JP6000010B2 - Laser scanning microscope - Google Patents

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重人 武田
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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型顕微鏡に関する。   The present invention relates to a laser scanning microscope that performs high-speed observation and measurement of the surface shape of an opaque object by scanning with laser light, and observation and measurement of the surface or internal structure of a transparent object.

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。   Optical heterodyne interferometry is well known for measuring minute heights with high accuracy. This is because two laser beams with different frequencies interfere with each other, create a beat signal of the difference frequency, detect the phase change of the beat signal with a resolution of about 1/500 of the wavelength, It measures changes. As such, Japanese Patent Laid-Open No. 59-214706 of the following Patent Document 1 is specifically known, but in this Patent Document 1, two beams having different wavelengths are adjacent to each other using an acoustooptic device. And generating a surface profile by detecting the phase change between these two beams and accumulating the phase change.

ただし、この特許文献1では、光変調器である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。   However, in this Patent Document 1, scanning is performed by a DC voltage applied to an acoustooptic device that is an optical modulator, and a sine wave signal is applied to the acoustooptic device to separate two spatially different frequencies from each other. Had created a beam. Here, the Bragg diffraction grating d of the acoustooptic device is d = Va / fa, where Va is the velocity of ultrasonic waves and fa is the applied frequency. That is, the Bragg diffraction angle and the applied frequency have an inversely proportional relationship.

他方、通常の顕微鏡の分解能はいわゆるアッベ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て、下記特許文献1においても同様であった。例えばレーザー走査型顕微鏡においても、このアッベの理論の限界による横分解能の限界を有しているだけでなく、深さ方向の分解能も種々の制約により十分なものではなかった。   On the other hand, the resolution of ordinary microscopes is limited by the limits of so-called Abbe's theory. This limit is a result of the diffraction phenomenon that the wave has, and is regarded as a theoretical limit that cannot be exceeded. For example, a laser scanning microscope not only has a lateral resolution limit due to the limit of Abbe's theory, but also the resolution in the depth direction is not sufficient due to various limitations.

特開昭59−214706号公報JP 59-214706 A

つまり、このようなレーザー走査型顕微鏡においては、測定対象である対象物の深さ方向の情報を定量化する際に、深さ方向の情報を簡易に取得することができず、また、3次元情報を取得可能な深さが対物レンズの焦点深度内とされるという制約があった。
本発明は上記背景に鑑みてなされたもので、対象物の深さ方向の情報を定量化して求めることで3次元画像を取得可能とすると共に、焦点深度以上の高低差を持つ対象物においても定量化された3次元情報を取得可能なレーザー走査型顕微鏡を提供することを目的とする。
That is, in such a laser scanning microscope, when quantifying the depth direction information of the object to be measured, the depth direction information cannot be easily obtained, and three-dimensional There is a restriction that the depth at which information can be acquired is within the depth of focus of the objective lens.
The present invention has been made in view of the background described above, and can obtain a three-dimensional image by quantifying and obtaining information in the depth direction of an object, and also in an object having a height difference equal to or greater than the depth of focus. An object of the present invention is to provide a laser scanning microscope capable of acquiring quantified three-dimensional information.

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し、制御信号に基づき2つの光を走査する走査光学素子と、
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、
前記光変調器の回折光出射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、前記光変調器と該対物レンズとの間に位置して、前記光変調器から出射された2つの光を拡大する瞳伝達拡大レンズ系と、
前記対物レンズおよび対象物のいずれかを2つの光の光路とされる光軸に沿って移動させて、これらの間の距離を相対的に変化させる移動手段と、
前記対象物からの反射光あるいは透過光を受光して光電変換し、かつ前記光変調器によって生じる2つの光の分離方向に沿って配置される2つ以上の分割受光素子からなる第1の受光素子と、
前記第1の受光素子で光電変換された各々の信号を和算または差算し、これら和算または差算に基づいて2つの光の位相情報および強度情報を得る信号比較手段と、
前記信号比較手段の位相情報および強度情報と前記走査光学素子の制御信号とから、対物レンズの焦点深度内の3次元画像を構築する第1のデータ処理部と、
対象物からの反射戻り光の光強度データに基づき、前記走査光学素子の制御信号および前記移動手段による移動量より3次元の位置情報を構築する第2のデータ処理部と、
前記対物レンズの焦点深度内の3次元画像と光強度データに基づく3次元の位置情報とにより定量化された3次元画像を構築する第3のデータ処理部と、
を含むことを特徴とするレーザー走査型顕微鏡とされるものである。
In order to achieve the above object, the present invention provides a laser light source that emits laser light,
An optical modulator that emits light in different directions while modulating the laser light into two lights having mutually different frequencies;
A scanning optical element having a scanning element surface for one-dimensional scanning or two-dimensional scanning of the two lights, and scanning the two lights based on a control signal;
An objective lens that has a pupil position and emits two lights to the object being placed;
The diffracted light exit surface of the optical modulator and the pupil position of the objective lens are positioned so as to be conjugate with each other and positioned between the optical modulator and the objective lens and emitted from the optical modulator. A pupil transfer magnifying lens system that magnifies two lights;
Moving means for moving either the objective lens or the object along an optical axis that is an optical path of two lights, and relatively changing a distance between them;
First light reception comprising two or more divided light-receiving elements that receive reflected light or transmitted light from the object and perform photoelectric conversion, and are arranged along a separation direction of two lights generated by the light modulator. Elements,
Signal comparison means for summing or subtracting each signal photoelectrically converted by the first light receiving element and obtaining phase information and intensity information of the two lights based on the sum or difference;
A first data processing unit for constructing a three-dimensional image within the depth of focus of the objective lens from the phase information and intensity information of the signal comparison unit and the control signal of the scanning optical element;
A second data processing unit that constructs three-dimensional position information from the control signal of the scanning optical element and the amount of movement by the moving unit, based on the light intensity data of the reflected return light from the object;
A third data processing unit for constructing a three-dimensional image quantified by the three-dimensional image within the focal depth of the objective lens and the three-dimensional position information based on the light intensity data;
A laser scanning microscope characterized in that

また、本発明においては、レーザー光源から射出された直線偏光であるレーザー光を円偏光に変換すると共に、対象物からの円偏光である反射戻り光を再び透過させて、前記レーザー光と直交する直線偏光にする1/4波長板と、前記レーザー光と偏波面が直交している反射戻り光を光路から分離する偏光ビームスプリッターと、前記偏光ビームスプリッターにより分離された戻り光を集光するレンズと、前記レンズの焦点面に配置された空間フィルタと、空間フィルタを透過した反射戻り光を受光して光電変換することで光強度データを得る第2の受光素子と、を有するものが好適である。   In the present invention, the laser light that is linearly polarized light emitted from the laser light source is converted into circularly polarized light, and the reflected return light that is circularly polarized light from the object is transmitted again to be orthogonal to the laser light. A quarter-wave plate for linear polarization, a polarization beam splitter for separating reflected return light whose polarization plane is orthogonal to the laser light from the optical path, and a lens for collecting the return light separated by the polarization beam splitter And a second light receiving element that obtains light intensity data by receiving and photoelectrically converting reflected return light that has passed through the spatial filter, and a spatial filter disposed on the focal plane of the lens. is there.

さらに、本発明においては、走査光学素子が、前記2つの光を前記光変調器の回折方向に沿って走査する第1の走査光学素子と、前記2つの光を第1の走査光学素子と直交する方向に沿って走査する第2の走査光学素子と、を含み、前記第1の走査光学素子と前記第2の走査光学素子との間に配置されて、対象物からの反射戻り光を分離するビームスプリッターと、前記ビームスプリッターにより分離された戻り光を集光して結像するレンズと、第2の受光素子として前記レンズの焦点面に位置し、かつ前記光変調器によって生じる2つの光の分離方向に沿って配列される複数の分割受光素子からなる1次元撮像素子と、を有し、第2のデータ処理部が、前記1次元撮像素子により受光して光電変換された反射戻り光の光強度データに基づき、前記走査光学素子の制御信号および前記移動手段による移動量より3次元の位置情報を構築するものが好適である。   Further, in the present invention, the scanning optical element is a first scanning optical element that scans the two lights along the diffraction direction of the optical modulator, and the two lights are orthogonal to the first scanning optical element. And a second scanning optical element that scans along a direction to be separated, and is disposed between the first scanning optical element and the second scanning optical element to separate reflected return light from the object A beam splitter, a lens for focusing the return light separated by the beam splitter to form an image, and a second light receiving element positioned at the focal plane of the lens and generated by the light modulator. And a two-dimensional image sensor composed of a plurality of divided light-receiving elements arranged along the separation direction, and the second data processing unit receives reflected light by the one-dimensional image sensor and photoelectrically converts the reflected return light. Based on light intensity data Are preferred those to construct a three-dimensional position information from the shift amount by the control signal and the moving means of said scanning optical element.

また、本発明においては、レーザー光源から射出された直線偏光であるレーザー光を円偏光に変換すると共に、対象物からの円偏光である反射戻り光を再び過透させて、前記レーザー光と直交する直線偏光にする1/4波長板と、前記レーザー光と偏波面が直交している反射戻り光を光路から分離する偏光ビームスプリッターと、前記偏光ビームスプリッターにより分離された戻り光を集光するレンズと、前記レンズの焦点面に配置されたピンホールと、を有し、前記第1の受光素子が、該ピンホールを透過した光を受光することにより第2の受光素子を兼ねることができ、該第1の受光素子の受光に伴い、前記第1のデータ処理部が、共焦点光学系により狭められた対物レンズの焦点深度内の3次元の画像を構築するものが好適である。   Further, in the present invention, the laser light that is linearly polarized light emitted from the laser light source is converted into circularly polarized light, and the reflected return light that is circularly polarized light from the object is made transparent again to be orthogonal to the laser light. A quarter-wave plate for linearly polarized light, a polarized beam splitter that separates reflected return light whose polarization plane is orthogonal to the laser light, and a return beam separated by the polarized beam splitter. A lens and a pinhole disposed on a focal plane of the lens, and the first light receiving element can also serve as the second light receiving element by receiving light transmitted through the pinhole. It is preferable that the first data processing unit constructs a three-dimensional image within the depth of focus of the objective lens narrowed by the confocal optical system as the first light receiving element receives light.

他方、本発明に係わる第1の受光素子が、対象物を透過した光を対象物の直下で受光することが好適である。
また、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変調素子と、前記音響光学変調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。
On the other hand, it is preferable that the first light receiving element according to the present invention receives light that has passed through the object directly under the object.
An optical modulator according to the present invention includes an acousto-optic modulation element on which laser light emitted from the laser light source is incident, a signal generator that applies a carrier AC signal and a sine wave signal to the acousto-optic modulation element, A spatial light modulator on which laser light emitted from the laser light source is incident, and writing a sinusoidal lattice pattern as amplitude or phase information to the spatial light modulator, and applying a carrier AC signal and a sine wave signal And a signal generator for moving the lattice fringes in a certain direction.

また、本発明に係わる走査光学素子は、ガルバノミラーやレゾナントミラーによる1次元走査素子、非線形光学結晶やフォトニック結晶を用いた光走査ディバイス、2つの1次元走査ディバイスと瞳伝達拡大レンズ系よりなる2次元走査光学系、または、1次元または2次元のマイクロミラーディバイスとされるものが好適である。
さらに、本発明に係わる第1の受光素子により受光された光を光電変換する光電変換部がビート信号を作成し、この作成されたビート信号は、前記第1の受光素子を構成する複数の分割受光素子のすべての分割受光素子の和信号、または、前記複数の分割受光素子の対応する位置にある分割受光素子同士の差信号より取得するものが好適である。
また、本発明に係わる移動手段による移動は、ステッピングモータ駆動によるステージ移動、ピエゾ素子による直接またはステージ移動とされることが好適である。

The scanning optical element according to the present invention includes a one-dimensional scanning element using a galvano mirror or a resonant mirror, an optical scanning device using a nonlinear optical crystal or a photonic crystal, two one-dimensional scanning devices, and a pupil transmission magnifying lens system. A two-dimensional scanning optical system or a one-dimensional or two-dimensional micromirror device is suitable.
Furthermore, a photoelectric conversion unit that photoelectrically converts light received by the first light receiving element according to the present invention generates a beat signal, and the generated beat signal is divided into a plurality of divisions constituting the first light receiving element. What is acquired from the sum signal of all the divided light receiving elements of the light receiving elements or the difference signal between the divided light receiving elements at the corresponding positions of the plurality of divided light receiving elements is preferable.
The movement by the moving means according to the present invention is preferably a stage movement driven by a stepping motor, a direct movement by a piezo element, or a stage movement.

