JPH1090606A - 走査形の共焦点顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光源、ビームスプリッタ、収斂レンズ、対物
レンズ、および放射光検出装置を含む共焦点顕微鏡が、
対物レンズおよび対物レンズの焦点を所定の表面積又は
所定の体積を通して制御可能に運動させ得る手段を有す
るようにする。 【解決手段】 共焦点顕微鏡に、１つ又は複数の軸につ
いて駆動される対物レンズ５が設けられ、少なくとも１
つの軸は小質量の駆動装置６で駆動され、対物レンズの
機械的走査が行われる。対物レンズの位置は校正、タイ
ミングシステムと連系する内部基準信号、または対物レ
ンズ位置の絶対的又は相対的決定用の手段により決定さ
れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は供試物から反射又
は発光される光を検知する共焦点顕微鏡に関する。又こ
の発明は比較的低コストで高品質の画像を与えそして移
動対物レンズを使って少なくとも一本の軸上で供試物を
走査する事の出来る走査型共焦点顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】共焦点顕微鏡は少なくとも１９５０年代
以来文献では知られている。これらの顕微鏡は、ビーム
スプリッタへ指向される可視的放射光源、（或る場合に
は現在では赤外線「ＩＲ」紫外線「ＵＶ」放射が用いら
れるが、）を用いる。ビームスプリッタは発生源からの
放射光の一部をコリメーターレンズに向け、このレンズ
は更に放射光を対物レンズへと向ける。対物レンズを通
った放射光は焦点に収斂する。焦点又はその近辺に物体
があると、焦点に集まった放射光は対物レンズのコリメ
ーターレンズを通ってビームスプリッタへと反射され
る。対物レンズのコリメーターレンズを２回目に通り、
更に減少された放射光はビームスプリッタを通り、半導
体、光電センサ又は大面積検出器等の検出器で検知され
る。放射線発生源は、コリメートされた放射光又はコリ
メーターレンズで十分にコリメートされる放射光で、画
像の解像に対し十分な干渉性を与え、又焦点にある物体
からの反射光の品質に一貫性を与え、又ビームスプリッ
タの２回目の通過後、検出装置への光の伝達が出来るも
のであれば、どの様な発光源でも良い。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】これらの装置は、高品
質で有効なものが市場に出てはいるが、比較的高価で有
効性にかなりの制限を持っていて、本発明者はそれが内
部部品の重量と寸法に部分的に起因するものであると確
認した。

【０００４】市場に出ている共焦点顕微鏡の対物レンズ
は従来から高価で高品質の石英レンズでかなりの質量の
もの（レンズだけで少なくとも２０グラムで時には５０
グラム）から成っている。このレンズは焦点にある目標
に対して顕微鏡（固定焦点距離の）全体の動き、対象目
標の移動（これも又固定焦点距離のもの）対物レンズの
動き（焦点距離の変更）又はこれら操作の組み合わせで
移動される。対物レンズが動かされる場合その移動の制
御、更により重要な顕微鏡系内でのその移動と位置の識
別は対物レンズに取り付けられているコイル又は圧電装
置の電圧調整の閉ループシステムで行われる。コイルへ
の電圧・電流の変化がコイルを決められた方向へ動かし
それによって対物レンズが動く。２本以上の軸方向で対
物レンズの動きを制御するために２個以上のコイル又は
コイルの複数組が使われる。最も重要な２本の方向は、
（１）縦列レンズから入る放射光に平行な方向と（２）
縦列レンズからの放射光の方向に垂直な２軸のうちの少
なくとも１軸、である。（２）の方向は固定されること
が多く、すなわち、それは走査される面に主として平行
であり縦列レンズを通る放射光に垂直な線又は方向を含
む平面内で容易に移動することができず、そしてそれ
は、対象物又は目標に関する走査方向と定義される単一
の固定方向である。焦点と対物レンズの位置はコイルに
与えられる電流・電圧から推定される。これは共焦点顕
微鏡が必要とする精度としては充分であったが、実際的
な精度としては安定していない。

【０００５】コイルの反応は時間と共に変化し電圧・電
流の読みの精度も時間と共に変化し、対物レンズの初期
位置も衝撃や振動で動きそれ以外のこのシステム内の物
理的変化が対物レンズと焦点の位置決定の性能と精度を
変化させる。多くのシステムにとって、それは必ずしも
問題ではない。たとえば表面粗さ計（プロフィロメータ
ー）に於いては表面の比較的な変化が重要で、ある表面
上での実際の位置は必ずしも重要でない。

【０００６】簡単に表現すると、共焦点顕微鏡は光線の
焦点の近辺で放出される光（例えば燐光又は蛍光）又は
反射光を優先的に計測する検出法を使用する。これは、
もともと目標又は対象物に光線を当てる同一の対物レン
ズを通って返ってくる反射光を検出し、その後、ビーム
スプリッタを通った後で発光源の光線通路の一部分を再
び通って返ってくる光の一部を計測することで一般に行
われる。顕微鏡的画像は信号の強さを計測しながら２又
は３軸について光線又は供試物を走査する事で創成され
る。従来の顕微鏡法に比べて共焦点検知は大幅に改善さ
れた垂直解像法と明るさを提供する。共焦顕微鏡の限度
は焦点を物理的に供試物の上又は中で動かして画像を得
るために、従来の光学顕微鏡法に比べて一般に操作が遅
く光学的に複雑な手順を要する。共焦顕微鏡の複雑さの
大部分は焦点の移動に起因している。ピンホール（小
穴）を動かしたり、対物レンズの前で光線を偏向させて
光線を走査することにより焦点の移動が出来る。ピンホ
ールや開口の走査に基づく共焦顕微鏡は市販されてい
る。これらのタイプの共焦顕微鏡は従来の光学顕微鏡の
光学装置の多くに容易に適合させることが出来る。

