JPH0643369A - レーザ走査顕微鏡における２次元スキャナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、小型で精度の高いレーザ走査顕微
鏡用の二次元スキャナを提供することを目的とする。 【構成】 本発明による二次元スキャナは２枚のスキャ
ナミラー（１２，１７）から成り、第１のミラー（１
２）を回動した場合におけるこのミラーによる反射レー
ザビームの仮想振れ中心と、瞳投影レンズ（１１）の光
軸（Ｌ）上の入射瞳位置とが実質的に一致するように、
第１のミラーは位置決めされている。更に、第２のミラ
ー（１７）による反射レーザビームの仮想振れ中心から
瞳投影レンズまでの光路長と、瞳投影レンズの入射瞳位
置から瞳投影レンズまでの長さとが実質的に一致するよ
う、位置決めされている。この配置においては、レーザ
ビームの仮想振れ中心と瞳投影レンズの入射瞳とが実質
的に一致する。また、レーザビームの入射角度の関係上
から、第２のスキャナミラーを小型化することができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ走査顕微鏡にお
いて使用される２枚のスキャナミラーから成る二次元ス
キャナに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般的なレーザ走査顕微鏡は、レーザビ
ームを試料に走査しながら照射し、試料からの反射光を
検出器により検出して、試料の像をモニタ等で形成する
構成となっている。このようなレーザ走査顕微鏡におい
て使用可能な二次元スキャナとして、図５及び図６に示
すような２枚のスキャナミラーから成るものが従来から
知られている（特開昭６３−１６９６１２号）。

【０００３】２枚のスキャナミラーを単に組み合わせた
だけであっても、レーザビームの走査は可能である。し
かし、このような二次元スキャナでは、スキャナから射
出されるレーザビームの仮想的な振れ中心（本明細書で
は「仮想振れ中心」という）が一定とはならないため、
レーザ走査顕微鏡に適用することはできない。図５及び
図６に示す従来の二次元スキャナは、かかる問題点を解
決した構成となっている。なお、図５は、二次スキャナ
の構成を概略的に示す斜視図であり、図６は、構成要素
を同一平面に配置したものとして示した概略図である。

【０００４】この二次元スキャナの第１のスキャナミラ
ー１は、レーザ走査顕微鏡の瞳投影レンズ２に対向して
配置され、その回転軸線３はミラー面上で延びている。
また、第２のスキャナミラー４は、第１のスキャナミラ
ー１に対向して配置され、そのミラー面から離隔された
回転軸線５を中心として回動されるようになっている。
第１のスキャナミラー１の回転軸線３は、瞳投影レンズ
２の光軸Ｌに直交している。また、第２のスキャナミラ
ー４の回転軸線５は第１のスキャナミラー１の回転軸線
３と直交している。更に、第２のスキャナミラー４の回
転軸線５と、瞳投影レンズ２の光軸Ｌとの間の距離Ｒ
は、第１のスキャナミラー１と第２のスキャナミラー４
との間の平均中心距離Ｒ′に実質的に等しくされてい
る。

【０００５】このような配置においては、レーザ光源６
からのレーザビームは第２のスキャナミラー４により反
射されて第１のスキャナミラー１に入射されるが、第１
のスキャナミラー１のミラー面への入射点はほぼ一定と
なる。従って、この入射点を瞳投影レンズ２の光軸Ｌ上
の入射瞳Ｐに一致させた場合には、試料からの反射光は
レーザビームと同一光路を逆行し、レーザ光源６と第２
のスキャナミラー４との間に配置されたビームスプリッ
タ７により偏向されて検出器８で検出することが可能と
なる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述した配置構成の従
来の二次元スキャナにおいては、第１及び第２のスキャ
ナミラー１，４、レーザ光源６及びビームスプリッタ７
をほぼ同一の高さ位置に配置する必要がある。従って、
構成要素間の干渉を避けるため、第２のスキャナミラー
４を支持しているアーム９は比較的長くなり、スキャナ
全体が大型化する傾向があった。

【０００７】また、第１のスキャナミラー１へのレーザ
ビームの入射角度は約４５度となる。図７から理解され
る通り、入射角度βが４５度の場合（図７の（ａ））
は、入射角度βを４５度以上にした場合（図７の
（ｂ））に比して、ミラー面の面積が大きくなる。第１
のスキャナミラー１はガルバノメータのような駆動装置
１０の回転軸に直接接続されるため、第２のスキャナミ
ラー４よりも高速で回動されるのが好ましいが、ミラー
面が大きくなり質量が増大した場合、応答周波数が低減
するため、回動速度が制限されてしまうという問題があ
る。

