JPH0682174B2 - 透過型顕微鏡撮像装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は透過型顕微鏡撮像装置、特に微小スポット状の
光ビームで試料を２次元的に走査し試料からの透過光を
イメージセンサ上に投影して試料像を形成する透過型顕
微鏡撮像装置に関するものである。

〔従来の技術〕

主物観察用として有用な透過型顕微鏡撮像装置が広く実
用化されている。本願人は、特願昭59−242419号公報に
おいてレーザ光源とリニアイメージセンサを用いて試料
からの光学情報を電気信号として得ることができる透過
型顕微鏡撮像装置を提案している。この本願人の透過型
顕微鏡撮像装置は、レーザ光源から投射した光ビームを
２個の偏向器を用いて主走査方向および副走査方向に偏
向し、２次元的に偏向された光ビームをコンデンサレン
ズで微小スポット状に集光して試料に投射し、試料を透
過した光ビームを対物レンズで集光し、複数の受光素子
が主走査方向に１次元的に配列されているリニアイメー
ジセンサ上に微小スポットとして投影し、試料からの透
過光を１ライン毎に受光して画像信号を形成するように
構成されている。従って、この透過型顕微鏡撮像装置は
リニアイメージセンサの電荷蓄積能力を利用しているの
で光ビームの走査ムラが生じても画像歪みが発生せず、
S/N比が高く高解像度の画像信号を得ることができる大
きな利点を具えている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述した透過型顕微鏡撮像装置では、コンデンサレンズ
で微小スポット状に集束した照明光で試料を２次元的に
走査し試料からの透過光を対物レンズで集光する構成と
しているので、試料上において入射する照明光の走査点
と対物レンズの集光点とを正確に一致させる必要があ
る。

透過型顕微鏡撮像装置で生体試料を観察する場合、生体
試料を支持するプレパラートとカバーガラスとの間に水
を介在させて観察するため観察中に水分が蒸発してしま
い、第８図Ａ及びＢに示すようにコンデンサレンズ１を
経て試料２に入射するスポット状照明光の走査点と対物
レンズ３の集光点とが光軸方向に相対的に位置ずれを生
ずる場合があった。このような光軸方向の位置ずれが発
生する対物レンズ３で受光された透過光がリニアイメー
ジセンサ上に正確に結像されなくなり、更には試料２か
らの透過光の一部が対物レンズ３で受光されなくなるた
め、リニアイメージセンサへの入射光量が著しく減少し
画像信号のS/Nが低下すると共に解像度も低下する不都
合が生じてしまう。このようなスポット状照明光の走査
点と対物レンズの集光点との光軸方向の位置ずれはレン
ズ交換したときにもレンズ倍率の変動によっても生ずる
可能性がある。

従って、本発明の目的は上述した欠点を除去し、コンデ
ンサレンズを経て試料に入射するスポット状照明光の走
査点と対物レンズの集光点とが光軸方向に相対的にずれ
ても自動的に一致させることができ、S/N比が高くしか
も高解像度の画像信号を得ることができる透過型顕微鏡
撮像装置を提供するものである。

〔問題点を解決する手段〕

本発明による透過型顕微鏡撮像装置は、光ビームを放射
する光源と、光源から放射した光ビームを主走査方向及
びこれと直交する副走査方向に偏向する手段と、偏向さ
れた光ビームを試料に向けて投射するデサレンズと、試
料からの透過光を集光する対物レンズと、複数の素子が
前記主走査方向にはんれつされ対物レンズからの光束を
受光して光電出力信号を出力するリニアイメージセンサ
と、コンデンサレンズから試料に入射する照明光の集光
点と対物レンズによりリニアイメージセンサに結像され
る物点との光軸方向の相対的な位置ずれ量を検出する手
段と、検出した位置ずれ量に応じて前記照明光の集光点
及び／又は対物レンズの物体を光軸方向に変位させる手
段とを具えることを特徴とするものである。

