(57)【要約】【課題】スキャナを用いて照明光による走査を行ないながら標本を観察する場合に、スキャナの位置と対物レンズの瞳位置とのずれにより生じる影響を低減させる。【解決手段】光源２２からの照明光は、コリメートレンズ２３乃至第１対物レンズ３０を通って標本１２に照射される。このとき、走査ユニット２７により照明光が偏向されることで、照明光で標本１２の観察面が走査される。照明光を互いに直交する２方向に偏向させようとすると、走査ユニット２７を構成する２つの走査ミラーのうち、少なくとも一方は第１対物レンズ３０と共役な関係とはならなくなるので、照明光により第１対物レンズ３０の瞳が満たされなくなる場合がある。そこで、ビームエクスパンダ２４により照明光のビーム幅を広げることにより、照明光の偏向角度によらず常に瞳が満たされるようになる。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
2012145687.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
観察対象の標本に照射する照明光を射出する光源と、
前記光源からの前記照明光を偏向させて、対物レンズを介して前記照明光を前記標本に照射することで、前記標本上で前記照明光を所定方向に走査させる走査手段と、
前記光源と前記走査手段との間に配置され、前記走査手段による前記照明光の偏向角度によらず、前記照明光により前記対物レンズの瞳が満たされるように、少なくとも一方向に前記照明光のビーム幅を広げるビームエクスパンダと
を備えることを特徴とする走査型顕微鏡。
【請求項２】
前記光源と前記走査手段との間に配置され、略均一な光強度分布を有するように前記照明光を整形するビーム整形手段をさらに備える
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】
前記光源からの前記照明光を平行光に整形するコリメート手段をさらに備え、
前記ビーム整形手段は、前記コリメート手段により平行光とされた、光強度分布がガウス分布である前記照明光を、前記照明光のビーム幅を広げずに、略均一な光強度分布を有する平行光に整形する
ことを特徴とする請求項２に記載の走査型顕微鏡。
【請求項４】
前記走査手段は、前記標本上で前記照明光を互いに直交する第１の方向および第２の方向に走査させる
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか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、照明光で走査を行ないながら標本を観察する場合に用いて好適な走査型顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、スキャナを利用して観察対象の標本の観察面を照明光で走査し、走査により生じた観察光を受光して、標本を観察する走査型顕微鏡が知られている（例えば、特許文献１参照）。この走査型顕微鏡では、標本に均一な光強度の照明光を照射するために、絞りにより照明光が絞られた後、スキャナにより照明光での走査が行なわれている。
【０００３】
一般的に半導体レーザ等の光源から射出されるレーザビームは、その光束の中心部でパワー密度が高く、光束の周辺部ではパワー密度が低い不均一なパワー分布（光強度分布）を有している。レーザビームのパワー分布は様々であるが、理想的にはガウス分布となるので、半導体レーザから射出されたレーザビームは、ガウシアンビームと呼ばれている。
【０００４】
上述した走査型顕微鏡では、このようなガウシアンビームの光束の中心付近の部分のみが絞りを通過するように、絞りの大きさを定めることで、比較的均一な光強度分布の照明光が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２８８３２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、走査型顕微鏡において、スキャナの位置（例えば、ｘ走査ミラーおよびｙ走査ミラー）が対物レンズの射出瞳位置と共役な位置からずれていると、けられが生じ、スキャナにより偏向された照明光の一部が対物レンズに入射しなくなってしまうことがある。
【０００７】
そのような場合、標本に照射される照明光の光量が不足するだけでなく、光束の中心軸に傾きが生じて、標本の観察像が歪んでしまうなどの悪影響があり、標本の観察環境が劣化してしまう。しかも、照明光がガウシアンビームである場合には、対物レンズの射出瞳上の照明光の光強度分布が一様でなくなり、標本上に形成される照明光の軸外の点像強度分布が歪んでしまう。
【０００８】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、スキャナを用いて照明光による走査を行ないながら標本を観察する場合に、スキャナの位置と対物レンズの射出瞳位置とのずれにより生じる影響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】
【０００９】
