JPH1062694A - Laser scanning optical device - Google Patents

Laser scanning optical device

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JPH1062694A
JPH1062694A JP12418397A JP12418397A JPH1062694A JP H1062694 A JPH1062694 A JP H1062694A JP 12418397 A JP12418397 A JP 12418397A JP 12418397 A JP12418397 A JP 12418397A JP H1062694 A JPH1062694 A JP H1062694A
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light
laser
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scanning
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Koji Ichie
更治 市江
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser scanning optical device which senses fluorescence emitted from a specimen with the loss suppressed and which can generate a microscopic image having good contrast. SOLUTION: A laser scanning optical device is composed of a light source 1 which emits a laser beam in the form of pulses having very short time intervals, an optical scanning part 12 which varies the advancing direction of the laser beam emitted by the source 1 and irradiates a specimen with the laser beam while it is scanned, and the first and second photoelectric sensor 20a and 19a to sense the fluorescence emitted from the front surface and rear surface of the specimen on the basis of multiple photon absorption due to irradiation with the laser beam. This laser scanning optical device accumulates the sum signal of output signals from the first and second sensors as the picture element data in synchronization with the scan with laser beam and produces a microscopic image of specimen on the basis of the accumulated data.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【０００１】[0001]

【発明が属する技術分野】本発明は、生物学、医学、半
導体工学等の多くの分野において、蛍光顕微鏡、光描画
装置、集積回路リペア装置等としてレーザ光の走査を実
行するレーザスキャン光学装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a laser scanning optical apparatus which performs laser beam scanning as a fluorescence microscope, an optical drawing apparatus, an integrated circuit repair apparatus, and the like in many fields such as biology, medicine, and semiconductor engineering. .

【０００２】[0002]

【従来の技術】通常の蛍光顕微鏡では、三次元的に厚さ
のある試料を観察する場合、焦点深度以外にある像がデ
フォーカスして焦平面の像に重畳する。そのため、顕微
画像のコントラストが全体に低下し、蛍光強度の定量が
困難となる。この問題に対処するアプローチについて、
以下に説明する。2. Description of the Related Art In an ordinary fluorescence microscope, when observing a three-dimensionally thick sample, an image other than the depth of focus is defocused and superimposed on an image on a focal plane. For this reason, the contrast of the microscopic image is reduced as a whole, and it becomes difficult to quantify the fluorescence intensity. For an approach to addressing this issue,
This will be described below.

【０００３】図１０は、従来の共焦点型レーザ走査蛍光
顕微鏡の構成を示す構成図である。レーザ１から出力さ
れたレーザ光２は、ビームエキスパンダ４により光線束
の径を拡大された後、ダイクロイックミラー１１を透過
する。なお、レーザ１は、試料１５を標識する蛍光色素
の吸収スペクトルのピーク波長に相当する波長でレーザ
光２を発振する。ビームエキスパンダ４は、２個の凸レ
ンズ５ａ，５ｂから構成されている。ダイクロイックミ
ラー１１は、蛍光１６ａの波長を含む所定の波長範囲の
光成分に対して大きい反射率を有するとともに、レーザ
光２の発振波長に対して大きい透過率を有して形成され
ている。FIG. 10 is a configuration diagram showing a configuration of a conventional confocal laser scanning fluorescence microscope. The laser light 2 output from the laser 1 is transmitted through the dichroic mirror 11 after the diameter of the light beam is expanded by the beam expander 4. Note that the laser 1 oscillates a laser beam 2 at a wavelength corresponding to the peak wavelength of the absorption spectrum of the fluorescent dye that labels the sample 15. The beam expander 4 includes two convex lenses 5a and 5b. The dichroic mirror 11 is formed to have a large reflectance with respect to light components in a predetermined wavelength range including the wavelength of the fluorescent light 16 a and a large transmittance with respect to the oscillation wavelength of the laser light 2.

【０００４】Ｘ−Ｙスキャナ１２により光軸に対して直
角方向に出射されたレーザ光２は、結像レンズ１３によ
り対物レンズ１４の前側像面に光スポットを結像した
後、対物レンズ１４により回折限界まで絞り込まれた光
スポットを試料１５の内部に結像する。ここで、Ｘ−Ｙ
スキャナ１２は、レーザ光２の進行方向を所定の角度範
囲内で変化させ、平面的に直交する二方向に振る。さら
に、対物レンズ１４、あるいは試料１５を設置した図示
しないステージが光軸に対して平行に移動する。そのた
め、試料１５の内部では、レーザ光２の光スポットは、
光軸に対して垂直な面内における二次元的走査（ラスタ
走査等）に加えて、光軸に対して平行になる走査を実行
することにより、三次元的走査を実行する。なお、試料
１５は、例えば蛍光色素で標識された生物試料であり、
レーザ光２の光スポットにより励起する。The laser beam 2 emitted by the XY scanner 12 in the direction perpendicular to the optical axis forms an optical spot on the front image plane of the objective lens 14 by the imaging lens 13 and then by the objective lens 14. The light spot narrowed down to the diffraction limit is imaged inside the sample 15. Where XY
The scanner 12 changes the traveling direction of the laser beam 2 within a predetermined angle range and swings the laser beam 2 in two directions orthogonal to each other in a plane. Further, a stage (not shown) on which the objective lens 14 or the sample 15 is set moves parallel to the optical axis. Therefore, inside the sample 15, the light spot of the laser beam 2 is
A three-dimensional scan is executed by executing a scan parallel to the optical axis in addition to a two-dimensional scan (raster scan or the like) in a plane perpendicular to the optical axis. The sample 15 is, for example, a biological sample labeled with a fluorescent dye,
It is excited by the light spot of the laser light 2.

【０００５】試料１５から発散して放出された蛍光１６
ａは、対物レンズ１４により集光された後、レーザ光２
が通過した光路を逆方向に進行する。Ｘ−Ｙスキャナ１
２から出射された蛍光１６ａは、ダイクロイックミラー
１１により光軸に対して直角方向に反射された後、コリ
メータレンズ２１によりコンフォーカルピンホール板３
０のピンホール中で結像する。コンフォーカルピンホー
ル板３０から出射した蛍光１６ａは、試料１５の内部に
おける光スポット前後から放出した蛍光成分が遮蔽され
たものとなっている。この蛍光１６ａは、ＰＭＴ（Phot
o Multiplier Tube ）２０に受光される。[0005] The fluorescence 16 emitted and emitted from the sample 15
a is the laser beam 2 after being condensed by the objective lens 14.
Travels in the opposite direction along the optical path that has passed. XY scanner 1
The fluorescent light 16a emitted from the light source 2 is reflected by the dichroic mirror 11 in a direction perpendicular to the optical axis, and then collimated by the collimator lens 21.
An image is formed in the 0 pinhole. The fluorescent light 16a emitted from the confocal pinhole plate 30 is such that the fluorescent components emitted from before and after the light spot inside the sample 15 are shielded. This fluorescence 16a is generated by PMT (Phot
o Multiplier Tube) 20 receives light.

【０００６】このＰＭＴ２０は、蛍光１６ａを光電変換
し、蛍光１６ａの光強度に対応する強度を持った電気信
号を出力する。ＰＭＴ２０から出力された電気信号は、
Ｘ−Ｙスキャナ１２の走査信号に同期させられ、図示し
ない画像読取装置のメモリに画像データとして格納され
る。この画像データが通常の手法に基づいて走査信号に
対応して処理されることにより、試料１５の三次元顕微
画像が得られる。The PMT 20 photoelectrically converts the fluorescent light 16a and outputs an electric signal having an intensity corresponding to the light intensity of the fluorescent light 16a. The electric signal output from the PMT 20 is
The data is synchronized with a scanning signal of the XY scanner 12 and stored as image data in a memory of an image reading device (not shown). This image data is processed in accordance with the scanning signal based on a normal method, so that a three-dimensional microscopic image of the sample 15 is obtained.

【０００７】このような従来の共焦点型レーザ走査蛍光
顕微鏡では、理想的には点光源及び点光検出器を試料内
部の一点と共役な位置に配置することにより、レーザ光
が縮小した焦点深度を有する光スポットを結像するよう
になる。また、ピンホールを光検出器側に配置すること
により、試料内部における光スポット前後から放出した
蛍光成分が除去されている。そのため、焦平面以外のデ
フォーカスした像はほとんど消えてしまう。したがっ
て、試料内部の焦平面付近における像のみが顕微画像と
して得られる。In such a conventional confocal laser scanning fluorescence microscope, a point light source and a point light detector are ideally arranged at a position conjugate with one point inside the sample, so that the laser beam has a reduced depth of focus. Is formed. In addition, by disposing the pinhole on the photodetector side, the fluorescent component emitted from before and after the light spot inside the sample is removed. Therefore, the defocused image other than the focal plane almost disappears. Therefore, only an image near the focal plane inside the sample is obtained as a microscopic image.

【０００８】なお、このような共焦点型レーザ走査蛍光
顕微鏡に関する先行技術は、公報「特開平２−２４７６
０５号」などに詳細に記載されている。The prior art relating to such a confocal laser scanning fluorescence microscope is disclosed in Japanese Unexamined Patent Publication No. Hei.
No. 05 "and the like.

【０００９】次に、従来の二光子吸収励起型レーザ走査
蛍光顕微鏡について述べる。この二光子吸収励起型レー
ザ走査蛍光顕微鏡では、極短時間幅を有するパルスとし
てレーザ光を発振するレーザを用いることにより、この
レーザ光が高いエネルギー密度を有する光スポットを結
像し、この光スポットが上述した共焦点型レーザ走査蛍
光顕微鏡と同様にして試料内部で三次元的走査を実行す
る。そのため、試料内部において光スポットが位置する
一点のみから二光子吸収に基づいた励起による蛍光が発
生し、その他の部分からは二光子吸収に基づいた励起に
よる蛍光が発生しない。したがって、焦平面以外にある
デフォーカスした像は現われずに、顕微画像のコントラ
ストが良好になる。Next, a conventional two-photon absorption laser scanning fluorescence microscope will be described. In the two-photon absorption excitation laser scanning fluorescence microscope, by using a laser that oscillates a laser beam as a pulse having an extremely short duration, the laser beam forms an image of a light spot having a high energy density. Performs three-dimensional scanning inside the sample in the same manner as in the confocal laser scanning fluorescence microscope described above. Therefore, fluorescence due to excitation based on two-photon absorption is generated only from one point where the light spot is located inside the sample, and no fluorescence is generated from other parts due to excitation based on two-photon absorption. Therefore, a defocused image other than the focal plane does not appear, and the contrast of the microscopic image is improved.

【００１０】なお、このような二光子吸収励起型レーザ
走査蛍光顕微鏡に関する先行技術は、文献"Science,vo
l.248,pp.73-76,6.April.1990" ，"United States Pate
nt,no.5034613,1991"などに詳細に記載されている。Prior art relating to such a two-photon absorption-excitation laser scanning fluorescence microscope is disclosed in the document "Science, vo.
l.248, pp.73-76,6.April.1990 "," United States Pate
nt, no. 5034613, 1991 ".

【００１１】さらに、従来の一般的なレーザ走査蛍光顕
微鏡では、対物レンズをアキシコンプリズムに置換する
ことにより、レーザ光が光軸上で干渉して試料の厚さ程
度に大きい焦点深度を有する光線束、いわゆるベッセル
ビームに変換され、このベッセルビームが上述した共焦
点型レーザ走査蛍光顕微鏡と同様にして試料内部を三次
元的に走査する。そのため、焦点深度内にある像はボケ
ないことから、三次元像を二次元的に投影した顕微画像
が得られる。あるいは、輪帯開口を有するアパーチャを
介して円筒状の光線束として対物レンズにレーザ光を入
射することにより、このレーザ光は試料の厚さ程度に大
きい焦点深度を有するベッセルビームを結像し、このベ
ッセルビームが上述した共焦点型レーザ走査蛍光顕微鏡
と同様にして試料内部で三次元的走査を実行する。その
ため、焦点深度内にある像はボケないことから、三次元
像を二次元的に投影した顕微画像が得られる。Further, in a conventional general laser scanning fluorescence microscope, by replacing the objective lens with an axicon prism, the laser beam interferes on the optical axis and has a focal depth as large as the thickness of the sample. The bundle is converted into a so-called Bessel beam, and the Bessel beam scans the inside of the sample three-dimensionally in the same manner as in the confocal laser scanning fluorescence microscope described above. Therefore, since the image within the depth of focus is not blurred, a microscopic image obtained by projecting a three-dimensional image two-dimensionally is obtained. Alternatively, by injecting laser light into the objective lens as a cylindrical light beam through an aperture having an annular aperture, the laser light forms an image of a Bessel beam having a focal depth as large as the thickness of the sample, The Bessel beam performs three-dimensional scanning inside the sample in the same manner as in the confocal laser scanning fluorescence microscope described above. Therefore, since the image within the depth of focus is not blurred, a microscopic image obtained by projecting a three-dimensional image two-dimensionally is obtained.

【００１２】図１１（ａ）は、ベッセルビームを生成す
る従来の光変換部を示す構成図である。この光変換部で
は、輪帯状の開口部４４を有するアパーチャ４３が凸レ
ンズ４６の焦平面上に配置されている。ここで、レーザ
光２が平行光としてアパーチャ４３の開口部４４を通過
すると、光軸に対して直交した輪帯状の断面強度を有す
る光線束として回折光４５が生成される。凸レンズ４６
を通過した回折光４７は、光軸に対して一定角度で屈折
した平面波として進行した後、凸レンズ４６の後側焦点
で光軸に対して軸対称となる円錐状波面を形成する。そ
のため、回折光４５は光軸付近に波面が存在する全領域
で相互に干渉するので、干渉によって強め合った強度を
有するベッセルビーム４７が生成される。FIG. 11A is a configuration diagram showing a conventional light conversion unit for generating a Bessel beam. In this light conversion unit, an aperture 43 having a ring-shaped opening 44 is arranged on the focal plane of the convex lens 46. Here, when the laser light 2 passes through the opening 44 of the aperture 43 as parallel light, a diffracted light 45 is generated as a light beam having a ring-shaped cross-sectional intensity orthogonal to the optical axis. Convex lens 46
The diffracted light 47 that has passed through the optical path travels as a plane wave refracted at a fixed angle with respect to the optical axis, and then forms a conical wavefront that is axially symmetric with respect to the optical axis at the rear focal point of the convex lens 46. For this reason, the diffracted light 45 interferes with each other in the entire region where the wavefront exists near the optical axis, so that the interference generates the Bessel beam 47 having the intensity strengthened by the interference.

