JP2013020144A - 光走査装置および光走査型観察装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光源からの照明光の光量を低下させることなく、ガルバノミラーの周波数より高い周波数で照明光を走査させる。
【解決手段】光源からの光を一方向に走査させる光走査部２と、走査された光を集光して略直線状の第１中間像Ｍ１を生成する結像レンズ３と、生成された第１中間像Ｍ１の像面近傍に配置され、第１中間像Ｍ１を長さ方向に分割し、分割された第１中間像Ｍ１の各々に対応する光束を異なる光路Ｌ１，Ｌ２に通過させる光路分離部４と、分割された第１中間像Ｍ１の少なくとも１つに対応する光束が通過させられる光路Ｌ１において、光束を集光して第２中間像Ｍ２を生成するリレー光学系８と、生成された第２中間像Ｍ２と分割された他の第１中間像Ｍ１、または、生成された複数の第２中間像Ｍ２どうしを相互に平行間隔をあけて配置される複数の略直線状の像からなる中間像として再合成する光路合成部５とを備える光走査装置１を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光走査装置および光走査型観察装置に関するものである。

従来、ガルバノミラーのような光走査装置において、走査速度を増大させる技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
この特許文献１においては、１本のレーザビームを複数のレーザビームに分割し、それらに所定の角度差を与えた上で一組のビーム列として同一のガルバノミラーに入射させ、ガルバノミラーによって反射されたビーム列をスリット状の絞りに通すこととしている。この装置によれば、ビーム列を構成する複数のレーザビームが時間間隔をあけて順次絞りを通過させられるので、ガルバノミラーの１回の揺動期間に、複数本の走査線を標本上に形成することができる。

特開平５−１７３０８５号公報

しかしながら、特許文献１の光走査装置は、１本のレーザビームを複数本に分割し、各走査線にはそのうちの１本のレーザビームのみを用いるので、照明光量が分割数分の１に低減されてしまい、照明効率が著しく低いという不都合がある。
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、光源からの照明光の光量を低下させることなく、ガルバノミラーの周波数より高い周波数で照明光を走査させることができる光走査装置および光走査型観察装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、光源からの光を一方向に走査させる光走査部と、該光走査部により走査された光を集光して略直線状の第１中間像を生成する結像レンズと、該結像レンズにより生成された前記第１中間像の像面近傍に配置され、前記第１中間像を長さ方向に分割し、分割された前記第１中間像の各々に対応する光束を異なる光路に通過させる光路分離部と、該光路分離部により分割された前記第１中間像の少なくとも１つに対応する光束が通過させられる光路において、光束を集光して第２中間像を生成するリレー光学系と、該リレー光学系により生成された第２中間像と分割された他の前記第１中間像、または、前記リレー光学系により生成された複数の第２中間像どうしを相互に平行間隔をあけて配置される複数の略直線状の像からなる中間像として再合成する光路合成部とを備える光走査装置を提供する。

本発明によれば、光源から発せられた光が光走査部によって一方向に走査させられ、結像レンズによって集光されることにより略直線状の第１中間像が生成される。この第１中間像は、その像面近傍に配置された光路分離部によって長さ方向に分割され、分割された第１中間像の各部に対応する光束として異なる光路に通過させられる。少なくとも一部の第１中間像は、その光路上に配置されたリレー光学系によってリレーされることにより、第１中間像とは異なる位置に第２中間像が生成される。

そして、第１中間像の一部分のみがリレー光学系を備えた光路を通された場合には、その光路を通過することにより生成された第２中間像と第１中間像の他の部分とが光路合成部により相互に平行間隔をあけて配置される複数の略直線状の像からなる中間像として再合成される。一方、分割された複数の第１中間像に対応する複数の光束が、それぞれ別々のリレー光学系を備えた光路に通された場合には、各リレー光学系により生成された第２中間像どうしが光路合成部により、相互に平行間隔をあけて配置される複数の略直線状の像からなる中間像として再合成される。

