(57)【要約】【課題】照明光の集光位置を照明光軸方向に高速に移動させる。【解決手段】顕微鏡装置２は、照明光軸ＡＸを有し、観察物体Ｓに照明光を照射する照明光学系３０と、観察光軸ＡＺを有し、観察物体Ｓの像を撮像装置５０に投影する観察光学系４０を備える。照明光学系３０は、照明光が集光する集光位置Ｆ１を照明光軸ＡＸと平行な方向に移動させる走査装置３６を備える。走査装置３６は、反射面３５ａを有する回転ミラー３５と、照明光を反射面３５ａに照射し且つ反射面３５ａで反射した照明光を取り込むように配置された集光レンズ３４と、を備える。走査装置３６は、集光レンズ３４の光軸ＡＣ上における集光レンズ３４と反射面３５ａとの間の距離が変化するように回転ミラー３５を回動あるいは回転させる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
照明光軸を有し、観察物体に照明光を照射する照明光学系と、
前記照明光軸とは方向が異なる観察光軸を有し、前記観察物体の像を撮像装置に投影する観察光学系と、を備え、
前記照明光学系は、前記照明光学系から出射した前記照明光が集光する集光位置を前記照明光軸と略平行な方向に移動させる第１の走査装置を備え、
前記第１の走査装置は、
反射面を有する回転ミラーと、
前記照明光を前記反射面に照射し且つ前記反射面で反射した前記照明光を取り込むように配置された集光レンズと、を備え、
前記集光レンズの光軸上における前記集光レンズと前記反射面との間の距離が変化するように前記回転ミラーを回動又は回転させる
ことを特徴とする顕微鏡装置。
【請求項２】
請求項１に記載の顕微鏡装置において、
前記集光レンズは、前記反射面の近傍に前記照明光が集光するように、配置される
ことを特徴とする顕微鏡装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の顕微鏡装置において、
前記第１の走査装置は、前記回転ミラーを等速で回動又は回転させる
ことを特徴とする顕微鏡装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の顕微鏡装置において、
前記回転ミラーは、ガルバノミラーである
ことを特徴とする顕微鏡装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の顕微鏡装置において、
前記回転ミラーは、複数の反射面を有する
ことを特徴とする顕微鏡装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の顕微鏡装置において、
前記回転ミラーの回転軸の方向は、前記観察光軸に平行な方向に対応する
ことを特徴とする顕微鏡装置。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の顕微鏡装置において、
前記照明光学系は、さらに、前記集光位置を前記照明光軸と直交する方向に動かす第２の走査装置を備える
ことを特徴とする顕微鏡装置。
【請求項８】
請求項７に記載の顕微鏡装置において、
前記第２の走査装置は、ガルバノミラーである
ことを特徴とする顕微鏡装置。
【請求項９】
請求項７に記載の顕微鏡装置において、
前記第２の走査装置は、レゾナントスキャナである
ことを特徴とする顕微鏡装置。
【請求項１０】
請求項７乃至請求項９のいずれか１項に記載の顕微鏡装置において、
前記照明光学系は、さらに、前記第２の走査装置と前記集光位置の間に配置された絞りを備える
ことを特徴とする顕微鏡装置。
【請求項１１】
請求項７乃至請求項１０のいずれか１項に記載の顕微鏡装置において、
前記照明光軸は、前記観察光軸に直交し、
前記第２の走査装置は、前記集光位置を前記照明光軸及び前記観察光軸と直交する方向に動かす
ことを特徴とする顕微鏡装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の顕微鏡装置において、さらに、
前記観察物体を前記観察光軸と平行な方向に動かす観察物体移動装置を備える
ことを特徴とする顕微鏡装置。
【請求項１３】
請求項１乃至請求項１２のいずれか１項に記載の顕微鏡装置と、
前記撮像装置から出力された画像信号に基づいて前記観察物体の３次元画像の画像データを生成する計算装置と、を備え、
前記顕微鏡装置は、さらに、前記観察物体を撮像し画像信号を出力する前記撮像装置を備える
ことを特徴とする顕微鏡システム。
【請求項１４】
観察物体に照明光を照射する照明光学系を有する照明装置であって、
前記照明光学系は、前記照明光学系から出射した前記照明光が集光する集光位置を前記照明光学系の照明光軸と略平行な方向に移動させる第１の走査装置を備え、
前記第１の走査装置は、
反射面を有する回転ミラーと、
前記照明光を前記反射面に照射し且つ前記反射面で反射した前記照明光を取り込むように配置された集光レンズと、を備え、
前記集光レンズの光軸上における前記集光レンズと前記反射面との間の距離が変化するように前記回転ミラーを回動又は回転させる
ことを特徴とする照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、顕微鏡装置、顕微鏡システム、及び、照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
