JP4898588B2 - 走査型顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、走査型顕微鏡に関するものである。

一般に、試料を高速で走査および画像化する技術として、走査型顕微鏡や共焦点顕微鏡が知られている（特許文献１参照）。特許文献１による共焦点顕微鏡では、光源からの光が直線的に集束されてＤＭＤまたは液晶などの光変調部材上に入射される。次に光変調部材により直線光がその光線の方向に沿って所定の明暗を有する光に変調されるのに伴い、光が試料体に照射される。そして、試料体から発生された光（反射光および蛍光等）は、この光変調部材へと戻され、その後、照明光路から分離され、光検出器によって検出されるようになっている。

特開２００４−１９９０６３号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示されている技術によれば、光変調部材（例えば、ＤＭＤ）上の小型ミラーのオンおよびオフの切り替えに合せて、光の集光範囲を変更させることが困難であり、オフ部分等に照射される光量によるロスが生じるという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、光変調部材に集光される光の入射範囲を変更して、簡易に光量のロスを低減させることができる走査型顕微鏡を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、光源と、２次元配列された複数の微小光変調要素を備え、オン状態に作動される該微小光変調要素を一方向に切り替える微小光変調要素アレイと、前記光源から発せられ、前記微小光変調要素アレイを通過した照明光を集光して試料に照射する対物レンズと、少なくとも１次元配列された複数の画素を有し、前記試料からの光を検出する光検出器と、前記光源と前記微小光変調要素アレイとの間に配置され、光軸と直交する２軸方向に曲率が異なるとともに、前記微小光変調要素の切替方向と直交する方向の照射幅を制限して前記照明光を前記微小光変調要素アレイに照射する異曲率レンズを有し、該異曲率レンズを光軸方向に移動可能に構成したアスペクト比変換光学系とを備え、前記微小光変調要素アレイが、前記対物レンズの試料側焦点位置と光学的に共役な位置に配置され、前記異曲率レンズが、前記アスペクト比変換光学系の前記微小光変調要素アレイ側に設けられ、光線の光軸方向に対する角度を一定に保ちながら前記照明光を前記微小光変調要素アレイに照射する走査型顕微鏡を提供する。

本発明によれば、光源から発せられた照明光は、アスペクト比変換光学系の異曲率レンズを通過して、微小光変調要素アレイに入射される。そして、微小光変調要素アレイに入射された照明光の内、オン状態に作動された微小光変調要素を通過した照明光が、対物レンズによって試料に集光される。また、試料から発せられた光は、光検出器により検出される。

微小光変調要素アレイの作動により、オン状態に作動される微小光変調要素が一方向に切り替えられるので、試料に対して照明光を少なくとも１次元的に走査させることができる。そして、微小光変調要素アレイを対物レンズの試料側焦点位置と光学的に共役な位置とすることにより、オン状態に作動された微小光変調要素を共焦点ピンホールとして機能させることができ、対物レンズの試料側焦点面に沿う試料の鮮明な画像を取得することができる。

ここで、アスペクト比変換光学系の異曲率レンズとは、アナモフィックレンズまたはシリンドリカルレンズを指す。この場合において、例えば、シリンドリカルレンズ等により、微小光変調要素の切替方向と直交する方向の照射幅を制限した照明光を微小光変調要素アレイに照射することができる。これにより、微小光変調要素アレイにおけるオン状態に作動される微小光変調要素の範囲が、微小光変調要素の切替方向と直交する方向に小さく制限されても、その範囲に合わせて照明光の集光範囲を設定し、光量のロスを低減することができる。

また、アスペクト比変換光学系を作動させ、異曲率レンズが、その焦点位置を微小光変調要素アレイに一致させた状態から光軸方向に沿って移動させられることで、微小光変調要素アレイに対する照明光の入射範囲を簡易に変化させることができる。さらに、異曲率レンズは、アスペクト比変換光学系の微小光変調要素アレイ側に設けられ、光線の光軸に対する角度を一定に保ちながら照明光を微小光変調要素アレイに照射するように構成されている。すなわち、異曲率レンズは、微小光変調要素アレイとの間に集光作用を有する光学系を介在させないように配置されている。これにより、異曲率レンズが光軸方向に移動しても、微小光変調要素アレイにおける照明光の入射範囲を、微小光変調要素の切替方向の配列長に対して大きく変化させないようにすることができる。

したがって、オン状態に作動される微小光変調要素群の大きさを変更して、共焦点ピンホールのピンホール径を変化させた場合等に、ピンホール径に合わせて照明光の入射範囲を変更するために異曲率レンズを光軸方向に移動させても、オン状態の微小光変調要素群を含む最小限の領域に照明光の入射範囲を制限することができるので、光量のロスを低減することができる。

上記発明においては、前記対物レンズの瞳径に応じて、前記異曲率レンズの位置を光軸方向に移動させる制御部を備えることとしてもよい。
このように構成することで、微小光変調要素アレイのオン領域の大きさを変更して観察したい場合にも、光量の低下を防ぐことが可能となる。例えば、対物レンズの瞳径が大きい場合には、対物レンズの持つ光軸方向の分解能を損なうことなく画像を得るために、微小光変調要素アレイのオン領域を小さくすることにより、共焦点ピンホールのピンホール径を小さくする必要がある。この場合、制御部の作動により、微小光変調要素アレイへの照明光の入射範囲を狭くする方向に、異曲率レンズを移動させる。これにより、オン状態に作動される微小光変調要素の領域を小さくしても、対物レンズの持つ光軸方向の分解能を十分に保ちつつ、光量の低下を防ぐことができる。

