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WO2012133623A1 - 走査型顕微鏡 - Google Patents

走査型顕微鏡 Download PDF

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Publication number
WO2012133623A1
WO2012133623A1 PCT/JP2012/058321 JP2012058321W WO2012133623A1 WO 2012133623 A1 WO2012133623 A1 WO 2012133623A1 JP 2012058321 W JP2012058321 W JP 2012058321W WO 2012133623 A1 WO2012133623 A1 WO 2012133623A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
deflection element
deflection
illumination light
deflecting
optical system
Prior art date
Application number
PCT/JP2012/058321
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
正宏 水田
Original Assignee
株式会社ニコン
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社ニコン filed Critical 株式会社ニコン
Priority to JP2013507712A priority Critical patent/JP5733539B2/ja
Publication of WO2012133623A1 publication Critical patent/WO2012133623A1/ja
Priority to US14/040,081 priority patent/US9551862B2/en

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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/0004—Microscopes specially adapted for specific applications
    • G02B21/002—Scanning microscopes
    • G02B21/0024—Confocal scanning microscopes (CSOMs) or confocal "macroscopes"; Accessories which are not restricted to use with CSOMs, e.g. sample holders
    • G02B21/0036—Scanning details, e.g. scanning stages
    • G02B21/0048—Scanning details, e.g. scanning stages scanning mirrors, e.g. rotating or galvanomirrors, MEMS mirrors
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/0004—Microscopes specially adapted for specific applications
    • G02B21/002—Scanning microscopes
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/0816—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/0816—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements
    • G02B26/0833—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements the reflecting element being a micromechanical device, e.g. a MEMS mirror, DMD

Definitions

  • the present invention relates to a scanning microscope.
  • a scanning confocal microscope (hereinafter referred to as a scanning microscope) irradiates an observation sample with a laser beam through an objective lens, thereby irradiating reflected light from the observation sample or the observation sample.
  • the fluorescence generated from the sample by the laser beam is imaged again in a point shape via the objective lens and the optical system, and this is detected by a detector to obtain a point image.
  • a two-dimensional image can be obtained by scanning the entire two-dimensional XY plane of the observation sample using a galvanometer mirror that is a deflection element.
  • FIG. 17 shows a specific path of the laser beam in such a scanning microscope.
  • the laser beam incident from the A direction passes through the beam splitter 132 and passes through the two deflecting elements 133a and 133b to be two-dimensional. Scanned. Thereafter, the light enters the pupil projection lens 134 and passes through the pupil projection lens 134 to form a spot on the image plane of an objective lens (not shown).
  • two-dimensional scanning is performed on the image surface of the objective lens by the rotation (swing angle) of the two deflecting elements 133a and 133b, so that the reflected light or fluorescence from the sample surface on the image surface is as described above.
  • the converted two-dimensional image is displayed on each pixel of the monitor (not shown) in correspondence with the scanning positions in the X and Y directions of the two deflection elements 133a and 133b.
  • the exit pupil of the objective lens is always used regardless of the rotation angle (swing angle) of the two deflection elements.
  • the center of rotation of the laser beam passing through the objective lens need to coincide with each other.
  • the rotation center of the deflecting element and the exit pupil position of the objective lens should be in a conjugate relationship.
  • two deflection elements are used for two-dimensional scanning of the laser beam, it is always possible to set both of these two deflection elements so as to be conjugate with the exit pupil position of the objective lens. Can not.
  • Patent Document 1 a first deflecting element that deflects a light beam along one direction, a second deflecting element that further deflects the light beam deflected by the first deflecting element along the direction, And a driving unit that rotates the second deflecting element in synchronization with each other, and the center position of the deflection caused by the rotation of the light beam deflected by the second deflecting element is between the first and second deflecting elements.
  • the first and second deflecting elements are arranged so as to coincide with a position conjugate with the exit pupil position of the objective lens.
  • the exit pupil of the objective lens is theoretically the rear focal position of the objective lens, but is determined by a person skilled in the art in consideration of the design requirements such as aberration and vignetting of the objective lens. It is a concept that includes the position.
  • the exit pupil position of the imaging optical system composed of the objective lens and the second objective lens or the position conjugate with the exit pupil is not necessarily at a fixed position.
  • the exit pupil position changes depending on the type of the objective lens, or when the zoom optical system is included in the imaging optical system, the exit pupil position and the exit pupil conjugate position change.
  • the present invention has been made in view of such problems, and when the exit pupil position and the exit pupil conjugate position of the imaging optical system change, rotation of the light beam for scanning following the exit pupil position is performed. It is an object of the present invention to provide a scanning microscope configured to move the center position.
  • a scanning microscope is arranged between an objective lens that collects illumination light emitted from a light source and irradiates a sample surface, and the light source and the objective lens.
  • a scanning unit that scans the sample surface with light.
  • the scanning unit scans the illumination light in a first direction on the sample surface, the first deflection element and the second deflection element, and the illumination light
  • a third deflection element and a fourth deflection element that scan in a second direction orthogonal to the first direction, the rotation center of the illumination light by the first deflection element and the second deflection element, and a third The first deflection element and the second deflection element so that the rotation center of the illumination light by the deflection element and the fourth deflection element substantially coincide with the exit pupil of the objective lens or a position conjugate with the exit pupil.
  • the third deflecting element and the fourth deflecting element Characterized in that the angle is controlled.
  • the deflection angle is an angle formed with a predetermined reference.
  • the optical axis of the optical system including the objective lens, the reflecting surface of the deflecting element, and the normal line of the reflecting surface of the deflecting element are used. Can be mentioned.
  • Such a scanning microscope has a variable magnification optical system that is formed by changing the magnification of an image of a sample surface, and a position conjugate with the exit pupil of the objective lens is moved along with the magnification change. With the movement of the position conjugate with the exit pupil, the rotation center of the illumination light by the first deflection element and the second deflection element and the rotation center of the illumination light by the third deflection element and the fourth deflection element are obtained.
  • the deflection angle of the illumination light by each of the first deflection element, the second deflection element, the third deflection element, and the fourth deflection element is controlled so as to substantially coincide with the position conjugate with the moved exit pupil. It is preferable.
  • the rotation center of the illumination light by the first deflection element and the second deflection element is from a predetermined position closer to the light source than the first deflection element than the second deflection element.
  • the first deflecting element and the second deflecting element are arranged so as to be located anywhere between the predetermined position on the surface side, and the rotation center of the illumination light by the third deflecting element and the fourth deflecting element is The third deflection element and the fourth deflection element are positioned so as to be located between a predetermined position on the light source side with respect to the third deflection element and a predetermined position on the sample surface side with respect to the fourth deflection element. Is preferably arranged.
  • each of the first deflection element and the second deflection element has a reflecting surface that is rotated about a rotation axis that is substantially orthogonal to the first direction.
  • Each of the third deflection element and the fourth deflection element has a reflecting surface that is rotated about a rotation axis that is substantially orthogonal to the second direction, and the illumination light incident from the light source is reflected by the first deflection element.
  • the illumination light reflected and reflected by the first deflecting element is reflected by the second deflecting element, the illumination light is reflected by the third deflecting element, and further reflected by the third deflecting element. It is preferable that reflected illumination light is reflected by the fourth deflection element.
  • the first deflecting element and the second deflecting element, and the third deflecting element and the fourth deflecting element satisfy the following conditions:
  • the amount of change from the predetermined state of the deflection angle of the illumination light by the deflection element and the second deflection element, and the amount of change from the predetermined state of the deflection angle of the illumination light by the third deflection element and the fourth deflection element are controlled. It is preferable.
  • ⁇ Amount of change from the predetermined state of the deflection angle of the illumination light by the first deflection element or the third deflection element
  • ⁇ Change in the deflection angle of the illumination light by the second deflection element or the fourth deflection element from the predetermined state
  • Change amount L Distance between the rotation center of the first deflection element and the rotation center of the second deflection element, or distance between the rotation center of the third deflection element and the rotation center of the fourth deflection element
  • M The distance between the rotation center of the second deflection element and the rotation center of the first deflection element and the second deflection element, or the rotation center of the fourth deflection element and the rotation of the third deflection element and the fourth deflection element.
  • the incident angle of the illumination light on the reflection surface of the first deflection element and the reflection surface of the second deflection element is 45. It is preferable that they are arranged to be smaller than °.
  • the incident angle of the illumination light on the reflection surface of the third deflection element and the reflection surface of the fourth deflection element is 45. It is preferable that they are arranged to be smaller than °.
  • the first deflecting element and the second deflecting element reflect the illumination light incident on the reflecting surface of the first deflecting element on the reflecting surface of the second deflecting element. It is preferable that the illumination lights emitted in this way are arranged to intersect.
  • the illumination light that is reflected by the reflecting surface of the second deflecting element and emitted is emitted with respect to the illumination light incident on the reflecting surface of the first deflecting element. It is preferable that they are arranged so as to be substantially orthogonal.
  • the third deflecting element and the fourth deflecting element reflect the illumination light incident on the reflecting surface of the third deflecting element on the reflecting surface of the fourth deflecting element. It is preferable that the illumination lights emitted in this way are arranged to intersect.
  • the illumination light that is reflected by the reflection surface of the fourth deflection element and emitted is emitted with respect to the illumination light incident on the reflection surface of the third deflection element. It is preferable that they are arranged so as to be substantially orthogonal.
  • the scanning microscope according to the present invention when the exit pupil position and the exit pupil conjugate position of the imaging optical system change, scanning is performed following the exit pupil position or the exit pupil conjugate position.
  • the rotational center position of the luminous flux can be moved.
  • (B) shows the upper ray in (a)
  • (c) shows the ray on the optical axis in (a)
  • (d) shows the lower ray in (a).
  • It is explanatory drawing which shows the light beam when arrange
  • (a) shows the state of an axial light beam
  • (b) shows the state of an off-axis light beam.
  • It is explanatory drawing which shows a state when the focal distance of the variable magnification 2nd objective optical system is changed into 450 mm from the state of FIG. 13, Comprising: (a) shows the state of an axial light beam, (b) is off-axis. Indicates the state of the luminous flux.
  • the scanning microscope 10 detects a laser beam (illumination light) emitted from the light source 20 by irradiating the sample surface 50 of the observation sample to scan, and reflected light or fluorescence from the sample surface 50. And a detection optical system 40.
  • the scanning optical system 30 includes a beam expander 31, a beam splitter 32, a scanning unit 33, a pupil projection lens 34, a second objective lens 35, and an objective lens 36 in order from the light source 20 side.
  • the detection optical system 40 is disposed on the side of the scanning optical system 30 and includes an imaging lens 41, a light shielding plate 42, and a photodetector 43 in order from the beam splitter 32 side.
  • the scanning microscope 10 is provided with a processing unit 70 that processes the position (coordinates on the sample surface 50) scanned by the scanning unit 33 and the value detected by the photodetector 43.
  • the laser beam emitted from the light source 20 becomes a substantially parallel light beam having a beam diameter required by the beam expander 31, passes through the beam splitter 32, and enters the scanning unit 33.
  • the scanning unit 33 scans the laser beam two-dimensionally in a direction orthogonal to the optical axis as will be described later.
  • the scanning unit 33 deflects the laser beam by reflecting the laser beam as shown in FIG.
  • the first deflection element 33a, the second deflection element 33b, the third deflection element 33c, and the fourth deflection element 33d are composed of four deflection elements.
  • the first to fourth deflection elements 33a to 33d are configured to be rotated (swinged) by the motor of the drive unit 60.
  • the laser beam (substantially parallel light beam) emitted from the scanning unit 33 is focused on the primary image plane I by the pupil projection lens 34 and then passes through the second objective lens 35 to become a substantially parallel light beam again.
  • the lens 36 forms an image on the sample surface (focal plane of the objective lens 36) 50.
