(57)【要約】【課題】  観察に用いる対物レンズに最適な位置に光束走査手段を配置し、さらにその影響で発生する収差も補正することも可能な走査型光学顕微鏡。【解決手段】  光源１１から発する照明光に任意の波面変換を与える波面変換素子２４と、波面変換後の照明光を互いに直交する方向に走査する光束走査手段３と、光束走査手段によって進行方向を変えた照明光を対物レンズ６に導く瞳投影レンズ４及び結像レンズ５と、照明光を物体に集光する対物レンズ６と、物体から発する信号光を検出する検出器５３とを備え、瞳投影レンズ及び結像レンズ中の少なくとも１つのレンズを移動させるための駆動機構を備え、その駆動機構によりレンズを移動させて光束走査手段３と対物レンズの瞳６との位置関係を最適位置に制御し、波面変換素子２４によって対物レンズ６から集光する照明光の波面を補正するようにした走査型光学顕微鏡。【選択図】        図１
2006106337.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、前記光源から発する照明光に任意の波面変換を与える波面変換素子と、前記波面変換素子から発する波面変換後の照明光を互いに直交する方向に走査する光束走査手段と、前記光束走査手段によって進行方向を変えた照明光を対物レンズに導く瞳投影レンズ及び結像レンズと、照明光を物体に集光する対物レンズと、物体から発する信号光を検出する検出器とを備え、前記瞳投影レンズ及び前記結像レンズ中の少なくとも１つのレンズを移動させるための駆動機構を備え、前記駆動機構により前記レンズを移動させて前記光束走査手段と前記対物レンズの瞳との位置関係を最適位置に制御し、前記波面変換素子によって前記対物レンズから集光する照明光の波面を補正するようにしたことを特徴とする走査型光学顕微鏡。
【請求項２】
前記瞳投影レンズ及び前記結像レンズ中の少なくとも１つのレンズを移動させて、前記光束走査手段と前記対物レンズの瞳との位置関係を最適位置に制御し、前記瞳投影レンズ及び前記結像レンズ中の別のレンズを移動させて、前記対物レンズから集光する照明光の焦点位置の補正を行い、さらに、前記波面変換素子によって前記対物レンズから集光する照明光の波面を補正するようにしたことを特徴とする請求項１記載の走査型光学顕微鏡。
【請求項３】
前記波面変換素子と前記光束走査手段とが互いに共役の位置に配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載の走査型光学顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は走査型光学顕微鏡に関し、特に、対物レンズの瞳位置に対して光束走査手段の配置位置が最適になるようにした走査型光学顕微鏡に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のＬＳＭ（レーザー走査型顕微鏡）等の走査型顕微鏡装置では、観察対象のＸＹスキャンを行うための光束走査手段が設けられている。一例として、図７に特許文献１に示されたレーザー走査型顕微鏡の構成を示す。この装置は、光源１１と、その光源１１から発せられた照明光に任意の波面変換を与える波面変換素子２２と、該波面変換素子２２から発せられた波面変換後の光束を直交する２方向に走査する光束走査手段３と、光束走査手段３によって偏向した光束を試料に集光する対物レンズ４と、試料から発せられた信号光を検出する検出器５３とを備え、波面変換素子２２を光束走査手段３と同期して動作させる走査型光学顕微鏡である。
【０００３】
このような装置の光束走査手段は、対物レンズの瞳位置に配置されることが望ましいが、対物レンズの瞳位置は、対物レンズのレンズ群の中、あるいは、レンズ群の近くに存在する場合が多い。したがって、レンズ系を用いて対物レンズの瞳と共役な位置を作り出し、その位置に光束走査手段を配置しているものが多い。図７の場合は、結像レンズ７４、及び、第３のリレー光学系７３を用いて対物レンズ４の瞳と共役な位置を作っている。その共役な位置に、光束走査手段３として直交する２つの回転軸を持つジンバルミラーが配置されている。
【特許文献１】特開２００４−１０９２１９号公報
【特許文献２】特開２０００−２９２５１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
対物レンズの瞳位置は、対物レンズによって異なる場合もあるので、光束走査手段が配置される位置が全ての対物レンズに対して最適な位置に設定されている訳ではない。対物レンズでは、照明光束の中心が瞳位置の中心を透過することで、左右で発生する収差をバランス良く補正するように最適な設定が施してある場合が多い。したがって、ＸＹスキャンが行われる位置がその瞳位置と異なると、最適な設計から外れてくるので、当然それに伴って収差が発生してしまう。
