DE112015002930T5

DE112015002930T5 - Abbildendes optisches System, Beleuchtungsvorrichtung und Beobachtungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112015002930T5
Application number: DE112015002930.3T
Authority: DE
Inventors: Hiroya Fukuyama
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2014-07-25
Filing date: 2015-07-16
Publication date: 2017-03-16
Also published as: US20170115474A1; JP6469380B2; JP2016031388A; WO2016013491A1

Abstract

Um ein deutliches Endbild zu erzielen, indem verhindert wird, dass Kratzer, Fremdkörper, Fehler oder dergleichen eines optischen Geräts einem Zwischenbild überlagert werden, selbst wenn das Zwischenbild an einer Position erzeugt wird, die mit der optischen Vorrichtung überlappt, weist dieses abbildende optische System (3) eine Mehrzahl von Abbildungslinsen (11, 12, 13, 14), die ein Endbild (IF) und mindestens ein Zwischenbild (II) erzeugen, ein erstes phasenmodulierendes Element (10), das näher an einem Gegenstand angeordnet ist als eines der Zwischenbilder, um eine räumliche Störung auf eine Wellenfront von Licht anzuwenden, das von dem Gegenstand kommt, und ein zweites phasenmodulierendes Element (18) auf, das in mindestens ein optisches Element der Abbildungslinse integriert ist, wobei das zweite phasenmodulierende Element die räumliche Störung aufhebt, die von dem ersten phasenmodulierenden Element auf die Wellenfront des Lichts angewendet wird, das von dem Gegenstand kommt.

Description

{Technisches Gebiet}
Die vorliegende Erfindung betrifft ein abbildendes optisches System, eine Beleuchtungsvorrichtung und eine Beobachtungsvorrichtung.
{Stand der Technik}
Ein Verfahren ist bekannt, bei dem die Position eines fokussierten Punkts in einer parallel zu einer optischen Achse verlaufenden Richtung bewegt wird, indem die optische Pfadlänge auf eine Zwischenbildposition eingestellt wird (siehe beispielsweise PTL 1).
{Liste der Bezugsverweise}
{Patentliteratur}

{PTL 1} Veröffentlichung des japanischen Patents, Nr. 4011704

{Kurzdarstellung der Erfindung}
{Technisches Problem}
Da ein flacher Spiegel an einer Zwischenbildoberfläche angeordnet ist, werden in dem Verfahren von Patentliteratur 1 Kratzer oder Fremdkörper auf der Oberfläche des flachen Spiegels den Bildern überlagert. Wird das Verfahren in einer Mikroskopoptik eingesetzt, ist die Längsvergrößerung gleich dem Quadrat der Seitenvergrößerung, da die Mikroskopoptik ein vergrößerndes optisches System ist, und somit wird ein Zwischenbild um einen großen Betrag in Richtung einer optischen Achse bewegt, selbst wenn die Position eines fokussierten Punkts in einem Beobachtungsgegenstand nur leicht in eine Richtung parallel zu dieser optischen Achse bewegt wird. Wenn infolgedessen das bewegte Zwischenbild mit einer Linse überlappt, die vor oder hinter dem Zwischenbild angeordnet wurde, wie im oben beschriebenen Fall, werden Kratzer oder Fremdkörper auf der Linsenoberfläche oder Fehler oder dergleichen in der Linse dem Bild überlagert.
Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht der oben beschriebenen Umstände gemacht und soll ein abbildendes optisches System, eine Beleuchtungsvorrichtung und eine Beobachtungsvorrichtung bereitstellen, mit denen ein deutliches Endbild erzielt werden kann, selbst wenn ein Zwischenbild an einer Position erzeugt wird, die mit einer optischen Vorrichtung überlappt, indem verhindert wird, dass Kratzer, Fremdkörper, Fehler oder dergleichen der optischen Vorrichtung dem Zwischenbild überlagert werden.
{Problemlösung}
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein abbildendes optisches System, das umfasst: eine Mehrzahl von Abbildungslinsen, die ein Endbild und mindestens ein Zwischenbild erzeugen; ein erstes phasenmodulierendes Element, das näher an einem Gegenstand angeordnet ist als eines der Zwischenbilder, die von den Abbildungslinsen erzeugt werden, und das eine räumliche Störung auf eine Wellenfront von Licht anwendet, das von dem Gegenstand kommt; und ein zweites phasenmodulierendes Element, das in mindestens ein optisches Element integriert ist, das die Abbildungslinse bildet, und das in der Nähe einer Pupillenposition der Abbildungslinse positioniert ist, sodass mindestens eines der Zwischenbilder zwischen dem mindestens einen optischen Element und dem ersten phasenmodulierenden Element angeordnet ist, wobei das zweite phasenmodulierende Element die räumliche Störung aufhebt, die von dem ersten phasenmodulierenden Element auf die Wellenfront des Lichts angewendet wird, das von dem Gegenstand kommt.
Mit diesem Aspekt erzeugt das Licht, das von der Seite des Gegenstands in die Abbildungslinsen eingetreten ist, nach dem Fokussieren durch die Abbildungslinsen ein Endbild. Durch Hindurchtreten durch das erste phasenmodulierende Element, das näher an der Seite des Gegenstands angeordnet ist als eines der Zwischenbilder, wird in diesem Fall die räumliche Störung auf die Wellenfront des Lichts angewendet, und somit werden die erzeugten Zwischenbilder undeutlich und unklar gemacht. Da das Licht, das die Zwischenbilder erzeugt hat, durch das zweite phasenmodulierende Element tritt, das in der Nähe der Pupillenposition der Abbildungslinse angeordnet ist, wird die vom ersten phasenmodulierenden Element auf die Wellenfront angewendete räumliche Störung aufgehoben. Mit der zuvor erwähnten Konfiguration wird das hinter dem zweiten phasenmodulierenden Element erzeugte Endbild deutlich gemacht.
