CN104583845B - 像差校正光学单元及激光显微镜 - Google Patents

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Abstract

在光学系统中被配置的像差校正光学单元(3)的特征在于，由具有偏振特性的第一相位调制元件(3a)和第二相位调制元件(3c)、可变波长板(3b)构成，并校正光学系统的像差，其中，该可变波长板(3b)被配置于第一相位调制元件及第二相位调制元件之间，且两个相位调制元件与其光学轴具有规定角度。

Description

像差校正光学单元及激光显微镜
技术领域
本发明涉及光学系统的像差校正技术，特别是涉及在激光显微镜中，配合于观察模式或显微镜的规格来控制根据试样或观察条件而产生的像差。
背景技术
激光显微镜将激光通过物镜聚光于试样上，激光显微镜通过沿着在与光轴垂直的面上的、互相正交的两方向(X方向、Y方向)扫描试样，取得试样的平面图像。另一方面，通过改变物镜和试样的光轴方向(Z方向)的间隔，可得到Z方向的多个断层像(Z堆)，由此，激光显微镜构筑试样的3D图像。
在这里，形成激光显微镜的主流的共焦点激光显微镜将由试样产生的反射光、散射光或荧光在光学系统中传输，在检测器接收透过了配置于和试样上的聚光点光学共轭的位置的针孔的光束。通过配置针孔，能够过滤从试样上的聚光点以外产生的光，因此共焦点激光显微镜能够取得SN比良好的图像。
又，多光子显微镜通过用开口数NA的大物镜来对激光进行聚光，从而提高焦点面的光子密度。由此，荧光分子同时吸收多个(N个)光子，用通常的N倍的能量来激发荧光分子。例如，在2光子显微镜的情况下，两个光子同时相当于荧光分子，观察到通常的1/2 波长的荧光。2光子同时相当于荧光分子的概率非常低，不产生来自焦点以外的区域的发光。因而，即使没有上述针孔，多光子显微镜也可只获取检点的试样信息。
观察活体试样的情况下，以浸入培养液的状态隔着盖玻片观察的情形较多。又，一般来说，物镜设计为规定厚度的主盖玻片正下的成像性能最好。在观察活体试样内部的情况下，有必要取得与透过了培养液或活体组织的深度相当的观察位置的图像，产生与在从盖玻片正下方到观察位置的距离成比例的像差，作为其结果，分辨率降低。
对于该像差，参照图2A及图2B进行详细说明。图2A及图2B是示意地表示进行观察的试样的深度所产生的像差的图。为了简化说明，物镜被设计为最适于对均匀折射率的介质进行观察的情况。图2A示出设计中使用的观察均匀折射率的介质情况下的光束100。图2A中，示出光束100无像差地聚光于一点。与此相对，图2B示出观察试样深度D的面的情况下的光束100。在相接于物镜的介质和试样的边界面111，光束110折射，通过产生的像差，光束110没有聚光于一点。
例如，在物镜为干透镜的情况下，因为物镜和试样间的空隙被空气充满，所以物镜和试样间的介质(空气)的折射率为1.0，而与活体试样的折射率(例如1.39)不同。因此，与物镜和试样间的介质的折射率与活体试样的折射率之间的差，以及活体的观察深度成比例地产生像差。另一方面，在物镜为浸水透镜的情况下，因为物镜和试样间的空隙被水充满，所以物镜和试样间的介质(水)的折射率为1.333，其折射率比起空气更接近活体试样的折射率。因此，浸水透镜虽适于观察活体深部，但因为活体试样的折射率和水的折射率不相等，所以最终还是由于活体试样的折射率和水的折射率之差而导致像差产生。因此，分辨率下降成为问题。
进而，盖玻片的厚度也具有偏离设计值(例如0.17mm)在公差范围内的误差。由于盖玻片折射率1.525和活体试样折射率1.38～1.39之差，导致与偏离设计厚度的盖玻片实际厚度的差成比例地产生像差。由于偏离上述的设计值的偏差而导致具有以光轴为中心的对称性相位分布的球面像差产生。
解决上述像差所导致的画质劣化的手段之一有校正环。校正环是被设置于物镜上的环状旋转构件，通过旋转校正环，构成物镜的透镜组的间隔被变更。由此，盖玻片的厚度的误差或观察活体深部的情况下产生的像差被消除。校正环上刻有度数，例如，对于盖玻片厚度，如0、0.17、0.23那样地大致地示出数值。然后，根据实际上使用的盖玻片的厚度来配合校正环的度数，由此其厚度中被最优化那样地调整透镜组的间隔(例如，参照专利文献1)。
又，也已知通过作为像差校正器件的一例的波面转换元件来补偿产生的像差。该技术在显微镜的光路中配置可矩阵驱动的形状可变镜元件，通过该形状可变镜元件，基于事前测定的波面转换数据来调制波面形状，并将调制的光波入射到试样，由此取得像差被校正的成像性能高的图像(例如参照专利文献2)。
又，作为波面转换元件，已知有LCOS(Liquid Crystal on Silicon)类型的空间光调制元件(参照专利文献3)，其中，该LCOS类型的空间光调制元件对相位分布进行显示，该相位分布是将电压施加于像素被排列为矩阵状的液晶元件的各像素，通过使液晶的折射率改变来消除波像差的相位分布。LCOS类型的空间光调制元件是在采用CMOS技术制作而成的地址部形成直接液晶层的反射型的电光相位调制元件，通过驱动的电压，控制各像素的相位调制量。
又，已知利用这些校正手段，基于物镜和试样间的距离来控制像差校正量的显微镜的控制方法(例如，参照专利文献4)。
现有技术文献
专利文献
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)
专利文献3:日本专利特开2011-180290号公报(第13页)
专利文献4:日本专利第4554174号(图1)
发明内容
发明所要解决的技术问题
