JP4642397B2 - 光走査型顕微鏡装置 - Google Patents

Description

この発明は、光走査型顕微鏡装置に関するものである。

被検体を拡大観察する光走査型顕微鏡装置としては、従来、特許文献１および特許文献２に示される構造のものがあった。これらの特許文献１，２に示される光走査型顕微鏡装置は、比較的大型の顕微鏡装置本体に可動式の対物レンズを備えた構造のものである。

また、光走査型顕微鏡の２次元スキャナ装置としては、２つのガルバノミラーを用いてそれぞれ９０°の偏向角度で光を偏向しながら、各ガルバノミラーを揺動させることで、２次元的に光を走査させる構造のものが知られている（例えば、特許文献３参照。）。この特許文献３の２次元スキャナ装置を始め、２枚のガルバノミラーを用いる通常の、いわゆる近接ガルバノミラーを利用した２次元スキャナ装置は、その走査方向と各ガルバノミラーによる偏向方向とを概略一致させるために各ガルバノミラーによる偏向角度を９０°に設定しているのが一般的である。
特開２００３−１７２８７８号公報（［００４２］、図２等） 特開２００１−３５６２５６号公報（［００２０］．図２等） 特開平１０−６８９０１号公報（図２等）

しかしながら、特許文献１および特許文献２の光走査型顕微鏡装置は、ラットやマウス等の実験小動物の各種臓器を生きたままの状態（in vivo）で観察することについては想定していない。すなわち、実験小動物等の内部組織の状態を拡大して観察する際には、実験小動物の外部の状態をも並行して観察することが必要となる。この場合には、光走査型顕微鏡装置と、それよりも低倍率で広い範囲を観察可能な実体顕微鏡装置とを組み合わせて観察を行うことが考えられる。したがって、光走査型顕微鏡装置は、実体顕微鏡装置の視野をできるだけ遮らないように小さく構成することが必要である。

また、ガルバノミラーとしては、視野を広く確保するために、電磁駆動式のマイクロマシンミラーが採用されるが、電磁力でミラーを揺動させるには、ミラーをシリコンなどの非金属とコイルを形成する金属の層等からなる積層構造にする必要がある。この積層構造を採用すると、各層が異なる材料特性を有するため、ミラー面の平面度が劣化し、ミラー面の曲率が大きくなるという不都合がある。そして、この場合に、各ガルバノミラーにおいて光を９０°偏向させるようにすると、非点収差が大きくなり、画像の劣化が著しくなるという不都合がある。

この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、実体顕微鏡装置の視野をできるだけ遮らないように小型化することができ、しかも、非点収差を低減して高画質な画像を得ることができる光走査型顕微鏡装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、光源と、該光源からの光を伝達する光伝達部材と、該光伝達部材の一端に取り付けられ前記光伝達部材により伝達された光を走査する走査ミラーを有する筐体と、該筐体に取り付けられ前記走査ミラーにより走査された光を被検体に集光する集光光学系とを備える顕微鏡装置本体と、前記被検体から前記顕微鏡装置本体および前記光伝達部材を介して戻る戻り光を検出する光検出器とを備え、前記顕微鏡装置本体の前記筐体内部に、前記光伝達部材によって伝達された光を平行光にするコリメート光学系と、コリメート光学系から発せられた平行光を９０°より小さい偏向角度で偏向し、かつ、被検体において走査させる前記走査ミラーと、前記集光光学系と前記走査ミラーとの間に配置される瞳投影光学系とが備えられ、前記走査ミラーが、１軸走査型のマイクロマシンミラー２個を対向させてなる近接ガルバノメータ式ミラーであり、光路上において前記光源側に配置された第１の走査ミラーおよび前記集光光学系側に配置された第２の走査ミラーを備え、これら第１、第２の走査ミラーが、前記光源から前記光伝達部材を経て前記第１の走査ミラーへ入射する光の入射角θ、光束半径ｒ、第２の走査ミラーの幅Ｗ、第１の走査ミラーと第２の走査ミラーとの距離ｄとして、下式を満たすよう配置されている光走査型顕微鏡装置を提供する。
０．５×（α＋ｓｉｎ ^−１ （ｒ／（ｄ ^２ ＋ｗ ^２ ／４） ^０．５ ））≦θ＜４５°
但し、α＝ｃｏｓ ^−１ （ｄ／（ｄ ^２ ＋ｗ ^２ ／４） ^０．５ ）
また、本発明は、光源と、該光源からの光を伝達する光伝達部材と、該光伝達部材の一端に取り付けられ前記光伝達部材により伝達された光を走査する走査ミラーを有する筐体と、該筐体に取り付けられ前記走査ミラーにより走査された光を被検体に集光する集光光学系とを備える顕微鏡装置本体と、前記被検体から前記顕微鏡装置本体および前記光伝達部材を介して戻る戻り光を検出する光検出器とを備え、前記顕微鏡装置本体の前記筐体内部に、前記光伝達部材によって伝達された光を平行光にするコリメート光学系と、コリメート光学系から発せられた平行光を９０°より小さい偏向角度で偏向し、かつ、被検体において走査させる前記走査ミラーと、前記集光光学系と前記走査ミラーとの間に配置される瞳投影光学系とが備えられ、前記走査ミラーが、光路上に対向して配置され、前記光源側に配置された走査ミラーおよび前記集光光学系側に配置された固定式ミラーを備えた２軸走査型のマイクロマシンミラーからなり、前記走査ミラーおよび前記固定式ミラーが、前記光源から前記光伝達部材を経て前記走査ミラーへ入射する光の入射角θ、光束半径ｒ、固定式ミラーの幅Ｗ、走査ミラーと固定式ミラーとの距離ｄとして、下式を満たすよう配置されている光走査型顕微鏡装置を提供する。
０．５×（α＋ｓｉｎ ^−１ （ｒ／（ｄ ^２ ＋ｗ ^２ ／４） ^０．５ ））≦θ＜４５°
但し、α＝ｃｏｓ ^−１ （ｄ／（ｄ ^２ ＋ｗ ^２ ／４） ^０．５ ）

