CN104081259A - 相位调制设备以及激光显微镜 - Google Patents

Abstract

相位调制设备(3)对从相干光源(1)出射的相干光的光束的光路中配置的包含物镜(4)的光学系统所产生的波面像差进行校正。为此，相位调制设备(3)具有：相位调制元件(11)，其形成有多个电极，根据被分别施加于这些电极的电压对光束的相位进行调制；和对施加于多个电极的电压进行控制的控制电路(12)。控制电路对施加于多个电极的电压进行控制，以将基于相位调制轮廓的相位调制量赋予光束，该相位调制轮廓由以泽尼克多项式分解了由光学系统产生的波面像差的相位分布时的、三阶球面像差与五阶球面像差之比和物镜(4)的数值孔径的关系式来决定，该相位调制轮廓具有相位分布的逆极性。

Description

相位调制设备以及激光显微镜

技术领域

本发明涉及一种在具有物镜且采用相干光源的装置中，对照射试样的光束进行相位调制，对根据试样或者各种条件产生的像差进行补偿，从而取得分辨率更高的信息的技术。

背景技术

共聚焦激光扫描显微镜通过物镜将激光聚光到试样上，通过光学系统传输由试样产生的反射光、散射光或者荧光，通过检测器来接收透过了针孔的光束，所述针孔设置在与试样上的聚光点光学共轭的位置。通过配置针孔，能够将从试样上的聚光点以外产生的光过滤，因此共聚焦激光扫描显微镜可以取得SN比良好的图像。

又，共聚焦激光扫描显微镜通过沿着沿与光轴垂直的面的、相互正交的两个方向(X方向、Y方向)对试样进行激光扫描，取得试样的平面图像。另一方面，共聚焦激光扫描显微镜通过改变物镜和试样的光轴方向(Z方向)的间隔，来得到Z方向的多个断层像(多层光切(Z-Stack))，由此构筑试样的3D图像。

在观察生物试样的情况下，往往是在浸泡于培养液的状态下隔着盖玻片进行观察的。而且，一般来说，物镜被设置为成像性能在盖玻片正下方最佳。在观察生物试样内部的情况下，需要取得具有透过了培养液或者生物组织的纵深的观察位置的图像，与从盖玻片正下方到观察位置的距离成比例地产生像差，其结果为析像度降低。

进一步地，盖玻片的厚度也在公差的范围内与设计值(例如0.17mm)具有偏差，由于盖玻片折射率1.525与生物试样折射率1.38～1.39的差，与设计厚度和盖玻片的实际厚度之差成比例地产生像差。又，在物镜是水浸透镜的情况下，同样地，由于生物试样折射率与水的折射率(1.333)的不同，与至观察位置为止的生物深度成比例地产生像差。因此，在观察生物深部时析像度下降。

解决该缺点的手段之一是校正环。校正环是设置在物镜上的环状的旋转构件，通过旋转校正环，改变构成物镜的透镜组的间隔。由此，盖玻片的厚度的误差或者在观察生物深部时产生的像差就被消除。校正环上标有刻度，例如，关于盖玻片厚度，如0、0.17、0.23那样大概示出了数值。而且，按照实际使用的盖玻片的厚度对准校正环的刻度，由此调整透镜组的间隔以使得其相对于该厚度被最优化(例如参照专利文献1)。

又，已知有通过波面变换元件对产生的像差进行补偿的技术。该技术是在显微镜的光路中配置能够进行矩阵驱动的形状可变镜元件，通过该形状可变镜元件，基于事先测定的波面变换数据对波面形状进行调制，将调制后的光波入射至试样，由此来取得像差被校正了的成像性能高的图像(例如参照专利文献2)。

在采用反射面形状能够电控制的形状可变镜元件作为波面变换元件，平面波入射至形状可变镜元件的情况下，如果形状可变镜元件为凹形状，则入射的平面波也被变换为凹形状的波面(凹形状的振幅为2倍)。

现有技术文献

专利文献1

专利文献1：日本专利第3299808号(第4-6页、图1)

专利文献2:日本专利第4149309号(第3-5页、图1)

发明内容

发明要解决的课题

但是，校正环的操作是通过用手旋转装在物镜上的环状的调整机构来进行的。因此，会产生由调整该调整机构导致的聚焦的偏差或者视野的偏差。又，为了确定物镜的最佳位置，需要反复进行校正环的调整和聚焦，存在实现最佳化的过程繁杂这样的问题。由于过程繁杂，所以还存在向最佳位置的调整费功夫，荧光色素褪色这样的问题。荧光色素的褪色是由于持续照射激发光，产生的荧光強度变弱这样的问题。

又，校正环的调整是精密的，其调整结果的判断的现状是由目视了图像的人来进行判断，是否是最佳位置的判断非常困难。尤其是，在多层光切(Z-Stack)的摄影时，需要与纵深方向的取得图像数量相应地反复该作业，非常繁杂。因此，存在充分地有效使用校正环的用户较少这样的现状。进一步地，根据试样的不同，由手触引起的振动会对观察位置造成影响，因此希望不用手触就能够自动对校正环进行调整。

又，关于采用波面变换元件的像差的补偿技术，由于波面变换元件是反射型的，所以显微镜光学系统复杂化以及大型化。进一步地，为了得到最佳的补偿波面，需要事先对像差进行测定，使校正量收敛以形成最佳的波面的过程是必须的，因此该技术怎么也达不到实用。

因此，本发明以解决上述课题，提供如下的相位调制设备为目的，该相位调制设备不对现有的光学系统进行大规模变更，且手不触碰物镜就能够对由于试样或者观察条件而产生的像差进行校正。又，作为本发明的其他目的，提供一种能够取得成像性能高的图像的、采用相位调制设备的激光显微镜。

