JP2018169549A

JP2018169549A - 観察装置

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Publication number: JP2018169549A
Application number: JP2017068311A
Authority: JP
Inventors: 大出　孝博; Takahiro Oide; 孝博大出
Original assignee: FOB CO Ltd
Current assignee: FOB CO Ltd
Priority date: 2017-03-30
Filing date: 2017-03-30
Publication date: 2018-11-01
Anticipated expiration: 2037-03-30
Also published as: JP6543849B2

Abstract

【課題】サンプルを様々な方向から観察可能な観察装置を提供する。
【解決手段】本発明の一態様にかかる観察装置１００は、第１の軸周りに回転可能に設けられた回転軸１１と、回転軸１１を回転させるφ軸モータ１４７と、回転軸１１に取り付けられたアーム１２であって、ガイド機構１５が設けられたアーム１２と、第１のガイド機構１５に沿って移動可能に設けられた光学系ユニット１１０であって、サンプルに照射される照射光を走査するスキャナを有する光学系ユニット１１０と、光学系ユニット１１０のサンプル側に取り付けられ、スキャナで走査された照射光をサンプルに集光する対物レンズ１２０と、対物レンズ１２０が第１の軸の延長線上にある観察中心点Ｏ周りに回転移動するように、光学系ユニット１１０をガイド機構１５に沿って移動させるθ軸モータ１４５と、を備えたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、観察装置に関する。

非特許文献１には、２光子顕微鏡が開示されている。非特許文献１の２光子顕微鏡は、マウスの脳に励起光となるレーザ光を照射している。そして、脳の様々な領域を観察している。また、非特許文献２には多光子顕微鏡が開示されている。非特許文献２の多光子顕微鏡は、対物レンズを−５°〜＋９５°の範囲で回転させることができる回転式顕微鏡である。

Sofroniew et al., "A large field of view two-photon mesoscope with subcellular resolution for in vivo imaging" eLife 2016;5:e14472. https://www.thorlabs.co.jp/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=7494&pn=bergamo#ad-image-0:インターネット２０１７年３月２３日検索

脳研究では、広域ネットワーク観察のため、様々な部位を様々な方向から観察することが望まれる。しかしながら、非特許文献２の顕微鏡では１軸周りにしか、対物レンズを回転することができない。従って、様々な方向から観察するためには、サンプルを回転させる必要がある。しかしながら、サンプルがマウスやマーモセットなどの実験動物の場合、サンプルを回転させると、サンプルがストレス等の影響を受けてしまうおそれがある。よって、装置に起因する影響を受けないで様々な方向から観察することが困難であるという問題点がある。

本発明は、このような事情を背景としてなされたものであり、様々な方向からサンプルを観察することができる観察装置を提供することを目的とするものである。

本実施形態の一態様にかかる観察装置は、第１の軸周りに回転可能に設けられた回転軸と、前記回転軸を前記第１の軸周りに回転させる回転軸駆動機構と、前記回転軸に取り付けられたアームであって、第１のガイド機構が設けられたアームと、前記第１のガイド機構に沿って移動可能に設けられた光学系ユニットであって、サンプルに照射される照射光を走査するスキャナを有する光学系ユニットと、前記光学系ユニットのサンプル側に取り付けられ、前記スキャナで走査された照射光をサンプルに集光する対物レンズと、前記対物レンズが前記第１の軸の延長線上にある回転中心点周りに回転移動するように、前記光学系ユニットを前記第１のガイド機構に沿って移動させるユニット駆動機構と、を備えたものである。

上記の観察装置において、前記回転軸の内部を光が通過できるよう、前記回転軸が中空に形成されており、前記観察装置は、前記第１の軸上において前記アームに取り付けられ、前記回転軸の内部を通過した照射光を反射する回転ミラーと、前記アームに対して移動可能に設けられ、前記回転ミラーからの照射光を前記光学系ユニットに向けて反射する可動ミラーと、前記第１のガイド機構における前記光学系ユニットの位置に応じて、前記回転ミラーと前記可動ミラーとの間隔を変化させるよう、前記可動ミラーを移動させるミラー駆動機構、をさらに備えていてもよい。

上記の観察装置において、前記アームには、前記ミラー駆動機構による前記可動ミラーの直進移動をガイドする第２のガイド機構が設けられていてもよい。

上記の観察装置において、前記光学系ユニットに設けられ、前記可動ミラーで反射した照射光が入射する第１の角度可変ミラーを備え、前記第１の角度可変ミラーで反射した照射光が前記スキャナで走査され、前記第１の角度可変ミラーの角度が、前記第１のガイド機構における前記光学系ユニットの位置に応じて変化するようにしてもよい。

上記の観察装置において、前記回転軸の内部を光が通過できるよう、前記回転軸が中空に形成されており、前記観察装置は、前記第１の軸上において前記アームに取り付けられ、前記回転軸の内部を通過した照射光を反射する回転ミラーと、前記アームに設けられ、前記回転ミラーからの照射光を前記光学系ユニットに向けて反射する第２の角度可変ミラーと、を備え、前記光学系ユニットは、前記光学系ユニットに取り付けられ、前記第２の角度可変ミラーで反射した照射光を反射する第３の角度可変ミラーと、前記第３の角度可変ミラーで反射した照射光を反射するミラーと、を備え、前記ミラーに対する前記照射光の入射位置に応じて、前記第３の角度可変ミラーの角度が変化し、前記第３の角度可変ミラーに対する前記照射光の入射位置に応じて、前記第２の角度可変ミラーの角度が変化するようにしてもよい。

上記の観察装置において、前記第３の角度可変ミラー、及び前記ミラーは、それぞれ、基板と、前記基板の前面側に設けられ、前記照射光の一部を透過するように形成された反射膜と、前記基板の背面側に設けられ、前記照射光の入射位置を検出する位置センサと、を備え、前記ミラーの前記位置センサで検出された入射位置に応じて、前記第３の角度可変ミラーの角度が変化し、前記第３の角度可変ミラーの前記位置センサで検出された入射位置に応じて、前記第２の角度可変ミラーの角度が変化するようにしてもよい。

上記の観察装置において、前記第３の角度可変ミラーと前記ミラーとの間の光路中に配置され、前記第３の角度可変ミラーで反射した前記照射光の一部を取り出す第１のビームサンプラと、前記第１のビームサンプラで取り出された前記照射光の入射位置を検出する第１の位置センサと、前記ミラーと前記スキャナとの間の光路中に配置され、前記ミラーで反射した照射光の一部を取り出す第２のビームサンプラと、前記第１のビームサンプラで取り出された前記照射光の入射位置を検出する第２の位置センサと、をさらに備え、前記第１の位置センサで検出された入射位置に応じて、前記第２の角度可変ミラーの角度が変化し、前記第２の位置センサで検出された入射位置に応じて、前記第３の角度可変ミラーの角度が変化するようにしてもよい。

上記の観察装置は、前記照射光を発生するパルスレーザ光源をさらに備えていてもよい。

上記の観察装置は、前記光学系ユニットに照射光を導入する光ファイバをさらに備えていてもよい。

上記の観察装置において、前記回転中心点を挟んで、前記光学系ユニットと対称な位置において、前記アームにカウンタウェイトが取り付けられていてもよい。

本発明によれば、様々な方向からサンプルを観察することができる観察装置を提供することができる。

実施の形態１にかかる観察装置の主要部の構成を示す斜視図である。実施の形態１にかかる観察装置の主要部の構成を示すＸＹ平面図である。実施の形態１にかかる観察装置の動作を示すＹＺ平面図である。実施の形態２にかかる観察装置の主要部の構成を示す斜視図である。実施の形態２にかかる観察装置の動作を示すＹＺ平面図である。実施の形態２にかかる観察装置の光学系の構成を示す図である。実施の形態２にかかる観察装置の光学系の構成を示す図である。 θ角度と可動ミラーの角度補正ミラーと関係を説明するための図である。実施の形態２にかかる観察装置の制御ブロック図である。実施の形態３にかかる観察装置の動作を示す図である。実施の形態３にかかる観察装置に用いられる位置センサミラーの構成を示す図である。実施の形態３にかかる観察装置に用いられるサーボループを説明するための図である。実施の形態３の変形例１にかかる観察装置の構成を説明するための図である。

以下に、本発明を適用可能な実施の形態が説明される。以下の説明は、本発明の実施形態を説明するものであり、本発明が以下の実施形態に限定されるものではない。説明の明確化のため、以下の記載は、適宜、省略及び簡略化がなされている。又、当業者であれば、以下の実施形態の各要素を、本発明の範囲において容易に変更、追加、変換することが可能であろう。尚、各図において同一の符号を付されたものは同様の要素を示しており、適宜、説明が省略される。

