JPH0527177A - 走査型顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 照明光照射用光学系を搭載した移動台を試料
に対して往復移動させることにより照明光走査を行なう
走査型顕微鏡において、ムラの無い高画質の試料像を撮
像可能とする。 【構成】 移動台15の外に配設されたレーザ10から発せ
られた照明光11を、コリメート光学系12により、移動台
15外において移動台移動方向（走査方向）Ｘと同方向に
平行光状態で進行させる。そしてこの照明光11を、移動
台15に固定したミラー16により、試料台22に向けて反射
させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光学式の走査型顕微鏡に
関し、特に詳細には、試料が載置される試料台に対し
て、照明光を試料に照射する光学系を相対的に移動させ
て、照明光を試料上において走査させるようにした走査
型顕微鏡に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、照明光を微小な光点に収束さ
せ、この光点を試料上において２次元的に走査させ、そ
の際該試料を透過した光あるいはそこで反射した光、さ
らには試料から生じた蛍光を光検出器で検出して、試料
の拡大像を担持する電気信号を得るようにした光学式走
査型顕微鏡が公知となっている。

【０００３】この走査型顕微鏡は基本的に、照明光を発
する光源と、試料が載置される試料台と、この照明光を
試料上において微小な光点として結像させる送光光学系
と、上記試料からの光束（透過光、反射光あるいは蛍
光）を集光して点像に結像させる受光光学系と、この点
像を検出する光検出器と、上記光点を試料上において２
次元的に走査させる走査機構とから構成されるものであ
る。なお特開昭62-217218 号公報には、この走査型顕微
鏡の一例が示されている。

【０００４】従来の光学式走査型顕微鏡においては、上
記走査機構として、照明光ビームを光偏向器によって２
次元的に偏向させる機構が多く用いられていた。

【０００５】しかしこの機構においては、ガルバノメー
タミラーやＡＯＤ（音響光学光偏向器）等の高価な光偏
向器が必要であるという難点が有る。またこの機構にお
いては、照明光ビームを光偏向器で振るようにしている
から、送光光学系の対物レンズにはこの光ビームが刻々
異なる角度で入射することになり、それによる収差を補
正するために対物レンズの設計が困難になるという問題
も認められている。特にＡＯＤを使用した場合には、対
物レンズ以外にもＡＯＤから射出した光束に非点収差が
生ずるため特殊な補正レンズが必要となり、光学系をよ
り複雑なものとしている。

【０００６】上記の点に鑑み従来より、照明光ビームは
偏向させないで照明光光点の走査を行なうことが考えら
れている。例えば、本出願人による特願平1-246946号明
細書には、送光光学系と受光光学系とを移動台に搭載
し、この移動台を試料台に対して相対的に往復移動させ
ることにより、照明光光点の走査を行なうことが示され
ている。

【０００７】そのようにする場合、照明光光源は移動台
外に配設して移動台をより軽量化すれば、高速走査を実
現する上で有利となる。その場合は、照明光を移動台内
の送光光学系部分に導く手段が必要となり、この導光手
段としては、例えば本出願人による特願平1-309498号明
細書に示されるように、光ファイバーを用いることがで
きる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述のよう
な光ファイバーを用いた場合には、移動台の往復移動に
ともなって該光ファイバーが曲がるので、照明光の光量
が変動してしまうことがある。また、ファイバーカップ
リング部での振動等による光量変動も認められることが
ある。こうして照明光光量が変動すると、撮像される顕
微鏡像にムラが生じてしまう。

