JPH0420912A

JPH0420912A - 共焦点走査型顕微鏡

Info

Publication number: JPH0420912A
Application number: JP12626990A
Authority: JP
Inventors: Osamu Iwasaki; 修岩崎
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 1990-05-16
Filing date: 1990-05-16
Publication date: 1992-01-24
Anticipated expiration: 2012-10-15
Also published as: JP2663194B2

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）本発明は共焦点走査型顕微鏡、特に詳細には光点の走査
機構が改良された共焦点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、さらには試料から
発せられた蛍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。

なかでも、照明光を光源から発生させた上で試料上にお
いて光点に結像させる一方、この試料からの光束を再度
点像に結像させてそれを光検出器で検出するように構成
した共焦点走査型顕微鏡は、試料面上にピンホールを配
する必要が無く、実現容易となっている。

この共焦点走査型顕微鏡は基本的に、照明光を発する光源と、試料が載置される試料台と、この照明光を試料上において微小な光点として結像させ
る送光光学系と、上記試料からの光束（透過光、反射光あるいは蛍光）を
集光して点像に結像させる受光光学系と、この点像を検
出する光検出器と、上記光点を試料上において２次元的に走査させる走査機
構とから構成されるものである。なお特開昭［１２−２
１７２１８号公報には、この共焦点走査型顕微鏡の一例
が示されている。

（発明が解決しようとする課題）従来の共焦点走査型顕微鏡においては、上記走査機構と
して、 ■試料台を２次元的に移動させる機構、あるいは■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
が用いられていた。

しかし■の機構を採用した場合には、高速走査を行なう
と試料が飛んでしまうという問題が生じていた。顕微鏡
で観察される試料としては生物試料も多く、この生物試
料を観察する際に高速走査ができないと、生物試料の微
妙な動きを捕えることが不可能となる。また、このよう
な生物試料に限らなくても、はぼリアルタイムで試料像
を撮像したいという要求は広く存在するものであり、高
速走査が不可能であれば、当然、このような要求に応え
ることができない。

一方、■の機構によれば十分高速の走査が可能であるが
、この機構においては、ガルバノメータミラーやＡＯＤ
　（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■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異なる角度
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。

そこで本発明は、高速走査が可能で、その一方、構成が
簡単で安価に形成することができる共焦点走査型顕微鏡
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）本発明による共
焦点走査型顕微鏡は、先に述べたような試料台と、光源
と、送光光学系と、受光光学系と、光検出器と、光点の
２次元走査機構とを備えた共焦点走査型顕微鏡において
、上記光源として、直線偏光した照明光を発するものを
用いるとともに、一端から入射された照明光を伝搬させて、他端から出射
させる偏波面保存光ファイバーを設け、この偏波面保存
光ファイバーの他端を送光光学系と一体的に保持して、
この他端から出射した照明光を該送光光学系に導くよう
にした上で、上記送光光学系と受光光学系とを一体的に
保持する移動台と、この移動台を、上記光点が試料上を一方向に主走査する
ように往復移動させる主走査手段と、上記移動台と試料
台とを、上記主走査の方向とほぼ直交する方向に、該主
走査の速度よりも低い速度で相対移動させて、上記光点
を試料上において副走査させる副走査手段とによって照
明光の走査機構を構成したことを特徴とするものである
。

なお上述の副走査手段は、移動台を移動させるものであ
ってもよいし、それとは反対に、試料台を移動させるも
のであってもよい。副走査速度は比較的低速とすること
ができるから、上記のように試料台を移動させても、試
料が飛んでしまうことを防止可能である。

上記の構成においては、光点走査のために照明光ビーム
が振られることがないから、光学系の設計は光軸上の光
線のみを考えて行なえばよいことになり、該光学系の設
計は非常に容易となる。

そして上記の構成においては、移動台に搭載される送光
光学系に光ファイバーを結合して、この移動台外に光源
を配置できるようにしているので、移動台を軽量化する
ことが可能である。

またこの光ファイバーとして、特に偏波面保存光ファイ
バーを使用しているので、撮像される顕微鏡像のゆらぎ
が抑えられるようになる。

なお、上記構成の共焦点走査型顕微鏡を反射型のものに
構成する場合、送光光学系と受光光学系とは共用化され
、また偏波面保存光ファイバーも照明光と試料からの反
射光の双方を、互いに反対方向に伝搬させることになる
。

