JP2004109219A

JP2004109219A - Scanning optical microscope

Info

Publication number: JP2004109219A
Application number: JP2002268694A
Authority: JP
Inventors: Ikutoshi Fukushima; 福島　郁俊
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2002-09-13
Filing date: 2002-09-13
Publication date: 2004-04-08
Anticipated expiration: 2022-09-13
Also published as: JP4020734B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a scanning optical microscope whose performance off the optical axis is prevented from lowering. <P>SOLUTION: The scanning optical microscope is provided with a light source 11, a wavefront conversion element 22 for imparting arbitrary wavefront conversion to the light for illumination emitted from the light source 11, an optical scanning means 3 for scanning two orthogonal directions with the luminous flux after the wavefront conversion emitted from the element 22, an objective lens 4 for condensing the luminous flux deflected by the means 3 to a sample and a detector 53 for detecting the signal light emitted from the sample and operates the element 22 in synchronization with the means 3. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、走査型光学顕微鏡に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば、レーザー走査型顕微鏡（以下、ＬＳＭという。）において、標本の三次元像を得るためには、標本または対物レンズを機械的に光軸方向に移動させて、標本内部の各面における光学像を順次取り込んでいく必要があった。しかし、この方法は機械的駆動を必要とするために、位置制御を高い精度と再現性で実現することは困難である。また、標本を移動させる方法においては、標本が大きい場合には高速走査ができない等の問題があった。
【０００３】
さらに、生体標本を観察する際に、標本を培養液に浸した状態で対物レンズを走査すると、その振動による悪影響を観察する標本に与えることになり、好ましくない。
【０００４】
これらの問題点を解決する方法として、アダプティブ光学装置がある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−１０１９４２号公報（第３，５頁、図１ｂ，７）
【０００６】
このアダプティブ光学装置は、光学的パワー（屈折力）を変化させることのできる光学素子（波面変換素子）を備えた顕微鏡である。図２０および図２１に、その構成図を示す。このアダプティブ光学装置は、観察光路および／または照明光路内に波面変換素子を有し、その波面変換素子を用いて光学系の焦点距離を変化させると共に、この焦点距離変化に伴って生じる収差も補正するものである。こうすることによって、対物レンズと標本との距離を変更することなく、物体空間内での焦点の形成と移動、さらに、収差補正を行うことができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術においては次のような不都合が生じる。それは、物体空間内で焦点移動を行い、さらに収差補正を行う場合に、軸上収差を補正するように波面変換素子を調整すると、軸外収差が悪化してしまうという不都合である。本来、対物レンズは、物体が所定の位置にあるときは軸外の光束に対しても、収差が補正されている。そのため、この所定の位置にある物体からの光束については、軸上と軸外の光束に対して収差が補正されている。しかし、焦点の移動が行われると、その移動量に応じて軸上の収差と軸外の収差に違いが大きくなる。そのために、軸上収差のみを補正するように波面変換素子を調整すると、軸外収差が十分に補正されていない状態になる。その結果、光軸から離れた位置つまり、物体高が高い所では本来の対物レンズと同じ性能を発揮できないことになる。
【０００８】
この発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は軸外での性能劣化が少ない、波面変換素子を用いたＬＳＭ等の走査型光学顕微鏡を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
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している。
請求項１に係る発明は、光源と、該光源から発せられた照明光に任意の波面変換を与える波面変換素子と、該波面変換素子から発せられた波面変換後の光束を走査する光走査手段と、光走査手段によって偏向した光束を試料に集光する対物レンズと、該試料から発せられた信号光を検出する検出器とを備え、前記波面変換素子を前記光走査手段と同期して動作させる走査型光学顕微鏡を提供する。
【００１０】
この発明によれば、光源から発せられた照明光が波面変換素子に照射された際に、照明光に波面変換が与えられる。これにより、光束の波面収差を調整することができる。よって、焦点位置の移動が行われると、それとともに移動量に合わせた収差の補正が行われる。この場合において、この発明では、波面変換素子を光走査手段と同期して動作させるので、光走査手段による走査箇所に応じた収差の補正が行われる。したがって、軸上のみならず軸外においても収差が良好に補正され、移動後の焦点位置においても良好な光スポットを得ることができる。
【００１１】
請求項２に係る発明は、請求項１記載の走査型光学顕微鏡において、前記波面変換素子と光走査手段との間に伝送光学系を持ち、その伝送光学系中に第２の波面変換素子を有する走査型光学顕微鏡を提供する。
この発明によれば、光束が波面変換素子と光走査手段との間に配置された伝送光学系中を通過させられる際に、伝送光学系中に配置されている第２の波面変換素子によって任意の波面変換を与えられる。したがって、単一の波面変換素子を用いる場合と比較して、収差補正能力を大きく向上させることが可能となる。
【００１２】
請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２記載の走査型光学顕微鏡において、前記波面変換素子が、電気的に形状を変化させる形状可変ミラーからなり、該形状可変ミラーに入射する光束が、斜入射の場合に、形状可変ミラーの形状変化領域が非対称である走査型光学顕微鏡を提供する。
この発明によれば、光走査手段に同期して形状可変ミラーに加える電気信号を変化させることにより、光の走査方向に応じた収差の補正を行うことが可能となる。この場合に、光束の入射方向に沿う形状可変ミラーの変化領域を非対称に構成することにより、より適正な収差補正を行うことが可能となる。
【００１３】
請求項４に係る発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の走査型光学顕微鏡において前記波面変換素子と光束走査手段との間に開口絞りを設ける走査型光学顕微鏡を提供する。
この発明によれば、開口絞りにより収差の大きな軸外光がカットされ、より適正な収差補正を行うことが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を示す。なお、説明に用いる図中において、繰り返し用いられる同一の要素には同一の記号を付し、重複する説明は行わない。また、光束が入射してくる方向を前側、出射していく方向を後側とし、光源１としてレーザー発振器を用いたＬＳＭを用いて説明する。
【００１５】
（第１の実施形態）
図１〜図６を用いて、本発明の第１実施形態に係る走査型光学顕微鏡を説明する。
本実施形態に係る走査型光学顕微鏡は、図１に示されるように、レーザ光源１１と、該レーザ光源１１から発せられた照明光に任意の波面変換を与える形状可変ミラー（波面変換素子）２２と、該形状可変ミラー２２から発せられた波面変換後の照明光を光軸に直行する方向に偏向して走査する光束走査手段（光走査手段）３と、該光束走査手段３によって偏向された光束を試料に集光する対物レンズ４と、該試料から発せられた信号光を検出する検出器５３とを備えている。
【００１６】
図中、符号１２は、レーザ光源１１から発せられた照明光を平面波に変換するコリメータレンズ、符号５１はダイクロイックミラー、符号７１，７２，７３は、それぞれ第１〜第３のリレー光学系、符号７４は結像レンズ、符号５２は集光レンズ、符号６１はコントローラをそれぞれ示している。
【００１７】
図１において、光源としてのレーザー光源１１から発せられた照明光は、コリメータレンズ１２によって平面波に変換され、ダイクロイックミラー５１を透過した後に、形状可変ミラー２２に入射させられる。形状可変ミラー２２は、反射面の形状を電気的制御によって制御可能なミラーである。照明光は、この形状可変ミラー２２において、後述する所定の波面変換が行われた後に第１のリレー光学系７１に入射させられる。第１のリレー光学系は、その前側焦平面が形状可変ミラー２２とほぼ一致するように配置されている。第１のリレー光学系７１を透過した光束は、次に第２のリレー光学系７２を透過し、その後側焦平面に配置されている光束走査手段３に入射する。ここで、第１のリレー光学系７１と第２のリレー光学系７２とは、第１のリレー光学系７１の後側焦平面と第２のリレー光学系７２の前側焦平面とがほぼ一致するように配置されている。このため、光束走査手段３と形状可変ミラー２２とは共役な面となる。
【００１８】
光束走査手段３はｘ，ｙの２つの軸回りに回転可能なジンバルミラーからなる。このジンバルミラーによって、入射光束の向きを適切に変更することで、試料面に入射する光束をｘ，ｙ方向に走査できるようになっている。
【００１９】
光束走査手段３で特定の角度に反射された光束は、第３のリレー光学系７３に入射させられる。その後、結像レンズ７４に入射させられ、最後に対物レンズ４を透過させられることで、試料に照明光であるレーザ光束が集光させられる。ここで、光束走査手段３、第３のリレー光学系７３、結像レンズ７４、対物レンズ４と試料はテレセントリックな光学系で形成され、それぞれの前側焦平面と後側焦平面がほぼ同一となるようになっている。
【００２０】
試料が蛍光色素で染色されている場合、レーザ光束が集光した試料からは蛍光が発せられる。また、レーザ光束の反射光も生じる。これらの光は照明光束が通ってきた光路と同じ光路を逆向きに進む。すなわち、試料から、対物レンズ４、結像レンズ７４、第３のリレー光学系７３、光束走査手段３、第２のリレー光学系７２、第１のリレー光学系７１と通過し、形状可変ミラー２２で反射される。形状可変ミラー２２で反射された光束は、ダイクロイックミラー５１において、検出すべき特定の波長の蛍光のみが反射され、集光レンズ５２に入射させられる。集光レンズ５２の後側焦平面には検出器５３が配置されているので、検出器５３には目的とする波長の反射光束が検出されるようになっている。
【００２１】
本実施形態で用いた第１のリレー光学系７１、第２のリレー光学系７２、第３のリレー光学系７３および結像レンズ７４、対物レンズ４のスペックは以下の通りである。また、それらの光学系を図２に示す。特に、対物レンズ４については図３に示す。
【００２２】

