(57)【要約】【課題】試料断面のビデオデータ生成可能なレーザ顕微鏡を提供する。【解決手段】レーザ光源１０１から射出した平行光は、Ｚスキャニング光学系１０３に入射する。Ｚスキャニング光学系１０３は、レンズ間の光軸方向の相対距離を変化させることによって、射出光の角度を変化させることができる。これにより、レーザ光による試料のＺ方向のスキャンを可能となる。Ｚスキャニング光学系からの射出光は、レゾナントガルバノミラー１０６に入射する。レゾナントガルバノミラーの回転振動によって、レーザ光による試料のＸ方向のスキャンを可能となる。レゾナントガルバノミラーによる反射光は、対物レンズ１１０によって試料に集光される。試料からの発光は、検出器１１４によって検出される。検出器からの検出信号が画像処理装置１１５に入力し、所定の処理を行われて、表示装置に試料の画像が表示される。【選択図】  図１
2004317676.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源と、
前記レーザ光源からの光を物体の集光点に集光するレンズと、
前記レーザ光源からの光が入射し、光軸方向のレンズ間距離を変化させることによって光軸方向において前記集光点をスキャンする第１のスキャニング手段と、
前記レーザ光源からの光が入射し、前記光軸方向と実質的に垂直な方向に集光点をスキャンする第２のスキャニング手段と、
を備える、レーザ顕微鏡。
【請求項２】
前記光軸方向におけるスキャンと、前記光軸方向と実質的に垂直な方向におけるスキャンは、同期して行われる、請求項１に記載のレーザ顕微鏡。
【請求項３】
前記第１のスキャニング手段は、前記第２のスキャニング手段と前記レーザ光源との間に配置されている、請求項１に記載のレーザ顕微鏡。
【請求項４】
前記第１のスキャニング手段は、
第１のレンズと第２のレンズとを備え、
前記第１のレンズと前記第２のレンズとの間に結像面が形成され、
前記第１のレンズと前記第２のレンズの間の光軸方向におけるレンズ間距離が変化する、請求項１に記載のレーザ顕微鏡。
【請求項５】
前記光軸方向における１回のスキャンの間に、前記光軸方向と実質的に垂直な方向に予め定められた回数のスキャンが行われる、請求項２に記載のレーザ顕微鏡。
【請求項６】
前記レンズ間距離の変化は所定の振幅を有する振動であり、前記第１のレンズの焦点と、前記第２のレンズの焦点とが交差するように前記レンズ間距離が変化する、請求項４に記載のレーザ顕微鏡。
【請求項７】
前記第１のレンズの焦点と前記第２のレンズの焦点との距離の振幅は、収差を減少するように、ゼロを中心として非対称である、請求項６に記載のレーザ顕微鏡。
【請求項８】
前記第２のスキャニング手段は、所定の周期によって光の反射角度を変化するミラーである、請求項２に記載のレーザ顕微鏡。
【請求項９】
さらに、前記光を物体の集光点に集光するレンズと前記第１のスキャニング手段との間に配置された第１のビームエキスパンダと、
前記レーザ光源と前記前記第１のスキャニング手段との間に配置された第２のビームエキスパンダ光学系とを備える、請求項１に記載のレーザ顕微鏡。
【請求項１０】
前記第１のビームエキスパンダと前記第１のスキャニング手段との距離は、前記第１のスキャニング手段からの光の集光点が、前記第１のビームエキスパンダの受光レンズよりも物体側に形成されるように設計されている、請求項９に記載のレーザ顕微鏡。
【請求項１１】
さらに、前記物体からの光を検出する検出手段と、
前記検出手段からの検出信号に基づき、画像データを生成する画像処理装置と、
を備える請求項２に記載のレーザ顕微鏡。
【請求項１２】
前記画像処理装置は、前記第１のスキャニング手段のスキャン周期および前記第２のスキャニング手段のスキャン周期に基づいて、前記検出信号から画像データを生成する、請求項１１に記載のレーザ顕微鏡。
【請求項１３】
前記レーザ顕微鏡は、前記集光点と共役な関係にあるピンホールを備える共焦点顕微鏡もしくは、前記物体からの多光子励起蛍光を検出する多光子励起蛍光顕微鏡である、請求項１１に記載のレーザ顕微鏡。
【請求項１４】
さらに、前記第１のスキャニング手段の運動周期に同期する同期信号を生成する手段と、
前記同期信号に同期した画像データの水平同期信号を生成する回路部と、
前記同期信号に同期した前記画像データの垂直同期信号を生成する回路部と、
前記同期信号に同期した前記レンズ間距離の振動周期を決定する回路部と、
を備え、
前記画像処理装置は、前記水平同期信号と前記垂直同期信号に同期して、前記検出信号に基づき、画像データを生成する、請求項１１に記載のレーザ顕微鏡。
【請求項１５】
レーザ光源と、
前記レーザ光源からの光を集光点に集光するレンズと、
前記レーザ光源からの光が入射し、レンズ間距離を変化させることによって光軸方向において前記集光点を移動させる手段と、
前記レーザ光源からの光が入射し、前記光軸方向と実質的に垂直な方向に集光点を移動させる手段と、
を備える、レーザ光走査装置。
【請求項１６】
レーザ光源からの光を集光点に集光するステップと、
前記レーザ光源からの光が入射し、レンズ間距離を変化させることによって光軸方向において前記集光点を移動させるステップと、
