(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源と観察対象物の間の光路上に配置され、当該光路上において前記光源側から第１の入射方向で入射した光を前記観察対象物側に反射させるとともに前記観察対象物側からの反射光を前記光源側に反射させ、なおかつ前記光路に対する角度を変更して前記観察対象物における光の照射位置を変更可能なスキャナミラーと、
前記観察対象物側からの前記スキャナミラーで反射した反射光のうち前記観察対象物において焦点が合った反射光が通過する光選択部と、
前記光選択部を通過した反射光を、前記第１の入射方向と異なる第２の入射方向から前記スキャナミラーの同じ面に再度入射させ反射させる光学系と、
前記スキャナミラーで再度反射した反射光から前記観察対象物の像を形成する像形成部と、を有し、
前記光学系は、
前記光源側からの光を導入し前記スキャナミラーに対して前記第１の入射方向に射出し、なおかつ前記観察対象物側からの前記スキャナミラーで反射した反射光を導入する第１の光ファイバと、
前記第１の光ファイバ部に導入された前記反射光を前記第１の光ファイバから分岐する光分岐部と、
前記光分岐部で分岐された反射光を前記スキャナミラーに対して前記第２の入射方向に射出する第２の光ファイバと、を有し、
前記第１の光ファイバの反射光の導入端部が、前記光選択部を構成している、共焦点顕微鏡。
【請求項２】
前記スキャナミラーは、第１の軸周りに回転可能な第１のミラーと、前記第１の軸と直交する第２の軸周りに回転可能な第２のミラーを有する、請求項１に記載の共焦点顕微鏡。
【請求項３】
前記像形成部は、前記スキャナミラーで再度反射した反射光を２次元の平面上で検出可能な検出素子を有する、請求項１又は２に記載の共焦点顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光を観察対象物に照射し反射させ、当該観察対象物において焦点が合った反射光を選択的に検出して観察対象物を観察可能な共焦点顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、共焦点顕微鏡のスキャン方式として、ディスクスキャン方式やレーザスキャン方式が広く用いられている（特許文献１、２参照）。
【０００３】
ディスクスキャン方式の共焦点顕微鏡は、羅線状に多数のピンホールが形成されたニポウディスクを光源と観察対象物との間に備え、ニポウディスクを回転させ、当該ニポウディスクのピンホールを通過した光源の光を検出器により検出することによって観察対象物の画像を得ることができる。
【０００４】
また、レーザスキャナ方式の共焦点顕微鏡は、光源の光をスキャナミラーを介して観察対象物に照射し、その反射光を前記スキャナミラーやピンホールを介して検出素子で検出する。この際、スキャナミラーの角度を動かして観察対象物上の光の照射位置を走査することによって観察対象物の画像を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−８８０９２号公報
【特許文献２】特開２０１０−２６３４４号公報
【特許文献３】米国特許第５０２２７４３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記レーザスキャン方式では、走査の際、ピンホールで反射光が一点の固定点に集光され、検出素子がその固定点の光を検出している。このため、最終的に観察対象物全体の画像を得るためには、コンピュータにより、観察対象物の光の照射位置とスキャナミラーの角度との関係や検出素子の光強度等の情報に基づいて、観察対象物の画像を再構成する必要がある。このため、例えば何らかの理由で実際のスキャナミラーの位置や角度が、コンピュータ上で認識している位置や角度とずれると、コンピュータで再構成される画像に歪みが生じてしまう。
【０００７】
一方、上記ディスクスキャン方式では、コンピュータで画像を再構成する必要がないため、画像の歪みが生じにくい。しかしながら、ピンホールを通過しない光源の光はニポウディスクで遮断されるため、光の多くが失われ、光源の光が効率的に使用されていない。
