JP4222895B2 - 光偏向器およびこの光偏向器を用いた走査型光学顕微鏡 - Google Patents
光偏向器およびこの光偏向器を用いた走査型光学顕微鏡 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源からの光を１次元または２次元に走査する光偏向器およびこの光偏向器を用いた走査型光学顕微鏡に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
走査型光学顕微鏡において、観察標本の２次元画像を得る際に標本上の光を走査するための手段として光偏向器が用いられている。
【０００３】
そして、最近では、画像を速やかに取得でき、また、例えば、標本が蛍光標本の場合は、蛍光の退色を防ぐため、高速走査の実現が要求され、さらには、正確にかつ高画質の標本の画像を得るため観察標本に振動を与えないようにすることなども要求され、さらには、標本の３次元画像を取得するため、対物レンズと標本の機械的な相対移動がなく、対物レンズの焦点位置の移動ができる技術も要求されている。
【０００４】
標本面の高速スキャンを実現したものとして、例えば、特許文献１によるビーム偏向装置が考えられている。このビーム偏向装置は、ミラー装置の回転軸の回りに一緒または互いに独立して回転させる第１の駆動装置と第２の駆動装置を配置し、第２の駆動装置により共振ガルバノメータとして高速スキャンが可能となり、第１の駆動装置により低速スキャン、又は共振周波数より低い任意の周波数のスキャンができるようになっている。
【０００５】
また、特許文献２による走査装置も考えられている。この装置は、２次元走査装置をコンパクトにするため、２つの方向に移動できる１つのマイクロミラーを使用したもので、マイクロミラーを共振周波数で作動させるようにしている。
【０００６】
また、光を１次元に偏向する光偏向器として、特許文献３に開示されたものが知られている。この光偏向器は、板状部材と第１ばね部とからなる第１振動子と、この第１振動子に接続される応動部と第２ばね部とからなる第２振動子により構成されていて、応動部に駆動力を与えることで、第１振動子が共振周波数で動作するようになっている。このような構成によって、第２振動子の振幅が小さくても第１振動子の振幅を大きくすることができ、また、駆動力を第２振動子に与えるので、第１振動子の板状部材が発熱による熱ひずみを生じることがない。
【０００７】
さらに、標本の３次元画像取得の際のＺ方向のスキャンに用いられる対物レンズの焦点位置の移動手段についても、特許文献４によるアダプティブ光学装置が提案されている。この装置は、対物レンズと、結像レンズと、光の波面を変調するアダプティブミラーを有していて、アダプティブミラーを変形させることで光の波面を変調させることにより、対物レンズの焦点位置を移動させることができるようにしている。この結果、対物レンズと観察標本の間を相対移動をさせなくても、観察標本の厚さ方向の異なる位置の像を結像レンズによって結像できるようになる。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−１６６２４５号公報
【０００９】
【特許文献２】
特開２００２−１３１６４９号公報
【００１０】
【特許文献３】
特許第３００３４２９号公報
【００１１】
【特許文献４】
特開平１１−１０１９４２号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、特許文献１は、一つの方向で高速と低速のスキャンが行なえるが、高速用の駆動装置と低速用の駆動装置をそれぞれ個別に備えているので、構造が複雑で大型になる。また、標本面を２方向（ＸＹ方向）にスキャンするためには、これらを二組備えなければならないため、さらに大型化、複雑化する。
【００１３】
また、特許文献２は、２つの方向に移動できるマイクロミラーを用いているので、１つのマイクロミラーで標本面を２つ方向のスキャンを実現できるが、マイクロミラーは、高速の共振駆動を行なうもので、低速走査（非共振で任意の周波数での動作）を行なうものではない。
【００１４】
さらに、特許文献３は、第１振動子を共振周波数で動作させるようにしているが、共振周波数以外の領域で動作させることまで考慮されていない。つまり、特許文献３は、少ない駆動電流で大きな振動（振れ角）を得ることを目的としたもので、非共振で駆動することは考慮されていない。
【００１５】
さらにまた、特許文献４は、波面を変調することによって、対物レンズと標本の相対移動のない対物レンズ焦点位置の移動ができるようにしたものである。走査型光学顕微鏡を利用する場合、観察標本の厚さを計測することがしばしばあり、このような場合、標本の上面と下面に対してそれぞれ焦点を合わせて、その焦点の移動距離で標本の厚さを求めるようにしている。ところが、標本が液体の中に入っていて、その状態でスライドガラスとカバーガラスに密封されるような場合、カバーガラスや液体、さらには標本そのものの屈折によって、光の標本中の移動距離が空気中のものと異なることがある。従って、標本の厚さ情報を正しく得るためには、屈折による影響を補正する必要がある。しかし、特許文献４では、光の波面を変調することによって、対物レンズと標本の相対移動のない対物レンズ焦点位置の移動ができるのみで、屈折によって生じた空気中と標本中の対物レンズの焦点移動量の違いを補正することまでできない。
【００１６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、共振で駆動する高速スキャンと、高速スキャンよりも低速領域で且つ任意の周波数を選べる低速スキャンを一つの光偏向器で実現し、各種の有用な顕微鏡動作を実現できる光偏向器およびこの光偏向器を用いた走査型光学顕微鏡を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、一対の第１の支持部材を介して揺動可能に支持された第１の可動部材と、前記第１の可動部材と同一の中心軸上に配置される一対の第２の支持部材を介して前記第１の可動部材に揺動可能に支持された、反射面を有する第２の可動部材と、前記第１および第２の支持部材を介して前記第１および第２の可動部材を揺動させる駆動手段と、を具備し、前記第１の可動部材と前記第２の可動部材が同位相に揺動する第１の駆動状態と、前記第１の可動部材と前記第２の可動部材が逆位相に揺動する第２の駆動状態を有することを特徴としている。
【００１８】
請求項２記載の発明は、一対の第１の支持部材を介して揺動可能に支持された第１の可動部材と、前記第１の可動部材と同一の中心軸上に配置される一対の第２の支持部材を介して前記第１の可動部材に揺動可能に支持された、反射面を有する第２の可動部材と、前記第１および第２の支持部材を介して前記第１および第２の可動部材を揺動させる駆動手段と、を具備し、前記第２の可動部材が略第１次の揺動共振周波数よりも低い周波数で揺動する第１の駆動状態と、前記第２の可動部材が第１次以外の揺動共振周波数で揺動する第２の駆動状態を有することを特徴としている。
【００１９】
請求項３記載の発明は、レーザ光を発生する光源と、前記光源からのレーザ光を観察標本上に集光させる対物レンズと、前記レーザ光を前記観察標本上で２次元走査する２次元走査手段を備え、前記２次元走査手段の第１走査方向の走査を行う第１の走査手段として請求項１又は２記載の光偏向器を適用した走査型光学顕微鏡である。
【００２０】
請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明において、前記光偏向器の前記第１および第２の支持部材の中心軸と直交する方向の振動軸により前記光偏向器全体を第２走査方向に揺動する第２の走査手段を具備したことを特徴としている。
