JPH0695172B2 - 走査型光学顕微鏡 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、走査型光学顕微鏡に関するものである。

〔従来の技術〕

従来一般の顕微鏡は、光源及び適切なコンデンサーレン
ズによって被観察試料の観察領域全体をできるだけ均一
に照明するようにすると共に、対物レンズにより試料像
を拡大し接眼レンズを通して観察或いは写真撮影するよ
うにしていたが、観察領域全体を照明するためにフレア
等が多く、従来からの工夫にも拘らず理論上の解像限界
を得ることは不可能であり、又低コントラストな試料等
は非常に見づらかった。

そこで、上記従来の光学顕微鏡の欠点であるフレア等に
よって理論上の解像限界が達成できない点を解決するた
めに、点状光投射型の顕微鏡が提案された（Scanned Im
age Microscopy,E.A.Ash,Academic Prees 1980）。特に
その中でも共焦点型といわれる方法が優れている。これ
は点光源によって観察試料を点状に照射し、照射された
試料からの透過光又は反射光を再び点状に結像せしめ、
ピンホール開口を有する検出器で像の濃度情報を得るよ
うにしたものである。但し、これだけでは点状光が照射
された点の濃度情報しか得られないので、試料をＸ−Ｙ
の二次元に機械的にラスター走査してそれと同期したCR
Tに像を形成し観察するようになっていた。このように
点状光で試料を照射し、点状の検出器で検出する方式を
共焦点型という。

この顕微鏡について米国特許第3013467号明細書に記載
された一例に基づき説明する。第８図はその概略図であ
って、光源１とピンホール２によって点光源を形成し、
該点光源は収差の良く補正された対物レンズ３によって
試料４上に点として結像せしめられ、試料４を照射す
る。更に試料４上の点状光は収差の良く補正されたコン
デンサーレンズ５によってピンホール６上に点として再
び結像せしめられ、形成された点状光をピンホール６を
通して検出器７で検出する。一方、駆動回路８によって
試料４上をテレビのラスター走査のようにＸ−Ｙの二次
元に機械的に走査する。こうして検出器７からの画像信
号を駆動回路８からの同期信号に同期したストレージ型
のCRT9に表示すれば、試料４の像を観察することができ
る。

このように点状光で試料を照射し、点状の検出器で信号
を検出するようにしているので、通常の検出器に比べて
フレアの少ない良い画像が得られ解像力が向上するが、
試料を機械的に動かして走査する方式であるために使い
勝手が悪い等の問題があった。例えば試料は大きさの限
られた軽いものに限定されるし、シャーレ等に入った培
養標本のような非固定の試料は観察できなかった。又、
異なった試料を連続的に観察するシステム（例えばフロ
ーサイトメトリー）等への応用も困難であった。

そこで、試料を機械的に動かすことから生じる上記欠点
を解決するために点状光自体を二次元に走査する方法が
考えられたが、この場合試料から反射される光を検出す
る場合には全く問題はないが、試料を透過する光を共焦
点型で検出するのは困難であった。

更に、この問題点を解決するために点状光を走査するミ
ラーと試料からの透過光を走査するミラーを同期させて
試料を透過した光の再結像が常に点状検出器状にあるよ
うにしたものが米国特許第3705755号で提案されている
が、回折限界まで絞られた点状光が更にそれより小さい
ピンホールを有する検出器で全く微動もしないように点
状光走査ミラーと検出用走査ミラーとを完全に同期させ
ることは不可能であった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

以上のように、従来の点状光を走査する方式では、透過
検出の共焦点型を実現することは不可能であった。

本発明は、上記問題点に鑑み、点状光走査方式において
透過検出の共焦点型を実現し得る走査型光学顕微鏡を提
供することを目的とするものである。

〔問題点を解決しようとする手段及び作用〕

本発明による走査型光学顕微鏡は、ピーク値検出型の光
検出器アレイを物体像面若しくはその近傍に配置して、
点状光が光検出器アレイの光検出器エレメントの丁度真
上にきた時のみ検出が行われるようにしたものである。

