JPH05173085A - 光ビーム走査装置及びレーザ走査顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光ビームの実質的な走査速度或いは走査周波
数を上げ、一定面積の走査に要する時間を短縮すると共
に、走査結像面から戻る検出すべき反射光又は蛍光を確
実に受光することを可能とする光ビーム走査装置、及び
レーザ走査顕微鏡を提供することにある。 【構成】 光ビーム走査装置１０は、複数の光ビームを
各々異なる出射角度で出射する光ビーム出射部１１と、
出射された複数の光ビームを受けｘ方向に同時に走査す
るスキャナ１２と、有効視野内に常に１本の光ビームを
出射するように、入射する光ビームの進行を制限するス
リット１３ａを備えた絞り１３と、絞り１３を通過した
１本の光ビームをｙ方向に走査するスキャナ１４とを備
え、光ビーム出射部１１を、ビームスプリッター１１
ａ，１１ｂと，反射ミラー１１ｃとで構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光ビームを互いに直交
するｘ，ｙ方向に走査する光ビーム走査装置、及びこの
光ビーム走査装置を備えたレーザ走査顕微鏡に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来から用いられている走査装置を用
い、光ビームの実質的な走査速度を上げることのできる
光走査装置が提案されている（特開平２−９９９０
９）。この光走査装置は、光ビームを光分岐器等によっ
て複数本に分割し、この分割した複数の光ビームによっ
て複数のラインを同時に走査するものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この光走査装
置では、走査結像面上を同時に複数本の光ビームで走査
するので、走査結像面からの反射光を受光するディテク
タにおいても、複数の走査ラインを同時に、かつ、独立
して検出することが必要となるが、実際には、このよう
なディテクタは、未だ開発されていないのが現状であ
る。

【０００４】そこで、走査結像面での反射光を受光する
ディテクタを、反射される光ビームの数に応じて個々に
独立して設けることが必要となるが、走査に連れて受光
点の結像位置が移動したり、また、複数の反射光が極く
狭い範囲内で重なり合うことになり、受光機構が非常に
複雑になるなどの問題点があった。

【０００５】本発明は、このような課題を解決すべくな
されたものであり、光ビームの実質的な走査速度を上
げ、一定面積の走査に要する時間を短縮すると共に、走
査結像面からの反射光を確実に受光することができる光
ビーム走査装置、及びこの光ビーム走査装置を備えたレ
ーザ走査顕微鏡を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に係る光ビーム走
査装置は、上記目的に鑑みてなされたものであり、その
要旨は、一定の出射対象に向けて複数の光ビームを各々
異なる出射角度で出射する光ビーム出射手段と、光ビー
ム出射手段から出射された複数の光ビームを受け、この
複数の光ビームをｘ方向に同時に走査する第１の走査手
段と、第１の走査手段によって走査された各光ビームが
入射し、この入射する光ビームのうち、有効視野内に常
に１本の光ビームを出射するように、入射する光ビーム
の進行を制限する光ビーム制限手段と、光ビーム制限手
段から出射された１本の光ビームをｘ方向と直交するｙ
方向に走査する第２の走査手段とを備えることを特徴と
する。

【０００７】また、本発明に係るレーザ走査顕微鏡は、
試料観察のための光ビームを出射するレーザ光源と、レ
ーザ光源から出射された光ビームを観察試料が載置され
た試料面上に照射し、この光ビームをｘ方向及びｙ方向
に走査する光ビーム走査装置と、この光ビームの入射光
路を逆進する、前記試料面から戻る検出すべき反射光又
は蛍光を、この入射光路から分岐する分岐手段と、分岐
手段によって分岐された反射光又は蛍光を受光する受光
手段とを備えるレーザ走査顕微鏡において、光ビーム走
査装置は、レーザ光源から出射された光ビームを反射光
及び透過光に分割する単数又は複数のビームスプリッタ
ーと、このビームスプリッターの透過光を反射する反射
ミラーとを順に配列し、このビームスプリッター及び反
射ミラーから、一定の出射対象に向けて複数の光ビーム
をそれぞれ異なる出射角度で出射する光ビーム出射手段
と、光ビーム出射手段から出射された複数の光ビームを
受け、この複数の光ビームをｘ方向に同時に走査する第
１の走査手段と、第１の走査手段によって走査された各
光ビームが入射し、入射する各光ビームの間隔以下の長
さを有するスリットを備えた絞り部材と、絞り部材を通
過した１本の光ビームをｘ方向と直交するｙ方向に走査
する第２の走査手段とを備えることを特徴とする。

