JP6358577B2 - 走査型光学顕微鏡 - Google Patents

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Description

本開示は、走査型光学顕微鏡に関する。
従来、走査に伴う照明むらを避けることができる走査ユニットを備えた走査型共焦点顕微鏡が知られている（特許文献１を参照）。
特開２００１−９１８４８号公報
しかしながら、上記従来の構成では、試料から反射する信号光量が極めて小さく、試料の反射像を高感度に取得するには、フォトマルチプライアのような大型の高感度な検出器が必要となり、小型化が困難であった。つまり、高感度化と小型化を両立した走査型光学顕微鏡を提供することが困難であった。
そこで、本開示は、高感度化と小型化を両立できる走査型光学顕微鏡を提供することを目的とする。
本開示における走査型光学顕微鏡は、光源と、前記光源からの出射光を、照射光と参照光とに分岐する第１ビームスプリッタと、前記照射光を試料上に集光し、前記集光された光が前記試料で反射された光である信号光を受光する第１対物レンズと、前記光源と前記試料との間の光路から前記信号光を分岐する第２ビームスプリッタと、前記分岐された信号光の光路中に設けられ、前記第１対物レンズの結像点と光学的に共役な位置に配置されたピンホールと、前記分岐された信号光を前記ピンホールに集光する集光レンズと、第１の少なくも互いに位相が異なる４つの分割光を含む第１の光を出力する位相板と、前記第１の光と第２の光を合波し、第２の少なくとも互いに位相が異なる４つの分割光を含む干渉光を生成する第３ビームスプリッタと、前記干渉光を受光し、少なくとも４つの電気信号を出力する光検出素子を含み、前記第１の少なくとも４つの分割光と前記第２の少なくとも４つの分割光は対応しており、前記少なくとも４つの電気信号の強度と前記第２の少なくとも４つの分割光の強度は対応しており、位相板は第１の位相板または第２の位相板であり、前記位相板が前記第１の位相板である時は、前記参照光が前記第１の位相板に入力され、前記第２の光は前記ピンホールを透過した前記信号光であり、前記位相板が前記第２の位相板であるときは、前記ピンホールを透過した前記信号光が前記第２の位相板に入力され、前記第２の光は前記参照光である。
本開示の走査型光学顕微鏡は、高感度化と小型化を両立できる。
本開示の実施の形態１における走査型光学顕微鏡の光学系全体を示す構成図 本開示の実施の形態１における位相板の構成図 本開示の実施の形態１における光検出素子、および、信号処理装置の構成図 本開示の実施の形態１における走査型光学顕微鏡の光学系全体を示す構成図 本開示の実施の形態２における走査型光学顕微鏡の光学系全体を示す構成図 本開示の実施の形態３における走査型光学顕微鏡の光学系全体を示す構成図 本開示の実施の形態３における走査型光学顕微鏡の光学系全体を示す構成図 本開示の実施の形態３における走査型光学顕微鏡の光学系全体を示す構成図 本開示の実施の形態４における走査型光学顕微鏡の光学系全体を示す構成図 本開示の実施の形態４における走査型光学顕微鏡の光学系全体を示す構成図 従来の走査型光学顕微鏡の光学系全体の概略構成を示す構成図
＜基礎となった知見＞
走査型光学顕微鏡は、レーザー光などの光を対物レンズにより集光し、その光スポットを走査しながら試料に照射し、前記試料からの透過光もしくは反射光の強度を検出し、画像処理を行うことにより試料の像を得る。
現在、市販されている走査型光学顕微鏡の多くは、試料へ照射したレーザー光スポットからの反射光を検出器の前側で集光させ、その集光点にピンホールを配置する共焦点光学系を採用している。
共焦点光学系では、光源と試料とピンホ−ル面が全て共役な位置に配置されており、試料中の焦点が合った面からの光は、ピンホールを通過し、検出器に受光されるが、焦点の合っていない面からの光は、ピンホ−ル面で広がり、ピンホールを通過できないため、ほとんど検出器に受光されない。
従って、対物レンズの焦点面以外からの不要な散乱光を排除できるため、取得する画像の解像力とコントラストを著しく向上することができる。
さらに、共焦点光学系では、面内の分解能が向上するだけでなく、焦点深度が浅くなり、試料の奥行き方向における分解能も向上するため、試料と対物レンズの相対的な位置を３次元的に動かすことにより、試料の深さ方向の情報を光量変化として高い分解能で得ることが可能となる。この得られた深さ方向の情報を、コンピュータにより合成し、試料の３次元像を構成することもできる。
また、走査型光学顕微鏡における、試料へ照射した光スポットの走査方式は、レーザービームの集光位置を固定し、試料を載せるステージを走査する方式と、レーザービームを偏向することで走査する方式の２つに分けることができる。
レーザービームを偏向して走査する方式としては、高速回転するポリゴンミラーや、ガルバノミラーを用いて機械的にレーザービームの方向を変える方式や、超音波光偏向素子、電気光学光偏向素子等を用いて、電気信号により素子の屈折率などを変化させ、レーザービームを偏向する方式が用いられ、偏向したレーザー光束を対物レンズで集光することで、集光点におけるレーザースポットを走査することができる。
また、高速に測定資料の像を得るために、上記ピンホールの代わりに、膨大な数の孔を有するニポウディスクを利用してスキャンする方式もすでに実用化されている。
さて、従来の走査型共焦点顕微鏡は、たとえば、特許文献１などに示されている。以下、従来の走査型共焦点顕微鏡の構成について図１１を用いて説明する。
図１１において、レーザー光源１０１からの光は、コリメートレンズ１０２により平行光に変換され、ビームスプリッタ１０３を透過し、回転軸方向に直交する１組のミラー１０５、１０６からなる走査ユニット１０４に入射する。
走査ユニット１０４は、回転制御装置１１５からの信号により、前記ミラー１０５、１０６を図示しないモータや、振動子で動かすことで、レーザー光の光軸に直交する２方向について光を偏向する。
前記走査ユニット１０４を出た平行光束は、リレーレンズ１０７を通過することにより再び平行光束となり、対物レンズ１０８によって試料１０９上に集光され、スポット光を形成する。
リレーレンズ１０７は、走査ユニット１０４で偏向された光束が対物レンズ１０８に入射するように、走査ユニット１０４で偏向された光束の回転中心位置と、対物レンズ１０８の瞳位置とが共役な位置となるように配置されている。
試料１０９上のスポット光からの反射光は、再び対物レンズ１０８で集められ、照明光の光路を逆に進み、リレーレンズ１０７を透過した後、走査ユニット１０４を通り、ビームスプリッタ１０３で反射され、検出器レンズ１１１によりピンホール１１２に集光される。
ピンホール１１２上にできる集光点は、試料１０９上での光スポットの像となっており、試料１０９上での光スポットの像のみが、ピンホール１１２を通過でき、光検出器１１３に受光される。
前記走査ユニット１０４での走査に同期させて、光検出器１１３により試料からの反射光を受け、反射光強度を電気信号に変換し、電気信号を情報処理装置１１４により合成することで、試料１０９の二次元的な像を得ることができる。
試料１０９上の光スポット以外の点から反射した光は、ピンホール１１２からずれた位置に像を結ぶため、光検出器１１３には、ほとんど到達できない。
したがって、図１１の走査型共焦点顕微鏡では、高い横分解能だけでなく、高い深さ方向分解能で試料を観察することができる。
また、試料からの反射光による観察だけではなく、試料１０９の照明光の照射領域で発生した蛍光や散乱光についても、ピンホール１１２を通過させることにより、光検出器１１３で捉えることができる。
さらに、走査型共焦点顕微鏡の高い縦分解能の特徴を利用し、試料ステージ１１０を上下させながら、その都度二次元像を取得することで、試料１０９の三次元的な観察も可能になる。
