JP2010039246A - レーザビーム整形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザービームを整形し、カメラで捕らえる蛍光イメージのシェーディングを低減し、レーザーの光量利用効率を向を実現する
【解決手段】一端からレーザ光を入力し他端から前記レーザの拡散光を放射状に放出する光ファイバと、該光ファイバの他端から所定の距離離れた位置でかつ、前記拡散光の光軸に配置され前記拡散光を所定のビーム径に制御するビーム制御光学系と、該ビーム制御光学系の後段に配置され前記所定のビーム径に制御されたビームの中央部の径を拡大し、周辺部の径を縮小する球面レンズ系と、該球面レンズ系の後段に配置され前記球面レンズ系から出射したビーム径を並行光とするコリメートレンズを配置した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば、ニッポウディスク式共焦点顕微鏡のレーザー照明などに用いて好適なレーザビーム成形装置に関し、光ファイバから出射したレーザ波長の強度分布の均一化をはかると共に波長の変動を吸収し、レーザビームの発散角の影響が最小となるようにしたレーザビーム整形装置に関するものである。

図４は本発明が適用される共焦点用光スキャナの一例を示す要部構成図であり、特開２００１−２２８４０２号公報に記載されている。図において、共焦点用光スキャナ１１は、ピンホール１３ａを通過した光を試料１８に走査し、試料１８の焦点位置からの蛍光をピンホール１３ａに通過させ、試料１８の焦点位置以外からの蛍光をピンホール１３ａで排除する装置である。

共焦点用光スキャナ１１は、試料１８の三次元像を観察可能な共焦点顕微鏡内に設置されている。共焦点用光スキャナ１１は、集光ディスク１２及びピンホールディスク１３がドラム１４を挟んで平行に連結され、モータ１５によって回転するように形成されている。
さらに、集光ディスク１２とピンホールディスク１３との間にはビームスプリッタ１６が固定配置されている。

集光ディスク１２には複数のマイクロレンズ（例えばフレネルレンズ）１２ａが形成され、ピンホールディスク１３には複数のピンホール１３ａが多数列で螺旋状に形成されている。各マイクロレンズ１２ａの焦点位置に各ピンホール１３ａが位置するように、集光ディスク１２とピンホールディスク１３とが連結されている。

集光ディスク１２に入射するレーザ光はマイクロレンズ１２ａで絞られ、ビームスプリッタ１６を透過してピンホール１３ａに集光する。ピンホールを通った光は対物レンズ１７により集光され、試料１８上に照射される。試料１８からの戻り光は再び対物レンズ１７及びピンホールディスク１３を通ってビームプリッタ１６で反射され、集光レンズ１９を介してカメラ２０に入る。カメラ２０の受像面（図示せず）には試料１８の像が結像される。

このような構成において、集光ディスク１２とピンホールディスク１３とを一体に回転させ、複数のピンホール１３ａにより試料面１８ａを光走査（ラスタースキャン）することにより、カメラ２０により試料１８の表面画像を観測することができる。このように、共焦点顕微鏡は、点光源と点受光を採用するために、焦点位置以外のボケや散乱光を除外して、分解能の高い三次元像を得ることができる。

図５はこのような原理に基づく共焦点用光スキャナの要部具体例を示すものである。光ファイバー端から発せられるような点光源２１からの光はコリメータレンズ２２によって平行光となって集光ディスク１２に入射する。なお、点光源２１はコリメータレンズ２２の前側焦点（焦点距離ｆ）に置かれている。

この状態において、点光源２１の発散角θ内の光をコリメータレンズ２２で平行光線に変換した場合、コリメータレンズ２２を通過する光の光軸に垂直な面における光強度分布Ｉは、図６（ａ）に示すようなガウス分布となる。

光軸付近の均一な（通常分布むらが目立たないようにするために最低でも１０％にする）光束を切り出すために、開口２４を有する遮蔽板２３を設け、これを通過した光束のみ（図６（ｂ）の斜線部）をマイクロレンズ１２ａに導いている。開口２４の孔は通常円形である。