一方、対物レンズの瞳径が小さい場合には、共焦点ピンホールのピンホール径を大きくしても、対物レンズの持つ光軸方向の分解能を大きく損なうことがない。よって、制御部の作動により、微小光変調要素アレイへの照明光の入射範囲を広げる方向に、異曲率レンズを移動させる。これにより、オン状態に作動される微小光変調要素の領域を大きくして、試料から戻る光の量を増加させることができる。この結果、対物レンズの持つ光軸方向の分解能を保ちつつ、明るい画像を得ることできる。また、このようにすることで、走査の回数を減らして、画像取得の高速化を図ることができる。

上記発明においては、前記制御部が、前記異曲率レンズを前記対物レンズの瞳径と対応付けられた光軸上の所定の位置に移動させることとしてもよい。
このように構成することで、制御部の作動により異曲率レンズを光軸上において移動させる際に、光軸方向の分解能を保ちつつ、光量の低下を防ぐことができる最適な位置へ、異曲率レンズを自動的に移動させることができる。

本発明は、光源と、２次元配列された複数の微小光変調要素を備え、オン状態に作動される該微小光変調要素を一方向に切り替える微小光変調要素アレイと、前記光源から発せられ、前記微小光変調要素アレイを通過した照明光を集光して試料に照射する対物レンズと、少なくとも１次元配列された複数の画素を有し、前記試料からの光を検出する光検出器と、前記光源と前記微小光変調要素アレイとの間に配置され、光軸と直交する２軸方向に曲率が異なるとともに、前記微小光変調要素の切替方向と直交する方向の照射幅を制限して前記照明光を前記微小光変調要素アレイに照射する互いに異なる照射幅の複数の異曲率レンズを有し、該複数の異曲率レンズを択一的に切替可能に構成したアスペクト比変換光学系とを備え、前記微小光変調要素アレイが、前記対物レンズの試料側焦点位置と光学的に共役な位置に配置され、前記複数の異曲率レンズが、前記アスペクト比変換光学系の前記微小光変調要素アレイ側に設けられ、光線の光軸に対する角度を一定に保ちながら前記照明光を前記微小光変調要素アレイに照射する走査型顕微鏡を提供する。

本発明によれば、光源から発せられた照明光は、アスペクト比変換光学系の異曲率レンズを通過して、微小光変調要素アレイに入射される。そして、微小光変調要素アレイに入射された照明光の内、オン状態に作動された微小光変調要素を通過した照明光が、対物レンズによって試料に集光される。また、試料から発せられた光は、光検出器により検出される。

微小光変調要素アレイの作動により、オン状態に作動される微小光変調要素が一方向に切り替えられるので、試料に対して照明光を少なくとも１次元的に走査させることができる。そして、微小光変調要素アレイを対物レンズの試料側焦点位置と光学的に共役な位置とすることにより、オン状態に作動された微小光変調要素を共焦点ピンホールとして機能させることができ、対物レンズの試料側焦点面に沿う試料の鮮明な画像を取得することができる。

この場合において、アスペクト比変換光学系の異曲率レンズ、例えば、シリンドリカルレンズ等により、微小光変調要素の切替方向と直交する方向の照射幅を制限した照明光を微小光変調要素アレイに照射することができる。これにより、微小光変調要素アレイにおけるオン状態に作動される微小光変調要素の範囲が、微小光変調要素の切替方向と直交する方向に小さく制限されても、その範囲に合わせて照明光の集光範囲を設定し、光量のロスを低減することができる。

また、アスペクト比変換光学系を作動させ、上記異曲率レンズを照射幅が異なる他の異曲率レンズに択一的に切り替えることにより、微小光変調要素アレイに対する照明光の入射範囲を簡易に変化させることができる。さらに、異曲率レンズは、アスペクト比変換光学系の微小光変調要素アレイ側に設けられ、光線の光軸に対する角度を一定に保ちながら照明光を微小光変調要素アレイに照射するように構成されている。すなわち、異曲率レンズは、微小光変調要素アレイとの間に集光作用を有する光学系を介在させないように配置されている。これにより、照射幅の異なる他の異曲率レンズに切り替えても、微小光変調要素アレイにおける照明光の入射範囲を、微小光変調要素の切替方向の配列長に対して大きく変化させないようにすることができる。

したがって、オン状態に作動される微小光変調要素群の大きさを変更して、共焦点ピンホールのピンホール径を変化させた場合等に、照射幅の異なる異曲率レンズに切り替えても、オン状態の微小光変調要素群を含む最小限の領域に照明光の入射範囲を制限することができるので、光量のロスを低減することができる。

上記発明においては、前記アスペクト比変換光学系が、前記光の光軸と平行な回転軸を有する回転部を備え、前記照射幅の異なる複数の異曲率レンズが、前記回転部において前記回転軸から等しい距離に配置されていることとしてもよい。
このように構成することで、回転部を回転させることにより、複数の異曲率レンズの内のいずれかの異曲率レンズを照明光の光軸上に配置することができる。したがって、異曲率レンズの切替を、レンズの入れ替え作業等を伴うことなく、簡単な動作により行うことができる。

また、上記発明においては、前記対物レンズの瞳径の情報を検知するとともに、前記対物レンズの瞳径に応じて前記回転部の回転角度を調節する回転制御部を備えることとしてもよい。
このように構成することで、回転制御部の作動により、対物レンズの瞳径の情報が検知され、その情報に基づいて、対物レンズの瞳径に応じて回転部の回転角度が調節される。したがって、照射幅の異なる複数の異曲率レンズの中から、対物レンズの瞳径に対して共焦点効果を得るのに適した異曲率レンズを自動的に選択することができる。