しかしながら、上記の従来技術では、試料の反射像を高感度に取得することが可能な、小型で低価格の反射型走査型光学顕微鏡や、試料の透過像を高感度に取得することが可能な、小型で低価格の透過型の走査型光学顕微鏡を提供することができなかった。
上述の特許文献１では、試料から反射する信号光を検出し、反射光強度を電気信号に変換することによって、反射像の高分解能での試料観察を実現している。
しかしながら、上記の従来技術では、試料への照射光に対し、試料から反射する信号光量が極めて小さく、試料の反射像を高感度に取得することが困難であった。
たとえば、生体細胞を観察する場合、細胞質と細胞核の屈折率差は０．０１以下であり、反射率も０．００１３％以下と極めて小さくなってしまい、識別が極めて困難であった。
したがって、従来の共焦点顕微鏡では、フォトマルチプライアなどの高感度検出器を用い、試料からの微弱な信号光を受けているが、フォトマルチプライアは一種の真空管であり、素子サイズが大きく価格も高価となるという課題がある。この素子を使用する場合、顕微鏡システムを小型、低価格化することができない。
照射する光量を増やすことで信号光量を増加させることも可能ではある。しかし、生体細胞の観察を行う場合、試料への照射光量を増やすと、生体細胞にダメージを与えてしまうため、信号光量を増加させるには限界がある。
そこで、本開示の一態様に係る走査型光学顕微鏡は、光源と、前記光源からの出射光を、照射光と参照光とに分岐する第１ビームスプリッタと、前記照射光を試料上に集光し、前記集光された光が前記試料で反射された光である信号光を受光する第１対物レンズと、前記光源と前記試料との間の光路から前記信号光を分岐する第２ビームスプリッタと、前記分岐された信号光の光路中に設けられ、前記第１対物レンズの結像点と光学的に共役な位置に配置されたピンホールと、前記分岐された信号光を前記ピンホールに集光する集光レンズと、第１の少なくも互いに位相が異なる４つの分割光を含む第１の光を出力する位相板と、前記第１の光と第２の光を合波し、第２の少なくとも互いに位相が異なる４つの分割光を含む干渉光を生成する第３ビームスプリッタと、前記干渉光を受光し、少なくとも４つの電気信号を出力する光検出素子を含み、前記第１の少なくとも４つの分割光と前記第２の少なくとも４つの分割光は対応しており、前記少なくとも４つの電気信号の強度と前記第２の少なくとも４つの分割光の強度は対応しており、位相板は第１の位相板または第２の位相板であり、前記位相板が前記第１の位相板である時は、前記参照光が前記第１の位相板に入力され、前記第２の光は前記ピンホールを透過した前記信号光であり、前記位相板が前記第２の位相板であるときは、前記ピンホールを透過した前記信号光が前記第２の位相板に入力され、前記第２の光は前記参照光である。
これにより、参照光と試料から反射した信号光を干渉させることにより、信号光の強度を増幅することができる。よって、試料の反射像を、高感度に取得することができる。
また、試料からの微弱な信号光を、高感度に取得することが可能となるため、反射率の小さい試料から、信号対雑音比の高い信号を、フォトダイオードのような従来の光受光素子で高感度に検出することが可能となる。したがって、フォトマルチプライアなどの大型かつ高価な高感度光検出素子を用いる必要がなく、装置を小型化、低価格化できる。
その結果、試料の反射像を高感度に取得することが可能で、小型で、低価格の反射型の走査型光学顕微鏡を提供できる。
また、前記第１の少なくも互いに位相が異なる４つの分割光は、ｉ）第１分割域を透過した第１分割光、ｉｉ）第２分割領域を透過し前記第１分割光と位相が９０度シフトした第２分割光、ｉｉｉ）第３分割領域を透過し前記第１分割光と位相が１８０度シフトした第３分割光、ｉｖ）第４分割領域を透過し前記第１分割光と位相が２７０度シフトした第４分割光を含んでもよい。
これにより、位相の状態が異なる４つの干渉光を、容易に生成できる。
また、前記光検出素子は、ｉ）前記第１分割光に対応する第１干渉光を受光する第１受光面、ｉｉ）前記第２分割光に対応する第２干渉光を受光する第２受光面、ｉｉｉ）前記第３分割光に対応する第３干渉光を受光する第３受光面、及びｉｖ）前記第４分割光に対応する第４干渉光を受光する第４受光面を含み、前記第２の少なくとも互いに位相が異なる４つの分割光は前記第１干渉光、前記第２干渉光、前記第３干渉光、前記第４干渉光を含んでもよい。
これにより、前記第１〜第４干渉光を、それぞれ前記第１〜第４受光面で独立に受光できるため、前記第１〜第４干渉光間でのクロストークによる前記第１〜第４受光面から出力される電気信号の品質低下を抑えることができる。
また、前記光検出素子は、前記第１受光面、前記第２受光面、前記第３受光面、第４受光面を同一平面に有してもよい。
これにより、平面基板上に前記第１から第４受光面を集積化できる。さらに、それぞれの受光面の相対位置調整が不要となるため、走査型光学顕微鏡の組立調整が容易となる。
また、前記１受光面からの出力信号値と前記第３受光面からの出力信号値との差分を得る第１の信号演算器と、前記第２受光面からの出力信号値と前記第４受光面からの出力信号値との差分を得る第２の信号演算器と、前記第１の信号演算器からの出力信号値と前記第２の信号演算器からの出力信号値との二乗和平方根を出力する第３の信号演算器を含んでもよい。
これにより、試料からの信号光の位相や参照光の位相が変動しても、反射率の低い試料の反射像を検出できる。
また、本開示の一態様に係る走査型光学顕微鏡は、光源と、前記光源からの出射光を、照射光と参照光とに分岐する第１ビームスプリッタと、前記照射光を試料上に集光する第１対物レンズと、前記試料上に集光され、前記試料を透過した信号光を受光する第２対物レンズと、前記信号光の光路を変更する第２ビームスプリッタと、前記光路を変更された信号光の光路中に設けられ、前記第１対物レンズの結像点と光学的に共役な位置に配置されたピンホールと、前記光路を変更された信号光を前記ピンホールに集光する集光レンズと、第１の少なくとも互いに位相が異なる４つの分割光を含む第１の光を出力する位相板と、前記第１の光と第２の光を合波し、第２の少なくとも互いに位相が異なる４つの分割光を含む干渉光を生成する第３ビームスプリッタと、前記干渉光を受光し、少なくとも４つ電気信号を出力する光検出素子と、前記第１の少なくとも４つの分割光と前記第２の少なくとも４つの分割光は対応しており、前記少なくとも４つの電気信号の強度と前記第２の少なくとも４つの分割光の光学強度は対応しており、位相板は第１の位相板または第２の位相板であり、前記位相板が前記第１の位相板である時は、前記参照光が前記第１の位相板に入力され、前記第２の光は前記ピンホールを透過した前記信号光であり、前記位相板が前記第２の位相板である時は、前記ピンホールを透過した前記信号光が前記第２の位相板に入力され、前記第２の光は前記参照光である。
これにより、試料からの微弱な信号光を、高感度に取得することが可能となるため、透過率の小さい試料から、信号対雑音比の高い信号を、フォトダイオードのような従来の光受光素子で高感度に検出することが可能となる。したがって、フォトマルチプライアなどの大型かつ高価な高感度光検出素子を用いる必要がなく、装置を小型化、低価格化できる。
その結果、試料の透過像を高感度に取得することが可能な、小型で低価格の透過型の走査型光学顕微鏡を提供できる。
また、前記位相板は、ｉ）第１分割域を透過した第１分割光、ｉｉ）第２分割領域を透過し前記第１分割光と位相が９０度シフトした第２分割光、ｉｉｉ）第３分割領域を透過し前記第１分割光と位相が１８０度シフトした第３分割光、ｉｖ）第４分割領域を透過し前記第１分割光と位相が２７０度シフトした第４分割光に分割して出力してもよい。
これにより、位相の状態が異なる４つの干渉光を、容易に生成できる。
