JP4812276B2 - 光検出回路および該光検出回路を備えたレーザ顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、光検出回路およびそれを備えたレーザー顕微鏡に関し、特に、光検出ダイナミックレンジの拡大および高さデータのＳ／Ｎを向上させる光検出回路およびそれを備えたレーザー顕微鏡に関する。

従来、レーザー顕微鏡は、試料に点状照明し、試料からの透過光または反射光、蛍光を共焦点絞り上に集光させた後、この共焦点絞りを通過する光の強度を光検出器で検出することによって試料の表面情報を取得している。また、走査型共焦点レーザー顕微鏡は、点状照明を種々の方法によって試料の表面上を走査することにより、試料の広い範囲の表面情報を取得することができる。

図１１は、従来のレーザー顕微鏡（走査型共焦点レーザー顕微鏡）の概略的な構成を示す図である。
図１１に示すレーザー顕微鏡では、レーザー光源１０１から出射したレーザー光が、ビームスプリッター１０２を透過した後、２次元走査機構１０３に入射する。２次元走査機構１０３は、第１の光スキャナ１０３ａと第２の光スキャナ１０３ｂとを有し、光束を２次元に走査し、対物レンズ１０７へと導く。対物レンズ１０７へ入射した光束は、集束光となって試料１０８の表面上を走査する。

試料１０８の表面で反射した光は、再び対物レンズ１０７から２次元走査機構１０３を介してビームスプリッター１０２に導入された後、ビームスプリッター１０２によって反射され結像レンズ１０９によってピンホール１１０上に集光する。ピンホール１１０により試料１０８の集光点以外からの反射光をカットし、ピンホール１１０を通過する光だけを光検出器１１１によって検出する。

試料１０８は、試料台１１３上に保持されており、ステージ１１４および光検出器１１１は、コンピュータ１１２によって制御されている。
ここで、対物レンズ１０７による集光位置は、ピンホール１１０と光学的に共役な位置にあり、試料１０８が対物レンズ１０７による集光位置にある場合は、試料１０８からの反射光がピンホール１１０上で集光してピンホール１１０を通過する。試料１０８が対物レンズ１０７による集光位置からずれた位置にある場合は、試料１０８からの反射光はピンホール１１０上では集光せず、ピンホール１１０を通過しない。

図１２は、対物レンズ１０７と試料１０８の相対位置（Ｚ）と光検出器１１１の出力（Ｉ）の関係を示すＩ−Ｚカーブの図である。
図１２に示すように、試料１０８が対物レンズ１０７の集光位置Ｚ0にある場合、光検出器１１１の出力は最大となり、この位置から対物レンズ１０７と試料１０８の相対位置が離れるに従い光検出器１１１の出力は急激に低下する。

この特性により、２次元走査機構１０３によって集光点を２次元走査し、光検出器１１１の出力を２次元走査機構１０３に同期して画像化すれば、試料１０８のある特定の高さの部分のみが画像化され、試料１０８を光学的にスライスした画像（共焦点画像）が得られる。さらに、ステージ１１４で試料１０８を光軸方向に離散的に移動させ、各位置で２次元走査機構１０３を走査して共焦点画像を取得し、試料１０８上の各点で光検出器１１１の出力が最大になるステージ１１４の位置を検出することにより試料１０８の高さ情報が得られる。また、試料各点における光検出器１１１の出力の最大値を重ねて表示することにより、全ての面にピントの合った画像（エクステンド画像）を得ることが出来る。

このようなレーザー顕微鏡において、表示される画面の輝度差が大きいような場合、すなわち明るい部分と暗い部分との差が大きい試料を観察している場合には、画面上で飽和しないように検出感度を調整する必要がある。その際の調整は、明るい部分を基準に行うしかなく、そうすると、暗い部分のデータはノイズが多く含まれてしまうため、一般的には、対数アンプ（γ特性）を用いて明るい部分を圧縮しかつ暗い部分を明るくして光検出ダイナミックレンジの拡大を行い、全体のコントラストを下げる調整を行っている。また、暗い部分の見易さを向上させるために、ＬＵＴ（ルックアップテーブル）を用いる技術も開示されている。
特開平７−２１２１５８号公報 特開平６−１２４１９２号公報

しかしながら、従来のレーザー顕微鏡においては、表示される画面の輝度差が大きいような試料を観察する場合、対数アンプを用いると暗部のゲインが大きくなっているため、明るくはなっていても回路のノイズが大きく付加されてしまい、もともとよりＳ／Ｎが悪化してしまう。また、ＬＵＴを用いるのは単に見た目の明るさを調節したにすぎず、Ａ／Ｄ変換時に決まってしまったＳ／Ｎを改善する作用はなく、結果として雑音の少ない良質の画像が得られないという問題点がある。

