JP3944272B2 - 像回転装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学像を光軸に垂直な面内で任意の角度回転させる像回転装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、共焦点走査型光学顕微鏡は、点光源による点状照明が走査される試料からの透過光または反射光をピンホール上に集光させ、このピンホールを透過される光の強度を光検出器で検出することで、試料表面の情報測定を行うようにしたものである。
【０００３】
ところで、このような共焦点走査型光学顕微鏡では、試料を固定した状態で、試料の任意の方向に点状照明の走査方向を合わせることを可能にするため、光学像を光軸に垂直な面内で任意の角度回転させるための像回転プリズムを有する像回転装置を組み合わせて使用することがある。
【０００４】
図４（ａ）乃至（ｃ）は、このような像回転装置に用いられる像回転プリズムの形状の異なる例を示すもので、これらは入射光線１をプリズム４の光軸３より入射すると、プリズム４内で奇数回数反射されて光軸３に戻され、出射光線２として出力されるようになり、この時の光学像は、上下が反転し、左右はそのままとなる。そして、この状態から、プリズム４を光軸３を中心にθ回転させると、出射光線２は、光軸３を中心に２θ回転するようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような像回転装置によると、プリズム４を光軸３を中心に回転させた場合、プリズム４の回転にともない、プリズム４に入射する入射光線１の偏光特性も、プリズム４に対して回転する。また、図４（ｂ）および（ｃ）に示す像回転プリズムのように、プリズム４内部に全反射面が含まれるものでは、これら全反射面では、ｐ成分とｓ成分とで位相差が生じ、さらに、プリズム４が回転すると、全反射面に入射する偏光のｐ成分とｓ成分の振幅の比率が変化するため、プリズム４の回転とともに、出射光線２の偏光特性も変化することになる。
【０００６】
このことは、特に、特に、光源に直線偏光のレーザを使用し、偏光ビームスプリッタとλ／４板を組み合わせることで、入射光と試料での反射を分離して、試料での反射光を効率よく検出器に導入するようにした反射型の走査型光学顕微鏡については、直線偏光を使用することからプリズム４の回転により、プリズム４の出射光線２の偏光特性が変化すると、偏光ビームスプリッタで反射される光量が変化することとなり、観察画像の明るさが大きく変動してしまうという問題があった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、出射光線の偏光特性の変化をなくすことができる像回転装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、像観察光学系内に回転可能に配置され、全反射面を含み光学像を光軸と垂直な面内で回転させる像回転光学手段と、前記像回転光学手段の入射側に配置され、円偏光の入射光を直線偏光に変換し、前記像回転光学手段の回転にかかわらず前記直線偏光の偏光成分の位相差が、前記全反射面で変化しないように、前記直線偏光の偏光方向が前記像回転光学手段の全反射面のｐ方向と一致するように調整されたλ／４板からなる第１の偏光特性変換手段と、前記像回転光学手段の出射側に配置され、前記像回転光学手段の回転にかかわらず前記像回転光学手段から出射される前記直線偏光を円偏光に変換するように前記像回転光学手段との向きが調整されたλ／４板からなる第２の偏光特性変換手段と、を有し、前記第１および第２の偏光特性変換手段は、前記像回転光学手段と同方向に同じ量だけ回転可能であることを特徴としている。
【０００９】
請求項２記載の発明は、請求項１記載において、前記像回転光学手段を保持する像回転光学保持部材を有し、第１および第２の偏光特性変換手段は、前記像回転光学保持部材に設けられ、前記像回転光学手段と一体に回転可能であることを特徴としている。
【００１０】
この結果、本発明によれば、像回転光学手段の回転にかかわらず、像回転光学手段から出射される光の偏光特性が変化しないようにできるので、像回転光学手段以降の光学系に入射する光の偏光特性を一定に保つことができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に従い説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の像回転装置を適用した反射型の走査型光学顕微鏡の概略構成を示している。