〔実施例〕

以下第１図乃至第３図に示した一実施例に基づき本発明
を詳細に説明する。第１図は点状光として光ビームを走
査する光学系を示しており、これは瞳を考慮した光学系
になっており、光偏向器によって光ビームを走査した場
合でも走査系において光軸が一定に保たれるようになっ
ている。

等価的に点光源と考えられるレーザーからの光ビーム10
はビームスプリッタ11を通過し対物レンズ12の瞳13と共
役な位置に置かれた第一の光偏向器14に入射する。この
光偏向器14によって偏向された光ビーム15は瞳伝送レン
ズ16,17を通って瞳位置に置かれた第二の光偏向器18に
入射する。これらの光偏向器14及び18は夫々水平走査及
び垂直走査に用いられる。次に瞳投影レンズ19,結像レ
ンズ20を通って対物レンズ12の瞳13に入射する。光偏向
器14,18によって形成される軸外の光ビームも、方向及
びその中心が対物レンズ12の軸外主光線と一致している
ので、対物レンズ12の瞳13に正確に入射する。それらの
光ビームは対物レンズ12によって試料21上に回折で制限
される微小スポットを生じる。光偏向器14,18によって
光ビームを偏向することにより、微小スポットが試料21
上を二次元的にラスター走査する。試料21から反射した
光は、対物レンズ12,結像レンズ20等全く同じ経路を逆
に戻ってビームスプリッタ11に達し、集光レンズ23によ
ってピンホール24上に集光する。この反射光（検出ビー
ム）は光偏向器14,18を通って戻ってきているので、軸
外を走査しても動かず、常にピンホール24上に集光して
いる。このように光ビーム走査方式でも、反射検出にお
いては簡単に共焦点型を実現し得る。

又、試料21を透過した光ビームは、コンデンサーレンズ
25結像レンズ26により像面27上に微小スポット28,29を
生じる。28は軸上のスポット、29は軸外を走査した時の
スポットである。このように、透過検出ではスポットの
位置が走査に従って移動するためピンホールで検出する
ことが困難であり、よって共焦点型の検出は不可能であ
る。しかし、像面27上にピーク値検出型の光検出器アレ
イ30を配置すれば、下記で詳述する如く共焦点型検出を
実現し得る。

第２図は光検出器アレイ30上を検出ビームの微小スポッ
ト31が軸外走査に従って移動していく様子を示してい
る。この光検出器アレイ30がピーク値検出型の場合、光
検出器エレメント32は微小スポット31が点線図示の如く
光検出器エレメント32の丁度真上に来た時即ち一番明る
い時の光量のみを検出することになる。これは第３図に
示すような微小スポット33の中心部分だけピンホール34
によって検出するという共焦点型検出と全く同じであ
る。従って、光検出器アレイ30がピーク値検出型の場
合、光検出器アレイ30の全ての光検出器エレメント32が
各々ピンホール検出を行うことになり、共焦点型の像を
得ることができる。もし、光検出器アレイ30が一般に用
いられている所謂CCD型イメージセンサ,MOS型イメージ
センサのように蓄積型の場合には、微小スポット31が光
検出器エレメント32を通過する間の全ての光量を蓄積す
ることになる。従って、これは第３図においてピンホー
ル34を除いて検出したのと同じとなり、共焦点検出でな
くなってしまう。

