JPH10104523A - コンフォーカル顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 特に低倍率の対物レンズを使用したコンフォ
ーカル顕微鏡において、レンズが本来有しているＮＡを
最大限有効に使用して高分解能の画像形成が可能である
とともにスリットを用いる際のシェージングの問題をも
解決する。 【解決手段】 光源31から放射される光を、入射端32ａ
を結束し、出射端32ｂをライン状に配列したファイバ束
32を介してスリット33に入射させ、このスリットの像を
コンフォーカル光学系16, 19, 21, 23および前記スリッ
トと直交する方向に偏向する走査ミラー18を介して試料
22上に投影し、試料からの反射光を走査ミラーを経て１
次元リニアイメージセンサアレイ24に入射させる。スリ
ット33を使用するので、対物レンズ21一杯に光が入射
し、したがって実効的なＮＡが小さくならず、広い視野
に亘って高分解能の画像が得られる。また、ファイバ束
32の出射端32ｂはスリット33の形状に対応してライン状
となっているので、スリットを通過する光量は均一とな
り、シェージングは発生しない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はコンフォーカル顕微
鏡、特に、広視野、低倍率の対物レンズを使用するのに
適したコンフォーカル顕微鏡に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】本願人はすでにコンフォーカル光学系を
採用したレーザ顕微鏡を提案しており、その基本的な構
成は、例えば特公平4-38325 号公報に記載されている。
この従来のコンフォーカル顕微鏡は、図１に示すような
構成を採っている。すなわち、レーザ光源11から放射さ
れるレーザビームをビームエキスパンダ12によって直径
の大きな光束として音響−光学偏向装置13に入射させ
る。この音響−光学偏向装置13をテレビジョンの水平同
期信号と関連した所定の周期で駆動させてレーザビーム
を主走査方向（水平走査方向）に偏向するようにしてい
る。このようにして偏向されたレーザビームを、偏向方
向にのみ屈折作用を有するシリンドリカルレンズ14に入
射させた後、リレーレンズ15に入射させて輝線Ａを形成
する。この輝線Ａを構成するレーザビームをリレーレン
ズ16を経て偏光ビームスプリッタ17に入射させ、この偏
光ビームスプリッタの偏光面で反射されたレーザビーム
を、振動ミラーを有する走査ミラー18に入射させる。こ
の走査ミラー18を、テレビジョンの垂直走査に同期して
駆動し、レーザビームを前記主走査方向と直交する副走
査方向（垂直走査方向）に偏向し、さらにリレーレンズ
19に入射させる。したがって、このリレーレンズ19によ
ってレーザビームによるラスタＢが形成される。このラ
スタＢの像を1/4 λ板20および対物レンズ21を経て試料
面22に結像し、これによって試料面22をラスタ走査する
ようにしている。

【０００３】試料面22で反射されたレーザビームを対物
レンズ21、1/4 λ板20、リレーレンズ19、走査ミラー18
を経て偏光ビームスプリッタ17に入射させる。ここで、
走査ミラー18を通ることによって副走査方向の偏向は相
殺されてなくなる。また、1/4 λ板20を２度通ることに
よりレーザビームの偏光面は90度回転するので、偏光ビ
ームスプリッタ17の偏光面を透過することになる。この
ようにして偏光ビームスプリッタ17を透過したレーザビ
ームを結像レンズ23によって予定焦点面に配置された１
次元イメージセンサアレイ24に収束させる。１次元イメ
ージセンサアレイ24から読み出される画像信号を信号処
理回路25で処理した後、テレビジョンモニタ26上に映出
する。ここで、輝線ＡとラスタＢとは共役であるととも
にラスタＢと試料面22上に形成されるラスタも共役であ
り、さらにラスタＢとイメージセンサアレイ24とが共役
であるので、コンフォーカル光学系が構成されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】図１に示す従来のコン
フォーカル顕微鏡においては、レーザビームを水平方向
に偏向するために音響−光学装置13を使用しているが、
一般に音響−光学装置は偏向角がさほど大きくないの
で、輝線Ａの長さが短くなり、したがって試料面22に形
成されるラスタの水平方向の寸法も短いものとなる。す
なわち、観察視野が音響−光学装置13の偏向角によって
制限されてしまい、広い視野に亘って観察できないとい
う問題がある。

