(57)【要約】【課題】  対物レンズと光源の間に正の屈折力と負の屈折力を有した光学素子を少なくとも１つずつ備え、これらの距離を変化させて焦点位置を移動させることにより、コンパクトであって振動による試料等への影響のない焦点の高速移動ができる焦点移動機構およびそれを用いた光学顕微鏡を提供する。【解決手段】  所定の光源からの入射光を対物レンズにより試料面に集束させる光学系の焦点位置を移動させる焦点移動機構において、  前記対物レンズと前記光源の間に正の屈折力を有する光学素子と、負の屈折力を有する光学素子を少なくとも１つずつ配置し、  これら光学素子の間の物理的距離を変化させる移動手段を設けたことを特徴とする焦点移動機構。【選択図】                    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の光源からの入射光を対物レンズにより試料面に集束させる光学系の焦点位置を移動させる焦点移動機構において、
前記対物レンズと前記光源の間に正の屈折力を有する光学素子と、負の屈折力を有する光学素子を少なくとも１つずつ配置し、
これら光学素子の間の物理的距離を変化させる移動手段を設けたことを特徴とする焦点移動機構。
【請求項２】
前記光学系は、無限遠系または有限遠系であることを特徴とする請求項１に記載の焦点移動機構。
【請求項３】
前記正の屈折力を有する光学系素子と前記負の屈折力を有する光学素子の配置は、入射光を入射時とほぼ同等の広がり角で出射するような配置であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の焦点移動機構。
【請求項４】
所定の光源からの入射光を対物レンズにより試料面に照射する光学顕微鏡において、
前記光源と前記対物レンズの間に請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の焦点移動機構を設置したことを特徴とする光学顕微鏡。
【請求項５】
前記光学顕微鏡は、共焦点顕微鏡、２光子顕微鏡、ＳＨＧ顕微鏡またはラマン顕微鏡であることを特徴とする請求項４に記載の光学顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、焦点移動機構およびそれを用いた光学顕微鏡に関し、詳しくは、焦点位置を高速で移動させる改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光学顕微鏡の一例として共焦点顕微鏡がある。共焦点顕微鏡は、試料を薄切片にすることなくスライス画像が得られ、そのスライス画像から試料の正確な３次元立体像を構築できるので、生物やバイオテクノロジーなどの分野における生きた細胞の生理反応観察や形態観察あるいは半導体市場におけるＬＳＩの表面観察などに使用されている。
共焦点顕微鏡では、試料の深さ方向のスライス画像を得るために、光ビームの焦点位置を移動させる。このような焦点移動機構には、対物レンズを移動機構により光軸方向に移動させるものがある。また、対物レンズと共焦点スキャナの間にリレーレンズを備え、移動機構によりリレーレンズを移動させて焦点位置を光軸方向に移動させるものがある（例えば特許文献１参照。）。
【０００３】
図４は、特許文献１に記載の焦点移動機構およびそれを用いた共焦点顕微鏡の構成図である。
図４において、共焦点顕微鏡は集光ディスク２２、ピンホールディスク２３、ビームスプリッタ２５およびレンズ２６より構成された共焦点スキャナ２０部分と、顕微鏡４０部分と、カメラ３０を組み合わせたものであり、共焦点スキャナ２０により光ビームで試料面を走査すると共に移動機構１５を駆動して対物レンズ１４を光軸方向に自在に移動させ、試料１１の３次元画像を得られるように構成されている。
【０００４】
このような構成において、レーザ光２１は、集光ディスク２２のマイクロレンズによってピンホールディスク２３のピンホール２４に集光されピンホール２４を通過した後、対物レンズ１４によりピンホールディスク２３と共役な位置にある試料１１内の走査面１２上の集光点１３に集束する。
【０００５】
波形発生器１７は、波形データを生成する波形データ処理手段（例えばマイクロプロセッサ）、波形データを記憶するメモリ、波形データをアナログ信号に変換するデジタル・アナログ変換器を備えている。尚、これらの構成要素は、ここではいずれも図示しない。
移動機構１５は例えばピエゾ素子から構成され、ドライバ１６の出力信号により駆動され、対物レンズ１４を上下方向に移動させる。ドライバ１６は、波形発生器１７の出力波形を適宜増幅して出力する。ドライバ１６に与える信号波形は三角波形であるが、三角波形の折返し点でのオーバーシュートやハンチングを制御するための補正を行った波形が与えられる。
【０００６】
図５は特許文献１に記載の他の焦点移動機構およびそれを用いた共焦点顕微鏡の構成図である。
図５の焦点移動機構では、前述の共焦点顕微鏡において顕微鏡５０部分の対物レンズ１４と共焦点スキャナ２０の間にリレーレンズ３１を配置し、移動機構１５、ドライバ１６、波形発生器１７によりリレーレンズ３１を上下させて光ビームを光軸方向に走査するようにしている。
【０００７】