【００２３】
また、本実施形態において波面変換素子として採用している形状可変ミラー２２は、光学系のデータにおいてｒ１で示されているミラーである。この形状可変ミラー２２の反射面の形状Ｚ（ｘ，ｙ）は、次の数１に示すような自由曲面として表される。
【００２４】
【数１】

【００２５】
次に、形状可変ミラー２２の動作方法について具体的に説明する。光源１１から発せられたレーザ光の波長を４８８ｎｍとし、焦点位置を基準位置からΔＺだけ移動させ、その位置において形状可変ミラー２２の形状を最適にした場合を考える。そして、この状態において、焦点位置（集光位置）に形成された光スポットが持つ収差量を、指標としてＳｔｒｅｈｌ比を用いて示すことにする。図４〜図６では、Ｓｔｒｅｈｌ比を、物体高との関係で示している。ここで、ΔＺの符号は、基準位置より対物レンズに近づく方向をマイナス、遠ざかる方向をプラスにとっている。ここで、基準位置とは対物レンズの設計時における物体側焦点位置である。また、形状可変ミラーの最適な形状を図７〜図９に示す。図７〜図９において、レーザ光束はｚ，ｙ平面内でｚ軸に対して−４５度の方向から入射するものとする。
【００２６】
図４は、ΔＺ＝０μｍ（基準位置）において、物体高が０ｍｍの位置で波面収差が最小となるように形状可変ミラー２２を最適化した場合のＳｔｒｅｈｌ比（波面収差変化）を示している。この図によれば、−０．０７５ｍｍ〜０．０７５ｍｍの範囲（物体高）において、Ｓｔｒｅｈｌ比が８５％以上である。よって、この範囲では良好な画像を取得できることが確認できる。
【００２７】
一方、ΔＺ＝−１０μｍの位置におけるＳｔｒｅｈｌ比について、図５に示す。ここで、物体高が０ｍｍの位置で波面収差が最小となるように形状可変ミラー２２の面形状を最適化する（第１設定状態）と、物体高の絶対値が大きくなるにつれてＳｔｒｅｈｌ比の低下が生じる。この場合、Ｓｔｒｅｈｌ比が８５％以上の範囲は、−０．０６５ｍｍ〜０．０６５ｍｍの範囲であり、ΔＺ＝０μｍの場合より狭くなる。そのため、このような面形状のままだと、ΔＺ＝−１０μｍの位置において、ΔＺ＝０μｍのときと同じ範囲（物体高）で良好な画像を獲得することができない。
そこで、物体光が０ｍｍ以外の位置で、形状可変ミラー２２の面形状を変化させることにする。例えば、物体高が０．０７ｍｍの位置において波面収差が最小になるように形状可変ミラー２２の面形状の最適化を行う（第２設定状態）と、Ｓｔｒｅｈｌ比が８５％以上の領域は、０．０８〜０．０１ｍｍの範囲となる。一方、物体高が−０．０７ｍｍの位置において波面収差が最小となるように形状可変ミラー２２の面形状の最適化を行う（第３設定状態）と、Ｓｔｒｅｈｌ比が８５％以上の領域は−０．０８〜−０．０１ｍｍの範囲となる。
したがって、ΔＺ＝−１０μｍの場合には、形状可変ミラー２２の面形状を−０．０８ｍｍ〜−０．０２ｍｍの範囲では第３設定状態、−０．０２ｍｍ〜０．０２ｍｍの範囲では第１設定状態、０．０２ｍｍ〜０．０８ｍｍの範囲では第２設定状態にすればよい。このように、各範囲に対して形状可変ミラー２２の面形状を最適化する動作を各１回、合計３回行えばよい。このようにすることで、物体高として−０．０８ｍｍ〜０．０８ｍｍの範囲について良好な（収差の少ない）画像を獲得することができる。上記範囲は、ΔＺ＝０μｍのときよりも広いので、ΔＺ＝０μｍのときと同じ物体高（範囲）で良好な画像を獲得することができる。
【００２８】
さらに、ΔＺ＝−２５μｍの位置におけるＳｔｒｅｈｌ比について、図６に示す。ここで、物体高が０ｍｍの位置で波面収差が最小となるように形状可変ミラー２２の面形状を最適化する（第１設定状態）と、物体高の絶対値が大きくなるに従ってＳｔｒｅｈｌ比の低下が生じる。この場合、Ｓｔｒｅｈｌ比が８５％以上の範囲は、−０．０４５ｍｍ〜０．０４５ｍｍの範囲であり、ΔＺ＝０μｍの場合より狭くなる。そのため、このような面形状のままだと、ΔＺ＝−２５μｍの位置において、ΔＺ＝０μｍのときと同じ範囲（物体高）で良好な画像を獲得することができない。
そこで、物体光が０ｍｍ以外の位置で、形状可変ミラー２２の面形状を変化させることにする。例えば、物体高が０．０７ｍｍの位置において波面収差が最小になるように形状可変ミラー２２の面形状の最適化を行う（第２設定状態）と、Ｓｔｒｅｈｌ比が８５％以上の領域は、０．０４５ｍｍ〜０．０８ｍｍの範囲となる。一方、物体高が−０．０７ｍｍの位置において波面収差が最小となるように形状可変ミラー２２の面形状の最適化を行う（第３設定状態）と、Ｓｔｒｅｈｌ比が８５％以上の領域は−０．０８ｍｍ〜−０．０４５ｍｍの範囲となる。
したがって、ΔＺ＝−２５μｍの場合には、形状可変ミラー２２の面形状を−０．０８ｍｍ〜−０．０４５ｍｍの範囲では第３設定状態、−０．０４５ｍｍ〜０．０４５ｍｍの範囲では第１設定状態、０．０４５ｍｍ〜０．０８ｍｍの範囲では第２設定状態にすればよい。このように、各範囲に対して形状可変ミラー２２の面形状を最適化する動作を各１回、合計３回行えばよい。このようにすることで、物体高として−０．０８ｍｍ〜０．０８ｍｍの範囲について良好な（収差の少ない）画像を獲得することができる。上記範囲は、ΔＺ＝０μｍのときよりも広いので、ΔＺ＝０μｍのときと同じ物体高（範囲）で良好な画像を獲得することができる。
本実施形態に係る走査型光学顕微鏡で用いた形状可変ミラー２２の自由曲面のパラメータを表１〜表３に示す。
【００２９】
【表１】