Mit anderen Worten, selbst in dem Fall, in dem die Zwischenbilder in der Nähe optischer Vorrichtungen positioniert sind, die Kratzer, Fremdkörper, Fehler oder dergleichen auf deren Oberflächen oder in deren Innerem aufweisen, kann das Auftreten einer Situation verhindert werden, in der solche Kratzer, Fremdkörper, Fehler oder dergleichen den Zwischenbildern überlagert werden, wodurch sie schließlich Teile des Endbilds bilden, indem die Zwischenbilder undeutlich gemacht werden.
In diesem Fall kann das zweite phasenmodulierende Element, das in das optische Element integriert ist, das die Abbildungslinse bildet, als eines der optischen Elemente angeordnet werden, die die Abbildungslinse bilden, selbst wenn in der Nähe der Pupillenposition der Abbildungslinse wenig Platz vorhanden ist. Das zweite phasenmodulierende Element kann auf einer beliebigen Oberfläche der Oberflächen der optischen Elemente, die die Abbildungslinse bilden, angeordnet werden, unabhängig davon, ob es in der Nähe der Pupillenposition oder an einer Position angeordnet ist, die von der Pupillenposition relativ weit entfernt ist. Insbesondere wird es möglich, durch Anordnen des zweiten phasenmodulierenden Elements an einer Position, die sehr nahe an der Pupillenposition liegt, das Bewegen der Position des Strahlenbündels zu verhindern, das durch das zweite phasenmodulierende Element tritt, selbst wenn ein Scanner oder dergleichen, der dem Bewegen der Position des Strahlenbündels dient, an einer Position auf der optischen Achse angeordnet ist, und selbst wenn der Scanner oder dergleichen betrieben wird. Somit ist es möglich, die räumliche Störung der Wellenfront, die vom ersten Phasenmodulationselement angewendet wird, vollständig aufzuheben und dann ein deutliches Endbild zu erzielen.
Im oben beschriebenen Aspekt, können das erste phasenmodulierende Element und das zweite phasenmodulierende Element Phasenmodulationen anwenden, die sich in einer eindimensionalen Richtung orthogonal zu einer optischen Achse ändern.
Mit der zuvor erwähnten Konfiguration können Zwischenbilder undeutlich gemacht werden, indem von dem ersten phasenmodulierenden Element die Phasenmodulationen angewendet werden, die sich in der eindimensionalen Richtung orthogonal zur optischen Achse ändern, und dadurch kann eine Situation verhindert werden, bei der Kratzer, Fremdkörper, Fehler oder dergleichen den Zwischenbildern überlagert und die Kratzer, Fremdkörper, Fehler oder dergleichen dann als Teil des Endbilds erzeugt werden, selbst wenn die Zwischenbilder an Positionen erzeugt werden, die sich nahe an den optischen Elementen befinden, die die Kratzer, Fremdkörper, Fehler oder dergleichen auf deren Oberflächen oder in deren Innerem aufweisen. Durch Anwenden der Phasenmodulation auf die Wellenfront des Lichts durch das zweite phasenmodulierende Element, die die Phasenmodulation aufhebt, die sich in der eindimensionalen Richtung ändert, kann ein Endbild erzeugt werden, das nicht undeutlich und klar ist.
Im zuvor erwähnten Aspekt, können das erste phasenmodulierende Element und das zweite phasenmodulierende Element Phasenmodulationen anwenden, die sich in einer zweidimensionalen Richtung orthogonal zu einer optischen Achse ändern.
Mit dieser Konfiguration, können die Zwischenbilder wirksamer undeutlich gemacht werden.
Im zuvor erwähnten Aspekt können das erste phasenmodulierende Element und das zweite phasenmodulierende Element Zylinderlinsen sein.
Mit dieser Konfiguration generiert das erste phasenmodulierende Element durch eine optische Brechkraft in einer Richtung orthogonal zur optischen Achse einen Astigmatismus, und dann können die Zwischenbilder undeutlich gemacht werden. Das zweite phasenmodulierende Element kann den Astigmatismus aufheben.
Im zuvor erwähnten Aspekt können das erste phasenmodulierende Element und das zweite phasenmodulierende Element sich gegenseitig ergänzende Formen aufweisen.
Mit dieser Konfiguration wird es leicht, ein erstes phasenmodulierendes Element, das eine räumliche Störung auf die Wellenfront anwendet, um die Zwischenbilder undeutlich zu machen, und ein zweites phasenmodulierendes Element zu konfigurieren, das eine Phasenmodulation anwendet, die die auf die Wellenfront angewendete räumliche Störung aufhebt.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Beleuchtungsvorrichtung, die umfasst: ein abbildendes optisches System, gemäß der zuvor erwähnten Aspekte; und eine Lichtquelle, die an einer Position angeordnet ist, die näher an einem Gegenstand liegt, als das abbildende optische System, und die Licht generiert, das zur Abstrahlung in das abbildende optische System vorgesehen ist.
Mit diesem Aspekt, wird Beleuchtungslicht von der Lichtquelle, die auf der Seite des Gegenstands angeordnet ist, in das abbildende optische System gestrahlt, und infolgedessen wird das Beleuchtungslicht auf den beleuchteten Gegenstand gestrahlt, der auf der Seite des Endbilds angeordnet ist. Da die Zwischenbilder, die von dem abbildenden optischen System erzeugt werden, von dem ersten phasenmodulierenden Element undeutlich gemacht werden, kann in diesem Fall, selbst wenn die Zwischenbilder in der Nähe optischer Vorrichtungen positioniert sind, die Kratzer, Fremdkörper, Fehler oder dergleichen auf deren Oberflächen oder in deren Innerem aufweisen, das Auftreten einer Situation verhindert werden, in der solche Kratzer, Fremdkörper, Fehler oder dergleichen den Zwischenbildern überlagert werden, wodurch sie schließlich Teile eines Endbilds bilden.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Beobachtungsvorrichtung, die umfasst: eine Beleuchtungsvorrichtung, gemäß dem zuvor erwähnten Aspekt; und einen Photodetektor, der Licht von dem Beobachtungsgegenstand erfasst, welcher von der Beleuchtungsvorrichtung bestrahlt wird.