【００２１】
請求項５記載の発明は、請求項４記載の発明において、前記光源からの光を反射する反射面を変化させることによって、前記対物レンズによる前記観察標本に対するレーザ光の集光位置を第３走査方向に走査する第３の走査手段をさらに有することを特徴としている。
【００２２】
請求項６記載の発明は、請求項４または５記載の発明において、前記光偏向器の前記第１および第２の支持部材の中心軸と前記第２の走査手段の振動軸の中心軸との交点で、前記反射ミラー面と垂直方向の中心軸を中心に前記光偏向器を回転可能にした走査方向切替手段をさらに有することを特徴としている。
【００２３】
請求項７記載の発明は、請求項４乃至６のいずれかに記載の発明において、前記２次元走査手段を前記対物レンズに応じて該対物レンズの瞳位置に移動させる駆動手段をさらに有することを特徴としている。
【００２４】
請求項８記載の発明は、請求項５記載の発明において、少なくとも前記観察標本の屈折率および前記観察標本のカバーガラスの屈折率と厚さの情報を記憶し、これらの情報と前記第３の走査手段の前記反射面の変化量から前記カバーガラスの屈折率を補正した前記観察標本の厚さを求める手段をさらに有することを特徴としている。
【００２５】
この結果、本発明によれば、第１の可動部材と第２の可動部材が同位相で揺動する第１次の揺動共振周波数と、第１の可動部材と第２の可動部材が逆位相で揺動する第２次の揺動共振周波数が存在する。第１次の揺動共振と第２次の揺動共振の周波数は、第１及び第２の支持部材の剛性により自由に変えることができる。駆動手段によって第２の可動部材を第２次の揺動共振周波数で揺動することにより高速スキャンを行ない、第１次の共振周波数までの任意の周波数（ＤＣも含む）で駆動することにより低速スキャンを行なうことで、一つの光偏向器で低速スキャンと高速スキャンを実現することができる。
【００２６】
ここで、低速スキャンにおいては、後に実施の形態の説明中で述べる通り、第１次の共振周波数以下で用いたほうが駆動効率などの点で望ましい。しかし、必要な駆動感度が維持できているレベルで第１次の共振周波数を超えて用いることもできる。
【００２７】
また、本発明によれば、２次元走査手段の第１走査方向の第１の走査手段として請求項１記載の光偏向器を適用することで、一つの方向で低速走査と高速走査のいずれかの走査を実現できる。また、第２の走査手段により光偏向器全体を第２走査方向に走査することで、互いに垂直となる２つの方向の走査が可能となる。
【００２８】
さらに、本発明によれば、観察標本の画像の構築状況に応じて、２次元走査手段による走査方向を任意に設定できる。
【００２９】
さらに、本発明によれば、２次元走査手段を、観察に使用する対物レンズの瞳と共役の位置に設定することができるので、良好な光学性能を確保することができる。
【００３０】
さらに、本発明によれば、カバーガラスや観察標本での光の屈折による影響を補正した観察標本の厚さ情報を正確に入手することができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に従い説明する。
【００３２】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態が適用される光偏向器の概略構成を示している。図において、１１は固定部材で、この固定部材１１は、中央部に矩形状の孔部１１ａが形成されている。
【００３３】
固定部材１１の孔部１１ａには、矩形板状の第１の可動部材１２が配置されている。第１の可動部材１２は、中央部に矩形状の孔部１２ａが形成されている。また、第１の可動部材１２は、一方の相対向する両側縁の中央部を第１の支持部材１３ａ、１３ｂを介して固定部材１１に支持されている。
【００３４】
これら第１の支持部材１３ａ、１３ｂは、第１の可動部材１２をねじり方向に振動（揺動）させるためのもので、ばねなどの弾性部材または半導体材料からなっている。また、第１の可動部材１２には、駆動手段としてのコイルパターン（以下、駆動コイルと称する。）１４が形成されている。この場合、駆動コイル１４の端部は、第１の支持部材１３ａ、１３ｂを通って固定部材１１側に導出されている。
【００３５】
第１の可動部材１２の他方の相対向する両側縁に対応させて、一対の永久磁石１５ａ、１５ｂが配置されている。これら永久磁石１５ａ、１５ｂは、駆動コイル１４の配線部１４ａに対して直交する方向（図示矢印方向）の磁束線ａを発生させるようにしている。
【００３６】
第１の可動部材１２の孔部１２ａには、矩形板状の第２の可動部材１６が配置されている。第２の可動部材１６の板面上には、光を反射する反射ミラー１７が配置されている。
【００３７】
第２の可動部材１６は、一方の相対向する両側縁の中央部を第２の支持部材１８ａ、１８ｂを介して第１の可動部材１２に支持されている。この場合、第２の支持部材１８ａ、１８ｂの中心軸は、第１の支持部材１３ａ、１３ｂの中心軸と同一の中心軸１９上に設定されている。
【００３８】
これら第２の支持部材１８ａ、１８ｂは、第２の可動部材１６をねじり方向に振動（揺動）させるためのもので、第１の支持部材１３ａ、１３ｂと同じ材料で構成されている。この場合、第２の支持部材１８ａ、１８ｂのねじり剛性は、第１の支持部材１３ａ、１３ｂのねじり剛性より大きくなるように設定されている。
【００３９】
このような構成において、駆動コイル１４に駆動周波数の交流電流が流れると、この電流方向に直交する永久磁石１５ａ、１５ｂの磁束線ａにより、第１の可動部材１２の面と垂直な向きに、フレミング左手の法則にしたがったローレンツ力が発生が発生し、第１の可動部材１２は、第１の支持部材１３ａ、１３ｂを中心に駆動周波数でねじれ方向に振動（揺動）するようになる。
【００４０】
この場合、第２の支持部材１８ａ、１８ｂのねじり剛性は、第１の支持部材１３ａ、１３ｂのねじり剛性より大きくなるように設定されている。
【００４１】
これにより、駆動コイルに交流を印加し、その周波数を変化させると、第１の可動部材と第２の可動部材が同位相に揺動する第１次の共振と、第１の可動部材と第２の可動部材が逆位相に揺動する第２次の共振が発生する。それぞれの揺動軸は、第１、第２の支持部材共通の中心軸となる。
【００４２】
低速スキャンは、任意の周波数に合わせてスキャンするため、非共振で駆動する必要がある。本構成の光偏向器において、第１の共振周波数を超えた周波数で非共振状態で駆動しようとすれば、駆動感度が落ちるために大きな駆動力が必要になる。しかしながら大きな駆動力を得るために大電流を駆動コイルに印加すれば、コイルが発熱し、光偏向器が破壊する可能性がある。従って、望ましくは、第１次の共振周波数以下で用いたほうが良い。ただし、必要な駆動感度が維持できているレベルで第１次の共振周波数を超えて用いても良い。低速スキャンは、上記周波数範囲で所望の周波数で第２の可動部材に形成された反射面を用いて光を偏向することができる。
【００４３】
高速スキャンは、共振周波数で駆動され、本構成では、高速スキャンは、第２次の共振周波数を持って駆動される。第１次の共振周波数は低速スキャンで用いられる周波数領域であり、低速スキャンと高速スキャンの速度差が明確にできないからである。高速スキャンは、共振周波数で駆動されるため、共振時のＱ値分の利得があり、非共振駆動する低速スキャンより駆動感度が高く、低電流で駆動できる。このように高速スキャンは、第２の可動部材上に形成された反射面を用いて第２次の共振周波数で光を偏向することができる。
【００４４】
