｎ）との差分を出力するものである。
【００４８】
移相回路２６は位置比較器２５から出力される位置の差分信号を微分した信号を得るためにその差分信号の位相を変化させ、共振スキャナ２１の速度等価の信号へと置き換えるものである。
比較器２７は、移相回路２６から出力される差分信号のゼロクロス位置においてＨレベルとＬレベルとが交互に切り替わるＣＹＣＬＥ信号を生成する。
【００４９】
絶対値回路２８は、移相回路２６から出力される差分信号の絶対値を示す信号を生成する。生成された差分信号はＣｏｎｔｒｏｌ信号としてＶＣＯ２９に与えられる。このＶＣＯ２９によって発振させた信号がサンプリングクロック（ＳＣＬＫ）となる。
【００５０】
カウンタ３０はＳＣＬＫをカウントする、例えば１２ｂｉｔのアップダウンカウンタであり、画像の有効部分の画素数（有効画素数）と該画像における無効期間に相当する画素数とに基づいて予め与えられる走査半周期分のサンプリングクロック数をカウントする毎にアップカウントとダウンカウントとを交互に繰り返すものである。
【００５１】
同期回路３１はカウンタ３０のカウント値を受け取り、図示しない入力部より予め与えられている走査半周期分のサンプリングクロック数に基づいてカウンタ３０へのアップカウント・ダウンカウントの切り換え信号（Ｕ／Ｄ）や画像有効期間信号（ＤＥ）を生成する。
【００５２】
位相比較器３２は、比較器２７から出力されるＣＹＣＬＥ信号と同期回路３１から出力されるＵ／Ｄ信号との位相を比較し、その位相差に応じた出力信号を出力する。この出力信号はローパスフィルタ３３（以下、「ＬＰＦ」という）を通過させ、ＶＣＯ２９の発振周波数レンジの制御信号（ＦＲＣ）としてＶＣＯ２９に入力される。
【００５３】
Ｄ／Ａコンバータ３４は例えば１２ｂｉｔのＤ／Ａコンバータであり、カウンタ３０でのカウント値を対応するアナログ電圧信号に変換する。
レベルシフト回路３５は、Ｄ／Ａコンバータ３４から出力された単一極性であるアナログ電圧信号のレベルシフトを行って正負両極性の信号へと変換するものである。このレベルシフト回路３５から出力される信号はＦ．Ｂ．Ｐｏｓｉｔｉｏｎ信号となり、Ｐｏｓｉｔｉｏｎ信号との差分を得る位置比較器２５ヘ戻され、その一方の入力に入力される。
【００５４】
次に、上述した図２に示すサンプリングクロック発生装置の動作について、図３を適宜参照しながら説明する。
光源３６からのレーザ光についての共振スキャナ２１のミラーによる反射光はＰＳＤ３７に照射される。駆動回路２２に電力が印加されて共振スキャナ２１が動作を開始するとこの反射光のＰＳＤ３７での軌跡は正弦波状の振動軌跡となり、正弦波状のミラー位置信号が得られる。ミラー位置信号は移相回路２３に入力され、Ｐｏｓｉｔｉｏｎ信号（図３（ａ））が得られる。
【００５５】
移相回路２３の移相量は、最終的には走査の光学的中心が得られる画像の中心となるように決定されるが、試料１１の表面上のある点にレーザ光が照射されたときの光検出器１５の検出信号が適切にサンプリングされ、走査範囲に対する試料１１の表面情報が有効画面内位置に適切に再配置されるように設定される。
【００５６】
Ｐｏｓｉｔｉｏｎ信号はＡＧＣ回路２４に入力されて共振スキャナ２１の光学ズームに伴うミラー位置信号の振幅変化を相殺して常に一定の振幅の信号となるように調整され、その後位置比較器２５に入力される。
位置比較器２５では、Ｐｏｓｉｔｉｏｎ信号と後述する仕組みで発生させられる内部の再生位置信号（Ｆ．Ｂ．Ｐｏｓｉｔｉｏｎ）とを減算することでその差分を取る。つまり、共振スキャナ２１のミラー位置と画像の画素位置とが一致するところでサンプリングクロックが生成されるように常に位置フィードバックをかけているのである。なお、位置の比較において２つの位置信号間に遅延があると歪みが生じるため、Ｆ．Ｂ．Ｐｏｓｉｔｉｏｎ信号とＰｏｓｉｔｉｏｎ信号とを同相にする必要があるが、位置比較器２５によって差分を取る信号の振幅が同一であると出力信号がなくなってしまうので、ここでは帰還されてくるＦ．Ｂ．Ｐｏｓｉｔｉｏｎ信号の振幅の方が小さくなるようにしている（図３（ｂ）及び（ｃ））。