【０００７】同じ結果を生む他のアプローチとしては、
ピンホールを固定し光線を走査させ対象物又は目標を円
弧状、あるパターン又は線上に１平面内又は２次元的に
照射する。走査光線と走査ピンホールのアプローチは両
方とも近回析制限解像能での広い視界を得るための高価
な対物レンズを必要とする。多くの場合これらの共焦顕
微鏡には高価な偏光保存対物レンズを使って高い信号出
力を得ている。供試物内に走査焦点を達成する他のアプ
ローチでは光線及びピンホールを少なくとも１つの走査
軸に固定しながら目標又は対象物を光線で共直線的に走
査する。他方の移動軸は供試物又は光学アセンブリ又は
これら両方の移動によって与えられる。このタイプのア
プローチは米国特許５，１７９，２７６および４，８６
３，２５２に例示されている。又、光学アセンブリ、供
試物又はこれらの両方の組み合わせを通して運動の全て
の度合が与えられる。後者２つのアプローチは２次元又
は３次元の画像を得るための高速で正確な供試物及び光
学アセンブリの移動機構の面でその利用が制限される。
共鳴システムは一般に固定振動数であり供試物を見るに
は制限されているが、ある装置に於いては対象物の共鳴
走査も利用できる。上述の共焦点顕微鏡へのアプローチ
は、本来的にかさばりかつ複雑な形式のものである。

【０００８】１９８９年２月１６日に公告されたイタリ
ア特許１２０３２９７には光学アセンブリの共焦点分布
を使用する表面形状（プロフィール）の計測用プロフィ
ロメータが開示されている（例えば放射源３、集光レン
ズ８、ビームスプリッタ５、空間フィルタ９、及び光学
的変換器６）。レンズ４の瞬間的位置を決定するための
位置検出器１４についてはレンズ４を振動させるための
圧電装置２５ａと２５ｂへ送られる電気信号だけが示さ
れている。信号は指示針２７ａを持つ電位差計２７によ
っても示され得る。ビームスプリッタの前にコリメータ
ーレンズがなくレンズが振動して焦点の運動を創成しレ
ンズの１方向での変化が与えられている（図２、レンズ
４をその光学軸に平行に動かす装置１２）。

【０００９】米国ニュージャージー州０７６７５，ウッ
ドクリフレーク，タイス通り５０番地のキーエンス・コ
ーポレーション・オブ・アメリカは焦点の操作での大き
な作動距離が注目に値する、変位計測装置ＬＴ−８１１
０レーザ変位計を販売している。この装置は発光器、ビ
ームスプリッタ、対物レンズ及び最終光学ユニット（顕
微鏡の操作についてこの順番で）を有する。目標から反
射された光は最終光学系と対物レンズを通って戻り、ビ
ームスプリッタで２つの道に分けられる。一方の道は主
に直線的に光検出ユニット（例：光学的検出器）へと続
き、他方の道は偏向されて、その作動は分かっていない
他の感知ユニットへ向かう。焦点の作動距離は、約１０
〜２８mmで、これは共焦顕微鏡にとっては極めて大き
い。この大きな作動距離は対物レンズの直径に比べて比
較的大きな対物レンズの焦点距離に起因しているようで
ある。

【００１０】このことはこのシステムの有効Ｆ−値が大
きい（例：約２）事を意味する。Ｆ−値の大きなレンズ
システムのスポットサイズは大きく（放出放射光を焦点
に合わせる場合）その視野は深い。大きなスポットサイ
ズはシステムの解像能を減少し易く、これは宣伝されて
いるキーエンス装置の約２ミクロン直径のレーザビーム
と一致する（システムの解像法が約２ミクロンであるこ
とを示す）。レンズは円弧状に動かされるのかも知れな
いがそれは一方向の制御であって少なくとも二方向での
独立した動きではない。最終光学ユニットは光が対物レ
ンズを通った後に放射光の角度を調節することでこの顕
微鏡の大きな作動距離を強化するものと見られる。本発
明は従来の技術における問題点を解決するためになされ
たものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明においては放射光
源、ビームスプリッタ、収斂レンズ、対物レンズ、及び
対物レンズの焦点にある対象物から反射又は発光された
放射光を認知できる放射光検出器を有する共焦点顕微鏡
が提供され、この共焦点顕微鏡は対物レンズ及び対物レ
ンズの焦点を少なくとも０．３５平方mmの表面積又は
０．２５立方mmの容積内で制御して動かす手段を具備し
ている。この焦点の面積又は容積走査は少なくとも１つ
又は２つの対物レンズ移動手段によるもので、当該の少
なくとも二手段の最初の手段は第１軸上で対物レンズを
動かし、該少なくとも二手段の第２の手段は該第１軸に
平行でない第２の軸上で対物レンズを動かし得る（この
第２の軸は第１軸に垂直又は直交することが好まし
い）。又、レンズの位置は、対物レンズに取り付けられ
た移動手段に加えられる電流・電圧の単なる計測による
よりも、対物レンズの実際位置を定義づける物理的感知
手段で識別されることが好ましい。

