JPH05107479A - Scanning optical microscope - Google Patents

Scanning optical microscope

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JPH05107479A
JPH05107479A JP26630891A JP26630891A JPH05107479A JP H05107479 A JPH05107479 A JP H05107479A JP 26630891 A JP26630891 A JP 26630891A JP 26630891 A JP26630891 A JP 26630891A JP H05107479 A JPH05107479 A JP H05107479A
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JP
Japan
Prior art keywords
acousto
optical
ultrasonic wave
light beam
deflecting element
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP26630891A
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Japanese (ja)
Inventor
Hisao Kitagawa
久雄 北川
Takeshi Onada
毅 小灘
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Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Optical Co Ltd
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Filing date
Publication date
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Publication of JPH05107479A publication Critical patent/JPH05107479A/en
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Abstract

PURPOSE:To provide high speed scanning equivalent to video rate and achieve theoretical resolution of a con-focal microscope in a scanning optical microscope in which an acousto-optical deflection element is used. CONSTITUTION:In a scanning optical microscope 23 in which light beam is deflected by an acousto-optical deflection device 23, an width W of ultrasonic wave surface in optical axis direction for propagate the light beam in the acousto-optical deflection element 23 is set as follows: Where an angle between an incident light beam and the ultrasonic wave surface is thetain, an acoustic velocity in the acousto-optical deflection element is V, an opening width of the acousto-optical deflection element is D, a max. deflection angle of light beam in the acousto-optical deflection element is theta max., a coefficient of frequency-time variation of high frequency sweep signal is A, and a coefficient of constant is k, W<= (k.V<2>)/(D.A.tan (theta max-thetain)).

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、音響光学偏向素子を使
用して試料を所定方向に走査する走査型光学顕微鏡に関
する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a scanning optical microscope which scans a sample in a predetermined direction by using an acousto-optic deflecting element.

【0002】[0002]

【従来の技術】この種の走査型光学顕微鏡が特開昭61
−80215号公報に開示されており、その基本構成を
図2に示す。
2. Description of the Related Art A scanning optical microscope of this type has been disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 61-62
It is disclosed in Japanese Patent Publication No.-80215, and its basic configuration is shown in FIG.

【0003】この走査型光学顕微鏡は、レーザ光源1か
ら発した光ビームがエクスパンダ2によってその光束が
広げられて音響光学偏向素子3に入射し、この音響光学
偏向素子3が光ビームを回折させて偏向させている。そ
して音響光学偏向素子3で偏向させた光ビームが集光レ
ンズ4で集束され、リレーレンズ5、ハーフミラー6、
全反射ミラー7を経て振動ミラー8に入射する。この振
動ミラー8で反射された光ビームが対物レンズ9により
微小スポット状に集束されて試料10に入射する。
In this scanning optical microscope, a light beam emitted from a laser light source 1 is expanded by an expander 2 and is incident on an acousto-optic deflecting element 3, which diffracts the light beam. Is biased. Then, the light beam deflected by the acousto-optic deflecting element 3 is focused by the condenser lens 4, and the relay lens 5, the half mirror 6,
The light enters the vibrating mirror 8 via the total reflection mirror 7. The light beam reflected by the vibrating mirror 8 is focused by the objective lens 9 in the form of a minute spot and is incident on the sample 10.

【0004】このような走査光学系を備えた走査型光学
顕微鏡では、試料10上に形成された微小スポットが、
音響光学偏向素子3の偏向作用により所定方向(主走査
方向)に走査され、振動ミラー8により異なる方向(副
走査方向)に走査されるものとなる。
In a scanning optical microscope equipped with such a scanning optical system, the minute spots formed on the sample 10 are
Due to the deflection action of the acousto-optic deflecting element 3, scanning is performed in a predetermined direction (main scanning direction), and the vibrating mirror 8 scans in a different direction (sub scanning direction).

【0005】試料10からの反射光はハーフミラー6を
通過してリニアイメージセンサ11上に入射し、このリ
ニアイメージセンサ11が試料10からの反射光を主走
査方向の1ライン毎に受光して光学情報を電気信号に変
換している。
The reflected light from the sample 10 passes through the half mirror 6 and is incident on the linear image sensor 11, and the linear image sensor 11 receives the reflected light from the sample 10 line by line in the main scanning direction. It converts optical information into electrical signals.

【0006】ところで、上記した走査型光学顕微鏡に使
用されている音響光学偏向素子3は、図3に示すよう
に、素子本体12のある面に音響トランスデューサ13
を取付けて、その面と直交する他の面から光ビームを入
射している。そして音響トランスデューサ13を所定周
波数の高周波掃引信号で振動させることにより、素子本
体12内に超音波の進行波を発生させて通過する光ビー
ムを所定の回折効率で偏向させている。
By the way, the acousto-optic deflecting element 3 used in the above-mentioned scanning optical microscope has an acoustic transducer 13 on the surface of the element body 12 as shown in FIG.
Is attached, and the light beam is incident from another surface orthogonal to that surface. By vibrating the acoustic transducer 13 with a high frequency sweep signal of a predetermined frequency, a traveling wave of an ultrasonic wave is generated in the element body 12 and the passing light beam is deflected with a predetermined diffraction efficiency.