【００１２】
図において、１１はレーザ光源で、このレーザ光源１１は、直線偏光のレーザビームを出射するようにしている。このレーザ光源１１から出射するレーザビームは、偏光ビームスプリッタ１２に与えられる。この場合、レーザ光源１１の直線偏光のレーザビームは、偏光ビームスプリッタ１２を透過するように偏光方向が調整されている。
【００１３】
偏光ビームスプリッタ１２を透過したレーザビームは、ガルバノメータ１３に送られる。このガルバノメータ１３は、後述の対物レンズ１７と共役な位置に設けられており、レーザビームを偏向して水平方向（Ｘ走査）および垂直方向（Ｙ走査）に走査するようにしている。この場合、図面では、ガルバノメータ１３は、１組しか記載していないが、実際は、レーザビームを水平方向に走査する水平走査用ガルバノメータとレーザビームを垂直方向に走査する垂直走査用ガルバノメータとを近接して配置するようになっている。
【００１４】
ガルバノメータ１３で２次元走査されたレーザビームは、瞳投影レンズ１４を通って第１のλ／４板１５に入射される。この場合、第１のλ／４板１５は、偏光ビームスプリッタ１２を透過された直線偏光が円偏光になるように光学軸が調整されている。そして、この第１のλ／４板１５で、円偏光に調整されたレーザビームは、像回転機構１６に入射される。
【００１５】
この像回転機構１６は、同一光軸上に第２のλ／４板１６１、像回転プリズム１６２、第３のλ／４板１６３を配置している。第２のλ／４板１６１では、第１のλ／４板１５で調整された円偏光を再度直線偏光に変換するように光学軸が調整される。この場合、第２のλ／４板１６１から出射する直線偏光の偏光方向が、像回転プリズム１６２の全反射面のｐ方向に一致するように、第２のλ／４板１６１の光学軸と像回転プリズム１６２の向きが調整されている。これにより、像回転プリズム１６２では、第２のλ／４板１６１よりｐ方向成分のみの直線偏光が入射することで、全反射面で生じる偏光のｐ成分とｓ成分の位相差によらず、ｐ方向成分のみの直線偏光が出射するようにしている。さらに、第３のλ／４板１６３は、像回転プリズム１６２から出射した直線偏光を、再度円偏光に変換するように光学軸が調整されている。
【００１６】
また、これら第２のλ／４板１６１、像回転プリズム１６２、第３のλ／４板１６３は、プリズム保持部材１６４に一体に設けている。このプリズム保持部材１６４は、ギヤ１６５、１６６を介してプリズム回転モータ１６７に接続しており、このプリズム回転モータ１６７により、プリズム保持部材１６４を回転させることにより、第２のλ／４板１６１、像回転プリズム１６２、第３のλ／４板１６３を光軸中心に一体に回転できるようにしている。
【００１７】
このような像回転機構１６の第３のλ／４板１６３から出射した円偏光は、対物レンズ１７に入射され、試料１８面に集光される。そして、試料１８面での反射光は、対物レンズ１７を通して像回転機構１６の第３のλ／４板１６３に入射される。
【００１８】
この場合、像回転機構１６では、試料１８からの反射光が、照明用の入射光と逆回りの円偏光になるので、第３のλ／４板１６３より入射時と偏光方向が９０°回転した直線偏光、すなわち、像回転プリズム１６２に対しｓ方向の直線偏光に変換され、像回転プリズム１６２に入射される。すると、この像回転プリズム１６２では、ｓ方向の直線偏光の入射により、照明光の場合と同様に、像回転プリズム１６２の全反射面で生じる偏光のｐ成分とｓ成分の位相差によらず、ｓ方向成分のみの直線偏光が出射され、さらに、像回転プリズム１６２から出射した直線偏光は、第２のλ／４板１６１により照明用とは逆回りの円偏光となり、さらに第１のλ／４板１５により入射時とは偏光方向が９０°回転した直線偏光が偏光ビームスプリッタ１２に入射されるようになっている。
【００１９】
偏光ビームスプリッタ１２では、この時の戻り光が、入射時とは偏光方向が９０°回転した直線偏光よりなっているので、ここでは反射され、集光レンズ１９を通してピンホール２０上に集光され、これが光検出器２１で検出されて、共焦点像として得られるようになる。
