JPH0750260B2 - 撮像装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は撮像装置、特に光ビームの副走査方向の位置ず
れを除去した撮像装置に関するものである。

（従来の技術） 従来、観察すべき試料面を微小スポット状に集光した光
ビームで高速走査し、試料からの反射光又は透過光をフ
ォトマル等の受光素子で検出して試料情報を電気信号と
して得る光学式走査型顕微鏡撮像装置が実用化されてい
る。この顕微鏡撮像装置は試料からの光学情報を電気信
号として得る構成としているので、像の明るさ等を調整
できると共にモニタ上で観察できる利点を具えている。
しかしながら、試料面を高速走査するため受光素子とし
て感度の高いフォトマルを用いなければならず、装置が
大型化且つ高価になる欠点や走査速度のムラに起因する
画像歪みが発生する欠点があった。

このような欠点を解消するため、本願人は特願昭59−24
2419号公報において受光素子として電荷蓄積能力を有す
るリニアイメージセンサを用いる顕微鏡撮像装置を提案
している。この本願人が提案した顕微鏡撮像装置は、レ
ーザ光源から放射した光ビームを主走査方向及び副走査
方向に偏向する２個の偏向器と、光ビームをスポット状
に集束して試料に向けて投射する対物レンズと、試料か
らの反射光又は透過光を受光するリニアイメージセンサ
とを具え、リニアイメージセンサの各素子を主走査方向
と対応する方向に配列して試料からの光ビームを１ライ
ン毎にリニアイメージセンサで受光し、リニアイメージ
センサの電荷蓄積効果を利用してS/N比が高く、しかも
走査ムラが生じても画像歪みのない試料像を得るように
構成されている。

（発明が解決しようとする問題点） 上述した顕微鏡撮像装置では、光ビームをイメージセン
サ上に精度よく入射させることが必要であるが、レーザ
光源からイメージセンサに到る光路中に含まれる種々の
光学素子の変動によって試料からの光ビームとリニアイ
メージセンサとの相対的な位置ずれが生ずる欠点があ
る。例えば試料に向けて光ビームを放射するレーザ光源
のレーザ放射角度は、例えば温度変化により変動する
が、このように放射角が変動すると、特に生物用として
有用な透過型の顕微鏡撮像装置においては、集光レンズ
により照明光束が集束される試料上の点と、対物レンズ
によりイメージセンサ上に投影される試料上の点とがず
れることになる。このように試料からの光ビームとリニ
アイメージセンサとの相対的な位置ずれは、主走査方向
のずれとそれと直交する副走査方向のずれとがあるが、
特に副走査方向に位置ずれが生ずるとリニアイメージセ
ンサの各受光素子の全面に亘って光ビームが入射せず、
画像信号の振幅が低下し、S/Nが悪くなり、極端な場合
には試料からの光ビームがリニアイメージセンサに全く
入射しなくなり、画像信号が得られなくなってしまう。
特にリニアイメージセンサは微小な受光素子が１次元的
に配列されているため、上述したように光学素子の配置
位置が僅かにずれたり、レーザ光源の放射角度が僅かに
ずれてもリニアイメージセンサ上に光ビームスポットが
正確に入射しなくなってしまう。

また、カラー顕微鏡撮像装置においては、複数の波長の
異なる光ビームを用いているが、各光ビームの光学系に
ずれがあると、これらの光ビームが試料上の１点に集光
されなくなったり、試料上の１点の像が３本のリニアイ
メージセンサ上に同時に結像されなくなる。このような
場合には画像信号の振幅が低下するだけでなく、解像度
も低下する欠点がある。

従って、本発明の目的は上述した欠点を除去し、光ビー
ムに副走査方向のずれが生じても試料からの光ビームを
リニアイメージセンサ上に正確に入射させることがで
き、S/Nの高い画像信号が得られる撮像装置を提供する
ものである。

