JP2003255256A

JP2003255256A - 光スキャニング装置

Info

Publication number: JP2003255256A
Application number: JP2002053281A
Authority: JP
Inventors: Masao Washizu; 津正夫鷲; Koji Horio; 尾浩司堀
Original assignee: Moritex Corp; Bio Oriented Technology Research Advancement Institution; Sasaki Co Ltd
Current assignee: Moritex Corp; Bio Oriented Technology Research Advancement Institution; Sasaki Co Ltd
Priority date: 2002-02-28
Filing date: 2002-02-28
Publication date: 2003-09-10
Also published as: US20030160161A1; CN1441278A; US6919560B2; CN1264044C

Abstract

(57)【要約】【課題】極めて小型且つ構造が簡単で、スポット位置の
制御を容易に行うことができ、高精度の光軸合せが要求
されることもなく、製造コストも安価な光スキャニング
装置を提供する。【解決手段】光源装置（２）から照射された照射光をス
キャニング用レンズ（３）に入射させ、その焦点位置
（ＦＰ）に配された集光レンズ（４）に向かう平行光束
にして当該集光レンズ（４）で被観測面（ＯＳ）上に集
光させる光学系（５）を備え、前記光源装置（２）は、
スキャニング用レンズ（３）の光軸（ＳＺ）に直交する
ＸＹ面に沿って位置調整可能なステージ（６）に、照射
光軸（ＬＺ）をスキャニング用レンズ（３）の光軸（Ｓ
Ｚ）と平行にして半導体レーザ（７）を取り付けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光スポットを顕微
鏡視野下で観察領域内の任意の位置に移動させる光スキ
ャニング装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】光スキャニング装置、特に、レーザ光源
を用いたレーザスキャニング装置は、レーザ光を照射さ
せて捕捉した微小検体を任意の位置に移動させるレーザ
マニピュレーションや、顕微鏡視野下で生物組織にレー
ザ光を照射して加熱・切断などの加工を行う顕微鏡レー
ザ加工などに用いられており、その応用範囲も極めて広
い。

【０００３】図４に示す従来のレーザスキャニング装置
２１は、コリメータレンズ２４を内蔵した半導体レーザ
２２から照射された光を被観測面ＯＳに集光させる集光
レンズ２３に至る光軸ＬＸ上に、そのレーザ光を光軸Ｌ
Ｘに対して上下左右に振るガルバノミラー２５Ｘ、２５
Ｙと、上下左右に振られたレーザ光を光軸と平行に屈折
する第一スキャニング用レンズ２６Ａと、そのレーザ光
をコリメートし、集光レンズ２３に向って屈折させる第
二のスキャニング用レンズ２６Ｂが配されて成る。

【０００４】これによれば、ガルバノミラー２５Ｘ、２
５Ｙと集光レンズ２３の間に第一及び第二のスキャニン
グ用レンズ２６Ａ、２６Ｂを介装させているので、ガル
バノミラー２５Ｘ、２５Ｙを所定角度傾斜させることに
より、偏位させた光路を集光レンズ２３で集光させるこ
とにより、レーザスポットの偏位量を縮小させて微小距
離だけ移動させることができ、顕微鏡視野下におけるレ
ーザスポットのスキャニングを行うことができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、一般に、第
一及び第二スキャニング用レンズ２６Ａ及び２６Ｂは、
同一焦点距離ｆの２枚の凸レンズを用い、夫々の焦点位
置が一致するように配されいるので、その間隔は焦点距
離ｆの２倍となり、集光レンズ２３は第二スキャニング
用レンズ２６Ｂの焦点位置に配される。

【０００６】また、第一スキャニング用レンズ２６Ａと
ガルバノミラー２５Ｙとの間隔は、第一スキャニング用
レンズ２６Ａの焦点距離ｆ以上確保するのが普通であ
り、ガルバノミラー２５Ｘから半導体レーザ２２までの
距離もやはり、第一スキャニング用レンズ２６Ａの焦点
距離ｆ程度確保される。

【０００７】したがって、半導体レーザ２２から集光レ
ンズ２３まで、レーザスキャニング装置２１の長さは、
焦点距離の４倍以上も要し、装置が大型化するという問
題があった。

