JP2692416B2 - 共焦点用光スキャナ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、共焦点顕微鏡などに用
いるピンホ−ル基板を走査する共焦点用光スキャナの光
利用効率の向上に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図６は共焦点用光スキャナに用いるピン
ホ−ル基板の従来例、図７は共焦点用光スキャナを用い
た共焦点顕微鏡の一例を示す構成図である。図６および
図７において、図示しない光源からの出射光は、偏向子
１ａ、ビ−ムスプリッタ２を通って、基板３１に複数の
ピンホ−ル３２が螺旋状に形成されているピンホ−ル基
板３に照射される。この照射光の内、ピンホ−ル基板３
に螺旋状に配置された多数のピンホ−ル３２の幾つかを
通過した光は、１／４波長板４、対物レンズ５を経て試
料６に集光される。試料６からの反射光は、同一の光路
を通って、ピンホ−ル基板３のピンホ−ル３２の１つに
集光され、ピンホ−ル３２を通って、ビ−ムスプリッタ
２、偏向子１ｂを経て、接眼レンズ７を介して、試料６
の像を目で捕らえることができる。この装置では、ピン
ホ−ル基板３をモ−タ８で一定速度で回転させており、
ピンホ−ル基板３の回転に伴うピンホ−ル３２の移動に
より、試料６への集束光点を走査している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術に示す螺旋状に配置された複数のピンホ−ル３２
を有するピンホ−ル基板３に、図示しない光源から光が
照射された際、ピンホ−ル３２の開口面積が１％とすれ
ば、ピンホ−ル３２を通過する光は、ピンホ−ル基板３
への全照射光の１％、即ち、光の利用効率が１％と非常
に悪いものであるという課題があった。また、ピンホ−
ル基板３の表面からの反射光も大きく、この反射光は迷
光となっていた。この迷光を除去するため、接眼レンズ
７のビ−ムストップ７ａや偏向子１ａ、１／４波長板４
などを用いているが、完全に迷光を除去することは難し
く、高価な装置ともなっていた。

【０００４】本発明は上記従来技術の課題を踏まえて成
されたものであり、ピンホ−ル基板の光源側に集光手段
を設けることにより、光利用効率を向上させ、また、ピ
ンホ−ル基板表面からの反射光（迷光）も低減できる共
焦点用光スキャナを提供することを目的としたものであ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明の第１の構成は、ピンホ−ル基板を回転させ、
このピンホ−ル基板を通過した照射光を試料に対して走
査する共焦点用光スキャナにおいて、前記ピンホ−ル基
板は、複数の集光手段と、この複数の集光手段の焦点位
置にそれぞれ配置された複数のピンホ−ルとを備えた構
成としたことを特徴とするものである。また、第２の構
成は、前記複数の集光手段として、フレネルレンズ、２
次曲面鏡、微小凸レンズ型マイクロレンズ、または屈折
率分布型平板マイクロレンズを用いた構成としたことを
特徴とするものである。また、第３の構成は、前記複数
の集光手段は、その焦点が各開口瞳外に焦点を結ぶもの
も含めて、半径方向に一定の幅を有して、円周方向に一
列に並べられた集光手段群とし、この集光手段群に照射
される照明光の半径方向の照射範囲を前記集光手段群の
半径方向の幅のみとした構成としたことを特徴とするも
のである。更に、第４の構成は、前記複数のピンホ−ル
は、前記複数の集光手段を介して、前記ピンホ−ル基板
に高強度のレ−ザ光を照射させることにより、前記複数
の集光手段の集光位置に合わして形成したことを特徴と
するものである。

【０００６】

【作用】本発明によると、ピンホ−ルを複数の集光手段
の焦点位置にそれぞれ配置した構成としており、複数の
集光手段を介して、より多くの入射光をピンホ−ルに集
めることができる。また、開口瞳の外に焦点を結ぶ集光
手段の採用により、光の照射面積を減らせるため、光利
用効率を向上できる。更にピンホ−ル基板上のピンホ−
ル以外の面に照射されていた光もピンホ−ルへ集光でき
るため、ピンホ−ル基板表面からの反射光（迷光）を低
減できる。

