CN104871064B - 光观察装置 - Google Patents

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Abstract

光观察装置(1A)包括：空间光调制器(20)，其在相位调制面(20a)显示菲涅尔型开诺全息照片，对光(L1)的相位进行调制而向观察对象物(B)照射调制光(L2)；对来自观察对象物(B)的被观察光(L3)进行摄像的摄像光学系统(15)；使摄像光学系统(15)在被观察光(L3)的光轴方向上移动的光学系统移动机构(16)；和控制部(19)，其以使摄像光学系统(15)的焦点位置与菲涅尔型开诺全息照片所引起的调制光(L2)的聚光位置的变化对应地变化的方式控制光学系统移动机构(16)。由此，即使在使调制光的聚光位置在光轴方向上发生变化的情况下，也能够实现能够容易地获得照射部位的观察光像的光观察装置。

Description

光观察装置
技术领域
本发明涉及一种光观察装置。
背景技术
在专利文献1中，记载了使用了能够任意地转换光的波前形状的波前转换元件的激光扫描装置。该激光扫描装置包括配置在激光束的光路中的光束分支元件、光束扩展器、波前转换元件、用于聚光于标本面上的物镜、光检测器和控制装置。波前转换元件由以能够利用控制装置独立地控制被微小地分割的各区域的方式构成的液晶元件构成。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平11-326860号公报
发明内容
发明所要解决的问题
近年来，正在研究通过使用了空间光调制器的相位调制进行显微镜观察中的对象物的照明光或激光加工用途的激光的生成。根据这样的光照射方式，能够通过控制空间光调制器的相位分布(全息图)来实现具有例如圆环形状、矩形环状或直线状等的所期望的强度分布的照射光。
此外，在这样的光照射方式中，能够通过控制空间光调制器的相位分布，使相位调制后的光(以下，称为调制光)的光轴方向上的聚光位置也任意地变化。因此，能够使调制光聚光在观察对象物的任意的深度。但是，在对被照射调制光的部位进行观察的情况下，或者在取得该部位的图像的情况下等，如果如上所述聚光位置在深度方向发生变化，则需要使观察光像的焦点与该聚光位置的变化对应地变更，作业变得繁杂。
本发明是有鉴于这样的问题而完成的发明，其目的在于提供即使在使调制光的聚光位置在光轴方向上变化的情况下，也能够容易地获得照射部位的观察光像的光观察装置。
解决问题的技术手段
为了解决上述的问题，本发明的光观察装置，其特征在于，是用于对来自观察对象物的被观察光进行摄像的光观察装置，包括：输出光的光源；空间光调制器，其具有包括二维排列的多个区域的相位调制面，在相位调制面显示菲涅尔型开诺全息照片，通过按多个区域的每个区域调制光的相位而生成调制光，并将调制光向观察对象物射出；对来自观察对象物的被观察光进行摄像的摄像光学系统；使摄像光学系统移动的光学系统移动机构；和控制部，其以与菲涅尔型开诺全息照片引起的调制光的聚光位置的变化对应地使摄像光学系统的焦点位置变化的方式控制光学系统移动机构。
在该光观察装置中，光学系统移动机构使对来自观察对象物的被观察光进行摄像的摄像光学系统在观察光像的光轴方向上移动。再有，该光学系统移动机构被控制部控制，使得与起因于开诺全息照片的调制光的聚光位置的变化对应地使摄像光学系统的焦点位置变化(典型的是使得摄像光学系统的焦点位置靠近调制光的聚光位置)。根据这样的结构，在调制光的聚光位置在光轴方向上发生变化时，能够不麻烦操作者地使照射部位的观察光像的焦点自动地对准。因此，根据上述的光观察装置，即使在使调制光的聚光位置在光轴方向上变化的情况下，也能够容易地获得照射部位的观察光像。
发明的效果
根据本发明的光观察装置，即使在使调制光的聚光位置在光轴方向上变化的情况下，也能够容易地获得照射部位的观察光像。
附图说明
图1是表示一个实施方式所涉及的光观察装置的结构的图。
图2是概略地表示作为空间光调制器的一个例子的LCoS型的空间光调制器的截面图。
图3(a)是表示利用一个实施方式的计算方法计算出的菲涅尔型开诺全息照片的例子的图像，(b)是表示根据该开诺全息照片照射至观察对象物的调制光的形状的图。
图4(a)是表示利用一个实施方式的计算方法计算出的菲涅尔型开诺全息照片的例子的图像，(b)是表示根据该开诺全息照片照射至观察对象物的调制光的形状的图。
图5(a)是表示利用一个实施方式的计算方法计算出的菲涅尔型开诺全息照片的例子的图像，(b)是表示根据该开诺全息照片照射至观察对象物的调制光的形状的图。
图6是概念性地表示对观察对象物立体地照射调制光的情形的图。
图7是表示作为第一变形例的光观察装置的结构的图。
图8是表示作为第二变形例的光观察装置的结构的图。
图9是表示作为第三变形例的光观察装置的结构的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的光观察装置的实施方式进行详细的说明。另外，在附图的说明中，对同一要素标注同一符号，省略重复的说明。
