JP3797874B2

JP3797874B2 - 走査型光学顕微鏡

Info

Publication number: JP3797874B2
Application number: JP2000394934A
Authority: JP
Inventors: 宏也福山; 剛洋吉田
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2000-12-26
Filing date: 2000-12-26
Publication date: 2006-07-19
Anticipated expiration: 2020-12-26
Also published as: US20040201885A1; US7002736B2; US6751016B2; JP2002196246A; US20030063379A1; US7224523B2; US20060007534A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査型光学顕微鏡に関し、特に、波面変換素子を用いて光軸方向の焦点移動を行うレーザー走査型顕微鏡（ＬＳＭ）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えばＬＳＭにおいて、標本の３次元像を得るためには、標本又は対物レンズを機械的に光軸方向に移動させて、標本内部の各面における光学像を順次取り込んでいく必要があった。しかし、この方法は機械的駆動を必要とするため、位置制御を高い精度と再現性で実現することは困難である。また、標本を移動させる方法においては、標本が大きい場合は高速走査ができない等の問題があった。
【０００３】
さらに、生体標本を観察する際に、対物レンズを標本に直接接触させるかあるいは標本の培養液に浸した状態で対物レンズを走査すると、その振動による悪影響を観察する標本に与えることになり、好ましくない。
【０００４】
これらの問題を解決する方法として、特開平１１−１０１９４２号記載のアダプティブ光学装置がある。特開平１１−１０１９４２号のアダプティブ光学装置は、パワーを変化させることのできる光学素子（波面変換素子）を備えた顕微鏡であって、図２７、図２８にその構成を示す。この先行例では、観察光路及び／又は照明光路内に波面変換素子を有し、その波面変換素子を用いて光学系の焦点距離を変化させると共に、この焦点距離変化に伴って生じる収差も補正するものである。こうすることによって、対物レンズと標本との距離を変えることなく、物体空間内での焦点の形成と移動、さらに収差補正を行うことができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術において、物体空間内での焦点移動及び収差補正の作用を有効に機能させるためには、波面変換素子を対物レンズの瞳面又はこれと共役な位置に置くことが好ましい。もし波面変換素子が瞳面と共役でなければ、対物レンズで検出する物体高によって照明光又は結像光が波面変換素子上の異なった位置を通ることになる。焦点移動又は収差補正を行うためには、物体高によって波面形状を変化させなければならないが、できない場合は物体高の高い範囲で画質劣化が大きくなる可能性が高い。
【０００６】
物体高の変化に応じて波面変換素子を最適形状に変化させれば、たとえ波面変換素子が瞳面と共役でなくても、物体高の高い範囲での画質劣化を避けることはできる。しかし、これを実現するには、波面変換を高速かつ回転非対称形状に制御する必要があり、これは非常に困難である。
【０００７】
このような理由により、波面変換素子は瞳と共役な位置に置かれることが望ましい。しかし、これを実施する際には、以下に示す別の問題がある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明のズームレンズは、物体側より順に、最も物体側に凹面を物体側に向けた負メニスカスレンズが配置され、続いて両凸正レンズが配置された正屈折力の第１レンズ群と、１枚の負レンズと正レンズ及び負レンズからなる負屈折力の第２レンズ群より構成された、広角端から望遠端に変倍するときに、第１レンズ群と第２レンズ群が相互の間隔が小さくなるように物体側に移動すると共に、以下の条件式を満足することを特徴とするものである。
０．０２＜｜ｆ₂｜／ｆ_T＜０．３５・・・（１）
０．３０＜ΔＸ_2T／ｆ_T＜０．５８・・・（２）
２．２５＜β_2T／β_2W ＜５．０・・・（３）
ただし、ｆ₂は第２レンズ群の焦点距離、ｆ_Tは望遠端の全系の焦点距離、ΔＸ_2Tは広角端を基準としたときの第２レンズ群の望遠端までのズーミング移動量、β_2Tは望遠端の第２レンズ群の横倍率、β_2Wは広角端の第２レンズ群の横倍率である。
【０００９】
また、波面変換素子の位置をレーザー走査部材の位置、さらには対物レンズ瞳の位置と互いに共役に配置しなければならない。そのため、最低でも２組の瞳リレー光学系を必要とし、大型で複雑な装置になってしまう。
【００１０】
また、上記従来技術においては、反射型の波面変換素子を照明・検出光路に組み込んでいるので、図２７及び図２８に示すように、ビームスプリッターを用いている。したがって、光源として非偏光レーザー、ビームスプリッターとして非偏光タイプを用いた場合は、波面変換素子を１回通る毎に光量が１／４に減少する。
【００１１】
すなわち、照明の段階で１／４に、検出の段階で１／４に、トータルで１／１６に減少することになる。また、光源として直線偏光レーザー、偏光ビームスプリッター、４分の１波長板を用いれば、照明の段階での損失は防げるが、無偏光状態になる蛍光を観察する際には、（蛍光）検出の段階で１／２に減少する。
【００１２】
さらに、上記偏光ビームスプリッター、４分の１波長板を用いる場合でも、光源に直線偏光レーザーを使えるとは限らず、無偏光レーザーを使って蛍光を観察する場合は、照明の段階で１／２に、検出の段階で１／２に、トータルで１／４に減少することになる。
【００１３】
本発明は従来の技術が持つ上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、以下の２項目である。まず、対物レンズ瞳と波面変換素子とが共役に配置されていなくても、軸外での性能劣化が少なく、かつ、波面変換素子の制御方法が極めて簡単であり、さらに、瞳リレー光学系の構成が簡単であるか、あるいは、不要である、波面変換素子を用いたレーザー走査型顕微鏡（ＬＳＭ）等の走査型光学顕微鏡を提供することである。次に、反射型の波面変換素子を用いる場合であっても、光量の損失が抑えられる、波面変換素子を用いたＬＳＭを提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明の第１の走査型光学顕微鏡は、光源と、該光源から発する照明光に任意の波面変換を与える波面変換素子と、該波面変換素子から発する波面変換後の照明光を試料に集光する対物レンズと、該試料から発する信号光を検出する検出器と、前記対物レンズを光軸と直交する方向に走査するアクチュエーターとを有することを特徴とするものである。
【００１５】
なお、波面変換素子から発する照明光は略平行な光束になっているのが望ましい。
【００１６】
本発明の第２の走査型光学顕微鏡は、前記アクチュエーターが前記対物レンズで光軸と直交する試料の一断面上を走査する場合、前記波面変換素子は、前記照明光に対して一定の波面変換を与えることを特徴とするものである。
【００１７】
本発明の第３の走査型光学顕微鏡は、前記対物レンズが光軸と直交する方向へ移動したときの移動量をΔＸとするとき、下記条件式（１）を満たすことを特徴とする上記１又は２記載の走査型光学顕微鏡。
【００１８】
ΔＸ≦０．６６ｆ_OB・λ／（ΔＺ・ＮＡ⁴）・・・（１）
ここで、ｆ_OB：対物レンズの焦点距離
ΔＺ：波面変換素子によって生じる焦点移動量
λ ：照明光の波長
ＮＡ：対物レンズの開口数
である。
【００１９】
本発明の第４の走査型光学顕微鏡は、光源と、該光源から発する照明光を収束光に変換する正のパワーを有する光学素子と、開口を有する反射鏡と、該照明光に任意の波面変換を与える反射型の波面変換素子と、該波面変換された照明光を試料に集光する対物レンズと、該試料から発する信号光を検出する検出器とを有することを特徴とするものである。
【００２０】
本発明の第５の走査型光学顕微鏡は、第４の走査型光学顕微鏡における開口を有する反射鏡を含む光学系が、下記条件式（２）を満たすことを特徴とするものである。
【００２１】
ｒ_Hmin／ｒ_Minc≦０．５・・・（２）
ここで、ｒ_Hmin：光軸から反射鏡部エッジまでの長さの最小値
ｒ_Minc：開口を有する反射鏡に入射する波面変換された照明光の半径
である。
【００２２】
本発明の第６の走査型光学顕微鏡は、光源と、該光源から発する照明光を収束光に変換する正のパワーを有する光学素子と、前記収束光の集光位置に配置された反射鏡と、該照明光に任意の波面変換を与える反射型の波面変換素子と、該波面変換された照明光を試料に集光する対物レンズと、該試料から発する信号光を検出する検出器とを有することを特徴とするものである。
【００２３】
本発明の第７の走査型光学顕微鏡は、第６の走査型光学顕微鏡における反射鏡を含む光学系が、下記条件式（３）を満たすことを特徴とするものである。
