JPH1138338A - サンプリング信号発生装置及び走査型光学顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】スキャナの走査周波数が変化しても、その時点
での走査周波数に正確に追従したサンプリング信号を生
成する。 【解決手段】レーザ光源10からのレーザ光を偏向して繰
返し走査させる共振ガルバノスキャナ14と、このスキャ
ナ14の走査速度を検出する速度センサ16と、この検出結
果によりスキャナ14の走査周波数を測定する周波数測定
部17と、センサ21の検出結果と基準値とを一致比較する
コンパレータ21と、周波数測定部17で測定した走査周波
数とコンパレータ21の比較結果とによりスキャナ14の走
査タイミングに対応したサンプリング信号及び遅延時間
を算出するＣＰＵ18と、算出したサンプリング信号を遅
延時間分だけ遅延して出力する遅延回路20とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えばレーザプリ
ンタやバーコードリーダ等に使用され、光源からの光を
偏向して対象を走査するスキャナの走査タイミングに同
期して、アナログ値の上記対象の画像信号をデジタル化
するためのサンプリング信号を生成するサンプリング信
号発生装置及びこの装置を用いた走査型光学顕微鏡に関
する。

【０００２】

【従来の技術】周知の如く、走査型顕微鏡は試料を光学
的に走査し、走査光による試料からの反射光を光検出器
に入射させ、これを光電変換することにより画像信号を
得て、得た画像信号のサンプリング信号をトリガとして
信号としてデジタル画像信号に変換している。

【０００３】従来、この種の走査型顕微鏡で光学的走査
を行なうものとしては、線形の運動として往復運動を行
なうガルバノミラーや回転運動を行なうポリゴンミラー
があり、また走査系の高速化の要求に対して非線形の運
動を行なうレゾナントスキャナ等の共振スキャナを用い
るものがある。

【０００４】しかるに、線形な運動を行なうガルバノミ
ラーやポリゴンミラーでは、線形な画像を得るために発
生するサンプリング信号は時間が等間隔なものでよい。
これに対して、非線形な運動を行なう共振スキャナを使
用する場合には、線形な画像を得るためにサンプリング
信号の時間間隔を不均等としている。

【０００５】図６は上記レゾナントスキャナを用いたス
ポット移動波形におけるサンプル信号列の発生タイミン
グを例示するものであり、図中に示す如くスポット移動
波形ｘ軸の間隔が一定になるように時間間隔が不均等な
サンプリング信号を発生させなければならないことがわ
かる。

【０００６】また、光学的な走査を行なう他の例として
は、特開平７−１５９７１１号公報に示すように、共振
スキャナの振幅を最大に安定させるべくその駆動信号の
周波数を変更するようにしたものがある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述の走
査型光学顕微鏡においては、使用する共振スキャナが個
体差をなくして共振周波数を揃えるために深い注意が払
われながら製造されているにも拘らず、環境温度等の要
因によって共振周波数が変化してしまうので、線形な画
像を得るためには共振スキャナの変化した共振周波数に
適応した周波数を有するサンプリング信号が必要とな
る。

【０００８】例えば、共振周波数が４［ｋＨｚ］のガル
バノスキャナを使用した場合、温度変化によって該周波
数が４．０４［ｋＨｚ］になったとき、４［ｋＨｚ］の
場合のサンプリング信号を用いてアナログの画像信号を
サンプリングし、デジタル値の画像データを得るものと
すると、得られる画像データ中の左右部分に全体比で５
％もの歪みが発生してしまうことになる。

【０００９】また、上述したように特開平７−１５９７
１１号公報では、共振スキャナの振幅を最大に安定させ
るべくその駆動信号の周波数を変更するようにしている
が、このような制御を実行するために駆動信号の周波数
を常時変更していなければならず、それがために共振周
波数に変動を生じて、線形性の良好なデジタル値の画像
データを得ることができないという不具合がある。

