JP5701573B2 - スキャナ、走査型照明装置および走査型観察装置 - Google Patents

Description

本発明は、スキャナ、走査型照明装置および走査型観察装置に関するものである。

従来、形状可変ミラーによって波面を変形させたレーザ光をガルバノミラーユニットを経由して対物レンズに入射させる走査型顕微鏡装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この装置は、形状可変ミラーの反射面を変化させることにより、レーザ光に付与した波面を第１のリレー光学系によって光束走査手段にリレーし、さらに、光束走査手段によって走査されたレーザ光を第２のリレー光学系によって対物レンズの入射瞳位置にリレーしている。

すなわち、形状可変ミラーの反射面の位置、光束走査手段の位置および対物レンズの入射瞳位置をそれぞれ光学的に共役な位置関係に配置することで、光束走査手段によるレーザ光の走査に拘わらず、形状可変ミラーの反射面において付与した波面を対物レンズの入射瞳位置へ精度よくリレーできる。

特開２００７−３１６６６２号公報

しかしながら、リレー光学系は大きなスペースを必要とするので、２組のリレー光学系を使用する特許文献１の走査型顕微鏡装置は、大型のものとなってしまうという不都合がある。一方、装置を小型化するために、単にリレー光学系を省略したのでは、形状可変ミラーの反射面の位置と対物レンズの入射瞳位置とが光学的に共役な位置関係にならないので、形状可変ミラーの反射面において付与した所望の波面を対物レンズの入射瞳位置へ精度よくリレーできない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、照明光の走査に拘わらず、波面変調素子によって付与した所望の波面を精度よくリレーでき、かつ、装置の小型化を図ることができるスキャナ、走査型照明装置および走査型観察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、光源からの照明光を、その光軸に交差する方向に走査するスキャナであって、走査機構と、該走査機構に固定され、光源から入射された照明光の波面を変調して射出する波面変調部とを備え、該波面変調部が、光源から入射された照明光を反射する反射面を備え、該反射面における反射の際に照明光の波面を変調する反射型の波面変調素子であり、前記走査機構が、前記反射面を前記光軸に交差する軸線回りに揺動させる揺動機構を備えるスキャナを提供する。
本発明によれば、光源からの照明光が走査機構によって光軸に交差する方向に走査されるとともに、波面変調部において波面が変調されて射出される。波面変調部は走査機構に固定されているので、波面変調部と走査機構との間にリレー光学系を配置する必要がなく、このスキャナを組み込む装置を小型化することができる。

上記発明においては、前記波面変調部が、光源から入射された照明光を反射する反射面を備え、該反射面における反射の際に照明光の波面を変調する反射型の波面変調素子であり、前記走査機構が、前記反射面を前記光軸に交差する軸線回りに揺動させる揺動機構を備えることで、光源からの照明光が波面変調部に入射されると、波面変調部を構成する反射型の波面変調素子に備えられた反射面における反射の際に照明光の波面が変調されるとともに、走査機構に備えられた揺動機構の作動により反射面が光軸に交差する軸線周りに揺動させられて、反射面により反射される照明光の射出方向を変化させることができる。

また、上記発明においては、前記揺動機構が、相互に交差する２つの軸線回りに前記反射面を揺動可能であってもよい。
このようにすることで、単一の反射面によって照明光を２次元的に走査させつつ、照明光の波面を変調し、波面変調部と走査機構との間のリレー光学系を省略し、このスキャナを組み込む装置を小型化することができる。

また、上記発明においては、前記揺動機構が、１つの軸線回りに前記反射面を揺動させ、前記走査機構が、前記反射面に対向して配置され、前記揺動機構の軸線とは非平行な軸線回りに揺動させられるミラーを備えていてもよい。
このようにすることで、波面変調部に備えられた反射面によって照明光の波面が変調され、かつ、揺動機構によって、反射面によって反射される照明光が一方向に走査させられる。さらに、ミラーによって照明光が他の一方向に走査させられることにより、照明光は２次元的に走査させられる。

また、上記発明においては、前記波面変調部が、前記揺動機構による前記反射面の揺動により該反射面に発生する撓みによる光路長の位相変化をキャンセルする位相変化を、前記反射面の静止時に前記照明光に付与する波面に加算して付与してもよい。
このようにすることで、揺動機構によって反射面を高速に揺動させることにより、反射面に撓みが発生しても、その撓みによる光路長の位相変化がキャンセルされ、揺動時にも静止時と同様の波面を照明光に付与することができる。

また、上記発明においては、前記波面変調部が、前記ミラーの揺動に応じて、前記波面変調素子上の像を形成する前記波面の変調領域を移動させてもよい。
波面変調素子上の波面の変調領域を固定した場合には、波面変調素子の反射面に間隔をあけて対向するミラーが揺動させられることにより、その後にリレーされる像が光軸に交差する方向に移動させられる。本発明によれば、波面変調部が、ミラーの揺動に応じて空間光変調素子上の像を形成する波面の変調領域を移動させることにより、リレーされる像の移動を打ち消して、停止させることができる。