【００２４】
ｒ_Mmin／ｒ_Ainc≦０．５・・・（３）
ここで、ｒ_Mmin：光軸から反射鏡部エッジまでの長さの最小値
ｒ_Ainc：反射鏡の位置における波面変換された照明光の半径
である。
【００２５】
本発明の第８の走査型光学顕微鏡は、光源と、該光源から発する照明光に任意の波面変換を与える反射型の波面変換素子と、波面変換後のレーザービームを試料に集光する対物レンズとを備え、前記光源が該試料から発する信号光を検出する検出器であることを特徴とするものである。
【００２６】
本発明の第９の走査型光学顕微鏡は、光源と、該光源から発する照明光に任意の波面変換を与える反射型の波面変換素子と、該波面変換素子から発する波面変換後の照明光を試料に集光する対物レンズと、該試料から発する信号光を検出する検出器とを有し、前記反射型の波面変換素子を下記条件式（４）を満たすように光路中に配置したことを特徴とするものである。
【００２７】
θ_PR≦５０・ＮＡ^-1√（λ・ΔＺ^-1）・・・（４）
ここで、θ_PR：前記波面変換素子への主光線の入射角（°）
ΔＺ：焦点移動量
λ ：前記照明光の波長
ＮＡ：前記対物レンズの開口数
である。
【００２８】
本発明の第１０の走査型光学顕微鏡は、光源と、前記光源から発する照明光に波面変換を与える反射型の波面変換素子と、該波面変換素子から発する波面変換後の照明光を試料に集光する対物レンズと、該試料から発する信号光を検出する検出器とを有し、前記反射型の波面変換素子の反射面が非球面トーリック面形状に制御されることを特徴とするものである。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の走査型光学顕微鏡の具体的な構成と作用を図を用いて説明する。なお、説明に用いる図中において、繰り返し用いられる同一の要素には同一の記号を付し、重複する説明は行わない。また、光源としてレーザー発振器を使用したレーザー走査型顕微鏡（ＬＳＭ）で説明する。
【００３０】
第１発明の走査型光学顕微鏡の基本構成、Ｚスキャン（光軸方向のスキャン）時の物点移動による波面収差、バリエーションを図１〜図４を参照して説明する。
【００３１】
ＬＳＭは、図１に示す構成によって実現することができる。図１において、レーザー光源６は、照明光２を発生する。照明光２は、コリメーションレンズ４によって平面波に変換され、ビームスプリッター２１を透過し、補正前照明光１５として波面変換素子５に入射する。波面変換素子５では、後述する所定の波面変換がなされ、補正後照明光１７として射出し、対物レンズ７によって球面波に変換され、試料９上の一点を照明する。その反射光は、再び対物レンズ７で集光され、補正前観察光１８として波面変換素子５に入射し、再び所定の波面変換がなされ、平面波である補正後観察光１６として射出する。そして、ビームスプリッター２１で反射し、凸レンズ２８によって集光され、観察光３として光検出器２９に入射する。
【００３２】
対物レンズ７は、その物体側焦点Ｆに物体面が一致しているときに収差が最も小さくなる、いわゆる無限遠補正型である。また、対物レンズアクチュエータ８は対物レンズ７をＸ−Ｙ方向に走査する。
【００３３】
ここで、波面変換素子５は、照明光の波面を変換することができるので、図２（ａ）のように、補正後照明光１７を発散光波面１３とし、合焦位置を物体側焦点Ｆよりも遠い＋側移動焦点１１に移動することができる。また、逆に、図２（ｂ）のように、補正後照明光１７を収束光波面１４とし、合焦位置を物体側焦点Ｆよりも近い−側移動焦点１２に移動することもできる。すなわち、対物レンズ７や試料９を動かさずに、合焦位置を移動させることができる。
【００３４】
また、対物レンズ７は、対物レンズアクチュエータ８によってＸ−Ｙ方向に走査されるので、物体側焦点Ｆを、図３のように、Ｘ−Ｙ方向に移動することができる。
【００３５】
すなわち、本装置は、レーザー光を集光し、その合焦位置を空間的に移動させ、試料９からの光を観察光として検出する、いわゆるレーザー走査型顕微鏡として機能する。
【００３６】
ここで、図２（ａ）、（ｂ）に示した焦点位置の移動における波面変換素子５の作用について説明する。
【００３７】
対物レンズ７は無限遠補正型なので、照明光源が有限な距離にある場合には、焦点位置が物体側焦点Ｆからずれるのみならず、球面収差が増大する。したがって、＋側移動焦点１１及び−側移動焦点１２において、良好な結像をさせるためには、対物レンズ７に入射する発散光波面１３及び収束光球面１４が近軸焦点を移動させる成分に加えて、その近軸焦点の移動に伴って発生する球面収差を補正する成分を有することが望ましい。
【００３８】
この球面収差補正成分について、図４を用いて説明する。対物レンズ７における物体側焦点Ｆの近傍で、距離ΔＺだけ隔てた光軸上の点Ｑに傾角ｕの光線が集光するとき、物体側焦点Ｆに対する波面収差Ｗは、下記式（５）で表される。
【００３９】
Ｗ＝Ｗ_F＋Ｗ_SA ・・・（５）
ここで、Ｗ_F＝−２ΔＺｓｉｎ²（ｕ／２）
Ｗ_SA＝−２ΔＺｓｉｎ⁴（ｕ／２）
である。ここで、Ｗ_Fはいわゆる像点移動の波面収差であり、Ｗ_SAはこの像点移動に伴って発生する球面収差の波面収差表示である。これらＷ_FやＷ_SAはハーシェルの条件から導き出される。すなわち、図２（ａ）、（ｂ）における＋側移動焦点１１や−側移動焦点１２において、球面収差の補正された像を得るためには、波面変換素子５によって、補正前照明光１５に対し、上記式（５）で表わされる波面収差Ｗ相当の波面変換を与えればよい。
【００４０】
次に、上記図１で示した構成のバリエーションについて説明する。上記図１では、レーザー光源手段と光検出手段として、別々の素子に各役割を持たせたが、一つの素子が光源と光検出の両方の役割を果たすこともできる。すなわち、光源として半導体レーザーチップを用いると、これは同時に光検出器として機能することも可能である。よって、このような場合は、ビームスプリッター２１は不要となり、いわゆるレーザーフィードバック顕微鏡を構成する。また、光源にガスレーザーを用いた場合は、その射出ビームは細い平行光であるから、ビームエキスパンダーをコリメーションレンズ４の代わりに用いればよい。
【００４１】
また、波面変換素子５としては、液晶セル等を用いた透過型でもよいし、メンブレンミラーのような反射型でもよい。また、ここでは、波面変換素子５に入射する補正前照明光１５を平行光としたが、発散光や収束光でもよい。
【００４２】
また、光検出光路を照明光路と重ねて配置する必要は必ずしもなく、試料９の裏側に配置して透過光を検出してもよいし、試料９の側面に配置して散乱光を検出してもよい。特に、光源６としてパルスレーザーを用い、試料９を２光子蛍光観察を行う際には、２光子蛍光固有の非線型特性により、非共焦点光学系でも光軸方向の分解能が得られる。このような場合には、光の検出効率を向上させるためにも、光検出器は照明光路よりも試料自体の近くに配置することが望ましい。
【００４３】
第２発明の走査型光学顕微鏡に関し、図５を参照して説明する。ここでは、Ｘ−Ｙスキャン時に波面が一定であることを、瞳と波面変換素子が共役な位置関係になっているの場合と、瞳が非共役な位置関係になっているの場合のそれぞれについて説明する。
【００４４】
まず、対物レンズ７の走査が像に及ぼす影響について説明する。対物レンズ７は、対物レンズアクチュエーター８によってＸ−Ｙ方向に走査されるが、この走査の間に波面変換素子５によって与えられる波面変換量は、前記式（５）に示された量である。そして、本発明走査型光学顕微鏡では、Ｘ、Ｙの値によらず一定にしている。
【００４５】
対物レンズ７は無限遠補正型なので、図３のように、補正後照明光１７が平面波である場合は、対物レンズ７をＸ−Ｙ方向に走査しても、結像特性が劣化することはない。しかし、図２（ａ）、（ｂ）のように、焦点移動を行った状態で、さらにＸ−Ｙ方向の走査を行うと、結像特性が劣化する。図５は、図２（ｂ）において、ΔＸなるＸ走査を行った状態を示したものである。ここで、３９は理想波面、１４は前述の収束光波面である。ΔＸ＝０の場合は、収束光波面１４と理想波面３９は一致するが、ΔＸ≠０の場合は、図中ΔＷで示される波面のずれを生じる。このずれは、集光点Ｑに対する波面収差に他ならない。この波面収差ΔＷは結像性能に影響するが、所定の範囲内であれば実用上問題なく、ストレール強度比が７０％以上であればよい。
【００４６】
表１〜表３は、上記のように焦点移動と対物レンズのＸ−Ｙ方向の走査を同時に行った場合について、種々の条件における結像特性の変化をシミュレーションした結果である。
【００４７】
表１は、波面変換素子と対物レンズの瞳が共役になるように配置し、ΔＺ＝０．０５（ｍｍ）とするための最適な波面変換Ｗを与え、その場合のストレール強度比が７０％以上となるΔＸの範囲を、以下の光の波長及びＮＡについて求めたものである。光の波長８３０ｎｍ、５４６．７ｎｍ、２４８ｎｍ、ＮＡ０．５〜０．９。なお、対物レンズは焦点距離ｆ_OB＝３（ｍｍ）の無収差対物レンズである。
【００４８】
表２は、同様にｆ_OB＝１０（ｍｍ）、ΔＺ＝０．０５（ｍｍ）とし、表３は、ｆ_OB＝２０（ｍｍ）、ΔＺ＝０．１５（ｍｍ）とし、ＮＡ０．５〜０．７について求めたものである。
【００４９】

