JPH03291614A - 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、高コント
ラストの顕微鏡像が得られ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、さらには試料から
発せられた蛍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
いて光点に結像させる一方、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（透過光、反射光あるいは蛍光）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、 上記光検出器が発する信号に基づいて画像を再生する画
像再生手段とから構成されるものである。

なお特開昭６２−２Ｈ２１Ｂ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） 上記の共焦点走査型顕微鏡においては、照明光ビームを
正確に試料上（表面あるいは内部）において合焦させる
ことが必要であり、そのために、試料台の光軸方向位置
を微調整する等の作業がなされる。

しかし従来の共焦点走査型顕微鏡においては、照明光が
正確に試料上で合焦していなくても、画像信号は取り出
され得るようになっていたので、そのような状態下で撮
像がなされ、コントラストの良くない顕微鏡像が得られ
てしまうこともあった。

本発明は、このような不具合の発生を防止することがで
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及び作用）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、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、画像再生手段とを備えた共焦点走査
型顕微鏡において、 上記試料からの光束の少なくとも一部を検出して、照明
光の試料に対する合焦状態を監視するフォーカスモニタ
手段と、 上記フォーカスモニタ手段により、照明光が試料上で合
焦していることが検出されたときにのみ、上記光検出器
が発する信号を画像再生手段に向けて出力させる信号出
力制限手段を設けたことを特徴とするものである。

上記のようにして、光検出器が発する信号の出力を制限
すれば、照明光が正確に試料上で合焦しているときにの
み顕微鏡像が撮像されることになり、常に高コントラス
トの顕微鏡像を得ることができる。

なお上述のフォーカスモニタ手段としては、例えば光デ
イスク用ピックアップに設けられるフォーカスエラー検
出機構と同様の機構から構成することができる。また信
号出力制限手段としては、光検出器の信号をカットする
ものや、光検出器の作動自体を停止させるものが使用可
能である。

（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実施例による反射型共焦点走査
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、ＲＧＢし−ザ１０からは、赤色光、緑
色光および青色光からなる照明光１１が射出される。こ
の照明光１（はビームコンプレッサ１２でビーム径が縮
小され、屈折率分布型レンズ１３で集光されてシングル
モード光ファイバー１４内に入射せしめられる。

この光ファイバー１４の一端は移動台１５に固定されて
おり、該光フアイバー１４内を伝搬した照明光１１はこ
の一端から出射する。この際光ファイバー１４の一端は
、点光源状に照明光１１を発することになる。移動台１
５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が固定されている。本例におい
ては、この送光光学系１８が受光光学系２ｔを兼ねてい
る。そして上記２つのレンズ１６、ｔ７の間には、後に
詳述するビームスプリッタ５０が配されている。また上
記対物レンズ１７の下方には、移動台１５と別体とされ
た試料台２２が配されている。

上記の照明光（１はコリメーターレンズ（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の表面で微小な光点Ｐ
に結像する。この試料２３で反射した反射光１１″の光
束は、対物レンズ１７によって平行光とされ、一部がビ
ームスプリッタ５０を透過し、次にコリメーターレンズ
１６によって集光されて、シングルモード光ファイバー
１４内に戻される。光フアイバー１４内を伝搬した反射
光１１”は、屈折率分布型レンズ１８、ビームコンプレ
ッサ１２を経てビームスプリッタ６１に入射し、そこで
反射して、ダイクロイックミラー２６に入射する。

ダイクロイックミラー２６では、反射光ＩＩ”の青色光
１１Ｂのみが反射し、該青色光１１Ｂは第１光検出器２
７によって検出される。ダイクロイックミラー２６を透
過した透過光１１°　は別のダイクロイックミラー２８
に入射し、その緑色光１１Ｇのみがそこで反射する。こ
の緑色光１１Ｇは、第２光検出器２９によって検出され
る。そして上記ダイクロイックミラー２８を透過した透
過光１１′（すなわち赤色光１ＩＲ）はミラー３０にお
いて反射して、第３光検出器３１によって検出される。

