JPH03209415A - 顕微鏡像出力方法および走査型顕微鏡 - 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） 本発明は光学式の走査型顕微鏡において試料像を出力す
る方法、特に詳細には、試料の広範囲部分についての顕
微鏡像を出力可能とした方法に関するものである。

また本発明は、上述のような顕微鏡像出力方法を実現す
る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画像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。なお特開昭８
２−２１７２１８号公報には、この走査型顕微鏡の一例
が示されている。

従来の光学式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、照
明光ビームを光偏向器で振るようにしているから、送光
光学系の対物レンズにはこの光ビームが刻々異なる角度
で入射することになり、それによる収差を補正するため
に対物レンズの設計が困難になるという問題も認められ
ている。特にＡＯＤを使用した場合には、対物レンズ以
外にも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、光学系をより複雑なも
のとしている。

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。

（発明が解決しようとする課題） 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。そのため、この移動用の駆動源として例
えばピエゾ素子や超音波振動子等を利用することが考え
られる。

ところが、そのような素子は一般に、高速振動可能なも
のは振幅が小さいものとなっている。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。

本発明は上記のような事情に鑑みてなされたものであり
、照明光走査幅が大きく取れなくても、試料の広範囲部
分の像を出力することができる顕微鏡像出力方法を提供
することを目的とするものである。

また本発明は、上述のような顕微鏡像出力方法を実現す
る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及び作用）本発明による顕
微鏡像出力方法は、先に述べたように試料台と光学系と
を相対的に移動させることにより、照明光を試料上にお
いて２次元的に走査させ、この照明光走査を受けた試料
の部分からの光を光電的に検出して、試料の顕微鏡像を
担う画像信号を得る走査型顕微鏡において、試料上の一
部の領域において照明光を走査させて、該領域に関する
画像信号を得、 その後、試料台と光学系との相対位置関係を変えてから
、上記領域に隣接する領域において照明光を走査させて
、該隣接領域に関する画像信号を得、 これらの画像信号に基づいて、上記一部の領域と隣接領
域とが、試料上における配置関係通りに相連なる顕微鏡
像を出力させることを特徴とするものである。

上述のようにして例えば２つの領域を相連ねて出力すれ
ば、通常の場合と比べて２倍の広い領域についての顕微
鏡像が得られることになる。勿論、３つ以上の領域を連
ねてさらに広い領域についての顕微鏡像を出力すること
も可能である。

また上記の方法を実現する本発明による走査型顕微鏡は
、 試料台と光学系とを相対的に移動させることにより、照
明光を試料上において２次元的に走査させ、この照明光
走査を受けた試料の部分からの光を光電的に検出して、
試料の顕微鏡像を担う画像信号を得る走査型顕微鏡にお
いて、 試料台と光学系との相対位置関係を変えて、照明光が試
料上において２次元的に走査する領域を変更させる手段
と、 上記画像信号を記憶する記憶手段と、 この記憶手段に記憶された、試料上の相隣接する複数領
域に関する各画像信号を合成して、これら複数領域を試
料上における配置関係通りに相連ねて示す画像信号を得
る信号合成手段とを設けたことを特徴とするものである
。

上記のように試料台と光学系との相対位置関係を変える
手段としては、例えばこれらの一方をステッピングモー
タにより、あるいは高速振動は不可能であるがその代わ
り振幅は大きく取れるピエゾ素子等により移動させる機
構を用いることができる。

（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、本発明の一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図は、その走査機
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５が、移動台１５に一
体的に保持されている。

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としては、例えばフォトダ
イオード等が用いられる。また光検出器９の前側（図中
上方）には、ピンホール８ａを有するピンホール板８が
配されている。

レーザダイオード５から発せられたレーザ光（照明光）
　１１は、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２
２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に収束する。