実施の形態１．
本実施の形態にかかる観察装置の主要部の構成について、図１、及び図２を用いて説明する。図１は、観察装置１００の主要部の構成を示す斜視図である。具体的には、図１は、観察装置１００の光学系ユニット１１０と対物レンズ１２０とを回転可能に保持する保持装置１０の構成を模式的に示している。保持装置１０は、サンプルを動かさずに、様々な方向からサンプルを観察するために、光学系の一部を回転移動可能に保持している。図２は保持装置１０の構成を示すＸＹ平面図である。なお、図１、図２では一部の構成が適宜省略されている。例えば、観察装置１００に設けられた照明光源等は省略されている。

観察装置１００は、回転軸１１と、アーム１２と、第１のウェイト１３と、第２のウェイト１４と、ガイド機構１５と、軸受け１６と、台座１７と、光学系ユニット１１０と、対物レンズ１２０と、を備えている。以下、適宜ＸＹＺ３次元直交座標系を用いて説明する。Ｚ軸は、回転軸１１の中心軸であり、ここでは水平方向となっている。また、Ｘ方向は水平方向となり、Ｙ方向は鉛直方向となっている。もちろん、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は相対的なものであり、観察装置１００の設置方向に応じて変化する。対物レンズ１２０の光軸ＯＸとＺ軸と交差する点を観察中心点Ｏとする。観察中心点Ｏにはサンプル（図１、図２では不図示）が配置される。なお、サンプルは図示しないサンプルステージに載置されている。

回転軸１１は、Ｚ方向に沿って設けられている。回転軸１１は円柱又は円筒状になっている。具体的には、Ｚ軸が回転軸１１の回転中心と一致している。そして、回転軸１１は軸受け１６を介して台座１７（図１では省略）に固定されている。すなわち、台座１７、及び軸受け１６は、回転軸１１を回転可能に保持している。回転軸１１は、Ｚ軸周りに回転する。図１に示すように、Ｚ軸周りの回転方向をφ方向とする。また、φ方向の回転をφ軸回転とも称する。

回転軸１１の一端には、アーム１２が取り付けられている。アーム１２は、回転軸１１の先端に連結されている。アーム１２は、回転軸１１から２方向の延びる馬蹄状のプレートとなっている。アーム１２の中央部が回転軸１１に固定され、両端が−Ｚ方向に延在している。なお、アーム１２の形状は特に限定されるものではなく、Ｃ字状、又はＵ字状であってもよい。アーム１２は、回転軸１１とともにφ方向に回転する。すなわち、回転軸１１をモータなどの駆動機構で回転させるとアーム１２がφ方向に回転する。

図１、図２に示すように、アーム１２がＸＹ平面と平行になっている角度をφ軸回転の基準角度とする。基準角度において、アーム１２の一端は回転軸１１の上方（＋Ｙ側）に配置され、他端はＺ軸の下方（−Ｙ側）に配置されている。回転軸１１は、例えば、φ方向に±３０°回転することができる。よって、基準角度を０°とすると、アーム１２が、φ方向に−３０°〜＋３０°の範囲で回転することができる。もちろん、φ方向の回転可能な範囲は±３０°に限られるものではない。

アーム１２は、第１のガイド機構となるガイド機構１５を有している。ガイド機構１５は、アーム１２の中央部から一端までの間に配置されている。例えば、アーム１２の一方の面にガイド溝を形成することで、アーム１２にガイド機構１５が設けられる。なお、アーム１２において、ガイド機構１５が形成された面をガイド形成面１２ａとする。例えば、基準角度において、ガイド形成面１２ａは、ＹＺ平面に平行な平面となっている。もちろん、ガイド形成面１２ａは平面に限られるものではない。なお、ガイド形成面１２ａにガイドレール等を取り付けることで、ガイド機構１５が形成されていてもよい。

ガイド機構１５は、光学系ユニット１１０の移動をガイドする。光学系ユニット１１０は、ガイド機構に沿って移動可能に設けられている。例えば、ガイド形成面１２ａにおいて、ガイド機構１５は、円弧状に形成されている。ガイド機構１５の円弧は、例えば、観察中心点Ｏの近傍を中心とした円弧である。したがって、ガイド形成面１２ａ上を、光学系ユニット１１０は、円弧に沿って移動する。

図２に示すように、基準角度においてガイド形成面１２ａは、Ｚ軸から−Ｘ方向にずれている。すなわち、基準角度において、ガイド形成面１２ａを含む平面とＺ軸とは交差しないように配置されている。具体的には、光学系ユニット１１０や対物レンズ１２０等の大きさに応じて、アーム１２のガイド形成面１２ａは、Ｚ軸からずれて配置されている。

光学系ユニット１１０のサンプル側には、対物レンズ１２０が取り付けられている。基準角度において、対物レンズ１２０の光軸ＯＸはＺ軸と交差するように配置されている。対物レンズ１２０の光軸ＯＸが観察中心点Ｏを通るように、ガイド形成面１２ａは観察中心点Ｏから−Ｘ方向にずれて配置されている。対物レンズ１２０は、光学系ユニット１１０の観察中心点Ｏ側に配置されている。光学系ユニット１１０が、ガイド機構１５に沿って回転移動すると、対物レンズ１２０が光学系ユニット１１０とともにθ方向へ回転移動する。また、回転軸１１が回転すると、アーム１２に取り付けられた光学系ユニット１１０、及び対物レンズ１２０もφ方向へ回転する。従って、光学系ユニット１１０、及び対物レンズ１２０は、観察中心点Ｏを回転中心点としてθ、及びφの両方向へ回転移動する。

光学系ユニット１１０は、例えば、複数の光学素子と、筐体と、を有している。筐体は複数の光学素子を収容する。よって、光学系ユニット１１０の移動にともなって、筐体内に配置された複数の光学素子は一体に移動する。光学系ユニット１１０は、サンプルに向かう照射光（照明光）を伝搬する光学系、及びサンプルからの観察光を光検出器に伝搬する光学系の少なくとも一部を備えている。具体的には、光学系ユニット１１０は、サンプルに照射される照射光を走査するスキャナ等を含んでいる。例えば、光学系ユニット１１０は、スキャナとして、ガルバノミラー等を有している。もちろん、光学系ユニット１１０はスキャナ以外の光学素子、例えば、ミラー、ダイクロイックミラー、光検出器等を有していてもよい。光学系ユニット１１０内に設けられた光学系の具体例については後述する。

光学系ユニット１１０で走査された照射光は、対物レンズ１２０に入射する。対物レンズ１２０は、光学系ユニット１１０で走査された照射光を集光する。対物レンズ１２０に観察中心点Ｏにあるサンプルに向けて照射光を集光する。対物レンズ１２０による照射光の焦点は、観察中心点Ｏとすることができる。対物レンズ１２０のみをＹ方向に移動させれば、観察中心点Ｏを中心とする球面上を焦点とすることも可能である。また、サンプルからの観察光が対物レンズ１２０に入射すると、対物レンズ１２０は観察光を屈折する。そして、サンプルからの観察光は、対物レンズ１２０を介して、光学系ユニット１１０に入射する。観察光は、光学系ユニット１１０に設けられた光検出器で検出される。

光学系ユニット１１０がガイド機構１５に沿って回転移動すると、対物レンズ１２０も回転移動する（図１中の矢印θ）。すなわち、対物レンズ１２０と、光学系ユニット１１０とは一体となって回転移動する。ガイド機構１５によって、光学系ユニット１１０と対物レンズ１２０とが移動可能にアーム１２に取り付けられている。ここで、ガイド機構１５に沿った光学系ユニット１１０の移動方向を図１に示すように、θ方向とする。

φ方向の基準角度において、θ方向は、Ｘ軸と平行な回転軸周りの回転方向となる。なお、θ方向は、回転軸１１のφ方向の回転角度に応じて変化する。光学系ユニット１１０は、θ方向に±３０°だけ移動する。すなわち、ガイド機構１５は、６０°の円弧となっている。もちろん、θ方向の移動範囲を±３０°に限られるものではない。なお、ガイド機構１５に沿ったθ方向の回転をθ軸回転とも称する。

さらに、アーム１２には、第１のウェイト１４が取り付けられている。第１のウェイト１４は、アーム１２のガイド形成面１２ａに固定されている。第１のウェイト１４は、φ回転の変動を減らすために設けられたカウンタウェイトである。第１のウェイト１４は、光学系ユニット１１０と対物レンズ１２０との重量の合計値以上の重量を有していることが好ましい。第１のウェイト１４は、例えば、観察中心点Ｏを挟んで、光学系ユニット１１０と対称な位置に配置されている。具体的には、基準位置において、光学系ユニット１１０と第１のウェイト１４とが観察中心点Ｏに対して対称な位置に配置されている。

さらに、回転軸１１の他端側には、第２のウェイト１３が取り付けられている。回転軸１１は、第２のウェイト１３の内部を通過している。第２のウェイト１３は回転軸１１に固定されており、台座１７には固定されていない。第２のウェイト１３は回転軸１１の先端側（アーム１２側）が下方に傾斜しないように設けられている。例えば、第２のウェイト１３は、アーム１２、第１のウェイト１４、光学系ユニット１１０、対物レンズ１２０の合計重量以上の重量を有していることが好ましい。

