JPH06202023A - 改善された走査機構を用いた走査型顕微鏡 - Google Patents

改善された走査機構を用いた走査型顕微鏡

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JPH06202023A
JPH06202023A JP5169946A JP16994693A JPH06202023A JP H06202023 A JPH06202023 A JP H06202023A JP 5169946 A JP5169946 A JP 5169946A JP 16994693 A JP16994693 A JP 16994693A JP H06202023 A JPH06202023 A JP H06202023A
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scanner
resonant
deflector assembly
frequency
resonance
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JP5169946A
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Jean I Montagu
ジーン・アイ・モンターギュ
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General Scanning Inc
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    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/10—Scanning systems
    • G02B26/101—Scanning systems with both horizontal and vertical deflecting means, e.g. raster or XY scanners
    • G—PHYSICS
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 共振走査の高速処理能力を採用することがで
き、またパニング能力を必要とする場合であっても共振
的に走査を行うことが可能である、目標領域における目
標スポットの位置の変更機構を備えた共焦点顕微鏡を提
供すること 【構成】 スキャナアセンブリ38を備えた共焦点型顕微
鏡10であり、ｘ軸デフレクタアセンブリは平行な軸に関
して異なる周波数で発振する２つの共振型スキャナ50,5
2を備える。ここで前記周波数の一方は他方の高調波周
波数である。結果として、ｘ軸走査はそれが共振的に提
供された場合であってもほぼ線形とすることができ、こ
のため共振システムの高速処理能力により利益を得るこ
とができる。ガルバノメータ式スキャナ64はその軸のま
わりに共振型スキャナ50の内の１つのハウジングを回動
させてｘ軸のパニングを提供する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、走査型顕微鏡に関し、
特に、目標領域における目標スポットの位置を変更する
ために採用される機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】走査型顕微鏡の動作の特徴を示す或る種
の走査型顕微鏡として、共焦点型顕微鏡を図１に示す。
同図において、目標物12は一般に（必須ではないが）従
来の顕微鏡で用いられる類のものであり、通常の態様で
目標面14を画像平面16へ結像させる。勿論、従来の顕微
鏡では、画像平面14の観察される部分全体に連続的に照
明が当てられ、対物光学機器は、観察される目標面14の
全ての部分に対して同時に焦点合わせを維持しなければ
ならない。即ち、従来の顕微鏡は、全ての画像要素（画
素）を並列処理するものと考えることができる。当業者
であれば、それが多くの妥協を必然的に伴うものであ
り、光学ノイズや歪、及び解像度の制限等が生じること
になる、ということが理解されよう。また、照明源から
の光は、目標面の全領域に分配されなければならず、こ
のため、観察される目標物のあらゆる小部分は、光源の
放射した光出力のうちのほんの僅かの光エネルギーしか
受けることができない。
【０００３】走査型の顕微鏡、特に、共焦点型顕微鏡
は、上述の従来の顕微鏡における制約を削減するもので
ある。光源、一般にはレーザ18が、走査レンズ20を含む
経路を介して光を送出する。前記走査レンズ20は、レー
ザ出力のほぼ全体を画像平面中の小さな点に集束させ、
次いで目標面14中の対応する小さな目標スポットに対し
て結合される(conjugate)。その結果として、レーザ18
は、任意の時点において、目標面14中の小さな目標スポ