  • the image of the laser beam formed on the sample surface 50 is a point image, and the diameter of the point image is determined by the numerical aperture (NA) of the objective lens 36.
  • NA numerical aperture
  • the reflected light or fluorescence from the point image (irradiation area) on the sample surface 50 is condensed again by the objective lens 36 to become a substantially parallel light beam, and is imaged on the primary image plane I by the second objective lens 35. Further, it is made into a substantially parallel light beam by the pupil projection lens 34 and enters the scanning unit 33.
  • the reflected light or fluorescence (substantially parallel light beam) descanned and emitted by the scanning unit 33 is reflected by the beam splitter 32 and enters the detection optical system 40, and is formed on the opening 42 a of the light shielding plate 42 by the imaging lens 41. It is focused on. Only the light that has passed through the opening 42a of the light shielding plate 42 reaches the photodetector 43 and is detected.
  • the opening 42 a of the light shielding plate 42 is conjugate with the point image of the laser beam imaged on the sample surface 50, and light (reflected light or fluorescence) emitted from the irradiation region on the sample surface 50 is It can pass through this opening 42a.
  • the processing unit 70 processes the optical signal detected by the photodetector 43 in synchronization with the scanning of the scanning unit 33, thereby obtaining the coordinates and the optical signal irradiated with the laser beam on the sample surface 50.
  • a two-dimensional image of the sample surface 50 can be obtained using the luminance.
  • the scanning microscope 10 can obtain an image of the sample surface 50 with high resolution.
  • the first to fourth deflection elements 33a constituting the scanning unit 33 are obtained.
  • the rotational center of the laser beam by .about.33d (the center of the swing angle when the laser beam is swung to scan the sample surface 50) and the position of the exit pupil P of the objective lens (imaging optical system) 36 are conjugated.
  • the pupil projection lens 34 is configured to form an image of the exit pupil P of the objective lens 36 on or near the scanning unit 33.
  • FIG. 2 described above shows the configuration of the scanning unit 33 according to the first embodiment.
  • the sample surface 50 perpendicular to the optical axis has a predetermined direction (the vertical direction in FIG. 2). ) Is the x-axis direction, and the direction perpendicular to the x-axis direction (the left-right direction in FIG. 2) is the y-axis direction, the two images that scan the point image of the laser beam in the x-axis direction on the sample surface 50 It comprises a deflection element (first and second deflection elements 33a, 33b) and two deflection elements (third and fourth deflection elements 33c, 33d) that are scanned in the y-axis direction.
  • the first and second deflection elements 33a and 33b have a scanning rotation axis extending in the y-axis direction, and the third and fourth deflection elements 33c and 33d are in the x-axis direction.
  • the scanning rotation shaft extends, and these rotation shafts are rotated by the motor of the drive unit 60 described above, whereby the reflection surfaces of the first and second deflection elements 33a and 33b rotate in the x-axis direction. (Oscillates), and the reflecting surfaces of the third and fourth deflecting elements 33c and 33d rotate (oscillate) in the y-axis direction. Also, as shown in FIG.
  • the first and second deflections are performed.
  • the reflecting surfaces of the elements 33a and 33b are substantially parallel and are inclined by 45 ° with respect to the optical axis (the incident angle of the laser beam is 45 °).
  • the third and fourth deflection elements 33c and 33d with respect to the y-axis direction.
  • the first and second deflecting elements 33a and 33b that scan the laser beam in the x-axis direction will be described.
  • the third and fourth deflecting elements 33c and 33d that scan in the y-axis direction have the same configuration. is doing.
  • the exit pupil position of the imaging optical system composed of the objective lens 36 and the second objective lens 35 changes, for example, a plurality of objective lenses 36 having different exit pupil positions.
  • the imaging optical system includes a variable magnification optical system (consisting of an objective lens, a variable magnification optical system, and a second objective lens), and the exit pupil conjugate position changes depending on the magnification.
  • both rotation centers of the two-dimensional scanning light beam overlap if the position is not conjugate with the exit pupil, or if it does not coincide with the exit pupil conjugate position, both the on-axis and off-axis light amount loss Degradation of optical performance occurs. In order to prevent this, both rotation centers are moved together in accordance with the exit pupil position change or the exit pupil conjugate position change.
  • the first and second deflecting elements 33a and 33b cause the laser light incident on the optical axis to scan in the x-axis direction on the sample surface 50 (hereinafter referred to as “one-dimensional scanning”).
  • the first and second deflecting elements 33a and 33b have scanning rotation axes extending substantially parallel to each other in the y-axis direction.
  • FIG. 3 shows that by adjusting the rotation angle (oscillation angle) of the first and second deflecting elements 33a and 33b, the point P ′ closer to the sample surface 50 than the second deflecting element 33b is used as the center of rotation.
  • the case where a laser beam is scanned is shown. Also, FIG.
  • FIG. 4 shows the rotation angle (so that the rotation center P ′ of the laser beam scanning by the first and second deflecting elements 33a and 33b is located closer to the light source 20 than the first deflecting element 33a).
  • FIG. 5 shows the rotation angle (rotation angle) of the rotation center P ′ of the laser beam scanning by the first and second deflection elements 33a and 33b so as to overlap the rotation center of the second deflection element 33b. ) Is controlled. In this case, the first deflection element 33a does not rotate. Further, FIG.
  • FIG. 6 shows that the rotation center P ′ of the scanning of the laser beam by the first and second deflecting elements 33a and 33b is positioned approximately in the middle between the first deflecting element 33a and the second deflecting element 33b.
  • Fig. 6 shows a case where these rotation angles (rotation swing angles) are controlled. In this case, since the first deflecting element 33a and the second deflecting element 33b have a substantially symmetrical positional relationship, the rotational swing angles are substantially the same.
  • FIG. 7 shows the rotation angle (rotation angle) of the rotation center P ′ of the laser beam scanning by the first and second deflection elements 33a and 33b so as to overlap the rotation center of the first deflection element 33a. ) Is controlled. In this case, the second deflection element 33b does not rotate.
  • the rotation center P ′ when the sample surface 50 is scanned in the x-axis direction with the laser beam is set. It can be moved in a range from the image side of the first deflection element 33a to the object side of the second deflection element 33b. That is, with the above configuration, I.
  • the rotation center P ′ in the one-dimensional scanning is located on the incident side with respect to the first deflection element 33a (in the case of FIG. 4).
  • the rotation center P ′ in the one-dimensional scan overlaps with the rotation center of the first deflection element 33a (in the case of FIG. 7).
  • a first one-dimensional scanning optical system (hereinafter referred to as an X scanning optical system 33x) composed of first and second deflecting elements 33a and 33b in order from the light source 20 side (in the order of incidence of the laser beam).
  • a second one-dimensional scanning optical system (hereinafter referred to as Y-scanning optical system 33y) comprising the third and fourth deflecting elements 33c and 33d (scanning unit 33). If the exit pupil conjugate position of the imaging optical system is on the incident side with respect to the first deflection element 33a of the X scanning optical system 33x, the X scanning optical system 33x and the Y scanning optical system Both 33y must be type I one-dimensional scanning optical systems.
  • the X scanning optical system 33x When the exit pupil conjugate position of the imaging optical system coincides with the rotation center of the first deflection element 33a of the X scanning optical system 33x, the X scanning optical system 33x is type II and the Y scanning optical system 33y. Is type I. When the exit pupil conjugate position of the imaging optical system is between the first and second deflecting elements 33a and 33b of the X scanning optical system 33x, the X scanning optical system is type III and the Y scanning optical system 33y. Is type I. When the exit pupil conjugate position of the imaging optical system is coincident with the rotation center of the second deflection element 33b of the X scanning optical system 33x, the X scanning optical system 33x is type IV and the Y scanning optical system 33y. Is type I.
  • the X scanning optical system is type V and the Y scanning optical system 33y is type I. It is. Further, when the exit pupil conjugate position of the imaging optical system coincides with the rotation center of the third deflection element 33c of the Y scanning optical system 33y, the X scanning optical system 33x is type V, and the Y scanning optical system 33y. Is type II. When the exit pupil conjugate position of the imaging optical system is between the third and fourth deflection elements 33c and 33d of the Y scanning optical system 33y, the X scanning optical system 33x is type V, and the Y scanning optical system 33y is type III.
  • the X scanning optical system 33x is type V and the Y scanning optical system 33y. Is type IV.
  • both the X scanning optical system 33x and the Y scanning optical system 33y are of type V 1 It must be a dimensional scanning optical system.
  • the exit pupil conjugate position of the imaging optical system is, if the two-dimensional scanning optical system (scanning unit 33) according to this embodiment having the same configuration is used, the exit pupil is used. Conjugation can be maintained.
  • the above deflection elements 33a to 33d can be constituted by, for example, a polygon mirror (rotating polygon mirror), an acoustooptic element, or the like.
  • the first and second deflecting elements 33a and 33b are configured to scan the laser beam in the y-axis direction on the sample surface 50
  • the third and fourth deflecting elements 33c and 33d are configured to scan in the x-axis direction. It is also possible to do.
  • the X scanning optical system 33x and the Y scanning optical system 33y may have a nested structure. Specifically, in order from the light source 20 side, the first deflection element 33a of the X scanning optical system 33x, the third deflection element 33c of the Y scanning optical system 33y, the second deflection element 33b of the X scanning optical system 33x, and Y scanning.
  • the fourth deflection element 33d of the optical system 33y may be arranged in this order, or the first deflection element 33a of the X scanning optical system 33x and the third deflection element 33c of the Y scanning optical system 33y in this order from the light source 20 side.
  • the fourth deflection element 33d of the Y scanning optical system 33y and the second deflection element 33b of the X scanning optical system 33x may be arranged in this order. It is important that two deflection elements are provided for each scanning direction.
  • the light beam incident on the first deflecting element 33a and the light beam emitted from the second deflecting element 33b are crossed, so that the reflecting surface of the second deflecting element 33b is changed. It can be downsized. This is because the incident angle of the laser beam with respect to the first and second deflecting elements 33a and 33b (incident angle when emitted from the scanning unit 33 onto the optical axis) can be made smaller than 45 °. This is because the amount of movement of the light beam incident on the second deflection element 33b in the x-axis direction is reduced by the rotation of the first deflection element 33a. Also, with this arrangement, the first deflection element 33a can be reduced in size as compared with the case of FIG. The same applies to the third and fourth deflection elements 33c and 33d.
  • the scanning optical system 30 scans the center (on the optical axis) of the image plane as shown in FIG. 8A
  • the light beam incident on the first deflection element 33a and the second deflection element 33b are emitted.
  • the first deflection element 33a and the second deflection element 33b are also parallel.
  • the second deflecting element 33b blocks the incident light flux.
  • FIG. 8B in the configuration in which the light beam incident on the first deflection element 33a and the light beam emitted from the second deflection element 33b can be folded, the light beam can be folded. It can be made smaller.
  • Table 1 below shows that the incident beam diameter ⁇ is 5.5 mm, the maximum scanning angle ⁇ is 6.89 °, and the surface interval L1 on the optical axis of the reflection surfaces of the first and second deflecting elements 33a and 33b is 10.
  • the distance L2 on the optical axis from 0 mm and the reflecting surface of the second deflecting element 33b to the plane P ′ conjugate with the entrance pupil of the objective lens 36 is 15.0 mm
  • the effective diameters ⁇ 1 and ⁇ 2 of the reflecting surfaces of the first and second deflecting elements 33a and 33b when the outgoing light beams are parallel and when the incoming and outgoing light beams shown in FIG.
  • the intersection angle of the light beam incident on the first deflection element 33a and the light beam emitted from the second deflection element 33b is 90 °, and the third deflection element 33c.
  • the crossing angle of the light beam incident on the light beam and the light beam emitted from the fourth deflecting element 33d is 90 °, the incident light beam direction and the emitted light beam direction of the normal two-dimensional scanning optical system shown in FIG. Therefore, the scanning optical system 30 according to the second embodiment can be introduced without changing any other elements of the optical system.
