JP6997480B2 - レーザー走査顕微鏡、レーザー走査顕微鏡システム及びレーザーアブレーションシステム - Google Patents

Description

本発明は、レーザー走査顕微鏡、及びそれを用いたレーザー走査顕微鏡システム並びにレーザーアブレーションシステムに関する。

従来、レーザー光を試料表面に照射し、試料からの反射光、試料から発生する蛍光やラマン散乱光等を光検出装置により検出して観察するレーザー走査顕微鏡が広く使用されている（例えば、特許文献１を参照）。光検出装置が検出した光信号は、コンピューターにより記録され、画像に再構成される。

特許文献１記載の光学顕微鏡は、試料の外観を観察するための観察用光学系と、試料の深度に関する情報を得るための共焦点光学系とを備える。観察用光学系は、観測用光源の白色光が試料で反射され、対物レンズ、結像レンズ等を通過して、ＣＣＤカメラで撮像される。共焦点光学系は、レーザー光を試料表面に集光させて走査するために、ガルバノミラー及びｆθレンズからなる走査機構を備える。試料表面から反射したレーザー光は、対物レンズ、結像レンズ等を通過して、共焦点に配設したイメージセンサに集光し、その受光量を測定して得られた断面情報を、ＣＣＤカメラの画像と重ね合わせた画像としてモニターに表示する。

また、固体結晶等のターゲット材料を配置した試料チャンバ内にキャリアガスの流れを導入し、レーザーパルスの照射によりターゲットの一部から放出又は生成される粒子を、質量分光システム等の分析システムに移送してターゲット材料の組成を分析するレーザーアブレーション装置が知られている（例えば、特許文献２を参照）。特許文献２記載のレーザーアブレーション装置は、試料チャンバーに置かれた試料スライドの画像をユーザーが見て、試料スライドの結晶粒上にレーザー予定位置を設定できるように、レーザーに固定されたカメラ／顕微鏡を備えている。

前記カメラ／顕微鏡の視野は、レーザー予定位置を設定するスキャン配置プロセスで配置保存されたアブレーションパターンのカーネル画像と、カメラ／顕微鏡の現在の視野の画像とを比較するために使用される。レーザー予定位置と現在のレーザー位置との間に生じる誤差を補正するように、運動制御システムがカメラ／顕微鏡及びレーザーに対して試料チャンバを移動させることによって、設定されたレーザー予定位置で正確にレーザーを照射することを保証している。

他方、試料の質量分析を行うために、レーザー光を照射して試料に含まれる元素をその表面から蒸散除去するレーザーアブレーションが広く利用されている（例えば、特許文献３を参照）。このようにレーザーアブレーションを行うシステムは、レーザー照射部と共に、試料の表面を観察するために光学顕微鏡を備えている。

特開平８－１６０３０６号公報 特開２０１８－１２６７８８号公報 特開２０１８－１３６１９０号公報

上述した従来のレーザー走査顕微鏡において、試料の観察過程で、ＣＣＤカメラにおける撮像倍率を変更するために対物レンズを交換したとき、対物レンズの焦点位置が試料表面から大きくずれると、ＣＣＤカメラの画像が真っ暗になってしまう。そのため、再度イメージセンサーが受光するレーザー光を測定し、その光量がピークとなるように、対物レンズ及び／又は試料ステージの上下位置を大きく調整し直すという、面倒な作業が必要になる。

また、多くの従来のレーザー走査顕微鏡は、１枚若しくは２枚のガルバノミラー、及び／又はＸＹ方向に駆動される試料ステージを用いて、試料表面をレーザー光の集光スポットで直線方向に走査してラインを形成し、このラインから次のラインにラスタ式に走査することによって、平面画像を形成している。しかし実際には、ランダムな走査パターンでレーザー光を走査したい場合や、観察の途中又はその後で、走査パターンを変更したり追加したい場合がある。そのような場合に、走査パターンの設定、変更、追加を容易に行い、しかも高精度に走査できることが望ましい。

特許文献２記載の従来装置では、上述したように、保存されたアブレーションパターンのカーネル画像とカメラ／顕微鏡の現在の視野の画像との間で発生するレーザー予定位置と現在のレーザー位置との誤差を解消するために、その位置誤差が許容範囲内にあるか否かを決定し、位置誤差を計算して試料チャンバを移動させる。しかも、これらの運動制御システムによる比較、決定、試料チャンバの移動は、位置誤差が許容範囲内になるまで、繰り返し実行されるという問題がある。

また、レーザーアブレーションによる質量分析では、レーザー光の照射により試料表面を一様な深さで除去させることによって、精度の良い定量分析が可能である。そのためには、レーザー照射される試料表面を現場で高精度に明瞭に観察できることが望ましい。

本発明の目的は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、レーザー光を所望の走査パターンで高精度に走査することができ、対物レンズの交換による倍率の変更やレーザー光の走査パターンの変更・追加等の観察条件の変更に対しても、容易に対応し得るレーザー走査顕微鏡及びレーザー走査顕微鏡システムを提供することにある。

本発明の別の目的は、レーザー照射される試料表面を現場で高精度に明瞭に観察でき、試料に含まれる元素の定量分析を良好な精度で行い得るレーザーアブレーションシステムを提供することにある。

本発明は、レーザー光で走査することによって試料の表面又はその付近から発生する観察光を検出するレーザー走査顕微鏡であって、
所定波長のレーザー光を出力するレーザー光源と、
前記観察光を検出する撮像素子と、
照明光を出力する照明光源と、
前記レーザー光源からのレーザー光で前記試料表面を走査するための走査光学系と、
前記照明光源からの照明光を前記試料表面に照射するための照明光学系と、
前記試料表面又はその付近からの観察光を前記撮像素子に結像させるための観察光学系とを備え、
前記走査光学系は、前記レーザー光源から前記試料表面に向けて順に配置された、ガルバノスキャナーと、ｆθレンズと、第１結像レンズと、対物レンズとからなり、
前記照明光学系は、前記照明光源から前記試料表面に向けて順に配置された、集光レンズと、前記対物レンズとからなり、
前記観察光学系は、前記試料表面から前記撮像素子に向けて順に配置された、前記対物レンズと、第２結像レンズとからなり、
前記撮像素子の撮像面は、前記ｆθレンズの焦点面の共焦点位置に設定され、
前記観察光学系は、前記レーザー光の走査によって前記試料表面から発生する前記所定波長の反射レーザー光の通過を阻止し、それ以外の光を通過させる光学素子を更に備え、
前記レーザー光の走査によって前記試料表面又はその付近から発生する前記観察光及び前記照明光の照射によって前記試料表面から発生する反射照明光は、前記観察光学系の前記光学素子を通して前記撮像素子に集光され、結像されることを特徴とする。

また、本発明のレーザー走査顕微鏡システムは、上述した本発明のレーザー走査顕微鏡と、制御装置と、画像表示装置とを備え、前記制御装置は、前記レーザー走査顕微鏡を制御して前記レーザー光で前記試料表面を走査させ、前記撮像素子が検出した前記観察光の２次元画像を形成し、前記画像表示装置を制御して、その画面に前記形成した観察光の２次元画像を表示させる、ことを特徴とする。

更に、本発明のレーザーアブレーションシステムは、レーザー走査顕微鏡と、試料の質量分析を行う質量分析部とからなり、
前記レーザー走査顕微鏡は、
所定波長のレーザー光を出力するレーザー光源と、
前記レーザー光で走査することによって試料の表面又はその付近から発生する観察光を検出する撮像素子と、
照明光を出力する照明光源と、
前記レーザー光源からのレーザー光で前記試料表面を走査するための走査光学系と、
前記照明光源からの照明光を前記試料表面に照射するための照明光学系と、
前記試料表面又はその付近からの観察光を前記撮像素子に結像させるための観察光学系とを備え、
前記走査光学系は、前記レーザー光源から前記試料表面に向けて順に配置された、ガルバノスキャナーと、ｆθレンズと、第１結像レンズと、対物レンズとからなり、
前記照明光学系は、前記照明光源から前記試料表面に向けて順に配置された、集光レンズと、前記対物レンズとからなり、
前記観察光学系は、前記試料表面から前記撮像素子に向けて順に配置された、前記対物レンズと、第２結像レンズとからなり、
前記撮像素子の撮像面は、前記ｆθレンズの焦点面の共焦点位置に設定されると共に、
前記試料を載置するための試料ステージと、前記試料ステージを前記対物レンズに関して光軸方向に相対的に移動させる第１駆動機構とを更に備え、
前記観察光学系は、前記撮像素子を前記第２結像レンズに関して光軸方向に相対的に移動させる第２駆動機構を有し、
前記レーザー光の走査によって前記試料表面又はその付近から発生する前記観察光及び前記照明光の照射によって前記試料表面から発生する反射照明光は、前記観察光学系を通して前記撮像素子に集光され、結像されることを特徴とする。

