JP5639182B2 - ビームスプリッタ装置、光源装置および走査型観察装置 - Google Patents

Description

本発明は、ビームスプリッタ装置、光源装置および走査型観察装置に関するものである。

従来、光源から発せられた１本のレーザ光線を複数本のレーザ光線に分岐するビームスプリッタ装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。このビームスプリッタ装置は、平坦な半透過鏡を挟んで互いに異なる距離を開けて配置された少なくとも２つの高反射鏡を備え、半透過鏡に全反射体もしくは反射防止体として形成された部分を有している。

このビームスプリッタ装置によれば、半透過鏡の一側から入射させたレーザ光線が半透過鏡によって分岐され、半透過鏡の両側に配置された高反射鏡によって反射されて半透過鏡に戻される。この工程を繰り返すことにより、１本のレーザ光線が、光路長の異なる複数本のレーザ光線に分岐される。そして、高反射鏡に微小角度を付与しておくことにより、分岐された複数本のレーザ光線を一箇所に集合させることができる。

特許第３９２７５１３号公報

しかしながら、特許文献１に開示されているビームスプリッタ装置を走査型顕微鏡などの走査型観察装置に応用した場合、被検体からの光応答を効果的に発生させると同時に、発生した光応答を照射位置ごとに区別して検出しなければならない。
すなわち、特許文献１記載のビームスプリッタ装置のように、複数本の光によって被検体を同時に照射する場合、被検体表面及び内部における光の散乱によって、異なる照射位置で発生した光応答が検出器上で空間的に重なり、該光応答が照射位置ごとに区別できなくなってしまうという不都合が生じる。これは、被検体のより深部からの光応答を観察しようとすればするほど、光の散乱はより強くなり、空間的な重なりはより顕著になってしまう。
また、被検体に照射される光は、適切な間隔を持って調整され照射される必要がある。しかしながら、特許文献１に開示されているビームスプリッタ装置では、高反射鏡の角度設定のみによって、分岐された各レーザ光線を異なる相対角度に設定する場合、集合点が光軸方向に移動してしまうという不都合がある。集合点を光軸方向に移動させることなくレーザ光線間の相対角度を異ならせるためには、高反射鏡の角度設定を変更するだけでは足りず、その位置も移動しなければならない。また、レーザ光線を複数に分岐する場合、分岐ごとに反射鏡の角度設定を細かく変更する必要がある。そのため、高反射鏡の設定作業が繁雑になり、装置構成も複雑になるという不都合がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、複数本の光によって被検体を照射する場合の被検体からの光応答が検出器上で空間的に重なり合っても、該光応答を時間軸上で分離して検出することが可能なビームスプリッタ装置および光源装置と、前述のビームスプリッタ装置を用いた高速なスキャニングを可能とする走査型観察装置を提供することを目的とする。さらに本発明は、１本のビームを、光路長の異なる複数本のビームに分岐しつつ、ビーム間の相対角度が異なっても、簡易な構成で、光軸方向の同一位置に集合させることができるビームスプリッタ装置および光源装置と、前述のビームスプリッタ装置を用いた高速なスキャニングを可能とする走査型観察装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様は、入力されるパルス光から被検体に照射される複数のパルス光を生成するビームスプリッタ装置であって、入力されたパルス光を２つの光路に分岐する１以上の分波部と、該分波部によって分岐された２つの光路を通過するパルス光に、該パルス光によって生じる被検体における反応を分離するに足る相対的な時間遅延を付与する１以上の遅延部と、該遅延部によって相対的な時間遅延を付与された複数のパルス光に相対的な角度を付与して同一箇所に集合させるビーム角度設定部とを備えるビームスプリッタ装置である。

本発明の第１の態様によれば、入力されたパルス光が分波部によって２つの光路に分岐される。各光路に分岐されたパルス光は、各光路を通過する間に、遅延部によって相対的な時間遅延を付与される。そして、相対的な時間遅延を付与された２つのパルス光は、ビーム角度設定部によって相対的な角度を付与されて同一箇所に集合されて被検体に照射される。

相対的な角度を以て同一箇所に集合されることで、その集合位置をその後段の光学系（例えは、対物光学系）の瞳位置またはその光学的に共役な位置に配置して全てのパルス光を通過させることができる。そして、その光学系の焦点位置には、空間的に間隔をあけて多点に集光させることができる。
この場合において、遅延部による相対的な時間遅延は、被検体における蛍光や散乱等の応答時間より長い。斯くして、各パルス光による被検体における反応が合成されてしまうことなく、時間軸上で分離して検出することが可能となる。

上記態様においては、前記分波部によって分岐された各光路に配置され、各光路において瞳をリレーするリレー光学系と、該リレー光学系によってリレーされた複数のパルス光を合波する１以上の合波部とを備え、前記ビーム角度設定部が、前記分波部によって分岐されたパルス光の一方に、もう一方のパルス光に対して相対的な角度を持つように角度を付与してもよい。

このようにすることで、入力されたパルス光が、分波部によって光路長の異なる２つの光路に分岐され、それぞれの光路に配置されたリレー光学系によってリレーされた後、合波部によって合波される。この際、分波部によって２つの光路に分岐されたパルス光の一方は、ビーム角度設定部によってもう一方のパルス光に対して相対的な角度を持つように角度が付与される。これにより、光路長が異なり、相対的な角度が付与された２つの光路のパルス光を一箇所に集合させることができる。

この場合において、分波部によって２つの光路に分岐されたパルス光は、それぞれの光路に配置されたリレー光学系によって瞳がリレーされるため、分岐された各パルス光を異なる相対角度に設定する場合にも、その集合点が光軸方向に移動してしまうことを防止することができる。すなわち、この態様によれば、各パルス光の相対角度が異なっても、リレー光学系という簡易な構成によって、光軸方向の同一の瞳位置に複数のパルス光を集合させることができる。

これにより、各パルス光の相対角度を変更しても、後段に配置される光学系に同一の入射条件で入射させることができる。例えば顕微鏡対物レンズの瞳位置に相対的な角度が付与された複数のパルス光を集合させることで、対物レンズの焦点面上の異なる位置にパルス光を照射することができる。そして、相対角度を異ならせることで、照射位置の間隔を異ならせることができ、その際に光量が変動してしまうことを防止することができる。

上記態様において、前記リレー光学系が、少なくとも一対のレンズを備え、前記ビーム角度設定部が、前記一対のレンズの間もしくは、複数対のレンズ間に配置されていることとしてもよい。
このようにすることで、ビーム角度設定部によって分岐されたパルス光に相対的な角度が付与された場合にも、一対のレンズによって瞳がリレーされるため、その集合点が光軸方向に移動してしまうことを防止することができる。また、このようなレンズを複数対備え、これら複数対のレンズによって２つの光路の瞳をリレーすることで、そのレンズ径を小さくすることができる。

上記態様において、前記ビーム角度設定部が、前記分波部によって分岐されたパルス光を反射する第１のミラーと、該第１のミラーによって反射されたパルス光を前記合波部に向けて反射する第２のミラーと、前記第１のミラーおよび前記第２のミラーを、これらミラー間における光軸方向に一体的に平行移動させる平行移動機構とを備えることとしてもよい。
平行移動機構によって、第１のミラーおよび第２のミラーを、これらミラー間における光軸方向に一体的に平行移動させることで、分波部によって分岐されたパルス光に相対的な角度を付与することができる。

上記態様において、前記ビーム角度設定部が、前記分波部によって分岐されたパルス光を前記合波部に向けて反射するミラーと、該ミラーをパルス光の光軸に直交する軸線回りに揺動させる揺動機構とを備えることとしてもよい。
揺動機構によって、ミラーをパルス光の光軸に直交する軸線回りに揺動させることで、分波部によって分岐されたパルス光に相対的な角度を付与することができる。

上記態様において、前記ビーム角度設定部が、前記分波部と前記合波部の少なくとも一方をパルス光の光軸に直交する軸線回りに揺動させる揺動機構とを備えることとしてもよい。
揺動機構によって、分波部と合波部の少なくとも一方をパルス光の光軸に直交する軸線回りに揺動させることで、分波部によって分岐されたパルス光に相対的な角度を付与することができる。

上記態様において、前記分波部、前記合波部、前記リレー光学系、および前記ビーム角度設定部から構成されるユニットを直列に複数備え、前記ビーム角度設定部が、前記分波部と前記合波部との間にそれぞれ配置されていることとしてもよい。
分波部、合波部、リレー光学系、およびビーム角度設定部からなるユニットを複数備えることで、入力されたパルス光を複数の光路に分岐し、分岐した各パルス光にビーム角度設定部によって相対的な角度を付与することができる。これにより、光路長が異なり、相対的な角度が付与された複数の光路のパルス光を一箇所に集合させることができる。

上記態様において、前記分波部によって分岐された２つの光路のパルス光を合波するとともに、合波したパルス光を光路長の異なる２つの光路に分岐する合分波部を少なくとも１つ備え、前記リレー光学系が、前記合分波部によって分岐されたそれぞれの光路に配置され、前記ビーム角度設定部が、前記合分波部によって分岐されたパルス光に相対的な角度を付与することとしてもよい。

このような合分波部を少なくとも１つ備えることで、入力されたパルス光を分波部および合分波部によって複数の光路に分岐し、分岐した各パルス光にビーム角度設定部によって相対的な角度を付与することができる。これにより、光路長の異なり、相対的な角度が付与された複数の光路のパルス光を一箇所に集合させることができる。

上記態様において、前記合波部の上流側のいずれかの光路に配置され、２つの光路の偏光状態を相互に直交させる偏光変調部を備え、前記合波部が、偏光ビームスプリッタであることとしてもよい。
偏光変調部により２つの光路の偏光状態を相互に直交させるとともに、合波部を偏光ビームスプリッタとすることで、分波部または合分波部により分岐された２つの光路のパルス光のうち、一方を透過させるとともに、他方を反射することができる。これにより、合波部によって２つの光路のパルス光を漏れなく合波して、これらパルス光の光量損失を抑制することができ、入力されたパルス光の利用効率を向上することができる。

また、本発明の第２の態様は、入力されるパルス光から被検体に照射される複数のパルス光を生成するビームスプリッタ装置であって、入力されたパルス光を２つの光路に分岐する１以上の分波部と、該分波部によって分岐された２つの光路を通過するパルス光に、該パルス光によって生じる被検体における反応を分離するに足る相対的な時間遅延を付与する１以上の遅延部と、該遅延部によって時間遅延を付与された２つのパルス光を合波する１以上の合波部と、前記分波部によって分岐された各光路に設けられ、前記合波部により合波されるパルス光を該合波部上において異なる位置に入射させ、最終の前記合波部後において、各前記パルス光の光束の主光線を互いに平行にする固定変位部と、最後の前記合波部後に配置された少なくとも１枚のレンズとを備えるビームスプリッタ装置である。

本態様によれば、入力されたパルス光が分波部によって２つの光路に分岐される。各光路に分岐されたパルス光は、各光路を通過する間に、遅延部によって相対的な時間遅延を付与される。そして、相対的な時間遅延を付与された２つのパルス光は、各光路に設けられた固定変位部によって該合波部上への入射位置を調整された後、合波部によって合波される。固定変位部により最終の合波部後において各パルス光の光束の主光線が互いに平行に調節されるので、その後段に配置されるレンズによって、正しく同一箇所に集合される。
この場合において、遅延部は、被検体における反応を分離するに足る相対的な時間遅延を２つのパルス光に与えるので、各パルス光による被検体における反応が合成されてしまうことなく、時間軸上で分離して検出することが可能となる。

上記態様においては、前記分波部によって分岐された各光路に配置され、各光路において瞳をリレーするリレー光学系を備えていてもよい。
このようにすることで、分波部によって分岐された各パルス光の光束径を、リレー光学系によって同一光束径とすることができる。これにより、生成された複数のパルス光を走査型観察装置に適用した場合に、分解能の変化を防止することができる。

また、上記態様においては、前記固定変位部が、少なくとも２枚のミラーと、該ミラーの内、少なくとも１枚のミラーを、該ミラーに入射するパルス光の光軸と平行な面内で該ミラー間の光路長を変化させるように平行移動させる平行移動機構とを備えていてもよい。
平行移動機構の作動により、ミラー間の光路長を変化させることができ、これによって、合波部により合波される２つのパルス光の合波部上における入射位置の間隔を変化させることができる。

また、上記態様においては、前記平行移動機構が、２枚のミラーを該ミラー間の光軸と平行な方向に移動可能に移動させてもよい。
このようにすることで、合波部により合波される２つのパルス光の合波部上における入射位置の間隔を変化させることができ、その場合においても、光路長の変化を防止することができる。光路長の変化を防止することで、光路長を新たに設定する必要がない。パルス光がレーザ光である場合に、伝播に従って、光束径に応じた所定の角度で発散するため、光路長が変化すると伝播後の光束径が変動することになるが、光路長を変化させないことで、光束径の変動を防止し、走査型観察装置に適用した場合における分解能の変化を防止することができる。

また、上記態様においては、前記固定変位部の後段に、少なくとも１つのレンズ群と、該レンズ群を、前記固定変位部による光軸の変位に同期させて、前記光軸の変位量と同一量だけ光軸に直交する方向に移動させるレンズ群移動機構とを備えていてもよい。
このようにすることで、固定変位部により光軸が変位されてもレンズ群移動機構によって光軸の変位量と同一量だけ光軸に直交する方向にレンズ群を移動させることができる。これにより、固定変位部によってパルス光の相対角度が変化しても、合波後のパルス光の主光線の互いに平行な状態を維持し、集合点の光軸方向へのズレを防止することができる。

また、前記固定変位部の後段と、前記最後の前記合波部後に配置された少なくとも１枚のレンズとの間に、図１９のように少なくとも１対のレンズ（３６ｂと１０６ｃ、３７ｂと１０７ａ）が各レンズの焦点位置が一致するように配置されていてもよい。（すなわち４ｆ光学系となっている。）
このようにすることで、固定変位部により光軸が変位されても、後段の光学系が４ｆ光学系となっているため、最後の合波部後のパルス光の主光線の互いに平行な状態を維持し、集合点の光軸方向へのズレを防止することができる。

