JPH08338948A - 共焦点光スキャナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】ニポウディスクそのものを動かす構造とし、ア
クチュエータを１つに減らし、従来のような同期や振幅
調整を必要としない共焦点光スキャナを実現する。 【構成】試料を照射する光源と、この光源と前記試料の
間に配置され複数の微小開口部を持つニポウディスク
と、このニポウディスクを回転させる回転手段と、前記
ニポウディスクと試料の間に配置され光ビームを絞るた
めの対物レンズを備え、前記ニポウディスクを回転して
光走査を行いニポウディスク上に試料の像が生成される
ように構成した共焦点光スキャナにおいて、前記対物レ
ンズとニポウディスクの間の光学距離が変化するように
ニポウディスクを光軸に沿って動かす手段と、前記ニポ
ウディスク上に生成された試料の像を少なくとも２つの
方向から観察できるリレー光学系を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、共焦点顕微鏡などに用
いるピンホール基板を走査する共焦点光スキャナに関
し、詳しくはリアルタイムで３次元画像が観察できる共
焦点光スキャナに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】リアルタイムで３次元画像が観察できる
この種の共焦点光スキャナとしては、例えば米国特許第
５，３５１，１５２号に記載の共焦点光スキャナがあ
る。図４にその共焦点光スキャナの一実施例の要部構成
を示す。

【０００３】光源１からの光（直線偏光となっている）
は、偏光ビームスプリッタ２を通って、ピンホール４
（孔の大きさは便宜上拡大して示してある）を有するピ
ンホール基板（通常ニポウディスクと呼ばれる）３に照
射される。ピンホール基板３には複数のピンホール４が
螺旋状に形成され、基板の中心がモータ２１の回転軸に
結合していて、ピンホール基板３が一定速度で回転する
ようになっている。ピンホール基板３に照射された光の
うちでピンホール４（便宜上孔の径を拡大して示してあ
る）を通過した光は１／４波長板６と対物レンズ７を経
て試料８に集光される。

【０００４】試料８からの反射光は、対物レンズ７と１
／４波長板６を通過し（１／４波長板を通過した光の偏
波面の向きは、光源１からの入射光のそれと直交する直
線偏光となっている）、入射光と同一の光路を通ってピ
ンホール基板３のピンホールの１つに集光する（結像す
る）。ピンホール４を通った反射光は偏光ビームスプリ
ッタ２で反射され、偏光子９を経て（偏光子９により振
幅は同じで波面が９０゜ずれた２つの偏波となる）、レ
ンズ１０により集光され偏光ビームスプリッタ１１に入
射し、ここで２分される。

【０００５】２分された一方の反射光はプリズム１２で
反射しアイピース１３に、他方の反射光はプリズム１４
で反射しアイピース１５に入る。プリズム１２と１４の
相関角度は、アイピース１３，１５を通して肉眼で試料
８の画像を観察するとき所望の画像深さに応じて視差を
生じるように調整してある。

【０００６】このような構成において、ピンホール基板
３を回転させ、光ビームを走査させると同時に、試料８
を搭載する試料台２０を光軸に沿って上下振動させて対
物レンズ７と試料８の間隔ｄを変化させる（画像深さを
変化させる）と共にそれに同期して振動台２１を振動さ
せてプリズム１２，１４を横方向に振動させると、アイ
ピース１３，１５を通して試料８の３次元画像を観測す
ることができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな共焦点顕微鏡では、試料台２０を光軸に沿って動か
すアクチュエータ（図示せず）と、振動台２１を振動さ
せるアクチュエータ（図示せず）が必要であり、部品が
多く構成が複雑であるという問題、また両アクチュエー
タの同期や振幅調整などが困難であるという問題があっ
た。

【０００８】本発明の目的は、このような点に鑑み、共
焦点の実像面であるニポウディスクそのものを動かす構
造とし、アクチュエータを１つに減らし、従来のような
同期や振幅調整を必要としない共焦点光スキャナを提供
することにある。本発明の他の目的は、共焦点の実像面
であるニポウディスクを多層化し、単にニポウディスク
を回転させるだけで試料の３次元立体像が得られる共焦
点光スキャナを提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、第１の発明では、試料を照射する光源と、こ
の光源と前記試料の間に配置され複数の微小開口部を持
つニポウディスクと、このニポウディスクを回転させる
回転手段と、前記ニポウディスクと試料の間に配置され
光ビームを絞るための対物レンズを備え、前記ニポウデ
ィスクを回転して光走査を行いニポウディスク上に試料
の像が生成されるように構成した共焦点光スキャナにお
いて、前記対物レンズとニポウディスクの間の光学距離
が変化するようにニポウディスクを光軸に沿って動かす
手段と、前記ニポウディスク上に生成された試料の像を
少なくとも２つの方向から観察できるリレー光学系を具
備したことを特徴とする。

