JPH0651206A - 共焦点光学系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】ピンホール等の開口の位置調整、及び、共焦点
効果の調整が容易でかつ小形な共焦点光学系を提供する
ことにある。 【構成】光源１２からの光を試料面２２に集束させる対
物レンズ２０と、対物レンズ２０の光の集束点を試料に
対して相対的に移動させる移動手段と、試料からの光を
集束させる結像レンズと、この集束光を選択的に通過さ
せる光彩絞り５１と、この光彩絞り５１を通過した光を
受光する光電検出器３４とを備えた共焦点光学系におい
て、試料側に配置された凸レンズ２６と光電検出器側に
配置された凹レンズ２８からなる結像レンズ２７と、試
料側に配置された凸レンズ４９と光電検出器側に配置さ
れた凹レンズ５２からなる結像レンズ５０とを配置した
もの。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、走査型レーザー顕微鏡
（ＳＬＭ）等に使用される共焦点光学系に関する。

【０００２】

【従来の技術】共焦点光学系は、従来の顕微鏡に比べて
結像特性が優れ、最近注目されている走査型レーザー顕
微鏡において利用されている。図５は従来の共焦点光学
系の一例を説明するための図である。光源１２から射出
された光は、コリメートレンズ１４により平行光束とな
り、偏光ビームスプリッター１６で反射された後、対物
レンズ２０により試料面２２に集光される。試料面２２
で反射された光は対物レンズ２０に入射し再び平行光束
となり、偏光ビームスプリッター１６に入射する。この
光は、１／４波長板（λ／４板）１８を２回通過するこ
とにより、偏光方向が９０°回転されるため、偏光ビー
ムスプリッター１６を通過し、結像レンズ２４に入射す
る。結像レンズ２４により集光された光は、結像レンズ
２４の焦点面に配置された遮光板３０のピンホール３２
を通過し、光電検出器３４で受光される。対物レンズ２
０の合焦位置にある試料面２２からの光は、実線で示し
た光路に沿って進み、ピンホール３２を通過できるが、
非合焦位置にある試料面２２、例えば、２３で示される
面からの光の大部分は、破線で示した光路に沿って進む
ため、ピンホール３２を通過できない。従って、光電検
出器３４により得られる画像は、合焦位置にある試料面
２２の情報のみを含むため、コントラストのある解像度
の高いものとなる。また、このように特定の試料面２２
の像を得られる光学系は、光軸方向に分解能を有するこ
とを意味し、いわゆるオプチカルセクショニングを行な
うことができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このような従来の共焦
点光学系では、一般に結像レンズ２４は１枚の凸レンズ
で構成される。この結像レンズ２４に焦点距離の短いも
のを用いた場合、図６に示すように、エアリディスク径
Ｗ２は数十μｍと非常に小さくなる。共焦点光学系で
は、エアリディスクの径に見合った径のピンホール３２
を使用する必要があるため、エアリディスクの径が細く
なるとピンホール３２の光学的な位置調整が困難になる
という不都合がある。また、逆に結像レンズ２４に焦点
距離の長いものを用いた場合は、図７に示すように、エ
アリディスクの径Ｗ３は大きくなる。従って、ピンホー
ル３２もその径が大きいものが使用できるため光学的な
調整は容易になる。しかし、その反面、結像レンズ２４
の焦点距離が長いので、装置が大型になるという不都合
がある。

【０００４】また、従来前述の例とは異なる例として、
図５のピンホール３２の代わりに光採絞りを用いて共焦
点効果（セクショニング効果）を可変とする構成がＵＫ
Ｐａｔｅｎｔ ＧＢ ２１８４３２１Ｂに開示されて
いる。通常の光採絞りの最小径は、機構上１ｍｍ以下に
することが困難であり、大きなエアリディスク径を得る
ためには、概略１〜４ｍもの長い光路長が必要となり、
装置がより一層大型化してしまうという欠点があった。

【０００５】本発明は、このような欠点を除去するため
なされたもので、ピンホール等の開口の位置調整、及
び、共焦点効果の調整が容易でかつ小形な共焦点光学系
を提供すること目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、請求項１に対応する発明は、光源と、この光源から
の光を試料に集束させる対物レンズと、この対物レンズ
の光の集束点を試料に対して相対的に移動させる移動手
段と、前記試料からの光を集束させる結像光学素子と、
この集束光を選択的に通過させる開口と、この開口を通
過した光を受光する光電検出器とを備えた共焦点光学系
において、前記結像光学素子として、前記試料側に配置
された凸レンズと前記光電検出器側に配置された凹レン
ズからなるものを１組の光学素子群としたとき、この光
学素子群を少なくとも２組配置したことを特徴とする共
焦点光学系である。

