CN111971607B - 试样观察装置 - Google Patents

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Abstract

试样观察装置(1)包括：对试样(S)照射面状光(L2)的照射光学系统(3)；以通过面状光(L2)的照射面(R)的方式在一个方向上扫描试样(S)的扫描部(4)；具有相对于照射面(R)倾斜的观察轴(P2)且使通过面状光(L2)的照射而在试样(S)产生的观察光(L3)成像的成像光学系统(5)；取得与由成像光学系统(5)成像的观察光(L3)的光学图像对应的图像数据(31)的图像取得部(6)；和基于由图像取得部(6)取得的图像数据(31)，生成试样(S)的观察图像数据(32)的图像生成部(8)，成像光学系统(5)具有将观察光(L3)的一个轴的光线(L3a)弯曲而不将与该一个轴正交的另一个轴的光线(L3b)弯曲的非轴对称的光学元件。

Description

试样观察装置
技术领域
本发明涉及一种试样观察装置。
背景技术
作为观察细胞等具有三维立体结构的试样的内部的方法之一，已知有SPIM(Selective Plane Illumination Microscopy(选择性平面照明显微镜))。例如，专利文献1所记载的断层图像观察装置公开了SPIM的基本原理。在该装置中，将面状光照射于试样，使在试样内部产生的荧光或散射光成像于成像面而取得试样内部的观察图像数据。
作为使用了面状光的其它的试样观察装置，例如，可以列举专利文献2所记载的SPIM显微镜。在该现有的SPIM显微镜中，对试样的配置面具有一定的倾斜角地照射面状光，由具有相对于面状光的照射面正交的观察轴的观察光学系统对来自试样的观察光进行摄像。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开昭62-180241号公报
专利文献2：日本特开2014-202967号公报
发明内容
发明所要解决的问题
如上述专利文献2那样，在使照射光学系统和观察光学系统分别相对于试样的配置面倾斜的结构中，考虑到观察光的像散的影响。在该专利文献2中，为了降低像散的影响，提出了使用具有与水相同程度的折射率的试样配置部，并通过浸液物镜进行试样的观察。但是，在这种结构中，难以一边扫描试样一边进行观察，直到获得观察图像数据为止的处理能力有可能会降低。
本发明为了解决上述问题而完成，其目的在于，提供一种能够减少观察光的像散的试样观察装置。
解决问题的技术手段
本发明的一个方面的试样观察装置包括：对试样照射面状光的照射光学系统；以通过面状光的照射面的方式在一个方向上扫描试样的扫描部；具有相对于照射面倾斜的观察轴且使通过面状光的照射而在试样产生的观察光成像的成像光学系统；取得与由成像光学系统成像的观察光的光学图像对应的图像数据的图像取得部；和基于由图像取得部取得的图像数据，生成试样的观察图像数据的图像生成部，成像光学系统具有将观察光的一个轴的光线弯曲而不将另一个轴的光线弯曲的非轴对称的光学元件。
在该试样观察装置中，成像光学系统具有将观察光的一个轴的光线弯曲而不将另一个轴的光线弯曲的非轴对称的光学元件。由此，即使在成像光学系统的观察轴相对于面状光的照射面倾斜的情况下，也可以减少成像光学系统中的观察光的像散，可以提高观察图像数据的画质。
光学元件也可以是楔形棱镜。在这种情况下，可以优选地构成非轴对称的光学元件。
光学元件也可以是柱面透镜。在这种情况下，可以优选地构成非轴对称的光学元件。
也可以是成像光学系统包括物镜，光学元件配置在照射面和物镜之间。通过在照射面与物镜之间配置光学元件，可以适当地获得上述作用效果。
也可以是成像光学系统包括物镜，光学元件配置在物镜和图像取得部之间。当将光学元件配置在该位置时，光学元件难以与其他构成要素干涉，可以容易地构成成像光学系统。
也可以是成像光学系统包括物镜和成像透镜，光学元件配置在成像透镜和图像取得部之间。当将光学元件配置在该位置时，光学元件难以与其他构成要素干涉，可以容易地构成成像光学系统。
也可以是成像光学系统包括物镜和成像透镜，光学元件配置在物镜和成像透镜之间。当由物镜和成像透镜构成无限远校正光学系统时，通过将光学元件配置在物镜和成像透镜之间，可以适当地实现与上述相同的作用效果。
成像光学系统的观察轴相对于面状光的照射面的倾斜角度也可以为10°～80°。在该范围内，可以充分确保观察图像的分辨率。
成像光学系统的观察轴相对于面状光的照射面的倾斜角度也可以为20°～70°。在该范围内，可以更充分地确保观察图像的分辨率。此外，可以抑制视野相对于观察轴的角度变化量的变化，可以确保视野的稳定度。
成像光学系统的观察轴相对于面状光的照射面的倾斜角度也可以为30°～65°。在该范围内，可以更优选地确保观察图像的分辨率和视野的稳定度。