本発明の走査型顕微鏡は、観察対象の標本に照射する照明光を射出する光源と、前記光源からの前記照明光を偏向させて、対物レンズを介して前記照明光を前記標本に照射することで、前記標本上で前記照明光を所定方向に走査させる走査手段と、前記光源と前記走査手段との間に配置され、前記走査手段による前記照明光の偏向角度によらず、前記照明光により前記対物レンズの瞳が満たされるように、少なくとも一方向に前記照明光のビーム幅を広げるビームエクスパンダとを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、スキャナの位置と対物レンズの射出瞳位置とのずれにより生じる影響を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】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２】走査ミラーと第１対物レンズの位置関係を示す図である。
【図３】共役位置のずれの影響について説明する図である。
【図４】共役位置のずれの影響について説明する図である。
【図５】共役位置のずれの影響について説明する図である。
【図６】瞳位置における光強度分布を示す図である。
【図７】ビーム幅の拡大について説明する図である。
【図８】ビーム整形ユニットのより詳細な構成例を示す図である。
【図９】ビーム整形光学系のレンズデータを示す図である。
【図１０】ビーム整形光学系のサグ量を示す図である。
【図１１】ビーム整形光学系のサグ量の差分を示す図である。
【図１２】ビーム整形光学系のサグ量の差分の一次微分値を示す図である。
【図１３】ビーム整形光学系のレンズデータを示す図である。
【図１４】ビーム整形光学系のサグ量を示す図である。
【図１５】ビーム整形光学系のサグ量の差分を示す図である。
【図１６】ビーム整形光学系のサグ量の差分の一次微分値を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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。
【００１３】
図１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。
【００１４】
走査型顕微鏡１１は、例えば観察対象の標本１２を蛍光観察するための共焦点顕微鏡であり、ステージ２１に載置された標本１２に対して励起光としての照明光を照射し、これにより標本１２から生じた蛍光（以下、観察光と称する）を受光して、観察画像を得る。
【００１５】
すなわち、半導体レーザや短パルスレーザのレーザ光源である光源２２から射出された照明光は、コリメートレンズ２３により平行光とされ、ビームエクスパンダ２４によりビーム幅が広げられてビーム整形ユニット２５に入射する。ここで、ビームエクスパンダ２４から射出される照明光は、ガウシアンビームとされる。
【００１６】
ビーム整形ユニット２５は、例えば非球面レンズなどからなり、ビームエクスパンダ２４から入射した照明光を、略均一な光強度分布を有する光に整形し、ダイクロイックミラー２６に入射させる。
【００１７】
すなわち、ビーム整形ユニット２５では、ガウス分布等の不均一な光強度分布を有する入射光束が、入射した光束のビーム幅を広げることなく、ビーム整形ユニット２５の光軸と垂直な方向に略均一な光強度分布を有するように整形されて射出される。なお、以下、光強度が略均一となる領域を有する光強度分布を、トップハット形状の光強度分布とも称する。
【００１８】
ダイクロイックミラー２６は、ビーム整形ユニット２５から入射した照明光を反射させ、走査ユニット２７に入射させる。なお、ダイクロイックミラー２６は、照明光の波長帯域の光を反射するとともに、観察光の波長帯域の光を透過させる光学特性を有している。
【００１９】
走査ユニット２７は、例えばガルバノスキャナなどからなり、ダイクロイックミラー２６から入射した照明光を偏向させることにより、標本１２上で照明光を図中、左右方向（以下、ｘ方向と称する）および奥行き方向（以下、ｙ方向と称する）に走査させる。走査ユニット２７から射出された照明光は、スキャンレンズ２８、第２対物レンズ２９、および第１対物レンズ３０を通って標本１２に照射される。
【００２０】
標本１２に照明光が照射されると、標本１２からは観察光が発生し、この観察光は、第１対物レンズ３０乃至ダイクロイックミラー２６を通って、集光レンズ３１に入射する。そして、集光レンズ３１に入射した観察光は、集光レンズ３１により集光され、ピンホール３２を通って光検出器３３に入射する。ここで、ピンホール３２は、第１対物レンズ３０の焦点位置と共役な位置に配置されている。
【００２１】
光検出器３３は、入射した観察光を受光して光電変換し、その結果得られた観察光の受光強度に応じた電気信号を図示せぬコンピュータに供給する。コンピュータは、供給された電気信号に基づいて標本１２の観察画像を生成し、表示する。これにより、ユーザは、表示された観察画像を見ることで、標本１２を観察することができる。
【００２２】
なお、ビームエクスパンダ２４およびビーム整形ユニット２５は、照明光の光路上における走査ユニット２７と光源２２との間に配置されていれば、どのような位置に配置されるようにしてもよい。また、ビーム整形ユニット２５がビームエクスパンダ２４よりも光源２２側にあってもよいし、ビーム整形ユニット２５とビームエクスパンダ２４の両方の機能を有する光学素子が照明光の光路上に配置されるようにしてもよい。
【００２３】
このような走査型顕微鏡１１の走査ユニット２７には、通常、照明光をｘ方向に走査させる走査ミラー（以下、ｘ走査ミラーと称する）と、照明光をｙ方向に走査させる走査ミラー（以下、ｙ走査ミラーと称する）とが、個別に設けられている。そのため、これらのｘ走査ミラーとｙ走査ミラーを、ともに第１対物レンズ３０の瞳位置と共役な位置に配置することは困難である。
【００２４】
