(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なる方向において低速駆動と高速駆動を行うスキャナを有するプローブと、前記スキャナを駆動する制御装置と、被検部に光を照射する光源と、前記光源からの光をプローブ先端に導くための光ファイバと、前記光ファイバからの光を被検部に合焦させ、被検部からの光を前記光ファイバ端面に集光させる合焦手段と、前記被検部からの戻り光の少なくとも一部を光源からの光の光路から分離する分離手段と、前記分離された光を検出する検出器と、前記検出器からの信号をＡ／Ｄ変換して画像化する画像化装置と、画像を表示するモニタとを有する共焦点光走査プローブ装置において、
前記検出器からの信号のうち、少なくとも直流信号成分を除去するフィルタ装置を有し、当該フィルタ装置により直流信号成分を除去された前記検出器からの信号を前記画像化装置が画像化し、
前記フィルタ装置は、前記検出器からの電気信号のうちの高周波成分のみを通過する高域通過フィルタ回路を有し、
前記高域通過フィルタ回路は、高域通過カットオフ周波数が、少なくとも前記スキャナの低速側駆動周波数以下であり、
前記フィルタ装置は、前記検出器からの電気信号のうちの低周波成分のみを通過する低域通過フィルタ回路を有し、
前記低域通過フィルタ回路は、低域通過カットオフ周波数が、少なくとも以下の式を満たすことを特徴とする共焦点光走査プローブ装置。
ｆlc≦（Ｘ×ｆx）／ｒ ここでｆlc：低域通過カットオフ周波数 Ｘ：前記スキャナの高速駆動側の走査範囲 ｆx ：前記スキャナの高速駆動側の周波数 ｒ：前記プローブの光学的分解能
【請求項２】
前記スキャナは、一方の方向に高速に駆動し、なおかつそれと直交する方向に低速に駆動する２次元スキャナであることを特徴とする請求項１に記載の共焦点光走査プローブ装置。
【請求項３】
前記スキャナは、半導体プロセスにより生成された２次元走査マイクロマシンミラーを有することを特徴とする請求項１に記載の共焦点光走査プローブ装置。
【請求項４】
前記スキャナは、少なくとも２つ以上の圧電素子により、前記プローブ先端部のレンズおよびファイバ端部を２次元に一体的に走査することを特徴とする請求項１に記載の共焦点光走査プローブ装置。
【請求項５】
前記高域及び低域通過フィルタ回路は、抵抗素子およびコンデンサの組み合わせから構成されることを特徴とする請求項１に記載の共焦点光走査プローブ装置。
【請求項６】
前記高域及び低域通過フィルタ回路は、抵抗素子およびコイルの組み合わせから構成されることを特徴とする請求項１に記載の共焦点光走査プローブ装置。
【請求項７】
前記高域及び低域通過フィルタ回路は、抵抗素子とコンデンサと半導体増幅素子の組み合わせから構成されることを特徴とする請求項１に記載の共焦点光走査プローブ装置。
【請求項８】
前記高域及び低域通過フィルタ回路は、抵抗素子とコイルと半導体増幅素子の組み合わせから構成されることを特徴とする請求項１に記載の共焦点光走査プローブ装置。
【請求項９】
前記高域及び低域通過フィルタ回路は、抵抗素子とコンデンサとコイルと半導体増幅素子の組み合わせから構成されることを特徴とする請求項１に記載の共焦点光走査プローブ装置。
【請求項１０】
前記フィルタ装置は、前記検出器と前記画像化装置の間、前記検出器内、前記画像化装置内、あるいは前記検出器と前記画像化装置を一体化した装置内のいずれかに配置されることを特徴とする請求項１に記載の共焦点光走査プローブ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は共焦点光走査プローブ装置、更に詳しくは光学像の電気信号のノイズ除去部分に特徴のある共焦点光走査プローブ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術として、特開平９−２３０２４８号公報において、マイクロ機械加工された小型の共焦点顕微鏡について開示されている。また、特開平３−８７８０４号公報において、内視鏡ヘッドに搭載した小型の共焦点顕微鏡システムについて開示されている。また、特開２０００−１７１７１８号公報、検出信号をＡ／Ｄ変換により画像化し、画素演算により輸郭強調等を行う共焦点光走査装置が開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術により生体の細胞などを観察する際、構成される固定反射ミラーやファイバ端面からの反射光や散乱光が、光信号の直流成分ノイズとして、観察対象の信号に加わってしまう。これにより、本来必要とする観察対象の信号が直流成分ノイズに埋もれて、十分な観察ができない可能性がある。
【０００４】