Mit diesem Aspekt kann ein deutliches Endbild erfasst werden, das erzeugt wird, indem durch das abbildende optische System verhindert wird, dass die Bilder von Kratzern, Fremdkörpern, Fehlern oder dergleichen, die auf den Oberflächen oder im Inneren der optischen Elemente vorhanden sind, die Zwischenbilder überlagern.
Im zuvor erwähnten Aspekt kann die Lichtquelle eine Pulslaserlichtquelle sein.
Mit dieser Konfiguration kann eine Bildbeobachtung durchgeführt werden, bei der keine Kratzer, Fremdkörper, Fehler oder dergleichen an den Positionen der Zwischenbilder überlagert werden, und die Bildbeobachtung des Beobachtungsgegenstands wird von einer scharfen Mehrphotonenanregungsfluoreszenz durchgeführt.
{Vorteilhafte Auswirkungen der Erfindung}
Die vorliegende Erfindung hat den Vorteil, dass ein deutliches Endbild erzielt werden kann, indem verhindert wird, dass Kratzer, Fremdkörper, Fehler oder dergleichen einer optischen Vorrichtung einem Zwischenbild überlagert werden, selbst wenn das Zwischenbild an einer Position erzeugt wird, die mit der optischen Vorrichtung überlappt.
{Kurze Beschreibung der Zeichnungen}
1 ist ein Diagramm, das schematisch eine Beobachtungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist ein Diagramm, das schematisch eine Objektivlinse eines in 1 gezeigten abbildenden optischen Systems zeigt.
3A ist eine Draufsicht, die eine Zylinderlinse als ein weiteres abgewandeltes Beispiel eines Phasenmodulationselements zeigt, das in dem in 1 gezeigten abbildenden optischen System verwendet wird.
3B ist eine Seitenansicht, die eine Zylinderlinse als das abgewandelte Beispiel des Phasenmodulationselements zeigt, das in dem in 1 gezeigten abbildenden optischen System verwendet wird.
4 ist ein Diagramm, das schematisch ein abgewandeltes Beispiel der Objektivlinse zeigt.
5A ist eine Draufsicht, die ein eindimensionales binäres Beugungsgitter als ein weiteres abgewandeltes Beispiel eines Phasenmodulationselements zeigt, das in dem in 1 gezeigten abbildenden optischen System verwendet wird.
5B ist eine Seitenansicht, die ein eindimensionales binäres Beugungsgitter als das abgewandelte Beispiel des Phasenmodulationselements zeigt, das in dem in 1 gezeigten abbildenden optischen System verwendet wird.
6A ist eine Draufsicht, die ein unregelmäßig geformtes Element als ein weiteres abgewandeltes Beispiel eines Phasenmodulationselements zeigt, das in dem in 1 gezeigten abbildenden optischen System verwendet wird.
6B ist eine Seitenansicht, die ein unregelmäßig geformtes Element als das abgewandelte Beispiel des Phasenmodulationselements zeigt, das in dem in 1 gezeigten abbildenden optischen System verwendet wird.
7 ist eine perspektivische Ansicht, die eindimensionale sinusförmige Beugungsgitter als ein weiteres abgewandeltes Beispiel des in 1 verwendeten Phasenmodulationselements zeigt.
8 ist eine perspektivische Ansicht, die Linsen mit frei gekrümmten Oberflächen als ein weiteres abgewandeltes Beispiel des in 1 verwendeten Phasenmodulationselements zeigt.
9 ist eine perspektivische Ansicht, die binäre Beugungsgitter mit konzentrischen Kreisen als ein weiteres abgewandeltes Beispiel des in 1 verwendeten Phasenmodulationselements zeigt.
10 ist eine Längsschnittansicht, die Kegellinsen als ein weiteres abgewandeltes Beispiel des in 1 verwendeten Phasenmodulationselements zeigt.
11 ist eine Längsschnittansicht, die sphärische Aberrationselemente als ein weiteres abgewandeltes Beispiel des in 1 verwendeten Phasenmodulationselements zeigt.
12 ist eine Längsschnittansicht, die Elemente des Brechzahlverteilungstyps als ein weiteres abgewandeltes Beispiel des in 1 verwendeten Phasenmodulationselements zeigt.
13 ist ein Diagramm, das schematisch eine Beobachtungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
{Beschreibung der Ausführungsformen}
Eine Beobachtungsvorrichtung 1, eine Beleuchtungsvorrichtung 2 und ein abbildendes optisches System 3 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden unten mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
Die Beobachtungsvorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform ist beispielsweise ein Laser-Scanning-Mikroskop mit Mehrphotonenanregung.
Wie in 1 und 2 gezeigt, ist die Beobachtungsvorrichtung 1 versehen mit: einer Beleuchtungsvorrichtung 2, die Beleuchtungslicht auf einen Beobachtungsgegenstand A strahlt; einer Detektoroptik 4, die von dem Beobachtungsgegenstand A abgegebene Fluoreszenz zu einem Photodetektor 5 führt; und dem Photodetektor 5, der die von der Detektoroptik 4 dorthin geführte Fluoreszenz erfasst.
