JP6146335B2 - 走査ユニット、レーザ走査型顕微鏡及び温度調節方法 - Google Patents

Description

本開示は、走査ユニット、レーザ走査型顕微鏡及び温度調節方法に関する。

近年、光学技術や半導体技術の開発が進み、半導体レーザ等の各種レーザを利用したレーザ走査型顕微鏡や、レーザ光を励起光として利用するレーザ走査型蛍光顕微鏡等といった各種のレーザ走査型顕微鏡が提案されている。

例えば下記の特許文献１には、レーザ光源と走査光学系とが同一の筺体内に組み込まれたレーザ走査型顕微鏡が提案されている。

特開２００４−２９２０５号公報

しかしながら、上記特許文献１に提案されているように、同一筺体内にレーザ光源と走査光学系とを組み込んだ場合、レーザ光源及び走査光学系は、それぞれが駆動することに起因して、顕微鏡としての特性に影響が生じる可能性がある。すなわち、レーザ光源として高発熱量のレーザ光源を利用すればするほど、発生する熱を冷却するための冷却機構の大きさも大きくなってしまい、装置が大型化してしまう。また、レーザ光源から発生する熱は、同一筺体内に設けられた走査光学系の光軸制御に影響を与える可能性もある。一方、走査光学系から発生する熱は、温度によってレーザ特性が変化するレーザ光源に影響を与える可能性がある。

このように、レーザ光源及び走査光学系を含む走査機構の小型化を図りつつ、レーザ光源や走査光学系から発生する熱を効果的に管理することが可能な技術が希求されていた。

そこで、本開示では、レーザ光源及び走査光学系を含む走査機構の小型化を図りつつ、レーザ光源や走査光学系から発生する熱を効果的に管理することが可能な走査ユニット、レーザ走査型顕微鏡及び温度調節方法を提案する。

本開示によれば、所定波長のレーザ光を射出するレーザ光源部と、前記レーザ光を用いて被走査体を走査する走査部と、を少なくとも有する走査機構が配設される第１のベースと、前記第１のベースの前記走査機構が配設された面と対向する面側に位置し、前記第１のベースから熱的に分離された第２のベースと、前記第１のベースと前記第２のベースとの間に設けられ、前記走査機構の温度を調節する温度調節機構と、を備える走査ユニットが提供される。

また、本開示によれば、所定波長のレーザ光を射出するレーザ光源部、及び、前記レーザ光を用いて被走査体を走査する走査部を少なくとも有する走査機構が配設される第１のベースと、前記第１のベースの前記走査機構が配設された面と対向する面側に位置し、前記第１のベースから熱的に分離された第２のベースと、前記第１のベースと前記第２のベースとの間に設けられ、前記走査機構の温度を調節する温度調節機構と、を有する走査ユニットと、前記走査ユニットからの前記レーザ光を所定位置に載置された前記被走査体に集光させる集光光学系を少なくとも有し、前記走査ユニットとは熱的に分離された顕微鏡ユニットと、を備えるレーザ走査型顕微鏡が提供される。

また、本開示によれば、所定波長のレーザ光を射出するレーザ光源部と、前記レーザ光を用いて被走査体を走査する走査部と、を少なくとも有する走査機構を第１のベースに配設するとともに、前記第１のベースの前記走査機構が配設された面と対向する面側に、前記第１のベースから熱的に分離された第２のベースを設けることと、前記第１のベースと前記第２のベースとの間に設けた温度調節機構により、前記走査機構の温度を調節することと、を含む温度調節方法が提供される。

本開示によれば、第１のベースに配設されたレーザ光源部及び走査部を少なくとも有する走査機構で発生した熱は、温度調節機構及び第２のベースを介して、走査機構から排熱される。

以上説明したように本開示によれば、レーザ光源及び走査光学系を含む走査機構の小型化を図りつつ、レーザ光源や走査光学系から発生する熱を効果的に管理することが可能となる。

なお、上記の効果は必ずしも限定的なものではなく、上記の効果とともに、又は、上記の効果に代えて、本明細書に示されたいずれかの効果、又は、本明細書から把握され得る他の効果が奏されてもよい。

本開示の第１の実施形態に係る走査ユニットを備えるレーザ走査型顕微鏡を模式的に示した上面図である。 同実施形態に係る走査ユニットを模式的に示した側面図である。 同実施形態に係る走査ユニットを模式的に示した側面図である。 同実施形態に係る走査ユニットが有するレーザ光源の一例を模式的に示した説明図である。 同実施形態に係る走査ユニットが有するレーザ光源の一例を模式的に示した説明図である。 同実施形態に係る走査ユニットが有するレーザ光源の一例を模式的に示した説明図である。 同実施形態に係る走査ユニットが有するレーザ光源の一例を模式的に示した説明図である。 同実施形態に係る温度調節機構の一例を模式的に示した説明図である。 同実施形態に係る温度調節機構の一例を模式的に示した説明図である。 同実施形態に係る温度調節機構の一例を模式的に示した説明図である。 同実施形態に係る温度調節機構の一例を模式的に示した説明図である。 同実施形態に係る走査ユニットの別の一例を模式的に示した説明図である。 同実施形態に係る温度調節機構の配置方法を説明するための説明図である。 同実施形態に係る温度調節機構の配置例を模式的に示した説明図である。 温度調節機構の配置例を模式的に示した説明図である。 温度調節機構の配置例を模式的に示した説明図である。 同実施形態に係る走査ユニットを備えるレーザ走査型顕微鏡の一例を具体的に示した斜視図である。 同実施形態に係る走査ユニットが有するレーザ光源部の一例を具体的に示した斜視図である。 同実施形態に係るレーザ走査型顕微鏡の光学系を模式的に示した説明図である。 同実施形態に係るレーザ走査型顕微鏡の光学系を模式的に示した説明図である。 空冷ファンの風量と排熱能力との関係を示したグラフ図である。 温度調節機構による排熱能力の検証結果を示した説明図である。