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変調素子を駆動すると、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、音響光学変調素子のブラッグ回折角はかなり大きくなる。
The operation of the claimed invention will be described below.
The optical modulator emits light in different directions while modulating the laser light emitted from the laser light source into two lights having different frequencies. In other words, when an acousto-optic modulator, which is an optical modulator, is driven by an electrical signal of frequency fc and frequency fm, two beams having frequency fc + fm and frequency fc-fm are generated by AM modulation using frequency fc as a carrier. To do. When the frequency fc, which is the carrier frequency, is set to about several tens of MHz and a frequency fm of about several MHz is given, the Bragg diffraction angle of the acousto-optic modulation element becomes considerably large.

この音響光学変調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変調素子の出射面とが、共役な配置となるようにする。   The light emitted from the acousto-optic modulation element becomes two beams having a large angle difference. This angular difference is made to enter the two-dimensional scanning optical system, which is a scanning optical element, by making the overlapping degree of the two beams remarkably small by a magnifying optical system that is a pupil transmission magnifying lens system. At this time, the entrance surface of the two-dimensional scanning optical system and the exit surface of the acoustooptic modulator are arranged in a conjugate manner.

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。
In this way, the emitted light from the two-dimensional scanning optical system becomes a beam having a small angle difference from each other, but the frequencies possessed by fc + fm and fc-fm are not changed. That is, the two beams are scanned toward the objective lens via the scanning optical element that is the above-described scanning optical element regardless of the modulation frequency, or the scanning optical element that performs two-dimensional scanning and the second pupil transfer lens system. By doing so, the object is scanned with two adjacent beams.
When the target object is a reflective object, the beat signal by the two adjacent beams can be acquired by a light receiving element disposed at a position almost conjugate with the acousto-optic element, and the target object is a transmission object. In some cases, it can be obtained by a light receiving element arranged at a position that is far field but not far from the object.

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。   Further, the beat signal at this time is 2 fm, but this is detected as a beat signal as high as several tens of MHz. The phase difference θ between the beat signal and the reference signal reflects the substantial height d and refractive index difference n of the object. That is, if the laser wavelength is λ, there is a relationship of θ = 2πnd / λ.

さらに、信号比較手段が第1の受光素子の光電変換された各々のビート信号を作成し、この信号比較手段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求め、信号比較手段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、対物レンズの焦点深度内の3次元画像を構築する第1のデータ処理部が処理する。
そして、第2のデータ処理部が、対象物からの反射戻り光の光強度データに基づき、走査光学素子の制御信号および移動手段による移動量より3次元の位置情報を構築し、また、第3のデータ処理部が、対物レンズの焦点深度内の3次元画像と光強度データに基づく3次元の位置情報とにより定量化された3次元画像を構築する。このことから、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。
Further, the signal comparison means creates each photoelectrically converted beat signal of the first light receiving element, the signal comparison means obtains the phase difference or intensity difference of the signals obtained based on the beat signal, and compares the signals. Based on the data obtained by acquiring the phase information or intensity information of the means, a first data processing unit that constructs a three-dimensional image within the focal depth of the objective lens processes.
Then, the second data processing unit constructs three-dimensional position information from the control signal of the scanning optical element and the amount of movement by the moving means based on the light intensity data of the reflected return light from the object, The three-dimensional image quantified by the three-dimensional image within the focal depth of the objective lens and the three-dimensional position information based on the light intensity data is constructed. From this, the surface profile is measured if the object is a reflective object, and the substantial refractive index difference or thickness is measured if the object is a transmissive object.

以上より本発明に係るレーザー走査型顕微鏡によれば、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。   As described above, according to the laser scanning microscope of the present invention, the optical system can be set regardless of the distance between the two beams and the frequency of the beat signal. Thus, the resolution and scanning speed can be significantly improved.

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。   On the other hand, when a spatial light modulator is used as the optical modulator, a strip-like sine wave grating is written in this spatial light modulator and moved in one direction at a high speed, so that the pitch of the lattice fringes changes the beam separation distance. It becomes. Since the phase is modulated by moving the grating one after another, the ± first-order diffracted light generated by the grating stripes can be light having different frequencies by twice the modulation frequency. In this case, if the pitch of the writing grating is sufficiently large, two adjacent beams can be produced, and the enlargement ratio of the enlargement optical system can be reduced, so that the optical system can be reduced in size.

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。   The beat frequency generating means and the scanning means can be separated by the optical system and the optical modulator as described above. For this reason, a higher-frequency beat signal can be created and the scanning speed can be further increased, so that data acquisition can be performed at a higher speed. As a result of the above, 3D information can be acquired at video rates and higher, and the horizontal resolution can be significantly improved by significantly reducing beam separation, and the resolution in the height direction is also about 1/500 of the wavelength. Can be improved.

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分割受光素子を用いると、全分割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。   Further, since the two beams almost share the optical path, a laser scanning microscope apparatus that is extremely resistant to external environmental changes, vibrations, and the like can be obtained. When two beams exist in this way, if a divided light receiving element that is divided into two or more in the direction perpendicular to the beam separating direction is used as the light receiving element, the sum signal of the outputs of all the divided light receiving elements is Effectively, since the integral value of the region corresponding to the beam diameter of the phase difference corresponding to the degree of separation of the two beams collected by the objective lens is given, the resolution almost equivalent to that of the differential interference microscope is given.

さらに分解能を高くするには、2分割以上された分割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。   In order to further increase the resolution, if the difference signal between the light receiving elements adjacent to the divided light receiving elements divided into two or more parts is acquired, the separation between the two beams collected by the objective lens is effectively increased. The integral value of the area corresponding to the beam diameter of the differential of the corresponding phase difference is given. In this case, as compared with the sum signal, only the portion where the phase difference occurs contributes to the phase difference, and thus the sensitivity is remarkably increased. Accordingly, it is possible to improve the lateral resolution comparable to the resolution according to the beam separation degree.

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。   This is a distinguishing feature that is not found in ordinary differential interference microscopes. As a result, a lateral resolution much higher than the lateral resolution dominated by the wavelength can be obtained. A similar effect is obtained for the intensity of the beat signal.

一方、このようなレーザー走査型顕微鏡における縦分解能は、使用する対物レンズの焦点深度の領域において非常に高い分解能が得られるが、定量化を簡易に行うことは容易ではなく、また、焦点深度よりも対象物の高低差が大きい場合、3次元画像の取得が容易ではなかった。これに対して、本発明の基本的な装置構成がレーザー走査型で有ることに着目した場合、共焦点レーザー走査型顕微鏡の構成と本発明の構成が同じであるため、共焦点光学系を組み込むことが可能であり、共焦点レーザー走査型顕微鏡のもつ断層撮像能力を得ることが可能となる。   On the other hand, the vertical resolution in such a laser scanning microscope is very high in the focal depth region of the objective lens used, but it is not easy to quantify easily, and However, when the height difference of the object is large, it is not easy to obtain a three-dimensional image. In contrast, when focusing on the fact that the basic apparatus configuration of the present invention is a laser scanning type, the configuration of the confocal laser scanning microscope and the configuration of the present invention are the same, so a confocal optical system is incorporated. It is possible to obtain the tomographic imaging capability of the confocal laser scanning microscope.

以上より本発明に係るレーザー走査型顕微鏡によれば、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。   As described above, according to the laser scanning microscope according to the present invention, it is possible to realize a microscope apparatus having a resolution substantially equal to or higher than the diffraction limit, and further to realize an optical system that does not cause a decrease in beam utilization efficiency.

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型顕微鏡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。
In summary, it is possible to provide a laser scanning microscope with high light utilization efficiency that obtains three-dimensional information such as height and refractive index distribution at a very high speed with one two-dimensional scanning and with extremely high lateral resolution. it can. Therefore, such as a conventional laser scanning confocal microscope that obtains two-dimensional information and integrates it in a three-dimensional direction, such as three-dimensional measurement in real time of the state of living cells and micromachines. Has significant features that cannot be compared.
In addition, if the transmission type is used, living organisms and cells can be observed and measured in real time and with high resolution, which is a major feature not available in an electron microscope that inactivates and measures cells and the like.

上記に示したように、本発明のレーザー走査型顕微鏡によれば、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。また、例えば音響光学変調素子に変調信号を加えることによってビームが分離されるが、このビームの分離方向に沿って分割される2分割以上の分割受光素子を用い、すべての分割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、極めて高い横分解能を得ることができる。
つまり、ヘテロダイン検波して得られた信号を直交変換した強度情報と位相情報により、1回の2次元走査でアッベの回折限界を大幅に超える分解能を持つ3次元情報を取得可能なレーザー走査型顕微鏡が実現可能となる。
As described above, according to the laser scanning microscope of the present invention, an acousto-optic modulation element or a spatial modulator capable of modulation is used as an optical modulator, and the pupil transfer magnification lens system and a two-dimensional scanning device are used in combination. Thus, two very close beams can be modulated with a very high modulation frequency, so that three-dimensional measurement of the video rate is possible. Further, for example, the beam is separated by applying a modulation signal to the acousto-optic modulation element, and the sum calculation of all the divided light receiving elements is performed using two or more divided light receiving elements divided along the beam separation direction. Alternatively, extremely high lateral resolution can be obtained by performing a difference calculation between corresponding light receiving elements and performing heterodyne detection.
In other words, a laser scanning microscope capable of acquiring three-dimensional information having a resolution that greatly exceeds the Abbe diffraction limit in one two-dimensional scan by intensity information and phase information obtained by orthogonally transforming the signal obtained by heterodyne detection. Is feasible.

さらに、このようなレーザー走査型顕微鏡において、共焦点光学系の受光光学系を組み込むと共に、対物レンズまたは試料ステージを高分解能で深さ方向に移動する移動手段を組み込むことにより、共焦点レーザー走査型光学顕微鏡が持つ断層撮像能力で深さ方向の定量化が可能となり、かつ、対物レンズの焦点深度を超える高低差を持つ対象物の測定が可能なレーザー走査型顕微鏡を実現する。   Further, in such a laser scanning microscope, a confocal laser scanning type is incorporated by incorporating a light receiving optical system of the confocal optical system and a moving means for moving the objective lens or the sample stage in the depth direction with high resolution. A tomographic imaging capability of an optical microscope enables quantification in the depth direction and realizes a laser scanning microscope capable of measuring an object having a height difference exceeding the depth of focus of an objective lens.

以上より、対物レンズの焦点深度内で元来非常に高い3次元の分解能持っているので、本発明によれば、従来の共焦点レーザー走査型光学顕微鏡よりも遙かに高い3次元分解能を持つ、非常に高速なレーザー走査型顕微鏡を提供することができる。さらに、電子顕微鏡や走査プローブ顕微鏡でしか従来観察できなかった微細構造を観察することが、本発明により可能となり、また、透過型においては、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、計測できるため、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を有している。   From the above, it has a very high three-dimensional resolution originally within the depth of focus of the objective lens. Therefore, according to the present invention, the three-dimensional resolution is much higher than that of the conventional confocal laser scanning optical microscope. A very high speed laser scanning microscope can be provided. Furthermore, the present invention makes it possible to observe fine structures that could only be observed with an electron microscope or a scanning probe microscope. In the transmission type, living organisms and cells can be observed in real time with high resolution. Since it can measure, it has the big characteristic which an electron microscope which inactivates a cell etc. and measures is not.

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。   Therefore, it is possible to observe and measure the state change of cells and microorganisms, the transient change of the surface state, etc. at high speed. In addition, it is possible to display 3D 3D images at video rates by using 3D displays that have already been commercialized and 3D displays using polarized glasses, which is useful in education, research, and medicine. It can be a device.

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、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。   On the other hand, since two beams passing through almost the same path that are very close to each other are used, observation and measurement that are not easily affected by disturbances and the like can be performed. In addition, the light receiving element is divided, and at least two light receiving elements are used in the beam separating direction, and the sum calculation of all the light receiving elements or the difference calculation between the corresponding light receiving elements is performed to perform heterodyne detection. This makes it possible to obtain a very high lateral resolution, particularly in the difference calculation.

