JP3132354U - カラー共焦点顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】小型で且つ製造コストの安価なカラー共焦点顕微鏡を実現する。
【解決手段】本考案によるカラー共焦点顕微鏡は、第１の方向に延在するライン状の照明ビームを発生する光源装置と、光源装置から出射したライン状照明ビームを第１の方向と直交する第２の方向に偏向するビーム偏向装置と、前記光源装置とビーム偏向装置との間の光路中に配置され、前記第１の方向に延在する開口を有するスリットと、ビーム偏向装置から出射したライン状照明ビームを集束して観察すべき試料に向けて投射する対物レンズと、試料から出射したライン状の反射ビームをＲＧＢの３つのカラー光に分離する色分解光学系と、
前記第１の方向と対応する方向に配列された複数の受光素子を有し、色分解されたＲＧＢの各カラー光をそれぞれ受光するラインセンサと、ＲＧＢのラインセンサからの出力信号に基づいてカラービデオ信号を出力する信号処理回路とを具える。
【選択図】 図１

Description

本考案は、カラー共焦点顕微鏡に関するものである。

ＲＧＢの３つのレーザ光源を用い、ＲＧＢの走査ビームで試料表面を走査し、試料からの反射光を光検出器で受光し、カラー画像を表示するカラー共焦点顕微鏡が既知である（例えば、特許文献１参照）。この既知のカラー共焦点顕微鏡では、ＲＧＢの３つのレーザから出射したレーザビームをそれぞれ音響光学素子（ＡＯ素子）で主走査方向に周期的に偏向し、偏向された３本のレーザビームをビーム合成光学系により１本の光ビームに合成している。そして、当該合成ビームを振動ミラーに入射させて副走査方向に周期的に偏向し、対物レンズを介して試料表面に入射させ、試料表面を２次元走査している。

試料表面からの反射ビームは、再び対物レンズにより集光され、振動ミラーを介してダイクロイックミラーに入射し、２個のダイクロイックミラーを経てＲＧＢの反射光が生成されている。各ＲＧＢの反射光はそれぞれリニアイメージセンサに入射し、リニアイメージセンサからＲＧＢの画像信号が出力され、信号処理回路からカラービデオ信号が出力されている。
特開昭６２−１８１７９号公報

上述したカラー共焦点顕微鏡は、ＲＧＢの３色の共焦点画像を合成することにより形成されるので、高解像度のカラー画像が得られる利点がある。
しかしながら、ＲＧＢの各レーザビーム毎に個別にＡＯ素子を用いて主走査を行っているため、３個の音響光学素子が必要であり、光学系の構造が複雑化すると共に大型化する欠点があった。また、音響光学素子の価格が高価であるため、製造コストが高価になる欠点もある。さらに、ＲＧＢのレーザから出射したレーザビームにより試料表面を走査してカラー画像を形成しているため、自然色から若干シフトしたカラー画像が出力される欠点も指摘されている。

本考案の目的は、上述した欠点を解消し、小型で且つ製造コストの安価なカラー共焦点顕微鏡を実現することにある。
さらに、本考案の目的は、観察すべき試料表面に対して自然な色合いのカラー共焦点画像を表示することができるカラー共焦点顕微鏡を実現することにある。

本考案によるカラー共焦点顕微鏡は、照明ビームを発生する光源装置と、
前記照明ビームを第１の方向に延在するライン状の照明ビームに変換するビーム整形光学系と、
前記ライン状照明ビームを第１の方向と直交する第２の方向に偏向するビーム偏向装置と、
ビーム偏向装置から出射したライン状照明ビームを集束して観察すべき試料に向けて投射する対物レンズと、
試料から出射したライン状の反射ビームをＲＧＢの３つのカラー光に分離する色分解光学系と、
前記第１の方向と対応する方向に配列された複数の受光素子を有し、色分解されたＲＧＢの各カラー光をそれぞれ受光するラインセンサと、
ＲＧＢのラインセンサからの出力信号に基づいてカラービデオ信号を出力する信号処理回路とを具え、
試料からの反射ビームは、前記対物レンズ及びビーム偏向装置を介して色分解光学系に入射することを特徴とする。