本発明のレーザー走査顕微鏡によれば、観察光学系により観察光を結像させる撮像素子の撮像面が、走査光学系のガルバノスキャナーからのレーザー光を集光するｆθレンズの焦点面の共焦点位置に設定されているから、撮像面に結像される観察光の座標位置は、ｆθレンズの焦点面で走査されるレーザー光の座標位置と１対１で対応する。これにより、ガルバノスキャナーによってｆθレンズの焦点面の座標系で行われるレーザー光の走査は、撮像素子の撮像面の座標系に１対１対応で反映される。従って、試料表面におけるレーザー光の走査の正確さ・精度を、撮像素子が検出する観察光から確認、評価することができる。

本発明のレーザー走査顕微鏡システムによれば、ユーザーは、制御装置によって形成される観察光の２次元画像を画像表示装置の画面上で直接観察できるので、試料表面におけるレーザー光の走査の正確さ・精度をより簡単かつ確実に確認、評価することができる。

本発明のレーザーアブレーションシステムによれば、第１駆動機構によって試料ステージを対物レンズに関して好適な作動距離に位置決めし、かつ第２駆動機構によって撮像素子を第２結合レンズに関して好適な撮像位置に位置決めされるので、レーザー照射により試料表面を良好にレーザーアブレーションすることができ、良好な精度で試料の定量分析を行うことができる。

本発明によるレーザー走査顕微鏡システムの好適な実施形態の構成全体を概略的に示すブロック図である。 図１のレーザー走査顕微鏡システムの制御構成を示すブロック図である。 （ａ）図は、レーザー光に走査される試料ステージ上の試料表面を概略的に示す図、（ｂ）図は、レーザー光に走査されるｆθレンズの仮想走査面を示す図、（ｃ）図は、試料表面からの光が結像する撮像素子の撮像面を示す図である。 （ａ）図は、表示パネル上の試料表面の撮像画像に、ユーザーが閉じた線形状で走査予定範囲を上書きした表示画像、（ｂ）図は、レーザー光走査により試料表面付近に発生したプラズマ発光の撮像画像に、保存されている走査予定範囲を重ね合わせた表示画像である。 （ａ）図は、表示パネル上の試料表面の撮像画像に、ユーザーが開いた線形状で走査予定範囲を上書きした表示画像、（ｂ）図は、レーザー光走査により試料表面付近に発生したプラズマ発光の撮像画像に、保存されている走査予定範囲を重ね合わせた表示画像である。 図１のレーザー走査顕微鏡システムによるレーザー光の軌跡観察過程のフロー図である。 本発明によるレーザー走査顕微鏡システムの変形例を示す図１と同様のブロック図である。 本発明によるレーザー走査顕微鏡を用いたレーザーアブレーションシステムの好適な実施形態の構成全体を概略的に示すブロック図である。 図８の観察光学系の構成を部分的に示すブロック図である。 図８の試料ステージ及び試料セルの構成を示すブロック図である。 図８のレーザーアブレーションシステムにおける予備測定の過程を示すフロー図である。 基準試料表面に異なるＸＹＺ座標位置で形成された多数のレーザー照射痕を例示的に示す説明図である。 （ａ）図は、実際の基準試料表面に測定作動距離で形成されたレーザー照射痕を平面視した拡大写真、（ｂ）図は、（ａ）図のレーザー照射痕を模式的に示す断面図である。 （ａ）図は、実際の基準試料表面に基準作動距離で形成されたレーザー照射痕を平面視した拡大写真、（ｂ）図は、（ａ）図のレーザー照射痕を模式的に示す断面図である。

以下に、添付図面を参照しつつ、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。

図１は、本発明の好適な実施形態にかかるレーザー走査顕微鏡システムの構成全体を概略的に示している。レーザー走査顕微鏡システム１は、レーザー走査顕微鏡２と、コンピューター３と、画像表示装置４とを備える。コンピューター３は、レーザー走査顕微鏡２及び画像表示装置４に接続され、それらの動作を制御すると共に、それらから入力する信号の処理を行う。画像表示装置４は、コンピューター３から出力される画像データを表示すると共に、ユーザーが電子ペンで描画したり情報を入力し得る機能を備えた表示パネルを有する。

レーザー走査顕微鏡２は、走査光学系５と、照明光学系６と、観察光学系７とを有する。更にレーザー走査顕微鏡２は、観察対象物である試料Ｓを載置するための試料ステージ８を備える。

走査光学系５は、試料ステージ８上の試料Ｓの表面をレーザー光で走査する。そのために、走査光学系５は、レーザー光源１０と、ガルバノスキャナー１１と、ｆθレンズ１２と、第１結合レンズ１３と、ダイクロイックミラー１４と、対物レンズ１５とを、この順に光軸上に配置して構成される。

レーザー光源１０は、例えば固体レーザー、半導体レーザー、ガスレーザー等の公知のレーザー発振器からなり、所定波長のレーザー光Ｌ１を出射する。レーザー光源１０は、レーザー光の出力を高速でオン／オフしてパルス発振するパルスレーザーであっても、オン状態に維持してレーザー光を連続的に出力する連続波レーザーであっても良い。

ガルバノスキャナー１１は、互いに直交する２つの回転軸周りにそれぞれ第１，第２ガルバノモーター１６，１７によって回転する第１，第２ガルバノミラー１８，１９を有する２軸走査型である。後述するように、ガルバノスキャナー１１の動作は、レーザー光源１０によるレーザー光の出力と同期させて制御される。

ｆθレンズ１２は、その焦点位置即ち焦点面Ｐfが、第１結合レンズ１３の焦点位置と光軸上で一致するように配置される。ダイクロイックミラー１４は、レーザー光源１０が発する所定波長のレーザー光は反射するが、それ以外の波長の光は透過することができる。対物レンズ１５は、その光軸に沿って即ち図中上下方向に移動可能に、試料ステージ８の直ぐ上方に配置され、必要に応じて所望の倍率のものに交換することができる。試料ステージ８は、対物レンズ１５の光軸に平行なＺ方向、及び／又はＺ方向にそれぞれ直交しかつ互いに直交するＸ方向及び／又はＹ方向に移動可能に設けることができる。

照明光学系６は、試料ステージ８上の試料Ｓを観察するための照明光を照射する。そのために、照明光学系６は、照明光源２１と、集光レンズ２２と、ハーフミラー２３と、他の光学系５、７と共通のダイクロイックミラー１４及び対物レンズ１５とを、この順に光軸上に配置して構成される。照明光源２１は、例えば白色の照明光を出射するハロゲンランプ等の白色光源である。集光レンズ２２は、照明光源２１からの照明光を集光してハーフミラー２３に送り、ハーフミラー２３は、入射する照明光の一部（略半分）をダイクロイックミラー１４及び対物レンズ１５に向けて反射する。

観察光学系７は、試料ステージ８上の試料Ｓを観察するために、試料Ｓから反射される光を検出する。そのために、観察光学系７は、他の光学系５、６と共通の対物レンズ１５及びダイクロイックミラー１４と、照明光学系６と共通のハーフミラー２３と、第２結合レンズ２４と、撮像カメラ２５とを、この順に光軸上に配置して構成される。本実施形態において、第２結合レンズ２４は、走査光学系５の第１結合レンズ１３と光学的に同じ光学素子であり、従って同じ倍率及び焦点距離を有する。

撮像カメラ２５は、ＣＣＤ（charge coupled device）イメージセンサーやＣＭＯＳ（complementary metal-oxide semiconductor）イメージセンサー等の撮像素子２６を備える。撮像素子２６は、その撮像面Ｐiを第２結合レンズ２４の焦点位置に、該第２結合レンズの光軸に直交させて配置されている。これにより、撮像カメラ２５の撮像面Ｐiは、走査光学系５のｆθレンズ１２の焦点面Ｐfの共焦点位置に設定される。撮像カメラ２５が撮像した画像は、デジタル信号としてコンピューター３に出力される。

また、レーザー走査顕微鏡２は、ガルバノスキャナー１１の駆動を制御するガルバノコントローラー２７を備える。更にレーザー走査顕微鏡２は、試料ステージ８をＸＹＺ方向に移動させる移動機構の駆動を制御する試料ステージ移動コントローラー（２８，図２）、及び対物レンズ１５の位置を光軸方向に調整する調整機構の駆動を制御する対物レンズ位置コントローラー（２９，図２）を備える。

画像表示装置４は、例えば液晶ディスプレイ（liquid crystal display：ＬＣＤ）からなる表示パネル４１を備える。表示パネル４１上には、例えば電磁誘導式のポインティングデバイスである公知のデジタイザー４２が配置されている。前記デジタイザーは、ユーザーが電子ペン４３を用いて接触した表示パネル４１上の位置即ち座標及びその動きを検出して出力する。

更に表示パネル４１上には、必要に応じてタッチパネル４４を配置することができる。タッチパネル４４は、例えば公知の静電容量式のポインティングデバイスであり、ユーザーが指で又は電子ペン４３を用いて接触した表示パネル４１上の位置及びその動きを検出して出力する。