  • the deflection element When there is a deflection element at the rotation center position of the scanned light beam, the deflection element cannot be disposed at the exit pupil position of the objective lens 36. Therefore, the second objective lens 35, between the objective lens 36 and the deflection element, By providing a pupil projection lens 36 (relay optical system) and forming an exit pupil conjugate position in the vicinity of the deflecting element, the vicinity of the rotational center position of the scanned light beam and the exit pupil of the objective lens 36 are in a conjugate relationship. By providing the relay optical system, there is a problem that the apparatus is enlarged and the influence of the aberration of the relay optical system cannot be avoided. In types I and V (FIGS.
  • the scanning optical system 30 includes a variable magnification optical system 37 and an objective lens 36 and a pupil projection lens 34 in order from the object side.
  • the second objective lens 35 is included.
  • the variable magnification optical system 37 and the second objective lens 35 are collectively referred to as a variable magnification second objective optical system 38.
  • FIG. 10 shows the configuration of the optical system from the exit pupil P of the objective lens 36 to the exit pupil image P ′′ relayed by the pupil projection lens 34. That is, this FIG. An optical path diagram from the entrance pupil P on the object side of the optical system 38 to the exit pupil conjugate position P ′′ of the variable magnification second objective optical system 38 in which the pupil P is relayed by the pupil projection lens 34 is shown.
  • FIG. 10A shows a state where the focal length f of the variable magnification second objective optical system 38 is 60 mm
  • FIG. 10B shows a state where the focal length f is 450 mm.
  • the relayed exit pupil conjugate position P ′′ differs depending on the focal length f of the variable magnification second objective optical system 38.
  • a variable magnification optical system 37 constituting the variable magnification second objective optical system 38 includes, in order from the object side, a first lens group G1 having a positive refractive power, a second lens group G2 having a negative refractive power, It has a third lens group G3 having negative refractive power and a fourth lens group G4 having positive refractive power.
  • the first lens group G1 is composed of, in order from the object side, a cemented lens in which a negative meniscus lens L11 having a convex surface facing the object side and a biconvex lens L12 are cemented, and a positive meniscus lens L13 having a convex surface facing the object side.
  • the second lens group G2 includes, in order from the object side, a biconcave lens L21, a cemented lens obtained by cementing the biconvex lens L22 and the biconcave lens L23, and a biconcave lens L24, and the third lens group G3 includes an object.
  • the lens includes a biconvex lens L31 and a cemented lens in which a biconvex lens 32 and a negative meniscus lens L33 having a concave surface facing the object side are cemented.
  • the fourth lens group G4 is arranged in order from the object side to the object side.
  • the zoom optical system 37 has the second lens group G2 and the third lens group G3 imaged along the optical axis when zooming from the high magnification end state to the low magnification end state. Configured to move sideways. At this time, the first lens group G1 and the fourth lens group G4 are fixed on the optical axis in zooming.
  • the second objective lens 35 includes, in order from the object side, a cemented lens in which a biconvex lens L51 and a negative meniscus lens L52 having a concave surface facing the object side are cemented, and a cemented lens in which the biconvex lens L53 and the biconcave lens L54 are cemented. It consists of a lens.
  • Table 1 below shows values of specifications of the variable magnification second objective optical system 38.
  • f in the overall specifications indicates the focal length of the entire variable magnification second objective optical system 38 when the object distance is infinite
  • Fno indicates the F number
  • d0 indicates the objective lens 36.
  • the distance on the optical axis from the exit pupil P to the most object side lens surface (first surface) of the variable magnification second objective optical system 38 is shown.
  • the first column m is the surface number of each optical surface along the direction in which the light beam travels from the object side
  • the second column r is the radius of curvature of each optical surface
  • the third column d is each optical surface.
  • surface numbers 1 to 26 shown in Table 1 the most object side surface of the variable magnification optical system 37 in FIG. 10 is set to 1, and the most image side surface of the second objective lens 35 is set to 26.
  • a minus ( ⁇ ) in the radius of curvature indicates that the lens surface is concave toward the object side.
  • the refractive index of air of 1.0000 is omitted.
  • the distance d between the twenty-sixth surfaces is the lens surface (the twenty-sixth surface) closest to the image side of the variable magnification second objective optical system 38 (second objective lens 35) to the lens surface closest to the object side of the pupil projection lens 34 ( The distance on the optical axis to the (27th surface) is shown.
  • variable magnification optical system 37 moves the second lens group G2 and the third lens group G3 along the optical axis when changing the magnification from the high magnification end state to the low magnification end state.
  • the interval d3 changes.
  • the lens group spacing in Table 1 below includes the effective diameter ⁇ of the lens surface (first surface) closest to the object side in the high magnification end state, intermediate focal length state, and low magnification end state, and the variable magnification second objective optical system 38.
  • the values of the focal length f and the lens group intervals d1, d2, and d3 are shown.
  • the effective diameter ⁇ of the first surface changes with zooming, and plays the role of an object-side entrance pupil that determines the diameter of the light beam incident on the zooming optical system 37 at each focal length.
  • the focal length f, the radius of curvature r, the surface interval d, and other length units listed in all the following specifications are generally “mm”, but the optical system is proportionally enlarged or reduced. However, since the same optical performance can be obtained, it is not limited to this.
  • the description of the above specification table is the same in the specification table shown below.
  • the pupil projection lens 34 is composed of, in order from the object side, a cemented lens of a biconcave lens L61 and a biconvex lens L62, and a positive meniscus lens L63 having a convex surface facing the object side.
  • Table 2 shows values of specifications of the pupil projection lens 34.
  • the pupil projection lens 34 is located in a direction farther from the object side than the image I formed by the variable magnification second objective optical system 38 and relays the exit pupil of the variable magnification second objective optical system 38.
  • the surface numbers 27 to 31 shown in Table 2 the most object-side surface of the pupil projection lens 24 in FIG.
  • the second deflecting element 33b which is a single reflecting mirror, with respect to the scanning optical system 30 having the above-described configuration
  • the second deflection element 33b has its rotation center at a relayed exit pupil conjugate position P ′′ when the focal length f of the variable magnification second objective optical system 38 is 60 mm.
  • the incident light beam and the reflected light beam to the second deflecting element 33b are perpendicular to each other, and the reflected light beam is arranged to be the axial light beam of the variable magnification second objective optical system 38.
  • the reflected light beam is inclined by 5 ° with respect to the optical axis of the variable magnification second objective optical system 38, as shown in FIG.
  • the off-axis light beam enters the pupil projection lens 38.
  • the rotation center of the second deflection element 33b and the exit pupil conjugate position P ′′ of the variable magnification second objective optical system 38 coincide with each other. Approximately all of the light beam passes through the entrance pupil P on the object side of the variable magnification second objective optical system 38 in both off-axis directions. can do.
  • the reflected light beam becomes an axial light beam of the variable magnification second objective optical system 38 and passes through the entrance pupil P of the variable magnification second objective optical system 38.
  • the exit pupil conjugate position P ′′ of the variable magnification second objective optical system 38 deviates from the rotation center of the second deflection element 33b.
  • the off-axis light beam deviates from the effective diameter in the middle of the variable magnification second objective optical system 38.
  • a first deflection element 33a is added as shown in FIG. 13, and a one-dimensional scanning optical system (X scanning optical system 33x) is constituted by two reflecting mirrors.
  • X scanning optical system 33x a one-dimensional scanning optical system
  • the line segment (20 mm) connecting the rotation centers of the first deflection element 33a and the second deflection element 33b is orthogonal to the optical axis of the variable magnification second objective optical system 38.
  • the light beam incident on the first deflecting element 33 a is parallel to the optical axis of the variable magnification second objective optical system 38.
  • the exit pupil conjugate position P ′′ at this time is the rotation center of the second deflection element 33b and the rotation of the laser beam (illumination light) by the first deflection element 33a and the second deflection element 33b.
  • the second deflecting element 33b is rotated by 2.5 °, the off-axis light beam incident on the pupil projection lens 34 is changed in magnification.
  • the second deflecting element 33b is rotated by 2.5 °
  • the off-axis light beam incident on the pupil projection lens 34 is changed in magnification.
  • approximately all the luminous fluxes are varied both on and off the axis. It is possible to pass through the entrance pupil P on the object side of 38.
  • the exit pupil conjugate position P ′′ coincides with the rotation center of the second deflecting element 33b, the first deflecting element 33a and the second deflecting element 33b. Does not coincide with the rotation center of the laser beam (illumination light) by the deflection element 33b In this case, the off-axis light beam deviates from the effective diameter in the middle of the variable magnification second objective optical system 38.
  • the incident light beam and the reflected light beam to the second deflection element 33b are perpendicular to each other, and the line segment connecting the rotation centers of the first deflection element 33a and the second deflection element 33b is orthogonal to the optical axis of the variable magnification second objective optical system 38, the reflected light flux is variable. It becomes an on-axis light beam of the second objective optical system 38 and can pass through the entrance pupil P of the variable magnification second objective optical system 38.
  • the first deflection element 33a and the second deflection element are set so that the rotation center of the laser beam (illumination light) by the first deflection element 33a and the second deflection element 33b coincides with the exit pupil conjugate position P ′′.
  • the rotation angle (rotation swing angle) of each of 33b is adjusted and the off-axis light beam incident on the pupil projection lens 34 is inclined by 5 ° with respect to the optical axis of the variable magnification second objective optical system 38, FIG. As shown in b), it is possible to pass the entrance pupil P on the object side of the variable magnification second objective optical system 38 without being vignetted in the middle of the variable magnification second objective optical system 38. In this way, the first magnification is obtained.
  • the deflection element 33a and the second deflection element 33b are arranged, and the rotation center of the laser beam (illumination light) by these two deflection elements 33a and 33b is made to coincide with the exit pupil conjugate position P ′′, so that 2
  • the focal length f of the objective optical system 38 is 60 m. Even, even 450 mm, the axis can be off-axis in both approximately the total luminous flux passes through the entrance pupil P of the object side of the variable magnification second objective optical system 38.
  • the first deflection element 33a and the second deflection element 33b whose rotation centers of the laser beams (illumination light) by the first deflection element 33a and the second deflection element 33b coincide with the exit pupil conjugate position P ′′.
  • the rotation angle (rotation swing angle) of each that is, the rotation swing angle of the two deflection elements 33a and 33b and the position of the rotation center of the laser beam (illumination light) by these deflection elements 33a and 33b
  • incident light to the X scanning optical system 33x composed of two deflection elements 33a and 33b is rotated by these deflection elements 33a and 33b.
  • a case where the light passing through the center and the light emitted from the X scanning optical system 33x passes through the optical axis of the variable magnification second objective optical system 38 will be described as an initial state, where the rotation of the first deflection element 33a is described.
  • the center is A
  • the center of rotation of the second deflecting element 33b is C
  • the center of rotation of the laser beam by these deflecting elements 33a and 33b is P '.
  • the distance between the rotation center A of the first deflection element 33a and the rotation center C of the second deflection element 33b is L, and the rotation center C of the second deflection element 33b and the rotation center P ′ of the X scanning optical system 33x are The distance is assumed to be M. Further, in FIG.
  • the first deflection element 33a is rotated by ⁇ / 2 [°] and the second deflection element 33b is rotated by ⁇ / 2 [°] from the initial state described above.
  • a position where incident light reflected by the first deflecting element 33a enters the second deflecting element 33b is denoted by B, and a mirror image of the rotation center A of the first deflecting element 33a is denoted by A '.
  • the length of the line segment A′C is L and the angle BA′C is ⁇ . Accordingly, as shown in FIG. 16, if a circle whose center is the rotation center C of the second deflection element 33 b and whose radius is M and a light beam having a slope of tan ⁇ and a Y intercept of L ⁇ tan ⁇ are obtained.
  • the rotation center P ′ of the X scanning optical system 33x is determined.