また、上記発明においては、前記揺動機構による前記反射面の揺動速度が、前記ミラーの揺動速度より速いことが好ましい。
このようにすることで、変調領域の移動を低速側のミラーの揺動速度に合わせて行うことができ、より容易に、リレーされる像を静止させることができる。

また、本発明は、照明光を射出する光源と、上記いずれかのスキャナと、該スキャナにより走査された照明光を標本に集光する対物レンズと、前記スキャナにおける像を前記対物レンズの入射瞳位置にリレーするリレー光学系とを備える走査型照明装置を提供する。

本発明によれば、光源から射出された照明光が、スキャナによって走査されるとともに、波面が変調される。このとき、スキャナ上の像はリレー光学系によって対物レンズの入射瞳位置にリレーされ、対物レンズによって標本上に集光される。照明光はスキャナによって走査されることにより、標本上において走査され、標本を照明することができる。スキャナが、相互に固定された走査機構と波面変調部とを備えているので、走査機構と波面変調部との間にリレー光学系が不要であり、走査型照明装置を小型に構成することができる。

また、本発明は、上記走査型照明装置と、前記光源からの照明光から参照光を分岐する分岐部と、前記対物レンズによって集光された標本からの照明光の戻り光と前記参照光とを干渉させて干渉光を生成する干渉部と、該干渉部により生成された干渉光を検出する干渉光検出部とを備える走査型観察装置を提供する。

本発明によれば、光源からの照明光が分岐部によって照明光と参照光とに分岐され、照明光はスキャナを通過することにより、波面を変調されつつ走査され、リレー光学系および対物レンズを介して標本に照射される。標本からの照明光の戻り光は、対物レンズ、リレー光学系およびスキャナを介して戻り、干渉部において参照光と合波される。これにより、干渉光が生成され、生成された干渉光は干渉光検出部において検出される。この場合においても、波面変調部とスキャナとの間のリレー光学系を省略でき、装置を小型化することができる。

また、本発明は、上記走査型照明装置と、該走査型照明装置により照明光が照射されることにより前記標本から発せられ前記対物レンズによって集光された戻り光を照明光の光路から分岐する分岐部と、該分岐部により分岐された戻り光を検出する戻り光検出部とを備える走査型観察装置を提供する。

本発明によれば、光源から射出された照明光が、スキャナによって走査されるとともに、波面が変調される。このとき、スキャナ上の像はリレー光学系によって対物レンズの入射瞳位置にリレーされ、対物レンズによって標本上に集光される。照明光はスキャナによって走査されることにより、標本上において走査され、標本を照明することができる。標本において発せられた戻り光は、対物レンズによって受光され、分岐部によって照明光の光路から分岐されて戻り光検出部により検出される。これにより、標本の戻り光画像を取得することができる。この場合において、スキャナが、相互に固定された走査機構と波面変調部とを備えているので、走査機構と波面変調部との間にリレー光学系が不要であり、走査型観察装置を小型に構成することができる。

また、本発明の参考例は、光源からの照明光を、その光軸に交差する方向に走査する走査機構と、前記光源と前記走査機構との間の光路上に前記走査機構との間に間隔を空けて配置され、前記光源から入射された照明光の波面を変調して前記走査機構に射出する波面変調部とを備え、該波面変調部が、該波面変調部から前記走査機構までの光路において前記波面に発生する変化を相殺する波面を、前記照明光に付与する波面に加算して付与するスキャナを提供する。

本参考例によれば、光源からの照明光が波面変調部によって変調された後に走査機構によって光軸に交差する方向に走査される。照明光は、波面変調部から走査機構まで伝達される間に波面が変化するが、その変化を相殺する波面を所望の波面に加算した波面が波面変調素子において付与される。すなわち、照明光は走査機構の位置において所望の波面を有することとなるので、波面変調部と走査機構との間にリレー光学系を配置する必要がなく、このスキャナを組み込む装置を小型がすることができる。

上記参考例においては、前記走査機構が、光源から入射された照明光を反射する反射面を有し該反射面を前記光軸に交差する軸線回りに揺動させる揺動機構を備えていてもよい。
また、上記参考例においては、前記揺動機構が、相互に交差する２つの軸線回りに前記反射面を揺動可能であってもよい。

また、上記参考例においては、前記揺動機構が、１つの軸線回りに前記反射面を揺動させ、前記走査機構が、前記反射面に対向して配置され、前記揺動機構の軸線とは非平行な軸線回りに揺動させられるミラーを備えていてもよい。
また、上記参考例においては、前記波面変調部が、前記ミラーの揺動に応じて、前記波面変調素子上の像を形成する前記波面の変調領域を移動させてもよい。
また、上記参考例においては、前記揺動機構による前記反射面の揺動速度が、前記ミラーの揺動速度より速いことが好ましい。

