JP2007121590A - 共焦点スキャナ - Google Patents

Abstract

【課題】 ビーム拡がり角の異なる光ファイバを結合した場合でも、励起光の利用効率が高く、かつビーム断面内の光量分布の均一性のよい、バランスのとれた組み合わせ状態に容易に調整可能な共焦点スキャナを実現する。
【解決手段】 励起光を導波する光ファイバの出射端から所定の広がり角を持って出射するビームを平行ビームに変換してマイクロレンズディスクに入射させるコリメータレンズを備えた共焦点スキャナにおいて、
前記出射端と前記コリメータレンズとの間に、前記広がり角を調整するビーム広がり角調整手段を設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は、励起光を導波する光ファイバの出射端から所定の広がり角を持って出射するビームを平行ビームに変換してマイクロレンズディスクに入射させるコリメータレンズを備えた共焦点スキャナに関するものである。

図７は、従来のニポウディスク方式の共焦点スキャナの構成例を示す要部斜視図である。ニポウディスク方式の共焦点スキャナに関連する先行技術は、特許文献１に開示されている。

光源１から出射した励起光２は、集光レンズ３により光ファイバ４の入射端４ａに導入される。励起光２は、光ファイバ４により共焦点スキャナユニット５の光導入部に結合された出射端４ｂまで導波される。

光ファイバ４の出射端４ｂから出射した励起光２のビームは、光ファイバ４のＮＡにより定まる拡がり角をもつ発散光となってコリメータレンズ６に入射する。コリメータレンズ６は、出射端４ｂとコリメータレンズ６の間の距離がコリメータレンズ６の焦点距離に合致するような位置に配置されており、入射ビームを平行ビームに変換して出射する。

平行ビームとなった励起光２は、マイクロレンズディスク７に入射し、このディスク上に配置された個々のマイクロレンズにより、収束光に変換される。収束光に変換された夫々の励起光２は、ダイクロイックミラー８を透過後、ピンホールディスク９上に集光する。

ピンホールディスク９上には、マイクロレンズディスク７上に配置されたマイクロレンズと同一のパターンでピンホールが配置されているので、このディスクに集光した各励起光２は対応するピンホールを透過することが可能となる。

このようにして、ピンホールディスク９を透過した励起光２は、対物レンズ１０により観察試料１１上に集光される。観察試料１１上では励起光２により蛍光が生成され、この蛍光が観察光１２として対物レンズ１０により再びピンホールディスク９上に集光される。共焦点効果によりピンホールを透過した観察光１２は、ダイクロイックミラー８で反射後リレーレンズ１３を介して画像センサ１４上に集光する。

このような構成において、マイクロレンズディスク７とピンホールディスク９を機械的に締結した状態で回転させることにより、励起光２を試料１１の面上で走査することが可能となり、結果として画像センサ１４上に観察光１２の走査画像を形成することが可能となる。

特開平５−６０９８０号公報

特開２００１−２２８４０２号公報

光ファイバ４の出射端４ｂから出射される励起光２のビーム広がり角は、光ファイバ４の品種毎に固有の設計値を有する。これに接続される共焦点スキャナユニット５のコリメータレンズ６の焦点距離も、固有の設計値を有する。

従って、光ファイバ４のビーム広がり角とコリメータレンズの焦点距離のマッチングが適正でないと、コリメータレンズ６からマイクロレンズディスク７へ、効率の良い（光量分布が均一で、励起光の利用率が高い）ビーム照射ができない。以下、図８乃至図１１によりこの問題点を説明する。

図８は、ビーム拡がり角α１の小さい光ファイバ４に適合した、焦点距離Ｌ１の長いコリメータレンズ６を配置した光学系を示す模式図である。Ｂは出射端４ｂからのビーム、Ｂ´はコリメータレンズ６を通過する有効ビームであり、ビームＢの周端部の利用を意図的に破棄している。

Ｆ１は出射端４ｂ直後のビーム断面内の光量分布、Ｆ２はコリメータレンズ６手前の光量分布、Ｆ３はコリメータレンズ６通過後の平行ビームの光量分布を示す。ビームの周端部の利用は破棄されるが、励起光の利用率が高く、均一性も実用レベルで確保され、バランスの良い組み合わせであるといえる。

図９は、焦点距離Ｌ１の長いコリメータレンズ６に対してビーム拡がり角α２の大きい光ファイバ４を配置した光学系を示す模式図である。この組み合わせでは、ビームＢに対する有効ビームＢ´が狭くなり、破棄されるビーム量が大きくなる。従って、コリメータレンズ６通過後の平行ビームＦ３の光量分布は、均一性は向上するが励起光の利用率が低下し、最終的に得られる撮像画像は全体的に暗くなる。