【０００５】さらに、コンフォーカル顕微鏡においても
種々の対物レンズを用意し、観察目的に応じて最適の対
物レンズを選択して使用するようにしている。図２は対
物レンズのＮＡ（開口数）を説明する図であり、ＮＡは
対物レンズの光軸と最外側の光線との成す角度αの正弦
となっており、分解能を決める要素となっている。すな
わち、ＮＡの大きな対物レンズ21ａは高い分解能を有し
ており、反対にＮＡの小さな対物レンズ22ｂは低い分解
能を有している。

【０００６】上述したように、従来のコンフォーカル顕
微鏡においては、ラスタの水平方向の寸法が小さくなる
が、これは広視野を得たい場合に障害となる。この問題
を解決しようとリレーレンズ15, 16の焦点距離比を適当
に選べば視野を広げることはできるが、その場合に対物
レンズ21に入射する光束が著しく小さなものとなり、結
果的に対物レンズ21のごく中心の一部分しか使用しない
ことになる。図３に示すように、高倍率の対物レンズ21
ａを使用する場合には、光を対物レンズの面積一杯に入
射されるのでその影響はないが、低倍率の対物レンズ21
ｂを使用する場合には、レンズの中心部分しか使用しな
いので、実効的なＮＡは著しく小さくなり、したがって
分解能もきわめて低いものとなってしまう。

【０００７】図４は現在入手できる顕微鏡用の対物レン
ズのＮＡと倍率との関係を示したものである。顕微鏡対
物レンズには油浸系と、乾燥系とがあるが、油浸系は一
般に高ＮＡ、高倍率であり、乾燥系は低ＮＡ、低倍率で
ある。したがって、上述したコンフォーカル顕微鏡に低
ＮＡ、低倍率の乾燥系の対物レンズを使用する場合に
は、図３を参照して説明したように分解能が低下してし
まうという問題がある。すなわち、従来のコンフォーカ
ル顕微鏡においては、低ＮＡ、低倍率の対物レンズを使
用する際には、対物レンズの性能を十分に発揮すること
ができず、高解像度の映像を得ることができないという
問題がある。

【０００８】図５は、対物レンズのＮＡが試料の傾斜面
の観察とどのような関係にあるのかを説明するものであ
る。高ＮＡの対物レンズ21ａにおいては、試料27の傾斜
面にレーザビームが照射される場合には、試料の傾斜面
での反射光の一部分は対物レンズの方向に向かうので、
反射光の一部が対物レンズに入射するが、低ＮＡの対物
レンズ21ｂを用いる場合には、試料27の傾斜面での反射
光は対物レンズには向かわないので、対物レンズに入射
しなくなる。このように、コンフォーカル顕微鏡におい
ては、低倍率の対物レンズを用いた場合に、表面の粗い
試料を広い視野に亘って観察することができないという
問題がある。

