JP2006292782A

JP2006292782A - 外部レーザ導入装置

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Publication number: JP2006292782A
Application number: JP2005108992A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Hayashi; 林　　真市
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2005-04-05
Filing date: 2005-04-05
Publication date: 2006-10-26
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Abstract

【課題】光学機器に導入するレーザ光の光軸合せを、簡単でしかも短時間で行うことのできる外部レーザ導入装置を提供する。
【解決手段】光学機器１１０の外部から内部へレーザ光１０１を導入し、前記光学機器１１０内部の集光レンズ１１５によってターゲット１１３に前記レーザ光１０１を集光させる、外部レーザ導入装置１２０において、前記集光レンズ１１５の入射瞳１１２を前記光学機器１１０外部の外部瞳１３３に投影させるための瞳投影光学系１２３と、前記外部瞳１３３の光軸に前記レーザ光１０１の光軸を略一致させるための光軸合せ機構１２４とを含む。
【選択図】図１ａ

Description

本発明は、光学機器の外部部から導入するレーザ光の光軸調整を行うための外部レーザ導入装置に関するものである。

近年、レーザ光源の高性能化、低価格化に伴って、レーザ光を用いた光学機器が増えている。例えば、半導体製造装置の分野においては、半導体の集積度を高めるために、エキシマレーザからの紫外域のレーザ光を用いた加工法が一般的である。また、顕微鏡の分野においては、レーザの持つコヒーレント性、単色性を利用することにより、従来の白色光照明の場合よりも、高分解能で高コントラストな画像が得られることから、走査型レーザ顕微鏡の普及が進んでいる。

これらの光学機器にレーザ光源を組合わせて使用する場合は、レーザ光源からのレーザ光を光学機器の光軸に合わせる光軸合せが可能な、外部レーザ導入装置が必要となる。特に、レーザ光源が大きい場合や発振条件が非常にデリケートな場合など、レーザ光源本体を動かすことによるアライメントができない場合においては、外部レーザ導入装置内部において、光軸合せができなければならない。

例えば、特許文献１においては、図２ａに示すように、エキシマレーザ光源２００と投影露光装置２１０の間に配置された、第一の可動ミラー２２１と第二の可動ミラー２２２の組合せにより構成された外部レーザ導入装置２２０が開示されている。この従来例においては投影露光装置２１０の内部に、第一のハーフミラー２３１と第二のハーフミラー２３２と光位置検出器２３３とからなるレーザ位置モニタ２３０がある。このレーザ位置モニタ２３０を用いてエキシマレーザ光源２００から発したレーザ光２０１が投影露光装置２１０の光軸２１１と一致するように、第一の可動ミラー２２１と第二の可動ミラー２２２の角度を調節することにより、レーザ光２０１の光軸合せを行う。

また、特許文献２においては、図３に示すように、光学機器の光軸３１１上に配置された、可動式レンズ３２１と固定式レンズ３２２と可動式平行平面板３２３とを組み合わせた外部レーザ導入装置３２０が開示されている。この従来例においては、可動式レンズ３２１と固定式レンズ３２２の間に設けられた第一のビームスプリッタ３３１と第二のビームスプリッタ３３２と第一の光位置検出器３３３と第二の光位置検出器３３４とレンズ駆動回路３３５からなるレーザ光平行化制御装置３３０が、可動式レンズ３２１を光軸３１１沿いに移動させることにより、レーザ光３０１を固定式レンズ３２２の前側焦点位置に集光させる作用を行い、固定式レンズ３２２がレーザ光３０１を光軸３１１と平行に射出させる作用を行い、固定式レンズ３２２の後方に設けられた第三のビームスプリッタ３３７と第三の光位置検出器３３８と平行平面板駆動回路３３９からなるレーザ光位置制御装置３３６が、可動式平行平面板３２３の光軸３１１に対する傾きを調整することにより、外部レーザ導入装置３２０から射出されるレーザ光３０１を光軸３１１に一致させる作用を行う。

また、外部レーザ導入装置には、レーザの焦点位置合せの機能が要求される場合がある。特許文献３においては、図４ａに示すように、レーザ光源４００と、第一のビームエキスパンダ４０２と、顕微鏡本体４１０と、焦点位置制御光学系４２０と、共焦点検出器４３０から構成されているレーザ走査顕微鏡が開示されている。顕微鏡本体４１０内には、標本４１３を拡大観察するための対物レンズ４１５と、ガルバノミラー４１２と、対物レンズ４１５の入射瞳位置とガルバノミラー４１２を共役関係に接続しかつレーザ光４０１のビーム径を対物レンズ４１５の入射瞳径に適合させるための第二のビームエキスパンダ４１４が配置されている。光軸４１１沿いに入射したレーザ光４０１は、ガルバノミラー４１２で反射して第二のビームエキスパンダ４１４を通過したのち対物レンズ４１５の瞳位置に入射し、標本４１３上に集光する。ガルバノミラー４１２の角度を振動させることにより、標本４１３上に集光したレーザ光４０１の位置が走査される。標本４１３内でのレーザ光４０１の集光位置で発生した反射光または散乱光または発光は、レーザ光４０１と同一光路を逆方向に進行し、ビームスプリッタ４３１と共焦点レンズ４３２と共焦点ピンホール４３３と光電子増倍管４３４で構成された共焦点検出器４３０により共焦点画像が検出される。共焦点検出器４３０と顕微鏡本体４１０の間の光路上に配置された焦点位置制御光学系４２０は、固定式凸レンズ４２１と可動式凸レンズ４２２がほぼアフォーカル系を構成している。可動式凸レンズ４２２は光軸に沿って移動可能であり、焦点位置制御光学系４２０を射出するレーザ光４０１の収束・発散性を変化させることにより、標本４１３内でのレーザ光４０１の集光する高さを変え、焦点位置合せを行う。この焦点位置制御光学系４２０も、外部レーザ導入装置の一種である。