以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

なお、説明は以下の順序で行うものとする。
１．第１の実施形態
１．１．走査ユニットと走査ユニットを備えるレーザ走査型顕微鏡の構成例
１．２．温度調節機構の配置方法
１．３．走査ユニットを備えるレーザ走査型顕微鏡の具体例
２．まとめ
３．実施例

（第１の実施形態）
＜走査ユニットと走査ユニットを備えるレーザ走査型顕微鏡の構成例＞
まず、図１Ａ〜図６を参照しながら、本開示の第１の実施形態に係る走査ユニットと、かかる走査ユニットを備えるレーザ走査型顕微鏡の構成例について説明する。図１Ａ〜図１Ｃは、本実施形態に係る走査ユニットを備えるレーザ走査型顕微鏡を模式的に示した説明図である。図２Ａ〜図２Ｄは、本実施形態に係る走査ユニットが有するレーザ光源の一例を模式的に示した説明図である。図３〜図５Ｂは、本実施形態に係る温度調節機構の一例を模式的に示した説明図である。図６は、本実施形態に係る走査ユニットの別の一例を模式的に示した説明図である。

なお、以下では、図中に示した座標系を適宜利用して、本実施形態に係る走査ユニット及びレーザ走査型顕微鏡について説明を行うものとする。

図１Ａは、本実施形態に係る走査ユニット１００を備えるレーザ走査型顕微鏡の全体構成例を模式的に示したものである。本実施形態に係るレーザ走査型顕微鏡は、図１Ａに模式的に示したように、本実施形態に係る走査ユニット１００と、顕微鏡ユニット２００と、を備える。また、走査ユニット１００と顕微鏡ユニット２００とは、断熱壁３００によって互いに熱的に分離されている。

走査ユニット１００は、光源から射出されたレーザ光を走査することで、被走査体におけるレーザ光の照射位置を制御するユニットである。この走査ユニット１００は、図１Ａに示したように、レーザ光を走査する走査機構１０１を有する。

走査機構１０１は、図１Ａに模式的に示したように、レーザ光源部１０３と、走査部１０５と、走査制御部１０７と、を少なくとも有している。また、レーザ光源部１０３から射出されたレーザ光は、ステアリングミラーＭ等の各種の光学素子によって、走査部１０５へと導光される。走査部１０５によって走査されたレーザ光は、顕微鏡ユニット２００へと導光される。

レーザ光源部１０３は、所定波長のレーザ光を射出するものである。レーザ光源部１０３として設けられるレーザの種別は特に限定されるものではないが、例えば、半導体レーザを好適に利用することが可能である。光源として半導体レーザを用いることで、走査ユニット１００の小型化や、走査ユニット１００の立ち上げ時間の短縮化を図ることが可能となる。

レーザ光源部１０３として利用可能な半導体レーザとしては、例えば図２Ａ〜図２Ｄに示したような半導体レーザを用いることが可能である。

図２Ａは、レーザ光源部１０３に適用可能な半導体レーザの一例である、半導体レーザと共振器とから構成される主発振器１１１を模式的に示したものである。レーザ光源部１０３として設けられる主発振器１１１は、所定波長（例えば、波長４０５ｎｍ）のレーザ光を射出可能な半導体レーザユニット１１３と、半導体レーザユニット１１３から射出されたレーザ光を増幅させるための共振器部１１５と、から構成されている。

図２Ｂは、レーザ光源部１０３に適用可能な半導体レーザの一例である、主発振器と光増幅器とを有する光源である主発振器出力増幅器（Ｍａｓｔｅｒ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＭＯＰＡ）を、模式的に示したものである。かかる光源では、図２Ａに示した主発振器１１１の後段に、射出されたレーザ光を更に増幅させるための光増幅器１１７が設けられている。光増幅器１１７としては、例えば、半導体光増幅器（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｐｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＳＯＡ）等を好適に用いることができる。

図２Ｃは、レーザ光源部１０３に適用可能な半導体レーザの一例である、ＭＯＰＡと波長変換部とを有する光源を、模式的に示したものである。かかる光源では、図２Ｂに示した光増幅器１１７の後段に、強度が増幅されたレーザ光の波長を変換するための波長変換部１１９が設けられている。波長変換部１１９としては、例えば、各種の非線形結晶を用いた光パラメトリック発振器（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ Ｏｓｃｉｌａｔｏｒ：ＯＰＯ）等を好適に用いることができる。また、光増幅器１１７と波長変換部１１９の間に、図２Ｄに示したように、レーザ光のビーム形状を補正するビーム形状補正部１２１を設けて、波長変換部１１９における波長変換効率を更に向上させてもよい。

レーザ光源部１０３から射出されたレーザ光は、ステアリングミラーＭや各種レンズ等の光学素子を介して、走査部１０５へと導光される。走査部１０５は、レーザ光源部１０３から射出されたレーザ光を、図中のＹＺ方向に走査して、例えば顕微鏡ユニット２００内に載置された被走査体でのレーザ光の照射位置を制御する。この走査部１０５は、例えば、ガルバノスキャンシステム（ガルバノミラー）等の各種の走査機構により構成される。また、かかる走査部１０５は、例えばガルバノスキャンドライバ等の走査制御部１０７によって制御されており、走査制御部１０７による制御のもとで、レーザ光の走査が行われる。

これらレーザ光源部１０３、走査部１０５及び走査制御部１０７を少なくとも備える走査機構１０１は、第１のベースの一例であるベースプレート１５０上に配設されている。

なお、本実施形態に係る走査機構１０１が上記レーザ光源部１０３、走査部１０５及び走査制御部１０７以外にも各種の機構を有していても良いことは、言うまでもない。

走査機構１０１が有するレーザ光源部１０３（特に、光増幅器１１７や波長変換部１１９）、走査部１０５及び走査制御部１０７は、走査ユニット１００が駆動するに際して、発熱する。これら機構から発生した熱によって、レーザ光源部１０３、走査部１０５及び走査制御部１０７が様々な影響を受ける可能性が高いため、発生した熱を適切に系外へと排出することが好ましい。そこで、本実施形態に係る走査ユニット１００では、以下で詳述するような排熱のための機構が設けられており、走査機構１０１で発生した熱が適切に系外へと排出される。

