(57)【要約】【課題】顕微鏡に設けられたピエゾ素子を高速駆動する場合に、ピエゾ素子の駆動振幅の減少を低減させる。【解決手段】直動機構としてのピエゾ素子を所定周期で往復駆動させる場合、曲線Ｃ１２に示すように駆動信号を余弦波とすると、ピエゾ素子の応答遅れによりピエゾ素子の駆動振幅の最大値が減少する。そこで、駆動信号全体の周期は固定したまま、駆動信号としての余弦波成分の周期を短くし、その分だけ余弦波の変化率が０となる部分に、値が一定である休止区間を挿入して、曲線Ｃ１３に示す駆動信号を得る。この駆動信号によりピエゾ素子を駆動すれば、高速駆動により減少するピエゾ素子の駆動振幅の最大値の減少率を低減させることができる。本発明は、走査型顕微鏡に適用することができる。【選択図】図１
2012118195.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
観察対象の試料が載置されるステージと対物レンズとの距離を、前記対物レンズの光軸方向に変化させる直動機構と、
前記直動機構を一定の振幅で、かつ前記直動機構を駆動させる駆動信号に対する前記直動機構の駆動の遅延時間よりも短い周期で往復駆動させる前記駆動信号としての余弦波の第１の周期から、所定時間を減算して第２の周期の余弦波を算出する演算手段と、
前記第２の周期の余弦波の一部に、値が一定となる休止区間を挿入することにより周期が前記第１の周期となる最終的な駆動信号を生成する駆動信号生成手段と、
前記最終的な駆動信号を前記直動機構に供給して、前記直動機構を前記往復駆動させる駆動制御手段と
を備えることを特徴とする顕微鏡。
【請求項２】
前記駆動信号生成手段は、前記第２の周期の余弦波の１周期分の波形のうち、前記余弦波の変化率が零となる１つの部分を挿入部分として、前記所定時間の長さであり、前記余弦波の前記挿入部分の値と同じ値の前記休止区間を前記挿入部分に挿入することで、前記最終的な駆動信号を生成する
ことを特徴とする請求項１に記載の顕微鏡。
【請求項３】
前記所定時間は、前記直動機構の駆動の遅延時間よりも短い
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の顕微鏡。
【請求項４】
前記演算手段は、前記駆動信号を余弦波とした場合に、前記駆動信号の周期を前記第１の周期から所定の周期に変化させたときの前記往復駆動の振幅の最大値の増加率を示す第１の関数と、前記駆動信号に挿入する休止区間の長さを変化させたときに、休止区間により増加する前記往復駆動の振幅の最大値の増加率を示す第２の関数との和を求めて得られる関数の最大値を算出することで、前記所定時間を算出する
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、顕微鏡に設けられたピエゾ素子を高速で駆動する場合において、ピエゾ素子の駆動振幅の減少を低減させることができるようにした顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ピエゾ素子を用いた駆動機構を周期的に駆動させる場合に、鋸歯状波、正弦波（余弦波の位相をπ／２ずらしたもの）、階段波、三角波などの駆動信号によりピエゾ素子を駆動させることが一般に知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１に記載の発明では、三角波状の駆動信号によりピエゾ素子が駆動されており、変位拡大機構の出力動作点における振動を抑制するために、駆動信号の変化点において所定期間だけ駆動信号の変向の保留が行なわれている。
【０００４】
また、駆動信号の生成方法として、アナログ回路とデジタル回路を組み合わせることで、複雑な波形の駆動信号を生成する方法も提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
ピエゾ素子の駆動信号として、どのような波形の信号が用いられるかは、駆動機構の構造に応じて使い分けられるが、高速でピエゾ素子を往復駆動させる場合には、駆動信号として正弦波（余弦波）が用いられることが多い。これは、ピエゾ素子には固有の共振周波数があり、複数の周波数成分を含む波形の駆動信号では、共振を誘発する可能性が高いからである。
【０００６】
なお、上述した鋸歯状波や三角波等の信号では、それらの信号のうち、正弦波（余弦波）のみが単一周波数の信号から構成されている。この正弦波（余弦波）を駆動信号とすれば、共振の誘発を回避することが容易であるが、他の信号の波形には、ステップ状の部分や、急峻に駆動電圧が変化する部分があり、これらの部分には複数の周波数成分が含まれるため、共振が起こるおそれがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平９−９９５６７号公報
【０００８】
【特許文献２】特開２００８−２２１５８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
このようにピエゾ素子を用いた駆動機構を高速駆動しようとすると、正弦波（余弦波）状の駆動信号での駆動が必要となる。ところが、正弦波（余弦波）でピエゾ素子を駆動させると、駆動信号の最大振幅が同一である場合、駆動信号の周期が短くなるほど、ピエゾ素子の駆動振幅の最大値（最大駆動振幅）が減少する。
【００１０】
これは、ピエゾ素子において、駆動信号に対する応答遅れが生じ、駆動信号の周期がピエゾ素子の応答時間よりも短い場合には、ピエゾ素子（駆動機構）の振幅が、駆動信号の振幅の最大値に対応する大きさとなる前に、駆動信号の振幅（駆動電圧）が減少に転じるためである。そうすると、ピエゾ素子の駆動振幅が増加していき、その駆動振幅が本来とるべき最大値に到達する途中で制動がかかってしまい、ピエゾ素子の駆動振幅が減少し始めてしまう。
