JP2011107377A - Scanning type microscope - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、走査型顕微鏡に関し、特に、ポリゴンミラーを用いた走査型顕微鏡に関する。 The present invention relates to a scanning microscope, and more particularly to a scanning microscope using a polygon mirror.
従来、ガルバノミラーの表の面を用いて、試料の所定の観察面において、一方向に長いライン状の光(以下、ライン光と称する)を、その長手方向と垂直な方向にスキャンし、試料から発せられた観察光を、ガルバノミラーの表の面でデスキャンし、スリットを通過させた後、ガルバノミラーの裏の面を用いて、2次元のCCD(Charge Coupled Device)イメージセンサの受光面においてスキャンし、試料の像を撮影する共焦点顕微鏡が提案されている(例えば、非特許文献1参照)。 Conventionally, a surface of a galvanometer mirror is used to scan a line-shaped light that is long in one direction (hereinafter referred to as line light) in a direction perpendicular to the longitudinal direction on a predetermined observation surface of the sample. After descanning the observation light emitted from the front surface of the galvanometer mirror, passing it through the slit, using the back surface of the galvanometer mirror, on the light receiving surface of a two-dimensional CCD (Charge Coupled Device) image sensor A confocal microscope that scans and captures an image of a sample has been proposed (see, for example, Non-Patent Document 1).
ここで、非特許文献1に記載されている共焦点顕微鏡において、ガルバノミラーの代わりにポリゴンミラーを用いた場合について考えてみる。 Here, let us consider a case where a polygon mirror is used instead of a galvanometer mirror in the confocal microscope described in Non-Patent Document 1.
ポリゴンミラーは、製造誤差などにより、必ずしも全ての面が回転軸に対して平行になっているとは限らず、回転軸に対して平行でない、いわゆる面倒れが発生した面が存在し、各面の光の反射方向が一致しない場合がある。 Polygon mirrors do not always have all surfaces parallel to the rotation axis due to manufacturing errors, etc., and there are so-called surface tilted surfaces that are not parallel to the rotation axis. The reflection direction of the light may not match.
図13は、回転軸に対する傾きが異なるポリゴンミラーのn面とn+1面を用いて、CCDイメージセンサの受光面において観察光をスキャンした場合の試料の結像位置の例を示している。この場合、n面を用いたときとn+1面を用いたときとでは、観察光の反射方向が異なるため、n面を用いた場合の試料の結像位置Paと、n+1面を用いた場合の試料の結像位置Pbとの間にズレが生じ、その結果、画像のズレが生じ、画質が低下する。 FIG. 13 shows an example of the imaging position of the sample when the observation light is scanned on the light receiving surface of the CCD image sensor using the n plane and the n + 1 plane of the polygon mirror having different inclinations with respect to the rotation axis. In this case, since the reflection direction of the observation light is different between when the n plane is used and when the n + 1 plane is used, the imaging position Pa of the sample when the n plane is used and the case where the n + 1 plane is used are used. Deviation occurs between the sample and the imaging position Pb of the sample. As a result, deviation of the image occurs, and the image quality deteriorates.
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、ポリゴンミラーを用いた走査型顕微鏡において、より高画質の画像を得ることができるようにするものである。 The present invention has been made in view of such a situation, and makes it possible to obtain a higher quality image in a scanning microscope using a polygon mirror.
本発明の一側面の走査型顕微鏡は、対物レンズと、試料に照射する一方向に長い照明光を、前記対物レンズの焦点面において前記照明光の長手方向と垂直な方向にスキャンするポリゴンミラーと、前記試料から発せられた観察光を、前記対物レンズの焦点面と共役な位置に、一方向に長いライン光として集光させる集光レンズと、前記対物レンズの焦点面と共役な位置に、長手方向が前記観察光の長手方向と一致するように配置されたスリットとを少なくとも備え、前記観察光を、前記ポリゴンミラーの前記照明光のスキャンに用いた面を用いてデスキャンし、前記集光レンズにより集光し、前記スリットを通過させた後、前記ポリゴンミラーの前記照明光のスキャンに用いた面を用いて、2次元の撮像手段の受光面において前記観察光の長手方向と垂直な方向にスキャンするとともに、前記観察光をデスキャンするときに前記ポリゴンミラーの面により前記観察光が反射される角度のうち前記ポリゴンミラーの回転軸に垂直な面に対する角度と、前記観察光をスキャンするときに前記ポリゴンミラーの面に前記観察光が入射する角度のうち前記ポリゴンミラーの回転軸に垂直な面に対する角度が等しく、前記観察光をデスキャンするときの前記ポリゴンミラーの面における像と、前記観察光をスキャンするときの前記ポリゴンミラーの面における像の大きさが等しい。 A scanning microscope according to one aspect of the present invention includes an objective lens, a polygon mirror that scans illumination light that is long in one direction to illuminate a sample in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the illumination light on the focal plane of the objective lens, The observation light emitted from the sample is condensed at a position conjugate with the focal plane of the objective lens as a long line light in one direction, and at a position conjugate with the focal plane of the objective lens. At least a slit arranged so that a longitudinal direction thereof coincides with a longitudinal direction of the observation light, and the observation light is descanned using a surface used for scanning the illumination light of the polygon mirror, and the light collection After condensing by a lens and passing through the slit, the length of the observation light on the light receiving surface of a two-dimensional imaging means is measured using the surface of the polygon mirror used for scanning the illumination light. An angle with respect to a plane perpendicular to the rotation axis of the polygon mirror among angles reflected by the surface of the polygon mirror when scanning the observation light in a direction perpendicular to the direction, and the observation Of the angles at which the observation light is incident on the surface of the polygon mirror when scanning light, the angles with respect to the surface perpendicular to the rotation axis of the polygon mirror are equal, and the surface of the polygon mirror when the observation light is descanned The image and the size of the image on the surface of the polygon mirror when the observation light is scanned are equal.
