JPH05313087A - 走査始点検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光ビームを射出する光照射部およびこの光ビ
ームが照射される被走査体の一方を音叉の先端部に保持
し、この音叉を振動させることにより被走査体を光ビー
ムで走査する光走査装置において、走査始点を精度良く
検出する。 【構成】 音叉30の変位を変位検出器60で検出し、その
出力信号Ｓｘを比較器61に入力して変位中間値を担持す
る基準電圧Ｖref と比較し、変位中間値を検出する。そ
してこの比較器61から出力された変位中間値検出信号Ｓ
ｋを遅延回路62に入力し、該信号Ｓｋの入力から（２ｎ
−１）／４ｆ［ただしｎは正の整数、ｆは音叉の振動
数］なる時間が経過した時点で走査始点検出信号（水平
同期信号）Ｈｓを出力させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光照射部およびそこか
ら発せられた光ビームが照射される被走査体の一方を音
叉の先端部に保持し、この音叉を振動させることによっ
て被走査体を光ビームで走査する装置において、走査始
点を検出する装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、照明光を微小な光点に収束さ
せ、この光点を試料上において２次元的に走査させ、そ
の際該試料を透過した光あるいはそこで反射した光、さ
らには試料から生じた蛍光を光検出器で検出して、試料
の拡大像を担持する電気信号を得るようにした光学式走
査型顕微鏡が公知となっている。なお特開昭62-217218
号公報には、この走査型顕微鏡の一例が示されている。

【０００３】従来の光学式走査型顕微鏡においては、上
記走査機構として、照明光ビームを光偏向器によって２
次元的に偏向させる機構が多く用いられていた。

【０００４】しかしこの機構においては、ガルバノメー
タミラーやＡＯＤ（音響光学光偏向器）等の高価な光偏
向器が必要であるという難点が有る。またこの機構にお
いては、照明光ビームを光偏向器で振るようにしている
から、送光光学系の対物レンズにはこの光ビームが刻々
異なる角度で入射することになり、それによる収差を補
正するために対物レンズの設計が困難になるという問題
も認められている。特にＡＯＤを使用した場合には、対
物レンズ以外にもＡＯＤから射出した光束に非点収差が
生ずるため特殊な補正レンズが必要となり、光学系をよ
り複雑なものとしている。

【０００５】上記の点に鑑み従来より、照明光ビームは
偏向させないで照明光光点の走査を行なうことが考えら
れている。例えば特開平4-409 号公報には、送光光学系
を移動台に搭載し、この移動台を試料台に対して相対的
に往復移動させることにより、照明光光点の走査を行な
うことが示されている。そして、このように光学系と試
料台とを相対的に移動させる具体的な機構の１つとし
て、上記公報にも示されるように、光学系あるいは試料
台を先端部に保持する音叉と、この音叉に強さが周期的
に変化する磁界を作用させて該音叉を振動させる電磁石
とから構成されたものが提案されている。このような移
動機構は、例えばピエゾ素子や超音波振動子等を利用し
た移動機構に比べれば、光学系の相対移動幅すなわち照
明光走査幅（これは音叉の振幅によって定まる）を大き
く取れるので、走査型顕微鏡の撮像範囲をより大きく確
保する上で有利となっている。

【０００６】一方、従来の走査型顕微鏡の多くは、試料
からの光を検出する光検出器の連続出力を信号処理手段
に入力し、そこでこの出力をサンプリング、量子化し
て、１主走査ライン毎のデジタル画像データを得るよう
にしている。そのようにする場合は、１主走査ライン単
位の画像データのサンプリング開始タイミングを規定す
る等のために、走査始点、すなわち音叉の振動による光
学系あるいは試料台の変位の最小点または最大点を検出
する必要がある。