【０００８】

【作用】本発明に係る光ビーム走査装置は、光ビーム出
射手段から第１の走査手段に向けて、複数の光ビームを
各々異なる出射角度で出射するので、第１の走査手段に
入射する光ビームは、各々異なる入射角度となる。従っ
て、この第１の走査手段でｘ方向に振られる各光ビーム
の出射方向もそれぞれ異なっており、各光ビームは、光
ビーム出射手段からの入射角度によって定まる一定の間
隔をもって放射状に出射される。

【０００９】また、第１の走査手段で振られた各光ビー
ムは、光ビーム制限手段に入射して、その進行が制限さ
れるが、この光ビーム制限手段では、入射する各光ビー
ムの間隔を利用し、走査される光ビームのうち、一定の
範囲内を走査される光ビームのみを順次通過させ、その
範囲外に位置する他の光ビームの通過を制限する。これ
によって、有効視野内に常に一本の光ビームを出射する
ことができ、第１の走査手段による一回の走査で、複数
の光ビームを順次走査することができる。

【００１０】本発明に係るレーザ走査顕微鏡は、光ビー
ム出射手段として、単数又は複数のビームスプリッター
と反射ミラーとを順に配列し、ビームスプリッターに入
射する光ビームを反射光と透過光とに分割し、このビー
ムスプリッターを透過した透過光を反射ミラーで反射さ
せる。

【００１１】このようにして、レーザ光源から出射され
た単一の光ビームを複数に分割し、第１の走査手段に向
けてそれぞれ異なる出射角度で出射する。これにより、
第１の走査手段に入射する光ビームは、それぞれ異なっ
た入射角度となり、この第１の走査手段でｘ方向に振ら
れる各光ビームの出射方向もそれぞれ異なる。即ち、各
光ビームは、第１の走査手段への入射角度によって定ま
る一定の間隔をもって放射状に出射される。

【００１２】また、第１の走査手段で振られた各光ビー
ムは絞り部材に入射し、その進行を制限されるが、この
絞り部材には、入射する各光ビームの間隔以下の長さを
有するスリットが形成されており、走査される各光ビー
ムが、このスリットの範囲内を１本づつ順に通過してい
き、範囲外に位置する他の光ビームの進行は絞り部材に
よって制限される。これによって、有効視野内に常に１
本の光ビームを出射することができ、第１の走査手段に
よる一回の走査で、複数の光ビームを順次走査すること
ができる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて
説明する。

【００１４】光ビーム走査装置の構造を図１に概略的に
示す。光ビーム走査装置１０は、入射する１本のレーザ
光を分割し、スキャナ１２へ向けて出射する光ビーム出
射部１１と、光ビーム出射部１１から出射された各レー
ザ光を受け、この各レーザ光をｘ方向に同時に走査する
ガルバノメータスキャナ（以下スキャナという）１２
と、スキャナ１２で走査された各光ビームを選択的に通
過させる絞り１３と、絞り１３を通過したレーザ光をｙ
方向に走査するガルバノメータスキャナ（以下スキャナ
という）１４とを備える。また、絞り１３と各スキャナ
１２、１４との間には、リレーレンズ１５を配設してい
る。

【００１５】光ビーム出射部１１は、入射光を反射光と
透過光とに分割する２枚のビームスプリッタ１１ａ、１
１ｂと、ビームスプリッタ１１ｂを透過したレーザ光を
反射する反射ミラー１１ｃとで構成し、入射する１本の
光ビームを３本に分割し、それぞれ異なった出射角度で
スキャナ１２に向けて出射する。スキャナ１２に入射す
る各光ビームは、各々異なる入射角度であり、このスキ
ャナ１２でｘ方向に振られる各光ビームの出射方向もそ
れぞれ異なる。即ち、各光ビームは、スキャナ１２への
入射角度によって定まる一定の間隔をもって放射状に出
射される。

【００１６】絞り１３は、中央部にスリット１３ａを形
成しており、このスリット１３ａの長さは、前述した各
光ビームの間隔に一致し、このスリット１３ａによって
有効視野内に常に一本の光ビームを通過させる。