【０００８】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、観察対象物の画像の歪みを防止しつつ、光源の光量のロスを低減できる共焦点顕微鏡を提供することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するための本発明は、光源と、前記光源と観察対象物の間の光路上に配置され、当該光路上において前記光源側から第１の入射方向で入射した光を前記観察対象物側に反射させるとともに前記観察対象物側からの反射光を前記光源側に反射させ、なおかつ前記光路に対する角度を変更して前記観察対象物における光の照射位置を変更可能なスキャナミラーと、前記観察対象物側からの前記スキャナミラーで反射した反射光のうち前記観察対象物において焦点が合った反射光が通過する光選択部と、前記光選択部を通過した反射光を、前記第１の入射方向と異なる第２の入射方向から前記スキャナミラーの同じ面に再度入射させ反射させる光学系と、前記スキャナミラーで再度反射した反射光から前記観察対象物の像を形成する像形成部と、を有し、前記光学系は、前記光源側からの光を導入し前記スキャナミラーに対して前記第１の入射方向に射出し、なおかつ前記観察対象物側からの前記スキャナミラーで反射した反射光を導入する第１の光ファイバと、前記第１の光ファイバ部に導入された前記反射光を前記第１の光ファイバから分岐する光分岐部と、前記光分岐部で分岐された反射光を前記スキャナミラーに対して前記第２の入射方向に射出する第２の光ファイバと、を有し、前記第１の光ファイバの反射光の導入端部が、前記光選択部を構成している、共焦点顕微鏡である。
【００１０】
本発明によれば、観察対象物側からの光選択部を通過した反射光を再度同じスキャナミラーで反射させるので、像形成部において観察対象物の光の照射位置に対応する２次元の平面上に像を形成できる。そして、スキャナミラーにより観察対象物上の光の照射位置を走査できるので、観察対象物の二次元の平面的な画像を得ることができる。この結果、従来のように観察対象物の光の照射位置とスキャナミラーの角度との関係等の情報に基づいてコンピュータ上で画像を再構成する必要がなく、画像を直接的に取得できるので、観察対象物の画像の歪みを防止できる。また、ニポウディスクのようなディスクに光が遮断されないので、光源の光量のロスを低減できる。
【００１３】
前記スキャナミラーは、第１の軸周りに回転可能な第１のミラーと、前記第１の軸と直交する第２の軸周りに回転可能な第２のミラーを有していてもよい。
【００１４】
前記像形成部は、前記スキャナミラーで再度反射した反射光を２次元の平面上で検出可能な検出素子を有していてもよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、観察対象物の画像の歪みを防止しつつ、光源の光量のロスを低減できる。よって、低出力光源で、精度の高い観察を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】光ファイバを有する共焦点顕微鏡の光学系の構成の概略を示す模式図である。
【図２】ビームスプリッタを有する共焦点顕微鏡の光学系の構成の概略を示す模式図である。
【図３】スキャナミラーが２つのミラーを有する場合の共焦点顕微鏡の光学系の構成の概略を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態にかかる共焦点顕微鏡１の光学系の構成の一例を示す模式図である。
【００１８】
共焦点顕微鏡１は、例えば光源１０と、スキャナミラー１１と、光選択部１２と、光学系１３と、像形成部１４を有している。
【００１９】
