JP5973777B2 - レーザー走査顕微鏡装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザー光の走査によって不透明物体の表面形状の観察及び計測、透明物体の表面または内部構造の観察及び計測を高速に行うレーザー走査顕微鏡装置に関するものである。

微小な高さを高精度に測定するには、光へテロダイン干渉法がよく知られている。これは、周波数の異なる２つのレーザー光を干渉させ、その差の周波数のビート信号を作成し、ビート信号の位相変化を波長の1/500程度の分解能で検出して、表面の高さ方向の変化を計測するものである。このようなものとして、下記特許文献１の特開昭５９−２１４７０６号公報が具体的に知られているが、この特許文献１では、音響光学素子を用いて異なる波長からなる２つのビームを隣接して発生させ、これら２ビーム間の位相変化を検出し、その位相変化を累積して表面プロファイルを得る方法が開示されている。

ただし、この特許文献１では、音響光学素子に印加する直流電圧により走査を行い、かつ、正弦波信号を音響光学素子に加えて、お互いに周波数の異なる２つの空間的に分離したビームを作成していた。ここで、音響光学素子のブラッグ回折格子ｄは、超音波の速度をVa、印加する周波数をfaとすると、d=Va/faとなる。すなわち、ブラッグ回折角と印加する周波数とは、逆比例関係となる。

これに対して、通常の音響光学素子では、走査に必要な周波数は、数十ＭＨｚから百ＭＨｚ以内となる。仮に、周波数レンジを７０ＭＨｚ程度として、２つのビーム間の位相変化を捉えるためには、２つのビームは近接していなければならない。例えば、走査範囲を１ｍｍ程度にしておいて、この走査範囲を１０００点に分解したいとすると、１点あたり７０ＫＨｚとなる。このときの２つのビーム間隔は、１μｍ程度となり、お互いに近接していると考えることができる。

ところが、ビデオレート以上の速度でデータを取得したい場合、たとえば、細胞の状態変化をリアルタイムでみたいという要求や、表面形状を精密かつ高速に計測したいという要求等に応えることはできない。すなわち、ビデオレートで観測するには、水平走査周波数は、１５ＫＨｚ程度となるので、１０００点の分解を行うとすると、１点あたりに必要な周波数は１５ＭＨｚ程度になる。従って、２つのビームを接近させ、かつ、周波数を大きくすることは、実質上できないことになる。

また、通常の顕微鏡の分解能はいわゆるアッべの理論の限界により制限されている。この限界は、波動の有する回折現象の結果であり、越えることの出来ない理論限界とされていた。

特開昭５９−２１４７０６号公報

以上より、前述の光ヘテロダイン干渉法では、ビーム間距離とヘテロダイン検波するビート周波数とは、互いに逆比例関係にあることから、近接したビームを得ると同時に検出ビート信号の周波数を高くすることは、実質上不可能であった。
本発明は上記背景に鑑みてなされたもので、近接したビームを得ると同時にビート周波数を高くして、分解能と走査速度を著しく向上させるレーザー走査顕微鏡装置を提供することを目的とする。
さらには、実質上、回折限界以上の分解能を有する顕微鏡装置を実現するとともに、ビーム利用効率の低下を招かない光学系を実現したレーザー走査顕微鏡装置を提供することをも目的とする。

上記目的を達成させるために、本発明は、 レーザー光を出射するレーザー光源と、
該レーザー光を相互に異なる周波数の２つの光に変調させつつ相互に異なる方向に出射する光変調器と、
前記２つの光を１次元走査あるいは２次元走査する走査素子面を有する走査光学素子と、
前記光変調器から出射された２つの光を拡大し、かつ、前記光変調器の回折光出射面と該走査素子面とを共役な配置とするように、前記光変調器と該走査光学素子との間に位置する瞳伝達拡大レンズ系と、
瞳位置を有し、配置されている対象物に２つの光を出射する対物レンズと、
前記走査光学素子の走査素子面と該対物レンズの瞳位置とを共役な配置とするように、前記走査光学素子と該対物レンズとの間に位置する瞳伝達レンズ系と、
前記対象物からの反射光あるいは透過光を受光する受光素子と、
前記受光素子で受光した光を光電変換して各々のビート信号を作成する光電変換部と、
前記光電変換部のビート信号に基づいて得られた信号の位相差または強度差を検出する信号比較器と、
前記信号比較器の位相情報または強度情報を取得して得たデータに基づき処理を行うデータ処理部と、
を含むことを特徴とするレーザー走査顕微鏡装置とされるものである。

また、本発明においては、瞳伝達拡大レンズ系と走査光学素子との間にビームスプリッターが配置され、受光素子が第１の受光素子および第２の受光素子からなり、
第１の受光素子が、前記走査光学素子と共役な位置に配置され、かつ、瞳伝達拡大レンズ系から送られ前記ビームスプリッターで反射されて分離された光を受光し、
第２の受光素子が、前記光変調器と共役な位置に配置され、かつ、前記対象物から反射されて、前記対物レンズおよび前記瞳伝達レンズ系を経て前記ビームスプリッターにおいて反射された光を受光するものが好適である。
さらに、本発明においては、前記信号比較器が、光電変換された信号のうち前記２つの光の周波数差に相当するビート信号の位相または強度と前記対象物がないかあるいは前記対象物があっても影響がないほど前記対物レンズをデフォーカスした状態での信号との位相差または強度差を検出するものが好適である。

他方、本発明に係わる光変調器は、前記レーザー光源から出射されたレーザー光が入射させる音響光学素子と、前記音響光学素子にキャリア交流信号と正弦波信号を印加する信号発生器と、を含むことや、前記レーザー光源から出射されたレーザー光が入射させる空間光変調器と、前記空間光変調器に振幅または位相情報として正弦波状の格子縞を書き込み、キャリア交流信号と正弦波信号を印加して、前記格子縞を一定方向に移動させる信号発生器と、 を含むことが好適である。

また、本発明に係わる走査光学素子は、ガルバノミラー、レゾナントミラーによる１次元走査素子、２つの１次元走査ディバイスと瞳伝達レンズ系よりなる２次元走査光学系、あるいは、１次元走査または２次元走査のマイクロミラーディバイスよりなるものが好適である。
さらに、本発明に係わる受光素子は、前記光変調器により相互に異なる方向に出射された２つの光の分離方向に少なくとも２分割以上された複数の受光素子であるものが好適である。
また、本発明においては、前記光電変換部で作成されたビート信号は、前記受光素子の２分割以上された複数の受光素子のすべての受光素子の和信号、または、２分割以上された分割素子の対応する位置にある受光素子同士の差信号より取得することが好適である。

また、本発明においては、前記走査光学素子の走査素子面と対物レンズの瞳位置とを共役な配置とする瞳伝達レンズ系が、拡大光学系とされるものが好適である。また、走査光学素子が、１次元走査光学素子を２つ組み合わせて２次元走査光学素子とされるものが好適である。

さらに、本発明においては、前記光変調器の回折光出射面と前記走査光学素子の走査素子面とを共役な配置とする瞳伝達拡大レンズ系が、光変調器により回折された方向に曲率を持つシリンドリカルレンズを含むレンズ系とされるものが好適である。また、前記光変調器側寄りの１次元走査光学素子が、光変調器により回折された方向と同じ方向に走査するとき、前記走査光学素子の瞳位置が共役な配置となる瞳伝達レンズ系が、前記光変調器により回折された方向に曲率を持つシリンドリカルレンズを含むレンズ系とされるものが好適である。

