JP2836829B2 - 走査式共焦点型光学顕微鏡 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、概ね走査顕微鏡に関し、より詳細には走査
式共焦点型光学顕微鏡に関する。

従来の共焦点型光学顕微鏡については、その焦点深度
が極めて深いこと、又その横方向の解像力が優れている
ことが知られている。従来の共焦点型光学顕微鏡の主た
る欠点は、かかる顕微鏡を使用した場合、一度に物体上
の一点しか照明できないということであった。物体の走
査を行うためには、試料又は光束のどちらか一方を機械
的に走査して物体の画像をモニターテレビ上にラスター
として形成させるようにしなければならないが、機械的
走査は時間を浪費する。

「Journal of the Optical Society of America」
の、1968年、５月号、第55巻、第５号には、直列走査式
の反射型光学顕微鏡についての記述がある。この論文に
は、物体面からの反射光だけが像の中に含まれるよう
に、物体と像面の両者が直列に前後して走査されるよう
に構成した光学顕微鏡が記載されている。この顕微鏡で
物体を観察する場合、回転円板に複数個の穴を設け、こ
れらの穴が対物レンズによって上記物体上に結像される
ように上記回転円板と上記対物レンズを核物体の前方に
配置し、これらの穴を通過する光によって上記物体を照
明する。従って、照明される円板上の多数の点に対応し
て、物体上の多数の点が一度に照明されることになる。
これらの穴それ自体は螺旋状通路に沿って上記回転円板
上に配置されている。かかる円板を回転させることによ
って物体のラスター走査がなされる。これらの穴より生
じた照明スポットから反射された光は、上記回転円板と
同様な円板であって同様な穴が穿設され、かつ該回転円
板に対向する第２円板に向かい、この第２円板上の穴で
あって、上記第１円板上の穴と直径方向の反対側に設け
られている穴を通過する。かかる配置により得られた画
像は、通常の反射型顕微鏡により得られるものに比し、
より良好なコントラストを持ち鮮明なものであった。こ
の理由は、顕微鏡の内部から反射光であって、上記照明
されたスポットに対応する物体上の点を除く点を除く他
の点から来る迷光が上記第１円板の不透明部分により遮
断されるため、照明されたスポットからの反射光のみに
よって画像が形成されるということによる。しかしなが
ら、先行技術によるこのシステムは構造が複数でアライ
メントが難しいという問題がある。何故ならば、第１円
板上の穴により生じた照明スポットから反射された光
は、上記第１円板と対向して配置された第２円板上に設
けられている穴のうち、上記照明スポットを生じた穴で
あって、上記第１円板上に設けられている穴の反対側に
ある穴を通過しなければならないからである。従って、
上述のように明白な利点があるにも拘らず、このタイプ
の顕微鏡は過去20年を通じて僅か２乃至３台製作された
に過ぎない。

本発明においては、第１図及び第５図に示すようにな
共焦点型光学系が利用される。レーザー、アーク灯など
の光源から発した光は、ピンホール12を設けた平板11に
入射する。光は、ピンホール12を通過後、対物レンズ13
に達し、、その焦点面上に配置された物体面14上に結像
する。物体面14からの反射光は、図示のように、ピンホ
ール12を通って逆行するので、これを見ることができ
る。平面16のような非合焦平面からの反射光はホール12
の位置に結像しないので、平板11によって遮断される。
動作時に、この顕微鏡の反射光は、上記ピンホールを通
過後、上記顕微鏡に組合わされた検出器に入射する。物
体が対物レンズ13の焦点面14上にある点、検出器の出力
は最大値をとり、その他の位置にある時、ピンホール12
に入射する光束は合焦状態になく、物体が物体面14のど
ちらかの側へ移動しても検出器の出力信号の振幅は上記
最大値から急速に減少する。この光学系は優れた横方向
の解像力を有することに加えて、非常に短い焦点深度を
有している。