また、従来技術のように、検出器により検出した光信号を電気信号に変換し、それを画像化装置にて画像化する際、Ａ／Ｄ変換が必要であるため、あらかじめ低域通過フィルタで、検出器からの電気信号を高周波成分を除去するのが一般的である。しかし、この低域通過フィルタを、Ａ／Ｄ変換時のサンプリング周波数に近いカットオフ周波数にすると、スキャナの駆動周波数の高調波成分などの高周波ノイズが画像に入り、画質劣化の原因となる可能性がある。
【０００５】
また、従来技術のように、検出器により検出した光信号を電気信号に変換し、それを画像化装置にて画像化する際、Ａ／Ｄ変換が必要であるため、あらかじめ低域通過フィルタで、検出器からの電気信号を高周波成分を除去するのが一般的である。しかし、この低域通過フィルタを、サンプリングの定理による、Ａ／Ｄ変換時のサンプリング周波数に近いカットオフ周波数にすると、スキャナの駆動周波数の高調波成分が画像に入り、ノイズの原因となる可能性がある。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、ノイズが少なく、Ｓ／Ｎの良い、鮮明な観察画像を得ることのできる共焦点光走査プローブ装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の共焦点光走査プローブ装置は、異なる方向において低速駆動と高速駆動を行うスキャナを有するプローブと、前記スキャナを駆動する制御装置と、被検部に光を照射する光源と、前記光源からの光をプローブ先端に導くための光ファイバと、前記光ファイバからの光を被検部に合焦させ、被検部からの光を前記光ファイバ端面に集光させる合焦手段と、前記被検部からの戻り光の少なくとも一部を光源からの光の光路から分離する分離手段と、前記分離された光を検出する検出器と、前記検出器からの信号をＡ／Ｄ変換して画像化する画像化装置と、画像を表示するモニタとを有する共焦点光走査プローブ装置において、前記検出器からの信号のうち、少なくとも直流信号成分を除去するフィルタ装置を有し、当該フィルタ装置により直流信号成分を除去された前記検出器からの信号を前記画像化装置が画像化し、前記フィルタ装置は、前記検出器からの電気信号のうちの高周波成分のみを通過する高域通過フィルタ回路を有し、前記高域通過フィルタ回路は、高域通過カットオフ周波数が、少なくとも前記スキャナの低速側駆動周波数以下であり、前記フィルタ装置は、前記検出器からの電気信号のうちの低周波成分のみを通過する低域通過フィルタ回路を有し、前記低域通過フィルタ回路は、低域通過カットオフ周波数が、少なくとも以下の式を満たす。ｆlc≦（Ｘ×ｆx）／ｒ ここでｆlc：低域通過カットオフ周波数 Ｘ：前記スキャナの高速駆動側の走査範囲 ｆx：前記スキャナの高速駆動側の周波数 ｒ：前記プローブの光学的分解能。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について述べる。
【０００９】
図１ないし図１９は本発明の第１の実施の形態に係わり、図１は共焦点光走査プローブ装置の構成を示すブロック図、図２は図１のフィルタ装置の構成を示す構成図、図３は図２のＨＰＦの周波数特性を示す図、図４は図２のＨＰＦの作用を説明する図、図５は図２のＨＰＦの第１の変形例の構成を示す図、図６は図２のＨＰＦの第２の変形例の構成を示す図、図７は図２のＨＰＦの第３の変形例の構成を示す図、図８は図２のＨＰＦの第４の変形例の構成を示す図、図９は図２のＨＰＦの第５の変形例の構成を示す図、図１０は図２のＬＰＦの周波数特性を示す図、図１１は図２のＬＰＦの第１の変形例の構成を示す図、図１２は図２のＬＰＦの第２の変形例の構成を示す図、図１３は図２のＬＰＦの第３の変形例の構成を示す図、図１４は図２のＬＰＦの第４の変形例の構成を示す図、図１５は図２のＬＰＦの第５の変形例の構成を示す図、図１６は図１のプローブの先端部を示す断面図、図１７は図１６のプローブのスキャナの構造を示す断面図、図１８は図１７のスキャナの構造を示す平面図、図１９は図１７のスキャナの詳細構造を示す平面図である。
【００１０】
図１に示すように、本実施の形態の共焦点光走査プローブ装置は、スキャナを有するプローブ１と、前記スキャナを駆動する制御装置２と、前記プローブ１に光を供給し、前記プローブ１からの光学像を検出して電気信号にする光学ユニット３と、前記光学ユニット３からの信号を特定の周波数成分だけ通過させるフィルタ装置５０１と、前記フィルタ装置５０１からの電気信号を画像化する画像化装置４と、前記画像化装置４からの映像を表示するモニタ５と、スキャナを駆動する駆動波形の基準となるクロックを発生させる外部クロック発生器７とを備える。これらは、次のような接続関係になっている。
【００１１】
