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技術 走査型顕微鏡装置

出願人 オリンパス株式会社
発明者 高橋千佳
出願日 2007年12月18日 (11年7ヶ月経過) 出願番号 2007-325837
公開日 2009年7月2日 (10年0ヶ月経過) 公開番号 2009-145826
状態 特許登録済
技術分野 顕微鏡、コンデンサー 機械的光走査系
主要キーワード 温度ドリフト量 焦点移動機構 Y座標 電気的遅延 往路用 サンプリング範囲 復路用 位置帰還
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (15)

課題

観察の結果得られる画像に歪みやずれが生じて劣化することなく観察画像を得る走査型顕微鏡を提供する。

解決手段

上記課題を解決するために、走査型顕微鏡装置に、2次元走査手段が走査する前記集束光の位置である光学的走査位置を検出する光学的走査位置検出手段と、サンプリングクロック信号に合わせて前記画像検出信号をサンプリングして得る観察画像における位置であって、前記光学的走査位置検出手段が検出する位置における反射光から得る像と一致する位置である電気的サンプリング位置を検出する電気的サンプリング位置検出手段と、前記光学的走査位置と前記電気的サンプリング位置とが一致または略一致するように前記サンプリングクロック信号を調整する位置調整手段と、を備える。

概要

背景

従来、走査型顕微鏡として走査型共焦点顕微鏡が知られている。この走査型共焦点顕微鏡は、点状光源から得る光を試料の表面に点状に照明し、照明された試料表面からの透過光または反射光を再び点状に集約するとともに、ピンホール開口を介して光検出器結像させ、この結像の濃度情報を光検出器で検出する。そして、点状照明を2次元走査することにより、試料の観察画像を得る。

点状照明を2次元走査する場合、例えば、X方向への走査には、ガルバノミラーレゾナントスキャナが用いられる。また、Y方向への走査には、ガルバノミラーが用いられる。これらのスキャナ制御回路は、光検出器で生成する画像検出信号から観察画像(画像データ)を生成するために、スキャナの走査に同期して画像生成用の同期信号を生成する。

以下、スキャナが2次元走査する点状照明の任意の位置を「光学的走査位置」という。また、スキャナが生成する同期信号にしたがって画像検出信号をサンプリングして得る観察画像の位置を「電気的サンプリング位置」という。

ここで、スキャナの制御回路が、光学的走査位置を決めるスキャナ駆動信号と、電気的サンプリング位置を決める画像生成用の同期信号と、を同じタイミングで出力すると、実際にはスキャナの動作遅れ電気回路系の時間遅れなどが存在するため、光学的走査位置と電気的サンプリング位置とにずれが生じる場合がある。

また、光学的走査位置と電気的サンプリング位置は、温度変化等によって変化するので、両位置が一致するように調整しても、その後の温度変化等により両位置にずれが生じる場合がある。

その結果、観察画像の中心位置にずれが生じたり、観察画像の一部または全体に歪みが生じるなどして観察画像が画像劣化する場合があった。
特許文献1には、Xスキャナの中心位置を検出する手段を設け、この検出信号電気的サンプリング中心位置を1ライン毎に検出し、このずれ量により走査信号位相補正して、位置のずれを補正する補正方法について開示されている。

また、特許文献2には、温度変化の問題を回避するために、温度毎にあらかじめ補正値を設定し、温度センサにより検出した温度変化を位相シフト量とすることで位相を補正し、光学的走査位置と電気的サンプリング位置を合わせる補正方法について開示されている。

しかし、特許文献1に開示されている補正方法は、画像表示中、1ライン走査毎に光学的走査範囲の中心位置と電気的サンプリング範囲の中心位置を検出し、両位置のずれ量に応じて1ライン毎に走査信号の位相を補正する。そのため、画像表示中のどの位置から補正効果が現れるかわからず、取得画面内の途中から補正効果が現れた場合、画面内の途中から表示画素範囲が左右にずれるということが起こる。このずれが生じた画像は測定、観察に使用できない無駄な画像となってしまう。

また、特許文献2に開示されている補正方法は、温度ドリフト量には個体差があるため、個体差を考慮した信頼性のある補正値を用意することは難しい。
特開2000−039560号公報
特開2003−270562号公報

概要

観察の結果得られる画像に歪みやずれが生じて劣化することなく観察画像を得る走査型顕微鏡を提供する。上記課題を解決するために、走査型顕微鏡装置に、2次元走査手段が走査する前記集束光の位置である光学的走査位置を検出する光学的走査位置検出手段と、サンプリングクロック信号に合わせて前記画像検出信号をサンプリングして得る観察画像における位置であって、前記光学的走査位置検出手段が検出する位置における反射光から得る像と一致する位置である電気的サンプリング位置を検出する電気的サンプリング位置検出手段と、前記光学的走査位置と前記電気的サンプリング位置とが一致または略一致するように前記サンプリングクロック信号を調整する位置調整手段と、を備える。

目的

本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、観察の結果得られる画像に歪みやずれが生じて劣化することなく観察画像を得ることができる走査型顕微鏡を提供することである。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
4件

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請求項1

試料に対して集束光照射して得る反射光から観察画像を生成する走査型顕微鏡装置において、前記試料に対して照射する集束光を、該集束光の光路に直交する平面上に対して2次元的に走査させる2次元走査手段と、前記反射光を検出し、該検出した反射光の強度に応じた画像検出信号を生成する光検出手段と、該画像検出信号を所定のサンプリングクロック信号に合わせてサンプリングし、前記試料の観察画像を生成する観察画像生成手段と、前記2次元走査手段が走査する前記集束光の位置である光学的走査位置を検出し、光学的走査位置信号を生成する光学的走査位置検出手段と、前記サンプリングクロック信号に合わせて前記画像検出信号をサンプリングして得る観察画像における位置であって、前記光学的走査位置における反射光から得る像と一致する位置である電気的サンプリング位置を検出し、電気的サンプリング位置信号を生成する電気的サンプリング位置検出手段と、前記光学的走査位置信号と前記電気的サンプリング位置信号とが一致または略一致するように少なくとも1つの前記観察画像を生成する毎に前記サンプリングクロック信号を調整する位置調整手段と、を備える走査型顕微鏡装置。

