JPH03223709A - 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、特に詳細には光点の走査
機構が改良され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、照明光を光源から発生させた上で試料上にお
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、 照明光を発する光源と、 試料が載置される試料台と、 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ｆ１ｉ２−
２１７２１８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、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先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１−２４６９４８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。そのため、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す、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。

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、照明光源と、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、照明光源として、複数の光源を順
次選択的に点灯させて試料を照射する照明光照射手段と
、上記照明光照射手段の１つの光源が点灯される毎に上
記両光学系と試料台とを、上記光点が試料上を光点の並
び方向に、少なくとも光点の並びピッチと同じ走査幅で
主走査するように相対的に往復移動させる主走査手段と
、 上記両光学系と試料台とを、上記主走査の方向とほぼ直
交する方向に相対移動させて、上記光点を試料上におい
て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。

なお上述の通り、照明光照射手段の複数の光源は順次選
択的に点灯されるから、複数の光点が同時に試料上を照
射する（つまり同時点で試料上に並ぶ）ことはない。上
記「光点の並び」とは、時間的なズレは無視して考慮し
たものであり、すなわち、複数の光源が同時に点灯され
た場合を仮定すると、そのときの複数の光点の並びと同
じことである。照明光照射手段の好ましい態様として、
各々に駆動回路を有する複数の光源が１列に並設された
光源アレイが挙げられる。

また上記照明光照射手段の複数の光源としては、１つの
レーザ等と、そこから発せられた光を複数の光路に分岐
し、各光路からの光出射が順次選択的になされるように
する光スイツチ手段とから構成したものを用いることも
できる。

（作　　用） 上記の構成において、例えば光源アレイがｎ個の光源を
有する（つまり相異なるｎ個の光点を生じ得る）ものと
され、そして主走査のための両光学系あるいは試料台の
移動ストロークが、光源の並設ピッチと同じとされた場
合は、試料上の１主走査ラインは、各光点によって１／
ｎずつ主走査されることになる。すなわち、並設された
ｎ個の光源を順次点灯させることにより、全体的な主走
査幅が大きく確保される。換言すれば、大きな主走査幅
を得る場合でも、上記移動ストロークは基本的に、光源
の並設ピッチ（光点の並びピッチに対応する）だけ確保
されればよいことになる。したがって、この移動のため
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、上記の移動ストロークは、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
由によりそのようになっても構わない。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。

また本発明においては、副走査方向にも複数の光源を並
設してそれらを順次選択的に点灯させるようにし、それ
により副走査幅を大きく確保することもできる。

（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１０８ｍである。

また移動台１５には、コリメーターレンズ１６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、第２図に示すＬＤアレイ駆動回路６に
より、ｎ個の発光部５ａが順次１つずっレーザ光（照明
光）１１を発するように駆動される。

こうして発せられた照明光１１はコリメーターレンズ１
６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Ｉ５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。

この往復移動は、ピエゾ素子駆動回路３４に制御回路４
１から同期信号が入力されることにより、ｎ個の発光部
５ａの順次点灯と同期を取って行なわれる。すなわち、
ｎ個の発光部５ａのうち第１番目のものか点灯している
間に、移動台１５の第１回目の往復移動がなされ、以下
、第２．３．４・・・・・・ｎ番目の発光部５ａがそれ
ぞれ点灯している間に、移動台１５の第２．３．４・・
・・・・ｎ回目の往復移動がなされる。そしてこの移動
台１５の往復移動ストロークは、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
０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、移動台１５の第１回目の往復移動で部分ラインＬ
１が光点Ｐ１により走査され、以下、移動台Ｉ５の第２
．３．４・・・・・−ｎ回目の往復移動でそれぞれ、部
分ラインＬ２、Ｌ３、Ｌ４・・・・・・Ｌｎが光点Ｐ２
、Ｐ３、Ｐ４・・・・・・Ｐｎにより走査される。こう
して最終的に、１本のライン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から順次、部分ラインＬ１、Ｌ２、Ｌ３・
・・・・・Ｌｎについての像を示す信号Ｓが出力され、
その結果、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１０μｍ　Ｘ　ＬＯ＝　１００μｍであり、主走査速
度は、 Ｉｆ）（ｌ　ＸＬ０３ＸＩＯＸＩ（ｌ（ＩＸ２−２ｍ／
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３６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１／２０秒とされ、その場合、副走査幅を
１００μｍとすると、副走査速度は、 ２０Ｘ　１００　Ｘ　１０’　−０，００２ｍ／　ｓ鱈
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、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。この信
号Ｓは例えば所定周期毎にサンプリングする等により、
画素分割された信号とされる。