ここで、φ軸が基準角度になっている場合において、対物レンズ１２０の光軸ＯＸがＹ軸と平行になっている状態をθ方向の基準位置とする。すなわち、回転軸１１が基準角度になっており、かつ、ガイド機構１５において光学系ユニット１１０が基準位置にある場合、観察中心点Ｏの真上に対物レンズ１２０が配置される。

ここで、ガイド機構１５に沿って光学系ユニット１１０が回転移動する動作について、図３を用いて説明する。図３は、ガイド機構１５に沿った動作を説明するための構成を模式的に示すＹＺ平面図である。図３は、φ軸回転の基準角度における光学系ユニット１１０、及び対物レンズ１２０の動作を示している。

さらに、図３では、基準位置での光学系ユニット１１０、及び対物レンズ１２０を光学系ユニット１１０ｂ、及び対物レンズ１２０ｂとして示している。そして、基準位置から＋θ方向（図３の時計回り）に回転移動した状態を光学系ユニット１１０ａ、対物レンズ１２０ａとし、−θ方向（図３の反時計回り）に回転移動した状態を光学系ユニット１１０ｃ、対物レンズ１２０ｃとして示している。

ガイド機構１５が観察中心点Ｏを中心とする円弧状に設けられている。このため、光学系ユニット１１０、及び対物レンズ１２０がθ方向に回転移動した場合でも、対物レンズ１２０の光軸ＯＸが観察中心点Ｏを通っている。θ角度に応じて、光学系ユニット１１０、及び対物レンズ１２０の位置だけでなく、角度も変化する。例えば、対物レンズ１２０ｂの光軸ＯＸｂは、Ｙ軸と平行となっているが、対物レンズ１２０ａの光軸ＯＸａはＹ軸から＋θ方向に傾いている。また、対物レンズ１２０ｃの光軸ＯＸｃはＹ軸から−θ方向に傾いている。

従って、光学系ユニット１１０のθ角度によらず、対物レンズ１２０の光軸ＯＸは、観察中心点Ｏを通過する。θ方向における光学系ユニット１１０の回転移動の中心は、観察中心点Ｏとなっている。よって、観察中心点Ｏ、又はその近傍にあるサンプルＳを様々な方向から観察することができる。また、対物レンズ１２０のみをＹ方向に移動させれば、観察中心点Ｏを中心とする球面上を焦点とすることも可能である。

上記のように、回転軸１１が回転すると、アーム１２がφ方向に回転する。よって、アーム１２とともに、光学系ユニット１１０、対物レンズ１２０もφ方向に回転する。これにより、２軸周りの対物レンズ１２０、光学系ユニット１１０を回転させることができる。よって、φ方向、及びθ方向の２軸方向において、様々な方向からの観察が可能になる。φ方向における光学系ユニット１１０の回転移動の中心は、観察中心点Ｏとなっている。

さらに、対物レンズ１２０が光学系ユニット１１０に固定されている。従って、光学系のアライメントを容易に行うことができる。すなわち、光学系ユニット１１０に適切な方向から入射光を導入すれば，サンプルＳを照明することができる。よって、光学系の調整などが容易になる。

例えば、図３では光ファイバ２６によって、光学系ユニット１１０に照明光を導入している。すなわち、光ファイバ２６の一端を光学系ユニット１１０の入口に対して固定すればよい。なお、光ファイバ２６は、光学系ユニット１１０がφ方向、及びθ方向に回転移動した場合でも張力が加わらないように、たわませておけばよい。これにより、簡便な構成で様々な方向からの観察が可能となる。さらに、サンプルＳを動かさずに、様々な方向からの観察が可能となる。

実施の形態２．
実施の形態２にかかる観察装置１００について、図４を用いて説明する。図４は、観察装置１００の主要部の構成を示す斜視図である。本実施の形態では光学系ユニット１１０へ照射光を導入する構成が実施の形態１と異なっている。実施の形態１では、光ファイバによって光学系ユニット１１０に光を導入したが、本実施の形態では、ミラー１０３，回転ミラー１０４、及び可動ミラー１０５を用いて、照射光を光学系ユニット１１０に導入している。なお、保持装置１０の基本的な構成については、実施の形態１と同様であるため説明を省略する。例えば、アーム１２や回転軸１１の構成、及び動作は実施の形態１と同様である。

ミラー１０３、及び回転ミラー１０４はＺ軸上に配置されている。ミラー１０３は、例えば、図２で示した台座１７(図４では不図示)に固定されている。回転ミラー１０４は、アーム１２に固定されている。また、回転軸１１はミラー１０３と回転ミラー１０４との間に配置されている。照射光が回転軸１１の内部を通過することができるよう、回転軸１１は中空になっている。

ミラー１０３で反射した照射光は回転軸１１の内部を通過して、回転ミラー１０４に入射する。ミラー１０３で反射した光は、Ｚ軸に沿って伝搬している。回転ミラー１０４は、ミラー１０３からの照射光を可動ミラー１０５の方向に反射する。回転ミラー１０４で反射された照射光は、可動ミラー１０５で反射する。可動ミラー１０５で反射した照射光は、光学系ユニット１１０に入射する。そして、実施の形態１と同様に、照射光Ｌ１は光学系ユニット１１０、対物レンズ１２０を介して、サンプルを照明する。なお、光学系ユニット１１０の内部には、角度補正ミラー１１１が設けられている。

回転ミラー１０４は、アーム１２又は回転軸１１に対して固定されている。ここでは、回転ミラー１０４は、Ｚ軸上においてアーム１２に取り付けられている。よって、回転軸１１が回転すると、回転ミラー１０４の角度が変わる。すなわち、回転ミラー１０４は、回転軸１１とともに回転するように、回転可能に設けられている。なお、回転ミラー１０４は、Ｚ軸上に配置されているため、φ軸回転によって、回転ミラー１０４の位置は変化せず、向きが変化する。すなわち、回転ミラー１０４はφ軸周りにその場で回転する。

可動ミラー１０５は、アーム１２に対して移動可能に取り付けられている。具体的には、θ方向における光学系ユニット１１０の位置に応じて、可動ミラー１０５は、移動する。可動ミラー１０５で反射した照射光Ｌ１は、光学系ユニット１１０に入射する。光学系ユニット１１０には、角度補正ミラー１１１が設けられている。角度補正ミラー１１１の動作については後述する。

角度補正ミラー１１１に対する照射光Ｌ１の入射位置が一定になるように、可動ミラー１０５が追従動作する。これにより、θ方向における光学系ユニット１１０の位置が変わった場合でも、適切に照射光Ｌ１を光学系ユニット１１０に導入することができる。さらに、回転ミラー１０４、及び可動ミラー１０５は、アーム１２とともにφ方向に回転する。よって、φ方向、及びθ方向の２軸方向において観察方向を変えることができる。

図５を用いて、θ方向における光学系ユニット１１０の回転移動に連動した可動ミラー１０５に動作について説明する。図５は、光学系ユニット１１０に連動した可動ミラー１０５の動作を模式的に示すＹＺ平面図である。

図３と同様に、基準位置での光学系ユニット１１０、及び対物レンズ１２０を光学系ユニット１１０ｂ、及び対物レンズ１２０ｂとして示している。そして、光学系ユニット１１０ｂに対応する可動ミラー１０５を可動ミラー１０５ｂとして示している。基準位置から＋θ方向に回転移動した状態を光学系ユニット１１０ａ、対物レンズ１２０ａとし、−θ方向に回転移動した状態を光学系ユニット１１０ｃ、対物レンズ１２０ｃとして示している。光学系ユニット１１０ａに対応する可動ミラー１０５を可動ミラー１０５ａとし、光学系ユニット１１０ｃに対応する可動ミラー１０５を可動ミラー１０５ｃとして示している。

アーム１２には、第２のガイド機構であるリニアガイド機構１９が設けられている。具体的には、アーム１２にリニアガイド機構１９が設けられたガイドプレート１８が固定されている。可動ミラー１０５は、リニアガイド機構１９に対して、移動可能に取り付けられている。リニアガイド機構１９は、可動ミラー１０５の直進移動をガイドしている。具体的には、リニアガイド機構１９は、回転ミラー１０４と可動ミラー１０５との間の光軸方向ＯＸ１と平行に設けられている。よって、可動ミラー１０５は光軸ＯＸ１と平行な方向に移動する。従って、可動ミラー１０５がリニアガイド機構１９に沿って移動することで、回転ミラー１０４と可動ミラー１０５との間の距離が変化する。

