JP2002196246A - 走査型光学顕微鏡 - Google Patents

走査型光学顕微鏡

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 軸外での性能劣化が少なく、波面変換素子の
制御方法が簡単で、瞳リレー光学系の構成が簡単か不要
な波面変換素子を用いた走査型光学顕微鏡 【解決手段】 レーザー発振器６と、レーザー発振器６
から発するレーザービーム１５に任意の波面変換を与え
る波面変換素子５と、波面変換素子５から発する波面変
換後の略平行なレーザービーム１７を試料９に集光する
対物レンズ７と、試料９から発する信号光を検出する検
出器２９と、対物レンズ７を光軸と直交する方向に走査
するアクチュエーター８とを有するレーザー走査型顕微
鏡。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、走査型光学顕微鏡
に関し、特に、波面変換素子を用いて光軸方向の焦点移
動を行うレーザー走査型顕微鏡（ＬＳＭ）に関するもの
である。
【０００２】
【従来の技術】従来、例えばＬＳＭにおいて、標本の３
次元像を得るためには、標本又は対物レンズを機械的に
光軸方向に移動させて、標本内部の各面における光学像
を順次取り込んでいく必要があった。しかし、この方法
は機械的駆動を必要とするため、位置制御を高い精度と
再現性で実現することは困難である。また、標本を移動
させる方法においては、標本が大きい場合は高速走査が
できない等の問題があった。
【０００３】さらに、生体標本を観察する際に、対物レ
ンズを標本に直接接触させるかあるいは標本の培養液に
浸した状態で対物レンズを走査すると、その振動による
悪影響を観察する標本に与えることになり、好ましくな
い。
【０００４】これらの問題を解決する方法として、特開
平１１−１０１９４２号記載のアダプティブ光学装置が
ある。特開平１１−１０１９４２号のアダプティブ光学
装置は、パワーを変化させることのできる光学素子（波
面変換素子）を備えた顕微鏡であって、図２７、図２８
にその構成を示す。この先行例では、観察光路及び／又
は照明光路内に波面変換素子を有し、その波面変換素子
を用いて光学系の焦点距離を変化させると共に、この焦
点距離変化に伴って生じる収差も補正するものである。
こうすることによって、対物レンズと標本との距離を変
えることなく、物体空間内での焦点の形成と移動、さら
に収差補正を行うことができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術におい
て、物体空間内での焦点移動及び収差補正の作用を有効
に機能させるためには、波面変換素子を対物レンズの瞳
面又はこれと共役な位置に置くことが好ましい。もし波
面変換素子が瞳面と共役でなければ、対物レンズで検出
する物体高によって照明光又は結像光が波面変換素子上
の異なった位置を通ることになる。焦点移動又は収差補
正を行うためには、物体高によって波面形状を変化させ
なければならないが、できない場合は物体高の高い範囲
で画質劣化が大きくなる可能性が高い。
【０００６】物体高の変化に応じて波面変換素子を最適
形状に変化させれば、たとえ波面変換素子が瞳面と共役
でなくても、物体高の高い範囲での画質劣化を避けるこ
とはできる。しかし、これを実現するには、波面変換を
高速かつ回転非対称形状に制御する必要があり、これは
非常に困難である。
【０００７】このような理由により、波面変換素子は瞳
と共役な位置に置かれることが望ましい。しかし、これ
を実施する際には、以下に示す別の問題がある。
【０００８】顕微鏡観察には多くの種類の対物レンズが
用いられるが、瞳の位置はそれぞれ異なる。したがっ
て、複数の対物レンズを切り替えて使用する場合、それ
らの瞳を波面変換素子と共役であるように保つことは困
難である。
【０００９】また、波面変換素子の位置をレーザー走査
部材の位置、さらには対物レンズ瞳の位置と互いに共役
に配置しなければならない。そのため、最低でも２組の
瞳リレー光学系を必要とし、大型で複雑な装置になって
しまう。
【００１０】また、上記従来技術においては、反射型の
波面変換素子を照明・検出光路に組み込んでいるので、
図２７及び図２８に示すように、ビームスプリッターを
用いている。したがって、光源として非偏光レーザー、
ビームスプリッターとして非偏光タイプを用いた場合
は、波面変換素子を１回通る毎に光量が１／４に減少す
る。
【００１１】すなわち、照明の段階で１／４に、検出の
段階で１／４に、トータルで１／１６に減少することに
なる。また、光源として直線偏光レーザー、偏光ビーム
スプリッター、４分の１波長板を用いれば、照明の段階
での損失は防げるが、無偏光状態になる蛍光を観察する
際には、（蛍光）検出の段階で１／２に減少する。
【００１２】さらに、上記偏光ビームスプリッター、４
分の１波長板を用いる場合でも、光源に直線偏光レーザ
ーを使えるとは限らず、無偏光レーザーを使って蛍光を
観察する場合は、照明の段階で１／２に、検出の段階で
１／２に、トータルで１／４に減少することになる。
【００１３】本発明は従来の技術が持つ上記問題点を解
決するためになされたものであって、その目的は、以下
の２項目である。まず、対物レンズ瞳と波面変換素子と
が共役に配置されていなくても、軸外での性能劣化が少
なく、かつ、波面変換素子の制御方法が極めて簡単であ
り、さらに、瞳リレー光学系の構成が簡単であるか、あ
るいは、不要である、波面変換素子を用いたレーザー走
査型顕微鏡（ＬＳＭ）等の走査型光学顕微鏡を提供する
ことである。次に、反射型の波面変換素子を用いる場合
であっても、光量の損失が抑えられる、波面変換素子を
用いたＬＳＭを提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明の第１の走査型光学顕微鏡は、光源と、該光源
から発する照明光に任意の波面変換を与える波面変換素
子と、該波面変換素子から発する波面変換後の照明光を
試料に集光する対物レンズと、該試料から発する信号光
を検出する検出器と、前記対物レンズを光軸と直交する
方向に走査するアクチュエーターとを有することを特徴
とするものである。
【００１５】なお、波面変換素子から発する照明光は略
平行な光束になっているのが望ましい。
【００１６】本発明の第２の走査型光学顕微鏡は、前記
アクチュエーターが前記対物レンズで光軸と直交する試
料の一断面上を走査する場合、前記波面変換素子は、前
記照明光に対して一定の波面変換を与えることを特徴と
するものである。
【００１７】本発明の第３の走査型光学顕微鏡は、前記
対物レンズが光軸と直交する方向へ移動したときの移動
量をΔＸとするとき、下記条件式（１）を満たすことを
特徴とする上記１又は２記載の走査型光学顕微鏡。
【００１８】 ΔＸ≦０．６６ｆOB・λ／（ΔＺ・ＮＡ4 ） ・・・（１） ここで、ｆOB：対物レンズの焦点距離 ΔＺ：波面変換素子によって生じる焦点移動量 λ ：照明光の波長 ＮＡ：対物レンズの開口数 である。
【００１９】本発明の第４の走査型光学顕微鏡は、光源
と、該光源から発する照明光を収束光に変換する正のパ
ワーを有する光学素子と、開口を有する反射鏡と、該照
明光に任意の波面変換を与える反射型の波面変換素子
と、該波面変換された照明光を試料に集光する対物レン
ズと、該試料から発する信号光を検出する検出器とを有
することを特徴とするものである。
【００２０】本発明の第５の走査型光学顕微鏡は、第４