图1是表示本发明的一个实施方式所涉及的光观察装置1A的结构的图。在一个例子中，本实施方式的光观察装置1A是光学显微镜等的用于对观察对象物进行摄像的光观察装置。此外，在另一个例子中，光观察装置1A是在激光加工中通过对加工对象物照射激光而对加工对象物进行加工，并对所加工之处的状态进行观察的光观察装置。另外，在图1中，无论是观察对象物还是加工对象物均作为观察对象物B进行表示。
如图1所示，光观察装置1A包括光源10、前级光学系统11、空间光调制器(SpatialLight Modulator：SLM)20、后级光学系统12A、支承观察对象物B的平台13、平台移动机构14、摄像光学系统15、光学系统移动机构16和控制部19。
光源10输出规定波长的光L1。优选光L1具有单色且一定程度的相干性，例如为激光。此外，作为光L1，虽然也可以为来自LED等的光等相干性低的光，但是存在在光L1中含有多个波长成分的情况、需要利用色彩校正透镜等进行校正的情况。
前级光学系统11与光源10光学耦合，将从光源10输出的光L1导向空间光调制器20。前级光学系统11例如能够包括光束扩展器或空间滤光器等的光学系统。此外，前级光学系统11例如能够包括分束器、波长板、偏振光镜和透镜等的各种光学部件。作为一个例子，图1所示的前级光学系统11包括空间滤光器11a和准直透镜11b。
空间光调制器20具有包括二维排列的多个区域的相位调制面20a，通过按该多个区域的每个区域调制光L1的相位，生成调制光L2。在相位调制面20a，对应于从控制部19提供的控制信号S1，显示菲涅尔型开诺全息照片。另外，开诺全息照片是指相位的空间信息。空间光调制器20通过后级光学系统12A向观察对象物B照射调制光L2。关于菲涅尔型开诺全息照片的计算方法，在之后说明。另外，在相位调制面20a显示的也可以是使规定的调制图案重叠于菲涅尔型开诺全息照片后的相位的空间信息。
作为空间光调制器20，能够应用电寻址型的液晶元件、光寻址型的液晶元件、可变镜型的光调制器等各种方式的光调制器。此外，本实施方式的空间光调制器20也可以为透过型和反射型中的任一型。
图2是概略地表示作为本实施方式的空间光调制器20的一个例子的LCoS型的空间光调制器的截面图，表示沿光L1的光轴的截面。该空间光调制器20包括透明基板21、硅基板22、多个像素电极23、液晶层24、透明电极25、取向膜26a和26b、电介质镜27以及间隔部件28。其中，多个像素电极23、液晶层24、透明电极25、取向膜26a和26b以及电介质镜28构成相位调制面20a。
透明基板21由透过光L1的材料构成，沿硅基板22的主面配置。多个像素电极23在硅基板22的主面上排列成二维格子状，构成空间光调制器20的各像素。透明电极25配置在与多个像素电极23相对的透明基板21的面上。液晶层24配置在多个像素电极23与透明电极25之间。取向膜26a配置在液晶层24与透明电极25之间，取向膜26b配置在液晶层24与多个像素电极23之间。电介质镜27配置在取向膜26b与多个像素电极23之间。电介质镜27将从透明基板21入射并透过液晶层24后的光L1反射，再次从透明基板21射出。
此外，空间光调制器20进一步具备对施加至多个像素电极23与透明电极25之间的电压进行控制的像素电极电路(有源矩阵驱动电路)29。当从像素电极电路29对任意的像素电极23施加电压时，该像素电极23上的液晶层24的折射率与该像素电极23与透明电极25之间产生的电场的大小相对应地发生变化。因此，透过液晶层24的该部分的光L1的光路长度发生变化，于是，光L1的相位发生变化。再有，通过对多个像素电极23施加各种大小的电压，能够将相位调制量的空间的分布电写入，能够根据需要显示各种开诺全息照片。因此，构成相位调制面20a的区域的最小单位与像素电极23的大小对应。
再次参照图1。后级光学系统12A具有前级透镜12a和后级透镜12b。前级透镜12a是凸透镜，与空间光调制器20的相位调制面20a光学耦合。此外，后级透镜12b是所谓的物镜，配置在前级透镜12a与观察对象物B之间，一个面与前级透镜12a光学耦合，另一个面与观察对象物B光学耦合。另外，后级透镜12b也可以为凸透镜。后级光学系统12A通过具有这样的结构，将相位调制面20a与观察对象物B光学耦合。
平台13支承观察对象物B。本实施方式的平台13能够利用平台移动机构14沿调制光L2的光轴方向(图中的箭头A1)移动，这样的平台13的移动的结果是，观察对象物B沿调制光的光轴方向移动。另外，平台移动机构14是本实施方式中的观察对象物移动机构。平台移动机构14以由从控制部19提供的控制信号S2表示的方向(前方向或后方向)和移动量使平台13移动。
摄像光学系统15相对于支承观察对象物B的平台13配置在与观察对象物B相反侧，为了取得透过观察对象物B和平台13的被观察光L3(观察光像)的图像而设置。
