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技術 レーザー走査顕微鏡装置

出願人 アストロデザイン株式会社
発明者 武居利治武田重人鈴木茂昭
出願日 2012年5月8日 (7年4ヶ月経過) 出願番号 2012-106753
公開日 2013年11月21日 (5年9ヶ月経過) 公開番号 2013-235100
状態 特許登録済
技術分野 顕微鏡、コンデンサー
主要キーワード 出射面位置 信号比較器 次回折波 曲率方向 正弦格子 正弦波格子 受光素子同士 微分情報
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (10)

課題

近接したビームを得ると同時にビート周波数を高くして、分解能走査速度を著しく向上させるレーザー走査顕微鏡装置を提供する。

解決手段

レーザー光源1、コリメーターレンズ2、ビーム成形光学系3、音響光学変調素子4が並んで位置している。音響光学変調素子4からの光は、第1の瞳伝達拡大レンズ系6、ビームスプリッター9等を通過する。ビームスプリッター9の両隣に配置される受光素子19、24に光電変換部20、25が繋がり、これらからの信号が信号比較器21を介してデータ処理部22に送られる。ビームスプリッター9に繋がり第1の1次元走査ディバイス11が配置されその下方に、第2の瞳伝達拡大レンズ系12、第2の1次元走査ディバイス13、第3の瞳伝達拡大レンズ系15が順に配置される。この下隣に対象物Sと対向する対物レンズ16が配置される。

概要

背景

微小な高さを高精度に測定するには、光へテロダイン干渉法がよく知られている。これは、周波数の異なる2つのレーザー光干渉させ、その差の周波数のビート信号を作成し、ビート信号の位相変化波長の1/500程度の分解能で検出して、表面の高さ方向の変化を計測するものである。このようなものとして、下記特許文献1の特開昭59−214706号公報が具体的に知られているが、この特許文献1では、音響光学素子を用いて異なる波長からなる2つのビームを隣接して発生させ、これら2ビーム間の位相変化を検出し、その位相変化を累積して表面プロファイルを得る方法が開示されている。

ただし、この特許文献1では、音響光学素子に印加する直流電圧により走査を行い、かつ、正弦波信号を音響光学素子に加えて、お互いに周波数の異なる2つの空間的に分離したビームを作成していた。ここで、音響光学素子のブラッグ回折格子dは、超音波の速度をVa、印加する周波数をfaとすると、d=Va/faとなる。すなわち、ブラッグ回折角と印加する周波数とは、逆比例関係となる。

これに対して、通常の音響光学素子では、走査に必要な周波数は、数十MHzから百MHz以内となる。仮に、周波数レンジを70MHz程度として、2つのビーム間の位相変化を捉えるためには、2つのビームは近接していなければならない。例えば、走査範囲を1mm程度にしておいて、この走査範囲を1000点に分解したいとすると、1点あたり70KHzとなる。このときの2つのビーム間隔は、1μm程度となり、お互いに近接していると考えることができる。

ところが、ビデオレート以上の速度でデータを取得したい場合、たとえば、細胞状態変化リアルタイムでみたいという要求や、表面形状を精密かつ高速に計測したいという要求等に応えることはできない。すなわち、ビデオレートで観測するには、水平走査周波数は、15KHz程度となるので、1000点の分解を行うとすると、1点あたりに必要な周波数は15MHz程度になる。従って、2つのビームを接近させ、かつ、周波数を大きくすることは、実質上できないことになる。

また、通常の顕微鏡の分解能はいわゆるアッべの理論の限界により制限されている。この限界は、波動の有する回折現象の結果であり、越えることの出来ない理論限界とされていた。

概要

近接したビームを得ると同時にビート周波数を高くして、分解能と走査速度を著しく向上させるレーザー走査顕微鏡装置を提供する。レーザー光源1、コリメーターレンズ2、ビーム成形光学系3、音響光学変調素子4が並んで位置している。音響光学変調素子4からの光は、第1の瞳伝達拡大レンズ系6、ビームスプリッター9等を通過する。ビームスプリッター9の両隣に配置される受光素子19、24に光電変換部20、25が繋がり、これらからの信号が信号比較器21を介してデータ処理部22に送られる。ビームスプリッター9に繋がり第1の1次元走査ディバイス11が配置されその下方に、第2の瞳伝達拡大レンズ系12、第2の1次元走査ディバイス13、第3の瞳伝達拡大レンズ系15が順に配置される。この下隣に対象物Sと対向する対物レンズ16が配置される。

目的

本発明は上記背景に鑑みてなされたもので、近接したビームを得ると同時にビート周波数を高くして、分解能と走査速度を著しく向上させるレーザー走査顕微鏡装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

レーザー光出射するレーザー光源と、該レーザー光を相互に異なる周波数の2つの光に変調させつつ相互に異なる方向に出射する光変調器と、前記2つの光を1次元走査あるいは2次元走査する走査素子面を有する走査光学素子と、前記光変調器から出射された2つの光を拡大し、かつ、前記光変調器の回折光出射面と該走査素子面とを共役な配置とするように、前記光変調器と該走査光学素子との間に位置する瞳伝達拡大レンズ系と、瞳位置を有し、配置されている対象物に2つの光を出射する対物レンズと、前記走査光学素子の走査素子面と該対物レンズの瞳位置とを共役な配置とするように、前記走査光学素子と該対物レンズとの間に位置する瞳伝達レンズ系と、前記対象物からの反射光あるいは透過光受光する受光素子と、前記受光素子で受光した光を光電変換して各々のビート信号を作成する光電変換部と、前記光電変換部のビート信号に基づいて得られた信号の位相差または強度差を検出する信号比較器と、前記信号比較器の位相情報または強度情報を取得して得たデータに基づき処理を行うデータ処理部と、を含むことを特徴とするレーザー走査顕微鏡装置

請求項2

瞳伝達拡大レンズ系と走査光学素子との間にビームスプリッターが配置され、受光素子が第1の受光素子および第2の受光素子からなり、第1の受光素子が、前記走査光学素子と共役な位置に配置され、かつ、瞳伝達拡大レンズ系から送られ前記ビームスプリッターで反射されて分離された光を受光し、第2の受光素子が、前記光変調器と共役な位置に配置され、かつ、前記対象物から反射されて、前記対物レンズおよび前記瞳伝達レンズを経て前記ビームスプリッターにおいて反射された光を受光することを特徴とする請求項1記載のレーザー走査顕微鏡装置。

請求項3

前記信号比較器が、光電変換された信号のうち前記2つの光の周波数差に相当するビート信号の位相または強度と前記対象物がないかあるいは前記対象物があっても影響がないほど前記対物レンズをデフォーカスした状態での信号との位相差または強度差を検出することを特徴とする請求項1または請求項2に記載のレーザー走査顕微鏡装置。

請求項4

前記光変調器は、前記レーザー光源から出射されたレーザー光が入射させる音響光学素子と、前記音響光学素子にキャリア交流信号正弦波信号印加する信号発生器と、を含むことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載のレーザー走査顕微鏡装置。

請求項5

前記光変調器は、前記レーザー光源から出射されたレーザー光が入射させる空間光変調器と、前記空間光変調器に振幅または位相情報として正弦波状の格子縞を書き込み、キャリア交流信号と正弦波信号を印加して、前記格子縞を一定方向に移動させる信号発生器と、を含むことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載のレーザー走査顕微鏡装置。

請求項6

前記走査光学素子は、ガルバノミラー、レゾナンミラーによる1次元走査素子、2つの1次元走査ディバイスと瞳伝達レンズ系よりなる2次元走査光学系、あるいは、1次元走査または2次元走査のマイクロミラーディバイスよりなることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれかに記載のレーザー走査顕微鏡装置。