【０００７】そのために従来より、音叉を振動させる電
磁石の駆動電圧の位相に基づいて走査始点を求めること
が考えられている。さらには、圧電素子等を用いて音叉
の変位を実際に測定し、この変位の最小値または最大値
を検出して走査始点を求める手法も提案されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前者の手法で
走査始点を検出する場合は、実際の音叉の変位を検出し
ている訳ではないので、電磁石の駆動条件が変化すると
走査始点検出が狂うという問題がある。一方後者の手法
で走査始点を検出する場合は、音叉の実際の変位を検出
しているから上述のような問題が無い半面、始点検出の
精度を高めるのが困難であるという問題が認められてい
る。

【０００９】以上、音叉と電磁石との組合せからなる照
明光走査機構を用いた走査型顕微鏡の問題について説明
したが、このような問題は走査型顕微鏡に限らず、音叉
の振動を利用して光走査を行なう装置一般において、同
様に起こり得るものである。

【００１０】そこで本発明は、実際に音叉の変位を検出
した上で、精度良く走査始点を検出することができる装
置を提供することを目的とするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明による走査始点検
出装置は、前述のように音叉の振動を利用して光走査を
行なう装置すなわち、光ビームを射出する光照射部およ
びこの光ビームが照射される被走査体の一方を先端部に
保持した音叉と、この音叉に強さが周期的に変化する力
を作用させて該音叉を共振させる加振手段とを備えた光
走査装置において、音叉の変位を検出する手段と、この
手段が検出した変位の中間値を検出する中間値検出手段
と、この中間値検出手段の出力を受け、該手段が上記の
中間値を検出した時点から、（２ｎ−１）／４ｆ［ただ
しｎは正の整数、ｆは音叉の振動数］なる時間が経過し
た時点で走査始点検出信号を出力する遅延手段とが設け
られてなるものである。

【００１２】

【作用および発明の効果】図５に、振動する音叉の先端
部の、時間軸上における変位を示す。図示されるように
音叉の変位は、時間ｔの正弦関数（あるいは余弦関数）
で表わされる。したがって、音叉の振動数をｆとする
と、音叉変位の１周期は１／ｆであり、そしてこの変位
は時間１／４ｆが経過する毎に最小値、中間値、最大
値、中間値を取る。そこで、変位中間値が検出されてか
ら（２ｎ−１）／４ｆなる時間が経過した時点では音叉
変位が最小値あるいは最大値を取っている、つまり光ビ
ームが走査始点を通過しているとみなせることになる。

【００１３】上述の通り本発明装置は、音叉変位の最大
値あるいは最小値を実際に検出して走査始点を求めるも
のではなく、それら最大値あるいは最小値が検出される
時点言わば先回り予測するものであるが、音叉変位は極
めて正確に正弦関数に従って変化する上、音叉の共振周
波数の幅も非常に狭いので、正確に走査始点を検出可能
となる。

【００１４】次に、実際に音叉変位最大値あるいは最小
値を検出するよりも、本発明におけるように音叉変位中
間値を検出した方が、走査始点検出精度が高くなる理由
を説明する。音叉変位の変化率は、上記最大値あるいは
最小値を取る時点ではゼロであり、それらから僅かにず
れた時点でも極めて小さい。したがって、音叉変位が最
大値あるいは最大値を取ったことを精度良く検出するの
は、非常に困難となっている。それに対して、音叉変位
が中間値を取る時点では、変位の変化率は最大となるか
ら、この中間値を取った時点を極めて精度良く検出可能
となる。

【００１５】以下、上述の点について、具体的数値を挙
げて説明する。一例として、音叉の振動数ｆ＝500 Ｈ
ｚ、１主走査ライン当りのサンプリング数を1024とする
と、測定時間ｔの最大誤差Δｔは、Δｔ＝１／（500 ×
1024）＝1.95×10^-6（秒）となる。ここで音叉変位の中
間値から最大あるいは最小値までの変化量絶対値を１と
して、上記時間Δｔにおける音叉変位の変動値Δを、変
位最小値を検出する場合と、変位中間値を検出する場合
について求める。