【００１１】
そのため、結果としてピエゾ素子の最大駆動振幅が減少してしまうことになり、ピエゾ素子を正弦波（余弦波）状の駆動信号で高速駆動させる場合には、駆動機構の設計を、ピエゾ素子の最大駆動振幅の減少がある程度許容されたものとする必要があった。
【００１２】
以上のようにピエゾ素子の物理的特性上、駆動信号の周期が短くなるほどピエゾ素子の最大駆動振幅は減少してしまうが、駆動信号の周期（ピエゾ素子の駆動周期）を変化させることなく、最大駆動振幅の減少率を低減させることは、実用上有用である。
【００１３】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、直動機構を高速で駆動する場合において、駆動信号の周期を変化させることなく、直動機構の駆動振幅の減少を低減させることができるようにするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の顕微鏡は、観察対象の試料が載置されるステージと対物レンズとの距離を、前記対物レンズの光軸方向に変化させる直動機構と、前記直動機構を一定の振幅で、かつ前記直動機構を駆動させる駆動信号に対する前記直動機構の駆動の遅延時間よりも短い周期で往復駆動させる前記駆動信号としての余弦波の第１の周期から、所定時間を減算して第２の周期の余弦波を算出する演算手段と、前記第２の周期の余弦波の一部に、値が一定となる休止区間を挿入することにより周期が前記第１の周期となる最終的な駆動信号を生成する駆動信号生成手段と、前記最終的な駆動信号を前記直動機構に供給して、前記直動機構を前記往復駆動させる駆動制御手段とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、直動機構を高速で駆動する場合において、駆動信号の周期を変化させることなく、直動機構の駆動振幅の減少を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の概要について説明する図である。
【図２】ステップ状駆動信号に対する応答の遅延について説明する図である。
【図３】単一余弦波駆動信号に対する応答の遅延について説明する図である。
【図４】最大駆動振幅の増加率について説明する図である。
【図５】休止区間の挿入による最大駆動振幅の増加について説明する図である。
【図６】本発明を適用した走査型顕微鏡の一実施の形態の構成例を示す図である。
【図７】駆動テーブルの一例を示す図である。
【図８】駆動テーブル生成処理を説明するフローチャートである。
【図９】観察処理を説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して、本発明を適用した実施の形態について説明する。
【００１８】
［本発明の概要］
まず、本発明を適用した顕微鏡に設けられた直動機構の駆動方法について説明する。なお、以下では、対象物を一定の振幅で周期的に往復駆動させる直動機構として、ピエゾ素子を例に説明する。
【００１９】
例えば、ピエゾ素子は、駆動速度の限界付近の速度で高速に駆動される場合には、図１の曲線Ｃ１１に示すように、余弦波形状の駆動信号により駆動される。なお、図１において、横軸は時間を示しており、縦軸は駆動信号またはピエゾ素子の振幅（駆動振幅）を示している。
【００２０】
また、駆動信号の周期が充分に長い場合には、ピエゾ素子の位置、すなわちピエゾ素子の駆動振幅は曲線Ｐ１１に示すように、駆動信号の振幅（駆動電圧）に追従して変化する。図１の例において、曲線Ｃ１１に示す駆動信号に対して、曲線Ｐ１１に示す駆動振幅の位相がずれているのは、ピエゾ素子において、駆動信号に対する応答の遅延が生じるからである。ここで、ピエゾ素子の駆動振幅、すなわちピエゾ素子が移動させる対象物の位置（距離）は、駆動信号の振幅（駆動電圧）に比例するものとする。
【００２１】
さらに、ピエゾ素子の駆動振幅が周期的に変化するように連続して駆動させる場合、駆動信号の周期を短くすると、駆動時におけるピエゾ素子の駆動振幅の最大値は、駆動信号の振幅の最大値に対応する大きさよりも小さくなっていく。
【００２２】
なお、以下、駆動信号の振幅の最大値に対応するピエゾ素子の駆動振幅を最大可動振幅とも称し、駆動時におけるピエゾ素子の駆動振幅の最大値を最大駆動振幅とも称することとする。つまり、最大可動振幅は、ピエゾ素子が本来到達すべき駆動振幅の最大値であり、最大駆動振幅は、駆動時におけるピエゾ素子の実際の振幅の最大値である。
【００２３】
例えば、駆動信号を曲線Ｃ１２に示される波形の余弦波とすると、曲線Ｐ１２に示すようにピエゾ素子の最大駆動振幅は減少する。図１の例では、曲線Ｃ１２に示される駆動信号の周期は、曲線Ｃ１１に示される駆動信号の周期よりも短くなっており、これにより曲線Ｐ１２に示されるピエゾ素子の最大駆動振幅は、曲線Ｐ１１に示されるピエゾ素子の最大駆動振幅よりも小さくなっている。
【００２４】
そこで、本発明では曲線Ｃ１３に示すように、余弦波の変化率が０となる部分に、値が一定となる休止区間を挿入して得られる波形の駆動信号を生成し、この駆動信号によりピエゾ素子を駆動することで、ピエゾ素子の最大駆動振幅の減少を低減させる。
【００２５】
