JP2561160B2 - 走査型顕微鏡 - Google Patents

走査型顕微鏡

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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は走査型顕微鏡、特に詳細には照明光の走査機
構が改良された走査型顕微鏡に関するものである。
(従来の技術) 従来より、照明光としてのレーザ光を対物レンズによ
り試料上で微小な光点に絞り、この光点を試料上におい
て主、副走査させ、その際該試料を透過した光あるいは
そこで反射した光を光検出器で検出して、試料の拡大像
を担持する電気信号を得るようにした光学式走査型顕微
鏡が公知となっている。なお特開昭62−209510号および
同63−306414号公報には、この走査型顕微鏡の一例が示
されている。
(発明が解決しようとする課題) 従来の走査型顕微鏡においては、上記走査機構とし
て、 試料台を2次元的に移動させる機構、あるいは レーザ光を光偏向器によって2次元的に偏向させる機
構が用いられていた。
しかしの機構を採用した場合には、高速走査を行な
うと試料が飛んでしまうという問題が生じていた。
の機構においては、上述のような問題は生じないか
ら、かなり高速の走査が可能であり、例えばAOD(音響
光学光偏向器)を用いるものでは、走査周波数が15.75k
Hzのものも提供されている。その場合、主走査周期は1/
(15.75×103)秒であるから、例えば主走査ラインが50
0本程度とすれば、1画面は約1/30秒で撮像可能とな
る。この程度の所要時間であれば、1画面はほとんどリ
アルタイムで得られると言える。
ところが、焦点面を移動させる毎に試料像を撮像し、
それぞれの場合に得られた画像信号に基づいて全体的な
画像を再構築する場合は、試料像を数十枚さらには数百
枚も撮像することがあり、その場合上記の条件下では、
すべての試料像を撮像するのに数秒から数十秒も要する
ことになる。
本発明は上記のような事情に鑑みてなされたものであ
り、レーザ光の走査を従来と比べて著しく高速で行なう
ことができる走査型顕微鏡を提供することを目的とする
ものである。
(課題を解決するための手段) 本発明による走査型顕微鏡は、先に述べたように対物
レンズによって絞られたレーザ光の光点を試料上におい
て主、副走査させるようにした走査型顕微鏡において、 上記レーザ光を互いに中心がずれた状態で2本に分岐
して対物レンズに入射させるビーム分岐手段と、 分岐された2本のレーザ光の少なくとも一方を、これ
ら両者間で規則的に強度変調する光変調器と、 レーザ光の試料上におけるビームプロファイルを、2
本のレーザ光の並び方向に長い偏平形状とする光学素子
とを備えたことを特徴とするものである。
(作用) 上記の方法においては、2本のレーザ光により、それ
らの並び方向と交わる方向に延びる干渉縞が形成され、
この干渉縞は2本のレーザ光の並び方向に移動する。そ
して試料上のビームプロファイルを上述のようにするこ
とにより、試料上で干渉縞は微小な点状となる。したが
って試料上においては、この点状となった干渉縞が移動
し、試料がその光点で一方向に走査(主走査)されるよ
うになる。
上記干渉縞は、2本のレーザ光の各変調周波数をf1
f2(f1<f2)とすると、その差Δf=f2−f1を周波数と
して次々と発生するから、上記光点の主走査をこの周波
数Δfで繰り返すことができる。例えばAOM(音響光学
光変調器)にあっては、変調周波数が数百MHzのものも
提供されており、2本のレーザー光の一方をこのような
AOMで変調し、他方は変調しないとすると、主走査周波
数Δfは理論上数百MHzまで確保できることになる。副
走査速度の上限や、光検出器の応答速度も考慮して、一
例として主走査周波数Δf=1.575MHzとすれば、前述し
た走査周波数が15.75kMzのAODを主走査手段として利用
する場合に比べて、主走査速度は100倍も高くなる。
(実 施 例) 以下、図面に示す実施例に基づいて本発明を詳細に説
明する。
第1図は、本発明の第1実施例による反射型の走査型
顕微鏡を示すものである。図示されるようにレーザ光源
10から射出された平行光であるレーザ光(照明光)11
は、ビームスプリッタ12により、互いに中心がずれた状
態の2本のレーザ光11A、11Bに分岐される。これらのレ
ーザ光11A、11BはそれぞれAOM(音響光学光変調器)13
A、13Bに通され、相異なるる周波数f1、f2で強制的に強
度変調される。そしてこれらのレーザ光11A、11Bは副走