【００１６】図５に示すような場合は、音叉変位はωを
角速度としてｇ（ｔ）＝−cos ωｔと表わせるから、変
位最小値を検出する場合は、Δ＝ｇ（Δｔ）−ｇ（０）
＝−cos ωΔｔ＋１≒1.9 ×10^-5となる。この変動値Δ
の音叉総変位（＝２）に対する比は、Δ／２×100 ＝0.
95×10^-3％となる。つまりこの場合は、音叉変位検出器
やその出力信号処理回路に、検出幅の0.95×10^-3％の精
度が要求され、始点検出は現実上不可能に近くなる。一
方、変位中間値を検出する場合は、変位中間値を検出す
る時間をＭとすれば、Δ＝ｇ（Ｍ＋Δｔ）−ｇ（Ｍ）で
ある。ここでＭ＝１／４ｆ、ｇ（Ｍ）＝０より、Δ＝6.
14×10^-3である。この変動値Δの音叉総変位（＝２）に
対する比は、Δ／２×100 ≒0.3 ％となる。この程度の
変位変動は、通常の変位検出器や回路を利用して十分に
検出可能であり、それにより走査始点を精度良く検出で
きるようになる。

【００１７】

【実施例】以下、図面に示す実施例に基づいて本発明を
詳細に説明する。

【００１８】図２は、本発明の一実施例による走査始点
検出装置が適用されるモノクロ反射型の共焦点走査型顕
微鏡を示すものであり、また図３は、その走査機構の平
面形状を詳しく示している。まずこの走査型顕微鏡につ
いて説明する。図２に示されるように単色光レーザ10か
らは、単一波長の照明光11が射出される。直線偏光した
この照明光11は、Ｐ偏光状態で偏光ビームスプリッタ25
の膜面25ａに入射し、そこを透過する。偏光ビームスプ
リッタ25を通過した照明光11は、偏波面調整用のλ／２
板12を通過し、入射用レンズ13で集光されて、偏波面保
存光ファイバー14内に入射せしめられる。

【００１９】この偏波面保存光ファイバー14としては、
図４に断面形状を示すように、クラッド14ａ内にコア14
ｂが配され、このコア14ｂの両側に応力付与部14ｃ、14
ｃが形成されてなる、いわゆるＰＡＮＤＡ型のものが用
いられている。そして直線偏光した照明光11は、λ／２
板12を適宜回転させることにより、偏波面の向きが応力
付与部14ｃ、14ｃの並び方向、あるいはそれに直交する
方向と揃う状態にして（本実施例では後者の方向、すな
わち図４の矢印Ｕ方向）、該光ファイバー14内に入射せ
しめられる。

【００２０】この光ファイバー14の一端はプローブ15に
固定されており、該光ファイバー14内を伝搬した照明光
11はこの一端から出射する。この際光ファイバー14の一
端は、点光源状に照明光11を発することになる。プロー
ブ15には、コリメーターレンズ16および対物レンズ17か
らなる送光光学系（受光光学系を兼ねる）18が固定され
ている。なお、コリメーターレンズ16と対物レンズ17と
の間には、λ／４板19が配設されている。

【００２１】上記の照明光11はコリメーターレンズ16に
よって平行光とされ、λ／４板19を通過して円偏光とさ
れ、次に対物レンズ17により集光されて、試料台22に載
置された試料23上で（表面あるいはその内部で）微小な
光点Ｐに結像する。試料23で反射した反射光11”は旋回
方向が逆向きの円偏光となり、λ／４板19を通過して、
偏波面の向きが照明光11のそれと直交する直線偏光とさ
れる。この反射光11”の光束は、コリメーターレンズ16
によって集光されて、偏波面保存光ファイバー14内に入
射せしめられる。このときの反射光11”の偏波面の向き
は、図４の矢印Ｖ方向となる。光ファイバー14を伝搬し
た反射光11”はその一端から出射し、レンズ13によって
平行光とされる。

【００２２】この反射光11”はλ／２板12を通過後、Ｓ
偏光状態で偏光ビームスプリッタ25の膜面25ａに入射
し、そこで反射する。この反射光11”は、集光レンズ26
で集光され、アパーチャピンホール27を通して光検出器
28によって検出される。この光検出器28は例えばフォト
マルチプライヤ（光電子増倍管）等からなり、そこから
は、試料23の照明光照射箇所の明るさを示す連続信号Ｓ
が出力される。

