JP2663194B2 - 共焦点走査型顕微鏡 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は共焦点走査型顕微鏡、特に詳細には光点の走
査機構が改良された共焦点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
ら発せられ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。

なかでも、照明光を光源から発生させた上で試料上に
おいて光点に結像させる一方、この試料からの光束を再
度点像に結像させてそれを光検出器で検出するように構
成した共焦点走査型顕微鏡は、試料面上にピンホールを
配する必要が無く、実現容易となっている。

この共焦点走査型顕微鏡は基本的に、 照明光を発する光源と、 試料が載置される試料台と、 この照明光を試料上において微小な光点として結像さ
せる送光光学系と、 上記試料からの光束（透過光、反射光あるいは蛍光）
を集光して点像に結像させる受光光学系と、 この点像を検出する光検出器と、 上記光点を試料上において２次元的に走査させる走査
機構とから構成されるものである。なお特開昭62−2172
18号公報には、この共焦点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） 従来の共焦点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 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。顕微
鏡で観察される試料としては生物試料も多く、この生物
試料を観察する際に高速走査ができないと、生物試料の
微妙な動きを捕えることが不可能となる。また、このよ
うな生物試料に限らなくても、ほぼリアルタイムで試料
像を撮像したいという要求は広く存在するものであり、
高速走査が不可能であれば、当然、このような要求に応
えることができない。

一方、の機構によれば十分高速の走査が可能である
が、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。

そこで本発明は、高速走査が可能で、その一方、構成
が簡単で安価に形成することができる共焦点走査型顕微
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及び作用） 本発明による共焦点走査型顕微鏡は、先に述べたよう
な試料台と、光源と、送光光学系と、受光光学系と、光
検出器と、光点の２次元走査機構とを備えた共焦点走査
型顕微鏡において、 上記光源として、直線偏光した照明光を発するものを
用いるとともに、 一端から入射された照明光を伝搬させて、他端から出
射させる偏波面保存光ファイバーを設け、 この偏波面保存光ファイバーの他端を送光光学系と一
体的に保持して、この他端から出射した照明光を該送光
光学系に導くようにした上で、 上記送光光学系と受光光学系とを一体的に保持する移
動台と、 この移動台を、上記光点が試料上を一方向に主走査す
るように、試料台の試料載置面とほぼ平行な面内で往復
移動させる主走査手段と、 上記移動台と試料台とを、上記主走査の方向とほぼ直
交する方向に、該主走査の速度よりも低い速度で相対移
動させて、上記光点を試料上において副走査させる副走
査手段とによって照明光の走査機構を構成したことを特
徴とするものである。

なお上述の副走査手段は、移動台を移動させるもので
あってもよいし、それとは反対に、試料台を移動させる
ものであってもよい。副走査速度は比較的低速とするこ
とができるから、上記のように試料台を移動させても、
試料が飛んでしまうことを防止可能である。

また本発明の共焦点走査型顕微鏡において送光光学系
は、通常そうであるように照明光との相対位置関係が固
定されたもの、つまり該光学系の一部の要素が動いて照
明光との位置関係が変化してしまうようなことがないも
のが用いられる。

上記の構成においては、光点走査のために照明光ビー
ムが振られることがないから、光学系の設計は光軸上の
光線のみを考えて行なえばよいことになり、該光学系の
設計は非常に容易となる。

そして上記の構成においては、移動台に搭載される送
光光学系に光ファイバーを結合して、この移動台外に光
源を配置できるようにしているので、移動台を軽量化す
ることが可能である。

またこの光ファイバーとして、特に偏波面保存光ファ
イバーを使用しているので、撮像される顕微鏡像のゆら
ぎが抑えられるようになる。

なお、上記構成の共焦点走査型顕微鏡を反射型のもの
に構成する場合、送光光学系と受光光学系とは共用化さ
れ、また偏波面保存光ファイバーも照明光と試料からの
反射光の双方を、互いに反対方向に伝搬させることにな
る。

一方、上記構成の共焦点走査型顕微鏡を透過型のもの
に構成する場合、受光光学系の光検出器も上記と同様に
光ファイバーで結合するのが望ましい。またその場合、
偏波面保存光ファイバーを用いればさらに好ましく、上
記と同様に顕微鏡像のゆらぎが抑えられることになる。

（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実施例による透過／反射共用
型の共焦点走査型顕微鏡を示すものであり、また第２お
よび３図は、それに用いられた走査機構を詳しく示して
いる。

第１図に示されるように、RGBレーザ10からは、赤色
光、緑色光および青色光からなる照明光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12の膜面12aに入射し、そこを透過す
る。偏光ビームスプリッタ12を通過した照明光11は、偏
波面調整用のλ/2板９を通過し、屈折率分布型レンズ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。

