JP5307374B2 - フォーカス調整ユニットおよび光走査型顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、フォーカス調整ユニットおよび光走査型顕微鏡に関するものである。

従来、光源と対物レンズの間に正屈折力と負屈折力の光学素子を配置し、物理的距離を変化させて、対物レンズの作動距離を変化させる顕微鏡が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
また、有限遠型の対物レンズに、アダプタレンズが着脱可能となっている顕微鏡も開示されている（例えば、特許文献２参照。）。これによれば、細径の有限遠対物とアダプタレンズとを組み合わせ、アダプタレンズを光軸方向に移動させることにより、対物レンズの作動距離を変化させる用になっている。

また、有限遠型の対物レンズが着脱可能となっている顕微鏡も知られている（例えば、特許文献３参照。）。これによれば、有限遠対物と結像レンズとを組み合わせ、結像レンズを光軸方向に移動させることにより、対物レンズの作動距離を変化させるようになっている。

特開２００５−７０４７７号公報 特開２００６−７９０００号公報 特開２００６−１３９１８１号公報

しかしながら、これらの特許文献１〜３に開示されている顕微鏡においては、対物レンズおよび結像レンズと、フォーカスを変化させる光学系との位置関連については何も述べられておらず、光学系の位置関係を考慮しない場合には、光学系を構成するレンズを光軸方向に動かして対物レンズの作動距離を変化させると、観察倍率が大きく変化してしまう不都合が考えられる。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、対物レンズの作動距離を変化させても、観察倍率をさほど変化させないフォーカス調整ユニットおよび光走査型顕微鏡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、試料からの光を略平行光に変換する対物光学系と、該対物光学系からの略平行光を所定の位置に結像する結像光学系とを備える顕微鏡システムに使用され、前記対物光学系と前記結像光学系との間に配置され、前記対物光学系の作動距離を変化させるためにフォーカス調整ユニットであって、前記対物光学系側を前側、結像光学系を後側として、少なくとも前側から順に配置された、屈折力を有する前群光学系および後群光学系と、前記前群光学系を光軸方向に駆動して、両光学系の光軸方向の距離を相対的に変化させるレンズ駆動手段とを備え、前記前群光学系は、その前側焦点が前記対物光学系の後側焦点の近傍に位置するように配置され、以下の条件式（１）を満たすフォーカス調整ユニットを提供する。
｜Ｄ１ａ×Δｓ｜／（Ｆｌａ）^２ ≦０．０５ （１）
ここで、Δｓ：前群光学系の全移動距離、Ｄ１ａ：前群光学系の移動で中間位置に来たときの前記対物光学系の後側焦点と前記前 群光学系の前側焦点との間隔、Ｆｌａ：前群光学系の焦点距離である。
また、本発明の参考例は、試料からの光を略平行光に変換する対物光学系と、該対物光学系からの略平行光を所定の位置に結像する結像光学系とを備える顕微鏡システムに使用され、前記対物光学系と前記結像光学系との間に配置され、前記対物光学系の作動距離を変化させるためにフォーカス調整ユニットであって、前記対物光学系側を前側、結像光学系を後側として、少なくとも前側から順に配置された、屈折力を有する前群光学系および後群光学系と、該後群光学系を光軸方向に駆動して、両光学系の光軸方向の距離を相対的に変化させるレンズ駆動手段とを備え、前記前群光学系は、その前側焦点が前記対物光学系の後側焦点の近傍に位置するように配置され、以下の条件式（２）を満たすフォーカス調整ユニットを提供する。
｜Ｄ１×δｓ｜／（Ｆｌａ）^２ ≦０．０５ （２）
ここで、δｓ：後群光学系の全移動距離、Ｄ１：前記対物光学系の後側焦点と前記前群光学系の前側焦点との間隔、Ｆｌａ：前群光学系の焦点距離である。

本発明によれば、前群光学系または後群光学系の少なくとも一方が光軸方向に駆動されることにより、対物レンズの作動距離が変化する。この場合において、前群光学系の前側焦点を対物光学系の後側焦点の近傍に配置することにより、前群光学系または後群光学系のいずれかを光軸方向に移動させたときの倍率の変化を抑えることができる。
ここで、略平行光は、厳密な平行光のみならず、緩い角度の発散光および収束光を含む。

上記発明においては、前記前群光学系および前記後群光学系が、互いにアフォーカル光学系として成立する位置を中心として移動させられることとしてもよい。このようにすることで、対物レンズの作動距離を変化させたときの倍率の変化をより小さく抑えることができる。

上記発明においては、Ｄ１ａ＝０であることとしてもよい。
このようにすることで、作動距離を変化させたときの倍率の変化を非常に小さくすることができる。

また、上記発明においては、前群光学系の前側焦点が、前記対物光学系の後側焦点に一致していることが好ましい。
このようにすることで、作動距離を変化させたときの倍率の変化をなくすことができる。

