JP2017187800A - 制御装置および制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】装置を小型化するとともに、広視野の画像を取得可能なレーザ走査型顕微鏡装置を提供する。
【解決手段】本開示のレーザ走査型顕微鏡装置は、対物レンズを搭載し、第１の方向へ移動させる第１の可動部と、第１の可動部に対して直交する第２の方向に移動可能であり、第１の可動部と、観察対象へ照射するレーザ光および観察対象からの戻り光を所定の方向へ案内する反射ミラーとを搭載した第２の可動部と、を備える。
【選択図】図１

Description

本開示は、レーザ走査型顕微鏡装置およびその制御方法に関する。

対象物を高解像度で観察するための技術として、レーザ走査型顕微鏡装置がある。レーザ走査型顕微鏡装置では、レーザ光を対象物に照射し、当該レーザ光を対象物上で走査しながら、その透過光や後方散乱光、蛍光、ラマン散乱光、非線形光学効果によって生じる各種の光等の強度を検出する。これにより、対象物に関する各種の情報を２次元又３次元の画像データとして取得することができる。

図１２に、従来のレーザ走査型顕微鏡１の一構成例を示す。図１２に示すように、レーザ１０から出射されたレーザ光は、１対の反射ミラーを搭載した１対のガルバノスキャナー２１、リレーレンズ光学系２２、２３を透過して、対物レンズ２６へ入射する。対物レンズ２６より集光されたレーザ光は、観察対象５上に小さな集光スポットを作る。ガルバノスキャナー２１でレーザ光の方向を変えることにより対物レンズ２６への入射角度が変更され、観察対象５上の集光スポットの走査が可能となる。観察対象５からの反射光、または蛍光は、対物レンズ２６、ハーフミラーまたは波長分離ミラー２４を介して光検出器２７で検出される。レーザ走査型顕微鏡１は、光検出器２７で検出された集光スポット位置に対応する光検出器信号に基づき、２次元画像を生成する。

このようなレーザ走査型顕微鏡１は、より小さな集光スポットを生成する分解能の高いレンズは一般に視野が狭く、画像取得範囲が狭い。従来のレーザ走査型顕微鏡１の対物レンズ２６は、分解能と視野（すなわち、画像取得範囲）とがいわゆるトレードオフの関係にある。また、上述のレーザ走査型顕微鏡１のように光学系としてガルバノスキャナー２１を使用すると、そのサイズが比較的大きいために顕微鏡装置の小型化の弊害となっている。

そこで、例えば特許文献１には、低質量の対物レンズを利用する小型共焦点顕微鏡が開示されている。かかる共焦点顕微鏡では、対物レンズを駆動する駆動系を、可撓性の材料で支持され光学アセンブリの固定部分上にある永久磁石と連動する電磁ボイスコイルにより構成している。

特開平１０−９０６０６号公報

しかし、上記特許文献１に記載の共焦点顕微鏡において、装置の小型化は実現できるが、広い視野の画像を取得することは困難であった。

そこで、装置を小型化するとともに、広視野の画像を取得可能な、新規かつ改良されたレーザ走査型顕微鏡装置およびその制御方法を提案する。

本開示によれば、対物レンズを搭載し、第１の方向へ移動させる第１の可動部と、第１の可動部に対して直交する第２の方向に移動可能であり、第１の可動部と、観察対象へ照射するレーザ光および観察対象からの戻り光を所定の方向へ案内する反射ミラーとを搭載した第２の可動部と、を備える、レーザ走査型顕微鏡装置が提供される。

また、本開示によれば、対物レンズを搭載し、第１の方向へ移動させる第１の可動部と、第１の可動部に対して直交する第２の方向に移動可能であり、第１の可動部と、観察対象へ照射するレーザ光および観察対象からの戻り光を所定の方向へ案内する反射ミラーとを搭載した第２の可動部と、を備えるレーザ走査型顕微鏡装置において、第１の可動部の移動速度が第２の可動部の移動速度より高速となるように制御する、制御方法が提供される。

本開示によれば、対物レンズを搭載した第１の可動部と、第１の可動部に対して直交する方向に移動可能であり、第１の可動部および反射ミラーを搭載した第２の可動部と、を備える。これにより、従来のようにガルバノスキャナーを用いずに小型の光学部品で構成されるため、装置の小型化・薄型化が可能となる。また、各可動部に搭載する要素を削減して軽量化することで、高速に、高解像度かつ広視野の画像が取得できる。

以上説明したように本開示によれば、装置を小型化できるとともに、広視野の画像を取得することが可能となる。なお、上記の効果は必ずしも限定的なものではなく、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書に示されたいずれかの効果、または本明細書から把握され得る他の効果が奏されてもよい。

本開示の第１の実施形態に係るレーザ走査型顕微鏡装置の構成を示す概略構成図であって、平面から見た状態を示す。 図１のレーザ走査型顕微鏡装置を矢印Ａ側から見た状態を示す概略正面図である。 図１のレーザ走査型顕微鏡装置を矢印Ｂ側から見た状態を示す概略側面図である。 球面収差補正部の一構成例を示す説明図であって、凸レンズおよび凹レンズにより構成する例を示す。 球面収差補正部の一構成例を示す説明図であって、同心円多分割液晶位相素子により構成する例を示す。 図５の概略側面図である。 焦点位置制御部の一構成例を示す説明図であって、２つの凸レンズにより構成する例を示す。 反射ミラーを備える対物レンズの一構成例を示す説明図である。 反射型対物レンズを示す説明図である。 本開示の第２の実施形態に係るレーザ走査型顕微鏡装置の構成を示す概略構成図であって、平面から見た状態を示す。 図１０のレーザ走査型顕微鏡装置をｘ軸正方向側から見た状態を示す概略正面図である。 本開示の関連技術に係るレーザ走査型顕微鏡の一構成例を示す説明図である。