【表２】

【表３】

【００３０】
さらに、本実施形態において、第１のリレー光学系７１を構成するレンズの少なくとも１つを光軸方向に沿って移動させる等のズーム機構を設けると、デフォーカス成分を減少させることが可能となる。その結果、形状可変ミラー２２と組み合わせることによって、収差がより補正された画像を獲得することが可能となる。
【００３１】
また、本実施形態で用いた形状可変ミラー２２は、図７〜図９に示すように、ミラーの中心部が固定され、周辺部が変形するタイプの形状可変ミラーである。しかしながら、後述するように、ミラーの周辺部が固定され、中心部が変形するタイプの形状可変ミラーも用いることができる。周辺が固定された形状可変ミラーの場合でも、補正する収差量は中心固定のものと同様であるので、当然、最適な表面の形状は図７〜図９に示した形状と近いものとなる。
【００３２】
本実施形態のように形状可変ミラー２２に対して斜めに光束を入射させる場合、光線が反射する方向（図中のｙ方向）における変位量は、ミラーの中心から一端に向かう方向（第１方向）と、中心から他端に向かう方向（第２方向）とで異なる。なお、第１方向と第２方向は正反対の方向である。例えば、ΔＺ＝−２５μｍ（図９）において物体高０ｍｍで最適化した場合、形状可変ミラー２２の変位量は、ｙ＝−１．２ｍｍの位置において０．００７５７ｍｍである。また、ｙ＝１．２ｍｍの位置における形状可変ミラー２２の変位量は、０．００７９６ｍｍとなる。このことから、ｙ軸方向に沿って形状可変ミラー２２の変位量が異なることが判る。
【００３３】
前述のように、周辺固定タイプの形状可変ミラー２２の場合には、周辺ではミラーの形状が変化しない。そのため、上述のように第１方向と第２方向とで変位量が異なる場合には、各々の方向でのｙ方向の変位する領域が異なるようにミラーの形状を作成しておけば、形状可変ミラー２２のｚ方向の変位量も少なくてすむ。一例として、図１０に、ΔＺ＝−２５μｍの場合に、周辺固定タイプの形状可変ミラー２２を用いた場合を示す。この例では、ミラーの変化領域が、ｘ方向に−１．２ｍｍ〜１．２ｍｍ、ｙ方向に−１．６ｍｍ〜１．６ｍｍの範囲である場合と、ｘ方向に−１．２ｍｍ〜１．２ｍｍ、ｙ方向に−１．６ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲である場合の２つの場合についての形状可変ミラー２２の形状を示す。また、その場合のＳｔｒｅｈｌ比と物体高との関係を図１１に示す。なお、曲面形状の係数は表４に示す通りである。
【００３４】
【表４】

【００３５】
図１０の（ｂ），（ｃ）により、ｙ方向の変化領域の両端の絶対値が異なるように設定することで、形状可変ミラー２２の変位量を小さくすることが可能となることが判る。一方、性能に関しては物体高が大きい領域での劣化が見られるが、形状可変ミラー２２の変位量が小さい分、製造も容易であり、またその制御も容易になる。
【００３６】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る走査型光学顕微鏡について、図１２〜図１８を参照して以下に説明する。本実施形態に係る走査型光学顕微鏡は、図１２に示されるように、第１実施形態に係る走査型光学顕微鏡と比較して、第１のリレー光学系７１および第２のリレー光学系７２の代わりに、第１および第２のミラー光学系７５，７６を用いている点において相違している。このように構成することで、構成要素を簡潔にし、なおかつ第１のリレー光学系７１と第２のリレー光学系７２を用いることにより生じていた色収差をなくすことができる。
【００３７】
したがって、第３のリレー光学系７３および結像レンズ７４、対物レンズ４のスペックは第１実施形態と同じである。第１および第２のミラー光学系７５，７６のスペックを表５に示す。
【００３８】
【表５】

