JPH04253018A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光学式の走査型顕微鏡に
関し、特に詳細には、試料が載置される試料台と、照明
光を試料に照射する光学系とを相対的に移動させて、照
明光を試料上において走査させるようにした走査型顕微
鏡に関するものである。

【０００２】

【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
らには試料から生じ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。なお特開昭６２−２１
７２１８号公報には、この走査型顕微鏡の一例が示され
ている。

【０００３】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。

【０００４】しかしこの機構においては、ガルバノメー
タミラーやＡＯＤ（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。

【０００５】上記の点に鑑み従来より、照明光ビームは
偏向させないで照明光光点の走査を行なうことが考えら
れている。例えば、本出願人による特願平１−２４６９
４６号明細書には、送光光学系を移動台に搭載し、この
移動台を試料台に対して相対的に移動させることにより
、照明光光点の走査を行なうことが示されている。

【０００６】そして、このように光学系と試料台とを相
対的に移動させる具体的な機構の１つとして、本出願人
による特願平２−１９８５５０号明細書に示されるよう
に、光学系あるいは試料台を先端部に保持する音叉と、
この音叉に強さが周期的に変化する磁界を作用させて該
音叉を振動させる電磁石とから構成されたものが提案さ
れている。このような移動機構は、例えばピエゾ素子や
超音波振動子等を利用した移動機構に比べれば、光学系
の相対移動幅すなわち照明光走査幅（これは音叉の振幅
によって定まる）を大きく取れるので、走査型顕微鏡の
撮像範囲をより大きく確保する上で有利となっている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで従来の走査型
顕微鏡の多くは、試料からの光を検出する光検出器の連
続出力を信号処理手段に入力し、そこでこの出力をサン
プリング、量子化して、１主走査ライン毎のデジタル画
像データを得るようにしている。

【０００８】しかしそのようにする場合、先に述べた音
叉と電磁石の組合せによる照明光走査機構を用いると、
例えば顕微鏡撮影像時にズーミング等のために音叉振幅
を変化させた際に、画像が全体的に照明光主走査方向に
ずれることがある。すなわち、上記電磁石に印加する駆
動電圧の位相と音叉の位相とは必ずしも一致するとは限
らず、音叉振幅を変えるために電磁石の駆動条件、つま
り電圧値やデューティ比等を変化させると音叉の位相が
変化してしまう。そこで、上述のように１主走査ライン
単位の画像データのサンプリング開始タイミングを、従
来なされているように電磁石の駆動電圧の位相に基づい
て規定している場合は、このサンプリング開始タイミン
グが電磁石の駆動条件に応じて変化して、画像が主走査
方向にずれてしまうのである。

【０００９】以上、音叉と電磁石との組合せからなる照
明光走査機構を用いる場合の問題について説明したが、
このような問題は、上記以外の照明光走査機構を用いる
場合でも、走査機構を駆動する信号の位相と移動部の位
相とがずれやすくなっていると、同様に起こり得るもの
である。

【００１０】そこで本発明は、試料台と光学系とを相対
的に移動させる走査機構を用いた場合に、上述したよう
な画像の主走査方向へのずれが生じることのない走査型
顕微鏡を提供することを目的とするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明による走査型顕微
鏡は、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主、副走査させ、この照明光走
査を受けた試料の部分からの光を光検出器により検出し
て試料像を撮像する走査型顕微鏡において、◆前述した
ように光検出器の連続出力をサンプリングして、１主走
査ライン毎のデジタル画像データを得る信号処理手段を
備えた上で、◆光検出器の連続出力の周波数の最小値を
検出して、その検出時に上記信号処理手段にタイミング
信号を送る手段が設けられ、◆上記信号処理手段が、こ
のタイミング信号を受けたときに１主走査ライン毎のサ
ンプリングを開始するように構成されたことを特徴とす
るものである。

【００１２】

【作用】図５に、前述した音叉と電磁石とからなる照明
光走査機構における、電磁石の駆動電流と音叉の位相等
の関係の一例を示す。図の（ａ）に示すのが駆動電圧Ｖ
ｄ、（ｂ）に示すのが音叉の位相ｘ、そして（ｃ）に示
すのは光検出器の連続出力Ｓ、（ｄ）に示すのはこの出
力Ｓの周波数ｆを電圧Ｖに変換した電圧信号Ｓｖである
。光検出器の連続出力は、照明光が走査する試料の各部
の明るさ等に応じて刻々変化するが、その周波数ｆは、
照明光走査速度（光学系と試料台との相対速度）がゼロ
となる時点、すなわち音叉の位相ｘが最大あるいは最小
となった時点で必ず最小値をとる。したがって、この周
波数ｆが最小値をとった時点で１主走査ライン毎の画像
データのサンプリングを開始すれば、その画像データは
必ず、試料上を主走査する照明光が折り返す時点から、
あるいはそれより一定時間遅れた時点から取り込まれる
ものとなる。