【０００８】特に、レーザスキャニング装置２１を倒立
顕微鏡３１に組み込む場合は、図５に示すように、顕微
鏡３１の側面や背面に形成された接続ポート３５Ａ（３
５Ｂ）に連結している。このとき、顕微鏡３１の対物レ
ンズ３２を集光レンズ２３として用い、対物レンズ３２
から接眼レンズ３３に至る光軸ＭＸからハーフミラー３
４Ａ（３４Ｂ）で分岐された分岐光軸ＳＸ_１（ＳＸ_２）
をレーザスキャニング装置２１の光軸ＬＸに一致させて
いる。したがって、対物レンズ３２からハーフミラー３
４Ａ（３４Ｂ）を介して第二スキャニング用レンズ２６
Ｂに至る光路長がそのまま第二スキャニング用レンズ２
６Ｂの焦点距離となる。この場合、最低でも焦点距離ｆ
＝２０ｃｍ程度は必要であるので、装置全体としては１
ｍを超えてしまう。このため、本発明者らは、図６に示
すような、小型のレーザスキャニング装置４１を試作し
た。これは、コリメータレンズ２４を内蔵した半導体レ
ーザ２２から照射された光を被観測面ＯＳに集光させる
集光レンズ２３に至る光軸ＬＸ上に、そのレーザ光を発
散させる凹レンズ４２と、その発散光を収束させる収束
レンズ４３と、その収束光を光軸ＬＸに対して上下左右
に振るガルバノミラー２５Ｘ、２５Ｙと、上下左右に振
られたレーザ光をコリメートして集光レンズ２３に向っ
て屈折させるスキャニング用レンズ４４が配されて成
る。そして、凹レンズ４２の焦点距離をｆ_１３、収束レ
ンズ４３の焦点距離をｆ_１ _２、スキャニング用レンズ４
４の焦点距離をｆ_１１とし、凹レンズ４２と収束レンズ
４３の間隔をｃ、ガルバノミラー２５Ｙとスキャニング
用レンズ４４の間隔をｂ、スキャニング用レンズ４４と
集光レンズ２３の間隔をａとすると、ｂ＝ｆ_１１ａ／（ａ−ｆ_１１）ｆ_１３＝−｛ｆ_１１ｆ_１２／（ｆ_１１−ｆ_１２）−ｃ｝となるように、各光学要素を配列する。これによれば、
スキャニング用レンズ４４が一つで足りるので、半導体
レーザ２２から集光レンズ２３に至る長さを短縮し、装
置全体の小型化を図ることができる。

【０００９】しかしながら、いずれの場合も、ガルバノ
ミラー２５Ｘ、２５Ｙは、その傾斜角でレーザスポット
の位置が決まるため、その制御が面倒であるばかりでな
く、組立の際に極めて高精度の光軸合せが要求されるの
で製造の手間がかかり、製造コストも嵩み、歩留まりも
悪いという問題もあった。また、従来のレーザスキャニ
ング装置２１、４１は使用するレンズの数も多いため、
その分、光軸合せが面倒であり、特に、ガルバノミラー
２５Ｘ、２５Ｙとの光軸合せに精度が要求される。

【００１０】そこで本発明は、極めて小型且つ構造が簡
単で、容易に制御することができ、高精度の光軸合せが
要求されることもなく、製造コストも低減できる光スキ
ャニング装置を提供することを技術的課題としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に、請求項１の発明は、光源装置から照射された照射光
をスキャニング用レンズに入射させ、その焦点位置に配
された集光レンズに向かう平行光束にして当該集光レン
ズで被観測面上に集光させる光学系を備え、前記光源装
置は、スキャニング用レンズの光軸に直交するＸＹ面に
沿って位置調整可能なステージに、照射光軸をスキャニ
ング用レンズの光軸と平行に向けた発光部が取り付けら
れて形成されていることを特徴とする。

【００１２】この請求項１の発明によれば、発光素子な
どの発光部から照射された光は、スキャニング用レンズ
の光軸と平行に進行した後、スキャニング用レンズで屈
折され、その焦点に向かう平行光束となり、焦点位置に
配された集光レンズにより被観測面上に集光されて光ス
ポットが形成される。

【００１３】このとき、発光部が、スキャニング用レン
ズの光軸に直交するＸＹ面に沿って位置調整可能なステ
ージに取り付けられているので、ステージの位置調整を
行うことによりスキャニング用レンズへの入射位置が移
動し、その偏位量に応じて集光レンズに入射される平行
光束の入射角度が変化し、被観測面上に集光される光ス
ポットが偏位する。

【００１４】このようにＸＹ方向の位置調整を行うこと
によりレーザスポットの位置をＸＹ方向に調整できるの
で制御が容易となり、ガルバノミラーを使用する必要も
ないので高精度の光軸合せが要求されることもなく製造
が簡単になり、製造コストも低減され、スキャニング用
レンズも一つで足りるので光学系全体が小型化される。