すなわち、本発明によれば、光束を複数の光束に分離するのではなく、第１中間像を複数に分割して平行間隔をあけた複数の略直線状の像からなる中間像が形成されるように配列し直すので、各光束の光量は光源からの光の光量のままであるにもかかわらず、光走査部の周波数より高い周波数で照明光を走査させることができる。

上記発明においては、前記光路分離部が、光軸に対して傾斜して、前記第１中間像に対応する光束の移動範囲の一部に配置された平面鏡であってもよい。
このようにすることで、光走査部により走査されて結像レンズにより第１中間像を生成する光束はその走査範囲の一部において平面鏡により反射される。すなわち、平面鏡によって反射されない光束は一の光路に進行し、平面鏡によって反射された光束は他の光路に進行する。これにより、直線状の第１中間像を長さ方向に分割し、分割された各第１中間像に対応する光束を簡易に別個の光路に通すことができる。

また、上記発明においては、前記光路分離部が、光軸に対して逆方向に傾斜した２枚の平面鏡を相互に交差させて配置してなる平面鏡対からなり、該平面鏡対の交線が、前記第１中間像に対応する光束の移動範囲の途中位置に配置されていてもよい。
このようにすることで、光走査部により走査されて結像レンズにより第１中間像を生成する光束はその走査の位置によって異なる平面鏡により反射される。すなわち、一方の平面鏡により反射された光束は一の光路に進行し、他の平面鏡によって反射された光束は他の光路に進行する。これにより、直線状の第１中間像を長さ方向に分割し、分割された各第１中間像に対応する光束を簡易に別個の光路に通すことができる。

また、上記発明においては、前記光路合成部が、光軸に対して逆方向に傾斜した２枚の平面鏡を相互に交差させて配置してなり、該リレー光学系により生成された第２中間像と分割された他の前記第１中間像、または、前記リレー光学系により生成された複数の第２中間像に対応する光束をそれぞれ反射する平面鏡対であってもよい。

このようにすることで、異なる光路に通された複数の光束が、光軸に対して逆方向に傾斜した２枚の平面鏡を相互に交差させて配置してなる光路合成部によって反射される。したがって、複数の光路を通過して来た光束が、相互に対向する方向から光路合成部に入射し、略同一位置に、あるいは、平行間隔をあけた位置に第１中間像と第２中間像あるいは第２中間像どうしが配置されるように各光路のリレー光学系を調節しておくだけで、平行間隔をあけた複数の略直線状の像からなる中間像を簡易に生成することができる。

また、上記発明においては、前記リレー光学系を構成する少なくとも１つのレンズが、光軸および前記第１中間像の長さ方向に直交する方向に移動可能に設けられていてもよい。
このようにすることで、リレー光学系を構成する少なくとも１つのレンズの移動量を調節して光路合成部により再合成される中間像の平行間隔の大きさを調節することができる。これにより走査線の密度を調節することができ、あるいは、走査範囲を変化させることによりズームを行う際に、走査線の間隔を調節して解像度を変化させないようにすることもできる。

また、本発明は、上記いずれかの光走査装置を備える光走査型観察装置を提供する。
本発明によれば、光走査部の駆動により得られる１回の走査軌跡を長さ方向に分割して平行間隔をあけた複数の走査軌跡に並べ替えることができ、観察対象に対して短時間で広範囲の照明を行うことができる。その結果、観察対象の高速に変化する現象を精度よく観察することができる。

