JP4528023B2 - レーザ集光光学系 - Google Patents

Description

この発明は、レーザ光を媒質中の異なった部分に集光させるレーザ集光光学系に関するものである。

従来より、媒質中の異なった深さ部分に集光したいという要求があるが、その場合球面収差の発生を招いてしまう。例えば、生物分野において、顕微鏡標本を作製する場合には、ほとんどの場合スライドガラスの上に試料を置き、その上にカバーガラスを載せて封入するカバーガラス付きの標本が一般的であるが、顕微鏡によりカバーガラスの厚みの異なる標本を観察するような場合に上述した球面収差が発生してしまう。また、ＬＣＤ用のガラスには厚みの異なるものがあり、基板越しに観察する場合にも球面収差が発生してしまう。また、異なる厚み（深さ）間で球面収差量が異なると、集光性能が変化（劣化）するという問題があった。

そこで、従来より、球面収差の補正を行って集光性能の変化を抑えながら上述したような厚みの異なる部分に集光させるために、様々な技術が採用されている。
そのうちの１つとして、例えば、厚みの異なる平行平板ガラスを対物レンズ等の集光光学系の先端に着脱可能に配置するものが知られている。
また、例えば、倍率４０×程度、ＮＡ０．９３の超広視野の範囲にわたって諸収差が良好に補正され、カバーガラス厚の変動による性能劣化も少ない顕微鏡用補正環付き対物レンズが知られている（例えば、特許文献１参照）。
更に、合成焦点距離無限大（No Power Lens）の球面収差補正光学系を光軸方向に移動させて球面収差を補正する光学系も知られている（例えば、特許文献２参照）。
更には、図１１に示すように、対物レンズ５０と光源５１との間に球面収差補正レンズ５２を配置し、この球面収差補正レンズ５２を光軸に沿って移動させることにより球面収差を補正する顕微鏡装置が知られている（例えば、特許文献３参照）。
特開平５−１１９２６３号公報（図１等） 特開２００３−１７５４９７号公報（図１等） 特開２００１−８３４２８号公報（図１等）

ところで、上述した球面収差補正のうち、平行平板ガラスを利用したものは、平行平板ガラスの傾き等による性能劣化が大きい。そのため、平行平板を保持する枠に高精度が要求され、また、平行平板の枠への固定も精度が必要になることから高価になる。また、小さいＷＤの中で、手動により交換を行う必要があり、非常に手間のかかる作業であった。
更に、連続可変を行うことが難しかった。
また、上記特許文献１に記載の補正環対物レンズでは、高精度であるため価格が高く、低コスト化を図ることができない。また、集光位置に応じて自動で球面収差量を調整することが難しく自動化への対応が困難なものである。
また、上記特許文献２に記載の光学系では、合成焦点距離が、無限大のレンズで補正を行うため球面収差を補正した場合でも集光位置は変化しない。媒質中の異なった部分に集光しようとすると必ずＷＤが変わり、ＷＤ一定の下での収差補正を行うこができなかった。また、ビームエキスパンダ以外に球面収差補正光学系が必要となるので構成が複雑で、部品点数が多くなり、低コスト化を図ることが困難であった。

また、上記特許文献３に記載の顕微鏡装置では、図１１に示すように、球面収差補正レンズ５２を光軸方向に移動させることにより、球面収差の補正を行うことができるが、球面収差補正レンズ５２の移動に伴い対物レンズ５０に入射する光束径が変化してしまう。即ち、光束の広がりが変化してしまう。そのため、図１２に示すように、光量が変化してしまい、標本面上での明るさが変化してしまう。ここで、画像取得手段がある場合には、画像の明るさを検出し、明るさによって光源のパワーを変化させる。画像側で明るさをコントロールする等により、明るさを一定にできるが、装置構成が複雑になる等の問題がある。
また、瞳面内での光量分布がある場合には、光量分布も変化する恐れがあった。このような光量分布の変化により、集光性能が変化するという問題があった。更に、画像取得手段からの電気信号に基づいて球面収差補正レンズを移動するため、時間のかかるものであった。

この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的はシンプルな構成で、手間をかけることなく容易に球面収差補正を行うことができるレーザ集光光学系を提供することである。

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。
請求項１に係る発明は、レーザ光を出射するレーザ光源と、該レーザ光源と媒質との間に配されて、前記レーザ光を媒質中に集光させると共に集光点からの光を再集光する集光光学系と、該集光光学系により再集光された前記光を検出する光検出器と、前記レーザ光のレーザ発散点の位置及び前記光検出器の位置を、レーザ光を集光したい前記媒質の屈折率及び前記媒質の表面から集光したい位置までの距離に応じて、前記レーザ光の光軸上に沿って移動可能なレーザ発散点移動手段とを備えているレーザ集光光学系を提供する。