前記レーザ光源からの光が入射し、前記光軸方向と実質的に垂直な方向に、前記光軸方向の移動と同期して集光点を移動させるステップと、
を備える、レーザ光走査方法。
【請求項１７】
レーザ光源からの光を物体の集光点に集光するステップと、
前記レーザ光源からの光を受光し、光軸方向のレンズ間距離を変化させることによって光軸方向において前記集光点をスキャンするステップと、
前記レーザ光源からの光を受光し、前記光軸方向と実質的に垂直な方向に集光点をスキャンするステップと、
前記物体からの光を検出し、画像データを生成するステップと、
を備える、画像データ生成方法。
【請求項１８】
さらに、前記物体からの光を検出し検出信号を生成するステップと、前記物体の画像データを生成するステップと備え、
前記画像データを生成するステップは、
前記光軸方向と実質的に垂直な方向に集光点をスキャンする周期に同期する同期信号を生成するステップと、
前記同期信号に同期した画像データの水平同期信号を生成するステップと、
前記同期信号に同期した前記画像データの垂直同期信号を生成するステップと、を備え、
前記水平同期信号と前記垂直同期信号に同期して、前記検出信号に基づき、画像データを生成する、請求項１７に記載の画像データ生成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザ顕微鏡、レーザ走査装置、及び画像データ生成方法に関し、特に、レンズを振動することにより光軸方向へのレーザ光の走査を行う、レーザ顕微鏡、レーザ走査装置、及び画像データ生成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ光を利用するレーザ顕微鏡の用途は、半導体分野における検査装置から、生物・医療の分野における検体観察まで、広範な領域にまたがっている。レーザ顕微鏡は、レーザ光源より出力されたレーザ光を試料上に集光し、試料による反射光、発光光などを受光することによって、試料の観察や検査などを行うことができる。試料の観察もしくは検査において、光軸に垂直な平面に関する情報の他に、光軸に垂直な方向の画像情報を必要とする場合がる。凹凸部の検査・観察、あるいは、生体の観察などにおいて、光軸に垂直な方向の画像情報は有用である。一方、生体観察の分野などにおいては、時間的に変化する生体の様子をリアルタイムで観察できることが好ましい。あるいは、半導体分野の検査などにおいて、画像データが高速に取得できることは重要である。
【０００３】
レーザ顕微鏡は、その用途に応じて様々なタイプのものが開発されているが、レーザ顕微鏡の一つの態様として、共焦点顕微鏡が知られている。共焦点顕微鏡は、物体上の焦点と共役なピンホールを備えることにより、優れた分解能を達成する。共焦点レーザ顕微鏡のいつかは、その特性を利用して、試料の断面画像を取得することができる（例えば、特許文献１参照）。共焦点レーザ顕微鏡は、複数の開口を備える円板を備え、その円板の開口を透過したレーザ光が、試料に対物レンズによって集光される。
【０００４】
複数の開口を通過した光は、試料に集光され、試料からの戻り光は再び円板の複数の開口を通過して撮像手段に入射する。円板は回転することが可能であり、試料に集光されるスポットは試料上を走査することになり撮像手段では、光軸方向に垂直な平面の試料の画像を取得することができる。さらに、試料が載置されたステージは光軸方向に移動可能であり、試料を順次光軸方向に走査することによって、試料の３次元画像を得ることができる。
【０００５】
あるいは、ステージを光軸方向に移動することなく、試料の３次元画像を得る共焦点顕微鏡が知られている（例えば、特許文献１参照）。これにより、高速画像データの生成が可能となる。上記と同様に、複数の開口を有する回転円板にレーザ光を入射し、開口を通過した光を試料に集光することによって、光軸方向に垂直な面からの光を撮像手段で検出する。さらに、撮像手段で得られた画像情報の光量を分析することによって、光軸方向の走査をすることなしに試料の光軸方向位置を得、その光軸方向位置に基づき３次元形状の画像を形成する。
【０００６】
しかし、上記共焦点レーザ顕微鏡は、ステージを移動することによって、試料の光軸方向の走査を行うため、例えば、生体試料などの観察において、試料を動かすことができない場合に、試料の光軸方向スキャンを行うことができない。あるいは、試料の特性上、試料を高速に動かすことができない場合試料の時間変化を観察することができない。試料ステージはその構成上、移動速度に限界があるため、一般に、試料の時間変化を観察するための十分な速度を得ることができない。あるいは、光軸に垂直な平面の光量から光軸方向の位置を特定する場合、所定面における検出光からの演算処理によって位置を特定するため、必ずしも正確な画層情報を取得できない。あるいは、光軸方向のスキャン距離に制限があるため、所望距離の光軸方向の画像情報を得ることができないことが考えられる。