上記光検出器２７．２９．３１としては例えばフォトダ
イオード等が用いられ、それらからは各々、試料２３の
拡大像の青色成分、緑色成分、赤色成分を担持する信号
ＳＢ、　　ＳＧ。

ＳＲが出力される。

なおこれらの信号ＳＢ、ＳＧ、ＳＲは、最終的にＣＲＴ
表示装置や光走査記録装置等の画像再生装置６３に送ら
れるが、その途中でスイッチング回路６２に通され、そ
こからの出力が適宜制限されるようになっている。この
信号出力制限については、後に詳述する。

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
、積層ピエゾ素子３３を介して保持されている。積層ピ
エゾ素子８Ｂ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方向に高速で往復移動させ
る。この往復移動の振動数は、例えば１０ｋＨｚとされ
る。その場合、主走査幅を１００μｍとすると、主走査
速度は、１０ｘｌＯ３ｘ１００　ｘｔｏ−”　Ｘ２−２
ｍ／ｓとなる。なお、光ファイバー１４は可撓性を有す
るので、照明光１１．反射光１ｉ″を伝搬させつつ、移
動台１５の振動を許容する。

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１７２０秒とされ、その場合、副走査幅を
１００μｍとすると、副走査速度は、 ２０Ｘ１００　ＸＩＯ’　−０，００２ｍ／　ｓ怠２ｍ
ｍ／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次元像を担持する時系
列の信号ＳＢ、ＳＧ、ＳＲが得られる。

これらの信号ＳＢ、ＳＧ、ＳＲは、例えば所定周期毎に
積分する等により、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Ｘ、Ｙと直交する矢印２方向
（すなわち光学系（８，２１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２７．２９．３１によって
検出される。そこで、これらの光検出器２７．２９．３
１の出力ＳＢ、　　ＳＧ。

ＳＲ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。

次に、スイッチング回路６２による信号５ＢＳＳＧＳＳ
Ｒの出力制限について説明する。試料２３からの反射光
１１″の一部は、ビームスプリッタ５０によって分岐さ
れ、球面レンズからなる集光レンズ５１およびシリンド
リカルレンズ５２に通されて、４分割光検出器５３上で
集束するように導かれる。この４分割光検出器５３は第
４図の回路図に示すように、例えばフォトダイオード等
の４個の光検出器５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、！＋３ｄか
らなり、４分割線が上下方向に対して４５°傾く状態で
配されている。そして上記シリンドリカルレンズ５２は
、水平面内でのみ曲率を有する向きに配されている。

第４図に示されるように、上下に並ぶ２つの光検出器５
８８％５３Ｃの出力は加算アンプ５４に入力され、左右
に並ぶ２つの光検出器５８ｂ、　５３ｄの出力は他の加
算アンプ５５に人力される。そしてこれらの加算アンプ
５４．５５の出力は、差動アンプ５６に人力される。

なお、以上説明した要素５０〜５６が、本実施例に１ ２ おけるフォーカスモニタ手段を構成している。

上記の構成は、いわゆる非点収差法により読取光のフォ
ーカスエラーを検出するために、光デイスク用ピックア
ップに広く適用されている構成と基本的に同じものであ
る。この構成においては、照明光１１が試料２３の表面
で合焦しているとき、反射光１１“は４分割光検出器５
３上でほぼ正円形の像（第４図の実線表示）を結ぶ。し
たがってこの場合は、各光検出器５３ａ〜５３ｄの出力
がほぼ等しくなり、よって差動アンプ５６の出力Ｓｄは
ほぼゼロとなる。

一方、試料２３の表面が照明光１１の合焦位置よりも対
物レンズ１７に対して遠い場合、反射光１１’は４分割
光検出器５３上で、横長の楕円形の像（第４図の破線表
示）を結ぶ。したがってこの場合は、加算アンプ５５の
出力が加算アンプ５４の出力を上回り、差動アンプ５６
の出力Ｓｄはマイナスとなる。