生体標本の３次元像を取得する技術として、観察光学系の光軸（以降、観察光軸と記す）を横断する生体標本の断面を選択的に照明する選択的平面照明顕微鏡法(SPIM:Selective Plane Illumination Microscopy)が知られている。SPIMは、生体標本へ与えるダメージを抑えることができる、観察光軸方向に高い解像力を実現できる、生体標本の深部を観察することができる、などのメリットがあり、近年、注目を集めている。SPIMを用いた顕微鏡（以降、SPIM顕微鏡と記す）は、例えば、特許文献１、特許文献２に記載されている。
【０００３】
一般に、SPIM顕微鏡では、照明光学系の開口数が高いほど、観察光軸方向に高い解像力を実現できる。その一方で、特許文献１に記載されるように、照明光学系の開口数が高いほど、十分な強度の照明光が照射されて蛍光物質が励起される領域（以降、照明領域と記す）が照明光学系の光軸（以降、照明光軸と記す）方向に短くなってしまう。
【０００４】
このような技術的な課題に関連する技術が特許文献２に記載されている。特許文献２には、照明光の集光位置を照明光軸と平行な方向（以降、照明光軸方向と記す）に高速に移動させることで、照明領域を照明光軸方向に広げる技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−１０８４９１号公報
【特許文献２】中国特許出願公開第１０４４０７４３６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、特許文献２には、照明光の集光位置を照明光軸方向に高速に移動させる構成として、可変音響式屈折率分布レンズ（以降、TAGレンズと記す）、電気制御ズームレンズ、マイクロメカニズム可変反射鏡（以降、MEMSミラーと記す）が記載されている。
【０００７】
しかしながら、TAGレンズを用いると、集光位置の移動速度（以降、スキャン速度と記す）が正弦波状に変化してしまうため、照明領域が均一に照明されない。また、電気制御ズームレンズを用いると、レンズの物理的な移動が伴うため、十分なスキャン速度が得られないことがある。また、MEMSミラーを用いると、装置が高価になってしまう。このため、照明光の集光位置を照明光軸方向に高速に移動させる新たな技術が求められている。
【０００８】
以上のような実情を踏まえ、本発明の一側面に係る目的は、照明光の集光位置を照明光軸方向に高速に移動させる技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様に係る顕微鏡装置は、照明光軸を有し、観察物体に照明光を照射する照明光学系と、前記照明光軸とは方向が異なる観察光軸を有し、前記観察物体の像を撮像装置に投影する観察光学系と、を備え、前記照明光学系は、前記照明光学系から出射した前記照明光が集光する集光位置を前記照明光軸と略平行な方向に移動させる第１の走査装置を備え、前記第１の走査装置は、反射面を有する回転ミラーと、前記照明光を前記反射面に照射し且つ前記反射面で反射した前記照明光を取り込むように配置された集光レンズと、を備え、前記集光レンズの光軸上における前記集光レンズと前記反射面との間の距離が変化するように前記回転ミラーを回動または回転させる。
【００１０】
本発明の一態様に係る顕微鏡システムは、上記態様の顕微鏡装置と、前記撮像装置から出力された画像信号に基づいて前記観察物体の３次元画像の画像データを生成する計算装置と、を備え、前記顕微鏡装置は、さらに、前記観察物体を撮像し画像信号を出力する前記撮像装置を備える。
【００１１】
本発明の一態様に係る照明装置は、観察物体に照明光を照射する照明光学系を有する照明装置であって、前記照明光学系は、前記照明光学系から出射した前記照明光が集光する集光位置を前記照明光学系の照明光軸と略平行な方向に移動させる第１の走査装置を備え、前記第１の走査装置は、反射面を有する回転ミラーと、前記照明光を前記反射面に照射し且つ前記反射面で反射した前記照明光を取り込むように配置された集光レンズと、を備え、前記集光レンズの光軸上における前記集光レンズと前記反射面との間の距離が変化するように前記回転ミラーを回動又は回転させる。
【発明の効果】
【００１２】
上記の態様によれば、照明光の集光位置を照明光軸方向に高速に移動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】顕微鏡システム１の構成を例示した図である。
【図２】計算装置７０のハードウェアの構成を例示した図である。
【図３】照明装置１０の構成を例示した図である。
【図４】走査装置３６の構成を例示した図である。
【図５】図３に示す領域Ｅ１の拡大図である。
【図６】顕微鏡システム１で行われる処理の流れを示すフローチャートである。
【図７】図６に示す２次元画像取得処理の流れを示すフローチャートである。
【図８】走査装置８０の構成を例示した図である。
【図９】反射面８１ａの形状を説明するための図である。
【図１０】図８に示す領域Ｅ２の拡大図である。
【図１１】走査装置９０の構成を例示した図である。
【図１２】反射面９１ａの形状を説明するための図である。
【図１３】図１１に示す領域Ｅ３の拡大図である。
【図１４】走査装置１００の構成を例示した図である。
【図１５】回転ミラー１０１の構成を軸方向から見た図である。
【図１６】光軸ＡＣ上に位置する反射面の高さの変化を示した図である。
【図１７】図１４に示す領域Ｅ４の拡大図である。
【図１８】照明装置１１０の構成を例示した図である。
【図１９】図１８に示す領域Ｅ５の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
［第１の実施形態］