【００１０】第２の発明では、試料を照射する光源と、
この光源と前記試料の間に配置され複数の微小開口部を
持つニポウディスクと、このニポウディスクを回転させ
る回転手段と、前記ニポウディスクと試料の間に配置さ
れ光ビームを絞るための対物レンズを備え、前記ニポウ
ディスクを回転して光走査を行いニポウディスク上に試
料の像が生成されるように構成した共焦点光スキャナに
おいて、前記ニポウディスクは、光軸方向の異なる位置
に大きさの異なる開口部が形成され、前記ニポイディス
ク上に生成された像を少なくとも２つの方向から観察で
きる光学系を具備したことを特徴とする。

【００１１】

【作用】ニポウディスクを光軸方向に移動させると、測
定光は試料の深さ方向に異なる位置を測定することにな
る。試料の像はニポウディスクのピンホール面に実像と
して形成される。ニポウディスクが上下に動くと試料の
像も空中の種々の高さに形成される。ニポウディスクの
回転と上下移動を同時に行い、このときに生成するニポ
ウディスク上の像を例えばリレーリンズなどを介して少
なくとも２つの方向から観察すれば、試料の像を立体視
することができる。ニポイディスクを多層化し、光軸方
向の異なる位置に最小の大きさの開口部が存在する構造
にすると、ニポウディスクを上下移動することなく従来
と同様な回転のみによって最小の大きさの開口部が上下
に動くこととなり、上記と同様に試料の像が空中の種々
の高さに形成される。そして同様に試料の像を立体視す
ることができる。

【００１２】

【実施例】以下図面を用いて本発明を詳しく説明する。
図１は本発明に係る共焦点光スキャナの第１の実施例を
示す要部構成図である。図において、図４と同等部分に
は同一符号を付してある。３０はリレーレンズであり、
ビームスプリッタ２からの反射光を受け、ニポウディス
ク３上に生成された像を少なくとも２つの方向から観察
できるレンズである。図には、接眼レンズ３１，３２を
通して両眼で観察する例を示してある。ニポウディスク
３は図示しないモータによって回転するだけでなく、光
軸に沿って上下に動くようになっている。上下駆動のア
クチュエータは図示しないが、例えば電磁力によるボイ
スコイルを用いて、モータを光軸に沿って動かすように
すれば容易に実現できる。

【００１３】このような構成における動作を次に説明す
る。試料（ｓ）８を試料台（図示せず）に固定載置した
ままで、回転しているニポウディスクを光軸に沿って上
下に動かす。これによりビーム（測定光）は試料の深さ
方向に異なる位置を測定することになる。試料の像はニ
ポウディスク３のピンホール面に実像として形成される
ので、ニポウディスク３が上下に動くと試料の像も空中
の種々の高さに形成される。図１に示すように実線で示
すニポウディスク３が点線で示す位置に変位した場合、
実像（試料ｓ’）の位置も点線で示す位置に形成され
る。

【００１４】ここで、ニポウディスク３の上下の動き
（振動）の周波数を１５Ｈｚ以上とすると、上下方向の
１方向分の１スキャンは１／３０秒のビデオレート（Ｎ
ＴＳＣ）の速度となる。

【００１５】このようにして形成される空中実像をリレ
ーレンズ３０を介して両眼で観察すると、横方向のｘｙ
平面（２次元平面）だけでなく、上下方向（ｚ方向）も
含めて、肉眼による残像時間内のため、試料を３次元の
立体像としてとらえることができる。なお、リレーレン
ズ部分には実体顕微鏡を用いることもできる。

【００１６】以上のような構成により試料の３次元画像
を観察することができるが、本発明は上記実施例に限定
されるものではない。例えば、光軸（ｚ）方向に動かす
時間は、ＮＴＳＣで採用されている１／３０秒でけでな
く、ＰＡＬで採用されている１／２５秒でもよい。ま
た、アクチュエータは電磁アクチュエータだけでなく、
静電アクチュエータや圧電素子を用いることもできる。
また、３次元画像を記録するには、肉眼に相当する２つ
の光学系の結像部にそれぞれ記録光学系を設置すればよ
い。例えば左右の接眼部にそれぞれビデオカメラとビデ
オテープを設置して記録し、再生時はこの２つの画像を
並べて立体視すればよい。

【００１７】図２は本発明の第２の実施例を示す構成図
である。図１と異なる点はニポウディスクが多層構造で
ある点と、ニポウディスクが上下方向には動かない点で
ある。以下詳しく説明する。

