JPS62299928A - 走査型光学顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ３、発明の詳細な説明 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光ビームを走査する方式の走査型光学ＩＪＩ
微鏡に関する。

〔従来の技術〕

通常の光学Ｕ微鏡に比べて、注目している画素以外から
の散乱光が無くて二Ｉントラストの良い画像が得られ、
或は共焦点法、微分（Ｕ相差法等の特殊で有効な画像形
成ができ、更に０ＢＩＣ（光誘　　′起電流）像、光音
響像など種々の物理現象の画像化ができる等の利点を有
した走査型光学顕微鏡が提案されている。

走査型光学ｕｆｌＡ鏡における走査方式として、試料を
機械的に動かして走査を行う方式と、レーザービームの
スポットを動かして静止している試料上を走査する方式
がある。しかし、機械的に試料を動かして観察する方式
の場合、試料が小さくて軽いものや走査による振動によ
って動かないように固定されたものに限定されるし、走
査周期もそれほど速くできないという欠点がある。そこ
で、本件発明者は先に特願昭６０−６２２６２号等にお
いて、レーザービームのスポットを動かす方式でありな
がら、共焦点法、微分位相差法等の特殊な画像形成も可
能で試料に制約のない走査型光学顕微鏡を提案した。

以下特願昭６０−６２２６２号において提案した方式を
第６図乃至第１Ｏ図を用いて説明する。

この走査型光学顕微鏡は、光偏向器により光ビームを偏
向して試料上を走査する方式にすることにより、高い解
像力を有しながら通常顕微鏡と同様な使い勝手の良さを
確保したものである。又、走査光学系において光偏向器
を瞳位置に設定することにより、光偏向器によって光ビ
ームを走査しても走査系において光軸が一定に保たれる
ようにすると共に、透過光検出の場合検出器を瞳と共役
な位置に設定することにより、軸外光においても瞳にお
ける情報を使えるようにして、特殊検鏡法でも電気回路
のスイッチ操作一つで観察できるようにしたものである
。

以下を詳細に説明すれば、第６図は瞳を考慮した走査光
学系と検出器の配置を示した図であって、等価的に点光
源と考えられるレーザからの光ビーム１０はビームスプ
リッタＩＩを通過し第一の光偏向器１２に入射する。こ
の光偏向器１２は対物レンズ１３の瞳１４と共役な位置
に配置する。偏向を行っていない場合光ビーム１０は光
軸１５に沿って進む。偏向を行う場合即ち光ビーム１０
を走査する場合、光偏向器１２が瞳位置に設けられてい
るので光ビーム】Ｏの方向は軸外主光１１１１６と一致
し、光ビームＩＯの中心も軸外主光線１６と一致する。

次にこれらの光ビームは瞳伝送レンズ１７及び１８を１
ｌｌｌって瞳位置に配置された第二の光偏向器１９に入
射する。この光偏向器１９が二次元走査のうちのＸ方向
の走査を行うとすると、先の光偏向器１２はＹ方向の走
査を行うことになる。Ｘ−Ｙ両方向の偏向を行うことの
でき４光偏向器を用いれば光偏向器は一つで良い。光偏
向器１２及び１９により二次元的に走査された光ビーム
は、瞳投影レンズ２０及び結像レンズ２１により対物レ
ンズ１３の瞳１４に入射せしめられる。

光偏向器１２及び１９によって形成される軸外光のビー
ムも方向及びその中心が軸外主光線１６と一致している
ので、軸外の光ビームも対物レンズ１３の瞳１４に正確
に入射する。そして、これらの光ビームは対物レンズ１
３によって試料２２上に回折で制限される点状光を生じ
る。光偏向器１２及び１９によってＸ−Ｙの二次元に走
査することにより、点状光が試料２２を二次元走査する
。

試料２２を透過した光を観察する場合は、コンデンサー
レンズ２３により光を集め検出器２４で検出する。尚、
検出器２４も瞳位置に設置される。

従って、軸外光も常に同じ位置に生じるので、検出器２
４の感度むら等の影響を防ぐことができるし、検出器２
４の面積も小さくて済む。更に微分型検出を行う場合に
は、検出器２４を二つの検出器２５．２６で構成し、こ
れらを光軸１５に対して対称に設置する。この場合、軸
外光でもビームの中心と軸外主光線が一致するように設
定されているので、検出器２５．２６は軸外主光線に対
しても対称な配置となり、正確に微分型検出を行うこと
ができる。