さらに、第１次の共振周波数は、第１の支持部材のねじり剛性と第１及び第２の可動部材の慣性モーメントの総和によって決まり、第２次の共振周波数は、第２の支持部材のねじり剛性と第２の可動部材と第１の可動部材の慣性モーメント差によって決まる。低速スキャンと高速スキャンの速度差を大きくすることが望まれる場合には、第２の支持部材のねじり剛性を大きくし、第１の支持部材のねじり剛性を小さくすることで達成できる。このように本構成は、低速スキャンの駆動周波数と高速スキャンの駆動周波数を自由に決定することができる。
【００４５】
なお、本実施の形態では、可動部材１５（請求項における「第１の可動部材」に相当）に駆動手段としての駆動コイルを配置しているが、例えば可動板１２（請求項における「第２の可動部材」に相当）に駆動コイルを設けることもできる。
【００４６】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。
【００４７】
この第２の実施の形態は、第１の実施の形態で述べた光偏向器を走査型光学顕微鏡に応用した例を示している。
【００４８】
図２は、第２の実施の形態が適用される走査型光学顕微鏡の概略構成を示している。図において、２０はレーザ光源で、このレーザ光源２０は、観察標本２１を照射するレーザ光を発生するものである。
【００４９】
レーザ光源２０からのレーザ光は、レーザビームコリメートする光学系２２を通り、ビームスプリッタ２３に入射する。そして、ビームスプリッタ２３で反射したレーザ光は、反射ミラー２４に入射するようになっている。
【００５０】
反射ミラー２４で反射されるレーザ光は、可変ミラー２５に導かれる。可変ミラー２５は、観察標本２１に対しＺ方向のスキャナに用いられるもので、光学系上、後述する対物レンズ２９の瞳と共役位置に配置されている。
【００５１】
可変ミラー２５で反射されるレーザ光は、瞳リレーレンズ２５１を介して２次走査手段としてのＸＹスキャナ２６に入射される。ＸＹスキャナ２６は、観察標本２１に対しＸＹスキャンのために用いられるもので、このＸＹスキャナ２６についても、光学系上、対物レンズ２９の瞳と共役位置に配置されている。
【００５２】
そして、ＸＹスキャナ２６で反射されたレーザ光は、投影レンズ２７、結像レンズ２８を通して、対物レンズ２９に入射し、観察標本２１に到達し、観察標本２１を照射するようになっている。
【００５３】
一方、観察標本２１から発した光は、前述の逆光路を通りビームスプリッタ２３を透過し、ピンホール３０に収束される。ピンホール３０は対物レンズ２９の焦点と光学的に共役であるので、観察標本２１からの光のうち合焦の成分はピンホール３０を通過するが、非合焦の成分は広がってしまい、ほとんどピンホール３０を透過できない。ピンホール３０を透過した焦点のあっている成分は、光検出器３１に入力されて光電変換され、観察標本２１の画像が取得されることになる。
【００５４】
図３は、ＸＹスキャナ２６の概略構成を示している。この場合、ＸＹスキャナ２６は、第１走査方向の走査を行う第１の走査手段としてのＸスキャナ２６ａ、第２走査方向の走査を行う第２の走査手段としてのＹスキャナ２６ｂおよび走査方向切替手段としてのスキャン方向切替部２６ｃで構成されている。このうちのＸスキャナ２６ａは、第１の実施の形態で述べた光偏向器が適用されている。かかる光偏向器については、図１と同一部分には同符号を付して説明を省略する。
【００５５】
また、Ｙスキャナ２６ｂは、駆動部３２に振動軸３３を設けたもので、駆動部３２の駆動により、振動軸３３を図示Ａ方向に振動可能にしている。
【００５６】
Ｙスキャナ２６ｂの振動軸３３の先端には、Ｘスキャナ２６ａが設けられている。この場合、Ｘスキャナ２６ａは、中心軸１９が振動軸３３の中心軸３４と直交する方向になるように振動軸３３先端に取り付けられている。つまり、Ｘスキャナ２６ａは、Ｙスキャナ２６ｂの振動軸３３と直交する方向の中心軸１９を中心に振動可能に設けられている。これにより、Ｘスキャナ２６ａの反射ミラー１７は、駆動部３２の駆動により振動軸３３の中心軸３４を中心に図示Ａ方向にも振動できるようになっている。
【００５７】
Ｙスキャナ２６ｂには、スキャン方向切替部２６ｃが設けられている。スキャン方向切替部２６ｃは、ＸＹスキャナ２６全体を回転させる回転駆動部材から構成されるもので、このスキャン方向切替部２６ｃを操作することにより、ＸＹスキャナ２６全体を、反射ミラー１７上の中心軸１９と振動軸３３の中心軸３４の交点で、反射ミラー１７面と垂直方向の中心軸３５を中心に回転できるようになっている。
【００５８】
一方、第３走査方向に走査する第３の走査手段として、Ｚ方向のスキャナに用いられる可変ミラー２５には、例えば、波面変換素子が用いられる。この波面変換素子は、素子自体に電圧を印加することで反射面を微小に変化させることのできるもので、この反射面を変化させ光学的なパワーを可変させることにより、観察標本２１の光軸方向のレーザ光の集光位置の移動を、対物レンズ２９と観察標本２１の機械的な位置関係を移動させることなく可能にしたものである。つまり、図４に示すように可変ミラー２５の反射面を変化させることによって、図示破線で示すように、レーザ光の角度が変わり、対物レンズ２９の結像位置における焦点位置も変わることによってＺ方向のスキャンができるようになっている。
【００５９】
このような構成によれば、ＸＹスキャナ２６のＸスキャナ２６ａは、第１の実施の形態で述べたように、反射ミラー１７を第１の支持部材１３ａ、１３ｂと第２の支持部材１８ａ、１８ｂ共通の中心軸１９に対して低速回転と高速回転のいずれでも駆動できるので、この時の反射ミラー１７の回転を利用して、レーザ光を偏向すれば、一つの方向で低速スキャンと高速スキャンの両方のスキャンを実現することが可能となる。また、ＸＹスキャナ２６のＹスキャナ２６ｂにおいて、振動軸３３の中心軸３４を中心に反射ミラー１７を回転できるので、これらＸスキャナ２６ａとＹスキャナ２６ｂの動作により互いに垂直となる２つの方向のスキャンが可能となる。
【００６０】
さらに、可変ミラー２５により反射面を変化させ、対物レンズ２９の焦点位置を移動させることで、Ｚ方向のスキャンも可能となる。
【００６１】
そして、スキャン方向切替部２６ｃによって、ＸＹスキャナ２６が中心軸３５を中心に回転可能となっているので、観察標本２１の画像の構築状況に応じて、ＸＹスキャナ２６によるスキヤン方向を任意に設定でき、同時に、低速スキャンまたは高速スキャンを選択的に設定できるようになる。
【００６２】
（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態を説明する。
【００６３】
この第３の実施の形態は、第１の実施の形態で述べた光偏向器を走査型光学顕微鏡に応用した他の例を示している。
【００６４】
図５は、第３の実施の形態が適用される走査型光学顕微鏡の概略構成を示すもので、図２と同一部分には、同符号を付している。
【００６５】
この場合、４１は駆動手段としての駆動部で、この駆動部４１は、対物レンズ２９の倍率などの種類に基づいてＸＹスキャナ２６、瞳リレーレンズ２５１、可動ミラー２５を光軸方向（矢印Ｂ方向）に移動させるものである。
【００６６】
駆動部４１には、記録演算部４２が接続されている。記録演算部４２は、標本観察に使用する対物レンズ２９の瞳位置と基準対物レンズの瞳位置情報を記録したもので、標本観察に使用する対物レンズ２９が識別されると、この対物レンズ２９の瞳位置情報を読み出し、基準対物レンズの瞳位置情報に基づいてＸＹスキャナ２６の移動量を演算するようになっいる。記録演算部４２には、対物レンズ識別部４３が接続されている。対物レンズ識別部４３は、顕微鏡光路上に挿入された対物レンズ２９の種類などを識別し、その識別信号を記録演算部４２に出力するようになっている。
【００６７】