【０００９】さらに、従来のコンフォーカル顕微鏡とし
てアメリカ特許第4,241,257 号明細書に記載されている
ものも知られている。この既知のコンフォーカル顕微鏡
においては、図１に示すレーザ光源11、ビームエキスパ
ンダ12、音響−光学装置13およびシリンドリカルレンズ
14の代わりに高圧水銀蒸気放電管のような高輝度ランプ
を設け、これから放射される光をコンデンサレンズによ
って主走査方向に延在するスリットに集光するようにし
ている。このスリットを対物レンズに関して試料面と共
役な位置に配置することによってコンフォーカルな光学
系を構成している。このようなスリットを用いたコンフ
ォーカル顕微鏡においては、図１に示したコンフォーカ
ル顕微鏡に比べて対物レンズの広い領域を使用すること
ができるので、広視野、低倍率、低ＮＡの対物レンズを
使用する場合でも分解能の低下はなく、また試料の傾斜
面の観察も可能であり、粗い試料面を広い視野に亘って
観察できる可能性がある。一方、集光レンズを用いて光
源ランプからの光を集光してスリットに有効に入射させ
るようにしているが、スリットの端部からの光量は中央
部からの光量に比べて低くなり表示画像にいわゆるシェ
ージングが発生し、画像の品質が低下する問題がある。
さらに、スリットの端部では進行方向が光軸に対して大
きく傾斜している光線も通過し、これが画像形成に悪影
響を及ぼすという問題もある。このような問題を解決す
るために種々の構成の光源を用いて実験を行ったが、現
在入手できる光源では光量の不均一性やスリットの端部
における大きく傾斜した方向に進行する光線の問題を解
決することができなかった。

【００１０】さらに、上述した２種類の既知のコンフォ
ーカル顕微鏡においては、焦点深度が非常に浅いコンフ
ォーカル観察しかできず、特に図１に示したものでは、
高倍率の対物レンズを使用することが多いので、試料の
観察したい所望の部位を見い出すのが困難であり、時間
がかかるという問題もあった。

【００１１】したがって、本発明の目的は、上述した従
来のコンフォーカル顕微鏡の欠点を除去し、図１に示し
た従来のコンフォーカル顕微鏡の欠点を解消するととも
にスリットを用いた従来のコンフォーカル顕微鏡の欠点
をも解消し、特に広視野、低倍率の対物レンズを有効に
使用することができるコンフォーカル顕微鏡を提供しよ
うとするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明によるコンフォー
カル顕微鏡は、光源装置と、多数のファイバを有し、そ
の一端を前記光源から発する光を受けるように結束して
入射端とし、この光をライン状の光として射出するよう
に他端をライン状に配列して出射端としたファイバー束
と、このファイバー束の出射端から出射される光を制限
するスリットと、このスリットと共役な位置に置かれた
試料上にライン状の輝線を結像し、試料からの反射光ま
たは透過光を予定の結像面に結像する対物レンズを含む
コンフォーカル光学系と、このコンフォーカル光学系の
光路内に挿入され、前記スリットで制限された光を、そ
の長手方向と直交する方向に偏向する偏向装置と、前記
コンフォーカル光学系によって結像される試料像を受け
るように前記予定の結像面に配置された１次元イメージ
センサアレイと、この１次元イメージセンサアレイから
の出力信号を処理して画像信号を出力する画像処理回路
と、この画像処理回路から出力される画像信号を、前記
スリットの延在方向を主走査方向とし、前記偏向装置に
よる偏向方向を副走査方向として表示する表示手段とを
具えることを特徴とするものである。

【００１３】このような本発明によるコンフォーカル顕
微鏡の好適な実施例では、前記光源装置を、高圧水銀蒸
気放電灯を具えるものとする。また、前記スリットを不
透明な板状部材に形成し、この板状部材には、スリット
よりも大きな開口を形成し、この板状部材に形成したス
リットおよび開口を選択的に光路内に挿入できるように
してコンフォーカルおよびノンコンフォーカルの切換え
を行なうように構成するのも好適である。このようにノ
ンコンフォーカルへの切換ができるようにすれば、焦点
調整をきわめて容易に行なうことができ、試料の観察し
たい所望の部位を迅速に探し出し、その後コンフォーカ
ル系に切換えて所望の部位の詳細な観察を行なうことが
できる。

【００１４】

【発明の実施の形態】図６は本発明によるコンフォーカ
ル顕微鏡の一実施例の構成を示す線図であり、図１に示
した従来のコンフォーカル顕微鏡の部品と同じ部品には
図１で使用した符号と同じ符号を付けて示した。図１に
示した従来のコンフォーカル顕微鏡と比較して、リレー
レンズ16から偏光ビームスプリッタ17、走査ミラー18、
リレーレンズ19、1/4 λ板20、対物レンズ21、結像レン
ズ23、１次元イメージセンサアレイ24の構成は従来のも
のと同一である。