請求項7

前記受光素子は、前記光変調器により相互に異なる方向に出射された2つの光の分離方向に少なくとも2分割以上された複数の受光素子であることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれかに記載のレーザー走査顕微鏡装置。

請求項8

前記光電変換部で作成されたビート信号は、前記受光素子の2分割以上された複数の受光素子のすべての受光素子の和信号、または、2分割以上された分割素子の対応する位置にある受光素子同士差信号より取得することを特徴とする請求項7記載のレーザー走査顕微鏡装置。

請求項9

前記走査光学素子の走査素子面と対物レンズの瞳位置とを共役な配置とする瞳伝達レンズ系が、拡大光学系とされることを特徴とする請求項1から請求項8のいずれかに記載のレーザー走査顕微鏡装置。

請求項10

前記走査光学素子が、1次元走査光学素子を2つ組み合わせて2次元走査光学素子とされることを特徴とする請求項9記載のレーザー走査顕微鏡装置。

請求項11

前記光変調器の回折光出射面と前記走査光学素子の走査素子面とを共役な配置とする瞳伝達拡大レンズ系が、光変調器により回折された方向に曲率を持つシリンドリカルレンズを含むレンズ系とされることを特徴とする請求項1から請求項10のいずれかに記載のレーザー走査顕微鏡装置。

請求項12

前記光変調器側寄りの1次元走査光学素子が、光変調器により回折された方向と同じ方向に走査するとき、前記走査光学素子の瞳位置が共役な配置となる瞳伝達レンズ系が、前記光変調器により回折された方向に曲率を持つシリンドリカルレンズを含むレンズ系とされることを特徴とする請求項10記載のレーザー走査顕微鏡装置。

技術分野

0001

本発明は、レーザー光走査によって不透明物体の表面形状の観察及び計測、透明物体の表面または内部構造の観察及び計測を高速に行うレーザー走査顕微鏡装置に関するものである。

背景技術

0002

微小な高さを高精度に測定するには、光へテロダイン干渉法がよく知られている。これは、周波数の異なる2つのレーザー光を干渉させ、その差の周波数のビート信号を作成し、ビート信号の位相変化波長の1/500程度の分解能で検出して、表面の高さ方向の変化を計測するものである。このようなものとして、下記特許文献1の特開昭59−214706号公報が具体的に知られているが、この特許文献1では、音響光学素子を用いて異なる波長からなる2つのビームを隣接して発生させ、これら2ビーム間の位相変化を検出し、その位相変化を累積して表面プロファイルを得る方法が開示されている。

0003

ただし、この特許文献1では、音響光学素子に印加する直流電圧により走査を行い、かつ、正弦波信号を音響光学素子に加えて、お互いに周波数の異なる2つの空間的に分離したビームを作成していた。ここで、音響光学素子のブラッグ回折格子dは、超音波の速度をVa、印加する周波数をfaとすると、d=Va/faとなる。すなわち、ブラッグ回折角と印加する周波数とは、逆比例関係となる。

0004

これに対して、通常の音響光学素子では、走査に必要な周波数は、数十MHzから百MHz以内となる。仮に、周波数レンジを70MHz程度として、2つのビーム間の位相変化を捉えるためには、2つのビームは近接していなければならない。例えば、走査範囲を1mm程度にしておいて、この走査範囲を1000点に分解したいとすると、1点あたり70KHzとなる。このときの2つのビーム間隔は、1μm程度となり、お互いに近接していると考えることができる。

0005

ところが、ビデオレート以上の速度でデータを取得したい場合、たとえば、細胞状態変化リアルタイムでみたいという要求や、表面形状を精密かつ高速に計測したいという要求等に応えることはできない。すなわち、ビデオレートで観測するには、水平走査周波数は、15KHz程度となるので、1000点の分解を行うとすると、1点あたりに必要な周波数は15MHz程度になる。従って、2つのビームを接近させ、かつ、周波数を大きくすることは、実質上できないことになる。

0006

また、通常の顕微鏡の分解能はいわゆるアッべの理論の限界により制限されている。この限界は、波動の有する回折現象の結果であり、越えることの出来ない理論限界とされていた。

先行技術

0007

特開昭59−214706号公報

発明が解決しようとする課題

0008

上より、前述の光ヘテロダイン干渉法では、ビーム間距離ヘテロダイン検波するビート周波数とは、互いに逆比例関係にあることから、近接したビームを得ると同時に検出ビート信号の周波数を高くすることは、実質上不可能であった。
本発明は上記背景に鑑みてなされたもので、近接したビームを得ると同時にビート周波数を高くして、分解能と走査速度を著しく向上させるレーザー走査顕微鏡装置を提供することを目的とする。
さらには、実質上、回折限界以上の分解能を有する顕微鏡装置を実現するとともに、ビーム利用効率の低下を招かない光学系を実現したレーザー走査顕微鏡装置を提供することをも目的とする。

課題を解決するための手段

0009

上記目的を達成させるために、本発明は、レーザー光を出射するレーザー光源と、
該レーザー光を相互に異なる周波数の2つの光に変調させつつ相互に異なる方向に出射する光変調器と、
前記2つの光を1次元走査あるいは2次元走査する走査素子面を有する走査光学素子と、
前記光変調器から出射された2つの光を拡大し、かつ、前記光変調器の回折光出射面と該走査素子面とを共役な配置とするように、前記光変調器と該走査光学素子との間に位置する瞳伝達拡大レンズ系と、
瞳位置を有し、配置されている対象物に2つの光を出射する対物レンズと、
前記走査光学素子の走査素子面と該対物レンズの瞳位置とを共役な配置とするように、前記走査光学素子と該対物レンズとの間に位置する瞳伝達レンズ系と、
前記対象物からの反射光あるいは透過光受光する受光素子と、
前記受光素子で受光した光を光電変換して各々のビート信号を作成する光電変換部と、
前記光電変換部のビート信号に基づいて得られた信号の位相差または強度差を検出する信号比較器と、
前記信号比較器の位相情報または強度情報を取得して得たデータに基づき処理を行うデータ処理部と、
を含むことを特徴とするレーザー走査顕微鏡装置とされるものである。

0010

また、本発明においては、瞳伝達拡大レンズ系と走査光学素子との間にビームスプリッターが配置され、受光素子が第1の受光素子および第2の受光素子からなり、
第1の受光素子が、前記走査光学素子と共役な位置に配置され、かつ、瞳伝達拡大レンズ系から送られ前記ビームスプリッターで反射されて分離された光を受光し、
第2の受光素子が、前記光変調器と共役な位置に配置され、かつ、前記対象物から反射されて、前記対物レンズおよび前記瞳伝達レンズを経て前記ビームスプリッターにおいて反射された光を受光するものが好適である。
さらに、本発明においては、前記信号比較器が、光電変換された信号のうち前記2つの光の周波数差に相当するビート信号の位相または強度と前記対象物がないかあるいは前記対象物があっても影響がないほど前記対物レンズをデフォーカスした状態での信号との位相差または強度差を検出するものが好適である。

0011

他方、本発明に係わる光変調器は、前記レーザー光源から出射されたレーザー光が入射させる音響光学素子と、前記音響光学素子にキャリア交流信号と正弦波信号を印加する信号発生器と、を含むことや、前記レーザー光源から出射されたレーザー光が入射させる空間光変調器と、前記空間光変調器に振幅または位相情報として正弦波状の格子縞を書き込み、キャリア交流信号と正弦波信号を印加して、前記格子縞を一定方向に移動させる信号発生器と、 を含むことが好適である。