このような構成によると、観察に使用する対物レンズ２９を顕微鏡光路にセットすると、対物レンズ識別部４３が対物レンズ２９の種類を認識し、この識別信号を記録演算部４２に出力する。記録演算部４２は、標本観察に使用する対物レンズ２９が識別されると、この対物レンズ２９の瞳位置情報を読み出し、基準対物レンズの瞳位置情報に基づいてＸＹスキャナ２６の移動量を演算する。このＸＹスキャナ２６の移動量は、駆動部４１に送られる。これにより、ＸＹスキャナ２６が光軸方向に前後移動し、ＸＹスキャナ２６の位置は、標本観察に使用する対物レンズ２９の瞳と共役の位置になるように設定される。
【００６８】
従って、このようにすれば、ＸＹスキャナ２６を、常に標本観察に使用する対物レンズ２９の瞳と共役の位置に設定することができるので、良好な光学性能を確保することができる。
【００６９】
なお、必要に応じて、ＸＹスキャナ２６の位置を検出する位置センサを設け、制御系を通じてＸＹスキャナ２６の位置を制御するようにしても有効である。この場合、より高精度にＸＹスキャナ２６の位置を設定することが可能となる。また、この実施の形態はＸＹスキャナ２６の配置に関するものであるが、可動ミラー２５に同じ考え方を採用すれば、常に使用される対物レンズ２９の瞳と共役の位置に可変ミラー２５を配置することも可能となる。
【００７０】
（第４の実施の形態）
次に、本発明の第４の実施の形態を説明する。
【００７１】
この第４の実施の形態は、第１の実施の形態で述べた光偏向器を走査型光学顕微鏡に応用したさらに他の例を示している。
【００７２】
図６は、第４の実施の形態が適用される走査型光学顕微鏡の概略構成を示すもので、図２と同一部分には、同符号を付している。
【００７３】
この場合、５１は記録演算部で、記録演算部５１には、観察標本２１を密封するカバーガラスの屈折率や厚さの情報を始め、観察標本２１自身や観察標本２１が入っている液体の屈折率、さらに、対物レンズ２９に使用するオイルの屈折率などの情報が記録されている。また、記録演算部５１は、これら情報を適宜入力できるようにもなっており、さらに、これらの情報と可変ミラー２５の変形量から観察標本２１の厚さ寸法を演算するなどの機能も有し、これらの結果を表示器５２に表示できるようにしている。
【００７４】
このような構成とすると、第２の実施の形態で説明したように、可変ミラー２５によるＺスキャンにより対物レンズ２９の結像位置における焦点位置を変えることができるが、このときの可変ミラー２５の変形量と焦点位置の移動量関係は、光学シミュレーションツールを利用した計算で簡単に知ることができる。
【００７５】
一方、いくつかの媒体を通った光の光路長を光の空気中の移動距離Ｌに換算すると、Ｌは媒体屈折率と媒体厚さの積の総和で求められる。すなわち、媒体の屈折率と厚さをそれぞれｎとｔとした場合、
Ｌ＝Σｎ＊ｔ
となる。これにより、図７のように、カバーガラス２１１の屈折率と厚さをそれぞれｎ１、ｔ１とし、観察標本２１の屈折率と厚さをそれぞれｎ２、ｔ２とし、さらに可変ミラー２５によるＺスキャンの移動量をＴとすると、
Ｔ＝ｎ１＊ｔ１＋ｎ２＊ｔ２
となる。ここで、ｎ１、ｔ１、ｎ２は、分かっているもので、Ｔも上述したように可変ミラー２５の変形量から分かるので、観察標本２１の厚さ寸法は、
ｔ２＝（Ｔ−ｎ１＊ｔ１）／ｎ２
から知ることができる。
【００７６】
従って、このようにすれば、可変ミラー２５の反射面を変化させることでＺスキャンを行い、このときの可変ミラー２５の変化量と、予め記録演算部５１に記録されたカバーガラス２１１の屈折率と厚さ情報および観察標本２１の屈折率情報に基づいて観察標本２１の厚さ寸法を演算することによって、カバーガラス２１１や観察標本２１での光の屈折による影響を補正した観察標本２１の厚さ情報を正確に入手することができる。
【００７７】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、実施段階では、その要旨を変更しない範囲で種々変形することが可能である。例えば、本発明による光偏向器は、走査型光学顕微鏡に好適だか、他の用途にも使用することができる。 さらに、上記実施の形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示されている複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出できる。例えば、実施の形態に示されている全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題を解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出できる。
【００７８】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、共振で駆動する高速スキャンと、高速スキャンよりも低速領域で且つ任意の周波数を選べる低速スキャンを一つの光偏向器で実現し、各種の有用な顕微鏡動作を実現できる光偏向器およびこの光偏向器を用いた走査型光学顕微鏡を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態が適用される光偏向器の概略構成を示す図。
【図２】本発明の第２の実施の形態が適用される走査型光学顕微鏡の概略構成を示す図。
【図３】第２の実施の形態に用いられるＸＹスキャナの概略構成を示す図。
【図４】第２の実施の形態に用いられる可変ミラーの作用を説明する図。
【図５】本発明の第３の実施の形態が適用される走査型光学顕微鏡の概略構成を示す図。
【図６】本発明の第４の実施の形態が適用される走査型光学顕微鏡の概略構成を示す図。
【図７】第４の実施の形態のカバーガラスと観察標本の屈折率と厚さの関係を示す図。
【符号の説明】
１１…固定部材、１１ａ…孔部、１２…第１の可動部材
１２ａ…孔部、１３ａ．１３ｂ…第１の支持部材
１４…駆動コイル、１４ａ…配線部
１５ａ．１５ｂ…永久磁石、１６…第２の可動部材
１７…反射ミラー、１８ａ．１８ｂ…第２の支持部材
１９…中心軸、２０…レーザ光源
２１…観察標本、２２…光学系、２３…ビームスプリッタ
２４…ダイクロイックミラー、２５…可変ミラー、２５１…瞳リレーレンズ
２６…ＸＹスキャナ、２６ａ…Ｘスキャナ、２６ｂ…Ｙスキャナ
２６ｃ…スキャン方向切替部、２７…投影レンズ
２８…結像レンズ、２９…対物レンズ、３０…ピンホール
３１…光検出器、３２…駆動部、３３…振動軸
３４…中心軸、３５…中心軸、４１…駆動部
４２…記録演算部、４３…対物レンズ識別部
５１…記録演算部、５２…表示器、２１１…カバーガラス
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源からの光を１次元または２次元に走査する光偏向器およびこの光偏向器を用いた走査型光学顕微鏡に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
走査型光学顕微鏡において、観察標本の２次元画像を得る際に標本上の光を走査するための手段として光偏向器が用いられている。
【０００３】
そして、最近では、画像を速やかに取得でき、また、例えば、標本が蛍光標本の場合は、蛍光の退色を防ぐため、高速走査の実現が要求され、さらには、正確にかつ高画質の標本の画像を得るため観察標本に振動を与えないようにすることなども要求され、さらには、標本の３次元画像を取得するため、対物レンズと標本の機械的な相対移動がなく、対物レンズの焦点位置の移動ができる技術も要求されている。
【０００４】
標本面の高速スキャンを実現したものとして、例えば、特許文献１によるビーム偏向装置が考えられている。このビーム偏向装置は、ミラー装置の回転軸の回りに一緒または互いに独立して回転させる第１の駆動装置と第２の駆動装置を配置し、第２の駆動装置により共振ガルバノメータとして高速スキャンが可能となり、第１の駆動装置により低速スキャン、又は共振周波数より低い任意の周波数のスキャンができるようになっている。