但是，校正环的操作是通过用手旋转附于物镜上的环状的调整机构来进行的。因此，由于对该调整机构进行调整而产生焦点偏移或视野偏移。又，为了确定物镜的最佳位置，需要重复进行校正环的调整和对焦，有最优化的过程麻烦的问题。因为过程麻烦，所以也存在调整到最佳位置费时间、荧光色素褪色的问题。荧光色素的褪色是基于连续照射激发光而产生的荧光强度变弱的问题。
又，校正环的调整是精细的，其调整结果的判断现实中是目视图像的人来判断，是否为最优位置的判断是非常困难的。特别地，Z堆的拍摄中，需要深度方向的取得图像数的阶数重复该作业，非常麻烦。因此，现实中充分活用校正环的用户少。进而，根据试样，由于手接触而导致的振动对观察位置造成影响，因此希望手不接触地自动地调整校正环。
又，波面转换元件的像差的补偿技术中，因为波面转换元件为反射型，所以不能将波面转换元件插入到现有的显微镜光学系统中。因此，需要替续光学系统，从而显微镜光学系统复杂化及大型化，其中，该替续光学系统用于进行与物镜的光瞳位置共轭的配置。进而，为了得到最优补偿波面，需要在事先测定像差，使校正量收敛以形成最优波面的过程是必须的，因此该技术不怎么达到实用。
又，LCOS类型的光调制元件具有偏振特性。另一方面，用于光源的激光也具有同样的偏振特性，因此，通过使该光调制元件的偏振特性和激光的偏振特性吻合，像差校正对于全光量成为可能。但是，试样中产生的荧光根据试样分子的运动而成为大致任意偏振光。因此，在对使用LCOS类型的光调制元件而产生的任意偏振光的荧光进行校正的情况下，因为该光调制元件仅能校正与该光调制元件的偏振特性一致的偏振成分的像差，所以其他的偏振成分没有被调制。作为其结果，未被调制的偏振成分因共焦点针孔而被遮住，从而检测器中接受到的光量降低。
又，激光显微镜的光源的偏振特性根据制造商而不同，根据情况，也存在从光源射出的光为圆偏振光的情况。像这样，从光源射出的光不一定为直线偏振光。又，即使从光源射出的光为直线偏振光，其偏振轴也并不为一定。因此，需要使波面转换元件的偏振特性和光源的偏振特性一致，从而存在光学系统进一步变得复杂的问题。
因此，本发明的目的在于，解决上述技术问题，提供一种可仅通过插入到现有的光学系统来校正波像差的像差校正光学单元。又，作为本发明的另一目的，提供一种手不接触物镜就可配合于显微镜的观察模式或规格来最适当地校正相应于试样或观察条件产生的像差的像差校正光学单元。又，作为本发明的又一目的，提供一种能取得成像性能高的图像的、利用像差校正器件的激光显微镜。
用于解决技术问题的手段
为了解决上述技术问题并达成目的，本发明的像差校正光学单元是采用下面记载的构成的装置。
根据本发明的一个方面，提供一种校正光学系统所产生的波像差的像差校正光学单元。该像差校正光学单元包括：第一相位调制元件，其具有光学轴，对于通过光学系统的光束之中的与光学轴平行的偏振成分，校正光学系统的波像差的规定成分；第二相位调制元件，其具有光学轴，对于光束之中的与光学轴平行的偏振成分，校正波像差的规定成分；可变波长板，其被配置于第一相位调制元件和第二相位调制元件之间，具有光学轴，并能够变更通过光学系统的光束的偏振特性。然后，可变波长板被配置为，可变波长板的光学轴与第一相位调制元件的光学轴或第二相位调制元件的光学轴形成规定角度。
优选地，在该像差校正光学单元中，第一相位调制元件及第二相位调制元件被配置为，第一相位调制元件的光学轴与第二相位调制元件的光学轴成为平行或者互相正交，可变波长板的光学轴与第一相位调制元件的光学轴或第二相位调制元件的光学轴形成的角度为 45°。
又，优选地，在该像差校正光学单元中，可变波长板根据施加的电压，使赋予到光束的相位调制量改变。
又，优选地，在该像差校正光学单元中，第一相位调制元件及第二相位调制元件被配置为，第一相位调制元件的光学轴与第二相位调制元件的光学轴成为平行，可变波长板根据施加的电压的变化来进行以下两种作用的切换，即，作为1/2波长板来发挥作用，或作为将与光束的波长的整数倍相当的相位差赋予到互相正交的两束直线偏振光的波长板来发挥作用。
或者，优选地，在该像差校正光学单元中，第一相位调制元件及第二相位调制元件被配置为，第一相位调制元件的光学轴与第二相位调制元件的光学轴互相正交，可变波长板根据施加的电压的变化来进行以下两种作用的切换，即，作为1/2波长板来发挥作用，或作为将与光束的波长的整数倍相当的相位差赋予到互相正交的两束直线偏振光的波长板来发挥作用。
又，优选地，光学系统具有物镜，且该像差校正光学单元被配置于相干光源与物镜之间。
进而，优选地，在该像差校正光学单元中，第一相位调制元件、第二相位调制元件、可变波长板分别为液晶元件。
根据本发明的另一个方面，提供一种激光显微镜。该激光显微镜包括：
第一光学系统，其利用来自于相干光源的光束来扫描试样；物镜，其将光束聚光于试样；检测器；第二光学系统，其通过光束入射进试样，将从试样发出的第二光束传输到所述检测器，其中，该第二光束包含试样的信息；上述任一项所述的像差校正光学单元，其被配置于相干光源与物镜之间。
优选地，该激光显微镜还包括：控制电路，其根据观察模式，通过调节施加到可变波长板的电压，对可变波长板赋予到光束的相位调制量进行控制。
发明效果
根据本发明，像差校正光学单元及利用该像差校正光学单元的激光显微镜在观察活体试样的深部时，或在观察隔着盖玻片观察试样时，校正由于偏离介质厚度设想值的偏差而产生的像差，能够以更高分辨能力来观察或测定试样。特别地，该像差校正光学单元及激光显微镜配合于照明试样的激光和由试样产生的荧光的偏振特性，可通过最优地控制像差校正光学单元的偏振特性来适当地校正像差。进而，该像差校正光学单元及激光显微镜由于不需要用手接触物镜，就可电校正像差，因此没有如校正环的调整那样的麻烦，具有自动进行最优化，可实现与Z堆时的观察深度同步的调整等优点。
又，该像差校正光学单元及激光显微镜配合如共焦点显微镜或多光子显微镜那样的显微镜的观察模式来控制像差校正光学单元，由此连原有的2倍大小的像差都可校正