ここで、従来の顕微鏡は、対物レンズで直接、像を作っていた。対物レンズから有限の距離に像ができるため、このような顕微鏡光学系は有限遠系といわれる。
しかし、有限遠系は、収差の発生などの問題があっため、無限遠系が使われるようになった。無限遠系は、物体から出た光を平行光に変換する対物レンズと、この平行光を結像させるチュ−ブレンズから構成される。特許文献１では有限遠系の光学系を例示して説明しているが、共焦点顕微鏡でも無限遠系の光学系が多用される（例えば特許文献２参照。）。
【０００８】
【特許文献１】特開平２００１−５１２００号公報
【特許文献２】特許第３２９４２４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来の対物レンズを移動させる焦点移動機構では、高速で焦点位置を移動させようとすれば振動が大きくなる。対物レンズと試料との間に空間があるドライ状態ならば問題は無いが、試料を油浸または水浸させた場合には、油や水を介して対物レンズの振動が試料に伝わり、試料やスライドガラスが動いてしまう。また、顕微鏡では異なる倍率の対物レンズが複数使われるのが一般的であり、各対物レンズに移動機構であるピエゾ素子を付加しなければならず高価になるとともに取り付け工数も増加する。
【００１０】
このような問題に対しては上述のリレーレンズを設けてこれを移動させる焦点移動機構でも対応が可能である。しかし、リレーレンズにより顕微鏡の内部で一旦結像させるため光源から試料まで２倍の距離が必要になり、顕微鏡の全長もそれに伴い伸びることとなるため実用性に欠ける。また、中間結像により収差が発生し、正確な画像情報が得られなくなる。さらに、リレーレンズには高精度なレンズが必要なため高価になるという問題があった。
【００１１】
本発明は、このような問題点を解決しようとするものであり、対物レンズと光源の間に正の屈折力と負の屈折力を有した光学素子を少なくとも１つずつ備え、これらの距離を変化させて焦点位置を移動させることにより、コンパクトであって振動による試料等への影響のない焦点の高速移動ができる焦点移動機構およびそれを用いた光学顕微鏡を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は次の通りの構成になった焦点移動機構およびそれを用いた光学顕微鏡である。
【００１３】
（１）  所定の光源からの入射光を対物レンズにより試料面に集束させる光学系の焦点位置を移動させる焦点移動機構において、
前記対物レンズと前記光源の間に正の屈折力を有する光学素子と、負の屈折力を有する光学素子を少なくとも１つずつ配置し、
これら光学素子の間の物理的距離を変化させる移動手段を設けたことを特徴とする焦点移動機構。
【００１４】
（２）  前記光学系は、無限遠系または有限遠系であることを特徴とする（１）に記載の焦点移動機構。
【００１５】
（３）  前記正の屈折力を有する光学系素子と前記負の屈折力を有する光学素子の配置は、入射光を入射時とほぼ同等の広がり角で出射するような配置であることを特徴とする（１）または（２）に記載の焦点移動機構。
【００１６】
（４）  所定の光源からの入射光を対物レンズにより試料面に照射する光学顕微鏡において、
前記光源と前記対物レンズの間に請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の焦点移動機構を設置したことを特徴とする光学顕微鏡。
（５）  前記光学顕微鏡は、共焦点顕微鏡、２光子顕微鏡、ＳＨＧ顕微鏡またはラマン顕微鏡であることを特徴とする（４）に記載の光学顕微鏡。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、以下のような効果がある。
請求項１乃至請求項５に記載の発明によれば、対物レンズと光源の間に正の屈折力と負の屈折力を有した光学素子を少なくとも１つずつ備え、これらの距離を変化させて焦点位置を移動させることにより、コンパクトであって振動による試料等への影響のない焦点の高速移動ができる焦点移動機構およびそれを用いた光学顕微鏡を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下図面を用いて本発明を詳細に説明する。図１は本発明に係る焦点移動機構および共焦点顕微鏡の一実施例を示す構成図である。なお、図１において図４と同等部分には同一符号を付し、その説明は省略する。
【００１９】
図１に示す構成は、共焦点スキャナ２０部分と、顕微鏡１０部分と、カメラ３０を組み合わせたものである。対物レンズ５０は、点光源からの発散光を平行光に変える無限遠系対物レンズである。チューブレンズ３は、この平行光を結像させる。凸レンズ１と凹レンズ２はこの間に配置される。凸レンズ１が正の屈折力を持つ光学素子の一例であり、凹レンズ２が負の屈折率を持つ光学素子の一例である。ここで、正の屈折力を持つ光学素子及び負の屈折力を持つ光学素子は、レンズ１つで構成しても良いし、レンズ群により構成しても良い。つまり、平行光を平行光に伝達するように入射とほぼ同等の広がり角で出射できればよい。
【００２０】
