JP6016495B2 - 走査型顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、走査型顕微鏡に関する。

走査型顕微鏡として、例えば、共焦点顕微鏡では、光源から照射されたレーザ等の光は、対物レンズで集合されて観察対象物の表面で焦点を結ぶ。焦点を結んだ光は、観察対象物からの反射光となり、スリット（ピンホール）で選択された光のみ検出器へと伝達される。走査手段によって、光源からの光を観察対象物の表面上で二次元方向に移動させることで、二次元画像を取得することができる。

このような走査型顕微鏡の走査手段として、特許文献１には、光源である光ファイバの先端を電磁誘導共鳴振動によって走査を行い、この振動を機械的走査と確実に同期させるために、圧電センサにより位置フィードバックを行う電磁誘導共鳴振動と油圧運動との組み合わせが記載されている。

また、特許文献２には、光源である光ファイバの走査方法として電磁石による方法や、振動の検知にセンサコイルを使用する方法が開示されている。

特開平３−８７８０４号公報 特開２００８−１１６９２２号公報

このように走査型顕微鏡の走査手段として、圧電センサやセンサコイルなどの機器を使用すると、そのために部品が追加されることとなり、走査型顕微鏡が大型化し、またコストも増加するという問題がある。

本発明は、特別な機器を用いることなく、走査手段の制御することができ、小型化やコスト削減を図ることができる走査型顕微鏡を提供することを目的とする。

本発明は、走査型顕微鏡であって、照明光を照射する光源と、観察対象物の表面に前記照明光を集光する対物レンズと、前記対物レンズと前記観察対象物との間に配置され、前記照明光を透過する透過板であって、その表面にスケールパターンを有する透過板と、前記観察対象物からの反射光を検出する検出器と、前記照明光を前記観察対象物の表面上で移動させる走査手段と、前記検出器および前記走査手段からの情報から画像を生成する画像処理装置であって、この生成画像中の前記スケールパターンの画像に基づいて、前記走査手段の前記照明光の移動を制御する画像処理装置とを備えるものである。

前記スケールパターンは、前記走査手段の前記照明光の移動方向である走査軸に対して平行または直交する模様であることが好ましい。また、前記スケールパターンは、前記透過板において、前記観察対象物が観察される視野の中心部分を回避した模様であることが好ましい。

前記画像処理装置は、前記生成画像中の前記スケールパターンの画像について、この画像の濃淡分布の中央値を求めることが好ましい。

本発明によれば、このように観察対象物と対物レンズとの間にスケールパターンを有する透過板を配置することで、生成画像中に生じるスケールパターンの画像の大きさ等に基づいて、走査手段の照明光の移動の幅を求めることができるので、走査手段の照明光の移動を制御することができる。よって、従来のような特別な機器を用いることなく、走査手段を制御することができ、走査型顕微鏡の小型化やコスト削減を図ることができる。

本発明に係る走査型顕微鏡の一実施の形態を模式的に示す断面図である。 図１に示す走査型顕微鏡のガラス窓の透過面を示す平面図である。 図２に示すスケールパターンの画像化の例を示す図である。 図３に示すスケールパターン画像と振幅量の関係を示すグラフである。 ガラス窓に描画されたスケールパターンの他の例を示す平面図である。 図２に示すスケールパターンの画像化において、スケールパターン画像の濃度分布を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る走査型顕微鏡の一実施の形態について説明する。なお、本実施の形態では走査型顕微鏡の一例として共焦点顕微鏡を用いるが、以下の説明を読めば、他の形式の走査型顕微鏡であっても本発明を適用できることが理解できよう。

図１に示すように、共焦点顕微鏡１００は、照明光２０を照射する光源１と、光源からの照明光を偏向する半透明ミラー３と、偏向された照明光を観察対象物２に集光する対物レンズ５と、観察対象物から発する反射光２０ｓを集光する接眼レンズ４と、接眼レンズ４の焦点位置に配置される検出器８とを主に備える。また、共焦点顕微鏡１００は、半透明ミラー３の振動を制御する制御装置１５と、この制御装置１５と検出器８とからの情報に基づき二次元画像を作成する画像処理装置９とを備える。

