JPH05196872A - 走査型レーザー顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 異方ブラッグ回折音響光学光偏向素子を用い
る反射型走査型レーザー顕微鏡において、走査型レーザ
ー顕微鏡の共焦点性を厳密に実現する。 【構成】 光源１からの光が進む順に、異方ブラッグ回
折音響光学光偏向素子４とガルバノミラー７とを配置し
て、物体Ｓ上で集束光束を２次元的に走査し、物体Ｓか
ら散乱された光を検出する走査型レーザー顕微鏡におい
て、物体Ｓからの散乱光をガルバノミラー７と異方ブラ
ッグ回折音響光学光偏向素子４とを介して検出し、か
つ、異方ブラッグ回折音響光学光偏向素子４を偏向通過
した物体Ｓからの散乱光の光路中に第３の光偏向素子１
３を配置して、異方ブラッグ回折音響光学光偏向素子４
により偏向された物体Ｓからの散乱光を第３の光偏向素
子１３により逆の方向に偏向して静止させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、走査型レーザー顕微鏡
に関し、特に、音響光学光偏向素子を用いた走査型レー
ザー顕微鏡に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】走査型レーザー顕微鏡は、レーザー光源
からの光束を対物レンズにより物体上の点に集束し、そ
の散乱光を光電変換装置で受けて物体の１点の状態を表
わす信号を得るようにした光電顕微鏡の一種であって、
物体と集束レーザー光束の相対位置を変えることによ
り、物体の面の状態に関する情報を得ることができるよ
うにしたものであり、広汎な応用が期待されているもの
である。

【０００３】以下、走査型レーザー顕微鏡の特長につい
て、簡単に説明する。従来型の顕微鏡の光路図を模式的
に図２に示す。この顕微鏡においては、照射光は、タン
グステンランプ等の光源からコンデンサーレンズを経
て、試料に視野全域にわたって照射される。照射された
試料の像は、対物レンズによって像面に結像する。ここ
で、試料が光を透過しない物質で、光軸上に大きさ０の
孔が空いている物と仮定すると、この孔から出てきた光
は、対物レンズによって像面に結像され、回折現象がな
ければ、大きさ０の光点ができるはずである。ところ
が、実際には、光の波動性のため、ある大きさを持った
光点になってしまう。これをグラフにすると、図３のよ
うな円形開口によるフラウンホーファー回折光の強度分
布になる。図３から分るように、幾何光学的像に対する
回折像の中心（ｘ＝０）が最も明るくなり、ｘ＝３．８
３２（単位は開口の半径、波長等により規格化されてい
る。）のところで光が全く来なくなるのである。それか
ら先は明と暗が交互に発生するが、その強度は微々たる
もので、ほとんど問題にはならないとし、半径ｘ＝３．
８３２の円盤を考え、これを無収差光学系が作る回折像
の大きさと定義する。これはエアリーの円盤と呼ばれる
が、これが解像度の限界を決める。

【０００４】一方、エアリーの円盤の外側には、全体の
光の強度の１６．２％に相当する光が存在し、これはハ
ロと呼ばれる。このハロは通常は問題とならないが、明
るい輝点のそばの暗い像を観測するときは無視できなく
なる。

【０００５】そこで考え出されたのが、図４に示すよう
に、回折像側にピンホールを設置してこのハロを取る方
法である。このようにすることにより、コントラストの
低下に悩むことなく、解像力を向上させることができ
る。

【０００６】しかしながら、このことは２次元像を放棄
したことになるため、２次元像を得るためには「走査」
が必要となる。それが走査型顕微鏡である。走査型顕微
鏡には３タイプあり、それぞれをその研究の先駆者であ
るオックスフォード大学のシェパード博士にならって、
タイプ１ａ、タイプ１ｂ、タイプ２と名付けると、それ
らは、図５、図６、図７のように模式的に光路図が表さ
れる。この中、タイプ１ａ、タイプ１ｂの顕微鏡は、光
源又は検出器を走査すると言うものである。これらは、
結像レンズが１個であるので、試料面上での回折関数は
図３と同じである。