【００１３】

【発明の効果】こうしておけば、従来装置のように駆動
電圧Ｖｄの位相に基づいて画像データのサンプリング開
始タイミングを規定する場合と異なって、この駆動電圧
Ｖｄの位相と音叉の位相との関係が変動しても、前述し
たような画像のずれが起こることがない。

【００１４】

【実施例】以下、図面に示す実施例に基づいて本発明を
詳細に説明する。

【００１５】図２は、本発明の一実施例によるモノクロ
反射型の共焦点走査型顕微鏡を示すものであり、また図
３は、その走査機構の平面形状を詳しく示している。図
２に示されるように単色光レーザ１０からは、単一波長
の照明光１１が射出される。直線偏光したこの照明光１
１は、Ｐ偏光状態で偏光ビームスプリッタ２５の膜面２
５ａに入射し、そこを透過する。偏光ビームスプリッタ
２５を通過した照明光１１は、偏波面調整用のλ／２板
１２を通過し、入射用レンズ１３で集光されて、偏波面
保存光ファイバー１４内に入射せしめられる。

【００１６】この偏波面保存光ファイバー１４としては
、図４に断面形状を示すように、クラッド１４ａ内にコ
ア１４ｂが配され、このコア１４ｂの両側に応力付与部
１４ｃ、１４ｃが形成されてなる、いわゆるＰＡＮＤＡ
型のものが用いられている。そして直線偏光した照明光
１１は、λ／２板１２を適宜回転させることにより、偏
波面の向きが応力付与部１４ｃ、１４ｃの並び方向、あ
るいはそれに直交する方向と揃う状態にして（本実施例
では後者の方向、すなわち図４の矢印Ｕ方向）、該光フ
ァイバー１４内に入射せしめられる。

【００１７】この光ファイバー１４の一端はプローブ１
５に固定されており、該光ファイバー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。プローブ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（受光光学系を兼
ねる）１８が固定されている。なお、コリメーターレン
ズ１６と対物レンズ１７との間には、λ／４板１９が配
設されている。

【００１８】上記の照明光１１はコリメーターレンズ１
６によって平行光とされ、λ／４板１９を通過して円偏
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（表面あるいはその
内部で）微小な光点Ｐに結像する。試料２３で反射した
反射光１１”は旋回方向が逆向きの円偏光となり、λ／
４板１９を通過して、偏波面の向きが照明光１１のそれ
と直交する直線偏光とされる。この反射光１１”の光束
は、コリメーターレンズ１６によって集光されて、偏波
面保存光ファイバー１４内に入射せしめられる。このと
きの反射光１１”の偏波面の向きは、図４の矢印Ｖ方向
となる。光ファイバー１４を伝搬した反射光１１”はそ
の一端から出射し、レンズ１３によって平行光とされる
。

【００１９】この反射光１１”はλ／２板１２を通過後
、Ｓ偏光状態で偏光ビームスプリッタ２５の膜面２５ａ
に入射し、そこで反射する。この反射光１１”は、集光
レンズ２６で集光され、アパーチャピンホール２７を通
して光検出器２８によって検出される。この光検出器２
８は例えばフォトマルチプライヤ（光電子増倍管）等か
らなり、そこからは、試料２３の照明光照射部の明るさ
を示す連続信号Ｓが出力される。

【００２０】上述のように、λ／４板１９と偏光ビーム
スプリッタ２５とから構成される光アイソレータを設け
たことにより、反射光１１”がレーザ１０側に戻ること
がなくなり、より大光量の反射光１１”が光検出器２８
に導かれるようになる。また、入射用レンズ１３や光フ
ァイバー１４の端面等で反射した照明光１１が、光検出
器２８に入射することも防止され、Ｓ／Ｎの高い信号Ｓ
が得られるようになる。

【００２１】次に、照明光１１の光点Ｐの２次元走査に
ついて、図３を参照して説明する。プローブ１５は、水
平に配された音叉３０の一先端部に、光学系１８の光軸
が垂直となる状態で固定されている。この音叉３０は、
その基部３０ａが架台３２に固定されて、所定の固有振
動数で振動可能となっている。そして音叉３０の内側に
は、その両先端部とそれぞれ若干の間隔をおいて、電磁
石３１が配設されている。この電磁石３１は、取付部材
３４を介して架台３２に固定されている。