【００５０】

【００５１】

【００５２】
これらの表において、例えば波長５４６．０７ｎｍ、ＮＡ０．７の結果に着目すると、表１では、ΔＸ＝０．０９９（ｍｍ）、表２では、ΔＸ＝０．３００（ｍｍ）、表３では、ΔＸ＝０．２００（ｍｍ）である。これらの視野ΔＸの範囲では、上記の波面収差ΔＷが十分に小さいと言えるため、この範囲内でＸ−Ｙ走査を行えば、走査に応じて波面を変化させる必要はない。すなわち、波面を一定に保ったままでも、良好な結像性能が得られる。これらのことは他の波長、ＮＡにおいても言える。
【００５３】
上記表１〜表３は、対物レンズの瞳と波面変換素子とが共役になるように構成した場合の結果である。次に、両者が共役な位置関係になっていない場合について、以下に説明する。
【００５４】
表４は、対物レンズの瞳と波面変換素子との共役関係を崩していった場合の結像特性の変化を示すものである。対物レンズがｆ_OB＝１０（ｍｍ）、ＮＡ０．７の無収差対物レンズである。この対物レンズについて、その瞳と波面変換素子との距離を０から３００ｍｍまで変化させた場合の、ΔＸ＝０〜０．３（ｍｍ）におけるストレール強度比を求めてある（波長５４６．０７ｎｍ）。
【００５５】