請求項に係る発明の作用を以下に説明する。
レーザー光源から出射されたレーザー光を相互に異なる周波数の２つの光に変調させつつ相互に異なる方向に光変調器が出射する。つまり、周波数fcと周波数fmの電気信号で光変調器である音響光学素子を駆動すると、周波数fcをキャリアとするＡＭ変調により、周波数fc+fmと周波数fc-fmを有する２つのビームが発生する。キャリア周波数である周波数fcを数十ＭＨｚ程度とし、数ＭＨｚ程度の周波数fmを付与すると、音響光学素子のブラッグ回折角はかなり大きくなる。

この音響光学素子より出射された光は、大きな角度差を有した２つのビームとなる。この角度差を瞳伝達拡大レンズ系である拡大光学系により、２つのビームの重なり程度を著しく小さくして、走査光学素子である２次元走査光学系に入射させる。このとき、２次元走査光学系の入射面と音響光学素子の出射面とが、共役な配置となるようにする。

このようにすると、２次元走査光学系からの出射光は、お互いに角度差が小さいビームとなるが、おのおのが有する周波数はfc+fmとfc-fmであり、変化は無い。つまり、この２つのビームを変調周波数とは無関係な上記した走査光学素子とされる１次元走査あるいは２次元走査する走査光学素子および第２の瞳伝達レンズ系を介して、対物レンズに向けて走査することにより、対象物上を２つの近接したビームで走査されることになる。
この２つの近接したビームによるビート信号は、対象物が反射物体である場合には、音響光学素子とほぼ共役な位置に配置された受光素子により取得することができ、対象物が透過物体である場合には、ファーフィールドではあるが対象物からあまり離れていない位置に配置した受光素子により取得することができる。

また、このときのビート信号は2fmとなるが、これは、十数ＭＨｚと高いビート信号として、検出される。このビート信号と基準となる信号の位相差θは、対象物の実質的な高さdや屈折率差nを反映している。すなわち、レーザー波長をλとすると、θ＝２πnd/λなる関係があるからである。

さらに、光電変換部が受光素子の光電変換された各々のビート信号を作成し、信号比較器がこのビート信号に基づいて得られた信号の位相差または強度差を検出し、信号比較器の位相情報または強度情報を取得して得たデータに基づき、データ処理部が処理することで、対象物が反射物体であれば表面のプロファイルが測定され、対象物が透過物体であれば、実質的な屈折率差あるいは厚みが測定される。

従って、走査速度を高めても、十分高いレートでデータを取得させて分解能を向上させることが可能となる。基準となる位相は、例えば、ビームスプリッターで分離した出射ビームの一部を受光し、ビート信号から求めた位相か、もしくは、対象物がない状態もしくは対象物があっても影響がないほど対物レンズをデフォーカスした状態での信号を走査信号とともにメモリーした位相をデータ処理部において使用することができる。

以上より本発明に係るレーザー走査顕微鏡装置によれば、２つのビーム間の距離とビート信号の周波数とを無関係に設定できるような光学系となり、近接したビームを得ると同時にビート信号の周波数を高くして、分解能と走査速度を著しく向上させことができる。

他方、光変調器として空間光変調器を採用した場合、この空間光変調器に短冊状の正弦波格子を書き込み、これを高速で一方向に移動させることにより、格子縞のピッチがビームの分離距離となる。次々と格子を移動させることにより、位相が変調されたことに相当するので、格子縞で生じた±１次回折光は、変調周波数の２倍だけ周波数の異なる光とすることができる。この場合、書き込み格子のピッチが十分に大きければ、近接した２つのビームを作ることができて拡大光学系の拡大率を小さくできるので、光学系を小型にすることができる。

以上のような光学系と光変調器により、ビート周波数作成手段と走査手段とを分離させることができる。このため、より高周波のビート信号を作成し、より走査速度を高めることができるので、データ取得を一層高速に行うことができるようになる。以上の結果として、３次元情報をビデオレート以上で取得できるとともに、ビーム分離を著しく小さくすることにより、横の分解能も顕著に向上させることができ、高さ方向の分解能も波長の1/500程度に向上できる。

また、２つのビームは殆ど光路を共有化しているので、外部的な環境変化、振動等に著しく強いレーザー走査顕微鏡装置とすることができる。このように２つのビームが存在している場合、受光素子としてビームの分離方向に垂直な方向に２つ以上に分割されている受光素子を用いると、全受光素子の出力の和信号では、実効上、対物レンズで集光された２つのビームの分離度に応じた位相差のビーム径に相当する領域の積分値を与えるので、微分干渉顕微鏡とほぼ等価な分解能を与えることになる。

さらに分解能を高くするには、２分割以上された受光素子の隣り合った位置にある受光素子同士の差信号を取得すると、実効上、対物レンズで集光された２つのビームの分離度に応じた位相差の微分のビーム径に相当する領域の積分値を与える。この場合には、和信号と比較して、位相差の生じている部分のみが位相差に寄与するので、感度が著しく高くなる。従って、ビームの分離度に応じた分解能に匹敵する横分解能の向上が図れる。

これは、通常の微分干渉顕微鏡には見られない際立った特長となる。この結果、波長で支配されている横分解能よりもはるかに高い横分解を得ることが出来る。ビート信号の強度に対しても同様な効果がある。

また、瞳伝達拡大レンズ系である拡大光学系におけるビームを分離する方向と直交する方向は、実質上、ビームの分離に無関係である。したがって、拡大光学系はビーム分離に関与する方向のみとし、それに直交する方向には、拡大しないようにシリンドリカルレンズを含む光学系とすることにより、ビームの利用光率を格段に向上させることができる。なぜならば、一方向だけに拡大することにより、対物レンズに入射される光量が著しく向上するからである。これにより、極めて微弱な信号でもＳ／Ｎ比を良くした信号を取り出すことが可能となる。

以上より本発明に係るレーザー走査顕微鏡装置によれば、実質上、回折限界以上の分解能を有する顕微鏡装置が実現でき、さらには、ビーム利用効率の低下を招かない光学系を実現可能ともした。

以上、まとめると、高さや屈折率分布などの３次元情報を一度の２次元走査で非常に高速に、また、極めて高い横分解能で取得する光利用効率の高いレーザー走査顕微鏡装置を提供することができる。従って、生きたままの細胞やマイクロマシーンなどの状態変化などをリアルタイムに３次元計測できるなど、従来の２次元情報を取得し３次元方向に積算していくようなレーザー走査型共焦点顕微鏡などとは比較にならない大きな特徴を有している。
また、透過型にすれば、生物や細胞を生きたままリアルタイムかつ高い分解能で観察、計測できるので、細胞等を不活性化して計測する電子顕微鏡にはない大きな特徴ともなる。

上記に示したように、本発明のレーザー走査顕微鏡装置によれば、変調が可能な音響光学変調素子または空間変調器を光変調器として用い、瞳伝達拡大レンズ系と２次元走査ディバイスと併用することにより、非常に近接した２つのビームを非常に高い変調周波数で、変調することができるので、ビデオレートの３次元計測が可能となる。

