JPH06331896A - 共焦点走査型光学顕微鏡の光学系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】ビームエクスパンダーの芯出しや位置決めを容
易に行なえるコンパクトな共焦点走査型顕微鏡の光学系
を提供する。 【構成】矢印Ｌの方向から入射した発散性ビームを反射
すると共に標本から来る検出光を透過するビームスプリ
ッター１２が設けられている。ビームスプリッター１２
と標本の間には、発散性ビームを平行ビームに変える凸
レンズ５０と、平行ビームを偏向することにより対物レ
ンズにより標本の検査面上に結ばれた微小スポットを走
査するガルバノミラー１６と１８が設けられている。ビ
ームスプリッター１２に対してその反対側には、凸レン
ズ５０により集束性ビームに変えられた検出光の集束の
度合いを弱める凹レンズ５２が設けられている。さら
に、検出光の集束面にはコンフォーカル絞り４２が配置
されており、その後方にコンフォーカル絞り４２を通過
した光を受光する光電子増倍管４４が設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、共焦点走査型顕微鏡の
光学系に関する。

【０００２】

【従来の技術】共焦点走査型光学顕微鏡は、例えば「T.
Wilson, "Theory and Practice of Scanning Optical
Microscopy" ACADEMICPRESS 1984」で述べられているよ
うに、共焦点（コンフォーカル）モードにおいてセクシ
ョニング効果を有し、非共焦点（ノンコンフォーカル）
モードにおいては通常の顕微鏡と同じ結像特性を有する
ことが知られている。

【０００３】このような走査型光学顕微鏡の検出光学系
の一例が特願平３−２２７４３８に開示されている。そ
の構成を図８に示す。Ｌ方向から入射したレーザービー
ムはビームスプリッター１２で反射されミラー１４に向
かう。ミラー１４で反射されたレーザービームは、ビー
ムを走査するための二つのガルバノミラー１６と１８を
経て、ミラー２０で反射されて瞳投影レンズ２２に入射
する。瞳投影レンズ２２を通過したレーザービームは、
対物レンズ（図示せず）の像面にスポットを結び、二つ
のガルバノミラー１６と１８の回転によって像面上を二
次元走査される。このスポットは対物レンズによって標
本面上に集光され標本を走査する。

【０００４】標本からの反射光や蛍光などの検出光は同
じ経路をたどってビームスプリッター１２まで戻る。ビ
ームスプリッター１２はレーザーからの照明光と標本か
らの検出光とを分離する。標本からの検出光はこれを通
過してミラー２４で反射される。

【０００５】ミラー２４で反射された検出光は、凸レン
ズ５０と凹レンズ５２の組み合わせによるテレフォトタ
イプのコンフォーカルスポット投影レンズ３２に入射し
集束されながら、四枚のミラー３４、３６、３８、４０
で順に反射され、スポットがコンフォーカル絞り４２に
投影される。そして、コンフォーカル絞り４２を通過し
た光が光電子増倍管４４に入射する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】図８において、Ｌ方向
から入射させるレーザービームは、レーザー発振器から
の光を対物レンズの瞳を満たすような所定の径以上の太
さの平行光束としてコリメートした後、ビームスプリッ
ター１２に入射させている。

【０００７】通常のレーザー発振器からのレーザービー
ム径は約０．５〜１．０ｍｍであり、顕微鏡の瞳を満た
すために約五〜十倍に拡大する必要がある。このような
ビーム径の拡大は、図９に示すようなビームエクスパン
ダーで行なわれる。ビームエクスパンダーは焦点距離の
異なる二枚の凸レンズ６６と６８を組み合わせて構成さ
れ、各々の凸レンズ６６と６８の焦点距離の比がビーム
径拡大倍率となる。ここで、二枚の凸レンズ６６と６８
の中間に結像されるスポットの部分にピンホール６７を
置き、レーザー発振器６０の高次の発振モード等の不要
光を除去するための空間フィルターとして用いることも
できる。