【００５６】
表４の結果より、本方式では、対物レンズの瞳と波面変換素子の位置関係が共役でなくても、軸外での像の劣化が少ないことが分かる。例えばΔＸ＝０．２（ｍｍ）の走査範囲では、瞳が２００ｍｍ離れていても、０．７５以上のストレール強度比が得られることが分かる。
【００５７】
以上のように、本方式は、光軸と直交する方向、すなわち、Ｘ方向に対物レンズを走査する場合に、波面変換素子によって与えられる波面変換が一定であることを特徴とする。しかしながら、Ｘ−Ｙ平面内の２次元スキャンにおいても本方式が適用されることは言うまでもない。
【００５８】
第３発明の走査型光学顕微鏡について、対物レンズのスキャン範囲を、図６、図７を参照して説明する。
【００５９】
上記のように対物レンズのＸ−Ｙ走査は結像特性に影響を及ぼす。しかしながら、所定の範囲ならば、この影響は実用上問題なく、十分な結像性能が得られる、すなわち、ストレール強度比が０．７以上になる走査幅ΔＸは、諸条件によって変化するが、下記式によって求めることができる。
【００６０】
ΔＸ≦０．６６ｆ_OB・λ／（ΔＺ・ＮＡ⁴）・・・（１）
ここで、ｆ_OB：対物レンズの焦点距離
ΔＺ：波面変換素子によって生じる焦点移動量
λ ：照明光の波長
ＮＡ：対物レンズの開口数
である。
【００６１】
上記表１及び表２の結果を、上記式（１）の曲線と合わせて、それぞれ図６及び図７に示す。図６、図７より、式（１）の曲線は、表１、表２の結果と一致することが分かる。すなわち、本発明では、対物レンズの走査片側振幅ΔＸを、式（１）を満足するように制御している。これにより、波面を一定に保った状態で良好な結像性能が得られる。
【００６２】
第４発明及び第５発明の走査型光学顕微鏡について、開口を有する反射鏡につい説明する。
【００６３】
まず、第４発明の走査型光学顕微鏡について、光量損失を低減させる基本構成、そのバリエーションを図８、図９を参照して説明する。
【００６４】
波面変換素子によって焦点移動を行い、かつ、光量の損失が極めて少なく、明るい像が得られるＬＳＭは、図８の構成によって実現できる。この構成において、レーザー光源６は照明光２を発し、その照明光２はビームエキスパンダー２０によって拡大され、ビームスプリッター２１を透過し、凸レンズ２２で集光される。集光された光は、開口２５と反射面２４を有する反射鏡４２（以下、開口を有する反射鏡と言う。）に入射し、開口２５を透過して反射型波面変換素子２６に入射する。反射型波面変換素子２６で反射される際に波面変換を受けた照明光は、反射面２４で反射され、コリメーションレンズ２７で略平行光となり、対物レンズ７によって試料９上に集光される。試料９からの観察光は逆の経路をたどり、ビームスプリッター２１で反射し、凸レンズ２８で光検出器２９に集光される。
【００６５】
ここで、反射型波面変換素子２６によって焦点移動及びこれに伴う球面収差の補正がなされること、及び、アクチュエーター８によって対物レンズ７のＸ−Ｙ走査がなされることは、前記図１の例と同様である。
【００６６】
ここでは、反射型波面変換素子２６に照明光を導く手段として、開口を有する反射鏡４２を用いている。よって、図２７、図２８の従来技術で用いられているビームスプリッターと異なり、光量の損失を極めて少なくすることができる。また、絞られたビームが開口２５を通過するので、この開口サイズを適切に設定することにより、共焦点効果を得ることができる。この共焦点効果は、蛍光試料の観察に特に有効である。蛍光観察を行う際には、ビームスプリッター２１の代わりに、適切な波長特性を有するダイクロイックミラーを用いることが望ましい。
【００６７】
図９は、開口を有する反射鏡を用いた別の実施例の構成を示す。ここでは、開口を有する反射鏡として、２つの直角プリズムと反射面よりなる開口を有する反射プリズム２３を用いる。開口を有する反射プリズム２３は２つのプリズムの接合面に反射面２４が形成され、その一部に開口２５が設けられている。また、半導体レーザーチップ１を光源兼光検出器として用い、いわゆるレーザーフィードバック顕微鏡を構成している。
【００６８】
照明光２は、ビームエキスパンダーを用いずに凸レンズ３０のみを用いて開口２５に集光している。その他の構成は、図８と同様である。また、反射型波面変換素子２６による焦点移動及びこれに伴う球面収差の補正、アクチュエーター８による対物レンズ７のＸ−Ｙ走査、及び、開口を有する反射鏡２３による光量損失低減の作用、効果も、図８の構成と同じである。
【００６９】
なお、対物レンズの切り換えに伴う対物レンズの瞳位置の変動や、瞳リレー光学系により装置が大型化する問題があるが、開口を有する反射鏡をビームスキャン型ＬＳＭに適用することも可能である。これを、以下に示す。
【００７０】
図１０は、開口を有する反射鏡を用いる別の実施例の構成を示す。ここでは、ガルバノミラー４７を走査手段として用い、２組の瞳リレー光学系４６によって、対物レンズ瞳４５、ガルバノミラー４７、反射型波面変調素子２６が共役になるように配置している。不図示の部分は、図８の構成と同様である。
【００７１】
この開口を有する反射鏡４２は、図８、図９に示した対物レンズ走査方式のＬＳＭのみならず、図１０に示したガルバノミラー等によるビームスキャン方式のＬＳＭにおいても、反射型波面変調素子による焦点移動を行う際には、光量損失を減らす上で極めて有効である。ビームスキャンの手段として、ガルバノミラーの他に、ポリゴンミラーやＡＯＭ（音響光学素子）を同様に適用できることはもちろんである。
【００７２】
次に、第５発明の走査型光学顕微鏡について、図１１〜図１３を参照して説明する。第５発明の走査型光学顕微鏡の構成は図８、図９と同じである。ここでは、開口２５に関して述べる。
【００７３】
図８、図９で示した開口を有する反射鏡が、いかに照明光を波面変換素子へ効率良く導くことができるかを、図１１、図１２（ａ）及び図１３を併用して以下に説明する。
【００７４】
図８、図９において、照明光２は、開口を有する反射鏡４２又は開口を有する反射プリズム２３に入射するとき、レンズ２２あるいはレンズ３０で集光する。このとき、集光位置と開口２５が一致するように、開口を有する反射鏡４２又は開口を有する反射プリズム２３を配置する。このように配置することで、照明光は開口２５を通過するので、開口２５を通過あるいは透過する際の光量損失はほとんどない。照明光は開口２５を通過すると発散光となり、反射型波面変換素子２６で反射される。反射された光は補正後照明光１７となり、さらに発散して反射面２４で反射する。このとき、照明光の一部は反射せずに開口２５を通過するので、ここで光量損失が発生する。この様子を図１１に示す。開口２５における損失量は、反射型波面変換素子２６と平行な面４０において評価することができる。補正後照明光１７のビーム外径が面４０と交わって作る輪郭の半径をｒ_Minc、開口２５を透過する補正後照明光１７が面４０と交わって作る輪郭の半径をｒ_Hとすると、半径ｒ_Hの範囲が補正後照明光１７の中の損失分である。照明光の中、半径ｒ_H以上、ビーム半径ｒ_Minc以下の範囲を、反射面２４で１００％反射するとすれば、反射率η_Hは次のように計算される。
【００７５】
補正後照明光１７が、図１３のようなビーム半径ｒ_Mincのガウシアンビームであるとすると、その強度分布Ｉ（ｒ）は次式で表わされる。
【００７６】
Ｉ（ｒ）＝Ｉ₀・ｅｘｐ（−２ｒ²／ｒ_Minc ²）・・・（６）
式（６）より、半径ｒ内の強度の積分値Ｅ（ｒ）は次のように表わされる。
【００７７】

前述のように、補正後照明光１７の中、半径ｒ_Hの範囲が失われるので、ビーム半径ｒ_Minc範囲内の全光量を基準にすると、（７）式より、反射率η_H、すなわち効率は次のように表わされる。
【００７８】

