JPH03172815A - 共焦点走査型顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は共焦点走査型顕微鏡、特に詳細には、試料を複
数の照明光によって同時に走査するようにした共焦点走
査型顕微鏡に関するものである。

（従来の技術） 従来より、照明光を微小な光点に収束させ、この光点を
試料上において２次元的に走査させ、その際該試料を透
過した光あるいはそこで反射した光を光検出器で検出し
て、試料の拡大像を担持する電気信号を得るようにした
光学式走査型顕微鏡が公知となっている。

なかでも、照明光を試料上において光点に収束させる一
方、この試料からの光束を再度点像に結像させてそれを
光検出器で検出するように構成した共焦点走査型顕微鏡
は、試料面上にピンホールを配する必要が無く、実現容
易となっている。

この共焦点走査型顕微鏡は基本的に、 試料が載置される試料台と、 照明光を試料に照射する照明光照射手段と、この照明光
を試料上において微小な光点として結像させる送光光学
系と、 上記試料からの光束を集光して点像に結像させる受光光
学系と、 この点像を検出する光検出器と、 上記光点を試料上において２次元的に走査させる走査機
構とから構成されるものである。なお特開昭８２−２１
７２１８号公報には、この共焦点走査型顕微鏡の一例が
示されている。

（発明が解決しようとする課題） 従来の共焦点走査型顕微鏡においては、上記走査機構と
して、照明光ビームを光偏向器によって２次元的に偏向
させる機構が多く用いられていた。

しかしこの機構においては、ガルバノメータミラーやＡ
ＯＤ　（音響光学光偏向器）等の高価な光偏向器が必要
であるという難点が有る。またこの機構においては、特
にＡＯＤを使用した場合、ＡＯＤから射出した光束に非
点収差が生ずるため特殊な補正レンズが必要となり、光
学系がより複雑なものとなる。

上記の点に鑑み従来より、照明光ビームは偏向させない
で、試料台の方を２次元的に移動させて照明光光点の走
査を行なうことが考えられている。

さらには、本出願人による特願平１−２４６９４６号明
細書に示されるように、送光光学系と受光光学系とを共
通の移動台に搭載し、この移動台を試料台に対して移動
させることにより、照明光光点の走査を行なうことも考
えられている。

上述のように光学系と試料台とを相対的に移動させて照
明光光点の走査を行なう場合は、撮像所要時間短縮化の
ために、光学系あるいは試料台を高速で移動させること
が求められる。そこで、この移動用の駆動源としては例
えばピエゾ素子や超音波振動子等が利用されるが、その
ような素子は一般に、高速振動可能なものは振幅が小さ
く、逆に振幅が大きく取れるものは高速振動が不可能と
なっている。この振幅が大きく取れないと、上記光点走
査の走査幅を小さく設定せざるを得ず、したがって、試
料の狭い範囲についての顕微鏡像しか得られないことに
なる。他方、高速走査が不可能であれば、顕微鏡像を撮
影するのに要する時間が長くなってしまう。

なお、上述のように高速走査が難しいという問題は、前
述のガルバノメータミラー等の機械式光偏向器を用いて
照明光ビームを偏向させる場合にも認められるものであ
る。

そこで本発明は、構成が簡単で安価に形成することがで
き、さらに高速走査が可能で、走査幅を大きく取ること
もできる共焦点走査型顕微鏡を提供することを目的とす
るものである。

（課題を解決するための手段） 本発明による共焦点走査型顕微鏡は、先に述べたような
試料台と、照明光照射手段と、送光光学系と、受光光学
系と、光検出器と、光点の２次元走査機構とを備えた共
焦点走査型顕微鏡において、照明光照射手段として、複
数の照明光を１列に並んだ状態で試料上に照射するもの
を用いるとともに、 光検出器は、上記複数の照明光照射により生じる複数の
点像を個別に検出可能に形成し、そして、上記複数の光
点を試料上においてそれらの並び方向に、少なくとも光
点の並びピッチと同じ走査幅で主走査させる主走査手段
と、上記複数の光点を、試料上において主走査の方向と
ほぼ直交する方向に副走査させる副走査手段とによって
走査機構を構成したことを特徴とするものである。