本発明のレーザー走査型顕微鏡に係る実施例1を示すブロック図である。It is a block diagram which shows Example 1 which concerns on the laser scanning microscope of this invention. 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。It is a figure which expands and shows the objective lens of FIG. 1, and a measurement object peripheral part. 本発明のレーザー走査型顕微鏡に係る実施例1による対象物における照射領域を表す説明図である。It is explanatory drawing showing the irradiation area | region in the target object by Example 1 which concerns on the laser scanning microscope of this invention. 試料形状と分割受光素子に戻ってくる光を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the light which returns to a sample shape and a division | segmentation light receiving element. 図4で説明した試料形状についての位相情報及び強度情報を示す図である。It is a figure which shows the phase information and intensity | strength information about the sample shape demonstrated in FIG. 試料形状と本発明によって得られる高さ方向の情報を説明する図である。It is a figure explaining the sample shape and the information of the height direction obtained by this invention. 本発明のレーザー走査型顕微鏡に係る実施例2を示すブロック図である。It is a block diagram which shows Example 2 which concerns on the laser scanning microscope of this invention. 本発明のレーザー走査型顕微鏡に係る実施例3を示すブロック図である。It is a block diagram which shows Example 3 which concerns on the laser scanning microscope of this invention. 本発明のレーザー走査型顕微鏡に係る実施例4を示すブロック図である。It is a block diagram which shows Example 4 which concerns on the laser scanning microscope of this invention. 本発明のレーザー走査型顕微鏡に係る実施例5を示すブロック図である。It is a block diagram which shows Example 5 which concerns on the laser scanning microscope of this invention. 本発明のレーザー走査型顕微鏡に係る実施例6を示すブロック図である。It is a block diagram which shows Example 6 which concerns on the laser scanning microscope of this invention.

以下に、本発明に係るレーザー走査型顕微鏡の実施例1から実施例6を各図面に基づき、詳細に説明する。   Embodiments 1 to 6 of the laser scanning microscope according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

本発明に係るレーザー走査型顕微鏡の実施例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型顕微鏡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(AOM)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。音響光学変調素子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に内蔵の信号発生器が印加する。
A laser scanning microscope according to a first embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of a laser scanning microscope according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, as an optical system, a collimator lens 2 is provided between a laser light source 1 from which laser light is emitted and an acousto-optic modulation element (AOM) 4 that is an optical modulator for separating the light. In addition, a beam shaping optical system 3 is arranged. The laser light source 1 and the acousto-optic modulation element 4 are connected to a control board 14, and the operation is controlled by the control board 14. A signal generator built in the control board 14 applies a frequency fc as a carrier AC signal and a modulation frequency fm as a sine wave signal to the acousto-optic modulation element 4.

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5、ビーム径を適性化するための制限開口7、後述の対象物Sからの反射戻り光を共焦点光学系に分離して出射する偏光ビームスプリッター8、直線偏光であるレーザー光の偏波面を45°回転させる1/4波長板9、反射戻り光から光の位相および強度情報を得るための受光素子に光を分離するビームスプリッター10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5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6が配置されている。   Further, the first pupil transfer magnifying lens system 5 composed of two groups of lenses, the limiting aperture 7 for optimizing the beam diameter, and the reflected return light from the object S described later with respect to the acoustooptic modulator 4. Polarizing beam splitter 8 that divides and emits light into a confocal optical system, ¼ wavelength plate 9 that rotates the polarization plane of laser light that is linearly polarized light by 45 °, and light phase and intensity information from reflected return light A beam splitter 10 for separating light is arranged in order on the light receiving element. A pinhole 6 for cutting unnecessary non-diffracted light and high-order diffracted light passing outside the optical axis L is disposed between the two groups of lenses constituting the first pupil transmission magnifying lens system 5. .

さらに、ビームスプリッター10に対して図1において右隣には、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が配置されており、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1の1次元走査ディバイス11と直交する方向に光を偏向する第2の1次元走査ディバイス13が配置されている。   Further, a first one-dimensional scanning device 11 for one-dimensionally scanning the input laser beam is arranged on the right side in FIG. 1 with respect to the beam splitter 10, and the first one-dimensional scanning device 11 is illustrated. 1, a second pupil transmission magnifying lens system 12 composed of two groups of lenses and a second one-dimensional scanning device 13 that deflects light in a direction orthogonal to the first one-dimensional scanning device 11 are arranged. ing.

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。   In the present embodiment, the beams whose emission directions are changed downward in FIG. 1 by the first one-dimensional scanning device 11 pass through these in order, and these first one-dimensional scanning device 11 and second The pupil transmission magnifying lens system 12 and the second one-dimensional scanning device 13 constitute a two-dimensional scanning optical system. In addition, a third pupil transmission magnifying lens system 15 composed of two groups of lenses and an objective lens 16 facing the object S are arranged below the second one-dimensional scanning device 13.

試料Sで反射した光は上述と逆の光路を戻りビームスプリッター10に入射する。光軸Lが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10に隣り合った位置に配置され、音響光学変調素子4によって分離されたビームの分離方向に光軸を対象に少なくとも2分割された第1の受光素子18に入射する。第1の受光素子18は光電変換部19に接続され、信号を適切な大きさに増幅し、光電変換部19からの信号を比較する信号比較器20に接続され、第1のデータ処理部21に接続されている。
そして、この第1のデータ処理部21は、制御基板14により制御されている音響光学変調素子4及び1次元走査ディバイス11、13の制御信号および信号比較器20からの強度情報や位相情報の信号を元に対象物Sのプロファイル等を作成する。つまり、この第1のデータ処理部21によって、強度情報や位相情報に基づく対物レンズ16の焦点深度内での3次元画像が得られることになる。
The light reflected by the sample S returns through the optical path opposite to that described above and enters the beam splitter 10. The optical axis L is arranged in a direction perpendicular to the direction in which the optical axis L passes and is adjacent to the beam splitter 10, and is divided into at least two parts with respect to the optical axis in the beam separation direction separated by the acoustooptic modulator 4. The incident light enters the first light receiving element 18. The first light receiving element 18 is connected to the photoelectric conversion unit 19, is connected to a signal comparator 20 that amplifies the signal to an appropriate magnitude and compares the signal from the photoelectric conversion unit 19, and the first data processing unit 21. It is connected to the.
The first data processing unit 21 controls the control signals of the acousto-optic modulation element 4 and the one-dimensional scanning devices 11 and 13 controlled by the control board 14, and signals of intensity information and phase information from the signal comparator 20. A profile of the object S is created based on the above. That is, the first data processing unit 21 obtains a three-dimensional image within the focal depth of the objective lens 16 based on the intensity information and the phase information.

他方、対象物Sで反射して対象物Sから戻ってくる反射戻り光のビームスプリッター10を透過した光は、再び1/4波長板9に入射する。この反射戻り光の光束は、再び1/4波長板9を透過することにより、直線偏光に戻るが、照明光束に対して偏波面が90°回転しているため、偏光ビームスプリッター8により直角に反射され照明光束の光路から分離される。   On the other hand, the light reflected by the object S and transmitted through the beam splitter 10 of the reflected return light returning from the object S is incident on the quarter-wave plate 9 again. The reflected return light beam returns to linearly polarized light by being transmitted through the quarter-wave plate 9 again. However, the polarization plane is rotated by 90 ° with respect to the illumination light beam. It is reflected and separated from the optical path of the illumination beam.

この偏光ビームスプリッター8により分離された光束は、収束レンズ22およびこの収束レンズ22の焦点面に設置された前記収束レンズ22の回折限界スポット径程度の径を有する空間フィルタであるピンホール23を透過し、受光素子24で受光される。この収束レンズ22の焦点面は、対物レンズ16の焦点面と共役な位置となるため、観察試料である対象物Sの焦点が合った時のみピンホール23を光束が透過して、受光素子24で受光される。なお、焦点位置がずれた場所からの光に関しては、ピンホール23面上で光束がピンホール径よりも大きくなるので、受光素子24で受光される光量が著しく減少するため高さ方向の分解能が向上する。   The light beam separated by the polarization beam splitter 8 is transmitted through a converging lens 22 and a pinhole 23 that is a spatial filter having a diameter that is about the diffraction limit spot diameter of the converging lens 22 installed on the focal plane of the converging lens 22. The light receiving element 24 receives the light. Since the focal plane of the converging lens 22 is a conjugate position with the focal plane of the objective lens 16, the light beam is transmitted through the pinhole 23 only when the object S, which is the observation sample, is focused, and the light receiving element 24. Is received. For light from a location where the focal position is deviated, the luminous flux is larger than the pinhole diameter on the surface of the pinhole 23, so that the amount of light received by the light receiving element 24 is remarkably reduced. improves.

受光素子24で受光された信号は光電変換部25において信号を適切な大きさに増幅され、この光電変換部25は第2のデータ処理部27に接続されている。
また、本実施例では、制御回路14により制御されつつ、対物レンズ16を光軸Lに沿って高精度に移動させる移動手段である移動機構26が配置されている。この移動機構26としては、例えばステッピングモータ駆動によるステージ移動や、ピエゾ素子による直接またはステージ移動とすることが考えられる。
この移動機構26により対物レンズ16を移動させるのに伴い、制御回路14からの1次元走査ディバイス11、13の位置情報と移動機構26の位置情報とから、画素ごとに受光素子24で受光される光強度が最も高くなる焦点が合った位置を第2のデータ処理部27で求める処理をし、3次元の位置情報を構築する。但し、移動機構26は、対物レンズ16を移動させる代わりに対象物Sを移動させる機構としてもよく、この場合にも上記と同等の効果が得られる。
The signal received by the light receiving element 24 is amplified to an appropriate magnitude in the photoelectric conversion unit 25, and the photoelectric conversion unit 25 is connected to the second data processing unit 27.
In the present embodiment, a moving mechanism 26 that is a moving unit that moves the objective lens 16 along the optical axis L with high accuracy while being controlled by the control circuit 14 is disposed. As this moving mechanism 26, for example, a stage movement by driving a stepping motor or a direct or stage movement by a piezo element may be considered.
As the objective lens 16 is moved by the moving mechanism 26, the light receiving element 24 receives light for each pixel from the position information of the one-dimensional scanning devices 11 and 13 from the control circuit 14 and the position information of the moving mechanism 26. The second data processing unit 27 performs processing for obtaining a focused position where the light intensity is the highest, thereby constructing three-dimensional position information. However, the moving mechanism 26 may be a mechanism that moves the object S instead of moving the objective lens 16, and in this case, the same effect as described above can be obtained.

前記第1のデータ処理部21において得られた強度情報や位相情報に基づく対物レンズ16の焦点深度内での3次元画像と、前記第2のデータ処理部27において得られた3次元の位置情報とが、第3のデータ処理部31において処理され、共焦点レーザー走査型顕微鏡と同等の分解能で深さ方向の定量化がされる。このことから、表面のプロファイル情報を簡単に導くことができ、第3のデータ処理部31から送り込まれた表示装置32において、この表面のプロファイル情報を表示することができる。本実施例では、これら第1のデータ処理部21、第2のデータ処理部27、第3のデータ処理部31等の処理部を相互に別々のものとしたが、これらをまとめて一つのデータ処理部としても良い。
以上より、対物レンズ16の焦点深度より深い高低差を持つ対象物Sにおいても測定が可能となる。なお、第3のデータ処理部31は、得られた3次元画像データを電子データとして保存する機能を有する。
A three-dimensional image within the depth of focus of the objective lens 16 based on intensity information and phase information obtained in the first data processing unit 21, and three-dimensional position information obtained in the second data processing unit 27 Are processed in the third data processing unit 31 and quantified in the depth direction with the same resolution as that of the confocal laser scanning microscope. From this, the profile information on the surface can be easily derived, and the profile information on the surface can be displayed on the display device 32 sent from the third data processing unit 31. In this embodiment, the first data processing unit 21, the second data processing unit 27, the third data processing unit 31, and the like are separate from each other. A processing unit may be used.
As described above, the measurement can be performed even on the object S having a height difference deeper than the focal depth of the objective lens 16. Note that the third data processing unit 31 has a function of saving the obtained three-dimensional image data as electronic data.

この一方、前述のレーザー光源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。この音響光学変調素子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。   On the other hand, the laser light source 1 described above is a gas laser such as He—Ne, a semiconductor laser, or a solid-state laser, and generates coherent laser light. The laser light is converted into a parallel light beam by the collimator lens 2 and is incident on the acousto-optic modulation element 4 with an optimum diameter using the beam shaping optical system 3. A DSB modulation signal such as sin (2πfct) sin (2πfmt) is applied to the acousto-optic modulation element 4 as a modulation signal from the control board 14.

