JPH0355510A - 共焦点型光学顕微鏡 - 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、共焦点型光学顕微鏡に関する．［従来の技術
及び発明が解決しようとする問題点］共焦点型の走査型
顕微鏡は、Ｔ．ウィルソンとＣ，シェパード著の［走査
型顕微鏡の理論と実際コアカデミック出版、１９８４年
発行（現題ｊＴｈｅｏｒｙ　ａｎｄＰｒａｃｔｉｃｅ　
ｏｆ　Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｍｉｃｒｏ
ｓｃｏｐｅ）に説明されている． 即ち、共焦点型光学顕微鏡は、通常の光学顕微鏡に比べ
て、注目している画素以外からの散乱光がなく、しかも
、実質的に糸の点像分布が狭くなることにより、コント
ラスト、縦及び横の分解能の良い画像が得られ、更に、
ＯＢＩＣ（光誘起電ｔＩＬ）像、光音響像など種々の物
理現象の画像化が可能である等の利点を有しているため
、半導体関連分野や生物、医学分野にも有効な顕微鏡と
して期待されている． 従来、この共焦点型の構成により２次元画像を得るため
に、レーザビームを２次元に偏向する走査を行なってい
た．この共焦点型光学顕微鏡を利用するときの問題点と
しては、走査速度を早くしてできるだけリアルタイムに
近い画像が得られるようにしないと、観察したい画像を
画面中央に捕らえて焦点を合わせることが困難になるこ
とが挙げられる．走査を行なうための光ビーム偏向手段
としては、ガルバノミラーが代表的であるが、上記のよ
うな早い走査を行なうことが困難で、このような要求を
満たすことができる偏向手段として、音響光学偏向素子
（ＡＯＤ）が使用されていた． 第６図に、その従来の共焦点型光学顕微鏡の構成の概念
図を示す．レーザ６１を出射した光束は、レンズ６２、
６４及びピンホール６３により構成されるビームエキス
パンダにより、そのビーム径が広げられ、ＡＯＤ６５に
入射する．光束は、ＡＯＤ６　５により、紙面に垂直な
方向に周期的に高速に偏向され、リレーレンズ６６、６
７を通り、ビームスブリッタ６８を通過して、ガルバノ
ミラー６９に入射する（本来は、ガルバノミラーにより
光束は、反射されるが、ここでは、図を見易くするため
に、透過するごとく示してある）．このガルバノミラー
６９では、紙面に平行且つ光軸に垂直な方向に光束が偏
向させられるが、この副走査方向に関しては、ガルバノ
ミラーで十分に追従することができる．ガルバノミラー
６９を出射した光束は、更にリレーレンズ７０を通って
、対物レンズ７ｌを通過し、被観察物体７２に入射する
．被観察物体７２で反射された光束は、元の光路を戻り
、ビームスプリッタ６Ｂで反射されて、収束レンズ７３
によりスリット状の開口７４上に収束され、そのスポッ
トの中心に近い部分の光束だけが、その開口を通過して
フォトディテクタ７５に到達する．尚、ＡＯＤ６５及び
ガラバノミラー６９は、対物レンズ７１の暗面に共役な
面に配置される． 以上のような従来の共焦点型光学顕微鏡の構成において
は、ＡＯＤを用いているために、幾つかの欠点があった
．先ず第１に、ＡＯＤ素子は、光を往復で通過させるこ
とは、使用上問題が大きいために、フォトデイテクタの
開口を完全に光源ニ共役な位置に配置することができな
い．そのため、フォトディテクタの開口をスリット状に
せざるを得す、顕微鏡の分解能を低下させることになる
．第２に、ＡＯＤを通過した光束は、ＡＯＤの持つシリ
ンドリ力ルレンズ効果により、非点収差を有するので、
シリンドリ力ルレンズを入れる等して、その補正を行な
わなければならず、コスト高を招いていた．第３に、Ａ
ＯＤではあまり広い偏向角が取れず、一画面における解
像点数が制限されてしまい、対物レンズの視野及び解像