【０００５】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、観察に用いる対物レンズに最適な位置に光束走査手段を配置し、さらにその影響で発生する収差も補正することも可能な走査型光学顕微鏡を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成する本発明の走査型光学顕微鏡は、光源と、前記光源から発する照明光に任意の波面変換を与える波面変換素子と、前記波面変換素子から発する波面変換後の照明光を互いに直交する方向に走査する光束走査手段と、前記光束走査手段によって進行方向を変えた照明光を対物レンズに導く瞳投影レンズ及び結像レンズと、照明光を物体に集光する対物レンズと、物体から発する信号光を検出する検出器とを備え、前記瞳投影レンズ及び前記結像レンズ中の少なくとも１つのレンズを移動させるための駆動機構を備え、前記駆動機構により前記レンズを移動させて前記光束走査手段と前記対物レンズの瞳との位置関係を最適位置に制御し、前記波面変換素子によって前記対物レンズから集光する照明光の波面を補正するようにしたことを特徴とするものである。
【０００７】
この場合に、前記瞳投影レンズ及び前記結像レンズ中の少なくとも１つのレンズを移動させて、前記光束走査手段と前記対物レンズの瞳との位置関係を最適位置に制御し、前記瞳投影レンズ及び前記結像レンズ中の別のレンズを移動させて、前記対物レンズから集光する照明光の焦点位置の補正を行い、さらに、前記波面変換素子によって前記対物レンズから集光する照明光の波面を補正するようにすることができる。
【０００８】
また、前記波面変換素子と前記光束走査手段とが互いに共役の位置に配置されていることが望ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の走査型光学顕微鏡では、瞳投影レンズ及び結像レンズ中の少なくとも１つのレンズを移動させるて光束走査手段と対物レンズの瞳との位置関係を最適位置に制御するようにしているので、対物レンズの交換に伴ってその瞳位置が変わっても、その瞳位置に光束走査手段を配置するようにすることができ、光束走査手段が対物レンズの瞳の位置からずれることにより発生する収差も補正することができ、最適な観察画像を獲得することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下に、本発明の走査型光学顕微鏡の実施形態について説明する。なお、説明に用いる図中において、繰り返し用いられる同一の要素には同一の記号を付し、重複する説明は行わない。また、光束が入射してくる方向を前側、射出して行く方向を後側とし、光源としてレーザー発振器を用いたレーザ走査型顕微鏡（ＬＳＭ）を例にあげて説明する。
【００１１】
まず、本発明の第１実施形態の走査型光学顕微鏡を、図１を参照にして説明する。
【００１２】
図１において、光源としてのレーザー光源１１は、照明光を発し、その照明光はコリメータレンズ１２によって平面波に変換される。次に、この照明光はダイクロックミラー５１で反射した後に、波面変換素子光学系２に入射する。波面変換素子光学系２は、ビームスプリッター２１、リレー光学系２３、波面変換素子としてミラーの反射面の形状が電気的制御によって制御可能な形状可変ミラー（以下、ＤＦＭ）２４で構成されている。波面変換素子光学系２に入射した光束は、ビームスプリッター２１を透過し、リレー光学系２３に入射する。リレー光学系２３は、２つのレンズ群から構成され、それぞれの前側焦平面と後側焦平面が一致するように配置されている。このリレー光学系２３では、入射した光束をＤＦＭ２４で変調が容易なように適切な大きさの光束に変換する。リレー光学系２３を透過した光束は、ＤＦＭ２４の動作領域に適合する大きさの照明光となってＤＦＭ２４に入射し、適切な波面変調を受け、反射する。ＤＦＭ２４で波面変調された照明光は、再びリレー光学系２３を透過し、ビームスプリッター２１で反射されて、光束走査手段３であるジンバルミラー３１に入射する。ジンバルミラー３１は反射面に直交する２つの回転軸を有し、その面の角度を自由に変更でき、入射した照明光は任意の角度に反射される（特許文献２参照）。光束走査手段３で反射された照明光は、瞳投影レンズ４、結像レンズ５を経て、対物レンズ６に入射する。瞳投影レンズ４は、レンズの少なくとも一部が移動可能なように駆動機構が備わっている。瞳投影レンズ４は、その前側焦平面がジンバルミラー３１と一致し、また、その後側焦平面は結像レンズ５の前側焦平面と一致するように配置されている。対物レンズ６では、その標準的なものは瞳の位置が結像レンズ５の後側焦平面と一致するように配置されている。