また、上記発明においては、｜Ｆｌａ｜＞｜Ｆｌｂ｜であることが好ましい。
このようにすることで、対物光学系の瞳径を小さくすることができ、その結果、対物光学系の外形寸法を小さくすることができる。

また、上記発明においては、前記前群光学系の焦点距離が負の値であることとしてもよい。
このようにすることで、フォーカス調整ユニットの全長を短くすることができる。

また、上記発明においては、前記対物光学系の後側焦点が前記対物光学系の胴付位置より後側にあることとしてもよい。
このようにすることで、前群光学系の前側焦点と対物光学系の後側焦点の間隔を小さし、作動距離を変えたときの倍率変化を小さくすることができる。

また、上記発明においては、前記対物光学系の後側焦点と前記前群光学系の前側焦点の間隔を調整する調整機構を有することとしてもよい。
このようにすることで、対物光学系の後側焦点位置が胴付き位置に対して異なったものでも、調整機構によって、倍率の変化が非常に小さく、線形に近くなるように調整することができる。

また、上記発明においては、前記後群光学系の後側焦点が、前記結像光学系の前側焦点の近傍に配置されていることとしてもよい。
また、上記発明においては、前記後群光学系の後側焦点と前記結像光学系の前側焦点の間隔を調整する調整機構を有することとしてもよい。
このようにすることで、像面でテレセントリック光学系（射出瞳が無限大）に近くすることができる。

また、本発明は、試料からの光を集光する対物光学系と、該対物光学系により集光された光を所定の位置に結像する結像光学系と、上記いずれかのフォーカス調整ユニットと、前記結像レンズの後側に配置され該結像レンズで所定の位置に結像された試料の像を平行光束にする瞳投影光学系と、該瞳投影光学系により略平行光束にされた光を横方向に走査する横方向走査手段と、試料を照明または励起する光を射出する光射出部と、試料からの光を受光する光受光部と、前記光射出部からの光を略平行光にする第１のコリメート光学系と、前記試料からの光を前記光受光部に集光する第２のコリメート光学系と、前記光射出部からの光と試料からの光とを分離する検出光分離手段とを備えるスキャン光学系とを備える光走査型顕微鏡を提供する。
上記発明においては、前記スキャン光学系を前記瞳投影光学系の光軸方向に移動させて前記横方向走査手段近傍に瞳位置を一致させる瞳位置合わせ手段を備えていてもよい。

本発明によれば、観察倍率をさほど変化させることなく対物レンズの作動距離を変化させることができるという効果を奏する。

以下、本発明の一実施形態に係るフォーカス調整ユニット１について、図１〜図３を参照して以下に説明する。
本実施形態に係るフォーカス調整ユニット１は、図１に示されるように、レーザ走査型顕微鏡２に備えられている。

本実施形態に係るレーザ走査型顕微鏡２は、レーザ光を出射するレーザ光源３と、該レーザ光源３からのレーザ光を集光するカップリング光学系４と、該カップリング光学系４により集光されたレーザ光を導光する光ファイバ５と、該光ファイバ５によってレーザ光源と接続された顕微鏡本体６と、検出光学系１５と、これらを制御する制御部１６と、検出光学系１５で検出された蛍光または反射光の画像を表示する表示部（図示略）とを備えている。

顕微鏡本体６は、光ファイバ５から出射されたレーザ光を略平行光に変換するコリメート光学系７と、該コリメート光学系７により略平行光にされたレーザ光を偏向するダイクロイックミラー８と、該ダイクロイックミラー８により偏向されたレーザ光を２次元的に走査する近接ガルバノミラー９と、該近接ガルバノミラー９により走査されたレーザ光を集光する瞳投影光学系１０、結像光学系１１および対物光学系１２と、結像光学系１１および対物光学系１２の間に配置される本実施形態に係るフォーカス調整ユニット１とを備えている。

また、顕微鏡本体６は、対物光学系１２、フォーカス調整ユニット１、結像光学系１１、瞳投影光学系１０および近接ガルバノミラー９を介して戻ってきた試料Ａからの蛍光または反射光を透過させるダイクロイックミラー８と、その光を光ファイバ１４に集光するカップリング光学系１３と、該カップリング光学系１３により集光された試料Ａからの蛍光または反射光を検出光学系１５に導光する光ファイバ１４とを備えている。
顕微鏡本体６は、相互に直交する３軸（ＸＹＺ）方向に移動可能に設けられるとともに、各軸回りに回転可能に設けられており、対物光学系１２の先端の位置および角度を任意に調節することができるようになっている。

近接ガルバノミラー９は、観察位置を対物光学系１２の光軸に対して略垂直方向で走査するようになっている。そして、近接ガルバノミラー９の振り角に対応した範囲の試料Ａからの光の強度分布が表示部に表示されるようになっている。