【００２３】上述のように、λ／４板19と偏光ビームス
プリッタ25とから構成される光アイソレータを設けたこ
とにより、反射光11”がレーザ10側に戻ることがなくな
り、より大光量の反射光11”が光検出器28に導かれるよ
うになる。また、入射用レンズ13や光ファイバー14の端
面等で反射した照明光11が、光検出器28に入射すること
も防止され、Ｓ／Ｎの高い信号Ｓが得られるようにな
る。

【００２４】次に、照明光11の光点Ｐの２次元走査につ
いて、図３を参照して説明する。プローブ15は、水平に
配された音叉30の一先端部に、光学系18の光軸が垂直と
なる状態で固定されている。この音叉30は、その基部30
ａが架台32に固定されて、所定の固有振動数で振動可能
となっている。そして音叉30の内側には、その両先端部
とそれぞれ若干の間隔をおいて、電磁石31が配設されて
いる。この電磁石31は、取付部材34を介して架台32に固
定されている。

【００２５】上記電磁石31には、駆動回路33から、音叉
30の固有振動数と等しい周波数の矩形パルス電圧Ｖｄが
印加される。こうして音叉30の両端部に断続的に磁界が
作用することにより、音叉30はその固有振動数で振動す
る。そこで、この音叉30に固定されているプローブ15
は、図２、図３中のＸ方向（水平方向）に高速で往復移
動し、光点Ｐの主走査がなされる。

【００２６】また試料台22は架台32に対して、Ｚ方向
（光学系18の光軸方向）に往復移動可能なＺ移動ステー
ジ24Ｚ、およびＸ、Ｚ両方向に対して直角なＹ方向に往
復移動可能なＹ移動ステージ24Ｙを介して取り付けられ
ている。そこで、上記のようにして光点Ｐの主走査を行
なうとき、同時にＹ移動ステージ24Ｙを往復駆動させる
と、光点Ｐの副走査がなされる。

【００２７】そして、光点Ｐの２次元走査を行なう毎
に、Ｚ移動ステージ24Ｚを移動させることにより、試料
23の表面に微細な凹凸が有ったとしても、試料23をＺ方
向に移動させた範囲内で、全ての面に焦点が合った画像
を担う信号Ｓを得ることが可能となる。

【００２８】なお本例では図３に示す通り、音叉30の他
端部に、プローブ15と同じ構成のダミープローブ15’が
取り付けられている。それにより、音叉30の一端部、他
端部の機械的バランスを良好に保ち、理想に近い共振系
を構成できるようになる。また本例では、音叉30の内側
に電磁石31を配して、音叉30の両端部にそれぞれ磁界を
作用させるようにしているので、電磁石を音叉30の１つ
の端部の外側にのみ配する場合に比べれば、音叉30に作
用する磁束密度、つまりは作用する力を、より大きくす
ることができる。

【００２９】次に図１を参照して、電気的な構成につい
て説明する。まず、電磁石用駆動回路33を詳しく説明す
る。この駆動回路33は、ＶＣＯ（電圧制御発振器）49
と、その後段のドライバ50とから構成されている。ドラ
イバ50は、ＶＣＯ49から入力される周波数信号Ｓｆに対
応した周波数ｆの矩形パルス電圧Ｖｄを電磁石31に印加
する。この周波数ｆは、音叉30の固有振動数と等しく設
定されており、本実施例ではｆ＝500 Ｈｚである。上記
周波数信号Ｓｆの周波数は、基準クロック発生器51が発
する基準クロックCLK に基づいて規定される。またこの
周波数信号Ｓｆの周波数ｆは、例えばパーソナルコンピ
ュータ等のコンピュータ44から入力される駆動周波数指
令信号Ｓｍによって設定される。そして矩形パルス電圧
Ｖｄのデューティ比も、上記コンピュータ44から入力さ
れるデューティ比指令信号Ｓｎによって規定される。上
記のような矩形パルス電圧Ｖｄが電磁石31に印加される
ことにより、この電磁石31から音叉30に強さが周期的に
変化する力が加えられ、音叉30が共振する。このように
本実施例では、電磁石31とその駆動回路33とにより、音
叉30を共振させる加振手段が構成されている。