以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

なお、説明は以下の順序で行うものとする。
１．第１の実施の形態（第１の可動部：直線移動、第２の可動部：直線移動）
１．１．レーザ走査型顕微鏡装置の構成
１．２．集光スポットの走査
１．３．まとめ
２．第２の実施の形態（第１の可動部：回転移動、第２の可動部：直線移動）
２．１．レーザ走査型顕微鏡装置の構成
２．２．集光スポットの走査
２．３．まとめ

＜１．第１の実施形態＞
［１．１．レーザ走査型顕微鏡装置の構成］
まず、図１〜図３を参照して、本開示の第１の実施形態に係るレーザ走査型顕微鏡装置１００の構成について説明する。なお、図１は、本実施形態に係るレーザ走査型顕微鏡装置１００の構成を示す概略構成図であって、平面から見た状態を示す。図２は、図１のレーザ走査型顕微鏡装置１００を矢印Ａ側から見た状態を示す概略正面図である。図３は、図１のレーザ走査型顕微鏡装置１００を矢印Ｂ側から見た状態を示す概略側面図である。

本実施形態に係るレーザ走査型顕微鏡装置１００は、光を出射するレーザ１０２と、レーザ１０２から出射された光で観察対象上を走査し、観察対象の反射光または蛍光を検出して２次元画像を取得する画像取得部１０４とからなる。

レーザ１０２は、観察対象に照射するレーザ光を射出する。レーザ１０２は、例えば固体レーザであってもよく、また半導体レーザであってもよい。固体レーザ及び半導体レーザの媒体（材料）は、レーザ走査型顕微鏡装置１００の用途に応じて、所望の波長帯域のレーザ光を射出するように適宜選択されてよい。

画像取得部１０４は、球面収差補正部１１０と、焦点位置制御部１２０と、ビームスプリッタ１３０と、反射ミラー１４０と、対物レンズ１５０とからなる。

球面収差補正部１１０は、球面収差を補正する光学系である。球面収差補正部１１０は、例えば図４に示すように、凸レンズ１１２および凹レンズ１１４により構成してもよい。レーザ１０２から出射された平行光のレーザ光は、球面収差補正部１１０である凸レンズ１１２と凹レンズ１１４とを通過する。このとき、凸レンズ１１２または凹レンズ１１４のうちいずれか一方を光軸方向に移動させて光軸上の位置を変えることにより、発生する球面収差量を変更することができる。球面収差補正部１１０は、一般に、２つ以上のレンズ群で最少１つのレンズの光軸方向の位置を変えることにより実現できる。

あるいは、球面収差補正部１１０は、図５および図６に示すように、同心円多分割液晶位相素子１１６を用いて構成してもよい。同心円多分割液晶位相素子１１６は、液晶パネルの電極が環状に形成されており、これらの環状電極が同心円上となるように配置されている。同心円多分割液晶位相素子１１６の同心円の環状電極により区画される各領域に個別に電界を与えることにより、同心円多分割液晶位相素子１１６を透過するレーザ光に位相分布が与えられる。例えば、半径方向に４次関数の位相を与えることにより、任意の球面収差量を与えることができる。

焦点位置制御部１２０は、対物レンズ１５０の焦点位置を調整する光学系である。焦点位置制御部１２０は、例えば図７に示すように、２つの凸レンズ１２２、１２４により構成してもよい。球面収差補正部１１０から出射された平行光のレーザ光は、焦点位置制御部１２０である凸レンズ１２２、１２４を通過する。このとき、凸レンズ１２２、１２４のうちいずれか一方を光軸方向に移動させて光軸上の位置を変えることにより、発生するデフォーカス量を変更することができ、対物レンズ１５０の焦点位置を変えることができる。焦点位置制御部１２０は、一般に、２つ以上のレンズ群で最少１つのレンズの光軸方向の位置を変えることにより実現できる。

あるいは、焦点位置制御部１２０は、図５および図６に示したように、球面収差補正部１１０と同様、同心円多分割液晶位相素子１１６を用いてもよい。同心円多分割液晶位相素子１１６の同心円の環状電極により区画される各領域に個別に電界を与えることにより、同心円多分割液晶位相素子１１６を透過するレーザ光に位相分布が与えられる。例えば、半径方向に２次関数の位相を与えることにより、任意のデフォーカス量を与えることができる。

ビームスプリッタ１３０は、一方向から入射した光と他方向から入射した光とを互いに異なる方向に導光する光学系である。ビームスプリッタ１３０としては、例えば反射光と透過光との強さが略同一であるハーフミラーを用いてもよい。また、ビームスプリッタ１３０の代わりに、特定波長の光を反射し、それ以外の波長の光を透過するダイクロイックミラー等の波長分離ミラーを用いてもよい。焦点位置制御部１２０からビームスプリッタ１３０へ入射したレーザ光は、ビームスプリッタ１３０を通過して反射ミラー１４０へ導かれる。また、ビームスプリッタ１３０には、観察対象５に照射されたレーザ光の戻り光が、反射ミラー１４０から入射される。この戻り光はビームスプリッタ１３０により反射され、光検出器１８０へ導かれる。

反射ミラー１４０は、光を反射して所定の方向へ導光する光学系である。本実施形態において、反射ミラー１４０は、後述する第２の可動部１７０の第２基台１７６上に載置されている。反射ミラー１４０は、ビームスプリッタ１３０から入射したレーザ光を反射して対物レンズ１５０へ案内する。また、反射ミラー１４０は、観察対象５に照射されたレーザ光の戻り光を反射し、ビームスプリッタ１３０へ案内する。