【００５７】
ｓｉｎ（ωｔ）−ｋ×ｓｉｎ（ωｔ）＝（１−ｋ）×ｓｉｎ（ωｔ）………（１） ｋ：振幅比（０＜ｋ＜１）
次に、ＶＣＯ２９へのＣｏｎｔｒｏｌ信号としては、共振スキャナ２１の位置変化に対応する信号ではなく、共振スキャナ２１の速度変化に対応した信号を与えなくてはならないので、位置比較器２５の出力信号（１）の位相状態をＰｏｓｉｔｉｏｎ信号の微分となる余弦波、つまり９０°の位相関係になるようにする必要がある。この調整が移相回路２６によって行われる（図３（ｄ））。
【００５８】
移相回路２６によって位相調整された後の差分信号は、絶対値回路２８を通って全波整流された後、Ｃｏｎｔｒｏｌ信号としてＶＣＯ２９へ供給される（図３（ｅ））。
以上のようにして、ＶＣＯ２９からは共振スキャナ２１の速度変化に対応したＳＣＬＫが出力される（図３（ｇ））。
【００５９】
なお、比較器２７では移相回路２６から出力された差分信号のゼロクロス点を検出することでＣＹＣＬＥ信号を生成している（図３（ｆ））が、Ｐｏｓｉｔｉｏｎ信号の振幅がＡＧＣ回路２４によって常に所定の大きさとなるように制御されているため差分信号の振幅も一定振幅となるので、この差分信号がゼロクロス点を横切るときの傾きがズームによって変化することはなく、従ってＣＹＣＬＥ信号に位相ずれは生じない。
【００６０】
次に、Ｆ．Ｂ．Ｐｏｓｉｔｉｏｎ信号の生成過程を説明する。
前述したように、カウンタ３０は与えられた走査半周期分のクロック数カウント毎にそのアップダウンが入れ替わっている。仮にＶＣＯ２９へ入力されるＣｏｎｔｒｏｌ信号がレベル変化のない直流であったとすると、ＶＣＯ２９はある一定周波数のクロックを出力する。このとき、カウンタ３０のカウント値の進み方は時間的に一定であり、所定数のカウントの度にアップダウンが入れ替わるので、Ｄ／Ａコンバータ３４の出力波形は三角波となる（図４（ａ））。つまり、ＶＣＯ２９とカウンタ３０の組み合わせによってＶＣＯ２９へのＣｏｎｔｒｏｌ信号を積分する効果を持っている。
【００６１】
従って、図２に示した場合のように、Ｃｏｎｔｒｏｌ信号として余弦波状の信号が入力されるとＶＣＯ２９の出力のＳＣＬＫは粗密波となり、カウンタ３０のカウント値の進み方、即ちＤ／Ａコンバータ３４の出力波形は時間的に正弦波状に変動するものとなる（図４（ｂ））。
【００６２】
ここで、一例として、図５に示すように画像の有効期間ＮＥＮを１０２４画素とし、走査に対する画像化効率を８８％とすると、共振スキャナ２１の半周期に対する全クロック数は１１６４、前側無効期間ＮＬ は７０画索、後側無効期間ＮＴ （＝ＮＬ ）は７０画素となる。これらの値を図示していない入力部により同期回路３１へ設定したときには、同期回路３１はＶＣＯ２９によって得られたＳＣＬＫを上記の所定数だけ計数し、「０」と「１１６４」でＵ／Ｄ信号を切り換え、「７０」から「１０９３」の期間にＤＥ信号を出力するように構成する。
【００６３】
つまり、このカウンタ３０のカウント値は走査範囲及び画面内の画素位置にそのまま対応しているので、Ｆ．Ｂ．Ｐｏｓｉｔｉｏｎ信号の電圧値は共振スキャナ２１のＰｏｓｉｔｉｏｎ信号と同じく画面内の位置を表しており、ＶＣＯ２９がそれまで出力してきたＳＣＬＫの周波数変化によって描かれている。
【００６４】
この信号が位置比較器２５の入力に帰還されているので、共振スキャナ２１のミラー位置変化に常に追従するようにＶＣＯ２９へのＣｏｎｔｒｏｌ信号が与えられていることになり、その結果ＶＣＯ２９は各画素位置間でのＳＣＬＫの周波数変化度を逐次補正しながら動作していることとなるので、画像歪みのないサンプリングクロックが生成されるのである。