また、例えば特許文献４に開示されているような、複数のレーザ光源を持つレーザ顕微鏡においては、レーザ光源の切り替え時や同時に使用する場合において、標本上に集光する複数のレーザ光源からのレーザ光が、一点に重なって集光されることが要求される。この場合は、ある基準となるレーザ光源の集光位置を基準にして、他のレーザ光源のレーザ光の光軸合せと同時に焦点位置合せも自由にできなければならない。
特開平５−２１７８４４号公報特開平５−６２２１０号公報特開２００４−３１７６７６号公報特開２００３−５７５５４号公報

ところで、従来の外部レーザ導入装置においては、以下に述べる不都合が存在する。すなわち、レーザ光を光軸に一致させるためには、光学機器内のある基準点においてレーザ光を光軸と一致させると共に、その基準点におけるレーザ光の射出方向を光軸と平行にする必要がある。ところが、従来の外部レーザ導入装置においては、ある基準点におけるレーザ光の射出角度を変化させると、同時にそこにおけるレーザ光の射出位置も変化してしまうので、基準点における位置と射出方向を同時に合わせることは、困難でかつ時間がかかる。

例えば、上述の特許文献１の例においては、レーザ位置モニタ２３０の光位置検出器２３３が上述の基準点に対応する。また、この基準点におけるレーザの射出方向は、レーザ位置モニタ２３０の第二のハーフミラー２３２により正反射されて生じるレーザ光２０１の戻り光を、エキシマレーザ光源の入射口付近でレーザ光２０１に重なるようにして合わせる。しかし、外部レーザ導入装置２２０の第一の可動ミラー２２１および第二の可動ミラー２２２のどちらを動かしても、光位置検出器２３３におけるレーザ光２０１の位置と角度両方が動いてしまうので、光軸合せには第一の可動ミラー２２１と第二の可動ミラー２２２を交互に何回も調整する必要がある。

その具体的手順は、図２ｂに示すように、まず第一の可動ミラー２２１を、レーザ光２０１が第二の可動ミラー２２２の中心に当たるように調整し（ステップ２５２）、次に第二の可動ミラー２２２を、レーザ光２０１が光位置検出器２３３の中心に当たるように調整し（ステップ２５３）、次にエキシマレーザ光源２００の射出口付近に紙をかざし、レーザ位置モニタ２３０の第二のハーフミラー２３２により正反射した戻り光の位置を見て（ステップ２５４）、戻り光がレーザ光２０１と同軸であるか確認し（ステップ２５５）する。ここで、戻り光がレーザ光２０１と同軸でなければ、第一の可動ミラー２２１を、戻り光がレーザ光２０１と重なるように調整し（ステップ２５６）、ステップ２５３からの手順を繰り返す。このように、従来の光軸合せには、困難でかつ時間がかかるという不具合が存在する。

また、上述の特許文献２の例においては、外部レーザ導入装置３２０の光軸と光軸３１１が一致していることが大前提である。しかし、目に見えない光軸同士を一致させることは非常に困難である。一般的には、光学機器の光軸３１１に沿ったアライメント用レーザ光を導入し、そのアライメント用レーザ光を用いて外部レーザ導入装置３２０の光軸を光軸３１１に合わせる作業が必要となる。しかし、そのアライメント用レーザ光を光学機器の光軸３１１に一致させる作業は、上述の通り困難でかつ時間がかかるという不具合が存在する。

また、上述の特許文献３の例においては、焦点位置制御光学系を用いて実際に変化させることのできる焦点位置の範囲は非常に限られたものになるという不具合が存在する。このことを、図４ｂ〜ｄを用いて説明する。焦点位置制御光学系の可動式凸レンズ４２２は、初期状態において、図４ｂに示すように焦点位置制御光学系から射出するレーザ光４０１が平行ビームとなるように設定されていて、このとき顕微鏡本体のガルバノミラー４１２上には、適切なビーム径が入射するようになっている。しかし、市販のレーザ顕微鏡においては、レーザ光の入射ポートからガルバノミラーまでの距離が長く、標本上の焦点位置を上方に移動させるために、可動式凸レンズ４２２を光軸に沿って固定式凸レンズ４２１から離れる方向に移動させると、外部レーザ導入装置から射出されるレーザ光４０１は収束光となり、ガルバノミラー４１２上のレーザ光径は適切な値よりも小さくなり、従って対物レンズの入射瞳位置においてレーザ光４０１が瞳径を満たさなくなるために、得られる共焦点画像の分解能が劣化してしまう。また、標本上の焦点位置を下方に移動させるために可動式凸レンズ４２２を光軸に沿って固定式凸レンズ４２１に近づく方向に移動されると、焦点位置制御光学系より射出されるレーザ光４０１は発散光となり、ガルバノミラー４１２上のレーザ光４０１が適切な値よりも大きくなり、従ってガルバノミラー４１２または対物レンズの入射瞳においてレーザ光４０１の一部がけられ、光量が低下してしまう。たとえば、レーザの波長が４８８ｎｍで、焦点位置制御光学系より射出されるレーザ光４０１のビーム径が直径３ｍｍ、焦点位置制御光学系からガルバノミラー４１２までの距離が１ｍあり、ガルバノミラー４１２上でのレーザ光４０１のビーム径の変化の許容範囲が±１０％である場合、簡単な計算により、焦点位置の移動距離は焦点深度程度に限られることが分かる。つまり、実質的に、ほとんど焦点位置を動かすことができないという問題が存在する。

上述の特許文献４の例においては、顕微鏡本体に軸上色収差が強く存在するときなどにおいては、波長の異なるレーザ光を全て平行光で入射させたのでは焦点位置がずれてしまうので、それを補正するように各レーザ光源毎に焦点位置合せを行わなければならないが、これも上述の通り非常に困難を極める。

そこで、本発明は、以上にような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、光学機器に導入するレーザ光の光軸合せを、簡単でしかも短時間で行うことのできる外部レーザ導入装置を提供することにある。