（問題点を解決するための手段） 第１図は本発明による撮像装置の基本構成を示す線図で
ある。レーザ光源１から放射した光ビームはエキスパン
ダ２により拡大平行光束とされてから第１の偏向素子で
ある音響光学素子３に入射する。この音響光学素子３
は、光ビームを試料上のＸ方向（紙面と直交する主走査
方向）に高速振動させるものである。音響光学素子３に
より偏向された光ビームはリレーレンズ４を経て第２の
偏向素子である。振動ミラー５に入射する。この振動ミ
ラー５は、矢印ａ又はｂ方向に回動して光ビームをＸ方
向と直交するＹ方向（紙面内の副走査方向）に偏向させ
る。振動ミラー５で反射した光ビームはリレーレンズ６
を経て集光レンズ７に入射し微小スポット状に集束され
て観察すべき試料８に入射する。従って、試料８は、微
小スポット状に集束した光ビームによりＸ及びＹ方向に
所定の走査周波数で走査されることになる。試料８を透
過した光ビームは対物レンズ９で集光され、直角プリズ
ム10及び11、リレーレンズ12、直角プリズム13を経て振
動ミラー５の裏面側の反射面に入射する。この反射面で
反射した光ビームはリレーレンズ14、直角プリズム15及
び結像レンズ16を経て光路補正手段である平行平面板17
に入射する。この平行平面板17は光ビームの光路からの
ずれ量に応じて矢印ａ又はｂ方向に回動して光ビームの
Ｙ方向のずれを補正する。ずれ量が補正された光ビーム
はハーフミラー18により２分割され、反射光は変位量検
出器19に入射し、透過光は各素子がＸ方向に１次元的に
配列されたリニアイメージセンサ20に入射して１ライン
毎に受光される。変位量検出器19は光ビームのＹ方向の
変位量、すなわちリニアイメージセンサ20に入射する光
束のリニアイメージセンサ20の延在方向と直交するＹ方
向の変位量を検出するものであり、検出した変位量を表
わす信号を平行平面板17を駆動する駆動装置に供給して
光路補正を行なう。

すなわち、本発明では、試料からの光ビームを第２の偏
向手段である振動ミラーを介してリニアイメージセンサ
に入射させているので、リニアイメージセンサにはその
受光素子の配列方向に高速振動する光ビーム（副走査方
向には静止した状態にある）が入射する。従って、試料
からリニアイメージセンサに向かう光ビームのリニアイ
メージセンサに対する副走査方向の変位量を検出し、検
出した変位量に基づいて副走査方向の光路を補正するこ
とにより試料からの光ビームを常時正確にリニアイメー
ジセンサに入射させることができる。

（作 用） 上述したように本発明では、リニアイメージセンサに入
射する光束のＹ方向の変位量を検出し、検出した変位量
を表わす信号を補正信号として光路補正手段に供給して
光路補正しているので、試料から発した光ビームをリニ
アイメージセンサの各受光素子に正確に、しかも自動的
に入射させることができ、S/N比の高い画像信号を得る
ことができる。

（実施例） 第２図は本発明による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40と赤の光ビー
ムを放射するHe−Neレーザ41を用いる。Arレーザ40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42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42を透過した青
色光ビームは、第１のエキスパンダ43で拡大平行光束と
され、直角プリズム44で水平面と直交する方向に反射
し、更に直角プリズム45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46にに入射する。こ
の第１の音響光学素子46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46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47に入射する。この非平行平
面板47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光路から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。光路補正された
青色光ビームはハーフミラー48で反射し、ハーフミラー
49を透過し、リレーハンズ50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51に入射する。振動ミラー51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51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51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52及びリレーレ
ンズ53を経て直角プリズム54で水平面に直交する方向に
反射し、集光レンズ55で微小スポット状に集束されて試
料56に入射する。従って、試料56は、微小スポット状に
集束した青色光ビームにより所定の周波数でＸ方向及び
これと直交するＹ方向に走査されることになる。試料56
を透過した青色光ビームは、対物レンズ57で集光され直
角プリズム58で水平面に対して45゜の角度上方に向けて
反射し、リレーレンズ59を経て振動ミラー51の裏面側に
入射する。振動ミラー51の裏面で反射した青色光ビーム
は、リレーレンズ60を経て第２のダイクロイックミラー
61に入射する。この第２のダイクロイックミラー61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61で反射
し、結像レンズ62を経て平行平面板85に入射する。この
平行平面板85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
63に入射し、その反射光は第１の変位量検出器64に入射
し透過光は第１のリニアイメージセンサ65に入射する。
第１リニアイメージセンサ65は結像レンズ62の結像位置
に配置され、試料56からの青色光ビームを主走査方向
（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56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56の各画素とリニアイメージセンサ65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46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。また、試
料からの青色ビームは振動ミラー51を経てリニアイメー
ジセンサ65に入射するので、リニアイメージセンサには
副走査方向（各素子の配列方向と直交する方向）に静止
した主走査方向に高速振動する青色ビームが入射する。