図１の例では、曲線Ｃ１３に示される波形は、余弦波の波形における位相が２ｎπ（但し、ｎ＝０，１，２，・・・）の部分に一定期間の休止区間が設けられている。休止区間では、駆動信号の振幅、つまり駆動信号の駆動電圧は、余弦波における休止区間が挿入される部分の駆動電圧の値（曲線Ｃ１３の例では１）と同じ値とされている。すなわち、この駆動信号の波形は基本的には余弦波の波形であるが、余弦波の振幅が最大となる位置で、その振幅（駆動電圧）が一定期間クランプされている。
【００２６】
このとき、駆動信号の全体の周期は、休止区間挿入前の駆動信号の周期と同じとされ、休止区間の分だけ余弦波成分の周期が短くなるようにされている。例えば、曲線Ｃ１２に示される駆動信号の周期はＺｔであり、この駆動信号に休止区間を挿入して得られた、曲線Ｃ１３に示す駆動信号の周期もＺｔである。
【００２７】
なお、曲線Ｐ１２に示されるピエゾ素子の最大駆動振幅の減衰は、曲線Ｃ１２に示される駆動信号の波形の周期がピエゾ素子の駆動信号に対する遅延時間よりも短い場合に生じるため、挿入される休止区間は、当然の結果として、ピエゾ素子の遅延時間より短い時間でなければ意味を持たない。
【００２８】
このように、全体の周期の長さを維持したまま、駆動信号の１周期の間に１箇所の休止区間を設けることで、曲線Ｐ１３に示すように、ピエゾ素子の最大駆動振幅の減少率を低減させることができる。図１の例では、曲線Ｐ１２で示される、休止区間の挿入前のピエゾ素子の最大駆動振幅よりも、曲線Ｐ１３で示される、休止区間挿入後のピエゾ素子の最大駆動振幅が大きくなっている。
【００２９】
なお、駆動信号における休止区間が挿入される位置は、余弦波における位相が２ｎπの位置に限らず、他の位置とされてもよい。例えば、休止区間の挿入位置は、余弦波の位相が（２ｎ−１）πの位置（但し、ｎ＝１，２，・・・）とされてもよいし、それらの両方の位置とされてもよい。
【００３０】
但し、休止区間の挿入位置は、余弦波の頂点、つまり位相がｎπの位置（但し、ｎ＝０，１，２，・・・）であることが望ましい。これは、余弦波の頂点部分では、余弦波の波形の変化率が０となるため、直流成分である休止区間を挿入しても駆動信号の周波数成分は変化しないからである。この場合、余弦波の周波数がピエゾ素子の共振限界を超えない範囲である限り、共振が生じてしまうことがない。
【００３１】
［休止区間の長さについて］
次に、駆動信号に挿入される休止区間の長さについて説明する。なお、以下、駆動信号に挿入される休止区間の長さを待機時間とも呼ぶこととする。
【００３２】
一般的に、ピエゾ素子に限らず、駆動信号により駆動部を駆動させて質量を移動させる場合、駆動部において応答の遅れが生じる。これは、駆動信号により発生するトルクに対し、駆動系の慣性質量、可動部の静止摩擦係数や動摩擦係数等が作用するためである。
【００３３】
ここで、駆動信号としてステップ状の矩形波を駆動部に与えた場合、駆動部の応答遅れは、図２に示すようになる。なお、図２において曲線Ｃ２１は駆動信号の波形を示しており、曲線Ｐ２１は駆動部の駆動振幅を示している。また、図中、横方向は時間を示しており、縦方向は駆動信号または駆動振幅の大きさを示している。
【００３４】
図２の例では、駆動振幅は、駆動信号の変化に対して所定時間だけ遅延して変化している。この遅延が駆動部内における応答遅れや、駆動系の慣性質量等により生じる遅れからなる、駆動系全体の駆動信号の変化に対する遅延である。
【００３５】
したがって、駆動信号の周期を充分長くすれば、駆動系の駆動振幅も駆動信号の変化に追従し、最大駆動振幅が減少してしまうこともない。
【００３６】
これに対し、駆動振幅が駆動信号の最大振幅に対応する大きさとなる前に、駆動信号の振幅が減少するように駆動信号の周期を短くすると、駆動振幅は、駆動信号の最大振幅に対応する大きさに達する前に減少し始めるため、最大駆動振幅が減少してしまう。
【００３７】
例えば、図３に示すように、単一余弦波を駆動信号として駆動部に与えた場合を考える。なお、図３において、曲線Ｃ３１は駆動信号の波形を示しており、曲線Ｐ３１は駆動部の駆動振幅を示している。また、図中、横方向は時間を示しており、縦方向は駆動信号または駆動振幅の大きさを示している。
【００３８】
図３では、曲線Ｃ３１に示される駆動信号の波形は、駆動部を静止させている状態から最大可動振幅だけ駆動させた後、駆動前の状態に戻すような波形となっている。これに対して、曲線Ｐ３１に示される駆動振幅の波形は、駆動信号に追従して変化しているが、駆動部の駆動振幅が最大可動振幅に到達する前に、既に駆動信号の振幅は最大振幅よりも小さくなっているので、駆動部の最大駆動振幅は、最大可動振幅よりも小さくなっている。
【００３９】
また、駆動信号が最大振幅となる時刻から、駆動振幅が最大となる時刻までの遅延時間Ｄ’は、駆動部内において生じる応答遅れや、静止摩擦係数等の作用により生じる遅延などからなる遅延時間である。駆動部は静止した状態から駆動されるので、この遅延時間Ｄ’には、慣性による遅延は含まれていない。
【００４０】
一方、駆動信号の振幅が最小値となった時刻から、駆動振幅が最小となる時刻までの遅延時間Ｄは、駆動部内において生じる応答遅れと、動摩擦係数や慣性等の作用により生じる遅延などからなる遅延時間である。したがって、駆動信号を単一余弦波とし、連続して駆動部を往復駆動させると、駆動信号に対して遅延時間Ｄだけ遅延が生じることになる。
【００４１】
例えば、時刻の変数をｔとして、駆動信号ＹがＹ＝ｃｏｓ（ｔ）で表される余弦波であるとする。ここで、駆動部の最大駆動振幅の減少が生じ、かつ安定状態では駆動振幅が駆動信号の変化に追従すると仮定すると、駆動振幅Ｒは、Ｒ＝ａ・ｃｏｓ（ｔ＋δ）と近似することができる。なお、安定状態とは、駆動信号を周期的に変化させたときに、駆動振幅も周期的に変化する状態をいう。
【００４２】