一方、上記構成の共焦点走査型顕微鏡を透過型のものに
構成する場合、受光光学系と光検出器も上記と同様に光
ファイバーで結合するのが望ましい。またその場合、偏
波面保存光ファイバーを用いればさらに好ましく、上記
と同様に顕微鏡像のゆらぎが抑えられることになる。

（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、本発明の第１実施例による透過／反射共用型
の共焦点走査型顕微鏡を示すものであり、また第２およ
び３図は、それに用いられた走査機構を詳しく示してい
る。

第１図に示されるように、ＲＧＢレーザ１０からは、赤
色光、緑色光および青色光からなる照明光１１が射出さ
れる。直線偏光したこの照明光１１は、Ｐ偏光状態で偏
光ビームスプリッタ１２の膜面１２ａに入射し、そこを
透過する。偏光ビームスプリッタ１２を通過した照明光
１１は、偏波面調整用のλ／２板９を通過し、屈折率分
布型レンズ１３で集光されて偏波面保存光ファイバー１
４内に入射せしめられる。

この偏波面保存光ファイバー１４としては、第４図に断
面形状を示すように、クラッド１４ａ内にコア１４ｂが
配され、このコア１４ｂの両側に応力付与部１４Ｃ１１
４Ｃが形成されてなる、いわゆるＰＡＮＤＡ型のものが
用いられている。そして直線偏光した照明光１１は、λ
／２板９を適宜回転させることにより、偏波面の向きが
応力付与部１４ｃ、１４Ｃの並び方向、あるいはそれに
直交する方向と揃う状態にして（本実施例では後者の方
向、すなわち第４図の矢印Ｕ方向）、該光フアイバー１
４内に入射せしめられる。

この光ファイバー１４の一端は移動台１５に固定されて
おり、該光フアイバー１４内を伝搬した照明光１１はこ
の一端から出射する。この際光ファイバー１４の一端は
、点光源状に照明光１１を発することになる。移動台１
５には、コリメーターレンズ１６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１９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。

また両光学系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。なおコリメーターレ
ンズ１６と対物レンズ１７との間にはλ／４板５０が、
一方、対物レンズ１９と集光レンズ２０との間にはλ／
４板５１がそれぞれ配設されている。

まず、この共焦点走査型顕微鏡が透過型のものとして使
用される場合について説明する。上記の照明光１１はコ
リメーターレンズ１６によって平行光とされ、λ／４板
５０を通過して円偏光とされ、次に対物レンズ１７によ
って集光されて、試料台２２に載置された試料２３上で
（表面あるいはその内部で）微小な光点Ｐに結像する。

試料２３を透過した透過光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た後、λ
／４板５１により直線偏光とされ、次に集光レンズ２０
によって集光されて、偏波面保存光ファイバー２４の一
端から該光フアイバー２４内に入射せしめられる。この
先ファイバー２４の上記一端は移動台１５に固定されて
おり、またその他端には屈折率分布型レンズ２５が接続
されている。光フアイバー２４内を伝搬した透過光１１
゛はその他端から出射し、上記屈折率分布型レンズ２５
によって平行光とされる。

この透過光１１°はダイクロイックミラー２６に入射し
、その青色光１１Ｂのみがそこで反射する。該青色光１
１Ｂは、ハローや迷光および外部光をカットするための
ピンホール板４７を通して、第１光検出器２７によって
検出される。ダイクロイックミラー２６を透過した透過
光１１°　は別のダイクロイックミラー２８に入射し、
その緑色光１１Ｇのみがそこで反射する。この緑色光１
１Ｇは、ピンホール板４８を通して第２光検出器２９に
よって検出される。そして上記ダイクロイックミラー２
８を透過した透過光１１°　（すなわち赤色光１１Ｒ）
はミラー３０において反射し、ピンホール板４９を通し
て第３光検出器３１によって検出される。なお上記光検
出器２７．２９゜３１としては例えばフォトダイオード
、光電子増倍管等が用いられ、それらからは各々、試料
２３の拡大像の青色成分、緑色成分、赤色成分を担持す
る信号ＳＢ、ＳＧ、ＳＲが出力される。