また、本発明は、照明光を射出する光源と、上記いずれかに記載のスキャナと、該スキャナにより走査された照明光を標本に集光する対物レンズと、前記スキャナの前記走査機構における像を前記対物レンズの入射瞳位置にリレーするリレー光学系とを備え、前記波面変調部が、該波面変調部の前記共役な位置からのずれに起因して前記波面に発生する変化を相殺する波面を、前記照明光に付与する波面に加算して付与する走査型照明装置を提供する。

本発明によれば、光源から射出された照明光は、波面変調部によって波面が変調された後、スキャナからリレー光学系により対物レンズへリレーされて標本上に集光されるので、スキャナにより照明光を走査することにより標本を照明することができる。スキャナは、走査機構と、該走査機構において所望の波面となるように照明光に波面を付与する波面変調部とを備えているので、走査機構と波面変調部との間にリレー光学系が不要であり、走査型照明装置を小型にすることができる。

また、本発明は、上記に記載の走査型照明装置と、前記光源からの照明光から参照光を分岐する分岐部と、前記対物レンズによって集光された標本からの照明光の戻り光と前記参照光とを干渉させて干渉光を生成する干渉部と、該干渉部により生成された干渉光を検出する干渉光検出部とを備える走査型観察装置を提供する。

また、本発明は、上記に記載の走査型照明装置と、該走査型照明装置により照明光が照射されることにより前記標本から発せられ前記対物レンズによって集光された戻り光を照明光の光路から分岐する分岐部と、該分岐部により分岐された戻り光を検出する戻り光検出部とを備える走査型観察装置を提供する。

本発明によれば、照明光の走査に拘わらず、波面変調素子によって付与した所望の波面を精度よくリレーでき、かつ、装置の小型化を図ることができるという効果を奏する。

本発明の第１の実施形態に係る走査型照明装置を示す図である。 図１の走査型照明装置に備えられた本実施形態に係るスキャナの一例を示す斜視図である。 図１の走査型照明装置の変形例を示す図である。 図３の走査型照明装置に備えられたスキャナを示す斜視図である。 図４のスキャナを採用した場合の波面変調素子における変調領域の移動を説明する図である。 図４のスキャナの変形例を示す斜視図である。 図６のスキャナを採用した場合の波面変調素子における変調領域の移動を説明する図である。 図２のスキャナにおける歪み補正を説明する図であり、（ａ）静止時、（ｂ）歪み補正のない揺動時、（ｃ）歪み補正を行った場合の揺動時の波面変調素子における反射面の一例を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る走査型観察装置の一例を示す図である。 図９の走査型観察装置の変形例を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る走査型照明装置を示す図である。 図１１の走査型照明装置の変形例を示す図である。 図１１の走査型照明装置が組み込まれた走査型観察装置の一例を示す図である。 図１１の走査型照明装置のスキャナの変形例を示す図である。

本発明の第１の実施形態に係るスキャナおよび走査型照明装置について、図１〜図８を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る走査型照明装置１は、図１に示されるように、レーザ光（照明光）を発生する光源２と、光源２から発せられたレーザ光を径の異なる平行光に変換するコリメータレンズ３と、変換されたレーザ光を２次元的に走査する本実施形態に係るスキャナ４と、該スキャナ４により走査されたレーザ光をリレーするリレー光学系５と、該リレー光学系５によりリレーされたレーザ光を標本Ａ上に集光する対物レンズ６と、スキャナ４を制御する制御部７とを備えている。

本実施形態に係るスキャナ４は、図１に示されるように、レーザ光を反射する反射面８ａを有し、該反射面８ａにおける反射の際にレーザ光の波面を変調する反射型の波面変調素子８と、図２に示されるように、該波面変調素子８を相互に直交する２つの軸線回りに独立して揺動させることが可能な揺動機構９とを備えている。

波面変調素子８は、制御部７からの形状指令信号によって、その反射面８ａの形状を任意に変化させることができるセグメントタイプのＭＥＭＳミラーによって構成されている。これにより、波面変調素子８に入射されたレーザ光は、波面変調素子８の反射面８ａによって反射させられる際に、反射面８ａ形状に応じた波面形状が付与されるようになっている。この波面形状は、各種光学系の収差や標本Ａにおける屈折率分布等を考慮して、予め算出あるいは測定しておけばよい。

波面変調素子８は揺動機構９に固定されており、揺動機構９を作動させることにより、相互に直交する２つの軸線回りにそれぞれ揺動させられて、その法線方向を任意の方向に向けることができるようになっている。すなわち、波面変調素子８によって反射されるレーザ光は、その波面変調素子８の法線方向に応じた任意の方向に反射されるので、その法線方向を変化させることにより、２次元的に走査されるようになっている。

リレー光学系５は、２以上のレンズ５ａ，５ｂによって構成され、波面変調素子８の反射面８ａにおけるレーザ光の像を対物レンズ６の入射瞳位置にリレーするようになっている。すなわち、波面変調素子８の反射面８ａと対物レンズ６の入射瞳位置とは光学的に共役な位置関係となり、波面変調素子８の反射面８ａにおいてレーザ光に付与された波面は、対物レンズ６の入射瞳位置へリレーされるようになっている。

