JPH03184010A - 顕微鏡像撮像方法および走査型顕微鏡 - 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） 本発明は光学式の走査型顕微鏡において試料像を撮像す
る方法、特に詳細には、視野探しのために試料の広範囲
部分を撮像可能とする一方、実際に観察に供せられる試
料像は高速で撮像可能とした方法に関するものである。

また本発明は、上述のような顕微鏡像撮像方法を実現す
る走査型顕微鏡に関するものである。

（従来の技術） 従来より、照明光を微小な光点に収束させ、この光点を
試料上において２次元的に走査させ、その際該試料を透
過した光あるいはそこで反射した光を光検出器で検出し
て、試料の拡大像を担持する電気信号を得るようにした
光学式走査型顕微鏡が公知となっている。なお特開昭６
２−２１７２１８号公報には、この走査型顕微鏡の一例
が示されている。

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

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

上記の点に鑑み従来より、照明光ビームは偏向させない
で、試料台の方を２次元的に移動させて照明光光点の走
査を行なうことが考えられている。

さらには、本出願人による特願平１−２４８９４６号明
細書に示されるように、送光光学系と受光光学系とを共
通の移動台に搭載し、この移動台を試料台に対して移動
させることにより、照明光光点の走査を行なうことも考
えられている。

（発明が解決しようとする課題） 上述のように光学系と試料台とを相対的に移動させて照
明光光点の走査を行なう場合は、撮像所要時間短縮化の
ために、光学系あるいは試料台を高速で移動させること
が求められる。そのため、この移動用の駆動源として例
えばピエゾ素子や超音波振動子等を利用することが考え
られる。

ところが、そのような素子は一般に、高速振動可能むも
のは振幅が小さく、逆に振幅が大きく取れるものは高速
振動が不可能となっている。この振幅が大きく取れない
と、上記光点走査の走査幅を小さく設定せざるを得ず、
したがって、試料の狭い範囲についての顕微鏡像しか得
られないことになる。

上記のように試料の狭い範囲についてしか顕微鏡像を再
生できないと、最終的に観察用画像として再生させる部
分を見つける作業、すなわち視野探しか大変煩わしくな
る。試料の広範囲部分を示す顕微鏡像を再生させるため
に、複数の画面を合成して再生することも考えられるが
、その場合は合成処理のために時間を費やすので、顕微
鏡像再生までの所要時間が長くなってしまう。またこの
場合は、合成する複数の画像の相互のポジショニングを
極めて正確に所定関係に設定しないと、合成画像中につ
なぎ目が現われてしまうという問題も生じる。

本発明は上記のような事情に鑑みてなされたものであり
、視野探しを容易化することが可能で、その一方観察用
画像を高速で再生可能とする顕微鏡像撮像方法を提供す
ることを目的とするものである。

また本発明は、上述のような顕微鏡像撮像方法を実現す
る走査型顕微鏡を提供することを目的とするものである
。

（課題を解決するための手段及び作用）本発明による顕
微鏡像撮像方法は、先に述べたように試料台と光学系と
を相対的に移動させることにより、照明光を試料上にお
いて走査させ、この照明光走査を受けた試料の部分から
の光を光電的に検出して試料像を撮像する走査型顕微鏡
において、 試料台または光学系を比較的低速で長い範囲移動させて
視野探し用顕微鏡像を撮像し、その後試料台または光学
系を比較的高速で短い範囲移動させて、上記視野探し用
顕微鏡像中の一部の範囲を示す観察用顕微鏡像を撮像す
ることを特徴とするものである。

上述のようにして視野探し用顕微鏡像を撮像すれば、こ
の顕微鏡像は試料の比較的広い範囲を示すものとなって
いるから、この顕微鏡像を利用した視野探しか簡単に行
なわれうる。

一方観察用顕微鏡像を撮像する際に、試料台または光学
系を比較的高速で短い範囲移動させれば、この観察用顕
微鏡像は短時間のうちに撮像可能となる。

また上記の方法を実現する本発明による走査型顕微鏡は
、試料台と光学系とを相対的に移動させることにより、
照明光を試料上において走査させ、この照明光走査を受
けた試料の部分からの光を光電的に検出して試料像を撮
像する走査型顕微鏡において、 試料台または光学系を移動させる移動機構として、比較
的低速で大ストロークの移動が可能な第１移動機構と、
比較的高速で小ストロークの移動が可能な第２移動機構
とを設け、 これら２つの移動機構のうちの一方を選択的に上記移動
のために機能させるように構成したことを特徴とするも
のである。

