JPH0442117A

JPH0442117A - 共焦点光学系

Info

Publication number: JPH0442117A
Application number: JP14962490A
Authority: JP
Inventors: Mitsunori Yamamoto; 山本　満則
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1990-06-07
Filing date: 1990-06-07
Publication date: 1992-02-12
Anticipated expiration: 2014-07-12
Also published as: JP2918995B2

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】コ産業上の利用分野〕本発明は共焦点光学系に関するものである。

〔従来技術〕

共焦点光学系は古くから知られており、Ｕ、Ｓ、Ｐａｔ
ｅｎｔ３０１３４８７て提案されている。その光学系を
第７図に示す。光源１から出た光２は、ハーフミラ−３
を透過し集光レンズ４て試料５上にスポット状に照射さ
れる。試料５からの反射光は、レンズ４を通りハーフミ
ラ−３で反射され再び集光する。この集光位置は試料と
共役な位置であり、この位置にピンホール６を置いた光
学系を共焦点光学系という。７は光電検出器であり集光
した光を受光して電気信号に変換するものである。

このような共焦点光学系を走査光学顕微鏡に応用したの
が、共焦点走査光学顕微鏡である。

第８図は共焦点走査光学顕微鏡の光学系の例で、これに
ついて説明する。光源１１がら出たレーザビーム１２は
、ビームエキスパンダ１３によって必要な大きさのビー
ム径に拡大される。拡大されたレーザビーム１２はハー
フミラ−１４を透過し、対物レンズ２１の瞳位置に共役
な位置に設けられた光偏向器１５に入射する。この光偏
向器１５が回動することにより、レーザビーム１２はＸ
方向に偏向される。光偏向器１５で反射されたレーザビ
ーム１２は瞳伝送レンズ１６．１７を通ったあと、やは
り対物レンズ２１の瞳位置に共役な位置に設けられた光
偏向器１８に入射する。この光偏向器１８が光偏向器１
５の回動方向と直交する方向に回動することにより、レ
ーザビーム１２はＹ方向に偏向される。これら光偏向器
により二次元走査されたレーザビーム１２は瞳投影レン
ズ１つおよび結像レンズ２０を通り、対物レンズ２１に
入射する。そして試料２２上に回折で制限されるスポッ
トを生じそのスポットで試料２２を二次元走査する。試
料２２が反射物体であれば、レーザビーム１２は入射の
時の光路を逆に戻り、ハーフミラ−１４で反射され集光
レンズ２３で集光される。集光位置にはピンホール２４
かあり、ピンホール２４を通過した光のみが充電検出器
２５に入射する。光電検出器２５から出力される電気信
号を処理することで試料像が得られる。

第９図は共焦点走査光学顕微鏡の別の例である。

第８図と同じ構成要素には同じ符号を付けて、その作用
については説明を省略する。この例では、試料２２から
の反射光は光偏向器１８と瞳伝送レンズ１７の間に置か
れたハーフミラ−１４て反射され、集光レンズ２６で集
光されるが、集光位置では光束はライン状になるため光
電検出器として１次元ＣＣＤ２７が用いられる。ライン
状の光束に対して１次元ＣＣＤ２７の受光面の大きさを
小さくすることで共焦点光学系となる。

このような共焦点走査光学顕微鏡は通常の光学顕微鏡に
比べて、・コントラストの良い画像が得られる。

・光軸方向の分解能がある。

等の特徴がある。

二発明が解決しようとする問題点〕共焦点光学系の最大の特徴は、光軸方向に分解能がある
ということである。この先軸方向の分解能は、ピンホー
ル上のスポット径の大きさとピンホール径の大きさに依
存する。これについては、−光学、１８Ｌ８号、１′光
学走査顕微鏡″（日本光学会発行）で解析されている。

これによると、スポット径に対してビンボール径を小さ
くすると光軸方向の分解能は高くなり、逆にスポット径
に対してピンホール径を大きくすると光軸方向の分解能
は低下するという結果である。従って、光軸方向の分解
能を上げるためピンホール径はできるだけ小さくするの
が望ましい。

