JP2011027804A - コンフォーカル顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】コンフォーカル顕微鏡の像質を向上させる。
【解決手段】コンフォーカル顕微鏡１の光偏向素子２５は、複数の微小ミラーが設けられている偏向面２５Ａが試料Ｓの所定の観察面と共役な位置に配置され、対物レンズ２９により集光されて偏向面２５Ａに入射する試料Ｓからの観察光の偏光方向を微小ミラー毎に制御する。制御部４１は、光偏向素子２５の微小ミラーを順次選択し、選択した微小ミラーに入射する観察光を結像レンズ２４の方向に偏向するように制御する。結像レンズ２４の方向に偏向された観察光は、結像レンズ２４により検出器３１の受光面３１Ａにおいて結像される。光偏向素子２５の偏向面２５Ａ、結像レンズ２４の主平面２４Ａ、および、検出器３１の受光面３１Ａをそれぞれ延長した面は、点Ａ１を通る１本の直線で交わる。本発明は、例えば、コンフォーカル顕微鏡に適用できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、コンフォーカル顕微鏡に関し、特に、像質を向上できるようにしたコンフォーカル顕微鏡に関する。

従来、光源から発せられる照明光を、デジタルミラーデバイス（DMD：Digital Mirror Device）を用いて試料の所定の観察面上で２次元の方向に走査し、試料からの観察光を、別のDMDにより検出器の方向に反射し、検出器により検出し、コンフォーカル画像を生成するコンフォーカル顕微鏡が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−５２１２０５号公報

しかしながら、特許文献１に記載のコンフォーカル顕微鏡では、DMDに設けられている微小ミラーにより反射され検出器に入射する観察光の光路長が、微小ミラーごとに異なる。そのため、光軸に近い微小ミラーに入射する観察光は、検出器の受光面において結像するが、光軸から遠い微小ミラーに入射する観察光は、検出器の受光面からずれた位置において結像する。従って、コンフォーカル画像の中心から離れるほど、像質が低下し、ぼけた画像になる。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、コンフォーカル顕微鏡の像質を向上させるようにするものである。

本発明の一側面のコンフォーカル顕微鏡は、光源からの照明光を試料の所定の観察面上に集光して、集光位置を走査する照明光学系と、前記試料からの観察光を対物レンズにより集光し、結像して検出する結像光学系とを備えるコンフォーカル顕微鏡であって、所定の偏向面に入射する入射光の偏向方向を所定の領域毎に制御可能な光偏向手段であって、前記偏向面が前記観察面と共役な位置に配置され、前記対物レンズにより集光されて前記偏向面に入射する前記観察光の偏光方向を前記領域毎に制御する光偏向手段と、前記光偏向手段の前記領域を順次選択し、選択した前記領域に入射する前記観察光を所定の第１の方向に偏向するように制御する偏向制御手段と、前記光偏向手段により前記第１の方向に偏向された前記観察光を検出する光検出手段と、前記光偏向手段により前記第１の方向に偏向された前記観察光を前記光検出手段の受光面において結像させる結像レンズとを備え、前記光偏向手段の前記偏向面、前記結像レンズの主平面、および、前記光検出手段の前記受光面をそれぞれ延長した面が一本の直線で交わるように、前記光偏向手段、前記結像レンズ、および、前記光検出手段が配置されている。

本発明の一側面においては、対物レンズにより光偏向素子の偏向面に結ばれる試料の像の全ての範囲が、結像レンズにより、光検出手段の結像面において結像する。

本発明によれば、コンフォーカル顕微鏡の像質を向上させることができる。

本発明を適用したコンフォーカル顕微鏡の第１の実施の形態を示す図である。 図１のコンフォーカル顕微鏡の光偏向素子が有する微小ミラーの動作を説明するための図である。 光偏向素子が有する微小ミラーによる走査の例を示す図である。 本発明を適用したコンフォーカル顕微鏡により発生する像の歪みを説明するための図である。 本発明を適用したコンフォーカル顕微鏡により発生する像の歪みを説明するための図である。 本発明を適用したコンフォーカル顕微鏡の第２の実施の形態を示す図である。 図６のコンフォーカル顕微鏡の光偏向素子が有する微小ミラーの動作を説明するための図である。 光偏向素子が有する微小ミラーによる走査の他の例を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。

まず、図１乃至図５を参照して、本発明を適用したコンフォーカル顕微鏡の第１の実施の形態について説明する。

図１は、本発明を適用したコンフォーカル顕微鏡の第１の実施の形態であるコンフォーカル顕微鏡１を側面から見た外観図を示している。なお、図中、コンフォーカル顕微鏡１の内部に配置される光学系の構成が分かるように一部を断面で表しており、その断面により示される部材に斜線を施している。

コンフォーカル顕微鏡１は、光源２１、コレクタレンズ２２ａ、レンズ２２ｂ、ハーフミラー２３、結像レンズ２４、光偏向素子２５、レンズ２６、光減光部材２７、レボルバ２８、対物レンズ２９、ステージ３０、検出器３１、及び制御部４１を含むようにして構成される。