上記２つの移動機構のうち第１移動機構を機能させれば
、広い走査幅が得られるから、その際には前述した視野
探し用顕微鏡像を再生可能となる。

一方第２移動機構を機能させれば走査速度が増大するか
ら、このとき観察用顕微鏡像を撮像すれば、該観察用顕
微鏡像が短時間内で再生されうるようになる。

なお周知の通り光学式の走査型顕微鏡においては、照明
光光点の収束位置を試料厚さ方向に移動させる毎に試料
像を撮像しく例えば数十画像程度）、その際得られた各
画像データから、光点移動範囲内で試料のすべての面に
焦点が合った画像を再構築することができる。そのよう
な場合は、再構築画像再生までの所要時間を短縮するた
め、各画像の撮像速度を特に高速化することが望まれる
から、その際に本発明を適用すれば特に効果的である。

また上記構成の本発明の走査型顕微鏡は、視野探し用顕
微鏡像のみならず、試料の特に広範囲の部分を観察用顕
微鏡像として再生したい場合にも、適宜第１移動機構を
機能させることにより、そのような要求に応えることが
できる。

（実　施　例） 以下、図面に示す実施例に基づいて本発明の詳細な説明
する。

第１図は、本発明の一実施例による透過型の共焦点走査
型顕微鏡を示すものであり、また第２図は、その走査機
構を詳しく示している。

第１図に示されるように、照明光１１を発するレーザダ
イオード５が、移動台１５に一体的に保持されている。

また移動台１５には、コリメーターレンズ１Ｂおよび対
物レンズ１７からなる送光光学系１８と、対物レンズ１
９および集光レンズ２０からなる受光光学系２１とが、
互いに光軸を一致させて固定されている。

これらの光学系１８．２１の間には、移動台１５と別体
とされた試料台２２が配されている。そして受光光学系
２１の下方において移動台１５には、光検出器９が固定
されている。この光検出器９としては、例えばフォトダ
イオード等が用いられる。また光検出器９の荊側（図中
上方）には、ピンホール８ａを有するピンホール板８が
配されている。

レーザダイオード５から発せられたレーザ光（照明光）
　１１は、コリメーターレンズ１６によって平行光とさ
れ、次に対物レンズ１７によって集光されて、試料台２
２に載置された試料２３上で（表面部分あるいはその内
部で）微小な光点Ｐに収束する。

試料２３を透過した各透過光１１’　の光束は、受光光
学系２１の対物レンズ１９によって平行光とされ、次に
集光レンズ２０によって集光されて点像Ｑに結像する。

この点像Ｑは、光検出器９によって検出される。この光
検出器９からは、光点Ｐで照射された試料２３の各部分
の明るさを示す信号Ｓが出力される。

なお、上記点像Ｑをピンホール８ａを介して検出するこ
とにより、そのハローや試料２３で散乱した光をカット
することができる。

次に、照明光１１の光点Ｐの２次元走査について、第２
図も参照して説明する。移動台１５は架台３２に対して
、矢印Ｘ方向に移動自在に支持されている。

すなわち架台３２には２本のがイドロッド４０．４０の
一端部が固定され、移動台１５に設けられた２つのガイ
ド孔４１．４１中にこれらのガイドロッド４０．４０が
遊嵌されている。上記架台３２には主走査用第１積層ピ
エゾ素子３３が取り付けられ、一方柱動台１５には主走
査用第２積層ピエゾ素子３７が取り付けられ、これら画
素子３３．３７の相対向する部分が連結部材３６によっ
て連結されている。

上記主走査用第１積層ピエゾ素子３３は、振動数が例え
ば数百Ｈｚ程度と比較的低速で駆動するが、往復移動ス
トロークは例えば０．５〜１．０　ｍｍ程度とかなり大
きく取れるものである。それとは対照的に主走査用第２
積層ピエゾ素子３７は、移動ストロークは例えば１００
μｍ程度と小さくても、振動数が１ＯｋＨｚ程度と十分
高速で駆動するものが選択使用されている。

