JPH05134186A

JPH05134186A - 共焦点光学系

Info

Publication number: JPH05134186A
Application number: JP3297161A
Authority: JP
Inventors: Hironari Fukuyama; 宏也福山
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1991-11-13
Filing date: 1991-11-13
Publication date: 1993-05-28

Abstract

(57)【要約】【目的】オプティカルスライスを高精度で行うことが
出来ると共に、オプティカルスライスに伴う収差の増大
が無いようにした共焦点光学系である。【構成】光を試料９に集光する対物レンズ８と、光源
からの光を対物レンズへ導き試料からの光を光電検出素
子１１へ導く分離光学素子２との間に、分離光学素子２
側に第１のレンズ群３とその焦点位置にある絞り４と、
対物レンズ８側に第２の凹凸レンズ５１、５２群からな
る光束径変換光学素子５とを設け、凸凹レンズ群５１、
５２を光軸方向に移動させることと同時に、凹凸レンズ
群の各レンズ５１、５２の間隔を変化させる手段を有す
る共焦点光学系である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、共焦点光学系、特に共
焦点レーザー顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、共焦点光学系は、結像特性に優
れ、最近注目されている走査型レーザー顕微鏡（ＬＳ
Ｍ）等において利用されている。この共焦点光学系の最
大の特徴の一つとして、光軸方向に分解能を持つことが
あげられる。この特徴を利用して、ＬＳＭにおいては光
学的断面像を得る所謂、オプティカルスライスが行われ
ており、また一方でこのオプティカルスライスを高精度
で行われるように、様々な工夫がなされている。

【０００３】その一例として、ドイツ公開特許ＤＥ３９
３６６４６Ａ１に発表されている内容について、図８に
基づき説明する。レーザー管１から出た照明光Ｂは第１
のビームスプリッター２を通過し、第１の凸レンズ３、
絞り４及び第２の凸レンズ５２よりなるビームエクスパ
ンダーを通過し、第２のビームスプリッター２ａおよび
平面鏡６で反射し、顕微鏡本体１２に入射、対物レンズ
８を経て試料台１０上の不図示の試料に集光される。試
料からの反射光は、物体光Ａとして照明光Ｂと同じ光路
を戻り、第１のビームスプリッター２において反射し、
光電検出素子１１に入射する。ここで第２の凸レンズ５
２を光軸方向に移動させることによって試料上の合焦位
置は光軸方向に移動するので、移動位置に於ける光学的
断面像を得ることができる。即ち、オプティカルスライ
スが行なえるものである。

【０００４】この方法によるオプティカルスライスは、
試料台１０をいちいちサブミクロン単位で光軸方向に動
かしていた従来の方式に比較して、単に第２のレンズ５
２を光軸方向に沿って比較的粗い精度で移動させるのみ
で済むので、精度面でも有利となる。即ち、光学系の総
合横倍率をβとすると、試料台１０を△Ｚだけ移動させ
ることは、第２凸レンズ５２をβ²△Ｚだけ移動させる
ことと等価である。従って、第２凸レンズ５２をβ²△
Ｚさせることは、試料台１０を移動させる場合に比べ
て、その制御は精度的にも極めて容易となる。例えば、
駆動手段として圧電素子を用いて試料台１０を０．１μ
ｍずつ光軸方向に動かすためには、圧電素子のヒステリ
スを除く閉ループ制御が必要となり、その制御に困難が
伴う。しかし、この方法のよると、例えばβ＝４０の場
合には、０．１×４０²＝１６０となり、第２の凸レン
ズ５２を１６０μｍずつ移動させることにより、同様の
効果を得ることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】然しながら、上記従来
技術には次の様な欠点がある。顕微鏡対物レンズは、所
定の作動距離において、最高の性能となるように、設計
されている。ところが、上記従来技術では、対物レンズ
と試料との位置関係を固定したまま、対物レンズの作動
距離を実効的に変化させることによって、オプティカル
スライスを行っている。これは対物レンズの収差の増大
を招く。所定の作動距離において球面収差が適正補正と
なっている対物レンズは、一般には作動距離を長く使う
と補正不足になり、逆に短く使うと補正過剰になる。

【０００６】実際の顕微鏡対物レンズにおける作動距離
と球面収差との関係を図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示
す。ここで、図４（ｂ）は、対物レンズを所定の作動距
離で使った場合であり、球面収差は適正補正となってい
るが、より長い作動距離で使うと、図４（ａ）に示す如
く補正不足に、また短い作動距離で使うと図４（ｃ）に
示す如く補正過剰となってしまう。