また、前記光検出素子は、ｉ）前記第１分割光に対応する第１干渉光を受光する第１受光面、ｉｉ）前記第２分割光に対応する第２干渉光を受光する第２受光面、ｉｉｉ）前記第３分割光に対応する第３干渉光を受光する第３受光面、及びｉｖ）前記第４分割光に対応する第４干渉光を受光する第４受光面を含み、前記第２の少なくとも互いに位相が異なる４つの分割光は前記第１干渉光、前記第２干渉光、前記第３干渉光、前記第４干渉光を含んでもよい。
これにより、前記第１〜第４干渉光を、それぞれ前記第１〜第４受光面で独立に受光できるため、前記第１〜第４干渉光間でのクロストークによる前記第１〜第４受光面から出力される電気信号の品質低下を抑えることができる。
また、前記光検出素子は、前記第１受光面、前記第２受光面、前記第３受光面、第４受光面を同一平面に有してもよい。
これにより、平面基板上に前記第１から第４受光面を集積化できる。さらに、それぞれの受光面の相対位置調整が不要となるため、走査型光学顕微鏡の組立調整が容易となる。
また、前記１受光面からの出力信号値と前記第３受光面からの出力信号値との差分を得る第１の信号演算器と、前記第２受光面からの出力信号値と前記第４受光面からの出力信号値との差分を得る第２の信号演算器と、前記第１の信号演算器からの出力信号値と前記第２の信号演算器からの出力信号値との二乗和平方根を出力する第３の信号演算器を含んでもよい。
これにより、試料からの信号光の位相や参照光の位相が変動しても、透過率の低い試料の反射像を検出できる。
また、本開示の一態様に係る走査型光学顕微鏡は、光源と、前記光源からの出射光を、照射光と参照光とに分岐する第１ビームスプリッタと、前記照射光を試料上に集光し、前記集光された光が前記試料で反射された光である信号光を受光する第１対物レンズと、前記光源と前記試料との間の光路から前記信号光を分岐する第２ビームスプリッタと、前記分岐された信号光の光路中に設けられ、前記第１対物レンズの結像点と光学的に共役な位置に配置されたピンホールと、前記分岐された信号光を前記ピンホールに集光する集光レンズと、前記ピンホールを通過した前記分岐された信号光と前記参照光とを合波し、さらに、前記合波された合波光を第１光束と第２光束に分岐する光分岐素子と、前記第１光束の偏光方向を変える２分の１波長板と、前記２分の１波長板を透過した前記第１光束を、第１干渉光、および、前記第１干渉光に対して位相が１８０度異なる第３干渉光に分岐する第１の偏光ビームスプリッタと、前記第２光束の偏光方向を変える４分の１波長板と、前記４分の１波長板を透過した前記第２光束を、前記第１干渉光に対して位相が９０度異なる第２干渉光、および、前記第１干渉光に対して位相が９０度異なる第４干渉光に分岐する第２の偏光ビームスプリッタと、前記第１干渉光を受光し、前記第１干渉光の強度に応じた第１電気信号を出力する第１光検出素子と、前記第２干渉光を受光し、前記第２干渉光の強度に応じた第２電気信号を出力する第２光検出素子と、前記第３干渉光を受光し、前記第３干渉光の強度に応じた第３電気信号を出力する第３光検出素子と、前記第４干渉光を受光し、前記第４干渉光の強度に応じた第４電気信号を出力する第４光検出素子と、を有する。
これにより、位相の状態が異なる４つの干渉光を、容易に生成することが可能となる。
また、前記光検出素子は、ｉ）前記第１干渉光を受光する第１受光面、ｉｉ）前記第２干渉光を受光する第２受光面、ｉｉｉ）前記第３干渉光を受光する第３受光面、及びｉｖ）前記第４干渉光を受光する第４受光面を含んでもよい。
これにより、前記第１〜第４干渉光を、それぞれ前記第１〜第４受光面で独立に受光できるため、前記第１〜第４干渉光間でのクロストークによる前記第１〜第４受光面から出力される電気信号の品質低下を抑えることができる。
また、前記１受光面からの出力信号値と前記第３受光面からの出力信号値との差分を得る第１の信号演算器と、前記第２受光面からの出力信号値と前記第４受光面からの出力信号値との差分を得る第２の信号演算器と、前記第１の信号演算器からの出力信号値と前記第２の信号演算器からの出力信号値との二乗和平方根を出力する第３の信号演算器を含んでもよい。
これにより、試料からの信号光の位相や参照光の位相が変動しても、反射率の低い試料の反射像を検出できる。
また、本開示の一態様に係る走査型光学顕微鏡は、光源と、前記光源からの出射光を、照射光と参照光とに分岐する第１ビームスプリッタと、前記照射光を試料上に集光する第１対物レンズと、前記試料上に集光され、前記試料を透過した信号光を受光する第２対物レンズと、前記光源から前記試料及び前記第２対物レンズを透過した光路を変更する第２ビームスプリッタと、前記光路を変更された信号光の光路中に設けられ、前記第１対物レンズの結像点と光学的に共役な位置に配置されたピンホールと、前記光路を変更された信号光を前記ピンホールに集光する集光レンズと、前記ピンホールを通過した前記信号光と前記参照光とを合波し、さらに、前記合波された合波光を第１光束と第２光束に分岐する光分岐素子と、前記第１光束の偏光方向を変える２分の１波長板と、前記２分の１波長板を透過した前記第１光束を、第１干渉光、および、前記第１干渉光に対して位相が１８０度異なる第３干渉光に分岐する第１の偏光ビームスプリッタと、前記第２光束の偏光方向を変える４分の１波長板と、 前記４分の１波長板を透過した前記第２光束を、前記第１干渉光に対して位相が９０度異なる第２干渉光、および、前記第１干渉光に対して位相が９０度異なる第４干渉光に分岐する第２の偏光ビームスプリッタと、前記第１干渉光を受光し、前記第１干渉光の強度に応じた第１電気信号を出力する第１光検出素子と、前記第２干渉光を受光し、前記第２干渉光の強度に応じた第２電気信号を出力する第２光検出素子と、前記第３干渉光を受光し、前記第３干渉光の強度に応じた第３電気信号を出力する第３光検出素子と、前記第４干渉光を受光し、前記第４干渉光の強度に応じた第４電気信号を出力する第４光検出素子と、を有する。
これにより、位相の状態が異なる４つの干渉光を、容易に生成することが可能となる。
また、前記光検出素子は、ｉ）前記第１干渉光を受光する第１受光面、ｉｉ）前記第２干渉光を受光する第２受光面、ｉｉｉ）前記第３干渉光を受光する第３受光面、及びｉｖ）前記第４干渉光を受光する第４受光面を含んでもよい。
これにより、前記第１〜第４干渉光を、それぞれ前記第１〜第４受光面で独立に受光できるため、前記第１〜第４干渉光間でのクロストークによる前記第１〜第４受光面から出力される電気信号の品質低下を抑えることができる。
また、前記１受光面からの出力信号値と前記第３受光面からの出力信号値との差分を得る第１の信号演算器と、前記第２受光面からの出力信号値と前記第４受光面からの出力信号値との差分を得る第２の信号演算器と、前記第１の信号演算器からの出力信号値と前記第２の信号演算器からの出力信号値との二乗和平方根を出力する第３の信号演算器を含んでもよい。
これにより、試料からの信号光の位相や参照光の位相が変動しても、透過率の低い試料の反射像を検出できる。