の走査型光学顕微鏡における開口を有する反射鏡を含む
光学系が、下記条件式（２）を満たすことを特徴とする
ものである。
【００２１】 ｒHmin／ｒMinc≦０．５ ・・・（２） ここで、ｒHmin：光軸から反射鏡部エッジまでの長さの
最小値 ｒMinc：開口を有する反射鏡に入射する波面変換された
照明光の半径 である。
【００２２】本発明の第６の走査型光学顕微鏡は、光源
と、該光源から発する照明光を収束光に変換する正のパ
ワーを有する光学素子と、前記収束光の集光位置に配置
された反射鏡と、該照明光に任意の波面変換を与える反
射型の波面変換素子と、該波面変換された照明光を試料
に集光する対物レンズと、該試料から発する信号光を検
出する検出器とを有することを特徴とするものである。
【００２３】本発明の第７の走査型光学顕微鏡は、第６
の走査型光学顕微鏡における反射鏡を含む光学系が、下
記条件式（３）を満たすことを特徴とするものである。
【００２４】 ｒMmin／ｒAinc≦０．５ ・・・（３） ここで、ｒMmin：光軸から反射鏡部エッジまでの長さの
最小値 ｒAinc：反射鏡の位置における波面変換された照明光の
半径 である。
【００２５】本発明の第８の走査型光学顕微鏡は、光源
と、該光源から発する照明光に任意の波面変換を与える
反射型の波面変換素子と、波面変換後のレーザービーム
を試料に集光する対物レンズとを備え、前記光源が該試
料から発する信号光を検出する検出器であることを特徴
とするものである。
【００２６】本発明の第９の走査型光学顕微鏡は、光源
と、該光源から発する照明光に任意の波面変換を与える
反射型の波面変換素子と、該波面変換素子から発する波
面変換後の照明光を試料に集光する対物レンズと、該試
料から発する信号光を検出する検出器とを有し、前記反
射型の波面変換素子を下記条件式（４）を満たすように
光路中に配置したことを特徴とするものである。
【００２７】 θPR≦５０・ＮＡ-1√（λ・ΔＺ-1） ・・・（４） ここで、θPR：前記波面変換素子への主光線の入射角
（°） ΔＺ：焦点移動量 λ ：前記照明光の波長 ＮＡ：前記対物レンズの開口数 である。
【００２８】本発明の第１０の走査型光学顕微鏡は、光
源と、前記光源から発する照明光に波面変換を与える反
射型の波面変換素子と、該波面変換素子から発する波面
変換後の照明光を試料に集光する対物レンズと、該試料
から発する信号光を検出する検出器とを有し、前記反射
型の波面変換素子の反射面が非球面トーリック面形状に
制御されることを特徴とするものである。
【００２９】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の走査型光学顕微
鏡の具体的な構成と作用を図を用いて説明する。なお、
説明に用いる図中において、繰り返し用いられる同一の
要素には同一の記号を付し、重複する説明は行わない。
また、光源としてレーザー発振器を使用したレーザー走
査型顕微鏡（ＬＳＭ）で説明する。
【００３０】第１発明の走査型光学顕微鏡の基本構成、
Ｚスキャン（光軸方向のスキャン）時の物点移動による
波面収差、バリエーションを図１〜図４を参照して説明
する。
【００３１】ＬＳＭは、図１に示す構成によって実現す
ることができる。図１において、レーザー光源６は、照
明光２を発生する。照明光２は、コリメーションレンズ
４によって平面波に変換され、ビームスプリッター２１
を透過し、補正前照明光１５として波面変換素子５に入
射する。波面変換素子５では、後述する所定の波面変換
がなされ、補正後照明光１７として射出し、対物レンズ
７によって球面波に変換され、試料９上の一点を照明す
る。その反射光は、再び対物レンズ７で集光され、補正
前観察光１８として波面変換素子５に入射し、再び所定
の波面変換がなされ、平面波である補正後観察光１６と
して射出する。そして、ビームスプリッター２１で反射
し、凸レンズ２８によって集光され、観察光３として光
検出器２９に入射する。
【００３２】対物レンズ７は、その物体側焦点Ｆに物体
面が一致しているときに収差が最も小さくなる、いわゆ
る無限遠補正型である。また、対物レンズアクチュエー
タ８は対物レンズ７をＸ−Ｙ方向に走査する。
【００３３】ここで、波面変換素子５は、照明光の波面
を変換することができるので、図２（ａ）のように、補
正後照明光１７を発散光波面１３とし、合焦位置を物体
側焦点Ｆよりも遠い＋側移動焦点１１に移動することが
できる。また、逆に、図２（ｂ）のように、補正後照明
光１７を収束光波面１４とし、合焦位置を物体側焦点Ｆ
よりも近い−側移動焦点１２に移動することもできる。
すなわち、対物レンズ７や試料９を動かさずに、合焦位
置を移動させることができる。
【００３４】また、対物レンズ７は、対物レンズアクチ
ュエータ８によってＸ−Ｙ方向に走査されるので、物体
側焦点Ｆを、図３のように、Ｘ−Ｙ方向に移動すること
ができる。
【００３５】すなわち、本装置は、レーザー光を集光
し、その合焦位置を空間的に移動させ、試料９からの光
を観察光として検出する、いわゆるレーザー走査型顕微
鏡として機能する。
【００３６】ここで、図２（ａ）、（ｂ）に示した焦点
位置の移動における波面変換素子５の作用について説明
する。
【００３７】対物レンズ７は無限遠補正型なので、照明
光源が有限な距離にある場合には、焦点位置が物体側焦
点Ｆからずれるのみならず、球面収差が増大する。した
がって、＋側移動焦点１１及び−側移動焦点１２におい
て、良好な結像をさせるためには、対物レンズ７に入射
する発散光波面１３及び収束光球面１４が近軸焦点を移
動させる成分に加えて、その近軸焦点の移動に伴って発
生する球面収差を補正する成分を有することが望まし
い。
【００３８】この球面収差補正成分について、図４を用
いて説明する。対物レンズ７における物体側焦点Ｆの近
傍で、距離ΔＺだけ隔てた光軸上の点Ｑに傾角ｕの光線
が集光するとき、物体側焦点Ｆに対する波面収差Ｗは、
下記式（５）で表される。
【００３９】 Ｗ＝ＷF ＋ＷSA ・・・（５） ここで、ＷF ＝−２ΔＺｓｉｎ2 （ｕ／２） ＷSA＝−２ΔＺｓｉｎ4 （ｕ／２） である。ここで、ＷF はいわゆる像点移動の波面収差で
あり、ＷSAはこの像点移動に伴って発生する球面収差の
波面収差表示である。これらＷF やＷSAはハーシェルの
条件から導き出される。すなわち、図２（ａ）、（ｂ）
における＋側移動焦点１１や−側移動焦点１２におい
て、球面収差の補正された像を得るためには、波面変換
素子５によって、補正前照明光１５に対し、上記式
（５）で表わされる波面収差Ｗ相当の波面変換を与えれ
ばよい。
【００４０】次に、上記図１で示した構成のバリエーシ
ョンについて説明する。上記図１では、レーザー光源手
段と光検出手段として、別々の素子に各役割を持たせた
が、一つの素子が光源と光検出の両方の役割を果たすこ
ともできる。すなわち、光源として半導体レーザーチッ
プを用いると、これは同時に光検出器として機能するこ
とも可能である。よって、このような場合は、ビームス
プリッター２１は不要となり、いわゆるレーザーフィー
ドバック顕微鏡を構成する。また、光源にガスレーザー
を用いた場合は、その射出ビームは細い平行光であるか
ら、ビームエキスパンダーをコリメーションレンズ４の
代わりに用いればよい。
【００４１】また、波面変換素子５としては、液晶セル
等を用いた透過型でもよいし、メンブレンミラーのよう
な反射型でもよい。また、ここでは、波面変換素子５に
入射する補正前照明光１５を平行光としたが、発散光や
収束光でもよい。