対物光学系１２は、その先端を試料Ａに密着させることにより、試料Ａの呼吸や拍動による観察像のブレを抑えるようになっている。
本実施形態に係るフォーカス調整ユニット１は、前群光学系Ｇａと後群光学系Ｇｂと、前群光学系Ｇａを駆動するレンズ駆動手段１８とを備えている。
前群光学系Ｇａと後群光学系Ｇｂは、ともに正の屈折力を有するレンズ群であり、前群光学系Ｇａと後群光学系Ｇｂとの間に中間結像点を有している。

この場合において、以下の式（１）の条件が満たされていることが望ましい。
｜Ｄ１ａ×Δｓ｜／（Ｆｌａ）²≦０．０５ （1）
ここで、Δｓ：前群光学系Ｇａの全移動距離、Ｄ１ａ：前群光学系Ｇａの移動で中間位置に来たときの対物光学系１２の後側焦点と前群光学系Ｇａの前側焦点との間隔、Ｆｌａ：前群光学系Ｇａの焦点距離である。

検出光学系１５は、光ファイバ１４により導光されてきた蛍光または反射光を略平行光にするコリメートレンズ１９と、波長ごとに分岐する複数のダイクロイックミラー２０およびミラー２１と、バリアフィルタ２２と、集光レンズ２３と、光検出器２４とを備えている。

このように構成された本実施形態に係るフォーカス調整ユニット１およびレーザ走査型顕微鏡２の作用について説明する。
本実施形態に係るレーザ走査型顕微鏡２を使用して試料Ａの観察を行うには、対物光学系１２の先端を試料Ａに密着させた状態で、レーザ光源３から光ファイバ５を介して顕微鏡本体６に導かれたレーザ光をダイクロイックミラー８により偏向し、近接ガルバノミラー９によって２次元的に走査し、瞳投影光学系１０、結像光学系１１、フォーカス調整ユニット１および対物光学系１２を介して試料Ａに集光する。

レーザ光が照射された試料Ａにおいては、蛍光物質が励起されることにより蛍光が発生し、発生した蛍光は、対物光学系１２によって略平行光を含む緩い角度の発散光または収束光に変換され、フォーカス調整ユニット１で略平行光にされた後、結像光学系１１で結像され、瞳投影光学系１０で略平行光にされて、近接ガルバノミラー９を介して戻り、ダイクロイックミラー８を透過してカップリング光学系１３によって光ファイバ１４の端部に集光され、光ファイバ１４によって導光された後に検出光学系１５により検出される。

この場合において、例えば、図２および図３に示されるように、レンズ駆動手段１８によって前群光学系Ｇａを光軸方向に移動すると、フォーカス調整ユニット１と対物光学系１２との間の光の広がり角が変化するので、対物光学系１２の作動距離（対物光学系先端を基準として焦点が合う距離）が変化する。
したがって、対物光学系１２を動かすことなく、試料Ａ内の任意の深さの画像を観察することができる。さらに、前群光学系Ｇａを動かしながら複数の画像を取得すれば、試料Ａの３次元画像を取得することができる。

ここで、本発明の原理を、図４を参照して説明する。
図４において、
Δ：フォーカス調整ユニット１の前群光学系Ｇａの位置
δ：フォーカス調整ユニット１の後群光学系Ｇｂの位置
Ｆｌａ：フォーカス調整ユニット１の前群光学系Ｇａの焦点距離
Ｆｌｂ：フォーカス調整ユニット１の後群光学系Ｇｂの焦点距離
ｎ：試料Ａの屈折率
Ｆｏｂ：対物光学系１２の焦点距離
Ｆｔｌ：結像光学系１１の焦点距離
Ｄ１：対物光学系１２の後側焦点を基準としたときのフォーカス調整ユニット１の前群光学系Ｇａの前側焦点のＺ座標
Ｄ２：フォーカス調整ユニット１の後群光学系Ｇｂの後側焦点を基準としたときの結像光学系１１の前側焦点のＺ座標である。
なお、対物光学系１２側が前、結像光学系１１側が後とし、後側を正として光軸をＺ軸をとっている。各光学系の焦点の座標およびΔ，δ，Ｄ１，Ｄ２はフォーカス調整ユニット１がアフォーカル光学系として成立しているときの位置を基準としている。

また、図４において、ＦＦｏｂ：対物光学系１２の前側焦点、ＦＢｏｂ：対物光学系１２の後側焦点、Ｚｏｂ：観察位置、ＦＦｇａ：フォーカス調整ユニット１の前群光学系Ｇａの前側焦点、ＦＢｌａ：フォーカス調整ユニット１の前群光学系Ｇａの後側焦点、ＦＦｇａ：フォーカス調整ユニット１の後群光学系Ｇｂの前側焦点、ＦＢｇｂ：フォーカス調整ユニット１の後群光学系Ｇｂの後側焦点、ＦＦｔｌ：結像光学系１１の前側焦点である。