したがって、細胞や微生物の状態変化や表面状態の過渡的な変化等を、高速に観察、計測することができる。また、既に製品化されている裸眼立体ディスプレーや偏光めがねを使用した３次元ディスプレー等を用いることにより、ビデオレートの３次元立体画像を表示することもできるので、教育や研究、医療において、有用な装置とすることができる。

他方、非常に近接したほぼ同一の行路を通る２つのビームを用いているので、外乱等の影響を受けにくい観察や測定ができる。また、受光素子を分割型とし、ビームを分離する方向に対して、暗線を有する少なくとも２分割以上の受光素子を用い、すべての受光素子の和演算または対応する受光素子間で、差演算をおこなってヘテロダイン検波することで、特に、差演算においては、極めて高い横分解能を得ることが可能となる。さらに、拡大光学系にシリンドリカルレンズを用いることで光の利用効率を向上させ、取得信号のＳ／Ｎ比を向上させることが可能となる。

本発明のレーザー走査顕微鏡装置に係る実施例１を示すブロック図である。 図１の対物レンズおよび測定対象物周辺部分を拡大して示す図である。 本発明のレーザー走査顕微鏡装置に係る実施例１による対象物における照射領域を表す説明図である。 本発明のレーザー走査顕微鏡装置に係る実施例２を示すブロック図である。 本発明のレーザー走査顕微鏡装置に係る実施例３を示すブロック図である。 本発明のレーザー走査顕微鏡装置に係る実施例４を示すブロック図である。 本発明のレーザー走査顕微鏡装置に係る実施例５を示すブロック図である。 本発明のレーザー走査顕微鏡装置に係る実施例６を示すブロック図である。 本発明のレーザー走査顕微鏡装置に係る実施例７に適用される空間変調器を示す図であって、（Ａ）は空間変調器の模式図であり、（Ｂ）は空間変調器に印加される電圧、電流のパターンを示す図である。

以下に、本発明に係るレーザー走査顕微鏡装置の実施例１から実施例８を各図面に基づき、詳細に説明する。

本発明に係るレーザー走査顕微鏡装置の実施例１を、以下に図面を参照しつつ説明する。
図１は、本実施例に係るレーザー走査顕微鏡装置の構成を示すブロック図である。この図１に示すように、光学系として、レーザー光が出射されるレーザー光源１と光を分離するための光変調器である音響光学変調素子（ＡＯＤ）４との間に、コリメーターレンズ２及びビーム整形光学系３が配置されている。これらレーザー光源１および音響光学変調素子４は制御基板１４にそれぞれ接続されていて、この制御基板１４により動作がそれぞれ制御されるようになる。音響光学素子４に、キャリア交流信号としての周波数fcと正弦波信号としての変調周波数ｆｍを制御基板１４に内臓の信号発生器が印加する。

さらに、音響光学変調素子４に対して、２群のレンズからなる第１の瞳伝達拡大レンズ系６、ビーム径を適性化するための制限開口８、入力されたレーザー光を分離して出射するビームスプリッター９が順に並んで配置されている。また、第１の瞳伝達拡大レンズ系６を構成する２群のレンズの間に、光軸Ｌ外を通る不要な非回折光および高次回折光をカットするためのピンホール７が配置されている。

他方、光軸Ｌを通過する方向に対して直交する方向であってビームスプリッター９の両隣の位置には、それぞれ光センサである受光素子１９及び受光素子２４が配置されている。なお、受光素子１９の前方には、音響光学変調素子４によるビームの分離された方向に曲率を持つ集束レンズであるシリンドリカルレンズ１８が配置されている。

また、この受光素子１９に光電変換部２０が繋がり、受光素子２４に光電変換部２５が繋がり、これら光電変換部２０、２５からの信号を比較する信号比較器２１にこれらがそれぞれ接続されている。この信号比較器２１が、最終的にデータを処理して測定対象である対象物Ｓのプロフィル等を得るデータ処理部２２に繋がっている。そして、このデータ処理部２２は制御基板１４で制御されている音響光学変調素子４及び後述する走査ディバイスの制御信号および信号比較器２１からの信号を元に対象物Ｓのプロファイル等を作成する。

さらに、ビームスプリッター９に対して、入力されたレーザー光を１次元走査する第１の１次元走査ディバイス１１、第１の１次元走査ディバイス１１の図１において下方には、２群のレンズからなる第２の瞳伝達拡大レンズ系１２、第２の１次元走査ディバイス１３が配置されている。本実施例では、第１の１次元走査ディバイス１１で出射方向が図１において下方に変えられたビームが、これらを順に通過することになり、これら第１の１次元走査ディバイス１１、第２の瞳伝達拡大レンズ系１２及び第２の１次元走査ディバイス１３により、２次元走査光学系が構成されている。また、第２の１次元走査ディバイス１３の下隣には、２群のレンズからなる第３の瞳伝達拡大レンズ系１５、対象物Ｓと対向する対物レンズ１６が配置されている。

この一方、これらレーザー光源１は、He-Ne等のガスレーザー、もしくは、半導体レーザー、固体レーザーであり、コヒーレントなレーザー光をそれぞれ発生する。このレーザー光をコリメーターレンズ２により平行光束にし、ビーム整形光学系３を用いて最適な径で音響光学変調素子４に入射させる。これら音響光学変調素子４には、制御基板１４より変調信号としてsin(2πfct)sin(2πfmt)のようなＤＳＢ変調信号を加える。

この様な変調を行うと、fc+fmとfc-fmの２つの周波数変調が加えられたことになる音響光学変調素子４は、ブラッグ回折格子のピッチdに相当する音波の粗密波を発生する。すなわち、超音波の速度をVa、印加する周波数をfとすると、d=Va/fとなる。具体的には、この粗密波により、音響光学変調素子４に入射されたレーザー光であるビームは、±１次回折光に分離され、各々の回折光は周波数fc±fmの周波数で変調される。ただし、たとえば音響光学変調素子４の材料としてTeO₂を用いた場合、この結晶内の音速は、4200ｍ/sである。

キャリア周波数の周波数fcとして80MHzを選択すると、ピッチはd=52.5μｍとなり、He-Neレーザーをレーザー光源１に用いた場合、回折角θは1.38°程度になる。このキャリア周波数に、周波数8ＭＨzのfmを加えると、±１次回折光はθ＝1.38°±0.138°の２つのビームに分離角Δθを0.276°として分離され、それぞれ88ＭＨzと72ＭＨzで変調されることになる。

次に、この分離角Δθを対物レンズ１６の入射瞳面で縮小する方法について述べる。
回折光が第１の瞳伝達拡大レンズ系６の光軸Ｌを通るよう、音響光学変調素子４から第１の瞳伝達拡大レンズ系６への入射角にθの傾きを持たせる。また、第１の瞳伝達拡大レンズ系６は２群のレンズからなるのに伴い、入射側レンズ群の焦点距離をｆin 出射側レンズ群の焦点距離をｆoutとしている。