いま、駆動部を連続駆動ではなく１周期分だけ駆動させるとすると、駆動信号の１周期終了までの駆動振幅の波形は、Ｒ＝ａ・ｃｏｓ（ｔ＋δ）で表される。この波形は、図３における曲線Ｐ３１で示される駆動振幅の波形の頂点より左側の部分に相当する。
【００４３】
これに対し、駆動信号の１周期終了後は、時間の経過とともに駆動振幅が、駆動信号の１周期終了時の駆動電圧に対応する大きさに収束していくため、駆動信号の１周期終了後の駆動振幅の波形は、Ｒ’＝ａ・ｃｏｓ（ｔ＋２π）＋ｂで表される。この波形は、図３における曲線Ｐ３１で示される駆動振幅の波形の頂点より右側の部分に相当する。
【００４４】
ところで、単一余弦波を駆動信号として駆動系に与えた場合、上述したように駆動系の応答遅れのため、駆動信号の周期が短くなるにしたがって、駆動系の最大駆動振幅が減少する傾向がある。具体的には、駆動信号の周期が短くなるにしたがって、略線形に最大駆動振幅が小さくなることが知られている。
【００４５】
例えば、上述したように、駆動信号全体の周期Ｚｔを変化させずに、駆動信号としての余弦波に休止区間を挿入する場合、待機時間をｔとすると、駆動信号の余弦波成分の周期は、Ｚｔ−ｔとなる。駆動信号の余弦波成分の周期は、待機時間ｔを長くするほど短くなり、これにより最大駆動振幅も減少することになる。
【００４６】
待機時間をｔとしたときに、駆動信号の余弦波成分の周期の変化により増加（減少）する最大駆動振幅の増加率は、減少関数ｆ（ｔ）で表すことができる。例えば、減少関数ｆ（ｔ）は、駆動信号の周期Ｚｔにより定まる係数をｋ（但し１＞ｋ）としてｆ（ｔ）＝−ｋｔ＋１などとすることができる。この減少関数ｆ（ｔ）は、待機時間ｔが長くなるほど小さくなる関数であり、０＜ｆ（ｔ）≦１である。
【００４７】
なお、ここでいう最大駆動振幅の増加率とは、駆動信号の余弦波成分の周期がＺｔである場合、つまり待機時間ｔ＝０である場合の最大駆動振幅を基準として、待機時間ｔを変化させたときの最大駆動振幅の増加の割合である。
【００４８】
一方で、駆動信号の１周期の区間について考えると、図３に示したように駆動信号としての余弦波の振幅が最大となった後、充分な時間が経過すると、駆動振幅は余弦波の１周期終了時の振幅に対応する大きさに収束していく。したがって、その収束位置から駆動部の駆動振幅の最大値までの長さが駆動部の実振幅となるので、駆動信号に休止区間を挿入すれば、待機時間が一定時間の長さとなるまでは、待機時間ｔが増えるに従って駆動部の実振幅（最大駆動振幅）は増加していく。
【００４９】
このようにして挿入された待機時間ｔにより増加する最大駆動振幅の増加率は、増加関数ｇ（ｔ）で表すことができ、例えば増加関数ｇ（ｔ）は正弦関数となる。この増加関数ｇ（ｔ）は、待機時間ｔが長くなるほど大きくなる関数であり、０≦ｇ（ｔ）＜１である。
【００５０】
以上のように、余弦波である駆動信号に休止区間を挿入すると、駆動信号により駆動される駆動部の最大駆動振幅は、余弦波成分の周期の減少により減少関数ｆ（ｔ）の分だけ減少する一方で、待機時間ｔにより増加関数ｇ（ｔ）の分だけ増加する。
【００５１】
したがって、余弦波である駆動信号に休止区間（待機時間ｔ）を挿入した場合における、最終的な最大駆動振幅の増加率は、例えば図４に示すように、関数Ｖ（ｔ）＝ｆ（ｔ）＋ｇ（ｔ）により定まる値となる。
【００５２】
なお、図４において、横軸は待機時間ｔを示しており、縦軸は最大駆動振幅の増加率を示している。また、直線ｆ１１、曲線ｇ１１、および曲線ｖ１１は、それぞれ減少関数ｆ（ｔ）、増加関数ｇ（ｔ）、および関数Ｖ（ｔ）を示している。
【００５３】
休止区間を挿入した場合における、最終的な最大駆動振幅の増加率を示す関数Ｖ（ｔ）は、減少関数ｆ（ｔ）と増加関数ｇ（ｔ）の和により表されるが、図４から分かるように関数Ｖ（ｔ）は、各待機時間ｔに対して１以上の値となっている。
【００５４】
したがって、余弦波である駆動信号の全体の周期Ｚｔを固定したまま、駆動信号に休止区間を挿入し、その分だけ余弦波成分の周期を短くすれば、周期Ｚｔの余弦波を駆動信号とする場合と比べて、より大きい最大駆動振幅を得ることができる。
【００５５】
ここで、最大駆動振幅の増加率が最大となる待機時間ｔは、駆動信号の全体の周期Ｚｔが指定された場合に、０≦ｔ≦Ｚｔの範囲において関数Ｖ（ｔ）が最大となるｔである。そこで、駆動信号の周期Ｚｔに対して関数Ｖ（ｔ）を予め求めておき、駆動系を駆動させる段階で、関数Ｖ（ｔ）が最大となる待機時間ｔを算出して駆動信号を生成すれば、簡単な演算で、駆動信号の周期を変えることなく、より大きい最大駆動振幅を得ることができる。換言すれば、駆動系の駆動周期を変えることなく、最大駆動振幅の減少を最小限に抑えることができる。
【００５６】
例えば、駆動信号の周期Ｚｔにより定まる係数をｋとして、各周期Ｚｔに対する減少関数ｆ（ｔ）を−ｋｔ＋１，増加関数ｇ（ｔ）をA(k)・cos(π/2−(πt/2Zt))として記録しておけば、これらの関数に係数ｋを代入するだけで、各周期Ｚｔに対する関数Ｖ（ｔ）を直ちに得ることができる。なお、A(k)は、係数ｋを変数とする関数である。
【００５７】
このような駆動信号への休止区間の挿入により、例えば図５に示すように、駆動系の最大駆動振幅の増加を図ることができる。
【００５８】
なお、図５において、曲線Ｃ４１および曲線Ｐ４１は、休止区間挿入前の駆動信号の波形および駆動系の駆動振幅の波形を示しており、曲線Ｃ４２および曲線Ｐ４２は、休止区間挿入後の駆動信号の波形および駆動系の駆動振幅の波形を示している。また、図中、横方向は時間を示しており、縦方向は駆動信号または駆動振幅の大きさを示している。