摄像光学系统15包括成像透镜15a和检测器15b。成像透镜15a的一个面与观察对象物B光学耦合，另一个面与检测器15b的光检测面光学耦合。成像透镜15a使在观察对象物B中透过后的被观察光L3朝向检测器15b成像。此外，检测器15b对与观察对象物B相关的被观察光L3的光像进行摄像而生成图像数据。检测器15b可以为一维传感器、二维图像传感器和分光器中的任一种，或者也可以同时使用它们。另外，在检测器15b为一维传感器的情况下，也可以在成像透镜15a与检测器15b之间配置针孔，构成共焦点系统。此外，也可以在成像透镜15a与检测器15b之间设置中继透镜等光学系统和/或滤光器等光学部件。
光学系统移动机构16是用于使摄像光学系统15沿摄像光学系统15中的被观察光L3的光轴方向移动的机构。光学系统移动机构16包括用于使成像透镜15a沿该成像透镜15a的被观察光L3的光轴方向(图中的箭头A2)移动的机构16a、和用于使检测器15b沿该检测器15b的被观察光L3的光轴方向(图中的箭头A3)移动的机构16b。
机构16a以由从控制部19提供的控制信号S3表示的方向(前方向或后方向)和移动量使成像透镜15a移动。机构16b以由从控制部19提供的控制信号S4表示的方向(前方向或后方向)和移动量使检测器15b移动。另外，光学系统移动机构16也可以为使成像透镜15a或检测器15b的任一方在光轴方向上移动的机构。
控制部19以向观察对象物B照射具有所期望的截面形状的调制光L2的方式将与菲涅尔型开诺全息照片相关的控制信号S1赋予空间光调制器20。此处，作为空间光调制器20所表示的菲涅尔型开诺全息照片的计算方法的例子，对反向传播的计算方法进行说明。
在本实施方式中，以被空间光调制器20调制后的调制光L2的再生像面与观察对象物B重叠的方式设定。当假定该再生像面中的调制光L2的图案(靶图案)由M个(其中，M为2以上的整数)的点光源构成时，相位调制面20a上的全息图面能够作为来自各点光源的波前传播函数的总和进行处理。
然后，当令再生像面上的各点光源的坐标为(xm，ym)(其中，m＝0，1，……，M-1)时，全息图面的各像素的坐标(xa，ya)(其中，a，b＝0，1，……，N-1、N为x方向和y方向上的像素数)上的各点光源的波前传播函数um(xa，yb)如以下的数学式(1)那样表示。
[数1]
其中，i为虚数单位，k为波数(＝2π/λ，λ是调制光L2的波长)，z为再生像面与全息图面的距离，Am为复振幅成分(即光的强度)，θm为相位成分，δ为各像素中的初始相位。
此外，rm是通过以下的数学式(2)
[数2]
定义的数值，表示从再生像面内的各点光源至全息图面的各像素为止的距离。
在本方法中，通过以下的数学式(3)求取关于M个点光源的波前传播函数um的总和utotal(xa，yb)。
[数3]
然后，通过从该总和utotal(xa，yb)抽出相位成分，制作利用计算机合成全息图(Computer Generated Hologram：CGH)形成的开诺全息照片(Kinoform)。
另外，此处抽出相位成分是因为，由于空间光调制器20为相位调整型的空间光调制器，因此无视波前传播函数um所含的振幅信息。此外，进行该计算时，需要限制波前传播函数um的函数区域，使得相位折叠的折返线不超过奈奎斯特频率，即使得在波前传播函数um的相位项exp(-iθm)中与相邻的像素的相位差不超过π(rad)。
图3～图5(a)是表示利用上述的计算方法计算出的菲涅尔型开诺全息照片的图像，(b)是表示根据该菲涅尔型开诺全息照片照射至观察对象物B的调制光L2的形状(与光轴垂直的截面形状)的图。图3表示观察对象物B中的调制光的形状为矩形状的情况。图4表示观察对象物B的调制光的形状为圆形状的情况。图5表示观察对象物B的调制光的形状为相互平行的两根直线状的情况。
根据上述的计算方法，能够使在相位调制面20a显示的菲涅尔型开诺全息照片为如上述那样令观察对象物B中的调制光L2的形状为圆形状、矩形状或直线状的开诺全息照片。另外，观察对象物B中的调制光L2的形状并不限定于此，能够为各种形状。
此外，当使用上述的计算方法时，还能够计算能够对观察对象物B照射立体的(三维的)调制光L2的开诺全息照片。图6是概念性地表示对观察对象物B(例如细胞)立体地照射调制光L2的情形的图。图中所示的实线C表示观察对象物B的表面中被照射调制光L2的部分。
另外，在上述的计算方法中，通过使再生像面上的强度分布的中心部分的光强度比该光强度分布的周围部分的光强度小，能够维持充分的数值孔径(NA)并调整照射光量。此外，也可以利用进行计算的或实验的信息反馈的迭代法来调整光强度Am的分布。
此外，在上述的计算方法中，也可以将数值孔径(NA)变更为不超过奈奎斯特频率的程度。由此，能够任意地变更照射到观察对象物B的调制光L2的光强度和聚光点的大小。
此外，在上述的计算方法的数学式中也可以包含初始值，还可以在计算出开诺全息照片后加上利用以下的数学式(4)计算出的初始相位θm’。
[数4]
θ′m＝θm+δinitial···(4)
其中，该初始相位θm’也可以用于对像差校正、光束整形、光束发散角等进行调整。
此外，在上述的计算方法中，调制光L2的波长(设计波长)为空间光调制器20能够进行调制的范围内所含的波长即可，不被其它条件限制。
