JPH0545588A

JPH0545588A - 走査型顕微鏡

Info

Publication number: JPH0545588A
Application number: JP20419291A
Authority: JP
Inventors: Toshihito Kimura; 俊仁木村
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 1991-08-14
Filing date: 1991-08-14
Publication date: 1993-02-23

Abstract

(57)【要約】【目的】照明光を試料に照射する光学系を移動台に搭
載し、レーザ光源から発せられた照明光としてのレーザ
ビームを光ファイバーを介して上記光学系に送り、移動
台を試料台に対して相対移動させることにより照明光の
走査を行なう走査型顕微鏡において、レーザ光の可干渉
性による撮像画像の濃度ムラ発生を防止する。【構成】光ファイバー14を保持具50を介して振動子52
により高速振動させて、該光ファイバー14を伝搬する照
明光11をサンプリングクロックＣＬＫよりも高い周波数
で変調させるとともに、画像信号Ｓ１、Ｓ２をローパス
フィルタ46、47に通して、上記変調による高周波成分を
除去する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は走査型顕微鏡、特に詳細
には、送光光学系と受光光学系とを試料台に対して相対
移動させることにより、照明光の走査を行なうようにし
た走査型顕微鏡に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、レーザ光源から発せられた照
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的画
像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（例えば特開昭62-217218 号公報参照）。なお
この種の走査型顕微鏡においては一般に、上記光検出器
の出力を、所定のサンプリングクロックに基づいてサン
プリングして、試料の拡大像を担う画像信号を得るよう
にしている。

【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。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。

【０００４】そこで、本出願人による特願平1-246946号
明細書に示されるように、送光光学系と受光光学系とを
共通の移動台に搭載し、この移動台を試料台に対して移
動させることにより、照明光光点の走査を行なうことが
考えられる。

【０００５】またそうする場合、光源を移動台外に配し
て、そこから発せられた照明光を光ファイバーにより送
光光学系へ導くことが考えられる。このようにして光源
を移動台の外に配置すれば、移動台がより軽量化される
ので、高速走査を実現する上で有利となる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述のよう
な光ファイバーを用いた場合には、移動台の往復移動に
ともなって光ファイバーが曲がるので、照明光の光量が
変動してしまうことがある。こうして照明光光量が変動
すると、撮像される顕微鏡像に濃度ムラが生じてしま
う。

【０００７】本発明は上記のような事情に鑑みてなされ
たものであり、光源と送光光学系とを結ぶ光ファイバー
に曲がりが生じても、濃度ムラの無い高画質の試料像を
撮像することができる走査型顕微鏡を提供することを目
的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明による走査型顕微
鏡は、先に述べたように照明光を試料上に照射する送光
光学系、および試料からの光を結像させる受光光学系を
移動台に搭載するとともに、レーザ光源を移動台外に配
して、そこから発せられた照明光を光ファイバーにより
上記送光光学系へ導くようにし、上記移動台を、試料台
に対して相対的に移動させることにより、照明光を試料
上において走査させ、上記光検出器の出力を、所定のサ
ンプリングクロックに基づいてサンプリングして、試料
の拡大像を担う画像信号を得る走査型顕微鏡において、
照明光を、上記サンプリングクロックの周波数よりも高
い周波数で変調する手段と、上記画像信号から、上記変
調による高周波成分を除去するフィルターとを設けたこ
とを特徴とするものである。

【０００９】なお上記の変調手段としては、照明光の強
度（振幅）を変調する手段、照明光の位相を変調する手
段、さらには強度と位相の双方を変調する手段のいずれ
をも適用可能である。

【００１０】

【作用および発明の効果】前述したような画像のムラが
生じる原因は詳しくは解明されていないが、照明光とし
て干渉性の高い、つまり波面の乱れが少ないレーザー光
を利用する場合ほど、この画像ムラが生じやすいことが
分かっている。そこで、照明光に対して上述のような変
調をかけてその波面を乱してやると、上記の濃度ムラが
低減し、高画質の試料像を撮像可能となる。