本発明によれば、光源からの照明光の光量を低下させることなく、ガルバノミラーの周波数より高い周波数で照明光を走査させることができるという効果を奏する。

本発明の第１の実施形態に係る光走査装置を示す斜視図である。 図１の光走査装置の平面図である。 図１の光走査装置により、ガルバノミラーを片道走査させた際に生成される走査軌跡を図１の矢印Ｆ方向からみた図である。 図１の光走査装置の第１の変形例を示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係る光走査装置を示す斜視図である。 図５の光走査装置の平面図である。 図５の光走査装置により、ガルバノミラーを片道走査させた際に生成される走査軌跡を図６の矢印Ｆ方向からみた図である。 図５の光走査装置のリレー光学系のレンズ配置を説明する図である。 図５の光走査装置を直列に２つ組み合わせた変形例を示す平面図である。 図９の光走査装置により、ガルバノミラーを片道走査させた際に生成される走査軌跡を図９の矢印Ｆ方向からみた示す図である。 図９の光走査装置により、ガルバノミラーを１２８回走査させた際に生成される走査軌跡を示す図である。 図９の光走査装置の変形例を示す斜視図である。 図９の光走査装置の他の変形例を示す斜視図である。

本発明の第１の実施形態に係る光走査装置１について図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る光走査装置１は、図１に示されるように、光源（図示略）からの光を走査するガルバノミラー（光走査部）２と、該ガルバノミラー２により走査された光を集光して一直線状の第１中間像Ｍ１を生成する結像レンズ３と、該結像レンズ３により集光された光束のガルバノミラー２による移動経路の半分に、光束の移動方向に沿い、かつ、光軸に対して４５°の角度をなして傾斜配置された第１の平面鏡（光路分離部）４と、該第１の平面鏡４を挟んで結像レンズ３とは反対側に、第１の平面鏡４に対して直交して配置された第２の平面鏡（光路合成部）５とを備えている。図１に示す例では、第１の平面鏡４と第２の平面鏡５とは相互に交差する位置で１つの稜線をなす屋根型の平面鏡対を構成している。

第１の平面鏡４が光束の移動経路の半分に配置されることにより、結像レンズ３により集光された光束の光路は、第１の平面鏡４を通過しない第１の光路Ｌ１と、第１の平面鏡４により反射されて９０°偏向される第２の光路Ｌ２とに分離されるようになっている。
第１の光路Ｌ１には、リレーレンズ６とミラー７とからなるリレー光学系８が配置されている。

第１の平面鏡４を通過せずにそのまま直進した光束は、第１中間像Ｍ１を結像した後にリレーレンズ６を通過させられることにより略平行光となり、ミラー７によって折り返されて、再度、リレーレンズ６を通過させられることにより集光され、第２中間像Ｍ２を結像するようになっている。

第１の平面鏡４に入射する光束およびリレー光学系８を通過してきた光束は、第１の平面鏡４および第２の平面鏡５がなければ、同一直線上に第１中間像Ｍ１または第２中間像Ｍ２を結像するようになっている。このため、第１の平面鏡４に入射する光束は、第１の平面鏡４によって９０°偏向されて鉛直上方に指向させられ、その途中で第１中間像Ｍ１を結像するようになっている。また、第２の平面鏡５に入射する光束は、第２の平面鏡５によって９０°偏向されて鉛直上方に指向させられ、その途中で第２中間像Ｍ２を結像するようになっている。

このように構成された本実施形態に係る光走査装置１の作用について、以下に説明する。
ガルバノミラー２を往復揺動させて、ガルバノミラー２に光源からの光を入射させると、光源からの光束がガルバノミラー２によって偏向され、ガルバノミラー２の揺動角度範囲の２倍の揺動角度範囲にわたって揺動させられる。

ガルバノミラー２により偏向された光源からの光束は、結像レンズ３により一直線状の第１中間像Ｍ１を形成するように集光される。図２においては、説明を簡単にするために、ガルバノミラー２の揺動により、光束が移動して、結像レンズ３によって結像され、符号Ｓ１〜Ｓ９の順に第１中間像Ｍ１が生成される場合を例に挙げて説明する。