プローブ１は、信号線１ａを介して制御装置２と電気的かつ着脱可能に接続され、さらに光ファイバ１ｂにより制御装置２のコネクタ１１を介して光学ユニット３のコネクタ１７に光学的かつ着脱可能に接続ざれている。
【００１２】
光学ユニット３は、光源としてのレーザダイオード(以下、ＬＤと称す)１５と、フォトマルチブライアチューブ(以下、ＰＭＴと称す)ユニット１６と、４端子カブラ８とからなる。
【００１３】
光学ユニット３において、４端子カブラ８は、４つの端部８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄを有し、端部８ａは光ファイバ１ｃに光学的に接続され、８ｂはLD15に光学的に接続されている。また、端部８ｄは光ファイバ終端８ｈにより終端され、端部８ｃはＰＭＴユニット１６に光学的に接続されている。端部８ａ，８ｄから入った光はそれぞれ分岐されて端部８ｂ，８ｃに伝えられ、逆にまた、端部８ｂ，８ｃから入った光はそれぞれ分岐されて、端部８ａ，８ｄに伝えられる構成になっている。
【００１４】
ＬＤ１５で発生するレーザ光は、端部８ｂ、４端子カブラ８、端部８ａ、コネクタ１１、光ファイバ１ｃ、コネクタ１１、光ファイバ１ｂを介してプローブ１へ伝送され、プローブ１内のスキャナ（後述）にて観察対象を２次元（ＸＹ方向）に光走査する。
【００１５】
プローブ１内のスキャナにて走査し、観察対象から反射する光信号は、光ファイバ１ｂ、コネクタ１１、光ファイバ１ｃ、コネクタ１７、端部８ａ、４端子カブラ８、端部８ｃ、を介して、ＰＭＴユニット１６に伝送され、ここで、光信号が電気信号に光電変換される。 ＰＭＴユニット１６で光電変換された電気信号は、信号線１６ｂ、コネクタ１８、信号線５０１ａ、およびコネクタ５０４を介してフィルタ装置５０１へ伝送される。
【００１６】
さらにＰＭＴユニット１６は、それを駆動する駆動電源２１と、信号線２１ａ、コネクタ１９、信号線１６ｃを介して電気的に接続されている。
【００１７】
制御装置２において、制御回路９は、信号線９ａを介してコネクタ１３に接続されている。また、制御回路９は信号線９ｂを介してコネクタ１１に電気的に接続されている。この制御回路９は、コネクタ１３から信号線９ａを介して入力されるスキャナ駆動信号を取り込み、これを増幅して、信号線９ｂを介してコネクタ１１に出力できるようになっている。
【００１８】
画像化装置４は画像化信号を生成する装置であり、コネクタ２４，２５，２６，５０２を備えている。コネクタ２４にはモニタ５が信号線４ｄを介して電気的に接続されている。
【００１９】
また、画像化装置４はコネクタ２６、信号線４ｂおよびコネクタ１３を介して制御装置２に電気的に接続されいる。画像化装置４のコネクタ２６には、信号線４ｅを介して、スキャナを駆動する駆動波形の基準となるクロックを発生させる外部クロック発生器７が電気的に接続されている。
【００２０】
また、画像化装置４はコネクタ２５、信号線４ｃおよびコネクタ５０３を介して光学ユニット３に電気的に接続され、相互に伝達可能となっており、信号線１６ｅにより、ＰＭＴユニット１６内のマルチブライアチューブの感度を制御する信号を画像化装置４から伝送する。
【００２１】
さらに、画像化装置４は、コネクタ５０２、信号線５０１ｂ，コネクタ５０５を介してフィルタ装置５０１と電気的に接続されており、フィルタ装置５０１から出力される信号が入力される。
【００２２】
フィルタ装置５０１はＰＭＴユニット１６と、信号線１６ｂ、コネクタ１８、信号線５０１ａ、コネクタ５０４を介して電気的に接続されて、ＰＭＴユニット１６内のマルチブライアチューブによって光電変換された電気信号がフィルタ装置５０１に入力される。フィルタ装置５０１において、特定の周波数成分の電気信号のみを通過させて、コネクタ５０５、信号線５０１ｂ、コネクタ５０２を介して、画像化装置４へ出力される。
【００２３】
フィルタ装置５０１は、図２に示すようなフィルタ回路５０６を有し、フィルタ回路５０６は高周波帯域の周波数成分を通過させる高周波通過フィルタ（以下、ＨＰＦと称す）５０７、低周波帯域の周波数成分を通過させる低周波通過フィルタ（以下、ＬＰＦと称す）５０８からなる。
【００２４】
ＰＭＴユニット１６からの電気信号には、プローブ１により得られる観察対象画像信号の他に、スキャナをはじめとする光学系により発生するノイズ信号も存在する。このノイズ信号を低減するために、次のように信号処理を行う。なお、ノイズ信号の発生源についての説明は後述する。
【００２５】