また、本発明の第３の態様は、入力されるパルス光から被検体に照射される複数のパルス光を生成するビームスプリッタ装置であって、入力されたパルス光を２つに分岐する１以上の分波部と、該分波部によって分岐されたパルス光をそれぞれ伝播する光路長の異なる２以上の導光部材と、複数の前記導光部材の射出端から射出される複数のパルス光に相対的な角度を付与して同一箇所に集合させるビーム角度設定部とを備えるビームスプリッタ装置である。

上記態様によれば、入力されたパルス光が分波部によって２つに分岐され、分岐されたパルス光は、２以上の導光部材を伝播して、各導光部材の射出端から射出され、ビーム角度設定部によって、相対的な角度が付与されて同一箇所に集合させられる。２以上の導光部材はそれぞれ光路長が異なっているので、各射出端から射出されるパルス光には相対的な時間遅延が付与されている。これにより、導光部材の長さを調節するだけで、装置を大型化することなく各パルス光に十分な時間遅延を与えることができ、各パルス光による被検体における反応が合成されてしまうことなく、時間軸上で分離して検出することが可能となる。

この場合に、ビーム角度設定部としては、各導光部材の光軸が１点で交差するように射出端の方向を設定することにより構成してもよいし、各導光部材の光軸を平行となるように配置した場合には、これらの射出端から射出されたパルス光を同一箇所に集合するレンズにより構成してもよい。

また、本発明の第４の態様は、パルス光を射出するパルス光源と、該パルス光源から発せられたパルス光が入射される上記いずれかのビームスプリッタ装置とを備える光源装置である。
このような光源装置によれば、パルス光源から射出され、光路長が異なり、かつ、相対的な角度が付与された複数のパルス光の束を同一位置に集合させることができ、後段に配置される光学系の瞳位置に全て通過させることができる。

上記態様においては、前記ビームスプリッタ装置から射出された複数のパルス光を空間的に走査する走査部とを備えていてもよい。
このようにすることで、時間遅延の付与された複数のパルス光を、被検体上において多点のスポットを形成しつつ、該スポットを、走査部の作動により、被検体上において走査することができる。これにより、被検体のより広い範囲にパルス光を照射することができる。

また、本発明の第５の態様は、パルス光を射出するパルス光源と、該パルス光源から発せられたパルス光が入射される上記いずれかのビームスプリッタ装置と、該ビームスプリッタ装置から射出された複数のパルス光を、複数の前記導光部材の射出端を空間的に振動させることにより、空間的に走査する走査部とを備える光源装置である。

本発明の第６の態様は、上記いずれかのビームスプリッタ装置と、該ビームスプリッタ装置からの複数のパルス光を被検体上で走査する走査部と、該走査部により走査されたパルス光を前記被検体に照射する観察光学系と、該被検体からの信号光を検出する検出部とを備える走査型観察装置である。

上記様態において、検出部によって検出された信号光を、前記走査されたパルス光と同期させる処理部と、該処理部により同期された信号光を、被検体上の各点と対応付けて２次元情報もしくは３次元情報として復元する復元部と、２次元情報もしくは３次元情報を表示する表示部と、を備えることであることとしてもよい。

このような走査型観察装置によれば、ビームスプリッタ装置によって、光路長が異なり、相対的な角度が付与された複数のパルス光を一箇所に集合させ、被検体上の異なる位置に照射することができる。そして、走査部によって被検体上の照射位置を２次元的、もしくは３次元的に走査し、検出部によって被検体からの光を検出することによって、被検体の画像を生成することができる。

本発明によれば、ビーム間の相対角度が異なっても、簡易な構成で、光軸方向の同一位置に集合させることができるという効果を奏する。

本発明の第１の実施形態のビームスプリッタ装置の概略構成図である。 図１のビームスプリッタ装置による時間多重を説明する図であり、（ａ）は反射光学系で生じる時間遅延、（ｂ）はパルス光列を示している。 図１の変形例のビームスプリッタ装置の概略構成図である。 本発明の参考例として示すビームスプリッタ装置の概略構成図である。 図４のビームスプリッタ装置による時間多重を説明する図であり、（ａ）は反射光学系により生じる時間遅延、（ｂ）は反射光学系により生じる時間遅延、（ｃ）はパルス光列を示している。 本発明の第２の実施形態のビームスプリッタ装置の概略構成図である。 図６のビームスプリッタ装置によるパルス光の偏向方法を説明する図であり、（ａ）は無偏向時、（ｂ）は偏向時を示している。 図６の変形例のビームスプリッタ装置の概略構成図である。 本発明の第３の実施形態のビームスプリッタ装置の概略構成図である。 本発明の第４の実施形態のビームスプリッタ装置の概略構成図である。 図１０の変形例のビームスプリッタ装置の概略構成図である。 本発明の第５の実施形態のビームスプリッタ装置の概略構成図である。 本発明の第６の実施形態のビームスプリッタ装置の概略構成図である。 本発明の第７の実施形態の走査型顕微鏡の概略構成図である。 図１４の走査型顕微鏡による時間多重を説明する図であり、（ａ）はパルス光のパルス列、（ｂ）は検出される蛍光のパルス列を示している。 本発明の第８の実施形態に係るビームスプリッタ装置を示す概略構成図である。 本発明の第９の実施形態に係るビームスプリッタ装置を示す概略構成図である。 本発明の第１０の実施形態に係るビームスプリッタ装置を示す概略構成図である。 本発明の第１１の実施形態に係るビームスプリッタ装置を示す概略構成図である。 図１９の領域ＡＡを示す拡大図である。 図１９の領域ＡＢを示す拡大図である。 本発明の第１２の実施形態に係るビームスプリッタ装置を示す概略構成図である。 図２２のビームスプリッタ装置の光路長の経路を示す図であり、（ａ）は最短光路長の経路、（ｂ）は２番目に短い光路長の経路、（ｃ）は２番目に長い光路長の経路、（ｄ）は最長光路長の経路をそれぞれ実線で示している。 図２２のビームスプリッタ装置により生成される４つのパルス光の時間間隔を示す図である。 図２４のパルス光の間隔と可干渉時間との関係を示す図である。 図２２のビームスプリッタ装置の適用例の変形例を示す概略構成図である。 図２３のビームスプリッタ装置を用いた蛍光観察装置の一例を示す全体構成図である。 図２７の蛍光観察装置により被検体に照射するパルス光と被検体から発せられる蛍光との関係を示す図である。 本発明の第１３の実施形態に係るビームスプリッタ装置を示す概略構成図である。 図２９のビームスプリッタ装置の４本の光ファイバを束ねた光ファイバ束の横断面を示す図である。 図３０の４本の光ファイバを束ねることに代えて、溶融させて一体化させたクラッド内に正方配列される４つのコアを有する光ファイバ束端部の形態の一例を示す横断面図である。 図３１のコアの配列の変形例を示す横断面図である。 図２９のビームスプリッタ装置を備える蛍光観察装置の一例を示す全体構成図である。

［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係るビームスプリッタ装置１について、図１から図３を参照して説明する。

本実施形態に係るビームスプリッタ装置１は、図１に示すように、反射光学系（ビーム角度設定部）１２と、ビームスプリッタ（分波部）１３と、ビームスプリッタ（合波部）１４と、リレー光学系（瞳伝達光学系）１６，１７とを備えている。また、本実施形態のビームスプリッタ装置１と、パルス光源１１とで光源装置１０１を構成している。

図１において、光軸ＩＺ上と、ビームスプリッタ１３およびビームスプリッタ１４の反射面との交点をそれぞれ点Ａ、点Ｃと呼ぶこととする。また、点Ａと点Ｃとの中点を点Ｄ、反射光学系１２とビームスプリッタ１３からのパルス光の光軸との交点を点Ｂとする。ここで、三角形ＡＢＣは、点Ｂを頂点とする二等辺三角形であり、辺ＡＢと辺ＢＣは長さが等しいこととする。

上記の構成要素の機能について以下に説明する。

パルス光源１１は、繰り返し周波数Ｒでパルス光を発振するようになっている。

ビームスプリッタ１３は、パルス光を光路長の異なる２つの光路、すなわち、光路Ａ−Ｄ−Ｃ（以下、「光路１０」という。）と光路Ａ−Ｂ−Ｃ（以下、「光路２０」という。）に分波させる分波部である。

反射光学系１２は、ビームスプリッタ１３からのパルス光を全反射するミラーと、該ミラーをパルス光の光軸に直交する軸線回りに揺動させる揺動機構（図示略）とを備えている。

反射光学系１２は、図示しない揺動機構によって、ミラーをパルス光の光軸に直交する軸線回りに揺動させることで、ビームスプリッタ１３によって分岐されたパルス光の光軸の角度を変化させるようになっている。

これにより、反射光学系１２は、ビームスプリッタ１３によって分岐された光路２０を通るパルス光に対して、反射面の傾斜によって偏向角度θを与える固定偏向部として機能する。また、反射光学系１２は、光路１０と光路２０との間に光路長差Ｌが生じるように、光路２０を通るパルス光を遅延させる遅延部としても機能する。

光路１０および光路２０には、各光路におけるパルス光の瞳をリレーするリレー光学系１６，１７がそれぞれ設けられている。

リレー光学系１６は、一対のレンズ１６ａ，１６ｂから構成され、点Ａ近傍の瞳が点Ｃ近傍にリレーされる。

リレー光学系１７は、二対のレンズ１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄから構成されており、レンズ１７ｂとレンズ１７ｃとの間には、反射光学系１２が配置されている。レンズ１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄはいずれも焦点距離が等しい。このため、レンズ１７ａとレンズ１７ｂで点Ａ近傍にある瞳を反射光学系１２上近傍にリレーする。また、レンズ１７ｃとレンズ１７ｄで反射光学系１２上近傍にリレーされた瞳を再び、点Ｃ近傍にリレーする。

ビームスプリッタ１４は、光路１０および光路２０を通ってきたパルス光を合波する合波部である。

なお、本実施例形態では、分波部および合波部として、ビームスプリッタを用いたが、これに代えて、例えばハーフミラーやダイクロイックミラーを用いてもよい。また、これは他の実施形態においても同様である。

上記構成を有するビームスプリッタ装置１において、パルス光源１１により発振されたパルス光が、時間多重および空間多重（空間偏向）される様子について説明する。

まず、時間多重について以下に説明する。

パルス光源１１から発振されたパルス光が点Ａから点Ｚに至るまでには、最短の光路長を有する光路１０と、光路１０よりも光路長差Ｌだけ長い光路長を有する光路２０の２つの光路が存在する。ここで、光路１０を通るパルス光をＰ０、光路２０を通るパルス光をＰ１と表す。

光路２０は、光路１０に対して光路長差Ｌだけ長いので、光速をｃとすると、光路２０を通るパルス光Ｐ１は、光路１０を通るパルス光Ｐ０よりもＬ／ｃだけ遅れてビームスプリッタ１４上の点Ｃに到達する。つまり、光路１０を通ってきたパルス光Ｐ０が点Ｚに到達した時刻をｔ０とすると、光路２０を通ってきたパルス光Ｐ１が点Ｚに到達する時刻ｔ１は、ｔ１＝ｔ０＋Ｌ／ｃとなる（図２（ａ）参照）。ここで、光路長差Ｌをパルス光源１１の繰り返し周波数Ｒに対して、Ｌ＝ｃ／２Ｒを満足するように選ぶと、図２（ｂ）に示すように、元のパルス光源１１の繰り返し周波数Ｒに対して、２倍の繰り返し周波数２Ｒの時間多重されたパルス光列が生成される。

次に、上記のように時間多重されたパルス光を空間に偏向させる空間多重について説明する。

まず、空間多重をせずに、ビームスプリッタ１４で合波されたとき、パルス光Ｐ０とパルス光Ｐ１との相対的な角度が０である場合を基準として説明する。

辺ＡＢ＝辺ＢＣ＝Ｌ／２、辺ＡＣ＝ｄ、辺ＡＤ＝辺ＤＣ＝ｄ／２とすると、ビームスプリッタ１３における入射角度φ１は、以下のように表される。

φ１＝（π−ｃｏｓ^−１（ｄ／Ｌ））／２

このとき、反射光学系１２における入射角度φ２は、以下のように表される。

φ２＝π／２−ｃｏｓ^−１（ｄ／Ｌ）

このとき、パルス光Ｐ０とパルス光Ｐ１とは、時間的にはＬ／ｃだけずれているが、空間的にはずれていない。

次に、反射光学系１２の反射面への入射角度をφ２からθ／２だけずらした入射角度φ２’に変換すると、光路２０を通るパルス光Ｐ１は反射光学系１２によってθだけ偏向することとなる。そして、レンズ１７ｃと１７ｄによって反射光学系１２上の点Ｂ近傍にある瞳が点Ｃ上にリレーされるので、光路２０を通るパルス光Ｐ１は、反射光学系１２が偏向していない場合と比較して、偏向角θを保ったままでビームスプリッタ１４上の点Ｃで反射して、点Ｚ’に向けて伝播する。このとき、辺ＣＺと辺ＣＺ’の偏向角度の差がθとなる。つまり、偏向角度が０とθの空間多重が実現できることとなる。

また、光路１０を通ってきたパルス光Ｐ０は、それぞれリレー光学系１６によって瞳がリレーされる。

以上より、パルス光源１１から発振されたパルス光は、偏向角度間隔θで空間多重され、かつ時間間隔Ｌ／ｃだけずれた時間多重が実現されることとなる。

上記の空間多重および時間多重が同時にビームスプリッタ装置１において起こるため、空間を複数の光束で照射して生じるパルス光が、検出側で空間的に重なりを生じたとしても、時間軸上で分離することが可能となる。

以上のように、本実施形態に係るビームスプリッタ装置１によれば、パルス光源１１から発振されたパルス光が、ビームスプリッタ１３によって光路長の異なる２つの光路１０，２０に分岐され、それぞれの光路に配置されたリレー光学系１６，１７によってリレーされた後、ビームスプリッタ１４によって合波される。この際、ビームスプリッタ１３によって２つの光路１０，２０に分岐されたパルス光Ｐ０，Ｐ１は、反射光学系１２によって相対的な角度が付与される。これにより、光路長の異なり、相対的な角度が付与された２つの光路１０，２０のパルス光Ｐ０，Ｐ１を一箇所に集合させることができる。

