JP2631779B2 - 走査型顕微鏡 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光学式の走査型顕微鏡に
関し、特に詳細には、試料が載置される試料台と、照明
光を試料に照射する光学系とを相対的に移動させて、照
明光を試料上において走査させるようにした走査型顕微
鏡に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、照明光を微小な光点に収束さ
せ、この光点を試料上において２次元的に走査させ、そ
の際該試料を透過した光あるいはそこで反射した光、さ
らには試料から生じた蛍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62-217218
号公報には、この走査型顕微鏡の一例が示されている。

【０００３】従来の光学式走査型顕微鏡においては、上
記走査機構として、照明光ビームを光偏向器によって２
次元的に偏向させる機構が多く用いられていた。

【０００４】しかしこの機構においては、ガルバノメー
タミラーやＡＯＤ（音響光学光偏向器）等の高価な光偏
向器が必要であるという難点が有る。またこの機構にお
いては、照明光ビームを光偏向器で振るようにしている
から、送光光学系の対物レンズにはこの光ビームが刻々
異なる角度で入射することになり、それによる収差を補
正するために対物レンズの設計が困難になるという問題
も認められている。特にＡＯＤを使用した場合には、対
物レンズ以外にもＡＯＤから射出した光束に非点収差が
生ずるため特殊な補正レンズが必要となり、光学系をよ
り複雑なものとしている。

【０００５】上記の点に鑑み従来より、照明光ビームは
偏向させないで照明光光点の走査を行なうことが考えら
れている。例えば、本出願人による特願平1-246946号明
細書には、送光光学系を移動台に搭載し、この移動台を
試料台に対して相対的に往復移動させることにより、照
明光光点の走査を行なうことが示されている。

【０００６】そして、このように光学系と試料台とを相
対的に移動させる具体的な機構の１つとして、本出願人
による特願平2-198550号明細書に示されるように、光学
系あるいは試料台を先端部に保持する音叉と、この音叉
に強さが周期的に変化する磁界を作用させて該音叉を振
動させる電磁石とから構成されたものが提案されてい
る。このような移動機構は、例えばピエゾ素子や超音波
振動子等を利用した移動機構に比べれば、光学系の相対
移動幅すなわち照明光走査幅（これは音叉の振幅によっ
て定まる）を大きく取れるので、走査型顕微鏡の撮像範
囲をより大きく確保する上で有利となっている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで従来の走査型
顕微鏡の多くは、試料からの光を検出する光検出器の連
続出力を信号処理手段に入力し、そこでこの出力をサン
プリング、量子化して、１主走査ライン毎のデジタル画
像データを得るようにしている。

【０００８】しかしそのようにする場合、先に述べた音
叉と電磁石の組合せによる照明光走査機構を用いると、
音叉変位が時間に対してリニアに変化せず、正弦関数に
近い特性で変化するので、上記デジタル画像データに基
づいて再生した像に歪みが生じるという問題が起こり得
る。以上、音叉と電磁石との組合せからなる照明光走査
機構を用いる場合の問題について説明したが、このよう
な問題は、上記以外の照明光走査機構を用いる場合で
も、同様に起こり得るものである。

【０００９】上記のような問題に対処するため、サンプ
リングの周期を規定するピクセルクロックの周期を、上
記往復移動の速度変動を補償するように変調しておくこ
とが考えられる。この方法は確かに効果的であるが、そ
の半面、音叉の動作（すなわち試料台と光学系との相対
移動動作）とサンプリング開始タイミングとが正確に所
定関係に保たれないと、撮像画像に歪みが生じることに
なる。

【００１０】そこで本発明は、試料台と光学系とを相対
的に移動させる走査機構を用いた場合に、上述したよう
な画像の歪みが生じることのない走査型顕微鏡を提供す
ることを目的とするものである。