図１は、本実施形態に係る顕微鏡システム１の構成を例示した図である。図２は、計算装置７０のハードウェアの構成を例示した図である。図１に示す顕微鏡システム１は、観察物体Ｓの画像を取得する顕微鏡装置２と、計算装置７０を備えている。図１に示すxyz座標系は、明細書における方向参照の便宜のために定義した直交座標系である。x軸方向は照明光軸方向であり、z軸方向は観察光軸方向であり、y軸方向は照明光軸方向と観察光軸方向の両方向に直交する方向である。
【００１５】
顕微鏡装置２は、選択的平面照明顕微鏡法を用いたSPIM顕微鏡（ライトシート顕微鏡ともいう。）であり、例えば、１光子励起顕微鏡、又は、多光子励起顕微鏡である。顕微鏡装置２は、照明装置１０と、観察光学系４０と、撮像装置５０と、観察物体移動装置６０を備えている。
【００１６】
照明装置１０は、観察光学系４０の光軸である観察光軸ＡＺを横断する観察物体Ｓの断面を照明する装置である。照明装置１０は、照明光を出射する光源２０と、観察物体Ｓに照明光を照射する照明光学系３０を備えている。
【００１７】
光源２０は、例えば、赤外域のレーザ光を出射する超短パルスレーザ、紫外域又は可視域のレーザ光を出射するレーザなどである。照明光学系３０は、照明光学系３０の光軸である照明光軸ＡＸを有し、照明光を一点に集光して光スポットを形成するように構成されている。照明光学系３０は、照明光学系３０から出射した照明光が集光する集光位置（以降、第１の集光位置と記す。）を照明光軸ＡＸに略平行な方向（つまり、x軸方向に略平行な方向）に移動させる走査装置（以降、第１の走査装置と記す）と、照明光軸ＡＸと観察光軸ＡＺの両方に直交するy軸方向に第１の集光位置を移動させる走査装置（以降、第２の走査装置と記す）を備えている。照明装置１０では、第１の走査装置と第２の走査装置が第１の集光位置を移動させることで観察物体Ｓ内に形成された光学断面が照明される。
【００１８】
観察光学系４０は、照明光軸ＡＸとは方向が異なる観察光軸ＡＺを、より具体的には、照明光軸ＡＸと直交する観察光軸ＡＺを有している。観察光学系４０は、観察物体Ｓの像を撮像装置５０に投影する。照明光学系３０と観察光学系４０は、観察光学系４０の前側焦点面が照明光学系３０の照明光軸ＡＸ上またはその近傍に位置するように配置される。換言すると、照明光学系３０が形成する光学断面またはその近傍に観察光学系４０の焦点が位置するように配置される。ここで、照明光軸ＡＸの近傍、及び、光学断面の近傍は、いずれも、観察光学系４０の被写界深度程度の範囲をいう。
【００１９】
撮像装置５０は、撮像素子５１を有するデジタルカメラである。撮像装置５０は、例えば、ＣＣＤ（Charge-Coupled Device）カメラやＣＭＯＳ(Complementary Metal Oxide Semiconductor)カメラであり、観察物体Ｓを撮像する。より具体的には、撮像装置５０は、露光期間中に入射する光学断面からの光を積算して検出し、観察物体Ｓの２次元画像のデジタル画像信号（画像信号３）を計算装置７０へ出力する。撮像装置５０は、観察光学系４０によって観察物体Ｓ上に形成される撮像面５２の投影像（撮像面５２と光学的に共役な面）が照明光軸ＡＸと平行になるように、配置される。即ち、照明光軸ＡＸと観察光軸ＡＺが直交していることを考慮すると、撮像装置５０は、撮像面５２が観察光軸ＡＺと直交するように配置される。これにより、観察物体Ｓの光学断面の像が観察光学系４０によって撮像装置５０に投影される。
【００２０】
観察物体移動装置６０は、観察物体Ｓを観察光軸ＡＺと平行な方向に動かす装置である。観察物体移動装置６０は、例えば、観察物体Ｓが置かれるステージとステージを観察光軸方向に動かす駆動装置とを備えた電動ステージである。観察物体移動装置６０が観察物体Ｓを動かすことで、観察光学系４０の前側焦点面に対する照明光軸ＡＸの相対位置を変更することなく、観察物体Ｓ中の異なる領域（光学断面）の画像を撮像面５２に投影することができる。
【００２１】
計算装置７０は、例えば、標準的なコンピュータであり、撮像装置５０から出力された画像信号３に基づいて観察物体Ｓの３次元画像の画像データを生成する。また、計算装置７０は、顕微鏡装置２の動作を制御する制御装置であってもよい。計算装置７０は、図２に示すように、プロセッサ７１、メモリ７２、入出力インターフェース７３、ストレージ７４、可搬記録媒体７６が挿入される可搬記録媒体駆動装置７５を備え、これらがバス７７によって相互に接続されている。
【００２２】
プロセッサ７１は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）などを含み、プログラムを実行してプログラムされた処理、例えば、３次元画像データを生成する処理などを行う。メモリ７２は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）であり、プログラムの実行の際に、ストレージ７４または可搬記録媒体７６に記録されているプログラムまたはデータを一時的に記憶する。
【００２３】
入出力インターフェース７３は、計算装置７０以外の装置（顕微鏡装置２）と信号をやり取りする回路である。ストレージ７４は、例えば、ハードディスク、フラッシュメモリであり、主に各種データやプログラムの記録に用いられる。可搬記録媒体駆動装置７５は、光ディスクやコンパクトフラッシュ（登録商標）等の可搬記録媒体７６を収容するものである。可搬記録媒体７６は、ストレージ７４を補助する役割を有する。ストレージ７４及び可搬記録媒体７６は、それぞれプログラムを記録した非一過性のコンピュータ読取可能媒体の一例である。
【００２４】