【００１２】

【発明の実施の形態】この発明は低質量の対物レンズを
利用する小型共焦点顕微鏡であり（従って対物レンズ用
の駆動システムは低質量であり得る。）この対物レンズ
は機械的共鳴の少ない高速駆動器で駆動され、この駆動
器は、レンズの焦点がその動きで一平面又は一容積を走
査又は決定できるように少なくとも１次元及び好ましく
は２次元の空間内で動けるように駆動する。低質量対物
レンズとは２．０グラム以下の重量のレンズ、更に好ま
しくは１．５グラム、１．０グラム以下の質量、最も好
ましくは０．０５〜０．８グラムの質量のレンズを意味
し０．３グラム未満が最も好ましい。この発明の好まし
い構造での対物レンズの実重量は０．１３グラムであ
る。この顕微鏡は小型、軽量でその立体解像能は高く消
費電力は低く、そしてその光学的デザインは簡単であ
る。好ましい駆動源（コイル、フレキシブル支持材料、
プラスチックフレーム及び対物レンズを含む）は１．９
２２７グラムであった。全駆動源の好ましい重量範囲は
約１〜約５グラムである。

【００１３】顕微鏡の（図示せず）部品１〜１０の基本
的構成は図１に示されている。光１１はレーザダイオー
ド１等の光源で与えられ、光検出器２で駆動されるフィ
ードバックシステムで、光学的出力が調整されている。
光源１の放射出力１１の一部分１２はビームスプリッタ
３で反射され、レンズ４でコリメートされる。光１２ａ
のこの部分１２は次にフレキシブル材料で（図示せず）
支持され得る低共鳴、低質量の可動対物レンズ５で焦点
を合わす。対物レンズ５は駆動系６で動かされる。供試
物７の一部が（目標又は対象物）対物レンズ５の焦点１
３内に入ると、光１４はビーム路１４，１４ａ，１４ｂ
に添ってビームスプリッタ３へ戻る。ビームスプリッタ
３を照射する入射する復帰する光１４の一部分１４ｃ
は、レンズ８へ通り、ピンホール開口９の上に焦点が合
わせられる。検出器１０で検出される光の量、又は強度
はビーム軸（図示せず）上の焦点１３から供試物７の反
射又は発光している部分までの距離に関係している。

【００１４】図２は、可撓性の材料２５で支持され光学
アセンブリの固定部分上にある永久磁石２３と連動する
電磁ボイスコイル２２及び２４のセットで、運動２軸に
沿って駆動される。低共鳴性の可動対物レンズ２１を示
す。図２はビーム路と共直線方向そしてビーム１２ａに
直角な１方向に焦点を動かすことの出来るシステムを示
す。又対物レンズは低共鳴性走査システムによっても
１，２又は３軸上で駆動され得る。そして対物レンズ走
査器アセンブリ、供試物又は両方を動かす高共鳴性又は
低共鳴性駆動器によって他の軸上での運動が与えられ
る。

【００１５】本発明の共焦点顕微鏡はその共焦顕微鏡が
システムの光学的容量に独特な特性を与え得る能力を特
徴とする。この顕微鏡は１μｍ未満のスポットサイズ、
好ましくは０．７５μｍ未満そして最も好ましくは０．
５μｍ未満（解像能）の高解像能を与えながら、短い作
動長さ（例：０．１〜５mm、好ましくは０．１〜２mm）
を有し得る。本発明の顕微鏡は、少なくとも２本の直交
軸に沿った独立の動きに加えて、少なくとも２本の別途
の軸上で独立して対物レンズを動かす能力を持ってい
る。

【００１６】対物レンズ及び駆動システムの共鳴は機械
的品質計数「Ｑ」で定義される。Ｑは対物レンズの振幅
（１軸上の）が、駆動信号が除去された後振動の最大振
幅のｌ／ｅまで減少するのに要する振動の数で定義され
る。このシステムにおいて、Ｑは適切な駆動信号を使っ
て定常振動を発生させることにより計測する。走査の振
幅を計測したら、次に駆動信号を除去する。Ｑは走査の
振幅が駆動されたときの走査長さのｌ／ｅに減少するの
に要する振動の数である。走査の少なくとも１軸につい
てのＱは１０未満であり、好ましくは５未満、そして最
も好ましくは２未満である。更なる例として、対物レン
ズの１軸上での動きを与える１個のボイスコイルのため
に、関数発生器からの正弦波が駆動信号として使われる
と仮定する。正弦波は２Hz波でそのピーク間振幅は１．
８ボルトである。その結果対物レンズの振動振幅はピー
ク間１．５mmとなる。駆動信号が除去されると振動は１
振動以内に０．５５２mmに減少する。この場合、システ
ムのＱ（０．５５２／１．５）は１未満である。