【００１１】

【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、試料が載置される試料台と、照明光を試料上に照
射する光学系とを相対的に往復移動させることにより、
この照明光を試料上において主、副走査させ、この照明
光走査を受けた試料の部分からの光を光検出器により検
出して試料像を撮像する走査型顕微鏡において、◆前述
したように上記光検出器の連続出力をサンプリングし
て、１主走査ライン毎のデジタル画像データを得る信号
処理手段と、◆この信号処理手段に、往復移動の速度変
動を補償するように周期が変調されたピクセルクロック
を入力する手段と、◆上記サンプリングの開始タイミン
グを規定するタイミング信号を作成する手段とを設けた
上で、◆試料台および光学系の一方には、複数の光反射
部材または光遮断部材が上記往復移動の方向に並設され
てなるグリッドパターンを固定し、◆試料台および光学
系の他方には、上記グリッドパターンに光を照射する投
光器を取り付け、さらに、◆このグリッドパターンで反
射し、あるいはそこを透過した光を検出する受光器と、
◆この受光器が出力した光検出信号を上記ピクセルクロ
ックに基づいてサンプリングしてデジタル変位データを
得る手段と、◆このデジタル変位データ中の、上記グリ
ッドパターンにおける等ピッチの特定点を示すデータの
順位ｘ（ｘ＝１，２，３……）と、それらの各データの
サンプリング順位ｙとの関係を２次式ｙ＝ａｘ² ＋ｂｘ
＋ｃに近似させ、この近似式における係数ａの正負に基
づいてシフト方向を決めた上で、上記往復移動を行なう
手段に入力される駆動信号を上記タイミング信号に対し
て位相シフトさせる手段とを設けたことを特徴とするも
のである。

【００１２】

【作用および発明の効果】図５に、前述した音叉と電磁
石とからなる照明光走査機構における、電磁石の駆動電
圧と音叉の変位等の関係の一例を示す。図の（ａ）に示
すのが水平同期信号ｆ_H 、（ｂ）に示すのが、音叉の駆
動周波数を決定する信号Ｓｆである。また同図の（ｃ）
に示すのが電磁石駆動電圧Ｖｄであり、（ｄ）に示すの
が音叉の変位Ｆである。両者の位相は、音叉の応答遅れ
により、互いに図中Ｌ１で示す量だけずれている。

【００１３】図示されるように、音叉の変位は時間ｔに
対してリニアには変化せず、ほぼ正弦関数に従って変化
する。したがって、照明光走査を受けた試料部分からの
光を検出する光検出器の出力Ｓ（同図の（ｆ）に示す）
を、一定周期のピクセルクロックに基づいて等時間間隔
でサンプリングすると、それにより得られたデジタル画
像データに基づいて再生される顕微鏡像は歪んだものと
なってしまう。すなわち、このようなデジタル画像デー
タから画像を再生する通常の画像再生装置は、各画像デ
ータがそれぞれ等間隔の画素に関するものであることを
前提として画像再生するように構成されているからであ
る。

【００１４】そこで、同図の（ｅ）に示すようにピクセ
ルクロックＣｐの周期を、照明光走査速度（音叉変位Ｆ
を微分したものの絶対値となる）に反比例するように変
調しておけばよい。ただしこの（ｅ）に示すピクセルク
ロックＣｐは、水平同期信号ｆＨに同期させて位相が定
められたものであり、周期最短点ｋが、音叉速度が最大
となる点ｊと一致するように、音叉変位Ｆに合わせなけ
ればならない。そうするためには、電磁石駆動電圧Ｖｄ
すなわち信号Ｓｆの位相を、同図の（ｃ’）に示すよう
にＬ２なる量だけシフトさせればよいのであるが、この
適切なシフト量Ｌ２は、音叉の駆動周波数や、走査幅を
変えるために変更されることもある駆動電圧Ｖｄのデュ
ーティ比や、さらには各種外乱に応じて変化する。

【００１５】しかし本発明装置においては、常に適切な
量Ｌ２だけ駆動電圧Ｖｄの位相をシフトさせて、歪みの
無い像を撮像可能となっている。以下、この駆動電圧Ｖ
ｄの位相シフトについて説明する。図６の（ａ）は前記
の水平同期信号ｆＨを示し、同図（ｂ）は、前記グリッ
ドパターンで反射またはそこを透過した光を検出する受
光器の出力信号Ｓｇを示している。この光検出信号Ｓｇ
は、グリッドパターンの作用で周期的に変化している。
ここで、ピクセルクロックＣｐによりサンプリング周期
を定めて上記信号Ｓｇをサンプリングし、例えば２値化
処理を行なうと、同図（ｄ）に示すようなデジタル変位
データＤが得られる。なお同図（ｃ）には、上記サンプ
リングの順位ｙ（ｙ＝１、２、３…）を示す。上記デジ
タル変位データＤは、グリッドパターンにおける等ピッ
チの特定点を示すものとなる。この特定点としては、例
えばグリッドの前端点（それに対応する信号Ｓｇの部分
をＡで示す）や、後端点（同じくＢ）や、グリッド中央
点（同じくＣ）や、さらにはグリッドとグリッドの中間
点（同じくＤ）等が考えられる。

