JP2006079000A - 光走査型観察装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 実験動物等の試料を生きたままの状態で観察するにあたり、脈動によるブレを抑えるとともに所望の深さに正確に焦点を合わせる。
【解決手段】 光源から伝播されてきた光を略平行光に変換するコリメート光学系１６と、該コリメート光学系１６からの光を試料Ａ上に走査させる光走査部１７と、該光走査部１７からの光を集光して中間像Ｂを結像させる瞳投影光学系１８と、中間像Ｂからの光を略平行光にする結像レンズ１９と、先端を試料Ａ表面に接触させ、結像レンズ１９からの光を試料Ａ上に再結像させる対物レンズ２４と、試料Ａから発せられ対物レンズ２４、結像レンズ１９、瞳投影光学系１８、光走査部１７およびコリメート光学系１６を経て戻る観察光を検出する検出光学系とを備え、コリメート光学系１６の、少なくとも１つのコリメートレンズ１６ａを光軸方向に移動させるフォーカス機構２６を備える光走査型観察装置１を提供する。
【選択図】 図２

Description

この発明は、医学、生物学において、細胞の機能の解明やイメージング等のアプリケーションに用いられる光走査型観察装置に関し、特に、一個体が生きたままの状態(in vivo)で、その組織や細胞を観察するのに好適な技術に関するものである。

従来、予め蛍光色素によって染色された生体等の試料にその表面から励起光を照射して、試料の所定の深さ位置から発せられる蛍光を選択的に検出することにより、細胞の機能等を観察する装置として、レーザ走査型共焦点顕微鏡が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。
このレーザ走査型共焦点蛍光顕微鏡は、顕微鏡の一般的な観察に加えて試料の微小スポット領域に集光させたレーザ光をガルバノミラーなどの走査手段によって走査し、試料から発せられる蛍光を検出し画像を得るものである。
このレーザ走査型共焦点顕微鏡は、解像力に優れ、観察する微小スポット以外からの不要光を除去できるので、高いＳ／Ｎ比で鮮明な観察画像を得ることができるという利点を備えている。
特開平３−８７８０４号公報（第２頁等） 特開平５−７２４８１号公報（図１等）

しかしながら、従来のレーザ走査型共焦点顕微鏡を始めとする顕微鏡は、ラットやマウス等の実験動物の各部位を生きたままの状態で観察することについては想定していない。すなわち、実験動物等を生きたまま観察する場合には、脈動、拍動、蠕動、呼吸動等の各種の動きによる画像のブレを防ぐこと、そして、観察する部位の所望の深さに正しく焦点を合わせることが必要であるが、それらの方法については何ら開示していない。

この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、哺乳類を始めとする実験動物の細胞、血管や筋肉の組織、あるいは、心臓、肝臓等の各種臓器を生きたままの状態で観察するにあたり、脈動等による画像のブレを抑え、かつ、所望の深さに正確に焦点を合わせることができる光走査観察装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、この発明は、以下の手段を提供する。
本発明は、光源と、該光源から伝播されてきた光を略平行光に変換するコリメート光学系と、該コリメート光学系からの光を試料上に走査させる光走査部と、該光走査部からの光を集光して中間像を結像させる瞳投影光学系と、中間像からの光を略平行光に変換する結像レンズと、先端を試料表面に接触させ、前記結像レンズからの光を試料上に再結像させる対物レンズと、試料から発せられ前記対物レンズ、結像レンズ、瞳投影光学系、光走査部およびコリメート光学系を経て戻る観察光を検出する検出光学系とを備え、前記光源と光走査部との間に、少なくとも１つの焦点可変光学系を備える光走査型観察装置を提供する。

本発明によれば、コリメート光学系により平行光に変換された光源からの光が光走査部によって走査され、瞳投影光学系により中間像位置に一旦結像された後に、結像レンズと対物レンズとによって試料上に再結像される。試料からの観察光は対物レンズ、結像レンズ、瞳投影光学系、光走査部およびコリメート光学系を介して戻り、光検出器により検出される。

この場合において、焦点可変光学系を作動させることにより、対物レンズの先端位置を移動させることなく、対物レンズの先端に形成される焦点位置を変化させることができる。すなわち、対物レンズの先端を試料に押し付けた状態でも、焦点可変光学系の作動によって所望の位置に焦点位置を配置することができる。したがって、対物レンズの先端を試料に押し付けて、試料の脈動等を防止しながら任意の深さを観察することが可能となる。

すなわち、本発明によれば、実験動物等の試料を生きたまま観察しても、脈動等による画像のブレを防止することができるとともに、所望の観察対象部位に焦点を合わせて、鮮明な画像を得ることができる。
また、上記発明においては、前記対物光学系の先端に着脱可能に配置されるアダプタを備えることにしてもよい。このようにすることで、対物レンズの先端から焦点位置までの距離、いわゆる作動距離が大きい場合においても、対物レンズの先端にアダプタを配置することにより、アダプタを試料に押し付けて試料の脈動等を抑えてブレを抑えた画像を得ることができる。また、作動距離が小さい場合には、細径対物レンズの先端からアダプタレンズを取り外すことにより、同様に試料に細径対物レンズの先端を押し付けて、脈動等を抑えつつ観察することができる。