  • the straight line CA is the y axis
  • the optical axis of the variable magnification second objective optical system 38 is the x axis.
  • X and Y are obtained by solving the above two equations simultaneously.
  • the mirror image A ′ is formed on the optical axis, and therefore the angle ACA ′ is 90 °.
  • the second deflection element 33b Is rotated by ⁇ / 2 [°]
  • the angle (acute angle) formed by the line A′C and the optical axis becomes ⁇ [°].
  • the angle ⁇ is an angle (acute angle) formed by the line P′C and the x axis (the optical axis of the variable magnification second objective optical system 38), and is obtained from the following equation.
  • the specific deflection element arrangement that is, the rotation center P ′ of the laser beam (illumination light) emitted from the X scanning optical system 33x is changed more than that of the second deflection element 33b.
  • the rotation center P ′ is closer to the first polarizing element 33a than the second polarizing element 33b, as shown in FIG. Become. Therefore, the following expression is generally established regardless of the arrangement of the deflection elements.
  • ⁇ / 2 and ⁇ / 2 which are the rotation angles (rotational swing angles) of the first and second deflecting elements 33a and 33b, satisfy the relationship of the above formula (1).
  • the deflection angle of the illumination light by these deflection elements 33a and 33b is controlled, and the laser beam (illumination light) can be rotated at a desired rotation center P ′.
  • the positions of the two points P ′ are obtained from the above equations (b) and (c), and accordingly, ⁇ and ⁇ in equation (1) are also 2
  • the rotation center can be arranged at a desired position by properly using these values.
  • the first and second deflecting elements 33a and 33b are formed with respect to the axial light beam, and the angle formed by these reflecting surfaces and the optical axis.
  • the first deflection element 33a is rotated by 5.1 ° (the angle between the reflecting surface and the optical axis is set to 50.1)
  • the second deflecting element 33b is rotated by 2.6 ° (the angle between the reflecting surface and the optical axis).
  • the angle formed is 47.6 °).

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Abstract

　結像光学系の射出瞳位置及び射出瞳共役位置が変化した場合に、この瞳位置に追随して走査のための光束の回転中心位置を移動させるように構成された走査型顕微鏡を提供する。　走査型顕微鏡１０は、光源２０と、対物レンズ３６と、走査ユニット３３と、を有する。この走査ユニット３３は、第１～第４の偏向素子３３ａ～３３ｄを含み、第１及び第２の偏向素子３３ａ，３３ｂによる照明光の回転中心と、第３及び第４の偏向素子３３ｃ，３３ｄによる照明光の回転中心とが、対物レンズ３６の射出瞳若しくはこの射出瞳と共役な位置に略一致するように、第１～第４の偏向素子３３ａ～３３ｄのそれぞれによる照明光の偏向角が制御される。

Description

走査型顕微鏡
　本発明は、走査型顕微鏡に関する。
　周知のように、走査型の共焦点顕微鏡（以下、走査型顕微鏡と称する）は、レーザビームを対物レンズを介して観察試料に照射し、これにより観察試料からの反射光もしくは観察試料に照射されたレーザビームにより試料から発生した蛍光を、再び対物レンズ及び光学系を介して点状に結像し、これを検出器で検出して点像を取得する。このとき、観察試料の２次元ＸＹ面全体を偏向素子であるガルバノミラーを用いてスキャンすることで、２次元画像を得ることができる。
　図１７は、このような走査型顕微鏡におけるレーザビームの具体的経路を示すものであり、Ａ方向から入射したレーザビームは、ビームスプリッター１３２を透過し、２つの偏向素子１３３ａ，１３３ｂを経て２次元に走査される。その後瞳投影レンズ１３４に入射し、この瞳投影レンズ１３４を通過して不図示の対物レンズの像面にスポットを結ぶ。この時、２つの偏向素子１３３ａ，１３３ｂの回転（振り角）により、対物レンズの像面上を２次元スキャンすることで、この像面上にある試料面からの反射光または蛍光が上述したものと同じ経路をたどってビームスプリッター１３２まで戻され、このビームスプリッター１３２で反射した後、さらに検出光学系を通り、不図示のフォトマルチプライア等からなる光検出器に入射され、ここで電気信号に変換され、図示しないモニターの各画素に、上述の２つの偏向素子１３３ａ，１３３ｂのＸＹ方向の走査位置に対応させて２次元画像を表示する。
　ところで、このような走査型顕微鏡において、レーザビームの２次元スキャンによりムラのない２次元画像を得るためには、２つの偏向素子の回転角（振り角）にかかわらず、常に対物レンズの射出瞳の中心と対物レンズを通過するレーザビームの回転中心を一致させることが必要であり、このためには偏向素子の回転中心と対物レンズの射出瞳位置を共役関係とすればよいことになる。ところが、レーザビームを２次元スキャンするのに、２つの偏向素子を使用しているため、常に、これら２つの偏向素子の両方を対物レンズの射出瞳位置と共役関係になるように設定することはできない。そこで特許文献１では、光束を一方向に沿って偏向する第１の偏向素子と、この第１の偏向素子が偏向した光束を前記方向に沿ってさらに偏向する第２の偏向素子と、第１及び第２の偏向素子の向きを同期させて回転させる駆動部とを備え、第２の偏向素子で偏向された光束の回転に伴う偏向の中心位置が、第１及び第２の偏向素子の間に有り、対物レンズの射出瞳位置と共役な位置に一致するように第１及び第２の偏向素子が配置されている。
　ここで、対物レンズの射出瞳とは、理論的には、対物レンズの後側焦点位置であるが、当業者が対物レンズの収差、ビネッティング等の設計上必要な事項を考慮して決定した位置をも含む概念である。
特開２００１－０９１８４８号公報
　しかしながら、対物レンズと第２対物レンズからなる結像光学系の射出瞳位置又は射出瞳と共役な位置（射出瞳共役位置）は、必ずしも一定の位置にあるわけではない。対物レンズの種類によって射出瞳位置が変化してしまう、若しくは変倍光学系が結像光学系に含まれる場合には、射出瞳位置及び射出瞳共役位置が変化してしまうという課題があった。
　本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、結像光学系の射出瞳位置及び射出瞳共役位置が変化した場合に、この射出瞳位置に追随して走査のための光束の回転中心位置を移動させるように構成された走査型顕微鏡を提供することを目的とする。
　前記課題を解決するために、本発明に係る走査型顕微鏡は、光源から射出された照明光を集光して試料面に照射する対物レンズと、光源と対物レンズとの間に配置され、照明光により試料面を走査する走査ユニットと、を有し、走査ユニットは、照明光を試料面上の第１の方向に走査する第１の偏向素子及び第２の偏向素子と、照明光を第１の方向に直交する第２の方向に走査する第３の偏向素子及び第４の偏向素子と、を含み、第１の偏向素子及び第２の偏向素子による照明光の回転中心と、第３の偏向素子及び第４の偏向素子による照明光の回転中心とが、対物レンズの射出瞳、若しくは当該射出瞳と共役な位置と略一致するように、第１の偏向素子、第２の偏向素子、第３の偏向素子及び第４の偏向素子のそれぞれによる照明光の偏向角が制御されることを特徴とする。なお、偏向角とは、所定の基準とのなす角度であり、例えば、所定の基準として、前記対物レンズを含む光学系の光軸、偏向素子の反射面、偏向素子の反射面の法線が挙げられる。
　このような走査型顕微鏡は、試料面の像を変倍して形成し、当該変倍に伴って、対物レンズの射出瞳と共役な位置が移動する変倍光学系を有し、対物レンズの射出瞳と共役な位置の移動に伴って、第１の偏向素子及び第２の偏向素子による照明光の回転中心と、第３の偏向素子及び第４の偏向素子による照明光の回転中心とが、移動した射出瞳と共役な位置と略一致するように、第１の偏向素子、第２の偏向素子、第３の偏向素子及び第４の偏向素子のそれぞれによる照明光の偏向角が制御されることが好ましい。
　また、このような走査型顕微鏡は、第１の偏向素子及び第２の偏向素子による照明光の回転中心が、第１の偏向素子よりも光源側の所定位置から第２の偏向素子よりも試料面側の所定位置までの間のいずれかに位置するように、第１の偏向素子及び第２の偏向素子が配置され、第３の偏向素子及び第４の偏向素子による照明光の回転中心が、第３の偏向素子よりも光源側の所定位置から第４の偏向素子よりも試料面側の所定位置までの間のいずれかに位置するように、第３の偏向素子及び第４の偏向素子が配置されることが好ましい。
　また、このような走査型顕微鏡において、第１の偏向素子及び第２の偏向素子は、ぞれぞれが第１の方向に略直交する回転軸を中心に回転される反射面を有し、第３の偏向素子及び第４の偏向素子は、それぞれが第２の方向に略直交する回転軸を中心に回転される反射面を有し、光源から入射した照明光を第１の偏向素子で反射し、さらに、この第１の偏向素子で反射された照明光を前記第２の偏向素子で反射し、照明光を第３の偏向素子で反射し、さらに、この第３の偏向素子で反射された照明光を第４の偏向素子で反射することが好ましい。