まず、コンフォーカル顕微鏡１の照明光学系について説明する。コンフォーカル顕微鏡１の照明光学系は、光源２１、コレクタレンズ２２ａ、レンズ２２ｂ、ハーフミラー２３、結像レンズ２４、光偏向素子２５、レンズ２６、及び対物レンズ２９により構成され、光源２１からの光束（すなわち、照明光）を、ステージ３０に載置されている試料Ｓの所定の観察面上に集光して、集光位置を走査する。

具体的には、光源２１は、例えば、ハロゲンランプ、水銀ランプ、又はLED（Light Emitting Diode）などから構成される。光源２１から射出された照明光は、コレクタレンズ２２ａ、レンズ２２ｂにより集光され、ハーフミラー２３に導かれる。ハーフミラー２３に到達した照明光は、図中左上方向に偏向され、結像レンズ２４を透過し、平行光束となって、光偏向素子２５に到達する。

光偏向素子２５は、試料Ｓの所定の観察面と共役な位置関係を有しており、視野絞りの配置位置に相当する位置に配置される。光偏向素子２５は、所定の偏向面２５Ａに入射する入射光の偏光方向を所定の領域毎に制御可能な素子により構成される。例えば、光偏向素子２５は、領域毎に選択的に偏向制御が可能な複数の微小な光偏向ミラー（以下、微小ミラーと称する）が偏向面２５Ａに設けられ、制御部４１からの制御に従って、微小ミラーにより、１方向から入射した光を領域毎に様々な方向に偏向することが可能である。この光偏向素子２５としては、例えば、微小なマイクロミラーが２次元に配列されたピクセル構造のユニットであるDMD（Digital Micromirror Device）が用いられる。

このDMDなどの光偏向素子２５では、図２に示すように、偏向面２５Ａに２次元に配列された各微小ミラー５１を保持する保持部に印加する電圧のオン／オフ制御によって、微小ミラー５１の各々の向きを、２方向に角度制御することが可能である。具体的には、ｉ×ｊ（ｉ，ｊ：自然数）の２次元に配列された複数の微小ミラー５１_i,jのうちの、微小ミラー５１_m,n（１≦ｍ≦ｉ，１≦ｎ≦ｊ）と、微小ミラー５１_p,q（１≦ｐ≦ｉ，１≦ｑ≦ｊ）を代表して説明すれば、ハーフミラー２３により反射され、結像レンズ２４を透過した図中右下方向からの照明光は、微小ミラー５１_m,nと微小ミラー５１_p,qのそれぞれに入射する。このとき、微小ミラー５１_p,qはオン状態となっているので、入射してくる照明光を、図中下方向のレンズ２６側に偏向する。一方、微小ミラー５１_m,nはオフ状態となっているので、入射してくる照明光を、図中左下方向の光減光部材２７側に偏向する。すなわち、微小ミラー５１_i,jのオン／オフの電圧制御を行うことにより、微小ミラー５１_i,jの各々によって、１方向から入射してくる照明光を、図中下方向のレンズ２６と、図中左下方向の光減光部材２７との２方向に導くことが可能となる。

また、光偏向素子２５の偏向面２５Ａは、ステージ３０に載置されている試料Ｓの所定の観察面と共役な位置に配置されている。従って、光偏向素子２５の偏向面２５Ａに到達した光を試料Ｓ上の所望の箇所に導くためには、その所望の箇所に対応する領域に配列された微小ミラー５１_i,jをオン状態にして、入射してくる照明光をレンズ２６側に導けばよい。例えば、図２に示されるように、微小ミラー５１_p,qによりレンズ２６側に偏向された照明光は、レンズ２６を透過し、レボルバ２８に保持された対物レンズ２９へと入射し、対物レンズ２９により、光偏向素子２５の偏向面２５Ａと共役な試料Ｓの観察面において集光し、試料Ｓの微小ミラー５１_p,qに対応する箇所のみに照射される。このように、コンフォーカル顕微鏡１では、光偏向素子２５の微小ミラー５１_i,jの各々のオン／オフを個別に電圧制御することにより、試料Ｓ上の所望の箇所に照明光を導くことができる。

一方、光偏向素子２５により光減光部材２７側に偏向された光は、像に寄与しない不要な光であり、光減光部材２７により減光される。この光減光部材２７としては、例えば、減光（ＮＤ：Neutral Density）フィルタや植毛紙などの光を吸収するものが用いられる。このような光減光部材２７を配設することにより、不要な光が迷光となって観察に影響することが防止される。なお、光減光部材２７を配置する代わりに、その領域を黒色で塗装することでも同様の効果を得られるが、光減光部材２７を配するほうがよりコントラストの良い像を得ることができる。

ここで、図３を参照して、光偏向素子２５の微小ミラー５１_i,jの制御について説明する。図３は、光偏向素子２５の微小ミラー５１_i,jの２次元の配列を簡素化して表したものであって、格子状のマス目のそれぞれが微小ミラー５１_i,jを表している。本実施の形態では、説明を簡略化するために、２次元の配列の例として、６×８個の微小ミラー５１_i,jが配列されている場合を説明する。