本発明の一側面においては、照明光が、対物レンズの焦点面において、その長手方向と垂直な方向にスキャンされ、試料から発せされる観察光が、デスキャンされ、スリットを通過した後、撮像手段の受光面において、その長手方向と垂直な方向にスキャンされる。 In one aspect of the present invention, the illumination light is scanned in a direction perpendicular to the longitudinal direction on the focal plane of the objective lens, and the observation light emitted from the sample is descanned, passes through the slit, and then is imaged. Are scanned in a direction perpendicular to the longitudinal direction.
本発明の一側面によれば、ポリゴンミラーを用いて、試料の像を撮像手段の受光面においてライン単位でスキャンすることができる。特に、本発明の一側面によれば、ポリゴンミラーを用いた走査型顕微鏡において、より高画質の画像を得ることができる。 According to one aspect of the present invention, a sample image can be scanned line by line on the light receiving surface of the imaging unit using a polygon mirror. In particular, according to one aspect of the present invention, a higher quality image can be obtained in a scanning microscope using a polygon mirror.
以下、図を参照して、本発明の実施の形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
まず、図1乃至図9を参照して、本発明の第1の実施の形態について説明する。 First, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図1は、本発明の第1の実施の形態である走査型顕微鏡1の光学系の構成を模式的に示す図である。また、図2および図3は、走査型顕微鏡1における理想的な光の振る舞いを模式的に示した図である。なお、図2は、走査型顕微鏡1を横(ポリゴンミラー15の反射面の方向)から見た場合の光の振る舞いを示し、図3は、走査型顕微鏡1を上(ポリゴンミラー15の回転軸A1の方向)から見た場合の光の振る舞いを示している。 FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of an optical system of a scanning microscope 1 according to the first embodiment of the present invention. 2 and 3 are diagrams schematically showing ideal light behavior in the scanning microscope 1. FIG. 2 shows the behavior of light when the scanning microscope 1 is viewed from the side (the direction of the reflection surface of the polygon mirror 15). FIG. 3 shows the scanning microscope 1 above (the rotation axis of the polygon mirror 15). The behavior of light when viewed from the direction (A1) is shown.
なお、図2および図3では、各光学部品を光が通過する順に左から右に並べるともに、2段に分けて図示している。すなわち、図2および図3は、光が、上段の左端から右端まで右方向に進んだ後、下段の左端から右端まで右方向に進むように図示されている。なお、図2および図3とも、図を分かりやすくするために、上段の右端および下段の左端に、対物レンズ18の焦点面Fと対物レンズ18を重複して図示している。また、図2および図3において、ダイクロイックミラー13、スリット19、ミラー20、ミラー21、および、ミラー23の図示を省略している。また、図2および図3では、図を分かりやすくするために、試料2の中心部分をポリゴンミラー15で走査している場合の図を示している。
2 and 3, the optical components are arranged from left to right in the order in which light passes, and are illustrated in two stages. That is, FIG. 2 and FIG. 3 illustrate that the light travels in the right direction from the upper left end to the right end and then proceeds in the right direction from the lower left end to the right end. 2 and 3, the focal plane F of the
走査型顕微鏡1のレーザ光源11から射出されたレーザ光は、図示せぬビームエキスパンダなどによりコリメート光となり、シリンドリカルレンズ12により、ポリゴンミラー15の回転方向(以下、横方向とも称する)についてのみ集光され、位置x1において、長手方向がポリゴンミラー15の回転方向と垂直な(回転軸A1と平行な)ライン状のビーム、すなわち、縦方向に長いライン光La1となる。
Laser light emitted from the
なお、ライン光を形成する方法は、上述した例に限定されるものではなく、例えば、ビームジェネレータによりレーザ光を広げた後、レンズで集光して、ライン光を形成するようにしてもよい。 The method of forming the line light is not limited to the above-described example. For example, after the laser light is spread by a beam generator, the line light may be condensed by a lens to form the line light. .