一方、この共焦点走査型顕微鏡が反射型のものとして使
用される場合、試料２３で反射した反射光１１°は旋回
方向が逆向きの円偏光となり、λ／４板５０を通過して
、偏波面の向きが照明光１１のそれと直交する直線偏光
とされる。この反射光１１°の光束は、フリメーターレ
ンズ■６によって集光されて、偏波面保存光ファイバー
１４内に入射せしめられる。このときの反射光１１″の
偏波面の向きは、第４図の矢印Ｖ方向となる。光ファイ
バー１４を伝搬した反射光１１”はその一端から出射し
、屈折率分布型レンズ１３によって平行光とされる。

この反射光１１゛はλ／２板９を通過後、Ｓ偏光状態で
偏光ビームスプリッタ１２の膜面１２ｇに入射し、そこ
で反射する。この反射光１１’はダイクロイックミラー
５６に入射し、その青色光１１Ｂのみがそこで反射する
。該青色光１１Ｂは、ピンホール板５２を通して第４光
検出器５７によって検出される。

ダイクロイックミラー５６を透過した反射光１１″は別
のダイクロイックミラー５８に入射し、その緑色光１１
Ｇのみがそこで反射する。この緑色光１１Ｇは、ピンホ
ール板５３を通して第５先検出器５９によって検出され
る。そして上記ダイクロイックミラー５８を透過した反
射光１１°（すなわち赤色光１１Ｒ）はミラー６ａにお
いて反射し、ピンホール板５４を通して第６光検出器６
１によって検出される。これらの光検出器５７．５９．
６１からは各々、試料２３の拡大像の青色成分、緑色成
分、赤色成分を担持する信号ＳＢ、ＳＧ、ＳＲが出力さ
れる。

上述のように、λ／４板５０と偏光ビームスプリッタ■
２とから構成される光アイソレータを設けたことにより
、反射光１１”がＲＧＢレーザ１０側に戻ることがなく
なり、より大光量の反射光ＩＩ”が光検出器５７．５９
．８１に導かれるようになる。また、屈折率分布型レン
ズ１３や光ファイバー１４の端面等で反射した照明光１
１が、光検出器５７．５９．８１に入射することも防止
され、Ｓ／Ｎの高い信号ＳＢ。

ＳＧ、ＳＲが得られるようになる。

なお、透過光１１゛検出用の光検出器２７．２９．３１
と、反射光１１°検出用の光検出器５７．５９．８１と
は、試料２３が透過試料であるか反射試料であるかに応
じて、切替えスイッチを介して選択的に後段に接続され
るようにすればよい。

また上記の走査型顕微鏡が透過型のものとして使用され
る場合、照明光１１は円偏光状態で送光光学系１８から
出射してそのまま受光光学系２１に入射するから、移動
台１５部分の組立てに際して、両光学系１８．２１間で
偏光面を合わせる調整は不要である。したがって、両光
学系１８．２１の組立ては各々別個に行なっておき、こ
れら両光学系１８．２１を光軸合せのみで組み合わせる
ことができるがら、移動台１５部分の組立ては容易にな
されうる。

次に、照明光１１の光点Ｐの２次元走査について、第２
．３図を参照して説明する。第２図と第３図はそれぞれ
、移動台１５の周辺部分を、第１図の上方側、右方側か
ら見た状態を示している。この移動台１５は架台３２に
、積層ピエゾ素子３３を介して保持されている。積層ピ
エゾ素子３３はピエゾ素子駆動回路３４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は、例えば１０ｋＨｚとされ
る。その場合、主走査幅を１００μｍとすると、主走査
速度は、１０ＸＬＯ３Ｘ１００　ＸＩＯ’　Ｘ２−２ｍ
／　ｓとなる。なお、光ファイバー１４．２４は屈曲可
能であるので、それぞれ照明光１１あるいはそれと反射
光１１″、透過光１１°を伝搬させつつ、移動台１５の
振動を許容する。