附图说明
图1是本发明的一实施方式所涉及的激光显微镜的概略构成图。
图2A是用于对观察试样表面时和观察深度D的试样内部时产生的像差进行说明的图。
图2B是用于对观察试样表面时和观察深度D的试样内部时产生的像差进行说明的图。
图3是表示光路计算的相位分布的图。
图4A是示出一阶球面像差的相位分布的立体图和截面图。
图4B是示出一阶慧形像差的相位分布的立体图和截面图。
图5A是示出二阶球面像差的相位分布的立体图和截面图。
图5B是示出二阶慧形像差的相位分布的立体图和截面图。
图6是作为像差校正光学单元的一例的相位调制元件的俯视图和侧视图。
图7是构成像差校正光学单元的均匀取向的液晶元件的一部分的截面示意图。
图8是对确定本发明的一实施方式所涉及的相位调制元件的电极构造的方法进行说明的图。
图9对本发明的一实施方式所涉及的相位调制元件中电极间的连接方法和对于电极的电压施加方法进行说明的概略图。
图10A是示出对构成像差校正光学单元的相位调制元件和可变波长板的光轴的关系进行说明的一个例子的图。
图10B是示出对构成像差校正光学单元的相位调制元件和可变波长板的光轴的关系进行说明的另一例子的图。
具体实施方式
下面，参照附图，对本发明所涉及的像差校正光学单元或利用了像差校正光学单元的激光显微镜的适宜实施方式进行详细说明。
图1示出本发明的一实施方式所涉及的激光显微镜100的概略构成图。从作为相干光源的激光光源1射出的光束通过准直光学系统2被调整为平行光，该平行光透过了像差光学校正单元3后，通过物镜4被聚光于试样5上。被试样5反射或散射的光束或者试样5 所产生的荧光等包含试样信息的光束回溯光路，被光束分离器6反射，并被作为第二光学系统的共焦光学系统7再度聚光于共焦点针孔8上。然后，因为共焦点针孔8切断来自于试样的焦点位置以外的光束，所以由检测器9得到SN比良好的信号。
又，虽省略详细说明，但激光显微镜100利用扫描光学系统10，通过来自于光源1的激光沿与光轴正交的面扫描试样5，由此得到试样5的二维像。进而，激光显微镜100通过改变物镜4和试样5间的距离，也在光轴方向上扫描试样5，针对其各距离得到试样5 的二维像，由此得到试样5的三维像。
在这里，不仅假设透镜系统内部的光路，还假设从透镜顶端到观察面的光路的介质的折射率和间隔，例如假设盖玻片厚度或有无盖玻片，从而以这些假设值来设计物镜104，以使成像性能最优化。因而，由作为观察对象的活体试样的深度或盖玻片制造误差所造成的厚度偏差等导致像差产生。因此，在本实施方式中，根据偏离光路长度的设计值的偏差，估算产生的波像差，并通过将如消除波像差那样的相位分布作为相位调制分布图表示于像差校正光学单元3中，从而该激光显微镜100使成像性能提高。
一般来说，由于空间的关系而无法将像差校正光学单元配置于物镜的入射光瞳位置，因此采用替续光学系统将像差校正光学单元配置于与入射光瞳共轭的位置。另一方面，显微镜的物镜一般来说为无限系统来设计，入射到物镜的光束为平行光。因此，本实施方式中，为了避免光学系统的大型化，优选地，取消替续光学系统，并将像差校正光学单元3 配置于物镜4的光源侧尽量靠近物镜4的附近。通过这样配置像差校正光学单元3，激光显微镜100能够更加有效地得到校正效果。又，从激光光源1射出的光束以去路和回路两次通过像差校正光学单元3，因此像差校正光学单元3对光束的相位连同去路和回路进行校正。
接下来，对由试样的深度而产生的像差及其校正方法进行详细说明。由试样的深度而产生的像差是如先前的图1B中说明过的那样。在这里，假定利用浸水透镜来观察试样内部的情况，将计算了光路长的例示出于图3。图3中示出的曲线300表示将试样的深度和试样的折射率分别设为250μm和1.39时的、利用NA1.15的浸水透镜的情况下的光路计算所得到的相位分布。可知图3示出光轴上的像差，成为球面像差图案。图3的纵轴表示将相位差量用其最大值来进行归一化而得到的相位差量，横轴表示以像差校正光学单元的最大有效径为“1”的方式归一化后的距光轴的距离。
像这样在不是观察试样表面而是观察试样内部时产生像差，像差主要与物镜的NA和试样深度成比例地扩大。将像这样产生的像差作为物镜的入射光瞳位置的相位分布来表示，并将消除该像差的相位调制分布图示于配置在物镜4的入射光瞳位置的像差校正光学单元3，由此激光显微镜100使光束聚光于设定在试样5的内部的观察位置中一点，即，可对像差进行校正。同样地，因为试样所产生的光束也回溯光路，所以激光显微镜100能够将该光束转换为平面波。
为此，像差校正光学单元3具有：两个相位调制元件3a、3c、被配置于该两个相位调制元件之间的可变波长板3b。然后，由控制电路将电压分别施加于相位调制元件3a、3c 及可变波长板3b。控制电路11通过控制施加于相位调制元件3a、3c及可变波长板3b的电压，来控制给到光束的相位调制量。此外，控制电路11例如包括处理器和驱动电路，其中，该驱动电路可变更相应于来自处理器的驱动信号而输出的电压。从控制电路11对相位调制元件3a、3b及可变波长板3b施加的驱动电压例如为进行了脉冲高度调制(PHM) 或脉冲宽度调制(PWM)的交流电压。
下面对求出用于波像差校正的相位调制分布图的一种方法进行说明。
一般来说，将波像差的相位分布分解为如泽尼克(Zernike)多项式那样的正交函数，从而作为各函数之和来表现。通过将波像差的相位分布分解为正交函数，从而各项可独立地控制。根据像差产生的原因，产生的像差的项目不同，因此可独立地控制各项较为方便。例如，根据试样深度而产生的像差为球面像差，在使试样深度改变了的情况下，控制与球面像差对应的项即可。