まず、ＰＭＴユニット１６からの電気信号はＨＰＦ５０７に入力される。ＨＰＦ５０７は抵抗Ｒ1、コンデンサＣ1により構成され、ＰＭＴユニット１６からの電気信号のうち、図３に示すように高域通過カットオフ周波数（電気信号の利得が−３ｄＢ＝約半分になる周波数）ｆhcより低い周波数成分の信号を減衰させる周波数特性となっている。なお、高域通過カットオフ周波数ｆhcは、以下で算出される。
【００２６】
ｆhc＝１／（２πＲ1Ｃ1）              （１）
例えば、スキャナの低速側周波数が４Ｈｚの場合、高域通過カットオフ周波数ｆhcは４Ｈｚ以下（例えば１Ｈｚ）になるように、またスキャナの低速側周波数が２０Ｈｚの場合、高域通過カットオフ周波数ｆhcは２０Ｈｚ以下（例えば１０Ｈｚ）になるように、各々抵抗Ｒ1、コンデンサＣ1の値が決定される。
【００２７】
特に、高域通過カットオフ周波数ｆhcを限りなくゼロ（直流）に近づけると、図４に示すように、後述のプローブ１を構成する光学系による直流成分ノイズを含む電気信号（図４（ａ）参照）から、ＨＰＦ５０７により直流成分ノイズを除去されて、観察対象からの電気信号を多く含む交流成分の信号が抽出される（図４（ｂ）参照）。
【００２８】
なお、図２において、ＨＰＦ５０７は抵抗Ｒ1、コンデンサＣ1のみで構成されているが、図５のように、抵抗ＲとコイルＬで構成しても良い。ただし、この時の高域通過カットオフ周波数ｆhcは、以下のようになる。
【００２９】
ｆhc＝Ｒ／２πＬ                （２）
また、図２におけるＨＰＦ５０７を、図６のように２次、あるいは図示しないがそれ以上の多段のフィルタとしても良い。もちろん、図５の構成を２次、あるいはそれ以上の多段としても良い。もちろん、図示しないが抵抗とコンデンサ、抵抗とコイルとの多段のフィルタとしても良い。
【００３０】
また、抵抗、コンデンサ、コイル等の受動素子によりフィルタを構成する代わりに、図７のように、オペアンプなどの能動素子を使ったアクティブフィルタとしても良い。もちろん、抵抗とコンデンサの代わりに、図示しないが抵抗とコイルとしても良い。
【００３１】
また、図７に加えて、抵抗とコンデンサを図８のように２次、あるいは図示しないがそれ以上の多段のフィルタとしても良い。もちろん、抵抗とコンデンサの代わりに、図示しないが抵抗とコイルとしても良い。
【００３２】
さらに、図７と図８を組合せて、図９のように複数のオペアンプによる多次（図９の場合は５次）のアクティブフィルタとしても良い。もちろん、図示しないが図２，５，６，７，８，９の組み合わせによって考えられるフィルタ、あるいはその他の素子を含んだ構成で同様の機能を有するフィルタであれば何でも良い。
【００３３】
また、図２，５，６，７，８，９あるいはそれらの組み合わせによって構成されるフィルタにおいて、抵抗、コンデンサ、コイル等の値を適切に設定して、利得を必要に応じて１あるいは１以外になるように設定しても良い。
【００３４】
次に、ＨＰＦ５０７から出力される信号は、ＬＰＦ５０８に入力される。 ＬＰＦ５０８は、図２に示すように、抵抗Ｒ2、コンデンサＣ2により構成され、ＨＰＦ５０７からの電気信号のうち、図１０に示すように、低域通過カットオフ周波数ｆlcよりも高い周波数成分を減衰させる周波数特性となっている。なお、低域通過カットオフ周波数ｆlcは、以下で算出される。
【００３５】
ｆlc＝１／（２πＲ2Ｃ2）                （３）
一方、プローブ１内のスキャナの高速駆動側の走査範囲をＸ、プローブ１が有する光学的解像度をｒとすると、画像化装置４でＡ／Ｄ変換して画像化する際、スキャナの高速駆動側が１往復する間に必要な表示画素数は、少なくとも２Ｘ／ｒとなる。なお、ここで２倍しているのはスキャナの高速駆動側周波数ｆxの１周期の間に走査される距離は、走査範囲Ｘを往復するので２倍となるためである。よって、画像化装置４でのＡ／Ｄ変換のサンプリング周波数ｆsplは、スキャナの高速駆動側が１往復する間に必要が表示画素数に、スキャナの高速駆動側周波数ｆxを乗算すれば良いので、以下のようになる。
【００３６】
ｆspl＝ｆx×（２Ｘ／ｒ）＝（２×Ｘ×ｆx）／ｒ                （４）
サンプリングの定理により、画像化装置４への出力は、ｆspl／２ 以下に低域通過カットオフ周波数を設定する必要があるので、低域通過カットオフ周波数ｆlcは、以下のようになる。
【００３７】
ｆlc≦ｆspl／２＝（Ｘ×ｆx）／ｒ                （５）
以上により、例えば、スキャナの走査範囲が１００μｍ、高速駆動側周波数ｆxが５００Ｈｚ、光学的解像度が０．５μｍの場合、式（５）より、低域通過カットオフ周波数ｆlcが１００ｋＨｚ以下となるように、式（２）の抵抗Ｒ2、コンデンサＣ2の値が決定される。
【００３８】