そして、レーザ光は、ダイクロイックミラー13を透過し、集光レンズ14により、ポリゴンミラー15の面15Aにおいて、横方向のライン光La2として集光される。ポリゴンミラー15に入射したレーザ光は、瞳投影レンズ16の方向に反射され、瞳投影レンズ16により、位置x1と光学的に共役な位置x2において、ライン光La1と同様の縦方向のライン光La3として集光される。さらに、レーザ光は、集光レンズ17により、ポリゴンミラー15の面15Aと光学的に共役な対物レンズ18の瞳Pにおいて、ライン光La2と同様の横方向のライン光La4として集光される。
Then, the laser light passes through the
その後、レーザ光は、対物レンズ18を透過すると、位置x1および位置x2と光学的に共役な対物レンズ18の焦点面Fで、ライン光La1およびライン光La3と同様の縦方向のライン光La5となる。これにより、対物レンズ18の焦点面Fに位置する試料2の観察面に縦方向のライン光La5が照射される。また、ポリゴンミラー15が、回転軸A1を中心に矢印B1の方向に回転することにより、図4に示されるように、試料2の観察面において、ライン光La5が、その長手方向と垂直な矢印B2の方向にスキャンされる。
After that, when the laser light passes through the
なお、図4において、実線で囲まれている矩形の領域Rpは、CCDイメージセンサ25により撮影される範囲を示しており、ライン光La5の長手方向は、領域Rpの縦方向(ライン光La5の長手方向に対応する方向)より長くなるように設定されている。従って、ライン光La5がスキャンされる領域Ri1は、領域Rpを含み、少なくとも領域Rpより縦方向が大きい領域となる。
In FIG. 4, a rectangular region Rp surrounded by a solid line indicates a range imaged by the
そして、試料2のライン光La5が照射された部分からは蛍光が発現し、この蛍光を含む観察光が、対物レンズ18により集められる。ここで、試料2のライン光La5が照射された部分からは、観察光が等方的に射出され、その観察光が対物レンズ18により集められるため、観察光は、対物レンズ18の瞳Pにおいて、ほぼ円形のビーム(以下、円形ビームと称する)Lb1となる。
Then, fluorescence appears from the portion of the
なお、図2では、説明を分かりやすくするために、試料2から発せられる観察光のうち、光軸が対物レンズ18の光軸と平行で、かつ、CCDイメージセンサ25により撮影される範囲に含まれる光であり、かつ、走査方向に垂直な方向(ライン方向)のNAを省略してあある光を図示している。また、図3では、説明を分かりやすくするために、試料2から発せられる観察光のうち、CCDイメージセンサ25により撮影される範囲に含まれる光のみを図示している。
In FIG. 2, for easy understanding, the observation light emitted from the
対物レンズ18により集められた観察光は、集光レンズ17により、対物レンズ18の焦点面Fと光学的に共役な位置x2において、縦方向のライン光Lb2として集光される。そして、観察光は、瞳投影レンズ16を透過し、ポリゴンミラー15のレーザ光をスキャンした面15Aにおいて、円形ビームLb1と同様の円形ビームLb3となる。ポリゴンミラー15に入射した観察光は、集光レンズ14の方向に反射されるとともに、ポリゴンミラー15によりデスキャンされ、非スキャン光となる。
The observation light collected by the
その後、観察光は、集光レンズ14を透過し、ダイクロイックミラー13により、試料2から発現される蛍光の波長成分を含む所定の波長成分の光のみがスリット19の方向に反射され、他の波長成分の光は、ダイクロイックミラー13を透過する。
Thereafter, the observation light is transmitted through the
集光レンズ14を透過し、ダイクロイックミラー13により反射された観察光は、集光レンズ14により、対物レンズ18の焦点面Fと光学的に共役な位置x3において、縦方向のライン光Lb4として集光される。また、位置x3には、長手方向がライン光Lb4の長手方向と一致するようにスリット19が配置されており、対物レンズ18の焦点面Fから発せられた観察光のみが、スリット19を通過する。スリット19を通過した観察光は、ミラー20およびミラー21により集光レンズ22の方向に反射され、集光レンズ22を透過し、ポリゴンミラー15の面15Aにおいて、円形ビームLb3と同様の円形ビームLb5となる。なお、円形ビームLb5は、円形ビームLb3が面15Aに入射した位置のほぼ真上に入射する。
The observation light transmitted through the
ポリゴンミラー15の面15Aに再入射した観察光は、ミラー23の方向に反射され、ミラー23により集光レンズ24の方向に反射され、集光レンズ24により、位置x3(スリット19)と光学的に共役な位置x4に配置されている2次元のCCDイメージセンサ25の受光面において、ライン光Lb4と同様の縦方向のライン光Lb6として集光される。また、ポリゴンミラー15が矢印B1の方向に回転することにより、CCDイメージセンサ25の受光面において、ライン光Lb6が、その長手方向と垂直な方向にスキャンされる。これにより、試料2の観察面(対物レンズ18の焦点面F)の2次元の像が、CCDイメージセンサ25の受光面において結像し、撮影される。
The observation light re-entered on the
そして、ポリゴンミラー15が矢印B1の方向に回転することにより、レーザ光のスキャン、並びに、観察光のデスキャンおよびスキャンに用いられる反射面(以下、使用面と称する)が、面15B、面15C、面15D、面15E、面15F、面15A・・・の順に切り替わりながら、各面ごとに、上述したようにして、試料2の2次元の像が撮影される。
Then, when the
なお、図2および図3は、ポリゴンミラー15の反射面が回転軸A1に対して平行であり、面倒れが発生していない場合の光の振る舞いを示している。そして、ポリゴンミラー15の各面に面倒れが発生していない場合、例えば、図4に示される試料2内の細胞41が静止していれば、どの面を使用しても、細胞41の像はCCDイメージセンサ25の同じ位置に結像され、上述した図13に示されるような、フレーム間での画像のズレは発生しない。
2 and 3 show the behavior of light when the reflecting surface of the
ここで、図5乃至図8を参照して、ポリゴンミラー15に面倒れが発生している場合について考える。
Here, with reference to FIG. 5 to FIG. 8, consider a case where the
図5は、ポリゴンミラー15の面15Aに下向き(面15Aの上端が回転軸A1から遠くなり、下端が回転軸A1に近くなる方向)の面倒れが発生している場合に、面15Aを使用したときの光の振る舞いを、図2と同じように示した図である。