0012

また、本発明に係わる走査光学素子は、ガルバノミラー、レゾナンミラーによる1次元走査素子、2つの1次元走査ディバイスと瞳伝達レンズ系よりなる2次元走査光学系、あるいは、1次元走査または2次元走査のマイクロミラーディバイスよりなるものが好適である。
さらに、本発明に係わる受光素子は、前記光変調器により相互に異なる方向に出射された2つの光の分離方向に少なくとも2分割以上された複数の受光素子であるものが好適である。
また、本発明においては、前記光電変換部で作成されたビート信号は、前記受光素子の2分割以上された複数の受光素子のすべての受光素子の和信号、または、2分割以上された分割素子の対応する位置にある受光素子同士差信号より取得することが好適である。

0013

また、本発明においては、前記走査光学素子の走査素子面と対物レンズの瞳位置とを共役な配置とする瞳伝達レンズ系が、拡大光学系とされるものが好適である。また、走査光学素子が、1次元走査光学素子を2つ組み合わせて2次元走査光学素子とされるものが好適である。

0014

さらに、本発明においては、前記光変調器の回折光出射面と前記走査光学素子の走査素子面とを共役な配置とする瞳伝達拡大レンズ系が、光変調器により回折された方向に曲率を持つシリンドリカルレンズを含むレンズ系とされるものが好適である。また、前記光変調器側寄りの1次元走査光学素子が、光変調器により回折された方向と同じ方向に走査するとき、前記走査光学素子の瞳位置が共役な配置となる瞳伝達レンズ系が、前記光変調器により回折された方向に曲率を持つシリンドリカルレンズを含むレンズ系とされるものが好適である。

0015

請求項に係る発明の作用を以下に説明する。
レーザー光源から出射されたレーザー光を相互に異なる周波数の2つの光に変調させつつ相互に異なる方向に光変調器が出射する。つまり、周波数fcと周波数fmの電気信号で光変調器である音響光学素子を駆動すると、周波数fcをキャリアとするAM変調により、周波数fc+fmと周波数fc-fmを有する2つのビームが発生する。キャリア周波数である周波数fcを数十MHz程度とし、数MHz程度の周波数fmを付与すると、音響光学素子のブラッグ回折角はかなり大きくなる。

0016

この音響光学素子より出射された光は、大きな角度差を有した2つのビームとなる。この角度差を瞳伝達拡大レンズ系である拡大光学系により、2つのビームの重なり程度を著しく小さくして、走査光学素子である2次元走査光学系に入射させる。このとき、2次元走査光学系の入射面と音響光学素子の出射面とが、共役な配置となるようにする。

0017

このようにすると、2次元走査光学系からの出射光は、お互いに角度差が小さいビームとなるが、おのおのが有する周波数はfc+fmとfc-fmであり、変化は無い。つまり、この2つのビームを変調周波数とは無関係な上記した走査光学素子とされる1次元走査あるいは2次元走査する走査光学素子および第2の瞳伝達レンズ系を介して、対物レンズに向けて走査することにより、対象物上を2つの近接したビームで走査されることになる。
この2つの近接したビームによるビート信号は、対象物が反射物体である場合には、音響光学素子とほぼ共役な位置に配置された受光素子により取得することができ、対象物が透過物体である場合には、ファーフィールドではあるが対象物からあまり離れていない位置に配置した受光素子により取得することができる。

0018

また、このときのビート信号は2fmとなるが、これは、十数MHzと高いビート信号として、検出される。このビート信号と基準となる信号の位相差θは、対象物の実質的な高さdや屈折率差nを反映している。すなわち、レーザー波長をλとすると、θ=2πnd/λなる関係があるからである。

0019

さらに、光電変換部が受光素子の光電変換された各々のビート信号を作成し、信号比較器がこのビート信号に基づいて得られた信号の位相差または強度差を検出し、信号比較器の位相情報または強度情報を取得して得たデータに基づき、データ処理部が処理することで、対象物が反射物体であれば表面のプロファイルが測定され、対象物が透過物体であれば、実質的な屈折率差あるいは厚みが測定される。

0020

従って、走査速度を高めても、十分高いレートでデータを取得させて分解能を向上させることが可能となる。基準となる位相は、例えば、ビームスプリッターで分離した出射ビームの一部を受光し、ビート信号から求めた位相か、もしくは、対象物がない状態もしくは対象物があっても影響がないほど対物レンズをデフォーカスした状態での信号を走査信号とともにメモリーした位相をデータ処理部において使用することができる。

0021

以上より本発明に係るレーザー走査顕微鏡装置によれば、2つのビーム間の距離とビート信号の周波数とを無関係に設定できるような光学系となり、近接したビームを得ると同時にビート信号の周波数を高くして、分解能と走査速度を著しく向上させことができる。

0022

他方、光変調器として空間光変調器を採用した場合、この空間光変調器に短冊状の正弦波格子を書き込み、これを高速で一方向に移動させることにより、格子縞のピッチがビームの分離距離となる。次々格子を移動させることにより、位相が変調されたことに相当するので、格子縞で生じた±1次回折光は、変調周波数の2倍だけ周波数の異なる光とすることができる。この場合、書き込み格子のピッチが十分に大きければ、近接した2つのビームを作ることができて拡大光学系の拡大率を小さくできるので、光学系を小型にすることができる。

0023

以上のような光学系と光変調器により、ビート周波数作成手段と走査手段とを分離させることができる。このため、より高周波のビート信号を作成し、より走査速度を高めることができるので、データ取得を一層高速に行うことができるようになる。以上の結果として、3次元情報をビデオレート以上で取得できるとともに、ビーム分離を著しく小さくすることにより、横の分解能も顕著に向上させることができ、高さ方向の分解能も波長の1/500程度に向上できる。

0024

また、2つのビームは殆ど光路共有化しているので、外部的な環境変化振動等に著しく強いレーザー走査顕微鏡装置とすることができる。このように2つのビームが存在している場合、受光素子としてビームの分離方向に垂直な方向に2つ以上に分割されている受光素子を用いると、全受光素子の出力の和信号では、実効上、対物レンズで集光された2つのビームの分離度に応じた位相差のビーム径に相当する領域の積分値を与えるので、微分干渉顕微鏡とほぼ等価な分解能を与えることになる。

0025

さらに分解能を高くするには、2分割以上された受光素子の隣り合った位置にある受光素子同士の差信号を取得すると、実効上、対物レンズで集光された2つのビームの分離度に応じた位相差の微分のビーム径に相当する領域の積分値を与える。この場合には、和信号と比較して、位相差の生じている部分のみが位相差に寄与するので、感度が著しく高くなる。従って、ビームの分離度に応じた分解能に匹敵する横分解能の向上が図れる。

0026

これは、通常の微分干渉顕微鏡には見られない際立った特長となる。この結果、波長で支配されている横分解能よりもはるかに高い横分解を得ることが出来る。ビート信号の強度に対しても同様な効果がある。

0027

また、瞳伝達拡大レンズ系である拡大光学系におけるビームを分離する方向と直交する方向は、実質上、ビームの分離に無関係である。したがって、拡大光学系はビーム分離に関与する方向のみとし、それに直交する方向には、拡大しないようにシリンドリカルレンズを含む光学系とすることにより、ビームの利用光率を格段に向上させることができる。なぜならば、一方向だけに拡大することにより、対物レンズに入射される光量が著しく向上するからである。これにより、極めて微弱な信号でもS/N比を良くした信号を取り出すことが可能となる。

0028

以上より本発明に係るレーザー走査顕微鏡装置によれば、実質上、回折限界以上の分解能を有する顕微鏡装置が実現でき、さらには、ビーム利用効率の低下を招かない光学系を実現可能ともした。

