(57)【要約】【課題】第１及び第２の偏向素子を近づけて配置することができ、全体を小型化した走査型顕微鏡を提供する。【解決手段】走査型顕微鏡１０は、光源２０と、対物レンズ３６と、走査ユニット３３と、を有する。この走査ユニット３３は、第１〜第３の偏向素子３３ａから３３ｃを有し、光源２０側から入射した照明光を第１の偏向素子３３ａ及び第２の偏向素子３３ｂで反射して、この照明光により試料面５０上を所定方向に走査するように第１及び第２の偏向素子３３ａ，３３ｂが配置されるとともに、第１及び第２の偏向素子３３ａ，３３ｂによる照明光の回転中心が、第１の偏向素子３３ａよりも光源２０側、若しくは、第２の偏向素子３３ｂよりも試料面５０側に位置するように、第１及び第２の偏向素子３３ａ，３３ｂが回転し、さらに、この回転中心に反射面が位置し、試料面５０上を所定の方向と略直交する方向に走査するように第３の偏向素子３３ｂが配置される。【選択図】図２
2012208327.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から射出された照明光を集光して試料面に照射する対物レンズと、
前記光源と前記対物レンズとの間に配置され、前記照明光により前記試料面を走査する走査ユニットと、を有し、
前記走査ユニットは、
それそれが、第１の方向を向く回転軸を中心に回転される反射面を有する第１の偏向素子及び第２の偏向素子と、前記第１の方向とは異なる第２の方向を向く回転軸を中心に回転される反射面を有する第３の偏向素子と、を有し、
前記光源側から入射した前記照明光を前記第１の偏向素子で反射し、さらに、前記第１の偏向素子で反射された前記照明光を前記第２の偏向素子で反射して、前記照明光を前記試料面上で前記第１の方向に略直交する方向に走査するように前記第１の偏向素子及び前記第２の偏向素子が配置されるとともに、前記第１の偏向素子及び前記第２の偏向素子による前記照明光の回転中心が、前記第１の偏向素子よりも前記光源側、若しくは、前記第２の偏向素子よりも前記試料面側に位置するように、前記第１の偏向素子及び前記第２の偏向素子が回転し、
前記回転中心に前記反射面が位置し、前記試料面上を前記第２の方向と略直交する方向に走査するように前記第３の偏向素子が配置されることを特徴とする走査型顕微鏡。
【請求項２】
前記第１の偏向素子及び前記第２の偏向素子は、前記反射面に対する前記照明光の入射角度が４５°より小さくなるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の走査型顕微鏡。
【請求項３】
前記第１の偏向素子及び前記第２の偏向素子は、前記第１の偏向素子の前記反射面に入射する前記照明光に対して、前記第２の偏向素子の前記反射面で反射されて射出する前記照明光が交差するように配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の走査型顕微鏡。
【請求項４】
前記第１の偏向素子及び前記第２の偏向素子は、前記第１の偏向素子の前記反射面に入射する前記照明光に対して、前記第２の偏向素子の前記反射面で反射されて射出する前記照明光が略直交するように配置されていることを特徴とする請求項３に記載の走査型顕微鏡。
【請求項５】
前記第１の偏向素子、前記第２の偏向素子、及び前記第３の偏向素子が互いに位置関係を変えずに、前記対物レンズの光軸方向に沿って移動することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の走査型顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査型顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、走査型の共焦点顕微鏡（以下、走査型顕微鏡と称する）は、レーザビームを対物レンズを介して観察試料に照射し、これにより観察試料からの反射光もしくは観察試料を照射したことにより試料から発生した蛍光を、再び対物レンズ及び光学系を介して点状に結像し、これを検出器で検出して点像を取得する。このとき、観察試料の２次元ＸＹ面全体を偏向素子であるガルバノミラーを用いてスキャンすることで、２次元画像を得ることができる。
【０００３】