【００６５】
なお、前述した往復サンプリングを行う場合であっても、同じカウント値を通過するときは走査に対して同じ位置を示していることとなるから、アップカウント時とダウンカウント時とにおいて同一の画素位置でＤＥ信号を生成すればよく、サンプリング位置のずれが生じることはない。
【００６６】
但し、このままでは、Ｐｏｓｉｔｉｏｎ信号への追従性は保証されるものの、ＶＣＯ２９へのＣｏｎｔｒｏｌ信号の電圧値と出力されるＳＣＬＫの実際の周波数との対応が決まらない。つまり、共振スキャナ２１の走査の各半周期内にちょうど上述の「１１６４」の全クロック数が出力されることを保証する必要がある。また、カウント値「０」及び「１１６４」の点では速度が０でなくてはならないので、Ｃｏｎｔｒｏｌ信号のゼロ点、つまり前述したＣＹＣＬＥ信号とＵ／Ｄ信号との変化点が合致していなくてはならない。そのためには、Ｃｏｎｔｒｏｌ信号に対するＶＣＯ２９の感度を調節して、ＣＹＣＬＥ信号とＵ／Ｄ信号の位相を合わせてやればよい。この様子について図６を用いて説明する。
【００６７】
位相比較器３２はＣＹＣＬＥ信号（図６（ｂ））とＵ／Ｄ信号（図６（ｃ））とを位相比較し、その差に応じた誤差信号を出力する（図６（ｄ））。出力された誤差信号をＬＰＦ３３に通して平滑化することでＦＲＣ信号（図６（ｅ））が得られ、このＦＲＣ信号でＶＣＯ２９の感度の調節を行う。
【００６８】
ＶＣＯ２９の感度が変わるということは、同じＣｏｎｔｒｏｌ信号電圧範囲に対する出力周波数範囲が変化するということになる。ＶＣＯ２９ではＣｏｎｔｒｏｌ信号の形状に応じてＳＣＬＫの周波数が上昇及び下降する。ＶＣＯ２９の感度が高めであって且つＣｏｎｔｒｏｌ信号の電圧差に対する周波数変化範囲が大きく与えられているときにはＳＣＬＫの周波数は高めとなり、共振スキャナ２１の走査半周期に対し前述の１１６４個のＳＣＬＫ計数時間、つまりＵ／Ｄ信号の位相を速くさせるように制御がされる。逆に、ＶＣＯ２９の感度が低めであって且つＣｏｎｔｒｏｌ信号の電圧差に対する周波数変化範囲が小さく与えられているときにはＳＣＬＫの周波数が低めとなり、前述の１１６４個のＳＣＬＫ計数時間、つまりＵ／Ｄ信号の位相を遅くさせるように制御がされる。位相比較器３２は、このＣｏｎｔｒｏｌ信号（ＣＹＣＬＥ信号）とＵ／Ｄ信号とのずれがなくなるようにＦＲＣ信号を常に制御する。
【００６９】
こうすることにより、共振スキャナ２１の各半周期に対しＣｏｎｔｒｏｌ信号の形状に応じて加減速する１１６４個のＳＣＬＫが出る時間が一致するように、ＶＣＯ２９へ与えられるＦＲＣ信号のレベルが調整されることになる。最終的にはＶＣＯ２９の出力であるＳＣＬＫは共振スキャナ２１の速度変化を反映した周波数変化を伴うクロックとなり、ミラー位置の変化量が等間隔となる位置及び時間でサンプリングクロックが発生することになる。
【００７０】
なお、ＶＣＯ２９へのＣｏｎｔｒｏｌ信号にノイズが混入した場合、それはＳＣＬＫの発生タイミングが変化することを意味するのでＦ．Ｂ．Ｐｏｓｉｔｉｏｎ信号の波形に変化が現れる。この変化が現れると位置比較器２５の働きによって位置の差分信号が直ちに変化し、後に続くＳＣＬＫのタイミングを微調整する帰還動作がかかる。これは共振スキャナ２１の走査の半周期よりもずっと短い時間内で起こるので、ノイズの混入した画素付近が影響されるだけで済む。つまり、周期管理しか行われないときのようなエラーが継続的に保持されることによる半周期毎のＵ／Ｄ信号切り換えタイミングずれは起き難くなり、位相比較器３２による複数走査周期にまたがる補正動作を誘発する可能性も低減する。
【００７１】