【００４２】また、光検出光路を照明光路と重ねて配置
する必要は必ずしもなく、試料９の裏側に配置して透過
光を検出してもよいし、試料９の側面に配置して散乱光
を検出してもよい。特に、光源６としてパルスレーザー
を用い、試料９を２光子蛍光観察を行う際には、２光子
蛍光固有の非線型特性により、非共焦点光学系でも光軸
方向の分解能が得られる。このような場合には、光の検
出効率を向上させるためにも、光検出器は照明光路より
も試料自体の近くに配置することが望ましい。
【００４３】第２発明の走査型光学顕微鏡に関し、図５
を参照して説明する。ここでは、Ｘ−Ｙスキャン時に波
面が一定であることを、瞳と波面変換素子が共役な位置
関係になっているの場合と、瞳が非共役な位置関係にな
っているの場合のそれぞれについて説明する。
【００４４】まず、対物レンズ７の走査が像に及ぼす影
響について説明する。対物レンズ７は、対物レンズアク
チュエーター８によってＸ−Ｙ方向に走査されるが、こ
の走査の間に波面変換素子５によって与えられる波面変
換量は、前記式（５）に示された量である。そして、本
発明走査型光学顕微鏡では、Ｘ、Ｙの値によらず一定に
している。
【００４５】対物レンズ７は無限遠補正型なので、図３
のように、補正後照明光１７が平面波である場合は、対
物レンズ７をＸ−Ｙ方向に走査しても、結像特性が劣化
することはない。しかし、図２（ａ）、（ｂ）のよう
に、焦点移動を行った状態で、さらにＸ−Ｙ方向の走査
を行うと、結像特性が劣化する。図５は、図２（ｂ）に
おいて、ΔＸなるＸ走査を行った状態を示したものであ
る。ここで、３９は理想波面、１４は前述の収束光波面
である。ΔＸ＝０の場合は、収束光波面１４と理想波面
３９は一致するが、ΔＸ≠０の場合は、図中ΔＷで示さ
れる波面のずれを生じる。このずれは、集光点Ｑに対す
る波面収差に他ならない。この波面収差ΔＷは結像性能
に影響するが、所定の範囲内であれば実用上問題なく、
ストレール強度比が７０％以上であればよい。
【００４６】表１〜表３は、上記のように焦点移動と対
物レンズのＸ−Ｙ方向の走査を同時に行った場合につい
て、種々の条件における結像特性の変化をシミュレーシ
ョンした結果である。
【００４７】表１は、波面変換素子と対物レンズの瞳が
共役になるように配置し、ΔＺ＝０．０５（ｍｍ）とす
るための最適な波面変換Ｗを与え、その場合のストレー
ル強度比が７０％以上となるΔＸの範囲を、以下の光の
波長及びＮＡについて求めたものである。光の波長８３
０ｎｍ、５４６．７ｎｍ、２４８ｎｍ、ＮＡ０．５〜
０．９。なお、対物レンズは焦点距離ｆOB＝３（ｍｍ）
の無収差対物レンズである。
【００４８】表２は、同様にｆOB＝１０（ｍｍ）、ΔＺ
＝０．０５（ｍｍ）とし、表３は、ｆOB＝２０（ｍ
ｍ）、ΔＺ＝０．１５（ｍｍ）とし、ＮＡ０．５〜０．
７について求めたものである。
【００４９】
【００５０】
【００５１】
【００５２】これらの表において、例えば波長５４６．
０７ｎｍ、ＮＡ０．７の結果に着目すると、表１では、
ΔＸ＝０．０９９（ｍｍ）、表２では、ΔＸ＝０．３０
０（ｍｍ）、表３では、ΔＸ＝０．２００（ｍｍ）であ
る。これらの視野ΔＸの範囲では、上記の波面収差ΔＷ
が十分に小さいと言えるため、この範囲内でＸ−Ｙ走査
を行えば、走査に応じて波面を変化させる必要はない。
すなわち、波面を一定に保ったままでも、良好な結像性
能が得られる。これらのことは他の波長、ＮＡにおいて
も言える。
【００５３】上記表１〜表３は、対物レンズの瞳と波面
変換素子とが共役になるように構成した場合の結果であ
る。次に、両者が共役な位置関係になっていない場合に
ついて、以下に説明する。
【００５４】表４は、対物レンズの瞳と波面変換素子と
の共役関係を崩していった場合の結像特性の変化を示す
ものである。対物レンズがｆOB＝１０（ｍｍ）、ＮＡ
０．７の無収差対物レンズである。この対物レンズにつ
いて、その瞳と波面変換素子との距離を０から３００ｍ
ｍまで変化させた場合の、ΔＸ＝０〜０．３（ｍｍ）に
おけるストレール強度比を求めてある（波長５４６．０
７ｎｍ）。
【００５５】
【００５６】表４の結果より、本方式では、対物レンズ
の瞳と波面変換素子の位置関係が共役でなくても、軸外
での像の劣化が少ないことが分かる。例えばΔＸ＝０．
２（ｍｍ）の走査範囲では、瞳が２００ｍｍ離れていて
も、０．７５以上のストレール強度比が得られることが
分かる。
【００５７】以上のように、本方式は、光軸と直交する
方向、すなわち、Ｘ方向に対物レンズを走査する場合
に、波面変換素子によって与えられる波面変換が一定で
あることを特徴とする。しかしながら、Ｘ−Ｙ平面内の
２次元スキャンにおいても本方式が適用されることは言
うまでもない。
【００５８】第３発明の走査型光学顕微鏡について、対
物レンズのスキャン範囲を、図６、図７を参照して説明
する。
【００５９】上記のように対物レンズのＸ−Ｙ走査は結
像特性に影響を及ぼす。しかしながら、所定の範囲なら
ば、この影響は実用上問題なく、十分な結像性能が得ら
れる、すなわち、ストレール強度比が０．７以上になる
走査幅ΔＸは、諸条件によって変化するが、下記式によ
って求めることができる。
【００６０】 ΔＸ≦０．６６ｆOB・λ／（ΔＺ・ＮＡ4 ） ・・・（１） ここで、ｆOB：対物レンズの焦点距離 ΔＺ：波面変換素子によって生じる焦点移動量 λ ：照明光の波長 ＮＡ：対物レンズの開口数 である。
【００６１】上記表１及び表２の結果を、上記式（１）
の曲線と合わせて、それぞれ図６及び図７に示す。図
６、図７より、式（１）の曲線は、表１、表２の結果と
一致することが分かる。すなわち、本発明では、対物レ
ンズの走査片側振幅ΔＸを、式（１）を満足するように
制御している。これにより、波面を一定に保った状態で
良好な結像性能が得られる。
【００６２】第４発明及び第５発明の走査型光学顕微鏡
について、開口を有する反射鏡につい説明する。
【００６３】まず、第４発明の走査型光学顕微鏡につい
て、光量損失を低減させる基本構成、そのバリエーショ
ンを図８、図９を参照して説明する。
【００６４】波面変換素子によって焦点移動を行い、か
つ、光量の損失が極めて少なく、明るい像が得られるＬ
ＳＭは、図８の構成によって実現できる。この構成にお
いて、レーザー光源６は照明光２を発し、その照明光２
はビームエキスパンダー２０によって拡大され、ビーム
スプリッター２１を透過し、凸レンズ２２で集光され
る。集光された光は、開口２５と反射面２４を有する反
射鏡４２（以下、開口を有する反射鏡と言う。）に入射
し、開口２５を透過して反射型波面変換素子２６に入射
する。反射型波面変換素子２６で反射される際に波面変
換を受けた照明光は、反射面２４で反射され、コリメー
ションレンズ２７で略平行光となり、対物レンズ７によ
って試料９上に集光される。試料９からの観察光は逆の
経路をたどり、ビームスプリッター２１で反射し、凸レ
ンズ２８で光検出器２９に集光される。
【００６５】ここで、反射型波面変換素子２６によって
焦点移動及びこれに伴う球面収差の補正がなされるこ
と、及び、アクチュエーター８によって対物レンズ７の
Ｘ−Ｙ走査がなされることは、前記図１の例と同様であ
る。
【００６６】ここでは、反射型波面変換素子２６に照明
光を導く手段として、開口を有する反射鏡４２を用いて
いる。よって、図２７、図２８の従来技術で用いられて
いるビームスプリッターと異なり、光量の損失を極めて
少なくすることができる。また、絞られたビームが開口
２５を通過するので、この開口サイズを適切に設定する
