JP2571859B2 - 走査型光学顕微鏡 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、走査型光学顕微鏡に関するものである。

〔従来の技術〕

走査型光学顕微鏡は、光源を発した光を対物レンズを
介して標本上に集光し、この集光点の反射光若しくは透
過光を再び前記対物レンズと同一又は別の対物レンズを
介して集光し、この集光点にピンホールを置いて該ピン
ホールを通過した光を光電検出し、標本像を得る装置で
ある。但し、標本像を得る為には、標本上に作られる集
光点を２次元的に走査する必要があり、走査には大きく
分けて二つの方式がある。一つは標本を固定し、集光点
を走査する方式であり、他の一つは集光点を固定し、標
本そのものを走査する事で実質上集光点を走査したのと
同じ効果を得る方式である。

まず、第７図を用いて、集光点そのものを走査する方
式の走査型光学顕微鏡の原理を簡単に説明する。

図中、１はレーザ光源、２はビームスプリッタ、３は
光走査光学系、４は対物レンズ、５は標本、６はコリメ
ータレンズ、７はピンホール、８は光電検出器である。

光源１を発した光は、ビームスプリッタ２で反射し光
走査光学系３を通って対物レンズ４に入射し、標本５上
を走査する集光点を作る。集光点の光が標本５で反射
し、再び対物レンズ４と光走査光学系３を逆進し、ビー
ムスプリッタ２を通ってコリメータレンズ６へ向かう。
この光束は光走査光学系３を往復したことになるので時
間的にその進路は安定しており、その為コリメータレン
ズ６によって光軸上の一点に集光する。この集光点にピ
ンホール７が配置されており、ピンホール７を抜けた光
が光電検出器８で受光される。そして、光電検出器８か
ら出力される電気信号を適当に処理する事で標本像が得
られる。

次に、第８図を用いて、標本そのものを走査する方式
の走査型光学顕微鏡の原理を簡単に説明する。第７図の
ものと比較すると、光装置光学系３が無く、代わりに標
本５が２次元走査ステージ９に載置されており、標本５
自体が走査されるようになっている。その他の原理は、
第７図を用いて説明した集光点そのものを走査する方式
の走査型光学顕微鏡と同じである。更に、第９図を用い
て、もう一つの標本そのものを走査する方式の走査型光
学顕微鏡の原理を簡単に説明する。第８図のものと同じ
原理で標本５に集光点を作り、走査は標本５自体が走査
されるようになっている。しかし、標本５を反射した光
ではなく透過した光を第２の対物レンズ10で受け、それ
によって光軸上に集光点を作る。この集光点の位置にピ
ンホール７が配置されていて、後は上述の走査型光学顕
微鏡と同じ原理で標本像が作られる。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、第８図及び第９図を用いて説明した標本自
体を走査する方式の走査型光学顕微鏡は、光分解能を得
ようとすると極めて精度の高いステージ走査が必要とな
る。更に標本５の重さや大きさに制限が生じたり、走査
時間が長くなるといった欠点がある。

一方、第７図を用いて説明した標本上の集光点を走査
する方式の走査型光学顕微鏡は、これら欠点は無いもの
の、第９図を用いて説明した（透過照明型の）走査型光
学顕微鏡のように標本５を透過する光で像を作ることは
出来ず、反射光で像を得ることしか出来ないという欠点
がある。

又、第９図の走査型光学顕微鏡において、第一の対物
レンズ４の前と第２の対物レンズ10の後に光走査光学系
３を導入すれば、原理上は標本５を固定し、集光点自体
を走査する方式の透過照明型の走査型光学顕微鏡が作れ
るが、二つの光走査光学系の同期を極めて厳密に取らな
ければならないことや、二つの対物レンズ4,10の倍率を
極めて精度良く一致させなければならないこと等、技術
的に極めて困難である。そのため、一般生物標本を観察
する場合に透過照明により像を見たいという要求が強く
ある（即ち、生物標本においては、検体が２枚のガラス
板間に適当な封入剤と共に挿入されたものが多く、この
ような標本では光の反射率が悪く、顕微鏡観察を行う場
合照明光を標本で反射させて観る方法では満足な像が得
られないので、照明光を透過させて観察する必要がある
にも拘らず、標本上の集光点そのものを走査し、透過光
による像を得ることが出来る透過照明型の走査型光学顕
微鏡は、現在実用化されていない。

本発明は、上記問題点に鑑み、固定された標本上を集
光点自体が走査して像を作る方式でありながら、標本を
透過してくる光による像の観察を可能にした走査型光学
顕微鏡を提供することを目的としている。

