(57)【要約】【課題】  本発明は、ピンホール基板の内外周のムラがなく低製造コストな共焦点光学装置を提供する。【解決手段】  本発明の共焦点光学装置は、複数のピンホールが形成されたピンホール基板を回転させ、このピンホール基板を通過した照射光を試料に対して走査する。ピンホール基板は、所定の内角で分割された扇形を単位領域として、その単位領域内の一方の半径上の点を始点として他方の半径上の点を終点とし、始点から終点へと進むにつれて半径方向位置が中心から遠ざかり、かつ始点の半径方向位置がそれぞれ異なる複数のスパイラル上のそれぞれに等角度配置されたピンホールを有している。この単位領域内における複数のスパイラル上に配置されるピンホールの数は、スパイラルの長さが長いほど多いことを特徴とする。【選択図】    図２
2006201207.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のピンホールが形成されたピンホール基板を回転させ、このピンホール基板を通過した照射光を試料に対して走査する共焦点光学装置であって、
前記ピンホール基板は、所定の内角で分割された扇形を単位領域として、その単位領域内の一方の半径上の点を始点として他方の半径上の点を終点とし、前記始点から前記終点へと進むにつれて半径方向位置が中心から遠ざかり、かつ始点の半径方向位置がそれぞれ異なる複数のスパイラル上のそれぞれに等角度配置されたピンホールを有し、
前記単位領域内における前記複数のスパイラル上に配置される前記ピンホールの数は、スパイラルの長さが長いほど多いことを特徴とする共焦点光学装置。
【請求項２】
前記単位領域は、前記ピンホール基板を等角度で分割して形成され、前記単位領域内における任意の前記スパイラルの前記始点の半径方向位置と前記終点の半径方向位置との差が隣接するスパイラルとの径方向間隔の整数倍になるように設定されることを特徴とする請求項１に記載の共焦点光学装置。
【請求項３】
任意の前記スパイラルの進行方向に沿って隣り合う前記ピンホールの半径方向位置の差が前記ピンホールの開口径以下になるように設定させることを特徴とする請求項１に記載の共焦点光学装置。
【請求項４】
前記スパイラルは、前記始点から終点へと進むにつれて、進んだ角度に略比例した長さだけ半径方向位置が中心から遠ざかることを特徴とする請求項１に記載の共焦点光学装置。
【請求項５】
前記複数のスパイラル上に配置される前記ピンホールの数は、スパイラルの長さに略比例することを特徴とする請求項１に記載の共焦点光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共焦点顕微鏡等に用いられる共焦点光学装置、特に共焦点光学装置のピンホール基板内のピンホールの配置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、共焦点光学系を利用した顕微鏡として、特許文献１（特開平１０−２２１６０７号公報）に記載されたものが知られている。特許文献１に記載された共焦点顕微鏡によれば、光源から出た光をピンホール基板に照射する。ピンホール基板に形成された複数のピンホールを出た光は、対物レンズによって試料上に集光される。
【０００３】
試料の表面が対物レンズの焦点位置にある場合は、試料からの反射光は、照射されたときと逆の経路でピンホールに集光し、ピンホールを通過し、接眼レンズ側に結像する。試料の表面が対物レンズの焦点位置からずれている場合は、ピンホールに戻ってきた光は、ずれ量に応じた広がりを持つため、大部分はピンホールを通過せず遮断される。このような構成により、焦点位置付近の部分のみの像を観察することができる。
【０００４】
このような共焦点光学系で用いられるピンホール基板（ニポーディスク）におけるピンホールの配置のしかたに関しては、例えば特許文献２（特開平５−１２７０９０号公報）に記載されている。
【０００５】
特許文献２によれば、従来のピンホール基板では、複数のピンホールがスパイラル状に配置されていたが、その配置位置は、径方向の列で見ると、等角度で配置されていた。そのためピンホール基板の外周側のピンホール間ピッチの方が内周側のピンホール間ピッチに比べて広くなる。このことをピンホール基板の透過光量で考えると、外周側が暗く、内周側が明るくなるため、光走査に明暗のむらが生じることとなっていた。