【０００８】このような構成のビームエクスパンダーを
小型化するためには、二枚の凸レンズの焦点距離を短く
する必要がある。しかし、二枚の凸レンズの焦点距離を
短くすると、各々のレンズのパワーが増大するととも
に、中間に結像するスポット径が小さくなるため、小型
化したビームエクスパンダーの芯出しや位置決めは難し
くなる。本発明は、ビームエクスパンダーの芯出しや位
置決めを容易に行なえるコンパクトな共焦点走査型顕微
鏡の光学系を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の共焦点走査型光
学顕微鏡の光学系は、発散性ビームを射出するビーム射
出手段と、発散性ビームを平行ビームに変える凸レンズ
と、平行ビームを標本の検査面に微小スポットとして投
影する対物レンズと、凸レンズと対物レンズの間の光軸
上に設けた、微小スポットを走査するために平行ビーム
を偏向するビーム走査手段と、ビーム射出手段と凸レン
ズの間の光軸上にあり、微小スポットが位置する標本の
検査面上の微小領域から放射された検出光を選択的に抽
出する検出光抽出手段と、凸レンズを通過した検出光の
集束性の度合いを弱める凹レンズと、標本の検査面に関
して共焦点の位置に配置したピンホールと、ピンホール
を通過した光を受光する光検出器とを備えている。

【００１０】

【作用】ビーム射出手段は、例えば、レーザービームを
射出するレーザー光源と、上記の凸レンズよりも焦点距
離の短い第二の凸レンズとで構成される。この場合、第
二の凸レンズと上記凸レンズとでビームエクスパンダー
が構成される。このようなビームエクスパンダーにおい
て、不要光を除去するため二枚の凸レンズの共通の焦点
位置にピンホールを配置してもよい。また、ビーム射出
手段は、発散性のビームを射出する光源あるいは光ファ
イバー端で構成してもよい。

【００１１】ビーム射出手段から射出された発散性ビー
ムは、検出光抽出手段を通過した後、凸レンズにより平
行ビームに変えられる。平行ビームは、ビーム走査手段
を通過した後、対物レンズにより集光され、標本の検査
面に微小スポットが形成される。この微小スポットは、
ビーム走査手段が平行ビームを偏向することにより、検
査面上を走査される。ビームが照射された検査面の微小
スポットの位置からは、反射光あるいは蛍光や燐光など
の検出光が放射される。検出光は、上述した対物レン
ズ、ビーム走査手段、凸レンズを順に通過し、検出光抽
出手段に入射する。検出光抽出手段は例えばビームスプ
リッターで構成される。このビームスプリッターは、ビ
ーム射出手段からの発散性ビームを反射する場合は検出
光を透過し、発散性ビームを透過する場合は検出光を反
射する。検出光抽出手段を通過した検出光は、凹レンズ
を通過し、ピンホールを介して光検出器に入射する。こ
の凹レンズは上記の凸レンズと組み合わさってテレフォ
トタイプのスポット投影レンズを構成する。このスポッ
ト投影レンズは実効的には長い焦点距離を持ち、これに
より集光されたビームのビームウェストは太いものとな
る。従って、ピンホールに径の大きなものが使用でき、
光学調整が比較的容易に行なえる。

【００１２】

【実施例】次に図面を参照しながら本発明の実施例につ
いて説明する。本実施例の共焦点走査型光学顕微鏡の光
学系を図１に示す。また、図１のＬ方向から入射する光
ビームを射出する光学系を図２に、図１中のレンズ５０
と共に示す。

【００１３】図２に示すように、レーザー発振器６０か
ら射出されたレーザービームは凸レンズ６２により集束
性ビームに変えられる。この集束性ビームの集束面（集
束点を通り光軸に直交する面）には、ピンホールを有す
るピンホール板６４が配置されている。ピンホール板６
４はビームとして不所望な光を遮断する。ピンホールか
らは発散性ビームが射出され、この発散性ビームは後に
通過する凸レンズ５０（図１参照）により平行ビームに
変えられる。

【００１４】ピンホールからの発散性ビームは図１の光
学系に矢印Ｌの方向から入射する。ビームスプリッター
１２は、この発散性ビームを凸レンズ５０に向けて反射
する。ビームスプリッター１２で反射された発散性ビー
ムは凸レンズ５０で平行ビームに変えられる。この平行
ビームはミラー１４で反射された後、ビームを走査する
ための二枚のガルバノミラー１６と１８で順に反射さ
れ、続いてミラー２０で反射され瞳投影レンズ２２に入
射する。瞳投影レンズ２２を通過したレーザービーム
は、図示していない対物レンズにより集光され、標本の
検査面上にスポットを結ぶ。このスポットは、二枚のガ
ルバノミラー１６と１８を用いてビームを振ることによ
り、検査面上を二次元的に走査される。