【０００９】本発明は上記のような事情に鑑みてなされ
たものであり、前述の移動台により照明光走査を行なう
ようにした上で、ムラの無い高画質の試料像を撮像する
ことができる走査型顕微鏡を提供することを目的とする
ものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明による共焦点走査
型顕微鏡は、先に述べたような試料台と、光源と、送光
光学系と、受光光学系と、光検出器と、光点の走査機構
とを備えた共焦点走査型顕微鏡において、走査機構を、
上記送光光学系および受光光学系それぞれの少なくとも
一部を一体的に保持する移動台と、この移動台を、上記
光点が試料上を一方向に走査するように往復移動させる
駆動手段とから構成した上で、上記光源を移動台の外に
配設し、送光光学系は、照明光を移動台外において平行
光の状態で前記走査の方向と平行な方向に導くコリメー
ト光学系と、移動台に固定されて上記平行光状態の照明
光を試料台に向けて反射させるミラーとを含むように構
成したことを特徴とするものである。

【００１１】また本発明において好ましくは、請求項２
に記載のように、上記光検出器が移動台の外に配設さ
れ、受光光学系が、試料からの光束を上記走査の方向と
平行な方向に反射させるミラーと、この反射した光束を
平行光の状態で進行させるコリメート光学系とを含むよ
うに構成される。

【００１２】なお上記移動台は、照明光光点の主走査の
ために往復移動されてもよいし、あるいは副走査のため
に往復移動されてもよい。後者の場合主走査は、例えば
試料台を往復移動させることによって行なうことができ
る。

【００１３】

【作用および発明の効果】コリメート光学系により、照
明光が平行光の状態で走査方向と平行な方向に進行して
いれば、移動台に固定されているミラーに対して該照明
光は、移動台の位置にかかわらず常に一定の向きでかつ
平行光状態で入射する。そこで、このミラーから試料台
に向けて射出する照明光も、常に一定の向きでかつ平行
光状態で射出する。したがって、照明光光源を移動台に
固定して試料台に向けて照明光を射出させる場合と同様
に、移動台の移動により照明光走査がなされ得る。

【００１４】そして、上記のようにして照明光を移動台
に導く上で、光ファイバーのような導光手段は用いられ
ていないから、撮像される顕微鏡像にこの導光手段の曲
がり、振動等のためにムラが生じることがなくなる。

【００１５】また本発明の走査型顕微鏡においては、照
明光光源と送光光学系の一部（コリメート光学系）、特
に請求項２に記載の走査型顕微鏡においてはそれに加え
て光検出器および受光光学系の一部（集光レンズ等）が
移動台の外に配設されるから、該移動台は大幅に小型軽
量化可能である。そこでこの移動台の移動速度を高くし
て高速走査が可能となり、また顕微方式切替え等のため
にこの移動台を別のものと取り替える操作も、より簡単
になされ得る。

【００１６】なお本発明においては、受光光学系で集光
される試料からの光束を、移動台に搭載した光検出器で
検出してもよいし、あるいはこの光検出器を移動台外に
配設してもよい。後者のようにする場合は、移動台に搭
載された受光光学系と光検出器とを光ファイバーで光学
的に結合することも可能である。しかしそのようにする
代りに、請求項２に記載のようなミラーとコリメート光
学系とを用いれば、光検出器に結合される受光側光ファ
イバーの曲がり等のために顕微鏡像にムラが生じること
も防止されるので、特に好ましい。

【００１７】

【実施例】以下、図面に示す実施例に基づいて本発明を
詳細に説明する。図１は、本発明の第１実施例による透
過、反射共用型の共焦点走査型顕微鏡を示すものであ
り、また図２はそのII−II線矢視図である。図示される
ように、例えばＡｒレーザ等の単色光レーザ10からは、
照明光としての直線偏光したレーザビーム11が射出され
る。この照明光11はレンズ12ａおよび12ｂからなるコリ
メート光学系12で平行光化され、矢印Ｘ方向すなわち水
平方向に進行し、偏光ビームスプリッタ（以下、ＰＢＳ
と称する）13の膜面13ａを透過して、移動台15に固定さ
れたミラー16に入射する。