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ＸＳＹと直交する矢印Ｚ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２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２８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か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、例えば音叉、ボイスコイルあるいは
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や光電子増倍管等のよう
に２次元的拡がりを有する受光面を備えた光検出器と、
それへの光入射を１次元的に制限するスリットとが組み
合わされたもの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２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、それらについての重複
した説明は省略する（以下、同様）。

この第２実施例においては照明光照射手段が、レーザ５
０と、そこから発せられたレーザ光（照明光）　１１を
収束させる収束レンズ５１と、収束された照明光１１を
ｎｘｍ本の光路に分岐するとともに、各光路から光出射
が順次選択なされるようにする光スィッチ５２と、この
光スィッチ５２のコントローラ５３とから構成されてい
る。そして上記光路のそれぞれには、ｎＸｍ本の光ファ
イバー５４が接続されている。

上記ｎＸｍ本の光ファイバー５４は、送光光学系を構成
するレンズアレイ部５５に接続されている。

このレンズアレイ部５５は、第７．８図に平面形状、正
面形状を詳しく示すように、屈折率分布型に形成された
光ファイバー５４の端部が、保持部材５５ａにより、主
走査方向ＸＪ：ｎ本（本例では３本）、副走査方向Ｙ　
１．ｍ　ｍ本（本例では３本）アレイ状に配列されてな
るものである。上記光ファイバー５４の端部は、主走査
方向Ｘには移動金工５の往復移動ストローク以下のピッ
チ１で、また副走査方向Ｙには試料台２２の往復移動ス
トローク以下のピッチにで並列されている。このレンズ
アレイ部５５の光フアイバ一端部から出射した照明光１
１は、試料２３の表面部分あるいはその内部で微小な光
点Ｐに結像する。

試料台２２の下側には、受光光学系を構成するレンズア
レイ部５６が配され、このレンズアレイ部５６にはｎｘ
ｍ本の光ファイバー５７が接続されている。

これらのレンズアレイ部５６および光ファイバー５７は
、レンズアレイ部５５および光ファイバー５４と同等の
ものであり、光ファイバー５７の端部はそれぞれ光ファ
イバー５４の端部と同軸に配設されている。

したがって、試料２３を透過した透過光１１’　の光束
は、光ファイバー５４の端部で集光されてそこに入射す
る。これらの光ファイバー５７は、光電子増倍管等の光
検出器５８の十分大きい受光面に光学的に接続されてい
る。

上記の構成においては、ｎＸｍ本の光ファイバー５４へ
の照明光入射を光スィッチ５２により順次切り換えて、
移動台１５の第１．２．３．４・・・・・・回目の往復
移動がなされるときにそれぞれ、第７図の副走査方向第
１列目の光ファイバー５４Ａ、５４Ｂ、５４Ｃ，５４Ａ
・・・・・・から照明光１１を順次選択的に出射させる
。そしてこのような主走査が所定回繰り返される間に試
料台２２の第１回目の往復移動が終了したならば、次は
副走査方向第２列目の３つの光ファイバー５４Ｄ、５４
Ｅ、５４Ｆから、上記と同様に照明光１１を順次選択的
に出射させ、試料台２２の第２回目の往復移動が終了し
たならば、次は副走査方向第３列目の３つの光ファイバ
ー５４Ｇ、５４Ｈ。

５４Ｉから照明光１１を順次選択的に出射させる。

こうすることにより、主走査幅もまた副走査幅も、合成
して大きく確保できることになる。すなわち、この場合
の合成された主走査幅はｎＸ１）、合成された副走査幅
はｍＸｋとなる。

次に、第９図を参照して本発明の第３実施例について説
明する。この実施例においては、ｎｘｍ本の光ファイバ
ー５７に、光スィッチ５２と同様の光スィッチ６０が接
続されている。この光スィッチＢＯは、光スィッチ５２
の動作と同期が取られた上で、ｎＸｍ本の先ファイバー
５７の１つを順次選択的に１本の光ファイバー６１に接
続するように動作する。

なお上述のような光スィッチ５２を設ける代わりに、光
ファイバー５４の各々に半導体レーザ等の発光素子を接
続してもよいし、また光スィッチ６０を設ける代わりに
、光ファイバー５７の各々にフォトダイオード等の受光
素子を接続してもよい。