上述したように、光偏向素子２５の偏向面２５Ａと、ステージ３０に載置された試料Ｓの観察面とは、共役の関係になっているため、光偏向素子２５の有する複数の微小ミラー５１_i,jのうち、オン状態とされた微小ミラー５１_i,jに対応する試料Ｓの箇所のみが照明される。図３ａは、光偏向素子２５の微小ミラー５１_i,jのうち、最上段の左から１番目の微小ミラー５１_1,1のみをオン状態としたときを表しており、この場合、同時に試料Ｓの対応する箇所のみが照明されることを意味する。図３ａと同様にして、図３ｂは微小ミラー５１_1,2のみがオン状態、図３ｃは微小ミラー５１_1,3のみがオン状態となったときの様子を表している。これらの図３ｂ，図３ｃの場合についても、図３ａと同様に、試料Ｓの対応する箇所のみが同時に照明されていることになる。

制御部４１は、光偏向素子２５の微小ミラー５１_i,jのうち、オン状態となる微小ミラー５１を、図３ａに示した状態から、図３ｂ，図３ｃ，・・・，図３ｄと逐次遷移させてゆく。すなわち、制御部４１は、最上段の微小ミラー５１_1,4ないし５１_1,8までを順次選択し、同様に順次オン状態とし、さらに、２段目以降についても同様に、微小ミラー５１_2,1ないし５１_2,8，・・・，微小ミラー５１_7,1ないし５１_7,8を順次選択し、オン状態とすることにより、最終的に、最下段（６段目）の左から８番目の微小ミラー５１_6,8がオン状態となる。

このようにして、試料Ｓに照明光が照射される領域が走査される。すなわち、図３ａ，図３ｂ，図３ｃ，・・・，図３ｄに示したように、光偏向素子２５の微小ミラー５１_i,jを１つずつ順次駆動させて、試料Ｓの全範囲にわたって照明光を走査することにより、試料Ｓの観察部位をくまなく走査することが可能となる。

なお、図３に示したように、１つの微小ミラー５１_i,j（１個のピクセル）を１つずつ順次駆動させて走査するだけでなく、例えば隣接する複数の微小ミラー５１_i,j（複数個のピクセル）を１つの領域にして、その複数個のピクセルごとに微小ミラー５１_i,jを順次駆動させて走査するようにしてもよい。

ステージ３０には、駆動装置（不図示）が接続されており、対物レンズ２９とステージ３０とをＺ方向に相対移動させる。また、ステージ３０自体は、ＸＹ方向に自由に移動可能に構成されており、検鏡者は試料Ｓの所望の部位を観察可能である。さらに、レボルバ２８は、手動又は電動により回転可能に構成されており、レボルバ２８に取り付けられた複数の対物レンズ２９の中から、所望の対物レンズ２９を選択的に使用することが可能である。

次に、コンフォーカル顕微鏡１の結像光学系について説明する。コンフォーカル顕微鏡１の結像光学系は、対物レンズ２９、レンズ２６、光偏向素子２５、結像レンズ２４、ハーフミラー２３、及び検出器３１により構成され、試料Ｓからの観察光を、対物レンズ２９により集光し、結像レンズ２４により検出器３１の受光面３１Ａに集光し、検出器３１により検出する。

具体的には、オン状態の微小ミラー５１_i,jに対応する箇所のみが照明された試料Ｓからの光（すなわち、観察光）は、対物レンズ２９により集光された後、レンズ２６を透過して、光偏向素子２５へと導かれる。このとき、対物レンズ２９とレンズ２６により、光偏向素子２５の偏向面２５Ａにおいて試料Ｓの像が結ばれる。そして、当然のことながら照明光を導いた微小ミラー５１_i,jにおいて、その微小ミラー５１_i,jに対する試料Ｓの照明領域の像が形成されるので、オン状態となっている微小ミラー５１_i,jは、その像の光を結像レンズ２４へと偏向する。例えば、図３ａにおいてオン状態になっている微小ミラー５１_1,1により、試料Ｓの微小ミラー５１_1,1に対応する箇所に照明光が照射されるとともに、その照明領域の像の光が、微小ミラー５１_1,1に入射し、照明光と同じ光路を逆方向にたどるように反射される。

結像レンズ２４へと偏向された観察光は、結像レンズ２４を透過してハーフミラー２３に到達し、このハーフミラー２３を通過した観察光が検出器３１の受光面３１Ａに到達する。ここで、結像レンズ２４は、光偏向素子２５から入射する観察光を全て検出器３１の受光面３１Ａに入射させるように構成されており、光偏向素子２５の偏向面２５Ａにおいて結像した試料Ｓの照明領域の光束は、結像レンズ２４により、検出器３１の受光面３１Ａに集光される。

検出器３１は、例えば、CCD（Charge Coupled Device）イメージセンサ、または、CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサなどのように２次元の像を検出する２次元イメージセンサにより構成される。そして、検出器３１は、各画素に入射する光の強度を検出し、その結果（すなわち、試料Ｓのコンフォーカル画像）を示す画像信号を制御部４１に出力する。すなわち、検出器３１は、観察光による試料Ｓの像を撮像する。

なお、光偏向素子２５により照明光を試料Ｓ上で走査する速度は、検出器３１が試料Ｓの像を撮像するフレームレートより十分に速く、検出器３１が１フレーム分のコンフォーカル画像を撮像する間に、少なくとも１回以上、試料Ｓ上で照明光が走査される。