试样观察装置也可以还包括解析观察图像数据并生成解析结果的解析部。由于由解析部对由图像生成部生成的观察图像数据进行解析，因此还可以提高解析处理能力。
发明的效果
根据本发明，可以减少观察光的像散。
附图说明
图1是示出试样观察装置的一实施方式的示意性结构图。
图2是示出试样附近的主要部分放大图。
图3是示出由图像生成部生成观察图像数据的一个例子的图。
图4是示出图像取得部的图像取得的情况的图。
图5是示出试样观察装置中的视野的计算例的图。
图6是示出观察轴的倾斜角度与分辨率的关系的图。
图7是示出观察轴的倾斜角度与视野的稳定度的关系的图。
图8是示出观察轴的倾斜角度与来自试样的观察光的透过率的关系的图。
图9是示出成像光学系统的结构的一个例子的图。
图10是示出通过楔形棱镜的观察光的光线的情况的图。
图11是基于楔形棱镜的有无的观察光的像散的比较图。
图12是示出成像光学系统的结构的另一例子的图。
图13是示出成像光学系统的结构的又一例子的图。
图14是示出成像光学系统的结构的又一例子的图。
图15是示出成像光学系统的结构的又一例子的图。
图16是示出楔形棱镜的像散和色差的减小效果的确认试验结果的图。
图17是示出楔形棱镜的像散和色差的减小效果的确认试验结果的图。
图18是示出楔形棱镜的像散和色差的减小效果的确认试验结果的图。
具体实施方式
以下，参照附图详细地说明本发明的一方面的试样观察装置的优选实施方式。
图1是示出试样观察装置的一实施方式的示意性结构图。该试样观察装置1将面状光L2照射到试样S，使在试样S内部产生的观察光(例如，荧光或散射光等)成像于成像面而取得试样S内部的观察图像数据。作为这种试样观察装置1，存在取得被保持于载玻片的试样S的图像并显示的玻片扫描仪(slide scanner)、或者取得被保持于微板的试样S的图像数据并解析图像数据的板读取器(plate reader)等。如图1所示，试样观察装置1构成为包括光源2、照射光学系统3、扫描部4、成像光学系统5、图像取得部6和计算机7。
作为成为观察对象的试样S，例如可以列举人或动物的细胞、组织、器官、动物或植物自身、植物的细胞、组织等。另外，试样S也可以包含于溶液、凝胶或折射率不同于试样S的物质。
光源2是输出被照射于试样S的光L1的光源。作为光源2，例如可以列举激光二极管、固体激光光源等激光光源。此外，光源2也可以是发光二极管、超发光二极管、灯光源。从光源2输出的光L1被导光至照射光学系统3。
照射光学系统3是将从光源2输出的光L1整形为面状光L2，并沿光轴P1将所整形的面状光L2照射到试样S的光学系统。在下面的说明中，有时将照射光学系统3的光轴P1称为面状光L2的光轴。照射光学系统3构成为包括例如柱面透镜、轴棱锥透镜(axicon lens)或空间光调制器等的光整形元件，并且相对于光源2光耦合。照射光学系统3也可以构成为包括物镜。由照射光学系统3形成的面状光L2照射到试样S。在被照射面状光L2的试样S中，在面状光L2的照射面R上产生观察光L3。观察光L3例如是由面状光L2激发的荧光、面状光L2的散射光或面状光L2的漫反射光。
当在试样S的厚度方向上进行观察时，考虑到分辨率，优选地，面状光L2是厚度2mm以下的薄面状光。另外，当试样S的厚度非常小时，即，当观察下述的Z方向分辨率以下的厚度的试样S时，面状光L2的厚度不影响分辨率。因此，也可以使用超过厚度2mm的面状光L2。
扫描部4是相对于面状光L2的照射面R扫描试样S的机构。在本实施方式中，扫描部4由移动台12构成，该移动台12使保持试样S的试样容器11移动。试样容器11例如是微板、载玻片、培养皿等，并且相对于面状光L2和观察光L3具有透明性。在本实施方式中，例示微板。如图2所示，试样容器11包括供试样S配置的多个阱13以一直线状(或矩阵状)排列的板状的主体部14和在主体部14的一面侧以封闭阱13的一端侧的方式设置的板状的透明构件15。
当将试样S配置到阱13内时，阱13内也可以由水等的介质填充。透明构件15具有相对于配置在阱13内的试样S的面状光L2的入射面15a。透明构件15的材质只要是对面状光L2具有透明性的构件即可，没有特别限定，例如为玻璃、石英或合成树脂。试样容器11相对于移动台12配置成输入面15a与面状光L2的光轴P1正交。还有，阱13的另一端侧为向外部开放的状态。试样容器11也可以相对于移动台12固定。
如图1所示，移动台12根据来自计算机7的控制信号沿预先设定的方向扫描试样容器11。在本实施方式中，移动台12在与面状光L2的光轴P1正交的平面内的一个方向上对试样容器11进行扫描。在下面的说明中，将面状光L2的光轴P1方向称为Z轴，将利用移动台12的试样容器11的扫描方向称为Y轴，将在与面状光L2的光轴P1正交的平面内与Y轴正交的方向称为X轴。相对于试样S的面状光L2的照射面R是XZ平面内的面。