この発明に係るレーザ集光光学系においては、集光光学系によりレーザ光源から出射されたレーザ光を媒質中に集光させると共に集光点から光の再集光が行え、光検出器により再集光した光の検出が行える。この際、レーザ光は、集光光学系に発散光状態(非平行光束状態)で入射される。つまり、レーザ光源から発散光状態で出射、又はレーザ光源から平行光束状態で出射された後に各種レンズ等の光学系により発散光状態に変換されて集光光学系に入射する。このように、レーザ光が発散光状態になった位置（点）を発散点としている。また、レーザ光を集光させる際に、集光したい媒質の屈折率及び媒質の表面から集光したい位置までの距離に応じて、レーザ発散点移動手段によりレーザ発散点の位置及び光検出器の位置をレーザ光の光軸上に沿って移動させるので、媒質中の深さが異なる箇所にレーザ光を集光させたとしても、それぞれの位置において球面収差の発生量を極力抑えることができる。従って、レーザ光を所望する媒質の深さに効率良く集光させることができ、集光性能の向上を図ることができる。
また、球面収差の発生量を極力抑えることができるので、収差が少ない光を再集光して正確な観察像を得ることができる。従って、高精度に媒質中の観察を行うことができる。

特に、レーザ発散点を移動させるだけであるので、従来のように手間をかけることなく、容易に球面収差補正を行うことができる。また、従来の補正環対物レンズ等のように特別な光学系を備える必要がないので、構成のシンプル化を図ることができると共に的コスト化を図ることができる。更に、レーザ発散点を移動させるだけであるので、連続可変を行い易く、自動化に対応し易い。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のレーザ集光光学系において、前記レーザ光を前記集光光学系の光軸に対して直交する方向に向けて走査可能な走査手段を備えているレーザ集光光学系を提供する。

この発明に係るレーザ集光光学系においては、走査手段によりレーザ光も走査が行えるので、媒質側を移動させることなく媒質の全体領域に亘って観察を行うことができる。

請求項３に係る発明は、請求項１乃至２に記載のレーザ集光光学系において、前記レーザ発散点移動手段が、さらに前記集光光学系のNAに基づいてレーザ発散点の位置を設定するレーザ集光光学系を提供する。

請求項４に係る発明は、請求項１乃至３に記載のレーザ集光光学系において、前記レーザ発散点移動手段が、予め測定された前記集光光学系の波面データに基づいてレーザ発散点の位置を設定するレーザ集光光学系を提供する。
この発明に係るレーザ集光光学系においては、レーザ発散点移動手段が、予め測定された集光光学系の波面データ、例えば、集光光学系を構成している一部である対物レンズの波面データや、集光光学系全体の波面データを考慮してレーザ発散点の位置を設定するので、レーザ光の集光性能及び観察性能をさらに向上させることができる。

請求項５に係る発明は、請求項１乃至４に記載のレーザ集光光学系において、前記集光光学系に連携して設けられ、集光光学系の下面から前記媒質の表面までの距離を所定の距離に維持する観察光学系を備え、該観察光学系が、オートフォーカス検出手段又はオートフォーカス機構を備えているレーザ集光光学系を提供する。
この発明に係るレーザ集光光学系においては、観察光学系により集光光学系の下面から媒質の表面までの距離を所定の距離に維持できるので、例えば、集光光学系と媒質との水平方向の相対的な移動、即ち、走査を行う際に、媒質表面からの深さを所望する深さに正確に制御することができる。

請求項６に係る発明は、請求項１乃至５に記載のレーザ集光光学系において、前記集光光学系と前記媒質の表面との光軸方向の相対的な距離が一定とされているレーザ集光光学系を提供する。
この発明に係るレーザ集光光学系においては、レーザ光を集光したい媒質深さが変化した場合でも、集光光学系と媒質の表面との光軸方向の相対的な距離、即ち、ＷＤが一定になるように設定されているので、装置構成を簡単にすることができると共に観察速度を上げることができる。

請求項７に係る発明は、請求項１記載のレーザ集光光学系において、
前記レーザ発散点移動手段は、前記レーザ光源と前記光検出器とが互いに共役な位置となるように移動させることを特徴とするレーザ集光光学系を提供する。
また、請求項８に係る発明は、請求項７記載のレーザ集光光学系において、前記レーザ発散点移動手段は、前記レーザ光源を光軸方向に沿って移動させる光源移動手段と、前記光源移動手段と同期して前記光検出器を光軸方向に沿って移動させる光検出器移動手段と、を有することを特徴とするレーザ集光光学系を提供する。
また、請求項９に係る発明は、請求項８記載のレーザ集光光学系において、前記光源移動手段と前記光検出器移動手段は、前記レーザ光源と前記光検出器とを光軸方向に沿って一体的に移動させることを特徴とするレーザ集光光学系を提供する。
また、請求項１０に係る発明は、請求項７記載のレーザ集光光学系において、前記レーザ発散点移動手段は、前記集光光学系中に設けられる少なくとも２つのミラーと、該ミラーを光軸方向に沿って移動させミラー移動手段と、を備えることを特徴とするレーザ集光光学系を提供する。
また、請求項１１に係る発明は、請求項１記載のレーザ集光光学系において、前記レーザ発散点移動手段を制御する制御手段と、前記屈折率及び前記距離を入力する入力手段と、前記入力手段から入力された前記媒質の屈折率及び前記距離から、前記レーザ発散点の移動量を算出する算出手段と、を有することを特徴とするレーザ集光光学系を提供する。