【００１６】前述したように音叉変位Ｆが時間ｔに対し
てリニアに変化しなければ、一主走査期間内に信号Ｓｇ
の高レベル部の幅やピッチが変動し得る。しかし、もし
シフト量Ｌ２が適切に設定されているならば、前記特定
点を示すデジタル変位データＤ（図では一例としてグリ
ッド前端点を示すデータ）の順位ｘ（ｘ＝１、２、３
…）と、サンプリング順位ｙとの間には、ｙ＝ｂｘ＋ｃ
なる関係、あるいはそれに近い関係が成立するはずであ
る。つまり図示の例では、ｘ＝１のときｙ＝５、ｘ＝２
のときｙ＝13、ｘ＝３のときｙ＝21……であるから、ｙ
＝８ｘ−３なる関係、あるいはそれに近似した関係が成
立するはずである。この関係を図７に直線Ｑ１で示す。

【００１７】ところが、シフト量Ｌ２が不適切である
と、ｙとｘとの関係は、図７に折れ線Ｑ２あるいはＱ３
で示すようなものとなる。つまりｙとｘとの関係は、シ
フト量Ｌ２が大き過ぎると折れ線Ｑ２のような傾向とな
り、反対にシフト量Ｌ２が不足していると、折れ線Ｑ３
のような傾向となる。このようなｙとｘとの関係は、２
次式ｙ＝ａｘ² ＋ｂｘ＋ｃに近似させることができ、折
れ線Ｑ２のような関係を近似させたときは係数ａが負値
となり、他方、折れ線Ｑ３のような関係を近似させたと
きは係数ａが正値となる。したがって、上記２次式の係
数ａが負の場合はシフト量Ｌ２を減じる方向に、反対に
係数ａが正の場合はシフト量Ｌ２を増大する方向に、そ
して勿論ながら係数ａがゼロの場合はシフト量Ｌ２をそ
のままに保つように駆動電圧Ｖｄ、すなわち信号Ｓｆの
位相シフトを制御すれば、前述した再生顕微鏡像の歪み
を防止できることになる。

【００１８】

【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。

【００１９】図２は、本発明の一実施例によるモノクロ
反射型の共焦点走査型顕微鏡を示すものであり、また図
３は、その走査機構の平面形状を詳しく示している。図
２に示されるように単色光レーザ10からは、単一波長の
照明光11が射出される。直線偏光したこの照明光11は、
Ｐ偏光状態で偏光ビームスプリッタ25の膜面25ａに入射
し、そこを透過する。偏光ビームスプリッタ25を通過し
た照明光11は、偏波面調整用のλ／２板12を通過し、入
射用レンズ13で集光されて、偏波面保存光ファイバー14
内に入射せしめられる。

【００２０】この偏波面保存光ファイバー14としては、
図４に断面形状を示すように、クラッド14ａ内にコア14
ｂが配され、このコア14ｂの両側に応力付与部14ｃ、14
ｃが形成されてなる、いわゆるＰＡＮＤＡ型のものが用
いられている。そして直線偏光した照明光11は、λ／２
板12を適宜回転させることにより、偏波面の向きが応力
付与部14ｃ、14ｃの並び方向、あるいはそれに直交する
方向と揃う状態にして（本実施例では後者の方向、すな
わち図４の矢印Ｕ方向）、該光ファイバー14内に入射せ
しめられる。

【００２１】この光ファイバー14の一端はプローブ15に
固定されており、該光ファイバー14内を伝搬した照明光
11はこの一端から出射する。この際光ファイバー14の一
端は、点光源状に照明光11を発することになる。プロー
ブ15には、コリメーターレンズ16および対物レンズ17か
らなる送光光学系（受光光学系を兼ねる）18が固定され
ている。なお、コリメーターレンズ16と対物レンズ17と
の間には、λ／４板19が配設されている。

【００２２】上記の照明光11はコリメーターレンズ16に
よって平行光とされ、λ／４板19を通過して円偏光とさ
れ、次に対物レンズ17によって集光されて、試料台22に
載置された試料23上で（表面あるいはその内部で）微小
な光点Ｐに結像する。試料23で反射した反射光11”は旋
回方向が逆向きの円偏光となり、λ／４板19を通過し
て、偏波面の向きが照明光11のそれと直交する直線偏光
とされる。この反射光11”の光束は、コリメーターレン
ズ16によって集光されて、偏波面保存光ファイバー14内
に入射せしめられる。このときの反射光11”の偏波面の
向きは、図４の矢印Ｖ方向となる。光ファイバー14を伝
搬した反射光11”はその一端から出射し、レンズ13によ
って平行光とされる。

