JPH09304700A - 光走査型顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 擾乱等の影響を受けないような信号処理を行
うことができるとともに、逐次処理を行うことができる
光走査型顕微鏡を提供する。 【解決手段】 レーザ光源２と、試料５０上でレーザ光
を２次元的に走査するスキャナユニット３０と、この第
１のスキャナユニット３０の走査範囲の一部分づつをス
キャナユニット３０の全走査範囲に亘って２次元的に走
査する第２のスキャナユニット２０と、試料５０からの
蛍光を検出するフォトディテクタ１１とを備えた光走査
型顕微鏡１において、フォトディテクタ１１から出力さ
れる、第２のスキャナユニット２０が走査する範囲に対
応する複数の信号に基づき所定の信号処理を行い、処理
結果を第２のスキャナユニット２０による走査範囲に対
応する１つの信号として出力する演算回路４０を備え
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は光走査型顕微鏡に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の光走査型顕微鏡としては、レーザ
光源と、試料上でレーザ光を２次元的に走査する複数の
光走査手段と、試料からの光を検出する受光素子とを備
え、レーザ光源からのレーザ光を複数の光走査手段で走
査して試料上に照射し、複数の光走査手段で走査して得
られるレーザ光の走査パターンに応じて、受光素子から
得られる検出信号を受光素子で光電変換して試料の画像
信号を得た後、モニタ等へ供給されるデータに信号処理
される技術は、特開平６−３００９７４号公報で知られ
ている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】この従来の光走査型顕
微鏡では、試料の２次元画像をモニタに表示する際、モ
ニタへ供給されるデータは、デジタル化された画像信号
として一旦メモリに記憶された後、画像信号をＣＰＵ
（マイコン）の制御や演算回路により信号処理して得ら
れる。

【０００４】したがって、逐次処理ができず処理速度が
遅くなり、しかも高価なものとなってしまうという問題
があった。

【０００５】また、点光源を用い、モニタ画面の１画素
に対して１つのデータを得る構成であるので、そのデー
タが何等かの擾乱を受けたときにはこれに対処すること
ができず、信号処理は精度の悪いものとなってしまう。

【０００６】この発明はこのような事情に鑑みてなされ
たもので、その課題は擾乱等の影響を受けずに信号処理
を行うことができるとともに、処理速度が早く、しかも
安価な光走査型顕微鏡を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決すべく請
求項１に記載の発明の光走査型顕微鏡は、光ビームを発
する光源と、試料上で前記光ビームを２次元的に走査す
る第１の走査手段と、前記第１の走査手段の走査範囲の
一部分づつを前記第１の走査手段の全走査範囲に亘って
２次元的に走査する第２の走査手段と、前記試料からの
光を検出する検出手段とを備えた光走査型顕微鏡におい
て、前記検出手段から出力される、前記第２の走査手段
が走査する範囲に対応する複数の信号に基づき所定の信
号処理を行い、処理結果を前記走査範囲に対応する１つ
の信号として出力する検出信号処理部を備えることを特
徴とする。

【０００８】信号中に擾乱があったときでも複数の信号
に基づいて所定の信号処理がなされるので、擾乱の影響
をほとんど受けずに信号処理を行うことができ、データ
の信頼性が高い。また、検出手段から出力された信号を
すべて記憶した後、処理を行うのではなく、その一部分
のデータを処理するので逐次処理を行うことができる。

【０００９】請求項２に記載の発明の光走査型顕微鏡
は、請求項１に記載の光走査型顕微鏡において、前記第
２の走査手段は、発光を順次切り換える光射出部を２次
元的に配列してなり、前記検出手段は、前記光射出部に
対応して受光部を２次元的に配列してなることを特徴と
する。

【００１０】第２の走査手段は、機械的でなく電気的に
走査を行うので、走査を高速に行うことができる。

【００１１】請求項３に記載の発明の光走査型顕微鏡
は、請求項１又は２に記載の光走査型顕微鏡において、
前記第２の走査手段はレーザダイオードアレイであり、
前記検出手段はフォトダイオードアレイであることを特
徴とする。

【００１２】第２の走査手段は、レーザダイオードアレ
イの発光を高速で順次切り換えることで、高速かつ高精
度な走査を行うことができる。

【００１３】請求項４に記載の発明の光走査型顕微鏡
は、請求項１〜３の何れかに記載の光走査型顕微鏡にお
いて、前記走査手段と前記試料との間に配置される対物
レンズの焦点面と共役な位置にピンホールを配置したこ
とを特徴とする。

