JPH05297278A - レーザー光照射用光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 レーザー顕微鏡などに用いるレーザー光照射
用光学装置において、測定試料上に小さなビームスポッ
トを形成するためレーザービームを絞るための光学装置
としてレンズ系を用いずにレーザービームの波長が紫外
域の場合でも容易に対応する。 【構成】 光源から発したレーザービームを被測定試料
面上に小さく絞って照射する際に、中心に穴１３を有し
た一つの凹面鏡１と該凹面鏡１と対面して同一の光軸上
に配置された一つの凸面状反射手段２からなる一対の反
射手段を用いてレーザー光照射を行う。光源のレーザー
が２波長同時発振である場合には、前記凸面状反射手段
２を平凸レンズとし該凸面２１に皮膜処理を施して短波
長の発振線を反射させ、もう一方の長波長の発振線は平
凸レンズ内を透過してから集光スポットを結ぶようにす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザー光を試料面上
に照射して微小なスポット状に収束させ表面の形状など
を測定するレーザー顕微鏡や、その他試料面上の微小領
域に励起光を照射してそのときの試料表面での例えば蛍
光や光電子分光等の各種の応答を測定する分析装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、レーザー光を試料面上に照射して
微小なスポット状に収束させ表面の形状などを測定する
レーザー顕微鏡として、共焦点式レーザー走査型顕微鏡
が知られている。図７は共焦点式レーザー走査型顕微鏡
の構成図である。図において、レーザー光などの点光源
１０１からの照射光は、ダイクロイックミラーや半平面
鏡１０２等によって試料１００の方向に向けられる。該
レーザー光は対物レンズ１０３の共焦点上に絞られて試
料面１００の一点を照射し、該照射面から出る反射光や
蛍光を同じ対物レンズ１０３及び前記ダイクロイックミ
ラーや半平面鏡１０２等を通して異なる光軸上に結像
し、この点像の強度を光電子倍増管などのフォトディテ
クタ１０６によって測光するものである。上記の構成に
おいて、物体上の一点に絞って照射するための集光レン
ズの焦点と、結像のための物体レンズの焦点を共用して
いる。そして、該レーザー顕微鏡おける光学系の装置に
おいては、従来の光学顕微鏡と同様に対物レンズによっ
て試料面の焦点面上にレーザー光を集光し微小な照射ス
ポットを形成している。

【０００３】また、試料面の焦点面上の照射スポットを
面内で走査する場合には、光源のレーザーから対物レン
ズまでの間の光路にガルバノスキャナミラーまたは音響
光学偏向素子（Ａｃｏｕｓｔｏｏｐｉｃａｌ Ｄｅｆｌ
ｅｃｔｏｒ ）を配置している。図８は、従来の共焦点
式レーザー走査型顕微鏡の構成図である。図において、
走査はレーザーの光源１０１をスキャンさせるか、ある
いは試料１００をスキャンさせることによって行われ
る。また、対物レンズ１０３の焦点のセッティングを異
ならせながら走査を繰り返すことによって試料の３次元
的構造を得ることができる。

【０００４】また、他に音響光学偏向素子を用いた走査
方法が知られている。図９は音響光学偏向素子を用いた
レーザー走査型顕微鏡の構成図である。図において、光
源１０１からのレーザービームは、第１の音響光学偏向
素子１１０によってＹ方向に走査され、次に第２の音響
光学偏向素子１１１によってＸ方向に走査され、検出器
１０８によって検出される。前記構成の音響光学偏向素
子を用いたレーザー走査型顕微鏡においては、光軸の整
合性を保障するためリレーレンズＬ₁ 〜Ｌ₄ が用いられ
ている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
レーザー顕微鏡に用いられる光学装置においては、以下
のような問題点がある。 （１）レーザービームを測定試料に照射するまでの光路
に使用される光学装置としてレンズ系が存在すると、該
レンズ系の光学特性から紫外域波長の光源を採択するこ
とが困難となる。 （２）また、仮に紫外域を透過するレンズ系を強いて用
いると技術的に困難が増し装置自体の設計、製作コスト
も上昇する。 （３）また、測定試料ではなくレーザービームの方を走
査すると光軸の整合性を保障するなど光学的な不都合を
補正するため数枚のレンズいわゆるリレーレンズが必要
となり、光路中に多数のレンズが配置されることとな
る。

【０００６】本発明は以上の問題点を除去し、レーザー
顕微鏡に用いるレーザー光照射用光学装置において、測
定試料上に小さなビームスポットを形成するためレーザ
ービームを絞るための光学装置としてレンズ系を用いず
にレーザービームの波長が紫外域の場合でも容易に対応
することができることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の問題点
を克服するために、光源から発したレーザービームを被
測定試料面上に小さく絞って照射する際に、光学顕微鏡
用の対物レンズの代わりに、中心に穴の開いた一つの凹
面鏡と該凹面鏡と対面して同一の光軸上に配置された一
つの凸面鏡からなる一対の反射鏡を用いてレーザー光照
射を行う。