【００１３】図１１（ｂ）は、光軸と直交する断面内に
おけるベッセルビーム４７の強度分布を示すグラフであ
る。このベッセルビーム４７の強度分布は、干渉領域内
でほぼ一定である。そのため、光軸付近の位置に大きい
強度を有する細長い線状の中心ビームが存在する。一
方、光軸から離れた位置に小さい強度を有する同軸円筒
状の高次回折光が存在する。したがって、ベッセルビー
ム４７が高い分解能及び長い焦点深度を有することが分
かる。FIG. 11B is a graph showing an intensity distribution of the Bessel beam 47 in a cross section orthogonal to the optical axis. The intensity distribution of the Bessel beam 47 is substantially constant within the interference area. Therefore, an elongated linear center beam having a large intensity exists at a position near the optical axis. On the other hand, there is coaxial cylindrical high-order diffracted light having a small intensity at a position away from the optical axis. Therefore, it can be seen that the Bessel beam 47 has a high resolution and a long depth of focus.

【００１４】図１２（ａ）は、アパーチャ４３の形状を
示す構成図である。凸レンズ４６の後側焦点近傍では、
ベッセルビーム４７における三次元的強度分布の形状が
開口部４４の輪帯幅によって変化する。そのため、ベッ
セルビーム４７では、開口部４４における外径αに対す
る内径α´の比β（＝α´／α）の変化に対応し、中心
ビーム及び高次回折光の強度分布が変化する。FIG. 12A is a configuration diagram showing the shape of the aperture 43. In the vicinity of the rear focal point of the convex lens 46,
The shape of the three-dimensional intensity distribution in the Bessel beam 47 changes depending on the width of the annular zone of the opening 44. Therefore, in the Bessel beam 47, the intensity distribution of the center beam and the higher-order diffracted light changes in accordance with the change in the ratio β (= α ′ / α) of the inner diameter α ′ to the outer diameter α in the opening 44.

【００１５】図１２（ｂ）は、開口部４４における外径
に対する内径の比が変化した場合に、光軸と直交する面
内におけるベッセルビーム４７の強度分布の変動を示す
グラフである。図１２（ｃ）は、図１２（ｂ）の強度分
布における要部を拡大して示すグラフである。ここで、
横軸の目盛りは２πＮＡ／λ（ただし、ＮＡ：レンズ４
６の開口数，λ：レーザ光２の波長）を単位として図示
されている。開口部４４における外径に対する内径の比
βが１に接近する程、中心ビームのスポット径が小さく
なる一方、中心ビームに対する高次回折光の強度が大き
くなる。 図１３（ａ），（ｂ）は、開口部４４におけ
る外径に対する内径の比がそれぞれ０，０．７である場
合に、光軸を含む面内におけるベッセルビーム４７の強
度分布を示すグラフである。ここで、凸レンズ４６の開
口数ＮＡは１．０であり、縦軸及び横軸の目盛はともに
レーザ光２の波長λに基づいて規格化して図示されてい
る。開口部４４における外径に対する内径の比βが０で
ある場合よりも０．７である場合に、中心ビーム及び高
次回折光の形状は光軸方向に長くなる。FIG. 12B is a graph showing a change in the intensity distribution of the Bessel beam 47 in a plane perpendicular to the optical axis when the ratio of the inner diameter to the outer diameter in the opening 44 changes. FIG. 12C is a graph showing an enlarged main part in the intensity distribution of FIG. here,
The scale on the horizontal axis is 2πNA / λ (where NA: lens 4
6, the numerical aperture of 6, and λ: the wavelength of the laser beam 2). As the ratio β of the inner diameter to the outer diameter of the opening 44 approaches 1, the spot diameter of the center beam becomes smaller, while the intensity of the higher-order diffracted light with respect to the center beam becomes larger. FIGS. 13A and 13B are graphs showing the intensity distribution of the Bessel beam 47 in a plane including the optical axis when the ratio of the inner diameter to the outer diameter in the opening 44 is 0 and 0.7, respectively. is there. Here, the numerical aperture NA of the convex lens 46 is 1.0, and the scales on the vertical axis and the horizontal axis are both normalized based on the wavelength λ of the laser beam 2 and shown. When the ratio β of the inner diameter to the outer diameter at the opening 44 is 0.7 rather than 0, the shapes of the center beam and the higher-order diffracted light become longer in the optical axis direction.

【００１６】したがって、開口部４４の形状が円形であ
るよりも狭い幅を有する輪帯状になる程、ベッセルビー
ム４７では焦点深度が増大するとともに分解能が向上す
ることが分かる。Therefore, it can be seen that the depth of focus and the resolution of the Bessel beam 47 are improved as the shape of the opening 44 becomes a ring shape having a smaller width than a circular shape.

【００１７】なお、このようなレーザ走査蛍光顕微鏡に
おけるアパーチャを用いた輪帯状照明光学系に関する先
行技術は、文献「光学，第２１巻第７号，ｐｐ．４８９
−４９７，１９９２年７月」などに詳細に記載されてい
る。また、アキシコンプリズムによるベッセルビームの
生成に関する先行技術は、文献「レーザ顕微鏡研究会第
１０回講演会論文集，ｐｐ．２２−２９，１９９２年１
１月」などに詳細に記載されている。さらに、アキシコ
ンプリズムを用いた輪帯状照明光学系に関する先行技術
は、"United States Patent,no.4887592,1989"などに詳
細に記載されている。Prior art relating to an annular illumination optical system using an aperture in such a laser scanning fluorescence microscope is disclosed in the document "Optics, Vol. 21, No. 7, pp. 489.
-497, July 1992 ". Further, prior art relating to the generation of a Bessel beam by an axicon prism is described in the document “Transactions of the Laser Microscope Research Society 10th Lecture Meeting, pp. 22-29, 1992.
January "and so on. Further, prior art relating to an annular illumination optical system using an axicon prism is described in detail in “United States Patent, no. 4875992, 1989” and the like.

【００１８】[0018]

【発明が解決しようとする課題】上記従来の共焦点型レ
ーザ走査蛍光顕微鏡では、光検出器側に配置されたピン
ホールによって試料内部における光スポット前後から放
出された蛍光成分が遮蔽されることから、光検出器によ
る蛍光の受光効率が極めて低下するため、元来微弱であ
る蛍光強度がさらに小さくなるという問題がある。In the above-mentioned conventional confocal laser scanning fluorescence microscope, the fluorescent component emitted from before and after the light spot inside the sample is shielded by the pinhole arranged on the photodetector side. In addition, since the light receiving efficiency of the fluorescence by the photodetector is extremely reduced, there is a problem that the fluorescence intensity, which is originally weak, is further reduced.

【００１９】本発明は、上記の問題点に鑑みてなされた
ものであり、試料から放出される蛍光をその損失を抑え
ながら検出して、コントラストの良好な顕微画像を得る
ことのできるレーザスキャン光学装置を提供することを
目的とする。The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and has been made in consideration of the above-described problems. A laser scanning optical system capable of detecting fluorescence emitted from a sample while suppressing loss thereof and obtaining a microscopic image with good contrast. It is intended to provide a device.

【００２０】[0020]

【課題を解決するための手段】本発明のレーザスキャン
光学装置は、所定の蛍光色素で標識された所定の試料に
レーザ光を照射し、試料から放出される蛍光を検出する
ことにより、試料の顕微画像を得るレーザスキャン光学
装置である。本発明のレーザスキャン光学装置は、
（ａ）極短時間幅を有するパルスとしてレーザ光を発振
する光源と、（ｂ）この光源から出射したレーザ光の進
行方向を変動させて、レーザ光を走査しながら試料に照
射する光走査部と、（ｃ１）レーザ光の照射による多光
子吸収に基づいて試料の表面側から出射する蛍光を検出
する第１の光電検出器と、（ｃ２）レーザ光の照射によ
る多光子吸収に基づいて試料の裏面側から出射する蛍光
を検出する第２の光電検出器と、を備えている。そし
て、本発明のレーザスキャン光学装置は、第１及び第２
の光電検出器の各出力信号の合算信号を、レーザ光の走
査に同期して画素データとして蓄積し、この画素データ
に基づいて試料の顕微画像を生成することを特徴として
いる。The laser scanning optical apparatus of the present invention irradiates a predetermined sample labeled with a predetermined fluorescent dye with a laser beam and detects fluorescence emitted from the sample, thereby obtaining a sample. This is a laser scanning optical device for obtaining a microscopic image. The laser scanning optical device of the present invention
(A) a light source that oscillates laser light as a pulse having a very short time width, and (b) an optical scanning unit that irradiates the sample while scanning the laser light while changing the traveling direction of the laser light emitted from the light source. (C1) a first photoelectric detector that detects fluorescence emitted from the surface side of the sample based on multiphoton absorption due to laser light irradiation, and (c2) a sample based on multiphoton absorption due to laser light irradiation And a second photoelectric detector for detecting fluorescence emitted from the back surface side of the light emitting element. The laser scanning optical device according to the present invention includes the first and second laser scanning optical devices.
The present invention is characterized in that the sum signal of the respective output signals of the photoelectric detector is accumulated as pixel data in synchronization with the scanning of the laser beam, and a microscopic image of the sample is generated based on the pixel data.

【００２１】本発明のレーザスキャン光学装置では、レ
ーザ光の発振波長の数分の１に相当する波長で蛍光色素
が励起された場合の蛍光が検出される。本発明のレーザ
スキャン光学装置によれば、試料の表面側から出射した
蛍光のみならず裏面側から出射した蛍光も検出されるの
で、試料から放出された蛍光はほとんど損失を受けずに
検出され、これによってコントラストの良好な顕微画像
を得ることができる。また、レーザ光の光源として低出
力のものを使用することも可能となり、これによって生
物試料等の損傷を低減することができる。In the laser scanning optical apparatus according to the present invention, the fluorescence when the fluorescent dye is excited at a wavelength corresponding to a fraction of the oscillation wavelength of the laser light is detected. According to the laser scanning optical device of the present invention, not only the fluorescence emitted from the front side of the sample but also the fluorescence emitted from the back side is detected, so the fluorescence emitted from the sample is detected with little loss, As a result, a microscopic image with good contrast can be obtained. In addition, it is possible to use a low-power laser light source, thereby reducing damage to a biological sample or the like.

【００２２】本発明のレーザスキャン光学装置において
光走査部の入射側には、平行光として入射したレーザ光
の光線束を円筒状に形成する光変換部が設置されていて
も良く、光走査部の出射側には、光走査部から入射した
レーザ光を収束してベッセルビームを生成する光収束部
が設置されていても良い。更に、光変換部は、所定間隔
で各頂角を対向または背向するとともに各光軸を一致さ
せて配置され、同一の屈折率を有する材料で同一の頂角
角度を有する形状に形成されている２個のアキシコンプ
リズムから構成されていても良い。In the laser scanning optical apparatus according to the present invention, a light conversion unit for forming a light beam of the laser beam incident as parallel light into a cylindrical shape may be provided on the incident side of the light scanning unit. A light converging unit that converges the laser light incident from the optical scanning unit to generate a Bessel beam may be provided on the emission side of the light. Further, the light conversion unit is disposed such that each apex angle is opposite or opposite at a predetermined interval and each optical axis is aligned, and is formed into a shape having the same apex angle angle with a material having the same refractive index. May be composed of two axicon prisms.

【００２３】このような光変換部及び光収束部を備える
構成にすることで、平行光として光変換部に入射したレ
ーザ光は、一方のアキシコンプリズムによりすべて光軸
に対して等しい角度で屈折して円錐状波面を形成した
後、光軸に対して直交した輪帯状の断面強度を有して発
散する光線束になる。このアキシコンプリズムから出射
されたレーザ光は、他方のアキシコンプリズムによりす
べて光軸に対して等しい角度で屈折し、光軸に対して進
行方向を平行にした平行光である円筒状の光線束にな
る。このようにして光変換部から出力されたレーザ光
は、光走査部により進行方向を変動されて走査されると
ともに、光収束部により収束されてベッセルビームとな
る。このベッセルビームの回折光強度分布では、光軸方
向に大きい強度を有する極めて細長い線状の中心ビーム
と、その周辺に存在する多数の同軸円筒状の高次回折光
とが存在する。ここで、中心ビームは高次回折光に比較
して極度に大きい強度を有するので、ベッセルビームは
高い分解能及び長い焦点深度を有することになる。した
がって、かかる構成のレーザスキャン光学装置によれ
ば、レーザ光の強度が損なわれずに円筒状の光線束が形
成されるので、試料は高いエネルギー密度、高い分解能
及び長い焦点深度を有するベッセルビームによる走査を
受けることになる。With such a configuration including the light conversion unit and the light converging unit, the laser light incident on the light conversion unit as parallel light is refracted at an equal angle with respect to the optical axis by one axicon prism. After forming a conical wavefront, the light beam becomes a divergent light beam having a ring-shaped cross-sectional intensity orthogonal to the optical axis. The laser beam emitted from this axicon prism is refracted by the other axicon prism at an equal angle to the optical axis, and is a cylindrical light beam that is parallel light whose traveling direction is parallel to the optical axis. become. The laser beam output from the light conversion unit in this way is scanned while the traveling direction is changed by the optical scanning unit, and is converged by the light converging unit to become a Bessel beam. In this diffracted light intensity distribution of the Bessel beam, there is an extremely elongated linear central beam having a large intensity in the optical axis direction, and a number of coaxial cylindrical high-order diffracted lights existing around the central beam. Here, since the center beam has an extremely large intensity compared to the higher-order diffracted light, the Bessel beam has a high resolution and a long depth of focus. Therefore, according to the laser scanning optical apparatus having such a configuration, since the cylindrical light beam is formed without impairing the intensity of the laser beam, the sample is scanned by the Bessel beam having a high energy density, a high resolution, and a long depth of focus. Will receive.