【0007】このような音響光学偏向素子3は、回折効
率を大きくするために音響トランスデューサ13の光軸
方向の幅Wを大きく設定しており、音響光学偏向素子3
内の超音波波面の光軸方向の幅は通常5mm程度となっ
ている。
In such an acousto-optical deflection element 3, the width W of the acoustic transducer 13 in the optical axis direction is set to be large in order to increase the diffraction efficiency.
The width of the ultrasonic wave front in the optical axis direction is usually about 5 mm.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、回折効
率を大きくするために光軸方向の超音波波面の幅を大き
くしている音響光学偏向素子を用いて、ビデオレート相
当の高速光走査を行うと、音響光学偏向素子内の超音波
波面の幅の影響によるボケ角が回折によるボケ角より大
きくなって試料面上のレーザスポットが回折限界まで絞
れなくなるため、ビデオレート相当の高速光偏向を行う
走査型光学顕微鏡ではコンフォーカル状態を実現するこ
とができないという問題があった。
However, when high-speed optical scanning corresponding to a video rate is performed using an acousto-optic deflecting element in which the width of the ultrasonic wave front in the optical axis direction is increased in order to increase the diffraction efficiency. , Scanning that performs high-speed optical deflection equivalent to the video rate because the blur angle due to the influence of the width of the ultrasonic wave front in the acousto-optic deflector becomes larger than the blur angle due to diffraction and the laser spot on the sample surface cannot be narrowed down to the diffraction limit. The optical microscope has a problem in that it cannot realize a confocal state.

【0009】なお、上述した走査型光学顕微鏡は、音響
光学偏向素子3によって光偏向される方向の結像特性が
リニアイメージセンサ11と試料10面との光学的共役
関係(結像関係)に依存している。そのため、音響光学
偏向素子3によるボケ角が増大して試料面上で形成され
るレーザスポットが回折限界まで絞れなくても、検出光
学系の結像作用によって像を形成することができる。
In the scanning optical microscope described above, the image forming characteristics in the direction in which light is deflected by the acousto-optic deflecting element 3 depend on the optical conjugate relationship (image forming relationship) between the linear image sensor 11 and the surface of the sample 10. is doing. Therefore, an image can be formed by the imaging action of the detection optical system even if the blur angle of the acousto-optic deflecting element 3 increases and the laser spot formed on the sample surface cannot be narrowed to the diffraction limit.

【0010】しかしながら、コンフォーカル条件を完全
に満足する走査型光学顕微鏡を構成するためには、試料
面上のレーザスポットを回折限界まで絞り込む必要があ
り、レーザスポットを回折限界まで絞れなくなる場合に
は、完全なコンフォーカル状態の走査型光学顕微鏡を実
現することはできない。
However, in order to construct a scanning optical microscope that completely satisfies the confocal condition, it is necessary to narrow the laser spot on the sample surface to the diffraction limit, and when the laser spot cannot be narrowed to the diffraction limit. , A perfect confocal scanning optical microscope cannot be realized.

【0011】本発明は以上のような実情に鑑みてなされ
たもので、音響光学偏向素子を用いてビデオレート相当
の高速走査を行うことができ、かつコンフォーカル顕微
鏡の理論分解能を達成し得る走査型光学顕微鏡を提供す
ることを目的とする。
The present invention has been made in view of the above-mentioned circumstances, and it is possible to perform high-speed scanning corresponding to a video rate by using an acousto-optic deflecting element and to achieve the theoretical resolution of a confocal microscope. An object is to provide a type optical microscope.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、光源からの光ビームが通過する音響光学偏
向素子に、高周波掃引信号を音響トランスデューサに印
加して発生させた超音波を伝播させることにより、前記
光ビームを偏向させて試料を走査し、その試料からの物
体光を電気信号に変換して試料の光学情報を得る走査型
光学顕微鏡において、前記音響光学偏向素子内で入射光
ビームと超音波波面とのなす角度をθin、前記音響光学
偏向素子内の音速をV、前記音響光学偏向素子の開口幅
をD、前記音響光学偏向素子での光ビームの最大偏向角
をθmax 、前記高周波掃引信号の周波数時間変化率を
A、係数をkとしたとき、前記超音波の波面の光軸方向
の幅Wが、 W≦(k・V2 )/(D・A・tan(θmax −θin)) を満足するようにした。
In order to achieve the above object, the present invention applies an ultrasonic wave generated by applying a high frequency sweep signal to an acoustic transducer to an acousto-optic deflecting element through which a light beam from a light source passes. In the scanning optical microscope, in which the light beam is deflected to scan the sample by scanning and the object light from the sample is converted into an electrical signal to obtain optical information of the sample, the light is incident in the acousto-optic deflecting element. The angle formed by the light beam and the ultrasonic wavefront is θin, the sound velocity in the acousto-optic deflector is V, the opening width of the acousto-optic deflector is D, and the maximum deflection angle of the light beam in the acousto-optic deflector is θmax. , Where the frequency temporal change rate of the high-frequency sweep signal is A and the coefficient is k, the width W of the wavefront of the ultrasonic wave in the optical axis direction is W ≦ (k · V 2 ) / (D · A · tan (θmax−θin)).