〔課題を解決するための手段及び作用〕

本発明による走査型光学顕微鏡の一つは、光源と、該
光源から発した光を走査する走査光学系と、該走査光学
系を射出した光を標本上に集光する対物レンズと、該標
本を通過した光を受ける集光レンズ系と該集光レンズ系
の集光位置に配置された反射鏡とを有し該反射鏡による
１回の反射によって入射経路と同じ経路を通って前記標
本に向けて戻す反射光学系と、前記標本上で再び集光し
てから戻ってきた光を前記対物レンズ及び前記走査光学
系を介して受光する光電検出器と、を備えていることを
特徴としている。

即ち、これは、第１図に示した如く、第７図の走査型
光学顕微鏡の標本５の下方に所定の光学系を付加したも
のになっている。この所定の光学系は、前側焦点位置が
標本５の表面と一致する正レンズ等の適当なレンズ11と
反射鏡12とから構成されており、入射光束を入射時と全
く同じ光路を逆進するように反射する働きを持ってい
る。

従って、第７図を用いて説明した走査型光学顕微鏡と
同様の原理で、対物レンズ４を出射した照明光束が、標
本５の表面上に集光され走査される。この光束は標本５
を透過し、前記所定の光学系に入射する。そして、この
光学系で反射した光束は、再び標本５を下方から照明
し、標本５の表面に集光点を形成して走査する。さら
に、この光束は標本５を透過し、往路を逆進して行く。
同一光路を逆進した光束は、第７図を用いて説明した如
く、標本５上に作られた集光点の反射光束と全く同じ光
路をたどるので、最終的には光電検出器８で受光され、
標本像が作られる。但し、この標本像は、標本５を透過
してきた光によって作られている点が、第７図で説明し
た走査型光学顕微鏡と大きく異なり、本走査型光学顕微
鏡は透過照明型として機能する。

本発明による走査型光学顕微鏡の他の一つは、光源
と、該光源から発した光を走査する走査光学系と、該走
査光学系を射出した光を標本からずれた位置に集光する
対物レンズと、該標本を透過した光を受けてこの光を前
記標本上に集光する反射光学系と、前記標本上で集光し
てから戻ってきた光を前記対物レンズ及び前記走査光学
系を介して受光する光電検出器と、を備えていることを
特徴としている。

即ち、反射光学系で反射した光が標本上で集光してさ
えすれば、必ずしも対物レンズを射出した光を標本上で
集光させる必要はなく、かえって対物レンズを射出した
光の集光点を標本上からずらすことによって標本面上で
の反射光を弱くし、観察像のコントラストを向上せしめ
ることができる。

〔実施例〕

以下、図示した実施例に基づき本発明を詳細に説明す
る。

第２図は本発明による走査型光学顕微鏡の全体構成例
を示している。

21はレーザー光源、22は正レンズ、23はその中心が正
レンズ22の後側焦点位置に置かれたピンホール、24はそ
の前側焦点位置がピンホールの中心位置に置かれた正レ
ンズであって、これらがレーザ光源21からの光を平行光
束にする光学系を構成している。

25は前記平行光束のＳ偏光成分のみを透過する直線偏
光素子、26はＳ偏光成分を反射し且つＰ偏光成分を透過
する偏光ビームスプリッタである。27は入射した光束の
向きを紙面方向に偏光するガルバノメーターミラーや音
響光学素子等の偏光素子、28,29は前者の後側焦点位置
と後者の前側焦点位置とが一致するように配置されてア
フォーカル光学系を構成している二つの正レンズ、30は
入射した光束の向きを紙面と垂直な方向に変更するガル
バノメーターミラーや音響光学素子等の偏向素子、31,3
2は前者の後側焦点位置と後者の前側焦点位置とが一致
するように配置されてアフォーカル光学素子を構成して
いる二つの正レンズであって、これらが偏光ビームスプ
リッタ26で反射されたＳ偏光成分から成る平行光束を平
行光束のまま二次元的に走査する光走査光学系を構成し
ている。33は後述の第１の対物レンズの入射瞳、34は第
１の対物レンズ、35は第１の対物レンズ34の後側焦点面
に表面が一致せしめられた標本である。尚、二つの偏向
素子27,30は、正レンズ28,29から成るアフォーカル光学
系に関して互いに共役関係にあり、更に偏向素子30と第
１の対物レンズ34の入射瞳33は、正レンズ31,32から成
るアフォーカル光学系に関して互いに共役関係にある。
即ち、二つの偏向素子27,30と第１の対物レンズ34の入
射瞳33の三者は、夫々互いに共役関係にある。従って、
上記光走査光学系から射出する平行光束は入射瞳33の中
心を軸としてその向きが二次元的に変化し、第１の対物
レンズ34の作用により標本35の面に集光点を作りこれを
二次元的に走査する。又、一般的に入射瞳33は第１の対
物レンズ34の前側焦点面に一致しているので、上記集光
点を作っている光束の中心を通る光線は、第１の対物レ
ンズ34の光軸と平行である即ち標本35の面に対して垂直
である。