【００２４】ここで、多光子吸収はレーザ光のエネルギ
ーレベルが所定値以上である部分のみに生ずることか
ら、ベッセルビームの中心ビームに伴う高次回折光によ
って多光子吸収が生じないようにレーザ光の出力調整を
行うことにより、試料の内部においてベッセルビームの
中心ビームの照射位置のみから蛍光が生じるようにな
る。これにより、ベッセルビームに伴う高次回折光によ
る偽信号が発生しなくなるので、レーザ光の走査に同期
して各光電検出器の出力信号の合算信号を画素データと
して蓄積することにより得られた試料の顕微画像の解像
度が向上する。Here, since multiphoton absorption occurs only in a portion where the energy level of the laser beam is equal to or higher than a predetermined value, the multi-photon absorption of the laser beam is prevented so that high-order diffraction light accompanying the center beam of the Bessel beam does not cause multiphoton absorption. By performing the output adjustment, fluorescence is generated only from the irradiation position of the center beam of the Bessel beam inside the sample. As a result, a false signal due to high-order diffracted light accompanying the Bessel beam does not occur, and the sample of the sample obtained by accumulating the sum signal of the output signals of the respective photoelectric detectors as pixel data in synchronization with the scanning of the laser beam. The resolution of the microscopic image is improved.

【００２５】なお、ベッセルビームが線状に結像した中
心ビームを有して試料の内部で二次元的走査を実行する
ことにより、試料の三次元像を二次元に投影した顕微画
像が厚さ方向の積分値として得られる。これにより、試
料の内部を三次元的に走査する必要がなくなるので、光
スポットの走査時間は大きく低減する。By performing two-dimensional scanning inside the sample with the center beam of the Bessel beam formed linearly, a microscopic image obtained by projecting a three-dimensional image of the sample two-dimensionally has a thickness. Obtained as an integral value in the direction. This eliminates the need to scan the inside of the sample three-dimensionally, so that the scanning time of the light spot is greatly reduced.

【００２６】上記の光変換部は、２個のアキシコンプリ
ズムの間隔を可変に設定する移動手段をさらに有してい
ても良い。この場合、光変換部から出射される円筒状光
線束の外径は２個のアキシコンプリズムの間隔に基づい
て決定される。ここで、円筒状光線束における外径と内
径との差異である輪帯状幅が入射側のアキシコンプリズ
ムに入射するレーザ光の光線束の径に基づいて一定であ
るので、円筒状光線束における外径に対する内径の比が
２個のアキシコンプリズムの間隔に対応して連続的に変
動する。これにより、ベッセルビームにおいて高次回折
光に対する中心ビームの径及び強度が変化するので、分
解能及び焦点深度の調整が可能になる。The light conversion section may further include a moving means for variably setting the interval between the two axicon prisms. In this case, the outer diameter of the cylindrical light beam emitted from the light conversion unit is determined based on the interval between the two axicon prisms. Here, the annular width, which is the difference between the outer diameter and the inner diameter of the cylindrical light beam, is constant based on the diameter of the light beam of the laser light incident on the incident-side axicon prism. The ratio of the inner diameter to the outer diameter varies continuously according to the distance between the two axicon prisms. Accordingly, the diameter and the intensity of the center beam of the Bessel beam with respect to the higher-order diffracted light change, so that the resolution and the depth of focus can be adjusted.

【００２７】また、上記光変換部の入射側又は出射側の
少なくとも一方に、レーザ光の光線束の径を拡大するビ
ームエキスパンダや、レーザ光の光線束の径を縮小する
ビームレデューサが設置されていても良い。光変換部の
入射側にビームエキスパンダまたはビームレデューサが
設置されていると、光変換部に入射するレーザ光の光線
束の径が調整されるので、光変換部から出射される円筒
状光線束における外径と内径との差異である輪帯状幅が
入射側のアキシコンプリズムに入射するレーザ光の光線
束の径に基づいて決定される。ここで、円筒状光線束の
外径は２個のアキシコンプリズムの間隔に基づいて一定
であるので、円筒状光線束における外径に対する内径の
比がビームエキスパンダまたはビームレデューサに対応
して連続的に変動する。これにより、ベッセルビームに
おいて高次回折光に対する中心ビームの径及び強度が変
化するので、分解能及び焦点深度の調整が可能になる。
また、光変換部の出射側にビームエキスパンダまたはビ
ームレデューサが設置されていると、光変換部から出射
される円筒状光線束の外径が光収束部の開口径に一致す
るように調整される。そのため、レーザ光のケラレがほ
とんど無い、すなわちレーザ光のエネルギー利用効率が
増大するので、高いエネルギー密度を有するベッセルビ
ームが生成される。A beam expander for expanding the diameter of the light beam of the laser beam and a beam reducer for reducing the diameter of the light beam of the laser light are provided on at least one of the incident side and the output side of the light conversion section. May be. If a beam expander or a beam reducer is installed on the incident side of the light conversion unit, the diameter of the light beam of the laser beam incident on the light conversion unit is adjusted, so that the cylindrical light beam emitted from the light conversion unit The orbicular width, which is the difference between the outer diameter and the inner diameter, is determined based on the diameter of the light beam of the laser light incident on the axicon prism on the incident side. Here, since the outer diameter of the cylindrical light beam is constant based on the distance between the two axicon prisms, the ratio of the inner diameter to the outer diameter of the cylindrical light beam is continuously adjusted according to the beam expander or the beam reducer. Fluctuate. Accordingly, the diameter and the intensity of the center beam of the Bessel beam with respect to the higher-order diffracted light change, so that the resolution and the focal depth can be adjusted.
When a beam expander or a beam reducer is installed on the emission side of the light conversion unit, the outer diameter of the cylindrical light beam emitted from the light conversion unit is adjusted to match the opening diameter of the light converging unit. You. Therefore, there is almost no vignetting of the laser light, that is, the energy utilization efficiency of the laser light increases, and a Bessel beam having a high energy density is generated.

【００２８】[0028]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態の構成お
よび作用について、添付図面を参照しながら説明する。
なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付
し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率
は、説明のものと必ずしも一致していない。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The configuration and operation of an embodiment of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
In the description of the drawings, the same elements will be denoted by the same reference symbols, without redundant description. Also, the dimensional ratios in the drawings do not always match those described.

【００２９】（第１実施形態）図１は、本発明のレーザ
スキャン光学装置の一実施形態である蛍光顕微鏡を示す
構成図である。この蛍光顕微鏡では、レーザ（光源）１
から出力されたレーザ光２の進行方向に沿って、平面ミ
ラー３が配置されている。レーザ光２は、この平面ミラ
ー３によって、光軸に対して直角方向に反射されるよう
になっている。平面ミラー３により反射されたレーザ光
２の進行方向に沿って、ビームエキスパンダ４、アキシ
コンペア（光変換部）６、ビームレデューサ９、ダイク
ロイックミラー１１及びＸ−Ｙスキャナ（光走査部）１
２がほぼ一列に配列されている。このＸ−Ｙスキャナ１
２から光軸に対して直角方向に出射されたレーザ光２の
進行方向に沿って、結像レンズ１３、対物レンズ１４
（光収束部）及び試料１５がほぼ一列に配列されてい
る。この試料１５の裏面側から出射された蛍光１６ｂの
進行方向に沿って、コンデンサレンズ１７、バリアフィ
ルタ１８及びＰＭＴ１９ａがほぼ一列に配列されてい
る。一方、試料１５の表面側から出射して対物レンズ１
４、結像レンズ１３及びＸ−Ｙスキャナ１２を介してダ
イクロイックミラー１１で光軸に対して直角方向に反射
された蛍光１６ａの進行方向に沿って、ＰＭＴ２０ａが
配置されている。(First Embodiment) FIG. 1 is a configuration diagram showing a fluorescence microscope which is one embodiment of a laser scanning optical device of the present invention. In this fluorescence microscope, a laser (light source) 1
A plane mirror 3 is arranged along the traveling direction of the laser light 2 output from the optical disk. The laser beam 2 is reflected by the plane mirror 3 in a direction perpendicular to the optical axis. Along the traveling direction of the laser light 2 reflected by the plane mirror 3, a beam expander 4, an axicon compare (optical conversion unit) 6, a beam reducer 9, a dichroic mirror 11, and an XY scanner (optical scanning unit) 1
2 are arranged substantially in a line. This XY scanner 1
The imaging lens 13 and the objective lens 14 extend along the traveling direction of the laser light 2 emitted from the laser beam 2 in a direction perpendicular to the optical axis.
The (light converging portion) and the sample 15 are arranged substantially in a line. The condenser lens 17, the barrier filter 18, and the PMT 19a are arranged substantially in a row along the traveling direction of the fluorescence 16b emitted from the back side of the sample 15. On the other hand, the objective lens 1
4. A PMT 20a is arranged along the traveling direction of the fluorescent light 16a reflected by the dichroic mirror 11 at right angles to the optical axis via the imaging lens 13 and the XY scanner 12.

【００３０】レーザ１は、極短時間幅を有するパルスと
してレーザ光２を発振する光源である。このレーザ光２
は、数十〜数百ｆｓの光パルス幅と、数十〜数百ＭＨｚ
の繰り返し周波数と、試料１５に標識した蛍光色素の吸
収スペクトルにおけるピーク波長の２倍または３倍の波
長とを有する平行光である。平面ミラー３は、レーザ１
から出射されたレーザ光２の進行方向に対してほぼ４５
度に傾斜した鏡面を有しており、レーザ１から入射した
レーザ光２をこの鏡面で反射する。The laser 1 is a light source that oscillates a laser beam 2 as a pulse having a very short time width. This laser beam 2
Is an optical pulse width of tens to hundreds of fs and tens to hundreds of MHz.
Is a parallel light having a repetition frequency of 2 and a wavelength twice or three times the peak wavelength in the absorption spectrum of the fluorescent dye labeled on the sample 15. The plane mirror 3 is a laser 1
45 with respect to the traveling direction of the laser light 2 emitted from the
It has a mirror surface that is inclined at an angle, and the laser light 2 incident from the laser 1 is reflected by this mirror surface.

【００３１】ビームエキスパンダ４は、２個の凸レンズ
５ａ，５ｂから構成されており、平面ミラー３から入射
したレーザ光２の光線束を所定の径に拡大する。これら
凸レンズ５ａ，５ｂは、各々の光軸を一致させた状態で
所定の間隔をあけて配置されている。また、ビームエキ
スパンダ４は、レンズ群の一部に対する移動手段（図示
せず）を含んで構成されており、レーザ光２の光線束の
径に対する変倍率を連続的に、つまりズーム式に変動で
きるようになっている。The beam expander 4 is composed of two convex lenses 5a and 5b, and expands the light beam of the laser light 2 incident from the plane mirror 3 to a predetermined diameter. These convex lenses 5a and 5b are arranged at predetermined intervals with their optical axes aligned. Further, the beam expander 4 is configured to include a moving means (not shown) for a part of the lens group, and continuously changes the magnification of the laser beam 2 with respect to the diameter of the light beam, that is, changes the zoom ratio in a zoom manner. I can do it.

【００３２】図２は、アキシコンペア６をより詳細に示
す構成図である。図３は、アキシコンペア６におけるア
キシコンプリズムの構成を示す斜視図である。アキシコ
ンペア６は、２個のアキシコンプリズム７ａ，７ｂから
構成されている。これらアキシコンプリズム７ａ，７ｂ
は、同一の屈折率を有する材料を用いて、円柱と円錐と
の底面同士を合わせた形状に形成されている。また、ア
キシコンプリズム７ａ，７ｂは、所定間隔で同一の角度
を有する各頂角を所定間隔で対向または背向させるとと
もに各光軸を一致させて配置されている。このようなア
キシコンプリズム７ａ，７ｂの間隔は、図示しない移動
手段によって可変に設定される。FIG. 2 is a configuration diagram showing the axicon pair 6 in more detail. FIG. 3 is a perspective view showing the configuration of the axicon prism in the axicon pair 6. The axicon pair 6 is composed of two axicon prisms 7a and 7b. These axicon prisms 7a, 7b
Are formed in a shape in which the bottom surfaces of a cylinder and a cone are combined using materials having the same refractive index. Further, the axicon prisms 7a and 7b are arranged such that the apex angles having the same angle at predetermined intervals are opposed or rearward at predetermined intervals and the optical axes are aligned. The distance between the axicon prisms 7a and 7b is variably set by moving means (not shown).

【００３３】図４（ａ）は、アキシコンペア６に入射す
るレーザ光２において光軸に対して垂直な面内の強度分
布を示すグラフである。図４（ｂ）は、２個のアキシコ
ンプリズム７ａ，７ｂ間の距離を可変に設定する場合を
示す構成図である。図４（ｃ）は、アキシコンペア６か
ら出射されたレーザ光２において光軸に対して垂直な面
内の強度分布を示すグラフである。FIG. 4A is a graph showing an intensity distribution in a plane perpendicular to the optical axis of the laser light 2 incident on the axicon pair 6. FIG. 4B is a configuration diagram showing a case where the distance between the two axicon prisms 7a and 7b is variably set. FIG. 4C is a graph showing an intensity distribution in a plane perpendicular to the optical axis of the laser beam 2 emitted from the axicon pair 6.