【００１５】請求項２の発明は、発光部から照射された
照射光を拡げてスキャニング用レンズに入射させる凹レ
ンズが、発光部に対して一体的に取り付けられると共
に、凹レンズの焦点がスキャニング用レンズの光源側焦
平面上に位置するようにスキャニング用レンズとその焦
平面の中間に配されて成る。この請求項２の発明によれ
ば、発光部をスキャニング用レンズに近接させて配する
ことができ、また、凹レンズは口径が小さいものを使用
することができるので、装置をより小型化できる。

【００１６】請求項３の発明は、発光部の照射光を収束
させた後、スキャニング用レンズに入射させる収束レン
ズが、当該発光部に対して一体的に取り付けられると共
に、当該収束レンズの焦点がスキャニング用レンズの光
源側焦平面近傍に位置するように配されて成る。この請
求項３の発明によれば、照射光をスキャニング用レンズ
の焦平面上に収束させているので、その収束位置にピン
ホールなどを設けることにより、ビーム整形が容易にな
るという。また、請求項４の発明のように、収束レンズ
を光軸方向に前後移動可能に設ければ、収束レンズの位
置により光スポットの結像深度を調整することができ
る。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて具体的に説明する。図１は本発明に係る光ス
キャニング装置を示す説明図、図２はこれを倒立顕微鏡
に組み込んだ状態を示す説明図、図３は他の実施形態を
示す説明図である。

【００１８】本例の光スキャニング装置１は、図１に示
すように、光源装置２の照射光をスキャニング用レンズ
３に入射させ、その焦点位置ＦＰに配された集光レンズ
４に向かう平行光束にして当該集光レンズ４で被観測面
ＯＳ上に集光させる光学系５を備えている。

【００１９】光源装置２は、スキャニング用レンズ３の
光軸ＳＺに直交するＸＹ面に沿って位置調整可能なステ
ージ６に、照射光軸ＬＺをスキャニング用レンズ３の光
軸ＳＺと平行に向けた半導体レーザ（発光部）７が取り
付けられると共に、そのレーザ光を発散させて前記スキ
ャニング用レンズ３に発散入射させる凹レンズ８が半導
体レーザ７に一体的に配されて形成されている。

【００２０】この凹レンズ８は、その焦点ＦＰ_８がスキ
ャニング用レンズ３の光源側焦平面ＦＳ上に位置するよ
うにスキャニング用レンズ３とその焦平面ＦＳの中間に
配されて成る。すなわち、凹レンズ８とスキャニング用
レンズ３との間隔は、夫々の焦点距離ｆ_８、ｆ_３の差に
等しく、スキャニング用レンズ３と集光レンズ４との間
隔はスキャニング用レンズ３の焦点距離ｆ_３に等しい。
また、集光レンズ４はスキャニング用レンズ３より焦点
距離の短いものが選ばれる。

【００２１】ここで、光軸ＳＺからの半導体レーザ７の
偏位量ｄに対する被観測面ＯＳ上のレーザスポットの偏
位量をｒとし、そのとき集光レンズ４へのレーザ光の入
射角をθ（ｒａｄ）とすると、ｄ＝ｆ_３θ ｒ＝ｆ_４θ が成り立ち、これより、ｒ／ｄ＝ｆ_４／ｆ_３の関係が導かれる。

【００２２】集光レンズ４として、拡大倍率１００倍、
焦点距離ｆ_４＝１.８ｍｍの対物レンズを用い、ｄ＝２
７７８μｍ、ｒ＝５０μｍに設定すると、スキャニング
用レンズの焦点距離ｆ_３は、ｆ_３＝ｆ_４ｄ／ｒ＝１.８×２７７８／５０＝１００
（ｍｍ）となり、焦点距離−７５ｍｍの凹レンズ８を用いれば、
半導体レーザ７から集光レンズ４までの距離は２５ｍｍ
足らずとなり、焦点距離ｆ_３の比較的長いスキャニング
用レンズ３を用いても、ステージ６を含めた装置全体の
長さはその焦点距離ｆ_３の２倍以下の長さに収まる。

【００２３】このように全長を極めて短くすることがで
きるので、図２に示すように、倒４顕微鏡１１の対物レ
ンズ１２を集光レンズ４として用い、対物レンズ１２の
レボルバ１３内部にハーフミラー１４を設けて、その側
面に光スキャニング装置１を直結することも可能とな
る。

