JPS63279213A

JPS63279213A - レ−ザ光走査型顕微鏡

Info

Publication number: JPS63279213A
Application number: JP11405387A
Authority: JP
Inventors: Hisanobu Takamoto; 尚宜高本; Koji Tsuchiya; 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: 1988-11-16
Anticipated expiration: 2010-11-29
Also published as: JPH07111504B2

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】〔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
′ｗ４微鏡の光学系を示す図で、２０はレーザ光、２１
はハーフミラ−１２２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、２
６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−２１を
介してＸ方向偏向器２２に入射し、ここで反射された光
はテレセンドリンクレンズ系２７゜２８を通ってＹ方向
光偏向器２９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は共役に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−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０図中、１０°はレーザ、１５は
ビームエキスパンダー、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Ｕ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−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フ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１ｉＪｉ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ＯＬ”１ｇ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、瞳投化レンズと対物
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敗させたことを特徴
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、レーザ光は充分に集光せず、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の焦点とを一敗させ、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ｄ、だけ離れて焦点圧Ｍｄ！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に入射した平行光が発散する仮想発散点）
と対物レンズ７の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上での
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ｆ、から後方ｄ、′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。この条件より、光偏向器
ｌと瞳投影レンズ２との間の距離ｄ１は次のように決ま
る。

ｄ＋　”’　（ｄｚ　＋ｄｓ　　′）　　・ｄ２／ｄ３
′・・・・・・・・・１０上記したように、凸レンズ３
と凹レンズ５の組合合わせよってｄ、′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
の焦点路Ｎｄ２を変更しても、上記＋１１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に入射するビーム径
Ａは次のように決まる。

Ａ　＝　ｊ　ｔ　　（ｍ　＋　ｌ　ｓ　）　Ｄ／ｍ　ｄ
　ｔ　・＝・”・・・−−・”＋２１ここでＤは瞳投影
レンズ２に入射するビーム径、１、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、１、は凹レ
ンズ５と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、１
１−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＝（１１＋７’！　）
Ｄ／ｄ！・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・（３）となる、ここで、（１１＋Ｊ、）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、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フタ
、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。また対物レンズは有限
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、手術等のレーザ光による微細加工や螢光
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】

（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レーザ光
走査型顕微鏡。
（２）前記瞳投影レンズまでの光偏向器からの距離をｄ
＿１、瞳投影レンズの焦点距離をｄ＿２、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ｄ＿３′としたとき、ｄ＿１＝（ｄ＿２＋ｄ＿３′）・ｄ＿２／ｄ＿３′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。
（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ｄ＿２、凸レンズの焦点距離をｌ＿１
、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ｌ＿３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＝ｌ＿１（ｍ＋ｌ＿３）Ｄ／ｍｄ＿２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。
（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。
（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。