【００１０】さらに、共振スキャナは上述したようにそ
の製造時に極力個体差をなくして共振周波数を揃えるべ
く製造されているが、完全に個体差をなくすことは困難
であり、その個体差が故に、設計共振周波数に基づいて
作成された周波数のサンプリング信号を用いると、実際
の共振周波数と該サンプリング信号とにずれを生じ、や
はり、得られる画像データに歪みを生じることとなる。

【００１１】また、この共振スキャナの共振周波数の個
体差を除去するために、各個体毎の共振周波数を予め測
定しておき、その測定した共振周波数にサンプリング信
号を合わせ込むことも考えられるが、顕微鏡装置全体の
組立てコストの上昇を招いてしまうこととなり、実用的
ではない。

【００１２】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、光源からの光を偏
向して照射対象への走査光を発生するスキャナの走査周
波数が変化し、あるいは該スキャナの個体差により走査
周波数が設計値と異なる場合であっても、上記対象の画
像信号をデジタル化する際に使用するサンプリング信号
をその時点での走査周波数に正確に追従したものとして
生成することが可能なサンプリング信号発生装置及びこ
の装置を用いた走査型光学顕微鏡を提供することにあ
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
光源からの光を偏向して繰返し走査させる偏向手段と、
この偏向手段の走査速度を検出する検出手段と、この検
出手段の検出結果により上記偏向手段の走査周波数を測
定する周波数測定手段と、上記検出手段の検出結果と予
め設定されている基準値とを一致比較する比較手段と、
上記周波数測定手段で測定した上記偏向手段の走査周波
数と上記比較手段の比較結果とにより上記偏向手段の走
査タイミングに対応したサンプリング信号及び遅延時間
を算出する演算手段と、この演算手段からのサンプリン
グ信号を上記算出した遅延時間だけ遅延して出力する遅
延手段とを具備したことを特徴とする。

【００１４】このような構成とした結果、偏向手段（ス
キャナ）の走査周波数が変化し、あるいはその個体差に
より走査周波数が設計値と異なる場合であっても、走査
光が照射される対象の画像信号をデジタル化する際に使
用するサンプリング信号をその時点での走査周波数に正
確に追従したものとして生成することができ、その結
果、上記走査周波数の変化の影響を排除した歪みのない
デジタル画像データを得ることができる。

【００１５】請求項２記載の発明は、光源からの光を偏
向して繰返し走査させる偏向手段と、この偏向手段の走
査速度を検出する検出手段と、この検出手段の検出結果
により上記偏向手段の走査周波数を測定する周波数測定
手段と、上記検出手段の検出結果と予め設定されている
基準値とを一致比較する比較手段と、複数の周期のサン
プリング信号を予め格納した格納手段と、上記周波数測
定手段で測定した上記偏向手段の走査周波数と上記比較
手段の比較結果とにより上記格納手段から上記偏向手段
の走査タイミングに対応した周期のサンプリング信号を
読出して出力する制御手段とを具備したことを特徴とす
る。

【００１６】このような構成とした結果、偏向手段（ス
キャナ）の走査周波数が変化し、あるいはその個体差に
より走査周波数が設計値と異なる場合であっても、走査
光が照射される対象の画像信号をデジタル化する際に使
用するサンプリング信号をその時点での走査周波数に正
確に追従したものとして生成することができ、その結
果、上記走査周波数の変化の影響を排除した歪みのない
デジタル画像データを得させることができると共に、予
め格納していたサンプリング信号の中から適切な周期の
ものを読出して出力するため、計算処理等に要する負担
を軽減することができ、またスキャナの走査周波数が高
くなってもこれに対応して確実にサンプリング信号を発
生することができる。