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１１−２６４９３３号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の一つの目的は、物体の光軸方向に走査可能なレーザ顕微鏡、レーザ光走査装置、画像データ生成方法、レーザ光走査方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の態様はレーザ顕微鏡であって、レーザ光源と、前記レーザ光源からの光を物体の集光点に集光するレンズと、前記レーザ光源からの光が入射し、光軸方向のレンズ間距離を変化させることによって光軸方向において前記集光点をスキャンする第１のスキャニング手段と、前記レーザ光源からの光が入射し、前記光軸方向と実質的に垂直な方向に集光点をスキャンする第２のスキャニング手段と、を備えるものである。この構成を有することによって、光軸方向のスキャンと光軸方向と実質的に垂直な方向のスキャンを効果的に行うことができる。
【００１０】
上記第１の態様におけるレーザ顕微鏡において、前記光軸方向におけるスキャンと、前記光軸方向と実質的に垂直な方向におけるスキャンは、同期して行われることが好ましい。さらに、前記光軸方向における１回のスキャンの間に、前記光軸方向と実質的に垂直な方向に予め定められた回数のスキャンが行われることが好ましい。これにより、光軸方向と光軸方向と実質的に垂直な方向における画像情報を効果的に取得することができる。
【００１１】
上記第１の態様におけるレーザ顕微鏡において、前記第１のスキャニング手段は、前記第２のスキャニング手段と前記レーザ光源との間に配置されていることが好ましい。これにより、光軸方向へのスキャンを効果的に行うことができる。
【００１２】
上記第１の態様におけるレーザ顕微鏡において、前記第１のスキャニング手段は、第１のレンズと第２のレンズとを備え、前記第１のレンズと前記第２のレンズとの間に結像面が形成され、前記第１のレンズと前記第２のレンズの間の光軸方向におけるレンズ間距離が変化することが好ましい。これにより、光軸方向の正確なスキャンのための設計を、より容易に行うことができる。さらに、前記レンズ間距離の変化は所定の振幅を有する振動であり、前記第１のレンズの焦点と、前記第２のレンズの焦点とが交差するように前記レンズ間距離が変化することが好ましい。これにより、より少ない収差でのスキャンが可能となる。さらに、前記第１のレンズの焦点と前記第２のレンズの焦点との距離の振幅は、収差を減少するように、ゼロを中心として非対称であることが好ましい。これにより、より少ない収差でのスキャンが可能となる。ここで、前記第２のスキャニング手段は、所定の周期によって光の反射角度を変化するミラーであることが好ましい。これにより、より正確なスキャニングの設計をより容易にすることができる。上記第１の態様におけるレーザ顕微鏡において、さらに、前記光を物体の集光点に集光するレンズと前記第１のスキャニング手段との間に配置された第１のビームエキスパンダと、前記レーザ光源と前記第１のスキャニング手段との間に配置された第２のビームエキスパンダ光学系とを備えることが好ましい。これによって、スキャン距離とビーム径の倍率を効果的に設計することができる。さらに、前記第１のビームエキスパンダと前記第１のスキャニング手段との距離は、前記前記第１のスキャニング手段からの光の集光点が、前記第１のビームエキスパンダの受光レンズよりも物体側に形成されるように設計されていることが好ましい。
【００１３】
さらに、前記物体からの光を検出する検出手段と、前記検出手段からの検出信号に基づき、画像データを生成する画像処理装置と、を備えることが好ましい。これにより、物体の画像データを取得することができる。前記画像処理装置は、前記第１のスキャニング手段のスキャン周期および第２のスキャニング手段のスキャン周期に基づいて、前記検出信号から画像データを生成することが好ましい。これにより、スキャニングと同期した画像データが生成され、物体の特定面の画像データを得ることができる。前記レーザ顕微鏡は、前記集光点と共役な関係にあるピンホールを備える共焦点顕微鏡もしくは、前記物体からの多光子励起蛍光を検出する多光子励起蛍光顕微鏡であることができる。さらに、前記第１のスキャニング手段の運動周期に同期する同期信号を生成する手段と、前記同期信号に同期した画像データの水平同期信号を生成する回路部と、前記同期信号に同期した前記画像データの垂直同期信号を生成する回路部と、前記同期信号に同期した前記レンズ間距離の振動周期を決定する回路部と、を備え、前記画像処理装置は、前記水平同期信号と前記垂直同期信号に同期して、前記検出信号に基づき、画像データを生成することが好ましい。これにより、物体の特定面の経時的に変化する画像データを効果的に生成することができる。
【００１４】