ットだけに照射を行う。従って、レーザ出力のほぼ全体
が単一の目標スポットに伝送され、そのレーザはまた、
走査レンズ20その他のレンズ、及び、検出レンズ22や後
述する特定の他の要素により、光検出器26の入口アパー
チャ24へと結合される。
【０００４】より詳細には、レーザ18の出力は、内部焦
平面30を有するビームエキスパンダ28を介して伝搬し、
また、検出器26の入口アパーチャ24のように、画像平面
16中の単一スポットに結合し、このようにして伸長され
たレーザビームは、２枚のミラー32,34により（図１に
示すように）ダイクロイックミラー36へと方向付けられ
る。ダイクロイックミラー36は、以下で説明するスキャ
ナアセンブリ38にレーザ光を通過させるものである。ス
キャナアセンブリ38は、走査レンズ20を介して目標物12
へとレーザ光を進行させる。反射された光は、目標物1
2、走査レンズ20、及びスキャナアセンブリ38を介して
戻り、即ち、入射光及び反射光の経路は共通の経路部分
を共有する。その２つの経路は、ダイクロイックミラー
36において分岐し、これにより戻り光が検出レンズ22を
介して検出器26へと反射される。
【０００５】スキャナ38の目的は、レーザ18からの入射
光と目標面14からの反射光との双方の進路を変更し、こ
れにより、画像平面16中のスポットを移動させて、ビー
ムエキスパンダの焦点30と検出器のアパーチャ24との両
者が結合される目標面14内への移動を行うことである。
スキャナは一般には、そのポイントをラスタ走査方式で
移動させ、スキャナ38と同期して動作するラスタ走査デ
ィスプレイ40が、結果的に生じる検出器の出力を表示す
る。
【０００６】当業者に理解されるように、そのような構
成は、大幅に優れた性能及び利点を有するものである。
特に、例えば検出器のアパーチャ24は、ビームエキスパ
ンダの焦平面30中に配置された対応するアパーチャと同
様にピンホールとして機能することが可能であり、これ
により、空間フィルタリングを提供して解像度を改善す
ることができる。更に、任意の時点では目標面の極小部
分のみに照射が行われるので、目標面の別の位置からの
極めて少量の光を結像に利用することができる。これ
は、検出器のピンホールに対する光学系の歪であってノ
イズとして働くものが存在するからである。別の利点と
して、注目に値する光効率が挙げられる。この光効率に
より、走査型顕微鏡において目標物に照射を行うために
必要な電力が、それと同レベルの照射を従来の顕微鏡で
得るために必要な電力に比較して極めて僅かとなる。更
に、上述のような照射方法は、目標スポットにおいて瞬
間的に高い光強度を達成することを実践的なものとする
ため、或る所望の結像技術（蛍光体を用いるもの等）
は、それ以外の結像技術よりも一層実践的なものとなる
傾向にある。
【０００７】高開口数の目標物を採用することにより、
共焦点型顕微鏡は、生物サンプル等の半透明の目標物の
３次元画像を形成するのに特に良く適合する。この共焦
点型顕微鏡は、サンプル中の異なる深度で得た一連の２
次元的な「薄片」を抽出する。そのようにして抽出され
た薄片を逐次参照し、即ちコンピュータにより処理を施
して、そのサンプルの異なる角度での薄片が生成され
る。これと類似した技術を用いて、非平坦で不透明の目
標物の高解像度画像を得ることも可能である。
【０００８】しかし、スキャナ機構のため、幾つかの問
題が生じる。図２は一般的なスキャナ機構を示すもので
ある。このスキャナ機構は、電流により(galvanometric
ally)駆動されるミラー42という形態で第１の検出機構
を備えている。そのミラー42は、ｘ軸と呼ぶことができ
る軸に平行に目標スポットを移動させるように回動する
ものである。この場合、ミラー42は、それと同様に駆動
されるミラー44へとレーザビームの進路を変更させ、こ
れにより、目標スポットが前記ｘ軸と直交するｙ軸に平
行な方向に移動することになる。図示のスキャナ機構で
は、ミラー44は、その中央を通って延びる軸のまわりを
回動し、一方、ミラー42は、そのミラー表面から隔置さ
れた軸46のまわりを「水かき」的な態様で回動する。こ
の構成の結果として、レーザ源からの光がミラー42から
反射される角度は変動するが、戻ってくるビームがミラ
ー44に当たる位置は変化しないことが容易に分かる。結
果的に、ミラー44は、ミラー42と同程度に迅速に多数回
だけ回動しなければならないものであり、比較的小さく
保つことが可能なものである。
【０００９】その小さなサイズにも関わらず、共焦点顕
微鏡に必要とされるかなり厳しい要件を満たすために必
要な速度を得ることは困難である。上述の複数の走査を
行うため、各ラスタ走査が極度に速くない限り、完全な
画像の獲得時間が不都合に長くなる可能性がある。更
に、共焦点顕微鏡は、非常に高価になる傾向にあり、こ
のため、使用する特殊部品をできる限り少なくすること