音響光学変調素子４の出射面を第１の瞳伝達拡大レンズ系６の入射側レンズ群の焦点位置に置き、第１の瞳伝達拡大レンズ系６の２つのレンズ群間隔をｆin＋ｆoutとすると、音響光学変調素子４の出射面位置を第１の１次元走査ディバイス１１の偏向中心が射出側ｆoutの位置に共役となるアフォーカル光学系となっている。また、第１の瞳伝達拡大光学系６の中間焦点面付近に光軸Ｌ近傍の光束のみ透過するようピンホール７が前述のように有り、このピンホール７で光軸Ｌ外を通る不要な非回折光および高次回折光をカットする。

ここで、ｆin＜ｆoutとすると、ｆout／ｆin＝m1倍の拡大光学系となり、音響光学変調素子４で作られた分離角Δθを1/m1に縮小することができる。この一方、ビーム径はｍ1倍に拡大するため、この後の光学系による周辺光量の低下現象であるケラレを考慮し、制限開口８が第１の瞳伝達拡大光学系６の出射側レンズの後に挿入され、ビーム径を適性化する。

制限開口８を出射した光束は、ビームスプリッター９を透過するが、一部の光がビームスプリッター９により反射されて分離され、受光素子２４に出射される。この受光素子２４が受光すると、光電変換部２５で電気的増幅がされるとともに、受光した光に合わせた信号を形成することが出来る。

この第２の瞳伝達拡大レンズ系１２は、前述の第１の瞳伝達拡大レンズ系６と同様の構成となっており、この第２の瞳伝達拡大レンズ系１２が、音響光学変調素子４の出射面位置、及び第１の１次元走査ディバイス１１の偏向中心と第２の１次元走査ディバイス１３の偏向中心を共役な位置関係に保つと共に、１より大きな倍率であるm2倍の拡大倍率を与える。

この第２の瞳伝達拡大レンズ系１２を出射した光束は、第１の１次元走査ディバイス１１の偏向方向と直交する方向に光束を偏向する第２の１次元走査ディバイス１３に入射し、これにより光束は２次元走査されることになる。そして、これら第１の１次元走査ディバイス１１及び第２の１次元走査ディバイス１３は制御基板１４に繋がっていて、レーザー光源１、音響光学変調素子４と同期して動作するように、制御されるようになっている。

この第２の１次元走査ディバイス１３を出射した光束は、前述の第１の瞳伝達拡大レンズ系６と同様の構成となっている第３の瞳伝達拡大レンズ系１５に入射する。第３の瞳伝達拡大レンズ系１５は、音響光学変調素子４の出射面位置、第１の１次元走査ディバイス１１の偏向中心、及び第２の１次元走査ディバイス１３の偏向中心を対物レンズ１６の入射瞳面と共役な位置関係に保つと共に、１より大きな倍率であるm3倍の拡大倍率を与える。

以上により、第１の瞳伝達拡大レンズ系６、第２の瞳伝達拡大レンズ系１２、第３の瞳伝達拡大レンズ系１５によるm1×m2×m3＝m4倍の光学倍率によって、音響光学変調素子４によって作られた分離角ΔθをΔθ／m4に縮小し、対物レンズ１６に音響光学変調素子４で分離された２つのビームを入射する。このことにより、音響光学変調素子４の変調周波数ｆｍが高くしても、対象物Ｓの表面上で２つのビームによって作られる微小スポットを極めて近接させ、対象物Ｓを照明することができる。このようにして、図２の実線で示すビームＬＡおよび点線で示すビームＬＢのように、非常に接近して相互に同一径とされる２つのビームを得ることができる。

また、これら２つのビームＬＡ、ＬＢが有する周波数は、「光の振動数＋キャリア周波数fc±変調周波数fｍ」となる。ここで、対物レンズ１６からの２つの接近したビームＬＡ、ＬＢによって、対象物Ｓの表面上において作られる微小スポットの中心距離Δxを回折限界以下に設定したとする。この場合、各々のスポットは、アッべの理論の回折限界以下にはならないが、わずかにずらした各々別の周波数の光であるために、ヘテロダイン検波をすることにより、微分情報を取得することができる。

図１に示す受光素子１９を、図２に示すビームＬＡ、ＬＢの分離方向に沿って２分割以上に分割した複数の受光素子とする。例えば、ビームＬＡ、ＬＢの分離方向に対して垂直な方向に延びる図２及び図３に示す境界線Ｃを光軸Ｌ上に形成した時、この境界線Ｃと平行に暗線を有するように、これら複数の受光素子を配置し、その和信号あるいは差信号より、ビート信号を取得させる。この際、和信号を用いると、実質的に、微分干渉顕微鏡と等価になり、差信号を用いるとはるかに高い横分解能が得られる。これらの横分解能の向上に関しては、詳しく後に述べる。

まず、情報取得の高速化について述べる。図２に示すように対物レンズ１６で絞られた２つのビームＬＡ、ＬＢは、近接した２つのスポットＡ、Ｂ（図３に示す）となる。なお、スポットＡの複素振幅EaおよびスポットＢの複素振幅Ebは、下記式のようになる。
Ea=Aexpj(2π(fo+fc+fm)ｔ)
Eb=Bexpj(2π(fo+fc-fm)ｔ＋δ)
この複素振幅Ebの式のδは、ビームＬＡのスポットＡを基準としたビームＬＢのスポットＢの高さ方向の位相差を表わし、foは光の周波数を表す。なお、前述したように、この２つのスポット間隔は、音響光学変調素子４に加えた変調周波数ｆｍと拡大光学系の倍率m4によって決定されるので、走査速度とは無関係である。

他方、対象物Ｓで反射されたこの２つのビームＬＡ、ＬＢは、前述の照明光束と逆の光路を戻る。すなわち、対物レンズ１６、第３の瞳伝達レンズ系１５、第２の１元走査ディバイス１３、第２の瞳伝達レンズ系１２、及び第１の１元走査ディバイス１１を順に戻ることにより、偏向成分がキャンセルされて軸上光となり、ビームスプリッター９で反射されて受光素子１９に導かれる。受光素子１９は、音響光学変調素子４によってビームＬＡ、ＬＢの分離された方向に沿って少なくとも２分割されている。これら２分割以上の受光素子は、フォトダイオードや光電子増倍管（ＰＭＴ）等によりそれぞれ構成されている。

受光素子１９を構成する各受光素子をフォトダイオードとした場合、その素子の持つ端子間容量に反比例し遮断周波数が決まる。一般的に端子間容量は受光面積に比例するため、受光系を高速化するには受光面積の小さいフォトダイオードを使用することが望ましい。これに伴い、端子間容量の小さい小型のフォトダイオードをアレイ上に複数個配置し高速化を図り、光電変換部２０では、各フォトダイオードに１対１で対応した電気的増幅を行うことにより、必要に応じた素子の組合せで信号を形成することが出来る。

受光素子１９により２つのビームＬＡ、ＬＢの位相差δは、ビート信号として検出される。すなわち、受光素子１９上の２つのビームの強度Iは、下記式に基づく値で受光素子１９の光電変換部２０により検出され、信号比較器２１に送られる。
I=(Ea+Eb)(Ea+Eb)^*=A²+B²+2ABcos(2π*2fmｔ＋δ)
したがって、信号比較器２１を用いて、周波数2fmのヘテロダイン検波の位相比較を行うことにより、位相差δを測定することができる。このようにすれば、変調周波数fmを高くし、かつ、ビームを非常に接近させることができるので、横分解能を高くすることができると同時に、データの取得を高速に行うことができる。