【００２４】以上が本発明の一例構成であり、次にその
作用を説明する。半導体レーザ７がスキャニング用レン
ズ３の光軸ＳＺ上に位置する場合、半導体レーザ７から
内蔵コリメートレンズ（図示せず）を透過したレーザ光
は平行光束となって光軸ＳＺに沿って進行し、凹レンズ
８でそのビーム径が発散されてスキャニング用レンズ３
に入射される。

【００２５】凹レンズ８の焦点は、スキャニング用レン
ズ３の焦平面ＦＳ上にあるので、そのレーザ光はスキャ
ニング用レンズ３の焦点から発散されて入射されるのと
同様な光線軌跡をたどり、その透過光は平行光束となっ
て集光レンズ４に真っ直ぐ入射され、集光レンズ４を透
過した光はその焦点位置に集光されて光スポットが形成
される。

【００２６】次に、ステージ６を移動させて半導体レー
ザ７をスキャニング用レンズ３の光軸ＳＺから偏位させ
た場合、半導体レーザ７から内蔵コリメートレンズ（図
示せず）を透過したレーザ光は、平行光束となって光軸
ＳＺと平行に進行し、凹レンズ８で発散されてスキャニ
ング用レンズ３に入射される。

【００２７】凹レンズ８の焦点は、スキャニング用レン
ズ３の焦平面ＦＳ上にあるので、そのレーザ光は当該焦
平面ＦＳから発散されて入射されるのと同様な光線軌跡
をたどり、その透過光は平行光束となって集光レンズ４
に所定の入射角θで入射され、集光レンズ４を透過した
光はその被観測面ＯＳ上の焦点位置からずれたところに
集光されて光スポットが形成される。

【００２８】このとき、半導体レーザ７のＸＹ偏位量を
ｄ_ｘ、ｄ_ｙとすると、光スポットの偏位量ｒ_ｘ、ｒ
_ｙは、スキャニング用レンズ３及び集光レンズ４の焦点
距離の比ｆ_４／ｆ_３に基づき、ｒ_ｘ＝ｄ_ｘｆ_４／ｆ_３ｒ_ｙ＝ｄ_ｙｆ_４／ｆ_３で表わされる。

【００２９】このようにステージ６を移動させて半導体
レーザ７をＸＹ方向に偏位させると、被観測面ＯＳ上に
形成される光スポットは半導体レーザの偏位量に正比例
してＸＹ方向に偏位し、しかも、焦点距離ｆ_４＜ｆ_３の
関係であるので、その偏位量は焦点距離の比率に応じた
縮小率で縮小されることとなり、光スポットを任意の位
置に偏位させるためのステージ６の制御が極めて簡単に
なる。

【００３０】図３は他の実施形態を示す説明図である。
なお、図１と共通する部分は同一符号を付して詳細説明
を省略する。本例の光スキャニング装置１５に使用され
る光源装置２は、スキャニング用レンズ３の光軸ＳＺに
直交するＸＹ面に沿って位置調整可能なステージ６に、
照射光軸ＬＺをスキャニング用レンズ３の光軸ＳＺと平
行に向けた半導体レーザ（発光素子）７が取り付けられ
ると共に、そのレーザ光をスキャニング用レンズ３の焦
平面ＦＳ上に収束させた後、前記スキャニング用レンズ
３に入射させる収束レンズ１６が取り付けられている。

【００３１】収束レンズ１６は、半導体レーザ７の照射
光軸ＬＺに沿って前後に移動可能に配され、その焦点位
置にピンホール１７が形成されてなる。そして、ステー
ジ６をＸＹ方向に移動させると収束レンズ１６及びピン
ホール１７が半導体レーザ７と一体にＸＹ方向に移動
し、収束レンズ１６を前後に移動させるとピンホール１
７が収束レンズ１６と一体に前後に移動するようになっ
ている。

【００３２】収束レンズ１６を照射光軸ＬＺ上の０点に
位置させたときのスキャニング用レンズ３との間隔は、
夫々の焦点距離ｆ_１６、ｆ_３の和に等しく、スキャニン
グ用レンズ３と集光レンズ４との間隔はスキャニング用
レンズ３の焦点距離ｆ_３に等しい。また、集光レンズ４
はスキャニング用レンズ３より焦点距離の短いものが選
ばれる。