【００３４】アキシコンペア６では、ほぼガウス分布に
基づいた断面強度を有する平行光としてビームエキスパ
ンダ４から光軸に直交して入射したレーザ光２をアキシ
コンプリズム７ａが光軸に対して一定角度で屈折し、光
軸に対して直交した輪帯状の断面強度を有する円錐状光
線束として出射させる。一方、アキシコンプリズム７ｂ
は、アキシコンプリズム７ａから入射したレーザ光２を
光軸に対して一定角度で屈折し、光軸に対して進行方向
を平行にした円筒状光線束８として出射させる。この円
筒状光線束８では、外径αはアキシコンプリズム７ａ及
び７ｂ間の間隔に基づいて決定されており、外径αと内
径α´との差異である輪帯状幅がアキシコンプリズム７
ａに入射するレーザ光２の光線束の径に基づいて決定さ
れている。そのため、アキシコンプリズム７ａ及び７ｂ
間の間隔に対応して、円筒状光線束８における外径αに
対する内径α´の比β（＝α´／α）が連続的に、つま
りズーム式に変動して設定される。In the axicon comparator 6, the axicon prism 7a converts the laser beam 2 incident perpendicularly to the optical axis from the beam expander 4 as parallel light having a sectional intensity based on a Gaussian distribution at a constant angle with respect to the optical axis. And emitted as a conical light beam having a ring-shaped cross-sectional intensity orthogonal to the optical axis. On the other hand, the axicon prism 7b
Refracts the laser beam 2 incident from the axicon prism 7a at a fixed angle with respect to the optical axis, and emits it as a cylindrical light beam 8 whose traveling direction is parallel to the optical axis. In this cylindrical light beam 8, the outer diameter α is determined based on the distance between the axicon prisms 7a and 7b, and the annular zone width, which is the difference between the outer diameter α and the inner diameter α ', is determined.
The value is determined based on the diameter of the light beam of the laser beam 2 incident on the laser beam a. Therefore, the axicon prisms 7a and 7b
The ratio β (= α ′ / α) of the inner diameter α ′ to the outer diameter α in the cylindrical light beam 8 is set continuously, that is, in a zoom manner, in accordance with the interval between them.

【００３５】ビームレデューサ９は、２個の凸レンズ１
０ａ，１０ｂから構成されており、アキシコンペア６か
ら円筒状光線束８として入射したレーザ光２の外径を対
物レンズ１４の開口径に一致するように縮小する。これ
ら凸レンズ１０ａ，１０ｂは、各々の光軸を一致させた
状態で所定の間隔をあけて配置されている。また、ビー
ムレデューサ９は、レンズ群の一部に対する移動手段
（図示せず）を含んで構成されており、レーザ光２の光
線束の径に対する変倍率を連続的に、つまりズーム式に
変動できるようになっている。The beam reducer 9 has two convex lenses 1
The outer diameter of the laser beam 2 incident as a cylindrical light beam 8 from the axicon pair 6 is reduced so as to match the aperture diameter of the objective lens 14. These convex lenses 10a and 10b are arranged at predetermined intervals with their optical axes aligned. Further, the beam reducer 9 is configured to include a moving means (not shown) for a part of the lens group, and is capable of continuously changing the magnification with respect to the diameter of the light beam of the laser light 2, that is, in a zoom manner. It has become.

【００３６】ダイクロイックミラー１１は、ビームレデ
ューサ９から入射したレーザ光２の発振波長に対して大
きい透過率を有するとともに、Ｘ−Ｙスキャナ１２から
入射した蛍光１６ａを含む所定の波長範囲の光成分に対
して大きい反射率を有している。Ｘ−Ｙスキャナ１２
は、例えばガルバノメータ型スキャナ、レゾナント型ス
キャナ、ピエゾ振動型スキャナ、回転多面体スキャナ、
超音波振動子偏向器（Acousto-Optic Deflector ）等で
ある。このＸ−Ｙスキャナ１２は、ダイクロイックミラ
ー１１から入射したレーザ光２の進行方向を所定の角度
範囲内で変化させて平面的に直交する二方向に振るとと
もに、結像レンズ１３から入射した蛍光１６ａの進行方
向を同様に変化させてダイクロイックミラー１１に向か
わせる。The dichroic mirror 11 has a large transmittance with respect to the oscillation wavelength of the laser light 2 incident from the beam reducer 9 and converts the light component in a predetermined wavelength range including the fluorescent light 16 a incident from the XY scanner 12. On the other hand, it has a large reflectance. XY scanner 12
For example, galvanometer type scanner, resonant type scanner, piezo vibration type scanner, rotating polyhedron scanner,
An ultrasonic transducer deflector (Acousto-Optic Deflector) and the like. The XY scanner 12 changes the traveling direction of the laser beam 2 incident from the dichroic mirror 11 within a predetermined angle range and shakes the laser beam 2 in two directions orthogonal to each other in a plane, and also detects the fluorescence 16a incident from the imaging lens 13 Is changed in the same manner as described above so as to move toward the dichroic mirror 11.

【００３７】結像レンズ１３は、Ｘ−Ｙスキャナ１２か
ら入射したレーザ光２の光スポットを対物レンズ１４の
前側像面に結像する。また、この結像レンズ１３は、そ
の後側像面に結像した光スポットを仮想光源として入射
してくる蛍光１６ａを平行光として出射する。対物レン
ズ１４は、その前側像面に結像した光スポットを仮想光
源として入射してくるレーザ光２を収束させ、回折限界
まで絞り込まれた光スポットとしてべッセルビームを生
成し、試料１５の内部を通過させる。また、この対物レ
ンズ１４は、試料１５の表面側から放出した蛍光１６ａ
を集光し、結像レンズ１３の後側像面に光スポットを結
像する。The imaging lens 13 forms an image of the light spot of the laser light 2 incident from the XY scanner 12 on the front image plane of the objective lens 14. Further, the imaging lens 13 emits, as a virtual light source, a light spot formed on the image plane on the rear side thereof as parallel light and the fluorescent light 16a incident thereon. The objective lens 14 converges the incoming laser beam 2 as a virtual light source with the light spot formed on the front image plane as the virtual light source, generates a Bessel beam as a light spot narrowed down to the diffraction limit, and illuminates the inside of the sample 15. Let it pass. The objective lens 14 has a fluorescent light 16a emitted from the surface side of the sample 15.
To form a light spot on the rear image plane of the imaging lens 13.

【００３８】試料１５は、例えば所定の蛍光色素で標識
された生物試料であり、対物レンズ１４の後側像面かつ
コンデンサレンズ１７の前側像面にほぼ位置して配置さ
れている。この試料１５は、対物レンズ１４からべッセ
ルビームとして入射したレーザ光２の照射位置における
多光子吸収に基づいて励起され、蛍光１６ａ，１６ｂを
発散させる。また、試料１５は、図示しないステージ上
に設置されており、このステージの移動にともなって光
軸方向に移動される。The sample 15 is, for example, a biological sample labeled with a predetermined fluorescent dye, and is disposed almost at the rear image plane of the objective lens 14 and at the front image plane of the condenser lens 17. The sample 15 is excited based on the multiphoton absorption at the irradiation position of the laser beam 2 incident as a Bessel beam from the objective lens 14, and emits the fluorescence 16a and 16b. The sample 15 is set on a stage (not shown), and is moved in the optical axis direction as the stage moves.

【００３９】コンデンサレンズ１７は、試料１５の裏面
側から出射されたレーザ光２及び蛍光１６ｂを集光して
ほぼ平行光として出射する。バリアフィルタ１８は、試
料１５から放出された蛍光１６ｂを含む所定の波長範囲
の光成分に対して大きい透過率を有するとともに、試料
１５を透過したレーザ光２の発振波長に対して大きい吸
収率を有する。The condenser lens 17 condenses the laser light 2 and the fluorescent light 16b emitted from the back side of the sample 15, and emits them as substantially parallel light. The barrier filter 18 has a large transmittance for light components in a predetermined wavelength range including the fluorescent light 16 b emitted from the sample 15 and has a large absorption for the oscillation wavelength of the laser light 2 transmitted through the sample 15. Have.

【００４０】ＰＭＴ（Photo Multiplier Tube）１９
ａ，２０ａは、ホトマルチプライヤ等の光電検出器であ
る。このＰＭＴ１９ａは、バリアフィルタ１８から出射
された蛍光１６ｂを受光し、蛍光１６ｂをその光強度に
対応した電気信号に光電変換して出力する。一方、ＰＭ
Ｔ２０ａは、ダイクロイックミラー１１から入射した蛍
光１６ａを受光し、蛍光１６ａをその光強度に対応した
電気信号に光電変換して出力する。PMT (Photo Multiplier Tube) 19
Reference numerals a and 20a denote photoelectric detectors such as a photomultiplier. The PMT 19a receives the fluorescent light 16b emitted from the barrier filter 18, photoelectrically converts the fluorescent light 16b into an electric signal corresponding to the light intensity, and outputs the electric signal. Meanwhile, PM
T20a receives the fluorescent light 16a incident from the dichroic mirror 11, photoelectrically converts the fluorescent light 16a into an electric signal corresponding to the light intensity, and outputs the electric signal.

【００４１】次に、本実施形態の蛍光顕微鏡の作用につ
いて説明する。実線で図示したレーザ光２は、レーザ１
から出射した後、平面ミラー３により光軸に対して直角
方向に反射される。平面ミラー３から出射したレーザ光
２は、ビームエキスパンダ４により光軸方向に進行方向
を保持しつつ光線束の径を所定値に拡大される。Next, the operation of the fluorescence microscope of this embodiment will be described. The laser light 2 shown by the solid line is the laser 1
After being emitted from the mirror, the light is reflected by the plane mirror 3 in a direction perpendicular to the optical axis. The laser beam 2 emitted from the plane mirror 3 is expanded by the beam expander 4 while maintaining the traveling direction in the optical axis direction, with the beam diameter being increased to a predetermined value.

【００４２】アキシコンペア６では、ビームエキスパン
ダ４からコリメートされた平面波として出射したレーザ
光２が、アキシコンプリズム７ａによりすべて光軸に対
して等しい角度で屈折して円錐状波面を形成した後、光
軸に対して直交した輪帯状の断面強度を有して発散する
光線束となる。アキシコンプリズム７ａから出射したレ
ーザ光２は、アキシコンプリズム７ｂによりすべて光軸
に対して等しい角度で屈折し、光軸に対して進行方向を
平行にした平行光である円筒状光線束８になる。ここ
で、実線で図示した円筒状光線束８のビーム径は、アキ
シコンプリズム７ａ及び７ｂ間の間隔に対応して自由か
つ連続して可変であり、ビームレデューサ９を通過した
後において結像レンズ１３の瞳結像倍率を含めた総合倍
率の下に対物レンズ１４の開口径に一致するように設定
される。In the axicon compare 6, the laser beam 2 emitted as a plane wave collimated from the beam expander 4 is all refracted by the axicon prism 7a at an equal angle with respect to the optical axis to form a conical wavefront. The divergent light beam has a ring-shaped cross-sectional intensity orthogonal to the optical axis. The laser light 2 emitted from the axicon prism 7a is refracted by the axicon prism 7b at an equal angle to the optical axis, and is converted into a cylindrical light beam 8 which is parallel light whose traveling direction is parallel to the optical axis. Become. Here, the beam diameter of the cylindrical light beam bundle 8 shown by a solid line is freely and continuously variable in accordance with the distance between the axicon prisms 7a and 7b, and the image forming lens after passing through the beam reducer 9. It is set so as to match the aperture diameter of the objective lens 14 under the total magnification including the pupil imaging magnification of 13.

【００４３】アキシコンペア６から円筒状光線束８とし
て出射したレーザ光２は、光軸方向に進行方向を保持し
つつ、ビームレデューサ９により光線束の径を所定値に
縮小される。このとき、円筒状光線束８における光軸に
対して直交した輪帯状の断面においては、輪帯状幅が同
時に圧縮される。ビームレデューサ９から出射したレー
ザ光２は、ダイクロイックミラー１１を透過し、Ｘ−Ｙ
スキャナ１２により光軸に対して直角方向に出射される
と共に、その進行方向が所定の角度範囲内で変化され、
平面的に直交する二方向に振られる。The diameter of the laser beam 2 emitted from the axicon compare 6 as a cylindrical beam bundle 8 is reduced to a predetermined value by a beam reducer 9 while maintaining the traveling direction in the optical axis direction. At this time, in the annular cross section orthogonal to the optical axis of the cylindrical light beam 8, the annular width is simultaneously compressed. The laser light 2 emitted from the beam reducer 9 passes through the dichroic mirror 11 and is XY
The light is emitted in a direction perpendicular to the optical axis by the scanner 12, and its traveling direction is changed within a predetermined angle range,
It is swung in two directions orthogonal to each other in a plane.

【００４４】Ｘ−Ｙスキャナ１２から出射したレーザ光
２は、結像レンズ１３により対物レンズ１４の前側像面
に光スポットを結像する。この光スポットは、Ｘ−Ｙス
キャナ１２により二次元的に振られる仮想光源ともいう
べきものである。この光スポットから円錐状光線束とし
て出射されるレーザ光２は、対物レンズ１４の周縁部の
みを透過して出射され、回折限界まで絞り込まれた光ス
ポットであるベッセルビームとして試料１５に照射され
る。このベッセルビームは、光軸方向に大きい強度を有
する極めて細長い線状の中心ビームと、その周辺に存在
する多数の同軸円筒状の高次回折光とから構成された回
折光強度分布を有する。また、ベッセルビームは、Ｘ−
Ｙスキャナ１２により振られて、試料１５の内部の二次
元的走査、例えばラスタ走査を実行する。The laser beam 2 emitted from the XY scanner 12 forms an optical spot on the front image plane of the objective lens 14 by the imaging lens 13. This light spot can be called a virtual light source that is two-dimensionally shaken by the XY scanner 12. The laser beam 2 emitted from this light spot as a conical light beam is transmitted through only the periphery of the objective lens 14 and emitted, and is irradiated on the sample 15 as a Bessel beam which is a light spot narrowed down to the diffraction limit. . This Bessel beam has a diffracted light intensity distribution composed of an extremely elongated linear central beam having a large intensity in the optical axis direction and a number of coaxial cylindrical high-order diffracted lights existing around the central beam. The Bessel beam is X-
It is shaken by the Y scanner 12 to perform a two-dimensional scan inside the sample 15, for example, a raster scan.