また、上記発明においては、前記微小光変調要素アレイと前記対物レンズとの間に配置され、前記照明光を前記微小光変調要素の切替方向と直交する方向に走査するスキャン手段を備えることとしてもよい。
このように構成することで、微小光変調要素アレイに入射された照明光の内、オン状態に作動された微小光変調要素を通過した照明光が、スキャン手段により走査され、対物レンズによって試料に集光される。ここで、スキャン手段の作動により、照明光が微小光変調要素の切替方向と直交する方向に走査されるので、試料に対して照明光を２次元的に走査させることができる。

また、上記発明においては、前記対物レンズが、さらに前記試料から戻る光を集光し、前記微小光変調要素アレイと前記光検出器との間に、前記微小光変調要素アレイを介して戻る光を前記スキャン手段と同期して同じ方向に走査する他のスキャン手段を備えることとしてもよい。
このように構成することで、同一の対物レンズにより、試料への照明および試料からの受光が行われる。この場合において、試料から発せられ、対物レンズおよび微小光変調要素アレイを介して戻る光を、他のスキャン手段の作動により、光検出器上の２次元的な領域に導くことができる。したがって、光検出器として、ＣＣＤ等の２次元的な撮像手段を使用して、この２次元的な撮像手段に試料全体の像を結像させることができるため、ラインスキャン画像を取得してから２次元的な画像を構築する場合に比べて、画像取得の高速化を図ることができる。

また、上記発明においては、前記光源がレーザ光源であることとしてもよい。レーザ光を用いることにより、光量を大きくすることが可能となるため、高速でスキャンを行う場合であっても、光検出器の各画素において検出される光量の低下を防ぐことができる。
また、上記発明のおいては、前記微小光変調要素が、マイクロミラーであることとしてもよい。

本発明によれば、微小光変調要素アレイに入射される光の入射範囲を、オン状態に作動される微小光変調要素の範囲に合わせて変更することができるため、光量のロスを低減させることができるという効果を奏する。

〔第１の実施形態〕
以下、本発明の第１の実施形態に係る走査型顕微鏡１０について、図面を参照して説明する。
本実施形態に係る走査型顕微鏡１０は、図１に示すように、レーザ光源（光源）１と、該レーザ光源１から発せられたレーザ光（照明光）の照射幅を制限するシリンドリカルレンズ（異曲率レンズ）２３と、該シリンドリカルレンズ２３を有するアスペクト比変換光学系３と、該アスペクト比変換光学系３の前記シリンドリカルレンズ２３を通過したレーザ光を反射するＤＭＤ（微小光変調要素アレイ，デジタルマイクロミラーアレイ）７と、該ＤＭＤ７により反射されたレーザ光を一方向に走査するガルバノミラー（スキャン手段）９と、該ガルバノミラー９により反射されたレーザ光を集光して試料１９に照射する一方、該試料１９から発せられる蛍光を集光する対物レンズ１１と、該対物レンズ１１により集光された蛍光を結像させる第１の結像レンズ１３および第２の結像レンズ１５と、第２の結像レンズ１５により結像された蛍光を検出する光検出器１７とを備えている。
なお、図中、符号5は、ダイクロイックミラーである。

レーザ光源１は、照明光として、例えば、断面略円形の略平行なレーザ光を出射するようになっている。
アスペクト比変換光学系３は、レーザ光源１とＤＭＤ７との間に配置され、レーザ光源１側に、該レーザ光源１から発せられたレーザ光の光束径を拡大して、大径の平行光束にするコリメータ２１を備え、ＤＭＤ７側に、光軸方向と直交する２軸方向に曲率が異なるとともに、レーザ光の照射幅、具体的には、マイクロミラー（微小光変調要素）２９の切替方向と直交する方向の照射幅を制限するシリンドリカルレンズ２３を備えている。

シリンドリカルレンズ２３は、図示しない移動機構により、光軸に沿う方向に移動可能に設けられている。
また、シリンドリカルレンズ２３は、図１に示すように、ＤＭＤ７との間に集光作用を有する光学系を介在させないように配置されており、レーザ光の光束に含まれる軸外光線の光軸に対する角度を一定に保ちながらレーザ光をＤＭＤ７に照射するようになっている。

アスペクト比変換光学系３に入射されたレーザ光は、コリメータ２１によって所定の大きさの光束径に拡大された後、シリンドリカルレンズ２３によって、一軸方向の光束径が維持されたまま、それに直交する軸方向のみに集光されるようになっている。これにより、レーザ光は、その光束の断面形状のアスペクト比が変換され、マイクロミラー２９の切替方向と直交する方向の照射幅が制限される。その結果、シリンドリカルレンズ２３が光軸方向に沿って移動させられることにより、ＤＭＤ７へのレーザ光の入射範囲が変更されるようになっている。

すなわち、シリンドリカルレンズ２３の焦点位置が、ＤＭＤ７に一致したときには、レーザ光のＤＭＤ７への入射範囲が直線状になり、その位置からいずれかの光軸方向にずれた位置に配されたときには、それよりも幅の広い入射範囲で、ＤＭＤ７に入射されるようになっている。

ＤＭＤ７は、図２に示すように、２次元配列された複数のマイクロミラー２９を備え、隣接する１以上（図２に示す例では、３×３＝９）のマイクロミラー２９′を同時にオン状態に作動させたオン領域を、一方向に移動させるように切り替えていくようになっている。これにより、ＤＭＤ７に入射されたレーザ光の内、オン領域のマイクロミラー２９′に照射されたレーザ光が反射されるようになっている。