符号Ｓ１〜Ｓ５（符号Ｓ５については半分）の位置の第１中間像Ｍ１に対応する光束の光路Ｌ１上には第１の平面鏡４が配置されていないので、光束は、そのまま直進する。そして、これらの光束は、符号Ｓ１〜Ｓ５の位置に第１中間像Ｍ１を結像した後、リレーレンズ６によって集光されて略平行光とされ、ミラー７によって折り返され、再度、リレーレンズ６によって集光されて第１の平面鏡４の背面側に配置されている第２の平面鏡５に入射される。第２の平面鏡５に入射された光は、第２の平面鏡５によって９０°偏向され、図２の紙面に直交する手前方向に指向させられて、符号Ｓ１’〜Ｓ５’の位置において第２中間像Ｍ２を結像する。

一方、符号Ｓ５〜Ｓ９（符号Ｓ５については半分）の位置の第１中間像Ｍ１に対応する光束の光路Ｌ２上には第１の平面鏡４が配置されているので、光束は、第１の平面鏡４によって９０°偏向され、図２の紙面に直交する手前方向に指向させられて、符号Ｓ５〜Ｓ９の位置において第１中間像Ｍ１を結像する。
これにより、第１の平面鏡４によって９０°偏向されて一直線上に配列された符号Ｓ５〜Ｓ９に対応する第１中間像Ｍ１と、第１の光路Ｌ１を通った光束が集光されることにより生成された符号Ｓ１’〜Ｓ５’に対応する第２の中間像Ｍ２とが、第２の平面鏡５によって、相互に平行間隔をあけた２本の中間像として合成される。

すなわち、本実施形態に係る光走査装置１によれば、ガルバノミラー２の片道揺動によって、図３に示されるように、平行間隔をあけた２本の軌跡Ａ１，Ａ２に沿って、矢印に示す順序で光を走査させることができる。その結果、ガルバノミラー２の駆動周波数の２倍の周波数で、観察対象Ｘ上において光を走査することができる。

例えば、ガルバノミラー２として比較的高速な駆動が可能な共振型ガルバノミラーを用いる場合には、その駆動周波数は約８ｋＨｚであるので、本実施形態に係る光走査装置１によれば、約１６ｋＨｚの駆動周波数で走査することができる。
これにより、本実施形態に係る光走査装置１を蛍光共焦点レーザ走査型顕微鏡のような走査型観察装置に用いることにより、観察対象Ｘにおいて発生する高速に変化する現象を、高いフレームレートによって精度よく観察することができるという利点がある。

なお、本実施形態においては、リレー光学系８を備えた第１の光路Ｌ１を通過させる第１中間像Ｍ１の半分（Ｓ１〜Ｓ５）に対応する光束については、第１の平面鏡４に入射させずにそのまま直進させることとしたが、これに代えて、図４に示されるように、第１の光路Ｌ１を通過させる光束を第１の平面鏡４によって偏向し、第２の光路Ｌ２には第１の平面鏡４を配置せず直進させることとしてもよい。リレー光学系８を備える第１の光路Ｌ１を折り曲げることで、床面に対する投影面積を減少させ、本実施形態に係る光走査装置を搭載する装置の設置面積を小さくしてコンパクト化を図ることができるという利点がある。

次に、本発明の第２の実施形態に係る光走査装置１０について図面を参照して以下に説明する。
本実施形態の説明において、上述した第１の実施形態に係る光走査装置１と構成を共通とする箇所には同一符号を付して説明を省略する。

上述した第１の実施形態に係る光走査装置１において、第１の光路Ｌ１または第２の光路Ｌ２を通過させる光束の一方については第１の平面鏡４に入射させずに直進させることとした。しかし、本実施形態に係る光走査装置１０では、これに代えて、図５および図６に示されるように、両光路Ｌ１，Ｌ２に入射させる光束を、それぞれ別個の第１の平面鏡４に入射させて異なる方向に偏向させ、さらに、２つの光路Ｌ１，Ｌ２を通過してきた光束を別個の第２の平面鏡５によって同一方向に偏向させる点において、第１の実施形態に係る光走査装置１と相違している。