このように、速度ループと位置ループを併せ持つことでより安定で確実なサンプリングクロックを発生させることができる。
以上に説明したように、ＶＣＯ２９で生成されるＳＣＬＫの周波数変化を、共振スキャナ２１の位置信号とＳＣＬＫを使って内部で再生した位置信号との偏差を基準にして生じさせるようにしたので、各画素間での走査速度の変化が直接反映されるようになり、サンプリング位置ずれが起きなくなる。
【００７２】
また、位相比較の基準になるＣＹＣＬＥ信号を、ズームを行っても共振スキャナ２１の動作との位相ずれが生じないようにしたので、ズームに関わらず常に安定したサンプリングクロックが得られる。さらに、ＶＣＯ２９へのＣｏｎｔｒｏｌ信号にノイズが混入しても再生位置信号に変化が現れるので直ちに帰還がかかり、耐性が向上する。
【００７３】
なお、ここでは往復サンプリングの例で説明したが、同期回路３１における有効画素期間信号の半周期側をマスクする、あるいは絶対値回路２８において半波整流を行うと共にカウンタ３０の動作を変更する等によって片側サンプリングを行うようにすることももちろん可能であり、さらに画像期間、有効画素数も変更可能である。
【００７４】
また、図２に示すサンプリングクロック発生装置において、移相回路２６を位置比較器２５の出力に挿入する代わりに、位置比較器２５のＦ．Ｂ．Ｐｏｓｉｔｉｏｎ信号の入力側に挿入するようにしてもこの装置に所望の動作を行わせることは可能であり、更には、移相回路２６を削除すると共に移相回路２６に本来行わせるべき位相の調整を移相回路２３に行わせるようにしてもこの装置に所望の動作を行わせることは可能である。なお、このような回路の変形は、後述する実施例２及び実施例３においても適用可能である。
【００７５】
また、ＶＣＯ２９へのＣｏｎｔｒｏｌ信号の電圧値と出力されるＳＣＬＫの実際の周波数との対応が予め保証されているのであれば、図２においてＦＲＣ信号を生成するための回路である、比較器２７、位相比較器３２及びＬＰＦ３３を削除しても所望のクロックを得ることができる。
＜実施例２＞
図７は本発明を実施するサンプリングクロック発生装置の第二の例の構成を示している。図７において、図２に示した第一の例と同様の機能を有している構成要素には同一の符号を付している。
【００７６】
以下、図７のうち、図２に示した構成と異なっている部分について説明する。
図７において、駆動回路２２は、図２におけるものと同様に、共振スキャナ２１に内蔵されている速度ピックアップコイルによるミラーの速度信号に基づいて自励発振を行い、フィードバック制御でその駆動振幅の制御を行うものであるが、更に共振スキャナ２１の振動の速度を示している速度信号を出力する機能を有している。
【００７７】
積分器４０は共振スキャナ２１のミラーの位置（状態）の検出を行うものであり、駆動回路２２から出力される共振スキャナ２１の速度信号を積分することによってそのミラーの位置を示す信号を生成して出力する。この信号は共振スキャナ２１のミラー位置に対応した正弦波状の信号（ミラー位置信号）であり、移相回路２３に入力される。
【００７８】
また、絶対値回路２８とＶＣＯ２９の間には可変ゲイン回路４１が挿入されており、ＬＰＦ３３の出力がゲイン制御信号（ｇａｉｎ）として与えられている。
以上のような図７の構成においては、共振スキャナ２１と駆動回路２２との自励発振によって正弦波状の速度信号が駆動回路２２から出力されると、積分器４０がこれを積分することによって共振スキャナ２１のミラー位置信号を生成する。こうして得られたミラー位置信号が移相回路２３に入力されると、前述した実施例１と同様の動作が図７に示す残りの構成要素において行われ、その結果、ＳＣＬＫがＶＣＯ２９から出力される。
【００７９】