【０００６】
これを解決するために、特許文献２には、ピンホールをスパイラル上で等ピッチで配置させることで、内周と外周で明暗のむらが生じるのを防ぐことが記載されている。
【特許文献１】特開平１０−２２１６０７号公報
【特許文献２】特開平５−１２７０９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献２に記載されたピンホール基板を製作するためには、ピンホール基板上で各ピンホールをそれぞれ数学的に求めた位置に位置決めする必要があり、ピンホールパターンの形成のための原版の製作の難易度が高いという問題点があった。
以上の事情に鑑みて本発明はなされたものであり、内外周での明暗のむらがない光走査が可能であり、且つピンホール基板の原版製作が容易な共焦点光学装置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】
【０００８】
上記課題の解決のため、請求項１に係る発明は、
複数のピンホールが形成されたピンホール基板を回転させ、このピンホール基板を通過した照射光を試料に対して走査する共焦点光学装置であって、
前記ピンホール基板は、所定の内角で分割された扇形を単位領域として、その単位領域内の一方の半径上の点を始点として他方の半径上の点を終点とし、前記始点から前記終点へと進むにつれて半径方向位置が中心から遠ざかり、かつ始点の半径方向位置がそれぞれ異なる複数のスパイラル上のそれぞれに等角度配置されたピンホールを有し、
前記単位領域内における前記複数のスパイラル上に配置される前記ピンホールの数は、スパイラルの長さが長いほど多いことを特徴とする。
【０００９】
また、請求項２に係る発明は、
請求項１に記載の共焦点光学装置において、
前記単位領域は、前記ピンホール基板を等角度で分割して形成され、前記単位領域内における任意ギ前記スパイラルの前記始点の半径方向位置と前記終点の半径方向位置との差が隣接するスパイラルとの径方向間隔の整数倍になるように設定されることを特徴とする。
【００１０】
また、請求項３に係る発明は、
請求項１に記載の共焦点光学装置において、
任意の前記スパイラルの進行方向に沿って隣り合う前記ピンホールの半径方向位置の差が前記ピンホールの開口径以下になるように設定させることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項４に係る発明は、
請求項１に記載の共焦点光学装置において、
前記スパイラルは、前記始点から終点へと進むにつれて、進んだ角度に略比例した長さだけ半径方向位置が中心から遠ざかることを特徴とする。
【００１２】
また、請求項５に係る発明は、
請求項１に記載の共焦点光学装置において、
前記複数のスパイラル上に配置される前記ピンホールの数は、スパイラルの長さに略比例することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、内外周での明暗のむらがない光走査が可能となり、且つピンホール基板の原版製作が容易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態の説明をする。図１は、本発明の実施形態による共焦点光学装置で用いるピンホール基板１０の一例を示す図である。
【００１５】
図１において、基板上には、複数のピンホール１２が複数条のスパイラル状に配列されている。なお、図１に示すピンホール１２はその配列構成を明確にするために数を減らして表示しており、以後述べる配列構成に基づいて、実際にはさらに多数のピンホール１２にはさらに多数のピンホール１２が形成される。
【００１６】
ピンホール１２のピンホール基板１０上での配列は、ピンホール基板１０を内角αで分割した扇形の領域１０ａを単位領域として決定される。その単位領域内で想定したスパイラル上に等角度配列される。スパイラルは、ピンホール基板１０の回転中心Ｏ周りに複数条が想定され、それぞれのスパイラルはリニアなスパイラルである。ここで、リニアなスパイラルとは、スパイラルが進行するにつれて、進行した角度に比例して半径方向位置が中心から遠ざかるスパイラルである。