【００１７】請求項３記載の発明は、光源からの光を偏
向して繰返し観察試料に走査させる偏向手段と、この偏
向手段により光を走査された観察試料の透過光または反
射光の輝度をアナログ値の信号として検出する光検出手
段と、上記偏向手段の走査速度を検出する速度検出手段
と、この速度検出手段の検出結果により上記偏向手段の
走査周波数を測定する周波数測定手段と、上記検出手段
の検出結果と予め設定されている基準値とを一致比較す
る比較手段と、上記周波数測定手段で測定した上記偏向
手段の走査周波数と上記比較手段の比較結果とにより上
記偏向手段の走査タイミングに対応したサンプリング信
号を生成するサンプリング信号生成手段と、このサンプ
リング信号生成手段で生成されたサンプリング信号をも
って上記光検出手段の出力するアナログ値の輝度信号を
デジタル値に変換する変換手段とを具備したことを特徴
とする。

【００１８】このような構成とした結果、偏向手段（ス
キャナ）の走査周波数が変化し、あるいはその個体差に
より走査周波数が設計値と異なる場合であっても、上記
観察試料の画像信号をデジタル化する際に使用するサン
プリング信号をその時点での走査周波数に正確に追従し
たものとして生成することができ、その結果、上記走査
周波数の変化の影響を排除した歪みのないのデジタル画
像データを得ることができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】

（第１の実施の形態）以下本発明を走査型光学顕微鏡に
適用した場合の第１の実施の形態について図面を参照し
て説明する。

【００２０】図１はその概略構成の一部を示すもので、
１０はレーザ光源である。このレーザ光源１０からのレ
ーザ光は、共振ガルバノスキャナ１４に取付けられたミ
ラーで反射され、対物レンズ１１でスポット状に集光さ
れた後に観察試料１２に照射される。

【００２１】この際、レーザ光はスキャナ駆動部１５に
駆動制御される共振ガルバノスキャナ１４によって観察
試料１２上を走査するもので、観察試料１２を透過した
レーザ光は例えばＣＣＤ等で構成される光検出器１３で
その輝度に応じたアナログ値の画像信号として検出さ
れ、後述するＡ／Ｄ変換器１９へ送出される。

【００２２】一方、上記共振ガルバノスキャナ１４のミ
ラーがレーザ光源１０からのレーザ光を偏向して試料１
２上を走査するために移動する際、その移動速度が速度
センサ１６で検出され、その検出信号は周波数測定部１
７及びコンパレータ２１へ送出される。

【００２３】周波数測定部１７は、速度センサ１６から
与えられる上記共振ガルバノスキャナ１４のミラーの移
動速度に応じた検出信号の振幅の周期から、該ミラーの
移動速度に対応した周波数信号を作成し、ＣＰＵ１８へ
出力する。

【００２４】また、上記速度センサ１６からの検出信号
を与えられたコンパレータ２１では、速度センサ１６か
らの検出信号を＋（プラス）入力とし、予め設定されて
いる基準電圧を−（マイナス）端入力として両者の一致
比較を行ない、両者が一致した時点、すなわちその差し
引きが「０（ゼロ）」となった時点で上記ＣＰＵ１８に
一致検出としてのパルス信号を出力するものとなってい
る。

【００２５】ＣＰＵ１８では、後述する演算式に従い、
周波数測定部１７で測定した走査周波数から上記ミラー
の走査に対応した周波数を有するサンプリング信号を算
出し、同時にこのサンプリング信号を上記ミラーの走査
タイミングに同期させるべく遅延時間Δｔを算出するも
ので、算出したサンプリング信号と遅延時間Δｔとを遅
延回路２０に与える。

【００２６】遅延回路２０では、ＣＰＵ１８から与えら
れたサンプリング信号を同遅延時間Δｔだけ遅延した後
に上記Ａ／Ｄ変換器１９に送出するもので、Ａ／Ｄ変換
器１９はこのサンプリング信号により、光検出器１３か
らのアナログ値の画像信号を予め設定されている量子化
ビット数にデジタル化し、画像メモリを含む図示しない
後段の画像処理回路へデジタル画像データとして出力す
る。