上記（８）式より、η_Hはｒ_Hとｒ_Mincの比で決まることが分かる。
【００７９】
（ｒ_H／ｒ_Minc）とη_Hとの関係を表５に示す。
【００８０】

【００８１】
表５より、（ｒ_H／ｒ_Minc）≦０．５であれば、η_H≧０．５４となる。また、（ｒ_H／ｒ_Minc）が小さい程η_Hは大きくなり、そして（ｒ_H／ｒ_Minc）＝０．１においてはη_H＝０．９７７に達し、極めて反射率が高い、すなわち光の損失が少ないことが分かる。
【００８２】
従来技術で用いられるビームスプリッターの場合、照明光を波面変換素子へ導くために、比較的損失の少ない偏光ビームスプリッターを用いたとしても、仮に光源からの光がランダム偏光だとすると、ランダム偏光を直線偏光に変換する際に光量の少なくとも半分が損なわれる。これに対して、本発明では、偏光、非偏光に関わらず光学系を（ｒ_H／ｒ_Minc）≦０．５となるようにすることで、η_H≧０．５４となる。この結果、従来のビームスプリッターよりも効率良く照明光を波面変換素子へ導くことができる。
【００８３】
ここでは、図１２（ａ）における開口２５の形状を半径ｒ_Hの円形として説明したが、上記光量損失低減の効果はこれに限られない。例えば、楕円、多角形、星型、スリット、不規則形状等であっても、光軸が開口内を通っていれば、効率的に照明光を波面変換素子へ導くことができる。開口の形状が円形以外である場合、その反射鏡部エッジ（反射面と開口の境界）から光軸までの長さの最小値ｒ_Hminをｒ_Hとみなせばよい。これを、図１２（ｂ）、（ｃ）に示す。
【００８４】
以上より、開口を有する反射鏡を含む光学系が下記式（２）を満たすことが望ましい。
【００８５】
ｒ_Hmin／ｒ_Minc≦０．５・・・（２）
ここで、ｒ_Hmin：光軸から反射鏡部エッジまでの長さの最小値
ｒ_Minc：開口を有する反射鏡に入射する波面変換された照明光の半径
である。なお、式（２）を満たす光学系は、光源から対物レンズに至る光学系のことである。
【００８６】
さらに、特筆すべきは、本発明における開口２５が対物レンズ７の焦点位置と共焦点の関係にあるために、共焦点信号を検出して共焦点顕微鏡観察を行うことが極めて容易なことである。もちろん、その場合には、開口２５の形状・寸法を観察光のエアリーディスク径に合わせる等、共焦点観察に適したものにすることが望ましい。開口２５を共焦点観察に適合させる場合、その寸法は必然的に小さくなるので、（ｒ_H／ｒ_Minc）も極めて小さくなる。したがってη≒１となり、光量損失はほとんど皆無となる。
【００８７】
第６発明及び第７発明の走査型光学顕微鏡について説明する。
【００８８】
第６発明において、光量損失を低減させる基本構成のバリエーションを図１４を参照して説明する。波面変換素子によって焦点移動を行い、かつ、光量の損失が極めて少なく明るい像が得られる別のＬＳＭは、図１４の構成によって実現できる。
【００８９】
レーザー光源６は照明光２を発し、その照明光２はビームスプリッター２１を透過する。そして、凸レンズ３０を経て反射面を有するプリズム３１に入射し、反射面３２上に集光し、反射する。次に、照明光は発散光となって、反射型波面変換素子２６に入射し、ここで波面変換を受ける。反射型波面変換素子２６を射出した照明光は反射面を有するプリズム３１を透過し、コリメーションレンズ２７で略平行光となり、対物レンズ７によって試料９上に集光される。試料９からの観察光は逆の経路をたどり、ビームスプリッター２１で反射し、光検出器２９に集光される。反射型波面変換素子２６によって焦点移動及びこれに伴う球面収差の補正がなされ、アクチュエーター８によって対物レンズ７のＸ−Ｙ走査がなされることは、前記図１、図８、図９の例と同様である。
【００９０】
ここでは、反射型波面変換素子２６へ照明光を導く手段として、収束ビームの集光位置に配置された反射面を有する光学素子、すなわち、反射面を有するプリズム３１を用いている。そのため、図２７、図２８の従来技術で用いられているビームスプリッターと異なり、光量の損失が極めて少ない。そして、試料９中の、反射面３２と共役な領域から発した反射光は、観察光３として光検出器２９に達する。逆に、共役な領域以外から発した反射光は光検出器２９に達しない。すなわち、共焦点光学系と同様の作用を呈する。反射面３２のサイズを適切に設定することにより、共焦点効果を得ることができる。また、この共焦点効果は、蛍光試料の観察に特に有効である。蛍光観察を行う際には、ビームスプリッター２１の代わりに、適切な波長特性を有するダイクロイックミラーを用いることが望ましい。
【００９１】
反射面を有する光学素子、例えばここで説明した反射面を有するプリズム３１は、図１４に示した対物レンズ走査方式のＬＳＭのみならず、ガルバノミラー等によるビームスキャン方式のＬＳＭにおいても、反射型波面変調素子２６による焦点移動を行う際には、光量損失を減らす上で極めて有効である。
【００９２】
第７発明の走査型光学顕微鏡について、図１５、図１６を参照して反射鏡形状に関して説明する。
【００９３】
図１４で示した反射面を有する光学素子が、いかに効率良く照明光を波面変換素子に導くことができるかを、図１３、図１５、図１６を併用して以下に説明する。
【００９４】
図１４において、照明光２は反射面を有するプリズム３１に入射するとき、レンズ３０によって収束し、その焦点位置に設けられた反射面３２で反射する。反射面３２で反射する際の光量損失はほとんどない。照明光２は反射面３２で反射すると発散光となり、反射型波面変換素子２６に入射する。反射型波面変換素子２６で反射した照明光は補正後照明光１７となり、さらに発散して反射面を有するプリズム３１を透過する。このとき、照明光の一部は透過せずに反射面３２で反射するので、これが損失となる。
【００９５】
この様子を図１５に示す。反射面３２における損失量は、反射型波面変換素子２６と平行な面４１において評価することができる。補正後照明光１７のビーム外径が面４１と交わって作る輪郭の半径をｒ_Ainc、反射面３２で反射する補正後照明光１７が面４１と交わって作る輪郭の半径をｒ_Mとすると、半径ｒ_Mの範囲が補正後照明光１７の中の損失分である。補正後照明光のうち、半径ｒ_M以上、ｒ_Ainc以下の範囲が、反射面を有するプリズム３１を１００％透過し、かつ、照明光１７が図１３のようなビーム半径ｒ_Aincのガウシアンビームであるとする。すると、ここでの透過率η_Mは、前記図８、図９における開口を有する反射鏡の反射率η_Hを表わす式（８）と全く同様にして求まり、次のように、式（８）におけるｒ_Hをｒ_Mに、そしてｒ_Mincをｒ_Aincに置き換えるだけでよい。
【００９６】