また、本開示の一態様に係る走査型光学顕微鏡は、光源と、前記光源からの照射光を試料上に集光し、前記集光された光が前記試料で反射された光である信号光を受光する第１対物レンズと、前記光源と前記試料との間の光路上に設けられており、前記光源からの照射光を第１方向に分岐させて参照光を出力し、さらに、前記反射した信号光を前記第１方向と逆方向の第２方向に分岐する、ビームスプリッタと、前記分岐された参照光を反射させ、前記ビームスプリッタを透過させて前記第２方向に向かわせる反射ミラーと、前記分岐された信号光の光路中に設けられ、前記第１対物レンズの結像点と光学的に共役な位置に配置されたピンホールと、前記反射分岐された参照光及び前記分岐された信号光を前記ピンホールに集光する集光レンズと、前記ピンホールを通過した反射分岐された参照光と前記ピンホールを通過した前記信号光とを合波し、さらに、前記合波された合波光を第１光束と第２光束に分岐する光分岐素子と、前記第１光束の偏光方向を変える２分の１波長板と、前記２分の１波長板を透過した前記第１光束を、第１干渉光、および、前記第１干渉光に対して位相が１８０度異なる第３干渉光に分岐する第１の偏光ビームスプリッタと、前記第２光束の偏光方向を変える４分の１波長板と、前記４分の１波長板を透過した前記第２光束を、前記第１干渉光に対して位相が９０度異なる第２干渉光、および、前記第１干渉光に対して位相が９０度異なる第４干渉光に分岐する第２の偏光ビームスプリッタと、前記第１干渉光を受光し、前記第１干渉光の強度に応じた第１電気信号を出力する第１光検出素子と、前記第２干渉光を受光し、前記第２干渉光の強度に応じた第２電気信号を出力する第２光検出素子と、前記第３干渉光を受光し、前記第３干渉光の強度に応じた第３電気信号を出力する第３光検出素子と、前記第４干渉光を受光し、前記第４干渉光の強度に応じた第４電気信号を出力する第４光検出素子を備える。
これにより、参照光もピンホール９を通す構成とすることにより、参照光が持つ収差成分やノイズ光を前記ピンホールで除去することができるため、参照光の干渉性を向上させることができる。
また、前記光検出素子は、ｉ）前記第１干渉光を受光する第１受光面、ｉｉ）前記第２干渉光を受光する第２受光面、ｉｉｉ）前記第３干渉光を受光する第３受光面、及びｉｖ）前記第４干渉光を受光する第４受光面を含んでもよい。
これにより、前記第１〜第４干渉光を、それぞれ前記第１〜第４受光面で独立に受光できるため、前記第１〜第４干渉光間でのクロストークによる前記第１〜第４受光面から出力される電気信号の品質低下を抑えることができる。
また、前記１受光面からの出力信号値と前記第３受光面からの出力信号値との差分を得る第１の信号演算器と、前記第２受光面からの出力信号値と前記第４受光面からの出力信号値との差分を得る第２の信号演算器と、前記第１の信号演算装置からの出力信号値と前記第２の信号演算装置からの出力信号値との二乗和平方根を出力する第３の信号演算器を含んでもよい。
これにより、試料からの信号光の位相や参照光の位相が変動しても、反射率の低い試料の反射像を検出できる。
また、前記試料上の微小スポットを走査するスポット走査装置を備えてもよい。
これにより、試料の２次元像、または、３次元像を合成することが可能となる。
また、前記スポット走査装置は電動ステージであり、前記試料を前記電動ステージにより、２次元または３次元方向に移動することにより、前記試料と前記微小スポットの相対位置を変え、前記試料の画像情報を得てもよい。
これにより、試料の２次元像、または、３次元像を合成することが可能となる。
また、前記スポット走査装置はガルバノスキャナ、または、音響光学素子、または、電気光学素子のいずれかであり、前記照射光の光軸傾きを変えることで、前記試料上の前記微小スポット位置を２次元的に走査し、前記試料の画像情報を得てもよい。
これにより、試料に振動を与えずに、試料の２次元像を合成することが可能となる。
また、前記光源は、レーザー、または、スーパールミネッセントダイオード、または、発光ダイオード、または、ハロゲンランプであってもよい。
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
（実施の形態１）
図１は、本開示の実施の形態１における走査型光学顕微鏡の一例を示す構成図である。
走査型光学顕微鏡は、試料台７に載置された試料６の走査を行う。図１に示すように、走査型光学顕微鏡は、レーザー光源１、コリメートレンズ２、第１のビームスプリッタ３、第２のビームスプリッタ４、第１対物レンズ５、第１のレンズ８、ピンホール９、第２のレンズ１０、ミラー１１、位相板１２、光合波素子１３、結像レンズ１４および光検出素子１５を備えている。
図１において、レーザー光源１からの出射光は、コリメートレンズ２により平行光に変換された後、第１のビームスプリッタ３を透過する照射光と、第１のビームスプリッタ３を反射する参照光とに分離される。第１のビームスプリッタ３は、コリメートレンズ２からの平行光の一部を透過させ、一部を反射させる。
照射光は、第１対物レンズ５により、試料６に照射され、集光スポットを形成する。
試料６上の集光スポットから反射した信号光は、第２のビームスプリッタ４により反射され、第１のレンズ８により集光され、第１のレンズ８の集光点に配置されたピンホール９を透過し、再び、第２のレンズ１０により平行光に変換される。
ピンホール９は、試料６における前記第１対物レンズ５の結像点と光学的に共役な位置に配置され、試料内でのレーザー光の焦点以外からの散乱成分をカットし、画像の解像力とコントラストを大きく向上させる役割を果たす。
さらに、ピンホール９には、集光スポットから反射した信号光の光学的な収差を除去する効果もある。
たとえば、信号光には、第１対物レンズ５や前記第１のレンズ８などの光学部品の、設計公差や製造誤差に伴う収差や、試料６の厚みの違いに伴う球面収差などが発生してしまう場合がある。
この収差成分は、前記ピンホール９に集光された光スポットの周辺部に、光量分布として現れるため、光スポット周辺部の光をカットすることでピンホール９を透過する光の収差を除去し、信号光の波面精度を改善することができる。これにより、信号光の可干渉性を向上させることが可能となる。
一方、第１のビームスプリッタ３を反射した参照光は、位相板１２を透過した後、前記第２のレンズ１０により平行光に変換された信号光と、光合波素子１３により合波される。
この合波された参照光と信号光との干渉光が、結像レンズ１４により光検出素子１５に導かれる。
ここで、位相板１２は、位相の異なる複数の干渉光を生成するよう構成されている。一例として図２に示す構成が好ましい。図２は、本実施の形態における位相板の構成を示す構成図である。図２において、位相板１２はａ、ｂ、ｃおよびｄの４つの領域に分かれている。図２において、紙面に向かう方向を前記参照光が進む方向とし、ｅは参照光の光束を示す。参照光の光束のうち、図２のａの領域を透過した光束と、図２のｂの領域を透過した光束と、図２のｃの領域を透過した光束と、図２のｄの領域を透過した光束とは、それぞれ異なる位相を有する。
位相板１２は、参照光の光束のうち、図２のｂの領域を透過する光束の位相を、ａの領域を透過する光束に対し、９０度進ませるように構成されている。同様に、位相板１２は、図２のｃ、ｄの領域を透過する光束の位相を、ａの領域を透過する光束に対し、それぞれ２７０度、１８０度進ませるように構成されている。
位相板１２は、たとえば、硝子のような透明基板表面に、図２におけるａ、ｂ、ｃおよびｄの各領域に厚みの異なる透明膜を形成することで作成することができる。
位相板１２を透過して生成した位相の異なる複数の干渉光は、光検出素子１５で受光され、電気信号を出力する。一例として図３に示す構成が好ましい。図３は、本実施の形態における光検出素子１５および信号処理装置の構成を示す構成図である。図３におけるｅは、図１における前記結像レンズ１４により集光された参照光と信号光の干渉光の光束である。図３の光検出素子１５は、図２における前記位相板１２のａ、ｂ、ｃおよびｄの４つの領域を透過した参照光が、それぞれ、図３における第１受光面１６、第２受光面１７、第３受光面１８、および、第４受光面１９に独立して受光される。
前記光検出素子１５は、たとえば、以下のように調整する。図１におけるレーザー光源１を発光させ、遮光板を用いて、ミラー１１からの反射光をすべて遮光し、参照光のみを光検出素子１５に入射させる。次に、図２における位相板１２のｂおよびｄの領域を、遮光板を用いて遮光し、第２受光面１７、第４受光面１９からの信号出力がそれぞれ最大となり、第１受光面１６、第３受光面１８からの信号出力がそれぞれ最小となるように、光検出素子１５の位置調整を行う。光検出素子の位置調整は、参照光の光軸に対し、水平方向、垂直方向、回転方向、および、光軸方向に行う。最後に、前記位相板１２のｂおよびｄの領域に配置した遮光版を取り外せば、調整が完了する。なお、位相板１２のｂおよびｄの領域の代わりに、位相板１２のａおよびｃの領域を遮光し、同様な調整を行っても良い。