成像光学系统5是使通过面状光L2的照射而在试样S产生的观察光L3成像的光学系统。如图2所示，成像光学系统5构成为例如包括物镜16。成像光学系统5的光轴是观察光L3的观察轴P2。该成像光学系统5的观察轴P2相对于试样S中的面状光L2的照射面R具有倾斜角度θ地倾斜。倾斜角度θ也与朝向试样S的面状光L2的光轴P1和观察轴P2所成的角一致。倾斜角度θ为10°～80°。从提高观察图像的分辨率的观点出发，倾斜角度θ优选为20°～70°。另外，从提高观察图像的分辨率和视野的稳定性的观点出发，倾斜角度θ更优选为30°～65°。
如图1所示，图像取得部6是取得多个与由成像光学系统5成像的基于观察光L3的光学图像相对应的图像数据的装置。图像取得部6构成为包括例如对基于观察光L3的光学图像进行摄像的摄像装置。作为摄像装置，例如可以列举CMOS图像传感器、CCD图像传感器等的区域图像传感器。这些区域图像传感器配置于成像光学系统5的成像面，例如通过全局快门或卷帘快门对光学图像进行摄像，并将二维图像数据输出至计算机7。
图像取得部6也可以是取得多个与基于观察光L3的光学图像的一部分相对应的部分图像数据的方式。在该情况下，例如，也可以在区域图像传感器的摄像面上设定子阵列，以仅读出包括于该子阵列的像素列的方式取得部分图像数据。此外，也可以将区域图像传感器的所有像素列作为读取区域，通过随后的图像处理提取二维图像的一部分来取得部分图像数据。也可以使用线传感器来代替区域图像传感器，将摄像面本身限定于一个像素列来取得部分图像数据。也可以将仅透过观察光L3的一部分的狭缝配置于区域图像传感器的前面，取得与该狭缝相对应的像素列的图像数据作为部分图像数据。在使用狭缝的情况下，也可以使用光电倍增管等的点传感器来代替区域图像传感器。
计算机7在物理上构成为包括RAM、ROM等的存储器、以及CPU等的处理器(运算电路)、通信接口、硬盘等的存储部、显示器等的显示部。作为该计算机7，例如可以列举个人计算机、云服务器、智能装置(智能电话、平板终端等)等。计算机7通过计算机系统的CPU执行存储于存储器的程序，由此作为控制光源2和移动台12的动作的控制器、生成试样S的观察图像数据的图像生成部8、以及对观察图像数据进行解析的解析部10而发挥作用(参照图1)。
作为控制器的计算机7接收用户的测量开始操作的输入，同步地驱动光源2、移动台12和图像取得部6。在该情况下，计算机7在通过移动台12的试样S的移动中，可以控制光源2使得光源2连续地输出光L1，也可以匹配于利用图像取得部6的摄像控制基于光源2的光L1的输出的开启/关断(ON/OFF)。另外，当照射光学系统3包括光学快门(未示出)时，计算机7也可以通过控制该光学快门来开启/关断面状光L2向试样S的照射。
此外，作为图像生成部8的计算机7基于由图像取得部6生成的多个图像数据来生成试样S的观察图像数据。图像生成部8基于从图像取得部6输出的多个部分图像数据，生成例如与面状光L2的光轴P1正交的面(XY面)上的试样S的观察图像数据。图像生成部8根据用户的规定的操作来执行所生成的观察图像数据的存储、向监视器等的显示等。
在本实施方式中，如图1和图2所示，相对于试样S的面状光L2的照射面R是XZ平面内的面，并且相对于试样S照射面R在Y轴方向上被扫描。因此，如图3(A)所示，在图像生成部8通过在Y轴方向上取得多个作为XZ断面图像的图像数据31，而存储试样S的三维信息。在图像生成部8中，使用多个图像数据31重建数据，例如，如图3(B)所示，生成抑制了背景的观察图像数据32。在此，观察图像数据32为表示在试样S中的Z轴方向的任意的位置上具有任意的厚度的XY断面图像的数据。
作为解析部10的计算机7基于由图像生成部8生成的观察图像数据32而执行解析并生成解析结果。解析部10根据用户的规定的操作执行所生成的解析结果的存储、向监视器等的显示等。还有，也可以不进行由图像生成部8生成的观察图像数据32向监视器等的显示，而仅将由解析部10生成的解析结果显示于监视器等。通过用解析部10解析由图像生成部8生成的观察图像数据，可以提高解析处理能力。
接下来，更详细地说明上述试样观察装置1。
在试样观察装置1中，如图4(A)所示，相对于面状光L2的照射面R一边扫描试样S一边由图像取得部6进行图像取得。此外，在试样观察装置1中，成像光学系统5的观察轴P2相对于面状光L2的照射面R倾斜。因此，图像取得部6中，可以依次取得面状光L2的光轴P1方向(Z轴方向)上的断层面的图像数据31，在图像生成部8中，可以基于多个图像数据31生成试样S的观察图像数据32。
