JPH11271626A - 走査型レーザ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】レーザビームでサンプルを走査するスキャナ
と、サンプルからのデータを任意の走査位置でサンプリ
ングする検出器とを備えた走査型レーザ顕微鏡におい
て、該ミラーの駆動信号と実際の走査位置とに位相遅延
を生じる場合でも、歪みのない画像を高速に取得する。 【解決手段】 スキャナを駆動するための駆動波形デー
タと任意の走査位置でサンプルデータをサンプリングす
るためのサンプリングクロックパターンとを同一のアド
レスに保存するメモリ30と、メモリ30に保存されている
駆動波形データに対してサンプリングクロックパターン
を任意の時間遅延させて出力するデジタル遅延回路34と
を備え、メモリ30の駆動波形データに基づいてスキャナ
を駆動し、デジタル遅延回路34によってサンプリングク
ロックを上記駆動波形データに対応させて任意の時間遅
延させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガルバノメータミ
ラーを使用した走査型レーザ顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査型レーザ顕微鏡は、点光源であるレ
ーザビームを対物レンズを介してサンプルのＸ軸及びＹ
軸方向に走査しながら照射し、サンプルからの蛍光また
は反射光を再び対物レンズ、光学系を介して検出器で検
出し、二次元画像の濃淡情報を得るようにしたもので、
この濃淡情報の２次元分布をＸ−Ｙ走査位置に対応させ
てＣＲＴモニタ、カラープリンタ等の画像出力装置に輝
点の分布として表示することで画像化し、観察できるよ
うにしている。

【０００３】さらに、検出光学系のサンプルと共役な位
置に照明光あるいは、被測定光の回折限界程度の直径を
持つ絞りを設けることにより、焦点の合っている面の情
報のみを検出するようにしたものが、共焦点走査型レー
ザ顕微鏡である。

【０００４】このような走査型レーザ顕微鏡において、
光源のレーザビームを２次元走査する手段としては、主
にガルバノメータミラーが用いられてきた。そして、ガ
ルバノメータミラーを２次元走査手段として用いる場
合、特公平６−２７９０５号公報などに開示されている
ように、駆動信号波形を三角波あるいは鋸歯状波とし、
ミラーの変位が時間とともに直線的に移動する部分で一
定周期のサンプリングクロックでデータをサンプリング
するようにしたものがあり、これによって歪みのない画
像を取り込むようにしていた。

【０００５】また、三角波や鋸歯状波のように、波形中
の山や谷の頂点部分に高周波成分を持った波形の駆動信
号でガルバノメータミラーを駆動するよりも、駆動信号
を単一の周波数、例えば正弦波にして、該ミラーの走査
速度の変動を補償するように上記サンプリングクロック
の周期を変調することで、得られる画像の歪みを抑えな
がら高速で画像を取得することが実現できることも公知
である。

【０００６】しかして、上述したミラーの走査速度の変
動を補償するようにサンプリングクロックの周期を変調
して発生させる方法としては、以下に述べる２つの方法
が一般的に知られている。

【０００７】第１の方法は、特開平５−２１３５号公
報、特開平５−１３６９５４号公報、特開平６−１４８
５２５号公報などに開示されているものであり、レーザ
ビームによりサンプルを走査し、それと同時にリニアス
ケールパターン上を走査し、このパターンからの反射あ
るいは透過光強度から、サンプリングクロックを生成す
るようにした方法である。

【０００８】第２の方法は、駆動信号波形の正弦波に対
して、直線的な走査位置でデータをサンプリングできる
ようにサンプルクロックのパターンをメモリ上に作成し
ておく方法である。

【０００９】

【発明が解決しようとする問題点】しかしながら、これ
らの補償方法には、以下に述べるような問題点があっ
た。すなわち上記第１の方法では、サンプルを走査する
光学系とは別に、リニアスケールを走査する光学系を設
置する必要があり、さらにサンプルを走査する光学系の
中にそのリニアスケールを走査する光学系を設置するよ
うになるため、光量の損失が大きいという問題があっ
た。

【００１０】また上記第２の方法では、駆動信号波形と
実際のミラーによる走査位置との間に、ミラー自体およ
びドライブ回路の位相特性などによって位相遅延が生じ
てしまうという問題があった。

【００１１】このような位相遅延は、図８にその変化特
性を示すように駆動周波数の変更に伴って変化し、さら
に振幅の変更に対してもその量が変化していた。このよ
うな位相遅延の変化に対して、駆動信号波形とサンプル
クロックパターンとの位相遅延量を適宜変化させなけれ
ば、得られる画像に歪みが生じてしまうという問題があ
った。