以上により、低反射率の試料であっても大きな電気信号振幅を得ることができ、反射率の少ない試料の反射像を高感度に検出することが可能となる。
また、信号光や参照光の位相が変化した場合でも、安定して確実に一定の信号を得ることができる。
具体的には、以下のメカニズムによる。
さて、図１における前記光合波素子１３に入射する参照光の強度をＩｒ、第２のレンズ１０により平行光に変換された前記信号光の強度をＩｓとする。図３における光検出素子１５の、それぞれの受光面に入射する干渉光の強度をＩ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４とし、それぞれ式で表すと次式となる。
Figure 0006358577
ここで、φはＩ１の干渉光の位相であり、信号光と参照光の光源からの光路長差により決定される。また、ここでは簡単のために、レーザー光は完全コヒーレンスであることを仮定している。また、光合波素子の分岐比は１：１としている。
簡単のため、前記光検出素子１５の各受光面の量子効率を１とし、第１の信号演算装置２０、および、第２の信号演算装置２１の増幅率を１とする。
第１の信号演算装置は、第１受光面１６と、第３受光面１８からのからの電気信号の差分Ｓｉｇ１を出力し、第２の信号演算装置は、第４受光面１９と、第２受光面１７からのからの電気信号の差分Ｓｉｇ２を出力するので、式（１）〜式（４）より、前記第１の信号演算装置２０、および、前記第２の信号演算装置２１からの出力はそれぞれ、式（５）、および、式（６）となる。
Figure 0006358577
第３の信号演算装置２２は、前記第１の信号演算装置２０、および、前記第２の信号演算装置２１からの二乗和平方根を出力する装置であり、式（５）、式（６）より、その出力Ｓｉｇ３は式（７）となる。
Figure 0006358577
ところで、従来の共焦点顕微鏡の場合は、前記信号光のみが光検出素子に受光され、前記参照光が無い場合と等価であり、この場合の電気信号出力Ｓｉｇ０は、Ｉｓとなる。
したがって、本実施例における走査型光学顕微鏡により増幅される信号光の電気信号の増幅率Ｓｉｇ３／Ｓｉｇ０は式（８）となる。
Figure 0006358577
たとえば、式（８）においてＩｒ＝１とする。試料の反射率をＲとすると、式（８）におけるＩｓ＝Ｒ／４となり、式（８）は、式（９）となる。
Figure 0006358577
たとえば、試料の反射率が０．０１％の場合、Ｒ＝０．０００１であるため、式（９）より、増幅率は１００倍となる。したがって、本実施の形態の走査型光学顕微鏡は従来の走査型光学顕微鏡の１００倍の電気信号振幅を得ることができるため、このような低反射率の試料であっても反射率の少ない試料の反射像を高感度に検出することが可能となる。
また、式（１）〜式（６）における位相φは信号光と参照光の光路長差により決定されることは、既に前述した通りである。しかしながら、この光路長差はビームスポットの走査や、振動、光学系の温度変化などにより変動してしまうという課題があった。
ところが、式（７）の演算により、前記位相φのパラーメータがキャンセルされるため、前記信号光や、前記参照光の位相が変化した場合でも、安定して確実に一定の信号を得ることができる。
試料の反射像の取得は、たとえば、図示しない走査装置を用い、試料台７を水平方向に動かしながら、前記第３の信号演算装置２２の電気信号を取得することで行われる。
さらに、図示しない画像処理装置により試料の像を合成し、最終的にはＴＶモニター等の画像出力装置に供給されて、試料の顕微画像が表示される。
また、図示しない、試料の高さ調整装置を用いて、前記試料６を上下方向に走査することにより、前記試料６の立体的な像を得ることも可能である。スポット走査装置は、ガルバノスキャナ、音響光学素子、または、電気光学素子であっても構わない。
照射光の光軸傾きを変えることで、試料上の微小スポットの位置を２次元方向に走査し、試料の画像情報を得ても構わない。
本実施の形態において、光源としてレーザー光を用いたが、これに限定されるものではなく、たとえば、光源として電球、スーパールミネッセントダイオード、発光ダイオード、ハロゲンランプや、赤外光を発する光源であっても良い。
また、本実施の形態において、前記位相板１２は前記参照光の光路中に配置されたが、前記位相板１２を、前記信号光の光路中であって、光合波素子１３により合波される前の光路中に配置しても良い。
さらに、本実施の形態においては、前記ピンホール９により、焦点位置以外の信号光をカットしたが、これに限定されるものではなく、たとえば、前記ピンホール９の代わりにスリットを配置する構成、または、光ファイバを配置し、焦点位置以外の信号光をカットする構成としても良い。
なお、本実施の形態における、走査型光学顕微鏡は、正立型の顕微鏡構成を有しているが、生物顕微鏡のように倒立型の構成であってもよい。
また、位相板１２は、図２のａの領域を透過する光束と、ｂ、ｃおよびｄの領域を透過する光束は位相がそれぞれ、９０度、２７０度、および、１８０度進む構成としたが、これに限られるものではない。たとえば、図２のａの領域を透過する光束の位相に対し、ｂ、ｃおよびｄの領域を透過する光束の位相は、それぞれ、９０度、２７０度、および、１８０度遅れる構成としてもよい。
さらに、図２では、位相板１２の分割数を４つとしていたが、これに限定されるものではなく、複数個あってもよい。
また、光検出素子１５の受光面は少なくとも４つの受光面を有していればよく、位相板１２の分割数に合わせて複数個の受光面を有していても良い。
なお、位相板１２、または、光検出素子１５の境界部に遮光領域を設け、境界線上付近の干渉光をカットしても構わない。位相板の分割部分の境界が連続している場合、隣接する干渉光が光検出素子１５の隣接する受光面に入射すると、信号のクロストークが発生する可能性がある。位相板１２、または、光検出素子１５の境界部に遮光領域を設ければ、信号のクロストークを低減することができる。
（実施の形態１の変形例）
なお、本実施の形態における、走査型光学顕微鏡においては、試料からの反射光により試料の像を得ているが、これに限定されるものではなく、たとえば、一般的に用いられる生物用の顕微鏡のように、試料の透過光より試料の透過像を得る、透過型の走査型光学顕微鏡であってもよい。
具体的な透過型の走査型光学顕微鏡構成例を図４に示す。図４は、本変形例における走査型光学顕微鏡の光学系全体を示す構成図である。
同図に示すように、試料６上の前記集光スポットに集光した信号光は、試料６を透過し、第２対物レンズ２０５で平行光に変換され、再び、第１のレンズ８により集光され、第１のレンズ８の集光点に配置されたピンホール９を透過し、再び、第２のレンズ１０により平行光に変換される。
図示しないアクチュエータにより、第１対物レンズ５または第２対物レンズ２０５を、第１対物レンズ５または第２対物レンズ２０５の光軸方向に駆動しても構わない。
これにより、たとえば、前記試料６上の微小スポットを、前記第１対物レンズ５または前記第２対物レンズ２０５のアクチュエータにて光軸方向に走査しながら、試料の反射率、または、透過率を検出することで、試料を静止させたままで、試料の高さ方向の像を合成することが可能となる。
第２のレンズ１０により平行光に変換された信号光は、参照光と光合波素子１３により合波され、図１と同様に、信号光と前記参照光の干渉光が光検出素子１５にて受光される。