なお上述の照明光照射手段としては、複数の光源が１列
に並設されてなる光源アレイを用いることもできるし、
あるいは１つの光源と、そこから発せられた１本の光ビ
ームを複数本に分岐する手段とが組み合わされたものを
利用することもできる。

（作　　用） 上記の構成において、例えばｎ本の照明光が試料上を等
ピッチで照射し、試料上の光点の並びピッチと同じ主走
査幅（これを以下、部分主走査幅と称する）が確保され
たとすると、全体的な主走査幅つまり１主走査ラインの
長さは、上記部分主走査幅のｎ倍となる。換言すれば、
大きな主走査幅を得る場合でも、各光点の実際の主走査
幅は基本的に、光点の並びピッチだけ確保されればよい
ことになる。したがって、この主走査のための駆動源と
して、移動ストロークは大きく取れなくても高速振動が
可能なピエゾ素子等が利用できるようになり、高速走査
が実現される。

なお、上記部分主走査幅は、特に光源の並設ピッチを上
回る程に大きく確保する必要は無いが、何らかの理由に
よりこのピッチをある程度上回っても構わない。その場
合は、試料上の同一部分が、ある光点と別の光点とによ
り重ねて主走査されることになるが、その部分に関して
は、一方の光点の走査で得られた画像信号をカットする
等の処置を取ればよい。

（実　施　例） 以下、図面に示す実施例に基づいて本発明の詳細な説明
する。

第１図は、本発明の第１実施例による透過型の共焦点走
査型顕微鏡を示すものであり、また第２および３図は、
それに用いられた走査機構を詳しく示している。

第１図に示されるように、照明光１１を発するレーザダ
イオードアレイ（以下、ＬＤアレイと称する）５が、移
動台１５に一体的に保持されている。

このＬＤアレイ５は第４図に詳しく示す通り、点光源状
となる発光部（活性層）５ａをｎ個（複数）１列に並べ
て有するものであり、第１図においては、これらの発光
部５ａが左右方向に並んで下方を向く状態に配置されて
いる。なお上記発光部５ａの並設ピッチは、本実施例で
は１０μｍである。

また移動台１５には、コリメーターレンズ１Ｂおよび対
物レンズ１７からなる送光光学系１８と、対物レンズ１
９および集光レンズ２０からなる受光光学系２１とが、
互いに光軸を一致させて固定されている。

これらの光学系１８．２１の間には、移動台１５と別体
とされた試料台２２が配されている。そして受光光学系
２１の下方において移動台１５には、光検出器９が固定
されている。この光検出器９は例えばリニアイメージセ
ンサからなり、直線状の受光部が第１図において左右方
向に延びる状態に配置されている。また光検出器９の前
側（図中上方）には、その直線状の受光部に沿って延び
るスリットを有するスリット板８が配されている。

ＬＤアレイ５は、ｎ個の発光部５ａが同時にレーザ光（
照明光）　１１を発するように駆動される。

なお第１図には、２本の照明光１１のみを示しである。

こうして発せられた０本の照明光１１はそれぞれコリメ
ーターレンズ１６によって平行光とされ、次に対物レン
ズ１７によって集光されて、試料台２２に載置された試
料２３上で（表面部分あるいはその内部で）微小な光点
Ｐに結像する。試料２３を透過した各透過光１１’の光
束は、受光光学系２１の対物レンズ１９によって平行光
とされ、次に集光レンズ２０によって集光されてそれぞ
れ点像Ｑに結像する。