【００５９】
図５では、曲線Ｃ４１に示される駆動信号は、周期が62msecである余弦波信号とされている。また、この場合において、駆動系の最大駆動振幅は曲線Ｐ４１に示されるように、約188μｍとなっている。
【００６０】
これに対して、曲線Ｃ４２に示される駆動信号には、余弦波信号に休止区間が挿入されており、この駆動信号の周期は、曲線Ｃ４１に示す駆動信号と同じ62msecとなっている。この場合、駆動系の最大駆動振幅は曲線Ｐ４２に示されるように、約227μｍとなっている。したがって、図５の例では、駆動信号に休止区間を挿入することで、駆動信号全体の周期、つまり駆動系の駆動周期を変化させずに、約40μｍだけ最大駆動振幅が増加していることが分かる。
【００６１】
［走査型顕微鏡の構成］
次に、上述した直動機構（ピエゾ素子）の駆動方法を適用した走査型顕微鏡の具体的な実施の形態について説明する。図６は、本発明を適用した走査型顕微鏡の一実施の形態の構成例を示す図である。
【００６２】
走査型顕微鏡１１は、試料１２に対して、励起光としての照明光を照射し、これにより試料１２から生じた蛍光（以下、観察光と称する）を受光して、試料１２の観察面の観察画像を得る共焦点顕微鏡から構成される。
【００６３】
すなわち、試料１２はステージ２１上に載置され、光源２２から射出された照明光は光学系２３を通って試料１２に照射される。また、光学系２３は、試料１２から生じた観察光を光検出器２４に導く。
【００６４】
光学系２３は、光路分割部２５、Ｙ走査機構２６、Ｘ走査機構２７、対物レンズ２８、およびＺ軸駆動機構２９を少なくとも備えており、光源２２からの照明光は光路分割部２５乃至対物レンズ２８を通って試料１２に照射される。
【００６５】
光路分割部２５は、照明光を透過させ、観察光を反射させるダイクロイックミラーや、レンズ等からなり、光源２２からの照明光をＹ走査機構２６に導くとともに、Ｙ走査機構２６からの観察光を光検出器２４に入射させる。
【００６６】
Ｙ走査機構２６は、走査ミラーを有するガルバノスキャナなどから構成され、光路分割部２５からの照明光を偏向させることで、照明光で対物レンズ２８の光軸方向と垂直な方向（以下、Ｙ方向と称する）に試料１２の観察面を走査させる。なお、以下、対物レンズ２８の光軸方向をＺ方向とも称することとする。
【００６７】
また、Ｘ走査機構２７は、走査ミラーを有するレゾナントスキャナなどから構成され、Ｙ走査機構２６からの照明光を偏向させることで、照明光でＺ方向およびＹ方向と垂直な方向（以下、Ｘ方向と称する）に試料１２の観察面を走査させる。
【００６８】
対物レンズ２８は、Ｘ走査機構２７からの照明光を試料１２の観察面に照射する。Ｚ軸駆動機構２９は、例えばピエゾ素子などの直動機構から構成され、一定の振幅で、かつ所定周期で対物レンズ２８をＺ方向に往復移動させる。なお、Ｚ軸駆動機構２９はピエゾ素子に限らず、その他、ボイスコイルモータなど、対物レンズ２８を直線的に往復駆動させるリニアアクチュエータ（直動機構）であれば、どのようなものであってもよい。
【００６９】
また、試料１２からの観察光は、対物レンズ２８を通ってＸ走査機構２７およびＹ走査機構２６でデスキャンされ、さらに光路分割部２５のダイクロイックミラーで反射されて、光検出器２４に入射する。
【００７０】
光検出器２４は、入射した観察光を光電変換することにより、観察光を、その受光強度に応じた値の電気信号に変換し、サンプリング回路３０に供給する。サンプリング回路３０は、所定のタイミングで光検出器２４から供給された電気信号をサンプリングして画像化回路３１に供給する。画像化回路３１は、サンプリング回路３０から供給された電気信号から観察画像を構築し、図示せぬモニタや後段の処理システムに出力する。
【００７１】
また、タイミング制御回路３２は、基準クロックを所定の周波数のクロックに変換することで、テーブル保持部３３に保持されている駆動テーブルから、一定の周期でデータを読み出すための読み出しクロックを生成する。
【００７２】
ここで、駆動テーブルは、例えば図７に示すように、各時刻において走査型顕微鏡１１の各部の動作を制御するための駆動データＷＤからなり、１つの駆動データＷＤには、制御データ、出力調整データ、Ｙ軸駆動データ、およびＺ軸駆動データが含まれている。
【００７３】
制御データには、光源２２の点灯，消灯を制御するレーザ制御信号の値、および観察画像を得るための電気信号のサンプリングの有効，無効を示すサンプリング有効信号の値が含まれている。また、出力調整データは、光源２２から射出される照明光の光量を調整するための出力調整信号の値が含まれており、Ｙ軸駆動データには、Ｙ走査機構２６の走査ミラーを回転させるための回転駆動信号の駆動電圧の値が含まれている。さらに、Ｚ軸駆動データには、Ｚ軸駆動機構２９を駆動させる駆動信号の駆動電圧の値が含まれている。
【００７４】
図６の説明に戻り、タイミング制御回路３２は、生成した読み出しクロックに同期して、駆動テーブルから読み出すべき駆動データが格納されているアドレスを生成し、テーブル保持部３３に供給する。テーブル保持部３３は、タイミング制御回路３２から供給されたアドレスに格納されている駆動データを読み出して、サンプリング回路３０、光源２２、Ｄ／Ａ（Digital/Analog）コンバータ３４、Ｄ／Ａコンバータ３５、およびＤ／Ａコンバータ３６に供給する。
【００７５】
具体的には、駆動データのうちの制御データを構成するサンプリング有効信号およびレーザ制御信号が、それぞれサンプリング回路３０および光源２２に供給される。また、駆動データを構成する出力調整データ、Ｙ軸駆動データ、およびＺ軸駆動データが、それぞれＤ／Ａコンバータ３４乃至Ｄ／Ａコンバータ３６に供給される。