図１０は、ビーム拡がり角β１の大きい光ファイバ４に適合した、焦点距離Ｌ２の短いコリメータレンズ６を配置した光学系を示す模式図である。Ｂは出射端４ｂからのビーム、Ｂ´はコリメータレンズ６を通過する有効ビームであり、ビームＢの周端部の利用を意図的に破棄している。

Ｆ１は出射端４ｂ直後の光量分布、Ｆ２はコリメータレンズ６手前の光量分布、Ｆ３はコリメータレンズ６通過後の平行ビームの光量分布を示す。ビームの周端部の利用は破棄されるが、励起光の利用率が高く、均一性も実用レベルで確保され、バランスの良い組み合わせであるといえる。

図１１は、焦点距離Ｌ２の短いコリメータレンズ６に対してビーム拡がり角β２の小さい光ファイバ４を配置した光学系を示す模式図である。この組み合わせでは、ビームＢはほぼ１００パーセントコリメータレンズ６を通過する。コリメータレンズ６を通過後の平行ビームＦ３の光量分布は、励起光の利用率は向上するが均一性は低くなり、最終的に得られる撮像画像の周辺部が暗くなる。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、ビーム拡がり角の異なる光ファイバを結合した場合でも、励起光の利用効率が高く、かつビーム断面内の光量分布の均一性のよい、バランスのとれた組み合わせ状態に容易に調整可能な共焦点スキャナを実現することを目的としている。

このような課題を達成するために、本発明は次の通りの構成になっている。
（１）励起光を導波する光ファイバの出射端から所定の広がり角を持って出射するビームを平行ビームに変換してマイクロレンズディスクに入射させるコリメータレンズを備えた共焦点スキャナにおいて、
前記出射端と前記コリメータレンズとの間に、前記広がり角を調整するビーム広がり角調整手段を設けたことを特徴とする共焦点スキャナ。

（２）前記コリメータレンズと前記マイクロレンズディスクとの間に、前記ビームの強度分布を変更するビーム整形手段を設けたことを特徴とする（１）に記載の共焦点スキャナ。

（３）前記ビーム広がり角調整手段と前記コリメータレンズとの間に、前記ビームの強度分布を変更するビーム整形手段を設けたことを特徴とする（１）に記載の共焦点スキャナ。

（４）前記ビーム整形手段は、レンズ系手段又はフィルタ手段であることを特徴とする（２）又は（３）に記載の共焦点スキャナ。

以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
（１）光ファイバ４の出射端４ｂと共焦点スキャナユニット５との間に、ビーム拡がり角調整用手段１００を設けることにより、ビーム拡がり角が異なる光ファイバ４を用いた場合でも、コリメータレンズ６に適合したビームの拡がり角で励起光を導入できるため、励起光の利用効率とビーム断面内の光量分布の均一性のバランスを常に維持することができる。

（２）コリメータレンズ６とマイクロレンズディスク７との間、又はビーム広がり角調整手段１００とコリメータレンズ６との間に、ビーム整形手段を追加して設けることにより、光量分布をさらに最適とする調整が可能となる。

以下、本発明を図面により詳細に説明する。図１は本発明を適用した共焦点スキャナの一実施形態を示す要部斜視図である。図７で説明した従来構成と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。以下、本発明の特徴部につき説明する。

図１において、１００は、本発明の特徴部を形成するビーム広がり角調整手段であり、光ファイバ４の出射端４ｂと共焦点スキャナユニット５の光導入部との間に挿入した形態で設けられている。ビーム広がり角調整手段１００は、一種のズーム光学系を形成するレンズ１０１及び１０２で構成されている。

図２は、ビーム広がり角調整手段１００の動作を説明する光学系の模式図である。一種のズーム光学系を形成するビーム拡がり角調整手段１００は、入射側集光点１００ａと出射側集光点１５ｂを一定の位置に固定したままで、レンズ１０１，１０２の移動による調整可能範囲内において、入射側のビーム拡がり角θ１を任意の出射側のビーム収束角θ２に変換することが可能である。

従って、ビーム収束角θ２の値を、コリメータレンズ６の焦点距離とレンズ径により決まるビーム広がり角θ０に合わせることで、ビーム拡がり角の異なる光ファイバ４と共焦点スキャナユニット５とを最適状態で結合する調整が可能となる。

図２（Ａ）は、入射側のビーム拡がり角θ１が、コリメータレンズ６のビーム広がり角θ０に等しい場合を示し、θ１＝θ２＝θ０の関係となる。図２（Ｂ）は、入射側のビーム拡がり角θ１が、コリメータレンズ６のビーム広がり角θ０より小さい場合を示し、θ１＜θ２＝θ０の関係となる。図２（Ｃ）は、入射側のビーム拡がり角θ１が、コリメータレンズ６のビーム広がり角θ０より大きい場合を示し、θ１＞θ２＝θ０の関係となる。

