JP2001041821A

JP2001041821A - スリット像検出装置

Info

Publication number: JP2001041821A
Application number: JP11218685A
Authority: JP
Inventors: Hirotoshi Terada; 浩敏寺田
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1999-08-02
Filing date: 1999-08-02
Publication date: 2001-02-16

Abstract

(57)【要約】【課題】スリット像の検出精度を向上可能なスリット
像検出装置を提供する。【解決手段】このスリット像検出装置は、第１スリッ
ト板２ｃを通過したスリット像を試料Ｓ上に投影するス
リット像投影光学系２を備えている。対物レンズ２ｆ後
側焦点位置にはテレセントリック系を構成するようにガ
ルバノミラー３ａが配置されており、さらに、この焦点
位置からみて第１スリット２ｃと共役な位置には第２ス
リット板２ｈが配置されている。したがって、これらは
共焦点光学系を構成している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はスリット像を検出す
るスリット像検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の波長分解像を得る装置は、出願人
の特許第２，５５８，８６４号公報に記載されている。
この装置は、試料を裏面側から一様に照明するととも
に、試料を透過した透過光像をスリット板上に一様に結
像させ、スリット板上に投影される透過光像をガルバノ
ミラーで走査することによってスリット像を切り出し、
このスリット像を分光し、分光した像をＴＶカメラで撮
影している。ＴＶカメラで撮影された像は波長毎の試料
像として合成される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の装置においては、スリット板上に透過光像を投影す
ることによって、スリット像を切り出しているので、ス
リット像の輝度が弱く、したがって、ＴＶカメラの撮像
面に投影される像の検出精度の向上が望まれてきた。半
導体や生物試料等の蛍光像等を撮像する場合には、励起
光を試料に照射し、励起光と、励起光によって発生した
蛍光とを分離する必要があり、このような場合において
も輝度向上が期待されている。勿論、光源のパワーを上
昇させれば、蛍光像の輝度を向上させることはできる
が、バックグラウンドノイズとなる励起光も増加し、本
質的には像の検出精度を向上させることができない。本
発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、
スリット像の検出精度を向上可能なスリット像検出装置
を提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明に係るスリット像検出装置は、第１スリット
を通過したスリット像を試料上に投影するスリット像投
影光学系と、スリット像投影光学系の対物レンズ後側焦
点位置に配置されたガルバノミラーと、焦点位置からみ
て第１スリットと共役な位置に配置された第２スリット
と、第２スリットを通過したスリット像を検出する撮像
装置とを備えることを特徴とする。

【０００５】本装置によれば、スリット像は照明光とし
て試料上に投影され、対物レンズ後側焦点位置に配置さ
れたガルバノミラーにより、スリット長手方向と垂直に
走査される。試料からの蛍光等の反応光は、対物レンズ
により集められ、第２スリット上にスリット像を再び結
像する。

【０００６】第２スリットは第１スリットと共役な位置
に配置されているため、これらは共焦点光学系を構成
し、スリット像照明光以外からの光の第２スリットの通
過を抑制し、像の解像度とコントラストを向上させる。

【０００７】対物レンズの後側焦点が、対物レンズ内に
ある場合は、リレーレンズを付加することで、後側焦点
と共役位置をレンズ外部につくり、そこにガルバノミラ
ーを設置すればよい。

【０００８】第２スリットを通過したスリット像を分光
するための分光器を第２スリットと撮像装置との間の光
路内に備えることとすれば、スリット像を波長分解する
ことができる。

【０００９】撮像装置は、スリット像を波長分解した像
を撮像し、波長分解した像のデータをガルバノミラーの
走査駆動に同期して記憶する記憶装置を備えることとす
れば、記憶装置は波長毎のスリット像を試料位置と対応
づけて記憶することができる。

【００１０】記憶装置に記憶されたデータに基づいて、
波長毎の試料像を合成する処理装置と、試料像を表示す
る表示器とを備えることとすれば、複数のスリット像を
合成してなる波長毎の試料像を表示器上に表示すること
ができる。

【００１１】第２スリットがストリーク管の入射面を構
成しており、ストリーク管の出射面が撮像装置に対向し
ている場合には、スリット像を時間分解することができ
る。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、実施の形態に係るスリット
像検出装置について説明する。同一要素には同一符号を
用いることとし、重複する説明は省略する。