【００２２】上記電磁石３１には、駆動回路３３から、
音叉３０の固有振動数と等しい周波数の矩形パルス電圧
Ｖｄが印加される。こうして音叉３０の両端部に断続的
に磁界が作用することにより、音叉３０はその固有振動
数で振動する。そこで、この音叉３０に固定されている
プローブ１５は、図２、図３中のＸ方向（水平方向）に
高速で往復移動し、光点Ｐの主走査がなされる。

【００２３】また試料台２２は架台３２に対して、Ｚ方
向（光学系１８の光軸方向）に往復移動可能なＺ移動ス
テージ２４Ｚ、およびＸ、Ｚ両方向に対して直角なＹ方
向に往復移動可能なＹ移動ステージ２４Ｙを介して取り
付けられている。そこで、上記のようにして光点Ｐの主
走査を行なうとき、同時にＹ移動ステージ２４Ｙを往復
駆動させると、光点Ｐの副走査がなされる。

【００２４】そして、光点Ｐの２次元走査を行なう毎に
、Ｚ移動ステージ２４Ｚを移動させることにより、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Ｓを得ることが可能となる。

【００２５】なお本実施例では図３に示す通り、音叉３
０の他端部に、プローブ１５と同じ構成のダミープロー
ブ１５’が取り付けられている。それにより、音叉３０
の一端部、他端部の機械的バランスを良好に保ち、理想
に近い共振系を構成できるようになる。　　また本実施
例では、音叉３０の内側に電磁石３１を配して、音叉３
０の両端部にそれぞれ磁界を作用させるようにしている
ので、電磁石を音叉３０の１つの端部の外側にのみ配す
る場合に比べれば、音叉３０に作用する磁束密度、つま
りは作用する力を、より大きくすることができる。

【００２６】次に図１を参照して、電気的な構成につい
て説明する。前述した光検出器２８が出力する連続的な
アナログ信号Ｓは、アンプ４０で増幅されてからＡ／Ｄ
変換器４１に入力され、そこでサンプリング、量子化さ
れてデジタルの画像信号Ｓｄに変換される。この画像信
号Ｓｄは、画像処理装置４２において例えば階調処理等
の画像処理を受けた後、ＣＲＴ表示装置等の画像再生装
置４３に入力される。この画像再生装置４３においては
、画像信号Ｓｄが担持する画像、すなわち試料２３の顕
微鏡像が再生される。

【００２７】上記画像再生装置４３には、例えばパーソ
ナルコンピュータ等のコンピュータ４４が接続され、画
像処理の指令や、走査型顕微鏡の基本的操作指令、つま
り視野探し用画像の撮像指令や観察用画像の撮像指令等
は、すべてこのコンピュータ４４のキーボード等の入力
操作部を用いて与えられる。

【００２８】ここで画像再生装置４３としては一般的な
ラスタ走査方式のものが用いられるので、上記の画像信
号Ｓｄは、アナログ信号Ｓのサンプリング開始タイミン
グを主走査と同期を取って適正に設定して、１主走査ラ
イン毎のものとしなければならない。そのために、アン
プ４０で増幅された信号Ｓはｆ／Ｖ変換器６０にも入力
され、この信号Ｓの周波数ｆが電圧信号Ｓｖに変換され
る。この電圧信号Ｓｖは最小値検出回路６１に入力され
る。最小値検出回路６１はこの電圧信号Ｓｖの最小値を
検出し、それを検出したときにタイミング信号Ｓｔを出
力する。この信号Ｓｔは、ピクセルクロック発生回路６
２に入力される。なお本実施例においてこの信号Ｓｔは
、水平同期信号Ｈｓとして画像処理装置４２にも入力さ
れる。

【００２９】ピクセルクロック発生回路６２は、上記の
信号Ｓｔが入力された時点から所定周波数のピクセルク
ロックＣｐを前記Ａ／Ｄ変換器４１に送る。Ａ／Ｄ変換
器４１は、このピクセルクロックＣｐの周波数でアナロ
グ信号Ｓをサンプリングしてデジタル化するが、ピクセ
ルクロックＣｐの入力タイミングが上述のようになって
いるので、このサンプリングは必ず電圧信号Ｓｖが最小
値を取った時点、あるいはそれから一定時間遅れた時点
からなされることになる。