〔作 用〕

本発明においては、照明光学により試料上に投射される
レーザ光のスポットと、観察光学系によりリニアイメー
ジセンサ上に投影される試料の物点との光軸方向のずれ
を検出し、検出したずれ量に応じてスポット状照明光の
走査点及び／又は対物レンズの集光点を光軸方向に移動
させて走査点と集光点とを相互に一致させているため、
試料上において照明光の走査点と対物レンズの集光点と
を自動的に一致させることができ、試料上で照明された
物点をリニアイメージセンサ上に正確に投影することが
できる。この結果、例えば、観察中に試料の状態変化に
よって走査点と集光点とが光軸方向にずれてもS/N比が
高く且つ高解像度の画像信号を常に得ることができる。

〔実施例〕

第１図は本発明による顕微鏡撮像装置の一実施例の構成
を示す立体的線図であり、光路の多くは水平面に対して
45゜の角度又は水平面に対して垂直方向に延在してい
る。本例では透過型カラー顕微鏡撮像装置を例にして説
明する。青、緑、及び赤の３原色光ビームを放射する光
源として、青及び緑の光ビームを放射するArレーザ10と
赤の光ビームを放射するHe−Neレーザ11を用いる。Arレ
ーザ10から放射した光ビームは水平面に対して45゜の角
度だけ下方に傾いて放射され第１のダイクロイックミラ
ー12に入射し、波長488nmの青色成分光と波長514.5nmの
緑色成分光とに分離される。ダイクロイックミラー12を
透過した青色光ビームは第１のエキスパンダ13で拡大平
行光束とされ、直角プリズム14で水平面と直交する方向
に反射し、更に直角フリズム15で水平面に対して45゜の
角度方向に反射されて第１の音響光学素子16に入射す
る。この第１の音響光学素子16は青色光ビームを試料面
のＸ方向（紙面と直交する方向）に高速振動させる。こ
の第１の音響光学素子16で偏向された光ビームは光路補
正手段である第１の非平行平面板17に入射する。この非
平行平面板17は駆動装置（図示せず）に連結され、第３
図Ａに示すように青色光ビームの正規の光路からのＸ方
向と直交するＹ方向のずれ量に応じて光軸を中心にして
回転させてＸ方向と直交するＹ方向に青色光ビームを偏
向し光路補正を行なう。この結果、青色光ビームがレー
ザ放射角の変動等により正規の光路からＹ方向にずれて
も光路補正により正規の光路を進行することになる。光
路補正された青色光ビームはハーフミラー18で反射し、
ハーフミラー19を透過し、リレーレンズ20を経て水平面
に対して45゜の角度下方に向けて進行し、水平面内に配
置した振動ミラー21に入射する。この振動ミラー21は駆
動装置（図示せず）に連結され、所定の周波数で回動し
て入射光ビームを試料のＸ方向と直交するＹ方向に偏向
する。この振動ミラー21は、その表面及び裏面共に全反
射面が形成されており、試料に向かう光ビームは表面側
に入射し試料から発した光ビームは裏面側に入射する。
振動ミラーで反射した青色光ビームは水平面に対して45
゜の角度だけ上方に向いて進行し、左右反転プリズム22
を経て倍率補正手段として作用するリレーレンズ23に入
射する。このリレーレンズ23は駆動手段（図示せず）に
連結され、後述する対物レンズとコンデンサレンズの倍
率の差に応じて光軸方向に沿って矢印ａ又はｂ方向に移
動して倍率補正を行なう。リレーレンズ23を通過した青
色光ビームは直角プリズム24で垂直方向に反射し、コン
デンサレンズ25で微小スポット状に集束されて試料26に
入射する。このコンデンサレンズ25は駆動装置（図示せ
ず）に連結され、照明光の走査点と対物レンズの集光点
との光軸方向の位置ずれ量に応じて矢印ｃまたはｄ方向
に移動して走査点と集光点とを一致させる機能を具えて
いる。従って、試料26は微小スポット状に集束した青色
ビームにより所定の走査周波数でＸ方向及びＹ方向に走
査され、試料26からの透過光は対物レンズ27により集光
される。コンデンサレンズ25と対物レンズ27は同一の倍
率のレンズを以て構成し、コンデンサレンズ25から試料
26に向かう光ビームの走査点と対物レンズ27による試料
26からの透過光の集光点とが互いに一致するようにコン
デンサレンズ25と対物レンズ27とを試料26をはさんで互
いに共役な位置に配置する。対物レンズ27で集光された
光ビームは直角プリズム28で水平面に対して45゜の角度
だけ上方に向けて反射しリレーレンズ29を経て振動ミラ
ー21の裏面側に入射する。振動ミラー21の裏面で反射し
た青色光ビームは、リレーレンズ30を経て第２のダイク
ロイックミラー31に入射する。この第２のダイクロイッ
クミラー31は青色光だけを反射し他の波長域の光を透過
する。従って、青色光ビームは第２のダイクロイックミ
ラー31で反射し、結像レンズ32を経て平行平面板33に入
射する。この平行平面板33は第３図Ｂに示すようにａ又
はｂ方向に回動して光路補正を行なう。更に光ビームは
ハーフミラー34に入射し、その反射光は変位量検出器35
に入射し透過光は第１のリニアイメージセンサ36に入射
する。第１リニアイメージセンサ36は結像位置に配置さ
れ、試料26からの青色光ビームの主走査方向（Ｘ方向）
に１ライン毎に受光するように各受光素子がＸ方向と対
応する方向に１次元的に配列され、試料26からの透過光
を各素子により順次受光して光電変換を行ない、所定の
読出周波数で各素子に蓄積した電荷を順次読み出す。リ
ニアイメージセンサは電荷蓄積能力を有しているから、
試料26の各画素とリニアイメージセンサ36の各受光素子
とが常に1:1の関係となり、第１の音響光学素子16の走
査速度にムラが生じても受光量が若干変化するに過ぎ
ず。画像歪みが発生することはない。