制御部７は、スキャナ４に備えられた波面変調素子８を制御して、レーザ光に所望の波面を付与するような反射面８ａ形状を構成するようになっている。
また、制御部７は、スキャナ４に設けられた揺動機構９を制御して、波面変調素子８の反射面８ａを揺動させ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走査型照明装置１によって標本Ａを照明するには、光源２から発せられたレーザ光をコリメータレンズ３によって径の異なる平行光に変換し、スキャナ４に入射させる。制御部７は、波面変調素子８を制御することにより、レーザ光に所望の波面が付与されるような反射面８ａの形状を構成し、揺動機構９を制御して反射面８ａを揺動させることにより、反射するレーザ光を２次元的に走査させる。

スキャナ４により走査されたレーザ光は、リレー光学系５によってリレーされ対物レンズ６に入射される。スキャナ４を構成する波面変調素子８の反射面８ａの位置と対物レンズ６の入射瞳位置とがリレー光学系５によって光学的に共役な位置関係に配置されているので、対物レンズ６の入射瞳位置には、波面変調素子８の反射面８ａの位置と同じ波面がリレーされ、対物レンズ６の物体側に所望の集光パターンでレーザ光を集光させることができる。

対物レンズ６によって集光されたレーザ光は、スキャナ４の動作に応じて、標本Ａ上で２次元的に走査され、標本Ａを照明することができる。
この場合において、本実施形態に係る走査型照明装置１によれば、波面変調素子８と揺動機構９とを一体的に設けたので、波面変調素子８とスキャナ４との間のリレー光学系を省略することができ、装置１全体を小型に構成することができるという利点がある。

また、揺動機構９として、直交する２軸回りに波面変調素子８の反射面８ａを揺動させるものを採用したので、レーザ光の走査を、全て、対物レンズ６の入射瞳位置と光学的に共役な位置において行うことができる。その結果、レーザ光を走査させても、対物レンズ６の入射瞳位置における像が移動しないようにすることができ、波面変調素子８から対物レンズ６の入射瞳位置までの光路長が変化せず、波面変調素子８から対物レンズ６の入射瞳位置までの光学的に共役な関係を変化させずに済むという利点がある。

したがって、リレーするレーザ光の波面が平面波とは限らない場合においても、波面変調素子８で変調した波面を対物レンズ６の入射瞳位置に正確にリレーし、集光性能の低下を防止することができる。
これにより、各種光学系の収差や、標本Ａ内の屈折率分布等によって発生する収差が補償され、対物レンズ６によって標本Ａ内の所望の集光点にレーザ光を精度良く集光させ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、揺動機構９として、直交する２軸回りに波面変調素子８の反射面８ａを揺動させることができるものを採用したが、これに代えて、図３および図４に示されるように、１軸回りに揺動させるものを採用してもよい。この場合に、スキャナ４としては、波面変調素子８に間隔をあけて対向し、揺動機構９とは非平行な捻れの位置に配置される軸線回りに揺動させられるミラー１０を備えることが好ましい。図中、符号１１，１２は、それぞれ、揺動機構９を駆動するモータおよびミラー１０を駆動するモータである。

図４に示す例では、波面変調素子８の反射面８ａと対物レンズ６の入射瞳位置とが、リレー光学系５によって相互に光学的に共役な位置に配置されている。
このように構成することで、波面変調素子８に入射されたレーザ光は、反射面８ａで反射される際に揺動機構９によって一方向に走査された後、波面変調素子８に間隔をあけて対向しているミラー１０によって反射されるとともに他の一方向に走査される。すなわち、レーザ光は波面変調素子８およびミラー１０によって２次元的に走査されることになる。そして、このようにすることによっても、波面変調素子８と揺動機構９との間におけるリレー光学系を省略することができ、装置１を簡略化することができる。

この場合において、波面変調素子８は対物レンズ６の入射瞳位置と光学的に共役な位置に配置されているので、その揺動によっても、対物レンズ６の入射瞳位置におけるレーザ光の入射位置には変化はない。しかしながら、ミラー１０は共役な位置に配置されていないので、その揺動によって対物レンズ６の入射瞳位置におけるレーザ光の入射位置が変動する。

そこで、制御部７は、ミラー１０を揺動させる角度指令信号に同期して、波面変調素子８へのレーザ光の照射範囲Ｃ内において、上記のような表面形状を実現する変調領域Ｂを、図５に矢印Ｄに示されるように移動させる移動指令信号を出力する。
具体的には、波面変調素子８の変調領域Ｂを固定してミラー１０を揺動させたと仮定したときに対物レンズ６の入射瞳位置におけるレーザ光の像が移動する方向とは逆方向に、ミラー１０を固定したと仮定した状態でレーザ光の像を移動させるように、ミラー１０の揺動に応じて波面変調素子８における波面の変調領域Ｂを移動させるようになっている。