請求項2

前記位置調整手段は、前記観察画像を生成する毎に1度だけ前記調整を行なう、ことを特徴とする請求項1に記載の走査型顕微鏡装置。

請求項3

前記光学的走査位置は、前記2次元走査手段が行なう2次元走査範囲の中心位置である、ことを特徴とする請求項2に記載の走査型顕微鏡装置。

請求項4

前記2次元走査手段が行なう2次元走査範囲の1ラインを特定するマスク信号を生成するマスク信号生成手段をさらに備え、前記光学的走査位置信号は前記マスク信号と論理積により得られる、ことを特徴とする請求項1に記載の走査型顕微鏡装置。

請求項5

前記マスク信号生成手段は、2次元走査範囲の中心位置にある1ラインを特定するマスク信号を生成する、ことを特徴とする請求項4に記載の走査型顕微鏡装置。

請求項6

前記位置調整手段は、前記2次元走査手段が走査処理を行なわない期間に前記調整を行なう、ことを特徴とする請求項1に記載の走査型顕微鏡装置。

請求項7

少なくとも1つ以上の撮像光学系をさらに有することを特徴とする請求項1に記載の走査型顕微鏡装置。

技術分野

0001

本発明は、観察対象試料について観察画像を生成する走査型顕微鏡装置に関する。

背景技術

0002

従来、走査型顕微鏡として走査型共焦点顕微鏡が知られている。この走査型共焦点顕微鏡は、点状光源から得る光を試料の表面に点状に照明し、照明された試料表面からの透過光または反射光を再び点状に集約するとともに、ピンホール開口を介して光検出器結像させ、この結像の濃度情報を光検出器で検出する。そして、点状照明を2次元走査することにより、試料の観察画像を得る。

0003

点状照明を2次元走査する場合、例えば、X方向への走査には、ガルバノミラーレゾナントスキャナが用いられる。また、Y方向への走査には、ガルバノミラーが用いられる。これらのスキャナ制御回路は、光検出器で生成する画像検出信号から観察画像(画像データ)を生成するために、スキャナの走査に同期して画像生成用の同期信号を生成する。

0004

以下、スキャナが2次元走査する点状照明の任意の位置を「光学的走査位置」という。また、スキャナが生成する同期信号にしたがって画像検出信号をサンプリングして得る観察画像の位置を「電気的サンプリング位置」という。

0005

ここで、スキャナの制御回路が、光学的走査位置を決めるスキャナ駆動信号と、電気的サンプリング位置を決める画像生成用の同期信号と、を同じタイミングで出力すると、実際にはスキャナの動作遅れ電気回路系の時間遅れなどが存在するため、光学的走査位置と電気的サンプリング位置とにずれが生じる場合がある。

0006

また、光学的走査位置と電気的サンプリング位置は、温度変化等によって変化するので、両位置が一致するように調整しても、その後の温度変化等により両位置にずれが生じる場合がある。

0007

その結果、観察画像の中心位置にずれが生じたり、観察画像の一部または全体に歪みが生じるなどして観察画像が画像劣化する場合があった。
特許文献1には、Xスキャナの中心位置を検出する手段を設け、この検出信号電気的サンプリング中心位置を1ライン毎に検出し、このずれ量により走査信号位相補正して、位置のずれを補正する補正方法について開示されている。

0008

また、特許文献2には、温度変化の問題を回避するために、温度毎にあらかじめ補正値を設定し、温度センサにより検出した温度変化を位相シフト量とすることで位相を補正し、光学的走査位置と電気的サンプリング位置を合わせる補正方法について開示されている。

0009

しかし、特許文献1に開示されている補正方法は、画像表示中、1ライン走査毎に光学的走査範囲の中心位置と電気的サンプリング範囲の中心位置を検出し、両位置のずれ量に応じて1ライン毎に走査信号の位相を補正する。そのため、画像表示中のどの位置から補正効果が現れるかわからず、取得画面内の途中から補正効果が現れた場合、画面内の途中から表示画素範囲が左右にずれるということが起こる。このずれが生じた画像は測定、観察に使用できない無駄な画像となってしまう。

0010

また、特許文献2に開示されている補正方法は、温度ドリフト量には個体差があるため、個体差を考慮した信頼性のある補正値を用意することは難しい。
特開2000−039560号公報
特開2003−270562号公報

発明が解決しようとする課題

0011

本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、観察の結果得られる画像に歪みやずれが生じて劣化することなく観察画像を得ることができる走査型顕微鏡を提供することである。

課題を解決するための手段

0012

上記課題を解決するために、本走査型顕微鏡装置は、試料に対して集束光照射して得る反射光から観察画像を生成する走査型顕微鏡装置において、前記試料に対して照射する集束光を、該集束光の光路に直交する平面上に対して2次元的に走査させる2次元走査手段と、前記反射光を検出し、該検出した反射光の強度に応じた画像検出信号を生成する光検出手段と、該画像検出信号を所定のサンプリングクロック信号に合わせてサンプリングし、前記試料の観察画像を生成する観察画像生成手段と、前記2次元走査手段が走査する前記集束光の位置である光学的走査位置を検出し、光学的走査位置信号を生成する光学的走査位置検出手段と、前記サンプリングクロック信号に合わせて前記画像検出信号をサンプリングして得る観察画像における位置であって、前記光学的走査位置検出手段が検出する位置における反射光から得る像と一致する位置である電気的サンプリング位置を検出し、電気的サンプリング位置信号を生成する電気的サンプリング位置検出手段と、前記光学的走査位置信号と前記電気的サンプリング位置信号とが一致または略一致するように少なくとも1つの前記観察画像を生成する毎に前記サンプリングクロック信号を調整する位置調整手段と、を備える。

