JP6634263B2

JP6634263B2 - 顕微鏡

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Publication number: JP6634263B2
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Inventors: 侑也宮薗; 中田　竜男; 竜男中田; 日下　健一; 健一日下
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Description

本発明は、顕微鏡の技術に関する。

レーザ走査型顕微鏡は、動物の脳を３次元的に観察する有用な手段である。従来は、マウスのような小動物がレーザ走査型顕微鏡を用いた観察の主要な対象物であったが、近年では、レーザ走査型顕微鏡は、より大きな動物、例えば、霊長類の脳観察にも利用されている。

霊長類の脳を観察する場合には、霊長類をステージに正立させた状態で観察が行われる。この場合、顕微鏡は、顕微鏡の視野を互いに直交するｘｙｚ軸方向に移動できるだけではなく、対物レンズの向きを変えて様々な方向から対象物を観察することができると便利である。対物レンズの向きを変更可能な顕微鏡は、例えば、特許文献１に記載されている。

特開２００５−２０２３３８号公報

ところで、視野の移動を機械的な構成により実現する場合、視野の移動に伴い振動が生じることがある。特に、対物レンズ又はステージの移動により視野を対物レンズの光軸方向（以降、対物レンズの光軸方向を単に光軸方向と記す）へ移動する場合には、振動が発生しやすい。振動が画像取得中に生じると画質へ悪影響が及んでしまう。このため、対物レンズ及びステージを移動させることなく、光軸方向へ走査することができる技術が望まれている。

以上のような実情を踏まえ、本発明は、対物レンズの光軸方向への走査に伴う振動の発生を抑制する顕微鏡を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、照明光を出射する光源部と、前記照明光が入射する対物レンズと、前記対物レンズと前記光源部の間の照明光路上に配置された焦点可変光学系と、前記焦点可変光学系と前記対物レンズの間の照明光路上に配置された、前記照明光の照明光軸を前記対物レンズの光軸に向ける反射光学系と、前記対物レンズの光軸と直交する回転軸周りに前記対物レンズ及び前記反射光学系を回転させる回転手段と、前記光源部と前記焦点可変光学系との間に配置された、前記照明光で前記対物レンズの光軸と直交する方向にサンプルを走査する走査部と、前記走査部と前記焦点可変光学系との間に配置された、結像レンズと、前記焦点可変光学系を前記対物レンズの射出瞳位置又は前記射出瞳位置近傍に投影するリレー光学系と、を備える顕微鏡を提供する。
本発明の別の態様は、照明光を出射する光源部と、前記照明光が入射する対物レンズと、前記対物レンズと前記光源部の間の照明光路上に配置された焦点可変光学系と、前記焦点可変光学系と前記対物レンズの間の照明光路上に配置された、前記照明光の照明光軸を前記対物レンズの光軸に向ける反射光学系と、前記対物レンズの光軸と直交する回転軸周
りに前記対物レンズ及び前記反射光学系を回転させる回転手段と、前記焦点可変光学系のパワーをモニターするモニター手段を備え、前記モニター手段でモニターされたパワーに基づいて、前記焦点可変光学系のパワーが一定に維持されるように前記焦点可変光学系を制御するパワー安定化手段と、を備える顕微鏡を提供する。

本発明によれば、対物レンズの光軸方向への走査に伴う振動の発生を抑制する顕微鏡を提供することができる。

実施例１に係る顕微鏡１００の構成を例示した図である。顕微鏡１００に含まれるガルバノミラー２と対物レンズ１０の間の光学素子を一直線上に並べて示した図である。実施例２に係る顕微鏡１０１の構成を例示した図である。顕微鏡１０１に含まれるガルバノミラー２と対物レンズ１０の間の光学素子を一直線上に並べて示した図である。回転部１２と調整部２３の構成を例示した図である。実施例３に係る顕微鏡１０２の構成を例示した図である。顕微鏡１０２に含まれるガルバノミラー２と対物レンズ１０の間の光学素子を一直線上に並べて示した図である。顕微鏡１０２に含まれるオフセットレンズ３４と焦点可変レンズ６ａの位置関係について説明した図である。実施例４に係る顕微鏡１０３の構成を例示した図である。顕微鏡１０３に含まれるオフセットレンズ３５と焦点可変レンズ６ａの位置関係について説明した図である。実施例５に係る顕微鏡１０４の構成を例示した図である。顕微鏡１０４に含まれるガルバノミラー２と対物レンズ１０の間の光学素子を一直線上に並べて示した図である。実施例６に係る顕微鏡１０５の構成を例示した図である。実施例７に係る顕微鏡１０６の構成を例示した図である。実施例８に係る顕微鏡１０７の構成を例示した図である。実施例９に係る顕微鏡１０８の構成を例示した図である。実施例１０に係る顕微鏡１０９の構成を例示した図である。実施例１１に係る顕微鏡１１０の構成を例示した図である。実施例１２に係る顕微鏡１１１の構成を例示した図である。実施例１３に係る顕微鏡１１２の構成を例示した図である。実施例１４に係る顕微鏡１１３の構成を例示した図である。実施例１５に係る顕微鏡１１４の構成を例示した図である。

［実施例１］
図１は、本実施例に係る顕微鏡１００の構成を例示した図である。図２は、顕微鏡１００に含まれるガルバノミラー２と対物レンズ１０の間の光学素子を一直線上に並べて示した図である。顕微鏡１００は、サンプルＳを走査して画像を取得するレーザ走査型顕微鏡であり、例えば、サンプルＳにレーザ光である照明光（励起光）を照射してサンプルＳからの蛍光を検出する多光子励起蛍光顕微鏡である。

顕微鏡１００は、図１に示すように、照明光を出射する光源部１と、光源部１から出射した照明光の光路（照明光路）上に、走査部４と、結像レンズ５と、焦点可変レンズ６と、リレー光学系９と、対物レンズ１０を備える。

光源部１は、レーザ光を出射するレーザを含むレーザユニットである。光源部１は、例えば、赤外域のパルスレーザを備える。光源部１と焦点可変レンズ６との間に配置された走査部４は、光源部１から入射したレーザ光で対物レンズ１０の光軸と直交する方向にサンプルＳを走査する。走査部４は、ガルバノミラー２と、ガルバノミラー２と結像レンズ５の間に配置され、対物レンズ１０の射出瞳をガルバノミラー２又はガルバノミラー２の近傍に投影する瞳投影レンズ３と、を備える。走査部４に含まれるスキャナは、ガルバノミラー２に限らず、例えば、レゾナントスキャナであってもよい。結像レンズ５は、走査部４と焦点可変レンズ６との間に配置され、瞳投影レンズ３と結像レンズ５は、ガルバノミラー２を焦点可変レンズ６又は焦点可変レンズ６の近傍に投影するリレー光学系を構成する。

焦点可変レンズ６は、対物レンズ１０と光源部１の間の照明光路上に配置された、可変する焦点距離を有する可変焦点光学系である。焦点可変レンズ６は、電気的に調整可能なレンズ（Electrically Tunable Lens）であり、典型的にはレンズ表面又は液体の界面の形状が変化する液体レンズである。焦点可変レンズ６は、望ましくは、対物レンズ１０の射出瞳と光学的に共役な位置（以降、瞳共役位置ＣＰと記す）又はその近傍、即ち、ガルバノミラー２と光学的に共役な位置又はその近傍、に配置される。これにより、焦点可変レンズ６の焦点距離の変化に起因する倍率の変化及び収差の発生を抑えることができる。さらに、焦点可変レンズ６は、顕微鏡１００が水平面上に配置されたときに、焦点可変レンズ６の光軸が鉛直方向に向くように配置される。これにより、重力によって生じるレンズ形状の変形（特に、光軸と非対称に生じる変形）を抑えることができる。このため、レンズ形状の変形に起因する収差（特に、歪曲収差）の発生を抑えることができる。また、焦点可変レンズ６の焦点距離は、例えば、負の値から正の値までの間で変化する。

リレー光学系９は、焦点可変レンズ６を対物レンズ１０の射出瞳位置Ｐ又はその近傍に投影する光学系であり、正のパワーを有する。リレー光学系９は、それぞれ正のパワーを有する、第１のレンズ群であるレンズ７と、第２のレンズ群であるレンズ８とを備える。レンズ７とレンズ８は、それぞれ複数枚のレンズで構成されてもよい。レンズ８は、レンズ７の対物レンズ１０の側の焦点位置（つまり、レンズ７の焦点位置のうち対物レンズ１０に近い方の焦点位置）上に、光源部１の側の焦点位置（つまり、レンズ８の焦点位置のうち光源部１に近い方の焦点位置）を有するように、配置される。また、レンズ７の焦点距離はレンズ８の焦点距離と等しい。即ち、レンズ７とレンズ８からなるリレー光学系９は、４ｆ光学系であり、焦点可変レンズ６を射出瞳位置Ｐ又はその近傍に等倍（１倍）で投影するように構成される。なお、レンズ７とレンズ８の焦点距離は短すぎないことが望ましい。焦点距離が短すぎると、これらのレンズと後述する中間像Ｍとの距離が短くなり、さらにレンズ７とレンズ８の間には中間像Ｍが形成されるが、その中間像位置の変動量は、中間像Ｍの倍率の二乗に比例する。このため、フォーカスがずれるとレーザ光がレンズ７またはレンズ８に集光し、レーザ光が集光したレンズがダメージを受ける、または、レンズに生じた傷、付着した塵芥が像に映りこんでしまう虞がある。また、リレー光学系の倍率が等倍であれば、対物レンズ１０から焦点可変レンズ６までの構成を既存の顕微鏡へ容易に適用することが可能となる。

