JPH03181910A - レーザ走査顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、レーザ走査顕微鏡に関す−る。特に、試料に
レーザビームを走査し、試料からの反射光又は透過光を
電気信号として、画像として表示するレーザ走査顕微鏡
の光源の小型化技術に関する［従来の技術及び発明が解
決しようとする問題点］レーザビームをスポット状に集
束して、顕微鏡の対象物を観察するために利用する応用
の場合、スポット径は、波長に逆比例するため、より短
波長のレーザ光源であることが、望ましい。

レーザ走査顕微鏡においても同゛様に、その仝量分解能
を上げるために、より短波長のレーザ光源であることが
望ましい、また、生物分野への応用においては、螢光と
かラマン分光が多用されるが、この場合にも、測定可能
な範囲を広げるために、より短波長の光源が必要である
。

これに対して、短波長レーザ光源として通常使用されて
いるのは、アルゴンイオンレーザの４８８ｎｍ、５１４
　、５ｎｍ、　Ｈｅ−Ｃｄレーザの４４１．６ｎｍ等の
短波長があるが、大型の装置になること、及び動作開始
のためのウオームアツプ− が必要であり、ビームのポイントスタビリテイが悪いこ
と、冷却処理が必要であり、そのため、振動防止処理が
必要である等の欠点、問題点があった。

本発明は、−に記の問題点を解決するために為されたも
のであり、レーザ光源を小型化するため、半導体レーザ
を使用し、短波長化するため、第２高調波発生器（ＳＨ
Ｇ）により半導体レーザの波長を１７２波長に変換し、
これをレーザ光源として、用いることにより、小型で安
定性の良い、上記の欠点、問題点を無くしたレーザ光源
を有するレーザ走査顕微鏡を提供することを目的とする
。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、上記の技術的な課題の解決のために、レーザ
光源、このレーザ光源からの出カビ１１を２次元に偏向
するビーム偏向系、偏向されたビーｌ、を試料に集束す
°る集束光学系、試料かの反射又は透過光を電気信号番
こ変換する光′ｗｔｇｃ換系とを市するレーザ走査顕微
鏡において、レーザ光源− が短い幅のパルス状の光を出力するレーザ光源であるこ
と、偏向系がステップ状に増減する高速度Ｘ−走査とス
テップ状に増減するＹ−走査の２次元走査をなすための
走査駆動制御手段を有すること、レーザ光の出力とステ
ップ状走査のステップとの位相を合わせる発光制御手段
を有する前記レーザ走査顕微鏡を提供する。そのレーザ
光源は、半導体レーザ、第２高調波発生器（ＳＨＧ）及
びレーザ駆動手段とからなり、該半導体レーザは、レー
ザ駆動手段により出力される短パルス駆動電流により、
利得スイッチされ、短パルス光を出力する半導体レーザ
であり、そして、この短パルス光を該第２高調波発生器
を介して１／２光波長の短パルス光として出力するもの
が好適である。また、前記第２高調波発生器は、半導体
レーザの出力ビーム基本波を平行にする第１のコリメー
タレンズ、半導体レーザの非点較差を補正する１対の円
柱レンズ、波長を１／２に変換する第２高調波発生素子
、該第２高調波発生素子に、該ビームを集束する集束レ
ンズ、１／２波長のビームを平行にする第２のコリメー
タレンズ、１／２波長の光を透過し、該基本波を不透過
にする光フィルタとからなるレーザ光源装置が好適であ
る。

レーザ走査顕微鏡において、光源ビームとして必要な光
出力（パワー）は、数ｍＷである。半導体レーザの光出
力は、波長８４０ｎ−付近のもので、位相特性の良いも
のでは、約５０ｍＷ程度の連続出力のものが最大である
。一方、第２高調波発生器の変換出力は、入射する光出
力密度の２乗に比例する。８４０ｎ讃の第２高調波発生
素子で、変換効率が高く、４２０ｎｍ近傍まで透過率の
高い素子として、ＬｉＮｂ０．、ＫＮｂＯ，、ＬｉｌＯ
ｓ等があるが、最も変換効率の高いＫＮｂＯ，を例にと
ると、その変換率は、５０μｍのビーム径で、ＩＷの入
射出力のときに、約１％に過ぎない、５０ｍＷの入射出
力では、ビーム径を波長とほぼ同じとすれば、約１００
μＷの変換出力しか得られない、これは、必要される出
力の数４分の１であり、光源と６ しては弱過ぎる。