第４図は変位量検出器35の構成を示す線図である。試料
26のＹ方向と対応する方向に同一形状の２個の光検出器
60及び61を配置し、試料26からの青色光ビームをこれら
第１及び第２の光検出器60及び61上に入射させる。そし
て、第１光検出器60と第２光検出器61の境界線ｌをリニ
アイメージセンサ36の受光素子の中心位置に一致させ
る。このように構成すれば、リニアイメージセンサ36へ
の入射光がＹ方向にずれた場合変位量検出器の２個の光
検出器60及び61に入射する光は同時にＹ方向に変位する
から、第１光検出器60と第２光検出器61との光電出力信
号を差動増幅器62に供給して差信号を形成すれば、この
差信号の大きさは光ビームの偏移量を表わし、極性は偏
移方向を表わすことになる。従って、この差信号を光路
補正手段である第１の非平行平面板17および／または第
１の平行平面板33の駆動装置に供給し第１リニアイメー
ジセンサ36の受光素子に対する入射光のＹ方向の変位量
に応じて非平行平面板17および／または平行平面板33を
駆動すればＹ方向について自動的に光路補正が行なわ
れ、試料26からの透過光をリニアイメージセンサ36の各
受光素子上に正確に入射させることができる。

次に、緑色光ビームの走査について説明する。第１のダ
イクロイックミラー12で反射した緑色光ビームは水平面
に対して45゜の角度下方に向いて進行し、直角プリズム
37に反射しエキスパンダ38で拡大平行光束とされ、直角
プリズム39で垂直方向に反射し直角プリズム40で水平面
に対して45゜下方に向けて進行して第２の音響光学素子
41に入射する。そして、この第２の音響光学素子41によ
り第１の音響光学素子16と同一周波数で高速振動し、第
２の非平行平面板42で光路補正されハーフミラー19で反
射して共通の光路に進入する。次にリレーレンズ20を経
て振動ミラー21に入射してＹ方向に偏向される。その後
共通の光路を進行しコンデンサレンズ25で微小スポット
状に集束されて試料26に入射する。従って、試料26は、
青色光ビームで走査された領域が緑色光ビームによって
同一の走査周波数で走査されることになる。試料26を透
過した緑色光ビームは、更に共通を光路を進行し、振動
ミラー21の裏面で反射され第２のダイクロイックミラー
31を透過して第３のダイクロイックミラー43に入射す
る。この第３のダイクロイックミラー43は緑色光ビーム
だけを反射し他の波長域の光を透過するものとする。従
って、緑色光ビームはこの第３のダイクロイックミラー
43で反射し、結像レンズ44および第２の平行平面板45を
経てハーフミラー46に入射し、透過光は第２のリニアイ
メージセンサ47に入射して１ライン毎に受光されて試料
の緑色成分の画像信号が作成され、反射光は第２の変位
量検出器48に入射して第２リニアイメージセンサ46に対
する入射光のＹ方向の変位量が検出される。これら第２
のリニアイメージセンサ47及び第２変位量検出器48の構
成及び作用は第１のリニアイメージセンサ36及び第１変
位量検出器35と同一であるため詳細な説明は省略する。