本考案では、ライン状の白色ビームにより試料表面を走査し、試料からの反射ビームを色分解光学系によりＲＧＢの画像に色分解し、ＲＧＢの反射ビームをラインセンサにより受光して画像信号を出力する。この結果、光学系の構成が大幅に簡素化され、小型化が図られる。また、音響光学素子を用いていないので、製造コストも大幅に安価になる。

本考案によるカラー共焦点顕微鏡は、ビーム偏向装置と色分解光学系との間の光路中に、光源装置から試料に向かう照明ビームと試料から色分解光学系に向かう反射ビームとを分離するビームスプリッタを配置し、当該ビームスプリッタと前記ビーム偏向装置との間の共通の光路中にレンズ系を配置し、当該レンズ系は、光源装置から試料に向かう光に対してリレーレンズとして作用し、試料からラインセンサに向かう光に対して結像レンズとして作用することを特徴とする。このように、照明光学系の光路と撮像光学系の光路とを共用すると共に、共通の光路中にレンズ系を配置し当該レンズ系を照明光学系と撮像光学系とで共用することにより、顕微鏡を一層小型化することが可能になる。

本考案によるカラー共焦点顕微鏡は、ビーム整形光学系は、集束性レンズ系と、当該集束性レンズ系の瞳位置に配置され、第１の方向に延在する開口部を有するスリットとを含み、スリットが配置されている光路中に、スリットを光路から除去する光路迂回光学系を挿脱自在に配置し、共焦点カラー画像と非共焦点カラー画像とを選択的に表示することを特徴とする。共焦点光学系は高解像度画像が撮像されるが、焦点深度が比較的浅い特性がある。一方、非共焦点光学系は、共焦点光学系と比較して解像度は低いが焦点深度が深い特性がある。従って、試料の表面の凹凸等の特性に応じて、選択的に共焦点画像又は非共焦点画像が撮像できれば、一層良好な試料観察を行うことができる。そこで、本考案では、スリットが配置されている光路中に光路迂回光学系を挿脱自在に配置し、ユーザの要求に応じて共焦点画像と非共焦点画像とを選択的に撮像できるように構成する。尚、光路迂回光学系は、スリットをはさむように対向配置した２個の菱形プリズムで構成することができる。

本考案によるカラー共焦点顕微鏡は、ビームスプリッタと色分解光学系との間の光路中に、前記反射ビームの光路を光軸から直交する方向に変位させるポジショナを配置し、当該ポジショナを調整することにより色分解されたＲＧＢのカラー光のラインセンサに対する入射位置を調整可能としたことを特徴とする。

本考案によるカラー共焦点顕微鏡は、光源装置は、白色光を放出する光源と、複数の光ファイバのバンドルとを有し、光ファイババンドルの出射端からライン状照明ビームを出射させることを特徴とする。

本考案では、ライン状の白色ビームにより試料表面を２次元走査し、試料からの反射ビームを色分解光学系によりＲＧＢの画像に分解し、それぞれラインセンサにより受光しているので、光学系の構成が簡素化されると共に小型化が図られる。また、光源から試料に向かう照明ビームと試料からラインセンサに向かう反射ビームとの共通の光路中にレンズ系を配置し、当該レンズ系を照明系と結像系とで共用しているので、装置の小型化を図ることが可能になる。