光源１０は、例えばレーザ光源である。スキャナミラー１１は、光源１０と観察対象物Ａとの間の光路上に配置され、当該光路上においてレーザ光源１０側から入射した光を観察対象物Ａ側に反射させるとともに観察対象物Ａ側からの反射光を光源１０側に反射させ戻すことができる。また、スキャナミラー１１には、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラー等が用いられ、直交する２つの軸周りに回転して、光路に対する設置角度を変更できる。これにより、スキャナミラー１１は、観察対象物Ａ上の光の照射位置を２次元方向に走査できる。なお、観察対象物Ａで反射された後の光を「反射光」とする。
【００２０】
光学系１３は、例えば第１の光ファイバ２０と、光分岐部２１と、第２の光ファイバ２２を有している。
【００２１】
第１の光ファイバ２０は、例えば光源１０側からの光を第１の端部２０ａから導入し、第２の端部２０ｂからスキャナミラー１１に対して第１の入射方向Ｂに射出できる。また、第１の光ファイバ２０は、観察対象物Ａ側からのスキャナミラー１１で反射した反射光を第２の端部２０ｂから導入できる。第１の光ファイバ２０の反射光の導入端部としての第２の端部２０ｂが、光選択部１２になっている。光選択部１２は、ピンホールと同じ機能を果たし、観察対象物Ａにおいて焦点が合った反射光を選択的に通過させる。
【００２２】
光分岐部２１は、第１の光ファイバ２０に導入された反射光を第１の光ファイバ２０から分岐できる。光分岐部２１は、例えばファイバカプラである。
【００２３】
第２の光ファイバ２２は、光分岐部２１で分岐された反射光を、スキャナミラー１１に対して第１の入射方向Ｂと異なる第２の入射方向Ｃに向けて射出できる。例えば、スキャナミラー１１における第１の入射方向Ｂの入射角よりも、第２の入射方向Ｃの入射角が大きくなっている。この射出は、射出端部２２ａから行うことができる。第２の光ファイバ２２の他の端部は、光分岐部２１のファイバカプラに連結されている。
【００２４】
像形成部１４は、例えば結像レンズ３０と、検出素子３１を有している。結像レンズ３０は、スキャナミラー１１で反射した反射光を集光し結像できる。検出素子３１は、例えば２次元撮像素子としてのＣＣＤカメラであり、２次元の平面上に像を形成しその像を検出できる。
【００２５】
その他、共焦点顕微鏡１は、例えば光源１０から射出された光を集光する集光レンズ（光源部レンズ）４０と、第１の光ファイバ２０の第２の端部２０ｂから射出された光を平行にする第１のコリメータレンズ４１と、スキャナミラー１１で反射した光を観察対象物Ａの方向へ反射させる、角度が固定された折り曲げミラー４２と、対物レンズ４３と、第２の光ファイバ２２の射出端部２２ａから射出された光を平行にする第２のコリメータレンズ４４等を有している。
【００２６】
次に、以上のように構成された共焦点顕微鏡１の動作について説明する。
【００２７】
先ず、光源１０からレーザ光が射出され、当該光が集光レンズ４０により集光され、第１の端部２０ａから第１の光ファイバ２０に導入される。第１の光ファイバ２０に導入された光は、その内部を通って第２の端部２０ｂから射出される。この射出は、スキャナミラー１１に対して第１の入射方向Ｂに向けて行われる。
【００２８】
第２の端部２０ｂから射出された光は、第１のコリメータレンズ４１により平行にされ、その後スキャナミラー１１に入射する。光は、スキャナミラー１１で反射し、さらに折り曲げミラー４２で観察対象物Ａのある方向に反射する。次に光は、対物レンズ４３を通って集光され、観察対象物Ａに照射され、光のスポット（第１の光ファイバ２０の第２の端部２０ｂ（光選択部１２）に対応する像）を形成する。
【００２９】
観察対象物Ａで反射した反射光は、再び対物レンズ４３を通って、折り曲げミラー４２で反射し、スキャナミラー１１に入射し反射する。その後反射光は、第１のコリメータレンズ４１を通って集光され、第２の端部２０ｂから第１の光ファイバ２０に導入される。第１の光ファイバ２０に導入される際、反射光は、第２の端部２０ｂの光選択部１２を通過する。このとき、観察対象物Ａ上で第１の光ファイバ２０の光選択部１２に対応する像（光のスポット）が形成されている場合、つまりフォーカスが合っている場合には、反射光が光選択部１２を通過し、それ以外の場合は、反射光は光選択部１２を通過しない。よって、フォーカスの合っている反射光のみが第１の光ファイバ２０に導入され、後述のように検出素子３１で像を形成することになる。