【００１２】さらに、往路と復路の双方でデータをサン
プリングする場合には、サンプリング開始位置を示す同
期信号のタイミングを微妙に調整しなければならないた
め、往路と復路で同じ位置をサンプリングすることは極
めて困難であるという問題もあった。

【００１３】本発明は上記のような実情に鑑みてなされ
たもので、その目的とするところは、ガルバノメータミ
ラーを用いたスキャナで該ミラーの駆動信号と実際の走
査位置とに位相遅延を生じる場合でも、歪みのない画像
を高速に取得することが可能で、往復走査の往路と復路
の双方を利用してデータのサンプリングを行なう場合で
も、歪みや画素ずれのない画質のよい画像を収集するこ
とが可能な走査型レーザ顕微鏡を提供することにある。

【００１４】

【問題点を解決するための手段】請求項１記載の発明
は、レーザビームでサンプルを走査するスキャナと、上
記サンプルからのデータを任意の走査位置でサンプリン
グする検出器とを備えた走査型レーザ顕微鏡において、
上記スキャナを駆動するための駆動波形データと任意の
走査位置でサンプルデータをサンプリングするためのサ
ンプリングクロックパターンとを同一のアドレスに保存
する記憶手段と、上記記憶手段に保存されている駆動波
形データに対して上記サンプリングクロックパターンを
任意の時間遅延させて出力する遅延手段とを備え、上記
記憶手段の駆動波形データに基づいて上記スキャナを駆
動し、上記遅延手段によって上記検出器でサンプリング
を行なうためのサンプリングクロックを上記駆動波形デ
ータに対応させて任意の時間遅延させることを特徴とす
る。

【００１５】このような構成とした結果、スキャナを駆
動する駆動信号と、実際の走査位置に位相遅延が生じ、
その遅延量が、駆動信号の周波数、振幅により変化して
も、保存されている駆動波形データを書換えることな
く、駆動波形データとサンプリングクロックパターンと
の時間遅延を調整することで、常に歪みのない画像を取
得することが可能となる。

【００１６】請求項２記載の発明は、上記請求項１記載
の発明において、上記記憶手段のアドレスを制御するア
ドレス制御手段と、上記アドレス制御手段から出力され
るアドレスと比較される比較アドレスを設定する設定部
と、上記アドレス制御手段から出力されるアドレスと設
定された比較アドレスとを比較し、一致した際に一致信
号を出力するアドレス比較手段とをさらに備え、上記一
致信号をサンプリング開始を示す同期信号としたことを
特徴とする。

【００１７】このような構成とした結果、上記請求項１
記載の発明の作用に加えて、サンプリング開始位置を調
整する場合、保存されている駆動波形データを書換える
ことなく、またデジタル遅延回路の回路規模を増大させ
ずに微妙なタイミング調整を行なうことが可能となる。

【００１８】請求項３記載の発明は、上記請求項２記載
の発明において、上記アドレス比較手段は、複数のアド
レスに対して一致信号を出力することを特徴とする。こ
のような構成とした結果、請求項２記載の発明の作用に
加えて、往復走査の往路と復路双方でサンプリングを行
なう場合、双方のサンプリング範囲を精確に一致させて
歪みや、画素ずれのない画質の高い画像を取得すること
が可能となる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施の一形態に係る
共焦点走査型レーザ顕微鏡について図面を参照して説明
する。図１はその基本構成を示すもので、１は光源であ
るレーザ発振器、２はビームエキスパンダ、３は光路分
割素子、４，５はガルバノメータミラーで構成されるＸ
方向スキャナ及びＹ方向スキャナ、６は瞳投影レンズ、
７は結像レンズ、８は対物レンズ，９は観察対象として
のサンプル、１４は共焦点光学系、１５は波長選択素
子、１６は検出器としての光電変換素子、１７はデータ
処理装置、１８は画像表示装置としてのＣＲＴモニタ、
１９は駆動波形発生回路である。

【００２０】レーザ発振器１より射出されたレーザビー
ムによる照明光は、ビームエキスパンダ２及びビームス
プリッタやダイクロイックミラーなどの光路分割素子３
を介して、ガルバノメータミラー等を用いたＸ方向スキ
ャナ４及びＹ方向スキャナ５に入射し、２次元を走査す
るように偏向される。

【００２１】Ｘ方向スキャナ４及びＹ方向スキャナ５
は、それぞれスキャナドライブ回路２１，２２により駆
動されるもので、これらスキャナドライブ回路２１，２
２の駆動信号は後述する駆動波形発生回路１９から供給
される。

