(57)【要約】【課題】半導体光源を用い、装置の小型化、画質の維持を図るレーザ走査型顕微鏡を提供すること。【解決手段】レーザ光を走査光学系本体（１２）内の走査光学系（２０）により試料（Ｓ）上で走査し、該試料から発する蛍光または反射光を検出するレーザ走査型顕微鏡であり、半導体プロセスによって製作された光源（１）と該光源の出射側に設けられた光ファイバ（３）とからなる光源部（１３）を前記走査光学系本体（１２）に組み込む。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を走査光学系本体内の走査光学系により試料上で走査し、該試料から発する蛍光または反射光を検出するレーザ走査型顕微鏡であり、
半導体プロセスによって製作された光源と該光源の出射側に設けられた光ファイバとからなる光源部を前記走査光学系本体に組み込んだことを特徴とするレーザ走査型顕微鏡。
【請求項２】
前記走査光学系本体に、
前記蛍光または反射光を検出する検出部が内蔵されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ走査型顕微鏡。
【請求項３】
少なくとも一つの前記光源を備え、
一つの前記光ファイバが、前記少なくとも一つの光源の出射側に設けられたことを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ走査型顕微鏡。
【請求項４】
複数の前記光源と複数の前記光ファイバを備え、
前記複数の光源の出射側に、それぞれ前記光ファイバが設けられたことを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ走査型顕微鏡。
【請求項５】
前記光源は半導体レーザダイオードであることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ走査型顕微鏡。
【請求項６】
前記光ファイバはシングルモードであることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ走査型顕微鏡。
【請求項７】
前記光ファイバは偏光面保存型であることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ走査型顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源からの光束を走査して試料に照射し、試料から発した蛍光あるいは反射光を検出するレーザ走査型顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体光源の開発が進み、赤外・近赤外から赤、青までの波長域をカバーできるようになってきている。これに伴い、レーザを光源として用いている装置などで、波長選択、及び光源と装置の小型化を可能とするため、半導体レーザを有効利用することが望まれている。例えばＵＳＰ６，１３４，２８２には、半導体光源を利用した蛍光顕微鏡が開示されている。
【０００３】
図４は、特開平１１−２３１２２２号公報に開示されているレーザ顕微鏡の構成を示す図である。図４では、輝度が高く指向性のある光源としてガスレーザが用いられている。図４において、Ａは顕微鏡ユニット、Ｂは走査ヘッド（走査光学系本体）である。
【０００４】
顕微鏡ユニットＡでは、光源１０１、照明レンズ１０２、ビーム・スプリッタ１０３、対物レンズ１０４、供試体１０５、集光器１０６、光源１０７、受信装置１０８、第１鏡胴レンズ１０９、第２鏡胴レンズ１１０、及び接眼レンズ１１１を有する監視光線経路、ならびに走査光線を結合するためのビーム・スプリッタ１１２を備え、旋回式ミラー１１４により光線経路を切替え可能である。
【０００５】
レーザ・モジュール１３１，１３２はレーザを備え、可視光線ファイバ１４１，１４２を介して走査ヘッドＢに連結されている。可視光線ファイバ１４１，１４２の結合は、移動式のコリメート・レンズ１６０，１６０、ならびに光線方向変換エレメント１７１、１７２によって行なわれる。
【０００６】