前述のように、かかる顕微鏡は、物体又はピンホール
の何れか一方を動かすことによって、機械的走査を行
い、それによって、ラスター像を形成する。

本発明の主目的は、従来の直列走査式顕微鏡の有する
機械的アライメントが困難であるという問題を解決する
と共に、光束又は物体の何れをも機械的に走査すること
なく物体の全体像を得ることができるような走査式共焦
点型顕微鏡を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の走査顕微鏡は、予
め定められた様式で配置された複数のピンホールを有
し、不透明な黒色層をもった透明走査円板と、 上記走査円板の領域を照明するために上記走査円板の
一方の側に配置された光源と、 上記走査円板を照明する光を偏光する為の第１偏光子
と、 上記ピンホールにより回折された光を物体の上に合焦
させ該物体上の複数の点を照明するため、上記走査円板
の他方の側に配置された対物レンズと、 上記物体を横切って複数の点を走査するために上記走
査円板を回転させる装置と、 上記対物レンズは上記物体から反射された光を受け、
該光を対応するピンホールに合焦させるように作用し、 上記対物レンズと上記走査円板の間に挿入され、物体
に到達して反射された光を遮る1/4波長板と、 上記第１偏光子上記1/4波長板との間に配置された上
記走査円板の上記一方の側にあるビームスプリッタであ
って、上記1/4波長板と上記ピンホールを抜けて進んだ
反射光を受け入れかつそれを方向決めるするための該ビ
ームスプリッタと、 上記方向決めされた光を受け入れるための第２偏光子
と、さらに 上記走査円板の表面から反射された入射光の合焦位置
に配置された絞りとを有するものである。

本発明の上記目的及び他の目的は、以下の説明を次に
記す添付図面を参照することによりより明瞭に理解する
ことができるだろう。

第１図は走査式共焦点型光学顕微鏡の従来技術を示す
図、第２図は本発明により走査式共振焦点型光学顕微鏡
の１実施例を示す図、そして第３図は本発明の他の実施
例を示す図、第４図は本発明の実施に適したニプコフの
円板の斜視図、第５図は第１図の平板の拡大断面図であ
る。

第２図を参照して説明するに、実施例の顕微鏡はニプ
コフの円板と呼ばれる円板21を有し、この円板21は第４
図に示すように、数回巻いた螺旋の数個を相互に介在配
列させて成るパターンを形成するように配列された穴を
有する。これらの穴はかかる穴の直結の10個分の距離だ
け相互に隔てられている。１例を挙げると、上記螺旋の
平均半径は5cmであり、この螺旋が半径方向に1.5cmの距
離にわたって延びているので、上記円板21の周縁には直
径20μｍの穴が全部で200,000個形成されていることに
なる。この円板は透明な材質の上に黒色乳剤層又は黒色
のクローム層を付着させ、該層に穴をフォトマスク法で
形成させるようにするのが好ましい。

例えば、水銀のアーク灯、またはレーザーの何れかの
適当な光源22を使用して、約4,000個の穴が含まれてい
る、1.8cm×1.8cmの区域を照明する。光源12から発した
光は偏光子23によって偏光され、偏光された光は円板21
に入射するのに先立ってビームスプリッター24を通過す
る。該ビームスプリッター24から入射する光は上記円板
21に穿設された穴によって回折され、回折光は対物レン
ズ26上に集束する。例えば、入射ビームは対物レンズ26
の背面において5mmの直径の円として集束するので、試
料物体27上の4,000個の点が同時に照明されることにな
る。照明されたスポットを形成する上記穴の像点の間隔
は像点間に干渉が無視しうるものとなるように選ばれ
る。

円板21が例えば2,000rpmの速度で回転し、かつ穴が螺
旋状経路に沿って配列されているので、円板21を回転さ
せることによって、物体が端から端にわたって走査さ
れ、7000本の走査線で毎秒5000フレームのラスタ走査が
なされる。

試料物体27上に集束された光は該試料物体27により反
射され、その後対物レンズ26により集束させられて1/4
波長板28を通過した後同一のピンホール上に結像する。
穴を通過した光はビームスプリッター24に入射し、該ビ
ームスプリッター24で直角方向に偏光させて検光子31に
入射するので、この入射光をピンホール上に合焦させた
トランスファレンズ32を介して裸眼により見ることがで
きる。

第３図に示す実施例について説明する。第２図に示す
ものと同じである。第３図の構成部品に対しては、第一
の参照符号が付されている。第３図において。試料物体
27の像はリレーレンズ32を経てテレビカメラ33と表示を
なすモニターテレビ34とに伝達される。他の実施例とし
ては、上記テレビカメラ33に代えて試料物体を撮影する
写真撮影カメラを使用してもい。ここで指摘しておきた
いことは、第３図に示す配置では、精密なアライメント
を必要としないということである。その理由は、光の伝
達及び受入れのために同一の穴を使用することにより、
顕微鏡のアライメントが比較的容易に行えるからであ
る。すなわち、接眼鏡、もしくはカメラをピンホール上
に合焦させ、試料物体27から入射し該ピンホールの裏面
で反射される光により照明されている上記ピンホールを
観察することができる。穴が配列されている螺旋の中心
位置合わせは厳密に行う必要がない。回転円板21の振動
振幅が、ピンホールに合焦させている対物レンズ28の、
代表的には1mmを超えることのない焦点深度以下の寸法
であるとすれば、回転円板21がし同しても深刻な問題に
はならない。