請求項１２に係る発明は、レーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光源と媒質との間に配されて、前記レーザ光を媒質中に集光させると共に集光点からの光を再集光する集光光学系と、前記レーザ光を前記集光光学系の光軸に対して直交する方向に向けて走査可能な走査手段と、前記集光光学系により再集光された前記光を検出する光検出器と、前記レーザ光のレーザ発散点の位置及び前記光検出器の位置を、レーザ光を集光したい前記媒質の屈折率及び前記媒質の表面から集光したい位置までの距離に応じて、前記レーザ光の光軸上に沿って移動可能なレーザ発散点移動手段とを備えていることを特徴とするレーザ走査型顕微鏡を提供する。

この発明に係る集光光学系によれば、集光したい媒質の屈折率及び媒質の表面から集光したい位置までの距離に応じて、レーザ発散点移動手段によりレーザ発散点をレーザ光の光軸上に沿って移動させるので、媒質中の深さが異なるそれぞれの位置で、球面収差の発生量を極力抑えることができる。従って、レーザ光を所望する媒質の深さに効率良く集光させることができ、集光性能の向上を図ることができる。また、球面収差が少ない光を再集光して正確な観察像を得ることができるので、高精度に媒質中の観察を行うことができる。特に、レーザ発散点を移動させるだけであるので、従来のように手間をかけることなく、容易に球面収差補正を行うことができると共に特別な光学系を備える必要がないので、構成のシンプル化を図ることができると共にコスト化を図ることができる。

以下、本発明に係るレーザ集光光学系の第１実施形態を、図１から図３を参照して説明する。
本実施形態のレーザ集光光学系１は、図１に示すように、レーザ光Ｌを発散光状態（非平行光束状態）で出射するレーザ光源２と、該レーザ光源２と標本（媒質）３との間に配されて、レーザ光Ｌを標本中に集光させると共に集光点からの光を再集光する集光光学系４と、レーザ光源２と共役な位置に配されて集光光学系４により再集光された光を検出するピンホールディテクタ（光検出器）５と、レーザ光Ｌのレーザ発散点６の位置、即ち、レーザ光源２の位置を、レーザ光Ｌを集光したい標本３の屈折率及び標本面（標本の表面）３ａから集光したい位置までの距離に応じて、レーザ光Ｌの光軸上に沿って移動可能な図示しないレーザ発散点移動手段と、ピンホールディテクタ５を、移動したレーザ発散点６に対して共役な位置に移動させるための図示しないピンホールディテクタ移動手段と、レーザ光Ｌを集光光学系４の光軸に対して直交する方向（水平方向、ＸＹ方向）に向けて走査可能な走査手段７とを備えている。
なお、標本３は、ＸＹ方向に移動可能な図示しないステージ上に載置されている。

上記レーザ発散点移動手段及びピンホールディテクタ移動手段は、図示しない制御部に接続されており、該制御部からの信号を受けてレーザ光源２を移動することで、レーザ発散点６を移動可能とされている。また、制御部は、所定の情報を入力可能な入力部と、該入力部により入力された各入力情報（入力データ）に基づいてレーザ光源２の移動量を計算する計算部とを備えており、計算結果に応じてレーザ発散点移動手段に信号を送って移動させるようになっている。
また、制御部は、レーザ発散点移動手段の制御に加え、レーザ発散点６の移動終了後にレーザ光Ｌを出射させるようにレーザ光源２の制御も同時に行うようになっている。

上記集光光学系４は、レーザ光源２から出射されたレーザ光Ｌを、光軸の向きを９０度変更するように反射させるハーフミラー１０、該ハーフミラー１０により反射されたレーザ光Ｌを概略平行光にする結像レンズ１１、レーザ光Ｌを標本面３ａに水平な一方向（Ｘ方向）に走査できるように異なる角度で反射させる第１のガルバノミラー１２、該第１のガルバノミラー１２で反射されたレーザ光Ｌをリレーする第１の瞳リレー光学系１３、第１の瞳リレー光学系１３を通過したレーザ光Ｌを標本面３ａに水平な他方向（Ｙ方向）に走査できるように異なる角度で反射させる第２のガルバノミラー１４、該第２のガルバノミラー１４で反射されたレーザ光Ｌをリレーする第２の瞳リレー光学系１５、該第２の瞳リレー光学系１５を通過したレーザ光Ｌを標本内に集光させると共に、集光点からの光を再集光する対物レンズ１６を備えている。