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。 When such modulation is performed, the acousto-optic modulation element 4 to which two frequency modulations of fc + fm and fc-fm have been added generates acoustic dense waves corresponding to the pitch d of the Bragg diffraction grating. . That is, if the velocity of the ultrasonic wave is Va and the applied frequency is f, d = Va / f. Specifically, the beam, which is laser light incident on the acousto-optic modulator 4, is separated into ± first-order diffracted light by the rough wave, and each diffracted light is modulated at a frequency of frequency fc ± fm. However, for example, when TeO 2 is used as the material of the acoustooptic modulator 4, the sound velocity in the crystal is 4200 m / s.

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。   When 80 MHz is selected as the frequency fc of the carrier frequency, the pitch is d = 52.5 μm, and when the He-Ne laser is used for the laser light source 1, the diffraction angle θ is about 1.38 °. When fm of frequency 8 MHz is added to this carrier frequency, ± 1st order diffracted light is separated into two beams of θ = 1.38 ° ± 0.138 ° with a separation angle Δθ of 0.276 ° and is modulated at 88 MHz and 72 MHz, respectively. Become.

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5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5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5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。
Next, a method for reducing the separation angle Δθ on the entrance pupil plane of the objective lens 16 will be described.
The incident angle from the acousto-optic modulator 4 to the first pupil transfer magnifying lens system 5 is inclined by θ so that the diffracted light passes through the optical axis L of the first pupil transfer magnifying lens system 5. Further, as the first pupil transfer magnifying lens system 5 is composed of two groups of lenses, the focal length of the incident side lens group is fin and the focal length of the exit side lens group is fout.

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5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5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の瞳伝達拡大レンズ系5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6が前述のように有り、このピンホール6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。   When the exit surface of the acousto-optic modulator 4 is placed at the focal position of the entrance-side lens group of the first pupil transfer magnifying lens system 5 and the distance between the two lens groups of the first pupil transfer magnifying lens system 5 is fin + fout, The afocal optical system in which the position of the exit surface of the optical modulation element 4 is conjugate to the position of the exit side fout is the deflection center of the first one-dimensional scanning device 11. Further, the pinhole 6 is provided in the vicinity of the intermediate focal plane of the first pupil transmission magnifying lens system 5 so as to transmit only the light beam in the vicinity of the optical axis L, and the pinhole 6 does not need to pass outside the optical axis L. Cut non-diffracted light and higher-order diffracted light.

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7が第1の瞳伝達拡大レンズ系5の出射側レンズの後に挿入され、ビーム径を適性化する。   Here, when fin <fout, the magnification optical system becomes fout / fin = m1 times, and the separation angle Δθ formed by the acoustooptic modulator 4 can be reduced to 1 / m1. On the other hand, since the beam diameter is enlarged by m1 times, the limiting aperture 7 is provided after the exit side lens of the first pupil transmission magnifying lens system 5 in consideration of the vignetting phenomenon that is caused by the decrease in the amount of peripheral light caused by the subsequent optical system. Inserted to optimize beam diameter.

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5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。   The second pupil transmission magnifying lens system 12 has the same configuration as that of the first pupil transmission magnifying lens system 5 described above, and this second pupil transmission magnifying lens system 12 emits from the acoustooptic modulator 4. The surface position and the deflection center of the first one-dimensional scanning device 11 and the deflection center of the second one-dimensional scanning device 13 are kept in a conjugate positional relationship, and an enlargement magnification of m2 which is a magnification larger than 1 is given.

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。   The light beam emitted from the second pupil transmission magnifying lens system 12 is incident on a second one-dimensional scanning device 13 that deflects the light beam in a direction orthogonal to the deflection direction of the first one-dimensional scanning device 11, thereby The light beam is scanned two-dimensionally. The first one-dimensional scanning device 11 and the second one-dimensional scanning device 13 are connected to the control board 14 and controlled so as to operate in synchronization with the laser light source 1 and the acousto-optic modulation element 4. It is like that.

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5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。   The light beam emitted from the second one-dimensional scanning device 13 enters the third pupil transmission magnifying lens system 15 having the same configuration as that of the first pupil transmission magnifying lens system 5 described above. The third pupil transfer magnifying lens system 15 uses the position of the exit surface of the acoustooptic modulator 4, the deflection center of the first one-dimensional scanning device 11, and the deflection center of the second one-dimensional scanning device 13 as the objective lens 16. While maintaining a positional relationship conjugate with the entrance pupil plane, an enlargement magnification of m3 which is a magnification larger than 1 is given.

以上により、第1の瞳伝達拡大レンズ系5、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。   As described above, the acoustooptic modulation element is obtained by the optical magnification of m1 × m2 × m3 = m4 times by the first pupil transmission magnifying lens system 5, the second pupil transmission magnifying lens system 12, and the third pupil transmission magnifying lens system 15. 4 is reduced to Δθ / m 4, and the two beams separated by the acoustooptic modulator 4 are incident on the objective lens 16. Thereby, even if the modulation frequency fm of the acousto-optic modulation element 4 is increased, the minute spot formed by the two beams on the surface of the object S can be very close to illuminate the object S. In this way, two beams that are very close to each other and have the same diameter can be obtained, such as a beam LA indicated by a solid line and a beam LB indicated by a dotted line in FIG.

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を回折限界スポット径K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、その和信号あるいは差信号よりビート信号を生成でき、微分情報を取得することができる。   Further, the frequency of these two beams LA and LB is “light frequency + carrier frequency fc ± modulation frequency fm”. Here, it is assumed that the center distance Δx of the minute spot formed on the surface of the object S by the two close beams LA and LB from the objective lens 16 is set to be equal to or less than the diffraction limit spot diameter K. In this case, each spot does not fall below the diffraction limit of Abbe's theory, but because it is light of a different frequency that is slightly shifted, by performing heterodyne detection, the sum signal or difference signal is obtained. A beat signal can be generated and differential information can be acquired.

図1に示す受光素子18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分割受光素子とする。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、和信号を用いビームを走査すると、ビーム内の平均的な位相差を示しており、実質的に微分干渉顕微鏡と等価になり、差信号を用いビームを走査すると、ビーム分離度に相当する高い横分解能で、位相差情報および位置情報を取得することが可能となる。なお、これらの横分解能の向上に関しては、詳しく後に述べる。   The light receiving element 18 shown in FIG. 1 is a plurality of divided light receiving elements divided into two or more parts along the beam LA and LB separation direction shown in FIG. For example, when the boundary line C shown in FIGS. 2 and 3 extending in a direction perpendicular to the separation direction of the beams LA and LB is formed on the optical axis L, a dark line is formed in parallel to the boundary line C. A plurality of these light receiving elements are arranged, and a beat signal is obtained from the sum signal or difference signal. In this case, scanning the beam using the sum signal shows the average phase difference in the beam, which is substantially equivalent to the differential interference microscope, and scanning the beam using the difference signal corresponds to the beam separation degree. Therefore, it is possible to acquire phase difference information and position information with high lateral resolution. The improvement of the lateral resolution will be described later in detail.

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。
First, speeding up of information acquisition will be described. As shown in FIG. 2, the two beams LA and LB focused by the objective lens 16 become two adjacent spots A and B (shown in FIG. 3). The complex amplitude Ea of the spot A and the complex amplitude Eb of the spot B are expressed by the following equations.
Ea = Aexpj (2π (fo + fc + fm) t)
Eb = Bexpj (2π (fo + fc-fm) t + δ)
Δ in the expression of this complex amplitude Eb represents the phase difference in the height direction of the spot B of the beam LB with respect to the spot A of the beam LA, and fo represents the frequency of light. As described above, the interval between the two spots is determined by the modulation frequency fm applied to the acousto-optic modulation element 4 and the magnification m4 of the magnifying optical system, and is thus independent of the scanning speed.

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8で反射されて受光素子18に導かれる。受光素子18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。   On the other hand, the two beams LA and LB reflected by the object S return on the optical path opposite to the illumination light beam described above. That is, by returning the objective lens 16, the third pupil transfer lens system 15, the second one-scanning device 13, the second pupil transfer lens system 12, and the first one-scanning device 11 in order, the deflection component Is canceled and becomes axial light, reflected by the beam splitter 8 and guided to the light receiving element 18. The light receiving element 18 is divided into at least two along the direction in which the beams LA and LB are separated by the acousto-optic modulation element 4. These two or more light receiving elements are each constituted by a photodiode, a photomultiplier tube (PMT), or the like.

受光素子18を構成する各分割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19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、信号比較器20において必要に応じた素子の組合せで、和信号または差信号を作成することが出来る。   When each of the divided light receiving elements constituting the light receiving element 18 is a photodiode, the cutoff frequency is determined in inverse proportion to the inter-terminal capacitance of the element. Since the capacitance between terminals is generally proportional to the light receiving area, it is desirable to use a photodiode having a small light receiving area in order to increase the speed of the light receiving system. Along with this, a plurality of small photodiodes with a small inter-terminal capacitance are arranged on the array to increase the speed, and the photoelectric conversion unit 19 performs electrical amplification corresponding to each photodiode on a one-to-one basis, The signal comparator 20 can generate a sum signal or a difference signal with a combination of elements as required.

第1のデータ処理部21においては、信号比較器20からの信号を制御基板14からの音響光学変調素子4の変調信号を用いてヘテロダイン検波し、実質的な直交変換により強度情報と位相情報を得る。また、制御基板14から1次元走査ディバイス11、13への各制御信号に合わせ、前記した強度情報や位相情報に基づき、対物レンズ16の焦点深度内における3次元の画像を構築する。   In the first data processing unit 21, the signal from the signal comparator 20 is heterodyne detected using the modulation signal of the acousto-optic modulation element 4 from the control board 14, and the intensity information and the phase information are obtained by substantial orthogonal transformation. obtain. Further, a three-dimensional image within the focal depth of the objective lens 16 is constructed based on the intensity information and phase information described above in accordance with each control signal from the control board 14 to the one-dimensional scanning devices 11 and 13.

以下、対象物Sの形状と受光素子18の分割受光素子18A、18Bに戻ってくる光との関係を図4および図5に基づき、具体的に説明する。なお、図4において実線はビームLAを示し、点線はビームLBを示している。また、図4において2つのビームLA、LBによるスポットA、Bは本来現れないが、理解を容易とするために、スポットAを実線の円、スポットBを点線の円でそれぞれ示す。
図4は、対象物Sの形状である「試料形状」と分割受光素子18A、18Bに戻ってくる光を模式的に示している。つまり、受光素子18を分割された分割受光素子18Aと分割受光素子18Bで構成することとし、さらに、分割受光素子18Aの信号の値をaとし、分割受光素子18Bの信号の値をbとする。そして、対象物Sの平面部に入射した光は分割受光素子18A、18Bに対称に入射し、これらの差動を取ると、b−aの値は0となる。
これに対して、図4(A)では、対象物Sの緩い右上がり傾斜斜面にスポットA、Bが位置していて、対象物Sの緩い右上がり傾斜斜面からの戻り光は、分割受光素子18B側に偏るので、b−aの値はプラスになる。
Hereinafter, the relationship between the shape of the object S and the light returning to the divided light receiving elements 18A and 18B of the light receiving element 18 will be described in detail with reference to FIGS. In FIG. 4, the solid line indicates the beam LA, and the dotted line indicates the beam LB. In FIG. 4, the spots A and B by the two beams LA and LB do not appear originally, but in order to facilitate understanding, the spot A is indicated by a solid circle and the spot B is indicated by a dotted circle.
FIG. 4 schematically shows the “sample shape” that is the shape of the object S and the light that returns to the divided light receiving elements 18A and 18B. That is, the light receiving element 18 is constituted by the divided light receiving element 18A and the divided light receiving element 18B, and the signal value of the divided light receiving element 18A is a, and the signal value of the divided light receiving element 18B is b. . Then, the light incident on the plane portion of the object S enters the divided light receiving elements 18A and 18B symmetrically, and if the difference between them is taken, the value of b−a becomes zero.
On the other hand, in FIG. 4A, spots A and B are located on the gentle upward slope of the object S, and the return light from the gentle upward slope of the object S is divided light receiving elements. Since it is biased toward the 18B side, the value of ba becomes positive.

