(57)【要約】【課題】  対象物の深さ方向の情報を定量化して求めることで３次元画像を取得可能とすると共に、焦点深度以上の高低差を持つ対象物においても定量化された３次元情報を取得可能なレーザー走査型顕微鏡を提供する。【解決手段】  レーザー光源１からの光が音響光学変調素子４を通過し、さらに第１の瞳伝達拡大レンズ系５等を通過し対物レンズ１６に送られて、対象物Ｓで反射して戻ってくる。反射戻り光は受光素子１８、２４で受光され、第１のデータ処理部２１が、音響光学変調素子４等の制御信号および強度情報や位相情報の信号を元に、対物レンズ１６の焦点深度内での３次元画像を得る。この３次元画像と第２のデータ処理部２７で得られた３次元の位置情報とが、第３のデータ処理部３１において処理され、共焦点レーザー走査型顕微鏡と同等の分解能で深さ方向の定量化がされる。【選択図】図１
2014026194.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光を出射するレーザー光源と、
該レーザー光を相互に異なる周波数の２つの光に変調させつつ相互に異なる方向に出射する光変調器と、
前記２つの光を１次元走査あるいは２次元走査する走査素子面を有し、制御信号に基づき２つの光を走査する走査光学素子と、
瞳位置を有し、配置されている対象物に２つの光を出射する対物レンズと、
前記光変調器の回折光出射面と該対物レンズの瞳位置とを共役な配置とするように、前記光変調器と該対物レンズとの間に位置して、前記光変調器から出射された２つの光を拡大する瞳伝達拡大レンズ系と、
前記対物レンズおよび対象物のいずれかを２つの光の光路とされる光軸に沿って移動させて、これらの間の距離を相対的に変化させる移動手段と、
前記対象物からの反射光あるいは透過光を受光して光電変換し、かつ前記光変調器によって生じる２つの光の分離方向に沿って配置される２つ以上の分割受光素子からなる第１の受光素子と、
前記第１の受光素子で光電変換された各々の信号を和算または差算し、これら和算または差算に基づいて２つの光の位相情報および強度情報を得る信号比較手段と、
前記信号比較手段の位相情報および強度情報と前記走査光学素子の制御信号とから、対物レンズの焦点深度内の３次元画像を構築する第１のデータ処理部と、
対象物からの反射戻り光の光強度データに基づき、前記走査光学素子の制御信号および前記移動手段による移動量より３次元の位置情報を構築する第２のデータ処理部と、
前記対物レンズの焦点深度内の３次元画像と光強度データに基づく３次元の位置情報とにより定量化された３次元画像を構築する第３のデータ処理部と、
を含むことを特徴とするレーザー走査型顕微鏡。
【請求項２】
レーザー光源から射出された直線偏光であるレーザー光を円偏光に変換すると共に、対象物からの円偏光である反射戻り光を再び透過させて、前記レーザー光と偏波面が直交する直線偏光にする１／４波長板と、
前記レーザー光と偏波面が直交している反射戻り光を光路から分離する偏光ビームスプリッターと、
前記偏光ビームスプリッターにより分離された戻り光を集光するレンズと、
前記レンズの焦点面に配置された空間フィルタと、
空間フィルタを透過した反射戻り光を受光して光電変換することで光強度データを得る第２の受光素子と、
を有することを特徴とする請求項１記載のレーザー走査型顕微鏡。
【請求項３】
走査光学素子が、
前記２つの光を前記光変調器の回折方向に沿って走査する第１の走査光学素子と、
前記２つの光を第１の走査光学素子と直交する方向に沿って走査する第２の走査光学素子と、
を含み、
前記第１の走査光学素子と前記第２の走査光学素子との間に配置されて、対象物からの反射戻り光を分離するビームスプリッターと、
前記ビームスプリッターにより分離された戻り光を集光して結像するレンズと、
第２の受光素子として前記レンズの焦点面に位置し、かつ前記光変調器によって生じる２つの光の分離方向に沿って配列される複数の分割受光素子からなる１次元撮像素子と、
を有し、
第２のデータ処理部が、前記１次元撮像素子により受光して光電変換された反射戻り光の光強度データに基づき、前記走査光学素子の制御信号および前記移動手段による移動量より３次元の位置情報を構築することを特徴とする請求項１記載のレーザー走査型顕微鏡。
【請求項４】
レーザー光源から射出された直線偏光であるレーザー光を円偏光に変換すると共に、対象物からの円偏光である反射戻り光を再び透過させて前記レーザー光と偏波面が直交する直線偏光にする１／４波長板と、
前記レーザー光と偏波面が直交している反射戻り光を光路から分離する偏光ビームスプリッターと、
前記偏光ビームスプリッターにより分離された戻り光を集光するレンズと、
前記レンズの焦点面に配置されたピンホールと、
を有し、
前記第１の受光素子が、該ピンホールを透過した光を受光することにより第２の受光素子を兼ねることができ、
該第１の受光素子の受光に伴い、前記第１のデータ処理部が、共焦点光学系により狭められた対物レンズの焦点深度内の３次元の画像を構築することを特徴とする請求項１記載のレーザー走査型顕微鏡。
【請求項５】
前記第１の受光素子が、対象物を透過した光を対象物の直下で受光することを特徴とする請求項１から請求項４の何れかに記載のレーザー走査型顕微鏡。
【請求項６】
前記光変調器は、
前記レーザー光源から出射されたレーザー光が入射させる音響光学変調素子と、
前記音響光学変調素子にキャリア交流信号と正弦波信号を印加する信号発生器と、
を含むことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載のレーザー走査型顕微鏡。
【請求項７】
前記光変調器は、
前記レーザー光源から出射されたレーザー光が入射させる空間光変調器と、
前記空間光変調器に振幅または位相情報として正弦波状の格子縞を書き込み、キャリア交流信号と正弦波信号を印加して、前記格子縞を一定方向に移動させる信号発生器と、
を含むことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載のレーザー走査型顕微鏡。
【請求項８】
前記光学素子は、ガルバノミラーやレゾナントミラーによる１次元走査素子、非線形光学結晶やフォトニック結晶を用いた光走査ディバイス、２つの１次元走査ディバイスと瞳伝達拡大レンズ系よりなる２次元走査光学系、または、１次元または２次元のマイクロミラーディバイスとされることを特徴とする請求項１から請求項７の何れかに記載のレーザー走査型顕微鏡。
【請求項９】
前記光電変換部で作成されたビート信号は、前記受光素子を構成する複数の分割受光素子のすべての分割受光素子の和信号、または、前記複数の分割受光素子の対応する位置にある分割受光素子同士の差信号より取得することを特徴とする請求項１から請求項８の何れかに記載のレーザー走査型顕微鏡。
【請求項１０】
前記移動手段による移動は、ステッピングモータ駆動によるステージ移動、ピエゾ素子による直接またはステージ移動とされることを特徴とする請求項１から請求項９の何れかに記載のレーザー走査型顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー光の走査によって不透明物体の表面形状の観察及び計測、透明物体の表面または内部構造の観察及び計測を高速に行うレーザー走査型顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
微小な高さを高精度に測定するには、光へテロダイン干渉法がよく知られている。これは、周波数の異なる２つのレーザー光を干渉させ、その差の周波数のビート信号を作成し、ビート信号の位相変化を波長の1/500程度の分解能で検出して、表面の高さ方向の変化を計測するものである。このようなものとして、下記特許文献１の特開昭５９−２１４７０６号公報が具体的に知られているが、この特許文献１では、音響光学素子を用いて異なる波長からなる２つのビームを隣接して発生させ、これら２ビーム間の位相変化を検出し、その位相変化を累積して表面プロファイルを得る方法が開示されている。
【０００３】
ただし、この特許文献１では、光変調器である音響光学素子に印加する直流電圧により走査を行い、かつ、正弦波信号を音響光学素子に加えて、お互いに周波数の異なる２つの空間的に分離したビームを作成していた。ここで、音響光学素子のブラッグ回折格子ｄは、超音波の速度をVa、印加する周波数をfaとすると、d=Va/faとなる。すなわち、ブラッグ回折角と印加する周波数とは、逆比例関係となる。
【０００４】