試料２３の観察に供する通常の観察用顕微鏡像を再生す
る際には、主走査用第１積層ピエゾ素子３３は駆動され
ず、第２積層ピエゾ素子３７がピエゾ素子駆動回路３８
から駆動電力を受けて、移動台１５を矢印Ｘ方向に高速
で往復移動させる。この往復移動の振動数が例えば１０
ｋＨｚとされた場合、主走査幅を１００μｍとすると、
主走査速度は、１０ＸＩＯ３Ｘ１００ＸＩＯ−’　Ｘ２
−２ｍ／ｓとなる。

一方試料台２２は架台３２に対して、上記矢印Ｘ方向と
直角な矢印Ｙ方向に移動自在に支持されている。すなわ
ち架台３２には、２本のガイドロッド４５．４５の一端
部が固定され、試料台２２に設けられた２つのガイド孔
４６．４Ｂ中にこれらのガイドロッド４５．４５が遊嵌
されている。上記試料台２２と架台３２との間には、副
走査用積層ピエゾ素子４７が介装されている。この積層
ピエゾ素子４７はピエゾ素子駆動回路４８から駆動電力
を受けて、試料台２２を矢印Ｙ方向に高速で往復移動さ
せる。それにより試料台２２は移動台１５に対して相対
移動され、前記光点Ｐが試料２３上を、主走査方向Ｘと
直交するＹ方向に副走査する。なおこの副走査の所要時
間は例えば１／２０秒（積層ピエゾ素子４７の振動数は
ＩＯＨｚ　）され、その場合、副走査幅を１００μｍと
すると、副走査速度は、 ２０Ｘ１００　ＸＩＯ°’　−０，００２ｍ／　５−２
ｍｍ／ｓ と、前記主走査速度よりも十分に低くなる。この程度の
副走査速度であれば、試料台２２を移動させても、試料
２３が飛んでしまうことを防止できる。

以上のようにして光点Ｐが試料２３上を２次元的に走査
することにより、該試料２３の２次元像を担持するアナ
ログの信号Ｓが得られる。以下第３図を参照して、この
画像信号Ｓから画素分割されたデジタル画像データを作
成する点について説明する。

第３図は走査型顕微鏡の電気回路を示している。

図示されるようにピエゾ素子駆動回路３８および４８に
は、制御回路３５から主走査ドライブ信号Ｓ１および副
走査ドライブ信号Ｓ２が人力され、それにより主、副走
査の同期を取って積層ピエゾ素子３７．４７が駆動され
る。

一方先検出器９が出力したアナログ画像信号Ｓは画像信
号用アンプ５０で増幅された後、Ａ／Ｄ変換器５１に人
力される。またこのＡ／Ｄ変換器５１にはサンプリング
クロックＳ３が人力され、該Ａ／Ｄ変換器５１はこのサ
ンプリングクロックＳ３の周波数でアナログ画像信号Ｓ
をサンプリング（標本化）し、そしてデジタルの画像デ
ータＳｄに変換する。このデジタル画像データＳｄは−
たん画像メモリ５３に記憶された後、そこから逐次読み
出される。読み出された画像データＳｄは例えばＣＲＴ
等からなる画像再生装置５４に送られ、試料２３の顕微
鏡像再生のために供せられる。

次に、以上述べたような観察用顕微鏡像を再生する前に
、その撮像範囲を決定する視野探しについて説明する。

その際には主走査用第２積層ピエゾ素子３７は駆動され
ず、制御回路３５はピエゾ素子駆動回路３４に主走査ド
ライブ信号Ｓ１を送って、主走査用第２積層ピエゾ素子
３３を駆動させる。それにより移動台１５が矢印Ｘ方向
に往復移動される。

このときのピエゾ素子３３の移動ストロークつまり主走
査幅は、前述のように例えば０．５〜１．Ｏｍｍ程度と
十分大きく設定される。またこの往復移動の振動数は前
述のように数百Ｈｚ程度とされる。

それに対応させて制御回路３５は副走査ドライブ信号Ｓ
２を、前述した観察用顕微鏡像再生の場合とは異なるも
のとし、副走査速度および副走査幅を変化させる。すな
わちこの場合は、副走査周期は２秒程度とされ、１画面
は約１秒で撮像される。

また副走査幅つまりピエゾ素子４７の移動ストロークも
０．５〜１．０　ｍｍ程度とされる。この副走査用積層
ピエゾ素子４７は、観察用顕微鏡像の撮像時にも前述し
た通りＩＧＨｚ程度と比較的低速で駆動すればよいもの
であるから、上記程度の移動ストロークは実現可能であ
る。