また、この場合には、揺動機構９による波面変調素子８の揺動速度をミラー１０の揺動速度より早く設定しておくことが好ましい。
このような構成によれば、光源２から発せられたレーザ光を、波面変調素子８の変調領域Ｂを含みそれより大きな照射領域Ｃに照射するとともに、変調領域Ｂに入射された部分のレーザ光のみの波面を変調して反射することにより、波面変調素子８の変調領域Ｂの像が、リレー光学系５によって対物レンズ６の入射瞳位置にリレーされる。また、これと同時に、揺動機構９による波面変調素子８およびミラー１０を揺動させることによって、レーザ光を標本Ａ上において２次元的に走査させることができる。

この場合において、仮に、波面変調素子８における変調領域Ｂを固定したままの状態で、揺動機構９を作動させると、ミラー１０の揺動に従って、対物レンズ６の入射瞳位置にリレーされたレーザ光の像が光軸に交差する方向に直線的に移動する。この移動方向をＰ方向、移動量をΔＰとする。逆に、ミラー１０を停止させた状態で波面変調素子８における変調領域Ｂを照射領域Ｃの範囲内において矢印Ｄのように移動させることとしても、対物レンズ６の入射瞳位置にリレーされるレーザ光の像が光軸に交差する方向に直線的に移動する。この移動方向をＱ方向、移動量をΔＱとする。

ここでは、制御部７が、Ｐ方向とＱ方向とが逆方向となり、かつ、ΔＰ＝ΔＱとなるように、波面変調素子８の変調領域Ｂを移動させるので、ミラー１０の揺動に拘わらず、対物レンズ６の入射瞳位置にリレーされるレーザ光の像を静止させた状態に維持することができる。入射瞳位置に入射するレーザ光が光軸に交差する方向に変動しないので、入射瞳全体にわたるようにレーザ光を入射させることができ、最大限に明るい照明を行うことができる。

また、この場合において、揺動機構９およびミラー１０の揺動によっても、対物レンズ６の入射瞳位置における像が移動しないようにするために、波面変調素子８における変調領域Ｂをレーザ光の光軸に交差する方向に移動させるので、波面変調素子８から対物レンズ６の入射瞳位置までの光路長が変化せず、波面変調素子８から対物レンズ６の入射瞳位置までのリレー関係を変化させずに済むという利点がある。したがって、リレーするレーザ光の波面が平面波とは限らない場合においても、波面変調素子８で変調した波面を対物レンズ６の入射瞳位置に正確にリレーし、集光性能の低下を防止することができる。

これにより、各種光学系の収差や、標本Ａ内の屈折率分布等によって発生する収差が補償され、対物レンズ６によって標本Ａ内の所望の点にレーザ光を精度良く集光させることができるという利点がある。
また、揺動機構９の揺動速度をミラー１０の揺動速度より速く設定したので、低速側のミラー１０の揺動に応じて変調領域Ｂを移動させれば足り、波面変調素子８の応答性は低くてよい。すなわち、ミラー１０の揺動による対物レンズ６の入射瞳位置に入射されるレーザ光の像の変位をより確実に防止することができる。

また、波面変調素子８の反射面８ａを対物レンズ６の入射瞳位置と光学的に共役な位置を配置したが、これに限定されるものではない。例えば、図６に示されるように、対物レンズ６の入射瞳位置と光学的に共役な位置を、波面変調素子８とミラー１０との中間位置に配置してもよい。図中、ハッチングは、共役な位置を示している。

このようにすることで、対物レンズ６の入射瞳位置にリレーされるレーザ光の像は、波面変調素子８およびミラー１０のいずれの揺動によっても影響を受けるので、これを静止させておくためには、図７に示されるように、矢印Ｄ方向のみならず、これに直交する矢印Ｅ方向にも変調領域Ｂを移動させる必要がある。

その一方で、対物レンズ６の入射瞳位置と光学的に共役な位置を波面変調素子８とミラー１０との間に配置することで、波面変調素子８およびミラー１０のそれぞれの揺動による対物レンズ６の入射瞳位置にリレーされる像の移動量は小さくなる。したがって、上記実施形態と比較して、照射領域Ｃの面積を小さく設定することができ、波面変調素子８の各部における光量密度を高めて、照明効率を向上することができるという利点がある。例えば、対物レンズ６の入射瞳位置と光学的に共役な位置が、波面変調素子８およびミラー１０のちょうど中央に配置された場合には、波面変調素子８に配置された場合に比べて、対物レンズ６の入射瞳位置にリレーされる像の移動量は半分となる。

また、波面変調素子８自体を揺動機構９によって揺動させることにより、波面変調素子８の剛性が十分ではない場合に、反射面８ａに撓みが発生する可能性がある。例えば、図８（ａ）に示される静止時において平坦な反射面８ａを有する波面変調素子８が、図８（ｂ）に示される揺動時に、揺動のみに起因して撓んでしまう場合には、これを図８（ｃ）に示されるように、揺動に拘わらず平坦な反射面８ａに戻すような歪み補正を行う必要がある。