光学系ユニット１１０のθ角度に応じて、可動ミラー１０５に位置が変化する。例えば、図５では、光学系ユニット１１０ｂに対応する可動ミラー１０５ｂが、光学系ユニット１１０ａ、１１０ｃに対応する可動ミラー１０５ａ、１０５ｃよりも高い位置にある。すなわち、可動ミラー１０５の動作は、θ方向における光学系ユニット１１０の動作に連動している。したがって、光学系ユニット１１０がθ方向に回転移動した場合でも、可動ミラー１０５で反射した照射光Ｌ１は、光学系ユニット１１０に入射する。

なお、θ角度に応じて、光学系ユニット１１０に対する照射光Ｌ１の入射角度が変化する。すなわち、可動ミラー１０５で反射した照射光Ｌ１はＺ軸と平行に伝搬するが、θ方向における光学系ユニット１１０の位置に応じて、光学系ユニット１１０の傾斜角度が変わる。例えば、対物レンズ１２０ｂは、Ｙ軸と平行になっているが、対物レンズ１２０ａ、対物レンズ１２０ｃがＹ軸から傾斜している。そこで、光学系ユニット１１０は角度補正ミラー１１１を有している。角度補正ミラー１１１はθ角度に応じて、傾きが変化する。これにより、照射光Ｌ１は、光学系ユニット１１０内を適切に伝搬することができる。なお、角度補正ミラー１１１の動作については後述する。

本実施の形態では、ミラー１０３、回転ミラー１０４、可動ミラー１０５を用いて、光学系ユニット１１０に光を入射させている。本実施の形態では、ミラー１０３、回転ミラー１０４、可動ミラー１０５を用いて空間を光が伝搬している。すなわち、光が空気中を伝搬して、光学系ユニット１１０に入射する。

例えば、実施の形態１のように、光ファイバ２６内をパルスレーザ光が伝搬すると、光ファイバ３１内の伝搬光路長に応じて、パルス長が長くなってしまう。これに対して、本実施の形態では、ミラー１０３、回転ミラー１０４、及び可動ミラー１０５を用いているため、照射光が空気中を伝搬することができる。これにより、照射光のパルス長が長くなるのを防ぐことができる。よって、実施の形態２では、パルスレーザ光を照射光とすることが好ましい。特に、本実施の形態にかかる観察装置１００は、フェムト秒レーザ光等の短パルス光を励起光として用いた２光子励起顕微鏡や多光子励起顕微鏡に好適である。

（光学系の構成）
次に、観察装置１００の光学系の構成について図６を用いて説明する。図６は、観察装置１００の光学系の構成を示す図である。本実施の形態では、観察装置１００が２光子励起顕微鏡であるとして説明するが、観察装置１００は２光子励起顕微鏡に限定されるものではない。例えば、観察装置１００は、走査型顕微鏡やコンフォーカル顕微鏡であってもよい。

観察装置１００は、光源１０１と、ビームエキスパンダ１０２と、ミラー１０３と、回転ミラー１０４と、可動ミラー１０５と、光学系ユニット１１０と、対物レンズ１２０とを備えている。光学系ユニット１１０は、角度補正ミラー１１１と、ミラー１１２と、ミラー１１３と、第１のスキャナ１１４と、第２のスキャナ１１５と、スキャンレンズ１１６と、チューブレンズ１１７と、ダイクロイックミラー１１８と、リレーレンズ１３１と、赤外カットフィルタ１３２と、ダイクロイックミラー１３３と、光検出器１３４と、光検出器１３５とを備えている。角度補正ミラー１１１と、ミラー１１２と、ミラー１１３と、第１のスキャナ１１４と、第２のスキャナ１１５と、スキャンレンズ１１６と、チューブレンズ１１７と、ダイクロイックミラー１１８と、リレーレンズ１３１と、赤外カットフィルタ１３２と、ダイクロイックミラー１３３と、光検出器１３４と、光検出器１３５が光学系ユニット１１０の筐体内に収容されている。

まず、光源１０１からの照射光Ｌ１をサンプルＳに照射するための照明光学系の構成について説明する。光源１０１は、照射光を生成する。光源１０１は、例えば、パルスレーザ光源である。具体的には、光源１０１はフェムト秒モードロックチタンサファイアレーザであり、短パルスの近赤外光を生成する。ここでは、照射光のパルス幅は１００ｆｓｅｃ、繰り返し周波数は８０ＭＨｚ、平均パワーは３Ｗである。短パルスレーザ光を用いることで、ピークパワーを高めると同時に平均パワーを低減することができる。このため、サンプルＳへのダメージを低減することができ、生体試料の観察に好適である。また、光源１０１は、波長可変となっており、可変波長域は６９０〜１０４０ｎｍとなっている。光源１０１からの照射光は平行光束となっている。もちろん、光源１０１は、チタンサファイヤレーザに限定されるものではない。

光源１０１からの照射光は、ビームエキスパンダ１０２に入射する。ビームエキスパンダ１０２は、一対のレンズを有しており、照射光のスポット径を拡大する。具体的には、ビームエキスパンダ１０２は、第１のスキャナ１１４、及び第２のスキャナ１１５の面積に応じたビーム径になるよう、照射光のビーム径を拡大する。ビームエキスパンダ１０２からの照射光は、ミラー１０３、回転ミラー１０４、及び可動ミラー１０５で反射する。上記の通り、回転ミラー１０４は、回転軸１１の回転により、φ軸周りに回転する。可動ミラー１０５は、θ軸周りの回転角度に応じて移動する。

可動ミラー１０５で反射した照射光は、光学系ユニット１１０に導入される。光学系ユニット１１０に入射した照射光Ｌ１は、角度補正ミラー１１１に入射する。角度補正ミラー１１１で反射した照射光Ｌ１は、ミラー１１２に入射する。角度補正ミラー１１１は、
光学系ユニット１１０に設けられた第１の角度可変ミラーとなる。角度補正ミラー１１１は、光の反射角度を変えるように回転可能に設けられた回転ミラーである。角度補正ミラー１１１は、θ角度に応じて傾きが変化する。角度補正ミラー１１１の回転角度が、ガイド機構１５における光学系ユニット１１０の位置に応じて変化する。すなわち、ミラー１１２に対する照射光ｌ１の入射位置が一定になるように、角度補正ミラー１１１は追従動作する。これにより、光学系ユニット１１０がθ方向に回転移動した場合でも、ミラー１１２に対する照射光Ｌ１の傾き及び入射位置を一定にすることができる。

角度補正ミラー１１１で反射した入射光Ｌ１はミラー１１２、１１３で反射して、第１のスキャナ１１４に入射する。第１のスキャナ１１４で走査された照射光Ｌ１は、第２のスキャナ１１５に入射する。第１のスキャナ１１４、第２のスキャナ１１５は、ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｓ）やガルバノミラーなどを用いた光スキャナである。第１のスキャナ１１４には、共振型走査ミラーを用いることができる。第２のスキャナ１１５には、サーボ制御により動作する、ＭＥＭＳミラーなどのサーボ型走査ミラーを用いることができる。

サンプルＳ上において、第１のスキャナ１１４は照射光Ｌ１をＸｓ方向（不図示）に偏向し、第２のスキャナ１１５は照射光Ｌ１をＹｓ方向（不図示）に偏向する。ここで、Ｘｓ方向とＹｓ方向は、サンプルＳにおいて直交する方向である。すなわち、対物レンズ１２０の光軸ＯＸと直交する平面においてＸｓ方向とＹｓ方向とは直交している。よって、サンプルＳ上では、Ｘｓ方向及びＹｓ方向の２次元走査が行われる。これにより、サンプルＳにおいて、所定の領域を観察することができる。なお、照射光を走査する光スキャナの構成については特に限定されるものではなく、公知の光スキャナを用いることができる。例えば、２軸タイプの走査ミラーを用いてもよい。

第１のスキャナ１１４、第２のスキャナ１１５によって走査された照射光は、スキャンレンズ１１６に入射する。スキャンレンズ１１６は対物レンズ１２０の一次像面に照射光を集光する。一次像面では、第１のスキャナ１１４、及び第２のスキャナ１１５の偏向角によって、照射光の位置が走査される。

スキャンレンズ１１６を通過した照射光は、一次像面を通過した後、チューブレンズ１１７に入射する。チューブレンズ１１７は、スキャンレンズ１１６から対物レンズ１２０までの間に配置されている。チューブレンズ１１７は、照射光を屈折して、平行光束とする。チューブレンズ１１７からの照射光は、ダイクロイックミラー１１８に入射する。ダイクロイックミラー１１８は、赤外光を透過して、可視光を反射する。よって、照射光はダイクロイックミラー１１８を透過して、対物レンズ１２０に入射する。このように、チューブレンズ１１７からの照射光Ｌ１は、ダイクロイックミラー１１８を介して、対物レンズ１２０に入射する。