用于解决问题的手段

为了解决上述的课题，达到目的，对被配置在从相干光源出射的相干光的光束的光路中的、包含物镜的光学系统所产生的波面像差进行校正的相位调制设备是采用如下记载的结构的设备。

相位调制设备具有：相位调制元件，所述相位调制元件形成有多个电极，根据被分别施加于该多个电极的电压对透过所述物镜的所述光束的相位进行调制；和控制电路，所述控制电路对施加于多个电极的电压进行控制。而且，控制电路对施加于多个电极的电压进行控制，以将基于相位调制轮廓的相位调制量赋予光束，所述相位调制轮廓由以泽尼克多项式分解了所述波面像差的相位分布时的、三阶球面像差与五阶球面像差之比和所述物镜的数值孔径的关系式来决定，所述相位调制轮廓具有波面像差的相位分布的逆极性。

在该相位调制设备中，三阶球面像差与五阶球面像差之比和物镜的数值孔径的关系式优选由下式来表示。

式1

$1.91\mathrm{NA}-1.87-\sqrt{\frac{1.4}{A^2}}\≤\frac{B}{A}\≤1.91\mathrm{NA}-1.87+\sqrt{\frac{1.4}{A^2}}$

或者，在该相位调制设备中，三阶球面像差与五阶球面像差之比和物镜的数值孔径的关系式优选由下式来表示。

式2

$1.37\mathrm{NA}-1.21-\sqrt{\frac{1.4}{A^2}}\≤\frac{B}{A}\≤1.37\mathrm{NA}-1.21+\sqrt{\frac{1.4}{A^2}}$

又或者，在该相位调制设备中，三阶球面像差与五阶球面像差之比和物镜的数值孔径的关系式优选由下式来表示。

式3

$1.06\mathrm{NA}-0.64-\sqrt{\frac{1.4}{A^2}}\≤\frac{B}{A}\≤1.06\mathrm{NA}-0.64+\sqrt{\frac{1.4}{A^2}}$

另外，在上述的关系式中，A表示三阶球面像差的成分，B表示五阶球面像差的成分。而且NA表示物镜的数值孔径。

又，在该相位调制设备中，优选为，决定相位调制轮廓，以使光轴上的相位调制量与相位调制元件的能够对光束进行相位调制的区域，即有效区域的端部的相位调制量相等。

或者，在该相位调制设备中，优选为，决定相位调制轮廓以使相位调制轮廓的均方根值为最小。

又，在该相位调制设备中，优选为，相位调制元件是液晶元件。

进一步地，在该相位调制设备中，优选为，控制电路根据相干光的波长对相位调制轮廓进行调节。

进一步地，在该相位调制设备中，优选为，多个电极具有以光轴为中心的同心圆状的多个环形电极。

进一步地，在该相位调制设备中，多个环形电极分别通过电阻件连接，控制电路对与相位调制轮廓中的相位调制量为最大的位置以及相位调制量为最小的位置对应的环形电极分别施加电压，以产生相位调制量的最大值以及最小值，通过利用连接于各环形电极间的电阻件所具有的电阻值来分割被施加于相位调制量为最大的环形电极的电压与被施加于相位调制量为最小的环形电极的电压之差，从而决定与其他位置对应的各环形电极的电压。

进一步地，在该相位调制设备中，优选为，控制电路对与相位调制量为最大的位置以及相位调制量为最小的位置对应的环形电极施加电压，同时也对最外周的环形电极施加电压。

又，根据本发明的其他方面，提供激光显微镜。该激光显微镜具有：照射相干光的相干光源；第一光学系统，所述第一光学系统被配置在相干光的光束的光路中，包含将光束聚光到试样上的物镜；第二光学系统，所述第二光学系统将由试样产生的包含试样的信息的光束传输到检测器；和上述任意的相位调制设备，在相干光源和物镜之间，配置有该相位调制设备的相位调制元件。

发明的效果

根据本发明，相位调制设备以及采用该相位调制设备的激光显微镜能够在观察生物试样的深部时、或者隔着盖玻片观察试样时对由盖玻片厚度与设计值的偏差所产生的像差进行补偿，从而以更高的析像度对试样进行观察。尤其是，相位调制设备由于不用手触碰物镜就能够对像差进行电补偿，因此没有校正环的调整那样的麻烦就可以解决课题。因此，该相位调制设备以及激光显微镜具有能够自动地进行物镜的位置的最佳化、能够进行与多层光切(Z-Stack)时的观察深度同步了的调整等优点。又，该相位调制设备以及激光显微镜能够使调整所需要的相位校正量变为最小。进一步地，可以通过一个相位调制设备对NA不同的物镜进行像差校正。