【００１８】上記ミラー16は移動台15において、Ｘ方向
に対して45°の角度をなして固定されており、照明光11
は該ミラー16から真下に向かって（つまりＺ方向に）射
出する。移動台15には、上記コリメート光学系12ととも
に送光光学系を構成する対物レンズ（コンデンサーレン
ズ）17が保持され、この対物レンズ17とミラー16との間
にはλ／４板18が保持されている。また移動台15には、
受光光学系の一部を構成する対物レンズ19が保持されて
いる。上記２つのレンズ17、19は、互いに光軸を一致さ
せて固定されている。また両レンズ17、19の間には、移
動台15と別体とされた試料台22が配されている。そして
移動台15には、レンズ光軸に対して45°傾斜する状態に
して、ミラー20が固定されている。このミラー20は、試
料台22に載置された試料23を透過した透過光11’をＸ方
向（上記とは逆向きの方向）に反射させる。

【００１９】平行光状態の照明光11は対物レンズ17によ
って集光され、試料台22に載置された試料23上（表面あ
るいは内部）で微小な光点（ビームスポット）Ｐに収束
する。試料23を透過した透過光11’の光束は対物レンズ
19によって平行光とされ、ミラー20で反射して移動台15
外を進行し、ビームスプリッタ（以下ＢＳと称する）21
に入射する。透過光11’の一部はこのＢＳ21の膜面21ａ
を透過し、集光レンズ24によって集光されて、点像Ｑ１
に結像する。この点像Ｑ１の光量は、フォトダイオード
等の光検出器25によって検出され、そこからはこの光量
を示す透過光検出信号Ｓ１が出力される。

【００２０】上記ＢＳ21の膜面21ａで反射した透過光1
1’は集光レンズ26で集光されて、点像Ｑ２に結像す
る。この点像Ｑ２はコンフォーカルアパーチャ27を介し
て、光検出器28によって検出される。該光検出器28から
は、上記点像Ｑ２の明るさを示すコンフォーカル透過光
検出信号Ｓ２が出力される。

【００２１】一方、この走査型顕微鏡が反射型のものと
して使用される場合、試料23で反射した反射光11”は対
物レンズ17で集光され、λ／４板18を通過した後ミラー
16で反射して90°光路を変え、照明光11と同じ光路を辿
ってＰＢＳ13に入射する。直線偏光状態の照明光11は上
記λ／４板18で円偏光に変換されるが、試料23で反射し
た際にこの円偏光の向きが逆向きになる。したがって反
射11”がλ／４板18を通過して直線偏光に変換される
と、その偏光方向は照明光11のそれと90°ずれる。した
がって反射光11”は、ＰＢＳ13の膜面13ａにおいて反射
する。

【００２２】ＰＢＳ13で反射した反射光11”は、ＢＳ30
に入射する。反射光11”の一部はこのＢＳ30の膜面30ａ
で反射し、集光レンズ31によって集光されて、点像Ｑ３
に結像する。この点像Ｑ３の光量は、フォトダイオード
等の光検出器32によって検出され、そこからはこの光量
を示す反射光検出信号Ｓ３が出力される。

【００２３】上記ＢＳ30の膜面30ａを透過した反射光1
1”は集光レンズ33で集光されて、点像Ｑ４に結像す
る。この点像Ｑ４はコンフォーカルアパーチャ34を介し
て、光検出器35によって検出される。該光検出器35から
は、上記点像Ｑ４の明るさを示すコンフォーカル反射光
検出信号Ｓ４が出力される。

【００２４】次に、照明光光点Ｐの２次元走査について
説明する。上記移動台15と架台36との間には、主走査用
積層ピエゾ素子37が介装されている。この積層ピエゾ素
子37はピエゾ素子駆動回路38から駆動電力を受けて駆動
し、移動台15をＸ方向に高速で往復移動させる。一方試
料台22と架台36との間には、積層ピエゾ素子40、41が介
装されている。積層ピエゾ素子40はピエゾ素子駆動回路
42から駆動電力を受けて駆動し、試料台22をＹ方向に高
速で往復移動させる。それにより試料台22は移動台15に
対して相対移動され、前記光点Ｐが試料23上を、主走査
方向Ｘと直交するＹ方向に副走査する。以上のようにし
て照明光光点Ｐが試料23上を２次元的に走査することに
より、該試料23の２次元拡大像を担持する信号Ｓ１、Ｓ
２、Ｓ３およびＳ４が得られる。