本発明は、上記従来技術の欠点に鑑みてなされたもので、試料暗部の光検出信号および高さデータのＳ／Ｎを劣化させずに光検出ダイナミックレンジを拡大し、輝度差が大きい試料であっても良質の画像データを取得することが可能な光検出回路および該光検出回路を備えたレーザー顕微鏡を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、下記のような構成を採用した。
すなわち、本発明の光検出回路は、試料からの光信号を増幅して検出する光検出手段と、上記光検出手段からの出力信号を所定の増幅率で増幅する第１の増幅手段と、上記光検出手段からの出力信号にオフセットを与えるオフセット手段と、上記第１の増幅手段の増幅率より小さい増幅率で、上記オフセット手段からオフセットが与えられた光検出手段からの出力信号を増幅する第２の増幅手段と、上記第２の増幅手段からの出力信号を整流する整流手段と、上記第１の増幅手段からの出力信号と上記整流手段からの出力信号とを演算する加減算手段と、上記加減算手段が出力する出力信号から、上記整流手段からの出力信号分を除去できる信号除去手段とを備えたことを特徴とする。
なお、上記の構成では、上記整流手段は、上記第２の増幅手段からの出力信号のうち正または負の信号のどちら一方のみを通過するように加工することが望ましい。
また、上記加減算手段は、上記第１の増幅手段からの出力信号と上記整流手段からの出力信号を加算または減算することが望ましい。

また、上記オフセット手段が、上記光検出手段からの出力信号に対し徐々に大きくなるようオフセットを与える複数のオフセット部を備え、上記第２の増幅手段が、上記複数のオフセット部からの各出力信号に対しそれぞれ徐々に小さくなるような増幅率を有する複数の増幅部を備え、上記整流手段が、上記複数の増幅部のそれぞれに対応する複数の整流部を備えることが望ましい。

また、上記オフセット手段が与えるオフセット値および上記第２の増幅手段の増幅率を
任意に可変することが望ましい。

なお、上記信号除去手段は、上記第１の増幅手段が出力する出力信号が所定レベルを超えた場合に、該所定レベルを超えてから該整流手段が出力する出力信号に生じた増加分を上記加減算手段が出力する出力信号から除去する、ことが望ましい。
また、上記加減算手段は、上記第１の増幅手段からの出力信号と上記整流手段からの出力信号との演算を有効/無効とする切換手段を更に備えていることが望ましい。

また、本発明の一態様によれば、本発明のレーザー顕微鏡は、上述の第１、及び第２の光検出回路のうちの何れかを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、輝度差が大きい試料であっても試料暗部の光検出信号および高さデータのＳ／Ｎを劣化させないことが可能となる。
また、本発明によれば、輝度差が大きい試料であっても光検出ダイナミックレンジを拡大することが可能となる。

また、本発明によれば、輝度差が大きい試料であっても試料暗部の光検出信号および高さデータのＳ／Ｎを劣化させず、あるいは向上させ、さらに、光検出ダイナミックレンジを拡大することにより、良質の画像データを取得することが可能となる。

また、本発明によれば、試料に所定レベル以上の輝度が存在する場合には、その輝度による悪影響を抑えつつ、上述したような効果を得ることが可能となる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について述べる。
図１乃至図３を用いて本発明の第１の実施の形態を説明する。
図1は、本発明を適用したレーザー顕微鏡（走査型共焦点レーザー顕微鏡）の構成を示すブロック図である。

まず、顕微鏡本体１は次のように構成される。
レーザー光源６は、試料１１の表面を走査するスポット光としてのレーザー光を発生させるためのものであり、ミラー７は、このレーザー光源６からのレーザー光を２次元走査機構５に導くための反射鏡である。２次元走査機構５は、ミラー７を介して得たレーザー光源６からのレーザー光を２次元走査するための機構である。これは、２次元走査制御回路４の制御のもとにスポット光をＸＹ走査し、例えば、Ｘ軸方向走査用の共振スキャナとY軸方向走査用のガルバノスキャナとを有していて、これら共振スキャナ、ガルバノスキャナをそれぞれＸ軸方向、Ｙ軸方向に振ることで対物レンズ１０に対するスポット光の光路をＸＹ方向に振らせることができる。