此外，在上述的计算方法中使用的光L1的强度的值也可以为理论值和实验值中的任一种。不过，优选与光L1的光轴垂直的截面上的强度分布接近均匀。在光L1的强度分布不均匀的情况下，需要根据含有光L1的强度分布信息的计算设计开诺全息照片。优选此时的光L1的强度分布为在与相位调制面20a共轭的面取得的强度分布。
另外，在相位调制面20a显示的开诺全息照片除了上述的利用反向传播的计算方法以外，还能够利用各种方法计算。例如，也可以使用在普通的迭代法(例如GS法)等中应用了菲涅尔衍射的计算方法计算开诺全息照片。
此处，对后级光学系统12A进行进一步说明。在对观察对象物B照射光时，聚光点大、照射区域宽的情况下，也能够省略后级光学系统12A，但是例如存在显微镜下的光照射的情况下等要使聚光点小且在窄的区域有效率地聚光的情况。但是，仅利用相位调制型的空间光调制器20，存在其相位分辨率和空间分辨率不充分的情况，在这种情况下难以生成足够小的聚光点。因此，优选使用具有高的数值孔径(NA)的透镜构成后级光学系统12A。
再有，在这种情况下，优选使用开普勒型远焦光学系统(4f光学系统)且令该光学系统的后级透镜为物镜。本实施方式的后级光学系统12A构成开普勒型远焦系统，前级透镜12a与后级透镜12b的光学距离实质上等于前级透镜12a的焦点距离f1与后级透镜12b的焦点距离f2之和(f1+f2)。此外，由于这样的后级光学系统12A是两侧远心光学系统，因此物镜(后级透镜12b)的焦平面与空间光调制器20的相位调制面20a为共轭的关系。另外，傅里叶光学系统的0次光成分作为背景噪声残留，在本实施方式的后级光学系统12A，这样的噪声与聚光点相比小至能够无视的程度。
此处，4f光学系统的缩小倍率M通过以下的数学式(5)求取。
[数5]
M＝f2/f1···(5)
从空间光调制器20至共轭面为止的距离L为
[数6]
L＝2(f1+f2)···(6)，
因此，根据该数学式(5)和(6)，能够决定最佳的前级透镜12a和后级透镜12b的组合，能够实现光学系统的最佳化。
另一方面，光轴方向上的聚光点的位置根据开诺全息照片设计值和缩小倍率M而唯一地决定。即，当令开诺全息照片的设计焦点距离为z时，聚光点位于从后级透镜12b的焦平面起Δz(＝z×M)的距离。该关系即使在z为负的情况下也同样成立。
另外，即使后级透镜12b与相位调制面20a的间隔发生变化上述关系也成立，但是在该间隔变化大的情况下，优选包括合成焦点距离的计算而求取Δz。这即使在后级光学系统12A构成开普勒型远焦系统的情况下也相同。这样的Δz例如如以下那样求取。
当令在相位调制面20a显示的菲涅尔型开诺全息照片的焦点距离为fSLM、令前级透镜12a的焦点距离为f1、令后级透镜12b的焦点距离为f2、令相位调制面20a与前级透镜12a的距离为f1、令前级透镜12a与后级透镜12b的距离为f1+f2时，菲涅尔型开诺全息照片与前级透镜12a的合成焦点距离f’通过以下的数学式(7)计算。
[数7]
与此相同，合成焦点距离f’与后级透镜12b的合成焦点距离f通过以下的数学式(8)计算。
[数8]
然后，Δz通过以下的数学式(9)计算。
[数9]
Δz＝f-f2···(9)
另外，本实施方式的后级光学系统12A中，前级透镜12a和后级透镜12b可以分别由单一的透镜构成，也可以分别由多个透镜构成。此外，后级光学系统12A也可以不仅包括前级透镜12a和后级透镜12b而且包括其它的透镜。在这种情况下，可以将其它的透镜的焦点距离包含在上述的合成焦点距离f的计算中。此外，后级光学系统12A也可以不仅包括前级透镜12a和后级透镜12b，而且按不产生大的波前相差的程度包括透镜以外的光学部件(例如，光束分离器、波长板、偏振光镜、扫描器等)。
如以上说明的那样，在使相位调制面20a显示菲涅尔型开诺全息照片的本实施方式的光观察装置1A中，观察对象物B中的调制光L2的聚光位置与菲涅尔型开诺全息照片的形态相对应地在光轴方向上变化。在这种情况下，为了在检测器15b获得清楚的观察图像，优选使摄像光学系统15的焦点位置与调制光L2的聚光位置的变化对应地移动。
因此，在本实施方式的光观察装置1A中，光学系统移动机构16的机构16a使摄像光学系统15的成像透镜15a在被观察光L3的光轴方向上移动。再有，该机构16a以使得成像透镜15a的焦点位置与起因于开诺全息照片的调制光L2的聚光位置的变化对应地变化的方式(典型的是，以使得成像透镜15a的焦点位置靠近调制光L2的聚光位置的方式)、根据来自控制部19的控制信号S3而被控制。在本实施方式中，能够根据控制部19提供的开诺全息照片，瞬间地计算出起因于该开诺全息照片的调制光L2的聚光位置，因此能够进行这样的控制。
另外，控制部19也可以存储用于对观察对象物B照射调制光L2的菲涅尔型开诺全息照片，根据所存储的菲涅尔型开诺全息照片控制光学系统移动机构16，以使得摄像光学系统15的焦点位置与被照射的调制光L2的聚光位置的变化对应地变化。例如，在激光加工中观察加工处的状态的情况下，控制部19也可以存储用于对观察对象物B(加工对象物)进行加工的菲涅尔型开诺全息照片，在加工结束后，以根据所存储的菲涅尔型开诺全息照片、使得摄像光学系统15的焦点位置与被照射的调制光L2的聚光位置的变化对应地变化的方式控制光学系统移动机构16，对加工处进行观察。