図２は、コンピューター３の制御構成を概略的に示している。コンピューター３は、制御部３１と、演算処理部３２と、記憶部３３と、通信部３４と、入力部３５とを備える。演算処理部３２は、撮像カメラ２５から出力される画像信号、及び表示パネル４１のデジタイザー４２並びにタッチパネル４４から出力される座標及びその動きに関する位置情報を処理する。記憶部３２は、撮像カメラ２５からの前記画像信号、表示パネル４１からの前記位置情報、及び演算処理部３２により処理された画像データを記憶する。通信部３３は、撮像カメラ２５を含むレーザー走査顕微鏡２、画像表示装置４、及び任意により他の外部装置と双方向で通信する。入力部３４は、ユーザーによって操作される外部のキーボード、マウス、テンキー等の入力装置に接続されている。

制御部３１は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなり、コンピューター３内の演算処理部３２、記憶部３３、通信部３４及び入力部３５の動作を制御すると共に、コンピューター３に接続されたレーザー走査顕微鏡２、画像表示装置４、及び必要に応じて他の外部デバイスを制御する。演算処理部３２が行う信号処理等のプログラムは、該演算処理部が有するＲＯＭ（図示せず）に格納されている。制御部３１がレーザー走査顕微鏡２及び画像表示装置４に対して行う試料観察のプロクラムは、制御部３１の前記ＲＯＭ又は記憶部３２に格納される。

走査光学系５において、レーザー光源１０から発せられたレーザー光Ｌ１は、第１及び第２ガルバノミラー１８，１９に反射されてｆθレンズ１２に入射し、その焦点面Ｐfに集光された後、第１結合レンズ１３を通過してダイクロイックミラー１４に反射され、対物レンズ１５を通って試料ステージ２１上の試料Ｓ表面に集光される。レーザー光Ｌ１の集光位置は、ガルバノスキャナー１１によって試料Ｓ表面をＸ方向及び／又はＹ方向に移動し、それにより試料Ｓ表面は、レーザー光Ｌ１でＸ方向及び／又はＹ方向走査される。

より具体的には、ガルバノスキャナー１１において、第１及び／又は第２ガルバノモーター１６，１７を駆動して、第１及び／又は第２ガルバノミラー１８，１９を回転させることによって、ｆθレンズ１２の焦点面Ｐf上でレーザー光Ｌ１の集光位置が移動する。即ち、ｆθレンズ１２の焦点面Ｐfを仮想走査面として、ガルバノスキャナー１１とｆθレンズ１２とによりレーザー光Ｌ１の走査が行われる。試料Ｓ表面の走査は、焦点面Ｐf（前記仮想走査面）における走査を、第１結合レンズ１３及び対物レンズ１５の通過により縮小された倍率で行われる。従って、対物レンズ１５を交換した場合でも、試料Ｓ表面でのレーザー光Ｌ１の走査は、前記仮想走査面における対物レンズ交換前と同じ走査が、交換後の対物レンズ１５の倍率に縮小又は拡大した形で行われる。

レーザー光Ｌ１には、レーザー走査顕微鏡２の用途に応じて様々なレーザー光を用いることができる。例えば生物学・医学の分野で蛍光顕微鏡として使用する場合、生体又は非生体試料がレーザー光に励起されて放出する蛍光を検出する。例えばネオジウム・イルフレーザーのような青色レーザー光の場合、レーザー光が集光した試料表面から緑色の蛍光が放出される。

また、レーザーアブレーション等の分野では、所定の気体を封入した容器内で、照射したレーザー光の高エネルギーにより試料表面付近にプラズマが発生し、そのプラズマ発光を検出することができる。更に、試料Ｓ表面からは、照射されたレーザー光Ｌ１の一部が反射され又は散乱する。

照明光学系６において、照明光源２１から出射された照明光Ｌ２は、集光レンズ２２を通過してハーフミラー２３により対物レンズ１５に向けて反射され、ダイクロイックミラー１４をそのまま通過して対物レンズ１５によって試料Ｓの表面に照射される。照明光Ｌ２の照射は、好ましくは試料Ｓ表面全体を、又は少なくともレーザー光Ｌ１により走査される試料Ｓ表面の観察領域を照明するように行う。試料Ｓ表面に照射された照明光Ｌ２は、試料Ｓ表面から反射され又は散乱する。

試料Ｓ表面から反射されたレーザー光Ｌ１の反射レーザー光Ｌ1r並びに照明光Ｌ２の、レーザー光Ｌ１の励起による前記蛍光、及び前記プラズマによるプラズマ発光は、レーザー光Ｌ１等の入射方向とは逆方向に対物レンズ１５を通過する。照明光Ｌ２の反射照明光Ｌ2r、前記蛍光、及びプラズマ発光は、対物レンズ１５の通過後、そのままダイクロイックミラー１４を通過する。

対物レンズ１５を通過した反射レーザー光Ｌ1rは、その強度が或る程度強い場合、僅かな一部（例えば、数％又は１～２％以下）がダイクロイックミラー１４を通過する。その場合でも、反射レーザー光Ｌ1rの大部分は、ダイクロイックミラー１４により第１結合レンズ１３に向けて反射される。

ダイクロイックミラー１４を通過した前記一部の反射レーザー光Ｌ1r、反射照明光Ｌ2r、前記蛍光、及び前記プラズマ発光は、それぞれ略半分がハーフミラー２３を通過して第２結合レンズ２４に入射し、その焦点位置にある撮像素子２６の撮像面Ｐiに集光される。撮像面Ｐiに結像した反射レーザー光Ｌ1r、前記蛍光及びプラズマ発光は、撮像素子２６に検出され、電気信号に変換してコンピューター３に出力される。

撮像面Ｐiに結像した前記蛍光及びプラズマ発光の座標位置は、前記蛍光及びプラズマ発光の試料Ｓ表面上の座標位置に対応し、それを対物レンズ１５及び第２結合レンズ２４によって拡大表示している。特に撮像面Ｐiにおける前記プラズマ発光の座標位置は、ガルバノスキャナー１１によって走査される仮想走査面Ｐf上でのレーザー光Ｌ１の座標位置に１対１の倍率で対応している。これは、上述したように撮像面Ｐiが仮想走査面Ｐfの共焦点位置にあり、しかも走査光学系５の第１結合レンズ１３と観察光学系７の第２結合レンズ２４が光学的に同一であり、対物レンズ１５を共通にしていることによる。

他方、レーザー光Ｌ１の強度が強過ぎる場合、ダイクロイックミラー１４を通過した前記一部の反射レーザー光Ｌ1rの光量が僅かであっても、例えばパルスレーザーでピーク出力が大きい場合等、撮像素子２６を破損する虞がある。撮像素子２６を破損しない場合でも、撮像面Ｐiに集光する反射レーザー光Ｌ1rの照度が強過ぎて、その集光位置を特定できない虞がある。このような場合、前記蛍光及びプラズマ発光等の検出も阻害される虞がある。

その場合、前記所定波長の反射レーザー光Ｌ1rの通過を阻止し、観察する前記蛍光及びプラズマ発光等の光を通過させて撮像素子２６への入射を可能にする光学素子（図示せず）を、ダイクロイックミラー１４と撮像カメラ２５との間に配置することが好ましい。このような光学素子として、例えばバンドパスフィルター、カットフィルター等のフィルター、分光器、波長板、ビームスプリッター等を単独で又は適当に組み合わせて用いることができる。

また、前記光学素子は、前記所定波長の反射レーザー光Ｌ1rの通過を１００％阻止するものでなくても良い。例えば、撮像素子２６を破損せず、撮像面Ｐiでの集光位置を特定可能な程度まで光量を減衰させるように、反射レーザー光Ｌ1rの通過を制御するものであれば良い。それによって、撮像面Ｐiで反射レーザー光Ｌ1rの集光位置を検出し、それにより試料Ｓ表面上のレーザー光Ｌ１の集光位置を特定することができる。これは、試料Ｓ表面付近にレーザー光Ｌ１によるプラズマが発生しない場合や、プラズマが発生してもプラズマ発光を撮像素子２６で十分に検出できない場合に有利である。

撮像カメラ２５の撮像素子２６は、その撮像面Ｐiにおける座標位置がｆθレンズ１２の焦点面Ｐfにおける座標位置と１対１で対応するという意味において、ｆθレンズ１２の焦点面Ｐf上でレーザー光Ｌ１が走査する走査可能領域と物理的に同じサイズの撮像面Ｐiを有することが好ましい。しかしながら、一般に撮像カメラ２５には、コスト面や小型化等の観点から、撮像面Ｐiのサイズがｆθレンズ１２の焦点面Ｐfの走査可能領域よりも小さい撮像素子２６が採用される。

その場合、試料ステージ８上に載置された試料Ｓの表面を、図３（ａ）に示すように、ＸＹ方向の格子状に配列される、それぞれ同じ大きさの複数の区分域Ｄに分割する。各区分域Ｄは、少なくとも１つの区分域Ｄ全体が対物レンズ１５の視野範囲内に収まるように設定するのが好ましい。