この場合において、ビームスプリッタ１３によって２つの光路１０，２０に分岐されたパルス光Ｐ０，Ｐ１は、それぞれの光路に配置されたリレー光学系１６，１７によって瞳がリレーされる。これにより、分岐されたパルス光Ｐ０，Ｐ１を異なる相対角度に設定する場合にも、その集合点が光軸方向に移動してしまうことを防止することができる。すなわち、本実施形態に係るビームスプリッタ装置１によれば、パルス光Ｐ０，Ｐ１の相対角度が異なっても、リレー光学系１６，１７という簡易な構成によって、光軸方向の同一の瞳位置にパルス光Ｐ０，Ｐ１を集合させることができる。

これにより、パルス光Ｐ０，Ｐ１の相対角度を変更しても、後段に配置される光学系に同一の入射条件で入射させることができる。例えば顕微鏡対物レンズの瞳位置に相対的な角度が付与されたパルス光Ｐ０，Ｐ１を集合させることで、対物レンズの焦点面上の異なる位置にパルス光Ｐ０，Ｐ１を照射することができる。そして、相対角度を異ならせることで、照射位置の間隔を異ならせることができ、その際に光量が変動してしまうことを防止することができる。

また、リレー光学系１６，１７が、それぞれ一対のレンズ１６ａ，１６ｂと二対のレンズ１７ａ，１７ｂと１７ｃ，１７ｄを備え、反射光学系１２が、二対のリレーレンズ１７ａ，１７ｂと、１７ｃ，１７ｄの各対の間に配置されていることで、反射光学系１２によって分岐されたパルス光Ｐ０，Ｐ１に相対的な角度が付与された場合にも、二対のレンズ１７ａ，１７ｂと１７ｃ，１７ｄによって瞳がリレーされるため、その集合点が光軸方向に移動してしまうことを防止することができる。また、このようなレンズを複数対備え、これら複数対のレンズによって２つの光路１０，２０のパルス光Ｐ０，Ｐ１の瞳をリレーすることで、そのレンズ径を小さくすることができる。

また、ビームスプリッタ１３、ビームスプリッタ１４、リレー光学系１６，１７、および反射光学系１２から構成されるユニットを直列に複数備え、反射光学系１２を、ビームスプリッタ１３とビームスプリッタ１４との間にそれぞれ配置することとしてもよい。

このようにすることで、パルス光源１１から発振されたパルス光を複数の光路に分岐し、分岐した各パルス光に反射光学系１２によって相対的な角度を付与することができる。これにより、光路長が異なり、相対的な角度が付与された複数の光路のパルス光を一箇所に集合させることができる。

また、このようなビームスプリッタ装置１を備える光源装置１０１によれば、パルス光源１１から発振され、光路長が異なり、かつ、相対的な角度が付与された複数のパルス光の束を、後段に配置される光学系の瞳位置に全て通過させることができる。

［変形例］
また、本実施形態の変形例として、リレー光学系１７を一対のレンズ１７ａ，１７ｂで構成し、反射光学系１２に代えて、ビームスプリッタ１３とビームスプリッタ１４の少なくとも一方によって、光路２０を通るパルス光Ｐ１に対して偏向角度を与えることとしてもよい。ここでは、図３に示すように、ビームスプリッタ１４によって、光路２０を通るパルス光Ｐ１に対して偏向角度を与える場合について以下に説明する。

本変形例に係るビームスプリッタ装置１’において、ビームスプリッタ１４は、光路１０を通ってきたパルス光Ｐ０を透過させるとともに、光路２０を通ってきたパルス光Ｐ１を反射するハーフミラーと、該ハーフミラーをパルス光の光軸に直交する軸線回りに揺動させる揺動機構（図示略）とを備えている。

ビームスプリッタ１４は、図示しない揺動機構によって、ハーフミラーをパルス光Ｐ１の光軸に直交する軸線回りに揺動させることで、反射光学系１２によって反射されたパルス光Ｐ１を偏向して反射するようになっている。

本変形例において、パルス光源１１から点Ａに入射する平行光束は、ビームスプリッタ１３によって光路１０を通る光束と、光路２０を通る光束に分岐される。光路１０を通る光束は、リレー光学系１６によって平行光束に変換されるが、この際に偏向角度は与えられない。これに対し、光路２０を通る光束は、点Ｂに配置される反射光学系１２で反射され、リレー光学系１７によって平行光束に変換される。

ビームスプリッタ１４は、光路２０を通ってきた光束と、点Ｃにて光路１０を通った光束とを合波させる。このとき、光路２０を通ってきた光束が、光路１０を通った光束に対して有限の角度を有するように、ビームスプリッタ１４には点Ｃを中心として偏向角度が与えられている。リレー光学系１６，１７はそれぞれ点Ａ近傍にある瞳を点Ｃに伝播することになるので、点Ｃ近傍にて２つの光束を空間的に重ねることが可能となる。

なお、本変形例において、ビームスプリッタ１４によって偏向角度を与える例を説明したが、これに代えて、ビームスプリッタ１３、または、ビームスプリッタ１３とビームスプリッタ１４の両方によってパルス光Ｐ１に偏向角度を与えることとしてもよい。

また、本実施形態では、パルス光源を用いた。しかしながら、光源はパルス光を放出する光源ならばどのようなものでもよく、例えば、これに代えてＬＥＤなどの光源やレーザ光を放出するレーザ光源を用いてもよい。

［参考例］
次に、本発明の参考例として、ビームスプリッタ装置２について、図４および図５を参照して説明する。本参考例の説明において、第１の実施形態に係るビームスプリッタ装置１と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。

本参考例に係るビームスプリッタ装置２が第１の実施形態に係るビームスプリッタ装置１と異なる点は、ビームスプリッタ２３とビームスプリッタ２５との間に、２つの光路のパルス光を合波するともに、合成したパルス光を光路長の異なる２つの光路に分岐するビームスプリッタ２４を設けた点である。

図４に示すように、本参考例に係るビームスプリッタ装置２は、反射光学系２１，２２と、ビームスプリッタ（分波部）２３と、ビームスプリッタ（合分波部）２４と、ビームスプリッタ（合波部）２５とを備えている。また、本参考例のビームスプリッタ装置２と、パルス光源（レーザ光源）１１とで光源装置１０２を構成している。

パルス光源１１から発振させたパルス光の光軸ＩＺと、ビームスプリッタ２３、ビームスプリッタ２４、ビームスプリッタ２５との交点をそれぞれ点Ａ、点Ｃ、点Ｆと呼ぶ。

ビームスプリッタ２３とビームスプリッタ２４との間において、ビームスプリッタ２３によって分岐された２つ光路のうち、短い方の光路中点を点Ｄ、長い方の光路中点を点Ｂと呼ぶ。また、ビームスプリッタ２４とビームスプリッタ２５との間において、ビームスプリッタ２４によって分岐された２つ光路のうち、短い方の光路中点を点Ｇ、長い方の光路中点を点Ｅと呼ぶ。

上記の構成要素の機能について説明する。

パルス光源１１は、繰り返し周波数Ｒでパルス光を発振するようになっている。

ビームスプリッタ２３は、パルス光を光路長の異なる２つの光路、すなわち、光路Ａ−Ｄ−Ｃ（以下、「光路１０」という。）と光路Ａ−Ｂ−Ｃ（以下、「光路２０」という。）に分波させる分波部である。

反射光学系２１は、２つのミラー２１ａ，２１ｂからなり、ビームスプリッタ２３で分波された２つの光路１０，２０を通るパルス光に対して、相対的な角度（偏向角）２θを与える。また、反射光学系２１は、２つのミラー２１ａ，２１ｂを動作させ、光路１０と光路２０との間で光路長差Ｌが生じるように光路２０を通るパルス光を遅延させるようになっている。

ビームスプリッタ２４は、ビームスプリッタ２３によって分岐された２つの光路１０，２０のパルス光を合波するとともに、合成したパルス光を光路長の異なる２つの光路、すなわち光路Ｃ−Ｇ−Ｆ（以下、「光路３０」という。）と光路Ｃ−Ｅ−Ｆ（以下、「光路４０」という。）とに分岐するようになっている。

反射光学系２２は、反射光学系２１と同様に、２つのミラー２２ａ，２２ｂからなり、ビームスプリッタ２４で分波することで生成される２つの光路３０，４０を通るパルス光に対して、相対的な角度（偏向角）θを与える。また、反射光学系２２は、２つのミラー２２ａ，２２ｂを動作させ、光路３０と光路４０との間で光路長差２Ｌが生じるように光路４０を通るパルス光を遅延させるようになっている。

ビームスプリッタ２５は、４つの光路１０，２０，３０，４０を通ってきたパルス光を合波するようになっている。

上記構成を有するビームスプリッタ装置２において、パルス光源１１から発振されたパルス光が、時間多重および空間多重（空間偏向）される様子について説明する。

まず、時間多重について以下に説明する。

パルス光源１１は、繰り返し周波数Ｒ（Ｈｚ）でパルス光が発振される。ある時刻に発振されたパルス光Ｐ０は、点Ａに配置されるビームスプリッタ２３によって２つのパルス光Ｐ０，Ｐ１に分岐され、パルス光Ｐ０は光路１０、パルス光Ｐ１は光路２０を通る。図４に示すように、光路２０は光路１０に対して光路長がＬだけ長いため、パルス光Ｐ０，Ｐ１は点Ｃに異なる時間で到達する。その様子を図５（ａ）から図５（ｃ）に示す。

図５（ａ）は反射光学系２１により生じる時間遅延、図５（ｂ）は反射光学系２２により生じる時間遅延、図５（ｃ）はパルス光列を示している。

図５（ａ）から図５（ｃ）において、パルス光Ｐ０が点Ｃに到達した時間を到達時間ｔ０として示している。光路１０と光路２０の光路長差がＬなので、光速をｃとすると、時刻ｔ０からＬ／ｃ遅れた時刻ｔ１に、パルス光Ｐ１が点Ｃに到達することとなる。

パルス光Ｐ０，Ｐ１は、いずれも点Ｃに置かれたビームスプリッタ２４によって合波されるが、ビームスプリッタ２４は、パルス光Ｐ０，Ｐ１の分波も同時に行う。このため、光路３０と光路４０の２つの光路に、パルス光Ｐ０，Ｐ１がそれぞれ伝播していく。図４に示すように、光路４０は光路３０に対して光路長が２Ｌだけ長いため、パルス光Ｐ０，Ｐ１は光路４０を通ってきた場合と光路３０を通ってきた場合とで、２Ｌ／ｃの時間差をもって点Ｆに到達する。ここで、光路４０を通るパルス光Ｐ０，Ｐ１を、それぞれパルス光Ｐ２，Ｐ３と改めて呼ぶこととする。

結局、点Ａから点Ｚに至るには４つの光路が存在し、パルス光Ｐ０〜Ｐ３は、以下に示すいずれかの光路を通って点Ｚ近傍に到達する。

光路１０（Ｐ０）：Ａ−Ｄ−Ｃ−Ｇ−Ｆ−Ｚ（最短の光路長）

光路２０（Ｐ１）：Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｇ−Ｆ−Ｚ

光路３０（Ｐ２）：Ａ−Ｄ−Ｃ−Ｅ−Ｆ−Ｚ

光路４０（Ｐ３）：Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｅ−Ｆ−Ｚ

点Ｆには合波部であるビームスプリッタ２５が配置されているので、４つのパルス光Ｐ０〜Ｐ３は点Ｚの方向に光軸を向けて合波される。従って、点Ｚ近傍に到達する時刻は、図５（ｂ）に示すように、時間軸上で等間隔のパルス光の時間多重が実現される。ここで、光路長差Ｌをパルス光源１１の繰り返し周波数Ｒに対して、Ｌ＝ｃ／４Ｒを満足するように選ぶと、図５（ｃ）に示すように、繰り返し周波数４Ｒの時間多重されたパルス光列が生成される。

次に、上記のように時間多重されたパルス光を空間に偏向させる空間多重について説明する。

本参考例の場合、ビームスプリッタ２３、２４、２５の反射面および反射光学系２１の２つのミラー２１ａ，２１ｂは、光軸ＩＺに対して４５度の角度をなすように配置されている。反射光学系２１のミラー２１ａ，２１ｂの中心をそれぞれ点Ｌ、点Ｍとすると、四角形ＡＬＭＣは長方形となる。従って、光路２０を通ってきたパルス光Ｐ１がビームスプリッタ２４によってパルス光Ｐ０と合波したとき、完全に同軸となる状態を基準とすると、パルス光Ｐ０とパルス光Ｐ１とのなす偏向角度は０である。これに対し、反射光学系２１の少なくとも一方のミラーを図４に示すように、回転角θだけ基準の場合と比較して回転させると、パルス光Ｐ１は２θの偏向角度をもって点Ｃに到達する。図４では、２１ｂのみを回転した場合を図示している。

従って、ビームスプリッタ２４においてパルス光Ｐ０，Ｐ１が合波すると、光路３０，光路４０に入射した直後に２つのパルス光は２θの偏向角度をなすこととなる。同様に、反射光学系２２の少なくとも一方のミラーを回転角θ／２だけ回転させると、パルス光Ｐ０、Ｐ１に対してθの偏向角度を持つパルス光Ｐ２，Ｐ３となってビームスプリッタ２５によって合波される。図４では、２２ｂのみを回転した場合を図示している。

パルス光Ｐ２は、パルス光Ｐ０が点Ｃで分波されて、反射光学系２２で偏向角度θに偏向される。一方、パルス光Ｐ３は、パルス光Ｐ１が反射光学系２２で偏向角度θを与えられることにより生成するが、既に反射光学系２１にて偏向角度２θを与えられているので、合計３θの偏向角度を有することとなる。結局、図４に示すように、光軸ＩＺに対して、パルス光Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３は、偏向角度０、２θ、θ、３θの方向に伝播していき、空間多重が実現できることになる。

本参考例においては、遅延量（光路長差）Ｌの際に偏向角２θ、遅延量２Ｌの際に偏向角θとしているので、パルス光Ｐ０，Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の遅延量が０，Ｌ，２Ｌ，３Ｌのとき、それぞれの偏向角度が０，２θ，θ，３θとなっている。

上記の空間多重および時間多重が同時にビームスプリッタ装置２上で起こるため、パルス光源１１から出射されたパルス光は、時間間隔Ｌ／ｃを有する時間多重と、偏向角度間隔θの空間多重を有することとなる。

