JPH04296811A - 走査型顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光学式の走査型顕微鏡に
関し、特に詳細には、照明光を試料に照射する光学系を
音叉に保持し、この音叉を振動させて、照明光を試料上
において走査させるようにした走査型顕微鏡に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、照明光を微小な光点に収束さ
せ、この光点を試料上において２次元的に走査させ、そ
の際該試料を透過した光あるいはそこで反射した光、さ
らには試料から生じた蛍光を光検出器で検出して、試料
の拡大像を担持する電気信号を得るようにした光学式走
査型顕微鏡が公知となっている。なお特開昭６２−２１
７２１８号公報には、この走査型顕微鏡の一例が示され
ている。

【０００３】従来の光学式走査型顕微鏡においては、上
記走査機構として、照明光ビームを光偏向器によって２
次元的に偏向させる機構が多く用いられていた。

【０００４】しかしこの機構においては、ガルバノメー
タミラーやＡＯＤ（音響光学光偏向器）等の高価な光偏
向器が必要であるという難点が有る。またこの機構にお
いては、照明光ビームを光偏向器で振るようにしている
から、送光光学系の対物レンズにはこの光ビームが刻々
異なる角度で入射することになり、それによる収差を補
正するために対物レンズの設計が困難になるという問題
も認められている。特にＡＯＤを使用した場合には、対
物レンズ以外にもＡＯＤから射出した光束に非点収差が
生ずるため特殊な補正レンズが必要となり、光学系をよ
り複雑なものとしている。

【０００５】上記の点に鑑み従来より、照明光ビームは
偏向させないで照明光光点の走査を行なうことが考えら
れている。例えば、本出願人による特願平１−２４６９
４６号明細書には、送光光学系を試料台に対して相対的
に移動させることにより、照明光光点の走査を行なうこ
とが示されている。

【０００６】そして、このように光学系と試料台とを相
対的に移動させる具体的な機構の１つとして、本出願人
による特願平２−１９８５５０号明細書に示されるよう
に、光学系を先端部に保持する音叉と、この音叉に強さ
が周期的に変化する磁界を作用させて該音叉を共振させ
る電磁石とから構成されたものが提案されている。また
同じく本出願人による特願平２−１９８５５０号明細書
に示されるように、上述の音叉に圧電素子を取り付け、
この圧電素子への印加電圧を制御して該素子を周期的に
歪ませ、それにより音叉を共振させる機構も提案されて
いる。

【０００７】このような移動機構は、例えばピエゾ素子
や超音波振動子等を利用した移動機構に比べれば、光学
系の相対移動幅すなわち照明光走査幅（これは音叉の振
幅によって定まる）を大きく取れるので、走査型顕微鏡
の撮像範囲をより大きく確保する上で有利となっている
。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところが、この音叉と
それを共振させる加振手段との組合せによる照明光走査
機構を用いると、撮像された顕微鏡像において、音叉振
動による走査方向の撮像範囲が僅かながら変動すること
がある。そうなると、前述した光検出器の出力信号の処
理の仕方次第で、出力画像サイズが変動したり、あるい
は画像サイズは一定でも倍率が変動してしまうことにな
る。

【０００９】そこで本発明は、振動する音叉によって光
学系を移動させる走査機構を用いた場合に、上記のよう
な撮像範囲の変動が生じることのない走査型顕微鏡を提
供することを目的とするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明による走査型顕微
鏡は、上述したように光学系を先端部に保持する音叉と
、この音叉に強さが周期的に変化する力を作用させて該
音叉を共振させる加振手段とから構成された光学系移動
機構を用いて、光学系を試料台に対して移動させること
により、この照明光を試料上において主、副走査させ、
この照明光走査を受けた試料の部分からの光を光検出器
により検出して試料像を撮像する走査型顕微鏡において
、◆上記音叉の振幅を検出する手段と、◆この手段が出
力する振幅検出信号を受け、その信号に応じた制御信号
を上記加振手段に入力して音叉振幅を目標値に収束させ
る制御回路とが設けられたことを特徴とするものである
。