次に、赤色光ビームの走査について説明する。赤色光ビ
ームを放射するHe−Neレーザは、Arレーザ10から発した
光ビームと互いに交差しないようにするためArレーザ10
より下側に配置する。He−Neレーザ11から放射した赤色
光ビームは水平面に対して45゜の角度だけ下方に向いて
進行し、第３のエキスパンダ49により拡大平行光束とさ
れ、第３の音響光学素子50により青及び緑光ビームと同
一周波数で高速振動し、第３の非平行平面板51で光路補
正が行なわれ、ハーフミラー18および19と及びリレーレ
ンズ20を経て振動ミラー21に入射してＹ方向に偏向され
る。このように青、緑及び赤の３本の光ビームに対して
振動ミラーを共用する構成とすればＹ方向のレジストレ
ーションエラーの発生を有効に防止できる。振動ミラー
21で反射された赤色光ビームは共通の光路を進行し、集
光レンズ16により微小スポット状に集束されて試料26に
入射する。この結果、試料26は、同一の領域が青、緑、
赤の３本の光ビームにより同一走査周波数で走査される
ことになる。試料26を透過した赤色光ビームは，さらに
共通の光路を進行し、振動ミラー12の裏面で反射し、第
２及び第３のダイロイックミラー31及び43を透過し結像
レンズ52および第３の平行平面板53を経て直角プリズム
54で反射しハーフミラー55に入射し、反射光は第３の変
位量検出器56に入射して正規の光路からの赤色光ビーム
の変位量が検出され、透過光はハーフミラー57に入射す
る。このハーフミラー57により透過光は第３のリニアイ
メージセンサ58に入射して画像信号が形成され，反射光
は光軸方向変位検出器59に入射して試料上におけるスポ
ット状照明光の走査点と対物レンズ27の集光点との光軸
方向の相対的な位置ずれ量が検出される。

このように３本の光ビーム毎に各光ビームの正規の光路
からの変位量を検出して光路を補正する構成とすれば、
例えばいずれかのレーザ光源の放射角が変動しても試料
からの各光ビームを自動的正確に角リニアイメージセン
サ上にそれぞれ入射させることができる。特に本例では
照明側の光路中に設けた第１〜第３の非平行平面板17,4
2,51を調整することに青、緑、赤の３本の光ビームを試
料26上の一点に集束させることができ、また観察側の光
路中に設けた第１〜第３の平行平面板33,45,53を調整す
ることにより、試料上のこの一点の像をリニアイメージ
センサ36,47および57に正確に投影することができる。
このようにして振幅が大きく、S/Nが高くしかも解像度
が高く、色ずれのないカラー画像信号を得ることができ
る。