図７はこのような共焦点用光スキャナに適用される光強度分布補正光学系の従来例を示す構成図であり特開２００６-３１７５０８に記載されている。
図７において、光源３０は、光ファイバの端面の点光源であって、発散光を発光する。第１凸レンズ３１は、光源３０からの発散光を正の屈折力により光束を光軸側に屈折させてビーム径を絞りながら凹レンズ３２に入射させる。凹レンズ３２は、第１凸レンズ３２の出射光を負の屈折力により光束を外側に屈折させてほぼ平行光にする。各レンズの球面収差は、光源から出力された際の光強度のガウス分布を平坦な光強度分布にする。

図８は、上記特開２００６-３１７５０８に記載されたレンズの球面収差を説明する説明図である。このことについて簡単に説明する。
図８（ａ）において、凸レンズ３４では、球面収差により、その外周側に入射する光束はレンズ近くの焦点距離ｆ１に収束し、内周に入射する光束はｆ１よりも遠い焦点距離ｆ２に収束する。

図８（ｂ）において、凹レンズ３５では、球面収差により、その外周側に入射する光束は、広がり角が大きく、内周に入射する光束は広がり角が小さい。図８（ｂ）において焦点距離ｆ３，ｆ４は、平行光が入射した際に発散する光束の延長線（破線）が収束する点までの距離である。この焦点距離が、球面収差により、凹レンズ３５の外周では短く（ｆ３）、内周では遠くなる（ｆ４）。

図７に戻り、第１凸レンズ３１では、球面収差により、光強度の高い中心部の光束は平行に近くなり、光強度の弱い周辺部の光束は中心部に集められる。
また、凹レンズ３２は、第１凸レンズ３１でビーム径全体が絞られるため、凹レンズ３２の内側にビームが入射するので凹レンズ３２の球面収差は弱くなり、ビーム全体を平行光に近くすると共に光強度分布を平坦にすることができる。第２凸レンズ３３は、絞られたビーム径を拡大することでズーミングを可能にする。

ここでは、第１凸レンズ３１、凹レンズ３２および第２凸レンズ３３の球面収差を組み合わせて、より均一な光強度分布を実現している。この場合、球面収差量としては、第１凸レンズ３１において、その合成焦点距離のほぼ４０％以上あれば、このような効果が期待できる。
なお、従来からレーザー光整形装置としては、一対のレンズアレイを組み合わせたホモジナイザを用いてレーザー光の光強度分布を均一化する構成が知られている。また、二つの非球面レンズを用いてレーザー光の強度分布を均一化するという技術も知られている。

特開２００１−２２８４０２号公報 特開２００６−３１７５０８号公報

ところで、上記従来技術においては次のような問題があった。
一対のレンズアレイを組み合わせたホモジナイザを用いたり、二つの非球面レンズを用いてレーザー光の強度分布を均一化する場合、構成が複雑となり、コストが高くなり、アレイレンズと非球面レンズの加工性が悪いという問題がある。

また、特開２００６-３１７５０８に記載された技術の場合、構成は簡単であるが、球面レンズ２枚は接着剤を用いて接着しているため、強いビームで照射する場合、壊れやすい。
また、空間的に均一パワー分布の平行レーザービームを生成するためであるが、できたビームパワー分布は均一になっていない。

図９は、上述の構成による光強度分布補正の効果を表した図である。
図９（ａ），（ｂ）において、縦軸はビームの相対強度を示し、横軸はビーム径を示している。なお、入射光はＮＡ＝０．０９の光ファイバ端面からの発散光である。

図９（ａ）は、光強度分布補正前のビームの強度分布（ガウス分布）であって、ビームの中心に強度のピークがあり、周辺になるほど強度が減衰していく様子がわかる。
これに対して、図９（ｂ）は、光強度分布補正後の分布であって、光強度は、ビームの中心からの距離ａで急峻に減衰していることが分かる。
しかしながら、光強度はビームの中心からの距離aで急峻に減衰しているが、シェーディングは約３０％程度である（周辺パワーは中心より３０％低くなっている）。