　また、このような走査型顕微鏡において、第１の偏向素子及び第２の偏向素子、並びに、第３の偏向素子及び第４の偏向素子は、次式の条件を満足するように、第１の偏向素子及び第２の偏向素子による照明光の偏向角の所定状態からの変化量、第３の偏向素子及び第４の偏向素子による照明光の偏向角の所定状態からの変化量が制御されることが好ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 　但し、
　α：第１の偏向素子又は第３の偏向素子による照明光の偏向角の所定状態からの変化量
　β：第２の偏向素子又は第４の偏向素子による照明光の偏向角の所定状態からの変化量
　Ｌ：第１の偏向素子の回転中心と第２の偏向素子の回転中心との距離、又は、第３の偏向素子の回転中心と第４の偏向素子の回転中心との距離
　Ｍ：第２の偏向素子の回転中心と第１の偏向素子及び第２の偏向素子による回転中心との距離、又は、第４の偏向素子の回転中心と第３の偏向素子及び第４の偏向素子による回転中心との距離
　また、このような走査型顕微鏡において、照明光が対物レンズの光軸中心を通過する際の第１の偏向素子の反射面及び第２の偏向素子の反射面への照明光の入射角度が４５°より小さくなるように配置されていることが好ましい。
　また、このような走査型顕微鏡において、照明光が対物レンズの光軸中心を通過する際の第３の偏向素子の反射面及び第４の偏向素子の反射面への照明光の入射角度が４５°より小さくなるように配置されていることが好ましい。
　また、このような走査型顕微鏡において、第１の偏向素子及び第２の偏向素子は、第１の偏向素子の反射面に入射する照明光に対して、第２の偏向素子の反射面で反射されて射出する照明光が交差するように配置されていることが好ましい。
　このとき、第１の偏向素子及び第２の偏向素子は、第１の偏向素子の反射面に入射する照明光に対して、第２の偏向素子の反射面で反射されて射出する照明光が略直交するように配置されていることが好ましい。
　また、このような走査型顕微鏡において、第３の偏向素子及び第４の偏向素子は、第３の偏向素子の反射面に入射する照明光に対して、第４の偏向素子の反射面で反射されて射出する照明光が交差するように配置されていることが好ましい。
　このとき、第３の偏向素子及び第４の偏向素子は、第３の偏向素子の反射面に入射する照明光に対して、第４の偏向素子の反射面で反射されて射出する照明光が略直交するように配置されていることが好ましい。
　本発明に係る走査型顕微鏡を以上のように構成すると、結像光学系の射出瞳位置及び射出瞳共役位置が変化した場合に、この射出瞳位置又は射出瞳共役位置に追随して走査のための光束の回転中心位置を移動させることができる。
本実施形態に係る走査型顕微鏡の構成を示す説明図である。 第１の実施形態に係る走査ユニットの構成を示す説明図である。 第１及び第２の偏向素子による回転中心を試料面側に配置して試料面上を走査するときの光線を示す説明図であって、（ａ）は走査時の光線の軌跡を示し、（ｂ）は（ａ）における上方の光線を示し、（ｃ）は（ａ）における光軸上の光線を示し、（ｄ）は（ａ）おける下方の光線を示す。 第１及び第２の偏向素子による回転中心を光源側に配置して試料面上を走査するときの光線を示す説明図であって、（ａ）は走査時の光線の軌跡を示し、（ｂ）は（ａ）における上方の光線を示し、（ｃ）は（ａ）における光軸上の光線を示し、（ｄ）は（ａ）おける下方の光線を示す。 第１及び第２の偏向素子による回転中心を第２の偏向素子の回転中心に配置して試料面上を走査するときの光線を示す説明図であって、（ａ）は走査時の光線の軌跡を示し、（ｂ）は（ａ）における上方の光線を示し、（ｃ）は（ａ）における光軸上の光線を示し、（ｄ）は（ａ）おける下方の光線を示す。 第１及び第２の偏向素子による回転中心を第１及び第２の偏向素子の略中間に配置して試料面上を走査するときの光線を示す説明図であって、（ａ）は走査時の光線の軌跡を示し、（ｂ）は（ａ）における上方の光線を示し、（ｃ）は（ａ）における光軸上の光線を示し、（ｄ）は（ａ）おける下方の光線を示す。 第１及び第２の偏向素子による回転中心を第１の偏向素子の回転中心に配置して試料面上を走査するときの光線を示す説明図であって、（ａ）は走査時の光線の軌跡を示し、（ｂ）は（ａ）における上方の光線を示し、（ｃ）は（ａ）における光軸上の光線を示し、（ｄ）は（ａ）おける下方の光線を示す。 本実施形態に係る走査ユニットの構成を比較する説明図であって、（ａ）は第１の実施形態に係る走査ユニットを示し、（ｂ）は第２の実施形態に係る走査ユニットの構成を示す。 走査ユニットにおける偏向素子の配置を説明するための説明図であって、（ａ）は従来の走査型顕微鏡を示し、（ｂ）は第２の実施形態に係る走査型顕微鏡を示す。 射出瞳の位置が変化する走査光学系の構成を示す説明図であって、（ａ）はこの走査光学系を構成する変倍第２対物光学系の焦点距離が６０ｍｍの場合を示し、（ｂ）は変倍第２対物光学系の焦点距離が４５０ｍｍの場合を示す。 上記変倍第２対物光学系の焦点距離が６０ｍｍの場合であって、射出瞳共役位置に第２の偏向素子を配置した場合の状態を示す説明図であって、（ａ）は軸上光束の状態を示し、（ｂ）は軸外光束の状態を示す。 図１１の状態から変倍第２対物光学系の焦点距離を４５０ｍｍに変倍したときの状態を示す説明図であって、（ａ）は軸上光束の状態を示し、（ｂ）は軸外光束の状態を示す。 上記変倍第２対物光学系の焦点距離が６０ｍｍの場合であって、射出瞳共役位置に第２の偏向素子を配置し、その像側に第１の偏向素子を配置した場合の状態を示す説明図であって、（ａ）は軸上光束の状態を示し、（ｂ）は軸外光束の状態を示す。 図１３の状態から変倍第２対物光学系の焦点距離を４５０ｍｍに変倍したときの状態を示す説明図であって、（ａ）は軸上光束の状態を示し、（ｂ）は軸外光束の状態を示す。 第１及び第２の偏向素子の回転角度とこれらの偏向素子による照明光の偏向角との関係を示す説明図であって、（ａ）は初期状態を示し、（ｂ）は第１及び第２の偏向素子を回転させた状態を示す。 第１及び第２の偏向素子の回転中心とこれらの偏向素子による照明光の回転中心との関係を示す説明図である。 従来の走査型顕微鏡における偏向素子の配置を説明するための説明図である。
　以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。まず、図１を用いて本実施形態に係る走査型顕微鏡の構成を説明する。この走査型顕微鏡１０は、光源２０から放射されたレーザビーム（照明光）を観察試料の試料面５０に照射して走査する走査光学系３０と、試料面５０からの反射光または蛍光を検出する検出光学系４０と、を有して構成される。
　走査光学系３０は、光源２０側から順に、ビームエキスパンダ３１、ビームスプリッター３２、走査ユニット３３、瞳投影レンズ３４、第２対物レンズ３５、及び、対物レンズ３６を有する。また、検出光学系４０は、走査光学系３０の側方に配置され、ビームスプリッター３２側から順に、結像レンズ４１、遮光板４２、及び、光検出器４３を有する。また、この走査型顕微鏡１０には、走査ユニット３３で走査する位置（試料面５０上の座標）及び光検出器４３で検出された値を処理する処理部７０が設けられている。
　この走査型顕微鏡１０において、光源２０から放射されたレーザビームは、ビームエキスパンダ３１で必要なビーム径の略平行光束となり、ビームスプリッター３２を透過し、走査ユニット３３に入射する。この走査ユニット３３は、後述するように光軸に直交する方向にレーザビームを２次元的に走査するものであり、例えば、図２に示すようにレーザビームを反射することによりこのレーザビームを偏向させる第１の偏向素子３３ａ、第２の偏向素子３３ｂ、第３の偏向素子３３ｃ及び第４の偏向素子３３ｄからなる４つの偏向素子で構成されている。また、これらの第１～第４の偏向素子３３ａ～３３ｄは、駆動部６０のモータで回転（揺動）されるように構成されている。そして、この走査ユニット３３を出射したレーザビーム（略平行光束）は瞳投影レンズ３４により一次像面Ｉに結像された後、第２対物レンズ３５を通過することにより再び略平行光束となり、対物レンズ３６によって試料面（対物レンズ３６の焦点面）５０上に結像される。
　試料面５０上に結像されたレーザビームの像は点像となっており、その点像の径は対物レンズ３６の開口数（ＮＡ）で決まる大きさである。試料面５０上の点像（照射領域）からの反射光または蛍光は、再び対物レンズ３６で集光されて略平行光束となり、第２対物レンズ３５により一次像面Ｉに結像された後、さらに瞳投影レンズ３４で略平行光束にされて走査ユニット３３に入射する。そして、この走査ユニット３３でデスキャンされて出射した反射光または蛍光（略平行光束）はビームスプリッター３２で反射されて検出光学系４０内に入り、結像レンズ４１により遮光板４２の開口部４２ａ上に集光される。この遮光板４２の開口部４２ａを通過した光のみが光検出器４３に到達し検出される。
　上述のように、遮光板４２の開口部４２ａは試料面５０上に結像されたレーザビームの点像と共役であり、試料面５０上の照射領域から出た光（反射光または蛍光）はこの開口部４２ａを通過することができる。一方、試料面５０上の他の領域から出た光のほとんどはこの開口部４２ａ上には結像されず、通過することができない。以上より、処理部７０が走査ユニット３３の走査に同期させて光検出器４３で検出された光信号を処理することにより、試料面５０上のレーザビームが照射された座標と光信号から求められる輝度を用いて、試料面５０の二次元的な画像を得ることができる。これによりこの走査型顕微鏡１０は、高い分解能で試料面５０の像を得ることができる。
　ところで、上述したように、このような走査型顕微鏡１０において、レーザビームの２次元スキャンによりムラのない２次元画像を得るためには、走査ユニット３３を構成する第１～第４の偏向素子３３ａ～３３ｄによるレーザビームの回転中心（試料面５０を走査するためにレーザビームを振るときの振り角の中心）と対物レンズ（結像光学系）３６の射出瞳Ｐの位置を共役関係とすることが必要である。ここで、瞳投影レンズ３４は、対物レンズ３６の射出瞳Ｐの像を走査ユニット３３上若しくはその近傍に形成するように構成されている。以下に、この走査ユニット３３の構成について説明する。
［第１の実施形態］
　上述の図２は、第１の実施形態に係る走査ユニット３３の構成を示しており、この図２に示すように、光軸に直交する試料面５０において所定の方向（図２においては上下方向）をｘ軸方向とし、このｘ軸方向に直交する方向（図２においては左右方向）をｙ軸方向とすると、レーザビームの点像をこの試料面５０においてｘ軸方向に走査させる２枚の偏向素子（第１及び第２の偏向素子３３ａ，３３ｂ）と、ｙ軸方向に走査させる２枚の偏向素子（第３及び第４の偏向素子３３ｃ，３３ｄ）とから構成される。なお、図２の構成において、第１及び第２の偏向素子３３ａ，３３ｂは、ｙ軸方向に延びる走査回転軸を有し、第３及び第４の偏向素子３３ｃ，３３ｄは、ｘ軸方向に延びる走査回転軸を有しており、これらの回転軸が、上述の駆動部６０のモータで回転されることにより、第１及び第２の偏向素子３３ａ，３３ｂの反射面がｘ軸方向に回転（揺動）し、第３及び第４の偏向素子３３ｃ，３３ｄの反射面がｙ軸方向に回転（揺動）する。また、図３（ｃ）に示すように、この走査ユニット３３を射出して、試料面５０のｘ軸方向における光軸上の領域にレーザビームを照射するときは、第１及び第２の偏向素子３３ａ，３３ｂの反射面は略平行で光軸に対して４５°傾いて配置されている（レーザビームの入射角が４５°となる）。ｙ軸方向に対する第３及び第４の偏向素子３３ｃ，３３ｄも同様である。以下、レーザビームをｘ軸方向に走査する第１及び第２の偏向素子３３ａ，３３ｂについて説明するが、ｙ軸方向に走査する第３及び第４の偏向素子３３ｃ，３３ｄも同様の構成を有している。