【００７６】
演算処理部３７は、Ｚ軸駆動機構２９の駆動周期が指定されると、駆動信号の全体の周期Ｚｔや待機時間ｔなどを算出する。また、演算処理部３７に設けられたテーブル生成部３７ａは、周期Ｚｔや待機時間ｔが算出されると、それらの算出結果に基づいて駆動テーブルを生成し、テーブル保持部３３に記録させる。
【００７７】
また、タイミング制御回路３２は、基準クロックに基づいて、光検出器２４から出力される電気信号のサンプリングのタイミングを示すサンプリングクロックを生成し、サンプリング回路３０に供給する。このサンプリングクロックは、読み出しクロックと一定の時間関係を有しており、サンプリング回路３０では、サンプリングクロックに同期して、電気信号のサンプリングが行なわれる。
【００７８】
Ｄ／Ａコンバータ３４は、テーブル保持部３３から供給された出力調整データをデジタル信号からアナログ信号に変換し、出力調整回路３８に供給する。出力調整回路３８は、Ｄ／Ａコンバータ３４からの出力調整データにしたがって、光源２２から射出される照明光の光量を調整する。
【００７９】
Ｄ／Ａコンバータ３５は、テーブル保持部３３から供給されたＹ軸駆動データをデジタル信号からアナログ信号に変換し、Ｙ軸駆動回路３９に供給する。Ｙ軸駆動回路３９は、Ｄ／Ａコンバータ３５からのＹ軸駆動データにしたがって、Ｙ走査機構２６を動作させる。
【００８０】
Ｄ／Ａコンバータ３６は、テーブル保持部３３から供給されたＺ軸駆動データをデジタル信号からアナログ信号に変換し、Ｚ軸駆動回路４０に供給する。Ｚ軸駆動回路４０は、Ｄ／Ａコンバータ３６からのＺ軸駆動データにしたがって、Ｚ軸駆動機構２９を動作させ、対物レンズ２８をＺ方向に移動させる。
【００８１】
また、Ｘ軸駆動回路４１は、供給されたＸ軸駆動データにしたがってＸ走査機構２７を動作させる。Ｚ位置検出回路４２は、Ｚ軸駆動機構２９から対物レンズ２８のＺ方向の位置を示す情報を取得して演算処理部３７に供給する。演算処理部３７は、Ｚ位置検出回路４２から供給された対物レンズ２８のＺ方向の位置を示す情報に基づいて、適宜、走査型顕微鏡１１の動作を制御する。
【００８２】
［駆動テーブル生成処理の説明］
ところで、ユーザは、走査型顕微鏡１１を用いれば、Ｚ方向と垂直な試料１２の面を観察面として、試料１２のＺ方向に並ぶ複数の観察面を、所定周期で繰り返し観察することができる。このとき、ユーザは、観察対象となる複数の観察面の観察周期に応じて、Ｚ軸駆動機構２９をＺ方向に往復駆動させる周期を指定し、駆動テーブルの生成を指示する。
【００８３】
ユーザにより駆動テーブルの生成が指示されると、走査型顕微鏡１１は、ユーザの指示に応じて駆動テーブル生成処理を開始し、駆動テーブルを生成する。以下、図８のフローチャートを参照して、走査型顕微鏡１１による駆動テーブル生成処理について説明する。
【００８４】
ステップＳ１１において、演算処理部３７は、ユーザにより指定されたＺ軸駆動機構２９をＺ方向に往復駆動させる周期、つまりＺ軸駆動機構２９の駆動周期に基づいて、Ｚ軸駆動機構２９を駆動させる駆動信号の全体の周期Ｚｔを算出する。
【００８５】
ステップＳ１２において、演算処理部３７は、駆動信号の周期Ｚｔと、予め記録している関数Ｖ（ｔ）とに基づいて、待機時間ｔを算出する。
【００８６】
例えば、関数Ｖ（ｔ）＝ｆ（ｔ）＋ｇ（ｔ）であり、かつ減少関数ｆ（ｔ）＝−ｋｔ＋１，増加関数ｇ（ｔ）＝A(k)・cos(π/2−(πt/2Zt))である場合、演算処理部３７は周期Ｚｔにより定まる係数ｋを、関数Ｖ（ｔ）に代入する。そして演算処理部３７は、その結果得られた関数Ｖ（ｔ）が最大となるｔ（但し、０≦ｔ≦Ｚｔ）を待機時間ｔとして算出する。
【００８７】
このようにして得られた待機時間ｔは、上述した図３の遅延時間Ｄと係数ｋとの積により表される時間である。ここで、遅延時間Ｄは、駆動信号の余弦波成分の周期がＺｔであるときにＺ軸駆動機構２９内部で生じる応答遅れと、動摩擦係数や慣性等の作用により生じる遅延などからなる遅延時間である。
【００８８】
なお、遅延時間Ｄを周期Ｚｔごとに予め求めてテーブルに記録しておくようにしてもよい。そのような場合、演算処理部３７は、指定された周期Ｚｔに対応付けられている遅延時間Ｄをテーブルから取得し、係数ｋと遅延時間Ｄとの積を求めることで、待機時間ｔ＝ｋ×Ｄを算出する。
【００８９】
ステップＳ１３において、演算処理部３７は、駆動信号全体の周期Ｚｔから待機時間ｔを減算して、駆動信号の余弦波成分の周期Ｚｃ＝Ｚｔ−ｔを算出する。
【００９０】
ステップＳ１４において、テーブル生成部３７ａは、駆動信号の余弦波成分の部分の駆動データを生成する。
【００９１】
例えば、駆動テーブルの読み出し周期がＴｂであるとすると、駆動信号の１周期における余弦波成分の周期Ｚｃの期間には、Ｍ＝Ｚｃ／Ｔｂ回だけ駆動データが読み出される。そこで、テーブル生成部３７ａは、周期Ｚｃと周期Ｔｂに基づいて、各時刻ｎ（但し、０≦ｎ≦Ｍ−１）における駆動信号の駆動電圧Ｔ（ｎ）＝ｃｏｓ（２ｎπ／Ｍ）を算出する。
【００９２】
そして、テーブル生成部３７ａは、算出した各時刻ｎの駆動電圧Ｔ（ｎ）を、時刻ｎにおける駆動データを構成するＺ軸駆動データとする。これにより、時刻ｎ＝０から時刻ｎ＝Ｍ−１までの駆動信号は、周期Ｚｃの余弦波となる。
【００９３】
また、テーブル生成部３７ａは、ユーザから指定された各種の情報を参照して、各時刻ｎ（但し、０≦ｎ≦Ｍ−１）における制御データ、出力調整データ、およびＹ軸駆動データを生成し、これらのデータと、Ｚ軸駆動データとから各時刻の駆動データを生成する。
