DE112015002953T5

DE112015002953T5 - Beobachtungsvorrichtung und Verfahren zur Schärfung eines Endbilds

Info

Publication number: DE112015002953T5
Application number: DE112015002953.2T
Authority: DE
Inventors: Hiroya Fukuyama
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2014-07-25
Filing date: 2015-07-23
Publication date: 2017-03-09
Also published as: WO2016013614A1; US20170131210A1; JP6265858B2; JP2016031390A; US10168283B2

Abstract

Erzielen eines scharfen Endbilds, indem verhindert wird, dass ein Fehler oder dergleichen auf einem optischen Element in ein Zwischenbild eingeblendet wird, selbst wenn das Zwischenbild an einer Position erzeugt wird, die mit dem optischen Element überlappt. Eine Beobachtungsvorrichtung (1) der vorliegenden Erfindung umfasst: ein bilderzeugendes optisches System (3), das bilderzeugende Linsen (11, 12, 15) aufweist, die ein Endbild (IF) und mindestens ein Zwischenbild (II) erzeugen, einen ersten Phasenmodulator (10), der eine räumliche Störung auf die Wellenfront von Licht anwendet, und einen zweiten Phasenmodulator (14), der die räumliche Störung aufhebt; eine Lichtquelle (6); einen xy-Scanning-Abschnitt (13), der einen ersten und einen zweiten Scanner (13a, 13b) umfasst; und einen Photodetektor. Die beiden Phasenmodulatoren (10, 14) sind an Positionen angeordnet, die optisch mit dem ersten Scanner (13a) konjugiert sind, und weisen eine eindimensionale Phasenverteilungseigenschaft auf, die sich in der Abtastrichtung des Beleuchtungslichts ändert.

Description

{Technisches Gebiet}
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beobachtungsvorrichtung und ein Verfahren zur Schärfung eines Endbilds.
{Stand der Technik}
Ein Verfahren zum Bewegen einer Fokuslage in einer parallel zu einer optischen Achse verlaufenden Richtung, durch Einstellen der Strahlenganglänge an der Zwischenbildposition ist bekannt (siehe beispielsweise PTL 1).
{Liste der Bezugsverweise}
{Patentliteratur}

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

{Kurzdarstellung der Erfindung}
{Technisches Problem}
Das Verfahren in PTL 1 ist dadurch problematisch, dass wegen der Anordnung eines Planspiegels auf der Zwischenbildebene ein Fehler oder Fremdkörper auf der Oberfläche des Planspiegels einem Bild überlagert wird. Wenn das Verfahren in einer Mikroskopoptik eingesetzt wird, ist außerdem, da die Mikroskopoptik ein vergrößerndes optisches System ist, die Längsvergrößerung gleich dem Quadrat der Seitenvergrößerung, und somit bewegt selbst eine kleine Bewegung der Fokuslage im Beobachtungsziel das Zwischenbild in Richtung deren optischer Achse signifikant in der parallel zur optischen Achse verlaufenden Richtung. Infolgedessen wird, ähnlich wie oben beschrieben, ein Fehler oder Fremdkörper auf der Oberfläche der Linse oder ein Fehler oder dergleichen in der Linse dem Bild überlagert, wenn das bewegte Zwischenbild mit einer Linse überlappt, die sich vor oder hinter diesem befindet.
Die vorliegende Erfindung wurde mit Hinblick auf die oben beschriebenen Umstände gemacht und stellt eine Beobachtungsvorrichtung bereit, die ermöglicht, dass ein scharfes Endbild erzielt wird, indem sie verhindert, dass ein Fehler, Fremdkörper, Defekt oder dergleichen auf dem optischen Element dem Zwischenbild überlagert wird, selbst wenn ein Zwischenbild an einer Position erzeugt wird, die mit einem optischen Element überlappt, und stellt ein Verfahren zur Schärfung eines Endbilds bereit.