【０００５】
また、特許文献２による走査装置も考えられている。この装置は、２次元走査装置をコンパクトにするため、２つの方向に移動できる１つのマイクロミラーを使用したもので、マイクロミラーを共振周波数で作動させるようにしている。
【０００６】
また、光を１次元に偏向する光偏向器として、特許文献３に開示されたものが知られている。この光偏向器は、板状部材と第１ばね部とからなる第１振動子と、この第１振動子に接続される応動部と第２ばね部とからなる第２振動子により構成されていて、応動部に駆動力を与えることで、第１振動子が共振周波数で動作するようになっている。このような構成によって、第２振動子の振幅が小さくても第１振動子の振幅を大きくすることができ、また、駆動力を第２振動子に与えるので、第１振動子の板状部材が発熱による熱ひずみを生じることがない。
【０００７】
さらに、標本の３次元画像取得の際のＺ方向のスキャンに用いられる対物レンズの焦点位置の移動手段についても、特許文献４によるアダプティブ光学装置が提案されている。この装置は、対物レンズと、結像レンズと、光の波面を変調するアダプティブミラーを有していて、アダプティブミラーを変形させることで光の波面を変調させることにより、対物レンズの焦点位置を移動させることができるようにしている。この結果、対物レンズと観察標本の間を相対移動をさせなくても、観察標本の厚さ方向の異なる位置の像を結像レンズによって結像できるようになる。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−１６６２４５号公報
【０００９】
【特許文献２】
特開２００２−１３１６４９号公報
【００１０】
【特許文献３】
特許第３００３４２９号公報
【００１１】
【特許文献４】
特開平１１−１０１９４２号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、特許文献１は、一つの方向で高速と低速のスキャンが行なえるが、高速用の駆動装置と低速用の駆動装置をそれぞれ個別に備えているので、構造が複雑で大型になる。また、標本面を２方向（ＸＹ方向）にスキャンするためには、これらを二組備えなければならないため、さらに大型化、複雑化する。
【００１３】
また、特許文献２は、２つの方向に移動できるマイクロミラーを用いているので、１つのマイクロミラーで標本面を２つ方向のスキャンを実現できるが、マイクロミラーは、高速の共振駆動を行なうもので、低速走査（非共振で任意の周波数での動作）を行なうものではない。
【００１４】
さらに、特許文献３は、第１振動子を共振周波数で動作させるようにしているが、共振周波数以外の領域で動作させることまで考慮されていない。つまり、特許文献３は、少ない駆動電流で大きな振動（振れ角）を得ることを目的としたもので、非共振で駆動することは考慮されていない。
【００１５】
さらにまた、特許文献４は、波面を変調することによって、対物レンズと標本の相対移動のない対物レンズ焦点位置の移動ができるようにしたものである。走査型光学顕微鏡を利用する場合、観察標本の厚さを計測することがしばしばあり、このような場合、標本の上面と下面に対してそれぞれ焦点を合わせて、その焦点の移動距離で標本の厚さを求めるようにしている。ところが、標本が液体の中に入っていて、その状態でスライドガラスとカバーガラスに密封されるような場合、カバーガラスや液体、さらには標本そのものの屈折によって、光の標本中の移動距離が空気中のものと異なることがある。従って、標本の厚さ情報を正しく得るためには、屈折による影響を補正する必要がある。しかし、特許文献４では、光の波面を変調することによって、対物レンズと標本の相対移動のない対物レンズ焦点位置の移動ができるのみで、屈折によって生じた空気中と標本中の対物レンズの焦点移動量の違いを補正することまでできない。
【００１６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、共振で駆動する高速スキャンと、高速スキャンよりも低速領域で且つ任意の周波数を選べる低速スキャンを一つの光偏向器で実現し、各種の有用な顕微鏡動作を実現できる光偏向器およびこの光偏向器を用いた走査型光学顕微鏡を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、一対の第１の支持部材を介して揺動可能に支持された第１の可動部材と、前記第１の可動部材と同一の中心軸上に配置される一対の第２の支持部材を介して前記第１の可動部材に揺動可能に支持された、反射面を有する第２の可動部材と、前記第１および第２の支持部材を介して前記第１および第２の可動部材を揺動させる駆動手段と、を具備し、前記第１の可動部材と前記第２の可動部材が同位相に揺動する第１の駆動状態と、前記第１の可動部材と前記第２の可動部材が逆位相に揺動する第２の駆動状態を有することを特徴としている。
【００１８】
請求項２記載の発明は、一対の第１の支持部材を介して揺動可能に支持された第１の可動部材と、前記第１の可動部材と同一の中心軸上に配置される一対の第２の支持部材を介して前記第１の可動部材に揺動可能に支持された、反射面を有する第２の可動部材と、前記第１および第２の支持部材を介して前記第１および第２の可動部材を揺動させる駆動手段と、を具備し、前記第２の可動部材が略第１次の揺動共振周波数よりも低い周波数で揺動する第１の駆動状態と、前記第２の可動部材が第１次以外の揺動共振周波数で揺動する第２の駆動状態を有することを特徴としている。
【００１９】
請求項３記載の発明は、レーザ光を発生する光源と、前記光源からのレーザ光を観察標本上に集光させる対物レンズと、前記レーザ光を前記観察標本上で２次元走査する２次元走査手段を備え、前記２次元走査手段の第１走査方向の走査を行う第１の走査手段として請求項１又は２記載の光偏向器を適用した走査型光学顕微鏡である。
【００２０】
請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明において、前記光偏向器の前記第１および第２の支持部材の中心軸と直交する方向の振動軸により前記光偏向器全体を第２走査方向に揺動する第２の走査手段を具備したことを特徴としている。
【００２１】
請求項５記載の発明は、請求項４記載の発明において、前記光源からの光を反射する反射面を変化させることによって、前記対物レンズによる前記観察標本に対するレーザ光の集光位置を第３走査方向に走査する第３の走査手段をさらに有することを特徴としている。
【００２２】
請求項６記載の発明は、請求項４または５記載の発明において、前記光偏向器の前記第１および第２の支持部材の中心軸と前記第２の走査手段の振動軸の中心軸との交点で、前記反射ミラー面と垂直方向の中心軸を中心に前記光偏向器を回転可能にした走査方向切替手段をさらに有することを特徴としている。
【００２３】
請求項７記載の発明は、請求項４乃至６のいずれかに記載の発明において、前記２次元走査手段を前記対物レンズに応じて該対物レンズの瞳位置に移動させる駆動手段をさらに有することを特徴としている。
【００２４】
請求項８記載の発明は、請求項５記載の発明において、少なくとも前記観察標本の屈折率および前記観察標本のカバーガラスの屈折率と厚さの情報を記憶し、これらの情報と前記第３の走査手段の前記反射面の変化量から前記カバーガラスの屈折率を補正した前記観察標本の厚さを求める手段をさらに有することを特徴としている。
【００２５】