【０００７】本発明は、オプティカルスライスを高精度
に行ない得て、然もなおオプティカルスライスに伴う収
差の増大が無い共焦点光学系を提供することを目的とす
るものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明による共焦点光学
系は、光源からの光を試料に集光する対物レンズと、光
源からの光を対物レンズへ導き試料からの光を光電検出
素子へ導く分離光学素子との間にあって、前記分離光学
素子側に第１のレンズ群と該レンズ群の焦点位置に設定
された絞りとを設け、該対物レンズ側に第２のレンズ群
を設け、該第２のレンズ群を構成する各レンズの間隔お
よび第２のレンズ群と第１のレンズ群との間隔を変化さ
せる手段を有することを特徴とする。

【０００９】

【作用】上述のような構成の共焦点光学系は、第２のレ
ンズ群を構成する各レンズの間隔を自在に変化させる手
段を有しているので、オプティカルスライス即ち、対物
レンズの作動距離の変化に伴って発生する収差を、第２
のレンズ群によって相殺せしめることが可能になる。こ
れによって、従来技術に見られるように、試料台に微調
整可能な移動機構を設ける等の煩雑さから全く開放さ
れ、試料台を些かも移動せしめることなく所望の光学的
断面像を得、即ちオプティカルスライスを高精度に行え
ると共に、オプティカルスライスに伴う収差の増大が無
い共焦点光学系を実現することが出来る。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の好適な実施例について図面を
参照しながら説明する。図１は本発明による共焦点光学
系の第１の実施例である。図１において、レーザー管１
から出た照明光（励起光）Ｂは、先ず分離光学素子（こ
こではダイクロイックミラーを使用している）２を通過
して、第１のレンズ群３（ここでは１個の凸レンズを図
示してある）と、この第１のレンズ３の焦点に配置され
た絞り４、更に第２のレンズ群５０と駆動手段５３、５
３ａ、５３ｂ、モータ５４等よりなる光束径変換光学素
子（ここではビームエクスパンダーを使用）５を通過
し、平面鏡６で反射し、走査光学系７および対物レンズ
８を経て試料台１０上の試料９内に集光される。照明光
（励起光）Ｂによって試料９内に生じた物体光（蛍光）
Ａは、照明光（励起光）Ｂと同じ光路を戻り、ダイクロ
イックミラー２で反射し、光電検出素子１１に入射す
る。この時、試料９内の集光位置を走査光学系７によっ
てｘ、ｙ方向にスキャンすることが出来る。尚、凹凸レ
ンズ５１、５２の組み合わせからなっている第２のレン
ズ群（正のレンズ群）５０は、パルスモータ５４の駆動
で送りネジ５３が回動することにより、光軸方向に移動
すると同時に、凹レンズ５１と凸レンズ５２との間隔が
変化するように構成されており、この移動は、送りネジ
５３上のリードが小さい部分５３ａと大きい部分５３ｂ
とによって駆動されるものである。即ちこの移動により
所望の光学的断面、即ちｚ方向のオプティカルスライス
を行うことが出来ものである。

【００１１】上述の第２のレンズ群５０内における凹レ
ンズ５１と凸レンズ５２との相対位置と球面収差の関係
に就いて説明する。図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、凹
凸レンズ５１、５２の間隔（ｄ₁、ｄ₀、ｄ₂）を変化
させた状態を示し、また、図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）
は、それぞれ図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の状態に対応
した球面収差量を示す収差曲線図である。ここで図２
（ｂ）の状態（即ち、凹凸レンズ５２、５１の間隔はｄ
₀は図３（ｂ）に示されるように適正補正されている。
今、図２（ａ）に示されるように凹凸レンズ５２、５１
の間隔ｄ₁が間隔ｄ₀より小さくなると（ｄ₁＜
ｄ₀）、球面収差は図５（ａ）に示す如く補正過剰とな
る。また逆に図２（ｃ）に示されるように凹凸レンズ間
隔ｄ₂が間隔ｄ₀より大きくなると（ｄ₀＜ｄ₂）、球
面収差は図５（ｃ）に示す如く補正不足となる。従っ
て、図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の球面収差をオプティ
カルスライスに伴なって生じる対物レンズ８の後述する
球面収差と相殺させることによって、結像特性の低下を
防ぐことが出来る。