また、試料２８の表面が照明光１１の合焦位置よりも対
物レンズ１７に対して近い場合、反射光１１”は４分割
光検出器５３上で、縦長の楕円形の像（第４図の１点鎖
線表示）を結ぶ。したがってこの場合は、加算アンプ５
５の出力が加算アンプ５４の出力を下回り、差動アンプ
５６の出力Ｓｄはプラスとなる。

差動アンプ５Ｂの出力Ｓｄはウィンドコンパレータ８１
に入力され、基準電圧設定回路８２の出力と比較される
。Ｓｄが基準電圧設定回路８２からの出力ＴＨ１とＴＨ
２の範囲内にあればウィンドコンパレータ８１の出力は
Ｈレベルになり、範囲外であればウィンドコンパレータ
８１の出力はＬレベルになる。

前記の信号５ＢＳＳＧＳＳＲが人力されるスイッチング
回路６２は、上記ウィンドコンパレータ８１の出力がＨ
レベルにあるときにのみこれらの信号ＳＢ、５ＧＳＳＲ
を出力させ、ウィンドコンパレータ８１の出力がＬレベ
ルにあるときにはこれらの信号ＳＢ、ＳＧ、ＳＲを出力
しない。つまり、照明光１１が試料２３の表面で正しく
合焦していないときは、前述した画像再生装置６３に信
号ＳＢ、ＳＧ。

ＳＲが送られない。したがって、照明光Ｕが試料表面で
正しく合焦していないときに、低コントラ３ ＯＡ− ４ ストの劣悪な顕微鏡像が撮像されることがない。

このようになっていれば、試料台２２を光軸方向にいわ
ば適当に位置決めした後、照明光走査を行ないながら、
試料台２２を光軸方向に微小距離ずつ移動させれば、必
ず最高画質の顕微鏡像が得られることになる。

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。例えばビームコンプレッサ１２でビーム径が縮小さ
れた照明光１１は、屈折率分布型レンズ１３で集光され
てシングルモード光ファイバー１４内に入射せしめられ
るが、この屈折率分布型レンズ１３の代わりに顕微鏡対
物レンズ等を用いてもよく、またシングルモード光ファ
イバー１４は、マルチモードのものにピンホール等をつ
けたものでもよい。

また、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、エンコーダ伺きのＤＣモータで
もよく、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。さらに移動台１５の移動は積層ピエゾ素子
３３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、シリンドリカルレンズ５２は垂直面内でのみ曲率
を有する向きに配することも可能である。

第５図は、本発明の別の実施例であるモノクロ反射型の
共焦点走査型顕微鏡を示すものである。

この実施例においては、送光光学系が受光光学系を兼ね
るとともに、光源および光検出器もまた移動台に一体的
に保持されており、これにより光学系がさらに簡素化さ
れたコンパクトな共焦点走査型顕微鏡が実現されている
。なお第５図において、第１図ないし第３図と共通部分
には同じ番号を付し、それらについての詳細な説明は省
略する（以下、同様）。

この実施例では、照明光１１を発する光源としてレーザ
ダイオード７０が用いられており、このレー５ ６ ザダイオード７０は移動台１５に一体的に保持されてい
る。このレーザダイオード７０から発せられた照明光１
１は、同じく移動台１５に一体的に保持された送光光学
系１８に直接入射し、これにより前記実施例と同様に試
料２３の表面で微小な光点Ｐとして結像せしめられる。

一方、試料２３からの反射光１１″は、対物レンズ１７
によって平行光化され、ビームスプリッタ５ｏで反射し
、集光レンズ５１およびシリンドリカルレンズ５２を通
過し、ハローや散乱光をカットするためのアパーチャピ
ンホール７１を通って、４分割光検出器５３上で結像す
る。

この実施例においては、フォーカスモニタ手段を構成す
るビームスプリッタ５０、レンズ５１および５２が、顕
微鏡像撮像のための集光光学系を兼ねている。また４分
割光検出器５３が、同じく顕微鏡像撮像のための光検出
器を兼ねている。すなわち第６図の回路図に示すように
、加算アンプ５４．５５の出力はさらに加算アンプ７２
に入力され、この加算アンプ７２の出力が、アパーチャ
ピンホール７１を通過した透過光１１″の全光量を示す
信号Ｓｐとなっている。

