JPH07111504B2

JPH07111504B2 - レ−ザ光走査型顕微鏡

Info

Publication number: JPH07111504B2
Application number: JP11405387A
Authority: JP
Inventors: 尚宜高本; 広司土屋
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1987-05-11
Filing date: 1987-05-11
Publication date: 1995-11-29
Anticipated expiration: 2010-11-29
Also published as: JPS63279213A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明はレーザ光走査型顕微鏡に関し、特に有限補正顕
微鏡対物レンズを用い、レーザ光を試料面に集光させて
走査するレーザ光走査型顕微鏡に関する。

〔従来の技術〕

従来、レーザ光走査型顕微鏡には、無限遠補正対物レン
ズを用いるものと、有限補正対物レンズを用いるものと
が知られている。

第３図は無限遠補正対物レンズを用いたレーザ光走査型
顕微鏡の光学系を示す図で、20はレーザ光、21はハーフ
ミラー、22はＸ方向偏向器、23は対物レンズ、24は対物
レンズアパーチャ、25は非偏向光、26は偏向光、27、28
はレンズ、29はＹ方向偏向器、30は瞳投影レンズ、31は
結像レンズ、32は試料面、37は被検出光である。

図において、平行なレーザ光20はハーフミラー21を介し
てＸ方向偏向器を22に入射し、ここで反射された光はテ
レセントリックレンズ系27,28を通ってＹ方向光偏向器2
9に入射する。Ｘ方向光偏向器22のアパーチャとＹ方向
光偏向器29のアパーチャは相互に共役の位置にある。Ｙ
方向光偏向器29から出た光は瞳投影レンズ30と結像レン
ズ31を経て平行光となり、対物レンズ23のアパーチャ24
に入射し、対物レンズ23の試料面32に集光し、光偏向器
22,29の作用によってこの集光スポットは試料面32を走
査する。なお、光偏向器29のアパーチャと対物レンズ23
のアパーチャ24は共役となるようにされている。無限遠
補正対物レンズ23は試料面32の像を無限遠に収差補正し
て結像するように設計されたものであるので、第３図の
ような配置を用いると、結像レンズ31と対物レンズ23と
の間が平行光となっているため、集光スポットは無収差
で集光する。そして、結像レンズ31と対物レンズ23の間
にパワーを有しないビームスプリッター等の光学素子を
挿入して用いることができる。

一方、有限補正対物レンズとは、試料面の像を有限距離
に収差補正して結像するように設計されたものである。

第４図はこのような対物レンズを用いた従来のレーザ光
走査型顕微鏡の光学系を示す図で、第３図と同一番号は
同一内容を示している。図中、10はレーザ、15はビーム
エキスバンダー、16はミラー、17は光検出器、23′は対
物レンズである。

図において、投影レンズ30以前の光学系は第３図と同じ
であるが、この例の場合は瞳投影レンズ30の結像点f₀と
有限補正対物レンズ23′の結像位置とを一致するように
対物レンズ23′を配置する。なお、この場合も光偏向器
29のアパーチャと対物レンズ23′のアパーチャ24とは共
役関係にある。

〔発明が解決すべき問題点〕

しかしながら第３図のような無限遠補正対物レンズは位
相差結像、螢光顕微鏡等の特殊な顕微鏡に用いられるた
め、その種類が少なく、用途が限られてしまい、また第
４図に示すような配置であると、瞳投影レンズ30と対物
レンズ23′の間の光は平行光となっていないので、この
間にビームスプリッター等の光学素子を挿入すると、収
差が発生してしまい、試料面32に集光するスポットに収
差が生じ、高解像力で走査することができず、また、光
路長の変化によって集光位置がずれてしまうので、その
出し入れもできない。また、この対物レンズ23′が光学
顕微鏡対物レンズを兼ねている場合、収差発生によりビ
ームスプリッタをとおして見る像は劣化する。

本発明は上記問題点を解決するためのもので、有限補正
顕微鏡対物レンズを用いるレーザ光走査型顕微鏡の欠点
をなくし、光偏向器の瞳投影レンズと有限補正顕微鏡対
物レンズとの間にビームスプリッタ、フィルター等のノ
ンパワーの光学素子の挿入を可能にし、このような光学
素子を挿入しても走査スポットの集光位置がずれず、且
つ集光スポットに何らの収差も導入されないで、試料面
を高精度でかつ何らのエネルギーロスなしに走査するこ
とができるレーザ光走査型顕微鏡を提供することを目的
とする。

〔問題点を解決するための手段〕

そのために本発明は、有限補正光学系対物レンズを用い
たレーザ光走査型顕微鏡において、瞳投影レンズと対物
レンズとの間に、凸レンズと凹レンズとの組合せレンズ
を配置し、前記凸レンズの前側焦点位置を瞳投影レンズ
の後側焦点位置に、前記凹レンズの前側焦点位置を対物
レンズの結像位置にそれぞれほぼ一致させたことを特徴
とする。