【０００７】ところが、タイプ２と呼ばれている３番目
の走査顕微鏡は、光源と検出器の両方共走査するが、結
像レンズが２個あることになり、図３で示した回折関数
を２回乗じた関数（コンボリューション）に基づいて光
が検出され、かつ、ピンホールでハロをとった形となっ
ている。このことから、この形の顕微鏡は共焦点走査型
顕微鏡と呼ばれており、上に述べたコンボリューション
関数は、図８に実線で示した形となる。これから分るよ
うに、共焦点走査型顕微鏡は、通常の顕微鏡よりエアリ
ーの円盤の半径が小さく、解像度が向上することが分
る。

【０００８】共焦点走査型顕微鏡において最も重要なこ
とは、ハロを取るために設置されたピンホールである。
このピンホールは、解像度の向上に役立っているが、そ
れ以外にも、大きな役目を果たしている。図９はその作
用を説明するための図であり、図示されたように、焦点
から外れた面からの光はピンホールを通過することがで
きないため、対物レンズで発生する不要散乱光（フレ
ア）の除去と、焦点深度を浅くする作用がある。特に、
浅い焦点深度は、コントラストの向上と３次元像の観察
を可能にする。これらのことから、通常の光学顕微鏡で
は見ることのできない像も見ることができるようにな
る。

【０００９】従来、この種の装置においては、光源とし
てレーザーを使用し、物体とレーザー光束の相対位置を
変えるのに、（１）物体を移動させる、又は、（２）レ
ーザー光源と対物レンズとの間にガルバノミラー、回転
多面体又はクォーツプレートを配置して、物体上におけ
る光束の集束位置を変化させる、又は、（３）上記
（２）で示した光偏向素子と異方ブラッグ回折を利用し
た音響光学光偏向素子を組み合わせて、物体上における
光束の集束位置を変化させる、と言う方法がとられてい
た。

【００１０】しかしながら、（１）の方法では、走査範
囲の大きさは任意に選ぶことができるが、物体を高速で
移動させることは到底不可能なので、所定の走査領域の
信号を得るのに極めて長い時間を要すると言う問題があ
った。また、（２）の方法では、走査速度はかなり速く
なるが、充分とは言い難く、例えば、ＴＶモニター画面
上にリアルタイムで物体像を表示することはできないと
言う問題があった。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】さらに、（３）の方法
では、水平方向走査（主走査）に上記の音響光学光偏向
素子用い、垂直方向走査（副走査）にガルバノミラー等
を用いることにより、走査速度は表示のリアルタイム性
を保つには充分となったが、上記音響光学光偏向素子に
光路可逆性がないために、物体からの散乱光が上記音響
光学光偏向素子による偏向方向に移動してしまい、１点
に集めることができず、走査型レーザー顕微鏡の特長で
ある共焦点性が厳密には守れないという欠点があった。
このため、分解能の低下、ハロの発生等が生じていた。

【００１２】本発明はこのような状況に鑑みてなされた
ものであり、その目的は、異方ブラッグ回折音響光学光
偏向素子とガルバノミラー等の光偏向素子とを組み合わ
せて集束レーザー光束を物体上で２次元的に走査する反
射型走査型レーザー顕微鏡において、物体の各走査点か
らの散乱光を所定の静止した１点に集めて検出できるよ
うにして、走査型レーザー顕微鏡の共焦点性を厳密に実
現して、分解能の向上、ハロ、フレアの除去、浅い焦点
深度の実現等を図ることである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の走査型レーザー顕微鏡は、光源からの光が進む順
に、少なくとも、異方ブラッグ回折音響光学光偏向素子
と第２の光偏向素子とを配置して、物体上で集束光束を
２次元的に走査し、物体から散乱された光を検出する走
査型レーザー顕微鏡において、物体からの散乱光を第２
の光偏向素子と異方ブラッグ回折音響光学光偏向素子と
を介して検出するようにし、かつ、異方ブラッグ回折音
響光学光偏向素子を偏向通過した物体からの散乱光の光
路中に第３の光偏向素子を配置して、異方ブラッグ回折
音響光学光偏向素子により偏向された物体からの散乱光
を第３の光偏向素子により逆の方向に偏向して静止させ
るようにしたことを特徴とするものである。