【０００８】また、光源のレーザーが短波長と長波長の
２波長同時発振である場合には、前記凸面鏡を平凸レン
ズに置換し、その凸面の方に皮膜処理を施して短波長の
発振線を反射させ、もう一方の長波長の発振線は平凸レ
ンズ内を透過してから集光スポットを結ぶようにする。

【０００９】

【作用】本発明によれば、レーザービームを測定試料に
小さく絞って照射する場合にレンズ系を使用していない
ため、レーザービームの波長が紫外の場合でも容易に対
応することが可能となる。また、凸面鏡を平凸レンズと
した場合では、紫外光はそのレンズ表面での反射によっ
て凹面鏡の方に送られて試料面上に集光スポットを結ぶ
ので、この平凸レンズ自体の材質は通常の光学ガラスを
用いることができる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例について図を参照しな
がら詳細に説明する。図１は本発明のレーザー光照射用
光学装置の第１の実施例の構成図である。図において、
本発明のレーザー光照射用光学装置は、凹面鏡１と凸面
鏡２とからなる一対の反射鏡によって構成される。

【００１１】前記凹面鏡１は、カセグレン鏡と呼ばれる
ものであり、凹面鏡を形成する反射面１１と該反射面１
１の中心にレーザービームを通す穴１３が設けられてな
る。一方、前記凸面鏡２は、反射面２１を有しており該
反射面２１を前記凹面鏡１と同軸上において反射面１１
と対向して設置される。前記凹面鏡１の中心に形成され
た穴１３を通過したレーザービームは、前記凸面鏡２の
反射面２１で反射されて前記凹面鏡１の反射面１１に向
けて進む。該レーザービームは、反射面１１において再
び反射され光軸上のビームスポット位置Ａに焦光点を結
ぶ。

【００１２】ここで、一実施例として前記構成の凹面鏡
１及び凸面鏡２の寸法と共に説明する。レーザービーム
の径ｂを５ｍｍとし、凹面鏡１の曲率半径が１００ｍｍ
で径ａが５０ｍｍとする。また、凸面鏡２の曲率半径は
２０ｍｍで直径が１０ｍｍ、中心厚さｆが５ｍｍとす
る。前記の寸法の凹面鏡１及び凸面鏡２を用い、凹面鏡
１の中心の穴からビーム径５ｍｍのレーザー光を入射さ
せると、該レーザー光は、凸面鏡２に当たって反射され
た後に、凹面鏡１の反射面１１内の３９．６３ｍｍ径の
範囲ｃを照射する。さらに、凹面鏡１の反射面１１で反
射されたレーザー光は光軸上の一点Ａに小さな焦光点を
結ぶ。このビームスポット位置Ａと凹面鏡１の中心との
距離ｇは、１３３．３ｍｍである。そのときの集光され
たレーザー光のスポット径は、アルゴンイオンレーザー
の波長４８８ｎｍを用いた場合には約４．０μｍとな
る。

【００１３】前記の構成によって、ビームスポット位置
Ａに試料を配置すればレンズを使用せずにレーザービー
ムを測定試料に小さく絞って照射することができる。次
に、本発明のレーザー光照射用光学装置の第２の実施例
を説明する。図２は本発明のレーザー光照射用光学装置
の第２の実施例の構成図である。図において、本発明の
レーザー光照射用光学装置は、凹面鏡１と平凸レンズ３
とから構成される。

【００１４】前記凹面鏡１は、前記第１の実施例と同様
にカセグレン鏡と呼ばれるものであり、凹面鏡を形成す
る反射面１１と該反射面１１の中心にレーザービームを
通す穴１３が設けられてなる。 前記の本発明の第１実
施例における凸面鏡２の代わりに平凸レンズ３を用いる
と、アルゴンイオンレーザーの波長４８８ｎｍを用いた
場合には平凸レンズ３の前記凹面鏡１と反対側の点Ｂに
直径約９．５μｍの集光点を生じる。

【００１５】ここで、前記平凸レンズ３の凸部面にコー
ティング面３１を形成すると以下の様な構成とすること
ができる。前記平凸レンズ３の前記凸部面は、前記凹面
鏡１と同軸上で前記凹面鏡１の反射面１１と対向する様
に配置される。平凸レンズ３の凸部面に設けられるコー
ティング面３１を、ある波長以下の短波長光を反射させ
る様な皮膜をダイクロイック膜処理などによって施して
おくと、元のレーザー光が２波長同時発振の場合には、
波長によって平凸レンズ３より後の光路が異なり、光軸
上の焦点位置を異ならせることができる。