【００１７】
図２は、ピンホール基板１０の単位領域におけるピンホール配列を示す図である。
図２によれば、最も内側のスパイラルＳ0の始点半径をｒ0、隣接するスパイラルＳ1との径方向間隔をｐとし、１本外側へいくにつれてｋ個のピンホール１２を追加したとして、最も内側のスパイラルＳ0に沿って配列されるピンホール数ｎが、
ｎ≒αｒ0／ｐ
となるように設定される。
ここで、ｊ条目スパイラルのｉ番目ピンホールの極座標（θij，ｒij）を求めると、
θij＝αｉ／（ｎ＋ｊｋ）  ・・・（１）
ｒij＝（ｍｐ／α）θij  ＋（ｒ0＋ｊｋ）  ・・・（２）
但し、
ｉ＝０，１，２，・・・，（ｎ−１＋ｊｋ）
ｊ＝０，１，２，・・・，必要数
となる。
【００１８】
すなわち、任意の単位領域１０ａの範囲において、各スパイラルＳ0〜Ｓjの長さ（簡単のため、上式は「スパイラル長さ≒各スパイラルのｉ＝０における半径の弧の長さ」とした）に略比例した数のピンホール１２を等角度配列することにより、内周から外周までほぼ等しいピンホール密度とすることができ、内外周の照度差を低減することができる。但し、この中の１本のスパイラル内のピンホール配列に注目した場合、ピンホール１２は等角度配列されている。そのためピンホール間隔（ｌ）は、該スパイラルの進行に従ってｒに比例して大きくなっており、等ピッチで配列されているわけではない。すなわち、各スパイラルの長さに従ってそのスパイラル上に配列されるピンホール数を設定すれば、製作が容易で低コストである等角度配列させたとしても内周から外周に亘ってピンホール密度を略一定とすることができる。この場合、ピンホール間隔を等ピッチにしなくてもよいこととなる。
【００１９】
なお、上式におけるｍは、単位領域１０ａ内におけるスパイラルの始点半径と終点半径の差に応じた数である（ｍ＝０，１，２，・・・）。ｊ条目のスパイラルＳjの始点半径ｒ0jに対して、その終点半径はｒ0j＋ｍｐであり、（ｊ＋ｍ）条目のスパイラルＳ(j+m)の始点半径と同じになる。例えば、図２に示すｍ＝２の場合、Ｓ0の終点半径はＳ2の始点半径と同一になっていることがわかる。
【００２０】
また、上記ピンホール配列方法に加えて、内角αを、αの整数倍が２πｒａｄ（３６０°）となるように設定し、（例えば３０°、４５°、６０°、９０°、１２０°、・・・）、かつ最も内側のスパイラルＳ0（すなわちｊ＝０のとき）の終点半径が、
ｒ0＋ｍｐ
（ｍは整数）
となるように設定してもよい。
この場合、単位領域１０ａ内に配置したピンホール１２を、角度αで必要数回転コピーし、全円に配置する。すなわち、任意のスパイラル（すなわちｊ番目のスパイラル）の終点は、隣の単位領域（図１の単位領域１０ｂ参照）の（ｊ＋ｍ）番目のスパイラルの始点に一致するため、全円では有効範囲の全てのピンホール列が滑らかにつながり、ピンホール基板１０のどの部分を用いても不連続なムラを生じないこととなる。
【００２１】
また、スパイラルのピンホール配列において、ｒ(i+1)−ｒiの値が、少なくともピンホール径ｄ以下、好ましくはｄよりも十分に小さい値となるように、ｍの値を設定する。これによって任意のピンホール１２（例えば、図２のピンホール１２ａ参照）によって試料に露光される同心円状領域と、すぐ隣のピンホール（例えば図２のピンホール１２ｂ参照）によって試料に露光される同心円状領域とは、十分にオーバーラップするため、露光不良による明暗による縞状のムラを回避することができる。なお、仮にｍ＝１でも十分なオーバーラップを確保できない場合には、ピンホール基板１０の分割数を加減することで調整することも可能である。一例を示すならば、ピンホール基板１０を６つの単位領域に分割し、ｍ＝１、α＝π／３、ｋ＝１としても十分なオーバーラップを確保できない場合には、ピンホール基板１０を３つの単位領域に分割し、ｍ＝１、α＝２π／３、ｋ＝２にすることでオーバーラップを確保する等が考えられる。
【００２２】
以上、本発明の共焦点光学装置のピンホールパターンについての実施形態を示してきたが、以下さらに好ましい具体例について再び図２を参照しつつ説明する。