【００３０】次に、画像信号の処理系について説明す
る。先に述べた光検出器28が出力する連続的なアナログ
信号Ｓは、アンプ40で増幅されてから画像処理装置42内
のＡ／Ｄ変換器に入力され、そこでサンプリング、量子
化されてデジタルの画像信号Ｓｄに変換される。この画
像信号Ｓｄは画像処理回路42において、後述のようにし
て作成される水平同期信号Ｈｓに基づいて１主走査ライ
ン毎のデータとされ、また垂直同期信号Ｖｓに基づいて
所定主走査ライン分の（つまり１画面分の）データとさ
れる。そしてこの画像信号Ｓｄは、画像処理装置42にお
いて例えば階調処理等の画像処理を受けた後、ＣＲＴ表
示装置等の画像再生装置43に入力される。この画像再生
装置43においては、画像信号Ｓｄが担持する画像、すな
わち試料23の顕微鏡像が再生される。

【００３１】上記画像再生装置43には、画像処理装置42
を介して前述のコンピュータ44が接続され、画像処理の
指令や、走査型顕微鏡の基本的操作指令、つまり視野探
し用画像の撮像指令や観察用画像の撮像指令等は、すべ
てこのコンピュータ44のキーボード等の入力操作部を用
いて与えられる。

【００３２】ここで画像再生装置43としては一般的なラ
スタ走査方式のものが用いられるので、上記の画像信号
Ｓｄは、アナログ信号Ｓのサンプリング開始タイミング
を主走査開始と同期を取って適正に設定して、１主走査
ライン毎のものとしなければならない。以下、そのため
の構成について説明する。図３にも示されるように音叉
30には、その先端部の位相、つまり光学系18のＸ方向変
位を検出する変位検出器60が取り付けられている。この
変位検出器60は例えば圧電素子からなり、上記の変位を
示す信号Ｓｘを出力する。前述した通り音叉30の先端部
の変位は、時間ｔの正弦関数に従って変化するから、変
位信号Ｓｘは時間軸上で図５に示すように変化する。

【００３３】この変位信号Ｓｘは、図１に示される通り
比較器61に入力される。音叉変位中間値検出手段である
この比較器61は、変位中間値を担持する基準電圧Ｖref
と電圧信号である上記変位信号Ｓｘとを比較し、変位信
号Ｓｘが基準電圧Ｖref 以下の状態から逆の状態、つま
り変位信号Ｓｘが基準電圧Ｖref を上回る状態に転じた
ときに（図５においては時間ｔ₁ のとき）、中間値検出
信号Ｓｋを出力する。この中間値検出信号Ｓｋは、遅延
回路62に入力される。遅延回路62はこの信号Ｓｋが入力
されてから時間３／４ｆ＝0.0015秒経過した時点で、走
査始点検出信号としての水平同期信号Ｈｓを出力する。
上記のように時間ｔ₁ から３／４ｆなる時間が経過した
時点は、図５においては時間ｔ₂ つまり音叉変位が最小
値を取る時点であり、したがって上記水平同期信号Ｈｓ
は照明光11が走査始点にあるときに出力されることにな
る。以上のようにして走査始点を検出すれば、検出精度
が十分に高くなる。その理由は、先に詳しく説明した通
りである。

【００３４】以上のようにして作成された水平同期信号
Ｈｓを画像処理装置42に入力し、この入力時点でアナロ
グ信号Ｓのサンプリングを開始させれば、得られるデジ
タル画像信号Ｓｄは１主走査ライン毎のものとなる。