Die Beleuchtungsvorrichtung 2 ist versehen mit: einer Ultrakurzpuls-Laserlichtquelle 6 (nachstehend einfach als Lichtquelle bezeichnet), die sich auf einer Seite des Gegenstands befindet und Ultrakurzpuls-Laserlicht abgibt (nachstehend einfach als Laserlicht bezeichnet); und einem abbildenden optischen System 3, das von der Lichtquelle 6 kommendes Laserlicht auf den Beobachtungsgegenstand A strahlt.
Das abbildende optische System 3 ist versehen mit: einem Strahlaufweiter 7, der den Strahldurchmesser des Laserlichts aufweitet, das von der Lichtquelle 6 kommt; einem z-Scanning-Abschnitt 8, der ein Zwischenbild erzeugt, indem er das Laserlicht fokussiert, das durch den Strahlaufweiter 7 getreten ist, und die bilderzeugende Position in Richtung der optischen Achse S bewegen kann; und einer Kollimatorlinse 9, die das Laserlicht in im Wesentlichen kollimiertes Licht umwandelt.
Das abbildende optische System 3 ist versehen mit: einem wellenfrontstörenden Element (ersten phasenmodulierenden Element) 10, das auf die Wellenfront von Laserlicht, das in im Wesentlichen kollimiertes Licht umgewandelt wurde, eine Störung anwendet; mehreren Relais-Linsenpaaren (Abbildungslinse) 11, 12 und 13, die das vom z-Scanning-Abschnitt 8 erzeugte Zwischenbild weiterleiten; einer Objektivlinse (Abbildungslinse) 14, die das Laserlicht, das durch die Relais-Linsenpaare 11, 12, 13 getreten ist, auf den Beobachtungsgegenstand A strahlt, und die Fluoreszenz, die am lichtfokussierenden Punkt (Endbild IF) des Laserlichts generiert wird, an dem Beobachtungsgegenstand A fokussiert.
Der z-Scanning-Abschnitt 8 ist versehen mit: einer Fokussierungslinse 8a, die das Laserlicht fokussiert, dessen Strahlendurchmesser vom Strahlaufweiter 7 aufgeweitet wurde; und einem Antrieb 8b, der die Lichtfokussierungslinse 8a in Richtung der optischen Achse S bewegt. Durch Bewegen der Fokussierungslinse 8a in Richtung der optischen Achse S mittels des Antriebs 8b kann die Position, an der das Zwischenbild erzeugt wird, in Richtung der optischen Achse S bewegt werden.
Das wellenfrontstörende Element 10 ist mit Mikro-Konkavlinsen versehen, die angeordnet und aus einem optisch durchsichtigen Material ausgebildet sind, das Licht durch die Linsen treten lässt, was als Mikrolinsenanordnung bezeichnet wird. Das wellenfrontstörende Element 10 wendet auf die Wellenfront des Laserlichts eine Phasenmodulation an, die sich in einer zweidimensionalen Richtung orthogonal zur optischen Achse S gemäß der Form der Oberfläche 15 ändert, wenn das Laserlicht durch das Element 10 tritt. In dieser Ausführungsform wird eine notwendige Wellenfrontstörung angewendet, indem das von der Lichtquelle 6 kommende Laserlicht dazu veranlasst wird, durch das Element 10 zu treten.
Das Relais-Linsenpaar 11 ist so konfiguriert, dass das Laserlicht, das von der Kollimatorlinse 9 in im Wesentlichen kollimiertes Licht umgewandelt wurde, von einer ersten Linse 11a fokussiert wird, um ein Zwischenbild II zu erzeugen, und so, dass daraufhin das aufgeweitete Laserlicht von einer zweiten Linse 11b wieder kollimiert wird, um im Wesentlichen kollimiertes Licht wiederherzustellen. In dieser Ausführungsform sind die drei Relais-Linsenpaare 11, 12 und 13 in einer parallel zur optischen Achse S verlaufenden Richtung mit dazwischenliegenden Zwischenräumen angeordnet, so dass die Zwischenbilder II an drei Stellen erzeugt werden.
Jeder der Galvanometerspiegel 16 und 17 ist so vorgesehen, dass er um eine orthogonal zur optischen Achse S verlaufende Achse geschwenkt werden kann, und so konfiguriert, dass er beim Ändern seines Schwenkwinkels einen Neigungswinkel auf das reflektierte Laserlicht anwendet. Die Achsen der beiden Galvanometerspiegel 16 und 17 sind in einem gegeneinander gedrehten Positionsverhältnis so angeordnet, dass die Neigungswinkel des Laserlichts in zweidimensionalen Richtungen geändert werden können. Jeder der beiden Galvanometerspiegel 16 und 17 ist an einer Position angeordnet, die optisch mit der Pupille der später beschriebenen Objektivlinse 14 konjugiert ist, und an die das Licht von den Relais-Linsenpaaren 12, und 13 weitergeleitet wird.
Die Objektivlinse 14 ist versehen mit: mehreren Linsen 14a, die das Endbild IF erzeugen; und einem Wellenfrontwiederherstellungselement (zweites Phasenmodulationselement) 18, das in eine der Linsen 14a integriert ist, die in der Nähe der Pupillenposition der Objektivlinse 14 angeordnet ist. Das Bezugssymbol 19 bezeichnet eine Aperturblende, die an einer Pupillenposition der Objektivlinse 14 angeordnet ist.