【００１５】標本の検査面からの反射光や蛍光などの検
出光は入射時の光路を逆進し、すなわち対物レンズ、ミ
ラー２０、ガルバノミラー１８、ガルバノミラー１６、
ミラー１４を通過し、凸レンズ５０で集束性ビームに変
えられ、ビームスプリッター１２に達する。ビームスプ
リッター１２は標本から来る検出光は透過する。

【００１６】ビームスプリッター１２を通過した検出光
はミラー２４で反射され、凹レンズ５２に入射する。凹
レンズ５２は、凸レンズ５０と相俟ってテレフォトタイ
プのコンフォーカルスポット投影レンズを構成してお
り、凸レンズ５０で変えられた集束性ビームの集束の度
合いを弱める。つまり凹レンズ５２は、凸レンズ５０か
らの集束性ビームの収斂角を弱める。このテレフォトタ
イプのコンフォーカルスポット投影レンズの実効的な焦
点距離は、凸レンズ５０からビームの集束点までの距離
よりも長いものとなっている。凹レンズ５２を通過した
検出光は、ミラー３４、３６、３８、４０で順に反射さ
れ、標本の検査面に形成されたスポットの像がコンフォ
ーカル絞り４２に投影される。コンフォーカル絞り４２
を通過した光が光電子増倍管４４に入射する。

【００１７】テレフォトタイプのコンフォーカルスポッ
ト投影レンズの詳細は特願平４−２０５３８２に開示さ
れている。凸レンズ（第一レンズ）５０に焦点距離１０
０ｍｍのもの、凹レンズ（第二レンズ）５２に焦点距離
−１０ｍｍのものを用い、これらをレンズ間隔９０ｍｍ
で配置して構成してもよい。あるいは、第一レンズ（凸
レンズ）に焦点距離１００ｍｍのもの、第二レンズ（凹
レンズ）に焦点距離−３３ｍｍのものを用いて構成した
テレフォトレンズを二段連ねて構成してもよい。いずれ
の場合も第一レンズ（凸レンズ５０）の焦点距離は１０
０ｍｍであり、これを基に図２の光学系を設計すればよ
い。すなわち、図２の光学系においてビーム拡大率Ｍを
得るためには、凸レンズ５０には焦点距離が（１００／
Ｍ）のものを用いればよい。

【００１８】ここで数値をあげてより具体的に説明しよ
う。レーザー発振器６０の射出するビームの径を１ｍ
ｍ、瞳投影レンズで投影された対物レンズの瞳径を２．
５ｍｍとする。この場合、ビーム拡大倍率Ｍ＝２．５／
１＝２．５倍となる。従って、凸レンズ６２には、焦点
距離が１００／２．５＝４０ｍｍのものが適当である。
この凸レンズ６２で結ばれるスポットの径は、波長が４
８８ｎｍの場合、約２５μｍとなる。従って、ピンホー
ル板６４のピンホールの径は、約２５μｍ＋調整代が適
当であることがわかる。これは、図９の光学系において
二枚の凸レンズ６６と６８をそれぞれ焦点距離が１０ｍ
ｍと２５ｍｍのもので構成した場合に比べ、スポット径
とピンホール径が約四倍になっており、機械的な調整精
度が緩和され調整し易くなっている。

【００１９】また、図１と図８を見比べると分かるよう
に、テレフォトタイプのコンフォーカルスポット投影レ
ンズが標本側に移動しているため、ビームスプリッター
１２から光電子増倍管４４に至るまでの光路長が短くな
っている。従って、光学系全体を小さく構成することが
できる。また、テレフォトタイプのコンフォーカルスポ
ット投影レンズとビームエクスパンダーが一枚の凸レン
ズ５０を共用しているので光学素子が少なくなる。この
結果、製造コストが低くなる。

【００２０】図２に示したレーザービームを射出する光
学系に代わる別の光学系を図３に示す。図３の光学系
は、凸レンズでビームを集束させる代わりに凹レンズ７
０でビームを発散させてビーム径を拡大しており、凹レ
ンズ７０の虚像が上記のスポット径約２５μｍの仮想光
源となるように構成されている。この光学系では、凹レ
ンズの後方に形成される虚像を仮想光源としているの
で、光路長が短縮され、装置が小型化される。