図１は本考案によるカラー共焦点顕微鏡の一例の構成を示す線図である。光源１として、水銀ランプやキセノンランプ等の白色光を放出する白色光源を用いる。光源１から出射した白色光は、複数の光ファイバが円形に積層された光ファイババンドル２に入射し、光ファイバを伝搬して、断面がほぼ円形の発散性ビームとして出射する。当該照明ビームは、光源から出射した照明ビームをライン状の照明ビームに変換するビーム整形光学系を構成する。ビーム整形光学系は、集束性レンズ３とスリット４を含み、光ファイババンドル２から出射した照明ビームは、集束性レンズ３により平行な照明ビームに変換されてスリット４に入射する。スリット４は、集束性レンズ３の瞳位置に配置され、第１の方向（紙面と直交する方向）に延在する開口部を通過する。スリットの開口部の幅は、例えば１０〜２０μｍに設定する。従って、スリット４から第１の方向に延在するライン状の照明ビームが出射する。スリット４から出射したライン状の照明ビームは、ビームスプリッタとして機能するハーフミラー５で反射し、リレーレンズ６を経て振動ミラー７に入射する。

振動ミラー７は、後述する信号処理からの供給される駆動信号に基づき、入射するライン状の照明ビームを第１の方向と直交する第２の方向に周期的に偏向する。振動ミラーから出射したビームはリレーレンズ８及び９を経て対物レンズ１０に入射する。対物レンズ１０は、入射したライン状照明ビームを集束して観察すべき試料１１上に投射する。従って、試料１１は、集束したライン状の照明ビームにより２次元的に走査される。尚、対物レンズ１０は、倍率の異なる複数の対物レンズがレボルバーに搭載され、レボルバーを回動することにより、所望の倍率の対物レンズを用いて観察することが可能である。また、レボルバーは、光軸方向に移動可能に装着され、アクチュエータ（図示せず）により光軸方向に移動することができる。

試料１１は、ＸＹステージ１２上に載置され、ステージをＸＹ方向に駆動することにより所望の部位の画像を表示することが可能である。

試料表面から出射したライン状の反射ビームは、対物レンズにより集光され、元の光路を反対方向に伝搬する。そして、リレーレンズ９及び８を経て振動ミラー７に入射し、振動ミラーによりデスキャンされる。振動ミラー７から出射した反射ビームは、レンズ６を通過し、ハーフミラー５により照明ビームから分離される。尚、レンズ６は、光源から試料に向かう照明ビームに対してはリレーレンズとして作用し、試料から光検出器に向かう反射ビームに対しては結像レンズとして作用する。

ハーフミラー５を透過した反射ビームは、ポジショナ１３に入射する。このポジショナ１３は平行平面板で構成され、光軸に対する角度を調整することにより、反射ビームの光軸からの変位量が調整され、後述するラインセンサに入射する位置を調整することができる。ポジショナから出射したライン状の反射ビームは、色分解光学系として機能する分光プリズム１４に入射し、ＲＧＢの３つのカラー光に色分解される。尚、分光プリズム１４は、線図的にボックスとして図示したが、その詳細な構成は後述することにする。

色分解されたＲＧＢの各カラー光は、ラインセンサ１５〜１７にそれぞれ入射する。各ラインセンサ１５〜１７は複数の受光素子を有し、これら受光素子は、ライン状照明ビームの延在方向である第１の方向と対応する方向に配列される。従って、入射するライン状反射ビームの延在方向と各ラインセンサの受光素子の配列方向とが一致し、試料からの反射ビームは、各ラインセンサに対して静止した状態で入射する。

ラインセンサ１５〜１７に蓄積された電荷は、信号処理回路１８から供給される読出駆動信号により順次読み出され、増幅器１９〜２１によりそれぞれ増幅されて信号処理回路１８に出力される。信号処理回路１８は、入力するＲＧＢのビデオ入力について信号処理を行い、ＲＧＢのビデオ信号を合成してカラービデオ信号を出力する。

尚、リレーレンズ８と９との間の光路中にハーフミラーを配置し、一部の反射光を焦点誤差信号発生装置に入射させることにより、焦点誤差信号を形成することができる。この焦点誤差信号を対物レンズ１０を駆動するアクチュエータに供給することにより、合焦した共焦点画像を撮像することができる。尚、焦点誤差信号発生装置として、フォーカルト法やナイフエッジ法等の種々の焦点誤差信号発生装置を用いることができる。