例えば、図２に示すように走査ユニット２７内には、照明光の光路上にｘ走査ミラー６１とｙ走査ミラー６２とが配置されており、矢印Ｘ１１および矢印Ｙ１１に示される位置が、それぞれｘ走査ミラー６１とｙ走査ミラー６２の共役位置となっている。また、図２において、実線はｘ走査ミラー６１乃至第１対物レンズ３０からなる光学系の光軸を示している。なお、以下、矢印Ｘ１１に示される位置、および矢印Ｙ１１に示される位置を、共役位置Ｘ１１および共役位置Ｙ１１と称する。
【００２５】
また、図２の例では、共役位置Ｙ１１に、第１対物レンズ３０の瞳が位置している。つまり、第１対物レンズ３０の瞳位置とｙ走査ミラー６２とは、共役な関係となっている。したがって、例えば図中、点線で示されるように、ｙ走査ミラー６２の光軸上の位置から発せられた光束は、スキャンレンズ２８により平行光とされ、さらに第２対物レンズ２９によって、共役位置Ｙ１１に集光される。
【００２６】
さらに、図２では、矢印Ｈ１１に示される、スキャンレンズ２８と第２対物レンズ２９との間の位置に、標本１２の１次像が結像される。すなわち、矢印Ｈ１１に示される位置（以下、１次像面位置Ｈ１１と称する）が１次像面の位置となる。この１次像面位置Ｈ１１は、第１対物レンズ３０の物体側の焦点位置と共役（物像共役）な位置にある。
【００２７】
したがって、第１対物レンズ３０の焦点位置からの観察光は、図中、一点鎖線で示されるように、第１対物レンズ３０により平行光とされ、さらに第２対物レンズ２９によって１次像面位置Ｈ１１に集光されて、スキャンレンズ２８に入射する。そして第２対物レンズ２９からスキャンレンズ２８に入射した観察光は、スキャンレンズ２８により平行光とされ、ｙ走査ミラー６２に入射する。
【００２８】
ところで、標本１２の観察時にｘ走査ミラー６１やｙ走査ミラー６２を回動させて、照明光による走査を行なうと、第２対物レンズ２９から第１対物レンズ３０には、平行光とされた照明光が、ｘ走査ミラー６１やｙ走査ミラー６２の回動角度に応じた角度で入射する。
【００２９】
いま、仮にｘ走査ミラー６１およびｙ走査ミラー６２の共役位置と、第１対物レンズ３０の瞳位置が同じであるものとすると、例えば図３に示すように、第１対物レンズ３０の瞳に対する照明光の入射角度によらず、瞳は満たされることになる。つまり、ｘ走査ミラー６１やｙ走査ミラー６２による照明光の偏向角度によらず、全ての照明光が第１対物レンズ３０に入射する。
【００３０】
なお、図３において、矢印Ｅ１１は第１対物レンズ３０の瞳位置を示している。また、点線は照明光の光路を示しており、実線は第１対物レンズ３０の光軸を示している。
【００３１】
図３の例では、走査ユニット２７のスキャナの共役位置、すなわち図２の共役位置Ｘ１１および共役位置Ｙ１１が、矢印Ｅ１１に示される位置（以下、瞳位置Ｅ１１と称する）と同じ位置となっている。そのため、第１対物レンズ３０から標本１２に照射される照明光の中心軸は、第１対物レンズ３０の光軸と平行となっている。このような状態では、照明光の光強度分布が、ガウス分布であるかトップハット形状の光強度分布であるかによらず、標本１２に対して照明光が略均一に照射される。
【００３２】
これに対して、走査型顕微鏡１１に、ビームエクスパンダ２４が設けられておらず、図４に示すように、ｘ走査ミラー６１およびｙ走査ミラー６２の共役位置が、矢印Ｓ１１に示す位置（以下、スキャナ共役位置Ｓ１１と称する）にあるとする。なお、図４において、点線は照明光の光路を示しており、実線は第１対物レンズ３０の光軸を示している。
【００３３】
図４の例では、図２の共役位置Ｘ１１および共役位置Ｙ１１に相当するスキャナ共役位置Ｓ１１は、第１対物レンズ３０の瞳位置Ｅ１１とは異なる位置となっている。そのため、図中、中央に示すように、照明光が瞳位置Ｅ１１に対して第１対物レンズ３０の光軸と平行に入射する場合には、第１対物レンズ３０から標本１２に照射される照明光の中心軸は、第１対物レンズ３０の光軸と平行となる。
【００３４】
ところが、図中、上側および下側に示すように、照明光が瞳位置Ｅ１１に対して第１対物レンズ３０の光軸方向とは異なる方向から入射する場合には、けられが生じ、照明光の一部は第１対物レンズ３０には入射しなくなってしまう。そうすると、標本１２に照射される照明光の光量不足が生じるだけでなく、標本１２に照射される照明光の光強度が不均一になってしまう。
【００３５】
また、この場合、走査型顕微鏡１１にビーム整形ユニット２５が設けられておらず、第１対物レンズ３０に照明光として、ガウシアンビームが入射するときには、標本１２に照射される照明光の光強度分布がさらに不均一になってしまう。
【００３６】
すなわち、照明光のけられが生じて、照明光の一部のみが第１対物レンズ３０に入射すると、第１対物レンズ３０から標本１２に照射される照明光の中心軸は、第１対物レンズ３０の光軸と平行ではなくなる。このように照明光の中心軸が傾くと、照明光の光強度分布の重心位置にある光束の標本１２への入射角度のずれが大きくなり、標本１２上の照明光の照射面（観察面）において、照明光の光強度分布に歪みが生じる。これにより、照明光の照射により生じる観察光にむらができたり、標本１２の観察像に歪みが生じたりしてしまう。
【００３７】
なお、図４に示す例では、ビーム整形ユニット２５により照明光の光強度分布を、トップハット形状の光強度分布に変換すれば、照明光がガウシアンビームとされる場合よりも、照明光の光強度分布における重心のずれ量を少なくすることができる。
【００３８】