また、検出器３１の画素数は、光偏向素子２５の微小ミラー５１の数より多く、１つの微小ミラー５１により反射された光束は、検出器３１の複数の画素に入射し、検出される。

ここで、光偏向素子２５、結像レンズ２４、および検出器３１は、光偏向素子２５の偏向面２５Ａ、結像レンズ２４の主点を含む主平面２４Ａ、および、検出器３１の受光面３１Ａをそれぞれ延長した面が、点Ａ１を通り紙面に垂直な１本の直線で交わるように配置されている。すなわち、光偏向素子２５の偏向面２５Ａ、結像レンズ２４の主点を含む主平面２４Ａ、および、検出器３１の受光面３１Ａは、シャインプルーフの法則が成り立つ条件（以下、シャインプルーフの条件と称する）を満たしている。従って、光偏向素子２５の偏向面２５Ａ上で結ばれる試料Ｓの像の全ての範囲が、検出器３１の受光面３１Ａにおいて結像する。すなわち、各々の微小ミラー５１_i,jで結像レンズ２４の方向に偏向される観察光の光束は、全て検出器３１の受光面３１Ａにおいて結像する。従って、全ての範囲においてボケが少なく、質の高い試料Ｓの像を得ることができる。

しかしながら、シャインプルーフの条件を満たす場合に検出器３１の受光面３１Ａ上で結像する像は、光偏向素子２５の偏向面２５Ａで結像する像と比較して、縦横の縮尺が変わってしまう。例えば、光偏向素子２５の偏向面２５Ａ上で正方形であった像は、検出器３１の受光面３１Ａ上では、等脚の梯形（台形）となる。例えば、図４に示すように、光偏向素子２５の偏向面２５Ａ上で、各辺がＸ軸およびＹ軸に平行で、中心（対角線の交点）が光軸上にある正方形６１は、検出器３１の受光面３１Ａ上では、図５に示すような等脚台形７１となる。なお、この像の歪みは、像の位置や姿勢により異なる。

そこで、例えば、不図示のCPU（Central Processing Unit）は、検出器３１により得られた画像信号を制御部４１から取得し、試料Ｓの像の歪みを補正する。なお、像の歪み量は、光偏向素子２５の偏向面２５Ａ、結像レンズ２４の主平面２４Ａ、および検出器３１の受光面３１Ａの位置関係により定まるため、所定の計算により容易に補正することが可能である。そして、CPUは、例えば、補正後の画像信号を図示せぬモニタに供給し、モニタは、ボケおよび歪みがほとんどない試料Ｓの像を映し出す。なお、このときの像は、微小ミラー５１_i,jがピンホールの役割を果たしているため、焦点深度の極めて浅いコンフォーカル像となる。

以上のようにして、コンフォーカル顕微鏡１では、ボケの少ない、質の高い試料Ｓの像を得ることができる。

また、従来のコンフォーカル顕微鏡のように試料Ｓの各位置の光の強度信号を配列するなどの画像処理を行うことなく、検出器３１により、ほぼリアルタイムに試料Ｓの２次元の画像を得ることができる。

さらに、対物レンズ２９とステージ３０とのＺ方向の相対位置を変えることにより、試料Ｓにおける対物レンズ２９の焦点面、すなわち観察面をＺ方向にずらしながら、各観察面の２次元画像を取得することができ、検鏡者は、試料Ｓの所望の面を、容易かつ精細に観察することができる。また、取得した複数の２次元画像を、図４および図５を参照して上述したように歪みを補正して、重ね合わせることにより、高精細で質の高い試料Ｓの３次元画像を得ることができる。

また、コンフォーカル顕微鏡１では、光偏向素子２５の微小ミラー５１_i,jの偏向制御により２次元走査するに際し、光減光部材２７により不要な光を減光するので、不要な光が迷光となるのが防止され、観察対象からの光を感度良く検出することが可能となる。これにより、検出感度の良いコンフォーカル顕微鏡を提供することが可能となる。

さらに、コンフォーカル顕微鏡１では、光源２１からの照明光を試料Ｓに導光する照明光学系と、その照明光により照明された試料Ｓの像面を、検鏡側、すなわち、検出器３１側に導光する結像光学系の両方の光路上に光偏向素子２５を配置するとともに、光源２１と光偏向素子２５との間の光路上に、照明光学系と結像光学系とを分離するハーフミラー２３を配置し、両方の光学系でハーフミラー２３から対物レンズ２９までを共通に利用している。そして、試料Ｓへの照明位置と、試料Ｓの観察位置とを同じ光偏向素子２５により選択でき、この光偏向素子２５の微小ミラー５１_i,jの偏向制御を行うことによって、試料Ｓの２次元走査を行っている。従って、結像光学系と照明光学系とで、それぞれ別に照明位置選択用の光偏向素子と、観察位置選択用の光偏向素子とを備えるコンフォーカル顕微鏡と比較して、それぞれの光偏向素子の微小ミラーの対応位置を調整することが不要となり、容易に光偏向素子で照明位置と観察位置を同期することが可能となる。

また、コンフォーカル顕微鏡１では、光偏向素子２５の微小ミラー５１_i,jの偏向制御により２次元走査を行っているので、ガルバノミラーなどの走査ミラーを使用する場合と比して、走査機構の部品点数を少なくすることができ、その構成を簡略化することができる。また、部品点数を減らすことができるので、故障の確率を低くして、製品の信頼性を向上させることができる。さらに、ガルバノミラーなどの走査ミラーを使用する場合と比して、製造コストを抑えることができる。