なお、走査ユニット１００に設けられた排熱のための機構（換言すれば、走査ユニット１００の温度を管理するための温度管理機構）の詳細については、以下で改めて説明する。

顕微鏡ユニット２００は、被走査体が載置される被走査体載置ユニットの一例である。顕微鏡ユニット２００には、開閉可能な蓋部（図示せず）によって覆われた開口部２０１が設けられており、この開口部２０１の内部に、走査ユニット１００からのレーザ光を被走査体に集光させる集光光学系２０３が少なくとも設けられている。また、開口部２０１の内部には、被走査体が載置されるＸＹステージ等の被走査体載置部２０５や、被走査体を反射したり透過したりした各種の光を検出するための検出器を少なくとも有する検出光学系２０７が設けられていてもよい。

なお、顕微鏡ユニット２００に設けられる集光光学系２０３、被走査体載置部２０５及び検出光学系２０７等については特に限定されるものではなく、任意の光学系、サンプル載置機構、検出器等を適宜利用することが可能である。

また、図１Ａに示した例では、検出器を含む検出光学系２０７が顕微鏡ユニット２００内に設けられる場合について図示しているが、検出光学系２０７は、走査ユニット１００に設けられていても良く、走査ユニット１００及び顕微鏡ユニット２００の双方にまたがって設けられていても良い。例えば検出光学系２０７に設ける検出器として光電子増倍管（ＰｈｏｔｏＭｕｌｔｉｐｌｉｅｒ Ｔｕｂｅ：ＰＭＴ）を用いる場合、光電子増倍管は、走査ユニット１００のベースプレート１５０上に配設することが好ましい。光電子増倍管は、設けられる環境の温度によっては検出信号にノイズが重畳する可能性があるが、光電子増倍管を走査ユニット１００に設けることで温度調節を適切に行うことが可能となり、検出信号のＳＮ比を更に向上させることが可能となる。

なお、走査ユニット１００で発生した熱を顕微鏡ユニット２００へと伝導させないための断熱壁３００は、特に限定されるものではなく、公知の断熱材を用いて形成することが可能である。

次に、図１Ｂ及び図１Ｃを参照しながら、本実施形態に係る走査ユニット１００が有する排熱のための機構（温度管理機構）について、具体的に説明する。

先だって説明したように、走査機構１０１が有するレーザ光源部１０３（特に、半導体レーザユニット１１３、光増幅器１１７、波長変換部１１９）や、走査部１０５のガルバノミラーや、走査制御部１０７のガルバノスキャンドライバ等は、その駆動に際して熱が発生する。そのため、走査ユニット１００の安定的な動作を実現するためには、これらの機構から発生した熱を適切に系外へと排出する機構を設けることが好ましい。

そこで、本実施形態に係る走査ユニット１００では、上記走査機構１０１で発生した熱を適切に系外へと排出するために、例えば図１Ｂに示したように、ベースプレート１５０と、第２のベースの一例であるヒートプレート１６０と、温度調節機構１７０と、を備える。

図１Ｂに示したように、ベースプレート１５０のＺ軸正方向側の面上には、走査機構１０１が配設されている。ベースプレート１５０は、走査機構１０１を安定的に保持するとともに、走査機構１０１で発生した熱を、後述する温度調節機構１７０及びヒートプレート１６０へと効率良く伝導させる。ベースプレート１５０は、図１Ａ及び図１Ｂに示したように、一枚の基板から形成されることが好ましい。ベースプレート１５０を構成する基板の素材は、熱伝導性の良いものであれば特に限定されるものではないが、例えば、銅、黄銅、アルミニウム等を用いることが可能であり、銅を用いることが特に好ましい。また、ベースプレート１５０は、ある一つの素材を用いて形成することが好ましいが、ある素材からなる基板を複数つなぎ合わせたものであってもよい。ここで、ベースプレート１５０に用いられる各種金属材は、耐食性の観点から、熱伝導性の良い各種塗装や各種メッキ（例えば、ニッケルを含む塗装や無電解ニッケルメッキ等）が施されていても良い。

本実施形態に係る走査ユニット１００では、一枚の基板からなるベースプレート１５０を用いることで、ベースプレート１５０上に設けられた走査機構１０１における熱設計を容易に行うことが可能となり、走査機構１０１における熱の管理を効率良く行うことが可能となる。

図１Ｂに示したように、ベースプレート１５０の走査機構１０１が配設された面と対向する面側（図１ＢにおけるＺ軸負方向側の面）には、ヒートベース１６０が設けられている。ここで、ベースプレート１５０及びヒートベース１６０は、当該ベースプレート１５０及びヒートベース１６０間に設けられた温度調節機構１７０によって、互いに熱的に分離されている。また、ヒートベース１６０のベースプレート１５０側の面と対向する面側（図１ＢにおけるＺ軸負方向側の面）には、走査機構からの排熱を系外へと排出する排熱部１８０が設けられている。

ヒートベース１６０は、後述する温度調節機構１７０によるベースプレート１５０からの排熱を、排熱部１８０へと効率良く伝導させる。そこで、ヒートベース１６０を構成する基板の素材は、ベースプレート１５０と同様に、例えば、銅、黄銅、アルミニウム等といった熱伝導性の良い素材を用いることが好ましく、銅を用いることが特に好ましい。また、ヒートベース１６０に用いられる各種金属材は、耐食性の観点から、熱伝導性の良い各種塗装や各種メッキ（例えば、ニッケルを含む塗装や無電解ニッケルメッキ等）が施されていても良い。