また、上記発明においては、前記対物レンズが、前記結像レンズからの光の光束径を変換させるアダプタレンズと、先端を試料表面に接触させ、前記アダプタレンズからの光を試料上に再結像させる細径対物レンズとからなることとしてもよい。
このようにすることで、焦点可変光学系を作動させることにより、細径対物レンズの先端位置を移動させることなく、細径対物レンズの先端に形成される焦点位置を変化させることができる。すなわち、細径対物レンズの先端を試料に押し付けた状態でも、焦点可変光学系の作動によって所望の位置に焦点位置を配置することができる。したがって、細径対物レンズの先端を試料に押し付けて、試料の脈動等を防止しながら任意の深さを観察することが可能となる。

また、本発明は、光源と、該光源から伝播されてきた光を略平行光に変換するコリメート光学系と、該コリメート光学系からの光を試料上に走査させる光走査部と、該光走査部からの光を集光して中間像を結像させる瞳投影光学系と、中間像からの光を略平行光に変換する結像レンズと、該結像レンズからの光の光束径を変換させるアダプタレンズと。先端を試料表面に接触させ、前記アダプタレンズからの光を試料上に再結像させる細径の対物レンズと、試料から発せられ前記細径の対物レンズ、アダプタレンズ、結像レンズ、瞳投影光学系、光走査部およびコリメート光学系を経て戻る観察光を検出する検出光学系とを備え、前記光源と前記光走査部との間に、少なくとも１つの焦点可変光学系を備える光走査型観察装置を提供する。

本発明によれば、焦点可変光学系を作動させることにより、細径の対物レンズの先端位置を移動させることなく、対物レンズの先端に形成される焦点位置を変化させることができる。すなわち、対物レンズの先端を試料に押し付けた状態でも、焦点可変光学系の作動によって所望の位置に焦点位置を配置することができる。したがって、対物レンズの先端を試料に押し付けて、試料の脈動等を防止しながら任意の深さを観察することが可能となる。

また、本発明によれば、観察に通常の対物レンズよりも外径の細い細径の対物レンズを使用するので、動物の体内に対物レンズを挿入することにより、通常の対物レンズでは観察できない部位を観察することができる。
また、本発明によれば、光源からの光は、結像レンズからアダプタレンズを介して細径の対物レンズに入射するので、対物レンズが通常の太さの場合と比較して遙かに瞳径が小さいにもかかわらず、光源および検出器側から見た瞳径を通常の対物レンズと同等にすることができる。したがって、細径の対物レンズに通常の対物レンズとの互換性を持たせることができる。すなわち、照明光および観察光の損失を抑え、共焦点開口径に対して最適な結像開口数で観察することができる。

また、本発明は、光源と、該光源から伝播されてきた光を略平行光に変換するコリメート光学系と、該コリメート光学系からの光を試料上に走査させる光走査部と、該光走査部からの光を集光して中間像を結像させる瞳投影光学系と、中間像からの光を略平行光に変換する結像レンズと、該結像レンズからの光の光束径を変換させるアダプタレンズと、先端を試料表面に接触させ、前記アダプタレンズからの光を試料上に再結像させる細径の対物レンズと、試料から発せられ前記細径の対物レンズ、アダプタレンズ、結像レンズ、瞳投影光学系、光走査部およびコリメート光学系を経て戻る観察光を検出する検出光学系とを備え、前記アダプタレンズが、少なくとも１つの焦点可変光学系を備える光走査型観察装置を提供する。

本発明によれば、アダプタレンズに備えられた焦点可変光学系を作動させることにより、細径の対物レンズの先端位置を移動させることなく、対物レンズの先端に形成される焦点位置を変化させることができる。すなわち、対物レンズの先端を試料に押し付けた状態でも、焦点可変光学系の作動によって所望の位置に焦点位置を配置することができる。したがって、対物レンズの先端を試料に押し付けて、試料の脈動等を防止しながら任意の深さを観察することが可能となる。

上記発明においては、前記光源と前記対物レンズとの間に、球面収差量を調節可能な球面収差量可変光学系を備えることが好ましい。
前記焦点可変光学系として、コリメートレンズやアダプタレンズの一部または全体を光軸方向に移動する方法を用いた場合に、上述したように対物レンズ先端の焦点位置が変化するが、これとともに球面収差量が変化する。そこで、球面収差量可変光学系を作動させることにより、増大した球面収差量を補正して、収差を抑えた分解能の高い画像を得ることができる。