前群光学系ＧａがΔ、後群光学系Ｇｂがδだけ移動する場合、対物光学系１２の作動距離の変化量Ｚｗｄは、
Ｚｗｄ＝ｎ（Δ−δ）ｘ（Ｆｏｂ／Ｆｌａ）^２／（１＋Ａ） （３）
横倍率Ｍは、
Ｍ＝（Ｆｔｌ／Ｆｏｂ）（Ｆｌａ／Ｆｌｂ）（１＋Ａ） （４）
ただし、
Ａ＝（Ｄ１＋Δ）（Δ−δ）／Ｆｌａ^２ （５）
である。
なお、これらの式（３）〜（５）は、各光学系が負の屈折率を有しても成り立つ式である。

式（３）より、後群光学系Ｇｂは固定（すなわちδ＝０）とすると、Ｚｗｄの変化する範囲は主にΔの動く範囲できまることが分かる。
ここで、前群光学系Ｇａは、Δ＝０（後群光学系Ｇｂと前群光学系Ｇａがアフォーカルになる位置）の近傍で動かし、かつ、対物光学系１２の後側焦点を前群光学系Ｇａの前側焦点近傍にする、すなわちＤ１を小さくするように各光学系を配置する。
こうすると、式（５）より、Δ＝０近傍でのΔに対するＡの変化量が小さくなるので、前群光学系Ｇａを動かしても（Δを変えても）横倍率Ｍの変化を小さくすることができる。
具体的には、Ｄ１ａは、前記式（１）を満足するように設定することが望ましく、この条件により式（５）のＡおよび横倍率Ｍの変化をほぼ５％以下に抑えることができる。

（実施例１）
次に、本実施形態に係るフォーカス調整ユニット１の実施例について、具体的に数値を挙げて説明する。図２において、対物光学系１２の焦点距離Ｆｏｂ＝9ｍｍ、前群光学系Ｇａの焦点距離Ｆｌａ＝２２．５ｍｍ、後群光学系Ｇｂの焦点距離Ｆｌｂ＝２２．５ｍｍ、結像光学系１１の焦点距離Ｆｔｌ＝６０ｍｍとする。

また、図２において、Ｄ１＝Ｄ１ａ＝１０ｍｍ，Ｄ２＝０ｍｍ，Δを−１ｍｍから＋１ｍｍまで変化させ、したがって、Δｓ＝２ｍｍとする。図５および図６に、前群光学系Ｇａの変位Δ（横軸）に対する対物光学系１２の作動距離の変化量Ｚｗｄおよび横倍率Ｍの変化を破線で示す。

上記数値を式（１）にあてはめると、
Ｄ１ａ×Δｓ／（Ｆｌａ）²＝１０×２／２２．５^２≒０．０３９５＜０．０５
となり、式（１）が満たされていることがわかる。

すなわち、対物光学系１２の作動距離を変化させても、倍率Ｍの変化を十分に小さく（５％以下）に抑えることができる。
一方、この式（１）の条件からから外れる場合には、対物光学系１２の作動距離を変化させると倍率Ｍの変化が大きくなるという不都合がある。

また、図３に示されるように、図２の状態からさらに、
Ｄ１＝Ｄ１ａ＝０ｍｍ
に設定すると、Δ＝０近傍でのΔに対する式（５）のＡの変化量が０になるので、さらに倍率Ｍの変化を小さくすることができる。
前群光学系Ｇａの変位Δ（横軸）に対する対物光学系１２の作動量の変化量Ｚｗｄ、および横倍率Ｍの変化を図５および図６に実線で示す。これによれば、倍率Ｍの変化を非常に小さくすることができる。
また、この光学系の射出瞳位置をＺｐｉｍとすると、１／Ｚｐｉｍ＝０に近い値をとることが望ましく、このためには、Ｄ２はできるだけ小さな値にすることが望ましい。

（実施例２）
なお、実施例１においては、レンズ駆動手段１８が前群光学系Ｇａを光軸方向に移動させる場合について説明したが、これに代えて、図７〜図９に示されるように、前群光学系Ｇａを固定（すなわちΔ＝０）し、後群光学系Ｇｂを光軸方向に移動させることにしてもよい。
ここで、対物光学系１２の後側焦点を前群光学系Ｇａの前側焦点近傍にする、すなわちＤ１を小さくするように各光学系を配置することが望ましい。
こうすると、式（５）より、δに対するＡの変化量が小さくなるので、後群光学系Ｇｂを動かしても（δを変えても）横倍率Ｍの変化を小さくすることができる。
具体的には、Ｄ１ａは、以下の式（２）を満足するように設定することが望ましい。