36はその前側焦点面が標本35の表面に一致せしめられ
た第２の対物レンズであって、標本35の表面に集光点を
作った光束は標本35を透過した後この第２の対物レンズ
36により再び平行光束に変換されるようになっている。
37は1/4λ板、38は反射光学系である。又、1/4λ板37を
往復透過したＳ偏光の直線偏光光束は、1/4λ×２＝1/2
λの位相差が与えられるので、Ｐ偏光の直線偏光光束に
変換される。

39は偏光ビームスプリッタ26を透過してきた平行光束
を集光せしめるコリメータレンズ、40はコリメータレン
ズ39の後側焦点位置（光軸上の集光点）に必要に応じて
配置されたピンホール、41はピンホール40を通過した光
束を受光する光電変換素子であって、光電変換素子41の
電気信号は図示しない信号処理回路で処理されて標本像
として可視化されるようになっている。

本全体構成例は上述の如く構成されているから、レー
ザ光源21を発した光は正レンズ22によりピンホール23の
中心に集光し、これを抜けた光束は正レンズ24により平
行光束となり、そのうちのＳ偏光成分のみが直線偏光素
子25を透過して偏光ビームスプリッタ26に入射する。次
にＳ偏光成分のみから成る平行光束は偏光ビームスプリ
ッタ26で反射され、偏光素子27から正レンズ32までで構
成される光走査光学系により平行光束のまま二次元的に
走査され、入射瞳33を通った後正レンズ34により集光せ
しめられて標本35の面上に集光点を作りながら二次元的
に走査される。一旦集光せしめらた光束は標本35を透過
した後第２の対物レンズ36により再び平行光束に変換さ
れ、1/4λ板37を透過した後反射光学系38にて反射され
る。反射光学系38で反射した光束は、入射光束が通過し
た光路と全く同じ光路を逆進し、1/4λ板37を再透過し
た時Ｐ偏光成分のみから成る平行光束となり、第２の対
物レンズ36により集光せしめられつつ標本35の背後から
入射せしめられて標本35の面上に集光点を作る。勿論、
この時集光点は二次元走査される。そして、光束は、第
１の対物レンズ34から偏光ビームスプリッタ26へと光路
を逆にたどり、今度は偏光ビームスプリッタ26を透過し
た後コリメータレンズ39に入射してその後側焦点位置即
ちピンホール40の中心に集光せしめられ、該中心を通過
した光束が光電変換素子41に受光される。その後は、光
電変換素子41の電気信号が図示しない信号処理回路で処
理されて標本像として可視化される。

かくして、本全体構成例によれば、固定された標本35
上を集光点自体が走査して像を作る方式でありながら、
標本35を透過して来る光による像の観察が可能になる。

尚、ピンホール40の配置された走査型光学顕微鏡を一
般に共焦点走査型光学顕微鏡と呼ぶ。この顕微鏡の特徴
は公知であるが、効果のみを簡単に説明する。一般的光
学顕微鏡では開口数の大きな対物レンズで観察するため
焦点深度が極端に浅く、検体が厚いと観察される像は真
に観察したい検体の合焦像に合焦前後のぼけた検体像が
重なってしまうので、実行的解像力が悪化する。しか
し、この共焦点走査型光学顕微鏡では、合焦面だけが明
るく観察でき、前後の像は暗黒になる特徴を持つので、
薄い標本は勿論厚い標本であっても、極めて良好な解像
力が得られ、生物標本を観察する上で非常に有効であ
る。