また、上記発明においては、前記球面収差量可変光学系と、前記焦点可変光学系とを連動させる制御装置を備えることとしてもよい。
上述したように、焦点可変光学系による焦点位置の変化量と球面収差量との間には固有の関係がある。そこで、本発明によれば、焦点可変光学系により焦点位置の調整を行ったときには、制御装置が、球面収差の増大を抑えるように球面収差量可変光学系を調節することができる。したがって、球面収差を増大させることなく焦点位置を調節することができる。

さらに、上記発明においては、前記球面収差量可変光学系と、前記焦点可変光学系とを連動して駆動させる連動機構を備えることとしてもよい。
連動機構によれば、球面収差量可変光学系と焦点可変光学系とを機械的に連動させることができる。

また、本発明は、光源と、該光源から伝播されてきた光を略平行光に変換するコリメート光学系と、該コリメート光学系からの光を試料上に走査させる光走査部と、該光走査部からの光を集光して中間像を結像させる瞳投影光学系と、先端を試料表面に接触させ、中間像からの光を試料上に再結像させる細径の対物レンズと、試料から発せられ前記対物レンズ、瞳投影光学系、光走査部およびコリメート光学系を経て戻る観察光を検出する検出光学系とを備え、前記光源と光走査部との間に、少なくとも１つの焦点可変光学系を備える光走査型観察装置を提供する。

本発明によれば、上記発明と同様に、試料の脈動等を防止しながら、任意の深さを観察することが可能となる。
また、本発明によれば、観察に通常の対物レンズよりも外径の細い細径の対物レンズを使用するので、動物の体内に対物レンズを挿入することにより、通常の対物レンズでは観察できない部位を観察することができる。

本発明によれば、対物レンズの先端を試料に押し付けることにより脈動等による画像のブレを防止することができるとともに、押し付けた状態のままでの焦点位置の調節を可能とする。さらに、上記焦点位置の調整に伴って増大する球面収差を、球面収差可変光学系によって補正することにより、鮮明な画像を得ることができるという効果を奏する。

以下、本発明の第１の実施形態に係る光走査型観察装置について、図１および図２を参照して説明する。
本実施形態に係る光走査型観察装置１は、図１に示されるように、例えば、レーザ走査型共焦点顕微鏡であって、レーザ光を発するレーザ光源２および試料Ａからの観察光を検出する光検出器３とを含む光学ユニット４と、アダプタレンズユニット２０および試料Ａに接触配置される細径対物レンズユニット２３を備えた測定ヘッド６と、これら光学ユニット４と測定ヘッド６とを接続する光ファイバ７と、光学ユニット４および測定ヘッド６を制御する制御装置８と、光検出器３により検出された画像を表示するモニタ９とを備えている。図中、符号１０は測定ヘッド６を任意の姿勢および位置に支持可能な支持アーム、符号１１は測定ヘッド６と制御装置８とを接続するケーブルである。

前記光学ユニット４には、レーザ光源２から発せられた光を平行光にするコリメートレンズ１２と、平行光を光ファイバ７の端面に集光させる集光レンズ１３、レーザ光（励起光）と観察光（蛍光）とを分岐するダイクロイックミラー１４および分岐された蛍光を光検出器３に集光させる集光レンズ１５が設けられている。光検出器３は、例えば、光電子増倍管（ＰＭＴ：Photomultiplier Tube）である。

前記測定ヘッド６は、図２に示されるように、光ファイバ７内を伝播されてきたレーザ光を平行光に変換するコリメート光学系１６と、平行光にされたレーザ光を２次元方向に走査するガルバノミラー（光走査部）１７と、走査された光を集光して第１中間像Ｂを形成する瞳投影光学系１８と、第１中間像Ｂを結像したレーザ光を平行光に変換する結像レンズ１９と、平行光にされたレーザ光を集光して第２中間像Ｃを結像するアダプタレンズ２２と、第２中間像Ｃのレーザ光を試料Ａに再結像させる細径対物レンズ２４とを備えている。コリメート光学系１６、ガルバノミラー１７、瞳投影光学系１８および結像レンズ１９は、筐体２１内に収容され、前記細径対物レンズ２４およびアダプタレンズ２２は、それぞれ細径対物レンズユニット２３およびアダプタレンズユニット２０として筐体２１に着脱可能に取り付けられている。

アダプタレンズユニット２０は、筐体２１に通常の顕微鏡対物レンズと同形状のネジ１０５で取り付けられている。したがって、筐体２１には通常の顕微鏡対物レンズも取り付け可能である。ここで、アダプタレンズ２２と細径対物レンズ２４とを組み合わせることの作用と効果について、共焦点観察の観点から通常の対物レンズと比較し、図３を用いて説明する。