従って本発明は、上記従来技術の問題点を解決するためになされたもので、
ニッポウディスク式共焦点顕微鏡のレーザービームを整形し、均一ビームで試料を照明し、カメラで捕らえる蛍光イメージのシェーディングを低減し、レーザーの光量利用効率を向上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の本発明のレーザビーム整形装置は、請求項１においては、
一端からレーザ光を入力し他端から前記レーザの拡散光を放射状に放出する光ファイバと、該光ファイバの他端から所定の距離離れた位置でかつ、前記拡散光の光軸に配置され前記拡散光を所定のビーム径に制御するビーム制御光学系と、該ビーム制御光学系の後段に配置され前記所定のビーム径に制御されたビームの中央部の径を拡大し、周辺部の径を縮小する球面レンズ系と、該球面レンズ系の後段に配置され前記球面レンズ系から出射したビーム径を並行光とするコリメートレンズを配置したことを特徴とする。

請求項２においては、請求項１に記載のレーザビーム整形装置において、
前記球面レンズ系は２枚の球面レンズの組み合わせとされ、光線追跡アルゴリズムを行ってレーザ波長の変動を補正するように２枚の球面レンズの距離と球面曲率と厚さを最適化したことを特長とする。

請求項３においては、請求項１又は２に記載のレーザビーム整形装置において、
レーザビームの発散角の影響が最小となるように前記ファイバの他端からビーム整形レンズまでの距離を前後に移動させて調整したことを特徴とする。

以上説明したことから明らかなように本発明の請求項１〜３によれば、次のような効果がある。
一端からレーザ光を入力し他端からレーザの拡散光を放射状に放出する光ファイバと、光ファイバの他端から所定の距離離れた位置でかつ、拡散光の光軸に配置され拡散光を所定のビーム径に制御するビーム制御光学系と、ビーム制御光学系の後段に配置され所定のビーム径に制御されたビームの中央部の径を拡大し、周辺部の径を縮小する球面レンズ系と、球面レンズ系の後段に配置され球面レンズ系から出射したビーム径を並行光とするコリメートレンズを配置し、球面レンズ系は２枚の球面レンズの組み合わせとされ、光線追跡アルゴリズムを行ってレーザ波長の変動を補正するように２枚の球面レンズの距離と球面曲率と厚さを最適化し、レーザビームの発散角の影響が最小となるようにファイバの他端からビーム整形レンズまでの距離を前後に移動させて調整したので、レーザービームを整形し、均一ビームで試料を照明し、カメラで捕らえる蛍光イメージのシェーディングを低減し、レーザーの光量利用効率を向上するを実現することができる。

図１は本発明のレーザビーム整形装置の実施形態の一例を示す要部構成図である。なお、図（７）と同一部品には同一符号を付している。
図１において、光源１は、光ファイバの端面の点光源であって、発散光を発光する。一方の面が球状に形成され、他方の面がフラット状に形成された第１レンズ２は光源１からの発散光を入射する。３は一方の面がフラット他方の面が凹レンズ状に形成された第２レンズであり、第１レンズを透過したレーザビームを透過させる。これらのレンズはフラットな面を対向させて所定の空間を隔てて配置されている。

４は第２レンズ３から所定の距離を隔てて配置されたコリメートレンズである。
上述の構成において第１，第２レンズは新しいアルゴリズムを用いて各レンズの曲率、厚さなどを最適化されている。
即ち、ファイバから出たビームはガウス分布であり、光線の分布は不均一となっている。そのため、コリメートレンズのところで各光線が均一に分布するように光線追跡アルゴリズムを行って第１、第２レンズの曲率、厚さなどを最適化する。