【００１７】この機構を具体的に図２に示す。分割され
た３本の光ビームＡ，Ｂ，Ｃは、スキャナ１２によって
同時に走査されるので、それぞれ同時にｘ方向に移動す
る。まず、この走査によって、光ビームＡがスリット１
３ａ内に入り（図２（ａ））、光ビームＡがスリット１
３ａを通過した直後に、光ビームＢがスリット１３ａ内
に入る（図２（ｂ））。さらに走査が進むと光ビームＢ
はスリット１３ａを通過し、この直後に、光ビームＣが
スリット１３ａ内に入る（図２（ｃ））。この際、スキ
ャナ１４では、スリット１３ａを通過した光ビームを、
常に一定の速度でｙ方向に走査しているため、スキャナ
１４によるｘ方向の一回の走査によって、３ラインが順
次走査されることになる。これによって、光ビームの実
質的な走査速度或いは走査周波数が上がり、一定面積の
走査に要する時間を短縮することができる。

【００１８】また、この走査は、光ビームＣがスリット
１３ａの端部に達した時点で折り返し、光ビームＣ，
Ｂ，Ａの順で逆方向に走査を行う。再び、最後の光ビー
ムＡがスリット１３ａの端部に達した時点で走査を折り
返すようにする。このように走査がなされるように、ス
キャナ１２の振れ角度、スリット１３ａの長さ、各光ビ
ームの角度差を適宜設定する。

【００１９】また、このように走査される光ビームの軌
跡を、ｘ，ｙ，ｔ（ｔ：時間）の３次元グラフとして図
３に示す。走査される光ビームの軌跡は、ｘ−ｔ平面に
対してθの傾きを持つ平面α上に尖頭波状に形成され
る。この傾きθは、スキャナ１４のｙ方向の走査速度に
よって定まるものである。ｘ−ｙ平面では、スリット１
３ａの長さで定まる有効視野内のみを光ビームが通過
し、その他の領域では、光ビームの通過が制限されるこ
とがわかる。また、ｘ−ｔ平面上には、走査される３本
の光ビームのｘ方向の位置と時間との関係を示してい
る。

【００２０】なお、スキャナ１４は、光ビームを常に一
定の速度でｙ方向に走査するものとして説明したが、各
光ビームがスリット１３ａ内に入射するタイミングに合
わせて間欠的に走査することも可能である。

【００２１】このような走査機構を有する光ビーム走査
装置をレーザ走査顕微鏡に用いた例を図４に示す。

【００２２】レーザ走査顕微鏡２０は、レーザ光源２１
と、レーザ光源２１から出射された光ビームを観察試料
が載置された試料面２２上に照射し、この光ビームを
ｘ、ｙ方向に走査する前述の光ビーム走査装置と、光ビ
ームの入射光路を逆進する試料面２２から戻る蛍光を、
この入射光路から分岐するダイクロイックミラー２３
と、ダイクロイックミラー２３を透過した試料面２２か
らの蛍光を結像レンズ２４を介して受光するディテクタ
２５とを備える。なお、光ビーム走査装置は図１と同一
要素には同一の参照番号を付し、説明は省略する。

【００２３】光ビーム走査装置の光ビーム出射部１１
は、レーザ光源２１から出射された１本の光ビームを反
射光と透過光とに分割するビームスプリッタ１１ａと、
ビームスプリッタ１１ａを透過した光ビームを反射する
反射ミラー１１ｃとで構成し、入射する１本の光ビーム
を２本に分割し、それぞれ異なった出射角度でスキャナ
１２に向けて出射する。

【００２４】また、反射ミラー２６は、試料面２２から
戻る蛍光のうち、ビームスプリッタ１１ａを透過する
光、及び反射ミラー１１ｃで反射した後ビームスプリッ
タ１１ａの裏面でさらに反射する光の双方を反射し、入
射光路と平行にして結像レンズ２４に入射させるもので
ある。