図３（ａ）は、代表的な顕微鏡対物レンズ（ｆ_ＯＢａ＝１０ｍｍ、ＮＡ_ａ０．５）と結像レンズ（ｆ_ＴＬ＝２００ｍｍ）の組合せにおける結像状態を模式的に示したものである。この場合、全系の光学倍率β_ａ、瞳径ｄ_ＰＬａ、像側開口数ＮＡ_ａ′は、それぞれ、以下の通りである。
β_ａ＝ｆ_ＴＬ／ｆ_ＯＢａ＝２００／１０＝２０
ｄ_ＰＬａ＝２ｆ_ＯＢａＮＡ_ａ＝２×１０×０．５＝１０（ｍｍ）
ＮＡ_ａ′＝ＮＡ_ａ／β_ａ＝０．５／２０＝０．０２５

前述のように、動物の体内を観察するには、細径の対物レンズが適している。そこで、細径の対物レンズとして、開口数は図３（ａ）と同じで、焦点距離と瞳径が１／１０の対物レンズ（ｆ_ＯＢｂ＝１ｍｍ，ＮＡ_ｂ０．５）を想定すると、図３（ｂ）のようになる。この場合、全系の光学倍率β_ｂ、瞳径瞳径ｄ_ＰＬｂ、像側開口数ＮＡ_ｂ′は、それぞれ、以下の通りである。
β_ｂ＝ｆ_ＴＬ／ｆ_ＯＢｂ＝２００／１＝２００
ｄ_ＰＬｂ＝２ｆ_ＯＢｂＮＡ_ｂ＝２×１×０．５＝１（ｍｍ）
ＮＡ_ｂ′＝ＮＡ_ｂ／β_ｂ＝０．５／２００＝０．００２５

ここで、図３の各光学系は、共焦点観察をするための図示しない照明系と検出系とを備えており、その照明ＮＡおよび検出用共焦点開口径はそれぞれ通常の対物レンズ（すなわち図３（ａ））の像側開口数ＮＡ′＝０．０２５に対して最適化されているものとする。
図３（ｂ）の細径の対物レンズを図３（ａ）の通常の対物レンズと比較すると、観察上、次のような不都合が生ずる。すなわち、照明系は像面においてＮＡ′＝０．０２５に対して最適化されているので、対物レンズとして図３（ｂ）のような細径の対物レンズ（ＮＡ′＝０．００２５）を付けると、照明光のうち、利用される（すなわち、瞳を通過する）のは光束の中心のごく一部であり、大部分を損失する。また検出系については、共焦点開口径がＮＡ′＝０．０２５におけるエアリーディスク径に対して最適化されているので、その共焦点開口径は、細径の対物レンズ（ＮＡ′＝０．００２５）における最適な共焦点開口径に比較して１０分の１倍の大きさになる。したがって、像面に結像した物体光のうち、検出される（すなわち、共焦点開口を通過する）のはエアリーディスクの中心のごく一部であり、大部分を損失する

これらの損失の原因は、細径の対物レンズの瞳径が通常の対物レンズに比較して著しく小さい点にある。したがって、損失を抑えるためには、照明系および検出系から見た細径の対物レンズの瞳径が、通常の対物レンズと同等であることが必要である。
そこで、図３（ｂ）の細径の対物レンズと結像レンズとの間に、１０倍のビームエキスパンダをアダプタレンズとして挿入したのが図３（ｃ）である。これにより、
ｄ_ＰＬｃ＝ｄ_ＰＬｂ×１０＝１×１０＝１０（ｍｍ）
ＮＡ_ｃ′＝ＮＡ_ｂ′×１０＝０．００２５×１０＝０．０２５
となり、照明系および検出系から見た瞳径が通常の対物（図３（ａ））と同じになり、上記損失の問題は解決する。すなわち、通常の対物レンズと細径の対物レンズとの互換性が実現する。

さらに、図３（ｄ）は、細径の対物レンズとして、β_ＯＢｄ＝１の有限遠型を用いた場合の例で、この場合、アダプタレンズとしてｆ_ＡＤＰ＝１０ｍｍの正パワーのレンズを用いれば、図３（ｃ）と同様に、照明系および検出系から見た瞳径が通常の対物レンズ（図３（ａ））と同じになり、損失の問題は解決する。

細径の対物レンズの瞳径や、有限遠型細径の対物レンズの開口数ＮＡや光学倍率βが上記例と異なる場合も、上記アダプタレンズとしてのビームエキスパンダの倍率や、正パワーのレンズのｆ_ＡＤＰを変えることにより、同様にして最適化し、通常の対物レンズとの互換性が実現できることは言うまでもない。

図２における前記ガルバノミラー１７は、ケーブル１１，２５によって制御装置８に接続され、制御装置８からの指令により、直交する２軸回りに高速で揺動させられるようになっている。これにより、ガルバノミラー１７に入射されたレーザ光を所定の角度範囲にわたって振ることで、試料Ａ上の所定領域にわたってレーザ光を走査させることができるようになっている。なお、光走査部としては１軸回りに揺動させられるガルバノミラー２台を対物レンズの瞳共役面に近接させ、２軸を直交させて配置する、いわゆる近接ガルバノミラーでもよい。