この発明によれば、光源から発せられた光が光伝達部材を介して装置本体に伝達され、装置本体から被検体に照射される。被検体において発せられた戻り光は装置本体および光伝達部材を介して戻り、光検出器により検出される。装置本体においては、光伝達部材から伝達されてきた光がコリメート光学系によって平行光に変換され、走査ミラーによって偏向され、偏向角度を変化させることにより走査される。走査ミラーによって走査された光は瞳投影光学系によって中間像を結像した後に集光光学系によって被検体に集光され、被検体において蛍光または反射光からなる戻り光を発生させる。被検体からの戻り光は、集光光学系を通って装置本体内に戻り、瞳投影光学系、走査ミラーを介してコリメート光学系により光伝達部材に集光され、光伝達部材を介して伝達され、ダイクロイックミラーなどの光分離手段で分離された後、光検出器まで導かれる。

この場合において、装置本体内においては、走査ミラーがコリメート光学系から瞳投影光学系に入射させる平行光を９０°より小さい偏向角度で偏向するので、走査ミラーにおいて発生する非点収差を抑制し、光検出器に検出される戻り光の画像の画質を向上することができる。また、走査ミラーを近接ガルバノミラーとする場合に、装置本体に対し水平方向に入射させた光を鉛直下方の被検体に向けて照射するには、一旦略水平方向に偏向した後に、鉛直下方に向けて再度偏向させる。したがって、装置本体は、被検体に光を照射する方向に対して直交する方向、この場合は水平方向に一定の幅寸法を必要とする。本発明によれば、走査ミラーによる偏向角度が９０°より小さい角度に設定されているので、９０°に偏向する場合と比較すると装置本体の幅寸法を小さくすることができ、実体顕微鏡による視野を遮らないように構成することができる。

上記発明においては、前記顕微鏡装置本体の前記筐体内部に固定配置され、前記コリメート光学系、走査ミラーおよび瞳投影光学系を取り付けるベースとなる基準部材を備えることが好ましい。
各光学部品を同一の基準部材に取り付けることにより、簡易に組み立てることができるとともに、光軸調整等の各種調整も容易に行うことができる。また、同一の基準部材に取り付けることで、各光学部品相互間の組立精度も向上することができる。

また、上記発明においては、前記基準部材に、前記走査ミラーを、その原点位置において９０°より小さい偏向角度となるように取り付ける取付面が設けられていることが好ましい。
このようにすることで、取付面を高い加工精度で製造することができるので、組立精度を向上することができる。また、光軸調整も微調整で足りる。

さらに、上記発明においては、前記走査ミラーによる走査方向を示す走査方向表示を備え、該走査方向表示が前記顕微鏡装置本体の外表面に描かれていることとしてもよい。
また、上記発明においては、前記光検出器により検出された被検体の画像を表示するモニタと、前記走査ミラーによる走査方向を示す走査方向表示とを備え、該走査方向表示が前記モニタのフレームに描かれていることとしてもよい。
また、上記発明においては、光前記光検出器により検出された被検体の画像を表示するモニタと、前記走査ミラーによる走査方向を示す走査方向表示とを備え、該走査方向表示が被検体の画像に合成されていることとしてもよい。
走査ミラーにおいて９０°偏向する場合には、装置本体の幅方向および長さ方向と、走査ミラーによる走査方向とを一致させることができるが、９０°より小さい角度で偏向する場合には、装置本体の幅方向および長さ方向と走査ミラーによる走査方向とを一致させることが困難である。そこで、走査方向表示を設けることにより、光検出器により検出された被検体の画像がどの方向を向いているのかを表示することができる。
また、上記発明においては、前記コリメート光学系を光軸方向に沿って変位させるステッピングモータを備えることとしてもよい。このようにすることで、ステッピングモータの作動によりコリメート光学系を光軸方向に沿って変位させ、集光光学系の焦点位置を光軸方向に移動させることができる。

本発明によれば、走査ミラーにより発生する非点収差を低く抑えて、高い画質の画像を得ることができるという効果を奏する。また、走査ミラーによって光を偏向して走査する際に、コンパクトに折り畳むように偏向することにより、装置本体の幅寸法を抑えて、同時に使用される実体顕微鏡の視界を遮らないように、配置することが可能となるという利点がある。

本発明の一実施形態に係る光走査型顕微鏡装置について、図１から図３を参照して、以下に説明する。
本実施形態に係る光走査型顕微鏡装置１は、図１に示される顕微鏡観察システム２において使用される。この顕微鏡観察システム２は、図１に示されるように、実験小動物等の被検体Ａを載置するステージ３と、該ステージ３の上方に配置される本実施形態に係る光走査型顕微鏡装置１と、さらにその上方とに配置される実体顕微鏡装置４とを備えている。

実体顕微鏡装置４は、ステージ３を備えるベース５から立ち上がる支柱６に、上下方向に移動可能に設けられ、被検体Ａを比較的小さな倍率で観察するための接眼部７およびＣＣＤカメラ８を備えている。ＣＣＤカメラ８は、ケーブル９によって第１のモニタ１０に接続され、撮像された画像を第１のモニタ１０において観察することができるようになっている。

本実施形態に係る光走査型顕微鏡装置１は、図１に示されるように、顕微鏡装置本体１１とこれに接続される光源１２、光検出器１３、制御装置１４および第２のモニタ１５を備えている。
顕微鏡装置本体１１も、ベース５から立ち上がる支柱１６に上下方向に移動可能および任意の角度方向に傾斜可能に設けられている。顕微鏡装置本体１１と光源１２とは光ファイバ（光伝達部材）１７により接続されている。また、顕微鏡装置本体１１と制御装置１４、光検出器１３と制御装置１４とはそれぞれケーブル１８，１９によって接続されている。第２のモニタ１５には、制御装置１４内において画像処理を加えられた画像が表示されるようになっている。

前記顕微鏡装置本体１１は、図２および図３に示されるように、光ファイバ１７の一端に取り付けられる筐体２０と、該筐体２０に取り付けられる対物レンズユニット（集光光学系）２１とを備えている。
筐体２０はカバー部材２２とその内部に固定配置される基準部材２３とから構成されている。基準部材２３は、コリメート光学系、走査ミラー、瞳投影光学系等、後述する種々の部材を固定し、あるいは摺動可能に支持するベースとして機能している。