【００３０】上記電圧信号Ｓｖと音叉３０の位相ｘとの
関係は、先に説明した図５に示す通りとなっている。し
たがって１回の主走査毎の上記サンプリングは、必ず音
叉３０が最大あるいは最小位相を取った時点（つまり試
料２３上を主走査する照明光光点Ｐが折り返す時点）あ
るいはそれから一定時間遅れた時点で開始されることに
なる。 こうなっていれば、先に述べた通り、矩形パルス電圧Ｖ
ｄの位相と音叉３０の位相との関係がいかに変化しても
、画像再生装置４３で再生される顕微鏡像が主走査方向
にずれてしまうことはない。

【００３１】なお前述したＹ移動ステージ２４Ｙは、発
振器４５から所定周波数の信号を受けるドライバ４６に
より、該周波数で往復移動するように駆動される。また
Ｚ移動ステージ２４Ｚは、画像処理装置４２から出力さ
れてＤ／Ａ変換器４７によりアナログ化されたＺ軸コン
トロール信号Ｆｓに基づいて、所定のＺ位置上に来るよ
うにドライバ４８により駆動される。そして発振器４５
、Ｄ／Ａ変換器４７は各々、画像処理装置４２から発せ
られる垂直同期信号Ｖｓ、フォーカス方向信号Ｆｓに基
づいて作動制御され、ステージ２４Ｙ、２４Ｚの移動の
同期が取られる。

【００３２】一方電磁石用駆動回路３３は、パルス発生
器４９と、その後段のドライバ５０とから構成されてい
る。ドライバ５０は、オープンコレクタバッファ５１、
フォトカプラ５２、パワーＭＯＳ−ＦＥＴ５３、ダイオ
ード５４、コンデンサ５５等からなり、上記パルス発生
器４９から入力される周波数信号Ｓｆと同じ周波数の矩
形パルス電圧Ｖｄを電磁石３１に印加する。また発振器
４９は上記の水平同期信号Ｈｓに基づいて作動制御され
、ステージ２４Ｙおよび２４Ｚの移動と、プローブ１５
の往復移動との同期が取られる。

【００３３】以上、音叉３０を電磁石３１により振動さ
せて照明光光点Ｐを主走査させる機構を備えた走査型顕
微鏡に適用された実施例について説明したが、本発明は
その他の機構により照明光の走査を行なう走査型顕微鏡
に対しても適用可能であり、そして前述したような画像
のずれを防止する効果を同様に奏するものである。

【００３４】また、以上説明した実施例の走査型顕微鏡
はモノクロ反射型のものであるが、本発明はその他、カ
ラー画像を撮像する走査型顕微鏡や、透過型の走査型顕
微鏡、さらには走査型蛍光顕微鏡等にも適用可能である
。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による走査型顕微鏡の電気回
路図

【図２】上記実施例の走査型顕微鏡を示す一部破断正面
図

【図３】上記実施例の走査型顕微鏡に用いられた照明光
走査機構の平面図

【図４】上記実施例の走査型顕微鏡に用いられた偏波面
保存光ファイバーの断面図

【図５】上記実施例の走査型顕微鏡における各種信号の
波形と、音叉の位相との関係を示すグラフ

【符号の説明】

１０　　　　単色光レーザ １１　　　　照明光 １１”　　　　反射光 １４　　　　偏波面保存光ファイバー １５　　　　プローブ １６　　　　コリメーターレンズ １７　　　　対物レンズ １８　　　　送光光学系 ２２　　　　試料台 ２３　　　　試料 ２６　　　　集光レンズ ２７　　　　アパーチャピンホール ２８　　　　光検出器 ３０　　　　音叉 ３１　　　　電磁石 ３２　　　　架台 ３３　　　　駆動回路 ４１　　　　Ａ／Ｄ変換器 ６０　　　　ｆ／Ｖ変換器 ６１　　　　最小値検出回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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主、副走査させ、こ
   の照明光走査を受けた試料の部分からの光を光検出器に
   より検出して試料像を撮像する走査型顕微鏡において、
   前記光検出器の連続出力をサンプリングして、１主走査
   ライン毎のデジタル画像データを得る信号処理手段を備
   えた上で、前記光検出器の連続出力の周波数の最小値を
   検出して、その検出時に前記信号処理手段にタイミング
   信号を送る手段が設けられ、前記信号処理手段が、この
   タイミング信号を受けたときに１主走査ライン毎のサン
   プリングを開始するように構成されていることを特徴と
   する走査型顕微鏡。