他方、通常の顕微鏡の分解能はいわゆるアッベの理論の限界により制限されている。この限界は、波動の有する回折現象の結果であり、越えることの出来ない理論限界とされていて、下記特許文献１においても同様であった。例えばレーザー走査型顕微鏡においても、このアッベの理論の限界による横分解能の限界を有しているだけでなく、深さ方向の分解能も種々の制約により十分なものではなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭５９−２１４７０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
つまり、このようなレーザー走査型顕微鏡においては、測定対象である対象物の深さ方向の情報を定量化する際に、深さ方向の情報を簡易に取得することができず、また、３次元情報を取得可能な深さが対物レンズの焦点深度内とされるという制約があった。
本発明は上記背景に鑑みてなされたもので、対象物の深さ方向の情報を定量化して求めることで３次元画像を取得可能とすると共に、焦点深度以上の高低差を持つ対象物においても定量化された３次元情報を取得可能なレーザー走査型顕微鏡を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成させるために、本発明は、レーザー光を出射するレーザー光源と、
該レーザー光を相互に異なる周波数の２つの光に変調させつつ相互に異なる方向に出射する光変調器と、
前記２つの光を１次元走査あるいは２次元走査する走査素子面を有し、制御信号に基づき２つの光を走査する走査光学素子と、
瞳位置を有し、配置されている対象物に２つの光を出射する対物レンズと、
前記光変調器の回折光出射面と該対物レンズの瞳位置とを共役な配置とするように、前記光変調器と該対物レンズとの間に位置して、前記光変調器から出射された２つの光を拡大する瞳伝達拡大レンズ系と、
前記対物レンズおよび対象物のいずれかを２つの光の光路とされる光軸に沿って移動させて、これらの間の距離を相対的に変化させる移動手段と、
前記対象物からの反射光あるいは透過光を受光して光電変換し、かつ前記光変調器によって生じる２つの光の分離方向に沿って配置される２つ以上の分割受光素子からなる第１の受光素子と、
前記第１の受光素子で光電変換された各々の信号を和算または差算し、これら和算または差算に基づいて２つの光の位相情報および強度情報を得る信号比較手段と、
前記信号比較手段の位相情報および強度情報と前記走査光学素子の制御信号とから、対物レンズの焦点深度内の３次元画像を構築する第１のデータ処理部と、
対象物からの反射戻り光の光強度データに基づき、前記走査光学素子の制御信号および前記移動手段による移動量より３次元の位置情報を構築する第２のデータ処理部と、
前記対物レンズの焦点深度内の３次元画像と光強度データに基づく３次元の位置情報とにより定量化された３次元画像を構築する第３のデータ処理部と、
を含むことを特徴とするレーザー走査型顕微鏡とされるものである。
【０００８】
また、本発明においては、レーザー光源から射出された直線偏光であるレーザー光を円偏光に変換すると共に、対象物からの円偏光である反射戻り光を再び透過させて、前記レーザー光と直交する直線偏光にする１／４波長板と、前記レーザー光と偏波面が直交している反射戻り光を光路から分離する偏光ビームスプリッターと、前記偏光ビームスプリッターにより分離された戻り光を集光するレンズと、前記レンズの焦点面に配置された空間フィルタと、空間フィルタを透過した反射戻り光を受光して光電変換することで光強度データを得る第２の受光素子と、を有するものが好適である。
【０００９】
さらに、本発明においては、走査光学素子が、前記２つの光を前記光変調器の回折方向に沿って走査する第１の走査光学素子と、前記２つの光を第１の走査光学素子と直交する方向に沿って走査する第２の走査光学素子と、を含み、前記第１の走査光学素子と前記第２の走査光学素子との間に配置されて、対象物からの反射戻り光を分離するビームスプリッターと、前記ビームスプリッターにより分離された戻り光を集光して結像するレンズと、第２の受光素子として前記レンズの焦点面に位置し、かつ前記光変調器によって生じる２つの光の分離方向に沿って配列される複数の分割受光素子からなる１次元撮像素子と、を有し、第２のデータ処理部が、前記１次元撮像素子により受光して光電変換された反射戻り光の光強度データに基づき、前記走査光学素子の制御信号および前記移動手段による移動量より３次元の位置情報を構築するものが好適である。
【００１０】
また、本発明においては、レーザー光源から射出された直線偏光であるレーザー光を円偏光に変換すると共に、対象物からの円偏光である反射戻り光を再び過透させて、前記レーザー光と直交する直線偏光にする１／４波長板と、前記レーザー光と偏波面が直交している反射戻り光を光路から分離する偏光ビームスプリッターと、前記偏光ビームスプリッターにより分離された戻り光を集光するレンズと、前記レンズの焦点面に配置されたピンホールと、を有し、前記第１の受光素子が、該ピンホールを透過した光を受光することにより第２の受光素子を兼ねることができ、該第１の受光素子の受光に伴い、前記第１のデータ処理部が、共焦点光学系により狭められた対物レンズの焦点深度内の３次元の画像を構築するものが好適である。
【００１１】
他方、本発明に係わる第１の受光素子が、対象物を透過した光を対象物の直下で受光することが好適である。
また、本発明に係わる光変調器は、前記レーザー光源から出射されたレーザー光が入射させる音響光学変調素子と、前記音響光学変調素子にキャリア交流信号と正弦波信号を印加する信号発生器と、を含むことや、前記レーザー光源から出射されたレーザー光が入射させる空間光変調器と、前記空間光変調器に振幅または位相情報として正弦波状の格子縞を書き込み、キャリア交流信号と正弦波信号を印加して、前記格子縞を一定方向に移動させる信号発生器と、を含むことが好適である。
【００１２】
また、本発明に係わる走査光学素子は、ガルバノミラーやレゾナントミラーによる１次元走査素子、非線形光学結晶やフォトニック結晶を用いた光走査ディバイス、２つの１次元走査ディバイスと瞳伝達拡大レンズ系よりなる２次元走査光学系、または、１次元または２次元のマイクロミラーディバイスとされるものが好適である。
さらに、本発明に係わる光電変換部で作成されたビート信号は、前記受光素子を構成する複数の分割受光素子のすべての分割受光素子の和信号、または、前記複数の分割受光素子の対応する位置にある分割受光素子同士の差信号より取得するものが好適である。
また、本発明に係わる移動手段による移動は、ステッピングモータ駆動によるステージ移動、ピエゾ素子による直接またはステージ移動とされることが好適である。
【００１３】
請求項に係る発明の作用を以下に説明する。
レーザー光源から出射されたレーザー光を相互に異なる周波数の２つの光に変調させつつ相互に異なる方向に光変調器が出射する。つまり、周波数fcと周波数fmの電気信号で光変調器である音響光学変調素子を駆動すると、周波数fcをキャリアとするＡＭ変調により、周波数fc+fmと周波数fc-fmを有する２つのビームが発生する。キャリア周波数である周波数fcを数十ＭＨｚ程度とし、数ＭＨｚ程度の周波数fmを付与すると、音響光学変調素子のブラッグ回折角はかなり大きくなる。
【００１４】
この音響光学変調素子より出射された光は、大きな角度差を有した２つのビームとなる。この角度差を瞳伝達拡大レンズ系である拡大光学系により、２つのビームの重なり程度を著しく小さくして、走査光学素子である２次元走査光学系に入射させる。このとき、２次元走査光学系の入射面と音響光学変調素子の出射面とが、共役な配置となるようにする。
【００１５】
このようにすると、２次元走査光学系からの出射光は、お互いに角度差が小さいビームとなるが、おのおのが有する周波数はfc+fmとfc-fmであり、変化は無い。つまり、この２つのビームを変調周波数とは無関係な上記した走査光学素子とされる１次元走査あるいは２次元走査する走査光学素子および第２の瞳伝達レンズ系を介して、対物レンズに向けて走査することにより、対象物上を２つの近接したビームで走査されることになる。
この２つの近接したビームによるビート信号は、対象物が反射物体である場合には、音響光学素子とほぼ共役な位置に配置された受光素子により取得することができ、対象物が透過物体である場合には、ファーフィールドではあるが対象物からあまり離れていない位置に配置した受光素子により取得することができる。
【００１６】
また、このときのビート信号は2fmとなるが、これは、十数ＭＨｚと高いビート信号として、検出される。このビート信号と基準となる信号の位相差θは、対象物の実質的な高さdや屈折率差nを反映している。すなわち、レーザー波長をλとすると、θ＝２πnd/λなる関係があるからである。
【００１７】