附图说明

图1是本发明的一个实施形态所涉及的激光显微镜的概略构成图。

图2A是用于对在观察试样表面的情况下和观察深度D的试样内部的情况下产生的像差进行说明的图。

图2B是用于对在观察试样表面的情况下和在观察深度D的试样内部的情况下产生的像差进行说明的图。

图3A是示出三阶球面像差的相位分布的图。

图3B是示出五阶球面像差的相位分布的图。

图4是示出RMS值为最小的复合像差的相位分布截面轮廓的图。

图5是示出相位调制量PV值为最小的复合像差的相位分布截面轮廓的图。

图6是对本发明的一个实施形态所涉及的激光显微镜中使用的相位调制设备进行说明的概略图。

图7是作为相位调制设备起作用的、均匀配向的液晶设备的截面示意图。

图8是对确定本发明的一个实施形态所涉及的相位调制设备的环形电极结构的方法进行说明的图。

图9A是对本发明的一个实施形态所涉及的相位调制设备中的环形电极间的连接方法和向环形电极施加电压的电压施加方法进行说明的概略图。

图9B是本发明的一个实施形态所涉及的相位调制设备中的环形电极间的连接方法和向环形电极施加电压的电压施加方法进行说明的概略图。

图10A是表示物镜的数值孔径NA被包含于1.15～1.27的范围、且物镜为水浸物镜的情况下的、数值孔径NA与比(Z25/Z13)的关系的图。

图10B是表示物镜的数值孔径NA被包含于1.05～1.27的范围、且物镜为水浸物镜的情况下的、数值孔径NA与比(Z25/Z13)的关系的图。

图10C是表示物镜的数值孔径NA被包含于0.75～0.95的范围、且物镜为干燥物镜的情况下的、数值孔径NA与比(Z25/Z13)的关系的图。

图11A是示出由数值孔径NA为1.0的物镜产生的球面像差的相位分布截面轮廓的图。

图11B是示出由数值孔径NA为1.2的物镜产生的球面像差的相位分布截面轮廓的图。

图11C是示出由数值孔径NA为0.8的物镜产生的球面像差的相位分布截面轮廓的图。

图12是示出液晶设备的由激光的波长导致的波长色散的图。

具体实施方式

以下参照附图，对本发明所涉及的相位调制设备、以及采用相位调制设备的激光显微镜的优选实施形态进行详细说明。

图1示出本发明的一个实施形态所涉及的激光显微镜的概略构成图。从作为相干光源的激光源1出射的光束通过准直光学系统2被调整为平行光，该平行光透过了相位调制设备3之后，被物镜4聚光在试样5上。由试样5反射或者散射了的光束或者由试样产生的荧光等包含试样的信息的光束循着相反的光路，被分束器6反射，由作为第二光学系统的共焦光学系统7再次聚光到共焦针孔8上。而且，由于共焦针孔8截断了来自试样的焦点位置以外的光束，因此通过检测器9得到SN比良好的信号。

在此，对物镜进行设计，不仅要设想透镜系统的内部，还要设想从透镜顶端到观察面的光路的折射率和间隔、例如盖玻片的厚度或者盖玻片的有无，以这些设想值使物镜4的成像性能最优化。因此，由成为观察对象的生物试样的深度、或者盖玻片的制造误差所导致的厚度偏差等产生像差，该像差造成成像性能的下降。因此，根据与光程的设计值的偏差，对由包含物镜4的从激光源1到光束的聚光位置的光学系统所产生的波面像差进行预估，将消除该波面像差的相位分布作为相位调制轮廓显示于相位调制设备3，由此使该激光显微镜的成像性能提高。

一般来说，由于空间的关系无法将相位调制设备配置在物镜的入瞳位置，因此采用中继透镜将相位调制设备3配置在与入瞳共轭的位置。又，从激光源1出射的光束在去程和回程共两次通过相位调制设备3，因此相位调制设备3在去程和回程都对光束的相位进行校正。另一方面，显微镜的物镜一般以无限远光学系统来设计，入射至物镜的光束变为平行光。因此，相位调制设备3优选配置在物镜4的光源侧，尽量配置在物镜4的旁边，通过这样配置相位调制设备3，激光显微镜可以更有效地得到校正的效果。

对产生的像差进行更详细的说明。图2A以及图2B是示意性示出由于观察的试样的深度而产生的像差的图。为了使说明简略化，物镜被设计为在观察相同折射率的介质的情况下为最佳。图2A示出对设计所采用的相同折射率的介质进行观察时的光束200。示出光束200没有像差地被聚光在一点。相对于此，图2B示出对试样深度D的面进行观察时的光束210。在与物镜接触的介质和试样的边界面211，光束210发生折射，光束210由于产生的像差没有聚光到一点。

像这样在观察试样内部而不是观察试样表面时产生像差。激光显微镜将产生的像差表示为物镜4的入瞳位置的波面像差，通过对配置在物镜入瞳位置的相位调制设备3的电极施加电压，使其产生消除该波面像差的相位分布。由此，激光显微镜可以使来自激光源1的光束在试样表面或者被设定于试样内部的观察位置聚光于一点。同样地，由于试样所产生的光束也循着相反的光路，因此激光显微镜能够将该光束变换为平面波。

可以将像差分解为各成分，将波面像差表现为各成分的和。此时，一般进行的是将波面像差分解为泽尼克(Zernike)多项式那样的正交函数，将波面像差表现为各函数的和。因此，波面像差的校正量也表现为泽尼克多项式的各函数的相位分布，想到通过使各函数的相对的相位调制量变化而求得校正量的方法。例如，在以标准泽尼克多项式分解了像差时，第13个系数(Z₁₃)表示三阶球面像差，第25个系数(Z₂₅)表示五阶球面像差，通过适当地调节与各个系数对应的校正量的相位分布，相位调制设备3可以对三阶和五阶的球面像差进行校正。

在观察试样深部等情况下产生的像差是散焦或者低阶、高阶的球面像差复合产生的像差，相位调制设备3即使仅对例如Z₁₃进行校正，成像性能的提高也不充分。又，在泽尼克多项式中有多个项，为了进行精密的校正，需要制作与各个项对应的相位调制轮廓，并使该相位调制轮廓显示于相位调制设备3。在该情况下，为了能够实施多个相位调制轮廓的显示，优选为将重叠了多个像差校正元件的元件配置在光束内，采用该像差校正元件的至少任意一个。