【００１８】図２におけるビームＡを例にとって説明す
る。ニポウディスクは多層になっていて、各ディスクに
はビームを通過させるピンホールが設けてある。ビーム
Ａの場合、ディスクの積層中央部に最小口径のピンホー
ルがあり、その上下ではビームが太くなるため、それに
合わせてピンホール径を大きくしてある。

【００１９】これに対して、ビームＣの場合には最下層
のディスク４１で最小の径になり、したがってディスク
４１におけるピンホール径が最も小さい。ビームＢの場
合は両者の中間である。このディスク４１の平面図（部
分図）を図３に示す。ビームＣに対応するビーム列のピ
ンホール４１１ｃが最も小さく、次にビームＢ，Ａに対
応するビーム列のピンホール４１１_B ，４１１_A の順に
ピンホール径を大きくしてある。

【００２０】ニポウディスク４０は、通常のガラス上に
Ｃｒ膜で遮光部を形成し、レジスト等を用いたエッチン
グなどでピンホールを形成した単層のニポウディスクを
複数枚貼り合わせれば形成できる。リレーレンズ部分に
は第１の実施例の場合と同様に実体顕微鏡を用いること
もできる。

【００２１】このような構成における動作は次の通りで
ある。試料を試料台（図示せず）に固定したまま、ニポ
ウディスク４０を従来の共焦点光スキャナと同様に回転
させる。ニポウディスク４０の各層のピンホールの高さ
に対応して、各ビームは試料８の深さ方向に異なる位置
を測定することになる。図２では、ビームＡが試料８の
表面を、ビームＣは試料８の内部をそれぞれ測定するこ
とになる。

【００２２】このとき、試料８の像はニポウディスク４
０のピンホール面に実像として形成される。ここで、結
像点となる最小口径のピンホール自身が光軸方向で異な
る位置に設置されているため、試料８の像も空中の種々
の高さに形成される。

【００２３】ここで、例えばニポウディスクを６０Ｈｚ
（３６００ｒｐｍ）で回転させると、ビデオレート（３
０画／秒）では１画面を２周で測定することになる。ニ
ポウディスクの１周に２０条の螺旋が形成されていて、
その各条に前記４１１_C ，４１１_B ，４１１_A のように
ピンホール径を変え、光軸上の高さが変わるようにして
おけば、ビデオレート１画面中に２０段階の高さをスキ
ャンすることができる。

【００２４】この立体像を記録するには、前記第１の実
施例と同様に、肉眼に相当する２つの光学系の結像部に
それぞれ記録光学系を設置すればよい。例えば、左右の
接眼部それぞれにビデオカメラとビデオテープを設置す
る。再生時はこの２つの画像を並べて立体視すればよ
い。

【００２５】なお、第２の実施例に示すこの発明は実施
例に限定されるものではない。例えば、前記ニポウディ
スクは、透明ディスク上に多数の開口部を形成した単層
のニポウディスク上に蒸着またはスハッタリングまたは
スピンコートを施し、複数層としたものでもよい。

【００２６】また、前記ニポウディスクは、ディスクや
膜の積層ではなく、一枚の板を加工したものでもよい。
例えば不透明のガラスディスクにガラスアシストエッチ
ング（光の作用を併用したエッチング）を加工すると、
光軸方向の最小の大きさの開口部の前後または一方に、
円錐または角錐の開口部も加工できる。なお、このとき
加工された開口部に透明樹脂などを充填しておくと、塵
埃などで開口部がふさがることを防止でき、しかも光路
長が屈折率分（屈折率ｎが１．５なら５割）長くできる
ので、その分だけディスクを薄くできる。

【００２７】前記ニポウディスクの光源側にマイクロレ
ンズディスクを貼り合わせると、照明光量の効率改善に
役立つ。この場合、各ピンホールの光軸方向の位置に応
じて、対応するマイクロレンズの光軸方向位置を変化さ
せる必要がある。これはマイクロレンズディスクを積層
すればよい。

【００２８】また、前記実施例では、螺旋の各列のピン
ホールは光軸方向に同一位置に設置してあるが、ピンホ
ール（開口部）の光学位置はこれに規定されるものでは
ない。例えばランダムに配置しても同様に動作する。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば次の
ような効果がある。 (1) 第１の実施例に示すような本願の第１の発明によれ
ば、ニポウディスク自身を光軸に沿って動かすようにし
たためアクチュエータが１つで済む。また２つのアクチ
ュエータの同期や振幅調整なども不要になり、従来のも
のに比べて画像の安定度が高く、装置もコンパクトにな
る。 (2) 第２の実施例に示すような本願の第２の発明によれ
ば、共焦点の実像面である微小開口部を光軸方向の種々
の位置に配置したため、単にニポウディスクを回転させ
るだけで３次元立体像が得られる。また従来のような同
期や振幅調整が一切不要であり、従来のものに比べて装
置の作製がより簡単になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る共焦点光スキャナの第１の実施例
を示す構成図