ことにより、共焦点効果を得ることができる。この共焦
点効果は、蛍光試料の観察に特に有効である。蛍光観察
を行う際には、ビームスプリッター２１の代わりに、適
切な波長特性を有するダイクロイックミラーを用いるこ
とが望ましい。
【００６７】図９は、開口を有する反射鏡を用いた別の
実施例の構成を示す。ここでは、開口を有する反射鏡と
して、２つの直角プリズムと反射面よりなる開口を有す
る反射プリズム２３を用いる。開口を有する反射プリズ
ム２３は２つのプリズムの接合面に反射面２４が形成さ
れ、その一部に開口２５が設けられている。また、半導
体レーザーチップ１を光源兼光検出器として用い、いわ
ゆるレーザーフィードバック顕微鏡を構成している。
【００６８】照明光２は、ビームエキスパンダーを用い
ずに凸レンズ３０のみを用いて開口２５に集光してい
る。その他の構成は、図８と同様である。また、反射型
波面変換素子２６による焦点移動及びこれに伴う球面収
差の補正、アクチュエーター８による対物レンズ７のＸ
−Ｙ走査、及び、開口を有する反射鏡２３による光量損
失低減の作用、効果も、図８の構成と同じである。
【００６９】なお、対物レンズの切り換えに伴う対物レ
ンズの瞳位置の変動や、瞳リレー光学系により装置が大
型化する問題があるが、開口を有する反射鏡をビームス
キャン型ＬＳＭに適用することも可能である。これを、
以下に示す。
【００７０】図１０は、開口を有する反射鏡を用いる別
の実施例の構成を示す。ここでは、ガルバノミラー４７
を走査手段として用い、２組の瞳リレー光学系４６によ
って、対物レンズ瞳４５、ガルバノミラー４７、反射型
波面変調素子２６が共役になるように配置している。不
図示の部分は、図８の構成と同様である。
【００７１】この開口を有する反射鏡４２は、図８、図
９に示した対物レンズ走査方式のＬＳＭのみならず、図
１０に示したガルバノミラー等によるビームスキャン方
式のＬＳＭにおいても、反射型波面変調素子による焦点
移動を行う際には、光量損失を減らす上で極めて有効で
ある。ビームスキャンの手段として、ガルバノミラーの
他に、ポリゴンミラーやＡＯＭ（音響光学素子）を同様
に適用できることはもちろんである。
【００７２】次に、第５発明の走査型光学顕微鏡につい
て、図１１〜図１３を参照して説明する。第５発明の走
査型光学顕微鏡の構成は図８、図９と同じである。ここ
では、開口２５に関して述べる。
【００７３】図８、図９で示した開口を有する反射鏡
が、いかに照明光を波面変換素子へ効率良く導くことが
できるかを、図１１、図１２（ａ）及び図１３を併用し
て以下に説明する。
【００７４】図８、図９において、照明光２は、開口を
有する反射鏡４２又は開口を有する反射プリズム２３に
入射するとき、レンズ２２あるいはレンズ３０で集光す
る。このとき、集光位置と開口２５が一致するように、
開口を有する反射鏡４２又は開口を有する反射プリズム
２３を配置する。このように配置することで、照明光は
開口２５を通過するので、開口２５を通過あるいは透過
する際の光量損失はほとんどない。照明光は開口２５を
通過すると発散光となり、反射型波面変換素子２６で反
射される。反射された光は補正後照明光１７となり、さ
らに発散して反射面２４で反射する。このとき、照明光
の一部は反射せずに開口２５を通過するので、ここで光
量損失が発生する。この様子を図１１に示す。開口２５
における損失量は、反射型波面変換素子２６と平行な面
４０において評価することができる。補正後照明光１７
のビーム外径が面４０と交わって作る輪郭の半径をｒ
Minc、開口２５を透過する補正後照明光１７が面４０と
交わって作る輪郭の半径をｒ H とすると、半径ｒH の範
囲が補正後照明光１７の中の損失分である。照明光の
中、半径ｒH 以上、ビーム半径ｒMinc以下の範囲を、反
射面２４で１００％反射するとすれば、反射率ηH は次
のように計算される。
【００７５】補正後照明光１７が、図１３のようなビー
ム半径ｒMincのガウシアンビームであるとすると、その
強度分布Ｉ（ｒ）は次式で表わされる。
【００７６】 Ｉ（ｒ）＝Ｉ0 ・ｅｘｐ（−２ｒ2 ／ｒMinc 2 ） ・・・（６） 式（６）より、半径ｒ内の強度の積分値Ｅ（ｒ）は次の
ように表わされる。
【００７７】 前述のように、補正後照明光１７の中、半径ｒH の範囲
が失われるので、ビーム半径ｒMinc範囲内の全光量を基
準にすると、（７）式より、反射率ηH 、すなわち効率
は次のように表わされる。
【００７８】 ηH ＝｛Ｅ（ｒMinc）−Ｅ（ｒH ）｝／Ｅ（ｒMinc） ＝｛ｅｘｐ（２−２ｒH 2 ／ｒMinc 2 ）−１｝／｛ｅｘｐ（２）−１｝ ・・・（８） 上記（８）式より、ηH はｒH とｒMincの比で決まるこ
とが分かる。
【００７９】（ｒH ／ｒMinc）とηH との関係を表５に
示す。
【００８０】
【００８１】表５より、（ｒH ／ｒMinc）≦０．５であ
れば、ηH ≧０．５４となる。また、（ｒH ／ｒMinc）
が小さい程ηH は大きくなり、そして（ｒH ／ｒMinc）
＝０．１においてはηH ＝０．９７７に達し、極めて反
射率が高い、すなわち光の損失が少ないことが分かる。
【００８２】従来技術で用いられるビームスプリッター
の場合、照明光を波面変換素子へ導くために、比較的損
失の少ない偏光ビームスプリッターを用いたとしても、
仮に光源からの光がランダム偏光だとすると、ランダム
偏光を直線偏光に変換する際に光量の少なくとも半分が
損なわれる。これに対して、本発明では、偏光、非偏光
に関わらず光学系を（ｒH ／ｒMinc）≦０．５となるよ
うにすることで、ηH≧０．５４となる。この結果、従
来のビームスプリッターよりも効率良く照明光を波面変
換素子へ導くことができる。
【００８３】ここでは、図１２（ａ）における開口２５
の形状を半径ｒH の円形として説明したが、上記光量損
失低減の効果はこれに限られない。例えば、楕円、多角
形、星型、スリット、不規則形状等であっても、光軸が
開口内を通っていれば、効率的に照明光を波面変換素子
へ導くことができる。開口の形状が円形以外である場
合、その反射鏡部エッジ（反射面と開口の境界）から光
軸までの長さの最小値ｒ HminをｒH とみなせばよい。こ
れを、図１２（ｂ）、（ｃ）に示す。
【００８４】以上より、開口を有する反射鏡を含む光学
系が下記式（２）を満たすことが望ましい。
【００８５】 ｒHmin／ｒMinc≦０．５ ・・・（２） ここで、ｒHmin：光軸から反射鏡部エッジまでの長さの
最小値 ｒMinc：開口を有する反射鏡に入射する波面変換された
照明光の半径 である。なお、式（２）を満たす光学系は、光源から対
物レンズに至る光学系のことである。
【００８６】さらに、特筆すべきは、本発明における開
口２５が対物レンズ７の焦点位置と共焦点の関係にある
ために、共焦点信号を検出して共焦点顕微鏡観察を行う
ことが極めて容易なことである。もちろん、その場合に
は、開口２５の形状・寸法を観察光のエアリーディスク
径に合わせる等、共焦点観察に適したものにすることが
望ましい。開口２５を共焦点観察に適合させる場合、そ
の寸法は必然的に小さくなるので、（ｒH ／ｒMinc）も
極めて小さくなる。したがってη≒１となり、光量損失
はほとんど皆無となる。
【００８７】第６発明及び第７発明の走査型光学顕微鏡
について説明する。
【００８８】第６発明において、光量損失を低減させる
基本構成のバリエーションを図１４を参照して説明す
る。波面変換素子によって焦点移動を行い、かつ、光量