また、例えばスキャナの走査範囲が１００μｍ、高速駆動側周波数fxが３ｋＨｚ、光学的解像度が０．５μｍの場合、式（４）より、低域通過カットオフ周波数ｆlcが６００ｋＨｚ以下となるように、式（２）の抵抗Ｒ2、コンデンサＣ2の値が決定される。
【００３９】
上述のLPF508により、例えばスキャナの高速駆動側の駆動周波数の高調波による高周波成分のノイズを除去することができる。
【００４０】
なお、図２において、ＬＰＦ５０８は抵抗Ｒ2、コンデンサＣ2のみで構成されているが、図１１のように、抵抗ＲとコイルＬで構成しても良い。ただし、この時の低域通過カットオフ周波数ｆlcは、以下のようになる。
【００４１】
ｆlc＝Ｒ／２πＬ                （６）
また、図３におけるＬＰＦ５０８を、図１２のように２次、あるいは図示しないがそれ以上の多段のフィルタとしても良い。もちろん、図１１の構成を２次、あるいはそれ以上の多段としても良い。もちろん、図示しないが抵抗とコンデンサ、抵抗とコイルとの多段のフィルタとしても良い。
【００４２】
また、抵抗、コンデンサ、コイル等の受動素子によりフィルタを構成する代わりに、図１３のように、オペアンプなどの能動素子を使ったアクティブフィルタとしても良い。もちろん、抵抗とコンデンサの代わりに、図示しないが抵抗とコイルとしても良い。
【００４３】
また、図１３に加えて、抵抗とコンデンサを図１４のように２次、あるいは図示しないがそれ以上の多段のフィルタとしても良い。もちろん、抵抗とコンデンサの代わりに、図示しないが抵抗とコイルとしても良い。
【００４４】
さらに、図１３と図１４を組合せて、図１５のように複数のオペアンプによる多次（図１５の場合は５次）のアクティブフィルタとしても良い。もちろん、図示しないが図２，１１，１２，１３，１４，１５の組み合わせによって考えられるフィルタ、あるいはその他の素子を含んだ構成で同様の機能を有するフィルタであれば何でも良い。
【００４５】
また、図２，１１，１２，１３，１４，１５あるいはそれらの組み合わせによって構成されるフィルタにおいて、抵抗、コンデンサ、コイル等の値を適切に設定して、必要に応じて利得を１あるいは１以外になるように設定しても良い。
【００４６】
次に、プローブ１の先端部２００について図１６ないし図１９を参照して説明する。
【００４７】
プローブ１の外形形状は、図１６に示すように、円柱状に構成されている。プローブ１の外側は、チューブ２２４と、その内部に納められたコイルパイプ２２５によって構成されている。また、コイルパイプ２２５の内部には、光ファイバ２１７と、電気ケーブル２１８とが通っている。先端部には、コイルパイプ止め２２６があり、コイルパイプ２２５の先端部が接着されている。また、コイルパイプ止め２２６の内側は、図の網掛け部のように絶縁物質２４４で満たされている。また、コイルパイプ止め２２６にはガイドパイプ２２７が接着されており、チュープ２２４は、図のように糸巻き接着２２８によって、これらに固定されている。
【００４８】
スキャニングミラー２３２の構造、製作方法は後述する。スキャニングミラー２３２は、図のようにカバーガラス２４０、レンズ２３７を介して図の位置に配置されており、配線２３３、基板２３４、フレキシブル基板２３５、電気ケーブル２１８および信号線１ａを介して、制御装置２内の制御回路９と電気的に接続されている。なお、電気ケーブル２１８からフレキシブル基板２５５へ延びる導電性の電線は、図のように絶縁チューブ２３６で覆われている。
【００４９】
また、スキャニングミラー２３２は、ミラーガラス台２３１、間隔管２３０、光ファイバ２１７の先端部を固定的に保持するフェルール２２９に固定されている。ただし、スキャニングミラー２３２と、光ファイバ２１７と一体的に研磨されテーパ形状をなすフェルール２２９の先端は、接触せず、わずかに隙間があいている。
【００５０】
また、レンズ２３７はレンズ枠２３８に接着固定されており、間隔管２３９を介してミラー台２３１に固定されている。さらに、レンズ枠２３８はガイドパイプ２２７にも固定されている。さらに、レンズ枠２３８はガイドパイプ２２７にも固定されている。間隔管２３９は、図１６（ｂ）に示すように、断面線Ａ−Ａに示す断面構造となっている。
【００５１】
また、レンズ２３７は、中心部付近にミラー蒸着部２４５が設けられている。
【００５２】
先端カバー２４１は、間隔管２４２を介してレンズ枠２３８に固定されており、さらに先端カバー２４１は、ガイドパイプ２２７にも接着固定されている。先端カバー２４１には、カバーガラス２４０が固定されている。さらに、電気ケーブル２１８には、信号線１ａを介して制御装置２のＧＮＤに接続されているＧＮＤ線があり、このＧＮＤ線と、プローブ１の先端部を構成する導電性のコイルパイプ２２５、コイルパイプ止め２２６、フレキシブル基板２３５、基板２３４、間隔管２３０、間隔管２３９、レンズ枠２３８、先端カバー２４１、および間隔管２４２が、各々の接触部分で溶接されており、これらすべてが電気的に導通している。また、チューブ２２４と先端カバー２４１との隙間は、接着剤２４３が充填されている。