１組の偏光子23、31と1/4波長板28が使用されている
ので、回転円板21からの反射光と顕微鏡の構成要素の表
面からの反射光とに基因する干渉効果が光強度で10^-6程
度にまで減少し、そのため試料物体27の像を明瞭に見る
ことができる。

再び第３図を参照して、実施例の装置はさらに絞りを
包含し、この絞りはニプコフの回転円板21の表面から反
射された光が集束する商店に配置されている。

この絞りが設けられている目的は、上記回転円板21か
らの残余の反射光を完全に除去することにある。レーザ
光源が使用されている場合、上記絞りは試料物体27の表
面から反射されて対物レンズ26により集束される光束が
１点に集中する、上記対物レンズ26の焦点に配置されて
いる。ランプ光源が使用されている場合、この光源の像
が上記の絞りの上に結像される。有限の直径を有するイ
ンコヒーレント光源が使用されている場合、上記絞りの
大きさはコヒーレント光源が使用されている場合に必要
とする大きさよりも大きくしなければならない。それに
も拘らず、この絞りは観察者に向かってピンホールを通
過する光束の断面積の極く少部分を遮断するに過ぎな
い。単に絞りが追加されるように顕微鏡を構成すること
ができ、かかる構成の顕微鏡は低反射率を有する物体試
料を観察しようとする場合に有利に使用される。

骨のような生体物質などの半透明物体内の種々の平
面、又は集積回路などの試料の種々のレベルにある種々
の平面の上に光源からの光を合焦させるため、試料物
体、もしくは対物レンズは上下に移動可能に構成されて
いる。この構成と極めて類似したシステムを、ロボット
に関する応用分野における距離センサーとして使用する
ことも可能である。

ニプコフの回転円板21は、恐らく数ワット程度のエネ
ルギを内臓する、コリメートされたレーザービームによ
って照明される。

上記回転円板21に穿設されているピンホールは第３図
に示されているように、これを見ることができる。上記
ピンホールの像はカメラレンズによって遠方の平面上に
結像される。ピンホールを出た後の光束を望遠鏡によっ
て拡大し、拡大された光束が上記望遠鏡の対物レンズの
入射瞳に生じるような構成にすることもできる。かかる
構成にすることによって、開口のより大きなレンズを使
用して横方向及び殺陣方向に沿って適正な解像度が得ら
れるようにすることが可能になる。

ニプコフの回転円板21が回転すると、対物レンズ26の
焦点面上にある領域が試料物体27の像として結像され
る。このようにして、対物レンズ26から固定された一定
の距離にある焦点面上に試料物体27の像が直接にリアル
タイムで得られることになる。対物レンズ26を前後に移
動させることによって試料物体27の他の断面積を容易に
得ることができる。これを利用してロボットを制御する
ことが可能になる。

フロントページの続き (72)発明者 シアオ ゴーキング アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94305 スタンフォード エスコンディ ド ヴィレッジ 136ディー (56)参考文献 特開 昭54−53562（ＪＰ，Ａ) 米国特許4634880（ＵＳ，Ａ) 米国特許3926500（ＵＳ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】予め定められた様式で配置された複数のピ
   ンホールを有し、不透明な黒色層をもった透明走査円板
   と、 上記走査円板の領域を照明するために上記走査円板の一
   方の側に配置された光源と、 上記走査円板を照明する光を偏光する為の第１偏光子
   と、 上記ピンホールにより回折された光を物体の上に合焦さ
   せ該物体上の複数の点を照明するため、上記走査円板の
   他方の側に配置された対物レンズと、 上記物体を横切って複数の点を走査するために上記走査
   円板を回転させる装置と、 上記対物レンズは上記物体から反射された光を受け、該
   光を対応するピンホールに合焦させるように作用し、 上記対物レンズと上記走査円板の間に挿入され、物体に
   到達して反射された光を遮る1/4波長板と、 上記第１偏光子と上記1/4波長板との間に配置された上
   記走査円板の上記一方の側にあるビームスプリッタであ
   って、上記1/4波長板と上記ピンホールを抜けて進んだ
   反射光を受け入れかつそれを方向決めするための該ビー
   ムスプリッタと、 上記方向決めされた光を受け入れるための第２偏光子
   と、さらに 上記走査円板の表面から反射された入射光の合焦位置に
   配置された絞りと を有することを特徴とする物体を観察するための走査顕
   微鏡。