【００１７】上記のようにキーエンスのシステムのｆ−
値は約２と見られる。周知のように、ｆ−値の定義はレ
ンズの焦点長さを開放口径で割ったものである。スポッ
トサイズと焦点の深さは対物レンズのｆ−値に深く関係
している。ｆ−値が大きければ、スポットサイズと視界
の深さは大きい。解像能を落とすので大きなスポットサ
イズは顕微鏡には好ましくない。上述のキーエンスの変
位計測装置は大きな作動長さに設計されている。その特
徴のためには大きなｆ−値の対物レンズが必要で、大き
なスポットサイズのために解像能が犠牲となる。キーエ
ンス共焦顕微鏡を分解せずに断定することは出来ない
が、その対物レンズは５mmより小さく対物レンズのｆ−
値は、２以上と見られる。本発明にあっては、システム
のｆ−値は好ましくは１．５未満、更に好ましくは１．
２５未満、又更に好ましくは１．０未満である。本発明
の共焦顕微鏡の実用モデルのｆ−値は０．９３６であ
る。この構成の利点は、３．５立方mmの走査容積内で可
能な最高解像能を持つことであり、従って比較的大きな
ｆ−値はこのシステムには許容できない。

【００１８】矩形の全試料面積又は全容積をサンプルす
る事で表面の形状が２次元又は３次元で計測できる。又
顕微鏡の機械的共鳴が低いので対物レンズは、より小さ
な振動振幅及びより高い振動率で作動することが出来
る。本発明の実用時における振動は焦点が動ける領域内
での焦点の動きである（対物レンズを動かす手段の動き
とその結果としての対物レンズの動き）。この振動には
運動範囲の片側又は両側の最端部を含むとしてもこの振
動はこれらの要素（運動手段、対物レンズ及び焦点）の
動きの絶対極限内である必要はない。この動きは共試目
標又は対象物の表面の変動の推測又は実際の計測（顕微
鏡の作動中にリアルタイムで計測される）に基づく、運
動範囲の限度ぎりぎりであっても良い。この方法によれ
ば、関心対象の領域を含む特定の面積又は容積を走査す
る事で表面走査に要する時間は減少できる。駆動装置に
オフセット電流を与えたり、対物レンズに振動力を与え
たり、又は対物アセンブリ又は供試物を動かしたりする
ことで焦点の振動軸を動かして、焦点の振動を供試物の
ほぼ中心に持ってくることが出来る。オフセット電流又
は供試物又は対物アセンブリの運動の適切な値は、対物
レンズの振動中の光学的検出器１０による供試物の表面
上での位置の決定と走査の中心を示す位置との差から求
め得る。また、オフセット電流の適切な値は表面の形状
の低解像度マッピング、関心対象の走査面積上での数点
の位置のためのオフセット電流の推測適切値の計算、及
び駆動器へのオフセット電流の印加によっても決定でき
る。表面の低解像度マッピングは、焦点軸上である固定
位置へ対物レンズを固定しその間供試物の表面を高速で
ラスタ走査し、供試物の表面に焦点が合ったときの位置
を決めることで作成できる。

【００１９】対物レンズを新しい位置へ順次に動かし、
表面を再度走査することで（そして、対物レンズの運動
範囲上を繰り返し走査すること、又は、全表面について
表面地が決定されるまで走査することで）輪郭面が作成
できる。推測された表面は、内挿による次段階での輪郭
面の高解像度走査に使われ、振動対象レンズへのオフセ
ット電流の適切な値が計算される。推測が誤っていた
り、作成されるデータの許容値から外れる場合又焦点が
走査長さ内で検出されない場合には、振動振幅は必要に
より増加され、又、もし必要であれば、関心のある区域
を再走査する。

【００２０】対物レンズの走査は直交軸上である必要は
ない。例えば、対物レンズはレンズが円弧状に振動する
ように取付け得る。機械的ヒステリシスの低い取付け法
でこの動きは実現できるので、この方法は好ましい形態
であり得る。

【００２１】光検出器１０からの焦点合致信号が出ると
きの焦点の位置は駆動系の電流又は電圧及び焦点合致信
号のタイミングの相関で決定される。駆動系の電流又は
電圧、焦点合致信号及び焦点の位置の計算値の間の数学
的関係は簡単な推測又は過去の計測校正及び、一覧表を
使って入手できる。焦点位置の計算の精度は焦点を走査
して得られる参照信号によって更に改善できる。顕微鏡
との対物レンズと供試物の間のウインドウは、対物レン
ズの各振動について焦点合致信号の１組を与え、参照信
号と供試物までの位置の計算に使用できる。対象物の各
振動について参照信号は必要ではない。例えば、駆動電
流の相と対物レンズの単に周期的な振動の間の関係につ
いての校正データを得るためにウインドウが使用でき
る。