図３（ａ）において、或る区分域Ｄijをレーザー光Ｌ１で走査する際、該区分域Ｄijを対物レンズ１５の正面に、即ちその中心位置Ｃoが対物レンズ１５の光軸Ｏbと概ね一致するように、試料ステージ８をＸＹ方向に移動させるのが好ましい。これにより、焦点面Ｐfでは、図３（ｂ）に示すように、ｆθレンズ１２の光軸Ｏsの通る位置Ｃsが区分域Ｄijの中心位置Ｃoに対応し、その走査領域Ａsが、試料Ｓ表面の区分域Ｄijに対応する。撮像面Ｐiでは、図３（ｃ）に示すように、結像される画像Ｉmが区分域Ｄij全体をカバーすると同時に、その中心位置Ｃiが区分域Ｄijの中心位置Ｃsに対応する。従って、撮像面Ｐi上の画像Ｉmは、焦点面Ｐfの走査領域Ａsと等倍に１対１で対応する。

或る実施形態では、１つの区分域Ｄijについてレーザー光Ｌ１の走査が終了すると、試料ステージ８をＸＹ方向に移動させて、次の区分域Ｄi+1,j+1を対物レンズ１５の正面に配置して、レーザー光Ｌ１を走査し、これを全部の区分域Ｄが終了するまで繰り返し行う。別の実施形態では、試料Ｓ表面の観察したい１つ又は複数の区分域Ｄのみを選択して、レーザー光Ｌ１の走査を行うことができる。

試料Ｓ表面の観察対象範囲が面積を持った領域である場合、レーザー光Ｌ１は、その集光点を試料Ｓ表面上でＸ方向（又はＹ方向）に直線状に走査して１本の走査ラインを形成し、次にＹ方向（又はＸ方向）にシフトして次の走査ラインへラスタ式に走査することが好ましい。本実施形態によれば、試料Ｓ表面の観察対象範囲が、直線、曲線又はそれらの組み合わせからなる開いた線形状に画定される場合、その線形状に沿ってレーザー光Ｌ１を走査することができる。

撮像カメラ２５は、レーザー光Ｌ１の走査によって撮像面Ｐiに結像する各点の画像データをデジタル信号に変換して、リアルタイムで連続的にコンピューター３に出力する。コンピューター３は、撮像カメラ２５から入力する前記各点の画像データを記憶部３３に保存する。試料Ｓ表面の観察領域全体に亘ってレーザー光Ｌ１が走査されると、演算処理部３２は、記憶部３３に保存されている前記各点の画像データを処理して、撮像素子２６に結像した試料Ｓ表面全体の２次元画像を形成する。制御部３１は、形成された前記２次元画像を記憶部３３に記憶させると共に、画像表示装置４に出力して表示パネル４１に表示させることができる。

前記２次元画像は、撮像素子２６が検出した前記蛍光の蛍光画像、前記プラズマ発光のプラズマ発光画像、又は撮像素子２６による他の検出光の画像である。試料Ｓ表面から様々な光が重畳して撮像素子２６により検出される場合、コンピューター３において、演算処理部３２の信号処理によって、目的の波長又は波長帯の前記２次元画像を選択して形成することができる。

別の実施形態では、目的の前記２次元画像を形成するために、それに適した波長又は波長帯の光を抽出するように、上述したフィルター等の前記光学素子を観察光学系７のダイクロイックミラー１４と撮像カメラ２５との間に配置することができる。前記光学素子は、取外可能かつ/又は交換可能に設けることが好ましい。

次に、図１のレーザー走査顕微鏡システム１を用いて走査される試料Ｓ表面におけるレーザー光Ｌ１の軌跡を観察する過程を説明する。図６は、このレーザー光Ｌ１の軌跡観察過程を示すフロー図である。

ユーザーが入力部３５に観察過程の開始をコンピューター３に入力すると、制御部３１は、レーザー走査顕微鏡２を制御して照明光源２１を駆動し、照明光Ｌ２を試料Ｓ表面全体に照射させ、その反射照明光Ｌ2rを撮像カメラ２５に検出させ、試料Ｓ表面全体の画像データをコンピューター３に出力させる。撮像カメラ２５からの前記画像データは、記憶部３３に記憶されると共に、演算処理部３２に処理されて、試料Ｓ表面全体の２次元画像が形成される（ステップＳt1）。

演算処理部３２は、前記２次元画像の形成と同時に、該２次元画像の撮像面Ｐi上の座標位置を適当に換算処理して、試料ステージ８上の座標位置を算出し、前記２次元画像と共にかつそれに関連付けして記憶部３３に記憶させる。制御部３１は、前記試料Ｓ表面全体の２次元画像を画像表示装置４に出力して、表示パネル４１に表示させる（ステップＳt2）。

ユーザーは、表示パネル４１に表示される試料Ｓ表面の２次元画像を電子ペン４３でなぞることにより、レーザー光Ｌ１によって走査したい試料Ｓ表面の走査予定範囲を入力する（ステップＳt3）。デジタイザー４２は、電子ペン４３がなぞる表示パネル４１上の座標位置をリアルタイムで連続的に検出して、コンピューター３に出力する。

例えば、前記走査予定範囲が面積を持った領域の場合、図４（ａ）に示すように、該領域の外郭を閉じた線形状ＣＰに描くことによって、その内側に囲われた領域全体を走査予定範囲として画定することができる。前記走査予定範囲が実質的に面積を持たない線（直線、曲線、及びそれらの組合せ）の場合、図５（ａ）に示すように、それを開いた線形状ＯＰで描くことによって走査予定範囲を画定することができる。

デジタイザー４２から入力する閉じた線形状ＣＰ又は開いた線形状ＯＰの表示パネル４１上の座標位置は、演算処理部３２によって試料ステージ８上の座標位置に換算処理され、それらは互いに関連付けして記憶部３３に記憶される。制御部３１は、表示パネル４１上に閉じた線形状ＣＰが描かれると、前記走査予定範囲が線形状ＣＰで囲われた領域全体であると判定し、開いた線形状ＯＰが描かれると、該線形状ＯＰを前記走査予定範囲と判定する。

制御部３１は、ステップＳt3でユーザーが入力した前記走査予定範囲について、レーザー光の走査パターンを決定することができる。例えば、図４（ａ）に示すように、走査予定範囲ＳＥ1が閉じた線形状ＣＰで囲われた領域の場合、制御部３１は、Ｘ方向の走査ラインＬｓをＹ方向に１本ずつずらしながらラスタ式に走査することにより、走査予定範囲ＳＥ1全体をカバーするように走査パターンを決定することができる。また、図５（ａ）に示すように、走査予定範囲ＳＥ2が開いた線形状ＯＰで描かれる場合、該線形状ＯＰ上を全長に亘って移動する走査パターンを決定することができる。

制御部３１は、ユーザーによる前記走査予定範囲の入力が終了すると、それをトリガーとして自動的に、又はユーザーによる入力部３５への入力に基づいて、資料Ｓ表面のレーザー光走査を実行する（ステップＳt4）。制御部３１は、レーザー光源１０を駆動してレーザー光を発振させると同時に、ガルバノコントローラー２７を制御して、前記レーザー光の発振と同期してガルバノスキャナー１１を駆動する。これにより、試料ステージ８上の試料Ｓの表面は、ユーザーによる前記走査予定範囲の入力に基づいて決定された前記走査パターに従って、レーザー光Ｌ１により走査される。

レーザー光Ｌ１の照射によって試料Ｓの表面又はその付近に発生する前記プラズマ発光は、観察光学系７を介して撮像素子２６によって検出され、その画像データは、デジタル信号に変換してコンピューター３に出力される（ステップＳt5）。制御部３１は、撮像素子２６が検出した前記プラズマ発光の画像データを記憶部３３に逐次記憶させ、レーザー光Ｌ１の走査が終了すると、記憶部３３に記憶させた全部の前記画像データを演算処理部３２に処理させて、前記プラズマ発光の２次元画像を形成する（ステップＳt6）。

形成した前記プラズマ発光の２次元画像は、記憶部３３に保存される。演算処理部３２は、前記プラズマ発光の２次元画像の撮像面Ｐi上の座標位置を換算処理して、試料ステージ８上の座標位置を算出し、該２次元画像に関連付けして記憶部３３に保存する。前記プラズマ発光の２次元画像は、画像表示装置４に出力されて、表示パネル４１に表示される。更に制御部３１は、表示パネル４１上で、ステップＳt3で入力した前記走査予定範囲を前記プラズマ発光の２次元画像に、試料ステージ８上の座標に整合させて、重ね合わせて表示させる（ステップＳt7）。

図４（ｂ）は、閉じた線形状ＣＰで囲われた走査予定範囲ＳＥ1をレーザー光Ｌ１で走査した場合に、撮像素子２６により検出されたプラズマ発光の検出領域ＳＦ1を例示している。同図に破線で示す線形状ＣＰは走査予定範囲ＳＥ1の外郭であるから、検出領域ＳＦ1を線形状ＣＰと比較することによって、ユーザーは、レーザー光の走査結果を評価することができる。