さらに、信号比較手段が第１の受光素子の光電変換された各々のビート信号を作成し、この信号比較手段がこのビート信号に基づいて得られた信号の位相差または強度差を求め、信号比較手段の位相情報または強度情報を取得して得たデータに基づき、対物レンズの焦点深度内の３次元画像を構築する第１のデータ処理部が処理する。
そして、第２のデータ処理部が、対象物からの反射戻り光の光強度データに基づき、走査光学素子の制御信号および移動手段による移動量より３次元の位置情報を構築し、また、第３のデータ処理部が、対物レンズの焦点深度内の３次元画像と光強度データに基づく３次元の位置情報とにより定量化された３次元画像を構築する。このことから、対象物が反射物体であれば表面のプロファイルが測定され、対象物が透過物体であれば、実質的な屈折率差あるいは厚みが測定される。
【００１８】
以上より本発明に係るレーザー走査型顕微鏡によれば、２つのビーム間の距離とビート信号の周波数とを無関係に設定できるような光学系となり、近接したビームを得ると同時にビート信号の周波数を高くして、分解能と走査速度を著しく向上させことができる。
【００１９】
他方、光変調器として空間光変調器を採用した場合、この空間光変調器に短冊状の正弦波格子を書き込み、これを高速で一方向に移動させることにより、格子縞のピッチがビームの分離距離となる。次々と格子を移動させることにより、位相が変調されたことに相当するので、格子縞で生じた±１次回折光は、変調周波数の２倍だけ周波数の異なる光とすることができる。この場合、書き込み格子のピッチが十分に大きければ、近接した２つのビームを作ることができて拡大光学系の拡大率を小さくできるので、光学系を小型にすることができる。
【００２０】
以上のような光学系と光変調器により、ビート周波数作成手段と走査手段とを分離させることができる。このため、より高周波のビート信号を作成し、より走査速度を高めることができるので、データ取得を一層高速に行うことができるようになる。以上の結果として、３次元情報をビデオレート以上で取得できるとともに、ビーム分離を著しく小さくすることにより、横の分解能も顕著に向上させることができ、高さ方向の分解能も波長の1/500程度に向上できる。
【００２１】
また、２つのビームは殆ど光路を共有化しているので、外部的な環境変化、振動等に著しく強いレーザー走査顕微鏡装置とすることができる。このように２つのビームが存在している場合、受光素子としてビームの分離方向に垂直な方向に２つ以上に分割されている分割受光素子を用いると、全分割受光素子の出力の和信号では、実効上、対物レンズで集光された２つのビームの分離度に応じた位相差のビーム径に相当する領域の積分値を与えるので、微分干渉顕微鏡とほぼ等価な分解能を与えることになる。
【００２２】
さらに分解能を高くするには、２分割以上された分割受光素子の隣り合った位置にある受光素子同士の差信号を取得すると、実効上、対物レンズで集光された２つのビームの分離度に応じた位相差の微分のビーム径に相当する領域の積分値を与える。この場合には、和信号と比較して、位相差の生じている部分のみが位相差に寄与するので、感度が著しく高くなる。従って、ビームの分離度に応じた分解能に匹敵する横分解能の向上が図れる。
【００２３】
これは、通常の微分干渉顕微鏡には見られない際立った特長となる。この結果、波長で支配されている横分解能よりもはるかに高い横分解を得ることが出来る。ビート信号の強度に対しても同様な効果がある。
【００２４】
一方、このようなレーザー走査型顕微鏡における縦分解能は、使用する対物レンズの焦点深度の領域において非常に高い分解能が得られるが、定量化を簡易に行うことは容易ではなく、また、焦点深度よりも対象物の高低差が大きい場合、３次元画像の取得が容易ではなかった。これに対して、本発明の基本的な装置構成がレーザー走査型で有ることに着目した場合、共焦点レーザー走査型顕微鏡の構成と本発明の構成が同じであるため、共焦点光学系を組み込むことが可能であり、共焦点レーザー走査型顕微鏡のもつ断層撮像能力を得ることが可能となる。
【００２５】
以上より本発明に係るレーザー走査型顕微鏡によれば、実質上、回折限界以上の分解能を有する顕微鏡装置が実現でき、さらには、ビーム利用効率の低下を招かない光学系を実現可能ともした。
【００２６】
以上、まとめると、高さや屈折率分布などの３次元情報を一度の２次元走査で非常に高速に、また、極めて高い横分解能で取得する光利用効率の高いレーザー走査型顕微鏡を提供することができる。従って、生きたままの細胞やマイクロマシーンなどの状態変化などをリアルタイムに３次元計測できるなど、従来の２次元情報を取得し３次元方向に積算していくようなレーザー走査型共焦点顕微鏡などとは比較にならない大きな特徴を有している。
また、透過型にすれば、生物や細胞を生きたままリアルタイムかつ高い分解能で観察、計測できるので、細胞等を不活性化して計測する電子顕微鏡にはない大きな特徴ともなる。
【発明の効果】
【００２７】
上記に示したように、本発明のレーザー走査型顕微鏡によれば、変調が可能な音響光学変調素子または空間変調器を光変調器として用い、瞳伝達拡大レンズ系と２次元走査ディバイスと併用することにより、非常に近接した２つのビームを非常に高い変調周波数で、変調することができるので、ビデオレートの３次元計測が可能となる。また、例えば音響光学変調素子に変調信号を加えることによってビームが分離されるが、このビームの分離方向に沿って分割される２分割以上の分割受光素子を用い、すべての分割受光素子の和演算または対応する受光素子間で差演算をおこなってヘテロダイン検波することで、極めて高い横分解能を得ることができる。
つまり、ヘテロダイン検波して得られた信号を直交変換した強度情報と位相情報により、１回の２次元走査でアッベの回折限界を大幅に超える分解能を持つ３次元情報を取得可能なレーザー走査型顕微鏡が実現可能となる。
【００２８】
さらに、このようなレーザー走査型顕微鏡において、共焦点光学系の受光光学系を組み込むと共に、対物レンズまたは試料ステージを高分解能で深さ方向に移動する移動手段を組み込むことにより、共焦点レーザー走査型光学顕微鏡が持つ断層撮像能力で深さ方向の定量化が可能となり、かつ、対物レンズの焦点深度を超える高低差を持つ対象物の測定が可能なレーザー走査型顕微鏡を実現する。
【００２９】
以上より、対物レンズの焦点深度内で元来非常に高い３次元の分解能持っているので、本発明によれば、従来の共焦点レーザー走査型光学顕微鏡よりも遙かに高い３次元分解能を持つ、非常に高速なレーザー走査型顕微鏡を提供することができる。さらに、電子顕微鏡や走査プローブ顕微鏡でしか従来観察できなかった微細構造を観察することが、本発明により可能となり、また、透過型においては、生物や細胞を生きたままリアルタイムかつ高い分解能で観察、計測できるため、細胞等を不活性化して計測する電子顕微鏡にはない大きな特徴を有している。
【００３０】
したがって、細胞や微生物の状態変化や表面状態の過渡的な変化等を、高速に観察、計測することができる。また、既に製品化されている裸眼立体ディスプレーや偏光めがねを使用した３次元ディスプレー等を用いることにより、ビデオレートの３次元立体画像を表示することもできるので、教育や研究、医療において、有用な装置とすることができる。
【００３１】
他方、非常に近接したほぼ同一の行路を通る２つのビームを用いているので、外乱等の影響を受けにくい観察や測定ができる。また、受光素子を分割型とし、ビームを分離する方向に対して、少なくとも２分割以上の受光素子を用い、すべての受光素子の和演算または対応する受光素子間で、差演算をおこなってヘテロダイン検波することで、特に、差演算においては、極めて高い横分解能を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明のレーザー走査型顕微鏡に係る実施例１を示すブロック図である。
【図２】図１の対物レンズおよび測定対象物周辺部分を拡大して示す図である。
【図３】本発明のレーザー走査型顕微鏡に係る実施例１による対象物における照射領域を表す説明図である。
【図４】試料形状と分割受光素子に戻ってくる光を模式的に示す図である。
【図５】図４で説明した試料形状についての位相情報及び強度情報を示す図である。
【図６】試料形状と本発明によって得られる高さ方向の情報を説明する図である。
【図７】本発明のレーザー走査型顕微鏡に係る実施例２を示すブロック図である。
【図８】本発明のレーザー走査型顕微鏡に係る実施例３を示すブロック図である。
【図９】本発明のレーザー走査型顕微鏡に係る実施例４を示すブロック図である。
【図１０】本発明のレーザー走査型顕微鏡に係る実施例５を示すブロック図である。
【図１１】本発明のレーザー走査型顕微鏡に係る実施例６を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下に、本発明に係るレーザー走査型顕微鏡の実施例１から実施例６を各図面に基づき、詳細に説明する。