【００４５】試料１５では、所定の閾値以上の光強度部
分を有するベッセルビームが照射された部分のみに、い
わゆる多光子吸収が生じる。これにより、試料１５に標
識されている蛍光色素は、レーザ光２の発振波長の１／
２または１／３に相当する吸収スペクトルのピーク波長
で励起された場合と同様に、その蛍光色素量に比例した
線状の二次光源として破線で図示した蛍光１６ａ，１６
ｂを発散する。In the sample 15, so-called multiphoton absorption occurs only in a portion irradiated with a Bessel beam having a light intensity portion equal to or higher than a predetermined threshold value. As a result, the fluorescent dye labeled on the sample 15 becomes 1/1 of the oscillation wavelength of the laser light 2.
As in the case where the light is excited at the peak wavelength of the absorption spectrum corresponding to 2 or 1/3, the fluorescent light 16a, 16
diverge b.

【００４６】試料１５を透過して出射したレーザ光２
は、コンデンサレンズ１７により光軸に対して進行方向
をほぼ平行にした平行光になった後、バリアフィルタ１
８により吸収される。試料１５の裏面側から出射した蛍
光１６ｂは、コンデンサレンズ１７により集光されて光
軸に対して進行方向をほぼ平行にした平行光となり、バ
リアフィルタ１８を透過してＰＭＴ１９により受光され
る。一方、試料１５の表面側から出射した蛍光１６ａ
は、対物レンズ１４により集光されてレーザ光２が通過
した光路を逆方向に進行する。その後、Ｘ−Ｙスキャナ
１２から出射した蛍光１６ａは、ダイクロイックミラー
１１により光軸に対して直角方向に反射された後、ＰＭ
Ｔ２０により受光される。Laser light 2 transmitted through sample 15 and emitted
Is converted into parallel light whose traveling direction is substantially parallel to the optical axis by the condenser lens 17, and then the barrier filter 1
8 to be absorbed. The fluorescent light 16 b emitted from the back side of the sample 15 is condensed by the condenser lens 17, becomes parallel light whose traveling direction is substantially parallel to the optical axis, passes through the barrier filter 18, and is received by the PMT 19. On the other hand, the fluorescence 16a emitted from the surface side of the sample 15
Travels in the opposite direction on the optical path through which the laser beam 2 is condensed by the objective lens 14 and passes. Then, the fluorescence 16a emitted from the XY scanner 12 is reflected by the dichroic mirror 11 in a direction perpendicular to the optical axis, and
The light is received by T20.

【００４７】ＰＭＴ１９，２０から蛍光１６ａ、１６ｂ
の光強度に対応した光電変換により出力された電気信号
は合算され、Ｘ−Ｙスキャナ１２の走査信号に同期し、
図示しない画像読取装置のメモリに画素データとして格
納される。この画素データが通常の手法に基づいて走査
信号に対応して処理されることにより、試料１５の三次
元像を二次元に投影した顕微画像が得られる。The fluorescence 16a, 16b from the PMTs 19, 20
The electric signals output by the photoelectric conversion corresponding to the light intensity of are summed and synchronized with the scanning signal of the XY scanner 12,
It is stored as pixel data in a memory of an image reading device (not shown). By processing the pixel data in accordance with the scanning signal based on a normal method, a microscopic image obtained by projecting a three-dimensional image of the sample 15 two-dimensionally is obtained.

【００４８】このように、本実施形態の蛍光顕微鏡で
は、試料の表裏両側から発散された蛍光が二つの光電検
出器によってそれぞれ受光され、これら光電検出器の出
力信号を合算することにより顕微画像が得られている。
試料から放出される蛍光をほとんど損失させずに検出し
ているので、高いコントラストの顕微画像を得ることが
できる。また、低出力のレーザを用いることも可能にな
るので、生物試料等の損傷が低減する。As described above, in the fluorescence microscope of the present embodiment, the fluorescence diverged from both the front and back sides of the sample is received by the two photoelectric detectors, respectively, and the output signals of these photoelectric detectors are added to form a microscopic image. Have been obtained.
Since the fluorescence emitted from the sample is detected with little loss, a high-contrast microscopic image can be obtained. In addition, since a low-power laser can be used, damage to a biological sample or the like is reduced.

【００４９】また、本実施形態の蛍光顕微鏡では、極短
時間幅パルスとして発振されたレーザ光は、２個のアキ
シコンプリズムを用いることにより、光軸に対して直交
した幅の狭い輪帯状の断面強度を有する円筒状光線束に
変換される。これにより、円筒状光線束を生成する際
に、レーザ光の強度はほとんど損失を受けなくなる。こ
のため、レーザ光のエネルギー利用効率が増大するとと
もに、試料内部の多光子吸収に寄与する高いエネルギー
密度が維持される。In the fluorescence microscope of this embodiment, the laser light oscillated as an extremely short width pulse is formed into a narrow annular band orthogonal to the optical axis by using two axicon prisms. It is converted into a cylindrical light beam having a sectional intensity. Thus, the intensity of the laser beam is hardly lost when the cylindrical light beam is generated. For this reason, the energy utilization efficiency of the laser light increases, and a high energy density that contributes to multiphoton absorption inside the sample is maintained.

【００５０】さらに、極短時間幅パルスとして発振され
たレーザ光は、円筒状光線束として対物レンズの周縁部
のみを通過することにより、光軸方向に大きい強度を有
して結像した細長い線状の中心ビームであるベッセルビ
ームとして試料の内部に照射される。これにより、試料
はベッセルビームの照射位置のみで多光子吸収によって
励起される。そのため、試料に標識した蛍光試料に基づ
いて発散した蛍光は、ピンホールを必要とせずに光電検
出器で高効率に受光される。また、試料における多光子
吸収は、レーザ光のエネルギー密度を調節することによ
り、ベッセルビームの中心領域にさらに近い極細い部分
のみで起こる。そのため、蛍光顕微鏡としては、いっそ
う高い分解能及び長い焦点深度を有する。Further, the laser beam oscillated as a very short pulse width passes through only the peripheral portion of the objective lens as a cylindrical light beam, thereby forming an elongated line having a large intensity in the optical axis direction. The inside of the sample is irradiated as a Bessel beam which is a center beam of a shape. As a result, the sample is excited by multiphoton absorption only at the irradiation position of the Bessel beam. Therefore, the fluorescence emitted based on the fluorescent sample labeled on the sample is received by the photoelectric detector with high efficiency without requiring a pinhole. In addition, multiphoton absorption in the sample occurs only in a very thin portion closer to the central region of the Bessel beam by adjusting the energy density of the laser beam. Therefore, the fluorescence microscope has higher resolution and longer depth of focus.

【００５１】またさらに、ベッセルビームが線状に結像
した中心ビームを有して試料の内部で二次元的走査を実
行している。これにより、試料の三次元像が二次元に投
影された顕微画像を厚さ方向の積分値として得られる。
そのため、試料の内部を三次元的に走査する必要がなく
なるので、光スポットの走査時間は大きく低減する。Further, two-dimensional scanning is performed inside the sample with the center beam having a linear image of the Bessel beam. Thus, a microscopic image obtained by projecting a three-dimensional image of the sample in two dimensions is obtained as an integral value in the thickness direction.
Therefore, since it is not necessary to scan the inside of the sample three-dimensionally, the scanning time of the light spot is greatly reduced.

【００５２】（第２実施形態）図５は、本発明のレーザ
スキャン光学装置の第２の実施形態である蛍光顕微鏡を
示す構成図である。本実施形態は、上記第１実施形態の
蛍光顕微鏡とほぼ同様にして構成されている。ただし、
試料１５には、複数種類の蛍光色素が標識されており、
各蛍光色素は相互に異なる蛍光の発光波長を有する。ま
た、ダイクロイックミラー１１ａの反射側には、試料１
５の表面側から出射した蛍光１６ａの進行方向に沿っ
て、ダイクロイックミラー１１ｂ，１１ｃ及びＰＭＴ２
０ａがほぼ一列に配列されている。これらダイクロイッ
クミラー１１ｂ，１１ｃの反射側には、ＰＭＴ２０ｂ，
２０ｃがそれぞれ配置されている。一方、バリアフィル
タ１８の出射側には、試料１５の裏面側から出射された
蛍光１６ｂの進行方向に沿って、ダイクロイックミラー
３１ｂ，３１ｃ及びＰＭＴ１９ａがほぼ一列に配列され
ている。これらダイクロイックミラー３１ｂ，３１ｃの
反射側には、ＰＭＴ１９ｂ，１９ｃがそれぞれ配置され
ている。(Second Embodiment) FIG. 5 is a configuration diagram showing a fluorescence microscope which is a second embodiment of the laser scanning optical device of the present invention. This embodiment is configured in substantially the same manner as the fluorescence microscope of the first embodiment. However,
The sample 15 is labeled with a plurality of types of fluorescent dyes,
Each fluorescent dye has a different fluorescence emission wavelength. The sample 1 is placed on the reflection side of the dichroic mirror 11a.
5 along the traveling direction of the fluorescent light 16a emitted from the front side of the PMT 2 and the dichroic mirrors 11b and 11c and the PMT 2
0a are arranged substantially in a line. On the reflection side of these dichroic mirrors 11b and 11c, PMT 20b,
20c are arranged respectively. On the other hand, on the emission side of the barrier filter 18, dichroic mirrors 31b and 31c and the PMT 19a are arranged substantially in a line along the traveling direction of the fluorescence 16b emitted from the back side of the sample 15. PMTs 19b and 19c are arranged on the reflection side of the dichroic mirrors 31b and 31c, respectively.

【００５３】ダイクロイックミラー１１ａは、ビームレ
デューサ９から入射したレーザ光２の発振波長に対して
大きい透過率を有するとともに、Ｘ−Ｙスキャナ１２か
ら入射した蛍光１６ａを含む所定の波長範囲の光成分に
対して大きい反射率を有している。ダイクロイックミラ
ー１１ｂ，１１ｃは、ダイクロイックミラー１１ａから
出射した蛍光１６ａ中の相互に異なる発光波長を有する
蛍光成分をそれぞれ含むように、相互に異なる波長帯に
対して大きい反射率を有する。ダイクロイックミラー３
１ｂ，３１ｃは、バリアフィルタ１８から出射された蛍
光１６ｂ中の相互に異なる発光波長を有する光成分をそ
れぞれ含むように、相互に異なる波長帯に対して大きい
反射率を有する。The dichroic mirror 11a has a large transmittance with respect to the oscillation wavelength of the laser beam 2 incident from the beam reducer 9, and also converts the light component in a predetermined wavelength range including the fluorescent light 16a incident from the XY scanner 12 into the dichroic mirror 11a. On the other hand, it has a large reflectance. The dichroic mirrors 11b and 11c have large reflectances for mutually different wavelength bands so as to respectively include fluorescent components having mutually different emission wavelengths in the fluorescent light 16a emitted from the dichroic mirror 11a. Dichroic mirror 3
1b and 31c have a large reflectance in mutually different wavelength bands so as to include light components having mutually different emission wavelengths in the fluorescent light 16b emitted from the barrier filter 18 respectively.

【００５４】ＰＭＴ１９ａ〜１９ｃ，２０ａ〜２０ｃ
は、ホトマルチプライヤ等の光電検出器である。ＰＭＴ
１９ｂは、ダイクロイックミラー３１ｂにより反射され
た蛍光１６ｂを受光し、光強度に対応した電気信号に光
電変換して出力する。ＰＭＴ１９ｃは、ダイクロイック
ミラー３１ｃにより反射された蛍光１６ｂを受光し、光
強度に対応した電気信号に光電変換して出力する。ＰＭ
Ｔ１９ａは、ダイクロイックミラー３１ｂ，３１ｃを透
過した蛍光１６ｂを受光し、光強度に対応した電気信号
に光電変換して出力する。ＰＭＴ２０ｂは、ダイクロイ
ックミラー１１ｂにより反射された蛍光１６ａを受光
し、光強度に対応した電気信号に光電変換して出力す
る。ＰＭＴ２０ｃは、ダイクロイックミラー１１ｃによ
り反射された蛍光１６ａを受光し、光強度に対応した電
気信号に光電変換して出力する。ＰＭＴ２０ａは、ダイ
クロイックミラー１１ｂ，１１ｃを透過した蛍光１６ａ
を受光し、光強度に対応した電気信号に光電変換して出
力する。PMTs 19a to 19c, 20a to 20c
Is a photoelectric detector such as a photomultiplier. PMT
19b receives the fluorescence 16b reflected by the dichroic mirror 31b, photoelectrically converts the fluorescence 16b into an electric signal corresponding to the light intensity, and outputs the electric signal. The PMT 19c receives the fluorescence 16b reflected by the dichroic mirror 31c, photoelectrically converts the fluorescence 16b into an electric signal corresponding to the light intensity, and outputs the electric signal. PM
T19a receives the fluorescence 16b transmitted through the dichroic mirrors 31b and 31c, photoelectrically converts the fluorescence 16b into an electric signal corresponding to the light intensity, and outputs the electric signal. The PMT 20b receives the fluorescence 16a reflected by the dichroic mirror 11b, photoelectrically converts the fluorescence 16a into an electric signal corresponding to the light intensity, and outputs the electric signal. The PMT 20c receives the fluorescence 16a reflected by the dichroic mirror 11c, photoelectrically converts the fluorescence 16a into an electric signal corresponding to the light intensity, and outputs the electric signal. The PMT 20a is a fluorescent light 16a transmitted through the dichroic mirrors 11b and 11c.
Is received, photoelectrically converted into an electric signal corresponding to the light intensity, and output.