【００２３】この反射光11”はλ／２板12を通過後、Ｓ
偏光状態で偏光ビームスプリッタ25の膜面25ａに入射
し、そこで反射する。この反射光11”は、集光レンズ26
で集光され、アパーチャピンホール27を通して光検出器
28によって検出される。この光検出器28は例えばフォト
マルチプライヤ（光電子増倍管）等からなり、そこから
は、試料23の照明光照射部の明るさを示す連続信号Ｓ
（図５の（ｆ）参照）が出力される。

【００２４】上述のように、λ／４板19と偏光ビームス
プリッタ25とから構成される光アイソレータを設けたこ
とにより、反射光11”がレーザ10側に戻ることがなくな
り、より大光量の反射光11”が光検出器28に導かれるよ
うになる。また、入射用レンズ13や光ファイバー14の端
面等で反射した照明光11が、光検出器28に入射すること
も防止され、Ｓ／Ｎの高い信号Ｓが得られるようにな
る。

【００２５】次に、照明光11の光点Ｐの２次元走査につ
いて、図３を参照して説明する。プローブ15は、水平に
配された音叉30の一方の先端部に、光学系18の光軸が垂
直となる状態で固定されている。この音叉30は、その基
部30ａが架台32に固定されて、所定の固有振動数で振動
可能となっている。そして音叉30の内側には、その両先
端部とそれぞれ若干の間隔をおいて、電磁石31が配設さ
れている。この電磁石31は、取付部材34を介して架台32
に固定されている。

【００２６】上記電磁石31には、駆動回路33から、音叉
30の固有振動数と等しい周波数の矩形パルス電圧Ｖｄが
印加される。こうして音叉30の両端部に断続的に磁界が
作用することにより、音叉30はその固有振動数で共振す
る。そこで、この音叉30に固定されているプローブ15
は、図２、図３中のＸ方向（水平方向）に高速で往復移
動し、光点Ｐの主走査がなされる。

【００２７】また試料台22は架台32に対して、Ｚ方向
（光学系18の光軸方向）に往復移動可能なＺ移動ステー
ジ24Ｚ、およびＸ、Ｚ両方向に対して直角なＹ方向に往
復移動可能なＹ移動ステージ24Ｙを介して取り付けられ
ている。そこで、上記のようにして光点Ｐの主走査を行
なうとき、同時にＹ移動ステージ24Ｙを往復駆動させる
と、光点Ｐの副走査がなされる。

【００２８】そして、光点Ｐの２次元走査を行なう毎
に、Ｚ移動ステージ24Ｚを移動させることにより、たと
え試料23の表面に微細な凹凸があるような場合でも、該
試料23をＺ方向に移動させた範囲内で、全ての面に焦点
が合った画像を担う信号Ｓを得ることが可能となる。

【００２９】なお本実施例では図３に示す通り、音叉30
の他方の先端部に、プローブ15と同じ構成のダミープロ
ーブ15’が取り付けられている。それにより、音叉30の
一端部、他端部の機械的バランスを良好に保ち、理想に
近い共振系を構成できるようになる。

【００３０】ダミープローブ15’は上述のように作用す
る他、音叉30の変位を示すデータを得る作用も果たす。
すなわちこのダミープローブ15’には、プローブ15の送
光光学系18と同様にコリメーターレンズ16’、対物レン
ズ17’およびλ／４板19’からなる投光用光学系18’
（図８参照）が搭載されている。そしてこの光学系18’
には、図２に示されるように、偏波面保存光ファイバー
14’を介して入射用レンズ13’、λ／２板12’、単色光
レーザ10’、そして膜面25ａ’を有する偏光ビームスプ
リッタ25’、集光レンズ26’、アパーチャピンホール2
7’、フォトダイオード等の光検出器28’が光学的に結
合されている。以上の要素10’、12’、13’、14’、2
5’、25ａ’、26’、27’はそれぞれ、前述した照明光
用の各要素10、12、13、14、25、25ａ、26、27と同様の
ものである。