【００３０】
第１の光ファイバ２０に導入された反射光は、光分岐部２１で分岐され、第２の光ファイバ２２に導入される。当該反射光は、第２の光ファイバ２２内を通り、射出端部２２ａからスキャナミラー１１に向けて射出される。このときのスキャナミラー１１に対する反射光の射出は、第１の光ファイバ２０からスキャナミラー１１への第１の入射方向Ｂと異なる第２の入射方向Ｃに向けて行われる。
【００３１】
第２の光ファイバ２２から射出された反射光は、第２のコリメータレンズ４４により平行にされ、その後スキャナミラー１１に再び入射する。反射光は、スキャナミラー１１で反射し、結像レンズ３０により結像され、その後検出素子３１において２次元の平面上にスポット（第２の光ファイバ２２の射出端部２２ａに対応する、観察対象物Ａの光の照射位置の像）が形成され、その像が検出される。
【００３２】
スキャナミラー１１の光路に対する角度を変動させ、観察対象物Ａの光の照射位置（スポットの形成位置）を観察対象物Ａの光の照射可能領域（視野）の全体に走査する。これによって、検出素子３１において視野内の観察対象物Ａ全体の２次元の平面的な画像を取得できる。
【００３３】
次に、観察対象物Ａ上の光の照射位置と検出素子３１上の像の形成位置との関係について説明する。
【００３４】
例えばスキャナミラー１１が基準の角度位置にあるときに、観察対象物Ａ上の視野中心と検出素子３１の中心にスポットが形成されているとする。
【００３５】
図１に示すようにスキャナミラー１１が基準の角度位置からある方向にθMだけ傾いたとき、対物レンズ４３と結像レンズ３０に入射する光の角度変位θObj、θTubeは、いずれも、
θObj  ＝  θTube  ＝  ２θM
となる。
【００３６】
この結果、観察対象物Ａと検出素子３１上のスポットの移動量ｙObj、ｙImgはそれぞれ、
ｙObj  ＝  ｆObj×ｔａｎθObj  ＝  ｆObj×ｔａｎ（２θM）
ｙImg  ＝  ｆTube×ｔａｎθTube  ＝  ｆTube×ｔａｎ（２θM）
となる。なお、ｆObjは、対物レンズ４３の焦点距離であり、ｆTubeは、結像レンズ３０の焦点距離である。
【００３７】
この結果、結像倍率ｍは、
ｍ  ＝  ｙImg／ｙObj  ＝  ｆTube／ｆObj
となる。この関係は無限遠補正光学系と等価のものである。
【００３８】
よって、スキャナミラー１１の角度を、直交する２つの軸周りに変更し、観察対象物Ａの光の照射位置を視野全体で走査することによって、視野全体の観察対象物Ａと相似の画像を得ることができる。
【００３９】
以上の実施の形態によれば、観察対象物Ａ側からの光選択部１２を通過した反射光を再度同じスキャナミラー１１で反射させているので、検出素子３１において観察対象物Ａの光の照射位置に対応する２次元の平面上の像（スポット）を形成することができる。そして、スキャナミラー１１により観察対象物Ａ上の照射位置を走査することによって、最終的に検出素子３１において視野内の観察対象物Ａ全体の２次元の平面的な画像を得ることができる。この結果、従来のように観察対象物Ａの光の照射位置とスキャナミラーの角度との関係等に基づいてコンピュータ上で画像を再構成する必要がなく、画像を直接的に取得できるので、観察対象物Ａの画像の歪みを防止できる。また、画像がリアルタイムで取得できるので、画像の取得時間も短縮できる。また、ニポウディスクのように光が遮断されないので、光源１０の光量のロスを低減でき、光源１０の光を効率的に用いることができる。
【００４０】
また、光学系１３に光ファイバ２０、２２を用いているので、光学系１３の配置を柔軟に行うことができる。
【００４１】
以上の実施の形態において、光学系１３は第１の光ファイバ２０、光分岐部２１、第２の光ファイバ２２を用いたものであったが、他の構成のものであってもよい。