さらに、図１と、図４の光学系を組み合わせて、反射像と透過像を得、信号処理により２つの像を合成した像を得る構成としてもよい。
（実施の形態２）
図５は、本開示の実施の形態２における走査型光学顕微鏡の一例を示す構成図である。図５に示すように、本実施の形態の走査型光学顕微鏡は、実施の形態１のレーザー光源１、コリメートレンズ２、第１のビームスプリッタ３、第１対物レンズ５、第１のレンズ８、ピンホール９、第２のレンズ１０、ミラー１１、位相板１２、光合波素子１３、結像レンズ１４および光検出素子１５（第２のビームスプリッタ４以外の構成）を備えている。さらに、本実施の形態の走査型光学顕微鏡は、第１の偏光ビームスプリッタ２３と、１／４波長板２４と、１／２波長板２５と、第１の偏向ミラー３７と、第２の偏向ミラー３８とを備えている。
図５の構成は、図１とは異なり、回転軸方向がそれぞれ直交する、第１の偏向ミラー３７、および、第２の偏向ミラー３８を用い、照射光の光軸に直交する２方向について光を走査することで、第１対物レンズ５の集光スポット位置を２次元的に走査し、試料６の反射像を得る構成を有している。
また、第１の偏光ビームスプリッタ２３と、１／４波長板２４を配置することで、信号光がレーザー光源に戻らない、光アイソレータ光学系を構成している。
すなわち、前記第１の偏光ビームスプリッタ２３は、レーザー光源１と同じ偏光状態の光に対しては透過率が高く、レーザー光源１と直行する偏光状態の光に対しては反射率が高くなるように配置されており、１／４波長板２４を往復した信号光は９０度偏光方向が変わり、レーザー側に戻らず、ピンホール側に反射されるため、図１の構成と比較し、光の伝達効率を向上させることができる。
ただし、偏光方向が直行する光では干渉が起こらないため、１／２波長板２５を配置することにより、光合波素子１３に入射する前に信号光の偏光方向をさらに９０度回転させ、参照光と同じ偏光状態に戻している。
なお、本実施の形態において、レーザービームの走査は、偏向ミラーを駆動させて行ったが、これに限定されるものではなく、光走査を高速に行うことができ、試料の反射像および透過像を高速に取得できるものであればよい。
たとえば、レーザービームを走査する素子として、音響光学光偏向素子や、電気光学光偏向素子、ポリゴンミラー、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）アクチュエータなどを用いてもよい。
その他については、本開示の実施の形態１と同様である。
（実施の形態３）
図６は、本開示の実施の形態３における走査型光学顕微鏡の一例を示す構成図である。図６に示すように、本実施の形態の走査型光学顕微鏡は、実施の形態２のレーザー光源１、コリメートレンズ２、第１のビームスプリッタ３、第１対物レンズ５、第１のレンズ８、ピンホール９、第２のレンズ１０、ミラー１１、光合波素子１３、第１の偏光ビームスプリッタ２３、１／４波長板２４および１／２波長板２５を備えている。言い換えると、本実施の形態の走査型光学顕微鏡は、実施の形態２の構成要素のうち、位相板１２、結像レンズ１４、光検出素子１５、第１の偏向ミラー３７および第２の偏向ミラー３８以外の構成を備えている。さらに、本実施の形態の走査型光学顕微鏡は、１／４波長板２６と、第２の偏光ビームスプリッタ２７と、第３の偏光ビームスプリッタ２８と、第１受光素子２９と、第２受光素子３０と、第３受光素子３１と、第４受光素子３２とを備えている。
実施の形態１では、位相板１２を用いることで、式（１）〜式（４）に示す９０度ずつ位相の異なる４つの干渉光を生成したが、本実施の形態においては、偏光ビームスプリッタと波長板を組み合わせることにより、前記９０度ずつ位相の異なる４つの干渉光を生成する構成となっている。以下、図６を用いて、本開示の実施の形態３における走査型光学顕微鏡の動作について説明を行う。
図６において、レーザー光源１からの出射光は、コリメートレンズ２により平行光に変換された後、第１のビームスプリッタ３を透過する照射光と、前記第１のビームスプリッタ３を反射する参照光とに分離される。
前記照射光は、第１対物レンズ５により、試料６に照射され、集光スポットを形成する。
前記試料６上の前記集光スポットから反射した信号光は、第１の偏光ビームスプリッタ２３により反射され、第１のレンズ８により集光され、前記集光点に配置されたピンホール９を透過し、再び、第２のレンズ１０により平行光に変換される。
ここで、第１の偏光ビームスプリッタ２３はレーザー光源１と同じ偏光方向の光を透過し、レーザー光源１と直行する偏光方向の光を反射する機能を有している。
１／４波長板２４の結晶軸は、レーザー光源１の偏光方向と４５度傾くように配置されている。１／４波長板２４から出力された信号光は、１／４波長板に入射するレーザー光源１からの出射光に対して、偏光方向が９０度回転する。１／４波長板から出力された信号光は、第１の偏光ビームスプリッタ２３により反射される。
第２のレンズ１０により平行光に変換された信号光と、前記参照光は光合波素子１３で合波され、さらに、合波された光束は、１／２波長板２５に向かう第１の光束と、１／４波長板２６に向かう第２の光束とに分離される。
前記第１の光束、および、前記第２の光束は、それぞれ、前記参照光と前記信号光の合成であるが、参照光と信号光は直行しているため干渉は発生しておらず、前記１／２波長板２５と、前記１／４波長板２６により、前記第１、および、前記第２の光束の偏光方向を回転させ、第２の偏光ビームスプリッタ２７、および、第３の偏光ビームスプリッタ２８で、前記第１、および、前記第２の光束をそれぞれ偏光分離することで、前記、位相の異なる４つの干渉光を生成する。
以下、図６、および、数式を用いてこの原理を説明する。
図６において、紙面に向かう方向を−ｙ方向とする。
前記第１、および、前記第２の光束において、ｙ方向、および、それぞれの光束の光軸方向と直行する方向をｘ方向とする。
図６において、前記第１、および、前記第２の光束が、ｘ方向に電界振幅１／２Ｅｓの信号光のみ、ｙ方向に電界振幅１／２Ｅｒの参照光成分のみを持つように光学系を配置し、また、光合波素子１３の分岐比を１：１とすると、前記第１、および、前記第２の光束の電界ベクトルは、何れも、次式で表される。
Figure 0006358577
ここで、Ｅｘは、電界ベクトルのｘ成分、Ｅｙは電界ベクトルのｙ成分である。
まず、前記第１の光束について考える。１／２波長板２５は、ｙ軸に対し、結晶軸が２２．５度傾いた状態で配置してあり、前記１／２波長板２５を透過した前記第１の光束の電界ベクトルは、式（１１）に示す、ジョーンズ行列式を解くことで得られる。
Figure 0006358577
ｘ方向、および、ｙ方向の光強度は、電界ベクトルの２乗に比例するため、式（１１）より電界成分Ｅｘ，Ｅｙの絶対値の２乗を計算すると、式（１２）、および、式（１３）となる。
Figure 0006358577
ここで、φは式（１２）の干渉光の位相であり、信号光と参照光の光源からの光路長差により決定される。
同様に、前記第２の光束について考える。１／４波長板２６は、ｙ軸に対し、結晶軸が４５度傾いた状態で配置してあり、前記１／４波長板２６を透過した前記第２の光束の電界ベクトルは、式（１４）に示すジョーンズ行列式を解くことで得られる。
Figure 0006358577
ここで、ｉは虚数単位であり、ｉ×ｉ＝−１である。
ｘ方向、および、ｙ方向の光強度は、電界ベクトルの２乗に比例するため、式（１１）より電界成分Ｅｘ，Ｅｙの絶対値の２乗を計算すると、式（１５）、および、式（１６）となる。
Figure 0006358577
式（１２）、および、式（１５）はｘ方向成分の偏光を持つ干渉光であり、また、式（１３）、および、式（１６）はｙ方向成分の偏光を持つ干渉光であるため、図６において、たとえば、ｘ方向の偏光を持つ光を透過し、ｙ方向の偏光を持つ光を反射する偏光ビームスプリッタを用いることで、それぞれの干渉光を分離できる。