これらの点像Ｑは、光検出器９によって個別に検出され
る。この光検出器９からは、光点Ｐで照射された試料２
３の各部分の明るさを示す信号Ｓが出力される。

次に、照明光１１の光点Ｐの２次元走査について、第２
．３図を参照して説明する。第２図と第３図はそれぞれ
、移動台１５の周辺部分を、第１図の上方側、右方側か
ら見た状態を示している。この移動台１５は架台３２に
、ピエゾ素子３３を介して保持されている。ピエゾ素子
３３はピエゾ素子駆動回路３４から駆動電力を受けて、
移動台１５を矢印Ｘ方向（発光部５ａの並び方向）に高
速で往復移動させる。この往復移動のストロークは、発
光部５ａの並設ピッチと同じ１０μｍとされている。こ
うして移動台１５が１回往復移動されると、試料２３上
の矢印Ｘ方向に延びる１ラインについて光点Ｐの主走査
が完了する。

なお第５図に、上記のようにして主走査がなされる１本
のラインを分かりやすく示す。図中Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３・
・・・・・Ｐｎがそれぞれ、第１．２．３・・・・・・
ｎ番目の発光部５ａから発せられた照明光１１の光点で
あり、これらの光点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３・・・・・・Ｐｎ
によりそれぞれ、部分ラインＬ１、Ｌ２、Ｌ３・・・・
・・Ｌｎが同時に走査される。こうして全体的には、光
点ピッチのｎ倍の長いラインＬが主走査される。

上述のようにして光点Ｐの主走査がなされることにより
、光検出器９からは、部分ラインＬ１、Ｌ２、Ｌ３・・
・・・・Ｌｎについての像を示す画素分割された信号Ｓ
が出力され、結局、１主走査ラインＬについての信号Ｓ
が得られる。

移動台１５の振動数は、例えば１００ｋＨｚとされる。

その場合、発光部５ａの数ｎ−１０とすれば、主走査幅
は１０μｍＸ１Ｏ−１００μｍであり、主走査速度は、 １００　Ｘｌ０３ＸＩＯＸＩＯ’　Ｘ２−２ｍ／　ｓと
なる。

一方試料台２２は、２次元移動ステージ３５に固定され
ている。この２次元移動ステージ３５は、モータ駆動回
路３Ｂから駆動電流を受けるパルスモータ３７により、
マイクロメータ３８を介して矢印Ｙ方向に往復移動され
る。それにより試料台２２は移動台１５に対して相対移
動され、前記光点Ｐが試料２３上を、前記主走査方向Ｘ
と直交するＹ方向に副走査する。なお、この副走査の所
要時間は例えば１／２００秒とされ、その場合、副走査
幅を１００μｍとすると、副走査速度は、 ２００　ｘｔｏｏ　ｘｔｏ°’　−０，００２ｍ　／　
５−２０ｍｍ／ｓ と、前記主走査速度よりも十分に低くなる。この程度の
副走査速度であれば、試料台２２を移動させても、試料
２３が飛んでしまうことを防止できる。

以上のようにして光点Ｐが試料２３上を２次元的に走査
することにより、前記光検出器９からは、該試料２３の
２次元像を担持する時系列の信号Ｓが得られる。

また本実施例においては２次元移動ステージ３５が、モ
ータ駆動回路３９から駆動電流を受けるパルスモータ４
０により、主、副走査方向Ｘ１Ｙと直交する矢印２方向
（すなわち光学系１８．２１の光軸方向）に移動される
。こうして２次元移動ステージ３５を２方向に所定距離
移動させる毎に前記光点Ｐの２次元走査を行なえば、合
焦点面の情報のみが光検出器９によって検出される。そ
こで、この光検出器９の出力Ｓをフレームメモリに取り
込むことにより、試料２３を２方向に移動させた範囲内
で、全ての面に焦点が合った画像を担う信号を得ること
が可能となる。

なおピエゾ素子駆動回路３４およびモータ駆動回路３６
．３９には、制御回路４１から同期信号が入力され、そ
れにより、光点Ｐの主、副走査および試料台２２のＺ方
向移動の同期が取られる。

上記の構成においては、スリット板８により点像Ｑのハ
ローや試料２３における散乱光をカットする作用は、副
走査方向についてのみ得られる。したがってこの走査型
顕微鏡は完全な共焦点型ではないが、それでも、上記ハ
ローや散乱光が光検出器に２次元的に入射してしまうも
のと比べれば、極めて高い解像力が得られるものとなる
。

