JPH05224127A - 共焦点走査型微分干渉顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高速走査が可能で、かつ、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微分干渉顕微鏡を
提供する。 【構成】 送光光学系18と、受光光学系21と、微分干渉
光学系を構成するウォラストンプリズム１、２とを一体
的に移動台15に保持し、この移動台15を積層ピエゾ素子
33により一方向に往復移動させ、照明光光点Ｐ１、Ｐ２
を試料23上において主走査させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は共焦点走査型顕微鏡に関
し、特に詳細には、透明試料の位相情報を可視化する共
焦点走査型微分干渉顕微鏡に関するものである。

【０００２】

【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。

【０００３】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。

【０００４】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62-217218 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。

【０００５】一方従来より、透明な物体（位相物体）を
観察するための顕微鏡の一つとして、微分干渉顕微鏡が
提供されている。この微分干渉顕微鏡は基本的に、照明
光を試料上において微小距離分離するように２系統に分
岐するとともに、試料を経た光を合波する微分干渉光学
系を備え、試料を経た上記２系統の光を互いに干渉さ
せ、それにより、試料の位相情報（位相変化の勾配）を
明暗に変換するようにしたものである。

【０００６】また文献“Ｃｏｎｆｏｃａｌ Ｍｉｃｒｏ
ｓｃｏｐｙ”，Ｔｏｎｙ Ｗｉｌｓｏｎ；Ａｃａｄｅｍ
ｉｃ Ｐｒｅｓｓ （1990）ｐ．53〜58には、１系統の
照明光で試料を照明し、試料を経た光を微分干渉光学系
により２系統に分岐し、それらを別個の光検出器で検出
し、これら両光検出器の出力の差分を取ることによって
実質的に干渉状態を検出するようにした微分干渉顕微鏡
も提案されている。

【０００７】

【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、◆(1) 試料台を
２次元的に移動させる機構、あるいは、◆(2) 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。

【０００８】しかし(1) 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、ほぼリ
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。

【０００９】一方、(2) 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(2) 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。

【００１０】また従来、前述したような微分干渉顕微鏡
を、共焦点走査型のものとして構成する試みもなされて
いるが、その場合も、以上説明したような問題が同様に
生じるものとなっていた。

【００１１】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
走査型微分干渉顕微鏡を提供することを目的とするもの
である。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明による共焦点走査
型微分干渉顕微鏡は、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、◆上記の送光光学系と受光光学系と微分干渉光学系
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走査機構を構成した
ことを特徴とするものである。

【００１３】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。

【００１４】

【作用および発明の効果】上記の構成においては、送光
光学系と受光光学系と微分干渉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。

【００１５】そして本発明の共焦点走査型微分干渉顕微
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微分干渉
顕微鏡に比べて安価に形成可能となる。

【００１６】

【実施例】以下、図面に示す実施例に基づいて本発明を
詳細に説明する。

【００１７】図１は、本発明の第１実施例による透過型
の共焦点走査型微分干渉顕微鏡を示すものである。図示
されるように単色光レーザ10からは、照明光としての直
線偏光のレーザビーム11が射出される。この照明光11は
コリメーターレンズ12で平行光化された後、偏波面調整
用のλ／２板９に通され、収束レンズ13で集光されて偏
波面保存光ファイバー14内に入射せしめられる。

【００１８】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、該光ファイバー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
15には、コリメーターレンズ16および対物レンズ（コン
デンサーレンズ）17からなる送光光学系18が保持されて
いる。そしてこれら両レンズ16、17の間には、ウォラス
トンプリズム１が配されている。

【００１９】また移動台15には、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が保持されている。こ
れら両レンズ19、20の間には、ウォラストンプリズム２
が配されている。このウォラストンプリズム２は、上記
ウォラストンプリズム１および対物レンズ17、19ととも
に微分干渉光学系を構成している。上記２つの光学系1
8、21は、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。

【００２０】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、相異なる偏光成分がそれぞれウォ
ラストンプリズム１によって２系統に分岐される。分岐
した照明光11ａ、11ｂはそれぞれ対物レンズ17によって
集光され、試料台22に載置された試料23上で（表面ある
いは内部で）微小な光点Ｐ１，Ｐ２に収束する。なお上
述した微分干渉光学系は、これらの光点Ｐ１，Ｐ２の中
心間距離が、それらのスポット径よりも十分小さくなる
ように形成されている。

【００２１】試料23を透過した透過光11’ａ、11’ｂ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、ウォラストンプリズム２によって合波され、検光
子３を通過した後、集光レンズ20によって集光されて、
点像Ｑに結像する。この結像位置において移動台15には
ピンホール板26が固定されており、このピンホール板26
を通過した透過光11’が、例えば光電子増倍管等の光検
出器27によって検出される。この光検出器27からは、光
検出信号Ｓが出力される。

【００２２】前述したように、２系統に分岐された照明
光11ａ、11ｂはそれぞれ、試料23上で微小距離離れた２
点を透過した後に合波されるので、それらの光が互いに
干渉する。この干渉状態は、照明光11ａ、11ｂが照射し
た試料23の２つの部分の位相変化の勾配に応じて変わる
ので、上記信号Ｓはこの位相変化の勾配を示すものとな
る。こうして、試料23の位相情報を示す信号Ｓが得られ
るので、この信号Ｓを例えばＣＲＴ表示装置等に入力す
ることにより、上記位相情報を明暗像として再生するこ
とができる。

【００２３】なお本実施例では光検出器27が架台32に固
定されており、後述のように、照明光11の主走査のため
に移動台15は架台32に対して相対移動するので、光検出
器27としてはある程度広い受光面を有するものが用いら
れる。なお、この光検出器27は、受光光学系21とともに
移動台15に固定されても構わない。