この結果、本発明によれば、第１の可動部材と第２の可動部材が同位相で揺動する第１次の揺動共振周波数と、第１の可動部材と第２の可動部材が逆位相で揺動する第２次の揺動共振周波数が存在する。第１次の揺動共振と第２次の揺動共振の周波数は、第１及び第２の支持部材の剛性により自由に変えることができる。駆動手段によって第２の可動部材を第２次の揺動共振周波数で揺動することにより高速スキャンを行ない、第１次の共振周波数までの任意の周波数（ＤＣも含む）で駆動することにより低速スキャンを行なうことで、一つの光偏向器で低速スキャンと高速スキャンを実現することができる。
【００２６】
ここで、低速スキャンにおいては、後に実施の形態の説明中で述べる通り、第１次の共振周波数以下で用いたほうが駆動効率などの点で望ましい。しかし、必要な駆動感度が維持できているレベルで第１次の共振周波数を超えて用いることもできる。
【００２７】
また、本発明によれば、２次元走査手段の第１走査方向の第１の走査手段として請求項１記載の光偏向器を適用することで、一つの方向で低速走査と高速走査のいずれかの走査を実現できる。また、第２の走査手段により光偏向器全体を第２走査方向に走査することで、互いに垂直となる２つの方向の走査が可能となる。
【００２８】
さらに、本発明によれば、観察標本の画像の構築状況に応じて、２次元走査手段による走査方向を任意に設定できる。
【００２９】
さらに、本発明によれば、２次元走査手段を、観察に使用する対物レンズの瞳と共役の位置に設定することができるので、良好な光学性能を確保することができる。
【００３０】
さらに、本発明によれば、カバーガラスや観察標本での光の屈折による影響を補正した観察標本の厚さ情報を正確に入手することができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に従い説明する。
【００３２】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態が適用される光偏向器の概略構成を示している。図において、１１は固定部材で、この固定部材１１は、中央部に矩形状の孔部１１ａが形成されている。
【００３３】
固定部材１１の孔部１１ａには、矩形板状の第１の可動部材１２が配置されている。第１の可動部材１２は、中央部に矩形状の孔部１２ａが形成されている。また、第１の可動部材１２は、一方の相対向する両側縁の中央部を第１の支持部材１３ａ、１３ｂを介して固定部材１１に支持されている。
【００３４】
これら第１の支持部材１３ａ、１３ｂは、第１の可動部材１２をねじり方向に振動（揺動）させるためのもので、ばねなどの弾性部材または半導体材料からなっている。また、第１の可動部材１２には、駆動手段としてのコイルパターン（以下、駆動コイルと称する。）１４が形成されている。この場合、駆動コイル１４の端部は、第１の支持部材１３ａ、１３ｂを通って固定部材１１側に導出されている。
【００３５】
第１の可動部材１２の他方の相対向する両側縁に対応させて、一対の永久磁石１５ａ、１５ｂが配置されている。これら永久磁石１５ａ、１５ｂは、駆動コイル１４の配線部１４ａに対して直交する方向（図示矢印方向）の磁束線ａを発生させるようにしている。
【００３６】
第１の可動部材１２の孔部１２ａには、矩形板状の第２の可動部材１６が配置されている。第２の可動部材１６の板面上には、光を反射する反射ミラー１７が配置されている。
【００３７】
第２の可動部材１６は、一方の相対向する両側縁の中央部を第２の支持部材１８ａ、１８ｂを介して第１の可動部材１２に支持されている。この場合、第２の支持部材１８ａ、１８ｂの中心軸は、第１の支持部材１３ａ、１３ｂの中心軸と同一の中心軸１９上に設定されている。
【００３８】
これら第２の支持部材１８ａ、１８ｂは、第２の可動部材１６をねじり方向に振動（揺動）させるためのもので、第１の支持部材１３ａ、１３ｂと同じ材料で構成されている。この場合、第２の支持部材１８ａ、１８ｂのねじり剛性は、第１の支持部材１３ａ、１３ｂのねじり剛性より大きくなるように設定されている。
【００３９】
このような構成において、駆動コイル１４に駆動周波数の交流電流が流れると、この電流方向に直交する永久磁石１５ａ、１５ｂの磁束線ａにより、第１の可動部材１２の面と垂直な向きに、フレミング左手の法則にしたがったローレンツ力が発生が発生し、第１の可動部材１２は、第１の支持部材１３ａ、１３ｂを中心に駆動周波数でねじれ方向に振動（揺動）するようになる。
【００４０】
この場合、第２の支持部材１８ａ、１８ｂのねじり剛性は、第１の支持部材１３ａ、１３ｂのねじり剛性より大きくなるように設定されている。
【００４１】
これにより、駆動コイルに交流を印加し、その周波数を変化させると、第１の可動部材と第２の可動部材が同位相に揺動する第１次の共振と、第１の可動部材と第２の可動部材が逆位相に揺動する第２次の共振が発生する。それぞれの揺動軸は、第１、第２の支持部材共通の中心軸となる。
【００４２】
低速スキャンは、任意の周波数に合わせてスキャンするため、非共振で駆動する必要がある。本構成の光偏向器において、第１の共振周波数を超えた周波数で非共振状態で駆動しようとすれば、駆動感度が落ちるために大きな駆動力が必要になる。しかしながら大きな駆動力を得るために大電流を駆動コイルに印加すれば、コイルが発熱し、光偏向器が破壊する可能性がある。従って、望ましくは、第１次の共振周波数以下で用いたほうが良い。ただし、必要な駆動感度が維持できているレベルで第１次の共振周波数を超えて用いても良い。低速スキャンは、上記周波数範囲で所望の周波数で第２の可動部材に形成された反射面を用いて光を偏向することができる。
【００４３】
高速スキャンは、共振周波数で駆動され、本構成では、高速スキャンは、第２次の共振周波数を持って駆動される。第１次の共振周波数は低速スキャンで用いられる周波数領域であり、低速スキャンと高速スキャンの速度差が明確にできないからである。高速スキャンは、共振周波数で駆動されるため、共振時のＱ値分の利得があり、非共振駆動する低速スキャンより駆動感度が高く、低電流で駆動できる。このように高速スキャンは、第２の可動部材上に形成された反射面を用いて第２次の共振周波数で光を偏向することができる。
【００４４】
さらに、第１次の共振周波数は、第１の支持部材のねじり剛性と第１及び第２の可動部材の慣性モーメントの総和によって決まり、第２次の共振周波数は、第２の支持部材のねじり剛性と第２の可動部材と第１の可動部材の慣性モーメント差によって決まる。低速スキャンと高速スキャンの速度差を大きくすることが望まれる場合には、第２の支持部材のねじり剛性を大きくし、第１の支持部材のねじり剛性を小さくすることで達成できる。このように本構成は、低速スキャンの駆動周波数と高速スキャンの駆動周波数を自由に決定することができる。
【００４５】
なお、本実施の形態では、可動部材１５（請求項における「第１の可動部材」に相当）に駆動手段としての駆動コイルを配置しているが、例えば可動板１２（請求項における「第２の可動部材」に相当）に駆動コイルを設けることもできる。
【００４６】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。
【００４７】
この第２の実施の形態は、第１の実施の形態で述べた光偏向器を走査型光学顕微鏡に応用した例を示している。
【００４８】
図２は、第２の実施の形態が適用される走査型光学顕微鏡の概略構成を示している。図において、２０はレーザ光源で、このレーザ光源２０は、観察標本２１を照射するレーザ光を発生するものである。
【００４９】
レーザ光源２０からのレーザ光は、レーザビームコリメートする光学系２２を通り、ビームスプリッタ２３に入射する。そして、ビームスプリッタ２３で反射したレーザ光は、反射ミラー２４に入射するようになっている。
【００５０】
反射ミラー２４で反射されるレーザ光は、可変ミラー２５に導かれる。可変ミラー２５は、観察標本２１に対しＺ方向のスキャナに用いられるもので、光学系上、後述する対物レンズ２９の瞳と共役位置に配置されている。