図７は、このような走査型顕微鏡におけるレーザビームの具体的経路を示すものであり、Ａ方向から入射したレーザビームは、ビームスプリッター１３２を透過し、２つの偏向素子１３３ａ，１３３ｂを経て２次元に走査される。その後瞳投影レンズ１３４に入射し、この瞳投影レンズ１３４を通過して不図示の対物レンズの像面にスポットを結ぶ。この時、２つの偏向素子１３３ａ，１３３ｂの回転（振り角）により、対物レンズの像面上を２次元スキャンすることで、この像面上にある試料面からの反射光または蛍光が上述したものと同じ経路をたどってビームスプリッター１３２まで戻され、このビームスプリッター１３２で反射した後、さらに検出光学系を通り、不図示のフォトマルチプライア等からなる光検出器に入射され、ここで電気信号に変換され、図示しないモニターの各画素に、上述の２つの偏向素子１３３ａ，１３３ｂのＸＹ方向の走査位置に対応させて２次元画像を表示する。
【０００４】
ところで、このような走査型顕微鏡において、レーザビームの２次元スキャンによりムラのない２次元画像を得るためには、２つの偏向素子の回転角（振り角）にかかわらず、常に対物レンズの射出瞳の中心と対物レンズを通過するレーザビームの回転中心を一致させることが必要であり、このためには偏向素子の回転中心と対物レンズの瞳位置を共役関係とすればよいことになる。ところが、レーザビームを２次元スキャンするのに、２つの偏向素子を使用しているため、常に、これら２つの偏向素子の両方を対物レンズの瞳位置と共役関係になるように設定することはできない。そこで特許文献１では、光束を一方向に沿って偏向する第１の偏向素子と、この第１の偏向素子が偏向した光束を前記方向に沿ってさらに偏向する第２の偏向素子と、第１及び第２の偏向素子の向きを同期させて回転させる駆動部とを備え、第２の偏向素子で偏向された光束の回転に伴う偏向の中心位置が、第１及び第２の偏向素子の間に有り、対物レンズの瞳位置と共役な位置に一致するように第１及び第２の偏向素子が配置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−０９１８４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上述の走査型顕微鏡では、偏向の中心位置（回転中心）が第１及び第２の偏向素子の間にあるため、上記一方向とは垂直をなす方向に沿って偏向する第３の偏向素子を第１及び第２の偏向素子の間に配置する必要がある。そのために、第１及び第２の偏向素子の間隔が広がってしまい、この走査型顕微鏡全体が大型化してしまうという課題があった。
【０００７】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、第１及び第２の偏向素子を近づけて配置することができ、全体を小型化した走査型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】
【０００８】
前記課題を解決するために、本発明に係る走査型顕微鏡は、光源から射出された照明光を集光して試料面に照射する対物レンズと、光源と対物レンズとの間に配置され、照明光により試料面を走査する走査ユニットと、を有し、走査ユニットは、それぞれが、第１の方向を向く回転軸を中心に回転される反射面を有する第１の偏向素子及び第２の偏向素子と、第１の方向とは異なる第２の方向を向く回転軸を中心に回転される反射面を有する第３の偏向素子と、を有し、光源側から入射した照明光を第１の偏向素子で反射し、さらに、この第１の偏向素子で反射された照明光を第２の偏向素子で反射して、この照明光を試料面上で第１の方向に略直交する方向に走査するように第１の偏向素子及び第２の偏向素子が配置されるとともに、第１の偏向素子及び第２の偏向素子による照明光の回転中心が、第１の偏向素子よりも光源側、若しくは、第２の偏向素子よりも試料面側に位置するように、第１の偏向素子及び第２の偏向素子が回転し、さらに、この回転中心に反射面が位置し、試料面上を第２の方向と略直交する方向に走査するように第３の偏向素子が配置されることを特徴とする。
【０００９】
このような走査型顕微鏡において、第１の偏向素子及び第２の偏向素子は、反射面に対する照明光の入射角度が４５°より小さくなるように配置されていることが好ましい。
【００１０】
また、このような走査型顕微鏡において、第１の偏向素子及び第２の偏向素子は、第１の偏向素子の反射面に入射する照明光に対して、第２の偏向素子の反射面で反射されて射出する照明光が略直交し、且つ、交差するように配置されていることが好ましい。