さらに、本発明のもうひとつの目的は、複数のレーザ光源からのレーザ光を一点に集光できるように、焦点位置合わせの調整範囲が非常に広い外部レーザ導入装置を提供することにある。

本発明の請求項１に係る外部レーザ導入装置は、光学機器の外部から内部へレーザ光を導入し、前記光学機器内部の集光レンズによってターゲットに前記レーザ光を集光させるための外部レーザ導入装置において、前記集光レンズの入射瞳を前記光学機器外部の外部瞳に投影させるための瞳投影光学系と、前記外部瞳の光軸に前記レーザ光の光軸を略一致させるための光軸合せ機構を具備することを特徴とするものである。

請求項２に係る外部レーザ導入装置は、前記光軸合せ機構は、前記外部瞳の中心に前記レーザ光の光軸位置を略一致させるための光軸位置合せ機構と、前記光軸位置合せ機構により前記レーザ光の光軸位置を前記外部瞳の中心に略一致させた後に、前記外部瞳の光軸と前記レーザ光の光軸の角度を略一致させるための、光軸角度合せ機構とを具備することを特徴とするものである。

請求項３に係る外部レーザ導入装置は、前記外部瞳位置における前記レーザ光の波面曲率を調整するための波面曲率調整機構を具備することを特徴とするものである。

請求項４に係る外部レーザ導入装置は、光学機器の外部から内部へレーザ光を導入し、前記光学機器内部の集光レンズによってターゲットに前記レーザ光を集光させるための外部レーザ導入装置において、前記集光レンズの入射瞳を前記光学機器外部の外部瞳に投影させるための瞳投影光学系と、前記外部瞳位置における前記レーザ光の波面曲率を調整するための波面曲率調整機構とを具備することを特徴とするものである。

本発明においては、光学機器に導入するレーザ光の光軸合せを、簡単でしかも短時間で行うことができる。または、焦点位置合わせの調整範囲を非常に広くとることができる。

まず、上記の目的を達成することができる外部レーザ導入装置の実施形態と、そのそれぞれの作用効果について説明する。

本発明の外部レーザ導入装置は、図１ａにその構成を示すように、光学機器１１０の外部から内部へレーザ光１０１を導入し、前記光学機器１１０内部の集光レンズ１１５によってターゲット１１３に前記レーザ光１０１を集光させる、外部レーザ導入装置１２０において、前記集光レンズ１１５の入射瞳１１２を前記光学機器１１０外部の外部瞳１３３に投影させるための瞳投影光学系１２３と、前記外部瞳１３３の光軸に前記レーザ光１０１の光軸を略一致させるための光軸合せ機構１２４とを含むことを特徴とする。

本発明においては、光学機器１１０内の集光レンズ１１５の入射瞳１１２を、瞳投影光学系１２３により、光学機器１１０の外部の外部瞳１３３に投影した。このことより、入射瞳１１２におけるレーザ光１０１の位置と角度の調整を、外部瞳１３３においてもできるため、レーザ光１０１の光軸調整が、従来に比較して極めて簡単にできるようになる。

なお、ここでは瞳投影光学系が、光学機器の内部の入射瞳を外部の外部瞳に投影するという記述をしているが、外部瞳を光学機器の内部の入射瞳に投影するという表現でも、実際の意味していることに変わりがないということは言うまでもない。

この発明の好適一実施形態においては、前記光軸合せ機構１２４は、前記外部瞳１３３の中心に前記レーザ光１０１の光軸位置を略一致させるための光軸位置合せ機構１２１と、前記光軸位置合せ機構１２１により、前記レーザ光１０１の光軸位置を前記外部瞳１３３の中心に略一致させた後に、前記外部瞳１３３の光軸と前記レーザ光１０１の光軸の角度を略一致させるための、光軸角度合せ機構１２２とを含むことを特徴とする。

本実施形態においては、光軸位置合せ機構１２１により、レーザ光１０１の光軸位置を外部瞳１３３の中心に略一致させた後に、外部瞳１３３の光軸とレーザ光１０１の光軸の角度を略一致させるようにしたため、光軸合せが非常に簡単に行える。その手順を図１ｂに示すと、初期状態において光学機器１１０の光軸１１１と、位置も角度も異なる光軸を持つレーザ光源１００のレーザ光１０１に対し、まず光軸位置合せ機構１２１により、レーザ光１０１が外部瞳１３３の中心から光学機器１１０に向かって射出されるように光軸位置を調整し（ステップ１５２）、次に光軸角度合せ機構１２２により、レーザ光１０１が外部瞳１３３の中心から射出する状態を保ったまま、光学機器１１０の光軸１１１と平行になるように光軸角度を調整する（ステップ１５３）ことにより、光学機器１１０の光軸１１１に対するレーザ光１０１の光軸合せが完了する。例えば、レーザ顕微鏡の場合においては、まず対物レンズの入射瞳の中心にレーザ光が入射するように、光軸位置合せ機構を用いて光軸位置を調整し、次に標本上の希望の位置にレーザ光が集光するように、光軸角度合せ機構を用いて光軸角度を調整すると良い。このように、本実施形態においては、例えば二つのミラーの角度調整を繰り返すなどの、光軸調整に対する従来のような煩わしさがない。従って、本発明を用いれば、従来は困難でかつ時間がかかっていたレーザの光軸合せを、非常に簡単で迅速に行うことが可能である。

この発明の好適一実施形態においては、前記外部瞳位置における、前記レーザ光の波面曲率を調整するための、波面曲率調整機構を含むことを特徴とする。

本実施形態においては、光学機器の外部の外部瞳位置において、レーザ光の波面曲率を調整できるようにした。外部瞳位置においては、レーザ光の光軸を変化させず、またレーザ光のビーム径も大きく変化させないで、波面曲率を大きく変えることは容易に行える。したがって、外部瞳の投影である入射瞳においても、レーザ光の光軸が変化せず、またレーザ光のビーム径が大きく変化しないようにして、波面曲率の調整を広範囲に行うことが可能となり、ターゲット内集光位置の調整の範囲を大きくとることができる。