他方、図4(B)では、緩い右下がり斜面と急な右下がり斜面とに跨がってスポットA、Bが位置している。この場合、緩い右下がり斜面からの戻り光は、分割受光素子18A側に偏り、b−aの値はマイナスになる。急な右下がり斜面からの戻り光は、更に分割受光素子18A側に偏り、b−aの値は更に大きなマイナスの値になる。
この際、受光素子18で得られた信号を元にして得られ位相情報は微分情報となるため、符号は維持され、強度情報はその絶対値となるため、符号はプラスとなる。
On the other hand, in FIG. 4B, spots A and B are located across a gentle downward slope and a sharp downward slope. In this case, the return light from the gentle downward sloping slope is biased toward the divided light receiving element 18A, and the value of b−a becomes negative. The return light from the steeply downward slope is further biased toward the divided light receiving element 18A, and the value of ba becomes a larger negative value.
At this time, since the phase information obtained from the signal obtained by the light receiving element 18 is differential information, the sign is maintained, and the intensity information is the absolute value thereof, so the sign is positive.

図5は、図4で説明した「試料形状」を位相情報及び強度情報で表した場合を示す図である。前述のように位相情報は微分値であり対象物Sの斜面の傾きを表すため、位相情報と強度情報から、対象物Sの形状を求めることが出来る。   FIG. 5 is a diagram illustrating a case where the “sample shape” described in FIG. 4 is represented by phase information and intensity information. As described above, since the phase information is a differential value and represents the inclination of the slope of the object S, the shape of the object S can be obtained from the phase information and the intensity information.

上記では、2つの分割受光素子を適用した場合で説明したが、光軸Lを境界として、ビームの分離方向に複数の受光素子を対象物Sから離した場合も同様に議論が出来、特に、差出力を得る場合には、光軸Lを境界にして対応する受光素子間同士で行うようにすれば良い。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。   In the above description, the case where two divided light receiving elements are applied has been described. However, the same discussion can be made when a plurality of light receiving elements are separated from the object S in the beam separation direction with the optical axis L as a boundary. In order to obtain a difference output, it is only necessary to perform it between corresponding light receiving elements with the optical axis L as a boundary. If only the sum output of a plurality of light receiving elements is used, the same can be realized by using one light receiving element.

一方、前記光学系は、瞳伝達光学系により結合された直交する2つの1次元走査ディバイスとしたが、2次元走査ディバイスとしても良く、さらに瞳伝達光学系によりこれら走査ディバイスと対物レンズ16の射出瞳面とを結合する構成となっている。このような構成は、共焦点レーザー走査型顕微鏡の典型的な構成と同じであるため、共焦点レーザー走査型顕微鏡の受光光学系である共焦点光学系を組み込むことができる。   On the other hand, the optical system is two orthogonal one-dimensional scanning devices coupled by the pupil transmission optical system, but may be a two-dimensional scanning device. Further, the pupil transmission optical system emits these scanning devices and the objective lens 16. It is configured to connect with the pupil plane. Since such a configuration is the same as a typical configuration of a confocal laser scanning microscope, a confocal optical system that is a light receiving optical system of the confocal laser scanning microscope can be incorporated.

受光素子18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18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18の光電変換部19により検出され、信号比較器20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20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。
The light receiving element 18 detects the phase difference δ between the two beams LA and LB as a beat signal. That is, the intensity I of the two beams on the light receiving element 18 is detected by the photoelectric conversion unit 19 of the light receiving element 18 with a value based on the following expression, and is sent to the signal comparator 20.
I = (Ea + Eb) (Ea + Eb) * = A 2 + B 2 + 2ABcos (2π * 2fmt + δ)
Therefore, the phase difference δ can be measured by performing the phase comparison of the heterodyne detection at the frequency 2fm using the signal comparator 20. In this way, since the modulation frequency fm can be increased and the beam can be made very close, the lateral resolution can be increased and at the same time data can be acquired at high speed.

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。   That is, the time for performing the phase comparison is inversely proportional to the modulation frequency fm. For example, if data of 1000 points or more is to be acquired at a video rate (horizontal scanning frequency of about 16 KHz), the frequency of information acquisition at one point Is 16 MHz. If the modulation frequency fm is set to 8 MHz, the beat frequency becomes 16 MHz, so that information can be sufficiently acquired at the video rate.

以下、図6に基づき対物レンズの焦点深度についての説明をする。
図6(A)に示すような「対物レンズ焦点深度」を超えた高さを有する断面形状の物体である対象物Sの高さを測定した場合には、下記のようになる。
従来型のレーザー走査型顕微鏡では、図6(B)に示す「従来型横分解能」のように、高い横分解能で連続値として3次元の形状が取得できるが、対物レンズ焦点深度より対象物Sの高さが高いため、「対物レンズ焦点深度」の範囲をずらして2つの画像を取得しなければならならず、またこれに伴い深さ方向の形状の定量化が難しかった。
Hereinafter, the depth of focus of the objective lens will be described with reference to FIG.
When the height of the object S, which is a cross-sectional object having a height exceeding the “objective depth of focus” as shown in FIG. 6A, is measured, the result is as follows.
In a conventional laser scanning microscope, a three-dimensional shape can be acquired as a continuous value with a high lateral resolution as in the “conventional lateral resolution” shown in FIG. Therefore, it is necessary to shift the range of the “focus depth of objective lens” to acquire two images, and accordingly, it is difficult to quantify the shape in the depth direction.

これに対して、図6(C)に示すように、共焦点光学系では高さ方向に沿って「共焦点系高さ分解能」に合わせた数値情報を取得できるので、3次元グリッド上の位置座標として高さ情報を取得することが出来る。このため、図6(B)の3次元の形状と 図6(C)の高さ情報を合成することにより、図6(D)に示すように、数値化されかつ深い焦点深度とされる高分解能の画像を取得することが出来る。   On the other hand, as shown in FIG. 6C, the confocal optical system can acquire numerical information in accordance with the “confocal system height resolution” along the height direction. Height information can be acquired as coordinates. Therefore, by synthesizing the three-dimensional shape of FIG. 6B and the height information of FIG. 6C, as shown in FIG. A resolution image can be acquired.

以上により、本実施例によれば、横分解能がアッベの回折限界を超え、共焦点レーザー走査型顕微鏡と同等の分解能で深さ方向を定量化した3次元計測データを取得することが可能なレーザー走査型顕微鏡を得ることが出来る。したがって、これまでの各種光学顕微鏡で観察が難しく、電子顕微鏡や走査プローブ顕微鏡でしか観察出来なかった対象物の観察や計測をすることが可能となる。   As described above, according to this embodiment, a laser capable of acquiring three-dimensional measurement data whose lateral resolution exceeds the Abbe diffraction limit and whose depth direction is quantified with the same resolution as that of a confocal laser scanning microscope. A scanning microscope can be obtained. Therefore, it is possible to observe and measure an object that has been difficult to observe with various conventional optical microscopes and could only be observed with an electron microscope or a scanning probe microscope.

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。 On the other hand, by using a commercially available autostereoscopic display or a three-dimensional display using polarized glasses, it is possible to display a three-dimensional image at a video rate, which is useful in education, research, and medicine. It can be a device. Further, since the degree of overlap of the two beams is made smaller than the beam diameter, there is almost no difference in path between the two beams. Therefore, the influences of disturbance and vibration are also generated simultaneously by the two beams, and these influences are canceled out.

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。   On the other hand, in the present embodiment, an example in which the beam separation degree is much smaller than the individual beam diameters has been shown. However, by increasing the modulation frequency, the beam separation degree is increased and the beam diameter is approximately equal to the beam diameter. The optical system of the present invention is also useful when a degree of separation is required.

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。   In the above-described embodiment, the description has been given of the configuration in which two-dimensional scanning is performed by arranging two one-dimensional scanning devices orthogonally. However, if the application requires simple data in only one direction, 1 A similar effect can be obtained even in a system using only one stage of the dimension scanning device. As the one-dimensional scanning device, a micro mirror device, a resonant mirror, a galvano mirror, a rotating polygon mirror, or the like using a micromachine technique can be used. Furthermore, a high-speed scanner using a nonlinear optical crystal or a photonic crystal, which has been developed in recent years, can be used.

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。   In addition, in the micromirror device using the micromachine technology, there is a device capable of two-dimensional scanning with one device, but if this can be used, the second pupil transmission magnification optical system 12 is required. Disappear. Accordingly, the magnification becomes smaller by m2, but if the magnifications m1 and m3 of the first pupil transmission magnification optical system and the third pupil transmission magnification optical system are increased, the magnification magnification m4 can be maintained. Become.

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。   In the above, the means for acquiring data at high speed has been described. Next, means for significantly increasing the lateral resolution will be described.

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Aejθ(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。
Think in one dimension for simplicity. First, the phase distribution of the surface profile d (x) is set to Ae jθ (x) . Here, θ (x) = 2πd (x) / λ. In the case of reflection as in this embodiment, the optical path difference is doubled, so half of the observed θ (x) may be used as height information.
Now, when the acousto-optic modulation element is given a product signal (DSB modulation) of the carrier signal fc and the modulation signal fm as described above, the diffracted light is effectively light having two slightly separated frequencies of fc ± fm. It becomes. When converged by the objective lens, it becomes two beams separated by Δx, and each beam profile is u (x). In this case, the Fourier transform of the product of the surface profile and the beam profile is performed at a location away from the objective lens.

本レーザー走査型顕微鏡においては、一方の受光素子で受光されるビームは、ej(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、ej(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=∫(Aejθ(x) u(x)ejkxdx・ej(ωc-ωm)t+Aejθ(x+Δx) u(x)ejkxdx・ej(ωc+ωm)tとなる。
In this laser scanning microscope, the beam received by one light receiving element is modulated by ej (ωc-ωm) t , and is received by the other light receiving element separated by the center distance Δx. This beam is modulated by ej (ωc + ωm) t . Therefore, the complex amplitude distribution on the light receiving element is as follows.
E = ∫ (Ae jθ (x) u (x) e jkx dx · e j (ωc−ωm) t + Ae jθ (x + Δx) u (x) e jkx dx · e j (ωc + ωm) t .

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∫ej(θ(x)-θ(x'+Δx') u(x) u(x’) ejk(x-x')dxdx’e-j2ωmt
+A2∫e-j(θ(x)-θ(x'+Δx') u(x) u(x’) ejk(x-x')dxdx’ej2ωmt・・・・・(1)式
When the intensity I is detected by these light receiving elements, I = EE * and further 2 ωm heterodyne detection is performed, so the following equation (1) is obtained.
I (k) = A 2 ∫e j (θ (x) −θ (x ′ + Δx ′) u (x) u (x ′) e jk (x−x ′) dxdx′e −j2ωmt
+ A 2 ∫e −j (θ (x) −θ (x ′ + Δx ′) u (x) u (x ′) e jk (x−x ′) dxdx′e j2ωmt (1)

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’
Then, the approximate center of the irradiation areas A and B where the two beams LA and LB overlap each other is defined as a boundary line C in FIG. 3, and is a position sandwiching the boundary line C and is a separation direction of the beams LA and LB. Two light receiving elements are arranged away from the object S in correspondence with the positions along the separation direction of the respective irradiation areas A and B.
First, consider what the sum signal of the two light receiving elements will be. Since it is considered to be a Fourier transform plane at a position away from the object S, if the maximum spatial frequency that can be received by the light receiving element is Kmax, the intensity I is obtained from the following equation for the sum signal.
I = ∫I (k) dk (integration range is -Kmax to Kmax)
= A 2 ∫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
If the light receiving element is placed close to receive light up to a wider spatial frequency,
Since sin (Kmax (x−x ′)) / (x−x ′) = Kδ (x−x ′), the following equation (2) is obtained.
I = A 2 ∫cos (θ (x) −θ (x + Δx) −2ωmt) u (x) 2 dx (2)

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)
That is, the phase difference between the separation positions of the two beams is integrated by the weight of the beam profile.
When the equation (2) is modified, the following equation is obtained.
Iq = A 2 ∫cos (θ (x) −θ (x + Δx) u (x) 2 dx · cos (2ωmt)
Ii = A 2 ∫sin (θ (x) −θ (x + Δx) u (x) 2 dx · 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
Accordingly, the observed phase difference Θ is represented by the following equation (3) by orthogonal transformation.
Θ = tan −1 (∫sin (θ (x) −θ (x + Δx)) u (x) 2 dx / ∫cos (θ (x) −θ (x + Δx)) u (x) 2 dx) ... (3)

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’
On the other hand, considering the difference signal between the two light receiving elements, the following equation is obtained in the same manner as in the case of the sum signal.
I = ∫I (k) dk (integration range is 0 to Kmax) −∫I (k) dk (integration range is −Kmax to 0)
= A 2 ∫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)
If it is arranged to receive light up to a wider spatial frequency with the light receiving elements close to each other,
Since (cos (Kmax (x−x ′) − 1) / (x−x ′) = δ ′ (x−x ′) + 1 / x (δ (x) −1), the following equation (4) become that way.
I = A 2 ∫d / dx (sin (θ (x) −θ (x + Δx) −2ωmt)) u (x) 2 dx (4) Equation (4) Then, it becomes as follows.
Iq = A 2 d / dx (sin (θ (x) −θ (x + Δx)) u (x) 2 dx · cos (2ωmt)
Ii = −A 2 ∫d / dx (cos (θ (x) −θ (x + Δx)) u (x) 2 dx · 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
Therefore, the phase difference Θ observed by the orthogonal transformation is expressed by the following equation (5).
Θ = tan −1 (−∫d / dx (cos (θ (x) −θ (x + Δx)) u (x) 2 dx / ∫d / dx (sin (θ (x) −θ (x + Δx )) u (x) 2 dx) (5)

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。
Here, the expressions (3) and (5) are compared. The following points are qualitatively understood.
First, equation (3) shows the phase difference obtained as a result of smoothing the phase difference between two points separated by the center distance Δx of the beam with the weight function of u (x). The phase difference is shown. This is a process equivalent to a differential interference microscope.

