JP5316883B2

JP5316883B2 - 走査型顕微鏡

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Description

本発明は、走査型顕微鏡に関し、特に、ポリゴンミラーを用いた走査型顕微鏡に関する。

従来、ガルバノミラーの表の面を用いて、試料の所定の観察面において、一方向に長いライン状の光（以下、ライン光と称する）を、その長手方向と垂直な方向にスキャンし、試料から発せられた観察光を、ガルバノミラーの表の面でデスキャンし、スリットを通過させた後、ガルバノミラーの裏の面を用いて、2次元のCCD（Charge Coupled Device）イメージセンサの受光面においてスキャンし、試料の像を撮影する共焦点顕微鏡が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。

藤田晢也監修，河田聡編集、「新しい光学顕微鏡第１巻レーザ顕微鏡の理論と実際」、学際企画、1995年3月、p.62-63

ここで、非特許文献１に記載されている共焦点顕微鏡において、ガルバノミラーの代わりにポリゴンミラーを用いた場合について考えてみる。

ポリゴンミラーは、製造誤差などにより、必ずしも全ての面が回転軸に対して平行になっているとは限らず、回転軸に対して平行でない、いわゆる面倒れが発生した面が存在し、各面の光の反射方向が一致しない場合がある。

図１３は、回転軸に対する傾きが異なるポリゴンミラーのｎ面とｎ＋１面を用いて、CCDイメージセンサの受光面において観察光をスキャンした場合の試料の結像位置の例を示している。この場合、ｎ面を用いたときとｎ＋１面を用いたときとでは、観察光の反射方向が異なるため、ｎ面を用いた場合の試料の結像位置Ｐａと、ｎ＋１面を用いた場合の試料の結像位置Ｐｂとの間にズレが生じ、その結果、画像のズレが生じ、画質が低下する。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、ポリゴンミラーを用いた走査型顕微鏡において、より高画質の画像を得ることができるようにするものである。

本発明の一側面の走査型顕微鏡は、対物レンズと、試料に照射する一方向に長い照明光を、前記対物レンズの焦点面において前記照明光の長手方向と垂直な方向にスキャンするポリゴンミラーと、前記試料から発せられた観察光を、前記対物レンズの焦点面と共役な位置に、一方向に長いライン光として集光させる集光レンズと、前記対物レンズの焦点面と共役な位置に、長手方向が前記観察光の長手方向と一致するように配置されたスリットとを少なくとも備え、前記観察光を、前記ポリゴンミラーの前記照明光のスキャンに用いた面を用いてデスキャンし、前記集光レンズにより集光し、前記スリットを通過させた後、前記ポリゴンミラーの前記照明光のスキャンに用いた面を用いて、２次元の撮像手段の受光面において前記観察光の長手方向と垂直な方向にスキャンするとともに、前記観察光をデスキャンするときに前記ポリゴンミラーの面により前記観察光が反射される角度のうち前記ポリゴンミラーの回転軸に垂直な面に対する角度と、前記観察光をスキャンするときに前記ポリゴンミラーの面に前記観察光が入射する角度のうち前記ポリゴンミラーの回転軸に垂直な面に対する角度が等しく、前記観察光をデスキャンするときの前記ポリゴンミラーの面における像と、前記観察光をスキャンするときの前記ポリゴンミラーの面における像の大きさが等しい。

本発明の一側面においては、照明光が、対物レンズの焦点面において、その長手方向と垂直な方向にスキャンされ、試料から発せされる観察光が、デスキャンされ、スリットを通過した後、撮像手段の受光面において、その長手方向と垂直な方向にスキャンされる。

本発明の一側面によれば、ポリゴンミラーを用いて、試料の像を撮像手段の受光面においてライン単位でスキャンすることができる。特に、本発明の一側面によれば、ポリゴンミラーを用いた走査型顕微鏡において、より高画質の画像を得ることができる。

本発明を適用した走査型顕微鏡の第１の実施の形態を示す模式図である。図１の走査型顕微鏡における理想的な光の振る舞いを示す模式図である。図１の走査型顕微鏡における理想的な光の振る舞いを示す模式図である。ポリゴンミラーに面倒れが発生していない場合の、試料におけるレーザ光のスキャン領域と撮影領域の例を示す図である。図１の走査型顕微鏡においてポリゴンミラーに面倒れが発生している場合の光の振る舞いを示す模式図である。ポリゴンミラーに面倒れが発生している場合の、試料におけるレーザ光のスキャン領域と撮影領域の例を示す図である。ポリゴンミラーに面倒れが発生していても、結像位置のズレが発生しない例を説明するための図である。ポリゴンミラーに面倒れが発生している場合に、結像位置のズレが発生する例を説明するための図である。ポリゴンミラーに面倒れが発生していても、結像位置のズレが発生しない他の例を説明するための図である。本発明を適用した走査型顕微鏡の第２の実施の形態を示す模式図である。図１１の走査型顕微鏡の光路を説明するための図である。ポリゴンミラーに面倒れが発生していても、結像位置のズレが発生しない例を説明するための図である。ポリゴンミラーの面倒れにより発生する画像のズレを説明するための図である。