但是，实际的情况为，散焦会根据试样深度Z非常敏感地变化，因此由试样的观察位置来确定，又，泽尼克多项式中的Z₁₃、Z₂₅以外的像差非常小，可以忽略。因此，通过对与三阶球面像差对应的Z₁₃和与五阶球面像差对应的Z₂₅的项进行校正，可以谋求成像性能的提高。进一步地，如果考虑散焦和三阶球面像差、五阶球面像差、根据情况考虑到七阶球面像差的话，能够充分满足的像差校正是可能的。因此，如果考虑由重叠多个像差校正元件而产生的缺点、例如由各像差校正元件的边界的反射导致的透过率的下降等的话，为了能够与泽尼克多项式的所有项目对应，而重叠多个像差校正元件进行的校正未必是必须的。

要对三阶球面像差和五阶球面像差进行校正，就需要根据与它们分别对应的两模式的相位分布制作相位调制轮廓。图3A示出表示三阶球面像差的相位分布的曲线300，图3B示出表示五阶球面像差的相位分布的曲线301。在此考虑的像差具有点对称性的相位分布，各个曲线示出相位分布的截面图。又，纵轴表示将相位差的正的最大值设为“1”并将相位差归一化后的值，横轴表示将有效径的最大值设为“1”并将有效径归一化后的值。即，横轴中的“0”的位置表示在光轴上。

实际发生的像差相位分布被认为是这些球面像差的线性和。在此，将球面像差成分设为三阶球面像差的成分和五阶球面像差的成分的和，求出将该相位分布与由适当的散焦造成的相位分布成分相加后的相位分布。而且，为了消除该相位分布，将使得到的相位分布逆极性化后的轮廓作为相位调制轮廓。例如，在数值孔径NA为1.0的物镜的情况下，产生的三阶球面像差与五阶球面像差之比大致为4比1，可以将成为这些球面像差的线性和与散焦造成的相位成分相加之后的相位分布的逆极性的轮廓作为相位调制轮廓。

在如上述的那样，通过校正环对像差进行校正的情况下，需要反复进行校正环的调整和聚焦，最优化的过程长且复杂。但是，如果考虑将通过聚焦残留的相位分布(散焦成分)作为相位调制轮廓采用相位调制设备3进行校正的话，就可以取消为了最优化的反复过程，可以高效地进行像差校正。

又，成为相位调制设备3的校正对象的像差成分并不限定于散焦和球面像差。所产生的各种各样的、例如更高阶的像差、或者彗差等不是球面对称的像差等也能够成为校正对象。此时，由于各像差也有分别抵消的量，所以由n种像差的和构成的复合像差的总的相位调制量不是各像差校正量的n倍，将该复合像差作为校正对象也具有如下这样的优点：相位调制设备3只要将比该复合像差的总的相位调制量充分小的调制量赋予光束即可。

接下来，举例对相位调制设备3为进行像差校正而实际采用的相位调制轮廓进行更详细的说明。通过聚焦而残留的相位分布可以认为与其波面的均方根(RMS)值为最小的形状一致。因此，具有例如求出为使RMS像差为最小而增加了散焦项的复合像差的相位分布，根据该相位分布设定相位调制轮廓的方法。

图4所示的曲线400表示将数值孔径NA为1.0的物镜所产生的球面像差和用于使该RMS像差为最小的散焦成分相加了的情况下的复合像差的相位分布。

又，作为散焦成分的增加方法，也可以使相位分布的相位调制量(以下、设为PV值)为最小，将与成为最小的相位调制量对应的相位分布作为相位调制轮廓。图5所示的曲线500表示为使PV值为最小而增加了散焦成分的复合像差的相位分布。在已使PV值为最小的情况下，相位调制范围(相位调制量的幅度)小即可。因此，在采用液晶元件作为相位调制设备具有的相位调制元件的情况下，液晶元件的液晶层为薄的即可。又，一般来说，液晶元件的响应时间与液晶层的厚度的平方成正比，因此具有相位调制范围小的话，响应速度提高这样的优点。又，还具有液晶层的厚度越薄，面精度越高这样的优点。

进一步地，认为通过聚焦残留的相位分布根据采用的显微镜或者图像处理软件的规格而不同，通过将各自固有的残存像差图案和相位调制设备的相位调制轮廓组合，最佳的像差校正成为可能。

接下来，使用图6～图9A、以及图9B，对采用液晶元件作为相位调制元件，将消除波面像差的相位分布作为相位调制轮廓对液晶元件的电极施加电压的相位调制设备3进行更详细的说明。

图6是相位调制设备3具有的相位调制元件11的俯视图。相位调制元件11的液晶层由透明基板21、22夹着，周边部被密封构件23密封以避免液晶漏出。在透明基板21、22的相互相对一侧的面上的、驱动液晶的有效区域(アクティブ領域)24，即能够调制透过的光束的相位的区域，形成有多个以光轴为中心的同心圆状的透明的环形电极。另外，关于透明基板21、22的其中一方，也可以形成透明电极以覆盖有效区域24整体。有效区域24具有根据物镜瞳径决定的尺寸。而且，相位调制设备3所具有的控制电路12可以通过对施加于透明的环状的环形电极的电压进行控制，向透过相位调制元件11的光束赋予所希望的相位分布。另外，控制电路12例如具有处理器，和能够根据来自处理器的驱动信号改变输出的电压的驱动电路。