本発明の第２の態様は、レーザ光走査装置であって、レーザ光源と、前記レーザ光源からの光を集光点に集光するレンズと、前記レーザ光源からの光が入射し、レンズ間距離を変化させることによって光軸方向において前記集光点を移動させる手段と、前記レーザ光源からの光が入射し、前記光軸方向と実質的に垂直な方向に集光点を移動させる手段と、を備えるものである。この構成を有することによって、光軸方向のスキャンと光軸方向と実質的に垂直な方向のスキャンを効果的に行うことができる。本発明の他の態様はレーザ光走査方法であって、レーザ光源からの光を集光点に集光するステップと、前記レーザ光源からの光が入射し、レンズ間距離を変化させることによって光軸方向において前記集光点を移動させるステップと、前記レーザ光源からの光が入射し、前記光軸方向と実質的に垂直な方向に、前記光軸方向の移動と同期して集光点を移動させるステップとを備える。
【００１５】
本発明の第３の態様は、画像データ生成方法であって、レーザ光源からの光を物体の集光点に集光するステップと、前記レーザ光源からの光を受光し、光軸方向のレンズ間距離を変化させることによって光軸方向において前記集光点をスキャンするステップと、前記レーザ光源からの光を受光し、前記光軸方向と実質的に垂直な方向に集光点をスキャンするステップと、前記物体からの光を検出し、画像データを生成するステップと、を備えるものである。この構成を有することによって、光軸方向のスキャンと光軸方向と実質的に垂直な方向のスキャンと画像データの形成を効果的に行うことができる。
【００１６】
上記第３の態様において、さらに、前記物体からの光を検出し検出信号を生成するステップと、前記物体の画像データを生成するステップと備え、前記画像データを生成するステップは、前記光軸方向と実質的に垂直な方向に集光点をスキャンする周期に同期する同期信号を生成するステップと、前記同期信号に同期した画像データの水平同期信号を生成するステップと、前記同期信号に同期した前記画像データの垂直同期信号を生成するステップと、を備え、前記水平同期信号と前記垂直同期信号に同期して、前記検出信号に基づき、画像データを生成することが好ましい。これにより、物体の特定面の経時的に変化する画像データを効果的に生成することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明を適用可能な実施の形態が説明される。以下の説明は、本発明の実施形態を説明するものであり、本発明が以下の実施形態に限定されるものではない。説明の明確化のため、以下の記載は、適宜、省略及び簡略化がなされている。又、当業者であれば、以下の実施形態の各要素を、本発明の範囲において容易に変更、追加、変換することが可能であろう。
【００１８】
本形態のレーザ顕微鏡１００は、試料の断面情報を取得することができる。特に、光学系のいくつかの要素を同期して動作させることによって、試料の経時的に変化する断面画像を取得することができる。本形態のレーザ顕微鏡１００は、経時的に変化する生体試料などの観察に特に有用である。
【００１９】
図１は、本実施形態におけるレーザ顕微鏡１００の概略を示す構成図である。図１において、１０１はレーザ光源である。レーザ光源１０１の種類は、レーザ顕微鏡あるいは試料に従って、適切なものが選択される。例えば、生体を被検体とる場合には、チタンサファイアレーザなどが好適な一例である。１０２はダイクロイックミラーである。ダイクロイックミラー１０２は、レーザ光源１０１からのレーザ光の波長域を透過して、試料からの光の波長域を反射する特性を有している。
【００２０】
１０３はＺスキャニング光学系である。Ｚスキャンニング光学系１０３は、第１のレンズ１０４と、第２のレンズ１０５とを有している。第１のレンズ１０４と第２のレンズ１０５との相対距離は変化することができ、所定のクロックに同期して相対距離が振動する。１０６はレゾナントガルバノミラー、１０７は入射光の径を拡大するビームエキスパンダである。ビームエキスパンダ１０７は、レンズ１０８、１０９を備えている。
【００２１】
１１０は試料に入射光を集光する対物レンズ、１１１は試料を設置するステージである。１１２は入射光を集光するレンズ、１１３はピンホールである。１１４は光検出器である。光検出器１１４は、受光した光を電気信号に変換する光電子増倍管、フォトダイオード、あるいはＣＣＤカメラなどを使用することができる。１１５は入力した検出信号に従って、画像処理を行う画像処理装置であり、コンピュータ・システムなどを使用して構成することができる。１１６はビームエキスパンダである。
【００２２】
レーザ光源１０１から射出した平行光は、ビームエキスパンダ１１６に入射し、径が拡大される。ビームエキスパンダ１１６からの光はダイクロイックミラー１０２を通過し、Ｚスキャニング光学系１０３に入射する。Ｚスキャニング光学系１０３は、レンズ間の光軸方向の相対距離を変化させることによって、射出光の角度を変化させることができる。これにより、レーザ光による試料のＺ方向のスキャンを可能とする。Ｚスキャニング光学系１０３の動作及び機能については、後に詳述する。
【００２３】
Ｚスキャニング光学系１０３からの射出光は、レゾナントガルバノミラー１０６に入射する。レゾナントガルバノミラー１０６は、所定の周期で回転軸を中心に振れ運動をしており、入射光の反射角度を変化させることができる。以下、このように、所定の振れ角をもって回転方向を変えながら回転するガルバノミラーの運動を、回転振動と呼ぶ。レゾナントガルバノミラー１０６の回転振動によって、レーザ光による試料のＸ方向のスキャンを可能としている。なお、レゾナントガルバノミラーに代えて、ポリゴンミラーなど、所定の周波数でレーザ光の反射角を変化させることができる他のミラーを使用することができる。