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。   On the other hand, in equation (5), the differential of the phase difference between two points separated by the beam center distance Δx is smoothed by the weight function of u (x), so the original function is roughly restored. Will be. Therefore, when the beam is scanned, the phase difference and the position information can be acquired with a lateral resolution corresponding to the degree of beam separation.

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。   Here, the case where a two-part light receiving element is applied has been described, but a plurality of light receiving elements are separated from the object S along the separation direction of the two beams in the vicinity of the center of the overlapping area of the irradiation areas A and B. The same applies to the case where they are arranged. In particular, when a difference output is obtained, a difference calculation may be performed between a plurality of corresponding light receiving elements among a plurality of light receiving elements arranged corresponding to the vicinity of the center of the optical axis L. If only the sum output of a plurality of light receiving elements is used, the same can be realized by using one light receiving element.

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。   As described above, by processing the spatial frequency information on the Fourier transform plane, it is possible to bring about a very high lateral resolution improvement, particularly in the difference calculation. In addition, if the profile has an inclination in the beam, the direction in which light is reflected or transmitted is qualitatively different. Therefore, it is easily considered that a difference output as intensity is given to the two light receiving elements. More specifically, for changes in the profile smaller than the beam diameter, interference fringes formed by interference between the zeroth-order diffracted wave and the first-order diffracted wave of the Fourier transform in the region irradiated with light. Since the pattern in the far field is different between the two light receiving elements, the difference signal of the light receiving elements appears as an intensity difference reflected in the inclination of the profile.

本実施例は、実施例1で述べた共焦点光学系の挿入位置を変更した実施例である。
図7は、本発明の実施例の構成を示すブロック図である。本実施例では、実施例1において存在していたビームスプリッター10、集束レンズ22、ピンホール23、受光素子24及び光電変換部25を取り除き、偏光ビームスプリッター8で反射して分離された反射戻り光が受光素子18に送られる構成とされている。
In this embodiment, the insertion position of the confocal optical system described in the first embodiment is changed.
FIG. 7 is a block diagram showing the configuration of the embodiment of the present invention. In this embodiment, the beam return beam 10, the focusing lens 22, the pinhole 23, the light receiving element 24, and the photoelectric conversion unit 25 that existed in the first embodiment are removed, and the reflected return light reflected and separated by the polarization beam splitter 8 is used. Is sent to the light receiving element 18.

すなわち、偏光ビームスプリッター8はレーザー光である照明光が透過する配置とし、1/4波長板9を透過した反射戻り光は、偏光ビームスプリッター8により直角に反射され、音響光学変調素子4によりビームが分離される方向に沿って光軸を対称に2分割されている受光素子18の分割受光素子に入射する。光電変換部19においては、受光素子18を構成する各分割受光素子である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い、信号比較器20において必要に応じた素子の組合せで、和信号または差信号を作成することとする。   In other words, the polarization beam splitter 8 is arranged to transmit the illumination light, which is a laser beam, and the reflected return light transmitted through the quarter-wave plate 9 is reflected at a right angle by the polarization beam splitter 8 and is reflected by the acoustooptic modulator 4. Is incident on the divided light receiving element of the light receiving element 18 that is divided into two symmetrically along the optical axis. In the photoelectric conversion unit 19, electrical amplification corresponding to each photodiode which is each divided light receiving element constituting the light receiving element 18 is performed on a one-to-one basis, and the signal comparator 20 uses a combination of elements as necessary to obtain a sum. A signal or difference signal is to be created.

これに伴って、第1のデータ処理部21において、制御基板14からの音響光学変調素子4の変調信号を用いて、信号比較器20からの信号をヘテロダイン検波し、実質的な直交変換により強度情報と位相情報を得る。また、制御基板14から1次元走査ディバイス11、13の各制御信号に合わせて、前記した強度情報や位相情報に基づき、対物レンズ16の焦点深度内における3次元の画像を構築する。   Along with this, in the first data processing unit 21, the signal from the signal comparator 20 is heterodyne detected using the modulation signal of the acousto-optic modulation element 4 from the control board 14, and the intensity is obtained by substantial orthogonal transformation. Get information and phase information. In addition, a three-dimensional image within the focal depth of the objective lens 16 is constructed based on the intensity information and the phase information in accordance with the control signals of the one-dimensional scanning devices 11 and 13 from the control board 14.

他方、本実施例では、第2の瞳伝達拡大レンズ系12の第2の1次元走査ディバイス13側寄りのレンズと、第2の1次元走査ディバイス13との間に、ビームスプリッター33が配置されている。対象物Sからの反射戻り光は光軸L上の光路を戻り、第2の1次元走査ディバイス13による走査成分がキャンセルされて再びビームスプリッター33に入射し、直角に反射されることにより照明光束の光路から分離される。ただし、第1の1次元走査ディバイス11による偏向成分がキャンセルされていないため、第1の1次元走査ディバイス11による偏向方向に長いライン状の光束となる。   On the other hand, in this embodiment, a beam splitter 33 is disposed between the second pupil transmission magnifying lens system 12 near the second one-dimensional scanning device 13 and the second one-dimensional scanning device 13. ing. The reflected return light from the object S returns on the optical path on the optical axis L, the scanning component by the second one-dimensional scanning device 13 is canceled, enters the beam splitter 33 again, and is reflected at a right angle, thereby being illuminated. Separated from the optical path. However, since the deflection component by the first one-dimensional scanning device 11 is not canceled, a linear light beam that is long in the deflection direction by the first one-dimensional scanning device 11 is obtained.

この分離された戻り光光路に結像レンズ34を配置し、上記のライン状の光束方向に結像レンズ34の回折限界受光素子サイズを持つ受光素子を配列した1次元撮像素子35が、この結像レンズ34の焦点面に配置され、光電変換部36において適切な増幅処理を行う。
但し、前記1次元撮像素子35は、ライン方向に前記結像レンズ34の回折限界受光素子サイズを持つ受光素子が配列された受光素子アレイでもかまわない。
A one-dimensional imaging device 35 in which the imaging lens 34 is disposed in the separated return optical path and the light receiving elements having the diffraction-limited light receiving element size of the imaging lens 34 are arranged in the line-shaped light flux direction is connected to this connection. Arranged in the focal plane of the image lens 34, the photoelectric conversion unit 36 performs an appropriate amplification process.
However, the one-dimensional imaging element 35 may be a light receiving element array in which light receiving elements having the diffraction limited light receiving element size of the imaging lens 34 are arranged in the line direction.

前記結像レンズ34の焦点面は、前記対物レンズ16の焦点面と共役な位置となるため、観察試料の焦点が合った時のみ前記1次元撮像素子35における光量が最大となり、焦点位置がずれた場所からの光は前記1次元撮像素子35面上で受光素子サイズよりも大きくなり、受光される光量が著しく減少する。   Since the focal plane of the imaging lens 34 is a conjugate position with the focal plane of the objective lens 16, the amount of light in the one-dimensional image sensor 35 is maximized only when the observation sample is focused, and the focal position is shifted. The light from the spot becomes larger than the size of the light receiving element on the surface of the one-dimensional image sensor 35, and the amount of received light is remarkably reduced.

この結果、焦点深度が著しく浅くなり高さ方向の分解能が向上する。
実施例1と同様の移動機構26により対物レンズ16を高精度に移動させ、制御回路14からの1次元走査ディバイス11、13の位置情報とこの移動機構26の位置情報から、画素ごとに前記1次元撮像素子35で受光される光強度が最も高くなる焦点が合った位置を第2のデータ処理部27で求める処理をし、3次元の位置情報を構築する。なお、対物レンズ16を移動させる代わりに対象物Sを移動させる機構としても効果が同等である。
As a result, the depth of focus becomes remarkably shallow, and the resolution in the height direction is improved.
The objective lens 16 is moved with high accuracy by the moving mechanism 26 similar to that of the first embodiment, and the position information of the one-dimensional scanning devices 11 and 13 from the control circuit 14 and the position information of the moving mechanism 26 are used to determine the above 1 for each pixel. The second data processing unit 27 performs processing for obtaining a focused position where the light intensity received by the two-dimensional image sensor 35 is highest, thereby constructing three-dimensional position information. Note that the effect is the same as a mechanism for moving the object S instead of moving the objective lens 16.

前記第1のデータ処理部21において得られた、強度情報や位相情報に基づく対物レンズ16の焦点深度内で3次元の画像と、前記第2のデータ処理部27において得られた3次元の位置情報とが、第3のデータ処理部31において処理され、共焦点レーザー走査型顕微鏡と同等の分解能で深さ方向の定量化され、表面のプロファイル情報を簡単に導くことができ、表示装置32において表示する。   A three-dimensional image obtained in the first data processing unit 21 within the focal depth of the objective lens 16 based on intensity information and phase information, and a three-dimensional position obtained in the second data processing unit 27 Information is processed in the third data processing unit 31 and quantified in the depth direction with the same resolution as that of the confocal laser scanning microscope, so that surface profile information can be easily derived. indicate.

以上のことから、対物レンズ16の焦点深度より深い高低差を持つ対象物Sにおいても測定が可能となる。また、データ処理部31は得られた3次元画像データを電子データとして保存する機能を有す。したがって、本実施例によれば、横分解能がアッベの回折限界を超え、共焦点レーザー走査型顕微鏡と同等の分解能で深さ方向を定量化した3次元計測データを取得することが可能なレーザー走査型顕微鏡を得ることが出来る。   From the above, it is possible to measure even the object S having an elevation difference deeper than the focal depth of the objective lens 16. The data processing unit 31 has a function of storing the obtained three-dimensional image data as electronic data. Therefore, according to the present embodiment, laser scanning capable of acquiring three-dimensional measurement data whose lateral resolution exceeds Abbe's diffraction limit and whose depth direction is quantified with the same resolution as a confocal laser scanning microscope. A type microscope can be obtained.

本実施例は、受光素子18により共焦点光学系を構成する実施例である。
図8は、本発明の実施例の構成を示すブロック図である。本実施例においても、実施例1において存在していたビームスプリッター10、集束レンズ22、ピンホール23、受光素子24及び光電変換部25を取り除き、偏光ビームスプリッター8で反射して分離された反射戻り光が受光素子18に送られる構成とされている。さらに、本実施例では、偏光ビームスプリッター8と受光素子18との間の反射戻り光の光軸上に、集束レンズ22及び、この収束レンズ22の焦点面に収束レンズ22の回折限界スポット径程度の径を有するピンホール23がそれぞれ配置されている。
In this embodiment, a confocal optical system is configured by the light receiving element 18.
FIG. 8 is a block diagram showing the configuration of the embodiment of the present invention. Also in the present embodiment, the beam splitter 10, the focusing lens 22, the pinhole 23, the light receiving element 24, and the photoelectric conversion unit 25 existing in the first embodiment are removed, and the reflection return reflected and separated by the polarization beam splitter 8. The light is sent to the light receiving element 18. Further, in the present embodiment, the focusing lens 22 on the optical axis of the reflected return light between the polarizing beam splitter 8 and the light receiving element 18, and the diffraction limited spot diameter of the focusing lens 22 on the focal plane of the focusing lens 22. The pinholes 23 having the diameters are arranged respectively.