此外，优选从摄像光学系统15的成像透镜15a至检测器15b为止的光学距离与成像透镜15a的焦点距离大致相等或比该焦点距离近。因此，随着这样的成像透镜15a的移动，光学系统移动机构16的机构16b以检测器15b以与成像透镜15a相同的方向和移动量进行移动的方式被来自控制部19的控制信号S4控制。
根据具备上述那样的结构的本实施方式的光观察装置1A，在调制光L2的聚光位置在光轴方向上发生变化时，能够不麻烦操作者，将照射部位的被观察光L3(观察光像)的焦点自动地对准该聚光位置。因此，根据本实施方式的光观察装置1A，即使在使调制光L2的聚光位置在光轴方向上发生变化的情况下，也能够容易地获得照射部位的观察光像。
此外，在本实施方式的光观察装置1A中，使用光学系统移动机构16这样的机械的机构使摄像光学系统15移动。由此，例如与在摄像光学系统中配置其它空间光调制元件来调整焦点位置的情况相比较，能够使用压电元件或电动平台那样的、比空间光调制元件响应速度足够快的器件来构成，因此能够快速地进行焦点位置的调整。此外，根据光观察装置1A，不需要追加光学部件，因此能够将装置规模抑制得小。
此外，根据本实施方式的光观察装置1A，能够使用空间光调制器20来自如地控制照射光的形状，因此，即使光L1的特性发生变化，也能够仅变更在相位调制面20a显示的开诺全息照片而进行对应，不需要变更透镜等光学系统，因此是简便的。此外，例如在光学显微镜中，在替换后级透镜(物镜)12b时也能够仅变更在相位调制面20a显示的开诺全息照片而进行对应，能够不需要其它光学系统的变更。此外，前级光学系统11和后级光学系统12A与相位调制面20a的光轴调整也能够仅通过开诺全息照片的调整进行，因此极为容易。
此外，根据本实施方式的光观察装置1A，因为在相位调制面20a显示菲涅尔衍射型的开诺全息照片，所以能够使调制光L2的光轴方向上的聚光位置的可变范围广，此外，能够抑制0次光成分所引起的影响，将荧光显微镜中的褪色(Photobleach)抑制得小。进一步，根据光观察装置1A，能够有效地抑制相位调制面20a上的开诺全息照片的切换时0次光瞬间变强所引起的影响。
此外，在该光观察装置1A中，还可以实验地测量调制光L2的光强度分布，将该测量结果反馈至开诺全息照片的设计。由此，能够实现适合使用者侧的需求且通用性高的样式的照明。另外，在测量调制光L2的光强度分布时，也可以将测量仪配置在能够观察与调制光L2的聚光面相同的像面的位置。
此外，根据该光观察装置1A，能够容易地实现利用傅里叶型开诺全息照片不易实现的、强度均匀性高的直线等具有连续的截面形状的照明光。此外，根据该光观察装置1A，被同时照明的观察对象物B的区域并不限定于平面的区域，还能够同时照明立体的区域。
此外，在变更照射到观察对象物B的调制光L2的光轴的情况下，也能够仅通过变更在相位调制面20a显示的开诺全息照片，不使后级光学系统12A移动地进行变更。因此，这样的光轴的变更也能够容易地进行。进一步，还能够不交换光学系统12A，容易地变更数值孔径(NA)。此外，照射至观察对象物B的调制光L2的光量的调整也容易。
此外，在光观察装置1A中，能够仅通过对在相位调制面20a显示的开诺全息照片进行变更，从而不使光学系统12A移动而使光轴方向上的调制光L2的聚光位置变化。因此，根据该光观察装置1A，能够通过简易的结构容易地进行光轴方向上的调制光L2的照射位置的变化，能够实现装置的小型化。
另外，该光观察装置1A还能够应用于近年来被广泛研究的SIM(StructuredIllumination Microscopy：结构化照明显微术)。而且，来自观察对象物B的被观察光L3并不限定于透过观察对象物B的光，也可以为通过照射调制光L2而产生的荧光，光观察装置1A还能够应用于荧光观察装置。
此外，在光观察装置1A中，光学系统移动机构16并不限定于使摄像光学系统15在光轴方向上移动，也可以为也包括与光轴正交的面(XY面)而使摄像光学系统15三维地移动的结构。当在相位调制面20a显示菲涅尔型开诺全息照片时，能够对观察对象物B立体地(三维地)照射调制光L2，因此能够使摄像光学系统15跟随被立体地照射的调制光L2的聚光位置立体地移动。
此外，如本实施方式那样，优选摄像光学系统15对透过观察对象物B的调制光和在观察对象物B反射的调制光中、透过观察对象物B的被观察光L3进行摄像。在这种情况下，能够将用于向观察对象物B照射调制光L2的后级光学系统12A(照射光学系统)和对透过观察对象物B的被观察光L3进行摄像的摄像光学系统15相互独立地构成。因此，不对后级光学系统12A施加影响而容易移动摄像光学系统15，能够容易地实现用于使摄像光学系统15的焦点位置靠近调制光L2的聚光位置的光观察装置1A的结构。此外，能够成为使后级光学系统12A和摄像光学系统15相互不同的结构，因此能够适当采用具有各自不同的功能的光学部件(透镜、反射镜、滤光器等)。