【００２４】
レゾナントガルバノミラー１０６による反射光はビームエキスパンダ１０７に入射し、ビーム径が拡大される。ビームエキスパンダ１０７からの射出光は対物レンズ１１０に入射する。対物レンズ１１０は入射光をステージ１１１上の試料に集光する。試料からの発光は、対物レンズ１１０によって集光され、ビームエキスパンダ１０７を通過してレゾナントガルバノミラー１０６に入射する。レゾナントガルバノミラー１０６による反射光はＺスキャニング光学系１０３を通過してダイクロイックミラー１０２に入射する。尚、適切な光学系を使用することによって、試料の反射光を検出することも可能である。
【００２５】
ダイクロイックミラー１０２は、試料からの光を反射する。ダイクロイックミラー１０２による反射光はレンズ１１２によって集光され、ピンホール１１３を通過して、検出器１１４によって検出される。検出器１１４からの検出信号が画像処理装置１１５に入力し、所定の処理が行われて、画像処理装置１１５の表示装置に試料の画像が表示される。
【００２６】
レーザ顕微鏡１００は、コンフォーカル（共焦点）顕微鏡であり、検出器１１４の前にピンホール１１３を備えている。コンフォーカル顕微鏡において、合焦点面以外からの反射光はピンホール１１３によってブロックされるため、焦点外れ面からの不要光や対物レンズ１１１内部からの散乱光をほぼ完全に取り除くことができる。これにより、非常にコントラストの高い画像を得ることができる。ピンホール１１３の位置は検出器前に限らず、光学系内で適宜選択することができる。好ましくは、ピンホール１１３及び検出器１１４は、Ｚスキャニング光学系１０３よりも光路上の光源側１０１に配置される。
【００２７】
また、立体的な試料を観察すると焦点によって形成される面もしくは線でスライスされたような画像を得ることができる。コンフォーカル顕微鏡で取得された像は全て焦点が合っているため、立体的な試料をＺ軸（光軸）方向に移動させることによって、各Ｚ座標での試料の画像情報を取得することができる。尚、試料からの多光子励起蛍光を検出する多光子励起顕微鏡の場合など、対物レンズによる焦点近傍のみからの発光を検出することができる場合、同様の観察を行うことができる。この場合、ピンホール１１３は必要とされない。この他、本発明は、多光子蛍光顕微鏡、共焦点蛍光顕微鏡、あるいは微分干渉顕微鏡などに適用することができる。
【００２８】
図２は、Ｚスキャニング光学系１０３の動作に伴う、試料上での焦点位置の変化を示す模式図である。Ｚスキャニング光学系１０３は光源に近い第１のレンズ１０４及び、光源から遠いレンズ１０５を有している。レンズ１０４とレンズ１０５の間において、入射光の結像面が形成される。レンズ１０４とレンズ１０５は、焦点距離が同じレンズもしくは異なるレンズを使用することができる。レンズ間相対距離の変化と、試料上の焦点位置との関係を、第２レンズ１０５が移動する場合について説明する。図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のそれぞれに、図２（ｄ）の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）が対応する。
【００２９】
図２（ａ）において、第１のレンズ１０４と第２のレンズ１０５のそれぞれの焦点が一致している。第１のレンズ１０４に入射した平行光は、第２のレンズ１０５に入射し、平行光として射出する。対物レンズ１１０によって試料上に集光される光の集光点は、図２（ｄ）の（ａ）で指示される位置に形成される。
【００３０】
図２（ｂ）に示すように、第２のレンズ１０５が第１のレンズから遠ざかり、レンズ間距離が大きくなると、第２レンズからの光は集光する角度で射出する。あるいは、第２レンズからの射出光はビーム系が徐々に小さくなる角度で光が射出される。対物レンズ１１０によって試料上に集光される光の集光点は、図２（ｄ）の（ｂ）で指示される位置に形成される。集光点（ｂ）は集光点（ａ）よりも対物レンズ１１０に近い位置に形成される。
【００３１】
一方、図２（ｃ）に示すように、第２のレンズ１０５が第１のレンズに近づき、レンズ間距離が小さくなると、第２レンズからの射出光は拡散する角度で射出する。あるいは、第２レンズからの射出光は、ビーム系が徐々に大きくなる。対物レンズ１１０によって試料上に集光される光の集光点は、図２（ｄ）の（ｃ）で指示される位置に形成される。集光点（ｃ）は集光点（ａ）よりも対物レンズ１１０から遠い位置に形成される。尚、以下の説明において、射出光が平行光である場合、射出角をゼロとし、ビーム径が大きくなる場合、射出角が大きくなるとする。平行光よりもビーム径が大きくなる場合射出角は正であり、ビーム径が小さくなる場合の射出角は負とする。
【００３２】