〔作用〕

本発明のレーザ光走査型顕微鏡は、瞳投影レンズと対物
レンズとの間に、凸レンズと凹レンズとの組合せレンズ
を配置し、前記凸レンズの前側焦点位置を瞳投影レンズ
の後側焦点位置に、前記凹レンズの前側焦点位置を対物
レンズの結像位置にほぼ一致させることにより、凸レン
ズと凹レンズ間を平行ビームもしくはそれに近い状態に
し、対物レンズと結像位置との距離を引き伸ばすことが
できる共に、凸レンズと凹レンズ間にレンズ効果を持た
ない光学素子の挿入が可能となる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を第１図と第２図を用いて説明す
る。

第１図は、本発明によるレーザ光走査型顕微鏡の光学系
を示す図、第２図（イ）は第１図の光学系の距離関係を
説明するための説明図、第２図（ロ）はアパーチャ像の
位置を説明するための説明図で、１は光偏向器、２は瞳
投影レンズ、３は凸レンズ、４はビームスプリッタ、５
は凹レンズ、６は対物レンズアパーチャ、７は対物レン
ズ、８は試料面である。

図において、有限補正対物レンズ７を用いて、試料面８
上にレーザ光LBを集光し、走査するための光学系光路が
示されている。ここで使用する有限補正対物レンズと
は、通常の顕微鏡の対物レンズで、試料を対物レンズ後
方の一定有限距離に結像するように諸収差が補正されて
いるものである。したがって、このような対物レンズを
用いてレーザ光を集光させる場合、この対物レンズにレ
ーザ光を平行光束のまま入射させると、集光点において
諸収差が発生し、レーザ光は余分に集光せず、そのため
必要な分解能を得ることができない。本発明において
は、対物レンズ７の結像位置と対物レンズ７の前に配置
した凹レンズ５の焦点とを一致させ、対物レンズ７に入
射するレーザ光があたかも対物レンズ７の結像位置から
発したごとくして、試料面８上に収差の発生がないよう
に集光させている。

第１図に示した光学系にいては、光偏向器１の後方に距
離d₁だけ離れて焦点距離d₂の瞳投影レンズ２を配置し、
瞳投影レンズ２の後方には凸レンズ３と凹レンズ５の組
合わせレンズを配置する。この時、凸レンズ３の前側の
焦点と瞳投影レンズ２の後側の焦点とを一致、もしくは
ほぼ一致させる。そして、凹レンズ５の前側の焦点（凹
レンズ５の入射した平行光が発散する仮想発散点）と対
物レンズ７と結像位置も一致もしくはほぼ一致するよう
に対物レンズ７を配置する。このように配置すると、光
偏向器１に入射した平行なレーザ光LBは、ここで偏向さ
れて瞳投影レンズ２に入射し、投影レンズ２の後側の焦
点である結像点f₀に集光し、ここから再び発散して凸レ
ンズ３に入射して平行光に変換され、凸レンズと凹レン
ズ５の間に配置されたビームスプリッター４により反射
されて下方へ落射し、そして、凹レンズ５によってあた
かも対物レンズ７の結像位置から発散されたような発散
光となって対物レンズ７のアパーチャ６へ入射する。従
って、対物レンズ７の後方の試料面８に無収差のスポッ
トが結像され、光偏向器１を動作させることによって、
試料面８をこのスポットによって走査することができ
る。このように、光偏向器１のアパーチャを有限補正対
物レンズ７のアパーチャ６上へ投影する瞳投影レンズ２
と対物レンズ７との間に凸レンズ３と凹レンズ５の組合
せレンズを配置することにより、凸レンズ３と凹レンズ
５の間を所定長さの平行光束または、それに近い光束と
することができ、その間にビームスプリッター、フィル
ター等のノンパワーの光学素子を挿入しても試料面８畳
でのビームの集光状態には何らの影響もない。

このような光学系において、使用する対物レンズ７に対
して、凸レンズ３、凹レンズ５のパワーと配置を決定す
ると、このレンズの組合せによる対物レンズアパーチャ
６の瞳投影レンズ２側から見た像の位置も決まる。この
アパーチャ像の位置が結像点f₀から後方d₃′であるとす
ると（第２図（ロ）参照）、光偏向器１によって偏向さ
れる光が有効に試料面８に集光されるためには、偏向器
１のアパーチャと対物レンズアパーチャとが共役の関係
にならなければならない。その条件より、光偏向器１と
瞳投影レンズ２との間の距離d₁は次のように決まる。

d₁＝（d₂＋d₃′）・d₂/d₃′ ………（１）上記したように、凸レンズ３と凹レンズ５の組合合わせ
によってd₃′の値は決まるので、この組合わせレンズを
固定すると、瞳投影レンズ２の焦点距離d₂を変更して
も、上記（１）式により光偏向器１と瞳投影レンズ２と
の間の距離d₁を決めることができるので、光偏向器１の
アパーチャと対物レンズアパーチャ６とを常に共役の関
係にすることができる。