なお、図２に示す構成は、計算装置７０のハードウェア構成の一例であり、計算装置７０はこの構成に限定されるものではない。計算装置７０は、汎用装置ではなく専用装置であってもよい。計算装置７０は、プログラムを実行するプロセッサの代わりに又は加えて、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などの電気回路を備えてもよく、それらの電気回路により、後述する処理が行われてもよい。
【００２５】
図３は、照明装置１０の構成を例示した図である。図４は、走査装置３６の構成を例示した図である。図５は、図３に示す領域Ｅ１の拡大図である。照明装置１０は、図３に示すように、光源２０と、照明光を一点に集光して光スポットを形成する照明光学系３０を備えている。照明光学系３０は、ビームエクスパンダ３１、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３２、λ／４板３３、走査装置３６、走査装置３７、集光光学系３８、照野絞り３９を備えている。
【００２６】
走査装置３６は、第１の集光位置を照明光軸ＡＸに平行な方向に移動させる第１の走査装置である。走査装置３６は、図４に示すように、集光レンズ３４と、反射面３５ａを有する回転ミラー３５を備えている。走査装置３６は、集光レンズ３４の光軸ＡＣ上における集光レンズ３４と反射面３５ａとの間の距離が変化するように回転ミラー３５を回動させる。
【００２７】
集光レンズ３４は、集光レンズ３４から出射した照明光を反射面３５ａに照射し、反射面３５ａで反射した照明光を取り込むように配置されている。より具体的には、集光レンズ３４は、図４に示すように、回転ミラー３５近傍に焦点面Ｐ１を有し、回転ミラー３５近傍に照明光を集光するように配置されている。別の言い方をすると、走査装置３６に入射した平行光である照明光が集光レンズ３４と回転ミラー３５の間に集光するように配置されている。ここで、“照明光が集光レンズ３４と回転ミラー３５の間に集光する”とは、集光レンズ３４から出射した照明光が回転ミラー３５で反射する前に集光することと、集光レンズ３４から出射した照明光が回転ミラー３５で反射した後に集光することとの両方を含む。
【００２８】
回転ミラー３５は、ガルバノミラーであり、回転ミラー３５が有する回転軸３５ｂの方向は、図３に示すように、観察光軸ＡＺと平行な方向に対応している。なお、“回転軸３５ｂの方向が観察光軸ＡＺと平行な方向に対応する”とは、回転ミラー３５の像が第１の集光位置近傍に投影されたときに、回転ミラー３５の像に含まれている回転軸３５ｂの像の方向が観察光軸ＡＺと平行な方向であることをいう。回転ミラー３５は、図４に示すように、集光レンズ３４の焦点面Ｐ１上であって集光レンズ３４の光軸ＡＣから距離ｄ１だけ離れた位置に回転軸３５ｂを有するように配置されている。
【００２９】
走査装置３７は、第１の集光位置を照明光軸ＡＸと観察光軸ＡＺの両方に直交する方向（y軸方向）に動かす第２の走査装置である。走査装置３７は、ガルバノミラーである回転ミラー３５よりも高速に回動するレゾナントスキャナである。なお、走査装置３７は、回転ミラー３５よりも高速に回動するガルバノミラーであってもよい。走査装置３７は、集光光学系３８の瞳位置またはその近傍に配置されていることが望ましい。
【００３０】
照野絞り３９は、照明装置１０の照野を制限する絞りであり、走査装置３７と第１の集光位置の間に配置される。照野絞り３９は、少なくとも走査装置３７が第１の集光位置を動かす方向について照野を制限する構造を有していればよい。
【００３１】
照明装置１０では、光源２０から出射した平行光でありレーザ光である照明光は、まず、ビームエクスパンダ３１でビーム径が調整される。その後、照明光は、ＰＢＳ３２で反射し、λ／４板３３を介して走査装置３６に入射する。走査装置３６に入射した照明光は、集光レンズ３４に入射し、回転ミラー３５の反射面３５ａに照射される。回転ミラー３５（反射面３５ａ）で反射した照明光は、再び集光レンズ３４へ入射し、その後λ／４板３３を介してＰＢＳ３２に入射する。λ／４板３３を介してＰＢＳ３２に入射した照明光は、ビームエクスパンダ３１を介してＰＢＳ３２へ入射したときとは偏光方向が９０度異なる。このため、λ／４板３３を介してＰＢＳ３２に入射した照明光は、ＰＢＳ３２を透過する。ＰＢＳ３２を透過した照明光は、走査装置３７で偏向されて、集光光学系３８に入射し、観察物体Ｓ内の一点（第１の集光位置）に集光する。
【００３２】
第１の集光位置は、走査装置３６が回転ミラー３５を回動させることで、照明光軸方向に移動する。これは、回転ミラー３５の回動によって光軸ＡＣ上における集光レンズ３４と回転ミラー３５の間の距離が変化すると、集光レンズ３４から出射してから回転ミラー３５で反射し集光レンズ３４に再入射するまでの光路長が変化するからである。光路長が変化すると、走査装置３６から出射する照明光の状態が変化する。
【００３３】
例えば、回転ミラー３５の焦点面Ｐ１に対する角度Φが０であれば、集光レンズ３４から出射した照明光は焦点面Ｐ１上に集光すると同時に反射面３５ａで反射することになる。この場合、集光レンズ３４に再入射する照明光は、焦点面Ｐ１上の光スポットＦ１から発生した光とみなすことができる。このため、走査装置３６から出射する照明光は平行光であり、光スポットＦ１が照明光学系３０により観察物体Ｓに投影される。
【００３４】
また、図４に示すように、角度Φがプラスであれば、焦点面Ｐ１上に光スポットＦ１を形成した後に発散した照明光が反射面３５ａで反射することになる。この場合、集光レンズ３４に再入射する照明光は、光スポットＦ１の虚像Ｆ２から発生した光とみなすことができる。このため、走査装置３６から出射する照明光は収斂光であり、虚像Ｆ２が照明光学系３０により観察物体Ｓに投影される。
【００３５】