波像差大致分为以球面像差为代表的对称性像差和以慧形像差为代表的非对称性像差。例如，用标准泽尼克多项式分解波像差时，第13项系数(Z13)表示一阶球面像差，第25项系数(Z25)表示二阶球面像差。即，上述系数表示对称性像差。
又，同样地，将波像差分解为标准泽尼克多项式时的、第8项和第9项系数(Z8、Z9)表示一阶慧形像差，第18项和第19项系数(Z18、Z19)表示二阶慧形像差。即，上述系数表示非对称性像差。
在图中示出各个波面的形状。图4A及图4B分别示出一阶球面像差和一阶慧形像差。图5A及图5B分别示出二阶的球面像差和慧形像差。
图4A的上侧的立体图401及图5A的上侧的立体图501分别立体地表示一阶球面像差及二阶球面像差的波面形状，图4A的下侧的曲线图中的曲线402及图5A的下侧的曲线图中的曲线502示出与立体图对应的、通过光轴的平面上的、像差的相位分布。各曲线图中，纵轴表示以相位差量的正最大值为“1”的方式而被归一化的相位差量，横轴表示以像差校正光学单元3的最大有效半径为“1”的方式进行了归一化的距光轴的距离。即，横轴上的“0”的位置表示在光轴上。
图4B的上侧的立体图411及图5B的上侧的立体图511分别立体地表示一阶慧形像差及二阶慧形像差的波面形状，图4B的下侧的曲线图中的曲线412及图5B的下侧的曲线图中曲线512示出与立体图对应的、通过光轴的平面上的像差的相位分布。与图4A及图5A 的下侧的曲线图相同地，纵轴表示以相位差量的正的最大值成为“1”的方式来被归一化的相位差量，横轴表示距光轴的距离，该光轴是以像差校正光学单元的最大有效半径为“1”的方式被归一化的光轴。
在利用高NA的物镜来观察试样深部的情况等，产生的像差成为散焦及低阶、高阶的球面像差被复合的像差。因而，例如，即使仅校正与标准泽尼克多项式的Z13项相当的像差，成像性能的提高也不充分。又，在考虑光轴外的特性的情况下，也需要校正非对称性的像差，为了周密地校正像差，像差校正光学单元3也需要校正与高阶像差及非对称性像差相当的项目。因而，为了充分地校正像差，需要将与各个像差的项目对应的相位调制分布图表示于作为像差校正元件的一例的相位调制元件。因此，优选地，预备与各个项目对应的多数个相位调制元件，将这些相位调制元件沿光轴重叠并用作为像差校正光学单元，以能表示多种多样的相位调制分布图。
但是，如果预备与泽尼克多项式的全部项目对应的相位调制元件，并将这些相位调制元件沿光轴配置，则会由于重叠多个相位调制元件，产生基于各元件间的边界处反射的透过率低下等相当多的缺点。
因而，优选地，将像差校正光学单元3具有的相位调制元件的数量设为必要最小限。例如，假设散焦根据显微镜的对焦而可变，高阶像差为可忽略程度的小的话，像差校正光学单元3通过仅校正与一阶球面像差对应的Z13项，可谋求成像性能的提高。为了更精密地校正像差，像差校正光学单元3根据需要，对高阶像差或倾斜、慧形等非对称性像差进行校正即可。又，与各项相当的像差的产生比率为一定的话，则像差校正光学单元3可将作为各个项的线性和的复合分布图图案设定为相位调制分布图。例如，考虑分别归纳对称性像差和非对称性像差，利用两组相位调制元件，校正波像差。即，例如，对于对称性像差，像差校正光学单元3也可以将散焦与一阶球面像差与三阶球面像差的线性和表示为复合分布图图案。
又，如倾斜或慧形像差那样的非对称性像差具有与球面像差不同的方向性。因此，例如，对于慧形像差，根据作为泽尼克系数的正交图案的Z8项及Z9制作成相位分布图。表示这些相位分布图的相位调制元件被层叠，由此具有任意的方向性的相位调制分布图被表示。
如上所示，在通过高NA物镜观察试样深部情况等，仅利用一阶像差的校正而分辨率提高不充分的情况下，考虑将高阶的像差项加于一阶像差项而制作成相位调制分布图。例如，通过表示在泽尼克多项式中的Z13加上Z25的相位调制分布图，像差校正光学单元3 能够以更高精度校正像差。即，像差校正光学单元3以Z13和Z25的线性和的图案来形成相位调制分布图。各阶数的比率因为以物镜的NA或干式、水浸、液浸等类型来决定，所以配合于物镜4来设计相位调制分布图即可。
接下来，参照图6～图9，对采用液晶元件作为该像差校正光学单元具有的相位调制元件的情况下进行更详细的说明。
图6是示出作为像差校正光学单元3具有的相位调制元件3a或相位调制元件3c而可利用的液晶元件30的平面及侧面的图。用透明基板21、22夹住液晶层，并用密封件23 封住周边部以使液晶不泄漏。驱动液晶的有效区域24的尺寸根据物镜4的光瞳直径而被确定。图6中，液晶元件30作为校正对称性像差的相位调制元件而发挥作用的情况下的电极图案被示出。在该例中，为了校正对称性像差，有效区域24中形成有多个以光轴为中心的同心圆状的透明环形电极25。此外，对于透明基板21、22的一方，也可用覆盖有效区域24整体的方式来形成透明电极。然后，控制电路11通过对利用透明环形的环形电极施加于液晶层的电压进行控制，液晶元件30在该有效区域24表示如消除对称性的波像差那样的相位调制分布图。
图7示出图6的液晶元件30的有效区域24的一部分的截面示意图。液晶元件30中，在透明基板21、22间夹有液晶分子34。透明基板21及22的相对侧的表面上形成有透明电极33、33a、33b。图7中，示出了在右半部分的电极33a和电极33之间施加电压，另一方面在左半侧部分的电极33b和电极33之间不施加电压的状态。液晶分子具有细长的分子结构，并被同一取向。即，两片基板21、22中夹有的液晶分子34，其长轴方向互相平行，且基板21、22与液晶层的界面平行地并排。液晶分子34，其长轴方向上的折射率和与长轴方向正交的方向上的折射率不同，一般来说，与液晶分子34的长轴方向平行的偏振成分(异常光线)所对应的折射率ne高于与液晶分子的短轴方向平行的偏振成分(通常光线)所对应的折射率no。因此，使液晶分子34均匀取向的液晶元件30作为一轴性的复折射元件而动作。