ところで、対物レンズアパーチャ６に入射するビーム系
Ａは次のように決まる。

Ａ＝l₁（ｍ＋l₃）D/md₂ ……（２）ここでＤは瞳投影レンズ２に入射するビーム径、l₁は凸
レンズ３の焦点距離、ｍは凹レンズ５の焦点距離の絶対
値、l₃凹レンズ５の対物レンズアパーチャ６の距離であ
る（第２図（イ）参照）。したがって、凸リズム３は凹
レンズ５の組合わせを決めた場合、瞳投影レンズ２の焦
点距離d₂によって上式（２）に従って対物レンズアパー
チャへ入射するビーム径を任意に決めることができる。
なお、l₁＝ｍ、すなわち、凸レンズ３と凹レンズ５の焦
点距離が等しい場合には、（２）式はＡ＝（l₁＋l₃）D/d₂ ……（３）となる。ここで、（l₁＋l₃）は凸レンズ３と凹レンズ５
を配置しないで有限補正対物レンズ７を使用する場合の
結像点f₀と対物レンズアパーチャ６との間の距離であ
る。

また、この光学系においては、第１図に示したように、
ビームスプリッタ４の上方に結像レンズと接眼レンズを
配置することにより、光学顕微鏡の機能を同時に持たせ
ることができる。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、通常の光学顕微鏡におけ
る多種多様な観察を行う場合と同じ焦点面において、レ
ーザー光を集光することが可能であり、さらに光偏向器
の瞳投影レンズと有限補正対物レンズとの間にビームス
プリッタ、フィルター等のノンパワーの光学素子の挿入
が可能となり、その結果光学素子を挿入しても走査スポ
ットの集光位置がずれず、且つレンズの配置、及び光偏
向器の位置を本発明のごとく配置することにより、集光
スポットの何らの収差も導入されないで、試料面を高精
度で且つ何らのエネルギーロスなしに走査することがで
きる。また対物レンズを有限補正光学系のものを用いて
いるため、多種多様な対物レンズを使用し、様々な検鏡
方法を駆使しての観察と並行して手術等のレーザー光に
よる微細加工が行え、そのほかにもレーザー励起におけ
る蛍光測定など幅広く選択的に使用することが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるレーザー光走査型顕微鏡の一実施
例を示す図、第２図（イ）は第１図の光学系の距離関係
を説明するための説明図、第２図（ロ）はアパーチャ像
の位置を説明するための説明図、第３図は無限遠補正対
物レンズを用いた従来のレーザ光走査型顕微鏡の光学系
を示す図、第４図は有限補正対物レンズを用いた従来の
レーザ光走査型顕微鏡の光学系を示す図である。１……光偏向器、２……瞳投影レンズ、３……凸レン
ズ、４……ビームスプリッタ、５……凹レンズ、６……
対物レンズアパーチャ、７……対物レンズ、８……試料
面。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】有限補正光学系対物レンズを用いたレーザ
光走査型顕微鏡において、瞳投影レンズと対物レンズと
の間に、凸レンズと凹レンズとの組合わせレンズを配置
し、前記凸レンズの前側焦点位置を瞳投影レンスの後側
焦点位置に、前記凹レンズの前側焦点位置を対物レンズ
の結像位置にそれぞれほぼ一致させたことを特徴とする
レーザ光走査型顕微鏡。
【請求項２】前記瞳投影レンズまでの光偏向器からの距
離をd₁、瞳投影レンズの焦点距離をd₂、瞳投影レンズの
後側焦点位置（結像点）からアパーチャ像までの距離を
d₃′としたとき、 d₁＝（d₂＋d₃′）・d₂/d₃′ となるように光学系を配置した特許請求の範囲第１項記
載のレーザ光走査型顕微鏡。
【請求項３】瞳投影レンズに入射するビーム径をＤ、瞳
投影レンズの焦点距離をd₂、凸レンズの焦点距離をl₁、
凹レンズの焦点距離の絶対値をｍ、凹レンズと対物レン
ズアパーチャとの距離をl₃としたとき、対物レンズアパ
ーチャに入射するビーム径Ａを、Ａ＝l₁（ｍ＋l₃）D/md₂ となるように光学系を配置した特許請求の範囲第１項記
載のレーザ光走査型顕微鏡。
【請求項４】対物レンズの光軸上にビームスプリッタを
配置し、光軸に対して直交方向からレーザ光を入射する
特許請求の範囲第１項記載のレーザ光走査型顕微鏡。
【請求項５】対物レンズ光軸上に顕微鏡用光学系を配置
した特許請求の範囲第１項記載のレーザ光走査型顕微
鏡。