【００１４】走査手段と試料との間に配置される対物レ
ンズの焦点面と共役な位置にピンホールを配置したの
で、共焦点顕微鏡として使用することができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を図
面に基づいて説明する。

【００１６】図１はこの発明の第１実施形態に係る光走
査型顕微鏡のブロック構成図である。

【００１７】この発明に係る光走査顕微鏡１は、レーザ
光源２と、励起フィルタ３と、ビームエクスパンダ４
と、ダイクロイックミラー５と、第２のスキャナユニッ
ト（第２の走査手段）２０と、第１のスキャナユニット
（第１の走査手段）３０と、集光レンズ６と、対物レン
ズ７と、バリアフィルタ８と、集光レンズ９と、エミッ
ションフィルタ１１と、フォトディテクタ（検出手段）
１２と、演算回路（検出信号処理部）４０とを備える。

【００１８】レーザ光源２は励起レーザを出射する。

【００１９】ビームエクスパンダ４はレーザ光を対物レ
ンズ７の瞳面を満たす大きさに拡大する。

【００２０】ダイクロイックミラー５は、励起レーザ光
を透過させないが試料５０で励起された蛍光を透過させ
る。

【００２１】第２のスキャナユニット２０は垂直方向小
走査ミラー（例えばガルバノミラー）２１と水平方向小
走査ミラー（例えばガルバノミラー）２２とからなり、
第１のスキャナユニット３０の走査範囲の一部分づつを
第１のスキャナユニット３０の全走査範囲に亘って２次
元的に走査する。

【００２２】第１のスキャナユニット３０は垂直方向走
査ミラー（例えばガルバノミラー）ー３１と水平方向走
査ミラー（例えばガルバノミラー）３２とから構成され
る。

【００２３】対物レンズ７は、集光レンズ６を通過した
レーザ光を試料５０に集光させる。

【００２４】フォトディテクタ１２は、蛍光を検出し、
検出信号１２ａに変換して出力する。

【００２５】演算回路４０は、フォトディテクタ１２か
らの検出信号１２ａに基づき目的とする処理に応じた演
算処理を行う。

【００２６】上記構成の光走査型顕微鏡の動作を説明す
る。

【００２７】レーザ光源２から出射された励起レーザ光
は、ビームエクスパンダ４で対物レンズ７の瞳面を満た
せる大きさに拡大され、ダイクロイックミラー５によっ
て反射された後、垂直方向小走査ミラー２１、水平方向
小走査ミラー２２、垂直方向走査ミラー３１及び水平方
向走査ミラー３２へ導かれ、集光レンズ６及び対物レン
ズを通って試料５０面に照射され、試料５０上で２次元
走査される。このとき、試料５０中の蛍光物質が励起さ
れて蛍光が発生する。

【００２８】この蛍光は対物レンズ７から集光レンズ
６、水平方向走査ミラー３２、垂直方向走査ミラー３
１、水平方向小走査ミラー２２及び垂直方向小走査ミラ
ー２１へと光路を逆行し、ダイクロイックミラー５で励
起レーザ光と分離される。

【００２９】ダイクロイックミラー５を通過した蛍光は
バリアフィルタ８、集光レンズ９及びエミッションフィ
ルタ１１を通ってフォトディテクタ１２で受光され、フ
ォトディテクタ１２で検出信号１２ａに変換された後、
検出信号１２ａは演算回路４０へ出力される。

【００３０】図２は２次元小走査のレーザ光スポットの
動きを説明する図であり、ここでは垂直方向小走査ミラ
ー及び水平方向小走査ミラーによる走査範囲が３×３
（垂直方向×水平方向）スポットのデータ測定範囲の場
合を例に説明する。

【００３１】垂直方向小走査ミラー２１及び水平方向小
走査ミラー２２を用い、図２の軌跡ｂｌで示すように、
データ測定範囲５１でレーザ光スポットを２次元小走査
して測定を行う。なお、この測定の間、垂直方向走査ミ
ラー３１及び水平方向走査ミラー３２は作動しない。

【００３２】この垂直方向小走査ミラー２１及び水平方
向小走査ミラー２２による２次元小走査が終了したと
き、垂直方向走査ミラー３１又は水平方向走査ミラー３
２を用いて垂直方向小走査ミラー２１及び水平方向小走
査ミラー２２による走査範囲をずらした後（図２では破
線で示すように水平方向へ１画素だけずらしずらしてい
るが垂直方向でもよく、また１画素でなくてもよい）、
再び垂直方向小走査ミラー２１及び水平方向小走査ミラ
ー２２による２次元小走査を行う。

