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JP2001117007A - レーザ顕微鏡及び共焦点型レーザ走査顕微鏡 - Google Patents

レーザ顕微鏡及び共焦点型レーザ走査顕微鏡

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Publication number
JP2001117007A
JP2001117007A JP29904499A JP29904499A JP2001117007A JP 2001117007 A JP2001117007 A JP 2001117007A JP 29904499 A JP29904499 A JP 29904499A JP 29904499 A JP29904499 A JP 29904499A JP 2001117007 A JP2001117007 A JP 2001117007A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
laser
laser light
microscope
wavelength
main body
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP29904499A
Other languages
English (en)
Inventor
Katsumi Ogino
克美 荻野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nikon Corp filed Critical Nikon Corp
Priority to JP29904499A priority Critical patent/JP2001117007A/ja
Priority to US09/691,260 priority patent/US6282020B1/en
Publication of JP2001117007A publication Critical patent/JP2001117007A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/0004—Microscopes specially adapted for specific applications
    • G02B21/002—Scanning microscopes
    • G02B21/0024—Confocal scanning microscopes (CSOMs) or confocal "macroscopes"; Accessories which are not restricted to use with CSOMs, e.g. sample holders
    • G02B21/0032—Optical details of illumination, e.g. light-sources, pinholes, beam splitters, slits, fibers

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Microscoopes, Condenser (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 レーザ顕微鏡及び共焦点型レーザ走査顕微鏡
の製造コストの低減を図る。 【解決手段】 除振台４０に載置される顕微鏡本体１０
と、この顕微鏡本体１０にレーザ光を供給するレーザ光
源とを備え、レーザ光源が、所定の波長のレーザ光を発
振する元レーザ１０５と、この元レーザ１０５からのレ
ーザ光の波長を変換するレーザ共振器１０６とを有して
いる共焦点型レーザ走査顕微鏡１において、元レーザ１
０５とレーザ共振器１０６とを分離し、元レーザ１０５
とレーザ共振器１０６とを光ファイバ１４によって接続
するとともに、レーザ共振器１０６を顕微鏡本体１０に
組み込んだ。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明はレーザ顕微鏡及び
共焦点型レーザ走査顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】微細構造の試料を顕微鏡で観察する場
合、顕微鏡の限界解像力は δ＝λ／２ＮＡ （１）式 で表すことができる。
【０００３】ここで、δは解像力を、λは使用波長を、
ＮＡは対物レンズの開口数をそれぞれ示す。
【０００４】（１）式から解像力を高めるには、波長λ
