JP2013142768A - 走査型顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】ＸＹ両成分の瞳共役を実現することができる走査型顕微鏡を提供する。
【解決手段】走査型顕微鏡１０は、照明光を試料に照射し、この試料から出射した光を集光する対物レンズ３７と、対物レンズ３７の瞳像を投影する瞳投影レンズ３４と、これらのレンズ３７，３４の光軸と略直交する面内の第１の方向に回転する第１の偏向素子３３ｘ、及び、この面内の第１の方向と略直交する第２の方向に回転する第２の偏向素子３３ｙを有して試料を走査する走査ユニット３３と、第１及び第２の方向で異なる屈折力を有し、光軸及び第１の方向を含む第１の面内及び光軸及び第２の方向を含む第２の面内における瞳像をそれぞれ光軸方向の異なる位置に結像させる瞳位置調整光学系３５と、を有し、第１の偏向素子３３ｘは第１の面内の瞳像と略同一位置に回転中心が位置し、第２の偏向素子３３ｙは第２の面内の瞳像と略同一の位置に回転中心が位置するように配置される。
【選択図】図２

Description

本発明は、走査型顕微鏡に関する。

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て検出器で検出するように構成されている。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。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と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おり、走査のために回転することから十分な空間を設けて配置することが必要となるため、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。そのため、２つの偏向素子のいずれか一方を光軸方向に移動させ、この偏向素子の回転角に応じて他方の偏向素子の回転中心を通るように制御することにより、ムラのない２次元画像を得るように構成された走査型顕微鏡が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１０−０６８９０１号公報

しかしながら、偏向素子を移動させることにより視野ムラを改善することはできても、システム構成が複雑で高価になってしまうという課題があった。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、システム構成の大きな変更を伴わずに安価でＸＹ両成分の瞳共役を実現することができる走査型顕微鏡を提供することを目的とする。

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、光源から放射された照明光を集光して試料に照射するとともに、この試料から出射した光を集光する対物レンズと、この対物レンズの瞳像を投影する瞳投影レンズと、対物レンズ及び瞳投影レンズの光軸と略直交する面内の第１の方向に回転する第１の偏向素子、及び、この光軸と略直交する面内の第１の方向と略直交する第２の方向に回転する第２の偏向素子を有し、これらの第１の偏向素子及び第２の偏向素子を用いて照明光により試料を走査する走査ユニットと、第１の方向及び第２の方向で異なる屈折力を有し、光軸及び第１の方向を含む第１の面内における瞳像と光軸及び第２の方向を含む第２の面内における瞳像とをそれぞれ光軸方向の異なる位置に形成する瞳位置調整光学系と、を有し、走査ユニットの第１の偏向素子は第１の面内の瞳像と略同一位置に回転の中心が位置するように配置され、走査ユニットの第２の偏向素子は第２の面内の瞳像と略同一の位置に回転の中心が位置するように配置されることを特徴とする。

このような走査型顕微鏡において、瞳位置調整光学系は、対物レンズによる試料像の位置、若しくはその近傍に配置されることが好ましい。

また、このような走査型顕微鏡において、瞳位置調整光学系は、対物レンズによる試料像の位置の光軸方向の試料側若しくは像側であって、瞳投影レンズの焦点深度の外に配置されることが好ましい。

また、このような走査型顕微鏡は、瞳投影レンズの焦点距離をｆ_sとし、瞳位置調整光学系の第１の面内に関する焦点距離をｆ_cx、第２の面内に関する焦点距離をｆ_cyとし、瞳投影レンズの像側の焦点面から第１の偏向素子の回転中心までの光軸上の距離であって、瞳投影レンズの像側の焦点面から試料方向を正と定義した光軸上の距離をΔＧ_xとし、瞳投影レンズの像側の焦点面から第２の偏向素子の回転中心までの光軸上の距離であって、瞳投影レンズの像側の焦点面から試料方向を正と定義した光軸上の距離をΔＧ_yとしたとき、次式
ｆ_cx ＝ ｆ_s ²／ΔＧ_x
ｆ_cy ＝ ｆ_s ²／ΔＧ_y
の条件を満足することが好ましい。