FIG. 5 shows that the
レーザ光源11から射出されたレーザ光は、ポリゴンミラー15の面15Aに入射するまでは図2と同様の光路を進むが、面15Aに下向きの面倒れが発生しているため、面15Aにより、図2と比較して下向きに反射される。従って、位置x2において形成されるライン光La3の位置は、図2と比較して図中下方向にずれ、対物レンズ18の焦点面Fにおいて形成されるライン光La5の位置は、図2と比較して図中上方向にずれる。
The laser light emitted from the
このとき、図4を参照して上述したように、ライン光La5の長手方向は、CCDイメージセンサ25により撮影される領域Rpの縦方向より長く設定されている。従って、図6に示されるように、ライン光La5の照射位置が、図4に示される理想の位置より上方向にずれても、ライン光La5がスキャンされる領域Ri2に、領域Rpが含まれるようになり、領域Rpの全ての範囲にレーザ光を照射することができる。
At this time, as described above with reference to FIG. 4, the longitudinal direction of the line light La <b> 5 is set longer than the longitudinal direction of the region Rp photographed by the
なお、ライン光La5の長手方向の長さは、例えば、ポリゴンミラー15の上向きおよび下向きの面倒れが想定される最大値になったときに、対物レンズ18の焦点面Fにおいてライン光La5がスキャンされる領域が、領域Rpを含むように設定すればよい。
Note that the length of the line light La5 in the longitudinal direction is, for example, scanned with the line light La5 on the focal plane F of the
そして、試料2から発せられた観察光は、ポリゴンミラー15の面15Aに最初に入射するまでは図2と同様の光路を進むが、面15Aに下向きの面倒れが発生しているため、面15Aにより、図2と比較して下向きに反射される。従って、位置x3において形成されるライン光Lb4の位置は、図2と比較して図中下方向にずれる。しかし、集光レンズ22を透過し、再度ポリゴンミラー15の面15Aにより反射されることにより、観察光は、図2と同様の光路に戻る。これについて、図7を参照して詳細に説明する。
The observation light emitted from the
図7は、図5の下段のポリゴンミラー15により反射され、集光レンズ14および集光レンズ22を透過し、ポリゴンミラー15に再入射するまでの観察光の光路を、より具体的に示した図である。
FIG. 7 shows more specifically the optical path of the observation light reflected by the
上述したように、観察光は、面倒れが発生しているポリゴンミラー15の面15Aに入射し、集光レンズ14の方向に反射され、デスキャンされる。このときの観察光の光軸の面15Aに対する反射角の垂直方向(回転軸A1方向)の角度をθ1とする。すなわち、角度θ1は、観察光の光軸の面15Aに対する反射角を、走査型顕微鏡1を横から見た場合の角度である。より厳密に言えば、角度θ1は、回転軸A1を通り面15Aに垂直な平面α(不図示)に観察光の光軸を正射影した直線a(不図示)と、平面α上の面15Aに垂直な直線b(不図示)との間の角度である。
As described above, the observation light is incident on the
ポリゴンミラー15により反射された観察光は、集光レンズ14を透過し、ダイクロイックミラー13により、所定の波長成分の光のみがスリット19の方向に反射される。ダイクロイックミラー13により反射された観察光は、スリット19を通過し、ミラー20によりミラー21の方向に反射され、ミラー21により集光レンズ22の方向に反射される。そして、観察光は、集光レンズ22を透過し、ポリゴンミラー15の面15Aに再入射し、面15Aによりスキャンされる。
The observation light reflected by the
このとき、再入射する観察光の光軸の面15Aに対する反射角の垂直方向の角度をθ2とすると、角度θ2が角度θ1と等しくなるように、光学系が設計されている。すなわち、観察光をデスキャンするときに面15Aにより観察光が反射される角度のうち回転軸A1に垂直な面に対する角度と、観察光をスキャンするときに面15Aに観察光が入射する角度のうち回転軸A1に垂直な面に対する角度が等しくなるように、光学系が設計されている。また、観察光が面15Aに最初に入射するとき(観察光をデスキャンするとき)と、観察光が面15Aに再入射するとき(観察光をスキャンするとき)とで、観察光により面15Aにおいて形成される像の大きさがほぼ同じになるように、光学系が設計されている。すなわち、図7に示される光学系の光学倍率の絶対値がほぼ1倍に設定されている。
At this time, the optical system is designed so that the angle θ2 is equal to the angle θ1, where θ2 is the angle of the reflection angle perpendicular to the
従って、面15Aに再入射した観察光は、面15Aにおいて、面倒れが発生していない場合と同じ方向に反射される。これにより、面15Aの面倒れの程度の違いに関わらず、CCDイメージセンサ25の受光面におけるライン光Lb6の結像位置は、面倒れが発生していない場合と同じになる。従って、走査型顕微鏡1では、ポリゴンミラー15の各面の面倒れの有無および大きさの違いに関わらず、CCDイメージセンサ25の受光面における観察光の結像位置がほぼ同じになり、フレーム間での画像のズレの発生が防止される。
Accordingly, the observation light that re-enters the
なお、ポリゴンミラー15の面倒れにより、ライン光Lb4のスリット19への入射位置は、スリット19の長手方向にずれる。従って、ポリゴンミラーに面倒れが発生していても、スリット19によりライン光Lb4の上端または下端が遮断され、CCDイメージセンサ25の受光面において結像する像の上または下が切れてしまわないように、スリット19の長手方向の長さyを設定することが望ましい。より具体的には、スリット19の長手方向の長さyは、ポリゴンミラー15の上向きおよび下向きの面倒れが想定される最大値になった場合でも、スリット19を通過した後のCCDイメージセンサ25の受光面におけるライン光Lb6の長手方向が、受光面の縦方向(スリット19の長手方向に対応する方向)を含むように設定することが望ましい。
The incident position of the line light Lb4 on the