次に、図６および図７を参照して、本発明を適用したコンフォーカル顕微鏡の第２の実施の形態について説明する。

図６は、本発明を適用したコンフォーカル顕微鏡の第２の実施の形態であるコンフォーカル顕微鏡１０１を側面から見た外観図を示している。なお、図中、コンフォーカル顕微鏡１０１の内部に配置される光学系の構成が分かるように一部を断面で表しており、その断面により示される部材に斜線を施している。また、図中、図１と対応する部分には、下二桁が同じ符合を付してある。

コンフォーカル顕微鏡１０１は、図１のコンフォーカル顕微鏡１とほぼ同様の光学系を備えており、顕微鏡１１１と鏡筒ユニット１１２の２つのユニットにより構成される点、全反射ミラー１３２が設けられている点、および、各光学素子の設置位置が、コンフォーカル顕微鏡１と比較して異なっている。なお、以下、コンフォーカル顕微鏡１と同様の部分については、適宜説明を省略または簡略化する。

コンフォーカル顕微鏡１０１の顕微鏡１１１は、レボルバ１２８、対物レンズ１２９、および、ステージ１３０を含むように構成される。また、鏡筒ユニット１１２は、顕微鏡１１１に対して着脱自在であり、光源１２１、コレクタレンズ１２２ａ、レンズ１２２ｂ、ハーフミラー１２３、結像レンズ１２４、光偏向素子１２５、レンズ１２６、光減光部材１２７、検出器１３１、全反射ミラー１３２、および、制御部１４１を格納している。

ここで、まず、コンフォーカル顕微鏡１０１の照明光学系について説明する。コンフォーカル顕微鏡１０１の照明光学系は、光源１２１、コレクタレンズ１２２ａ、レンズ１２２ｂ、ハーフミラー１２３、結像レンズ１２４、光偏向素子１２５、レンズ１２６、全反射ミラー１３２、及び対物レンズ１２９により構成される。すなわち、コンフォーカル顕微鏡１０１の照明光学系は、コンフォーカル顕微鏡１の照明光学系と比較して、レンズ１２６と対物レンズ１２９との間に、全反射ミラー１３２が設けられている点が異なる。

光源１２１から射出された照明光は、コレクタレンズ１２２ａ、レンズ１２２ｂにより集光され、ハーフミラー２３に導かれる。ハーフミラー２３に到達した照明光は、図中右下方向に偏向され、結像レンズ１２４を透過し、平行光束となって、光偏向素子１２５に到達する。

光偏向素子１２５は、偏向面１２５Ａが試料Ｓの所定の観察面と共役な位置関係を有しており、視野絞りの配置位置に相当する位置に配置される。光偏向素子１２５は、例えば、DMDにより構成され、偏向面１２５Ａに入射する入射光の偏光方向を所定の領域毎に制御することができる。

このDMDなどの光偏向素子１２５では、図７に示すように、偏向面１２５Ａに２次元に配列された各微小ミラー１５１を保持する保持部に印加する電圧のオン／オフ制御によって、微小ミラー１５１の各々の向きを、２方向に角度制御することが可能である。具体的には、ｉ×ｊ（ｉ，ｊ：自然数）の２次元に配列された複数の微小ミラー１５１_i,jのうちの、微小ミラー１５１_m,n（１≦ｍ≦ｉ，１≦ｎ≦ｊ）と、微小ミラー１５１_p,q（１≦ｐ≦ｉ，１≦ｑ≦ｊ）を代表して説明すれば、ハーフミラー１２３により反射され、結像レンズ１２４を透過した図中左上方向からの照明光は、微小ミラー１５１_m,nと微小ミラー１５１_p,qのそれぞれに入射する。このとき、微小ミラー１５１_p,qはオン状態となっているので、入射してくる照明光を、図中左方向のレンズ１２６側に偏向する。一方、微小ミラー５１_m,nはオフ状態となっているので、入射してくる照明光を、図中左下方向の光減光部材１２７側に偏向する。すなわち、微小ミラー１５１_i,jのオン／オフの電圧制御を行うことにより、微小ミラー１５１_i,jの各々によって、１方向から入射してくる照明光を、図中左方向のレンズ１２６と、図中左下方向の光減光部材１２７との２方向に導くことが可能となる。

また、光偏向素子１２５の偏向面１２５Ａは、ステージ１３０に載置されている試料Ｓの所定の観察面と共役な位置に配置されている。従って、光偏向素子１２５の偏向面１２５Ａに到達した光を試料Ｓ上の所望の箇所に導くためには、その所望の箇所に対応する領域に配列された微小ミラー１５１_i,jをオン状態にして、入射してくる照明光をレンズ１２６側に導けばよい。例えば、図７に示されるように、微小ミラー１５１_p,qによりレンズ１２６側に偏向された照明光は、レンズ１２６を透過し、全反射ミラー１３２により図中下方向に偏向され、レボルバ１２８に保持された対物レンズ１２９へと入射し、対物レンズ１２９により、光偏向素子１２５の偏向面１２５Ａと共役な試料Ｓの観察面において集光し、試料Ｓの微小ミラー１５１_p,qに対応する箇所のみに照射される。このように、コンフォーカル顕微鏡１０１では、光偏向素子１２５の微小ミラー１５１_i,jの各々のオン／オフを個別に電圧制御することにより、試料Ｓ上の所望の箇所に照明光を導くことができる。