｜Ｄ1×δｓ｜／（Ｆｌａ）²≦０．０５ （2）
この条件により式（５）のＡの変化をほぼ５％以下に抑えることができる。
ここで、δｓ：後群光学系Ｇｂの全移動距離、Ｄ１：結像光学系１１の後側焦点と前群光学系Ｇａの前側焦点との間隔、Ｆｌａ：前群光学系Ｇａの焦点距離である。

この場合においても同様に、δが−１ｍｍから＋１ｍｍまで変化させられることとすると、δｓ＝２ｍｍであり、後群光学系Ｇｂの変位δ（横軸）に対する対物光学系１２の作動距離の変化量Ｚｗｄおよび横倍率Ｍの変化は、図９および図１０にそれぞれ破線で示されるようになる。各光学系の焦点距離を実施例１と同じに設定すれば、実施例１と同様にして式（２）の条件が満たされていることがわかる。また、実施例１においては倍率Ｍが非線形に変化していたのが、この例によれば倍率Ｍの変化は線形である。

式（５）において、Ｄ１＝０、Δ＝０ならば、Ａは常に０となるので、δを変えて作動距離を変えても倍率Ｍは変化しないことになる。また、Δに対して作動距離も線形に変化する。
したがって、図８に示されるように、図７の状態からさらに、Ｄ１＝０ｍｍに設定すると、図９および図１０にそれぞれ実線で示されるようにさらに倍率Ｍの変化を全くなくすことができる。

（実施例３）
また、上記実施例１，２においては光学系Ｇａ，Ｇｂとして焦点距離の同じものを用いたが、これに代えて前群光学系Ｇａと後群光学系Ｇｂとして焦点距離が互いに異なるものを用いてもよい。
従来の顕微鏡システムでは、結像光学系１１および対物光学系１２の瞳径は一般的には数ｍｍ〜十数ｍｍである。

フォーカス調整ユニット１において、｜Ｆｌａ｜＜｜Ｆｌｂ｜とすると、結像光学系１１の大きい瞳径を対物光学系１２側で｜Ｆｌａ／Ｆｌｂ｜に縮小することができる。これにより、対物光学系１２の外径を小さくすることが可能になり、小動物に対して侵襲度を低くしたり、対物光学系１２を生体に刺したままの状態に留置したりすることができる。
これにより、システムとして従来の顕微鏡対物レンズと小動物用の小型の対物光学系１２の互換性を保つシステムが実現できる。

図１１は前群光学系Ｇａと後群光学系Ｇｂの両方に正の焦点距離を有する光学系を用いた場合の例であり、レンズ駆動手段１８によって後群光学系Ｇｂが移動する。δは−０．５ｍｍ〜＋０．５ｍｍ、したがってδｓ＝１．０ｍｍである。

対物光学系１２の焦点距離Ｆｏｂ＝−９ｍｍ、前群光学系Ｇａの焦点距離Ｆｌａ＝９ｍｍ、後群光学系Ｇｂの焦点距離Ｆｌｂ＝３６ｍｍ、結像光学系１１の焦点距離Ｆｔｌ＝７２ｍｍ、Ｄ１＝０ｍｍ、Ｄ２＝０ｍｍ、結像光学系１１に対する対物光学系１２の瞳径は１／４となっている。対物光学系１２は鏡筒長を長くするため、内部で一回結像したあと、正レンズで略平行光にするようになっている。このため、対物光学系１２の焦点距離は負の値である。
これによれば、図１３に示されるように、後側光学系Ｇｂを光軸方向に変位させて対物光学系の作動距離を変化させても、図１４に破線で示されるように、倍率を変化させずに済むことになる。

また、図１２は前群光学系Ｇａとして負の焦点距離を有する光学系、後群光学系Ｇｂとして正の焦点距離を有する光学系を用いた場合の例であり、レンズ駆動手段１８によって後群光学系Ｇｂが移動する。δは−０．５ｍｍ〜＋０．５ｍｍ、したがって、δｓ＝１．０ｍｍである。

対物光学系１２の焦点距離Ｆｏｂ＝−９ｍｍ、前群光学系Ｇａの焦点距離Ｆｌａ＝−９ｍｍ、後群光学系Ｇｂの焦点距離Ｆｌｂ＝３６ｍｍ、結像光学系１１の焦点距離Ｆｔｌ＝７２ｍｍ、Ｄ１＝０ｍｍ、Ｄ２＝０ｍｍである。
対物光学系１２は上記と同様の理由により、焦点距離が負の値である。結像光学系１１に対する対物光学系１２の瞳径は１／４となっている。