を短くするか、対物レンズの開口数ＮＡを大きくするか
又は波長λを短くするとともに、対物レンズの開口数Ｎ
Ａを大きくすればよいことがわかる。
【０００５】生物試料を観察する場合には、生物試料が
紫外域以下の波長の光を受けると光化学反応等により試
料自体が損傷してしまうので、開口数ＮＡの大きな液浸
系の対物レンズを用いて解像力を高めている。
【０００６】これに対し、無機物試料（例えばＩＣ等の
微細構造物）を液浸系の対物レンズを用いて観察する場
合には、ＩＣ等の表面に不純物が付着し、使用できなく
なってしまうおそれが大きいので、紫外域以下の光の照
射によって解像力を高めている。なお、紫外域以下の光
の照射によって無機物試料自体が損傷を受けることは少
ない。
【０００７】ところで、近年ＩＣ等の微細構造物のスケ
ールは縮小の一途をたどっているため、顕微鏡も更なる
解像力の向上が望まれている。解像力の高い顕微鏡とし
ては、Ｘ線や電子線を用いた顕微鏡があるが、真空中で
の試料表面の観察であるため、光学顕微鏡に比し使い勝
手が悪い。そこで、使い勝手のよい光学顕微鏡による解
像力の向上が求められている。
【０００８】光学顕微鏡で例えば解像力を２倍に高める
ため、可視光の代表波長であるｅ線（波長：５４６ｎ
ｍ）の半分である、深紫外域の波長（２７３ｎｍ）を選
択した場合、対物レンズの設計は以下の点で難しくな
る。
【０００９】すなわち、深紫外域で変質しない接着剤が
なかったり、深紫外域に十分な透過率を有する硝子材が
少なかったりするため、従来の対物レンズの設計に多用
されている異なる硝子材のレンズの張り合わせによる色
消しの手法を使用できず、単レンズを組み合わせて対物
レンズを構成することが少なくない。
【００１０】この場合、中心波長に対する波長半値幅が
ピコメートル（ｐｍ）オーダ以下でないときには、所定
の光学性能が得られず、結果として解像力の良い画像が
得られない。
【００１１】また、水銀ランプやキセノンランプ等を用
いた光源においても紫外域より短い波長の光を発するこ
とは知られているが、干渉フィルタで波長半値幅がｐｍ
オーダ以下の光だけを取り出して照明光として用いた場
合、深紫外域に十分な感度を持たない従来の撮像管やＣ
ＣＤでは必要とする明るさが得られないという問題があ
る。
【００１２】この問題に対し、例えば、蓄積時間を長く
して明るさを確保したり、感度に合わせて波長半値幅を
広げたりして対応できるが、画像取得レートが犠牲にな
ったり、光学性能が劣化したりする。
【００１３】そこで、無機物試料の観察には波長半値幅
の十分小さい深紫外域の波長の光が用いられている。
【００１４】以下、深紫外域の光を用いた顕微鏡システ
ムの具体例を説明する。
【００１５】図４は共焦点レーザ走査顕微鏡システムの
ブロック構成図である。
【００１６】共焦点レーザ走査顕微鏡システム（共焦点
レーザ走査顕微鏡）１００は、レーザ光源１０１と、顕
微鏡本体１１０と、光画像システム１３０とから構成さ
れる。
【００１７】レーザ光源１０１は深紫外域（波長：２０
０〜３００ｎｍ）のレーザ光を出射する。
【００１８】顕微鏡本体１１０は、レーザ光１０１ａを
対物レンズ１１１の瞳面を満たす大きさの光束１１２ａ
に拡大するビームエクスパンダ１１２と、レーザ光を透
過させないが試料１１３で反射された光を透過させるビ
ームスプリッタ１１４と、レーザ光を２次元走査する２
次元スキャナユニット１１５と、リレーレンズ１１６
と、集光レンズ１１７と、対物レンズ１１１の焦点面と
共役な位置に配置され、集光レンズ１１７で集光された
光のみを通過させるピンホール１１８ａが形成されたピ
ンホールプレート１１８と、ピンホール１１８ａを通過
した光を検出し、電気信号に変換する光検出器１２０と
を備えている。
【００１９】光画像システム１３０は、画像処理装置１
３１、モニタ１３２等を備え、光検出器１２０からの電
気信号に基づき試料１１３の画像化を図る。
【００２０】なお、顕微鏡本体１１０は高画質を補償す
るため、除振台１４０上に載置されている。
【００２１】上記構成の共焦点レーザ走査顕微鏡システ
ムの動作を説明する。
【００２２】レーザ光源１０１から出射されたレーザ光
１０１ａは、反射ミラー１０２，１０３によって光路上
に導かれ、ビームエクスパンダ１１２を通過した後、ビ
ームスプリッタ１１４で反射され、２次元スキャナユニ
ット１１５によって２次元走査され、リレーレンズ１１
６及び対物レンズ１１１によって試料１１３上の焦点面
にスポット１１９として照射される。
【００２３】スポット１１９で反射された光は、対物レ
ンズ１１１からリレーレンズ１１６、２次元スキャナユ