0029

以上、まとめると、高さや屈折率分布などの3次元情報を一度の2次元走査で非常に高速に、また、極めて高い横分解能で取得する光利用効率の高いレーザー走査顕微鏡装置を提供することができる。従って、生きたままの細胞やマイクロマシーンなどの状態変化などをリアルタイムに3次元計測できるなど、従来の2次元情報を取得し3次元方向に積算していくようなレーザー走査型共焦点顕微鏡などとは比較にならない大きな特徴を有している。
また、透過型にすれば、生物や細胞を生きたままリアルタイムかつ高い分解能で観察、計測できるので、細胞等を不活性化して計測する電子顕微鏡にはない大きな特徴ともなる。

発明の効果

0030

上記に示したように、本発明のレーザー走査顕微鏡装置によれば、変調が可能な音響光学変調素子または空間変調器を光変調器として用い、瞳伝達拡大レンズ系と2次元走査ディバイスと併用することにより、非常に近接した2つのビームを非常に高い変調周波数で、変調することができるので、ビデオレートの3次元計測が可能となる。

0031

したがって、細胞や微生物の状態変化や表面状態過渡的な変化等を、高速に観察、計測することができる。また、既に製品化されている裸眼立体ディスプレー偏光めがねを使用した3次元ディスプレー等を用いることにより、ビデオレートの3次元立体画像を表示することもできるので、教育や研究、医療において、有用な装置とすることができる。

0032

他方、非常に近接したほぼ同一の行路を通る2つのビームを用いているので、外乱等の影響を受けにくい観察や測定ができる。また、受光素子を分割型とし、ビームを分離する方向に対して、暗線を有する少なくとも2分割以上の受光素子を用い、すべての受光素子の和演算または対応する受光素子間で、差演算をおこなってヘテロダイン検波することで、特に、差演算においては、極めて高い横分解能を得ることが可能となる。さらに、拡大光学系にシリンドリカルレンズを用いることで光の利用効率を向上させ、取得信号のS/N比を向上させることが可能となる。

図面の簡単な説明

0033

本発明のレーザー走査顕微鏡装置に係る実施例1を示すブロック図である。
図1の対物レンズおよび測定対象物周辺部分を拡大して示す図である。
本発明のレーザー走査顕微鏡装置に係る実施例1による対象物における照射領域を表す説明図である。
本発明のレーザー走査顕微鏡装置に係る実施例2を示すブロック図である。
本発明のレーザー走査顕微鏡装置に係る実施例3を示すブロック図である。
本発明のレーザー走査顕微鏡装置に係る実施例4を示すブロック図である。
本発明のレーザー走査顕微鏡装置に係る実施例5を示すブロック図である。
本発明のレーザー走査顕微鏡装置に係る実施例6を示すブロック図である。
本発明のレーザー走査顕微鏡装置に係る実施例7に適用される空間変調器を示す図であって、(A)は空間変調器の模式図であり、(B)は空間変調器に印加される電圧電流パターンを示す図である。

0034

以下に、本発明に係るレーザー走査顕微鏡装置の実施例1から実施例8を各図面に基づき、詳細に説明する。

0035

本発明に係るレーザー走査顕微鏡装置の実施例1を、以下に図面を参照しつつ説明する。
図1は、本実施例に係るレーザー走査顕微鏡装置の構成を示すブロック図である。この図1に示すように、光学系として、レーザー光が出射されるレーザー光源1と光を分離するための光変調器である音響光学変調素子(AOD)4との間に、コリメーターレンズ2及びビーム整形光学系3が配置されている。これらレーザー光源1および音響光学変調素子4は制御基板14にそれぞれ接続されていて、この制御基板14により動作がそれぞれ制御されるようになる。音響光学素子4に、キャリア交流信号としての周波数fcと正弦波信号としての変調周波数fmを制御基板14に内臓の信号発生器が印加する。

0036

さらに、音響光学変調素子4に対して、2群のレンズからなる第1の瞳伝達拡大レンズ系6、ビーム径を適性化するための制限開口8、入力されたレーザー光を分離して出射するビームスプリッター9が順に並んで配置されている。また、第1の瞳伝達拡大レンズ系6を構成する2群のレンズの間に、光軸L外を通る不要な非回折光および高次回折光カットするためのピンホール7が配置されている。

0037

他方、光軸Lを通過する方向に対して直交する方向であってビームスプリッター9の両隣の位置には、それぞれ光センサである受光素子19及び受光素子24が配置されている。なお、受光素子19の前方には、音響光学変調素子4によるビームの分離された方向に曲率を持つ集束レンズであるシリンドリカルレンズ18が配置されている。

0038

また、この受光素子19に光電変換部20が繋がり、受光素子24に光電変換部25が繋がり、これら光電変換部20、25からの信号を比較する信号比較器21にこれらがそれぞれ接続されている。この信号比較器21が、最終的にデータを処理して測定対象である対象物Sのプロフィル等を得るデータ処理部22に繋がっている。そして、このデータ処理部22は制御基板14で制御されている音響光学変調素子4及び後述する走査ディバイスの制御信号および信号比較器21からの信号を元に対象物Sのプロファイル等を作成する。

0039

さらに、ビームスプリッター9に対して、入力されたレーザー光を1次元走査する第1の1次元走査ディバイス11、第1の1次元走査ディバイス11の図1において下方には、2群のレンズからなる第2の瞳伝達拡大レンズ系12、第2の1次元走査ディバイス13が配置されている。本実施例では、第1の1次元走査ディバイス11で出射方向が図1において下方に変えられたビームが、これらを順に通過することになり、これら第1の1次元走査ディバイス11、第2の瞳伝達拡大レンズ系12及び第2の1次元走査ディバイス13により、2次元走査光学系が構成されている。また、第2の1次元走査ディバイス13の下隣には、2群のレンズからなる第3の瞳伝達拡大レンズ系15、対象物Sと対向する対物レンズ16が配置されている。

0040

この一方、これらレーザー光源1は、He-Ne等のガスレーザー、もしくは、半導体レーザー固体レーザーであり、コヒーレントなレーザー光をそれぞれ発生する。このレーザー光をコリメーターレンズ2により平行光束にし、ビーム整形光学系3を用いて最適な径で音響光学変調素子4に入射させる。これら音響光学変調素子4には、制御基板14より変調信号としてsin(2πfct)sin(2πfmt)のようなDSB変調信号を加える。

0041

この様な変調を行うと、fc+fmとfc-fmの2つの周波数変調が加えられたことになる音響光学変調素子4は、ブラッグ回折格子のピッチdに相当する音波の粗密波を発生する。すなわち、超音波の速度をVa、印加する周波数をfとすると、d=Va/fとなる。具体的には、この粗密波により、音響光学変調素子4に入射されたレーザー光であるビームは、±1次回折光に分離され、各々の回折光は周波数fc±fmの周波数で変調される。ただし、たとえば音響光学変調素子4の材料としてTeO2を用いた場合、この結晶内の音速は、4200m/sである。

0042

キャリア周波数の周波数fcとして80MHzを選択すると、ピッチはd=52.5μmとなり、He-Neレーザーをレーザー光源1に用いた場合、回折角θは1.38°程度になる。このキャリア周波数に、周波数8MHzのfmを加えると、±1次回折光はθ=1.38°±0.138°の2つのビームに分離角Δθを0.276°として分離され、それぞれ88MHzと72MHzで変調されることになる。

0043

次に、この分離角Δθを対物レンズ16の入射瞳面縮小する方法について述べる。
回折光が第1の瞳伝達拡大レンズ系6の光軸Lを通るよう、音響光学変調素子4から第1の瞳伝達拡大レンズ系6への入射角にθの傾きを持たせる。また、第1の瞳伝達拡大レンズ系6は2群のレンズからなるのに伴い、入射側レンズ群の焦点距離をfin出射側レンズ群の焦点距離をfoutとしている。