また、このような走査型顕微鏡において、瞳位置調整光学系は、シリンドリカルレンズであることが好ましい。

本発明によると、システム構成の大きな変更を伴わずに安価でＸＹ両成分の瞳共役を実現することができる走査型顕微鏡を提供することができる。

走査型顕微鏡の構成を示す説明図である。 走査ユニットの構成を示す説明図である。 瞳位置調整光学系による光線の変化を示す説明図であって、（ａ）は光軸及びｘ軸を含む面内を示し、（ｂ）は光軸及びｙ軸を含む面内を示す。 対物レンズの瞳と２つの偏向素子による光束との関係を示し、（ａ）は対物レンズの瞳が一方の偏向素子と共役である場合を示し、（ｂ）は対物レンズの瞳が両方の偏向素子と共役である場合を示す。 瞳位置調整光学系の焦点距離と第１及び第２の偏向素子の配置位置との関係を説明するための説明図であって、（ａ）は瞳位置調整光学系及び瞳投影レンズの合成された焦点面との関係を示し、（ｂ）は瞳位置調整光学系の焦点面との関係を示す。

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）を観察試料に照射して走査する走査光学系３０と、この試料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。なお、以降の説明において、走査光学系３０の光軸方向をｚ軸とし、このｚ軸に直交する面内で互いに直交する方向をそれぞれｘ軸及びｙ軸とする。また、走査光学系３０により走査される試料の面を試料面５０として説明する。

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、瞳位置調整光学系３５、第２対物レンズ３６、及び、対物レンズ３７を有する。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を有する。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。

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光軸に直交する面内で所定の方向（この方向をｘ軸方向とする）に偏向させる第１の偏向素子３３ｘ、及び、光軸に直交する面内で第１の偏向素子３３ｘの偏向方向と略直交する方向（この方向をｙ軸方向とする）に偏向させる第２の偏向素子３３ｙからなる２つの偏向素子で構成されている。また、これらの第１及び第２の偏向素子３３ｘ，３３ｙ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、第２対物レンズ３６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３７によって試料面（対物レンズ３７の焦点面）５０上に結像される。

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３７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、若しくは、このレーザ光により試料が励起して発生する蛍光は、再び対物レンズ３７で集光されて略平行光束となり、第２対物レンズ３６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。

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上のレーザビームが照射された座標と光信号から求められる輝度を用いて、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。

ここで、本実施形態に係る走査型顕微鏡１０の走査光学系３０には、第２対物レンズ３６の一次像面Ｉ上若しくはその近傍に瞳位置調整光学系３５が配置されている。この瞳位置調整光学系３５は、上述した走査ユニット３３の第１及び第２の偏向素子３３ｘ，３３ｙの偏向方向に関して異なる屈折力を有するように構成されている。例えば、この瞳位置調整光学系３５は、図３（ａ）に示すように、第１の偏向素子３３ｘの偏向方向（ｘ軸方向）には屈折力を有さず、図３（ｂ）に示すように、第２の偏向素子３３ｙの偏向方向（ｙ軸方向）には負の屈折力を有するシリンドリカルレンズを用いることができる。

走査光学系３０にこのような瞳位置調整光学系３５を用いることにより、図３に示すように、第２対物レンズ３６及び瞳投影レンズ３４でリレーされる対物レンズ３６の瞳Ｐの像は、ｘ軸方向とｙ軸方向とで異なる位置に形成される。具体的には上述のシリンドリカルレンズを用いた場合、このシリンドリカルレンズはｘ軸方向には屈折力がなく、ｙ軸方向には負の屈折力を有するため、ｙ軸方向の瞳像の形成される位置が像側に移動することになる。そのため、ｘ軸と光軸とを含む第１の面内における瞳像結像位置と略同一の位置にｘ軸方向に回転する第１の偏向素子３３ｘの回転中心を配置し、ｙ軸と光軸とを含む第２の面内における瞳像結像位置と略同一の位置にｙ軸方向に回転する第２の偏向素子３３ｙの回転中心を配置することにより、第１及び第２の偏向素子３３ｘ，３３ｙのいずれも、回転するのに十分な間隔を空けて、その回転中心と瞳像とを一致させることができる。