レボルバ９は、倍率の異なる複数の対物レンズ１０を保持したものである。このレボルバ９は、Ｚ軸移動制御回路１７により光軸方向（上下方向）に移動させることができると共に、切り替えにより複数の対物レンズ１０のうちで所望の倍率を持つ対物レンズ１０を顕微鏡の観察光路中に設定することができるものである。そして、この設定された対物レンズ１０を介して２次元走査機構５からのスポット光をステージ１２上の試料１１に２次元走査しながら照射する。ステージ１２は、試料１１を保持するものである。

一方、試料１１からの反射光は、対物レンズ１０を通って２次元走査機構５に戻り、２次元走査機構５からハーフミラー８へと戻される構成である。ハーフミラー８は、２次元走査機構５に対するレーザー光源６の出射光路上に設けられ、２次元走査機構５を介して得られる試料１１からの反射光を検出系に導くための鏡であって、半透明鏡である。レンズ１３は、このハーフミラー８を介して得た２次元走査機構５からの反射光を集光するレンズであり、ピンホール板１４は所要の径のピンホールを開けたもので、光検出器１５の受光面の前面におけるレンズ１３の焦点位置にそのピンホールが配置される。光検出器１５は、ピンホールを介して得られる光をその光量対応の電気信号に変換する光検出素子である。光検出器１５から得られた電気信号は増幅器１６で所要のレベルまで増幅される。

そして、コンピュータ２の内部には顕微鏡制御回路１８と画像入力回路１９がある。顕微鏡制御回路１８は、顕微鏡本体１内の２次元走査制御回路４、Ｚ軸移動制御回路１７に接続され、コンピュータ２に図示しない入力手段によりオペレータからの命令、例えば2次元走査制御回路４への走査の開始・停止やレボルバ９の駆動などの処理を、顕微鏡本体１が適切に実行するように制御するものである。画像入力回路１９は、光検出器１５で光電変換され増幅器１６で増幅された信号と２次元走査制御回路４からのタイミング信号とを受け取り、コンピュータ２がこれを画像化し、モニタ３に表示することで試料１１の表面情報を得ることができるようにするものである。

図２は、本発明を適用した光検出回路の構成を示す図である。
本発明を適用した光検出回路は、光検出器１５および増幅器１６とにより構成される。
光検出器１５は、試料１１からの光を検出して光電変換する。前記光検出器１５からの出力信号は、第１のリニア増幅器２０及び第２のリニア増幅器２１に入力され、第１のリニア増幅器２０において所定の増幅率（ゲインＧ１）で増幅し、第２のリニア増幅器２１においてゲインＧ１より小さい増幅率（ゲインＧ２）（Ｇ１＞Ｇ２）で増幅する。そして、第２のリニア増幅器２１にはオフセット電圧が加えられている。

第２のリニア増幅器２１を通過した信号は、半波整流回路２２によって正負のうち片側の信号のみが通過するように加工される。最後に加減算回路２３によって第１のリニア増幅器２０の出力と半波整流回路２２の出力とが演算され、増幅器１６の出力信号として得られる構成である。

図３は、暗部のＳ／Ｎの低下を招かずに入力ダイナミックレンジを拡大させる過程を説明するための図である。
図１乃至図３を用いて説明した増幅器は、暗部のＳ／Ｎの低下を招かずに入力ダイナミックレンジを拡大させる。図３を用いてその過程を説明する。図３の横軸は入力電圧であり、縦軸は出力電圧を示す。試料１１には様々なものが存在するが、特に高コントラスト（明部と暗部の輝度差が大きい）のある試料の観察をする場合を例に挙げる。図３中のＡは第１のリニア増幅器２０の出力信号を示している。同様に、Ｂは第２のリニア増幅器２１、Ｃは加減算回路２３の出力信号をそれぞれ示している。これは以降でも同様である。

一般的に、高コントラストのある試料を観察すると入力電圧が０〜Ｖ１の領域に収まりきらずに、明部がＶ１〜Ｖ２の領域にかかってしまうことがある。このとき画像入力回路１９の入力ダイナミックレンジがＶ０に等しいとすると、明部は表示の限界を超えてしまい白く飽和してしまう。

これを回避するために試料１１への照明強度を下げる、例えばレーザー光源６の出力を抑えると、明部がＶ０以下に収まってはくるが今度は暗部のレベルが下がってしまう。すると、暗部のデータは輝度的にも判別し難くなるのに加え、回路雑音などに影響されＳ／Ｎが悪くなり、データの質が下がってしまう。これを回避するために第２のリニア増幅器２１の経路を設けている。