【００１２】即ち、図３において、第２のレンズ群５０
がその可動範囲の最も絞り４側に移動した状態を図３
（ａ）、最も対物レンズ８側に移動した状態を図３
（ｃ）、それらの中間位置を図３（ｂ）とする。この図
３（ｂ）の状態では、対物レンズ８の収差は図４（ｂ）
に示される如く適正補正であり、また第２のレンズ群５
０の収差は図５（ｂ）に示される如く適正補正であり、
総合的な球面収差も適正補正となる。

【００１３】次に、図３（ａ）のように、第２のレンズ
群５０を絞り４側へ移動した状態では、試料１０内のよ
り深い部分を観察することができる。この時、対物レン
ズ８の球面収差は、図４（ａ）に示すように、補正不足
となるが、同時に凹レンズ５１と凸レンズ５２との間隔
ｄ₁が間隔ｄ₀より小さくなる（ｄ₁＜ｄ₀）ため、第
２のレンズ群５０の球面収差は図５（ａ）に示す如く補
正過剰となる。従ってこれら球面収差は相殺されて総合
的には補正適正となる。

【００１４】逆に図３（ｃ）の状態の様に、第２のレン
ズ群５０が対物レンズ８側へ移動した状態では、試料１
０内のより浅い部分を観察出来ると共に、図４（ｃ）に
示すような補正過剰の対物レンズ８の球面収差と、図５
（ｃ）に示す様な補正不足の球面収差が相殺され、総合
的には補正適正となる。

【００１５】この光学系では、第２のレンズ群５０を移
動させることによって、オプティカルスライスを行うと
同時に、これに伴なって生じる対物レンズ８の球面収差
を、凹レンズ５１と凸レンズ５２との間隔ｄを変化させ
ることによって相殺させることが出来る。従って、試料
台１０を高精度の移動機構を付加すること無しに、オプ
ティカルスライスが高精度に行えると同時に、結像性能
の低下を防ぐことが出来る。

【００１６】本発明の第２の実施例を図６に示す。図に
おいて第２のレンズ群５０中の凹レンズ５１および凸レ
ンズ５２は、それぞれ別々のパルスモータ５４ａ及び５
４ｂによって光軸方向に駆動される。従って、これらの
パルスモータ５４ａ、５４ｂを適正に制御することによ
って、収差特性の異なる複数の対物レンズ８に対してオ
プティカルスライスに伴う収差を相殺させることが出来
る。

【００１７】本発明の第３の実施例を図７に示す。ここ
では駆動装置としてカム５５と該カム５５に噛合する溝
５６ａ、５６ｂによる伝導方式を採用しており、更に、
カム５５上の溝５６ｂによって凹レンズ５１を、溝５６
ａによて第１のレンズ３と絞り４とを一体的に光軸方向
に駆動することで、オプティカルスライスおよび収差の
相殺を行うものである。

【００１８】本発明は上述の実施例に限定されるもので
はなく、対物レンズの作動距離の変化に伴う色収差の増
大についても、同様の手法によって相殺させることが可
能である。また発明の主旨を逸脱しない範囲で変形が可
能であることは云うまでもない。

【００１９】

【発明の効果】上述のように、本発明に係る共焦点光学
系は、試料台に高精度の移動機構を付加することなし
で、オプティカルスライスが高精度に行えると同時に、
これに伴って発生する対物レンズの収差を相殺し、結像
性能の低下を防ぐことが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による共焦点光学系の第１の実施例を示
す。

【図２】第２のレンズ群の構成図。

【図３】総合的のレンズ構成図。

【図４】対物レンズの球面収差曲線図。

【図５】第２のレンズ群の収差曲線図。

【図６】本発明による共焦点光学系の第２の実施例を示
す。

【図７】本発明による共焦点光学系の第３の実施例を示
す。

【図８】従来の共焦点光学系を示す。

【符号の説明】１レーザー管２分離光学素子（ダイクロイックミラー）３第１のレンズ４絞り５光束径変換光学素子（ビームエクスパンダー）７走査光学系８対物レンズ９試料１０試料台１１光電検出素子５０第２のレンズ群５１凹レンズ５２凸レンズＡ物体光Ｂ照明光

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源からの光を試料に集光する対物レン
ズと、光源からの光を対物レンズへ導き試料からの光を
光電検出素子へ導く分離光学素子との間にあって、前記
分離光学素子側に第１のレンズ群と該レンズ群の焦点位
置に設定された絞りとを設け、該対物レンズ側に第２の
レンズ群を設け、該第２のレンズ群を構成する各レンズ
の間隔および第２のレンズ群と第１のレンズ群との間隔
を変化させる手段を有することを特徴とする共焦点光学
系。