【００４２】
例えば図２に示すように、光学系１３は、光ファイバ２０、２２等に代えて、光源１０と観察対象物Ａとの間の光路上にビームスプリッタ５０を有していてもよい。例えば光路上のビームスプリッタ５０の観察対象物Ａ側には、光選択部としてのピンホール５１、固定ミラー５２が設けられている。ビームスプリッタ５０は、ピンホール５１を通過した反射光を反射させてスキャナミラー１１に対して第２の入射方向Ｃに向けて射出することができる。固定ミラー５２は、光源１０側からの光をスキャナミラー１１方向に反射させ、また観察対象物Ａ側からのスキャナミラー１１で反射した光を光源１０側に反射させることができる。なお、他の構成は、前記実施の形態と同様であるので同じ符号を用いて説明を省略する。
【００４３】
かかる場合、先ず、光源１０から射出された光は、集光レンズ４０により集光された後、ビームスプリッタ５０を通過し、その後ピンホール５１を通過する。その後光は、固定ミラー５２で反射し、第１のコリメータレンズ４１を通過した後、スキャナミラー１１に入射する。光は、スキャナミラー１１で反射し、さらに折り曲げミラー４２で観察対象物Ａの方向に反射する。次に光は、対物レンズ４３を通って集光され、観察対象物Ａに照射されて、観察対象物Ａ上にスポット（ピンホール５１に対応する像）を形成する。
【００４４】
観察対象物Ａで反射した反射光は、再び対物レンズ４３を通って折り曲げミラー４２で反射し、スキャナミラー１１で反射する。その後反射光は、第１のコリメータレンズ４１を通って集光され、固定ミラー５２で反射した後、ピンホール５１に入射する。このとき、観察対象物Ａ上でピンホール５１に対応する像（光のスポット）が形成されている場合、つまりフォーカスが合っている場合には、反射光がピンホール５１を通過し、それ以外の場合は、反射光がピンホール５１を通過しない。よって、フォーカスの合っている反射光のみが後述のように検出素子３１で像を形成することになる。
【００４５】
ピンホール５１を通過した反射光は、ビームスプリッタ５０で反射し、第２のコリメータレンズ４４を通過して、スキャナミラー１１に再び入射する。反射光は、スキャナミラー１１で反射し、結像レンズ３０により結像され、検出素子３１において２次元の平面上にスポット（ピンホール５１に対応する、観察対象物Ａの光の照射位置の像）が形成され、その像が検出される。
【００４６】
スキャナミラー１１の光路に対する角度を変動させ、観察対象物Ａの光の照射位置（スポットの形成位置）を観察対象物Ａの視野の全体に走査する。これによって、検出素子３１において視野内の観察対象物Ａ全体の２次元の平面的な画像を取得できる。なお、観察対象物Ａと検出素子３１上のスポットの移動量ｙObj、ｙImgの関係、結像倍率ｍ等は、前記実施の形態と同様である。
【００４７】
かかる例でも、ビームスプリッタ５０により観察対象物Ａからの反射光を再度スキャナミラー１１で反射させ、検出素子３１において観察対象物Ａの照射位置に対応する２次元の平面上に像（スポット）を得ることができ、さらにスキャナミラー１１により観察対象物Ａ上の照射位置を走査することによって、最終的に検出素子３１において視野内の観察対象物Ａ全体の２次元の平面的な画像を得ることができる。この結果、上記実施の形態と同様にコンピュータによる画像の再構成が必要なく、観察対象物Ａの画像の歪みを防止できる。また、光源１０の光量のロスを低減できる。さらに、光ファイバを用いずに構造が簡略化されているので、上記実施の形態に比べて共焦点顕微鏡１を小型化できる。
【００４８】
上記実施の形態で記載したスキャナミラー１１は、例えば図３に示すように第１の軸周りに回転可能な第１のミラー６０と、第１の軸と直交する第２の軸周りに回転可能な第２のミラー６１を有していてもよい。第１のミラー６０及び第２のミラー６１には、例えば大径の光束に対応できるガルバノミラーが用いられる。ミラー６０、６１には、例えばそれぞれの軸回転を駆動するモータなどの駆動源６２が設けられている。