したがって、けられによる光量の低下は生じるが、ガウシアンビームの場合と比べて、照明光の光強度分布の重心となる光束の観察面への入射角度のずれをより少なくし、観察面における照明光の光強度分布の歪みをより少なくすることができる。つまり、標本１２に照射される照明光の光強度分布をより均一にすることができる。
【００３９】
以上のように、スキャナ共役位置Ｓ１１が瞳位置Ｅ１１からずれると、照明光の光量不足や光像の歪みなどの悪影響が生じるが、走査型顕微鏡１１では、照明光の光路上にビームエクスパンダ２４を配置することにより、この悪影響の低減が図られている。
【００４０】
例えば、図５に示すように、照明光のビーム幅を広げることで、ｘ走査ミラー６１やｙ走査ミラー６２の回動角度によらず、照明光により第１対物レンズ３０の瞳が満たされることになる。なお、図５において、図４における場合と対応する部分には、同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。また、図中、点線は照明光の光路を示しており、実線は第１対物レンズ３０の光軸を示している。
【００４１】
図５の例では、スキャナ共役位置Ｓ１１は、第１対物レンズ３０の瞳位置Ｅ１１とは異なる位置となっている。しかし、照明光のビーム幅が広げられているため、けられにより照明光の光量の低下が生じるが、第１対物レンズ３０の瞳は常に満たされるため、第１対物レンズ３０から標本１２に照射される照明光の中心軸は、第１対物レンズ３０の光軸と平行となっている。
【００４２】
このような状態では、標本１２に対して照明光が略均一に照射される。このように、ｘ走査ミラー６１やｙ走査ミラー６２の回動角度によらず、第１対物レンズ３０の瞳が満たされるように照明光のビーム幅を広げることで、走査ユニット２７の瞳位置と第１対物レンズ３０の射出瞳位置のずれにより生じる影響を低減させることができる。
【００４３】
例えば、照明光が第１対物レンズ３０の光軸方向とは異なる方向から瞳位置Ｅ１１に入射する場合、図６に示すように、照明光の光強度分布やビーム幅によって、図４や図５に示した瞳位置Ｅ１１における照明光の光強度分布は異なる。なお、図６において、横方向は瞳位置Ｅ１１における、第１対物レンズ３０の光軸と垂直な方向（図４中、縦方向）の位置を示しており、図中、縦方向は照明光の光強度を示している。特に、図中、横方向の位置Ｏは、第１対物レンズ３０の光軸の位置を示している。
【００４４】
図６の上側には、図４に示すようにスキャナ共役位置Ｓ１１と瞳位置Ｅ１１が異なり、第１対物レンズ３０に入射する照明光がガウシアンビームである場合における、照明光の瞳位置Ｅ１１での光強度分布を示している。
【００４５】
この光強度分布では、光軸の位置Ｏよりも図中、右側の光強度が０となっており、照明光は第１対物レンズ３０の瞳の半分のみに入射していることが分かる。また、照明光が入射する瞳の領域においても、瞳中心から遠い位置ほど照明光の光強度が弱くなってしまう。
【００４６】
また、図６の中央には、図４に示すようにスキャナ共役位置Ｓ１１と瞳位置Ｅ１１が異なり、トップハット形状の光強度分布とされた照明光が第１対物レンズ３０に入射する場合における、照明光の瞳位置Ｅ１１での光強度分布を示している。
【００４７】
この光強度分布では、光軸の位置Ｏよりも図中、右側の光強度が０となっており、照明光は第１対物レンズ３０の瞳の半分のみに入射していることが分かる。但し、照明光が入射する瞳の領域においては、各位置における照明光の光強度が同じとなっており、図中、上側に示すガウシアンビームにおける場合よりも、光強度分布が均一になっている。
【００４８】
これに対して図６の下側には、図５に示すようにスキャナ共役位置Ｓ１１と瞳位置Ｅ１１が異なり、ビーム幅が広げられ、トップハット形状の光強度分布とされた照明光が第１対物レンズ３０に入射する場合における、照明光の瞳位置Ｅ１１での光強度分布を示している。この光強度分布では、第１対物レンズ３０の瞳の全域において、照明光の光強度が一定の値となっており、第１対物レンズ３０の瞳の全領域に、均一に照明光が入射していることが分かる。
【００４９】
このように、照明光のビーム幅をビームエクスパンダ２４により広げることで、第１対物レンズ３０の瞳を満たすことはできるようになるが、照明光の一部は瞳には入射しないため、照明光の光量の低下は生じることになる。そのため、ビームエクスパンダ２４においては、照明光の光量の低下がより少なくなるように、適切な倍率で照明光のビーム幅を広げる必要がある。
【００５０】
以下、照明光のビーム幅を広げるビームエクスパンダ２４の倍率について考える。
【００５１】
例えば、第１対物レンズ３０の焦点距離をｆ１、第１対物レンズ３０のＮＡ（開口数）をＮＡ１とすると、第１対物レンズ３０の瞳半径Φは、次式（１）で表される。
【００５２】
【数１】
2012145687.tif 000003
【００５３】
したがって、走査ユニット２７を駆動させない場合、つまり照明光の中心軸と第１対物レンズ３０の光軸とが一致する状態では、照明光のビーム半径が瞳半径Φであれば、第１対物レンズ３０の瞳が照明光により丁度満たされることになる。つまり、全ての照明光が第１対物レンズ３０に入射することになる。
【００５４】
また、第２対物レンズ２９の焦点距離をｆ２とし、スキャンレンズ２８の焦点距離をｆ３とすると、第２対物レンズ２９およびスキャンレンズ２８からなる光学系の縦倍率βは、次式（２）で表される。なお、式（２）において、αは、第２対物レンズ２９とスキャンレンズ２８からなる光学系の横倍率を示している。
【００５５】