力を十分に生かすことができなかった．第４に，ＡＯＤ
自身が高価な素子であるので、コスト高を招いていた． 本発明は、上記の問題点を解決するために為されたもの
であり、高速で画像を得ることにおいて光速偏向素子の
負担を大幅に減らすことのできる共焦点型光学顕微鏡を
提供することを目的にする．従って、本発明は、それに
より、リアルタイムに近い画像を得る場合でも、光束偏
向素子として、ガルバノミラー等の機械的に反射鏡やプ
リズム、回折格子等を動かす素子を使用できるので、フ
ォトディテクタの開口を完全に光源に共役な位置に配置
することができ、従って、フォトディテクタの開口をス
リットにする必要がなく、顕微鏡の分解能を低下される
ことがない共焦点型光学顕微鏡を提供することを目的に
する．また、本発明は、ＡＯＤによるシリンドリ力ルレ
ンズ効果を考慮する必要がなく、コストが低減できる共
焦点型光学顕微鏡を提供することを目的にする．更に、
本発明は、ＡＯＤに比して広い偏向角を取ることができ
、対物レンズの視野を充分に活かすことができ、光源に
半導体の集積光源を用いることができる共焦点型光学顕
微鏡を提供することを目的にする． ［問題点を解決するための手段］ 本発明は、上記の技術的な課題の解決のために、少なく
とも光源と、前記光源から発した光を物体上に集光する
対物レンズと、該集光面に共役な而内に開口を有する光
検出器とを含む共焦点型光学顕微鏡において、光源とし
て実質的に複数の光源を１次元ないし２次元に配置した
ものを用い、そして、フォトディテクタ或いはその開口
をそれに対応して複数個を１次元或いは２次元に配置す
ることを特徴とする共焦点型光学顕微鏡を提供する．そ
して、この実質的に複数の光源のうち、互いに独立に変
調できないものによるスポットが画像−ヒで同時に隣同
士の位置にならないようにした共焦点型光学顕微鏡を提
供する．また、この実質的に複数の光源のうち、互いに
独立に変調できる光源によるスポットを画像上で同時に
隣接した位置に配置する場合には、各々の光源を異なる
タイミングで発光させて、各々の光源に対応した受光素
子により、そのタイミングに合わせて、反射光を検出す
る，−１焦点型光学顕微鏡を提供する．そして、その実
質的に複数の光源は、レーザダイオードをアレー状又は
マトリックス状に配置したものが好適である．そして、
その実質的に複数の光源は、１つ或いは複数の光源に対
して、光軸上に１次元或いは２次元の回折格子を配置し
て、複数の光束を発生させ、゛実質的に複数の光源と等
価としたものが好適である． 本発明による走査型光学顕微鏡は、光源として、実質的
に複数の光源を１次元ないし２次元に配置したものを用
い、また、フォトディテクタ或いはその開口をそれに対
応して複数個１次元或いは２次元に配置する点が従来の
ものと異なる．更に、このとき、実質的に複数の光源の
うちで、互いに独立に変調できないものによるスポット
が画像上で同時に隣同士の位置に来ないようにし、また
、互いに独立に変調できる光源によるスポットを画像上
で同時に隣接した位置に配置するときには、各々の光源
を異なるタイミングで発光させて、それらの反射光が同
時にフォトディテクタに入射しないようにすることも可
能である．尚、ここで、実質的に複数の光源を配置する
手段としては、半導体レーザ等のフヒーレント光源を集
積する方法の他に、１つの或いは複数の光源に対して、
光軸上に、１次元或いは２次元の回折格子を配置して、
複数の光束を発生させ、実質的に複数の光源と等価とす
る手段がある． ［作用］ 上記のように、光源を実質的に複数個配置することによ
り、高速走査において、偏向素子の負担を軽くすること
ができる．例えば最も極端な場合、所望の画素の個数だ
け光源を集積し、それに対応した個数のフォトデイテク
タマトリックス又はその個数の開口マトリックスを有す