{Problemlösung}
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Beobachtungsvorrichtung, die umfasst: ein bilderzeugendes optisches System, das eine Mehrzahl von bilderzeugenden Linsen umfasst, die ein Endbild und mindestens ein Zwischenbild erzeugen; einen ersten Phasenmodulator, der auf einer Seite eines Gegenstands von einem der Zwischenbilder angeordnet ist, die von den bilderzeugenden Linsen erzeugt werden, und der eine räumliche Störung auf eine Wellenfront von Licht anwendet, das von einem Gegenstand kommt, und einen zweiten Phasenmodulator, der an einer Position angeordnet ist, die mindestens ein Zwischenbild zwischen dem zweiten Phasenmodulator und dem ersten Phasenmodulator aufweist, und die räumliche Störung aufhebt, die von dem ersten Phasenmodulator auf die Wellenfront des Lichts angewendet wird, das von dem Gegenstand kommt; eine Lichtquelle, die auf der Seite des Gegenstands des bilderzeugenden optischen Systems angeordnet ist, und Beleuchtungslicht generiert, das auf das bilderzeugende optische System fällt; einen ersten Scanner und einen zweiten Scanner, die in Richtung der optischen Achse mit einem Abstand voneinander angeordnet sind und das von der Lichtquelle kommende Beleuchtungslicht abtasten; und einen Photodetektor, der von einem Beobachtungsziel abgegebenes Licht erfasst, das an einer Endbildposition des bilderzeugenden optischen Systems angeordnet ist. Der erste Phasenmodulator und der zweite Phasenmodulator sind an Positionen angeordnet, die optisch mit dem ersten Scanner konjugiert sind, der auf der Seite der Lichtquelle angeordnet ist, und weisen eine eindimensionale Phasenverteilungseigenschaft auf, die sich in der Richtung ändert, die gleich der Richtung ist, in die das Beleuchtungslicht vom ersten Scanner abgetastet wird.
In diesem Aspekt wird das Beleuchtungslicht von den bilderzeugenden Linsen fokussiert und erzeugt ein Endbild, wenn das von der Lichtquelle abgegebene Beleuchtungslicht von der Seite des Gegenstands aus in die bilderzeugenden Linsen tritt. Wenn das Beleuchtungslicht durch den ersten Phasenmodulator tritt, der auf der Seite des Gegenstands eines der Zwischenbilder angeordnet ist, wird während dieses Vorgangs eine räumliche Störung auf die Wellenfront des Beleuchtungslichts angewendet, die das Zwischenbild verschwommen und unscharf macht. Außerdem wird, wenn das Beleuchtungslicht nach dem Erzeugen des Zwischenbilds durch den zweiten Phasenmodulator tritt, die räumliche Wellenfrontstörung aufgehoben, die vom ersten Phasenmodulator angewendet wird. So kann beim Erzeugen des Endbilds ein scharfes Bild erzielt werden, das ausgangsseitig des zweiten Phasenmodulators erscheint.
Insbesondere kann dadurch, dass das Zwischenbild unscharf und verschwommen gemacht wird, verhindert werden, dass ein Fehler, Fremdkörper, Defekt oder dergleichen dem Zwischenbild überlagert und schließlich als Teil des Endbilds erzeugt wird, selbst wenn sich das Zwischenbild nahe an einem optischen Element befindet, das einen Fehler, Fremdkörper, Defekt oder dergleichen auf der Oberfläche oder in seinem Inneren aufweist.
Durch zweidimensionales Abtasten des von der Lichtquelle kommenden Beleuchtungslichts mit dem ersten Scanner und dem zweiten Scanner kann das Endbild, das auf dem Beobachtungsziel erzeugt wird, zweidimensional abgetastet werden. In diesem Fall bewegt sich der Beleuchtungslichtstrahl in eindimensionaler linearer Richtung, wenn der erste Scanner betätigt wird. Da der erste Scanner und der zweite Phasenmodulator jedoch an Positionen angeordnet sind, die optisch miteinander konjugiert sind, ändert sich die Position des Strahls, der durch den zweiten Phasenmodulator tritt, nicht.
Andererseits ist der zweite Scanner, der in Richtung der optischen Achse mit einem Abstand vom ersten Scanner angeordnet ist, nicht an einer Position angeordnet, die mit dem zweiten Phasenmodulator konjugiert ist. Daher bewegt sich der Beleuchtungslichtstrahl, wenn der zweite Scanner betätigt wird, so, dass die Durchtrittposition im zweiten Phasenmodulator geändert wird. Da die Richtung, in die sich die phasenverteilende Eigenschaft des zweiten Phasenmodulators ändert, gleich der Richtung ist, in die das Beleuchtungslicht vom ersten Scanner abgetastet wird, ändert sich die Phasenverteilungseigenschaft in der dazu senkrechten Richtung, das heißt, der Abtastrichtung des Beleuchtungslichts mit dem zweiten Scanner, nicht. Somit ändert sich die Phasenmodulation, die auf das Beleuchtungslicht angewendet wird nicht, selbst wenn sich die Durchtrittposition des Beleuchtungslichtstrahls ändert.