走査ヘッドＢでは、監視光線が部分通過式ミラー１１８によって、線路フィルタ１２１、ならびに中性フィルタ１２０上のモニター・ダイオード１１９の方向に絞り込まれる。走査ユニットは、走査対物レンズ１２２、スキャナ１２３、主ビーム・スプリッタ１２４、及び検出チャンネル２６１〜２６４のための共通の結像レンズ１２５からなる。方向変換プリズム１２７は、供試体１０５からの光線を、二色性ビーム・スプリッタ１２８の方向に反映する。二色性ビーム・スプリッタ１２８の後方には、ピンホール１２９、放射フィルタ１３０、及び受信エレメント（ＰＭＴ）１３３が配置されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
半導体レーザは、その構造上、出射ビーム自身が広がりをもって放射する。通常、この広がりは水平・垂直方向で異なる放射特性を有しており、光学的には収差成分である非点隔差を持ち合わせている。このため、通常の球面系のレンズ構成をもつＵＳＰ６，１３４，２８２のような光学系の配置では、光源とレンズ系との光学的な組み合わせを効率よく行うことができない。また、レーザ走査型共焦点顕微鏡では、レーザからのビームが試料面で点光源として整形されなければならないが、光源が上述した収差成分を持つ場合、この点光源の整形が十分に行えず、装置全体で画質性能に悪影響を及ぼす。
【０００８】
従来から、シリンドリカル・レンズやプリズムを用いてビームを整形し、装置に導入させる手法が多くなされているが、この場合でも、実際にはビームのロスや非点隔差の残存は避けられない。このため、レーザ走査型共焦点顕微鏡のような、収差補正が極めて良好に行われる光学系を用いて高解像を得る装置では、半導体レーザの利用は、画質の維持・向上、光源の小型化に必ずしも寄与できなかった。
【０００９】
また、図４に示したように、レーザ光源及び複数のレーザを使う場合の合成光学系は、非常に大きなスペースを必要とするため、装置構成上、走査ヘッド（走査光学系本体）とは別体の外部光源として設置される。このため、光源部を装置に一体化して装置全体の小型化を狙うことは非常に難しい。
【００１０】
本発明の目的は、半導体光源を用い、装置の小型化、画質の維持を図るレーザ走査型顕微鏡を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
課題を解決し目的を達成するために、本発明のレーザ走査型顕微鏡は以下の如く構成されている。
【００１２】
（１）本発明のレーザ走査型顕微鏡は、レーザ光を走査光学系本体内の走査光学系により試料上で走査し、該試料から発する蛍光または反射光を検出するレーザ走査型顕微鏡であり、半導体プロセスによって製作された光源と該光源の出射側に設けられた光ファイバとからなる光源部を前記走査光学系本体に組み込んでいる。
【００１３】
（２）本発明のレーザ走査型顕微鏡は上記（１）に記載の顕微鏡であり、かつ前記走査光学系本体に、前記蛍光または反射光を検出する検出部が内蔵されている。
【００１４】
（３）本発明のレーザ走査型顕微鏡は上記（１）または（２）に記載の顕微鏡であり、かつ少なくとも一つの前記光源を備え、一つの前記光ファイバが、前記少なくとも一つの光源の出射側に設けられている。
【００１５】
（４）本発明のレーザ走査型顕微鏡は上記（１）または（２）に記載の顕微鏡であり、かつ複数の前記光源と複数の前記光ファイバを備え、前記複数の光源の出射側に、それぞれ前記光ファイバが設けられている。
【００１６】
（５）本発明のレーザ走査型顕微鏡は上記（１）または（２）に記載の顕微鏡であり、かつ前記光源は半導体レーザダイオードである。
【００１７】
（６）本発明のレーザ走査型顕微鏡は上記（１）または（２）に記載の顕微鏡であり、かつ前記光ファイバはシングルモードである。
【００１８】
（７）本発明のレーザ走査型顕微鏡は上記（１）または（２）に記載の顕微鏡であり、かつ前記光ファイバは偏光面保存型である。
【００１９】
上記手段を講じた結果、それぞれ以下のような作用を奏する。
【００２０】
（１）本発明のレーザ走査型顕微鏡によれば、半導体光源と光ファイバを走査光学系本体に組み込むことによって、装置全体を小型化でき、かつ光ファイバからの出射光を用いることによって、装置に適用できる非点隔差のない理想的な点光源を生成することができる。
【００２１】
（２）本発明のレーザ走査型顕微鏡によれば、光源と走査光学系とを有する走査部と、試料からの光を検出する検出部とが、走査光学系本体として一体的に構成される。