る１つないし複数のフォトディテクタの画像を得ること
ができる．また、主走査方向の画素数に対応した個数の
フォトディテクタアレー又はその個数の開口を有する１
つないし複数のフォトディテクタアレーを用意すれば、
副走査方向一次元の走査のみにて、ＡＯＤを使用せずに
、ほぼリアルタイムの画像を得ることができる，更に、
一般にＮ個の光源を配置し、それに対応したＮ個のフォ
トディテクタ又はＮ個の開口を持つ１つないし複数のフ
ォトディテクタを用意すれば、光源が１個のときに比較
して、同じ時間で画像をアウトプットする場合にＮ分の
１の走査速度で良いことになり、２次元の走査を行なう
にしても、偏向素子の負担は、大幅に減少される． 尚、このとき、対物レンズの分解能を充分に生かすため
には、隣接した画素の情報を同時に取ろうとすると、ど
うしてもフォトディテクタ上で光スポットの重なりが生
じる．このことによるノイズの発生を防ぐために、実質
的に複数の光源のうちで、互いに独立に変調できないも
のによるスポットが画像上で同時に隣同士の位置にこな
いようにし、また互いに独立に変調できる光源によるス
ポットを画像上で同時に隣接した位置に配置するときに
は、各々の反射光が同時にフォトディテクタに入射しな
いようにする． 次に、本発明による共焦点型光学顕微鏡を具体的に実施
例により説明するが、本発明はそれらによって限定され
るものではない． ［実施例］ 第１図は、本発明の共焦点型光学顕微鏡の主要部分の光
学配置例を示す模式図である．光源として、所望の画素
数だけのレーザダイオード１ａを２次元に集積したレー
ザダイオードマトリックス１を用い、そこから出射した
各々の光束２は、ビームスプリッタ３を通過し、対物レ
ンズ４を通って、被観察物体５に入射する．そして、被
ｎ察物体面５で反射された光束は、ビームスプリッタ３
で反射され、フォトダイオードマトノックス６の各画素
に対応した各開口に入射する．ここで、フォトダイオー
ドマトリックス６の開口６ａは、光源に共役な面に配置
され、共焦点型光学系を形成する． 尚、このとき、フォトダイオードマトリックス６の阿口
は、そこに入射する光束２による光スポットの直径より
も小さいものでなければならない（第２図参照）．更に
、そのとき、対物レンズの分解能を最大限に利用するた
めに、被観察物体５上で対物レンズ４の回折限界による
スポット径の２分の１以下のピッチでスポットが並ぶよ
うに光源を配置すると、フオトダイ才一ドマトリックス
６上でも、第２図に示すように、マトリックス開口６ａ
の中で、開口６ｃのピッチに対して、光スポット６ｂの
スポット径は、２倍以上となり、１つの光スポットが、
複数の開口に渡って入射してしまう．そこで、隣り合う
レーザダイオード１ａ同士が同時に発光しないように、
順次レーザダイオード１ａを発光させて、そのタイミン
グに合わせて、各々のフォトダイオード６ａの入射光を
検出すれば、１つ１つの画業に対応したデータを高速に
得ることができる． 次に、本発明の他の例の共焦点型光学顕微鏡について、
図面を用いて説明する． 第３図は、本発明の他の例の光学系の概念図である．レ
ーザダイオード１ａを出射した光束２は、回折格子１０
により、複数の光束２ａ，２ｂ，２ｃ・・・に分けられ
る．これらの光束は、対物レンズ４の瞳に共役な位置に
置かれた開口絞り１２を通り、リレーレンズ１３、１４
、１５を通ってビームスプリッタ３を通り、対物レンズ
４を通過し、被観察物体５に入射し、分けられた光束の
数に対応した数の光スポットを形成する．従って、実質
的にその数の光源があることである．被観察物体５で反
射した光束は、元の光路を戻り、ビームスブリッタ３で
反射されて、収束レンズ１６を通り、フォトダイオード
マトリックス６に入射する．７オトダイ才一ドマトリッ