【００１１】

【作用】本発明者等の研究によると、前述した撮影範囲
の変動は、音叉振幅が変動することに起因するものであ
ることが判明した。すなわち、音叉の共振周波数は温度
等の外乱によりずれることがある。このずれは僅かなも
のであるが、音叉の共振曲線は鋭いピークを持つ形とな
っているので、共振周波数が僅かにずれてもその振幅は
大きく変化する。

【００１２】上記の構成の本発明装置においては、外乱
により音叉の共振周波数がずれて振幅が変化しても、そ
の変化に対応させて加振手段の駆動を制御し、音叉振幅
を目標値に収束させるようにしているから、音叉振幅を
一定に保つことができる。

【００１３】

【発明の効果】上述のようにして音叉振幅を一定に制御
できれば、この音叉によって移動する光学系の移動幅、
すなわち照明光走査幅を一定に保つことができる。した
がって、画像撮像範囲が一定に保たれるので、出力画像
のサイズやあるいは倍率が変動してしまうことがなくな
る。

【００１４】

【実施例】以下、図面に示す実施例に基づいて本発明を
詳細に説明する。

【００１５】図２は、本発明の第１実施例によるモノク
ロ反射型の共焦点走査型顕微鏡を示すものであり、また
図１は、その走査機構の平面形状を詳しく示している。 図２に示されるように単色光レーザ１０からは、単一波
長の照明光１１が射出される。直線偏光したこの照明光
１１は、Ｐ偏光状態で偏光ビームスプリッタ２５の膜面
２５ａに入射し、そこを透過する。偏光ビームスプリッ
タ２５を通過した照明光１１は、偏波面調整用のλ／２
板１２を通過し、入射用レンズ１３で集光されて、偏波
面保存光ファイバー１４内に入射せしめられる。

【００１６】この偏波面保存光ファイバー１４としては
、図４に断面形状を示すように、クラッド１４ａ内にコ
ア１４ｂが配され、このコア１４ｂの両側に応力付与部
１４ｃ、１４ｃが形成されてなる、いわゆるＰＡＮＤＡ
型のものが用いられている。そして直線偏光した照明光
１１は、λ／２板１２を適宜回転させることにより、偏
波面の向きが応力付与部１４ｃ、１４ｃの並び方向、あ
るいはそれに直交する方向と揃う状態にして（本実施例
では後者の方向、すなわち図４の矢印Ｕ方向）、該光フ
ァイバー１４内に入射せしめられる。

【００１７】この光ファイバー１４の一端はプローブ１
５に固定されており、該光ファイバー１４内を伝搬した
照明光１１はこの一端から出射する。この際光ファイバ
ー１４の一端は、点光源状に照明光１１を発することに
なる。プローブ１５には、コリメーターレンズ１６およ
び対物レンズ１７からなる送光光学系（受光光学系を兼
ねる）１８が固定されている。なお、コリメーターレン
ズ１６と対物レンズ１７との間には、λ／４板１９が配
設されている。

【００１８】上記の照明光１１はコリメーターレンズ１
６によって平行光とされ、λ／４板１９を通過して円偏
光とされ、次に対物レンズ１７によって集光されて、試
料台２２に載置された試料２３上で（表面あるいはその
内部で）微小な光点Ｐに結像する。試料２３で反射した
反射光１１”は旋回方向が逆向きの円偏光となり、λ／
４板１９を通過して、偏波面の向きが照明光１１のそれ
と直交する直線偏光とされる。この反射光１１”の光束
は、コリメーターレンズ１６によって集光されて、偏波
面保存光ファイバー１４内に入射せしめられる。このと
きの反射光１１”の偏波面の向きは、図４の矢印Ｖ方向
となる。光ファイバー１４を伝搬した反射光１１”はそ
の一端から出射し、レンズ１３によって平行光とされる
。