以上のように、本参考例に係るビームスプリッタ装置２によれば、パルス光の分波および合波を行うビームスプリッタ２４を備えることで、入力されたパルス光をビームスプリッタ２３およびビームスプリッタ２４によって複数の光路に分岐し、分岐した各パルス光に反射光学系２１，２２によって相対的な角度を付与することができる。これにより、光路長の異なり、相対的な角度が付与された複数の光路のパルス光を生成させることができる。

また、本参考例においては、１つのパルス光を４つに多重化できるため、単位時間当たりの信号取得が多くなり、例えば顕微鏡に適用した場合に画像生成処理を高速化することができる。

なお、本参考例において、パルス光の分波および合波を行うビームスプリッタ２４を１つ備える例を説明したが、２つ以上備えることとしてもよい。このようにすることで、パルス光源１１からのパルス光の分割数を増加させ、画像生成処理の更なる高速化を図ることができる。

［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態に係るビームスプリッタ装置３について図６から図８を参照して説明する。本実施形態の説明において、前述の実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。

本実施形態に係るビームスプリッタ装置３が参考例に係るビームスプリッタ装置２と異なる点は、瞳位置を伝達させるための手段としてのリレー光学系（瞳伝達光学系）３６，３７，３８，３９を備えている点である。

図６に示すように、本実施形態に係るビームスプリッタ装置３は、反射光学系３１，３２と、ビームスプリッタ（分波部）３３と、ビームスプリッタ（合分波部）３４と、ビームスプリッタ（合波部）３５と、瞳位置を伝達させるための手段としてのリレー光学系３６，３７，３８，３９とを備えている。また、本実施形態のビームスプリッタ装置３と、パルス光源１１とで光源装置１０３を構成している。

リレー光学系３６，３７，３８，３９は、それぞれ一対のレンズを有しており、分岐された各光路に１つずつ配置されている。リレー光学系３６，３７，３８，３９は、各光路におけるパルス光の瞳をリレーするようになっている。

具体的には、例えばリレー光学系３６は、一対のレンズ３６ａ，３６ｂから構成されており、ビームスプリッタ３３によって分岐された光路２０を通るパルス光の瞳をリレーするようになっている。同様に、リレー光学系３７、３８、３９についても、一対のレンズ３７ａ，３７ｂ、レンズ３８ａ，３８ｂ、レンズ３９ａ，３９ｂをそれぞれ有しており、ビームスプリッタ３３またはビームスプリッタ３４によって分岐された光路を通るパルス光の瞳を、それぞれリレーするようになっている。

反射光学系３１は、ビームスプリッタ３３によって分岐されたパルス光を反射するミラー（第１のミラー）３１ａと、ミラー３１ａによって反射されたパルス光をビームスプリッタ３４に向けて反射するミラー（第２のミラー）３１ｂと、これらミラー３１ａ，３１ｂを、これらミラー間における光軸方向に一体的に平行移動させるステージ（平行移動機構）３１ｃとを備えている。

反射光学系３１は、ステージ３１ｃによって、ミラー３１ａ，３１ｂをこれらミラー間における光軸方向に一体的に平行移動させることで、ビームスプリッタ３３によって分岐されたパルス光に光路長差を与えるとともに、偏向角度を付与するようになっている。

同様に、反射光学系３２は、ビームスプリッタ３４によって分岐されたパルス光を反射するミラー（第１のミラー）３２ａと、ミラー３２ａによって反射されたパルス光をビームスプリッタ３５に向けて反射するミラー（第２のミラー）３２ｂと、これらミラー３２ａ，３２ｂを、これらミラー間における光軸方向に一体的に平行移動させるステージ（平行移動機構）３２ｃとを備えている。

反射光学系３２は、ステージ３２ｃによって、ミラー３２ａ，３２ｂをこれらミラー間における光軸方向に一体的に平行移動させることで、ビームスプリッタ３４によって分岐されたパルス光に光路長差を与えるとともに、偏向角度を付与するようになっている。

上記構成を有するビームスプリッタ装置３において、パルス光源１１から発振されたパルス光が、時間多重および空間多重（空間偏向）される様子について説明する。

時間多重については、前述の参考例と同様の調整方法で実現可能なため、ここでは説明を省略し、空間多重について以下に説明する。

リレー光学系３６，３７，３８，３９は、それぞれ焦点距離が等しい２つのレンズからなるレンズペアで構成されており、ビームスプリッタ３３の点Ａ近傍にある瞳を、ビームスプリッタ３４上の点Ｃ近傍に結像させる。また、ビームスプリッタ３４上の点Ｃ近傍にある瞳を、ビームスプリッタ３５上の点Ｆ近傍に結像させる。ここで、光路Ａ−Ｄ−Ｃ（以下、「光路１０」という。）とＣ−Ｇ−Ｆ（以下、「光路３０」という。）の光路長を等しいとしてＬ１とすると、リレー光学系３８，３９で使用しているレンズペアのレンズの焦点距離ｆ１は、ｆ１＝Ｌ１／４になるように選ばれている。

図７（ａ）は、パルス光が無偏向時の配置を表している。

図７（ａ）を用いて光路Ａ−Ｂ−Ｃ（以下、「光路２０」という。）の遅延量Ｌとリレー光学系３６のレンズの焦点距離ｆ１との関係を説明する。リレー光学系３６の有する２つのレンズ３６ａ、３６ｂの主光線の入射点をＳ、Ｔ、反射光学系３１の有する２つのミラー３１ａ、３１ｂのそれぞれの主光線の反射点をＬ、Ｍとする。これら４つの点を結んだ四角形ＡＬＭＣは、無偏向の時は全ての角度が９０°の長方形となっている。このとき辺ＬＭは辺ＡＣと長さが等しいので、与えられた遅延量Ｌは、辺ＡＬと辺ＭＣの和に等しく２ＡＬとなる。つまり、レンズの焦点距離ｆ１をｆ１＝（Ｌ１＋Ｌ）／４として、与えている２つの光路がＡＳ＝ＳＬ＋ＬＢ＝ＢＭ＋ＭＴ＝ＴＣ＝ｆ１を満足するようにミラーおよびレンズが配置されている。

ビームスプリッタ３３において反射したパルス光は、順にレンズ３６ａ、ミラー３１ａ、ミラー３１ｂ、レンズ３６ｂを経由して、ビームスプリッタ３４にてリレー光学系３８を通ってきたパルス光と合波される。

図７（ｂ）はパルス光が偏向する時の配置を示している。

反射光学系３１において、ミラー３１ａ、ミラー３１ｂが光軸ＡＺに対して４５度の角度を取るように対向しており、それが光軸ＡＺと平行な方向に移動可能なステージ３１ｃ上に配置されている。図７（ｂ）に示すように、ステージ３１ｃを矢印の方向に移動させると、ミラー３１ａ、３１ｂの主光線の反射点が作る線分Ｌ’Ｍ’は無偏向時の線分ＬＭに対してレンズ側に移動すると同時に矢印の方向へ移動する。この結果、ミラー３１ｂの点Ｍ’で反射するパルス光の主光線は、無偏向の時よりも左側にずれることとなり、レンズ３６ｂを透過後にはレンズの光軸ＭＣに対して偏向した平行光となる。ステージ３１ｃの移動量をΔＬ１とすると、光軸の移動量はステージの移動量の２倍（すなわち２ΔＬ１）となるため、この偏向角度θはｔａｎθ＝２ΔＬ１／ｆ１という関係式を満足する。

光路４０においても同様に、遅延量２Ｌとリレー光学系３７のレンズの焦点距離ｆ２との関係が成立する。すなわち、リレー光学系３７で用いているレンズの焦点距離ｆ２は、ｆ２＝（Ｌ１＋２Ｌ）／４であり、ステージ３２ｃの移動量ΔＬ２はｔａｎ２θ＝２ΔＬ２／ｆ２を満足するように設定される。

以上より、光路２０での偏向角度はθ、光路４０の偏向角度は２θとなるように調整される。

上記の空間多重および時間多重が同時にビームスプリッタ装置３上で起こるため、パルス光源１１から出射されたパルス光は、時間間隔Ｌ／ｃを有する時間多重と、偏向角度間隔θの空間多重を有することとなる。

本実施形態に係るビームスプリッタ装置３は、参考例に係るビームスプリッタ装置２と比較すると、リレー光学系を用いている点が異なっている。本実施形態のように、リレー光学系を用いた場合、瞳位置を伝達させる作用により、４つの偏向角度をもつパルス光を分波部ないし合波部近傍で空間的に重ねることが可能となる。その結果、分波および合波に使用する光学素子のサイズを小さくすることができる。

また、ミラーのみを使った光路が作る図形は、長方形からずれた台形形状となる。偏向角度を変えると台形形状も変化し、その光路長はそれぞれ異なる。この結果、パルス光Ｐ０，Ｐ１が合波されたときの時間差は、偏向角度によって異なってしまうため、空間多重の間隔を変更する際に時間多重の間隔も一緒に変更されてしまう。これに対し、本実施形態では瞳伝播部のレンズにより瞳結像を行っているので、瞳と瞳像は光学的に共役となり、光路２０は偏向角度を変化させても変化しない。従って、パルス光Ｐ０，Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３が作るパルス列の時間間隔を固定のまま、偏向角度のみを変調させることで、空間多重の間隔のみを変更することが可能になる。

なお、本実施形態では４つのリレー光学系を用いたが１つでもよい。その場合は、リレー光学系３７の位置に配置することが最も効果的である。その理由について以下に説明する。通常パルス光は、厳密に平行光として伝播することはなく、若干の発散角度を持って伝播する。従って、本実施形態のように光路長が異なる経路を通ってきた光を合波すると、最短のものと最長のものの発散によるビーム径サイズが大きくばらつくこととなる。これを防ぐためには、光路が一番長いところにリレー光学系を配置して、発散による広がりを補正すればよい。従って、リレー光学系３７の位置に配置することが最も効果的である。更に、ビーム径を厳密にそろえるためには全ての光路においてリレー光学系を配置することが望ましい。

［変形例］
また、図８に第２の実施形態の変形例に係るビームスプリッタ装置３’を示す。

第２の実施形態に係るビームスプリッタ装置３と比較して、ビームスプリッタ３５の代わりに偏光ビームスプリッタ３５’を用いており、偏光変調部としてλ／２板１３１と、可変偏向部として可動ミラー１３２とが加えられている。また、偏光ビームスプリッタ３５’の直後に瞳伝達部であるリレー光学系１３３が加えられている。

時間多重化と空間多重化の方法は第２の実施形態と同様である。第２の実施形態においては、ビームスプリッタ３５上の点Ｆで合波するパルス光は、点Ｚ側に向かう以外にも光軸ＡＺと直交する方向に伝播するものも存在している（不図示）。つまり、目的の射出方向に飛ばないパルス光が存在する。本変形例では偏光を調整することでパルス光の損失を極力減少させることが可能である。

パルス光源１１’は、Ｐ偏光のパルス光を発振する。その後、偏光ビームスプリッタ３５’直前までは第２の実施形態と同様にＰ偏光のパルス光が通過する。ここで光路４０を通るパルス光はλ／２板１３１により、Ｐ偏光をＳ偏光に変調する。この結果、パルス光Ｐ０、Ｐ１はＰ偏光、Ｐ２、Ｐ３はＳ偏光となっている。そのため、偏光ビームスプリッタ３５’において、Ｓ偏光のパルス光はすべて反射され、Ｐ偏光のパルス光はすべて透過することができ、全てのパルス光がＺ方向に導光される。

また、偏光ビームスプリッタ３５’で合波されたパルス光はリレー光学系１３３によって可動ミラー１３２の反射面にリレーする。可動ミラー１３２は、図面に垂直な回転軸を有しており、図面内で該可動ミラーにより角度０からθの連続的な偏向を行うと、図面内で０から４θの角度範囲を走査できる。

以上のように、本変形例に係るビームスプリッタ装置３’によれば、λ／２板１３１により光路３０，４０の偏光状態を相互に直交させるとともに、合波部を偏光ビームスプリッタ３５’とすることで、偏光ビームスプリッタ３５’によって２つの光路３０，４０を通ってきたパルス光を漏れなく合波して、これらパルス光の光量損失を抑制することができ、入力されたパルス光の利用効率を向上することができる。

［第３の実施形態］
次に、本発明の第３の実施形態に係るビームスプリッタ装置４について、図９を参照して説明する。本実施形態の説明において、前述の各実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。

前述の各実施形態では、矩形の光路と直線的な光路が組み合わさった複数の光路をパルス光は通っていた。これに対し、本実施形態ではパルス光の光路にマイケルソン干渉型の光路を用いている。

図９に示すように、本実施形態に係るビームスプリッタ装置４は、１枚のミラーからなる反射光学系（ビーム角度設定部）４１，４２と、ビームスプリッタ（合分波部）４３，４４と、リレー光学系（瞳伝達光学系）４５，４６，４７，４８と、固定ミラー４９、５０とを備えている。また、本実施形態のビームスプリッタ装置４と、パルス光源１１とで光源装置１０４を構成している。

図９において、以下に示す４つの光路が存在する。

光路１０：Ａ−Ｃ−Ａ−Ｂ−Ｄ−Ｂ−Ｚ

光路２０：Ａ−Ｅ−Ａ−Ｂ−Ｄ−Ｂ−Ｚ

光路３０：Ａ−Ｃ−Ａ−Ｂ−Ｆ−Ｂ−Ｚ

光路４０：Ａ−Ｅ−Ａ−Ｂ−Ｆ−Ｂ−Ｚ

光路Ａ−Ｃ−Ａに対して光路Ａ−Ｅ−ＡはＬだけ長い光路長を有し、同様に光路Ｂ−Ｄ−Ｂに対して光路Ｂ−Ｆ−Ｂは２Ｌだけ長い光路長を有している。従って、点Ｚに至るまでに光路１０〜４０を通ってきたパルス光において、前述の各実施形態と同様にＬ／ｃの時間差を持った時間多重が発生する。また、リレー光学系４５、４６、４７、４８は、それぞれ点Ａと点Ｃ、点Ａと点Ｅ、点Ｂと点Ｄ、点Ｂと点Ｆを光学的に共役な関係になるように機能し、瞳の伝播を行っている。