ところがピンホール径を小さくすると、ピンホールを通
過する光量が減少するため例えば反射率の低い試料や蛍
光試料等では画像が得ろれなくなる問題が生じる。この
ような問題を解決するには、光軸方同の分解能を犠牲に
してピンホールを通過する光量増加させるために、ピン
ホール径を人きくすればよい。この場合、どの程度光量
を通過させるかは試料から戻ってくる光量が試料によっ
て違うため、ピンホール径は連続的に変化できるほうが
便利である。

しかしながら、ピンホール径は数１０μｍ程度であるた
め、これを連続的に変化させることは非常に困難である
。また、１次元ＣＣＤの場合も受光面の大きさは一定で
あるため連続的に変化させることは出来ない。

本発明は上記問題点に鑑み、ピンホール径もしくは受光
面の大きさは一定のままでピンホール径もしくは受光面
の大きさを連続的に変化させたのと同じ効果が得られる
様な共焦点光学系を提供することを目的としている。

、二問題点を解決する手段および作用二本発明による共
焦点光学系のひとつは、光源と、前記光源から出た光を
試料上に集光する集光レンズと、前記光源と前記集光レ
ンズの間にあって前記光源から出た光を透過し、試料か
ら戻ってくる光を反射する分離光学素子と、前記分離光
学素子で反射した光を受光する光電検出素子と、前記光
電検出素子の前にあって試料と共役な位置におかれた開
口と、前記分離光学素子と前記開口との間にあって、前
記分離光学素子で反射した光の前記開口上にできるスポ
ット径を変化させるスポット径変換光学系を具備するこ
とを特徴としている。

本発明による共焦点光学系の別のひとつは、光源と、前
記光源から出た光を試料上に集光する集光レンズと、前
記光源と前記集光レンズの間にあって前記光源から出た
光を透過し、試料から戻ってくる光を反射する分離光学
素子と、前記分離光学素子で反射した光を受光する光電
検出素子と、前記充電検出素子の前にあって試料と共役
な位置におかれた開口と、前記光源と前記分離光学素子
との間にあって、前記集光レンズの瞳の大きさよりも小
さい範囲で光束径を変化させる光束変換光学系を具備す
ることを特徴としている。

本発明による共焦点光学系の別のひとつは、光源と、前
記光源から出た光を試料上に集光する集光レンズと、前
記光源と前記集光レンズの間にあって前記光源から出た
光を透過し、試料から戻ってくる光を反射する分離光学
素子と、試料と共役な位置にあって前記分離光学素子で
反射した光を受光し、少なくとも１次元方向の認識能力
をもつ光電検出素子と、前記充電検出素子の前にあって
、前記分離光学素子で反射した光の前記光電検出素子の
受光面上にできるスポット径を変化させるスポット径変
換光学系を具備することを特徴としている。

本発明による共焦点光学系の別のひとつは、光源と、前
記光源から出た光を試料上に集光する集光レンズと、前
記光源と前記集光レンズの間にあって前記光源から出た
光を透過し、試料から戻って（る光を反射する分離光学
素子と、試料と共役な位置にあって前記分離光学素子で
反射した光を受光し、少なくとも１次元方回の認識能力
をもつ充電検出素子と、前記光源と前記分離光学素子と
の間にあって、前記集光レンズの瞳の大きさよりも小さ
い範囲で光束を変化させる光束変換光学系を具備するこ
とを特徴としている。

すなわち、開口の大きさを変化させて開口を通る光量を
調節するということは、開口の大きさと開口上の光の大
きさの相対的な大きさの問題と考えれば良い。また、少
なくとも１次元方向の認識能力をもつ充電検出素子の場
合はその受光面の大きさが開口の役目をしている。

従って、本発明による開口もしくは受光面の大きさに対
して開口もしくは受光面上の光の大きさを連続的に変化
させる手段は、一定の光の大きさに対して開口もしくは
受光面の大きさを連続的に変化させるのとまったく等価
なことである。

また本発明で用いている分離光学素子には、用途に応じ
てハーフミラ−１偏向ビームスプリツタ、ダイクロイッ
クミラー等の少ｔくとも光源からの光を透過し、少なく
とも試料からの光を反射する光学素子が用いられる。尚
、偏同ビームスプリッタを用いる場合には１．／４波長
板が必要になる。