【０００７】前記目的を達成するため、請求項２に対応
する発明は、光源と、この光源からの光を試料に集束さ
せる対物レンズと、この対物レンズの光の集束点を試料
に対して相対的に移動させる移動手段と、前記試料から
の光を集束させる結像光学素子と、この集束光を選択的
に通過させる開口と、この開口を通過した光を受光する
光電検出器とを備えた共焦点光学系において、前記結像
光学素子として、前記試料側に配置された凸面鏡と前記
光電検出器側に配置された凹面鏡からなるものを１組の
光学素子群としたとき、この光学素子群を少なくとも２
組配置したことを特徴とする共焦点光学系である。

【０００８】

【作用】請求項１に対応する発明によれば、結像光学素
子として凸レンズと凹レンズからなる光学素子群を少な
くとも２組配置したので、以下のような効果が得られ
る。すなわち、凸レンズから光の集束点までの距離は短
いが、結像光学素子の焦点距離は実効的に長くなる。こ
のため、この結像光学素子により集束される光のエリア
ディスクの径は、比較的大きい。これに対応して光電検
出器の手前に配置される開口は径の大きなものとなり、
その位置調整が容易となる。また、結像光学素子から集
束点までの距離が短いので、装置が大型になることもな
い。

【０００９】一方、結像光学素子から集束点までの距離
に対する焦点距離の比（テレフォト比）があまりにも小
さいと、光電検出器側に配置された凹レンズのパワーが
強く成り過ぎ、少しの部品精度・組立精度の誤差も許さ
れなくなる。この時は、テレフォト比の小さなレンズ群
を２組・３組と連結することにより、それぞれの部品精
度・組立精度の誤差を緩くすることができる。このレン
ズ群は、それぞれ異なるものであっても良いが、同じも
のを２組・３組と連結する方が製造上好ましいことは言
うまでもない。

【００１０】請求項２に対応する発明によれば、結像光
学素子として、凸面鏡と凹面鏡からなる光学素子群を少
なくとも２組配置したので、前述の請求項１と同様な作
用効果が得られる。

【００１１】

【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
ながら説明する。図１は、本発明の共焦点光学系の第１
の一実施例を示すものである。光源１２から射出された
光は、コリメートレンズ１４で平行光束にされた後、偏
光ビームスプリッター１６でで反射され、対物レンズ２
０により試料面２２に集光される。試料面２２で反射さ
れた光は対物レンズ２０に入射し再び平行光束となり、
偏光ビームスプリッター１６に入射する。この光は、１
／４波長板１８を２回通過することにより、偏光方向が
９０°回転されるため、偏光ビームスプリッター１６を
通過する。偏光ビームスプリッター１６を通過した光
は、凸レンズ２６と凹レンズ２８からなり第１の結像光
学素子を構成する結像レンズ２７、および、凸レンズ４
９と凹レンズ５２からなり第２の結像光学素子を構成す
る結像レンズ５０に入射して集束される。この集束光
は、光彩絞り５１を通って光電検出器３４に入射する。

【００１２】なお、図１では、対物レンズ２０の光の集
束点を試料に対して相対的に移動させる移動手段例えば
光偏光器については、対物レンズ２０と１／４波長板１
８の間等に配置されることはいうまでもない。

【００１３】この光学系において、結像レンズ２７，５
０は、光の入射側に配置された凸レンズ２６，４９と光
の入射側の後方に配置された凹レンズ２８，５２とで構
成されているので、以下のような効果が得られる。すな
わち、凸レンズ２６から光の集束点までの距離は短い
が、結像レンズ２７の焦点距離は実効的に長くなる。同
様に、凸レンズ４９から光の集束点までの距離は短い
が、結像レンズ５０の焦点距離は実効的に長くなる。こ
のため、結像レンズ２７により集束される光のエリアデ
ィスクの径は、比較的大きい。これに対応して光電検出
器３４の手前に配置される光彩絞り５１は径の大きなも
のとなり、その位置調整が容易となる。また、結像レン
ズ２７，５０から集束点までの距離が短いので、装置が
大型になることもない。

【００１４】このように構成された結像レンズ２７は、
いわゆるテレフォトタイプと呼ばれ、入射光はまず凸レ
ンズ２６により急激に集束され、光束径が細くなったと
ころで凹レンズ２８に入射し、集束の度合が弱められ
る。そして凹レンズ２８で集束の度合が弱められ光は、
結像レンズ５０の凸レンズ４９により急激に集束され、
光束径が細くなったところで凹レンズ５２に入射し、集
束の度合が弱められる。この結果、結像レンズ２７，５
０の実効的な焦点距離は長くなるが、集束点が遠のくこ
とはない。従って、集束光のエアリーディスクの径は、
前述した従来の１枚の結像レンズ２４を用いて同じ位置
に集束させた場合に比べて大きくなる。これに応じて、
遮光板３０に設けられているピンホール３２も、その径
が大きいものが使用される。これにより、ピンホール３
２の位置調整も容易に行なうことができる。また、結像
レンズ２７，５０からの集束点までの距離は、一枚の結
像レンズを用いた場合と同じであるから、光学系が大型
になることもない。