一方、光偏向素子１２５により光減光部材１２７側に偏向された光は、像に寄与しない不要な光であり、コンフォーカル顕微鏡１の光減光部材２７と同様の光減光部材１２７により減光される。

そして、光偏向素子１２５の微小ミラー１５１_i,jを、図３を参照して上述したのと同様に制御することにより、試料Ｓの全範囲にわたって照明光を走査することができる。

ステージ１３０には、駆動装置（不図示）が接続されており、対物レンズ１２９とステージ１３０とをＺ方向に相対移動させる。また、ステージ１３０自体は、ＸＹ方向に自由に移動可能に構成されており、検鏡者は試料Ｓの所望の部位を観察可能である。さらに、レボルバ１２８は、手動又は電動により回転可能に構成されており、レボルバ１２８に取り付けられた複数の対物レンズ１２９の中から、所望の対物レンズ１２９を選択的に使用することが可能である。

次に、コンフォーカル顕微鏡１０１の結像光学系について説明する。コンフォーカル顕微鏡１０１の結像光学系は、対物レンズ１２９、全反射ミラー１３２、レンズ１２６、光偏向素子１２５、結像レンズ１２４、ハーフミラー１２３、及び検出器１３１により構成される。すなわち、コンフォーカル顕微鏡１０１の結像光学系は、コンフォーカル顕微鏡１の結像光学系と比較して、レンズ１２６と対物レンズ１２９との間に、全反射ミラー１３２が設けられている点が異なる。

オン状態の微小ミラー１５１_i,jに対応する箇所のみが照明された試料Ｓからの光（すなわち、観察光）は、対物レンズ１２９により集光された後、全反射ミラー１３２により図中右方向に偏向され、レンズ１２６を透過して、光偏向素子１２５へと導かれる。このとき、対物レンズ１２９とレンズ１２６により、光偏向素子１２５の偏向面１２５Ａにおいて試料Ｓの像が結ばれる。そして、照明光を導いた微小ミラー１５１_i,jにおいて、その微小ミラー１５１_i,jに対する試料Ｓの照明領域の像が形成されるので、オン状態となっている微小ミラー１５１_i,jは、その像の光を結像レンズ１２４へと偏向する。

結像レンズ１２４へと偏向された観察光は、結像レンズ１２４を透過してハーフミラー１２３に到達し、このハーフミラー１２３を通過した観察光が検出器１３１の受光面１３１Ａに到達する。ここで、結像レンズ１２４は、光偏向素子１２５から入射する観察光を全て検出器１３１の受光面１３１Ａに入射させるように構成されており、光偏向素子１２５の偏向面１２５Ａにおいて結像した試料Ｓの照明領域の光束は、結像レンズ１２４により、検出器１３１の受光面１３１Ａに集光される。

検出器１３１は、コンフォーカル顕微鏡１の検出器３１と同様に、２次元イメージセンサにより構成され、各画素に入射する光の強度を検出し、その結果（すなわち、試料Ｓのコンフォーカル画像）を示す画像信号を制御部１４１に出力する。すなわち、検出器１３１は、観察光による試料Ｓの像を撮像する。

ここで、光偏向素子１２５の偏向面１２５Ａ、結像レンズ１２４の主点を含む主平面１２４Ａ、および、検出器１３１の受光面１３１Ａは、それぞれを延長した面が、点Ａ１１を通り紙面に垂直な１本の直線で交わり、シャインプルーフの条件を満たしている。従って、光偏向素子１２５の偏向面１２５Ａ上で結ばれる試料Ｓの像の全ての範囲が、検出器１３１の受光面１３１Ａにおいて結像する。すなわち、各々の微小ミラー１５１_i,jで結像レンズ１２４の方向に偏向される観察光の光束は、全て検出器１３１の受光面１３１Ａにおいて結像する。従って、全ての範囲においてボケが少なく、質の高い試料Ｓの像を得ることができる。

そして、不図示のCPU（Central Processing Unit）は、検出器１３１により得られた画像信号を制御部１４１から取得し、試料Ｓの像の歪みを補正する。さらに、CPUは、例えば、補正後の画像信号を図示せぬモニタに供給し、モニタは、ボケおよび歪みがほとんどない試料Ｓの像を映し出す。

以上のようにして、コンフォーカル顕微鏡１０１では、コンフォーカル顕微鏡１と同様に、ボケの少ない、質の高い試料Ｓの像を得ることができる。

また、コンフォーカル顕微鏡１０１は、全反射ミラー１３２をレンズ１２６と対物レンズ１２９との間に配置し、各光学素子の配置を工夫することにより、コンフォーカル顕微鏡１と比較して、装置全体をコンパクトに構成することができる。

さらに、対物レンズ１２９以外の光学素子を鏡筒ユニット１１２に格納し、顕微鏡１１１に対して着脱自在とすることにより、鏡筒ユニット１１２を、例えば、従来の顕微鏡に装着して使用することが可能になる。また、鏡筒ユニット１１２内において、光路がなるべく水平方向または水平方向に近い方向に進むように各光学素子を配置することにより、鏡筒ユニット１１２の重心を低くすることができ、顕微鏡１１１に装着したときの鏡筒ユニット１１２の安定性を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態の変形例について説明する。