基準部材２３は、略直方体ブロック状の部材であって、その長手方向（Ｘ方向）に貫通する第１の貫通孔２４と該第１の貫通孔２４に交差する第２の貫通孔２５と、該第２の貫通孔２５に交差する第３の貫通孔２６とを備えている。第１の貫通孔２４の一端開口には、図２〜図４に示されるように、光ファイバ１７の先端を取り付けるフェルール２７がネジ２７ａにより固定されている。フェルール２７は、その先端面２７ｂを斜めにカットすることにより、光ファイバ１７の出射端面を、長さ方向に対して斜めに形成し、該出射端面における光ファイバ１７内の反射光が後述する光検出器１３に戻ることを防止するように構成されている。なお、フェルール２７の位置および傾きは、基準部材２３との間に必要により挟むシムプレート２７ｃを調節することにより、簡易に微調整することができるようになっている。

前記第１の貫通孔２４の他端は、図２および図４に示すように、略直方体ブロック状の基準部材２３の長手方向（Ｘ方向）の一端の角部にＹ方向に対して４５°より小さい角度例えば、３０°の角度で、鉛直方向（Ｚ方向）に沿って切り欠かれた第１の傾斜面２８に開口している。前記第２の貫通孔２５の一端は、第１の傾斜面２８に第１の貫通孔２４と同一の位置に開口し、図４に示されるように、第１の貫通孔２４に対して９０°より小さい角度、例えば、６０°の角度をなして交差している。第２の貫通孔２５の他端は、該第２の貫通孔２５の長手方向および上下方向（Ｚ方向）に対して４５°の角度で切り欠かれた第２の傾斜面２９に開口している。また、第３の貫通孔２６の一端は、第２の傾斜面２９に第２の貫通孔２５の同一の位置に開口し、第２の貫通孔２５に略９０°の角度をなして交差して、図中鉛直下方に向かう方向（Ｚ方向）に延びている。

第１および第２の傾斜面２８，２９には、それぞれ貫通孔２４〜２６の開口を塞ぐように第１のガルバノミラー（走査ミラー）３０、第２のガルバノミラー（走査ミラー）３１がネジ３２により、ミラー面に平行な方向に微調整可能に取り付けられている。各ガルバノミラー３０，３１は、それぞれ、単一の軸線回りに揺動可能な１次元のガルバノミラーであり、第１のガルバノミラー３０は、Ｚ方向に沿って配される軸線回りに揺動し、第２のガルバノミラー３１はＸＹ平面に沿う軸線回りに揺動するようになっている。

走査ミラー３０，３１は、例えば、電磁駆動式のマイクロマシンミラーの場合は、図１２に示すようなユニットにより構成される。すなわち、光を反射させるミラー本体６４と、ミラー本体６４をヒンジ部６５を介して取り付けるミラーフレーム６６と、磁場を形成するためのマグネット６７を有するユニットとにより構成される。図１２では、ミラー本体６４はｙ軸回りに揺動させられ、ｘ方向の所望の範囲に光を走査する。ミラーフレーム６６には、調整ネジ用の穴６８が設けられており、ミラーフレーム６６を傾斜面２８，２９で基準部材２３に取り付けるとき、基準部材２３に対してミラー本体６４の位置を微調整しながら取り付けることができる。また、ミラーフレーム６６には、カバー部材２２内にコンパクトに収納できる構造になるように面取り部６９が設けられている。

前記各傾斜面２８，２９は、それぞれ第１、第２のガルバノミラー３０，３１の原点位置における偏向角度を精度よく設定するように、高い精度で加工されている。これにより、ネジ３２を弛めて傾斜面２８，２９とガルバノミラー３０，３１との間に必要に応じて挟むシムプレート（図示略）の厚さを調節することにより、簡易にガルバノミラー３０，３１の位置および角度を微調整することができるようになっている。
また、上述のように走査ミラーを位置調整する手段が設けられていることにより、走査ミラー故障時等に該走査ミラーを交換することができるので、装置本体の使用耐久期間を延長することが可能である。

光ファイバ１７はシース３３によって被覆されている。シース３３の先端開口部と筐体２０とは水密シール３４によって密封状態に接続されている。また、シース３３内には、顕微鏡装置本体１１内の各機器、例えば、第１，第２のガルバノミラー３０，３１、ステッピングモータ等と制御装置１４とを接続するケーブル１８が配線されている。ケーブル１８の先端にはコネクタ３５が取り付けられており、基準部材２３に備えられた図示しない端子と接続することにより、信号を中継するようになっている。

基準部材２３の第１の貫通孔２４内には、コリメートレンズユニット３６が、該第１の貫通孔２４の長さ方向に沿って移動可能に支持されている。コリメートレンズユニット３６は、１枚以上のコリメートレンズ３７をレンズ枠３８内に収容している。
また、基準部材２３には前記第１の貫通孔２４に平行に設けられた穴３９内に第１の貫通孔２４に平行に延びるリードネジ４０と、該リードネジ４０を長手軸線回りに回転させるステッピングモータ４１と、リードネジ４０に螺合され、リードネジ４０の回転によって第１の貫通孔２４に沿う方向に直線移動させられるナット４２とからなるアクチュエータ４３が収容されている。
なお、ステッピングモータ４１の代わりにエンコーダ付ＤＣモータ等の他の駆動手段を用いてもよい。

この穴３９と第１の貫通孔２４とは連通部４４によって相互に連絡しており、前記ナット４２と前記レンズ枠３８とが接続されている。
第１の貫通孔２４内には、前記レンズ枠３８の移動範囲の両端に、該レンズ枠３８を検出する動作範囲検出器４５が備えられている。また、リードネジ４０が収容されている穴３９内には、ナット４２の移動範囲の両端に、該ナット４２を検出する動作範囲検出器４６が設けられている。これら動作範囲検出器４５，４６はいずれか一方であってもよい。

また、第１の貫通孔２４の一端には、前記レンズ枠３８の端面を突き当てる突き当て面４７が設けられている。ステッピングモータ４１の作動によってリードネジ４０を一方向に回転させ続け、レンズ枠３８の端面を突き当て面４７に突き当てた状態から、さらに回転させることによって、ステッピングモータ４１が脱調させられるので、その後所定回転角度だけ戻す方向にリードネジ４０を回転させることによって、原点位置を正確に再現することができるようになっている。
アクチュエータ４３は、図３に示されるように、顕微鏡装置本体１１内のうち、第１のガルバノミラー３０、第２のガルバノミラー３１および瞳投影レンズユニット４８の内側に囲まれる空間に配置することにより、顕微鏡装置本体１１の幅寸法を抑え、本光走査型顕微鏡装置１と同時に使用される実体顕微鏡装置４の視界を遮らないように、顕微鏡装置本体１１をコンパクトな構造とすることができる。