図３は、本発明の他の実施形態を示す共焦点スキャナの要部斜視図である。この実施形態の特徴は、コリメータレンズ６とマイクロレンズディスク７との間に、ビームの強度分布を変更するビーム整形手段２００を設けた構成にある。このビーム整形手段２００は、レンズ系手段又はフィルタ手段で実現され、詳細については、特許文献２に技術開示がある。

図４は、ビーム整形手段２００の動作を説明する光学的模式図である。簡単のため、ビーム広がり角調整手段１００は省いて示されている。ビーム整形手段２００は、コリメータレンズ６を通過した不均一な光量分布Ｆ１を均一な光量分布Ｆ２に整形している。

図５は、本発明の更に他の実施形態を示す共焦点スキャナの要部斜視図である。この実施形態の特徴は、ビーム広がり角調整手段と前記コリメータレンズとの間に、ビームの強度分布を変更するビーム整形手段３００を設けた構成にある。

図６は、ビーム整形手段３００の動作を説明する光学的模式図である。簡単のため、ビーム広がり角調整手段１００は省いて示されている。ビーム整形手段３００は、出射端４ｂの不均一な光量分布Ｆ１を整形し、コリメータレンズ６を通過した光量分布Ｆ２を均一な光量分布に変換している。

一般に、ビーム整形手段２００又は３００への入射ビームの光量分布が、ビーム整形手段に適合しない場合には、ビーム断面内の光量分布の均一性が逆に悪化する場合がある。これを避けるためには、常にビーム整形手段への入射光のビーム断面内の光強度分布をビーム整形手段に適合したものにする必要があるが、ビーム拡がり調整手段１００により入射ビームの拡がり角を所望の一定値に調整すれば、この条件を容易に満たすことができる。

ビーム整形手段２００又は３００は、コリメータレンズ６からマイクロレンズディスク７へ入射されるビームの光量分布をより均一化する目的の他、特定の試料箇所を明るく、他を暗くする等、意図的に光量分布を不均一にする目的でも使用することができる。

図４、図６の実施形態では、説明を単純化するため、光路を折り曲げるためのミラー、波長を選択するフィルタ、強度を減衰させるためのＮＤフィルタ等の光学部品類は省かれているが、これらが含まれていても同様の効果が得られる。

本発明を適用した共焦点スキャナの一実施形態を示す要部斜視図である。 ビーム広がり角調整手段の動作を説明する光学的な模式図である。 本発明の他の実施形態を示す共焦点スキャナの要部斜視図である。 ビーム整形手段２００の動作を説明する光学的模式図である。 本発明の更に他の実施形態を示す共焦点スキャナの要部斜視図である。 ビーム整形手段３００の動作を説明する光学的模式図である。 従来のニポウディスク方式の共焦点スキャナの構成例を示す要部斜視図である。 ビーム拡がり角の小さい光ファイバに適合した、焦点距離の長いコリメータレンズを配置した光学系を示す模式図である。 焦点距離の長いコリメータレンズに対してビーム拡がり角の大きい光ファイバを配置した光学系を示す模式図である。 ビーム拡がり角の大きい光ファイバに適合した、焦点距離の短いコリメータレンズを配置した光学系を示す模式図である。 焦点距離の短いコリメータレンズに対してビーム拡がり角の小さい光ファイバ４を配置した光学系を示す模式図である。

符号の説明

１ 光源
２ 励起光
３ 集光レンズ
４ 光ファイバ
４ａ 入射端
４ｂ 出射端
５ 共焦点スキャナユニット
６ コリメータレンズ
７ マイクロレンズディスク
８ ダイクロイックミラー
９ ピンホールディスク（ニポウディスク）
１０ 対物レンズ
１１ 試料
１２ 観察光
１３ リレーレンズ
１４ 画像センサ
１００ ビーム広がり角調整手段
１０１，１０２ ズーム光学系

Claims (4)

1. 励起光を導波する光ファイバの出射端から所定の広がり角を持って出射するビームを平行ビームに変換してマイクロレンズディスクに入射させるコリメータレンズを備えた共焦点スキャナにおいて、
   前記出射端と前記コリメータレンズとの間に、前記広がり角を調整するビーム広がり角調整手段を設けたことを特徴とする共焦点スキャナ。
2. 前記コリメータレンズと前記マイクロレンズディスクとの間に、前記ビームの強度分布を変更するビーム整形手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の共焦点スキャナ。
3. 前記ビーム広がり角調整手段と前記コリメータレンズとの間に、前記ビームの強度分布を変更するビーム整形手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の共焦点スキャナ。
4. 前記ビーム整形手段は、レンズ系手段又はフィルタ手段であることを特徴とする請求項２又は３に記載の共焦点スキャナ。
   
   

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