【００３１】また図１および図８に示されるように、ダ
ミープローブ15’を保持した音叉30の先端部の下方に
は、それに近接させてグリッドパターン60が配されてい
る。このグリッドパターン60は、比較的光吸収率の高い
材料からなる基板61上に、複数の所定幅の線状光反射部
材62が互いに所定間隔を置いて並設されてなるものであ
る。このグリッドパターン60は、取付部材63を介して架
台32に固定されている。光反射部材62は、例えばアルミ
ニウムやその他の金属、あるいは化合物の膜からなり、
照射された光を高反射率で反射させる。またこれらの光
反射部材62は、音叉30の先端部の振動方向（Ｘ方向）に
並設されている。

【００３２】なお本実施例では、音叉30の内側に電磁石
31を配して、音叉30の両端部にそれぞれ磁界を作用させ
るようにしているので、電磁石を音叉30の１つの端部の
外側にのみ配する場合に比べれば、音叉30に作用する磁
束密度、つまりは作用する力を、より大きくすることが
できる。

【００３３】次に図１を参照して、電気的な構成につい
て説明する。前述した光検出器28が出力する連続的なア
ナログ信号Ｓは、アンプ40で増幅されてからＡ／Ｄ変換
器41に入力され、そこでピクセルクロックＣｐに基づい
て周期およびタイミングが規定された上でサンプリング
され、そして量子化されて、デジタルの画像信号Ｓｄに
変換される。この画像信号Ｓｄは、一たん画像データメ
モリ42に格納された後、そこから読み出されてＤ／Ａ変
換器43でＤ／Ａ変換される。こうして得られたアナログ
の画像信号Ｓは、ＣＲＴ表示装置等のラスタ走査方式の
画像再生装置44に入力される。この画像再生装置44にお
いては、画像信号Ｓが担持する画像、すなわち試料23の
顕微鏡像が再生される。

【００３４】なお、画像信号Ｓｄの画像データメモリ42
への格納は、後述のようにして作成される水平同期信号
ｆ_H および垂直同期信号ｆ_V に基づいて制御される。ま
たこの画像データメモリ42としては例えばデュアルポー
トメモリが使用され、そこからの画像データＳｄの読出
しは、その格納とは独立して、モニタ系水平同期信号ｆ
_MH、モニタ系垂直同期信号ｆ_MVおよびモニタ系ピクセル
クロックＣ_MPに基づいて制御される。これらの同期信号
ｆ_MH、ｆ_MVおよびピクセルクロックＣ_MPは、モニタ系同
期信号発生器45によって作成され、画像再生装置44にお
けるラスタ走査もこれらの同期信号ｆ_MHおよびｆ_MVに基
づいて制御される。またＤ／Ａ変換器43における画像デ
ータＳｄのＤ／Ａ変換は、上記ピクセルクロックＣ_MPに
基づいて制御される。

【００３５】ここで画像再生装置44としては一般的なラ
スタ走査方式のものが用いられるので、上記の画像信号
Ｓｄは、１主走査ラインについてのデータ毎に、試料23
上の等間隔点の情報を示すものでなければならない。も
しそうなっていなければ、画像再生装置44において再生
される顕微鏡像は歪んだものとなってしまう。以下、上
記の要求を満たすための構成について説明する。

【００３６】コンピュータシステムのＣＰＵ（中央処理
装置）46は、データバス47を介して第１カウンタ71に周
波数指定信号Ｓｓを送る。また第１カウンタ71には、パ
ルス発生器74から一定周波数のパルス信号ｆosc が入力
され、この第１カウンタ71は上記周波数指定信号Ｓｓが
示す数だけ信号ｆosc のパルス数をカウントして、水平
同期信号ｆ_H を作成する（図５の（ａ）参照）。一方Ｃ
ＰＵ46からＦＩＦＯ（first-in first-out ）メモリ75
には、ピクセルクロックデータＤｐが送られる。該デー
タＤｐはＦＩＦＯメモリ75に一時的に格納された後、第
１カウンタ71から送られて来る水平同期信号ｆ_H により
出力アドレスがゼロリセットされつつ、該メモリ75から
入力順に出力される。前述したようにして振動する音叉
30の変位Ｆは、図５の（ｄ）に示すように、ほぼ時間ｔ
を変数とする正弦関数に従って変化する。それに対処す
るため上記ピクセルクロックデータＤｐは、クロック間
隔が上記正弦関数の１／２の周期（これは後述するよう
に、水平同期信号ｆ_H の周期と等しくなる）で変化する
ように変調されたピクセルクロックを担持するものとな
っている。このピクセルクロックの変調は、クロック間
隔が、上記正弦関数を微分した値の絶対値に反比例する
ようになされている。ただし、このピクセルクロック
は、音叉変位との位相差に対して相関が取られているも
のではなく、上述の通りにしてＦＩＦＯメモリ75からの
出力が制御されることにより、図５の（ａ）と（ｅ）に
示されるように、水平同期信号ｆ_H の位相と合わせられ
る。