以下、図を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

まず、図１乃至図９を参照して、本発明の第１の実施の形態について説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態である走査型顕微鏡１の光学系の構成を模式的に示す図である。また、図２および図３は、走査型顕微鏡１における理想的な光の振る舞いを模式的に示した図である。なお、図２は、走査型顕微鏡１を横（ポリゴンミラー１５の反射面の方向）から見た場合の光の振る舞いを示し、図３は、走査型顕微鏡１を上（ポリゴンミラー１５の回転軸Ａ１の方向）から見た場合の光の振る舞いを示している。

なお、図２および図３では、各光学部品を光が通過する順に左から右に並べるともに、２段に分けて図示している。すなわち、図２および図３は、光が、上段の左端から右端まで右方向に進んだ後、下段の左端から右端まで右方向に進むように図示されている。なお、図２および図３とも、図を分かりやすくするために、上段の右端および下段の左端に、対物レンズ１８の焦点面Ｆと対物レンズ１８を重複して図示している。また、図２および図３において、ダイクロイックミラー１３、スリット１９、ミラー２０、ミラー２１、および、ミラー２３の図示を省略している。また、図２および図３では、図を分かりやすくするために、試料２の中心部分をポリゴンミラー１５で走査している場合の図を示している。

走査型顕微鏡１のレーザ光源１１から射出されたレーザ光は、図示せぬビームエキスパンダなどによりコリメート光となり、シリンドリカルレンズ１２により、ポリゴンミラー１５の回転方向（以下、横方向とも称する）についてのみ集光され、位置ｘ１において、長手方向がポリゴンミラー１５の回転方向と垂直な（回転軸Ａ１と平行な）ライン状のビーム、すなわち、縦方向に長いライン光Ｌａ１となる。

なお、ライン光を形成する方法は、上述した例に限定されるものではなく、例えば、ビームジェネレータによりレーザ光を広げた後、レンズで集光して、ライン光を形成するようにしてもよい。

そして、レーザ光は、ダイクロイックミラー１３を透過し、集光レンズ１４により、ポリゴンミラー１５の面１５Ａにおいて、横方向のライン光Ｌａ２として集光される。ポリゴンミラー１５に入射したレーザ光は、瞳投影レンズ１６の方向に反射され、瞳投影レンズ１６により、位置ｘ１と光学的に共役な位置ｘ２において、ライン光Ｌａ１と同様の縦方向のライン光Ｌａ３として集光される。さらに、レーザ光は、集光レンズ１７により、ポリゴンミラー１５の面１５Ａと光学的に共役な対物レンズ１８の瞳Ｐにおいて、ライン光Ｌａ２と同様の横方向のライン光Ｌａ４として集光される。

その後、レーザ光は、対物レンズ１８を透過すると、位置ｘ１および位置ｘ２と光学的に共役な対物レンズ１８の焦点面Ｆで、ライン光Ｌａ１およびライン光Ｌａ３と同様の縦方向のライン光Ｌａ５となる。これにより、対物レンズ１８の焦点面Ｆに位置する試料２の観察面に縦方向のライン光Ｌａ５が照射される。また、ポリゴンミラー１５が、回転軸Ａ１を中心に矢印Ｂ１の方向に回転することにより、図４に示されるように、試料２の観察面において、ライン光Ｌａ５が、その長手方向と垂直な矢印Ｂ２の方向にスキャンされる。

なお、図４において、実線で囲まれている矩形の領域Ｒｐは、CCDイメージセンサ２５により撮影される範囲を示しており、ライン光Ｌａ５の長手方向は、領域Ｒｐの縦方向（ライン光Ｌａ５の長手方向に対応する方向）より長くなるように設定されている。従って、ライン光Ｌａ５がスキャンされる領域Ｒｉ１は、領域Ｒｐを含み、少なくとも領域Ｒｐより縦方向が大きい領域となる。