【００１５】本発明においては、例えば反射鏡付きの高
圧水銀蒸気放電管のような高輝度ランプを具える光源31
を設け、この光源から放射される光をファイバ束32の結
束端32ａに入射させる。このファイバ束32の出射端32ｂ
では図７に示すようにファイバはライン状に配列されて
いる。このようなファイバ束32を用いるため、出射端32
ｂからは中央部でも端部でも均一の光量が放射されるこ
とになるとともに出射される光線の進行方向もファイバ
の出射角によって決まり、従来のスリットを用いたコン
フォーカル顕微鏡に比べて光軸に対する傾斜角は小さい
ものとなる。ファイバ束32の出射端32ｂから出射される
光をスリット33に入射させる。このスリット33を対物レ
ンズ21に関して試料面22と共役の位置に配置してコンフ
ォーカル光学系を構成する。さらに、スリット33の後方
に偏光板34を配置する。

【００１６】本発明のコンフォーカル顕微鏡では、スリ
ット33を用い、その像をリレーレンズ16および19によっ
て結像することによりラスタＢを形成し、このラスタの
縮小像を対物レンズ22によって試料面22上に形成して試
料面をラスタ走査し、このラスタ像を対物レンズ22、リ
レーレンズ19および結像レンズ23によって１次元イメー
ジセンサアレイ24の受光面上に結像するようにしてい
る。この場合、対物レンズ21に入射する光は対物レンズ
の中心部だけではなく、広い範囲にわたるので、図３に
ついて説明したように対物レンズの実効的なＮＡは大き
くなり、したがって分解能も高くなる。これは特に対物
レンズとして広視野、低倍率のものを使用したときに有
利となる。さらに、実効的なＮＡが大きくなると、図５
に関連して説明したように試料22の傾斜面も観察できる
ようになる。さらに、本発明では、スリット33に入射さ
せる光をライン状に配列したファイバ束32の出射端32ｂ
から取り出しているので、光量は均一となるとともに光
軸に対する傾斜角も小さなものとなり、高品位の画像を
表示できる。

【００１７】図８は本発明によるコンフォーカル顕微鏡
の他の実施例の構成を高品位テレビジョン規格で処理す
る画像処理部分をも含めて示す線図であり、前例と同じ
部分には同じ符号を付けて示し、その説明は省略する。
本例ではスリット33を不透明な板35に形成し、この不透
明板にはスリット33よりも巾の大きな開口36をも形成
し、この不透明板をファイバ束32の出射端32ｂに対して
矢印Ｃで示すように上下に移動できるように構成する。
コンフォーカル顕微鏡として使用する場合には、スリッ
ト33を光路内に挿入し、ノンコンフォーカル顕微鏡とし
て使用する場合には開口36を光路内に挿入する。このよ
うにして、不透明板35を移動させることによってコンフ
ォーカルな観察とノンコンフォーカル観察とを簡単に切
換えることができる。したがって、試料の広い範囲を観
察する場合には焦点深度の深いノンコンフォーカル観察
を行うことによって焦点の粗調整を容易に行なうことが
でき、その結果として試料の所望の部位を簡単かつ迅速
に見つけることができる。

【００１８】図８に示すように、対物レンズ21の焦点調
整を行なうために、対物レンズをその光軸方向に駆動す
る駆動装置41を設けるとともにその位置をレーザホロス
ケール42およびエンコーダ43によって検出する。これら
の駆動装置41およびエンコーダ43はシステムコントロー
ラ44を介してコンピュータ45に接続し、システムコント
ローラ44には、さらに操作卓46を接続する。１次元イメ
ージセンサアレイ24から読み出した画像信号はアンプ47
で増幅した後、画像処理回路48に供給する。この画像処
理回路48には、Ａ／Ｄ変換回路、焦点移動メモリ、Ｄ／
Ａ変換回路などを設け、高品位テレビジョンの規格にし
たがって画像信号を処理する。この処理は、例えば1125
/60 方式のHDTVレート( 水平33.75KHz、垂直60Hz、2:1
のインターレース) とすることができる。このようにし
て得られる画像信号をモニタ49に供給して高品位の画像
を映出することができる。