ＤＭＤ７のオン領域において反射されたレーザ光は、第１のリレーレンズ２５を介して、ガルバノミラー９に入射されるので、ＤＭＤ７のオン領域が一方向に移動するのに伴って、ガルバノミラー９へのレーザ光の入射位置も、一方向に移動していくようになっている。

また、ＤＭＤ７は、対物レンズ１１の試料側焦点位置と光学的に共役な位置に配置されている。これにより、ＤＭＤ７のオン領域を共焦点ピンホールとして機能させることができるようになっている。

ガルバノミラー９は、ＤＭＤ７のオン領域において反射されたレーザ光を、オン領域の移動方向に直交する一方向に走査するようになっている。ガルバノミラー９により反射されたレーザ光は、第２のリレーレンズ２７および対物レンズ１１を介して、試料１９に集光されるようになっている。そして、ＤＭＤ７におけるマイクロミラー２９のオンオフの切替動作と、ガルバノミラー９の揺動動作とを同期させることにより、２次元的に走査されたレーザ光を試料１９に照射することができるようになっている。

試料１９にレーザ光が照射されることにより、試料１９内に含まれる蛍光物質が励起されることで発生した蛍光は、対物レンズ１１により集光された後、第１の結像レンズ１３、第２のリレーレンズ２７、ガルバノミラー９、第１のリレーレンズ２５およびＤＭＤ７を介して、レーザ光とは逆向きに戻るようになっている。そして、蛍光は、ダイクロイックミラー５を通過することで、レーザ光から分離された後、第２の結像レンズ１５により集光されて、光検出器１７に入射されるようになっている。

光検出器１７は、１次元配列された複数の画素を有するラインセンサであり、ガルバノミラー９の各揺動位置において、ＤＭＤ７のオン領域を移動させることにより発生した１次元の蛍光像、すなわち、ラインスキャン画像を逐次取得するようになっている。取得されたラインスキャン画像は、ガルバノミラー９の揺動位置と対応付けて記憶されることにより、後に２次元の蛍光画像を構築することができ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顕微鏡１０の作用について、説明する。
レーザ光源１からレーザ光が発せられると、レーザ光は、アスペクト比変換光学系３において、まず、コリメータ２１を通過することにより、その光束径が拡大されて、大径の平行光束となる。そして、レーザ光が、シリンドリカルレンズ２３を通過することにより、マイクロミラー２９の切替方向と直交する方向のレーザ光の照射幅が制限される。これにより、例えば、ＤＭＤ７のオン領域をガルバノミラー９による走査方向に小さく制限した場合にも、その範囲に合わせてレーザ光の集光範囲を設定することが可能となる。

また、アスペクト比変換光学系３は、シリンドリカルレンズ２３を、その焦点位置をＤＭＤ７に一致させた状態から光軸方向に沿って移動させることにより、ＤＭＤ７に対するレーザ光の入射範囲を変化させる。この場合において、シリンドリカルレンズ２３は、上述のように、レーザ光の光束に含まれる軸外光線の光軸に対する角度を一定に保ちながらレーザ光をＤＭＤ７に照射するので、シリンドリカルレンズ２３が光軸方向に移動しても、ＤＭＤ７におけるレーザ光の入射範囲がマイクロミラー２９の切替方向（例えば、図２参照）の配列長に対して大きく変化することがない。

これにより、例えば、ＤＭＤ７のオン領域の大きさを変更して、ピンホールのピンホール径を変化させた場合等に、ピンホール径に合わせてレーザ光の入射範囲を変更するためにシリンドリカルレンズ２３を光軸方向に移動させても、オン領域を含む最小限の領域にレーザ光の入射範囲が制限される。
このようにして、アスペクト比変換光学系３を通過したレーザ光は、ダイクロイックミラー５によって反射されて、ＤＭＤ７に入射される。

ＤＭＤ７は、隣接する１以上のマイクロミラー２９′をオン領域とするので（図２参照）、このオン領域により反射されたレーザ光が、第１のリレーレンズ２５を介してガルバノミラー９に入射される。
この場合において、ＤＭＤ７は、オン領域を一方向に移動させるように切り替えていくので、ガルバノミラー９に対して、レーザ光がオン領域の切替方向に移動するように入射される。

そして、ガルバノミラー９が揺動されることにより、入射されたレーザ光が、ＤＭＤ７のオン領域の切替方向とは直交する一方向に走査される。したがって、ＤＭＤ７のオン領域の切替動作とガルバノミラー９の揺動動作とが同期されることにより、ガルバノミラー９によって反射され、第２のリレーレンズ２７および対物レンズ１１を介して、試料１９に集光されるレーザ光が、試料１９において２次元的に走査される。

試料１９に上記レーザ光が照射されることにより蛍光が発生すると、蛍光は、対物レンズ１１によって集光された後、第１の結像レンズ１３、第２のリレーレンズ２７、ガルバノミラー９、第１のリレーレンズ２５およびＤＭＤ７を介して、レーザ光とは逆向きに戻る。そして、蛍光は、ダイクロイックミラー５を通過してレーザ光から分離された後、第２の結像レンズ１５により集光されて、光検出器１７に入射される。

この場合において、ＤＭＤ７が対物レンズ１１の試料側焦点位置と光学的に共役な位置に配置されているので、蛍光は、レーザ光を反射したマイクロミラー２９′と同じマイクロミラー２９′によって反射されて、光検出器１７に入射される。そして、ＤＭＤ７のオン領域を十分に小さく設定しておくことにより、オン領域を共焦点ピンホールとして機能させ、対物レンズ１１の試料側焦点面に沿う試料１９の鮮明な蛍光画像、すなわち、ＤＭＤ７のオン領域を一方向に移動させることによって生成されたラインスキャン画像が、光検出器１７により取得される。