まず、ピンホール基板１０が十分な共焦点効果を得るには、経験則上、ピンホール間隔ｌは、等方的にピンホール径ｄの８倍以上確保する必要があると考えられている。その反面、照明光の利用効率はピンホール密度が高い、すなわちピンホール間隔ｌが狭い方がよい。光源装置の簡単化、フレアや迷光の低減に有効だからである。つまり、隣接するスパイラルの径方向間隔ｐと、スパイラル上のピンホール間隔ｌは、ともに８ｄ以上で、できるだけ小さい値が望ましいことから、ｐ≒ｌが好ましい。また、ピンホール基板１０の分割数が多い方がディスクの製作は簡単、低コストである。内角αを半径ｒと円弧の長さ（≒スパイラルの長さ）が等しくなる１ｒａｄに近いπ／３ｒａｄ（６０°）とすると、１本外側のスパイラルは、内側のスパイラルよりも、約ｌだけ長いことになる。このことを利用すれば、１本外側のスパイラルは１個ピンホールを多くし（ｋ＝１）、かつ６０°の線上でｐの整数倍（ｍ倍）の位置にピンホールが来るようににし、さらに十分なオーバーラップを確保するように配列することで、内周外周の照度差が少なく、かつ３６０°に展開した際にピンホール列が滑らかにつながって不連続ムラがなく、縞状ムラもない、ピンホール基板１０が得られることとなる。
【００２３】
上記具体例を、図２を参照しつつ前述した式（１）、式（２）に当てはめて考えてみる。まず、最も内側のスパイラル（ｊ＝０）の、始点半径をｒ0、隣接するスパイラルとの径方向間隔をｐとすると、最も内側のスパイラルの終点半径は、
ｒ0＋ｍｐ
となる（ｍは整数）。
また、最も内側のスパイラルのピンホール数ｎを、
ｎ≒（πｒ0／３）／ｐ
となるように設定する。
これからｊ条目のスパイラルのｉ番目のピンホールの極座標（θij，ｒij）を求めると、式（１）、式（２）より
θij＝πｉ／｛３（ｎ＋ｊ）｝
ｒij＝（３ｍｐ／π）θij  ＋（ｒ0＋ｊｐ）
但し、
ｉ＝０，１，２，・・・，（ｎ−１＋ｊ）
ｊ＝０，１，２，・・・，必要数
となる。
【００２４】
上記等角度６分割配列で、実際のピンホール配列を設計してみた。ピンホール径ｄは５０μｍ、必要ピンホール領域はｒ＝２５〜５０ｍｍ以上とした。ここで、ｐ（≒ｌ）≒８ｄ、オーバーラップが径の１／４程度以下、となるように以下の適当な数値を割り付けた。
ｐ＝０．４
ｍ＝２
ｒ0＝２４
ｎ＝６３≒（πｒ0／３）／ｐ
但し、ｌ≒０．４（＝ｐ）となるように調整している。
これにより求めたピンホールの配置は、
θij＝πｉ／｛３（６３＋ｊ）｝
ｒij＝（２．４／π）θij  ＋（２４＋０．４ｊ）
ｉ＝０，１，２，・・・，６２＋ｊ
ｊ＝０，１，２，・・・，６５
となり、最終的に、これらを６０°回転コピーしてピンホール基板全体に配列したものとなる。また、必要な場合には不要領域のピンホールを削除しても差し支えない。
なお、ここで示されたピンホール基板の全ピンホール数、ピンホール間隔ｌは、それぞれ、全ピンホール数３７８１２＝６×６３０２、ピンホール間隔ｌ＝０．３９９〜０．４１６ｍｍであった。
【００２５】
以上説明したピンホール基板１０を用いた共焦点光学装置の構成と動作について、以下に説明する。
図３は、本発明の一実施形態に係る共焦点光学装置の概要を示す図である。
図３に示すように、本実施形態の共焦点光学装置は、対物レンズ系１４を介して対象物Ｍに対して照明光を照射して反射光を得る共焦点光学系１００と、共焦点光学系１００を介して結像された対象物Ｍの像を肉眼観察するための接眼レンズ４０と、ピンホール基板１０を駆動する駆動モータ５４１とを有する。
【００２６】
共焦点光学系１００は、光源１１、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１２、結像レンズ１３、対物レンズ系１４、および、１／４波長板１５を有する。また、この対物レンズ系１４の下方位置に、観察すべき対象物Ｍを載置すると共に、ＸＹＺの３軸方向に変位可能なＸＹＺステージ５３３が配置される。
【００２７】
次に、本実施形態の動作について説明する。