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点像Ｑに結像する。

この点像Ｑは、光検出器９によって検出される。この光
検出器９からは、光点Ｐで照射された試料２３の各部分
の明るさを示す信号Ｓが出力される。

なお、上記点像Ｑをピンホール８ａを介して検出するこ
とにより、そのハローや試料２３で散乱した光をカット
することができる。

次に、照明光１１の光点Ｐの２次元走査について、第２
図も参照して説明する。移動台１５は架台３２に対して
、矢印Ｘ方向に移動自在に支持されている。

すなわち架台３２には２本のガイドロッド４０．４０の
一端部が固定され、移動台１５に設けられた２つのガイ
ド孔４１．４１中にこれらのガイドロッド４０．４０が
遊嵌されている。上記架台３２には領域移動用積層ピエ
ゾ素子３３が取り付けられ、−刃移動台１５には主走査
用積層ピエゾ素子３７が取り付けられ、これら画素子３
３．３７の相対向する部分が連結部材３６によって連結
されている。

上記領域移動用積層ピエゾ素子３３は比較的低速で駆動
するが、往復移動ストロークは例えば０．５〜１．０ｍ
ｍ程度とかなり大きく取れるものである。

それとは対照的に主走査用積層ピエゾ素子３７は、移動
ストロークは例えば１００μｍ程度と小さくても、振動
数がｌＯｋ　Ｈｚ程度と十分高速で駆動するものが選択
使用されている。

一方試料台２２は架台３２に対して、上記矢印Ｘ方向と
直角な矢印Ｙ方向に移動自在に支持されている。すなわ
ち架台３２には、２本のガイドロッド４５．４５の一端
部が固定され、試料台２２に設けられた２つのガイド孔
４６．４６中にこれらのガイドロッド４５．４５が遊嵌
されている。上記架台３２には領域移動用積層ピエゾ素
子４３が取り付けられ、一方試料台２２には副走査用積
層ピエゾ素子４７が取り付けられ、これら画素子４３．
４７の相対向する部分が連結部材４９によって連結され
ている。上記領域移動用積層ピエゾ素子４３も前記積層
ピエゾ素子３３と同様に、往復移動ストロークが大きく
取れるものが用いられている。

試料２３の顕微鏡像を撮像する際には、主走査用積層ピ
エゾ素子３７がピエゾ素子駆動回路３８（第３図参照）
から駆動電圧印加を受けて、移動台１５を矢印Ｘ方向に
高速で往復移動させる。この往復移動の振動数が例えば
１０ｋ　Ｈｚとされた場合、主走査幅を１００μｍとす
ると、主走査速度は、１０ＸＩＯ３ｘｔｏｏ　ｘｉｏ４
　Ｘ２−２ｍ／ｓとなる。

一方、副走査用積層ピエゾ素子４７はピエゾ素子駆動回
路４８（第３図参照）から駆動電圧印加を受けて、試料
台２２を矢印Ｙ方向に高速で往復移動させる。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、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／
２０秒（積層ピエゾ素子４７の振動数はＩＯＨｚ　）さ
れ、その場合、副走査幅を１００μｍとすると、副走査
速度は、２０Ｘ１００　Ｘｌ０（ｌ＝０．００２　ｍ／
　５−２ｍｍ／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、該試料２３の２次元像を担持するアナ
ログの信号Ｓが得られる。以下第３図を参照して、この
画像信号Ｓから画素分割されたデジタル画像データを作
成する点について説明する。

第３図は走査型顕微鏡の電気回路を示している。

図示されるように前記ピエゾ素子駆動回路３８および４
８には、制御回路３５から主走査ドライブ信号Ｓ１およ
び副走査ドライブ信号Ｓ２が入力され、それにより主、
副走査の同期を取って積層ピエゾ素子３７．４７が駆動
される。

一方光検出器９が出力したアナログ画像信号Ｓは画像信
号用アンプ５０で増幅された後、Ａ／Ｄ変換器５１に入
力される。またこのＡ／Ｄ変換器５１にはサンプリング
クロックＳ３が入力され、該Ａ／Ｄ変換器５１はこのサ
ンプリングクロックＳ３の周波数でアナログ画像信号Ｓ
をサンプリング（標本化）し、そしてデジタルの画像デ
ータＳｄに変換する。このデジタル画像データＳｄは−
たん画像メモリ５３に記憶された後、そこから逐次読み
出される。読み出された画像データＳｄは後述する信号
合成部５５を通して、例えばＣＲＴ等からなる画像再生
装置５４に送られ、試料２３の顕微鏡像再生のために供
せられる。