【００３３】同様に第１のスキャナユニット３０の全走
査範囲に亘って２次元的に走査が行われる。上記走査
は、走査ミラーの走査周波数を調整することで行われ
る。

【００３４】なお、この場合の分解能は１スポットを１
画素で測定したときと同じであるが、ずれの大きさを画
素に合わせる必要がないことから自由に調整することが
可能である。また、走査範囲は方形に限るものではな
く、任意の形を用いることができる。

【００３５】図３はデータ測定範囲における重み付け手
法の一例を説明する図である。

【００３６】図３は中心にあるレーザ光スポットの検出
データを強調する強調処理の例であり、演算定数（図３
では中心の（９）とその周囲の（−１））を各スポット
におけるフォトディテクタ１２からの検出信号（濃度
値）１２ａに掛け、加算回路４４で足し合わせてデータ
４０ａを求める。このデータ４０ａをデータ対応スポッ
ト５２の測定データとして出力する。

【００３７】ここで、演算定数の「−」は表示させない
方向（白くする）ことを意味する。なお、図では省略さ
れているが「＋」は表示させる方向（黒くする）ことを
意味する。また、演算定数の数字はその程度を表してい
る。

【００３８】このようにデータ測定範囲５１の演算定数
はフィルタとして機能するので、擾乱等により生じた誤
ったデータを緩和して出力することができ、出力される
データの信頼度を向上させることができる。

【００３９】図４は演算回路の一例を示す図である。

【００４０】演算回路４０は分配回路４１と、遅延回路
群４２と、重み付け回路群４３と、加算回路４４とから
構成され、例えばゲートアレイやＣＭＯＳを使用して実
現できる。

【００４１】分配回路４１はフォトディテクタ１２から
の検出信号１２ａを９つ（データ測定範囲のスポット
数）に振り分ける。

【００４２】遅延回路群４２の遅延時間はレーザ光スポ
ットの走査周波数に対応させてあり、先に入力した検出
信号程遅延時間が長くなる。走査周波数の周期をｔとし
たとき、遅延回路４２ｉは遅延時間０、遅延回路４２ｈ
の遅延時間はｔ、遅延回路４２ｇの遅延時間は２ｔ，遅
延回路４２ｆの遅延時間は３ｔ，遅延回路４２ｅの遅延
時間は４ｔ，遅延回路４２ｄの遅延時間は５ｔ，遅延回
路４２ｃの遅延時間は６ｔ，遅延回路４２ｂの遅延時間
は７ｔ，遅延回路４２ａの遅延時間は８ｔとなってい
る。

【００４３】重み付け回路群４３は各遅延回路４２ａ〜
４２ｉの出力に対して各重み付け回路４３ａ〜４３ｉに
て、例えば図３に示したような所定の重み付けを行う。

【００４４】加算回路４４は、重み付けを行った各検出
信号を加算する。

【００４５】上記構成の演算回路４０の動作を説明す
る。

【００４６】フォトディテクタ１２から入力した検出信
号１２ａは、分配回路４１で入力した順番に各遅延回路
４２ａ〜４２ｉに振り分けられる。

【００４７】データ測定範囲の２次元小走査が終わると
同時に重み付け回路４３ａ〜４３ｉで検出信号の重み付
けされ、加算回路４４で加算処理される。その処理結果
が２次元小走査に対応する１つのデータ４０ａとして出
力される。

【００４８】上記動作は検出信号１２ａをシフトするク
ロックの１周期以内で行われる。

【００４９】クロックに同期させて測定範囲５１を連続
して２次元的に移動させることで、信号処理後の画像を
モニタ（図示せず）に逐次表示させることができるの
で、試料５０の形態変化や反応変化等を鮮明な画像（強
調処理の場合）で観察することができる。

【００５０】なお、２次元走査手段としては、ガルバノ
ミラーに限るものではなく、音響光学素子（ＡＯＤ）、
ニポウディスク、ポリゴンミラーを用いることもでき
る。また、遅延回路群４２はシフトレジスタでもよい。

【００５１】図５はこの発明の第２実施形態に係る光走
査型顕微鏡のブロック構成図であり、図１の光走査顕微
鏡と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。

【００５２】この発明に係る光走査顕微鏡１０は、レー
ザダイオードアレイ（光源）６０と、励起フィルタ３
と、ビームエクスパンダ４と、ダイクロイックミラー５
と、第１のスキャナユニット（第１の走査手段）３０
と、集光レンズ６と、対物レンズ７と、バリアフィルタ
８と、集光レンズ９と、エミッションフィルタ１１と、
フォトダイオードアレイ（検出手段）７０と、演算回路
（検出信号処理部）４０とを備える。