また、同様に、角度Φがマイナスであれば、集光レンズ３４に再入射する照明光は、反射面３５ａで反射した後に焦点面Ｐ１と集光レンズ３４の間に形成される光スポットから発生した光とみなすことができる。このため、走査装置３６から出射する照明光は発散光であり、焦点面Ｐ１と集光レンズ３４の間に形成された光スポットが照明光学系３０により観察物体Ｓに投影される。
【００３６】
従って、照明装置１０によれば、走査装置３６が回転ミラー３５を回動させて走査装置３６から出射する照明光の状態を変更することで、投影元の光スポットを光軸方向に移動させることができる。その結果として、第１の集光位置を照明光軸方向に移動させることができる。また、ガルバノミラーである回転ミラー３５は、1kHz程度の周波数の三角駆動（等速回動）が可能である。このため、走査装置３６は、ＴＡＧレンズを用いて第１の集光位置を移動させる場合には不可能であった第１の集光位置の等速移動をさせることができるとともに、同じく等速移動をさせることができる電気制御ズームレンズと比較してそれより速い速度で第１の集光位置を照明光軸方向に移動させることができる。
【００３７】
また、第１の集光位置は、走査装置３７のミラーを回動させることで、照明光軸方向及び観察光軸方向の両方に直交する方向に移動する。これは、ミラーの回動により集光光学系３８の瞳位置に入射する照明光の角度が変化するからである。なお、レゾナントスキャナである走査装置３７は、ガルバノミラーよりも十分に高速な周波数（例えば、16kHz）の正弦波駆動が可能である。
【００３８】
従って、照明装置１０によれば、走査装置３６と走査装置３７を用いて第１の集光位置を２次元に高速に移動させて、観察光軸ＡＺに直交する２次元領域（照明領域）を短時間で照明することができる。このため、照明装置１０を備える顕微鏡装置２及び顕微鏡システム１によれば、短時間で２次元画像を取得することができる。
【００３９】
また、照明装置１０では、回転ミラー３５の回動により形成される投影元の光スポットの軌跡Ｌ０は、図４に示すように、回転軸３５ｂを中心する半径（距離）ｄ１の円弧を光軸ＡＣにほぼ平行に描く。従って、図５に示すように、回転ミラー３５の回動により観察物体Ｓ上に形成される第１の集光位置の軌跡（例えば、軌跡Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３）も光軸ＡＸにほぼ平行な円弧状になる。図５に示す走査範囲Ｒｘは、走査装置３６による第１の集光位置の移動範囲である。このため、走査装置３６は、回転ミラー３５を三角駆動で等速（つまり、等角速度）に回動させたとしても、第１の集光位置が照明光軸方向に移動する速さは、厳密には等速ではない。しかしながら、回転ミラー３５が回動する角度範囲が大きくないことを考慮すると、近似的には等速とみなすことが可能であり、正弦波状に速さが変化するＴＡＧレンズを用いる場合と比較しても速さの変動を十分に抑えることができる。
【００４０】
従って、照明装置１０によれば、速さの変動を十分に抑えながら第１の集光位置を照明光軸方向に移動させることが可能であり、その結果、照明領域に照射される照明光の積算強度分布が照明光軸方向に高い均一性を有することになる。このため、顕微鏡装置２及び顕微鏡システム１によれば、照明光軸方向の明るさのばらつきを抑えた画像を取得することができる。
【００４１】
また、照明装置１０では、第１の集光位置のｙ軸方向への移動を高速化するため、走査装置３７にレゾナントスキャナが用いられている。このため、第１の集光位置がｙ軸方向に移動する速さは等速ではなく、移動範囲（図５に示す走査範囲Ｒｙ）の両端付近で低速になる。しかしながら、照野絞り３９を用いて照明領域Ｒを制限することで、第１の集光位置がｙ軸方向に移動する速さが等速であるとみなせる領域にのみ照明光を照射することができる。図５に示す走査範囲Ｒｙは、照野絞り３９を設けない場合の走査装置３７による第１の集光位置の移動範囲である。また、図５に示す像３９ｐは、観察物体Ｓ上に投影された照野絞り３９の像である。
【００４２】
従って、照明装置１０によれば、速さの変動を十分に抑えながら第１の集光位置を２次元に移動させることが可能であり、その結果、照明領域Ｒに照射される照明光の積算強度分布が方向によらず高い均一性を有することになる。このため、顕微鏡装置２及び顕微鏡システム１によれば、明るさのばらつきを抑えた画像を取得することができる。
【００４３】
また、照明装置１０では、回転軸３５ｂの方向が観察光軸ＡＺと平行な方向に対応するように、回転ミラー３５が設けられている。この構成では、回転ミラー３５が回動しても反射面３５ａの法線方向は観察光軸ＡＺにほぼ直交した状態が保たれる。
【００４４】
従って、照明装置１０によれば、観察光軸方向への移動を伴うことなく第１の集光位置を照明光軸方向に移動させることができる。このため、観察光軸方向に直交する光学断面を照明することができる。
【００４５】
図６は、顕微鏡システム１で行われる処理の流れを示すフローチャートである。図７は、図６に示す２次元画像取得処理の流れを示すフローチャートである。以下、図６及び図７を参照しながら、顕微鏡システム１で行われる処理について具体的に説明する。
【００４６】
顕微鏡システム１は、まず、観察物体Ｓの位置を初期化する（ステップＳ１０）。ここでは、観察物体移動装置６０が観察物体Ｓを基準となる位置に移動させる。その後、顕微鏡システム１は、観察物体Ｓの高さを所定の高さ範囲内の各位置に移動させて、観察物体Ｓの２次元画像の取得を繰り返す（ステップＳ２０からステップＳ４０）。
【００４７】