ニット１１５へと光路を逆行し、ビームスプリッタ１１
４を通過する。
【００２４】ビームスプリッタ１１４を通過した光は、
集光レンズ１１７でピンホール１１８ａに集光され、光
検出器１２０で電気信号に変換され、光画像システム１
３０で画像として表示される。
【００２５】ピンホール１１８ａを試料１１３の焦点面
の光のみが通過するので、ピンホール１１８ａで不要な
散乱光が除去され、光画像システム１３０では深さ方向
の解像度及びコントラストが著しく向上した画像を得る
ことが可能である。
【００２６】ところで、レーザ光源１０１は顕微鏡本体
１１０に組み込める程小型ではなく、また深紫外光を伝
搬できるシングルモード光ファイバも実用化されていな
いので、レーザ光源１０１は顕微鏡本体１１０とともに
除振台１４０上に載置されている。
【００２７】図５は従来の深紫外レーザ光源の模式図で
ある。
【００２８】深紫外レーザ光源１０１は元レーザ（基本
レーザ光発生手段）１０５と、レーザ共振器（波長変換
手段）１０６とを備えている。
【００２９】元レーザ１０５は波長５３２ｎｍのレーザ
光１０１ｂを発振し、レーザ光１０１ｂはレーザ共振器
１０６に導かれる。
【００３０】レーザ共振器１０６にはＢＢＯ（ＢaＢ2Ｏ
4：ホウ酸バリウム ）結晶が内蔵され、このレーザ共振
器１０６は波長５３２ｎｍのレーザ光１０１ｂを波長２
６６ｎｍのレーザ光１０１ａに変換する。
【００３１】図６は一括照明型顕微鏡システムのブロッ
ク構成図であり、図５と同一部分には同一符号を付して
その説明を省略する。
【００３２】ケーラー照明型（一括照明型）顕微鏡シス
テム（レーザ顕微鏡）２００は、レーザ光を発するレー
ザ光源１０１と、顕微鏡本体２１０と、光画像システム
２３０とから構成される。
【００３３】顕微鏡本体２１０は、レーザ光を対物レン
ズ２１１の瞳面を満たす大きさの光束２１２ａに拡大す
るビームエクスパンダ２１２と、集光レンズ２２１と、
レーザ光を透過させないが試料２１３で反射された反射
光２１３ａを透過させるビームスプリッタ２１４と、第
二対物レンズ２１７と、第二対物レンズ２１７によって
結像された光を検出し、電気信号に変換する光検出器２
２０とを備えている。
【００３４】光画像システム２３０は、画像処理装置２
３１、モニタ２３２等を備え、光検出器２２０からの電
気信号に基づき試料２１３の画像化を図る。
【００３５】上記構成のケーラー照明型顕微鏡システム
の動作を説明する。
【００３６】レーザ光源１０１から出射されたレーザ光
１０１ａは、光ファイバ（又はファイババンドル）１０
４及びビームエクスパンダ２１２を通過した後、ビーム
スプリッタ２１４で反射され、対物レンズ２１１によっ
て試料２１３上に均一照射される。
【００３７】試料２１３で反射された反射光２１３ａ
は、対物レンズ２１１、ビームスプリッタ１１４、第二
対物レンズ２１７へと逆行する。
【００３８】反射光２１３ａは第二対物レンズ２１７で
集光され、光検出器２２０で電気信号に変換され、光画
像システム１３０で画像として表示される。
【００３９】
【発明が解決しようとする課題】しかし、共焦点レーザ
走査顕微鏡システム１００では、レーザ光源１０１は顕
微鏡本体１１０に組み込める程小型ではなく、また深紫
外光を伝搬できるシングルモード光ファイバも実用化さ
れておらず、レーザ光源１０１は顕微鏡本体１１０とと
もに除振台１４０上に載置されているので、大きな除振
台１４０を必要とするとともに、レーザ光を顕微鏡本体
１１０へ導くための反射ミラー１０２，１０３の調整が
必要となり、製造コストの高いものとなってしまう。
【００４０】また、ケーラー照明型顕微鏡システム２０
０では、レーザ光源１０１を除振台２４０上に載置しな
くてよいので、共焦点レーザ走査顕微鏡システム１００
のように大きな除振台１４０は必要としないが、光ファ
イバ（又はファイババンドル）１０４には高価な石英や
螢石等の光ファイバが利用されるので、やはり製造コス
トの高いものとなってしまう。
【００４１】この発明はこのような事情に鑑みてなされ
たもので、その課題はレーザ顕微鏡及び共焦点型レーザ
走査顕微鏡の製造コストの低減を図ることである。
【００４２】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決すべく請
求項１に記載の発明は、除振台に載置される顕微鏡本体
と、この顕微鏡本体にレーザ光を供給するレーザ光源と
を備え、前記レーザ光源が、所定の波長のレーザ光を発
振する基本レーザ光発生手段と、この基本レーザ光発生
手段からのレーザ光の波長を変換する波長変換手段とを