【数２】
2012145687.tif 000004
【００５６】
ここで、図２において点線で示される光線について考え、第２対物レンズ２９から射出されたこの光線と、第１対物レンズ３０の光軸とのなす角をθとする。つまり、第２対物レンズ２９から射出される光線のうち、第１対物レンズ３０の光軸から最も遠い光線と、その光軸とのなす角度がθである。また、１次像高（第１対物レンズ３０の光軸から、１次像面位置Ｈ１１における最も光軸から遠い光線までの距離）をｈとすると、第１対物レンズ３０の瞳に対する最大画角は次式（３）で表される。
【００５７】
【数３】
2012145687.tif 000005
【００５８】
ここで、ｘ走査ミラー６１およびｙ走査ミラー６２の近傍にある、第１対物レンズ３０の瞳と共役な位置を瞳共役位置と呼ぶこととする。また、ｘ走査ミラー６１から瞳共役位置までの光軸方向の距離と、ｙ走査ミラー６２から瞳共役位置までの光軸方向の距離とのうち、より長い方の距離を距離ａとする。
【００５９】
例えば、図２の例では、瞳共役位置は、ｙ走査ミラー６２の位置となるので、ｘ走査ミラー６１からｙ走査ミラー６２までの距離が、距離ａとなる。また、例えば、瞳共役位置がｘ走査ミラー６１とｙ走査ミラー６２の中間の位置にある場合には、ｘ走査ミラー６１からｙ走査ミラー６２までの距離の半分の距離が、距離ａとなる。
【００６０】
図２の例では、ｘ走査ミラー６１からｙ走査ミラー６２までの距離が距離ａである。したがって、共役位置Ｘ１１から共役位置Ｙ１１までの光軸方向の距離は、上述した式（２）から、ａ×βとなる。また、この場合、図２の共役位置Ｘ１１における、第１対物レンズ３０の光軸から、点線で表される光線の位置までの距離はａβｔａｎθとなる。
【００６１】
この距離ａβｔａｎθは、ｘ走査ミラー６１またはｙ走査ミラー６２の瞳共役位置からのずれにより生じる、第１対物レンズ３０の光軸と垂直な方向に対する、第１対物レンズ３０に入射する照明光のずれ量の最大値である。すなわち、ｘ走査ミラー６１やｙ走査ミラー６２の回動により、光軸と照明光のなす角度（照明光の偏向角）が最大となる場合における、第１対物レンズ３０の瞳位置における照明光のずれ量が、ａβｔａｎθとなる。
【００６２】
したがって、ビーム半径が瞳半径Φである照明光を、ビームエクスパンダ２４により、ビーム半径が（Φ＋ａβｔａｎθ）である光線に変換すれば、ｘ走査ミラー６１やｙ走査ミラー６２の回動角度によらず、常に第１対物レンズ３０の瞳が満たされることになる。このビーム半径（Φ＋ａβｔａｎθ）は、照明光により第１対物レンズ３０の瞳が常に満たされることとなる最小の半径である。
【００６３】
したがって、上述した式（１）乃至式（３）から、ビームエクスパンダ２４の倍率γが、次式（４）に示される条件を満たせば、ｘ走査ミラー６１やｙ走査ミラー６２の回動角度によらず、第１対物レンズ３０の瞳が満たされることになる。
【００６４】
【数４】
2012145687.tif 000006
【００６５】
なお、例えばｘ走査ミラー６１とｙ走査ミラー６２のうち、ｘ走査ミラー６１のみが第１対物レンズ３０の瞳と共役関係にある場合には、図７に示すように照明光のビーム幅が一方向にのみ広げられるようにしてもよい。
【００６６】
なお、図７の左側には、第１対物レンズ３０をＹ方向から見たときの照明光の光路が示されており、図中、右側には、第１対物レンズ３０をＸ方向から見たときの照明光の光路が示されている。また、図中、Ｅ１１は第１対物レンズ３０の瞳の位置を示しており、Ｙ１２はｙ走査ミラー６２と共役な位置を示している。
【００６７】
図７の例では、ｘ走査ミラー６１は瞳位置Ｅ１１と共役であるから、図中、左側に示すように、図中、左側の図における縦方向（Ｘ方向）については、ｘ走査ミラー６１やｙ走査ミラー６２の回動角度によらず、第１対物レンズ３０の瞳は満たされる。そのため、照明光のビーム幅は、Ｘ方向には広げられていない。
【００６８】
これに対して、ｙ走査ミラー６２は瞳位置Ｅ１１と共役ではないから、図７の右側に示すように、共役位置Ｙ１２は瞳位置Ｅ１１と同じ位置とはならない。そのため、図７の右側に示すように、図中、右側の図における縦方向（Ｙ方向）については、ｘ走査ミラー６１やｙ走査ミラー６２の回動角度によらず、照明光により第１対物レンズ３０の瞳が満たされるように、照明光のビーム幅がＹ方向に広げられている。
【００６９】
このように、ｘ走査ミラー６１とｙ走査ミラー６２のうちの一方のみが、第１対物レンズ３０の瞳と共役関係にある場合には、照明光のビーム幅を少なくとも一方向に広げれば、第１対物レンズ３０の瞳が常に満たされるようにすることができる。
【００７０】
例えば、照明光のビーム幅を一方向にのみ広げる場合には、ビームエクスパンダ２４として、シリンドリカルレンズなどを利用すればよい。
【００７１】
次に、図８乃至図１６を参照して、ビーム整形ユニット２５のより詳細な構成例について説明する。
【００７２】
図８は、ビーム整形ユニット２５の一例であるビーム整形光学系の構成例を示す図である。なお、図中、点線はビーム整形光学系を通る光の光路を示しており、一点鎖線はビーム整形光学系の光軸を示している。また、図中、左側が物体側（光源２２側）であり、右側が像側（標本１２側）である。
【００７３】
このビーム整形光学系９１は、平行光として入射する光束を再び平行光として射出するアフォーカル系を構成する。また、ビーム整形光学系９１は、ガウス分布等の不均一な光強度分布を有する入射光束を、ビーム整形光学系９１の光軸と垂直な方向に略均一な光強度分布を有するように整形して、射出するものである。