第１のリニア増幅器２０は、０〜Ｖ１及びＶ１超過の入力信号をそのままＧ１倍して出力する（図３中のＡ参照）。一方、第２のリニア増幅器２１にはオフセット用の基準電圧が入力されており、光検出器１５からの入力信号がオフセット電圧を超えるとこの電位を境にして正負の出力を生ずるようになっている。つまり、「入力電圧＜オフセット電圧」の範囲では入力信号がＧ２倍された負の出力であり、「入力電圧＞オフセット電圧」の範囲では入力信号がＧ２倍された正の出力が得られる（図３中のＢ参照）。

続いて、この第２のリニア増幅器２１の出力が半波整流回路２２に入力されるので、負の領域、即ち「入力電圧＜オフセット電圧」の範囲では０が出力され、正の領域、即ち「入力電圧＞オフセット電圧」の範囲での入力信号がＧ２倍された出力が得られることになる。

よって、加減算回路２３（ここでは減算とする）に対しては、入力電圧がＧ１倍された第１のリニア増幅器２０からの信号と、入力電圧が「０〜オフセット電圧」の範囲では０、オフセット電圧以上でＧ２倍された信号が与えられることになる。

その結果、加減算回路２３からの出力電圧は、入力電圧が「０〜オフセット電圧」の範囲では第１のリニア増幅器２０からのＧ１倍された信号そのものとなり、オフセット電圧以上の領域ではトータルゲインとして（Ｇ１−Ｇ２）倍された信号になる（図３中のＣ参照）。

すなわち、図３に示すように第１のリニア増幅器２０単体では入力電圧Ｖ１までしか実質扱えなかったものが、第２のリニア増幅器２１の径路によってオフセット電圧以上の領域ではゲインを下げる働きが起こり、入力電圧Ｖ１ではまだ飽和レベルに達しなくなる。よって、入力電圧がＶ２のレベルまで取り扱うことができるようになり、全体としてＶ１〜Ｖ２の範囲分ダイナミックレンジが拡大されることになる。

通常使用される従来の対数アンプは、ダイナミックレンジを広げる効果をもたらすが、回路的には暗部のゲインを大きくし明部のゲインを下げる働きをしていることになり、暗部は輝度的には明るくなるが雑音の増幅率が高くなり、Ｓ／Ｎの劣化を起こしてしまうが、本発明のように構成することにより、暗部のゲインは変えずに明部のゲインを下げることによってダイナミックレンジ拡大の効果を持たせるのと同時に、Ｓ／Ｎの劣化を起こさないことを両立させている。

次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。
本発明の第２の実施の形態を適用したレーザー顕微鏡（走査型共焦点レーザー顕微鏡）は、図１を用いて説明した第１の実施の形態と同様の構成であるが、光検出器１５に感度可変型の光センサを用いている点が異なっている。

そのレーザー顕微鏡の特徴として試料１１の高さデータを得る機能がある。
対物レンズ１０による集光位置は、ピンホール１４と光学的に共役な位置にある。そして、試料１１が対物レンズ１０による集光位置にある場合は、試料１１からの反射光がピンホール１４上で集光し、ピンホール１４を通過するのに対して、試料１１が対物レンズ１０による集光位置からずれた位置にある場合は、試料１１からの反射光はピンホール１４上では集光しておらず、ピンホール１４を通過しない。つまり、試料１１が対物レンズ１０の集光位置にある場合に、光検出器１５の出力は最大となり、この位置から対物レンズ１０と試料１１の相対位置が離れるに従い光検出器１５の出力は急激に低下する。

この特性により、２次元走査機構５によって集光点を２次元走査し、光検出器１５の出力を２次元走査機構５に同期して画像化すれば、試料１１のある特定の高さのみが画像化され、試料１１を光学的にスライスした画像（共焦点画像）が得られる。さらに、Ｚ軸移動制御回路１７を通じてレボルバ９を光軸方向に離散的に移動させ、対物レンズ１０と試料１１との相対位置を変化させながら各位置で２次元走査機構５によりレーザー光を走査して共焦点画像を取得し、試料各点で光検出器１５の出力が最大になるレボルバ９の位置を検出することにより試料１１の高さ情報が得られる。