【０００８】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
であり、小型で精度のより高いレーザ走査顕微鏡用の二
次元スキャナを提供することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、レーザ走査顕微鏡の瞳投影レンズに対向
して配置され、かつ、瞳投影レンズの光軸に直交する第
１の回転軸線を中心として回動するよう支持された第１
のスキャナミラーと、この第１のスキャナミラーに対向
して配置され、かつ、瞳投影レンズの光軸と平行な第２
の回転軸線を中心として回動するよう支持された第２の
スキャナミラーとを備え、レーザ光源からのレーザビー
ムを第２のスキャナミラーにより反射し、この反射レー
ザビームを第１のスキャナミラーにより反射して瞳投影
レンズに入射するようにした二次元スキャナにおいて、
第１の回転軸線が、第１のスキャナミラーのミラー面が
形成する面と平行に延びると共に、この面から所定の距
離をもって離隔されており、第１のスキャナミラーを回
動した場合におけるこの第１のスキャナミラーによる反
射レーザビームの仮想振れ中心と、瞳投影レンズの光軸
上の入射瞳位置とが実質的に一致するように、第１のス
キャナミラーが位置決めされ、更に、第２のスキャナミ
ラーを回動した場合におけるこの第２のスキャナミラー
による反射レーザビームの仮想振れ中心から瞳投影レン
ズまでの光路長と、瞳投影レンズの入射瞳位置から瞳投
影レンズまでの長さとが実質的に一致するように、第２
のスキャナミラーが位置決めされていることを特徴とす
る。

【００１０】

【作用】このような構成によれば、第１のスキャナミラ
ーによるレーザビームの仮想振れ中心が、第２のスキャ
ナミラーによるレーザビームの仮想振れ中心に一致する
こととなる。即ち、瞳投影レンズの入射瞳が第２のスキ
ャナミラーによる仮想振れ中心と実質的に一致し、よっ
て、レーザビームは常に瞳投影レンズの入射瞳で偏向さ
れるものとみなされる。

【００１１】請求項２に記載したように、第２のスキャ
ナミラーの回転軸線がそのミラー面上の２点を通る場
合、第２のスキャナミラーによるレーザビームの振れ中
心はそのミラー面上に位置するため、精度は極めて高く
なる。なお、請求項３に記載したように、第２のスキャ
ナミラーの回転軸線をそのミラー面から偏位させること
も可能である。

【００１２】また、上記の配置においては、第１及び第
２のスキャナミラーとレーザ光源とが同一水準にあれ
ば、第２のスキャナミラーに対するレーザ光源の位置は
比較的に自由に定められ、第２のスキャナミラーへのレ
ーザビームの入射角度は４５度以上にすることができ
る。従って、第２のスキャナミラーの小型化が可能であ
り、第２のスキャナミラーを高速で回動し、第１のスキ
ャナミラーを低速で回動するのが好適である。

【００１３】

【実施例】以下、図面と共に本発明の好適な実施例につ
いて詳細に説明する。

【００１４】図１〜図３は本発明による二次元スキャナ
を示し、図１はその概略斜視図、図２は垂直断面図、図
３は平面概念図である。

【００１５】図中、符号１１はレーザ走査顕微鏡の瞳投
影レンズであり、その垂直上方に、二次元スキャナを構
成する第１のスキャナミラー１２が配置されている。こ
の第１のスキャナミラー１２は、低速ガルバノメータ１
３の回転軸１４に固定されたミラー支持部材１５により
支持されている。ガルバノメータ１３の回転軸１４の回
転軸線（第１の回転軸線）１６は瞳投影レンズ１１の光
軸Ｌに直交している。第１のスキャナミラー１２のミラ
ー面が形成する面は、この回転軸線１６と平行に延び、
かつ、一定の距離ｒをもって離隔されている。また、瞳
投影レンズ１１の光軸Ｌに沿い回転軸線１６に直交する
面での断面図である図２に示すように、第１のスキャナ
ミラー１２は、その基準位置（実線で示す位置）では瞳
投影レンズ１１の光軸Ｌに対して４５度の角度で傾斜さ
れている。なお、第１のスキャナミラー１２のミラー面
と瞳投影レンズ１１の光軸Ｌとの交点を基準点Ｃ₁ と称
することとする。

【００１６】第１のスキャナミラー１２の側方には、二
次元スキャナの他の構成部材である第２のスキャナミラ
ー１７が対向配置されている。第２のスキャナミラー１
７のミラー面は瞳投影レンズ１１の光軸Ｌと平行に配置
されており、その中心にある基準点Ｃ₂ は第１のスキャ
ナミラー１２の基準点Ｃ₁ とほぼ同一の水準Ｈにある。
第２のスキャナミラー１７は高速ガルバノメータ１８の
回転軸１９に接続されている。このガルバノメータ１８
の回転軸１９の回転軸線（第２の回転軸線）２０は、瞳
投影レンズ１１の光軸Ｌと平行に延び、更に、第２のス
キャナミラー１７のミラー面上の基準点Ｃ₂ を通って延
びている。