【００２２】
（３）本発明のレーザ走査型顕微鏡によれば、異なる波長を持つ複数の半導体光源を用いることが可能になり、かつ装置の小型化を維持できる。
【００２３】
（４）本発明のレーザ走査型顕微鏡によれば、紫外域から近赤外域まで広い波長帯域で複数の光源を用いることが可能となる。特に専用のビーム整形光学系と光ファイバが必要な場合でも装置内で簡単に光を合成することができる。
【００２４】
（５）本発明のレーザ走査型顕微鏡によれば、波長選択、及び光源と装置の小型化が可能になる。
【００２５】
（６）本発明のレーザ走査型顕微鏡によれば、理想的な点光源が得られる。
【００２６】
（７）本発明のレーザ走査型顕微鏡によれば、光源の直線偏光特性を装置内で保つことができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００２８】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る２チャンネル検出型・レーザ走査型共焦点顕微鏡の構成を示す図である。図１に示す顕微鏡は、顕微鏡部１１と、レーザ走査・検出系本体１２（走査光学系本体）からなる。顕微鏡部１１とレーザ走査・検出系本体１２とは、それぞれ独立した筐体で構成される。レーザ走査・検出系本体１２が顕微鏡部１１に対して取り付けられることで、レーザ走査型共焦点顕微鏡が構成される。
【００２９】
顕微鏡部１１は、主光学系である結像レンズ９と対物レンズ１０を備えている。レーザ走査・検出系本体１２は、走査部１２１と検出部１２２を有する。走査部１２１は、光源部１３と走査光学系２０を内蔵している。検出部１２２は、検出光学系１４を内蔵している。なお、本実施の形態では走査光学系本体の中に走査部と検出部の両方を備えた構成としているが、走査光学系本体には走査部だけを設けて検出部を別個の筐体にすることもできる。この場合は、光源部は走査部（走査光学系本体）の中に内蔵される。
【００３０】
走査部１２１の光源部１３は、半導体レーザ１（半導体レーザダイオード：半導体プロセスによって製作された光源）、ビーム整形部２、ファイバ入射光学系３１、光ファイバ３、ファイバ出射光学系３２、及びレンズ３３を備えている。ビーム整形部２は、一組の球面レンズ２０１，２０２を有している。走査系２０のスキャナ４は、光源部１３から出射されダイクロイックミラー１５で反射された光を走査する。検出部１２２の検出光学系１４は、ダイクロイックミラー１６、共焦点レンズ５１，５２、ピンホール６１，６２、検出器７１，７２を備えている。
【００３１】
走査部１２１の光源部１３では、半導体レーザ１から出射されたレーザ光がビーム整形部２により集光、整形される。整形されたビームは、ファイバ入射光学系３１により光ファイバ３の入射端面に結像され、光ファイバ３、ファイバ出射光学系３２、及びレンズ３３を介して、ダイクロイックミラー１５へ出射される。ダイクロイックミラー１５でスキャナ４方向へ反射されたビームは、スキャナ４により走査され、顕微鏡部１１の結像レンズ９と対物レンズ１０を介して試料Ｓに照射される。
【００３２】
試料Ｓから発した蛍光または反射光は、再び対物レンズ１０と結像レンズ９を介してレーザ走査・検出系本体１２の走査部１２１に戻る。走査部１２１に戻った蛍光または反射光は、スキャナ４を介してダイクロイックミラー１５を透過し、検出部１２２のダイクロイックミラー１６で分岐される。ダイクロイックミラー１６を透過した蛍光または反射光は、共焦点レンズ５１とピンホール６１を介して検出器７１に導かれる。ダイクロイックミラー１６で反射された蛍光または反射光は、共焦点レンズ５２とピンホール６２を介して検出器７２に導かれる。
【００３３】
図１の構成では、検出部１２２が２チャンネルの検出系をなしているが、単一の検出器もしくは三つ以上の複数の検出器を用いた場合でも、基本構成に変わりはない。光源部１３では、半導体レーザ１から出射された光は非点隔差成分をもった発散光であり、ビーム整形部２は、この発散光を集めて整形し、ファイバ入射光学系３１を介して光ファイバ３に効率よく結合する。
【００３４】