対物レンズ１５０は、観察対象５の像を最初に作成するレンズである。対物レンズ１５０は、反射ミラー１４０から入射したレーザ光を集光し、観察対象５上に集光スポットを形成する。対物レンズ１５０は、後述する第１の可動部１６０および第２の可動部１７０によって平面上を移動可能に設けられている。対物レンズ１５０による集光スポットの位置は、第１の可動部１６０および第２の可動部１７０によって対物レンズ１５０の位置を変えることにより移動させることができる。なお、対物レンズ１５０による観察対象５走査時の動作の詳細については後述する。対物レンズ１５０は、観察対象５に照射されたレーザ光の戻り光が入射されると、反射ミラー１４０へ案内する。

第１の可動部１６０は、対物レンズ１５０を所定の方向（第１の方向、本実施形態ではｘ方向）に移動させる直線駆動機構である。第１の可動部１６０は、第１モータ１６２と、第１駆動軸１６４と、第１基台１６６とからなる。第１モータ１６２は、第１基台１６６に固定された対物レンズ１５０をｘ方向に移動させる駆動源（第１の駆動部）であり、例えばボイスコイル型モータやステッピングモータ等を用いることができる。ここで、対物レンズ１５０を搭載する第１の可動部１６０には、第２の可動部１７０に比べて極めて高速性が要求されるため、ボイスコイル型モータの使用が適している。

第１基台１６６は、対物レンズ１５０を保持する。対物レンズ１５０は、例えば図８に示すように、観察対象５と対向するように設けられる。このとき、第１基台１６６には、対物レンズ１５０に対して観察対象５が配置される側と反対側に反射ミラー１５１が設けられる。反射ミラー１５１は、反射ミラー１４０と対物レンズ１５０との間で光を案内する。

なお、対物レンズは、例えば図９に示すように、図８に示す対物レンズ１５０と反射ミラー１５１とを一体化した反射型対物レンズ１５２であってもよい。反射型対物レンズ１５２は、反射ミラー１４０からのレーザ光および観察対象５からの戻り光が入射する面が曲面になっている。反射ミラー１４０からのレーザ光は当該曲面によって観察対象５に向かって照射され、観察対象５からの戻り光は当該曲面によって反射ミラー１４０に向かって案内される。

第１モータ１６２は、第１駆動軸１６４を介して第１基台１６６と連結されており、第１基台１６６は、第１モータ１６２によって周期的に往復直線移動される。これにより、対物レンズ１５０はｘ方向に周期的に往復直線移動される。この第１の可動部１６０は、第２の可動部１７０を構成する第２基台１７６上に載置されている。したがって、第１の可動部１６０は、第２の可動部１７０によって所定の方向（ｙ方向）に移動可能に設けられている。

第２の可動部１７０は、反射ミラー１４０、対物レンズ１５０、および対物レンズ１５０を保持してｘ方向に移動させる第１の可動部１６０を所定の方向（第２の方向、本実施形態ではｙ方向）に移動させるリニアアクチュエータである。第２の可動部１７０は、第２モータ１７２と、第２駆動軸１７４と、第２基台１７６とからなる。第２モータ１７２は、第２基台１７６上に載置された反射ミラー１４０、対物レンズ１５０および第１の可動部１６０をｙ方向に移動させる駆動源（第２の駆動部）であり、例えばボイスコイル型モータやステッピングモータ等を用いることができる。

第２モータ１７２は、第２駆動軸１７４を介して第２基台１７６と連結されており、第２基台１７６は、第２モータ１７２によって周期的に往復直線移動される。これにより、反射ミラー１４０および対物レンズ１５０はｙ方向に周期的に往復直線移動される。

光検出器１８０は、観察対象５に照射されたレーザ光の戻り光を受光して、２次元画像を生成する。光検出器１８０には、例えばフォトダイオードや光電子増倍管（ＰＭＴ：Ｐｈｏｔｏ Ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ Ｔｕｂｅ）等の受光素子を有してもよい。また、例えば、光検出器１８０は、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）やＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）等の各種の撮像素子を有してもよい。光検出器１８０は、観察対象５へのレーザ光の走査により生じた戻り光を、レーザ光の走査順に連続的に（レーザ光がＣＷレーザである場合）又は断続的に（レーザ光がパルスレーザである場合）検出することができる。

なお、本実施形態に係るレーザ走査型顕微鏡装置１００は、当該装置を統合的に制御する制御部（図示せず。）を備えている。制御部は、例えば観察対象５に対するレーザ走査制御およびレーザ走査の結果得られる画像信号に対する各種の画像信号処理を行う。また、制御部は、第１の可動部１６０の移動速度と第２の可動部１７０の移動速度とを制御する。

このようなレーザ走査型顕微鏡装置１００において、レーザ１０２からｙ方向に出射されたレーザ光は、球面収差補正部１１０、焦点位置制御部１２０を通過して、第２の可動部１７０の第２基台１７６上の反射ミラー１４０に案内される。反射ミラー１４０でｘ方向へ反射されたレーザ光は、第１の可動部１６０の第１基台１６６上の反射ミラー１５１でｚ方向に反射され、対物レンズ１５０へ入射する。