【００１３】図１は、スリット像検出装置のシステム構
成図である。光源１から出射された照明光は、スリット
像を形成する分光器付光学ユニット２によって集光さ
れ、シリンダレンズにより一方向を略平行光束化、もう
一方向を集束光化し、スキャナ３上に集束光化された光
の焦点が結ぶように配置されている。スリット像はスキ
ャナ３を介して試料Ｓ上に投影される。試料はステージ
４上に配置されている。照明光としてのスリット像はス
キャナドライバ５によってスキャナ３を駆動することに
よって試料Ｓ表面上をＸ方向に沿って走査する。スキャ
ナコントローラ６は、コンピュータ１０からの指示に応
じてスキャナドライバ５を駆動するための同期信号を生
成する。なお、スリット像自身はＹ方向を長手方向とす
る。

【００１４】スリット像によって照明された試料Ｓの反
射光、又は照明光が励起光である場合には試料内におい
て自己発生した光は、再びスキャナ３を介して分光器付
き光学ユニット２内に導入される。分光器付き光学ユニ
ット２は、試料Ｓからのスリット像を分光器に入力する
ことによって分光し、Ｘ方向に沿って波長分解されたス
リット像をＴＶカメラ（撮像装置）７上に投影する。Ｔ
Ｖカメラ７自身は、ＣＣＤ等の固体撮像装置によって構
成されており、ＣＣＤの駆動信号はカメラコントローラ
８からこれに入力され、ＣＣＤからの映像信号はカメラ
コントローラ８を介してフレームグラバ９に入力され
る。

【００１５】フレームグラバ９は、行列状に複数の画素
を配置してなるＣＣＤ撮像面上の特定の画素列の映像信
号から取り出す。特定の画素列からの映像信号が撮像面
の基準列から数えてｔ秒後にＣＣＤから出力される場合
には、フレームグラバ９は基準列からｔ秒後の映像信号
のみをサンプリングしてコンピュータ１０に入力する。
この画素列は、コンピュータ１０によって特定する。

【００１６】コンピュータ１０は、ＣＰＵ１０ａ、ＲＡ
Ｍ１０ｂ及び記憶装置１０ｃを備えており、システム全
体を制御している。コンピュータ１０は、スキャナドラ
イバ５の揺動を制御するスキャナコントローラ６、フレ
ームグラバ９及び表示器１１を制御する。勿論、スキャ
ナコントローラ６及びフレームグラバ９はコンピュータ
１０によって構成することも可能である。

【００１７】スキャナ３を駆動し、試料Ｓ上をスリット
像で走査しながら、ＣＣＤ撮像面上の特定の画素列（波
長に対応）の映像信号をフレームグラバ９でサンプリン
グしながら取り出して、記憶装置１０ｃに格納する。す
なわち、スキャナ３の角度（試料Ｓ上のＸ方向スリット
像位置）、この位置における特定の波長λのスリット像
のデータが、コンピュータ１０内の記憶装置１０ｃに対
応づけて格納される。時刻ｔ＝１，２，３，４，５のと
き、試料Ｓ上のスリット像のＸ方向位置：Ｘ＝１，２，
３，４，５であるとする。試料Ｓ上のスリット像のＹ方
向位置をＹとし、波長をλとする。なお、これらの単位
は任意定数とする。

【００１８】図２は、時刻ｔ＝１，２，３，４，５にお
けるＴＶカメラ７の撮像面上の画像を示す説明図（図２
（ａ）〜（ｅ））である。図３は、それぞれの時刻ｔ＝
１，２，３，４，５におけるスリット像をＹ方向積算し
たスペクトル分布を示すグラフ（図３（ａ）〜（ｅ））
である。例えば、波長λ＝２の試料像を得る場合、コン
ピュータ１０は、図２におけるλ＝２の画素列の映像信
号をサンプリングするようにフレームグラバ９に指示す
る。これにより、記憶装置１０ｃ内には、試料Ｓ上のＸ
方向スリット像位置における波長λ＝２のスリット像の
データが、Ｘ方向に沿って得られることとなり、これら
を合成すると、波長λ＝２における試料像が得られる。