【００３３】この場合に、収束レンズ１６を照射光軸Ｌ
Ｚに沿って前後に移動させれば、集光レンズ４で形成さ
れる光スポットの結像深度を前後に移動させることがで
きるので、顕微鏡などに装着した場合に、顕微鏡の被写
界深度に合わせて結像深度を調整することができる。

【００３４】さらに、収束レンズ１６により、レーザ光
をスキャニング用レンズ３の手前で焦平面ＦＳ上に収束
させた後、スキャニング用レンズ３に入射させるように
しているので、その収束位置にピンホール１７を置け
ば、収束レンズ１６で光を絞りきれない場合でも良好な
点光源を得ることができ、光ビームを容易に整形するこ
とができ、したがって、集光レンズ４により良好な光ス
ポットが形成される。

【００３５】なお、ステージ６の移動量に比例して光ス
ポットが偏位する点と、焦点距離ｆ_４＜ｆ_３の関係であ
るので偏位量は焦点距離の比率に応じた縮小率に縮小さ
れる点は図１に示す実施形態と同様である。

【００３６】なお、上述の説明では、いずれも、発光部
として半導体レーザ７を使用した場合について説明した
が、本発明はこれに限らずＬＥＤなど任意の発光素子や
光源を採用することができ、または、離れた位置に配さ
れた光源から光を導く光ファイバを用いてその光出射端
を発光部として用いる場合でもよい。

【００３７】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、Ｘ
Ｙ方向に発光部の位置調整を行うことにより光スポット
の位置を調整できるので、そのための制御が極めて容易
となり、また、ガルバノミラーを使用する必要もないの
で、高精度の光軸合せが要求されることもなく製造が簡
単になり、製造コストも低減され、レンズの数が少ない
ことからその光軸合せも容易で、さらに、スキャニング
用レンズが一つで足りるので光学系全体を小型化するこ
とができるという大変優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光スキャニング装置を示す説明
図。

【図２】これを倒立顕微鏡に組み込んだ状態を示す説明
図。

【図３】他の実施形態を示す説明図。

【図４】従来技術を示す説明図。

【図５】これを倒立顕微鏡に組み込んだ状態を示す説明
図。

【図６】参考技術を示す説明図。

【符号の説明】

１………光スキャニング装置２………光源装置３………スキャニング用レンズＦＰ……焦点位置４………集光レンズＯＳ……被観測面５………光学系ＳＺ……光軸６………ステージＬＺ……照射光軸７………半導体レーザ（発光部）ＦＳ……焦平面８………凹レンズ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者堀尾浩司神奈川県横浜市青葉区あざみ野南１−３− ３株式会社モリテックス先端技術研究所内Ｆターム(参考） 2H045 AG06 BA15 DA31 2H052 AA07 AC04 AC27 AC34 AD03 AD37 BA02 BA03 BA07 BA09 BA11

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源装置（２）から照射された照明光をス
キャニング用レンズ（３）によりその焦点位置（ＦＰ）
に配された集光レンズ（４）に向かって屈折させ、当該
集光レンズ（４）により被観測面（ＯＳ）上に集光させ
る光学系（５）を備え、前記光源装置（２）は、スキャ
ニング用レンズ（３）の光軸（ＳＺ）に直交するＸＹ面
に沿って位置調整可能なステージ（６）に、照射光軸
（ＬＺ）をスキャニング用レンズ（３）の光軸（ＳＺ）
と平行に向けた発光部（７）が取り付けられて形成され
ていることを特徴とする光スキャニング装置。
【請求項２】前記発光部（７）から照射された照射光を
拡げて前記スキャニング用レンズ（３）に入射させる凹
レンズ（８）が、当該発光部（７）に対して一体的に取
り付けられると共に、当該凹レンズ（８）の焦点がスキ
ャニング用レンズ（３）の光源側焦平面（ＦＳ）上に位
置するように前記スキャニング用レンズ（３）とその焦
平面（ＦＳ）の中間に配されて成る請求項１記載の光ス
キャニング装置。
【請求項３】前記発光部（７）の照射光を収束させた
後、前記スキャニング用レンズ（３）に入射させる収束
レンズ（１６）が、当該発光部（７）に対して一体的に
取り付けられると共に、当該収束レンズ（１６）の焦点
がスキャニング用レンズ（３）の光源側焦平面（ＦＳ）
近傍に位置するように配されて成る請求項１記載の光ス
キャニング装置。
【請求項４】収束レンズ（１６）が光軸（ＬＺ）方向に
沿って前後移動可能に配されてなる請求項３記載の光ス
キャニング装置。