液晶分子具有介电各向异性，一般来说液晶分子长轴在拟制为电场方向的方向上作用。也就是说，如图7所示，如果在夹有液晶分子的两张基板上设置的电极间施加电压，则液晶分子的长轴方向从与基板成为平行的状态，根据电压，向与基板表面正交的方向靠近地倾斜。这时，如果考虑与液晶分子长轴平行的偏振成分的光束，则液晶分子的折射率 nψ为no≦nψ≦ne。因此，如果液晶层的厚度为d的话，则液晶层中，在通过施加电压的区域的光束及通过未施加电压的区域的光束之间，光路长差Δnd(＝nψd－nod)产生。相位差为2πΔnd/λ。此外，λ为入射到液晶层的光束的波长。
在这里，激光显微镜100也可以包括照射波长互不相同的激光的多个激光光源。在这种情况下，根据波长而需要的相位调制量不同。因此，控制电路11可通过使施加于液晶元件30的液晶层的电压改变来校正波长不同所导致的相位调制量的偏差。进而，控制电路11也可通过调整施加于液晶元件30的液晶层的电压来消除温度变化所导致的相位调制量的偏差。
接下来，对赋予光束所期望的相位分布的方法进行详细说明，其中，该光束是透过作为液晶元件而构成的光学像差校正单元的相位调制元件的光束。首先，确定液晶元件30中体现的相位调制分布图，并用等相位间隔对该分布图进行分割，由此确定各环形电极的图案。
图8是示出例如根据消除液晶元件30中的对称性像差的相位调制分布图的相位分布而确定的电极图案的一例的图。上侧所示的曲线800表示通过光轴的面所对应的相位调制分布图的截面，在下侧示出配合于相位调制分布图而被确定的环形电极810。图中的粗线表示环形电极间的空间，引线电极等出于简化而未图示。赋予透过液晶元件30的光束的相位调制量和施加电压间的关系大致在线性的电压范围内，控制电路11将电压施加于各环形电极，以使相邻的环形电极间的电压差为同一阶，由此液晶元件30可表示所期望的相位分布的量化后的相位调制分布图。
为了以相邻的环形电极间的电压差为同一阶的方式将电压施加于各环形电极，根据相位调制分布图来确定相位调制量成为最大的位置及成为最小的位置所对应的环形电极。然后，控制电路11将成为最大相位调制量的施加电压和成为最低相位调制量的施加电压分别加在对应的环形电极上。又，多个环形电极通过具有相同电阻的电极(电阻器)分别与相邻的环形电极连接，因此通过电阻分割而相邻的环形电极间的电压差为同一阶。又，通过像这样控制施加电压，比起独立地控制施加于各环形电极的电压时的驱动电路，具有可使控制电路11为简单的结构这一优点。
图9是示出液晶元件30具有n个环形电极的情况下的、各环形电极和施加的电压的关系的图。图9中，以中心电极为环形电极1、以最外周的环形电极为环形电极n、以施加最大电压的环形电极为环形电极m。
图9示出在双电平驱动的情况下控制电路11施加电压的环形电极。对作为中心电极的环形电极1和作为最外周环形电极的环形电极n施加相同的电压V1、对从中心算起为第m(m＝2、…、n-1)个的环形电极m施加电压V2。通过以产生的波像差的相位分布上的中心及端部的相位调制量变为相等的方式来选择散焦值，从而在中心电极的相位调制量和在最外周电极的相位调制量一致。作为其结果，如图9所示，施加于中心电极的电压和施加于最外周的环形电极n的电压成为相同。又，控制电路11如果对于液晶元件30像这样施加电压的话，则能使PV值为最小。像这样，在双电平驱动的例中，利用施加的电压V1 和V2的差，可改变相位调制量的振幅而不改变相位调制分布图的相对比。又，该驱动方法中，具有如下特征：控制电路11直接施加于环形电极的电压值的电平少至两种就可以了，但相位调制分布图被固定为单一形状。
又，使与非对称性像差对应的相位调制分布图表示于液晶元件30的情况下，也与对于与对称性像差对应的相位调制分布图而被确定的电极构造同样地，针对互不相同的多个的各相位面，形成电极图案，以使所表示的相位调制分布图的同一相位面与一个电极对应。然后，控制电路11例如在双电平驱动液晶元件30的情况下，在成为最大相位调制量的液晶层的区域所对应的电极与成为最小相位调制量的液晶层的区域所对应的电极上分别施加与该相位调制量对应的电压。然后，与成为相位调制量是最大相位调制量与最小相位调制量的中间的区域对应的多个电极上被施加的电压，被连接相邻电极间的电阻器的电阻分割确定，各电极所对应的区域中，该施加的电压所对应的相位调制量被赋予。由此，液晶元件30可表示与非对称性像差对应的相位调制分布图。
又，非对称性像差具有方向性，因此，像差校正光学单元为了表示具有任意方向性的相位调制分布图，需要使正交的两个相位分布重合。例如，对于倾斜，如果将与光轴正交的平面设为XY平面，则将表示对与X轴方向的倾斜对应的波像差进行校正的相位分布的相位调制元件与表示对与Y轴方向的倾斜对应的波像差进行校正的相位分布的相位调制元件沿光轴方向排列，从而表现以所表示的两个相位分布的线性和来对任意角度的倾斜所对应的波像差进行校正的相位分布。例如，控制电路11如果以各个相位调制元件中表示的相位分布的振幅的比成为1：1的方式来驱动各相位调制元件的话，则像差校正光学单元可表示校正波像差的相位分布，其中，该波像差是与分别对于X轴及Y轴沿45度方向倾斜的倾角对应的波像差。最简单地来说，以在与光轴垂直的面上各液晶元件的电极图案互相正交的方式来层叠两个相同的液晶元件，由此实现这种相位调制元件。基于层叠两个相位调制元件的、相位调制元件的厚度增加或各界面上的反射不佳的情况下，也可以将一个液晶元件作为相位调制元件，以驱动该液晶元件的液晶层的两个电极图案互相正交的方式来设置各电极图案。