こうして撮像された視野探し用顕微鏡像も、前述と同様
にして画像再生装置５４において再生される。上述の通
りこの視野探し用顕微鏡像は、主走査幅および副走査幅
を十分に大きく確保して撮像されたものであるから、試
料２３の広い範囲を示すものとなり、したがってこの再
生像を利用して視野探しを簡単に行なうことができる。

なお図では特に示されていないが、主、副走査方向Ｘ、
Ｙと直交する矢印Ｚ方向（第１図参照）、すなわち光学
系１８．２１の光軸方向に試料台２２を移動させること
もできる。こうして試料台２２をＺ方向に所定距離移動
させる毎に前記光点Ｐの２次元走査を行なえば、合焦点
面の情報のみが光検出器９によって検出される。そこで
、この光検出器９の出力Ｓから得られた画像データＳｄ
をメモリに取り込むことにより、試料２３をＺ方向に移
動させた範囲内で、全ての面に焦点が合った画像を担う
画像データを得ることが可能となる。

なお上記実施例では、主走査用の移動機構のみ移動スト
ロークおよび移動速度を変更可能とじているが、副走査
用の移動機構も同様に構成してもよい。

また本発明は、ピエゾ素子によって光学系と試料台とを
相対移動させる走査型顕微鏡に限らず、その地蔵音波振
動子等によって上記相対移動を果たすように構成した走
査型顕微鏡に対しても適用可能である。

（発明の効果） 以上詳細に説明した通り本発明の顕微鏡像撮像方法にお
いては、視野探し用顕微鏡像を撮像する際には光学系と
試料台との相対移動の長さをより長くし、一方観察用顕
微鏡像を撮像する際には上記相対移動をより高速で行な
うようにしたから、本方法によれば、試料の広範囲部分
を示す視野探し用顕微鏡像を再生して、視野探しを容易
に行なうことが可能となり、その一方蜆察用顕微鏡像は
極めて短時間内に再生可能となる。

また上記視野探し用顕微鏡像は、つなぎ目が現われるよ
うなことがないものであるから、この視野探し用顕微鏡
像の撮像作業が特に困難となることもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例による走査型顕微鏡の概略
正面図、 第２図は、上記走査型顕微鏡の要部を示す斜視図、 第３図は、上記走査型顕微鏡の電気回路を示すブロック
図である。 ５・・・レーザダイオード　９・・・光検出器１１・・
・照明光　　　　　　１Ｆ・・・透過光１５・・・移動
台　　　　　　１６・・・コリメーターレンズ１７．１
９・・・対物レンズ　　１８・・・送光光学系２０・・
・集光レンズ　　　　２１・・・受光光学系２２・・・
試料台　　　　　　２３・・・試料３２・・・架台 ３３・・・主走査用第１積層ピエゾ素子３７・・・主走
査用第２積層ピエゾ素子３４．３８．４８・・・ピエゾ
素子駆動回路４７・・・副走査用積層ピエゾ素子 ５０・・・アンプ　　　　　　５１・・・Ａ／Ｄ変換器
第 １ 図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）試料が載置される試料台と、照明光を試料上に照
   射する光学系とを相対的に移動させることにより、この
   照明光を試料上において走査させ、この照明光走査を受
   けた試料の部分からの光を光電的に検出して試料像を撮
   像する走査型顕微鏡において、 前記試料台または光学系を比較的低速で長い範囲移動さ
   せて視野探し用顕微鏡像を撮像し、その後前記試料台ま
   たは光学系を比較的高速で短い範囲移動させて、前記視
   野探し用顕微鏡像中の一部の範囲を示す観察用顕微鏡像
   を撮像することを特徴とする顕微鏡像撮像方法。
2. （２）試料が載置される試料台と、照明光を試料上に照
   射する光学系とを相対的に移動させることにより、この
   照明光を試料上において走査させ、この照明光走査を受
   けた試料の部分からの光を光電的に検出して試料像を撮
   像する走査型顕微鏡において、 前記試料台または光学系を移動させる移動機構として、
   比較的低速で大ストロークの移動が可能な第１移動機構
   と、比較的高速で小ストロークの移動が可能な第２移動
   機構とが設けられ、 これら２つの移動機構のうちの一方が選択的に前記移動
   のために機能するように構成されていることを特徴とす
   る走査型顕微鏡。