この発明の好適一実施形態においては、複数のレーザ光それぞれの光軸を前記外部瞳の光軸に略一致させるための、複数の光軸合せ機構と、前記複数のレーザ光を合成して前記入射瞳に導入するための、ビームコンバイナとを含むことを特徴とする。

本実施形態においては、複数のレーザ光それぞれに対し、外部瞳における光軸合せを独立に行うことができるので、複数のレーザ光の光軸を光学機器内で一致させることが、極めて簡単にできるようになる。

この発明の好適一実施形態においては、複数のレーザ光それぞれの、前記外部瞳における波面曲率を調整するための、複数の波面曲率調整機構を含むことを特徴とする。

本実施形態においては、複数のレーザ光それぞれに対し、外部瞳における波面曲率を独立に調整できるので、複数のレーザ光の集光位置をターゲット上で一致させることが、極めて簡単にできるようになる。

この発明の好適一実施形態においては、前記外部瞳における前記レーザ光の入射位置を検出するための光軸位置検出装置を含むことを特徴とする。

本実施形態においては、光軸位置検出装置からの出力より、光軸位置合せに必要な調整量を算出することができ、光軸位置合せを迅速に完了させることができる。

この発明の好適一実施形態においては、前記光軸位置検出装置からの出力を用いて前記光軸位置合せ機構を駆動する光軸位置フィードバック装置を含むことを特徴とする。

本実施形態においては、光軸位置フィードバック装置により、動的に光軸位置合せを行うことができるので、環境変化や径時変化あるいは発振条件の変化に伴うレーザ光の光軸位置ずれの発生に対しても、リアルタイムで光軸位置合せを行うことができる。

この発明の好適一実施形態においては、前記外部瞳における前記レーザ光の入射角度を検出するための光軸角度検出装置を含むことを特徴とする。

本実施形態においては、光軸角度検出装置からの出力より、光軸角度合せに必要な調整量を算出することができ、光軸角度合せを迅速に完了させることができる。

この発明の好適一実施形態においては、前記光軸角度検出装置からの出力を用いて前記光軸角度合せ機構を駆動する光軸角度フィードバック装置を含むことを特徴とする。

本実施形態においては、光軸角度フィードバック装置により、動的に光軸角度合せを行うことができるので、環境変化や径時変化あるいは発振条件の変化に伴うレーザ光の光軸角度ずれの発生に対しても、リアルタイムで光軸角度合せを行うことができる。

本発明のもうひとつの外部レーザ導入装置は、光学機器の外部から内部へレーザ光を導入し、前記光学機器内部の集光レンズによってターゲットに前記レーザ光を集光させる、外部レーザ導入装置において、前記集光レンズの入射瞳を前記光学機器外部の外部瞳に投影させるための瞳投影光学系と、前記外部瞳位置における前記レーザ光の波面曲率を調整するための、波面曲率調整機構とを含むことを特徴とする。

本発明においては、光学機器の内部にある集光レンズの入射瞳を、瞳投影光学系により、光学機器の外部の外部瞳に投影し、外部瞳位置においてレーザ光の波面曲率を調整できるようにした。外部瞳位置においては、レーザ光の光軸を変化させず、またレーザ光のビーム径が大きく変化しないように、波面曲率を変えることが容易である。したがって、外部瞳の投影である入射瞳においても、レーザ光の光軸が変化せず、またレーザ光のビーム径が大きく変化しないようにして、波面曲率の調整を広範囲に行うことが可能となり、ターゲット内集光位置の調整の範囲を大きくとることができる。

以下に、図面を用いて本発明の実施例について説明する。

本発明による実施例１の外部レーザ導入装置について説明する。

本発明による実施例１の外部レーザ導入装置の構成は、図５ａに示すように、キネマティック式可動ミラー５２１と、ジンバル式可動ミラー５２２と、第一の凸レンズ５２３と、第二の凸レンズ５２４とからなっている。第一の凸レンズ５２３と第二の凸レンズ５２４は、第一の凸レンズ５２３の後側焦点位置と第二の凸レンズの後側焦点位置とを一致させた状態で同軸に配置され、アフォーカル結像系を構成している。ジンバル式可動ミラー５２２は、第一の凸レンズ５２３の前側焦点位置に配置されている。

本実施例においては、第一の凸レンス゛５２３と第二の凸レンス゛５２４ｓからなるアフォーカル結像系が、光学機器内の入射瞳５１２をジンバル式可動ミラー５２２の回転中心に投影する瞳投影光学系として作用する。アフォーカル結像系は、入射した平行ビームを、平行ビームとして射出するので、レーザ光の伝達に都合が良い。キネマティック式可動ミラー５２１は、傾きを変えることにより、入射レーザ光５０１がジンバル式可動ミラー５２２に照射される位置を調整できるので、外部瞳５２７における光軸位置合せ機構として作用する。また、ジンバル式可動ミラー５２２は、傾きを変えることにより、外部瞳５２７における光軸角度合せ機構として作用する。

本実施例における外部レーザ導入装置５２０を用いた、レーザ光源５００から射出されたレーザ光５０１を光学機器５１０に導入して光軸合せする手順を、図５ｂ〜５ｄおよび図５ｅを用いて説明する。まずはじめに、外部レーザ導入装置５２０を、第二の凸レンズ５２４の後側焦点位置と光学機器５１０内の集光レンズ５１５の入射瞳５１２が略一致し、光学機器５１０の光軸５１１が外部レーザ導入装置の光軸に大まかに一致するように配置決めする（ステップ５５２）。そして、ジンバル式可動ミラー５２２を、その回転中心が入射瞳５１２の中心と共役となる位置に位置決めする（ステップ５５３）。つぎに、外部レーザ導入装置５２０のキネマティック式可動ミラー５２１を、レーザ光源５００からのレーザ光５０１の光路上の適当な位置に配置する（ステップ５５４）。このときの状態は、図５ｂに示すように、レーザ光５０１は入射瞳５１２から外れ、光学機器５１０内に正しく導入できていない。