Das Wellenfrontwiederherstellungselement 18 ist mit Mikro-Konvexlinsen versehen, die angeordnet und aus einem optisch durchsichtigen Material ausgebildet sind, das Licht durch die Linsen treten lässt, was eine Mikrolinsenanordnung mit einer Phaseneigenschaft ist, die der des wellenfrontstörenden Elements 10 entgegengesetzt ist. Das Wellenfrontwiederherstellungselement 18 wendet auf die Wellenfront des Laserlichts eine Phasenmodulation an, die sich in einer zweidimensionalen Richtung orthogonal zur optischen Achse S gemäß der Form der Oberfläche 20 ändert, wenn das Laserlicht durch das Element 18 tritt. In dieser Ausführungsform ist das Wellenfrontwiederherstellungselement 18 so konfiguriert, dass die von dem wellenfrontstörenden Element 10 angewendete Wellenfrontstörung aufgehoben wird, indem das Laserlicht veranlasst wird, durch das Element 18 zu treten. Das Wellenfrontwiederherstellungselement 18 ist an einer Position angeordnet, die mit dem wellenfrontstörenden Element 10 optisch konjugiert ist.
Die Detektoroptik 4 ist versehen mit: einem dichroitischen Spiegel 21, der Fluoreszenz, die von der Objektivlinse 14 fokussiert wird, vom optischen Pass des Laserlichts abspaltet; und zwei Fokussierungslinsen 4a, 4b, die die vom dichroitischen Spiegel 21 abgespaltene Fluoreszenz fokussieren.
Der Photodetektor 5 ist beispielsweise eine Photomultiplier-Röhre und ist so konfiguriert, dass er die Intensität der abgestrahlten Fluoreszenz erfasst.
Die Arbeitsweise des so konfigurierten abbildenden optischen Systems 3, der Beleuchtungsvorrichtung 2 und der Beobachtungsvorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform werden unten beschrieben.
Um den Beobachtungsgegenstand A mittels der Beobachtungsvorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform beobachten zu können, wird der Beobachtungsgegenstand A mit dem Laserlicht bestrahlt, das von der Lichtquelle 6 mittels des abbildenden optischen Systems 3 abgegeben wird. Nachdem dessen Strahlendurchmesser anhand des Strahlaufweiters 7 aufgeweitet wurde, tritt das Laserlicht durch den z-Scanning-Abschnitt 8, die Kollimatorlinse 9 und das wellenfrontstörende Element 10.
Das Laserlicht wird von der Fokussierungslinse 8a des z-Scanning-Abschnitts 8 fokussiert und deren lichtfokussierende Position kann in Richtung der optischen Achse S eingestellt werden, indem der Antrieb 8b betätigt wird.
Außerdem wird dadurch, dass das Laserlicht dazu veranlasst wird, durch das wellenfrontstörende Element 10 zu treten, eine räumliche Störung auf dessen Wellenfront angewendet.
Danach wird das Laserlicht dazu veranlasst, durch die drei Relais-Linsenpaare 11, 12 und 13 und die beiden Galvanometerspiegeln 16 und 17 zu treten, der Neigungswinkel des Lichtbündels wird geändert, und das Laserlicht tritt durch den dichroitischen Spiegel 21, während die Zwischenbilder II erzeugt werden. Dann wird das Laserlicht mittels der Objektivlinse 14 fokussiert, und das Endbild IF wird an dem Beobachtungsgegenstand A erzeugt.
Die Position des fokussierten Punkts des Laserlichts, die die Position des vom abbildenden optischen System 3 erzeugten Endbilds IF ist, wird in der Richtung der optischen Achse S bewegt, indem die Fokussierungslinse 8a durch Betätigen des Antriebs 8b bewegt wird. Anhand dieser Arbeitsweise wird es möglich, die Beobachtungstiefe des Beobachtungsgegenstands A einzustellen. Der fokussierte Punkt des Laserlichts am Beobachtungsgegenstand A kann in senkrechter Richtung zu der optischen Achse S zweidimensional abgetastet werden, indem die Galvanometerspiegel 16 und 17 geschwenkt werden.
Durch die Funktion der mehreren Mikrolinsen, die das wellenfrontstörende Element 10 bildet, wird das Laserlicht, auf das die räumliche Störung auf die Wellenfront von dem wellenfrontstörenden Element 10 angewendet wird, zu einem undeutlichen Bild geformt, in dem eine Mehrzahl von Bildern in einem Raum verteilt ist, die vor dem wellenfrontstörenden Element 10 ein einziges Bild waren, oder zu der Mehrzahl von Bildern geformt, deren Fokus nicht eingestellt ist. Dann tritt das Laserlicht, das auf die Objektivlinse 14 gestrahlt wird, hindurch und tritt durch das Wellenfrontwiederherstellungselement 18, und dadurch wird die von dem wellenfrontstörenden Element 10 angewendete räumliche Störung aufgehoben. Daher kann ein deutliches Bild erzielt werden, wenn es als das Endbild IF an den Phasen nach dem Hindurchtreten durch das Wellenfrontwiederherstellungselement 18 erzeugt wird.
Mit anderen Worten kann, da das Zwischenbild II undeutlich und verschwommen wird, selbst in dem Fall, in dem das Zwischenbild in der Nähe eines optischen Elements positioniert ist, das Kratzer, Fremdkörper, Fehler oder dergleichen aufweist, eine Situation verhindert werden, in der das Endbild IF, das an dem Beobachtungsgegenstand A erzeugt wird, undeutlich wird, indem verhindert wird, dass die Kratzer, Fremdkörper, Fehler oder dergleichen den Zwischenbildern überlagert werden. Infolgedessen kann ein sehr kleiner Punkt als Endbild IF erzeugt werden.
Da eine der Linsen 14a, die die Objektivlinse 14 bilden, in das Wellenfrontwiederherstellungselement 18 integriert ist, kann in diesem Fall mit dem abbildenden optischen System 3 dieser Ausführungsform das Element 18 an einer Position positioniert werden, die sehr nahe an der Pupillenposition liegt, selbst wenn in der Nähe der Pupillenposition der Objektivlinse 14 wenig Platz ist, was in diesem technischen Gebiet von Vorteil ist.