(第一变形例)
图7是表示作为上述实施方式的第一变形例的光观察装置1B的结构的图。该光观察装置1B代替上述实施方式的后级光学系统12A而具备后级光学系统12B。另外，对除后级光学系统12B以外的其它结构，与上述实施方式相同。
本变形例的后级光学系统12B具有前级透镜12a和后级透镜12c。前级透镜12a和后级透镜12c构成所谓的伽利略型远焦系统，后级透镜12c为凹透镜。具备这样的结构的光观察装置1B也能够获得与上述光观察装置1A相同的作用效果。不过，在本变形例中，需要将在相位调制面20a显示的开诺全息照片的相位分布的正负反转，此外，后级透镜12c因为是凹透镜，所以不能使用通常的物镜。另外，在本变形例中，Δz的计算方法与上述实施方式相同。
(第二变形例)
图8是表示作为上述实施方式的第二变形例的光观察装置1C的结构的图。该光观察装置1C代替上述实施方式的光观察装置1A的摄像光学系统15和光学系统移动机构16而具备光束分离器34、摄像光学系统35和光学系统移动机构36。它们相对于支承观察对象物B的平台13配置在与观察对象物B相同侧，为了取得在观察对象物B反射的被观察光L4(观察光像)的图像而设置。
光束分离器34配置在后级光学系统12A的前级透镜12a与后级透镜12b之间的调制光L2的光路上。光束分离器34使从相位调制面20a经前级透镜12a到达的调制光L2朝向后级透镜12b透过。此外，光束分离器34使在观察对象物B反射后、通过后级透镜12b到达的被观察光L4(观察光像)朝向摄像光学系统35反射。
摄像光学系统35包括成像透镜35a和检测器(摄像装置)35b。成像透镜35a的一个面与光束分离器34光学耦合，另一个面与检测器35b的光检测面光学耦合。成像透镜35a将在观察对象物B反射后的被观察光L4朝向检测器35b成像。检测器35b对与观察对象物B相关的被观察光L4的光像进行摄像而生成图像数据。
检测器35b可以为一维传感器、二维图像传感器和分光器中的任一种，或者也可以同时使用它们。另外，在检测器35b为一维传感器的情况下，也可以在成像透镜35a与检测器35b之间配置针孔，构成共焦点系统。此外，也可以在成像透镜35a与检测器35b之间设置中继透镜等光学系统和/或滤光器等光学部件。
光学系统移动机构36是用于使摄像光学系统35沿摄像光学系统35中的被观察光L4的光轴方向移动的机构。光学系统移动机构36包括用于使成像透镜35a沿该成像透镜35a中的被观察光L4的光轴方向(图中的箭头A4)移动的机构36a、和用于使检测器35b沿该检测器35b中的被观察光L4的光轴方向(图中的箭头A5)移动的机构36b。
机构36a以由从控制部19提供的控制信号S3表示的方向(前方向或后方向)和移动量使成像透镜35a移动。机构36b以由从控制部19提供的控制信号S4表示的方向(前方向或后方向)和移动量使检测器35b移动。
机构36a以使得成像透镜35a的焦点位置与起因于开诺全息照片的调制光L2的聚光位置的变化对应地变化的方式、由来自控制部19的控制信号S3控制。此外，随着成像透镜35a的移动，机构36b以使得检测器36b以与成像透镜35a相同的方向和移动量移动的方式、由来自控制部19的控制信号S4控制。
根据具备这样的结构的本变形例的光观察装置1C，在调制光L2的聚光位置在光轴方向上发生变化时，能够不麻烦操作者，将照射部位的被观察光L4(观察光像)的焦点自动地对准该聚光位置。因此，根据本实施方式的光观察装置1C，即使在使调制光L2的聚光位置在光轴方向上发生变化的情况下，也能够容易地获得照射部位的观察光像。
(第三变形例)
图9是表示作为上述实施方式的第三变形例的光观察装置1D的结构的图。该光观察装置1D代替上述实施方式的光观察装置1A的摄像光学系统15和光学系统移动机构16而具备光束分离器44、摄像光学系统45和光学系统移动机构46。它们与第二变形例相同，相对于支承观察对象物B的平台13配置在与观察对象物B相同侧，为了取得在观察对象物B反射的被观察光L4(观察光像)的图像而设置。
光束分离器44配置在空间光调制器20与后级光学系统12A的前级透镜12a之间的调制光L2的光路上。光束分离器44使从相位调制面20a射出的调制光L2朝向前级透镜12a透过。此外，光束分离器44使在观察对象物B反射后、通过后级透镜12b和前级透镜12a到达的被观察光L4(观察光像)朝向摄像光学系统45反射。
摄像光学系统45包括检测器45a。检测器45a对与观察对象物B相关的被观察光L4的光像进行摄像而生成图像数据。检测器45a可以为一维传感器、二维图像传感器和分光器中的任一种，或者也可以同时使用它们。另外，也可以在光束分离器44与检测器45a之间设置中继透镜等光学系统和/或滤光器等光学部件。
光学系统移动机构46是用于使摄像光学系统45沿摄像光学系统45中的被观察光L4的光轴方向移动的机构。光学系统移动机构46包括用于使检测器45a沿该检测器45a中的被观察光L4的光轴方向(图中的箭头A5)移动的机构46a。