このとき、試料１１の各点においてレボルバ９の移動と共に得られる輝度情報のうち最大のものを抽出する過程では、常に輝度情報の比較作業が行われることになる。ここでその高さ情報の質を左右するものの1つに検出信号のＳ／Ｎがある。特に暗部はノイズなどに影響され易く、できるだけ明るい情報として比較する方が好ましい。増幅器１６を第１の実施の形態と同様の構成であるとすると、検出系のダイナミックレンジが広がって暗部のＳ／Ｎを劣化させずにデータ取得が可能となるが、本第２の実施の形態では、増幅機能を有した光電子増倍管（ＰｈｏｔｏＭｕｌｔｉｐｌｉｅｒ Ｔｕｂｅ：以下、ＰＭＴという）を使用することで、暗部のＳ／Ｎを劣化させないだけではなく、さらにＳ／Ｎを向上させることが可能となる。なお、光信号を電気信号に変換した後に電子レベルで増幅する機能を有するものであれば、ＰＭＴの代わりにＡＰＤ（アバランシェ・フォト・ダイオード）などでもよい。

図４は、暗部のＳ／Ｎを向上させる過程を説明するための図である。
まず、試料１１の光検出信号範囲が０〜Ｖ１に収まるようなものであると仮定する。そして、増幅器１６の作用は第１の実施の形態と同様である。つまり、入力電圧はＶ２のレベルまで取得することが可能となっている。

このとき、試料１１からの検出信号は０〜Ｖ１までしか入ってこないので、第１のリニア増幅器２０単体で試料１１の高さデータを取得する場合と比較すると、出力信号のダイナミックレンジとしては０〜Ｖｆに狭くなってしまっている。しかしここで、本第２の実施の形態では、光検出器１５にＰＭＴを使用しているので、ＰＭＴへの印加高電圧を調節（上昇させる）することで電気回路の増幅ではできない高Ｓ／Ｎの信号増幅が可能となっている。

つまり、Ｖ０−Ｖｆに相当する分だけ増幅器１６への入力信号をセンサの倍増機構を使ってあらかじめ増幅してから入力することができるので、試料１１からの同じ検出信号０〜Ｖ１の範囲によって０〜Ｖ０の出力電圧範囲が得られると考えた場合、図４に示すように、加減算回路２３の出力信号はＣからＤに変化する。第１のリニア増幅器２０単体で試料１１の高さデータを取得する場合と比較すると暗部の信号レベルは確実に上昇しており、Ｓ／Ｎの面で有利な信号となって得られる。その結果、輝度信号を比較して最大輝度を与えるレボルバ９の位置を記憶する過程で試料１１の暗部のデータ精度が著しく向上する。

これを電気回路のゲインを調整することで出力のダイナミックレンジを適切に合わせるようなことをすると第１のリニア増幅器２０単体時よりＳ／Ｎが劣化してしまうが（また伝達特性も出力電圧軸に対して増加する特性となり最終的な伝達特性（折れ点位置）も図４とは異なる）、センサによってあらかじめ信号強度を増しておき、そのとき明部のゲインを下げる折れ線特性によって出力飽和を起こさないようにしているため、飽和レベルのトータルゲインは同じであっても最終的な検出信号（高さデータ）のＳ／Ｎに大きな差が生じることになる。

なお、本発明を適用した増幅器１６を通過して得られた輝度信号はその相対差がリニアではなくなってしまう。しかし、高さデータを得る仕組みは、対物レンズ１０と試料１１の光軸方向の相対位置を変えながら試料１１各点ごとに輝度の最高値を与える位置を記憶するものであるため、輝度の絶対値は無関係であり、あくまで試料１１各点における光軸方向の輝度値群内での相対比較でしかない。そのため輝度の線形性は不要（明暗逆転は不可であるが）であるので、高さデータは正確に得られる。一方で、輝度画像の方は図４に示すような折れ線特性で得られてしまうが、これは画像入力回路１９でのＡ／Ｄ変換後のデジタル処理、例えばＬＵＴ（ルックアップテーブル）などによって逆特性を与えることで、リニアな輝度表示に戻すことは可能である。

ところで、上述したように高さデータを得る過程でＳ／Ｎが向上できるのは、画像入力回路１９によってデジタル処理される前のアナログ信号の状態で加工するため効果が生じるものである。リニア増幅器を通して信号取得し一度Ａ／Ｄ変換をしてしまうとその後でいくら輝度値の補正をしても信号品質が変わるわけではない。暗部でＳ／Ｎが悪くサンプリングされたデータは既に信号品質が悪いので、それをデジタル処理、例えばＬＵＴ（ルックアップテーブル）などでいくら輝度的な補正をしても信頼性の低いデータであることにはかわりない。すなわち、上述したようにＳ／Ｎが向上するのは、感度可変型センサと明部でゲインの下がる折れ線特性とを組み合わせることで実現されるものである。