Wenn der Neigungswinkel des Lichtbündels von den Galvanometerspiegeln 16, 17 geändert wird, kann somit verhindert werden, dass sich die Position des Lichtbündels bewegt, das durch das Wellenfrontwiederherstellungselement 18 tritt, das an der Pupillenposition positioniert ist. Daher kann die gleiche Wellenfrontmodulation auf das Laserlicht ausgeübt werden. Infolgedessen wird es möglich die räumliche Störung der Wellenfront sicher aufzuheben, die vom wellenfrontstörende Element 10 angewendet wird, was in diesem technischen Gebiet von Vorteil ist.
Da am Beobachtungsgegenstand A ein sehr kleiner Punkt erzeugt wird, kann eine Photonendichte in einem sehr kleinen Bereich erhöht werden, und dann wird Fluoreszenz erzeugt. Die generierte Fluoreszenz wird. von der Objektivlinse 14 fokussiert und von dem dichroitischen Spiegel 21 abgespalten, und dann wird die Fluoreszenz von der Detektoroptik 4 fokussiert und vom Photodetektor 5 festgestellt.
Jedes Fluoreszenzbild des Beobachtungsgegenstands A wird durch Speichern der Fluoreszenzintensität erzielt, die vom Photodetektor 5 festgestellt wird, zusammen mit der von den Galvanometerspiegeln 16, 17 und dem Antrieb 8b abgetasteten Position. Somit wird mit der Beobachtungsvorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform die Fluoreszenz in dem sehr kleinen Punktbereich an jeder abgetasteten Position generiert, und es können Fluoreszenzbilder mit hoher räumlicher Auflösung erzielt werden, was in diesem technischen Gebiet von Vorteil ist.
Obwohl diese Ausführungsform als das wellenfrontstörende Element 10 und das Wellenfrontwiederherstellungselement 18 die Mikrolinsenanordnungen als ein Beispiel verwendet, kann statt der Mikrolinsenanordnung beispielsweise die in 3A und 3B gezeigte Zylinderlinsenform verwendet werden.
In diesem Fall werden die Bilder durch einen Astigmatismus undeutlich gemacht, wenn die Mehrzahl von Zwischenbildern II vom Relais-Linsenpaar 11, 12, 13 erzeugt wird.
3A und 3B zeigen eine der Linsen 14a, die die Objektivlinse 14 bilden, die Oberfläche 20 der Linse 14a weist eine torische Form auf, bei der die Form in den beiden zueinander senkrechten Richtungen zwei Krümmungen unterschiedlicher Größe aufweist, die als Wellenfrontwiederherstellungselement 18 dient, das eine Phasenmodulation mit eindimensionaler Verteilung bereitstellt, und der Unterschied zwischen den beiden Krümmungen ähnlich einer Zylinderlinse ist.
Die gestrichelten Linien in 3 sind Umrisslinien, die einen Unterschied in Richtung der optischen Achse S zwischen der Oberfläche 20 und einer Bezugskugelform darstellen, die der torischen Form nahekommt.
Als das Wellenfrontwiederherstellungselement 18, das die räumliche Störung der Wellenfront aufhebt, die vom wellenfrontstörenden Element 10 angewendet wird, wendet diese Ausführungsform eines an, das in eine einzige Linse 14a integriert ist. Es können jedoch Wellenfrontwiederherstellungselemente 18 verwendet werden, die in die Mehrzahl von Linsen 14a integriert sind, wie in 4 gezeigt.
Vorzugsweise weist insbesondere jedes Wellenfrontwiederherstellungselement 18 eine wie in 3A und 3B gezeigte Zylinderlinsenform auf, wenn eine solche Mehrzahl von Wellenfrontwiederherstellungselementen 18 angewendet werden, von denen jedes eine Zylinderlinsenform aufweist bzw. die in die mehreren Linsen 14a integriert sind, können die mehreren Elemente 18 durch eine Simulation als ein einziges Wellenfrontwiederherstellungselement 18 sowie als die Mehrzahl von Linsen 14a angesehen und behandelt werden, die in Richtung der optischen Achse S mit Platzverhältnissen angeordnet sind, die durch eine Simulation als eine einzige Linse angesehen und behandelt werden. Außerdem kann das Wellenfrontwiederherstellungselement 18, das auf die zuvor erwähnte Weise behandelt wird, so positioniert werden, dass es nahe an der Pupillenoberfläche der Abbildungslinse 14, die das Wellenfrontwiederherstellungselement 18 aufweist, oder in Übereinstimmung mit der Pupillenoberfläche ist.
Obwohl diese Ausführungsform die Mikrolinsenanordnungen als das wellenfrontstörende Element 10 und das Wellenfrontwiederherstellungselement 18 verwendet, kann auch das in 5A und 5B gezeigte eindimensionale binäre Beugungsgitter oder das in 6A und 6B gezeigte unregelmäßig geformte Element verwendet werden.
Es ist auch möglich das wellenfrontstörende Element 10 und das Wellenfrontwiederherstellungselement 18 zu verwenden, dessen Oberflächen 15, 20 sich gegenseitig ergänzende Formen aufweisen, von denen jede die Phasenmodulation auf die Wellenfront des Laserlichts anwendet. Beispielsweise kann als das wellenfrontstörende Element 10 und das Wellenfrontwiederherstellungselement 18 das in 7 gezeigte eindimensionale sinusförmige Beugungsgitter, die in 8 gezeigten Oberflächenlinsen mit freien Krümmungen, die in 9 gezeigten binären Beugungsgitter mit konzentrischen Kreisen, die in 10 gezeigten Kegellinsen, die in
11 gezeigten sphärischen Aberrationselemente oder die in 12 gezeigten Elemente des Brechzahlverteilungstyps verwendet werden. Der Beugungsgittertyp mit konzentrischen Kreisen ist nicht auf den binären Typ beschränkt, und es kann ein beliebiger Typ, wie ein Blazetyp oder ein Sinuswellentyp usw. verwendet werden.