【００１１】
このとき、第１の偏向素子及び第２の偏向素子は、第１の偏向素子の反射面に入射する照明光に対して、第２の偏向素子の反射面で反射されて射出する照明光が略直交するように配置されていることが好ましい。
【００１２】
また、このような走査型顕微鏡は、第１の偏向素子、第２の偏向素子、及び第３の偏向素子が互いに位置関係を変えずに、対物レンズの光軸方向に沿って移動することが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る走査型顕微鏡を以上のように構成すると、第１及び第２の偏向素子を近づけて配置することにより、この走査型顕微鏡全体を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施形態に係る走査型顕微鏡の構成を示す説明図である。
【図２】第１の実施形態に係る走査ユニットの構成を示す説明図である。
【図３】第１及び第２の偏向素子による回転中心を試料面側に配置して試料面上を走査するときの光線を示す説明図であって、（ａ）は走査時の光線の軌跡を示し、（ｂ）は（ａ）における上方の光線を示し、（ｃ）は（ａ）における光軸上の光線を示し、（ｄ）は（ａ）おける下方の光線を示す。
【図４】第１及び第２の偏向素子による回転中心を光源側に配置して試料面上を走査するときの光線を示す説明図であって、（ａ）は走査時の光線の軌跡を示し、（ｂ）は（ａ）における上方の光線を示し、（ｃ）は（ａ）における光軸上の光線を示し、（ｄ）は（ａ）おける下方の光線を示す。
【図５】本実施形態に係る走査ユニットの構成を比較する説明図であって、（ａ）は第１の実施形態に係る走査ユニットを示し、（ｂ）は第２の実施形態に係る走査ユニットの構成を示す。
【図６】走査ユニットにおける偏向素子の配置を説明するための説明図であって、（ａ）は従来の走査型顕微鏡を示し、（ｂ）は第２の実施形態に係る走査型顕微鏡を示す。
【図７】従来の走査型顕微鏡における偏向素子の配置を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。まず、図１を用いて本実施形態に係る走査型顕微鏡の構成を説明する。この走査型顕微鏡１０は、光源２０から放射されたレーザビーム（照明光）を観察試料の試料面５０に照射して走査する走査光学系３０と、試料面５０からの反射光または蛍光を検出する検出光学系４０と、を有して構成される。
【００１６】
走査光学系３０は、光源２０側から順に、ビームエキスパンダ３１、ビームスプリッター３２、走査ユニット３３、瞳投影レンズ３４、結像レンズ３５、及び、対物レンズ３６から構成される。また、検出光学系４０は、走査光学系３０の側方に配置され、ビームスプリッター３２側から順に、結像レンズ４１、遮光板４２、及び、光検出器４３から構成される。また、この走査型顕微鏡１０には、走査ユニット３３で走査する位置（試料面５０上の座標）及び光検出器４３で検出された値を処理する処理部７０が設けられている。
【００１７】
この走査型顕微鏡１０において、光源２０から放射されたレーザビームは、ビームエキスパンダ３１で必要なビーム径の略平行光束となり、ビームスプリッター３２を透過し、走査ユニット３３に入射する。この走査ユニット３３は、後述するように光軸に直交する方向にレーザビームを２次元的に走査するものであり、例えば、図２に示すようにレーザビームを反射することによりこのレーザビームを偏向させる第１の偏向素子３３ａ、第２の偏向素子３３ｂ及び第３の偏向素子３３ｃからなる３つの偏向素子で構成されている。また、これらの第１〜第３の偏向素子３３ａ〜３３ｃは、駆動部６０のモータで回転（揺動）されるように構成されている。そして、この走査ユニット３３を出射したレーザビーム（略平行光束）は瞳投影レンズ３４により一次像面Ｉに結像された後、結像レンズ３５を通過することにより再び略平行光束となり、対物レンズ３６によって試料面（対物レンズ３６の焦点面）５０上に結像される。
【００１８】