【００２２】対物レンズの焦点と表面の間の位置関係の
決定に、ピンホールによる検出以外の手段も使用出来
る。例えば、コンパクトディスクプレーヤで一般に使わ
れる焦点決定法が利用できる。この場合、焦点感知フォ
トダイオードにより検出される信号はピンホール検出器
のそれよりもかなり複雑になる。この複雑さにもかかわ
らず検出された信号の変化の率を分析することで、焦点
位置が決定できる。コンパクトディスクでの焦点位置決
定のための一般的なシステムは、供試物により反射され
る光を四辺形光学検出器上に結像させる非点収差レンズ
である。光学検出器間の差の最初の導関数（Ａ＋Ｂ）−
（Ｃ＋Ｄ）；ただしＡ：ＢおよびＣ：Ｄ検出器ペアは光
学検出器上で互いに対角関係にある；のピークによって
焦点合致の状況が示される。コンパクトディスクプレー
ヤに使われる焦点方によれば、対物レンズの走査中に表
面の識別ができる。又、四辺形焦点検出器の使用により
横方向走査中に表面を追跡することが出来て、そのとき
に対物レンズの位置は走査中表面から一定距離に維持さ
れる。この場合、（Ａ＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ）出力が、対物
レンズの位置の連続的修正用の誤差情報提供に使われ
る。レンズの絶対位置が１又は２軸の横方向走査中に記
録でき、それにより対物レンズの、計測又は計算位置か
ら生成される供試物の表面の形態が、走査中に横方向で
の位置の配列として決定される。四辺形検出法には制限
もある。このシステムでは、表面における急速に変化す
る形態を追跡することは困難である可能性がある。

【００２３】検出器に達する光が対物レンズの焦点にな
い場合には、特定の形式の表面の幾何学的形状は誤った
正信号の検出を生ずる。又、四辺形検出システムはピン
ホール検出システムよりも光学的ノイズや漂遊光に影響
されやすい。これは、四辺形検出器が隔絶されていない
光学的環境にさらされる結果である。更に、本システム
用に改変されうる四辺形検出器は画像を造らず、画像の
解像にも使用されず、又表面の変化の検出にさえも使用
されない。四辺形検出システムは表面からプログラムさ
れた情報を読み取るために光線の焦点を表面からある一
定の距離に維持する。四辺形検出器は情報のために光線
を読み取るのではなく、コンパクトディスクシステムの
要素間の特定の距離関係維持のために単に光線の四辺形
の広がりを読み取るのである。

【００２４】対物レンズの位置は、今まで、上記のタイ
ミング法による駆動電流とレンズ位置間の関係の事前の
校正で決定されるか、又は、レンズ位置の絶対値測定で
より正確に一貫性を持って計測されてきた。対物レンズ
の絶対位置決定法には容量性検出器、１又は２軸位置感
知ダイオードを照らす対物レンズに直接又は間接に取り
付けられた光源、又は光学的干渉計システムが含まれ
る。位置感知ダイオードの間接照明法には、対物レンズ
の取り付け部に直接ピンホール又は小さな鏡を取り付け
る方法が含まれる。ピンホール又は鏡は走査の全域にわ
たって照明がなされるように固定された光源で照明され
る。鏡又はピンホールで選別された光は位置感知フォト
ダイオードを照明し、そしてこのフォトダイオードは光
線の１軸又は２軸上での変位に比例した信号を与える。
その変位は、対物レンズの位置の変化に対応する。計測
が必要とされるときには照明用の光をパルスさせること
で位置感知ダイオードからの信号取得が簡単になる。こ
うすることで信号のデジタル化用のサンプル及びホール
ド回路のタイミングの簡素化が出来得る。又、パルス光
を使うと同一平均強度の光源による信号検出の信号対雑
音比が一般的に大になる。

【００２５】干渉計的計測システムは、共焦顕微鏡の光
学系から独立しても良いし、又はその一部と連成しても
良く、例えば、顕微鏡の同一レーザダイオード及びビー
ムスプリッタが使用できる。連成される場合、レーザダ
イオードで照明される対物レンズの表面部分（対物レン
ズの近辺又はその場所における又、レンズに取り付けら
れている又はその一部である）は、光を反射するのでそ
の反射光は基準の鏡によって与えられる光と干渉する。
ビームスプリッタが放射する変調光は光学検出器で検出
され走査中の対物レンズの絶対位置の決定に使われる。

【００２６】対物レンズの好ましい駆動系は電磁式ボイ
スコイルである。ボイスコイルは対物レンズに高剛性で
連結された駆動系の部分の質量を軽くする。ボイスコイ
ル用の駆動電流は、走査される対物レンズが全走査時間
の最大部分にわたって一定変速であるように、単純正弦
波、矩形波又は最適化波形であり得る。そのような最適
化された波形の一例としては、走査方向反転のために駆
動系に加えるパルス電流及び、計測がなされる走査の期
間中にコイルに加えられる小さな電流又は無電流であ
る。他の圧電又は電歪式要素といった駆動系も本発明に
とって好適である。

【００２７】対物レンズと対物レンズに高剛性で取り付
けられた機械的駆動系の質量は小でなければならぬ。好
ましくは、これら二部分の全質量は駆動力と顕微鏡の全
質量を満足するために、５グラム未満である。最も好ま
しい対物レンズを取り付けられた駆動系の質量は３グラ
ム未満である。

【００２８】実例が以下に示される。この例は走査され
る供試物と可動対物レンズ間に置かれた比較的薄い（焦
点走査振幅に比べて）カバーガラス窓、透明ポリマー
膜、その他から発生する参照信号の有用性と精度の決定
に使用された。参照信号に相当する焦点合致信号は、レ
ーザビームの焦点が参照対象物のどちらかの面上にある
ときに発生する。それ故、データ信号以前に２つまでの
参照信号が検出され、そしてデータ信号の後に、２つま
での参照信号が検出される。