つまり、位相比較を行う時間は、変調周波数fmに逆比例するので、たとえば、ビデオレート（水平走査周波数約１６ＫＨz）で、１０００点以上のデータを取得しようとすれば、1点の情報取得の周波数は１６ＭＨzとなる。変調周波数fmを８ＭＨzにすれば、ビート周波数は、１６ＭＨzとなるので、十分にビデオレートで情報取得をすることができる。

ところで、音響光学変調素子４で生じる回折光の入射ビームが受光素子２４により検出され、この入射ビーム上のビート信号が光電変換部２５により作成される。従って、音響光学変調素子４までに光学系等で生じた位相差を受光素子２４、光電変換部２５で検出することになり、この受光素子２４は位相の基準を与える役割を有している。この一方、ビームＡとビームＢの２つのビーム間の位相差情報を加えたビームが受光素子１９により検出され、このビーム上のビート信号が光電変換部２０により作成される。

したがって、光電変換部２５と光電変換部２０の２つの位相比較を信号比較器２１において行うことにより、真の位相差δが検出されることになる。この真の位相差δは、ビームＬＡとビームＬＢの平均の位相差、すなわち、平均の高さの差情報であるδｈ＝λδ/4πとなる。ここで、λはレーザー光源の波長を表す。この情報をデータ処理部２２で平面の走査情報とともに記録していくことにより、表面のプロファイル情報を簡単に導くことができ、このデータ処理部２２に繋がっているディスプレー２３でこの表面のプロファイル情報を表示することができる。

また、さらに高速なデータ取得をすることが、できるだけVaの大きい音響光学変調素子を用いて拡大倍率を適正化することにより、実現できる。このような光学系を用いることにより、３次元計測データをビデオレート以上の高速で取得することが可能となる。したがって、細胞や微生物の状態変化や表面状態の過渡的な変化等を、高速に観察、計測することができる。

この一方、製品化されている裸眼立体ディスプレーや偏光めがねを使用した３次元ディスプレー等を用いることにより、ビデオレートの３次元立体画像を表示することもできるので、教育や研究、医療において、有用な装置とすることができる。また、２つのビームの重なりの程度をビーム径よりも小さくしてあるので、２つのビームの行路差はほとんど生じていない。したがって、外乱や振動の影響も２つのビームで同時に生じるので、これらの影響が相殺される。

他方、本実施例では、ビームの分離度を個々のビーム径よりも非常に小さくした例を示したが、変調周波数を高くすることにより、ビームの分離度が大きくなり、かつ、ビーム径程度の分離度が必要となる場合にも、本発明の光学系が有用であることになる。

尚、上記実施例においては、１次元走査ディバイスを直交させて２つ配置することにより２次元走査を行う構成で説明をしたが、単純な一方向だけのデータが必要なアプリケーションであれば、１次元走査ディバイスを１段のみ使用した系でも同様な効果が得られることになる。この１次元走査ディバイスとして、マイクロマシーンの技術を用いたマイクロミラーディバイス、レゾナントミラー、ガルバノミラー、及び回転ポリゴンミラー等を用いることができる。さらに、近年開発がなされている、非線形光学結晶やフォトニック結晶を用いた高速スキャナーを使用できることにもなる。

また、マイクロマシーンの技術を用いたマイクロミラーディバイスにおいては、１つのディバイスで２次元走査可能なディバイスが有るが、これも使用可能であり採用すれば、第２の瞳伝達拡大光学系１２が必要なくなる。これに伴い拡大倍率がm2分小さくなるが、第１の瞳伝達拡大光学系および第３の瞳伝達拡大光学系の拡大倍率m1，m3を大きくすれば、前述のm4の拡大倍率を保持できることになる。

以上において、主に高速にデータを取得する手段について述べたが、次に、横分解能を著しく増大させる手段について述べる。

簡単のために１次元で考える。まず、表面のプロファイルd(x)の位相分布をＡe^jθ(x)とおく。ここで、θ(x)＝2πｄ(x)/λである。本実施例のように反射の場合には、光路差は２倍になるので、観測されるθ(x)の半分を高さ情報とすればよい。
さて、上記のように音響光学変調素子にキャリア信号fcと変調信号fmの掛け算信号（ＤＳＢ変調）を与えると、実質上、回折光は２つの僅かに分離したfc±fmの周波数を持った光となる。対物レンズで収束されるとΔｘだけ分離した２つのビームとなり、各ビームプロファイルをu(x)とする。この場合、対物レンズから離れた場所では、表面プロファイルとビームプロファイルの積のフーリエ変換となる。

本レーザー走査顕微鏡装置においては、一方の受光素子で受光されるビームは、e^j(ωc-ωm)tで変調を受けていることになり、中心距離Δxだけ離れた他方の受光素子で受光されるビームは、e^j(ωc+ωm)tで変調を受けていることになる。従って、受光素子上の複素振幅分布は、以下のようになる。
Ｅ＝∫(Ａe^jθ(x) u(x)e^jkxdx・e^j(ωc-ωm)t＋Ａe^jθ(x+Δx) u(x)e^jkxdx・e^j(ωc+ωm)tとなる。

これら受光素子により強度Ｉの検出を行うと、Ｉ＝ＥＥ^*、さらに、２ωｍのヘテロダイン検波を行うので、以下の（１）式のようになる。
Ｉ(k)＝Ａ²∫e^{j(θ(x)-θ(x'+Δx')} u(x) u(x’) e^jk(x-x')dxdx’e^-j2ωmt
＋Ａ²∫e^{-j(θ(x)-θ(x'+Δx')} u(x) u(x’) e^jk(x-x')dxdx’e^j2ωmt・・・・・（１）式

そして、２つのビームＬＡ、ＬＢの重なっている照射領域Ａ，Ｂのほぼ中心を図３の境界線Ｃとし、この境界線Ｃを挟んだ位置であって、ビームＬＡ、ＬＢの分離方向である各々の照射領域Ａ，Ｂの分離方向に沿った位置に対応して２つの受光素子を対象物Ｓから離して配置する。
ここでまず、２つの受光素子の和信号がどのようになるかを考える。対象物Ｓから離れた位置では、フーリエ変換面であると考えられるので、受光素子で受光できる最大空間周波数をＫmaxとすると、和信号では強度Ｉが下記式から求められる。
Ｉ＝∫Ｉ(k)ｄｋ（積分範囲は-KmaxからKmax）
＝Ａ²∫cos(θ(x)−θ(x’+Δx’)−２ωｍｔ) u(x) u(x’)sin(Kmax(x-x’))/(x-x’)dxdx’

受光素子を近接させてより広い空間周波数まで受光するように配置すると、
sin(Kmax(x-x’))/(x-x’)＝Ｋδ(x-x’)となるので、以下の（２）式のようになる。
Ｉ＝Ａ²∫cos(θ(x) −θ(x+Δx) −２ωｍｔ) u(x)²ｄｘ・・・・・（２）式

すなわち、２つのビームの分離位置の位相差をビームプロファイルのウェイトで積分したことになる。
（２）式を変形すると下記の式を得る。
Ｉq＝Ａ²∫cos(θ(x)−θ(x+Δx) u(x)²ｄｘ・cos(２ωｍｔ)
Ｉi＝Ａ²∫sin(θ(x)−θ(x+Δx) u(x)²ｄｘ・sin(２ωｍｔ)