【００５５】次に、本実施形態の蛍光顕微鏡の作用につ
いて説明する。本実施形態の蛍光顕微鏡は、上記第１実
施形態の蛍光顕微鏡とほぼ同様にして作用する。ただ
し、試料１５の表面側から出射された蛍光１６ａは、対
物レンズ１４により集光されてレーザ光２が通過した光
路を逆方向に進行し、ダイクロイックミラー１１ａによ
り光軸に対して直角方向に反射された後、ダイクロイッ
クミラー１１ｂ，１１ｃにより一部の光成分を反射され
てそれぞれＰＭＴ２０ｂ，２０ｃにより受光され、その
他の光成分をＰＭＴ２０ａにより受光される。一方、試
料１５の裏面側から出射された蛍光１６ｂは、コンデン
サレンズ１７により集光されて光軸に対して進行方向を
ほぼ平行にした平行光となり、バリアフィルタ１８を透
過した後、ダイクロイックミラー３１ｂ，３１ｃにより
一部の光成分を反射されてそれぞれＰＭＴ１９ｂ，１９
ｃにより受光されるとともに、その他の光成分をＰＭＴ
１９ａにより受光される。Next, the operation of the fluorescence microscope of this embodiment will be described. The fluorescence microscope according to the present embodiment operates in substantially the same manner as the fluorescence microscope according to the first embodiment. However, the fluorescent light 16a emitted from the surface side of the sample 15 is condensed by the objective lens 14, travels in the optical path in which the laser light 2 has passed in the opposite direction, and is reflected by the dichroic mirror 11a in the direction perpendicular to the optical axis. After that, some light components are reflected by the dichroic mirrors 11b and 11c and received by the PMTs 20b and 20c, respectively, and the other light components are received by the PMT 20a. On the other hand, the fluorescent light 16b emitted from the back surface side of the sample 15 is condensed by the condenser lens 17 to become parallel light whose traveling direction is substantially parallel to the optical axis, and after passing through the barrier filter 18, the dichroic mirror 31b , 31c are partially reflected by the PMTs 19b, 19c, respectively.
c and the other light components are converted to PMT
The light is received by 19a.

【００５６】ＰＭＴ２０ａ〜２０ｃから蛍光１６ａの各
光成分における光強度に対応した光電変換により出力さ
れた電気信号と、ＰＭＴ１９ａ〜１９ｃから蛍光１６ｂ
の各光成分における光強度に対応した光電変換により出
力された電気信号とは合算され、Ｘ−Ｙスキャナ１２の
走査信号に同期し、図示しない画像読取装置のメモリに
画素データとして格納される。この画素データが通常の
手法に基づいて走査信号に対応して処理されることによ
り、試料１５の三次元像を二次元に投影した顕微画像が
蛍光１６ａ，１６ｂの各蛍光成分、すなわち試料１５に
標識された各蛍光色素の発光波長について得られる。An electric signal output from the PMTs 20a to 20c by photoelectric conversion corresponding to the light intensity of each light component of the fluorescent light 16a, and an electric signal output from the PMTs 19a to 19c to the fluorescent light 16b
Are combined with an electric signal output by photoelectric conversion corresponding to the light intensity of each light component, and are stored as pixel data in a memory of an image reading device (not shown) in synchronization with a scanning signal of the XY scanner 12. The pixel data is processed in accordance with the scanning signal based on a normal method, so that a microscopic image obtained by projecting the three-dimensional image of the sample 15 two-dimensionally is applied to each of the fluorescent components of the fluorescent light 16 a and 16 b, that is, the sample 15. Obtained for the emission wavelength of each labeled fluorescent dye.

【００５７】このように、本実施形態の蛍光顕微鏡によ
れば、相互に異なる発光波長を有する複数種類の蛍光色
素が標識された試料にベッセルビームを照射することに
より、試料から発散した蛍光の各光成分がダイクロイッ
クミラーにより単離されて光電検出器で受光されてい
る。これにより、ベッセルビームが線状に結像した中心
ビームを有して試料の内部で二次元的走査を一度だけ実
行すると、試料の三次元像が各蛍光色素の発光波長に基
づいて二次元に投影された複数の顕微画像として同時に
得られる。そのため、試料の内部で三次元的に走査する
必要がなくなるので、光スポットの走査時間は大きく低
減する。As described above, according to the fluorescence microscope of the present embodiment, by irradiating a sample labeled with a plurality of types of fluorescent dyes having mutually different emission wavelengths with a Bessel beam, each of the fluorescence emitted from the sample can be obtained. The light component is isolated by the dichroic mirror and received by the photoelectric detector. Thus, when a two-dimensional scan is performed only once inside the sample with the center beam of the Bessel beam formed linearly, a three-dimensional image of the sample is two-dimensionally formed based on the emission wavelength of each fluorescent dye. Obtained simultaneously as a plurality of projected microscopic images. Therefore, it is not necessary to perform three-dimensional scanning inside the sample, and the scanning time of the light spot is greatly reduced.

【００５８】以上、本発明の実施形態を詳細に説明した
が、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、種
々の変形が可能である。As described above, the embodiments of the present invention have been described in detail. However, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications are possible.

【００５９】例えば、上記第１及び第２実施形態では、
ビームレデューサとＸ−Ｙスキャナとの間の光路中にダ
イクロイックミラーを配置している。しかしながら、レ
ーザとＸ−Ｙスキャナとの間の光路中であれば、ダイク
ロイックミラーをいかなる位置に配設しても、上記実施
形態と同様な作用効果が得られる。For example, in the first and second embodiments,
A dichroic mirror is arranged in an optical path between the beam reducer and the XY scanner. However, as long as the dichroic mirror is disposed at any position in the optical path between the laser and the XY scanner, the same operation and effect as in the above embodiment can be obtained.

【００６０】また、第２実施形態では、３個のダイクロ
イックミラーを用いている。しかしながら、試料に塗布
する蛍光色素の種類に対応した個数であれば、３個以外
の複数のダイクロイックミラーを配置しても、第２実施
形態と同様な作用効果が得られる。In the second embodiment, three dichroic mirrors are used. However, as long as the number corresponds to the type of the fluorescent dye applied to the sample, even if a plurality of dichroic mirrors other than three are arranged, the same operation and effect as in the second embodiment can be obtained.

【００６１】（第１参考例）以下では、参考のため、本
願に係る発明と同じく有用なレーザスキャン光学装置を
いくつか説明する。図６は、第１の参考例に係るレーザ
スキャン光学装置を示す構成図である。このレーザスキ
ャン光学装置は、本実施形態とほぼ同様にして構成され
た蛍光顕微鏡である。ただし、試料１５の裏面側から出
射された蛍光を計測するためのコンデンサレンズ１７、
バリアフィルタ１８及びＰＭＴ１９は、配置されていな
い。また、ダイクロイックミラー１１の反射側には、試
料１５の表面側から出射された蛍光１６ａの進行方向に
沿って、コリメータレンズ２１及び積層型センサアレイ
２２がほぼ一列に配列されている。コリメータレンズ２
１は、その後側焦点が積層型センサアレイ２２の中心に
位置するように配置されている。また、積層型センサア
レイ２２は、その積層方向の中心軸が蛍光１６ａの線状
蛍光像に一致するように配置されている。(First Reference Example) Hereinafter, for reference, some useful laser scanning optical devices as in the present invention will be described. FIG. 6 is a configuration diagram showing a laser scanning optical device according to the first reference example. This laser scanning optical device is a fluorescence microscope configured substantially in the same manner as the present embodiment. However, a condenser lens 17 for measuring the fluorescence emitted from the back side of the sample 15,
The barrier filter 18 and the PMT 19 are not provided. On the reflection side of the dichroic mirror 11, a collimator lens 21 and a stacked sensor array 22 are arranged substantially in a line along the traveling direction of the fluorescence 16a emitted from the surface side of the sample 15. Collimator lens 2
1 is arranged such that the rear focal point is located at the center of the stacked sensor array 22. The stacked sensor array 22 is arranged so that the central axis in the stacking direction coincides with the linear fluorescent image of the fluorescent light 16a.

【００６２】図７（ａ）は、積層型センサアレイ２２の
構成を示す斜視図である。図７（ｂ）は、積層型センサ
アレイ２２における単一センサの層厚方向に沿った断面
図である。積層型センサアレイ２２は、多数個の光電検
出器を同軸上に積層して構成されている。各光電検出器
では、円柱状のｎ型Ｓｉ層２４の上部に偏平な円柱状の
ｐ型Ｓｉ層２５を有する光電検出部が、透明基板２３上
に形成されている。この光電検出部を含む透明基板２３
上には、ＳｉＯ2 層２６、２８を絶縁層として介在し、
信号電荷を出力する透明電極２７が配設されている。こ
の透明電極２７には、外部に露出した金属配線２９が接
続されている。FIG. 7A is a perspective view showing the configuration of the stacked sensor array 22. FIG. FIG. 7B is a cross-sectional view of the single sensor in the stacked sensor array 22 along the layer thickness direction. The stacked sensor array 22 is configured by stacking a large number of photoelectric detectors coaxially. In each photoelectric detector, a photoelectric detector having a flat cylindrical p-type Si layer 25 on a cylindrical n-type Si layer 24 is formed on a transparent substrate 23. The transparent substrate 23 including the photoelectric detection unit
On top, SiO 2 layers 26 and 28 are interposed as insulating layers,
A transparent electrode 27 for outputting a signal charge is provided. A metal wiring 29 exposed to the outside is connected to the transparent electrode 27.

【００６３】次に、この蛍光顕微鏡の作用について説明
する。この蛍光顕微鏡は、本実施形態の蛍光顕微鏡とほ
ぼ同様にして作用する。ただし、試料１５の表面側から
出射した蛍光１６ａは、対物レンズ１４により集光され
てレーザ光２が通過した光路を逆方向に進行し、ダイク
ロイックミラー１１ａより光軸に対して直角方向に反射
された後、コリメータレンズ２１により積層型センサア
レイ２２の中心に光スポットを結像する。この光スポッ
トは、コリメータレンズ２１の後側焦点付近に細い線状
の蛍光像を生じ、積層型センサアレイ２２により受光さ
れる。この積層型センサアレイ２２は、積層された各光
電検出器により蛍光１６ａを電気信号に変換した後、そ
の電気信号を各金属配線２９から出力する。Next, the operation of the fluorescence microscope will be described. This fluorescence microscope works in substantially the same manner as the fluorescence microscope of the present embodiment. However, the fluorescent light 16a emitted from the surface side of the sample 15 is condensed by the objective lens 14, travels in the optical path through which the laser light 2 has passed in the opposite direction, and is reflected by the dichroic mirror 11a in a direction perpendicular to the optical axis. After that, a light spot is imaged at the center of the stacked sensor array 22 by the collimator lens 21. This light spot produces a thin linear fluorescent image near the rear focal point of the collimator lens 21, and is received by the stacked sensor array 22. The stacked sensor array 22 converts the fluorescent light 16 a into an electric signal by the stacked photoelectric detectors, and outputs the electric signal from each metal wiring 29.

【００６４】センサアレイ２２の各光電検出器から光強
度に対応した光電変換により出力された電気信号は、Ｘ
−Ｙスキャナ１２の走査信号に同期させられ、図示しな
い画像読取装置のメモリに画素データとして並列に格納
される。この画素データは通常の手法で走査信号に対応
して処理され、試料１５の三次元像を光電検出器の個数
に等しい二次元断面像に分割した顕微画像が同時に得ら
れる。The electric signal output from each photoelectric detector of the sensor array 22 by photoelectric conversion corresponding to the light intensity is X
The image data is synchronized with the scanning signal of the −Y scanner 12 and stored in parallel as pixel data in a memory of an image reading device (not shown). The pixel data is processed in accordance with the scanning signal in a usual manner, and a microscopic image obtained by dividing the three-dimensional image of the sample 15 into a two-dimensional cross-sectional image equal to the number of photoelectric detectors is obtained at the same time.

【００６５】このような蛍光顕微鏡によれば、ベッセル
ビームが線状に結像した中心ビームを有して試料の内部
で二次元的走査を実行し、試料から発散された蛍光はコ
リメータレンズにより細い線状の光スポットに結像して
積層型センサアレイにより受光されている。これによ
り、試料の三次元像が光軸方向に分割した多数枚の二次
元断面像として得られる。そのため、試料の内部で三次
元的に走査する必要がなくなるので、光スポットの走査
時間は大きく低減する。According to such a fluorescence microscope, two-dimensional scanning is performed inside the sample with the center beam in which the Bessel beam is linearly imaged, and the fluorescence emitted from the sample is narrowed by the collimator lens. An image is formed on a linear light spot and received by the stacked sensor array. Thus, a three-dimensional image of the sample is obtained as a large number of two-dimensional sectional images divided in the optical axis direction. Therefore, it is not necessary to perform three-dimensional scanning inside the sample, and the scanning time of the light spot is greatly reduced.