以上の説明では、光偏向素子２５の微小ミラー５１、および、光偏向素子１２５の微小ミラー１５１を１つずつ選択し駆動して照明光を走査する例を示したが、複数の微小ミラーを同時に選択し駆動しながら照明光を走査するようにしてもよい。

例えば、図８を参照して、光偏向素子２５の複数の微小ミラー５１を同時に駆動する場合について説明する。なお、図８は、図３と同様に、光偏向素子２５の微小ミラー５１_i,jの２次元の配列を簡素化して表したものである。

図８ａは、光偏向素子２５の微小ミラー５１_i,jのうち、最上段の左から１番目の微小ミラー５１_1,1、最上段の左から５番目の微小ミラー５１_1,5、上から４段目の１番目の微小ミラー５１_4,1、上から４段目の５番目の微小ミラー５１_4,5をオン状態としたときを表しており、この場合、同時に試料Ｓの対応する４箇所のみが照明されることを意味する。図８ａと同様にして、図８ｂは微小ミラー５１_1,2、５１_1,6、５１_4,2、５１_4,6のみがオン状態、図８ｃは微小ミラー５１_1,3、５１_1,7、５１_4,3、５１_4,7のみがオン状態となったときの様子を表している。これらの図８ｂ，図８ｃの場合についても、図８ａと同様に、試料Ｓの対応する４箇所のみが同時に照明されていることになる。

制御部４１は、光偏向素子２５の微小ミラー５１_i,jのうち、オン状態となる４つの微小ミラー５１を１つずつ右方向に移動させながら、右端まで移動したら１段下げて、左端から右方向に移動させていくことにより、最終的に、図８ｄに示されるように、微小ミラー５１_3,4、５１_3,8、５１_6,4、５１_6,8のみがオン状態となる。

すなわち、図８ａ，図８ｂ，図８ｃ，・・・，図８ｄに示したように、光偏向素子２５の微小ミラー５１_i,jを４つずつ順次駆動させて、試料Ｓの全範囲にわたって照明光を走査することにより、試料Ｓの観察部位をくまなく走査することが可能となる。

なお、同時にオン状態にする４つの微小ミラー５１の間の間隔は、光学的にそれぞれ影響を及ぼさない距離に設定される。具体的には、同時にオン状態になっている微小ミラー５１により反射される光束のエアリーディスクが、互いに影響を及ぼさない長さ以上の距離に設定される。この距離は、例えば、従来のニポウディスクタイプのコンフォーカル顕微鏡において、ニポウディスク上に配置された各ピンホール間の距離などと同様の値に設定される。

このように、複数の微小ミラー５１を同時に駆動して、照明光を走査することにより、１つずつ微小ミラー５１を駆動する場合と比較して、照明光の走査時間を短縮することが可能になる。

なお、同時に駆動する微小ミラー５１の数は、この例に限定されるものではなく、同時にオン状態となる微小ミラー５１の間隔を、光学的にそれぞれ影響を及ぼさない距離に設定できる範囲で、任意の数に設定することが可能である。

また、以上の説明では、光源２１がコンフォーカル顕微鏡１内に内蔵されている構成としたが、光源２１による熱の影響などを考慮し、光源２１をランプハウス内に配置し、コンフォーカル顕微鏡１に対して着脱自在となるように構成してもよい。同様に、以上の説明では、コンフォーカル顕微鏡１０１において、光源１２１が鏡筒ユニット１１２内に内蔵されている構成としたが、光源１２１をランプハウス内に配置し、顕微鏡１１１または鏡筒ユニット１１２に対して着脱自在となるように構成してもよい。

さらに、以上の説明では、照明方式として、落射照明を採用した場合を例に説明したが、本発明は、試料Ｓの背後から照明光を照射する透過照明を採用した場合にも適用できる。

また、以上の説明では、照明光学系と結像光学系の両方の光路上に１つの光偏向素子２５または光偏向素子１２５が配置される構成について説明したが、勿論、照明光学系と結像光学系のそれぞれに別々の光偏向素子を配置することも可能である。この場合、それらの光偏向素子の光学系に寄与する微小ミラーの選択は、対応関係を持っていることになる。その際には、照明光学系の光偏向素子と、結像光学系の光偏向素子とは、各々対応関係を持っている微小ミラーが光学的に一致した位置に配置されていて、かつ微小ミラーを変位させるときは、同期して変位するように制御すればよい。

さらに、以上の説明では、検出器３１および検出器１３１を２次元イメージセンサにより構成する例を示したが、PMT（Photomultiplier：光電子増倍管）等のような光の強度を検出する機器により構成するようにしてもよい。

例えば、コンフォーカル顕微鏡１の検出器３１としてPMTを用いる場合、検出器３１は、結像レンズ２４より集光された光の強度を検出して、制御部４１に出力する。制御部４１は、光偏向素子２５の微小ミラー５１のうち、オン状態となっている微小ミラー５１の位置情報と、先の検出器３１からの検出信号値とを対応付けて、不図示の記憶部に記憶する。これを、オン状態にする微小ミラー５１を順次変更しながら行い、試料Ｓの観察領域全ての検出信号と対応する微小ミラー５１の位置情報を取得する。これにより、位置と光強度を示す信号が得られるので、それらの信号に対して、不図示のCPU等によって所定の画像処理を施すことにより、試料Ｓの２次元画像が得られる。