【００１７】また、図２に示すように、第１のスキャナ
ミラー１２の回転軸線１６から、第１のスキャナミラー
１２のミラー面の形成する面上に下ろした垂線の足を点
Ｏとした場合、第２のスキャナミラー１７の回転軸線２
０はこの点Ｏを通るように配置されている。

【００１８】このような構成において、第１及び第２の
スキャナミラー１２，１７と同一水準に配置されたレー
ザ光源２１からレーザビームを発して第２のスキャナミ
ラー１７の基準点Ｃ₂ に照射すると、基準状態にある場
合、このレーザビームは反射されて第１のスキャナミラ
ー１２の基準点Ｃ₁ に入射される。この状態では、第１
のスキャナミラー１２により反射されたレーザビーム
は、瞳投影レンズ１１の光軸Ｌに沿って瞳投影レンズ１
１に入射される。ここで、低速ガルバノメータ１３を駆
動して第１のスキャナミラー１２を回動させると、レー
ザビームは二点鎖線で示す光路に沿って進む。この時の
反射レーザビームの仮想振れ中心は光軸Ｌ上の点Ｑとな
る。この点Ｑの位置を数式により求めると、次のように
なる。

【００１９】

【数１】

【００２０】この式から、実際の走査での回動角度の範
囲内では、ｓはほぼｒ／√２となり、点Ｑはほぼ一定と
なることが判る。従って、光軸Ｌから基準点Ｃ₂ までの
光路長がｒ／√２となる上記構成においては、仮想振れ
中心Ｑは、第２のスキャナミラー１７のミラー面上の基
準点Ｃ₂ に一致しているものとみなすことができる。こ
の結果、瞳投影レンズ１１の光軸Ｌ上の入射瞳が点Ｑに
一致するよう二次元スキャナを配置することで、瞳投影
レンズ１１の入射瞳も第２のスキャナミラー１７の基準
点Ｃ₂ に実質的に一致させることができる。

【００２１】図４は、本発明による二次元スキャナにお
いて第１のスキャナミラー１２を回動させた場合の振れ
中心の横ずれと、図５に示す従来の二次元スキャナにお
いて第２のスキャナミラー４を回動させた場合の振れ中
心の横ずれとを比較したグラフである。この比較におい
て、寸法的に同等のものとするため、図２におけるｒと
図５におけるＲを共に１とした。

【００２２】図４に示すように、本発明による二次元ス
キャナの振れ中心の横ずれは小さく、この図からも瞳投
影レンズ１１の入射瞳が第２のスキャナミラー１７の基
準点Ｃ₂ に実質的に一致することが判る。また、その横
ずれは従来の二次元スキャナよりも小さく、精度は更に
向上されていることも判る。

【００２３】このように、レーザビームは実質的に瞳投
影レンズ１１の入射瞳で偏向されることとなるので、レ
ーザビームが照射された試料（図示しない）からの反射
光はレーザビームと同一光路を逆行し、ビームスプリッ
ター２２により反射光検出器２３に確実に導かれる。

【００２４】図３は、本発明の二次元スキャナにおける
第１及び第２のスキャナミラー１２，１７の配置を概念
的に示す平面図であるが、この図から諒解される通り、
第２のスキャナミラー１７へのレーザビームの入射角度
βを４５度以上に設定することが可能である。従って、
図７に沿って前述したように、入射角度βを４５度とし
た場合に比してスキャナミラーのミラー面を小さくする
ことができる。

【００２５】図７の紙面に沿うミラー面の幅をａ、これ
に垂直な方向の長さをｂとした場合、スキャナミラーの
慣性モーメントＩは次式で求められる。

【００２６】

【数２】

【００２７】ここで、ｍは単位面積当たりのスキャナミ
ラーの質量である。

【００２８】従って、スキャナミラーの正弦波最高応答
周波数ｆは次式となる。

【００２９】

【数３】

【００３０】ここで、φはレーザビームの振れ角、Ｔは
トルクである。

【００３１】この式（３）から、応答周波数ｆはａ³ に
反比例し、ミラー面が小さいほど、スキャナミラーの応
答周波数が大きくなる。従って、従来のスキャナのスキ
ャナミラー１よりも更に高速で第２のスキャナミラー１
７を回動させることが可能となる。これにより、走査速
度を上げることができ、レーザ走査顕微鏡の処理速度を
向上させることができる。