対物レンズ１５０から観察対象５へ照射されたレーザ光は観察対象５にて反射される。この戻り光は、ｚ方向に対物レンズ１５０から反射ミラー１５１へ案内された後、反射ミラー１５１によりｘ方向へ反射されて反射ミラー１４０へ入射する。反射ミラー１４０は、入射した戻り光をｙ方向へ反射して、ビームスプリッタ１３０へ案内する。ビームスプリッタ１３０は、入射した戻り光を反射して光検出器１８０へ案内する。光検出器１８０は、戻り光を検出し、対物レンズ１５０の位置、すなわち集光スポット位置に対応する光検出器信号に基づき２次元画像を生成する。

［１．２．集光スポットの走査］
対物レンズ１５０により集光されたレーザ光は、観察対象５上に小さな集光スポットを作る。ここで、本実施形態に係るレーザ走査型顕微鏡装置１００では、第１の可動部１６０と第２の可動部１７０とが独立したモータ１６２、１７２を駆動源として、互いに直交する方向に直線往復運動を行い、２次元平面内で対物レンズ１５０の位置を変化させる。集光スポットは対物レンズ１５０の中心に生成されるので、対物レンズ１５０の移動により観察対象５上を走査することができる。

より詳細に説明すると、まず、第１の可動部１６０は、反射ミラー１４０から第１の可動部１６０の第１基台１６６上に配置された反射ミラー１５１へ入射するレーザ光の光軸と平行な方向（すなわちｘ方向）に移動可能に構成される。また、第２の可動部１７０は、ビームスプリッタ１３０から第２の可動部１７０の第２基台１７６上に配置された反射ミラー１４０へ入射する光軸と平行な方向（すなわちｙ方向）に移動可能に構成される。これにより、対物レンズ１５０は第１の可動部１６０によりｘ方向に移動可能となるとともに第２の可動部１７０により、ｘ方向に直交するｙ方向へ移動可能となる。

したがって、第１の可動部１６０および第２の可動部１７０によって、常に対物レンズ１５０の中心にレーザ光を導くことが可能となる。その結果、簡潔軽量な対物レンズ１５０の使用が可能になり、第１の可動部１６０の駆動源である第１モータ１６２への負荷が大幅に軽減される。

また、本実施形態においては、第１の可動部１６０には対物レンズ１５０が搭載され、第２の可動部１７０には第１の可動部１６０および反射ミラー１４０のみが搭載される。すなわち、本実施形態に係るレーザ走査型顕微鏡装置１００では、例えば球面収差補正部１１０や焦点位置制御部１２０、ビームスプリッタ１３０、光検出器１８０は可動部に搭載されず、固定部に固定されている。したがって、第１の可動部１６０および第２の可動部１７０により移動させる部材を少なくすることができ、搭載部材を軽量化することができる。この軽量化により各可動部１６０、１７０のモータ負荷を軽減することができるので、集光スポットの高速走査が可能になり、より短時間での画像取得が可能となる。

また、このとき、制御部は、第１の可動部１６０の移動速度を第２の可動部１７０の移動速度より速くなるように制御する。これにより、対物レンズ１５０の移動をより速めることができ、集光スポットの高速走査が可能になり、より短時間での画像取得が可能となる。さらに、第１の可動部１６０と第２の可動部１７０とを独立して駆動可能とすることで、モータのストローク分だけ視野を広くすることができ、分解能を高めることができる。

［１．３．まとめ］
以上、第１の実施形態に係るレーザ走査型顕微鏡装置１００の構成とこれによる集光スポット走査時の動作について説明した。本実施形態に係るレーザ走査型顕微鏡装置１００では、対物レンズ１５０および反射ミラー１５１を搭載した第１の可動部１６０と、第１の可動部１６０に対して直交する方向に移動可能であり、第１の可動部１６０および反射ミラー１４０を搭載した第２の可動部１７０と、を備える。これにより、従来のようにガルバノスキャナーを用いずに小型の光学部品で構成されるため、装置の小型化・薄型化が可能となる。また、各可動部１６０、１７０に搭載する要素を削減して軽量化することで、高速に、高解像度かつ広視野の画像が取得できる。

＜２．第２の実施形態＞
次に、図１０および図１１を参照して、本開示の第２の実施形態に係るレーザ走査型顕微鏡装置２００の構成について説明する。なお、図１０は、本実施形態に係るレーザ走査型顕微鏡装置２００の構成を示す概略構成図であって、平面から見た状態を示す。図１１は、図１０のレーザ走査型顕微鏡装置２００をｘ軸正方向側から見た状態を示す概略正面図である。本実施形態に係るレーザ走査型顕微鏡装置２００は、第１の実施形態に係るレーザ走査型顕微鏡装置１００と比較して、対物レンズ１５０を搭載する第１の可動部２６０の動作が異なる。

以下、本実施形態に係るレーザ走査型顕微鏡装置２００の構成とこれによる集光スポット走査時の動作について説明する。なお、図１０および図１１に示すレーザ走査型顕微鏡装置２００において、第１の実施形態と同一構成・同一機能を有する構成要素については同一符号を付し、詳細な説明は省略する。

［２．１．レーザ走査型顕微鏡装置の構成］
本実施形態に係るレーザ走査型顕微鏡装置２００は、光を出射するレーザ１０２と、レーザ１０２から出射された光で観察対象上を走査し、観察対象の反射光または蛍光を検出して２次元画像を取得する画像取得部２０４とからなる。

レーザ１０２は、観察対象に照射するレーザ光を射出する。レーザ１０２は、第１の実施形態と同様に構成してもよい。レーザ１０２が出射したレーザ光は、画像取得部２０４へ入射する。

画像取得部２０４は、球面収差補正部１１０と、焦点位置制御部１２０と、ビームスプリッタ１３０と、第１反射ミラー２４０と、第２反射ミラー２４２と、第３反射ミラー２４４と、対物レンズ１５０とからなる。