レーザー光走査結果の評価は、制御部３１により行うことができる。この場合、演算処理部３２によって検出領域ＳＦ1の外郭の座標位置を全長に亘って算出する。算出した検出領域ＳＦ1外郭の座標位置を線形状ＣＰの座標位置と比較し、その差が所定の許容範囲内にあれば、レーザー光Ｌ１の走査は正確に行われたと評価する。

同様に、図５（ｂ）は、開いた線形状ＯＰで描いた走査予定範囲ＳＥ21をレーザー光Ｌ１で走査した場合に、撮像素子２６により検出されたプラズマ発光の検出領域ＳＦ2を示している。演算処理部３２は、検出領域ＳＦ2中心線の座標位置を全長に亘って算出する。算出した検出領域ＳＦ2中心線の座標位置を線形状ＯＰの座標位置と比較し、その差が所定の許容範囲内にあれば、レーザー光Ｌ１の走査は正確に行われたと評価する。

前記所定の許容範囲は、例えば試料Ｓ表面におけるレーザー光Ｌ１の集光径に基づいて設定することができる。算出する検出領域ＳＦ1外郭及び検出領域ＳＦ2中心線の座標位置は、試料ステージ８上のＸＹ座標系が好ましい。別の実施形態では、表示パネル４１上又は撮像面Ｐi上の座標系であっても良い。

別の実施形態では、観察光学系７の第２結合レンズ２４に、走査光学系５の第１結合レンズ１３と異なる倍率のものを使用することができる。この場合も、撮像カメラ２５の撮像素子２６は、撮像面Ｐiが第２結合レンズ２４の焦点位置に配置されるように設定される。即ち、撮像カメラ２５の撮像面Ｐiが、走査光学系５のｆθレンズ１２の焦点面Ｐfの共焦点位置に配置される点において、図１の実施形態と構成上相違せず、撮像面Ｐiにおける画像の座標位置は、仮想走査面Ｐf上におけるレーザー光Ｌ１の座標位置に、前記異なる倍率で１対１で対応する。

また、上述したレーザー光の２次元的な走査は、図１の２軸走査型のガルバノスキャナー１１に限定されない。別の実施形態では、１対のガルバノミラーとガルバノモーターからなる１軸走査型のガルバノスキャナーを使用し、それによる走査方向と直交する直線方向に試料ステージ８を移動させることによって、上記実施形態と同様にＸＹ方向に２次元的な走査を行うことができる。

本発明のレーザー走査顕微鏡２は、レーザー光を照射された試料が発生するラマン散乱光を検出するレーザーラマン顕微鏡にも適用することができる。図７は、本発明をレーザーラマン顕微鏡に適用した変形例によるレーザー走査顕微鏡システムの構成全体を概略的に示している。本変形例のレーザー走査顕微鏡システム５１にかかる以下の説明及び図７において、図１のレーザー走査顕微鏡システム１と同じ又は類似の構成要素には、同様の参照符号を付して表すこととする。

レーザー走査顕微鏡システム５１は、レーザー走査顕微鏡２に代えて、レーザーラマン顕微鏡５２を備える点において、図１のレーザー走査顕微鏡システム１と異なる。レーザーラマン顕微鏡５２は、走査光学系５、照明光学系６′及び観察光学系７′に加えて、ラマン検出光学系５３を有する点において、図１のレーザー走査顕微鏡２と異なる。

本変形例において、走査光学系５は、図１と全く同じ構成を有する。照明光学系６′は、集光レンズ２２とハーフミラー２３との間で第２のハーフミラー５４を追加して、照明光源２１からの光路を直角に屈曲している点を除いて、図１の照明光学系６と実質的に同一である。観察光学系７′は、対物レンズ１５からの光路をハーフミラー２３により直角に屈曲し、第２のハーフミラー５４を通過した後に第２結合レンズ２４から撮像カメラ２５に入射するように構成される点を除いて、図１の観察光学系７と実質的に同一である。即ち、撮像カメラ２５の撮像素子２６の撮像面Ｐiは、図１の実施例と同様に、走査光学系５のｆθレンズ１２の焦点面Ｐfの共焦点位置に設定されている。

ラマン検出光学系５３は、照明光学系６′及び観察光学系７′と共通の対物レンズ１５、ダイクロイックミラー１４、及びハーフミラー２３と、フィルター５６と、反射ミラー５７と、集光レンズ５８と、空間フィルター５９と、分光器６０と、検出器６１とを、この順に光軸上に配置して構成される。検出器６１は、コンピューター３に接続されている。反射ミラー５７は省略可能であり、その場合、対物レンズ１５から分光器６０までの光路は、一直線状に設けられる。

フィルター５６は、例えばレーザー光を除去するためのエッジフィルターである。レーザー光源１０から走査光学系５を介して照射されたレーザー光Ｌ１によってステージ８上の試料Ｓの表面においてラマン散乱された光は、対物レンズ１５を通過し、ダイクロイックミラー１４及びハーフミラー２３を経て、フィルター５６で反射レーザー光Ｌ1rを除去した後、反射ミラー５７に反射されて集光レンズ５８に入射する。

空間フィルター５９は、分光器６０の入口側に配置されるピンホール又はスリットからなり、ステージ８上の試料Ｓ表面（観察面）即ち対物レンズ１５の焦点面の共焦点位置に配設されている。従って、試料Ｓ表面からのラマン散乱光は、焦点面以外からの光を除去しつつ、前記ピンホール又はスリットを通過して分光器６０の入口に入射する。

分光器６０は、回折格子やプリズム等の分光素子を備えた従来公知の分光器であり、入射したラマン散乱光をその波長毎に分光して、検出器６１に出射する。検出器６１は、例えば受光素子をマトリクス状に配列した２次元ＣＣＤ、冷却ＣＣＤの２次元アレイ光検出器である。走査光学系５によりレーザー光Ｌ１を２次元的に走査しつつ、分光器６０により分光された光の強度を検出することによって、２次元のラマン分光イメージを得ることができる。

他方、照明光学系６′において、照明光源２１から出射された照明光Ｌ２は、集光レンズ２２を通過して第２ハーフミラー５４及びハーフミラー２３により対物レンズ１５に向けて反射され、ダイクロイックミラー１４をそのまま通過して対物レンズ１５によって試料Ｓの表面に照射される。試料Ｓ表面から反射された反射照明光Ｌ2rは、対物レンズ１５を通過し、ハーフミラー２３で反射され、第２ハーフミラー５４及び第２結像レンズ２４を通過して撮像カメラ２５の撮像素子２６により検出される。

撮像カメラ２５に検出された試料Ｓ表面全体の画像データは、図１の実施例と同様に、コンピューター３に出力されかつ処理されて、試料Ｓ表面全体の２次元画像が形成される。本変形例においても、コンピューター３は、前記試料Ｓ表面全体の２次元画像を表示パネル４に表示させ、その画面上でユーザーに電子ペン４３でレーザー光Ｌ１の走査予定範囲を入力させることができる。

上述したように試料Ｓ表面をレーザー光Ｌ１で走査したとき、該レーザー光によるプラズマが試料Ｓ表面付近に発生する場合、そのプラズマ発光は、図１の実施例と同様に、観察光学系７′によって撮像カメラ２５の撮像素子２６により検出することができる。試料Ｓ表面から反射された反射レーザー光Ｌ1rの一部がダイクロイックミラー１４を通過する場合も、その光量が撮像面Ｐiでの集光位置を特定可能な程度に低い又は適当なフィルター等の光学素子によって減衰されていれば、同様に撮像素子２６により検出することができる。

撮像面Ｐi上で検出される前記プラズマ発光又は前記一部の反射レーザー光Ｌ1rの座標位置は、ガルバノスキャナー１１によって走査される仮想走査面Ｐf上でのレーザー光Ｌ１の座標位置に１対１の倍率で対応している。これは、上述したように撮像面Ｐiが仮想走査面Ｐfの共焦点位置にあり、しかも走査光学系５の第１結合レンズ１３と観察光学系７′の第２結合レンズ２４が光学的に同一であり、対物レンズ１５を共通にしていることによる。

撮像素子２６により検出された前記プラズマ発光又は前記一部の反射レーザー光Ｌ1rの画像データは、レーザー光Ｌ１の走査中、連続してデジタル信号に変換してコンピューター３に出力されて処理され、前記プラズマ発光又は前記一部の反射レーザー光Ｌ1rの２次元画像が形成される。この２次元画像を表示パネル４１に表示させ、かつそれに先に入力したレーザー光Ｌ１の前記走査予定範囲を、試料ステージ８上の座標に整合させて重ね合わせて表示させることによって、図１の実施例と同様に、ユーザーは、レーザー光の走査結果を評価することができる。