【００７４】
具体的には、ビーム整形光学系９１は、出射光束の光強度分布中に、光強度が略均一となる領域を有するように、入射した光束の光強度を変換するものである。すなわち、ビーム整形光学系９１は、入射した光束のビーム幅を広げることなく、光強度分布における光強度（パワー）のピーク部分が広がるように、入射光束の光強度分布をトップハット形状に変換する。
【００７５】
ビーム整形光学系９１は、例えば、非球面レンズ等の１つのレンズ素子から構成され、光源からの平行光束が入射する入射面１０１と、後段の光学系に平行光束を射出する射出面１０２とを有しており、入射面１０１と射出面１０２は、ともに光軸対称な非球面形状となっている。また、ビーム整形光学系９１における光の光路、つまり入射面１０１から射出面１０２までは全て屈折率が１以上の媒質で満たされている。
【００７６】
このようなビーム整形光学系９１の入射面１０１には、図中、左側、すなわち物体側にある光源からレーザビームが入射し、このレーザビームがビーム整形光学系９１で整形されて、射出面１０２から図中、右側、つまり像側に射出される。ここで、光源からのレーザビームの光強度分布は、レーザビームの中心部でパワー密度が高く、レーザビームの周辺部ではパワー密度が低いガウス分布となっている。
【００７７】
なお、光強度分布がガウス分布となるレーザビームとは、ビーム整形光学系９１の光軸からの高さｈにおける入射ビーム強度をＩ（ｈ）としたときに、Ｉ（ｈ）＝Ｉ０exp（−２ｈ２／ω２）を満たすビームをいう。ここで、Ｉ０は、入射したビームのビーム整形光学系９１の光軸中心における入射ビーム強度であり、ωはビーム整形光学系９１の光軸中心に対して、１／ｅ２強度点における入射ビーム半径である。
【００７８】
図８では、ビーム整形光学系９１に、ビーム整形光学系９１の光軸と垂直な方向（以下、高さ方向と呼ぶ）に等間隔で並ぶ互いに平行な複数の光束が入射した場合、光軸付近の光束は、それらの光束同士の高さ方向の距離が入射面１０１よりも射出面１０２でより長くなっている。逆に、ビーム整形光学系９１の光軸から遠い、ビーム整形光学系９１のレンズ端付近の光束は、それらの光束同士の高さ方向の距離が、入射面１０１よりも射出面１０２でより短くなっている。
【００７９】
すなわち、ビーム整形光学系９１によれば、入射光束は、中心（光軸）付近のパワー密度が疎となり、レンズ端付近のパワー密度がより密になるように、かつ全体のビーム半径はより小さくなるように整形されることになる。したがって、ビーム整形光学系９１に、光強度分布がガウス分布である光束が入射すると、その光束は、トップハット形状の光強度分布を有する光束に整形されて射出されることになる。
【００８０】
次に、ビーム整形光学系９１の具体的な光学特性について説明する。
【００８１】
例えば、図９に示すように、ビーム整形光学系９１の入射瞳半径D_entは4mmとされ、射出瞳半径D_expは3.719mmとされ、上述した１／ｅ２強度点での入射ビーム半径ωは4mmとされる。
【００８２】
また、入射面１０１の曲率半径は-4.528mmであり、入射面１０１のコーニック定数は-0.887である。さらに、入射面１０１の各次数の非球面係数は次の通りである。すなわち、４次係数が5.161E-03であり、６次係数が1.063E-04であり、８次係数が-2.246E-05である。また、１０次係数が1.548E-06であり、１２次係数が-5.516E-08であり、１４次係数が8.124E-10である。
【００８３】
一方、射出面１０２の曲率半径は-6.402mmであり、射出面１０２のコーニック定数は-0.995である。さらに、射出面１０２の各次数の非球面係数は次の通りである。すなわち、４次係数が1.161E-03であり、６次係数が7.466E-05であり、８次係数が-5.560E-06である。また、１０次係数が1.141E-06であり、１２次係数が-9.089E-08であり、１４次係数が3.048E-09である。
【００８４】
なお、入射面１０１と射出面１０２の曲率半径は、それらの球面中心が面に対してビーム整形光学系９１の像側にある場合、正となる。
【００８５】
さらに、ビーム整形光学系９１の光軸に沿ったレンズ厚は5.5mmであり、ビーム整形光学系９１を構成するレンズの媒質屈折率（ｄ線）は1.5168である。
【００８６】
また、射出瞳径を１に規格化した場合における、ビーム整形光学系９１の光軸から高さｈ（但し、０≦ｈ≦D_exp）における入射面１０１と射出面１０２のサグ量は、図１０に示すようになっている。なお、図１０において、縦軸はサグ量を示しており、横軸は光軸からの高さを示している。また、サグ量は、図８中、右方向（像側方向）、すなわちビーム整形光学系９１に入射するレーザビームの進行方向が正とされている。
【００８７】
図１０では、曲線Ｃ１１は、入射面１０１の各位置（高さｈ）におけるサグ量を示しており、曲線Ｃ１２は射出面１０２の各位置（高さｈ）におけるサグ量を示しており、射出面１０２に比べて、入射面１０１のサグ量がやや大きくなっている。
【００８８】
また、ビーム整形光学系９１の光軸からの高さｈにおける、入射面１０１および射出面１０２のそれぞれのサグ量Sag1(h)およびサグ量Sag2(h)の差分をSagDiff(h)＝Sag2(h)−Sag1(h)とすると、各高さｈにおけるサグ量の差分SagDiff(h)は、図１１に示すようになる。なお、図１１において、縦軸はサグ量の差分SagDiff(h)を示しており、横軸は光軸からの高さｈ（但し、０≦ｈ≦D_exp）を示している。また、図１１における場合においても、射出瞳径が１に規格化されているものとする。