【００２９】ソニー製コンパクトディスクプレーヤＣＤ
Ｐ−３１１から取ったソニー製ＣＤプレーヤ光学ヘッド
ＫＳＳ−２４０ａ（四辺形検出ユニットのもの）は、レ
ーザビームの軸、即ち焦点軸上の対物レンズの動きが２
Hzの三角波形で駆動されるように改造された。その波形
の振幅が対物レンズの運動振幅を２mmにし、従ってこの
実験での視界深度も２mmであった。１５μｍの厚みの透
明なポリマー膜がその表面がレーザビームの軸に直角に
なるように対物レンズとアルミ箔の供試物の間に置かれ
た。焦点合致信号は光学ヘッドに取り付けられた四辺形
検出ユニットで検出された。これらの信号は次に増幅さ
れ、受信されその後コンピュータにディジタルに収納さ
れた。収納されたデータのプロットは明らかに期待され
た通りの２つのデータ信号を示し、それら信号には繰り
返し、２つのデータ信号が続いていた。これらの参照信
号は、プロット上でのプラスチックフィルムの厚さを示
すそれらの信号の間隔で表される。又、データ信号はア
ルミ箔よりも低いプラスチック膜の反射率のせいで、よ
り低い強度を有する。焦点合致信号の場合をより正確に
感知するために、データの最初の導関数がプロットされ
た。このプロットはデータの最も高い変化率が焦点合致
位置にあることを示した。

【００３０】この実験中対物レンズの振幅が０．５mmに
下げられ、又プラスチック膜は厚さ１mmのシリカの窓に
置き換えられた。その後、ウインドウのどちらかの面上
に焦点が来て１つの焦点合致信号のみが発生される様
に、対物レンズの中心をずらすために、ＤＣバイアス電
圧が２Hzの三角波形で加えられた。顕微鏡はこのバイア
ス電圧を使って供試物の表面を追えるし、又は供試物の
選択された深さも見ることが出来る。

【００３１】本発明の共焦点顕微鏡は主として純粋に顕
微鏡的な道具として記述された。しかしそれは、他の特
定の環境における直接の応用、例えば眼科医療産業で用
いられる眼の表面の不規則性を生体条件下で写像する応
用、を有する。現在設計されている顕微鏡はその前部が
そのように小さな寸法なので、比較的容易に眼腔の中で
も作動できる。具体的に本発明の共焦点顕微鏡は光屈折
形角膜手術（ＰＲＫ）及び光線療法角膜手術といった眼
の修正手術のための眼の表面の情報を提供する。ＰＲＫ
は近視的、遠視的及び乱視的状態の眼を直すレーザによ
る融除法である。直交軸上での眼の曲率の情報は特定の
眼の近視、遠視、乱視の程度を示す。この情報を使って
特定の患者に対するレーザ手術が用意される。他の不規
則性や特徴についての情報は他の修正手続きに使用出来
る。

【００３２】この顕微鏡の他の有意義な可能性は眼の形
と外部からの計測に合った型を造るために使われる。眼
の形、曲率及び眼の表面の不規則性の走査データの取
得、そして患者の目に合った上記の型によるコンタクト
レンズの成形である。例えば、この共焦顕微鏡からのデ
ータを使って重合物予備形成のレンズをレーザの融除で
正確に形作ることが出来る。本発明の共焦顕微鏡の上記
の特徴により、眼が特殊な、すなわち最適化された方法
で走査できる。走査パターンは直交形の（ラスタ反復さ
れた）態様である必要はない。多軸制御であるから、焦
点は、走査時間短縮のために円状又は呼吸運動パターン
で移動できる。これら各種の方法により多重走査が行わ
れデータが比較され、２又は３つの異なった方法（例え
ば円状、呼吸運動状、ラスタ走査）を平均することによ
り正確な写像が行われる。

【００３３】より新しい技術が商業的に入手可能になる
に従って、赤外線放射が望ましくない、青色半導性レー
ザダイオード、蛍光顕微法及びその他のアセンブリも構
成できるようになる。

【００３４】眼科産業ではＰＲＫ手法の融除可能なマス
クの使用が、現在のビーム形成法よりも有意義な利点を
持っていることが一般に知られている。融除可能なマス
クはＰＲＫ手術中に眼がさらされるエネルギの全分布の
変更に使われる。眼の形を変えるためには眼のいろいろ
な領域が正確に定義された手法と度合で融除されなけれ
ばならぬ（例えば眼の表面の全体的曲率の変更）。例え
ばもし患者が近眼である場合には、角膜の曲率が小さす
ぎる。この状態をＰＲＫにより修正するためには眼の中
心部から材料が、周囲部よりも多く融除されることが必
要である。このことは、眼を効果的に平坦化し角膜の曲
率半径を増大させる。同様な手順が、拡大する開口また
は虹彩について実行されるが、これは、眼の中心部を、
与えられた数のレーザパルスにより、周囲の組織よりも
多く、放射に露出することである。マスクを使用する現
在の技術では、マスク及び眼の表面の選択的融除のため
に、マスクは、必要に応じ、差をつけて融除され、又は
比例的により薄いものにされるようになっている。