又、試料２２からの反射光で検出する場合、試料２２で
反射された光ビームは、対物レンズ１３とその瞳１４を
通り更に結像レンズ２１を通って一旦結像する。この結
像面が通常の光学顕微鏡で像を観測する面である。更に
光ビームは瞳投影レンズ２０により光偏向器１９上に戻
ってくる。このように反射ビームは試料に入射した時と
全く同じ経路を逆に通ってビームスプリッタ１１に戻り
、ビームスプリッタ１１により取り出されて検出ビーム
２７となる。反射ビームが光偏向器１９．１２を通過し
て戻ってきているので、軸外を走査しても検出ビーム２
７は動かない。検出ビーム２７は集光レンズ２８によっ
て点状に絞られ、点状に絞られた位置にピンホール２９
を設けてその後方の検出器３０で検出すれば、フレアの
無い、通常の顕微鏡より高解像な画像を得ることができ
る。

又、ピンホール２９を設けな（とも通常の画像が得られ
ることは云うまでも無い。又光ビームが点状に絞られた
位置に黒点状の遮光物を設ければ、暗視野像が容易に観
測できる。又、検出器３０を二つの検出器３１．３２で
構成し、光ビームの拡がった位置に光軸に対称に設置す
れば、微分型観察を行える。おな、検出器３０からの信
号をＣＲＴ等の表示手段により可視化することは云うま
でも無い。

次に、光ビームを走査する光学系、検出系の場合に瞳位
置を考慮する必要があることについて詳細に説明する。

第７図は第６図の光偏向器１２と瞳伝送レンズ１７の部
分において光偏向器１２が瞳位Ｗ３３に無い場合を示し
ている。入射ビーム１０が光偏向器１２で偏向されると
、その光ビームの中心３４は対物レンズ１３によって決
まる軸外主光線１６と一致しない。このことは軸外の光
ビームが対物レンズ１３に正確に入射しないことを示し
ている。第８図において、３５は対物レンズ１３の瞳で
あって、その中心が光軸１５或は軸外主光線１６である
ことが示されている。この場合、光偏向器１２を瞳と共
役な位置に設けておくと、走査された軸外光ビームは軸
外主光線１６に一致し、対物レンズ１３の瞳３５に正確
に入射する。これに対して、光偏向器１２が瞳位置にな
いと光ビームの中心３４は軸外主光線１６と一致しない
ので、光ビームの拡がり３６は第８図に示した如くにな
り、瞳３５に正確に入射せずにけられることになる。こ
の場合、入射ビームを拡がり３６′のように大きな光ビ
ームにしておけば、光量が不足することはないが、やは
り瞳の情報を利用する場合には不適当である。

次に透過光検出において検出器が瞳位置にない場合につ
いて説明する。第９図において、光ビームは対物レンズ
３７によって試料３８上に点状投影され、透過ビームは
光軸３９に関して対称に配設された検出器４０．４１に
より検出される。試料を動かして走査する方式の場合は
光ビームは常に光軸上にあるから常に微分型の検出がで
きるが、光ビームを光偏向器で走査する場合には軸外光
を生じるので、検出器が瞳位置にないと軸外主光線４２
に関して検出器４０．４１の位置が対称にならない。実
際に第９図に示した如く軸外主光線４２は検出器４１上
に生じる。従って正確な微分像を得ることはできない。

以上のことから、光ビームを走査する方式の走査型光学
ｇ微鏡においては光偏向器を光学系の瞳位置に設定し、
検出器も瞳位置に設ける必要があり、そうすれば特殊検
鏡も簡単に行え、高解像の画像も得られる。但し、前述
の説明から明らかなように、反射光で検出する場合は反
射光が再び光偏向器を通過するので、検出器の位置には
制約の必要はない。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来例は走査手段（光偏向器）及び検出器を瞳位置
に設けることによりレーザービームのスポットを走査す
る方式においても微分位相像が正確に得られるようにし
たものであるが、適用する顕微鏡が通常の光学顕微鏡の
場合は、対物レンズの倍率或は種類によって対物レンズ
の瞳位置が異なっているのが一般的であるので、ある対
物レンズの瞳位置に合わせて走査手段と検出器を設定す
ると、他の対物レンズを使用する場合には検出器が瞳位
置からずれることになる。又、検出器の設定誤差や配置
構成の制約から生じる瞳位置のずれもある。そのため、
微分位相検出用の二つの検出器例えば第６図の検出器３
５．３６に入射する光ビームの光量は第１０図（ａｌ、
（ｂｌに示した如く夫々像高によって変化する。