なお、図７に示す構成では、ＶＣＯ２９へ印加されるＣｏｎｔｒｏｌ信号の電圧値とその電圧値に応じて生成されるＳＣＬＫの実際の周波数との対応を次のようにして取っている。すなわち、比較器２７からのＣＹＣＬＥ信号と同期回路３１からのＵ／Ｄ信号との位相差を位相比較器３２が検出するとその検出結果を示す信号が出力される。この信号はＬＰＦ３３を通過させることによってｇａｉｎ信号となる。可変ゲイン回路４１がこのｇａｉｎ信号を受け取ると、ＶＣＯ２９に与えられるＣｏｎｔｒｏｌ信号の振幅を調整する。これによってＶＣＯ２９から出力されるＳＣＬＫの周波数範囲が変更され、結果としてＣＹＣＬＥ信号とＵ／Ｄ信号の位相が合致した状態で安定するように動作する。
＜実施例３＞
図８は本発明を実施するサンプリングクロック発生装置の第三の例の構成を示している。図８において、図２に示した第一の例と同様の機能を有している構成要素には同一の符号を付している。なお、図８においては、ミラー位置信号（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ）を生成するための構成を示していないが、この構成は図２に示した第一の例におけるものでも図７に示した第二の例におけるものでもどちらでもよい。
【００８０】
以下、図８のうち、図２に示した構成と異なっている部分について説明すると、図８においては、ＬＰＦ３３の出力がＤ／Ａコンバータ３４のリファレンス端子へと導かれている部分が異なっている。
図８に示す構成においては、ＶＣＯ２９へ印加されるＣｏｎｔｒｏｌ信号の電圧値とその電圧値に応じて出力されるＳＣＬＫの実際の周波数との対応を次のようにして取っている。すなわち、比較器２７から出力されるＣＹＣＬＥ信号と同期回路３１から出力されるＵ／Ｄ信号との位相差を位相比較器３２が検出するとその検出結果を示す信号が出力される。この信号はＬＰＦ３３を通過させることによってＶＲＥＦ信号となる。Ｄ／Ａコンバータ３４はこのＶＲＥＦ信号を受け取るとその出力振幅を変更してＦ．Ｂ．Ｐｏｓｉｔｉｏｎ信号の振幅の大きさを変化させる。その結果、位置比較器２５での出力である差分信号の振幅が変化する。これはＣｏｎｔｒｏｌ信号の振幅が変化していることなので、前述した実施例２と同様に、ＶＣＯ２９から出力されるＳＣＬＫの周波数範囲が変更され、結果としてＣＹＣＬＥ信号とＵ／Ｄ信号の位相が合致した状態で安定するように動作する。
【００８１】
但し、位置比較器２５の出力で振幅が変化するとＣＹＣＬＥ信号の位相ずれに影響するが、ここでの補正量は走査半周期でのクロック数の補正レベルであるので、ずれが生じるようなことにはならない。
その他、本発明は、上述した実施形態に限定されることなく、種々の改良・変更が可能である。例えば、以上までに説明したもの以外にも、共振スキャナ２１の位置信号が得られるような手段を講じ、その結果として得られた位置信号を移相回路２３に入力すれば所望の動作が得られるので、位置信号の生成は別の方法で代替してもよい。また、それら複数の手段を選択できるような回路を設けてもよい。さらに、速度ループの調整方法についてもＶＣＯ２９の出力周波数範囲が変化し、同期回路３１でのＵ／Ｄ信号がＣＹＣＬＥ信号に合致するような制御であれば、他の方法でも構わない。
【００８２】
また、本発明のサンプリングクロック発生装置内のＶＣＯ制御信号（Ｃｏｎｔｒｏｌ）は、試料からの反射光・蛍光・透過光の光量測定を実施する場合にも有用である。試料上のレーザ光の移動は正弦波的な動きをしており、単位時間当たりの移動量が場所によって異なっている。すなわち、走査範囲内でピクセル毎のレーザ照射エネルギーが異なってしまうので、光量測定における条件が位置により変わってしまう。この問題は、サンプリングパルスを生成するＶＣＯ制御信号でレーザ照射パワーに変調をかけることで解決できる。つまり、速度の遅い走査両端ではパワーを弱くし、速度の速い走査中央ではパワーを強くすることでピクセル毎のレーザ照射エネルギーが等しくなるので、試料からの反射光・蛍光・透過光の正確な光量測定が実現できる。