0044

音響光学変調素子4の出射面を第1の瞳伝達拡大レンズ系6の入射側レンズ群の焦点位置に置き、第1の瞳伝達拡大レンズ系6の2つのレンズ群間隔をfin+foutとすると、音響光学変調素子4の出射面位置を第1の1次元走査ディバイス11の偏向中心射出側foutの位置に共役となるアフォーカル光学系となっている。また、第1の瞳伝達拡大光学系6の中間焦点付近に光軸L近傍の光束のみ透過するようピンホール7が前述のように有り、このピンホール7で光軸L外を通る不要な非回折光および高次回折光をカットする。

0045

ここで、fin<foutとすると、fout/fin=m1倍の拡大光学系となり、音響光学変調素子4で作られた分離角Δθを1/m1に縮小することができる。この一方、ビーム径はm1倍に拡大するため、この後の光学系による周辺光量の低下現象であるケラレを考慮し、制限開口8が第1の瞳伝達拡大光学系6の出射側レンズの後に挿入され、ビーム径を適性化する。

0046

制限開口8を出射した光束は、ビームスプリッター9を透過するが、一部の光がビームスプリッター9により反射されて分離され、受光素子24に出射される。この受光素子24が受光すると、光電変換部25で電気増幅がされるとともに、受光した光に合わせた信号を形成することが出来る。

0047

この第2の瞳伝達拡大レンズ系12は、前述の第1の瞳伝達拡大レンズ系6と同様の構成となっており、この第2の瞳伝達拡大レンズ系12が、音響光学変調素子4の出射面位置、及び第1の1次元走査ディバイス11の偏向中心と第2の1次元走査ディバイス13の偏向中心を共役な位置関係に保つと共に、1より大きな倍率であるm2倍の拡大倍率を与える。

0048

この第2の瞳伝達拡大レンズ系12を出射した光束は、第1の1次元走査ディバイス11の偏向方向と直交する方向に光束を偏向する第2の1次元走査ディバイス13に入射し、これにより光束は2次元走査されることになる。そして、これら第1の1次元走査ディバイス11及び第2の1次元走査ディバイス13は制御基板14に繋がっていて、レーザー光源1、音響光学変調素子4と同期して動作するように、制御されるようになっている。

0049

この第2の1次元走査ディバイス13を出射した光束は、前述の第1の瞳伝達拡大レンズ系6と同様の構成となっている第3の瞳伝達拡大レンズ系15に入射する。第3の瞳伝達拡大レンズ系15は、音響光学変調素子4の出射面位置、第1の1次元走査ディバイス11の偏向中心、及び第2の1次元走査ディバイス13の偏向中心を対物レンズ16の入射瞳面と共役な位置関係に保つと共に、1より大きな倍率であるm3倍の拡大倍率を与える。

0050

以上により、第1の瞳伝達拡大レンズ系6、第2の瞳伝達拡大レンズ系12、第3の瞳伝達拡大レンズ系15によるm1×m2×m3=m4倍の光学倍率によって、音響光学変調素子4によって作られた分離角ΔθをΔθ/m4に縮小し、対物レンズ16に音響光学変調素子4で分離された2つのビームを入射する。このことにより、音響光学変調素子4の変調周波数fmが高くしても、対象物Sの表面上で2つのビームによって作られる微小スポットを極めて近接させ、対象物Sを照明することができる。このようにして、図2実線で示すビームLAおよび点線で示すビームLBのように、非常に接近して相互に同一径とされる2つのビームを得ることができる。

0051

また、これら2つのビームLA、LBが有する周波数は、「光の振動数+キャリア周波数fc±変調周波数fm」となる。ここで、対物レンズ16からの2つの接近したビームLA、LBによって、対象物Sの表面上において作られる微小スポットの中心距離Δxを回折限界以下に設定したとする。この場合、各々のスポットは、アッべの理論の回折限界以下にはならないが、わずかにずらした各々別の周波数の光であるために、ヘテロダイン検波をすることにより、微分情報を取得することができる。

0052

図1に示す受光素子19を、図2に示すビームLA、LBの分離方向に沿って2分割以上に分割した複数の受光素子とする。例えば、ビームLA、LBの分離方向に対して垂直な方向に延びる図2及び図3に示す境界線Cを光軸L上に形成した時、この境界線Cと平行に暗線を有するように、これら複数の受光素子を配置し、その和信号あるいは差信号より、ビート信号を取得させる。この際、和信号を用いると、実質的に、微分干渉顕微鏡と等価になり、差信号を用いるとはるかに高い横分解能が得られる。これらの横分解能の向上に関しては、詳しく後に述べる。

0053

まず、情報取得の高速化について述べる。図2に示すように対物レンズ16で絞られた2つのビームLA、LBは、近接した2つのスポットA、B(図3に示す)となる。なお、スポットAの複素振幅EaおよびスポットBの複素振幅Ebは、下記式のようになる。
Ea=Aexpj(2π(fo+fc+fm)t)
Eb=Bexpj(2π(fo+fc-fm)t+δ)
この複素振幅Ebの式のδは、ビームLAのスポットAを基準としたビームLBのスポットBの高さ方向の位相差を表わし、foは光の周波数を表す。なお、前述したように、この2つのスポット間隔は、音響光学変調素子4に加えた変調周波数fmと拡大光学系の倍率m4によって決定されるので、走査速度とは無関係である。

0054

他方、対象物Sで反射されたこの2つのビームLA、LBは、前述の照明光束と逆の光路を戻る。すなわち、対物レンズ16、第3の瞳伝達レンズ系15、第2の1元走査ディバイス13、第2の瞳伝達レンズ系12、及び第1の1元走査ディバイス11を順に戻ることにより、偏向成分キャンセルされて軸上光となり、ビームスプリッター9で反射されて受光素子19に導かれる。受光素子19は、音響光学変調素子4によってビームLA、LBの分離された方向に沿って少なくとも2分割されている。これら2分割以上の受光素子は、フォトダイオード光電子増倍管(PMT)等によりそれぞれ構成されている。

0055

受光素子19を構成する各受光素子をフォトダイオードとした場合、その素子の持つ端子間容量反比例し遮断周波数が決まる。一般的に端子間容量は受光面積に比例するため、受光系を高速化するには受光面積の小さいフォトダイオードを使用することが望ましい。これに伴い、端子間容量の小さい小型のフォトダイオードをアレイ上に複数個配置し高速化を図り、光電変換部20では、各フォトダイオードに1対1で対応した電気的増幅を行うことにより、必要に応じた素子の組合せで信号を形成することが出来る。

0056

受光素子19により2つのビームLA、LBの位相差δは、ビート信号として検出される。すなわち、受光素子19上の2つのビームの強度Iは、下記式に基づく値で受光素子19の光電変換部20により検出され、信号比較器21に送られる。
I=(Ea+Eb)(Ea+Eb)*=A2+B2+2ABcos(2π*2fmt+δ)
したがって、信号比較器21を用いて、周波数2fmのヘテロダイン検波の位相比較を行うことにより、位相差δを測定することができる。このようにすれば、変調周波数fmを高くし、かつ、ビームを非常に接近させることができるので、横分解能を高くすることができると同時に、データの取得を高速に行うことができる。

0057

つまり、位相比較を行う時間は、変調周波数fmに逆比例するので、たとえば、ビデオレート(水平走査周波数約16KHz)で、1000点以上のデータを取得しようとすれば、1点の情報取得の周波数は16MHzとなる。変調周波数fmを8MHzにすれば、ビート周波数は、16MHzとなるので、十分にビデオレートで情報取得をすることができる。