【００２７】上記のような構成にあって、次に観察試料
１２上で走査されるレーザ光のスポットの動きと速度セ
ンサ１６の検出出力の関係について説明する。共振ガル
バノスキャナ１４はミラーを共振させているので、速度
センサ１６の検出出力ｖは次式 ｖ＝Ａｓｉｎ（２πｆｔ＋δ1 ） …(1) （但し、Ａ：振幅、 ｆ：周波数、 ｔ：時間、 δ1 ：位相。） で表わすことができる。

【００２８】また、観察試料１２でのレーザ光のスポッ
トの動きｘは次式 ｘ＝Ｂｃｏｓ（２πｆｔ＋δ2 ） …(2) （但し、Ｂ：振幅、 δ2 ：位相。） で表わすことができる。

【００２９】次に、直線性の良好なデジタル画像データ
を生成するためのサンプリング信号について説明する。
コサイン波状に移動するレーザ光のスポットから線形な
デジタル画像データを得るためには、サンプリング信号
の間隔を変化させ、今回サンプリングした位置と次にサ
ンプリングする位置との差分が一定となるようにしなけ
ればならない。このため、サンプリング数をＮとし、図
６に示すように有効サンプリング範囲をＢ′とすると、
０番目、１番目、２番目、‥‥、ｉ番目の位置ｘ0 ，ｘ
1 ，ｘ2，‥‥，ｘi は、 ｘ0 ＝Ｂ′ ｘ1 ＝Ｂ′−Ｂ′／（Ｎ／２）＊１ ｘ2 ＝Ｂ′−Ｂ′／（Ｎ／２）＊２ ： ： ｘi ＝Ｂ（１−（２ｉ／Ｎ）） …(3) となる。

【００３０】さらに、ｘi を上記式（２）を用いて表わ
すと、実用上無視できるものとして簡略化のために上記
位相を「０」として、 ｘi ＝Ｂｃｏｓ（２πｆｔi ） …(4) となる。

【００３１】上記式(3) と式(4) とによりｔi を求める
と、 ｔi ＝（１／２πｆ）ｃｏｓ^-1((Ｂ′／Ｂ)(１−（２ｉ／Ｎ))) …(5) となる。

【００３２】上記ＣＰＵ１８は、この式（５）に基づい
てサンプリング数Ｎ分のｔを演算し、サンプリング信号
列として遅延回路２０に出力する。図２はこのときＣＰ
Ｕ１８が演算により求めるサンプリング信号列を例示す
るもので、例えば測定された走査周波数が４［ｋＨｚ］
であった場合に図中に示すサンプリング信号列１を出力
し、同様に４．０４［ｋＨｚ］であった場合にサンプリ
ング信号列２を、３．９６［ｋＨｚ］であった場合にサ
ンプリング信号列３をそれぞれ出力するようになってい
る。

【００３３】このとき同時にＣＰＵ１８は、遅延時間Δ
ｔを算出する。図３はこのときの算出方法を例示するも
ので、遅延時間Δｔは速度センサ１６の検出出力ｖ＝０
となったタイミングからタイミングｔ0 までの時間であ
る。動作を簡略化するために、速度センサ１６の検出出
力ｖ＝０となったときの電圧をコンパレータ２１に基準
電圧として予め設定しておき、コンパレータ２１から一
致信号が入力された後にＣＰＵ１８は、遅延回路２０に
対して遅延時間Δｔと図４に示すようなサンプリング信
号列とを送出する。

【００３４】遅延回路２０では、送られてきた遅延時間
Δｔだけ経過した後に同じく送られてきたサンプリング
信号列をＡ／Ｄ変換器１９へ送出するもので、Ａ／Ｄ変
換器１９はこのサンプリング信号列をトリガ信号として
光検出器１３からのアナログ値の画像信号を予め設定さ
れている量子化ビット数に基づきデジタル化し、デジタ
ル画像データとして後段の画像処理回路へ出力する。