査手段としてのガルバノメータミラー14に入射し、矢印
A方向に往復揺動するこのガルバノメータミラー14によ
り反射偏向される。
偏向されたレーザ光11A、11Bは、ガルバノメータミラ
ー14に一体となったシリンドリカルレンズ15に入射す
る。このシリンドリカルレンズ15はレーザ光11A、11Bの
並び方向にそれらを収束させるように配置され、かつ対
物レンズ18の入射側焦点位置にビームウエストを一致さ
せる。レーザ光11A、11Bは、ハーフミラー16を透過して
対物レンズ18に入射する。レーザ光11A、11Bはこの対物
レンズ18によって絞られ、試料20上においてビームプロ
ファイルがそれらの並び方向に長い偏平形状(本例では
楕円形状)となる。
ここで、分岐されたレーザ光11A、11Bが重なり合う部
分には、第2図に示すような干渉縞17が発生する。レー
ザ光11A、11Bの試料20上におけるビームプロファイルが
上述のようになっているから、干渉縞17は試料20上(表
面あるいは内部)で微小な光点Pとなる。なおこの試料
20が載置される試料台19は、上下移動機構21により矢印
Z方向、すなわち対物レンズ18の光軸方向に移動される
ようになっている。
光点Pで照射された試料20の部分からの反射光11′
は、ハーフミラー16で反射し、集光レンズ22によって点
像Qに結像される。この点像Qの結像位置には、第3図
に詳しく示すように上下方向に延びるスリット23aを有
するスリット板23が配されている。点像Qはこのスリッ
ト23aを介して、広い受光面25aを有する光電子増倍管等
の光検出器25によって検出される。したがってこの光検
出器25からは、上記点像Qの明るさを示す信号Sが出力
される。このようにスリット23aを介して点像Qを検出
することにより、そのハローをカットし、また試料20に
おける散乱光もカットすることができる。
干渉縞17は、レーザ光11A、11Bが前述のように相異な
る周波数f1、f2で変調されているために、レーザ光11
A、11Bの並び方向に移動する。したがって上記光点Pは
試料20上を矢印X方向に走査(主走査)する。点像Qは
この光点Pの主走査にともない、スリット板23のスリッ
ト23aに沿って移動するが、どの移動位置にあっても、
光検出器25の広い受光面25aに入射しうる。このように
光点Pの主走査がなされるとともに、レーザ光11A、11B
がガルバノメータミラー14によって偏向されるので、こ
の光点Pは試料20上において上記主走査方向Xとほぼ直
交するY方向に副走査する。
こうすることにより光検出器25からは、試料20の2次
元像を担持する時系列の信号Sが出力される。この信号
Sは、制御回路24から同期信号を受ける信号処理回路26
において、光点Pの主、副走査と同期を取って所定周期
毎に積分する等により、画素分割された信号Spとされ
る。
なお、AOM13A、13Bの各駆動回路27A、27Bと、ガルバ
ノメータミラー駆動回路28には上記制御回路24から同期
信号が入力され、光点Pの主走査と副走査の同期が取ら
れる。
また光点Pの副走査にともなって、点像Qの結像位置
はスリット23aとほぼ直交する方向に移動する。それに
追随するためにスリット板23は、一例としてピエゾ素子
29により、スリット23aとほぼ直交するY方向に移動さ
れる。このピエゾ素子29の駆動回路30には、上記制御回
路24から同期信号が入力され、このスリット板23の移動
と光点Pの副走査の同期が取られる。
なお干渉縞17の数は、試料が同時に複数の光点Pで照
射されることがないように、1つとしておくのが望まし
い。この干渉縞17の数Nは、レーザ光11A、11Bのビーム
径をD、ビーム間隔をWとすると、 N=1.27W/D となるから、この式に基づいてビーム径およびビーム間
隔を設定することにより、干渉縞17を1つだけ発生させ
ることができる。
また前述した通り、主走査周波数はΔf=f2−f1であ
り、例えばf2=3.15MHz、f1=1.575MHzとすれば、Δf
=1.575MHzとなる。この場合、主走査ライン数が500本
であれば、1枚の顕微鏡像は500×1/(1.575×106)秒
=0.317ミリ・秒で撮像可能となる。
本実施例においては試料台19が、上下移動機構21によ
り、主、副走査方向X、Yと直交する矢印Z方向に移動
される。こうして試料20をZ方向に所定距離移動させる
枚に前記光点Pの2次元走査を行なえば、合焦点面の情
報のみが光検出器25によって検出される。そこで、この
光検出器52の出力Sをフレームメモリに取り込むことに
より、試料20をZ方向に移動させた範囲内で、全ての面