本実施形態に係る光走査型観察装置１においては、焦点可変光学系として、コリメート光学系１６を構成する少なくとも１つのコリメートレンズ１６ａをアクチュエータ２６によって光軸方向に移動させる方式になっている。アクチュエータ２６の方式としては、コリメートレンズ１６ａを光軸方向に直線移動させることができれば、電磁モータ、ボイスコイルモータ、圧電アクチュエータ等のいずれでもよく、他の任意の方式でもよい。

このように構成された本実施形態に係る光走査型観察装置１の作用について、以下に説明する。
本実施形態に係る光走査型観察装置１によれば、レーザ光源２から発せられたレーザ光が、コリメートレンズ１２および集光レンズ１３によって光ファイバ７内に入射させられ、光ファイバ７内を伝播してコリメート光学系１６に入射させられる。コリメート光学系１６において、レーザ光は平行光とされてガルバノミラー１７に入射される。ガルバノミラー１７は所定の角度範囲にわたって揺動させられることにより入射されたレーザ光を所定の角度範囲内で偏向して瞳投影光学系１８に向かわせる。

瞳投影光学系１８に入射されたレーザ光は、一旦第１中間像Ｂを結像した後に結像レンズ１９に入射させられて略平行光とされ、アダプタレンズ２２に入射させられる。レーザ光はアダプタレンズ２２によって集光されることにより第２中間像Ｃを結像しながら細径対物レンズ２４に入射され、対物レンズユニット２３の先端２３ａに接触配置された試料Ａ内の所定の深さ位置Ｄに再結像されることになる。

この場合において、試料Ａにおける再結像位置Ｄは、筐体２１内の各光学系１６，１８，１９、アダプタレンズ２２および細径対物レンズ２４により定まる距離（作動距離）だけ細径の対物レンズユニット２３の先端２３ａから離れた位置に設定される。そして、制御装置８の作動により、アクチュエータ２６が作動させられることによって、コリメートレンズ１６ａが光軸方向に変位させられると、それに応じて作動距離が変化して焦点位置が調節されることになる。

試料Ａ内に含まれる蛍光物質にレーザ光が照射されると、レーザ光により蛍光物質が励起されることによって蛍光が発生し、発生した蛍光は、細径対物レンズ２４、アダプタレンズ２２、結像レンズ１９、瞳投影光学系１８、ガルバノミラー１７、およびコリメート光学系１６を介して入射経路と同一経路を戻り、コリメート光学系１６によって光ファイバ７の端面７ａに集光させられる。すなわち、細径対物レンズ２４による再結像位置Ｄ、つまり、本実施形態に係る光走査型観察装置１の焦点位置Ｄと、筐体２１内の光ファイバ７の端面７ａとは共役な位置となる。したがって、この光ファイバ７の端面７ａが共焦点ピンホールとして機能し、焦点位置Ｄから発せられた戻り光のみが光ファイバ７内に入射されることになる。

そして、光ファイバ７内を伝播して光学ユニット４に戻った蛍光は、ダイクロイックミラー１４によってレーザ光から分離され、集光レンズ１５によって光検出器３に検出される。光検出器３から出力された画像信号は、制御装置８において画像処理されることにより、モニタ９に表示される。

本実施形態に係る光走査型観察装置１によれば、アクチュエータ２６の作動により筐体２１内に配置されたコリメート光学系１６を構成する少なくとも１つのコリメートレンズ１６ａを光軸方向に変位させるだけで、焦点位置を調節することができ、このとき、細径の対物レンズユニット２３の先端２３ａ位置を変位させる必要がない。したがって、細径の対物レンズユニット２３の先端２３ａを試料Ａに押し付けた状態のままで焦点位置Ｄを調節することができる。

すなわち、実験動物等の試料Ａを生きたまま観察する場合においては、試料Ａが拍動や蠕動等の動きをする場合があるが、このような場合においても細径の対物レンズユニット２３の先端２３ａを試料Ａに押し付けることによって、両者の相対的な変位を防止することができる。しかも、細径の対物レンズユニット２３の先端２３ａを試料Ａに対して固定したままで、焦点位置Ｄを試料Ａの深さ方向に変化させることができる。したがって、脈動によるブレを抑えた鮮明な画像を得ることができるとともに、観察深さを任意の位置に変化させて観察を行うことができる。

なお、本実施形態においては、制御装置８によってアクチュエータ２６を制御し、コリメートレンズ１６ａを変位させることとしたが、これに代えて、手動でコリメートレンズ１６ａを変位させる機構を採用してもよい。

次に、本発明の第２の実施形態に係る光走査型観察装置３０について、図４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の実施形態に係る光走査型観察装置１と構成を共通とする箇所に同一符号を付して説明を省略する。