更に、本変形例では、検出器６１の測定結果は、レーザー光Ｌ１の走査中、連続してデジタル信号に変換してコンピューター３に出力され、記憶部３３に記憶されると共に、演算処理部３２に処理されて、２次元のラマン分光イメージが形成される。形成された２次元のラマン分光イメージは、コンピューター３によって表示パネル４又は他のプリンター等の出力機器に出力される。また、前記２次元のラマン分光イメージは、前記試料Ｓ表面全体の２次元画像及び／又は前記レーザー光Ｌ１の走査予定範囲若しくは前記プラズマ発光又は前記一部の反射レーザー光Ｌ1rの２次元画像と、座標位置を整合させて重ね合わせて表示させることができる。

更に、本発明のレーザー走査顕微鏡２は、レーザーアブレーションによる試料の質量分析を行うレーザーアブレーションシステムに適用することができる。図８は、かかるレーザーアブレーションシステム１０１の好適な実施形態の構成全体を概略的に示している。本実施形態のレーザーアブレーションシステム１０１にかかる以下の説明及び添付図面において、図１のレーザー走査顕微鏡システム１と同じ又は類似の構成要素には、同様の参照符号を付して表すこととする。

レーザーアブレーションシステム１０１は、図８に示すように、レーザー走査顕微鏡１０２と、コンピューター３と、画像表示装置４と、質量分析部１０３とを備える。コンピューター３は、レーザー走査顕微鏡１０２及び画像表示装置４に接続され、それらの動作を制御すると共に、それらから入力する信号の処理を行う。

レーザー走査顕微鏡１０２は、走査光学系５と、照明光学系６と、観察光学系１０７とを有する。更にレーザー走査顕微鏡２は、レーザーアブレーションの対象となる試料を載置するための試料ステージ１０８を備える。走査光学系５及び照明光学系６は、図１のレーザー走査顕微鏡システム１のそれらと同一であるので、説明は省略する。

観察光学系１０７は、図９に示すように、撮像カメラ２５を前記光軸方向に移動させる撮像カメラフォーカス機構１１０を更に備える点で、図１の観察光学系７と異なる。撮像カメラフォーカス機構１１０は、第２結合レンズ２４に関して光軸方向に撮像カメラ２５を移動させて位置決めし、試料Ｓから第２結合レンズ２４を通して入射する光が撮像素子２６に結像する位置を調整することができる。撮像カメラフォーカス機構１１０は、例えば撮像カメラ２５を光軸方向に案内するガイドレールと、撮像カメラ２５を移動させるステップモーターとで構成することができる。レーザー走査顕微鏡１０２は、撮像カメラフォーカス機構１１０の駆動を制御するフォーカスコントローラー１１１を更に備える。フォーカスコントローラー１１１は、コンピューター３に該コンピューターにより制御可能に接続されている。

観察光学系１０７は、別の実施形態では、撮像カメラフォーカス機構１１０に代えて、第２結合レンズ移動機構１１２を備えることができる。前記第２結合レンズ移動機構は、撮像素子２６に関して光軸方向に第２結合レンズ２４を移動させて位置決めすることによって、試料Ｓから第２結合レンズ２４を通して入射する光が撮像素子２６に結像する位置を調整することができる。第２結合レンズ移動機構１１２は、コンピューター３に接続された第２結合レンズ一コントローラー１１３によって駆動制御される。第２結合レンズ移動機構１１２も、例えば、第２結合レンズ２４を光軸方向に案内するガイドレールとステップモーターとで構成することができる。

試料ステージ１０８は、図１の試料ステージ８と同様に、ＸＹＺ方向にそれぞれ移動可能である。図１０に示すように、試料ステージ１０８は、Ｘ方向（同図中、左右方向）に移動可能なＸ軸ステージ１０８ｘと、Ｙ方向（同図中、前後方向）に移動可能なＹ軸ステージ１０８ｙと、Ｚ方向（同図中、上下方向）に移動可能なＺ軸ステージ１０８ｚとを備える。前記ＸＹＺ軸ステージは、それぞれ図示しないステップモーターによりガイドレールに沿って、高精度（例えば、１０μｍ単位）に移動させることができる。前記ＸＹＺ軸ステージの駆動は、図１と同様に、コンピューター３に接続された試料ステージ移動コントローラー２８によって制御される。

質量分析部１０３は、図８に示すように、レーザーアブレーションによる質量分析の対象となる試料Ｓを収容する試料セル１１５と、ガス供給源１１６と、質量分析器１１７とから構成される。試料セル１１５は、図１０に示すように、光を透過させる透明な板材で上面が封止された内部空間Ｃを有し、その中には、試料Ｓを載置するための試料テーブル１１８が設けられている。内部空間Ｃは、キャリアガスを供給するガス供給源１１４とガス導入管１１９を通して、前記キャリアガスが送給される質量分析器１１７とガス導出管１２０を通して、それぞれ連通している。

図８のレーザーアブレーションシステム１０１を用いた試料のレーザーアブレーションによる質量分析は、基準試料を用いた予備測定と、目的の試料に対する本測定との２段階で行われる。前記予備測定では、レーザーアブレーションによる質量分析が正確かつ確実に行われるように、レーザー走査顕微鏡１０２の設定を行う。前記本測定では、そのように設定されたレーザー走査顕微鏡１０２を用いて、目的の試料にレーザーアブレーションによる質量分析を行う。

図１１は、前記予備測定の一連のステップを詳細に説明するフロー図である。先ず、基準試料ＳＳを試料セル１１５内の試料テーブル１１８上に載置する。レーザー走査顕微鏡１０２の照明光学系６の照明光源２１をオンして、照明光を前記試料テーブル上の前記基準試料の表面に照射する（ステップSt11）。

基準試料ＳＳ表面からの反射照明光は、撮像カメラ２５の撮像素子２６で受けて結像させ、コンピューター３を介して画像表示装置４に出力して表示パネル４１に表示させる。同時に、撮像カメラ２５から入力する前記基準試料表面の画像データは、コンピューター３の記憶部３３に保存される。

ここで、対物レンズ１５と前記基準試料表面間の、撮像カメラ２５の撮像素子２６が鮮明な画像を撮像するのに好適な作動距離を、表示パネル４１に表示される前記基準試料表面の画像を基づいて決定する（ステップSt12）。

これは、コンピューター３により試料ステージ移動コントローラー２８を制御して試料ステージ１０８のＺ軸ステージ１０８ｚを、かつ／又は対物レンズ位置コントローラー２９を制御して対物レンズ１５を前記光軸方向に移動させて、表示パネル４１に表示される前記基準試料表面の画像が鮮明になるように、対物レンズ１５と前記基準試料表面との焦点位置合わせをすることによって行う。この焦点位置合わせは、ユーザーがコンピューター３を操作することにより、又はコンピューター３の制御部３１が自動で行うことができる。このようにして決定された対物レンズ１５の作動距離を基準作動距離ＷＤ0とする。このとき、撮像カメラ２５即ち撮像素子２６の前記光軸方向の位置は、第２結合レンズ２４の焦点位置に合わせた基準撮像位置ＦＰ0に固定されている。

次に、レーザー走査顕微鏡１０２の走査光学系５のレーザー光源１０をオンして、レーザー光を試料セル１１５内の試料テーブル１１８上の基準試料ＳＳ表面に多数回パルス照射する（ステップSt13）。レーザー光の前記多数回パルス照射は、コンピューター３により試料ステージ１０８のＸ軸ステージ１０８ｘ及び／又はＹ軸ステージ１０８ｙを駆動することによって、前記基準試料表面のレーザー光照射位置をＸ軸方向及び／又はＹ軸方向に所定の間隔でずらしつつ、コンピューター３により試料ステージ１０８のＺ軸ステージ１０８ｚを駆動することによって、作動距離を所定の作動距離範囲内で変化させながら実行する。これにより、前記基準試料表面には、一定のレーザー光が、それぞれ異なる多数のＸＹＺ座標位置に対して照射される。

作動距離ＷＤは、試料ステージ１０８のＺ軸ステージ１０８ｚを駆動する分解能に応じて、僅かな一定間隔（例えば、１０μｍ単位）で変化させる。作動距離を変化させる前記所定の作動距離範囲は、例えば基準作動距離ＷＤ0を中心として＋／－方向に所定の距離を設定することができる。

前記所定の作動距離範囲についてレーザー光の前記多数回パルス照射が完了した後、再び照明光学系６の照明光源２１をオンして、照明光を試料テーブル１１８上の前記基準試料表面に照射する。そして、基準試料ＳＳ表面からの反射照明光を撮像カメラ２５の撮像素子２６に結像させ、コンピューター３に出力する（ステップSt14）。コンピューター３は、撮像カメラ２５から入力した画像データを画像表示装置４に出力して表示パネル４１に表示させると共に、記憶部３３に保存することができる。

撮像カメラ２５により撮像された画像には、上述したレーザー光の多数回パルス照射により前記基準試料表面に形成された多数のレーザー照射痕が含まれている。このレーザー照射痕は、前記基準試料表面が部分的に溶融蒸散されることにより生じる所謂クレーターである。レーザーアブレーションによる質量分析には、クレーターが「きれい」に、即ち外形線が明瞭な小円形で、略一定の浅い深さに形成されることが好ましい。