前群光学系Ｇａの焦点距離を負にすることで、フォーカス調整ユニット１内で結像する必要がなくなる。これにより、フォーカス調整ユニット１全体の長さを図１３の場合より短くすることができる。
また、前群光学系Ｇａの焦点距離を負にすると、前群光学系Ｇａの前側焦点を対物光学系１２の胴付位置より前側に持ってくることが難しくなる。この構成をとる場合には、対物光学系１２の後側焦点を対物光学系１２の胴付位置より後側になるようすることが望ましく、本実施例でもこのように構成している。
これにより、図１２に示されるように、後側光学系Ｇｂを光軸方向に変位させて対物光学系１２の作動距離を変化させても、図１３に実線で示されるように、倍率Ｍを変化させずに済むことになる。

（実施例４）
本実施例は、使用する対物光学系１２が複数ある場合であって、使用する対物光学系１２によって、対物光学系１２の胴付位置（取り付け位置）を基準としたときに、対物光学系１２の後側焦点の位置Ｄｏｂが異なる場合があることを想定したものである。
この場合には、フォーカス調整ユニット１全体を動かす機構を設けて、対物光学系１２の後側焦点位置Ｄｏｂを調整し、式（２）に合うようにする。

図１５および図１６は対物光学系１２と結像光学系１１の胴付位置が予め決まっていて、内部にあるレンズ駆動手段１８を含むフォーカス調整ユニット１を一体的に光軸方向に移動させる移動機構２５により、対物光学系１２の後側焦点位置Ｄｏｂを調整する方法である。このようにすることで、対物光学系１２の同焦位置を変化させずに済むという利点がある。

図１７は、移動機構２５により、フォーカス調整ユニット１の前後（対物光学系１２側と結像光学系１１側）が各々調整できるようになっている例である。これにより、対物光学系１２の後側焦点位置Ｄｏｂを調整するのと同時に、Ｄ２も調整できるようになっており、結像光学系１１の後側の射出瞳位置の調整もできるという利点がある。

本実施例では対物光学系１２の作動距離を変化させるのに、後群光学系Ｇｂを駆動するようにしているが、前群光学系Ｇａを駆動するようにしてもよい。その際は、フォーカス調整ユニット１およびレンズ駆動手段１８が式（１）を満たすように調整すればよい。

（実施例５）
通常のレーザ走査型光学系では、横方向走査手段の近傍（近接ガルバノミラー９では、2つのミラーの中間近傍）に射出瞳位置が来るようにしている。
しかし、フォーカス調整ユニット１が後群光学系Ｇｂ（または前群光学系Ｇａ）を動かして、対物光学系１２の作動距離を変化させると、瞳投影光学系１０の射出瞳位置が変化してしまう。通常は対物光学系１２で光線のケラレ具合が決まっているので、瞳位置が多少変化しても、あまり問題にならない。

しかし、対物光学系１２の瞳と比較して、それ以外の部分で決まる瞳がほぼ同じ場合か小さい場合、作動距離が変化すると、光線のケラレ具合が変わり不都合が生じる場合がある。
本実施例では、図１８に示されるように、近接ガルバノミラー９と、ダイクロイックミラー８、コリメ−ト光学系７、カップリング光学系４、光ファイバ５，１４先端部で構成されるスキャン光学系２６を一体的に瞳位置合わせ手段２７で瞳投影光学系１０の光軸方向に動かして瞳位置を合わせる構成にして、上記不都合を解決している。

スキャン光学系２６の位置Ｚｐは以下のようにすると、対物光学系１２の入射瞳位置が無限遠のときの射出瞳位置をガルバノミラー９近傍に一致させることができる。ただし、位置Ｚｐの原点は瞳投影光学系１０の後側焦点にとる。
Ｚｐ＝−（Ｆｐｌ／Ｆｔｌ）^２・｛（Ｄ２−δ）＋（Ｄ１＋Δ）・（Ｆｌｂ／Ｆｌａ）^２／（１＋Ａ）｝
ただし、
Ａ＝（Ｄ１＋Δ）（Δ−δ）／Ｆｌａ^２
Ｆｐｌ：瞳投影光学系１０の焦点距離である。

後群光学系Ｇｂのみ動く（Δ＝０）場合のスキャン光学系２６の動かし方は以下の通りである。
Ｄ１＝０，Ｄ２＝０の場合、Ｚｐ＝δ・（Ｆｐｌ／Ｆｔｌ）^２
すなわち、後群光学系Ｇｂの動き量に対して（Ｆｐｌ／Ｆｔｌ）^２倍した値だけスキャン光学系２６を動かせばよい。

また、Ｄ１＝０の場合、Ｚｐ＝（δ−Ｄ２）・（Ｆｐｌ／Ｆｔｌ）^２
すなわち、はじめに、−Ｄ２・（Ｆｐｌ／Ｆｔｌ）^２だけずらしておき、その位置を基準に後群光学系Ｇｂの動き量に対して（Ｆｐｌ／Ｆｔｌ）^２倍した値だけスキャン光学系２６を動かせばよい。

