JP2918995B2 - 共焦点光学系 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は共焦点光学系に関するものである。

〔従来技術〕

共焦点光学系は古くから知られており、U.S.Patent30
13467で提案されている。その光学系を第７図に示す。
光源１から出た光２は、ハーフミラー３を透過し集光レ
ンズ４で試料５上にスポット状に照射される。試料５か
らの反射光は、レンズ４を通りハーフミラー３で反射さ
れ再び集光する。この集光位置はレンズ４の集光位置と
共役な位置であり、この位置にピンホール６を置いた光
学系を共焦点光学系という。７は光電検出器であり集光
した光を受光して電気信号に変換するものである。

このような共焦点光学系を走査光学顕微鏡に応用した
のが、共焦点走査光学顕微鏡である。

第８図は共焦点走査光学顕微鏡の光学系の例で、これ
について説明する。光源11から出たレーザビーム12は、
ビームエキスパンダ13によって必要な大きさのビーム径
に拡大される。拡大されたレーザビーム12はハーフミラ
ー14を透過し、対物レンズ21の瞳位置に共役な位置に設
けられた光偏向器15に入射する。この光偏向器15が回動
することにより、レーザビーム12はＸ方向に偏向され
る。光偏向器15で反射されたレーザビーム12は瞳伝送レ
ンズ16,17を通ったあと、やはり対物レンズ21の瞳位置
に共役な位置に設けられた光偏向器18に入射する。この
光偏向器18が光偏向器15の回動方向と直交する方向に回
動することにより、レーザビーム12はＹ方向に偏向され
る。これら光偏向器により二次元走査されたレーザビー
ム12は瞳投影レンズ19および結像レンズ20を通り、対物
レンズ21に入射する。そして試料22上に回折で制限され
るスポットを生じそのスポットで試料22を二次元走査す
る。試料22が反射物体であれば、レーザビーム12は入射
の時の光路を逆に戻り、ハーフミラー14で反射され集光
レンズ23で集光される。集光位置にはピンホール24があ
り、ピンホール24を通過した光のみが光電検出器25に入
射する。光電検出器25から出力される電気信号を処理す
ることで試料像が得られる。

第９図は共焦点走査光学顕微鏡の別の例である。第８
図と同じ構成要素には同じ符号を付けて、その作用につ
いては説明を省略する。この例では、試料22からの反射
光は光偏向器18と瞳伝送レンズ17の間に置かれたハーフ
ミラー14で反射され、集光レンズ26で集光されるが、集
光位置ではスポット光がライン状に走査するため光電検
出器として１次元CCD27が用いられる。スポット径に比
べて１次元CCD27の受光面の幅をライン状に走査面積小
さくすることで共焦点光学系となる。

このような共焦点走査光学顕微鏡は通常の光学顕微鏡
に比べて、 ・コントラストの良い画像が得られる。

・光軸方向の分解能がある。

等の特徴がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

共焦点光学系の最大の特徴は、光軸方向に分解能があ
るということである。この光軸方向の分解能は、ピンホ
ール上のスポット径の大きさとピンホール径の大きさに
依存する。これについては、「光学.18巻.8号」“光学
走査顕微鏡”（日本光学会発行）で解析されている。こ
れによると、スポット径に対してピンホール径を小さく
すると光軸方向の分解能は高くなり、逆にスポット径に
対してピンホール径を大きくすると光軸方向の分解能は
低下するという結果である。従って、光軸方向の分解能
を上げるためピンホール径はできるだけ小さくするのが
望ましい。

ところがピンホール径を小さくすると、ピンホールを
通過する光量が減少するため例えば反射率の低い試料や
蛍光試料等では画像が得られなくなる問題が生じる。こ
のような問題を解決するには、光軸方向の分解能を犠牲
にしてピンホールを通過する光量増加させるために、ピ
ンホール径を大きくすればよい。この場合、どの程度光
量を通過させるかは試料から戻ってくる光量が試料によ
って違うため、ピンホール径は連続的に変化できるほう
が便利である。

しかしながら、ピンホール径は数10μｍ程度であるた
め、これを連続的に変化させることは非常に困難であ
る。また、１次元CCDの場合も受光面の大きさは一定で
あるため連続的に変化させることは出来ない。