口実施例］本発明による第１実施例を第１図に示す。第８図と同じ
構成要素については同じ符号を付けてその作用について
は省略する。

本実施例ではピンホール径や受光面の大きさを変えずに
スポットの径を変えるものである。

レンズで平行光線を集光した時にできるスポットの直径
φは、レンズの焦点距離をｆルンズに入射する光束の半
径をｄ、光の波長を又とすると、φ＝１．２２ｘｆｘλ
／′ｄ　　　　（１）の関係を持つ。

この（１）式から明らかなように、スポットの直径を変
化させるにはｆ、　ｄ、　　λのうち少なくともひとつ
を変化させればよい。

そこで、本実施例ではスポット径を変えるようにしてあ
り、スポットの直径を変化させるために、（１）式のｄ
の値を変化させる方法を用いている。

第１図に示すようにｄの値を変化させるために、レンズ
２３の前にアフォーカルズーム光学系３０を配置しであ
る。

第２図はアフォーカルズーム光学系のＰｌである。

レンズ３１．３３は凸レンズであり、レンズ゛３２゜３
４は凹レンズである。レンズ３２．３３はそれぞれＸ１
〜Ｘ２．Ｘ３〜Ｘ４の間を連続に動く構成になっている
。第２図（Ａ）で示すようにレンズ３２がＸｌ、レンズ
３３がｘ４の位置にある場合では、入射光束はレンズ３
１で収束するが、レンズ３１．３２のあいだが狭いため
光束径はあまり小さくならない。しかし、レンズ３２．
３３のあいだが広いためレンズ３２を通過した光束はこ
の間で拡がり、拡がった光束はレンズ３３．３４の間が
狭いためこの間では光束径があまり小さくならず、レン
ズ３４から出てくる光束径ｄ１は入射光束系をｄとする
と、ｄ＜ｄｉとなる。一方、第５図（Ｂ）で示すように
レンズ３２がＸ２、レンズ３３がＸ３の位置にある場合
は、光束がレンズ３１と３２、レンズ３３と３４の間で
光束が小さくなるため、レンズ３４から出てくる光束径
ｄ２は、ｄ＞ｄ２となる。したがって、レンズ３２．３
３が連続に動くことで、レンズ３４がら出てくる光束径
はｄｌから６２間で連続に変化する。

具体的に数値を代入してみる。

例えば、ｆ＝５０ｍｍ λ＝０５μｍｄ＝２　　ｍｍ　　　　　　　　のとき、アフォーカル
ズームの倍率を０．２５Ｘ〜２×にＴると、レンズ３４
から出てくる光束径は、２　Ｘの時　　　ｄｌ＝４ｍｍＯ，２５Ｘの時　　　ｄ２　＝０．５　ｍｍしたがって
レンズ２３によってピンホール２４上に生じるスポット
の径は、２　×の時　　　φ１　＝７．６μｍＯ，２５Ｘの時　　　φ２＝６１μｍとなる。

ピンホール２４の径を１５μｍ程度にすると、試料から
戻ってくる光の光量が少ない場合には、アフォーカルズ
ームの倍率を１Ｘ〜２×にする事でスポット径がピンホ
ール径より小さくなるため、ピンホールでの光ｉｔ損失
か少なくなり画像が得られる。たたしこの場合光軸方間
の分解能は、はとんど得られない。

また、試料から戻ってくる光の光量か多い場合には、アフォーカルズームの倍率を０．２５　
Ｘ〜０．７×にする事でスポット径がピンホール径より
太き（なるため、ピンホールでの光量損失はあるものの
、軸方向の分解能を持ちながら画像も得られる。

以上のように、試料から戻ってくる光の光量に応じてア
フォーカルズームの倍率を連続に変化させることで、画
像を得るための最適な状態が実現される。

本実施例では具体的な数値を挙げて説明したが、特にこ
の数値に限定されるものではない。またアワ１−カルズ
ーム光学系のレンズの種類や枚数などについても同様に
制限はない。