【００１４】

【作用】本発明においては、物体からの散乱光を第２の
光偏向素子と異方ブラッグ回折音響光学光偏向素子とを
介して検出するようにし、かつ、異方ブラッグ回折音響
光学光偏向素子を偏向通過した物体からの散乱光の光路
中に第３の光偏向素子を配置して、異方ブラッグ回折音
響光学光偏向素子により偏向された物体からの散乱光を
第３の光偏向素子により逆の方向に偏向して静止させる
ようにしたので、異方ブラッグ回折音響光学光偏向素子
に光路可逆性がなくとも、検出器には常に物体上の集光
点のみからの散乱光が入射し、走査型レーザー顕微鏡の
共焦点性が厳密に満足される。そのため、ハロ、フレア
がなく、高分解能で、焦点深度の浅い共焦点型の走査型
レーザー顕微鏡を実現することができる。

【００１５】

【実施例】以下、図示した１実施例に基づき本発明の走
査型レーザー顕微鏡を詳細に説明する。図１は本発明の
１実施例の光学系を示す図であり、１はレーザー光源、
２はレーザー光源１を発した光を平行光束にしビーム径
を拡げるビームエキスパンダーである。ビームエキスパ
ンダー２の後方には、ハーフミラー等のビームスプリッ
ター３と、第１の光偏向素子である異方ブラッグ回折音
響光学光偏向素子（以下、ＡＯＤと言う。）４がその順
に配置されており、ＡＯＤ４は図の紙面内に高速で出射
光を偏向する（主走査）。ＡＯＤ４の後方には、その偏
向面を前側焦点に一致させて第１正レンズ５が配置され
ており、また、その後側焦点と共焦点に第２正レンズ６
が配置されており、第１正レンズ５と第２正レンズ６は
テレセントリックリレーレンズ系を構成しており、第２
正レンズ６の後側焦点に一致するように、第２の光偏向
素子であるガルバノミラー７が配置されており、その入
射光束を紙面に垂直に偏向する（副走査）。ガルバノミ
ラー９を出た紙面内及び紙面に垂直な２方向に偏向され
る光束は、第２のテレセントリックリレーレンズ系を構
成している共焦点な第３正レンズ８、第４正レンズ９を
経て、対物レンズ１０に導かれるが、第３正レンズ８の
前側焦点はガルバノミラー７の回転軸に一致し、第４正
レンズ９の後側焦点は対物レンズ１０の入射瞳に一致す
るように配置されている。ビームスプリッター３で反射
された物体Ｓからの散乱光は、ＡＯＤ４の偏向面を前側
焦点に一致させて配置された第５正レンズ１１と、その
後側焦点と共焦点に配置された第６正レンズ１２からな
る第３のテレセントリックリレーレンズ系を経て、偏向
補償用のＡＯＤ４と同様なＡＯＤ１３に達するようにな
っており、ＡＯＤ１３は第６正レンズ１２の後側焦点に
配置されている。そして、偏向補償用ＡＯＤ１３の後方
には結像レンズ１４が配置されており、その結像位置に
ピンホール１５が配置され、ピンホール１５を通過した
光は、その後方に設けられた検出器１６によって検出さ
れるようになっている。

【００１６】本発明の走査型レーザー顕微鏡は以上のよ
うな構成になっているので、レーザー光源１から出た光
束は、ビームエキスパンダー２により拡大したビーム径
の平行光束に変換され、ビームスプリッター３を通過し
て、ＡＯＤ４により紙面内の主走査方向に印加超音波波
長に応じた角度偏向される。この偏向平行光束は、第１
正レンズ５により一旦集束され、第２正レンズ６により
再度平行光束に変換され、ＡＯＤ４と共役な位置に配置
されたガルバノミラー７に入射し、これにより主走査方
向と直交する紙面に垂直な副走査方向に偏向される。こ
のようにして、紙面内の主走査方向及び紙面に垂直な副
走査方向に２次元的に偏向された光束は、第２のテレセ
ントリックリレーレンズ系を構成している第３正レンズ
８と第４正レンズ９により、対物レンズ１０の入射瞳に
入射するが、この入射瞳はＡＯＤ４及びガルバノミラー
７と共役になっているので、入射瞳に入射する光束は、
偏向角に依存しない一定位置に入射する。この光束は、
対物レンズ１０により物体Ｓ上で２次元走査する集光点
としてその面上に集束される。物体Ｓの集光点の情報を
含んだ散乱光束は、上記と逆の光路をたどってＡＯＤ４
に達する。