如上所述，假如像差校正光学单元具有的相位调制元件为一个液晶元件的情况，根据液晶元件的偏振特性，相位调制元件仅能校正入射光束的某一方向的偏振成分的像差。又，照明试样的激光具有偏振特性。因此，激光的偏振特性符合相位调制元件的偏振特性的话，则可回避上述问题。但是，由试样产生的荧光、散射光大致上为任意偏振光，因此将一个液晶元件用作为相位调制元件的情况下，残留有未被校正的偏振成分。
另一方面，像前述那样，相位调制量以Δnd确定，而Δn以液晶材料确定。因此，要增加相位调制量，就需要增大液晶层的厚度d。但是，液晶层的厚度d被液晶的响应速度或透明基板的面积度限制，因而，充分地增厚有困难。因此，对于可校正的像差的相位量来说存在限度。
因此，本发明中，如图1所示，像差校正光学单元3沿光轴，从光源侧开始依次具有相位调制元件3a、可变波长板3b、相位调制元件3c。将像差校正光学单元3设为这种三层构造，使第一相位调制元件3a与第二相位调制元件3c分别地分担相位调制功能，由此本发明解决上述技术问题。第一相位调制元件3a及第二相位调制元件3c表示校正对称性像差或非对称性像差的相位分布，并表示相位调制分布图，其中，该相位分布图是赋予透过这些元件的光束的相位分布图。又，相位调制元件3a与相位调制元件3c设为同一功能的(即，可校正相同像差成分的)液晶元件。例如，相位调制元件3a与相位调制元件3c 中的任一个都可作为校正对称性像差的相位调制元件而发挥作用，或者，相位调制元件3a 与相位调制元件3c中的任一个都可作为校正非对称性像差的相位调制元件而发挥作用。
参照图10A，对像差校正光学3的构造及其功能进行说明。在该例中，相位调制元件3a、3c为相同的液晶元件，并按各自的光学轴(即，液晶分子的取向方向)一致的方式被配置。然后，在相位调制元件3a与相位调制元件3c之间插入可变波长板3b，该可变波长板3b具有对于各自的相位调制元件的光学轴而成45度的角度的光学轴。
本实施方式中，该可变波长板3b也是在一对透明基板间夹持有液晶层的液晶元件。例如，可变波长板3b可设为与相位调制元件3a、3c中采用的液晶元件相同的液晶元件。但是，以夹持可变波长板3b的液晶层的方式形成的两个透明电极，以覆盖两透明基板的各自的整个面的方式而被形成即可。可变波长板3b也与上述的作为相位调制元件的液晶元件同样地，通过将电压施加于透明基板上所设置的透明电极间，如图7所示地，液晶分子的长轴方向从成为与透明基板平行的状态开始，根据该施加电压，向与透明基板表面正交的方向靠近地倾斜。根据相对于液晶分子的透明基板表面的倾斜程度，可变波长板3b可对通过液晶层的光的相位进行调制。
控制电路11通过在夹着可变波长板3b的液晶层的两个透明电极间施加任意电压，可控制赋予光束的相位调制量，其中，该光束是透过可变波长板3b的光束。例如，控制电路11能够以相位调制量成为λ/2的方式来控制施加电压，使可变波长板3b作为1/2波长板来发挥作用(ON)，或者，控制电路11能够控制施加电压，使相位调制量成为0或λ等、波长的整数倍，不使可变波长板3b作为1/2波长板来发挥作用(OFF)。像这样，控制电路11能够可变地控制可变波长板3b作为波长板的功能。下面，对可变波长板3b通过控制施加电压，能够在可变波长板3b的光学轴相对于相位调制元件的3a、3c的光学轴 45度倾斜的状态(ON)、与可变波长板3b的光学轴相对于相位调制元件的3a、3c的光学轴不倾斜的状态(OFF)之间进行切换的例子进行说明。
图10A的最右端的列1004表示从光源侧分别看到相位调制元件3a、3c、可变波长板3b时的各元件的光学轴方向。箭头示出光学轴。图10A中，通过可变波长板3b控制施加电压，从而作为1/2波长板而发挥作用的状态(ON)与没有作为1/2波长板而发挥作用的状态(OFF)中的、透过各元件的光束的偏振方向被示出。
从图10A的左端开始依次在第一的列1001、第二的列1002、第三的列1003中分别示出可变波长板3b的前后位置的、通过像差校正光学单元3并往返的光束的偏振状态。此外，在这些列中，箭头表示照明光的偏振方向。例如，左端的列1001中，入射进相位调制元件3a前的照明光是与纸面平行的直线偏振光，且可变波长板3b作为1/2波长板而发挥作用(ON)时，在直到照射到试样5为止的各自的位置处，光的偏振状态被示出。
如图10A所示，如果入射进相位调制元件3a前的照明光设为与纸面平行的直线偏振光I(图中，偏振面为水平方向)的话，则因为照明光的偏振面与第一相位调制元件3a的光学轴方向平行，所以在通过第一相位调制元件3a时照明光被校正。其后，如列1001那样地，如果可变波长板3b作为1/2波长板而发挥作用(ON)的话，则利用照明光通过可变波长板3b，其偏振面90度旋转(因而，图中，偏振面成为垂直方向)。其结果，因为照明光的偏振面与第二相位调制元件3c的光学轴方向正交，所以照明光即使透过第二相位调制元件3c也没有被相位调制。
然后，照明光被聚光于试样5，来自试样5的荧光等的光O产生。如列1003所示，由试样5产生的光O成为任意偏振光。在这里，因为第二相位调制元件3c的光学轴方向成为列1004的最下的箭头所示的水平方向，所以由试样5产生的光中，用第二相位调制元件3c仅对第二相位调制元件3c的光学轴方向的偏振成分进行像差校正。其后，由试样5 产生的光透过可变波长板3b，由此偏振方向90°旋转。因此，用第一相位调制元件3a来对由试样5产生的光的偏振成分中，未用第二相位调制元件3c校正的残留的偏振成分进行相位调制。其结果，有试样5产生的光的全部偏振成分被像差校正。又，基于通过了可变波长板3b的光束的偏振面90°旋转，本发明具有以下优点：可以将不仅光学特性相同，而且外形构造也相同的元件用作为第一相位调制元件3a及第二相位调制元件3c。