に焦点が合った全体的な画像を担う信号を得ることが可
能となる。
上記のようにして全体的な画像を再構築する場合、1
画面の撮像に要する時間が前記の0.317ミリ・秒である
ならば、例えば500枚の画像を撮像するのに約0.16秒し
か必要としない。
次に第4図を参照して、本発明の第2実施例について
説明する。なおこの第4図において、前記第1図中の要
素と同等の要素には同番号を付し、それらについては特
に必要の無い限り説明を省略する。
この第2実施例の走査型顕微鏡においては、2本に分
岐されたレーザ光11A、11Bのうち、一方のレーザ光11B
のみがAOM13Bに通されて、周波数f2で規則的に強度変調
されるようになっている。この場合、他方のレーザ光10
Aは変調されず、したがってf1=0であるから、主走査
周波数Δf=f2となる。
なお以上説明した各実施例においては、光点Pの副走
査と同期を取ってスリット板23を移動させるようにして
いるが、例えばガルバノメータミラー14の裏面をも反射
面とし、試料20からの反射光11′をこの裏面まで導い
て、該ガルバノメータミラー14によるレーザ光11A、11B
の偏向と相殺されるように反射偏向させ、それによりこ
のスリット板23の移動を不要にすることもできる。また
レーザ光11A、11Bを変調する光変調器としては、AOM以
外の公知のものが用いられてもよい。
また以上の実施例では、レーザ光11A、11Bの試料20上
におけるビームプロファイルをそれらの並び方向に長い
偏平形状とする光学素子が、シリンドリカルレンズ15と
対物レンズ18とから構成されているが、該光学素子とし
てその他のものが用いられてもよい。
さらに光点Pの副走査は、以上説明したガルバノメー
タミラー14以外の光偏向器によって行なうこともできる
し、あるいは試料20をレーザ光11A、11Bに対して相対移
動させることによって行なうこともできる。
また本発明は、透過型の走査型顕微鏡や、カラー画像
を形成する走査型顕微鏡に対しても同様に適用可能であ
る。
(発明の効果) 以上詳細に説明した通り本発明の走査型顕微鏡は、試
料を照射するレーザ光を2本に分岐してそれらにより干
渉縞を発生させるとともに、該干渉縞を試料上において
微小な光点とし、レーザ光を変調してこの干渉縞を移動
させることにより、試料上で上記光点を照明光として主
走査させる構成としたので、この主走査を極めて高速で
行なうことが可能となる。よって本発明の走査型顕微鏡
によれば、非常に多数の画像を撮像してそれらに基づい
て立体的な画像を再構築する場合でも、極めて短時間の
うちに再構築画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の第1実施例による走査型顕微鏡を示
す概略側面図、 第2図は、上記走査型顕微鏡の一部を示す部分図、 第3図は、上記走査型顕微鏡の光検出器周辺部分を示す
斜視図、 第4図は、本発明の第2実施例による走査型顕微鏡を示
す概略側面図である。 10……レーザ光源、11、11A、11B……レーザ光 11′……反射光、12……ビームスプリッタ 13A、13B……AOM、14……ガルバノメータミラー 15……シリンドリカルレンズ 16……ハーフミラー、18……対物レンズ 19……試料台、20……試料 21……上下移動機構、22……集光レンズ 23……スリット板、23a……スリット 24……制御回路、25……光検出器 25a……受光面、26……信号処理回路 27A、27B……AOM駆動回路 28……ガルバノメータミラー駆動回路 29……ピエゾ素子、30……ピエゾ素子駆動回路

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】照明光としてのレーザ光を対物レンズによ
    り試料上において微小な光点に絞り、 この光点を試料上において主、副走査させ、 このときの試料からの光を光電的に検出して、該試料の
    拡大像を担う画像信号を得るように構成された走査型顕
    微鏡において、 前記光点の主走査手段として、 前記レーザ光を互いに中心がずれた状態で2本に分岐し
    て前記対物レンズに入射させるビーム分岐手段と、 分岐された2本のレーザ光の少なくとも一方を、これら
    両者間で変調周波数が異なるように規則的に強度変調す
    る光変調器と、 レーザ光の試料上におけるビームプロファイルを、2本
    のレーザ光の並び方向に長い偏平形状とする光学素子と
    を備えたことを特徴とする走査型顕微鏡。
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