第１レンズ１０４と第２レンズ１０５のレンズ距離を変化させることによって、試料上の集光位置を光軸方向に変化させることができる。あるいは、Ｚスキャニング光学系１０３からの射出光の射出角を変化させることによって、試料上の集光位置を光軸方向に変化させることができる。射出角が大きくなるにつれて試料上の焦点位置が対物レンズから遠ざかり、射出角が小さくなるにつれて試料上の焦点位置が対物レンズに近づく。
【００３３】
レンズ間距離の変化は、結像面がその間に形成されているレンズの一方もしくは双方を移動することによって行うことができる。好ましくは、図２（ｅ）に示すように、２つのレンズの焦点が交差する範囲でレンズ間距離が変化することが好ましい。例えば、第１レンズ１０４を固定し、第２レンズ１０５を移動する場合、第２レンズ１０５の焦点Ｆ２の移動範囲内に第１レンズ１０４の焦点Ｆ１が含まれることが好ましい。レンズの焦点距離あるいはレンズの移動距離は、試料上でのＺスキャン距離や倍率に従って適切なものが選択される。例えば、数ｍｍの焦点距離を備えるレンズを使用して、数十から数百μｍの移動とすることができる。レンズの移動距離は、試料上での同一の焦点の移動距離のために、倍率が小さくなるほど小さくすることができる。レンズ間距離は、所定の同期信号に同期して振動する。レンズ間距離を振動させることによって、高速に焦点の光軸方向のスキャニングを行うことができる。特に、ビデオレートでのスキャニングを可能とすることができる。尚、１つの画像を取得するためには、レンズ間距離を振動させることなく、一方向に移動させればよい。
【００３４】
Ｚスキャニング光学系１０３は上記の構成に限定されるものではない。例えば、第１及び第２レンズに加えて、さらに多くのレンズを含むことができる。あるいは、例えば、第２レンズとして複数のレンズから構成される対物レンズを使用し、第１レンズを移動することによって相対距離を変化させることができる。Ｚスキャニング光学系１０３は、収差を少なくするため、非球面レンズなどの適正な形状のレンズ、もしくは複数のレンズを含むレンズ構成とすることが好ましい。
【００３５】
レンズもしくは焦点の移動範囲は、収差を少なくするように決定される。この点から、第１のレンズの焦点Ｆ１と第２のレンズの焦点Ｆ２との距離の振幅は、収差を減少するように、ゼロを中心として非対称であることが好ましい。例えば、一方の焦点が固定されていると仮定する場合、他方の焦点の光軸方向の移動範囲は、固定された焦点について非対称とすることが好ましい。図２（ｅ）を参照して、具体的には、例えば、入射側レンズの焦点Ｆ１が固定され、射出側レンズの焦点Ｆ２が移動する場合を考える。つまり、第１のレンズが固定され、第２のレンズが振動する場合である。射出側レンズの焦点Ｆ２が入射側の第１点と射出側の第２点の間を振動する場合、入射側レンズの焦点Ｆ１と第１点との距離は、入射側レンズの焦点Ｆ１と第２点との距離と異なる。特に、入射側レンズの焦点Ｆ１と第１点との距離は、入射側レンズの焦点Ｆ１と第２点との距離よりも大きいことが好ましい。第１レンズが固定され、第２レンズが移動する場合、移動範囲は、図２（ｆ）に示すように、２つのレンズの焦点が一致する点を基準として、第２レンズの第１レンズ側に移動する距離は、その反対側へ移動する距離よりも大きいことが好ましい。
【００３６】
Ｚスキャニング光学系１０３は、レゾナントガルバノミラー１０６とレーザ光源１０１との間に配置されることが好ましい。レゾナントガルバノミラー１０６からの光は、レゾナントガルバノミラー１０６の回転振動するため、光軸に対して平行ではないからである。Ｚスキャニング光学系１０３とビームエキスパンダ１０７の距離は小さく設計することが好ましい。具体的には、第２レンズ１０５と受光レンズの一例であるレンズ１０８との距離は、第２レンズ１０５が最も第１レンズ１０４から離れた場合に、ビーム集光点がレンズ１０８よりも試料側に形成されるような大きさに設定される。これにより、試料上のＺ方向走査距離とビーム径の倍率を適切に設計することができる。また、Ｚスキャニング光学系１０３に代えて、ビームエキスパンダ１０７を構成するレンズのレンズ間距離を変化させることによって、焦点の光軸方向に関する位置を変化させることができる。しかし、ビームエキスパンダ１０７においてＺスキャニングを行うと、レンズの移動距離が大きくなるなどの問題があるため、設計容易性の観点から、ビームエキスパンダ１０７とは別にＺスキャニング光学系１０３を備えることが好ましい。ビームエキスパンダ１０７の倍率は、小さくすることが好ましい。これにより、試料上のＺ方向への走査距離を大きくすることができる。具体的には、第２レンズ１０５の移動距離とＺ方向走査距離の関係は、走査距離が小さい場合、以下の式で表すことができる。
Ｚ＝（ｆ１０９／ｆ１１０）２（ｆ１０５／ｆ１０８）２・Ｚ１０５
ここで、ｆ１０９、ｆ１１０、ｆ１０５、ｆ１０８は、各符号が付されたレンズの焦点距離、Ｚ１０５は第２レンズ１０５の移動距離である。本形態は２つのビームエキスパンダを備えている。Ｚスキャニング光学系１０３と光源との間にビームエキスパンダ１１６を有することによって、Ｚ方向走査距離とビーム径の倍率を適切に設計することができる。
【００３７】