【００３９】
第１実施形態と同様に、光源としてのレーザー光源１１から発せられた照明光はコリメータレンズ１２によって平面波に変換され、形状可変ミラー２２に入射させられる。その反射面においては、後述する所定の波面変換が行われる。波面変換が行われた光束は、次にその前側焦平面が形状可変ミラー２２にほぼ一致する位置に配置された第１のミラー光学系７５に入射させられる。
【００４０】
第１のミラー光学系７５において反射された光束は、次に第２のミラー光学系７６において反射され、その後側焦平面に配置された光束走査手段３に入射させられる。ここで、第１のリレー光学系７５の後側焦平面と第２のリレー光学径７６の前側焦平面とがほぼ一致するように配置されている。したがって、光束走査手段３と形状可変ミラー２２とは共役な位置関係となっている。
【００４１】
この後の光束走査手段３以降については第１実施形態と同様の作用となる。なお、本実施形態では基準となるＳｔｒｅｈｌ比として第１実施形態ほど高性能ではないが、顕微鏡として性能を満足する８０％に設定している。
本実施形態に係る走査型光学顕微鏡において、使用波長を４８８ｎｍとし、第１実施形態と同様に焦平面を変化させた場合の、波面収差と物体高との関係について図１３〜図１５に示す。図１３は、ΔＺ＝０μｍの場合であり、この場合には軸上で波面収差が少なくなるように形状可変ミラー２２を変形すると、物体高として−０．０７ｍｍ〜０．０７ｍｍの範囲でＳｔｒｅｈｌ比が８０％以上であることが判り、この範囲内では良好な画像を獲得することができる。
【００４２】
一方、図１４に示すようにΔＺ＝−１０μｍの位置で、軸上の波面収差が最小となるように形状可変ミラー２２の調整を行うと、Ｓｔｒｅｈｌ比が８０％以上となる範囲は、物体高−０．０６〜０．０６ｍｍの範囲となり、精度良く観察可能な範囲が狭められる。そこで、物体高−０．０７ｍｍにおいて波面収差が最小となるように形状可変ミラー２２の形状を補正すると、Ｓｔｒｅｈｌ比が８５％以上の有効な範囲は、−０．０８ｍｍ〜−０．０２ｍｍ程度までとなる。同様に物体高０．０７ｍｍの位置において波面収差が最小となるように形状可変ミラー２２の面形状を補正すると、物体高０．０２ｍｍ〜０．０８ｍｍの範囲が、Ｓｔｒｅｈｌ比８５％以上の有効な領域となる。したがって、形状可変ミラー２２の形状を３回変化させることで、−０．０８〜０．０８ｍｍの全域にわたって、Ｓｔｒｅｈｌ比が８０％以上の良好な画像を獲得することができる。
【００４３】
さらに、ΔＺ＝−２５μｍの位置に対しては、図１５に示すように、軸上で波面収差が最適となるよう形状可変ミラー２２の形状の補正を行うと、Ｓｔｒｅｈｌ比が８０％以上を満足する物体高の範囲は−０．０５ｍｍ〜０．０５ｍｍの範囲と狭くなる。しかし、物体高が−０．０７ｍｍの位置で波面収差が最適となるように形状可変ミラー２２を最適化すると、−０．０８ｍｍ〜−０．０４ｍｍの領域がＳｔｒｅｈｌ比が８０％以上となり、同様に物体高が０．０７ｍｍの位置で波面収差が最適となるように形状可変ミラー２２を最適化すると、０．０４ｍｍ〜０．０８ｍｍの領域でＳｔｒｅｈｌ比が８０％以上となる。したがって、−０．０８ｍｍ〜０．０８ｍｍの範囲を走査する際に形状可変ミラー２２の形状を３回以上変形することで、全領域にわたってＳｔｒｅｈｌ比が８５％以上の良好な画像を獲得することができる。また、本実施形態での形状可変ミラー２２の形状を図１６〜図１８に、その場合の形状可変ミラー２２の形状を表す数１の係数をそれぞれ表６〜表８に示す。
【００４４】
【表６】