ステップＳ２０の２次元画像取得処理では、第１の集光位置の移動を開始し（ステップＳ２１）、照明光（レーザ光）の観察物体Ｓへの照射を開始し（ステップＳ２２）、観察物体Ｓを撮像する（ステップＳ２３）。ここでは、計算装置７０が、例えば、走査装置３６及び走査装置３７に第１の集光位置の移動を開始させ、光源２０に照明光の発光を開始させる。これらの処理に同期して、撮像装置５０が露光制御を開始し、露光期間中に積算して検出した光に基づいて生成された画像信号を計算装置７０へ出力する。その後、露光期間を経過すると、顕微鏡システム１は、照明光の照射を終了し（ステップＳ２４）、第１の集光位置の移動を終了して（ステップＳ２５）、２次元画像取得処理を終了する。
【００４８】
顕微鏡システム１は、２次元画像取得処理が終了すると、予定した２次元画像の取得が全て完了したか否かを判断する（ステップＳ３０）。完了していない場合には、観察物体移動装置６０が観察物体Ｓの高さを所定距離だけ変更する（ステップＳ４０）。つまり、観察物体Ｓを観察光軸方向に移動させる。その後、顕微鏡システム１が再度２次元画像を取得する（ステップＳ２０）。
【００４９】
２次元画像の取得が全て完了すると、顕微鏡システム１は、３次元画像を構築する（ステップＳ５０）。ここでは、計算装置７０が、撮像装置５０が出力した複数の２次元画像の画像信号から３次元画像の画像データを生成する。その後、顕微鏡システム１は、ステップＳ５０で構築された三次元画像の画像データを計算装置７０に格納して（ステップＳ６０）、一連の処理を終了する。
【００５０】
本実施形態に係る顕微鏡システム１では、第１の集光位置を観察光軸ＡＺに直交する方向に高速に移動させることで、観察光軸ＡＺと直交する断面を短時間で走査することができる。また、走査位置によらず均一な照明強度で断面を走査することができる。従って、顕微鏡システム１によれば、均一な照明による画像取得を短時間で行うことができる。また、照明時間が短縮されるため、観察物体Ｓに与えるダメージを抑えることができる。従って、観察物体Ｓ内の蛍光物質の褪色の進みを遅らせ、且つ、光毒性による影響を低減することができる。
【００５１】
［第２の実施形態］
図８は、走査装置８０の構成を例示した図である。図９は、反射面８１ａの形状を説明するための図である。図１０は、図８に示す領域Ｅ２の拡大図である。本実施形態に係る顕微鏡システムは、走査装置３６の代わりに走査装置８０を備える点が、第１の実施形態に係る顕微鏡システム１とは異なる。以下、走査装置８０について説明する。
【００５２】
走査装置８０は、第１の集光位置を照明光軸ＡＸに平行な方向に移動させる第１の走査装置である。走査装置８０は、図８に示すように、集光レンズ３４と、複数の反射面（反射面８１ａから８１ｌ）を有する回転ミラー８１を備えている。走査装置８０は、集光レンズ３４の光軸ＡＣ上における集光レンズ３４と回転ミラー８１の反射面との間の距離が変化するように回転ミラー８１を１方向に回転させる。
【００５３】
回転ミラー８１は、図８に示すように、集光レンズ３４の光軸ＡＣ上に回転軸８１ｍを有し、光軸ＡＣ上の反射面８１ａが焦点面Ｐ１と微小な角度を有する、ように配置されている。回転軸８１ｍの方向は、観察光軸ＡＺと平行な方向に対応している。回転ミラー８１は、円周方向に等分された複数のセクタを有し、セクタ毎に反射面を有する。つまり、複数の反射面は円周方向に整列している。各反射面の法線方向は、回転軸８１ｍと直交している。
【００５４】
複数の反射面の各々の形状は、図９に示すように、回転軸８１ｍを通るセクタの中心線に対して角度θをなす反射面上の位置と回転軸８１ｍとの距離をｒ（θ）とすると、ｒ（θ）＝（１＋ａθ）Ｒの関係を有する。ここで、ａは所定の実数である。Ｒは、セクタの中心線を通る反射面上の位置と回転軸８１ｍとの距離である。
【００５５】
走査装置８０では、回転ミラー８１を等速回転させることで、各セクタ区間において、反射面は光軸ＡＣに対して微小な所定角度を維持しながら光軸ＡＣ上を等速で移動する。このため、回転ミラー８１の回転により形成される投影元の光スポットの軌跡Ｌ０は、図１０に示すように、光軸ＡＣに対して微小な所定角度を有する直線を描き、観察物体Ｓ上に形成される第１の集光位置の軌跡も直線になる。このため、走査装置８０は、回転ミラー８１を等速回転させることで、第１の集光位置を照明光軸方向に等速移動させることができる。
【００５６】
また、走査装置８０では、回転ミラー８１は、ガルバノミラーよりも更に高速な回転、例えば60,000RPMでの回転が可能である。このため、１０セクタ以上を有する回転ミラー８１であれば、10kHz以上の周波数で高速な移動が可能となる。
【００５７】
従って、走査装置８０を備える本実施形態に係る照明装置によれば、照明装置１０よりも更に高速に第１の集光位置を照明光軸方向に移動させることができる。また、第１の集光位置を照明光軸方向へ等速移動させることができるため、照明領域に照射される照明光の積算強度分布が照明装置１０よりも照明光軸方向に高い均一性を有することになる。従って、本実施形態に係る顕微鏡システムによれば、照明光軸方向の明るさのばらつきをさらに抑えた画像をより短時間で取得することができる。
【００５８】
［第３の実施形態］
図１１は、走査装置９０の構成を例示した図である。図１２は、反射面９１ａの形状を説明するための図である。図１３は、図１１に示す領域Ｅ３の拡大図である。本実施形態に係る顕微鏡システムは、走査装置８０の代わりに走査装置９０を備える点が、第２の実施形態に係る顕微鏡システムとは異なる。以下、走査装置９０について説明する。
【００５９】