0058

ところで、音響光学変調素子4で生じる回折光の入射ビームが受光素子24により検出され、この入射ビーム上のビート信号が光電変換部25により作成される。従って、音響光学変調素子4までに光学系等で生じた位相差を受光素子24、光電変換部25で検出することになり、この受光素子24は位相の基準を与える役割を有している。この一方、ビームAとビームBの2つのビーム間の位相差情報を加えたビームが受光素子19により検出され、このビーム上のビート信号が光電変換部20により作成される。

0059

したがって、光電変換部25と光電変換部20の2つの位相比較を信号比較器21において行うことにより、真の位相差δが検出されることになる。この真の位相差δは、ビームLAとビームLBの平均の位相差、すなわち、平均の高さの差情報であるδh=λδ/4πとなる。ここで、λはレーザー光源の波長を表す。この情報をデータ処理部22で平面の走査情報とともに記録していくことにより、表面のプロファイル情報を簡単に導くことができ、このデータ処理部22に繋がっているディスプレー23でこの表面のプロファイル情報を表示することができる。

0060

また、さらに高速なデータ取得をすることが、できるだけVaの大きい音響光学変調素子を用いて拡大倍率を適正化することにより、実現できる。このような光学系を用いることにより、3次元計測データをビデオレート以上の高速で取得することが可能となる。したがって、細胞や微生物の状態変化や表面状態の過渡的な変化等を、高速に観察、計測することができる。

0061

この一方、製品化されている裸眼立体ディスプレーや偏光めがねを使用した3次元ディスプレー等を用いることにより、ビデオレートの3次元立体画像を表示することもできるので、教育や研究、医療において、有用な装置とすることができる。また、2つのビームの重なりの程度をビーム径よりも小さくしてあるので、2つのビームの行路差はほとんど生じていない。したがって、外乱や振動の影響も2つのビームで同時に生じるので、これらの影響が相殺される。

0062

他方、本実施例では、ビームの分離度を個々のビーム径よりも非常に小さくした例を示したが、変調周波数を高くすることにより、ビームの分離度が大きくなり、かつ、ビーム径程度の分離度が必要となる場合にも、本発明の光学系が有用であることになる。

0063

尚、上記実施例においては、1次元走査ディバイスを直交させて2つ配置することにより2次元走査を行う構成で説明をしたが、単純な一方向だけのデータが必要なアプリケーションであれば、1次元走査ディバイスを1段のみ使用した系でも同様な効果が得られることになる。この1次元走査ディバイスとして、マイクロマシーンの技術を用いたマイクロミラーディバイス、レゾナントミラー、ガルバノミラー、及び回転ポリゴンミラー等を用いることができる。さらに、近年開発がなされている、非線形光学結晶フォトニック結晶を用いた高速スキャナーを使用できることにもなる。

0064

また、マイクロマシーンの技術を用いたマイクロミラーディバイスにおいては、1つのディバイスで2次元走査可能なディバイスが有るが、これも使用可能であり採用すれば、第2の瞳伝達拡大光学系12が必要なくなる。これに伴い拡大倍率がm2分小さくなるが、第1の瞳伝達拡大光学系および第3の瞳伝達拡大光学系の拡大倍率m1,m3を大きくすれば、前述のm4の拡大倍率を保持できることになる。

0065

以上において、主に高速にデータを取得する手段について述べたが、次に、横分解能を著しく増大させる手段について述べる。

0066

簡単のために1次元で考える。まず、表面のプロファイルd(x)の位相分布をAejθ(x)とおく。ここで、θ(x)=2πd(x)/λである。本実施例のように反射の場合には、光路差は2倍になるので、観測されるθ(x)の半分を高さ情報とすればよい。
さて、上記のように音響光学変調素子にキャリア信号fcと変調信号fmの掛け算信号(DSB変調)を与えると、実質上、回折光は2つの僅かに分離したfc±fmの周波数を持った光となる。対物レンズで収束されるとΔxだけ分離した2つのビームとなり、各ビームプロファイルをu(x)とする。この場合、対物レンズから離れた場所では、表面プロファイルとビームプロファイルの積のフーリエ変換となる。

0067

本レーザ走査顕微鏡装置においては、一方の受光素子で受光されるビームは、ej(ωc-ωm)tで変調を受けていることになり、中心距離Δxだけ離れた他方の受光素子で受光されるビームは、ej(ωc+ωm)tで変調を受けていることになる。従って、受光素子上の複素振幅分布は、以下のようになる。
E=∫(Aejθ(x) u(x)ejkxdx・ej(ωc-ωm)t+Aejθ(x+Δx) u(x)ejkxdx・ej(ωc+ωm)tとなる。

0068

これら受光素子により強度Iの検出を行うと、I=EE*、さらに、2ωmのヘテロダイン検波を行うので、以下の(1)式のようになる。
I(k)=A2∫ej(θ(x)-θ(x'+Δx') u(x) u(x’) ejk(x-x')dxdx’e-j2ωmt
+A2∫e-j(θ(x)-θ(x'+Δx') u(x) u(x’) ejk(x-x')dxdx’ej2ωmt・・・・・(1)式

0069

そして、2つのビームLA、LBの重なっている照射領域A,Bのほぼ中心を図3の境界線Cとし、この境界線Cを挟んだ位置であって、ビームLA、LBの分離方向である各々の照射領域A,Bの分離方向に沿った位置に対応して2つの受光素子を対象物Sから離して配置する。
ここでまず、2つの受光素子の和信号がどのようになるかを考える。対象物Sから離れた位置では、フーリエ変換面であると考えられるので、受光素子で受光できる最大空間周波数をKmaxとすると、和信号では強度Iが下記式から求められる。
I=∫I(k)dk(積分範囲は-KmaxからKmax)
=A2∫cos(θ(x)−θ(x’+Δx’)−2ωmt) u(x) u(x’)sin(Kmax(x-x’))/(x-x’)dxdx’

0070

受光素子を近接させてより広い空間周波数まで受光するように配置すると、
sin(Kmax(x-x’))/(x-x’)=Kδ(x-x’)となるので、以下の(2)式のようになる。
I=A2∫cos(θ(x) −θ(x+Δx) −2ωmt) u(x)2dx・・・・・(2)式

0071

すなわち、2つのビームの分離位置の位相差をビームプロファイルのウェイトで積分したことになる。
(2)式を変形すると下記の式を得る。
Iq=A2∫cos(θ(x)−θ(x+Δx) u(x)2dx・cos(2ωmt)
Ii=A2∫sin(θ(x)−θ(x+Δx) u(x)2dx・sin(2ωmt)

0072

従って、直交変換により、観測される位相差Θは以下の(3)式のようになる。
Θ=tan-1(∫sin(θ(x)−θ(x+Δx)) u(x)2dx/∫cos(θ(x)−θ(x+Δx)) u(x)2dx)・・・・・(3)式

0073

この一方、2つの受光素子の差信号を考えると、和信号の場合と同様にして下記の式が得られる。
I=∫I(k)dk(積分範囲は0からKmax)−∫I(k)dk(積分範囲は−Kmaxから0)
=A2∫sin(θ(x)−θ(x’+Δx’)−2ωmt) u(x) u(x’)( cos(Kmax(x-x’)-1)/(x-x’)dxdx’