そして、試料２のライン光Ｌａ５が照射された部分からは蛍光が発現し、この蛍光を含む観察光が、対物レンズ１８により集められる。ここで、試料２のライン光Ｌａ５が照射された部分からは、観察光が等方的に射出され、その観察光が対物レンズ１８により集められるため、観察光は、対物レンズ１８の瞳Ｐにおいて、ほぼ円形のビーム（以下、円形ビームと称する）Ｌｂ１となる。

なお、図２では、説明を分かりやすくするために、試料２から発せられる観察光のうち、光軸が対物レンズ１８の光軸と平行で、かつ、CCDイメージセンサ２５により撮影される範囲に含まれる光であり、かつ、走査方向に垂直な方向（ライン方向）のNAを省略してあある光を図示している。また、図３では、説明を分かりやすくするために、試料２から発せられる観察光のうち、CCDイメージセンサ２５により撮影される範囲に含まれる光のみを図示している。

対物レンズ１８により集められた観察光は、集光レンズ１７により、対物レンズ１８の焦点面Ｆと光学的に共役な位置ｘ２において、縦方向のライン光Ｌｂ２として集光される。そして、観察光は、瞳投影レンズ１６を透過し、ポリゴンミラー１５のレーザ光をスキャンした面１５Ａにおいて、円形ビームＬｂ１と同様の円形ビームＬｂ３となる。ポリゴンミラー１５に入射した観察光は、集光レンズ１４の方向に反射されるとともに、ポリゴンミラー１５によりデスキャンされ、非スキャン光となる。

その後、観察光は、集光レンズ１４を透過し、ダイクロイックミラー１３により、試料２から発現される蛍光の波長成分を含む所定の波長成分の光のみがスリット１９の方向に反射され、他の波長成分の光は、ダイクロイックミラー１３を透過する。

集光レンズ１４を透過し、ダイクロイックミラー１３により反射された観察光は、集光レンズ１４により、対物レンズ１８の焦点面Ｆと光学的に共役な位置ｘ３において、縦方向のライン光Ｌｂ４として集光される。また、位置ｘ３には、長手方向がライン光Ｌｂ４の長手方向と一致するようにスリット１９が配置されており、対物レンズ１８の焦点面Ｆから発せられた観察光のみが、スリット１９を通過する。スリット１９を通過した観察光は、ミラー２０およびミラー２１により集光レンズ２２の方向に反射され、集光レンズ２２を透過し、ポリゴンミラー１５の面１５Ａにおいて、円形ビームＬｂ３と同様の円形ビームＬｂ５となる。なお、円形ビームＬｂ５は、円形ビームＬｂ３が面１５Ａに入射した位置のほぼ真上に入射する。

ポリゴンミラー１５の面１５Ａに再入射した観察光は、ミラー２３の方向に反射され、ミラー２３により集光レンズ２４の方向に反射され、集光レンズ２４により、位置ｘ３（スリット１９）と光学的に共役な位置ｘ４に配置されている２次元のCCDイメージセンサ２５の受光面において、ライン光Ｌｂ４と同様の縦方向のライン光Ｌｂ６として集光される。また、ポリゴンミラー１５が矢印Ｂ１の方向に回転することにより、CCDイメージセンサ２５の受光面において、ライン光Ｌｂ６が、その長手方向と垂直な方向にスキャンされる。これにより、試料２の観察面（対物レンズ１８の焦点面Ｆ）の２次元の像が、CCDイメージセンサ２５の受光面において結像し、撮影される。

そして、ポリゴンミラー１５が矢印Ｂ１の方向に回転することにより、レーザ光のスキャン、並びに、観察光のデスキャンおよびスキャンに用いられる反射面（以下、使用面と称する）が、面１５Ｂ、面１５Ｃ、面１５Ｄ、面１５Ｅ、面１５Ｆ、面１５Ａ・・・の順に切り替わりながら、各面ごとに、上述したようにして、試料２の２次元の像が撮影される。

なお、図２および図３は、ポリゴンミラー１５の反射面が回転軸Ａ１に対して平行であり、面倒れが発生していない場合の光の振る舞いを示している。そして、ポリゴンミラー１５の各面に面倒れが発生していない場合、例えば、図４に示される試料２内の細胞４１が静止していれば、どの面を使用しても、細胞４１の像はCCDイメージセンサ２５の同じ位置に結像され、上述した図１３に示されるような、フレーム間での画像のズレは発生しない。

ここで、図５乃至図８を参照して、ポリゴンミラー１５に面倒れが発生している場合について考える。

図５は、ポリゴンミラー１５の面１５Ａに下向き（面１５Ａの上端が回転軸Ａ１から遠くなり、下端が回転軸Ａ１に近くなる方向）の面倒れが発生している場合に、面１５Ａを使用したときの光の振る舞いを、図２と同じように示した図である。