【００２０】
次に、このように構成した第１の実施の形態の動作を説明する。
いま、レーザ光源１１より直線偏光のレーザビームが出射されると、偏光ビームスプリッタ１２を透過され、ガルバノメータ１３で、水平および垂直方向に２次元走査されて、瞳投影レンズ１４を通って第１のλ／４板１５に入射される。すると、図２（ａ）に示すように、第１のλ／４板１５により、直線偏光２２が図示実線の円偏光２３に変換され、この円偏光２３に調整されたレーザビームは、像回転機構１６に入射される。
【００２１】
像回転機構１６では、第１のλ／４板１５からの円偏光２３が、第２のλ／４板１６１により直線偏光２４に変換され、像回転プリズム１６２に入射される。像回転プリズム１６２では、ｐ方向成分のみの直線偏光２４の入射により、全反射面で生じる偏光のｐ成分とｓ成分の位相差によらず、ｐ方向成分のみの直線偏光２５のみが出射され、さらに、第３のλ／４板１６３により、直線偏光２５は、再度、図示実線の円偏光２６に変換される。
【００２２】
そして、この円偏光２６は、対物レンズ１７を通して試料１８面に集光され、この試料１８面での反射光は、対物レンズ１７を通して、再び像回転機構１６の第３のλ／４板１６３に入射される。
【００２３】
この場合、図２（ａ）に示すように、試料１８からの反射光は、照明用の入射光と逆回りの図示破線の円偏光２７になるので、この円偏光２７が、第３のλ／４板１６３により直線偏光２８に変換され、像回転プリズム１６２に入射される。像回転プリズム１６２では、今度は、ｓ方向成分のみの直線偏光２８の入射により、全反射面で生じる偏光のｐ成分とｓ成分の位相差によらず、ｓ方向成分のみの直線偏光２９のみが出射され、第２のλ／４板１６１により、直線偏光２９は、図示破線の円偏光３０に変換され、さらに第１のλ／４板１５により入射時とは偏光方向が９０°回転した直線偏光３１が出射され、瞳投影レンズ１４を通して、偏光ビームスプリッタ１２に入射され、ここで反射されて集光レンズ１９を通してピンホール２０上に集光され、光検出器２１より共焦点像が生成されるようになる。
【００２４】
次に、試料１８を固定した状態で、試料１８の任意の方向に点状照明の走査方向を合わせるような場合、プリズム回転モータ１６７を駆動して、プリズム保持部材１６４を所定角度だけ回転させる。
【００２５】
この場合、像回転プリズム１６２だけを角度θ回転させたとすると、プリズム内部に含まれる全反射面に対して直線偏光２５がθ回転した状態で入射し、偏光のｐ成分とｓ成分の振幅の比率が変化するため、出射光の偏光特性も変化しようとする。
【００２６】
ところが、本実施の形態では、図２（ｂ）に示すように、像回転プリズム１６２のθ回転と同時に、固定された第１のλ／４板１５に対して第２のλ／４板１６１、像回転プリズム１６２、第３のλ／４板１６３がθ回転されるので、第２のλ／４板１６１でθ回転した直線偏光２４は、常に像回転プリズム１６２の全反射のｐ方向に一致する。このことから、像回転プリズム１６２に対する入射光の偏光特性は、像回転プリズム１６２の回転量にかかわらず、ｐ方向成分のみとなる。また、像回転プリズム１６２から出射する直線偏光２５も、像回転プリズム１６２の回転と同じくθ回転するが、第３のλ／４板１６３も同時にθ回転しているので、第３のλ／４板１６３で円偏光２６に変換されるため、像回転プリズム１６２の回転によらず、常に円偏光２６となる。これにより、像回転機構１６より出射される光の偏光特性は、楕円偏光のように光軸に対して回転することがなくなり、常に一定の偏光特性の光が出射されるようになる。
【００２７】
従って、このようにすれば、像回転機構１６として像回転プリズム１６２に入射側に第２のλ／４板１６１を、出射側に第３のλ／４板１６３をそれぞれ配置し、これらをプリズム保持部材１６４に一体に設けて、光軸中心に一体に回転できるようにしたので、像回転機構１６がθ回転すると、入射光の偏光特性は、像回転機構１６に対して−θ回転することになるが、固定される第１のλ／４板１５と像回転プリズム１６２と同方向にθ回転される第２のλ／４板１６１の関係により、像回転プリズム１６２に対して入射光の偏光特性が常に同じになるような偏光特性の光を入射するようにできる。つまり、第１のλ／４板１５からは、円偏光２３が入射されるが、この円偏光２３は、光軸中心に回転しても偏光特性は変わらないので、第２のλ／４板１６１に対して常に同一の偏光特性の光を入射できる。