対物レンズ１０は、サンプルＳに照射するための照明光が入射する無限遠補正型の対物レンズである。対物レンズ１０は、乾燥系対物レンズであっても液浸系対物レンズであってもよい。

顕微鏡１００は、図１及び図２に示すように、照明光路上にさらに、照明光軸ＩＸの方向を変更する複数の反射光学系（ミラー１９、ミラー２０、ダイクロイックミラー３３）を備えている。複数の反射光学系は、いずれもパワーを有しない。

ミラー１９は、結像レンズ５と焦点可変レンズ６の間の光路上に配置され、ミラー１９の入射光軸と出射光軸とが直交するように照明光軸ＩＸの方向を変更する。より詳細には、ミラー１９は、ミラー１９の出射光軸が鉛直方向に向くように配置される。ミラー２０は、焦点可変レンズ６とレンズ７の間の光路上に配置され、ミラー２０の入射光軸と出射光軸とが直交するように照明光軸ＩＸの方向を変更する。即ち、ミラー２０は、ミラー２０の出射光軸が鉛直方向と直交する方向に向くように配置される。ダイクロイックミラー３３は、光源部１から出射したレーザ光が反射しサンプルＳからの蛍光が透過する波長反射率特性を有する。ダイクロイックミラー３３は、焦点可変レンズ６と対物レンズ１０の間の照明光路上（より詳細には、レンズ８と対物レンズ１０の間）に配置され、照明光軸ＩＸを対物レンズ１０の光軸に向けるように照明光軸ＩＸの方向を変更する。

本明細書において、照明光軸とは、照明光の光束の中心軸のことである。また、ある光学系に入射するときの照明光軸をその光学系の入射光軸と記し、ある光学系から出るときの照明光軸をその光学系の出射光軸と記す。なお、照明光がスキャナによって偏向される場合には、照明光軸は、図２に示す光束Ｌ１のような対物レンズ１０の光軸上に集光する照明光の光束の中心軸をいうものとする。図２に示す光束Ｌ１と光束Ｌ２は、それぞれガルバノミラー２により異なる方向に偏向された照明光の光束を示している。光束Ｌ１は、対物レンズ１０の光軸上に集光する光束であり、光束Ｌ２は、対物レンズ１０の光軸からずれた位置に集光する光束である。なお、焦点可変レンズ６で標本面の集光位置をずらすと球面収差が発生する。球面収差があると像の明るさが暗くなるので、その影響を減らすために光束を有る程度絞ることが望ましい。射出瞳位置Ｐにおける光束Ｌ１の径は、瞳径の７０％以下、特に５０％程度に設計することが望ましい。ここで、光束の径は、強度が軸上での強度の１／ｅ^２になる径である。

顕微鏡１００は、図２に示すように、ミラー１９と焦点可変レンズ６の間の距離を調整する調整部２１を備える。調整部２１は、例えば、照明光路上にある焦点可変レンズ６以降（焦点可変レンズ６から対物レンズ１０まで）の光学素子を収容した鏡筒及び／又はフレームなどの収容体を鉛直方向に移動するためのリニアガイドである。調整部２１は、利用者が手動で鉛直方向に動かすように構成されてもよく、利用者の指示に従って電動で動くように構成されてもよい。調整部２１は、観察部位を探すときなど、主に視野を大きく動かすときに使用される。

顕微鏡１００は、図１及び図２に示すように、レーザ光が照射されたサンプルＳからの蛍光の検出光路上に、対物レンズ１０と、ダイクロイックミラー３３と、入射端集光レンズ１１と、光ファイバー１３と、ノンデスキャン検出部１８を備える。光ファイバー１３の入射端１４は、対物レンズ１０、ダイクロイックミラー３３、入射端集光レンズ１１を収容する回転部１２に固定され、光ファイバー１３の出射端１５は、出射端集光レンズ１６と光検出器１７を備えるノンデスキャン検出部１８に固定される。光検出器１７は、サンプルＳからの蛍光を検出するノンデスキャン検出器であり、例えば、光電子増倍管（ＰＭＴ）である。なお、回転部１２とノンデスキャン検出部１８を光ファイバー１３で接続する構成は、回転部１２を軽量化することができるという点で特に望ましい。また、回転部１２とノンデスキャン検出部１８を光ファイバー１３で分離することで、サンプルＳ上部のスペースが広くとれるため、サンプルＳの配置や操作の自由度が高めることが可能となる。

顕微鏡１００は、図１に示すように、さらに、回転部１２を備える。回転部１２は、対物レンズ１０、ダイクロイックミラー３３、及び入射端集光レンズ１１を回転軸ＲＸ周りに回転させる回転手段である。回転軸ＲＸは、対物レンズ１０の光軸と直交する回転軸であり、ミラー２０の出射光軸、即ち、リレー光学系９の光軸と一致している。回転部１２は、対物レンズ１０、ダイクロイックミラー３３、入射端集光レンズ１１を収容する鏡筒を備える。その鏡筒が回転軸ＲＸ周りに回転することで、鏡筒内に収容された対物レンズ１０、ダイクロイックミラー３３及び入射端集光レンズ１１も回転軸ＲＸ周りに回転し、対物レンズ１０の向きが変化する。

顕微鏡１００では、光源部１から出射したレーザ光は、ガルバノミラー２へ平行光束の状態で入射する。ガルバノミラー２で反射したレーザ光は、瞳投影レンズ３及び結像レンズ５によりビーム径が調整された後に、ミラー１９へ平行光束の状態で入射する。ここで、平行光束とは、光束径が変化しない光束のことであり、例えば、主光線とマージナル光線が互いに平行な光束をいう。

ミラー１９で反射したレーザ光は、鉛直方向に向けられた光軸を有する焦点可変レンズ６に入射し、焦点可変レンズ６の焦点距離に応じて光束の状態が調整される。焦点可変レンズ６を通過した略平行光束のレーザ光は、ミラー２０で反射し、レンズ７によりレンズ７とレンズ８の間に中間像Ｍを形成する。中間像Ｍが形成される位置は、焦点可変レンズ６の焦点距離に応じて変化する。図２に示す変動域Ｒは、中間像Ｍが形成され得る範囲を示している。レーザ光は、その後、レンズ８により再び略平行光束に変換され、ダイクロイックミラー３３を介して対物レンズ１０に入射し、サンプルＳに照射される。

レーザ光が照射されたサンプルＳからの蛍光は、対物レンズ１０に取り込まれ、その後、ダイクロイックミラー３３を透過して入射端集光レンズ１１に入射する。対物レンズ１０と焦点可変レンズ６の間に配置されたダイクロイックミラー３３は、サンプルＳを反射したレーザ光とサンプルＳからの蛍光とを分離する蛍光分離部であり、分離した蛍光はノンデスキャン検出部１８で検出される。より詳細には、入射端集光レンズ１１によって光ファイバー１３の入射端１４に集められた蛍光は、光ファイバー１３を通って出射端１５から出力され、ノンデスキャン検出部１８に入射する。ノンデスキャン検出部１８に入射した蛍光は、出射端集光レンズ１６によって光検出器１７に導かれる。光検出器１７は、検出した蛍光の光量に応じた信号を出力する。

顕微鏡１００は、ガルバノミラー２でサンプルＳを２次元に走査することで、光検出器１７からの信号に基づいてサンプルＳの２次元の画像データを生成する。さらに、対物レンズ１０と光源部１の間に配置された焦点可変レンズ６の焦点距離を変更してサンプルＳを光軸方向へ走査することで、異なる深さを対象とした複数の２次元の画像データを生成する。これにより、複数の２次元の画像データからサンプルＳの３次元情報を得ることができるため、サンプルＳの３次元的な観察が可能となる。

また、顕微鏡１００では、ダイクロイックミラー３３は回転部１２によって対物レンズ１０とともに回転軸ＲＸ周りに回転する。このため、対物レンズ１０の向きが変化しても、ダイクロイックミラー３３によって照明光を対物レンズ１０の光軸に向けることができる。従って、顕微鏡１００によれば、対物レンズ１０の向きを変更して様々な方向からサンプルＳを容易に観察することができる。