なお、加減算回路２３の他の例として、減算ではなく第２のリニア増幅器２１の経路を反転増幅し、負の半波整流の後で加算しても良い。つまり、実際の回路構成の規模等を考慮して、最終的に明部のゲインが下がるように組み合わせれば良い。

また、異なるゲインの系（リニア増幅器、オフセット電圧、半波整流器）をさらに並列に追加しても良い。このように複数段にすることで折れ点が複数設定でき、対数アンプの伝達特性にも近似できる。

また、オフセット電圧、リニア増幅器のゲインは任意に設定が可能（可変）であり、折れ線によって任意の伝達特性が実現できる。
また、リニア特性を利用することと折れ線特性を利用することの切り換えが可能である。すなわち、加減算回路２３に有効／無効にする機能を設けることで、従来のように第１のリニア増幅器２０のみを使用することもできる。

その切り換えは、例えば不図示の入力手段を介したオペレータからの指示に応じて、顕微鏡制御回路１８により行われるようになっている。各リニア増幅器２０、２１、及び光検出器１５のゲインも同様に、顕微鏡制御装置１８が入力手段を介したオペレータからの指示に応じて設定を変更するようになっている。

次に、図５乃至図７を用いて本発明にかかる光検出回路（増幅器）のもたらす効果を説明する。
図５は、リニア増幅器のみを用いた場合と対数アンプを用いた場合の入力レベルと出力レベルとの関係を示す図である。

リニア増幅器のみを用いた場合（通常のアンプ）と対数アンプを用いた場合とで比較してみると、対数アンプの場合、例えば出力の飽和レベルが４であるとすると、出力レベルでおよそ「２」だけ上がるまで明るい方に、入力ダイナミックレンジを広げることができる。

対数アンプを用いた場合は、回路によって暗部のゲインを増加させたことになるので、画面は明るく見えるようにはなるがノイズも増加しており、見た目にも霞がかかったようになってしまう。また、信号のＳ／Ｎは、リニア増幅器を用いた場合以下になってしまう。

図６は、第１の実施の形態および第２の実施の形態における入力レベルと出力レベルとの関係を示す図である。
第１の実施の形態として上述したように、ゲインの異なる系は、整流回路により閾値（例えば、入力レベル３）を超えることにより信号が出るので、加減算回路の出力は、閾値以上の領域において演算（リニア）−（半波整流）となり、暗部のＳ／Ｎを変えることなく、全体のゲインが下がることになる。また、この分だけ入力ダイナミックレンジが明るい方に広がる。

センサがＰＭＴなどの感度可変型の場合は、第２の実施の形態として上述したように、明部のレベルを合わせるためにセンサのゲインを上げられるので、暗部の入力レベル自体を増加させることができ、Ｓ／Ｎが向上する。

図７は、異なるゲインの系を並列に追加した場合の入力レベルと出力レベルとの関係を示す図である。
異なる閾値とゲインの信号系（リニア増幅器、オフセット電圧、半波整流器）をさらに並列に追加して複数段にすることで、折れ点が複数設定でき、対数アンプの伝達特性にも近似させることができる。

次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。
本発明の第３の実施の形態を適用したレーザー顕微鏡は、上記第２の実施の形態と同様の構成である。このため、第２の実施の形態から異なる部分についてのみ説明する。

図８は、第１のリニア増幅器２０の出力信号の飽和による悪影響を説明する図である。
第１のリニア増幅器２０が出力する出力信号には上限が存在する。その上限による飽和が生じると、図８中のＡに示すように、入力信号の電圧値が大きくなっても出力信号の電圧値は変化しなくなる。しかし、そうなっても、加減算回路２３は第１のリニア増幅器２０による出力信号から第２のリニア増幅器２１による出力信号を減算するので、図８中のＣに示すように、加減算回路２３の出力信号の電圧値は、第１のリニア増幅器２０の出力信号が上限によって飽和した以降、入力信号の電圧値が大きくなるほど小さくなる。それにより、その上限に達したところから、試料１１の輝度がより高くなるにつれてその輝度が低下していくように画像が表示されることになる。これは、図８中のＤに示すように、光検出器１５のゲインをより大きくなる方向に変更しても同じである。第３の実施の形態は、このような理由による悪影響を抑えるようにしたものである。