　本実施形態では対物レンズ３６と第２対物レンズ３５からなる結像光学系の射出瞳位置（対物レンズ３６の射出瞳の位置）が変化する場合、例えば異なる射出瞳位置を持つ複数の対物レンズ３６を使用する場合や、結像光学系に変倍光学系が含まれて（対物レンズ、変倍光学系、第２対物レンズからなる）、射出瞳共役位置が倍率によって変化する場合を想定している。この場合２次元走査光束の両回転中心が重なっていたとしても、その位置が射出瞳と共役でない場合、射出瞳共役位置と一致しない場合は、両次元ともに軸上と軸外での光量ロスと光学性能の劣化が発生する。それを防ぐために射出瞳位置変化又は射出瞳共役位置変化に合わせて両回転中心を共に移動させる。
　図３～図７は、第１及び第２の偏向素子３３ａ，３３ｂにより、光軸上を通って入射したレーザ光を、試料面５０においてｘ軸方向に走査させる（以下、「１次元走査」と呼ぶ）場合を示している。ここで、第１及び第２の偏向素子３３ａ，３３ｂはその走査回転軸がｙ軸方向に互いに略平行に延びている。図３は、第１及び第２の偏向素子３３ａ，３３ｂの回転角度（揺動角度）を調整することにより、第２の偏向素子３３ｂよりも試料面５０側の点Ｐ′を回転中心としてこのレーザビームを走査させる場合を示している。また、図４は、第１及び第２の偏向素子３３ａ，３３ｂによるレーザビームの走査の回転中心Ｐ′が、第１の偏向素子３３ａよりも光源２０側に位置するようにこれらの回転角度（回転振り角）を制御した場合を示している。また、図５は、第１及び第２の偏向素子３３ａ，３３ｂによるレーザビームの走査の回転中心Ｐ′が、第２の偏向素子３３ｂの回転中心と重なるようにこれらの回転角度（回転振り角）を制御した場合を示している。なお、この場合、第１の偏向素子３３ａは回転しない。また、図６は、第１及び第２の偏向素子３３ａ，３３ｂによるレーザビームの走査の回転中心Ｐ′が、第１の偏向素子３３ａと第２の偏向素子３３ｂとの略中間に位置するようにこれらの回転角度（回転振り角）を制御した場合を示している。なお、この場合、第１の偏向素子３３ａと第２の偏向素子３３ｂとはおよそ対称な位置関係になるために、回転振り角はほぼ同じとなる。また、図７は、第１及び第２の偏向素子３３ａ，３３ｂによるレーザビームの走査の回転中心Ｐ′が、第１の偏向素子３３ａの回転中心と重なるようにこれらの回転角度（回転振り角）を制御した場合を示している。なお、この場合、第２の偏向素子３３ｂは回転しない。
　以上のように、第１及び第２の偏向素子３３ａ，３３ｂの回転角度（回転振り角）を制御することにより、レーザビームで試料面５０をｘ軸方向に走査するときの回転中心Ｐ′を第１の偏向素子３３ａの像側から第２の偏向素子３３ｂの物体側までの範囲で移動させることができる。すなわち、以上のような構成により、
　Ｉ．１次元走査における回転中心Ｐ′が第１の偏向素子３３ａよりも入射側に位置する場合（図４の場合）
　ＩＩ．１次元走査における回転中心Ｐ′が第１の偏向素子３３ａの回転中心と重なっている場合（図７の場合）
　ＩＩＩ．１次元走査における回転中心Ｐ′が第１の偏向素子３３ａと第２の偏向素子３３ｂとの間に位置する場合（図６の場合）
　ＩＶ．１次元走査における回転中心Ｐ′が第２の偏向素子３３ｂの回転中心と重なっている場合（図５の場合）
　Ｖ．１次元走査における回転中心Ｐ′が第２の偏向素子３３ｂよりも射出側に位置する場合（図３の場合）
の計５種類の１次元走査光学系が２つの偏向素子３３ａ，３３ｂを含む同一の構成で可能であることが示された。この構成は、第３の偏向素子３３ｃ及び第４の偏向素子３３ｄにおいても同様である。
　図２に示すように、光源２０側から順（レーザビームの入射順）に、第１及び第２の偏向素子３３ａ，３３ｂからなる第１の１次元走査光学系（以後、Ｘ走査光学系３３ｘとする）と第３及び第４の偏向素子３３ｃ，３３ｄからなる第２の１次元走査光学系（以後、Ｙ走査光学系３３ｙとする）とから構成される２次元走査光学系（走査ユニット３３）を備えた走査型顕微鏡１０において、結像光学系の射出瞳共役位置がＸ走査光学系３３ｘの第１の偏向素子３３ａよりも入射側にある場合、Ｘ走査光学系３３ｘ及びＹ走査光学系３３ｙは共に、タイプＩの１次元走査光学系でなくてはならない。また、結像光学系の射出瞳共役位置がＸ走査光学系３３ｘの第１の偏向素子３３ａの回転中心と一致している場合、Ｘ走査光学系３３ｘはタイプＩＩであり、Ｙ走査光学系３３ｙは、タイプＩである。また、結像光学系の射出瞳共役位置がＸ走査光学系３３ｘの第１及び第２の偏向素子３３ａ，３３ｂの間にある場合、Ｘ走査光学系はタイプＩＩＩであり、Ｙ走査光学系３３ｙは、タイプＩである。また、結像光学系の射出瞳共役位置がＸ走査光学系３３ｘの第２の偏向素子３３ｂの回転中心と一致している場合、Ｘ走査光学系３３ｘはタイプＩＶであり、Ｙ走査光学系３３ｙは、タイプＩである。また、結像光学系の瞳共役位置がＸ走査光学系３３ｘの第２の偏向素子３３ｂよりも射出側にある場合、Ｘ走査光学系はタイプＶであり、Ｙ走査光学系３３ｙは、タイプＩである。また、結像光学系の射出瞳共役位置がＹ走査光学系３３ｙの第３の偏向素子３３ｃの回転中心と一致している場合、Ｘ走査光学系３３ｘはタイプＶであり、Ｙ走査光学系３３ｙは、タイプＩＩである。また、結像光学系の射出瞳共役位置がＹ走査光学系３３ｙの第３及び第４の偏向素子３３ｃ，３３ｄの間にある場合、Ｘ走査光学系３３ｘはタイプＶであり、Ｙ走査光学系３３ｙはタイプＩＩＩである。また、結像光学系の射出瞳共役位置がＹ走査光学系３３ｙの第４の偏向素子３３ｄの回転中心と一致している場合、Ｘ走査光学系３３ｘはタイプＶであり、Ｙ走査光学系３３ｙはタイプＩＶである。また、結像光学系の射出瞳共役位置がＹ走査光学系３３ｙの第４の偏向素子３３ｄよりも射出側にある場合、Ｘ走査光学系３３ｘ及びＹ走査光学系３３ｙは共に、タイプＶの１次元走査光学系でなくてはならない。
　以上のように結像光学系の射出瞳共役位置がいずれの場所にあったとしても、同一の構成を持つ本実施形態に係る２次元走査光学系（走査ユニット３３）を使用すれば、射出瞳共役を保つことができる。
　また、以上の偏向素子３３ａ～３３ｄは、例えばポリゴンミラー（回転多面鏡）、音響光学素子等で構成することも可能である。また、第１及び第２の偏向素子３３ａ，３３ｂにより、試料面５０においてレーザ光をｙ軸方向に走査させ、第３及び第４の偏向素子３３ｃ，３３ｄによりｘ軸方向に走査させるように構成することも可能である。
　また、Ｘ走査光学系３３ｘとＹ走査光学系３３ｙは入れ子構造になっていても良い。具体的には光源２０側から順にＸ走査光学系３３ｘの第１の偏向素子３３ａ、Ｙ走査光学系３３ｙの第３の偏向素子３３ｃ、Ｘ走査光学系３３ｘの第２の偏向素子３３ｂ、Ｙ走査光学系３３ｙの第４の偏向素子３３ｄという順に配置されていてもよいし、光源２０側から順にＸ走査光学系３３ｘの第１の偏向素子３３ａ、Ｙ走査光学系３３ｙの第３の偏向素子３３ｃ、Ｙ走査光学系３３ｙの第４の偏向素子３３ｄ、Ｘ走査光学系３３ｘの第２の偏向素子３３ｂという順に配置されていてもよい。各走査方向に対して偏向素子が２つ備えられていることが重要である。
［第２の実施形態］
　第１の実施形態に係る走査ユニット３３に示すように、この走査ユニット３３から光軸上にレーザビームが射出されるときの、第１及び第２の偏向素子３３ａ，３３ｂの反射面に入射するレーザビームの入射角度をそれぞれ４５°に設定すると、図８（ａ）に示すように、第１の偏向素子３３ａの回転（揺動）により第２の偏向素子３３ｂに入射する光束がｘ軸方向に移動するため、この第２の偏向素子３３ｂの反射面が大きくなってしまう。そこで、図８（ｂ）に示すように、第１の偏向素子３３ａに入射する光束と第２の偏向素子３３ｂから射出する光束とを交差させることで、第２の偏向素子３３ｂの反射面を小型化することができる。これは、第１及び第２の偏向素子３３ａ，３３ｂに対するレーザビームの入射角（この走査ユニット３３から光軸上に射出されるときの入射角）を４５°より小さくすることができるため、これにより、第１の偏向素子３３ａの回転により第２の偏向素子３３ｂに入射する光束のｘ軸方向の移動量が小さくなるからである。また、このように配置すると、図８（ａ）の場合に比べて第１の偏向素子３３ａも小型化することができる。これは、第３及び第４の偏向素子３３ｃ，３３ｄも同様である。
　さらに、図８（ａ）に示すように走査光学系３０が像面の中心（光軸上）を走査する状態において、第１の偏向素子３３ａに入射する光束と第２の偏向素子３３ｂから出射する光束が略平行光束である場合は、第１の偏向素子３３ａと第２の偏向素子３３ｂも平行である。この状態で第１の偏向素子３３ａと第２の偏向素子３３ｂとを一定以上近づけると第２の偏向素子３３ｂが入射光束を妨げてしまう。一方、図８（ｂ）のように第１の偏向素子３３ａに入射する光束と第２の偏向素子３３ｂから出射する光束を交差させる構成では光束を折り畳むことができるために、走査光学系３０をより小型化することができる。
　以下の表１に、入射ビーム径φが５．５ｍｍ、走査最大角θが６．８９°、第１及び第２の偏向素子３３ａ，３３ｂの反射面の光軸上の面間隔Ｌ１が１０．０ｍｍ、及び、第２の偏向素子３３ｂの反射面から対物レンズ３６の入射瞳と共役な面Ｐ′までの光軸上の距離Ｌ２が１５．０ｍｍのときの、図８（ａ）に示す入出射光束が平行な場合と、図８（ｂ）に示す入出射光束が交差する場合における第１及び第２の偏向素子３３ａ，３３ｂの反射面の有効径φ１，φ２を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　また、図９（ｂ）に示すように、第１の偏向素子３３ａに入射する光束と第２の偏向素子３３ｂから射出する光束の交差角が９０°であり、かつ、第３の偏向素子３３ｃに入射する光束と第４の偏向素子３３ｄから射出する光束の交差角が９０°である場合は、図９（ａ）に示す通常の２次元走査光学系の入射光束方向及び、射出光束方向が変わらないために光学系の他要素を一切変更せずに、第２の実施形態に係る走査光学系３０を導入することができる。
　走査される光束の回転中心位置に偏向素子が存在する場合は、対物レンズ３６の射出瞳位置には偏向素子を配置できないので、対物レンズ３６と偏向素子との間に、第２対物レンズ３５、瞳投影レンズ３６（リレー光学系）を設けて偏向素子近傍に射出瞳共役位置を形成することにより、走査される光束の回転中心位置近傍と対物レンズ３６の射出瞳とを共役関係にしている。リレー光学系を設けることによって、装置の大型化、リレー光学系が持つ収差の影響が避けられないという問題がある。第１の実施形態のタイプＩ、Ｖ（図４、図３）では、走査される光束の回転中心位置に偏向素子が存在しないために、対物レンズ３６の射出瞳位置に走査される光束の回転中心位置を配置することができるので、リレー光学系は必ずしも必要なく、収差の影響を避けることができる。
［第３の実施形態］
　次に第３の実施形態として、射出瞳Ｐの共役位置が変化する走査光学系３０に対して、上述した構成の２次元走査光学系である走査ユニット３３を適用した場合について説明する。具体的には、この第３の実施形態に係る走査光学系３０は、図１０に示すように、対物レンズ３６と瞳投影レンズ３４との間に、物体側から順に、変倍光学系３７と、第２対物レンズ３５とを有して構成されている。なお、以降の説明においては、変倍光学系３７と第２対物レンズ３５とをまとめて変倍第２対物光学系３８と呼ぶこととする。また、図１０は対物レンズ３６の射出瞳Ｐから瞳投影レンズ３４でリレーされた射出瞳の像Ｐ″までの光学系の構成を示している。すなわち、この図１０は、変倍第２対物光学系３８の物体側の入射瞳Ｐから、その瞳Ｐを瞳投影レンズ３４によってリレーした変倍第２対物光学系３８の射出瞳共役位置Ｐ″までの光路図を示している。また、図１０（ａ）は、変倍第２対物光学系３８の焦点距離ｆが６０ｍｍの状態を示し、図１０（ｂ）は焦点距離ｆが４５０ｍｍの状態を示している。この図１０（ａ）及び（ｂ）から明らかなように、変倍第２対物光学系３８の焦点距離ｆにより、リレーされた射出瞳共役位置Ｐ″が異なっていることがわかる。