また、第３の貫通孔２６の一端開口には、瞳投影レンズ４８ａを有する瞳投影レンズユニット４８がブラケット４９によって固定されている。瞳投影レンズユニット４８は、第２のガルバノミラー３１によって偏向されたレーザ光を、一端中間像位置Ｂに結像させるようになっている。これにより、レーザ光は軸外光の発散が防止されるとともに、光束径を小さくして、細長い対物レンズユニット２１の内部を通過させられるようになっている。

また、瞳投影レンズユニット４８のブラケット４９は、シムプレート５０を挟んで基準部材２３にネジ５１により固定され、必要によりシムプレート５０の厚さ調整によって、簡易に位置および傾きを調整することができるようになっている。
瞳投影レンズユニット４８が顕微鏡装置本体１１に取り付けられた後、基準部材２３に対して水密シール６３を介してカバー部材２２を取り付けることにより、顕微鏡装置本体１１内の水密が保たれるように構成することができる。

前記対物レンズユニット２１は、前記瞳投影レンズユニット４８のブラケット４９に嵌合される嵌合部を有するブラケット５２を備え、その内部に、１枚以上の対物レンズ５２ａを収容している。対物レンズ５２ａは、瞳投影レンズユニット４８によって結像された中間像を、被検体Ａにおいて再結像させるように構成されている。また、対物レンズユニット２１は、ネジ２１ａにより瞳投影レンズユニット４８に固定されている。

なお、前記ブラケット５２のブラケット４９に嵌合する側の端面に、その一部を切り欠く等して形成された各対物レンズユニット２１に固有の識別符号部（図示略）を設け、対物レンズユニット２１が複数ある場合に、各対物レンズユニット２１をブラケット４９に嵌合させた状態で、識別符号部を読み取るようにしてもよい。
また、筐体２０内に図示しない着脱センサを備え、対物レンズユニット２１の着脱状態を検出することにしてもよい。

また、このようにガルバノミラー３０，３１によって光を偏向することにより、対物レンズユニット２１を鉛直方向に配置したときに、第１の貫通孔２４がほぼ水平方向に配置され、したがって、対物レンズユニット２１先端から筐体２０の上端までの距離を抑えることができるようになっている。その結果、筐体２０の上方に配置されている実体顕微鏡装置４から被検体Ａまでの距離を短くすることができるようになっている。

また、基準部材２３を被覆するカバー部材２２の上面には、図５に示されるように、ガルバノミラー３０，３１による走査方向を示す走査方向表示５３が描かれている。すなわち、第２のガルバノミラー３１が、Ｘ方向およびＹ方向に対して傾斜しているため、その走査方向が顕微鏡装置本体１１に対して傾斜している。走査方向表示５３は、例えば、走査方向２方向を示す矢印５３ａと、概略の走査範囲を示す四角形５３ｂとから構成されている。したがって、顕微鏡装置本体１１を操作するオペレータが、この走査方向表示５３を見ることにより、被検体Ａをどの方向から見ているのかを顕微鏡装置本体１１の外観から一目で確認できるようになっている。

なお、図中符号５４は、顕微鏡装置本体１１を支柱１６から延びるアーム５５に固定するための取付部であり、この取付部５４も基準部材２３に固定され、カバー部材２２との間を水密シール５６によって密封されている。

前記光源１２は、例えば、複数の波長の励起光を選択的に出射可能なレーザ光源である。光源１２の波長を選択する選択手段は、制御装置１４内に含まれている。前記光検出器１３は、例えば光電子増倍管（ＰＭＴ：Photomultiplier Tube）であり、光源１２内のダイクロイックミラー５７によって戻り光から分離された蛍光を検出して、画像信号として制御装置１４に入力するように構成されている。

前記制御装置１４は、光源１２に対し、出射する光の波長を変更する指示を出力するようになっている。また、顕微鏡装置本体１１のステッピングモータ４１に作動指令を出力し、ガルバノミラー３０，３１に偏向角度指令を出力するようになっている。また、顕微鏡装置本体１１からは、動作範囲検出器４５，４６からの出力信号が入力されるようになっている。さらに、光検出器１３からは、撮像された画像情報が入力されるようになっている。

このように構成された本実施形態に係る光走査型顕微鏡装置１の作用について以下に説明する。
上述した顕微鏡観察システム２によって被検体Ａを観察するには、まず、マウスやラット、を初めとする実験小動物等の被検体Ａをステージ３に固定し、その上方に配置した実体顕微鏡装置４を用いて観察対象部位の画像を第１のモニタ１０に表示しながら、表皮を切開し、内部組織を露出させる。このとき、光走査型顕微鏡装置１の顕微鏡装置本体１１は実体顕微鏡装置４の視野内から待避した位置に配置されている。

また、光走査型顕微鏡装置１においては、所望の観察倍率を達成するのに適した対物レンズユニット２１を瞳投影レンズユニット４８に取り付けておく。対物レンズユニット２１と瞳投影レンズユニット４８とは、図示しないＯリング等により、水分が内部に入らないように密封される。

そして、準備ができた時点で、光走査型顕微鏡装置１の顕微鏡装置本体１１を実体顕微鏡装置４と被検体Ａとの間に挿入する。
本実施形態に係る光走査型顕微鏡装置１によれば、光を導く第１の貫通孔２４と第３の貫通孔２６とがガルバノミラー３０，３１により相互に９０°の角度をなして配置されているので、第３の貫通孔２６およびそれに続く対物レンズユニット２１を鉛直方向に配したときに、第１の貫通孔２４を略水平に配置することができる。したがって、被検体Ａに照射するレーザ光を真上からではなく真横から導くことができ、高さ方向の寸法を低減できる。そして、それによって、実体顕微鏡装置４と被検体Ａとの距離を近づけることが可能となる。

また、オペレータは、筐体２０のカバー部材２２の上面に描かれた走査方向表示５３を確認することにより、取得される画像が、被検体Ａをどのように走査した画像であるのかを把握して、見たい方向の画像が得られるように顕微鏡装置本体１１の水平方向の角度を調節することができる。
そして、顕微鏡装置本体１１に設けられた対物レンズユニット２１の先端を露出させられた被検体Ａの観察対象部位に押し付ける。これにより、被検体Ａが脈動を生じても、対物レンズユニット２１の先端によって観察対象部位の脈動を抑え、画像がブレることを防止することができる。