本発明による第２実施例を第３図に示す。第９図と同じ
構成要素には同じ符号を付けてその作用については説明
を省略する。

本実施例も第１実施例と同様にスポット径を変化させる
ものである。

本実施例ではスポットの直径を変化させるために、（１
）式のｆの値を変化させる方法をもちいる。

そこでここでは、ｆの値を変化させるために、１次元Ｃ
ＣＤ２７の前に焦点距離可変光学系４０を配置しである
。

第４図は焦点距離可変光学系の例であり、レンズ４１は
凹レンズ、レンズ４２は凸レンズである。

この焦点可変光学系の２枚のレンズの合成焦点距離ｆは
、近軸理論で求めると、２枚のレンズの焦点距離をそれ
ぞれｆｌ、ｆ２とし、２枚のレンズの間隔をｔとすると
、１／ｆ＝１／ｆｌ↑１／ｆ２−　ｔ／（ｆＬ　Ｘ　ｆ２
）で表される。したがってｆを変化させるにはレンズ間
隔ｔを変化させればよい。

すなわち、第４図（Ａ）で示すように２枚のレンズ４１
．４２を近付けてレンズ間隔をｔ２とすると、光スポッ
トが集光する位置は遠く離れて焦点距離は長くなり、第
４図（Ｂ）で示すように２枚のレンズを離してレンズ間
隔をｔｌとすると、焦点距離は短くなる。

このようにレンズ間隔が変化すると焦点距離が変化し、
焦点位置が変化するため１次元ＣＣＤ２７の受光面の位
置とスポット位置が一致しなくなる。したがって、レン
ズ間隔の変化に応じて１次元ＣＣＤの受光面の位置とス
ポット位置を一致させるように、レンズ４１とレンズ４
２には移動させる移動機構が必要となる。

次に具体的に数値を代入してみる。

例えば、レンズ４１の焦点距離　ｆ　Ｌ　＝−２０ｍｍレンズ４
２の焦点距離　ｆ２＝２０ｍｍのとき、レンズ間隔　　　　　　ｔｌ＝２５ｍｍｔ２＝　　　８
　ｍｍとすると、ｔｌ＝２５ｍｍのとき　　ｆ＝１６ｍｍｔ２＝５ｍｍの
とき　　ｆ＝８０ｍｍとなり、スポット径は、ｔｌ＝２５ｍｍのとき　φ１　＝　４．９μｍｔ２＝５
ｍｍのとき　φ２　＝２４．４μｍとなる。

このようにレンズ４１を連続に移動させることによって
、スポット径を４．９μｍから２４．４μｍＮで連続に
変化させることが出来る。

従って、−次元ＣＣＤの受光面の大きさを１０μｍ程度
にしても、第１実施例と同じように、試料からの光の光
量に応じて画像を得るための最適な状態が実現される。

尚、第３図は試料２２が透過試料の場合、１次元ＣＣＤ
２７に透過光を戻すための例を示；てあり、４４．４６
はそのための光学系の一例である。

レンズ４６は試料２２を透過してきた光を平行光束にす
る為、前側焦点位置がレンズ２１の集光位置に一致する
ように配置されている。レンズ４６から出た平行光束は
コーナーキューブ４４に入射する。このコーナーキュー
ブ４４はその頂点Ｐがレンズ４６の後側焦点位置に一致
するように配置されている。この為コーナーキューブで
反射された光は入射光と同じ光路を戻って行くため透過
光も１次元ＣＣＤ２７で検出される。

第５図は本実施例の変形例である。焦点距離を変化させ
るために焦点可変レンズ５０を用いている。焦点可変レ
ンズ５０はレンズ素材に電圧源５１により、１ｉ圧をを
加えることで、レンズ素材の屈折率が変化するものであ
る。したがって電圧をＶ１〜Ｖ２に連続的に変化させる
ことで、１枚のレンズで連続に焦点距離を変化させるこ
とが出来る。第４図の場合と同様に、焦点距離を変化さ
せたときにスポットが１次元ＣＣＤ２７上に来るように
焦点可変レンズ５０を移動させる移動機構は必要である
。

本実施例でも具体的な数値を挙げて説明したが、特にこ
の数値に限定されるものではない。また光学系のレンズ
構成についても同じ効果を生じるものであれば、レンズ
の種類、枚数などについても同様に制限はない。