なお、ヒートベース１６０は、図１Ｂに示したように、１枚の基板として設けられていても良いし、図１Ｃに示したように、複数の基板に分割されていてもよい。

上記のベースプレート１５０及びヒートベース１６０は、走査ユニット１００、又は、レーザ走査型顕微鏡本体のフレーム（図示せず。）に固定される。かかるフレームについては、特に限定されるものではなく、ベースプレート１５０及びヒートベース１６０全体の荷重に耐えるものであれば、任意の材質を用いることが可能である。このような材質としては、例えば、アルミニウム、鉄、ステンレス等といった各種の金属材を挙げることができる。

温度調節機構１７０は、ベースプレート１５０とヒートベース１６０との間に設けられるものであり、走査機構１０１で発生した熱を排熱するとともに、走査機構１０１の温度を調節する。この温度調節機構１７０が設けられる位置は、ベースプレート１５０を介して、走査機構１０１において熱源となる部品の下方とすることが好ましい。また、ある一つの熱源からの影響が広範囲にわたる場合には、１つの熱源に対して複数の温度調節機構１７０を、着目する熱源の下方に設ければよい。温度調節機構１７０を設けることで、走査機構１０１で発生した熱を、効率良くヒートベース１６０へと伝導させることが可能となる。

かかる温度調節機構１７０は、特に限定されるものではなく、公知の様々な温度調節用ユニットを用いることが可能である。このような温度調節用ユニットの一例として、ペルチェ素子、ヒートパイプ、熱伝導シート等を挙げることができる。本実施形態に係る走査ユニット１００では、上記のような温度調節用ユニットのある一つを用いても良いし、複数種類の温度調節用ユニットを組み合わせて用いても良い。

なお、熱源に対する温度調節機構１７０の配置方法については、以下で改めて詳細に説明する。

先だって説明したように、ヒートベース１６０の下方（Ｚ軸負方向側）には、温度調節機構１７０及びヒートベース１６０による走査機構１０１からの排熱を系外へと排出する排熱部１８０が設けられる。この排熱部１８０は、図１Ｂ及び図１Ｃに示したように、ヒートベース１６０の下方に位置する空間（図１Ｂ）、又は、ベースプレート１５０の下方に位置する空間（図１Ｃ）から、熱を系外（すなわち、装置の外部空間）へと排出するための空冷ファン１８１を少なくとも有している。

また、走査機構１０１からの排熱をより確実なものとするために、排熱部１８０は、図１Ｂ及び図１Ｃに示したように、ヒートベース１６０に配設された、排熱を放散させるヒートシンク１８３を更に有することが好ましい。排熱部１８０が空冷ファン１８１及びヒートシンク１８３の双方を有することで、ヒートシンク１８３は、温度調節機構１７０及びヒートベース１６０による走査機構１０１からの排熱を効率良く放散させ、冷却ファン１８１は、ヒートシンク１８３により放散された排熱を更に効率良く系外へと排出することが可能となる。

本実施形態に係る排熱部１８０で用いられる空冷ファン１８１は特に限定されるものではなく、任意の空冷ファン１８１を利用することが可能である。また、空冷機構以外の機構を利用したファンを用いることも可能である。

また、ヒートシンク１８３を構成する基板の素材は、ベースプレート１５０やヒートベース１６０と同様に、例えば、銅、黄銅、アルミニウム等といった熱伝導性の良い素材を用いることが好ましく、銅を用いることが特に好ましい。また、ヒートシンク１８３に用いられる各種金属材は、耐食性の観点から、熱伝導性の良い各種塗装や各種メッキ（例えば、ニッケルを含む塗装や無電解ニッケルメッキ等）が施されていても良い。

なお、空冷ファン１８１及びヒートシンク１８３の大きさは、特に限定されるものではないが、なるべく大きなサイズの空冷ファン１８１及びヒートシンク１８３を使用することが好ましい。これは、空冷ファン１８１やヒートシンク１８３は、そのサイズが大きいほど排熱能力が向上するからである。なお、サイズの比較的小さな空冷ファン１８１及びヒートシンク１８３を用いることも可能であるが、かかる排熱部１８０を有する走査ユニット１００を、顕微鏡ユニット２００と組み合わせて使用する場合には、より詳細な検討を行うことが好ましい。サイズの比較的小さな空冷ファン１８１を用いて排熱能力を大きくするためには、同一のファン径であれば回転数をより大きくすることで風量を大きくすることが求められる。一方で、ファンの回転数を大きくすると騒音や振動が増加するため、顕微鏡ユニット２００のように大きな拡大率で被走査物を観察している場合には、回転数の増加に伴う振動が大きく影響するからである。

以上、図１Ａ〜図２Ｄを参照しながら、本実施形態に係る走査ユニット１００及びかかる走査ユニット１００を有するレーザ走査型顕微鏡の構成について、詳細に説明した。

［温度調節機構の変形例］
なお、温度調節機構１７０により走査機構１０１の温度調節を行うにあたって、温度調節機構１７０のサイズに対して走査機構１０１の排熱が大きい場合も考えられる。この場合には、図３に示したように、ベースプレート１５０からヒートベース１６０へと向かう方向（すなわち、図１Ｂ及び図１ＣにおけるＺ軸方向）に沿って、複数の温度調節機構１７０を重ねて配設するようにしてもよい。

図３に示した例では、ある発熱部をベースプレート１５０上に配設するに際して、一旦、発熱部をサブベースプレート１５１上に配置し、かかるサブベースプレート１５１の下方に、第１の温度調節機構１７０ａを配設する。その上で、第１の温度調節機構１７０ａをベースプレート１５０上に配設して、ベースプレート１５０の下方に、図１Ｂ及び図１Ｃに示したように、第２の温度調節機構１７０ｂを配設すればよい。

このように、複数の温度調節機構１７０をＺ軸方向に沿って重ねることで、着目する発熱部（熱源）がより多くの熱を発する場合であっても、より効率良く排熱を行うことが可能となる。