以上説明した実施例においては、種々の変更が可能であ
る。例えば、２次元移動ステージ３５に固定された試料
台２２をＹ方向に往復移動（副走査）させるための駆動
源であるパルスモータ３７は、エンコーダ付きのＤＣモ
ータでもよい。

またこのように試料台２２を移動させることによって光
点Ｐの副走査を行なう代わりに、移動台１５を移動させ
ることによって光点Ｐの副走査を行なうようにしてもよ
い。一方光点Ｐの主走査を、試料台２２を移動させるこ
とによって行なうようにしてもよい。しかしその場合は
、主走査のために試料台２２が著しく高速で往復移動す
るので、その上の試料２３が飛んでしまうことが起きや
すい。したがって、このような不具合の発生を防止する
上では、主走査は光学系側を移動させて行なうのが好ま
しい。

さらに移動台１５や試料台２２の移動は、ピエゾ素子を
利用して行なう他、例えばボイスコイルおよび超音波に
よる固体の固有振動を利用した走査方式等を用いて行な
うことも可能である。また、リニアイメージセンサから
なる光検出器９の代わりに、例えばフォトダイオードア
レイ等を用いることも可能である。

次に第６図を参照して、本発明の第２実施例について説
明する。なおこの第６図において、前記第１図中の要素
と同等の要素には同番号を付し、それらについての詳し
い説明は省略する（以下、同様）。

この第６図の装置においては照明光照射手段として、１
本のレーザ光（照明光）　１１を発するレーザ光源５０
と、−面５２ｂに光透過率を調整する干渉薄膜５１が形
成された光学ウェッジ５２との組合せが用いられている
。このウェッジ５２に入射した照明光１１は、一部が上
記の面５２ｂを透過するとともに、一部がそこで反射す
る。この反射した照明光１１はウェッジ５２の他の面５
２ａで再度反射し、面５２ｂの上記とは異なる部分に入
射する。以上のことが繰り返されることにより、ウェッ
ジ５２からは、複数本に分岐された照明光１１が出射す
る。

これらの照明光１１はそれぞれ振動ミラー５３で反射し
、ハーフミラ−５４を透過し、対物レンズ１７を通過す
ることにより試料２３上で微小な光点Ｐに収束する。こ
の試料２３で反射した反射光１１″はハーフミラ−５４
で反射し、集光レンズ２０により集光されて、点像Ｑに
結像する。この点像Ｑは、第１図の装置と同様に、スリ
ット板８を介して光検出器９によって光電的に検出され
る。

次に、光点Ｐの２次元走査について説明する。

振動ミラー５３はその一端が揺動軸５５に軸支され、こ
の揺動軸５５を中心として矢印Ｇ方向に揺動可能とされ
ている。そしてこの振動ミラー５３の他端部にはピエゾ
素子５６が取り付けられ、このピエゾ素子５６の駆動に
より、振動ミラー５３が上記の方向に往復揺動する。そ
れにより各照明光光点Ｐは試料２３上において、それら
の並び方向（矢印Ｘ方向）に主走査する。この場合も各
光点Ｐの部分主走査の幅は基本的に、それらの並びピッ
チだけ確保されればよい。したがって上記ピエゾ素子５
Ｂ等を用いて、振動ミラー５３を極めて高速で往復揺動
させることが可能となる。

なお本実施例において光点Ｐの副走査は、第１図の装置
と同様に、試料台２２をＹ方向に移動させることによっ
て行なわれる。しかしこの副走査も、照明光１１を偏向
させて行なうようにしても構わない。