また、像回転機構１６がθ回転した場合、出射光の偏光特性は、像回転機構１６以降の光学系に対してθ回転することになるが、像回転プリズム１６２と同方向にθ回転される第３のλ／４板１６３により、像回転機構１６以降の光学系に対しても出射光の偏光特性が常に同じになるような偏光特性の光を出射するようにできる。つまり、第３のλ／４板１６３からは、円偏光２６が出射されるが、この円偏光２６は、光軸中心に回転しても偏光特性は変わらないので、像回転機構１６以降の光学系に対して常に同一の偏光特性の光を入射できる。
【００２８】
これにより、像回転機構１６から出射される光の偏光特性は、像回転機構１６の回転によらず、常に同一の偏光特性の光が出射されるようになるので、回転像回転機構１６以降の光学系に入射する光の偏光特性を一定のまま保つことができる。
【００２９】
また、このようにした像回転機構１６を反射型の走査型光学顕微鏡に採用すれば、像回転機構１６の回転による偏光特性の変化がないので、像回転を行っても明るさに変動を生じることがなくなり、常に安定した観察画像を得ることができる。
【００３０】
また、第２のλ／４板１６１、第３のλ／４板１６３は、像回転プリズム１６２と同方向に同量回転すればよく、これらをプリズム保持部材１６４に一体に設ける構成にできるので、構成的にも簡単なものにできる。
【００３１】
なお、上述では、プリズム回転モータ１６７の動力をプリズム保持部材１６４に伝達する手段としてギヤ１６５、１６６を使用したが、例えばタイミングベルトのような伝達手段を使用することもできる。また、プリズム回転モータ１６７を使用せずに、手動によりプリズム保持部材１６４を回転させるようにしてもよい。さらに、ガルバノメータ１３により光を偏向するのでなく、対物レンズ１７および試料１８を機械的に操作するレーザ走査型顕微鏡にも適用することができる。
（第２の実施の形態）
第１の実施の形態では、像回転機構１６は、像回転プリズム１６２と同一光軸上で、入射側に第２のλ／４板１６１を配置し、出射側に第３のλ／４板１６３を配置する構成としたが、この第２の実施の形態では、これら第２および第３のλ／４板１６１、１６３に代ってλ／２板を用いている。
【００３２】
図３は、第２実施の形態の概略構成を示すもので、図１と同一部分には、同符号を付している。
この場合、像回転機構４１は、像回転プリズム４３と同一光軸上で、入射側に第１のλ／２板４２を配置し、出射側に第２のλ／２板４４を配置している。そして、第１のλ／２板４２は、ギヤ４５１、４５２を介して、像回転プリズム４３は、ギヤ４６１、４６２を介して、第２のλ／２板４４は、ギヤ４７１、４７２を介してプリズム回転モータ４８に接続しており、このプリズム回転モータ４８の回転により、各別に第１のλ／２板４２、像回転プリズム４３および第２のλ／２板４４を光軸中心に回転できるようにしている。
【００３３】
この場合、ギヤ４５１、４５２とギヤ４７１、４７２のギヤ比は、像回転プリズム４３がθ回転したときに、第１のλ／２板４２、第２のλ／２板４４は、それぞれθ／２、−θ／２回転するように構成している。
【００３４】
この場合も、第１の実施の形態で述べたと同様に、試料１８を固定した状態で、試料１８の任意の方向に点状照明の走査方向を合わせるため、プリズム回転モータ１６７を駆動しギヤ４６１、４６２を介して像回転プリズム４３をθ回転させると、ギヤ４５１、４５２を介して第１のλ／２板４２は、θ／２回転され、ギヤ４７１、４７２を介して第２のλ／２板４４は、−θ／２回転される。
【００３５】
すると、第１のλ／２板４２から出射する光は、光軸に対してθ回転されるが、この時、像回転プリズム４３はθ回転されているので、この像回転プリズム４３に対する入射光の偏光特性は、像回転プリズム４３の回転量によらず、常に一定となる。また、第２のλ／２板４４から出射する光は、光軸に対して−θ回転されるが、この時、像回転プリズム４３はθ回転されているので、像回転機構４１から出射される光の偏光特性は、光軸に対して回転することなくなり、以降の光学系に対して、常に一定に保たれることになる。
【００３６】