具体的には、図６に示すように、第２の偏光ビームスプリッタ２７、および、第３の偏光ビームスプリッタ２８により４つの光に分離し、第１受光素子２９、第２受光素子３０、第３受光素子３１、および、第４受光素子３２で４つの光を受光する。
電界振幅の二乗は光強度に比例するが、簡単のため比例定数を１とし、Ｅｒ２＝Ｉｒ，Ｅｓ２＝Ｉｓと置くと、結局、式（１２）、式（１３）、式（１５）、式（１６）は式（１）、式（２）、式（３）、式（４）と同じ次式となる。
Figure 0006358577
したがって、第１受光素子２９、第２受光素子３０、第３受光素子３１、および第４受光素子３２の出力信号を、実施の形態１と同様に処理することで、反射率の少ない試料の反射像を高感度に検出することが可能となる。
なお、本実施の形態においては、前記第１、および、前記第２の光束をそれぞれ偏光分離するために、第２の偏光ビームスプリッタ２７、および、第３の偏光ビームスプリッタ２８を用いたが、偏光方向の異なる光を分離できる光学素子、たとえば、回折格子や、プリズムなどを用いても良い。
（実施の形態３の変形例）
なお、本実施の形態３における、走査型光学顕微鏡においては、試料からの反射光により試料の像を得ているが、これに限定されるものではなく、第１の実施の形態と同様、試料の透過光より試料の透過像を得る、透過型の走査型光学顕微鏡であってもよい。
具体的な構成例として、図７に、透過型の走査型光学顕微鏡構成を示す。図７は、本実施の形態における走査型光学顕微鏡の光学系全体を示す構成図である。
同図において、前記試料６上の前記集光スポットに集光した信号光は、前記試料６を透過し、第２対物レンズ２０５で平行光に変換され、再び、第１のレンズ８により集光され、前記第１のレンズ８の集光点に配置されたピンホール９を透過し、再び、第２のレンズ１０により平行光に変換される。
前記第２のレンズ１０により平行光に変換された前記信号光は、参照光と光合波素子１３により合波され、合波された光は、２つの光束に分離され、図６と同じ原理にて、第１受光素子２９、第２受光素子３０、第３受光素子３１、および第４受光素子３２から得られた信号を処理することで、試料６の透過像の画像情報を得ることができる。
また、本実施の形態においては、試料の像の取得は、たとえば、図示しない走査装置を用い、試料台７を水平方向に動かしながら、第３の信号演算装置２２の電気信号を取得することで行われるが、これに限られるものではない。例えば、図８に示すように、回転軸方向がそれぞれ直交する、第１の偏向ミラー３７、および、第２の偏向ミラー３８を用い、照射光の光軸に直交する２方向について光を走査することで、第１対物レンズ５の集光スポット位置を２次元的に走査し、試料６の反射像を得る構成としてもよい。図８は、本実施の形態の変形例における走査型光学顕微鏡の光学系全体を示す構成図である。
その他については、本開示の実施の形態１、および、実施の形態２と同様である。
（実施の形態４）
図９は、本開示の実施の形態４における走査型光学顕微鏡の一例を示す構成図である。図９に示すように、本実施の形態の走査型光学顕微鏡は、レーザー光源１、コリメートレンズ２、第１対物レンズ５、第１のレンズ８、ピンホール９、第１の偏光ビームスプリッタ２３、１／４波長板２４、１／２波長板２５、１／４波長板２６、第２の偏光ビームスプリッタ２７、第３の偏光ビームスプリッタ２８、第１受光素子２９、第２受光素子３０、第３受光素子３１、第４受光素子３２、１／２波長板３３、反射ミラー３４および１／４波長板３５を備えている。
実施の形態３の干渉光学系は、マッハツェンダー型の干渉計を適用した光学構成を有しているが、実施の形態３とは異なり、図９においては、マイケルソン型の干渉計を基本にした構成を示す。
以下、図９を用いて、本実施の形態について説明を行う。
図６においては、第１のビームスプリッタ３により、第２の参照光を得ているが、図９においては、図６とは参照光の分離の方法が異なる。
レーザー光源１から出射した光は、１／２波長板３３により、偏光方向を４５度傾いた状態に変換され、レーザー光源１と同じ偏光方向成分の光は、第１の偏光ビームスプリッタ２３を透過し、レーザー光源１と直行する偏光方向成分の光は、第１の偏光ビームスプリッタ２３を反射する。
ここで、第１の偏光ビームスプリッタ２３はレーザー光源１と同じ偏光方向の光を透過し、レーザー光源１と直行する偏光方向の光を反射する機能を有している。
第１の偏光ビームスプリッタ２３により反射された光は参照光となり、反射ミラー３４で反射し、第１の偏光ビームスプリッタ２３に、参照光として再び入射する。
第１の偏光ビームスプリッタ２３を透過した光は第１対物レンズ５により試料６に集光され、その反射光を前記第１対物レンズ５で受光し、信号光として前記第１の偏光ビームスプリッタ２３に再び入射する。
前記信号光、および、前記参照光は１／４波長板３５、および、１／４波長板２４を往復することで９０度偏光方向が変えられ、前記信号光は、前記第１の偏光ビームスプリッタ２３を反射し、前記反射ミラー３４で反射した前記参照光は、前記第１の偏光ビームスプリッタ２３を透過する。
前記第１の偏光ビームスプリッタ２３より出射された、前記参照光と前記信号光は、第１のレンズ８により集光され、前記集光点に配置されたピンホール９を透過した後、結像レンズ３６を透過して、光分岐素子２１３に入射する。
光分岐素子２１３を透過、または、反射した光束の振る舞いは、実施の形態３と同じであり、図６と同じ光学系、および、同じ原理にて、試料６の反射像を取得することができる。
本実施の形態において、図９のように、参照光もピンホール９を通す構成とすることにより、参照光が持つ収差差成分やノイズ光を前記ピンホール９で除去することができるため、参照光の干渉性をさらに向上させることができる。
なお、図８と同様に、図１０に示すような走査光学系を追加してもよい。図１０は、本実施の形態の変形例における走査型光学顕微鏡の光学系全体を示す構成図である。
その他については、本開示の実施の形態１〜実施の形態３と同様である。
以上、複数の態様に係る走査型光学顕微鏡について、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、この実施の形態に限定されるものではない。本開示の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、一つまたは複数の態様の範囲内に含まれてもよい。
本開示の走査型光学顕微鏡は、信号光に参照光を干渉させることで、信号光を増幅し、高感度に信号検出を行うことができるため、反射率や透過率の少ない試料や、生体細胞のように、強い測定光を照射できない試料からの微弱な信号光を高感度に取得したい用途、例えば、医療用の細胞診断や、生体試料などの観察を行うための走査型光学顕微鏡として有用である。
１ レーザー光源
２ コリメートレンズ
３ 第１のビームスプリッタ
４ 第２のビームスプリッタ
５ 第１対物レンズ
６ 試料
７ 試料台
８ 第１のレンズ
９ ピンホール
１０ 第２のレンズ
１１ ミラー
１２ 位相板
１３ 光合波素子
１４ 結像レンズ
１５ 光検出素子
１６ 第１受光面
１７ 第２受光面
１８ 第３受光面
１９ 第４受光面
２０ 第１の信号演算装置
２１ 第２の信号演算装置
２２ 第３の信号演算装置
２３ 第１の偏光ビームスプリッタ
２４ １／４波長板
２５ １／２波長板
２６ １／４波長板
２７ 第２の偏光ビームスプリッタ
２８ 第３の偏光ビームスプリッタ
２９ 第１受光素子
３０ 第２受光素子
３１ 第３受光素子
３２ 第４受光素子
３３ １／２波長板
３４ 反射ミラー
３５ １／４波長板
３６ 結像レンズ
３７ 第１の偏向ミラー
３８ 第２の偏向ミラー
１０１ レーザー光源
１０２ コリメートレンズ