半導体レーザの出力を七げる方法として、Ｑスイッチ、
モード同期とかの短パルス動作法があり、これによると
出力パワーを数百倍にすることができる。

更に、半導体レーザの出力を上げる方法として、受動素
子、活性素子を半導体レーザの共振器中に挿入する外部
共振型のもの、その高い利得を利用した利得スイッチ型
のものがある。

ここでは、その構成の簡便さから、後者の利得スイッチ
型の半導体レーザを用いる。この場合、数トピコ秒のパ
ルス幅で、ＩＷのピーク出力を持ち、注つ、そのパルス
発生タイミングを駆動電流を流１タイミングで制御でき
る利点がある。

即ら、８４０ｎｍ近傍の波長を有する半導体レザを利得
スイング゛で動作さけ、数１−ビニ１秒幅の短パルス光
として、それをＫＮｂＯ，のごとき第２高調波発生素子
により、１／２の波長 （約４２０ｎｍ）とした光源をレーザ光源として、用い
ること、２次元番こビームを偏向させるが、その偏向を
ステップ状に増減させる走査駆動制御手段でもって、ス
テップ状になし、発光制御手段により、上記レーザ光源
の短パルス発振とステップ状偏向との同期を取ることで
、性能を向上させることができる。

［作用］ 以上の構成により、半導体レーザは、 ２００ＭＨｚ程度までの繰り返し、短パルス発振が可能
であり、また、利得スイッチの動作では、その発振の繰
り返しを電気的に制御することができる。即ち、１ステ
ツプが、５ナノ秒程度の高速なビームのステップ状の偏
向に対応することが可能である。

更に、現イｆする偏向力式のいずれにも、対応可能であ
り、実時間の画像取得からランダム走★まで可能Ｃある
。

また、半導体レーザの出力を上げる方法として、利得ス
イッチ動作の他に、上述の如き出力を−にげろ方法も用
いることができる。

一 次に、本発明によるレーザ走査顕微鏡を具体的に実施例
により説明するが、本発明はそれらによって限定される
ものではない。

［実施例］ 反射型のレーザ走査顕微鏡を例にして、本発明を説明す
る。透過型についても、本発明が適用できることは言う
までもない。

第１図は、本発明の走査型光学顕微鏡の主要部分の一例
の光学配置例を示寸°模式プロ・ンク図である。

本発明の走査型光学顕微鏡において、光源を半導体レー
ザ（ＬＤ）とし、これをパルス変調することが、従来の
走査型光学顕微鏡に対する構成の差テアル。１は、短パ
ルスレーザ光源であり、第２図Ａ或いは第２図Ｂの構成
のものである。

即ち、レーザ光源１、このレーザ光源１からの出力ビー
ムを２次元に偏向するビーム偏向系３．４．５．６、転
７、偏向されたビームを試料に集束する集束光学系８、
試料９からの反射又は透通光を電気信号に変換゛する光
電変換系１０．１１．１２とを右するレーザ走査顕微鏡
である。

レーザ光源１が短い幅のパルス状の光を出力する。偏向
系を構成するガルバノミラ−３，４がステップ状に増減
する高速度Ｘ−走査とステ・ンプ状に増減するＹ−走査
の２次元走査をなすための走査駆動制御手段１３を有し
、レーザ光の出力とステップ状走査のステップとの位相
を合わせる発光制御手段１６を有する。

そのレーザ光源１は、半導体レーザ１９、第２高調波発
生器（５ＨＧ）４０及びレーザ駆動手段１５とからなる
。半導体レーザ１９は、レーザ駆動手段１５により出力
される短パルス駆動電流により、利得スイッチされ、短
パルス光を出力する半導体レーザであり、そして、この
類パルス光を該第２高調波発生器４０を介してｌ／２光
波長の短パルス光として出力する。

また、前記第２高調波発生器４０は、第２図Ａに於ては
、半導体レーザの出力ビーム基本波を平行にする第１の
コリメータレンズ、半導体レーザ＝１０ の非点隔差を補正する１対の円柱レンズで構成されるレ
ンズ群２０と、波長を１／２に変換する第２高調波発生
素子２２、そして、第２高調波発生素子２２に、該ビー
ムを集束する集束レンズ２１．１７２波長のビームを平
行にする第２のフリメークレンズ２３．１／２波長の光
を透過し、該基本波を不透過にする光フイルタ−２４と
からなる。