在该试样观察装置1中，如图4(B)所示，可以一边扫描试样S一边依次进行图像取得。在现有的试样观察装置的动作中，每次驱动和停止移动台时，由于惯性的影响等而发生时间损失。与此不同，在试样观察装置1中，可以减少驱动和停止移动台12的次数，同时进行试样S的扫描动作和图像取得。因此，可以谋求提高直到获得观察图像数据32为止的处理能力。
另外，在试样观察装置1中，如图2所示，配置成试样S由具有面状光L2的入射面15a的试样容器11保持，基于照射光学系统3的面状光L2的光轴P1相对于试样容器11的输入面15a正交。此外，在试样观察装置1中，扫描部4在相对于基于照射光学系统3的面状光L2的光轴P1(Z轴方向)正交的方向(Y轴方向)上扫描试样S。由此，不需要由图像取得部6取得的图像数据31的位置校正等的图像处理，可以使观察图像数据32的生成处理变得容易。
另外，在试样观察装置1中，成像光学系统5的观察轴P2相对于试样S中的面状光L2的照射面R的倾斜角度θ为10°～80°，优选为20°～70°，并且更优选30°～65°。以下，对该点进行考察。图5是表示试样观察装置中的视野的计算例的图。在该图所示的例子中，成像光学系统位于折射率n1的介质A中，面状光的照射面位于折射率n2的介质B中。当设成像光学系统中的视野为V，照射面为V'，观察轴相对于照射面的倾斜角度为θ，介质A、B的边界面上的折射角为θ'，视野V的倾斜角度θ处的介质A和介质B的界面上的距离为L时，以下的式(1)～(3)成立。
(数1)
L＝V/cosθ…(1)
(数2)
sinθ'＝(n1/n2)×sinθ…(2)
(数3)
V'＝L/tanθ'…(3)
图6是示出观察轴的倾斜角度与分辨率的关系的图。在该图中，横轴是观察轴的倾斜角度θ，纵轴是视野的相对值V'/V。然后，相对于倾斜角度θ描绘当介质A的折射率n1为1(空气)、介质B的折射率n2以每0.1从1.0至2.0变化时的V'/V的值。表示了V’/V的值越小，则试样的深度方向的分辨率(以下称为“Z方向分辨率”)越高；V’/V的值越大，则Z方向分辨率越低。
从图6所示的结果可知，当介质A的折射率n1和介质B的折射率n2相等时，V'/V的值与倾斜角度θ成反比。此外可知，当介质A的折射率n1和介质B的折射率n2不同时，V'/V的值相对于倾斜角度θ描绘出抛物线。从该结果可知，可以通过试样的配置空间的折射率、成像光学系统的配置空间的折射率以及观察轴的倾斜角度θ，来控制Z方向分辨率。此外可知，在倾斜角度θ为10°～80°的范围内，与倾斜角度θ小于10°以及超过80°的范围相比，可以获得更好的Z方向分辨率。
此外，从图6所示的结果可知，随着折射率n1和折射率n2的差增大，Z方向分辨率成为最大的倾斜角度θ趋于减小。在折射率n2为1.1～2.0的范围内，Z方向分辨率成为最大的倾斜角度θ为约47°～约57°的范围。例如，当折射率n2为1.33(水)时，Z方向分辨率成为最大的倾斜角度θ估计为约52°。此外，例如，当折射率n2为1.53(玻璃)时，Z方向分辨率成为最大的倾斜角度θ估计为约48°。
图7是示出观察轴的倾斜角度与视野的稳定度的关系的图。在该图中，横轴是观察轴的倾斜角度θ，纵轴是视野的稳定度。稳定度由相对于倾斜角度θ处的V′/V的倾斜角度θ+1处的V′/V与倾斜角度θ-1处的V′/V的差分值的比例表示，由以下的式(4)算出。稳定度越接近0％，则相对于倾斜角度的变化的视野的变化越小，可以评价为视野稳定。与图6相同，在图7中，描绘当介质A的折射率n1为1(空气)、介质B的折射率n2以每0.1从1.0至2.0变化时的稳定度。
(数4)
稳定度(％)＝((V′/V)θ+1-(V′/V)θ-1)/(V′/V)θ…(4)
从图7所示的结果可知，在倾斜角度θ小于10°以及超过80°的范围内，稳定度超过±20％，难以控制视野。另一方面，在倾斜角度θ为10°～80°的范围内，稳定度变为±20％以下，可以控制视野。此外，在倾斜角度θ为20°～70°的范围内，稳定度变为±10％以下，易于进行视野的控制。
图8是示出观察轴的倾斜角度与来自试样的观察光的透过率的关系的图。在该图中，横轴是观察轴的倾斜角度θ，左侧纵轴是视野的相对值，右侧纵轴是透过率。在该图8中，考虑到试样容器中的试样保持状态，介质A的折射率n1为1(空气)，介质B的折射率n2为1.53(玻璃)，介质C的折射率n3为1.33(水)，透过率的值设为介质B、C的界面与介质A、B的界面的透过率的积。在图8中，描绘了P波的透过率，S波的透过率以及它们的平均值的角度依赖性。此外，在图8中，一并描绘了介质C中的视野的相对值。
从图8所示的结果可知，可以通过改变观察轴的倾斜角度θ来使从试样到达成像光学系统的观察光的透过率成为可变。可知在倾斜角度θ为80°以下的范围内，可获得至少50％以上的透过率。此外可知，在倾斜角度θ为70°以下的范围内，可获得至少60％以上的透过率，在倾斜角度θ为65°以下的范围内，可获得至少75％以上的透过率。