図５および図６に示す例では、２つの第１の平面鏡４は、その交線において稜線４ａをなす屋根型の平面鏡対を構成している。また、図５および図６に示す例では、２つの第２の平面鏡５は、相互に直交する反射面を有し、図６における紙面と直交する方向に相互にずれた位置に配置されている。さらに、第２の平面鏡５は、それらの反射面の交線が、図６に示されるように、２つの光路Ｌ１，Ｌ２の光軸上の一箇所で交わり、なおかつ光路Ｌ１，Ｌ２の光軸に対して反射面を４５°傾斜させて、平面視Ｘ字状に配置されている。

また、各光路Ｌ１，Ｌ２には、それぞれリレー光学系８が配置されている。各リレー光学系８は、２つのリレーレンズ６と、該リレーレンズ６間において光路を１８０°折り曲げる２枚のミラー７とによって構成されている。第１の光路Ｌ１のリレー光学系８を構成する２つのリレーレンズ６の光軸は、図８（ａ）に示されるように、結像レンズ３の光軸に対して一方向にそれぞれΔｙ／２だけオフセットしている。また、第２の光路Ｌ２のリレー光学系８を構成する２つのリレーレンズ６の光軸は、図８（ｂ）に示されるように、結像レンズ３の光軸に対して、上記とは逆方向にそれぞれΔｙ／２だけオフセットしている。

これにより、第１の光路Ｌ１を通過してリレー光学系８によりリレーされて結像される第２中間像Ｍ２は、第１中間像Ｍ１に対して一方向にΔｙだけオフセットした位置に生成され、第２の光路Ｌ２を通過してリレー光学系８によりリレーされて結像される第２中間像Ｍ２は、第１中間像Ｍ１に対して上述の光路Ｌ１の場合とは逆方向にΔｙだけオフセットした位置に生成される。すなわち、２つの第２中間像Ｍ２は、２Δｙだけ平行間隔をあけて生成される。

そして、第１の光路Ｌ１および第２の光路Ｌ２を通過した光束が、両光路Ｌ１，Ｌ２上の一箇所に配置されている２つの第２の平面鏡５によって同一方向に偏向されることにより、各光束に対応する第２中間像Ｍ２が長さ方向に重なる位置に生成される。
すなわち、２つの光路Ｌ１，Ｌ２を通過した光束に対応して生成される第２中間像Ｍ２は、各リレー光学系８によって相互に２Δｙだけ間隔をあけられ、かつ、第２の平面鏡５によって長さ方向に重複させられて、図７に示されるように、平行間隔をあけた２つの中間像を生成する光束として再合成することができる。

なお、上記各実施形態に係る光走査装置１，１０は、直列に複数重ねることにより、駆動周波数をさらに増大させることができる。
例えば、第２の実施形態に係る光走査装置１０を２つ重ねた例を図９に示す。

図９に示す例では、図５の光走査装置１０を直列に２つ配置するとともに、両光走査装置１０の間に２つのリレーレンズ１１からなるリレー光学系１２を配置し、さらに、後段の光走査装置１０の後方に集光レンズ１３およびガルバノミラー１４を配置している。これにより、前段の光走査装置１０によって２列の走査線が形成され、後段の光走査装置１０によって、図１０に示されるような４列の走査線Ａ１〜Ａ４が形成される。
すなわち、ガルバノミラー２の駆動周波数の４倍の駆動周波数で走査することができる。

そして、光走査装置１０の最後尾に配置したガルバノミラー１４の揺動によって、最前部のガルバノミラー２による走査方向とは直交する方向にずらしながら走査することにより、図１１に示されるように、広範囲にわたって観察対象Ｘ上において光を走査させることができる。
図１１に示す例は、１２８回の走査によって形成された５１２本の走査線を示している。走査線は図１０の右側に番号で示される順序に従って、図１１の第１領域〜第４領域に１本ずつ形成される。