【表７】

【表８】

【００４５】
図１９に本実施形態の変形例について示す。図１９の変形例は、第２実施形態と比較すると、第２のミラー光学系７６の代わりに第２の波面変換素子としての形状可変ミラー２３を用いている点において異なる。このように形状可変ミラー２２，２３を２枚用いると制御が煩雑になる可能性があるが、収差補正能力を大きく向上させることが可能となる。さらに、開口絞り８１を第１のミラー光学系７５と形状可変ミラー２３との間に配置することで、ＮＡは小さくなるものの、収差の大きな軸外光をカットできる。したがって、形状可変ミラー２２の制御を容易にすることも可能となる。
【００４６】
なお、上記実施形態では、波面変換素子として、電気的な信号でその反射面の形状を制御可能な形状可変ミラー２２，２３を例に挙げて説明したが、その他の液晶やフォトリフラクティブ結晶等の位相変調可能な素子も適用可能であることは明らかである。
【００４７】
【発明の効果】
以上、説明したように、この発明に係る走査型光学顕微鏡によれば、光走査手段による走査箇所に応じた収差の補正を波面変換素子によって行わせることにより、光軸上のみならず光軸外においても適正な収差の補正を行うことができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態に係る走査型光学顕微鏡を示す模式図である。
【図２】図１の走査型光学顕微鏡の一部の光学系を示す光路図である。
【図３】図１の走査型光学顕微鏡の対物レンズを示す光路図である。
【図４】ΔＺ＝０μｍとして、形状可変ミラーを最適化した場合のＳｔｒｅｈｌ比の変化を示す図である。
【図５】ΔＺ＝−１０μｍとして、形状可変ミラーを最適化した場合のＳｔｒｅｈｌ比の変化を示す図である。
【図６】ΔＺ＝−２５μｍとして、形状可変ミラーを最適化した場合のＳｔｒｅｈｌ比の変化を示す図である。
【図７】ΔＺ＝０μｍの場合の中心固定した形状可変ミラーの形状を示す（ａ）斜視図、（ｂ）ｘ方向断面図および（ｃ）ｙ方向断面図である。
【図８】ΔＺ＝−１０μｍの場合の中心固定した形状可変ミラーの形状を示す（ａ）斜視図、（ｂ）ｘ方向断面図および（ｃ）ｙ方向断面図である。
【図９】ΔＺ＝−２５μｍの場合の中心固定した形状可変ミラーの形状を示す（ａ）斜視図、（ｂ）ｘ方向断面図および（ｃ）ｙ方向断面図である。
【図１０】周辺固定した形状可変ミラーの形状を示す（ａ）斜視図、（ｂ）ｘ方向断面図および（ｃ）ｙ方向断面図である。
【図１１】図１０の形状可変ミラーにおける物体高とＳｔｒｅｈｌ比との関係を示す図である。
【図１２】この発明の第２の実施形態に係る走査型光学顕微鏡を示す模式図である。
【図１３】ΔＺ＝０μｍとして、形状可変ミラーを最適化した場合のＳｔｒｅｈｌ比の変化を示す図である。
【図１４】ΔＺ＝−１０μｍとして、形状可変ミラーを最適化した場合のＳｔｒｅｈｌ比の変化を示す図である。
【図１５】ΔＺ＝−２５μｍとして、形状可変ミラーを最適化した場合のＳｔｒｅｈｌ比の変化を示す図である。
【図１６】ΔＺ＝０μｍの場合の中心固定した形状可変ミラーの形状を示す（ａ）斜視図、（ｂ）ｘ方向断面図および（ｃ）ｙ方向断面図である。
【図１７】ΔＺ＝−１０μｍの場合の中心固定した形状可変ミラーの形状を示す（ａ）斜視図、（ｂ）ｘ方向断面図および（ｃ）ｙ方向断面図である。
【図１８】ΔＺ＝−２５μｍの場合の中心固定した形状可変ミラーの形状を示す（ａ）斜視図、（ｂ）ｘ方向断面図および（ｃ）ｙ方向断面図である。
【図１９】図１２の走査型光学顕微鏡の変形例を示す模式図である。
【図２０】従来の走査型光学顕微鏡の構成を示す模式図である。
【図２１】図２０の走査型光学顕微鏡の制御構成を示す図である。
【符号の説明】
３　光束走査手段（光走査手段）
４　対物レンズ
１１　レーザ光源（光源）
２２　形状可変ミラー（波面変換素子）
２３　形状可変ミラー（第２の波面変換素子）
５３　検出器
７１，７２，７３，７５，７６　リレー光学系（伝送光学系）
８１　開口絞り[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a scanning optical microscope.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, for example, in a laser scanning microscope (hereinafter, referred to as LSM), in order to obtain a three-dimensional image of a specimen, a specimen or an objective lens is mechanically moved in an optical axis direction, and each surface inside the specimen is moved. It was necessary to sequentially capture optical images. However, since this method requires mechanical driving, it is difficult to realize position control with high accuracy and reproducibility. In addition, the method of moving the sample has a problem that high-speed scanning cannot be performed when the sample is large.
[0003]
Further, when observing a biological specimen, if the objective lens is scanned while the specimen is immersed in the culture solution, adverse effects due to the vibration are exerted on the specimen to be observed, which is not preferable.
[0004]
As a method for solving these problems, there is an adaptive optical device (for example, see Patent Document 1).
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-11-101942 (pages 3, 5; FIGS. 1b and 7)
[0006]
This adaptive optical device is a microscope provided with an optical element (wavefront conversion element) that can change optical power (refractive power). 20 and 21 show configuration diagrams thereof. This adaptive optical device has a wavefront conversion element in an observation light path and / or an illumination light path, and changes the focal length of the optical system using the wavefront conversion element, and also corrects aberrations caused by the change in the focal length. Is what you do. By doing so, it is possible to form and move the focal point in the object space and to perform aberration correction without changing the distance between the objective lens and the sample.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above-described conventional technology has the following disadvantages. This is disadvantageous in that, when the focal point is moved in the object space and the aberration is corrected, if the wavefront conversion element is adjusted so as to correct the axial aberration, the off-axis aberration will be deteriorated. Originally, the aberration of the objective lens is corrected even for an off-axis light beam when the object is at a predetermined position. Therefore, with respect to the light beam from the object at the predetermined position, the aberration is corrected for the on-axis and off-axis light beams. However, when the focal point is moved, the difference between the on-axis aberration and the off-axis aberration increases according to the amount of the movement. Therefore, if the wavefront conversion element is adjusted so as to correct only the axial aberration, the off-axis aberration is not sufficiently corrected. As a result, the same performance as the original objective lens cannot be exhibited at a position away from the optical axis, that is, at a place where the object height is high.
[0008]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a scanning optical microscope such as an LSM using a wavefront conversion element, which causes little deterioration in off-axis performance.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides the following means.
The invention according to claim 1 is a light source, a wavefront conversion element that applies arbitrary wavefront conversion to illumination light emitted from the light source, and an optical scanning unit that scans a light beam after wavefront conversion emitted from the wavefront conversion element. An objective lens for condensing the light beam deflected by the light scanning means on the sample, and a detector for detecting signal light emitted from the sample, wherein the wavefront conversion element operates in synchronization with the light scanning means. A scanning optical microscope is provided.
[0010]
According to the present invention, when illumination light emitted from a light source is applied to a wavefront conversion element, wavefront conversion is given to the illumination light. Thereby, the wavefront aberration of the light beam can be adjusted. Therefore, when the focal position is moved, the aberration is corrected along with the movement amount. In this case, according to the present invention, since the wavefront conversion element is operated in synchronization with the optical scanning means, the aberration is corrected according to the scanning position of the optical scanning means. Therefore, the aberration is favorably corrected not only on the axis but also off-axis, and a good light spot can be obtained even at the focal position after the movement.
[0011]
According to a second aspect of the present invention, in the scanning optical microscope according to the first aspect, a transmission optical system is provided between the wavefront conversion element and the optical scanning means, and a second wavefront conversion element is provided in the transmission optical system. A scanning optical microscope is provided.
According to the present invention, when the light beam is passed through the transmission optical system disposed between the wavefront conversion element and the optical scanning means, the light beam is arbitrarily selected by the second wavefront conversion element disposed in the transmission optical system. Given the wavefront transformation of Therefore, compared with the case where a single wavefront conversion element is used, it is possible to greatly improve the aberration correction ability.
[0012]
According to a third aspect of the present invention, in the scanning optical microscope according to the first or second aspect, the wavefront conversion element comprises a shape-variable mirror that changes shape electrically, and a light beam incident on the shape-variable mirror. However, in the case of oblique incidence, there is provided a scanning optical microscope in which the shape change region of the shape-variable mirror is asymmetric.
According to the present invention, it is possible to correct the aberration according to the light scanning direction by changing the electric signal applied to the shape-variable mirror in synchronization with the optical scanning means. In this case, it is possible to perform more appropriate aberration correction by configuring the change region of the shape-variable mirror along the incident direction of the light beam to be asymmetric.
[0013]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a scanning optical microscope according to any one of the first to third aspects, wherein an aperture stop is provided between the wavefront conversion element and the light beam scanning means.
According to the present invention, off-axis light having large aberration is cut by the aperture stop, and more appropriate aberration correction can be performed.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. In the drawings used for the description, the same elements that are repeatedly used are denoted by the same reference symbols, and redundant description will not be given. The direction in which a light beam enters will be referred to as the front side, and the direction in which the light beam exits will be referred to as the rear side.
[0015]
(1st Embodiment)
A scanning optical microscope according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
As shown in FIG. 1, the scanning optical microscope according to the present embodiment includes a laser light source 11 and a shape-variable mirror (wavefront conversion element) 22 that applies arbitrary wavefront conversion to illumination light emitted from the laser light source 11. Light beam scanning means (light scanning means) 3 for deflecting and scanning the illumination light after wavefront conversion emitted from the deformable mirror 22 in a direction perpendicular to the optical axis, and deflected by the light beam scanning means 3 An objective lens 4 for condensing a light beam on a sample, and a detector 53 for detecting signal light emitted from the sample are provided.
[0016]
In the figure, reference numeral 12 denotes a collimator lens for converting illumination light emitted from the laser light source 11 into a plane wave, reference numeral 51 denotes a dichroic mirror, reference numerals 71, 72, and 73 denote first to third relay optical systems, respectively. Reference numeral 74 denotes an imaging lens, reference numeral 52 denotes a condenser lens, and reference numeral 61 denotes a controller.
[0017]
In FIG. 1, illumination light emitted from a laser light source 11 as a light source is converted into a plane wave by a collimator lens 12, transmitted through a dichroic mirror 51, and made incident on a deformable mirror 22. The shape variable mirror 22 is a mirror that can control the shape of the reflection surface by electrical control. The illumination light is made incident on the first relay optical system 71 after a predetermined wavefront conversion described later is performed in the deformable mirror 22. The first relay optical system is arranged such that the front focal plane thereof substantially coincides with the deformable mirror 22. The light beam transmitted through the first relay optical system 71 then passes through the second relay optical system 72, and enters the light beam scanning means 3 arranged on the rear focal plane. Here, in the first relay optical system 71 and the second relay optical system 72, the rear focal plane of the first relay optical system 71 and the front focal plane of the second relay optical system 72 substantially match. Are arranged as follows. For this reason, the light beam scanning means 3 and the deformable mirror 22 are conjugate surfaces.
[0018]
The light beam scanning means 3 comprises a gimbal mirror rotatable about two axes x and y. By appropriately changing the direction of the incident light beam by the gimbal mirror, the light beam incident on the sample surface can be scanned in the x and y directions.
[0019]
The light beam reflected at a specific angle by the light beam scanning means 3 is made incident on the third relay optical system 73. Thereafter, the laser beam is made incident on the imaging lens 74 and finally transmitted through the objective lens 4, so that a laser beam, which is illumination light, is focused on the sample. Here, the light beam scanning means 3, the third relay optical system 73, the imaging lens 74, the objective lens 4 and the sample are formed by a telecentric optical system, and the front focal plane and the rear focal plane are substantially the same. It has become.
[0020]
When the sample is stained with a fluorescent dye, fluorescence is emitted from the sample in which the laser beam is focused. In addition, reflected light of the laser beam also occurs. These lights travel in the same optical path as the path through which the illumination light beam has passed, in the opposite direction. That is, the sample passes through the objective lens 4, the imaging lens 74, the third relay optical system 73, the light beam scanning means 3, the second relay optical system 72, and the first relay optical system 71, and passes through the shape variable mirror 22. Is reflected by In the light beam reflected by the deformable mirror 22, only the fluorescence having a specific wavelength to be detected is reflected by the dichroic mirror 51, and is incident on the condenser lens 52. Since the detector 53 is arranged on the rear focal plane of the condenser lens 52, the detector 53 detects a reflected light beam of a target wavelength.
[0021]
The specifications of the first relay optical system 71, the second relay optical system 72, the third relay optical system 73, the imaging lens 74, and the objective lens 4 used in the present embodiment are as follows. FIG. 2 shows these optical systems. In particular, the objective lens 4 is shown in FIG.
[0022]