上記第１のガルバノミラー１２及び第２のガルバノミラー１４は、それぞれ中心位置に、互いに直交する方向に向くように配された回転軸１２ａ、１４ａを有しており、該回転軸１２ａ、１４ａの軸回りに所定の角度の範囲内で振動するように構成されている。この振動により、上述したようにレーザ光Ｌを異なる角度で反射可能とされている。また、両ガルバノミラー１２、１４の組み合わせにより、レーザ光Ｌを集光光学系４の光軸方向に直交する方向（ＸＹ方向）に走査可能とされている。即ち、これら両ガルバノミラー１２、１４は、上記走査手段７として機能するようになっている。なお、両ガルバノミラー１２、１４は、制御部によって振動(作動)が制御されている。
上記ピンホールディテクタ５は、ハーフミラー１０の後側に配されており、制御部により制御されるピンホールディテクタ移動手段により、レーザ光源２の移動に同調して光軸方向に移動するようになっている。

このように構成されたレーザ集光光学系１により、標本面３ａから深さの異なる位置の観察を行う場合について説明する。なお、本実施形態においては、標本面３ａから、例えば、５０μｍ、７５μｍ、１００μｍの位置の観察を行う場合について説明する。
まず、標本面３ａから深さ５０μｍの位置の観察を行う場合には、図２に示すように、制御部の入力部に標本３の屈折率、標本面３ａから集光したい位置までの距離、即ち、５０μｍ及び集光光学系４のＮＡの入力を行う（Ｓ１）。計算部は、この入力データに基づいてレーザ発散点６の移動量、即ち、レーザ光源２の移動量の計算及び集光光学系４と標本面３ａとの距離、即ち、ＷＤ値の計算を行う（Ｓ２）。計算終了後、制御部は、計算結果に基づいてレーザ発散点移動手段をレーザ光Ｌの光軸方向に移動させるよう制御して、レーザ光源２の位置を所定の位置に移動させると共に、集光光学系４と標本面３ａとの距離（ＷＤ）を変化させる（Ｓ３）。

レーザ光源２の移動及びＷＤの変化の終了後、制御部は、レーザ光源２に信号を送りレーザ光Ｌを出射させる（Ｓ４）。出射されたレーザ光Ｌは、ハーフミラー１０で反射された後、結像レンズ１１で概略平行光にされて第１のガルバノミラー１２に入射する。そして、第１のガルバノミラー１２により、標本面３ａのＸ方向に向けて異なる角度で反射される。反射されたレーザ光Ｌは、第１の瞳リレー光学系１３を介して第２のガルバノミラー１４により標本面３ａのＹ方向に向けて異なる角度で反射される。反射されたレーザ光Ｌは、第２の瞳リレー光学系１５を介して対物レンズ１６に入射する。そして、図３（ａ）に示すように、対物レンズ１６により標本面３ａから５０μｍの位置に集光される。
この際、上述したように、５０μｍの深さに応じてレーザ光源２の位置、即ち、レーザ発散点６の位置を調整するので、深さ５０μｍの位置における球面収差の発生量を極力抑えることができ、この位置に効率良くレーザ光Ｌを集光させることができる。

また、この集光点からの光は、対物レンズ１６により再集光されて、上述した逆の光路を通りピンホールディテクタ５にて検出される。即ち、対物レンズ１６で再集光された光は、第２の瞳リレー光学系１５の通過、第２のガルバノミラー１４による反射、第１の瞳リレー光学系１３の通過、第１のガルバノミラー１２による反射、結像レンズ１１の通過及びハーフミラー１０の透過を順に行った後、ピンホールディテクタ５により検出される。なお、対物レンズ１６により再集光された光は、レーザ光Ｌが通った光路と同一光路を通るように両ガルバノミラーで反射される。

上述したように、球面収差の発生量を極力抑えた状態で集光点（標本面から深さ５０μｍの位置）にレーザ光Ｌを集光させているので、ピンホールディテクタ５により誤差の少ない観察像を得ることができる。従って、高精度の観察を行うことができる。特に、ピンホールディテクタ５は、レーザ光源２の移動に同調して光軸方向に移動しているので、共焦点効果によりコントラストの良い集光点の観察像を得ることができる。
また、両ガルバノミラー１２、１４により、レーザ光Ｌを標本面３ａの水平方向（ＸＹ方向）に向けて走査させるので、標本面３ａ全体に亘って、容易に広範囲の観察を行うことができる。この際、標本３側（ステージ側）を動かすことなく、標本３の全体に亘って走査を行うことができる。