ビーム整形部２は、シリンドリカル・レンズもしくはプリズムと球面レンズ系により構成される。もちろん、非点隔差成分が小さい場合には、球面レンズ系のみで構成することも可能である。図では、簡単化のために一組の球面レンズ２０１，２０２を使用した例を示している。なお、後述する第２，第３の実施の形態でも同様に、ビーム整形部に一組の球面レンズを使用した例を図示しているが、前述した他の方法を採用することもできる。
【００３５】
これにより、レーザ走査・検出系本体１２の走査部１２１の中に光源部１３を組み込むことができ、装置全体を十分コンパクトにすることが可能になる。図１に示すように、光ファイバ３の出射端が装置全体の光源となるため、光ファイバ３の長さの範囲で、光源部１３を自由に配置できる。
【００３６】
また、ビーム整形部２及び光ファイバ３を介することで、光ファイバ３から出射されるビームは非点隔差成分が取り除かれ、十分小さい理想的な点光源として扱うことができる。また、光ファイバ３に偏光面保存型シングルモード・光ファイバを用いることにより、光ファイバ３から出射される光と半導体レーザ１の偏光方向とを一致させ、半導体レーザ１の直線偏光特性を装置内で保つことができ、レーザ走査型共焦点顕微鏡での蛍光観察のみならず、顕微鏡を微分干渉観察にも適用することができる。また、蛍光分子が偏光特性をもつことから、その特性を検出することにも顕微鏡を利用できる。
【００３７】
（第２の実施の形態）
図２は、本発明の第２の実施の形態に係る２チャンネル検出型・レーザ走査型共焦点顕微鏡の構成を示す図である。図２において図１と同一な部分には同符号を付してある。
【００３８】
図２の装置構成では、第１の実施の形態と異なる部分として、レーザ走査・検出系本体１２’を構成する走査部１２１’内の光源部１３’の光源に波長の異なる２種類の半導体レーザ１、１’（半導体レーザダイオード：半導体プロセスによって製作された光源）を用い、二つのビーム整形部２ａ、２ｂを備えている。ビーム整形部２ａは、球面レンズ２０１と偏向ミラー２０３を有している。ビーム整形部２ｂは、一組の球面レンズ２０１’，２０２’と光学部材２０３’を有している。
【００３９】
半導体レーザ１と１’の波長が異なる場合は、光学部材２０３’としてダイクロイックミラーを用いる。このダイクロイックミラーは、半導体レーザ１からの光の波長を反射し半導体レーザ１’からの光の波長を透過する特性を有する。半導体レーザ１と１’の波長を同一にして光の強度を向上させる場合は、光学部材２０３’として偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を用いる。この場合、半導体レーザ１，１’から出力されるレーザ光は直線偏光なので、半導体レーザ１と１’の偏光方向を互いに直交するように９０度ずらしておき、光学部材２０３’を、半導体レーザ１からの出射光を反射し、半導体レーザ１’からの出射光を透過するように配置する。このような同じ波長の二つの半導体レーザの使用は、出力強度を上げて試料に強い強度でビームを照射したい場合にも非常に有効である。
【００４０】
光源部１３’では、半導体レーザ１から出射されたレーザ光は、ビーム整形部２ａの球面レンズ２０１により集光、整形され、光学部材２０３で反射し、ビーム整形部２ｂに入射し光学部材２０３’で反射する。一方、半導体レーザ１’から出射されたレーザ光は、ビーム整形部２ｂの球面レンズ２０１’により集光、整形され、光学部材２０３’を透過する。このようにビーム整形部２ａ、２ｂで整形され、かつビーム整形部２ｂで合成された二つの光は、球面レンズ２０２’を介して出射し、ファイバ入射光学系３１により光ファイバ３の入射端面に結像され、光ファイバ３、ファイバ出射光学系３２、及びレンズ３３を介して、ダイクロイックミラー１５へ出射される。
【００４１】
このように二つ以上の半導体光源が必要な場合は、上述した半導体レーザ１、１’のように出射側の光学系を連結することで対応できる。半導体レーザの出射ビームの条件は波長によって異なることが多いが、上述した構成では、ビーム整形部２ａ，２ｂにて各波長でビーム整形をすることができ、ファイバ３へ効率のよい結像を行うことができる。
【００４２】