第４図は変位量検出器64の構成を示す線図である。試料
56のＹ方向と対応する方向に同一形状の２個の光検出器
90及び91を配置し、試料56からの青色光ビームをこれら
第１及び第２の光検出器90及び91上に入射させる。そし
て、第１光検出器90と第２光検出器91の境界線ｌをリニ
アイメージセンサ65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65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90及び91に入射する光は同時にＹ方向に変位する
から、第１検出器90と第２検出器91との光電出力信号を
差動増幅器92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47および／または第１の
平行平面板85の駆動装置に供給し第１リニアイメージセ
ンサ65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47および／または平行平面板85を駆動
すれば、自動的に光路補正が行なわれ、試料56からの透
過光をリニアイメージセンサ56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42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
66で反射しエキスパンダ67で拡大平行光束とされ、直角
プリズム68で垂直方向に反射し直角プリズム69で水平面
に対して45゜の角度下方に向けて反射してから第２の音
響光学素子70に入射する。そして、この第２音響光学素
子により第１の音響光学素子46と同一周波数で高速振動
し、第２の非平行平面板71で光路補正されハーフミラー
49で反射して共通の光路に進入する。次にリレーレンズ
50を経て振動ミラー51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集光レンズ55で微小スポット
状に集束されて試料56に入射する。従って、試料56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同時に走査されることになる。試料
56を透過した緑色光ビームは、更に共通の光路を進行
し、振動ミラー51の裏面で反射され第２のダイクロイッ
クミラー61を透過して第３のダイクロイックミラー72に
入射する。この第３のダイクロイックミラー72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72で反射し、結像レンズ73および第２の平行平面
板86を経てハーフミラー74に入射し、透過光は第２のリ
ニアイメージセンサ75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76に入射して第２リニアイメージセンサ
75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リニアイメージセンサ75及び第２変位量検出器76
の構成及び作用は第１のリニアイメージセンサ65及び第
１変位量検出器64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41は、Arレーザ40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
40より下側に配置する。He−Neレーザ41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77により拡大平行光束と
され、第３の音響光学素子78により青及び緑色ビームと
同一周波数で高速振動し、第３の非平行平面板79で光路
補正が行なわれ、ハーフミラー49及びリレーレンズ50を
経て振動ミラー51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51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
55により微小スポット状に集束されて試料56に入射す
る。この結果、試料56は、同一の領域が青、緑及び赤の
３本の光ビームにより同一走査周波数で同時に走査され
ることになる。試料56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51の裏面で反射し、第
２及び第３のダイクロイックミラー61及び72を透過し結
像レンズ80および第３の平行平面板87を経て直角プリズ
ム81で反射しハーフミラー82に入射し、反射光は第３の
変位量検出器83に入射して光路からの変位量が検出さ
れ、透過光は第３のリニアイメージセンサ84に入射して
画像信号が作成される。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
に各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。特に本例では照射側の光路中に設けた第１〜
第３の非平行平面板47,71,79を調整することにより青、
緑、赤の３本の光ビームを試料56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85〜87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65,75および84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５図Ａ及びＢは光ビームの変位量検出器の変形例の構
成を示す平面図である。第５図Ａに示す例では、各受光
素子がＸ方向に１次元的に配列され試料からの光ビーム
を受光して画像信号を作成するリニアイメージセンサ10
0の側端に、各受光素子がＹ方向に１次元的に配列され
たリニアイメージセンサ101を一体的に配置する。この
場合試料からの光ビームをリニアイメージセンサ101の
受光素子まで入射するようにＸ方向の走査幅を定めれ
ば、試料からの光ビームがリニアイメージセンサ100上
においてＹ方向に変位した場合リニアイメージセンサ10
1の各受光素子の受光光量が変化するので変位量及び変
位方向を容易に検出することができる。