【００３７】なお前記パルス発生器74に接続されたＤ／
Ａ変換器76には、ＣＰＵ46から動作周波数補正信号Ｓｍ
が入力され、該パルス発生器74が出力するパルス信号ｆ
oscの周波数は、この補正信号Ｓｍに基づいて微小補正
される。また上記水平同期信号ｆ_H は第４カウンタ77に
も入力される。そしてこの第４カウンタ77は、ＣＰＵ46
から入力される垂直ライン数設定信号Ｓｗが示す数だけ
水平同期信号ｆ_H をカウントして、垂直同期信号ｆ_V を
出力する。

【００３８】第１カウンタ71から出力された水平同期信
号ｆ_H は、第２カウンタ72にも入力される。第２カウン
タ72は、周期が水平同期信号ｆ_H のそれと等しいパルス
信号Ｓｆを出力する。この信号Ｓｆを図５の（ｂ）に示
す。なおこの図５においては、パルス信号Ｓｆの位相を
水平同期信号ｆ_H の位相と揃えて示してあるが、第２カ
ウンタ72は実際には、後述のようにしてＣＰＵ46から入
力される遅延設定信号Ｓｅが示す量Ｌ２だけ、水平同期
信号ｆ_H の位相に対して遅延させてパルス信号Ｓｆを出
力させる。この遅延量Ｌ２は、遅延設定信号Ｓｅが示す
数だけパルス信号ｆosc のパルス数をカウントすること
によって設定される。

【００３９】上記のパルス信号Ｓｆは、第３カウンタ73
に入力される。第３カウンタ73は、入力されたパルス信
号Ｓｆと位相が揃った矩形波の音叉動作信号Ｓｏを出力
する。この音叉動作信号Ｓｏを図５の（ｃ）に示す。こ
の音叉動作信号Ｓｏの高レベル部の幅は、ＣＰＵ46から
入力されるデューティ設定信号Ｓｖが示す数だけパルス
信号ｆosc のパルス数をカウントすることにより、この
デューティ設定信号Ｓｖに対応した幅に設定される。電
磁石31には、後述のようにして、上記音叉動作信号Ｓｏ
と同じ波形の駆動電圧Ｖｄ（図５の（ｃ）参照）が印加
されるので、この信号Ｓｏは電磁石31の駆動デューティ
比を決定するものとなる。音叉30の振幅はこのデューテ
ィ比を高くするほど大きくなるので、上記デューティ設
定信号Ｓｖは照明光主走査幅を変更する際に変えられ
る。

【００４０】次に、上記音叉動作信号Ｓｏに従って駆動
電圧Ｖｄを生成する点について説明する。音叉動作信号
Ｓｏは、電磁石用駆動回路33に入力される。この電磁石
用駆動回路33は、オープンコレクタバッファ51、フォト
カプラ52、パワーＭＯＳ−ＦＥＴ53、ダイオード54、コ
ンデンサ55等からなり、上記音叉動作信号Ｓｏと同じ波
形の矩形パルス電圧Ｖｄを電磁石31に印加する。

【００４１】上述のようにして駆動電圧Ｖｄにより電磁
石31が駆動され、それにより音叉30が振動する。このと
きの音叉30の変位Ｆは、前述した通り、図５の（ｄ）に
示すように変化する。そしてこのとき、電磁石31および
音叉30の応答遅れにより、駆動電圧Ｖｄに対して音叉変
位Ｆは、図５にＬ１で示す量だけ遅れることになる。こ
のような音叉変位Ｆに対してピクセルクロックＣｐは、
その周期最短点ｋが音叉速度最大点ｊと一致するように
位相が定められねばならない。しかし、前述した通りピ
クセルクロックＣｐは水平同期信号ｆ_H と位相が合わせ
られているので、音叉変位Ｆを図５にＬ２で示す量だけ
遅延させる。そうするためには、駆動電圧Ｖｄの位相す
なわちパルス信号Ｓｆの位相を、水平同期信号ｆ_H に対
してＬ２だけシフト（遅延）させればよい。前述したよ
うにこのパルス信号Ｓｆの遅延量Ｌ２は、第２カウンタ
72によって設定される。なお、シフトされた駆動電圧Ｖ
ｄの位相を図５の（ｃ’）に示す以下、上記遅延量Ｌ２
の設定について説明する。この遅延量Ｌ２は当初、ＣＰ
Ｕ46によって所定値に定められている。そしてその遅延
量が不適正であれば、以下のようにして適宜修正され
る。