【００１１】そして照明光変調の周波数を、サンプリン
グクロックの周波数よりも高く設定した上で、画像信号
を上記のようなフィルターに通せば、画像信号に照明光
変調による成分がノイズとなって残ることはない。

【００１２】

【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。図１は、本発明の第１実施例による反
射、透過共用型の共焦点走査型顕微鏡を示すものであ
る。図示されるように単色光レーザ10からは、照明光と
しての直線偏光のレーザビーム11が射出される。この照
明光11はコリメーターレンズ12で平行光化された後、偏
波面調整用のλ／２板９Ａおよび９Ｂと、それらの間に
配設された偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）８とに通さ
れ、収束レンズ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。

【００１３】この光ファイバー14の一端は、移動台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。移動台
15には、コリメーターレンズ16．よび対物レンズ（コン
デンサーレンズ）17からなる送光光学系18が保持されて
いる。また移動台15には、対物レンズ19および集光レン
ズ20からなる受光光学系21が保持されている。上記コリ
メーターレンズ16と対物レンズ17との間、そして対物レ
ンズ19と集光レンズ20との間にはそれぞれ、λ／４板７
Ａ、７Ｂが配されている。上記２つの光学系18、21は、
互いに光軸を一致させて固定されている。また両光学系
18、21の間には、移動台15と別体とされた試料台22が配
されている。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、対物レンズ17によって集光され、
試料台22に載置された試料23上（表面あるいは内部）で
微小な光点（ビームスポット）Ｐに収束する。

【００１４】この走査型顕微鏡が透過型のものとして使
用される場合、試料23を透過した透過光11’の光束は、
受光光学系21の対物レンズ19によって平行光とされ、集
光レンズ20によって集光されて、偏波面保存光ファイバ
ー24の一端から該光ファイバー24内に入射せしめられ
る。この光ファイバー24の上記一端は移動台15に固定さ
れている。なお照明光11は、λ／４板７Ａにより直線偏
光から円偏光に変換され、透過光11’はλ／４板７Ｂに
より円偏光から直線偏光に変換される。

【００１５】光ファイバー24の他端から出射した透過光
11’は、コリメーターレンズ25によって平行光とされ、
集光レンズ26によって集光されて、点像Ｑ１に結像す
る。この点像Ｑ１は、コンフォーカルアパーチャ27を介
して、光電子増倍管等の光検出器28によって検出され、
そこからはこの点像Ｑ１の明るさを示す透過光検出信号
Ｓ１が出力される。

【００１６】なおコリメーターレンズ25と集光レンズ26
との間には、所定の偏光成分のみを通過させる検光子29
が挿入されている。透過光11’以外の迷光はこの検光子
29においてカットされ、光検出器28によって検出されな
い。

【００１７】一方、この走査型顕微鏡が反射型のものと
して使用される場合、試料23で反射した反射光11”は対
物レンズ17で平行光とされ、λ／４板７Ａを通過した
後、コリメーターレンズ16で集光されて光ファイバー14
内に入射する。こうして反射光11”は、照明光11と同じ
光路を逆に辿ってＰＢＳ８に入射する。直線偏光状態の
照明光11は上記λ／４板７Ａで円偏光に変換されるが、
試料23で反射した際にこの円偏光の向きが逆向きにな
る。そこで、反射光11”がλ／４板７Ａを通過して直線
偏光に変換されると、その偏光方向は照明光11のそれと
90°ずれる。したがって反射光11”は、ＰＢＳ８の膜面
８ａにおいて反射する。

【００１８】ＰＢＳ８で反射した反射光11”は集光レン
ズ30によって集光されて、点像Ｑ２に結像する。この点
像Ｑ２は、コンフォーカルアパーチャ31を介して、光電
子増倍管等の光検出器32によって検出され、そこからは
この点像Ｑ２の明るさを示す反射光検出信号Ｓ２が出力
される。