【図２】本発明に係る共焦点光スキャナの第２の実施例
を示す構成図

【図３】ニポウディスクのピンホールを説明するための
図

【図４】従来の共焦点光スキャナの一例を示す構成図で
ある。

【符号の説明】

１ 光源 ２ 偏光ビームスプリッタ ３，４１ ニポウディスク ４ ピンホール ７ 対物レンズ ８ 試料 ３０ リレーレンズ ３１，３２ 接眼レンズ ４０ 多相ニポウディスク

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】試料を照射する光源と、この光源と前記試
   料の間に配置され複数の微小開口部を持つニポウディス
   クと、このニポウディスクを回転させる回転手段と、前
   記ニポウディスクと試料の間に配置され光ビームを絞る
   ための対物レンズを備え、前記ニポウディスクを回転し
   て光走査を行いニポウディスク上に試料の像が生成され
   るように構成した共焦点光スキャナにおいて、 前記対物レンズとニポウディスクの間の光学距離が変化
   するようにニポウディスクを光軸に沿って動かす手段
   と、 前記ニポウディスク上に生成された試料の像を少なくと
   も２つの方向から観察できるリレー光学系を具備したこ
   とを特徴とする共焦点光スキャナ。
2. 【請求項２】前記ニポウディスクを光軸に沿って動かす
   手段は、ニポウディスクが１／２５秒より短い時間で光
   軸方向距離を動くように制御することを特徴とする請求
   項１記載の共焦点光スキャナ。
3. 【請求項３】前記ニポウディスクを光軸に沿って動かす
   手段として、電磁力または静電力によるボイスコイルま
   たは圧電素子を使用したことを特徴とする請求項１記載
   の共焦点光スキャナ。
4. 【請求項４】前記２つの方向から観察できるリレー光学
   系は、画像記録装置を含むことを特徴とする請求項１記
   載の共焦点光スキャナ。
5. 【請求項５】試料を照射する光源と、この光源と前記試
   料の間に配置され複数の微小開口部を持つニポウディス
   クと、このニポウディスクを回転させる回転手段と、前
   記ニポウディスクと試料の間に配置され光ビームを絞る
   ための対物レンズを備え、前記ニポウディスクを回転し
   て光走査を行いニポウディスク上に試料の像が生成され
   るように構成した共焦点光スキャナにおいて、 前記ニポウディスクは、光軸方向の異なる位置に大きさ
   の異なる開口部が形成され、 前記ニポイディスク上に生成された像を少なくとも２つ
   の方向から観察できる光学系を具備したことを特徴とす
   る共焦点光スキャナ。
6. 【請求項６】前記ニポイディスクは、透明ディスク上に
   多数の開口部を形成した単層のニポウディスクを積層し
   たものであることを特徴とする請求項５記載の共焦点光
   スキャナ。
7. 【請求項７】前記ニポイディスクは、透明ディスク上に
   多数の開口部を形成した単層のニポウディスク上に蒸着
   またはスパッタリングまたはスピンコートにより複数層
   としたものであることを特徴とする請求項５記載の共焦
   点光スキャナ。
8. 【請求項８】前記少なくとも２つの方向から観察できる
   光学系は、画像記録装置を含むことを特徴とする請求項
   ５記載の共焦点光スキャナ。
9. 【請求項９】前記ニポイディスクは、光軸方向の最小の
   大きさの開口部の前後または一方に、光軸方向に沿って
   円錐または角錐の開口部が形成されたものであることを
   特徴とする請求項５記載の共焦点光スキャナ。
10. 【請求項１０】前記開口部は透明物体が充填されたこと
    を特徴とする請求項９記載の共焦点光スキャナ。
11. 【請求項１１】前記ニポイディスクは、前記光源側に複
    数のマイクロレンズを取り付けたマイクロレンズディス
    クを有することを特徴とする請求項１記載の共焦点光ス
    キャナ。
12. 【請求項１２】前記マイクロレンズディスクは複数のマ
    イクロレンズディスクを積層したものであることを特徴
    とする請求項１１記載の共焦点光スキャナ。
13. 【請求項１３】前記マイクロレンズディスクは、マイク
    ロレンズが光軸方向に異なる位置に形成されたものであ
    ることを特徴とする請求項１１記載の共焦点光スキャ
    ナ。