【００２５】上記の信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３あるいはＳ４
を例えば所定のピクセルクロックに基づいてサンプリン
グ、量子化した後、それをＣＲＴ表示装置等の表示装置
や、光走査記録装置等の画像再生装置に入力すれば、各
信号が担持する顕微鏡像を再生して観察可能となる。な
おその際に信号Ｓ２あるいはＳ４を用いれば、この顕微
鏡は共焦点（コンフォーカル）走査型顕微鏡となり、信
号Ｓ１あるいはＳ３を用いれば、共焦点タイプではない
走査型顕微鏡となる。

【００２６】また、上端に上記副走査用積層ピエゾ素子
40を固定し、下端が粗動ステージ44を介して架台36に取
り付けられた積層ピエゾ素子41は、ピエゾ素子駆動回路
43から駆動電力を受けて駆動し、試料台22を保持した積
層ピエゾ素子40を、主、副走査方向Ｘ、Ｙと直交するＺ
方向、（レンズ17、19の光軸方向）に移動させる。こう
して試料台22をＺ方向に所定距離移動させる毎に照明光
光点Ｐの２次元走査を行なえば、試料23の表面に微細な
凹凸が有る場合でも、合焦点面の情報のみが光検出器35
によって検出される。そこで、この光検出器35の出力Ｓ
４をフレームメモリに取り込むことにより、試料23をＺ
方向に移動させた範囲内で、全ての面に焦点が合った画
像を担う信号を得ることが可能となる。

【００２７】ここで、照明光11は移動台15の移動方向つ
まり主走査方向Ｘに進行してミラー16に入射するので、
移動台15内において照明光11は、該移動台15のＸ方向位
置にかかわらず、常に平行光状態でかつ、そのビーム中
心がレンズ17、19の光軸と一致する状態に保たれる。ま
た透過光11’および反射光11”も各々ミラー20、16から
上記主走査方向Ｘと同じ向きに射出するので、移動台15
のＸ方向位置にかかわらず、常に平行光状態でかつ、透
過光11’のビーム中心がレンズ24、26の光軸と一致し、
また反射光11”のビーム中心がレンズ31、33の光軸と一
致する状態が保たれる。

【００２８】そして、レーザ10、送光光学系の一部、透
過光11’の検出手段とそれを収束させるための光学系、
および反射光11”の検出手段とそれを収束させるための
光学系を移動台15外に配置しているので、移動台15は極
めて小型軽量に形成可能である。よって照明光11の高速
走査が実現され、撮像所要時間が短縮される。また、レ
ーザ10と移動台15との間、移動台15と透過光検出手段と
の間、および移動台15と反射光検出手段との間には、光
ファイバー等の導光手段が配されていないから、移動台
15の移動にともなって上記光ファイバーが曲がる等し
て、撮像画像にムラが生じるような不具合も起こらな
い。

【００２９】なおピエゾ素子駆動回路38、42および43に
は、制御回路45から同期信号が入力され、それにより、
光点Ｐの主、副走査および試料台22の光軸方向移動の同
期が取られる。また粗動ステージ44は手動で、あるいは
駆動手段を用いてＹ方向に大きく移動可能であり、こう
して試料台22を動かすことにより、試料23の交換を容易
に行なうことができる。またコンフォーカルアパーチャ
27、34はそれぞれ、３次元移動ステージ46、47により、
Ｘ、ＹおよびＺ方向に移動可能となっている。それによ
り、コンフォーカルアパーチャ27、34の光軸調整、すな
わちＸ、Ｙ方向の位置調整を行なうことができる。