第６図は本発明による第３実施例である。第８図と同じ
構成要素については同じ符号を付けてその作用について
は説明を省略する。

本実施例では試料２２からの光を集光せずに平行光束の
まま、充電検出器２５に入射させている。

試料２２と共役でない位置からの光は平行光束にならな
いため絞り６１をほとんど通ることが出来ない。このた
め、第８図の集光位置にピンホールを置いたのと同じ作
用をしている。

本実施例では絞り６１に入射する光束径を変化させるた
めに、ビームエキスパンダ部に第２図と同様のアフォー
カルズーム６０を用いている。絞り６１に入射する光束
径はアフォーカルズーム６０を出る光束と同じである。

従って、アフォーカルズーム６０を出る光束を連続に変
化させることで、試料からの光の光量に応じて画像を得
るための最適な状態が実現できる。ただし、試料２２か
らの光は集光レンズ２１の瞳の大きさで決まるため、ア
フォーカルズーム６０を出る光束径を変化させる範囲は
、集光レンズ２１の鴫の大きさよりも小さい範囲でなけ
ればならない。また不実施例では、絞り６１の径は数ｍ
ｍの大きさのため、その径を変化させることも出来る。

よって、アフォーカルズーム６０によって光束径を変化
させる機能と併用することで、幅広い光Ｉ調整か実現で
きる。

以上本発明の実施例について説明してきたが、アフォー
カルズーム光学系及び、焦点距離可変光学系はどの実施
例にも使用することができる。

〔発明の効果〕

本発明による共焦点光学系は、ピンホール径もしくは受
光面の大きさは一定のままでピンホール径もしくは受光
面の大きさを連続的に変化させたのと同じ効果が簡単に
実現できる事である。

【図面の簡単な説明】第１図および第２図は本発明の第１実施例の光学系を示
す図、第３図および第４図は第２実施例の光学系を示す
図、第５図は第２実施例の変形例を示す図、第６図は第
３実施例の光学系を示す図、第７図は共焦点光学系の原
理を示す図、第８図および第９図は共焦点光学系の従来
例を示す図である０

Claims

【特許請求の範囲】

（１）光源と、前記光源から出た光を試料上に集光する
集光レンズと、前記光源と前記集光レンズの間にあって
前記光源から出た光を透過し、試料から戻ってくる光を
反射する分離光学素子と、前記分離光学素子で反射した
光を受光する光電検出素子と、前記光電検出素子の前に
あって試料と共役な位置におかれた開口と、前記分離光
学素子と前記開口との間にあって、前記分離光学素子で
反射した光の前記開口上にできるスポット径を変化させ
るスポット径変換光学系を具備する共焦点光学系。
（２）光源と、前記光源から出た光を試料上に集光する
集光レンズと、前記光源と前記集光レンズの間にあって
前記光源から出た光を透過し、試料から戻ってくる光を
反射する分離光学素子と、前記分離光学素子で反射した
光を受光する光電検出素子と、前記光電検出素子の前に
あって試料と共役な位置におかれた開口と、前記光源と
前記分離光学素子との間にあって、前記集光レンズの瞳
の大きさよりも小さい範囲で光束径を変化させる光束変
換光学系を具備する共焦点光学系。
（３）光源と、前記光源から出た光を試料上に集光する
集光レンズと、前記光源と前記集光レンズの間にあって
前記光源から出た光を透過し、試料から戻ってくる光を
反射する分離光学素子と、試料と共役な位置にあって前
記分離光学素子で反射した光を受光し、少なくとも１次
元方向の認識能力をもつ光電検出素子と、前記光電検出
素子の前にあって、前記分離光学素子で反射した光の前
記光電検出素子の受光面上にできるスポット径を変化さ
せるスポット径変換光学系を具備する共焦点光学系。
（４）光源と、前記光源から出た光を試料上に集光する
集光レンズと、前記光源と前記集光レンズの間にあって
前記光源から出た光を透過し、試料から戻ってくる光を
反射する分離光学素子と、試料と共役な位置にあって前
記分離光学素子で反射した光を受光し、少なくとも１次
元方向の認識能力をもつ光電検出素子と、前記光源と前
記分離光学素子との間にあって、前記集光レンズの瞳の
大きさよりも小さい範囲で光束を変化させる光束変換光
学系を具備する共焦点光学系。