また、Ｄ１，Ｄ２が０でない場合、式（２）より、（１＋Ａ）＝１なので、
Ｚｐ＝−（Ｆｐｌ／Ｆｔｌ）^２・｛（Ｄ２−δ）＋Ｄ１・（Ｆｌｂ／Ｆｌａ）^２｝
＝δ・（Ｆｐｌ／Ｆｔｌ）^２−Ｄ２・（Ｆｐｌ／Ｆｔｌ）^２−Ｄ１・（Ｆｐｌ／Ｆｔｌ）^２・（Ｆｌｂ／Ｆｌａ）²
すなわち、はじめに、−Ｄ２・（Ｆｐｌ／Ｆｔｌ）^２−Ｄ１・（Ｆｐｌ／Ｆｔｌ）^２・（Ｆｌｂ／Ｆｌａ）^２だけずらしておき、その位置を基準に後群光学系Ｇｂの動き量に対して、（Ｆｐｌ／Ｆｔｌ）^２倍した値だけスキャン光学系２６を動かせばよい。

また、前群光学系Ｇａのみが動く（δ＝０）場合のスキャン光学系２６の動かし方は以下の通りである。
この場合、式（１）または式（２）より、（１＋Ａ）＝１、Ｚｐ＝−（Ｆｐｌ／Ｆｔｌ）^２・｛（Ｄ２−δ）＋（Ｄ１＋δ）・（Ｆｌｂ／Ｆｌａ）^２｝である。

Ｄ１＝０，Ｄ２＝０のとき、Ｚｐ＝−Δ・（Ｆｐｌ／Ｆｔｌ）^２・（Ｆｌｂ／Ｆｌａ）^２なので、前群光学系Ｇａの動き量に対して−（Ｆｐｌ／Ｆｔｌ）^２・（Ｆｌｂ／Ｆｌａ）^２倍した値だけスキャン光学系２６を動かせばよい。
また、Ｄ１＝０の場合、Ｚｐ＝−（Ｆｐｌ／Ｆｔｌ）^２・｛Ｄ２＋Δ・（Ｆｌｂ／Ｆｌａ）^２｝なので、はじめに、−Ｄ２・（Ｆｐｌ／Ｆｔｌ）^２だけずらしておき、前群光学系Ｇａの動き量に対して−（Ｆｐｌ／Ｆｔｌ）^２・（Ｆｌｂ／Ｆｌａ）^２倍した値だけスキャン光学系２６を動かせばよい。

また、Ｄ１，Ｄ２が０でない場合、Ｚｐ＝−（Ｆｐｌ／Ｆｔｌ）^２・｛Ｄ２＋（Ｄ１＋Δ）・（Ｆｌｂ／Ｆｌａ）^２｝なので、はじめに、−Ｄ２・（Ｆｐｌ／Ｆｔｌ）^２−Ｄ１・（Ｆｐｌ／Ｆｔｌ）^２だけずらしておき、前群光学系Ｇａの動き量に対して−（Ｆｐｌ／Ｆｔｌ）^２・（Ｆｌｂ／Ｆｌａ）^２倍した値だけスキャン光学系２６を動かせばよい。

本発明の一実施形態に係るレーザ走査型顕微鏡を示す全体構成図である。 図１のレーザ走査型顕微鏡に用いられる第１の実施形態に係るフォーカス調整ユニット（実施例１）を示す図である。 図２のフォーカス調整ユニットの前群光学系の前側焦点と対物レンズの後側焦点とを一致させた状態を示す図である。 図１のレーザ走査型顕微鏡に用いられる本実施形態に係るフォーカス調整ユニットの原理を説明する図である。 図２および図３の位置におけるフォーカス調整ユニットの前群光学系の変位と横倍率との関係を示すグラフである。 図２および図３の位置におけるフォーカス調整ユニットの前群光学系の変位と対物レンズの作動距離の変化量との関係を示すグラフである。 図１のレーザ走査型顕微鏡に用いられる実施例２のフォーカス調整ユニットを示す図である。 図７のフォーカス調整ユニットの前群光学系の前側焦点と対物レンズの後側焦点とを一致させた状態を示す図である。 図７および図８のフォーカス調整ユニットの後群光学系の変位と対物レンズの作動距離の変化量との関係を示すグラフである。 図７および図８のフォーカス調整ユニットの後群光学系の変位と横倍率との関係を示すグラフである。 図１のレーザ走査型顕微鏡に用いられる実施例３のフォーカス調整ユニットを示す図である。 図１のレーザ走査型顕微鏡に用いられる実施例３のフォーカス調整ユニットの変形例を示す図である。 図１１および図１２のフォーカス調整ユニットの後群光学系の変位と対物レンズの作動距離の変化量との関係を示すグラフである。 図１１および図１２のフォーカス調整ユニットの後群光学系の変位と横倍率との関係を示すグラフである。 図１のレーザ走査型顕微鏡に用いられる実施例４のフォーカス調整ユニットを示す図である。 図１５のフォーカス調整ユニットの前群光学系の前側焦点と対物レンズの後側焦点とを一致させた状態を示す図である。 図７のフォーカス調整ユニットが前後に各々光軸方向に位置調整できるようになっている例を示す図である。 図１のレーザ走査型顕微鏡の変形例であって、光軸方向に移動可能なスキャン光学系を有するレーザ走査型顕微鏡の顕微鏡本体を示す図である。

