JP2012208327A - Scanning microscope - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、走査型顕微鏡に関する。 The present invention relates to a scanning microscope.
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。 As is well known, a scanning confocal microscope (hereinafter referred to as a scanning microscope) irradiates an observation sample with a laser beam through an objective lens, thereby irradiating reflected light from the observation sample or an observation sample. As a result, the fluorescence generated from the sample is imaged in the form of a point again via the objective lens and the optical system, and this is detected by a detector to obtain a point image. At this time, a two-dimensional image can be obtained by scanning the entire two-dimensional XY plane of the observation sample using a galvanometer mirror that is a deflection element.
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。
FIG. 7 shows a specific path of the laser beam in such a scanning microscope. The laser beam incident from the A direction passes through the
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。 By the way, in such a scanning microscope, in order to obtain a uniform two-dimensional image by two-dimensional scanning with a laser beam, the exit pupil of the objective lens is always used regardless of the rotation angle (swing angle) of the two deflection elements. And the center of rotation of the laser beam passing through the objective lens must coincide with each other. For this purpose, the rotational center of the deflecting element and the pupil position of the objective lens should be in a conjugate relationship. However, since two deflection elements are used for two-dimensional scanning of the laser beam, it is not always possible to set both of these two deflection elements so as to be conjugate with the pupil position of the objective lens. . Therefore, in Patent Document 1, a first deflecting element that deflects a light beam along one direction, a second deflecting element that further deflects the light beam deflected by the first deflecting element along the direction, And a driving unit that rotates the second deflecting element in synchronization with each other, and the center position of the deflection caused by the rotation of the light beam deflected by the second deflecting element is between the first and second deflecting elements. The first and second deflecting elements are arranged so as to coincide with the position conjugate with the pupil position of the objective lens.
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。 However, in the above-described scanning microscope, since the center position (rotation center) of deflection is between the first and second deflection elements, the third deflection deflects along a direction perpendicular to the one direction. The element needs to be placed between the first and second deflection elements. For this reason, the distance between the first and second deflecting elements is widened, and the entire scanning microscope is increased in size.
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。 The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide a scanning microscope in which the first and second deflecting elements can be arranged close to each other and the whole is downsized.
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。 In order to solve the above-described problems, a scanning microscope according to the present invention is arranged between an objective lens that collects illumination light emitted from a light source and irradiates a sample surface, and the light source and the objective lens. A scanning unit that scans the sample surface with light, and each of the scanning units includes a first deflecting element and a second deflecting element each having a reflecting surface that is rotated about a rotation axis that faces the first direction. And a third deflecting element having a reflecting surface rotated about a rotation axis facing a second direction different from the first direction, and the illumination light incident from the light source side is the first The illumination light reflected by the deflection element and further reflected by the first deflection element is reflected by the second deflection element, and the illumination light is scanned in a direction substantially orthogonal to the first direction on the sample surface. The first deflecting element and the second deflecting element are arranged so that the first deflecting element The first deflection element and the second deflection element are arranged so that the rotation center of the illumination light by the deflection element and the second deflection element is located on the light source side with respect to the first deflection element or on the sample surface side with respect to the second deflection element. The second deflecting element rotates, and the third deflecting element is arranged so that the reflecting surface is located at the center of rotation and the sample surface is scanned in a direction substantially perpendicular to the second direction. Features.
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。 In such a scanning microscope, it is preferable that the first deflecting element and the second deflecting element are arranged so that the incident angle of the illumination light with respect to the reflecting surface is smaller than 45 °.
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。 In such a scanning microscope, the first deflecting element and the second deflecting element reflect the illumination light incident on the reflecting surface of the first deflecting element on the reflecting surface of the second deflecting element. It is preferable that the illumination lights emitted in this way are arranged so as to be substantially orthogonal and intersect.
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。 At this time, in the first deflecting element and the second deflecting element, the illumination light that is reflected by the reflecting surface of the second deflecting element and emitted is emitted with respect to the illumination light incident on the reflecting surface of the first deflecting element. It is preferable that they are arranged so as to be substantially orthogonal.
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。 Also, in such a scanning microscope, the first deflection element, the second deflection element, and the third deflection element can move along the optical axis direction of the objective lens without changing the positional relationship with each other. preferable.
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。 When the scanning microscope according to the present invention is configured as described above, the entire scanning microscope can be reduced in size by arranging the first and second deflecting elements close to each other.
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。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. First, the configuration of the scanning microscope according to the present embodiment will be described with reference to FIG. The
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。
The scanning
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。
In the
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。
The laser beam image formed on the
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。
As described above, the
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。
Incidentally, as described above, in such a
[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)。
[First Embodiment]
FIG. 2 described above shows the configuration of the
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。
FIG. 3 shows a case where the laser light incident on the optical axis is scanned in the x-axis direction on the
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。
As shown in FIG. 4, these rotation angles (oscillations) are such that the rotation center P ′ by the first and
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。
As described above, by disposing the
[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。
[Second Embodiment]
As shown in the
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。
Further, as shown in FIG. 5A, in a state where the scanning
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。
Table 1 below shows that the incident beam diameter φ is 5.5 mm, the maximum scanning angle θ is 6.89 °, and the surface interval L1 on the optical axis of the reflection surfaces of the first and
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。
Further, as shown in FIG. 6B, when the intersection angle of the light beam incident on the
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。
The purpose of the first and second embodiments is to align the rotation center of the light beam with the pupil conjugate position of the observation optical system (which refers to the optical system closer to the
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
DESCRIPTION OF
Claims (5)
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。 An objective lens that collects the illumination light emitted from the light source and irradiates the sample surface;
A scanning unit that is arranged between the light source and the objective lens and scans the sample surface with the illumination light;
The scanning unit is
It rotates in a second direction different from the first direction, with the first deflection element and the second deflection element having reflective surfaces rotated about a rotation axis that faces the first direction. A third deflecting element having a reflecting surface rotated about an axis,
The illumination light incident from the light source side is reflected by the first deflection element, and further, the illumination light reflected by the first deflection element is reflected by the second deflection element, and the illumination light is reflected. The first deflection element and the second deflection element are arranged so as to scan in the direction substantially perpendicular to the first direction on the sample surface, and the first deflection element and the second deflection element The first deflection element is arranged such that the center of rotation of the illumination light by the deflection element is positioned closer to the light source than the first deflection element or closer to the sample surface than the second deflection element. And the second deflection element rotates,
The scanning microscope characterized in that the reflection surface is located at the rotation center, and the third deflection element is arranged so as to scan the sample surface in a direction substantially perpendicular to the second direction.
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