対物レンズ１２０は、照射光を集光して、サンプルＳを照明する。すなわち、対物レンズ１２０を通過した照射光が、微小スポットとなってサンプルＳに照射される。サンプルＳの微小スポットに照射光が入射することで、サンプルＳ中の蛍光物質を励起する。照射光を赤外光として、２光子励起による蛍光のみを観察しているため、照射光の集光スポットの蛍光物質のみから蛍光が発生する。換言すると、照射光の焦点面以外からの蛍光がほとんど発生しない。対物レンズ１２０の焦点が観察点となる。これにより、高い解像度（分解能）での観察が可能となる。

また、第１のスキャナ１１４、及び第２のスキャナ１１５によって照射光Ｌ１の照射位置が２次元走査されているので、サンプルの所定の領域を照明することができる。照射光Ｌ１を走査した時の蛍光を検出することで、二次元画像を構築することができる

なお、サンプルＳは図示しないサンプルステージ上に載置されている。サンプルステージはアーム１２等に干渉しないように配置されている。また、サンプルステージ上のサンプルＳと対物レンズ１２０との距離を変化させることで、サンプルＳに対する照射光の焦点位置を光軸方向に移動させることができる。光軸方向に沿って、対物レンズ１２０がサンプルＳに相対移動することで、異なる深さでの観察が可能になる。サンプルＳの深部を焦点とすることで、サンプルＳの深部を観察することが可能になる。例えば、光学系ユニット１１０に対して対物レンズ１２０を移動可能に設けてもよい。あるいは、サンプルステージを駆動ステージとしてもよい。また、サンプルステージを３次元駆動ステージとすることで、サンプルＳにおける観察位置を任意の位置に移動させることが可能になる。さらに、

対物レンズ１２０によって集光された照射光は、サンプルＳに入射する。そして、対物レンズ１２０の焦点において、２光子励起によって蛍光が発生する。すなわち、サンプルＳの１つの蛍光分子が２光子をほぼ同時に吸収して、励起状態となると、安定状態に戻る際に蛍光が放出される。このような２光子励起によって生じた蛍光を観察光とする。蛍光の波長は、蛍光物質によって異なっている。

次に、観察光が伝搬する検出光学系について説明する。観察光は、照明された微小スポットから全方位に向けて発生する。したがって、サンプルＳで生じた観察光の一部は、対物レンズ１２０に戻る戻り光となる。戻り光となった観察光は、対物レンズ１２０に入射する。対物レンズ１２０は、入射した観察光を屈折する。ここでは、対物レンズ１２０は、サンプルＳからの戻り光（観察光）を平行光束となるように、屈折する。対物レンズ１２０を通過した観察光は、ダイクロイックミラー１１８に入射する。上記のように、ダイクロイックミラー１１８は赤外光を透過して、可視光を反射する。よって、２光子励起によって発生した蛍光（観察光）は可視光となっている。このため、観察光は、ダイクロイックミラー１１８でリレーレンズ１３１の方向に反射される。なお、サンプルＳに入射してそのまま反射した照射光も対物レンズ１２０を介して、ダイクロイックミラー１１８に入射する。しかしながら、照射光は赤外光であるため、ダイクロイックミラー１１８を透過する。これにより、ノイズとなる照射光が検出されるのを防ぐことができる。

このように、ダイクロイックミラー１１８は、波長に応じて、対物レンズ１２０からの照射光と観察光を分離する光分離手段となる。また、ダイクロイックミラー１１８は、対物レンズ１２０とチューブレンズ１１７との間に配置されている。したがって、ダイクロイックミラー１１８は、第１のスキャナ１１４、及び第２のスキャナ１１５によって観察光がデスキャンされる前に、対物レンズ１２０からの観察光を照射光から分離する。このように、２光子顕微鏡となる観察装置１００は、ノンデスキャン検出器を構成することになる。

ダイクロイックミラー１１８で反射した観察光は、リレーレンズ１３１に入射する。リレーレンズ１３１は、観察光を集光する。赤外カットフィルタ１３２は、赤外光をカットして、可視光を透過するフィルタである。赤外カットフィルタ１３２を光路中に配置することで、ノイズとなる赤外光（照射光）が光検出器１３４、１３５で検出されるのを防ぐことができる。

赤外カットフィルタ１３２を通過した観察光は、ダイクロイックミラー１３３に入射する。ダイクロイックミラー１３３は、波長に応じて観察光を分岐する。ダイクロイックミラー１３３は、緑色光を反射し、赤色光を透過する。ダイクロイックミラー１３３を反射した緑色の観察光は、光検出器１３４で検出される。ダイクロイックミラー１３３を透過した赤色の観察光は、光検出器１３５で検出される。

光検出器１３４、１３５は、例えば、光電子増倍管（フォトマルチプライア）であり、検出光量に応じた検出信号を出力する。例えば、光検出器１３４、１３５は大面積の１受光画素から構成されている。具体的には、検出信号は、後述する制御装置に入力される。制御装置は、照射光の走査位置と検出信号とを対応付けて記憶する。さらに、制御装置は、検出光量をθ角度、及びφ角度に対応付けられて記憶する。すなわち、サンプルＳ中における位置と、観察方向と、検出光量とが対応付けられている。

なお、上記の説明では、蛍光波長の異なる蛍光物質（蛍光色素）を１波長で同時に励起する多重同時染色を行っているために２系統の光検出器１３４、１３５を用いている。すなわち、異なる蛍光物質を同時観察するために２系統の検出光学系を設けている。しかしながら、検出光学系は１系統のみであってもよい。すなわち、観察対象の蛍光物質の蛍光波長に応じた系統の検出光学系を設ければよい。この場合、ダイクロイックミラー１３３光検出器１３４等が不要となる。さらには、検出光学系は３系統以上であってもよい。

観察装置１００では、照射光として赤外光を用いている。このため、照射光Ｌ１がサンプルＳの深部にまで到達する。したがって、サンプルＳの深部を観察する３次元観察に適している。特にサンプルＳが生体である場合、生体組織では、赤外光の吸収が少ないため、サンプルＳの深部の観察に好適である。

ここで、可動ミラー１０５、及び角度補正ミラー１１１の動作について、図７を用いて説明する。図７は、観察装置１００の光学系の構成を示す図である。図７は、θ角度が図６と異なっている。なお、光学系の基本的な構成は図６と同様であるため、説明を省略する。

θ角度が変化すると、可動ミラー１０５の位置が変化する。すなわち、回転ミラー１０４と可動ミラー１０５の距離がθ角度に応じて変化する。これにより、光学系ユニット１１０がθ方向に回転移動した場合でも、照射光Ｌ１が光学系ユニット１１０に入射する。

さらに、θ角度が変化すると、角度補正ミラー１１１の角度が変化する。これにより、θ方向の回転移動により、光学系ユニット１１０の傾きが変わった場合でも、照射光Ｌ１が光学系の光軸に沿って適切に伝搬する。よって、θ角度が変化した場合でも、アライメントの保証された照射光Ｌ１で照明することができる。

図８は、光学系ユニット１１０のθ角度と、可動ミラー１０５の位置と、角度補正ミラー１１１の傾斜角度との関係を説明するための図である。なお、図８では光学系ユニット１１０の内部構成を簡略化して示している。例えば、ダイクロイックミラー１１８等の一部の光学素子が省略されている。

図８は、回転軸１１が基準角度にある場合の構成を示している。また、対物レンズ１２０の光軸ＯＸがＹ軸と平行な場合のθ角度＝０°としている。θ角度＝０°の場合、光学系ユニット１１０が基準位置となっている。θ角度＝０°の場合、角度補正ミラー１１１の反射面の角度はＹ軸に対して４５°傾いている。θ角度＝０°の場合、Ｚ軸（φ軸）と可動ミラー１０５との間の距離がＬとなる。

図８のように、光学系ユニット１１０をθ軸周りに回転移動させたときのθ角度をθ_ａとする。θａの場合の光学素子については、符号にａを付して図示している。例えば、図８では、θ角度が基準位置（０°）の場合の対物レンズを対物レンズ１２０とし、θ角度＝θａの場合の対物レンズを対物レンズ１２０ａとして示している。θ角度がθ_ａの場合、角度補正ミラー１１１ａの反射面の角度が４５°＋θ_ａ／２となる。θ角度がθ_ａの場合の可動ミラー１０５の移動量をδとすると、δ＝Ｌ（１−ｃｏｓθ_ａ）となる。このように、角度補正ミラー１１１をθ角度に応じて駆動することで、サンプルＳを適切に照明することができる。

なお、実施の形態１の観察装置１００は、ビームエキスパンダ１０２、ミラー１０３、回転ミラー１０４、可動ミラー１０５を光ファイバ２６に置き換えた構成を有している。光ファイバ２６から角度補正ミラー１１１に入射する照射光Ｌ１の入射角を一定とすれば、角度補正ミラー１１１の回転動作は不要となる。