図９は、第３の実施の形態による光検出回路を構成する増幅器の回路構成を示す図である。図９中、第２の実施の形態と同じものには同一の符号を付している。
半波整流回路２２が出力する出力信号は、加減算回路２３の他に、反転バッファ２６に入力される。その反転バッファ２６には更に飽和検出電圧が入力される。反転バッファ２６は、飽和検出電圧から、半波整流回路２２が出力した出力信号を減算して得られる差分（＝飽和検出電圧−出力信号）を半波整流回路２５に出力する。その半波整流回路２５は、反転バッファ２６からの出力信号（差分）における負の領域の部分を加減算回路２３に出力する。その加減算回路２３は、第１のリニア増幅器２０よりの出力信号から半波整流回路２２よりの出力信号を減算し、その減算結果に半波整流回路２５よりの出力信号を減算する。飽和検出電圧は、例えば顕微鏡制御回路１８によって任意に設定できるようになっている。

上述したように、第２のリニア増幅器２１は、入力信号がオフセット電圧を越えると正の出力信号を出力し、半波整流回路２２は、正の部分の出力信号を出力する。それにより、反転バッファ２６が出力する差分は、第２のリニア増幅器２１からの出力信号が飽和検出電圧に達した以降、負となる。その負の差分は、半波整流回路２５を介して加減算回路２３に入力され、第１のリニア増幅器２０よりの出力信号から半波整流回路２２よりの出力信号を減算した結果から更に減算される。このため、第２のリニア増幅器２１の出力信号が飽和検出電圧に達してからの増加分は、半波整流回路２５からの出力信号によって相殺されることになる。その増加分を相殺させる結果、第２のリニア増幅器２１からの出力信号が飽和検出電圧に達した以降、加減算回路２３の出力信号が低下することは確実に回避される。

図１０は、第３の実施の形態による光検出回路で出力される出力信号を説明する図である。この図１０は、入力信号の電圧がＶ１となると第１のリニア増幅器２０が出力する出力信号の電圧がＶ０となって飽和する場合のものである。

その場合、飽和検出電圧としては、入力信号の電圧がＶ１となったときに第２のリニア増幅器２１から半波整流回路２２を介して出力される出力信号の電圧を設定する。そのような電圧を飽和検出電圧として設定することにより、図１０中のＥに示すように、入力信号の電圧がＶ１に達した以降、第２のリニア増幅器２１からの出力信号における、それに達してからの増加分が負の信号として半波整流回路２５から出力されることになる。このため、その増加分は相殺されて除去される形となって、入力信号の電圧がＶ１に達した以降の出力信号の電圧レベル低下は回避される。それにより、その電圧レベルの低下によって生じる画像の視認性の悪化も確実に回避されることとなる。

以上、本発明を適用した各実施の形態を説明してきたが、本発明が適用される光検出回路および該光検出回路を備えたレーザ顕微鏡は、その機能が実行されるのであれば、上述の実施の形態に限定されることはなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の構成または形状を取ることができる。飽和検出電圧については、第１のリニア増幅器２０の出力信号の飽和レベル以外のものを考慮して設定しても良い。例えば、反転バッファ２６と半波整流回路２５と同じ構成をリニア増幅器２０の出力に設け、半波整流回路の出力を加減算回路２３に入力すると、第２のリニア増幅器２１の飽和レベルに達する前のレベルでその出力の上昇を抑えることができる。その場合、その時の入力信号での半波整流回路２５からの出力信号電圧を反転バッファの飽和検出電圧とすればよい。

（付記１）
試料からの光信号を増幅して検出する光検出手段と、
前記光検出手段からの出力信号を所定の増幅率で増幅する第１の増幅手段と、
前記第１の増幅手段の増幅率より小さい増幅率で前記光検出手段からの出力信号を増幅して整流後の出力信号を出力する第２の増幅手段と、
前記第２の増幅手段からの出力信号にオフセットを与えるオフセット手段と、
前記オフセット手段によりオフセットが与えられる前記第２の増幅手段からの出力信号と前記第１の増幅手段からの出力信号とを加算、又は減算する加減算手段と、
を備えたことを特徴とする光検出回路。

（付記２）
前記加減算手段が出力する出力信号から、前記第２の増幅手段からの出力信号分を除去できる、ことを特徴とする付記１に記載の光検出回路。

（付記３）
前記第１の増幅手段が出力する出力信号が所定レベルを超えてから前記第２の増幅手段が出力する出力信号に生じた増加分に相当する出力信号を出力する信号出力手段を備え、
前記第１の増幅手段が出力する出力信号が前記所定レベルを超えた場合に、前記信号出力手段が出力する出力信号を用いた加算、又は減算を前記加減算手段に併せて行わせることにより、前記加減算手段が出力する出力信号から、前記第２の増幅手段からの出力信号分を除去する、ことを特徴とする付記２に記載の光検出回路。