レーザ光源１１から射出されたレーザ光は、ポリゴンミラー１５の面１５Ａに入射するまでは図２と同様の光路を進むが、面１５Ａに下向きの面倒れが発生しているため、面１５Ａにより、図２と比較して下向きに反射される。従って、位置ｘ２において形成されるライン光Ｌａ３の位置は、図２と比較して図中下方向にずれ、対物レンズ１８の焦点面Ｆにおいて形成されるライン光Ｌａ５の位置は、図２と比較して図中上方向にずれる。

このとき、図４を参照して上述したように、ライン光Ｌａ５の長手方向は、CCDイメージセンサ２５により撮影される領域Ｒｐの縦方向より長く設定されている。従って、図６に示されるように、ライン光Ｌａ５の照射位置が、図４に示される理想の位置より上方向にずれても、ライン光Ｌａ５がスキャンされる領域Ｒｉ２に、領域Ｒｐが含まれるようになり、領域Ｒｐの全ての範囲にレーザ光を照射することができる。

なお、ライン光Ｌａ５の長手方向の長さは、例えば、ポリゴンミラー１５の上向きおよび下向きの面倒れが想定される最大値になったときに、対物レンズ１８の焦点面Ｆにおいてライン光Ｌａ５がスキャンされる領域が、領域Ｒｐを含むように設定すればよい。

そして、試料２から発せられた観察光は、ポリゴンミラー１５の面１５Ａに最初に入射するまでは図２と同様の光路を進むが、面１５Ａに下向きの面倒れが発生しているため、面１５Ａにより、図２と比較して下向きに反射される。従って、位置ｘ３において形成されるライン光Ｌｂ４の位置は、図２と比較して図中下方向にずれる。しかし、集光レンズ２２を透過し、再度ポリゴンミラー１５の面１５Ａにより反射されることにより、観察光は、図２と同様の光路に戻る。これについて、図７を参照して詳細に説明する。

図７は、図５の下段のポリゴンミラー１５により反射され、集光レンズ１４および集光レンズ２２を透過し、ポリゴンミラー１５に再入射するまでの観察光の光路を、より具体的に示した図である。

上述したように、観察光は、面倒れが発生しているポリゴンミラー１５の面１５Ａに入射し、集光レンズ１４の方向に反射され、デスキャンされる。このときの観察光の光軸の面１５Ａに対する反射角の垂直方向（回転軸Ａ１方向）の角度をθ１とする。すなわち、角度θ１は、観察光の光軸の面１５Ａに対する反射角を、走査型顕微鏡１を横から見た場合の角度である。より厳密に言えば、角度θ１は、回転軸Ａ１を通り面１５Ａに垂直な平面α（不図示）に観察光の光軸を正射影した直線ａ（不図示）と、平面α上の面１５Ａに垂直な直線ｂ（不図示）との間の角度である。

ポリゴンミラー１５により反射された観察光は、集光レンズ１４を透過し、ダイクロイックミラー１３により、所定の波長成分の光のみがスリット１９の方向に反射される。ダイクロイックミラー１３により反射された観察光は、スリット１９を通過し、ミラー２０によりミラー２１の方向に反射され、ミラー２１により集光レンズ２２の方向に反射される。そして、観察光は、集光レンズ２２を透過し、ポリゴンミラー１５の面１５Ａに再入射し、面１５Ａによりスキャンされる。

このとき、再入射する観察光の光軸の面１５Ａに対する反射角の垂直方向の角度をθ２とすると、角度θ２が角度θ１と等しくなるように、光学系が設計されている。すなわち、観察光をデスキャンするときに面１５Ａにより観察光が反射される角度のうち回転軸Ａ１に垂直な面に対する角度と、観察光をスキャンするときに面１５Ａに観察光が入射する角度のうち回転軸Ａ１に垂直な面に対する角度が等しくなるように、光学系が設計されている。また、観察光が面１５Ａに最初に入射するとき（観察光をデスキャンするとき）と、観察光が面１５Ａに再入射するとき（観察光をスキャンするとき）とで、観察光により面１５Ａにおいて形成される像の大きさがほぼ同じになるように、光学系が設計されている。すなわち、図７に示される光学系の光学倍率の絶対値がほぼ１倍に設定されている。

従って、面１５Ａに再入射した観察光は、面１５Ａにおいて、面倒れが発生していない場合と同じ方向に反射される。これにより、面１５Ａの面倒れの程度の違いに関わらず、CCDイメージセンサ２５の受光面におけるライン光Ｌｂ６の結像位置は、面倒れが発生していない場合と同じになる。従って、走査型顕微鏡１では、ポリゴンミラー１５の各面の面倒れの有無および大きさの違いに関わらず、CCDイメージセンサ２５の受光面における観察光の結像位置がほぼ同じになり、フレーム間での画像のズレの発生が防止される。