偏光ビームスプリッター8は照明光が透過する配置とし、1/4波長板9を透過した反射戻り光は偏光ビームスプリッター8により直角に反射される。反射戻り光光軸に配置された収束レンズ22やピンホール23を通過し、このピンホール23の直後に音響光学変調素子4によりビームが分離される方向に沿って光軸を中心にして複数に分割されている受光素子18により、ピンホール23を透過した光束を受光する。   The polarization beam splitter 8 is arranged to transmit the illumination light, and the reflected return light transmitted through the quarter wavelength plate 9 is reflected by the polarization beam splitter 8 at a right angle. The reflected return light passes through the converging lens 22 and the pinhole 23 arranged on the optical axis, and immediately after the pinhole 23, the acoustooptic modulation element 4 divides the beam into a plurality around the optical axis along the direction in which the beam is separated. The divided light receiving element 18 receives the light beam that has passed through the pinhole 23.

収束レンズ22の焦点面は、前記対物レンズ16の焦点面と共役な位置となるため、観察試料である対象物Sの焦点が合った時のみ前記ピンホール23を光束が透過し、前記受光素子18で受光される。また、光電変換部19において、受光素子18を構成する各分割受光素子である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い、信号比較器20において必要に応じた素子の組合せで和信号または差信号を作成することが出来る。   Since the focal plane of the converging lens 22 is a conjugate position with the focal plane of the objective lens 16, the light beam is transmitted through the pinhole 23 only when the object S, which is the observation sample, is focused, and the light receiving element. 18 is received. Further, the photoelectric conversion unit 19 performs electrical amplification corresponding to each photodiode which is each divided light receiving element constituting the light receiving element 18 on a one-to-one basis, and the signal comparator 20 performs summation by combining the elements as necessary. A signal or difference signal can be created.

これに伴って、第1のデータ処理部21において、制御基板14からの音響光学変調素子4の変調信号を用いて、信号比較器20からの信号をヘテロダイン検波し、実質的な直交変換により強度情報と位相情報を得る。
また、制御基板14から1次元走査ディバイス11、13の各制御信号に合わせて、前記した強度情報や位相情報に基づき、共焦点光学系によって狭められた対物レンズ16の焦点深度内における3次元の画像を構築する。
Along with this, in the first data processing unit 21, the signal from the signal comparator 20 is heterodyne detected using the modulation signal of the acousto-optic modulation element 4 from the control board 14, and the intensity is obtained by substantial orthogonal transformation. Get information and phase information.
Further, in accordance with the control signals from the control board 14 to the one-dimensional scanning devices 11 and 13, the three-dimensional within the depth of focus of the objective lens 16 narrowed by the confocal optical system based on the intensity information and the phase information described above. Build an image.

焦点位置がずれた場所からの光については、前記ピンホール23面上で光束がピンホール径よりも大きくなり、受光素子18で受光される光量が著しく減少する。この結果、通常の顕微鏡に比べ焦点深度が著しく浅くなり縦分解能が大幅に向上する。
また、実施例1と同様の移動機構26により対物レンズ16を高精度に移動させ、画素ごとに焦点が合った高さを記憶させる。なお、対物レンズ16を移動させる代わりに対象物Sを移動させる機構としても効果が同等である。
For light from a location where the focal position is shifted, the light flux on the surface of the pinhole 23 becomes larger than the pinhole diameter, and the amount of light received by the light receiving element 18 is significantly reduced. As a result, the depth of focus is significantly shallower than that of a normal microscope, and the vertical resolution is greatly improved.
Further, the objective lens 16 is moved with high accuracy by the moving mechanism 26 similar to that of the first embodiment, and the focused height for each pixel is stored. Note that the effect is the same as a mechanism for moving the object S instead of moving the objective lens 16.

移動機構26により前記対物レンズ16を高精度に移動させ、制御回路14からの1次元走査ディバイス11、13の位置情報と移動機構26の位置情報とから、画素ごとに受光素子18で受光され、信号比較器20において作成された和信号の光強度が最も高くなる焦点が合った位置を第2のデータ処理部27で求める処理をし、3次元の位置情報を構築する。   The objective lens 16 is moved with high accuracy by the moving mechanism 26, and is received by the light receiving element 18 for each pixel from the positional information of the one-dimensional scanning devices 11 and 13 from the control circuit 14 and the positional information of the moving mechanism 26, The second data processing unit 27 performs processing for obtaining a focused position where the light intensity of the sum signal generated in the signal comparator 20 is the highest, thereby constructing three-dimensional position information.

以上より、本実施例においても、第1のデータ処理部21において得られた、強度情報や位相情報に基づく共焦点光学系で狭くなった対物レンズ16の焦点深度内での3次元画像と、前記第2のデータ処理部27において得られた3次元の位置情報とが、第3のデータ処理部31において処理され、共焦点レーザー走査型顕微鏡と同等の分解能で深さ方向の定量化され、表面のプロファイル情報を簡単に導くことができ、表示装置32において表示する。   As described above, also in this embodiment, the three-dimensional image within the focal depth of the objective lens 16 narrowed by the confocal optical system based on the intensity information and the phase information obtained in the first data processing unit 21; The three-dimensional position information obtained in the second data processing unit 27 is processed in the third data processing unit 31 and quantified in the depth direction with a resolution equivalent to that of a confocal laser scanning microscope. Surface profile information can be easily derived and displayed on the display device 32.

以上のことから、対物レンズ16の焦点深度より深い高低差を持つ対象物Sにおいても測定が可能となる。また、データ処理部31は得られた3次元画像データを電子データとして保存する機能を有す。したがって、本実施例によれば、横分解能がアッベの回折限界を超え、共焦点レーザー走査型顕微鏡と同等の分解能で深さ方向を定量化した3次元計測データを取得することが可能なレーザー走査型顕微鏡を得ることが出来る。   From the above, it is possible to measure even the object S having an elevation difference deeper than the focal depth of the objective lens 16. The data processing unit 31 has a function of storing the obtained three-dimensional image data as electronic data. Therefore, according to the present embodiment, laser scanning capable of acquiring three-dimensional measurement data whose lateral resolution exceeds Abbe's diffraction limit and whose depth direction is quantified with the same resolution as a confocal laser scanning microscope. A type microscope can be obtained.

本実施例は、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実施例である。
図9は、本発明の実施例の構成を示す透過型の光学系のブロック図である。
本実施例では、主要な光学系は、実施例1におけるビームスプリッター10、受光素子18、光電変換部19、および信号比較器20を削除し、この替りに、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をはさんで対物レンズ16と反対側に受光素子28を配置した。
In this embodiment, the reflection optical system described in the first embodiment is replaced with a transmission optical system.
FIG. 9 is a block diagram of a transmissive optical system showing the configuration of the embodiment of the present invention.
In the present embodiment, the main optical system deletes the beam splitter 10, the light receiving element 18, the photoelectric conversion unit 19, and the signal comparator 20 in the first embodiment, and instead of the light collected by the objective lens 16. Therefore, the light receiving element 28 is disposed on the opposite side of the objective lens 16 across the object S.

つまり、対物レンズ16の光軸の延長線上に、音響光学変調素子4によりビームが分離される方向に沿って光軸を中心にして複数分割された受光素子28の分割受光素子を配置する。 光電変換部29において、受光素子28を構成する各分割受光素子である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い、信号比較器30において、必要に応じた分割受光素子の組合せにより和信号または差信号を作成することが出来る。第1のデータ処理部21において、制御基板14からの音響光学変調素子4の変調信号を用いて、信号比較器30からの信号をヘテロダイン検波し、実質的な直交変換により強度情報と位相情報を得る。   That is, on the extension line of the optical axis of the objective lens 16, a divided light receiving element of the light receiving element 28 that is divided into a plurality of parts around the optical axis is arranged along the direction in which the beam is separated by the acousto-optic modulation element 4. In the photoelectric conversion unit 29, electrical amplification corresponding to each photodiode which is each divided light receiving element constituting the light receiving element 28 is performed on a one-to-one basis, and in the signal comparator 30, depending on the combination of the divided light receiving elements as necessary. Sum or difference signals can be created. In the first data processing unit 21, the signal from the signal comparator 30 is heterodyne detected using the modulation signal of the acousto-optic modulation element 4 from the control board 14, and the intensity information and the phase information are obtained by substantial orthogonal transformation. obtain.

また、制御基板14から1次元走査ディバイス11、13の各制御信号に合わせ、強度情報や位相情報に基づき、対物レンズ16の焦点深度内における3次元の画像を構築する。
本実施例の場合、反射型に比較して、対象物Sに近接して受光素子28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。
Further, a three-dimensional image within the depth of focus of the objective lens 16 is constructed based on intensity information and phase information in accordance with the control signals of the one-dimensional scanning devices 11 and 13 from the control board 14.
In the case of the present embodiment, since the light receiving element 28 can be disposed closer to the object S than in the reflective type, the obtainable spatial frequency can be set very high. As a result, since the reproducibility of the spatial frequency of the object S is improved, the lateral resolution can be further improved. In particular, observation and measurement of living organisms and cells can be performed with very high resolution in the state of being alive. This is a feature that is greatly different from a measuring instrument such as an electron microscope that cannot be observed unless the living body is killed even at a high magnification.

以上より、本実施例においても、第1のデータ処理部21において得られた、強度情報や位相情報に基づく対物レンズ16の焦点深度内で3次元の画像と、前記第2のデータ処理部27において得られた3次元の位置情報とが、第3のデータ処理部31において処理され、共焦点レーザー走査型顕微鏡と同等の分解能で深さ方向の定量化され、表面のプロファイル情報を簡単に導くことができ、表示装置32において表示する。   As described above, also in the present embodiment, the three-dimensional image within the focal depth of the objective lens 16 based on the intensity information and the phase information obtained in the first data processing unit 21 and the second data processing unit 27. The three-dimensional position information obtained in step 3 is processed in the third data processing unit 31 and is quantified in the depth direction with the same resolution as that of the confocal laser scanning microscope, and the surface profile information is easily derived. Can be displayed on the display device 32.

以上のことから、対物レンズ16の焦点深度より深い高低差を持つ対象物Sにおいても測定が可能となる。また、データ処理部31は得られた3次元画像データを電子データとして保存する機能を有す。したがって、本実施例によれば、横分解能がアッベの回折限界を超え、共焦点レーザー走査型顕微鏡と同等の分解能で深さ方向を定量化した3次元計測データを取得することが可能なレーザー走査型顕微鏡を得ることが出来る。   From the above, it is possible to measure even the object S having an elevation difference deeper than the focal depth of the objective lens 16. The data processing unit 31 has a function of storing the obtained three-dimensional image data as electronic data. Therefore, according to the present embodiment, laser scanning capable of acquiring three-dimensional measurement data whose lateral resolution exceeds Abbe's diffraction limit and whose depth direction is quantified with the same resolution as a confocal laser scanning microscope. A type microscope can be obtained.

本実施例は、実施例2で述べた反射光学系を透過光学系に置き換えた実施例である。
図10は、本発明の実施例の構成を示す透過型の光学系のブロック図である。本実施例における主要な光学系は、実施例2における偏光ビームスプリッター8、1/4波長板9、受光素子18、光電変換部19、および信号比較器20を削除し、前記実施例4で述べた対象物Sをはさんで対物レンズ16と反対側に配置された受光系である受光素子28を加えたものであるため、詳細な説明を割愛する。
In this embodiment, the reflection optical system described in the second embodiment is replaced with a transmission optical system.
FIG. 10 is a block diagram of a transmissive optical system showing the configuration of the embodiment of the present invention. The main optical system in this embodiment is the same as that described in Embodiment 4 except that the polarizing beam splitter 8, the quarter wavelength plate 9, the light receiving element 18, the photoelectric conversion unit 19, and the signal comparator 20 in Embodiment 2 are omitted. Further, since the light receiving element 28 which is a light receiving system disposed on the opposite side of the objective lens 16 with the object S interposed therebetween is added, a detailed description is omitted.

本実施例は、反射光学系と透過光学系と併用する場合の実施例である。
図11は、本発明の実施例の構成を示す光学系のブロック図である。実施例1から実施例3において述べた反射光学系に、対象物Sをはさんで対物レンズ16と反対側に配置された受光系である受光素子28を加えたものであるため、詳細な説明を割愛する。なお、本実施例の代表例としては、この図11に示す実施例1の構成に透過系を加えた構成であり、このような構成によれば、1台のレーザー走査型顕微鏡で反射像と透過像をそれぞれ撮像可能となり、また同時に撮像することも可能となる。
This embodiment is an embodiment in the case of using both a reflection optical system and a transmission optical system.
FIG. 11 is a block diagram of an optical system showing the configuration of the embodiment of the present invention. Since the light receiving element 28 which is a light receiving system disposed on the opposite side of the objective lens 16 with the object S interposed therebetween is added to the reflecting optical system described in the first to third embodiments, a detailed description will be given. Omit. A typical example of the present embodiment is a configuration in which a transmission system is added to the configuration of the first embodiment shown in FIG. 11, and according to such a configuration, a reflected image is obtained with one laser scanning microscope. Each transmission image can be picked up and can be picked up at the same time.