【００５３】
スキャニングミラー２３２は、図１７に示すように、シリコン基板２５０にエッチングを行い、凹部２５１を形成させている。また、裏面からもエッチングされて、凹部２４８、貫通穴２４７を形成している。プレート２５２はシリコン基板上に接着され、基板上の酸化物層によってシリコン基板２５０と絶縁されている。さらに適切にマスクした後プレート２５２の上面に窒化膜２５３を設け、これをミラー部２４９に必要な部分を残してエッチングする。このときのミラー部２４９を上面から見た図を図１８に示す。図の網かけ部は窒化膜を設けなかった部分である。
【００５４】
さらに、図１９に示すように、その上に導電層を形成し、電極２５４ａ，２５４ｂ，２５４ｃ，２５４ｄと、ミラー部２４９と、配線２５３ａ，２５３ｂ，２５３ｃ，２５３ｄとを製作する。この電極２５４ａ，２５４ｂはミラーの役割も兼ねる。ここで適切にエッチングを行うことにより、窒化膜に覆われていない部分を取り除く。このとき、ヒンジ部２５６，２５７の両側からアンダーエッチされることにより、窒化膜部分のみが残り、図１９に示すように、この部分を軸にして中心部２５５が回転できるようになる。上記電極２５４ａ，２５４ｂに互いに位相が反転する正弦波を印加することで、くぼみ部２４８に形成されるＧＮＤ部とでキャパシタを形成し、ミラー部２４９がＸ方向に静電気力で共振駆動する。また、中心部２５５の中心には中心穴２４６が設けられている。また、電極２５３ａ，２５３ｂ，２５３ｃ，２５３ｄは、前述した電気ケーブル２１８、信号線１ａを介して制御装置２のコネクタ１１に接続されている。
【００５５】
次に、共焦点光走査プローブ装置の光学系の動作を説明する。ＬＤ１５からのレーザ光は、端部８ｂ、ファイバカプラ８、端部８ａ、コネクタ１７、光ファイバ１ｃ、コネクタ１１、光ファイバｌｂを介して光ファイバ２１７のコアに供給される。この光ファイバ２１７のコアからの光は、シリコンミラー２５０の貫通穴２４７、ミラー部２４９の中心穴２４６を通って、レンズ２３７へ向かう。この光は、レンズ２３７表面のミラー蒸着部２４５によって反射され、広がりながらスキャンニングミラー２３２のミラー部２４９へ向かい、これにより反射される。続いて、この光は、レンズ２３７で集光され、カバーガラス２４０を通って焦点を結ぶ。この焦点からの反射光は入射光と同じ光路を逆方向に通り、再び、光ファイバ２１７のコアで焦点を結び、これに入射される。このとき、焦点２５９以外からの反射光は、入射光と同じ光路を通ることができず、光ファイバ２１７のコアにほとんど入射できない。つまり、このコアが小さいピンホールの働きをし、共焦点顕微鏡と同等の解像度を持つようになる。
【００５６】
次に、プローブ１において発生するノイズについて説明する。
【００５７】
光ファイバ２１７の出射端部の散乱光や、レンズ２３７表面のミラー蒸着部２４５の光ファイバ２１７の出射端部への直接反射光は、スキャニングミラー２３２により走査される観察対象の画像情報とは異なり、ほぼ直流成分のノイズとして、ＰＭＴユニット１６まで伝達されて光電変換されることになる。
【００５８】
そこで、上述のフィルタ装置５０１のＨＰＦ５０７によって高周波帯域成分の信号のみを通過させ、直流成分を除去し、図４（ｂ）に示すように交流信号へと変換する。これにより、ほぼ直流成分のノイズを除去することができる。またＬＰＦ５０８によって、低周波帯域成分の信号のみを通過させ、スキャナの駆動の影響により発生する高調波などの高周波成分のノイズを除去できる。
【００５９】
なお、本実施の形態では、光学ユニットとフィルタ装置が別々に構成されているが、これらを統合して一体化した構成としても良い。また、画像化装置も合わせて一体的に構成しても良い。また、フィルタ装置、画像化装置、および光学ユニットのうちの少なくとも２つを一体化した構成にしても良い。
【００６０】
このように本実施の形態では、フィルタ装置により、プローブ内のファイバ端部の散乱光や、レンズ表面のミラー蒸着部の直接反射光による直流成分ノイズが除去されるので、ノイズが少なく、Ｓ／Ｎの良い、鮮明な観察画像が得られる。
【００６１】
特に、本実施の形態におけるスキャナは、高速駆動側の共振周波数が３ｋＨｚ程度と比較的高く、単位時間当たりの画像数を多く取得することができる。すなわち、低速駆動側の周波数も高く、高域通過フィルタ回路のカットオフ周波数を高く設定することができ、構成される回路素子の選定が容易となり、安価で構成できる。