0074

受光素子を近接させたより広い空間周波数まで受光するように配置すると、
(cos(Kmax(x-x’)-1)/(x-x’)=δ’(x-x’)+1/x(δ(x)-1)となるので、下記(4)式のようになる。
I=A2∫d/dx(sin(θ(x)—θ(x+Δx)—2ωmt) )u(x)2dx・・・・・(4)式
さらに、この(4)式を変形すると、下記のようになる。
Iq=A2∫d/dx(sin(θ(x)−θ(x+Δx)) u(x)2dx・cos(2ωmt)
Ii=−A2∫d/dx(cos(θ(x)−θ(x+Δx)) u(x)2dx・sin(2ωmt)

0075

従って、直交変換により観測される位相差Θは以下の(5)式のようになる。
Θ=tan-1(−∫d/dx(cos(θ(x)−θ(x+Δx)) u(x)2dx/∫d/dx(sin(θ(x)−θ(x+Δx))u(x)2dx)・・・・・(5)式

0076

ここで、(3)式と(5)式の比較を行う。定性的には、以下の点がわかる。
まず、(3)式では、ビームの中心距離Δxだけ離れた2点の位相差をu(x)の重み関数で、平滑化した結果として得られる位相差を示しているので、ビーム内の平均的な位相差を示している。これは、微分干渉顕微鏡と等価な処理である。

0077

他方、(5)式では、ビームの中心距離Δxだけ離れた2点の位相差の微分に対して、u(x)の重み関数で、平滑化しているので、おおよそ元の関数復元していることになる。従って、ビームを走査するとビーム分離度に相当する横分解能で、位相差および位置情報を取得することが可能となる。

0078

ここでは、2分割の受光素子を適用した場合を記述したが、照射領域A,Bの重なった領域の中心付近に、2つのビームの分離方向に沿って複数の受光素子を対象物Sから離して配置した場合も同様になる。特に、差出力を得る場合には、光軸Lの中心付近に対応して配置した複数の受光素子のうちの、対応する複数の受光素子間同士で差演算するようにすれば良い。また、複数の受光素子の和出力だけを用いるのであれば、実質上1つの受光素子を用いることで、同様のことが実現できることになる。

0079

以上述べたように、フーリエ変換面にて空間周波数情報を処理することにより、特に差演算では非常に高い横分解能の向上をもたらすことができる。また、ビーム内にプロファイルの傾きがあれば、定性的には光が反射または透過する方向が異なるので、2つの受光素子に強度としての差出力が与えられることは容易に考えられる。もう少し具体的に説明すると、ビーム径よりも小さいプロファイルの変化に対しては、光が照射されている領域のフーリエ変換の0次回折波と1次回折波との干渉により形成された干渉縞のファーフィールドにおけるパターンが2つの受光素子で異なるので、受光素子の差信号はプロファイルの傾きに反映した強度差となってあらわれることになる。

0080

本実施例は、実施例1における、反射戻り光の空間周波数を拡大する目的のものである。
図4は、本実施例のレーザー走査顕微鏡装置に係る光学系のブロック図を示している。対象物Sの表面からの反射戻り光は、対物レンズ16の開口によって制限されるため、対物レンズの開口によってケラレた空間周波数の高い成分は受光素子19に戻らない。このため、図4に示すように、本実施例では対物レンズ16と対象物Sとの間に、対物レンズ16を入出射する光束をケラないよう受光素子26を組み込む構造にする。

0081

この受光素子26は、対物レンズ16の光軸Lを中心として音響光学変調素子4によりビームが分離された方向に沿ってそれぞれ設置された、少なくとも2つ以上の受光素子から成る。このようにして受光素子26でビームを受光すると、この受光素子26が接続されている光電変換部27でビームの強度が検出され、信号比較器21に信号が送られる。

0082

この一方、対象物Sの表面で反射されて対物レンズ16の開口内に入射した光束は、前記実施例1と同様に照明光束の光路を戻り、ビームスップリッター9で反射される。この戻り光は、音響光学変調素子4によるビームの分離された方向に曲率を持つシリンドリカルレンズ18に入射して一旦集光され、この焦点面の後に配置された受光素子19に導かれる。
この受光素子19は、前述のように音響光学変調素子4によるビームを分離する方向に少なくとも2分割されている。この構成により受光素子19は、対物レンズ16の対象物S側に受光素子を配置したことと等価となる。従って、受光素子19と受光素子26により、対象物Sの表面からの反射光を空間周波数の高い成分まで取り込むことが可能となる。

0083

以上のようにして受光素子19でビームを受光すると、実施例1と同様に、光電変換部20でビームの強度が検出され、信号比較器21に送られる。これに伴い、光電変換部27からの信号と光電変換部20からの信号とが、信号比較器21で合わされ、光電変換部25とこれら光電変換部20、27の位相比較を信号比較器21において、実施例1と同様に行うことにより、真の位相差δが同様に検出されることになる。ただし、本実施例においては、実施例1より多くの光量により真の位相差δが検出されるので、より正確な値が得られるようになる。

0084

本実施例においては、実施例1で受光素子24により得ていた基準位相を、別の方法で簡易に取得することが主な目的とするものである。
図5は、本実施例のレーザー走査顕微鏡装置に係る光学系のブロック図を示している。実施例1の受光素子24と光電変換部25を図5に示すように取り払い、対象物Sが配置されていないか、あるいは、対象物Sがあってもかなりデフォーカスした状態でレーザーを走査する。このことで、位相差を受光素子19により取得し、画面内の位置情報とともにデータ処理部22内のメモリーに蓄えるようにする。

0085

この位相情報は、光学系、電気系の有する位相ずれであるので、これを基準値として、対象物Sのある場合の位相情報を補正することにより、真の位相情報を取得することができる。この場合、受光素子24および光電変換部25が不要になるだけでなく、対象物Sを観測する前に補正値を求めておくようにすれば、精度のより高い計測が可能となる。

0086

本実施例においては、実施例1で述べた反射光学系透過光学系に置き換えた場合の実施例を示す。
図6は、この透過型のレーザー走査顕微鏡装置に係る光学系のブロック図を示している。主要な光学系は実施例1と同じなので説明を割愛するが、図6に示す本実施例では、対物レンズ16で集光された光は透過することになるので、対象物Sを挟んで対物レンズ16と対向して受光素子28が配置されることが特徴である。そして、この受光素子28は、対物レンズ16の光軸Lを中心として音響光学変調素子4によりビームが分離された方向に沿ってそれぞれ設置された、少なくとも2つ以上の受光素子から成る。

0087

この構造の場合、音響光学変調素子4により分離された2つのビームの分離方向に対して受光素子28を構成する各受光素子の暗線が垂直方向伸びるように、対物レンズ16の光軸Lの延長線上に各受光素子を配置することにする。本実施例によれば、反射型に比較して、対象物Sに近接して受光素子を配置することができるので、取得できる空間周波数を非常に高く設定することが可能となる。

0088

この結果、対象物Sの有する空間周波数の再現性が良くなるので、横分解能の更なる向上が可能となる。特に、生きたままの状態で、生物や細胞等の観察や計測を非常に高分解能で実施できる。これは、電子顕微鏡のような高倍率であっても生体を殺した状態でないと観測できない測定器とは大きく異なる特徴である。

0089

本実施例においては、実施例1で受光素子24により得ていた基準位相を実施例3のようにメモリーを用いて予め取得する点と実施例4のように透過光学系にて情報を取得する点とを組み合わせるようにした。
図7は、この透過型のレーザー走査顕微鏡装置に係る光学系のブロック図を示している。実施例3と同じように実施例4の受光素子24と光電変換部25を取り払い、対象物Sが配置されていないか、あるいは、対象物Sがあってもかなりデフォーカスした状態でレーザーを走査する。このことで、位相差を受光素子28により取得し、画面内の位置情報とともにデータ処理部22内のメモリーに蓄えるようにする。
この位相情報は、光学系、電気系の有する位相ずれであるので、これを基準値として、対象物Sのある場合の位相情報を補正することにより、真の位相情報を取得することができる。