本実施形態では、反射光学系４１，４２が固定偏向部として働き、傾き角度を反射光学系４１でθ／２、反射光学系４２でθと変えることによりそれぞれの反射光学系がパルス光にθ、２θの偏向角度を与えることができる。これにより点Ｅに至る４つのパルス光は、０、θ、２θ、３θの偏向角度で空間多重化される。

本実施形態に係るビームスプリッタ装置４によれば、４つの光路のいずれにおいても光学素子が直線的に配置されているため、光学調整が行いやすい。

［第４の実施形態］
次に、本発明の第４の実施形態に係るビームスプリッタ装置５について、図１０を参照して説明する。本実施形態の説明において、前述の各実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。

本実施形態に係るビームスプリッタ装置５は、図１０に示すように、２枚のミラーからなる反射光学系（ビーム角度設定部）５１，５２と、ビームスプリッタ（合分波部）５３と、リレー光学系（瞳伝達光学系）５４，５５，５６，５７，１５３と、ステージ５１ｃ，５２ｃと、固定ミラーペア５８、５９と、可動ミラー１５１，１５２とを備えている。また、本実施形態のビームスプリッタ装置５と、パルス光源１１とで光源装置１０５を構成している。

以下に、前述の第３の実施形態と異なる点について主に説明する。

本実施形態に係るビームスプリッタ装置５は、分波と合波を行う手段の全てに、同一のビームスプリッタ５３を用いている。また、合波したパルス光の導光方向にそれぞれ配置された可動ミラー１５１、１５２を使用することで、２次元的な走査が実現できる。

以上のような構成とすることで、１つのビームスプリッタ５３のみで全ての分波、合波を行うため、部品点数を減らすことができる。

［変形例］
また、第２の実施形態の変形例と同様に、偏光を調整することでパルス光の損失を極力減少させるようにしてもよい。この場合、図１１に示すビームスプリッタ装置５’のように、偏光ビームスプリッタ１５４，１５５を配置する。また、分波後に偏光が９０°回るようにλ／２板１５６，１５７，１５８，１５９をそれぞれの４つの光路に配置し、更に、偏光を４５度回転させるλ／２板１６０を偏光ビームスプリッタ１５４，１５５の間の光路に配置すればよい。

［第５の実施形態］
次に、本発明の第５の実施形態に係るビームスプリッタ装置６について、図１２を参照して説明する。本実施形態の説明において、前述の各実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。

本実施形態に係るビームスプリッタ装置６は、反射光学系６１，６２と、ビームスプリッタ６３，６４，６５と、リレー光学系６６〜６９，１６１とを備えている。

反射光学系６１は、ビームスプリッタ６３で生じる光路Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄに配置された反射光学系（ミラー）６１ａ〜６１ｆを示し、反射光学系６２は、ビームスプリッタ６４で生じる光路Ｄ−Ｅ−Ｆに配置された反射光学系（ミラー）６２ａ，６２ｂを示している。

リレー光学系６８は、１回目の分岐で生じる光路Ａ−Ｇ−Ｄにて点Ａ近傍にある瞳をリレーする。リレー光学系６６，１６１は、光路Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄ間を点Ａ近傍にある瞳をリレーする。

同じくリレー光学系６９，６７は、それぞれ光路Ｄ−Ｈ−Ｆと光路Ｄ−Ｅ−Ｆ間において、点Ｄ近傍にある瞳をリレーする。

本実施形態では、２つの遅延経路のうち長い経路Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄに２組のリレー光学系６６，１６１を有している。この理由について以下に説明する。偏向角をθ、リレー光学系の焦点距離をｆとすると、偏向角が与えられた平行光束を効率よく伝播させるため必要なリレー光学系の開口の半径は、ｆｔａｎθとビームの半径の和よりも大きくしなければならない。つまり、前述の各実施形態のように遅延経路間を１組のリレー光学系で瞳を伝播する場合に、焦点距離が長くなると、リレー光学系の開口も必然的に大きいものが要求される。このため大きい開口をもつ光学系を用意しなければならない。

本実施形態では、焦点距離が非常に長いリレー光学系６６と短いリレー光学系１６１で点Ａ近傍の瞳をリレーするが、反射光学系６１ｄ，６１ｅを該反射光学系間の光軸方向に移動して配置させることによって偏向角を発生させる。リレー光学系１６１は焦点距離を短く選んでいるため、リレー光学系６６，１６１の開口サイズを大きくすることを制限することが可能となる。

［第６の実施形態］
次に、本発明の第６の実施形態に係るビームスプリッタ装置７について、図１３を参照して説明する。本実施形態の説明において、前述の各実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。

本実施形態に係るビームスプリッタ装置７は、反射光学系７１，７２と、ビームスプリッタ７３，７４と、反射素子で構成されているリレー光学系７５，７６で構成されている。ここで示したリレー光学系７５，７６は、２枚の平面でない反射面で構成された２つの反射光学系７５ａで構成されており、各光路におけるパルス光の瞳をリレーするようになっている。

反射光学系７１は、ステージ７１ｃによって、ミラー７１ａ，７１ｂをこれらミラー間における光軸方向に一体的に平行移動させることで、ビームスプリッタ７３によって分岐されたパルス光に光路長差を与えるとともに、偏向角度を付与するようになっている。

反射光学系７２は、ステージ７２ｃによって、ミラー７２ａ，７２ｂをこれらミラー間における光軸方向に一体的に平行移動させることで、ビームスプリッタ７３によって分岐されたパルス光に光路長差を与えるとともに、偏向角度を付与するようになっている。

ここで示すようにリレー光学系７５，７６は透過型（屈折型）でなく、反射型でもよい。また、点Ａから点Ｂまでの経路をリレーする構成として、正のパワーを持つ光学系を２つ備えたものを示してきたが、もちろん正負の組み合わせであってもよい。

［第７の実施形態］
本発明の第７の実施形態として、前述のビームスプリッタ装置を走査型顕微鏡に適用した例を図１４および図１５を参照して説明する。

図１４に示すように、本実施形態に係る走査型顕微鏡８は、第２の実施形態と同様の構成のビームスプリッタ装置３と、パルス光源１１と、可動ミラー８１，８２と、リレーレンズ８３と、ダイクロイックミラー８４と、対物レンズ８５と、検出器８６とを備えている。また、走査型顕微鏡８は更に、図示はしないが、パルス光源１１と検出器８６の検出のタイミングを計って同期している処理部と、復元部と、表示部とを備える。

ビームスプリッタ装置３と、パルス光源１１と、可動ミラー８１，８２とで、ビームスプリッタ装置３からの複数のパルス光を被検体上で走査する走査光学系（走査部）８７を構成している。

また、リレーレンズ８３と、ダイクロイックミラー８４と、対物レンズ８５とで、走査光学系８７により走査されたパルス光を被検体に照射する一方、被検体からの光を集光する観察光学系８８を構成している。

検出器８６は、観察光学系８８により集光された光を検出する検出部である。

第２の実施形態において説明されるように、ビームスプリッタ装置３では、反射光学系３１、３２により、それぞれのパルス光に対し、それぞれ偏向角度０、θ、２θ、３θが与えられる。このように、ビーム角度設定部によってパルス光ごとにそれぞれの偏向角度が与えられ、パルス光は合波することでパルス光列となる（空間多重）。

１つのパルス光を空間に多重化された複数（４つ）のパルス光に変換すると、被検体の複数点にパルス光を照射することができるため、１つのパルス光で被検体を走査するのと比較して走査速度の４倍の高速化が実現されている。

また、パルス光源１１から繰り返し周波数ＲＨｚで発生するパルス光が分波部により分岐される過程で、それぞれのパルス光は光路長の異なる光路を通過する。これにより、それぞれのパルス光は時間的に等間隔なパルス光列となる（時間多重）。例えば、ビームスプリッタ装置３の場合、分岐ごとに光路長を異ならせることで、図１５（ａ）に示すように、パルス光列全体としては周波数４Ｒのパルス光列となる。

このパルス光列が被検体の各点に照射されると、多光子励起効果によってパルス光毎に蛍光が発生する。この蛍光は、パルス光列のそれぞれのパルス光が照射された直後に対応して発生しているため、図１５（ｂ）に示すように周波数４Ｒの周期を持つ蛍光の信号光となる。

この周波数４Ｒの蛍光の信号光（１次元時間情報）は、被検体からの蛍光の信号光として観察光学系８８により集光され、検出器８６により検出される。そして検出された蛍光の信号光は、処理部（図示略）によりパルス光列と同期させられ、復元部（図示略）により被検体の各点ごとの蛍光の信号として対応付けられ、２次元情報に復元される。そしてこの２次元情報を表示部（図示略）に表示することで被検体のイメージングが可能となる。本実施形態では、２次元的な走査により得られた信号光を復元したため２次元情報となっているが、３次元的な走査を行うことで３次元情報を得ることもできる。

しかしながら、被検体が散乱体であって、その内部を観察したい場合には、照射された各点から発生する信号光は広く拡散し、検出器８６上で大きな光分布となってしまう。そのため、時間多重を行わない場合、各点ごとの信号光が混在してしまうため、分解能低下の原因となってしまう。

しかし、本実施形態に係る走査型顕微鏡８によれば、図１５（ｂ）に示すように、ビームスプリッタ装置３においてパルス光ごとに光路長を異ならせている（時間多重）ため、各点から発生した蛍光の信号光は照射されたパルス光と対応する異なる周波数を持って検出器に到達する。

各点からの蛍光の信号光はパルス光と対応しているため、処理部によって同期させることで、時間領域で容易に分離することができ、各点に照射されたパルス光と蛍光の信号光の対応関係が明確になる。これは、蛍光の信号光が被検体のどの点に照射されたパルス光に由来するものかが分かるため、復元部によって蛍光の信号光を２次元情報として復元できる。

本実施形態に係る走査型顕微鏡８によれば、信号の周波数を増やして、各点での信号が被検体の散乱の影響を受けても、同期させることでパルス光と蛍光の信号光間の対応関係が容易に把握できるため、高速且つ高い分解能でイメージングが可能となる。

このように、本実施形態に係る走査型顕微鏡８によれば、ビームスプリッタ装置３によって、光路長が異なり、相対的な角度が付与された複数のパルス光を一箇所に集合させることで時間多重と、空間多重が同時に実現されている。この走査型顕微鏡８では、空間多重により、被検体上の異なる位置に並列したパルス光を照射することができる。また、並列したパルス光を照射しても、時間多重により、被検体から戻ってきた蛍光の信号光を、並列したパルス光に同期させて分離することができる。このため、複数のパルス光を一度に照射することによる分解能の低下が発生しないため、高速なスキャンが可能となる。

なお、本実施形態において、第２の実施形態に係るビームスプリッタ装置３を走査型顕微鏡に適用した例を代表として説明したが、他の実施形態に係るビームスプリッタ装置を適用しても同様の効果が得られる。

［第８の実施形態］
次に、本発明の第８の実施形態に係るビームスプリッタ装置２００について、図面を参照して説明する。

本実施形態の説明において、上述した第２の実施形態に係るビームスプリッタ装置３と構成を共通とする箇所には同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態に係るビームスプリッタ装置２００は、上述した第２の実施形態に係るビームスプリッタ装置３と比較して、パルス光源１１からのパルス光の入射方向およびビームスプリッタ３３，３４の設置角度を異ならせたものである。その他は第２の実施形態に係るビームスプリッタ装置３と同様である。

すなわち、本実施形態に係るビームスプリッタ装置２００は、図１６に示されるように、パルス光源１１から射出され、ビームスプリッタ３３に入射されるパルス光Ｂ_１の伝播方向を、ビームスプリッタ３３，３４の中心間を結ぶ直線の延長線（図中、一点鎖線で表示。）に対して一方向（図では反時計回り。）に角度２θだけ偏向させている。また、本実施形態においては、ビームスプリッタ３３の設置角度を上記と同一方向に角度θ／２だけ回転させ、ビームスプリッタ３４の設置角度を上記と逆方向（時計回り）に角度θだけ回転させている。

これにより、ビームスプリッタ３３の反射面へのパルス光Ｂ_１の入射角度は、第２の実施形態に係るビームスプリッタ装置３の場合と比較して反時計回りに角度１．５θだけ増大していることになる。したがって、ビームスプリッタ３３により反射されるパルス光Ｂ_１２の伝播方向は、第２の実施形態におけるパルス光の伝播方向（図中、一点鎖線で表示。）に対して時計回りに角度θだけ傾斜することになる。

一方、ビームスプリッタ３３を透過するパルス光Ｂ_１１の伝播方向は、ビームスプリッタ３３の設置角度に関わらず、入射パルス光Ｂ_１の延長線上に配される。光路１０に入射したパルス光Ｂ_１１は、一対のレンズ３８ａ，３８ｂからなるリレー光学系３８によって、その傾斜方向が反転させられて、時計回りに角度２θだけ傾斜してビームスプリッタ３４に入射させられる。

光路２０に入射したパルス光Ｂ_１２は、一対のレンズ３６ａ，３６ｂからなるリレー光学系３６および一対のミラー３１ａ，３１ｂを含む反射光学系３１を介して、その傾斜方向が反転させられる。これにより、パルス光Ｂ_１２は、ビームスプリッタ３４に入射される際には、第２の実施形態におけるパルス光の伝播方向（図中、一点鎖線で表示。）に対して反時計回りに角度θだけ傾斜した角度で入射する。

ビームスプリッタ３４においては、パルス光Ｂ_１１，Ｂ_１２がそれぞれ２つに分岐される。ビームスプリッタ３４に対して角度２θをなして入射するパルス光Ｂ_１１は、角度θだけ時計回りに傾斜しているビームスプリッタ３４の反射面に対して、第２の実施形態に係るビームスプリッタ装置３の場合と比較して時計回りに角度θだけ大きな入射角度で入射することになる。したがって、ビームスプリッタ３４により反射され光路４０に入射するパルス光Ｂ_１１２の伝播方向は、第２の実施形態におけるパルス光の伝播方向に一致している。