图7示出图6的相位调制元件11的有效区域24的一部分的截面示意图。在相位调制元件11中，液晶分子34被夹在透明基板21、22之间。在透明基板21、22的相互相对的一侧的表面形成有透明电极33、33a、33b。在图7中，示出的是在右侧一半的电极33a和电极33之间施加电压，而在左侧一半的电极33b和电极33之间未施加电压的状态。液晶分子34具有细长的分子结构，并被均匀配向。即，被两片基板21、22夹着的液晶分子34的长轴方向相互平行，且与基板21、22和液晶层的界面平行地排列。液晶分子34的长轴方向上的折射率和与长轴方向垂直的方向上的折射率是不同的，一般来说，对于与液晶分子34的长轴方向平行的偏振成分(异常光线)的折射率n_e比对于与液晶分子的短轴方向平行的偏振成分(寻常光线)的折射率n_o高。因此，使液晶分子34均匀配向了的相位调制元件11作为单轴性的双折射元件而工作。

液晶分子具有介电常数各向异性，一般向液晶分子长轴跟随电场方向的方向施加作用力。即，如图7所示那样，在设置于夹着液晶分子的两片基板上的电极之间施加电压时，液晶分子的长轴方向根据电压从与基板平行的状态向与基板的表面正交的方向倾斜。此时，考虑与液晶分子长轴平行的偏振成分的光束的话，液晶分子的折射率n_ψ为n_o≦n_ψ≦n_e(n_o为寻常光的折射率、n_e为异常光的折射率)。因此，液晶层的厚度为d时，在通过液晶层中的被施加了电压的区域和未被施加电压的区域的光束之间产生光程差Δnd(＝n_ψd－n_od)。相位差为2πΔnd/λ。另外，λ是入射至液晶层的光束的波长。

接着，对向透过作为液晶元件而构成的相位调制元件11的光束赋予所希望的相位分布的方法进行详细描述。首先，决定想要显示的相位调制轮廓，以等相位间隔将其进行分割，决定施加于各环形电极的电压。

图8是示出决定与相位调制轮廓相符的电压施加状态的形态的图。在上侧示出的曲线800表示与通过光轴的面对应的相位调制轮廓的截面图，在下侧示出根据相位调制轮廓决定了施加电压值的环形电极810。图中的粗线表示环形电极间的空间，引出电极等简略化而未图示。控制电路12对各环形电极施加电压，使得相位调制元件11赋予透过的光束的相位调制量和施加电压的特性基本在线性的电压范围内，且相邻的环形电极间的电压差为同一等级，由此相位调制设备3能够显示所希望的相位分布的量子化后的轮廓。

为了对各环形电极施加电压以使相邻的环形电极间的电压之差为同一等级，根据相位调制轮廓决定与相位调制量为最大的位置以及为最小的位置对应的环形电极。而且，控制电路12将成为最大相位调制量的施加电压和成为最低相调制量的施加电压施加于分别与之对应的环形电极。又，多个环形电极由于通过具有相同的电阻的电极(电阻件)来分别连接在相邻的环形电极之间，因此通过电阻分割，相邻的环形电极间的电压差为同一等级。又，还具有如下这样的优点：通过这样对施加电压进行控制，相比对施加于各环形电极的电压独立进行控制时的电路，可以将控制电路12做成简单的结构。

图9A和图9B是示出相位调制设备3具有n个环形电极的情况下的、各环形电极与被施加的电压的关系的图。将中心电极设为环形电极1，将最外周的环形电极设为环形电极n，将施加最大电压的环形电极设为环形电极m。

图9A示出在二电平驱动的情况下控制电路12施加电压的环形电极。中心的第1个环形电极和最外周的第n个环形电极被施加相同的电压V1，第m个环形电极被施加电压V2。选择散焦值使得产生的波面像差的相位分布的中心以及端部的相位调制量相等，由此中心电极的相位调制量和最外周电极的相位调制量一致。其结果，被施加于中心电极的电压与被施加于最外周的环形电极n的电压值相同。又，如果像这样施加电压，可以使得PV值为最小。这样，在二电平驱动的例子中，利用被施加的电压V1与V2之差，可以不改变相位调制轮廓的相对比地改变相位调制量的振幅。又，采用该驱动方法的话，具有如下的特征：控制电路12直接施加于环形电极的电压值的电平的种类少，为两种即可，但相位调制轮廓被固定为单一的形状。

相对于此，图9B示出在三电平驱动的情况下控制电路施加电压的环形电极。各环形电极的电压由电阻分割来决定这一点与二电平驱动的情况下的各环形电极的电压的决定方法相同。但是，在该构成中，从控制电路12赋予最外周的第n个环形电极的电压V3可以与被赋予第1个环形电极的电压V1不同。这样，通过对中心电极和最外周的电极独立地施加电压以使对最外周的第n个环形电极也产生任意的相位调制量，即使在采用数值孔径NA不同的物镜的情况下，相位调制设备3也能够显示与数值孔径NA相应的相位调制轮廓，高精度地对像差进行补偿。这样，通过采用三电平驱动，由相位调制元件11表示的相位调制轮廓的自由度扩展，如上述那样，相位调制设备3可以应对同一瞳径的数值孔径NA不同的物镜。又，通过采用三电平驱动，可以以同一数值孔径NA柔软地改变相位调制轮廓的形状，例如向不同的瞳径的相位调制轮廓的近似等，相位调制设备3进行残留像差变得更少那样的像差补偿成为可能。

接下来，对可与数值孔径NA不同的多个物镜相对应地改变相位调制设备3显示的相位调制轮廓的方法进行详细说明。

首先进行由数值孔径NA产生的球面像差的定量的讨论，求出每个数值孔径NA的各自最佳的相位调制轮廓。数值孔径NA为1.2的情况下的、三阶的球面像差系数Z₁₃和五阶的球面像差系数Z₂₅之间具有大致2.4：1的关系。