ここでまず、可変光学素子の概要について説明する。
ここでいう可変光学素子とは、光学的なパワーや収差を連続的に変化させることのできる光学素子であり、その代表は、形状可変鏡、形状可変レンズおよび液晶レンズである。例えば、形状可変鏡は、反射面の曲率を電気的な手段で制御することにより、光学パワーを変化させることができる。また、反射面を複数の領域に分割し、それらの光軸方向の位置を独立に制御することにより、光学パワーを変化させたり、波面収差を補正したりすることができる。

また、形状可変レンズは透明で柔らかい材料で作られ、その形状をアクチュエータで制御することにより光学パワーを変化させたり、屈折面を複数の領域に分割し、それら各領域の形状を独立に制御することにより、波面収差を補正したりすることができる。
さらに、液晶レンズは、透明電極に挟まれた液晶にかける電圧を制御することにより、光学パワーを変化させることができる。

これらの可変光学素子によれば、レンズを光軸方向に移動させる方法と比較すると、動作が高速であるという特徴がある。また、収差の制御手段としての可変光学素子は、光軸に対して非対称な収差も含めて任意の収差を与えたり補正したりすることができる。すなわち、収差制御の自由度が高いという特徴がある。

図４の本実施形態に係る光走査型観察装置３０は、第１の実施形態に係る光走査型観察装置１が、少なくとも１つのコリメートレンズ１６ａを光軸方向に移動させることによって焦点位置を調節するのに対して、形状可変鏡１０４の反射面の曲率を変化させることによって調節する点において相違している。
本実施形態においては、第１の実施形態に係る光走査型観察装置１の特徴に加えて、形状可変鏡１０４の動作がコリメートレンズ１６ａの移動よりも高速なので、焦点位置の調節をより高速に行うことができるという利点がある。

なお、図４のように形状可変鏡１０４に対して光束が斜めに入射する場合、反射面が球面であると、そこでコマ収差等の非対称収差が発生する。したがって、非対称収差が発生しないように発生面は円環曲面（torus surface）等の非対称形状に制御されることが好ましい。
また、本実施形態においては、可変光学として形状可変鏡１０４を用いたが、これに限定されるものではなく、前述の形状可変レンズや液晶レンズを用いても同様の効果が得られることは言うまでもない。

次に、第３の実施形態に係る光走査型観察装置４０について、図５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の実施形態に係る光走査型観察装置１と構成を共通とする箇所に同一符号を付して説明を省略する。
本実施形態に係る光走査型観察装置４０は、第１の実施形態に係る光走査型観察装置１が、アダプタレンズ２２および細径対物レンズ２４を介して試料Ａ内の焦点位置Ｄを観察するのに対して、図５に示されるように、通常の顕微鏡対物レンズ１００を介して観察する点において相違している。

顕微鏡対物レンズ１００は顕微鏡対物レンズユニット１０１として、ネジ１０５を介して筐体２１に取り付けられている。顕微鏡対物レンズユニット１０１には、筒型アダプタ２７が取り付けられている。
本実施形態に係る光走査型観察装置４０によれば、観察に際して筒型アダプタ２７を試料Ａに対して押し当てることにより、脈動等によるブレを抑えた鮮明な画像を得ることができるとともに、少なくとも１つのコリメートレンズ１６ａを光軸方向に変位させることにより、観察深さを任意の位置に変化させて観察を行うことができる。

また、対物レンズとして通常の顕微鏡対物レンズ１００を用いるので、対物レンズ１００の開口数や作動距離に関する選択の幅が広いという利点がある。
なお、筒型アダプタ２７は必ずしも必要でなく、例えば、試料Ａの表面が弱く傷つきやすいために接触をさけたい場合や、脈動等の動きが小さい場合には外してもよい。

次に、第４の実施形態に係る光走査型観察装置５０について、図６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の実施形態に係る光走査型観察装置１と構成を共通とする箇所に同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態に係る光走査型観察装置５０は、第１の実施形態に係る光走査型観察装置１が瞳投影光学系１８から、アダプタレンズ２２および細径対物レンズ２４を介して試料Ａ内の焦点位置Ｄを観察するのに対して、図６に示されるように、瞳投影光学系１８からアダプタレンズなしに細径対物レンズ２４を介して試料Ａ内の焦点位置Ｄを観察するという点において相違している。
本実施形態によれば、第１の実施形態に係る光走査型観察装置１の特徴に加えて、コリメート光学系１６，ガルバノミラー１７および瞳投影光学系１８を、細径対物レンズ２４に合わせて設計することができるので、筐体２１を小型化することができるという利点がある。

次に、本発明の第５の実施形態に係る光走査型観察装置６０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の実施形態に係る光走査型観察装置１と構成を共通とする箇所に同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態に係る光走査型観察装置６０は、第１の実施形態に係る光走査型観察装置１が、焦点可変光学系として、コリメート光学系１６を構成するコリメートレンズ１６ａを光軸方向に変位させていたのに対し、図４に示されるように、コリメート光学系１６を固定し、アダプタレンズ２２をその光軸方向に変位させるアクチュエータ３１を備える点において、第１の実施形態に係る光走査型観察装置１と相違している。