根据以上结果，当要求试样的Z方向分辨率时，优选从30°～65°的范围选择倾斜角度θ，以使得例如视野的相对值、即V'/V的值为3以下，稳定度小于5％，并且观察光的透过率(P波和S波的平均值)为75％以上。此外，当不要求试样的Z方向分辨率时，可以从10°～80°的范围适当选择倾斜角度θ，从确保每个像素的视野范围的观点出发，优选从10°～30°或者65°～80°的范围选择。
如上所述，当使成像光学系统5的观察轴P2相对于试样S中的面状光L2的照射面R倾斜时，需要考虑成像光学系统5中的观察光L3的像散的影响。可认为当观察光L3的像散的影响增加时，观察光L3在成像光学系统5的成像面上的成像性能降低，观察图像的画质会发生劣化。
相对于此，更详细地，如图9所示，试样观察装置1的成像光学系统5构成为包括物镜16、成像透镜17和楔形棱镜18。物镜16和成像透镜17构成无限远校正光学系统。来自试样S的观察光L3在物镜16和成像透镜17之间成为平行光，由成像透镜17在成像面(图像取得部6的摄像面)F上成像。
在本实施方式中，楔形棱镜18配置在面状光L2的照射面R与物镜16之间。楔形棱镜18中，一个主面18a和另一个主面18b在一个方向上为平行，但是在与该一个方向正交的另一个方向上另一个主面18b相对于一个主面18a以一定的角度倾斜。即，楔形棱镜18是厚度在一个方向上均匀地变化并且厚度在与该一个方向正交的另一个方向上不变化的棱镜。因此，楔形棱镜18作为如图10(A)所示根据入射位置将观察光L3的一个轴的光线L3a以规定的偏角弯曲，另一方面，如图10(B)所示不将与一个轴正交的观察光L3的另一个轴的光线L3b弯曲的非轴对称的光学元件而发挥作用。还有，如图9所示，当楔形棱镜18配置在面状光L2的照射面R与物镜16之间时，一个主面18a也可以配置成与物镜16的光轴正交。在该情况下，光学调整变得容易。
图11是基于楔形棱镜的有无的观察光的像散的比较图。在该图中，横轴是聚焦位置，纵轴是试样深度。在图11中，假设观察轴P2的倾斜角度θ为45°的情况，在将楔形棱镜18配置于成像光学系统5的情况和不配置于成像光学系统5的情况中，分别描绘了试样深度从0μm(界面)到达至300μm的切向(Tangential)像面和矢状(Sagital)像面的聚焦位置。
这里，切向像面是未被楔形棱镜18弯曲的轴的光线L3b的像面，矢状像面是被楔形棱镜弯曲的轴的光线L3a的像面。在各试样深度，切向像面的聚焦位置与矢状像面的聚焦位置的差表示观察光L3的像散程度。根据图11的结果，在试样深度从0μm(界面)到达至300μm的整个范围内，与不将楔形棱镜18配置于成像光学系统5的情况相比，在将楔形棱镜18配置于成像光学系统5的情况下，切向像面的聚焦位置与矢状像面的聚焦位置之差变小。因此，可以确认在成像光学系统5配置楔形棱镜18的结构有助于减少观察光L3的像散。
还有，在图9所示的方式中，楔形棱镜18配置在面状光L2的照射面R与物镜16之间，但是楔形棱镜18的配置不限于该方式。例如，如图12所示，楔形棱镜18也可以配置在成像透镜17和图像取得部6之间。当由物镜16和成像透镜17构成无限远校正光学系统时，通过在物镜16和成像透镜17之间配置楔形棱镜18，可与上述相同地适当地实现减小观察光L3的像散的作用效果。此外，例如，如图13所示，楔形棱镜18也可以配置在物镜16和成像透镜17之间。当将楔形棱镜18配置在该位置时，楔形棱镜18难以与扫描部4等的其他构成要素干涉，可以容易地构成成像光学系统5。
此外，也可以如图14所示在成像光学系统5配置多个楔形棱镜18。将两个楔形棱镜18组合而成的构件称为双重棱镜，三个组合而成的构件称为三重棱镜。在图14的例子中，两个楔形棱镜18配置在面状光L2的照射面R与物镜16之间。通过配置多个楔形棱镜18，除了可以减小观察光L3的像散之外，还可以减小观察光L3的色差。
多个楔形棱镜18可以以使主面18a、18b彼此接触的状态或贴合的状态配置，也可以彼此分开地配置。当楔形棱镜18分开地配置时，各楔形棱镜18的配置位置也可以是面状光L2的照射面R和物镜16之间、物镜16和成像透镜17之间、以及成像透镜17和图像取得部6之间的任一者。例如，如图15所示，也可以是一个楔形棱镜18配置在面状光L2的照射面R与物镜16之间，另一个楔形棱镜18配置在成像透镜17与图像取得部6之间。
图16～图18是示出楔形棱镜18的像散和色差的减小效果的确认试验结果的图。这些确认试验结果是以每50μm示出了观察轴P2的倾斜角度θ为55°、试样深度从0μm(界面)到达至300μm的观察光L3的光点形状的图。观察光L3的波长是458nm、530nm、629nm、680nm这四个波长，重叠地示出各个光点形状。表示了光点形状向横向的畸变(扩散)越大，则像散越大，表示了光点形状向纵向的偏移越大，则色差(倍率色差)越大。图中的圆是爱里斑(Airydisk)的直径。