机构46a以由从控制部19提供的控制信号S4表示的方向(前方向或后方向)和移动量使检测器45a移动。机构46a以使得检测器45a的焦点位置与起因于开诺全息照片的调制光L2的聚光位置的变化对应地变化的方式、由来自控制部19的控制信号S3控制。
根据具备这样的结构的本变形例的光观察装置1D，在调制光L2的聚光位置在光轴方向上发生变化时，能够不麻烦操作者，将照射部位的被观察光L4(观察光像)的焦点自动地对准该聚光位置。因此，根据本实施方式的光观察装置1D，即使在使调制光L2的聚光位置在光轴方向上发生变化的情况下，也能够容易地获得照射部位的观察光像。
以上，对本发明所涉及的光观察装置的优选的实施方式进行了说明，但是本发明并不一定限定于上述实施方式，能够在不脱离其主旨的范围内进行各种变更。例如，在上述实施方式和各变形例中，在空间光调制器与观察对象物之间设置有后级光学系统，但是，也可以仅利用在相位调制面显示的菲涅尔型开诺全息照片对调制光进行聚光，省略后级光学系统。
此外，在上述实施方式和各变形例中，在成像透镜和检测器的双方设置有摄像光学系统移动机构，但是，也可以仅在成像透镜和检测器中的任一方设置摄像光学系统移动机构。
此外，在如上述实施方式和各变形例中说明的那样摄像光学系统的检测器为一维传感器的情况下，也可以在成像透镜与检测器之间配置针孔，构成共焦点系统。此外，也可以在成像透镜与检测器之间设置中继透镜等光学系统和/或滤光器等光学部件。而且在设置有这些针孔、中继透镜或滤光器等光学部件的情况下，优选进一步设置用于使该光学部件沿光轴方向移动的机构。
在上述实施方式的光观察装置中，是用于对来自观察对象物的被观察光进行摄像的光观察装置，包括：输出光的光源；空间光调制器，其具有包括二维排列的多个区域的相位调制面，在相位调制面显示菲涅尔型开诺全息照片，通过按多个区域的每个区域调制光的相位而生成调制光，并将调制光向观察对象物射出；对来自观察对象物的被观察光进行摄像的摄像光学系统；使摄像光学系统移动的光学系统移动机构；和控制部，其以与菲涅尔型开诺全息照片所引起的调制光的聚光位置的变化对应地使得摄像光学系统的焦点位置变化的方式控制光学系统移动机构。
此外，光观察装置也可以为摄像光学系统对在观察对象物中透过后的被观察光进行摄像的结构。在这种情况下，能够将用于向观察对象物照射调制光的照射光学系统和对在观察对象物透过后的调制光进行摄像的摄像光学系统相互独立地构成。因此，能够不对照射光学系统施加影响地容易地使摄像光学系统移动，容易地实现上述的光观察装置的结构。
此外，光观察装置也可以为进一步包括使观察对象物在被观察光的光轴方向移动的观察对象物移动机构。
此外，光观察装置也可以为摄像光学系统包括成像透镜、光学系统移动机构使成像透镜移动的结构。
此外，光观察装置也可以为摄像光学系统包括摄像装置、光学系统移动机构使摄像装置移动的结构。
此外，光观察装置也可以为控制部在向观察对象物射出调制光的期间中，根据在相位调制面显示的菲涅尔型开诺全息照片、以使得摄像光学系统的焦点位置变化的方式控制光学系统移动机构的结构。
此外，光观察装置也可以为控制部在向观察对象物射出调制光后，根据预先存储的菲涅尔型开诺全息照片、以使得摄像光学系统的焦点位置变化的方式控制光学系统移动机构的结构。
工业上的可利用性
本发明能够用作即使在使调制光的聚光位置在光轴方向上发生变化的情况下也能够容易地获得照射部位的观察光像的光观察装置。
符号的说明
1A、1B、1C、1D…光观察装置、10…光源、11…前级光学系统、11a…空间滤光器、11b…准直透镜、12A、12B…后级光学系统、12a…前级透镜、12b、12c…后级透镜、13…平台、14…平台移动机构、15、35、45…摄像光学系统、15a、35a…成像透镜、15b、35b、45a…检测器、16、36、46…光学系统移动机构、19…控制部、20…空间光调制器、20a…相位调制面、34、44…光束分离器、B…观察对象物、L1…从光源输出的光、L2…调制光、L3、L4…被观察光、S1、S2、S3、S4…控制信号。

Claims (25)

1.一种光观察装置，其特征在于：
是用于对来自观察对象物的被观察光进行摄像的光观察装置，
包括：
输出光的光源；
空间光调制器，其具有包括二维排列的多个区域的相位调制面，在所述相位调制面显示菲涅尔型开诺全息照片，通过按所述多个区域的每个区域调制所述光的相位而生成调制光，并将所述调制光向所述观察对象物射出；
对来自所述观察对象物的所述被观察光进行摄像的摄像光学系统；
使所述摄像光学系统移动的光学系统移动机构；和
控制部，其以与所述菲涅尔型开诺全息照片所引起的所述调制光的聚光位置的变化对应地使所述摄像光学系统的焦点位置变化的方式控制所述光学系统移动机构。
2.如权利要求1所述的光观察装置，其特征在于：
所述摄像光学系统对在所述观察对象物中透过后的所述被观察光进行摄像。
3.如权利要求1或2所述的光观察装置，其特征在于：