球面収差補正部１１０は、球面収差を補正する光学系である。球面収差補正部１１０は、第１の実施形態と同等、例えば図４に示すように、凸レンズ１１２および凹レンズ１１４により構成してもよく、図５および図６に示すように、同心円多分割液晶位相素子１１６を用いて構成してもよい。球面収差補正部１１０は、レーザ１０２から入射されたレーザ光の収差補正を行った後、焦点位置制御部１２０へ導く。

焦点位置制御部１２０は、焦点位置を調整する光学系である。焦点位置制御部１２０は、例えば図７に示すように、２つの凸レンズ１２２、１２４により構成してもよく、図５および図６に示したように、球面収差補正部１１０と同様、同心円多分割液晶位相素子１１６を用いてもよい。焦点位置制御部１２０は、レーザ光をデフォーカスした後、ビームスプリッタ１３０へ導く。

ビームスプリッタ１３０は、一方向から入射した光と他方向から入射した光とを互いに異なる方向に導光する光学系である。第１の実施形態と同様、ビームスプリッタ１３０として、例えばハーフミラーを用いてもよい。また、ビームスプリッタ１３０の代わりに、ダイクロイックミラー等の波長分離ミラーを用いてもよい。焦点位置制御部１２０からビームスプリッタ１３０へ入射したレーザ光は、ビームスプリッタ１３０を通過して反射ミラー１４０へ導かれる。また、ビームスプリッタ１３０には、観察対象５に照射されたレーザ光の戻り光が、反射ミラー１４０から入射される。この戻り光はビームスプリッタ１３０により反射され、光検出器１８０へ導かれる。

第１反射ミラー２４０、第２反射ミラー２４２および第３反射ミラー２４４は、ビームスプリッタ１３０と対物レンズ１５０との間において、レーザ光を反射して所定の方向へ導光する光学系である。

第１反射ミラー２４０は、第２の可動部１７０の第２基台１７６上に載置されている。第１反射ミラー２４０は、ビームスプリッタ１３０から入射したレーザ光を反射して第２反射ミラー２４２へ案内する。第２反射ミラー２４２は、第１反射ミラーの上方（ｚ軸正方向側）に配置されている。第２反射ミラー２４２は、第１反射ミラー２４０から入射したレーザ光を第３反射ミラー２４４へ案内する。第３反射ミラー２４４は、対物レンズ１５０とともに後述する第１基台２６６に固定されている。第３反射ミラー２４４は、第２反射ミラー２４２から入射したレーザ光を対物レンズ１５０へ案内する。

また、第１反射ミラー２４０、第２反射ミラー２４２および第３反射ミラー２４４は、対物レンズ１５０から入射された観察対象５に照射されたレーザ光の戻り光を順次反射して、ビームスプリッタ１３０へ案内する。

対物レンズ１５０は、観察対象５の像を最初に作成するレンズである。対物レンズ１５０は、第３反射ミラー２４４から入射したレーザ光を集光し、観察対象５上に集光スポットを形成する。対物レンズ１５０は、後述する第１の可動部２６０および第２の可動部１７０によって平面上を移動可能に設けられている。対物レンズ１５０による集光スポットの位置は、第１の可動部２６０および第２の可動部１７０によって対物レンズ１５０の位置を変えることにより移動させることができる。なお、対物レンズ１５０による観察対象５走査時の動作の詳細については後述する。対物レンズ１５０は、観察対象５に照射されたレーザ光の戻り光が入射されると、第３反射ミラー２４４へ案内する。

第１の可動部２６０は、対物レンズ１５０を所定の方向（第１の方向、本実施形態ではｘ方向）に移動させる駆動機構である。第１の可動部２６０は、第１モータ２６２と、第１回転軸２６４と、第１基台２６６とからなる。第１モータ２６２は、第１基台２６６に固定された対物レンズ１５０を回転軸Ｃ周りに回転させる駆動源であり、例えばボイスコイル型モータを用いることができる。なお、対物レンズ１５０を搭載する第１の可動部２６０には、第２の可動部１７０に比べて極めて高速性が要求されることからも、ボイスコイル型モータの使用が適している。

第１基台２６６は、対物レンズ１５０を保持する。対物レンズ１５０は、図１１に示すように、観察対象５と対向するように設けられる。このとき、第１基台２６６には、対物レンズ１５０に対して観察対象５が配置される側と反対側に第３反射ミラー２４４が設けられる。なお、対物レンズは、図１１に示した構成の他、例えば図９に示すように、対物レンズ１５０と第３反射ミラー２４４とを一体化した反射型対物レンズ１５２であってもよい。

第１モータ２６２は、第１回転軸２６４を介して第１基台２６６と連結されており、第１基台２６６は、第１モータ２６２によって周期的に往復回転移動される。これにより、対物レンズ１５０はｘｙ平面を周期的に往復回転移動される。この第１の可動部２６０は、第２の可動部１７０を構成する第２基台１７６上に載置されている。したがって、第１の可動部２６０は、第２の可動部１７０によって所定の方向（ｙ方向）に移動可能に設けられている。

第２の可動部１７０は、第１反射ミラー２４０、対物レンズ１５０、および対物レンズ２５０を保持して回転移動させる第１の可動部２６０を所定の方向（第２の方向、本実施形態ではｙ方向）に移動させるリニアアクチュエータである。第２の可動部１７０は、第１の実施形態と同様に構成することができ、第２モータ１７２と、第２駆動軸１７４と、第２基台１７６とからなる。