図３は、本形態のレーザ顕微鏡１００の回路構成の概略を説明するブロック図である。レーザ顕微鏡１００は、回転振動するレゾナントガルバノミラー１０６と、レゾナントガルバノミラー１０６の回転振動に同期してレンズ間相対距離が振動するＺスキャニング光学系１０３によって、試料の経時的な断面画像の取得を可能としている。レゾナントガルバノミラー１０６は、回転軸を中心に回転振動することによって、焦点による試料のＸ方向（光軸と実質的に垂直な方向）のスキャンを可能とする。レゾナントガルバノミラー１０６の振れに従って、試料上の焦点がＸ方向の正負方向に移動する。
【００３８】
Ｚスキャニング光学系１０３がレゾナントガルバノミラー１０６と同期して振動することによって、Ｚ方向（光軸方向）の焦点が、Ｘ方向の移動と同期して、移動する。画像情報の取得のためには、Ｘ方向の一方向の移動が１回のＸ方向スキャン、Ｚ方向の一方向の移動が１回のＺ方向スキャンとなる。以下に説明するように、Ｚ方向の１スキャンが画像の１フレームに相当し、Ｘ方向の１スキャンが１フレーム内の１ラインに相当する。Ｘ方向スキャンとＺ方向スキャンとに同期して、光検出器１１４からの検出信号を取得することによって、経時的な画像データであるビデオデータを生成することができる。尚、装置構成が許すのであれば、正負のそれぞれの方向へ焦点が移動する際に、画像情報の取得を行うことも可能である。
【００３９】
３０１は、レゾナントガルバノミラー１０６の回転振動を制御するレゾナントドライバーである。３０２は、レゾナントドライバー１０６からの同期信号に基づいてピクセル信号とピクセルイネーブル信号を生成するピクセルクロックである。３０３はピクセルイネーブル信号に基づいてＨＳＹＮＣ信号を生成するＨＳＹＮＣ生成回路部である。ＨＳＹＮＣ信号は、画像データの１ライン周期に相当する。３０４は入力した信号をカウントアップ／ダウンし、カウント信号を出力するアップ／ダウンバイナリカウンタである。
【００４０】
３０５はアップ／ダウンバイナリカウンタ３０４からのカウント信号に基づいてＶＳＹＮＣ信号を生成するＶＳＹＮＣ生成回路部である。ＶＳＹＮＣ信号は、画像データの１フレーム周期に相当する。３０６はピエゾ素子の振動によって振動するピエゾステージ、３０７はピエゾステージの振動を制御するピエゾドライバーである。ピエゾステージ３０６上には、Ｚスキャニング光学系１０３のレンズが配置される。ピエゾ素子は印加電圧によって伸縮するため、振動素子として使用される。尚、レンズの振動は、他の振動装置を使用して構成することが可能である。３０８はデジタル信号であるカウンタ信号からアナログ信号を生成するＤＡコンバータ（ＤＡＣ）である。３０９は入力した同期信号と光検出信号とに基づき、画像データを生成するフレームグラバである。
【００４１】
レゾナントドライバー３０１は、所定の振動数でレゾナントガルバノミラー１０６を回転振動させる。典型的には、レゾナントガルバノミラー１０６は共振運動により走査し、４〜８ＫＨｚの周波数で回転振動することができる。本形態のレーザ顕微鏡１００において、レゾナントガルバノミラー１０６の振動周波数を基準として、他の回路部がその周波数と同期して動作する。具体的には、ピエゾステージの駆動電圧、あるいは、画像データのフレーム同期信号が、レゾナントガルバノミラー１０６の振動周波数を基準として決定される。レゾナントドライバー３０１は、レゾナントガルバノミラー１０６の回転振動と同期するガルバノミラー同期信号を出力する。
【００４２】
ピクセルクロック３０２は、ガルバノミラー同期信号を取得し、この信号からピクセルイネーブル信号を生成する。ピクセルイネーブル信号は、ピクセルがアクティブとなるタイミングを示している。図４は、信号間の関係の一例を示すタイミングチャートである。図４に示すように、ピクセルイネーブル信号は、ガルバノミラー同期信号と同期している。ピクセルイネーブル信号は、ガルバノミラー同期信号の中央の一部と一致する。これにより、レゾナントガルバノミラー１０６の振幅の一部のみがデータ取得ために使用することができ、より正確が画像情報を取得することができる。さらに、ピクセルクロック３０２は、ピクセルクロック信号を生成する。ピクセルクロック信号は、画像データの１ピクセル周期に相当する。例えば、１ラインあたり５１２のピクセルが存在する場合、１つのピクセルイネーブル信号に対して、５１２のピクセルクロック信号が生成される。
【００４３】
ＨＳＹＮＣ生成回路部３０３は、ピクセルクロック３０２からピクセルイネーブル信号を取得し、その信号に同期するＨＳＹＮＣ信号（水平同期信号）を生成する。図４に示すように、ピクセルイネーブル信号そのものをＨＳＹＮＣ信号として使用することができる。あるいは、ピクセルイネーブル信号に同期するパルス信号を生成し、その信号をＨＳＹＮＣ信号として使用することができる。生成する信号は、フレームグラバ３０９の構成に応じて、適切なものを選択することができる。
【００４４】
バイナリカウンタ３０４は、レゾナントドライバー３０１からのガルバノミラー同期信号を取得する。アップ／ダウンバイナリカウンタ３０４はクロックパルスが入るごとにカウントアップし、出力データの数字を大きくする。数字が一定値を越えるとゼロに戻る。アップ／ダウンバイナリカウンタ３０４からのカウント信号は、ＤＡＣ３０８に入力され、アナログ信号に変換される。ＤＡＣ３０８はカウント信号に従って、ランプ電圧を出力する。ピエゾドライバー３０７は、入力したランプ電圧に従ってピエゾステージへの出力電圧を制御し、ピエゾステージの振動制御を行う。カウンタ信号のリセット周期は、Ｚスキャンの周期に対応する。