本発明は上記問題点に鑑み、ピンホール径もしくは受
光面の大きさは一定のままでピンホール径もしくは受光
面の大きさを連続的に変化させたのと同じ効果が得られ
る様な共焦点光学系を提供することを目的としている。

〔問題点を解決する手段および作用〕

本発明による共焦点光学系のひとつは、光源から出た
光を対物レンズで試料上に集光し、該試料で発生した光
を前記対物レンズの集光位置と共役な関係に配置された
開口を介して光電検出素子で受光する共焦点光学系にお
いて、前記試料からの戻り光を前記開口上に集光させる
集光レンズと、該集光レンズにより集光される試料から
の戻り光のスポット径を可変させるスポット径変換光学
系を備えたことを特徴としている。

本発明による共焦点光学系の別のひとつは、光源から
出た光を対物レンズで試料上に集光し、該試料で発生し
た光を前記対物レンズの集光位置と共役な位置に配置さ
れた少なくとも一次元方向の認識可能な光電検出素子で
受光する共焦点光学系において、前記試料からの戻り光
を前記光電検出素子上に集光させる集光レンズと、該集
光レンズにより集光される試料からの戻り光のスポット
径を可変させるスポット径変換光学系を備えたことを特
徴としている。

さらに、本発明では、スポット径変換光学系として集
光レンズの入射光束径を可変させるか、又は集光レンズ
の焦点距離を可変させることを特徴としている。

本発明によれば、開口もしくは光電検出素子の受光面
の大きさに対して開口上もしくは受光面上に集光される
スポット径を連続的に変化させることにより、ピンホー
ル径もしくは受光面の大きさを連続的に変化させたのと
同様の効果が得られる。

［実施例］ 本発明による第１実施例を第１図に示す。第８図と同
じ構成要素については同じ符号を付けてその作用につい
ては省略する。

本実施例ではピンホール径や受光面の大きさを変えず
にスポットの径を変えるものである。

レンズで平行光線を集光した時にできるスポットの直
径φは、レンズの焦点距離をｆ、レンズに入射する光束
の半径をｄ、光の波長をλとすると、 φ＝1.22×ｆ×λ/d （１） の関係を持つ。

この（１）式から明らかなように、スポットの直径を
変化させるにはf,d,λのうち少なくともひとつを変化さ
せればよい。

そこで、本実施例ではスポット径を変えるようにして
あり、スポットの直径を変化させるために、（１）式の
ｄの値を変化させる方法を用いている。第１図に示すよ
うにｄの値を変化させるために、集光レンズ23の前にア
フォーカルズーム光学系30を配置してある。

第２図はアフォーカルズーム光学系の例である。レン
ズ31,33は凸レンズであり、レンズ32,34は凹レンズであ
る。レンズ32,33はそれぞれX1〜X2,X3〜X4の間を連続に
動く構成になっている。第２図（Ａ）で示すようにレン
ズ32がX1、レンズ33がX4の位置にある場合では、入射光
束はレンズ31で収束するが、レンズ31,32のあいだが狭
いため光束径はあまり小さくならない。しかし、レンズ
32,33のあいだが広いためレンズ32を通過した光束はこ
の間で拡がり、拡がった光束はレンズ33,34の間が狭い
ためこの間では光束径があまり小さくならず、レンズ34
から出てくる光束径d1は入射光束系をｄとすると、ｄ＜
d1となる。一方、第２図（Ｂ）で示すようにレンズ32が
X2、レンズ33がX3の位置にある場合は、光束がレンズ31
と32、レンズ33と34の間で光束が小さくなるため、レン
ズ34から出てくる光束径d2は、ｄ＞d2となる。したがっ
て、レンズ32,33が連続に動くことで、レンズ34から出
てくる光束径はd1からd2間で連続に変化する。

具体的に数値を代入してみる。

例えば、 ｆ＝50mm λ＝0.5μｍ ｄ＝2mm のとき、 アフォーカルズームの倍率を0.25×〜２×にすると、
レンズ34から出てくる光束径は、 ２ ×の時 d1＝4 mm 0.25×の時 d2＝0.5mm したがってレンズ23によってピンホール24上に生じる
スポットの径は、 ２ ×の時 φ１＝7.6μｍ 0.25×の時 φ２＝61 μｍ となる。