の損失が極めて少なく明るい像が得られる別のＬＳＭ
は、図１４の構成によって実現できる。
【００８９】レーザー光源６は照明光２を発し、その照
明光２はビームスプリッター２１を透過する。そして、
凸レンズ３０を経て反射面を有するプリズム３１に入射
し、反射面３２上に集光し、反射する。次に、照明光は
発散光となって、反射型波面変換素子２６に入射し、こ
こで波面変換を受ける。反射型波面変換素子２６を射出
した照明光は反射面を有するプリズム３１を透過し、コ
リメーションレンズ２７で略平行光となり、対物レンズ
７によって試料９上に集光される。試料９からの観察光
は逆の経路をたどり、ビームスプリッター２１で反射
し、光検出器２９に集光される。反射型波面変換素子２
６によって焦点移動及びこれに伴う球面収差の補正がな
され、アクチュエーター８によって対物レンズ７のＸ−
Ｙ走査がなされることは、前記図１、図８、図９の例と
同様である。
【００９０】ここでは、反射型波面変換素子２６へ照明
光を導く手段として、収束ビームの集光位置に配置され
た反射面を有する光学素子、すなわち、反射面を有する
プリズム３１を用いている。そのため、図２７、図２８
の従来技術で用いられているビームスプリッターと異な
り、光量の損失が極めて少ない。そして、試料９中の、
反射面３２と共役な領域から発した反射光は、観察光３
として光検出器２９に達する。逆に、共役な領域以外か
ら発した反射光は光検出器２９に達しない。すなわち、
共焦点光学系と同様の作用を呈する。反射面３２のサイ
ズを適切に設定することにより、共焦点効果を得ること
ができる。また、この共焦点効果は、蛍光試料の観察に
特に有効である。蛍光観察を行う際には、ビームスプリ
ッター２１の代わりに、適切な波長特性を有するダイク
ロイックミラーを用いることが望ましい。
【００９１】反射面を有する光学素子、例えばここで説
明した反射面を有するプリズム３１は、図１４に示した
対物レンズ走査方式のＬＳＭのみならず、ガルバノミラ
ー等によるビームスキャン方式のＬＳＭにおいても、反
射型波面変調素子２６による焦点移動を行う際には、光
量損失を減らす上で極めて有効である。
【００９２】第７発明の走査型光学顕微鏡について、図
１５、図１６を参照して反射鏡形状に関して説明する。
【００９３】図１４で示した反射面を有する光学素子
が、いかに効率良く照明光を波面変換素子に導くことが
できるかを、図１３、図１５、図１６を併用して以下に
説明する。
【００９４】図１４において、照明光２は反射面を有す
るプリズム３１に入射するとき、レンズ３０によって収
束し、その焦点位置に設けられた反射面３２で反射す
る。反射面３２で反射する際の光量損失はほとんどな
い。照明光２は反射面３２で反射すると発散光となり、
反射型波面変換素子２６に入射する。反射型波面変換素
子２６で反射した照明光は補正後照明光１７となり、さ
らに発散して反射面を有するプリズム３１を透過する。
このとき、照明光の一部は透過せずに反射面３２で反射
するので、これが損失となる。
【００９５】この様子を図１５に示す。反射面３２にお
ける損失量は、反射型波面変換素子２６と平行な面４１
において評価することができる。補正後照明光１７のビ
ーム外径が面４１と交わって作る輪郭の半径をｒAinc、
反射面３２で反射する補正後照明光１７が面４１と交わ
って作る輪郭の半径をｒM とすると、半径ｒM の範囲が
補正後照明光１７の中の損失分である。補正後照明光の
うち、半径ｒM 以上、ｒAinc以下の範囲が、反射面を有
するプリズム３１を１００％透過し、かつ、照明光１７
が図１３のようなビーム半径ｒAincのガウシアンビーム
であるとする。すると、ここでの透過率ηM は、前記図
８、図９における開口を有する反射鏡の反射率ηH を表
わす式（８）と全く同様にして求まり、次のように、式
（８）におけるｒH をｒM に、そしてｒMincをｒAincに
置き換えるだけでよい。
【００９６】 ηM ＝｛Ｅ（ｒAinc）−Ｅ（ｒM ）｝／Ｅ（ｒAinc） ＝｛ｅｘｐ（２−２ｒM 2 ／ｒAinc 2 ）−１｝／｛ｅｘｐ（２）−１｝ ・・・（９） 言うまでもなく、式（９）におけるηM とｒAinc及びｒ
M の関係は、前記式（８）におけるηH とｒMinc及びｒ
H の関係と同様である。したがって、（ｒM ／ｒ Ainc）
とηM との関係は、表５における（ｒH ／ｒMinc）とη
H との関係と一致する。
【００９７】ここでは、図１６における反射面の形状を
半径ｒM の円形として説明したが、光量損失低減の効果
はこれに限られない。例えば、楕円、多角形、星型、ス
リット、不規則形状等であっても、光軸が反射面内を通
っていれば、効率的に照明光を波面変換素子まで導くこ
とができる。また、反射面３２は必ずしも光透過部材
（平行平面板やプリズム）上に形成される必要はない。
例えば、必要な面積の反射面を有する微小な反射部材を
支持部材で支持してもよい。反射面の形状が円形以外で
ある場合、その反射鏡部エッジから光軸までの長さの最
小値ｒMminをｒMとみなせばよい。
【００９８】以上から、反射面を含む光学系が下記式
（３）を満たすことが望ましい。
【００９９】 ｒMmin／ｒAinc≦０．５ ・・・（３） ここで、ｒMmin：光軸から反射鏡部エッジまでの長さの
最小値 ｒAinc：反射鏡の位置における波面変換された照明光の
半径 である。
【０１００】第８発明の走査型光学顕微鏡について、光
量損失低減及び小型化に関して図１７、図１８を参照し
て説明する。
【０１０１】波面変換素子によって焦点移動を行い、か
つ、光量の損失が極めて少なく明るい像が得られる別の
ＬＳＭは、図１７の構成によって実現できる。
【０１０２】支持部材３４によって支持された光学素子
４３は、発光部と受光部の両方の機能を有する。光学素
子４３から発した照明光２は、コリメーションレンズ３
３を経て反射型波面変換素子２６に入射し、ここで波面
変換を受けて反射する。反射した光は再びコリメーショ
ンレンズ３３を透過し、略平行光となり、対物レンズ７
によって試料９上に集光される。試料９からの観察光は
逆の経路をたどり、再び光学素子４３に集光される。本
構成でも、反射型波面変換素子２６によって焦点移動及
びこれに伴う球面収差の補正がなされ、アクチュエータ
ー８によって対物レンズ７のＸ−Ｙ走査がなされること
は前記図１、図８、図９、図１４の例と同様である。
【０１０３】ここでは、発光部兼受光部である光学素子
４３を光路中に配置することによって、図２７、図２８
の従来技術で用いられているビームスプリッターをなく
した。この場合、光学素子４３や支持部材３４として遮
光性の低いものを用いることにより、光量損失を低減す
ることができる。例えば、光学素子４３として半導体レ
ーザーチップを用いれば、その外径は小さく、本例のよ
うに光路中に配置しても光を遮る面積は小さい。さら
に、半導体レーザーチップに光源素子と光検出素子の両
機能を持たせれば、いわゆるレーザーフィードバック顕
微鏡として構成することができる。また、支持部材３４
としては、ガラス等の透明基板を用いればよい。
【０１０４】図１８は、本方式の別の実施例である。こ
こでは、光ファイバー３６の先端をコリメーションレン
ズ３５の中心に取り付けてある。光ファイバー３６の他
端は、不図示のレーザー光源及び光検出器に接続されて
いる。したがって、コリメーションレンズに取り付けら
れた光ファイバー３６の先端は、前記図１７における光
学素子４３と同様に機能する。光ファイバー３６は細く