例えば二つの検出器が投影された瞳の大きさより充分大
きい場合は、瞳半径をｐ、瞳の光軸からのずれ量をδと
すると、瞳ずれのない場合の光量を１として、光量ｆ　
（δ）は、 となる。

この時、通常像を得ようとして二つの検出器の出力信号
の和を計算すると互いに打ち消し合って像高による光量
変化はなくなるが、微分像を得る場合は二つの検出器の
出力信号の差を計算するので像高による光量変化は二倍
となってしまう。これでは、例えば二つの検出器の境界
方向を水平走査方向に垂直とした場合、即ち水平走査方
向の微分像が得られる、１；うに構成した場合、画面の
左右で明るさが異なることになる。

これは、像高が小さい場合や微分像のコントラストを強
調しない場合はそれほど問題にならないが、像高が大き
い場合や微分像のコントラストを強調する場合には大き
な問題となる。例えば、画面の左端は明るすぎて微分像
の細部が飛んでしまい、反対に右端は暗すぎて何も観察
できないということになる。

本発明は、上記問題点に鑑み、光ビームを走査する方式
の走査型光学顕微鏡において、画面上の全ての点で均一
な明るさを確保することができ、優れた微分位相像が得
られる走査型光学顕微鏡を提供することを目的とする。

Ｃ問題点を解決するための手段及び作用〕本発明による
走査型光学顕微鏡は、光源と、該光源から発した光ビー
ムを物体上に集光する対物レンズと、前記光源と前記対
物レンズとの間に配置された光ビーム走査手段と、物体
からの光を受ける複数の光電変換素子から成る検出器と
、該検出器を部分して夫々の部分がらの信号の差を演算
して微分位相信号を得る信号処理回路とを具備した走査
型光学顕微鏡において、像高によって変化し且つ前記光
ビームの走査に同期する信号を用いて前記微分位相信号
を補正する補正手段を設けて、像高によって変化する微
分位相信号のバイアス成“　分を補正信号によりキャン
セルするようにしたものである。

以下、これＧこついて説明する。

まず、微分（ａ相像を得る原理について説明する。

１９８０年発行のＰｒｏｃ、ｅｅｄｌｎｇ　ｏｆ　５Ｐ
ＩＥ　ｖｏｌ　２３２＋２０３頁において、Ｔ、−目ｓ
ｏｎ等は走査型光学顕微鏡において微分位相像を検出し
得ることを述べている。

簡単の為に一次元両像を考える。一般的に部分的コヒー
レント結像による像強度１　　（ｘ）は次式のように表
わせる。

１　　（ｘ）　＝　／／　Ｃ（ｍ　；　ｐ）　Ｔ　（ｍ
）　Ｔ’（ｐ）ｅｘｐ　　２πｊ　　（（ｍ　　Ｄ）　
ｘ）ｄ＋ｓｄｐ　　１２１ここで、Ｔ　（ｍ）は物体の
透過率のフーリエ変換、Ｃ（ｍ　；　ｌ））　４；ｊ光
学系の伝達関数に相当する。

Ｃ（ｍ；ｐ）け、検出器の感度をＤ（ξ）、光学系の瞳
関数をＰ（ξ）とすると Ｃ（ｍａｐ）　＝　　ｆ　Ｄ　（ξ）Ｐ（λｆＩ１１−
ξ）Ｐ’（λｆ、−ξ）　ｄ　ξ　　　　　　　　（３
）と表わされる。但し、ｆは系の焦点距離、λは光の波
長である。

ここで、コントラストの小さい物体を考えると、Ｃ（ｍ
；０）を考えるだけで良く、Ｄ（ξ）を分割検出器の感
度として、信号の差を考えると、Ｃ（ｍ；０）は第１図
に示した如き形になる。伝達関数がこのような形である
ことは、像の位相の微分が得られることを示している。

又、和信号を用いると通常の像が得られる。このように
信号の差を用いるか和を用いるかの違いだけで微分像と
通常像が得られるという特徴がある。

ここで、以上のような微分位相像を得ようとすると、先
に示したような瞳位置のずれが像高による光量変化を生
じさせることになる。

二つの検出器の境界が光軸より２τだけずれているとす
ると、像強度Ｉτ（Ｘ）は １　ｒ　（Ｘ）　−Ｊｆ　（ｍ−２ｆ、＋ｐ−２Ｔｐ）
　Ｔ　（ｍ）　Ｔ’（ｐ）　ｅｘｐ　２８　Ｊ　（ｍ−
ｐ）　ｘｄｗｄｐ−ｏ。