【００４２】顕微鏡像を撮像する際には、前述したレー
ザ10’および光検出器28’も作動状態に設定される。こ
のレーザ10’から射出されたレーザ光65は、偏波面保存
光ファイバー14’を伝搬して、ダミープローブ15’の光
学系18’により、グリッドパターン60上で小さな光点
Ｐ’に収束する。そしてこの光点Ｐ’は、音叉30が振動
することにより、グリッドパターン60上を主走査方向
（Ｘ方向）と同方向に往復走査する。そこでこの光点
Ｐ’は、複数の光反射部材62と、それらの間の低反射率
の基板61の部分とを交互に照射する。

【００４３】光反射部材62で反射した反射光65”は、試
料23からの反射光11”が光検出器28によって検出される
のと同様にして、光検出器28’によって検出される。一
方光点Ｐ’が基板61の部分を照射しているときは、その
反射光量が著しく低下する。そのため光検出器28’の出
力信号Ｓｇは、図６の（ｂ）に示す通り、音叉30の移動
にともなって周期的に変動する。信号Ｓｇはアンプ80で
増幅されてから、２値化回路81に入力される。２値化回
路81はこの信号Ｓｇを、ピクセルクロックＣｐが入力さ
れる都度サンプリングし、所定のしきい値と大小を比較
することにより２値化して、デジタルの変位データＤを
得る。このデジタル変位データＤは、上記サンプリング
の順位ｙ（図６の（ｃ）に示す）毎に示せば、例えば同
図の（ｄ）のようなものとなる。このデジタル変位デー
タＤは、１主走査期間のデータ毎に、ラインメモリ82に
一時的に格納される。

【００４４】ＣＰＵ46に接続されたＤＳＰ（デジタル・
シグナル・プロセッサ）83は、上記ラインメモリ82に記
憶されたデジタル変位データＤを読み出し、該データＤ
に基づいて前記遅延量Ｌ２が適正か否かを判断する。そ
のためにＤＳＰ83はまずデジタル変位データＤから、グ
リッドパターン60上における等ピッチの特定点を示すデ
ータを抽出する。この抽出データとしては前述の通り、
図６の（ｂ）に示すように、信号ＳｇのＡ点に対応する
データや、その他Ｂ点、Ｃ点、Ｄ点等に対応するデータ
が利用される。ＤＳＰ83は、こうして抽出されたデジタ
ル変位データの順位ｘ（図６の（ｄ）参照：ｘ＝１、
２、３…）とそのサンプリング順位ｙ（ｙ＝１、２、３
…）との関係を、例えば最小二乗法を適用して２次式ｙ
＝ａｘ² ＋ｂｘ＋ｃに近似させる。そしてＤＳＰ83は、
この２次式の係数ａを示すデータをＣＰＵ46に入力す
る。ＣＰＵ46は、この係数ａが負の場合は遅延量Ｌ２を
所定の微小量減じ、一方係数ａが正の場合は遅延量Ｌ２
を所定の微小量増大させるように遅延設定信号Ｓｅを補
正する。係数ａがゼロの場合、ＣＰＵ46は遅延設定信号
Ｓｅの補正は行なわない。以上のようにして遅延量Ｌ２
を補正することにより、信号Ｓｆの、すなわち駆動電圧
Ｖｄの水平同期信号ｆ_H に対する遅延量Ｌ２が適正に定
められ、図５（ｄ）の音叉変位Ｆにおける速度最大点ｊ
が、同図（ｅ）のピクセルクロックＣｐの周期最短点ｋ
に一致するようになる。そうなっていれば、画像再生装
置44において再生される顕微鏡像に歪みが生じることが
なくなる。

【００４５】なお、図６（ｂ）に示した信号Ｓｇの立上
り部や立下り部は、光反射部材62の端部の欠け等による
反射光65”の光量変化の影響が直接的に表われる。そこ
で、この影響によりグリッドパターン60上の等ピッチ特
定点検出の精度が低下することを防止するためには、図
６（ｂ）のＣ点やＤ点に対応するデジタル変位データＤ
を、上記等ピッチ特定点を示すものとして抽出するのが
望ましい。