により、その傾向をある程度緩和することが望ましい。
従って、極めて高速なテレビジョン走査速度との適合性
を機械的走査に持たせることが有利である。これは、高
解像度テレビジョンとの適合性が所望されるようになる
場合に特に言えることである。
【００１０】これらの困難は、光源からの経路と検出器
への経路との両経路における走査を提供する共焦点顕微
鏡だけに当てはまるものではなく、それらの経路の一方
のみで走査を行う他のタイプの走査型顕微鏡にも該当す
るものである。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】従来の部品から共焦点
その他の走査型顕微鏡を作成する上での問題の多くは、
非共振走査を採用するという明確な必要性に起因するも
のである。非共振走査では、スキャナはその動作が駆動
信号にほぼ忠実に従うように駆動される。所定の費用及
び出力レベルに関してそのようなスキャナから得られる
走査周波数は、共振型スキャナから得られる走査周波数
よりはるかに低い。ここで、前記共振型スキャナは、そ
の機械的共振の近傍で動作し、従ってその駆動信号に忠
実に従うものではない。非共振走査の明確な必要性は、
共振型顕微鏡では容易には提供することができないパニ
ング(panning)機能を提供することが走査型顕微鏡に必
要とされる場合が多い、という事実より生じたものであ
る。更に、目標スポットが、非共振走査により最も容易
に提供される一定速度型の動作を行わない限り、光源
は、その照明が例えばルミネセンス用途により要求され
る均一性を有するように、走査に従って特に変調されな
ければならない。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明は、共振型スキャ
ナの使用をそのような用途に適したものとする構成を有
する。本発明のある局面によれば、共焦点顕微鏡は或る
スキャナシステムを採用する。そのスキャナシステム
は、或る１つの軸に関するデフレクタアセンブリが複数
の共振周波数を有し、そのうちの１つは基本走査周波数
であり、それ以外の少なくとも１つは前記基本走査周波
数の高調波周波数である。結果として生じる偏向は、デ
フレクタアセンブリが共振的に駆動される場合であって
も、ほぼ線形となる。その結果、共振走査の高速処理能
力を共焦点顕微鏡に採用することが可能となる。
【００１３】本発明の別の局面によれば、共焦点その他
の走査型顕微鏡は、それがパニング能力を必要とする場
合であっても、共振的に走査を行うことが可能となる。
本発明のこの局面によれば、同一軸に沿った偏向のため
に共振ドライブと非共振ドライブとの両者を複合させた
ものが採用される。共振型スキャナのハウジングは、例
えば、ガルバノメータその他のモータにより回転させ
て、共振走査方向にパニングさせることができる。その
代替策として、同一軸に沿った偏向のために第２の非共
振駆動されるミラーを設けることが可能であり、この場
合、非共振的に生成された動作を共振的に生成された動
作上に重畳させることができる。
【００１４】高調波関係にある共振動作の重畳は、過去
において他の用途のために提案されたものであるが、従
来の方法はいくつかの困難に遭遇するものであった。そ
れらの困難は、精確な位相及び振幅の関係が様々な高調
波成分間で維持されなければならないという事実に起因
する。共振走査の振幅の（比較的低い）所望の割合での
変調は難しくないが、所望の位相関係を維持する従来の
方法によって問題が生じる。これは、駆動信号と共振動
作との間の位相関係が、駆動信号の周波数とスキャナ
（一般には高Ｑスキャナ）の固有周波数との間の差に極
度に反応するからである。特に、例えば経時年数または
温度等の環境的要因により、駆動周波数のほんの微かに
上下の値の間で固有周波数がドリフトした際に、駆動信
号とスキャナ動作との間の位相差に約180゜の急変化が
生じる。
【００１５】更に、本発明の別の局面によれば、所与の
動作軸に関するスキャナの内の１つは調整可能であり、
高調波関係にある２つの共振間の位相関係は、駆動信号
を調整するのではなく、調整可能なスキャナの共振周波
数を調整することにより維持される。この方法により、
正弦動作成分の間の位相関係のはるかに安定した制御が
提供され、従って、線形走査用に共振型スキャナを用い
ることが一層実践的になる、ということが分かった。
【００１６】本発明の上述その他の特徴及び利点につい
ては、図面に関連して以下で詳細に説明することとす
る。
【００１７】
【実施例】本発明の一実施例によれば、図１の共焦点型
顕微鏡10のスキャナアセンブリ38は、２つのスキャナ5
0,52（図３参照）からなるｘ軸デフレクタアセンブリを
用いることによりｘ軸において実質的に線形の走査を共
振的に提供する。ここで、前記スキャナ50,52は、（以
下に説明する態様で）高調波関係にある周波数で発振す