作ることができるので、本例のように光路中に配置して
も、光路を遮る面積が小さく、光量損失を低減すること
ができる。その他の構成は前記図１７と同様であり、反
射型波面変換素子２６によって焦点移動及びこれに伴う
球面収差の補正がなされ、アクチュエーター８によって
対物レンズ７のＸーＹ走査がなされる。
【０１０５】第９発明の走査型光学顕微鏡について、図
１９、図２０及び表６を参照して説明する。第９発明の
走査型光学顕微鏡は、光量損失低減のバリエーションで
あって、照明光が波面変換素子に対して斜めから入射す
るように構成したものである。
【０１０６】波面変換素子によって焦点移動を行い、か
つ、光量の損失がなく、明るい像が得られるＬＳＭは、
図１９の構成によって実現できる。レーザー光源６は照
明光２を発し、コリメーションレンズ４で平行光に変換
され、ビームスプリッター２１を透過し、反射型波面変
換素子２６に入射角θPRで入射する。反射型波面変換素
子２６で波面変換を受けて反射した照明光は、対物レン
ズ７によって試料９上に集光される。試料９からの観察
光は逆の経路をたどり、ビームスプリッター２１で反射
し、凸レンズ２８で光検出器２９に集光される。
【０１０７】なお、反射型波面変換素子２６によって焦
点移動及びこれに伴う球面収差の補正がなされ、アクチ
ュエータ８によって対物レンズ７のＸ−Ｙ走査がなされ
ることは、前述のものと同様である。
【０１０８】また、蛍光観察を行う際には、ビームスプ
リッター２１の代わりに、適切な波長特性を有するダイ
クロイックミラーを用いることが望ましい。この場合、
図２７の従来技術に比べて効率良く蛍光を検出できる。
また、図２８の従来技術に比べて効率良く照明光を試料
に導くことができる。
【０１０９】また、この反射型波面変換素子に対して光
束を斜めに入射する配置は、ここに示した対物レンズ走
査方式のＬＳＭのみならず、ガルバノミラー等によるビ
ームスキャン方式のＬＳＭにおいても、光量損失を減ら
す上で極めて有効である。
【０１１０】図２０は、反射型波面変換素子に対して照
明光を斜めに入射する配置の別の実施例である。ここで
は、光ファイバー３６の先端を対物レンズ７の光軸から
距離ａだけ離れた位置に置く。光ファイバ−３６の他端
は、不図示のレーザー光源及び光検出器に接続されてい
る。したがって、この光ファイバー端部は発光部と受光
部の両方の機能を有する。光ファイバー３６から発した
照明光２は、凸レンズ３７でコリメーションされ、反射
型波面変換素子２６に対して入射角θPRで入射する。そ
して、ここで波面変換を受けて反射し、再びコリメーシ
ョンレンズ３７を透過し、略平行光となり、対物レンズ
７によって試料９上に集光される。試料９からの観察光
は逆の経路をたどり、再び光ファイバ−３６の端部に集
光され、不図示の検出器で検出される。本構成で、反射
型波面変換素子２６によって焦点移動及びこれに伴う球
面収差の補正がなされ、アクチュエータ８によって対物
レンズ７のＸ−Ｙ走査がなされることは、前述のものと
同様である。
【０１１１】本構成においては、発光部となる光ファイ
バーを細く作ることができるので、図中の距離ａを小さ
くすることができる。また、コリメーションレンズ３７
として、その焦点距離ｆ37の長いものを選ぶことが設計
上可能である。これは、反射型波面変換素子２６に対す
る入射角θPRが小さくできることを意味し、後述する結
像性能の観点から優れている。
【０１１２】ここで、θPRと結像性能の関係について説
明する。反射型波面変換素子は、光線の入射角度が０°
の場合、回転対称形状の波面変換を行うことによって、
集光位置における球面収差を完全に補正することができ
る。しかし、入射角度が大きくなると軸外収差の成分が
発生するため、十分な補正ができなくなる。この結果、
像が劣化する。しかしながら、入射角がある範囲内であ
ればこの劣化は無視できる程に小さい。
【０１１３】そこで、対物レンズの瞳と共役な位置に反
射型波面変換素子を傾けて配置し、焦点移動と球面収差
補正を行った場合に、ストレール強度比が０．７以上と
なる入射角θPRの上限値をシミュレーションによって求
めた。その結果を表６〜表９に示す。なお、対物レンズ
は無限遠型の理想対物レンズである。
【０１１４】
【０１１５】
【０１１６】
【０１１７】これより、θPRの上限はＮＡ、波長、ΔＺ
の関数であり、対物レンズの焦点距離ｆOBには関係がな
いことが分かり、次式（４）で表わされる。
【０１１８】 θPR≦５０・ＮＡ-1√（λ・ΔＺ-1） ・・・（４） ここで、θPR：波面変換素子への主光線の入射角（°） ΔＺ：焦点移動量 λ ：照明光の波長 ＮＡ：対物レンズの開口数 である。
【０１１９】上記表６及び表９結果を、上記式（４）の
曲線と合わせてそれぞれ図２１及び図２２に示す。
【０１２０】図２１、図２２より、式（４）の曲線は表
６、表９の結果と一致することが分かる。すなわち、反
射型波面変換素子への入射角θPRは、式（４）によって
決めることができる。
【０１２１】第１０発明の走査型光学顕微鏡について、
トーリック面を用いた光量損失の低減に関して、図２３
〜図２６、及び、表１０を参照して説明する。
【０１２２】波面変換素子によって焦点移動を行い、か
つ、光量の損失がなく、明るい像が得られる別のＬＳＭ
は、図２３の構成によって実現できる。なお、以下の説
明で用いる非球面トーリック面とは、面形状に関して、
直交する２つの対称面を有し、かつ、これらの対称面と
交わる曲線が非球面の断面形状で表わされるものを意味
する。
【０１２３】レーザー光源６は照明光２を発し、コリメ
ーションレンズ４で平行光に変換され、ビームスプリッ
ター２１を透過し、非球面トーリック面形状に制御され
る反射型波面変換素子４４（以下、トーリック面波面変
換素子と略称する。）に斜めに入射する。照明光はトー
リック面波面変換素子４４で波面変換を受けて反射し、
対物レンズ７によって試料９上に集光される。試料９か
らの観察光は逆の経路をたどり、ビームスプリッター２
１で反射し、凸レンズ２８で光検出器２９に集光され
る。
【０１２４】ここで、トーリック面波面変換素子４４に
よって焦点移動及びこれに伴う球面収差の補正がなされ
る。
【０１２５】また、アクチュエータ８によって対物レン
ズ７のＸ−Ｙ走査がなされることは前述のものと同様で
ある。
【０１２６】蛍光観察を行う際には、ビームスプリッタ
ー２１の代わりに、適切な波長特性を有するダイクロイ
ックミラーを用いることが望ましい。
【０１２７】このトーリック面波面変換素子４４に対し
て光束を斜めに入射する配置は、ここに示した対物レン
ズ走査方式のＬＳＭのみならず、ガルバノミラー等によ
るビームスキャン方式のＬＳＭにおいても、光量損失を
減らす上で極めて有効である。
【０１２８】ここで、波面変換素子の面形状としてなぜ
非球面トーリック面を用いるかについて説明する。
【０１２９】反射型波面変換素子を図２３に示す配置で
用い、焦点移動をさせる場合、収差を完全に補正するた
めには、波面変換素子の面形状を自由曲面形状に制御す
ることが望ましい。しかし、自由曲面は形状に対称性を
持たないため、必要な形状を光の波長オーダーの精度で
正確に実現することは容易ではない。ところで、本願発
明者は、図２３の配置において、実際に必要とされる反
射型波面変換素子の形状を解析した結果、確かに必要な
形状は厳密には自由曲面であるが、高い対称性を持ち、
非球面トーリック面に極めて近いことを見出した。この
ことを、図２４〜図２６を用いて説明する。
【０１３０】図２４は、反射型波面変換素子４４を有す