クス６は、その開口が対物レンズに対して被観察物体５
と共役な面内に配置され、各フォトダイオードは、画像
の全画素に対応した位置に置かれる。ここで、第３図の
ＡとＢの位置は、対物レンズの瞳面に共役な位置になっ
ており、ここに、ガルバノミラー等の光束偏向素子を配
置することにより、２次元の走査を行なうことができる
． 尚、回折格子は、対物レンズの瞳と共役な位置に配置す
ると、より効果的である．このような配置にした場合、
光源の並べ方とビームスプリッタ３を光路に入れる場所
に複数の組合わせがある．また、その組合わせ方によっ
て、フォトディテクタの構成が異なる．例えば、光源と
しては、レーザダイオードを複数並べたもの、一つの光
源から回折格子により実質的に複数の光源を作ったもの
、複数のレーザダイオードと回折格子を組合わせたもの
を使用することができる． この光源の並べ方としては、主走査方向に並べる方法、
副走査方法に並べる方法、マトリ・ｙクス状に並べる方
法、更に、被観察物体上で光スポットが隣接するように
並べる方法、離れた位置に並べる方法がある．例えば、
その代表的な配置の一つを、第４図に示す． 第４図Ａは、被観察物体上におけるスポットの配置と走
査方法を示す、光スポット７は、矢印で示すように被観
察物体上を走査する．また、第４図Ｂ，Ｃは、ビームス
ブリッタ３を第３図のＢ面とＡ面の間に入れて検出光を
取り出したときのフォトディテクタの開口の形状と光ス
ポットの関係を示し、第４図Ｄ，Ｅは、ビームスプリツ
タ３を、第３図のＡ面と回折格子の間に入れて検出光を
取り出したときのフォトデイテクタの開口の形状と光ス
ポットの関係を示している． 但し、後者の場合は、第３図のＡからＢまでの光学系は
割愛することができる．いずれの場合も、開口６Ｃ上に
光スポット６ｂが入射するが、前者の場合は、スポット
が主走査方向に長いスリット状の開口６Ｃの上を主走査
に従って矢印で示すように移動する． また、第４図において、第４図Ｂ５第４図Ｄの方式では
，開口に対して、同数のフォトデイテクタを配置したも
ので、第４図０１第４図Ｅの方式では、フォトデイテク
タ１つにつき、複数の開口を配置したものである．第４
図０１第４図Ｅの方式では、１つのフォトデイテクタに
入射する光スポットの光源が互いに独立に変調できなけ
ればならない．複数の光スポットが、第４図Ａに示すよ
うに、副走査方向に並んでいる場合、第４図Ｂの組合わ
せでは、開口は、主走査方向に長いスリット状にしなけ
ればならない．このとき、この２つのスポットが隣接し
ている場合は、各々が異なるタイミングで発光し、それ
にタイミングを合わせてフォトディテクタの検出を行な
えば、検出が充分に行なえる． また、第４図Ｃの組合わせでは、゜開口の形状は同じだ
が、光スポットが互いに離れていても、各々が異なるタ
イミングで発光し、そのタイミングに応じて検出を行な
う必要がある． 第４図Ｄ，Ｅの組合わせでは、光スポットは、開口の上
を動かないので、開口は、円形で良い．また、光源の発
光タイミングについては、第４図Ｄは、第４図Ｂの場合
と、第４図Ｅは、第４図Ｃの場合と同様である．尚、こ
こで、開口は、光電変換素子とは別に設けても良いし、
光電変換素子の受光面そのものとすることもできる．更
に、被観察物体５面上で光スポットが主走査方向に配置
する場合を、第５図各図に示す．第５図に示す各方式組
合わせは、各々第４図各図に示した場合と全く同様なの
で、説明は省略する．尚、上記の光スポットが、副走査
方向と主走査方向の両方にマトリックス状に並ぶ場合に
は、上記の２つの場合の組合わせとなることは当然であ
る． ［発明の効果］ 本発明による共焦点共焦点型光学顕微鏡は、第１に、高
速で画像を得るための光束偏向素子の負担を大幅に減ら
すことができること、第２に、これにより、リアルタイ