【0013】[0013]

【作用】本発明は以上のような手段を講じたことによ
り、ビデオレート相当の高速走査時に音響光学偏向素子
内を伝播する超音波波面の光軸方向の幅Wによるボケ角
が、音響光学偏向素子の開口による回折のボケ角よりも
小さくなり、ビデオレート相当の高速走査時であって
も、回折限界分解能を有する走査結像光学系が実現され
る。そのため、ビデオレート相当の高速走査時にもコン
フォーカル顕微鏡の理論分解能を有するものとなる。
According to the present invention, by taking the above means, the blur angle due to the width W in the optical axis direction of the ultrasonic wave front propagating in the acousto-optic deflecting element at the time of high-speed scanning corresponding to the video rate is reduced by the acousto-optic deflection. It becomes smaller than the blur angle of diffraction due to the aperture of the element, and a scanning imaging optical system having a diffraction limited resolution is realized even during high-speed scanning corresponding to the video rate. Therefore, the theoretical resolution of the confocal microscope is obtained even during high-speed scanning corresponding to the video rate.

【0014】[0014]

【実施例】以下、本発明の一実施例について図1を参照
して説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG.

【0015】本実施例の走査型光学顕微鏡は、レーザ光
源20から出射した光ビームを、ビームエクスパンダー
21で光学系の開口を満たす大きさまで拡大し、その拡
大した光ビームをビームスプリッタ22を通過させて音
響光学偏向素子23に入射している。光源側からの入射
光ビームが出射する音響光学偏向素子23の対向面に
は、屈折方向を音響光学偏向素子23の偏向方向に向け
たシリンドリカルレンズ24が配置され、さらに集光レ
ンズ25及びリレーレンズ26からなる光学系によりガ
ルバノミラー27が音響光学偏向素子23と光学的共役
関係で結ばれている。ガルバノミラー27で反射した光
ビームは瞳投影レンズ28により対物レンズ29の像面
に集光し、この集光スポットが対物レンズ29によって
試料30上に投影されるようになっている。
In the scanning optical microscope of this embodiment, the light beam emitted from the laser light source 20 is expanded by the beam expander 21 to a size that fills the aperture of the optical system, and the expanded light beam passes through the beam splitter 22. It is incident on the acousto-optic deflector 23. A cylindrical lens 24 having a refraction direction oriented in the deflection direction of the acousto-optic deflecting element 23 is arranged on the surface facing the acousto-optic deflecting element 23 from which the incident light beam from the light source side is emitted, and further a condenser lens 25 and a relay lens. A galvano-mirror 27 is connected to the acousto-optic deflecting element 23 in an optically conjugate relationship by an optical system composed of 26. The light beam reflected by the galvanometer mirror 27 is condensed on the image plane of the objective lens 29 by the pupil projection lens 28, and this condensed spot is projected on the sample 30 by the objective lens 29.

【0016】また、本実施例ではNTSC同期信号発生
器31からスイープオシレータ32に対して水平ドライ
ブ信号が与えられ、そのスイープオシレータ32が水平
ドライブ信号に同期して周波数掃引波形の高周波掃引信
号を発生させる。音響光学偏向素子23はスイープオシ
レータ32から高周波掃引信号を音響トランスデューサ
(不図示)で受けて、音響光学偏向素子23内に光軸方
向に所定の幅Wを有する超音波を光軸と直交する方向に
伝播させて、光ビームを例えば紙面に対して垂直な方向
に偏向させる。音響光学偏向素子23の偏向作用によっ
て、試料30上に投影されている微小スポットが試料3
0を例えば主走査するものとなる。
In this embodiment, a horizontal drive signal is applied from the NTSC sync signal generator 31 to the sweep oscillator 32, and the sweep oscillator 32 generates a high frequency sweep signal having a frequency sweep waveform in synchronization with the horizontal drive signal. Let The acousto-optic deflection element 23 receives a high-frequency sweep signal from the sweep oscillator 32 by an acoustic transducer (not shown), and an ultrasonic wave having a predetermined width W in the acousto-optic deflection element 23 in the optical axis direction is orthogonal to the optical axis. To cause the light beam to be deflected in a direction perpendicular to the paper surface, for example. Due to the deflecting action of the acousto-optic deflecting element 23, the minute spots projected on the sample 30 are
For example, 0 is the main scan.