また、顕微鏡１００では、光軸方向へのサンプルＳの走査が焦点可変レンズ６により実現される。焦点可変レンズ６は、高速に焦点距離を変更することができるため、顕微鏡１００によれば、焦点可変レンズ６の焦点距離を変更することで、対物レンズ１０及び／又はステージなどサンプルＳ付近の構造物を機械的に動かすことなく、光軸方向への走査を実現することができる。このため、光軸方向への走査に伴う振動の発生を大幅に抑制することができる。さらに、光軸方向への走査の高速化を図ることができる。さらに、焦点可変レンズ６による走査では、対物レンズ１０又はステージによる走査とは異なり、対物レンズ１０の向きによらず常に対物レンズ１０の光軸方向へ行われる。このため、焦点可変レンズ６を備えた顕微鏡１００によれば、振動を抑制する効果に加えて、光軸方向への確実な走査を実現することができる。
［実施例２］

図３は、本実施例に係る顕微鏡１０１の構成を例示した図である。図４は、顕微鏡１０１に含まれるガルバノミラー２と対物レンズ１０の間の光学素子を一直線上に並べて示した図である。顕微鏡１０１は、顕微鏡１００と同様に、レーザ走査型顕微鏡であり、例えば、多光子励起蛍光顕微鏡である。顕微鏡１０１は、焦点可変レンズ６と対物レンズ１０の間の光学系の構成が顕微鏡１００とは異なる。その他の点は、顕微鏡１００と同様である。

顕微鏡１０１は、図３及び図４に示すように、焦点可変レンズ６と対物レンズ１０の間の照明光路上に、３つの反射光学系（ミラー３１、ミラー３２、ダイクロイックミラー３３）を備える。第１の反射光学系であるミラー３１、第２の反射光学系であるミラー３２、第３の反射光学系であり蛍光分離部であるダイクロイックミラー３３は、焦点可変レンズ６に近い側から順に配置されている。ミラー３１とミラー３２は、それぞれ入射光軸と出射光軸が直交するように、照明光軸ＩＸの方向を変更する。また、ミラー３１とミラー３２は、ミラー３１の入射光軸と出射光軸とを含む第１の平面（ｙｚ平面）とミラー３２の入射光軸と出射光軸とを含む第２の平面（ｘｙ平面）とが直交するように、配置される。また、ミラー１９は、ミラー１９の入射光軸と出射光軸を含む平面（ｘｚ平面）が第１の平面と第２の平面の両方に直交するように、配置される。

顕微鏡１０１は、さらに、図４に示すように、ミラー３１ミラー３２の間の距離を調整する第１の調整手段である調整部２２と、ミラー３２とダイクロイックミラー３３の間の距離を調整する第２の調整手段である調整部２３と、を備える。調整部２２は、焦点可変レンズ６がパワーを持たない状態で略平行光束が通過するミラー３１とレンズ７の間の距離を調整するように構成され、調整部２３は、同じく略平行光束が通過するレンズ８とダイクロイックミラー３３の間の距離を調整するように構成される。調整部２２、調整部２３を略平行光束が通過する部分に置くことで、レンズ間の距離の変動による像リレーへの影響を抑えることができる。光軸方向への像の走査のため焦点可変レンズ６にパワーを持たせた場合には、調整部２２、調整部２３を収斂または発散光束が通過するため、調整部２２、調整部２３による距離変動により像リレーに影響が出るが、この構成ではその影響を最小限にすることができる。

図５は、回転部１２と調整部２３の構成を例示した図である。回転部１２は、図５に示すように、例えば、対物レンズ１０の光軸と直交する回転軸ＲＸ周りに回転する鏡筒２４を備える。回転軸ＲＸは、ミラー３２の出射光軸と一致している。鏡筒２４には、対物レンズ１０、ダイクロイックミラー３３、入射端集光レンズ１１が収容され、さらに、光ファイバー１３の入射端１４が固定される。鏡筒２４は、回転軸ＲＸと平行な方向に摺動する可動フレーム２７に回転自在に嵌め合わされている。回転部１２では、鏡筒２４に形成された回転ガイド２５が可動フレーム２７に形成された円環状の溝にガイドされることにより、鏡筒２４の安定した回転が実現されている。

調整部２３は、図５に示すように、例えば、レール２８とスライダ２９からなるリニアガイドである。調整部２３は、固定フレーム２６と可動フレーム２７の間に設けられる。固定フレーム２６は、レンズ８を収容するフレームであり、レール２８は、固定フレーム２６の外側面に、回転軸ＲＸと平行な方向（レンズ８の光軸方向）に向けて取り付けられる。可動フレーム２７は、鏡筒２４を回転自在に支持するフレームであり、スライダ２９は、可動フレーム２７の内側面に、回転軸ＲＸと平行な方向に向けて取り付けられる。可動フレーム２７は、スライダ２９がレール２８上でスライドすることで、回転軸ＲＸと平行な方向に、鏡筒２４と一体となって摺動する。これにより、レンズ８とダイクロイックミラー３３の間の距離が調整される。なお、調整部２１及び調整部２２の構成例については図示しないが調整部２３に類似した構成を有している。調整部２１及び調整部２２は、例えば、リニアガイドであってもよい。

顕微鏡１０１によっても、顕微鏡１００と同様の効果を得ることができる。また、顕微鏡１０１によれば、調整部２１に加えて、調整部２２及び調整部２３を備えているため、視野を３次元に大きく動かすことができる。このため、例えば、霊長類などの大きな観察対象物を観察する場合であっても、観察対象物を固定した状態で観察部位を容易に探す出すことができる。
［実施例３］

図６は、本実施例に係る顕微鏡１０２の構成を例示した図である。図７は、顕微鏡１０２に含まれるガルバノミラー２と対物レンズ１０の間の光学素子を一直線上に並べて示した図である。図８は、顕微鏡１０２に含まれるオフセットレンズ３４と焦点可変レンズ６ａの位置関係について説明した図である。顕微鏡１０２は、顕微鏡１００及び顕微鏡１０１と同様に、レーザ走査型顕微鏡であり、例えば、多光子励起蛍光顕微鏡である。顕微鏡１０２は、焦点可変レンズ６の代わりに焦点可変レンズ６ａ及びオフセットレンズ３４を備える点、及び、リレー光学系９の代わりにリレー光学系９ａを備える点が、顕微鏡１０１とは異なる。その他の点は、顕微鏡１０１と同様である。

焦点可変レンズ６ａは、焦点距離が正の値の範囲で変化し負の値を有しない点が焦点可変レンズ６とは異なる。焦点可変レンズ６の代わりに正又は負の一方にしか変化しない焦点可変レンズを用いると、焦点可変レンズによる光軸方向への走査中に対物レンズ１０の射出瞳位置Ｐへ入射する光束の状態が収斂状態又は発散状態の一方に偏ってしまうため、望ましくない。そこで、顕微鏡１０２は、射出瞳位置Ｐへ入射する光束の状態が収斂状態又は発散状態の一方に偏ってしまうことを防止するために、焦点可変レンズ６ａの近傍にオフセットレンズ３４を設ける。

オフセットレンズ３４は、負のパワーを有する前方オフセットレンズ群であり、焦点可変レンズ６ａの焦点距離が変化することで、オフセットレンズ３４と焦点可変レンズ６ａの合成焦点距離が負の値から正の値までの間で変化するように、ガルバノミラー２と焦点可変レンズ６ａの間に配置される。具体的には、オフセットレンズ３４は、図８に示すように、焦点可変レンズ６ａが所定の焦点距離を有するときに、焦点可変レンズ６ａのガルバノミラー２の側の焦点位置がオフセットレンズ３４のガルバノミラー２の側の焦点位置ＦＰ１と一致するように、配置される。これにより、焦点可変レンズ６ａが所定の焦点距離を有するときに、オフセットレンズ３４及び焦点可変レンズ６ａは、オフセットレンズ３４に入射した平行光束を異なる光束径を有する平行光束に変換することができる。また、オフセットレンズ３４及び焦点可変レンズ６ａは、焦点可変レンズ６ａの焦点距離を所定の焦点距離よりも短くすることで、オフセットレンズ３４に入射した平行光束を収斂光束に変換し、焦点可変レンズ６ａの焦点距離を所定の焦点距離よりも長くすることで、オフセットレンズ３４に入射した平行光束を発散光束に変換することができる。なお、所定の焦点距離は、焦点可変レンズ６ａの焦点距離が変化する範囲（変動範囲）の中心付近であることが望ましい。所定の焦点距離を変動範囲の中心付近に設定することで、標本面上の焦点位置の可変範囲を、プラス方向（対物レンズから焦点位置が離れる方向）とマイナス方向（対物レンズに集光位置が近づく方向）で均一にすることができる。