【００１９】次に、照明光光点Ｐの２次元走査について
説明する。上記移動台15と架台36との間には、主走査用
積層ピエゾ素子37が介装されている。この積層ピエゾ素
子37はピエゾ素子駆動回路38から駆動電力を受けて駆動
し、移動台15をＸ方向に高速で往復移動させる。一方試
料台22と架台36との間には、積層ピエゾ素子40、41が介
装されている。積層ピエゾ素子40はピエゾ素子駆動回路
42から駆動電力を受けて駆動し、試料台22をＹ方向に高
速で往復移動させる。それにより試料台22は移動台15に
対して相対移動され、前記光点Ｐが試料23上を、主走査
方向Ｘと直交するＹ方向に副走査する。以上のようにし
て照明光光点Ｐが試料23上を２次元的に走査することに
より、該試料23の２次元拡大像を担持する信号Ｓ１およ
びＳ２が得られる。

【００２０】上記の信号Ｓ１あるいはＳ２をそれぞれ後
述するローパスフィルタ46、47に通してから、Ａ／Ｄ変
換器48、49において所定のサンプリングクロックＣＬＫ
に基づいてサンプリング、量子化し、それにより得られ
たデジタル画像信号Ｄ１、Ｄ２をＣＲＴ表示装置等の表
示装置や、光走査記録装置等の画像再生装置に入力すれ
ば、各信号が担持する顕微鏡像を再生して観察可能とな
る。

【００２１】また、上端に上記副走査用積層ピエゾ素子
40を固定し、下端が粗動ステージ44を介して架台36に取
り付けられた積層ピエゾ素子41は、ピエゾ素子駆動回路
43から駆動電力を受けて駆動し、試料台22を保持した積
層ピエゾ素子40を、主、副走査方向Ｘ、Ｙと直交するＺ
方向、（光学系18、21の光軸方向）に移動させる。こう
して試料台22をＺ方向に所定距離移動させる毎に照明光
光点Ｐの２次元走査を行なえば、試料23の表面に微細な
凹凸が有る場合でも、合焦点面の情報のみが光検出器32
によって検出される。そこで、この光検出器32の出力Ｓ
２をフレームメモリに取り込むことにより、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
像を担う信号を得ることが可能となる。

【００２２】なおピエゾ素子駆動回路38、42および43に
は、制御回路45から同期信号が入力され、それにより、
光点Ｐの主、副走査および試料台22の光軸方向移動の同
期が取られる。また粗動ステージ44は手動で、あるいは
駆動手段を用いてＹ方向に大きく移動可能であり、こう
して試料台22を動かすことにより、試料23の交換を容易
に行なうことができる。

【００２３】ここで、移動台15が照明光光点Ｐの主走査
のために往復移動する際、光ファイバー14、24は屈曲し
てこの移動を許容するが、このとき、以上説明した構成
のままでは、信号Ｓ１あるいはＳ２に基づいて再生され
る顕微鏡像に濃度ムラが生じることがある。以下、この
濃度ムラの発生を防止する点について説明する。

【００２４】光ファイバー14と24はそれぞれ保持具50、
51に保持されており、これらの保持具50、51は各々振動
子52、53に連結されている。これらの振動子52、53は、
例えば超音波振動子やピエゾ素子等からなり、それぞれ
前記サンプリングクロックＣＬＫの周波数よりも十分に
高い周波数で図中上下方向に振動する。そのため、保持
具50、51を介して光ファイバー14、24が高速振動する。

【００２５】こうして光ファイバー14、24が振動するこ
とにより、それらを伝搬する照明光11、反射光11”およ
び透過光11’の振幅および位相が、上記サンプリングク
ロックの周波数よりも十分に高い周波数でランダムに変
調される。このような変調がなされることにより、照明
光11、透過光11’および反射光11”の波面が乱されて可
干渉性が低下し、前述した画像ムラの発生が抑えられる
ようになる。