試料面５０上に結像されたレーザビームの像は点像となっており、その点像の径は対物レンズ３６の開口数（ＮＡ）で決まる大きさである。試料面５０上の点像（照射領域）からの反射光は、再び対物レンズ３６で集光されて略平行光束となり、結像レンズ３５により一次像面Ｉに結像された後、さらに瞳投影レンズ３４で略平行光束にされて走査ユニット３３に入射する。そして、この走査ユニット３３を出射した反射光（略平行光束）はビームスプリッター３２で反射されて検出光学系４０内に入り、結像レンズ４１により遮光板４２の開口部４２ａ上に集光される。この遮光板４２の開口部４２ａを通過した光のみが光検出器４３に到達し検出される。
【００１９】
上述のように、遮光板４２の開口部４２ａは試料面５０上に結像されたレーザビームの点像と共役であり、試料面５０上の照射領域から出た光（反射光または蛍光）はこの開口部４２ａを通過することができる。一方、試料面５０上の他の領域から出た光のほとんどはこの開口部４２ａ上には結像されず、通過することができない。以上より、処理部７０が走査ユニット３３の走査に同期させて光検出器４３で検出された光信号を処理することにより、試料面５０の二次元的な画像を得ることができる。これによりこの走査型顕微鏡１０は、高い分解能で試料面５０の像を得ることができる。
【００２０】
ところで、上述したように、このような走査型顕微鏡１０において、レーザビームの２次元スキャンによりムラのない２次元画像を得るためには、走査ユニット３３を構成する第１〜第３の偏向素子３３ａ〜３３ｃによるレーザビームの回転中心（振り角の中心）と対物レンズ３６の射出瞳Ｐの位置を共役関係とすることが必要である。瞳投影レンズ３４は、対物レンズ３６の射出瞳Ｐの像を走査ユニット３３の回転中心に形成するように構成されている。以下に、この走査ユニット３３の構成について説明する。
【００２１】
［第１の実施形態］
上述の図２は、第１の実施形態に係る走査ユニット３３の構成を示しており、この図２に示すように、光軸に略直交する試料面５０において所定の方向（図２においては上下方向）をｘ軸方向とし、このｘ軸方向に直交する方向（図２においては左右方向）をｙ軸方向とすると、レーザビームの点像をこの試料面５０においてｘ軸方向に走査させる２枚の偏向素子（第１及び第２の偏向素子３３ａ，３３ｂ）と、ｙ軸方向に走査させる１枚の偏向素子（第３の偏向素子３３ｃ）とから構成される。なお、図２の構成において、第１及び第２の偏向素子３３ａ，３３ｂは、ｙ軸方向に延びる走査回転軸を有し、第３の偏向素子３３ｃは、ｘ軸方向に延びる走査回転軸を有しており、これらの回転軸が、上述の駆動部６０のモータで回転されることにより、第１及び第２の偏向素子３３ａ，３３ｂの反射面がｘ軸方向に回転（揺動）し、第３の偏向素子３３ｃの反射面がｙ軸方向に回転（揺動）する。また、図３（ｃ）に示すように、この走査ユニット３３を射出して、試料面５０のｘ軸方向における光軸上の領域にレーザビームを照射するときは、第１及び第２の偏向素子３３ａ，３３ｂの反射面は略平行で光軸に対して４５°傾いて配置されている（レーザビームの入射角が４５°となる）。
【００２２】
図３は、第１及び第２の偏向素子３３ａ，３３ｂにより、光軸上を入射したレーザ光を、試料面５０においてｘ軸方向に走査する場合を示している。第１及び第２の偏向素子３３ａ，３３ｂはその走査回転軸がｙ軸方向に互いに略平行に延びており、それぞれの回転角度（揺動角度）を調整することにより、第２の偏向素子３３ｂよりも試料面５０側の点Ｐ′を回転中心としてこのレーザビームを走査させることができる。そのため、この点Ｐ′に、レーザ光をｙ軸方向に走査する第３の偏向素子３３ｃの回転中心を配置し、また、瞳投影レンズ３４により形成される対物レンズ３６の射出瞳の像を位置させることにより、ｘ軸方向の回転中心、ｙ軸方向の回転中心及び対物レンズ３６の射出瞳の像を略一致させることができるので、レーザビームの２次元スキャンによりムラのない２次元画像を得ることができる。
【００２３】
なお、図４に示すように、第１及び第２の偏向素子３３ａ，３３ｂによる回転中心Ｐ′が、第１の偏向素子３３ａよりも光源２０側に位置するようにこれらの回転角度（揺動角度）を制御し、この回転中心Ｐ′に第３の偏向素子３３ｃの回転中心を配置するとともに、瞳投影レンズ３４により形成される対物レンズ３６の射出瞳の像を位置させるように構成することも可能である。さらに、第１及び第２の偏向素子３３ａ，３３ｂにより、試料面５０においてレーザ光をｙ軸方向に走査させ、第３の偏向素子３３ｃによりｘ軸方向に走査させるように構成することも可能である。
【００２４】