【００４９】
かかる場合、先ず、光源１０から射出された光は、集光レンズ４０により集光され、第１の端部２０ａから第１の光ファイバ２０に導入され、第１の光ファイバ２０の第２の端部２０ｂから射出される。その後、光は、第１のコリメータレンズ４１を通り、スキャナミラー１１の第１のミラー６０で反射し、次に第２のミラー６１で反射する。その後、光は、折り曲げミラー４２で反射し、対物レンズ４３を通って集光され、観察対象物Ａに照射され、スポット（第１の光ファイバ２０の光選択部１２に対応する像）を形成する。
【００５０】
観察対象物Ａで反射した反射光は、再び対物レンズ４３を通って、折り曲げミラー４２で反射し、スキャナミラー１１の第２のミラー６１で反射し第１のミラー６０で反射する。その後反射光は、第１のコリメータレンズ４１を通って集光され、第２の端部２０ｂから第１の光ファイバ２０に導入される。この際、反射光は、光選択部１２を通過する。このとき、観察対象物Ａ上で第１の光ファイバ２０の光選択部１２に対応する像（光のスポット）が形成されている場合、つまりフォーカスが合っている場合には、反射光が光選択部１２を通過し、それ以外の場合は、反射光が光選択部１２を通過しない。よって、フォーカスの合っている光のみが第１の光ファイバ２０に導入され、後述のように検出素子３１において像が形成されることになる。
【００５１】
第１の光ファイバ２０に導入された反射光は、光分岐部２１で分岐され、第２の光ファイバ２２に導入される。当該反射光は、第２の光ファイバ２２を通り、射出端部２２ａからスキャナミラー１１に向けて射出される。
【００５２】
第２の光ファイバ２２から射出された反射光は、第２のコリメータレンズ４４を通り、再びスキャナミラー１１の第１のミラー６０で反射し第２のミラー６１で反射する。反射光は、その後結像レンズ３０を通って結像され、その後検出素子３１において２次元の平面上にスポット（第２の光ファイバ２２の射出端部２０ａに対応する、観察対象物Ａの光の照射位置の像）が形成され、その像が検出される。
【００５３】
第１のミラー６０と第２のミラー６１の光路に対する角度を変動させ、観察対象物Ａの光の照射位置（スポットの形成位置）を観察対象物Ａの視野の全体に走査する。これによって、検出素子３１において視野内の観察対象物Ａ全体の２次元の平面的な画像を取得できる。なお、観察対象物Ａと検出素子３１上のスポットの移動量ｙObj、ｙImgの関係、結像倍率ｍ等は、前記実施の形態と同様である。
【００５４】
かかる例によれば、１軸回転の２つのミラー６０、６１を用いて、観察対象物Ａ上の光の照射位置を２次元方向に走査できるので、ＭＥＭＳなどからなる２軸回転のミラーに比べて大きな光束径の光に対応できる。よって、例えばより大きな観察対象物Ａを観察できる。なお、上述の光ファイバ２０、２２に代えてビームスプリッタ５０を用いた例においても、スキャナミラー１１に２つのミラー６０、６１を用いてもよい。
【００５５】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００５６】
例えば以上の実施の形態において、像形成部１４に検出素子３１が設けられていたが、平面的に形成された像を肉眼で観察する場合にも本発明は適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明は、観察対象物の画像の歪みを防止しつつ、光源の光量のロスを低減する共焦点顕微鏡を実現する際に有用である。
【符号の説明】
【００５８】
１  共焦点顕微鏡
１０  光源
１１  スキャナミラー
１２  光選択部
１３  光学系
１４  像形成部
２０  第１の光ファイバ
２１  光分岐部
２２  第２の光ファイバ
３０  結像レンズ
３１  検出素子
４３  対物レンズ
Ａ  観察対象物
Ｂ  第１の入射方向
Ｃ  第２の入射方向
【図１】
0005523937.tif 000002
【図２】
0005523937.tif 000003
【図３】
0005523937.tif 000004