ピンホール24の径を15μｍ程度にすると、試料から戻
ってくる光の光量が少ない場合には、アフォーカルズー
ムの倍率を１×〜２×にする事でスポット径がピンホー
ル径より小さくなるため、ピンホールでの光量損失が少
なくなり画像が得られる。ただしこの場合光軸方向の分
解能は、ほとんど得られない。

また、試料から戻ってくる光の光量が多い場合には、
アフォーカルズームの倍率を0.25×〜0.7×にする事で
スポット径がピンホール径より大きくなるため、ピンホ
ールでの光量損失はあるものの、軸方向の分解能を持ち
ながら画像も得られる。

以上のように、試料から戻ってくる光の光量に応じて
アフォーカルズームの倍率を連続に変化させることで、
画像を得るための最適な状態が実現される。

本実施例では具体的な数値を挙げて説明したが、特に
この数値に限定されるものではない。またアフォーカル
ズーム光学系のレンズの種類や枚数などについても同様
に制限はない。

本発明による第２実施例を第３図に示す。第９図と同
じ構成要素には同じ符号を付けてその作用については説
明を省略する。

本実施例も第１実施例と同様にスポット径を変化させ
るものである。

本実施例ではスポットの直径を変化させるために、
（１）式のｆの値を変化させる方法をもちいる。そこで
ここでは、ｆの値を変化させるために、１次元CCD27の
前に焦点距離可変光学系40を配置してある。

第４図は焦点距離可変光学系の例であり、レンズ41は
凹レンズ、レンズ42は凸レンズである。この焦点可変光
学系の２枚のレンズの合成焦点距離ｆは、近軸理論で求
めると、２枚のレンズの焦点距離をそれぞれf1,f2と
し、２枚のレンズの間隔をｔとすると、 1/f＝1/f1＋1/f2−t/（f1×f2） で表される。したがってｆを変化させるにはレンズ間隔
ｔを変化させればよい。

すなわち、第４図（Ａ）で示すように２枚のレンズ4
1,42を近付けてレンズ間隔をt2とすると、光スポットが
集光する位置は遠く離れて焦点距離は長くなり、第４図
（Ｂ）で示すように２枚のレンズを離してレンズ間隔を
t1とすると、焦点距離は短くなる。

このようにレンズ間隔が変化すると焦点距離が変化
し、焦点位置が変化するため１次元CCD27の受光面の位
置とスポット位置が一致しなくなる。したがって、レン
ズ間隔の変化に応じて１次元CCDの受光面の位置とスポ
ット位置を一致させるように、焦点距離を固定した状態
でレンズ41、42を平行に移動させる移動機構が必要とな
る。

次に具体的に数値を代入してみる。

例えば、 レンズ41の焦点距離 f1＝−20mm レンズ42の焦点距離 f2＝ 20mm のとき、 レンズ間隔 t1＝25mm t2＝ 5mm とすると、 t1＝25mmのとき ｆ＝16mm t2＝ 5mmのとき ｆ＝80mm となり、スポット径は、 t1＝25mmのとき φ１＝ 4.9μｍ t2＝ 5mmのとき φ２＝24.4μｍ となる。

このようにレンズ41を連続に移動させることによっ
て、スポット径を4.9μｍから24.4μｍまで連続に変化
させることが出来る。

従って、一次元CCDの受光面の大きさを10μｍ程度に
しても、第１実施例と同じように、試料からの光の光量
に応じて画像を得るための最適な状態が実現される。

尚、第３図は試料22が透過試料の場合、１次元CCD27
に透過光を戻すための例を示してあり、44,46はそのた
めの光学系の一例である。レンズ46は試料22を透過して
きた光を平行光束にする為、前側焦点位置がレンズ21の
集光位置に一致するように配置されている。レンズ46か
ら出た平行光束はコーナーキューブ44に入射する。この
コーナーキューブ44はその頂点Ｐがレンズ46の後側焦点
位置に一致するように配置されている。この為コーナー
キューブで反射された光は入射光と同じ光路を戻って行
くため透過光も１次元CCD27で検出される。