図３に示したような複数段の温度調節機構１７０を配設する方法は、例えば図４に示したように、レーザ光源部１０３をベースプレート１５０上に配設する際に有用である。図２Ｂ〜図２Ｄに示したような半導体レーザをレーザ光源として用いる場合、特に、光増幅器１１７からの発熱や、波長変換部１１９からの発熱を管理することが、レーザ特性の経時変化を補正し安定的なレーザ発振を維持する上では重要となる。そこで、図３に示したような多段の温度調節機構１７０を採用することで、これら熱源からの発熱を効率良くベースプレート１５０→温度調節部１７０→ヒートベース１６０へと伝導させて、系外へ熱を放出することが可能となる。

なお、図３及び図４に例示したような多段の温度調節機構１７０を設ける構成は、レーザ光源部１０３のベースプレート１５０上への配設以外にも、例えば、走査部１０５や走査制御部１０７をベースプレート１５０上へ配設する際に利用可能であることは言うまでもない。

また、図１Ｂ等では、ベースプレート１５０、ヒートベース１６０及び温度調節部１７０がそれぞれ別体に構成される場合について図示しているが、図５Ａ及び図５Ｂに示したように、平板薄型ヒートパイプ（ベーパーチャンバ：Ｖａｐｏｒ Ｃｈａｍｂｅｒ）１７１を用いてベースを一体形成してもよい。かかる平板薄型ヒートパイプ１７１は、図５Ａ及び図５Ｂに示したように、複数の円筒形カラム１７３を中間に介して２つのベース基板を対向配置させたものである。

また、温度調節機構１７０としてヒートパイプを用いる場合には、例えば図６に示したように、排熱部１８０を構成する空冷ファン１８１をベースプレート１５０の側方（例えばＹ軸方向に沿った側方）に配設して、装置の小型化（特に、高さ方向の小型化）を図っても良い。

以上、図３〜図６を参照しながら、本実施形態に係る温度調節機構１７０の変形例について、簡単に説明した。

＜温度調節機構の配置方法＞
次に、図７〜図９Ｂを参照しながら、本実施形態に係る温度調節機構１７０の配置方法について説明する。図７は、本実施形態に係る温度調節機構の配置方法を説明するための説明図であり、図８は、本実施形態に係る温度調節機構の配置例の一例を模式的に示した説明図である。また、図９Ａ及び図９Ｂは、温度調節機構の配置例の他の一例を模式的に示した説明図である。

以下の説明では、図７に示したように、レーザ光源部１０３に２つの熱源（ＳＯＡ熱源及びＯＰＯ熱源）が存在し、走査部１０５にガルバノミラーに起因する熱源（ガルバノミラー熱源）が存在し、走査制御部１０７にガルバノドライバに起因する熱源（ガルバノドライバ熱源）が存在するものとする。また、各熱源の位置は、図７に示した位置であるものとする。

先だって説明したように、本実施形態に係る温度調節機構１７０は、着目する熱源の下方に配設すればよい。従って、熱源の発熱量が温度調節機構１７０の排熱能力で対応可能であれば、１つの熱源に対して１つの温度調節機構１７０を、着目する熱源の下方に配設すればよい。また、熱源の発熱量が１つの温度調節機構１７０の排熱能力では対応しきれない場合や、着目する熱源がより精密な温度管理を必要とする場合には、１つの熱源に対して複数の温度調節機構１７０を配設すればよい。

例えば図８に示したように、ＳＯＡ熱源の発熱量が大きく、また、波長変換部（ＯＰＯ）１１９がより精密な温度管理を必要としている場合を考える。この場合に、ガルバノミラー熱源及びガルバノドライバ熱源の発熱量が、それぞれ１つの温度調節機構１７０の排熱能力で対応可能である場合には、図８に示したように、ガルバノミラー熱源及びガルバノドライバ熱源それぞれの下方に、それぞれ１つの温度調節機構１７０を配設すればよい。また、より確実に熱源からの排熱を行うためには、図８に模式的に示したように、温度調節機構１７０の設置面積が熱源の面積よりも大きくなるようにすればよい。

また、レーザ光源部１０３の波長変換部（ＯＰＯ）１１９に関して、熱源の発熱量は１つの温度調節機構１７０の排熱能力で対応可能なものの、波長変換部１１９がより精密な温度管理を必要とする部品であるものとする。この場合には、図８に示したように、複数の温度調節機構１７０を、より精密な温度管理が求められる温度管理領域内に対して、均等に配置すればよい。これにより、より精密な温度管理を実現することが可能となる。

また、レーザ光源部１０３の光増幅器（ＳＯＡ）１１７のように、熱源の発熱量が大きい場合には、図８に示したように、大きな排熱量の熱源の下方に、複数の温度調節機構１７０を集中的に設ければよい。ここで、ベースプレートの温度（換言すれば、温度調節機構１７０の設定温度）は、環境雰囲気温度（例えば２５℃）の近傍とすることで、温度調節機構１７０による排熱能力を向上させることが可能である。しかしながら、光増幅器（ＳＯＡ）１１７のように、熱源の発熱量が大きい場合には、温度調節機構１７０の設定温度を環境雰囲気温度よりも低く（例えば２０℃等）設定することが好ましい。

一方、図９Ａ及び図９Ｂに示した例では、発熱量の大きな光増幅器（ＳＯＡ）１１７における温度調節機構１７０の配置位置が図８とは異なっている。ここで、図９Ａに示したように温度調節機構１７０をＳＯＡ熱源の位置とは関係なく均等に配置した場合や、図９Ｂに示したように１つの温度調節機構１７０を他の温度調節機構１７０から離隔させて熱源とは関係の無い場所に配置した場合には、ベースプレート１５０に温度勾配が生じることとなる。温度勾配は、熱源の発熱量が大きい程大きくなり、機器の筺体内の湿度状況等に応じて結露等を引き起こし、装置の不具合の原因となる可能性がある。従って、発熱量の大きな熱源に対しては、可能であれば、図９Ａ及び図９Ｂに示したような温度調節機構１７０の配置を避けることが好ましい。また、他の設計上の制約により図９Ａ又は図９Ｂに示したような温度調節機構１７０の配置を取らざるを得ない場合には、走査モジュール１００内の気密をできるだけ保つとともに、各種の乾燥材等を利用して湿度を出来る限り低くすることが好ましい。