第２モータ１７２は、第２基台１７６上に載置された第１反射ミラー２４０、第２反射ミラー２４２、第３反射ミラー２４４、対物レンズ１５０および第１の可動部２６０をｙ方向に移動させる駆動源である。第２モータ１７２としては、例えばボイスコイル型モータやステッピングモータ等を用いることができる。第２モータ１７２は、第２駆動軸１７４を介して第２基台１７６と連結されており、第２基台１７６は、第２モータ１７２によって周期的に往復直線移動される。これにより、第１反射ミラー２４０および対物レンズ１５０はｙ方向に周期的に往復直線移動される。

光検出器１８０は、観察対象５に照射されたレーザ光の戻り光を受光して、２次元画像を生成する。光検出器１８０は、第１の実施形態と同様に構成してもよい。なお、本実施形態に係るレーザ走査型顕微鏡装置２００は、当該装置を統合的に制御する制御部（図示せず。）を備えている。制御部は、例えば観察対象５に対するレーザ走査制御およびレーザ走査の結果得られる画像信号に対する各種の画像信号処理を行う。また、制御部は、第１の可動部２６０の移動速度と第２の可動部１７０の移動速度とを制御する。

このようなレーザ走査型顕微鏡装置２００において、レーザ１０２からｙ方向に出射されたレーザ光は、球面収差補正部１１０、焦点位置制御部１２０を通過して、第２の可動部１７０の第２基台１７６上の第１反射ミラー２４０に案内される。第１反射ミラー２４０でｚ方向へ反射されたレーザ光は、第２反射ミラー２４２へ案内され、第２反射ミラー２４２にてｙ方向へ案内される。第２反射ミラー２４２でｙ方向へ反射されたレーザ光は、第３反射ミラー２４４へ案内され、第３反射ミラー２４４でｚ方向に反射された後、対物レンズ１５０へ入射する。

対物レンズ１５０から観察対象５へ照射されたレーザ光は観察対象５にて反射される。この戻り光は、ｚ方向に対物レンズ１５０から第３反射ミラー２４４へ案内された後、第３反射ミラー２４４によりｙ方向へ反射されて第２反射ミラー２４２へ入射する。第２反射ミラー２４２は入射した戻り光をｚ方向に反射して第１反射ミラー２４０へ入射する。第１反射ミラー２４０は、入射した戻り光をｙ方向へ反射して、ビームスプリッタ１３０へ案内する。ビームスプリッタ１３０は、入射した戻り光を反射して光検出器１８０へ案内する。光検出器１８０は、戻り光を検出し、対物レンズ１５０の位置、すなわち集光スポット位置に対応する光検出器信号に基づき２次元画像を生成する。

［２．２．集光スポットの走査］
対物レンズ１５０により集光されたレーザ光は、観察対象５上に小さな集光スポットを作る。ここで、本実施形態に係るレーザ走査型顕微鏡装置２００では、第２の可動部１７０は第１の実施形態と同様、直線上に周期的な往復直線運動をする。一方、第１の可動部２６０は、その接線が第２の可動部１７０の移動方向に直交する円軌道上を周期的に往復運動する。すなわち、第１の可動部２６０と第２の可動部１７０とは、独立したモータ２６２、１７２を駆動源として、第１の可動部２６０の移動方向の接線と第２の可動部１７０の移動方向とが互いに略直交する方向に往復運動を行う。

これにより、２次元平面内で対物レンズ１５０の位置を変化させることができ、集光スポットは対物レンズ１５０の中心に生成されるので、対物レンズ１５０の移動により観察対象５上を走査することができる。本実施形態では、光検出器１８０により検出信号に基づき生成された２次元画像のｘ方向における集光スポットの軌跡は、図１０の取得画像に示すように円弧となる。

より詳細に説明すると、まず、第１の可動部２６０には、第１モータ２６２として、ボイスコイル型の回転軸２６４を有するアクチュエータを用いる。第１モータ２６２は、回転軸２６４を回転中心Ｃ周りに回転させることで、第１基台２６６をｘｙ平面上に円弧を描くように回転移動させる。このとき、第２反射ミラー２４２は、第２基台１７６上の第１反射ミラー２４０の反射面と対向するように回転軸２６４の回転中心Ｃに設けられる。また、第２反射ミラー２４２の反射面は、第１基台２６６に固定された第３反射ミラー２４４の反射面と平行に配置される。

一方、第２の可動部１７０は、第１の実施形態と同様に、第１の可動部２６０を載置して、第１反射ミラー２４０へ入射する光軸と平行な方向（すなわちｙ方向）に移動可能に構成される。これにより、対物レンズ１５０は第１の可動部２６０によりその移動方向の接線がｘ方向と略平行となるとともに、第２の可動部１７０によりｘ方向に直交するｙ方向へ移動可能となる。

したがって、第１の可動部２６０および第２の可動部１７０によって、常に対物レンズ１５０の中心にレーザ光を導くことが可能となる。その結果、簡潔軽量な対物レンズ１５０の使用が可能になり、第１の可動部２６０の駆動源である第１モータ２６２への負荷が大幅に軽減される。

また、本実施形態においては、第１の可動部２６０には対物レンズ１５０が搭載され、第２の可動部１７０には第１の可動部２６０および第１反射ミラー２４０のみが搭載される。すなわち、本実施形態に係るレーザ走査型顕微鏡装置２００では、例えば球面収差補正部１１０や焦点位置制御部１２０、ビームスプリッタ１３０、光検出器１８０は可動部に搭載されず、固定部に固定されている。したがって、第１の可動部２６０および第２の可動部１７０により移動させる部材を少なくすることができ、搭載部材を軽量化することができる。この軽量化により各可動部２６０、１７０のモータ負荷を軽減することができるので、集光スポットの高速走査が可能になり、より短時間での画像取得が可能となる。