第４図Ａはコンデンサレンズ25と対物レンズ27との倍率
が相異してコンデンサレンズによる光ビームの走査点と
対物レンズ27の集光点との間に位置ずれが生じた状態を
示す主走査方向と直行する面で切った模式図であり、第
４図Ｂは倍率補正により走査点と集光点とが一致した状
態を示す模式図である。レンズ交換を行なった場合コン
デンサレンズ25の倍率と対物レンズ27の倍率とが相互に
一致せず、わずかな倍率差が生ずる場合も多い。このレ
ンズ倍率の差異があると照明光学系の倍率と観察光学系
の倍率が相異してしまい、試料上においてスポット状照
明光の走査点と対物レンズの集光点とがＹ方向に相対的
にずれてしまう。この結果、試料からの透過光が対物レ
ンズ27でリニアイメージセンサ上に正しく集束されなく
なり、第５図に示すように位置ずれ量に応じてイメージ
センサに入射する光量が著しく減少してしまう。このた
め本例では照明光学系の共通光路内に配置したリレーレ
ンズ23を倍率補正手段として用い、このリレーンズ23を
光軸方向に沿って矢印ａ又はｂ方向に移動して照明光学
系の倍率を観察光学の倍率と一致させ試料26から発した
観察光を各リニアイメージセンサ36,47,56上に正確に入
射させる。このリレーレンズの駆動制御は、３個のリニ
アイメージセンサ36,47および57のいずれかのリニアイ
メージセンサへの入射光量の変化に基いて行なうことが
できる。従って、例えばレンズ交換を行なった場合リレ
ーレンズ23を基準位置に戻し、この基準位置からリレー
レンズを一定方向に駆動してイメージセンサへの入射光
量が最大となる点を求めて調整を行なう。尚、試料を装
置した状態で調整するとリニアイメージセンサには試料
26で変調された観察光が入射するため、試料を装着しな
い状態で調整することが望ましい。このようにリニアイ
メージセンサへの入射光量に基きリレーレンズを駆動し
て倍率調整を行なえば、別途倍率補正手段を設ける必要
がなくなり簡単な構成で高精度に倍率補正を行なうこと
ができる。

第６図Ａ及びＢはコンデンサレンズから試料に入射する
スポット状の照明光の走査点と対物レンズの集光点とが
光軸方向に相対的に位置ずれを起こしたときの状態を示
す模式図である。第６図Ａに示すように、コンデンサレ
ンズ25で集束された照明光の走査点Ｓが正規の集束位置
より光軸方向の観察光学系の方向に偏移した場合、対物
レンズ27を通る試料26から観測光はリニアイメージセン
サ36の後側に結像し、一方第６図Ｂに示すように照明光
の走査点が正規の集束位置よりも照明光学系側に偏移し
た場合には試料からの観測光はリニアイメージセンサ39
の前側に結像する。したがって、照明光の走査点が観察
側に偏移した場合コンデンサレンズ25を矢印Ｃ方向に移
動させれば走査点も照明側に移動し、コンデンサレンズ
25を破線で示す位置まで移動すればコンデンサレンズ25
から出射した光束を対物レンズ27の集光点を通るように
補正することができる。一方照明光の走査点が照明側に
偏移した場合コンデンサレンズを矢印ｄ方向に破線で示
す位置まで移動すれば、走査点が観察側に移動し走査点
を対物レンズの集光点と一致させることができる。従っ
て、走査点と集光点との光軸方向のずれ量を検出し、検
出したずれ量に応じてコンデンサレンズを光軸方向に駆
動すれば走査点と集光点とを正確に一致させることがで
きる。

第７図は照明光の走査点と対物レンズの集光点との光軸
方向の相対的な位置ずれ量を検出するための光軸方向変
位検出器59の一例の構成を示す線図である。スリット板
70を通過した光束をハーフミラー71により２光束に分割
し、透過光をリニアイメージセンサの共役点よりも前側
に配置した第１の光検出器72で受光し、反射光を共役点
よりも後側に配置した第２光検出器73により受光する。
上述したように走査点が観察側に偏移した場合リニアイ
メージセンサの後側に結像するから第２の光検出器73の
受光量が第１の光検出器72の受光量よりも増大する。一
方、走査点が照明側に偏移した場合にはリニアイメージ
センサの前側に結像するから第１光検出器72の受光量が
第２光検出器73の受光量よりも大きくなる。従って、第
１及び第２光検出器72及び73の出力を差動増幅器（図示
せず）にそれぞれ供給して差信号を形成すれば、この差
信号の極性が走査点の変位方向を表わし振幅は変位量を
表わすことになる。従って、第１及び第２光検出器72及
び73の光電出力信号の差信号を形成し、この差信号をコ
ンデンサレンズ駆動装置に供給すれば、走査点のずれ方
向及びずれ量に応じてコンデンサレンズを光軸方向に駆
動することができ、照明光の走査点と対物レンズの集光
点とを自動的に一致させることができる。