また、CCDイメージセンサ25の受光面の縦方向の長さをx、スリット19からCCDイメージセンサ25までの光学倍率をβとした場合、スリット19の長手方向の長さyは、少なくともx÷|β|より大きい値に設定する(y×|β|>xに設定する)必要がある。
When the longitudinal length of the light receiving surface of the
なお、観察光がポリゴンミラー15により反射されてから、ポリゴンミラー15に再入射するまでの反射回数によっては、CCDイメージセンサ25における観察光の結像位置のズレを解消できない場合がある。これについて、図8を参照して説明する。
Depending on the number of reflections from when the observation light is reflected by the
図8は、観察光が、ポリゴンミラー15により反射されてから、ポリゴンミラー15に再入射するまでの光学系の一例を示している。図8の光学系は、図7の光学系と比較して、ミラー20およびミラー21の代わりに、ミラー51が設けられている点が異なる。
FIG. 8 shows an example of an optical system from when the observation light is reflected by the
ポリゴンミラー15により反射されてからスリット19を通過するまでの観察光の光路は、図7の場合と同様である。その後、観察光は、ミラー51により集光レンズ22の方向に反射され、集光レンズ22を透過し、ポリゴンミラー15の面15Aに再入射する。
The optical path of the observation light after being reflected by the
このとき、再入射する観察光の光軸の面15Aに対する反射角の垂直方向の角度をθ3とすると、角度θ3は角度θ1と異なる値となる。従って、面15Aに再入射した観察光は、面15Aにおいて、面倒れが発生していない場合と異なる方向に反射され、CCDイメージセンサ25の受光面における観察光の結像位置のズレが生じてしまう。
At this time, if the angle in the vertical direction of the reflection angle with respect to the
これを防ぐためには、観察光がポリゴンミラー15により反射されてからポリゴンミラー15に再入射するまでの光路において、対物レンズ18の焦点面F(あるいは、CCDイメージセンサ25の受光面)と光学的に共役な位置が1カ所である場合、観察光を反射する回数を奇数回に設定するようにすればよい。なお、走査型顕微鏡1では、観察光がポリゴンミラー15により反射されてからポリゴンミラー15に再入射するまでの光路において、対物レンズ18の焦点面Fと光学的に共役な位置が位置x3(スリット19)の1カ所であり、観察光を反射する回数が3回に設定されている。
In order to prevent this, the focal plane F of the objective lens 18 (or the light-receiving surface of the CCD image sensor 25) and the optical path in the optical path from when the observation light is reflected by the
一方、観察光がポリゴンミラー15により反射されてからポリゴンミラー15に再入射するまでの光路において、対物レンズ18の焦点面F(あるいは、CCDイメージセンサ25の受光面)と光学的に共役な位置が2カ所である場合、観察光を反射する回数を偶数回に設定するようにすればよい。
On the other hand, a position optically conjugate with the focal plane F of the objective lens 18 (or the light receiving surface of the CCD image sensor 25) in the optical path from when the observation light is reflected by the
図9は、観察光がポリゴンミラー15により反射されてからポリゴンミラー15に再入射するまでの光路において、対物レンズ18の焦点面Fと光学的に共役な位置が2カ所である場合の光学系の構成の例を示している。図9の光学系は、図7の光学系と比較して、ミラー20およびミラー21の代わりに、集光レンズ62、ミラー63、ミラー64、および、集光レンズ65が設けられている。
FIG. 9 shows an optical system in which there are two positions optically conjugate with the focal plane F of the
観察光は、面倒れが発生しているポリゴンミラー15の面15Aに入射し、集光レンズ14の方向に反射される。ポリゴンミラー15により反射された観察光は、集光レンズ14により、対物レンズ18の焦点面Fと光学的に共役な位置において、縦方向のライン光Lb11として集光され、そこに配置されているスリット61を通過する。スリット61を通過した観察光は、集光レンズ62を透過し、ミラー63およびミラー64により、集光レンズ65の方向に反射され、集光レンズ65により、対物レンズ18の焦点面Fと光学的に共役な位置において、ライン光Lb11と同様のライン光Lb12として集光される。そして、観察光は、集光レンズ22を透過し、ポリゴンミラー15の面15Aに再入射する。
The observation light is incident on the
このとき、再入射する観察光の光軸の面15Aに対する反射角の垂直方向の角度をθ3とすると、角度θ3が角度θ1と等しくなるように、光学系が設計されている。また、観察光が面15Aに最初に入射するとき(観察光をデスキャンするとき)と、観察光が面15Aに再入射するとき(観察光をスキャンするとき)とで、観察光により面15Aにおいて形成される像の大きさがほぼ同じになるように、光学系が設計されている。
At this time, the optical system is designed so that the angle θ3 is equal to the angle θ1, where θ3 is the angle in the vertical direction of the reflection angle with respect to the
従って、図7の光学系と同様に、面15Aに再入射した観察光は、面15Aにおいて、面倒れが発生していない場合と同じ方向に反射され、面倒れの程度の違いに関わらず、CCDイメージセンサ25の受光面におけるライン光Lb6の結像位置は、面倒れが発生していない場合と同じになる。
Therefore, similarly to the optical system of FIG. 7, the observation light re-entered on the