【００２２】Ｘ方向スキャナ４及びＹ方向スキャナ５を
介した照明光は、瞳投影レンズ６、結像レンズ７を介し
て対物レンズ８に入射し、サンプル９を２次元走査する
もので、サンプル９からの蛍光が照明光と同じ光路をた
どって光路分割素子３に到達し、この光路分割素子３及
び共焦点光学系１４を透過して、ダイクロイックミラ
ー、干渉フィルタ等からなる波長選択素子１５を介して
光電変換素子１６へ導かれる。

【００２３】ここでは説明を容易にするために光電変換
素子１６が１つの場合を記述しているが、これに限定さ
れるものではなく、複数の波長選択素子と光電変換素子
永久くみあわせることにより複数の蛍光波長を測定する
場合にも適応できる。

【００２４】光電変換素子１６によりその輝度に応じた
電気信号に変換された蛍光の輝度情報は、駆動波形発生
回路１９から供給されるサンプリングクロックに同期し
てＡ／Ｄ変換回路２３でデジタル化され、データ処理装
置１７により必要な処理が施された後にＣＲＴモニタ１
８で２次元画像として表示出力される。

【００２５】図２は上記駆動波形発生回路１９の詳細な
回路構成を示すもので、この駆動波形発生回路１９は実
際には上記Ｘ方向スキャナ４とＹ方向スキャナ５の２つ
のスキャナに対応してスキャナドライブ回路２１，２２
に駆動信号を発生出力するものであるが、その構成、動
作は同等であるので、ここでは１系統分のスキャナに対
する構成と動作を説明する。

【００２６】同図に示す如く駆動波形発生回路１９は、
２つのスキャナをそれぞれ駆動するための駆動波形のデ
ータ及び後述する任意の走査位置でサンプルデータをサ
ンプリングするサンプリングクロックパターンが書込ま
れ保存された記憶手段としてのメモリ３０、このメモリ
３０からのデータバス３１に接続されて、送られてきた
デジタルデータから実際の駆動波形を生成するＤ／Ａ変
換回路３２、上記データバス３１のうちサンプリングク
ロックパターンデータが出力されるビットライン３３に
接続され、Ａ／Ｄ変換回路２３に送出する該パターンデ
ータの遅延量を可変設定可能なデジタル遅延回路３４、
上記メモリ３０のアドレスバス３５に接続され、上記メ
モリ３０のアドレス制御を行なうメモリアドレス制御回
路３６、同じくアドレスバス３５に接続され、同期信号
を発生するアドレス比較回路３７、及び上記各回路に対
してデータの書込み及び各種設定を行なう設定部として
のＣＰＵ３８により構成される。

【００２７】上記のような構成にあって、その動作につ
いて説明する。ＣＰＵ３８は、スキャナを駆動するに当
たってまずメモリ３０に対し、図３に示すようにＤ／Ａ
変換回路３２の分解能に応じたビット幅、ここではｎビ
ットの駆動波形データと、この波形データを基に駆動さ
れたスキャナ位置においてサンプリングを行なうかどう
かを決定する単一ビットのサンプリングクロックパター
ンデータを示すクロックビットとを同一のメモリアドレ
スに書込む。

【００２８】ここで、正弦波を出力するための駆動波形
データＤは、アドレスＡ、有効アドレス範囲Ｎ、振幅Ｇ
として、次式で表すことができる。すなわち Ｄ（Ａ）＝Ｇ・ｓｉｎ（２πＡ／Ｎ） …(1) となるもので、このような波形データに合わせて生成さ
れるサンプリングクロックパターンデータは、図４に示
すように駆動波形データＤの変化量が一定間隔になる位
置毎に、クロックが出力されるように１ビットの「０」
「１」の連続するパターンデータを作成し、上記駆動波
形データＤの書込みと共にメモリ３０に書込む。このメ
モリ３０への書込み動作を、駆動波形データＤの最低１
周期分を構成するパターンデータの数、ここでは、Ｎ回
繰返し実行する。

【００２９】次にＣＰＵ３８は、メモリアドレス制御回
路３６に対して、メモリ３０の先頭アドレス、有効アド
レス範囲、アドレス出力速度などを設定した後、メモリ
アドレスの出力を開始するように設定する。

【００３０】メモリアドレス制御回路３６は、設定され
た上記先頭アドレスから、順にアドレスをカウントアッ
プし、有効アドレス範囲のアドレス値を出力した後、先
頭アドレスに戻ってアドレスのカウントアップを繰り返
す。このように出力されるアドレスにより、波形データ
がメモリ３０からＤ／Ａ変換回路３２に対して出力さ
れ、Ｄ／Ａ変換回路３２から図４の波形が、電圧波形と
して出力される。