このようにして、ガルバノミラー９の揺動位置毎に光検出器１７により取得されたラインスキャン画像が、ガルバノミラー９の揺動位置と対応付けて記憶される。これにより、記憶されたラインスキャン画像に基づいて、２次元の蛍光画像を構築することができる。

以上説明したように、本実施形態に係る走査型顕微鏡１０によれば、アスペクト比変換光学系３におけるシリンドリカルレンズ２３により、ＤＭＤ７のオン領域の範囲に合わせてレーザ光の集光範囲を設定することができる。また、アスペクト比変換光学系３の作動により、シリンドリカルレンズ２３を光軸方向に移動させた場合に、ＤＭＤ７のオン領域を含む最小限の領域にレーザ光の入射範囲を制限することができる。その結果、光量のロスを低減することが可能となる。

なお、本実施形態は、以下のように変形することができる。
例えば、図１に示す走査型顕微鏡１０が、対物レンズ１１の瞳径に応じて、シリンドリカルレンズ２３の位置を光軸方向に移動させる制御部（図示せず）を備えることとしてもよい。これにより、ＤＭＤ７のオン領域の大きさを変更して観察したい場合にも、光量の低下を防ぐことが可能となる。例えば、対物レンズ１１の瞳径が大きい場合には、対物レンズ１１の持つ光軸方向の分解能を損なうことなく画像を得るために、ＤＭＤ７のオン領域を小さくすることにより、共焦点ピンホールのピンホール径を小さくする必要がある。この場合、制御部の作動により、ＤＭＤ７へのレーザ光の入射範囲を狭くする方向にシリンドリカルレンズ２３を移動させる。その結果、ＤＭＤ７のオン領域を小さくしても、対物レンズ１１の持つ光軸方向の分解能を十分に保ちつつ、光量の低下を防ぐことができる。

一方、対物レンズ１１の瞳径が小さい場合には、共焦点ピンホールのピンホール径を大きくしても、対物レンズ１１の持つ光軸方向の分解能を大きく損なうことがない。よって、制御部の作動により、ＤＭＤ７へのレーザ光の入射範囲を広げる方向にシリンドリカルレンズ２３を移動させる。これにより、ＤＭＤ７のオン領域を大きくして、試料１９から戻る光の量を増加させることができる。この結果、対物レンズ１１の持つ光軸方向の分解能を保ちつつ、明るい画像を得ることできる。また、このようにすることで、走査の回数を減らして、画像の取得の高速化を図ることができる。

また、例えば、図３に示すように、走査型顕微鏡１０Ａが、ガルバノミラー９、すなわち、スキャン手段を備えない構成としてもよい。この場合には、試料１９が、マイクロミラー２９の切替方向と直交する方向に移動可能に設けられていることが望ましい。具体的には、試料１９をステージ３５上に設置して、ステージ移動部３７の作動によりマイクロミラー２９の切替方向と直交する方向（図３においてＸ方向参照）に試料１９を往復動作させる。そして、ＤＭＤ７によって反射されたレーザ光が、第１の結像レンズ１３，対物レンズ１１を介して試料１９に照射され、該試料１９から発せられた蛍光が、対物レンズ１１，第１の結像レンズ１３を通過した後、ＤＭＤ７，ダイクロイックミラー５，第２の結像レンズ１５を介して、光検出器１７に入射されるように配置すればよい。この場合において、ステージ移動部３７の作動により、ＤＭＤ７におけるマイクロミラー２９のオンオフの切替動作と、試料１９の上記移動動作とを同期させることにより、２次元的に走査されたレーザ光を試料１９に照射することができる。

また、図４に示すように、走査型顕微鏡１０Ｂが、微小光変調要素アレイとして、ＤＭＤ７に代えて、透過型の素子、例えば、液晶素子３９を採用することとしてもよい。この場合には、液晶素子３９が、対物レンズ１１の試料側焦点位置と光学的に共役な位置に配置されていることが望ましい。具体的には、ダイクロイックミラー５によって反射されたレーザ光が、液晶素子３９を透過した後、第１のリレーレンズ２５，ガルバノミラー９，第２のリレーレンズ２７，第１の結像レンズ１３および対物レンズ１１を介して試料１９に照射される。そして、該試料１９から発せられた蛍光が、対物レンズ１１，第１の結像レンズ１３，第２のリレーレンズ２７，ガルバノミラー９および第１のリレーレンズ２５を介して液晶素子３９を透過した後、ダイクロイックミラー５および第２の結像レンズ１５を通過して光検出器１７に入射されるように配置すればよい。このようにすることで、液晶素子３９を共焦点ピンホールとして機能させることができる。

また、例えば、図５に示すように、光源として、レーザ光源１に代えて、ハロゲンランプを採用することとしてもよい。この場合には、例えば、アスペクト比変換光学系３′との間にディフューザ４１を介してハロゲンランプ４３を設けることとしてもよい。また、ハロゲンランプ４３に代えて、パルス光源（図示せず）を採用することとしてもよい。