以上のような構成であれば、波長が複数で波長範囲が広帯域であっても、光源部１３’を極端に大きくせず、レーザ走査・検出系本体１２’の走査部１２１’内に組み込むことが可能である。さらに、光ファイバ３からの出射ビームを点光源として扱え、レーザ走査・検出系本体１２’及び顕微鏡部１１において大きな変更をすることなく、光源部１３’からの光をそのまま利用することができる。
【００４３】
（第３の実施の形態）
図３は、本発明の第３の実施の形態に係る２チャンネル検出型・レーザ走査型共焦点顕微鏡の構成を示す図である。図３において図１，図２と同一な部分には同符号を付してある。
【００４４】
図３の装置構成では、第１、第２の実施の形態と異なる部分として、レーザ走査・検出系本体１２”を構成する走査部１２１”内の光源部１３”の光源に波長の異なる２種類の半導体レーザ１、１’（半導体レーザダイオード：半導体プロセスによって製作された光源）を用い、二つのビーム整形部２、２’、及び２種類の光ファイバ３、３’を備えている。さらに光源部１３”は、ファイバ入射光学系３１，３１’、ファイバ出射光学系３２，３２’、レンズ３３，３３’、及び光学部材３４を備えている。ビーム整形部２’は、一組の球面レンズ２０１’，２０２’を有している。
【００４５】
半導体レーザ１と１’の波長が異なる場合は、光学部材３４としてダイクロイックミラーを用いる。このダイクロイックミラーは、半導体レーザ１からの光の波長を透過し半導体レーザ１’からの光の波長を反射する特性を有する。半導体レーザ１と１’の波長を同一にして光の強度を向上させる場合は、光学部材３４として偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を用いる。この場合、半導体レーザ１，１’から出力されるレーザ光は直線偏光なので、半導体レーザ１と１’の偏光方向を互いに直交するように９０度ずらしておき、光学部材３４を、半導体レーザ１からの出射光を透過し、半導体レーザ１’からの出射光を反射するように配置する。またこの場合、光ファイバ３、３’に偏波面保存ファイバを用いる。このような同じ波長の二つの半導体レーザの使用は、出力強度を上げて試料に強い強度でビームを照射したい場合にも非常に有効である。
【００４６】
光源部１３”では、半導体レーザ１から出射されたレーザ光は、ビーム整形部２の球面レンズ２０１，２０２により集光、整形される。整形されたビームは、ファイバ入射光学系３１により光ファイバ３の入射端面に結像され、光ファイバ３、ファイバ出射光学系３２、及びレンズ３３を介して、光学部材３４を透過しダイクロイックミラー１５へ出射される。一方、半導体レーザ１’から出射されたレーザ光は、ビーム整形部２’の球面レンズ２０１’，２０２’により集光、整形される。整形されたビームは、ファイバ入射光学系３１’により光ファイバ３’の入射端面に結像され、光ファイバ３’、ファイバ出射光学系３２’、及びレンズ３３’を介して、光学部材３４で反射しダイクロイックミラー１５へ出射される。このようにビーム整形部２、２’で整形され、かつ光学部材３４で合成された二つの光は、ダイクロイックミラー１５へ出射される。
【００４７】
このように二つの半導体光源が必要な場合は、上述した半導体レーザ１、１’のように各光源に対応したビーム整形部２，２’と光ファイバ３，３’を設け、各光ファイバ３，３’から出射した光を、ダイクロイクックミラーもしくはハーフミラーのような反射と透過をコントロールしてある光学部材３４を用いて合成する。また、三つ以上の半導体光源が必要な場合、上述した半導体レーザ１、１’と同様に出射側の光学系を連結することで対応できる。
【００４８】
波長の異なる複数の光源を用いる場合、その帯域によっては専用のビーム整形光学系や光ファイバを用いる必要がある。上述した装置構成はこのような場合に適用でき、例えば、紫外光や近赤外光を第２の光源として使う場合に非常に有効である。
【００４９】
以上のような構成であれば、波長が複数で波長範囲が広帯域であっても、光源部１３”を大きく変更せず、レーザ走査・検出系本体１２”の走査部１２１”内に組み込むことが可能である。さらに、各光ファイバ３，３’からの出射ビームを比較的簡単に一つに合成でき、かつ理想的な点光源として扱え、レーザ走査・検出系本体１２”及び顕微鏡部１１において大きな変更をすることなく、光源部１３”からの光をそのまま利用することができる。