【００５３】レーザダイオードアレイ６０は、レーザダ
イオードを２次元的に配列してなる。レーザダイオード
を電気的に２次元小走査させることで、ガルバノミラー
を機械的に２次元小走査させたときと同様に試料５０の
２次元走査を行うことができる。

【００５４】フォトダイオードアレイ７０は、フォトダ
イオードをレーザダイオードアレイ６０と同様に配列し
てなり、２次元走査された試料５０からの蛍光を受光す
る。

【００５５】この第２実施形態は電気的に動作するレー
ザダイオードアレイ６０とフォトダイオードアレイ７０
とを用いたので、第１実施形態の場合より高速に走査す
ることができるようになり、ビデオレートの速度まで測
定処理を早めることも可能となる。

【００５６】なお、上記各実施形態において、対物レン
ズ７の焦点面と共役な位置にピンホール１３を配置させ
ることで共焦点顕微鏡として使用することができる。

【００５７】また、演算は２次元平面における変化だけ
でなく、時間軸や共焦点顕微鏡の光軸に沿った試料の深
さを用いた３次元空間に対しても行うことができる。

【００５８】

【発明の効果】以上に説明したように請求項１記載の発
明の光走査顕微鏡によれば、信号中に擾乱があったとき
でも複数の信号に基づいて所定の信号処理がなされるの
で、擾乱の影響を少なくすることができ精度の高い信号
処理を行うことができる。したがって、試料の正確な観
察を行うことができる。また、検出手段から出力された
信号をすべて記憶してから画像処理を行うのではなく、
一部分の領域から得られた複数の検出信号を逐次信号処
理していくため、高速に信号処理を行うことができる。
更に、試料からの光を検出する検出手段からの検出信号
を記憶する手段を必要としないので、画像処理を行う光
走査顕微鏡を安価に提供することができる。

【００５９】請求項２記載の発明の光走査顕微鏡によれ
ば、機械的でなく電気的に走査を行うので、走査を高速
に行うことができ、測定処理を迅速に行うことができ
る。

【００６０】請求項３記載の発明の光走査顕微鏡によれ
ば、レーザダイオードアレイの発光を高速で順次切り換
えることができるので、高速かつ高精度な走査を行うこ
とができ、測定処理を迅速に行うことができる。

【００６１】請求項４記載の発明の光走査顕微鏡によれ
ば、走査手段と試料との間に配置される対物レンズの焦
点面と共役な位置にピンホールを配置したので、共焦点
顕微鏡として使用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１はこの発明の第１実施形態に係る光走査型
顕微鏡のブロック構成図である。

【図２】図２は画像処理の手法を説明する図である。

【図３】図３は重み付け手法の一例を説明する図であ
る。

【図４】図４は演算回路の一例を示す図である。

【図５】図５はこの発明の第２実施形態に係る光走査型
顕微鏡のブロック構成図である。

【符号の説明】

１ 光走査顕微鏡 ２ レーザ光源 １１ フォトディテクタ（検出手段） １２ 試料 １３ ピンホール ２０ 第２のスキャナユニット（第２の走査手段） ３０ 第１のスキャナユニット（第１の走査手段） ４０ 演算回路（検出信号処理部） ６０ レーザダイオードアレイ ７０ フォトダイオードアレイ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光ビームを発する光源と、試料上で前記
   光ビームを２次元的に走査する第１の走査手段と、前記
   第１の走査手段の走査範囲の一部分づつを前記第１の走
   査手段の全走査範囲に亘って２次元的に走査する第２の
   走査手段と、前記試料からの光を検出する検出手段とを
   備えた光走査型顕微鏡において、 前記検出手段から出力される、前記第２の走査手段が走
   査する範囲に対応する複数の信号に基づき所定の信号処
   理を行い、処理結果を前記走査範囲に対応する１つの信
   号として出力する検出信号処理部を備えることを特徴と
   する光走査型顕微鏡。
2. 【請求項２】 前記第２の走査手段は、発光を順次切り
   換える光射出部を２次元的に配列してなり、前記検出手
   段は、前記光射出部に対応して受光部を２次元的に配列
   してなることを特徴とする請求項１に記載の光走査型顕
   微鏡。
3. 【請求項３】 前記第２の走査手段はレーザダイオード
   アレイであり、前記検出手段はフォトダイオードアレイ
   であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光走査
   型顕微鏡。
4. 【請求項４】 前記走査手段と前記試料との間に配置さ
   れる対物レンズの焦点面と共役な位置にピンホールを配
   置したことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の
   光走査型顕微鏡。