つぎに、図５ｃに示すように、レーザ光５０１がジンバル式可動ミラー５２２の回転中心に入射するように、キネマティック式可動ミラー５２１を調整する（ステップ５５５）。ジンバル式可動ミラー５２２の回転中心は、入射瞳５１２の中心に共役なので、ジンバル式可動ミラー５２２の回転中心にレーザ光５０１が入射する状態にあれば、自動的に入射瞳５１２の中心にもレーザ光５０１が入射する状態となる。入射瞳５１２を直接覗き込むなどすれば、キネマティック式可動ミラー５２１の調整は容易でかつ短時間に完了できる。最後に、図５ｄに示すように、レーザ光５０１が光学機器５１０内のターゲット５１３に命中するように、ジンバル式可動ミラー５２２の傾きを調整する（ステップ５５６）。ジンバル式可動ミラー５２２の回転中心は、入射瞳５１２とほぼ共役な位置にあるため、ジンバル式可動ミラー５２２の角度を変えてもレーザ光５０１が光学機器の入射瞳５１２を照射する位置はほとんど動かない。したがって、レーザ光５０１がターゲット５１３上の目標に命中した時点で、レーザ光５０１は光学機器５１０の光軸５１１に一致し、光軸合せは完了したことになる。

なお、図９ａ、図９ｂ、図９cに示したように、ミラーを使わずレンズの移動だけでも、同様な光軸合せが可能である。光軸合せ機構９２４は、第一の凸レンズ９２１の後側焦点位置と、第二の凸レンズ９２２の前側焦点位置を一致させた、アフォーカル系を構成している。この光軸合せ機構９２４を、第二の凸レンズ９２２による外部瞳９１２の投影位置９３３が、第一の凸レンズ９２１の中心位置になるように配置する。図９ｂに示すように、光軸合せ機構９２４全体の光軸に垂直な方向の移動は、外部瞳９１２におけるレーザ光９０１の光軸位置を移動させることができるので、光軸位置合せ機構として作用する。第一の凸レンズ９２１のみの光軸に垂直な方向の移動は、基準点９１２におけるレーザ光９０１の光軸位置を変えずに光軸角度を変化させることができるので、光軸角度合せ機構として作用する。

このように、本発明の実施例１を用いれば、非常に簡単かつ短時間でレーザ光の光軸合せを完了させることができる。

本発明による実施例２のレーザ顕微鏡について説明する。

本発明による実施例２のレーザ顕微鏡は、図６ａに示すように、レーザ光源６００と、顕微鏡本体６１０と、焦点位置制御光学系６２０と、共焦点検出器６３０とから構成されている。顕微鏡本体６１０には、レーザ光源６００から射出されたレーザ光６０１を標本６１３上で集光させるための対物レンズ６１５と、ガルバノミラー６１２と、対物レンズ６１５の入射瞳位置とガルバノミラー６１２を共役関係に接続しかつレーザ光６０１のビーム径を対物レンズ６１５の入射瞳径に適合させるための第二のビームエキスパンダ６１４とからなる。光軸６１１沿いに顕微鏡本体６１０に入射したレーザ光６０１は、ガルバノミラー６１２で反射して第二のビームエキスパンダ６１４を通過したのち、対物レンズ６１５の瞳位置に入射し、標本６１３上に集光する。ガルバノミラー６１２の角度を振動させることにより、対物レンズ６１５の入射瞳におけるレーザ光６０１の光軸位置は固定されたまま、標本６１３上に集光したレーザ光６０１の位置が走査される。標本６１３内における、レーザ光６０１の集光位置で発生した反射光または散乱光または発光は、レーザ光６０１と同一光路を逆方向に進行し、ビームスプリッタ６３１と共焦点レンズ６３２と共焦点ピンホール６３３と光電子増倍管６３４で構成された共焦点検出器６３０により検出され、共焦点画像が生成される。共焦点検出器６３０と顕微鏡本体６１０の間の光路上に配置された焦点位置制御光学系６２０は、第一のビームエキスパンダ６２３と、瞳投影光学系６２６とからなる。瞳投影光学系６２６は、第二の凸レンズ６２４と第三の凸レンズ６２５がほぼアフォーカル系を構成しており、第三の凸レンズ６２５の後側焦点位置は、ガルバノミラー６１２の中心に配置されている。第二の凸レンズ６２４の前側焦点位置は、ガルバノミラー６１２に共役な外部瞳６２７となっている。第一のビームエキスパンダ６２３は、可動式凹レンズ６２１と第一の凸レンズ６２２がほぼアフォーカル系を構成しており、第一の凸レンズ６２２の後側焦点位置は、外部瞳６２７に一致するように配置されている。

可動式凹レンズ６２１は光軸に沿って移動可能であり、外部瞳６２７における波面の曲率を、その点におけるレーザ光６０１のビーム径を変えることなく調整することができる。外部瞳６２７は対物レンズ６１５の入射瞳位置に共役であり、可動式凹レンズ６２１を移動させても、対物レンズ６１５の入射瞳位置におけるビーム径は変化しない。したがって、可動式凹レンズ６２１を光軸方向に移動し、焦点位置制御光学系６２０を射出するレーザ光６０１の収束・発散性を変化させることにより、標本６１３上でのレーザ光６０１の集光する高さを変え、焦点位置合せを行う際に、解像の劣化や光量の低下が発生することはない。