なお、このとき、上述したように、シャインプルーフの法則により、各微小ミラー５１により結像レンズ２４の方向に反射された観察光は、微小ミラー５１の位置に関わらず、検出器３１の受光面において結像する。従って、各微小ミラー５１により反射された観察光の強度をより正確に検出することができ、試料Ｓの像質が向上する。

また、本発明の実施の形態では、光を全反射する光偏向素子２５の代わりに、例えば、ある状態では光を反射させ、ある状態では光を透過させる液晶素子や、光の回折を利用したGLV（Grating Light Valve、登録商標）などを用いて、２次元的に光を所望の方向に反射させる分布を変えられる素子を用いることもできる。

さらに、本発明は、スポット状の照明光を２次元の方向に走査する場合以外にも、ライン状（直線状）の照明光を１次元の方向に走査する場合にも適用することが可能である。

なお、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

１ コンフォーカル顕微鏡， ２１ 光源， ２２ａ コレクタレンズ， ２２ｂ レンズ， ２３ ハーフミラー， ２４ 結像レンズ， ２４Ａ 主平面， ２５ 光偏向素子， ２５Ａ 偏向面， ２６ レンズ， ２９ 対物レンズ， ３１ 検出器， ３１Ａ 受光面， ４１ 制御部， ５１ 微小ミラー， １０１ コンフォーカル顕微鏡， １１１ 顕微鏡， １１２ 鏡筒ユニット， １２１ 光源， １２２ａ コレクタレンズ， １２２ｂ レンズ， １２３ ハーフミラー， １２４ 結像レンズ， １２４Ａ 主平面， １２５ 光偏向素子， １２５Ａ 偏向面， １２６ レンズ， １２９ 対物レンズ， １３１ 検出器， １３１Ａ 受光面， １３２ 全反射ミラー， １４１ 制御部， １５１ 微小ミラー， Ｓ 試料

Claims (8)

1. 光源からの照明光を試料の所定の観察面上に集光して、集光位置を走査する照明光学系と、前記試料からの観察光を対物レンズにより集光し、結像して検出する結像光学系とを備えるコンフォーカル顕微鏡において、
   所定の偏向面に入射する入射光の偏向方向を所定の領域毎に制御可能な光偏向手段であって、前記偏向面が前記観察面と共役な位置に配置され、前記対物レンズにより集光されて前記偏向面に入射する前記観察光の偏光方向を前記領域毎に制御する光偏向手段と、
   前記光偏向手段の前記領域を順次選択し、選択した前記領域に入射する前記観察光を所定の第１の方向に偏向するように制御する偏向制御手段と、
   前記光偏向手段により前記第１の方向に偏向された前記観察光を検出する光検出手段と、
   前記光偏向手段により前記第１の方向に偏向された前記観察光を前記光検出手段の受光面において結像させる結像レンズと
   を備え、
   前記光偏向手段の前記偏向面、前記結像レンズの主平面、および、前記光検出手段の前記受光面をそれぞれ延長した面が一本の直線で交わるように、前記光偏向手段、前記結像レンズ、および、前記光検出手段が配置されている
   コンフォーカル顕微鏡。
2. 前記光偏向手段は、さらに、前記偏向面に入射する前記照明光の偏光方向を前記領域毎に制御し、
   前記偏向制御手段は、選択した前記領域に入射する前記照明光を所定の第２の方向に偏向し、前記観察光を前記第１の方向に偏向するように制御し、
   前記対物レンズは、さらに、前記光偏向手段により前記第２の方向に偏向された前記照明光を前記試料の前記観察面に集光する
   請求項１に記載のコンフォーカル顕微鏡。
3. 前記光源と前記光偏向手段との間の光路上に配置され、前記照明光学系と前記結像光学系とを分離するための第１の光学素子を
   さらに備える請求項２に記載のコンフォーカル顕微鏡。
4. 前記光偏向手段と前記対物レンズとの間の光路上に配置され、前記光源からの前記照明光を前記対物レンズの方向に偏向し、前記試料からの前記観察光を前記光偏向手段の方向に偏向する第２の光学素子を
   さらに備える請求項２または３に記載のコンフォーカル顕微鏡。
5. 前記光検出手段は、２次元イメージセンサにより構成される
   請求項１乃至４のいずれかに記載のコンフォーカル顕微鏡。
6. 前記光検出手段は、２次元イメージセンサにより構成され、
   前記偏向制御手段は、所定の距離以上離れた複数の前記領域を同時に選択し、選択した複数の前記領域に入射する前記照明光を所定の第２の方向に偏向し、前記観察光を前記第１の方向に偏向するように制御する
   請求項２に記載のコンフォーカル顕微鏡。
7. 前記光偏向手段は、前記偏向面に複数の微小ミラーが設けられ、前記微小ミラーにより、入射光の偏向方向を前記領域毎に制御可能である
   請求項１乃至６のいずれかに記載のコンフォーカル顕微鏡。
8. 前記対物レンズを備える顕微鏡と、
   前記光源、前記光偏向手段、前記光検出手段および前記結像レンズを格納し、前記顕微鏡に対して着脱自在であるユニットと
   により構成される請求項１乃至７のいずれかに記載のコンフォーカル顕微鏡。

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