本実施形態に係る光走査型観察装置６０によれば、アクチュエータ３１の作動によりアダプタレンズ２２を光軸方向に変位させるだけで、有限型の対物レンズユニット２３の先端２３ａを変位させることなく焦点位置Ｄを調節することができる。したがって、第１の実施形態に係る光走査型観察装置１と同様に、試料Ａの脈動によるブレを抑えた鮮明な画像を得ることができるとともに、観察深さを任意の位置に変化させて観察を行うことができる。

次に、本発明の第６の実施形態に係る光走査型観察装置７０について、図８を参照して以下に説明する。
本実施形態の説明において、上述した第１の実施形態に係る光走査型観察装置１と構成を共通とする箇所に同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態に係る光走査型観察装置７０は、第１の実施形態に係る光走査型観察装置１と同様、コリメートレンズ１６ａを光軸方向に変位させるアクチュエータ２６を有するが、結像レンズ１９とアダプタレンズ２２との間に球面収差量を調節可能な球面収差量可変光学系４１を配置している点において第１の実施形態に係る光走査型観察装置１と相違している。

一般の顕微鏡対物レンズの中には、プレパラート標本のカバーガラスの厚さ変化に対応するために、レンズの一部を移動させて球面収差量を変化させる補正環を有するものがあるが、球面収差量可変光学系４１は、これと同様に、図示しない複数のレンズのうちの一部を光軸方向に移動させるものである。球面収差量可変光学系４１は、コリメートレンズ１６ａの移動による作動距離の変動によって、発生した球面収差を打ち消す機能を果たすようになっている。

本実施形態に係る光走査型観察装置７０は、球面収差量可変光学系４１を作動させるアクチュエータ４２をさらに備えるとともに、制御装置８が、前記コリメートレンズ１６ａを変位させるアクチュエータ２６と、球面収差量可変光学系４１を作動させるアクチュエータ４２とを連動させるように構成されている。コリメートレンズ１６ａの変位量とそれにより発生する球面収差量との関係は予め把握することができ、また、球面収差量とそれを補償するための球面収差量可変光学系４１の作動量との関係も予め把握できる。したがって、アクチュエータ２６を作動させて焦点位置Ｄの調節を行ったときには、制御装置８はこれに連動して、発生した球面収差を補償するのに適切な作動量だけアクチュエータ４２を作動させることができる。
これにより、上記効果に加えて、球面収差を増大させることなく焦点位置Ｄを調節することができるという効果を奏する。

なお、本実施形態においては、コリメートレンズ１６ａを変位させて焦点位置Ｄを調節する第１の実施形態と同様の構造に適用した場合について説明したが、これに代えて、図９に示されるように、アダプタレンズ２２を変化させて焦点位置Ｄを調節する第５の実施形態と同様の構造に適用してもよい。

また、制御装置８からの指令信号により、２つのアクチュエータ２６，４２；３１，４２を連動させる場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、図１０に示されるように、アダプタレンズ２２の動きと球面収差量可変光学系４１の動きとを、予め最適化された関係で連動させる連動機構４４と、連動機構４４を駆動するアクチュエータ４３とを備えてもよい。このようにすることで、アクチュエータを１つに減らすことができる。また、手動により調節する場合においても、連動機構４４を直接操作することにより、焦点位置Ｄの調節をするのと同時に球面収差量が適正に補償されることになる。

次に、本発明の第７の実施形態に係る光走査型観察装置８０について、図１１を参照して説明する。本実施形態の説明において、第２および第６の実施形態に係る光走査型観察装置３０，７０と構成を共通とする箇所に同一符号を付して説明を省略する。
第６の実施形態に係る光走査型観察装置７０においては、球面収差量可変光学系４１がコリメートレンズ１６ａの移動による作動距離の変化によって発生した球面収差をうち消す機能を有するのに対して、本実施形態に係る光走査型観察装置８０においては、図１１に示されるように、形状可変鏡１０４が球面収差量可変光学系４１として作用し、コリメートレンズ１６ａの移動により作動距離の変化によって発生した球面収差をうち消す機能を有する点において相違している。

本実施形態においては、第６の実施形態に係る光走査型観察装置７０の特徴に加えて球面収差量可変光学系４１として形状可変鏡１０４を用いているので、収差制御の自由度が高く、したがって、発生する球面収差全体を低次成分から高次成分までよく補正することができるという特徴がある。
また、本実施形態においては、球面収差量可変光学系４１として形状可変鏡１０４を用いたが、これに限定されるものではなく、前述の可変光学素子である形状可変レンズや液晶レンズを用いても同様の効果が得られることはいうまでもない。
また、上記各実施形態においては、レーザ走査型共焦点観察装置について説明したが、これに代えて、極短パルスレーザ光を用いる多光子励起型観察装置に適用してもよい。