【００３５】本顕微鏡からの情報データは融除マスク設
計及びコンタクトレンズ設計が充分な精度で出来るよう
に眼の表面のマッピングに使用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明で使用される典型的な光学的構成を示す
図である。

【図２】本発明による顕微鏡の目的のための電磁的走査
アセンブリを示す図である。

【符号の説明】

１…光源 ２…光検出器 ３…ビームスプリッタ ４…レンズ ５…対物レンズ ６…駆動装置 ７…供試物 ８…レンズ ９…ピンホール開口 １０…検出器 １１…光 １２…放射出力の一部 １３…焦点 １４…入射復帰光 １４ａ，１４ｂ…ビーム路 ２１…対物レンズ ２２…ボイスコイル ２３…永久磁石 ２４…ボイスコイル ２５…可撓性材料

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 好ましい光学軸に沿って光ビームを発生
   する照射源；少なくとも一方向で機械的駆動により走査
   する低質量の対物レンズ；供試物に近づけ得る、一容積
   に光の焦点を合わせる対物レンズ；該走査期間の少なく
   とも一部分において少なくとも該ビームにより部分的に
   満たされる該対物レンズの光学的開口；該供試物から当
   該光学軸に沿って反射され、又は放射される光の少なく
   とも一部を変更するビームスプリッタ；該焦点の近くか
   ら放射又は反射されて、当該ビームスプリッタで変更さ
   れる光を検出する手段で構成され；該検出手段からの信
   号及び該対物レンズの位置に関する値を記録することを
   特徴とする共焦点顕微鏡。
2. 【請求項２】 該走査器の運動の少なくとも１軸が、駆
   動電流により作動し静止の磁界と連動する電磁コイルに
   より与えられる請求項１記載の顕微鏡。
3. 【請求項３】 該走査器の運動の少なくとも１軸が圧電
   アクチュエータで与えられる請求項１記載の顕微鏡。
4. 【請求項４】 機械的品質係数Ｑで定義される機械的共
   鳴が５未満の機械的駆動を有する請求項２記載の顕微
   鏡。
5. 【請求項５】 該反射又は放射光の当該検出手段が該焦
   点の該供試物表面への近接性が計測できるように、当該
   反射又は放射光を四重に配列させた４個の光学検出器の
   セットの上へ、該反射又は放射光を焦点合致させる非点
   収差レンズを含む請求項２記載の顕微鏡。
6. 【請求項６】 該受け返された光の検出手段が当該反射
   又は放射光をピンホール状に焦点合わせする焦点合致レ
   ンズを含み、該ピンホールが光学検出器をカバーする請
   求項２記載の顕微鏡。
7. 【請求項７】 １又は２軸上での当該対物レンズの動き
   が位置感知フォトダイオードを照明する光の平均位置に
   相応する変化を生じるように、直接的又は間接的光源を
   対レンズに取り付けることによって該対物レンズの位置
   が、決定される請求項２記載の顕微鏡。
8. 【請求項８】 当該対物レンズの位置が当該対物レンズ
   と基準ビームの間の光学的干渉によって決定される請求
   項２記載の顕微鏡。
9. 【請求項９】 当該対物レンズの動きが、少なくとも１
   走査軸上で円弧状である請求項２記載の顕微鏡。
10. 【請求項１０】 反射又は放射光の該検出手段が、該焦
    点の当該供試物表面への近接性が計測できるように四重
    に配列させた４個の光検出器のセットの上に該反射又は
    放射された光を焦点合わせする非点収差レンズを含む請
    求項１記載の顕微鏡。
11. 【請求項１１】 該対物レンズの位置が、該対物レンズ
    の１軸又は２軸上での動きが位置感知フォトダイオード
    を照明する光の平均位置に相応する変化を生じさせる様
    対物レンズに直接的又は間接的光源を取り付けることに
    よって決定され；又該フォトダイオードからの信号と対
    物レンズの位置の間にある関係が決定される請求項１記
    載の顕微鏡。
12. 【請求項１２】 眼の性能を改善する方法であって、下
    記の各過程： （ａ）好ましい光学軸に沿って光を発生する発光源、 機械的駆動により少なくとも１軸上で振動式に走査する
    低質量の対物レンズ、 供試物へ近づけることが出来る容積内焦点にビームを焦
    点合わせする対物レンズ、 該走査期間の少なくとも一時期、少なくとも当該光ビー
    ムにより部分的に満たされている、当該対物レンズの光
    学的開口、 該光軸に沿って該供試物から反射又は放射された光の少
    なくとも一部を偏向するビームスプリッタ、 当該焦点の近くで発生し、当該ビームスプリッタで偏向
    された該放射又は反射された光を検出する手段、およ
    び、 該検出手段からの信号と該対物レンズの位置に関する値
    を記録すること、を包含する請求項１記載の共焦点顕微
    鏡を設けること； （ｂ）該対物レンズの焦点を患者の目に指向させるこ
    と； （ｃ）該検出手段で記録された信号からのデータを集め
    て眼の３次元マップを作成すること；そして、 （ｄ）該マップを用いレーザを、角膜手術法、眼球マッ
    ピング及びレンズ製造から成るグループから選ばれる眼
    科的手順へレーザ指向させること；を具備することを特
    徴とする方法。