[0023]
The variable shape mirror 22 employed as the wavefront conversion element in the present embodiment is a mirror indicated by r1 in the data of the optical system. The shape Z (x, y) of the reflection surface of the shape variable mirror 22 is expressed as a free-form surface as shown in the following equation 1.
[0024]
(Equation 1)

[0025]
Next, an operation method of the deformable mirror 22 will be specifically described. Consider a case where the wavelength of the laser beam emitted from the light source 11 is 488 nm, the focal position is shifted by ΔZ from the reference position, and the shape of the shape variable mirror 22 is optimized at that position. Then, in this state, the amount of aberration of the light spot formed at the focal position (condensing position) is indicated using the Strehl ratio as an index. 4 to 6, the Strehl ratio is shown in relation to the object height. Here, the sign of ΔZ indicates that the direction closer to the objective lens from the reference position is minus and the direction away from the reference position is positive. Here, the reference position is an object-side focal position when the objective lens is designed. 7 to 9 show the optimum shape of the variable shape mirror. 7 to 9, it is assumed that the laser beam is incident on the z and y planes at a direction of -45 degrees with respect to the z axis.
[0026]
FIG. 4 shows the Strehl ratio (wavefront aberration change) when the shape variable mirror 22 is optimized so that the wavefront aberration is minimized at a position where the object height is 0 mm at ΔZ = 0 μm (reference position). According to this figure, in a range (object height) of -0.075 mm to 0.075 mm, the Strehl ratio is 85% or more. Therefore, it can be confirmed that a good image can be obtained in this range.
[0027]
On the other hand, FIG. 5 shows the Strehl ratio at the position of ΔZ = −10 μm. Here, when the surface shape of the deformable mirror 22 is optimized such that the wavefront aberration is minimized at the position where the object height is 0 mm (first setting state), the Strehl ratio decreases as the absolute value of the object height increases. Occurs. In this case, the range where the Strehl ratio is 85% or more is in the range of -0.065 mm to 0.065 mm, which is narrower than the case where ΔZ = 0 μm. Therefore, if such a surface shape is maintained, a good image cannot be obtained at the position of ΔZ = −10 μm in the same range (object height) as when ΔZ = 0 μm.
Therefore, the surface shape of the deformable mirror 22 is changed at a position other than 0 mm of the object light. For example, when the surface shape of the shape variable mirror 22 is optimized so that the wavefront aberration is minimized at the position where the object height is 0.07 mm (second setting state), the region where the Strehl ratio is 85% or more becomes 0 0.08 to 0.01 mm. On the other hand, when the surface shape of the shape variable mirror 22 is optimized so that the wavefront aberration is minimized at the position where the object height is -0.07 mm (third setting state), the region where the Strehl ratio is 85% or more is- The range is from 0.08 to -0.01 mm.
Therefore, when ΔZ = −10 μm, the surface shape of the deformable mirror 22 is set to the third setting state in the range of −0.08 mm to −0.02 mm, and to the first setting state in the range of −0.02 mm to 0.02 mm. In the state of 0.02 mm to 0.08 mm, the second setting state may be set. In this manner, the operation of optimizing the surface shape of the shape variable mirror 22 for each range may be performed once, a total of three times. This makes it possible to obtain a good (less aberration) image in the range of -0.08 mm to 0.08 mm as the object height. Since the above range is wider than when ΔZ = 0 μm, a good image can be obtained at the same object height (range) as when ΔZ = 0 μm.
[0028]
FIG. 6 shows the Strehl ratio at the position of ΔZ = −25 μm. Here, when the surface shape of the deformable mirror 22 is optimized such that the wavefront aberration is minimized at the position where the object height is 0 mm (first setting state), the Strehl ratio decreases as the absolute value of the object height increases. Occurs. In this case, the range where the Strehl ratio is 85% or more is the range of -0.045 mm to 0.045 mm, which is narrower than the case where ΔZ = 0 μm. Therefore, if such a surface shape is maintained, a good image cannot be obtained at the position of ΔZ = −25 μm in the same range (object height) as when ΔZ = 0 μm.
Therefore, the surface shape of the deformable mirror 22 is changed at a position other than 0 mm of the object light. For example, when the surface shape of the shape variable mirror 22 is optimized so that the wavefront aberration is minimized at the position where the object height is 0.07 mm (second setting state), the region where the Strehl ratio is 85% or more becomes 0 The range is from 0.045 mm to 0.08 mm. On the other hand, when the surface shape of the shape variable mirror 22 is optimized so that the wavefront aberration is minimized at the position where the object height is -0.07 mm (third setting state), the region where the Strehl ratio is 85% or more is- The range is from 0.08 mm to -0.045 mm.
Therefore, when ΔZ = −25 μm, the surface shape of the deformable mirror 22 is set to the third setting state in the range of −0.08 mm to −0.045 mm, and to the first setting state in the range of −0.045 mm to 0.045 mm. In the state, in the range of 0.045 mm to 0.08 mm, the second setting state may be set. In this manner, the operation of optimizing the surface shape of the shape variable mirror 22 for each range may be performed once, a total of three times. This makes it possible to obtain a good (less aberration) image in the range of -0.08 mm to 0.08 mm as the object height. Since the above range is wider than when ΔZ = 0 μm, a good image can be obtained at the same object height (range) as when ΔZ = 0 μm.
Tables 1 to 3 show parameters of the free-form surface of the deformable mirror 22 used in the scanning optical microscope according to the present embodiment.
[0029]
[Table 1]