【００３５】このように、共振ガルバノスキャナ１４の
走査周波数が外的環境により変化し、あるいはそもそも
有している個体差により走査周波数が設計値と異なる場
合であっても、光検出器１３の画像信号をデジタル化す
る際に使用するサンプリング信号をＣＰＵ１８で演算
し、遅延回路２０を介してその時点での実走査周波数に
正確に追従したものとして生成してＡ／Ｄ変換器１９に
与えることができるため、Ａ／Ｄ変換器１９では上記の
ような走査周波数の変化の影響を排除して歪みのないデ
ジタル画像データを得ることができる。

【００３６】（第２の実施の形態）次に本発明を走査型
光学顕微鏡に適用した場合の第２の実施の形態について
図面を参照して説明する。

【００３７】図５はその概略構成の一部を示すもので、
基本的には上記図１とほぼ同様であるので、同一部分に
は同一符号を付してその説明は省略するものとする。し
かして、周波数測定部１７で測定された走査周波数とコ
ンパレータ２１の比較結果が入力されるＣＰＵ１８′に
は、走査周波数に応じて共振ガルバノスキャナ１４の走
査周期の設計値を基準にして補正範囲周期のサンプリン
グ信号を予め例えばテーブル形式で格納したＰＲＯＭ２
２が接続されている。

【００３８】ＣＰＵ１８′では、周波数測定部１７で測
定した走査周波数に基づいて対応する周期のサンプリン
グ信号をＰＲＯＭ２２から読出した上で、読出したサン
プリング信号をコンパレータ２１からの一致信号が入力
されたタイミングに合わせてＡ／Ｄ変換器１９へ直接出
力する、という動作を繰返し実行する。

【００３９】このように、ＰＲＯＭ２２に予め格納して
いたサンプリング信号の中から適切な周期のものを読出
して出力するため、ＣＰＵ１８における計算処理等に要
する負担を大幅に軽減し、処理速度を高速化することが
できる。これにより、例えば共振周波数が１０数［ｋＨ
ｚ］程度の高速スキャンを行なう共振ガルバノスキャナ
などを使用する場合であっても、これに応答して確実に
サンプリング信号を発生させることができる。この場
合、ＰＲＯＭ２２に走査周波数４［ｋＨｚ］と１０［ｋ
Ｈｚ］に対応するサンプリング信号データを入力してお
いてもよいし、あとで１０［ｋＨｚ］に対応するデータ
を入力したＰＲＯＭ２２に交換してもよい。

【００４０】また、上記第１の実施の形態と同様、共振
ガルバノスキャナ１４の走査周波数が外的環境により変
化し、あるいはそもそも有している個体差により走査周
波数が設計値と異なる場合であっても、Ａ／Ｄ変換器１
９ではそのような走査周波数の変化の影響を排除して歪
みのないデジタル画像データを得ることができることは
勿論である。

【００４１】なお、上記第１及び第２の実施の形態は、
共に本発明を走査型光学顕微鏡に適用したものである
が、本発明はこれに限らず、例えばレーザプリンタやバ
ーコードリーダ等、光源からの光を偏向して対象物を走
査させ、その画像信号をＡ／Ｄ変換する際のサンプリン
グ信号を発生するようなものであれば、いずれにも適用
可能であることはいうまでもない。その他、本発明はそ
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。

【００４２】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、偏向手段
（スキャナ）の走査周波数が変化し、あるいはその個体
差により走査周波数が設計値と異なる場合であっても、
走査光が照射される対象の画像信号をデジタル化する際
に使用するサンプリング信号をその時点での走査周波数
に正確に追従したものとして生成することができ、その
結果、上記走査周波数の変化の影響を排除した歪みのな
いデジタル画像データを得ることができる。

【００４３】請求項２記載の発明によれば、偏向手段
（スキャナ）の走査周波数が変化し、あるいはその個体
差により走査周波数が設計値と異なる場合であっても、
走査光が照射される対象の画像信号をデジタル化する際
に使用するサンプリング信号をその時点での走査周波数
に正確に追従したものとして生成することができ、その
結果、上記走査周波数の変化の影響を排除した歪みのな
いデジタル画像データを得させることができると共に、
予め格納していたサンプリング信号の中から適切な周期
のものを読出して出力するため、計算処理等に要する負
担を軽減することができ、またスキャナの走査周波数が
高くなってもこれに対応して確実にサンプリング信号を
発生することができる。