また、第２図Ｂに於ては、上述と同じ機能の２０．２１
と、２２及び発生した１／２波長での共振器を構成する
反射鏡２６．２７：とミラー２５とからなる。

第２図Ａ、Ｂにおいて、レーザ源１９は、８４０ｎｍ近
傍で発振するＧａＡｆｆｉＡｓ系半導体レザであり、２
０は、−１１ノメータと、１対の円柱レンズから構成さ
れ、゛１導体レーデの出力のＪｒ点隔差補正・ビーム整
形・平行ビーム化を行なう。

レンズ群２０により平行とされたビームａは、レンズ２
１により第２高調波発生素子２２に数十μｍの径に絞り
こまれる。第２高調波発生素子１１− ２２は、ＫＮｂＯｓで９０度（５７相整合の配置を取る
。図示していない温度制御装置により、位相整合が取ら
れる。クリチカルな角度整合であってもよいが、変換効
率が落ちる。第２高調波発生素子２２により、１／２波
長となり、その出力は、レンズ２３により、再び、平行
にされ、フィルタ２４により、基本波（約８４０ｎｍ）
を除き、１／２波長（約４２０ｎａ）波のみを透過させ
る・。

第２図Ｂは、レーザ光源１の異なる例を示す模式構成図
である。この構成において、凹面鏡２７．２６とミラー
２５で構成するコンフォーカルな外部共振器の焦点近傍
に、第２高調波発生素子２２を配置し、基本波を透過し
、１／２波長を反射するミラー２５を介して、半導体レ
ーザ１９の出力（語本波）は、上記と同様に、レンズ群
２０及びレンズ２１により、第２高調波発生素子２２に
絞り込まれる。変換された１／２波長光は、２６．２７
による新しい共振器モードにより、発振し、レンズ機能
を兼ねるミラー２６で平２− 行にされ、出力される。

第３図は、半導体レーザの利得スイッチ動作を示す図で
あり、曲９２Ｂは、レーザ駆動手段１５による駆動電流
パルスを示し、曲線２９は、光出力を示す。

公知のように、数百ピコ秒幅の駆動電流により利得が、
スイッチされ、数十ピコ秒幅の単一な光パルスが得られ
る。

以上のようにして、得られた約４２０ｎｍの平行な光パ
ルスビームａは、第１図の構成図において、偏向ビーム
スプリッタ−（ＰＢＳ）又は半透過ミラー２を経て、高
速度のＸ−偏向ガルバノミラ−３により偏向される。こ
こでは、ガルバノミラ−を用いているが、音響光学素子
（ＡＯＭ）或いはポリゴン（多面体）ミラーでも良い。

更に、ビームａは、低速度のＹ−偏向ガルバノミラ−４
によりＹ偏向され、２次元のビーム走査が為される。レ
ンズ５．６は、瞳伝達光学系で偏向面を一致させるため
のものである。レンズにより、対物レンズ８の後側像面
位置に、−・旦ビームを収束させる。この面上の２次元
走査パターンが、対物レンズ８により、試料９に投影さ
れる。

また、レンズ７は、偏向面を対物レンズ８の入射瞳に一
致させる作用を有する。

そして、試料により反射された光すは、逆の光路を戻り
、偏向ビームスプリッタ−２により分離される０分離さ
れた光すは、レンズ１０によりピンホール１１に集束さ
れ、その透過光が光電変換素子１２により、電気信号に
変換される。試料の情報は、２次元の走査の走査の順に
時系列の電気信号として得られる。

光電変換素子１２は、ビニ１秒のオーダーの応答速度を
有するアバランシェ素子が好適である。

１３は、ガルバノミラ−３，４を駆動制御するに程駆動
制御手段であり、１６は、レーザ発光と偏向との位相を
合わせるための発光制御手段である。

４− 第４図Ｃよ、２次元のステップ走査を示す図であり、曲
ｆｉ３０は、高速度のＸ走査の駆動波形を示し、曲線３
１は、低速度のＹ走査の駆動波形を示す。その結果、曲
線３１で示す′ようなラスク走査が為される。

このステップ走査の利点は、サンプルする画素が固定さ
れているため、解像度が−Ｌがることにある。ビートの
スポット径の１／２程度の細かなステップをとれば、分
解能限度を上げることができる。第４図では、調波駆動
を示しているが、ガルバノミラ−では、走査速度を上げ
るため、三角波駆動が適している。この場合、画像メモ
リー１７の番地管理により、通常のラスクー走査のとき
と同し画像としで、扱うことができる。