る対物レンズ走査型顕微鏡のモデルである。ビーム径φ
４．２ｍｍ、波長８３０ｎｍの平行照明光が、長径５．
９４ｍｍ、短径４．２０ｍｍの楕円形有効径を有する反
射型波面変換素子４４に、入射角４５°で入射する。照
明光は波面変換を受け、光路を９０°曲げられ光軸上で
１０ｍｍ離れて位置する対物レンズ７に入射する。対物
レンズ７は、焦点距離３ｍｍ、ＮＡ０．７の理想対物レ
ンズである。そして、この集光位置が、物体側焦点Ｆか
らΔＺ＝０．０４（ｍｍ）離れた位置に移動するよう
に、反射型波面変換素子４４の面形状を形成する。この
とき、反射型波面変換素子４４の面形状が自由曲面形状
である場合と非球面トーリック面形状である場合を比較
する。
【０１３１】図２５は、反射型波面変換素子４４の面形
状が自由曲面である場合の反射面形状の等高線図（単
位：μｍ）である。また、図２６は上記の自由曲面から
ξ−ζ平面とη−ζ平面を対称面とする非球面トーリッ
ク面を差し引いた形状の等高線図である。なお、図２
５、図２６においては、長径５．６ｍｍ、短径３．９ｍ
ｍの楕円範囲を太線で示す。また、同範囲内での等高線
を細線で示す。図２５より、この反射面形状には、ξ−
ζ平面に関してわずかに非対称な成分が認められる（η
−ζ平面に関しては、対称であることが自明）。最大変
位は８μｍである。
【０１３２】一方、図２６における最大変位は、プラス
側が＋０．０４μｍ、マイナス側が−０．０６μｍであ
り、何れも上記自由曲面の最大変位８μｍの１％以下で
ある。
【０１３３】上記非球面トーリック面と自由曲面との形
状の差が、実用上問題がないことを以下に示す。
【０１３４】図２４において、トーリック面波面変換素
子４４を置いた状態で、対物レンズ７にφ３ｍｍの絞り
４８を付加し、絞り４８と対物レンズ７を一体的にＸ−
Ｙ方向に走査した場合のストレール強度比を求めた。そ
の結果を表１０（ａ）、（ｂ）に示す。ここで、結像特
性のＸＹ方向の分布に関して、Ｘ軸に関しては非対称、
Ｙ軸に関しては対称であることが自明なので、表１０
（ａ）においてΔＸ＝０〜＋０．５（ｍｍ）、表１０
（ｂ）においてΔＹ＝−０．５〜＋０．５（ｍｍ）の範
囲で求めた。
【０１３５】これより、ΔＸ＝±０．４（ｍｍ）、ΔＹ
＝±０．４（ｍｍ）の範囲においては、ストレール強度
比が０．７以上となり、非球面トーリック面でも十分な
結像性能が得られることが分かる。
【０１３６】以上の本発明の走査型光学顕微鏡は例えば
次のように構成することができる。
【０１３７】〔１〕 光源と、該光源から発する照明光
に任意の波面変換を与える波面変換素子と、該波面変換
素子から発する波面変換後の照明光を試料に集光する対
物レンズと、該試料から発する信号光を検出する検出器
と、前記対物レンズを光軸と直交する方向に走査するア
クチュエーターとを有することを特徴とする走査型光学
顕微鏡。
【０１３８】〔２〕 前記波面変換素子は、前記アクチ
ュエーターが前記対物レンズで光軸と直交する試料の一
断面上を走査する場合、前記照明光に対して一定の波面
変換を与えることを特徴とする上記１記載の走査型光学
顕微鏡。
【０１３９】〔３〕 前記対物レンズが光軸と直交する
方向へ移動したときの移動量をΔｘとするとき、下記条
件式（１）を満たすことを特徴とする上記１又は２記載
の走査型光学顕微鏡。
【０１４０】 ΔＸ≦０．６６ｆOB・λ／（ΔＺ・ＮＡ4 ） ・・・（１） ここで、ｆOB：対物レンズの焦点距離 ΔＺ：波面変換素子によって生じる焦点移動量 λ ：照明光の波長 ＮＡ：対物レンズの開口数 である。
【０１４１】〔４〕 光源と、該光源から発する照明光
を収束光に変換する正のパワーを有する光学素子と、開
口を有する反射鏡と、該照明光に任意の波面変換を与え
る反射型の波面変換素子と、該波面変換された照明光を
試料に集光する対物レンズと、該試料から発する信号光
を検出する検出器とを有することを特徴とする走査型光
学顕微鏡。
【０１４２】〔５〕 前記開口を有する反射鏡を含む光
学系が、下記条件式（２）を満たすことを特徴とする上
記４記載の走査型光学顕微鏡。
【０１４３】 ｒHmin／ｒMinc≦０．５ ・・・（２） ここで、ｒHmin：光軸から反射鏡部エッジまでの長さの
最小値 ｒMinc：開口を有する反射鏡に入射する波面変換された
照明光の半径 である。
【０１４４】〔６〕 光源と、該光源から発する照明光
を収束光に変換する正のパワーを有する光学素子と、前
記収束光の集光位置に配置された反射鏡と、該照明光に
任意の波面変換を与える反射型の波面変換素子と、該波
面変換された照明光を試料に集光する対物レンズと、該
試料から発する信号光を検出する検出器とを有すること
を特徴とする走査型光学顕微鏡。
【０１４５】〔７〕 前記反射鏡を含む光学系が、下記
条件式（３）を満たすことを特徴とする上記６記載の走
査型光学顕微鏡。
【０１４６】 ｒMmin／ｒAinc≦０．５ ・・・（３） ここで、ｒMmin：光軸から反射鏡部エッジまでの長さの
最小値 ｒAinc：反射鏡の位置における波面変換された照明光の
半径 である。
【０１４７】〔８〕 光源と、該光源から発する照明光
に任意の波面変換を与える反射型の波面変換素子と、波
面変換後の照明光を試料に集光する対物レンズとを備
え、前記光源が該試料から発する信号光を検出する検出
器であることを特徴とする走査型光学顕微鏡。
【０１４８】
〔９〕 光源と、該光源から発する照明光
に任意の波面変換を与える反射型の波面変換素子と、該
波面変換素子から発する波面変換後の照明光を試料に集
光する対物レンズと、該試料から発する信号光を検出す
る検出器とを有し、前記反射型の波面変換素子を下記条
件式（４）を満たすように光路中に配置したことを特徴
とする走査型光学顕微鏡。
【０１４９】 θPR≦５０・ＮＡ-1√（λ・ΔＺ-1） ・・・（４） ここで、θPR：前記波面変換素子への主光線の入射角
（°） ΔＺ：焦点移動量 λ ：前記照明光の波長 ＮＡ：前記対物レンズの開口数 である。
【０１５０】〔１０〕 光源と、前記光源から発する照
明光に波面変換を与える反射型の波面変換素子と、該波
面変換素子から発する波面変換後の照明光を試料に集光
する対物レンズと、該試料から発する信号光を検出する
検出器とを有し、前記反射型の波面変換素子の反射面が
非球面トーリック面形状に制御されることを特徴とする
走査型光学顕微鏡。
【０１５１】
【発明の効果】本発明の波面変換素子を用いたレーザー
走査型顕微鏡（ＬＳＭ）等の走査型光学顕微鏡は、下記
効果をもたらす。
【０１５２】第１の走査型光学顕微鏡は、光軸と直交す
る方向の走査を対物レンズの走査によって行うので、波
面変換素子によって焦点移動がなされている場合であっ
ても、軸外での結像性能の劣化が少なく、かつ、装置の
構成上も、対物レンズ瞳が波面変換素子と共役でなくて
もよい。
【０１５３】第２の走査型光学顕微鏡は、対物レンズを
光軸と直交する方向に走査する場合に、波面変換素子が
照明光に与える波面変換を変化させる必要がないので、
波面変換素子の駆動制御が容易になる。
【０１５４】第３の走査型光学顕微鏡は、波面変換素子
による焦点移動を行い、かつ、良好な結像特性を有する
ＬＳＭが得られる。
【０１５５】第４〜第７の走査型光学顕微鏡は、反射型
波面変換素子を用いながら光量の損失が少ないＬＳＭが
得られる。
【０１５６】第８の走査型光学顕微鏡は、反射型波面変
換素子を用いながら光量の損失が少なく、かつ、小型の
ＬＳＭが得られる。
【０１５７】第９〜第１０の走査型光学顕微鏡は、反射