（観察装置１００の制御系）
次に、観察装置１００の制御系の構成について図９を用いて説明する。観察装置１００は、ミラー駆動モータ１４１、θ軸モータ１４５、θ軸センサ１４６、φ軸モータ１４７、φ軸センサ１４８、チラー１５１、レーザ電源１５２、電流電圧変換器１６１、保護回路１６２、高圧電源１６３、Ａ／Ｄコンバータ１６４、電流電圧変換器１６６、保護回路１６７、高圧電源１６８、Ａ／Ｄコンバータ１６９、インターフェース（Ｉ／Ｆ）１７１、及び制御装置１７２を備えている。なお、図９では、観察装置１００の一部の光学素子を省略している。

Ｉ／Ｆ１７１は、各機器と制御装置１７２との間の入出力を担っている。制御装置１７２は、モータや電源等の各機器を制御する。なお、各モータは、例えば、ステッピングモータやサーボモータを駆動機構である。制御装置１７２は各モータを制御するための制御信号を出力する。したがって、制御装置１７２は、各モータの動作を適切に制御することができる。もちろん、駆動機構は，モータ以外のものであってもよい。制御装置１７２は、例えば，ワークステーションやパーソナルコンピュータなどの処理装置である。例えば、制御装置１７２は、プロセッサやメモリなどを備えている。メモリに格納されたコンピュータプログラムをプロセッサが実行することで、各機器を制御することができる。

チラー１５１は、光源１０１を冷却する。レーザ電源１５２は、光源１０１に電源を供給する。レーザ電源１５２の供給電力は、制御装置１７２により制御される。また、制御装置１７２は、第１のスキャナ１１４、及び第２のスキャナ１１５を制御する。

φ軸モータ１４７は、回転軸１１をφ軸周りに回転駆動するための回転軸駆動機構である。φ軸モータ１４７は、制御装置１７２によって制御される。例えば、ユーザが観察したい方向を入力すると、φ軸センサ１４８は、φ軸モータ１４７による回転軸１１の回転角度（φ角度）を検出する角度センサである。φ軸センサ１４８は例えば、モータエンコーダなどである。φ軸センサ１４８は、検出したφ角度に応じたセンサ信号を制御装置１７２に出力する。

θ軸モータ１４５は、光学系ユニット１１０を観察中心点Ｏ周りに回転移動するためのユニット駆動機構である。θ軸モータ１４５は、光学系ユニット１１０をガイド機構１５に沿って回転移動させる。θ軸モータ１４５は、制御装置１７２によって制御される。例えば、ユーザが観察したい方向を入力すると、制御装置１７２は、θ軸モータ１４５、φ軸モータ１４７を駆動するための駆動信号を生成する。

θ軸センサ１４６は、θ軸モータ１４５による光学系ユニット１１０の位置又はθ角度を検出するセンサである。θ軸センサ１４６は例えば、モータエンコーダなどである。θ軸センサ１４６は検出した位置又は角度に応じたセンサ信号を制御装置１７２に出力する。なお、制御装置１７２は、ユーザからの指令によって、θ角度及びφ角度が所望の角度になるように、θ軸モータ１４５、φ軸モータ１４７を制御する。

ミラー駆動モータ１４１は、可動ミラー１０５を移動させるミラー駆動機構である。ミラー駆動モータ１４１は、ガイド機構１５における光学系ユニット１１０の位置に応じて、回転ミラー１０４と可動ミラー１０５との間隔を変化させる。ミラー駆動モータ１４１が可動ミラー１０５をリニアガイド機構１９に沿って移動させる。制御装置１７２は、θ軸センサ１４６からの検出信号に基づいて、ミラー駆動モータ１４１を制御する。これにより、光学系ユニット１１０と連動して可動ミラー１０５が動作する。照射光Ｌ１を光学系ユニット１１０に導入することができる。

さらに、制御装置１７２は、θ軸センサ１４６からの検出信号に基づいて、角度補正ミラー１１１を制御する。光学系ユニット１１０と連動して角度補正ミラー１１１が動作する。照射光Ｌ１を適切な方向に伝搬させることができる。このように、制御装置１７２は、θ角度に応じて、ミラー駆動モータ１４１、角度補正ミラー１１１を制御する。

光検出器１３４から出力された検出信号は、電流電圧変換器１６１で電流電圧変換される。電流電圧変換器１６１は負荷抵抗により、電流を電圧に変換する。これにより、検出信号の電圧が検出光量を示すようになる。電流電圧変換器１６１は電流電圧変換した検出信号をＡ／Ｄコンバータ１６４に出力する。そして、Ａ／Ｄ（ＡｎａｌｏｇｔｏＤｉｇｉｔａｌ）コンバータ１６４は、検出信号をＡ／Ｄ変換する。そして、デジタル信号となった検出信号が制御装置１７２に入力される。制御装置１７２は、検出信号、すなわち、検出信号を格納する。光検出器１３４には、高圧電源１６３で発生した電源が供給されている。また、高圧電源１６３と電流電圧変換器１６１との間には保護回路１６２が設けられている。

光検出器１３５から出力された検出信号は、電流電圧変換器１６６で電流電圧変換される。これにより、検出信号の電圧が検出光量を示すようになる。電流電圧変換器１６６は電流電圧変換した検出信号をＡ／Ｄコンバータ１６９に出力する。そして、Ａ／Ｄ（ＡｎａｌｏｇｔｏＤｉｇｉｔａｌ）コンバータ１６９は、検出信号をＡ／Ｄ変換する。そして、デジタル信号となった検出信号が制御装置１７２に入力される。制御装置１７２は、検出信号、すなわち、検出光量を格納する。光検出器１３５には、高圧電源１６８で発生した電源が供給されている。また、高圧電源１６８と電流電圧変換器１６６との間には保護回路１６７が設けられている。

そして、制御装置１７２は、第１のスキャナ１１４と第２のスキャナ１１５による照射光Ｌ１の走査位置と、検出光量とを対応付けて記憶する。また、制御装置１７２は、検出光量は、θ角度、及びφ角度に対応付けて、記憶する。このようにすることで、様々な方向からサンプルＳを観察することができる。

実施の形態３．
本実施の形態３にかかる観察装置における光学系ユニット１１０の動作について、図１０を用いて説明する。本実施の形態では、観察装置が、θ軸センサ１４６によってθ角を測定することを必要とせずに、光学系ユニットが動作する構成を有している。具体的には、観察装置は、θ軸センサ１４６を有しておらず、かつ、可動ミラー１０５がサーボミラー２０５に置き換わっている。また、光学系ユニット１１０の内部に設けられた角度補正ミラー１１１、及びミラー１１２が、第１の位置センサミラー２１１、及び第２の位置センサミラー２１２に置き換わっている。その他の構成につては、実施の形態１、２と同様であるため、説明を省略する。

サーボガルバノミラー２０５は、θ角度に応じて、照射光Ｌ１の反射角度を変化させる。すなわち、サーボガルバノミラー２０５は、アーム１２に設けられた第２の角度可変ミラーとなる。サーボガルバノミラー２０５は、例えば、光の反射角度を変えるように回転可能に設けられた回転ミラーである。サーボガルバノミラー２０５は、回転ミラー１０４からの照射光Ｌ１を光学系ユニット１１０に向けて反射する。

第１の位置センサミラー２１１は、θ角度に応じて、照射光Ｌ１の反射角度を変化させる。第１の位置センサミラー２１１は、光学系ユニット１１０に設けられた第３の角度可変ミラーである。第１の位置センサミラー２１１は、光の反射角度を変えるように回転可能に設けられた回転ミラーである。第１の位置センサミラー２１１は、サーボガルバノミラー２０５で反射した照射光Ｌ１を反射する。第２の位置センサミラー２１２は光学系ユニット１１０内に固定された固定ミラーである。第２の位置センサミラー２１２は、第１の位置センサミラー２１１で反射した照射光Ｌ１を反射する。

第１の位置センサミラー２１１、及び第２の位置センサミラー２１２は、照射光の入射位置を検出するセンサを有している。具体的には、第２の位置センサミラー２１２に対する照射光の入射位置を検出する位置センサを第２の位置センサミラー２１２は有している。そして、第２の位置センサミラー２１２は、検出した位置に応じた位置検出信号を第１の位置センサミラー２１１に出力する。第１の位置センサミラー２１１に対する照射光Ｌ１の入射位置に応じて、サーボガルバノミラー２０５が回転する。第２の位置センサミラー２１２に対する照射光Ｌ１の入射位置に応じて、第１の位置センサミラー２１１が回転する。

第１の位置センサミラー２１１は、第２の位置センサミラー２１２からの位置検出信号に基づいて、反射角度を変化させる。第２の位置センサミラー２１２に対する照射光の入射位置を検出する位置センサを第２の位置センサミラー２１２は有している。第２の位置センサミラー２１２に対する照射光Ｌ１の入射位置に追従して、第１の位置センサミラー２１１が回転する。例えば、第１の位置センサミラー２１１は、第２の位置センサミラー２１２の所定の位置に照射光が入射するように、照射光を反射する反射角度を変化させる。