【0017】さらにNTSC同期信号発生器31からガ
ルバノドライバ33に対して垂直ドライブ信号が与えら
れ、そのガルバノドライバ33が垂直ドライブ信号に同
期してガルバノミラー27を所定方向に揺動させるよう
になっている。ガルバノミラー27の揺動に応じて試料
30上に投影されている微小スポットが試料30を例え
ば副走査するものとなる。
Further, a vertical drive signal is applied from the NTSC sync signal generator 31 to the galvano driver 33, and the galvano driver 33 swings the galvano mirror 27 in a predetermined direction in synchronization with the vertical drive signal. There is. The minute spots projected on the sample 30 in accordance with the swing of the galvanometer mirror 27, for example, sub-scan the sample 30.

【0018】すなわち、音響光学偏向素子23とガルバ
ノミラー27によって2次元的にラスター走査される走
査スポットが対物像面上に形成され、この走査スポット
が試料30上に投影される。
That is, a scanning spot which is two-dimensionally raster-scanned by the acousto-optic deflecting element 23 and the galvanometer mirror 27 is formed on the objective image plane, and this scanning spot is projected on the sample 30.

【0019】試料30からの反射光は元きた光路を逆に
さかのぼってビームスプリッタ22で照明光路から分岐
されてスポット結像レンズ34に入射する。そしてスポ
ット結像レンズ34とピンホール35からなる検出光学
系を通ってフォトダイオード36に入射する。
The reflected light from the sample 30 traces back the original optical path, is branched from the illumination optical path by the beam splitter 22, and enters the spot imaging lens 34. Then, the light enters the photodiode 36 through a detection optical system including the spot imaging lens 34 and the pinhole 35.

【0020】フォトダイオード36で光電変換して得ら
れた光電信号はビデオアンプ37で増幅された後、ビデ
オモニタ38に入力する。このビデオモニタ38は、N
TSC同期信号発生器31から発生したコンポジット同
期信号が入力する。これにより、ビデオモニタ38上の
ラスター走査と試料30上の微小スポットのラスター走
査との同期をとることができ、ビデオモニタ38上に試
料30からの反射光による画像を形成することができ
る。
A photoelectric signal obtained by photoelectric conversion by the photodiode 36 is amplified by a video amplifier 37 and then input to a video monitor 38. This video monitor 38 is
The composite sync signal generated from the TSC sync signal generator 31 is input. As a result, the raster scan on the video monitor 38 and the raster scan of the minute spot on the sample 30 can be synchronized, and an image can be formed on the video monitor 38 by the reflected light from the sample 30.

【0021】本実施例の走査型光学顕微鏡に使用されて
いる音響光学偏向素子23は、音響トランスデューサの
光軸方向の幅、すなわち超音波波面の光軸方向の幅Wが
後述する条件式を満たすように設定されている。次に、
音響光学偏向素子23内の超音波波面の光軸方向の幅W
を設定するための条件について説明する。
In the acousto-optic deflecting element 23 used in the scanning optical microscope of this embodiment, the width of the acoustic transducer in the optical axis direction, that is, the width W of the ultrasonic wave front in the optical axis direction satisfies the conditional expression described later. Is set. next,
Width W of the ultrasonic wave front in the acousto-optic deflector 23 in the optical axis direction
The conditions for setting will be described.

【0022】例えば、二酸化テルル単結晶内の横波超音
波を用いた音響光学偏向素子を、波長458nmで使用
すると、音速は650m/sec、中心周波数が103
MHz、偏向帯域幅50MHzであるから、最大周波数
は128MHzとなり、偏向角θは、(1)式より求め
ることができる。 θ=λ・f/V …(1) なお、λは使用波長、fは音響トランスデューサに印加
する高周波信号の周波数、Vは音響光学偏向素子内の音
速である。上記(1)式より、最大偏向角θmax は、
5.168(deg)となる。
For example, when an acousto-optic deflection element using transverse ultrasonic waves in tellurium dioxide single crystal is used at a wavelength of 458 nm, the speed of sound is 650 m / sec and the center frequency is 103.
Since the frequency is MHz and the deflection bandwidth is 50 MHz, the maximum frequency is 128 MHz, and the deflection angle θ can be obtained from the equation (1). θ = λ · f / V (1) where λ is the used wavelength, f is the frequency of the high frequency signal applied to the acoustic transducer, and V is the speed of sound in the acousto-optic deflecting element. From the above formula (1), the maximum deflection angle θmax is
It becomes 5.168 (deg).