本発明を適用したレーザー顕微鏡の構成を示すブロック図である。 本発明を適用した光検出回路の構成を示す図である。 暗部のＳ／Ｎの低下を招かずに入力ダイナミックレンジを拡大させる過程を説明するための図である。 暗部のＳ／Ｎを向上させる過程を説明するための図である。 リニア増幅器のみを用いた場合と対数アンプを用いた場合の入力レベルと出力レベルとの関係を示す図である。 第１の実施の形態および第２の実施の形態における入力レベルと出力レベルとの関係を示す図である。 異なるゲインの系を並列に追加した場合の入力レベルと出力レベルとの関係を示す図である。 第１のリニア増幅器２０の出力信号の飽和による悪影響を説明する図である。 第３の実施の形態による光検出回路を構成する増幅器の回路構成を示す図である。 第３の実施の形態による光検出回路で出力される出力信号を説明する図である。 従来のレーザー顕微鏡の概略的な構成を示す図である。 対物レンズ１０７と試料１０８の相対位置（Ｚ）と光検出器１１１の出力（Ｉ）の関係を示すＩ−Ｚカーブの図である。

符号の説明

１ 顕微鏡本体
２ コンピュータ
３ モニタ
４ ２次元走査制御回路
５ ２次元走査機構
６ レーザー光源
７ ミラー
８ ハーフミラー
９ レボルバ
１０ 対物レンズ
１１ 試料
１２ ステージ
１３ レンズ
１４ ピンホール板
１５ 光検出器
１６ 増幅器
１７ Ｚ軸移動制御回路
１８ 顕微鏡制御回路
１９ 画像入力回路
２０ 第１のリニア増幅器
２１ 第２のリニア増幅器
２２、２５ 半波整流回路
２３ 加減算回路
２６ 反転バッファ

Claims (8)

1. 試料からの光信号を増幅して検出する光検出手段と、
   前記光検出手段からの出力信号を所定の増幅率で増幅する第１の増幅手段と、
   前記光検出手段からの出力信号にオフセットを与えるオフセット手段と、
   前記第１の増幅手段の増幅率より小さい増幅率で、前記オフセット手段からオフセットが与えられた前記光検出手段からの出力信号を増幅する第２の増幅手段と、
   前記第２の増幅手段からの出力信号を整流する整流手段と、
   前記第１の増幅手段からの出力信号と前記整流手段からの出力信号とを演算する加減算手段と、
   前記加減算手段が出力する出力信号から、前記整流手段からの出力信号分を除去できる信号除去手段と、
   を備えたことを特徴とする光検出回路。
2. 前記整流手段は、前記第２の増幅手段からの出力信号のうち正または負の信号のどちらか一方のみを通過するように加工することを特徴とする請求項１に記載の光検出回路。
3. 前記加減算手段は、前記第１の増幅手段からの出力信号と前記整流手段からの出力信号を加算または減算することを特徴とする請求項１に記載の光検出回路。
4. 前記オフセット手段は、前記光検出手段からの出力信号に対し徐々に大きくなるようオフセットを与える複数のオフセット部を備え、
   前記第２の増幅手段は、前記複数のオフセット部からの各出力信号に対しそれぞれ徐々に小さくなるような増幅率を有する複数の増幅部を備え、
   前記整流手段は、前記複数の増幅部のそれぞれに対応する複数の整流部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の光検出回路。
5. 前記オフセット手段が与えるオフセット値および前記第２の増幅手段の増幅率を任意に可変することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の光検出回路。
6. 前記信号除去手段は、前記第１の増幅手段が出力する出力信号が所定レベルを超えた場合に、該所定レベルを超えてから該整流手段が出力する出力信号に生じた増加分を前記加減算手段が出力する出力信号から除去する、ことを特徴とする請求項１に記載の光検出回路。
7. 前記加減算手段は、前記第１の増幅手段からの出力信号と前記整流手段からの出力信号との演算を有効/無効とする切換手段を更に備えていることを特徴とする請求項１に記載の光検出回路。
8. 請求項１乃至７の何れか１項に記載の光検出回路を備えたことを特徴とするレーザー顕微鏡。

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