【実施例１】
【００３４】
本発明に係るレーザー走査型顕微鏡の実施例１を、以下に図面を参照しつつ説明する。
図１は、本実施例に係るレーザー走査型顕微鏡の構成を示すブロック図である。この図１に示すように、光学系として、レーザー光が出射されるレーザー光源１と光を分離するための光変調器である音響光学変調素子（ＡＯＭ）４との間に、コリメーターレンズ２及びビーム整形光学系３が配置されている。これらレーザー光源１および音響光学変調素子４は制御基板１４にそれぞれ接続されていて、この制御基板１４により動作がそれぞれ制御されるようになる。音響光学変調素子４に、キャリア交流信号としての周波数fcと正弦波信号としての変調周波数ｆｍを制御基板１４に内蔵の信号発生器が印加する。
【００３５】
さらに、音響光学変調素子４に対して、２群のレンズからなる第１の瞳伝達拡大レンズ系５、ビーム径を適性化するための制限開口７、後述の対象物Ｓからの反射戻り光を共焦点光学系に分離して出射する偏光ビームスプリッター８、直線偏光であるレーザー光の偏波面を４５°回転させる１／４波長板９、反射戻り光から光の位相および強度情報を得るための受光素子に光を分離するビームスプリッター１０が順に並んで配置されている。また、第１の瞳伝達拡大レンズ系５を構成する２群のレンズの間に、光軸Ｌ外を通る不要な非回折光および高次回折光をカットするためのピンホール６が配置されている。
【００３６】
さらに、ビームスプリッター１０に対して図１において右隣には、入力されたレーザー光を１次元走査する第１の１次元走査ディバイス１１が配置されており、第１の１次元走査ディバイス１１の図１において下方には、２群のレンズからなる第２の瞳伝達拡大レンズ系１２、第１の１次元走査ディバイス１１と直交する方向に光を偏向する第２の１次元走査ディバイス１３が配置されている。
【００３７】
本実施例では、第１の１次元走査ディバイス１１で出射方向が図１において下方に変えられたビームが、これらを順に通過することになり、これら第１の１次元走査ディバイス１１、第２の瞳伝達拡大レンズ系１２及び第２の１次元走査ディバイス１３により、２次元走査光学系が構成されている。また、第２の１次元走査ディバイス１３の下隣には、２群のレンズからなる第３の瞳伝達拡大レンズ系１５、対象物Ｓと対向する対物レンズ１６が配置されている。
【００３８】
試料Ｓで反射した光は上述と逆の光路を戻りビームスプリッター１０に入射する。光軸Ｌが通過する方向に対して直交する方向であってビームスプリッター１０に隣り合った位置に配置され、音響光学変調素子４によって分離されたビームの分離方向に光軸を対象に少なくとも２分割された第１の受光素子１８に入射する。第１の受光素子１８は光電変換部１９に接続され、信号を適切な大きさに増幅し、光電変換部１９からの信号を比較する信号比較器２０に接続され、第１のデータ処理部２１に接続されている。
そして、この第１のデータ処理部２１は、制御基板１４により制御されている音響光学変調素子４及び１次元走査ディバイス１１、１３の制御信号および信号比較器２０からの強度情報や位相情報の信号を元に対象物Ｓのプロファイル等を作成する。つまり、この第１のデータ処理部２１によって、強度情報や位相情報に基づく対物レンズ１６の焦点深度内での３次元画像が得られることになる。
【００３９】
他方、対象物Ｓで反射して対象物Ｓから戻ってくる反射戻り光のビームスプリッター１０を透過した光は、再び１／４波長板９に入射する。この反射戻り光の光束は、再び１／４波長板９を透過することにより、直線偏光に戻るが、照明光束に対して偏波面が９０°回転しているため、偏光ビームスプリッター８により直角に反射され照明光束の光路から分離される。
【００４０】
この偏光ビームスプリッター８により分離された光束は、収束レンズ２２およびこの収束レンズ２２の焦点面に設置された前記収束レンズ２２の回折限界スポット径程度の径を有する空間フィルタであるピンホール２３を透過し、受光素子２４で受光される。この収束レンズ２２の焦点面は、対物レンズ１６の焦点面と共役な位置となるため、観察試料である対象物Ｓの焦点が合った時のみピンホール２３を光束が透過して、受光素子２４で受光される。なお、焦点位置がずれた場所からの光に関しては、ピンホール２３面上で光束がピンホール径よりも大きくなるので、受光素子２４で受光される光量が著しく減少するため高さ方向の分解能が向上する。
【００４１】
受光素子２４で受光された信号は光電変換部２５において信号を適切な大きさに増幅され、この光電変換部２５は第２のデータ処理部２７に接続されている。
また、本実施例では、制御回路１４により制御されつつ、対物レンズ１６を光軸Ｌに沿って高精度に移動させる移動手段である移動機構２６が配置されている。この移動機構２６としては、例えばステッピングモータ駆動によるステージ移動や、ピエゾ素子による直接またはステージ移動とすることが考えられる。
この移動機構２６により対物レンズ１６を移動させるのに伴い、制御回路１４からの１次元走査ディバイス１１、１３の位置情報と移動機構２６の位置情報とから、画素ごとに受光素子２４で受光される光強度が最も高くなる焦点が合った位置を第２のデータ処理部２７で求める処理をし、３次元の位置情報を構築する。但し、移動機構２６は、対物レンズ１６を移動させる代わりに対象物Ｓを移動させる機構としてもよく、この場合にも上記と同等の効果が得られる。
【００４２】
前記第１のデータ処理部２１において得られた強度情報や位相情報に基づく対物レンズ１６の焦点深度内での３次元画像と、前記第２のデータ処理部２７において得られた３次元の位置情報とが、第３のデータ処理部３１において処理され、共焦点レーザー走査型顕微鏡と同等の分解能で深さ方向の定量化がされる。このことから、表面のプロファイル情報を簡単に導くことができ、第３のデータ処理部３１から送り込まれた表示装置３２において、この表面のプロファイル情報を表示することができる。本実施例では、これら第１のデータ処理部２１、第２のデータ処理部２７、第３のデータ処理部３１等の処理部を相互に別々のものとしたが、これらをまとめて一つのデータ処理部としても良い。
以上より、対物レンズ１６の焦点深度より深い高低差を持つ対象物Ｓにおいても測定が可能となる。なお、第３のデータ処理部３１は、得られた３次元画像データを電子データとして保存する機能を有する。
【００４３】
この一方、前述のレーザー光源１は、He-Ne等のガスレーザー、もしくは、半導体レーザー、固体レーザーであり、コヒーレントなレーザー光を発生する。このレーザー光をコリメーターレンズ２により平行光束にし、ビーム整形光学系３を用いて最適な径で音響光学変調素子４に入射させる。この音響光学変調素子４には、制御基板１４より変調信号としてsin(2πfct)sin(2πfmt)のようなＤＳＢ変調信号を加える。
【００４４】
この様な変調を行うと、fc+fmとfc-fmの２つの周波数変調が加えられたことになる音響光学変調素子４は、ブラッグ回折格子のピッチdに相当する音波の粗密波を発生する。すなわち、超音波の速度をVa、印加する周波数をfとすると、d=Va/fとなる。具体的には、この粗密波により、音響光学変調素子４に入射されたレーザー光であるビームは、±１次回折光に分離され、各々の回折光は周波数fc±fmの周波数で変調される。ただし、たとえば音響光学変調素子４の材料としてTeO2を用いた場合、この結晶内の音速は、4200ｍ/sである。
【００４５】
キャリア周波数の周波数fcとして80MHzを選択すると、ピッチはd=52.5μｍとなり、He-Neレーザーをレーザー光源１に用いた場合、回折角θは1.38°程度になる。このキャリア周波数に、周波数8ＭＨzのfmを加えると、±１次回折光はθ＝1.38°±0.138°の２つのビームに分離角Δθを0.276°として分離され、それぞれ88ＭＨzと72ＭＨzで変調されることになる。
【００４６】
次に、この分離角Δθを対物レンズ１６の入射瞳面で縮小する方法について述べる。
回折光が第１の瞳伝達拡大レンズ系５の光軸Ｌを通るよう、音響光学変調素子４から第１の瞳伝達拡大レンズ系５への入射角にθの傾きを持たせる。また、第１の瞳伝達拡大レンズ系５は２群のレンズからなるのに伴い、入射側レンズ群の焦点距離をｆin 出射側レンズ群の焦点距離をｆoutとしている。
【００４７】
音響光学変調素子４の出射面を第１の瞳伝達拡大レンズ系５の入射側レンズ群の焦点位置に置き、第１の瞳伝達拡大レンズ系５の２つのレンズ群間隔をｆin＋ｆoutとすると、音響光学変調素子４の出射面位置を第１の１次元走査ディバイス１１の偏向中心が射出側ｆoutの位置に共役となるアフォーカル光学系となっている。また、第１の瞳伝達拡大レンズ系５の中間焦点面付近に光軸Ｌ近傍の光束のみ透過するようピンホール６が前述のように有り、このピンホール６で光軸Ｌ外を通る不要な非回折光および高次回折光をカットする。