图16示出了在成像光学系统5未配置楔形棱镜18的比较例的结果。图17示出了在成像光学系统5配置一个楔形棱镜18的实施例的结果。图18示出了在成像光学系统5配置两个楔形棱镜18的实施例的结果。根据这些结果可知，当在成像光学系统5配置一个楔形棱镜18时，观察光L3的像散减小，当在成像光学系统5配置两个楔形棱镜18时，观察光L3的像散和色差这两者减小。从这些结果可以确认，可以通过观察轴P2的倾斜来提高观察图像的Z方向分辨率并且通过配置楔形棱镜18来减少观察光L3的像散。另外，可以确认可通过配置多个楔形棱镜18来减小观察光L3的色差。
本发明不限于上述实施方式。例如，在上述实施方式中示出了包括物镜16和成像透镜17的成像光学系统5，但是当将有限物镜用作物镜16时，不需要配置成像透镜17。在该情况下，楔形棱镜18也可以配置在面状光L2的照射面R与物镜16之间以及成像透镜17与图像取得部6之间的任意的位置。此外，例如，在上述实施方式中，将楔形棱镜18例示为校正像散的光学元件，但是作为这样的光学元件，除了楔形棱镜之外，还可以使用柱面透镜、环形透镜、自由曲面透镜、衍射光学元件等。
符号的说明
1…试样观察装置、3…照射光学系统、4…扫描部、5…成像光学系统、6…图像取得部、8…图像生成部、10…解析部、16…物镜、17…成像透镜、18…楔形棱镜(光学元件)、31…图像数据、32…观察图像数据、L2…面状光、L3…观察光、L3a、L3b…光线、P2…观察轴、R…照射面、S…试样、θ…倾斜角度。

Claims (82)

1.一种试样观察装置，其特征在于，包括：
对试样照射面状光的照射光学系统；
以通过所述面状光的照射面的方式在一个方向上扫描所述试样的扫描部；
具有相对于所述照射面倾斜的观察轴，并使通过所述面状光的照射而在所述试样产生的观察光成像的成像光学系统；
取得与由所述成像光学系统成像的所述观察光的光学图像对应的图像数据的图像取得部；
基于由所述图像取得部取得的所述图像数据，生成所述试样的观察图像数据的图像生成部；和
保持所述试样的试样容器，
所述试样容器中的所述面状光的输入面与所述面状光的光轴正交，
所述成像光学系统具有将所述观察光的一个轴的光线弯曲而不将与该一个轴正交的另一个轴的光线弯曲的非轴对称的光学元件。
2.根据权利要求1所述的试样观察装置，其特征在于，
所述光学元件是楔形棱镜。
3.根据权利要求1所述的试样观察装置，其特征在于，
所述光学元件是柱面透镜。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的试样观察装置，其特征在于，
所述成像光学系统包括物镜，
所述光学元件配置在所述照射面与所述物镜之间。
5.根据权利要求1～3中任一项所述的试样观察装置，其特征在于，
所述成像光学系统包括物镜，
所述光学元件配置在所述物镜与所述图像取得部之间。
6.根据权利要求1～3中任一项所述的试样观察装置，其特征在于，
所述成像光学系统包括物镜和成像透镜，
所述光学元件配置在所述成像透镜和所述图像取得部之间。
7.根据权利要求1～3中任一项所述的试样观察装置，其特征在于，
所述成像光学系统包括物镜和成像透镜，
所述光学元件配置在所述物镜和所述成像透镜之间。
8.根据权利要求1～3中任一项所述的试样观察装置，其特征在于，
所述成像光学系统的所述观察轴相对于所述面状光的照射面的倾斜角度为10°～80°。
9.根据权利要求4所述的试样观察装置，其特征在于，
所述成像光学系统的所述观察轴相对于所述面状光的照射面的倾斜角度为10°～80°。
10.根据权利要求5所述的试样观察装置，其特征在于，
所述成像光学系统的所述观察轴相对于所述面状光的照射面的倾斜角度为10°～80°。
11.根据权利要求6所述的试样观察装置，其特征在于，
所述成像光学系统的所述观察轴相对于所述面状光的照射面的倾斜角度为10°～80°。
12.根据权利要求7所述的试样观察装置，其特征在于，
所述成像光学系统的所述观察轴相对于所述面状光的照射面的倾斜角度为10°～80°。
13.根据权利要求1～3中任一项所述的试样观察装置，其特征在于，
所述成像光学系统的所述观察轴相对于所述面状光的照射面的倾斜角度为20°～70°。
14.根据权利要求4所述的试样观察装置，其特征在于，
所述成像光学系统的所述观察轴相对于所述面状光的照射面的倾斜角度为20°～70°。
15.根据权利要求5所述的试样观察装置，其特征在于，
所述成像光学系统的所述观察轴相对于所述面状光的照射面的倾斜角度为20°～70°。
16.根据权利要求6所述的试样观察装置，其特征在于，