【００１９】画像処理回路48に設けた焦点移動メモリ
は、コンピュータ45から供給されるＺ軸方向の移動量
と、イメージセンサアレイ24からの画像信号とを対応付
けして記憶するものであり、これによってきわめて精度
の高い３次元計測を行なうことができる。すなわち、各
画素毎に、最大の輝度が得られるＺ軸方向の位置（高
さ）情報を記憶し、３次元計測を行なう場合には、この
ようにして記憶したＺ軸方向の位置情報を読み出し、こ
れをコンピュータ45で処理する。このようにして、コン
フォーカル顕微鏡のきわめて浅い焦点深度という特性を
利用して試料面のＺ軸方向の距離を正確に計測すること
ができる。

【００２０】上述したように本例においては、HDTVの規
格にしたがって画像処理を行なうため、モニタ49もその
規格にしたがったものとする。したがって、モニタ49で
の表示画素数は200 万にも達し、一般のテレビジョン規
格にしたがう従来のコンフォーカル顕微鏡（約40万画
素）に比べて遙に高精細の画像を表示することができ
る。したがって、モニタ49上に表示される画像に基づい
て寸法の計測を行なう場合、その精度を著しく高くする
ことができる。

【００２１】図８に示した実施例において、種々の対物
レンズ21を使用する場合の、対物レンズの倍率、ＮＡ、
モニタ上での倍率、視野の大きさ、画素サイズ、Ｚ軸方
向での位置測定精度（σ）を表１に示す。

【００２２】

【表１】

【００２３】図９および図10は、表１に示した倍率が10
×、20×の対物レンズをそれぞれ用いた場合の、空間周
波数（本／mm）と変調度(%）との関係をスリット33の巾
(mμ) パラメータとして示すグラフであり、この巾が10
00μm の場合は開口36を光路内に挿入した場合である。
本発明によれば、巾が100 μm 以下のスリット33を用い
ることによってきわめて高性能の画像形成を行なうこと
ができることがわかる。このように、本発明のコンフォ
ーカル顕微鏡によれば、低倍率の対物レンズを用いた場
合でもきわめて解像度およびコントラストの高い画像が
得られることがわかる。

【００２４】本発明は上述した実施例にのみ限定される
ものではなく、幾多の変更や変形が可能である。例え
ば、上述した実施例では、試料からの反射光を受光する
反射型のコンフォーカル顕微鏡としたが、試料の透過光
を受光する透過型コンフォーカル顕微鏡とすることもで
きる。また、上述した実施例では、試料への入射光と試
料からの反射光とを分離するために偏光ビームスプリッ
タを用いたが、例えばハーフミラーのような他の光路分
割手段を用いることができ、その場合には1/4 λ板は不
要である。さらに、上述した実施例では光ビームを副走
査方向へ偏向するために、反射ミラーを振動させるよう
にした走査ミラーを用いたが、反射ミラーを回転させる
タイプの走査ミラーを用いることもできる。