第５図は本実施例の変形例である。焦点距離を変化さ
せるために焦点可変レンズ50を用いている。焦点可変レ
ンズ50はレンズ素材に電圧源51により、電圧を加えるこ
とで、レンズ素材の屈折率が変化するものである。した
がって電圧をV1〜V2に連続的に変化させることで、１枚
のレンズで連続に焦点距離を変化させることが出来る。
第４図の場合と同様に、焦点距離を変化させたときにス
ポットが１次元CCD27上に来るように焦点可変レンズ50
を移動させる移動機構は必要である。

本実施例でも具体的な数値を挙げて説明したが、特に
この数値に限定されるものではない。また光学系のレン
ズ構成についても同じ効果を生じるものであれば、レン
ズの種類、枚数などについても同様に制限はない。

第６図は本発明による第３実施例である。第８図と同
じ構成要素については同じ符号を付けてその作用につい
ては説明を省略する。

本実施例では試料22からの光を集光せずに平行光束の
まま、光電検出器25に入射させている。試料22と共役で
ない位置からの光は平行光束にならないため絞り61をほ
とんど通ることが出来ない。このため、第８図の集光位
置にピンホールを置いたのと同じ作用をしている。

本実施例では絞り61に入射する光束径を変化させるた
めに、ビームエキスパンダ部に第２図と同様のアフォー
カルズーム60を用いている。絞り61に入射する光束径は
アフォーカルズーム60を出る光束と同じである。従っ
て、アフォーカルズーム60を出る光束を連続に変化させ
ることで、試料からの光の光量に応じて画像を得るため
の最適な状態が実現できる。ただし、試料22からの光は
集光レンズ21の瞳の大きさで決まるため、アフォーカル
ズーム60を出る光束径を変化させる範囲は、集光レンズ
21の瞳の大きさよりも小さい範囲でなければならない。
また本実施例では、絞り61の径は数mmの大きさのため、
その径を変化させることも出来る。よって、アフォーカ
ルズーム60によって光束径を変化させる機能と併用する
ことで、幅広い光量調整が実現できる。

以上本発明の実施例について説明してきたが、アフォ
ーカルズーム光学系及び、焦点距離可変光学系はどの実
施例にも使用することができる。

〔発明の効果〕

本発明による共焦点光学系は、ピンホール径もしくは
受光面の大きさは一定のままでピンホール径もしくは受
光面の大きさを連続的に変化させたのと同じ効果が簡単
に実現できる事である。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の第１実施例の光学系を示
す図、第３図および第４図は第２実施例の光学系を示す
図、第５図は第２実施例の変形例を示す図、第６図は第
３実施例の光学系を示す図、第７図は共焦点光学系の原
理を示す図、第８図および第９図は共焦点光学系の従来
例を示す図である。 1,11……光源、6,24……ピンホール 7,25……光電検出器、27……一次元CCD 30,60……アフォーカルズーム光学系 40……焦点距離可変光学系、61……絞り

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光源から出た光を対物レンズで試料上に集
   光し、該試料で発生した光を前記対物レンズの集光位置
   と共役な関係に配置された開口を介して光電検出素子で
   受光する共焦点光学系において、前記試料からの戻り光
   を前記開口上に集光させる集光レンズと、該集光レンズ
   により集光される試料からの戻り光のスポット径を可変
   させるスポット径変換光学系を備えたことを特徴とする
   共焦点光学系。
2. 【請求項２】光源から出た光を対物レンズで試料上に集
   光し、該試料で発生した光を前記対物レンズの集光位置
   と共役な位置に配置された少なくとも一次元方向の認識
   可能な光電検出素子で受光する共焦点光学系において、
   前記試料からの戻り光を前記光電検出素子上に集光させ
   る集光レンズと、該集光レンズにより集光される試料か
   らの戻り光のスポット径を可変させるスポット径変換光
   学系を備えたことを特徴とする共焦点光学系。
3. 【請求項３】前記スポット径変換光学系は、前記集光レ
   ンズの入射光束径を可変させることを特徴とする請求項
   １または２に記載の共焦点光学系。
4. 【請求項４】前記スポット径変換光学系は、前記集光レ
   ンズの焦点距離を可変させることを特徴とする請求項１
   または２に記載の共焦点光学系。