同様に、第１の位置センサミラー２１１に対する照射光の入射位置を検出する位置センサを第１の位置センサミラー２１１は有している。そして、第１の位置センサミラー２１１は、検出した位置に応じた位置検出信号をサーボガルバノミラー２０５に出力する。

サーボガルバノミラー２０５は、第１の位置センサミラー２１１からの位置検出信号に基づいて、反射角度を変化させる。第１の位置センサミラー２１１に対する照射光Ｌ１の入射位置に追従して、サーボガルバノミラー２０５が回転する。例えば、サーボガルバノミラー２０５は、第１の位置センサミラー２１１の所定の位置に照射光が入射するように、照射光を反射する反射角度を変化させる。これにより、θ角度によらず、照射光Ｌ１が第１の位置センサミラー２１１、及び第２の位置センサミラー２１２の中央に入射する。

第１の位置センサミラー２１１の構成について、図１１を用いて説明する。図１１は、第１の位置センサミラー２１１の構成を説明するための図である。なお、第２の位置センサミラー２１２の構成は第１の位置センサミラー２１１の構成と同じであるため、説明を省略する。すなわち、第１の位置センサミラー２１１と第２の位置センサミラー２１２の構成は同じとなっている。

第１の位置センサミラー２１１は、基板２２１と、光検出器２２２、２２３と、反射膜２２４とを備えている。基板２２１は、透明なガラス基板などである。基板２２１の前面側（照射光Ｌ１の入射側）には反射膜２２４が形成されている。基板２２１の背面側には、光検出器２２２、２２３が形成されている。

反射膜２２４は照射光Ｌ１の一部を透過する膜である。したがって、照射光Ｌ１の一部は、反射膜２２４と基板２２１とを透過して、光検出器２２２、２２３に入射する。また、反射膜２２４は、照射光Ｌ１の大半を第２の位置検出ミラー２１２に向けて反射する。

光検出器２２２、及び光検出器２２３は、基板２２１の背面側に設けられている。光検出器２２２、及び光検出器２２３は、基板２２１、反射膜２２４を透過した照射光Ｌ１を受講する。光検出器２２２、及び光検出器２２３は、照射光Ｌ１の入射位置を検出するための位置センサとなる。具体的には、光検出器２２２、及び光検出器２２３は、２分割フォトダイオードを構成している。光検出器２２２、２２３はそれぞれフォトダイオードであり、検出光量に応じた電流を検出信号として出力している。例えば、光検出器２２２と光検出器２２３との境界線は、第１の位置検出ミラー２１１の中心を通っている。照射光Ｌ１の入射位置の中心が、光検出器２２２と光検出器２２３との境界線上になるように、サーボガルバノミラー２０５が追従制御される。光検出器２２２と光検出器２２３との検出光量が等しくなるように、サーボループが形成されている。

具体的には、光学系ユニット１１０がθ回転すると、光検出器２２２と光検出器２２３との境界線と垂直な方向に第１の位置センサミラー２１１が移動する。光検出器２２２と光検出器２２３との境界線上に照射光Ｌ１の入射位置が追従するように、サーボガルバノミラー２０５の回転が制御される。このようなサーボループを用いることで、光学系ユニット１１０のθ軸センサ１４６が不要となる。

上記のサーボループを実現するための構成の一例について、図１２を用いて説明する。図１２に示すように、第１の位置センサミラー２１１の光検出器２２２は、電流電圧変換器２６１に検出信号を出力する。第１の位置センサミラー２１１の光検出器２２３は、電流電圧変換器２６２に検出信号を出力する。電流電圧変換器２６１は、光検出器２２２からの検出信号を電流電圧変換する。電流電圧変換器２６２は、光検出器２２３からの検出信号を電流電圧変換する。よって、検出信号の電圧が検出光量を示すようになる。

電流電圧変換器２６１、及び電流電圧変換器２６２は、検出信号を差動増幅器２６３に出力する。従って、電流電圧変換器２６１、及び電流電圧変換器２６２の検出信号が一致する場合、差動増幅器２６３の出力は０Ｖとなる。電流電圧変換器２６１の検出信号が電流電圧変換器２６２の検出光量よりも大きい場合、差動増幅器２６３の出力が正（プラス）となる。電流電圧変換器２６１の検出信号が電流電圧変換器２６２の検出光量よりも小さい場合、差動増幅器２６３の出力が負（マイナス）となる。

サーボガルバノミラー２０５は、差動増幅器２６３の出力が０Ｖになるように、追従制御される。これにより、光学系ユニット１１０がθ回転した場合でも、照射光Ｌ１が第１の位置センサミラー２１１の中央に入射するように制御される。第１の位置センサミラー２１１での照射光Ｌ１の検出位置に応じて、サーボガルバノミラー２０５が回転する。

第１の位置センサミラー２１１、及び第２の位置センサミラー２１２についても同様のサーボループを形成している。第２の位置センサミラー２１２の光検出器２２２は、電流電圧変換器２７１に検出信号を出力する。第２の位置センサミラー２１２の光検出器２２３は、電流電圧変換器２７２に検出信号を出力する。電流電圧変換器２７１は、光検出器２２３からの検出信号を電流電圧変換する。電流電圧変換器２７２は、光検出器２２３からの検出信号を電流電圧変換する。よって、検出信号の電圧が検出光量を示すようになる。

電流電圧変換器２７１、及び電流電圧変換器２７２は、検出信号を差動増幅器２７３に出力する。従って、電流電圧変換器２７１、及び電流電圧変換器２７２の検出信号が一致する場合、差動増幅器２７３の出力は０Ｖとなる。電流電圧変換器２７１の検出信号が電流電圧変換器２７２の検出光量よりも大きい場合、差動増幅器２７３の出力が正（プラス）となる。電流電圧変換器２７１の検出信号が電流電圧変換器２７２の検出光量よりも小さい場合、差動増幅器２７３の出力が負（マイナス）となる。

第１の位置センサミラー２１１は、差動増幅器２７３の出力が０Ｖになるように、追従制御される。これにより、光学系ユニット１１０がθ回転した場合でも、第２の位置センサミラー２１２で反射した照射光Ｌ１の伝搬方向が一定となる。第２の位置センサミラー２１２での照射光Ｌ１の検出位置に応じて、第１の位置センサミラー２１１が回転する。すなわち、θ角度によらず、照射光Ｌ１が一定の角度で第１のスキャナ１１４に入射する。これにより、第１のスキャナ１１４がアライメントの保証された照射光Ｌ１を走査することができる。

変形例１．
図１３を用いて、実施の形態３の変形例の構成について説明する。図１３は、θ角度に対する追従制御を説明するための図である。変形例１では、第１の位置センサミラー２１１、及び第２の位置センサミラー２１２のような特殊なミラーを用いずに、θ角度に対する追従制御を行っている。なお、実施の形態１〜３と重複する内容については適宜説明を省略する。

変形例１では、光学系ユニット１１０に、追従ミラー２６０と、電流電圧変換器２６１、電流電圧変換器２６２、差動増幅器２６３、第１の位置センサ２６５、第１のビームサンプラ２６６と、ミラー２７０と、電流電圧変換器２７１、電流電圧変換器２７２、差動増幅器２７３、第２の位置センサ２７５、第２のビームサンプラ２７６と、が設けられている。

すなわち、第１の位置センサミラー２１１が追従ミラー２６０に置き換わり、第２の位置センサミラー２１２がミラー２７０に置き換わっている。さらに、追従ミラー２６０とミラー２７０との間に、第１のビームサンプラ２６６が配置されている。ミラー２７０の後段に、第２のビームサンプラ２７６が配置されている。

電流電圧変換器２６１、電流電圧変換器２６２、差動増幅器２６３、電流電圧変換器２７１、電流電圧変換器２７２、差動増幅器２７３については、図１１と同様であるため説明を省略する。また、第１の位置センサ２６５、及び第２の位置センサ２７５のそれぞれが２分割フォトダイオードとなっている。よって、光検出器２２２、２２３と同様に、第１の位置センサ２６５、及び第２の位置センサ２７５は、それぞれ、照射光Ｌ１の入射位置を検出することができる。

追従ミラー２６０は、サーボガルバノミラー２０５とミラー２７０との間に配置されている。追従ミラー２６０は、光学系ユニット１１０に設けられた第３の角度可変ミラーとなる。追従ミラー２６０は、光の反射角度を変えるように回転可能に設けられた回転ミラーである。ミラー２７０は、光学系ユニット１１０内に固定された固定ミラーとなる。