Dementsprechend ist es in diesem Aspekt unabhängig davon, ob der ersten Scanner oder der zweite Scanner betätigt wird, wobei diese in Richtung der optischen Achse mit einem Abstand voneinander angeordnet sind, möglich, die Phasenmodulation nicht durch den zweiten Phasenmodulator zu ändern und einen konstanten Zustand zu erzielen, ohne vom Abtastzustand des Beleuchtungslichts beeinflusst zu werden, und es ist möglich, die vom ersten Phasenmodulator angewendete räumliche Wellenfrontstörung vollständig aufzuheben.
Im oben beschriebenen Aspekt können der erste Phasenmodulator und der zweite Phasenmodulator linsenförmige Elemente sein.
Im oben beschriebenen Aspekt können der erste Phasenmodulator und der zweite Phasenmodulator Prismenanordnungen sein.
Im oben beschriebenen Aspekt können der erste Phasenmodulator und der zweite Phasenmodulator Beugungsgitter sein.
Im oben beschriebenen Aspekt können der erste Phasenmodulator und der zweite Phasenmodulator Zylinderlinsen sein.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Schärfung eines Endbilds in einer Beobachtungsvorrichtung, die Folgendes umfasst: ein bilderzeugendes optisches System, das mehrere bilderzeugende Linsen umfasst, die ein Endbild und mindestens ein Zwischenbild erzeugen; eine Lichtquelle, die auf einer Seite eines Gegenstands des bilderzeugenden optischen Systems angeordnet ist und Beleuchtungslicht generiert, das auf das bilderzeugende optische System auffällt; einen ersten Scanner und einen zweiten Scanner, die in Richtung der optischen Achse mit einem Abstand voneinander angeordnet sind und das von der Lichtquelle kommende Beleuchtungslicht abtasten; und einen Photodetektor, der von einem Beobachtungsziel abgegebenes Licht erfasst, das an einer Endbildposition des bilderzeugenden optischen Systems angeordnet ist. Ein erster Phasenmodulator, der eine räumliche Störung auf eine Wellenfront des Beleuchtungslichts anwendet, das von der Lichtquelle kommt, ist an einer Position angeordnet, die auf der Seite des Gegenstands von einem der Zwischenbilder angeordnet ist, die von den bilderzeugenden Linsen erzeugt werden, und die optisch mit dem ersten Scanner konjugiert ist, und ein zweiter Phasenmodulator, der eine eindimensionale Phasenverteilungseigenschaft aufweist, die sich in der Richtung ändert, die gleich der Richtung ist, in die das Beleuchtungslicht von dem ersten Scanner abgetastet wird, und der die räumliche Störung aufhebt, die vom ersten Phasenmodulator auf die Wellenfront des von dem Gegenstand kommenden Lichts angewendet wird, ist an einer Position angeordnet, die mindestens ein Zwischenbild zwischen dem zweiten Phasenmodulator und dem ersten Phasenmodulator aufweist, und die mit dem ersten Scanner optisch konjugiert ist.
{Vorteilhafte Auswirkungen der Erfindung}
Die vorliegende Erfindung stellt dadurch einen Vorteil bereit, dass ein scharfes Endbild erzielt werden kann, indem verhindert wird, dass ein Fehler, Fremdkörper, Defekt oder dergleichen auf einem optischen Element einem Zwischenbild überlagert wird, selbst wenn das Zwischenbild an einer Position erzeugt wird, die mit dem optischen Element überlappt.
{Kurze Beschreibung der Zeichnungen}
1 ist eine schematische Sicht, die eine Beobachtungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine Draufsicht, die eine Beleuchtungsvorrichtung in 1 zeigt.
3 ist eine Seitenansicht, die die in 1 gezeigte Beleuchtungsvorrichtung zeigt.
4 ist eine Querschnittsansicht, die die Durchtrittposition eines Strahls in einer Abtastbewegung des Wellenfrontwiederherstellungselements in 1 zeigt,
5 ist eine Querschnittsansicht, die die Durchtrittposition des Strahls in einer Abtastbewegung bei einer Pupillenposition der Objektivlinse in 1 zeigt.