なお、この例では、観察光がポリゴンミラー15により反射されてからポリゴンミラー15に再入射するまでの光路において、対物レンズ18の焦点面Fと光学的に共役な位置が2カ所であり、観察光を反射する回数が2回に設定されている。
In this example, there are two positions optically conjugate with the focal plane F of the
以上について、より一般的に言えば、走査型顕微鏡1のように、観察光がポリゴンミラー15によりデスキャンされてからスキャンされるまでの間において、観察光がポリゴンミラー15の回転軸A1にほぼ平行な面に沿って進む場合、対物レンズ18の焦点面Fと光学的に共役な位置の数が奇数であるとき、観察光を反射する回数を奇数回に設定し、対物レンズ18の焦点面Fと光学的に共役な位置の数が偶数であるとき、観察光を反射する回数を偶数回に設定すればよい。
More generally, the observation light is substantially parallel to the rotation axis A1 of the
次に、図10乃至図12を参照して、本発明の第2の実施の形態について説明する。 Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図10は、本発明の第2の実施の形態である走査型顕微鏡101の光学系の構成を模式的に示す図である。なお、図中、図1と対応する部分には、同じ符合を付してある。
FIG. 10 is a diagram schematically showing the configuration of the optical system of the
走査型顕微鏡101は、図1の走査型顕微鏡1と比較して、ポリゴンミラー15、スリット19、ミラー20、ミラー21、および、集光レンズ22の代わりに、ポリゴンミラー111、スリット112、ミラー113、および、集光レンズ114が設けられている点が異なる。
The
レーザ光源11からレーザ光が射出されてから、観察光がポリゴンミラー111に入射し、デスキャンされるまでの光の振る舞いは、上述した走査型顕微鏡1と同様であり、その説明は繰り返しになるので省略する。
The behavior of light from when the laser light is emitted from the
ここで、図11をさらに参照して、観察光がポリゴンミラー111に最初に入射してから、CCDイメージセンサ25により撮影されるまでの光路について説明する。なお、図11は、走査型顕微鏡101を上から見た場合の瞳投影レンズ16からCCDイメージセンサ25までの光路を模式的に示している。
Here, the optical path from when the observation light first enters the
瞳投影レンズ16を透過した観察光は、ポリゴンミラー111のレーザ光をスキャンした面と同じ面111Aに入射し、集光レンズ14の方向に反射されるとともに、ポリゴンミラー111によりデスキャンされ、非スキャン光となる。
The observation light transmitted through the
その後、観察光は、集光レンズ14により集光され、ダイクロイックミラー13により、所定の波長成分の光のみがスリット112の方向に反射され、他の波長成分の光は、ダイクロイックミラー13を透過する。
Thereafter, the observation light is condensed by the
集光レンズ14を透過し、ダイクロイックミラー13により反射された観察光は、集光レンズ14により、対物レンズ18の焦点面Fと光学的に共役な位置x11(図12)において、縦方向のライン光Lb21(図12)として集光される。また、位置x11には、長手方向がライン光Lb21の長手方向と一致するようにスリット112が配置されており、対物レンズ18の焦点面Fから発せられた観察光のみが、スリット112を通過する。スリット112を通過した観察光は、ミラー113により集光レンズ114の方向に反射され、集光レンズ114を透過し、ポリゴンミラー111の面111Aにおいて、観察光が面111Aに最初に入射したときに形成された円形ビームLb3と同様の円形ビームLb22となる。
Observation light that has been transmitted through the
ポリゴンミラー111の面111Aに再入射した観察光は、ミラー23の方向に反射され、ミラー23により集光レンズ24の方向に反射され、集光レンズ24により、位置x11(スリット112)と光学的に共役な位置に配置されている2次元のCCDイメージセンサ25の受光面において、ライン光Lb21と同様の縦方向のライン光Lb23として集光される。また、ポリゴンミラー111が回転軸A11を中心に矢印B11の方向に回転することにより、CCDイメージセンサ25の受光面において、ライン光Lb21が、その長手方向と垂直な方向にスキャンされる。これにより、試料2の観察面(対物レンズ18の焦点面F)の2次元の像が、CCDイメージセンサ25の受光面において結像し、撮影される。
The observation light re-entering the
なお、集光レンズ14と集光レンズ114とは、光軸の位置が同じ高さになるように設置されており、ダイクロイックミラー13およびミラー113は、その反射面が、ポリゴンミラー111の回転軸A11に対して平行になるように配置されている。従って、ポリゴンミラー111の面111Aに面倒れが発生していない場合、観察光は、ポリゴンミラー111の面111Aにより反射されてから面111Aに入射するまで、ほぼ水平方向に進み、円形ビームLb3と円形ビームLb22とは、その中心がほぼ一致するように面111Aに形成される。
The condensing
ここで、さらに図12を参照して、面111Aに面倒れが発生している場合について考える。図12は、ポリゴンミラー111の面111Aに面倒れが発生している場合に、走査型顕微鏡101を横から見たときの、観察光が面111Aにより反射されてから再入射するまでの光の振る舞いを示している。なお、図12では、各光学部品を観察光が通過する順に左から右に並べて図示している。また、図12では、ダイクロイックミラー13、スリット112、および、ミラー113の図示を省略している。
Here, with reference to FIG. 12, a case where the
上述したように、観察光は、面倒れが発生しているポリゴンミラー111の面111Aに入射し、集光レンズ14の方向に反射され、デスキャンされる。このときの観察光の光軸の面111Aに対する反射角の垂直方向の角度をθ11とする。
As described above, the observation light is incident on the
ポリゴンミラー111により反射された観察光は、集光レンズ14を透過し、ダイクロイックミラー13により、所定の波長成分の光のみがスリット112の方向に反射される。ダイクロイックミラー13により反射された観察光は、スリット112を通過し、ミラー113の方向に反射され、ミラー113により集光レンズ114の方向に反射される。そして、観察光は、集光レンズ114を透過し、ポリゴンミラー111の面111Aに再入射し、面111Aによりスキャンされる。