次に、第１Ｏ図を参照して本発明の第４実施例について
説明する。この実施例においては、第２実施例および第
３実施例で用いられたレンズアレイ部５６に代えて、受
光光学系として１個の集光レンズ７０が用いられている
。この集光レンズ７０は、送光光学系としてのレンズア
レイ部５５の大きさに対して十分な範囲で収差補正され
たものであり、透過光１１゛　を集光して光ファイバー
６１の端面上で収束させ、該光フアイバー８１内に入射
させる。

次に、第１１図を参照して本発明の第５実施例について
説明する。この実施例においては、第２．３および４実
施例で用いられたレンズアレイ部５６に代えて、集光レ
ンズ７１．７２が用いられている。

これらのレンズ７１．７２も、ｎ、Ｘｍ本の光ファイバ
ー５４の配設範囲に対して十分な範囲で収差補正された
ものであり、各光ファイバー５４から出射した照明光１
１を、試料２３の表面部分あるいはその内部で結像させ
る。

なお、以上説明したように第２〜５実施例においては、
光スィッチ５２を切り換えることにより、大きな主、副
走査範囲を得て広い視野範囲の顕微鏡像を得ることがで
きるが、この光スィッチ５２の切り換え力次第で、比較
的小さな視野範囲の像を出力させた後、その範囲とは離
れた比較的小さな視野範囲の像を出力させることもでき
る。すなわち、第７図の例で説明すれば、光ファイバー
５４Ａから照明光１１を出射させてその主、副走査を行
なった後、光ファイバー５４１から照明光１１を出射さ
せてその主、副走査を行なうようにしてもよい。

視野探しを行なう際には、このようにして撮像を行なう
と、所望の視野範囲が早く見つかることも多い。

さらに本発明は、以上説明した透過型の共焦点走査型顕
微鏡に限らず、反射型の共焦点走査型顕微鏡にも適用可
能である。

また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、照明光ビームが振られることがないから、
光学系の設計が容易となり、またガルバノメータミラー
やＡＯＤ等の高価な光偏向器が不要で簡単な構造となっ
ているから、本装置は安価に形成可能となる。

そして本発明の共焦点走査型顕微鏡は、照明光を発する
手段として光源アレイを用い、この光源アレイの各光源
を順次点灯させて大きな主走査幅を確保するようにした
から、光学系あるいは試料台の往復移動ストロークが小
さくて済むものとなっている。したがって、この往復移
動の駆動源として、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素子が利用できるようになり、それ
により、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図は、本発明の第２実施例による共焦点走査型顕微
鏡を示す概略正面図、 第７図と第８図はそれぞれ、上記第２実施例装置の一部
を示す平面図と正面図、 第９．１０、および１１図はそれぞれ、本発明の第３．
４および５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６・・
・ＬＤアレイ駆動回路　９．５８・・・光検出器１１・
・・照明光　　　　　　１１°・・・透過光１５・・・
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
．７０．７１．７２・・・集光レンズ２１・・・受光光
学系　　　　２２・・・試料台２３・・・試料　　　　
　　　３２・・・架台３３・・・ピエゾ素子　　　　３
４・・・ピエゾ素子駆動回路３５・・・２次元移動ステ
ージ ３Ｌ　３９・・・モータ駆動回路　３７．４０・・・パ
ルスモータ３８・・・マイクロメータ　　　４１・・・
制御回路５０・・・レーザ　　　　　　　５１・・・収
束レンズ５２．６０・・・光スィッチ　　　５３・・・
コントローラ５４．５７．６１・・・光ファイバー ５５．５６・・・レンズアレイ部 Ｐ・・・光点　　　　　　　　Ｑ・・・点像筒 ？ 図 第 ４ 図 第６ 図 第７　図 第８図 弔 図 第°１０図 第１１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 試料が載置される試料台と、 照明光を発する複数の光源を順次選択的に点灯させて試
   料を照射する照明光照射手段と、前記照明光を試料上に
   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、 この点像を検出する光検出器と、 前記照明光照射手段の１つの光源が点灯される毎に前記
   両光学系と試料台とを、前記光点が前記試料上を光点の
   並び方向に、少なくとも光点の並びピッチと同じ走査幅
   で主走査するように相対的に往復移動させる主走査手段
   と、 前記両光学系と試料台とを、前記主走査の方向とほぼ直
   交する方向に相対移動させて、前記光点を前記試料上に
   おいて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。