【００９４】
テーブル生成部３７ａは、このようにして得られた各時刻ｎ（但し、０≦ｎ≦Ｍ−１）の駆動データをテーブル保持部３３に供給し、駆動テーブルに記録させる。
【００９５】
ステップＳ１５において、テーブル生成部３７ａは、駆動信号の休止区間の部分の駆動データを生成する。
【００９６】
例えば、駆動テーブルの読み出し周期がＴｂである場合、駆動信号の１周期Ｚｔの期間には、Ｑ＝Ｚｔ／Ｔｂ回だけ駆動データが読み出される。１周期Ｚｔの期間のうち、余弦波成分の周期Ｚｃの期間にはＭ回だけ駆動データが読み出されるので、残りの待機時間ｔの間には、Ｌ＝Ｑ−Ｍ回だけ駆動データが読み出される。
【００９７】
そこで、テーブル生成部３７ａは、休止区間の各時刻ｎ（但し、Ｍ≦ｎ≦Ｍ＋Ｌ−１）における駆動信号の駆動電圧Ｔ（ｎ）を、Ｔ（ｎ）＝ｃｏｓ（２π）とする。そして、テーブル生成部３７ａは、駆動電圧Ｔ（ｎ）＝ｃｏｓ（２π）を、時刻ｎ（但し、Ｍ≦ｎ≦Ｍ＋Ｌ−１）における駆動データを構成するＺ軸駆動データとする。これにより、時刻ｎ＝Ｍから時刻ｎ＝Ｍ＋Ｌ−１までの駆動信号は一定の駆動電圧の信号となる。
【００９８】
また、テーブル生成部３７ａは、ユーザから指定された各種の情報を参照して、各時刻ｎ（但し、Ｍ≦ｎ≦Ｍ＋Ｌ−１）における制御データ、出力調整データ、およびＹ軸駆動データを生成し、これらのデータとＺ軸駆動データから各時刻の駆動データを生成する。
【００９９】
テーブル生成部３７ａは、このようにして得られた各時刻ｎ（但し、Ｍ≦ｎ≦Ｍ＋Ｌ−１）の駆動データをテーブル保持部３３に供給し、駆動テーブルに記録させる。以上のようにして、駆動信号の１周期分の駆動データからなる駆動テーブルが生成されると、駆動テーブル生成処理は終了する。なお、試料１２の観察時には、１周期分の駆動テーブルを構成する各駆動データが、順番に繰り返し読み出され、使用される。
【０１００】
以上において説明した駆動テーブル生成処理が行われて、テーブル保持部３３に駆動テーブルが記録された後、ユーザが走査型顕微鏡１１を操作して、試料１２の蛍光観察を指示すると、走査型顕微鏡１１は、ユーザの指示に応じて観察処理を開始する。以下、図９のフローチャートを参照して、走査型顕微鏡１１による観察処理について説明する。
【０１０１】
ステップＳ４１において、テーブル保持部３３は、駆動テーブルの読み出しを行なう。すなわち、テーブル保持部３３は、タイミング制御回路３２から供給されたアドレスから駆動データを読み出して、駆動データを構成する各データを走査型顕微鏡１１の各部に供給する。
【０１０２】
具体的には、制御データを構成するサンプリング有効信号およびレーザ制御信号が、それぞれサンプリング回路３０および光源２２に供給され、出力調整データがＤ／Ａコンバータ３４に供給される。また、Ｙ軸駆動データがＤ／Ａコンバータ３５に供給され、Ｚ軸駆動データがＤ／Ａコンバータ３６に供給される。
【０１０３】
Ｄ／Ａコンバータ３４乃至Ｄ／Ａコンバータ３６は、テーブル保持部３３から供給された出力調整データ、Ｙ軸駆動データ、およびＺ軸駆動データをデジタル信号からアナログ信号に変換し、出力調整回路３８乃至Ｚ軸駆動回路４０に供給する。
【０１０４】
ステップＳ４２において、出力調整回路３８は、Ｄ／Ａコンバータ３４から供給された出力調整データに基づいて、光源２２から出力される照明光の出力調整を行なう。
【０１０５】
光源２２は、テーブル保持部３３から供給されたレーザ制御信号に応じて、照明光を射出する。すなわち、点灯する旨のレーザ制御信号であれば照明光が射出され、消灯する旨のレーザ制御信号であれば照明光は射出されない。このとき、光源２２は、出力調整回路３８の制御にしたがって、射出する照明光の光量を調整する。光源２２から照明光が射出されると、照明光は、光学系２３を通って試料１２に照射される。
【０１０６】
ステップＳ４３において、Ｙ走査機構２６は、走査ミラーを回転させる。すなわち、Ｙ軸駆動回路３９は、Ｄ／Ａコンバータ３５から供給されたＹ軸駆動データに基づいて、Ｙ走査機構２６を動作させ、Ｙ走査機構２６は、Ｙ軸駆動回路３９の制御にしたがって、走査ミラーを回転させる。
【０１０７】
また、Ｘ走査機構２７もＸ軸駆動回路４１の制御にしたがって、走査ミラーを回転させる。これにより、照明光がＹ走査機構２６およびＸ走査機構２７の走査ミラーにより偏向されて、照明光で試料１２の観察面が走査される。
【０１０８】
ステップＳ４４において、Ｚ軸駆動機構２９は対物レンズ２８をＺ方向に移動させる。具体的には、Ｚ軸駆動回路４０はＤ／Ａコンバータ３６から供給されたＺ軸駆動データ、つまり駆動信号の駆動電圧に基づいてＺ軸駆動機構２９を駆動させ、駆動電圧により定まる位置に対物レンズ２８を移動させる。これにより、照明光が試料１２の所望する観察面上に集光されるようになる。
【０１０９】
また、試料１２に照明光が照射されると、試料１２からは観察光が発せられ、この観察光は光学系２３を通り、光検出器２４に受光される。そして、光検出器２４は、入射した観察光を光電変換し、その結果得られた電気信号をサンプリング回路３０に供給する。
【０１１０】
ステップＳ４５において、サンプリング回路３０は、電気信号のサンプリングを行なうか否かを判定する。例えば、サンプリング回路３０は、タイミング制御回路３２から供給されたサンプリングクロックが、サンプリングを行なうべきタイミングであることを示しており、かつテーブル保持部３３から有効である旨のサンプリング有効信号が供給された場合、サンプリングを行なうと判定する。
【０１１１】
ステップＳ４５において、サンプリングを行なわないと判定された場合、ステップＳ４６の処理はスキップされ、処理はステップＳ４７に進む。