【００４８】
ここで、ｆin＜ｆoutとすると、ｆout／ｆin＝m1倍の拡大光学系となり、音響光学変調素子４で作られた分離角Δθを1/m1に縮小することができる。この一方、ビーム径はｍ1倍に拡大するため、この後の光学系による周辺光量の低下現象であるケラレを考慮し、制限開口７が第１の瞳伝達拡大レンズ系５の出射側レンズの後に挿入され、ビーム径を適性化する。
【００４９】
第２の瞳伝達拡大レンズ系１２は、前述の第１の瞳伝達拡大レンズ系５と同様の構成となっており、この第２の瞳伝達拡大レンズ系１２が、音響光学変調素子４の出射面位置、及び第１の１次元走査ディバイス１１の偏向中心と第２の１次元走査ディバイス１３の偏向中心を共役な位置関係に保つと共に、１より大きな倍率であるm2倍の拡大倍率を与える。
【００５０】
この第２の瞳伝達拡大レンズ系１２を出射した光束は、第１の１次元走査ディバイス１１の偏向方向と直交する方向に光束を偏向する第２の１次元走査ディバイス１３に入射し、これにより光束は２次元走査されることになる。そして、これら第１の１次元走査ディバイス１１及び第２の１次元走査ディバイス１３は制御基板１４に繋がっていて、レーザー光源１、音響光学変調素子４と同期して動作するように、制御されるようになっている。
【００５１】
この第２の１次元走査ディバイス１３を出射した光束は、前述の第１の瞳伝達拡大レンズ系５と同様の構成となっている第３の瞳伝達拡大レンズ系１５に入射する。第３の瞳伝達拡大レンズ系１５は、音響光学変調素子４の出射面位置、第１の１次元走査ディバイス１１の偏向中心、及び第２の１次元走査ディバイス１３の偏向中心を対物レンズ１６の入射瞳面と共役な位置関係に保つと共に、１より大きな倍率であるm3倍の拡大倍率を与える。
【００５２】
以上により、第１の瞳伝達拡大レンズ系５、第２の瞳伝達拡大レンズ系１２、第３の瞳伝達拡大レンズ系１５によるm1×m2×m3＝m4倍の光学倍率によって、音響光学変調素子４によって作られた分離角ΔθをΔθ／m4に縮小し、対物レンズ１６に音響光学変調素子４で分離された２つのビームを入射する。このことにより、音響光学変調素子４の変調周波数ｆｍが高くしても、対象物Ｓの表面上で２つのビームによって作られる微小スポットを極めて近接させ、対象物Ｓを照明することができる。このようにして、図２の実線で示すビームＬＡおよび点線で示すビームＬＢのように、非常に接近して相互に同一径とされる２つのビームを得ることができる。
【００５３】
また、これら２つのビームＬＡ、ＬＢが有する周波数は、「光の振動数＋キャリア周波数fc±変調周波数fｍ」となる。ここで、対物レンズ１６からの２つの接近したビームＬＡ、ＬＢによって、対象物Ｓの表面上において作られる微小スポットの中心距離Δxを回折限界スポット径Ｋ以下に設定したとする。この場合、各々のスポットは、アッべの理論の回折限界以下にはならないが、わずかにずらした各々別の周波数の光であるために、ヘテロダイン検波をすることにより、その和信号あるいは差信号よりビート信号を生成でき、微分情報を取得することができる。
【００５４】
図１に示す受光素子１８を、図２に示すビームＬＡ、ＬＢの分離方向に沿って２分割以上に分割した複数の分割受光素子とする。例えば、ビームＬＡ、ＬＢの分離方向に対して垂直な方向に延びる図２及び図３に示す境界線Ｃを光軸Ｌ上に形成した時、この境界線Ｃと平行に暗線を有するように、これら複数の受光素子を配置し、その和信号あるいは差信号より、ビート信号を取得させる。この際、和信号を用いビームを走査すると、ビーム内の平均的な位相差を示しており、実質的に微分干渉顕微鏡と等価になり、差信号を用いビームを走査すると、ビーム分離度に相当する高い横分解能で、位相差情報および位置情報を取得することが可能となる。なお、これらの横分解能の向上に関しては、詳しく後に述べる。
【００５５】
まず、情報取得の高速化について述べる。図２に示すように対物レンズ１６で絞られた２つのビームＬＡ、ＬＢは、近接した２つのスポットＡ、Ｂ（図３に示す）となる。なお、スポットＡの複素振幅EaおよびスポットＢの複素振幅Ebは、下記式のようになる。
Ea=Aexpj(2π(fo+fc+fm)ｔ)
Eb=Bexpj(2π(fo+fc-fm)ｔ＋δ)
この複素振幅Ebの式のδは、ビームＬＡのスポットＡを基準としたビームＬＢのスポットＢの高さ方向の位相差を表わし、foは光の周波数を表す。なお、前述したように、この２つのスポット間隔は、音響光学変調素子４に加えた変調周波数ｆｍと拡大光学系の倍率m4によって決定されるので、走査速度とは無関係である。
【００５６】
他方、対象物Ｓで反射されたこの２つのビームＬＡ、ＬＢは、前述の照明光束と逆の光路を戻る。すなわち、対物レンズ１６、第３の瞳伝達レンズ系１５、第２の１元走査ディバイス１３、第２の瞳伝達レンズ系１２、及び第１の１元走査ディバイス１１を順に戻ることにより、偏向成分がキャンセルされて軸上光となり、ビームスプリッター８で反射されて受光素子１８に導かれる。受光素子１８は、音響光学変調素子４によってビームＬＡ、ＬＢの分離された方向に沿って少なくとも２分割されている。これら２分割以上の受光素子は、フォトダイオードや光電子増倍管（ＰＭＴ）等によりそれぞれ構成されている。
【００５７】
受光素子１８を構成する各分割受光素子をフォトダイオードとした場合、その素子の持つ端子間容量に反比例し遮断周波数が決まる。一般的に端子間容量は受光面積に比例するため、受光系を高速化するには受光面積の小さいフォトダイオードを使用することが望ましい。これに伴い、端子間容量の小さい小型のフォトダイオードをアレイ上に複数個配置し高速化を図り、光電変換部１９では、各フォトダイオードに１対１で対応した電気的増幅を行うことにより、信号比較器２０において必要に応じた素子の組合せで、和信号または差信号を作成することが出来る。
【００５８】
第１のデータ処理部２１においては、信号比較器２０からの信号を制御基板１４からの音響光学変調素子４の変調信号を用いてヘテロダイン検波し、実質的な直交変換により強度情報と位相情報を得る。また、制御基板１４から１次元走査ディバイス１１、１３への各制御信号に合わせ、前記した強度情報や位相情報に基づき、対物レンズ１６の焦点深度内における３次元の画像を構築する。
【００５９】
以下、対象物Ｓの形状と受光素子１８の分割受光素子１８Ａ、１８Ｂに戻ってくる光との関係を図４および図５に基づき、具体的に説明する。なお、図４において実線はビームＬＡを示し、点線はビームＬＢを示している。また、図４において２つのビームＬＡ、ＬＢによるスポットＡ、Ｂは本来現れないが、理解を容易とするために、スポットＡを実線の円、スポットＢを点線の円でそれぞれ示す。
図４は、対象物Ｓの形状である「試料形状」と分割受光素子１８Ａ、１８Ｂに戻ってくる光を模式的に示している。つまり、受光素子１８を分割された分割受光素子１８Ａと分割受光素子１８Ｂで構成することとし、さらに、分割受光素子１８Ａの信号の値をａとし、分割受光素子１８Ｂの信号の値をｂとする。そして、対象物Ｓの平面部に入射した光は分割受光素子１８Ａ、１８Ｂに対称に入射し、これらの差動を取ると、ｂ−ａの値は０となる。
これに対して、図４（Ａ）では、対象物Ｓの緩い右上がり傾斜斜面にスポットＡ、Ｂが位置していて、対象物Ｓの緩い右上がり傾斜斜面からの戻り光は、分割受光素子１８Ｂ側に偏るので、ｂ−ａの値はプラスになる。
【００６０】
他方、図４（Ｂ）では、緩い右下がり斜面と急な右下がり斜面とに跨がってスポットＡ、Ｂが位置している。この場合、緩い右下がり斜面からの戻り光は、分割受光素子１８Ａ側に偏り、ｂ−ａの値はマイナスになる。急な右下がり斜面からの戻り光は、更に分割受光素子１８Ａ側に偏り、ｂ−ａの値は更に大きなマイナスの値になる。
この際、受光素子１８で得られた信号を元にして得られ位相情報は微分情報となるため、符号は維持され、強度情報はその絶対値となるため、符号はプラスとなる。
【００６１】
図５は、図４で説明した「試料形状」を位相情報及び強度情報で表した場合を示す図である。前述のように位相情報は微分値であり対象物Ｓの斜面の傾きを表すため、位相情報と強度情報から、対象物Ｓの形状を求めることが出来る。
【００６２】
上記では、２つの分割受光素子を適用した場合で説明したが、光軸Ｌを境界として、ビームの分離方向に複数の受光素子を対象物Ｓから離した場合も同様に議論が出来、特に、差出力を得る場合には、光軸Ｌを境界にして対応する受光素子間同士で行うようにすれば良い。また、複数の受光素子の和出力だけを用いるのであれば、実質上１つの受光素子を用いることで、同様のことが実現できることになる。