図２は色分解光学系とラインセンサの詳細な配置構成を示す線図である。本例では、色分解光学系として３個のプリズムとダイクロイック膜とを組み合わせた分光プリズムを用いる。当該分光プリズムは、第１〜第３の３個のプリズム１４ａ〜１４ｃ有する。これら３個のプリズムは、紙面と直交する方向に延在する角柱体の形状をしたプリズムであり、図２はプリズムを断面として示す。第１のプリズム１４ａと第２のプリズム１４ｂとの間に緑の光だけを反射する第１のダイクロイック膜１４ｄを形成し、第２のプリズム１４ｂと第３のプリズム１４ｃとの間に青の光だけを反射する第２のダイクロイック膜１４ｅを形成する。

当該分光プリズムの光入射面１４ｆに入射した試料からの反射ビームは、第１のダイクロイック膜１４ｄにおいて赤の光だけが反射し、残りの光は透過する。反射した赤の光は光入射面１４ｆで反射し、第１の光出射面１４ｇから出射し、ラインセンサ１６に入射する。第１のダイクロイック膜を透過した光は第２のダイクロイック膜１４ｅに入射し、青の光だけが反射し、当該青の光は第２の光出射面１４ｈから出射し、ラインセンサ１７に入射する。第２のダイクロイック膜１４ｅを透過した赤の光は第３の光出射面１４ｉから出射し、ラインセンサ１５に入射する。ラインセンサ１５〜１７からＲＧＢのビデオ信号が出力される。

次に、共焦点画像撮像モードと非共焦点画像撮像モードとの撮像モード切換機能について説明する。共焦点光学系は高解像度画像が撮像されるが、焦点深度が比較的浅い特性がある。一方、非共焦点光学系は、共焦点光学系と比較して解像度は低いが焦点深度が深い特性がある。従って、試料表面の凹凸特性に応じて、試料表面を共焦点画像として観察し或いは非共焦点画像として観察したい場合がある。そこで、本考案では、共焦点画像と非共焦点画像とを選択的に撮像できる撮像モード切換機能をもたせる。図１は共焦点画像撮像モードの光学系を示す。光ファイババンドル２から出射した照明ビームは、集束性レンズ３により集束され、スリット４の開口を通過することにより整形されたライン状の照明ビームに変換される。この照明ビームは、対物レンズ１０により集束され、試料表面には集束したライン状ビームとして入射する。また、ラインセンサは、光入射面にスリットが配置されているものと等価であるから、各ラインセンサから共焦点画像信号が出力される。

図３は、スリット４が配置されている光路に光路迂回光学系３０が挿入配置された構成を示す。光路迂回光学系３０は、断面が菱形の第１及び第２の菱形プリズム３１及び３２を有し、これら菱形プリズムは、スリット４を挟むように対向配置する。光源に近い側に配置した第１の菱形プリズム３１に入射した照明ビームは２つの斜辺３１ａ及び３１ｂで反射し、光軸から変位した照明ビームとして出射する。光路から変位した照明ビームは、第２の菱形プリズム３２に入射し、同様に２つの斜辺３２ａ及び３２ｂで反射し、光軸上を伝搬するビームとして出射する。この結果、スリット４を迂回する光路が形成され、当該迂回光路上を伝搬する照明ビームは、断面が円形のある程度の広がりを有する光ビームである。従って、試料表面は広がりを有する円形の照明ビームにより走査されるので、非共焦点画像が撮像されることになる。このように、２つの菱形プリズムにより構成される光路迂回光学系をスリットを挟むように挿脱自在に配置することにより、観察すべき試料の特性に応じて、共焦点画像と非共焦点画像とを選択的に撮像することが可能になる。