本実施形態によれば、基準試料ＳＳ表面に生じた多数の前記レーザー照射痕の中から「きれい」な、即ち外形線が明瞭な小円形で略一定の浅い深さとなっている良好なクレーターを選択し、該クレーターを生じさせたレーザー照射時の前記基準試料表面のＺ座標位置即ち作動距離ＷＤを検出する（ステップSt15）。この良好なクレーターを生じさせる作動距離を測定作動距離ＷＤ1とする。

図１２は、説明のために、上記ステップSt14で得られた基準試料ＳＳ表面の画像からレーザー照射痕の画像を抽出し、作動距離ＷＤを横軸として横一列に並べて例示したものである。同図において、横軸ＷＤの中央付近の作動距離範囲ＲＤ1内に存在するレーザー照射痕ＬＭ１（同図の実施例では、５つ）は、いずれも外形線が比較的明瞭な小円形に表れている。これらのレーザー照射位置では、基準試料ＳＳ表面が略一定の比較的浅い深さで一様に溶融蒸散され、良好なクレーターが形成されたと考えられる。

これに対し、作動距離範囲ＲＤ1以外の、即ちそれよりも作動距離が大きいか小さい作動距離範囲ＲＤ2のレーザー照射痕ＬＭ２は、外形線が比較的薄く不明瞭で、不規則な形状をなしている。このようなクレーターは、基準試料ＳＳ表面が一様に溶融蒸散されず、深さも一定でないので、レーザーアブレーションによる質量分析には好ましくない。

図１２において、レーザーアブレーションによる質量分析に好ましい測定作動距離ＷＤ1は、作動距離範囲ＲＤ1内に存在するレーザー照射痕ＬＭ１の中から選択する。使用するレーザー光の焦点深度によって、作動距離範囲ＲＤ1内のレーザー照射痕ＬＭ１の数が異なる。レーザー光の焦点深度が深いほど、レーザー照射痕ＬＭ１の数は多くなり、浅いほど少なくなる。例えば図１２の実施例では、作動距離範囲ＲＤ1の中央に位置するレーザー照射痕ＬＭ11を選択し、その作動距離ＷＤ11を測定作動距離ＷＤ1とすることができる。

しかしながら、このように決定した測定作動距離ＷＤ1に試料ステージ１０８を設定してレーザー光を照射しても、実際に基準試料ＳＳ表面のレーザー照射痕を撮像カメラ２５で撮影すると、その画像は比較的不鮮明な場合が多い。その理由は、レーザー照射痕が比較的浅いのに対し、その深さよりも試料ステージ１０８のＺ軸方向の分解能が大きく、撮像素子２６に結像される画像の焦点位置を微調整できないためである、と考えられる。

本実施形態によれば、試料ステージ１０８を測定作動距離ＷＤ1に設定した状態で、照明光源２１をオンして照明光を基準試料ＳＳ表面に照射し、測定作動距離ＷＤ1の決定に用いたレーザー照射痕ＬＭ１（図１２におけるレーザー照射痕ＬＭ11）を撮像素子２６に結像させて、画像表示装置４の表示パネル４１に表示させる（ステップSt16）。

この状態で、表示パネル４１上でレーザー照射痕ＬＭ１の画像を見ながら、撮像カメラ２５（撮像素子２６）の撮像面Ｐｉを基準撮像位置ＦＰ0から前記光軸方向に移動させて、前記画像が鮮明に写し出されるように焦点位置合わせを行う（ステップSt17）。このときの撮像カメラ２５即ち撮像面Ｐｉの光軸方向位置を測定撮像位置ＦＰ1とする。このようにして、レーザーアブレーションによる質量分析に適したレーザー照射が可能な測定作動距離ＷＤ1とそれに対応した測定撮像位置ＦＰ1とが決定される。

撮像カメラ２５に結像される画像は、基準試料ＳＳ表面及びレーザー照射痕が対物レンズ１５を介して拡大して表示される。そのため、上述した撮像面Ｐｉの前記光軸方向の移動には、対物レンズ１５の倍率に対応して高い分解能が得られる。従って、試料ステージ１０８で行うよりも精細な焦点位置合わせ及び微調整が可能である。

上述した撮像カメラフォーカス機構１１０による撮像カメラ２５（撮像素子２６）の焦点位置合わせは、ユーザーが表示パネル４１上の画像を見ながら、コンピューター３及びフォーカスコントローラー１１１を介して行う。また、ユーザーが表示パネル４１上の画像を見ながら、撮像カメラフォーカス機構１１０を手動で操作して行うことができる。

図１３（ａ）及び図１４（ａ）は、実際の基準試料ＳＳの表面に形成されたレーザー照射痕を示す拡大写真である。図１３（ｂ）及び図１４（ｂ）は、図１３（ａ）及び図１４（ａ）に形成されたレーザー照射痕ＬＭ１、ＬＭ２の断面を模式的に示している。

図１３（ａ）は、試料ステージ１０８を測定作動距離ＷＤ1に設定しかつ撮像カメラ２５を測定撮像位置ＦＰ1に移動させた状態で撮像されている。同図（ａ）のレーザー照射痕ＬＭ１は、外形線が明瞭な小円形に表れると共に、その内側が一様に黒化している。このことから、基準試料ＳＳ表面は、同図（ｂ）に示すように、レーザー照射によって略一定の非常浅い深さで一様に溶融蒸散されたと解することができる。

これに対し、図１４（ａ）は、試料ステージ１０８を基準作動距離ＷＤ0に固定しかつ撮像カメラ２５を測定撮像位置ＦＰ1に移動させた状態で撮像されている。同図（ａ）のレーザー照射痕ＬＭ２は、外形線が薄く不鮮明で不規則な形状であると共に、内側の黒化状態には大きなばらつきがある。このことから、基準試料ＳＳ表面は、同図（ｂ）に示すように、レーザー照射部分にレーザー光が一様に集光されず、その結果一様に溶融蒸散されなかったと解することができる。

本実施形態の変形例では、撮像カメラ２５にオートフォーカス機構を備えることができる。この場合、ステップSt17の焦点位置合わせは、オートフォーカス機構を作動させることによって、自動で行うことができる。また、オートフォーカス機構は、オートフォーカスを機能させるオン状態と機能させないオフ状態とで動作を切換可能に設けることができ、例えば基準作動距離ＷＤ0を設定するステップSt12、St13では、オフ状態にすることができる。前記オートフォーカス機構には、例えば撮像素子２６に入射する光の強度変化を検出したり、画像のコントラストを基づいて合焦位置を求める手法など、従来から公知の様々なオートフォーカス技術を用いることができる。

本実施形態の別の変形例において、観察光学系１０７が撮像カメラフォーカス機構１１０に代わる第２結合レンズ移動機構１１２を備える場合には、ステップSt17で、撮像カメラ２５を前記光軸方向に移動させる代わりに、第２結合レンズ２４を前記光軸方向に移動させることによって、同様に撮像カメラ２５（撮像素子２６）の焦点位置合わせを行うことができる。第２結合レンズ移動機構１１２の焦点位置合わせも、ユーザーが表示パネル４１上の画像を見ながら、コンピューター３及び第２結合レンズ位置コントローラー１１３を介して、又は第２結合レンズ移動機構１１２を手動で操作して行うことができる。また、第２結合レンズ２４の駆動機構にオートフォーカス機能を持たせることができる。

また、レーザー走査顕微鏡１０２は、図１のレーザー走査顕微鏡１と同様に、撮像素子２６が、基準撮像位置ＦＰ0において走査光学系５のｆθレンズ１２の共焦点位置に配置されている。従って、かかる配置によるレーザー走査顕微鏡１の特徴は、レーザー走査顕微鏡１０２において、上述したように撮像カメラフォーカス機構１１０又は第２結合レンズ移動機構１１２を設けても、損なわれたり失われることはない。

上述したように、前記予備測定により測定作動距離ＷＤ1とそれに対応する測定撮像位置ＦＰ1とが決定されると、これらを用いて、目的の試料に対する本測定を行う。本測定では、測定開始前に、対物レンズ１５の作動距離を測定作動距離ＷＤ1に、撮像カメラ２５（及び撮像素子２６）の光軸方向位置を測定撮像位置ＦＰ1にそれぞれ位置決めして、レーザー走査顕微鏡１０２を設定する。

この状態で、対象の試料Ｓを試料セル１１５内の試料テーブル１１８上に載置し、レーザー走査顕微鏡１０２の照明光学系６から照明光を試料Ｓ表面に照射し、その反射照明光を撮像カメラ２５に結像させ、得られた画像データをコンピューター３に出力して、記憶部３３に記憶させると共に、画像表示装置４の表示パネル４１に表示させる。次に、レーザー走査顕微鏡１０２の走査光学系５からレーザー光を試料Ｓ表面に照射すると同時に、ガス供給源１１６からキャリアガスを試料セル１１５内に供給する。前記レーザー光の照射により試料Ｓ表面から蒸散した微粒子を、前記キャリアガスの流れによって質量分析器１１７に搬送し、その元素の定量分析を行う。