图10A是示出激光显微镜的物镜的数值孔径NA包含于1.15～1.27的范围、且物镜为水浸物镜的情况下的、数值孔径NA和Z₁₃与Z₂₅之比(Z₂₅/Z₁₃)的关系的图。直线1000是数值孔径NA和比(Z₂₅/Z₁₃)的关系的近似直线。又，图10B是表示对于水浸物镜，在将激光显微镜的物镜的数值孔径NA的范围扩展至1.05～1.27的情况下的、数值孔径NA和Z₁₃与Z₂₅之比(Z₂₅/Z₁₃)的关系的图。直线1001是数值孔径NA和比(Z₂₅/Z₁₃)的关系的近似直线。进一步地，图10C是表示激光显微镜的物镜的数值孔径NA包含于0.75～0.95的范围、且物镜为干燥用的情况下的、数值孔径NA和Z₁₃与Z₂₅之比(Z₂₅/Z₁₃)的关系的图。直线1002是数值孔径NA和比(Z₂₅/Z₁₃)的关系的近似直线。另外，在图10A～图10C中，横轴表示数值孔径NA，纵轴表示比(Z₂₅/Z₁₃)。

曲线1000～1002分别由以下的数式(1)～(3)来表示。

式4

$\frac{z_{25}}{z_{13}}=1.91\×\mathrm{NA}-1.87---\left(1\right)$

$\frac{z_{25}}{z_{13}}=1.37\×\mathrm{NA}-1.21---\left(2\right)$

$\frac{z_{25}}{z_{13}}=1.06\×\mathrm{NA}-0.64---\left(3\right)$

对产生的球面像差进行补偿的相位分布优选做成为上述的比的各自的像差的线性和。

表示光学摄像系统的性能的指数之一，有斯特列尔比(Strehl Ratio)。斯特列尔比是某光学系统中的来自点光源的光在摄像面的峰值亮度与衍射极限光学系统中的峰值亮度之比，越接近1就越被称为成像性能高的光学系统。一般来说，斯特列尔比为0.8以上的话，可以无视残存像差对成像性能的影响(例如、参照岸川利郎著，「ユーザエンジニアのための光学入門(用户工程师用的光学入门)」，OPTRONICS公司，P.198)。斯特列尔比与波面像差(σ，RMS值)之间具有由以下的数式(4)所示的关系。又，波面像差(RMS值)与各个波面像差系数的关系由数式(5)来表示。在此，波面像差系数是以rad单位表示的值。

式5

$\mathrm{Strehl}=\frac{1}{\exp \left({\mathrm{\σ}}^2\right)}\≅1-{\mathrm{\σ}}^2---\left(4\right)$

$\left[\begin{array}{cc}\mathrm{\σ}=\frac{Z_{13}}{\sqrt{5}}& \mathrm{\σ}=\frac{Z_{25}}{\sqrt{7}}---\left(5\right)\end{array}\right]$

$\begin{array}{cc}{\left(\frac{{\mathrm{xA}}_{13}}{\sqrt{7}}\right)}^2=0.2& x=\sqrt{\frac{1.4}{{A_{13}}^2}}\end{array}---\left(6\right)$

因此，在例如数值孔径NA为1.2的水浸物镜中，若产生了A₁₃的三阶球面像差的话，则认为五阶球面像差仅产生0.45A₁₃。此时，如果在仅将五阶球面像差的值偏离x的状态下进行了像差校正的话，则作为五阶的像差，根据数式(5)，残存(x·A₁₃)/(7^1/2)(RMS值)。

如上所述，斯特列尔比为0.8以上的话，可以无视残存像差对成像性能的影响，因此若将斯特列尔比的容许值设为0.8的话，则偏差量x的最大值由数式(6)来表示。由此，考虑数值孔径NA的不同的话，比(A₂₅/A₁₃)优选满足由以下的数式表示的关系。

式6

$1.91\mathrm{NA}-1.87-\sqrt{\frac{1.4}{A_{13}^2}}\≤\frac{A_{25}}{A_{13}}\≤1.91\mathrm{NA}-1.87+\sqrt{\frac{1.4}{A_{13}^2}}$ (水浸物镜1.15≤NA≤1.27)

$1.37\mathrm{NA}-1.21-\sqrt{\frac{1.4}{A_{13}^2}}\≤\frac{A_{25}}{A_{13}}\≤1.37\mathrm{NA}-1.21+\sqrt{\frac{1.4}{A_{13}^2}}$ (水浸物镜1.15≤NA≤1.27)

$1.06\mathrm{NA}-0.64-\sqrt{\frac{1.4}{A_{13}^2}}\≤\frac{A_{25}}{A_{13}}\≤1.06\mathrm{NA}-0.64+\sqrt{\frac{1.4}{A_{13}^2}}$ (干燥物镜0.75≤NA≤0.95)

作为一个例子，对在无论有无盖玻片都能够观察试样这样的条件下，满足斯特列尔比0.8的x的范围进行讨论。

在此，由于一般的盖玻片的厚度是0.17mm，因此由盖玻片的有无而产生的球面像差的三阶球面像差系数为5.2左右。由于优选为相位调制设备3能够从中间位置对上述的像差进行校正，因此范围上需要10左右的校正量。根据上述的数式(6)，例如波长为488nm时，x的值低于0.23，五阶的球面像差相对于三阶的球面像差之比优选为0.42±0.23左右。

基于以上所述，在通过泽尼克多项式将由物镜的数值孔径NA产生的相位分布进行了分解时，将三阶球面像差与五阶球面像差的成分之比设为A：B的话，则数值孔径NA与B/A的关系可以由以下的数式来表示。

式7

$1.91\mathrm{NA}-1.87-\sqrt{\frac{1.4}{A^2}}\≤\frac{B}{A}\≤1.91\mathrm{NA}-1.87+\sqrt{\frac{1.4}{A^2}}$ (水浸物镜1.15≤NA≤1.27)