【００５１】
可変ミラー２５で反射されるレーザ光は、瞳リレーレンズ２５１を介して２次走査手段としてのＸＹスキャナ２６に入射される。ＸＹスキャナ２６は、観察標本２１に対しＸＹスキャンのために用いられるもので、このＸＹスキャナ２６についても、光学系上、対物レンズ２９の瞳と共役位置に配置されている。
【００５２】
そして、ＸＹスキャナ２６で反射されたレーザ光は、投影レンズ２７、結像レンズ２８を通して、対物レンズ２９に入射し、観察標本２１に到達し、観察標本２１を照射するようになっている。
【００５３】
一方、観察標本２１から発した光は、前述の逆光路を通りビームスプリッタ２３を透過し、ピンホール３０に収束される。ピンホール３０は対物レンズ２９の焦点と光学的に共役であるので、観察標本２１からの光のうち合焦の成分はピンホール３０を通過するが、非合焦の成分は広がってしまい、ほとんどピンホール３０を透過できない。ピンホール３０を透過した焦点のあっている成分は、光検出器３１に入力されて光電変換され、観察標本２１の画像が取得されることになる。
【００５４】
図３は、ＸＹスキャナ２６の概略構成を示している。この場合、ＸＹスキャナ２６は、第１走査方向の走査を行う第１の走査手段としてのＸスキャナ２６ａ、第２走査方向の走査を行う第２の走査手段としてのＹスキャナ２６ｂおよび走査方向切替手段としてのスキャン方向切替部２６ｃで構成されている。このうちのＸスキャナ２６ａは、第１の実施の形態で述べた光偏向器が適用されている。かかる光偏向器については、図１と同一部分には同符号を付して説明を省略する。
【００５５】
また、Ｙスキャナ２６ｂは、駆動部３２に振動軸３３を設けたもので、駆動部３２の駆動により、振動軸３３を図示Ａ方向に振動可能にしている。
【００５６】
Ｙスキャナ２６ｂの振動軸３３の先端には、Ｘスキャナ２６ａが設けられている。この場合、Ｘスキャナ２６ａは、中心軸１９が振動軸３３の中心軸３４と直交する方向になるように振動軸３３先端に取り付けられている。つまり、Ｘスキャナ２６ａは、Ｙスキャナ２６ｂの振動軸３３と直交する方向の中心軸１９を中心に振動可能に設けられている。これにより、Ｘスキャナ２６ａの反射ミラー１７は、駆動部３２の駆動により振動軸３３の中心軸３４を中心に図示Ａ方向にも振動できるようになっている。
【００５７】
Ｙスキャナ２６ｂには、スキャン方向切替部２６ｃが設けられている。スキャン方向切替部２６ｃは、ＸＹスキャナ２６全体を回転させる回転駆動部材から構成されるもので、このスキャン方向切替部２６ｃを操作することにより、ＸＹスキャナ２６全体を、反射ミラー１７上の中心軸１９と振動軸３３の中心軸３４の交点で、反射ミラー１７面と垂直方向の中心軸３５を中心に回転できるようになっている。
【００５８】
一方、第３走査方向に走査する第３の走査手段として、Ｚ方向のスキャナに用いられる可変ミラー２５には、例えば、波面変換素子が用いられる。この波面変換素子は、素子自体に電圧を印加することで反射面を微小に変化させることのできるもので、この反射面を変化させ光学的なパワーを可変させることにより、観察標本２１の光軸方向のレーザ光の集光位置の移動を、対物レンズ２９と観察標本２１の機械的な位置関係を移動させることなく可能にしたものである。つまり、図４に示すように可変ミラー２５の反射面を変化させることによって、図示破線で示すように、レーザ光の角度が変わり、対物レンズ２９の結像位置における焦点位置も変わることによってＺ方向のスキャンができるようになっている。
【００５９】
このような構成によれば、ＸＹスキャナ２６のＸスキャナ２６ａは、第１の実施の形態で述べたように、反射ミラー１７を第１の支持部材１３ａ、１３ｂと第２の支持部材１８ａ、１８ｂ共通の中心軸１９に対して低速回転と高速回転のいずれでも駆動できるので、この時の反射ミラー１７の回転を利用して、レーザ光を偏向すれば、一つの方向で低速スキャンと高速スキャンの両方のスキャンを実現することが可能となる。また、ＸＹスキャナ２６のＹスキャナ２６ｂにおいて、振動軸３３の中心軸３４を中心に反射ミラー１７を回転できるので、これらＸスキャナ２６ａとＹスキャナ２６ｂの動作により互いに垂直となる２つの方向のスキャンが可能となる。
【００６０】
さらに、可変ミラー２５により反射面を変化させ、対物レンズ２９の焦点位置を移動させることで、Ｚ方向のスキャンも可能となる。
【００６１】
そして、スキャン方向切替部２６ｃによって、ＸＹスキャナ２６が中心軸３５を中心に回転可能となっているので、観察標本２１の画像の構築状況に応じて、ＸＹスキャナ２６によるスキヤン方向を任意に設定でき、同時に、低速スキャンまたは高速スキャンを選択的に設定できるようになる。
【００６２】
（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態を説明する。
【００６３】
この第３の実施の形態は、第１の実施の形態で述べた光偏向器を走査型光学顕微鏡に応用した他の例を示している。
【００６４】
図５は、第３の実施の形態が適用される走査型光学顕微鏡の概略構成を示すもので、図２と同一部分には、同符号を付している。
【００６５】
この場合、４１は駆動手段としての駆動部で、この駆動部４１は、対物レンズ２９の倍率などの種類に基づいてＸＹスキャナ２６、瞳リレーレンズ２５１、可動ミラー２５を光軸方向（矢印Ｂ方向）に移動させるものである。
【００６６】
駆動部４１には、記録演算部４２が接続されている。記録演算部４２は、標本観察に使用する対物レンズ２９の瞳位置と基準対物レンズの瞳位置情報を記録したもので、標本観察に使用する対物レンズ２９が識別されると、この対物レンズ２９の瞳位置情報を読み出し、基準対物レンズの瞳位置情報に基づいてＸＹスキャナ２６の移動量を演算するようになっいる。記録演算部４２には、対物レンズ識別部４３が接続されている。対物レンズ識別部４３は、顕微鏡光路上に挿入された対物レンズ２９の種類などを識別し、その識別信号を記録演算部４２に出力するようになっている。
【００６７】
このような構成によると、観察に使用する対物レンズ２９を顕微鏡光路にセットすると、対物レンズ識別部４３が対物レンズ２９の種類を認識し、この識別信号を記録演算部４２に出力する。記録演算部４２は、標本観察に使用する対物レンズ２９が識別されると、この対物レンズ２９の瞳位置情報を読み出し、基準対物レンズの瞳位置情報に基づいてＸＹスキャナ２６の移動量を演算する。このＸＹスキャナ２６の移動量は、駆動部４１に送られる。これにより、ＸＹスキャナ２６が光軸方向に前後移動し、ＸＹスキャナ２６の位置は、標本観察に使用する対物レンズ２９の瞳と共役の位置になるように設定される。
【００６８】
従って、このようにすれば、ＸＹスキャナ２６を、常に標本観察に使用する対物レンズ２９の瞳と共役の位置に設定することができるので、良好な光学性能を確保することができる。
【００６９】
なお、必要に応じて、ＸＹスキャナ２６の位置を検出する位置センサを設け、制御系を通じてＸＹスキャナ２６の位置を制御するようにしても有効である。この場合、より高精度にＸＹスキャナ２６の位置を設定することが可能となる。また、この実施の形態はＸＹスキャナ２６の配置に関するものであるが、可動ミラー２５に同じ考え方を採用すれば、常に使用される対物レンズ２９の瞳と共役の位置に可変ミラー２５を配置することも可能となる。
【００７０】
（第４の実施の形態）
次に、本発明の第４の実施の形態を説明する。
【００７１】
この第４の実施の形態は、第１の実施の形態で述べた光偏向器を走査型光学顕微鏡に応用したさらに他の例を示している。
【００７２】
図６は、第４の実施の形態が適用される走査型光学顕微鏡の概略構成を示すもので、図２と同一部分には、同符号を付している。
【００７３】