このことを、図６ｂ、図６ｃ、図６ｄを用いてもう少し詳しく説明する。本実施例においては、焦点位置制御光学系の可動式凹レンズ６２１は、設計上は図６ｂに示すように、焦点位置制御光学系から射出するレーザ光６０１が平行ビームとなるように設定されていて、このとき顕微鏡本体のガルバノミラー６１２には、適切なビーム径が入射するようになっている。標本上の焦点位置を上方に移動させるために、図６ｃに示すように、可動式凹レンズ６２１を光軸に沿って第一の凸レンズ６２２から離れる方向に移動させると、外部レーザ導入装置から射出されるレーザ光６０１は収束光となるが、第一の凸レンズ６２２の後側焦点位置と共役な位置にあるガルバノミラー６１２上のレーザ光６０１のビーム径は変化しない。従って対物レンズの入射瞳位置においてもレーザ光６０１のビーム径に変化が生じないため、得られる共焦点画像の分解能が従来のように劣化してしまうことはない。また、図６ｄに示すように、標本上の焦点位置を下方に移動させるために、可動式凹レンズ６２１を光軸に沿って第一の凸レンズ６２２に近づく方向に移動させた場合においても、外部レーザ導入装置から射出されるレーザ光６０１は発散光となるが、ガルバノミラー６１２上のレーザ光６０１の径に変化はない。従って光量が低下してしまうという不都合は生じない。

さらに、本実施例においては、ガルバノミラー６１２と共役な外部瞳６２７を焦点位置制御光学系６２０の内部に形成し、その外部瞳６２７におけるレーザ光６０１の波面曲率を制御するように構成したことにより、焦点位置調節を第一のビームエキスパンダの間隔調整で行うことができ、したがって焦点調節のための光学系を非常にコンパクトにできるというメリットがある。

このように、本発明の実施例２を用いれば、外部レーザ導入装置による焦点位置合せを行っても、分解能の劣化や光量の低下が生じないので、調整できる焦点位置の範囲を大きく取ることが可能である。

本発明による実施例３の二波長励起レーザ顕微鏡について説明する。

本発明によるの実施例３の二波長励起レーザ顕微鏡は、図７に示すように、第一のレーザ光７０１を射出するための第一のレーザ光源７００と、第一のレーザ光７０１のビーム径と発散角を調整するための第一のビームエキスパンダ７０２と、第二のレーザ光７０６を射出するための第二のレーザ光源７０５と、第二のレーザ光７０６のビーム径と発散角を調整するための第二のビームエキスパンダ７０７と、第一のレーザ光７０１と第二のレーザ光７０６とを合成ビーム７０９として結合させるためのビームコンバイナ７０８と、第一のレーザ光７０１と第二のレーザ光７０６の光軸合せに用いるための光軸合せ検出器７３０と、顕微鏡本体７１０と、合成ビーム７０９を顕微鏡本体に導入するための第一の瞳投影光学系７２６と、各検出器や可動部品と電気的に結合し光軸合せの制御を行うコントローラ７４０とからなる。

顕微鏡本体７１０には、標本７１３を拡大投影するための対物レンズ７１５および合成ビーム７０９を標本７１３上で走査させるための近接タイプのガルバノミラー７１２および対物レンズ７１５の入射瞳とガルバノミラー７１２を共役にするための第二の瞳投影光学系７１４と、標本７１３で発生した放射光を検出するための、図示していない光検出光学系が含まれる。

第一の瞳投影光学系７２６は、顕微鏡本体７１０の光軸７１１に沿って二つの凸レンズからなるアフォーカル光学系を構成しており、ビームコンバイナの後方の光路上に配置されている瞳絞り７２７を顕微鏡本体７１０内のガルバノミラー７１２の中心位置および対物レンズ７１５の入射瞳と共役関係にする。

第一のビームエキスパンダ７０２は、第一の可動ステージ７２０上に配置された第一の可動式凸レンズ７２１と、第一の固定式凸レンズ７２２がアフォーカルに配置されている。第一のビームエキスパンダ７０２では、第一の可動ステージ７２０を光軸方向に駆動することにより、第一の可動式凸レンズ７２１と第一の固定式凸レンズ７２２との間隔を変化させ、第一のビームエキスパンダ７０２から射出する第一のレーザ光７０１の発散角を変えることができるので、第一のレーザ光７０１による共焦点画像の焦点位置を調整することができる。

また、第一の可動ステージ７２０上において、第一の可動式凸レンズ７２１の後側焦点位置に適切な径のピンホールを挿入することにより、第一のビームエキスパンダ７０２はスペーシャルフィルタとして機能させることも可能である。

第一のビームエキスパンダ７０２の後側焦点位置は瞳絞り７２７に一致し、それと共役な前側焦点位置には第一のジンバル式可動ミラー７４２が配置されており、ジンバル式可動ミラー７４２と第一のレーザ光源７００の間の光路上には、第一のジンバル式可動ミラー７４２に第一のレーザ光７０１を導入するための第一のキネマティック式可動ミラー７４１が配置されている。第一のキネマティック式可動ミラー７４１の傾きを調節することにより、瞳絞り７２７における第一のレーザ光７０１の光軸位置を調整することができる。さらに、第一のジンバル式可動ミラー７４２と瞳絞り７２７は共役関係にあるので、第一のジンバル式可動ミラー７４２の傾きを調節することにより、瞳絞り７２７における第一のレーザ光７０１の光軸位置を変えることなく、標本７１３上における第一のレーザ光７０１の集光位置を調整することができる。

第二のビームエキスパンダ７０７についても、第一のビームエキスパンダ７０２と同様であるので、説明は省略する。

光軸合せ検出器７３０は、合成ビーム７０９の一部をビームサンプラ７３５により反射させて取り出し、共焦点レンズ７３２とビームスプリッタ７３１と光ポジションセンサ７３５の作用による光軸位置検出系と、共焦点レンズ７３２と共焦点ピンホール７３３とフォトダイオード７３４の作用による焦点位置検出系を用いて光軸合せおよび焦点位置合せを行う。

光軸位置検出系においては、光ポジションセンサ７３５は共焦点レンズ７３２により瞳絞り７２７と共役な位置に配置されているので、瞳絞り７２７における合成ビーム７０９の中心位置を検出することができ、瞳絞り７２７と共役関係にあるガルバノミラー７１２や対物レンズ７１５の入射瞳における合成ビーム７０９の光軸位置を検出することができるので、第一のレーザ光７０１の対物レンズ７１５の入射瞳位置における入射位置と、第二のレーザ光７０６の対物レンズ７１５の入射瞳位置における光軸位置を、最適な位置に調整することができる。