【００１５】ここで、結像レンズ２７だけでなく、結像
レンズ５０を設けた効果について説明する。図４は、本
出願人が先に出願した先願（特願平３ー１２６０５４
号）の実施例と類似し、かつピンホール３２を有する遮
光板３０を設けず、この代わりに光採絞り５１を用いた
共焦点光学系の例である。この場合、凸レンズ２６の焦
点距離を約１００ｍｍ、凹レンズ２８の焦点距離を−１
０ｍｍ、レンズ間隔を約９０ｍｍとすると、凸レンズ２
６から集束点に置かれた光採絞り５１の距離は約３５０
ｍｍとなり、全体としてｆは３５００となる。従ってテ
レフォト比は、 テレフォト比＝レンズから集束点までの距離÷焦点距離
＝３５０／３５００＝０．１ となる。このようなテレフォト比の小さい光学系は、部
品の加工精度や組立精度に高い精度を要求される。

【００１６】一方、図１の実施例は、図４の結像レンズ
（第１のテレフォト光学系）２７の他に、凸レンズ４９
と凹レンズ５２からなる結像レンズ（第２のテレフォト
光学系）５０を１組追加した共焦点光学系であり、この
場合は次のようになる。結像レンズ５０の凸レンズ４９
の焦点距離は、結像レンズ２７の凸レンズ２６と同じで
あるが、結像レンズ５０の凹レンズ５２の焦点距離は約
−３３ｍｍにしてある。従って、結像レンズ２７のテレ
フォト比は約０．３２になる。結像レンズ５０は、結像
レンズ２７と全く同じものであり、結像レンズ２７の凸
レンズ２６から集束点に置かれた光採絞り５１までの距
離は約３５０ｍｍになるように配置されている。このよ
うに、２組の結像レンズ２７，５０を配置接続すること
によって全体のテレフォト比は約０．１になり、図４と
同じ結果になる。ここで、各レンズの傾きに対する像の
ずれを、図１と図４で比較すると以下のようになる。

【００１７】同じ像のずれ量（心ずれ許容量）に対し
て、凸レンズの傾きは、図１の場合約５°であり、図４
の場合約０．１７°である。また、凹レンズの傾きは、
図１の場合約０．５°であり、図４の場合約０．１７°
である。このように、図１の方が、図４に比べて部品の
加工精度や組立精度に余裕があることが分かる。従っ
て、加工や組立も容易に行える。

【００１８】図１では、テレフォト比が約０．３２のテ
レフォト光学系を接続しているが、特にこの数字に限定
されるものではない。ただし、加工性や組立性を考慮す
ると、テレフォト比が０．２以上にするのが望ましい。
また接続するテレフォト光学系の数も必要に応じては２
組以上接続することも可能である。

【００１９】以上述べた第１の実施例によれば、結像光
学素子として凸レンズ２６と凹レンズ２８からなる結像
レンズ２７、ならびに、凸レンズ４９と凹レンズ５２か
らなる結像レンズ５０で構成されるため、集束点までの
距離を変えることなく焦点距離が実効的に長くなる。従
って、装置を大型にすることなく、比較的に大きな径の
開口が使用できるようになり、光学調整が容易に行なえ
るようになる。また、従来のピンホール３２を有する遮
光板３０の代わりに、光採絞り５１を用いた共焦点光学
系をコンパクトに構成することができ、共焦点効果（セ
クショニング効果）を連続的に可変できるようになる。

【００２０】図２は、本発明の共焦点光学系の第２の実
施例の要部、すなわち、図１の結像レンズ２７，５０の
代わりに２組のテレフォト光学系４３１，４３２を用い
たものである。すなわち、テレフォト光学系４３１は、
中央部に開口４２１ｈを有する凹面鏡４２１とこれに対
向して配置された小径の凸面鏡４４１とを備えている。
テレフォト光学系４３２は、テレフォト光学系４３１と
同様に、中央部に開口４２２ｈを有する凹面鏡４２２と
これに対向して配置された小径の凸面鏡４４２とを備え
ているが、テレフォト光学系４３１に比べて直径寸法が
小さくなっている点が異なる。