なお、ポリゴンミラー１５の面倒れにより、ライン光Ｌｂ４のスリット１９への入射位置は、スリット１９の長手方向にずれる。従って、ポリゴンミラーに面倒れが発生していても、スリット１９によりライン光Ｌｂ４の上端または下端が遮断され、CCDイメージセンサ２５の受光面において結像する像の上または下が切れてしまわないように、スリット１９の長手方向の長さｙを設定することが望ましい。より具体的には、スリット１９の長手方向の長さｙは、ポリゴンミラー１５の上向きおよび下向きの面倒れが想定される最大値になった場合でも、スリット１９を通過した後のCCDイメージセンサ２５の受光面におけるライン光Ｌｂ６の長手方向が、受光面の縦方向（スリット１９の長手方向に対応する方向）を含むように設定することが望ましい。

また、CCDイメージセンサ２５の受光面の縦方向の長さをｘ、スリット１９からCCDイメージセンサ２５までの光学倍率をβとした場合、スリット１９の長手方向の長さｙは、少なくともｘ÷｜β｜より大きい値に設定する（y×｜β｜＞xに設定する）必要がある。

なお、観察光がポリゴンミラー１５により反射されてから、ポリゴンミラー１５に再入射するまでの反射回数によっては、CCDイメージセンサ２５における観察光の結像位置のズレを解消できない場合がある。これについて、図８を参照して説明する。

図８は、観察光が、ポリゴンミラー１５により反射されてから、ポリゴンミラー１５に再入射するまでの光学系の一例を示している。図８の光学系は、図７の光学系と比較して、ミラー２０およびミラー２１の代わりに、ミラー５１が設けられている点が異なる。

ポリゴンミラー１５により反射されてからスリット１９を通過するまでの観察光の光路は、図７の場合と同様である。その後、観察光は、ミラー５１により集光レンズ２２の方向に反射され、集光レンズ２２を透過し、ポリゴンミラー１５の面１５Ａに再入射する。

このとき、再入射する観察光の光軸の面１５Ａに対する反射角の垂直方向の角度をθ３とすると、角度θ３は角度θ１と異なる値となる。従って、面１５Ａに再入射した観察光は、面１５Ａにおいて、面倒れが発生していない場合と異なる方向に反射され、CCDイメージセンサ２５の受光面における観察光の結像位置のズレが生じてしまう。

これを防ぐためには、観察光がポリゴンミラー１５により反射されてからポリゴンミラー１５に再入射するまでの光路において、対物レンズ１８の焦点面Ｆ（あるいは、CCDイメージセンサ２５の受光面）と光学的に共役な位置が１カ所である場合、観察光を反射する回数を奇数回に設定するようにすればよい。なお、走査型顕微鏡１では、観察光がポリゴンミラー１５により反射されてからポリゴンミラー１５に再入射するまでの光路において、対物レンズ１８の焦点面Ｆと光学的に共役な位置が位置ｘ３（スリット１９）の１カ所であり、観察光を反射する回数が３回に設定されている。

一方、観察光がポリゴンミラー１５により反射されてからポリゴンミラー１５に再入射するまでの光路において、対物レンズ１８の焦点面Ｆ（あるいは、CCDイメージセンサ２５の受光面）と光学的に共役な位置が２カ所である場合、観察光を反射する回数を偶数回に設定するようにすればよい。

図９は、観察光がポリゴンミラー１５により反射されてからポリゴンミラー１５に再入射するまでの光路において、対物レンズ１８の焦点面Ｆと光学的に共役な位置が２カ所である場合の光学系の構成の例を示している。図９の光学系は、図７の光学系と比較して、ミラー２０およびミラー２１の代わりに、集光レンズ６２、ミラー６３、ミラー６４、および、集光レンズ６５が設けられている。

観察光は、面倒れが発生しているポリゴンミラー１５の面１５Ａに入射し、集光レンズ１４の方向に反射される。ポリゴンミラー１５により反射された観察光は、集光レンズ１４により、対物レンズ１８の焦点面Ｆと光学的に共役な位置において、縦方向のライン光Ｌｂ１１として集光され、そこに配置されているスリット６１を通過する。スリット６１を通過した観察光は、集光レンズ６２を透過し、ミラー６３およびミラー６４により、集光レンズ６５の方向に反射され、集光レンズ６５により、対物レンズ１８の焦点面Ｆと光学的に共役な位置において、ライン光Ｌｂ１１と同様のライン光Ｌｂ１２として集光される。そして、観察光は、集光レンズ２２を透過し、ポリゴンミラー１５の面１５Ａに再入射する。