【００８３】
【発明の効果】
以上詳述したように、試料に対して光を走査して得られる反射光、蛍光、若しくは透過光のサンプリングを行うためのクロックを本発明に係る装置若しくは方法により得るようにすることにより、走査を行う手段の動作パターンに常に追従しサンプリング位置のずれが生じなくなり、ノイズに対する耐性が向上し、走査を行う手段における光学ズーム等に起因する位相ずれが起きなくなる等の効果が得られる。
【００８４】
また、本発明によれば、当該サンプリングクロックの発生のために必要以上の高速回路は不要となり、スキャナの走査範囲に対して任意の有効画素数を効率的に画像期間に割り当てることができ、サンプリングクロック発生回路に与える位置情報に精度とコストとを考慮した適当な組み合わせが選択できる等の効果も得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施する走査型レーザ顕微鏡の構成を示す図である。
【図２】本発明を実施するサンプリングクロック発生装置の第一の例の構成を示す図である。
【図３】図２に示すサンプリングクロック発生装置の各部の信号波形を示す図である。
【図４】Ｆ．Ｂ．Ｐｏｓｉｔｉｏｎ信号の生成過程を説明する図である。
【図５】走査と画像化期間との対応関係の一例を示す図である。
【図６】ＶＣＯの感度調整を説明する図である。
【図７】本発明を実施するサンプリングクロック発生装置の第二の例の構成を示す図である。
【図８】本発明を実施するサンプリングクロック発生装置の第三の例の構成を示す図である。
【図９】サンプリングクロックのタイミングと走査位置との関係を説明する図である。
【符号の説明】
１ 顕微鏡本体
２ コンピュータ
３ モニタ
４ ２次元走査駆動制御回路
５ ２次元走査機構
６ レーザ光源
７ ミラー
８ ハーフミラー
９ レボルバ
１０ 対物レンズ
１１ 試料
１２ ステージ
１３ レンズ
１４ ピンホール板
１５ 光検出器
１６ Ｚ軸移動制御回路
１７ 顕微鏡入出力回路
１８ 制御回路
１９ 画像入力回路
２１ 共振スキャナ
２２ 駆動回路
２３ 移相回路
２４ ＡＧＣ回路
２５ 位置比較器
２６ 移相回路
２７ 比較器
２８ 絶対値回路
２９ ＶＣＯ
３０ カウンタ
３１ 同期回路
３２ 位相比較器
３３ ＬＰＦ
３４ Ｄ／Ａ
３５ レベルシフト回路
３６ 光源
３７ 位置検出素子
３８ アンプ
４０ 積分器
４１ 可変ゲイン回路
Claims (13)
- 試料に対して光を走査して得られる反射光、蛍光、若しくは透過光のサンプリングを行うためのクロックを発生させる装置であって、
前記光の走査において該光が照射している位置を示す信号である位置信号を取得する位置信号取得手段と、
前記位置信号に追従させる信号であって位置を示すものである追従位置信号を生成する追従位置信号生成手段と、
前記位置信号と前記追従位置信号との偏差に対応する信号である偏差信号を生成する偏差信号生成手段と、
前記偏差信号に基づいた周波数の信号を発振させ、該信号をサンプリングクロックとして出力する周波数可変発振手段と、
を有し、
前記追従位置信号生成手段は、前記周波数可変発振手段により出力されたサンプリングクロックに基づいて前記追従位置信号を生成する、
ことを特徴とするサンプリングクロック発生装置。 - 前記位置信号生成手段は、前記光を反射若しくは屈折させる光学素子であって前記試料に対して該光の走査を行わせるために振動させる該光学素子の状態を示す情報より前記位置信号を生成することを特徴とする請求項１に記載のサンプリングクロック発生装置。