【００１９】この反射光１１”はλ／２板１２を通過後
、Ｓ偏光状態で偏光ビームスプリッタ２５の膜面２５ａ
に入射し、そこで反射する。この反射光１１”は、集光
レンズ２６で集光され、アパーチャピンホール２７を通
して光検出器２８によって検出される。この光検出器２
８は例えばフォトマルチプライヤ（光電子増倍管）等か
らなり、そこからは、試料２３の照明光照射部の明るさ
を示す連続信号Ｓが出力される。

【００２０】上述のように、λ／４板１９と偏光ビーム
スプリッタ２５とから構成される光アイソレータを設け
たことにより、反射光１１”がレーザ１０側に戻ること
がなくなり、より大光量の反射光１１”が光検出器２８
に導かれるようになる。また、入射用レンズ１３や光フ
ァイバー１４の端面等で反射した照明光１１が、光検出
器２８に入射することも防止され、Ｓ／Ｎの高い信号Ｓ
が得られるようになる。

【００２１】次に、照明光１１の光点Ｐの２次元走査に
ついて、図１を参照して説明する。プローブ１５は、水
平に配された音叉３０の一方の先端部に、光学系１８の
光軸が垂直となる状態で固定されている。この音叉３０
は、その基部３０ａが架台３２に固定されて、所定の固
有振動数で振動可能となっている。そして音叉３０の内
側には、その両先端部とそれぞれ若干の間隔をおいて、
電磁石３１が配設されている。この電磁石３１は、取付
部材３４を介して架台３２に固定されている。

【００２２】上記電磁石３１には、それとともに加振手
段を構成する駆動回路３３から、音叉３０の固有振動数
と等しい周波数の矩形パルス電圧Ｖｄが印加される。こ
うして音叉３０の両端部に断続的に磁界が作用すること
により、音叉３０はその固有振動数で共振する。そこで
、この音叉３０に固定されているプローブ１５は、図１
、図２中のＸ方向（水平方向）に高速で往復移動し、光
点Ｐの主走査がなされる。

【００２３】また試料台２２は架台３２に対して、Ｚ方
向（光学系１８の光軸方向）に往復移動可能なＺ移動ス
テージ２４Ｚ、およびＸ、Ｚ両方向に対して直角なＹ方
向に往復移動可能なＹ移動ステージ２４Ｙを介して取り
付けられている。そこで、上記のようにして光点Ｐの主
走査を行なうとき、同時にＹ移動ステージ２４Ｙを往復
駆動させると、光点Ｐの副走査がなされる。

【００２４】そして、光点Ｐの２次元走査を行なう毎に
、Ｚ移動ステージ２４Ｚを移動させることにより、試料
２３をＺ方向に移動させた範囲内で、全ての面に焦点が
合った画像を担う信号Ｓを得ることが可能となる。

【００２５】なお本実施例では図１に示す通り、音叉３
０の他方の先端部には、プローブ１５と同じ構成のダミ
ープローブ１５’が取り付けられている。それにより、
音叉３０の一端部、他端部の機械的バランスを良好に保
ち、理想に近い共振系を構成できるようになる。また本
実施例では、音叉３０の内側に電磁石３１を配して、音
叉３０の両端部にそれぞれ磁界を作用させるようにして
いるので、電磁石を音叉３０の１つの端部の外側にのみ
配する場合に比べれば、音叉３０に作用する磁束密度、
つまりは作用する力を、より大きくすることができる。

【００２６】次に図３を参照して、電気的な構成につい
て説明する。前述した光検出器２８が出力する連続的な
アナログ信号Ｓは、アンプ４０で増幅されてからＡ／Ｄ
変換器４１に入力され、そこで、サンプリングクロック
発生回路７０からのサンプリングクロックＣに基づいて
周期およびタイミングが規定された上でサンプリングさ
れ、そして量子化されて、デジタルの画像信号Ｓｄに変
換される。この画像信号Ｓｄは、画像処理装置４２にお
いて例えば階調処理等の画像処理を受けた後、ＣＲＴ表
示装置等の画像再生装置４３に入力される。この画像再
生装置４３においては、画像信号Ｓｄが担持する画像、
すなわち試料２３の顕微鏡像が再生される。