このとき、再入射する観察光の光軸の面１５Ａに対する反射角の垂直方向の角度をθ３とすると、角度θ３が角度θ１と等しくなるように、光学系が設計されている。また、観察光が面１５Ａに最初に入射するとき（観察光をデスキャンするとき）と、観察光が面１５Ａに再入射するとき（観察光をスキャンするとき）とで、観察光により面１５Ａにおいて形成される像の大きさがほぼ同じになるように、光学系が設計されている。

従って、図７の光学系と同様に、面１５Ａに再入射した観察光は、面１５Ａにおいて、面倒れが発生していない場合と同じ方向に反射され、面倒れの程度の違いに関わらず、CCDイメージセンサ２５の受光面におけるライン光Ｌｂ６の結像位置は、面倒れが発生していない場合と同じになる。

なお、この例では、観察光がポリゴンミラー１５により反射されてからポリゴンミラー１５に再入射するまでの光路において、対物レンズ１８の焦点面Ｆと光学的に共役な位置が２カ所であり、観察光を反射する回数が２回に設定されている。

以上について、より一般的に言えば、走査型顕微鏡１のように、観察光がポリゴンミラー１５によりデスキャンされてからスキャンされるまでの間において、観察光がポリゴンミラー１５の回転軸Ａ１にほぼ平行な面に沿って進む場合、対物レンズ１８の焦点面Ｆと光学的に共役な位置の数が奇数であるとき、観察光を反射する回数を奇数回に設定し、対物レンズ１８の焦点面Ｆと光学的に共役な位置の数が偶数であるとき、観察光を反射する回数を偶数回に設定すればよい。

次に、図１０乃至図１２を参照して、本発明の第２の実施の形態について説明する。

図１０は、本発明の第２の実施の形態である走査型顕微鏡１０１の光学系の構成を模式的に示す図である。なお、図中、図１と対応する部分には、同じ符合を付してある。

走査型顕微鏡１０１は、図１の走査型顕微鏡１と比較して、ポリゴンミラー１５、スリット１９、ミラー２０、ミラー２１、および、集光レンズ２２の代わりに、ポリゴンミラー１１１、スリット１１２、ミラー１１３、および、集光レンズ１１４が設けられている点が異なる。

レーザ光源１１からレーザ光が射出されてから、観察光がポリゴンミラー１１１に入射し、デスキャンされるまでの光の振る舞いは、上述した走査型顕微鏡１と同様であり、その説明は繰り返しになるので省略する。

ここで、図１１をさらに参照して、観察光がポリゴンミラー１１１に最初に入射してから、CCDイメージセンサ２５により撮影されるまでの光路について説明する。なお、図１１は、走査型顕微鏡１０１を上から見た場合の瞳投影レンズ１６からCCDイメージセンサ２５までの光路を模式的に示している。

瞳投影レンズ１６を透過した観察光は、ポリゴンミラー１１１のレーザ光をスキャンした面と同じ面１１１Ａに入射し、集光レンズ１４の方向に反射されるとともに、ポリゴンミラー１１１によりデスキャンされ、非スキャン光となる。

その後、観察光は、集光レンズ１４により集光され、ダイクロイックミラー１３により、所定の波長成分の光のみがスリット１１２の方向に反射され、他の波長成分の光は、ダイクロイックミラー１３を透過する。

集光レンズ１４を透過し、ダイクロイックミラー１３により反射された観察光は、集光レンズ１４により、対物レンズ１８の焦点面Ｆと光学的に共役な位置ｘ１１（図１２）において、縦方向のライン光Ｌｂ２１（図１２）として集光される。また、位置ｘ１１には、長手方向がライン光Ｌｂ２１の長手方向と一致するようにスリット１１２が配置されており、対物レンズ１８の焦点面Ｆから発せられた観察光のみが、スリット１１２を通過する。スリット１１２を通過した観察光は、ミラー１１３により集光レンズ１１４の方向に反射され、集光レンズ１１４を透過し、ポリゴンミラー１１１の面１１１Ａにおいて、観察光が面１１１Ａに最初に入射したときに形成された円形ビームＬｂ３と同様の円形ビームＬｂ２２となる。