【００２１】図の構成において、テレフォト光学系４３
１に入射した光は、凸面鏡４４１で遮られる一部を除い
て凹面鏡４２１に入射する。凹面鏡４２１に入射した光
はその鏡面で反射されて集束性光束となり、凸面鏡４４
１に入射する。凸面鏡４４１に入射した光はその鏡面で
反射されると共に集束の度合いが弱められ、凹面鏡４２
１の開口部４２１ｈを通過する。そして、開口部４２１
ｈを通過した光は、凸面鏡４４２で遮られる一部を除い
て凹面鏡４２２に入射する。凹面鏡４２２に入射した光
はその鏡面で反射されて集束性光束となり、凸面鏡４４
２に入射する。凸面鏡４４２に入射した光はその鏡面で
反射されると共に集束の度合いが弱められ、凹面鏡４２
２の開口部４２２ｈを通過し、その後方で集束される。

【００２２】この構成の反射結像光学系も、上述の結像
光学系と同様、集束点までの距離を長くすることなく、
実効的な焦点距離が短くなる。従って、図１の実施例と
同様の効果が得られる。さらに、図２は鏡４２１，４４
１，４２２，４４２を使用しているため、色収差が発生
せず、波長域もレンズに比べて広い範囲で使用できる。

【００２３】図３は、本発明の共焦点光学系の第２の実
施例の要部、すなわち、図１の結像レンズ２７，５０の
代わりに２組のテレフォト光学系４７１，４７２を用い
たものである。すなわち、テレフォト光学系４７１は、
凹面鏡４６１と凸面鏡４８１で構成されている。テレフ
ォト光学系４７２は、テレフォト光学系４７１と同様
に、凹面鏡４６２とこれに対向して配置された小径の凸
面鏡４８２とを備えているが、テレフォト光学系４７１
に比べて直径寸法が小さくなっている点が異なる。

【００２４】この図３の実施例も図２の実施例と同様、
集束点までの距離を長くすることなく、実効的な焦点距
離が短くなる。さらに、鏡４６１，４８１，４６２，４
８２を使用しているため、色収差が発生せず、波長域も
レンズに比べて広い範囲で使用できる。

【００２５】本発明は上述の実施例に何ら限定されるも
のではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々多くの
変形が可能である。例えば、実施例では反射型の共焦点
光学系をあげて説明したが、本発明が透明型の共焦点光
学系にも適用できることはいうまでもない。また蛍光も
反射光学系と同じように適用できる。さらに、図１の実
施例では、テレフォト光学系の構成として、結像レンズ
２７，５０を２組用いた例をあげたが、必要に応じて２
組を超えてもよく、また、図２、図３のテレフォト光学
系も必要に応じて２組を超えてもよい。

【００２６】

【発明の効果】以上述べた本発明によれば、ピンホール
等の開口の位置調整、及び、共焦点効果の調整が容易で
かつ小形な共焦点光学系を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による共焦点光学系の第１の実施例を示
す図。

【図２】本発明による共焦点光学系の第２の実施例の結
像光学素子のみを示す図。

【図３】本発明による共焦点光学系の第３の実施例の結
像光学素子のみを示す図。

【図４】図１の実施例の効果を説明するための図。

【図５】従来の共焦点光学系の第１の例を示す図。

【図６】図５の問題点を説明するための図。

【図７】図５の問題点を説明するための図。

【符号の説明】

１２…光源、１４…コリメートレンズ、１６…偏光ビー
ムスプリッター、１８…１／４波長板、２０…対物レン
ズ、２２…試料面、２６…凸レンズ、２７…結像レン
ズ、２８…凹レンズ、３４…光電検出器、４２１，４２
２，４６１，４６２…凹面鏡、４３１，４３２，４７
１，４７２…テレフォト光学系、４４１，４４２，４８
１，４８２…凸面鏡、４９…凸レンズ、５０…結像レン
ズ、５１…光彩絞り、５２…凹レンズ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源と、 この光源からの光を試料に集束させる対物レンズと、 この対物レンズの光の集束点を試料に対して相対的に移
   動させる移動手段と、 前記試料からの光を集束させる結像光学素子と、 この集束光を選択的に通過させる開口と、 この開口を通過した光を受光する光電検出器とを備えた
   共焦点光学系において、 前記結像光学素子として、前記試料側に配置された凸レ
   ンズと前記光電検出器側に配置された凹レンズからなる
   ものを１組の光学素子群としたとき、この光学素子群を
   少なくとも２組配置したことを特徴とする共焦点光学
   系。
2. 【請求項２】 光源と、 この光源からの光を試料に集束させる対物レンズと、 この対物レンズの光の集束点を試料に対して相対的に移
   動させる移動手段と、 前記試料からの光を集束させる結像光学素子と、 この集束光を選択的に通過させる開口と、 この開口を通過した光を受光する光電検出器とを備えた
   共焦点光学系において、 前記結像光学素子として、前記試料側に配置された凸面
   鏡と前記光電検出器側に配置された凹面鏡からなるもの
   を１組の光学素子群としたとき、この光学素子群を少な
   くとも２組配置したことを特徴とする共焦点光学系。