【0023】ここで、図4を参照して超音波波面の光軸
方向の幅Wの及ぼす影響について説明する。図4には、
図中上下方向に幅Wの超音波波面が進行している音響光
学偏向素子に、平行光束をなす光線A,B,Cが図中左
側から超音波波面に対して角度θinの角度をなして入射
した状態が示されている。
Here, the influence of the width W of the ultrasonic wave front in the optical axis direction will be described with reference to FIG. In Figure 4,
In the acousto-optic deflecting element in which an ultrasonic wave front having a width W advances in the vertical direction in the figure, rays A, B and C forming a parallel light beam form an angle θin with respect to the ultrasonic wave front from the left side in the figure. The incident state is shown.

【0024】同図において、光線A及びBはいずれも同
一の超音波波面に入射しているが、光線Aは幅Wの波面
の左端に入射し、光線Bは同波面の右端に入射してい
る。光線A,Bは同一波面に入射しているので、その1
次回折光となる+1次光(A)、+1次光(B)は共に
超音波波面とθsの角度をなして平行に出射する。ここ
で、0次光と+1次光とがなす角度、すなわち偏向角θ
は(2)式で表すことができる。 θ=θs+θin …(2)
In the figure, both the light rays A and B are incident on the same ultrasonic wave front, but the light ray A is incident on the left end of the wave front having the width W and the light ray B is incident on the right end of the same wave front. There is. Since rays A and B are incident on the same wavefront,
Both the + 1st-order light (A) and the + 1st-order light (B), which are the second-order diffracted lights, are emitted in parallel with the ultrasonic wave front at an angle of θs. Here, the angle formed by the 0th-order light and the + 1st-order light, that is, the deflection angle θ
Can be expressed by equation (2). θ = θs + θin (2)

【0025】このとき、+1次光(A)は点Xで光軸方
向の幅Wの超音波波面の左端へ到達する。+1次光
(A)が幅Wの超音波波面を横切る際の反射面からの距
離hは、図から幾何学的に、 h=W・tanθs …(3) として求めることができる。
At this time, the + 1st-order light (A) reaches the left end of the ultrasonic wavefront having the width W in the optical axis direction at the point X. The distance h from the reflecting surface when the + 1st-order light (A) crosses the ultrasonic wave front having the width W can be geometrically obtained from the figure as h = W · tan θs (3).

【0026】ここで、音響光学偏向素子内を進行する超
音波を発生するための高周波掃引信号の周波数時間変化
率をA(Hz/sec)とすると、超音波が音速V(m
/sec)で距離hを移動する期間における音響周波数
の変化δf(Hz)は、 δf=A・(h/V)=(A/V)・Wtanθs …(4) で表すことができる。
Here, when the frequency time change rate of the high frequency sweep signal for generating the ultrasonic wave traveling in the acousto-optic deflecting element is A (Hz / sec), the ultrasonic wave has a sound velocity V (m).
/ Sec), the change δf (Hz) of the acoustic frequency during the period of traveling the distance h can be expressed by δf = A · (h / V) = (A / V) · Wtan θs (4).

【0027】上記(4)式を(1)式に代入すれば、超
音波波面の左端の点Xに入射した光線Cの回折偏向光で
ある+1次光(C)と、+1次光(A)とのなす角度δ
θの値が求められる。そこで、(4)式を(1)式に代
入した(5)式より上記δθを求める。 δθ=(λA/V2 )・Wtanθs …(5) ここで、音響光学偏向素子の開口をD(m)とすると、
開口による回折のボケ角δθdは、 δθd=λ/D …(6)
By substituting the equation (4) into the equation (1), the + 1st-order light (C) and the + 1st-order light (A) which are diffracted and deflected light rays of the light ray C incident on the point X at the left end of the ultrasonic wavefront. ) Angle δ
The value of θ is obtained. Therefore, the above δθ is obtained from the equation (5) by substituting the equation (4) into the equation (1). δθ = (λA / V 2 ) · Wtan θs (5) Here, when the aperture of the acousto-optic deflector is D (m),
The blurring angle δθd of the diffraction due to the aperture is δθd = λ / D (6)

【0028】より求められ、このボケ角δθdが回折限
界による音響光学偏向素子の掃引の分解能を決定する。
従って、回折限界分解能を損なわないためには、図4に
おける点Xでのボケ角δθはδθdより小さくなければ
ならない。すなわち、 δθ≦k・δθd …(7) で表される条件式を得る。なお、k≦1の定数係数であ
る。(5)式と(6)式を(7)式へ代入して、光軸方
向の超音波波面の幅Wの条件が求められる。 W≦(k・V2 )/(D・Atanθs) …(8) なお、k≦1の定数係数である。
The blur angle δθd obtained from the above determines the sweep resolution of the acousto-optic deflector due to the diffraction limit.
Therefore, in order not to impair the diffraction limit resolution, the blur angle δθ at the point X in FIG. 4 must be smaller than δθd. That is, the conditional expression represented by δθ ≦ k · δθd (7) is obtained. Note that k is a constant coefficient of 1. By substituting the equations (5) and (6) into the equation (7), the condition of the width W of the ultrasonic wave front in the optical axis direction is obtained. W ≦ (k · V 2 ) / (D · Atan θs) (8) Note that k ≦ 1 is a constant coefficient.