以下に、全体構成例における反射光学系をより具体化
した場合の実施例について説明する。

第３図は第１実施例の光学系の要部を示しており、第
３図では標本35を透過し第２の対物レンズ36で作られた
平行光束を逆進させる反射部材としてコリメータレンズ
42と平面鏡43とを組み合わせ用いている。コリメータレ
ンズ42は、第２の対物レンズ36を出射する光束の中心光
線が光軸をよぎる位置に該コリメータレンズ42の前側焦
点位置が一致するよう配置してある。これにより、この
中心光線は光軸と平行になるが、言い換えればこれは第
２の対物レンズ36の射出瞳をコリメータレンズ42が無限
遠方に投影したと言える。又、平面鏡43は、第２の対物
レンズ36とコリメータレンズ42とに関して標本35の表面
と共役になる位置に平面鏡43の反射面が位置するよう配
置してある。これにより、標本35上に点像を作りこれを
透過してきた光束は、平面鏡43の表面に再び点像を作り
反射する。しかも、その光束の中心光線は平面鏡43表面
に垂直入射するので、第３図に示されるよう、反射光束
は入射光束が通過したのと全く同じ光路を逆進し、標本
35を背後から透過照明する。もし、第１の対物レンズ34
を出射する光束の中心光線が標本35の表面を垂直に透過
している場合は、コリメータレンズ42を、その前側焦点
位置が第２の対物レンズ36の後側焦点位置に一致するよ
うに配置すれば良い。

又、本実施例におけるコリメータレンズ42と平面鏡43
とを第４図に示した如く一枚の平凸レンズ43′で構成す
ることも可能である。即ち、第４図に示した平凸レンズ
43′は、凸面である第１面43′ａが正の屈折力を持つ即
ち第３図のコリメータレンズ42と同一の作用を有し、平
面である第２面43′ｂにはアルミの薄膜がコーティング
されていて第３図の平面鏡43と同一の作用を有している
ので、コリメータレンズ42と平面鏡43の両方の作用を兼
ねることになる。従って、より簡単な構成で第３図と同
様に透過照明を行うことが可能である。

第５図は第２実施例の光学系の要部を示しており、第
５図では標本35を透過し第２の対物レンズ36で作られた
収束光を逆進させる反射部材として凹面鏡44を用いて、
その反射面に第２の対物レンズ36による光の収束点を一
致させている点が異なっている。凹面鏡44はその反射面
が第２の対物レンズ36に関して標本35の表面と共役にな
る位置に配置され、その反射面の曲率は第２の対物レン
ズ36を出射する光束の中心光線が光軸をよぎる位置即ち
第２の対物レンズ36の射出瞳位置36aに曲率半径Ｒの中
心が一致するよう選択されている。これにより、標本35
上に点像を作りこれを透過してきた光束は、凹面鏡44の
表面に再び点像を作り反射する。しかも、その光束の中
心光線は凹面鏡44の表面に垂直入射するので、第５図に
示されるように、反射光束は入射光束が通過したのと全
く同じ光路を逆進し、全体構成例と同様標本35を背後か
ら透過照明する。もし、第１の対物レンズ34を出射する
光束の中心光線が標本35の表面を垂直に透過している場
合は、凹面鏡44の曲率中心が第２の対物レンズ36の後側
焦点位置に一致するように、その曲率を選択すれば良
い。尚、1/4λ板37の働きは全体構成例の場合と全く同
じである。

以上述べてきた２つの実施例では、標本35の表面から
の反射光が光電変換素子41に入射し、標本35の透過観察
像のコントラストを低下させる不具合を防止するためも
あって、直線偏光素子25,偏光ビームスプリッタ26,1/4
λ板37を用いているが、これらを用いずともコントラス
トの低下を防止出来る構成がある。それは、何れの実施
例においても、標本35の表面以降の光学系を多少光軸に
沿って又は光軸から離れるように移動することでなされ
る。

第６図は第３実施例として、第１実施例においてその
ことを実施した例の光学系の要部を示している。即ち、
第１の対物レンズ36を出射し作られる点像の位置は、標
本35の表面ではなく、そこから上下にずれた位置に作ら
れると共に、平面鏡43で反射し標本35を背後から照明す
る点像が標本35の表面に結像するようにしている。この
ようにすることで、標本35の表面を上から下に透過する
照明光束の光束密度は大きく低下し、よってその標本35
の表面上での反射光による前記コントラストも実質上問
題とならないレベル迄低減される。このことは、共焦点
走査型光学顕微鏡の特徴からも理解できる。

尚、第１の対物レンズ34を射出した光束の点像位置と
ピンホール23とは、その間の光学系に関して共役である
必要があり、標本35の表面とピンホール40もその間の光
学系に関し共役である必要があるので、本実施例のよう
に平面鏡43の位置をずらす時には、それに応じてピンホ
ール23又は40の位置も光軸に沿って多少ずらす必要があ
る。また、本実施例では、反射光学系にコーナーキュー
ブプリズムを用いていても良い。