以上、図８〜図９Ｂを参照しながら、本実施形態に係る温度調節機構１７０の配置方法について説明した。

＜走査ユニットを備えるレーザ走査型顕微鏡の具体例＞
次に、図１０〜図１２Ｂを参照しながら、以上説明したような走査ユニットを備えるレーザ走査型顕微鏡の具体例について、簡単に説明する。図１０は、本実施形態に係る走査ユニットを備えるレーザ走査型顕微鏡の一例を具体的に示した斜視図であり、図１１は、本実施形態に係る走査ユニットが有するレーザ光源部一例を具体的に示した斜視図である。図１２Ａ及び図１２Ｂは、本実施形態に係るレーザ走査型顕微鏡の光学系を模式的に示した説明図である。

図１０に示したように、レーザ走査型顕微鏡は、以上説明したような走査ユニット１００と、顕微鏡ユニット２００と、を有しており、走査ユニット１００及び顕微鏡ユニット２００は、断熱壁３００によって熱的に分離されている。

走査ユニット１００は、レーザ光源部１０３、走査部１０５及び走査制御部１０７を少なくとも有する走査機構が配設されている銅製のベースプレート１５０と、銅製のヒートベース１６０と、を有しており、ベースプレート１５０とヒートベース１６０との間には、上記の温度調節機構１７０として複数のペルチェ素子（未図示）が設けられている。これらベースプレート１５０及びヒートベース１６０は、図１０に示したような箱型形状のフレームによって保持されている。

また、ヒートベース１６０の下方には、空冷ファン１８１と銅製のヒートシンク１８３とを有する排熱部が設けられている。

ここで、レーザ光源部１０３は、図１１に示したように、波長４０５ｎｍの青色レーザ光を射出するＭＯＰＡ１１１、光増幅器１１７、波長変換部１１９及びビーム形状補正部１２１を有する半導体レーザで構成されている。熱源である半導体レーザユニット及びＳＯＡ、並びに、ＯＰＯ結晶の凡その位置は、図１１に示した通りであり、これら熱源の下方に、図９を参照しながら説明した配置方法に従って、複数の温度調節機構１７０（ペルチェ素子）が配置されている。

また、顕微鏡ユニット２００には、開閉式の蓋部によって覆われている開口部２０１が設けられており、この開口部２０１の内部に、被走査体を載置する被走査体載置部２０５や、顕微鏡を構成する各種の光学系が設置されている。

図１０に示したレーザ走査型顕微鏡の光学系の一例を、図１２Ａ及び図１２Ｂを参照しながら、簡単に説明する。図１２Ａは、図１０に示したレーザ走査型顕微鏡がレーザ走査型の共焦点顕微鏡として実現される場合の光学系を模式的に示したものであり、図１２Ｂは、図１０に示したレーザ走査型顕微鏡がレーザ走査型の蛍光顕微鏡（例えば、２光子励起蛍光顕微鏡）として実現される場合の光学系を模式的に示したものである。

図１２Ａに示したような共焦点顕微鏡の光学系では、レーザ光源部１０３から射出されたレーザ光は、ビームエクスパンダＢＥ及び励起フィルタＥＦを透過した後、ビームスプリッタＢＳを介してＸＹ−ガルバノミラー（ＸＹ−ｇａｌ）まで導光される。レーザ光は、ＸＹ−ガルバノミラーによって照射位置が走査され、リレーレンズＬやミラーＭを介して、対物レンズＯｂｊまで導光される。対物レンズＯｂｊを透過したレーザ光は、ＸＹ−ステージ上に載置された被走査物Ｓに照射される。被走査体Ｓの像は、対物レンズＯｂｊ、リレーレンズＬ、ミラーＭ、ＸＹ−ガルバノミラー及びビームスプリッタＢＳを透過した後、吸収フィルタＡＦへと導光される。吸収フィルタＡＦを透過した被走査体Ｓの像は、リレーレンズＬ及びピンホールＰＨを透過した後、ＰＭＴ等の光検出器ＰＤによって検出される。

図１２Ｂに示したような蛍光顕微鏡の光学系では、レーザ光源部１０３から射出されたレーザ光は、ビームエクスパンダＢＥ及びミラーＭを経て、ＸＹ−ガルバノミラー（ＸＹ−ｇａｌ）まで導光される。レーザ光は、ＸＹ−ガルバノミラーによって照射位置が走査され、リレーレンズＬ、ミラーＭ、励起フィルタＥＦ及びビームスプリッタＢＳを経て、対物レンズＯｂｊまで導光される。対物レンズＯｂｊを透過したレーザ光は、ＸＹ−ステージ上に載置された被走査物Ｓに照射される。励起光であるレーザ光によって生じた被走査体Ｓからの蛍光は、対物レンズＯｂｊ及びビームスプリッタＢＳを経て、吸収フィルタＡＦへと導光される。吸収フィルタＡＦを透過した被走査体Ｓからの蛍光は、リレーレンズＬを透過した後、ＰＭＴ等の光検出器ＰＤによって検出される。

以上、図１０〜図１２Ｂを参照しながら、本実施形態に係る走査ユニット１００を有するレーザ走査型顕微鏡の具体例について簡単に説明した。

なお、以上説明したようなレーザ走査型顕微鏡の具体例は、あくまでも一例であって、光学系の構成や配置・順序が異なるものや、レーザ光の波長帯域が異なるものや、温度調節機構や排熱部として同様の効果を奏する部材が用いられているもの等、各種の変形例が考えられる。

また、本実施形態に係る走査ユニット１００は、上記のようなレーザ走査型顕微鏡以外にも、レーザ光源を治療目的に利用する装置（例えば、眼科用レーザ装置等の治療用レーザ装置）や、レーザ光をＸ方向及びＹ方向に走査して拡大画像を形成する投射型画像表示装置（例えば、プロジェクタや半導体用の描画装置等）や、レーザ加工装置等、レーザ光を走査することが求められる各種の装置に応用することが可能である。