この場合には、例えば、制御部７が、揺動に伴う加速度と歪み補正量との関係を示す数式あるいはテーブルを記憶しておき、揺動指令を行う際に、発生する加速度を予想して、予め歪み補正量を求めておき、これを加味して反射面８ａ形状を決定することにすればよい。すなわち、波面変調素子８は、揺動機構９による反射面８ａの揺動により反射面８ａに発生する撓みによる光路長の位相変化をキャンセルする位相変化を、レーザ光に付与する波面に加算して付与することにより、より高い精度でレーザ光を集光させることができるという利点がある。

次に、本発明の第２の実施形態に係る走査型観察装置１３について、図９および図１０を参照して以下に説明する。本実施形態の説明において、上述した走査型照明装置１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。
本実施形態に係る走査型観察装置１３は、ＯＣＴ（Optical Coherent Tomography）顕微鏡であり、図９に示されるように、図１の走査型照明装置１のスキャナ４とコリメータレンズ３との間に干渉光学系１４および検出光学系１５を備えている。

干渉光学系１４は、レーザ光Ｌから参照光Ｒを分岐する偏光ビームスプリッタ１６と、参照光Ｒの分岐光路に設けられて、光路を折り返すプリズム１７と、標本Ａから戻る戻り光（反射光）と参照光Ｒとを合波して干渉させた干渉光Ｓを生成する偏光ビームスプリッタ１８とを備えている。プリズム１７は図中に矢印Ｇで示す方向に移動可能に設けられ、参照光Ｒの分岐光路の光路長を調節することができるようになっている。
検出光学系１５は、偏光ビームスプリッタ１８により生成された干渉光Ｓを集光するレンズ１９と、該レンズ１９により集光された干渉光Ｓを検出する光検出器２０とを備えている。
図中、符号２１はλ／４板、および符号２２はλ／２板である。

このように構成された本実施形態に係る走査型観察装置１３によれば、光源２からのレーザ光の内、一方の偏光成分、例えば、Ｐ偏光のレーザ光Ｌは、２つの偏光ビームスプリッタ１６，１８を透過してスキャナ４に入射する。スキャナ４は、レーザ光Ｌを２次元的に走査するとともに、波面を変調して射出する。スキャナ４から射出されたレーザ光Ｌは、リレー光学系５を介してリレーされた後に、λ／４板２１を通過して対物レンズ６に入射され、対物レンズ６によって標本Ａに集光される。

標本Ａからの戻り光は、対物レンズ６により集光された後、再度λ／４板２１を通過してＳ偏光となり、リレー光学系５およびスキャナ４を介して光源２側に戻る途中で、偏光ビームスプリッタ１８により反射されて検出光学系１５に入射される。
他方の偏光成分、例えば、Ｓ偏光のレーザ光Ｌは、最初の偏光ビームスプリッタ１６によって、参照光Ｒとして分岐光路に分岐され、プリズム１７によって折り返された後、λ／２板２２によってＰ偏光となり、偏光ビームスプリッタ１８を透過させられる。

プリズム１７を移動させて、偏光ビームスプリッタ１６から標本Ａを経由して偏光ビームスプリッタ１８まで戻る光路の光路長と、偏光ビームスプリッタ１６からプリズム１７を経由して偏光ビームスプリッタ１８まで戻る光路の光路長とを同一に設定しておくことにより、戻り光と参照光Ｒとが干渉して、その干渉光Ｓが光検出器２０により検出される。これにより標本Ａから戻る戻り光のうち、特定の深さからの反射光を検出することができる。

この場合において、本実施形態に係る走査型観察装置１３においても、レーザ光Ｌを走査するスキャナ４自体に波面変調素子８を設けているので、リレー光学系を１つ省略することができ、装置１３を小型化することができるという利点がある。

また、走査型観察装置１３の一例として、ＯＣＴ顕微鏡を例示したが、これに代えて、図１０に示されるように、蛍光顕微鏡からなる走査型観察装置２３を採用してもよい。
この走査型観察装置２３は、図１に示される走査型照明装置１のリレー光学系５と対物レンズ６との間の光路に、蛍光を分岐するダイクロイックミラー２４を配置し、該ダイクロイックミラー２４により分岐された蛍光を集光するレンズ２５と集光された蛍光を検出する光検出器２６とを配置している。

この場合、光源２として極短パルスレーザ光を発生するものを採用し、標本Ａにおいて多光子励起効果を発生させることもできる。この走査型観察装置２３においても、レーザ光を走査するスキャナ４自体に波面変調素子８を設けているので、リレー光学系を１つ省略することができ、装置２３を小型化す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、スキャナ４として、レーザ光を２次元的に走査するものを例示したが、これに代えて、１次元的に走査するものを採用してもよい。

次に、本発明の第３の実施形態に係るスキャナおよび走査型照明装置について、図１１および図１２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１の実施形態に係るスキャナ４および走査型照明装置１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。
本実施形態に係る走査型照明装置１は、スキャナ４の構成において第１の実施形態と異なる。