ポリゴンミラー１１１の面１１１Ａに再入射した観察光は、ミラー２３の方向に反射され、ミラー２３により集光レンズ２４の方向に反射され、集光レンズ２４により、位置ｘ１１（スリット１１２）と光学的に共役な位置に配置されている２次元のCCDイメージセンサ２５の受光面において、ライン光Ｌｂ２１と同様の縦方向のライン光Ｌｂ２３として集光される。また、ポリゴンミラー１１１が回転軸Ａ１１を中心に矢印Ｂ１１の方向に回転することにより、CCDイメージセンサ２５の受光面において、ライン光Ｌｂ２１が、その長手方向と垂直な方向にスキャンされる。これにより、試料２の観察面（対物レンズ１８の焦点面Ｆ）の２次元の像が、CCDイメージセンサ２５の受光面において結像し、撮影される。

なお、集光レンズ１４と集光レンズ１１４とは、光軸の位置が同じ高さになるように設置されており、ダイクロイックミラー１３およびミラー１１３は、その反射面が、ポリゴンミラー１１１の回転軸Ａ１１に対して平行になるように配置されている。従って、ポリゴンミラー１１１の面１１１Ａに面倒れが発生していない場合、観察光は、ポリゴンミラー１１１の面１１１Ａにより反射されてから面１１１Ａに入射するまで、ほぼ水平方向に進み、円形ビームＬｂ３と円形ビームＬｂ２２とは、その中心がほぼ一致するように面１１１Ａに形成される。

ここで、さらに図１２を参照して、面１１１Ａに面倒れが発生している場合について考える。図１２は、ポリゴンミラー１１１の面１１１Ａに面倒れが発生している場合に、走査型顕微鏡１０１を横から見たときの、観察光が面１１１Ａにより反射されてから再入射するまでの光の振る舞いを示している。なお、図１２では、各光学部品を観察光が通過する順に左から右に並べて図示している。また、図１２では、ダイクロイックミラー１３、スリット１１２、および、ミラー１１３の図示を省略している。

上述したように、観察光は、面倒れが発生しているポリゴンミラー１１１の面１１１Ａに入射し、集光レンズ１４の方向に反射され、デスキャンされる。このときの観察光の光軸の面１１１Ａに対する反射角の垂直方向の角度をθ１１とする。

ポリゴンミラー１１１により反射された観察光は、集光レンズ１４を透過し、ダイクロイックミラー１３により、所定の波長成分の光のみがスリット１１２の方向に反射される。ダイクロイックミラー１３により反射された観察光は、スリット１１２を通過し、ミラー１１３の方向に反射され、ミラー１１３により集光レンズ１１４の方向に反射される。そして、観察光は、集光レンズ１１４を透過し、ポリゴンミラー１１１の面１１１Ａに再入射し、面１１１Ａによりスキャンされる。

このとき、再入射する観察光の光軸の面１１１Ａに対する反射角の垂直方向の角度をθ１２とすると、角度θ１２が角度θ１１と等しくなるように、光学系が設計されている。また、観察光が面１１１Ａに最初に入射するとき（観察光をデスキャンするとき）と、観察光が面１１１Ａに再入射するとき（観察光をスキャンするとき）とで、観察光により面１１１Ａにおいて形成される像の大きさがほぼ同じになるように、光学系が設計されている。すなわち、図１２に示される光学系の光学倍率の絶対値がほぼ１倍に設定されている。

従って、走査型顕微鏡１０１では、走査型顕微鏡１と同様に、ポリゴンミラー１１１の各面の面倒れの有無および大きさの違いに関わらず、CCDイメージセンサ２５の受光面における観察光の結像位置はほぼ同じになり、フレーム間での画像のズレの発生が防止される。

なお、走査型顕微鏡１と異なり、走査型顕微鏡１０１のように、観察光がポリゴンミラー１１１によりデスキャンされてからスキャンされるまでの間において、観察光がポリゴンミラー１１１の回転軸Ａ１１にほぼ垂直な面に沿って進む場合、対物レンズ１８の焦点面Ｆと光学的に共役な位置の数が奇数であるとき、観察光を反射する回数を偶数回に設定し、対物レンズ１８の焦点面Ｆと光学的に共役な位置の数が偶数であるとき、観察光を反射する回数を奇数回に設定すればよい。

なお、走査型顕微鏡１０１では、観察光がポリゴンミラー１１１によりデスキャンされてからスキャンされるまでの間に、対物レンズ１８の焦点面Ｆと光学的に共役な位置が１カ所であり、観察光を反射する回数が２回に設定されている。