光源１としては、例えば、レーザ光源や、水銀ランプ、ハロゲンランプ等を用いることができる。半透明ミラー３としては、光源１から照射された照明光２０を反射するとともに、観察対象物からの反射光２０ｓを透過するビームスプリッタである。

半透明ミラー３を振動するミラー軸７が、接眼レンズ４と対物レンズ５の中心を通る中心軸２１上において、これらの間に配置される。半透明ミラー３は、照射光の焦点２ｓが観察対象物２の表面を二次元走査（すなわち、Ｘ軸方向とＹ軸方向の２軸方向に移動）するように、ミラー軸７を基点にして振動できるように固定されている。例えば、半透明ミラー３の表面と中心軸２１との角度θが変化するように振動すると、観察対象物２の表面上の焦点２ｓがＹ軸方向に移動する。

また、共焦点顕微鏡１００は、観察対象物２と対物レンズ５との間に位置するように配置されたガラス窓１０を備える。ガラス窓１０は、照明光２０を透過するものであれば、材質は特にガラスに限定されるものではない。ガラス窓１０は、図２に示すように、その表面に、スケールパターン１１を有する。スケールパターン１１は、本実施の形態では、正方形の模様としている。すなわち、スケールパターン１１は、走査軸であるＸ軸およびＹ軸に対して平行かつ直交し、また、観察可能な視野領域の中心部分を回避するように、ガラス窓１０に形成されている。

接眼レンズ４と検出器８との間には、中央部にスリット１２ｓを有するスリット板１２を、板面が中心軸２１に対して直交するように配置される。

制御装置１５は、半透明ミラー３の振動を制御するとともに、この振動情報の信号を画像処理装置９に送るように、これらと電気的に接続されている。また、検出器８は、検出した反射光２０ｓの情報を画像処理装置９に送るように電気的に連結されている。

このような構成を備えた共焦点顕微鏡１００によれば、先ず、図１に示すように、光源１から照射光２０を発射する。照明光２０は、半透明ミラー３で偏向され、中心線２１上に位置する対物レンズ５に向かう。対物レンズ５により照明光２０は屈折、集光され、ガラス窓１０を通って、観察対象物２の表面上に焦点２ｓを結ぶ。

焦点を結んだ照明光２０は、今度は、観察対象物２からの反射光２０ｓとなり、照明光２０の経路とは逆の経路でガラス窓１０および対物レンズ５を通過し、さらに半透明ミラー３を透過する。半透明ミラー３を透過した反射光２０ｓは、接眼レンズ４にて屈折され、スリット板１２のスリット１２ｓで選択された光のみが、検出器８で検出される。そして、反射光２０ｓは、検出器８で電気信号に変換され、画像処理装置９に送られる。

また、二次元走査を行うために、ミラー軸７を基点にして半透明ミラー３を振動させる。これにより、照明光２０の焦点２ｓが観察対象物２の表面上をＸ軸方向およびＹ軸方向に移動し、よって、それらの反射光２０ｓを検出器８で検出することができる。半透明ミラー３の振動信号は、画像処理装置９から制御装置１５に送られる。よって、画像処理装置９で、この振動信号と同期させることで、観察対象物の二次元画像を作成することができる。

この二次元画像には、スケールパターン１１が、多少ぼやけた形で取得されることとなる。例えば、スケールパターン１１は、図３に示すように、取得画像３０中に大きく見えるスケールパターン画像１１ａや、小さく見えるスケールパターン画像１１ｃ、その中間のスケールパターン画像１１ｃ等のように画像化されたり、又は、スケールパターン１１が取得画像３０に全く画像化されなかったりする。

これは、半透明ミラー３の振動の幅の違いによるものである。振動の幅が非常に小さい場合、照明光２０がスケールパターン１１内しか移動しないため、取得画像中にスケールパターンの画像は形成されない。振動の幅が大きくなり、照明光２０がスケールパターン１１の枠外に移動すると、取得画像中にスケールパターンの画像が形成される。振動の幅が大きい程、照明光２０がスケールパターン１１の枠外に大きく移動することとなり、よって、取得画像３０中に形成されるスケールパターン画像は小さくなる。