以上のように、光ビーム走査式の走査型光学顕微鏡の透
過検出において再結像位置にピーク値検出型の光検出器
アレイを設ければ、共焦点型を実現することができる。

第４図は上記実施例の一具体例として通常の顕微鏡の観
察も可能な走査型光学顕微鏡の光学系を示している。レ
ーザー光源36からのレーザービームは集光レンズ37,ス
ペイシヤルフイルタ38,コリメータレンズ39,ビームスプ
リッタ40を通って対物レンズ41の瞳位置と共役な位置に
置かれたガルバノメータミラー42に入射する。ここでレ
ーザービームは偏向されて水平走査される。次に瞳伝送
レンズ43,44によってやはり対物レンズの瞳位置と共役
な位置に設けられたガルバノメータミラー45に入射す
る。ここでレーザービームは偏向されて垂直方向に走査
される。図面上ではガルバノメータミラー42及び45は共
に同じ方向にレーザービームを偏向するかの如く示され
ているが、実際は夫々水平及び垂直の走査を行ってい
る。二次元に走査されたレーザービームは瞳投影レンズ
46,結像レンズ47を通過し対物レンズ41の瞳に入射す
る。そして、試料48上に回折によって制限される微小ス
ポットを生じ、試料48を二次元的に走査する。ここで、
走査型観察を行う場合、眼視観測用のプリズム49及び落
射照明用のビームスプリッタ50は光路上から除かれてい
る。さもないと、レーザービームが目に入って危険であ
るし、フレアの原因にもなる。

反射検出の場合、試料48からの光は試料48に入射した時
と全く同じ経路を逆に通って戻り、ビームスプリッタ40
によって反射され、集光レンズ51によってピンホール52
上に集光し、光検出器53によって検出され、共焦点像を
得ることができる。

透過検出の場合は、コレクターレンズ54,結像レンズ55
によって試料48の走査像がピーク値検出型の光検出器ア
レイ56上に投影される。即ち、カルバノメータミラー4
2,45の走査に従って光検出器アレイ56上を微小スポット
がラスター状に移動することになる。

第５図はピーク値検出型フオトダイオードアレイの一例
を示しており、ここでは簡単のために一次元にしてあ
る。フオトダイオードエレメント57に光があたると電流
が生じ、そのピーク値がダイオード58とコンデンサ59で
構成されたピーク値検出回路によりコンデンサ59に記憶
される。そして、走査回路60によってスイッチング用FE
T61がONされると、出力アンプ62を通じてピーク値が出
力される。

第４図に示されているピーク値検出型光検出器アレイ56
は二次元の素子である。尚、光検出器アレイのエレメン
トの大きさは、共焦点検出となるためには微小スポット
より小さいことが望ましい。例えば第２図において微小
スポット31の大きさが光検出器エレメント32より大きい
ことが望ましい。又、第４図における結像レンズ55の実
際上の像側開口数をNA′とすると、エレメントの間隔は
λ/2NA′より小さいことが望ましい。更に、サンプリン
グ定理によれば、λ/4NA′より小さいことが望ましい。
もし、これより間隔が大きいとせっかく共焦点にして光
学系の解像力を十分に用いようとしても、間隔が大きす
ぎて光学系の能力を十分に用いたことにならないからで
ある。

尚、ピーク値検出型光検出器アレイからの映像信号は、
ガルバノメータミラーの走査と同期して画像メモリ等に
入力され、CRTに表示される。又、当然のことである
が、レーザービームの二次元走査位置とピーク値検出型
光検出器アレイの光検出器エレメントは正確にアライメ
ントされている必要がある。

次に、他の具体例として光偏向素子に音響光偏向素子を
用いた例について説明する。上記具体例で用いたガルバ
ノメータミラーは走査同期を数百Hz程度までしか速くす
ることができず、二次元画像を得るのに秒オーダーの時
間が必要で実時間観測は不可能である。その点音響光偏
向素子は一般のNTSC方式のテレビと同じ15.75KHzで走査
することも可能であるので、実時間による観測が可能で
ある。

第６図（Ａ）及び（Ｂ）はその光学系の正面図及び側面
図を示している。図示しない光源からのレーザービーム
70は、光学系の瞳位置に置かれた音響光偏向素子71に入
射する。音響光偏向素子71によって回折されたビーム72
は調整用ミラー73によって反射されビーム74となって瞳
伝送レンズ75に入射する。ミラー76によって反射された
ビーム74は瞳伝送レンズ77を通ってビーム78となる。レ
ーザービーム78は瞳位置におかれた音響光偏向素子79に
より回折されビーム80となる。ビーム80は調整用ミラー
81により反射されてビーム82となり、瞳投影レンズ83に
入射する。瞳投影レンズ83を通過したビームは図示して
いない対物レンズの瞳に入射し、試料上にスポットを生
じる。ここで、図中のレーザービーム70,72,74,78,80,8
2は軸上光として偏向された光束の中心を表しており、
いわゆる光軸に相当するものである。