【００６３】
一方、前記光学系は、瞳伝達光学系により結合された直交する２つの１次元走査ディバイスとしたが、２次元走査ディバイスとしても良く、さらに瞳伝達光学系によりこれら走査ディバイスと対物レンズ１６の射出瞳面とを結合する構成となっている。このような構成は、共焦点レーザー走査型顕微鏡の典型的な構成と同じであるため、共焦点レーザー走査型顕微鏡の受光光学系である共焦点光学系を組み込むことができる。
【００６４】
受光素子１８により２つのビームＬＡ、ＬＢの位相差δは、ビート信号として検出される。すなわち、受光素子１８上の２つのビームの強度Iは、下記式に基づく値で受光素子１８の光電変換部１９により検出され、信号比較器２０に送られる。
I=(Ea+Eb)(Ea+Eb)*=A2+B2+2ABcos(2π*2fmｔ＋δ)
したがって、信号比較器２０を用いて、周波数2fmのヘテロダイン検波の位相比較を行うことにより、位相差δを測定することができる。このようにすれば、変調周波数fmを高くし、かつ、ビームを非常に接近させることができるので、横分解能を高くすることができると同時に、データの取得を高速に行うことができる。
【００６５】
つまり、位相比較を行う時間は、変調周波数fmに逆比例するので、たとえば、ビデオレート（水平走査周波数約１６ＫＨz）で、１０００点以上のデータを取得しようとすれば、1点の情報取得の周波数は１６ＭＨzとなる。変調周波数fmを８ＭＨzにすれば、ビート周波数は、１６ＭＨzとなるので、十分にビデオレートで情報取得をすることができる。
【００６６】
以下、図６に基づき対物レンズの焦点深度についての説明をする。
図６（Ａ）に示すような「対物レンズ焦点深度」を超えた高さを有する断面形状の物体である対象物Ｓの高さを測定した場合には、下記のようになる。
従来型のレーザー走査型顕微鏡では、図６（Ｂ）に示す「従来型横分解能」のように、高い横分解能で連続値として３次元の形状が取得できるが、対物レンズ焦点深度より対象物Ｓの高さが高いため、「対物レンズ焦点深度」の範囲をずらして２つの画像を取得しなければならならず、またこれに伴い深さ方向の形状の定量化が難しかった。
【００６７】
これに対して、図６（Ｃ）に示すように、共焦点光学系では高さ方向に沿って「共焦点系高さ分解能」に合わせた数値情報を取得できるので、３次元グリッド上の位置座標として高さ情報を取得することが出来る。このため、図６（Ｂ）の３次元の形状と 図６（Ｃ）の高さ情報を合成することにより、図６（Ｄ）に示すように、数値化されかつ深い焦点深度とされる高分解能の画像を取得することが出来る。
【００６８】
以上により、本実施例によれば、横分解能がアッベの回折限界を超え、共焦点レーザー走査型顕微鏡と同等の分解能で深さ方向を定量化した３次元計測データを取得することが可能なレーザー走査型顕微鏡を得ることが出来る。したがって、これまでの各種光学顕微鏡で観察が難しく、電子顕微鏡や走査プローブ顕微鏡でしか観察出来なかった対象物の観察や計測をすることが可能となる。
【００６９】
この一方、製品化されている裸眼立体ディスプレーや偏光めがねを使用した３次元ディスプレー等を用いることにより、ビデオレートの３次元立体画像を表示することもできるので、教育や研究、医療において、有用な装置とすることができる。また、２つのビームの重なりの程度をビーム径よりも小さくしてあるので、２つのビームの行路差はほとんど生じていない。したがって、外乱や振動の影響も２つのビームで同時に生じるので、これらの影響が相殺される。
【００７０】
他方、本実施例では、ビームの分離度を個々のビーム径よりも非常に小さくした例を示したが、変調周波数を高くすることにより、ビームの分離度が大きくなり、かつ、ビーム径程度の分離度が必要となる場合にも、本発明の光学系が有用であることになる。
【００７１】
尚、上記実施例においては、１次元走査ディバイスを直交させて２つ配置することにより２次元走査を行う構成で説明をしたが、単純な一方向だけのデータが必要なアプリケーションであれば、１次元走査ディバイスを１段のみ使用した系でも同様な効果が得られることになる。この１次元走査ディバイスとして、マイクロマシーンの技術を用いたマイクロミラーディバイス、レゾナントミラー、ガルバノミラー、及び回転ポリゴンミラー等を用いることができる。さらに、近年開発がなされている、非線形光学結晶やフォトニック結晶を用いた高速スキャナーを使用できることにもなる。
【００７２】
また、マイクロマシーンの技術を用いたマイクロミラーディバイスにおいては、１つのディバイスで２次元走査可能なディバイスが有るが、これも使用可能であり採用すれば、第２の瞳伝達拡大光学系１２が必要なくなる。これに伴い拡大倍率がm2分小さくなるが、第１の瞳伝達拡大光学系および第３の瞳伝達拡大光学系の拡大倍率m1，m3を大きくすれば、前述のm4の拡大倍率を保持できることになる。
【００７３】
以上において、主に高速にデータを取得する手段について述べたが、次に、横分解能を著しく増大させる手段について述べる。
【００７４】
簡単のために１次元で考える。まず、表面のプロファイルd(x)の位相分布をＡejθ(x)とおく。ここで、θ(x)＝2πｄ(x)/λである。本実施例のように反射の場合には、光路差は２倍になるので、観測されるθ(x)の半分を高さ情報とすればよい。
さて、上記のように音響光学変調素子にキャリア信号fcと変調信号fmの掛け算信号（ＤＳＢ変調）を与えると、実質上、回折光は２つの僅かに分離したfc±fmの周波数を持った光となる。対物レンズで収束されるとΔｘだけ分離した２つのビームとなり、各ビームプロファイルをu(x)とする。この場合、対物レンズから離れた場所では、表面プロファイルとビームプロファイルの積のフーリエ変換となる。
【００７５】
本レーザー走査型顕微鏡においては、一方の受光素子で受光されるビームは、ej(ωc-ωm)tで変調を受けていることになり、中心距離Δxだけ離れた他方の受光素子で受光されるビームは、ej(ωc+ωm)tで変調を受けていることになる。従って、受光素子上の複素振幅分布は、以下のようになる。
Ｅ＝∫(Ａejθ(x) u(x)ejkxdx・ej(ωc-ωm)t＋Ａejθ(x+Δx) u(x)ejkxdx・ej(ωc+ωm)tとなる。
【００７６】
これら受光素子により強度Ｉの検出を行うと、Ｉ＝ＥＥ*、さらに、２ωｍのヘテロダイン検波を行うので、以下の（１）式のようになる。
Ｉ(k)＝Ａ2∫ej(θ(x)-θ(x'+Δx') u(x) u(x’) ejk(x-x')dxdx’e-j2ωmt
＋Ａ2∫e-j(θ(x)-θ(x'+Δx') u(x) u(x’) ejk(x-x')dxdx’ej2ωmt・・・・・（１）式
【００７７】
そして、２つのビームＬＡ、ＬＢの重なっている照射領域Ａ，Ｂのほぼ中心を図３の境界線Ｃとし、この境界線Ｃを挟んだ位置であって、ビームＬＡ、ＬＢの分離方向である各々の照射領域Ａ，Ｂの分離方向に沿った位置に対応して２つの受光素子を対象物Ｓから離して配置する。
ここでまず、２つの受光素子の和信号がどのようになるかを考える。対象物Ｓから離れた位置では、フーリエ変換面であると考えられるので、受光素子で受光できる最大空間周波数をＫmaxとすると、和信号では強度Ｉが下記式から求められる。
Ｉ＝∫Ｉ(k)ｄｋ（積分範囲は-KmaxからKmax）
＝Ａ2∫cos(θ(x)−θ(x’+Δx’)−２ωｍｔ) u(x) u(x’)sin(Kmax(x-x’))/(x-x’)dxdx’
【００７８】
受光素子を近接させてより広い空間周波数まで受光するように配置すると、
sin(Kmax(x-x’))/(x-x’)＝Ｋδ(x-x’)となるので、以下の（２）式のようになる。
Ｉ＝Ａ2∫cos(θ(x) −θ(x+Δx) −２ωｍｔ) u(x)2ｄｘ・・・・・（２）式
【００７９】
すなわち、２つのビームの分離位置の位相差をビームプロファイルのウェイトで積分したことになる。
（２）式を変形すると下記の式を得る。
Ｉq＝Ａ2∫cos(θ(x)−θ(x+Δx) u(x)2ｄｘ・cos(２ωｍｔ)
Ｉi＝Ａ2∫sin(θ(x)−θ(x+Δx) u(x)2ｄｘ・sin(２ωｍｔ)
【００８０】
従って、直交変換により、観測される位相差Θは以下の（３）式のようになる。
Θ＝tan-1(∫sin(θ(x)−θ(x+Δx)) u(x)2ｄｘ/∫cos(θ(x)−θ(x+Δx)) u(x)2ｄｘ)・・・・・（３）式
【００８１】
この一方、２つの受光素子の差信号を考えると、和信号の場合と同様にして下記の式が得られる。
Ｉ＝∫Ｉ(k)ｄｋ（積分範囲は０からKmax）−∫Ｉ(k)ｄｋ（積分範囲は−Kmaxから０）