リレー光学系９ａは、焦点可変レンズ６ａを対物レンズ１０の射出瞳位置Ｐ又はその近傍に投影する光学系であり、正のパワーを有する。リレー光学系９ａは、それぞれ正のパワーを有する、第１のレンズ群であるレンズ７ａと、第２のレンズ群であるレンズ８ａとを備える。レンズ７ａとレンズ８ａは、それぞれ複数枚のレンズで構成されてもよい。レンズ８ａは、レンズ７ａの対物レンズ１０の側の焦点位置上に、光源部１の側の焦点位置を有するように、配置される。即ち、リレー光学系９ａは、両側テレセントリックな光学系である。なお、リレー光学系９ａは、焦点可変レンズ６を射出瞳位置Ｐ又はその近傍に投影する倍率が、リレー光学系９とは異なっている。

顕微鏡１０２は、以下の条件式（１）を満たすように構成される。ここで、ｆ１はレンズ７ａの焦点距離であり、ｆ２はレンズ８ａの焦点距離であり、ｆｏはオフセットレンズ３４の焦点距離であり、ｆｖはオフセットレンズ３４の走査部４の側の焦点位置と焦点可変レンズ６ａの走査部４の側の焦点位置が一致しているときの焦点可変レンズ６ａの焦点距離である。
−ｆｖ／ｆｏ×ｆ２／ｆ１＝１・・・（１）

条件式（１）を満たすことで、顕微鏡１０２は、射出瞳位置Ｐがガルバノミラー２に投影される倍率を、顕微鏡１０１と同じ倍率に維持することができる。

顕微鏡１０２によれば、焦点距離が正の値の範囲で変化し負の値を有し得ない焦点可変レンズを用いた場合であっても、顕微鏡１０１と同様の効果を得ることができる。
［実施例４］

図９は、本実施例に係る顕微鏡１０３の構成を例示した図である。図１０は、顕微鏡１０３に含まれるオフセットレンズ３５と焦点可変レンズ６ａの位置関係について説明した図である。顕微鏡１０３は、顕微鏡１００から顕微鏡１０２と同様に、レーザ走査型顕微鏡であり、例えば、多光子励起蛍光顕微鏡である。顕微鏡１０３は、オフセットレンズ３４の代わりにオフセットレンズ３５を備える点、及び、リレー光学系９ａの代わりにリレー光学系９ｂを備える点が、顕微鏡１０２とは異なる。その他の点は、顕微鏡１０２と同様である。

オフセットレンズ３５は、負のパワーを有する後方オフセットレンズ群であり、焦点可変レンズ６ａの焦点距離が変化することで、焦点可変レンズ６ａとオフセットレンズ３５の合成焦点距離が負の値から正の値までの間で変化するように、焦点可変レンズ６ａと対物レンズ１０の間に配置される。具体的には、オフセットレンズ３５は、図１０に示すように、焦点可変レンズ６ａが所定の焦点距離を有するときに、焦点可変レンズ６ａの対物レンズ１０の側の焦点位置がオフセットレンズ３５の対物レンズ１０の側の焦点位置ＦＰ２と一致するように、配置される。

リレー光学系９ｂは、焦点可変レンズ６ａを対物レンズ１０の射出瞳位置Ｐ又はその近傍に投影する光学系であり、正のパワーを有する。リレー光学系９ｂは、負のパワーを有するオフセットレンズ３５と、正のパワーを有する第１のレンズ群であるレンズ７ｂと、正のパワーを有する第２のレンズ群であるレンズ８ｂとを備える。オフセットレンズ３５、レンズ７ｂ、レンズ８ｂは、それぞれ複数枚のレンズで構成されてもよい。レンズ８ｂは、レンズ７ｂの対物レンズ１０の側の焦点位置上に、光源部１の側の焦点位置を有するように、配置される。即ち、レンズ７ｂ及びレンズ８ｂからなる光学系は、両側テレセントリックな光学系である。なお、リレー光学系９ｂは、焦点可変レンズ６を射出瞳位置Ｐ又はその近傍に投影する倍率が、リレー光学系９とは異なっている。

顕微鏡１０３は、以下の条件式（２）を満たすように構成される。ここで、ｆ１はレンズ７ｂの焦点距離であり、ｆ２はレンズ８ｂの焦点距離であり、ｆｏはオフセットレンズ３５の焦点距離であり、ｆｖはオフセットレンズ３５の対物レンズ１０の側の焦点位置と焦点可変レンズ６ａの対物レンズ１０の側の焦点位置が一致しているときの焦点可変レンズ６ａの焦点距離である。
−ｆｏ／ｆｖ×ｆ２／ｆ１＝１・・・（２）
条件式（２）を満たすことで、顕微鏡１０３は、射出瞳位置Ｐがガルバノミラー２に投影される倍率を、顕微鏡１０１と同じ倍率に維持することができる。

顕微鏡１０３によれば、焦点距離が正の値の範囲で変化し負の値を有し得ない焦点可変レンズを用いた場合であっても、顕微鏡１０１と同様の効果を得ることができる。
［実施例５］

図１１は、本実施例に係る顕微鏡１０４の構成を例示した図である。図１２は、顕微鏡１０４に含まれるガルバノミラー２と対物レンズ１０の間の光学素子を一直線上に並べて示した図である。顕微鏡１０４は、顕微鏡１００から顕微鏡１０３と同様に、レーザ走査型顕微鏡であり、例えば、多光子励起蛍光顕微鏡である。顕微鏡１０４は、焦点可変レンズ６の代わりに焦点可変レンズ６ａを備える点、及び、リレー光学系９の代わりにリレーレンズ３６を備える点が、顕微鏡１０１とは異なる。その他の点は、顕微鏡１０１と同様である。

焦点可変レンズ６ａは、正の値の範囲で変化する焦点距離を有する焦点可変レンズであり、実施例３及び実施例４で上述した焦点可変レンズである。リレーレンズ３６は、正のパワーを有し、焦点可変レンズ６ａを対物レンズ１０の射出瞳位置Ｐ又はその近傍に投影するリレー光学系である。リレーレンズ３６は、焦点可変レンズ６ａを射出瞳位置Ｐに等倍で投影するように構成されることが望ましい。つまり、リレーレンズ３６は、焦点可変レンズ６ａと対物レンズ１０からそれぞれリレーレンズ３６の焦点距離の２倍（２ｆ）だけ離れた位置に配置されることが望ましい。リレーレンズ３６は、複数枚のレンズから構成されてもよい。焦点可変レンズ６ａ及びリレーレンズ３６は、焦点可変レンズ６ａが所定の焦点距離を有するとき、特にリレーレンズ３６と同じ焦点距離の時に焦点可変レンズ６ａに入射した平行光束を略平行光束に変換するように構成される。なお、焦点可変レンズ６ａ及びリレーレンズ３６は、焦点可変レンズ６ａの焦点距離が変動範囲の中心付近であるときに、入射光が平行光束に変換されるように構成されることが望ましい。これにより、射出瞳位置Ｐに入射する光束の過剰な収斂又は発散を抑制することができる。

調整部２２は、略平行光束が通過するリレーレンズ３６とミラー３２の間の距離を調整するように構成される。調整部２３は、同じく略平行光束が通過するミラー３２とダイクロイックミラー３３の間の距離を調整するように構成される。調整部２２及び調整部２３は、例えば、リニアスライダである。

顕微鏡１０４によれば、焦点距離が正の値の範囲で変化し負の値を有し得ない焦点可変レンズを用いた場合であっても、顕微鏡１０１と同様の効果を得ることができる。また、顕微鏡１０４によれば、リレーレンズ３６と対物レンズ１０の間の距離を長くとることができ、実施例２−４と比較して調整部２２、調整部２３を対物レンズ１０の近くに置くことができる。
［実施例６］

図１３は、本実施例に係る顕微鏡１０５の構成を例示した図である。顕微鏡１０５は、レーザ走査型顕微鏡であり、例えば、ディスク走査型の共焦点顕微鏡である。顕微鏡１０５は、走査部４の代わりに回転ディスク３８を備える点、入射端集光レンズ１１、光ファイバー１３、及びノンデスキャン検出部１８の代わりに、リレー光学系３０（リレーレンズ３０ａ、リレーレンズ３０ｂ）、ダイクロイックミラー３７及び光検出器４０を備える点が、顕微鏡１００とは異なる。

顕微鏡１０５は、さらに、回転部１２の代わりに回転部３９を備える。回転部３９は、入射端集光レンズ１１が収容されていない点、ダイクロイックミラー３３の代わりにミラー（図示しない）が収容される点が回転部１２とは異なるが、対物レンズ１０の光軸と直交する回転軸ＲＸ周りに回転する点は、回転部１２と同様である。