【００２５】次ぎに、レーザ走査顕微鏡２０の測定機構
を説明する。まず、レーザ光源２１から発せられた光ビ
ームは、ダイクロイックミラー２３で反射されて方向を
変え、光ビーム出射部１１に達する。ここで、ビームス
プリッタ１１ａと反射ミラー１１ｃによって２本の光ビ
ームに分割され、各々異なる角度で出射されスキャナ１
２に入射する。スキャナ１２によってｘ方向に同時に振
られる２本の光ビームは、前述と同様に絞り１３によっ
て、有効視野内に常に一本の光ビームが出射されるよう
に制限される。スリット１３ａを通過した１本の光ビー
ムは、スキャナ１４によってｙ方向に振られ、試料面２
２に達する。

【００２６】この試料面２２から戻る蛍光は、同一の入
射光路を逆進し、それぞれビームスプリッタ１１ａ或い
は反射ミラー１１ｃに至る。ビームスプリッタ１１ａに
達する蛍光のうち、半分はここで反射されてダイクロイ
ックミラー２３に達し、残りはビームスプリッタ１１ａ
を透過し、反射ミラー２６で反射されてダイクロイック
ミラー２３及び結像レンズ２４を介してディテクタ２５
に至る。

【００２７】一方、反射ミラー１１ｃで反射された蛍光
は、ビームスプリッタ１１ａに達し、半分はここを透過
してダイクロイックミラー２３に達し、残りはビームス
プリッタ１１ａの裏面で反射され、さらに反射ミラー２
６で反射されてダイクロイックミラー２３に達し、結像
レンズ２４を介してディテクタ２５に至る。このように
して試料面２２から戻る蛍光のうち、入射光路を外れた
光もディテクタ２５に入射させることができる。

【００２８】なお、このようにレーザ走査顕微鏡２０が
蛍光顕微鏡である場合は、レーザ光源２１から出射され
た光ビームのみを反射し、試料面２２から戻る蛍光を透
過させるためにダイクロイックミラー２３が必要である
が、試料からの反射光をとらえる走査顕微鏡では、ダイ
クロイックミラー２３の代わりに、レーザ光源２１から
出射される光ビームの方向を変え、かつ、試料面から戻
る反射光を、この入射光路から分岐する部材としてビー
ムスプリッタを用いれば良い。なお、この場合は、図４
でダイクロイックミラー２３に斜線を施した部分は不要
となる 前述の各実施例で示した光ビーム走査装置及びレーザ走
査顕微鏡において、入射する光ビームを分割し、それぞ
れ異なった出射角度でスキャナ１２に向けて出射する光
ビーム出射部１１を、ビームスプリッタ及び反射ミラー
で構成する例を示したが、独立した複数のレーザ光源に
よって構成し、各レーザ光源から個々に異なった出射角
度でスキャナ１２に向けて出射しても良い。また、ビー
ムスプリッタの配列枚数は、分割すべきレーザ光の数に
応じて増減することができる。

【００２９】また、光ビーム走査装置の応用例としてレ
ーザ走査顕微鏡を例示したが、この他にも、ファクシミ
リ、レーザプリンタ等にも勿論応用することが可能であ
る。

【００３０】さらに、従来のメカニカル方式のスキャナ
で光ビームを走査するのは高速化が難しく、テレビレー
トで画像を取得するためのスキャナとしては不向きであ
ったが、テレビレートでの走査も可能となる。また、ス
キャナにミラーを使用できるため、透過型のスキャナで
は問題となる、分散或いはビーム形状の変形などがない
ため、光学系を簡易に構成することも可能である。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る光ビ
ーム走査装置は、光ビーム出射手段からそれぞれ異なる
角度で出射した複数の光ビームを第１の走査手段によっ
てｘ方向に同時に走査し、光ビーム制限手段によって有
効視野内に常に１本の光ビームを出射するように光ビー
ムの進行を制限するので、第１の走査手段による１回の
走査で、複数の光ビームを順次走査することができ、一
定面積の実質的な走査速度或いは走査周波数を上げるこ
とが可能となり、１画面の走査に要する時間を短縮でき
る。

【００３２】また、本発明に係るレーザ走査顕微鏡は、
光ビーム出射手段を、ビームスプリッターと反射ミラー
とで構成したので、レーザ光源から出射された単一の光
ビームを複数に分割し、第１の走査手段に向けてそれぞ
れ異なる出射角度で出射することができる。また、第１
の走査手段によって走査される複数の光ビームの進行を
制限する手段として、スリットを備えた絞り部材を用い
たので、スリットの長さを各光ビームの間隔以下に設定
することにより、有効視野内に常に１本の光ビームを通
過させることが可能となる。