るものである。例えば、スキャナ50を2kHz共振型スキャ
ナとし、スキャナ52を6kHz共振型スキャナとすることが
できる。これらの周波数成分は、2kHzの三角波の２つの
最高振幅周波数成分である。従って、これらの２つのス
キャナの動作の位相及び振幅が適切な関係にある場合に
は、三角波を近似したｘ偏向、即ち目標スポットの実質
的に線形の動作が時間の関数として生じることになる。
【００１８】図示の実施例がフーリエ成分の内の２つし
か使用しない場合であっても、結果として生じる三角波
の近似は極めて良好なものとなる。周期Ｔの矩形波と、
単一の正及び負の振幅、即ちそれぞれのピーク間の振幅
とのフーリエ拡張は次式により求められる。
【００１９】
【数１】
【００２０】この方程式から、第５高調波を除外する
と、その高調波の欠如により、(8/π2)(1/52)=0.0324の
誤差、または矩形波のピーク間の振幅の2％より小さい
誤差が生じることになる、ということは明白である。事
実、一層高次の高調波を全て除外することにより実際に
それ以上に誤差が小さくなることを示すことが可能であ
る。従って、所望の波形に対する良好な近似は、２つの
高調波のみを使用することからでも結果を得ることがで
きる。勿論、そのような精度は、あらゆる波形に関する
２つの高調波から得られるものではない。特に、ノコギ
リ波は、同程度の精度を得るために一層多数の高調波を
必要とする。しかし、原理は同一であり、即ち、共振周
波数が高調波関係にある複数の共振型スキャナを用いる
ことにより非正弦の周期的な偏向波形を達成することが
可能になる。
【００２１】図示の実施例では、ｙ軸動作は「水かき(p
addle)」状に構成されたガルバノメータ式スキャナ58に
より生成され、即ち、光ビームがミラー60の回動軸から
離間した位置でそのミラー60に当たるようになってい
る。そのミラー60の回動は、到来及び出射ビーム62が偏
向される角度を変更するだけでなく、それらのビームが
当たるミラー60上の位置も変更する。この構成は、ビー
ムがｘ軸ミラー54,56に当たる点の結果的な動作を最小
限にするためのものであり、ビームは、ミラー54,56の
間の支点を中心として回動するように見え、高周波数共
振型スキャナにとって好適であるように、それらのミラ
ーの大きさを最小限に維持することができるようになっ
ている。Montaguの「Two-Mirror Scanner with Pincush
ion ErrorCorrection」と題する米国特許第5,048,904号
で説明されているように、ガルバノメータ式スキャナ58
と（一般には電界平坦化(field flattening)）目標物12
（図１参照）との間の共振型スキャナ50,52のこの配置
により、いわゆるラスタ形状の糸巻型ひずみの修正に適
した構成が生じることになる。この構成は、上述以外の
構成では生じないものである。
【００２２】このように、高調波関係にある共振を採用
することにより、従来の高解像度ディスプレイでの使用
に必要とされる高い走査速度を得ることができ、また、
ある種の蛍光(fluorescent)顕微鏡用途にとって特に重
要な線形走査も得ることができる。
【００２３】しかし、上述のように、多くの共焦点型顕
微鏡では、ズーミング及びパニングを提供することが望
ましい。ズーミングは、勿論、単純にスキャナ動作の振
幅を調整することにより容易に与えられる。また、パニ
ング、即ちイメージの中心の位置の変更は、ガルバノメ
ータ式スキャナ58を適切に制御することにより、ｙ軸方
向に容易に提供される。しかし、ｘ軸方向でのパニング
は容易には達成できない。これは、スキャナ50,52が、
共振型スキャナであり、その動作に対する「DC成分」の
追加に助力することがないからである。
【００２４】しかし、本発明によれば、別のスキャナ64
がｘ軸デフレクタアセンブリに含まれる。このスキャナ
はガルバノメータ式スキャナであり、スキャナ50,52が
提供する共振動作に「DC」パニング動作を重畳するのに
用いられる。スキャナ50は回転可能に取り付けられ、動
作減速器66によりガルバノメータ式スキャナ64が回動で
きるようになっている。ここで、前記動作減速器66は、
スキャナ64から見た場合のスキャナ50の見かけの慣性モ
ーメントを減少させるものである。
【００２５】動作減速器66は、図４(a),(b)に示すよう
に弾性バンド68を含む。同図に示すように、弾性バンド
68には、スロット70及び相補型(complementary)ネック
領域72が形成され、図４(b)に示すように、前記スロッ
ト70を通して舌部74が挿入されてループ76が形成され
る。ガルバノメータ式スキャナ64のシャフト78は、ルー
プ76に挿入され、開口部80を通した杭の打ち込み等によ
り、バンド68がシャフト78に固定される。次いで、バン
ド68の両端部が、共振型スキャナ50のハウジング上の弓