従って、直交変換により、観測される位相差Θは以下の（３）式のようになる。
Θ＝tan^-1(∫sin(θ(x)−θ(x+Δx)) u(x)²ｄｘ/∫cos(θ(x)−θ(x+Δx)) u(x)²ｄｘ)・・・・・（３）式

この一方、２つの受光素子の差信号を考えると、和信号の場合と同様にして下記の式が得られる。
Ｉ＝∫Ｉ(k)ｄｋ（積分範囲は０からKmax）−∫Ｉ(k)ｄｋ（積分範囲は−Kmaxから０）
＝Ａ²∫sin(θ(x)−θ(x’+Δx’)−２ωｍｔ) u(x) u(x’)( cos(Kmax(x-x’)-1)/(x-x’)dxdx’

受光素子を近接させたより広い空間周波数まで受光するように配置すると、
(cos(Kmax(x-x’)-1)/(x-x’)＝δ’(x-x’)+1/x(δ(x)-1)となるので、下記（４）式のようになる。
I=Ａ²∫d/dx(sin(θ(x)―θ(x+Δx)―２ωｍｔ) )u(x)²ｄｘ・・・・・（４）式
さらに、この（４）式を変形すると、下記のようになる。
Ｉq＝Ａ²∫d/dx(sin(θ(x)−θ(x+Δx)) u(x)²ｄｘ・cos(２ωｍｔ)
Ｉi＝−Ａ²∫d/dx(cos(θ(x)−θ(x+Δx)) u(x)²ｄｘ・sin(２ωｍｔ)

従って、直交変換により観測される位相差Θは以下の（５）式のようになる。
Θ＝tan^-1(−∫d/dx(cos(θ(x)−θ(x+Δx)) u(x)²ｄｘ/∫d/dx(sin(θ(x)−θ(x+Δx))u(x)²ｄｘ)・・・・・（５）式

ここで、（３）式と（５）式の比較を行う。定性的には、以下の点がわかる。
まず、（３）式では、ビームの中心距離Δxだけ離れた２点の位相差をu(x)の重み関数で、平滑化した結果として得られる位相差を示しているので、ビーム内の平均的な位相差を示している。これは、微分干渉顕微鏡と等価な処理である。

他方、（５）式では、ビームの中心距離Δxだけ離れた２点の位相差の微分に対して、u(x)の重み関数で、平滑化しているので、おおよそ元の関数を復元していることになる。従って、ビームを走査するとビーム分離度に相当する横分解能で、位相差および位置情報を取得することが可能となる。

ここでは、２分割の受光素子を適用した場合を記述したが、照射領域Ａ，Ｂの重なった領域の中心付近に、２つのビームの分離方向に沿って複数の受光素子を対象物Ｓから離して配置した場合も同様になる。特に、差出力を得る場合には、光軸Ｌの中心付近に対応して配置した複数の受光素子のうちの、対応する複数の受光素子間同士で差演算するようにすれば良い。また、複数の受光素子の和出力だけを用いるのであれば、実質上１つの受光素子を用いることで、同様のことが実現できることになる。

以上述べたように、フーリエ変換面にて空間周波数情報を処理することにより、特に差演算では非常に高い横分解能の向上をもたらすことができる。また、ビーム内にプロファイルの傾きがあれば、定性的には光が反射または透過する方向が異なるので、２つの受光素子に強度としての差出力が与えられることは容易に考えられる。もう少し具体的に説明すると、ビーム径よりも小さいプロファイルの変化に対しては、光が照射されている領域のフーリエ変換の０次回折波と１次回折波との干渉により形成された干渉縞のファーフィールドにおけるパターンが２つの受光素子で異なるので、受光素子の差信号はプロファイルの傾きに反映した強度差となってあらわれることになる。

本実施例は、実施例１における、反射戻り光の空間周波数を拡大する目的のものである。
図４は、本実施例のレーザー走査顕微鏡装置に係る光学系のブロック図を示している。対象物Ｓの表面からの反射戻り光は、対物レンズ１６の開口によって制限されるため、対物レンズの開口によってケラレた空間周波数の高い成分は受光素子１９に戻らない。このため、図４に示すように、本実施例では対物レンズ１６と対象物Ｓとの間に、対物レンズ１６を入出射する光束をケラないよう受光素子２６を組み込む構造にする。

この受光素子２６は、対物レンズ１６の光軸Ｌを中心として音響光学変調素子４によりビームが分離された方向に沿ってそれぞれ設置された、少なくとも２つ以上の受光素子から成る。このようにして受光素子２６でビームを受光すると、この受光素子２６が接続されている光電変換部２７でビームの強度が検出され、信号比較器２１に信号が送られる。

この一方、対象物Ｓの表面で反射されて対物レンズ１６の開口内に入射した光束は、前記実施例１と同様に照明光束の光路を戻り、ビームスップリッター９で反射される。この戻り光は、音響光学変調素子４によるビームの分離された方向に曲率を持つシリンドリカルレンズ１８に入射して一旦集光され、この焦点面の後に配置された受光素子１９に導かれる。
この受光素子１９は、前述のように音響光学変調素子４によるビームを分離する方向に少なくとも２分割されている。この構成により受光素子１９は、対物レンズ１６の対象物Ｓ側に受光素子を配置したことと等価となる。従って、受光素子１９と受光素子２６により、対象物Ｓの表面からの反射光を空間周波数の高い成分まで取り込むことが可能となる。

以上のようにして受光素子１９でビームを受光すると、実施例１と同様に、光電変換部２０でビームの強度が検出され、信号比較器２１に送られる。これに伴い、光電変換部２７からの信号と光電変換部２０からの信号とが、信号比較器２１で合わされ、光電変換部２５とこれら光電変換部２０、２７の位相比較を信号比較器２１において、実施例１と同様に行うことにより、真の位相差δが同様に検出されることになる。ただし、本実施例においては、実施例１より多くの光量により真の位相差δが検出されるので、より正確な値が得られるようになる。

本実施例においては、実施例１で受光素子２４により得ていた基準位相を、別の方法で簡易に取得することが主な目的とするものである。
図５は、本実施例のレーザー走査顕微鏡装置に係る光学系のブロック図を示している。実施例１の受光素子２４と光電変換部２５を図５に示すように取り払い、対象物Ｓが配置されていないか、あるいは、対象物Ｓがあってもかなりデフォーカスした状態でレーザーを走査する。このことで、位相差を受光素子１９により取得し、画面内の位置情報とともにデータ処理部２２内のメモリーに蓄えるようにする。

この位相情報は、光学系、電気系の有する位相ずれであるので、これを基準値として、対象物Ｓのある場合の位相情報を補正することにより、真の位相情報を取得することができる。この場合、受光素子２４および光電変換部２５が不要になるだけでなく、対象物Ｓを観測する前に補正値を求めておくようにすれば、精度のより高い計測が可能となる。