【００６６】（第２参考例）次に、第２の参考例に係る
レーザスキャン光学装置として、光描画装置を説明す
る。図８は、かかる光描画装置を示す構成図である。こ
の光描画装置では、レーザ１（光源）から出射されたレ
ーザ光２の進行方向に沿って、光モジュレータ３２及び
平面ミラー３が配置されている。この平面ミラー３で光
軸に対して直角方向に反射されたレーザ光２の進行方向
に沿って、アキシコンペア（光変換部）６、ビームレデ
ューサ３３及びＸ−Ｙスキャナ（光走査部）１２がほぼ
一列に配列されている。このＸ−Ｙスキャナ１２から光
軸に対して直角方向に出射されたレーザ光２の進行方向
に沿って、結像レンズ１３、開口絞り３５、対物レンズ
１４（光収束部）及びＸ−Ｙステージ３６がほぼ一列に
配列されている。なお、光モジュレータ３２、Ｘ−Ｙス
キャナ１２及びＸ−Ｙステージ３６の各入力端子には、
制御装置３７の出力端子がそれぞれ電気的に接続されて
いる。Ｘ−Ｙステージ３６上には、感光剤３９により表
面を被覆された基板３８が設置されている。(Second Reference Example) Next, an optical drawing apparatus will be described as a laser scanning optical apparatus according to a second reference example. FIG. 8 is a configuration diagram showing such an optical drawing apparatus. In this optical drawing apparatus, an optical modulator 32 and a plane mirror 3 are arranged along a traveling direction of a laser beam 2 emitted from a laser 1 (light source). Axial comparison (light conversion unit) 6, beam reducer 33, and XY scanner (light scanning unit) 12 are arranged along the traveling direction of laser light 2 reflected by plane mirror 3 in a direction perpendicular to the optical axis. They are arranged almost in a line. An imaging lens 13, an aperture stop 35, an objective lens 14 (light converging unit) and an XY stage along the traveling direction of the laser light 2 emitted from the XY scanner 12 in a direction perpendicular to the optical axis. 36 are arranged substantially in a line. The input terminals of the optical modulator 32, the XY scanner 12, and the XY stage 36 include:
The output terminals of the control device 37 are electrically connected to each other. On the XY stage 36, a substrate 38 whose surface is covered with a photosensitive agent 39 is provided.

【００６７】光モジュレータ３２は、レーザ１から入射
したレーザ光２における強度、周波数、位相及び偏光面
などの変調を行う光変調器であり、特に強度変調によっ
てレーザ光２の連続照射及びパルス照射を選択する。ビ
ームレデューサ３３は、凸レンズ３４ａ及び凹レンズ３
４ｂから構成されており、アキシコンペア６から円筒状
光線束８として入射したレーザ光２の外径を対物レンズ
１４の開口径に一致するように縮小する。これら凸レン
ズ３４ａ及び凹レンズ３４ｂは、各光軸を一致させて配
置されている。また、ビームレデューサ３３は、レンズ
群の一部に対する移動手段（図示せず）を含んで構成さ
れており、レーザ光２の光線束の径に対する変倍率を連
続的に、つまりズーム式に変動できるようになってい
る。開口絞り３５は、円形開口を有するアパーチャ３５
であり、結像レンズ１３から円筒状光線束８として入射
したレーザ光２の光線束の外径を制限する。Ｘ−Ｙステ
ージ３６は、Ｘ−Ｙスキャナ１２によるレーザ光２の走
査方向に対して共役な方向に基板３８を走査する。制御
装置３７はマイクロコンピュータ等であり、光モジュレ
ータ３２によりレーザ光２の光変調を設定するととも
に、Ｘ−Ｙスキャナ１２及びＸ−Ｙステージ３６の走査
速度及び走査時期を同期して設定する。基板３８は、半
導体材料から形成されているウエハまたはこのようなウ
エハから分割したチップであり、対物レンズ１４の後側
像面に配置されている。感光剤３９はホトレジスト等で
あり、対物レンズ１４からべッセルビームとして入射し
たレーザ光２の照射位置で高いコントラストを有して露
光される。The optical modulator 32 is an optical modulator that modulates the intensity, frequency, phase, polarization plane, and the like of the laser light 2 incident from the laser 1, and performs continuous irradiation and pulse irradiation of the laser light 2 by intensity modulation. select. The beam reducer 33 includes a convex lens 34a and a concave lens 3
4b, the outer diameter of the laser beam 2 incident as a cylindrical light beam 8 from the axicon pair 6 is reduced so as to match the aperture diameter of the objective lens 14. The convex lens 34a and the concave lens 34b are arranged so that their optical axes coincide. In addition, the beam reducer 33 is configured to include a moving unit (not shown) for a part of the lens group, and can continuously change the zoom ratio with respect to the diameter of the light beam of the laser light 2, that is, in a zoom manner. It has become. The aperture stop 35 has an aperture 35 having a circular aperture.
And restricts the outer diameter of the light beam of the laser light 2 incident as the cylindrical light beam 8 from the imaging lens 13. The XY stage 36 scans the substrate 38 in a direction conjugate to the scanning direction of the laser beam 2 by the XY scanner 12. The control device 37 is a microcomputer or the like, and sets the light modulation of the laser beam 2 by the light modulator 32 and sets the scanning speed and the scanning timing of the XY scanner 12 and the XY stage 36 in synchronization. The substrate 38 is a wafer formed of a semiconductor material or a chip divided from such a wafer, and is arranged on the rear image plane of the objective lens 14. The photosensitive agent 39 is a photoresist or the like, and is exposed with a high contrast at an irradiation position of the laser beam 2 incident as a Bessel beam from the objective lens 14.

【００６８】次に、この光描画装置の作用について説明
する。レーザ１から出射されたレーザ光２は、光モジュ
レータ３２により光変調を受けた後、平面ミラー３によ
り光軸に対して直角方向に反射される。アキシコンペア
６では、平面ミラー３から出射されたレーザ光２が、ア
キシコンレンズ７ａ，７ｂにより光軸に対して進行方向
をほぼ平行にした平行光になるとともに、光軸に対して
直交した輪帯状の断面強度を有する円筒状光線束８にな
る。ここで、実線で図示した円筒状光線束８の径は、ア
キシコンプリズム７ａ，７ｂの間隔に対応して自由かつ
連続して可変であり、ビームレデューサ３３を通過した
後において結像レンズ１３の瞳結像倍率を含めた総合倍
率の下に対物レンズ１４の開口径に一致するように設定
される。Next, the operation of the optical drawing apparatus will be described. The laser light 2 emitted from the laser 1 is optically modulated by the optical modulator 32 and then reflected by the plane mirror 3 in a direction perpendicular to the optical axis. In the axicon pair 6, the laser light 2 emitted from the plane mirror 3 is converted into parallel light whose traveling direction is substantially parallel to the optical axis by the axicon lenses 7a and 7b, and a ring orthogonal to the optical axis. A cylindrical light beam 8 having a band-like cross-sectional intensity is obtained. Here, the diameter of the cylindrical light beam 8 shown by a solid line is freely and continuously variable in accordance with the distance between the axicon prisms 7a and 7b, and the diameter of the imaging lens 13 after passing through the beam reducer 33. The aperture is set to match the aperture diameter of the objective lens 14 under the total magnification including the pupil imaging magnification.

【００６９】アキシコンペア６から円筒状光線束８とし
て出射されたレーザ光２は、ビームレデューサ３３によ
り光軸方向に進行方向を保持しつつ光線束の径を所定値
に縮小される。このとき、円筒状光線束８における光軸
に対して直交した輪帯状の断面においては、輪帯状幅が
同時に圧縮される。ビームレデューサ３３から出射され
たレーザ光２は、Ｘ−Ｙスキャナ１２により光軸に対し
て直角方向に出射されると共に、その進行方向を所定の
角度範囲内で変化され、平面的に直交する二方向に振ら
れる。The laser light 2 emitted as a cylindrical light beam 8 from the axicon compare 6 is reduced in diameter by a beam reducer 33 to a predetermined value while maintaining the traveling direction in the optical axis direction. At this time, in the annular cross section orthogonal to the optical axis of the cylindrical light beam 8, the annular width is simultaneously compressed. The laser beam 2 emitted from the beam reducer 33 is emitted by the XY scanner 12 in a direction perpendicular to the optical axis, and its traveling direction is changed within a predetermined angle range, and the laser beam 2 is orthogonal to the plane. Swung in the direction.

【００７０】Ｘ−Ｙスキャナ１２から出射されたレーザ
光２は、結像レンズ１３により対物レンズ１４の前側像
面に光スポットを結像する。この光スポットは、Ｘ−Ｙ
スキャナ１２により二次元的に振られる仮想光源ともい
うべきものである。この光スポットから円筒状光線束８
として出射されたレーザ光２は、開口絞り３５により光
線束の外径を所定値に設定された後、対物レンズ１４の
周縁部のみを透過して出射され、回折限界まで絞り込ま
れた光スポットであるベッセルビームとして基板３８に
照射される。このベッセルビームは、光軸方向に大きい
強度を有する極めて細長い線状の中心ビームと、その周
辺に存在する多数の同軸円筒状の高次回折光とから構成
された回折光強度分布を有する。The laser beam 2 emitted from the XY scanner 12 forms an optical spot on the front image plane of the objective lens 14 by the imaging lens 13. This light spot is XY
It can also be called a virtual light source that is two-dimensionally shaken by the scanner 12. From this light spot, a cylindrical light beam 8
After the outer diameter of the light beam is set to a predetermined value by the aperture stop 35, the emitted laser light 2 is transmitted through only the peripheral portion of the objective lens 14, and is emitted as a light spot narrowed down to the diffraction limit. The substrate 38 is irradiated as a certain Bessel beam. This Bessel beam has a diffracted light intensity distribution composed of an extremely elongated linear central beam having a large intensity in the optical axis direction and a number of coaxial cylindrical high-order diffracted lights existing around the central beam.

【００７１】Ｘ−Ｙスキャナ１２及びＸ−Ｙステージ３
６は、制御装置３７から出力された制御信号に基づいて
相互に同期した走査速度及び走査時期に設定される。そ
のため、ベッセルビームがＸ−Ｙスキャナ１２及びＸ−
Ｙステージ３６により基板３８の表面で二次元的走査、
例えばラスタ走査を実行する。感光剤３９では、所定の
閾値以上の光強度部分を有するベッセルビームが照射さ
れた部分のみが露光する。したがって、制御装置３７に
入力した集積回路の各種パターンが基板３８の表面にあ
る感光剤３９に露光される。XY scanner 12 and XY stage 3
6 is set to a scanning speed and a scanning timing synchronized with each other based on a control signal output from the control device 37. Therefore, the Bessel beam is changed to the XY scanner 12 and the X-Y scanner 12.
Two-dimensional scanning on the surface of the substrate 38 by the Y stage 36,
For example, a raster scan is performed. In the photosensitive agent 39, only a portion irradiated with a Bessel beam having a light intensity portion equal to or higher than a predetermined threshold value is exposed. Accordingly, various patterns of the integrated circuit input to the control device 37 are exposed to the photosensitive agent 39 on the surface of the substrate 38.

【００７２】このような光描画装置によれば、レーザ光
が円筒状光線束として対物レンズの周縁部のみを通過す
ることにより、光軸方向に大きい強度を有して結像した
細長い線状の中心ビームとしてベッセルビームが基板の
表面に照射される。これにより、ベッセルビームが長い
焦点深度を有するので、基板上にある感光剤は基板表面
の凹凸に影響されずに露光される。そのため、レーザ光
の光スポットの位置を感光剤に対して厳密に合わせる必
要がなくなるので、作業の能率が向上する。According to such an optical drawing apparatus, the laser beam passes through only the peripheral portion of the objective lens as a cylindrical light beam, thereby forming an elongated linear image formed with high intensity in the optical axis direction. A Bessel beam is applied to the surface of the substrate as a center beam. As a result, since the Bessel beam has a long focal depth, the photosensitive agent on the substrate is exposed without being affected by the unevenness of the substrate surface. Therefore, it is not necessary to strictly adjust the position of the light spot of the laser beam with respect to the photosensitive agent, so that work efficiency is improved.

【００７３】また、ベッセルビームは、線状の中心ビー
ムの周りに同軸円筒状の周縁ビームを伴うが、高いコン
トラストを有する感光剤に対する書き込み光としてオン
／オフからなる２種類のレベルのみを有する場合には問
題にならない。そのため、ベッセルビームは高い分解能
を有するので、基板上にある感光剤に収束回路のパター
ンを露光することにより、このパターンに基づいて形成
される集積回路の集積度が増大する。The Bessel beam has a coaxial cylindrical peripheral beam around a linear center beam, but has only two levels of ON / OFF as writing light for a photosensitive agent having high contrast. Does not matter. Therefore, since the Bessel beam has a high resolution, exposing a pattern of the focusing circuit to the photosensitive agent on the substrate increases the degree of integration of an integrated circuit formed based on this pattern.

【００７４】（第３参考例）次に、第３の参考例に係る
レーザスキャン光学装置として、レーザリペア装置を説
明する。図９は、かかるレーザリペア装置を示す構成図
である。このレーザリペア装置は、光描画装置に係る上
記第２参考例とほぼ同様にして構成されている。ただ
し、Ｘ−Ｙステージ３６上には、基板３８と異なりＩＣ
（Integrated Circuits ）チップ４２が設置されてい
る。また、図示しない移動手段により、結像レンズ１３
と対物レンズ１４との間の光路中に、偏角プリズム４０
が挿入配置される。この場合にＩＣチップ４１からの反
射光が対物レンズ１４及び開口絞り３５を介して偏角プ
リズム４０から出射される方向に、接眼レンズ４１が配
置されている。(Third Embodiment) Next, a laser repair apparatus will be described as a laser scanning optical apparatus according to a third embodiment. FIG. 9 is a configuration diagram showing such a laser repair device. This laser repair device is configured in substantially the same manner as the second reference example relating to the optical drawing device. However, unlike the substrate 38, an IC is provided on the XY stage 36.
(Integrated Circuits) A chip 42 is provided. Further, the imaging lens 13 is moved by moving means (not shown).
In the optical path between the lens and the objective lens 14, a deflection prism 40
Is inserted and arranged. In this case, the eyepiece 41 is arranged in a direction in which the reflected light from the IC chip 41 is emitted from the deflection prism 40 via the objective lens 14 and the aperture stop 35.