Wenn die zuvor erwähnte Konfiguration angewendet wird, wird es leicht, diese herzustellen, da für das wellenfrontstörende Element 10, das die räumliche Störung auf die Wellenfront anwendet, um das Zwischenbild II undeutlich zu machen, und für das Wellenfrontwiederherstellungselement 18, das die räumliche Störung aufhebt, die auf die vom wellenfrontstörenden Element 10 auf die Wellenfront angewendet wird, das gleiche optische Material verwendet werden kann.
Auch wird die Linse 14a als beispielhaftes optisches Element gezeigt, das in das Wellenfrontwiederherstellungselement 18 in dieser Ausführungsform integriert ist. In einer anderen Ausführungsform kann das Element 18 in eine andere Art von optischem Element integriert werden, etwa einen Filter, Schutzglas, ein Prisma, usw., das die Objektivlinse 14 bildet.
Außerdem zeigt diese Ausführungsform ein Beispiel, in der das wellenfrontstörende Element 10 angewendet wird, das auf einer Seite positioniert ist, die näher an der Lichtquelle 6 liegt als eines der Zwischenbilder II, und das von den Linsen getrennt ist. In einer weiteren Ausführungsform kann ein wellenfrontstörendes Element 10 verwendet werden, das in eine Linse integriert ist, die auf einer Seite positioniert ist, die in Bezug auf eines der Zwischenbilder II näher an der Lichtquelle 6 liegt.
Auch können die Oberflächen 15, 20 des wellenfrontstörenden Elements 10 und des Wellenfrontwiederherstellungselements 18 so angeordnet sein, dass sie der Lichtquelle 6 oder dem Beobachtungsgegenstand A gegenüberliegen.
Außerdem ist als ein Beispiel die Beobachtungsvorrichtung 1 dieser Ausführungsform das Laser-Scanning-Mikroskop mit Mehrphotonenanregung. In einer andern Ausführungsform kann die zuvor erwähnte Konfiguration auf ein Laser-Scanning-Konfokalmikroskop angewendet werden.
Wenn diese Konfiguration verwendet wird, kann die Photonendichte in einem sehr kleinen Bereich erhöht werden, und dann Fluoreszenz generiert werden, da der sehr kleine Punkt am Beobachtungsgegenstand A als das Endbild IF erzeugt wird, das deutlich gemacht wird, und
Es wird möglich, ein helles konfokales Bild zu erzielen, indem die Fluoreszenz erhöht wird, die durch das konfokale Pinhole tritt.
Außerdem kann im Konfokalmikroskop auch Licht festgestellt werden, das am Beobachtungsgegenstand A reflektiert oder gestreut wird, anstatt Fluoreszenz festzustellen, die durch das konfokale Pinhole tritt.
Als nächstes wird unten eine Beobachtungsvorrichtung 30 unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
In der Erläuterung dieser Ausführungsform werden die Komponenten, die die gleichen wie die der ersten Ausführungsform sind, mit den gleichen Bezugssymbolen gekennzeichnet, und auf die Erläuterungen für diese Komponenten wird verzichtet.
Wie in 13 gezeigt unterscheidet sich die Beobachtungsvorrichtung 30 gemäß dieser Ausführungsform von der Beobachtungsvorrichtung 1 der ersten Ausführungsform in dem Punkt, dass die Vorrichtung 30 keinen z-Scanning-Abschnitt 8 und keine Galvanometerspiegel 16 und 17 aufweist.
Die Beobachtungsvorrichtung 30 ist ein starres Endoskop.
Die Beobachtungsvorrichtung 30 weist eine Objektivlinse 14, Relais-Linsenpaare 31, 32, 33, und ein Okular 34 auf, die vom Beobachtungsgegenstand O aus in dieser Reihenfolge angeordnet sind. In dieser Ausführungsform werden Zwischenbilder II an vier Positionen zwischen den jeweiligen Elementen Objektivlinse 14, Relais-Linsenpaare 31, 32 und 33 und Okular 34 erzeugt.
Die Objektivlinse 14 weist mehrere Linsen 14a, die das Zwischenbild II erzeugen, und ein wellenfrontstörendes Element 10 auf, das in mindestens eine der Linsen 14a integriert ist, die in der Nähe der Pupillenposition der Objektivlinse 14 angeordnet ist.
Das Relais-Paar 31 weist eine Abbildungslinse 31b und zwei Feldlinsen 31a, 31c auf, die so angeordnet sind, dass sie die Abbildungslinse 31b in Richtung der optischen Achse S umgeben. Das Relais-Linsenpaar 32 weist eine Abbildungslinse 32b und zwei Feldlinsen 32a und 32c auf. Das Relais-Linsenpaar 33 weist eine Abbildungslinse 33b und zwei Feldlinsen 33a, 33c auf.
Das Okular 34 weist eine Konvexlinse 34a und ein Wellenfrontwiederherstellungselement 18 auf, das in die Konvexlinse 34a integriert ist.
Als Form der Oberfläche 15 des wellenfrontstörenden Elements 10 und Form der Oberfläche 20 der Wellenfrontwiederherstellungselements 18 können beliebige Formen der ersten Ausführungsform und deren abgewandelten Beispiele verwendet werden.
Die Arbeitsweise der so konfigurierten Beobachtungsvorrichtung 30 gemäß dieser Ausführungsform wird unten beschrieben.