【００１７】ＡＯＤ４としては、例えば、二酸化テルル
の単結晶から＜１１０＞軸から傾けた方向に横波超音波
を伝搬させて音響光学効果によりレーザー光束を偏向さ
せるオフ＜１１０＞型異方ブラッグ回折音響光学光偏向
素子が用いられており、この素子４は、偏向角が大きい
ので、実用上充分な走査範囲と走査速度を有する走査型
レーザー顕微鏡を実現することができるが、異方性のた
め、光路を逆にたどることができる光路可逆性がないた
め、物体Ｓからの散乱光はＡＯＤ４を逆に通過すると、
主走査方向に偏向してしまい、１点に固定して集めるこ
とはできない。しかし、この移動はＡＯＤ４の偏向角と
関連しているので、ＡＯＤ４を逆に通過した物体Ｓから
の散乱光を、ビームスプリッター３により光源１とは別
の方向に反射させて、第５正レンズ１１と第６正レンズ
１２からなる第３のテレセントリックリレーレンズ系を
経て偏向補償用ＡＯＤ１３の一定位置に入射させ、この
ＡＯＤ１３によりこの偏向を補償するようにする。こう
すると、ＡＯＤ１３から出射する光束は、ＡＯＤ４の偏
向角に係わらず常に静止するので、結像レンズ１４によ
りピンホール１５に集光してハロを取り除き、通過した
光のみを検出器１６により検出するようにすることによ
り、図７で説明した共焦点性を満足させることができ
る。そのためには、偏向補償用ＡＯＤ１３に印加する駆
動信号をＡＯＤ４に印加する駆動信号と予め関連付けて
おき、ＡＯＤ４の偏向角に応じた角度に偏向補償用ＡＯ
Ｄ１３で偏向させるようにすればよい。このようにし
て、ハロ、フレアがなく、高分解能で、焦点深度の浅い
共焦点型の走査型レーザー顕微鏡を実現することができ
る。なお、偏向補償用ＡＯＤ１３としては、必ずしも異
方ブラッグ回折を利用したものを用いる必要はなく、等
方ブラッグ回折を利用する音響光学光偏向素子、電気光
学光偏向素子等を用いてもよい。

【００１８】次に、各光偏向素子の駆動及び検出信号の
処理について簡単に説明する。ＡＯＤ４及びガルバノミ
ラー７による偏向角を同期して連続的、アナログ的に変
え、集光点をラスター走査して物体Ｓの表面像を得るこ
とも有効であるが、照射する位置を特定することが困難
であり、また、照射位置とそこから得られる情報の対応
がとり難い等の問題もある。そこで、これらの光偏向素
子４、７の偏向角を相互に同期して所定間隔でデジタル
的に変え、検出面を直交する２方向に所定間隔で碁盤の
目状に区切り、各画素からその位置の情報をデジタル情
報として検出すうようにする。図１にこのための構成も
示してある。すなわち、ＡＯＤ４のドライバ２１、ガル
バノミラー７の駆動コイル２２のドライバ２３はＣＰＵ
２０により制御されるようになっており、図に偏向角を
示すように、ＡＯＤ４は画面の主走査方向を一定間隔で
飛び飛びに偏向するように制御される。また、ガルバノ
ミラー７は、ＡＯＤ４が画面の主走査方向１辺を走査す
る毎に副走査方向に一定間隔分だけ偏向角を増加するよ
うに制御される。そして、偏向補償用ＡＯＤ１３用のド
ライバ２４に加える信号とＡＯＤ４のドライバ２１に加
える信号の対応テーブルが予めＲＯＭ２６に記憶されて
おり、このテーブルを参照にして、ＡＯＤ４の駆動と同
期してドライバ２４を介して偏向補償用ＡＯＤ１６が動
作され、検出器１６により物体Ｓの照射点からの散乱光
の強度が検出される。検出器１６からの検出信号は、Ａ
／Ｄ変換器２５により所定数の諧調、例えば２５６諧調
（８ビット諧調）のデジタル濃度情報に変換され、ＣＰ
Ｕ２０を経てフレームメモリ２７に各画素の番地と対応
して記憶される。そして、このフレームメモリ２７に記
憶された物体Ｓの形態情報又はＣＰＵ２０により所定の
画像処理された情報がＴＶモニタ２６に表示されるよう
になっている。