又，如果着眼于照明光的话，即使激光为直线偏振光，其偏振轴也根据制造商而不同。在这种情况下，相位调制元件的偏振特性必须配合于各种显微镜的光源的偏振特性，其调整变得烦杂。但是，本发明的像差校正光学单元3通过利用可变波长板，消除入射进像差校正光学单元3的光的偏振依存。因此，不考虑正交于光轴的面内的偏振面的旋转角，就可将像差校正光学单元3安装于激光显微镜100，其中，该光轴是与激光显微镜100相对应的光源的光轴。
又，即使观察模式不同，对于全部的机种，也可通用像差校正光学单元3。例如，通过使以共焦点模式作为观察模式来进行观察的情况下的相位调制量与以多光子模式作为观察模式来进行观察的情况下的相位调制量不同，像差校正光学单元3可在双方的观察模式中使用。进而，根据显微镜制造商或机种等的观察模式的不同，利用光源的激光为直线偏振光或圆偏振光，并分别具有不同的偏振特性的情况较多。但是，本发明的像差校正光学单元3因为具有可变波长板，所以通过调节可变波长板，不依赖激光的偏振特性，而能够以各种观察模式，例如将直线偏振光照射到样本的模式或将圆偏振光照射到样本的模式，来对样本进行观察。例如，从光源入射的激光为规定方向的直线偏振光的情况下，使像差校正光学单元3的可变波长板作为1/2波长板来发挥作用，由此像差校正光学单元3 能够将该入射激光变换为与规定方向正交的方向的直线偏振光。或者，使像差校正光学单元3的可变波长板作为1/4波长板来发挥作用，由此像差校正光学单元3能够将该入射激光变换为圆偏振光。
接下来，对于通过对驱动可变波长板3b的施加电压进行调整，可变波长板3b没有作为1/2波长板而发挥作用的状态(OFF)进行说明。根据施加于可变波长板3b的电压，控制电路11可使可变波长板3b的复折射量为入射光的波长λ的整数倍，即可变波长板3b 赋予到互相正交的两个直线偏振光间的相位差，通过将复折射量调节为2π的整数倍，能够使可变波长板3b为OFF。图10A的列1002中，可变波长板3b成为OFF时的、通过了像差校正光学单元3的光束的偏振状态被示出。
与上述相同地，具有与纸面平行的直线偏振光I(图中，偏振面为水平方向)的照明光透过第一相位调制元件3a，由此对照明光进行像差校正。因为可变波长板3b没有作为1/2波长板而发挥作用(OFF)，所以如列1002的下侧的箭头所示，通过可变波长板3b 的照明光的偏振面不旋转，偏振面依旧为水平方向。因而，第一相位调制元件3a可相位调制的偏振成分与第二相位调制元件3c可相位调制的偏振成分成为相同，照明光的偏振特性与双方的相位调制元件的偏振特性一致，因此作为结果，与照明光相对的相位调制量变为 2倍。
像这样，可变波长板3b未作为1/2波长板而发挥作用的话(OFF)，则像差校正光学单元3的偏振依存性没有被消除，而像差校正光学单元3的像差校正量成为2倍。因此，像差校正光学单元3因为能够对被聚光于试样的更深区域中设定的观察位置处的照明光的像差进行校正，所以激光显微镜100能够高分辨地观察该更深区域中设定的观察位置的试样。激光显微镜100是观察模式与共焦点显微镜不同的荧光显微镜的情况下，激光显微镜100通过照明试样来观察该试样中产生的荧光，因此产生的荧光的偏振成分中，仅与相位调制元件的光学轴一致的偏振成分的像差被校正，与相位调制元件的光学轴正交的偏振成分的像差没有被校正。但是，因为未被校正的偏振成分被用共焦点针孔截除(或者可以通过将偏振元件插入到光路上来截除)，所以光量下降，而激光显微镜100能够取得分辨率高的图像。因此，激光显微镜100是荧光显微镜的情况下，基于像差校正光学单元3的像差校正效果变得更大。
进而，激光显微镜100为多光子显微镜的情况下，像差校正光学单元3仅校正照明光的像差即可，对于产生的荧光没有像差的影响。因而，激光显微镜100为荧光显微镜的情况下，像差校正光学单元3的像差校正更有效。而这正是基于多光子显微镜的光学系统与共焦点显微镜的光学系统的区别，即，多光子显微镜仅在激光密度高的区域产生基于多光子吸收的荧光，即使不使用共焦点针孔，也能够得到与共焦点显微镜相同的分割(日语：セクショニング)效应，因此多光子显微镜取得产生的全部荧光并形成图像。
图10A所示的像差校正光学单元3中，两个相位调制元件3a、3c的偏振轴(即、光学轴)的方向一致。但是，两个相位调制元件3a、3c的光学轴也可互相正交。在这种情况下，通过变更可变波长板3的相位调制量可获得同样的效果。
例举如下优点来作为本实施例的可变波长板的优点之一：通过变更驱动电压，不用依赖入射的激光波长而可将复折射设为λ/2。通过将可变波长板3b设为1/2波长板，可变波长板3b可使波长λ的光束的偏振面旋转90°，像差校正光学单元3可消除不能校正的像差的偏振成分。但是，在多个波长的光束作为照明光同时入射进像差校正光学单元3的情况下，作为一个例子，可变波长板3b的相位调制量配合于入射的光的平均波长来被确定。在这种情况下，对于波长偏离于平均波长的激光，可变波长板3b作为多少偏离于λ/2的波长板来发挥作用，不能将该波长的激光的全部偏振成分变换为对于入射进可变波长板3b 前的偏振方向而正交的偏振成分，作为其结果，从可变波长板3b射出的光为椭圆偏振光。
在那种情况下，按两个相位调制元件3a、3c的光学轴的方向互相正交的方式来配置相位调制元件3a、3c。图10B示出使两个相位调制元件3a、3c的光学轴互相正交的情况下的相位调制元件和可变波长板的光学轴的关系。与图10A的列1001～1003的箭头同样地，图10B中的列1101、列1102、列1103的各箭头示出与通过像差校正光学单元3并被聚光于试样5的照明光束I及从试样5发出的光束O相对的各自的位置上的偏振方向，列1104 的各箭头示出相位调制单元3a、3b和可变波长板3b的光学轴方向。