この偏波面保存光ファイバー14としては、第４図に断
面形状を示すように、クラッド14a内にコア14bが配さ
れ、このコア14bの両側に応力付与部14c、14c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９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、すなわち第４図の矢印Ｕ
方向）、該光ファイバー14内に入射せしめられる。

この光ファイバー14の一端は移動台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。移動台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18と、対物レンズ19および集光レンズ20からなる受光
光学系21とが、互いに光軸を一致させて固定されてい
る。また両光学系18、21の間には、移動台15と別体とさ
れた試料台22が配されている。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50が、一方、対物レ
ンズ19と集光レンズ20との間にはλ/4板51がそれぞれ配
設されている。

まず、この共焦点走査型顕微鏡が透過型のものとして
使用される場合について説明する。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50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を透過
した透過光11′の光束は、受光光学系21の対物レンズ19
によって平行光とされた後、λ/4板51により直線偏光と
され、次に集光レンズ20によって集光されて、偏波面保
存光ファイバー24の一端から該光ファイバー24内に入射
せしめられる。この光ファイバー24の上記一端は移動台
15に固定されており、またその他端には屈折率分布型レ
ンズ25が接続されている。光ファイバー24内を伝搬した
透過光11′はその他端から出射し、上記屈折率分布型レ
ンズ25によって平行光とされる。

この透過光11′はダイクロイックミラー26に入射し、
その青色光11Bのみがそこで反射する。該青色光11Bは、
ハローや迷光および外部光をカットするためのピンホー
ル板47を通して、第１光検出器27によって検出される。
ダイクロイックミラー26を透過した透過光11′は別のダ
イクロイックミラー28に入射し、その緑色光11Gのみが
そこで反射する。この緑色光11Gは、ピンホール板48を
通して第２光検出器29によって検出される。そして上記
ダイクロイックミラー28を透過した透過光11′（すなわ
ち赤色光11R）はミラー30において反射し、ピンホール
板49を通して第３光検出器31によって検出される。なお
上記光検出器27,29,32としては例えばフォトダイオー
ド、光電子増倍管等が用いられ、それらからは各々、試
料23の拡大像の青色成分、緑色成分、赤色成分を担持す
る信号SB,SG,SRが出力される。

一方、この共焦点走査型顕微鏡が反射型のものとして
使用される場合、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50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、第４図の矢印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、屈折率分布型レ
ンズ13によって平行光とされる。

この反射光11″はλ/2板９を通過後、Ｓ偏光状態で偏
光ビームスプリッタ12の膜面12aに入射し、そこで反射
する。この反射光11″はダイクロイックミラー56に入射
し、その青色光11Bのみがそこで反射する。該青色光11B
は、ピンホール板52を通して第４光検出器57によって検
出される。ダイクロイックミラー56を透過した反射光1
1″は別のダイクロイックミラー58に入射し、その緑色
光11Gのみがそこに反射する。この緑色光11Gは、ピンホ
ール板53を通して第５光検出器59によって検出される。
そして上記ダイクロイックミラー58を透過した反射光1
1″（すなわち赤色光11R）はミラー60において反射し、
ピンホール板54を通して第６光検出器61によって検出さ
れる。これらの光検出器57,59,61からは各々、試料23の
拡大像の青色成分、緑色成分、赤色成分を担持する信号
SB,SG,SRが出力される。

上述のように、λ/4板50と偏光ビームスプリッタ12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RGB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57,59,61に導かれるよう
になる。また、屈折率分布型レンズ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57,59,61に入
射することも防止され、S/Nの高い信号SB,SG,SRが得ら
れるようになる。

なお、透過光11′検出用の光検出器27,29,31と、反射
光11″検出用の光検出器57,59,61とは、試料23が透過試
料であるか反射試料であるかに応じて、切替えスイッチ
を介して選択的に後段に接続されるようにすればよい。

また上記の走査型顕微鏡が透過型のものとして使用さ
れる場合、照明光11は円偏光状態で送光光学系18から出
射してそのまま受光光学系21に入射するから、移動台15
部分の組立てに際して、両光学系18,21間で偏光面を合
わせる調整は不要である。したがって、両光学系18,21
の組立ては各々別個に行なっておき、これら両光学系1
8,21を光軸合せのみで組み合わせることができるから、
移動台15部分の組立ては容易になされうる。