【００６２】
図２０及び図２１は本発明の第２の実施の形態に係わり、図２０は共焦点光走査プローブ装置のプローブの先端部の構成例を説明するために示す断面図、図２１は図２０のプローブの先端部の構成例を説明するための要部斜視図である。
【００６３】
第２の実施の形態は、第１の実施の形態とほとんど同じであるので、異なる点のみ説明し、同一の構成には同じ符号をつけ説明は省略する。
【００６４】
プローブ１Ａの先端部３００は、光走査手段としての走査ユニット３０５と、先端カバーユニット３０６と、光学枠３０７とを備えている。光学枠３０７はプローブ１Ａのアウターチューブ３０８の先端部に固定されている。
【００６５】
走査ユニット３０５は、光学枠３０７に固定されたベース３０９を有している。ベース３０９は、容易に動かないように、後述するレンズ枠３１４や合焦手段としての対物レンズ３１５よりも重量が重く設定されている。
【００６６】
ベース３０９には光ファイバ３０２の先端部が固定されている。
【００６７】
ベース３０９の両側には、薄板３１０が接着されている。薄板３１０には、厚み後方に分極された圧電素子３０４が接着されている。圧電素子３０４には、圧電素子３０４を駆動するための電気ケーブル３０３が接続されている。この電気ケーブル３０３は、プローブ１Ａの先端部３００の内部を通つて、図１の信号線１ａと接続され、コネクタ１１を介して制御装置２に接続されている。
【００６８】
薄板３１０の先端部は中間部材３１１に固定されている。中間部材３１１には２枚の平行な薄板３１２ａ，３１２ｂが固定されている。薄板３１２ａ，３１２ｂには圧電素子３１３ａ，３１３ｂが接着されている。
【００６９】
薄板３１２ａ，３１２ｂの先端にはレンズ枠３１４が固定され、このレンズ枠３１４には対物レンズ３１５と光ファイバ３０２の先端部を固定的に保持するフェルール３１６が固定されている。なお、光ファイバ３０２は、フェルール３１６に固定された後、プローブ１Ａの先端部３００がフェルール３１６と一体的に研磨され、さらに反射防止膜が設けられる。また、圧電素子３１３ａ，３１３ｂは、電気ケーブル３０３を介して図１の信号線１ａに接続され、コネクタ１１を介して制御回路１５と接続されている。
【００７０】
また、小型の変位センサ３５０がレンズ枠３１４に接着固定されており、電気ケーブル３０３、信号線１ａを介して、制御装置２と電気的に接続されている。変位センサ３５０は、スキャナのＸ方向の位置を、モニタ５における表示画像の左端を基準とし、最も遠い位置、すなわち表示画像の右端における位置のときに最大となるような電圧を出力して、制御装置２内の制御回路１５へ伝送する。
【００７１】
先端カバーユニット３０６は、カバーホルダ３１７と、カバーホルダ３１７に固定されたカバーガラス３１８とからなり、カバーホルダ３１７は光学枠３０７の先端部に固定されている。
【００７２】
このような構造にしたことにより、プローブ１Ａの先端部３００は密開される。
【００７３】
このようなプローブ１Ａを使用した共焦点光走査プローブ装置の動作について図１、図２０、図２１を参照して説明する。
【００７４】
ＬＤ１５からのレーザ光は、端部８ｂ、４端子カプラ８、端部８ａ、コネクタ１７、光ファイバ１ｃ、コネクタ１１、光ファイバ１ｂを介してプローブ１Ａの先端部３００に伝送され、プローブ１Ａの先端部３００の先端面から対物レンズ３１５に向けて出射される。
【００７５】
この場合、光ファイバ３０２の先端部はフェルール３１６に固定されて一体的に研磨されているとともに、研磨された端面に反射防止膜が設けられているため、光ファイバ３０２の端面での反射光はきわめて小さく抑えられる。
【００７６】
電気ケーブル３０３には信号線１ａを介して制御装置２のグランドと接続したグランド線があり、そのグランド線と、プローブ１Ａの先端部３００内の導電部である光学枠３０７、ベース３０９、およびカバーホルダ３１７が、各々の接触部分で溶接されており、これらすべてが電気的に導通している。
【００７７】
光ファイバ３０２の端面のコア３２１から発せられた光は、対物レンズ３１５で集光され、カバーガラス３１８を透過して、観察対象物３２２の内部で焦点３２３を結ぶ。
【００７８】
この焦点３２３以外からの反射光は、入射光と同じ光路を逆方向に通り、再び光ファイバ３０２のコア３２１にほとんど入射できない。このコア３２１が小さいピンホールの働きをなし、共焦点顕微鏡と同等の解像度を持つようになる。この状態で制御装置２内の制御回路９を動作させると制御回路９からの駆動信号は、信号線９ｂ、コネクタ１１、信号線１ａ、電気ケーブル３０３を介して、圧電素子３０４、圧電素子３１３ａ，３１３ｂに伝送される。これにより、圧電素子３０４と、圧電素子３１３ａ，３１３ｂは、電圧に応じて伸縮する。すると、圧電素子３０４は薄板３１０に、圧電素子３１３ａ，３１３ｂは薄板３１２ａ，３１２ｂにそれぞれ張られているために、薄板３１０と、薄板３１２ａ，３１２ｂを曲げるように動作する。