上記の駆動制御信号を出力する走査駆動制御手段■３に
従って、ビームがＸ−Ｙにステップ走査されるが、走査
駆動制御手段１３は、またＸ走査スｊツブに同期したタ
イミング信号を作り、発光制御手段１６に出力する。発
光制御手段１６は５、−の信ｙを受けて、レーザ駆動手
段１５に類パル１５ スの発光制御信号を出力す゛る。

この出力する短パルスの位相及びパルス幅は、半導体レ
ーザによって異なる値をとるものである。発光制御手段
１６は、また、積分回路若しくはビーク検出回路である
１４の積分或いは検出制御をも行なうものである。

第５図杜、この様子を示すパルス曲線を示すグラフであ
る。曲線３０は、Ｘステップ発光を示し、曲線２９は、
レーザ発光である。光電変換素子１２の出力も、レーザ
発光の曲線２９に相似している。

この光電変換素子１２の出力が、積分−ビーク検出手段
１４に入力され、制御手段１６に従って積分又はピーク
ホールドされると、曲線３３の波形になる。この信号は
、図示し“〔いないＡ／Ｄ変換手段を経て、画像メモリ
ー１７に記憶される。

画像メｅリ−１７を順次読み出し、ＣＲＴ等の表示器１
８により、表示される。

［発明の効果］ 本発明のレーザ走査顕微鏡は、 ６ 第１に、小型で、安定性の良い短波長レーザ光源を得る
ことができること、 第２に、更に、ステップ走査により、解像力の向上が成
されたことの利点を有するレーザ走査顕微鏡を改良が得
られること、 第３に、受光信号のＳ／Ｎ比の改善をもたらすことがで
きること、 などの、顕著な技術的な効果をもたら１゜

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のレーザ走査顕微鏡の一例の光学系構
成を示す模式構成図である。 第２図Ａ、Ｂは、本発明のレーザ走査顕微鏡に用いる１
・−ザ光源例を示す模式構成図である。 第３図は、本発明のレーザ走を顕微鏡のレーザ光源の出
力パルスを示４図である。 第４図と第５図は、走査とレーザ出力との関係を示す図
である。 ［主要部分の符けの説明コ ト・・・・　・レーザ光源 ７ ３．４０１．　　ガルバノミラ ８　、、、、、、　　対物レンズ ９、、、、、　　試料 １２、、、、、、　　光電変換素子 １３、、、、、、、走査駆動制御手段 １４　、、、、、、、、積分／ビーク検出回路１５、、
、、、、　　レーザ駆動手段 １６、、、、、　　発光制御手段 １７、、、、、、、、画像メモリ １９　、、、、、、、、半導体レーザ ２０　、、、、、、、、レンズ群 ２２、、、、、　　第２高調波発生素子２４　、、、、
、、、、フィルタ ２６．２７．、、、、、、、ミラ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、レーザ光源、このレーザ光源からの出力ビームを２
   次元に偏向するビーム偏向系、偏向されたビームを試料
   に集束する集束光学系、試料からの反射光又は透過光を
   電気信号に変換する光電変換系とを有するレーザ走査顕
   微鏡において、 該レーザ光源が短い幅のパルス状の光を出力するレーザ
   光源であること、 該ビーム偏向系がステップ状に増減する高速度Ｘ−走査
   とステップ状に増減するＹ−走査の２次元走査をなすた
   めの走査駆動制御手段を有すること、 該レーザ光の出力とステップ状走査のステップとの位相
   を合わせる発光制御手段を有することを特徴とする前記
   レーザ走査顕微鏡。 ２、前記のレーザ光源は、半導体レーザ、第２高調波発
   生器（ＳＨＧ）及びレーザ駆動手段とから本質的になり
   、該半導体レーザは、レーザ駆動手段により出力される
   短パルス駆動電流により、利得スイッチされ、短パルス
   光を出力する半導体レーザであり、そして、この短パル
   ス光を該第２高調波発生器を介して１／２光波長の短パ
   ルス光として出力することを特徴とする請求項１に記載
   のレーザ走査顕微鏡。 ３、前記第２高調波発生器は、該半導体レーザの出力ビ
   ーム基本波を平行にする第１のコリメータレンズ、該半
   導体レーザの非点隔差を補正する１対の円柱レンズ、波
   長を１／２に変換する第２高調波発生素子、該第２高調
   波発生素子に、該ビームを集束する集束レンズ、１／２
   波長のビームを平行にする第２のコリメータレンズ、１
   ／２波長の光を透過し、該基本波を不透過にする光フィ
   ルターとからなることを特徴とする請求項２に記載のレ
   ーザ走査顕微鏡。