また、スリット１１２の長手方向の長さは、上述した走査型顕微鏡１のスリット１９と同様の方法で設定するようにすればよい。

さらに、図１１の角度αは、例えば、１５度に設定され、角度βは、例えば、６０度に設定される。

また、本発明の実施の形態において、観察光がポリゴンミラーによりデスキャンされてからスキャンされるまでの間に、ポリゴンミラーの回転軸に垂直でも平行でもない角度の光路を進むように光学系が設計されている場合には、例えば、コーナーキューブなどのようにポリゴンミラーの回転軸に垂直でも平行でもない角度においた反射面に観察光を複数回反射させるようにすればよい。

以上のようにして、ポリゴンミラーの面倒れの有無および大きさの違いに関わらず、フレーム間の画像のズレの発生を防止することができ、より高画質の観察画像を得ることができる。また、CCDイメージセンサの受光面において観察光をライン単位でスキャンするため、画素単位でスキャンしたり、デスキャンした観察光をPMT（光電子増倍管）等で検出し、演算により画素単位で並べる場合と比較して、より簡単かつ高速に観察画像を得ることができる。

なお、以上の説明では、撮像素子としてCCDイメージセンサを用いる例を示したが、例えば、CMOSイメージセンサなど他の２次元の撮像素子を用いるようにしてもよい。

また、スリット１９（図１）、スリット６１（図９）、および、スリット１１２（図１０）のスリット幅を可変にしたり、スリット幅が異なる複数のスリットを交換して使用できるようにしたりしてもよい。

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走査型顕微鏡，２試料，１１レーザ光源，１２シリンドリカルレンズ，１３ダイクロイックミラー，１４集光レンズ，１５ポリゴンミラー，１６瞳投影レンズ，１７集光レンズ，１８対物レンズ，１９スリット, ２０,２１ミラー，２２集光レンズ, ２３ミラー, ２４集光レンズ, ２５ CCDイメージセンサ, ６１スリット, ６２集光レンズ, ６３,６４ミラー, ６５集光レンズ, １０１走査型顕微鏡, １１１ポリゴンミラー, １１２スリット, １１３ミラー, １１４集光レンズ

Claims

対物レンズと、
試料に照射する一方向に長い照明光を、前記対物レンズの焦点面において前記照明光の長手方向と垂直な方向にスキャンするポリゴンミラーと、
前記試料から発せられた観察光を、前記対物レンズの焦点面と共役な位置に、一方向に長いライン光として集光させる集光レンズと、
前記対物レンズの焦点面と共役な位置に、長手方向が前記観察光の長手方向と一致するように配置されたスリットと
を少なくとも備え、
前記観察光を、前記ポリゴンミラーの前記照明光のスキャンに用いた面を用いてデスキャンし、前記集光レンズにより集光し、前記スリットを通過させた後、前記ポリゴンミラーの前記照明光のスキャンに用いた面を用いて、２次元の撮像手段の受光面において前記観察光の長手方向と垂直な方向にスキャンするとともに、
前記観察光をデスキャンするときに前記ポリゴンミラーの面により前記観察光が反射される角度のうち前記ポリゴンミラーの回転軸に垂直な面に対する角度と、前記観察光をスキャンするときに前記ポリゴンミラーの面に前記観察光が入射する角度のうち前記ポリゴンミラーの回転軸に垂直な面に対する角度が等しく、
前記観察光をデスキャンするときの前記ポリゴンミラーの面における像と、前記観察光をスキャンするときの前記ポリゴンミラーの面における像の大きさが等しい
走査型顕微鏡。
前記対物レンズの焦点面における前記照明光の長手方向が、前記撮像手段により前記試料が撮影される領域の前記観察光の長手方向に対応する方向の長さより長い
請求項１に記載の走査型顕微鏡。
前記スリットから前記撮像手段までの光学倍率をβとし、前記撮像手段の前記スリットの長手方向に対応する方向の長さをｘとした場合、前記スリットの長手方向の長さ×｜β｜＞ｘである
請求項１に記載の走査型顕微鏡。
前記観察光が前記ポリゴンミラーによりデスキャンされてからスキャンされるまでの間において、前記観察光が前記ポリゴンミラーの回転軸にほぼ平行な面に沿って進む場合、前記対物レンズの焦点面と共役な位置の数が奇数であるとき、前記観察光を奇数回反射し、前記対物レンズの焦点面と共役な位置の数が偶数であるとき、前記観察光を偶数回反射し、前記観察光が前記ポリゴンミラーの回転軸にほぼ垂直な面に沿って進む場合、前記対物レンズの焦点面と共役な位置の数が奇数であるとき、前記観察光を偶数回反射し、前記対物レンズの焦点面と共役な位置の数が偶数であるとき、前記観察光を奇数回反射する
請求項１に記載の走査型顕微鏡。