次に、標本面３ａから深さ７５μｍ又は１００μｍの位置の観察を行う場合には、上述した場合と同様に、入力部に標本面３ａの屈折率、標本面３ａから集光したい位置までの距離（７５μｍ又は１００μｍ）及び集光光学系４のＮＡの入力を行う。計算部による計算終了後、制御部は、計算結果に基づいてレーザ光源２をレーザ光Ｌの光軸方向に移動させるよう制御して、レーザ光源２の位置を所定の位置に移動させる。その後、レーザ光Ｌを出射させて、集光光学系４によりレーザ光Ｌを標本面３ａから７５μｍ又は１００μｍの位置に集光させると共に、集光点からの光を再集光してピンホールディテクタ５により検出する。
この際、上述したと同様に、７５μｍ又は１００μｍの深さに応じてレーザ光源２を移動させてレーザ発散点６の位置を調整しているので、各位置毎に球面収差の発生量を極力抑えることができ、図３（ｂ）、（ｃ）に示すように、レーザ光Ｌを７５μｍ又は１００μｍの位置に効率良く集光させることができる。従って、誤差の少ない高精度の観察像を得ることができる。

上述したように、本実施形態のレーザ集光光学系１によれば、標本面３ａから異なる深さ（５０μｍ、７５μｍ、１００μｍ）にレーザ光Ｌを集光させる際に、標本３の屈折率及び標本面３ａから集光したい位置までの距離に応じて、レーザ発散点移動手段によりレーザ光源２、即ち、レーザ発散点６を光軸上に沿って移動させるので、球面収差の発生量を極力抑えることができ、それぞれの各深さにおいて最適な状態で効率良くレーザ光Ｌを集光させることができる。従って、標本面３ａからの深さを変えたとしても、各位置で誤差の少ない観察像を得ることができ、標本３の観察を高精度に行うことができる。また、ピンホールディテクタ５は、レーザ光源２の移動に同調して光軸方向に移動するので、共焦点効果によりコントラストの良い観察像を得ることができる。

また、レーザ光源２を移動させるだけの構成であるので、従来のように手間をかけることなく容易に球面収差補正を行うことができる。また、従来の補正環対物レンズ等の特別な光学系を必要としないので、構成のシンプル化を図ることができると共に低コスト化を図ることができる。更に、レーザ光源２を移動させるだけであるので、連続可変を行い易く、また自動化への対応がし易い。

なお、上記第１実施形態においては、入力部に標本３の屈折率、標本面３ａから集光したい位置までの距離及び集光光学系４のＮＡを入力することで、レーザ光源２の位置を計算したが、入力データは上述したものに限らず、例えば、これら入力データに加え、集光光学系４の予め測定された波面データをさらに入力して、レーザ光源２の位置を計算しても構わない。
即ち、図４に示すように、入力部への各種データ入力（上述したＳ１）の際、標本３の屈折率、標本面３ａから集光したい位置までの距離、集光光学系４のＮＡ及び集光光学系４の波面データを入力する。
こうすることで、高精度に球面収差補正を行うことができ、レーザ光Ｌの集光性能をより向上させることができ、より誤差の少ない観察像を得ることができる。
なお、集光光学系４の波面データとしては、例えば、集光光学系４を構成している一部である対物レンズ１６の波面データでも構わないし、集光光学系４全体の波面データを利用しても構わない。

次に、本発明のレーザ集光光学系の第２実施形態を、図５を参照して説明する。なお、この第２実施形態においては、第１実施形態における構成要素と同一の部分については、同一の符号を付しその説明を省略する。
第２実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では、レーザ発散点移動手段により、レーザ光源２を移動させることでレーザ発散点６の位置を調整したが、第２実施形態のレーザ集光光学系２０は、レーザ発散点移動手段により、レーザ光源２、ハーフミラー１０及びピンホールディテクタ５を一体的に移動させて、レーザ発散点の位置を調整するよう構成する点である。
このように構成することで、レーザ発散点の位置を容易に移動することができることに加え、ピンホールディテクタ５をレーザ光源２の移動に同調させる必要がない。従って、よりシンプルに構成することができ、低コスト化を図ることができる。

なお、レーザ発散点の移動方法は、上記第１実施形態及び第２実施形態に限らず、例えば、図６に示すレーザ集光光学系２５のようにレーザ発散点６を移動させても構わない。即ち、ハーフミラー１０と結像レンズ１１との間にハーフミラー１０を透過したレーザ光Ｌを、それぞれ光軸を９０度ずつ変更するように反射させる第１のミラー２６及び第２のミラー２７を配して、両ミラー２６、２７によりレーザ光Ｌの出射方向を１８０度変更させると共に、レーザ発散点移動手段により両ミラー２６、２７を一体的にレーザ光Ｌの光軸方向に向けて移動できるように構成しても良い。
このように構成することで、レーザ光源２及びピンホールディテクタ５の位置を変更することなく、容易にレーザ発散点６の位置を移動することができ、さらなる構成のシンプル化を図ることができる。