有しているレーザ顕微鏡において、前記基本レーザ光発
生手段と前記波長変換手段とを分離し、前記基本レーザ
光発生手段と前記波長変換手段とを光ファイバによって
接続するとともに、前記波長変換手段を前記顕微鏡本体
に組み込んだことを特徴とする。
【００４３】例えば一括照明型顕微鏡の場合には波長変
換手段から顕微鏡本体の光路へレーザ光を導くための高
価な石英等の光ファイバが不要になり、基本レーザ光発
生手段から波長変換手段へレーザ光を導く安価な光ファ
イバだけでよい。
【００４４】請求項２に記載の発明は、除振台に載置さ
れる顕微鏡本体と、この顕微鏡本体にレーザ光を供給す
るレーザ光源とを備え、前記レーザ光源が、所定の波長
のレーザ光を発振する基本レーザ光発生手段と、この基
本レーザ光発生手段からのレーザ光の波長を変換する波
長変換手段とを有している共焦点型レーザ走査顕微鏡に
おいて、前記基本レーザ光発生手段と前記波長変換手段
とを分離し、前記基本レーザ光発生手段と前記波長変換
手段とを光ファイバによって接続するとともに、前記波
長変換手段を前記顕微鏡本体に組み込んだことを特徴と
する。
【００４５】波長変換手段から顕微鏡本体の光路へレー
ザ光を導くためのミラーが不要になり、基本レーザ光発
生手段から波長変換手段へレーザ光を導く安価な光ファ
イバだけでよいので、経時変化等に基く反射ミラーの調
整を不要にできる。また、基本レーザ光発生手段を除振
台に載置する必要がないので、除振台を小型化すること
ができる。
【００４６】
【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を図
面に基づいて説明する。
【００４７】図１はこの発明の１実施形態に係る共焦点
型レーザ走査顕微鏡システムのブロック構成図、図２は
深紫外レーザ光源の模式図であり、図４の共焦点型レー
ザ走査顕微鏡システムと同一部分には同一符号を付し
て、その説明を省略する。
【００４８】共焦点型レーザ走査顕微鏡システム（共焦
点型レーザ走査顕微鏡）１は、元レーザ（基本レーザ光
発生手段）１０５とレーザ共振器（波長変換手段）１０
６とを分離し、元レーザ１０５とレーザ共振器１０６と
を可視光用の安価な光ファイバ１４によって接続すると
ともに、レーザ共振器１０６を顕微鏡本体１０に組み込
んだ点で図４に示した従来の共焦点型レーザ走査顕微鏡
システム１００と異なる。
【００４９】なお、顕微鏡本体１０は高画質を補償する
ため、除振台４０上に載置されている。
【００５０】上記構成の共焦点レーザ走査顕微鏡システ
ム１の動作を説明する。
【００５１】元レーザ１０５で発振した波長５３２ｎｍ
のレーザ光は光ファイバ１４を介して顕微鏡本体１０へ
導かれ、レーザ共振器１０６で波長２６６ｎｍのレーザ
光に変換される。このレーザ光は、ビームエクスパンダ
１１２で対物レンズ１１１の瞳径を満たす大きさに拡大
された光束１１２ａとなり、ビームスプリッタ１１４で
反射され、２次元スキャナユニット１１５によって互い
に直角な方向へ２次元走査され、リレーレンズ１１６及
び対物レンズ１１１によって試料１１３上の焦点面にス
ポット１１９として照射される。
【００５２】試料１１３上を２次元走査されたスポット
１１９の反射光は、対物レンズ１１１からリレーレンズ
１１６、２次元スキャナユニット１１５へと光路を逆行
し、ビームスプリッタ１１４を通過する。
【００５３】ビームスプリッタ１１４を通過した光は、
集光レンズ１１７でピンホール１１８ａに集光され、ピ
ンホール１１８ａを通りぬけた光だけが光検出器１２０
で電気信号に変換された後、光画像システム１３０で画
像として表示される。
【００５４】この実施形態によれば、従来例においてレ
ーザ共振器１０６から顕微鏡本体１０の光路へレーザ光
１０１ａを導くための反射ミラー１０２，１０３が不要
になり、経時変化等に基く反射ミラー１０２，１０３の
ずれを調整するための手間を省くことができる。
【００５５】また、元レーザ１０５を除振台４０に載置
しなくてよいので、除振台４０を従来例の除振台１４０
より小型化することができる。
【００５６】そのため、製造コストを従来例より低減す
ることができる。
【００５７】図３はこの発明の第２実施形態に係る一括
照明型顕微鏡システムのブロック構成図であり、図６の
一括照明型顕微鏡と同一部分には同一符号を付して、そ
の説明を省略する。
【００５８】ケーラー照明型顕微鏡システム（レーザ顕
微鏡）２は、元レーザ１０５（基本レーザ光発生手段）
とレーザ共振器１０６（波長変換手段）とを分離し、元
レーザ１０５とレーザ共振器１０６とを可視光用の安価
な光ファイバ２４によって接続するとともに、レーザ共