発明の効果

0013

本発明によると、観察の結果得られる画像に歪みやずれが生じて劣化することなく観察画像を得ることができる走査型顕微鏡を提供することが可能となる。

発明を実施するための最良の形態

0014

以下、本発明の実施形態について、図1図14に基づいて説明する。
(第1の実施例)
図1は、本実施例に係る共焦点レーザ走査型顕微鏡装置100の構成例を示す図である。

0015

図1に示す共焦点レーザ走査型顕微鏡装置100は、観察対象である試料130に対してレーザ光を照射して得る反射光の強度に応じた画像検出信号を生成する顕微鏡本体101と、この画像検出信号について画像化処理を行なって観察画像を生成するコンピュータ102と、コンピュータ102から出力される観察画像を表示するモニタ103と、を備える。

0016

顕微鏡本体101は、レーザ光源110、ミラー111、ハーフミラー112、2次元走査機構113、2次元走査駆動制御回路114、ハーフミラー115、対物レンズ116、ステージ117、レボルバ118、光学的位置検出部119、レンズ120、ピンホール板121、光検出器122および焦点移動機構123、を備える。

0017

レーザ光源110は、スポット光としてのレーザ光を発生する光源である。
2次元走査機構113は、ミラー111を介して得たレーザ光源110からのレーザ光を2次元走査する機構である。本実施例に係る2次元走査機構113は、X方向走査用のレゾナントスキャナと、Y軸方向走査用のガルバノスキャナと、を組み合わせた2軸のスキャナで構成されている。ただし、この構成に限定するものではない。例えば、2次元走査機構113は、X方向走査用のスキャナとY方向の走査用のスキャナとが独立した構成でもよいし、X方向走査用にガルバノスキャナを用いてもよい。

0018

2次元走査駆動制御回路114は、2次元走査機構113を制御してスポット光の光路を走査する。例えば、上述したスキャナをX方向、Y方向に駆動させて、スポット光の光路を2次元走査する。

0019

この時、2次元走査駆動制御回路114は、Xスキャナを動作させるXスキャナ同期信号を2次元走査機構113に備わるXスキャナに出力するとともに、このXスキャナ同期信号に同期して、光検出器122が生成する画像検出信号をサンプリングして観察画像を生成するために使用するサンプリングクロック信号(SCLK)を生成してコンピュータ102に出力する。

0020

ここで、サンプリングクロック信号には、観察画像を得るための走査を行なう往路に使用するサンプリングクロック信号と、走査開始位置にXスキャナを戻す復路に使用するサンプリングクロック信号と、が含まれる。例えば、XスキャナをX方向に1024画素分だけ走査させた場合、サンプリングクロック信号には、1024画素分の往路用サンプリングクロックと、1024画素分の復路用サンプリングクロックが含まれる。

0021

そこで、2次元走査駆動制御回路114、Xスキャナが観察画像を得るための走査を行なう往路にあるか、走査開始位置にXスキャナを戻す復路にあるかを示す信号(以下、「X方向画像有効信号(XDE)」を生成し、コンピュータ102に出力する。

0022

また、2次元走査駆動制御回路114は、2次元走査機構113によるXスキャナの走査を監視し、X方向への走査が1ライン完了する毎に、YスキャナをY方向へ1画素分駆動させるYスキャナ同期信号を2次元走査機構113に出力する。

0023

この時、2次元走査駆動制御回路114は、Yスキャナが観察画像を得るための走査を行なう範囲にあるか、それ以外の範囲にあるか、を示す信号(以下、「Y方向画像有効信号(YDE)」という)を生成し、コンピュータ103に出力する。

0024

本実施例では、2次元走査によりスポット光が照射される試料130上の任意のXY座標位置であって、2次元走査駆動制御回路114が駆動するスキャナの位置で決まるスポット光のXY座標位置を「光学的走査位置」という。また、サンプリングクロック信号にしたがって画像検出信号をサンプリングして得る観察画像のXY座標位置を「電気的サンプリング位置」という。

0025

レボルバ118は、倍率の異なる対物レンズ116を複数備える。このレボルバ118を切替えることにより、所望の倍率を持つ対物レンズ116がスポット光の光路に設置される。

0026

光学的位置検出部119は、2次元走査される範囲(以下、「2次元走査範囲」という)における所望の光学的走査位置を検出する。本実施例では、後述するように、2次元走査範囲の中心位置を検出する。

0027

ピンホール板121は、所要の径のピンホールを有し、光検出器122の受光面の前面に位置するレンズ120の焦点位置にピンホールが位置するように設置されている。
レーザ光源110から射出されたレーザ光は、ミラー111で反射し、ハーフミラー112を透過して2次元走査機構113に入射される。そして、2次元走査機構113により2次元走査される。

0028

ここで、2次元走査機構113は、2次元走査駆動制御回路114からの指示に応じて、自身が備える図示しないXスキャナおよびYスキャナを駆動して2次元走査処理を行なう。この時、2次元走査機構113は、XスキャナをX方向に1往復走査すると、Yスキャナを1ライン分だけY方向に駆動させる処理を繰り返して2次元走査を行なう。

0029

例えば、縦×横が1024×1024画素の観察画像を取得する場合、Y方向に1024ライン駆動したところで1画面分の2次元走査が完了する。その後、Yスキャナは初期位置に戻り、同じ動作を繰り返す。

0030

2次元走査機構113から射出されたレーザ光は、半透明鏡であるハーフミラー115に一部反射し、一部透過する。反射したスポット光は、対物レンズ116を介してステージ117上に保持された試料130上に照射される。また、透過したスポット光は、光学的位置検出部119に照射される。