本実施形態に係るスキャナ４は、図１１に示されるように、波面変調素子８が、光源２と揺動機構９との間の光路の途中位置に、揺動機構９に間隔を空けて対向して配置されている。光源２からのレーザ光は、波面変調素子８の反射面８ａにより揺動機構９へ向けて反射される。揺動機構９は、例えば、ガルバノミラーなどのように、反射面９ａを有し該反射面９ａを相互に直交する２つの軸線回りに独立して揺動させることが可能である。揺動機構９の反射面９ａにおけるレーザ光の像は、リレー光学系５によって対物レンズ６の入射瞳位置にリレーされる。

ここで、波面変調素子８は、所望の波面に、その反射面８ａから揺動機構９の反射面９ａまでの間に生じる波面形状の変化を相殺する波面形状を加算してレーザ光に付与するように、制御部７によって反射面８ａ形状が制御される。ここで加算される波面形状は、各反射面８ａ，９ａ間の距離を考慮して予め測定しておけばよい。これにより、波面変調素子８から離れて配置された揺動機構９の反射面９ａにおいて、所望の波面が実現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走査型照明装置１によれば、揺動機構９の反射面９ａは対物レンズ６の入射瞳位置と光学的に共役な位置に配置され、波面変調素子８の反射面８ａは対物レンズ６の入射瞳位置と共役な位置からずれた位置に配置されている。そこで、レーザ光が波面変調素子８から揺動機構９まで伝搬される間に波面に生じる変化を見込んで、その変化を相殺する波面を加算してレーザ光に波面を付与することにより、揺動機構９の反射面９ａにおいて所望の波面が実現される。

これにより、波面変調素子８からスキャナ４へ像をリレーするためのリレー光学系を省略して、波面変調素子８と揺動機構９とを間隔を狭めて配置することにより、装置１全体を小型に構成することができるという利点がある。また、波面変調素子８と揺動機構９との間隔をより狭めることにより、各反射面８ａ，９ａにおけるレーザ光の波面形状の差は小さくなる。したがって、その波面形状の差を波面変調素子８によって十分に高い精度で相殺し、所望の波面を精度よく対物レンズ６の入射瞳位置へリレーできるという利点がある。

なお、本実施形態においては、光源２からのレーザ光を波面変調素子８の反射面８ａに直接入射させることとしたが、これに代えて、図１２に示されるように、プリズムなどの光偏向素子２７を介してレーザ光を反射面８ａへ入射させてもよい。例えば、波面変調素子８として、ＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ Ｓｉｌｌｉｃｏｎ）型を用いる場合、レーザ光は十分に小さい入射角度で反射面８ａに入射されることが好ましい。そこで、光偏向素子２７を用いることにより反射面８ａへの入射角度を容易に調整することができる。また、このようにレーザ光を偏向しながら揺動機構９へ伝搬させても、反射面８ａ形状を適宜制御することにより、揺動機構９の反射面９ａにおいて所望の波面形状を実現することができる。

また、本実施形態においては、第１の実施形態において述べたスキャナ４の変形が適用されてもよい。
具体的には、揺動機構９として、その反射面９ａを１軸回りに揺動させるものを採用し、好ましくは、揺動機構９の揺動軸線と捩れの位置に配置される軸線回りに揺動させられるミラーと組み合わせることによりスキャナ４を構成してもよい。すなわち、スキャナ４は、図１４に示されるように、揺動機構９とミラー１０が対向して配置された構成となる。

この場合にも、ミラー１０の揺動によって対物レンズ６の入射瞳位置におけるレーザ光の入射位置が変動する。したがって、制御部７は、このレーザ光の入射位置のずれが相殺されるように波面変調素子８の反射面８ａにおける変調領域を移動させる移動指令信号を出力する。また、揺動機構９の揺動速度は、対物レンズ６の入射瞳位置と共役でない位置に配置されたミラー１０の揺動速度よりも速いことが好ましい。また、対物レンズ６の入射瞳位置と光学的に共役な位置を移動機構９とミラー１０との中間位置に配置してもよい。

また、本実施形態に係る走査型照明装置１は、第１の実施形態に係る走査型照明装置１と同様に、図１３に示されるように、干渉光学系１４および検出光学系１５とともに走査型観察装置１３としてＯＣＴ顕微鏡を構成することができる。また、本実施形態に係る走査型照明装置１は、図１０に示されるダイクロイックミラー２４、レンズ２５および光検出器２６と組み合わせることにより、走査型観察装置として蛍光顕微鏡を構成することもできる。
このように構成された走査型観察装置１３によれば、レーザ光を走査するスキャナ４と波面変調素子８との間のリレー光学系を省略できるのでの、装置１３を小型化することができるという利点がある。

１ 走査型照明装置
２ 光源
４ スキャナ
５ リレー光学系
６ 対物レンズ
８ 波面変調素子（波面変調部）
８ａ 反射面
９ 揺動機構（走査機構）
９ａ 反射面
１０ ミラー
１３，２３ 走査型観察装置
１４ 干渉光学系（干渉部）
１５ 検出光学系（干渉光検出部）
１６ 偏光ビームスプリッタ（分岐部）
２４ ダイクロイックミラー（分岐部）
２６ 光検出器（戻り光検出部）
Ａ 標本
Ｂ 変調領域
Ｌ レーザ光（照明光）
Ｒ 参照光
Ｓ 干渉光