本発明の第１の実施形態に係る光走査型観察装置の全体構成を示す図である。 図１の光走査型観察装置の測定ヘッドの内部構造を概略的に示す模式図である。 アダプタレンズと細径対物レンズとの組合せによる作用効果を説明する図である。 本発明の第２の実施形態に係る光走査型観察装置の測定ヘッドの内部構造を概略的に示す模式図である。 本発明の第３の実施形態に係る光走査型観察装置の測定ヘッドの内部構造を概略的に示す模式図である。 本発明の第４の実施形態に係る光走査型観察装置の測定ヘッドの内部構造を概略的に示す模式図である。 本発明の第５の実施形態に係る光走査型観察装置の測定ヘッドの内部構造を概略的に示す模式図である。 本発明の第６の実施形態に係る光走査型観察装置の測定ヘッドの内部構造を概略的に示す模式図である。 図８の光走査型観察装置の変形例を示す模式図である。 図８の光走査型観察装置の他の変形例を示す模式図である。 本発明の第７の実施形態に係る光走査型観察装置の測定ヘッドの内部構造を概略的に示す模式図である。

符号の説明

Ａ 試料
Ｂ 第１中間像（中間像）
Ｃ 第２中間像
１、３０，４０，５０，６０，７０，８０ 光走査型観察装置
２ 光源
３ 光検出器
８ 制御装置
１６ コリメート光学系
１６ａ コリメートレンズ
１７ 光走査部
１８ 瞳投影光学系
２０ アダプタレンズユニット
２２ アダプタレンズ
２３ 対物レンズユニット
２３ａ 先端
２４ 細径対物レンズ
２６、３１ アクチュエータ（フォーカス機構）
２７ アダプタ
４１ 球面収差量可変光学系
４２ アクチュエータ（駆動手段）
４４ 連動機構

Claims (7)

1. 光源と、
   該光源から伝播されてきた光を略平行光に変換するコリメート光学系と、
   該コリメート光学系からの光を試料上に走査させる光走査部と、
   該光走査部からの光を集光して中間像を結像させる瞳投影光学系と、
   中間像からの光を略平行光に変換する結像レンズと、
   先端を試料表面に接触させ、前記結像レンズからの光を試料上に再結像させる対物レンズと、
   試料から発せられ前記対物レンズ、結像レンズ、瞳投影光学系、光走査部およびコリメート光学系を経て戻る観察光を検出する検出光学系とを備え、
   前記光源と光走査部との間に、少なくとも１つの焦点可変光学系を備える光走査型観察装置。
2. 前記対物レンズが、前記結像レンズからの光の光束径を変換するアダプタレンズと、先端を試料表面に接触させ、前記アダプタレンズからの光を試料上に再結像させる細径対物レンズとからなる請求項１に記載の光走査型観察装置。
3. 光源と、
   該光源から伝播されてきた光を略平行光に変換するコリメート光学系と、
   該コリメート光学系からの光を試料上に走査させる光走査部と、
   該光走査部からの光を集光して中間像を結像させる瞳投影光学系と、
   中間像からの光を略平行光に変換する結像レンズと、
   該結像レンズからの光の光束径を変換するアダプタレンズと、
   先端を試料表面に接触させ、前記アダプタレンズからの光を試料上に再結像させる細径の対物レンズと、
   試料から発せられ前記対物レンズ、アダプタレンズ、結像レンズ、瞳投影光学系、光走査部およびコリメート光学系を経て戻る観察光を検出する検出光学系とを備え、
   前記アダプタレンズが、少なくとも１つの焦点可変光学系を備える光走査型観察装置。
4. 前記光源と前記対物レンズとの間に、球面収差量を調節可能な球面収差量可変光学系を備える請求項１から請求項３のいずれかに記載の光走査型観察装置。
5. 前記球面収差量可変光学系と前記焦点可変光学系とを連動させる制御装置を備える請求項４に記載の光走査型観察装置。
6. 前記球面収差量可変光学系と、前記焦点可変光学系とを連動して駆動させる連動機構を備える請求項４に記載の光走査型観察装置。
7. 光源と、
   該光源から伝播されてきた光を略平行光に変換するコリメート光学系と、
   該コリメート光学系からの光を試料上に走査させる光走査部と、
   該光走査部からの光を集光して中間像を結像させる瞳投影光学系と、
   先端を試料表面に接触させ、中間像からの光を試料上に再結像させる細径の対物レンズと、
   試料から発せられ前記対物レンズ、瞳投影光学系、光走査部およびコリメート光学系を経て戻る観察光を検出する検出光学系とを備え、
   前記光源と光走査部との間に、少なくとも１つの焦点可変光学系を備える光走査型観察装置。

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