共焦点顕微鏡の原理

共焦点顕微鏡の原理

共焦点顕微鏡は、1980年代に登場し開発された高精度の画像装置であり、サブミクロンの構造を研究するために不可欠な科学研究装置です。 コンピューター、画像処理ソフト、レーザーの発展に伴い共焦点顕微鏡も大きく発展し、現在では生物学、マイクロシステム、材料測定の分野で広く使用されています。 共焦点顕微鏡は、共焦点原理、走査技術、コンピュータグラフィックス処理技術を統合した新しいタイプの顕微鏡です。 その主な利点は、高い横方向解像度と高い軸方向解像度、および迷光の効果的な抑制と高いコントラストです。

一般的な共焦点顕微鏡のセットアップでは、図に示すように、測定対象物の焦点面の共役面に 2 つの小さな穴を配置します。そのうちの 1 つは光源の前に、もう 1 つは検出器の前に配置されます。この図から、測定サンプルが準焦点面にあるとき、検出端によって収集される光強度が最大になることがわかります。 測定サンプルが焦点から外れた位置にある場合、検出端の光スポットは拡散し、光強度は急激に減少します。 したがって、焦点面上の点から発せられた光のみが射出ピンホールを通過でき、焦点面の外側の点から発せられた光は射出ピンホール面上で焦点がぼけ、そのほとんどは中心ピンホールを通過できません。 そのため、焦点面上の観察対象点は明るく見え、非観察点は背景として黒く見えるため、コントラストが増し、鮮明な画像が得られます。 画像処理中、2 つのピンホールは共焦点であり、共焦点点が検出点であり、検出点が位置する平面が共焦点面です。

共焦点顕微鏡における検出器のピンホールのサイズは重要な役割を果たします。 これは、システムの解像度と信号対雑音比に直接影響します。 ピンホールが大きすぎると、共焦点検出効果が達成されず、システムの解像度が低下するだけでなく、より多くの迷光が発生します。 ピンホールが小さすぎると、検出効率が低下し、顕微鏡画像が小さくなります。 輝度。 研究により、ピンホールの直径がエアリーディスクの直径と等しい場合、共焦点の要件が満たされ、検出効率が大幅に低下しないことが示されています。 一般にピンホールの直径はミクロンオーダーであるため、レーザー光の集光点とピンホールの位置にずれがあると信号歪みが発生します。 したがって、共焦点顕微鏡は一般にオートフォーカス システムを使用するため、実質的に測定時間が増加します。

レーザー共焦点走査型顕微鏡は点結像であるため、対象物の 2 次元画像を取得するには、x 方向と y 方向の 2 次元走査を使用する必要があります。 顕微鏡が異なれば、使用するスキャン方法も異なります。

(1) オブジェクトのスキャン。 つまり、物体自体はある法則に従って動きますが、光線は変化しません。 利点: 安定した光路。 欠点: 大きなスキャンテーブルが必要となるため、スキャン速度が大幅に制限されます。

（２）反射型ガルバノメータを用いてビーム走査系を構成する。 すなわち、走査ガルバノメータを制御することにより、集光された光スポットが物体の特定の層に正反射され、二次元走査が完了する。 精度が高いことが利点であり、高精度の測定によく使用されます。 スキャン速度はオブジェクト スキャンよりも向上しましたが、まだ高速ではありません。

(3) 走査には音響光学偏向素子を用い、音波の出力周波数を変化させ、光波の伝搬方向を変化させることで走査を実現する。 優れた利点は、スキャン速度が非常に速いことです。 米国によって開発されたスキャン システムは、音響光学偏向器を使用してリアルタイムのビデオ画像を生成します。 2次元画像のスキャンにかかる時間はわずか1/30秒で、ほぼリアルタイム出力を実現します。

(4) ニポウディスクスキャン。 スキャンプロセスは、他のコンポーネントを静止させたままニポーディスクを回転させることによって完了します。 一度に画像化でき、速度も非常に速いです。 しかし、結像ビームは軸外光であるため、レンズの軸外収差を補正する必要があり、光エネルギーの利用率が非常に低い。