振器１０６を顕微鏡本体２０に組み込んだ点で図５に示
した従来のケーラー照明型顕微鏡システムと異なる。
【００５９】上記構成のケーラー照明型顕微鏡システム
の動作を説明する。
【００６０】元レーザ１０５で発振した波長５３２ｎｍ
のレーザ光は光ファイバ２４を介して顕微鏡本体２０へ
導かれ、レーザ共振器１０６で波長２６６ｎｍのレーザ
光に変換される。このレーザ光は、ビームエクスパンダ
１１２で対物レンズ２１１の瞳径を満たす大きさに拡大
された光束２１２ａとなり、ビームスプリッタ２１４で
反射され、対物レンズ２１１によって試料２１３上に均
一に照射される。
【００６１】試料２１３からの反射光２１３ａは、対物
レンズ２１１、ビームスプリッタ２１４、第二対物レン
ズ２１７へと逆行し、この第二対物レンズ２１７で光検
出器２２０上に集光される。
【００６２】光検出器２２０で電気信号に変換された
後、光画像システム１３０で画像として表示される。
【００６３】この実施形態によれば、レーザ共振器１０
６から顕微鏡本体２０の光路へレーザ光を導くための高
価な石英等の光ファイバ（光ファイババンドル）１０４
を不要にでき、可視光用の安価な光ファイバ２４によっ
て元レーザ１０５からレーザ共振器１０６へレーザ光を
導くことができるので、製造コストを従来例より低減す
ることができる。
【００６４】なお、上記第１実施形態では、波長２６６
ｎｍの深紫外レーザ光を用いた顕微鏡システムに本願発
明を適用した場合について説明したが、高調波波長変換
を利用したレーザ光源を用いる総ての共焦点レーザ走査
顕微鏡システムに本願発明を適用することができる。
【００６５】
【発明の効果】以上に説明したように請求項１記載の発
明のレーザ顕微鏡によれば、例えば一括照明型顕微鏡の
場合には高価な石英等の光ファイバを使用せず、安価な
光ファイバだけでよいので、製造コストを低減すること
ができる。
【００６６】請求項２記載の発明の共焦点レーザ走査顕
微鏡によれば、調整が必要な反射ミラーを不要にできる
とともに、除振台を小型化できるので、製造コストをよ
り低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１はこの発明の１実施形態に係る共焦点型レ
ーザ走査顕微鏡システムのブロック構成図である。
【図２】図２は深紫外レーザ光源の模式図である。
【図３】図３はこの発明の第２実施形態に係る一括照明
型顕微鏡システムのブロック構成図である。
【図４】図４は共焦点レーザ走査顕微鏡システムのブロ
ック構成図である。
【図５】図５は従来の深紫外レーザ光源の模式図であ
る。
【図６】図６は一括照明型顕微鏡システムのブロック構
成図である。
【符号の説明】
１ 共焦点型レーザ走査顕微鏡システム（共焦点型レー
ザ走査顕微鏡） ２ 一括照明型顕微鏡システム（レーザ顕微鏡） １０，２０ 顕微鏡本体 １４，２４ 光ファイバ ４０，２４０ 除振台 １０１ レーザ光源 １０５ 元レーザ（基本レーザ光発生手段） １０６ レーザ共振器（波長変換手段）

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 除振台に載置される顕微鏡本体と、この
    顕微鏡本体にレーザ光を供給するレーザ光源とを備え、 前記レーザ光源が、所定の波長のレーザ光を発振する基
    本レーザ光発生手段と、この基本レーザ光発生手段から
    のレーザ光の波長を変換する波長変換手段とを有してい
    るレーザ顕微鏡において、 前記基本レーザ光発生手段と前記波長変換手段とを分離
    し、前記基本レーザ光発生手段と前記波長変換手段とを
    光ファイバによって接続するとともに、前記波長変換手
    段を前記顕微鏡本体に組み込んだことを特徴とするレー
    ザ顕微鏡。
  2. 【請求項２】 除振台に載置される顕微鏡本体と、この
    顕微鏡本体にレーザ光を供給するレーザ光源とを備え、 前記レーザ光源が、所定の波長のレーザ光を発振する基
    本レーザ光発生手段と、この基本レーザ光発生手段から
    のレーザ光の波長を変換する波長変換手段とを有してい
    る共焦点型レーザ走査顕微鏡において、 前記基本レーザ光発生手段と前記波長変換手段とを分離
    し、前記基本レーザ光発生手段と前記波長変換手段とを
    光ファイバによって接続するとともに、前記波長変換手
    段を前記顕微鏡本体に組み込んだことを特徴とする共焦
    点型レーザ走査顕微鏡。
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