（まとめ）
以上説明したように、本開示の実施形態に係る走査ユニット１００は、レーザ光源と走査モジュールとを同一のベースプレート上に設けて熱源を一体化することで、レーザ光源や走査モジュールからの排熱を共通化する。これにより、熱源によって発生した熱の方熱面積を大きくすることが可能となり、効率の良い冷却が可能となる。また、レーザ光源と走査モジュールとを一体化することで、レーザ光源や走査モジュールの配置を、熱や振動の観点から最適化することが容易となる。その結果、空冷による温度調節によってチラーなどの補助機器が不要となるとともに、装置全体の小型化が可能となる。

また、レーザ光源と走査モジュールとを一体化することで、レーザ光の導光手段として光ファイバを用いた場合であっても、光ファイバへの結合効率の低下を防止することができ、光を有効に利用することができるとともに、メンテナンスが容易となる。

続いて、実施例を示しながら、本開示の実施形態に係る走査ユニット１００について具体的に説明する。なお、以下に示す実施例は、本開示の実施形態に係る走査ユニット１００のあくまでも一例であって、本開示の実施形態に係る走査ユニット１００が以下の実施例に限定されるものではない。

まず、走査ユニット１００に設けられる空冷ファンとヒートシンクの大きさと、風量及び排熱能力との関係について、検証した。
本検証では、６０ｍｍ四方の空冷ファン及び銅製ヒートシンクと、８０ｍｍ四方の空冷ファン及び銅製ヒートシンクと、１２０ｍｍ四方の空冷ファン及び銅製ヒートシンクと、を利用して、風量と排熱能力との関係を検証した。

得られた結果を、図１３に示した。
図１３から明らかなように、空冷ファンの大きさが大きいほど風量が大きくなり、得られる排熱能力も増加することがわかる。この結果が示すように、走査ユニット１００に排熱部１８０として設けられる空冷ファン１８１及びヒートシンク１８３の大きさは、なるべく大きなサイズとすることが好ましいことがわかる。

次に、温度調節機構１７０としてペルチェ素子を利用し、図３に示したように縦方向に温度調節機構１７０を重ねた場合における排熱能力を検証した。この場合に、発熱部（ＳＯＡ）の下部に設けられる１段目のペルチェ素子の個数は１個とし、サブベースプレートの下部に設けられる２段目のペルチェ素子の個数は３個とした。

発熱部での発熱量、各ペルチェ素子の設定条件及び排熱部の詳細は、図１４に示した通りである。

本検証では、ＳＯＡによる発熱２４．４Ｗを、１段目のペルチェ素子に投入した電力１２．５Ｗで２段目のペルチェ素子に熱輸送している。２段目のペルチェ素子では、ＳＯＡの発熱量２４．４Ｗ及び１段目のペルチェ素子への投入電力１２．５Ｗの合計３６．９Ｗを排熱することとなる。この場合、３つのペルチェ素子に対して、それぞれ５Ｗ程度の電力を投入することで、ヒートベース１６０側に熱を輸送する。本検証例では、５２００ｒｐｍの回転数の空冷ファンによって、排熱を行うことが可能であった。

本検証での総効率は、図１４の下部に示したように、発熱２４．４Ｗに対して、投入電力の合計は２８．１Ｗであり、成績係数（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ：ＣＯＰ）は、０．８７であった。

以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について詳細に説明したが、本開示の技術的範囲はかかる例に限定されない。本開示の技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。

また、本明細書に記載された効果は、あくまで説明的または例示的なものであって限定的ではない。つまり、本開示に係る技術は、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書の記載から当業者には明らかな他の効果を奏しうる。

なお、以下のような構成も本開示の技術的範囲に属する。
（１）
所定波長のレーザ光を射出するレーザ光源部と、前記レーザ光を用いて被走査体を走査する走査部と、を少なくとも有する走査機構が配設される第１のベースと、
前記第１のベースの前記走査機構が配設された面と対向する面側に位置し、前記第１のベースから熱的に分離された第２のベースと、
前記第１のベースと前記第２のベースとの間に設けられ、前記走査機構の温度を調節する温度調節機構と、
を備える、走査ユニット。
（２）
前記第２のベースの前記第１のベース側の面と対向する面側には、前記温度調節機構及び前記第２のベースによる前記走査機構からの排熱を系外へと排出する排熱部が設けられる、（１）に記載の走査ユニット。
（３）
前記排熱部は、前記排熱を系外へと排出する空冷ファンを少なくとも有する、（２）に記載の走査ユニット。
（４）
前記排熱部は、前記第２のベースに配設された、前記排熱を放散させるヒートシンクを更に有し、
前記空冷ファンは、前記ヒートシンクにより放散された前記排熱を系外へと排出する、（３）に記載の走査ユニット。
（５）
前記温度調節機構は、前記第１のベースから前記第２のベースへと向かう方向に沿って複数重ねて配設される、（１）〜（４）の何れか１つに記載の走査ユニット。
（６）
所定の断熱材からなる断熱壁を介して、前記被走査体が載置される被走査体載置ユニットに接続される、（１）〜（５）の何れか１つに記載の走査ユニット。
（７）
前記温度調節機構は、ペルチェ素子、ヒートパイプ又は熱伝導シートの少なくとも何れかである、（１）〜（６）の何れか１つに記載の走査ユニット。
（８）
前記レーザ光源部におけるレーザ光源は、半導体レーザと共振器とから構成される主発振器である、（１）〜（７）の何れか１つに記載の走査ユニット。
（９）
前記レーザ光源部におけるレーザ光源は、半導体レーザと共振器とから構成される主発振器と、当該主発振器からのレーザ光を増幅する光増幅器と、から構成される主発振器出力増幅器（Ｍａｓｔｅｒ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＭＯＰＡ）である、（１）〜（７）の何れか１つに記載の走査ユニット。
（１０）
前記レーザ光源部におけるレーザ光源は、半導体レーザと共振器とから構成される主発振器と、当該主発振器からのレーザ光を増幅する光増幅器と、増幅された前記レーザ光の波長を変換する波長変換部と、を有する光源である、（１）〜（７）の何れか１つに記載の走査ユニット。
（１１）
所定波長のレーザ光を射出するレーザ光源部、及び、前記レーザ光を用いて被走査体を走査する走査部を少なくとも有する走査機構が配設される第１のベースと、前記第１のベースの前記走査機構が配設された面と対向する面側に位置し、前記第１のベースから熱的に分離された第２のベースと、前記第１のベースと前記第２のベースとの間に設けられ、前記走査機構の温度を調節する温度調節機構と、を有する走査ユニットと、
前記走査ユニットからの前記レーザ光を所定位置に載置された前記被走査体に集光させる集光光学系を少なくとも有し、前記走査ユニットとは熱的に分離された顕微鏡ユニットと、
を備える、レーザ走査型顕微鏡。
（１２）
所定波長のレーザ光を射出するレーザ光源部と、前記レーザ光を用いて被走査体を走査する走査部と、を少なくとも有する走査機構を第１のベースに配設するとともに、前記第１のベースの前記走査機構が配設された面と対向する面側に、前記第１のベースから熱的に分離された第２のベースを設けることと、
前記第１のベースと前記第２のベースとの間に設けた温度調節機構により、前記走査機構の温度を調節することと、
を含む、温度調節方法。