0031

試料130からの反射光は、対物レンズ116、2次元走査機構113を介して半透明鏡であるハーフミラー112に照射される。さらに、当該反射光は、ハーフミラー112を反射してレンズ120に入射する。そして、当該反射光は、レンズ120で集光され、ピンホール板121に入射する。

0032

ピンホール板121を介して得られる光は、光検出器122により画像検出信号に変換され、コンピュータ102に出力される。
コンピュータ102は、この画像検出信号と、2次元走査駆動制御回路114が出力するX方向画像有効信号およびY方向画像有効信号と、から観察画像を生成し、モニタ103に出力する。その結果、モニタ103上に試料130の観察画像が表示される。

0033

図2は、本実施例に係る光学的位置検出部119の構成例を示す図である。
本実施例に係る光学的位置検出部119は、光を集光するレンズ201と、所要の径のピンホールを有するピンホール板202と、ピンホール板202を通過する光を検出し、検出した光の強度に応じた検出信号を出力する光検出器203と、検出信号を一定のレベル増幅するアンプ204と、を備える。

0034

2次元走査機構113により2次元走査され、ハーフミラー115を透過したスポット光(以下、「透過光」という)は、レンズ201に入射し集光される。そして、透過光は、レンズ201の集光位置に配置されたピンホール板202を通過して光検出器203に入射する。

0035

ピンホール板202は、2次元走査範囲内の所望の位置(本実施例では、2次元走査範囲の中心位置)以外の光を遮断する。また、光検出器203はフォトダイオード等で構成される一般的な光検出器である。

0036

ピンホール板202があることにより、光検出器203は、2次元走査される透過光のうち、2次元走査範囲内の所望の位置に入射する光のみ検出する。すなわち、光検出器203は、2次元走査されるスポット光が2次元走査範囲の所望の光学的走査位置にあることを検出する。そして、光検出器203は、検出した光の強度に応じた検出信号を出力する。出力された検出信号は、アンプ204に入力されて一定レベルに増幅されるとともに、波形成形されて2次元走査駆動制御回路114に出力される。この時の信号を「光学的位置検出信号」という。

0037

例えば、X方向、Y方向にそれぞれ1024画素、1024ライン走査して観察画像を取得する場合、512ライン目の512番目の画素の走査位置に透過光が入射された時に、光学的位置検出部119は光学的位置検出信号を生成して2次元走査駆動制御回路114に出力する。

0038

なお、光学的位置検出部119は、図2に示した構成に限定されないのは当然である。
図3は、本実施例に係る電気的サンプリング回路300の構成例を示す図である。
入力信号生成部301は、Xスキャナの駆動速度0のタイミングを示すスキャナ同期信号を受けると、当該スキャナ同期信号から入力信号(正弦波信号)を生成する。入力信号生成部301には、例えば、バンドパスフィルタのようなアナログ回路を使用すればよい。

0039

なお、図4に示すように、スキャナ同期信号402は、Xスキャナのスキャナ駆動信号401に同期して生成されるタイミング信号であり、Xスキャナ1往復を1周期とする方形波となっている。

0040

移相回路302は、後述する誤差信号発生部312からの信号に応じて、入力信号生成部301から入力される入力信号の位相を変化させる。移相回路302は、例えば、オールパスフィルタなどのアナログ回路を使用すればよい。

0041

位置帰還部303は、移相回路302からの出力信号と、後述するD/Aコンバータ307からの出力信号と、の差分信号を生成して絶対値回路部304に出力する。
絶対値回路部304は、位置帰還部303からの出力信号を全波整流する回路である。絶対値回路部304は、全波整流した信号をVCO305に出力する。

0042

VCO(Voltage Control Oscillator)305は、電圧−周波数変換を行なう回路である。絶対値回路部304からの出力信号に比例した周波数クロック信号を出力する(このクロック信号を「サンプリングクロック信号」という)。このサンプリングクロック信号は、コンピュータ102に出力される。

0043

コンピュータ102は、X方向画像有効信号およびY方向画像有効信号にしたがって、サンプリングクロック信号を用いて画像検出信号をサンプリングし、観察画像を生成する。例えば、1クロック毎に観察画像1画素分の画像データのサンプリングが行なわれる。X方向が1024画素の観察画像では、1024クロックでX方向の1ライン分が画像化される。

0044

カウンタ306は、VCO305が出力するサンプリングクロック信号をカウントし、このカウント値(以下、「Xカウント値」という)からY方向のライン数をカウントする回路である(以下、このカウント値を「Yカウント値」という)。例えば、X方向が1024画素の観察画像の場合、カウンタ306は、サンプリングクロック信号をカウントし、1024クロック毎に1ライン、2ラインとYカウント値のカウントアップを行なう。

0045

そして、カウンタ306は、1ライン毎にタイミング信号(以下、「第1のタイミング信号」という)を生成して位相比較器309に出力する。また、カウンタ306は、X方向画像有効信号を生成し、X方向画像有効信号をコンピュータ102に出力する。

0046

また、カウンタ306は、Xカウント値とYカウント値を監視し、所望のXカウント値およびYカウント値を検出すると、検出信号を位相比較器311に出力する。この検出信号を「電気的サンプリング位置信号」という。

0047

本実施例に係るカウンタ306は、サンプリングクロック信号にしたがって画像検出信号をサンプリングして得る観察画像の中心位置を示す電気的サンプリング位置信号を生成する。

0048

例えば、X方向、Y方向にそれぞれ1024画素、1024ライン走査して観察画像を取得する場合、Xカウント値が512かつYカウント値が512の時に、カウンタ306は電気的サンプリング位置信号を出力する。

0049

なお、電気的サンプリング位置は、サンプリングクロック信号にしたがって画像検出信号をサンプリングして得る観察画像における位置であって、光学的走査位置における反射光から得る像と一致する位置であれば中心位置に限らない。