【００３１】以上のように作成した駆動波形データＤに
よりＸ方向スキャナ４またはＹ方向スキャナ５を構成す
るガルバノメータミラーを駆動した場合の、駆動波形と
ミラーの実位置との関係を図５に示す。実線が駆動波
形、破線がミラーの実位置を示す。

【００３２】同図からわかるように、駆動波形に対して
ミラーの実位置は遅延Δｔを生じている。これは、スキ
ャナドライブ回路２１，２２及びＸ，Ｙ方向スキャナ
４，５自体の位相特性によるものである。このように遅
延を生じた状態で、そのまま上記サンプリングクロック
パターンを用いてデータをサンプリングすると、得られ
る画像は大きく歪んだものとなってしまう。

【００３３】そこでＣＰＵ３８は、デジタル遅延回路３
４に実位置の遅延量Δｔ分だけサンプリングクロックパ
ターンを遅延させて出力する設定を行ない、デジタル遅
延回路３４から出力される信号によりＡ／Ｄ変換回路２
３でデータをサンプリングさせることで、実位置の遅延
を補償した、歪みのない画像が得られるようにする。

【００３４】ここで、１画像を取得するまでの時間を変
更するために駆動周波数を変更した場合には、上記図８
で示すように遅延量が変化する。さらに走査範囲を変更
するためにＸ方向スキャナ４及びＹ方向スキャナ５を構
成するガルバノメータミラーの振幅範囲を変更した場合
も、生じる遅延量は図６に示すように振幅の増大に伴っ
て拡大するようになる。

【００３５】そこでデジタル遅延回路３４では、その遅
延量を可変できるようにＦＩＦＯメモリなどで構成して
おくことで、ガルバノメータミラーの振幅を変更した場
合にも適切なサンプリングクロックを発生させることが
できる。

【００３６】なお、上記した遅延量については、予め駆
動周波数、駆動振幅をパラメータとしてその遅延量をデ
ータテーブルあるいは近似式として持っておくものとし
ておいてもよいし、あるいは実際の走査位置を検出でき
るような検出手段を別途設けておいてもよい。

【００３７】一方、一走査線内で、サンプリングの開始
位置を示す同期信号は、通常の構成では、上記サンプリ
ングクロックパターン同様にメモリ３０に専用のビット
を設け、任意の位置で同期信号パルスが出力できるよう
に構成するが、本発明の駆動波形発生回路１９で同様の
構成を採ると、デジタル遅延回路３４の回路規模、具体
的に該遅延回路をＦＩＦＯメモリで構成した場合にはそ
のメモリ容量が２倍必要になるという欠点がある。

【００３８】そこで本実施の形態ではアドレス比較回路
３７を設置している。このアドレス比較回路３７は、メ
モリアドレス制御回路３６からアドレスバスに出力され
るアドレス値と、ＣＰＵ３８により設定された比較アド
レス値とが一致した場合に同期信号を発生してＡ／Ｄ変
換回路２３に出力する。

【００３９】このように構成することで、上記デジタル
遅延回路３４の遅延量に合わせて比較アドレスの変更を
行なうのみで同期信号の出力されるタイミングを任意に
設定することが可能となる。ここで比較アドレスの設定
についても、上記サンプリングクロックパターンデータ
の遅延量と同様に、データテーブルとして予め保存して
いたものを使用するか、あるいは実際の走査位置を検出
する手段を別途設けるようにすることで、最適な設定値
を得ることができる。

【００４０】以上のような駆動波形発生回路１９を用い
ることで、Ｘ方向スキャナ４及びＹ方向スキャナ５を構
成するガルバノメータミラーの駆動信号と実際の走査位
置との遅延を補償し、駆動周波数、振幅の変更に対して
も適宜遅延量を調整できることから、高速に且つ歪みの
ない２次元画像を取得することが可能となるものであ
る。

【００４１】次に、走査の往路と復路の双方で同一範囲
のデータを得る場合について考える。この場合、上記ア
ドレス比較回路３７に複数の比較アドレスを設定できる
ように構成し、それぞれのアドレスが一致した場合にＡ
／Ｄ変換回路２３に対して同期信号を出力できるように
すると、図７のように正弦波駆動波形の１周期内で複数
の同期信号を得ることができるようになり、相互のサン
プリング位置を細かく調整可能とすることができる。