【０００７】

【実施例】以下、本発明を図面に基づいて説明する。図
１は本発明の共焦点用光スキャナに用いるピンホ−ル基
板の第１の実施例を示す構成図である。図１（イ）にお
いて、ガラス基板１１の一方の面には薄膜１２が、他方
の面にはフレネルレンズ１３がそれぞれ形成されてい
る。ガラス基板１１の厚さｔは、ガラス基板１１の一方
の面に形成されたフレネルレンズ１３の焦点距離と同一
とされ、薄膜１２上にはフレネルレンズ１３の焦点位置
にピンホ−ル１４を備えている。ここで、フレネルレン
ズ１３とピンホ−ル１４の位置合わせ、即ち、ピンホ−
ル１４の形成方法は、半導体マスクパタ−ンにより形成
される他、フレネルレンズ１３側から高強度のレ−ザ光
を入射させることにより、薄膜の蒸発や熱処理や脱色や
エッチング等による方法もあり、薄膜１２上に位置合わ
せが容易とされて、ピンホ−ル１４がフレネルレンズ１
３の集光位置に形成される。

【０００８】又、図１（ロ）に示すように、ガラス基板
１１の片面に形成された複数のフレネルレンズ１３は、
ピンホ−ル基板１０が一定速度で回転することにより、
ピンホ−ルの像が試料上を走査できるように、焦点位置
を一画面分づつ半径方向にＰr だけ順次ずらされて形成
されている。

【０００９】ここで、図２は本発明の共焦点用光スキャ
ナを共焦点顕微鏡に使用した一実施例を示す構成図であ
る。なお、共焦点用光スキャナを構成するピンホ−ル基
板は図１のものを用いている。図２において、図示しな
いレ−ザ光源からの出射光（レ−ザ光だけでなく白色光
などでも良い）は、偏光ビ−ムスプリッタ２により、ピ
ンホ−ル基板１０上に平行光として入射する。ピンホ−
ル基板１０に入射された光は、図１（イ）に示すよう
に、フレネルレンズ１３により、入射光がフレネルレン
ズ１３の集光位置に形成されたピンホ−ル１４の入口に
集められ、フレネルレンズ１３を介して、より多くの光
が集光される。図２に戻り、ピンホ−ル１４を通った光
は、１／４波長板４を通過後、対物レンズ５により、試
料６上に照射される。試料６からの反射光は、再びピン
ホ−ル基板１０を通って、偏光ビ−ムスプリッタ２を介
して、受光器（カメラ）８に入射され、モニタ９に試料
６の像が表示される。この実施例では、ピンホ−ル基板
１０が図示しないモ−タなどにより一定速度で回転して
おり、ピンホ−ル基板１０の回転により、ピンホ−ル１
４の像が試料６上を走査している。また、ピンホ−ル基
板１０上のピンホ−ル１４と試料６上の光スポット（ピ
ンホ−ルの像）が共焦点関係にあり、レ−ザ光源からの
入射光と試料６からの反射光共に、ピンホ−ル１４を通
過するため、共焦点効果による高い分解能を得られる。

【００１０】なお、上記実施例において、受光器８はカ
メラだけではなく、接眼レンズを介して肉眼による観察
も可能である。また、受光器としては、一画面に１つの
ビ−ムとすることによって、フォトダイオ−ドや高感度
の光電子増倍管を用いることもできる。更に共焦点用光
スキャナの偏光ビ−ムスプリッタはハ−フミラ−として
も可能であり（１／４波長板は不要となる）、偏光ビ−
ムスプリッタをダイクロイックミラ−とする（１／４波
長板は不要となる）ことにより、試料の螢光も測定する
ことができる。

【００１１】また、ビ−ムの数は、１画面に１つだけで
なく、マルチビ−ムとすることもでき、１画面中の光量
アップや高速化を可能にできる。

【００１２】図３は本発明の共焦点用光スキャナに用い
る図１のピンホ−ル基板の変形実施例を示す構成図であ
る。なお、図３において図１と（イ）同一要素には同一
符号を付して重複する説明は省略する。図３において、
薄膜１２上に形成されたピンホ−ル１４とフレネルレン
ズ１３とが、それぞれ別々にガラス基板１１ａ，１１ｂ
上に形成されており、フレネルレンズ１３の焦点位置に
ピンホ−ル１４が配置されるようにガラス基板１１ａと
１１ｂとがスペ−サ１５を介して組み合わされている。