【００１６】短波長光のものは、前記凹面鏡１の中心に
形成された穴１３を通過し、前記平凸レンズ３のコーテ
ィング面３１で反射されて前記凹面鏡１の反射面１１に
向けて進む。前記反射されたレーザービームは、前記凹
面鏡１の反射面１１において再び反射され光軸上のビー
ムスポット位置Ａに焦光点を結ぶ。一方、長波長の物
は、前記平凸レンズ３のコーティング面３１で反射され
ずに前記平凸レンズ３を通過し、前記平凸レンズ３によ
って屈折されて光軸上においてビームスポット位置Ｂに
焦光点を結ぶ。前記レーザー光がアルゴンイオンレーザ
ーの２波長同時発振の場合は、該波長はそれぞれ４８８
ｎｍと５１４．５ｎｍである。

【００１７】したがって、ビームスポット位置Ａの焦光
点には４８８ｎｍの短波長側の発振線が焦点を結び、ビ
ームスポット位置Ｂの焦光点には５１４．５ｎｍの長波
長側の発振線が焦点を結ぶ。ここで、一実施例として前
記構成の凹面鏡１及び平凸レンズ３の寸法と共に説明す
る。レーザービームの径ｂを５ｍｍとし、凹面鏡１の曲
率半径が１００ｍｍで径ａが５０ｍｍとする。また、平
凸レンズ３の曲率半径を２０ｍｍで直径が１０ｍｍ、中
心厚さｆが５ｍｍとする。前記の寸法の凹面鏡１及び平
凸レンズ３を用いると、凹面鏡１の中心の穴からビーム
径５ｍｍのレーザー光を入射させると、平凸レンズ３の
コーティング面３１にあたって反射された後に、凹面鏡
１の反射面１１内の３９．６３ｍｍ径の範囲ｃを照射す
る。さらに、凹面鏡１の反射面１１で反射されたレーザ
ー光は、その中心から１３３．３ｍｍ離れた光軸上の一
点Ａに小さな焦光点を結ぶ。なお、そのときの集光され
たレーザー光のスポット径は、アルゴンイオンレーザー
の波長４８８ｎｍを用いた場合には約４．０μｍとな
る。また、前記平凸レンズ３を通過したレーザービーム
は、該平凸レンズ３の屈折率を１．５とすると光軸上に
おいて平凸レンズ３の平面から距離ｈが約３６．６６ｍ
ｍのビームスポット位置Ｂに焦光点を結ぶ。このときの
ビームスポット位置Ｂにおけるレーザー光のスポット径
は、アルゴンイオンレーザーの波長５１４．５ｎｍを用
いた場合には約１０．０４μｍとなる。

【００１８】前記の構成によって、リレーレンズなどの
レンズ系を使用せずにレーザービームを測定試料に小さ
く絞って照射することができ、また波長の異なるレーザ
ービームを入射することによって同軸上の異なる位置に
ビームスポットを形成することができる。次に、本発明
のレーザー光照射用光学装置の応用例を説明する。図３
は本発明のレーザー光照射用光学装置を用いたレーザー
顕微鏡の構成図である。図において、試料４をステージ
８０上にステージ手動送りハンドル８１によって移動可
能に設置する。試料４と検出系６との間にはダイクロイ
ックミラー７０、及び凹面鏡１と凸面鏡２又は平凸レン
ズ３からなる本発明のレーザー光照射用光学装置が同一
軸上に配置される。レーザーヘッド５からはレーザー光
がダイクロイックミラー７０を介して光軸に入射され、
試料のレーザースポット照射位置に照射される。

【００１９】前記のレーザー顕微鏡では、光学装置とし
て複数個のレンズ系を用いていないので、使用する光源
として紫外域のものを使用することができ、該紫外域の
入射プローブによる分析を行うことができる。次に、図
３の前記のレーザー顕微鏡において、レーザー光照射用
光学装置として凹面鏡１とコーテッングが施された平凸
レンズ３からなる本発明の第２の実施例のものを適用し
た場合を説明する。

【００２０】この適用例では、前記の本発明の第２の実
施例で説明した様にレーザー光照射用光学装置は同一軸
上に二つの波長で焦点光を生じさせることができる。該
特性を利用して、試料４を光軸に沿って並進移動させて
試料表面がＡ点またはＢ点に接したときそこから発する
反射光あるいは蛍光を検出する。該Ａ点またはＢ点では
照射される波長が異なっており、各測定点において異な
る波長のレーザー光を照射することができる。各々の試
料位置において試料を光軸に垂直な面内で移動させれば
前記反射光あるいは蛍光の２次元的な分布が得られる。
また、試料及びステージを真空容器内に入れエネルギー
測定の検出手段を設けておけば、紫外光照射における励
起によって発生する光電子のエネルギーを測定すること
も可能である。なお、点Ｂの位置では周囲に前記凹面鏡
からの反射光の回り込みを防ぐため、平凸レンズの後方
に虹彩形絞り７２を設けている。図４は虹彩形絞り７２
の正面図である。