【００４２】すなわち、図７の駆動波形において、＜１
＞の位置から往路のサンプリングを開始し、ｎ画素のデ
ータをサンプリングを終了する位置を＜３＞とすると、
復路のサンプリング開始位置は、正確に＜２＞の位置に
設定しなければならない。

【００４３】このような場合、上記のような構成を用い
れば、２つの同期信号位置は、それぞれ任意な位置に設
定することができるため、＜１＞，＜２＞の位置に対応
するような同期信号を容易に設定することが可能とな
る。

【００４４】このように本実施の形態によれば、往路と
復路の双方を利用してデータのサンプリングを行なう往
復走査を実施する場合においても、歪みや画素ずれを生
じることがなく、画質の高い鮮明な画像を得ることがで
きる。

【００４５】なお、本発明は上記実施の形態に限定され
るものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々変
形して実施することが可能であるものとする。前述した
本実施の形態では、ガルバノメータミラーの駆動信号と
して正弦波を例に説明したが、これに限られるものでは
なく、例えばサンプリングクロックと駆動波形データと
の対応関係を各種波形に応じて設定してやることで、ガ
ルバノメータミラーの駆動信号波形に三角波あるいは鋸
歯状波を用いたとしても、駆動しこと走査位置との遅延
を補償することが可能となる。

【００４６】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、ガ
ルバノメータミラーの駆動信号と実際の走査位置との遅
延を補償し、駆動周波数、振幅の変更に対しても、適宜
遅延量が調整できることから、高速かつ歪みのない画像
の取得が可能になる。さらに、往復走査の往路と復路両
方を利用してデータのサンプリングを行う場合において
も、歪みや、画素ずれのない画像を収集することが可能
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態に係る走査型レーザ顕微
鏡の基本構成示す図。

【図２】図１の主として駆動波形発生回路内の詳細な回
路構成を示すブロック図。

【図３】同実施の形態に係る波形データのフォーマット
構成を示す図。

【図４】同実施の形態に係る動作を説明するための図。

【図５】同実施の形態に係る動作を説明するための図。

【図６】同実施の形態に係る動作を説明するための図。

【図７】同実施の形態に係る動作を説明するための図。

【図８】ガルバノメータミラーに与えられる駆動信号と
該ミラーの実位置との遅延量を説明する図。

【符号の説明】

１…レーザ発振器 ２…ビームエキスパンダ ３…光路分割素子 ４…Ｘ方向スキャナ ５…Ｙ方向スキャナ ６…瞳投影レンズ ７…結像レンズ ８…対物レンズ ９…サンプル １４…共焦点光学系 １５…ダイクロイックミラー １６…光電変換回路 １７…データ処理装置 １８…ＣＲＴモニタ １９…駆動波形発生回路 ２１，２２…スキャンドライブ回路 ２３…Ａ／Ｄ変換回路 ３０…メモリ ３２…Ｄ／Ａ変換回路 ３４…ディジタル遅延回路 ３６…メモリアドレス制御回路 ３７…アドレス比較回路 ３８…ＣＰＵ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザビームでサンプルを走査するスキ
   ャナと、 上記サンプルからのデータを任意の走査位置でサンプリ
   ングする検出器とを備えた走査型レーザ顕微鏡におい
   て、 上記スキャナを駆動するための駆動波形データと任意の
   走査位置でサンプルデータをサンプリングするためのサ
   ンプリングクロックパターンとを同一のアドレスに保存
   する記憶手段と、 上記記憶手段に保存されている駆動波形データに対して
   上記サンプリングクロックパターンを任意の時間遅延さ
   せて出力する遅延手段とを備え、 上記記憶手段の駆動波形データに基づいて上記スキャナ
   を駆動し、 上記遅延手段によって上記検出器でサンプリングを行な
   うためのサンプリングクロックを上記駆動波形データに
   対応させて任意の時間遅延させることを特徴とする走査
   型レーザ顕微鏡。
2. 【請求項２】 上記記憶手段のアドレスを制御するアド
   レス制御手段と、 上記アドレス制御手段から出力されるアドレスと比較さ
   れる比較アドレスを設定する設定部と、 上記アドレス制御手段から出力されるアドレスと設定さ
   れた比較アドレスとを比較し、一致した際に一致信号を
   出力するアドレス比較手段とをさらに備え、 上記一致信号をサンプリング開始を示す同期信号とした
   ことを特徴とする請求項１記載の走査型レーザ顕微鏡。
3. 【請求項３】 上記アドレス比較手段は、複数のアドレ
   スに対して一致信号を出力することを特徴とする請求項
   ２記載の走査型レーザ顕微鏡。