ここで、入射するレーザの波長は４００ｎｍ〜６５０ｎｍの範囲で変動する。この広い波長範囲でも同じ均一なビームを得るように第１、第２レンズの曲率、厚さが最適されている。すなわち、このビーム整形装置の色収差を補正することにより、レーザの波長はこの範囲以内であれば、調整することなく均一なビームパワー分布を得ることができる。

例として、よく使われているシングルモードファイバのＮＡ（発散角）は０．０７であるが、ファイバから出たビームのＮＡはいつも０．０７ではない。

本発明では、この発散角の変動の影響を最小となるようにファイバの他端からビーム整形レンズまでの距離を前後調整して発散角の変動を吸収する。例えば光源１から第１レンズまでの距離を手動で前後調整して、ビームのＮＡは０．０６から０．０８まで変動してもほぼ同じ均一な出力ビームパワー分布を得ることができる。

図２は上述のレーザビーム整形装置を用いてレーザビームの強度分布を計算したシミュレーションの結果を示す図である。図２によればシェーディング（強度分布不均一性）はわずか約５％程度である。

図３は球面レンズの厚さと曲率と互いの距離を最適化したレンズを組み込んでレーザビームの強度分布と色収差を補正し、光源１から第１レンズまでの距離を前後調整して光源のビームの発散角を補正し、４００ｎｍから６５０ｎｍの範囲で測定した結果を示す図である。

図３によればシェーディングはわずか約５％程度であり、計算によるシミュレーショの結果と同様の均一強度分布を確認することができた。

なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。
従って本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形を含むものである。

本発明のレーザビーム整形装置の実施形態の一例を示す要部構成図である。 本発明のレーザビーム整形装置を用いて強度分布を計算したシミュレーションの結果を示す図である。 本発明のレーザビーム整形装置を用いてレーザビームの強度分布を測定した結果を示す図である。 本発明が適用される共焦点用光スキャナの一例を示す要部構成図である。 共焦点用光スキャナの要部を示す図である。 従来の共焦点スキャナのコリメータレンズを通過する光の強度分布を示す図である。 光強度分布補正光学系の従来例を示す構成図である。 レンズの球面収差を説明する説明図である。 従来例における光強度分布補正の効果を表した図である。

符号の説明

１，３０ 光源
２ 第１レンズ
３ 第２レンズ
４ コリメートレンズ
９ 集光レンズ
１１ 共焦点用光スキャナ
１２ 集光ディスク
１３ ピンホールディスク
１４ ドラム
１５ モータ
１６ ビームスプリッタ
１７ 対物レンズ
１８ 試料
２０ カメラ
３１ 第１凸レンズ
３２，３５ 凹レンズ
３３ 第２凸レンズ
１９ ピーム拡大レンズ
２０ 光強度分布補正光学系
３０ 光源
３１ 第１凸レンズ
３２，３５ 凹レンズ
３３ 第２凸レンズ
３４ 凸レンズ
３５ 凹レンズ

Claims (3)

1. 一端からレーザ光を入力し他端から前記レーザの拡散光を放射状に放出する光ファイバと、該光ファイバの他端から所定の距離離れた位置でかつ、前記拡散光の光軸に配置され前記拡散光を所定のビーム径に制御するビーム制御光学系と、該ビーム制御光学系の後段に配置され前記所定のビーム径に制御されたビームの中央部の径を拡大し、周辺部の径を縮小する球面レンズ系と、該球面レンズ系の後段に配置され前記球面レンズ系から出射したビーム径を並行光とするコリメートレンズを配置したことを特徴とするレーザビーム整形装置。
2. 前記球面レンズ系は２枚の球面レンズの組み合わせとされ、光線追跡アルゴリズムを行ってレーザ波長の変動を補正するように２枚の球面レンズの距離と球面曲率と厚さを最適化したことを特長とする請求項１に記載のレーザビーム整形装置。
3. レーザビームの発散角の影響が最小となるように前記ファイバの他端からビーム整形レンズまでの距離を前後に移動させて調整したことを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザビーム整形装置。