【0029】ここで、θsは(2)式よりθs=θ−θ
inであり、偏向角θが最大のときに最も条件が悪くなる
から、最大偏向角をθmax として、(8)式は(9)式
に変換できる。 W≦(k・V2 )/(D・Atan(θmax −θin)) …(9)
Here, θs is θs = θ−θ from the equation (2).
Since it is in and the condition becomes the worst when the deflection angle θ is the maximum, the maximum deflection angle can be set to θmax, and the equation (8) can be converted into the equation (9). W ≦ (k · V 2 ) / (D · Atan (θmax−θin)) (9)

【0030】すなわち、音響光学偏向素子を用いた走査
光学系で回折限界分解能を損なわないための、音響光学
偏向素子内の超音波波面の光軸方向の幅Wの条件式が得
られたことになる。
That is, the conditional expression of the width W in the optical axis direction of the ultrasonic wave front in the acousto-optic deflector is obtained so as not to impair the diffraction limit resolution in the scanning optical system using the acousto-optic deflector. Become.

【0031】従って、本実施例では音響光学偏向素子2
3を、図3に示す音響光学偏向素子と同様に構成した場
合に、音響トランスデューサ13の幅Wを上記(9)式
を満足するように設定されている。
Therefore, in this embodiment, the acousto-optic deflection element 2 is used.
3 is configured similarly to the acousto-optic deflecting element shown in FIG. 3, the width W of the acoustic transducer 13 is set so as to satisfy the above expression (9).

【0032】なお、(9)式においてk≦1の定数係数
を使用しているのは、回折限界の結像光学系において
は、波面収差をλ/4以下に抑えれば理論的な回折限界
分解能を損なわないことが知られている。この観点に立
てば(7)式の定数係数kを1/4に設定すれば良いこ
とになる。しかし、数多くのレンズ類で構成される顕微
鏡では、各光学素子の面収差をλ/10以下にするのが
一般的であり、この観点に立てば定数係数kを1/10
に設定することになる。ところが、音響トランスデュー
サの幅を小さくすると、前述のように音響光学偏向素子
の回折効率が低下するので、定数係数kは1/10〜1
の間で適宜設定するのが望ましいことになる。
In the equation (9), a constant coefficient of k ≦ 1 is used because in a diffraction-limited imaging optical system, if the wavefront aberration is suppressed to λ / 4 or less, the theoretical diffraction limit is set. It is known that resolution is not impaired. From this point of view, it suffices to set the constant coefficient k in the equation (7) to 1/4. However, in a microscope including a large number of lenses, it is general to set the surface aberration of each optical element to λ / 10 or less. From this viewpoint, the constant coefficient k is 1/10.
Will be set to. However, if the width of the acoustic transducer is reduced, the diffraction efficiency of the acousto-optic deflecting element is reduced as described above, so the constant coefficient k is 1/10 to 1
It is desirable to set it appropriately between the intervals.

【0033】以上のように構成された本実施例では、ス
イープオシレータ32が音響光学偏向素子23に対して
水平ドライブ信号に同期して周波数掃引波形を出力す
る。これにより音響光学偏向素子23を通過する光ビー
ムが偏向する。またガルバノドライバ33がガルバノミ
ラー27を垂直同期信号に同期して揺動駆動する。これ
によりガルバノミラー27で光ビームが偏向する。この
ようにして、試料30上に形成される微小スポットで試
料表面をラスター走査し、その試料反射光がフォトダイ
オード36で光電信号に変換されてビデオモニタ38に
入力する。ビデオモニタ38では、光電信号をコンポジ
ット同期信号に基づいて画像化することにより、走査顕
微鏡画像が形成される。
In the present embodiment configured as described above, the sweep oscillator 32 outputs a frequency sweep waveform to the acousto-optic deflection element 23 in synchronization with the horizontal drive signal. As a result, the light beam passing through the acousto-optic deflecting element 23 is deflected. Further, the galvano driver 33 swings the galvano mirror 27 in synchronization with the vertical synchronizing signal. As a result, the light beam is deflected by the galvanometer mirror 27. In this way, the sample surface is raster-scanned by the minute spots formed on the sample 30, and the sample reflected light is converted into a photoelectric signal by the photodiode 36 and input to the video monitor 38. On the video monitor 38, a scanning microscope image is formed by imaging the photoelectric signal based on the composite synchronizing signal.