【００５０】
（変形例）
レーザ走査・検出系本体１２内に組み込まれた光源部に備えられていない波長のレーザ光源を使いたい場合、光ファイバ３の出射側の平行光束内で前記レーザ光源からの光を合成する。これにより、使用できる波長範囲が格段に広くなる。
【００５１】
上記各実施の形態によれば、半導体レーザ（半導体光源）と光ファイバを組み合せ、レーザ走査型共焦点顕微鏡に光源部として組み込んでいる。さらに、半導体レーザと光ファイバは、その光の物理的な特性上、それぞれ複数であってもよい。光ファイバはシングルモードファイバであり、偏光面保存型ファイバを用いることで、理想的な点光源整形を行なえ、半導体レーザの偏光状態の特徴を装置上で他の照明、検出方法に利用することができる。
【００５２】
そして、上述した半導体光源、光源からの光を整形する光学系、及び光ファイバを装置本体に組み込むことで、装置構成全体を小型化でき、かつレーザ走査型共焦点顕微鏡に求められる理想的な点光源として利用できる。また、光ファイバを利用することによって、光学系の空間フィルタとしての役割を持たせ、理想的な点光源を得ることができる。さらには、光ファイバを使って空間フィルタとする場合、従来のピンホール方式とは異なり、光ファイバの出射端を自由に設置することができ、装置内で、光学系の配置に自由度を持たせることもできる。
【００５３】
また、半導体レーザが複数で波長が異なる場合でも、それらがいわゆる可視光帯であれば、光源からの光を整形する光学系内でそれらを一つの光束に合成し、一つのファイバに結合することができる。また、紫外、近赤外光域と可視光域の波長を用いる場合、波長帯域もしくは周波数帯域に応じて複数のファイバを使い分け、装置本体内で一つの光束に合成することも可能である。
【００５４】
レーザ走査型共焦点顕微鏡では、利用される点光源はできるだけ小さい方が好ましく、光ファイバにシングルモードファイバを用いると、求められる性能を十分満足することができる。一方で、半導体レーザでは直線偏光の光が出射されるが、偏光面保存型ファイバを用いることによって、その特性を光学系内で保存でき、効率のよい光学系のセットアップを作ることができる。さらに、この特性を保存できることで、偏光に依存した照明及び検出を、蛍光観察・透過観察で行なうことが可能になる。
【００５５】
なお、本発明は上記各実施の形態のみに限定されず、要旨を変更しない範囲で適宜変形して実施できる。
【００５６】
【発明の効果】
本発明によれば、半導体光源を用い、装置の小型化、画質の維持を図るレーザ走査型顕微鏡を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る２チャンネル検出型・レーザ走査型共焦点顕微鏡の構成を示す図。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る２チャンネル検出型・レーザ走査型共焦点顕微鏡の構成を示す図。
【図３】本発明の第３の実施の形態に係る２チャンネル検出型・レーザ走査型共焦点顕微鏡の構成を示す図。
【図４】従来例に係るレーザ顕微鏡の構成を示す図。
【符号の説明】
１１…顕微鏡部
１２，１２’，１２”…レーザ走査・検出系本体
１２１，１２１’，１２１”…走査部
１２２…検出部
１３，１３’，１３”…光源部
１４…検出光学系
２０…走査光学系
１，１’…半導体レーザ
２，２’，２ａ，２ｂ…ビーム整形部
２０１，２０２，２０１’，２０２’…球面レンズ
２０３…偏向ミラー
２０３’…光学部材
３…光ファイバ
３１，３１’…ファイバ入射光学系
３２，３２’…ファイバ出射光学系
３３，３３’…レンズ
３４…光学部材
４…スキャナ
１５，１６…ダイクロイックミラー
５１，５２…共焦点レンズ
６１，６２…ピンホール
７１，７２…検出器
Ｓ…試料
【図１】
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【図２】
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【図３】
2004029205.tif 000005
【図４】
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