The observation light reflected by the
このとき、再入射する観察光の光軸の面111Aに対する反射角の垂直方向の角度をθ12とすると、角度θ12が角度θ11と等しくなるように、光学系が設計されている。また、観察光が面111Aに最初に入射するとき(観察光をデスキャンするとき)と、観察光が面111Aに再入射するとき(観察光をスキャンするとき)とで、観察光により面111Aにおいて形成される像の大きさがほぼ同じになるように、光学系が設計されている。すなわち、図12に示される光学系の光学倍率の絶対値がほぼ1倍に設定されている。
At this time, the optical system is designed so that the angle θ12 is equal to the angle θ11, where θ12 is the angle of the reflection angle perpendicular to the
従って、走査型顕微鏡101では、走査型顕微鏡1と同様に、ポリゴンミラー111の各面の面倒れの有無および大きさの違いに関わらず、CCDイメージセンサ25の受光面における観察光の結像位置はほぼ同じになり、フレーム間での画像のズレの発生が防止される。
Therefore, in the
なお、走査型顕微鏡1と異なり、走査型顕微鏡101のように、観察光がポリゴンミラー111によりデスキャンされてからスキャンされるまでの間において、観察光がポリゴンミラー111の回転軸A11にほぼ垂直な面に沿って進む場合、対物レンズ18の焦点面Fと光学的に共役な位置の数が奇数であるとき、観察光を反射する回数を偶数回に設定し、対物レンズ18の焦点面Fと光学的に共役な位置の数が偶数であるとき、観察光を反射する回数を奇数回に設定すればよい。
Unlike the scanning microscope 1, the observation light is substantially perpendicular to the rotation axis A <b> 11 of the
なお、走査型顕微鏡101では、観察光がポリゴンミラー111によりデスキャンされてからスキャンされるまでの間に、対物レンズ18の焦点面Fと光学的に共役な位置が1カ所であり、観察光を反射する回数が2回に設定されている。
In the
また、スリット112の長手方向の長さは、上述した走査型顕微鏡1のスリット19と同様の方法で設定するようにすればよい。
The length of the
さらに、図11の角度αは、例えば、15度に設定され、角度βは、例えば、60度に設定される。 Furthermore, the angle α in FIG. 11 is set to 15 degrees, for example, and the angle β is set to 60 degrees, for example.
また、本発明の実施の形態において、観察光がポリゴンミラーによりデスキャンされてからスキャンされるまでの間に、ポリゴンミラーの回転軸に垂直でも平行でもない角度の光路を進むように光学系が設計されている場合には、例えば、コーナーキューブなどのようにポリゴンミラーの回転軸に垂直でも平行でもない角度においた反射面に観察光を複数回反射させるようにすればよい。 In the embodiment of the present invention, the optical system is designed so that the observation light travels an optical path at an angle that is neither perpendicular nor parallel to the rotation axis of the polygon mirror between the time when the observation light is descanned by the polygon mirror and the time when the observation light is scanned. In such a case, for example, the observation light may be reflected a plurality of times on a reflecting surface at an angle that is neither perpendicular nor parallel to the rotation axis of the polygon mirror, such as a corner cube.
以上のようにして、ポリゴンミラーの面倒れの有無および大きさの違いに関わらず、フレーム間の画像のズレの発生を防止することができ、より高画質の観察画像を得ることができる。また、CCDイメージセンサの受光面において観察光をライン単位でスキャンするため、画素単位でスキャンしたり、デスキャンした観察光をPMT(光電子増倍管)等で検出し、演算により画素単位で並べる場合と比較して、より簡単かつ高速に観察画像を得ることができる。 As described above, it is possible to prevent the image from being shifted between frames regardless of whether the polygon mirror is tilted or its size is different, and a higher quality observation image can be obtained. In addition, since the observation light is scanned on the light receiving surface of the CCD image sensor in units of lines, scanning is performed in units of pixels, or the descanned observation light is detected with a PMT (photomultiplier tube) and arranged in units of pixels by calculation. Compared with, observation images can be obtained more easily and faster.
なお、以上の説明では、撮像素子としてCCDイメージセンサを用いる例を示したが、例えば、CMOSイメージセンサなど他の2次元の撮像素子を用いるようにしてもよい。 In the above description, an example in which a CCD image sensor is used as the image sensor has been described. However, for example, another two-dimensional image sensor such as a CMOS image sensor may be used.