【００２５】

【発明の効果】上述したように、本発明によるコンフォ
ーカル顕微鏡においては、光ビームを主走査方向に偏向
するために偏向角の小さい音響−光学装置を用いないの
で、対物レンズの入射瞳一杯に光を入射させることがで
き、したがって実効的なＮＡが小さくなることがなく、
対物レンズが本来有しているＮＡを有効に利用して高分
解能の画像形成が可能となるとともに粗面を有する試料
の広視野観察が可能となる。このような利点は、特に低
ＮＡ、低倍率の対物レンズを用いるときに顕著となる。
さらに、従来のスリットを用いたコンフォーカル顕微鏡
に比べて、本発明ではライン状の出射端を有するファイ
バ束を用いるようにしたので、スリットを透過する光量
は中心部でも端部でも均一となり、いわゆるシェージン
グのない高品位の画像を得ることができる。この場合、
ファイバ束のライン端とスリットとの間隔を使用する対
物レンズに応じて調整するようにすれば、迷光やフレア
のないさらに高品位の画像を表示することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、従来の音響−光学装置を用いたコンフ
ォーカル顕微鏡の構成を示す線図である。

【図２】図２は、対物レンズのＮＡと分解能との関係を
説明するための線図である。

【図３】図３は、対物レンズの倍率と実効的なＮＡとの
関係を説明するための線図である。

【図４】図４は、顕微鏡に使用されている対物レンズの
倍率とＮＡとの相関を示すグラフである。

【図５】図５は、対物レンズのＮＡによる試料傾斜面と
の関係を説明するための線図である。

【図６】図６は、本発明によるコンフォーカル顕微鏡の
一実施例の構成を示す線図である。

【図７】図７は、同じくそのファイバ束の構成を示す斜
視図である。

【図８】図８は、本発明によるコンフォーカル顕微鏡の
他の実施例の構成を示す線図である。

【図９】図９は、倍率10の対物レンズを用いたときの性
能を示すグラフである。

【図１０】図１０は、倍率20の対物レンズを用いたとき
の性能を示すグラフである。

【符号の説明】

16 リレーレンズ 17 偏光ビームスプリッタ 18 走査ミラー 19 リレーレンズ 20 1/4 λ板 21 対物レンズ 22 試料面 23 結像レンズ 24 １次元イメージセンサアレイ 31 光源 32 ファイバ束 32ａ 入射端 32ｂ 出射端 33 スリット 34 偏光板 35 不透明板 36 開口 41 対物レンズ駆動装置 42 レーザホロスケール 43 エンコーダ 44 システムコントローラ 45 コンピュータ 46 操作卓 47 アンプ 48 画像処理回路 49 モニタ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源装置と、多数のファイバを有し、そ
   の一端を前記光源から発する光を受けるように結束して
   入射端とし、この光をライン状の光として射出するよう
   に他端をライン状に配列して出射端としたファイバー束
   と、このファイバー束の出射端から出射される光を制限
   するスリットと、このスリットと共役な位置に置かれた
   試料上にライン状の輝線を結像し、試料からの反射光ま
   たは透過光を予定の結像面に結像する対物レンズを含む
   コンフォーカル光学系と、このコンフォーカル光学系の
   光路内に挿入され、前記スリットで制限された光を、そ
   の長手方向と直交する方向に偏向する偏向装置と、前記
   コンフォーカル光学系によって結像される試料像を受け
   るように前記予定の結像面に配置された１次元イメージ
   センサアレイと、この１次元イメージセンサアレイから
   の出力信号を処理して画像信号を出力する画像処理回路
   と、この画像処理回路から出力される画像信号を、前記
   スリットの延在方向を主走査方向とし、前記偏向装置に
   よる偏向方向を副走査方向として表示する表示手段とを
   具えることを特徴とするコンフォーカル顕微鏡。
2. 【請求項２】 前記光源装置を、高圧水銀蒸気放電灯を
   具える光源装置としたことを特徴とする請求項１に記載
   のコンフォーカル顕微鏡。
3. 【請求項３】 前記スリットを不透明な板状部材に形成
   し、この板状部材には、スリットよりも大きな開口を形
   成し、この板状部材に形成したスリットおよび開口を選
   択的に光路内に挿入できるようにしてコンフォーカルお
   よびノンコンフォーカルの切換えを行なうように構成し
   たことを特徴とする請求項１に記載のコンフォーカル顕
   微鏡。