【００７９】
具体的には、圧電素子３１３ａ，３１３ｂに位相が互いに反転した正弦波を加えると、レンズ枠３１４が振動する。これによって、対物レンズ３１５、光ファイバ３０２の先端部とが移動して、レーザ光の焦点３２３の位置がＸ方向（図２０参照）にスキャンされる。この場合、このスキャナ系の共振周波数で駆動すると、大きな変位が得られる。
【００８０】
一方、制御回路９によつて圧電素子３０４を伸縮させると、レーザ光の焦点３２３の位置がＸ方向と垂直なＹ方向にスキャンされる。この場合、Ｙ方向の振動の周波数をＸ方向のスキャン周波数よりも十分に遅くすることによって、焦点３２３はラスタ走査される。これに伴って、走査面３２４の各点の反射光が光ファイバ３０２によって伝送されることになる。
【００８１】
このようなプローブ１Ａを上記第１の実施の形態に代えて使用することにより、共焦点光走査プローブ装置を得ることができる。
【００８２】
次に、プローブ１Ａにおいて発生するノイズについて説明する。
【００８３】
プローブ１Ａでは、上記第１の実施の形態で説明したプローブ１のミラー蒸着部２４５のように、固定反射物が存在しないものの、光ファイバ３０２の出射端部での散乱光が、再び光ファイバ３０２へと戻ることによる、ほぼ直流成分のノイズが発生し、ＰＭＴユニット１６まで伝達されて光電変換される。
【００８４】
そこで、上述のフィルタ装置５０１のＨＰＦ５０７によって高周波帯域成分の信号のみを通過させ、直流成分を除去し、図４（ｂ）に示すように交流信号へと変換する。これにより、ほぼ直流成分のノイズを除去することができる。またＬＰＦ５０８によって、低周波帯域成分の信号のみを通過させ、スキャナの駆動の影響により発生する高調波などの高周波成分のノイズを除去できる。
【００８５】
このように本実施の形態では、フィルタ装置により、プローブ内のファイバ端部の散乱光による直流成分ノイズが除去されるので、ノイズが少なく、Ｓ／Ｎの良い、鮮明な観察画像が得られる。
【００８６】
特に、本実施の形態におけるスキャナは、高速駆動側の共振周波数が５００Ｈｚ程度と低いので、低域通過フィルタ回路のカットオフ周波数を低く設定することができ、構成される回路素子の選定が容易となり、安価で構成できる。
【００８７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、ノイズが少なく、Ｓ／Ｎの良い、鮮明な観察画像を得ることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る共焦点光走査プローブ装置の構成を示すブロック図
【図２】図１のフィルタ装置の構成を示す構成図
【図３】図２のＨＰＦの周波数特性を示す図
【図４】図２のＨＰＦの作用を説明する図
【図５】図２のＨＰＦの第１の変形例の構成を示す図
【図６】図２のＨＰＦの第２の変形例の構成を示す図
【図７】図２のＨＰＦの第３の変形例の構成を示す図
【図８】図２のＨＰＦの第４の変形例の構成を示す図
【図９】図２のＨＰＦの第５の変形例の構成を示す図
【図１０】図２のＬＰＦの周波数特性を示す図
【図１１】図２のＬＰＦの第１の変形例の構成を示す図
【図１２】図２のＬＰＦの第２の変形例の構成を示す図
【図１３】図２のＬＰＦの第３の変形例の構成を示す図
【図１４】図２のＬＰＦの第４の変形例の構成を示す図
【図１５】図２のＬＰＦの第５の変形例の構成を示す図
【図１６】図１のプローブの先端部を示す断面図
【図１７】図１６のプローブのスキャナの構造を示す断面図
【図１８】図１７のスキャナの構造を示す平面図
【図１９】図１７のスキャナの詳細構造を示す平面図
【図２０】本発明の第２の実施の形態に係る共焦点光走査プローブ装置のプローブの先端部の構成例を説明するために示す断面図
【図２１】図２０のプローブの先端部の構成例を説明するための要部斜視図
【符号の説明】
１，１Ａ…プローブ
２…制御装置
３…光学ユニット
４…画像化装置
５…モニタ
７…外部クロック発生器
８…４端子カプラ
９…制御回路
１１，１３，１７，１８，１９，２４，２５，２６…コネクタ
１５…ＬＤ
１６…ＰＭＴユニット
５０１…フィルタ装置
５０２，５０３，５０４，５０５…コネクタ
５０６…フィルタ回路
５０７…ＨＰＦ
５０８…ＬＰＦ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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