【００４５】
カウンタ信号は、さらに、ＶＳＹＮＣ生成回路部３０５に入力する。ＶＳＹＮＣ生成回路部３０５は、カウンタ信号に同期したＶＳＹＮＣ信号（垂直同期信号）を生成する。図５は、ピエゾステージ駆動信号、カウンタ信号、及びＶＳＹＮＣ信号の関係を示すタイミングチャートである。ピエゾステージ駆動信号は、カウンタ信号の数の増加と共に増加して、ピエゾドライバー３０７は、カウンタ信号に増加に従ってピエゾステージを移動させる。カウンタ信号のリセットから次のリセットのタイミングと、ピエゾステージ駆動信号の駆動タイミングは一致している。
【００４６】
ＶＳＹＮＣ信号は、カウンタ信号の中央一部のタイミングと一致する。これによって、ピエゾステージの振幅の一部のみがデータ取得ために使用することができ、より正確な画像情報の取得が可能となる。ＶＳＹＮＣ信号、ＨＳＹＮＣ信号及びピクセルクロック信号は、それぞれ同期して生成される。例えば、画像データが、１フレームあたり５１２ライン備えている場合。一つのＶＳＹＮＣ信号に対して、５１２のＨＳＹＮＣ信号が対応する。さらに、上記例に従えば、一つのＨＳＹＮＣ信号に対して、５１２のピクセルクロック信号が対応する。
【００４７】
フレームグラバ３０９は、外部からの同期信号に従って、入力アナログ信号からデジタル画像データを生成することができる。本形態において、フレームグラバ３０９は、ＶＳＹＮＣ信号、ＨＳＹＮＣ信号及びピクセルクロック信号の各同期信号と、光検出器１１４からの検出信号に基づき、画像データを生成する。検出器１１４からの検出信号はアナログ信号である。フレームグラバ３０９は、同期信号に従って検出信号を取り込み、ＡＤ変換してデジタル画像データを生成する。同期信号に従って各フレームデータを生成することによって、ビデオデータを生成することができる。
【００４８】
フレームグラバ３０９はプログラム可能であり、生成した画像データに対して、所定の処理を行い、ビデオメモリにその処理データを記憶する。画像データの処理として、フレームグラバ３０９は、画像の歪を補正する処理を行うことが好ましい。Ｚスキャンにより対物レンズには光軸と平行な方向からずれた光が入射する。そのため。収差が発生し、画像の歪が生まれる。フレームグラバ３０９は画像の生成レートと同じ速度で画像処理を行うことができる。フレームグラバ３０９によって高速に画像修正処理を行うことによって、良好なビデオデータを生成することができる。
【００４９】
尚、同期信号は同期のタイミングを示すことができれば、様々な波形を使用することが可能であり、同期信号の形態については、装置構成に従って適宜適切なものが使用される。光軸に垂直は平面での走査は、一方向のみならず、ＸＹの２方向に行うことも可能である。例えば、もう一つのレゾナントガルバノミラーを容易し、２つのレゾナントガルバノミラーによって、平面内を走査することができる。当業者であれば、ＸＹスキャンによる平面データとＺ方向スキャンによるデータから、三次元画像データの形成を容易に行うことができる。本形態のレーザ顕微鏡は、適切な変更もしくは追加を行うことによって、様々な物体の観察もしくは検査などに利用することができる。又、レーザ顕微鏡の構成の一部を利用して、多くのアプリケーションに適用することができる。
【００５０】
本実施の形態の構成を有することにより、試料の断面のビデオ画像を形成することができ、試料の時間変化を効果的に観察することができる。実質的に実時間のビデオデータを取得することができるので、生体試料の観察などに特に有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るレーザ顕微鏡の光学系の概略を示す構成図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る焦点位置とレンズ間距離の関係を説明する図である。
【図３】本発明の実施の形態に係るレーザ顕微鏡の回路構成の概略を示すブロック図である。
【図４】本発明の実施の形態に係るレーザ顕微鏡の信号間の関係を示す、タイミング図である。
【図５】本発明の実施の形態に係るレーザ顕微鏡の信号間の関係を示す、タイミング図である。
【符号の説明】
１０１  レーザ光源、１０２  ダイクロイックミラー、１０３  Ｚスキャニング光学系、１０４  第１のレンズ、１０５  第２のレンズ、１０６  レゾナントガルバノミラー、１０７  ビームエキスパンダ、１０８、１０９  レンズ、１１０対物レンズ、１１１  ステージ、１１２  レンズ、１１３  ピンホール、１１４  光検出器、１１５は  画像処理装置、１１６  ビームエキスパンダ
【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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