【００２４】また、上記のように透過光11’をピンホー
ル板26を介して検出することにより、そのハローや、試
料23で散乱した光等の不要光をカットすることができ
る。さらに本実施例では、透過光11’を検光子３に通し
て、照明光11と同じ向きに直線偏光した透過光11’のみ
を検出するようにしているから、試料23周りの不要光を
光検出器27が検出してしまうことがより確実に防止され
る。

【００２５】次に、照明光光点Ｐ１、Ｐ２の２次元走査
について説明する。上記移動台15と架台32との間には、
積層ピエゾ素子33が介装されている。この積層ピエゾ素
子33はピエゾ素子駆動回路34から駆動電力を受けて駆動
し、移動台15を矢印Ｘ方向に高速で往復移動させる。な
お、光ファイバー14は可撓性を有するので、照明光11を
伝搬させつつ、移動台15の振動を許容する。

【００２６】一方試料台22と架台32との間には、積層ピ
エゾ素子47、49が介装されている。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駆動し、試
料台22をＹ方向（図の紙面に垂直な方向）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Ｐ１、Ｐ２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。

【００２７】以上のようにして照明光光点Ｐ１、Ｐ２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次元位相情報を担持する連続的な信号Ｓが得られる。
この信号Ｓ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。

【００２８】また、上端に上記副走査用積層ピエゾ素子
47を固定し、下端が粗動ステージ51を介して架台32に取
り付けられた積層ピエゾ素子49は、ピエゾ素子駆動回路
50から駆動電力を受けて駆動し、試料台22を保持した積
層ピエゾ素子47を、主、副走査方向Ｘ、Ｙと直交する矢
印Ｚ方向、（光学系18、21の光軸方向）に移動させる。
こうして試料台22をＺ方向に所定距離移動させる毎に照
明光光点Ｐの２次元走査を行なえば、試料23の表面に微
細な凹凸が有る場合でも、合焦点面の情報のみが光検出
器27によって検出される。そこで、この光検出器27の出
力Ｓ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。

【００２９】なおピエゾ素子駆動回路34、48および50に
は、制御回路35から同期信号が入力され、それにより、
光点Ｐ１、Ｐ２の主、副走査および試料台22の光軸方向
移動の同期が取られる。

【００３０】また粗動ステージ51は手動で、あるいは駆
動手段を用いてＹ方向に移動可能であり、こうして試料
台22を動かすことにより、試料23の交換を容易に行なう
ことができる。

【００３１】次に、図２を参照して本発明の第２実施例
について説明する。なおこの図２において、図１中の要
素と同等の要素には同番号を付し、それらについての重
複した説明は省略する。

【００３２】この第２実施例の共焦点走査型微分干渉顕
微鏡は、前記文献“Ｃｏｎｆｏｃａｌ Ｍｉｃｒｏｓｃ
ｏｐｙ”に示される微分干渉光学系を備えたものであ
る。すなわち本装置において照明光11は、送光光学系18
により、試料23上において１つの光点Ｐに収束せしめら
れる。そして試料23を透過した透過光11’は、受光光学
系21の対物レンズ19によって平行光とされ、集光レンズ
20によって集光されるが、ウェッジプリズム４によって
２系統に分岐される。分岐した透過光11’ａ、11’ｂは
各々点像Ｑ１、Ｑ２に結像し、これらの点像Ｑ１、Ｑ２
はそれぞれピンホール板26ａ、26ｂを介して、光検出器
27ａ、27ｂによって検出される。これらの光検出器27
ａ、27ｂからはそれぞれ、光検出信号Ｓ１、Ｓ２が出力
される。

【００３３】上記２つの点像Ｑ１、Ｑ２はそれぞれ、試
料23上における光点Ｐのほぼ半分をなす光が結像したも
のである。つまり、点像Ｑ１に結像する光と、点像Ｑ２
に結像する光は、試料23上において微小距離離れた相異
なる点を通過したものである。したがって、上記の光検
出信号Ｓ１、Ｓ２から、Ｓ１−Ｓ２あるいはＳ２−Ｓ１
なる信号を求めれば、その信号は第１実施例における信
号Ｓと同様に、試料23の位相変化の勾配を示すものとな
る。

【００３４】なお、試料台22を移動させることによって
照明光光点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この副走査を行なうようにしてもよ
い。また移動台15や試料台22の移動は、積層ピエゾ素子
を利用して行なう他、例えば音叉、ボイスコイルあるい
は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。

【００３５】また、以上、透過型のモノクロ共焦点走査
型顕微鏡に適用された実施例について説明したが、本発
明は反射型の共焦点走査型顕微鏡にも、さらには共焦点
型以外の走査型顕微鏡にも、そしてカラー画像を撮像す
る走査型顕微鏡にも適用可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例による共焦点走査型微分干
渉顕微鏡を示す概略側面図

【図２】本発明の第２実施例による共焦点走査型微分干
渉顕微鏡を示す概略側面図

【符号の説明】

１、２ ウォラストンプリズム ３ 検光子 ４ ウェッジプリズム 10 単色光レーザ 11、11ａ、11ｂ 照明光 11’、11’ａ、11’ｂ 透過光 14 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 21 受光光学系 22 試料台 23 試料 32 架台 33、47、49 積層ピエゾ素子 34、48、50 ピエゾ素子駆動回路 35 制御回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料が載置される試料台と、 照明光を発する光源と、 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、 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、 微分干渉光学系と、 前記送光光学系と受光光学系と微分干渉光学系とを一体
   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微分干渉顕微鏡。