【００１３】
照明光は、対物レンズ６によって、その前側焦平面に集光する。対物レンズ６の前側焦平面近傍に配置してある観察物体Ｏ中で照明光が集光し、それに伴って測定すべき蛍光光束が発生する。この観察物体Ｏから発生する光束は、照明光が通過したのと逆の光路を進み、対物レンズ６、結像レンズ５、瞳投影レンズ４、光束走査手段３、ビームスプリッター２１、リレー光学系２３を経て、ＤＦＭ２４で反射し、さらに、リレー光学系２３、ビームスプリッター２１を透過し、ダイクロックミラー５１に入射する。ダイクロックミラー５１では測定すべき波長のみが透過し、集光レンズ５２を透過する。集光レンズ５２の後側焦平面にピンホール付の検出手段５３が配置されており、その検出手段５３ではピンホールを透過した光束が検出される。
【００１４】
図２は、本実施形態での光束走査手段３及び瞳投影レンズ４における本発明の作用を説明する概略図である。上述したように、光束走査手段３は、結像レンズ５及び瞳投影レンズ４を用いることで、標準的な対物レンズ６の瞳位置に配置されているとする。この場合に、対物レンズ６を別の対物レンズ７に取り替えた場合に、瞳の位置が仮にＤだけ移動したとする（図２（ａ））。ここで、瞳投影レンズ４に付随する駆動機構によって瞳投影レンズ４を同じ方向にＤだけ移動させることで、光束走査手段３と対物レンズ７の瞳の位置を共役な位置に配置する（図２（ｂ））。瞳投影レンズ４がＤだけ移動すると、瞳投影レンズ４と結像レンズ７間にあった照明光の集光位置も移動する。この集光位置が移動すると、対物レンズ７における集光位置も移動する。この集光位置の移動量を補正するために、波面変換素子であるＤＦＭ２４の変調を行う。ＤＦＭ２４の変調によって、照明光の集光位置を、瞳投影レンズ４を移動する前の位置と等しくすることが可能となる（図２（ｃ））。
【００１５】
このように、瞳投影レンズ４を移動し、さらに波面変換素子であるＤＦＭ２４を用いて焦点の位置ずれ及びその補正を行うことで、最適な観察画像を獲得することが可能となる。
【００１６】
図３には、瞳位置の別の補正の手法を示す。本実施例では、瞳投影レンズ４は、正、負、正の３群の構成から成り立っている。初めに、瞳投影レンズ４は、標準的な瞳位置を持つ対物レンズ６の瞳位置と光束走査手段３とが共役な関係となるように配置されている。ここで、瞳位置が異なる対物レンズ７が対物レンズ６の代わりに配置され、その瞳位置と共役な位置がＤだけ移動したとする（図３（ａ））。このとき、瞳投影レンズ４の光束走査手段３側に最も近い正レンズ群を駆動機構を用いて移動することで、対物レンズ７の瞳位置が光束走査手段３と一致するようになる（図３（ｂ））。この移動に伴って、瞳投影レンズ４と結像レンズ５の間にある照明光の集光位置が移動する。次に、瞳投影レンズ４の中で結像レンズ５に最も近い正レンズ群を駆動機構を用いて移動することで、移動した集光位置を元の位置に戻す（図３（ｃ））。
【００１７】
このように、瞳投影レンズ４に付随する駆動機構が２つのレンズ群を個々に移動させることで、照明光の集光位置の移動量も補正することが可能となる。さらに、瞳投影レンズ４のレンズ系の移動に伴い、標準状態（図３（ａ））より収差が発生する可能性がある。このレンズ系の移動に伴って発生した収差をＤＦＭ２４を用いて補正するようにする。本実施例では、図２の場合の補正方式と比較して、ＤＦＭ２４の変調量が焦点の移動量がない分だけ少なくてすみ、その分だけより細かな補正が可能となる。
【００１８】
次に、本発明の第２実施形態の走査型光学顕微鏡の構成を図４に示す。第２実施形態では、第１実施形態と比較して、波面変換素子光学系２においては、ビームスプリッターを用いずに、ＤＦＭ２４に入射する角度を９０°から４５°にして、ビームスプリッターを用いない点と、第１実施形態では、瞳投影レンズ４のレンズ系を移動するための駆動機構があったが、本実施形態では、結像レンズ５を移動するための駆動機構を設けている点が異なる。その他については、第１実施形態と同様であるが、波面変換素子光学系２に入射した光束は、リレー光学系を経ずに直接ＤＦＭ２４に入射し、そこで適切な波面変調を受けて反射した照明光は、共焦点に配置された２つのレンズＡ、Ｂで構成されたリレー光学系２５を経て、光束走査手段３であるジンバルミラー３１に入射する。
【００１９】
第２実施形態では、ビームスプリッターを用いていないために、ビームスプリッターを透過及び反射する際に生じる光量の低下を防ぐことが可能となる。
【００２０】