【００３３】これによって、第１の走査手段による１回
の走査で、複数の光ビームを順次走査することができる
ため、一定面積の実質的な走査速度或いは走査周波数を
上げることが可能となり、１画面の走査に要する時間を
短縮できる。また、走査される光ビームは有効視野内に
常に１本となるので、試料面からの反射光又は蛍光も１
本となるため、１つの受光器で確実に受光することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光ビーム走査装置の構成を概略的
に示す斜視図である。

【図２】図２（ａ），（ｂ），（ｃ）は、絞りに形成し
たスリットと走査される各光ビームとの位置関係を示す
説明図である。

【図３】走査される光ビームの軌跡をｘ，ｙ，ｔの３次
元グラフとして示す説明図である。

【図４】レーザ走査顕微鏡の構成を概略的に示す斜視図
である。

【符号の説明】

１０…光ビーム走査装置、１１…光ビーム出射部、１１
ａ、１１ｂ…ビームスプリッタ、１１ｃ…反射ミラー、
１２…ガルバノメータスキャナ（第１の走査手段）、１
３…絞り（光ビーム制限手段）、１３ａ…スリット、１
４…ガルバノメータスキャナ（第２の走査手段）、２０
…レーザ走査顕微鏡、２１…レーザ光源、２２…試料
面、２３…ビームスプリッタ（分岐手段）、２５…ディ
テクタ（受光手段）。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一定の出射対象に向けて複数の光ビーム
   を各々異なる出射角度で出射する光ビーム出射手段と、 前記光ビーム出射手段から出射された複数の光ビームを
   受け、この複数の光ビームをｘ方向に同時に走査する第
   １の走査手段と、 前記第１の走査手段によって走査された各光ビームが入
   射し、この入射する光ビームのうち、有効視野内に常に
   １本の光ビームを出射するように、入射する光ビームの
   進行を制限する光ビーム制限手段と、 前記光ビーム制限手段から出射された１本の光ビームを
   前記ｘ方向と直交するｙ方向に走査する第２の走査手段
   とを備えることを特徴とする光ビーム走査装置。
2. 【請求項２】 前記光ビーム制限手段は、入射する各光
   ビームの間隔以下の長さを有するスリットを備えた絞り
   部材であることを特徴とする請求項１記載の光ビーム走
   査装置。
3. 【請求項３】 前記光ビーム出射手段は、この光ビーム
   入射手段に入射する１本の光ビームを反射光と透過光と
   に分割するビームスプリッターと、このビームスプリッ
   ターを透過した透過光を反射する反射ミラーとを備えて
   おり、 前記ビームスプリッターを、前記第１の走査手段に出射
   すべき光ビーム数に応じて、単数又は複数個に配列した
   ものであることを特徴とする請求項１又は２記載の光ビ
   ーム走査装置。
4. 【請求項４】 試料観察のための光ビームを出射するレ
   ーザ光源と、 前記レーザ光源から出射された光ビームを観察試料が載
   置された試料面上に照射し、この光ビームをｘ方向及び
   ｙ方向に走査する光ビーム走査装置と、 この光ビームの入射光路を逆進する前記試料面から戻る
   反射光又は蛍光を、この入射光路から分岐する分岐手段
   と、 前記分岐手段によって分岐された前記反射光又は蛍光を
   受光する受光手段とを備えるレーザ走査顕微鏡におい
   て、 前記光ビーム走査装置は、 前記レーザ光源から出射された光ビームを反射光及び透
   過光に分割する単数又は複数のビームスプリッターと、
   このビームスプリッターの透過光を反射する反射ミラー
   とを順に配列し、このビームスプリッター及び反射ミラ
   ーから、一定の出射対象に向けて複数の光ビームをそれ
   ぞれ異なる出射角度で出射する光ビーム出射手段と、 前記光ビーム出射手段から出射された複数の光ビームを
   受け、この複数の光ビームをｘ方向に同時に走査する第
   １の走査手段と、 前記第１の走査手段によって走査された各光ビームが入
   射し、入射する各光ビームの間隔以下の長さを有するス
   リットを備えた絞り部材と、 前記絞り部材を通過した１本の光ビームを前記ｘ方向と
   直交するｙ方向に走査する第２の走査手段とを備えるこ
   とを特徴とするレーザ走査顕微鏡。