また、ビームスプリッタ３４に角度θをなして入射するパルス光Ｂ_１２は、角度θだけ時計回りに傾斜しているビームスプリッタ３４の反射面に対して、第２の実施形態に係るビームスプリッタ装置３の場合と比較して時計回りに角度２θだけ大きな入射角度で入射することになる。したがって、ビームスプリッタ３４により反射されて光路３０に入射されるパルス光Ｂ_１２２の伝播方向は、第２の実施形態におけるパルス光の伝播方向（図中、一点鎖線で表示。）に対して時計回りに角度３θだけ傾斜することになる。

一方、ビームスプリッタ３４を透過するパルス光Ｂ_１1１，Ｂ_１２１の伝播方向は、ビームスプリッタ３４の設置角度に関わらず、入射パルス光Ｂ_１１，Ｂ_１２の延長線上に配される。

光路４０において、パルス光Ｂ_１２１は一対のレンズ３７ａ，３７ｂからなるリレー光学系３７および一対のミラー３２ａ，３２ｂからなる反射光学系３２を介して、その傾斜方向が反転させられる。パルス光Ｂ_１１２については、傾斜していないので、リレー光学系３７および反射光学系３２によっても傾斜角度に変化はない。

また、光路３０に入射したパルス光Ｂ_１１１，Ｂ_１２２については、一対のレンズ３９ａ，３９ｂからなるリレー光学系３９を介して傾斜方向が反転させられる。

すなわち、ビームスプリッタ３５には、反射面に対して４５°傾斜した入射軸線に対して角度０°および角度θ時計回りに傾斜したパルス光Ｂ_１１２，Ｂ_１２１が入射し、反射面に対して４５°傾斜した出射軸線に対して、角度０°および角度θ反時計回りに傾斜した方向に射出される。また、ビームスプリッタ３５においては、ビームスプリッタ３４，３５間を結ぶ直線に対して反時計回りに角度２θおよび角度３θ傾斜したパルス光Ｂ_１１１，Ｂ_１２２が、傾斜角度を変更することなくそのまま透過させられる。

その結果、ビームスプリッタ３５からは、２つの光路（遅延光路）２０，４０によって相互に異なる時間遅延を付与されて、等角度間隔θをあけた４本のパルス光Ｂ_１１２，Ｂ_１２１，Ｂ_１１１，Ｂ_１２２が射出されることになる。

この場合において、本実施形態に係るビームスプリッタ装置によれば、リレー光学系３６，３７および反射光学系３１，３２が設けられた遅延光路２０，４０をそれぞれ通過するパルス光Ｂ_１２，Ｂ_１２１，Ｂ_１１２はその伝播方向の傾斜角度を角度θ以下に抑えられるので、レンズ３６ａ，３６ｂ，３７ａ，３７ｂとしては開口サイズの小さいものを採用することができ、装置の大型化を防止することができるという利点がある。

［第９の実施形態］
次に、本発明の第９の実施形態に係るビームスプリッタ装置２０１について、図面を参照して説明する。

本実施形態の説明において、上述した第２の実施形態に係るビームスプリッタ装置３と構成を共通とする箇所には同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態に係るビームスプリッタ装置２０１は、上述した第２の実施形態に係るビームスプリッタ装置３と比較して、ビームスプリッタ３４，３５の設置角度を異ならせたものである。その他は第２の実施形態に係るビームスプリッタ装置３と同様である。

すなわち、本実施形態に係るビームスプリッタ装置２０１は、図１７に示されるように、ビームスプリッタ３４，３５の設置角度を、第２の実施形態によるビームスプリッタ装置３のビームスプリッタ３４，３５に対して一方向（図では反時計回り。）にそれぞれ角度θ／２だけ傾斜させている。

これにより、ビームスプリッタ３４に入射するまでの各光路を通過するパルス光Ｂ_１１，Ｂ_１２については、第２の実施形態に係るビームスプリッタ装置３と同様に傾斜角度０°の光軸に沿って伝播する。

一方、ビームスプリッタ３４に入射するパルス光Ｂ_１１は、そのまま傾斜角度０°で透過するパルス光Ｂ_１１１と、その方向に直交する方向に対して反時計回りに角度θだけ傾斜するパルス光Ｂ_１１２とに分岐される。また、ビームスプリッタ３４に入射するパルス光Ｂ_１２は、そのまま傾斜角度０°で透過するパルス光Ｂ_１２１と、その方向に直交する方向に対して反時計回りに角度θだけ傾斜するパルス光Ｂ_１２２とに分岐される。

角度θだけ反時計回りに傾斜したパルス光Ｂ_１１２は、一対のレンズ３７ａ，３７ｂからなるリレー光学系３７および一対のミラー３２ａ，３２ｂからなる反射光学系３２を介してその傾斜方向を時計回りに反転させられてビームスプリッタ３５に入射される。また、パルス光Ｂ_１２２は、一対のレンズ３９ａ，３９ｂからなるリレー光学系３９を介してその傾斜方向を時計回りに反転させられてビームスプリッタ３５に入射される。

ビームスプリッタ３５は反時計回りに角度θ／２だけ傾斜させられているので、該ビームスプリッタ３５の反射面によって反射されるパルス光Ｂ_１１２，Ｂ_１２１は、それぞれ、反時計回りに角度２θおよび角度θだけ傾斜した方向にビームスプリッタ３５から射出させられる。一方、パルス光Ｂ_１１１，Ｂ_１２２については、ビームスプリッタ３５をそのまま透過して、傾斜角度０°および時計回りに角度θだけ傾斜した方向に射出させられる。

その結果、ビームスプリッタ３５からは、２つの遅延光路２０，４０によって相互に異なる時間遅延を付与されて、等角度間隔θをあけた４本のパルス光Ｂ_１１２，Ｂ_１２１，Ｂ_１１１，Ｂ_１２２が射出されることになる。

この場合において、本実施形態に係るビームスプリッタ装置によれば、遅延光路に限られず、全ての光路をそれぞれ通過するパルス光Ｂ_１１，Ｂ_１２，Ｂ_１１１，Ｂ_１１２，Ｂ_１２１，Ｂ_１２２はその伝播方向の傾斜角度がθに抑えられるので、レンズ３６ａ，３６ｂ，３７ａ，３７ｂ，３８ａ，３８ｂ，３９ａ，３９ｂとしては開口サイズの小さいものを採用することができ、装置の大型化を防止することができるという利点がある。

［第１０の実施形態］
次に、本発明の第１０の実施形態に係るビームスプリッタ装置２０２について、図面を参照して説明する。

本実施形態の説明において、上述した第２の実施形態に係るビームスプリッタ装置３と構成を共通とする箇所には同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態に係るビームスプリッタ装置２０２は、上述した第２の実施形態に係るビームスプリッタ装置３と比較して、パルス光源１１からのパルス光Ｂ_１の入射方向およびビームスプリッタ３３，３４の設置角度を異ならせたものである。その他は第２の実施形態に係るビームスプリッタ装置３と同様である。

すなわち、本実施形態に係るビームスプリッタ装置２０２は、図１８に示されるように、パルス光源１１からビームスプリッタ３３に入射させるパルス光Ｂ_１の入射方向を、ビームスプリッタ３３，３４を結ぶ直線に直交する方向に設定している。

また、ビームスプリッタ３３の設置角度を、第２の実施形態によるビームスプリッタ装置３のビームスプリッタ３３に対して一方向（図では反時計回り。）に角度θ／２だけ傾斜させている。さらに、ビームスプリッタ３４の設置角度は、第２の実施形態によるビームスプリッタ装置３のビームスプリッタ３４に対して該ビームスプリッタ３３の回転と反対方向に（図では時計回り。）に角度θだけ傾斜させている。

これにより、ビームスプリッタ３３を透過して遅延光路２０に入射するパルス光Ｂ_１２については、第２の実施形態に係るビームスプリッタ装置３と同様に傾斜角度０°の光軸に沿って伝播する。

一方、ビームスプリッタ３３において反射されるパルス光Ｂ_１１については、ビームスプリッタ３３，３４を結ぶ直線に対して反時計回りに角度θだけ傾斜する。

パルス光Ｂ１１は、一対のレンズ３８ａ，３８ｂからなるリレー光学系３８を介してその傾斜方向を反転させられた後にビームスプリッタ３４に入射させられる。ビームスプリッタ３４に入射するパルス光Ｂ_１１は、そのままの傾斜角度θで透過するパルス光Ｂ_１１１と、その方向に直交する方向に対して時計回りに角度θだけ傾斜するパルス光Ｂ_１１２とに分岐される。

また、ビームスプリッタ３４に入射するパルス光Ｂ_１２は、そのままの傾斜角度０°で透過するパルス光Ｂ_１２１と、その方向に直交する方向に対して時計回りに角度２θだけ傾斜するパルス光Ｂ_１２２とに分岐される。

角度θだけ時計回りに傾斜したパルス光Ｂ_１１２は、一対のレンズ３７ａ，３７ｂからなるリレー光学系３７および一対のミラー３２ａ，３２ｂからなる反射光学系３２を介してその傾斜方向を反時計回りに反転させられてビームスプリッタ３５に入射される。また、パルス光Ｂ_１１１，Ｂ_１２２は、一対のレンズ３９ａ，３９ｂからなるリレー光学系３９を介してその傾斜方向を反時計回りに反転させられてビームスプリッタ３５に入射される。

ビームスプリッタ３５の反射面によって反射されるパルス光Ｂ_１１２，Ｂ_１２１は、時計回りに角度θおよび時計回りに角度０°だけ傾斜した方向にビームスプリッタ３５から射出させられる。一方、パルス光Ｂ_１１１，Ｂ_１２２については、ビームスプリッタ３５をそのまま透過して、反時計回りに傾斜角度θおよび傾斜角度２θだけ傾斜した方向に射出させられる。

その結果、ビームスプリッタ３５からは、２つの遅延光路２０，４０によって相互に異なる時間遅延を付与されて、等角度間隔θをあけた４本のパルス光Ｂ_１１２，Ｂ_１２１，Ｂ_１１１，Ｂ_１２２が射出されることになる。

この場合において、本実施形態に係るビームスプリッタ装置２０２によれば、リレー光学系３６，３７および反射光学系３１，３２が設けられた遅延光路２０，４０をそれぞれ通過するパルス光Ｂ_１２，Ｂ_１２１，Ｂ_１１２はその伝播方向の傾斜角度を角度θ以下に抑えられるので、レンズ３６ａ，３６ｂ，３７ａ，３７ｂとしては開口サイズの小さいものを採用することができ、装置の大型化を防止することができるという利点がある。
また、本実施形態の最後の分波手段は偏光ビームスプリッタでもよい。

［第１１の実施形態］
本発明の第１１の実施形態に係るビームスプリッタ装置２０３について、図面を参照して以下に説明する。

本実施形態の説明において、上述した第２の実施形態に係るビームスプリッタ装置３と構成を共通とする箇所には同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態に係るビームスプリッタ装置２０３は、上述した第２の実施形態に係るビームスプリッタ装置３と比較して、ビームスプリッタ３４，３５に対する各遅延光路２０，４０からのパルス光の入射位置をずらしている点、およびリレー光学系１０６，１０７において第２の実施形態に係るビームスプリッタ装置３と相違している。

本実施形態に係るビームスプリッタ装置２０３は、図１９に示されるように、ビームスプリッタ３３により分岐された光路１０，２０を伝播するパルス光Ｂ_１１，Ｂ_１２の内、光路４０に入射するパルス光Ｂ_１１２，Ｂ_１２１について瞳をリレーするレンズ１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃからなるリレー光学系１０６と、ビームスプリッタ３５の前後において光路４０からのパルス光Ｂ_１１２，Ｂ_１２１について瞳をリレーするレンズ１０７ａ，１０７ｂからなるリレー光学系１０７とを備えている。

また、レンズ１０６ａ，１０７ｂは、ビームスプリッタ３４，３５を透過する透過するパルス光Ｂ_１１１，Ｂ_１２２について瞳をリレーするリレー光学系を構成している。

すなわち、平行光としてビームスプリッタ３３に入射するパルス光Ｂ_１は、ビームスプリッタ３３によって２つの平行光からなるパルス光Ｂ_１１，Ｂ_１２に分岐される。

平行光からなるパルス光Ｂ_１１は、レンズ１０６ａにより集光され、その一部がビームスプリッタ３４によって反射されて、パルス光Ｂ_１１２として遅延光路４０に入射する。遅延光路４０においては、パルス光Ｂ_１１２が、レンズ１０６ｂによって平行光からなるパルス光Ｂ_１１２となる。

そして、リレー光学系３７および反射光学系３２を通過して平行光となり、その後、レンズ１０７ａにより集光され、ビームスプリッタ３５により反射され、レンズ１０７ｂにより再度平行光となって射出される。

ビームスプリッタ３４，３５を透過したパルス光Ｂ_１１１はレンズ１０７ｂによって再度平行光となって射出される。

一方、平行光からなるパルス光Ｂ_１２は、遅延光路２０に入射し、リレー光学系３６および反射光学系３１を通過して平行光となり、レンズ１０６ｃにより集光されてビームスプリッタ３４に入射する。ビームスプリッタ３４においては、パルス光Ｂ_１２は、パルス光Ｂ_１２１，Ｂ_１２２に分岐され、ビームスプリッタ３４を透過するパルス光Ｂ_１２１は、パルス光Ｂ_１１１と同様に瞳をリレーされつつ、平行光となってレンズ１０７ｂから射出される。

また、ビームスプリッタ３４において反射されるパルス光Ｂ_１２２は、パルス光Ｂ_１１１と同様に瞳をリレーされつつ、平行光となってレンズ１０７ｂから射出される。

この場合に、本実施形態においては、図２０に示されるように、反射光学系３１およびリレー光学系３６の位置を調節することにより、ビームスプリッタ３４に入射するパルス光Ｂ_１１，Ｂ_１２の光軸が、ビームスプリッタ３４の反射面上においてが一致しないようにずらされている。また、反射光学系３２およびリレー光学系３７の位置を調節することにより、ビームスプリッタ３５に入射するパルス光Ｂ_１１１，Ｂ_１１２，Ｂ_１２１，Ｂ_１２２の光軸が、反射面上において等間隔をあけて配置されるようにずらされている。図２０は図１９における領域ＡＡの拡大図である。