【００３０】さらには、試料23の厚み等に応じて、集光
レンズ26による透過光11’の収束位置、あるいは集光レ
ンズ33による反射光11”の収束位置が光軸方向に変動し
た際にも、それに対応させてＺ方向の絞り位置を補正可
能となる。

【００３１】なお、コンフォーカルアパーチャ27、34の
開口径を調整可能としておけば、撮像する画像の鮮鋭度
や明るさを調整可能となるのでさらに好ましい。とりわ
け、試料23から生じた微弱な蛍光を検出するような場合
は、画像の鮮鋭度をある程度犠牲にしても蛍光検出量を
多くしたいというように、これら両者の兼ね合いを考慮
することが多いので、上記のようにしておくのが特に望
ましい。

【００３２】次に、図３を参照して本発明の第２実施例
について説明する。なお図３において、図１中の要素と
同等の要素には同番号を付し、それらについての重複し
た説明は省略する（以下、同様）。

【００３３】この図３の走査型顕微鏡は位相差顕微鏡と
して形成されたものであり、移動台15においてミラー16
と対物レンズ17との間には、照明光11を輪帯光にするリ
ング絞り（輪帯板）50が配され、一方対物レンズ19とミ
ラー20との間には、試料23を透過した透過光（非回折
光）11’にλ／４の位相遅れを与える輪帯位相板51が配
設されている。この構成において、試料23で回折して位
相がλ／４程度遅れた透過光（回折光）11Ａは、主に輪
帯位相板51の外側を通過し、非回折光11’とともに集光
レンズ24、26で集光されてそれと干渉する。

【００３４】したがってこの装置において点像Ｑ１、Ｑ
２の明るさは、回折光11Ａの位相に応じて（すなわち試
料23の照明光照射部分の位相情報に応じて）変化する。
よって光検出器25、28からは、試料23の位相情報に対応
した光検出信号Ｓ１、Ｓ２が出力される。

【００３５】以上説明した第１および第２実施例におけ
る各移動台15は、適宜の手段を用いて着脱可能としてお
き、互いに、あるいはその他の顕微方式を実現する光学
系を搭載した移動台と適宜取り替えられるようにするの
が好ましい。すなわちその場合は、各移動台が各顕微方
式専用のプローブとなり、プローブ交換により顕微方式
を選択できる走査型顕微鏡が提供されることになる。

【００３６】また、顕微方式を切り替えるためには、上
記のようにプローブ（移動台）を交換する他に、移動台
に搭載する各顕微方式用光学素子（図３の装置ではリン
グ絞り50と輪帯位相板51）を適宜着脱自在としておいて
もよい。

【００３７】さらには、顕微方式の切替えのみならず、
その他の目的のために移動台15を取替え可能としたり、
あるいは移動台15内の光学素子を取替え可能にしておい
てもよい。例えば、対物レンズ17、19として開口数ＮＡ
が互いに異なるものを何組か用意して、それらを適宜移
動台15において取替え自在としたり、あるいはそのよう
な対物レンズ17、19の組をそれぞれ搭載した複数の移動
台15を用意しておくことができる。そのようにすれば、
分解能向上のためにより高ＮＡの対物レンズを用いた
り、それとは反対に分解能はある程度犠牲にしても厚い
試料23のために大きなワーキングディスタンス（試料台
22からレンズまでの距離）を確保する、といった要求の
それぞれに応えることが可能となる。

【００３８】また本発明の走査型顕微鏡においては、移
動台15の外部に配設される光学要素の取替えや追加によ
り、顕微方式を変更することも可能である。図４は、そ
のように形成された本発明の第３実施例装置を示してい
る。この実施例においては、照明光11および反射光11”
の光路に、ハーフミラー60が挿入される。このハーフミ
ラー60で反射した反射光11”はハーフミラー61で反射
し、対物レンズ17の開口数ＮＡを下げるために配された
補助レンズ62を通過し、接眼レンズ63に入射する。また
上記ハーフミラー61の裏側には、反射照明光66を発する
光源64および、反射照明光66を集光して平行光化するコ
リメートレンズ65が配されている。