また、例えば、図６に示すように、走査型顕微鏡１０Ｃが、試料１９から発生される蛍光がＤＭＤ７を通過しない構成としてもよい。この場合には、照明光としてパルスレーザを採用することが望ましい。具体的には、レーザ光源１′から出射されてアスペクト比変換光学系３を通過したパルスレーザが、ＤＭＤ７，第１のリレーレンズ２５，ガルバノミラー９，第２のリレーレンズ２７および第１の結像レンズ１３を介して、ダイクロイックミラー５′によって反射された後、対物レンズ１１によって集光されて試料１９に照射される。そして、該試料１９から発せられた光が、対物レンズ１１によって集光されてダイクロイックミラー５′を透過した後、第２の結像レンズ１５により集光されてＣＣＤ４５に入射されるように配置すればよい。このようにすることで、パルスレーザによる多光子励起効果を利用して、対物レンズ１１の試料側焦点面における試料１９の鮮明な蛍光画像を取得することができる。

〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態に係る走査型顕微鏡２０について、図７を参照して説明する。
本実施形態の説明において、上述した第１の実施形態に係る走査型顕微鏡１と構成を共通する箇所には、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顕微鏡２０は、アスペクト比変換光学系３５のＤＭＤ７側に、マイクロミラー２９の切替方向と直交する方向の照射幅を制限してレーザ光源１から発せられたレーザ光をＤＭＤ７に照射するシリンドリカルレンズ２３と、該シリンドリカルレンズ２３と上記照射幅の異なるシリンドリカルレンズ（異曲率レンズ）３３，３４を備えている。

各シリンドリカルレンズ２３，３３，３４は、択一的に切替可能に設けられており、例えば、手動で交換可能なように、シリンドリカルレンズ２３，３３，３４がＵ字型のレンズホルダ（図示せず）に設けられていてもよい。また、例えば、シリンドリカルレンズ２３，３３，３４は、外部信号により、切替可能となっていてもよい。

このように構成された本実施形態に係る走査型顕微鏡２０によれば、シリンドリカルレンズ２３，３３，３４を相互に切り替えることにより（図８（ａ）および図８（ｂ）参照）、ＤＭＤ７へのレーザ光の照射範囲を変更することができる（図９（ａ）および図９（ｂ）参照）。したがって、ＤＭＤ７のオン領域を含む最小限の領域にレーザ光の入射範囲を制限し、光量のロスを低減することができる。
また、レーザ光の集光範囲を変えるためにシリンドリカルレンズ２３の位置を光軸方向に調整する必要がないので、アスペクト比変換光学系３５を光軸方向に小型化することができる。

なお、本実施形態においては、以下のように変形することができる。
例えば、アスペクト比変換光学系３５が、シリンドリカルレンズ２３，３３，３４を配置したレンズホルダ（回転部）６０（図１０参照）を備えていることとしてもよい。
この場合に、レンズホルダ６０は、レーザ光の光軸と平行な回転軸６０ａを有して、レーザ光の光軸周りに回転可能となっており、シリンドリカルレンズ２３，３３，３４が、レンズホルダ６０上に、回転軸６０ａから等しい距離に同心円状にそれぞれ配置されていればよい。

このようにすることで、レンズホルダ６０を回転させて、シリンドリカルレンズ２３，３３，３４の内のいずれかをレーザ光の光軸上に配置することにより、ＤＭＤ７へのレーザ光の入射範囲を変更することができる。また、シリンドリカルレンズ２３，３３，３４の切替を、レンズの入れ替え作業を伴うことなく、レンズホルダ６０を回転させるだけの簡単な動作により実現させることができる。

さらに、例えば、シリンドリカルレンズ２３，３３，３４が、対物レンズ１１の瞳径に応じて、互いに異なる焦点距離を有しており、走査型顕微鏡２０が、対物レンズ１１の瞳径を検知するとともにその瞳径に応じてレンズホルダ６０の回転角度を調節する回転制御部６２（図１１参照）を備えることとしてもよい。

この場合に、回転制御部６２は、対物レンズ１１が他の対物レンズ１１に切り替えられると、対物レンズ１１の瞳径を自動的に検知するとともに、レンズホルダ６０に設けられたシリンドリカルレンズ２３，３３，３４の中から、対物レンズ１１の瞳径に対して十分な共焦点効果を得られるレンズがレーザ光の光軸上に配置されるように、レンズホルダ６０の回転角度を調節すればよい。
これにより、シリンドリカルレンズ２３，３３，３４の中から、対物レンズ１１の瞳径に対して共焦点効果を得るのに適したレンズを自動的に選択することができる。

また、本実施形態においては、シリンドリカルレンズ２３，３３，３４を例示して説明したが、これに代えて、照射範囲の異なるシリンドリカルレンズを４以上設けることとしてもよい。

〔第３の実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態に係る走査型顕微鏡３０について、図１２を参照して説明する。
本実施形態に係る走査型顕微鏡３０は、透過型の顕微鏡であり、パルスレーザを出射するレーザ光源１′と、試料１９を挟んで対物レンズ１１と対向して配置され、試料１９から発せられる蛍光を集光する第２の対物レンズ４７と、該第２の対物レンズ４７により集光されて第２の結像レンズ１５により結像された蛍光を検出するＣＣＤ４５とを備えており、ダイクロイックミラー５を備えていない点で、第１の実施形態と異なる。
以下、本実施形態の説明において、第１の実施形態に係る走査型顕微鏡１と構成を共通する箇所には、同一符号を付して説明を省略する。

このような構成によれば、レーザ光源１′から出射されてアスペクト比変換光学系３を通過したパルスレーザは、ＤＭＤ７，第１のリレーレンズ２５，ガルバノミラー９，第２のリレーレンズ２７および第１の結像レンズ１３を介して、第１の対物レンズ１１により集光されて試料１９に照射される。そして、試料１９にパルスレーザが照射されることにより、第１の対物レンズ１１の試料側焦点面における多光子励起により発生した蛍光が、第２の対物レンズ４７により集光されて第２の結像レンズ１５を介してＣＣＤ４５で撮影される。