ダイクロイックミラー３７は、光源部１から出射したレーザ光が反射し、サンプルＳからの蛍光が透過する波長反射率特性を有する。回転ディスク３８は、光源部１と焦点可変レンズ６との間に配置された、レーザ光で対物レンズ１０の光軸と直交する方向にサンプルＳを走査する走査部であり、結像レンズ５の光源部１の側の焦点面に配置されている。回転ディスク３８には、スリット状又はピンホール状の開口が形成されている。光検出器４０は、二次元イメージセンサである。リレー光学系３０は、回転ディスク３８を光検出器４０に投影する。光検出器４０は、例えば、ＣＣＤ（Charge-Coupled Device）イメージセンサであってもよく、ＣＭＯＳ（Complementary MOS）イメージセンサであってもよい。顕微鏡１０５では、回転ディスク３８に形成された開口と光学的に共役な位置から生じた蛍光は、回転ディスク３８、リレー光学系３０及びダイクロイックミラー３７を通過して光検出器４０で検出される。このため、回転ディスク３８が結像レンズ５の光軸と略直交する回転軸周りに回転することで、サンプルＳが走査される。

顕微鏡１０５によっても、顕微鏡１００と同様の効果を得ることができる。なお、顕微鏡１０５は、顕微鏡１００をディスク走査型の共焦点顕微鏡に変形したものであるが、顕微鏡１０１から顕微鏡１０４をディスク走査型の共焦点顕微鏡に変形してもよい。即ち、ディスク走査型の共焦点顕微鏡は、焦点可変レンズと対物レンズ１０の間に３つの反射光学系を備えても良く、また、焦点可変レンズに加えて、負のパワーを有するオフセットレンズを備えてもよい。
［実施例７］

図１４は、本実施例に係る顕微鏡１０６の構成を例示した図である。顕微鏡１０６は、レーザ走査型顕微鏡であり、例えば、多光子励起蛍光顕微鏡である。顕微鏡１０６は、レーザ光をシフトするビームシフト部４１と、ビームシフト部４１を制御するシフト制御部であるコントローラ４４と、記憶部４５とを備える点が、顕微鏡１０１とは異なる。その他の点は、顕微鏡１０１と同様である。

ビームシフト部４１は、光源部１と走査部４の間に配置されている。ビームシフト部４１は、ミラー４２とミラー４３を備え、ミラー４２とミラー４３は、それぞれ入射光軸又は出射光軸と平行な方向に移動自在に配置されている。

コントローラ４４は、レーザ光が対物レンズ１０の射出瞳の中心へ入射するように、ビームシフト部４１（ミラー４２、ミラー４３）を制御する。つまり、ミラー４２及びミラー４３の位置を変更する。より具体的には、コントローラ４４は、記憶部４５に格納されているビームシフト部４１の設定情報に基づいて、レーザ光が対物レンズ１０の射出瞳の中心へ入射するように、ビームシフト部４１を制御する。記憶部４５には、例えば、レーザ光の波長と焦点可変レンズ６の焦点距離と焦点可変レンズ６に入射するビーム径との組み合わせ毎に、レーザ光が対物レンズ１０の射出瞳の中心へ入射するときのミラー４２及びミラー４３の位置情報が格納されている。

顕微鏡１０６によっても、顕微鏡１０１と同様の効果を得ることができる。また、顕微鏡１０６によれば、焦点可変レンズ６の光軸が照明光軸ＩＸに厳密に一致していない場合であっても、焦点可変レンズ６のパワーの変動によって生じるレーザ光の位置のずれをビームシフト部４１で補償することができる。従って、焦点可変レンズ６のパワーによらず対物レンズ１０の射出瞳の中心にレーザ光を入射させることができるため、サンプルＳの走査位置を正確に制御することができる。

なお、多光子励起用ＩＲレーザ（赤外域のパルスレーザ）は、レーザ波長の変更や再起動等によりビーム光がシフトする。ビームシフト部４１は、この多光子励起用ＩＲレーザとの組合せ時に、シフトするビーム光を対物レンズ中心に入射させるように調整することが可能である。このビームシフト部４１による調整により、対物レンズに入射するビーム光が大きな球面収差が生じるレンズ開口付近側にシフトすることを防げることができる。このため、ビームシフト部４１は、焦点可変レンズ６で焦点位置をずらすことによって変化する球面収差の影響により像の明るさが低下することを抑制することに重要な役割を果たす。
［実施例８］

図１５は、本実施例に係る顕微鏡１０７の構成を例示した図である。顕微鏡１０７は、レーザ走査型顕微鏡であり、例えば、多光子励起蛍光顕微鏡である。顕微鏡１０７は、コントローラ４４及び記憶部４５の代わりに、ハーフミラー４６、ビーム位置検出部４７及びコントローラ４８を備える点が、顕微鏡１０６とは異なる。その他の点は、顕微鏡１０６と同様である。

ハーフミラー４６は、焦点可変レンズ６を通過したレーザ光の一部を照明光路外に導くビーム分離部であり、対物レンズ１０と焦点可変レンズ６の間に配置されている。ビーム位置検出部４７は、ハーフミラー４６で反射したレーザ光を検出する２次元イメージセンサであり、レーザ光を検出することでレーザ光が入射した位置を検出する。

コントローラ４８は、ビーム位置検出部４７での検出結果に基づいて、レーザ光が対物レンズ１０の射出瞳の中心へ入射するように、ビームシフト部４１（ミラー４２、ミラー４３）を制御する。つまり、ミラー４２及びミラー４３の位置を変更する。
顕微鏡１０７によっても、顕微鏡１０６と同様の効果を得ることができる。
［実施例９］

図１６は、本実施例に係る顕微鏡１０８の構成を例示した図である。顕微鏡１０８は、レーザ走査型顕微鏡であり、例えば、多光子励起蛍光顕微鏡である。顕微鏡１０８は、回転部１２の代わりに回転部４９を備える点、調整部２１が対物レンズ１０とダイクロイックミラー３３の間に設けられている点が、顕微鏡１０１とは異なる。その他の点は、顕微鏡１０１と同様である。

回転部４９は、対物レンズ１０、ダイクロイックミラー３３（図示しない）、入射端集光レンズ１１、レンズ８及びミラー３２（図示しない）を回転軸ＲＸ周りに回転させる回転手段である。回転軸ＲＸは、対物レンズ１０の光軸と直交する回転軸であり、ミラー３１（図示しない）の出射光軸、即ち、リレー光学系９の光源部１の側の光軸と一致している。回転部４９は、対物レンズ１０、ダイクロイックミラー３３、入射端集光レンズ１１、レンズ８及びミラー３２を収容する鏡筒を備える。ミラー３２とダイクロイックミラー３３は、ミラー３２の入射光軸と出射光軸とを含む第２の平面とダイクロイックミラー３３の入射光軸と出射光軸とを含む第３の平面とが直交するように、鏡筒内に配置される。その鏡筒が回転軸ＲＸ周りに回転することで、鏡筒内に収容された対物レンズ１０、ダイクロイックミラー３３、入射端集光レンズ１１、レンズ８及びミラー３２も回転軸ＲＸ周りに回転し、対物レンズ１０の向きが変化する。

顕微鏡１０８によっても、顕微鏡１０１と同様の効果を得ることができる。また、顕微鏡１０８によれば、対物レンズ１０の向きを変更しても、対物レンズ１０の光軸方向と、調整部２２及び調整部２３による視野の移動方向の直交関係が維持される。さらに、調整部２１が対物レンズ１０とダイクロイックミラー３３の間に配置されているため、調整部２１による視野の移動方向と調整部２２及び調整部２３による視野の移動方向の直交関係も維持される。従って、対物レンズ１０の向きによらず、焦点可変レンズ６、調整部２１、調整部２２、調整部２３によって、３次元的な視野の移動を容易に行うことができる。
［実施例１０］

図１７は、本実施例に係る顕微鏡１０９の構成を例示した図である。顕微鏡１０９は、レーザ走査型顕微鏡であり、例えば、多光子励起蛍光顕微鏡である。顕微鏡１０９は、光刺激手段を備える点、及び、刺激光を照射する状態と励起光を照射する状態の間での切り替えに同期して焦点可変レンズ６の焦点距離を変更する手段を備える点が、顕微鏡１００とは異なる。具体的には、顕微鏡１０９は、光源部５０と、出力制御部５１と、走査部５４と、ダイクロイックミラー５５と、出力制御部５１を制御するコントローラ５６と、焦点可変レンズ６を制御する焦点距離制御部５９とを更に備える点が、顕微鏡１００とは異なる。その他の点は、顕微鏡１００と同様である。なお、出力制御部は、たとえば音響光学変調器（Acoust Optic Modulator、以降ＡＯＭと記す）やメカニカルシャッタであってもよい。

光源部５０は、光源部１から出射される照明光とは異なる波長の刺激光（第２の照明光）を出射する第２の光源部である。出力制御部５１は、コントローラ５６の制御に基づいて光シャッターとして機能する。