音響光偏向素子71,79は第７図に示した如く音波を伝え
る媒体88と圧電素子89とから成っており、圧電素子89に
高周波電圧（100MHz前後）を加えると媒体88内に音波に
よる回折格子が生じ、レーザービーム90を入射すると０
次回折光91と一致回折光92が生じる。そして、圧電素子
に加える高周波の周波数を変えることにより、一次回折
光の向きを方向93から方向94に連続的に変えることがで
きる。これが音響光偏向素子における光偏向方法であ
る。よって、光軸に相当する方向を92とし軸外方向を93
或いは94とする。従って、第６図において軸外光は音響
光偏向素子71によって光軸72の上下に方向84,85のよう
に偏向される。尚、瞳伝送レンズ75,77,83は第１図の瞳
伝送レンズ16,17,19に夫々相当する。又、瞳位置におか
れた二つの音響光偏向素子71,79は夫々第１図中の光偏
向器14,18に相当し、夫々X,Y方向にレーザービームを走
査する。その結果試料上でレーザービームがラスター状
に走査される。

光学系の調整という観点から見ると、光学系が立体的に
配置される場合は、その光学系の光軸が各々垂直或いは
平行であることが望ましい。しかし、音響光偏向素子71
による回折光は入射光70に対して90゜でない角度θを有
している。例えば角度θは４゜程度である。そして、こ
の前後±２゜程度回折角を変化させてレーザービームを
走査する。よって、光学系の光軸を垂直に保つために調
整用ミラー73を設けて回折ビーム72を反射させ、入射レ
ーザービーム70に対して垂直なレーザービーム74として
瞳伝送レンズ75に入射させるのが良い。これは音響光偏
向素子79と調整ミラー81の関係，レーザービーム78とレ
ーザービーム82の関係でも同じことである。尚、レンズ
86はシリンドリカルレンズで音響光偏向素子79レンズ効
果を補正するものである。又、走査系以外の構成は第４
図と同じである。

又、ピーク値検出型光検出器アレイからの信号の読み出
しはビーム走査と同期していることが望ましく、走査ビ
ームに少し遅れてピーク値検出型光検出器アレイの各エ
レメントからの信号を読み出すのが良い。又、ピーク値
検出型光検出器アレイの前に光増幅用にマイクロチャン
ネルプレート（例えば浜松フオトニクス社製）を設ける
と、走査ビームのエネルギーを減らすことができる。

〔発明の効果〕

上述の如く、本発明による走査型光学顕微鏡は、点状光
走査方式において反射検出の場合は勿論のこと透過検出
の場合でも共焦点型を実現し得る。従って、試料を限定
することなく高解像の顕微鏡像を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による走査型光学顕微鏡の一実施例の光
学系を示す図、第２図は上記実施例のピーク値検出型光
検出器アレイ上の微小スポットの移動の様子を示す図、
第３図は微小スポットのピンホールによる検出の例を示
す図、第４図は上記実施例の一具体例を示す図、第５図
はピーク値検出型フォトダイオードアレイの一例を示す
図、第６図は上記実施例の他の具体例を示す図、第７図
は音響光偏向素子の断面図、第８図は従来例の光学系を
示す図である。 10……光ビーム、11……ビームスプリッタ、12……対物
レンズ、13……瞳、14……光偏向器、15……光ビーム、
16,17……瞳伝送レンズ、18……光偏向器、19……瞳投
影レンズ、20……結像レンズ、21……試料、23……集光
レンズ、24……ピンホール、25……コンデンサーレン
ズ、26……結像レンズ、27……像面、28,29……スポッ
ト、30……ピーク値検出型光検出器アレイ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光源と、前記光源から発した光を物体上に
   集光する対物レンズと、前記光源と前記対物レンズの間
   に配置されていて前記対物レンズに入る光の入射角度を
   変化させることにより物体上を走査する光偏向部材と、
   物体像面若しくはその近傍に配置されたピーク値検出型
   光検出器アレイとを具備したことを特徴とする走査型光
   学顕微鏡。