本実施例においては、実施例１で述べた反射光学系を透過光学系に置き換えた場合の実施例を示す。
図６は、この透過型のレーザー走査顕微鏡装置に係る光学系のブロック図を示している。主要な光学系は実施例１と同じなので説明を割愛するが、図６に示す本実施例では、対物レンズ１６で集光された光は透過することになるので、対象物Ｓを挟んで対物レンズ１６と対向して受光素子２８が配置されることが特徴である。そして、この受光素子２８は、対物レンズ１６の光軸Ｌを中心として音響光学変調素子４によりビームが分離された方向に沿ってそれぞれ設置された、少なくとも２つ以上の受光素子から成る。

この構造の場合、音響光学変調素子４により分離された２つのビームの分離方向に対して受光素子２８を構成する各受光素子の暗線が垂直方向に伸びるように、対物レンズ１６の光軸Ｌの延長線上に各受光素子を配置することにする。本実施例によれば、反射型に比較して、対象物Ｓに近接して受光素子を配置することができるので、取得できる空間周波数を非常に高く設定することが可能となる。

この結果、対象物Ｓの有する空間周波数の再現性が良くなるので、横分解能の更なる向上が可能となる。特に、生きたままの状態で、生物や細胞等の観察や計測を非常に高分解能で実施できる。これは、電子顕微鏡のような高倍率であっても生体を殺した状態でないと観測できない測定器とは大きく異なる特徴である。

本実施例においては、実施例１で受光素子２４により得ていた基準位相を実施例３のようにメモリーを用いて予め取得する点と実施例４のように透過光学系にて情報を取得する点とを組み合わせるようにした。
図７は、この透過型のレーザー走査顕微鏡装置に係る光学系のブロック図を示している。実施例３と同じように実施例４の受光素子２４と光電変換部２５を取り払い、対象物Ｓが配置されていないか、あるいは、対象物Ｓがあってもかなりデフォーカスした状態でレーザーを走査する。このことで、位相差を受光素子２８により取得し、画面内の位置情報とともにデータ処理部２２内のメモリーに蓄えるようにする。
この位相情報は、光学系、電気系の有する位相ずれであるので、これを基準値として、対象物Ｓのある場合の位相情報を補正することにより、真の位相情報を取得することができる。

本実施例では、実施例１から実施例５において、一方向に細胞等を流す素子であるマイクロ流路に細胞等を流す場合のモニターや細胞形状の判断を行った後に細胞を種わけする場合等に最適な構成について述べる。
図８は、このレーザー走査顕微鏡装置に係る光学系のブロック図を示している。本図では実施例５の第２の瞳伝達拡大光学系１２および第２の１次元走査ディバイス１３を省略した形となっており、対象物Ｓの位置の設置されたマイクロ流路などの流路方向を第１の１次元走査ディバイス１１の走査方向に対して垂直な方向、図８では図面に対し垂直な方向になるようマイクロ流路などを配置する。

以上の様にすれば、マイクロ流路の流路方向に対象物が流れて移動するため、第１の１次元走査ディバイス１１のみで２次元走査が出来ることとなり、マイクロ流路に細胞等を流す場合のモニターや細胞形状の判断を行った後に細胞を種わけする等の応用に対して、絶大な効果をもたらす。また、第２の瞳伝達拡大光学系１２および第２の１次元走査ディバイス１３を省略出来るため、光学系が簡素になると共に、基準位相は１次元走査方向のみの非常に少ない点に関する位相をデータ処理部２２内のメモリーに蓄えるようにすればよいことになる。

本実施例においては、変調を加えるための部材として、変調を加える音響光学変調素子の代替に空間変調器を用いることが特徴である。
図９は、本実施例で適用される空間変調器を示した概念図である。この図９（Ａ）に示すような空間変調器５３を構成する磁性ガーネット膜５３Ａをピクセルごとに電圧または電流により駆動できるように、電極（図示せず）を付して、この空間変調器５３を図１における音響光学変調素子４の位置に配置する。そして、磁性ガーネット膜５３Ａの各ピクセルに電圧、電流を印加することで、磁気光学効果によって各ピクセルの偏光面が回転するが、この偏光面の回転の程度は、印加する電圧、電流の大きさにより決定される。このような構造の空間変調器５３として、ピクセル数が１２８×１２８であり、１５nsの応答速度を有しているものがある。

この空間変調器５３を図１における音響光学変調素子４の位置に配置するが、これに伴い、図１のビームスプリッター９を通過した光の強度または位相が、短冊状の正弦格子となるように、この空間変調器５３に走査方向に対して垂直方向に、図９（Ｂ）に示す形で電圧または電流を各ピクセルに印加する。この際、各ピクセルに対して位相のずれた周波数ｆｍ＝±2πｖ/dの単振動をさせることで、速度ｖでこの格子を移動させることができる。

つまり、この正弦波状の格子のピッチをd、移動速度をｖとすると、下記式となる。
Acos｛2π/d（x−vt）｝＝A/2(expj｛2π/d（x−vt）｝＋expj｛−2π/d（x−vt）｝)
このため、±１次回折光がｆｍ＝±2πｖ/dの変調周波数を有することになる。尚、強度の場合には、０次の直流成分が生じるが、ＤＣ成分なので、ビート信号に影響はない。

ここで、±１次回折光は、実施例１と同様に正弦格子のピッチと瞳伝達拡大レンズ系の倍率により、ビームが所望の程度重なる程度とする。また、変調周波数ｆｍが８MHｚ程度になるように速度ｖを決めれば、実施例１と同様な効果を得ることができる。空間変調器５３の応答速度は1５nsとしたが、現状の空間変調器はデジタル的に２値となっている。

しかしながら、アナログ的に変調することは可能であり、そのときの応答速度も１桁程度悪化する可能性がある程度であり、瞳伝達拡大レンズ系と併用することにより、十分に８MHｚ以上の変調周波数を得ることは可能である。この場合、実施例１と比較すると、瞳伝達拡大レンズ系が簡素になる。なぜならば、変調周波数は、ディバイスの応答速度で決まるが、格子のピッチをできるだけ大きくすると、ビームの分離度は小さくすることができる。

したがって、最小の分離度は、ディバイスの大きさによって決まるので、適正に選択すれば、瞳伝達拡大レンズ系の拡大率を小さく、または、等倍にすることができる。このようにすれば、光学系の全長を短くすることが可能となる。なお、上記した空間変調器のピクセル自体を図９（Ａ）に示した短冊状の形にすることにより、駆動回路等を簡素化することもできる。

本実施例においては、レーザー光束の利用効率を向上したレーザー走査顕微鏡装置について述べる。
上述の実施例のように瞳伝達拡大光学系を用いることにより、高速走査可能なレーザー走査顕微鏡装置を提供可能となるが、一方で拡大光学系を用いたことにより、レーザー光束の利用効率が低下する問題が発生する。

つまり、分離角度を小さくするために拡大倍率を大きくすると、当然の結果としてビーム径が拡大する。この場合、瞳伝達レンズとして球面レンズを組み合わせ使用することが一般的であるため、ビームは２次元平面内に均等に拡大され、使用する光学素子によりケラレが生じビームの利用効率が低下する。