【００３５】なお遅延回路62における上記の遅延時間３
／４ｆは、コンピュータ44から入力される遅延時間設定
信号Ｓｔによって定められる。ここで、圧電素子からな
る変位検出器60が出力する変位信号Ｓｘは、実際の音叉
変位に対して僅かに位相が遅れることもある。そのよう
な場合は、上記遅延時間設定信号Ｓｔによる遅延時間
を、この位相遅れの分も見込んで設定すればよい。ま
た、本実施例では音叉変位が最小値を取ったときの走査
位置を走査始点としているが、音叉変位が最大値を取っ
たときの走査位置を走査始点としても構わない。その場
合は、上記の遅延時間を基本的に１／４ｆとすればよ
い。

【００３６】なお本実施例では、上記水平同期信号Ｈｓ
が垂直同期信号発生回路63にも入力されている。この垂
直同期信号発生回路63は、水平同期信号Ｈｓが所定数
（つまり１画面の主走査ライン数）入力される毎に垂直
同期信号Ｖｓを作成して、この垂直同期信号Ｖｓを画像
処理装置42に入力する。

【００３７】また前述したＹ移動ステージ24Ｙは、発振
器45から所定周波数の信号を受けるドライバ46により、
該周波数で往復移動するように駆動される。またＺ移動
ステージ24Ｚは、画像処理装置42から出力されてＤ／Ａ
変換器47によりアナログ化されたＺ軸コントロール信号
Ｆｓに基づいて、所定のＺ方向位置上に来るようにドラ
イバ48により駆動される。そして発振器45、Ｄ／Ａ変換
器47は各々、画像処理装置42から発せられる垂直同期信
号Ｖｓ、フォーカス方向信号Ｆｓに基づいて作動制御さ
れ、ステージ24Ｙ、24Ｚの移動の同期が取られる。また
これら垂直同期信号Ｖｓ、フォーカス方向信号Ｆｓは、
上記の水平同期信号Ｈｓと同期が取られ、それによりス
テージ24Ｙおよび24Ｚの移動と、プローブ15の往復移動
との同期が取られる。

【００３８】なお本発明においては、音叉変位の変化率
が最大となる変位中間値を検出するようにしているか
ら、以上説明した実施例でもそうであるように、変位信
号を微分処理することは通常不要である。それにより微
分回路が不要となれば、ジッタを無くして歪みの無い画
像を再生可能となる。

【００３９】また、以上説明した実施例は走査型顕微鏡
に適用されたものであるが、本発明の走査始点検出装置
はそれに限らず、音叉の振動によって光走査を行なう装
置一般に適用可能である。また音叉の変位を検出する手
段も、上記実施例における圧電素子に限らず、その他例
えば光変位計やホール素子を用いた変位計等が用いられ
てもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例装置を備えた走査型顕微鏡の
電気回路図

【図２】上記走査型顕微鏡を示す一部破断正面図

【図３】上記走査型顕微鏡に用いられた照明光走査機構
の平面図

【図４】上記走査型顕微鏡に用いられた偏波面保存光フ
ァイバーの断面図

【図５】音叉変位の時間軸上での変化の様子を示すグラ
フ

【符号の説明】

10 単色光レーザ 11 照明光 14 偏波面保存光ファイバー 15 プローブ 16 コリメーターレンズ 17 対物レンズ 18 送光光学系 22 試料台 23 試料 26 集光レンズ 27 アパーチャピンホール 28 光検出器 30 音叉 31 電磁石 32 架台 33 駆動回路 42 画像処理装置 44 コンピュータ 60 変位検出器 61 比較器（中間値検出手段） 62 遅延回路 63 垂直同期信号発生回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光ビームを射出する光照射部およびこの
   光ビームが照射される被走査体の一方を先端部に保持し
   た音叉と、 この音叉に強さが周期的に変化する力を作用させて該音
   叉を共振させる加振手段とを備えた光走査装置におい
   て、 前記音叉の変位を検出する手段と、 この手段が検出した変位の中間値を検出する中間値検出
   手段と、 この中間値検出手段の出力を受け、該手段が前記中間値
   を検出した時点から、（２ｎ−１）／４ｆ［ただしｎは
   正の整数、ｆは音叉の振動数］なる時間が経過した時点
   で走査始点検出信号を出力する遅延手段とが設けられて
   なる走査始点検出装置。