−ｆｆ　（ｍ＋ｐ）　Ｔ　（ｍ）　Ｔ”（ｐ）　ｅｘｐ
　２ｔｔＪ　（ｍ　ｐ）　ｘｔｋａｄｐ−２（τ、＋τ
、）／／Ｔ（ｍ）Ｔ’（ｐ）ｅｘｐ２ｙｒＪ（ｍ−ｐ）
ｘｄｍｐ　　（４）となり微分像と通常像の重なりとな
る。即ち、二つの検出器の境界の光軸がらのずれに従っ
て通常像が重なることになる。これは二つの検出器の境
界の光軸からのずれ量が小さければ、得られる像は微分
位相像と考えて良いことを示している。第２図にその場
合の伝達関数Ｃ（ｍ；Ｏ）を示す。

よって問題となるのは微分位相信号を用いる場合の光量
不均一であるが、電気的なオフセットは結像の後におけ
る電気信号のオフセットであって結像特性に何ら変化を
与えないという特性を利用して、光量不均一をキャンセ
ルするようなオフセット成分を微分位相信号用の差信号
に加えることにより補正することができる。

そこで本発明は、像高によって変化する二つの検出器の
差信号に、そのバイアス成分をキャンセルするように、
走査に同期させて補正信号（オフセント成分）を加える
ことにより、均一な明るさの画像を得るようにしている
。

〔実施例〕

以下、図示した一実施例に基づき本発明の詳細な説明す
る。第３図は一実施例の構成を示しており、これはＡＯ
Ｄ　（音響光学素子）を二個用いた走査型レーリ′Ｉｌ
ｉ微鏡を示している。４１はレーザ光源であり、その光
はスペーシャルフィルタ４３（これはレーザ光源からの
光を単一モード化するためのもので例えばピンホールが
用いられる。）を含むビームエクスパンダ４２により適
切な光束に整形される。そして、光はビームスプリッタ
４４を通過してＡＯＤ４５（垂直方向用）に入射し、瞳
伝送レンズ４６．４７により次のＡＯＤ４Ｂ（水平方向
用）に入射し、補正用シリンドリカルレンズ４９．瞳投
影レンズ５０．鏡筒レンズ５１を通り対物レンズ５２に
入射する。そして、試料５３を透過した光はコレクタレ
ンズ５４と検出器５５．５６．アンプ５７．５７により
信号化される。又、試料５３からの反射光は入射光と同
じ経路を逆に通り、ビームスプリッタ４４で反射され検
出レンズ５９．検出器６０，６１．アンプ６２゜６３に
より信号化される。６４はコントローラ、６５は操作パ
ネル、６６は信号処理器、６７はＣＲＴ、６８はフレー
ムメモリ、６９．７０は夫々ＡＯＤ４５．４８の駆動回
路である。

尚、検出器５５．５６及び６０．６１の境界は水平走査
方向に垂直であり、微分信号は水平方向の微分というこ
とになる。

信号処理回路６６の構成は第４図のようになっている。

７１．７２は検出器５５．５６或は６０゜６１からアン
プ５７．５８或は６２．６３を経由して送られてくる画
像信号を受けるバッファアンプである。７３は通常像を
得るための三信号の加算器、７４はアナログスイッチで
二つの信号の減算の符号を決定する。７５は微分像を得
るための差信号を得る減算器である。７６はコントロー
ラ６４からの水平同期信号に同期して補正信号を発生さ
せ（ここでは鋸歯状波を発生させている）、その大きさ
を調整する補正信号発生回路である。

７７は差信号に補正信号を加える加算器である。

７８．７９は夫々可変利得とオフセット機能を有するコ
ントラスト調整用アンプであり、ここで画像のコントラ
ストを調整したり、コントラスト強調を行ったりする。

尚、微分信号の回路では補正の後にコントラスト調整を
行うので、コントラストの調整によって補正量を変える
必要がない。８０はアナログスイッチで、表示する信号
を選択する。８１はコントローラ６４からのビデオ用同
期信号を画像信号に加えてコンポジットビデオ信号とす
るバッファアンプである。８２は画像信号をそのまま出
力するためのバッファアンプである。