次に、第７図を参照して本発明の第３実施例について説
明する。この第７図の装置においては、第６図に示され
たものと同様の光学ウェッジ５２、ハーフミラ−５４、
対物レンズ１７、集光レンズ２０、スリット板８および
光検出器９が、移動台６０に搭載されている。そしてレ
ーザ光源５０から射出されたレーザ光（照明光）　１１
は、屈折率分布型レンズ等からなる入射レンズ６１によ
って絞られて光フアイバー６２内に入射する。この光フ
ァイバー６２の光出射端は、屈折率分布型レンズ等から
なるコリメーターレンズ６３を介して上記移動台ＢＯに
固定されており、光ファイバー６２から出射した照明光
１１は、上記コリメーターレンズＢ３により平行ビーム
とされて光学ウェッジ５２に入射する。

上記移動台６０は、例えば第１図の装置の移動台１５と
同様にして、矢印Ｘ方向に往復移動される。

それにより照明光光点Ｐの主走査がなされる。光ファイ
バー６２は可撓性を有するので、このような移動台６０
の往復移動を許容する。

なお本実施例でも光点Ｐの副走査は、試料台２２をＹ方
向に移動させることによってなされるが、移動台８０の
移動によって副走査を行なうことも勿論可能である。

なお、以上説明した実施例の共焦点走査型顕微鏡は、モ
ノクロ画像を得るものであるが、本発明の共焦点走査型
顕微鏡は、カラー画像を得るように構成することも可能
である。

（発明の効果） 以上詳細に説明した通り、本発明の共焦点走査型顕微鏡
においては、複数の照明光光点で試料を同時に照射し、
これらの光点の各主走査幅が小さくても全体として大き
な主走査幅が確保できるようにしたから、光点主走査の
ための光学系、試料台あるいは光ビーム偏向手段の駆動
ストロークが小さくて済むものとなっている。したがっ
て、この主走査のための駆動源として、駆動ストローク
は大きく取れなくても高速駆動が可能な素子が利用でき
るようになり、その上複数光点による併行走査が可能で
あるから、走査速度の大幅な向上、ひいては撮像所要時
間の大幅な短縮化が実現される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１実施例による共焦点走査型顕微
鏡を示す概略正面図、 第２図と第３図はそれぞれ、上記共焦点走査型顕微鏡の
要部を示す平面図と側面図、 第４図は、上記共焦点走査型顕微鏡に用いられた光源ア
レイを示す一部破断斜視図、 第５図は、本発明の共焦点走査型顕微鏡における光点の
主走査を説明する説明図、 第６図と第７図はそれぞれ、本発明の第２実施例、第３
実施例による共焦点走査型顕微鏡を示す概略正面図であ
る。 ５・・・ＬＤアレイ　　　　５ａ・・・発光部９・・・
光検出器　　　　　１１・・・照明光１１″・・・透過
光　　　　　１１″・・・反射光１５．８０・・・移動
台　　　　１６・・・コリメーターレンズ１７．１９・
・・対物レンズ　　１８・・・送光光学系２０・・・集
光レンズ　　　　２１・・・受光光学系２２・・・試料
台　　　　　　２３・・・試料３２・・・架台　　　　
　　　３３．５６・・・ピエゾ素子３４・・・ピエゾ素
子駆動回路 ３５・・・２次元移動ステージ ３Ｂ、３９・・・モータ駆動回路 ３８・・・マイクロメータ ５０・・・レーザ光源 ５２・・・光学ウェッジ ５４・・・ハーフミラ− Ｐ・・・光点 ３７．４０・・・パルスモータ ４１・・・制御回路 ５１・・・干渉薄膜 ５３・・・振動ミラー ６２・・・光ファイバー Ｑ・・・点像 第 ６ 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 試料が載置される試料台と、 複数の照明光を１列に並んだ状態で試料上に照射する照
   明光照射手段と、 前記照明光の各々を試料上において微小な光点に収束さ
   せる送光光学系と、 前記試料からの光束を集光して点像に結像させる受光光
   学系と、 この点像を個別に検出する光検出器と、 前記複数の光点を前記試料上において光点の並び方向に
   、少なくとも光点の並びピッチと同じ走査幅で主走査さ
   せる主走査手段と、 前記複数の光点を、試料上において前記主走査の方向と
   ほぼ直交する方向に副走査させる副走査手段とからなる
   共焦点走査型顕微鏡。