【００３２】上記実施例では、第２のスキャナミラー１
７のミラー面内を通る軸線を回転軸線としているが、図
２においてｘで示すように、ミラー面から後方に偏位し
た位置に回転軸線を配置しても良い。この場合、ミラー
面と回転軸線ｘとの間に、第２のスキャナミラー１７に
よる反射レーザビームの仮想振れ中心が配置されるが、
この振れ中心から第１のスキャナミラー１２の基準点Ｃ
₁ までの長さと、第１のスキャナミラー１２による仮想
振れ中心である点Ｑから基準点Ｃ₁ までの距離を一致さ
せることで、上記構成と同様に、レーザビームは常に入
射瞳を通過する。このように第２のスキャナミラー１７
の回転軸線を偏位させることにより、スキャナの設計上
の余裕度が増し、有効である。

【００３３】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、二次元
スキャナを通るレーザビームは実質的に顕微鏡本体の瞳
投影レンズの入射瞳で偏向されることとなり、極めて精
度の高い検出結果を得ることが可能となる。

【００３４】また、この配置によれば、第２のスキャナ
ミラーを小型軽量化することができ、高速で回動させる
ことができる。よって、スキャナの走査速度が向上し、
ひいてはレーザ走査顕微鏡の処理速度が向上する。ま
た、第２のスキャナミラーの小型化により、スキャナ全
体の小型化も可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による二次元スキャナを概略的に示す斜
視図である。

【図２】図１の二次元スキャナの垂直断面図であり、ガ
ルバノメータの省略して示す図である。

【図３】本発明による二次元スキャナのスキャナミラー
の配置を概念的に示す平面図である。

【図４】本発明による二次元スキャナと従来の二次元ス
キャナにおける仮想振れ中心の横ずれを示すグラフであ
る。

【図５】従来の二次元スキャナの構成を概略的に示す斜
視図である。

【図６】従来の二次元スキャナの構成要素を同一平面に
配置して示す概念図である。

【図７】ミラー面の寸法とレーザビームの入射角度との
関係を示す説明図である。

【符号の説明】

１１…瞳投影レンズ、１２…第１のスキャナミラー、１
３…低速ガルバノメータ、１６…第１の回転軸線、１７
…第２のスキャナミラー、１８…高速ガルバノメータ、
２０…第２の回転軸線、２１…レーザ光源、２２…ビー
ムスプリッター、２３…反射光検出器。

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【手続補正書】

【提出日】平成４年７月２９日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図２

【補正方法】変更

【補正内容】

【図２】

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ走査顕微鏡の瞳投影レンズに対向
   して配置され、かつ、前記瞳投影レンズの光軸に直交す
   る第１の回転軸線を中心として回動するよう支持された
   第１のスキャナミラーと、この第１のスキャナミラーに
   対向して配置され、かつ、前記瞳投影レンズの光軸と平
   行な第２の回転軸線を中心として回動するよう支持され
   た第２のスキャナミラーとを備え、レーザ光源からのレ
   ーザビームを前記第２のスキャナミラーにより反射し、
   この反射レーザビームを前記第１のスキャナミラーによ
   り反射して前記瞳投影レンズに入射するようにした二次
   元スキャナにおいて、 前記第１の回転軸線は、前記第１のスキャナミラーのミ
   ラー面が形成する面と平行に延びると共に、この面から
   所定の距離をもって離隔されており、 前記第１のスキャナミラーを回動した場合におけるこの
   第１のスキャナミラーによる反射レーザビームの仮想振
   れ中心と、前記瞳投影レンズの光軸上の入射瞳位置とが
   実質的に一致するように、前記第１のスキャナミラーは
   位置決めされ、 前記第２のスキャナミラーを回動した場合におけるこの
   第２のスキャナミラーによる反射レーザビームの仮想振
   れ中心から前記瞳投影レンズまでの光路長と、前記入射
   瞳位置から前記瞳投影レンズまでの長さとが実質的に一
   致するように、前記第２のスキャナミラーは位置決めさ
   れていることを特徴とするレーザ走査顕微鏡における２
   次元スキャナ。
2. 【請求項２】 前記第２の回転軸線は、前記第２のスキ
   ャナミラーのミラー面が形成する面上の２点を通ってい
   ることを特徴とする請求項１記載のレーザ走査顕微鏡に
   おける２次元スキャナ。
3. 【請求項３】 前記第２の回転軸線は、前記第２のスキ
   ャナミラーのミラー面が形成する面と平行に延びると共
   に、この面から所定の距離をもって離隔されていること
   を特徴とする請求項１記載のレーザ走査顕微鏡における
   ２次元スキャナ。
4. 【請求項４】 前記第１のスキャナミラーは比較的低速
   で回動され、前記第２のスキャナミラーは比較的高速で
   回動されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１
   項に記載のレーザ走査顕微鏡における２次元スキャナ。