上述したように、レーザー走査顕微鏡１０２が事前に測定作動距離ＷＤ1及び測定撮像位置ＦＰ1に設定されていることによって、試料Ｓ表面には、前記レーザー光の照射によって「きれい」なクレーターからなるレーザー照射痕が生じる。従って、定量分析の良好な精度を確保することができる。しかも、撮像カメラ２５に結像される画像には、試料Ｓ表面のレーザー照射痕が明瞭に表れるので、前記レーザー光照射の精度（位置、照射状態等）を明確に確認することができる。

本実施形態の、撮像カメラ２５の焦点位置合わせが可能な観察光学系１０７は、図１及び図７のレーザー走査顕微鏡システム１，５１にも、同様に適用することができる。具体的には、図１及び図７のレーザー走査顕微鏡システム１，５１において、観察光学系７、７´の撮像カメラ２５に撮像カメラフォーカス機構１１０、及びその駆動を制御するフォーカスコントローラー１１１を追加することができる。これにより、レーザー光の照射で試料Ｓ表面より僅か上方で発生するプラズマ発光や、試料Ｓ表面の僅かな凹凸によりレーザー光の照射位置から高さ方向に僅かにずれて発生する蛍光を、撮像カメラ２５（撮像素子２６）の撮像面Ｐｉにより明瞭に結像させることができる。

レーザー走査顕微鏡システム１，５１においても、撮像カメラ２５に撮像カメラフォーカス機構１１０を設ける代わりに、第２結合レンズ２４に第２結合レンズ移動機構１１２と第２結合レンズ位置コントローラー１１３を追加することができる。また、第２結合レンズ２４の駆動機構にオートフォーカス機能を持たせることができる。

以上、本発明をその好適な実施形態に関連して詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものでなく、その技術的範囲において、様々な変更又は変形を加えて実施することができる。

１，５１ レーザー走査顕微鏡システム
２，１０２ レーザー走査顕微鏡
３ コンピューター
４ 画像表示装置
５ 走査光学系
６，６′ 照明光学系
７，７′，１０７ 観察光学系
８，１０８ 試料ステージ
１０ レーザー光源
１１ ガルバノスキャナー
１２ ｆθレンズ
１３ 第１結合レンズ
１５ 対物レンズ
２１ 照明光源
２４ 第２結合レンズ
２５ 撮像カメラ
２６ 撮像素子
４１ 表示パネル
５２ レーザーラマン顕微鏡
５３ ラマン検出光学系
５８ 集光レンズ
５９ 空間フィルター
６０ 分光器
６１ 検出器
１０１ レーザーアブレーションシステム
１１０ 撮像カメラフォーカス機構
１１２ 第２結合レンズ移動機構

Claims (16)

1. レーザー光で走査することによって試料の表面又はその付近から発生する観察光を検出するレーザー走査顕微鏡であって、
   所定波長のレーザー光を出力するレーザー光源と、
   前記観察光を検出する撮像素子と、
   照明光を出力する照明光源と、
   前記レーザー光源からのレーザー光で前記試料表面を走査するための走査光学系と、
   前記照明光源からの照明光を前記試料表面に照射するための照明光学系と、
   前記試料表面又はその付近からの観察光を前記撮像素子に結像させるための観察光学系とを備え、
   前記走査光学系は、前記レーザー光源から前記試料表面に向けて順に配置された、ガルバノスキャナーと、ｆθレンズと、第１結像レンズと、対物レンズとからなり、
   前記照明光学系は、前記照明光源から前記試料表面に向けて順に配置された、集光レンズと、前記対物レンズとからなり、
   前記観察光学系は、前記試料表面から前記撮像素子に向けて順に配置された、前記対物レンズと、第２結像レンズとからなり、
   前記撮像素子の撮像面は、前記ｆθレンズの焦点面の共焦点位置に設定され、
   前記観察光学系は、前記レーザー光の走査によって前記試料表面から発生する前記所定波長の反射レーザー光の通過を阻止し、それ以外の光を通過させる光学素子を更に備え、
   前記レーザー光の走査によって前記試料表面又はその付近から発生する前記観察光及び前記照明光の照射によって前記試料表面から発生する反射照明光は、前記観察光学系の前記光学素子を通して前記撮像素子に集光され、結像されるレーザー走査顕微鏡。
2. 前記試料を載置するための試料ステージと、前記試料ステージを前記対物レンズに関して光軸方向に相対的に移動させる第１駆動機構とを更に備え、
   前記観察光学系は、前記撮像素子を前記第２結像レンズに関して光軸方向に相対的に移動させる第２駆動機構を有する請求項１に記載のレーザー走査顕微鏡。
3. 前記第１結像レンズと前記第２結像レンズとは倍率が等しい請求項１又は２に記載のレーザー走査顕微鏡。
4. 前記第１結像レンズと前記第２結像レンズとは倍率が異なる請求項１又は２に記載のレーザー走査顕微鏡。
5. 前記観察光は、前記レーザー光の照射によって前記試料表面付近に発生するプラズマのプラズマ発光である請求項１乃至４のいずれかに記載のレーザー走査顕微鏡。
6. 前記観察光は、前記レーザー光の照射によって前記試料表面に発生する蛍光である請求項１乃至５のいずれかに記載のレーザー走査顕微鏡。
7. 前記レーザー光の照射によって前記試料表面に発生するラマン散乱光を測定するためのラマン光学系を更に備える請求項１乃至６のいずれかに記載のレーザー走査顕微鏡。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載のレーザー走査顕微鏡と、
   制御装置と、
   画像表示装置とを備え、
   前記制御装置は、前記レーザー走査顕微鏡を制御して前記レーザー光で前記試料表面を走査させ、前記撮像素子が検出した前記観察光の２次元画像を形成し、前記画像表示装置を制御して、その画面に前記形成した観察光の２次元画像を表示させるレーザー走査顕微鏡システム。
9. 前記画像表示装置は、前記画面上に電子ペンで描画可能な描画機能を備える請求項８に記載のレーザー走査顕微鏡システム。
10. 前記制御装置は、前記画像表示装置の前記画面に前記試料表面の画像を表示させ、該試料表面の画像に前記電子ペンで上書きされたレーザー光の走査予定範囲に基づいて、前記レーザー光で前記試料表面を走査するように前記レーザー走査顕微鏡を制御する請求項９に記載のレーザー走査顕微鏡システム。
11. 前記制御装置は、前記画像表示装置の画面に前記形成した観察光の２次元画像を表示させ、かつその上に重ねて前記レーザー光の走査予定範囲を表示させるように、前記画像表示装置を制御する請求項１０に記載のレーザー走査顕微鏡システム。
12. レーザー走査顕微鏡と、試料の質量分析を行う質量分析部とからなるレーザーアブレーションシステムであって、
    前記レーザー走査顕微鏡は、
    所定波長のレーザー光を出力するレーザー光源と、
    前記レーザー光で走査することによって試料の表面又はその付近から発生する観察光を検出する撮像素子と、
    照明光を出力する照明光源と、
    前記レーザー光源からのレーザー光で前記試料表面を走査するための走査光学系と、
    前記照明光源からの照明光を前記試料表面に照射するための照明光学系と、
    前記試料表面又はその付近からの観察光を前記撮像素子に結像させるための観察光学系とを備え、
    前記走査光学系は、前記レーザー光源から前記試料表面に向けて順に配置された、ガルバノスキャナーと、ｆθレンズと、第１結像レンズと、対物レンズとからなり、
    前記照明光学系は、前記照明光源から前記試料表面に向けて順に配置された、集光レンズと、前記対物レンズとからなり、
    前記観察光学系は、前記試料表面から前記撮像素子に向けて順に配置された、前記対物レンズと、第２結像レンズとからなり、
    前記撮像素子の撮像面は、前記ｆθレンズの焦点面の共焦点位置に設定されると共に、
    前記試料を載置するための試料ステージと、前記試料ステージを前記対物レンズに関して光軸方向に相対的に移動させる第１駆動機構とを更に備え、
    前記観察光学系は、前記撮像素子を前記第２結像レンズに関して光軸方向に相対的に移動させる第２駆動機構を有し、
    前記レーザー光の走査によって前記試料表面又はその付近から発生する前記観察光及び前記照明光の照射によって前記試料表面から発生する反射照明光は、前記観察光学系を通して前記撮像素子に集光され、結像されるレーザーアブレーションシステム。
13. 前記第２駆動機構は、前記撮像素子を前記光軸方向に移動させる請求項１２に記載のレーザーアブレーションシステム。
14. 前記第２駆動機構は、オートフォーカス機構である請求項１３に記載のレーザーアブレーションシステム。
15. 前記第２駆動機構は、前記第２結像レンズを前記光軸方向に移動させる請求項１２に記載のレーザーアブレーションシステム。
16. 前記第１駆動機構は、前記試料ステージを前記光軸方向に移動させる請求項１２乃至１５のいずれかに記載のレーザーアブレーションシステム。

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