また、上記レーザ集光光学系２５は、２次元ガルバノミラー２８を備えている。この２次元ガルバノミラー２８は、上記第１実施形態の第１のガルバノミラー１２及び第２のガルバノミラー１４の回転軸１２ａ、１４ａと同一方向に向いた２つの回転軸２８ａ、２８ｂを有しており、該回転軸２８ａ、２８ｂの軸回りに所定の角度の範囲で２次元的に振動するようになっている。即ち、２次元ガルバノミラー２８は、走査手段として機能する。
これにより、上記第１実施形態のようにガルバノミラー及び瞳リレー光学系をそれぞれ２つ備える必要がなくなることからもさらなる構成の容易化が図れ、低コスト化を図ることができる。

次に、本発明のレーザ集光光学系の第３実施形態を、図７及び図８を参照して説明する。なお、この第３実施形態においては、第２実施形態における構成要素と同一の部分については、同一の符号を付しその説明を省略する。
第３実施形態と第２実施形態との異なる点は、第２実施形態では、対物レンズ１６と標本面３ａとの距離に関係なく走査を行ったが、第３実施形態では、対物レンズ１６と標本面３ａとの距離を一定に維持した状態で走査を行う点である。
即ち、本実施形態のレーザ集光光学系３０は、図７に示すように、集光光学系４に連携して設けられ、集光光学系４、即ち、対物レンズ１６の下面から標本面３ａまでの距離を所定の距離に維持する観察光学系３１を備えている。また、この観察光学系３１は、オートフォーカス機構を有している。

上記観察光学系３１は、直線偏光の半導体レーザ光Ｌ’を照射する光源３２、該光源３２から照射された半導体レーザ光Ｌ’を平行光にする第１のレンズ３３、該第１のレンズ３３に隣接配置された偏光ビームスプリッタ３４、該偏光ビームスプリッタ３４を透過した半導体レーザ光Ｌ’を収束及び発散させる第２のレンズ３５、該第２のレンズ３５により発散された半導体レーザ光Ｌ’を集光光学系１６の瞳径の大きさの平行光にする第３のレンズ３６、該第３のレンズ３６を透過した半導体レーザ光Ｌ’の偏光を円偏光にする１／４波長板３７、該１／４波長板３７を透過した半導体レーザ光Ｌ’を、光軸の向きを９０度変えるように反射させて集光光学系１６に入射させるダイクロイックミラー３８、再度１／４波長板３７を透過し上記偏光ビームスプリッタ３４で反射された対物レンズ１６からの戻り光を、シリンドリカルレンズ３９に入射させる第４のレンズ４０及びシリンドリカルレンズ３９の後側に配されたフォトダイオード４１を備えている。
なお、ダイクロイックミラー３８は、半導体レーザ光Ｌ’を反射すると共に、それ以外の波長の光、例えば、レーザ光源２で出射されたレーザ光Ｌを透過するよう設定されている。

上記偏光ビームスプリッタ３４は、直線偏光のうち、例えば、入射面に平行な振動成分であるＰ成分の直線偏光の光を透過させると共に、入射面に垂直な振動成分であるＳ成分の光を反射させる機能を有している。また、制御部は、上記フォトダイオード４１により受光されたフォーカシングエラー信号等の検出信号に基づいてステージをフィードバック制御して、ステージを鉛直方向（光軸方向）に移動させるようになっている。即ち、オートフォーカスするようになっている。これにより、半導体レーザ光Ｌ’は、常に標本面３ａに焦点が合うように調整される。

このように構成されたレーザ集光光学系３０により走査を行う場合、光源３２から直線偏光の半導体レーザ光Ｌ’の照射を行う。照射された半導体レーザ光Ｌ’は、第１のレンズ３３により平行光となった後、偏光ビームスプリッタ３４に入射する。そして、入射面に平行な振動成分であるＰ成分の直線偏光の光となった後、第２のレンズ３５により収束された後、発散状態となる。そして、発散された光は、第３のレンズ３６により再度平行光となって１／４波長板３７に入射する。なお、この際、平行光は、対物レンズ１６に応じた光束の幅となっている。１／４波長板３７を透過して円偏光となった半導体レーザ光Ｌ’は、ダイクロイックミラー３８で反射されて対物レンズ１６に入射する。対物レンズ１６に入射した光は、標本面３ａに照明される。

次いで、標本面３ａで反射した光は、対物レンズ１６で集光された後、ダイクロイックミラー３８で反射されて１／４波長板３７に入射し、入射面に垂直な振動成分であるＳ成分偏光となる。この光は、第３のレンズ３６及び第２のレンズ３５を透過した後、偏光ビームスプリッタ３４に入射して第４のレンズ４０に向けて反射される。そして、第４のレンズ４０により収束された後、シリンドリカルレンズ３９を透過してフォトダイオード４１上に結像される。この結像されたフォーカシングエラー信号等の検出信号は、制御部に送られる（Ｓ５）。該制御部は、送られてきた検出信号に基づいて計算を行い（Ｓ６）、半導体レーザ光Ｌ’の焦点が標本面３ａに合うようにステージを鉛直方向（光軸方向）に移動させる（Ｓ７）。即ち、自動的にオートフォーカスを行って、標本面３ａを常に撮像するように制御を行う。