【００２１】前記の実施例では光軸を水平方向に配置し
た場合を示しているが、該光軸を垂直方向に配置して試
料を上下方向に移動することも可能である。次に、本発
明のレーザー光照射用光学装置を共焦点式レーザー走査
型顕微鏡に適用する場合を説明する。図５は、共焦点式
レーザー走査型顕微鏡における検出系の構成図である。
図において、試料からの検出光は収束レンズ６７及びピ
ンホール６６を介して光電子倍増管６１あるいは光電子
倍増管６２に入射される。前記光電子倍増管は１本でも
２本でもよい。光電子倍増管６１と光電子倍増管６２の
入射光の分離は半透明鏡６５によって行われ、それぞれ
の光電子倍増管の前には干渉フィルタ６３、６４が設け
られる。前記共焦点式レーザー走査型顕微鏡において、
走査はビームを固定して試料の方を移動することによっ
て行われ走査画像が得られる。この方式では走査速度は
余り速くできないがリレーレンズ系が不要なので生物試
料から蛍光の様にむやみに速い走査速度を必要としない
測定の場合における装置としては有用である。

【００２２】図６は、本発明の第３及び第４の実施例で
ある。図において、本発明の第３の実施例は第２の実施
例における平凸レンズ３の平面側の外周部分を面取りす
るものである。該平凸レンズ３の面取り部３３によっ
て、凹面鏡１の反射面１１からの反射光を該平凸レンズ
３が遮蔽する量を減少させることができる。また、本発
明の第４の実施例は第２の実施例における平凸レンズ３
の後方に適当な凸レンズ３５を配置するものである。該
凸レンズ３５配置によって平凸レンズ３の結ぶビームス
ポット位置をＢからＢ´に移動して、ビームスポット位
置Ａとビームスポット位置Ｂ´の間隔を長くすることが
できる。この構成によって、試料の移動及び位置設定が
容易となる。

【００２３】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能で
あり、それらを本発明の範囲から排除するものではな
い。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、 （１）レーザービームを測定試料に照射するまでの光路
に使用される光学装置においてレンズ系が存在しないの
で、該レンズ系の光学特性から紫外域波長の光源を採択
することができないといったことがなく、紫外域波長の
光源を使用することができる。 （２）紫外域を透過させるためのレンズ系を用いないの
で、装置自体の設計が容易となり製作コストも抑えるこ
とができる。 （３）レーザービームの走査の際の光軸の整合性を保証
する光学的補正のためのリレーレンズが不要となり、光
路中に多数のレンズが配置する必要がない。 （４）同一光軸上において、異なる位置で異なる波長の
レーザー光を照射することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のレーザー光照射用光学装置の第１の実
施例の構成図である。

【図２】本発明のレーザー光照射用光学装置の第２の実
施例の構成図である。

【図３】本発明のレーザー光照射用光学装置を用いたレ
ーザー顕微鏡の構成図である。

【図４】本発明の虹彩形絞りの正面図である。

【図５】共焦点式レーザー走査型顕微鏡における本発明
の検出系の構成図である。

【図６】本発明の第３及び第４の実施例構成図である。

【図７】従来の共焦点式レーザー走査型顕微鏡の構成図
である。

【図８】従来の共焦点式レーザー走査型顕微鏡の構成図
である。

【図９】従来の音響光学偏向素子を用いたレーザー走査
型顕微鏡の構成図である。

【符号の説明】

１…凹面鏡、２…凸面鏡、３…平凸面レンズ、５…レー
ザーヘッド、６…検出系、１１，２１…反射面、１３…
穴、３１…コーティング面、３３…面取り部、６１，６
２…光電子倍増管７０…ダイクロイックミラー、７２…
虹彩形絞り、８０…ステージ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザー光照射用光学装置において、
   （ａ）中心部にレーザー光を入射する穴が形成された凹
   面鏡と、（ｂ）前記凹面鏡と同軸上で前記凹面鏡と反射
   面が互いに対面する様に配置された凸面状の反射手段と
   からなり、（ｃ）前記凹面鏡の穴を通過したレーザー光
   を前記凸面状の反射手段によって前記凹面鏡の反射面に
   当て該反射光を前記光軸上に結ばせることを特徴とする
   レーザー光照射用光学装置。
2. 【請求項２】 前記凸面状の反射手段は、平凸レンズの
   凸面に反射薄膜を形成したものである請求項１記載のレ
   ーザー光照射用光学装置。