Vom Beobachtungsgegenstand O abgegebenes Licht wird von der Objektivlinse 14 fokussiert, und eine räumliche Störung wird auf die Wellenfront angewendet, indem es durch das wellenfrontstörende Element 10 tritt. Dann wird das Licht dazu veranlasst, durch die Relais-Linsenpaare 31, 32 und 33 zu treten und undeutliche Zwischenbilder II zu erzeugen. Außerdem wird das Licht dazu veranlasst durch das Okular 34 zu treten, und somit wird die räumliche Störung der Wellenfront, die vom wellenfrontstörenden Element 10 angewendet wird, durch Hindurchtreten durch das Wellenfrontwiederherstellungselement 18 aufgehoben. Somit wird auf der Netzhaut (nicht gezeigt) eines Auges E ein deutliches Endbild IF beobachtet.
Somit kann eine Verschlechterung des Endbilds IF aufgrund von Kratzern, Fremdkörpern oder Fehlern verhindert werden, selbst wenn Kratzer, Fremdkörper oder Fehler in der Nähe der Zwischenbildern II, wie den Oberflächen oder dem Inneren der Feldlinsen 31a, 31c, 32a, 32c, 33a, 33c auftreten, da die Zwischenbilder II undeutlich gemacht werden.
In diesem Fall kann mit der Beobachtungsvorrichtung 30 gemäß dieser Ausführungsform das wellenfrontstörende Element 10 an einer willkürlichen Oberfläche eines willkürlichen optischen Elements angeordnet werden, was ein Vorteil ist, da eine der Linsen 14a, die die Objektivlinse 14 bilden in das wellenfrontstörende Element 10 integriert ist, selbst wenn im Inneren und im Umfeld der Objektivlinse 14 sehr wenig Platz vorhanden ist, unabhängig davon, ob sich der Platz nahe an der Pupillenposition oder weit von der Pupillenposition entfernt befindet, und unabhängig davon, ob die Objektivlinse 14 wie die meisten Endoskop-Objektivlinsen sehr klein ist oder nicht.
Es ist anzumerken, dass das wellenfrontstörende Element 10 nicht so angeordnet sein muss, dass es mit der Pupillenoberfläche der Objektivlinse 14 übereinstimmt, und es ausreicht, das wellenfrontstörende Element 10 in der Nähe der Pupillenoberfläche zu positionieren, da die Galvanometerspiegel 16, 17, die in der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform beschrieben werden, nicht verwendet werden, mit anderen Worten, da in dieser Ausführungsform kein Scanner verwendet wird. Es ist auch nicht notwendig das Wellenfrontwiederherstellungselement 18 in Übereinstimmung mit der Pupillenoberfläche eines Auges E zu positionieren, und es reicht aus, dass das Wellenfrontwiederherstellungselement 18 in der Nähe der Pupillenoberfläche positioniert ist. Außerdem reicht es aus, dass das wellenfrontstörende Element 10 und das Wellenfrontwiederherstellungselement 18 an Positionen angeordnet sind, die miteinander konjugiert sind.
Bezugszeichenliste

1, 30: Beobachtungsvorrichtung
2: Beleuchtungsvorrichtung
3: abbildendes optisches System
5: Photodetektor
6: Ultrakurzpuls-Laserlichtquelle (Lichtquelle)
10: wellenfrontstörendes Element (erstes phasenmodulierendes Element)
11, 12, 13: Relais-Linsenpaar (Abbildungslinse)
14: Objektivlinse (Abbildungslinse)
18: Wellenfrontwiederherstellungselement (zweites phasenmodulierendes Element)
31, 32, 33: Relais-Linsenpaar (Abbildungslinse und Feldlinse)
34: Okular

Claims

Abbildendes optisches System, das umfasst: eine Mehrzahl von Abbildungslinsen, die ein Endbild und mindestens ein Zwischenbild erzeugen; ein erstes phasenmodulierendes Element, das näher an einem Gegenstand angeordnet ist als eines der Zwischenbilder, die von den Abbildungslinsen erzeugt werden, und das eine räumliche Störung auf eine Wellenfront von Licht anwendet, das von dem Gegenstand kommt; und ein zweites phasenmodulierendes Element, das in mindestens ein optisches Element integriert ist, das die Abbildungslinse bildet, und das in der Nähe einer Pupillenposition der Abbildungslinse positioniert ist, sodass mindestens eines der Zwischenbilder zwischen dem mindestens einen optischen Element und dem ersten phasenmodulierenden Element angeordnet ist, wobei das zweite phasenmodulierende Element die räumliche Störung aufhebt, die von dem ersten phasenmodulierenden Element auf die Wellenfront des Lichts angewendet wird, das von dem Gegenstand kommt.
Abbildendes optisches System nach Anspruch 1, wobei das erste phasenmodulierende Element und das zweite phasenmodulierende Element Phasenmodulationen anwenden, die sich in einer eindimensionalen Richtung orthogonal zu einer optischen Achse ändern.
Abbildendes optisches System nach Anspruch 1, wobei das erste phasenmodulierende Element und das zweite phasenmodulierende Element Phasenmodulationen anwenden, die sich in einer zweidimensionalen Richtung orthogonal zu einer optischen Achse ändern.
Abbildendes optisches System nach Anspruch 1 oder 2, wobei das erste phasenmodulierend Element und das zweite phasenmodulierende Element Zylinderlinsen sind.
Abbildendes optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das erste phasenmodulierende Element und das zweite phasenmodulierende Element sich gegenseitig ergänzende Formen aufweisen.
Beleuchtungsvorrichtung, die umfasst: ein abbildendes optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 5; und eine Lichtquelle, die an einer Position angeordnet ist, die näher an einem Gegenstand liegt, als das abbildende optische System, und die Licht generiert, das zur Abstrahlung in das abbildende optische System vorgesehen ist.
Beobachtungsvorrichtung, die umfasst: eine Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 6; und einen Photodetektor, der Licht von dem Beobachtungsgegenstand erfasst, welcher von der Beleuchtungsvorrichtung bestrahlt wird.
Beobachtungsvorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Lichtquelle eine Pulslaserlichtquelle ist.