状のヒレ部82の表面に沿って引っ張られて、その両端部
で固定される。バンド68が弾性を有するので、その結合
部のあそびは無視できる。
【００２６】図３の実施例では、ガルバノメータ式スキ
ャナ64が接続される共振型スキャナ50が「無反動(react
ionless)」型のものであることが好適である。この「無
反動」型スキャナの例としては、Paulsenの米国特許第
4,919,500号に記載のスキャナが挙げられる。当業者に
周知であるように、共振型スキャナの共振動作の大部分
は、主にミラーの質量の動作と、その質量が取り付けら
れる弾性部材の歪曲との間のエネルギー交換から生じる
ものである。従来の共振型スキャナでは、その弾性部材
は何らかの方法でスキャナハウジングに固定される。そ
の結果として、図３のガルバノメータ式スキャナ64のよ
うに、共振型スキャナハウジングが取り付けられる構造
は、モータの力により生じるトルクだけでなく、ハウジ
ングに対する弾性部材の力により生じるはるかに大きい
トルクにも耐えなければならない。
【００２７】これに対し、無反動型の共振型スキャナ
は、図５に示す態様で構成される。同図に示すように、
ミラー54が取り付けられたシャフト84は、実質的にはハ
ウジング部86,88のみによって保持され、このハウジン
グ部86,88は、前記シャフト84を細長取付領域90の位置
で保持する。ミラー54は、ハウジング上に取り付けられ
た巻線92と、シャフト84上の磁極部94とからなるモータ
により駆動される。シャフト84は弾性材料からなり、そ
のねじりバネ係数とミラー54の慣性モーメントとの関係
は、スキャナがその意図する共振周波数で駆動される
際、即ちシャフト84のねじり変形がその両端部の反対方
向への動作により生じる際に、ミラーの動作が磁極部
（ロータ）94の位相に対してほぼ180度位相がずれるよ
うにする関係となっている。シャフト84は、ハウジング
が保持する細長領域90がその共振動作の節となるように
構成される。即ち、シャフトのねじり動作の振幅は、そ
の点では本質的にゼロとなり、またその点からの距離と
共に（反対方向に）増大し、シャフトの両端部で最大と
なる。このようにして、共振動作に含まれる高トルクが
ハウジングに伝わることはなく、これにより、ガルバノ
メータ式スキャナ64に必要とされるトルクが大幅に削減
される。
【００２８】ガルバノメータ式スキャナ64と共鳴型スキ
ャナ50との間の機械的接続から生じる上述の複雑さを回
避するために、図６に示すタイプの構成が好適である。
同図において同一部分は同一符号で示した。同図の構成
では、パニングは、共振スキャナ50のハウジングを回転
させるのではなく、ミラー100が光路中に配置されたガ
ルバノメータ式スキャナ98でビームを偏向させることに
より行う。従って、ｘ軸デフレクタは、２つだけではな
く、３つのミラー54,56,100を備える。
【００２９】勿論、図面は２つの共振型スキャナのみを
示し、その一方は、他の共振周波数の第３高調波周波数
で共振するものであるが、更に別のスキャナを設けて別
の高調波を付加して、三角波形の近似化精度を向上さ
せ、また他の波形を生成するようにすることができる。
図示の実施例では、対称三角波に関するフーリエ級数が
奇数の高調波のみを有するが故に奇数の高調波のみを用
いているが、基本的なフーリエ変換理論によれば、その
他の周期的波形に関して別の高調波の組合わせが必要と
される。
【００３０】更に、本目的のためには、単独で共振する
個別のスキャナを用いることが好適であるが、原理的に
は、その単独で共振する個別のスキャナを、多重(multi
ply)共振スキャナと置き換えることもできる。例えば、
Burrerの米国特許第4,859,846号に、そのようなスキャ
ナの動作が説明されており、恐らくはそこで用いられて
いる制御システムと共にそのようなスキャナを用いて本
発明の教示を実施することができるであろう。
【００３１】しかし、図７に示すタイプの制御システム
を用いることが好適である。上述のように、高調波関係
にある共振を用いたデフレクタアセンブリの制御に伴う
従来の困難の１つに、共振動作成分の相対位相の制御が
困難である、ということがある。これは、経時年数、消
耗、周囲温度等の要因における小さな変動の結果とし
て、駆動信号と共振近傍の高Ｑスキャナの動作との間の
位相関係が強烈な変化を受ける可能性があるからであ
る。この問題は、駆動信号の位相を直接制御するのでは
なく、好適には従来の位相ロックループで用いられてい
るものと類似した方法で、調整可能スキャナを調整する
ことで、図７の制御システムにより解決される。従来の
場合と同様に、位相検出器104は、スキャナ50,52の出力
（位置または速度）間の位相差を決定する。即ち、位相
検出器104は、基本成分のゼロ交差の発生回数と高調波
成分の隣接ゼロ交差の発生回数との間の差に比例する出