【００２６】なお、信号Ｓ１の様子を図２に示す。上記
変調がなされない場合の信号Ｓ１が、同図の（ａ）に示
すようなものであると仮定すると、変調がなされること
により信号Ｓ１は、同図（ｂ）に示すように高周波成分
を含むものとなる。なお同図の（ｃ）には、サンプリン
グクロックＣＬＫの波形を示す。図示される通り上記高
周波成分は、サンプリングクロックＣＬＫよりも十分に
周波数が高いものとなっている。そこで、信号Ｓ１を前
記ローパスフィルタ46に通せば、上記変調による高周波
成分が除去されてその波形は図２の（ａ）のようにな
り、それがサンプリングクロックＣＬＫに基づいてサン
プリングされるから、Ａ／Ｄ変換後のデジタル画像信号
に上記変調による成分が残ることはない。以上述べたこ
とは、信号Ｓ２についても同様である。

【００２７】次に、図３を参照して本発明の第２実施例
について説明する。なお図３において、図１中の要素と
同等の要素には同番号を付し、それらについての重複し
た説明は省略する（以下、同様）。

【００２８】この第２実施例の走査型顕微鏡において
は、図１の装置において用いられた光ファイバー14、24
を振動させる手段が除かれ、その代りに照明光変調手段
として、照明光11の光路に挿入されたＰＢＳ60、λ／４
板61、ミラー62、このミラー62を図中上下方向に高速振
動させる振動子63、上記ＰＢＳ60を間に置いてミラー62
と対向するように配置されたミラー65、このミラー65と
ＰＢＳ60との間に配されたλ／４板64、およびミラー65
をミラー62と同様に高速振動させる振動子66が設けられ
ている。

【００２９】直線偏光した照明光11は、ＰＢＳ60の膜面
60ａで反射するように偏波面が調整された上で、該ＰＢ
Ｓ60に入射せしめられる。膜面60ａで反射した照明光11
は、λ／４板61により直線偏光から円偏光に変換され、
ミラー62で反射して円偏光の向きが逆向きとなって再度
λ／４板61に入射する。したがって照明光11がこのλ／
４板61を通過して直線偏光に変換されると、その偏光方
向は、ミラー62に向かう場合と比べて90°ずれることに
なる。そこで照明光11はＰＢＳ60の膜面60ａを透過し、
λ／４板64を通過してミラー65において反射する。この
場合も、照明光11の偏光状態の変換が、上記λ／４板61
およびミラー62によるのと同様になされる。したがっ
て、ミラー65で反射した照明光11はＰＢＳ60の膜面60ａ
で反射し、光ファイバー14側に進行する。

【００３０】このとき、ミラー62と65をそれぞれ振動子
63と66により高速振動させると、照明光11の光路長が変
化することにより、該照明光11の位相がランダムに変調
されるようになる。そこでこの場合も、照明光11の可干
渉性が低下して、前述の濃度ムラ発生が防止される。な
おこの位相変調も、サンプリングクロックＣＬＫの周波
数よりも十分に高い周波数でなされる。またそのための
振動子63、66としては、第１実施例で用いられた振動子
52、53と同様のものを用いればよい。

【００３１】以上説明した第２実施例におけるように、
本発明では、試料23からの光を変調することは必ずしも
必要ではなく、照明光11のみを変調すれば、濃度ムラの
発生を抑えることができる。しかし、試料23からの透過
光11’やあるいは反射光11”を光ファイバーによって光
検出器に導く場合は、それらの光をも変調すれば、濃度
ムラの発生はより低く抑えられるようになる。