6 ist eine vergrößerte schematische Ansicht, die einen Abschnitt einer Beleuchtungsvorrichtung gemäß einem Beispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
{Beschreibung der Ausführungsformen}
Eine Beobachtungsvorrichtung 1 und ein Verfahren zur Schärfung eines Endbilds gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unten mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
Die Beobachtungsvorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform ist beispielsweise ein Mikroskop mit Mehrphotonenanregung.
Wie in 1 gezeigt, umfasst die Beobachtungsvorrichtung 1 eine Beleuchtungsvorrichtung 2, die ein Beobachtungsziel A mit Ultrakurzpuls-Laserlicht (nachstehend einfach als Laserlicht (Beleuchtungslicht) bezeichnet) bestrahlt, eine Detektoroptik 4, die Fluoreszenz, die in dem Beobachtungsziel A durch Bestrahlen mit dem Laserlicht durch die Beleuchtungsvorrichtung 2 generiert wird, zu einem Photodetektor 5 führt, und den Photodetektor 5, der die von der Detektoroptik 4 dorthin geführte Fluoreszenz feststellt.
Die Beleuchtungsvorrichtung 2 umfasst eine Lichtquelle 6, die Laserlicht generiert und ein bilderzeugendes optisches System 3, das das Beobachtungsziel A mit von der Lichtquelle 6 kommendem Laserlicht bestrahlt.
Das bilderzeugende optische System 3 umfasst einen Strahlaufweiter 7, der den Strahldurchmesser des Laserlichts vergrößert, das von der Lichtquelle 6 kommt, einen z-Scanning-Abschnitt 8, der ein Zwischenbild erzeugt, indem das Laserlicht fokussiert wird, das durch den Strahlaufweiter 7 tritt, und die bilderzeugende Position in die Richtung bewegt, die parallel zur optischen Achse S verläuft, und eine Kollimatorlinse 9, die das Laserlicht, nachdem es durch den z-Scanning-Abschnitt 8 getreten ist und das Zwischenbild erzeugt hat, in im Wesentlichen kollimiertes Licht umwandelt.
Das bilderzeugende optische System 3 umfasst auch ein wellenfrontstörendes Element (erster Phasenmodulator) 10, das an einer Position angeordnet ist, durch die das Laserlicht tritt, das durch die Kollimatorlinse 9 in im Wesentlichen kollimiertes Licht umgewandelt wurde, mehrere Relais-Linsenpaare (bilderzeugende Linsen) 11 und 12, die das vom z-Scanning-Abschnitt 8 erzeugte Zwischenbild weiterleiten, einen xy-Scanning-Abschnitt 13, der zwischen den Relais-Linsenpaaren 11 und 12 angeordnet ist und einen Galvanometerspiegel (ersten Scanner) 13a auf der Seite der Lichtquelle 6 und einen Galvanometerspiegel (zweiten Scanner) 13b auf der Seite des Beobachtungsziels A umfasst, ein Wellenfrontwiederherstellungselement (zweiten Phasenmodulator) 14, das an einer Position angeordnet ist, durch die das Laserlicht tritt, das durch Hindurchtreten durch die Relais-Linsenpaare 11 und 12 in im Wesentlichen kollimiertes Licht umgewandelt wurde, und eine Objektivlinse (bilderzeugend Linse) 15, die das Laserlicht nach dem Hindurchtreten durch das Wellenfrontwiederherstellungselement 14 fokussiert, das Beobachtungsziel A mit dem Laserlicht bestrahlt, und Fluoreszenz sammelt, die an einem Laserlicht-Brennpunkt (Endbild IF) im Beobachtungsziel A generiert wird.
Der z-Scanning-Abschnitt 8 umfasst einer Lichtfokussierungslinse 8a, die das Laserlicht fokussiert, dessen Strahlendurchmesser vom Strahlaufweiter 7 vergrößert wurde; und einen Antrieb 8b, der die Lichtfokussierungslinse 8a in der parallel zur optischen Achse S verlaufenden Richtung bewegt. Durch Bewegen der Lichtfokussierungslinse 8a in der parallel zur optischen Achse S verlaufenden Richtung mit dem Antrieb 8b kann die bilderzeugende Position in der parallel zur optischen Achse S verlaufenden Richtung bewegt werden.