【００２７】上記画像再生装置４３には、例えばパーソ
ナルコンピュータ等のコンピュータ４４が、画像処理装
置４２を介して接続され、画像処理の指令や、走査型顕
微鏡の基本的操作指令、つまり視野探し用画像の撮像指
令や観察用画像の撮像指令等は、すべてこのコンピュー
タ４４のキーボード等の入力操作部を用いて与えられる
。

【００２８】また前述したＹ移動ステージ２４Ｙは、発
振器４５から所定周波数の信号を受けるドライバ４６に
より、該周波数で往復移動するように駆動される。また
Ｚ移動ステージ２４Ｚは、画像処理装置４２から出力さ
れてＤ／Ａ変換器４７によりアナログ化されたＺ軸コン
トロール信号Ｆｓに基づいて、所定のＺ位置上に来るよ
うにドライバ４８により駆動される。そして発振器４５
、Ｄ／Ａ変換器４７は各々、画像処理装置４２から発せ
られる垂直同期信号Ｖｓ、フォーカス方向信号Ｆｓに基
づいて作動制御され、ステージ２４Ｙ、２４Ｚの移動の
同期が取られる。

【００２９】一方電磁石用駆動回路３３は、電圧制御発
振器（ＶＣＯ）６０と、１／ｎ分周器６１と、その後段
のドライバ５０とから構成されている。ドライバ５０は
、オープンコレクタバッファ５１、フォトカプラ５２、
パワーＭＯＳ−ＦＥＴ５３、ダイオード５４、コンデン
サ５５等からなり、上記１／ｎ分周器６１から出力され
たパルス信号と同じ周波数の矩形パルス電圧Ｖｄを電磁
石３１に印加する。なお１／ｎ分周器６１は、ＶＣＯ６
０が出力したパルス信号Ｓｆに対して１／ｎ倍のパルス
数を出力する。またＶＣＯ６０は上記の水平同期信号Ｈ
ｓに基づいて作動制御され、ステージ２４Ｙおよび２４
Ｚの移動と、プローブ１５の往復移動との同期が取られ
る。

【００３０】次に、音叉３０の振幅を一定に制御する点
について説明する。図１に示される通り、プローブ１５
を保持した音叉先端部に近接させて、振幅検出手段とし
てのホール素子７１が配設されている。このホール素子
７１は、電磁石３１から側方にもれる磁束の大きさを検
出する。このもれ磁束の大きさは、音叉３０の振動にと
もなってそれと電磁石３１との間の間隙が変化すること
により変化する。つまり、図８の（１）と（２）　に示
すように、この間隙が大きいほどもれ磁束が大となる。 したがってホール素子７１の出力Ｓｍは、音叉３０の振
動にともなって周期的に変化する。この出力Ｓｍは、制
御回路７２に入力される。

【００３１】制御回路７２は、一例としてこの出力Ｓｍ
の最大値を求める。音叉３０の振幅が一定ならば、それ
と電磁石３１との間の間隙は音叉振動にともなって一定
の特性で変化する。しかし音叉３０の共振周波数が前述
のような理由により変化して、その振幅が所定の目標値
よりも小さくなると、上記間隙が図８の（１）　に破線
で示すように最小値はより大となり、最大値はより小と
なる。制御回路７２はこの最大値が所定の第１基準値Ｒ
１を下回ると（つまり音叉３０の振幅が目標値を下回る
と）、パルス信号Ｓｆの基本周波数ｆを微小な所定量Δ
ｆだけ増大させる制御信号ＳｅをＶＣＯ６０に入力する
。もし、音叉３０の共振周波数が高周波側に変化したた
めにその振幅が低下したのであれば、上記制御信号Ｓｅ
がＶＣＯ６０に入力されることにより、振幅は増大方向
に変化する。このように振幅が変化する場合、制御回路
７２は上記制御信号ＳｅをＶＣＯ６０に入力し続ける。 それにより音叉振幅は上記目標値に達し、出力Ｓｍの最
大値が基準値Ｒ１よりも若干大きい第２基準値Ｒ２まで
増大する。こうなったところで、制御回路７２は制御信
号Ｓｅの出力を停止する。