言うまでもなく、式（９）におけるη_Mとｒ_Ainc及びｒ_Mの関係は、前記式（８）におけるη_Hとｒ_Minc及びｒ_Hの関係と同様である。したがって、（ｒ_M／ｒ_Ainc）とη_Mとの関係は、表５における（ｒ_H／ｒ_Minc）とη_Hとの関係と一致する。
【００９７】
ここでは、図１６における反射面の形状を半径ｒ_Mの円形として説明したが、光量損失低減の効果はこれに限られない。例えば、楕円、多角形、星型、スリット、不規則形状等であっても、光軸が反射面内を通っていれば、効率的に照明光を波面変換素子まで導くことができる。また、反射面３２は必ずしも光透過部材（平行平面板やプリズム）上に形成される必要はない。例えば、必要な面積の反射面を有する微小な反射部材を支持部材で支持してもよい。反射面の形状が円形以外である場合、その反射鏡部エッジから光軸までの長さの最小値ｒ_Mminをｒ_Mとみなせばよい。
【００９８】
以上から、反射面を含む光学系が下記式（３）を満たすことが望ましい。
【００９９】
ｒ_Mmin／ｒ_Ainc≦０．５・・・（３）
ここで、ｒ_Mmin：光軸から反射鏡部エッジまでの長さの最小値
ｒ_Ainc：反射鏡の位置における波面変換された照明光の半径
である。
【０１００】
第８発明の走査型光学顕微鏡について、光量損失低減及び小型化に関して図１７、図１８を参照して説明する。
【０１０１】
波面変換素子によって焦点移動を行い、かつ、光量の損失が極めて少なく明るい像が得られる別のＬＳＭは、図１７の構成によって実現できる。
【０１０２】
支持部材３４によって支持された光学素子４３は、発光部と受光部の両方の機能を有する。光学素子４３から発した照明光２は、コリメーションレンズ３３を経て反射型波面変換素子２６に入射し、ここで波面変換を受けて反射する。反射した光は再びコリメーションレンズ３３を透過し、略平行光となり、対物レンズ７によって試料９上に集光される。試料９からの観察光は逆の経路をたどり、再び光学素子４３に集光される。本構成でも、反射型波面変換素子２６によって焦点移動及びこれに伴う球面収差の補正がなされ、アクチュエーター８によって対物レンズ７のＸ−Ｙ走査がなされることは前記図１、図８、図９、図１４の例と同様である。
【０１０３】
ここでは、発光部兼受光部である光学素子４３を光路中に配置することによって、図２７、図２８の従来技術で用いられているビームスプリッターをなくした。この場合、光学素子４３や支持部材３４として遮光性の低いものを用いることにより、光量損失を低減することができる。例えば、光学素子４３として半導体レーザーチップを用いれば、その外径は小さく、本例のように光路中に配置しても光を遮る面積は小さい。さらに、半導体レーザーチップに光源素子と光検出素子の両機能を持たせれば、いわゆるレーザーフィードバック顕微鏡として構成することができる。また、支持部材３４としては、ガラス等の透明基板を用いればよい。
【０１０４】
図１８は、本方式の別の実施例である。ここでは、光ファイバー３６の先端をコリメーションレンズ３５の中心に取り付けてある。光ファイバー３６の他端は、不図示のレーザー光源及び光検出器に接続されている。したがって、コリメーションレンズに取り付けられた光ファイバー３６の先端は、前記図１７における光学素子４３と同様に機能する。光ファイバー３６は細く作ることができるので、本例のように光路中に配置しても、光路を遮る面積が小さく、光量損失を低減することができる。その他の構成は前記図１７と同様であり、反射型波面変換素子２６によって焦点移動及びこれに伴う球面収差の補正がなされ、アクチュエーター８によって対物レンズ７のＸーＹ走査がなされる。
【０１０５】
第９発明の走査型光学顕微鏡について、図１９、図２０及び表６を参照して説明する。第９発明の走査型光学顕微鏡は、光量損失低減のバリエーションであって、照明光が波面変換素子に対して斜めから入射するように構成したものである。
【０１０６】
波面変換素子によって焦点移動を行い、かつ、光量の損失がなく、明るい像が得られるＬＳＭは、図１９の構成によって実現できる。レーザー光源６は照明光２を発し、コリメーションレンズ４で平行光に変換され、ビームスプリッター２１を透過し、反射型波面変換素子２６に入射角θ_PRで入射する。反射型波面変換素子２６で波面変換を受けて反射した照明光は、対物レンズ７によって試料９上に集光される。試料９からの観察光は逆の経路をたどり、ビームスプリッター２１で反射し、凸レンズ２８で光検出器２９に集光される。
【０１０７】
なお、反射型波面変換素子２６によって焦点移動及びこれに伴う球面収差の補正がなされ、アクチュエータ８によって対物レンズ７のＸ−Ｙ走査がなされることは、前述のものと同様である。
【０１０８】
また、蛍光観察を行う際には、ビームスプリッター２１の代わりに、適切な波長特性を有するダイクロイックミラーを用いることが望ましい。この場合、図２７の従来技術に比べて効率良く蛍光を検出できる。また、図２８の従来技術に比べて効率良く照明光を試料に導くことができる。
【０１０９】
また、この反射型波面変換素子に対して光束を斜めに入射する配置は、ここに示した対物レンズ走査方式のＬＳＭのみならず、ガルバノミラー等によるビームスキャン方式のＬＳＭにおいても、光量損失を減らす上で極めて有効である。
【０１１０】
図２０は、反射型波面変換素子に対して照明光を斜めに入射する配置の別の実施例である。ここでは、光ファイバー３６の先端を対物レンズ７の光軸から距離ａだけ離れた位置に置く。光ファイバ−３６の他端は、不図示のレーザー光源及び光検出器に接続されている。したがって、この光ファイバー端部は発光部と受光部の両方の機能を有する。光ファイバー３６から発した照明光２は、凸レンズ３７でコリメーションされ、反射型波面変換素子２６に対して入射角θ_PRで入射する。そして、ここで波面変換を受けて反射し、再びコリメーションレンズ３７を透過し、略平行光となり、対物レンズ７によって試料９上に集光される。試料９からの観察光は逆の経路をたどり、再び光ファイバ−３６の端部に集光され、不図示の検出器で検出される。本構成で、反射型波面変換素子２６によって焦点移動及びこれに伴う球面収差の補正がなされ、アクチュエータ８によって対物レンズ７のＸ−Ｙ走査がなされることは、前述のものと同様である。
【０１１１】
本構成においては、発光部となる光ファイバーを細く作ることができるので、図中の距離ａを小さくすることができる。また、コリメーションレンズ３７として、その焦点距離ｆ₃₇の長いものを選ぶことが設計上可能である。これは、反射型波面変換素子２６に対する入射角θ_PRが小さくできることを意味し、後述する結像性能の観点から優れている。
【０１１２】
ここで、θ_PRと結像性能の関係について説明する。反射型波面変換素子は、光線の入射角度が０°の場合、回転対称形状の波面変換を行うことによって、集光位置における球面収差を完全に補正することができる。しかし、入射角度が大きくなると軸外収差の成分が発生するため、十分な補正ができなくなる。この結果、像が劣化する。しかしながら、入射角がある範囲内であればこの劣化は無視できる程に小さい。
【０１１３】
そこで、対物レンズの瞳と共役な位置に反射型波面変換素子を傾けて配置し、焦点移動と球面収差補正を行った場合に、ストレール強度比が０．７以上となる入射角θ_PRの上限値をシミュレーションによって求めた。その結果を表６〜表９に示す。なお、対物レンズは無限遠型の理想対物レンズである。