$1.37\mathrm{NA}-1.21-\sqrt{\frac{1.4}{A^2}}\≤\frac{B}{A}\≤1.37\mathrm{NA}-1.21+\sqrt{\frac{1.4}{A^2}}$ (水浸物镜1.15≤NA≤1.27)

$1.06\mathrm{NA}-064-\sqrt{\frac{1.4}{A^2}}\≤\frac{B}{A}\≤1.06\mathrm{NA}-0.64+\sqrt{\frac{1.4}{A^2}}$ (干燥物镜0.75≤NA≤0.95)

又，实际的物镜的瞳径、数值孔径NA都是多种多样的。因此，优选为与瞳径以及数值孔径NA的各种组合分别相对应地制作相位调制轮廓。在该情况下，用于驱动相位调制元件11的液晶层的电极的构成优选为都被通用化，不会因瞳径以及数值孔径NA不同而不同。而且，优选为各环形电极彼此被绝缘以便控制电路12能够对各环形电极施加任意的电压。由此，通过控制电路12对施加于各环形电极的电压进行独立控制，可以使相位调制元件11显示与瞳径以及数值孔径NA相应的相位调制轮廓。

在图11A、图11B、图11C中示出因物镜的数值孔径NA的不同而导致的像差相位分布的不同。图11A所示的曲线1100、图11B所示的曲线1101、图11C所示的曲线1102分别示出数值孔径NA为1.0、1.2、0.8的情况下的复合像差的相位分布。另外，在图11A～图11C中，纵轴表示将相位差的正的最大值设为“1”并将相位差归一化后的值，横轴表示将有效径的最大值设为“1”并将有效径归一化后的值。

在此，设散焦值对于各个数值孔径NA都是相同的。这样，在像差的相位分布因物镜不同而不同的情况下，控制电路12通过上述的图9B所示那样的三电平驱动对施加于各环形电极的电压进行控制，以便能够再现各种的相位调制轮廓。在每次更换物镜时，预先求出施加于环形电极1、环形电极m、环形电极n的电压V1、V2、V3之比，以消除像差的相位分布。另外，各电压间之比可以与物镜的瞳径以及数值孔径NA相对应地预先存储在控制电路12所具有的存储部中。而且，控制电路12可以从存储部读取与物镜相应的电压V1、V2、V3之比，根据该比决定施加于各环形电极的电压。另外，最终的电压的调整(电压V1、V2、V3)例如可以由用户一边看着像一边通过未图示的用户界面手动进行，或者由控制电路12一边反馈从像得到的对比度等信息，一边自动地进行设定以使得对比度为最大。

以上，对二电平驱动和三电平驱动的例子进行了说明，但本发明并不限定于此。例如，电压电平数变多，但可以对各环形电极实施配线以便分别对各个环形电极施加不同的电压。在该情况下，即使变更物镜，控制电路也能够使与物镜相对应的最佳的相位调制轮廓显示于相位调制元件11，其结果，激光显微镜1能够得到良好的图像。

又，如上述的那样，相位差依存于入射至液晶层的光的波长。一般的激光显微镜的激光源1可以照射从激光的多个波长中选择的波长的激光。但是，由于使用的激光的波长的不同，需要的相位调制量会不同，因此相位调制设备3的控制电路12需要对相位调制元件11的相位调制量进行校正。控制电路可以通过使施加于相位调制设备3的液晶层的电压变化来对由于波长的不同造成的相位调制量的偏差进行校正。进一步地，控制电路12也可以通过调整施加于相位调制元件11的液晶层的电压来消除由温度变化等造成的相位调制量的偏差。

在此，对根据激光的波长的不同得到最佳的相位调制量的方法进行说明。图12所示的曲线1200示出被封入上述的实施例的相位调制设备3的液晶层的液晶的波长色散特性。横轴表示波长，纵轴表示以550nm时的相位差的值为1的方式将相位调制设备3的相位差(Δnd)归一化后的值。如曲线1200所示那样，例如488nm的激光的话，波长色散的程度为1.057，405nm的激光的话，波长色散的程度为1.200。这表示由于液晶层的厚度d为一定值，因此Δn(＝ne-no)由于激光的波长不同而不同。因此，即使观察与图1中所示的相同的试样5的相同位置，最佳的相位调制轮廓也会根据使用的激光源1的波长不同而不同。因此，相位调制元件11要将最佳的相位调制轮廓赋予透过的光束的话，优选为需要将最适合该波长的波长色散的程度作为参数，并考虑进相位调制轮廓的算出式，从而将相位调制轮廓最优化。

具体来说，将使用的激光源1的波长作为参数并用于相位调制轮廓的生成是必要的。也就是说，像图12所图示那样将波长色散的程度作为系数与如前文所述那样生成的相位调制轮廓相乘的话，可以得到考虑了来自激光源的激光的波长的、被最优化了的相位调制轮廓。而且，控制电路12只要基于被最优化了的相位调制轮廓调整施加于相位调制元件11的各电极的电压即可。

又，在上述的实施形态中，采用液晶元件作为相位调制设备的相位调制元件，但相位调制元件并不限定于液晶元件。例如也可以采用具有以普克尔斯效应为代表的电光效应的光学晶体元件作为相位调制元件。在该情况下，也与利用液晶元件的情况同样地，以光轴为中心的多个环形电极被安装在平板上的光学晶体元件的一个面上，在光学晶体元件的另一个面上，以覆盖该整个面的方式安装有电极。各电极与上述的实施形态同样地，优选为透明电极。在该变形例中，也与上述的实施形态同样地，控制电路可以通过对施加于各环形电极的电压进行调节，使对包含物镜的光学系统的像差进行校正的相位调制轮廓显示于光学晶体元件，将与该相位调制轮廓相应的相位分布赋予透过光学晶体元件的光束。