本考案は上述した実施例だけに限定されず種々の変形や変更が可能である。例えば、上述した実施例では、ビーム整形光学系は、集束性レンズと細条状の開口部を有するスリットとで構成したが、スリットの代わりにシリンドリカルレンズを配置してライン状の照明ビームを発生させることも可能である。
色分解光学系として分光プリズムを用いたが、ダイクロイックミラーを用いて色分解光学系を構成することも可能である。

本考案によるカラー共焦点顕微鏡の一例を示す線図である。 分光プリズムの構成を示す線図である。 共焦点画像撮像モードと非共焦点画像撮像モードとのモード切換機能を説明する線図である。

符号の説明

１ 光源
２ 光ファイババンドル
３ 集束性レンズ
４ スリット
５ ハーフミラー
６ リレーレンズ（結像レンズ）
７ 振動ミラー
８，９ リレーレンズ
１０ 対物レンズ
１１ 試料
１２ ステージ
１３ ポジショナ
１４ 分光プリズム
１５，１６，１７ ラインセンサ
１８ 信号処理回路
１９，２０，２１ 増幅器
３０ 光路迂回光学系
３１，３２ 菱形プリズム

Claims (5)

1. 照明ビームを発生する光源装置と、
   前記照明ビームを第１の方向に延在するライン状の照明ビームに変換するビーム整形光学系と、
   前記ライン状照明ビームを第１の方向と直交する第２の方向に偏向するビーム偏向装置と、
   ビーム偏向装置から出射したライン状照明ビームを集束して観察すべき試料に向けて投射する対物レンズと、
   試料から出射したライン状の反射ビームをＲＧＢの３つのカラー光に分離する色分解光学系と、
   前記第１の方向と対応する方向に配列された複数の受光素子を有し、色分解されたＲＧＢの各カラー光をそれぞれ受光するラインセンサと、
   ＲＧＢのラインセンサからの出力信号に基づいてカラービデオ信号を出力する信号処理回路とを具え、
   試料からの反射ビームは、前記対物レンズ及びビーム偏向装置を介して色分解光学系に入射することを特徴とするカラー共焦点顕微鏡。
2. 請求項１に記載のカラー共焦点顕微鏡において、前記ビーム偏向装置と色分解光学系との間の光路中に、光源装置から試料に向かう照明ビームと試料から色分解光学系に向かう反射ビームとを分離するビームスプリッタを配置し、当該ビームスプリッタと前記ビーム偏向装置との間の共通の光路中にレンズ系を配置し、当該レンズ系は、光源装置から試料に向かう光に対してリレーレンズとして作用し、試料からラインセンサに向かう光に対して結像レンズとして作用することを特徴とするカラー共焦点顕微鏡。
3. 請求項１又は２に記載のカラー共焦点顕微鏡において、前記ビーム整形光学系は、集束性レンズ系と、当該集束性レンズ系の瞳位置に配置され、第１の方向に延在する開口部を有するスリットとを含み、スリットが配置されている光路中に、スリットを光路から除去する光路迂回光学系を挿脱自在に配置し、共焦点カラー画像と非共焦点カラー画像とを選択的に表示することを特徴とするカラー共焦点顕微鏡。
4. 請求項１から３までのいずれか１項に記載のカラー共焦点顕微鏡において、前記ビームスプリッタと色分解光学系との間の光路中に、前記反射ビームの光路を光軸から直交する方向に変位させるポジショナを配置し、当該ポジショナを調整することにより色分解されたＲＧＢのカラー光のラインセンサに対する入射位置を調整可能としたことを特徴とするカラー共焦点顕微鏡。
5. 請求項１から４までのいずれか１項に記載のカラー共焦点顕微鏡において、前記光源装置は、白色光を放出する光源と、複数の光ファイバのバンドルとを有し、光ファイババンドルの出射端から照明ビームを出射させることを特徴とするカラー共焦点顕微鏡。

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