- 前記位置信号生成手段は、前記光学素子に入射させた光が該光学素子で反射して照射された位置を示す情報より前記位置信号を生成することを特徴とする請求項２に記載のサンプリングクロック発生装置。
- 前記周波数可変発振手段は、
前記偏差信号の位相を所定のものへと変化させる第一の移相手段と、
前記第一の移相手段によって位相が変化した偏差信号についての絶対値を示す信号を生成して出力する絶対値信号生成手段と、
前記絶対値信号生成手段から出力された信号の電圧値に基づいた周波数の信号を発振させる電圧制御発振手段と、
を有することを特徴とする請求項１に記載のサンプリングクロック発生装置。 - 前記追従位置信号生成手段は、
前記サンプリングクロックのクロックの数を計数する計数手段と、
前記計数手段によって計数されたクロックの数に対応した信号を前記追従位置信号として生成する信号生成手段と、
を有することを特徴とする請求項１に記載のサンプリングクロック発生装置。 - 前記試料に対する光の走査では往復の走査が行われ、
前記計数手段は、前記往復の走査における一方の方向の走査において昇順の計数が行われ、該往復の走査における他方の方向の走査において降順の計数が行われる、
ことを特徴とする請求項５に記載のサンプリングクロック発生装置。 - 前記サンプリングクロックに同期している同期信号であって、該サンプリングクロックに従って行われた前記サンプリングのうちから前記試料における所定の範囲への前記光の照射に基づいて得られたものを識別する該同期信号を生成する同期信号生成手段を更に有することを特徴とする請求項１に記載のサンプリングクロック発生装置。
- 前記位置信号の位相を調整して、前記走査における前記試料への前記光の照射から前記サンプリングクロックの発生までの間の時間遅延を吸収する第二の移相手段を更に有することを特徴とする請求項１に記載のサンプリングクロック発生装置。
- 前記位置信号取得手段によって取得された位置信号の振幅を所定の大きさに調整する振幅調整手段を更に有することを特徴とする請求項１に記載のサンプリングクロック発生装置。
- 前記偏差信号と前記追従位置信号との位相を比較する位相比較手段を更に有し、
前記周波数可変発振手段は、前記偏差信号と該周波数可変発振手段によって発振させる信号の周波数との対応関係を、前記位相比較手段による比較結果に基づいて変化させる、
ことを特徴とする請求項１に記載のサンプリングクロック発生装置。 - 試料に対して光を走査して得られる反射光、蛍光、若しくは透過光のサンプリングを行うためのクロックを発生させる方法であって、
前記光の走査において該光が照射している位置を示す信号である位置信号を取得し、
前記位置信号に追従させる信号であって位置を示すものである追従位置信号を生成し、
前記位置信号と前記追従位置信号との偏差に対応する信号である偏差信号を生成し、
前記偏差信号に基づいた周波数の信号を発振させ、該信号をサンプリングクロックとして出力し、
前記追従位置信号は、前記サンプリングクロックに基づいて生成される、
ことを特徴とするサンプリングクロック発生方法。 - 前記位置信号は、前記光を反射若しくは屈折させる光学素子であって前記試料に対して該光の走査を行わせるために振動させる該光学素子の状態を示す情報より生成されることを特徴とする請求項１１に記載のサンプリングクロック発生方法。
- 前記偏差信号に基づいた周波数の信号を発振させるために、
前記偏差信号の位相を所定のものへと変化させ、
位相を変化させた前記偏差信号についての絶対値を示す信号を生成し、
生成された前記絶対値を示す信号の電圧値に基づいた周波数の信号を発振させる、
ことを特徴とする請求項１１に記載のサンプリングクロック発生方法。
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