一方試料台２２は、２次元移動ステージ３５に固定され
ている。この２次元移動ステージ３５は、モータ駆動回
路３６から駆動電流を受けるパルスモータ３７により、
マイクロメータ３８を介して矢印Ｙ方向に往復移動され
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、前記主走査方向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秒とされ、その場合、副走査幅を
１００μｍとすると、副走査速度は、２０Ｘ１００　ｘｌＯ’−ｏ、ｏｏ２ｍ／　５１２ｍｍ
／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次元像を担持する連続
的な信号ＳＢ、ＳＧ、ＳＲが得られる。

これらの信号ＳＢ、ＳＧ、ＳＲは、例えば所定周期毎に
サンプリングする等により、画素分割された信号とされ
る。

また本実施例においては２次元移動ステージ３５が、モ
ータ駆動回路３９から駆動電流を受けるパルスモータ４
０により、主、副走査方向Ｘ１Ｙと直交する矢印Ｚ方向
（すなわち光学系１８．２１の光軸方向）に移動される
。こうして２次元移動ステージ８５を２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２７．２９．３１あるいは
光検出器５７．５９．６１によって検出される。そこで
、これらの光検出器２７．２９．３１あるいは光検出器
５７．５９．６１の出力ＳＢ、ＳＧ、ＳＲをフレームメ
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信号
を得ることが可能となる。

なおピエゾ素子駆動回路３４およびモータ駆動回路３Ｂ
、３９には、制御回路４１から同期信号が入力され、そ
れにより、光点Ｐの主、副走査および試料台２２の２方
向移動の同期が取られる。

以上説明した通り本装置においては、照明光１１、透過
光１１°、反射光１１”を伝搬させる光ファイバーとし
て、偏波面保存光ファイバー１４．２４を用いているの
で、それらの光１１．１１°、１１”のゆらぎが抑えら
れるようになる。したがって、これらの透過光１１’あ
るいは反射光１１°を検出した出力ＳＢ、ＳＧ、ＳＲに
基づいて再生される顕微鏡像は、歪みの無い高画質のも
のとなりうる。

以上説明した実施例においては、種々の変更が可能であ
る。例えば屈折率分布型レンズ１３．２５の代わりに、
顕微鏡対物レンズ等を用いてもよい。

そして、２次元移動ステージ３５に固定された試料台２
２をＹ方向に往復移動（副走査）させるための駆動源で
あるパルスモータ８７は、エンコーダ付きのＤＣモータ
でもよく、またこのように試料台２２を移動させること
によって光点Ｐの副走査を行なう代わりに、移動台１５
を移動させることによって光点Ｐの副走査を行なうよう
にしてもよい。さらに移動台１５の移動は積層ピエゾ素
子３３を利用して行なう他、例えばボイスコイルおよび
超音波による固体の固有振動を利用した走査方式等を用
いて行なうことも可能である。

次に、第５図を参照して本発明の第２実施例について説
明する。なおこの第５図において、前記第１図中の要素
と同等の要素には同番号を付し、それらについての説明
は必要の無い限り省略する。

この共焦点走査型顕微鏡は、モノクロ反射型のものであ
る。この実施例においては、送光光学系と受光光学系と
が完全に共用化され、それにより光学系がさらに簡素化
されたコンパクトな共焦点走査型顕微鏡が実現されてい
る。

この実施例では、照明光１１を発する光源として、単色
のレーザビームを発するレーザダイオード７０が用いら
れている。そして、偏波面保存光ファイバー１４を伝搬
してそこから出射した反射光１１”は、偏光ビームスプ
リッタ１２で反射し、ピンホール板７１を通して光検出
器７２によって検出される。

なお第５図においては、照明光を走査する機構を詳しく
示していないが、この照明光走査機構としては、例えば
第１図の装置に使用されたものを用いればよい。

この第２実施例装置においても、λ／４板５０と偏光ビ
ームスプリッタ１２とから構成される光アイソレータを
設けたことにより、第１実施例におけるのと同様に、Ｓ
／Ｎの高い信号Ｓが得られるようになる。

またこの場合も、照明光１１および反射光１１”を伝搬
させる光ファイバーとして、偏波面保存光ファイバー１
４を用いているので、照明光１１および反射光１１’の
ゆらぎが抑えられ、むらの無い高画質の顕微鏡像を再生
可能となる。