次に、照明光11の光点Ｐの２次元走査について、第
２、３図を参照して説明する。第２図と第３図はそれぞ
れ、移動台15の周辺部分を、第１図の上方側、右方側か
ら見た状態を示している。この移動台15は架台32に、積
層ピエゾ素子33を介して保持されている。積層ピエゾ素
子33はピエゾ素子駆動回路34から駆動電力を受けて、移
動台15を矢印Ｘ方向に高速で往復移動させる。この往復
移動は第１、２および３図から明らかな通り、試料台22
の試料載置面（第１図の上面）と平行な面内でなされ、
その振動数は、例えば10kHzとされる。その場合、主走
査幅を100μｍとすると、主走査速度は、 10×10³×100×10^-6×２＝2m/s となる。なお、光ファイバー14、24は屈曲可能であるの
で、それぞれ照明光11あるいはそれと反射光11″、透過
光11″を伝搬させつつ、移動台15の振動を許容する。

一方試料台22は、２次元移動ステージ35に固定されて
いる。この２次元移動ステージ35は、モータ駆動回路36
から駆動電流を受けるパルスモータ37により、マイクロ
メータ38を介して矢印Ｙ方向に往復移動される。それに
より試料台22は移動台15に対して相対移動され、前記光
点Ｐが試料23上を、前記主走査方向Ｘと直交するＹ方向
に副走査する。なおこの副走査の所要時間は例えば1/20
秒とされ、その場合、副走査幅を100μｍとすると、副
走査速度は、 20×100×10^-6＝0.002m/s ＝2mm/s と、前記主走査速度よりも十分に低くなる。この程度の
副走査速度であれば、試料台22を移動させても、試料23
が飛んでしまうことを防止できる。

以上のようにして光点Ｐが試料23上を２次元的に走査
することにより、該試料23の２次元像を担持する連続的
な信号SB,SG,SRが得られる。これらの信号SB,SG,SRは、
例えば所定周期毎にサンプリングする等により、画素分
割された信号とされる。

また本実施例においては２次元移動ステージ35が、モ
ータ駆動回路39から駆動電流を受けるパルスモータ40に
より、主、副走査方向Ｘ、Ｙと直交する矢印Ｚ方向（す
なわち光学系18、21の光軸方向）に移動される。こうし
て２次元移動ステージ35をＺ方向に所定距離移動させる
毎に前記光点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27、29、31あるいは光検出器57、59、
61によって検出される。そこで、これらの光検出器27、
29、31あるいは光検出器57、59、61の出力SB,SG,SRをフ
レームメモリに取り込むことにより、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
う信号を得ることが可能となる。

なおピエゾ素子駆動回路34およびモータ駆動回路36、
39には、制御回路41から同期信号が入力され、それによ
り、光点Ｐの主、副走査および試料台22のＺ方向移動の
同期が取られる。

以上説明した通り本装置においては、照明光11、透過
光11′、反射光11″を伝搬させる光ファイバーとして、
偏波面保存光ファイバー14、24を用いているので、それ
らの光11、11′、11″のゆらぎが抑えられるようにな
る。したがって、これらの透過光11′あるいは反射光1
1″を検出した出力SB,SG,SRに基づいて再生される顕微
鏡像は、歪みの無い高画質のものとなりうる。

以上説明した実施例においては、種々の変更が可能で
ある。例えば屈折率分布型レンズ13、25の代わりに、顕
微鏡対物レンズ等を用いてもよい。そして、２次元移動
ステージ35に固定された試料台22をＹ方向に往復移動
（副走査）させるための駆動源であるパルスモータ37
は、エンコーダ付きのDCモータでもよく、またこのよう
な試料台22を移動させることによって光点Ｐの副走査を
行なう代わりに、移動台15を移動させることによって光
点Ｐの副走査を行なうようにしてもよい。さらに移動台
15の移動はピエゾ素子33を利用して行なう他、例えばボ
イスコイルおよび超音波による固体の固有振動を利用し
た走査方式等を用いて行なうことも可能である。

次に、第５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５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、それらについての説
明は必要の無い限り省略する。この共焦点走査型顕微鏡
は、モノクロ反射型のものである。この実施例において
は、送光光学系と受光光学系とが完全に共用化され、そ
れにより光学系がさらに簡素化されたコンパクトな共焦
点走査型顕微鏡が実現されている。

この実施例では、照明光11を発する光源として、単色
のレーザビームを発するレーザダイオード70が用いられ
ている。そして、偏波面保存光ファイバー14を伝搬して
そこから出射した反射光11″は、偏光ビームスプリッタ
12で反射し、ピンホール板71を通して光検出器72によっ
て検出される。

なお第５図においては、照明光を走査する機構を詳し
く示していないが、この照明光走査機構としては、例え
ば第１図の装置に使用されたものを用いればよい。

この第２実施例装置においても、λ/4板50と偏光ビー
ムスプリッタ12とから構成される光アイソレータを設け
たことにより、第１実施例におけるのと同様に、S/Nの
高い信号Ｓが得られるようになる。