これにより、対物レンズ１６と標本面３ａとの距離を、常に一定の距離に維持しながら走査を行うことができる。従って、仮にステージが若干湾曲していたり、ステージの移動に多少の誤差等が生じていたとしても、正確に所望の深さにレーザ光Ｌを集光させることができる。よって、標本面３ａからの集光位置をより正確に制御しながら走査を行うことができ、標本３の観察をより高精度に行うことができる。

なお、上述した走査を行う際に、レーザ光Ｌの集光させる位置を変更する場合、オートフォーカスのオフセット量計算（Ｓ８）を事前に行った後、走査を行う。例えば、１００μｍの深さに集光させた状態で走査を行った後に、５０μｍの深さに集光させて走査を行う場合には、ＷＤ値を変更して最適な状態、即ち、最適値に設定する必要がある。このＷＤ値の変更に伴って、オートフォーカスを所定量だけオフセットする必要が生じる。つまり、オートフォーカスのオフセット量を計算することで、ＷＤ値の補正が行える。そして、オフセットを行った後に、上述したと同様に異なる深さでの走査を行う。

次に、本発明のレーザ集光光学系の第４実施形態を、図９及び図１０を参照して説明する。なお、この第４実施形態においては、第３実施形態における構成要素と同一の部分については、同一の符号を付しその説明を省略する。
第４実施形態と第３実施形態との異なる点は、第３実施形態では、対物レンズ１６と標本面３ａとの光軸方向の相対的な距離、即ち、ＷＤが一定でなかったのに対し、第４実施形態では、ＷＤが一定とされている点である。
即ち、ステージ及び対物レンズ１６の光軸方向における位置を、予め事前に設定した後、両者の位置を常に同じ位置に維持するように設定を行うようになっている。つまり、図９に示すように、入力部への各種データ入力（上述したＳ１）の際、ＷＤ値を除いたデータ、即ち、標本３の屈折率、標本面３ａから集光したい位置までの距離及び集光光学系４のＮＡのデータの入力を行う。

こうすることで、図１０に示すように、ＷＤを一定にした状態で、レーザ発散点移動手段によりレーザ発散点のみを光軸方向に沿って移動させるので、オートフォーカスのオフセット量を初期に設定した後に、再度オフセット量を計算する必要がない。従って、オフセットに要する時間を短縮でき、スループットの向上を図ることができる。また、オフセットを行うことにより生じるオートフォーカスの精度の劣化を小さくすることができる。

なお、本発明の技術範囲は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記各実施形態において、標本内にレーザ光を集光させたが、標本に限らず媒質中に集光させれば構わない。また、集光したい距離として、標本面から５０μｍ、７５μｍ、１００μｍの距離としたが、これらの距離に限らず、任意に設定して構わない。また、ステージを移動させて、対物レンズと標本面との光軸方向の相対的な距離を変化させたが、これに限らず、例えば、対物レンズをピエゾ素子等を利用して移動させることで、相対的な距離を変化させても構わない。
また、制御部によりレーザ発散点移動手段を自動的に制御するように構成したが、制御部による計算結果に基づいて、手段によりレーザ発散点移動手段を作動させてレーザ発散点の位置を移動させても構わない。

また、上記第３実施形態で説明した観察光学系は一例であり、対物レンズの下面から標本面までの距離を所定距離に維持可能であれば、レンズ等の各光学系を組み合わせて構成して構わない。

本発明に係るレーザ集光光学系の第１実施形態を示す構成図である。 図１に示すレーザ集光光学系により、レーザ光を標本面から深さの異なる位置に照射して観察を行う場合のフローチャートの一例である。 図１に示すレーザ集光光学系により、レーザ光を標本面から深さの異なる位置に照射している状態を示す図であって、（ａ）は標本面から５０μｍの位置、（ｂ）は標本面から７５μｍの位置、（ｃ）は標本面から１００μｍの位置に照射している図である。 集光光学系の波面データを考慮に入れて、図１に示すレーザ集光光学系によりレーザ光を照射する場合の一例である。 本発明に係るレーザ集光光学系の第２実施形態を示す構成図である。 本発明に係るレーザ集光光学系の他の例を示す構成図である。 本発明に係るレーザ集光光学系の第３実施形態を示す構成図である。 図７に示すレーザ集光光学系により、レーザ光を標本面から深さの異なる位置に照射する場合のフローチャートの一例である。 本発明に係るレーザ集光光学系の第４実施形態を示す図であって、レーザ光を標本面から深さの異なる位置に照射する場合のフローチャートの一例である。 図９に示すフローチャートにより、レーザ光を標本面から深さの異なる位置に照射した状態を示す図であって、（ａ）は標本面から５０μｍの位置、（ｂ）は標本面から７５μｍの位置、（ｃ）は標本面から１００μｍの位置に照射している図である。 従来の球面収差の補正を説明する図であって、球面収差補正レンズを光軸方向に移動可能な光学系の一例を示す図である。 図１１に示す光学系により、入射瞳位置での光量が変化する状態を示した図である。