以上説明したように、本実施形態に係る走査型顕微鏡３０によれば、試料１９を透過して得られる蛍光が検出される。したがって、例えば、試料１９に厚みがあり、試料１９のうち照明用の第１の対物レンズ１１から離れた位置を観察したい場合等に適する。この場合において、多光子励起効果を利用して、第１の対物レンズ１１の試料側焦点面における鮮明な蛍光画像を取得することができる。

〔第４の実施形態〕
次に、本発明の第４の実施形態に係る走査型顕微鏡４０について、図１３を参照して説明する。
本実施形態に係る走査型顕微鏡４０は、レーザ光源１と、第３の実施形態におけるＣＣＤ４５の位置に配置された第２のＤＭＤ４９と、該第２のＤＭＤ４９により反射された蛍光を結像させる第３の結像レンズ５１とを備えている点で、第３の実施形態と異なる。
以下、本実施形態の説明において、上述した第３の実施形態に係る走査型顕微鏡３０と構成を共通する箇所には、同一符号を付して説明を省略する。

第２のＤＭＤ４９は、マイクロミラーが２次元配列されたものを用いることが望ましい。
また、第２のＤＭＤ４９のマイクロミラー（図示せず）は、ＤＭＤ７のマイクロミラー２９の切替方向と同じ方向に切り替えられるようになっている。

このような構成によれば、試料１９を透過して得られる蛍光は、第２の対物レンズ４７により集光されて第２の結像レンズ１５を介して第２のＤＭＤ４９に入射される。この場合において、ＤＭＤ７のマイクロミラー２９と第２のＤＭＤ４９のマイクロミラーとが同方向に切替えられるので、第２のＤＭＤ４９を、ＤＭＤ７およびガルバノミラー９と同期して走査することにより、第２のＤＭＤ４９を共焦点ピンホールとして機能させることができる。これにより、本実施形態に係る走査型顕微鏡４０によれば、透過型の顕微鏡であっても、通常のレーザ光を用いて、第１の対物レンズ１１の試料側焦点面における鮮明な蛍光画像を取得することができる。

なお、第２のＤＭＤ４９として、ＤＭＤ７と同様に、マイクロミラーの切替方向の配列長が、切替方向と直交する方向の配列長よりも長いＤＭＤ（例えば、図２参照）を用いることとし、さらに、試料１９を透過して得られる蛍光を第２のＤＭＤ４９の切替方向と直交する方向に走査する第２のガルバノミラー（図示せず）を備えることにより、試料１９の２次元的な画像を取得することとしてもよい。

以上、本発明の各実施形態について図面を参照して説明してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではない。
例えば、光検出器１７は、ラインセンサに代えて、ＣＣＤ，ＣＭＯＳ等の２次元的な撮像手段を採用してもよい。
このようにすることで、例えば、ＤＭＤ７のオン領域をガルバノミラーの走査方向に大きくした場合に、試料１９の２次元的な画像を効果的に取得することができる。

また、図１４に示すように、走査型顕微鏡１０Ｄが、試料１９から発せられＤＭＤ７を介して戻る蛍光を一方向に走査する他のガルバノミラー（他のスキャン手段）５３と、その蛍光を結像させる第３の結像レンズ５５とをさらに備え、ラインセンサに代えて、ＣＣＤ等の２次元的な撮像手段からなる光検出器１７′を採用することとしてもよい。

このようにすることで、ガルバノミラー５３は、ＤＭＤ７で反射され、第２の結像レンズ１５を通過した蛍光をガルバノミラー９と同期して同じ方向に走査する。
また、第３の結像レンズ５５は、ガルバノミラー５３により走査された蛍光を集光して、光検出器１７′に入射させる。これにより、試料１９の蛍光像が、光検出器１７′の２次元的な領域において走査される。

すなわち、試料１９の２次元的な蛍光像が、２次元的な撮像手段からなる光検出器１７′により撮像されるので、ラインスキャン画像を取得してから２次元的な画像を構築する場合に比べて、画像取得の高速化を図ることができる。

また、図１５に示すように、走査型顕微鏡１０Ｅが、例えば、ロッドレンズ５７およびディフューザ５９をアスペクト比変換光学系３の前段に配置してなる光量均一化手段６１を備えていてもよい。

このようにすることで、レーザ光源１から発せられるレーザ光は、ロッドレンズ５７およびディフューザ５９を通過することにより分散され、光軸上と光軸外の光量の分布が均一な光束になるように補正される。

これにより、ＤＭＤ７のオン領域に均一な光量分布を有するレーザ光が入射されるので、対物レンズ１１の試料側焦点面に沿う試料１９に対して、均一にレーザ光を照射することができ、ムラの少ない鮮明な画像を取得することができる。

また、上記各実施形態においては、ダイクロイックミラー５を例示して説明したが、これに代えて、例えば、ハーフミラーを採用することとしてもよい。このようにすることで、レーザ光が、対物レンズ１１によって集光されて試料１９に照射される一方、試料１９において反射された反射光が、対物レンズ１１によって集光され、ハーフミラーを透過して光検出器１７，１７′またはＣＣＤ４５に導かれる。これにより、蛍光に代えて反射光を検出することができる。
また、上記各実施形態においては、シリンドリカルレンズ２３を例示して説明したが、これに代えて、アナモフィックレンズを採用することとしてもよい。