また、このとき、制御部は、第１の可動部２６０の移動速度を第２の可動部１７０の移動速度より速くなるように制御する。これにより、対物レンズ１５０の移動をより速めることができ、集光スポットの高速走査が可能になり、より短時間での画像取得が可能となる。さらに、第１の可動部２６０と第２の可動部１７０とを独立して駆動可能とすることで、モータのストローク分だけ視野を広くすることができ、分解能を高めることができる。

［２．３．まとめ］
以上、第２の実施形態に係るレーザ走査型顕微鏡装置２００の構成とこれによる集光スポット走査時の動作について説明した。本実施形態に係るレーザ走査型顕微鏡装置２００では、対物レンズ１５０、第２反射ミラー２４２、および第３反射ミラー２４４を搭載した第１の可動部２６０を備える。また、レーザ走査型顕微鏡装置２００は、第１の可動部２６０に対して直交する方向に移動可能であり、第１の可動部２６０および第１反射ミラー２４０を搭載した第２の可動部１７０を備える。これにより、従来のようにガルバノスキャナーを用いずに小型の光学部品で構成されるため、装置の小型化・薄型化が可能となる。また、各可動部２６０、１７０に搭載する要素を削減して軽量化することで、高速に、高解像度かつ広視野の画像が取得できる。

以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について詳細に説明したが、本開示の技術的範囲はかかる例に限定されない。本開示の技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。

本明細書に記載された効果は、あくまで説明的または例示的なものであって限定的ではない。つまり、本開示に係る技術は、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書の記載から当業者には明らかな他の効果を奏しうる。

なお、以下のような構成も本開示の技術的範囲に属する。
（１）対物レンズを搭載し、第１の方向へ移動させる第１の可動部と、
前記第１の可動部に対して直交する第２の方向に移動可能であり、前記第１の可動部と、観察対象へ照射するレーザ光および前記観察対象からの戻り光を所定の方向へ案内する反射ミラーとを搭載した第２の可動部と、
を備える、レーザ走査型顕微鏡装置。
（２）前記第１の可動部は、前記第２の可動部より高速に移動可能である、前記（１）に記載のレーザ走査型顕微鏡装置。
（３）前記第１の可動部を第１の方向に移動させる第１の駆動部と、前記第２の可動部を第２の方向に移動させる第２の駆動部とは、独立して制御される、前記（１）または（２）に記載のレーザ走査型顕微鏡装置。
（４）前記第１の駆動部はボイルコイル型モータである、前記（３）に記載のレーザ走査型顕微鏡装置。
（５）前記第１の可動部と前記第２の可動部とは、それぞれ直交する直線上を周期的に移動する、前記（１）〜（４）のいずれか１項に記載のレーザ走査型顕微鏡装置。
（６）前記第１の可動部は、前記反射ミラーから前記対物レンズへ入射するレーザ光の光軸と平行な方向に移動可能に構成される、前記（５）に記載のレーザ走査型顕微鏡装置。
（７）前記第２の可動部は、第２の方向に沿って周期的に直線移動し、
前記第１の可動部は、前記第１の方向に接線を有する円弧上を周期的に回転移動する、前記（１）〜（４）のいずれか１項に記載のレーザ走査型顕微鏡装置。
（８）前記第１の可動部の回転中心には、前記反射ミラーと前記対物レンズとの間でレーザ光を案内する第２の反射ミラーが設けられる、前記（７）に記載のレーザ走査型顕微鏡装置。
（９）前記対物レンズの焦点位置を調整する焦点位置制御部をさらに備える、前記（１）〜（８）のいずれか１項に記載のレーザ走査型顕微鏡装置。
（１０）球面収差を補正する球面収差補正部をさらに備える、前記（１）〜（９）のいずれか１項に記載のレーザ走査型顕微鏡装置。
（１１）前記第１の可動部および前記第２の可動部の移動速度を制御する制御部を備える、前記（１）〜（１０）のいずれか１項に記載のレーザ走査型顕微鏡装置。
（１２）対物レンズを搭載し、第１の方向へ移動させる第１の可動部と、前記第１の可動部に対して直交する第２の方向に移動可能であり、前記第１の可動部と、観察対象へ照射するレーザ光および前記観察対象からの戻り光を所定の方向へ案内する反射ミラーとを搭載した第２の可動部と、を備えるレーザ走査型顕微鏡装置において、前記第１の可動部の移動速度が前記第２の可動部の移動速度より高速となるように制御する、制御方法。

５ 観察対象
１００、２００ レーザ走査型顕微鏡装置
１０２ レーザ
１０４、２０４ 画像取得部
１１０ 球面収差補正部
１２０ 焦点位置制御部
１３０ ビームスプリッタ
１４０ 反射ミラー
１５０ 対物レンズ
１６０、２６０ 第１の可動部
１６２、２６２ 第１モータ
１６４ 第１駆動軸
１６６、２６６ 第１基台
１７０ 第２の可動部
１７２ 第２モータ
１７４ 第２駆動軸
１７６ 第２基台
１８０ 光検出器
２４０ 第１反射ミラー
２４２ 第２反射ミラー
２４４ 第３反射ミラー
２６４ 第１回転軸