走査装置９０は、第１の集光位置を照明光軸ＡＸに平行な方向に移動させる第１の走査装置である。走査装置９０は、図１１に示すように、集光レンズ３４と、複数の反射面（反射面９１ａから９１ｌ）を有する回転ミラー９１を備えている。走査装置９０は、集光レンズ３４の光軸ＡＣ上における集光レンズ３４と回転ミラー９１の反射面との間の距離が変化するように回転ミラー９１を回転させる点については、走査装置８０と同様である。
【００６０】
回転ミラー９１は、図１１に示すように、集光レンズ３４の光軸ＡＣ上から距離ｄ２だけ離れた位置に回転軸９１ｍを有し、反射面９１ａが光軸ＡＣ上で焦点面Ｐ１とほぼ平行になるように配置されている。回転軸９１ｍの方向は、観察光軸ＡＺと平行な方向に対応している。回転ミラー９１は、円周方向に等分された複数のセクタを有し、セクタ毎に反射面を有する。つまり、複数の反射面は円周方向に整列している。各反射面の法線方向は、回転軸９１ｍと直交している。
【００６１】
複数の反射面の各々の形状は、図１２に示すように、回転軸９１ｍを通るセクタの中心線に対して角度θをなす反射面上の位置と回転軸９１ｍとの距離をｒ（θ）とすると、ｒ（θ）＝Ｒ・ｅｘｐ（θ・ｄ２／Ｒ）の関係を有する。ここで、Ｒは、セクタの中心線を通る反射面上の位置と回転軸９１ｍとの距離である。
【００６２】
走査装置９０では、回転ミラー９１を等速回転させることで、各セクタ区間において、反射面は焦点面Ｐ１とほぼ平行な関係を維持しながら光軸ＡＣ上を等速で移動する。このため、回転ミラー９１の回転により形成される投影元の光スポットの軌跡Ｌ０は、図１３に示すように、光軸ＡＣとほぼ平行な直線を描き、観察物体Ｓ上に形成される第１の集光位置の軌跡も照明光軸ＡＸとほぼ平行な直線になる。このため、走査装置９０は、回転ミラー９１を等速回転させることで、第１の集光位置を照明光軸方向に等速移動させることができる。
【００６３】
走査装置９０でも、回転ミラー９１は、第２の実施形態に係る走査装置８０の回転ミラー８１と同様に、高速に回転させることができる。従って、走査装置９０を備える本実施形態に係る照明装置によれば、照明装置１０よりも更に高速に第１の集光位置を照明光軸方向に移動させることができる。また、第１の集光位置を照明光軸方向へ等速移動させることができるため、照明領域に照射される照明光の積算強度分布が照明装置１０よりも照明光軸方向に高い均一性を有することになる。さらに、第１の集光位置の軌跡が走査装置９０によって照明光軸ＡＸとほぼ平行に移動するため、第１の集光位置を照明光軸方向に長い距離を移動させても照明範囲がy軸方向にシフトしない。これにより、照野絞り３９で遮断すべき照明光を第２の実施形態に比べて少なくすることができるため、高い照明効率を実現することができる。従って、本実施形態に係る顕微鏡システムによれば、照明光軸方向の明るさのばらつきをさらに抑えた画像をより短時間で効率よく取得することができる。
【００６４】
［第４の実施形態］
図１４は、走査装置１００の構成を例示した図である。図１５は、回転ミラー１０１の構成を軸方向から見た図である。図１６は、光軸ＡＣ上に位置する反射面の高さの変化を示した図である。図１７は、図１４に示す領域Ｅ４の拡大図である。本実施形態に係る顕微鏡システムは、走査装置８０の代わりに走査装置１００を備える点が、第２の実施形態に係る顕微鏡システムとは異なる。以下、走査装置１００について説明する。
【００６５】
走査装置１００は、第１の集光位置を照明光軸ＡＸに平行な方向に移動させる第１の走査装置である。走査装置１００は、図１４及び図１５に示すように、集光レンズ３４と、複数の反射面（反射面１０１ａから１０１ｌ）を有する回転ミラー１０１を備えている。走査装置１００は、集光レンズ３４の光軸ＡＣ上における集光レンズ３４と回転ミラー１０１の反射面との間の距離が変化するように回転ミラー１０１を回転させる点については、走査装置８０と同様である。
【００６６】
回転ミラー１０１は、図１４に示すように、集光レンズ３４の光軸ＡＣ上から逸れた位置（距離ｄ３だけ離れた位置）に光軸ＡＣとほぼ平行な回転軸１０１ｍを有するように配置されている。回転ミラー１０１は、図１５に示すように、円盤形状を有し、それぞれ扇形状を有する円周方向に整列した複数の反射面（反射面１０１ａから１０１ｌ）を有する。各反射面は、図１６に示すように、円周方向に沿って異なる高さｈを有している。なお、図１６には、図１５に示す軌跡Ｌ４上における高さの変化が示されている。即ち、各反射面は、回転ミラー１０１の回転量に対して一定の割合で回転軸方向についての高さｈが変化するように構成されていて、回転ミラー１０１は、回転により高さｈが鋸状に変化するように構成されている。また、回転ミラー１０１は、各反射面の法線が光軸ＡＣ上において光軸ＡＣと平行になるように、光軸ＡＣの方向に対してわずかに傾斜した回転軸１０１ｍを有している。
【００６７】
走査装置１００では、回転ミラー１０１を等速回転させることで、反射面の法線方向を光軸ＡＣと平行に維持しながら反射面の高さｈを一定の速さで変化させることができる。このため、回転ミラー１０１の回転により形成される投影元の光スポットの軌跡Ｌ０は、図１７に示すように、光軸ＡＣ上で光軸ＡＣと平行な直線を描き、観察物体Ｓ上に形成される第１の集光位置の軌跡も照明光軸ＡＸと平行な直線になる。このため、走査装置１００は、回転ミラー１０１を等速回転させることで、第１の集光位置を照明光軸方向に等速移動させることができる。
【００６８】