焦点位置検出系においては、共焦点レンズ７３２の後側焦点位置に配置された共焦点ピンホール７３３が標本７１３と共役関係にあり、その透過光量を最大化することにより、第一のレーザ光７０１と第二のレーザ光７０６を標本７１３上の同一点に集光させることができる。

コントローラ７４０は、光軸合せ検出器７３０の光軸位置検出系と焦点位置検出系に電気的に接続され、それらからの出力信号を基に、電気的に接続された第一のキネマティック式可動ミラー７４１、第二のキネマティック式可動ミラー７４３、第一のジンバル式可動ミラー７４２、第二のジンバル式可動ミラー７４４、第一の可動ステージ７２０、第二の可動ステージ７２３を駆動することにより、光軸合せおよび焦点位置合せを自動的に行う。

このように、本発明の実施例３によれば、コントローラ７４０が光軸合せと焦点位置合せを自動的に行うことができるので、経時的または発振条件の変化による二つのレーザ光の動的な光軸ずれに対しても、リアルタイムで修正することができる。

本発明による実施例４のレーザフローサイトメータについて説明する。

本発明によるの実施例４のレーザフローサイトメータは、図８ａに示すように、測定部本体８１０と、外部レーザ導入装置８２０とから構成されている。測定部本体８１０は、マイクロキャピラリ８１４を流れる細胞８１３に、レーザ光を集光するための集光レンズ８１５と、細胞８１３を透過したレーザ光を受光するための受光レンズ８１６と、受光素子８１７とからなる。外部レーザ導入装置８２０は、内部レーザ光源８００と、内部レーザ光源からの射出ビームのビーム径を変換するためのビームエキスパンダ８０１と、第一の光ファイバ８０３に接続された第一の外部レーザ光源８０２からの射出ビームをコリメートするための第一のレーザコリメータ８０４と、第二の光ファイバ８０６に接続された第二の外部レーザ光源８０５からの射出ビームをコリメートするための第二のレーザコリメータ８０７と、内部レーザ光源８００からの射出ビームと第一の外部レーザ光源８０２からの射出ビームと第二の外部レーザ光源８０５からの射出ビームを同一光路に導入するための、第一のビームコンバイナ８０８および第二のビームコンバイナ８０９と、測定部本体８１０の集光レンズ８１５の入射瞳８１２を第一および第二のレーザコリメータ８０４，８０７およびビームエキスパンダ８０１の後側焦点位置付近に投影するための、第一から第四の凸レンズ８２３，８２４，８２５，８２６とからなる。

第一のレーザコリメータ８０４は、図８ｂに示すように、第一の光ファイバ８０３の先端に設けられた、第一の光ファイバ射出口８２２と、第一のコリメートレンズ８２１を保持するように構成されている。第一の凸レンズ８２３の前側焦点位置に投影された外部瞳８３３に対し、全体を光軸に垂直な方向にシフトさせることにより、外部瞳８３３におけるレーザ光入射位置の調整が可能となっている。さらに、第一の光ファイバ射出口８２２は、第一のコリメータレンズに対して３方向にシフトが可能となっていて、外部瞳８３３におけるレーザ光入射角度および波面曲率の調整が可能となっている。第二のレーザコリメータ８０７についても同様である。

本実施例のレーザフローサイトメータのレーザ光軸調整の仕方は、第一の外部レーザ光源８０２からの射出ビームについて説明すると、第一のレーザコリメータ８０４全体を光軸に垂直な方向に移動することにより、第一の外部レーザ光源８０２の射出ビームの光軸位置合せを行い、第一の光ファイバ射出口８２２を光軸に垂直な方向に移動することにより、第一の外部レーザ光源８０２の射出ビームの光軸角度合せを行い、然る後に、第一の光ファイバ射出口８２２を光軸に水平な方向に移動することにより、マイクロキャピラリー８１４内における集光位置を、内部レーザ光源８００からの射出ビームのものと一致させる。第二の外部レーザ光源８０５のからの射出ビームについても同様である。

このように、本発明の実施例４によれば、外部レーザ光源の射出ビームの調整が、極めて簡単で迅速に行える。さらに、本実施例においては、外部レーザの切り替えを行った場合においても、簡単で迅速に、射出ビームの調整を行うことができる。さらに、本実施例においては、レーザコリメータを、それぞれの外部レーザに専用に用意して、あらかじめ各種調整を済ませておけば、外部レーザの切り替えはレーザコリメータを差し替えるだけで再調整を不要とすることができる。