移動機構１５ａは、例えばピエゾ素子から構成されドライバ１６ａの出力信号により駆動され、凸レンズ１を上下方向に移動させる。ドライバ１６ａは、波形発生器１７ａの出力波形を適宜増幅して出力する。ドライバ１６ａに与える信号波形は三角波形であるが、三角波形の折返し点でのオーバーシュートやハンチングを制御するために補正した波形が与えられる。波形発生器１７ａは、波形データを生成する波形データ処理手段（例えばマイクロプロセッサ）、波形データを記憶するメモリ、波形データをアナログ信号に変換するデジタル・アナログ変換器を備えている。尚、これらの構成要素は、ここではいずれも図示しない。これらが移動手段に相当する。
【００２１】
このような構成において、凸レンズ１と凹レンズ２の焦点位置ｆ１，ｆ２を点Ａ０に一致させるように間隔Ｈ０を空けて配置すると、凹レンズ２への入射光が平行光の場合、ビーム径はある程度変化するが凸レンズ１の出射光も平行光となる。従って、試料上の焦点位置Ｅ０は、凸レンズ１および凹レンズ２を配置しない場合と同様の位置である。
【００２２】
図２は、本発明の焦点移動機構を説明する説明図である。
図２において、前出のチューブレンズ（図示せず）の出射光５１は凹レンズ２に入射する。図２（ａ）に示すように凹レンズ２に対して凸レンズ１の距離Ｈ０をＨ１に広げる（例えば凸レンズ１の位置をＣ０からＣ１へ移動する。）と、凸レンズ１の焦点位置は位置Ａ１へ移動するため、凸レンズ１の焦点位置が凹レンズ２の焦点距離の内側に入ることになる。これにより凸レンズ１の出射光は平行光ではなく集束光となり、この集束光が対物レンズ５０により集光されるため、試料における焦点位置もＥ０から位置Ｅ１に移動する。つまり、光軸方向に対して上側に焦点位置が移動することになる。
【００２３】
これとは逆に図２（ｂ）に示すように凸レンズ１の距離Ｈ０をＨ２に狭める（例えば凸レンズ１の位置をＣ０からＣ２へ移動する。）と、凸レンズ１の焦点位置は位置Ａ０から位置Ａ２へ移動するため、凸レンズ１の焦点位置が凹レンズ２の焦点距離の外側に出ることになる。これにより、凸レンズ１の出射光は平行光ではなく発散光となり、この発散光が対物レンズ５０により集光されるため焦点位置Ｅ２に移動する。つまり、光軸方向に対して下側に移動することになる。
【００２４】
図３は、本発明を有限遠系の光学系に適用した焦点移動機構を説明する説明図である。
図３において、対物レンズ６０は有限遠系のレンズである。試料を走査した画像はピンホールディスク２３の位置に結像する。
このような構成において、ピンホールディスク２３と対物レンズ６０の間に凹レンズ２と凸レンズ１から成る光学系を設け、凸レンズ１には、移動手段を付加する。移動手段の構成は、図１に示したものと同様であり、移動機構１５ｂ、ドライバ１６ｂ、波形発生器１７ｂにより、凸レンズ１を移動させる。これにより凸レンズ１の焦点位置が変わるため試料上の焦点位置も変わる。
ただし、このような構成にした場合は、この移動機構の厚み分だけ対物レンズ６０から結像点（ピンホールディスク２３の位置）までの距離が変化するので対物レンズの位置をずらすなどの長さの補正が必要となる。
【００２５】
以上により、対物レンズ自身ではなく、光路中のレンズのみを動かせば良いため、油浸や水浸の対物を用いても試料へ振動を与えない。
また、顕微鏡内の中間結像が不要のため収差が小さくなる。凸レンズと凹レンズの距離は数十ｍｍでよく、コンパクトに収まり顕微鏡の全長を大幅に変えることがないため実用的である。
さらに、スペース的に余裕があるため、大きなストロークや大きなアクチュエータ（移動機構）を利用できるので高速化が容易である。
加えて、本発明では焦点移動機構が光路中に１つあればよいため、各対物レンズにアクチュエータを取り付ける必要がなくなりコストや取り付け工数が大幅に改善される。
【００２６】
なお、本発明の焦点移動機構は、共焦点顕微鏡に用いられるばかりでなく、２光子顕微鏡、ＳＨＧ（Second Harmonic Generation）顕微鏡またはラマン顕微鏡等のレーザ顕微鏡や通常の光学顕微鏡の試料内焦点位置を移動させる場合に適用できる。
【００２７】
また、本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形をも含むものである。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明に係る焦点移動機構および共焦点顕微鏡の一実施例を示す構成図である。
【図２】本発明の焦点移動機構を説明する説明図である。
【図３】本発明を有限遠系の光学系に適用した焦点移動機構を説明する説明図である。
【図４】特許文献１に記載の焦点移動機構およびそれを用いた共焦点顕微鏡の構成図である。
【図５】特許文献１に記載の他の焦点移動機構およびそれを用いた共焦点顕微鏡の構成図である。
【符号の説明】
【００２９】
１  凸レンズ
２  凹レンズ
３  チューブレンズ
１１  試料
１５ａ、１５ｂ  移動機構
１６ａ、１６ｂ  ドライバ
１７ａ、１７ｂ  波形発生器
５０、６０  対物レンズ
【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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