0050

D/Aコンバータ307は、Yカウント値に応じた電圧の信号を生成する。そして、D/Aコンバータ307は、当該信号を位置帰還部303に出力する。上述のように、位置帰還部303では、移相回路302からの出力信号とD/Aコンバータ307からの出力信号との差分をとることで、VCO305の非線形性指示値に対する誤差分を補正することができる。

0051

コンパレータ308は、位置帰還部303からの出力信号を、電圧0Vと比較し、当該出力信号が0Vとなるタイミングでタイミング信号(以下、「第2のタイミング信号」という)を生成し、当該第2のタイミング信号を位相比較器309に出力する。

0052

位相比較器309は、カウンタ306が出力する第1のタイミング信号と、コンパレータ308が出力する第2のタイミング信号と、の位相比較を行なう。そして、位相比較器309は、比較の結果得られる信号をループフィルタ310を介して入力信号生成部301に出力し、入力信号のゲイン調整を行なう。第1のタイミング信号と第2のタイミング信号とが一致したところで、入力信号の振幅が一定となる。これにより、X方向へのスキャン1ラインに同期してサンプリングクロック信号を規定回数発生させることができ、動作点も安定する。

0053

位相比較器311は、光学的走査位置信号と電気的サンプリング位置信号とを位相比較し、比較の結果得られる位相比較結果信号を誤差信号発生部312に出力する。位相比較器311は、例えば、FFフリップフロップ)などで構成することができる。

0054

誤差信号発生部312は、位相比較器311が生成した位相比較結果信号を、移相回路302に誤差補正量として出力する。移相回路302にフィルタ定数を決める抵抗を変化させるポテンションメータ等を備える場合、ポテンションメータ等に当該位相比較結果信号を出力してフィルタ定数を調整すればよい。

0055

以上に説明したように、電気的サンプリング回路300は、入力信号生成部301に入力されるXスキャナのスキャナ同期信号に同期して、サンプリングクロック信号を生成する。そして、コンピュータ102に出力する。

0056

以上の構成において、例えば、2次元走査手段は、2次元走査機構113および2次元走査駆動制御回路114で実現できる。また、光検出手段は、光検出器122で実現できる。また、観察画像生成手段は、コンピュータ102で実現できる。また、光学的走査位置検出手段は、光学的位置検出信号119で実現できる。また、電気的サンプリング位置検出手段は、カウンタ306で実現できる。また、位置調整手段は、電気的サンプリング回路300で実現できる。

0057

図5は、本実施例に係る電気的サンプリング回路300の主要な構成要素の出力信号を示すタイミングチャートである。
図5には、光学的位置検出部119が出力する光学的走査位置信号と、カウンタ306が出力する電気的サンプリング位置信号と、位相比較器311が出力する光学的走査位置信号と電気的サンプリング位置信号との位相比較結果である位相比較結果信号と、所定の周波数を有する基準クロック信号と、誤差信号発生部312が出力する誤差出力信号と、を示している。

0058

光学的位置検出部119が出力する光学的走査位置信号は、位相比較器311に入力される。また、カウンタ306が出力する電気的サンプリング位置信号も、位相比較器311に入力される。

0059

位相比較器311は、光学的位置検出信号と電気的サンプリング位置信号を入力とし、図に示す位相比較結果信号を出力する。例えば、位相比較器311がFF(フリップフロップ)などで構成されている場合、図のように、光学的位置検出信号が入力されるとセットされてHigh信号を出力し、電気的サンプリング位置信号が入力されるとリセットされてLow信号を出力する。

0060

誤差信号発生部312は、位相比較結果信号と基準クロック信号とを入力とし、図に示す誤差出力信号を出力する。例えば、誤差信号発生部312を論理積回路などで構成することにより、位相比較結果信号がHighである間の基準クロック信号を得る。そして、誤差信号発生部312は、誤差出力信号を移相回路302に出力する。上述したように、移相回路302は、誤差出力信号に応じて、入力信号の位相を変化させることとなる。

0061

以上のようにフィードバック制御が行なわれるので、光学的位置検出信号と電気的サンプリング位置信号とが一致または略一致(例えば、両信号の位相差が1クロック以下)した状態で安定する。

0062

例えば、2次元走査機構113などで生じるスキャナ駆動信号に対するXスキャナの動作遅延(以下、単に「動作遅延」という)や、2次元走査駆動制御回路114や光学的位置検出部119等の電気回路で生じる電気的遅延(以下、単に「電気的遅延」という)により、光学的位置検出信号と電気的サンプリング位置信号とに位相差が生じた場合でも、上述のフィードバック制御が働くので、常に、光学的位置検出信号と電気的サンプリング位置信号とを一致または略一致の状態で安定させることが可能となる。

0063

すなわち、光学的走査位置と電気的サンプリング位置とを常に一致させた状態で観察画像を生成することが可能となる。
また、温度変化等により動作遅延や電気的遅延が変動しても、上述のフィードバック制御により、常に光学的位置検出信号と電気的サンプリング位置信号とを一致または略一致の状態に安定させることが可能となる。

0064

その結果、常に、所定の光学的走査位置から画像検出信号のサンプリングを行なうことが可能となるので、コンピュータ102で生成する観察画像の劣化を防止することが可能となる。

0065

電気的サンプリング回路300は、常に、Xスキャナのスキャナ駆動信号に同期して動作するので、当該スキャナ駆動信号に近い周期で上述のフィードバック制御による補正を行なうと、動作が不安定になる場合があるが、本実施例では、2次元走査範囲の中心位置を光学的位置検出部119が検出した時だけ、すなわち、1回の2次元走査に1度だけ、つまり、1回の2次元走査により観察画像を生成する毎に上述のフィードバック制御による補正が行なわれるので、電気的サンプリング回路300を安定して動作させることができる。

0066

なお、光学的走査位置と電気的サンプリング位置とに生じる誤差は、温度変化や個体差(製造時のバラツキなど)が主な原因であるため、1回の2次元走査に1度だけ補正を行なえば十分である。