0090

本実施例では、実施例1から実施例5において、一方向に細胞等を流す素子であるマイクロ流路に細胞等を流す場合のモニターや細胞形状の判断を行った後に細胞を種わけする場合等に最適な構成について述べる。
図8は、このレーザー走査顕微鏡装置に係る光学系のブロック図を示している。本図では実施例5の第2の瞳伝達拡大光学系12および第2の1次元走査ディバイス13を省略した形となっており、対象物Sの位置の設置されたマイクロ流路などの流路方向を第1の1次元走査ディバイス11の走査方向に対して垂直な方向、図8では図面に対し垂直な方向になるようマイクロ流路などを配置する。

0091

以上の様にすれば、マイクロ流路の流路方向に対象物が流れて移動するため、第1の1次元走査ディバイス11のみで2次元走査が出来ることとなり、マイクロ流路に細胞等を流す場合のモニターや細胞形状の判断を行った後に細胞を種わけする等の応用に対して、絶大な効果をもたらす。また、第2の瞳伝達拡大光学系12および第2の1次元走査ディバイス13を省略出来るため、光学系が簡素になると共に、基準位相は1次元走査方向のみの非常に少ない点に関する位相をデータ処理部22内のメモリーに蓄えるようにすればよいことになる。

0092

本実施例においては、変調を加えるための部材として、変調を加える音響光学変調素子の代替に空間変調器を用いることが特徴である。
図9は、本実施例で適用される空間変調器を示した概念図である。この図9(A)に示すような空間変調器53を構成する磁性ガーネット膜53Aをピクセルごとに電圧または電流により駆動できるように、電極(図示せず)を付して、この空間変調器53を図1における音響光学変調素子4の位置に配置する。そして、磁性ガーネット膜53Aの各ピクセルに電圧、電流を印加することで、磁気光学効果によって各ピクセルの偏光面が回転するが、この偏光面の回転の程度は、印加する電圧、電流の大きさにより決定される。このような構造の空間変調器53として、ピクセル数が128×128であり、15nsの応答速度を有しているものがある。

0093

この空間変調器53を図1における音響光学変調素子4の位置に配置するが、これに伴い、図1のビームスプリッター9を通過した光の強度または位相が、短冊状の正弦格子となるように、この空間変調器53に走査方向に対して垂直方向に、図9(B)に示す形で電圧または電流を各ピクセルに印加する。この際、各ピクセルに対して位相のずれた周波数fm=±2πv/dの単振動をさせることで、速度vでこの格子を移動させることができる。

0094

つまり、この正弦波状の格子のピッチをd、移動速度をvとすると、下記式となる。
Acos{2π/d(x−vt)}=A/2(expj{2π/d(x−vt)}+expj{−2π/d(x−vt)})
このため、±1次回折光がfm=±2πv/dの変調周波数を有することになる。尚、強度の場合には、0次の直流成分が生じるが、DC成分なので、ビート信号に影響はない。

0095

ここで、±1次回折光は、実施例1と同様に正弦格子のピッチと瞳伝達拡大レンズ系の倍率により、ビームが所望の程度重なる程度とする。また、変調周波数fmが8MHz程度になるように速度vを決めれば、実施例1と同様な効果を得ることができる。空間変調器53の応答速度は15nsとしたが、現状の空間変調器はデジタル的に2値となっている。

0096

しかしながら、アナログ的に変調することは可能であり、そのときの応答速度も1桁程度悪化する可能性がある程度であり、瞳伝達拡大レンズ系と併用することにより、十分に8MHz以上の変調周波数を得ることは可能である。この場合、実施例1と比較すると、瞳伝達拡大レンズ系が簡素になる。なぜならば、変調周波数は、ディバイスの応答速度で決まるが、格子のピッチをできるだけ大きくすると、ビームの分離度は小さくすることができる。

0097

したがって、最小の分離度は、ディバイスの大きさによって決まるので、適正に選択すれば、瞳伝達拡大レンズ系の拡大率を小さく、または、等倍にすることができる。このようにすれば、光学系の全長を短くすることが可能となる。なお、上記した空間変調器のピクセル自体を図9(A)に示した短冊状の形にすることにより、駆動回路等を簡素化することもできる。

0098

本実施例においては、レーザー光束の利用効率を向上したレーザー走査顕微鏡装置について述べる。
上述の実施例のように瞳伝達拡大光学系を用いることにより、高速走査可能なレーザー走査顕微鏡装置を提供可能となるが、一方で拡大光学系を用いたことにより、レーザー光束の利用効率が低下する問題が発生する。

0099

つまり、分離角度を小さくするために拡大倍率を大きくすると、当然の結果としてビーム径が拡大する。この場合、瞳伝達レンズとして球面レンズ組み合わせ使用することが一般的であるため、ビームは2次元平面内に均等に拡大され、使用する光学素子によりケラレが生じビームの利用効率が低下する。

0100

本実施例では、音響光学変調素子や1次元走査ディバイスによって発生する角度成分が1次元で有ることに着目し、音響光学変調素子4の回折、及び1次元走査ディバイス11、13の走査方向に曲率を持つシリンドリカルレンズによって構成されるレンズ系を瞳伝達光学系として用いるようにした。
シリンドリカルレンズの曲率方向となる、音響光学変調素子4の回折、及び1次元走査ディバイス11、13の走査方向には、瞳伝達拡大光学系となるが、曲率のない音響光学変調素子4の回折、及び1次元走査ディバイス11、13の走査方向には光学系として機能しない。したがって、曲率方向にビームは拡大するが、これに垂直な方向は拡大に寄与せず、また光の強度は面積に反比例するため、ビームの利用効率が大幅に向上する。

0101

例えばm倍の拡大倍率を持つ瞳伝達拡大光学系の場合、球面レンズを使用すると、ビームの面積はm×m倍に拡大するが、シリンドリカルレンズを用いた場合、ビームの面積はm倍にしか拡大せず、瞳伝達拡大光学系にシリンドリカルレンズを用いることにより、m倍のビーム利用効率が改善できる。

0102

以上より、実施例1における光学系のうちの第1の瞳伝達拡大光学系6においては、シリンドリカルレンズを適用可能である。また、第1の1次元走査ディバイス11の偏向方向が音響光学変調素子4の回折方向と同じ場合、第2の瞳伝達拡大光学系12へのシリンドリカルレンズの適用が可能である。ただし、第3の瞳伝達拡大光学系15は2次元走査系となるため適用は出来ない。

実施例

0103

以上、本発明に係る実施の形態を説明したが、本発明は前述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

0104

本発明は、レーザー光の走査によって不透明物体の表面形状の観察及び計測、透明物体の表面または内部構造の観察及び計測を高速に行うレーザー走査顕微鏡装置だけでなく、さまざまな種類の顕微鏡に好適なものである。

0105

1レーザー光源
2コリメーターレンズ
3ビーム整形光学系
4音響光学変調素子
6 第1の瞳伝達拡大レンズ系
7ピンホール
8制限開口
9ビームスプリッター
11 第1の1次元走査ディバイス
12 第2の瞳伝達拡大レンズ系
13 第2の1次元走査ディバイス
14制御基板
15 第3の瞳伝達拡大レンズ系
16対物レンズ
18シリンドリカルレンズ
19受光素子
20光電変換部
21信号比較器
22データ処理部
23ディスプレー
24 受光素子
25 光電変換部
26 受光素子
27 光電変換部
28 受光素子
29 光電変換部
53空間変調器
53A磁性ガーネット膜
S 対象物

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