【００１９】このように、走査型レーザー顕微鏡の２次
元走査を所定間隔でデジタル化し、また、検出情報を所
定の諧調数にデジタル化することにより、視野が自由に
選択でき、レーザー光の照射位置とそこからの情報の対
応を簡単に行うことができ、物体の測長、測積等が容易
になると共に、得られた形態情報に簡単に画像処理を行
うことができるようになる。

【００２０】以上、本発明の走査型レーザー顕微鏡を実
施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれら実施例
に限定されず種々の変形が可能である。

【００２１】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の走査型レーザー顕微鏡によると、物体からの散乱光を
第２の光偏向素子と異方ブラッグ回折音響光学光偏向素
子とを介して検出するようにし、かつ、異方ブラッグ回
折音響光学光偏向素子を偏向通過した物体からの散乱光
の光路中に第３の光偏向素子を配置して、異方ブラッグ
回折音響光学光偏向素子により偏向された物体からの散
乱光を第３の光偏向素子により逆の方向に偏向して静止
させるようにしたので、異方ブラッグ回折音響光学光偏
向素子に光路可逆性がなくとも、検出器には常に物体上
の集光点のみからの散乱光が入射し、走査型レーザー顕
微鏡の共焦点性が厳密に満足される。そのため、ハロ、
フレアがなく、高分解能で、焦点深度の浅い共焦点型の
走査型レーザー顕微鏡を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の走査型レーザー顕微鏡の１実施例の光
学系を示す図である。

【図２】従来型の顕微鏡の光路図を模式的に示す図であ
る。

【図３】円形開口によるフラウンホーファー回折光の強
度分布を示す図である。

【図４】ピンホールによりハロを取る方法を説明するた
めの図である。

【図５】走査型顕微鏡の第１のタイプの光路図を模式的
に示す図である。

【図６】走査型顕微鏡の第２のタイプの光路図を模式的
に示す図である。

【図７】共焦点型の走査型顕微鏡の光路図を模式的に示
す図である。

【図８】共焦点型の場合の円形開口による回折光の強度
分布を示す図である。

【図９】共焦点走査型顕微鏡におけるピンホールの作用
を説明するための図である。

【符号の説明】

Ｓ…物体（試料） １…レーザー光源 ２…ビームエキスパンダー ３…ビームスプリッター ４…異方ブラッグ回折音響光学光偏向素子（ＡＯＤ） ５…第１正レンズ ６…第２正レンズ ７…ガルバノミラー ８…第３正レンズ ９…第４正レンズ １０…対物レンズ １１…第５正レンズ １２…第６正レンズ １３…偏向補償用ＡＯＤ １４…結像レンズ １５…ピンホール １６…検出器 ２０…ＣＰＵ ２１…ＡＯＤドライバ ２２…駆動コイル ２３…ガルバノミラードライバ ２４…偏向補償用ＡＯＤドライバ ２５…Ａ／Ｄ変換器 ２６…ＲＯＭ ２７…フレームメモリ ２８…ＴＶモニタ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源からの光が進む順に、少なくとも、
   異方ブラッグ回折音響光学光偏向素子と第２の光偏向素
   子とを配置して、物体上で集束光束を２次元的に走査
   し、物体から散乱された光を検出する走査型レーザー顕
   微鏡において、物体からの散乱光を第２の光偏向素子と
   異方ブラッグ回折音響光学光偏向素子とを介して検出す
   るようにし、かつ、異方ブラッグ回折音響光学光偏向素
   子を偏向通過した物体からの散乱光の光路中に第３の光
   偏向素子を配置して、異方ブラッグ回折音響光学光偏向
   素子により偏向された物体からの散乱光を第３の光偏向
   素子により逆の方向に偏向して静止させるようにしたこ
   とを特徴とする走査型レーザー顕微鏡。