13. 【請求項１３】 好ましい光学軸に沿って光を発生する
    発光源；機械的駆動により少なくとも１軸上で振動式に
    走査する低質量の対物レンズ；供試物に近づけることが
    出来る容積内の焦点にビームを焦点合致させる対物レン
    ズ；該走査期間の少なくとも一時期、少なくとも当該ビ
    ームにより部分的に満たされている、該対物レンズの光
    学的開口；該光軸に沿って、該供試物から反射又は放射
    された光の少なくとも一部を偏向するビームスプリッ
    タ、 該焦点の近くで発生し、当該ビームスプリッタで偏向さ
    れた該放射又は反射された光を検出する手段を含み、 そして当該検出手段からの信号と該対物レンズの位置に
    関する値を記録する共焦点顕微鏡であって該返光を検出
    する手段が、該反射又は放射された光をピンホール上に
    焦点合わせする焦点合致レンズを含み、 該ピンホールが光学検出器をカバーし、対物レンズの振
    動が計測される供試物の高さの全範囲よりも小さな振幅
    を有し、 該走査器の動きの少なくとも１軸が駆動電流を有し静止
    している磁界と連動する電磁コイルで与えられ、顕微鏡
    のｆ−値が１．２５未満で対物レンズの重量が０．３グ
    ラム未満、であることを特徴とする共焦点顕微鏡。
14. 【請求項１４】 好適な光学軸に沿い光ビームを発生さ
    せることにより光源からの照射を生成させる過程；小質
    量の対物レンズを通して該光ビームを通過させ、該光ビ
    ームは少なくとも１つの駆動装置により少なくとも２つ
    の次元において振動態様で走査を行う過程であって、該
    対物レンズは１つの光学軸を有し、該少なくとも２つの
    次元は該光学軸に垂直であるかまたは該光学軸を通る１
    つの弧内にあるもの；ビームスプリッタにより、該光学
    軸に沿い該供試物から反射されまたは該供試物から放射
    される光の一部を発散させる過程；該ビームスプリッタ
    により発散させられた該放射または反射された光を検出
    する過程；および、 該対物レンズが少なくとも２つの次元において振動態様
    で走査を行う間に、該信号を検出手段により検出し信号
    からデータを収集する過程；を具備することを特徴とす
    る映像を生成させる方法。
15. 【請求項１５】 該映像を生成させる方法において、
    （ａ）該少なくとも２つの次元の少なくとも１つは、少
    なくとも１つの走査軸における弧であり、（ｂ）該対物
    レンズは、該レンズと機械的駆動装置を有する光学的ア
    センブリの一部であり、該データは、該光学的アセンブ
    リを運動させることなしに該対物レンズの焦点を少なく
    とも０．３５mm平方の区域を通して運動させることによ
    り得られるデータを有し、（ｃ）該対物レンズはまた１
    つの焦点を有し、少なくとも２つの次元における該振動
    は、該供試物の表面を通り、該焦点を運動させ、１つの
    合焦点の信号のみを発生させ、（ｄ）該対物レンズは１
    つの焦点を有し、少なくとも２つの次元における該振動
    は、該供試物の表面を通り供試物の中へ該焦点を運動さ
    せ、該試料の１つより多い表面についての、合焦点の信
    号を発生させ、（ｅ）該対物レンズの位置は、直接また
    は間接の光源を対物レンズに付着させることにより決定
    されるが、その態様は、該対物レンズの運動または位置
    の変化が少なくとも１つの位置検出用フォトダイオード
    を照明する光の平均の場所の対応する変化を生じさせる
    という態様であり、該光ダイオードからの信号と対物レ
    ンズの位置の間に１つの関係が決定され、（ｆ）該対物
    レンズは該レンズと機械的駆動装置を有する光学的アセ
    ンブリの一部であり、該対物レンズは２つまたは３つの
    軸について運動させられ、該光学的アセンブリは電磁的
    音声コイルにより少なくとも１つの軸について運動させ
    られ、（ｇ）該対物レンズはまた１つの焦点を有し少な
    くとも２つの次元における該振動は、該対物レンズの光
    学軸に平行な１つの軸以外の少なくとも１つの軸に沿い
    該焦点を運動させ、該対物レンズは焦点の運動とともに
    該光学軸に平行に振動し、該焦点の運動は、該光学軸に
    平行で、該光学軸に平行に運動する該焦点の運動の境界
    より小である振動の振幅をもつものであり、（ｈ）該映
    像は１つの表面の輪郭マップを有するものであり、また
    は、（ｉ）反復される表面の走査は該表面の輪郭マップ
    を有する映像を提供する、請求項１４記載の方法。
16. 【請求項１６】 該項目（ｂ）について、データは、該
    供試物を運動させることなく、該対物レンズと該光学的
    アセンブリを運動させることにより得られる、請求項１
    ５記載の方法。
17. 【請求項１７】 該項目（ｇ）について、該光学軸に平
    行な該振動は、該焦点の運動の境界における走査のとき
    の振動の周波数より大なる周波数において実行され、ま
    たは、該焦点の運動の境界における走査のときの振動の
    該周波数は、該機械的駆動装置により実現され得る最小
    の周波数である、請求項１５記載の方法。