この場合、５１は記録演算部で、記録演算部５１には、観察標本２１を密封するカバーガラスの屈折率や厚さの情報を始め、観察標本２１自身や観察標本２１が入っている液体の屈折率、さらに、対物レンズ２９に使用するオイルの屈折率などの情報が記録されている。また、記録演算部５１は、これら情報を適宜入力できるようにもなっており、さらに、これらの情報と可変ミラー２５の変形量から観察標本２１の厚さ寸法を演算するなどの機能も有し、これらの結果を表示器５２に表示できるようにしている。
【００７４】
このような構成とすると、第２の実施の形態で説明したように、可変ミラー２５によるＺスキャンにより対物レンズ２９の結像位置における焦点位置を変えることができるが、このときの可変ミラー２５の変形量と焦点位置の移動量関係は、光学シミュレーションツールを利用した計算で簡単に知ることができる。
【００７５】
一方、いくつかの媒体を通った光の光路長を光の空気中の移動距離Ｌに換算すると、Ｌは媒体屈折率と媒体厚さの積の総和で求められる。すなわち、媒体の屈折率と厚さをそれぞれｎとｔとした場合、
Ｌ＝Σｎ＊ｔ
となる。これにより、図７のように、カバーガラス２１１の屈折率と厚さをそれぞれｎ１、ｔ１とし、観察標本２１の屈折率と厚さをそれぞれｎ２、ｔ２とし、さらに可変ミラー２５によるＺスキャンの移動量をＴとすると、
Ｔ＝ｎ１＊ｔ１＋ｎ２＊ｔ２
となる。ここで、ｎ１、ｔ１、ｎ２は、分かっているもので、Ｔも上述したように可変ミラー２５の変形量から分かるので、観察標本２１の厚さ寸法は、
ｔ２＝（Ｔ−ｎ１＊ｔ１）／ｎ２
から知ることができる。
【００７６】
従って、このようにすれば、可変ミラー２５の反射面を変化させることでＺスキャンを行い、このときの可変ミラー２５の変化量と、予め記録演算部５１に記録されたカバーガラス２１１の屈折率と厚さ情報および観察標本２１の屈折率情報に基づいて観察標本２１の厚さ寸法を演算することによって、カバーガラス２１１や観察標本２１での光の屈折による影響を補正した観察標本２１の厚さ情報を正確に入手することができる。
【００７７】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、実施段階では、その要旨を変更しない範囲で種々変形することが可能である。例えば、本発明による光偏向器は、走査型光学顕微鏡に好適だか、他の用途にも使用することができる。 さらに、上記実施の形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示されている複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出できる。例えば、実施の形態に示されている全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題を解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出できる。
【００７８】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、共振で駆動する高速スキャンと、高速スキャンよりも低速領域で且つ任意の周波数を選べる低速スキャンを一つの光偏向器で実現し、各種の有用な顕微鏡動作を実現できる光偏向器およびこの光偏向器を用いた走査型光学顕微鏡を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態が適用される光偏向器の概略構成を示す図。
【図２】本発明の第２の実施の形態が適用される走査型光学顕微鏡の概略構成を示す図。
【図３】第２の実施の形態に用いられるＸＹスキャナの概略構成を示す図。
【図４】第２の実施の形態に用いられる可変ミラーの作用を説明する図。
【図５】本発明の第３の実施の形態が適用される走査型光学顕微鏡の概略構成を示す図。
【図６】本発明の第４の実施の形態が適用される走査型光学顕微鏡の概略構成を示す図。
【図７】第４の実施の形態のカバーガラスと観察標本の屈折率と厚さの関係を示す図。
【符号の説明】
１１…固定部材、１１ａ…孔部、１２…第１の可動部材
１２ａ…孔部、１３ａ．１３ｂ…第１の支持部材
１４…駆動コイル、１４ａ…配線部
１５ａ．１５ｂ…永久磁石、１６…第２の可動部材
１７…反射ミラー、１８ａ．１８ｂ…第２の支持部材
１９…中心軸、２０…レーザ光源
２１…観察標本、２２…光学系、２３…ビームスプリッタ
２４…ダイクロイックミラー、２５…可変ミラー、２５１…瞳リレーレンズ
２６…ＸＹスキャナ、２６ａ…Ｘスキャナ、２６ｂ…Ｙスキャナ
２６ｃ…スキャン方向切替部、２７…投影レンズ
２８…結像レンズ、２９…対物レンズ、３０…ピンホール
３１…光検出器、３２…駆動部、３３…振動軸
３４…中心軸、３５…中心軸、４１…駆動部
４２…記録演算部、４３…対物レンズ識別部
５１…記録演算部、５２…表示器、２１１…カバーガラス
Claims (8)
- 一対の第１の支持部材を介して揺動可能に支持された第１の可動部材と、
前記第１の可動部材と同一の中心軸上に配置される一対の第２の支持部材を介して前記第１の可動部材に揺動可能に支持された、反射面を有する第２の可動部材と、
前記第１および第２の支持部材を介して前記第１および第２の可動部材を揺動させる駆動手段と、を具備し、
前記第１の可動部材と前記第２の可動部材が同位相に揺動する第１の駆動状態と、
前記第１の可動部材と前記第２の可動部材が逆位相に揺動する第２の駆動状態を有することを特徴とする光偏向器。 - 一対の第１の支持部材を介して揺動可能に支持された第１の可動部材と、
前記第１の可動部材と同一の中心軸上に配置される一対の第２の支持部材を介して前記第１の可動部材に揺動可能に支持された、反射面を有する第２の可動部材と、
前記第１および第２の支持部材を介して前記第１および第２の可動部材を揺動させる駆動手段と、を具備し、
前記第２の可動部材が略第１次の揺動共振周波数よりも低い周波数で揺動する第１の駆動状態と、
前記第２の可動部材が第１次以外の揺動共振周波数で揺動する第２の駆動状態を有することを特徴とする光偏向器。 - レーザ光を発生する光源と、
前記光源からのレーザ光を観察標本上に集光させる対物レンズと、
前記レーザ光を前記観察標本上で２次元走査する２次元走査手段を備え、前記２次元走査手段の第１走査方向の走査を行う第１の走査手段として請求項１又は２記載の光偏向器を適用した走査型光学顕微鏡。 - 前記光偏向器の前記第１および第２の支持部材の中心軸と直交する方向の振動軸により前記光偏向器全体を第２走査方向に揺動する第２の走査手段を具備したことを特徴とする請求項３記載の走査型光学顕微鏡。
- 前記光源からの光を反射する反射面を変化させることによって、前記対物レンズによる前記観察標本に対するレーザ光の集光位置を第３走査方向に走査する第３の走査手段をさらに有することを特徴とする請求項４記載の走査型光学顕微鏡。
- 前記光偏向器の前記第１および第２の支持部材の中心軸と前記第２の走査手段の振動軸の中心軸との交点で、前記反射ミラー面と垂直方向の中心軸を中心に前記光偏向器を回転可能にした走査方向切替手段をさらに有することを特徴とする請求項４または５記載の走査型光学顕微鏡。
- 前記２次元走査手段を前記対物レンズに応じて該対物レンズの瞳位置に移動させる駆動手段をさらに有することを特徴とする請求項４乃至６のいずれかに記載の走査型光学顕微鏡。
- 少なくとも前記観察標本の屈折率および前記観察標本のカバーガラスの屈折率と厚さの情報を記憶し、これらの情報と前記第３の走査手段の前記反射面の変化量から前記カバーガラスの屈折率を補正した前記観察標本の厚さを求める手段をさらに有することを特徴とする請求項５記載の走査型光学顕微鏡。
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