型波面変換素子を用いながら光量の損失がないＬＳＭが
得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の波面変換素子による焦点移動と対物レ
ンズ駆動によるＸ−Ｙ走査をするレーザー走査型顕微鏡
の構成を示す図である。
【図２】波面変換素子による＋側移動焦点及び−側移動
焦点を説明するための図である。
【図３】対物レンズのＸ−Ｙ走査を説明するための図で
ある。
【図４】焦点移動の波面収差を説明するための図であ
る。
【図５】対物レンズの走査の波面収差を説明するための
図である。
【図６】ストレール強度比が０．７以上になる走査幅Δ
Ｘ（ｆOB＝３（ｍｍ）の場合）のシミュレーション結果
と（１）の曲線と合わせて示す図である。
【図７】ストレール強度比が０．７以上になる走査幅Δ
Ｘ（ｆOB＝１０（ｍｍ）の場合）のシミュレーション結
果と（１）の曲線と合わせて示す図である。
【図８】反射型波面変換素子と開口付き反射鏡を有する
１実施例のレーザー走査型顕微鏡の構成を示す図であ
る。
【図９】反射型波面変換素子と開口付き反射鏡を有する
他の実施例のレーザー走査型顕微鏡の構成を示す図であ
る。
【図１０】ガルバノミラーと反射型波面変換素子と開口
付き反射鏡を有する実施例のレーザー走査型顕微鏡の構
成を示す図である。
【図１１】開口付き反射鏡における光の損失を説明する
ための図である。
【図１２】開口付き反射鏡におけるビーム径と開口の投
影形状を示す図である。
【図１３】ガウシアンビームの強度分布図である。
【図１４】反射型波面変換素子と反射鏡を有する実施例
のレーザー走査型顕微鏡の構成を示す図である。
【図１５】反射鏡における光の損失を説明するための図
である。
【図１６】反射鏡におけるビーム径と反射面の投影形状
を示す図である。
【図１７】反射型波面変換素子と発光部兼受光部である
開口を有する実施例のレーザー走査型顕微鏡の構成を示
す図である。
【図１８】反射型波面変換素子と光ファイバーを有する
実施例のレーザー走査型顕微鏡の構成を示す図である。
【図１９】反射型波面変換素子に光束を斜入射させる実
施例のレーザー走査型顕微鏡の構成を示す図である。
【図２０】反射型波面変換素子にコリメーションレンズ
を介して光束を斜入射させる実施例のレーザー走査型顕
微鏡の構成を示す図である。
【図２１】ストレール強度比が０．７以上になる斜入射
角度ΔθPR（ΔＺ＝０．０５（ｍｍ）の場合）のシミュ
レーション結果と（４）の曲線と合わせて示す図であ
る。
【図２２】ストレール強度比が０．７以上になる斜入射
角度ΔθPR（ΔＺ＝０．０２（ｍｍ）の場合）のシミュ
レーション結果と（４）の曲線と合わせて示す図であ
る。
【図２３】非球面トーリック面の反射型波面変換素子を
用いる実施例のレーザー走査型顕微鏡の構成を示す図で
ある。
【図２４】非球面トーリック面の反射型波面変換素子を
有する対物レンズ走査型顕微鏡のシミュレーションモデ
ル図である。
【図２５】反射型波面変換素子が自由曲面型である場合
の最適化した反射面形状の等高線図である。
【図２６】図２５の最適化された自由曲面から最適化さ
れたトーリック面を差し引いた形状の等高線図である。
【図２７】ビームスプリッターによって光路分割をする
従来の顕微鏡の構成を示す図である。
【図２８】ビームスプリッターによって光路分割をする
従来の２光子顕微鏡の構成を示す図である。
【符号の説明】
１…半導体レーザーチップ ２…照明光 ３…観察光 ４…コリメーションレンズ ５…波面変換素子 ６…レーザー光源 ７…対物レンズ ８…対物レンズアクチュエータ ９…試料 １１…＋側移動焦点 １２…−側移動焦点 １３…発散光波面 １４…収束光波面 １５…補正前照明光 １６…補正後観察光 １７…補正後照明光 １８…補正前観察光 ２０…ビームエキスパンダー ２１…ビームスプリッター ２２…凸レンズ ２３…開口を有する反射プリズム ２４…反射面 ２５…開口 ２６…反射型波面変換素子 ２７…コリメーションレンズ ２８…凸レンズ ２９…光検出器 ３０…凸レンズ ３１…反射面を有するプリズム ３２…反射面 ３３…コリメーションレンズ ３４…支持部材 ３５…コリメーションレンズ ３６…光ファイバー ３７…凸レンズ（コリメーションレンズ） ３８…主光線 ３９…理想波面 ４０…投影面 ４１…投影面 ４２…開口を有する反射鏡 ４３…光学素子 ４４…反射型波面変換素子（トーリック面波面変換素
子） ４５…対物レンズ瞳 ４６…瞳リレー光学系 ４７…ガルバノミラー ４８…絞り Ｆ…物体側焦点 Ｑ…集光点

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 光源と、該光源から発する照明光に任意
    の波面変換を与える波面変換素子と、該波面変換素子か
    ら発する波面変換後の照明光を試料に集光する対物レン
    ズと、該試料から発する信号光を検出する検出器と、前
    記対物レンズを光軸と直交する方向に走査するアクチュ
    エーターとを有することを特徴とする走査型光学顕微
    鏡。
  2. 【請求項２】 光源と、該光源から発する照明光を収束
    光に変換する正のパワーを有する光学素子と、開口を有
    する反射鏡と、該照明光に任意の波面変換を与える反射
    型の波面変換素子と、該波面変換された照明光を試料に
    集光する対物レンズと、該試料から発する信号光を検出
    する検出器とを有することを特徴とする走査型光学顕微
    鏡。
  3. 【請求項３】 光源と、該光源から発する照明光を収束
    光に変換する正のパワーを有する光学素子と、前記収束
    光の集光位置に配置された反射鏡と、該照明光に任意の
    波面変換を与える反射型の波面変換素子と、該波面変換
    された照明光を試料に集光する対物レンズと、該試料か
    ら発する信号光を検出する検出器とを有することを特徴
    とする走査型光学顕微鏡。
  4. 【請求項４】 光源と、該光源から発する照明光に任意
    の波面変換を与える反射型の波面変換素子と、波面変換
    後の照明光を試料に集光する対物レンズとを備え、前記
    光源が該試料から発する信号光を検出する検出器である
    ことを特徴とする走査型光学顕微鏡。
  5. 【請求項５】 光源と、該光源から発する照明光に任意
    の波面変換を与える反射型の波面変換素子と、該波面変
    換素子から発する波面変換後の照明光を試料に集光する
    対物レンズと、該試料から発する信号光を検出する検出
    器とを有し、前記反射型の波面変換素子を下記条件式
    （４）を満たすように光路中に配置したことを特徴とす
    る走査型光学顕微鏡。 θPR≦５０・ＮＡ-1√（λ・ΔＺ-1） ・・・（４） ここで、θPR：前記波面変換素子への主光線の入射角
    （°） ΔＺ：焦点移動量 λ ：前記照明光の波長 ＮＡ：前記対物レンズの開口数 である。
  6. 【請求項６】 光源と、前記光源から発する照明光に波
    面変換を与える反射型の波面変換素子と、該波面変換素
    子から発する波面変換後の照明光を試料に集光する対物
    レンズと、該試料から発する信号光を検出する検出器と
    を有し、前記反射型の波面変換素子の反射面が非球面ト
    ーリック面形状に制御されることを特徴とする走査型光
    学顕微鏡。
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