　この変倍第２対物光学系３８を構成する変倍光学系３７は、物体側から順に、正の屈折力を有する第１レンズ群Ｇ１と、負の屈折力を有する第２レンズ群Ｇ２と、負の屈折力を有する第３レンズ群Ｇ３と、正の屈折力を有する第４レンズ群Ｇ４と、を有して構成されている。また、第１レンズ群Ｇ１は、物体側から順に、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ１１と両凸レンズＬ１２とを接合した接合レンズ、及び、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ１３で構成され、第２レンズ群Ｇ２は、物体側から順に、両凹レンズＬ２１、両凸レンズＬ２２と両凹レンズＬ２３とを接合した接合レンズ、及び、両凹レンズＬ２４で構成され、第３レンズ群Ｇ３は、物体側から順に、両凸レンズＬ３１、及び、両凸レンズ３２と物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズＬ３３とを接合した接合レンズで構成され、第４レンズ群Ｇ４は、物体側から順に、物体側に凹面を向けた正メニスカスレンズＬ４１と物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズＬ４２とを接合した接合レンズで構成されている。なお、この変倍光学系３７は、図１０に示すように、高倍端状態から低倍端状態に変倍する際に、第２レンズ群Ｇ２及び第３レンズ群Ｇ３が光軸に沿って像側に移動するように構成されている。このとき、第１レンズ群Ｇ１及び第４レンズ群Ｇ４は変倍においては光軸上に固定されている。
　また、第２対物レンズ３５は、物体側から順に、両凸レンズＬ５１と物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズＬ５２とを接合した接合レンズ、及び、両凸レンズＬ５３と両凹レンズＬ５４とを接合した接合レンズから構成されている。
　以下の表１に、この変倍第２対物光学系３８の諸元の値を示す。この表１において、全体諸元におけるｆは物体距離を無限遠としたときの変倍第２対物光学系３８の全系の焦点距離を示し、ＦｎｏはＦナンバーを示し、ｄ０は対物レンズ３６の射出瞳Ｐから変倍第２対物光学系３８の最も物体側のレンズ面（第１面）までの光軸上の距離を示す。また、レンズデータにおける第１欄ｍは物体側から光線の進行する方向に沿った各光学面の面番号を、第２欄ｒは各光学面の曲率半径を、第３欄ｄは各光学面から次の光学面までの光軸上の距離（面間隔であって、光軸上でのレンズ厚または空気間隔）を、第４欄νｄ及び第５欄ｎｄはｄ線（λ＝５８７．６ｎｍ）に対するアッベ数及び屈折率を、それぞれ表している。ここで、表１に示す面番号１～２６は、図１０における変倍光学系３７の最も物体側の面を１とし、第２対物レンズ３５の最も像側の面を２６としている。また、曲率半径におけるマイナス（－）は、レンズ面が物側に向けて凹状であることを表す。また、空気の屈折率1.0000は省略してある。また、第２６面の面間隔ｄは変倍第２対物光学系３８（第２対物レンズ３５）の最も像側のレンズ面（第２６面）から瞳投影レンズ３４の最も物体側のレンズ面（第２７面）までの光軸上の距離を示している。
　また、上述したように変倍光学系３７は、高倍端状態から低倍端状態に変倍するときに、第２レンズ群Ｇ２及び第３レンズ群Ｇ３が光軸に沿って移動するため、変倍に際し、第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２との間隔ｄ１、第２レンズ群Ｇ２と第３レンズ群Ｇ３との間隔ｄ２、及び、第３レンズ群Ｇ３と第４レンズ群Ｇ４との間隔ｄ３が変化する。以下の表１のレンズ群間隔には、高倍端状態、中間焦点距離状態及び低倍端状態における、最も物体側のレンズ面（第１面）の有効径Φ、変倍第２対物光学系３８の全系の焦点距離ｆ及びレンズ群間隔ｄ１，ｄ２，ｄ３の値を示している。なお、第１面の有効径Φは、変倍に伴い変化し、各焦点距離においてこの変倍光学系３７に入射する光束径を決定する物側入射瞳の役割を果たしている。
　なお、以下の全ての諸元値において掲載されている焦点距離ｆ、曲率半径ｒ、面間隔ｄその他長さの単位は一般に「ｍｍ」が使われるが、光学系は、比例拡大又は比例縮小しても同等の光学性能が得られるので、これに限られるものではない。また、以上の諸元表の説明は、以降に示す諸元表においても同様である。
（表１）
全体諸元
ｆ　　＝ 60　　～　450
Ｆｎｏ＝ 10.0　～　 22.5
ｄ０　＝ 15.0　～　 15.0

レンズデータ
ｍ　　　ｒ　　　　　ｄ　　　νｄ　　　ｎｄ
 1　　120.1967　　2.0000　　39.57　　1.804400
 2　　 48.7980　　3.0000　　82.56　　1.497820
 3　 -509.0866　　0.5000
 4　　 50.4610　　3.0000　　82.56　　1.497820
 5　 3179.8129　　　d1
 6　 -108.0082　　1.5000　　35.71　　1.902650
 7　　 25.8194　　2.0000
 8　　 32.8474　　3.5000　　23.78　　1.846660
 9　　-19.0003　　1.0000　　60.29　　1.620410
10　　 31.8448　　1.5000
11　　-25.9839　　1.5000　　35.71　　1.902650
12　　228.2515　　　d2
13　　838.2380　　6.0000　　82.56　　1.497820
14　　-31.9728　　0.2000
15　　136.9685　　6.0000　　82.56　　1.497820
16　　-39.2120　　2.0000　　28.55　　1.795040
17　　-92.0449　　　d3
18　 -339.8016　　5.5000　　36.24　　1.620040
19　　-40.8020　　1.5000　　39.57　　1.804400
20　 -124.4210　　5.5017
21　　327.0571　　6.0000　　71.34　　1.569076
22　　-73.5845　　3.0000　　41.96　　1.667551
23　 -186.9698　　0.5000
24　　140.9037　　5.5000　　71.34　　1.569076
25　　-82.7373　　2.5000　　56.34　　1.568832
26　　418.3780　195.1762

レンズ群間隔
　　　　高倍端　　 中間焦点距離　　　 低倍端
Φ　　　 6.0000　　　　12.0000　　　　20.0000
ｆ　　　60.0000　　　 150.0000　　　 450.0000
ｄ１　　 2.6024　　　　42.4730　　　　60.3676
ｄ２　　22.8372　　　　18.1594　　　　 2.5051
ｄ３　　43.3588　　　　 8.1659　　　　 5.9257
　また、瞳投影レンズ３４は、物体側から順に、両凹レンズＬ６１と両凸レンズＬ６２との接合レンズ、及び、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ６３から構成されている。以下の表２に、この瞳投影レンズ３４の諸元の値を示す。この瞳投影レンズ３４は変倍第２対物光学系３８が形成する像Ｉよりも、物体側からみて離れた方向に位置し変倍第２対物光学系３８の射出瞳をリレーしている。ここで、表２に示す面番号２７～３１は、図１０における瞳投影レンズ２４の最も物体側の面を２７とし、最も像側の面を３１としている。
（表２）
ｍ　　　ｒ　　　　　ｄ　　　νｄ　　　ｎｄ
27　 -104.4668　　2.0000　　28.23　　1.754521
28　　128.4039　　5.0000　　70.33　　1.487605
29　　-34.6546　　1.0000
30　　 44.4201　　3.0000　　70.20　　1.487825
31　　　∞
　まず、上述した構成の走査光学系３０に対し、１枚の反射ミラーである第２の偏向素子３３ｂで１次元走査光学系を構成した場合について説明する（ここでは、Ｘ走査光学系３３ｘとして説明するが、Ｙ走査光学系３３ｙも同様である）。この第２の偏向素子３３ｂは、図１１（ａ）に示すように、その回転中心を変倍第２対物光学系３８の焦点距離ｆが６０ｍｍのときのリレーされた射出瞳共役位置Ｐ″に一致し、さらに、この第２の偏向素子３３ｂへの入射光束と反射光束が垂直をなし、その反射光束が変倍第２対物光学系３８の軸上光束となるように配置されている。そして、その状態から第２の偏向素子３３ｂを２．５°回転させると、図１１（ｂ）に示すように、反射光束は変倍第２対物光学系３８の光軸に対して５°傾斜した軸外光束として瞳投影レンズ３８に入射する。このとき、第２の偏向素子３３ｂの回転中心と変倍第２対物光学系３８の射出瞳共役位置Ｐ″は一致しているので、軸上、軸外共に凡そ全光束が変倍第２対物光学系３８の物体側の入射瞳Ｐを通過することができる。
　一方、第２の偏向素子３３ｂの位置を変えずに、変倍第２対物光学系３８の焦点距離ｆを４５０ｍｍに変倍した状態でも、図１２（ａ）に示すように、第２の偏向素子３３ｂへの入射光束と反射光束が垂直をなす場合は、その反射光束が変倍第２対物光学系３８の軸上光束となり、変倍第２対物光学系３８の入射瞳Ｐを通過することができるが、第２の偏向素子３３ｂを２．５°回転させると、この第２の偏向素子３３ｂの回転中心から変倍第２対物光学系３８の射出瞳共役位置Ｐ″がはずれているため、図１２（ｂ）に示すように、軸外光束は変倍第２対物光学系３８の途中で有効径を外れてしまう。
　そこで、図１３に示す通り第１の偏向素子３３ａを追加し、２枚の反射ミラーで１次元走査光学系（Ｘ走査光学系３３ｘ）を構成する。ここで、図１３（ａ）に示すように、第１の偏向素子３３ａと第２の偏向素子３３ｂの回転中心を結ぶ線分（２０ｍｍ）と変倍第２対物光学系３８の光軸は直交し、第１の偏向素子３３ａへの入射光束は変倍第２対物光学系３８の光軸と平行である。なお、上述したように、このときの射出瞳共役位置Ｐ″は第２の偏向素子３３ｂの回転中心、及び第１の偏向素子３３ａと第２の偏向素子３３ｂによるレーザビーム（照明光）の回転中心と一致しているものとする。そのため、図１３（ｂ）に示すように、第２の偏向素子３３ｂを２．５°回転させると、瞳投影レンズ３４に入射する軸外光束は変倍第２対物光学系３８の光軸に対して５°傾斜するが、図１１（ａ），（ｂ）の場合と同様に、軸上、軸外共に凡そ全光束が変倍第２対物光学系３８の物体側の入射瞳Ｐを通過することができる。もっとも、射出瞳共役位置Ｐ″が第２の偏向素子３３ｂの回転中心と一致していたとしても、第１の偏向素子３３ａと第２の偏向素子３３ｂによるレーザビーム（照明光）の回転中心と一致していない場合は、軸外光束は変倍第２対物光学系３８の途中で有効径を外れてしまう。