走査部５４は、ガルバノミラー５２と、ガルバノミラー５２と結像レンズ５の間に配置され、対物レンズ１０の射出瞳をガルバノミラー５２又はガルバノミラー５２の近傍に投影する瞳投影レンズ５３と、を備える。瞳投影レンズ５３と結像レンズ５は、ガルバノミラー５２を焦点可変レンズ６又は焦点可変レンズ６の近傍に投影するリレー光学系を構成する。

ダイクロイックミラー５５は、刺激光を照明光路に導くビーム合成部であり、光源部１と焦点可変レンズ６の間に配置される。ダイクロイックミラー５５は、刺激光が反射し励起光が透過する波長反射率特性を有する。

コントローラ５６は、出力制御部５１を制御して、刺激光がダイクロイックミラー５５へ入射する状態と刺激光がダイクロイックミラー５５へ入射しない状態とを切り替える状態制御部である。

焦点距離制御部５９は、コントローラ５７とドライバ５８を備え、コントローラ５６による出力制御部５１の状態の切り替えに同期して焦点可変レンズ６の焦点距離を一定量変更する。より詳細には、コントローラ５６からの信号によって出力制御部５１の状態の切り替えを検出したコントローラ５７が、ドライバ５８に焦点可変レンズ６の焦点距離を変更するための信号を出力し、ドライバ５８が焦点可変レンズ６の焦点距離を変更する。

顕微鏡１０９によっても、顕微鏡１００と同様の効果を得ることができる。また、顕微鏡１０９によれば、出力制御部５１の状態の切り替えに同期して焦点可変レンズ６の焦点距離を変更することで、イメージング状態と光刺激状態との切り替えに同期して、光の照射位置を素早く変更することができる。このため、イメージング位置とは異なる光刺激位置を刺激しながら、任意の位置を観察することができる。
［実施例１１］

図１８は、本実施例に係る顕微鏡１１０の構成を例示した図である。顕微鏡１１０は、レーザ走査型顕微鏡であり、例えば、共焦点顕微鏡である。顕微鏡１１０は、入射端集光レンズ１１、光ファイバー１３、及びノンデスキャン検出部１８の代わりに、ハーフミラー６０及び共焦点検出部６４を備える点が、顕微鏡１０１とは異なる。

ハーフミラー６０は、光源部１と焦点可変レンズ６との間に配置された、レーザ光が照射されたサンプルＳで反射したレーザ光（以降、反射光と記す）を共焦点検出部６４に導く反射光分離部である。共焦点検出部６４は、共焦点レンズ６１、ピンホール板６２、光検出器６３を備え、レーザ光の集光位置で反射した反射光を検出するように構成されている。ピンホール板６２は、共焦点レンズ６１の後側焦点位置にピンホールが形成されている。光検出器６３は、例えば、光電子増倍管（ＰＭＴ）である。

顕微鏡１１０は、さらに、回転部１２の代わりに回転部３９を備える点、焦点可変レンズ６を制御する焦点距離制御部６７を備える点も顕微鏡１０１とは異なる。回転部３９の構成は、実施例６で上述したとおりである。

焦点距離制御部６７は、コントローラ６５とドライバ６６を備える。コントローラ６５は、光検出器６３からの信号に基づいて、ドライバ６６に焦点可変レンズ６の焦点距離を変更するための信号を出力する。ドライバ６６は、コントローラ６５からの信号に基づいて焦点可変レンズ６の焦点距離を変更する。焦点距離制御部６７は、例えば、共焦点検出部６４で検出される反射光の光量が最大となるように焦点可変レンズ６の焦点距離を変更し、その後、焦点可変レンズ６の変更後の焦点距離をさらに一定量変更してもよい。

共焦点検出部６４で検出される反射光の光量は、サンプルＳの表面又はサンプルＳ上に置かれたカバーガラスの表面で最大となる。このため、反射光の光量が最大となる位置を基準に光軸方向へ走査することで、環境温度及び／又は環境湿度によりレーザ光の集光位置が変動する場合や、サンプルの位置が変動する場合であっても、光軸方向のサンプル表面に対する相対的な走査位置を安定させることができる。

従って、顕微鏡１１０によれば、環境温度及び／又は環境湿度によらず、所望の走査位置を安定して走査することができる。さらに、顕微鏡１０１と同様の効果も得ることができる。

なお、本構成を用いれば、サンプル表面の反射光を用いてサンプル形状を走査する反射共焦点観察を行なうことができる。また、ハーフミラー６０の代わりに照明光が透過し、蛍光が反射するダイクロイックミラーをおけば、蛍光共焦点観察を行なうことができる。
［実施例１２］

図１９は、本実施例に係る顕微鏡１１１の構成を例示した図である。顕微鏡１１１は、レーザ走査型顕微鏡である。顕微鏡１１１は、焦点距離制御部７０と、位置検出部７１と、位置検出部７２と、焦点距離算出部７３とを備える点が、顕微鏡１０１と異なっている。なお、図１９では、回転部３９を備える例が示されているが、顕微鏡１１１は、顕微鏡１０１と同様に、回転部３９の代わりに、入射端集光レンズ１１、回転部１２、光ファイバー１３、及びノンデスキャン検出部１８を備えてもよい。

焦点距離制御部７０は、コントローラ６８とドライバ６９を備える。コントローラ６８は、焦点距離算出部７３からの信号に基づいて、ドライバ６９に焦点可変レンズ６の焦点距離を変更するための信号を出力する。ドライバ６９は、コントローラ６８からの信号に基づいて焦点可変レンズ６の焦点距離を変更する。具体的には、焦点距離制御部７０は、例えば、焦点距離算出部７３で算出された焦点距離に基づいて、焦点可変レンズ６を制御してもよい。焦点距離算出部７３は、ユーザが指定したレーザ光の集光位置の情報に基づいて、焦点可変レンズ６が有すべき焦点距離を算出してもよく、ミラー３１とミラー３２の間の距離と、ミラー３２とダイクロイックミラー３３の間の距離と、ユーザが指定したレーザ光の集光位置の情報とに基づいて、焦点可変レンズ６が有すべき焦点距離を算出してもよい。ミラー３１とミラー３２の間の距離とミラー３２とダイクロイックミラー３３の間の距離によって瞳共役位置ＣＰが変動するため、これらの距離を考慮すると、焦点可変レンズ６が有すべき焦点距離をより正確に算出することができる。

顕微鏡１１１によっても、顕微鏡１０１と同様の効果を得ることができる。また、顕微鏡１１１によれば、ユーザの指定に対してより正確な光軸方向の位置でサンプルＳを走査することができる。
［実施例１３］

図２０は、本実施例に係る顕微鏡１１２の構成を例示した図である。顕微鏡１１２は、レーザ走査型顕微鏡であり、インキュベーター７５を備える倒立型の顕微鏡である。顕微鏡１１２は、正立型の回転部１２の代わりに倒立型の回転部７４を備える点が、顕微鏡１０１と異なっている。なお、図２０では、入射端集光レンズ１１、光ファイバー１３、及びノンデスキャン検出部１８の記載が省略されているが、顕微鏡１１２はこれらの構成を有してもよい。

回転部７４は、対物レンズ１０の先端を上方に向けた倒立型の回転部であり、対物レンズ１０と図示しないダイクロイックミラー３３を備える点、対物レンズ１０の光軸と直交する回転軸ＲＸ周りに回転する点は、回転部１２と同様である。インキュベーター７５は、収容される生体試料の環境を一定の状態に維持する装置であり、例えば、温度及び湿度を一定に維持する機能を有する。

顕微鏡１１２によっても、顕微鏡１０１と同様の効果を得ることができる。また、顕微鏡１１２によれば、調整部２１、調整部２２、調整部２３により視野を動かすことでインキュベーター７５内の広い範囲を観察することができる。さらに、顕微鏡１１２では、顕微鏡１１０の周辺にモータ等の駆動機構が必要ないため、駆動機構の発熱によるインキュベーター７５への悪影響を回避することができる。
［実施例１４］

図２１は、本実施例に係る顕微鏡１１３の構成を例示した図である。顕微鏡１１３は、レーザ走査型顕微鏡であり、例えば、多光子励起蛍光顕微鏡である。顕微鏡１１３は、パワーモニター７６と、焦点距離制御部７９を備える点が、顕微鏡１００とは異なる。

パワーモニター７６は、焦点可変レンズ６のパワーをモニターする装置である。パワーモニター７６は、例えば、焦点可変レンズ６の表面に光を照射し、その反射光が検出される位置に基づいて、焦点可変レンズ６の形状（パワー）を特定する装置であってもよい。