そして、ビームスプリッタ３５によって合波されるパルス光Ｂ_１１１，Ｂ_１１２，Ｂ_１２１，Ｂ_１２２の光束の主光線は相互に平行となるように設定されている。さらに、ビームスプリッタ３５により合波されたパルス光Ｂ_１１１，Ｂ_１１２，Ｂ_１２１，Ｂ_１２２は、図２１に示されるように、ビームスプリッタ３５後に同一平面において集光するように設定されている。これにより、パルス光Ｂ_１１１，Ｂ_１１２，Ｂ_１２１，Ｂ_１２２に対して、レンズ１０７ｂはテレセントリック光学系となり、パルス光Ｂ_１１１，Ｂ_１１２，Ｂ_１２１，Ｂ_１２２はレンズ１０７ｂによって、角度を異ならせて、レンズ１０７ｂの後側焦点位置において同一位置に集合される。図２１は図１９における領域ＡＢの拡大図である。

すなわち、レンズ１０７ｂの後側焦点位置からは、２つの遅延光路２０，４０によって相互に異なる時間遅延を付与されて、角度を異ならせた４本のパルス光Ｂ_１１１，Ｂ_１１２，Ｂ_１２１，Ｂ_１２２が射出されることになる。

これにより、その後の対物レンズによって、パルス光Ｂ_１１１，Ｂ_１１２，Ｂ_１２１，Ｂ_１２２が被検体上の間隔をあけた異なる点に集光されてそれぞれ蛍光を発生させるが、各Ｂ_１１１，Ｂ_１１２，Ｂ_１２１，Ｂ_１２２には相互に異なる時間遅延が付与されているので、発生する蛍光が混合されてしまうことが防止され、空間分解能の高い観察を行うことができるという利点がある。

本実施形態においては、遅延光路２０に設けられたミラー３１ａ，３１ｂの少なくとも一方および遅延光路４０に設けられたミラー３２ａ，３２ｂの少なくとも一方、例えば、ミラー３１ｂ，３２ｂを他方のミラー３１ａ，３２ａに対して、ミラー３１ａ，３１ｂまたはミラー３２ａ，３２ｂ間の光軸に平行な面内で平行移動させることで、光路長を調節しかつ、レンズ１０７ｂに入射するパルス光Ｂ_１１１，Ｂ_１１２，Ｂ_１２１，Ｂ_１２２の光軸間隔を調節することにしてもよい。

また、反射光学系３１，３２をそれぞれ、ミラー３１ａ，３１ｂ；３２ａ，３２ｂ間の光軸に沿う方向に平行移動させることにしてもよい。このようにすることで、光路長を変化させることなく、レンズ１０７ｂに入射するパルス光Ｂ_１１１，Ｂ_１１２，Ｂ_１２１，Ｂ_１２２の光軸間隔を調節することができる。したがって、光路長を新たに調整する必要がないという利点がある。

また、反射光学系３１，３２のミラー３１ｂ，３２ｂを変位させて光軸を変位させたときは、レンズ３６ｂと１０６ｃ、及び３７ｂと１０７ａをその光軸変位量と同じだけ光軸に直交する方向に移動させることが好ましい。このようにすることで、ビームスプリッタ３５による合波後の各パルス光Ｂ_１１１，Ｂ_１１２，Ｂ_１２１，Ｂ_１２２の主光線を平行な状態に維持することができ、集合点を光軸方向にずらさずに済むという利点がある。

また、本実施形態においては、複数のリレー光学系３６，３７，１０６，１０７によって瞳をリレーすることにより各パルス光Ｂ_１１１，Ｂ_１１２，Ｂ_１２１，Ｂ_１２２の光束径を同一の光束径にすることができる。光束径を変化させないので走査型観察装置に適用した場合に、分解能を変化させずに済むという利点がある。また、各光路１０，２０，３０，４０に配置されるレンズ３６ａ，３６ｂ，３７ａ，３７ｂ，１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃ，１０７ａを同一焦点距離に設定することにしてもよい。

また、ビームスプリッタ３３，３４，３５としては、偏光ビームスプリッタを採用してもよい。これにより、パルス光を無駄なく使用することができる。

また、本実施形態においては、各光路１０，２０，３０，４０を伝播してきたパルス光Ｂ_１１１，Ｂ_１１２，Ｂ_１２１，Ｂ_１２２の光軸が、合波されることにより相互に等間隔に配置されるように設定しているので、走査型観察装置に適用したときに、被検体上におけるパルス光Ｂ_１１１，Ｂ_１１２，Ｂ_１２１，Ｂ_１２２の走査ピッチを均一にして、分解能にムラのない画像を取得することができる。

また、走査型観察装置に適用する際には、パルス光Ｂ_１１１，Ｂ_１１２，Ｂ_１２１，Ｂ_１２２の集合位置またはそれと光学的に共役な位置が、スキャナの揺動軸上に配置されていることが好ましい。このようにすることで、スキャナを揺動させてパルス光を走査しても、スキャナへのパルス光の入射位置が変化しないので瞳が崩れず、走査領域を漏れなく走査することができるという利点がある。

また、スキャナがラスタスキャン方式のものである場合には、低速側のスキャナの揺動軸上にパルス光の集合位置またはそれと光学的に共役な位置が配置されていることが好ましい。複数のパルス光に分割して走査領域を分割するので、高速側のスキャナの走査周波数を増大させることなく短時間で走査することができるという利点がある。

［第１２の実施形態］
次に、本発明の第１２の実施形態に係るビームスプリッタ装置２０４について、図面を参照して以下に説明する。

本実施形態に係るビームスプリッタ装置２０４は、図２２に示されるように、光源から入射されたパルス光Ｃ_１を導光する光ファイバ１１０と、光ファイバ１１０内を伝播されてきたパルス光Ｃ_１を光ファイバ１１１，１１２を伝播するパルス光Ｃ_１１，Ｃ_１２に分岐するファイバカプラ１１３と、光ファイバ１１１内を伝播されてきたパルス光Ｃ_１１を光ファイバ１１４，１１５に分岐するファイバカプラ１１６と、光ファイバ１１２内を伝播されてきたパルス光Ｃ_１２を光ファイバ１１７，１１８に分岐するファイバカプラ１１９とを備えている。４本の光ファイバ１１４，１１５，１１７，１１８の先端から射出される４本のパルス光Ｃ_１１１，Ｃ_１１２，Ｃ_１１３，Ｃ_１１４は、光ファイバ１１４，１１５，１１７，１１８の先端角度を調節すること（ビーム角度設定部）により相対的な角度を付与されて同一位置に集合されるようになっている。

３つのファイバカプラ１１３，１１６，１１９によってそれぞれ分岐された後の一方の光ファイバ１１１，１１４，１１７は、他方の光ファイバ１１２，１１５，１１８に対して長い長さを有しており、各光ファイバ１１４，１１５，１１７，１１８の先端から射出される４つのパルス光Ｃ_１１１，Ｃ_１１２，Ｃ_１１３，Ｃ_１１４が射出されるまでに伝播する光路長を異ならせるようになっている。図２２において符号１２０は、光ファイバ１１４，１１５，１１７，１１８によって同一位置に集合させられたパルス光Ｃ_１１１，Ｃ_１１２，Ｃ_１１３，Ｃ_１１４を集光して、被検体上に光ファイバ１１４，１１５，１１７，１１８の射出端の像を形成する集光レンズであり、符号１２１は、パルス光Ｃ_１１１，Ｃ_１１２，Ｃ_１１３，Ｃ_１１４を被検体上で走査させるスキャナである。

図２３の（ａ）は、光ファイバ１１０から２つのファイバカプラ１１３，１１９を介して光ファイバ１１８の射出口に至る最も短い光路長を有する経路を示している。図２３の（ｂ）は、光ファイバ１１０から２つのファイバカプラ１１３，１１９を介して光ファイバ１１７の射出端に至る２番目に短い光路長を有する経路を示している。図２３の（ｃ）は、光ファイバ１１０から２つのファイバカプラ１１３，１１６を介して光ファイバ１１５の射出端に至る２番目に長い光路長を有する経路を示している。図２３の（ｄ）は、光ファイバ１１０から２つのファイバカプラ１１３，１１６を介して光ファイバ１１４の射出端に至る最も長い光路長を有する経路を示している。

例えば、光ファイバ１１１，１１２の長さの差を２Ｌａ、光ファイバ１１４，１１５；１１７，１１８の差をそれぞれＬａとなるように設定すると、最も短い経路を基準とした経路の長さの差は、Ｌａ，２Ｌａ，３Ｌａとなる。その結果、光ファイバ１１０にパルス光Ｃ_１を入射させると、図２４に示されるように、時間間隔ｎＬａ／ｃのパルス光列が生成されるようになっている。ここで、ｎは光ファイバ１１０，１１１，１１２，１１４，１１５，１１７，１１８のコアの屈折率、ｃは光速とし、パルス光Ｃ_１１１，Ｃ_１１２，Ｃ_１１３，Ｃ_１１４のパルス幅を空間に換算した長さが十分に小さいと仮定している。

そして、このように構成された本実施形態に係るビームスプリッタ装置２０４によれば、パルス光Ｃ_１として時間的コヒーレンスが短い光を入射すると、図２５に示されるように、時間間隔ｎＬａ／ｃで射出される４つのパルス光Ｃ_１１１，Ｃ_１１２，Ｃ_１１３，Ｃ_１１４は互いに干渉しないので、照明の干渉による劣化を防ぐことができるという利点がある。

また、このようにして、４つに分岐されたパルス光Ｃ_１１１，Ｃ_１１２，Ｃ_１１３，Ｃ_１１４は、図２２に示されるように、集光レンズ１２０によって集光され、スキャナ１２１によって被検体上において走査される。集光レンズ１２０は、光ファイバ１１４，１１５，１１７，１１８の射出端の像をスキャナ１２１を介して被検体上に形成するようになっている。スキャナ１２１は図２２に示されるように、紙面に直交する軸線回りに揺動させられるミラーであり、その揺動によってパルス光Ｃ_１１１，Ｃ_１１２，Ｃ_１１３，Ｃ_１１４を紙面に沿う方向に走査させることができる。

このようにすることで空間多重せずに単一のパルス光によって走査する場合と比較して、同じ領域にパルス光を照射する時間を１／４に短縮することができる。さらに、各パルス光Ｃ_１１１，Ｃ_１１２，Ｃ_１１３，Ｃ_１１４相互間に遅延時間を付与して時間的にも多重化させているので、干渉の影響なく観察像を得ることができるという利点がある。

なお、本実施形態においては、以下の変形例を採用することができる。

すなわち、単一の集光レンズ１２０によって４つのパルス光Ｃ_１１１，Ｃ_１１２，Ｃ_１１３，Ｃ_１１４を集光していたことに代えて、図２６に示されるように２つの正レンズ１２２，１２３を採用してもよい。この場合には、光ファイバ１１４，１１５，１１７，１１８の射出端を正レンズ１２２の前側焦点面近傍に配置し、スキャナ１２１を正レンズ１２２の後側焦点面近傍に配置し、さらに、スキャナ１２１を正レンズ１２３の前側焦点面に配置する。これにより、物体側にも像側にもテレセントリックな配置とすることができ、被検体が光軸上で前後しても倍率が大きく変化しないような観察が可能となる。

また、上記実施形態においては、１つのパルス光Ｃ_１を４つのパルス光Ｃ_１１１，Ｃ_１１２，Ｃ_１１３，Ｃ_１１４に分岐する場合について説明したが、これに代えて、他の任意の数のパルス光に分岐することにしてもよい。

また、上記実施形態においては、スキャナ１２１として、単一のガルバノミラーのような一次元的に走査するものを示したが、これに代えて、もう１つのスキャナを加えることにより２次元的に走査してもよい。

例えば、図２７に示される蛍光観察装置２０５に適用する場合について説明する。この蛍光観察装置２０５は、本実施形態に係るビームスプリッタ装置２０４と、該ビームスプリッタ装置２０４に入射するパルス光Ｃ_１を発生するパルス光源１２４と、ビームスプリッタ装置２０４から射出されたパルス光Ｃ_１１１，Ｃ_１１２，Ｃ_１１３，Ｃ_１１４を集光する集光レンズ１２２と、相互に交差する軸線回りに揺動可能な２枚のガルバノミラーを備えるスキャナ１２５と、スキャナ１２５により走査されたパルス光Ｃ_１１１，Ｃ_１１２，Ｃ_１１３，Ｃ_１１４を被検体に集光する対物レンズ１２６と、被検体において発生し、対物レンズ１２６によって集光された蛍光（戻り光）Ｃ_２をパルス光Ｃ_１１１，Ｃ_１１２，Ｃ_１１３，Ｃ_１１４の光路から分岐するダイクロイックミラー１２７と、該ダイクロイックミラー１２７によって分岐された蛍光Ｃ_２を検出する光検出器１２８とを備えている。

この蛍光観察装置２０５によれば、パルス光源１２４から射出され、ビームスプリッタ装置２０４によって４つに分岐された後、スキャナ１２５によって２次元的に走査されたパルス光Ｃ_１１１，Ｃ_１１２，Ｃ_１１３，Ｃ_１１４を、対物レンズ１２６によって被検体上に集光することにより、被検体において蛍光Ｃ_２を発生させることができる。そして、被検体において発生し、対物レンズ１２６によって集光された蛍光Ｃ_２をダイクロイックミラー１２７によってパルス光Ｃ_１１１，Ｃ_１１２，Ｃ_１１３，Ｃ_１１４から分岐して光検出器１２８により検出する。この場合、スキャナ１２５による走査位置と、光検出器１２８により検出された蛍光Ｃ_２強度とを対応づけて記憶しておくことにより、２次元的な蛍光画像を取得して被検体の蛍光観察を行うことができる。

ビームスプリッタ装置２０４によってパルス光Ｃ_１１１，Ｃ_１１２，Ｃ_１１３，Ｃ_１１４を空間的に多重化させると同時に時間的にも多重化しているので、得られる蛍光Ｃ_２は、図２８に示されるように、相互に干渉しないパルス列となり、十分な応答速度を有する光電子増倍管等の光検出器１２８を用いれば、わざわざ２次元の撮像素子を用いなくても４つの蛍光Ｃ_２のパルス列を時間的に分離して検出することができる。