また、スリット19(図1)、スリット61(図9)、および、スリット112(図10)のスリット幅を可変にしたり、スリット幅が異なる複数のスリットを交換して使用できるようにしたりしてもよい。 Further, the slit width of the slit 19 (FIG. 1), the slit 61 (FIG. 9), and the slit 112 (FIG. 10) can be made variable, or a plurality of slits having different slit widths can be exchanged for use. Also good.
なお、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。 The embodiment of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
1 走査型顕微鏡, 2 試料, 11 レーザ光源, 12 シリンドリカルレンズ, 13 ダイクロイックミラー, 14 集光レンズ, 15 ポリゴンミラー, 16 瞳投影レンズ, 17 集光レンズ, 18 対物レンズ, 19 スリット, 20,21 ミラー, 22 集光レンズ, 23 ミラー, 24 集光レンズ, 25 CCDイメージセンサ, 61 スリット, 62 集光レンズ, 63,64 ミラー, 65 集光レンズ, 101 走査型顕微鏡, 111 ポリゴンミラー, 112 スリット, 113 ミラー, 114 集光レンズ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Scanning microscope, 2 Samples, 11 Laser light source, 12 Cylindrical lens, 13 Dichroic mirror, 14 Condensing lens, 15 Polygon mirror, 16 Pupil projection lens, 17 Condensing lens, 18 Objective lens, 19 Slit, 20, 21 Mirror , 22 condenser lens, 23 mirror, 24 condenser lens, 25 CCD image sensor, 61 slit, 62 condenser lens, 63, 64 mirror, 65 condenser lens, 101 scanning microscope, 111 polygon mirror, 112 slit, 113 Mirror, 114 condenser lens
Claims (4)
試料に照射する一方向に長い照明光を、前記対物レンズの焦点面において前記照明光の長手方向と垂直な方向にスキャンするポリゴンミラーと、
前記試料から発せられた観察光を、前記対物レンズの焦点面と共役な位置に、一方向に長いライン光として集光させる集光レンズと、
前記対物レンズの焦点面と共役な位置に、長手方向が前記観察光の長手方向と一致するように配置されたスリットと
を少なくとも備え、
前記観察光を、前記ポリゴンミラーの前記照明光のスキャンに用いた面を用いてデスキャンし、前記集光レンズにより集光し、前記スリットを通過させた後、前記ポリゴンミラーの前記照明光のスキャンに用いた面を用いて、2次元の撮像手段の受光面において前記観察光の長手方向と垂直な方向にスキャンするとともに、
前記観察光をデスキャンするときに前記ポリゴンミラーの面により前記観察光が反射される角度のうち前記ポリゴンミラーの回転軸に垂直な面に対する角度と、前記観察光をスキャンするときに前記ポリゴンミラーの面に前記観察光が入射する角度のうち前記ポリゴンミラーの回転軸に垂直な面に対する角度が等しく、
前記観察光をデスキャンするときの前記ポリゴンミラーの面における像と、前記観察光をスキャンするときの前記ポリゴンミラーの面における像の大きさが等しい
走査型顕微鏡。 An objective lens;
A polygon mirror that scans illumination light that illuminates the sample in one direction in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the illumination light on the focal plane of the objective lens;
A condensing lens that condenses the observation light emitted from the sample as a long line light in one direction at a position conjugate with the focal plane of the objective lens;
A slit disposed at a position conjugate with the focal plane of the objective lens so that the longitudinal direction thereof coincides with the longitudinal direction of the observation light,
The observation light is descanned using the surface used for scanning the illumination light of the polygon mirror, condensed by the condenser lens, passed through the slit, and then scanned for the illumination light of the polygon mirror. And using the surface used for the scanning in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the observation light on the light receiving surface of the two-dimensional imaging means,
Of the angles at which the observation light is reflected by the surface of the polygon mirror when descanning the observation light, the angle with respect to the surface perpendicular to the rotation axis of the polygon mirror, and the polygon mirror when scanning the observation light Of the angles at which the observation light is incident on the surface, the angles with respect to the surface perpendicular to the rotation axis of the polygon mirror are equal,
A scanning microscope in which the image on the surface of the polygon mirror when the observation light is descanned and the image on the surface of the polygon mirror when the observation light is scanned are equal.
請求項1に記載の走査型顕微鏡。 The scanning microscope according to claim 1, wherein a longitudinal direction of the illumination light on a focal plane of the objective lens is longer than a length in a direction corresponding to a longitudinal direction of the observation light in a region where the sample is photographed by the imaging unit. .
請求項1に記載の走査型顕微鏡。 When the optical magnification from the slit to the imaging unit is β and the length of the imaging unit in the direction corresponding to the longitudinal direction of the slit is x, the length of the slit in the longitudinal direction × | β |> x The scanning microscope according to claim 1.
請求項1に記載の走査型顕微鏡。 When the observation light travels along a plane substantially parallel to the rotation axis of the polygon mirror between the time when the observation light is descanned by the polygon mirror and the time when the observation light is scanned, the observation light is conjugate with the focal plane of the objective lens. When the number of positions is an odd number, the observation light is reflected an odd number of times, and when the number of positions conjugate with the focal plane of the objective lens is an even number, the observation light is reflected an even number of times, and the observation light is When traveling along a plane substantially perpendicular to the rotation axis of the polygon mirror, when the number of positions conjugate with the focal plane of the objective lens is an odd number, the observation light is reflected even times, and the focal plane of the objective lens The scanning microscope according to claim 1, wherein when the number of conjugate positions is an even number, the observation light is reflected an odd number of times.
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