焦点距離制御部７９は、コントローラ７７とドライバ７８を備える。コントローラ７７はパワーモニター７６からの信号に基づいて、ドライバ７８に焦点可変レンズ６の焦点距離を変更するための信号を出力する。ドライバ７８は、コントローラ７７からの信号に基づいて焦点可変レンズ６の焦点距離を変更する。具体的には、焦点距離制御部７９は、例えば、パワーモニター７６でモニターされたパワーに基づいて、焦点可変レンズ６のパワーが一定に維持されるように焦点可変レンズ６を制御してもよい。即ち、焦点距離制御部７９は、焦点可変レンズ６に関するパワー安定化手段として機能してもよい。液体を用いた可変焦点レンズの焦点距離は、環境温度により変動するため、標本面上の集光位置が変化する。このため、パワー安定化手段として機能する焦点距離制御部７９により可変焦点レンズを制御する上記の構成は有効である。

顕微鏡１１３によっても、顕微鏡１００と同様の効果を得ることができる。また、顕微鏡１１３によれば、温度などの環境の変化による焦点可変レンズ６のパワーの変動を抑制することができる。
［実施例１５］

図２２は、本実施例に係る顕微鏡１１４の構成を例示した図である。顕微鏡１１４は、ワイドフィールド型の蛍光顕微鏡である。顕微鏡１１４は、ランプ光源である光源部８０を備える。光源部８０は、例えば、水銀ランプ、キセノンランプなどである。光源部８０から出射した照明光は、レンズ８１、レンズ８２、ダイクロイックミラー８５を介して焦点可変レンズ６に入射する。焦点可変レンズ６から対物レンズ１０までの構成は、実施例６に係る顕微鏡１０５と同様である。照明光の照射によりサンプルＳで発生した蛍光は、対物レンズ１０から焦点可変レンズ６を介してダイクロイックミラー８５へ入射する。ダイクロイックミラー８５は照明光が反射し蛍光が透過する波長反射率特性を有している。このため、蛍光はダイクロイックミラー８５を透過して、結像レンズ８３に入射し、結像レンズ８３によりカメラ８４にサンプルＳの像を形成する。

顕微鏡１１４では、焦点可変レンズ６の焦点距離を変更してサンプルＳを光軸方向へ走査することで、異なる深さを対象とした複数の２次元の画像データを生成する。これにより、顕微鏡１００と同様に、複数の２次元の画像データからサンプルＳの３次元情報を得ることができるため、サンプルＳを３次元的な観察が可能となる。また、対物レンズ１０の向きを変更して様々な方向からサンプルＳを容易に観察することができる点、光軸方向への走査の高速化を図ることができる点、光軸方向への走査に伴う振動の発生を大幅に抑制することができる点、光軸方向への確実な走査を実現することができる点についても、顕微鏡１００と同様である。

上述した実施例は、発明の理解を容易にするために具体例を示したものであり、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。顕微鏡は、特許請求の範囲により規定される本発明の思想を逸脱しない範囲において、さまざまな変形、変更が可能である。この明細書で説明される個別の実施例の文脈におけるいくつかの特徴を組み合わせて単一の実施例としてもよい。例えば、実施例６、実施例１０、実施例１４及び実施例１５では、顕微鏡が鉛直方向と直交する方向に反射光学系間の距離を調整する調整部２２及び調整部２３を有しない例が示されているが、第１の反射光学系乃至第３の反射光学系、調整部２２、及び調整部２３を有するように変形してもよい。また、実施例１、２、３、４、５では蛍光検出に光ファイバーを用いた光学系を用いているが、結像レンズと可変焦点レンズの間にダイクロイックミラーを配置して、対物レンズからの蛍光をそのダイクロイックミラーで反射させて検出することも可能である。また、図１及び図３では光軸を折り曲げるためのミラー（ミラー１９、２０、３１、３２、ダイクロイックミラー３３）を図示したが、他の図面（図６、図９、図１１、図１３、図１４、図１５、図１６、図１７、図１８、図１９、図２０、図２１、図２２等）では光軸の折れ曲がりのみで表現し、ミラーの図示を適宜省略している。

１、５０、８０光源部
２、５２ガルバノミラー
３、１６、５３瞳投影レンズ
４、５４走査部
５、１１、８３結像レンズ
６、６ａ焦点可変レンズ
９、９ａ、９ｂ、３０リレー光学系
１０対物レンズ
１２、３９、４９、７４回転部
１３光ファイバー
１４入射端
１５出射端
１７、４０、６３光検出器
１８ノンデスキャン検出部
１９、２０、３１、３２、４２、４３ミラー
２１、２２、２３調整部
２４鏡筒
２５回転カイド
２６固定フレーム
２７可動フレーム
２８レール
２９スライダ
３０ａ、３０ｂリレーレンズ
３３、３７、５５、６０、８５ダイクロイックミラー
３４、３５オフセットレンズ
３６リレーレンズ
３８回転ディスク
４１ビームシフト部
４４、４８、５６、５７、６５、６８、７７コントローラ
４５記憶部
４６ハーフミラー
４７ビーム位置検出部
５１出力制御部
５８、６６、６９、７８ドライバ
５９、６７、７０、７９焦点距離制御部
６１共焦点レンズ
６２ピンホール板
６４共焦点検出部
７１位置検出部
７２位置検出部
７３焦点距離算出部
７５インキュベーター
７６パワーモニター
８４カメラ
１００〜１１４顕微鏡
Ｓサンプル
ＲＸ回転軸
Ｐ射出瞳位置
ＣＰ瞳共役位置
ＩＸ照明光軸
Ｍ中間像
Ｌ１光束
Ｌ２光束
Ｒ変動域
ＦＰ１、ＦＰ２焦点位置