第５図に信号補正の様子を示す。８３は水平同期信号で
ある。８４．８５は夫々検出器からの信号であり、第１
０図で示したように像高（水平走査）に従ってバイアス
成分が画像信号に重畳している。８６は通常傷用の和信
号でバイアス成分はキャンセルされ、全く通常の像が観
察される。８７は信号８４から信号８５を引いた微分位
相像用の差信号である。このようにバイアス成分が二倍
に増加してしまう。そこで８８のような補正信号（オフ
セット信号）を信号８７に加えると８９のような微分位
相信号が得られる。従って、画面上の全ての点で均一な
明るさを確保することができ、優れた微分位相像が得ら
れる。

尚、補正信号を加減するだけでなく、乗除することによ
っても殆ど同様な効果が得られる。又、当然ながら信号
８４．８５を先に単独で補正しても良い。

又、ここではコントローラ６４で手動的に補正する場合
を示しているが、予め均一な試料を観測しつつ光量不均
一の信号をコンピューターに入力し、例えばこの信号の
逆数を以って補正係数とし、実際に試料を観察した時の
信号をこの補正係数で割ることによって、或は均一な試
料による信号そのものを補正データとして、ある一定の
割合で実際に試料を観察した時の信号から引くことによ
って補正するようにし°ζも良い。

又、先に述べたように差信号は微分位相像と通常像が像
高（瞳を部分する検出器の境界の位置ずれ）に依存する
割合で重なった像信号となっているので、和信号による
通常像信号を差信号から先の割合に従って減算して、完
全な微分位相成分のみとし、更に生じる出力強度に従っ
ていわゆるシェーディング補正をすれば、完全に補正で
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、光ビー
ムを走査する方式の走査型光学顕微鏡において、画面上
の全ての点で均一な明るさを確保することができ、優れ
た微分位相像が得られるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は光学系の伝達関数のグラフ、第２図は検出器の
境界が光軸からずれた場合の伝達関数のグラフ、第３図
は本発明による走査型光学顕微鏡の一実施例の構成を示
す図、第４図は上記実施例の信号処理回路の構成を示す
図、第５図は上記実施例における信号補正の様子を示す
図、第６図は従来例の構成を示す図、第７図及び第８図
は上記従来例において光偏向器が瞳位置にない場合を示
す図、第９図は上記従来例において検出器が瞳位置にな
い場合を示す図、第１０図＋ａｌ、　Ｔｂｌは上記従来
例において検出器が瞳位置からずれた場合の二つの検出
器に入射する光量を示す図である。 ４１・・・・レーザ光源、４２・・・・ビームエクスペ
ンダ、４３・・・・スペーシャルフィルタ、４４・・・
・ビームスプリッタ、４５．４８・・・・ＡＯＤ、４６
゜４７・・・・瞳伝送レンズ、４９・・・・補正用シリ
ンドルカルレンズ、５０・・・・ＩＩ　投影レンズ、５
１・・・・鏡筒レンズ、５２・・・・対物レンズ、５３
・・・・試料、５４・・・・コレクタレンズ、５５，５
６．６０．６１・・・・検出器、５７．５Ｂ、６２．６
３・・・・アンプ、５９・・・・検出レンズ、６４・・
・・コントローラ、６５・・・・操作パネル、６６・・
・・信号処理器、６７・・・・ＣＲＴ、６８・・・・フ
レームメモリ、６９．７０・・・・駆動回路、？１，７
２，８１．８２・・・・バッファアンプ、７３．７７・
・・・加算器、７４．８０・・・・アナログスイッチ、
７５・・・・減算器、７６００．・補正信号発生回路、
７８．７９・・・・コントラスト調整用アンプ、８３・
・・・水平同期信号・８４゜８５・・・・検出器からの
信号、８６・・・・和信号、８７・・・・差信号、８９
・・・・微分位相信号。 第１図 才２図 オフ図 オ９図 牙ｌＯ図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 光源と、該光源から発した光ビーム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との間に配置
   された光ビーム走査手段と、物体からの光を受ける複数
   の光電変換素子から成る検出器と、該検出器を二分して
   夫々の部分からの信号の差を演算して微分位相信号を得
   る信号処理回路とを具備した走査型光学顕微鏡において
   、像高によって変化し且つ前記光ビームの走査に同期す
   る信号を用いて前記微分位相信号を補正する補正手段を
   設けたことを特徴とする走査型光学顕微鏡。