【００４６】また上記実施例では、ピクセルクロックＣ
ｐの位相を水平同期信号ｆ_H に対して固定しておいて、
駆動電圧Ｖｄの位相を操作しているが、それとは反対
に、駆動電圧Ｖｄの位相を固定しておいて、ピクセルク
ロックＣｐの位相を操作するようにしてもよい。

【００４７】さらに、複数の光反射部材62が並設されて
なるグリッドパターン60の代りに、光透過性の基板上に
複数の光遮断部材が並設されてなるグリッドパターンを
用い、そのグリッドパターンを通過した光を受光器で検
出するようにしてもよい。

【００４８】以上、音叉30を電磁石31により振動させる
走査型顕微鏡に適用された実施例について説明したが、
本発明はその他の加振手段、例えば音叉30に貼着した圧
電素子等により音叉30を振動させる場合にも適用可能で
あり、そして前述したような画像のずれを防止する効果
を同様に奏するものである。

【００４９】また、以上説明した実施例の走査型顕微鏡
はモノクロ反射型のものであるが、本発明はその他、カ
ラー画像を撮像する走査型顕微鏡や、透過型の走査型顕
微鏡、さらには走査型蛍光顕微鏡等にも適用可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による走査型顕微鏡の電気回
路図

【図２】上記実施例の走査型顕微鏡を示す一部破断正面
図

【図３】上記実施例の走査型顕微鏡に用いられた照明光
走査機構の平面図

【図４】上記実施例の走査型顕微鏡に用いられた偏波面
保存光ファイバーの断面図

【図５】上記実施例の走査型顕微鏡における各種信号の
波形と、音叉の変位との関係を示すグラフ

【図６】本発明におけるデジタル変位データとそのサン
プリング順位、および該データ中の特定データの順位を
示す説明図

【図７】本発明における音叉駆動信号のシフト方向の決
定を説明する説明図

【図８】上記実施例の走査型顕微鏡の要部を示す一部破
断斜視図

【符号の説明】 10、10’ 単色光レーザ 11 照明光 11”、65” 反射光 14、14’ 偏波面保存光ファイバー 15 プローブ 15’ ダミープローブ 16、16’ コリメーターレンズ 17、17’ 対物レンズ 18 送光光学系 18’ 投光用光学系 22 試料台 23 試料 26、26’ 集光レンズ 27、27’ アパーチャピンホール 28、28’ 光検出器 30 音叉 31 電磁石 32 架台 33 駆動回路 41 Ａ／Ｄ変換器 42 画像データメモリ 43、76 Ｄ／Ａ変換器 44 画像再生装置 46 ＣＰＵ 60 グリッドパターン 61 基板 62 光反射部材 71、72、73、77 カウンタ 74 パルス発生器 75 ＦＩＦＯメモリ 81 ２値化回路 82 ラインメモリ 83 ＤＳＰ

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料が載置される試料台と、照明光を試
   料上に照射する光学系とを相対的に往復移動させること
   により、この照明光を試料上において主、副走査させ、
   この照明光走査を受けた試料の部分からの光を光検出器
   により検出して試料像を撮像する走査型顕微鏡におい
   て、前記光検出器の連続出力をサンプリングして、１主
   走査ライン毎のデジタル画像データを得る信号処理手段
   と、この信号処理手段に、前記往復移動の速度変動を補
   償するように周期が変調されたピクセルクロックを入力
   する手段と、前記サンプリングの開始タイミングを規定
   するタイミング信号を作成する手段と、前記試料台およ
   び光学系の一方に固定された、複数の光反射部材または
   光遮断部材が前記往復移動の方向に並設されてなるグリ
   ッドパターンと、前記試料台および光学系の他方に取り
   付けられて、前記グリッドパターンに光を照射する投光
   器と、このグリッドパターンで反射またはそこを透過し
   た光を検出する受光器と、この受光器が出力した光検出
   信号を前記ピクセルクロックに基づいてサンプリングし
   てデジタル変位データを得る手段と、このデジタル変位
   データ中の、前記グリッドパターンにおける等ピッチの
   特定点を示すデータの順位ｘ（ｘ＝１，２，３……）
   と、それらの各データのサンプリング順位ｙとの関係を
   ２次式ｙ＝ａｘ² ＋ｂｘ＋ｃに近似させ、この近似式に
   おける係数ａの正負に基づいてシフト方向を決めた上
   で、前記往復移動を行なう手段に入力される駆動信号を
   前記タイミング信号に対して位相シフトさせる手段とが
   設けられたことを特徴とする走査型顕微鏡。