走査光学系３０にこのような瞳位置調整光学系３５が配置されていない場合、すなわち、走査ユニット３３のいずれか一方の偏向素子にのみ対物レンズ３７の瞳像が形成されている場合（例えば、図３（ａ）に示すように第１偏向素子３３ｘにのみ瞳像が形成されているとき）は、図４（ａ）に示すように、瞳像が形成されていない方の偏向素子（例えば、第２偏向素子３３ｙ）が回転すると、対物レンズ３７の瞳Ｐから光束Ｂがずれて蹴られてしまうため、光量の損失に繋がる。また、画角を持った光束の主光線が、対物レンズ３７の瞳位置において理想光軸から偏心してしまうため、対物レンズ３７の像面におけるテレセントリック性が崩れ、視野の周辺部においてＰＳＦ（点像分布関数）の歪みが生じ、特に、微細構造を観察する際の画質低下に繋がってしまう。

一方、瞳位置調整光学系３５を配置し、第１の偏向素子３３ｘだけでなく、第２の偏向素子３３ｙもその回転中心に対物レンズ３７の瞳像が形成されるように構成することにより、いずれの偏向素子３３ｘ，３３ｙを回転させたとしても、図４（ｂ）に示すように、対物レンズ３７の瞳Ｐから光束Ｂがずれることがなく、光量の損失が発生しないとともに、テレセントリック性の崩れもないため、最良の像を取得することが可能となる。

なお、このような瞳位置調整光学系３５は、上述の例で示したように、負の屈折力を有することが好ましい。負の屈折力を有する瞳位置調整光学系３５を配置することにより、ペッツバール和が小さくなり、収差が収斂しやすくなるため望ましいためである。反対に、この瞳位置調整光学系３５に正の屈折力を持たせると、ペッツバール和が大きくなるため収差設計が難しくなるが、正の屈折力を有する瞳位置調整光学系３５を用いることも可能である。

また、このような瞳位置調整光学系３５は、試料面５０と共役な位置、すなわち、一次像面Ｉ上にその主面が位置する配置が望ましい。この瞳位置調整光学系３５を一次像面Ｉ上に配置することにより、像の共役関係を崩すことなく、瞳共役位置を変化させることが可能となる。反対に、この瞳位置調整光学系３５を一次像面Ｉから光軸方向に離れた位置に配置すると、像の共役関係に瞳位置調整光学系３５の屈折力が影響し、非点収差が発生してまうとともに、像の倍率も変化してしまうため好ましくない。

それでは、図５を用いて瞳位置調整光学系３５の焦点距離と走査ユニット３３を構成する偏向素子３３ｘ，３３ｙの配置位置との関係について説明する。まず、ｘ軸と光軸とを含む第１の面内での関係について説明する。ここで、瞳位置調整光学系３５のｘ軸方向の焦点距離をｆ_cxとし、瞳投影レンズ３４の焦点距離をｆ_sとする。なお、瞳位置調整光学系３５は一次像面Ｉ上に配置されている、すなわち、瞳位置調整光学系３５の主面が瞳投影レンズ３４の物体側の焦点面上に配置されているとする。

走査光学系３０に瞳位置調整光学系３５が配置されていない場合、対物レンズ３７の瞳Ｐの光軸上から出射した光線は第２対物レンズ３６で光軸に略平行とされて瞳投影レンズ３４に入射する。図５（ａ）に示すように、この瞳Ｐの光軸上から出た光線の瞳投影レンズ３４の主面に対する入射高さをｈ₁とする。この光線は瞳投影レンズ３４の像側の焦点面Ｓ_sの光軸上の点を通過する。一方、瞳位置調整光学系３５が配置されている場合、瞳Ｐの光軸上から出た上述の光線は、この瞳位置調整光学系３５と瞳投影レンズ３４の合成主点Ｈ′で屈折する。この光線の瞳投影レンズ３４の主面に対する入射高さをｈ₂とする。この光線は、瞳位置調整光学系３５と瞳投影レンズ３４との合成された焦点面Ｓ_xの光軸上の点を通過する。ここで、瞳投影レンズ３４の主面から瞳位置調整光学系３５と瞳投影レンズ３４の合成された焦点面Ｓ_xまでの光軸上の距離をＬ_Gxとし、瞳投影レンズ３４の像側の焦点面Ｓsからこの合成された焦点面Ｓ_xまでの光軸上の距離をΔＧ_xとすると、次式（１）の関係が成立する。