Das wellenfrontstörende Element 10 ist ein linsenförmiges Element, das sich aus einem optisch durchsichtigen Material zusammensetzt, das Licht übertragen kann. Wenn Laserlicht durch es hindurchtritt, wendet das wellenfrontstörende Element 10 auf die Wellenfront des Laserlichts eine Phasenmodulation an, die sich in einer eindimensionalen Richtung senkrecht zur optischen Achse S gemäß der Form der Oberfläche 16 ändert. In dieser Ausführungsform, wird die notwendige Wellenfrontstörung angewendet, indem das von der Lichtquelle 6 kommende Laserlicht dazu veranlasst wird, einmal durch das wellenfrontstörende Element 10 zu treten.
Das Relais-Linsenpaar 11 ist so konfiguriert, dass es das von der Kollimatorlinse 9 in im Wesentlichen kollimiertes Licht umgewandelte Laserlicht mit einer Linse 11a fokussiert, ein Zwischenbild II erzeugt, und dann das divergierende Laserlicht mit der anderen Linse 11b wieder so fokussiert, dass das Laserlicht wieder in im Wesentlichen kollimiertes Licht umgewandelt wird. In dieser Ausführungsform sind die beiden Relais-Linsenpaare 11 und 12 mit einem Abstand voneinander angeordnet, wobei der xy-Scanning-Abschnitt 13 in der parallel zur optischen Achse S verlaufenden Richtung zwischen diesen angeordnet ist.
Die Galvanometerspiegel 13a und 13b sind so vorgesehen, dass sie um Achsen schwingen können, die senkrecht zur optischen Achse S verlaufen, und zueinander schief sind. Indem diese Galvanometerspiegel 13a und 13b zum Schwingen gebracht werden, kann der Neigungswinkel des Laserlichts in zweidimensionale Richtungen senkrecht zu der optischen Achse S geändert werden, und somit kann die Position des Endbilds IF, das von der Objektivlinse 15 erzeugt wird, in zweidimensionalen Richtungen abgetastet werden, die die optische Achse S schneiden.
Das Wellenfrontwiederherstellungselement 14 ist ein linsenförmiges Element, das sich aus einem optisch durchsichtigen Material zusammensetzt, das Licht übertragen kann, und eine Phasenverteilungseigenschaft aufweist, die der des wellenfrontstörenden Elements 10 entgegengesetzt ist. Wenn Laserlicht durch es hindurchtritt, wendet das Wellenfrontwiederherstellungselement 14 auf die Wellenfront des Laserlichts eine Phasenmodulation an, die sich nur in einer eindimensionalen Richtung senkrecht zur optischen Achse S gemäß der Form der Oberfläche 17 ändert, wodurch die von dem wellenfrontstörenden Element 10 ausgeübte Wellenfrontstörung aufgehoben wird.
In dieser Ausführungsform sind die beiden Galvanometerspiegel 13a und 13b in der parallel zur optischen Achse S verlaufenden Richtung mit einem Abstand voneinander angeordnet, und sind so angeordnet, dass zwischen ihnen eine Zwischenposition 13c an einer Position angeordnet ist, die im Wesentlichen mit einer Pupillenposition POB der Objektivlinse 15 optisch konjugiert ist.
Außerdem ist der Galvanometerspiegel 13a auf der Seite der Lichtquelle 6 an einer Position angeordnet, die mit dem wellenfrontstörenden Element 10 und dem Wellenfrontwiederherstellungselement 14 optisch konjugiert ist. Mit dieser Konfiguration schneidet, selbst wenn der Galvanometerspiegel 13a auf der Seite der Lichtquelle 6 zum Schwingen gebracht wird, wodurch ein Neigungswinkel auf das Laserlicht angewendet wird, ein Mittelstrahl Ra des Laserlichtstrahls P die Achse S auf der Oberfläche 17 des Wellenfrontwiederherstellungselements 14, wie in 2 gezeigt. Insbesondere wird der Laserlichtstrahl P dazu veranlasst, durch den gleichen Bereich zu treten, ohne die Durchtrittposition im Wellenfrontwiederherstellungselement 14 zu ändern.
Der Galvanometerspiegel 13a ist so angeordnet, dass dessen Schwingungsrichtung (Richtung des Pfeils X in 2) gleich der Richtung ist, in der sich die Phasenverteilungseigenschaft des Wellenfrontwiederherstellungselement 14 ändert. Da der Laserlichtstrahl P, wie oben beschrieben, unabhängig von der Schwingung des Galvanometerspiegels 13a durch den gleichen Bereich des Wellenfrontwiederherstellungselements 14 tritt, selbst wenn der Galvanometerspiegel 13a schwingt, muss die auf das Laserlicht angewendete Phasenmodulation nicht geändert werden.