第５図Ｂには、３個のリニアイメージセンサ105〜107を
Ｙ方向に並列配置した例を示す。この場合中間のリニア
イメージセンサ106で画像信号を作成し、Ｙ方向の両側
に配置したリニアイメージセンサ105及び107の受光光量
の変化を検出すれば、光ビームのＹ方向の変位量及び変
位方向を容易に検出することができる。尚、この場合リ
ニアイメージセンサの代りに２次元のイメージセンサを
以て構成することもできる。

本発明は上述した実施例だけ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透
過型顕微鏡撮像装置として構成した例について説明した
が、勿論反射型顕微鏡撮像装置にも適用することができ
る。

また、上述した実施例では光路補正手段として回転型の
非平行平面板を用いたが、種々の光路補正手段を用いる
ことができ、例えば振動ミラーの入射側のR,G,Bの各光
路にリレーレンズ及び平行平面板をそれぞれ配置し光軸
を中心にして平行平面板を回動させる構成とすることも
できる。また、R,G,Bの各光路中に配置した任意の反射
面をＹ方向について回動させて光路補正することもでき
る。

更に、上述した実施例ではR,G,Bの各光路について光路
補正する構成としたが、R,G,Bの各光ビームが同様に変
位する場合には入射側の共通光路中に１個の光路補正手
段を配置するだけでよい。

更に、上述した実施例では試料の入射側及び出射側の両
方に光路補正手段をそれぞれ設けたが、出射側では光路
が変動する要因が少ないため、出射側には必要に応じて
光路補正手段を設ければよく、場合によっては省略する
こともできる。

更に、上述した実施例ではリニアイメージセンサに向か
う光ビームの光路を補正する構成としたが、試料からの
光ビームの変位量に応じてリニアイメージセンサをＹ方
向に駆動変位させて光ビームがリニアイメージセンサ上
に常時入射する構成とすることもできる。

更に、上述した実施例では顕微鏡撮像装置を以て説明し
たが、種々の用途の撮像装置にも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、試料から発しリニ
アイメージセンサに入射する光ビームのリニアイメージ
センサに対するＹ方向の変位を検出する手段及び検出し
た変位に基いて光ビームの光路を補正する手段を具えて
いるから、試料から発した光ビームをリニアイメージセ
ンサの各受光素子に精度よく入射させることができ、従
ってS/N比の高い画像信号を得ることができる。

また、自動補正する場合にはオペレータの作業労力を軽
減することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による撮像装置の基本構成を示す線図、 第２図は本発明による撮像装置の一実施例の構成を示す
線図、 第３図は光路補正手段の構成を示す線図、 第４図は変位量検出器の構成を示す線図、 第５図Ａ及びＢは変位量検出器の変形例の構成を示す線
図である。 １……レーザ光源 2,43,67,77……エキスパンダ 3,46,68,78……音響光学素子 5,51……振動ミラー 6,12,14,51,53,59,60……リレーレンズ 7,55……集光レンズ、8,56……試料 9,57……対物レンズ 10,11,13,15,44,45,54,58,80……直角プリズム 16,62,73,82……結像レンズ 17,47,72,79……非平行平面板 18,48,49,63,74,82……ハーフミラー 19,64,76,83……変位量検出器 20,65,75,84……リニアイメージセンサ 40……Arレーザ、41……He−Neレーザ 85,86,87……平行平面板

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光ビームを発生する光源と、この光源から
   発生した光ビームを主走査方向に高速偏向する第１の偏
   向装置と、ビーム偏向ミラーを有し、前記第１の偏向装
   置で偏向された走査ビームを前記主走査方向と直交する
   副走査方向に偏向する第２の偏向装置と、この第２の偏
   向装置からの走査ビームを試料上に微小スポットとして
   照射して試料を２次元的に走査する対物レンズと、複数
   の受光素子が前記主走査方向に沿って１次元的に整列さ
   れ、試料からの光を受光して所定の読出周波数で光電出
   力信号を出力するリニアイメージセンサと、前記試料か
   らの反射光又は透過光を前記第２の偏向装置を経て前記
   リニアイメージセンサ上に微小スポットとして入射させ
   る光学系と、前記リニアイメージセンサに入射する光束
   のリニアイメージセンサに対する副走査方向の変位量を
   検出する手段と、検出した変位量に基いてリニアイメー
   ジセンサに向かう光束の副走査方向の光路を補正する手
   段とを具えることを特徴とする撮像装置。