＝Ａ2∫sin(θ(x)−θ(x’+Δx’)−２ωｍｔ) u(x) u(x’)( cos(Kmax(x-x’)-1)/(x-x’)dxdx’
【００８２】
受光素子を近接させたより広い空間周波数まで受光するように配置すると、
(cos(Kmax(x-x’)-1)/(x-x’)＝δ’(x-x’)+1/x(δ(x)-1)となるので、下記（４）式のようになる。
I=Ａ2∫d/dx(sin(θ(x)―θ(x+Δx)―２ωｍｔ) )u(x)2ｄｘ・・・・・（４）式
さらに、この（４）式を変形すると、下記のようになる。
Ｉq＝Ａ2∫d/dx(sin(θ(x)−θ(x+Δx)) u(x)2ｄｘ・cos(２ωｍｔ)
Ｉi＝−Ａ2∫d/dx(cos(θ(x)−θ(x+Δx)) u(x)2ｄｘ・sin(２ωｍｔ)
【００８３】
従って、直交変換により観測される位相差Θは以下の（５）式のようになる。
Θ＝tan-1(−∫d/dx(cos(θ(x)−θ(x+Δx)) u(x)2ｄｘ/∫d/dx(sin(θ(x)−θ(x+Δx))u(x)2ｄｘ)・・・・・（５）式
【００８４】
ここで、（３）式と（５）式の比較を行う。定性的には、以下の点がわかる。
まず、（３）式では、ビームの中心距離Δxだけ離れた２点の位相差をu(x)の重み関数で、平滑化した結果として得られる位相差を示しているので、ビーム内の平均的な位相差を示している。これは、微分干渉顕微鏡と等価な処理である。
【００８５】
他方、（５）式では、ビームの中心距離Δxだけ離れた２点の位相差の微分に対して、u(x)の重み関数で、平滑化しているので、おおよそ元の関数を復元していることになる。従って、ビームを走査するとビーム分離度に相当する横分解能で、位相差および位置情報を取得することが可能となる。
【００８６】
ここでは、２分割の受光素子を適用した場合を記述したが、照射領域Ａ，Ｂの重なった領域の中心付近に、２つのビームの分離方向に沿って複数の受光素子を対象物Ｓから離して配置した場合も同様になる。特に、差出力を得る場合には、光軸Ｌの中心付近に対応して配置した複数の受光素子のうちの、対応する複数の受光素子間同士で差演算するようにすれば良い。また、複数の受光素子の和出力だけを用いるのであれば、実質上１つの受光素子を用いることで、同様のことが実現できることになる。
【００８７】
以上述べたように、フーリエ変換面にて空間周波数情報を処理することにより、特に差演算では非常に高い横分解能の向上をもたらすことができる。また、ビーム内にプロファイルの傾きがあれば、定性的には光が反射または透過する方向が異なるので、２つの受光素子に強度としての差出力が与えられることは容易に考えられる。もう少し具体的に説明すると、ビーム径よりも小さいプロファイルの変化に対しては、光が照射されている領域のフーリエ変換の０次回折波と１次回折波との干渉により形成された干渉縞のファーフィールドにおけるパターンが２つの受光素子で異なるので、受光素子の差信号はプロファイルの傾きに反映した強度差となってあらわれることになる。
【実施例２】
【００８８】
本実施例は、実施例１で述べた共焦点光学系の挿入位置を変更した実施例である。
図７は、本発明の実施例の構成を示すブロック図である。本実施例では、実施例１において存在していたビームスプリッター１０、集束レンズ２２、ピンホール２３、受光素子２４及び光電変換部２５を取り除き、偏光ビームスプリッター８で反射して分離された反射戻り光が受光素子１８に送られる構成とされている。
【００８９】
すなわち、偏光ビームスプリッター８はレーザー光である照明光が透過する配置とし、１／４波長板９を透過した反射戻り光は、偏光ビームスプリッター８により直角に反射され、音響光学変調素子４によりビームが分離される方向に沿って光軸を対称に２分割されている受光素子１８の分割受光素子に入射する。光電変換部１９においては、受光素子１８を構成する各分割受光素子である各フォトダイオードに１対１で対応した電気的増幅を行い、信号比較器２０において必要に応じた素子の組合せで、和信号または差信号を作成することとする。
【００９０】
これに伴って、第１のデータ処理部２１において、制御基板１４からの音響光学変調素子４の変調信号を用いて、信号比較器２０からの信号をヘテロダイン検波し、実質的な直交変換により強度情報と位相情報を得る。また、制御基板１４から１次元走査ディバイス１１、１３の各制御信号に合わせて、前記した強度情報や位相情報に基づき、対物レンズ１６の焦点深度内における３次元の画像を構築する。
【００９１】
他方、本実施例では、第２の瞳伝達拡大レンズ系１２の第２の１次元走査ディバイス１３側寄りのレンズと、第２の１次元走査ディバイス１３との間に、ビームスプリッター３３が配置されている。対象物Ｓからの反射戻り光は光軸Ｌ上の光路を戻り、第２の１次元走査ディバイス１３による走査成分がキャンセルされて再びビームスプリッター３３に入射し、直角に反射されることにより照明光束の光路から分離される。ただし、第１の１次元走査ディバイス１１による偏向成分がキャンセルされていないため、第１の１次元走査ディバイス１１による偏向方向に長いライン状の光束となる。
【００９２】
この分離された戻り光光路に結像レンズ３４を配置し、上記のライン状の光束方向に結像レンズ３４の回折限界受光素子サイズを持つ受光素子を配列した１次元撮像素子３５が、この結像レンズ３４の焦点面に配置され、光電変換部３６において適切な増幅処理を行う。
但し、前記１次元撮像素子３５は、ライン方向に前記結像レンズ３４の回折限界受光素子サイズを持つ受光素子が配列された受光素子アレイでもかまわない。
【００９３】
前記結像レンズ３４の焦点面は、前記対物レンズ１６の焦点面と共役な位置となるため、観察試料の焦点が合った時のみ前記１次元撮像素子３５における光量が最大となり、焦点位置がずれた場所からの光は前記１次元撮像素子３５面上で受光素子サイズよりも大きくなり、受光される光量が著しく減少する。
【００９４】
この結果、焦点深度が著しく浅くなり高さ方向の分解能が向上する。
実施例１と同様の移動機構２６により対物レンズ１６を高精度に移動させ、制御回路１４からの１次元走査ディバイス１１、１３の位置情報とこの移動機構２６の位置情報から、画素ごとに前記１次元撮像素子３５で受光される光強度が最も高くなる焦点が合った位置を第２のデータ処理部２７で求める処理をし、３次元の位置情報を構築する。なお、対物レンズ１6を移動させる代わりに対象物Ｓを移動させる機構としても効果が同等である。
【００９５】
前記第１のデータ処理部２１において得られた、強度情報や位相情報に基づく対物レンズ１６の焦点深度内で３次元の画像と、前記第２のデータ処理部２７において得られた３次元の位置情報とが、第３のデータ処理部３１において処理され、共焦点レーザー走査型顕微鏡と同等の分解能で深さ方向の定量化され、表面のプロファイル情報を簡単に導くことができ、表示装置３２において表示する。
【００９６】
以上のことから、対物レンズ１６の焦点深度より深い高低差を持つ対象物Ｓにおいても測定が可能となる。また、データ処理部３１は得られた３次元画像データを電子データとして保存する機能を有す。したがって、本実施例によれば、横分解能がアッベの回折限界を超え、共焦点レーザー走査型顕微鏡と同等の分解能で深さ方向を定量化した３次元計測データを取得することが可能なレーザー走査型顕微鏡を得ることが出来る。
【実施例３】
【００９７】
本実施例は、受光素子１８により共焦点光学系を構成する実施例である。
図８は、本発明の実施例の構成を示すブロック図である。本実施例においても、実施例１において存在していたビームスプリッター１０、集束レンズ２２、ピンホール２３、受光素子２４及び光電変換部２５を取り除き、偏光ビームスプリッター８で反射して分離された反射戻り光が受光素子１８に送られる構成とされている。さらに、本実施例では、偏光ビームスプリッター８と受光素子１８との間の反射戻り光の光軸上に、集束レンズ２２及び、この収束レンズ２２の焦点面に収束レンズ２２の回折限界スポット径程度の径を有するピンホール２３がそれぞれ配置されている。
【００９８】
偏光ビームスプリッター８は照明光が透過する配置とし、１／４波長板９を透過した反射戻り光は偏光ビームスプリッター８により直角に反射される。反射戻り光光軸に配置された収束レンズ２２やピンホール２３を通過し、このピンホール２３の直後に音響光学変調素子４によりビームが分離される方向に沿って光軸を中心にして複数に分割されている受光素子１８により、ピンホール２３を透過した光束を受光する。
【００９９】
収束レンズ２２の焦点面は、前記対物レンズ１６の焦点面と共役な位置となるため、観察試料である対象物Ｓの焦点が合った時のみ前記ピンホール２３を光束が透過し、前記受光素子１８で受光される。また、光電変換部１９において、受光素子１８を構成する各分割受光素子である各フォトダイオードに１対１で対応した電気的増幅を行い、信号比較器２０において必要に応じた素子の組合せで和信号または差信号を作成することが出来る。