0067

以上に説明したように、本実施例によれば、光学的走査位置と電気的サンプリング位置とを自動で調整することが可能となる。さらに、スキャナの駆動パターンズーム、温度変化、経時変化に影響されることなく、常に、光学的走査位置と電気的サンプリング位置とを一致させた状態にすることが可能となる。

0068

その結果、光学的走査位置に対して電気的サンプリング位置がずれることで生じる観察画像の歪みが補正されるので、画質劣化のない良質な観察画像を得ることが可能となる。
なお、1回の2次元走査に1度だけ、つまり、1回の2次元走査により観察画像を生成する毎に上述のフィードバック制御による補正を行うようにしたが、複数回の2次元走査により複数の観察画像を生成する毎に上述のフィードバック制御による補正を行うようにしてもよい。

0069

また、本実施例に係る共焦点レーザ走査型顕微鏡100は、光源や光学素子などを新たに追加する必要がないので、その分構成をシンプルに構成することができる。さらに、従来使用することがなかった光を有効に活用しているので、光学的位置検出部119のためにレーザ光源110の強度を上げることなく、良質な観察画像を得ることが可能となる。

0070

なお、本実施例に係る光学的位置検出部119は、2次元走査範囲の中心位置を検出したときに光学的位置検出信号を出力したが、これに限定する趣旨ではない。例えば、必要に応じて、2次元走査範囲の任意の位置を検出したときに光学的位置検出信号を出力するようにしてもよい。

0071

また、光学的位置検出部119は、図2に示した構成に限定するものではない。他の従来技術で光学的位置検出部119を構成して、光学的走査位置を検出してもよい。また、光学的位置検出部119は、図1に示した位置に限定するものではなく、必要に応じて、図1に示した位置以外の位置に配置してもよいのは当然である。

0072

なお、図3には、アナログ回路で構成した電気的サンプリング回路300の構成例を示したが、入力信号生成部301および移相回路302には、例えば、図6に示すように一部にデジタル回路を使用してもよい。

0073

図6は、本実施例に係る入力信号生成部301および移相回路302のデジタル回路(以下、「入力信号発生回路600」という)で実現する場合の構成例を示す図である。
図6に示す入力信号発生回路600は、位相比較を行なう位相比較器601と、比較結果から一定の信号を抽出するループフィルタ602と、ループフィルタ602の出力信号に応じて周波数を変化させたクロック信号を出力するVCO603と、一定期間のクロック信号をカウントするアドレスカウンタ604と、図6に示す正弦波データaを記憶したROM605と、デジタルアナログ変換を行なうD/Aコンバータ606と、を備える。

0074

電気的サンプリング回路300に電源投入されると、VCO603が自走し、所定の周波数のクロック信号を出力する。アドレスカウンタ604は、一定期間毎に当該クロック信号をカウントする。この時、アドレスカウンタ604は、カウントして得られる値(以下、「アドレス値」という)が所定のカウント値(以下、「アドレスコンパレータ値」という)になると、タイミング信号を生成し、位相比較器601に出力する。

0075

位相比較器601は、スキャナ同期信号と、アドレスカウンタ604からのタイミング信号と、を比較し、比較結果をループフィルタ602を介してVCO603に出力する。
以上の処理が繰り返されると、アドレスカウンタ604が生成するタイミング信号とスキャナ同期信号とが同期したところで入力信号発生回路600が安定して動作する。

0076

アドレスカウンタ604は、アドレスカウンタ604が出力するアドレス値に対応するROMデータ値を読み出してD/Aコンバータ606に出力する。D/Aコンバータ606は、ROMデータ値に応じた電圧値の信号を出力する。その結果、D/Aコンバータ606からROM605にあらかじめ記憶された正弦波の信号が、スキャナ同期信号に同期して位置帰還部303に出力される。

0077

また、アドレスカウンタ604には、誤差信号発生部312から位相比較結果信号が入力される。アドレスカウンタ604が、位相比較結果信号に応じてアドレスコンパレータ値を調整することにより、光学的位置検出信号と電気的サンプリング位置信号とが一致または略一致の状態で安定する。

0078

また、D/Aコンバータ606には、位相比較器309による第1のタイミング信号と第2のタイミング信号との位相比較の結果がループフィルタ310を介して入力される。この制御量を用いてD/Aコンバータ606のゲイン調整を行なうことにより、入力信号発生回路600が出力する正弦波の振幅が制御される。すなわち、第1のタイミング信号と第2のタイミング信号とが同期し、位相比較器309からD/Aコンバータ606への出力が一定となるように制御される。
(第2の実施例)
本実施例に係る共焦点レーザ走査型顕微鏡の構成は、図1に示した共焦点レーザ走査型顕微鏡100の構成例と同様なので説明を省略する。ただし、2次元走査駆動制御回路114は、2次元走査範囲におけるY方向の中心位置(以下、「中心ライン」という)を検出し、当該中心ラインを検出するとパルス信号を出力するものとする。この場合、例えば、2次元走査駆動制御回路114は、Y方向画像有効信号をカウントし、中心ラインまでカウントしたらパルス信号(以下、このパルス信号を「マスク信号」という)を生成すればよい。

0079

以下、第1の実施例と異なる構成について説明する。
図7は、本実施例に係る電気的サンプリング回路700の構成例を示す図である。
本実施例に係る電気的サンプリング回路700は、2次元走査駆動制御回路114からのマスク信号を入力とする位相比較器701を備える。

0080

本実施例に係る位相比較器701は、光学的走査位置信号とマスク信号とをANDした信号と、電気的サンプリング位置信号とマスク信号とをANDした信号と、を位相比較する。そして、比較の結果得られる位相比較結果信号を誤差信号発生部312に出力する。

0081

例えば、位相比較器701は、光学的走査位置信号とマスク信号とを入力とする第1の論理積回路と、電気的サンプリング位置信号とマスク信号とを入力とする第2の論理積回路と、第1の論理積回路の出力信号と第2の論理積回路の出力信号とを入力とする位相比較器311と、で構成することができる。