[Table 2]

[Table 3]

[0030]
Furthermore, in the present embodiment, if a zoom mechanism is provided for moving at least one of the lenses constituting the first relay optical system 71 along the optical axis direction, the defocus component can be reduced. . As a result, by combining with the deformable mirror 22, it is possible to obtain an image in which aberration is more corrected.
[0031]
The variable shape mirror 22 used in the present embodiment is a variable shape mirror of a type in which the center of the mirror is fixed and the peripheral portion is deformed, as shown in FIGS. However, as will be described later, a variable shape mirror in which the peripheral portion of the mirror is fixed and the central portion is deformed can be used. Even in the case of a variable-shape mirror with a fixed periphery, the amount of aberration to be corrected is the same as that of the center-fixed mirror, so that the optimal surface shape is naturally close to the shapes shown in FIGS.
[0032]
When a light beam is obliquely incident on the deformable mirror 22 as in the present embodiment, the amount of displacement in the direction in which light rays are reflected (the y direction in the drawing) is from the center of the mirror to one end (the first direction). ) And the direction from the center to the other end (second direction). Note that the first direction and the second direction are opposite directions. For example, when optimization is performed at an object height of 0 mm at ΔZ = −25 μm (FIG. 9), the displacement of the deformable mirror 22 is 0.00757 mm at the position of y = −1.2 mm. Further, the displacement amount of the deformable mirror 22 at the position of y = 1.2 mm is 0.00796 mm. This indicates that the amount of displacement of the deformable mirror 22 varies along the y-axis direction.
[0033]
As described above, in the case of the peripherally fixed type variable shape mirror 22, the shape of the mirror does not change at the periphery. Therefore, when the amount of displacement is different between the first direction and the second direction as described above, if the shape of the mirror is created so that the region displaced in the y direction in each direction is different, the shape can be changed. The amount of displacement of the mirror 22 in the z direction can be small. As an example, FIG. 10 shows a case where a fixed peripheral shape variable mirror 22 is used when ΔZ = −25 μm. In this example, the change area of the mirror is in the range of -1.2 mm to 1.2 mm in the x direction and -1.6 mm to 1.6 mm in the y direction, and between -1.2 mm to 1.0 mm in the x direction. The shape of the shape-variable mirror 22 in two cases where the range is -1.6 mm to 1.5 mm in the y direction and 2 mm is shown. FIG. 11 shows the relationship between the Strehl ratio and the object height in that case. The coefficients of the curved surface shape are as shown in Table 4.
[0034]
[Table 4]

[0035]
10 (b) and 10 (c) that it is possible to reduce the amount of displacement of the shape-variable mirror 22 by setting the absolute values at both ends of the change region in the y direction to be different. On the other hand, with respect to the performance, deterioration is observed in a region where the object height is large. However, since the amount of displacement of the deformable mirror 22 is small, manufacturing is easy and its control is also easy.
[0036]
(Second embodiment)
Next, a scanning optical microscope according to a second embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. As shown in FIG. 12, the scanning optical microscope according to the present embodiment is different from the scanning optical microscope according to the first embodiment in that the first relay optical system 71 and the second relay optical system 72 Instead, the difference is that the first and second mirror optical systems 75 and 76 are used. With this configuration, the components can be simplified, and chromatic aberration caused by using the first relay optical system 71 and the second relay optical system 72 can be eliminated.
[0037]
Therefore, the specifications of the third relay optical system 73, the imaging lens 74, and the objective lens 4 are the same as those of the first embodiment. Table 5 shows the specifications of the first and second mirror optical systems 75 and 76.
[0038]
[Table 5]

[0039]
As in the first embodiment, illumination light emitted from a laser light source 11 as a light source is converted into a plane wave by a collimator lens 12 and made incident on a deformable mirror 22. A predetermined wavefront transformation described later is performed on the reflection surface. The light beam subjected to the wavefront conversion is then made incident on a first mirror optical system 75 disposed at a position where its front focal plane substantially coincides with the deformable mirror 22.
[0040]
The light beam reflected by the first mirror optical system 75 is then reflected by the second mirror optical system 76 and made incident on the light beam scanning means 3 arranged on the rear focal plane. Here, the rear focal plane of the first relay optical system 75 and the front focal plane of the second relay optical diameter 76 are arranged so as to substantially coincide with each other. Therefore, the light beam scanning means 3 and the deformable mirror 22 have a conjugate positional relationship.
[0041]
Subsequent light beam scanning means 3 and thereafter operate in the same manner as in the first embodiment. In this embodiment, the reference Strehl ratio is not as high as that of the first embodiment, but is set to 80% which satisfies the performance as a microscope.
FIGS. 13 to 15 show the relationship between the wavefront aberration and the object height when the wavelength used is 488 nm and the focal plane is changed in the same manner as in the first embodiment in the scanning optical microscope according to the present embodiment. FIG. 13 shows a case where ΔZ = 0 μm. In this case, when the deformable mirror 22 is deformed so that the wavefront aberration is reduced on the axis, the Strehl ratio in the range of −0.07 mm to 0.07 mm as the object height is obtained. Is 80% or more, and within this range, a good image can be obtained.
[0042]
On the other hand, as shown in FIG. 14, when the shape-variable mirror 22 is adjusted so that the on-axis wavefront aberration is minimized at the position of ΔZ = −10 μm, the range in which the Strehl ratio becomes 80% or more depends on the object height. The range is −0.06 to 0.06 mm, and the range that can be accurately observed is narrowed. Therefore, when the shape of the shape-variable mirror 22 is corrected so that the wavefront aberration is minimized at the object height of -0.07 mm, the effective range where the Strehl ratio is 85% or more is from -0.08 mm to -0.02 mm. It becomes. Similarly, when the surface shape of the shape-variable mirror 22 is corrected so that the wavefront aberration is minimized at the position of the object height of 0.07 mm, the range of the object height of 0.02 mm to 0.08 mm is effective when the Strehl ratio is 85% or more. Area. Therefore, by changing the shape of the shape variable mirror 22 three times, it is possible to obtain a good image having a Strehl ratio of 80% or more over the entire range of −0.08 to 0.08 mm.
[0043]
Further, as shown in FIG. 15, when the shape of the shape variable mirror 22 is corrected so that the wavefront aberration is optimal on the axis at the position of ΔZ = −25 μm, the Strehl ratio satisfies 80% or more. The range of the object height is narrowed to the range of -0.05 mm to 0.05 mm. However, when the shape variable mirror 22 is optimized such that the wavefront aberration is optimized at the position where the object height is -0.07 mm, the Strehl ratio becomes 80% or more in the region of -0.08 mm to -0.04 mm. If the shape variable mirror 22 is optimized such that the wavefront aberration is optimized at a position where the object height is 0.07 mm, the Strehl ratio becomes 80% or more in the range of 0.04 mm to 0.08 mm. Therefore, when scanning the range of -0.08 mm to 0.08 mm, by deforming the shape of the deformable mirror 22 three times or more, it is possible to obtain a good image having a Strehl ratio of 85% or more over the entire area. it can. FIGS. 16 to 18 show the shape of the deformable mirror 22 in this embodiment, and Tables 6 to 8 show the coefficients of Equation 1 representing the shape of the deformable mirror 22 in that case.
[0044]
[Table 6]