また、本明細書には以下に示す発明が記載されている。
１．光学機器の外部から内部へレーザ光を導入し、前記光学機器内部の集光レンズによってターゲットに前記レーザ光を集光させるための外部レーザ導入装置において、前記集光レンズの入射瞳を前記光学機器外部の外部瞳に投影させるための瞳投影光学系と、前記外部瞳の光軸に前記レーザ光の光軸を略一致させるための光軸合せ機構とを含むことを特徴とする、外部レーザ導入装置。
２．前記光軸合せ機構は、前記外部瞳の中心に前記レーザ光の光軸位置を略一致させるための光軸位置合せ機構と、前記光軸位置合せ機構により前記レーザ光の光軸位置を前記外部瞳の中心に略一致させた後に、前記外部瞳の光軸と前記レーザ光の光軸の角度を略一致させるための、光軸角度合せ機構とを具備することを特徴とする上記１記載の外部レーザ導入装置。
３．前記外部瞳位置における、前記レーザ光の波面曲率を調整するための、波面曲率調整機構を具備することを特徴とする上記１または２記載の外部レーザ導入装置。
４．複数のレーザ光それぞれの光軸を前記外部瞳の光軸に略一致させるための、複数の光軸合せ機構と、前記複数のレーザ光を合成して前記入射瞳に導入するための、ビームコンバイナとを含むことを特徴とする上記１乃至３記載の外部レーザ導入装置。
５．複数のレーザ光それぞれの、前記外部瞳における波面曲率を調整するための、複数の波面曲率調整機構を含むことを特徴とする上記１乃至４記載の外部レーザ導入装置。
６．前記外部瞳における前記レーザ光の入射位置を検出するための光軸位置検出装置を含むことを特徴とする上記１乃至５記載の外部レーザ導入装置。
７．前記光軸位置検出装置からの出力を用いて前記光軸位置合せ機構を駆動する光軸位置フィードバック装置を含むことを特徴とする上記６記載の外部レーザ導入装置。
８．前記外部瞳における前記レーザ光の入射角度を検出するための光軸角度検出装置を含むことを特徴とする上記１乃至７記載の外部レーザ導入装置。
９．前記光軸角度検出装置からの出力を用いて前記光軸角度合せ機構を駆動する光軸角度フィードバック装置を含むことを特徴とする上記８記載の外部レーザ導入装置。
１０．光学機器の外部から内部へレーザ光を導入し、前記光学機器内部の集光レンズによってターゲットに前記レーザ光を集光させる外部レーザ導入装置において、前記集光レンズの入射瞳を前記光学機器外部の外部瞳に投影させるための瞳投影光学系と、前記外部瞳位置における前記レーザ光の波面曲率を調整するための波面曲率調整機構とを具備することを特徴とする外部レーザ導入装置。

本発明の外部レーザ導入装置の構成を説明する図。本発明の外部レーザ導入装置の光軸調整の手順を説明するフローチャートを示す図。従来の外部レーザ導入装置の一例の構成を説明する図。従来の外部レーザ導入装置の一例における光軸調整の手順を説明するフローチャートを示す図。従来の外部レーザ導入装置の一例の構成を説明する図。従来の外部レーザ導入装置の一例の構成を説明する図。従来の外部レーザ導入装置による焦点調節の不具合を説明する図。従来の外部レーザ導入装置による焦点調節の不具合を説明する図。従来の外部レーザ導入装置による焦点調節の不具合を説明する図。本発明の実施例１の外部レーザ導入装置の構成を説明する図。本発明の実施例１の外部レーザ導入装置における光軸調整の手順を説明する図。本発明の実施例１の外部レーザ導入装置における光軸調整の手順を説明する図。本発明の実施例１の外部レーザ導入装置における光軸調整の手順を説明する図。本発明の実施例１の外部レーザ導入装置における光軸調整の手順を説明するフローチャートを示す図。本発明の実施例２のレーザ顕微鏡の構成を説明する図。本発明の実施例２のレーザ顕微鏡による焦点調節を説明する図。本発明の実施例２のレーザ顕微鏡による焦点調節を説明する図。本発明の実施例２のレーザ顕微鏡による焦点調節を説明する図。本発明の実施例３の二波長励起レーザ顕微鏡の構成を説明する図。本発明の実施例４のレーザフローサイトメータの構成を説明する図。本発明の実施例４のレーザフローサイトメータにおける第一のレーザコリメータ付近の構成を説明する図。本発明の実施例１の外部レーザ導入装置のもう一つの例の構成を説明する図。本発明の実施例１の外部レーザ導入装置のもう一つの例の構成を説明する図。本発明の実施例１の外部レーザ導入装置のもう一つの例の構成を説明する図。

符号の説明

１００レーザ光源
１１０光学機器
１１２入射瞳
１１３ターゲット
１１５集光レンズ
１２０外部レーザ導入装置
１２１光軸位置合せ機構
１２２光軸角度合せ機構
１２３瞳投影光学系
１２４光軸合せ機構
１３３外部瞳
２３３光位置検出器
３１０光ディスク原板露光機
３２１可動式レンズ
３２２固定式レンズ
３２３可動式平行平面板
４１０顕微鏡本体
４１２ガルバノミラー
４１３標本
４１５対物レンズ
４３０共焦点検出器
４３２共焦点レンズ
４３３共焦点ピンホール
４３４光電子増倍管
５２１キネマティック式可動ミラー
５２２ジンバル式可動ミラー
５２７外部瞳
６２６瞳投影光学系
６２７瞳投影位置
７０８ビームコンバイナ
７０９合成ビーム
７２７瞳絞り
７３０光軸合せ検出器
７３４フォトダイオード
７３５光ポジションセンサ
７３６ビームサンプラ
８１３細胞
８１４マイクロキャピラリ
９１２外部瞳
９２４光軸位置合せ機構
９３３外部瞳の投影位置

Claims

光学機器の外部から内部へレーザ光を導入し、前記光学機器内部の集光レンズによってターゲットに前記レーザ光を集光させるための外部レーザ導入装置において、前記集光レンズの入射瞳を前記光学機器外部の外部瞳に投影させるための瞳投影光学系と、前記外部瞳の光軸に前記レーザ光の光軸を略一致させるための光軸合せ機構を具備することを特徴とする外部レーザ導置。
前記光軸合せ機構は、前記外部瞳の中心に前記レーザ光の光軸位置を略一致させるための光軸位置合せ機構と、前記光軸位置合せ機構により前記レーザ光の光軸位置を前記外部瞳の中心に略一致させた後に、前記外部瞳の光軸と前記レーザ光の光軸の角度を略一致させるための、光軸角度合せ機構とを具備することを特徴とする請求項１記載の外部レーザ導入装置。
前記外部瞳位置における前記レーザ光の波面曲率を調整するための波面曲率調整機構を具備することを特徴とする請求項１記載の外部レーザ導入装置。
光学機器の外部から内部へレーザ光を導入し、前記光学機器内部の集光レンズによってターゲットに前記レーザ光を集光させるための外部レーザ導入装置において、前記集光レンズの入射瞳を前記光学機器外部の外部瞳に投影させるための瞳投影光学系と、前記外部瞳位置における前記レーザ光の波面曲率を調整するための波面曲率調整機構とを具備することを特徴とする外部レーザ導入装置。