ｈ₂／Ｌ_Gx ＝ ｈ₁／（Ｌ_Gx＋ΔＧ_x） （１）

また、図５（ａ）より、この走査光学系３０はＬ_Gx＋ΔＧ_x＝ｆ_sの関係を有することから、上記式（１）は次式（２）のように表される。

ｈ₂／ｈ₁ ＝ Ｌ_Gx／ｆ_s （２）

一方、図５（ｂ）に示すように、対物レンズ３７の瞳Ｐの光軸上から出射して第２対物レンズ３６で光軸に略平行とされて瞳位置調整光学系３５の主面の高さｈ₁の位置に入射した光線は、瞳投影レンズ３４が無い場合は、上述の瞳投影レンズ３４の主面上の高さｈ₂相当の位置を通過して、瞳位置調整光学系３５の像側の焦点面Ｓ_cxの光軸上の点を通過する。ここで、瞳投影レンズ３４の像側の焦点面Ｓ_sから瞳位置調整光学系３５の像側の焦点面Ｓ_cxまでの光軸上の距離をｄ_xとすると、次式（３）の関係が成立し、さらに、この式（３）を変形した次式（４）の関係が成立する。

ｈ₁／ｆ_cx ＝ ｈ₂／（ｆ_s＋ｄ_x） （３）
ｈ₂／ｈ₁ ＝ （ｆ_s＋ｄ_x）／ｆ_cx （４）

以上より、式（２）及び式（４）から次式（５）の関係が導き出され、さらに、この式（５）を変形して次式（６）の関係が導き出される。

Ｌ_Gx／ｆ_s ＝ （ｆ_cx＋ｄ_x）／ｆ_cx （５）
ｆ_c・Ｌ_Gx ＝ ｆ_s・（ｆ_s＋ｄ_x） （６）

図５より明らかなように、この走査光学系３０は、ｄ_x＝ｆ_cx−２ｆ_sの関係と、Ｌ_Gx＝ｆ_s−ΔＧ_xの関係とを有しているため、これらの関係を式（６）に当てはめることにより、次式（７）の関係が導き出される。

ｆ_cx ＝ ｆ_s ²／ΔＧ_x （７）

また、上述の第１の面内での関係と同様に、ｙ軸と光軸とを含む第２の面内においても、瞳位置調整光学系３５のｙ軸方向の焦点距離をｆ_cyとし、瞳投影レンズ３４の像側の焦点面Ｓ_sから瞳位置調整光学系３５と瞳投影レンズ３４との合成された焦点面Ｓ_yまでの光軸上の距離をΔＧ_yとすると、次式（８）の関係が導き出される。

ｆ_cy ＝ ｆ_s ²／ΔＧ_y （８）

以上より、瞳投影レンズ３４の像側の焦点面Ｓ_sからΔＧ_x離れた位置に第１の偏向素子３３ｘを配置し、また、瞳投影レンズ３４の像側の焦点面Ｓ_sからΔＧ_y離れた位置に第２の偏向素子３３ｙを配置する場合は、上述の式（７）及び式（８）の関係を満たすように、瞳位置調整光学系３５のｘ軸方向及びｙ軸方向の焦点距離ｆ_cx，ｆ_cyを設定すれば良い。なお、図５においては、瞳位置調整光学系３５がｘ軸方向においてもｙ軸方向においても正の屈折力を有する場合について説明したが、負の屈折力を有する場合も同様である。なお、第１及び第２の偏向素子３３ｘ，３３ｙを配置するための瞳投影レンズ３４の像側の焦点面Ｓ_sから距離ΔＧ_x，ΔＧ_yは、瞳投影レンズ３４の像側の焦点面Ｓ_sから試料面５０の方向を正とする。

ところで、このような瞳位置調整光学系３５は、上述したように一次像面Ｉ上にその主面が位置する配置が望ましいが、この瞳位置調整光学系３５を一次像面Ｉ上に配置すると、例えば、この瞳位置調整光学系３５のキズ等がある場合、そのキズが像面に投影されてしまう。そのため、瞳投影レンズ３４の像側の開口数（ＮＡ）で決まる焦点深度内に入らず、且つ、像の共役関係や倍率を大きく崩さない範囲で、一次像面Ｉの物体側、若しくは、像側にこの瞳位置調整光学系３５を配置することが望ましい。