この状態で制御装置１４、光源１２および光検出器１３等を作動させ、制御装置１４が光源１２の波長指令、アクチュエータ４３の作動指令、ガルバノミラー３０，３１の偏向角度指令を出力する。
光源１２への波長指令が光源１２に送られると、光源１２は図示しない波長調整手段によって、指定された波長のレーザ光を出力するように設定される。

光源１２から出射されたレーザ光は、光ファイバ１７を介して顕微鏡装置本体１１の筐体２０内に伝播される。光ファイバ１７の先端はフェルール２７によって筐体２０内の基準部材２３に固定されており、その先端面から第１の貫通孔２４に向けてレーザ光が出射される。光ファイバ１７の先端面は斜めにカットされているので、該先端面における反射光が光ファイバ１７内を戻って光検出器１３により検出されることが防止される。

光ファイバ１７の先端から発せられたレーザ光は、コリメートレンズユニット３６を通過させられることにより平行光に変換され、第１のガルバノミラー３０に入射される。第１のガルバノミラー３０は、コリメートレンズユニット３６の光軸（Ｘ方向）に対して４５°より大きな角度、例えば、６０°の角度をなして配置されているので、コリメートレンズユニット３６から入射された光を６０°の偏向角度で偏向して出力する。また、第１のガルバノミラー３０は、制御装置１４からの偏向角度指令に応じて、レーザ光を、例えば、図４のξ方向に走査する。また、第２のガルバノミラー３１は、制御装置１４からの偏向角度指令に応じて、レーザ光を図４のη方向に走査する。これにより、第１、第２のガルバノミラー３０，３１によって偏向されたレーザ光が瞳投影レンズユニット４８および対物レンズユニット２１を通過させられて被検体Ａに照射される際に、２次元的に走査されて、所定の視野範囲にわたって被検体Ａに照射される。

この場合において、本実施形態に係る光走査型顕微鏡装置１によれば、第１の貫通孔２４と第２の貫通孔２５とが９０°ではなく、９０°より小さい角度、例えば、略６０°の角度をなして交差しているので、以下の利点がある。
まず第１に、図６に示されるように、２つのガルバノミラー３０，３１の距離を同一とした場合には、第１のガルバノミラー３０による偏向角度が９０°の場合よりも、６０°の場合の方が、ガルバノミラー３０，３１間のＹ方向の距離をδだけ小さくすることができる。したがって、筐体２０のＹ方向の寸法、すなわち、幅寸法を小さくすることができる。その結果、顕微鏡装置本体１１によって実体顕微鏡装置４の視野をさほど遮ることがなく、実体顕微鏡装置４による観察対象部位の観察を継続しながら、光走査型顕微鏡装置１により高倍率の観察を行うことができるという利点がある。

第２に、図７に示されるように、第１のガルバノミラー３０による偏向角度を９０°より小さくすると、該第１のガルバノミラー３０への光の入射角度θが小さくなる。すなわち、偏向角度が９０°の場合には入射角度は４５°であり、偏向角度が６０°の場合には入射角度は３０°となる。

ガルバノミラー３０，３１は、上述したように金属と非金属との積層構造であるために、ミラー面の平坦度が悪く、所定の曲率ｒ１を有し、このために非点収差αを生じる。そして、非点収差αの値と、ガルバノミラー３０，３１への入射角度θとの関係は、図７の通りとなる。
すなわち、入射角度θが大きくなればなるほど、非点収差αの値は大きくなる。また、ミラーの曲率ｒが大きくなるほど、同じ非点収差αの値を得るために、ガルバノミラー３０，３１への入射角度θを小さくする必要がある。

したがって、ガルバノミラー３０への入射角度θを３０°に設定することにより、入射角度θが４５°の場合と比較して大幅に非点収差αを低減することができるという利点がある。その結果、得られる画像における非点収差αによる解像度の低下を防止して鮮明な高解像度の画像を得ることができるという利点がある。

第１，第２のガルバノミラー３０，３１において偏向されたレーザ光は、瞳投影レンズユニット４８によって中間像を結像した後、対物レンズユニット２１によって被検体Ａに再結像させられる。レーザ光が被検体Ａに照射されると、被検体Ａにおいて蛍光が発せられ、発せられた蛍光は、対物レンズユニット２１、瞳投影レンズユニット４８、第１、第２のガルバノミラー３０，３１、コリメートレンズユニット３６、光ファイバ１７を介して同一光路を戻り、ダイクロイックミラー５７によってレーザ光から分離されて光検出器１３により検出される。

アクチュエータ４３の作動指令がステッピングモータ４１に送られると、指令された回転角度だけリードネジ４０を回転させることにより、ナット４２を第１の貫通孔２４に沿う方向に移動させる。ナット４２が移動させられると、該ナット４２に接続されているレンズ枠３８が変位させられることになり、レンズ枠３８とともに内部のコリメートレンズ３７が変位させられることによって、対物レンズユニット２１先端におけるレーザ光の焦点位置が調節されることになる。

また、光走査型顕微鏡装置１による観察倍率を変更する場合には、図示しない入力手段から倍率を入力する。制御装置１４においては、入力された倍率を達成するためのアクチュエータ４３の移動量が改めて演算され、ステッピングモータ４１に作動指令が送られる。これにより、コリメートレンズユニット３６が光軸方向に沿って変位させられ、対物レンズユニット２１先端におけるレーザ光の焦点位置が変更されることになる。

また、焦点位置の設定および変更に際して、対物レンズユニット２１先端を変位させることなく、筐体２０内のコリメートレンズユニット３６を変位させるだけで済むので、被検体Ａの脈動を抑えたまま、継続的に観察を行うことができる。したがって、ブレのない鮮明な画像を得ることができる。

また、アクチュエータ４３の配置は、上記実施形態に限定されるものではない。光源、光伝達部材、コリメート光学系、走査ミラー、集光光学系、瞳投影光学系、光検出器、アクチュエータ、制御装置を有し、小型化、細径化された集光光学系を用いた光走査型顕微鏡一般について有効である。