なお本発明の共焦点走査型顕微鏡は、透過型専用に構成
することも勿論可能である。そうする場合も、照明光を
伝搬させる光ファイバーとして偏波面保存光ファイバー
を用い、さらに好ましくは、試料からの透過光の伝搬用
にも偏波面保存光ファイバーを用いることにより、照明
光あるいは、照明光および透過光のゆらぎを抑えること
が可能となる。

（発明の効果）以上詳細に説明した通り、本発明の共焦点走査型顕微鏡
においては、送光光学系と受光光学系とを一体的に移動
台に保持させ、この移動台を往復移動させて光点の主走
査を行なうように構成したから、試料台を高速で移動さ
せる必要がなく、よって試料が飛んでしまうことを防止
可能で、また、高速走査も可能となる。

そして本発明の共焦点走査型顕微鏡においては、照明光
ビームが振られることがないから、光学系の設計が容易
となり、またガルバノメータミラーやＡＯＤ等の高価な
光偏向器が不要で簡単な構造となっているから、本装置
は従来の共焦点走査型顕微鏡に比べて安価に形成可能と
なる。

さらに本発明の共焦点走査型顕微鏡においては、移動台
に搭載される送光光学系に光ファイバーを結合して、こ
の移動台外に光源を配置できるようにしているので、移
動台を軽量化することが可能である。したがって、照明
光走査を著しく高速化することが可能となり、顕微鏡像
の撮像所要時間を大幅に短縮することができる。

また本装置においては、上記光ファイバーとして、特に
偏波面保存光ファイバーを使用しているので、そこを伝
搬する光のゆらぎが抑えられ、高画質の顕微鏡像を再生
可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１実施例による共焦点走査型顕微
鏡を示す概略正面図、第２図と第３図はそれぞれ、上記共焦点走査型顕微鏡の
要部を示す平面図と側面図、第４図は、上記共焦点走査型顕微鏡に用いられた偏波面
保存光ファイバーの断面図、第５図は、本発明の第２実施例による共焦点走査型顕微
鏡を示す概略正面図である。１０・・・ＲＧＢレーザ　　　１１・・・照明光１１′
・・・透過光　　　　　１１”・・・反射光１１Ｂ・・
・青色光　　　　　１１Ｇ・・・緑色光１１Ｒ・・・赤
色光１４．２４・・・偏波面保存光ファイバー１５・・・移
動台１６・・・コリメーターレンズ　１７．１９・・・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２
３・・・試料２Ｂ、２８．５６．５８・・・ダイクロイックミラー２
７．２９．３１．５７．５９．６１．７２・・・光検出
器３０．６０・・・ミラー　　　　３２・・・架台３３
・・・積層ピエゾ素子　　３４・・・ピエゾ素子駆動回
路３５・・・２次元移動ステージ３６．３９・・・モータ駆動回路　３７．４０・・・パ
ルスモータ３８・・・マイクロメータ　　　４１・・・
制御回路４７．４８．４９．５２．５３．５４．７１・
・・ピンホール板５０．５１・・・λ／４板　　　７０
・・・レーザダイオード第図第図第図第図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）試料が載置される試料台と、直線偏光した照明光を発する光源と、一端から入射された前記照明光を伝搬させて他端から出
射させる偏波面保存光ファイバーと、この偏波面保存光
ファイバーの他端と一体的に保持され、該他端から出射
した照明光を試料上において微小な光点として結像させ
る送光光学系と、前記試料からの光束を集光して点像に
結像させる受光光学系と、この点像を検出する光検出器と、前記送光光学系と受光光学系とを一体的に保持する移動
台と、この移動台を、前記光点が前記試料上を一方向に主走査
するように往復移動させる主走査手段と、前記移動台と
試料台とを、前記主走査の方向とほぼ直交する方向に、
該主走査の速度よりも低い速度で相対移動させて、前記
光点を前記試料上において副走査させる副走査手段とか
らなる共焦点走査型顕微鏡。
（２）前記送光光学系と受光光学系とが共用化されて、
試料からの反射光を前記他端から前記偏波面保存光ファ
イバーに入射させるように構成されるとともに、この偏波面保存光ファイバーの一端から出射した前記反
射光を、該光ファイバーに向かう照明光の光路から分岐
させる光アイソレータが設けられていることを特徴とす
る請求項１記載の共焦点走査型顕微鏡。