ムに近い画像を得る場合でも、光束偏向素子として、ガ
ルバノミラー等の機械的に反射鏡やプリズム、回折格子
等を動かす素子を使用することができるので、フォトデ
イテクタの開口を完全に光源に共役な位置に配置するこ
とができること、 第３に、従って、フォトディテクタの開口を、スリット
状にする必要がなく、顕微鏡の分解能を低下させること
がないこと、 第４に、また、ＡＯＤによるシリンドリカルレンズ効果
を考慮する必要がないので、コストが低減されること、 第５に、更に、ＡＯＤに比較して広い偏向角を取ること
ができ、対物レンズの視野を充分に活かすことができる
ようになること、 第６に、そして、光源に半導体の集積光源を用いること
により、将来の大幅なコストダウンが期待されること等
の、 顕箸な技術的な効果を奏する．

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の共焦点型光学顕微鏡の一例の光学配
置を示す模式構成図である． 第２図は、本発明におけるフ才トダイ才一ド゛７トリッ
クス上における開口と光スポットの関係を説明する説明
図である． 第３図は、本発明の他の例の光学系の概念図である． 第４図及び第５図は、本発明の一例における被観察物体
上及びフォトデイテクタ上におけるスポットの動きと、
開口の関係を説明する説明図である． 第６図は、従来の共焦点型光学顕微鏡の一例を示す模式
構成図である． ［主要部分の符号の説明］ １　．．．．．．．．．．レーザダイオードマトリック
ス１　ａ　．．．．．．．．レーザダイオード２　．．
．．．．．．光束 ３　．．．．．．．．ビームスプリッタ４　．．．．．
．．．対物レンズ ６　．．．．．．．．フォトダイオードマトリックス６
　ａ　．．．．．．．．マトリックス開口６　ｂ　．．
．．．．．．開口上光スポット６　ｃ　．．．．．．．
．開口 ７　．．．．．．．．光スポット １　０　．．．．．．．．回折格子 １３、１４、１　５　．．．．．．．．リレーレンズ１
　６　．．．．．．．．収束レンズ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、少なくとも光源と、前記光源から発した光を物体上
   に集光する対物レンズと、該集光面に共役な面内に開口
   を有する光検出器とを含む共焦点型光学顕微鏡において
   、 光源として実質的に複数の光源を１次元ないし２次元に
   配置したものを用い、 そして、フォトディテクタ或いはその開口をそれに対応
   して複数個を１次元或いは２次元に配置することを特徴
   とする共焦点型光学顕微鏡。 ２、前記の実質的に複数の光源のうち、互いに独立に変
   調できないものによるスポットが画像上で同時に隣同士
   の位置にならないようにしたことを特徴とする請求項１
   に記載の共焦点型光学顕微鏡。 ３、前記の実質的に複数の光源のうち、互いに独立に変
   調できる光源によるスポットを画像上で同時に隣接した
   位置に配置する場合には、各々の光源を異なるタイミン
   グで発光させて、各々の光源に対応した受光素子により
   、そのタイミングに合わせて、反射光を検出することを
   特徴とする請求項１或いは２に記載の共焦点型光学顕微
   鏡。 ４、前記の実質的に複数の光源は、レーザダイオードを
   アレー状又はマトリックス状に配置したものであること
   を特徴とする請求項１、２或いは３に記載の共焦点型光
   学顕微鏡。 ５、前記の実質的に複数の光源は、１つ或いは複数の光
   源に対して、光軸上に１次元或いは２次元の回折格子を
   配置して、複数の光束を発生させ、実質的に複数の光源
   と等価としたものであることを特徴とする請求項１、２
   或いは３に記載の共焦点型光学顕微鏡。