所述成像光学系统的所述观察轴相对于所述面状光的照射面的倾斜角度为20°～70°。
17.根据权利要求7所述的试样观察装置，其特征在于，
所述成像光学系统的所述观察轴相对于所述面状光的照射面的倾斜角度为20°～70°。
18.根据权利要求8所述的试样观察装置，其特征在于，
所述成像光学系统的所述观察轴相对于所述面状光的照射面的倾斜角度为20°～70°。
19.根据权利要求9所述的试样观察装置，其特征在于，
所述成像光学系统的所述观察轴相对于所述面状光的照射面的倾斜角度为20°～70°。
20.根据权利要求10所述的试样观察装置，其特征在于，
所述成像光学系统的所述观察轴相对于所述面状光的照射面的倾斜角度为20°～70°。
21.根据权利要求11所述的试样观察装置，其特征在于，
所述成像光学系统的所述观察轴相对于所述面状光的照射面的倾斜角度为20°～70°。
22.根据权利要求12所述的试样观察装置，其特征在于，
所述成像光学系统的所述观察轴相对于所述面状光的照射面的倾斜角度为20°～70°。
23.根据权利要求1～3中任一项所述的试样观察装置，其特征在于，
所述成像光学系统的所述观察轴相对于所述面状光的照射面的倾斜角度为30°～65°。
24.根据权利要求4所述的试样观察装置，其特征在于，
所述成像光学系统的所述观察轴相对于所述面状光的照射面的倾斜角度为30°～65°。
25.根据权利要求5所述的试样观察装置，其特征在于，
所述成像光学系统的所述观察轴相对于所述面状光的照射面的倾斜角度为30°～65°。
26.根据权利要求6所述的试样观察装置，其特征在于，
所述成像光学系统的所述观察轴相对于所述面状光的照射面的倾斜角度为30°～65°。
27.根据权利要求7所述的试样观察装置，其特征在于，
所述成像光学系统的所述观察轴相对于所述面状光的照射面的倾斜角度为30°～65°。
28.根据权利要求8所述的试样观察装置，其特征在于，
所述成像光学系统的所述观察轴相对于所述面状光的照射面的倾斜角度为30°～65°。
29.根据权利要求9所述的试样观察装置，其特征在于，
所述成像光学系统的所述观察轴相对于所述面状光的照射面的倾斜角度为30°～65°。
30.根据权利要求10所述的试样观察装置，其特征在于，
所述成像光学系统的所述观察轴相对于所述面状光的照射面的倾斜角度为30°～65°。
31.根据权利要求11所述的试样观察装置，其特征在于，
所述成像光学系统的所述观察轴相对于所述面状光的照射面的倾斜角度为30°～65°。
32.根据权利要求12所述的试样观察装置，其特征在于，
所述成像光学系统的所述观察轴相对于所述面状光的照射面的倾斜角度为30°～65°。
33.根据权利要求13所述的试样观察装置，其特征在于，
所述成像光学系统的所述观察轴相对于所述面状光的照射面的倾斜角度为30°～65°。
34.根据权利要求14所述的试样观察装置，其特征在于，
所述成像光学系统的所述观察轴相对于所述面状光的照射面的倾斜角度为30°～65°。
35.根据权利要求15所述的试样观察装置，其特征在于，
所述成像光学系统的所述观察轴相对于所述面状光的照射面的倾斜角度为30°～65°。
36.根据权利要求16所述的试样观察装置，其特征在于，
所述成像光学系统的所述观察轴相对于所述面状光的照射面的倾斜角度为30°～65°。
37.根据权利要求17所述的试样观察装置，其特征在于，
所述成像光学系统的所述观察轴相对于所述面状光的照射面的倾斜角度为30°～65°。
38.根据权利要求18所述的试样观察装置，其特征在于，
所述成像光学系统的所述观察轴相对于所述面状光的照射面的倾斜角度为30°～65°。
39.根据权利要求19所述的试样观察装置，其特征在于，
所述成像光学系统的所述观察轴相对于所述面状光的照射面的倾斜角度为30°～65°。
40.根据权利要求20所述的试样观察装置，其特征在于，
所述成像光学系统的所述观察轴相对于所述面状光的照射面的倾斜角度为30°～65°。
41.根据权利要求21所述的试样观察装置，其特征在于，
所述成像光学系统的所述观察轴相对于所述面状光的照射面的倾斜角度为30°～65°。
42.根据权利要求22所述的试样观察装置，其特征在于，
所述成像光学系统的所述观察轴相对于所述面状光的照射面的倾斜角度为30°～65°。
43.根据权利要求1～3中任一项所述的试样观察装置，其特征在于，
还包括解析所述观察图像数据并生成解析结果的解析部。
44.根据权利要求4所述的试样观察装置，其特征在于，
还包括解析所述观察图像数据并生成解析结果的解析部。
45.根据权利要求5所述的试样观察装置，其特征在于，
还包括解析所述观察图像数据并生成解析结果的解析部。
46.根据权利要求6所述的试样观察装置，其特征在于，