１００ 走査ユニット
１０１ 走査機構
１０３ レーザ光源部
１０５ 走査部
１０７ 走査制御部
１１１ 主発振器
１１３ 半導体レーザユニット
１１５ 共振器部
１１７ 光増幅部
１１９ 波長変換部
１２１ ビーム形状補正部
１５０ ベースプレート（第１のベース）
１５１ サブベースプレート
１６０ ヒートベース（第２のベース）
１７０ 温度調節機構
１７１ ヒートパイプ
１７３ 円筒形カラム
１８０ 排熱部
１８１ 空冷ファン
１８３ ヒートシンク
２００ 顕微鏡ユニット
３００ 断熱壁

Claims (11)

1. 所定波長のレーザ光を射出するレーザ光源部と、前記レーザ光を用いて被走査体を走査する走査部と、を少なくとも有する走査機構が配設される第１のベースと、
   前記第１のベースの前記走査機構が配設された面と対向する面側に位置し、前記第１のベースから熱的に分離された第２のベースと、
   前記第１のベースと前記第２のベースとの間に設けられ、前記走査機構の温度を調節する温度調節機構と、
   を備え、
   所定の断熱材からなる断熱壁を介して、前記被走査体が載置される被走査体載置ユニットに接続される、走査ユニット。
2. 前記第２のベースの前記第１のベース側の面と対向する面側には、前記温度調節機構及び前記第２のベースによる前記走査機構からの排熱を系外へと排出する排熱部が設けられる、請求項１に記載の走査ユニット。
3. 前記排熱部は、前記排熱を系外へと排出する空冷ファンを少なくとも有する、請求項２に記載の走査ユニット。
4. 前記排熱部は、前記第２のベースに配設された、前記排熱を放散させるヒートシンクを更に有し、
   前記空冷ファンは、前記ヒートシンクにより放散された前記排熱を系外へと排出する、請求項３に記載の走査ユニット。
5. 前記温度調節機構は、前記第１のベースから前記第２のベースへと向かう方向に沿って複数重ねて配設される、請求項１〜４の何れか１項に記載の走査ユニット。
6. 前記温度調節機構は、ペルチェ素子、ヒートパイプ又は熱伝導シートの少なくとも何れかである、請求項１〜５の何れか１項に記載の走査ユニット。
7. 前記レーザ光源部におけるレーザ光源は、半導体レーザと共振器とから構成される主発振器である、請求項１〜６の何れか１項に記載の走査ユニット。
8. 前記レーザ光源部におけるレーザ光源は、半導体レーザと共振器とから構成される主発振器と、当該主発振器からのレーザ光を増幅する光増幅器と、から構成される主発振器出力増幅器（Ｍａｓｔｅｒ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＭＯＰＡ）である、請求項１〜６の何れか１項に記載の走査ユニット。
9. 前記レーザ光源部におけるレーザ光源は、半導体レーザと共振器とから構成される主発振器と、当該主発振器からのレーザ光を増幅する光増幅器と、増幅された前記レーザ光の波長を変換する波長変換部と、を有する光源である、請求項１〜６の何れか１項に記載の走査ユニット。
10. 所定波長のレーザ光を射出するレーザ光源部、及び、前記レーザ光を用いて被走査体を走査する走査部を少なくとも有する走査機構が配設される第１のベースと、前記第１のベースの前記走査機構が配設された面と対向する面側に位置し、前記第１のベースから熱的に分離された第２のベースと、前記第１のベースと前記第２のベースとの間に設けられ、前記走査機構の温度を調節する温度調節機構と、を有する走査ユニットと、
    前記走査ユニットからの前記レーザ光を所定位置に載置された前記被走査体に集光させる集光光学系を少なくとも有し、前記走査ユニットとは熱的に分離された顕微鏡ユニットと、
    を備える、レーザ走査型顕微鏡。
11. 所定波長のレーザ光を射出するレーザ光源部と、前記レーザ光を用いて被走査体を走査する走査部と、を少なくとも有する走査機構を第１のベースに配設し、前記第１のベースの前記走査機構が配設された面と対向する面側に、前記第１のベースから熱的に分離された第２のベースを設け、前記第１のベースと前記第２のベースとの間に、温度調節機構を設けて走査ユニットとすることと、
    前記被走査体が載置される被走査体載置ユニットと、前記走査ユニットとを、所定の断熱材からなる断熱壁を介して接続することと、
    前記温度調節機構により、前記走査機構の温度を調節することと、
    を含む、温度調節方法。

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