【００１９】図４は、λ＝１，２，３，４において合成
された試料像を示す説明図である（図４（ａ）〜
（ｆ））。図２〜図３に示されたデータは、表示器１１
上に表示される。

【００２０】スリット像の走査を繰り返すと、試料面Ｓ
内におけるデータ（Ｘ，Ｙ，λ）を得ることができるの
で、コンピュータ１０はこれらを再編成し、λとＸとの
関係を示す画像を作成することができる。

【００２１】図５は、位置Ｙ＝１，２，３，４における
ＴＶカメラ７の撮像面上の画像を示す説明図である（図
５（ａ）〜（ｄ））。図６は、それぞれの位置Ｙ＝１，
２，３，４におけるスリット像のスペクトル分布を示す
グラフである（図６（ａ）〜（ｄ））。図６に示された
スペクトル（輝度Ｉ）分布を積算すると、図７に示すよ
うに、試料観察領域全域に亙る積算スペクトル分布を示
すグラフが得られる。

【００２２】次に、上記波長分解画像を得るための光学
系について説明する。

【００２３】図８は、上記スリット像検出装置に適用さ
れる光学系の斜視図である。この光学系は、光源１から
出射された光を平行光とするコリメータレンズ２ａを備
えている。コリメータレンズ２ａの光軸に垂直な平面
を、Ｙ軸及びＺ軸からなるＹＺ平面によって規定する。
コリメータレンズ２ａから出射された光像は、Ｚ軸方向
の光のみを集束させるシリンドリカルレンズ２ｂに入力
される。シリンドリカルレンズ２ｃの焦点位置には、Ｙ
方向沿った開口を有する第１スリット２ｃが配置されて
いる。第１スリット２ｃを通過したスリット像は集束レ
ンズ２ｄによってスキャナ３を構成するガルバノミラー
３ａに照射される。詳説すれば、ガルバノミラー３ａの
反射面の揺動軸にスリット像は結像する。なお、集束レ
ンズ２ｄとガルバノミラー３ａとの間の光路内には、ビ
ームスプリッタ２ｅが配置されている。

【００２４】ガルバノミラー３ａによって反射された照
明光としてのスリット像は、対物レンズ２ｆによって集
束され、試料Ｓ面上に結像する。ガルバノミラー３ａ
は、回転角度が制御され揺動するので、試料Ｓの表面は
スリット像によってＸ方向に沿って走査される。ガルバ
ノミラー３ａの反射面の揺動軸位置は、対物レンズ２ｆ
の後側焦点位置に配置されており、これはテレセントリ
ック光学系を構成している。

【００２５】試料Ｓからの反射光、又は照明光が励起光
である場合は蛍光等の自己発生光は対物レンズに捕えら
れ、ガルバノミラー３ａにより、光源の方向へ戻され、
ビームスプリッタ２ｅ及び集束レンズ２ｇを介して第２
スリット２ｈ上に結像する。第２スリット２ｈは、Ｙ方
向に沿った開口を有しており、試料位置から見て、第１
及び第２スリット２ｃ，２ｈは共役な位置に配置され、
これらは共焦点光学系を構成している。第２スリット２
ｈを出射した光像は集光レンズ２ｉによって集光され、
透過型回折格子２ｊに照射される。回折格子２ｊは、入
射したスリット像をＸ方向に沿って波長分解、すなわち
分光して出射する。波長分解されたスリット像は、レン
ズ２ｋを介してＴＶカメラ７の撮像面上に結像する。

【００２６】以上、説明したように、上記スリット像検
出装置は、第１スリット（スリット板）２ｃを通過した
スリット像を試料Ｓ上に投影するスリット像投影光学系
２と、スリット投影光学系２の対物レンズ２ｆ後側焦点
位置に配置されたガルバノミラー３ａと、この焦点位置
からみて第１スリット２ｃと共役な位置に配置された第
２スリット（スリット板）２ｈと、第２スリット２ｈを
通過したスリット像を検出する撮像装置２ｋとを備える
ことを特徴とする。