【００１３】この実施例においても、図１装置と同様
に、フレネルレンズ１３により入射光がフレネルレンズ
１３の焦点位置に形成されたピンホ−ル１４の入口に集
められ、フレネルレンズ１３を介して、より多くの光を
集光できるため、光の利用効率を向上することができる
と共に、図１装置に比べて、薄膜１２及びフレネルレン
ズ１３が別々のガラス基板上に形成できるため、製作が
容易となる。

【００１４】図４は本発明の光スキャナに用いるピンホ
−ル基板の第２の実施例を示す構成図である。なお、図
４において図１と同一要素には同一符号を付して重複す
る説明は省略する。図４（イ）において、フレネルレン
ズ１３（Ｆ1 ，Ｆ2 ，Ｆ3 ，…）は、半径方向に一定の
幅（フレネルレンズの開口瞳幅）Ｂを有して、円周方向
に一列に並べられたフレネルレンズ群を構成している。
このフレネルレンズ群には、図４（ロ）に示すように、
フレネルレンズ１３の焦点がフレネルレンズの開口瞳内
にあるもの（図ではＦ3 ）の他に、フレネルレンズ１３
の焦点がフレネルレンズの開口瞳幅Ｂより外にあるもの
（図ではＦ1 ，Ｆ2 ，Ｆ4 ，Ｆ5 ）も含んでいる。ここ
で、開口瞳幅Ｂよりも焦点を外におくフレネルレンズを
形成するためには、例えば、フレネルレンズＦ1 を形成
させるためには、焦光点Ｐ1 を回転対称とした大きなフ
レネルレンズを想定して、その周辺部を切り取った形の
パタ−ンを用いることにより形成できる。又、ピンホ−
ル基板１０に照射される照明光の半径方向の照射範囲
は、フレネルレンズ１３の半径方向の幅のみとしてい
る。

【００１５】このような構成とすることにより、図１装
置では、一定速度で回転しているピンホ−ル基板に光が
照射されると、ピンホ−ルの像が試料上を走査できるよ
うに、フレネルレンズを一画面分づつ半径方向にＰr だ
け順次ずらして形成されている。したがって、照射光は
半径方向でＡ寸法全体を照らす必要があるが、試料上に
照射されるのは、フレネルレンズの開口瞳幅Ｂだけであ
るため、光の利用効率はＢ／Ａとなり、光の利用効率は
従来例に比べれば向上されたが、十分とは言えなかっ
た。図４装置ではこの点を踏まえ、更に光の利用効率を
向上させている。図４に戻り、ピンホ−ル基板１０の回
転に伴い、焦光点Ｐi（ｉ＝１，２，…）は試料上を走
査する。この場合、ピンホ−ル基板１０に照射される照
明光の半径方向の照射範囲が、フレネルレンズ１３の半
径方向の幅Ｂのみであるにもかかわらず、ピンホ−ルの
像は試料上を半径方向にＡの範囲を走査することができ
る。したがって、光の照射面積を減らせるため、光の利
用効率がＢ／Ｂとなり、図１装置に比べて更に向上させ
ることができる。

【００１６】なお、上記実施例に示した共焦点用光スキ
ャナに用いるフレネルレンズとしては、図に示す断面鋸
状のもの以外に、光量の減少を伴うが、濃淡や位相差の
パタ−ンを同心円状に交互に複数配置して成るフレネル
ゾ−ンプレ−トを用いても良い。又、ガラス基板はプラ
スチックでも良く、射出成型も可能となる。

【００１７】図５は本発明の光スキャナに用いるピンホ
−ル基板の第３の実施例を示す構成図である。図５にお
いて、第１の基板２１の一方の面の外周部には複数の２
次曲面鏡２２が螺旋状に形成されている。第２の基板２
３の外周部には２次曲面鏡２２と同数のピンホ−ル２４
が螺旋状に形成されている。この第１の基板２１と第２
の基板２３とは、２次曲面鏡２２の焦点位置にピンホ−
ル２４がそれぞれ配置されるように、回転中心を同一に
して、例えばスペ−サ２５等で一体となるように組み合
わされており、ピンホ−ル基板２０が一定速度で回転す
ることにより、ピンホ−ルの像が試料上を走査すること
ができる。