【００３２】また、照明光11等を変調するに当たって
は、第１実施例におけるように振幅と位相の双方を変調
する他、第２実施例におけるように位相のみを変調して
もよい。位相のみを変調するためには、第２実施例のよ
うな手段を用いる他、例えば図４に示すような手段を用
いることもできる。この変調手段は、照明光11の光路に
挿入されたくさび形ガラス70と、このくさび形ガラス70
を照明光11のビーム中心と交わる方向（例えば図中の上
下方向）に高速振動させる振動子71とから構成されてい
る。この構成においてくさび形ガラス70を上述のように
高速振動させると、照明光11の光路長が変化することに
より、その位相が変調される。

【００３３】なお、くさび形ガラス70を上述のように高
速振動させる代りに、照明光11のビーム中心Ｃの周りに
高速回転させても、同様に照明光11の位相を変調させる
ことができる。

【００３４】一方本発明においては、照明光11やあるい
は透過光11’、反射光11”の振幅（強度）のみを変調さ
せてもよく、そうした場合にも前記濃度ムラの発生を防
止することができる。そのような変調を行なう具体的な
手段としては、例えばＡＯＭ（音響光学光変調器）やＥ
ＯＭ（電気光学光変調器）等を用いることができる。そ
のような変調手段は、一例として図１の装置に即して説
明すれば、図中矢印Ａで示す位置に挿入したり、あるい
は透過光11’を変調するために図中矢印Ｂで示す位置に
挿入すればよい。

【００３５】また、試料台22を移動させることによって
照明光光点の副走査を行なう代わりに、移動台15を移動
させることによってこの副走査を行なうようにしてもよ
い。また移動台15や試料台22の移動は、積層ピエゾ素子
を利用して行なう他、例えば音叉、ボイスコイルあるい
は超音波による固体の固有振動を利用した走査方式等を
用いて行なうことも可能である。

【００３６】さらに本発明は、カラー画像を撮像するよ
うに構成された走査型顕微鏡や、さらには走査型蛍光顕
微鏡、走査型位相差顕微鏡、走査型干渉顕微鏡等にも適
用可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例による走査型顕微鏡を示す
概略側面図

【図２】上記第１実施例の走査型顕微鏡における画像信
号およびサンプリングクロックの波形を示す概略図

【図３】本発明の第２実施例による走査型顕微鏡を示す
概略側面図

【図４】本発明に用いられる照明光変調手段の別の例を
示す側面図

【符号の説明】

７Ａ、７Ｂ、61、64 λ／４板８、60 偏光ビームスプリッタ９Ａ、９Ｂ λ／２板 10 単色光レーザ 11 照明光 11’ 透過光 11” 反射光 12、16、25 コリメーターレンズ 13、20、26、30 集光レンズ 14、24 偏波面保存光ファイバー 15 移動台 17、19 対物レンズ 18 送光光学系 21 受光光学系 22 試料台 23 試料 27、31 コンフォーカルアパーチャ 28、32 光検出器 36 架台 37、40、41 積層ピエゾ素子 38、42、43 ピエゾ素子駆動回路 45 制御回路 46、47 ローパスフィルタ 48、49 Ａ／Ｄ変換器 50、51 光ファイバー保持具 52、53、63、66、71 振動子 62、65 ミラー 70 くさび形ガラス

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ光源から発せられた照明光を試料
上に照射する送光光学系、および試料からの光を結像さ
せる受光光学系を移動台に搭載し、前記光源を移動台外に配して、そこから発せられた照明
光を光ファイバーにより前記送光光学系へ導くように
し、前記移動台を、試料が載置される試料台に対して相対的
に移動させることにより、前記照明光を試料上において
走査させ、前記結像した光を検出する光検出器の出力を、所定のサ
ンプリングクロックに基づいてサンプリングして、試料
の拡大像を担う画像信号を得る走査型顕微鏡において、前記照明光を、前記サンプリングクロックの周波数より
も高い周波数で変調する手段と、前記画像信号から、前記変調による高周波成分を除去す
るフィルターとが設けられたことを特徴とする走査型顕
微鏡。