符号の説明

Ａ 試料
Ｇａ 前群光学系
Ｇｂ 後群光学系
１ フォーカス調整ユニット
２ レーザ走査型顕微鏡（顕微鏡システム）
５ 光ファイバ（光射出部）
６ コリメート光学系（第１のコリメート光学系）
８ ダイクロイックミラー（検出光分離手段）
９ 近接ガルバノミラー（横方向走査手段）
１０ 瞳投影光学系
１１ 結像光学系
１２ 対物光学系
１３ カップリング光学系（第２のコリメート光学系）
１４ 光ファイバ（光受光部）
１８ レンズ駆動手段
２６ スキャン光学系
２７ 瞳位置合わせ手段

Claims (11)

1. 試料からの光を略平行光に変換する対物光学系と、該対物光学系からの略平行光を所定の位置に結像する結像光学系とを備える顕微鏡システムに使用され、前記対物光学系と前記結像光学系との間に配置され、前記対物光学系の作動距離を変化させるためにフォーカス調整ユニットであって、
   前記対物光学系側を前側、結像光学系を後側として、
   少なくとも前側から順に配置された、屈折力を有する前群光学系および後群光学系と、
   前記前群光学系を光軸方向に駆動して、両光学系の光軸方向の距離を相対的に変化させるレンズ駆動手段とを備え、
   前記前群光学系は、その前側焦点が前記対物光学系の後側焦点の近傍に位置するように配置され、
   以下の条件式（１）を満たすフォーカス調整ユニット。
   ｜Ｄ１ａ×Δｓ｜／（Ｆｌａ）^２ ≦０．０５ （１）
   ここで、
   Δｓ：前群光学系の全移動距離、
   Ｄ１ａ：前群光学系の移動で中間位置に来たときの前記対物光学系の後側焦点と前記前群光学系の前側焦点との間隔、
   Ｆｌａ：前群光学系の焦点距離
   である。
2. Ｄ１ａ＝０
   である請求項１に記載のフォーカス調整ユニット。
3. 前記前群光学系および前記後群光学系が、互いにアフォーカル光学系として成立する位置を中心として移動させられる請求項１または請求項２に記載のフォーカス調整ユニット。
4. ｜Ｆｌａ｜＞｜Ｆｌｂ｜
   である請求項１から請求項３のいずれかに記載のフォーカス調整ユニット。
5. 前記前群光学系の焦点距離が負の値である請求項４に記載のフォーカス調整ユニット。
6. 前記対物光学系の後側焦点が前記対物光学系の胴付位置より後側にある請求項５に記載のフォーカス調整ユニット。
7. 前記対物光学系の後側焦点と前記前群光学系の前側焦点の間隔を調整する調整機構を有する請求項１から請求項６のいずれかに記載のフォーカス調整ユニット。
8. 前記後群光学系の後側焦点が、前記結像光学系の前側焦点の近傍に配置されている請求項１から請求項７のいずれかに記載のフォーカス調整ユニット。
9. 前記後群光学系の後側焦点と前記結像光学系の前側焦点の間隔を調整する調整機構を有する請求項１から請求項８のいずれかに記載のフォーカス調整ユニット。
10. 試料からの光を集光する対物光学系と、
    該対物光学系により集光された光を所定の位置に結像する結像光学系と、
    請求項１から請求項９のいずれかのフォーカス調整ユニットと、
    前記結像レンズの後側に配置され該結像レンズで所定の位置に結像された試料の像を平行光束にする瞳投影光学系と、
    該瞳投影光学系により略平行光束にされた光を横方向に走査する横方向走査手段と、試料を照明または励起する光を射出する光射出部と、試料からの光を受光する光受光部と、前記光射出部からの光を略平行光にする第１のコリメート光学系と、前記試料からの光を前記光受光部に集光する第２のコリメート光学系と、前記光射出部からの光と試料からの光とを分離する検出光分離手段とを備えるスキャン光学系とを備える光走査型顕微鏡。
11. 前記スキャン光学系を前記瞳投影光学系の光軸方向に移動させて前記横方向走査手段近傍に瞳位置を一致させる瞳位置合わせ手段を備える請求項１０に記載の光走査型顕微鏡。

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