[Table 7]

[Table 8]

[0045]
FIG. 19 shows a modification of the present embodiment. The modification of FIG. 19 is different from the second embodiment in that a deformable mirror 23 as a second wavefront conversion element is used instead of the second mirror optical system 76. When two variable shape mirrors 22 and 23 are used as described above, the control may be complicated, but the aberration correction capability can be greatly improved. Further, by disposing the aperture stop 81 between the first mirror optical system 75 and the deformable mirror 23, it is possible to cut off-axis light having a large aberration although the NA is reduced. Therefore, control of the shape variable mirror 22 can be facilitated.
[0046]
In the above embodiment, the shape variable mirrors 22 and 23 capable of controlling the shape of the reflection surface by an electric signal have been described as examples of the wavefront conversion element. However, other wave forms such as liquid crystal and photorefractive crystal can be used. Obviously, an element capable of phase modulation is also applicable.
[0047]
【The invention's effect】
As described above, according to the scanning optical microscope of the present invention, the aberration correction according to the scanning position by the optical scanning means is performed by the wavefront conversion element, so that not only on the optical axis but also off the optical axis. In this case, it is possible to perform an appropriate aberration correction.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a scanning optical microscope according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an optical path diagram showing a part of an optical system of the scanning optical microscope of FIG.
FIG. 3 is an optical path diagram showing an objective lens of the scanning optical microscope of FIG.
FIG. 4 is a diagram illustrating a change in the Strehl ratio when the shape variable mirror is optimized with ΔZ = 0 μm.
FIG. 5 is a diagram showing a change in the Strehl ratio when the shape variable mirror is optimized with ΔZ = −10 μm.
FIG. 6 is a diagram showing a change in the Strehl ratio when the shape variable mirror is optimized with ΔZ = -25 μm.
7A is a perspective view, FIG. 7B is a cross-sectional view in the x direction, and FIG. 7C is a cross-sectional view in the y direction showing the shape of the shape-variable mirror fixed at the center when ΔZ = 0 μm.
8A is a perspective view, FIG. 8B is a sectional view in the x direction, and FIG. 8C is a sectional view in the y direction showing the shape of the shape-variable mirror fixed at the center when ΔZ = −10 μm.
9A is a perspective view, FIG. 9B is a cross-sectional view in the x direction, and FIG. 9C is a cross-sectional view in the y direction showing the shape of the shape-variable mirror fixed at the center when ΔZ = -25 μm.
10A is a perspective view, FIG. 10B is a cross-sectional view in the x direction, and FIG. 10C is a cross-sectional view in the y direction showing the shape of the deformable mirror fixed around the periphery.
11 is a diagram showing a relationship between an object height and a Strehl ratio in the deformable mirror in FIG.
FIG. 12 is a schematic diagram showing a scanning optical microscope according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a diagram illustrating a change in the Strehl ratio when the shape variable mirror is optimized with ΔZ = 0 μm.
FIG. 14 is a diagram illustrating a change in the Strehl ratio when the shape-variable mirror is optimized with ΔZ = −10 μm.
FIG. 15 is a diagram illustrating a change in the Strehl ratio when the shape-variable mirror is optimized with ΔZ = −25 μm.
16A is a perspective view, FIG. 16B is a cross-sectional view in the x direction, and FIG. 16C is a cross-sectional view in the y direction showing the shape of the shape-variable mirror fixed at the center when ΔZ = 0 μm.
17A is a perspective view, FIG. 17B is a cross-sectional view in the x direction, and FIG. 17C is a cross-sectional view in the y direction showing the shape of the shape-variable mirror fixed at the center when ΔZ = −10 μm.
18A is a perspective view, FIG. 18B is a cross-sectional view in the x direction, and FIG. 18C is a cross-sectional view in the y direction showing the shape of the shape-variable mirror fixed at the center when ΔZ = −25 μm.
FIG. 19 is a schematic view showing a modified example of the scanning optical microscope of FIG.
FIG. 20 is a schematic diagram showing a configuration of a conventional scanning optical microscope.
21 is a diagram showing a control configuration of the scanning optical microscope of FIG.
[Explanation of symbols]
3. Light beam scanning means (light scanning means)
4 Objective lens
11 Laser light source (light source)
22 Variable shape mirror (wavefront conversion element)
23 Variable shape mirror (second wavefront conversion element)
53 detector
71, 72, 73, 75, 76 Relay optical system (transmission optical system)
81 Aperture stop

Claims

A light source, a wavefront converting element that applies arbitrary wavefront conversion to the illumination light emitted from the light source, an optical scanning unit that scans the light beam after the wavefront conversion emitted from the wavefront converting element, and a light beam that is deflected by the optical scanning unit. A scanning type comprising: an objective lens for condensing a light beam on a sample, and a detector for detecting signal light emitted from the sample, wherein the wavefront conversion element is operated in synchronization with the optical scanning means. Light microscope.

2. The scanning optical microscope according to claim 1, wherein a transmission optical system is provided between the wavefront conversion element and the optical scanning means, and a second wavefront conversion element is provided in the transmission optical system.

The wavefront conversion element is formed of a shape-variable mirror that changes the shape electrically, and a light beam incident on the shape-variable mirror has an asymmetric shape change region of the shape-variable mirror when obliquely incident. The scanning optical microscope according to claim 1 or 2, wherein

4. The scanning optical microscope according to claim 1, wherein an aperture stop is provided between the wavefront conversion element and the light beam scanning unit.