また、図１１に示される走査範囲を全視野とした場合に、その一部の視野範囲のみを走査範囲とするようにガルバノミラー２，１４の揺動角度を狭めることで、実質的に観察倍率を増大させる、いわゆるガルバノズームを行う場合には、２つのガルバノミラー２，１４の揺動範囲を狭めるだけでなく、これに応じてリレー光学系８による第２中間像Ｍ２のオフセット量も変化させる必要がある。この場合には、図８に示される各リレーレンズ６を光軸に直交する方向に移動可能に支持する移動機構（図示略）を設けておけばよい。移動機構の構造は、直動機構あるいは揺動機構のいずれでもよいし、使用するアクチュエータも任意のものを採用してよい。

また、図５に示す例では、リレー光学系８として２つのリレーレンズ６を備えるものを例示したが、図１のリレー光学系８と同様に、単一の大きなレンズを配置して往復の光束を両方とも通過させることにしてもよい。これにより部品点数を低減することができる。

また、図１２に示されるように、リレー光学系の折り返し方向を９０°回転させてもよい。これにより、床面への投影面積を低減することができる。また、図１２に示す例では、結像レンズ３をリレーレンズとしても利用しており、部品点数を低減している。

また、図１３に示されるように、第２の平面鏡５として屋根型の平面鏡対を用いることにしてもよい。この場合には、リレーレンズ６による光軸のシフトは不要となり、また、２つの光走査装置１０を上下に直列配置でき、設置スペースを低減して装置のコンパクト化を図ることができる。

Ｌ１ 第１の光路（光路）
Ｌ２ 第２の光路（光路）
Ｍ１ 第１中間像
Ｍ２ 第２中間像
１，１０ 光走査装置
２，１４ ガルバノミラー（光走査部）
３ 結像レンズ
４ 第１の平面鏡（光路分離部）
４ａ 稜線（交線）
５ 第２の平面鏡（光路合成部）
６，１３ リレーレンズ（レンズ）
８ リレー光学系

Claims (6)

1. 光源からの光を一方向に走査させる光走査部と、
   該光走査部により走査された光を集光して略直線状の第１中間像を生成する結像レンズと、
   該結像レンズにより生成された前記第１中間像の像面近傍に配置され、前記第１中間像を長さ方向に分割し、分割された前記第１中間像の各々に対応する光束を異なる光路に通過させる光路分離部と、
   該光路分離部により分割された前記第１中間像の少なくとも１つに対応する光束が通過させられる光路において、光束を集光して第２中間像を生成するリレー光学系と、
   該リレー光学系により生成された第２中間像と分割された他の前記第１中間像、または、前記リレー光学系により生成された複数の第２中間像どうしを相互に平行間隔をあけて配置される複数の略直線状の像からなる中間像として再合成する光路合成部とを備える光走査装置。
2. 前記光路分離部が、光軸に対して傾斜して、前記第１中間像に対応する光束の移動範囲の一部に配置された平面鏡である請求項１に記載の光走査装置。
3. 前記光路分離部が、光軸に対して逆方向に傾斜した２枚の平面鏡を相互に交差させて配置してなる平面鏡対からなり、
   該平面鏡対の交線が、前記第１中間像に対応する光束の移動範囲の途中位置に配置されている請求項１に記載の光走査装置。
4. 前記光路合成部が、光軸に対して逆方向に傾斜した２枚の平面鏡を相互に交差させて配置してなり、該リレー光学系により生成された第２中間像と分割された他の前記第１中間像、または、前記リレー光学系により生成された複数の第２中間像に対応する光束をそれぞれ反射する平面鏡対である請求項１から請求項３のいずれかに記載の光走査装置。
5. 前記リレー光学系を構成する少なくとも１つのレンズが、光軸および前記第１中間像の長さ方向に直交する方向に移動可能に設けられている請求項１から請求項４のいずれかに記載の光走査装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載の光走査装置を備える光走査型観察装置。

Images