なお、本実施形態に係る光走査型顕微鏡装置１においては、第１のガルバノミラー３０による偏向角度を６０°に設定したが、９０°より小さい任意の偏向角度（４５°より小さい入射角度）とすることにより非点収差低減効果がある。また、実質的には７０°より小さい偏向角度とすることが好ましい。さらに、偏向角度は、可能な限り０°に近いことが望ましいが、ガルバノミラー３０，３１の大きさや光路径等の幾何学的な制限がある。

例えば、図８に示されるように、第１の貫通孔２４内の光路径寸法を２ｒ、第２のガルバノミラー３１の幅寸法をＷ、第１のガルバノミラー３０における入射角度をθ、第１のガルバノミラー３０と第２のガルバノミラー３１との距離をｄとすると、第２のガルバノミラー３１が第１の貫通孔２４内の光路に重ならないためには、以下の条件を満たすことが必要となる。
θ≧０．５×（α＋ｓｉｎ^−１（ｒ／（ｄ^２＋ｗ^２／４）^０．５））
但し、α＝ｃｏｓ^−１（ｄ／（ｄ^２＋ｗ^２／４）^０．５）

また、上記実施形態においては、第１のガルバノミラー３０における偏向角度を９０°より小さい６０°に設定し、第２のガルバノミラー３１においては偏向角度を略９０°に設定した例について説明したが、これに代えて、第２のガルバノミラー３１における偏向角度についても９０°より小さくなるように設定してもよい。この場合、構造が複雑化するが、各ガルバノミラー３０，３１における非点収差の発生を低減できる点で効果的である。

また、２枚のガルバノミラー３０，３１によって偏向する場合について説明したが、これに代えて、３枚以上のガルバノミラーを用いて偏向する場合に適用してもよい。この場合に、全てのガルバノミラーについて偏向角度を９０°より小さく設定することにしてもよく、少なくともいずれかについて９０°より小さく設定してもよい。

また、対向配置した２枚の１次元のガルバノミラー３０，３１によって光を偏向して、２次元的に走査する方式のものを例に挙げて説明したが、これに代えて、例えば、第１のガルバノミラー３０として、直交する２軸回りに揺動する２次元のガルバノミラーを採用し、第２のガルバノミラー３１の位置に、非走査型の固定ミラーを配置してもよい。このようにすると、固定ミラーは走査ミラーのヒンジ部が不要になるために小型に構成できるので、さらに幅方向のコンパクト化を図ることができるという利点がある。

また、２次元のガルバノミラーを採用する場合には、第１の貫通孔２４を略３０°の角度で斜め上向きに延びる貫通孔とし、該第１の貫通孔２４に交差して鉛直下方に延びる第２の貫通孔２５との交差位置に２次元のガルバノミラーを配置することにしてもよい。このようにすることで、幅方向の寸法を最もコンパクトに構成でき、かつ、非点収差を低減することができるという利点がある。

また、走査方向表示５３として、顕微鏡装置本体１１のカバー部材２２の上面に、走査方向の矢印５３ａと画像範囲を示す四角形５３ｂを描くこととしたが、これに代えて、図９に示されるように、モニタ１５のフレーム１５ａに、顕微鏡装置本体１１の方向を示す表示線５８を設けることにより、間接的に走査方向表示を行うことにしてもよい。また、図１０に示されるように、モニタ画面に、顕微鏡装置本体１１の方向を示す表示線５９を描いてもよい。また、この表示線５９を、光走査型顕微鏡装置１の観察画像と重ね合わせる画像として表示してもよい。また、この場合に、表示線５９の表示、非表示を切り替えることができるようにしてもよい。

また、本実施形態においては、基準部材２３の外面に形成した傾斜面２８，２９にガルバノミラー３０，３１を取り付けるように構成したが、これに代えて、図１１に示されるように、基準部材６０の内部空間の内面に傾斜面６１，６２を設けて、ガルバノミラー３０，３１を接着等により固定してもよい。なお、図１１においては、上記実施形態に係る光走査型顕微鏡装置１がコリメートレンズユニット３６を移動させることとしていたのに対し、光ファイバ１７を支持するフェルール２８を移動させている。このように構成しても上記と同様に、対物レンズユニット２１の先端面を被検体Ａに密着状態に保持したまま焦点位置調整を行うことができる。

［付記］
なお、上記実施形態から以下の構成の発明が導かれる。
１． 光源と、該光源からの光を伝達する光伝達部材と、該光伝達部材により伝達された光を被検体に照射する装置本体と、被検体から装置本体および光伝達部材を介して戻る戻り光を検出する光検出器とを備え、前記装置本体に、該光伝達部材によって伝達された光を平行光にするコリメート光学系と、コリメート光学系から発せられた平行光を９０°より小さい偏向角度で偏向し、かつ、被検体において走査させる走査ミラーと、該走査ミラーによって走査された光を被検体に集光させる集光光学系と、該集光光学系と前記走査ミラーとの間に配置される瞳投影光学系とが備えられている光走査型顕微鏡装置。

２． 前記コリメート光学系、走査ミラーおよび瞳投影光学系を取り付ける基準部材を備える付記項１に記載の光走査型顕微鏡装置。
各光学部品を同一の基準部材に取り付けることにより、簡易に組み立てることができるとともに、光軸調整等の各種調整も容易に行うことができる。また、同一の基準部材に取り付けることで、各光学部品相互間の組立精度も向上することができる。

３． 基準部材に、前記走査ミラーを、その原点位置において９０°より小さい偏向角度となるように取り付ける取付面が設けられている付記項２に記載の光走査型顕微鏡装置。
取付面を高い加工精度で製造することができるので、組立精度を向上することができる。また、光軸調整も微調整で足りる。

４． 前記走査ミラーを基準部材に位置調節しながら組み付け可能な位置調整手段を有する付記項１から付記項３のいずれかに記載の光走査型顕微鏡装置。
位置調整手段を用いることで走査ミラーを基準部材に対して精度よく組み立てることができる。また、走査ミラー故障時等に該走査ミラーを交換することができるので、装置本体の使用耐久期間を延長することが可能である。

５． 前記集光光学系の光軸方向に沿って被検部に集光された焦点の位置を変更する焦点位置変更手段を有し、該焦点位置変更手段の駆動手段が基準部材に組み付けられている付記項２から付記項４のいずれかに記載の光走査型顕微鏡装置。
焦点位置変更手段を用いて観察中の被検部の焦点位置を変更することにより、焦点位置を微小変化させて、所望の深さ位置の画像を取得したり、焦点位置変更手段を連続的に動かすことにより３次元の断層画像を取得することができる。