走査装置１００でも、回転ミラー１０１は、高速に回転させることができる。従って、走査装置１００を備える本実施形態に係る照明装置によれば、照明装置１０よりも更に高速に第１の集光位置を照明光軸方向に移動させることができる。また、第１の集光位置を照明光軸方向へ等速移動させることができるため、照明領域に照射される照明光の積算強度分布が照明装置１０よりも照明光軸方向に高い均一性を有することになる。さらに、第１の集光位置の軌跡が走査装置１００によって照明光軸ＡＸと平行に移動するため、第１の集光位置を照明光軸方向に長い距離を移動させても照明範囲がy軸方向にシフトしない。これにより、照野絞り３９で遮断すべき照明光を少なくすることができるため、高い照明効率を実現することができる。従って、本実施形態に係る顕微鏡システムによれば、照明光軸方向の明るさのばらつきをさらに抑えた画像をより短時間で効率よく取得することができる。
【００６９】
［第５の実施形態］
図１８は、照明装置１１０の構成を例示した図である。図１９は、図１８に示す領域Ｅ５の拡大図である。本実施形態に係る顕微鏡システムは、照明装置１０の代わりに照明装置１１０を備える点が、第１の実施形態に係る顕微鏡システム１とは異なる。以下、照明装置１１０について説明する。
【００７０】
照明装置１１０は、観察光軸ＡＺを横断する観察物体Ｓの断面を照明する装置である。照明装置１１０は、照明光学系３０の代わりに照明光学系１２０を備える点が、照明装置１０とは異なる。
【００７１】
照明光学系１２０は、走査装置３６の代わりに走査装置９０を備える点、走査装置３７の代わりにミラー１２１を備える点、集光光学系３８の代わりに集光光学系１２２を備える点が、照明光学系３０とは異なる。なお、走査装置９０の構成は、第３の実施形態において説明済みであるので、詳細な説明は省略する。
【００７２】
集光光学系１２２は、ｘｚ平面において屈折力を有しｘｙ平面において屈折力を有しない円筒レンズ１２２ａを有している。このため、照明光学系１２０は、図１９に示すように、照明光学系３０とは異なり、ｙ軸方向と平行な焦線ＦＬ上に照明光を集光する。照明装置１１０は、走査装置９０により焦線ＦＬの位置（つまり、第１の集光位置）を照明光軸方向に移動させることで、観察光軸ＡＺと直交する照明領域Ｒを照明する。
【００７３】
照明装置１１０によれば、照明装置１０よりも高速に第１の集光位置を照明光軸方向にほぼ等速移動させることができる。従って、照明装置１１０を備える本実施形態に係る顕微鏡システムによれば、照明光軸方向の明るさのばらつきを抑えた画像を短時間で効率よく取得することができる。
【００７４】
上述した実施形態は、発明の理解を容易にするための具体例を示したものであり、本発明の実施形態はこれらに限定されるものではない。顕微鏡装置、顕微鏡システム、及び、照明装置は、特許請求の範囲の記載を逸脱しない範囲において、さまざまな変形、変更が可能である。例えば、図１８では、焦線ＦＬ上に照明光を集光する照明装置の一例として走査装置９０を備える例を示したが、走査装置９０の代わりに、走査装置３６、走査装置８０、走査装置１００のいずれかを備えてもよい。
【符号の説明】
【００７５】
１・・・顕微鏡システム、２・・・顕微鏡装置、３・・・画像信号、１０、１１０・・・照明装置、２０・・・光源、３０、１２０・・・照明光学系、３１・・・ビームエクスパンダ、３２・・・ＰＢＳ、３３・・・λ／４板、３４・・・集光レンズ、３５、８１、９１、１０１・・・回転ミラー、３６、３７、８０、９０、１００・・・走査装置、３５ａ、８１ａから８１ｌ、９１ａから９１ｌ、１０１ａから１０１ｌ・・・反射面、３５ｂ、８１ｍ、９１ｍ、１０１ｍ・・・回転軸、３８、１２２・・・集光光学系、３９・・・照野絞り、３９ｐ・・・照野絞りの像、４０・・・観察光学系、５０・・・撮像装置、５１・・・撮像素子、５２・・・撮像面、６０・・・観察物体移動装置、７０・・・計算装置、７１・・・プロセッサ、７２・・・メモリ、７３・・・入出力インターフェース、７４・・・ストレージ、７５・・・可搬記録媒体駆動装置、７６・・・可搬記録媒体、７７・・・バス、１２１・・・ミラー、１２２ａ・・・円筒レンズ、ＡＣ・・・光軸、ＡＸ・・・照明光軸、ＡＺ・・・観察光軸、Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４、Ｅ５・・・領域、Ｆ１・・・集光位置、Ｆ２・・・虚像、ＦＬ・・・焦線、Ｌ０、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３・・・軌跡、Ｐ１・・・焦点面、Ｒ・・・照明領域、Ｒｘ、Ｒｙ・・・走査範囲、Ｓ・・・観察物体
【図１】
2018132667.tif 000003
【図２】
2018132667.tif 000004
【図３】
2018132667.tif 000005
【図４】
2018132667.tif 000006
【図５】
2018132667.tif 000007
【図６】
2018132667.tif 000008
【図７】
2018132667.tif 000009
【図８】
2018132667.tif 000010
【図９】
2018132667.tif 000011
【図１０】
2018132667.tif 000012
【図１１】
2018132667.tif 000013
【図１２】
2018132667.tif 000014
【図１３】
2018132667.tif 000015
【図１４】
2018132667.tif 000016
【図１５】
2018132667.tif 000017
【図１６】
2018132667.tif 000018
【図１７】
2018132667.tif 000019
【図１８】
2018132667.tif 000020
【図１９】
2018132667.tif 000021