【０１１４】

【０１１５】

【０１１６】

【０１１７】
これより、θ_PRの上限はＮＡ、波長、ΔＺの関数であり、対物レンズの焦点距離ｆ_OBには関係がないことが分かり、次式（４）で表わされる。
【０１１８】
θ_PR≦５０・ＮＡ^-1√（λ・ΔＺ^-1）・・・（４）
ここで、θ_PR：波面変換素子への主光線の入射角（°）
ΔＺ：焦点移動量
λ ：照明光の波長
ＮＡ：対物レンズの開口数
である。
【０１１９】
上記表６及び表９結果を、上記式（４）の曲線と合わせてそれぞれ図２１及び図２２に示す。
【０１２０】
図２１、図２２より、式（４）の曲線は表６、表９の結果と一致することが分かる。すなわち、反射型波面変換素子への入射角θ_PRは、式（４）によって決めることができる。
【０１２１】
第１０発明の走査型光学顕微鏡について、トーリック面を用いた光量損失の低減に関して、図２３〜図２６、及び、表１０を参照して説明する。
【０１２２】
波面変換素子によって焦点移動を行い、かつ、光量の損失がなく、明るい像が得られる別のＬＳＭは、図２３の構成によって実現できる。なお、以下の説明で用いる非球面トーリック面とは、面形状に関して、直交する２つの対称面を有し、かつ、これらの対称面と交わる曲線が非球面の断面形状で表わされるものを意味する。
【０１２３】
レーザー光源６は照明光２を発し、コリメーションレンズ４で平行光に変換され、ビームスプリッター２１を透過し、非球面トーリック面形状に制御される反射型波面変換素子４４（以下、トーリック面波面変換素子と略称する。）に斜めに入射する。照明光はトーリック面波面変換素子４４で波面変換を受けて反射し、対物レンズ７によって試料９上に集光される。試料９からの観察光は逆の経路をたどり、ビームスプリッター２１で反射し、凸レンズ２８で光検出器２９に集光される。
【０１２４】
ここで、トーリック面波面変換素子４４によって焦点移動及びこれに伴う球面収差の補正がなされる。
【０１２５】
また、アクチュエータ８によって対物レンズ７のＸ−Ｙ走査がなされることは前述のものと同様である。
【０１２６】
蛍光観察を行う際には、ビームスプリッター２１の代わりに、適切な波長特性を有するダイクロイックミラーを用いることが望ましい。
【０１２７】
このトーリック面波面変換素子４４に対して光束を斜めに入射する配置は、ここに示した対物レンズ走査方式のＬＳＭのみならず、ガルバノミラー等によるビームスキャン方式のＬＳＭにおいても、光量損失を減らす上で極めて有効である。
【０１２８】
ここで、波面変換素子の面形状としてなぜ非球面トーリック面を用いるかについて説明する。
【０１２９】
反射型波面変換素子を図２３に示す配置で用い、焦点移動をさせる場合、収差を完全に補正するためには、波面変換素子の面形状を自由曲面形状に制御することが望ましい。しかし、自由曲面は形状に対称性を持たないため、必要な形状を光の波長オーダーの精度で正確に実現することは容易ではない。ところで、本願発明者は、図２３の配置において、実際に必要とされる反射型波面変換素子の形状を解析した結果、確かに必要な形状は厳密には自由曲面であるが、高い対称性を持ち、非球面トーリック面に極めて近いことを見出した。このことを、図２４〜図２６を用いて説明する。
【０１３０】
図２４は、反射型波面変換素子４４を有する対物レンズ走査型顕微鏡のモデルである。ビーム径φ４．２ｍｍ、波長８３０ｎｍの平行照明光が、長径５．９４ｍｍ、短径４．２０ｍｍの楕円形有効径を有する反射型波面変換素子４４に、入射角４５°で入射する。照明光は波面変換を受け、光路を９０°曲げられ光軸上で１０ｍｍ離れて位置する対物レンズ７に入射する。対物レンズ７は、焦点距離３ｍｍ、ＮＡ０．７の理想対物レンズである。そして、この集光位置が、物体側焦点ＦからΔＺ＝０．０４（ｍｍ）離れた位置に移動するように、反射型波面変換素子４４の面形状を形成する。このとき、反射型波面変換素子４４の面形状が自由曲面形状である場合と非球面トーリック面形状である場合を比較する。
【０１３１】
図２５は、反射型波面変換素子４４の面形状が自由曲面である場合の反射面形状の等高線図（単位：μｍ）である。また、図２６は上記の自由曲面からξ−ζ平面とη−ζ平面を対称面とする非球面トーリック面を差し引いた形状の等高線図である。なお、図２５、図２６においては、長径５．６ｍｍ、短径３．９ｍｍの楕円範囲を太線で示す。また、同範囲内での等高線を細線で示す。図２５より、この反射面形状には、ξ−ζ平面に関してわずかに非対称な成分が認められる（η−ζ平面に関しては、対称であることが自明）。最大変位は８μｍである。
【０１３２】
一方、図２６における最大変位は、プラス側が＋０．０４μｍ、マイナス側が−０．０６μｍであり、何れも上記自由曲面の最大変位８μｍの１％以下である。
【０１３３】
上記非球面トーリック面と自由曲面との形状の差が、実用上問題がないことを以下に示す。
【０１３４】
図２４において、トーリック面波面変換素子４４を置いた状態で、対物レンズ７にφ３ｍｍの絞り４８を付加し、絞り４８と対物レンズ７を一体的にＸ−Ｙ方向に走査した場合のストレール強度比を求めた。その結果を表１０（ａ）、（ｂ）に示す。ここで、結像特性のＸＹ方向の分布に関して、Ｘ軸に関しては非対称、Ｙ軸に関しては対称であることが自明なので、表１０（ａ）においてΔＸ＝０〜＋０．５（ｍｍ）、表１０（ｂ）においてΔＹ＝−０．５〜＋０．５（ｍｍ）の範囲で求めた。