６． 焦点位置変更手段の駆動手段を基準部材に位置調節しながら組み付け可能な位置調整手段を備える付記項５に記載の光走査型顕微鏡装置。
位置調整手段を用いることで、焦点位置変更手段の駆動手段を基準部材に対して交換可能に組み立てることができる。駆動手段の故障時等に該駆動手段を交換することができるので、装置本体の使用耐久期間を延長することが可能である。

７． 前記焦点位置変更手段の駆動手段が、前記装置本体内のうち、前記走査ミラーと前記瞳投影光学系の内側に囲まれる空間に配置されている付記項１から付記項６のいずれかに記載の光走査型顕微鏡装置。
焦点位置変更手段の駆動手段が上述のように配置されることにより、装置本体の幅寸法を抑え、光走査型顕微鏡装置と同時に使用される実体顕微鏡の視界を遮らないように、装置本体をコンパクトな構造にすることができる。

８． 前記光伝達部材の先端を保持する保持部材を有し、該保持部材が基準部材に組み付けられている付記項２から付記項７のいずれかに記載の光走査型顕微鏡装置。
保持部材を基準部材に取り付けることにより、簡易に組み立てることができるとともに、光軸調整等の各種調整も容易に行うことができる。

９． 前記保持部材を基準部材に位置調節しながら組み付け可能な位置調整手段を備える付記項８に記載の光走査型顕微鏡装置。
位置調整手段を用いることで、保持部材を基準部材に対して交換可能に組み立てることができる。光伝達手段の破損時等に保持部材とともに光伝達手段を交換することができ、装置本体の使用耐久期間を延長することが可能である。

１０． 前記保持部材の端面が光伝達部材の端面と面一に、光軸に対して斜めに研磨されている付記項８または付記項９に記載の光走査型顕微鏡装置。
このように構成することで、光伝達部材の端面の反射光が光検出器に戻ることを防止できる。

１１． 瞳投影光学系を基準部材に位置調節しながら組み付け可能な位置調整手段を備える付記項１から付記項１０のいずれかに記載の光走査型顕微鏡装置。
位置調整手段を用いることで、瞳投影光学系を基準部材に対して交換可能に組み立てることができる。瞳投影光学系の故障時等に該瞳投影光学系を交換することができ、装置本体の使用耐久期間を延長することが可能である。

１２． 位置調整手段がネジからなる付記項４から付記項１１のいずれかに記載の光走査型顕微鏡装置。
１３． 位置調整手段がネジとシムプレートとからなり、シムプレートの厚さにより角度調節可能である付記項４から付記項１１のいずれかに記載の光走査型顕微鏡装置。
１４． 基準部材に、電気配線を着脱可能に接続するコネクタが設けられている付記項２から付記項１３のいずれかに記載の光走査型顕微鏡装置。

１５． 前記走査ミラーによる走査方向を示す走査方向表示を備える付記項１から付記項１４のいずれかに記載の光走査型顕微鏡装置。
走査ミラーで９０°より小さい角度で偏向する場合は、装置本体の幅方向および長さ方向と走査ミラーによる走査方向とを一致させることが困難であるが、走査方向表示手段を設けることにより、光検出器により検出された被検体の画像がどの方向を向いているのかを表示することができる。

１６． 走査方向表示が外表面に描かれている付記項１５に記載の光走査型顕微鏡装置。
１７． 光検出器により検出された被検体の画像を表示するモニタを備え、走査方向表示がモニタのフレームに描かれている付記項１５に記載の光走査型顕微鏡装置。
１８． 光検出器により検出された被検体の画像を表示するモニタを備え、走査方向表示が、被検体の画像に合成されている付記項１５に記載の光走査型顕微鏡装置。
１９． 走査方向表示の表示、非表示が切替可能である付記項１８に記載の光走査型顕微鏡装置。

２０． 前記走査ミラーが、１軸走査型のマイクロマシンミラー２個を対向させてなる近接ガルバノメータ式ミラーである付記項１から付記項１９のいずれかに記載の光走査型顕微鏡装置。
２１． 光源に近い光路上に配置された第１の走査ミラーと、集光光学系に近い光路上に配置された第２の走査ミラーとを備え、
これら第１、第２の走査ミラーが、光源から光伝達部材を経て第１の走査ミラーへ入射する光の入射角θ、光束半径ｒ、第２の走査ミラーの幅Ｗ、第１の走査ミラーと第２の走査ミラーとの距離ｄとして、下式を満たすよう配置されている付記項２０に記載の光走査型顕微鏡装置。
０．５×（α＋ｓｉｎ^−１（ｒ／（ｄ^２＋ｗ^２／４）^０．５））≦θ＜４５°
但し、α＝ｃｏｓ^−１（ｄ／（ｄ^２＋ｗ^２／４）^０．５）
２２． 入射角θが３５°以下である付記項２１に記載の光走査型顕微鏡装置。
２３． 走査ミラーが電磁駆動式である付記項２０から付記項２２のいずれかに記載の光走査型顕微鏡装置。

２４． 前記走査ミラーが２軸走査型のマイクロマシンミラーからなり、これに対向配置される固定式ミラーを備える付記項１から付記項１９のいずれかに記載の光走査型顕微鏡装置。
非走査型の固定式ミラーを用いることにより、走査型ミラーのようなヒンジ部が不要となるため、ミラーをコンパクトな構造にすることができる。

２５． 光源に近い光路上に配置された走査ミラーと、集光光学系に近い光路上に配置された固定式ミラーとを備え、
これら走査ミラーと固定式ミラーとが、光源から光伝達部材を経て走査ミラーへ入射する光の入射角θ、光束半径ｒ、固定式ミラーの幅Ｗ、走査ミラーと固定式ミラーとの距離ｄとして、下式を満たすよう配置されている付記項２４に記載の光走査型顕微鏡装置。
０．５×（α＋ｓｉｎ^−１（ｒ／（ｄ^２＋ｗ^２／４）^０．５））≦θ＜４５°
但し、α＝ｃｏｓ^−１（ｄ／（ｄ^２＋ｗ^２／４）^０．５）
２６． 入射角θが３５°以下である付記項２５に記載の光走査型顕微鏡装置。