本実施例では、音響光学変調素子や１次元走査ディバイスによって発生する角度成分が１次元で有ることに着目し、音響光学変調素子４の回折、及び１次元走査ディバイス１１、１３の走査方向に曲率を持つシリンドリカルレンズによって構成されるレンズ系を瞳伝達光学系として用いるようにした。
シリンドリカルレンズの曲率方向となる、音響光学変調素子４の回折、及び１次元走査ディバイス１１、１３の走査方向には、瞳伝達拡大光学系となるが、曲率のない音響光学変調素子４の回折、及び１次元走査ディバイス１１、１３の走査方向には光学系として機能しない。したがって、曲率方向にビームは拡大するが、これに垂直な方向は拡大に寄与せず、また光の強度は面積に反比例するため、ビームの利用効率が大幅に向上する。

例えばｍ倍の拡大倍率を持つ瞳伝達拡大光学系の場合、球面レンズを使用すると、ビームの面積はｍ×ｍ倍に拡大するが、シリンドリカルレンズを用いた場合、ビームの面積はｍ倍にしか拡大せず、瞳伝達拡大光学系にシリンドリカルレンズを用いることにより、ｍ倍のビーム利用効率が改善できる。

以上より、実施例１における光学系のうちの第１の瞳伝達拡大光学系６においては、シリンドリカルレンズを適用可能である。また、第１の１次元走査ディバイス１１の偏向方向が音響光学変調素子４の回折方向と同じ場合、第２の瞳伝達拡大光学系１２へのシリンドリカルレンズの適用が可能である。ただし、第３の瞳伝達拡大光学系１５は２次元走査系となるため適用は出来ない。

以上、本発明に係る実施の形態を説明したが、本発明は前述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明は、レーザー光の走査によって不透明物体の表面形状の観察及び計測、透明物体の表面または内部構造の観察及び計測を高速に行うレーザー走査顕微鏡装置だけでなく、さまざまな種類の顕微鏡に好適なものである。

１ レーザー光源
２ コリメーターレンズ
３ ビーム整形光学系
４ 音響光学変調素子
６ 第１の瞳伝達拡大レンズ系
７ ピンホール
８ 制限開口
９ ビームスプリッター
１１ 第１の１次元走査ディバイス
１２ 第２の瞳伝達拡大レンズ系
１３ 第２の１次元走査ディバイス
１４ 制御基板
１５ 第３の瞳伝達拡大レンズ系
１６ 対物レンズ
１８ シリンドリカルレンズ
１９ 受光素子
２０ 光電変換部
２１ 信号比較器
２２ データ処理部
２３ ディスプレー
２４ 受光素子
２５ 光電変換部
２６ 受光素子
２７ 光電変換部
２８ 受光素子
２９ 光電変換部
５３ 空間変調器
５３Ａ 磁性ガーネット膜
Ｓ 対象物

Claims (12)

1. レーザー光を出射するレーザー光源と、
   該レーザー光を相互に異なる周波数の２つの光に変調させつつ相互に異なる方向に出射する光変調器と、
   前記２つの光を１次元走査あるいは２次元走査する走査素子面を有する走査光学素子と、
   前記光変調器から出射された２つの光を拡大し、かつ、前記光変調器の回折光出射面と該走査素子面とを共役な配置とするように、前記光変調器と該走査光学素子との間に位置する瞳伝達拡大レンズ系と、
   瞳位置を有し、配置されている対象物に２つの光を出射する対物レンズと、
   前記走査光学素子の走査素子面と該対物レンズの瞳位置とを共役な配置とするように、前記走査光学素子と該対物レンズとの間に位置する瞳伝達レンズ系と、
   前記対象物からの反射光あるいは透過光を受光する受光素子と、
   前記受光素子で受光した光を光電変換して各々のビート信号を作成する光電変換部と、
   前記光電変換部のビート信号に基づいて得られた信号の位相差または強度差を検出する信号比較器と、
   前記信号比較器の位相情報または強度情報を取得して得たデータに基づき処理を行うデータ処理部と、
   を含むことを特徴とするレーザー走査顕微鏡装置。
2. 瞳伝達拡大レンズ系と走査光学素子との間にビームスプリッターが配置され、受光素子が第１の受光素子および第２の受光素子からなり、
   第１の受光素子が、前記走査光学素子と共役な位置に配置され、かつ、瞳伝達拡大レンズ系から送られ前記ビームスプリッターで反射されて分離された光を受光し、
   第２の受光素子が、前記光変調器と共役な位置に配置され、かつ、前記対象物から反射されて、前記対物レンズおよび前記瞳伝達レンズ系を経て前記ビームスプリッターにおいて反射された光を受光することを特徴とする請求項１記載のレーザー走査顕微鏡装置。
3. 前記信号比較器が、光電変換された信号のうち前記２つの光の周波数差に相当するビート信号の位相または強度と前記対象物がないかあるいは前記対象物があっても影響がないほど前記対物レンズをデフォーカスした状態での信号との位相差または強度差を検出することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザー走査顕微鏡装置。
4. 前記光変調器は、
   前記レーザー光源から出射されたレーザー光が入射させる音響光学素子と、
   前記音響光学素子にキャリア交流信号と正弦波信号を印加する信号発生器と、
   を含むことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のレーザー走査顕微鏡装置。
5. 前記光変調器は、
   前記レーザー光源から出射されたレーザー光が入射させる空間光変調器と、
   前記空間光変調器に振幅または位相情報として正弦波状の格子縞を書き込み、キャリア交流信号と正弦波信号を印加して、前記格子縞を一定方向に移動させる信号発生器と、
   を含むことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のレーザー走査顕微鏡装置。
6. 前記走査光学素子は、ガルバノミラー、レゾナントミラーによる１次元走査素子、２つの１次元走査ディバイスと瞳伝達レンズ系よりなる２次元走査光学系、あるいは、１次元走査または２次元走査のマイクロミラーディバイスよりなることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載のレーザー走査顕微鏡装置。
7. 前記受光素子は、前記光変調器により相互に異なる方向に出射された２つの光の分離方向に少なくとも２分割以上された複数の受光素子であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載のレーザー走査顕微鏡装置。
8. 前記光電変換部で作成されたビート信号は、前記受光素子の２分割以上された複数の受光素子のすべての受光素子の和信号、または、２分割以上された分割素子の対応する位置にある受光素子同士の差信号より取得することを特徴とする請求項７記載のレーザー走査顕微鏡装置。
9. 前記走査光学素子の走査素子面と対物レンズの瞳位置とを共役な配置とする瞳伝達レンズ系が、拡大光学系とされることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに記載のレーザー走査顕微鏡装置。
10. 前記走査光学素子が、１次元走査光学素子を２つ組み合わせて２次元走査光学素子とされることを特徴とする請求項９記載のレーザー走査顕微鏡装置。
11. 前記光変調器の回折光出射面と前記走査光学素子の走査素子面とを共役な配置とする瞳伝達拡大レンズ系が、光変調器により回折された方向に曲率を持つシリンドリカルレンズを含むレンズ系とされることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれかに記載のレーザー走査顕微鏡装置。
12. 前記光変調器側寄りの１次元走査光学素子が、光変調器により回折された方向と同じ方向に走査するとき、前記走査光学素子の瞳位置が共役な配置となる瞳伝達レンズ系が、前記光変調器により回折された方向に曲率を持つシリンドリカルレンズを含むレンズ系とされることを特徴とする請求項１０記載のレーザー走査顕微鏡装置。

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