0082

なお、位相比較器701は、光学的走査位置信号と電気的サンプリング位置信号とを位相比較し、比較の結果得られる位相比較結果信号とマスク信号とをANDした信号を誤差信号発生部312に出力するようにしてもよい。

0083

この場合、例えば、位相比較器701は、位相比較器311と、位相比較器311が出力する位相比較結果信号とマスク信号とを入力とする論理積回路と、で構成することができる。

0084

ここで、光学的位置検出部119から図8に示す光学的位置検出信号aが得られることが理想であるが、ピンホール板202の径の大きさによっては、図8に示すような複数のパルス信号からなる光学的位置検出信号bを光検出器203が検出される。この場合、光学的位置検出部119からは光学的位置検出信号cが出力される。

0085

また、図9に示すように、1回の2次元走査処理で光学的位置検出信号が2回生成されてしまう場合がある。
例えば、Yスキャナは、2次元走査範囲の開始位置(1)から2次元走査を開始すると、Y方向に1ラインずつ駆動を行なう。そして、中心ラインを通過する。この時、光学的位置検出部119は、理想的には光学的走査位置信号aを生成する。しかし、上述のように、ピンホール板202の径の大きさによって、光学的走査位置信号cを生成する。

0086

さらにY方向に1ラインずつ駆動すると、Yスキャナは、2次元走査範囲の終了位置(2)まで到達する(この期間を「走査期間」という)。1画面分の2次元走査が終了すると、Yスキャナは、2次元走査範囲の開始位置(1)まで戻る必要があるので、走査方向とは逆の方向に駆動を開始して開始位置(1)まで移動する(この期間を「帰線期間」という)。この帰線期間においても、中心ラインを通過するため、光学的位置検出部119は光学的走査位置信号c’を生成する。

0087

したがって、走査期間と帰線期間とでそれぞれ光学的走査位置信号が生成されることとなる。
本実施例では、2次元走査駆動制御回路114が、走査期間における中心ラインを検出するとマスク信号を生成し、生成したマスク信号を位相比較器701に出力する。そして、位相比較器701が、光学的走査位置信号とマスク信号とをANDした信号と、電気的サンプリング位置信号とマスク信号とをANDした信号と、を位相比較するので、走査期間に生成された光学的位置検出信号(電気的サンプリング位置信号)のみを使用することができる。

0088

図10は、本実施例に係る電気的サンプリング回路700の主要な構成要素の出力信号を示すタイミングチャートである。
図10には、光学的位置検出部119が出力する光学的走査位置信号と、カウンタ306が出力する電気的サンプリング位置信号と、2次元走査駆動制御回路114が出力するマスク信号と、位相比較器701が出力する光学的走査位置信号と電気的サンプリング位置信号との位相比較結果である位相比較結果信号と、所定の周波数を有する基準クロック信号と、誤差信号発生部312が出力する誤差出力信号と、を示している。

0089

光学的位置検出部119が出力する光学的走査位置信号は、位相比較器701に入力される。また、カウンタ306が出力する電気的サンプリング位置信号も、位相比較器701に入力される。

0090

位相比較器701は、光学的走査位置信号とマスク信号とをANDした信号と、電気的サンプリング位置信号とマスク信号とをANDした信号と、を位相比較して位相比較結果信号を出力する。

0091

誤差信号発生部312は、位相比較結果信号と基準クロック信号とを入力とし、図に示す誤差出力信号を出力する。例えば、誤差信号発生部312を論理積回路などで構成することにより、位相比較結果信号がHighである間の基準クロック信号を得る。そして、誤差信号発生部312は、誤差出力信号を移相回路302に出力する。上述したように、移相回路302は、誤差出力信号に応じて、入力信号の位相を変化させることとなる。

0092

以上のように、位相比較器701は、複数の光学的位置検出信号が生成される場合でも、マスク信号がHighの時のみ、位相比較結果信号を出力するので、2次元走査範囲の中心以外の信号を除去することが可能となる。

0093

また、光学的位置検出信号は一定の幅を持つパルス信号であるので、パルス信号のエッジが中心位置からずれる場合がある。この場合、カウンタ306がカウントを開始する初期値可変にして第1のタイミング信号を調整可能にしてもよい。これにより、光学的走査位置の中心位置と電気的サンプリング位置の中心位置とを容易に調整することが可能となる。

0094

その結果、光学的位置検出部119の構成を簡単化することができ、手動による煩雑な調整をすることなく光学的位置検出を行なうことが可能となる。
また、第1の実施例と同様に、温度変化等により動作遅延や電気的遅延が変動しても、上述のフィードバック制御により、常に、光学的位置検出信号と電気的サンプリング位置信号とを一致または略一致した状態で安定させることが可能となる。

0095

その結果、常に、所定の光学的走査位置から画像検出信号のサンプリングを行なうことが可能となるので、コンピュータ102で生成する観察画像の劣化を防止することが可能となる。
(第3の実施例)
本実施例に係る共焦点レーザ走査型顕微鏡の構成は、図1に示した共焦点レーザ走査型顕微鏡100の構成例と同様なので説明を省略する。

0096

以下、第2の実施例と異なる構成について説明する。
図11は、本実施例に係る電気的サンプリング回路1100の構成例を示す図である。
本実施例に係る電気的サンプリング回路1100は、2次元走査駆動制御回路114からのY方向画像有効信号を入力とする誤差信号発生部1101を備える。

0097

誤差信号発生部1101は、位相比較器701からの位相比較結果信号をカウントし、Y方向画像有効信号がHighになると、当該カウント値をアドレスカウンタ604に出力する。

0098

この場合、例えば、誤差信号発生部1101は、位相比較結果信号をカウントするカウンタと、当該カウンタからの出力とY方向画像有効信号とを入力とする論理積回路と、で構成することができる。