【０１１２】
一方、ステップＳ４５においてサンプリングを行なうと判定された場合、ステップＳ４６において、サンプリング回路３０は、光検出器２４からの電気信号をサンプリングして、電気信号をアナログ信号からデジタル信号に変換し、画像化回路３１に供給する。
【０１１３】
画像化回路３１は、サンプリング回路３０から供給された電気信号を、必要な画素数分だけ蓄積して観察画像を生成し、モニタ等に出力する。これにより、例えばモニタに観察画像が表示され、ユーザは試料１２を観察することができる。
【０１１４】
ステップＳ４６においてサンプリングが行なわれたか、またはステップＳ４５においてサンプリングを行なわないと判定されると、ステップＳ４７において、走査型顕微鏡１１は、処理を終了するか否かを判定する。例えば、ユーザにより観察の終了が指示された場合、処理を終了すると判定される。
【０１１５】
ステップＳ４７において、処理を終了しないと判定された場合、処理はステップＳ４１に戻り、上述した処理が繰り返される。すなわち、駆動テーブルから次の駆動データが読み出され、試料１２の観察が行なわれる。
【０１１６】
これに対して、ステップＳ４７において、処理を終了すると判定された場合、走査型顕微鏡１１の各部は行なっている処理を停止し、観察処理は終了する。
【０１１７】
以上のようにして、走査型顕微鏡１１は、駆動テーブルにしたがって試料１２を蛍光観察する。試料１２の観察時に、余弦波に最適な待機時間が挿入された信号を駆動信号としてＺ軸駆動機構２９を駆動させることにより、Ｚ軸駆動機構２９を高速で駆動する場合に、駆動信号の周期を変化させることなく、駆動振幅の減少を低減させることができる。
【０１１８】
なお、以上においては、対物レンズ２８を移動させることにより、対物レンズ２８とステージ２１（試料１２）とのＺ方向の相対的な距離を変化させると説明したが、Ｚ軸駆動機構２９によりステージ２１を移動させるようにしてもよい。
【０１１９】
また、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
【符号の説明】
【０１２０】
１１  走査型顕微鏡，  ２１  ステージ，  ２６  Ｙ走査機構，  ２８  対物レンズ，  ２９  Ｚ軸駆動機構，  ３３  テーブル保持部，  ３７  演算処理部，  ３７ａ  テーブル生成部
【図１】
2012118195.tif 000003
【図２】
2012118195.tif 000004
【図３】
2012118195.tif 000005
【図４】
2012118195.tif 000006
【図５】
2012118195.tif 000007
【図６】
2012118195.tif 000008
【図７】
2012118195.tif 000009
【図８】
2012118195.tif 000010
【図９】
2012118195.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成23年11月2日(2011.11.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
本発明の顕微鏡は、観察対象の試料が載置されるステージと対物レンズとの距離を、前記対物レンズの光軸方向に変化させる直動機構と、前記直動機構を駆動させる駆動信号を生成する駆動信号生成手段と、前記駆動信号を前記直動機構に供給して、前記直動機構を駆動させる駆動制御手段とを備え、前記駆動信号は、前記駆動信号に対する前記直動機構の駆動の遅延時間よりも短い第１の周期の波形であって、各周期の波形が前記第１の周期より短い第２の周期の余弦波の１周期分、及び値が一定となる区間からなることを特徴とする。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
観察対象の試料が載置されるステージと対物レンズとの距離を、前記対物レンズの光軸方向に変化させる直動機構と、
前記直動機構を駆動させる駆動信号を生成する駆動信号生成手段と、
前記駆動信号を前記直動機構に供給して、前記直動機構を駆動させる駆動制御手段と
を備え、
前記駆動信号は、前記駆動信号に対する前記直動機構の駆動の遅延時間よりも短い第１の周期の波形であって、各周期の波形が前記第１の周期より短い第２の周期の余弦波の１周期分、及び値が一定となる区間からなる
ことを特徴とする顕微鏡。
【請求項２】
前記第１の周期の余弦波から所定時間を減算して前記第２の周期の余弦波を算出する演算手段をさらに有し、
前記駆動信号生成手段は、前記第２の周期の余弦波の一部に、前記値が一定となる区間を挿入することにより前記波形を生成する
ことを特徴とする請求項１に記載の顕微鏡。
【請求項３】
前記値が一定となる区間は、前記余弦波の変化率が零となる位置に前記所定時間挿入されてなる
ことを特徴とする請求項２に記載の顕微鏡。
【請求項４】
前記所定時間は、前記直動機構の駆動の遅延時間よりも短い
ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の顕微鏡。
【請求項５】
前記演算手段は、前記駆動信号を余弦波とした場合に、前記駆動信号の周期を前記第１の周期から所定の周期に変化させたときの前記直動機構の往復駆動の振幅の最大値の増加率を示す第１の関数と、前記区間の長さを変化させたときの前記往復駆動の振幅の最大値の増加率を示す第２の関数との和を求めて得られる関数の最大値を算出することで、前記所定時間を算出する
ことを特徴とする請求項２乃至請求項４の何れか一項に記載の顕微鏡。