また、このような瞳位置調整光学系３５としては、ｘ軸方向とｙ軸方向とで屈折力が異なるものであれば良く、また、上述のシリンドリカルレンズのように光を透過させる光学部材だけでなく、光を反射する光学部材を用いることができる。光を透過させる光学系としては、上述のシリンドリカルレンズに加えて、トーリックレンズを用いることもできる。また、リキッドレンズや音響光学素子（ＡＯＤ）を用いることもできる。また、光を反射させる光学系としては、円筒鏡やＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーを用いることができる。

以上のように、本実施形態に係る走査型顕微鏡１０は、従来の走査型顕微鏡の瞳投影レンズ３４のままで、この瞳投影レンズ３４の後側焦点面に第１の偏向素子３３ｘの位置を合わせる位置調整機構（例えば、筐体と第１の偏向素子３３ｘを保持する保持部材との間に挟み込むことによりこの第１の偏向素子３３ｘの位置を調整するスペーサ等）を設け、さらに、一次像面Ｉの近傍に瞳位置調整光学系（シリンドリカルレンズ）３５を追加するだけで構成することができ、この走査型顕微鏡１０の性能を容易に向上させることができる。

１０ 走査型顕微鏡 ２０ 光源 ３３ 走査ユニット
３３ｘ 第１の偏向素子 ３３ｙ 第２の偏向素子 ３４ 瞳投影レンズ
３５ 瞳位置調整光学系 ３７ 対物レンズ ５０ 試料面

Claims (5)

1. 光源から放射された照明光を集光して試料に照射するとともに、前記試料から出射した光を集光する対物レンズと、
   前記対物レンズの瞳像を投影する瞳投影レンズと、
   前記対物レンズ及び前記瞳投影レンズの光軸と略直交する面内の第１の方向に回転する第１の偏向素子、及び、前記光軸と略直交する面内の前記第１の方向と略直交する第２の方向に回転する第２の偏向素子を有し、前記第１の偏向素子及び前記第２の偏向素子を用いて前記照明光により前記試料を走査する走査ユニットと、
   前記第１の方向及び前記第２の方向で異なる屈折力を有し、前記光軸及び前記第１の方向を含む第１の面内における前記瞳像と前記光軸及び前記第２の方向を含む第２の面内における前記瞳像とをそれぞれ光軸方向の異なる位置に形成する瞳位置調整光学系と、を有し、
   前記走査ユニットの前記第１の偏向素子は前記第１の面内の前記瞳像と略同一位置に前記回転の中心が位置するように配置され、前記走査ユニットの前記第２の偏向素子は前記第２の面内の前記瞳像と略同一の位置に前記回転の中心が位置するように配置されることを特徴とする走査型顕微鏡。
2. 前記瞳位置調整光学系は、前記対物レンズによる試料像の位置、若しくはその近傍に配置されることを特徴とする請求項１に記載の走査型顕微鏡。
3. 前記瞳位置調整光学系は、前記対物レンズによる試料像の位置の光軸方向の試料側若しくは像側であって、前記瞳投影レンズの焦点深度の外に配置されることを特徴とする請求項１に記載の走査型顕微鏡。
4. 前記瞳投影レンズの焦点距離をｆ_sとし、前記瞳位置調整光学系の前記第１の面内に関する焦点距離をｆ_cx、前記第２の面内に関する焦点距離をｆ_cyとし、前記瞳投影レンズの像側の焦点面から前記第１の偏向素子の回転中心までの光軸上の距離であって、前記瞳投影レンズの前記像側の焦点面から前記試料方向を正と定義した光軸上の距離をΔＧ_xとし、前記瞳投影レンズの像側の焦点面から前記第２の偏向素子の回転中心までの光軸上の距離であって、前記瞳投影レンズの前記像側の焦点面から前記試料方向を正と定義した光軸上の距離をΔＧ_yとしたとき、次式
   ｆ_cx ＝ ｆ_s ²／ΔＧ_x
   ｆ_cy ＝ ｆ_s ²／ΔＧ_y
   の条件を満足することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の走査型顕微鏡。
5. 前記瞳位置調整光学系は、シリンドリカルレンズであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の走査型顕微鏡。