力を生成する。結果的に得られる位相差出力は、スキャ
ナ52の位相（及び効果的には周波数）を制御するために
用いられる。しかし、この位相差は、スキャナ52用の駆
動信号の生成に使用する代わりに、スキャナシャフト84
を取り囲むヒータ要素107（図５参照）を通る電流を変
化させるためにヒータ回路106により用いられる。シャ
フト84のバネ係数はその温度によって決まり、従って、
スキャナの共振周波数もその温度によって決まることに
なる。２つのスキャナの間の位相差に応じてヒータ電流
を制御することにより、それらのスキャナの適切な位相
関係を維持することができる。この場合には、駆動信号
の位相を直接制御することによりスキャナの適切な位相
関係を維持しようとすることから生じる困難を被るとい
うことがない。
【００３２】事実、図７の構成においてスキャナドライ
バ108に加えられる駆動信号は、個別の信号生成器から
到来するものではなく、スキャナ52の出力の正帰還によ
り導出されるものである。その正帰還により、スキャナ
52及びそのドライバ108からなるループは、低振幅の不
安定性を呈し、システムが自励発振し、その振幅は、ド
ライバ108の内部増幅器が飽和状態に達するまで連続的
に増大していく。第３高調波に関してフーリエ係数Ｃ3
によりセットされた適切な所定の振幅を達成するため
に、振幅制御回路110は、飽和状態の増幅器出力を減衰
させるように減衰器112の調節を行う。
【００３３】図示の実施例において、スキャナ50は単
に、そのドライバ114に対する同様の帰還により自励発
振するように構成され、振幅コントローラ116は、基本
成分に関してフーリエ係数Ｃ1により指示された振幅を
維持するために、同様の減衰器118を用いている。
【００３４】それと等価なシステムでは、ヒータ要素10
7が、スキャナのシャフトとハウジングとの間で作用す
る磁気スプリングからなるコイルと置き換えられる。そ
のようなバネは、Stokesの米国特許第4,959,568号に記
載のタイプのものとすることができる。なお、その引用
をもってその開示内容を本明細書に包含させたものと
し、その詳細な説明は省略する。そのようなシステム
は、ヒータ要素型の調整可能スキャナの場合ほど広い共
振周波数範囲を提供する傾向を有するものではないが、
その共振周波数は、通常は一層急速に変化可能なものと
なる。
【００３５】図７の構成が好適ではあるが、調整可能ス
キャナ技法の適用可能性の幅を明示する制御機構を図８
に示す。この構成では、自励発振器122がスキャナ52の
ドライバ108に入力を供給する。即ち、スキャナ52は、
この構成ではそのドライバを用いて自励発振することは
なく、従って、発振器122は都合が良いようにシステム
の共振の近傍でスキャナ52を駆動するように構成される
ことになるが、スキャナ52はそのシステムの共振を自動
的に探し出すことはない。スキャナの出力は、恐らくは
位相シフタ124における何らかの位相調整の後に分周器1
26に加えられる。ここで、分周器126の出力周波数は、
その入力周波数の１／３となる。分周器126は、その出
力をスキャナ50のドライバ114に加える。
【００３６】従って、図８の制御システムは、スキャナ
52の出力とスキャナ50への入力との間の一定の位相関係
を維持する。しかし、上述から分かるように、共振の近
傍で動作しているスキャナ50等の高Ｑスキャナの入力及
び出力の間の関係は、大幅に変動し得るものであり、こ
れは、所望の非正弦の周期的信号を提供するために多重
共振システムを用いるという従来の試みにおける問題の
発生源となってきた。従って、上述のもののみで構成さ
れている場合には、スキャナ52の出力とスキャナ50の入
力との間の関係が一定にされている場合であっても、ス
キャナ50,52の出力間の位相関係は変化する傾向を有す
ることになる。しかし、図８の制御システムは、スキャ
ナの入力及びその出力の間の位相差（即ち、等価的に
は、スキャナ50,52の出力間の位相差）に応じてスキャ
ナ50の共振周波数を調節することにより、出力間の位相
関係を一定に保って、従来の構成における困難を回避す
るものである。
【００３７】詳細には、図８の構成は、位相検出器104
に類似した位相検出器128を用いている。位相検出器128
は、２つのスキャナの出力間の差に応じて、図７のヒー
タコントローラ106に類似したヒータコントローラ130へ
制御信号を供給する。このヒータコントローラ130は、
スキャナ50の共振周波数を調節する。このようにして、
図８の構成により、目標スポットの動作の２つの高調波
成分間の位相関係が適切に維持される。
【００３８】このように、本発明は、幅広い範囲の実施
例において実施可能なもので、当業界において非常に大
きな前進を確立したものであることは明白である。
【００３９】
【発明の効果】本発明は上述のように、共振走査の高速