　一方、この状態で、変倍第２対物光学系３８の焦点距離ｆを４５０ｍｍに変倍した状態でも、図１４（ａ）に示すように、第２の偏向素子３３ｂへの入射光束と反射光束が直交し、さらに、第１の偏向素子３３ａと第２の偏向素子３３ｂの回転中心を結ぶ線分と変倍第２対物光学系３８の光軸が直交する場合は、その反射光束が変倍第２対物光学系３８の軸上光束となり、変倍第２対物光学系３８の入射瞳Ｐを通過することができる。そして、第１の偏向素子３３ａと第２の偏向素子３３ｂによるレーザビーム（照明光）の回転中心が、射出瞳共役位置Ｐ″に一致するように第１の偏向素子３３ａ及び第２の偏向素子３３ｂの各々の回転角度（回転振り角）を調整して、瞳投影レンズ３４に入射する軸外光束を変倍第２対物光学系３８の光軸に対して５°傾斜させると、図１４（ｂ）に示すように、変倍第２対物光学系３８の途中でケラれることなく、変倍第２対物光学系３８の物体側の入射瞳Ｐを通過させることができる。このように第１の偏向素子３３ａ及び第２の偏向素子３３ｂを配置し、これらの２つの偏向素子３３ａ，３３ｂによるレーザビーム（照明光）の回転中心を射出瞳共役位置Ｐ″に一致させることにより、変倍第２対物光学系３８の焦点距離ｆが６０ｍｍであっても，４５０ｍｍであっても、軸上、軸外共に凡そ全光束が変倍第２対物光学系３８の物体側の入射瞳Ｐを通過することができる。
　それでは、第１の偏向素子３３ａと第２の偏向素子３３ｂによるレーザビーム（照明光）の回転中心が射出瞳共役位置Ｐ″に一致するような第１の偏向素子３３ａ及び第２の偏向素子３３ｂの各々の回転角度（回転振り角）の決め方の一例、すなわち、２枚の偏向素子３３ａ，３３ｂの回転振り角と、これらの偏向素子３３ａ，３３ｂによるレーザビーム（照明光）の回転中心の位置との関係について説明する。まず、図１５（ａ）に示すように、２枚の偏向素子３３ａ，３３ｂから構成されるＸ走査光学系３３ｘへの入射光がこれらの偏向素子３３ａ，３３ｂの回転中心を通過し、このＸ走査光学系３３ｘからの射出光が、変倍第２対物光学系３８の光軸を通過する場合を初期状態として説明する。ここで、第１の偏向素子３３ａの回転中心をＡとし、第２の偏向素子３３ｂの回転中心をＣとし、これらの偏向素子３３ａ，３３ｂによるレーザビームの回転中心（Ｘ走査光学系３３ｘの回転中心）をＰ′とする。また、第１の偏向素子３３ａの回転中心Ａと第２の偏向素子３３ｂの回転中心Ｃとの距離をＬとし、第２の偏向素子３３ｂの回転中心ＣとＸ走査光学系３３ｘの回転中心Ｐ′との距離をＭとする。また、図１５において時計回りを正の値として説明する。
　図１５（ｂ）に示すように、上述の初期状態から第１の偏向素子３３ａをα／２［°］回転させ、第２の偏向素子３３ｂをβ／２［°］回転させたとする。また、第１の偏向素子３３ａで反射された入射光が第２の偏向素子３３ｂに入射する位置をＢとし、第１の偏向素子３３ａの回転中心Ａの鏡像をＡ′とする。
　上述したように、点Ａ′は点Ａの鏡像であるため、三角形Ａ′ＣＰ′において、線分Ａ′Ｃの長さはＬであり、角ＢＡ′Ｃはαである。従って、図１６に示すように、中心が第２の偏向素子３３ｂの回転中心Ｃであって半径がＭの円と、傾きがｔａｎαでＹ切片がＬ・ｔａｎαの直線との光線とを求めれば、Ｘ走査光学系３３ｘの回転中心Ｐ′が確定する。なお、直線ＣＡをｙ軸とし、変倍第２対物光学系３８の光軸をｘ軸とする。
Ｘ2＋Ｙ2＝Ｍ2
Ｙ　＝　ｔａｎα・Ｘ　＋　Ｌ・ｔａｎα
　上述した２式を連立させて解くことによりＸとＹが求まる。また、図１５（ｂ）において、上述の初期状態の場合、鏡像Ａ′は、光軸上に形成されるので、角ＡＣＡ′は９０［°］であり、この状態から第２の偏向素子３３ｂがβ／２［°］回転すると、線Ａ′Ｃと光軸とのなす角（鋭角）は、β［°］となる。この角βは、図１６（ａ）においては、線Ｐ′Ｃとｘ軸（変倍第２対物光学系３８の光軸）とのなす角（鋭角）となるので、次式より求められる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　図１６（ａ）に示した上述の説明は、特定の偏向素子配置、すなわち、Ｘ走査光学系３３ｘを射出するレーザビーム（照明光）の回転中心Ｐ′が第２の偏向素子３３ｂよりも変倍第２対物光学系３８側にある場合におけるものであるが、回転中心Ｐ′が第２の偏光素子３３ｂよりも第１の偏光素子３３ａ側にある場合は、図１６（ｂ）のようになる。そのため、偏向素子の配置に関わらず一般的に以下の式が成立する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　上述の式（１）において、Ｘ走査光学系３３ｘを射出するレーザビーム（照明光）の回転中心Ｐ′が第２の偏向素子３３ｂよりも変倍第２対物光学系３８側にある場合は、式中の±において＋を採用し、第２の偏向素子３３ｂよりも第１の偏向素子３３ａ側にある場合は式中の±において－を採用する。
　以上のように、第１及び第２の偏向素子３３ａ，３３ｂの回転角度（回転振り角）であるα／２及びβ／２が上述の式（１）の関係を満たすようにこれらの偏向素子３３ａ，３３ｂを制御することにより、これらの偏向素子３３ａ，３３ｂによる照明光の偏向角が制御され、所望の回転中心Ｐ′でレーザービーム（照明光）を回転させることができる。なお、図１６に示すように、上述の式（ｂ）及び式（ｃ）からは２つの点Ｐ′の位置が求められ、これに応じて式（１）におけるα，βに対しても２つの関係が求められるが、第１の実施形態で説明した５つのタイプ（タイプＩ～タイプＶ）に応じて、これらの値を使い分けることにより、所望の位置に回転中心を配置することができる。
　例えば、上述した図１４の例では、図１４（ａ）に示すように、軸上光束に対して第１及び第２の偏向素子３３ａ，３３ｂを、これらの反射面と光軸とのなす角度が４５°になるように配置されているときに、図１４（ｂ）に示すように、軸外光束を変倍第２対物光学系３８の光軸に対して５°傾斜させるために、第１の偏向素子３３ａを５．１°回転させ（反射面と光軸とのなす角度を５０．１にし）、第２の偏向素子３３ｂを２．６°回転させる（反射面と光軸とのなす角度を４７．６°とする）。
１０　走査型顕微鏡　　２０　光源　　３３　走査ユニット
３３ａ　第１の偏向素子　　３３ｂ　第２の偏向素子
３３ｃ　第３の偏向素子　　３３ｄ　第４の偏向素子
３６　対物レンズ

Claims (11)

  1. 　光源から射出された照明光を集光して試料面に照射する対物レンズと、
    　前記光源と前記対物レンズとの間に配置され、前記照明光により前記試料面を走査する走査ユニットと、を有し、
    　前記走査ユニットは、
    　前記照明光を前記試料面上の第１の方向に走査する第１の偏向素子及び第２の偏向素子と、前記照明光を前記第１の方向に直交する第２の方向に走査する第３の偏向素子及び第４の偏向素子と、を含み、
    　前記第１の偏向素子及び前記第２の偏向素子による前記照明光の回転中心と、前記第３の偏向素子及び前記第４の偏向素子による前記照明光の回転中心とが、前記対物レンズの射出瞳、若しくは当該射出瞳と共役な位置と略一致するように、前記第１の偏向素子、前記第２の偏向素子、前記第３の偏向素子及び前記第４の偏向素子のそれぞれによる前記照明光の偏向角が制御されることを特徴とする走査型顕微鏡。
  2. 　前記試料面の像を変倍して形成し、当該変倍に伴って、前記対物レンズの射出瞳と共役な位置が移動する変倍光学系を有し、
    　前記対物レンズの射出瞳と共役な位置の移動に伴って、前記第１の偏向素子及び前記第２の偏向素子による前記照明光の前記回転中心と、前記第３の偏向素子及び前記第４の偏向素子による前記照明光の前記回転中心とが、移動した前記射出瞳と共役な位置と略一致するように、前記第１の偏向素子、前記第２の偏向素子、前記第３の偏向素子及び前記第４の偏向素子のそれぞれによる前記照明光の偏向角が制御されることを特徴とする請求項１記載の走査型顕微鏡。
  3. 　前記第１の偏向素子及び前記第２の偏向素子による前記照明光の前記回転中心が、前記第１の偏向素子よりも前記光源側の所定位置から前記第２の偏向素子よりも前記試料面側の所定位置までの間のいずれかに位置するように、前記第１の偏向素子及び前記第２の偏向素子が配置され、
    　前記第３の偏向素子及び前記第４の偏向素子による前記照明光の前記回転中心が、前記第３の偏向素子よりも前記光源側の所定位置から前記第４の偏向素子よりも前記試料面側の所定位置までの間のいずれかに位置するように、前記第３の偏向素子及び前記第４の偏向素子が配置されることを特徴とする請求項１または２に記載の走査型顕微鏡。
  4. 　前記第１の偏向素子及び前記第２の偏向素子は、ぞれぞれが前記第１の方向に略直交する回転軸を中心に回転される反射面を有し、
    　前記第３の偏向素子及び前記第４の偏向素子は、それぞれが前記第２の方向に略直交する回転軸を中心に回転される反射面を有し、
    　前記光源から入射した前記照明光を前記第１の偏向素子で反射し、さらに、前記第１の偏向素子で反射された前記照明光を前記第２の偏向素子で反射し、
    　前記照明光を前記第３の偏向素子で反射し、さらに、前記第３の偏向素子で反射された前記照明光を前記第４の偏向素子で反射する
    　ことを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の走査型顕微鏡。
  5. 　前記第１の偏向素子及び前記第２の偏向素子、並びに、前記第３の偏向素子及び前記第４の偏向素子は、次式の条件を満足するように、前記第１の偏向素子及び前記第２の偏向素子による前記照明光の前記偏向角の所定状態からの変化量、前記第３の偏向素子及び前記第４の偏向素子による前記照明光の前記偏向角の所定状態からの変化量が制御されることを特徴とする請求項４に記載の走査型顕微鏡。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
     　但し、
    　α：前記第１の偏向素子又は前記第３の偏向素子による前記照明光の前記偏向角の所定状態からの変化量
    　β：前記第２の偏向素子又は前記第４の偏向素子による前記照明光の前記偏向角の所定状態からの変化量
    　Ｌ：前記第１の偏向素子の回転中心と前記第２の偏向素子の回転中心との距離、又は、前記第３の偏向素子の回転中心と前記第４の偏向素子の回転中心との距離
    　Ｍ：前記第２の偏向素子の回転中心と前記第１の偏向素子及び前記第２の偏向素子による回転中心との距離、又は、前記第４の偏向素子の回転中心と前記第３の偏向素子及び前記第４の偏向素子による回転中心との距離
  6. 　前記照明光が前記対物レンズの光軸中心を通過する際の前記第１の偏向素子の前記反射面及び前記第２の偏向素子の前記反射面への前記照明光の入射角度が４５°より小さくなるように配置されていることを特徴とする請求項４に記載の走査型顕微鏡。
  7. 　前記照明光が前記対物レンズの光軸中心を通過する際の前記第３の偏向素子の前記反射面及び前記第４の偏向素子の前記反射面への前記照明光の入射角度が４５°より小さくなるように配置されていることを特徴とする請求項４に記載の走査型顕微鏡。
  8. 　前記第１の偏向素子及び前記第２の偏向素子は、前記第１の偏向素子の前記反射面に入射する前記照明光に対して、前記第２の偏向素子の前記反射面で反射されて射出する前記照明光が交差するように配置されていることを特徴とする請求項４～７のいずれか一項に記載の走査型顕微鏡。
  9. 　前記第１の偏向素子及び前記第２の偏向素子は、前記第１の偏向素子の前記反射面に入射する前記照明光に対して、前記第２の偏向素子の前記反射面で反射されて射出する前記照明光が略直交するように配置されていることを特徴とする請求項８に記載の走査型顕微鏡。
  10. 　前記第３の偏向素子及び前記第４の偏向素子は、前記第３の偏向素子の前記反射面に入射する前記照明光に対して、前記第４の偏向素子の前記反射面で反射されて射出する前記照明光が交差するように配置されていることを特徴とする請求項４～７のいずれか一項に記載の走査型顕微鏡。
  11. 　前記第３の偏向素子及び前記第４の偏向素子は、前記第３の偏向素子の前記反射面に入射する前記照明光に対して、前記第４の偏向素子の前記反射面で反射されて射出する前記照明光が略直交するように配置されていることを特徴とする請求項１０に記載の走査型顕微鏡。
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