以上、本発明による透過照明型の走査型光学顕微鏡に
ついて説明して来たが、本発明による走査型光学顕微鏡
に共通して言える事は、容易に反射照明型の走査型光学
顕微鏡としても使えることである。例えば、第２の対物
レンズ36をはねのけるかその位置を下方又は上方に大き
く移動して反射光学系38の反射光が但しく逆進出来なく
なってしまうと共に、第１の対物レンズ34の直前に1/4
λ板37と同様の働きを持つ1/4λ板を挿入して、標本35
の表面からの反射光束がＰ偏光光束として偏光ビームス
プリッタ26を効率よく透過出来るように構成すれば良
い。

〔発明の効果〕

本発明に係る走査型光学顕微鏡について、第１の発明
では、１回のみの反射の反射光学系を用いるようにした
ので、光の３回反射を用いるコーナーキューブプリズム
を用いた従来の反射光学系に比べて、製作性や入手性が
良く且つ廉価に反射光学系を構成することができる。ま
た、第２の発明では、標本を透過した光を受けるアフォ
ーカル光学系と、アフォーカル光学系の集光位置に配置
された,1回の反射によって入射経路と同じ経路を通って
標本に向けて戻す平面鏡を設けるようにしたので、従来
難しかった透過共焦点の画像調整が容易になり、作業性
の向上と装置の簡素化を実現できる。また、第３の発明
では、反射光学系からの射出光を標本からずれた位置に
集光するようにしたので、透過観察像のコントラストの
低下を防止することができる

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による走査型光学顕微鏡の光学系の概念
図、第２図は本発明による走査型光学顕微鏡の光学系の
全体構成例を示す図、第３図は第１実施例の反射光学系
の要部を示す図、第４図は第１実施例の変形例の光学系
の要部を示す図、第５図は第２実施例の反射光学系の要
部を示す図、第６図は第３実施例の反射光学系の要部を
示す図、第７図乃至第９図は夫々各従来例の光学系の概
念図である。 1,21……レーザ光源、２……ビームスプリッタ、３……
光走査光学系、４……対物レンズ、5,35……標本、11…
…レンズ、12……反射鏡、22……正レンズ、23,40……
ピンホール、24,28,29,31,32……正レンズ、25……直線
偏光素子、26……偏光ビームスプリッタ、27,30……偏
向素子、33……入射瞳、34……第１の対物レンズ、36…
…第２の対物レンズ、37……1/4λ板、38……反射光学
系、39,42……コリメータレンズ、41……光電変換素
子、43……平面鏡、43′……平凸レンズ。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光源と、該光源から発した光を走査する走
   査光学系と、該走査光学系を射出した光を標本上に集光
   する対物レンズと、該標本を透過した光を受ける集光レ
   ンズ系と該集光レンズ系の集光位置に配置された反射鏡
   とを有し該反射鏡による１回の反射によって入射経路と
   同じ経路を通って前記標本に向けて戻す反射光学系と、
   前記標本上で再び集光してから戻ってきた光を前記対物
   レンズ及び前記走査光学系を介して受光する光電検出器
   と、を備えた走査型光学顕微鏡。
2. 【請求項２】光源と、該光源から発した項を走査する走
   査光学系と、該走査光学系を射出した光を標本上に集光
   する対物レンズと、該標本を透過した光を受けるアフォ
   ーカル光学系と、該アフォーカル光学系の集光位置に配
   置された,1回の反射によって入射経路と同じ経路を通っ
   て前記標本に向けて戻す平面鏡と、前記標本上で再び集
   光してから戻ってきた光を前記対物レンズ及び前記走査
   光学系を介して受光する光電検出器と、を備えた走査型
   光学顕微鏡。
3. 【請求項３】光源と、該光源から発した光を走査する走
   査光学系と、該走査光学系を射出した光を標本からずれ
   た位置に集光する対物レンズと、該標本を透過した光を
   受ける集光レンズ系と該集光レンズ系の集光位置に配置
   された反射鏡とを有し該反射鏡による１回の反射によっ
   て入射経路と同じ経路を通って前記標本に向けて戻す反
   射光学系と、前記標本上で再び集光してから戻ってきた
   光を前記対物レンズ及び前記走査光学系を介して受光す
   る光電検出器と、を備えた走査型光学顕微鏡。