処理能力を採用することができ、またパニング能力を必
要とする場合であっても共振的に走査を行うことが可能
である、目標領域における目標スポットの位置の変更機
構を備えた共焦点顕微鏡を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の対象となるタイプの共焦点式走査型顕
微鏡を示すブロック図である。
【図２】従来の共焦点型顕微鏡用のスキャナアセンブリ
を示す斜視図である。
【図３】本発明の一実施例に用いられるスキャナを簡素
化して示す斜視図である。
【図４】(a)は図３のスキャナアセンブリに用いられる
歯車減速器を示す側面図、(b)はその斜視図である。
【図５】図３のスキャナアセンブリに用いられる無反動
型スキャナを一部を断面して示す分解斜視図である。
【図６】本発明の代替実施例におけるスキャナアセンブ
リを簡素化して示す斜視図である。
【図７】図３及び図６のスキャナアセンブリの高調波関
係にある２つの共振間の適切な位相関係を維持するため
の制御システムを示すブロック図である。
【図８】制御システムの代替実施例を示すブロック図で
ある。
【符号の説明】
10 共焦点型顕微鏡10 14 目標面 18 レーザ 26 光検出器 38 スキャナアセンブリ38 50,52,58,64 スキャナ 122 自励発振器 128 位相検出器

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】光源及び光検出器の内の少なくとも一方
    と、 目標領域中の目標スポットと前記光源または前記光検出
    器との間の光路を決定する手段と、 前記光路中に配置されたスキャナアセンブリであって、 偏向軸と、第１の基本共振周波数及びその基本共振周波
    数の高調波である別の高調波共振周波数の両方での共振
    とに関連する、少なくとも１つのデフレクタアセンブリ
    と、 前記２つの共振周波数における目標スポットの動作成分
    間の所定の位相関係を維持するための制御装置を備え、
    前記デフレクタアセンブリを非共振的に駆動すると同時
    にそのデフレクタアセンブリを基本共振周波数及び高調
    波共振周波数で共振的に駆動することにより、関連する
    偏向軸に対してほぼ平行な方向に目標スポットの位置を
    変化させる駆動機構とを備えた前記スキャナアセンブリ
    とから成ることを特徴とする、光学機器。
  2. 【請求項２】前記スキャナアセンブリが、 前記光路中を伝搬する光を反射するように配置されたミ
    ラーを有する回動可能に取り付けられた第１の共振型ス
    キャナと、 その第１の共振型スキャナを非共振的に回動させるため
    のモータとを備えていることを特徴とする、請求項１記
    載の光学機器。
  3. 【請求項３】前記モータを前記第１の共振型スキャナに
    接続する弾性を有する動作減速器を前記デフレクタアセ
    ンブリが備えていることを特徴とする、請求項２記載の
    光学機器。
  4. 【請求項４】前記第１の共振型スキャナが無反動型スキ
    ャナであることを特徴とする、請求項３記載の光学機
    器。
  5. 【請求項５】前記第１の共振型スキャナが無反動型スキ
    ャナであることを特徴とする、請求項２記載の光学機
    器。
  6. 【請求項６】デフレクタアセンブリが、前記第１の共振
    型スキャナとは別個に第２の共振型スキャナを備え、前
    記第１の共振型スキャナの共振周波数が基本共振周波数
    及び高調波共振周波数の一方であり、前記第２の共振型
    スキャナの共振周波数が基本共振周波数及び高調波共振
    周波数の他方であり、 前記駆動機構が、前記第１及び第２の共振型スキャナを
    各々の共振周波数でそれぞれ駆動するための第１及び第
    ２の別個の駆動手段と、前記モータを非共振的に駆動す
    るための第３の駆動手段とを備えていることを特徴とす
    る、請求項２記載の光学機器。
  7. 【請求項７】前記デフレクタアセンブリが、共振型スキ
    ャナと非共振型スキャナとの両者を備え、その両者の独
    立した個々のミラーが、偏向軸にほぼ平行な方向に目標
    スポットの位置を変化させ、 前記駆動機構が、前記共振スキャナ及び前記非共振スキ
    ャナをそれぞれ共振的及び非共振的に駆動することを特
    徴とする、請求項１記載の光学機器。
  8. 【請求項８】光路中に配置され、目標領域上に焦点を有
    する、顕微鏡用の対物レンズを更に備えることを特徴と
    する、請求項１記載の光学機器。
  9. 【請求項９】前記光学機器が、光源と光検出器との両方
    を備え、 前記光路決定手段が、前記光源の光路と前記光検出器の
    光路とが共通経路部分を有するように、前記目標スポッ
    トと前記光源及び前記光検出器との間の前記光源の光路