还包括解析所述观察图像数据并生成解析结果的解析部。
47.根据权利要求7所述的试样观察装置，其特征在于，
还包括解析所述观察图像数据并生成解析结果的解析部。
48.根据权利要求8所述的试样观察装置，其特征在于，
还包括解析所述观察图像数据并生成解析结果的解析部。
49.根据权利要求9所述的试样观察装置，其特征在于，
还包括解析所述观察图像数据并生成解析结果的解析部。
50.根据权利要求10所述的试样观察装置，其特征在于，
还包括解析所述观察图像数据并生成解析结果的解析部。
51.根据权利要求11所述的试样观察装置，其特征在于，
还包括解析所述观察图像数据并生成解析结果的解析部。
52.根据权利要求12所述的试样观察装置，其特征在于，
还包括解析所述观察图像数据并生成解析结果的解析部。
53.根据权利要求13所述的试样观察装置，其特征在于，
还包括解析所述观察图像数据并生成解析结果的解析部。
54.根据权利要求14所述的试样观察装置，其特征在于，
还包括解析所述观察图像数据并生成解析结果的解析部。
55.根据权利要求15所述的试样观察装置，其特征在于，
还包括解析所述观察图像数据并生成解析结果的解析部。
56.根据权利要求16所述的试样观察装置，其特征在于，
还包括解析所述观察图像数据并生成解析结果的解析部。
57.根据权利要求17所述的试样观察装置，其特征在于，
还包括解析所述观察图像数据并生成解析结果的解析部。
58.根据权利要求18所述的试样观察装置，其特征在于，
还包括解析所述观察图像数据并生成解析结果的解析部。
59.根据权利要求19所述的试样观察装置，其特征在于，
还包括解析所述观察图像数据并生成解析结果的解析部。
60.根据权利要求20所述的试样观察装置，其特征在于，
还包括解析所述观察图像数据并生成解析结果的解析部。
61.根据权利要求21所述的试样观察装置，其特征在于，
还包括解析所述观察图像数据并生成解析结果的解析部。
62.根据权利要求22所述的试样观察装置，其特征在于，
还包括解析所述观察图像数据并生成解析结果的解析部。
63.根据权利要求23所述的试样观察装置，其特征在于，
还包括解析所述观察图像数据并生成解析结果的解析部。
64.根据权利要求24所述的试样观察装置，其特征在于，
还包括解析所述观察图像数据并生成解析结果的解析部。
65.根据权利要求25所述的试样观察装置，其特征在于，
还包括解析所述观察图像数据并生成解析结果的解析部。
66.根据权利要求26所述的试样观察装置，其特征在于，
还包括解析所述观察图像数据并生成解析结果的解析部。
67.根据权利要求27所述的试样观察装置，其特征在于，
还包括解析所述观察图像数据并生成解析结果的解析部。
68.根据权利要求28所述的试样观察装置，其特征在于，
还包括解析所述观察图像数据并生成解析结果的解析部。
69.根据权利要求29所述的试样观察装置，其特征在于，
还包括解析所述观察图像数据并生成解析结果的解析部。
70.根据权利要求30所述的试样观察装置，其特征在于，
还包括解析所述观察图像数据并生成解析结果的解析部。
71.根据权利要求31所述的试样观察装置，其特征在于，
还包括解析所述观察图像数据并生成解析结果的解析部。
72.根据权利要求32所述的试样观察装置，其特征在于，
还包括解析所述观察图像数据并生成解析结果的解析部。
73.根据权利要求33所述的试样观察装置，其特征在于，
还包括解析所述观察图像数据并生成解析结果的解析部。
74.根据权利要求34所述的试样观察装置，其特征在于，
还包括解析所述观察图像数据并生成解析结果的解析部。
75.根据权利要求35所述的试样观察装置，其特征在于，
还包括解析所述观察图像数据并生成解析结果的解析部。
76.根据权利要求36所述的试样观察装置，其特征在于，
还包括解析所述观察图像数据并生成解析结果的解析部。
77.根据权利要求37所述的试样观察装置，其特征在于，
还包括解析所述观察图像数据并生成解析结果的解析部。
78.根据权利要求38所述的试样观察装置，其特征在于，
还包括解析所述观察图像数据并生成解析结果的解析部。
79.根据权利要求39所述的试样观察装置，其特征在于，
还包括解析所述观察图像数据并生成解析结果的解析部。
80.根据权利要求40所述的试样观察装置，其特征在于，
还包括解析所述观察图像数据并生成解析结果的解析部。
81.根据权利要求41所述的试样观察装置，其特征在于，
还包括解析所述观察图像数据并生成解析结果的解析部。
82.根据权利要求42所述的试样观察装置，其特征在于，
还包括解析所述观察图像数据并生成解析结果的解析部。
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