また、第１実施形態では、瞳投影レンズ４の少なくとも一部のレンズに関して移動が可能なように駆動機構を設けていたが、本実施形態では、結像レンズ５が移動する。例えば、観察を行うための対物レンズ７（対物レンズ６と交換した対物レンズ）の瞳位置が異なる場合には、結像レンズ５を移動させることで、光束走査手段３であるジンバルミラー３１が対物レンズ７の瞳と共役な位置になるようにする。しかし、結像レンズ５を移動すると、対物レンズ７の焦点位置（集光位置）が移動する。この焦点移動をＤＦＭ２４の変調を行って補正を行う。このように補正を行うことで、良好な画像を獲得することが可能となる。
【００２１】
本発明の第３実施形態の走査型光学顕微鏡の構成を図５に示す。本実施形態では、第２実施形態と比較して、波面変換素子光学系２の構成と、光束走査手段３がＸ方向及びＹ方向のスキャンを別の反射ミラーで行う近接ガルバノミラーである点が異なり、その他の構成は同様である。
【００２２】
本実施形態での波面変換素子光学系２では、反射ミラー２９によって小レンズ２７に照明光が導かれ、次にリレー光学系２６に照明光は達する。このリレー光学系２６は、その前側焦平面が、小レンズ２７の後側焦平面と一致して、その中心軸が小レンズ２７の中心軸とはｄだけ離れて配置されている。したがって、リレー光学系２６を透過した照明光束は、略平行な光束となって、その後側焦点に向かう。このリレー光学系２６の後側焦平面近傍にＤＦＭ２４が配置されており、そこで必要な変調を行われた後に反射される。変調が行われて反射された照明光束は、再びリレー光学系２６に入射し、次に別の小レンズ２８に入射する。小レンズ２８は小レンズ２７と同じ仕様で、光軸と垂直な方向に一致する位置に配置され、その中心軸もリレー光学系２６の中心軸とは反対にｄだけずれている。したがって、ＤＦＭ２４で変調が行われない場合には、小レンズ２８から射出する照明光束は、小レンズ２６に入射する照明光束と同じ大きさの平行光束となっている。小レンズ２８から射出した照明光束は反射ミラー３０によって光路を曲げられ、光束走査手段３である近接ガルバノミラーに入射する。
【００２３】
また、本実施形態で用いている光束走査手段３である近接ガルバノミラーについて、図６を参照にして説明する。第１実施形態、第２実施形態で用いたＸ方向とＹ方向の２つの回転軸を持つジンバルミラーとは異なり、近接ガルバノミラーは、１つの回転軸を持つ２つのミラー３２、３３を、短い間隔２ｄだけ離して配置している。この配置では、配置する２つのミラー３２、３３の回転軸方向が直交するようにし、さらに、２つのミラー３２、３３の中心から等距離にある位置に、瞳投影レンズ４の前側焦点面、つまり、対物レンズ６（７）の瞳と共役な位置が配置される。この近接ガルバノミラーにおいても、対物レンズ６（７）の瞳位置のずれにより、Ｘ方向及びＹ方向の収差の発生が異なり、獲得される画像への影響は大きい。したがって、光束走査手段３として近接ガルバノミラーを用いる場合でも、第２実施形態の瞳位置の補正を行う方法によって、より良質の画像を獲得することが可能となる。その他の作用効果は第２実施形態と同じである。
【００２４】
なお、以上の本発明の説明においては、波面変換素子としては形状可変ミラー２４を用いるものとしたが、その他の波面変換素子である液晶等を用いても同様の効果が得られるの明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１実施形態のレーザー走査型顕微鏡の全体の構成を示す図である。
【図２】第１実施形態での光束走査手段及び瞳投影レンズにおける本発明の作用を説明する概略図である。
【図３】第１実施形態での瞳位置の別の補正の手法を示す概略図である。
【図４】本発明の第２実施形態のレーザー走査型顕微鏡の全体の構成を示す図である。
【図５】本発明の第３実施形態のレーザー走査型顕微鏡の全体の構成を示す図である。
【図６】第３実施形態に用いる光束走査手段である近接ガルバノミラーの構成を説明するための図である。
【図７】従来のレーザー走査型顕微鏡の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００２６】
Ｏ…物体
２…波面変換素子光学系
３…光束走査手段
４…瞳投影レンズ
５…結像レンズ
６、７…対物レンズ
１１…レーザー光源
１２…コリメータレンズ
２１…ビームスプリッター
２３…リレー光学系
２４…形状可変ミラー（ＤＦＭ）
２５…リレー光学系
２６…リレー光学系
２７…小レンズ
２８…小レンズ
２９…反射ミラー
３０…反射ミラー
３１…ジンバルミラー
３２、３３…ミラー
５１…ダイクロックミラー
５２…集光レンズ
５３…検出手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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