【００３２】一方、音叉３０の共振周波数が低周波側に
変化したためにその振幅が低下したのであれば、上記制
御信号ＳｅがＶＣＯ６０に入力されることにより、振幅
はさらに低下するようになる。このように振幅が変化す
る場合、制御回路７２は上記制御信号Ｓｅに代えて、パ
ルス信号Ｓｆの基本周波数ｆを微小な所定量Δｆだけ低
下させる制御信号Ｓｅ’をＶＣＯ６０に入力し続ける。 それにより音叉振幅は上記目標値に達し、出力Ｓｍの最
大値が上記第２基準値Ｒ２まで増大する。こうなったと
ころで、制御回路７２は制御信号Ｓｅ’の出力を停止す
る。

【００３３】以上の処理がなされることにより、電磁石
３１による磁界の振動数は、音叉３０の共振周波数の変
動に追随するように変化し、音叉振幅が常に一定に保た
れるようになる。

【００３４】なお本実施例において上記パルス信号Ｓｆ
は、サンプリングクロック発生回路７０および水平同期
信号発生回路７３にも入力され、それぞれにおいてサン
プリングクロックＣ、水平同期信号Ｈｓの発生タイミン
グを規定するために利用される。上記水平同期信号Ｈｓ
は、画像処理装置４２に入力される。

【００３５】音叉３０の振幅を検出する手段としては、
上記実施例におけるホール素子７１の他、図５に示す第
２実施例におけるように、音叉３０に貼着した薄い膜状
の圧電シート７４を用いることもできる。すなわちこの
圧電シート７４は音叉３０の振動による応力を受けて起
電力Ｅ１を生じるが、その値は音叉３０の振幅が低下す
るほど小さくなるので、この起電力Ｅ１により音叉振幅
を検出することができる。なおこの図５において、既に
説明したものと同等の要素については同番号を付してあ
り、それらについての重複した説明は省略する（以下、
同様）。

【００３６】また図６に示す第３実施例においては、振
幅検出手段が、半導体レーザ７５と、そこから発せられ
たレーザービーム７６を鏡面加工された音叉先端部の側
面上で収束させる集光レンズ７７と、上記側面で反射し
たレーザビーム７６を集光する集光レンズ７８と、この
集光されたレーザビーム７６を検出するフォトダイオー
ド等の光検出器７９とから構成されている。上記半導体
レーザ７５と集光レンズ７７は、音叉３０が振動してい
ないときにレーザビーム７６が音叉側面上で収束するよ
うに配されている。

【００３７】したがって音叉３０が振動すると、それに
ともなって音叉側面が、上記収束の点よりも前側および
後側に周期的にずれるようになる。こうして音叉側面が
上記収束点に対してどの方向にずれても、光検出器７９
に到達する光量が低下するので、光検出器７９の出力Ｓ
ｇが低下する。この検出光量の低下の程度は、音叉３０
の振幅低下にともなって小さくなる。そこで、上記出力
Ｓｇの最小値が所定値を上回ったならば、音叉振幅が所
定の目標値を下回っていると判別できることになる。

【００３８】さらには図７に示す電気的な構成により、
電磁石３１に発生する逆起電力Ｅ２を検出して、音叉３
０の振幅を検出することも可能である。この第４実施例
においては、音叉３０の振動により電磁石３１に生じた
逆起電力Ｅ２が、電磁石３１と並列に配されたトランス
８０を介して、差動アンプ８１によって検出される。こ
の逆起電力Ｅ２は、音叉３０と電磁石３１との間の間隙
が図８の（１）　のように変化すると、同図の（３）　
に示すように変化する。すなわち逆起電力Ｅ２の絶対値
は、上記間隙が大きい程小となる。