本発明の第１の実施形態に係る走査型顕微鏡の概略構成を示すブロック図である。 図１のＤＭＤにおけるオン状態に作動されるマイクロミラーを示す図である。 本発明の第１の実施形態の変形例に係る走査型顕微鏡の概略構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態の他の変形例に係る走査型顕微鏡の概略構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態の他の変形例に係る走査型顕微鏡の光源周りの概略構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態の他の変形例に係る走査型顕微鏡の概略構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係る走査型顕微鏡の概略構成を示すブロック図である。 （ａ）および（ｂ）は、それぞれ照射幅の異なるシリンドリカルレンズを設けた本発明の第２の実施形態に係る走査型顕微鏡の概略構成を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明の第２の実施形態に係る走査型顕微鏡のＤＭＤ上での光の分布を示す図である。 本発明の第２の実施形態の変形例に係る走査型顕微鏡のレンズホルダを示す図である。 本発明の第２の実施形態の他の変形例に係る走査型顕微鏡のレンズホルダと回転制御部を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る走査型顕微鏡の概略構成を示すブロック図である。 本発明の第４の実施形態に係る走査型顕微鏡の概略構成を示すブロック図である。 本発明の各実施形態の変形例に係る他のガルバノミラーを備える走査型顕微鏡の概略構成を示すブロック図である。 本発明の各実施形態の他の変形例に係る光量均一化手段を備える走査型顕微鏡の概略構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ レーザ光源（光源）
３ アスペクト比変換光学系
７ ＤＭＤ（微小光変調要素アレイ，デジタルマイクロミラーアレイ）
９ ガルバノミラー（スキャン手段）
１０ 走査型顕微鏡
１１ 対物レンズ
１７ 光検出器
１９ 試料
２３ シリンドリカルレンズ（異曲率レンズ）
２９ マイクロミラー（微小光変調要素）

Claims (10)

1. 光源と、
   ２次元配列された複数の微小光変調要素を備え、オン状態に作動される該微小光変調要素を一方向に切り替える微小光変調要素アレイと、
   前記光源から発せられ、前記微小光変調要素アレイを通過した照明光を集光して試料に照射する対物レンズと、
   少なくとも１次元配列された複数の画素を有し、前記試料からの光を検出する光検出器と、
   前記光源と前記微小光変調要素アレイとの間に配置され、光軸と直交する２軸方向に曲率が異なるとともに、前記微小光変調要素の切替方向と直交する方向の照射幅を制限して前記照明光を前記微小光変調要素アレイに照射する異曲率レンズを有し、該異曲率レンズを光軸方向に移動可能に構成したアスペクト比変換光学系とを備え、
   前記微小光変調要素アレイが、前記対物レンズの試料側焦点位置と光学的に共役な位置に配置され、
   前記異曲率レンズが、前記アスペクト比変換光学系の前記微小光変調要素アレイ側に設けられ、光線の光軸に対する角度を一定に保ちながら前記照明光を前記微小光変調要素アレイに照射する走査型顕微鏡。
2. 前記対物レンズの瞳径に応じて、前記異曲率レンズの位置を光軸方向に移動させる制御部を備える請求項１に記載の走査型顕微鏡。
3. 前記制御部が、前記異曲率レンズを前記対物レンズの瞳径と対応付けられた光軸上の所定の位置に移動させる請求項２に記載の走査型顕微鏡。
4. 光源と、
   ２次元配列された複数の微小光変調要素を備え、オン状態に作動される該微小光変調要素を一方向に切り替える微小光変調要素アレイと、
   前記光源から発せられ、前記微小光変調要素アレイを通過した照明光を集光して試料に照射する対物レンズと、
   少なくとも１次元配列された複数の画素を有し、前記試料からの光を検出する光検出器と、
   前記光源と前記微小光変調要素アレイとの間に配置され、光軸と直交する２軸方向に曲率が異なるとともに、前記微小光変調要素の切替方向と直交する方向の照射幅を制限して前記照明光を前記微小光変調要素アレイに照射する互いに異なる照射幅の複数の異曲率レンズを有し、該複数の異曲率レンズを択一的に切替可能に構成したアスペクト比変換光学系とを備え、
   前記微小光変調要素アレイが、前記対物レンズの試料側焦点位置と光学的に共役な位置に配置され、
   前記複数の異曲率レンズが、前記アスペクト比変換光学系の前記微小光変調要素アレイ側に設けられ、光線の光軸に対する角度を一定に保ちながら前記照明光を前記微小光変調要素アレイに照射する走査型顕微鏡。
5. 前記アスペクト比変換光学系が、前記光線の光軸と平行な回転軸を有する回転部を備え、
   前記照射幅の異なる複数の異曲率レンズが、前記回転部において前記回転軸から等しい距離に配置されている請求項４に記載の走査型顕微鏡。
6. 前記対物レンズの瞳径の情報を検知するとともに、前記対物レンズの瞳径に応じて前記回転部の回転角度を調節する回転制御部を備える請求項５に記載の走査型顕微鏡。
7. 前記微小光変調要素アレイと前記対物レンズとの間に配置され、前記照明光を前記微小光変調要素の切替方向と直交する方向に走査するスキャン手段を備える請求項１から請求項６のいずれかに記載の走査型顕微鏡。
8. 前記対物レンズが、さらに前記試料から戻る光を集光し、
   前記微小光変調要素アレイと前記光検出器との間に、前記微小光変調要素アレイを介して戻る光を前記スキャン手段と同期して同じ方向に走査する他のスキャン手段を備える請求項７に記載の走査型顕微鏡。
9. 前記光源がレーザ光源である請求項１から請求項８のいずれかに記載の走査型顕微鏡。
10. 前記微小光変調要素が、マイクロミラーである請求項１から請求項９のいずれかに記載の走査型顕微鏡。

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