【００２１】ところで、レーザー発振器の機械的な振動
や発熱の影響を避けるために、レーザーを顕微鏡から遠
ざけて設置し、レーザービームをファイバーで顕微鏡に
導入する場合がある。シングルモードファイバーでレー
ザービームを顕微鏡に導入する場合におけるレーザービ
ーム射出光学系を三例、図４〜図６に示す。ファイバー
径が上記のスポット径と同等の大きさで、しかもビーム
の発散角が小さい場合には、図４に示すように、ファイ
バー端を直接光源として用いてもよい。しかし、通常の
ファイバー径は１μｍオーダーでかなり小さく発散角が
大きいため、図５に示すように、ファイバー端を凸レン
ズで拡大して用いる必要がある。図６に示すように、や
やパワーの小さい（焦点距離がやや長めの）凸レンズで
虚像を結ぶようにして用いれば、光路長が短くなり装置
が小型化される。

【００２２】また、必要に応じて図７に示す光学系を構
成できるように、二枚のミラー２８と３１を図１の光学
系の光路の途中に適宜挿入できるように設けてもよい。
図７の光学系では、標本からの検出光は凸レンズ５０に
より集束され、標本の検査面上の微小スポットの像がコ
ンフォーカル絞り４２に投影される。このとき、スポッ
ト結像レンズの焦点距離が約四十分の一に短縮され、コ
ンフォーカル絞り４２上のスポット径は約四十分の一に
なる。これにより、特願平３−２２７４３８に開示され
ているように、コンフォーカルモードとノンコンフォー
カルモードとが容易に切り換えられる。図１の光学系に
適宜挿入可能な二枚のミラー２８と３１を付加した光学
系では、ノンコンフォーカル時のスポット結像レンズと
テレフォトタイプのコンフォーカルスポット投影レンズ
の第一レンズ（凸レンズ）とが共用されており、光学系
がより簡略化され製造コストの低減ができる。また、ミ
ラー２８と３１を適宜挿入できるように設ける代わり
に、ミラー２４とミラー３８を適宜取り除けるように構
成しても同様の効果を得ることができる。

【００２３】

【発明の効果】本発明によれば、装置構成を大きくする
ことなく、凸レンズに焦点距離の長いものを使用できる
ので、芯出しや位置決めを容易に行なえるコンパクトな
共焦点走査型顕微鏡の光学系が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の共焦点走査型光学顕微鏡の光
学系を示す。

【図２】図１の光学系に入射するレーザービームを射出
する光学系を示す。

【図３】図１の光学系に入射するレーザービームを射出
する別の光学系を示す。

【図４】レーザービームをファイバーで顕微鏡に導入す
る場合におけるレーザービーム射出光学系を示す。

【図５】レーザービームをファイバーで顕微鏡に導入す
る場合における別のレーザービーム射出光学系を示す。

【図６】レーザービームをファイバーで顕微鏡に導入す
る場合における更に別のレーザービーム射出光学系を示
す。

【図７】図１の光学系の光路の途中に二枚のミラーを挿
入したノンコンフォーカルモードの光学系を示す。

【図８】特願平３−２２７４３８に開示されている走査
型光学顕微鏡の光学系を示す。

【図９】ビームエクスパンダーの構成を示す。

【符号の説明】

１２…ビームスプリッター、１６、１８…ガルバノミラ
ー、４２…コンフォーカル絞り、４４…光電子増倍管、
５０…凸レンズ、５２…凹レンズ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 発散性ビームを射出するビーム射出手段
   と、 発散性ビームを平行ビームに変える凸レンズと、 平行ビームを標本の検査面に微小スポットとして投影す
   る対物レンズと、 凸レンズと対物レンズの間の光軸上に設けた、微小スポ
   ットを走査するために平行ビームを偏向するビーム走査
   手段と、 ビーム射出手段と凸レンズの間の光軸上にあり、微小ス
   ポットが位置する標本の検査面上の微小領域から放射さ
   れた検出光を選択的に抽出する検出光抽出手段と、 凸レンズを通過した検出光の集束性の度合いを弱める凹
   レンズと、 標本の検査面に関して共焦点の位置に配置したピンホー
   ルと、 ピンホールを通過した光を受光する光検出器とを備えて
   いる共焦点走査型光学顕微鏡の光学系。