１０３ ビームスプリッタ
１０４ 走査ユニット
１０５ ミラー
１０６ ミラー
１０７ リレーレンズ
１０８ 対物レンズ
１０９ 試料
１１０ 試料ステージ
１１１ 検出器レンズ
１１２ ピンホール
１１３ 光検出器
１１４ 情報処理装置
１１５ 回転制御装置
２０５ 第２対物レンズ
２１３ 光分岐素子

Claims (14)

  1. 光源と、
    前記光源からの出射光を、照射光と参照光とに分岐する第１ビームスプリッタと、
    前記照射光を試料上に集光し、前記集光された光が前記試料で反射された光である信号光を受光する第１対物レンズと、
    前記光源と前記試料との間の光路から前記信号光を分岐する第２ビームスプリッタと、
    前記分岐された信号光の光路中に設けられ、前記第１対物レンズの結像点と光学的に共役な位置に配置されたピンホールと、
    前記分岐された信号光を前記ピンホールに集光する集光レンズと、
    第１の少なくとも互いに位相が異なる４つの分割光を含む第１の光を出力する位相板と、
    前記第１の光と第２の光を合波し、第２の少なくとも互いに位相が異なる４つの分割光を含む干渉光を生成する第３ビームスプリッタと、
    前記干渉光を受光し、少なくとも４つの電気信号を出力する光検出素子を含み、
    前記第１の少なくとも４つの分割光と前記第２の少なくとも４つの分割光は対応しており、
    前記少なくとも４つの電気信号の強度と前記第２の少なくとも４つの分割光の強度は対応しており、
    位相板は第１の位相板または第２の位相板であり、
    前記位相板が前記第１の位相板である時は、前記参照光が前記第１の位相板に入力され、前記第２の光は前記ピンホールを透過した前記信号光であり、
    前記位相板が前記第２の位相板であるときは、前記ピンホールを透過した前記信号光が前記第２の位相板に入力され、前記第２の光は前記参照光である、
    走査型光学顕微鏡。
  2. 前記第１の少なくも互いに位相が異なる４つの分割光は、
    ｉ）第１分割域を透過した第１分割光、ｉｉ）第２分割領域を透過し前記第１分割光と位相が９０度シフトした第２分割光、ｉｉｉ）第３分割領域を透過し前記第１分割光と位相が１８０度シフトした第３分割光、ｉｖ）第４分割領域を透過し前記第１分割光と位相が２７０度シフトした第４分割光を含む、
    請求項１に記載の走査型光学顕微鏡。
  3. 前記光検出素子は、ｉ）前記第１分割光に対応する第１干渉光を受光する第１受光面、ｉｉ）前記第２分割光に対応する第２干渉光を受光する第２受光面、ｉｉｉ）前記第３分割光に対応する第３干渉光を受光する第３受光面、及びｉｖ）前記第４分割光に対応する第４干渉光を受光する第４受光面を含み、
    前記第２の少なくとも互いに位相が異なる４つの分割光は前記第１干渉光、前記第２干渉光、前記第３干渉光、前記第４干渉光を含む、
    請求項２に記載の走査型光学顕微鏡。
  4. 前記光検出素子は、前記第１受光面、前記第２受光面、前記第３受光面、第４受光面を同一平面に有する、
    請求項３に記載の走査型光学顕微鏡。
  5. 前記第１受光面からの出力信号値と前記第３受光面からの出力信号値との差分を得る第１の信号演算器と、
    前記第２受光面からの出力信号値と前記第４受光面からの出力信号値との差分を得る第２の信号演算器と、
    前記第１の信号演算器からの出力信号値と前記第２の信号演算器からの出力信号値との二乗和平方根を出力する第３の信号演算器を含む、
    請求項３に記載の走査型光学顕微鏡。
  6. 光源と、
    前記光源からの出射光を、照射光と参照光とに分岐する第１ビームスプリッタと、
    前記照射光を試料上に集光する第１対物レンズと、
    前記試料上に集光され、前記試料を透過した信号光を受光する第２対物レンズと、
    前記信号光の光路を変更する第２ビームスプリッタと、
    前記光路を変更された信号光の光路中に設けられ、前記第１対物レンズの結像点と光学的に共役な位置に配置されたピンホールと、
    前記光路を変更された信号光を前記ピンホールに集光する集光レンズと、
    第１の少なくとも互いに位相が異なる４つの分割光を含む第１の光を出力する位相板と、
    前記第１の光と第２の光を合波し、第２の少なくとも互いに位相が異なる４つの分割光を含む干渉光を生成する第３ビームスプリッタと、
    前記干渉光を受光し、少なくとも４つ電気信号を出力する光検出素子と、
    前記第１の少なくとも４つの分割光と前記第２の少なくとも４つの分割光は対応しており、
    前記少なくとも４つの電気信号の強度と前記第２の少なくとも４つの分割光の強度は対応しており、
    位相板は第１の位相板または第２の位相板であり、
    前記位相板が前記第１の位相板である時は、前記参照光が前記第１の位相板に入力され、前記第２の光は前記ピンホールを透過した前記信号光であり、
    前記位相板が前記第２の位相板である時は、前記ピンホールを透過した前記信号光が前記第２の位相板に入力され、前記第２の光は前記参照光である、
    走査型光学顕微鏡。
  7. 前記位相板は、
    ｉ）第１分割域を透過した第１分割光、ｉｉ）第２分割領域を透過し前記第１分割光と位相が９０度シフトした第２分割光、ｉｉｉ）第３分割領域を透過し前記第１分割光と位相が１８０度シフトした第３分割光、ｉｖ）第４分割領域を透過し前記第１分割光と位相が２７０度シフトした第４分割光に分割して出力する、
    請求項６に記載の走査型光学顕微鏡。
  8. 前記光検出素子は、ｉ）前記第１分割光に対応する第１干渉光を受光する第１受光面、ｉｉ）前記第２分割光に対応する第２干渉光を受光する第２受光面、ｉｉｉ）前記第３分割光に対応する第３干渉光を受光する第３受光面、及びｉｖ）前記第４分割光に対応する第４干渉光を受光する第４受光面を含み、
    前記第２の少なくとも互いに位相が異なる４つの分割光は前記第１干渉光、前記第２干渉光、前記第３干渉光、前記第４干渉光を含む、
    請求項７に記載の走査型光学顕微鏡。
  9. 前記光検出素子は、前記第１受光面、前記第２受光面、前記第３受光面、第４受光面を同一平面に有する、
    請求項８に記載の走査型光学顕微鏡。
  10. 前記第１受光面からの出力信号値と前記第３受光面からの出力信号値との差分を得る第１の信号演算器と、
    前記第２受光面からの出力信号値と前記第４受光面からの出力信号値との差分を得る第２の信号演算器と、
    前記第１の信号演算器からの出力信号値と前記第２の信号演算器からの出力信号値との二乗和平方根を出力する第３の信号演算器を含む、
    請求項９に記載の走査型光学顕微鏡。
  11. 前記試料上の微小スポットを走査するスポット走査装置を備えた、
    請求項１に記載の走査型光学顕微鏡。
  12. 前記スポット走査装置は電動ステージであり、
    前記試料を前記電動ステージにより、２次元または３次元方向に移動することにより、
    前記試料と前記微小スポットの相対位置を変え、前記試料の画像情報を得る、
    請求項１１に記載の走査型光学顕微鏡。
  13. 前記スポット走査装置は、ガルバノスキャナ、または、音響光学素子、または、電気光学素子のいずれかであり、
    前記照射光の光軸傾きを変えることで、前記試料上の前記微小スポットの位置を２次元方向に走査し、前記試料の画像情報を得る、
    請求項１１に記載の走査型光学顕微鏡。
  14. 前記光源は、レーザー、または、スーパールミネッセントダイオード、または、発光ダイオード、または、ハロゲンランプである、
    請求項１に記載の走査型光学顕微鏡。
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