【００３９】したがって、音叉３０の振幅が所定の目標
値よりも小さくなって、上記間隙が図８の（１）　に破
線で示すように全体的により大となると、逆起電力Ｅ２
の絶対値が、図８の（３）　にａ、ｂで示す分だけ小さ
くなる。そこで、差動アンプ８１の＋側の基準電圧を図
８の（３）　にＴｈで示すような値に設定しておけば、
音叉３０の振幅が所定の目標値を下回った際に、差動ア
ンプ８１から所定の高レベル信号を出力させることがで
きる。このときに、音叉３０の振幅を所定の目標値まで
増大させる処理は、制御回路７２により、第１実施例に
おけるのと同様に行なえばよい。

【００４０】なお以上説明した実施例においては、電磁
石３１による磁界の振動数を音叉の共振周波数に追随す
るように変化させて、音叉振幅を増大させるようにして
いるが、音叉振幅を増大させるためには、このようにす
る他、電磁石３１に印加する矩形パルス電圧Ｖｄの電圧
値や、あるいはそのデューティ比を増大させるようにし
てもよい。

【００４１】以上、音叉３０を電磁石３１により振動さ
せる走査型顕微鏡に適用された実施例について説明した
が、本発明はその他の加振手段、例えば音叉３０に貼着
した圧電素子等により音叉３０を振動させる場合にも適
用可能であり、そして前述したような撮像範囲のずれを
防止する効果を同様に奏するものである。

【００４２】また、以上説明した実施例の走査型顕微鏡
はモノクロ反射型のものであるが、本発明はその他、カ
ラー画像を撮像する走査型顕微鏡や、透過型の走査型顕
微鏡、さらには走査型蛍光顕微鏡等にも適用可能である
。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例による走査型顕微鏡の要部
を示す平面図

【図２】上記走査型顕微鏡を示す一部破断正面図

【図３
】上記走査型顕微鏡の電気回路図

【図４】上記走査型顕
微鏡に用いられた偏波面保存光ファイバーの断面図

【図５】本発明の第２実施例による走査型顕微鏡の要部
を示す平面図

【図６】本発明の第３実施例による走査型顕微鏡の要部
を示す平面図

【図７】本発明の第４実施例による走査型顕微鏡の電気
回路図

【図８】走査型顕微鏡の電磁石と音叉間の距離と、もれ
磁束と、逆起電力との関係を示すグラフ

【符号の説明】

１０　　　　単色光レーザ １１　　　　照明光 １１　　　　反射光 １４　　　　偏波面保存光ファイバー １５　　　　プローブ １６　　　　コリメーターレンズ １７　　　　対物レンズ １８　　　　送光光学系 ２２　　　　試料台 ２３　　　　試料 ２６、７７、７８　　　　集光レンズ ２７　　　　アパーチャピンホール ２８、７９　　　　光検出器 ３０　　　　音叉 ３１　　　　電磁石 ３２　　　　架台 ３３　　　　電磁石駆動回路 ４１　　　　Ａ／Ｄ変換器 ７０　　　　サンプリングクロック発生回路７１　　　
　ホール素子 ７２　　　　制御回路 ７３　　　　水平同期信号発生回路 ７４　　　　圧電素子 ７５　　　　半導体レーザ ７６　　　　レーザビーム ８０　　　　トランス ８１　　　　差動アンプ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　試料が載置される試料台に対して、照
   明光を試料上に照射する光学系を相対的に移動させるこ
   とにより、この照明光を試料上において主、副走査させ
   、この照明光走査を受けた試料の部分からの光を光検出
   器により検出して試料像を撮像する走査型顕微鏡におい
   て、前記光学系を移動させる移動機構が、この光学系を
   先端部に保持する音叉と、この音叉に強さが周期的に変
   化する力を作用させて該音叉を共振させる加振手段とか
   ら構成された上で、前記音叉の振幅を検出する手段と、
   この手段が出力する振幅検出信号を受け、その信号に応
   じた制御信号を前記加振手段に入力して音叉振幅を目標
   値に収束させる制御回路とが設けられたことを特徴とす
   る走査型顕微鏡。