【００８９】
図１１では、サグ量の差分SagDiff(h)は、０＜ｈ＜D_expにおいて常に正であり、光軸からの各高さｈにおけるサグ量の差分SagDiff(h)を表す曲線から分かるように、射出瞳径を少し制限すれば、差分SagDiff(h)の変曲点の数は１つになる。この場合、ビーム整形光学系９１に入射する光束のエネルギー損失は１０％に満たなくなる。一方、差分SagDiff(h)の変曲点数を０にするためには、射出瞳を大幅に制限することが必要となり、入射光束のエネルギーが半分以上失われることになる。したがって、エネルギー損失の観点からは、差分SagDiff(h)の変曲点数が１つ以上であることが望ましい。
【００９０】
また、差分SagDiff(h)の変曲点のうち、ビーム整形光学系９１の光軸からの高さｈが最も光軸（高さｈ＝０）に近い変曲点の光軸からの高さｈをh_inflとすると、高さh_inflを入射瞳半径D_entで除算して得られる値h_infl／D_entは0.525となる。
【００９１】
このh_infl／D_entが0.6を超えると、ビーム整形光学系９１の入射瞳に対して、１／ｅ２強度点での入射ビーム半径ωの値が大きくなるので、ビーム整形光学系９１に入射するレーザビームのエネルギーが無駄になってしまう。換言すれば、光源からの光の大部分がビーム整形光学系９１に入射しなくなってしまう。そのため、エネルギー損失を少なくするには、ビーム整形光学系９１のh_infl／D_entは0.6未満であることが望ましい。
【００９２】
さらに、上述したサグ量の差分SagDiff(h)を、光軸からの高さｈで微分して得られる一次微分値ｄ／ｄｈ（SagDiff(h)）は、図１２に示すようになる。すなわち、図１２では、０≦ｈ≦D_expの範囲で、一次微分値ｄ／ｄｈ（SagDiff(h)）は２つの変曲点を有している。
【００９３】
なお、図１２において、縦軸は一次微分値ｄ／ｄｈ（SagDiff(h)）を示しており、横軸はビーム整形光学系９１の光軸からの高さｈを示している。また、図１２における場合においても、射出瞳径が１に規格化されているものとする。
【００９４】
入射ビームがビーム整形光学系９１から略ロスなく射出されるか、またはビーム整形光学系９１の有効径により入射ビームが制限される場合、入射ビームのエネルギーは、常にビーム整形光学系９１から射出される射出ビームのエネルギーよりも大きくなる。また、光強度分布がガウス分布である入射ビームは、ビーム整形光学系９１によりトップハット形状の光強度分布を有するビームに整形される。
【００９５】
以上のことから、入射ビームの光強度の最大値は、必ず射出ビームの光強度の最大値よりも大きくなる。したがって、入射ビームは射出ビームの光強度の最大値より強度が大きいビーム光束と強度が小さいビーム光束に２分することができる。
【００９６】
エネルギー保存を考えれば、射出ビームの光強度の最大値よりも大きな光強度をもつ入射ビーム光束は、ビーム整形光学系９１への入射時の光束断面積に対して、ビーム整形光学系９１からの射出時の光束断面積が必ず大きくなる必要がある。したがって、射出ビームの光強度の最大値よりも大きな光強度をもつ入射ビーム光束は、入射面１０１を通過した後、発散する。
【００９７】
これに対して、射出ビームの光強度の最大値よりも小さな光強度をもつ入射ビーム光束は、ビーム整形光学系９１への入射時の光束断面積に対して、ビーム整形光学系９１からの射出時の光束断面積が必ず小さくなる必要がある。したがって、射出ビームの光強度の最大値よりも小さな光強度をもつ入射ビーム光束は、入射面１０１を通過した後、収束する。
【００９８】
入射ビーム光束の光強度分布は、光軸対称のガウス分布であるので、ビーム整形光学系９１の光軸に近い光束は発散し、光軸から離れるにしたがって光束の状態は発散から収束方向へ変化していく。
【００９９】
一方、入射面１０１と射出面１０２がそれぞれ１つのアフォーカル光学系であることから、任意の光線の入射面１０１との交点における入射面法線ベクトルと、その光線の射出面１０２との交点における射出面法線ベクトルとは必ず一致しなくてはならない。
【０１００】
それぞれ１つの連続面から構成される入射面１０１と射出面１０２とで、入射面法線ベクトルと射出面法線ベクトルが一致する条件は、上述した一次微分値ｄ／ｄｈ（SagDiff(h)）が、２つの変曲点を持つことである。図１２から分かるように、ビーム整形光学系９１の一次微分値ｄ／ｄｈ（SagDiff(h)）は、０＜ｈ＜D_expにおいて２つの変曲点を有することから、入射面１０１と射出面１０２はそれぞれ１つのアフォーカル光学系となる。
【０１０１】
以上のように、入射面１０１と射出面１０２の曲率半径およびコーニック定数がともに負であり、サグ量の差分SagDiff(h)が、０＜ｈ＜D_expにおいて常に正で少なくとも１つの変曲点を持つとともにh_infl／D_ent＜0.6を満たし、一次微分値ｄ／ｄｈ（SagDiff(h)）が、２つの変曲点を持つように、ビーム整形光学系９１を構成すれば、エネルギー損失が少なくコンパクトな構成で、入射した光の光強度分布をトップハット形状に変換することができる。
【０１０２】
なお、以上においては、ビーム整形光学系９１は、図９に示す光学特性を有すると説明したが、図１３に示す光学特性を有するようにしてもよい。
【０１０３】