如图10B的列1102所示，通过不使可变波长板3b作为1/2波长板来发挥作用(OFF)，透过可变波长板3b的光的偏振特性丝毫未被变更。因此，照明光I通过光学轴互相正交的相位调制元件3a、3c，由此像差校正光学单元3可调制照明光的全部偏振成分的相位，因此，对于照明光的全部偏振成分，可校正像差。又，在这种情况下，因为可变波长板3b 不进行照明光的相位调制，所以也可以不考虑可变波长板3b的波长分散特性。
另一方面，想让与通过像差校正光学单元3的光对应的相位调制量为2倍的情况下，控制电路11调整施加于可变波长板3b的电压，使可变波长板3b的复折射为λ/2(ON) (在列1101中图示)。在这种情况下，产生与可变波长板3b的相位调制量相对应的波长分散特性的问题。但是，与较大地取得相位调制量的范围相对的要求有利于多光子显微镜中利用像差校正光学单元3的情况，另一方面，在多个子显微镜中，因为用多个波长的照射光来激发试样是极少的，所以即使是使两个相位调制元件3a、3c的光学轴相互正交的构成也具有充分的优点。
如上所述，该像差校正光学单元可对其射入该像差校正光学单元的光的全部偏振成分进行相位调制。因此，该像差校正光学单元对包括该像差校正光学单元的光学系统中产生的像差，可不依赖通过该光学系统的光的偏振成分来进行校正。
上述实施方式中，虽然将液晶元件用作为像差校正光学单元的相位调制元件及可变波长板，但相位调制元件及可变波长板并不被限定为液晶元件。例如，也可将具有以泡克耳斯(ポッケルス)效应为代表的电光学效应的光学结晶元件用作为相位调制元件或可变波长板。
又，以上进行了说明的各实施方式中，虽示出了将本发明的像差校正光学单元用于激光显微镜的实例，但本发明并不被这些实施例所限定。又，本实施方式中，虽然示出了对对称性像差或非对称性像差进行校正的像差校正光学单元，但像差校正光学单元也可构成为对对称性像差和非对称性像差的双方进行校正。在这种情况下，对称性像差用的像差校正光学单元和非对称性像差用的像差校正单元的双方被配置于光路上。也就是说，第一相位调制元件3a、可变波长板3b、第二相位调制元件3c的组合被配置于2套光路上即可。或者，也可在第一相位调制元件3a和第二相位调制元件3c之间配置可变波长板3b，其中，该第一相位调制元件3a具有校正对称性像差的相位调制元件和校正非对称性像差的相位调制元件，该第二相位调制元件3c具有校正对称性像差的相位调制元件和校正非对称性像差的相位调制元件。
进而，本发明的像差校正光学单元不论在利用了相干光源和物镜的任一种机器中都可采用，并可实现高分辨率。
附图说明
100 激光显微镜
1 激光光源
2 准直光学系统
3 像差校正光学单元
3a 第一相位调制元件
3b 可变波长板
3c 第二相位调制元件
4 物镜
5 试样
6 光束分离器
7 共焦光学系统
8 共焦点针孔
9 检测器
10 扫描光学系统
30 液晶元件
21、22 透明基板
23 密封件
33 透明电极
34 液晶分子。

Claims (8)

1.一种像差校正光学单元，所述像差校正光学单元是校正光学系统所产生的波像差的像差校正光学单元，其特征在于，包括：
第一相位调制元件，其具有光学轴，对于通过所述光学系统的光束之中的与所述光学轴平行的偏振成分，校正所述光学系统的波像差的规定成分；
第二相位调制元件，其具有光学轴，对于所述光束之中的与所述光学轴平行的偏振成分，校正所述波像差的所述规定成分；
可变波长板，其被配置于所述第一相位调制元件和所述第二相位调制元件之间，具有光学轴，并能够变更所述光束的偏振特性，
所述可变波长板被配置为，所述可变波长板的光学轴与所述第一相位调制元件的光学轴或所述第二相位调制元件的光学轴形成规定角度，
所述可变波长板根据施加的电压，使赋予到所述光束的相位调制量改变。
2.如权利要求1所述的像差校正光学单元，其特征在于，
所述第一相位调制元件及所述第二相位调制元件被配置为，所述第一相位调制元件的光学轴与所述第二相位调制元件的光学轴成为平行或者互相正交，
所述规定角度为45°。
3.如权利要求1所述的像差校正光学单元，其特征在于，
所述第一相位调制元件及所述第二相位调制元件被配置为，所述第一相位调制元件的光学轴与所述第二相位调制元件的光学轴成为平行，
所述可变波长板根据施加的电压的变化来进行以下两种作用的切换，即，作为1/2波长板来发挥作用，或以将与所述光束的波长的整数倍相当的相位差赋予到互相正交的两束直线偏振光的方式来发挥作用。
4.如权利要求1所述的像差校正光学单元，其特征在于，
所述第一相位调制元件及所述第二相位调制元件被配置为，所述第一相位调制元件的光学轴与所述第二相位调制元件的光学轴互相正交，
所述可变波长板根据施加的电压的变化来进行以下两种作用的切换，即，作为1/2波长板来发挥作用，或以将与所述光束的波长的整数倍相当的相位差赋予到互相正交的两束直线偏振光的方式来发挥作用。
5.如权利要求1所述的像差校正光学单元，其特征在于，
所述光学系统具有物镜，且所述像差校正光学单元被配置于相干光源与所述物镜之间。
6.如权利要求1所述的像差校正光学单元，其特征在于，
所述第一相位调制元件、所述第二相位调制元件、所述可变波长板分别为液晶元件。
7.一种激光显微镜，其特征在于，包括：
第一光学系统，其利用来自于相干光源的光束来扫描试样；
物镜，其将所述光束聚光于所述试样；
检测器；
第二光学系统，其通过所述光束入射进所述试样，将从所述试样发出的第二光束传输到所述检测器，其中，所述第二光束包含所述试样的信息；
如权利要求1-6中的任一项所述的像差校正光学单元，其被配置于所述相干光源与所述物镜之间。
8.如权利要求7所述的激光显微镜，其特征在于，还包括：
控制电路，其根据观察模式，通过调节施加到所述可变波长板的电压，对所述可变波长板赋予到所述光束的相位调制量进行控制。
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