Claims (17)

1. 光源からの照明光を、その光軸に交差する方向に走査するスキャナであって、
   走査機構と、
   該走査機構に固定され、光源から入射された照明光の波面を変調して射出する波面変調部とを備え、
   該波面変調部が、光源から入射された照明光を反射する反射面を備え、該反射面における反射の際に照明光の波面を変調する反射型の波面変調素子であり、
   前記走査機構が、前記反射面を前記光軸に交差する軸線回りに揺動させる揺動機構を備えるスキャナ。
2. 前記揺動機構が、相互に交差する２つの軸線回りに前記反射面を揺動可能である請求項１に記載のスキャナ。
3. 前記揺動機構が、１つの軸線回りに前記反射面を揺動させ、
   前記走査機構が、前記反射面に対向して配置され、前記揺動機構の軸線とは非平行な軸線回りに揺動させられるミラーを備える請求項１に記載のスキャナ。
4. 前記波面変調部が、前記揺動機構による前記反射面の揺動により該反射面に発生する撓みによる光路長の位相変化をキャンセルする位相変化を、前記反射面の静止時に前記照明光に付与する波面に加算して付与する請求項１から請求項３のいずれかに記載のスキャナ。
5. 前記波面変調部が、前記ミラーの揺動に応じて、前記波面変調素子上の像を形成する前記波面の変調領域を移動させる請求項３に記載のスキャナ。
6. 前記揺動機構による前記反射面の揺動速度が、前記ミラーの揺動速度より速い請求項３に記載のスキャナ。
7. 照明光を射出する光源と、
   請求項１から請求項６のいずれかに記載のスキャナと、
   該スキャナにより走査された照明光を標本に集光する対物レンズと、
   前記スキャナにおける像を前記対物レンズの入射瞳位置にリレーするリレー光学系とを備える走査型照明装置。
8. 請求項７に記載の走査型照明装置と、
   前記光源からの照明光から参照光を分岐する分岐部と、
   前記対物レンズによって集光された標本からの照明光の戻り光と前記参照光とを干渉させて干渉光を生成する干渉部と、
   該干渉部により生成された干渉光を検出する干渉光検出部とを備える走査型観察装置。
9. 請求項７に記載の走査型照明装置と、
   該走査型照明装置により照明光が照射されることにより前記標本から発せられ前記対物レンズによって集光された戻り光を照明光の光路から分岐する分岐部と、
   該分岐部により分岐された戻り光を検出する戻り光検出部とを備える走査型観察装置。
10. 照明光を射出する光源と、
    該光源からの照明光を、その光軸に交差する方向に走査する走査機構と、前記光源と前記走査機構との間の光路上に前記走査機構との間に間隔を空けて配置され、前記光源から入射された照明光の波面を変調して前記走査機構に射出する波面変調部とを備えるスキャナと、
    該スキャナにより走査された照明光を標本に集光する対物レンズと、
    前記スキャナの前記走査機構における像を前記対物レンズの入射瞳位置にリレーするリレー光学系とを備え、
    前記波面変調部が、前記対物レンズの瞳位置と共役な位置からずれた位置に配置され、前記波面変調部の前記共役な位置からのずれに起因して前記波面に発生する変化を相殺する波面を、前記照明光に付与する波面に加算して付与する走査型照明装置。
11. 前記走査機構が、光源から入射された照明光を反射する反射面を有し該反射面を前記光軸に交差する軸線回りに揺動させる揺動機構を備える請求項１０に記載の走査型照明装置。
12. 前記揺動機構が、相互に交差する２つの軸線回りに前記反射面を揺動可能である請求項１１に記載の走査型照明装置。
13. 前記揺動機構が、１つの軸線回りに前記反射面を揺動させ、
    前記走査機構が、前記反射面に対向して配置され、前記揺動機構の軸線とは非平行な軸線回りに揺動させられるミラーを備える請求項１１に記載の走査型照明装置。
14. 前記波面変調部が、前記ミラーの揺動に応じて、前記波面変調素子上の像を形成する前記波面の変調領域を移動させる請求項１３に記載の走査型照明装置。
15. 前記揺動機構による前記反射面の揺動速度が、前記ミラーの揺動速度より速い請求項１３に記載の走査型照明装置。
16. 請求項１０から請求項１５のいずれかに記載の走査型照明装置と、
    前記光源からの照明光から参照光を分岐する分岐部と、
    前記対物レンズによって集光された標本からの照明光の戻り光と前記参照光とを干渉させて干渉光を生成する干渉部と、
    該干渉部により生成された干渉光を検出する干渉光検出部とを備える走査型観察装置。
17. 請求項１０から請求項１５のいずれかに記載の走査型照明装置と、
    該走査型照明装置により照明光が照射されることにより前記標本から発せられ前記対物レンズによって集光された戻り光を照明光の光路から分岐する分岐部と、
    該分岐部により分岐された戻り光を検出する戻り光検出部とを備える走査型観察装置。

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