第１のビームサンプラ２６６は、追従ミラー２６０とミラー２７０との間の光路中であり、かつ、追従ミラー２６０に近接した位置に配置されている。第１のビームサンプラ２６６は、追従ミラー２６０で反射した照射光Ｌ１の一部を取り出す。第１のビームサンプラ２６６で取り出された照射光Ｌ１は第１の位置センサ２６５に入射する。第１の位置センサ２６５で検出された入射位置に応じて、サーボガルバノミラー２０５が回転する。よって、第１の位置センサ２６５の中央に照射光Ｌ１が入射するように追従制御するサーボループを形成することができる。

第２のビームサンプラ２７６は、ミラー２７０で反射した照射光Ｌ１の一部を取り出す。ミラー２７０と第１のスキャナ１１４（図１３では不図示）との間の光路中であり、かつ、ミラー２７０に近接した位置に配置されている。第２のビームサンプラ２７６で取り出された照射光Ｌ１は第２の位置センサ２７５に入射する。第２の位置センサ２７５で検出された入射位置に応じて、追従ミラー２６０が回転する。よって、第２の位置センサ２７５の中央に照射光Ｌ１が入射するように追従制御するサーボループを形成することができる。

このような構成によっても、図１１の構成と同様な効果を得ることができる。なお、ビームサンプラによる光の損失は、数％程度であるため、照射光Ｌ１の光量が十分であれば特に問題がない。

このように、本実施の形態１〜３にかかる観察装置１００によれば、サンプルを様々な方向から観察することができる。また、サンプルを動かさずに、様々な方向から観察することができる。このため、観察装置１００は、猿やマウスなどの脳研究に適している。

なお、上記の説明では、第１〜第３の角度可変ミラーが反射面と平行な軸周りに回転する回転ミラーであるとして説明したが、第１〜第３の角度可変ミラーの１つ以上は回転によらず、角度が変わるミラーであってもよい。例えば、角度可変ミラーとして、回転ミラーの代わりに、ステアリングミラーやＭＥＭＳミラーなどを用いることができる。すなわち、角度可変ミラーは、反射する光の方向を変えることができるミラーであればよい。例えば、角度可変ミラーは、制御装置１７２からの制御信号に応じて反射面の角度が変化する。これにより、光の反射角度が変化する。

また、角度可変ミラーと４分割センサ（田の字センサ）を合わせて用いることで、θ角の変化に伴わない他要素（他方向）の偏角も補正することができる。他要素とは例えば、アーム１２がφ方向に傾いたときのたわみによる偏角や、レーザ光源をチューニングするときに発生する光軸ずれなどを補正することができる。この場合、角度可変ミラーとして、ステアリングミラーなどの２軸動作可能な角度可変ミラーを用いることが好ましい。そして、４分割センサである４分割フォトダイオードを用いて照射光の位置を検出する。そして、照射光の中心が４分割フォトダイオードの中心に一致するようにフィードバック制御すればよい。４分割センサは、図１１、図１２にように基板の背面側に配置された光検出器で構成することができる。この場合、反射膜と基板とを透過した照射光が４分割センサに入射する。あるいは、図１３のように、光路中にビームサンプラを配置して、ビームサンプラで取り出された照射光Ｌ１を４分割センサが検出するように構成してもよい。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は既に述べた実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることはいうまでもない。

１０保持装置
１１回転軸
１２アーム
１２ａガイド形成面
１３第１のウェイト
１４第２のウェイト
１５ガイド機構
１６軸受け
１７台座
１８ガイドプレート
１９リニアガイド機構
１００観察装置
１０１光源
１０２ビームエキスパンダ
１０３ミラー
１０４回転ミラー
１０５可動ミラー
１１０光学系ユニット
１１１角度補正ミラー
１１２ミラー
１１３ミラー
１１４第１のスキャナ
１１５第２のスキャナ
１１６スキャンレンズ
１１７チューブレンズ
１１８ダイクロイックミラー
１２０対物レンズ
１３１リレーレンズ
１３２赤外カットフィルタ
１３３ダイクロイックミラー
１３４光検出器
１３５光検出器
１４１ミラー駆動モータ
１４５ θ軸モータ
１４６ θ軸センサ
１４７ φ軸モータ
１４８ φ軸センサ
１５１チラー
１５２レーザ電源
１６１電流電圧変換器
１６２保護回路
１６３高圧電源
１６４Ａ／Ｄコンバータ
１６６電流電圧変換器
１６７保護回路
１６８高圧電源
１６９Ａ／Ｄコンバータ
１７１インターフェース
１７２制御装置
Ｏ観察中心点
ＯＸ光軸
Ｓサンプル

Claims

第１の軸周りに回転可能に設けられた回転軸と、
前記回転軸を前記第１の軸周りに回転させる回転軸駆動機構と、
前記回転軸に取り付けられたアームであって、第１のガイド機構が設けられたアームと、
前記第１のガイド機構に沿って移動可能に設けられた光学系ユニットであって、サンプルに照射される照射光を走査するスキャナを有する光学系ユニットと、
前記光学系ユニットのサンプル側に取り付けられ、前記スキャナで走査された照射光をサンプルに集光する対物レンズと、
前記対物レンズが前記第１の軸の延長線上にある回転中心点周りに回転移動するように、前記光学系ユニットを前記第１のガイド機構に沿って移動させるユニット駆動機構と、を備えた観察装置。
前記回転軸の内部を光が通過できるよう、前記回転軸が中空に形成されており、
前記観察装置は、
前記第１の軸上において前記アームに取り付けられ、前記回転軸の内部を通過した照射光を反射する回転ミラーと、
前記アームに対して移動可能に設けられ、前記回転ミラーからの照射光を前記光学系ユニットに向けて反射する可動ミラーと、
前記第１のガイド機構における前記光学系ユニットの位置に応じて、前記回転ミラーと前記可動ミラーとの間隔を変化させるよう、前記可動ミラーを移動させるミラー駆動機構と、さらに備えた請求項１に記載の観察装置。
前記アームには、前記ミラー駆動機構による前記可動ミラーの直進移動をガイドする第２のガイド機構が設けられている請求項２に記載の観察装置。
前記光学系ユニットに設けられ、前記可動ミラーで反射した照射光が入射する第１の角度可変ミラーを備え、
前記第１の角度可変ミラーで反射した照射光が前記スキャナで走査され、
前記第１の角度可変ミラーの角度が、前記第１のガイド機構における前記光学系ユニットの位置に応じて変化する請求項２、又は３に記載の観察装置。
前記回転軸の内部を光が通過できるよう、前記回転軸が中空に形成されており、
前記観察装置は、
前記第１の軸上において前記アームに取り付けられ、前記回転軸の内部を通過した照射光を反射する回転ミラーと、
前記アームに設けられ、前記回転ミラーからの照射光を前記光学系ユニットに向けて反射する第２の角度可変ミラーと、を備え、
前記光学系ユニットは、
前記光学系ユニットに取り付けられ、前記第２の角度可変ミラーで反射した照射光を反射する第３の角度可変ミラーと、
前記第３の角度可変ミラーで反射した照射光を反射するミラーと、を備え、
前記ミラーに対する前記照射光の入射位置に応じて、前記第３の角度可変ミラーの角度が変化し、
前記第３の角度可変ミラーに対する前記照射光の入射位置に応じて、前記第２の角度可変ミラーの角度が変化する請求項１に記載の観察装置。
前記第３の角度可変ミラー、及び前記ミラーは、それぞれ
基板と、
前記基板の前面側に設けられ、前記照射光の一部を透過するように形成された反射膜と、
前記基板の背面側に設けられ、前記照射光の入射位置を検出する位置センサと、を備え、
前記ミラーの前記位置センサで検出された入射位置に応じて、前記第３の角度可変ミラーの角度が変化し、
前記第３の角度可変ミラーの前記位置センサで検出された入射位置に応じて、前記第２の角度可変ミラーの角度が変化する請求項５に記載の観察装置。
前記第３の角度可変ミラーと前記ミラーとの間の光路中に配置され、前記第３の角度可変ミラーで反射した前記照射光の一部を取り出す第１のビームサンプラと、
前記第１のビームサンプラで取り出された前記照射光の入射位置を検出する第１の位置センサと、
前記ミラーと前記スキャナとの間の光路中に配置され、前記ミラーで反射した照射光の一部を取り出す第２のビームサンプラと、
前記第１のビームサンプラで取り出された前記照射光の入射位置を検出する第２の位置センサと、をさらに備え、
前記第１の位置センサで検出された入射位置に応じて、前記第２の角度可変ミラーの角度が変化し、
前記第２の位置センサで検出された入射位置に応じて、前記第３の角度可変ミラーの角度が変化する請求項５に記載の観察装置。
前記照射光を発生するパルスレーザ光源をさらに備えた請求項１〜７のいずれか１項に記載の観察装置。
前記光学系ユニットに照射光を導入する光ファイバをさらに備えた請求項１に記載の観察装置。
前記回転中心点を挟んで、前記光学系ユニットと対称な位置において、前記アームにカウンタウェイトが取り付けられている請求項１〜９のいずれか１項に記載の観察装置。