【0034】なお、音響光学偏向素子23に対向配置さ
れているシリンドリカルレンズ24は、掃引周波数入力
により音響光学偏向素子23が有するシリンドリカル効
果を補正するように機能する。
The cylindrical lens 24 arranged so as to face the acousto-optic deflecting element 23 functions to correct the cylindrical effect of the acousto-optic deflecting element 23 by inputting the sweep frequency.

【0035】本実施例では、音響光学偏向素子23内の
超音波波面の光軸方向の幅Wが(9)式を満足するよう
に、超音波を発生させる音響トランスデューサの幅を小
さく抑えているので、試料面上の微小スポットを対物レ
ンズ29のNAで決まる回折限界まで小さく投影するこ
とができ、それと同時に上記検出光学系のピンホール3
5上に投影されるスポットを、スポット投影レンズ34
のNAで決まる回折限界まで小さく投影することができ
る。
In the present embodiment, the width of the acoustic transducer for generating ultrasonic waves is kept small so that the width W of the ultrasonic wave front in the acousto-optic deflecting element 23 in the optical axis direction satisfies the expression (9). Therefore, a minute spot on the sample surface can be projected as small as the diffraction limit determined by the NA of the objective lens 29, and at the same time, the pinhole 3 of the detection optical system.
5 is a spot projected onto the spot projection lens 34.
It is possible to project as small as the diffraction limit determined by the NA.

【0036】これは、文献「CONFOCAL MICROSCOPY 」T.
Wilson Academic Press,1990 P95に記載されているよう
に、ピンホール径をピンホール上のスポット径の約1/
8以下に設定することにより、完全なコンフォーカル状
態を実現することができ、コンフォーカル顕微鏡の理論
解像度を実現できることを意味している。なお、従来よ
り使用されている音響光学偏向素子について、(9)式
による試算結果を以下に示す。
This is described in the document "CONFOCAL MICROSCOPY" T.
As described in Wilson Academic Press, 1990 P95, make the pinhole diameter about 1 / of the spot diameter on the pinhole.
By setting it to 8 or less, it means that a perfect confocal state can be realized and the theoretical resolution of the confocal microscope can be realized. In addition, regarding the acousto-optic deflecting element which has been conventionally used, the result of trial calculation by the equation (9) is shown below.

【0037】従来より使用されている音響光学偏向素子
として二酸化テルル単結晶内の横波超音波を用いた用い
てNTSCビデオレートの水平同期信号(T=63.5
6μsec)に同期して光偏向させる場合の超音波波面
の光軸方向の幅Wを(9)式から求めると、 k=1、θin=θmax /2とすると、 W≦6502 /3.5×10-3/(50×106 /63.56×10-6) /tan(5.168/2) =0.0034(m) となる。すなわち、超音波波面の幅Wが3.4mm以下
でなければならない。
A horizontal synchronizing signal (T = 63.5) at NTSC video rate is used by using a transverse ultrasonic wave in tellurium dioxide single crystal as an acousto-optic deflecting element which has been conventionally used.
When the width W of the ultrasonic wave front in the optical axis direction when the light is deflected in synchronization with 6 μsec) is calculated from the equation (9), if k = 1 and θin = θmax / 2, then W ≦ 650 2 /3.5×10 -3 / (50 × 10 6 /63.56×10 −6 ) / tan (5.168 / 2) = 0.0034 (m). That is, the width W of the ultrasonic wave front must be 3.4 mm or less.

【0038】また、音響光学偏向素子として二酸化テル
ル単結晶内の横波超音波を用いた開口幅10mmの素子
を用いる場合には、開口幅Dが10mmとなるので幅W
はさらに小さくなり、具体的には1.2mm以下でなけ
ればならない。すなわち、開口の大きい高分解能の音響
光学偏向素子になるほど、超音波波面の光軸方向の幅W
を小さくする必要がある。
When an element with an opening width of 10 mm using transverse ultrasonic waves in tellurium dioxide single crystal is used as the acousto-optic deflecting element, the opening width D is 10 mm, so the width W
Should be even smaller, specifically 1.2 mm or less. That is, the width W of the ultrasonic wave front in the optical axis direction increases as the size of the high-resolution acousto-optical deflector increases.
Needs to be small.