【００２７】本装置によれば、スリット像は照明光とし
てガルバノミラー３ａにより試料Ｓ上を走査する。試料
Ｓからの蛍光等の自己発生光は対物レンズに捕らえら
れ、ガルバノミラー３ａにより再び元来た方向へと戻さ
れ、第２スリット上にスリット像を結像する。

【００２８】第２スリット２ｈは第１スリット２ｃと共
役な位置に配置されているため、これらは共焦点光学系
を構成し、スリット像以外の光束の第２スリット２ｈの
通過を抑制し、像の解像度を向上させる。

【００２９】ここで、ガルバノミラー３ａは対物レンズ
２ｆの後側焦点位置に配置され絞りとして働いているの
で、テレセントリック光学系を構成し、試料Ｓを全視野
内において同様の条件で照明できるため、試料が反射物
体であっても、視野周辺において光量が落ちるようなこ
とはない。なお、対物レンズ２ｆの後側焦点位置はリレ
ーレンズ等で別の場所に移動させてもよい。

【００３０】本装置においては、第２スリット２ｈを通
過したスリット像を分光するための分光器２ｊを第２ス
リット２ｈと撮像装置７との間の光路内に備えており、
スリット像を波長分解（分光）することができる。

【００３１】本装置は、撮像装置７は、スリット像を波
長分解した像を撮像し、波長分解した像のデータをガル
バノミラー３ａの走査駆動に同期して記憶する記憶装置
１０ｃを備えており、記憶装置１０ｃは波長毎のスリッ
ト像を試料位置と対応づけて記憶することができる。

【００３２】本装置は、記憶装置１０ｃに記憶された上
記データに基づいて、波長毎の試料像を合成する処理装
置１０と、試料像を表示する表示器１１とを備えてお
り、複数のスリット像を合成してなる波長毎の試料像を
表示器１１上に表示することができる。なお、本例の場
合、処理装置１０は記憶装置１０ｃを含む。

【００３３】また、共焦点光学系は落射出型の構成とし
たが、これは光学部品２ｇ、２ｈ，２ｉ，２ｊ，２ｋ及
び撮像装置７からなる受光光学系を試料Ｓの裏面側に配
置し、透過型の構成としてもよい。この場合、対物レン
ズ２ｇは、試料に対し対向して配置され、焦点位置は試
料中になる。ガルバノミラー３ａは、２つの対物レンズ
の後側焦点にそれぞれ配置される。この場合においも、
第１及び第２スリット２ｃ，２ｆは共役な関係にある。
なお、上記回折格子２ｊは、分光を行うものであれば、
プリズム、音響光学素子をもちることもできる。ＴＶカ
メラ７は、ＣＣＤを用いたデジタルカメラを用いたが、
ＭＯＳ型イメージセンサを用いたものでも良い。また、
各画素からのデータを読み出す前に積算してもよく（ピ
ンニング）、この場合には映像信号の読み出し速度を上
げ、波長分解能、画像分解能を下げる、あるいは速度を
一定にしたまま、Ｓ／Ｎを上げる効果が期待できる。

【００３４】また、第１及び第２スリット２ｃ，２ｆの
スリット（開口）幅を調整することもできる。上記スリ
ット像のデータは、各画素の輝度データと試料面上の位
置のデータであるので、全データを記憶装置１０ｃに格
納しておけば、必要な時に、画像を再構成して表示する
ことができる。

【００３５】なお、本装置は上記波長分解構成から時間
分解構成に変形することができる。

【００３６】図９は、スリット像を時間分解するタイプ
のスリット像検出装置の光学系の斜視図である。装置構
成は、図１に示したものと略同一であり、上記が分光器
を用いて波長分解された複数のスリット像をＴＶカメラ
７で撮像するのに対し、以下では分光器の代わりにスト
リークカメラを用いて時間分解された複数のスリット像
をＴＶカメラ７を用いて撮像する。換言すれば、上記波
長分解の装置構成において、分光器を省略する代わりに
時間分解する構造を採用し、波長を時間と読み替えたも
のが本装置である。本装置においては、時間分解する構
造としてストリークカメラを用いる。すなわち、第２ス
リット２ｈがストリークカメラの入射面を構成してい
る。より詳細には、ストリークカメラは、入射面に第２
スリット２ｈを有するストリーク管１２と、ストリーク
管１２の出射面に対向するＴＶカメラ７と、ストリーク
管１２から出射された画像をＴＶカメラ７に結合させる
カップリング光学系とからなる。