【００１８】このような構成において、図示しない光源
からの光が、ピンホ−ル基板２０の２次曲面鏡２２に入
射されると、その反射光は２次曲面鏡２２の焦点位置に
配置されたピンホ−ル２４の入口に集められる。したが
って、より多くの光を集光できるため、光の利用効率を
向上できると共に、図１または図４装置に比べて集光手
段として、レンズを用いていないため、レンズによる色
収差の影響を受けない。したがって、使用できる波長の
制限がないので、ＲＧＢレ−ザ等を用いた多波長の同時
照射も可能となり、カラ−画像等を得ることもでき、紫
外光の使用も容易である。なお、この２次曲面鏡の構成
においても、図４で示した光軸外での集光も可能であ
る。

【００１９】なお、上記実施例において、共焦点用光ス
キャナを構成するピンホ−ル基板の集光手段としては、
フレネルレンズや２次曲面鏡の代わりに、結晶化ガラス
の部分収縮を用いて形成した微小凸レンズ型マイクロレ
ンズや低屈折率の基板に高屈折率の物質をド−プして形
成した屈折率分布型平板マイクロレンズを用いても良
く、同様の効果を期待できる。

【００２０】

【発明の効果】以上、実施例と共に具体的に説明したよ
うに、本発明によれば、ピンホ−ルを複数の集光手段の
焦点位置に配置したピンホ−ル基板を用いた共焦点用光
スキャナの構成とすることにより、より多くの入射光を
ピンホ−ルに集光できる。また、開口瞳幅より外に焦点
を結ぶ集光手段の採用により、光の照射面積を減少でき
るので、更に光の利用効率を向上できる。更にピンホ−
ル基板上のピンホ−ル以外の面に照射されていた光もピ
ンホ−ルへ集光できるため、ピンホ−ル基板表面からの
反射光を低減でき、表面反射光による迷光を除去する機
構の簡易化、或いは除去ができるなどの効果を有する共
焦点用光スキャナを実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の共焦点用光スキャナに用いるピ
ンホ−ル基板の第１の実施例を示す構成図である。

【図２】図２は図１のピンホ−ル基板を用いた本発明の
共焦点用光スキャナを共焦点顕微鏡に使用した一実施例
を示す構成図である。

【図３】図３は本発明の共焦点用光スキャナに用いる図
１のピンホ−ル基板の変形実施例を示す構成図である。

【図４】図４は本発明の光スキャナに用いるピンホ−ル
基板の第２の実施例を示す構成図である。

【図５】図５は本発明の光スキャナに用いるピンホ−ル
基板の第３の実施例を示す構成図である。

【図６】共焦点用光スキャナに用いるピンホ−ル基板の
従来例である。

【図７】共焦点用光スキャナを用いた共焦点顕微鏡の一
例を示す構成図である。

【符号の説明】

２ 偏光ビ−ムスプリッタ ４ １／４波長板 ５ 対物レンズ ６ 試料 ８ 受光器 ９ モニタ １０，２０ ピンホ−ル基板 １１ ガラス基板 １２ 薄膜 １３ フレネルレンズ １４，２４ ピンホ−ル ２１，２３ 基板 ２２ ２次曲面鏡 ２５ スペ−サ

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ピンホ−ル基板を回転させ、このピンホ
   −ル基板を通過した照射光を試料に対して走査する共焦
   点用光スキャナにおいて、前記ピンホ−ル基板は、複数
   の集光手段と、この複数の集光手段の焦点位置にそれぞ
   れ配置された複数のピンホ−ルとを備えた構成としたこ
   とを特徴とする共焦点用光スキャナ。
2. 【請求項２】 前記複数の集光手段として、フレネルレ
   ンズ、２次曲面鏡、微小凸レンズ型マイクロレンズ、ま
   たは屈折率分布型平板マイクロレンズを用いた構成とし
   たことを特徴とする請求項１記載の共焦点用光スキャ
   ナ。
3. 【請求項３】 前記複数の集光手段は、その焦点が各開
   口瞳外に焦点を結ぶものも含めて、半径方向に一定の幅
   を有して、円周方向に一列に並べられた集光手段群と
   し、この集光手段群に照射される照明光の半径方向の照
   射範囲を前記集光手段群の半径方向の幅のみとした構成
   としたことを特徴とする請求項１記載の共焦点用光スキ
   ャナ。
4. 【請求項４】 前記複数のピンホ−ルは、前記複数の集
   光手段を介して、前記ピンホ−ル基板に高強度のレ−ザ
   光を照射させることにより、前記複数の集光手段の集光
   位置に合わして形成したことを特徴とする請求項１記載
   の共焦点用光スキャナ。