又，在其他的变形例中，虽然存在成为反射型这样的缺点，但也可以采用变形反射镜作为相位调制元件。在该情况下，在变形反射镜上安装以光轴为中心的多个环形电极。而且，控制电路通过对施加于各环形电极的电压进行调节，以变形反射镜来表现对包含物镜的光学系统的像差进行校正的相位调制轮廓，将与该相位调制轮廓对应的相位分布赋予与由变形反射镜反射的光束。

又，在以上的实施例中，以激光显微镜为例进行了说明，但本发明的相位调制设备并不限定用于激光显微镜。本发明只要是具有物镜的、采用相干光源的光学设备，就可以用于任何一种，例如也可以适用于光学相干断层扫描仪(OCT:Optical CoherenceTomography)等。

如以上那样，本领域技术人员可以在本发明的范围内，根据被实施的形态进行各种各样的变更。

符号的说明

1  激光源

2  准直光学系统

3  相位调制设备

4  物镜

5  试样

6  分束器

7  共焦光学系统

8  共焦针孔

9  检测器

11 相位调制元件

12 控制电路

21、22 透明基板

23 密封

33 透明电极

34 液晶分子。

Claims (12)

1.一种相位调制设备，其是对从相干光源出射的相干光的光束的光路中配置的包含物镜的光学系统所产生的波面像差进行校正的相位调制设备，其特征在于，具有：

相位调制元件，所述相位调制元件形成有多个电极，根据被分别施加于该多个电极的电压对透过所述物镜的所述光束的相位进行调制；和

控制电路，所述控制电路对施加于所述多个电极的电压进行控制，

所述控制电路对施加于所述多个电极的电压进行控制，以将基于相位调制轮廓的相位调制量赋予所述光束，所述相位调制轮廓由以泽尼克多项式分解了所述波面像差的相位分布时的、三阶球面像差与五阶球面像差之比和所述物镜的数值孔径的关系式来决定，所述相位调制轮廓具有所述相位分布的逆极性。

2.如权利要求1所述的相位调制设备，其特征在于，所述关系式由下式来表示，

式1

$1.91\mathrm{NA}-1.87-\sqrt{\frac{1.4}{A^2}}\≤\frac{B}{A}\≤1.91\mathrm{NA}-1.87+\sqrt{\frac{1.4}{A^2}}$

在此，A表示三维球面像差的成分，B表示五维球面像差的成分，NA表示所述物镜的数值孔径。

3.如权利要求1所述的相位调制设备，其特征在于，所述关系式由下式来表示，

式2

$1.37\mathrm{NA}-1.21-\sqrt{\frac{1.4}{A^2}}\≤\frac{B}{A}\≤1.37\mathrm{NA}-1.21+\sqrt{\frac{1.4}{A^2}}$

在此，A表示三维球面像差的成分，B表示五维球面像差的成分，NA表示所述物镜的数值孔径。

4.如权利要求1所述的相位调制设备，其特征在于，所述关系式由下式来表示，

式3

$1.06\mathrm{NA}-0.64-\sqrt{\frac{1.4}{A^2}}\≤\frac{B}{A}\≤1.06\mathrm{NA}-0.64+\sqrt{\frac{1.4}{A^2}}$

在此，A表示三维球面像差的成分，B表示五维球面像差的成分，NA表示所述物镜的数值孔径。

5.如权利要求1～4中任一项所述的相位调制设备，其特征在于，

决定所述相位调制轮廓，以使所述光学系统的光轴上的相位调制量与所述相位调制元件的能够对光束进行相位调制的区域，即有效区域的端部的相位调制量相等。

6.如权利要求1～4中任一项所述的相位调制设备，其特征在于，

决定所述相位调制轮廓以使所述相位调制轮廓的均方根值为最小。

7.如权利要求1～6中任一项所述的相位调制设备，其特征在于，

所述相位调制元件为液晶元件。

8.如权利要求7所述的相位调制设备，其特征在于，

所述控制电路根据所述相干光的波长对所述相位调制轮廓进行调节。

9.如权利要求1～7中任一项所述的相位调制设备，其特征在于，

所述多个电极具有以所述光学系统的光轴为中心的同心圆状的多个环形电极。

10.如权利要求9所述的相位调制设备，其特征在于，

所述多个环形电极分别通过电阻件连接，所述控制电路对与所述相位调制轮廓中的相位调制量为最大的位置以及所述相位调制量为最小的位置对应的所述环形电极分别施加电压，以产生所述相位调制量的最大值以及最小值，通过利用连接于各环形电极间的所述电阻件所具有的电阻值来分割被施加于所述相位调制量为最大的环形电极的电压与被施加于所述相位调制量为最小的环形电极的电压之差，从而决定与其他位置对应的各环形电极的电压。

11.如权利要求10所述的相位调制设备，其特征在于，

所述控制电路对与所述相位调制量为最大的位置以及所述相位调制量为最小的位置对应的所述环形电极施加电压，同时也对最外周的环形电极施加电压。

12.一种激光显微镜，其特征在于，具有：

照射相干光的相干光源；

第一光学系统，所述第一光学系统被配置在所述相干光的光束的光路中，包含将所述光束聚光到试样上的物镜；

第二光学系统，所述第二光学系统将由所述试样产生的包含所述试样的信息的光束传输到检测器；和

如权利要求1～11中任一项所述的相位调制设备，

在所述相干光源和所述物镜之间，配置有所述相位调制设备的相位调制元件。