0099

ここで、図9に示したように、Yスキャナは、画像を有効に走査する走査期間と、画像を走査しない帰線期間と、を有する。しかし、図12に示すように、走査期間は、走査開始時走査終了時とに画像を有効に走査できない画像無効期間を有する場合がある。

0100

そこで、本実施例に係る2次元走査駆動制御回路114は、図12に示すように、画像を有効に走査できる画像有効期間がLowレベルとなるY方向画像有効信号を生成し、誤差信号発生部1101に出力する。

0101

例えば、図13に示すように、誤差信号発生部1101は、自身に備わるカウンタにより誤差出力信号をカウントする。すると、カウント値は誤差出力信号に含まれるクロックだけカウントアップされる。例えば、誤差出力信号にaだけクロックが含まれる場合、カウンタの初期値をNとすると、カウンタ値はNからN+aとなる。

0102

ここで、誤差信号発生部1101は、誤差出力信号のカウントが完了しても、Y方向画像有効信号がHighにならないので当該カウント値を出力しない。そして、Y方向画像有効信号がLowからHighになると、アドレスカウンタ604にカウント値を出力し、アドレスコンパレータ値がNからN+aになる。

0103

以上に説明したように、誤差信号発生部1101は、Y方向画像有効信号に応じて、画像有効期間以外の期間(画像無効期間または帰線期間)に誤差出力信号を出力するので、光学的位置検出信号と電気的サンプリング位置信号との位相差の補正は、画像有効期間以外の期間に行なわれる。その結果、当該位相差の補正は、次回の2次元走査時から反映される。

0104

例えば、光学的走査位置が中心ラインの時に誤差出力信号がアドレスカウンタ604に出力されると2次元走査範囲の中心位置(すなわち、観察画像の中心位置)以後の走査処理から当該位相差の補正が行なわれて観察画像の中心位置に歪み等が生じることを防止でき、測定や観察に使用できない観察画像が生成されることを防止できる。

0105

以上に説明した実施例に係る光学的位置検出部119は、レーザ光源110からの光を使用しているが、図14に示すように、個別に専用の光源、専用の光学系を設けてもよい。
(第4の実施例)
図14に示す顕微鏡本体1400は、走査型レーザ顕微鏡に使用する光学系とは別に、画像取得に使用する光学系である光源1401、ハーフミラー1402、CCDカメラ1403を備えている。

0106

光源1401から射出される光は、ハーフミラー1402を反射し、試料130に照射される。試料130を反射した反射光は、ハーフミラー1402を透過し、CCDカメラ1403に入射する。CCDカメラ1403は、入射した反射光を受光し画像化信号を生成する。そして、CCDカメラ1403は、画像化信号をコンピュータ203のへ出力する。

0107

コンピュータ203は、CCDカメラ1403出力した画像化信号から観察画像(以下、「CCD画像」という)を生成し、モニタ103に出力する。その結果、試料130の観察画像がモニタ103に表示されることとなる。

0108

また、本実施例に係る共焦点レーザ走査型顕微鏡は、図1に説明したように、レーザ光源110から射出されるレーザ光を試料130に照射して得る観察画像(以下、「レーザ顕微鏡画像」という)も生成することができるので、モニタ103画面上に、例えば、画面を2分割して、CCD画像とレーザ顕微鏡画像を同時に表示することが可能となる。

0109

ここで、第1の実施例、第2の実施例及び第3の実施例で説明したように、本実施例に係る共焦点レーザ走査型顕微鏡は、光学的走査位置と電気的サンプリング位置とに生じたずれを補正して、常に一致または略一致させるので、レーザ顕微鏡画像とCCD画像とを同時にモニタ103に表示した場合であっても、互いの画像にずれが生じることを防止することが可能となる。

0110

レーザ顕微鏡画像とCCD画像とにずれが生じないので、補正をすることなく、両画像を重ねて1つの画像に合成することが可能となる。その結果、画像合成に失敗する等の無駄をなくすことが可能となる。

0111

以上のように、走査型レーザ顕微鏡で生成した画像と、他の撮像用の光学系で生成した画像とを比較、合成するような場合でも、両画像にずれが生じないので、補正等をすることなく画像の観察・加工を行なうことが可能となる。

図面の簡単な説明

0112

第1の実施例に係る共焦点レーザ走査型顕微鏡装置の構成例を示す図である。
第1の実施例に係る光学的位置検出部の構成例を示す図である。
第1の実施例に係る電気的サンプリング回路の構成例を示す図である。
第1の実施例に係るスキャナ同期信号の例を示す図である。
第1の実施例に係る電気的サンプリング回路の主要な構成要素の出力信号を示すタイミングチャートである。
第1の実施例に係る入力信号生成部および移相回路のデジタル回路で実現する場合の構成例を示す図である。
第2の実施例に係る電気的サンプリング回路の構成例を示す図である。
第2の実施例に係る光学的位置検出信号の例を示す図である。
第2の実施例に係る光学的位置検出信号とマスク信号を説明する図である。
第2の実施例に係る電気的サンプリング回路の主要な構成要素の出力信号を示すタイミングチャートである。
第3の実施例に係る電気的サンプリング回路の構成例を示す図である。
第3の実施例に係る走査期間を説明する図である。
第3の実施例に係る誤差信号発生部の動作を説明する図である。
第4の実施例に係る共焦点レーザ走査型顕微鏡の構成例を示す図である。

符号の説明

0113

114 ・・・ 2次元走査駆動制御回路
119 ・・・光学的位置検出部
301 ・・・入力信号生成部
302 ・・・移相回路
303 ・・・位置帰還部
304 ・・・絶対値回路部
305 ・・・VCO部
306 ・・・カウンタ
307 ・・・ D/Aコンバータ
308 ・・・コンパレータ
309 ・・・位相比較器
310 ・・・ループフィルタ
311 ・・・ 位相比較器
312 ・・・誤差信号発生部

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