【０１００】
これに伴って、第１のデータ処理部２１において、制御基板１４からの音響光学変調素子４の変調信号を用いて、信号比較器２０からの信号をヘテロダイン検波し、実質的な直交変換により強度情報と位相情報を得る。
また、制御基板１４から１次元走査ディバイス１１、１３の各制御信号に合わせて、前記した強度情報や位相情報に基づき、共焦点光学系によって狭められた対物レンズ１６の焦点深度内における３次元の画像を構築する。
【０１０１】
焦点位置がずれた場所からの光については、前記ピンホール２３面上で光束がピンホール径よりも大きくなり、受光素子１８で受光される光量が著しく減少する。この結果、通常の顕微鏡に比べ焦点深度が著しく浅くなり縦分解能が大幅に向上する。
また、実施例１と同様の移動機構２６により対物レンズ１６を高精度に移動させ、画素ごとに焦点が合った高さを記憶させる。なお、対物レンズ１6を移動させる代わりに対象物Ｓを移動させる機構としても効果が同等である。
【０１０２】
移動機構２６により前記対物レンズ１６を高精度に移動させ、制御回路１４からの１次元走査ディバイス１１、１３の位置情報と移動機構２６の位置情報とから、画素ごとに受光素子１８で受光され、信号比較器２０において作成された和信号の光強度が最も高くなる焦点が合った位置を第２のデータ処理部２７で求める処理をし、３次元の位置情報を構築する。
【０１０３】
以上より、本実施例においても、第１のデータ処理部２１において得られた、強度情報や位相情報に基づく共焦点光学系で狭くなった対物レンズ１６の焦点深度内での３次元画像と、前記第２のデータ処理部２７において得られた３次元の位置情報とが、第３のデータ処理部３１において処理され、共焦点レーザー走査型顕微鏡と同等の分解能で深さ方向の定量化され、表面のプロファイル情報を簡単に導くことができ、表示装置３２において表示する。
【０１０４】
以上のことから、対物レンズ１６の焦点深度より深い高低差を持つ対象物Ｓにおいても測定が可能となる。また、データ処理部３１は得られた３次元画像データを電子データとして保存する機能を有す。したがって、本実施例によれば、横分解能がアッベの回折限界を超え、共焦点レーザー走査型顕微鏡と同等の分解能で深さ方向を定量化した３次元計測データを取得することが可能なレーザー走査型顕微鏡を得ることが出来る。
【実施例４】
【０１０５】
本実施例は、実施例１で述べた反射光学系を透過光学系に置き換えた実施例である。
図９は、本発明の実施例の構成を示す透過型の光学系のブロック図である。
本実施例では、主要な光学系は、実施例１におけるビームスプリッター１０、受光素子１８、光電変換部１９、および信号比較器２０を削除し、この替りに、対物レンズ１６で集光された光は透過することになるので、対象物Ｓをはさんで対物レンズ１６と反対側に受光素子２８を配置した。
【０１０６】
つまり、対物レンズ１６の光軸の延長線上に、音響光学変調素子４によりビームが分離される方向に沿って光軸を中心にして複数分割された受光素子２８の分割受光素子を配置する。  光電変換部２９において、受光素子２８を構成する各分割受光素子である各フォトダイオードに１対１で対応した電気的増幅を行い、信号比較器３０において、必要に応じた分割受光素子の組合せにより和信号または差信号を作成することが出来る。第１のデータ処理部２１において、制御基板１４からの音響光学変調素子４の変調信号を用いて、信号比較器３０からの信号をヘテロダイン検波し、実質的な直交変換により強度情報と位相情報を得る。
【０１０７】
また、制御基板１４から１次元走査ディバイス１１、１３の各制御信号に合わせ、強度情報や位相情報に基づき、対物レンズ１６の焦点深度内における３次元の画像を構築する。
本実施例の場合、反射型に比較して、対象物Ｓに近接して受光素子２８を配置することができるので、取得できる空間周波数を非常に高く設定することが可能となる。この結果、対象物Ｓの有する空間周波数の再現性が良くなるので、横分解能の更なる向上が可能となる。特に、生きたままの状態で、生物や細胞等の観察や計測を非常に高分解能で実施できる。これは、電子顕微鏡のような高倍率であっても生体を殺した状態でないと観測できない測定器とは大きく異なる特徴である。
【０１０８】
以上より、本実施例においても、第１のデータ処理部２１において得られた、強度情報や位相情報に基づく対物レンズ１６の焦点深度内で３次元の画像と、前記第２のデータ処理部２７において得られた３次元の位置情報とが、第３のデータ処理部３１において処理され、共焦点レーザー走査型顕微鏡と同等の分解能で深さ方向の定量化され、表面のプロファイル情報を簡単に導くことができ、表示装置３２において表示する。
【０１０９】
以上のことから、対物レンズ１６の焦点深度より深い高低差を持つ対象物Ｓにおいても測定が可能となる。また、データ処理部３１は得られた３次元画像データを電子データとして保存する機能を有す。したがって、本実施例によれば、横分解能がアッベの回折限界を超え、共焦点レーザー走査型顕微鏡と同等の分解能で深さ方向を定量化した３次元計測データを取得することが可能なレーザー走査型顕微鏡を得ることが出来る。
【実施例５】
【０１１０】
本実施例は、実施例２で述べた反射光学系を透過光学系に置き換えた実施例である。
図１０は、本発明の実施例の構成を示す透過型の光学系のブロック図である。本実施例における主要な光学系は、実施例２における偏光ビームスプリッター８、１／４波長板９、受光素子１８、光電変換部１９、および信号比較器２０を削除し、前記実施例４で述べた対象物Ｓをはさんで対物レンズ１６と反対側に配置された受光系である受光素子２８を加えたものであるため、詳細な説明を割愛する。
【実施例６】
【０１１１】
本実施例は、反射光学系と透過光学系と併用する場合の実施例である。
図１１は、本発明の実施例の構成を示す光学系のブロック図である。実施例１から実施例３において述べた反射光学系に、対象物Ｓをはさんで対物レンズ１６と反対側に配置された受光系である受光素子２８を加えたものであるため、詳細な説明を割愛する。なお、本実施例の代表例としては、この図１１に示す実施例１の構成に透過系を加えた構成であり、このような構成によれば、１台のレーザー走査型顕微鏡で反射像と透過像をそれぞれ撮像可能となり、また同時に撮像することも可能となる。
【０１１２】
以上、本発明に係る実施の形態を説明したが、本発明は前述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１１３】
本発明は、レーザー光の走査によって不透明物体の表面形状の観察及び計測、透明物体の表面または内部構造の観察及び計測を高速に行うレーザー走査型顕微鏡だけでなく、さまざまな種類の顕微鏡に好適なものである。
【符号の説明】
【０１１４】
１    レーザー光源
２    コリメーターレンズ
３    ビーム整形光学系
４    音響光学変調素子
５    第１の瞳伝達拡大レンズ系
６    ピンホール
７    制限開口
８    偏光ビームスプリッター
９    １／４波長板
１０    ビームスプリッター
１１    第１の１次元走査ディバイス
１２    第２の瞳伝達拡大レンズ系
１３    第２の１次元走査ディバイス
１４    制御基板
１５    第３の瞳伝達拡大レンズ系
１６    対物レンズ
１８    第１の受光素子
１９    光電変換部
２０    信号比較器
２１    第１のデータ処理部
２２    集束レンズ
２３    ピンホール
２４    第２の受光素子
２５    光電変換部
２６    対物レンズ移動機構
２７    第２のデータ処理部
２８    第３の受光素子
２９    光電変換部
３０    信号比較器
３１    第３のデータ処理部 
３２    表示装置
３３    ビームスプリッター
３４    結像レンズ
３５    １次元撮像素子
３６    光電変換部
Ｓ    対象物
【図１】
2014026194.tif 000003
【図２】
2014026194.tif 000004
【図３】
2014026194.tif 000005
【図４】
2014026194.tif 000006
【図５】
2014026194.tif 000007
【図６】
2014026194.tif 000008
【図７】
2014026194.tif 000009
【図８】
2014026194.tif 000010
【図９】
2014026194.tif 000011
【図１０】
2014026194.tif 000012
【図１１】
2014026194.tif 000013