【００３９】以上の各光学要素60〜65は互いに共通マウ
ントに固定された上で、ハーフミラー60が照明光11およ
び反射光11”の光路に挿入される位置と、該光路から退
出する位置との間で移動自在とするのが好ましい。前者
の位置に各光学要素60〜65が配置された場合、接眼レン
ズ63を通せば、走査方式にはよらない、いわゆるコンベ
ンショナルタイプの顕微鏡像が観察される。この際、レ
ーザ10の駆動を停止させれば、コンベンショナルタイプ
の顕微鏡像のみが観察されるし、一方、レーザ10を駆動
したままにすれば、コンベンショナルタイプの顕微鏡像
と、走査方式による顕微鏡像の双方を同時観察すること
ができる。なお同時観察する場合は、接眼レンズ63の前
にレーザビーム11の波長の光をカットするフィルターを
配するとともに、光検出器25、28、32、35の前に、レー
ザビーム11の波長の光のみを透過させるバンドパスフィ
ルターを配する必要がある。

【００４０】反射型の試料23を観察する場合は上述の通
りとすればよいが、透過型の試料23を観察する場合は、
図示の通り反射光11”の光路にハーフミラー67を挿入
し、光源68から発せられた透過照明光69を集光レンズ70
で集光した上で、上記ハーフミラー67によりミラー20に
向けて反射させればよい。

【００４１】なお本発明において、移動台15や試料台22
の移動は、積層ピエゾ素子を利用して行なう他、例えば
音叉、ボイスコイルあるいは超音波による固体の固有振
動を利用した走査方式等を用いて行なうことも可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例による走査型顕微鏡を示す
概略側面図

【図２】図１のII−II線矢視図

【図３】本発明の第２実施例による走査型顕微鏡を示す
概略側面図

【図４】本発明の第３実施例による走査型顕微鏡を示す
概略側面図

【符号の説明】

10 単色光レーザ 11 照明光 11’ 透過光 11” 反射光 11Ａ 回折光 12 コリメート光学系 15 移動台 16、20 ミラー 17、19 対物レンズ 22 試料台 23 試料 24、26、31、33、62、70 集光レンズ 25、28、32、35 光検出器 27、34 コンフォーカルアパーチャ 36 架台 37、40、41 積層ピエゾ素子 38、42、43 ピエゾ素子駆動回路 45 制御回路 50 リング絞り 51 輪帯位相板 60、61、67 ハーフミラー 62 補助レンズ 63 接眼レンズ 64、68 照明光源 65 コリメートレンズ 66 反射照明光 69 透過照明光

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料が載置される試料台と、 照明光を発する光源と、 この照明光を試料上において微小な光点として結像させ
   る送光光学系と、 前記試料からの光束を集光して点像に結像させる受光光
   学系と、 この点像を検出する光検出器と、 前記送光光学系および受光光学系それぞれの少なくとも
   一部を一体的に保持する移動台と、 この移動台を、前記光点が前記試料上を一方向に走査す
   るように往復移動させる駆動手段とを備えた走査型顕微
   鏡において、 前記光源が前記移動台の外に配設され、 前記送光光学系が、照明光を移動台外において平行光の
   状態で前記走査の方向と平行な方向に導くコリメート光
   学系と、移動台に固定されて前記平行光状態の照明光を
   試料台に向けて反射させるミラーとを含んでいることを
   特徴とする走査型顕微鏡。
2. 【請求項２】 前記光検出器が前記移動台の外に配設さ
   れ、 前記受光光学系が、前記試料からの光束を前記走査の方
   向と平行な方向に反射させるミラーと、この反射した光
   束を平行光の状態で進行させるコリメート光学系とを含
   んでいることを特徴とする請求項１に記載の走査型顕微
   鏡。