Claims

照明光を出射する光源部と、
前記照明光が入射する対物レンズと、
前記対物レンズと前記光源部の間の照明光路上に配置された焦点可変光学系と、
前記焦点可変光学系と前記対物レンズの間の照明光路上に配置された、前記照明光の照明光軸を前記対物レンズの光軸に向ける反射光学系と、
前記対物レンズの光軸と直交する回転軸周りに前記対物レンズ及び前記反射光学系を回転させる回転手段と、
前記光源部と前記焦点可変光学系との間に配置された、前記照明光で前記対物レンズの光軸と直交する方向にサンプルを走査する走査部と、
前記走査部と前記焦点可変光学系との間に配置された、結像レンズと、
前記焦点可変光学系を前記対物レンズの射出瞳位置又は前記射出瞳位置近傍に投影するリレー光学系と、を備える
ことを特徴とする顕微鏡。
請求項１に記載の顕微鏡において、
前記焦点可変光学系は、
流体レンズであり、
前記顕微鏡が水平面上に配置されたときに、前記焦点可変光学系の光軸が鉛直方向に向くように配置される
ことを特徴とする顕微鏡。
請求項１又は請求項２に記載の顕微鏡において、さらに、
前記焦点可変光学系と前記対物レンズの間の照明光路上に、前記焦点可変光学系に近い側から順に配置された、それぞれ前記照明光軸の方向を変更する第１の反射光学系、第２の反射光学系、及び、前記反射光学系である第３の反射光学系と、
前記第１の反射光学系と前記第２の反射光学系の間の距離を調整する第１の調整手段と、
前記第２の反射光学系と前記第３の反射光学系の間の距離を調整する第２の調整手段と
、を備える
ことを特徴とする顕微鏡。
請求項３に記載の顕微鏡において、
前記第１の反射光学系、前記第２の反射光学系、及び、前記第３の反射光学系の各々は、入射光軸と出射光軸が直交するように、前記照明光軸の方向を変更する
ことを特徴とする顕微鏡。
請求項４に記載の顕微鏡において、
前記第１の反射光学系と前記第２の反射光学系は、前記第１の反射光学系の入射光軸と出射光軸とを含む第１の平面と前記第２の反射光学系の入射光軸と出射光軸とを含む第２の平面とが直交するように、配置される
ことを特徴とする顕微鏡。
請求項４に記載の顕微鏡において、
前記第２の反射光学系と前記第３の反射光学系は、前記第２の反射光学系の入射光軸と出射光軸とを含む第２の平面と前記第３の反射光学系の入射光軸と出射光軸とを含む第３の平面とが直交するように、配置される
ことを特徴とする顕微鏡。
請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の顕微鏡において、
前記走査部は、前記結像レンズの前記光源部の側の焦点面に配置された、開口が形成された回転ディスクである
ことを特徴とする顕微鏡。
請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の顕微鏡において、
前記走査部は、
スキャナと、
前記スキャナと前記結像レンズの間に配置された、前記対物レンズの射出瞳を前記スキャナ又は前記スキャナ近傍に投影する瞳投影レンズと、を含む
ことを特徴とする顕微鏡。
請求項３乃至請求項６のいずれか１項、又は、請求項３乃至請求項６のいずれか１項を引用する請求項７若しくは請求項８に記載の顕微鏡において、
前記リレー光学系は、
正のパワーを有する第１のレンズ群と、
前記第１のレンズ群の前記対物レンズの側の焦点位置に前記光源部の側の焦点位置を有する、正のパワーを有する第２のレンズ群と、からなり、
前記第１の調整手段は、前記第１の反射光学系と前記第１のレンズ群の間に配置され、
前記第２の調整手段は、前記第２のレンズ群と前記第３の反射光学系の間に配置されることを特徴とする顕微鏡。
請求項９に記載の顕微鏡において、
前記焦点可変光学系は、負の値から正の値までの間で可変する焦点距離を有し、
前記第１のレンズ群の焦点距離は前記第２のレンズ群の焦点距離に等しい
ことを特徴とする顕微鏡。
請求項９に記載の顕微鏡において、さらに、
前記走査部と前記焦点可変光学系の間に配置された、負の焦点距離を有する前方オフセットレンズ群と、を備え、
ｆ１を前記第１のレンズ群の焦点距離とし、ｆ２を前記第２のレンズ群の焦点距離とし、ｆｏを前記前方オフセットレンズ群の焦点距離とし、ｆｖを前記前方オフセットレンズ群の前記走査部の側の焦点位置と前記焦点可変光学系の前記走査部の側の焦点位置が一致しているときの前記焦点可変光学系の焦点距離とするとき、以下の条件式
−ｆｖ／ｆｏ×ｆ２／ｆ１＝１
を満たすことを特徴とする顕微鏡。
請求項３乃至請求項６のいずれか１項、又は、請求項３乃至請求項６のいずれか１項を引用する請求項７若しくは請求項８に記載の顕微鏡において、
前記リレー光学系は、
前記焦点可変光学系と前記対物レンズの間に配置された、負の焦点距離を有する後方オフセットレンズ群と、
正のパワーを有する第１のレンズ群と、
前記第１のレンズ群の前記対物レンズの側の焦点位置に前記光源部の側の焦点位置を有する、正のパワーを有する第２のレンズ群と、からなり、
前記第１の調整手段は、前記焦点可変光学系と前記第１のレンズ群の間に配置され
前記第２の調整手段は、前記第２のレンズ群と前記第３の反射光学系の間に配置され、
ｆ１を前記第１のレンズ群の焦点距離とし、ｆ２を前記第２のレンズ群の焦点距離とし、ｆｏを前記後方オフセットレンズ群の焦点距離とし、ｆｖを前記後方オフセットレンズ群の前記対物レンズの側の焦点位置と前記焦点可変光学系の前記対物レンズの側の焦点位置が一致しているときの前記焦点可変光学系の焦点距離とするとき、以下の条件式
−ｆｏ／ｆｖ×ｆ２／ｆ１＝１
を満たすことを特徴とする顕微鏡。
請求項３乃至請求項６のいずれか１項、又は、請求項３乃至請求項６のいずれか１項を引用する請求項７若しくは請求項８に記載の顕微鏡において、
前記リレー光学系は、正のパワーを有し、
前記第１の調整手段は、前記リレー光学系と前記第２の反射光学系の間に配置され、
前記第２の調整手段は、前記第２の反射光学系と前記第３の反射光学系の間に配置される
ことを特徴とする顕微鏡。
請求項１３に記載の顕微鏡において、
前記リレー光学系は、前記焦点可変光学系を前記射出瞳位置又は前記射出瞳位置近傍に等倍で投影する
ことを特徴とする顕微鏡。
請求項８に記載の顕微鏡において、さらに、
前記光源部と前記走査部の間に配置された、前記照明光をシフトするビームシフト部と、
前記照明光が前記射出瞳の中心へ入射するように、前記ビームシフト部を制御するシフト制御部と、を備える
ことを特徴とする顕微鏡。
請求項１５に記載の顕微鏡において、さらに、
前記ビームシフト部の設定情報を、前記照明光の波長と前記焦点可変光学系の焦点距離と前記焦点可変光学系に入射するビーム径との組み合わせ毎に、記憶する記憶部を備え、
前記シフト制御部は、前記記憶部に記憶されている設定情報に基づいて、前記照明光が前記射出瞳の中心へ入射するように、前記ビームシフト部を制御する
ことを特徴とする顕微鏡。
請求項１５に記載の顕微鏡において、さらに、
前記照明光路外に配置された、入射する光の位置を検出するビーム位置検出部と、
前記対物レンズと前記焦点可変光学系の間に配置された、前記焦点可変光学系を通過した照明光の一部を前記ビーム位置検出部に導くビーム分離部と、を備え、
前記シフト制御部は、前記ビーム位置検出部での検出結果に基づいて、前記照明光が前記射出瞳の中心へ入射するように、前記ビームシフト部を制御する
ことを特徴とする顕微鏡。
請求項８に記載の顕微鏡において、さらに、
前記対物レンズと前記焦点可変光学系との間に配置された、前記照明光と蛍光を分離する蛍光分離部と、
前記蛍光分離部で分離した蛍光を検出するノンデスキャン検出部と、を備える
ことを特徴とする顕微鏡。
請求項３乃至請求項６のいずれか１項を引用する請求項８に記載の顕微鏡において、
前記対物レンズと前記焦点可変光学系との間に配置された、前記照明光と蛍光を分離する蛍光分離部と、
前記蛍光分離部で分離した蛍光を検出するノンデスキャン検出部と、を備え、
前記蛍光分離部は、前記第３の反射光学系であり、
前記第３の反射光学系は、蛍光が透過する波長反射率特性を有する
ことを特徴とする顕微鏡。
請求項４乃至請求項６のいずれか１項に記載の顕微鏡において、
前記回転軸は、前記第１の反射光学系の出射光軸、又は、前記第２の反射光学系の出射光軸と一致する
ことを特徴とする顕微鏡。
請求項４乃至請求項６のいずれか１項に記載の顕微鏡において、さらに、
前記照明光とは異なる波長を有する第２の照明光を出射する第２の光源部と、
前記光源部と前記焦点可変光学系との間に配置された、前記第２の照明光を前記照明光路に導くビーム合成部と、
前記第２の照明光が前記ビーム合成部へ入射する状態と前記第２の照明光が前記ビーム合成部へ入射しない状態を切り替える状態制御部と、
前記焦点可変光学系を制御する焦点距離制御部と、を備え、
前記焦点距離制御部は、前記状態制御部による状態の切り替えに同期して、前記焦点可変光学系の焦点距離を一定量変更する
ことを特徴とする顕微鏡。
請求項４乃至請求項６のいずれか１項に記載の顕微鏡において、さらに、
前記照明光の集光位置で反射した反射光を検出する共焦点検出部と、
前記光源部と前記焦点可変光学系との間に配置された、前記照明光が照射されたサンプルで反射した反射光を前記共焦点検出部に導く反射光分離部と、
前記焦点可変光学系を制御する焦点距離制御部と、を備え、
前記焦点距離制御部は、前記共焦点検出部で検出される反射光の光量が最大となるように前記焦点可変光学系の焦点距離を変更し、前記焦点可変光学系の変更後の焦点距離をさらに一定量変更する
ことを特徴とする顕微鏡。
請求項４乃至請求項６のいずれか１項に記載の顕微鏡において、さらに、
ユーザが指定した前記照明光の集光位置の情報に基づいて、前記焦点可変光学系が有すべき焦点距離を算出する焦点距離算出手段と、
前記焦点距離算出手段で算出された焦点距離に基づいて、前記焦点可変光学系を制御する焦点距離制御部と、を備える
ことを特徴とする顕微鏡。
請求項２３に記載の顕微鏡において、さらに、
前記焦点距離算出手段は、前記第１の反射光学系と前記第２の反射光学系の間の距離と、前記第２の反射光学系と前記第３の反射光学系の間の距離と、ユーザが指定した前記照明光の集光位置の情報とに基づいて、前記焦点可変光学系が有すべき焦点距離を算出することを特徴とする顕微鏡。
請求項４乃至請求項６のいずれか１項に記載の顕微鏡において、さらに、
収容される生体試料の環境を一定の状態に維持するインキュベーターを備える
ことを特徴とする顕微鏡。
請求項１乃至請求項２５のいずれか１項に記載の顕微鏡において、さらに、
前記焦点可変光学系のパワーをモニターするモニター手段を備え、
前記モニター手段でモニターされたパワーに基づいて、前記焦点可変光学系のパワーが一定に維持されるように前記焦点可変光学系を制御するパワー安定化手段と、を備える
ことを特徴とする顕微鏡。
照明光を出射する光源部と、
前記照明光が入射する対物レンズと、
前記対物レンズと前記光源部の間の照明光路上に配置された焦点可変光学系と、
前記焦点可変光学系と前記対物レンズの間の照明光路上に配置された、前記照明光の照明光軸を前記対物レンズの光軸に向ける反射光学系と、
前記対物レンズの光軸と直交する回転軸周りに前記対物レンズ及び前記反射光学系を回転させる回転手段と、
前記焦点可変光学系のパワーをモニターするモニター手段を備え、
前記モニター手段でモニターされたパワーに基づいて、前記焦点可変光学系のパワーが一定に維持されるように前記焦点可変光学系を制御するパワー安定化手段と、を備える
ことを特徴とする顕微鏡。