この関係を図４に示す。図４に示すように、振動の幅（振幅）ＡがＡａ、Ａｂ、Ａｃと大きくなる程、取得画像中のスケールパターン画像の大きさは１１ａ、１１ｂ、１１ｃと小さくなる。すなわち、取得画像中のスケールパターン画像の大きさから、半透明ミラー３の振幅量を求めることができる。所望するスケールパターン画像の大きさは、ガラス窓１０に描画したスケールパターン１１の大きさに起因する。例えば、スケールパターン画像１１ｂのような所定の大きさとなるように、半透明ミラー３の振幅量を制御する。

ガラス窓１０に描画するスケールパターン１１は、図２の模様に限定されず、例えば、図５に示す模様であってもよい。走査軸であるＸ軸およびＹ軸に平行かつ垂直する模様に加え、Ｘ軸およびＹ軸にメモリの模様を加えることもできるし、ガラス窓１０の外縁よりも小さい同心円の模様を加えることもできる。

なお、スケールパターン１１は、走査軸であるＸ軸およびＹ軸と、平行かつ直交する模様が望ましいが、平行や直交する模様ではない場合でも、取得画像中のスケールパターン画像が、Ｘ軸またはＹ軸に平行または直交するように、取得画像を回転させることで、同様に半透明ミラー３の振幅量を制御することができる。

このように、観察対象物２と対物レンズ５との間にスケールパターン１１を有するガラス窓１０を配置することで、半透明ミラー３の振動の幅を制御することができるので、従来のような特別な機器を用いることなく、よって、走査型顕微鏡の小型化やコスト削減を図ることができる。

また、ガラス窓１０のスケールパターン１１は、焦点２ｓが位置する観察対象物２の表面よりも対物レンズ５側に位置するため、取得画像中では、焦点が合わずにピンボケの画像となる。例えば、図６に示すように、ガラス窓１０のスケールパターン１１は細い線でも、線Ｓにおいて得られるスケールパターン画像は、その中心を最大濃度として広がりを持つことになる。よって、画像処理装置９で、得られたスケールパターン画像の濃度分布１１ｔを算出し、濃度分布の中心を求めることができる。この濃度分布の中心位置が、スケールパターン１１の位置である。このように、スケールパターン１１に焦点が合わなくても、スケールパターン画像から、スケールパターン１１の正確な位置を求めることができ、よって、半透明ミラー３の振幅量を正確に求めることができる。

なお、上記の実施の形態では、スケールパターン１１を、観察対象物２と対物レンズ５との間に位置するガラス窓１０に設けたが、本発明はこれに限定されず、画像処理装置９で得られる２次元画像にスケールパターン画像が形成される場所であれば良い。例えば、図１に示す共焦点顕微鏡１００であれば、走査手段である半透明ミラー３と観察対象物２との間にスケールパターンを有するガラス窓を設けることで、半透明ミラー３の振幅の量によって、得られるスケールパターン画像の大きさが異なることから、同様に半透明ミラー３の振幅量を制御することができる。

１ 光源
２ 観察対象物
２ｓ 焦点
３ 半透明ミラー
４ 接眼レンズ
５ 対物レンズ
７ ミラー軸
８ 検出器
９ 画像処理装置
１０ ガラス窓
１１ スケールパターン
１２ スリット板
１２ｓ スリット
１５ 制御装置
２０ 光
２０ｓ 反射光

Claims (4)

1. 照明光を照射する光源と、
   前記照明光を観察対象物の表面上で移動させる走査手段と、
   前記走査手段と前記観察対象物との間に配置され、前記照明光を透過する透過板であって、その表面にスケールパターンを有する透過板と、
   前記観察対象物からの反射光を検出する検出器と、
   前記検出器および前記走査手段からの情報から画像を生成する画像処理装置であって、当該画像処理装置によって生成した画像中の前記スケールパターンの画像に基づいて、前記走査手段の前記照明光の移動を制御する画像処理装置と
   を備えた走査型顕微鏡。
2. 前記スケールパターンが、前記走査手段の前記照明光の移動方向である走査軸に対して平行または直交する模様である請求項１に記載の走査型顕微鏡。
3. 前記スケールパターンが、前記透過板において、前記観察対象物が観察される視野の中心部分を回避した模様である請求項１に記載の走査型顕微鏡。
4. 前記画像処理装置が、前記生成した画像中の前記スケールパターンの画像について、この画像の濃淡分布の中心位置を求める請求項１に記載の走査型顕微鏡。

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