従って、このようにすれば、像回転プリズム４３と同方向に１／２の量だけ回転される第１のλ／２板４２により、像回転機構４１に対して入射光の偏光特性が常に同じになるような偏光特性交換部が構成され、また、像回転プリズム４３と逆方向に１／２の量だけ回転される第２のλ／２板４４により、像回転機構４１以降の光学系に対し出射光の偏光特性が常に同じになるような偏光特性交換部が構成されることで、像回転機構４１から出射される光の偏光特性は、光軸に対して回転することがなくなり、常に一定の偏光特性の光が出射され、像回転プリズム４３の回転による出射光の偏光特性の変化をなくすことができる。
【００３７】
また、像回転機構４１に入射される光線の偏光特性を像回転機構４１に対して常に同じになるする偏光特性交換部は、λ／２板４２のみであり、また、像回転機構４１から出射される光線の偏光特性を像回転機構４１以降の光学系に対しても同一にする偏光特性交換部もλ／２板４４のみであるので、構成を簡単にでき、これにより波面の乱れや光量のロスといった不具合を最小限に止めることもできる。
【００３８】
なお、上述した第１の実施の形態では、３枚のλ／４板を組み合わせたもの、第２の実施の形態では、２枚のλ／２板を組み合わせたものについて述べたが、λ／４板とλ／２板を組み合わせたものを適用することもできる。この場合、λ／４板については、像回転プリズムと同方向に同量だけ回転するようにし、λ／２板については、像回転プリズムの入射側では、像回転プリズムと同方向に１／２の量だけ回転するようにし、像回転プリズムの出射側では、像回転プリズムと逆方向に１／２の量だけ回転するようにすればよい。
【００３９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、像回転光学手段の回転にかかわらず、像回転光学手段から出射される光の偏光特性が変化しないので、像回転光学手段以降の光学系に入射する光の偏光特性を一定に保つことができる。
【００４０】
これにより、このような装置を反射型の走査型光学顕微鏡に採用すれば、像回転光学手段の回転による偏光特性の変化がないことから、像回転を行っても明るさに変動を生じることがなく、安定した観察画像を得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態の概略構成を示す図。
【図２】 第１の実施の形態を説明するための図。
【図３】 本発明の第２の実施の形態の概略構成を示す図。
【図４】 従来の像回転装置に用いられる像回転プリズムを示すの図。
【符号の説明】
１１…レーザ光源、
１２…偏光ビームスプリッタ、
１３…ガルバノメータ、
１４…瞳投影レンズ、
１５…第１のλ／４板、
１６…像回転機構、
１６１…第２のλ／４板、
１６２…像回転プリズム、
１６３…第３のλ／４板、
１６４…プリズム保持部材、
１６５、１６６…ギヤ、
１６７…プリズム回転モータ、
１７…対物レンズ、
１８…試料、
１９…集光レンズ、
２０…ピンホール、
２１…光検出器、
４１…像回転機構、
４２…第１のλ／４板、
４３…像回転プリズム、
４４…第２のλ／４板、
４５１、４５２、４６１、４６２、４７１、４７２…ギヤ。

Claims (2)

1. 像観察光学系内に回転可能に配置され、全反射面を含み光学像を光軸と垂直な面内で回転させる像回転光学手段と、
   前記像回転光学手段の入射側に配置され、円偏光の入射光を直線偏光に変換し、前記像回転光学手段の回転にかかわらず前記直線偏光の偏光成分の位相差が、前記全反射面で変化しないように、前記直線偏光の偏光方向が前記像回転光学手段の全反射面のｐ方向と一致するように調整されたλ／４板からなる第１の偏光特性変換手段と、
   前記像回転光学手段の出射側に配置され、前記像回転光学手段の回転にかかわらず前記像回転光学手段から出射される前記直線偏光を円偏光に変換するように前記像回転光学手段との向きが調整されたλ／４板からなる第２の偏光特性変換手段と、を有し、
   前記第１および第２の偏光特性変換手段は、前記像回転光学手段と同方向に同じ量だけ回転可能であることを特徴とする像回転装置。
2. 前記像回転光学手段を保持する像回転光学保持部材を有し、第１および第２の偏光特性変換手段は、前記像回転光学保持部材に設けられ、前記像回転光学手段と一体に回転可能であることを特徴とする請求項１記載の像回転装置。

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