なお以上のようにして撮像される１つの顕微鏡像は、（
主走査幅Ｘ副走査幅）の領域についてのものとなる。こ
のような１つの顕微鏡像を画像再生装置５４においてそ
のまま出力させる場合には、デジタル画像データＳｄは
信号合成部５５を素通りさせて画像再生装置５４に送ら
れる。

次に、上記（主走査幅Ｘ副走査幅）の領域よりもさらに
広い領域についての顕微鏡像を出力させる操作について
説明する。その際には、まず上記と同様にして顕微鏡像
が１画面撮像され、その画像を担持するデジタル画像デ
ータＳｄがメモリ５３に記憶される。次いでピエゾ素子
駆動回路４４に制御回路３５からドライブ信号Ｓ５が入
力され、該駆動回路４４が領域移動用積層ピエゾ素子４
３に駆動電圧を印加する。なおこのとき走査用積層ピエ
ゾ素子３７．４７は駆動停止している。それにより試料
台２２は副走査方向Ｙに、前記副走査幅と同じ距離移動
される。

こうして試料台２２が移動された後、前述したのと同様
にして顕微鏡像が１画面撮像される。この顕微鏡像を担
持するデジタル画像データＳｄも、メモリ５３に記憶さ
れる。

以上のようにして撮像される２つの領域の試料２３上で
の位置関係を、第４図に示す。最初に撮像される領域を
図中Ａ１で示すと、２番目に撮像される領域は、上記領
域Ａ１に対して副走査方向に隣接したＡ２の領域となる
。

次いでピエゾ素子駆動回路３４に制御回路３５からドラ
イブ信号Ｓ４が入力され、該駆動回路３４が領域移動用
積層ピエゾ素子３３に駆動電圧を印加する。

なおこのときも走査用積層ピエゾ素子３７．４７は、駆
動停止している。それにより移動台１５は、主走査方向
Ｘに、前記主走査幅と同じ距離移動される。

こうして移動台１５が移動された後、前述したのと同様
にして顕微鏡像が１画面撮像される。この顕微鏡像を担
持するデジタル画像データＳｄも、メモリ５３に記憶さ
れる。

以上のようにして撮像される顕微鏡像の領域は、第４図
にＡ３で示すように、２番目に撮像される顕微鏡像の領
域Ａ２に対して、主走査方向に隣接するものとなる。

次に領域移動用積層ピエゾ素子４３への駆動電圧印加か
断たれ、試料台２２は原位置に戻される。こうしてから
顕微鏡像を撮像することにより、第４図にＡ４で示す領
域についての顕微鏡像が撮像される。この顕微鏡像を担
持するデジモル画像デタＳｄも、メモリ５３に記憶され
る。

上述のようにしてメモリ５３に記憶された４組の画像デ
ータＳｄに基づいて顕微鏡像を出力する際、前記信号合
成部５５はこれら４組の画像データＳｄを合成して、第
４図の４つの領域Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４が図示の配置
関係通りに相隣接して連なる画像を担持する信号を作成
する。こうして得られた合成画像データＳｍを画像再生
装置５４に入力すれば、上記４つの領域Ａ１〜Ａ４が連
なる大きな領域についての顕微鏡像が出力されることに
なる。

なお、本発明において合成する領域の数は上記実施例に
おける４に限られるものではなく、必要に応じて適宜設
定すればよい。例えば撮像領域変更のために移動台１５
と試料台２２との相対位置関係を、主走査方向および副
走査方向についてそれぞれ走査幅の３倍分ずらせるよう
にしておけば、４Ｘ４−１６の領域を合成して出力させ
ることができる。

また、例えば第４図に示すように４領域を合成する場合
、ＮＴＳＣ方式に準じて１主走査周期を６３．５μＳｅ
Ｃｓ走査線の数は１領域当り２６３本（→５２５本／２
）とすると、撮像領域変更に要する時間を考慮しなけれ
ば、１合成画面（４領域）は約１／１５秒で撮像可能で
ある。

また走査領域を変更する際の各領域への移行順序も、上
記実施例におけるものに限定する必要はなく、例えば第
４図の例で説明すれば、領域Ａ１→Ａ４→Ａ３→Ａ２等
の順序で移行するようにしてもよい。