またこの場合も、照明光11および反射光11″を伝搬さ
せる光ファイバーとして、偏波面保存光ファイバー14を
用いているので、照明光11および反射光11″のゆらぎが
抑えられ、むらの無い高画質の顕微鏡像を再生可能とな
る。

なお本発明の共焦点走査型顕微鏡は、透過型専用に構
成することも勿論可能である。そうする場合も、照明光
を伝搬させる光ファイバーとして偏波面保存光ファイバ
ーを用い、さらに好ましくは、試料からの透過光の伝搬
用にも偏波面保存光ファイバーを用いることにより、照
明光あるいは、照明光および透過光をゆらぎを抑えるこ
とが可能となる。

（発明の効果） 以上詳細に説明した通り、本発明の共焦点走査型顕微
鏡においては、送光光学系と受光光学系とを一体的に移
動台に保持させ、この移動台を往復移動させて光点の主
走査を行なうように構成したから、試料台を高速で移動
させる必要がなく、よって試料が飛んでしまうことを防
止可能で、また、高速走査も可能となる。

そして本発明の共焦点走査型顕微鏡においては、照明
光ビームが振られることがないから、光学系の設計が容
易となり、またガルバノメータミラーやAOD等の高価な
光偏光器が不要で簡単な構造となっているから、本装置
は従来の共焦点走査型顕微鏡に比べて安価に形成可能と
なる。

さらに本発明の共焦点走査型顕微鏡においては、移動
台に搭載される送光光学系に光ファイバーを結合して、
この移動台外に光源を配置できるようにしているので、
移動台を軽量化することが可能である。したがって、照
明光走査を著しく高速化することが可能となり、顕微鏡
像の撮像所要時間を大幅に短縮することができる。

また本装置においては、上記光ファイバーとして、特
に偏波面保存光ファイバーを使用しているので、そこを
伝搬する光のゆらぎが抑えられ、高画質の顕微鏡像を再
生可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１実施例による共焦点走査型顕微
鏡を示す概略正面図、 第２図と第３図はそれぞれ、上記共焦点走査型顕微鏡の
要部を示す平面図と側面図、 第４図は、上記共焦点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、 第５図は、本発明の第２実施例による共焦点走査型顕微
鏡を示す概略正面図である。 10……RGBレーザ、11……照明光 11′……透過光、11″……反射光 11B……青色光、11G……緑色光 11R……赤色光 14、24……偏波面保存光ファイバー 15……移動台 16……コリメーターレンズ、17、19……対物レンズ 18……送光光学系、20……集光レンズ 21……受光光学系、22……試料台 23……試料 26、28、56、58……ダイクロイックミラー 27、29、31、57、59、61、72……光検出器 30、60……ミラー、32……架台 33……積層ピエゾ素子、34……ピエゾ素子駆動回路 35……２次元移動ステージ 36、39……モータ駆動回路、37、40……パルスモータ 38……マイクロメータ、41……制御回路 47、48、49、52、53、54、71……ピンホール板 50、51……λ/4板、70……レーザダイオード

Claims (2)

(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、 直線偏光した照明光を発する光源と、 一端から入射された前記照明光を伝搬させて他端から出
   射させる偏波面保存光ファイバーと、 この偏波面保存光ファイバーの他端と一体的に保持さ
   れ、該他端から出射した照明光を試料上において微小な
   光点として結像させる、該照明光との相対位置関係が固
   定された送光光学系と、 前記試料からの光束を集光して点像に結像させる受光光
   学系と、 この点像を検出する光検出器と、 前記送光光学系と受光光学系とを一体的に保持する移動
   台と、 この移動台を、前記光点が前記試料上を一方向に主走査
   するように、試料台の試料載置面とほぼ平行な面内で往
   復移動させる主走査手段と、 前記移動台と試料台とを、前記主走査の方向とほぼ直交
   する方向に、該主走査の速度よりも低い速度で相対移動
   させて、前記光点を前記試料上において副走査させる副
   走査手段とからなる共焦点走査型顕微鏡。
2. 【請求項２】前記送光光学系と受光光学系とが共用化さ
   れて、試料からの反射光を前記他端から前記偏波面保存
   光ファイバーに入射させるように構成されるとともに、 この偏波面保存光ファイバーの一端から出射した前記反
   射光を、該光ファイバーに向かう照明光の光路から分岐
   させる光アイソレータが設けられていることを特徴とす
   る請求項１記載の共焦点走査型顕微鏡。