【００４４】請求項３記載の発明によれば、偏向手段
（スキャナ）の走査周波数が変化し、あるいはその個体
差により走査周波数が設計値と異なる場合であっても、
上記観察試料の画像信号をデジタル化する際に使用する
サンプリング信号をその時点での走査周波数に正確に追
従したものとして生成することができ、その結果、上記
走査周波数の変化の影響を排除した歪みのないのデジタ
ル画像データを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る概略構成を示
す図。

【図２】同実施の形態に係る動作を説明するための図。

【図３】同実施の形態に係る動作を説明するための図。

【図４】同実施の形態に係る動作を説明するための図。

【図５】本発明の第２の実施の形態に係る概略構成を示
す図。

【図６】共振スキャナの非線形な運動に伴って発生する
サンプリング信号列を例示する図。

【符号の説明】

１０…レーザ光源 １１…対物レンズ １２…観察試料 １３…光検出器 １４…共振ガルバノスキャナ １５…スキャナ駆動部 １６…速度センサ １７…周波数測定部 １８…ＣＰＵ １９…Ａ／Ｄ変換器 ２０…遅延回路 ２１…コンパレータ ２２…ＰＲＯＭ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源からの光を偏向して繰返し走査させ
   る偏向手段と、 この偏向手段の走査速度を検出する検出手段と、 この検出手段の検出結果により上記偏向手段の走査周波
   数を測定する周波数測定手段と、 上記検出手段の検出結果と予め設定されている基準値と
   を一致比較する比較手段と、 上記周波数測定手段で測定した上記偏向手段の走査周波
   数と上記比較手段の比較結果とにより上記偏向手段の走
   査タイミングに対応したサンプリング信号及び遅延時間
   を算出する演算手段と、 この演算手段からのサンプリング信号を上記算出した遅
   延時間だけ遅延して出力する遅延手段とを具備したこと
   を特徴とするサンプリング信号発生装置。
2. 【請求項２】 光源からの光を偏向して繰返し走査させ
   る偏向手段と、 この偏向手段の走査速度を検出する検出手段と、 この検出手段の検出結果により上記偏向手段の走査周波
   数を測定する周波数測定手段と、 上記検出手段の検出結果と予め設定されている基準値と
   を一致比較する比較手段と、 複数の周期のサンプリング信号を予め格納した格納手段
   と、 上記周波数測定手段で測定した上記偏向手段の走査周波
   数と上記比較手段の比較結果とにより上記格納手段から
   上記偏向手段の走査タイミングに対応した周期のサンプ
   リング信号を読出して出力する制御手段と、を具備した
   ことを特徴とするサンプリング信号発生装置。
3. 【請求項３】 光源からの光を偏向して繰返し観察試料
   に走査させる偏向手段と、 この偏向手段により光を走査された観察試料の透過光ま
   たは反射光の輝度をアナログ値の信号として検出する光
   検出手段と、 上記偏向手段の走査速度を検出する速度検出手段と、 この速度検出手段の検出結果により上記偏向手段の走査
   周波数を測定する周波数測定手段と、 上記検出手段の検出結果と予め設定されている基準値と
   を一致比較する比較手段と、 上記周波数測定手段で測定した上記偏向手段の走査周波
   数と上記比較手段の比較結果とにより上記偏向手段の走
   査タイミングに対応したサンプリング信号を生成するサ
   ンプリング信号生成手段と、 このサンプリング信号生成手段で生成されたサンプリン
   グ信号をもって上記光検出手段の出力するアナログ値の
   輝度信号をデジタル値に変換する変換手段とを具備した
   ことを特徴とする走査型光学顕微鏡。