    及び前記光検出器の光路をそれぞれ決定し、 前記スキャナアセンブリ及びその目標物が、前記共通経
    路部分中に配置されることを特徴とする、請求項８記載
    の光学機器。
  10. 【請求項１０】光源と、 光検出器と、 目標領域を見るための顕微鏡用の対物レンズと、 前記光源の光路と前記光検出器の光路とが共通経路部分
    を有するように、前記目標領域中の目標スポットと前記
    光源及び前記光検出器との間の前記光源の光路及び前記
    光検出器の光路をそれぞれ決定する手段と、 前記共通経路部分中に配置されたスキャナアセンブリで
    あって、 偏向軸と、第１の基本共振周波数及びその基本共振周波
    数の高調波である別の高調波共振周波数の両方での共振
    とに関連する、少なくとも１つのデフレクタアセンブリ
    と、 前記２つの共振周波数における目標スポットの動作成分
    間の所定の位相関係を維持するための制御装置を備え、
    関連する軸に対してほぼ平行な方向に目標スポットの位
    置を変化させるように前記デフレクタアセンブリを駆動
    するための駆動機構とを備えた前記スキャナアセンブリ
    とから成ることを特徴とする、共焦点顕微鏡。
  11. 【請求項１１】前記デフレクタアセンブリが、共振周波
    数が基本共振周波数である第１のスキャナと、共振周波
    数が高調波共振周波数である第２のスキャナとを備え、 前記駆動機構が、前記第１及び第２のスキャナをほぼ各
    々の共振周波数でそれぞれ駆動するための第１及び第２
    の駆動手段を備えていることを特徴とする、請求項１０
    記載の共焦点顕微鏡。
  12. 【請求項１２】前記制御装置が、 前記２つの共振周波数における前記デフレクタアセンブ
    リの動作の成分の位相を比較するための位相比較器と、 前記位相比較器に応じて、前記２つの共振周波数の成分
    間の所定の位相関係を維持するように前記共振周波数の
    内の１つを制御するための共振周波数制御手段とを備え
    ていることを特徴とする、請求項１１記載の共焦点顕微
    鏡。
  13. 【請求項１３】前記共振周波数制御手段が、前記デフレ
    クタアセンブリを加熱するための加熱要素を備え、その
    加熱要素を用いて前記デフレクタアセンブリを加熱する
    ことにより前記共振周波数の内の１つを調節することを
    特徴とする、請求項１２記載の共焦点顕微鏡。
  14. 【請求項１４】前記共振周波数制御手段が、前記デフレ
    クタアセンブリ内で作用する磁気スプリングを備え、そ
    の磁気スプリングを流れる電流を変化させることにより
    前記共振周波数の内の１つを調節することを特徴とす
    る、請求項１２記載の共焦点顕微鏡。
  15. 【請求項１５】前記制御装置が、 前記２つの共振周波数における前記デフレクタアセンブ
    リの動作の成分間の位相差を表す出力を生成するための
    位相検出器と、 前記位相検出器に応じて、前記２つの共振周波数の成分
    間の所定の位相関係を維持するように前記共振周波数の
    内の１つを制御するための共振周波数制御手段とを備え
    ていることを特徴とする、請求項１０記載の共焦点顕微
    鏡。
  16. 【請求項１６】前記駆動機構が、前記デフレクタアセン
    ブリの動作の少なくとも１つの共振周波数成分に応じ
    て、前記駆動機構及び前記デフレクタアセンブリをその
    周波数で自励発振させることを特徴とする、請求項１５
    記載の共焦点顕微鏡。
  17. 【請求項１７】前記共振周波数制御手段が、前記デフレ
    クタアセンブリを加熱するための加熱要素を備え、その
    加熱要素を用いて前記デフレクタアセンブリを加熱する
    ことにより前記１つの共振周波数を調節することを特徴
    とする、請求項１５記載の共焦点顕微鏡。
  18. 【請求項１８】前記駆動機構が、前記デフレクタアセン
    ブリの動作の少なくとも１つの共振周波数成分に応じ
    て、前記駆動機構及び前記デフレクタアセンブリをその
    周波数で自励発振させることを特徴とする、請求項１７
    記載の共焦点顕微鏡。
  19. 【請求項１９】前記偏向軸に実質的に直交する第２の偏
    向軸にほぼ平行な方向に前記目標スポットの位置を変化
    させるための第２のデフレクタアセンブリをスキャナア
    センブリが更に備えることを特徴とする、請求項１０記
    載の共焦点顕微鏡。
JP5169946A 1992-07-09 1993-07-09 改善された走査機構を用いた走査型顕微鏡 Pending JPH06202023A (ja)

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