そこで、装置を小型化するとともに、広視野の画像を取得可能な、新規かつ改良された制御装置およびその制御方法を提案する。

本開示によれば、対物レンズを搭載し、第１の方向へ移動可能な第１の可動部と、第１の可動部を搭載し、前記第１の方向と異なる第２の方向に移動可能な第２の可動部と、第１の可動部及び前記第２の可動部の移動により前記対物レンズの位置を調整し、観察対象へ照射するレーザ光の照射方向を制御する制御部と、を備える、制御装置が提供される。

また、本開示によれば、対物レンズを搭載した第１の可動部を第１の方向へ移動させること、第１の可動部を搭載した第２の可動部を前記第１の方向と異なる第２の方向に移動させること、第１の可動部及び前記第２の可動部の移動により前記対物レンズの位置を調整し、観察対象へ照射するレーザ光の照射方向を制御すること、を含む、制御方法が提供される。

なお、以下のような構成も本開示の技術的範囲に属する。
（１）対物レンズを搭載し、第１の方向へ移動可能な第１の可動部と、
前記第１の可動部を搭載し、前記第１の方向と異なる第２の方向に移動可能な第２の可動部と、
前記第１の可動部及び前記第２の可動部の移動により前記対物レンズの位置を調整し、観察対象へ照射するレーザ光の照射方向を制御する制御部と、
を備える、制御装置。
（２）前記第１の可動部は、前記第２の可動部より高速に移動可能である、前記（１）に記載の制御装置。
（３）前記第１の可動部を第１の方向に移動させる第１の駆動部と、前記第２の可動部を第２の方向に移動させる第２の駆動部とは、独立して制御される、前記（１）または（２）に記載の制御装置。
（４）前記第１の駆動部はボイルコイル型モータである、前記（３）に記載の制御装置。
（５）前記第１の可動部と前記第２の可動部とは、それぞれ直交する直線上を周期的に移動する、前記（１）〜（４）のいずれか１項に記載の制御装置。
（６）前記第１の可動部は、前記対物レンズへ入射するレーザ光の光軸と平行な方向に移動可能に構成される、前記（５）に記載の制御装置。
（７）前記第２の可動部は、第２の方向に沿って周期的に直線移動し、
前記第１の可動部は、前記第１の方向に接線を有する円弧上を周期的に回転移動する、前記（１）〜（４）のいずれか１項に記載の制御装置。
（８）前記対物レンズの焦点位置を調整する焦点位置制御部をさらに備える前記（１）〜（７）のいずれか１項に記載の制御装置。
（９）球面収差を補正する球面収差補正部をさらに備える、前記（１）〜（８）のいずれか１項に記載の制御装置。
（１０）前記第１の可動部および前記第２の可動部の移動速度を制御する制御部を備える、前記（１）〜（９）のいずれか１項に記載の制御装置。
（１１）対物レンズを搭載した第１の可動部を第１の方向へ移動させること、前記第１の可動部を搭載した第２の可動部を前記第１の方向と異なる第２の方向に移動させること、前記第１の可動部及び前記第２の可動部の移動により前記対物レンズの位置を調整し、観察対象へ照射するレーザ光の照射方向を制御すること、を含む、制御方法。

Claims (12)

1. 対物レンズを搭載し、第１の方向へ移動させる第１の可動部と、
   前記第１の可動部に対して直交する第２の方向に移動可能であり、前記第１の可動部と、観察対象へ照射するレーザ光および前記観察対象からの戻り光を所定の方向へ案内する反射ミラーとを搭載した第２の可動部と、
   を備える、レーザ走査型顕微鏡装置。
2. 前記第１の可動部は、前記第２の可動部より高速に移動可能である、請求項１に記載のレーザ走査型顕微鏡装置。
3. 前記第１の可動部を第１の方向に移動させる第１の駆動部と、前記第２の可動部を第２の方向に移動させる第２の駆動部とは、独立して制御される、請求項１に記載のレーザ走査型顕微鏡装置。
4. 前記第１の駆動部はボイルコイル型モータである、請求項３に記載のレーザ走査型顕微鏡装置。
5. 前記第１の可動部と前記第２の可動部とは、それぞれ直交する直線上を周期的に移動する、請求項１に記載のレーザ走査型顕微鏡装置。
6. 前記第１の可動部は、前記反射ミラーから前記対物レンズへ入射するレーザ光の光軸と平行な方向に移動可能に構成される、請求項５に記載のレーザ走査型顕微鏡装置。
7. 前記第２の可動部は、第２の方向に沿って周期的に直線移動し、
   前記第１の可動部は、前記第１の方向に接線を有する円弧上を周期的に回転移動する、請求項１に記載のレーザ走査型顕微鏡装置。
8. 前記第１の可動部の回転中心には、前記反射ミラーと前記対物レンズとの間でレーザ光を案内する第２の反射ミラーが設けられる、請求項７に記載のレーザ走査型顕微鏡装置。
9. 前記対物レンズの焦点位置を調整する焦点位置制御部をさらに備える、請求項１に記載のレーザ走査型顕微鏡装置。
10. 球面収差を補正する球面収差補正部をさらに備える、請求項１に記載のレーザ走査型顕微鏡装置。
11. 前記第１の可動部および前記第２の可動部の移動速度を制御する制御部を備える、請求項１に記載のレーザ走査型顕微鏡装置。
12. 対物レンズを搭載し、第１の方向へ移動させる第１の可動部と、前記第１の可動部に対して直交する第２の方向に移動可能であり、前記第１の可動部と、観察対象へ照射するレーザ光および前記観察対象からの戻り光を所定の方向へ案内する反射ミラーとを搭載した第２の可動部と、を備えるレーザ走査型顕微鏡装置において、前記第１の可動部の移動速度が前記第２の可動部の移動速度より高速となるように制御する、制御方法。
    

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