さらに、複数の領域についての画像データＳｄをメモリ
５３に記憶させた後、各領域の全範囲をすべて出力させ
ることは、必ずしも必要ではない。

すなわち、上記のようにしてメモリ５３に記憶させた画
像データＳｄを適当に間引き、この間引き後の画像デー
タに基づいて、間引きなしの場合と共通の画面サイズで
画像を出力させれば、合成領域の一部を拡大して示すこ
とが可能となる。上記間引きの割合を高くするほど出力
画像は拡大するから、間引き率を調整することにより、
出力画像を電気的操作でズーミング可能となる。

さらに本発明の方法においては、特に画像再生装置５４
としてハードコピーを出力するような手段が用いられる
場合は、各領域についての画像信号を合成することはせ
ず、各領域の顕微鏡像を記録媒体の相異なる領域に逐一
記録して、記録媒体上で複数領域の各画像が合成される
ようにしてもよい。

なお図では特に示されていないが、主、副走査方向Ｘ１
Ｙと直交する矢印Ｚ方向（第１図参照）、すなわち光学
系１８．２１の光軸方向に試料台２２を移動させること
もできる。こうして試料台２２をＺ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から得られた画像データＳｄ
をメモリに取り込むことにより、試料２３をＺ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
画像データを得ることが可能となる。

また本発明は、ピエゾ素子によって光学系と試料台とを
相対移動させる走査型顕微鏡に限らず、その他超音波振
動子等によって上記相対移動を果たすように構成した走
査型顕微鏡に対しても適用可能である。

（発明の効果） 以上詳細に説明した通り本発明の顕微鏡像出力方法にお
いては、試料上の比較的小さな領域をいくつか撮像し、
撮像された複数の顕微鏡像を合成して出力するようにし
たから、照明光の走査幅が大きく取れない走査機構を用
いても試料の広範囲部分を示す顕微鏡像を出力すること
ができ、試料を観察する上で大変便利となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例による走査型顕微鏡の概略
正面図、 第２図は、上記走査型顕微鏡の要部を示す斜視図、 第３図は、上記走査型顕微鏡の電気回路を示すブロック
図、 第４図は、本発明における複数領域の合成出力を説明す
る説明図である。 ５・・・レーザダイオード　９・・・光検出器１１・・
・照明光　　　　　　１１′・・・透過光１５・・・移
動台　　　　　　１Ｂ・・・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 ３３．４３・・・領域移動用積層ピエゾ素子３４．３８
．４４．４８・・・ピエゾ素子駆動回路３７・・・主走
査用積層ピエゾ素子 ４７・・・副走査用積層ピエゾ素子 ５０・・・アンプ　　　　　　５１・・・Ａ／Ｄ変換器
５３・・・メモリ　　　　　　５４・・・画像再生装置
５５・・・信号合成部 第 図 第 図 第 図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）試料が載置される試料台と、照明光を試料上に照
   射する光学系とを相対的に移動させることにより、この
   照明光を試料上において２次元的に走査させ、この照明
   光走査を受けた試料の部分からの光を光電的に検出して
   、試料の顕微鏡像を担う画像信号を得る走査型顕微鏡に
   おいて、 試料上の一部の領域において前記照明光を走査させて、
   該領域に関する前記画像信号を得、その後、前記試料台
   と光学系との相対位置関係を変えてから、前記領域に隣
   接する領域において前記照明光を走査させて、該隣接領
   域に関する前記画像信号を得、 これらの画像信号に基づいて、前記一部の領域と隣接領
   域とが、試料上における配置関係通りに相連なる顕微鏡
   像を出力させることを特徴とする顕微鏡像出力方法。
2. （２）試料が載置される試料台と、照明光を試料上に照
   射する光学系とを相対的に移動させることにより、この
   照明光を試料上において２次元的に走査させ、この照明
   光走査を受けた試料の部分からの光を光電的に検出して
   、試料の顕微鏡像を担う画像信号を得る走査型顕微鏡に
   おいて、 前記試料台と光学系との相対位置関係を変えて、前記照
   明光が試料上において２次元的に走査する領域を変更さ
   せる手段と、 前記画像信号を記憶する記憶手段と、 この記憶手段に記憶された、試料上の相隣接する複数領
   域に関する各画像信号を合成して、これら複数領域を試
   料上における配置関係通りに相連ねて示す画像信号を得
   る信号合成手段とが設けられたことを特徴とする走査型
   顕微鏡。