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。   The embodiments according to the present invention have been described above, but the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

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型顕微鏡だけでなく、さまざまな種類の顕微鏡に好適なものである。   The present invention is suitable for various types of microscopes as well as laser scanning microscopes that perform high-speed observation and measurement of the surface shape of opaque objects by scanning with laser light, and observation and measurement of the surface or internal structure of transparent objects. Is.

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
5 第1の瞳伝達拡大レンズ系
6 ピンホール
7 制限開口
8 偏光ビームスプリッター
9 1/4波長板
10 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 第1の受光素子
19 光電変換部
20 信号比較器
21 第1のデータ処理部
22 集束レンズ
23 ピンホール
24 第2の受光素子
25 光電変換部
26 対物レンズ移動機構
27 第2のデータ処理部
28 第3の受光素子
29 光電変換部
30 信号比較器
31 第3のデータ処理部
32 表示装置
33 ビームスプリッター
34 結像レンズ
35 1次元撮像素子
36 光電変換部
S 対象物
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Laser light source 2 Collimator lens 3 Beam shaping optical system 4 Acousto-optic modulation element 5 1st pupil transmission expansion lens system 6 Pinhole 7 Restriction aperture 8 Polarization beam splitter 9 1/4 wavelength plate 10 Beam splitter 11 1st 1 Dimensional scanning device 12 Second pupil transmission magnifying lens system 13 Second one-dimensional scanning device 14 Control board 15 Third pupil transmission magnifying lens system 16 Objective lens 18 First light receiving element 19 Photoelectric conversion unit 20 Signal comparator 21 First data processing unit 22 Converging lens 23 Pinhole 24 Second light receiving element 25 Photoelectric conversion unit 26 Objective lens moving mechanism 27 Second data processing unit 28 Third light receiving element 29 Photoelectric conversion unit 30 Signal comparator 31 3 data processing section
32 Display device 33 Beam splitter 34 Imaging lens 35 One-dimensional imaging device 36 Photoelectric conversion unit S Object

Claims (9)

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し、制御信号に基づき2つの光を走査する走査光学素子と、
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、
前記光変調器の回折光出射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、前記光変調器と該対物レンズとの間に位置して、前記光変調器から出射された2つの光を拡大する瞳伝達拡大レンズ系と、
前記対物レンズおよび対象物のいずれかを2つの光の光路とされる光軸に沿って移動させて、これらの間の距離を相対的に変化させる移動手段と、
前記対象物からの反射光あるいは透過光を受光して光電変換し、かつ前記光変調器によって生じる2つの光の分離方向に沿って配置される2つ以上の分割受光素子からなる第1の受光素子と、
前記第1の受光素子で光電変換された各々の信号を和算または差算し、これら和算または差算に基づいて2つの光の位相情報および強度情報を得る信号比較手段と、
前記信号比較手段の位相情報および強度情報と前記走査光学素子の制御信号とから、対物レンズの焦点深度内の3次元画像を構築する第1のデータ処理部と、
対象物からの反射戻り光の光強度データに基づき、前記走査光学素子の制御信号および前記移動手段による移動量より3次元の位置情報を構築する第2のデータ処理部と、
前記対物レンズの焦点深度内の3次元画像と光強度データに基づく3次元の位置情報とにより定量化された3次元画像を構築する第3のデータ処理部と、
を含むことを特徴とするレーザー走査型顕微鏡。
A laser light source that emits laser light;
An optical modulator that emits light in different directions while modulating the laser light into two lights having mutually different frequencies;
A scanning optical element having a scanning element surface for one-dimensional scanning or two-dimensional scanning of the two lights, and scanning the two lights based on a control signal;
An objective lens that has a pupil position and emits two lights to the object being placed;
The diffracted light exit surface of the optical modulator and the pupil position of the objective lens are positioned so as to be conjugate with each other and positioned between the optical modulator and the objective lens and emitted from the optical modulator. A pupil transfer magnifying lens system that magnifies two lights;
Moving means for moving either the objective lens or the object along an optical axis that is an optical path of two lights, and relatively changing a distance between them;
First light reception comprising two or more divided light-receiving elements that receive reflected light or transmitted light from the object and perform photoelectric conversion, and are arranged along a separation direction of two lights generated by the light modulator. Elements,
Signal comparison means for summing or subtracting each signal photoelectrically converted by the first light receiving element and obtaining phase information and intensity information of the two lights based on the sum or difference;
A first data processing unit for constructing a three-dimensional image within the depth of focus of the objective lens from the phase information and intensity information of the signal comparison unit and the control signal of the scanning optical element;
A second data processing unit that constructs three-dimensional position information from the control signal of the scanning optical element and the amount of movement by the moving unit, based on the light intensity data of the reflected return light from the object;
A third data processing unit for constructing a three-dimensional image quantified by the three-dimensional image within the focal depth of the objective lens and the three-dimensional position information based on the light intensity data;
A laser scanning microscope characterized by comprising:
レーザー光源から射出された直線偏光であるレーザー光を円偏光に変換すると共に、対象物からの円偏光である反射戻り光を再び透過させて、前記レーザー光と偏波面が直交する直線偏光にする1/4波長板と、
前記レーザー光と偏波面が直交している反射戻り光を光路から分離する偏光ビームスプリッターと、
前記偏光ビームスプリッターにより分離された戻り光を集光するレンズと、
前記レンズの焦点面に配置された空間フィルタと、
空間フィルタを透過した反射戻り光を受光して光電変換することで光強度データを得る第2の受光素子と、
を有することを特徴とする請求項1記載のレーザー走査型顕微鏡。
The laser light, which is linearly polarized light emitted from the laser light source, is converted into circularly polarized light, and the reflected return light, which is circularly polarized light from the object, is transmitted again to obtain linearly polarized light whose polarization plane is orthogonal to the laser light. A quarter wave plate,
A polarized beam splitter that separates the reflected return light whose polarization plane is orthogonal to the laser light from the optical path;
A lens for collecting the return light separated by the polarization beam splitter;
A spatial filter disposed in the focal plane of the lens;
A second light receiving element that receives the reflected return light transmitted through the spatial filter and photoelectrically converts the reflected return light; and
The laser scanning microscope according to claim 1, comprising:
走査光学素子が、
前記2つの光を前記光変調器の回折方向に沿って走査する第1の走査光学素子と、
前記2つの光を第1の走査光学素子と直交する方向に沿って走査する第2の走査光学素子と、
を含み、
前記第1の走査光学素子と前記第2の走査光学素子との間に配置されて、対象物からの反射戻り光を分離するビームスプリッターと、
前記ビームスプリッターにより分離された戻り光を集光して結像するレンズと、
第2の受光素子として前記レンズの焦点面に位置し、かつ前記光変調器によって生じる2つの光の分離方向に沿って配列される複数の分割受光素子からなる1次元撮像素子と、
を有し、
第2のデータ処理部が、前記1次元撮像素子により受光して光電変換された反射戻り光の光強度データに基づき、前記走査光学素子の制御信号および前記移動手段による移動量より3次元の位置情報を構築することを特徴とする請求項1記載のレーザー走査型顕微鏡。
The scanning optical element
A first scanning optical element that scans the two lights along a diffraction direction of the light modulator;
A second scanning optical element that scans the two lights along a direction orthogonal to the first scanning optical element;
Including
A beam splitter disposed between the first scanning optical element and the second scanning optical element to separate reflected return light from the object;
A lens for focusing the return light separated by the beam splitter to form an image;
A one-dimensional imaging device comprising a plurality of divided light receiving elements positioned as a second light receiving element in the focal plane of the lens and arranged along a separation direction of two lights generated by the light modulator;
Have
Based on the light intensity data of the reflected return light received and photoelectrically converted by the second data processing unit received by the one-dimensional image sensor, a three-dimensional position is determined from the control signal of the scanning optical element and the amount of movement by the moving means. 2. The laser scanning microscope according to claim 1, wherein information is constructed.
レーザー光源から射出された直線偏光であるレーザー光を円偏光に変換すると共に、対象物からの円偏光である反射戻り光を再び透過させて前記レーザー光と偏波面が直交する直線偏光にする1/4波長板と、
前記レーザー光と偏波面が直交している反射戻り光を光路から分離する偏光ビームスプリッターと、
前記偏光ビームスプリッターにより分離された戻り光を集光するレンズと、
前記レンズの焦点面に配置されたピンホールと、
を有し、
前記第1の受光素子が、該ピンホールを透過した光を受光することにより第2の受光素子を兼ねることができ、
該第1の受光素子の受光に伴い、前記第1のデータ処理部が、共焦点光学系により狭められた対物レンズの焦点深度内の3次元の画像を構築することを特徴とする請求項1記載のレーザー走査型顕微鏡。
The laser light that is linearly polarized light emitted from the laser light source is converted into circularly polarized light, and the reflected return light that is circularly polarized light from the object is transmitted again to obtain linearly polarized light whose polarization plane is orthogonal to the laser light 1 / 4 wavelength plate,
A polarized beam splitter that separates the reflected return light whose polarization plane is orthogonal to the laser light from the optical path;
A lens for collecting the return light separated by the polarization beam splitter;
A pinhole located in the focal plane of the lens;
Have
The first light receiving element can also serve as the second light receiving element by receiving the light transmitted through the pinhole,
The first data processing unit constructs a three-dimensional image within the depth of focus of the objective lens narrowed by the confocal optical system in response to light reception by the first light receiving element. The laser scanning microscope described.
前記第1の受光素子が、対象物を透過した光を対象物の直下で受光することを特徴とする請求項1から請求項4の何れかに記載のレーザー走査型顕微鏡。   The laser scanning microscope according to any one of claims 1 to 4, wherein the first light receiving element receives light that has passed through the object directly under the object. 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変調素子と、
前記音響光学変調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5のいずれかに記載のレーザー走査型顕微鏡。
The light modulator is
An acousto-optic modulation element on which laser light emitted from the laser light source is incident;
A signal generator for applying a carrier AC signal and a sine wave signal to the acoustooptic modulator;
The laser scanning microscope according to claim 1, comprising:
前記光学素子は、ガルバノミラーやレゾナントミラーによる1次元走査素子、非線形光学結晶やフォトニック結晶を用いた光走査ディバイス、2つの1次元走査ディバイスと瞳伝達拡大レンズ系よりなる2次元走査光学系、または、1次元または2次元のマイクロミラーディバイスとされることを特徴とする請求項1から請求項6の何れかに記載のレーザー走査型顕微鏡。 The optical element includes a one-dimensional scanning element using a galvanometer mirror or a resonant mirror, an optical scanning device using a nonlinear optical crystal or a photonic crystal, a two-dimensional scanning optical system comprising two one-dimensional scanning devices and a pupil transmission magnifying lens system, The laser scanning microscope according to claim 1 , wherein the laser scanning microscope is a one-dimensional or two-dimensional micromirror device. 前記第1の受光素子により受光された光を光電変換する光電変換部がビート信号を作成し、この作成されたビート信号は、前記第1の受光素子を構成する複数の分割受光素子のすべての分割受光素子の和信号、または、前記複数の分割受光素子の対応する位置にある分割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1から請求項7の何れかに記載のレーザー走査型顕微鏡。 A photoelectric conversion unit that photoelectrically converts light received by the first light receiving element creates a beat signal, and the generated beat signal is generated by all of the plurality of divided light receiving elements that constitute the first light receiving element. The laser according to any one of claims 1 to 7 , wherein the laser is obtained from a sum signal of the divided light receiving elements or a difference signal between the divided light receiving elements at corresponding positions of the plurality of divided light receiving elements. Scanning microscope. 前記移動手段による移動は、ステッピングモータ駆動によるステージ移動、ピエゾ素子による直接またはステージ移動とされることを特徴とする請求項1から請求項8の何れかに記載のレーザー走査型顕微鏡。 9. The laser scanning microscope according to claim 1, wherein the movement by the moving means is a stage movement driven by a stepping motor, a direct movement by a piezo element, or a stage movement.
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