还包括使所述观察对象物在所述被观察光的光轴方向上移动的观察对象物移动机构。
4.如权利要求1或2所述的光观察装置，其特征在于：
所述摄像光学系统包括成像透镜，所述光学系统移动机构使所述成像透镜移动。
5.如权利要求3所述的光观察装置，其特征在于：
所述摄像光学系统包括成像透镜，所述光学系统移动机构使所述成像透镜移动。
6.如权利要求1或2所述的光观察装置，其特征在于：
所述摄像光学系统包括摄像装置，所述光学系统移动机构使所述摄像装置移动。
7.如权利要求3所述的光观察装置，其特征在于：
所述摄像光学系统包括摄像装置，所述光学系统移动机构使所述摄像装置移动。
8.如权利要求4所述的光观察装置，其特征在于：
所述摄像光学系统包括摄像装置，所述光学系统移动机构使所述摄像装置移动。
9.如权利要求5所述的光观察装置，其特征在于：
所述摄像光学系统包括摄像装置，所述光学系统移动机构使所述摄像装置移动。
10.如权利要求1或2所述的光观察装置，其特征在于：
所述控制部在向所述观察对象物射出所述调制光的期间中，根据在所述相位调制面显示的所述菲涅尔型开诺全息照片，以使所述摄像光学系统的焦点位置变化的方式控制所述光学系统移动机构。
11.如权利要求3所述的光观察装置，其特征在于：
所述控制部在向所述观察对象物射出所述调制光的期间中，根据在所述相位调制面显示的所述菲涅尔型开诺全息照片，以使所述摄像光学系统的焦点位置变化的方式控制所述光学系统移动机构。
12.如权利要求4所述的光观察装置，其特征在于：
所述控制部在向所述观察对象物射出所述调制光的期间中，根据在所述相位调制面显示的所述菲涅尔型开诺全息照片，以使所述摄像光学系统的焦点位置变化的方式控制所述光学系统移动机构。
13.如权利要求5所述的光观察装置，其特征在于：
所述控制部在向所述观察对象物射出所述调制光的期间中，根据在所述相位调制面显示的所述菲涅尔型开诺全息照片，以使所述摄像光学系统的焦点位置变化的方式控制所述光学系统移动机构。
14.如权利要求6所述的光观察装置，其特征在于：
所述控制部在向所述观察对象物射出所述调制光的期间中，根据在所述相位调制面显示的所述菲涅尔型开诺全息照片，以使所述摄像光学系统的焦点位置变化的方式控制所述光学系统移动机构。
15.如权利要求7所述的光观察装置，其特征在于：
所述控制部在向所述观察对象物射出所述调制光的期间中，根据在所述相位调制面显示的所述菲涅尔型开诺全息照片，以使所述摄像光学系统的焦点位置变化的方式控制所述光学系统移动机构。
16.如权利要求8所述的光观察装置，其特征在于：
所述控制部在向所述观察对象物射出所述调制光的期间中，根据在所述相位调制面显示的所述菲涅尔型开诺全息照片，以使所述摄像光学系统的焦点位置变化的方式控制所述光学系统移动机构。
17.如权利要求9所述的光观察装置，其特征在于：
所述控制部在向所述观察对象物射出所述调制光的期间中，根据在所述相位调制面显示的所述菲涅尔型开诺全息照片，以使所述摄像光学系统的焦点位置变化的方式控制所述光学系统移动机构。
18.如权利要求1或2所述的光观察装置，其特征在于：
所述控制部在向所述观察对象物射出所述调制光后，根据预先存储的所述菲涅尔型开诺全息照片，以使所述摄像光学系统的焦点位置变化的方式控制所述光学系统移动机构。
19.如权利要求3所述的光观察装置，其特征在于：
所述控制部在向所述观察对象物射出所述调制光后，根据预先存储的所述菲涅尔型开诺全息照片，以使所述摄像光学系统的焦点位置变化的方式控制所述光学系统移动机构。
20.如权利要求4所述的光观察装置，其特征在于：
所述控制部在向所述观察对象物射出所述调制光后，根据预先存储的所述菲涅尔型开诺全息照片，以使所述摄像光学系统的焦点位置变化的方式控制所述光学系统移动机构。
21.如权利要求5所述的光观察装置，其特征在于：
所述控制部在向所述观察对象物射出所述调制光后，根据预先存储的所述菲涅尔型开诺全息照片，以使所述摄像光学系统的焦点位置变化的方式控制所述光学系统移动机构。
22.如权利要求6所述的光观察装置，其特征在于：
所述控制部在向所述观察对象物射出所述调制光后，根据预先存储的所述菲涅尔型开诺全息照片，以使所述摄像光学系统的焦点位置变化的方式控制所述光学系统移动机构。
23.如权利要求7所述的光观察装置，其特征在于：
所述控制部在向所述观察对象物射出所述调制光后，根据预先存储的所述菲涅尔型开诺全息照片，以使所述摄像光学系统的焦点位置变化的方式控制所述光学系统移动机构。
24.如权利要求8所述的光观察装置，其特征在于：
所述控制部在向所述观察对象物射出所述调制光后，根据预先存储的所述菲涅尔型开诺全息照片，以使所述摄像光学系统的焦点位置变化的方式控制所述光学系统移动机构。
25.如权利要求9所述的光观察装置，其特征在于：
所述控制部在向所述观察对象物射出所述调制光后，根据预先存储的所述菲涅尔型开诺全息照片，以使所述摄像光学系统的焦点位置变化的方式控制所述光学系统移动机构。
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