すなわち、図１３に示すように、ビーム整形光学系９１の入射瞳半径D_entは4mmとされ、射出瞳半径D_expは3.428mmとされ、上述した１／ｅ２強度点での入射ビーム半径ωは3.578mmとされる。
【０１０４】
また、入射面１０１の曲率半径は-4.513mmであり、入射面１０１のコーニック定数は-2.600である。さらに、入射面１０１の各次数の非球面係数は次の通りである。すなわち、４次係数が4.635E-03であり、６次係数が7.086E-05であり、８次係数が-1.956E-05である。また、１０次係数が1.473E-06であり、１２次係数が-5.709E-08であり、１４次係数が9.126E-10である。
【０１０５】
一方、射出面１０２の曲率半径は-6.387mmであり、射出面１０２のコーニック定数は-1.121である。さらに、射出面１０２の各次数の非球面係数は次の通りである。すなわち、４次係数が1.473E-03であり、６次係数が1.809E-04であり、８次係数が-4.139E-05である。また、１０次係数が8.050E-06であり、１２次係数が-6.969E-07であり、１４次係数が2.446E-08である。
【０１０６】
さらに、ビーム整形光学系９１の光軸に沿ったレンズ厚は5.5mmであり、ビーム整形光学系９１を構成するレンズの媒質屈折率（ｄ線）は1.5168である。
【０１０７】
また、射出瞳径を１に規格化した場合における、ビーム整形光学系９１の光軸から高さｈにおける入射面１０１と射出面１０２のサグ量は、図１４に示すようになっている。なお、図１４において、縦軸はサグ量を示しており、横軸は光軸からの高さｈ（但し、０≦ｈ≦D_exp）を示している。また、サグ量は、図８中、右方向（像側方向）、すなわちビーム整形光学系９１に入射するレーザビームの進行方向が正とされている。
【０１０８】
図１４では、曲線Ｃ３１は、入射面１０１の各位置におけるサグ量を示しており、曲線Ｃ３２は射出面１０２の各位置におけるサグ量を示している。
【０１０９】
また、ビーム整形光学系９１における、入射面１０１および射出面１０２のそれぞれのサグ量Sag1(h)およびサグ量Sag2(h)の差分SagDiff(h)は、図１５に示すようになる。なお、図１５において、縦軸はサグ量の差分SagDiff(h)を示しており、横軸は光軸からの高さｈ（但し、０≦ｈ≦D_exp）を示している。また、図１５における場合においても、射出瞳径が１に規格化されているものとする。
【０１１０】
図１５では、サグ量の差分SagDiff(h)は、０＜ｈ＜D_expにおいて常に正であり、射出瞳径を少し制限すれば、差分SagDiff(h)の変曲点の数は１つになる。
【０１１１】
また、差分SagDiff(h)の変曲点のうち、ビーム整形光学系９１の光軸からの高さｈが最も光軸（高さｈ＝０）に近い変曲点の光軸からの高さh_inflを、入射瞳半径D_entで除算して得られる値h_infl／D_entは0.475＜0.6となる。
【０１１２】
さらに、ビーム整形光学系９１のサグ量の差分SagDiff(h)の一次微分値ｄ／ｄｈ（SagDiff(h)）は、図１６に示すようになる。図１６では、一次微分値ｄ／ｄｈ（SagDiff(h)）は、０＜ｈ＜D_expにおいて２つの変曲点を有している。
【０１１３】
なお、図１６において、縦軸は一次微分値ｄ／ｄｈ（SagDiff(h)）を示しており、横軸はビーム整形光学系９１の光軸からの高さｈを示している。また、図１６における場合においても、射出瞳径が１に規格化されているものとする。
【０１１４】
ビーム整形光学系９１が図１３乃至図１６に示した構成とされる場合においても、エネルギー損失が少なくコンパクトな構成で、入射した光の光強度分布をトップハット形状に変換することができる。
【０１１５】
以上において説明したビーム整形光学系９１を、入射面１０１が光源２２側となり、射出面１０２が標本１２側となるように、照明光の光路上に配置すれば、ビーム整形光学系９１はビーム整形ユニット２５として機能する。
【０１１６】
なお、複数の硝材を張り合わせて１つのレンズ素子からなるビーム整形光学系９１を構成し、複数波長に対する同様なビーム整形を可能とすることも勿論可能である。
【０１１７】
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】
【０１１８】
１１  走査型顕微鏡，  ２４  ビームエクスパンダ，  ２５  ビーム整形ユニット，  ２７  走査ユニット，  ２８  スキャンレンズ，  ２９  第２対物レンズ，  ３０  第１対物レンズ，  ６１  ｘ走査ミラー，  ６２  ｙ走査ミラー
【図１】
2012145687.tif 000007
【図２】
2012145687.tif 000008
【図３】
2012145687.tif 000009
【図４】
2012145687.tif 000010
【図５】
2012145687.tif 000011
【図６】
2012145687.tif 000012
【図７】
2012145687.tif 000013
【図８】
2012145687.tif 000014
【図９】
2012145687.tif 000015
【図１０】
2012145687.tif 000016
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2012145687.tif 000020
【図１５】
2012145687.tif 000021
【図１６】
2012145687.tif 000022