符号の説明

Ｌ レーザ光
１、２５、３０ レーザ集光光学系
２ レーザ光源
３ 標本（媒質）
４ 集光光学系
５ ピンホールディテクタ（光検出器）
６ レーザ発散点
７ 走査手段
２８ ２次元ガルバノミラー（走査手段）
３１ 観察光学系

Claims (12)

1. レーザ光を出射するレーザ光源と、
   該レーザ光源と媒質との間に配されて、前記レーザ光を媒質中に集光させると共に集光点からの光を再集光する集光光学系と、
   該集光光学系により再集光された前記光を検出する光検出器と、
   前記レーザ光のレーザ発散点の位置及び前記光検出器の位置を、レーザ光を集光したい前記媒質の屈折率及び前記媒質の表面から集光したい位置までの距離に応じて、前記レーザ光の光軸上に沿って移動可能なレーザ発散点移動手段とを備えていることを特徴とするレーザ集光光学系。
2. 請求項１に記載のレーザ集光光学系において、
   前記レーザ光を前記集光光学系の光軸に対して直交する方向に向けて走査可能な走査手段を備えていることを特徴とするレーザ集光光学系。
3. 請求項１乃至２に記載のレーザ集光光学系において、
   前記レーザ発散点移動手段が、さらに前記集光光学系のNAに基づいて前記レーザ発散点の位置を設定することを特徴とするレーザ集光光学系。
4. 請求項１乃至３に記載のレーザ集光光学系において、
   前記レーザ発散点移動手段が、予め測定された前記集光光学系の波面データに基づいてレーザ発散点の位置を設定することを特徴とするレーザ集光光学系。
5. 請求項１乃至４に記載のレーザ集光光学系において、
   前記集光光学系に連携して設けられ、集光光学系の下面から前記媒質の表面までの距離を所定の距離に維持する観察光学系を備え、
   該観察光学系が、オートフォーカス検出手段又はオートフォーカス機構を備えていることを特徴とするレーザ集光光学系。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載のレーザ集光光学系において、
   前記集光光学系と前記媒質の表面との光軸方向の相対的な距離が一定とされていることを特徴とするレーザ集光光学系。
7. 請求項１記載のレーザ集光光学系において、
   前記レーザ発散点移動手段は、前記レーザ光源と前記光検出器とが互いに共役な位置となるように移動させることを特徴とするレーザ集光光学系、
8. 請求項７記載のレーザ集光光学系において、
   前記レーザ発散点移動手段は、
   前記レーザ光源を光軸方向に沿って移動させる光源移動手段と、
   前記光源移動手段と同期して前記光検出器を光軸方向に沿って移動させる光検出器移動手段と、を有することを特徴とするレーザ集光光学系。
9. 請求項８記載のレーザ集光光学系において、
   前記光源移動手段と前記光検出器移動手段は、前記レーザ光源と前記光検出器とを光軸方向に沿って一体的に移動させることを特徴とするレーザ集光光学系。
10. 請求項７記載のレーザ集光光学系において、
    前記レーザ発散点移動手段は、
    前記集光光学系中に設けられる少なくとも２つのミラーと、
    該ミラーを光軸方向に沿って移動させミラー移動手段と、
    を備えることを特徴とするレーザ集光光学系。
11. 請求項１記載のレーザ集光光学系において、
    前記レーザ発散点移動手段を制御する制御手段と、
    前記屈折率及び前記距離を入力する入力手段と、
    前記入力手段から入力された前記媒質の屈折率及び前記距離から、前記レーザ発散点の移動量を算出する算出手段と、
    を有することを特徴とするレーザ集光光学系。
12. レーザ光を出射するレーザ光源と、
    前記レーザ光源と媒質との間に配されて、前記レーザ光を媒質中に集光させると共に集光点からの光を再集光する集光光学系と、
    前記レーザ光を前記集光光学系の光軸に対して直交する方向に向けて走査可能な走査手段と、
    前記集光光学系により再集光された前記光を検出する光検出器と、
    前記レーザ光のレーザ発散点の位置及び前記光検出器の位置を、レーザ光を集光したい前記媒質の屈折率及び前記媒質の表面から集光したい位置までの距離に応じて、前記レーザ光の光軸上に沿って移動可能なレーザ発散点移動手段とを備えていることを特徴とするレーザ走査型顕微鏡。

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