以上のように、第２の偏向素子３３ｂの試料面５０側、若しくは、第１の偏向素子３３ａの光源２０側に第３の偏向素子３３ｃを配置することにより、第１及び第２の偏向素子３３ａ，３３ｂを近づけて配置することができるため、走査光学系３０を小型化し、結果として走査型顕微鏡１０全体を小型化することができる。
【００２５】
［第２の実施形態］
第１の実施形態に係る走査ユニット３３に示すように、この走査ユニット３３から光軸上にレーザビームが射出されるときの、第１及び第２の偏向素子３３ａ，３３ｂの反射面に入射するレーザビームの入射角度をそれぞれ４５°に設定すると、図５（ａ）に示すように、第１の偏向素子３３ａの回転（揺動）により第２の偏向素子３３ｂに入射する光束がｘ軸方向に移動するため、この第２の偏向素子３３ｂの反射面が大きくなってしまう。そこで、図５（ｂ）に示すように、第１の偏向素子３３ａに入射する光束と第２の偏向素子３３ｂから射出する光束とを交差させることで、第２の偏向素子３３ｂの反射面を小型化することができる。これは、第１及び第２の偏向素子３３ａ，３３ｂに対するレーザビームの入射角（この走査ユニット３３から光軸上に射出されるときの入射角）を４５°より小さくすることができるため、これにより、第１の偏向素子３３ａの回転により第２の偏向素子３３ｂに入射する光束のｘ軸方向の移動量が小さくなるからである。また、このように配置すると、図５（ａ）の場合に比べて第１の偏向素子３３ａも小型化することができる。
【００２６】
さらに、図５（ａ）に示すように走査光学系３０が像面の中心（光軸上）を走査する状態において、第１の偏向素子３３ａに入射する光束と第２の偏向素子３３ｂから出射する光束が略平行光束である場合は、第１の偏向素子３３ａと第２の偏向素子３３ｂも平行である。この状態で第１の偏向素子３３ａと第２の偏向素子３３ｂとを一定以上近づけると第２の偏向素子３３ｂが入射光束を妨げてしまう。一方、図５（ｂ）のように第１の偏向素子３３ａに入射する光束と第２の偏向素子３３ｂから出射する光束を交差させる構成では光束を折り畳むことができるために、走査光学系３０をより小型化することができる。
【００２７】
以下の表１に、入射ビーム径φが５．５ｍｍ、走査最大角θが６．８９°、第１及び第２の偏向素子３３ａ，３３ｂの反射面の光軸上の面間隔Ｌ１が１０．０ｍｍ、及び、第２の偏向素子３３ｂの反射面から対物レンズ３６の入射瞳と共役な面Ｐ′までの光軸上の距離Ｌ２が１５．０ｍｍのときの、図５（ａ）に示す入出射光束が平行な場合と、図５（ｂ）に示す入出射光束が交差する場合における第１及び第２の偏向素子３３ａ，３３ｂの反射面の有効径φ１，φ２を示す。
【００２８】
【表１】
2012208327.tif 000003
【００２９】
また、図６（ｂ）に示すように、第１の偏向素子３３ａに入射する光束と第２の偏向素子３３ｂから射出する光束の交差角が９０°である場合は、図６（ａ）に示す通常の２次元走査光学系の入射光束方向及び、射出光束方向が変わらないために光学系の他要素を一切変更せずに、第２の実施形態に係る走査光学系３０を導入することができる。
【００３０】
第１及び第２の実施形態の目的は、対物レンズ３６を含む観察光学系（結像レンズ３５よりも試料面５０側の光学系をいう）の瞳共役位置に光束の回転中心を合わせることである。観察光学系の瞳位置は対物レンズ３６の種類によって、又は観察光学系に変倍光学系が含まれる（対物レンズ３６と結像レンズ３５との間に配置）ときは、変倍光学系の倍率によって瞳位置は移動する。その移動の際に第１〜第３の偏向素子３３ａ〜３３ｃを相対的な位置関係を変えずに、観察光学系（対物レンズ３６）の光軸方向に全体を移動させることで、常に観察光学系の瞳共役位置と光束の回転中心とを合わせることができる。
【符号の説明】
【００３１】
１０  走査型顕微鏡    ２０  光源    ３３  走査ユニット
３３ａ  第１の偏向素子    ３３ｂ  第２の偏向素子    ３３ｃ  第３の偏向素子
３６  対物レンズ
【図１】
2012208327.tif 000004
【図２】
2012208327.tif 000005
【図３】
2012208327.tif 000006
【図４】
2012208327.tif 000007
【図５】
2012208327.tif 000008
【図６】
2012208327.tif 000009
【図７】
2012208327.tif 000010