本発明は上述した実施例に限定されるものではなく種々
の変形が可能である。例えば、上述した実施例ではコン
デンサレンズを光軸方向に駆動して照明光の走査点と対
物レンズの集光点とを一致させる構成としたが、対物レ
ンズを光軸方向に駆動して走査点と集光点とを一致させ
る構成とすることもできる。

また、走査点と集光点との光軸方向の変位量を検出する
手段としては種々の装置を用いることができ、例えばシ
リンドリカルレンズと４分割した光検出器とを組合わせ
た検出装置や、臨界角プリズムと４分割した光検出器と
を組合わせた検出装置も用いることもできる。

更に、上述した実施例では３原色光ビームを用いたカラ
ー顕微鏡撮像装置を例として説明したが、１種類の光ビ
ームで走査するモノクロ型顕微鏡撮像装置にも勿論適用
することができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、コンデンサレンズ
を経て試料に入射する照明光の走査点と対物レンズの集
光点との光軸方向の位置ずれを検出し、検出したずれ量
に応じてコンデンサレンズ及び／又は対物レンズを光軸
方向に駆動する構成としているので、照明光の走査点と
対物レンズの集光点とを自動的に一致させることがで
き、従って高いS/N比でしかも高解像度の画像信号を得
ることができる。特に、観察中に試料の状態変化により
走査点と集光点とが光軸方向にずれても自動的に位置ず
れを補正することができ、生体試料の観察に好適であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による透過型顕微鏡撮像装置の一実施例
の構成を示す線図、 第２図Ａ及びＢは光路補正手段の構成を示す線図、 第３図は変位量検出器の構成を示す線図、 第４図Ａ及びＢは照明光学系と観察光学系の倍率が相異
したときの照明光と走査点と対物レンズの集光点との関
係を示す線図、 第５図は倍率が相異したときのずれ量とイメージセンサ
への入射光量の関係を示すグラフ、 第６図Ａ及びＢは照明光の走査点と対物レンズの集光点
とが光軸方向にずれたときの結像状態を模式的に示す線
図、 第７図は光軸方向変位検出器の一例の構成を示す線図、 第８図は照明光の走査点と対物レンズの集光点が光軸方
向にずれた状態を示す線図である。 10……Arレーザ、11……He−Neレーザ 12,31,43……ダイクロイックミラー 13,49,38……エキスパンダ 14,15,24,28,37,39,40,54……直角プリズム 16,41,50……音響光学素子 17,42,51……非平行平面板 18,19,34,46,55,57……ハーフミラー 20,23,29,30……リレーレンズ 21……振動ミラー、22……左右反転プリズム 25……コンデンサレンズ、26……試料 27……対物レンズ、32,44,52……結像レンズ 33,45,53……平行平面板 35,48,56……変位量検出器 36,47,58……リニアイメージセンサ 59……光軸方向変位検出器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光ビームを放射する光源と、光源から放射
   した光ビームを主走査方向及びこれと直交する副走査方
   向に偏向する手段と、偏向された光ビームを試料に向け
   て投射するコンデンサレンズと、試料からの透過光を集
   光する対物レンズと、複数の素子が前記主走査方向に配
   列され対物レンズからの光束を受光して光電出力信号を
   出力するリニアイメージセンサと、コンデンサレンズか
   ら試料に入射する照明光の集光点と対物レンズによりリ
   ニアイメージセンサ上に結像される物点との光軸方向の
   相対的な位置ずれ量を検出する手段と、検出した位置ず
   れ量に応じて前記照明光の集光点及び／又は対物レンズ
   の物点を光軸方向に変位させる手段とを具えることを特
   徴とする透過型顕微鏡撮像装置。