被検体を４つのパルス光Ｃ_１１１，Ｃ_１１２，Ｃ_１１３，Ｃ_１１４により照射するので、通常の１点照射１点検出の走査と比較して４倍の高速化を実現することができる。つまり、１点照射１点検出の走査と比較してスキャナ１２５の走査速度を４倍低速にしても同じフレームレートでの画像取得が可能となる。

具体的には、パルス光源１２４のパルス発振の繰り返し周波数Ｒと、光ファイバ１１４，１１５，１１７，１１８の長さによるパルス間隔ｎＬａ／ｃとが、１／Ｒ＝４ｎＬａ／ｃを満たすように設定することにより、図２８に示されるように、パルス光源１２４から発振するパルス光Ｃ_１が４つに多重化されて等間隔になり、そのパルス光Ｃ_１１１，Ｃ_１１２，Ｃ_１１３，Ｃ_１１４の列によって発生する蛍光Ｃ_２のパルス列も同じ繰り返し周期で得られることになる。

［第１３の実施形態］
次に、本発明の第１３の実施形態に係るビームスプリッタ装置２０６について、図面を参照して以下に説明する。

本実施形態に係るビームスプリッタ装置２０６は、図２９に示されるように、第１２の実施形態に係るビームスプリッタ装置２０４における４本の光ファイバ１１４，１１５，１１７，１１８の射出端を束ね、かつ、その束ねられた光ファイバ束１２９をその半径方向に変位させるスキャナ１３０を設けたものである。

スキャナ１３０は、光ファイバ束１２９をその半径方向に１次元的にあるいは２次元的に共振させることにより、各光ファイバ１１４，１１５，１１７，１１８の射出端から射出されるパルス光Ｃ_１１１，Ｃ_１１２，Ｃ_１１３，Ｃ_１１４を、その瞳位置に配置される集光レンズ１２０によって集光し、射出端と光学的に共役な位置に配置される被検体上において走査させることができるようになっている。なお、図２９及び図３３では、パルス光Ｃ_１１１のみを図示しているが、実際には、Ｃ_１１２，Ｃ_１１３，Ｃ_１１４も該Ｃ_１１１の近傍を走査している。

第１２の実施形態のように、ミラー１２１を揺動させてパルス光Ｃ_１１１，Ｃ_１１２，Ｃ_１１３，Ｃ_１１４を走査させる場合とは異なり、そのサイズを縮小することができ、かつ、調整を簡易にすることができる。

なお、本実施形態においては、図３０に示されるように、４本の光ファイバ１１４，１１５，１１７，１１８の射出端を全ての光ファイバ１１４，１１５，１１７，１１８が近接するように束ねてもよいし、これに代えて、４本の光ファイバ１１４，１１５，１１７，１１８のクラッドどうしを融着させてコア１１４ａ，１１５ａ，１１７ａ，１１８ａどうしが隣接するように配置してもよい。この場合に、コア１１４ａ，１１５ａ，１１７ａ，１１８ａの配列は、図３１に示されるように矩形状に配列してもよいし、図３２に示されるように一列に配列してもよい。

このように構成された本実施形態に係るビームスプリッタ装置２０６は、図３３に示される蛍光観察装置２０７に備えられている。このビームスプリッタ装置２０６は、光ファイバ１１０の一端に接続されたパルス光源１２４からのパルス光Ｃ_１を４つのパルス光Ｃ_１１１，Ｃ_１１２，Ｃ_１１３，Ｃ_１１４に分割して射出端から射出させ、対物レンズ１２０によって集光することにより、光ファイバ１１４，１１５，１１７，１１８の射出端と光学的に共役な位置に配置されている被検体上において光ファイバ１１４，１１５，１１７，１１８の射出端の像を結像させて４点のパルス光Ｃ_１１１，Ｃ_１１２，Ｃ_１１３，Ｃ_１１４を照射することができる。

図３３においては、対物レンズ１２０の周囲に端部を配置した光ファイバ１３１，１３２が設けられている。被検体におけるパルス光Ｃ_１１１，Ｃ_１１２，Ｃ_１１３，Ｃ_１１４の照射位置において発生した蛍光Ｃ_２は、光ファイバ１３１，１３２の端部に入射して、光ファイバ１３１，１３２内を導光され、光ファイバ１３１，１３２の他端に接続されている光検出器１３３によって検出されるようになっている。

なお、図３３においては２本の光ファイバ１３１，１３２によって蛍光Ｃ_２を導光することとしたが、これに代えて、対物レンズ１２０の周囲に間隔を空けて３本以上の光ファイバの端部を配列することにしてもよい。これにより、ＳＮ比の高い蛍光画像を取得することが可能となる。

本発明は上述した実施形態に記載されるレーザ走査型蛍光顕微鏡に限定されず、他の光ビーム走査型観察装置、例えばレーザ走査型内視鏡に適用してよく、これにより細胞や組織などの生体の観察をリアルタイムに実施できる。

本発明によれば、複数のビームが被検体の狭い領域に照射されて、そこに照射点が高密度に分布したとしても、各々の検出シグナルが互いに干渉せずに、高速な光走査を実行できる。従って、本発明は、通常の走査装置や操作方法の場合は検知のために検出器に対して長い露光時間が必要となるような、被検体から発せられる微弱光信号を検知する場合において、特に有利である。例えば、時間多重により走査速度を４倍高速化すると、時間多重を行わない場合と比較して露光時間を４倍長くできる。また、本発明によれば、ＣＣＤやＣＭＯＳのような複数の画素を有する撮像デバイスではなく、フォトダイオード（ＰＤ）や光電子倍増管（ＰＭＴ）等の１つの検出器で信号を検出可能である。更に、本発明によれば、時間多重を行うことにより、所望の信号強度を得るために、時間多重しない場合と比較して、パルス光の強度を小さくすることができるので、本発明の装置は、生体組織や神経細胞のような壊れやすい対象を撮像または観察するための顕微鏡や内視鏡に好適に利用できる。

１，２，３，３’，４，５，５’，６，７，２００，２０１，２０２，２０３，２０４，２０６ ビームスプリッタ装置
８ 走査型顕微鏡
１０，２０，３０，４０ 光路
１１，１２４ パルス光源
１２，２１，２２，３１，３２，４１，４２，５１，５２，６１，６２，７１，７２ 反射光学系（ビーム角度設定部）
１３，２３，３３，６３ ビームスプリッタ（分波部）
１４，２５，３５，６５，７４ ビームスプリッタ（合波部）
１６，１７，３６，３７，３８，３９，４５，４６，４７，４８，５４，５５，５６，５７，６６，６７，６８，６９，１０６，１０７，１５３，１６１ リレー光学系（瞳伝達光学系）
２４，３４，４３，４４，５３，６４，７３，１５４，１５５ ビームスプリッタ（合分波部）
３１ａ，３２ａ ミラー（第１のミラー）
３１ｂ，３２ｂ ミラー（第２のミラー）
３１ｃ，３２ｃ，５１ｃ，５２ｃ ステージ（平行移動機構）
３５’ 偏光ビームスプリッタ
４９，５０ 固定ミラー
８３ リレーレンズ
８４，１２７ ダイクロイックミラー
８５，１２６ 対物レンズ
８６ 検出器（検出部）
８７ 走査光学系（走査部）
８８ 観察光学系
１０１，１０２，１０３，１０３’，１０４，１０５，１０５’ 光源装置
２０５，２０７ 蛍光観察装置（走査型顕微鏡）
１１０，１１１，１１２，１１４，１１５，１１７，１１８ 光ファイバ
１１３，１１６，１１９ ファイバカプラ
１２０ 集光レンズ
１２１，１２５，１３０ スキャナ
１２２，１２３ 正レンズ
１２８ 光検出器
１２９ 光ファイバ束

Claims (23)

1. 入力されるパルス光から被検体に照射される複数のパルス光を生成するビームスプリッタ装置であって、
   入力されたパルス光を２つの光路に分岐する１以上の分波部と、
   該分波部によって分岐された２つの光路を通過するパルス光に、該パルス光によって生じる被検体における反応を分離するに足る相対的な時間遅延を付与する１以上の遅延部と、
   該遅延部によって相対的な時間遅延を付与された複数のパルス光に相対的な角度を付与して同一箇所に集合させるビーム角度設定部とを備えるビームスプリッタ装置。
2. 前記分波部によって分岐された各光路に配置され、各光路において瞳をリレーするリレー光学系と、
   該リレー光学系によってリレーされた複数のパルス光を合波する１以上の合波部とを備え、
   前記ビーム角度設定部が、前記分波部によって分岐されたパルス光の一方に、もう一方のパルス光に対して相対的な角度を持つように角度を付与する請求項１に記載のビームスプリッタ装置。
3. 前記リレー光学系が少なくとも一対のレンズを備え、
   前記ビーム角度設定部が、一対の前記レンズの間に配置されている請求項２に記載のビームスプリッタ装置。
4. 前記ビーム角度設定部が、前記分波部によって分岐されたパルス光を反射する第１のミラーと、該第１のミラーによって反射されたパルス光を前記合波部に向けて反射する第２のミラーと、前記第１のミラーおよび前記第２のミラーをこれらミラー間における光軸に沿う方向に一体的に平行移動させる平行移動機構とを備える請求項２に記載のビームスプリッタ装置。
5. 前記ビーム角度設定部が、前記分波部によって分岐された前記パルス光を前記合波部に向けて反射するミラーと、該ミラーを前記パルス光の光軸に直交する軸線回りに揺動させる揺動機構とを備える請求項２に記載のビームスプリッタ装置。
6. 前記ビーム角度設定部が、前記分波部および前記合波部の少なくとも一方を前記パルス光の光軸に直交する軸線回りに揺動させる揺動機構を備える請求項２に記載のビームスプリッタ装置。
7. 前記分波部、前記合波部、前記リレー光学系および前記ビーム角度設定部から構成されるユニットを直列に複数備え、
   前記ビーム角度設定部が、前記分波部と前記合波部との間にそれぞれ配置されている請求項２に記載のビームスプリッタ装置。
8. 前記分波部によって分岐された２つの光路のパルス光を合波するとともに、合波した２つの前記パルス光を光路長の異なる２つの光路に分岐する合分波部を少なくとも１つ備え、
   前記リレー光学系が、前記分合波部によって分岐されたそれぞれの光路に配置され、
   前記ビーム角度設定部が、前記合分波部によって分岐されたパルス光に相対的な角度を付与する請求項２に記載のビームスプリッタ装置。
9. 前記合波部の上流側のいずれかの光路に配置され、複数の光路の偏光状態を相互に直交させる偏光変調部を備え、
   前記合波部が偏光ビームスプリッタである請求項２に記載のビームスプリッタ装置。
10. 入力されるパルス光から被検体に照射される複数のパルス光を生成するビームスプリッタ装置であって、
    入力されたパルス光を２つの光路に分岐する１以上の分波部と、
    該分波部によって分岐された２つの光路を通過するパルス光に、該パルス光によって生じる被検体における反応を分離するに足る相対的な時間遅延を付与する１以上の遅延部と、
    該遅延部によって時間遅延を付与された２つのパルス光を合波する１以上の合波部と、
    前記分波部によって分岐された各光路に設けられ、前記合波部により合波されるパルス光を該合波部上において異なる位置に入射させ、最終の前記合波部後において、各前記パルス光の光束の主光線を互いに平行にする固定変位部と、
    最後の前記合波部後に配置された少なくとも１枚の集光レンズとを備えるビームスプリッタ装置。
11. 前記分波部によって分岐された各光路に配置され、各光路において瞳をリレーするリレー光学系を備える請求項１０に記載のビームスプリッタ装置。
12. 前記固定変位部が、少なくとも２枚のミラーと、該ミラーの内、少なくとも１枚のミラーを、該ミラーに入射するパルス光の光軸と平行な面内で該ミラー間の光路長を変化させるように平行移動させる平行移動機構とを備える請求項１０に記載のビームスプリッタ装置。
13. 前記平行移動機構が、２枚のミラーを該ミラー間の光軸と平行な方向に移動可能に移動させる請求項１２に記載のビームスプリッタ装置。
14. 前記固定変位部の後段に、少なくとも１つのレンズ群と、該レンズ群を、前記固定変位部による光軸の変位に同期させて、前記光軸の変位量と同一量だけ光軸に直交する方向に移動させるレンズ群移動機構とを備える請求項１２に記載のビームスプリッタ装置。
15. 入力されるパルス光から被検体に照射される複数のパルス光を生成するビームスプリッタ装置であって、
    入力されたパルス光を２つに分岐する１以上の分波部と、
    該分波部によって分岐されたパルス光をそれぞれ伝播する光路長の異なる２以上の導光部材と、
    複数の前記導光部材の射出端から射出される複数のパルス光に相対的な角度を付与して同一箇所に集合させるビーム角度設定部とを備えるビームスプリッタ装置。
16. パルス光を射出するパルス光源と、
    該パルス光源から発せられたパルス光が入射される請求項１から請求項１５のいずれかに記載のビームスプリッタ装置とを備える光源装置。
17. 前記ビームスプリッタ装置から射出された複数のパルス光を空間的に走査する走査部とを備える請求項１６に記載の光源装置。
18. パルス光を射出するパルス光源と、
    該パルス光源から発せられたパルス光が入射される請求項１５に記載のビームスプリッタ装置と、
    該ビームスプリッタ装置から射出された複数のパルス光を、複数の前記導光部材の射出端を空間的に振動させることにより、空間的に走査する走査部とを備える光源装置。
19. 請求項１から請求項１５のいずれかに記載のビームスプリッタ装置と、
    該ビームスプリッタ装置からの複数のパルス光を被検体上で走査する走査部と、
    該走査部により走査されたパルス光を前記被検体に照射する観察光学系と、
    該被検体からの信号光を検出する検出部とを備える走査型観察装置。
20. 前記検出部によって検出された信号光を、走査された前記パルス光と同期させる処理部と、
    該処理部により同期された信号光を、前記被検体上の各点と対応づけて２次元情報もしくは３次元情報として復元する復元部と、
    前記２次元情報または３次元情報を表示する表示部とを備える請求項１９に記載の走査型観察装置。
21. 前記被検体に光を集光するための対物レンズをさらに備える請求項１９に記載の走査型観察装置。
22. 請求項２１に記載の走査型観察装置を備えたレーザ走査型顕微鏡。
23. 請求項２１に記載の走査型観察装置を備えたレーザ走査型内視鏡。

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