なお、上述した各実施形態等を部分的に組み合わせて形成される他の実施形態も本発明に属するものである。

本発明の第１の実施形態に係る光走査型顕微鏡装置を含む顕微鏡観察システムを示す概略図である。 本発明の第１の実施形態に係る光走査型顕微鏡装置の概略構造を示す斜視図である。 図２の光走査型顕微鏡装置の内部構造を示す縦断面図である。 図２の光走査型顕微鏡装置の内部構造を示す平断面図である。 図２の光走査型顕微鏡装置の平面図である。 第１のガルバノミラーへの入射角度の変化による幅寸法の変化を説明する模式図である。 ガルバノミラーへの入射角度と非点収差との関係を示すグラフである。 第１のガルバノミラーへの入射角度の幾何的な制限を説明する模式図である。 走査方向表示の変形例を示す模式図である。 走査方向表示の他の変形例を示す模式図である。 図２の光走査型顕微鏡装置の変形例を示す縦断面図である。 走査ミラーの一例を示す図である。

符号の説明

Ａ 被検体
１ 光走査型顕微鏡装置
１１ 顕微鏡装置本体（装置本体）
１２ 光源
１３ 光検出器
１７ 光ファイバ（光伝達部材）
２１ 対物レンズユニット（集光光学系）
２３ 基準部材
２８，２９ 傾斜面（取付面）
３０ 第１のガルバノミラー（走査ミラー）
３６ コリメートレンズユニット（コリメート光学系）
４８ 瞳投影レンズユニット（瞳投影光学系）
５３ 走査方向表示
５８，５９ 表示線（走査方向表示）

Claims (8)

1. 光源と、
   該光源からの光を伝達する光伝達部材と、
   該光伝達部材の一端に取り付けられ前記光伝達部材により伝達された光を走査する走査ミラーを有する筐体と、該筐体に取り付けられ前記走査ミラーにより走査された光を被検体に集光する集光光学系とを備える顕微鏡装置本体と、
   前記被検体から前記顕微鏡装置本体および前記光伝達部材を介して戻る戻り光を検出する光検出器とを備え、
   前記顕微鏡装置本体の前記筐体内部に、
   前記光伝達部材によって伝達された光を平行光にするコリメート光学系と、
   コリメート光学系から発せられた平行光を９０°より小さい偏向角度で偏向し、かつ、被検体において走査させる前記走査ミラーと、
   前記集光光学系と前記走査ミラーとの間に配置される瞳投影光学系とが備えられ、
   前記走査ミラーが、１軸走査型のマイクロマシンミラー２個を対向させてなる近接ガルバノメータ式ミラーであり、光路上において前記光源側に配置された第１の走査ミラーおよび前記集光光学系側に配置された第２の走査ミラーを備え、これら第１、第２の走査ミラーが、前記光源から前記光伝達部材を経て前記第１の走査ミラーへ入射する光の入射角θ、光束半径ｒ、第２の走査ミラーの幅Ｗ、第１の走査ミラーと第２の走査ミラーとの距離ｄとして、下式を満たすよう配置されている光走査型顕微鏡装置。
   ０．５×（α＋ｓｉｎ ^−１ （ｒ／（ｄ ^２ ＋ｗ ^２ ／４） ^０．５ ））≦θ＜４５°
   但し、α＝ｃｏｓ ^−１ （ｄ／（ｄ ^２ ＋ｗ ^２ ／４） ^０．５ ）
2. 光源と、
   該光源からの光を伝達する光伝達部材と、
   該光伝達部材の一端に取り付けられ前記光伝達部材により伝達された光を走査する走査ミラーを有する筐体と、該筐体に取り付けられ前記走査ミラーにより走査された光を被検体に集光する集光光学系とを備える顕微鏡装置本体と、
   前記被検体から前記顕微鏡装置本体および前記光伝達部材を介して戻る戻り光を検出する光検出器とを備え、
   前記顕微鏡装置本体の前記筐体内部に、
   前記光伝達部材によって伝達された光を平行光にするコリメート光学系と、
   コリメート光学系から発せられた平行光を９０°より小さい偏向角度で偏向し、かつ、被検体において走査させる前記走査ミラーと、
   前記集光光学系と前記走査ミラーとの間に配置される瞳投影光学系とが備えられ、
   前記走査ミラーが、光路上に対向して配置され、前記光源側に配置された走査ミラーおよび前記集光光学系側に配置された固定式ミラーを備えた２軸走査型のマイクロマシンミラーからなり、前記走査ミラーおよび前記固定式ミラーが、前記光源から前記光伝達部材を経て前記走査ミラーへ入射する光の入射角θ、光束半径ｒ、固定式ミラーの幅Ｗ、走査ミラーと固定式ミラーとの距離ｄとして、下式を満たすよう配置されている光走査型顕微鏡装置。
   ０．５×（α＋ｓｉｎ ^−１ （ｒ／（ｄ ^２ ＋ｗ ^２ ／４） ^０．５ ））≦θ＜４５°
   但し、α＝ｃｏｓ ^−１ （ｄ／（ｄ ^２ ＋ｗ ^２ ／４） ^０．５ ）
3. 前記顕微鏡装置本体の前記筐体内部に固定配置され、前記コリメート光学系、走査ミラーおよび瞳投影光学系を取り付けるベースとなる基準部材を備える請求項１または請求項２に記載の光走査型顕微鏡装置。
4. 前記基準部材に、前記走査ミラーを、その原点位置において９０°より小さい偏向角度となるように取り付ける取付面が設けられている請求項３に記載の光走査型顕微鏡装置。
5. 前記走査ミラーによる走査方向を示す走査方向表示を備え、該走査方向表示が前記顕微鏡装置本体の外表面に描かれている請求項１から請求項４のいずれかに記載の光走査型顕微鏡装置。
6. 前記光検出器により検出された被検体の画像を表示するモニタと、前記走査ミラーによる走査方向を示す走査方向表示とを備え、該走査方向表示が前記モニタのフレームに描かれている請求項１から請求項４のいずれかに記載の光走査型顕微鏡装置。
7. 光前記光検出器により検出された被検体の画像を表示するモニタと、前記走査ミラーによる走査方向を示す走査方向表示とを備え、該走査方向表示が被検体の画像に合成されている請求項１から請求項４のいずれかに記載の光走査型顕微鏡装置。
8. 前記コリメート光学系を光軸方向に沿って変位させるステッピングモータを備える請求項１または請求項２に記載の光走査型顕微鏡装置。

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