【００３７】ストリーク管１２は、入射したスリット像
を光電変換した後、発生した光電子を偏向装置によって
周期的に偏向し、偏向方向に沿って光スリット像を電子
スリット像として偏向方向に時間分解し、この電子スリ
ット像を蛍光面に入射させる。蛍光面は電子スリット像
に応じて発光するので、ストリーク管１２からは、偏向
方向（Ｘ方向）に沿って時間分解されたスリット像が出
射し、このスリット像はＴＶカメラ７上に投影されるこ
ととなる。

【００３８】ＴＶカメラ７では、特定の試料位置におけ
るスリット像を時間分解して検出する。コンピュータ１
０は照明光としてのスリット像が試料全面を走査するよ
うにガルバノミラー３を揺動させるので、全位置におけ
るスリット像の時間分解データが記憶装置１０ｃに格納
される。照明光としてのスリット像の照射開始又は終了
時間から特定の時間Ｔ秒後のスリット像を、全ての位置
において合成すれば、光照射からＴ秒後の試料像を得る
ことができ、この試料像は表示機１１に表示することが
できる。このような時間分解されたスリット像は、２光
子時間分解蛍光検出の際に有用である。以上のように、
本装置においては、第２スリット２ｈがストリーク管１
２の入射面を構成しており、ストリーク管１２の出射面
は撮像装置７に対向しているので、スリット像を時間分
解することができる。

【００３９】

【発明の効果】本発明によれば、スリット像の検出精度
を向上可能なスリット像検出装置を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】スリット像検出装置のシステム構成図である。

【図２】時刻ｔ＝１，２，３，４，５におけるＴＶカメ
ラ７の撮像面上の画像を示す説明図である。

【図３】時刻ｔ＝１，２，３，４，５におけるスリット
像のスペクトル分布を示すグラフである。

【図４】λ＝１，２，３，４において合成された試料像
を示す説明図である。

【図５】位置Ｙ＝１，２，３，４におけるＴＶカメラ７
の撮像面上の画像を示す説明図である。

【図６】位置Ｙ＝１，２，３，４におけるスリット像の
スペクトル分布を示すグラフである。

【図７】試料観察領域全域に亙る積算スペクトル分布を
示すグラフである。

【図８】スリット像検出装置に適用される光学系の斜視
図である。

【図９】スリット像を時間分解するタイプのスリット像
検出装置の光学系の斜視図である。

【符号の説明】

２ｃ…スリット板、Ｓ…試料、２…スリット像投影光学
系、２ｆ…対物レンズ、３ａ…ガルバノミラー、３ｂ…
揺動機構、２ｈ…第２スリット板。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１スリットを通過したスリット像を試
料上に投影するスリット像投影光学系と、前記スリット
像投影光学系の対物レンズ後側焦点位置に配置されたガ
ルバノミラーと、前記焦点位置からみて前記第１スリッ
トと共役な位置に配置された第２スリットと、前記第２
スリットを通過したスリット像を検出する撮像装置とを
備えることを特徴とするスリット像検出装置。
【請求項２】前記第２スリットを通過したスリット像
を分光するための分光器を前記第２スリットと前記撮像
装置との間の光路内に備えることを特徴とする請求項１
に記載のスリット像検出装置。
【請求項３】前記撮像装置は、前記スリット像を波長
分解した像を撮像し、前記波長分解した像のデータをガ
ルバノミラーの走査駆動に同期して記憶する記憶装置を
備えることを特徴とする請求項２に記載のスリット像検
出装置。
【請求項４】前記記憶装置に記憶された前記データに
基づいて、波長毎の試料像を合成する処理装置と、該試
料像を表示する表示器とを備えることを特徴とする請求
項３に記載のスリット像検出装置。
【請求項５】前記第２スリットは、ストリーク管の入
射面を構成しており、前記ストリーク管の出射面は前記
撮像装置に対向していることを特徴とする請求項１に記
載のスリット像検出装置。