【００７５】偏角プリズム４０は、光軸に対して３０°
または４５°等の方向に偏角を行う全反射面を有し、Ｉ
Ｃチップ４２から対物レンズ１４及び開口絞り３５を介
して入射した光を反射する。接眼レンズ４１は、偏角プ
リズム４０から入射した光を収束して結像する。ＩＣチ
ップ４２は、表面領域に集積回路を形成されており、対
物レンズ１４の後側像面に配置されている。ＩＣチップ
４２を構成する集積回路は、部分的な障害が製造中に造
り込まれたり、動作中に発生したりしたものである。The deflection prism 40 is at 30 ° with respect to the optical axis.
Or a total reflection surface which makes a declination in a direction such as 45 °
The light incident from the C chip 42 via the objective lens 14 and the aperture stop 35 is reflected. The eyepiece 41 converges light incident from the deflection prism 40 to form an image. The IC chip 42 has an integrated circuit formed in the surface region, and is arranged on the rear image plane of the objective lens 14. The integrated circuit that constitutes the IC chip 42 is one in which a partial failure has been created during manufacturing or has occurred during operation.

【００７６】次に、このレーザリペア装置の作用につい
て説明する。このレーザリペア装置は、上記第２参考例
の光描画装置とほぼ同様にして作用する。ただし、対物
レンズ１４の周縁部のみを透過して出射されたレーザ光
２は、回折限界まで絞り込まれた光スポットであるベッ
セルビームとしてＩＣチップ４２に照射される。ＩＣチ
ップ４２では、所定の閾値以上の光強度部分を有するベ
ッセルビームの照射部分のみがエッチング除去を受け
る。そのため、制御装置３７に入力した集積回路の各種
パターンに対応し、ＩＣチップ４２に形成された集積回
路が修復される。Next, the operation of the laser repair device will be described. This laser repair device operates in substantially the same manner as the optical drawing device of the second reference example. However, the laser light 2 emitted through only the peripheral portion of the objective lens 14 is irradiated on the IC chip 42 as a Bessel beam which is a light spot narrowed down to the diffraction limit. In the IC chip 42, only the irradiated portion of the Bessel beam having a light intensity portion equal to or higher than a predetermined threshold value is subjected to etching removal. Therefore, the integrated circuit formed on the IC chip 42 corresponding to the various patterns of the integrated circuit input to the control device 37 is restored.

【００７７】このようなレーザリペア装置によれば、レ
ーザ光が円筒状光線束として対物レンズの周縁部のみを
通過することにより、光軸方向に大きい強度を有して結
像した細長い線状の中心ビームとしてベッセルビームが
基板の表面に照射される。これにより、ベッセルビーム
が長い焦点深度を有するので、ＩＣチップの表面領域に
ある集積回路は、集積回路自体の凹凸に影響されずにエ
ッチングを受ける。そのため、レーザ光の光スポットを
レーザ光の基板に対して厳密に合わせる必要がなくなる
ので、作業の能率が向上する。According to such a laser repair device, the laser beam passes through only the peripheral portion of the objective lens as a cylindrical light beam, thereby forming an elongated linear image formed with high intensity in the optical axis direction. A Bessel beam is applied to the surface of the substrate as a center beam. As a result, since the Bessel beam has a long depth of focus, the integrated circuit in the surface region of the IC chip is etched without being affected by the unevenness of the integrated circuit itself. For this reason, it is not necessary to strictly adjust the light spot of the laser light with respect to the substrate of the laser light, so that work efficiency is improved.

【００７８】また、ベッセルビームは、線状の中心ビー
ムの周りに同軸円筒状の周縁ビームを伴うが、レーザの
出力調整によって中心ビームに対する周縁ビームのエネ
ルギーを低減することができる。そのため、ベッセルビ
ームは高い分解能を有するので、集積回路に発生した構
造的に微細な障害が修復される。Although the Bessel beam is accompanied by a coaxial cylindrical peripheral beam around a linear central beam, the energy of the peripheral beam with respect to the central beam can be reduced by adjusting the output of the laser. Therefore, since the Bessel beam has a high resolution, a structurally minute obstacle generated in the integrated circuit is repaired.

【００７９】[0079]

【発明の効果】以上説明したように、本発明のレーザス
キャン光学装置は、試料の表面側及び裏面側からそれぞ
れ出射された蛍光を検出する第１及び第２の光電検出器
を備えており、これによって、試料から放出された蛍光
はほとんど損失を受けずに検出されるため、各光電検出
器の出力信号の合算に基づいて生成された顕微画像にお
けるコントラストが良好になる。また、レーザ光の光源
として低出力のものを使用することも可能になるので、
生物試料等の損傷を低減することができる。As described above, the laser scanning optical apparatus of the present invention includes the first and second photoelectric detectors for detecting the fluorescence emitted from the front side and the back side of the sample, respectively. Thereby, the fluorescence emitted from the sample is detected with little loss, and the contrast in the microscopic image generated based on the sum of the output signals of the photoelectric detectors is improved. In addition, since it becomes possible to use a low-power laser light source,
Damage to a biological sample or the like can be reduced.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図１】本発明に係るレーザスキャン光学装置の第１の
実施形態である蛍光顕微鏡を示す構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram showing a fluorescence microscope which is a first embodiment of a laser scanning optical device according to the present invention.

【図２】図１の蛍光顕微鏡におけるアキシコンペアをよ
り詳細に示す構成図である。FIG. 2 is a configuration diagram showing an axicon compare in the fluorescence microscope of FIG. 1 in more detail;

【図３】図２のアキシコンペアにおけるアキシコンプリ
ズムの構成を示す斜視図である。FIG. 3 is a perspective view showing a configuration of an axicon prism in the axicon pair of FIG. 2;

【図４】（ａ）は図２のアキシコンペアに入射するレー
ザ光において光軸方向に対して垂直である面内の強度分
布を示すグラフであり、（ｂ）は図２のアキシコンペア
における２個のアキシコンプリズム間の距離を可変に設
定する場合を示す構成図であり、（ｃ）は図２のアキシ
コンペアから出射されたレーザ光において光軸方向に対
して垂直である面内の強度分布を示すグラフである。4A is a graph showing an intensity distribution in a plane perpendicular to an optical axis direction of a laser beam incident on the axicon compare of FIG. 2; FIG. FIG. 3C is a configuration diagram illustrating a case where the distance between the axicon prisms is variably set, and FIG. 3C illustrates the in-plane intensity of the laser light emitted from the axicon pair in FIG. 2, which is perpendicular to the optical axis direction. It is a graph which shows distribution.

【図５】本発明に係るレーザスキャン光学装置の第２の
実施形態である蛍光顕微鏡を示す構成図である。FIG. 5 is a configuration diagram showing a fluorescence microscope which is a second embodiment of the laser scanning optical device according to the present invention.

【図６】第１の参考例に係る蛍光顕微鏡を示す構成図で
ある。FIG. 6 is a configuration diagram showing a fluorescence microscope according to a first reference example.

【図７】（ａ）は図６の蛍光顕微鏡における積層型セン
サアレイの構成を示す斜視図であり、（ｂ）は（ａ）の
積層型センサアレイにおける単一センサの層厚方向に沿
った断面図である。7A is a perspective view illustrating a configuration of a stacked sensor array in the fluorescence microscope in FIG. 6, and FIG. 7B is a view along a layer thickness direction of a single sensor in the stacked sensor array in FIG. It is sectional drawing.

【図８】第２の参考例に係る光描画装置を示す構成図で
ある。FIG. 8 is a configuration diagram illustrating an optical drawing apparatus according to a second reference example.

【図９】第３の参考例に係るレーザリペア装置を示す構
成図である。FIG. 9 is a configuration diagram showing a laser repair device according to a third reference example.

【図１０】従来の共焦点型レーザ走査蛍光顕微鏡を示す
構成図である。FIG. 10 is a configuration diagram showing a conventional confocal laser scanning fluorescence microscope.

【図１１】（ａ）はベッセルビームを生成する従来の光
変換部を示す構成図であり、（ｂ）は（ａ）の光変換部
から出射されたベッセルビームにおいて光軸方向に垂直
である面内の強度分布を示すグラフである。11A is a configuration diagram illustrating a conventional light conversion unit that generates a Bessel beam, and FIG. 11B is a diagram illustrating a Bessel beam emitted from the light conversion unit in FIG. 11A that is perpendicular to the optical axis direction. It is a graph which shows the intensity distribution in a plane.

【図１２】（ａ）は図１１（ａ）の光変換部におけるア
パーチャの形状を示す構成図であり、（ｂ）は（ａ）の
アパーチャの開口部における外径に対する内径の比の変
化に対応した場合に、ベッセルビームにおいて光軸方向
に垂直である面内の強度分布の変動を示すグラフであ
り、（ｃ）は（ｂ）の強度分布における要部を拡大して
示すグラフである。12A is a configuration diagram showing the shape of the aperture in the light conversion unit in FIG. 11A, and FIG. 12B is a diagram showing the change in the ratio of the inner diameter to the outer diameter at the opening of the aperture in FIG. FIG. 7 is a graph showing a variation of an intensity distribution in a plane perpendicular to the optical axis direction in the Bessel beam in a corresponding case, and FIG. 7C is a graph showing an enlarged main part in the intensity distribution of FIG.

【図１３】（ａ），（ｂ）は図１２（ａ）のアパーチャ
の開口部における外径に対する内径の比がそれぞれ０，
０．７である場合に、ベッセルビームにおいて光軸を含
む面内の強度分布を示すグラフである。13 (a) and (b) show that the ratio of the inner diameter to the outer diameter at the opening of the aperture of FIG. 12 (a) is 0, respectively.
11 is a graph illustrating an in-plane intensity distribution of a Bessel beam including an optical axis when the ratio is 0.7.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１…レーザ、２…レーザ光、３…平面ミラー、４…ビー
ムエキスパンダ、５ａ，５ｂ…凸レンズ、６…アキシコ
ンペア、７ａ，７ｂ…アキシコンプリズム、８…円筒状
光線束、９…ビームレデューサ、１０ａ，１０ｂ…凸レ
ンズ、１１ａ〜１１ｃ…ダイクロイックミラー、１２…
Ｘ−Ｙスキャナ、１３…結像レンズ、１４…対物レン
ズ、１５…試料、１６ａ，１６ｂ…蛍光、１７…コンデ
ンサレンズ、１８…バリアフィルタ、１９ａ〜１９ｃ…
ＰＭＴ，２０ａ〜２０ｃ…ＰＭＴ、２１…コリメータレ
ンズ、２２…積層型センサアレイ、２３…透明基板、２
４…ｎ型Ｓｉ層、２５…ｐ型Ｓｉ層、２６…ＳｉＯ
2 層、２７…透明電極、２８…ＳｉＯ2 層、２９…金属
配線、３０…コンフォーカルピンホール板、３１ｂ，３
１ｃ…ダイクロイックミラー、３２…光モジュレータ、
３３…ビームレデューサ、３４ａ，３４ｂ…凹レンズ、
３５…接眼レンズ、３６…開口絞り、３７…Ｘ−Ｙスキ
ャナ、３８…制御装置、３９…基板、４０…感光剤、４
１…直角プリズム、４２…ＩＣチップ、４３…アパーチ
ャ、４４…開口部、４５…回折光、４６…凸レンズ、４
７…ベッセルビーム。DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Laser, 2 ... Laser light, 3 ... Plane mirror, 4 ... Beam expander, 5a, 5b ... Convex lens, 6 ... Axicon compare, 7a, 7b ... Axicon prism, 8 ... Cylindrical light beam bundle, 9 ... Beam reducer , 10a, 10b ... convex lens, 11a to 11c ... dichroic mirror, 12 ...
X-Y scanner, 13: imaging lens, 14: objective lens, 15: sample, 16a, 16b: fluorescence, 17: condenser lens, 18: barrier filter, 19a to 19c ...
PMT, 20a to 20c: PMT, 21: Collimator lens, 22: Stacked sensor array, 23: Transparent substrate, 2
4: n-type Si layer, 25: p-type Si layer, 26: SiO
2 layers, 27: transparent electrode, 28: SiO 2 layer, 29: metal wiring, 30: confocal pinhole plate, 31b, 3
1c: dichroic mirror, 32: optical modulator,
33: beam reducer, 34a, 34b: concave lens,
35 eyepiece lens, 36 aperture stop, 37 XY scanner, 38 control device, 39 substrate, 40 photosensitive agent, 4
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Right angle prism, 42 ... IC chip, 43 ... Aperture, 44 ... Aperture, 45 ... Diffraction light, 46 ... Convex lens, 4
7 ... Vessel beam.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】 所定の蛍光色素で標識された所定の試料
にレーザ光を照射し、前記試料から放出される蛍光を検
出することにより、前記試料の顕微画像を得るレーザス
キャン光学装置であって、 極短時間幅を有するパルスとして前記レーザ光を発振す
る光源と、 前記光源から出射した前記レーザ光の進行方向を変動さ
せて、前記レーザ光を走査しながら前記試料に照射する
光走査部と、 前記レーザ光の照射による多光子吸収に基づいて前記試
料の表面側から出射する蛍光を検出する第１の光電検出
器と、 前記レーザ光の照射による多光子吸収に基づいて前記試
料の裏面側から出射する蛍光を検出する第２の光電検出
器と、 を備え、 前記第１及び第２の光電検出器の各出力信号の合算信号
を、前記レーザ光の走査に同期して画素データとして蓄
積し、この画素データに基づいて前記試料の顕微画像を
生成することを特徴とするレーザスキャン光学装置。1. A laser scanning optical device for irradiating a predetermined sample labeled with a predetermined fluorescent dye with laser light and detecting fluorescence emitted from the sample to obtain a microscopic image of the sample. A light source that oscillates the laser light as a pulse having a very short time width; and a light scanning unit that irradiates the sample while scanning the laser light while changing a traveling direction of the laser light emitted from the light source. A first photoelectric detector that detects fluorescence emitted from the front side of the sample based on multiphoton absorption due to the irradiation of the laser light, and a back side of the sample based on multiphoton absorption due to the irradiation of the laser light And a second photoelectric detector that detects fluorescence emitted from the light source. The sum signal of the output signals of the first and second photoelectric detectors is converted into pixel data in synchronization with the scanning of the laser light. A laser scanning optical device for accumulating and generating a microscopic image of the sample based on the pixel data.
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