【0039】既に述べたように従来の音響光学偏向素子
内の超音波波面の光軸方向の幅Wは通常は約5mmであ
り、試算しように(9)式から求まる幅Wの条件は、N
TSCビデオレートでの走査を前提とすれば、仕様上の
最大分解点数250の前記開口幅3.5mmの素子では
W≦3.4mmであり、仕様上の最大分解点数750の
前記開口幅10mmの素子ではW≦1.2mmである。
すなわち、従来の音響光学偏向素子は(9)式を満足し
ていないものと考えられる。
As described above, the width W of the ultrasonic wave front in the conventional acousto-optic deflector in the direction of the optical axis is usually about 5 mm, and the condition of the width W obtained from the equation (9) is N as a trial calculation.
Assuming scanning at the TSC video rate, W ≦ 3.4 mm for an element with the maximum resolution point 250 of the specifications and the aperture width of 3.5 mm, and W ≦ 3.4 mm with the maximum resolution point of 750 of the specifications. In the element, W ≦ 1.2 mm.
That is, it is considered that the conventional acousto-optic deflector does not satisfy the expression (9).

【0040】このように本実施例によれば、光源からの
光ビームを偏向させるための音響光学偏向素子23とし
て上記(9)式を満足するものを使用するようにしたの
で、ビデオレート相当の高速走査時にもコンフォーカル
顕微鏡の理論分解能を有する走査型光学顕微鏡を実現で
きる。
As described above, according to this embodiment, as the acousto-optic deflecting element 23 for deflecting the light beam from the light source, the one satisfying the above expression (9) is used, which corresponds to the video rate. A scanning optical microscope having the theoretical resolution of a confocal microscope can be realized even during high-speed scanning.

【0041】[0041]

【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、音
響光学偏向素子を用いてビデオレート相当の高速走査を
行うことができ、かつコンフォーカル顕微鏡の理論分解
能を達成し得る走査型光学顕微鏡を提供できる。
As described above in detail, according to the present invention, it is possible to perform high-speed scanning corresponding to a video rate by using an acousto-optic deflecting element, and to achieve the scanning resolution of a confocal microscope. A microscope can be provided.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の一実施例に係る走査型光学顕微鏡の構
成図。
FIG. 1 is a configuration diagram of a scanning optical microscope according to an embodiment of the present invention.

【図2】従来の音響光学偏向素子を使用した走査型光学
顕微鏡の構成図。
FIG. 2 is a configuration diagram of a scanning optical microscope using a conventional acousto-optic deflector.

【図3】音響光学偏向素子の外観図。FIG. 3 is an external view of an acousto-optic deflector.

【図4】音響光学偏向素子による光ビームの偏向状態を
示す図。
FIG. 4 is a diagram showing a deflection state of a light beam by an acousto-optic deflection element.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

20…レーザ光源、23…音響光学偏向素子、27…ガ
ルバノミラー、29…対物レンズ、30…試料、34…
スポット投影レンズ、35…ピンホール、36…フォト
ダイオード、38…ビデオモニタ。
20 ... Laser light source, 23 ... Acousto-optic deflection element, 27 ... Galvano mirror, 29 ... Objective lens, 30 ... Sample, 34 ...
Spot projection lens, 35 ... pinhole, 36 ... photodiode, 38 ... video monitor.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 光源からの光ビームが通過する音響光学
偏向素子に、高周波掃引信号を音響トランスデューサに
印加して発生させた超音波を伝播させることにより、前
記光ビームを偏向させて試料を走査し、その試料からの
物体光を電気信号に変換して試料の光学情報を得る走査
型光学顕微鏡において、 前記音響光学偏向素子内で入射光ビームと超音波波面と
のなす角度をθin、前記音響光学偏向素子内の音速を
V、前記音響光学偏向素子の開口幅をD、前記音響光学
偏向素子での光ビームの最大偏向角をθmax 、前記高周
波掃引信号の周波数時間変化率をA、係数をkとしたと
き、 前記超音波は、その波面の光軸方向の幅Wが、 W≦(k・V2 )/(D・A・tan(θmax −θin)) を満足するように設定されていることを特徴とする走査
型光学顕微鏡。
1. A sample is scanned by causing an ultrasonic wave generated by applying a high-frequency sweep signal to an acoustic transducer to propagate to an acousto-optic deflecting element through which a light beam from a light source passes, thereby scanning the sample. Then, in the scanning optical microscope to obtain the optical information of the sample by converting the object light from the sample into an electric signal, the angle formed by the incident light beam and the ultrasonic wave front in the acousto-optic deflecting element is θin, The velocity of sound in the optical deflecting element is V, the opening width of the acousto-optical deflecting element is D, the maximum deflection angle of the light beam in the acousto-optical deflecting element is θ max, the frequency time change rate of the high frequency sweep signal is A, and the coefficient is Assuming that the ultrasonic wave has a width W in the direction of the optical axis of the ultrasonic wave, W ≦ (k · V 2 ) / (DA * tan ((theta) max- (theta) in)), It is set so that it may be set, The scanning optical microscope characterized by the above-mentioned.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007503575A (en) * 2003-08-22 2007-02-22 セントレ ナシオナル デ ラ ルシェルシェ シエンティフィーク セエヌエールエス Non-invasive electric field detection and measurement device and method

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