【０１３５】
これより、ΔＸ＝±０．４（ｍｍ）、ΔＹ＝±０．４（ｍｍ）の範囲においては、ストレール強度比が０．７以上となり、非球面トーリック面でも十分な結像性能が得られることが分かる。
【０１３６】
以上の本発明の走査型光学顕微鏡は例えば次のように構成することができる。
【０１３７】
〔１〕光源と、該光源から発する照明光に任意の波面変換を与える波面変換素子と、該波面変換素子から発する波面変換後の照明光を試料に集光する対物レンズと、該試料から発する信号光を検出する検出器と、前記対物レンズを光軸と直交する方向に走査するアクチュエーターとを有することを特徴とする走査型光学顕微鏡。
【０１３８】
〔２〕前記波面変換素子は、前記アクチュエーターが前記対物レンズで光軸と直交する試料の一断面上を走査する場合、前記照明光に対して一定の波面変換を与えることを特徴とする上記１記載の走査型光学顕微鏡。
【０１３９】
〔３〕前記対物レンズが光軸と直交する方向へ移動したときの移動量をΔｘとするとき、下記条件式（１）を満たすことを特徴とする上記１又は２記載の走査型光学顕微鏡。
【０１４０】
ΔＸ≦０．６６ｆ_OB・λ／（ΔＺ・ＮＡ⁴）・・・（１）
ここで、ｆ_OB：対物レンズの焦点距離
ΔＺ：波面変換素子によって生じる焦点移動量
λ ：照明光の波長
ＮＡ：対物レンズの開口数
である。
【０１４１】
〔４〕光源と、該光源から発する照明光を収束光に変換する正のパワーを有する光学素子と、開口を有する反射鏡と、該照明光に任意の波面変換を与える反射型の波面変換素子と、該波面変換された照明光を試料に集光する対物レンズと、該試料から発する信号光を検出する検出器とを有することを特徴とする走査型光学顕微鏡。
【０１４２】
〔５〕前記開口を有する反射鏡を含む光学系が、下記条件式（２）を満たすことを特徴とする上記４記載の走査型光学顕微鏡。
【０１４３】
ｒ_Hmin／ｒ_Minc≦０．５・・・（２）
ここで、ｒ_Hmin：光軸から反射鏡部エッジまでの長さの最小値
ｒ_Minc：開口を有する反射鏡に入射する波面変換された照明光の半径
である。
【０１４４】
〔６〕光源と、該光源から発する照明光を収束光に変換する正のパワーを有する光学素子と、前記収束光の集光位置に配置された反射鏡と、該照明光に任意の波面変換を与える反射型の波面変換素子と、該波面変換された照明光を試料に集光する対物レンズと、該試料から発する信号光を検出する検出器とを有することを特徴とする走査型光学顕微鏡。
【０１４５】
〔７〕前記反射鏡を含む光学系が、下記条件式（３）を満たすことを特徴とする上記６記載の走査型光学顕微鏡。
【０１４６】
ｒ_Mmin／ｒ_Ainc≦０．５・・・（３）
ここで、ｒ_Mmin：光軸から反射鏡部エッジまでの長さの最小値
ｒ_Ainc：反射鏡の位置における波面変換された照明光の半径
である。
【０１４７】
〔８〕光源と、該光源から発する照明光に任意の波面変換を与える反射型の波面変換素子と、波面変換後の照明光を試料に集光する対物レンズとを備え、前記光源が該試料から発する信号光を検出する検出器であることを特徴とする走査型光学顕微鏡。
【０１４８】
〔９〕光源と、該光源から発する照明光に任意の波面変換を与える反射型の波面変換素子と、該波面変換素子から発する波面変換後の照明光を試料に集光する対物レンズと、該試料から発する信号光を検出する検出器とを有し、前記反射型の波面変換素子を下記条件式（４）を満たすように光路中に配置したことを特徴とする走査型光学顕微鏡。
【０１４９】
θ_PR≦５０・ＮＡ^-1√（λ・ΔＺ^-1）・・・（４）
ここで、θ_PR：前記波面変換素子への主光線の入射角（°）
ΔＺ：焦点移動量
λ ：前記照明光の波長
ＮＡ：前記対物レンズの開口数
である。
【０１５０】
〔１０〕光源と、前記光源から発する照明光に波面変換を与える反射型の波面変換素子と、該波面変換素子から発する波面変換後の照明光を試料に集光する対物レンズと、該試料から発する信号光を検出する検出器とを有し、前記反射型の波面変換素子の反射面が非球面トーリック面形状に制御されることを特徴とする走査型光学顕微鏡。
【０１５１】
【発明の効果】
本発明の波面変換素子を用いたレーザー走査型顕微鏡（ＬＳＭ）等の走査型光学顕微鏡は、下記効果をもたらす。
【０１５２】
第１の走査型光学顕微鏡は、光軸と直交する方向の走査を対物レンズの走査によって行うので、波面変換素子によって焦点移動がなされている場合であっても、軸外での結像性能の劣化が少なく、かつ、装置の構成上も、対物レンズ瞳が波面変換素子と共役でなくてもよい。
【０１５３】
第２の走査型光学顕微鏡は、対物レンズを光軸と直交する方向に走査する場合に、波面変換素子が照明光に与える波面変換を変化させる必要がないので、波面変換素子の駆動制御が容易になる。
【０１５４】
第３の走査型光学顕微鏡は、波面変換素子による焦点移動を行い、かつ、良好な結像特性を有するＬＳＭが得られる。
【０１５５】
第４〜第７の走査型光学顕微鏡は、反射型波面変換素子を用いながら光量の損失が少ないＬＳＭが得られる。
【０１５６】
第８の走査型光学顕微鏡は、反射型波面変換素子を用いながら光量の損失が少なく、かつ、小型のＬＳＭが得られる。
【０１５７】
第９〜第１０の走査型光学顕微鏡は、反射型波面変換素子を用いながら光量の損失がないＬＳＭが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の波面変換素子による焦点移動と対物レンズ駆動によるＸ−Ｙ走査をするレーザー走査型顕微鏡の構成を示す図である。
【図２】波面変換素子による＋側移動焦点及び−側移動焦点を説明するための図である。
【図３】対物レンズのＸ−Ｙ走査を説明するための図である。
【図４】焦点移動の波面収差を説明するための図である。
【図５】対物レンズの走査の波面収差を説明するための図である。
【図６】ストレール強度比が０．７以上になる走査幅ΔＸ（ｆ_OB＝３（ｍｍ）の場合）のシミュレーション結果と（１）の曲線と合わせて示す図である。
【図７】ストレール強度比が０．７以上になる走査幅ΔＸ（ｆ_OB＝１０（ｍｍ）の場合）のシミュレーション結果と（１）の曲線と合わせて示す図である。
【図８】反射型波面変換素子と開口付き反射鏡を有する１実施例のレーザー走査型顕微鏡の構成を示す図である。
【図９】反射型波面変換素子と開口付き反射鏡を有する他の実施例のレーザー走査型顕微鏡の構成を示す図である。
【図１０】ガルバノミラーと反射型波面変換素子と開口付き反射鏡を有する実施例のレーザー走査型顕微鏡の構成を示す図である。
【図１１】開口付き反射鏡における光の損失を説明するための図である。
【図１２】開口付き反射鏡におけるビーム径と開口の投影形状を示す図である。
【図１３】ガウシアンビームの強度分布図である。
【図１４】反射型波面変換素子と反射鏡を有する実施例のレーザー走査型顕微鏡の構成を示す図である。
【図１５】反射鏡における光の損失を説明するための図である。
【図１６】反射鏡におけるビーム径と反射面の投影形状を示す図である。
【図１７】反射型波面変換素子と発光部兼受光部である開口を有する実施例のレーザー走査型顕微鏡の構成を示す図である。
【図１８】反射型波面変換素子と光ファイバーを有する実施例のレーザー走査型顕微鏡の構成を示す図である。
【図１９】反射型波面変換素子に光束を斜入射させる実施例のレーザー走査型顕微鏡の構成を示す図である。
【図２０】反射型波面変換素子にコリメーションレンズを介して光束を斜入射させる実施例のレーザー走査型顕微鏡の構成を示す図である。
【図２１】ストレール強度比が０．７以上になる斜入射角度Δθ_PR（ΔＺ＝０．０５（ｍｍ）の場合）のシミュレーション結果と（４）の曲線と合わせて示す図である。
【図２２】ストレール強度比が０．７以上になる斜入射角度Δθ_PR（ΔＺ＝０．０２（ｍｍ）の場合）のシミュレーション結果と（４）の曲線と合わせて示す図である。
【図２３】非球面トーリック面の反射型波面変換素子を用いる実施例のレーザー走査型顕微鏡の構成を示す図である。
【図２４】非球面トーリック面の反射型波面変換素子を有する対物レンズ走査型顕微鏡のシミュレーションモデル図である。
【図２５】反射型波面変換素子が自由曲面型である場合の最適化した反射面形状の等高線図である。
【図２６】図２５の最適化された自由曲面から最適化されたトーリック面を差し引いた形状の等高線図である。
【図２７】ビームスプリッターによって光路分割をする従来の顕微鏡の構成を示す図である。
【図２８】ビームスプリッターによって光路分割をする従来の２光子顕微鏡の構成を示す図である。
【符号の説明】
１…半導体レーザーチップ
２…照明光
３…観察光
４…コリメーションレンズ
５…波面変換素子
６…レーザー光源
７…対物レンズ
８…対物レンズアクチュエータ
９…試料
１１…＋側移動焦点
１２…−側移動焦点
１３…発散光波面
１４…収束光波面
１５…補正前照明光
１６…補正後観察光
１７…補正後照明光
１８…補正前観察光
２０…ビームエキスパンダー
２１…ビームスプリッター
２２…凸レンズ
２３…開口を有する反射プリズム
２４…反射面
２５…開口
２６…反射型波面変換素子
２７…コリメーションレンズ
２８…凸レンズ
２９…光検出器
３０…凸レンズ
３１…反射面を有するプリズム
３２…反射面
３３…コリメーションレンズ
３４…支持部材
３５…コリメーションレンズ
３６…光ファイバー
３７…凸レンズ（コリメーションレンズ）
３８…主光線
３９…理想波面
４０…投影面
４１…投影面
４２…開口を有する反射鏡
４３…光学素子
４４…反射型波面変換素子（トーリック面波面変換素子）
４５…対物レンズ瞳
４６…瞳リレー光学系
４７…ガルバノミラー
４８…絞り
Ｆ…物体側焦点
Ｑ…集光点

Claims

光源と、該光源から発する照明光に任意の波面変換を与える反射型の波面変換素子と、該波面変換素子から発する波面変換後の照明光を試料に集光する対物レンズと、該試料から発する信号光を検出する検出器とを有し、前記反射型の波面変換素子を下記条件式（４）を満たすように光路中に配置したことを特徴とする走査型光学顕微鏡。
θ_PR≦５０・ＮＡ^-1√（λ・ΔＺ^-1）・・・（４）
ここで、θ_PR：前記波面変換素子への主光線の入射角（°）
ΔＺ：焦点移動量
λ ：前記照明光の波長
ＮＡ：前記対物レンズの開口数
である。