この信号ｓｐは、第１図および第４図図示のものと同じ
スイッチング回路６２に人力され、この回路６２からの
出力は、前記第１実施例におけるのと同様にして制限さ
れる。

なお本発明においては、受光用ピンホール（第５図の例
ではアパーチャピンホール７１）を省いても、コントラ
ストの良い顕微鏡像を得ることができる。ただしその場
合は、バックグラウンド除去のために、画像信号Ｓｐに
対してスレッショルドレベルを設定し、それを下回る信
号をカットする必要がある。

また本発明におけるフォーカスモニタ手段としては、非
点収差法によるものに限らず、その他例えば臨界角検出
法や、ナイフェツジプリズム法によるもの等を用いるこ
ともできる。

また以上述べた実施例においては、逆光光学系と受光光
学系とを一体的に移動台に保持し、この移動台を往復移
動させることによって照明光の主走査を行なうようにし
ているが、本発明においては、それ以外の照明光走査機
構を採用することも勿論可能である。

しかし上記実施例におけるような走査機構は、試料の往
復移動で主走査を行なう場合と異なり、高速走査時に試
料が飛んでしまうことを防止できる。また上記の走査機
構においては、光点走査のために照明光ビームが振られ
ることがないから、光学系の設計は光軸上の光線のみを
考えて行なえばよいことになり、この光学系の設計は非
常に容易となる。

（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、照明光の試料に対する合焦状態をフォーカ
スモニタ手段により監視し、顕微鏡像を担う光検出器の
出力信号を、上記照明光が試料上で合焦したときのみ画
像再生装置側に出力するように構成したから、常に高コ
ントラストの良質な顕微鏡像を再生可能となる。またこ
のようになっているから、光学系として比較的ＮＡ（開
口数）が小さいものを利用しても、コントラストの良い
顕微鏡像を得ることができる。

【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の電気回路を示す回
路図、 第５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６図は、上記第２実施例の共焦点走査型顕微鏡の電気
回路を示す回路図である。 １０・・・ＲＧＢレーザ　　　１１・・・照明光１１″
・・・反射光　　　　　１４・・・光ファイバー１５・
・・移動台　　　　　　１６・・・コリメーターレンズ
１７・・・対物レンズ　　　　１８・・・送光光学系２
１・・・受光光学系　　　　２２・・・試料台２３・・
・試料２６．２８−・・ダイクロイックミラー２７．２
９．３１・・・光検出器　３０・・・ミラー１つ ０ ３２・・・架台 ３４・・・ピエゾ素子駆動回路 ３５・・・２次元移動ステージ ３６．３９・・・モータ駆動回路 ３８・・・マイクロメータ ５０．６１・・・ビームスプリッタ ５２・・・シリンドリカルレンズ ５３・・・４分割光検出器　　５４．５５．７２・・・
加算アンプ５Ｂ・・・差動アンプ　　　　６２・・・ス
イッチング回路６３・・・画像再生装置　　　７０・・
・レーザダイオード７１・・・アパーチャピンホール ８ｉ・・・ウィンドコンパレータ ８２・・・基準電圧設定回路 ３３・・・積層ピエゾ素子 ３７．４０・・・パルスモータ ４Ｉ・・・制御回路 ５１・・・集光レンズ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 試料が載置される試料台と、 照明光を発する光源と、 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、 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、 前記光検出器が発する信号に基づいて画像を再生する画
   像再生手段と、 前記試料からの光束の少なくとも一部を検出して、前記
   照明光の試料に対する合焦状態を監視するフォーカスモ
   ニタ手段と、 前記フォーカスモニタ手段により、照明光が試料上で合
   焦していることが検出されたときにのみ、前記信号を前
   記画像再生手段に向けて出力させる信号出力制限手段と
   からなる共焦点走査型顕微鏡。