本実施形態では、光源１１からの照明光がＰＢＳ１２を介して共焦点光学系１００に導かれ、ＸＹＺステージ５３３上に置かれた対象物Ｍ上に投射される。この際、照明光は、結像レンズ１３により絞り込まれ、ピンホール基板１０に設けられたピンホールを介して対物レンズ系１４に導かれて、対象物Ｍに投射される。一方、対象物Ｍにおいて反射された反射光は、対物レンズ系１４を経てピンホール基板１０のピンホールに至る。ここで、対象物Ｍの反射面が対物レンズ系１４の焦点位置に存在する場合には、反射光は絞り込まれているため、その光束の大部分がピンホール基板１０のピンホールを通って結像レンズ１３に戻る。しかし、対象物Ｍの反射面が対物レンズ系１４の焦点位置にない場合には、反射光は空間的に広がりを持つため、その光束の一部のみがピンホール基板１０のピンホールを通過するに過ぎない。結果的に、対象物Ｍの反射面が焦点位置にある時は、光量の多い反射光が結像レンズ１３に戻り、そうでない場合には、ピンホール基板１０面における、光束の広がりの断面積が大きくなるほど光量が減少した反射光が戻ることになる。ピンホール基板１０のピンホールを通過した反射光は、結像レンズ１３を介してＰＢＳ１２を通り接眼レンズの手前で結像される。そして接眼レンズ４０に導かれる。
【００２８】
なお、ＰＢＳ１２は、Ｐ偏光成分を反射し、Ｓ偏光成分を透過するものとする。光源１１からの照明光はＰＢＳ１２でＰ偏光成分のみが反射して対物レンズ１４へと進む。このＰ偏光は、対象物Ｍに照射される前と、対象物Ｍで反射した後に１／４波長板１５を透過する。このため、１／４波長板１５を透過した反射光はＳ偏光となる。ＰＢＳ１２に達したＳ偏光は、ＰＢＳ１２を透過し、接眼レンズ４０へと進む。
【００２９】
駆動モータ５４１によってピンホール基板１０を回転させることにより、ピンホールを介して対象物Ｍに照射される光が対象物Ｍ面上を走査する。そして、視野範囲の対象物Ｍ面の焦点位置にある部分の像のみを接眼レンズ４０を介して観察することとなる。ＸＹＺステージ５３３をＺ方向に移動させることにより、対象物Ｍの高さ方向に対する焦点位置を変えることができるため、異なる高さ位置の像を観察することができる。
【００３０】
以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本実施形態では、ピンホールを各スパイラル上に配列するときに該スパイラルの長さに略比例する数のピンホールを等角度配列しているため、ピンホール基板の内周側と外周側におけるピンホール密度がほぼ変わらず、内外周の照度差による明暗のムラが生じないこととなる。また、各スパイラル上でピンホールを等角度に配列するので等ピッチに配列する場合よりもピンホール基板製造を簡単且つ低コストとすることができる。
【００３１】
また、本実施形態の共焦点光学装置は、ピンホール基板を等角度に分割した扇形領域を単位領域とし、これを角度方向にコピーしてピンホール基板全体を形成することができるので、製造コストをさらに低減することができるとともに、任意の単位領域における一のスパイラルの終点を、次の単位領域における一のスパイラルに連続させることができるので、ピンホール基板全体に亘って滑らかで連続したピンホール列を形成することができる。
【００３２】
さらに、本実施形態の共焦点光学装置によれば、ピンホール基板を回転させた際の一のピンホール軌跡が隣り合うピンホール軌跡と十分にオーバーラップさせることができ、露光の際に縞状のムラを発生させないという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施形態の共焦点光学装置のピンホール基板のピンホールパターンを示す図である。
【図２】本発明の実施形態の共焦点光学装置のピンホール基板の、等角分割した単位領域におけるピンホール配列を示す図である。
【図３】本発明の実施形態の共焦点光学装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
１０…ピンホール基板
１２…ピンホール
４０…接眼レンズ
１００…共焦点光学系
Ｓ…スパイラル
Ｍ…対象物（試料）
【図１】
2006201207.tif 000003
【図２】
2006201207.tif 000004
【図３】
2006201207.tif 000005