Andererseits ist der Galvanometerspiegel 13b auf der Seite des Beobachtungsziels A an einer Position angeordnet, die mit dem Wellenfrontwiederherstellungselement 14 optisch nicht konjugiert ist. Wenn mit dieser Konfiguration der Galvanometerspiegel 13b auf der Seite des Beobachtungsziels A zum Schwingen gebracht wird, wobei ein Neigungswinkel auf das Laserlicht angewendet wird, bewegt sich der Mittelstrahl Rb des Laserlichtstrahls P von der optischen Achse S auf der Oberfläche des Wellenfrontwiederherstellungselements 14 weg, wie in 3 gezeigt. Der Galvanometerspiegel 13b ist so angeordnet, dass dessen Schwingungsrichtung (Richtung des Pfeils Y in 3) gleich der Richtung ist, die senkrecht zu der Richtung verläuft, in der sich die Phasenverteilungseigenschaft des Wellenfrontwiederherstellungselement 14 ändert (in der Richtung, in der sich die Phasenverteilungseigenschaft nicht ändert). Wenn mit dieser Konfiguration der Galvanometerspiegel 13b auf der Seite des Beobachtungsziels A zum Schwingen gebracht wird, und der Neigungswinkel, der dieser Schwingung entspricht, auf das Laserlicht angewendet wird, das vom Galvanometerspiegel 13a auf der Seite der Lichtquelle 6 kommt, wie in 4 gezeigt, bewegt sich die Durchtrittposition des Laserlichtstrahls P im Wellenfrontwiederherstellungselement 14 in die Richtung, in die sich die Phasenverteilungseigenschaft des Wellenfrontwiederherstellungselements 14 nicht ändert.
Es ist anzumerken, dass, wie oben beschrieben, die Schwingungen der Galvanometerspiegel 13a und 13b den Laserlichtstrahl P an der Pupillenposition POB der Objektivlinse 15 in zweidimensionale Richtungen (Pfeil X und Pfeil Y) bewegen, wie in 5 gezeigt, da die Galvanometerspiegel 13a und 13b beide an Positionen angeordnet sind, die nicht mit der Pupillenposition POB der Objektivlinse 15 konjugiert sind. Dessen Bewegungsbereich ist jedoch auf Bewegungen innerhalb eines sehr kleinen Bereichs beschränkt, in dem er hindurchtreten kann, ohne von einer Öffnung 18a einer Aperturblende 18 vignettiert zu werden, die an der Pupillenposition POB der Objektivlinse 15 angeordnet ist.
Die Detektoroptik 4 umfasst einen dichroitischen Spiegel 19, der die Fluoreszenz abspaltet, die von der Objektivlinse 15 aus dem Strahlengang des Laserlichts gesammelt wird, und zwei Lichtfokussierungslinsen 4a und 4b, die die Fluoreszenz fokussieren, die vom dichroitischen Spiegel 19 abgespaltet wird.
Der Photodetektor 5 ist beispielsweise eine Photomultiplierröhre und stellt die Intensität der Auflicht-Fluoreszenz fest.
Die Arbeitsweise der so konfigurierten Beobachtungsvorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform wird unten beschrieben.
Wenn ein Beobachtungsziel A mittels der Beobachtungsvorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform beobachtet werden soll, wird das Laserlicht, das von der Lichtquelle 6 abgegeben wird, mittels des bilderzeugenden optischen Systems 3 auf das Beobachtungsziel A gestrahlt. Zuerst wird der Strahlendurchmesser des Laserlichts vom Strahlaufweiter 7 vergrößert, dann wird das Laserlicht dazu veranlasst, durch den z-Scanning-Abschnitt 8, die Kollimatorlinse 9 und das wellenfrontstörende Element 10 zu treten.
Das Laserlicht wird von der Lichtfokussierungslinse 8a des z-Scanning-Abschnitts 8 fokussiert, und die Lichtfokussierungsposition kann in parallel zur optischen Achse S verlaufender Richtung 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 beiden Relais-Linsenpaare 11 und 12 und den xy-Scanning-Abschnitt 13 zu treten, wobei es ein Zwischenbild II erzeugt und der Neigungswinkel des Strahls P geändert wird, und tritt dann durch den dichroitischen Spiegel 19. Dann tritt das Laserlicht, nachdem es durch den dichroitischen Spiegel 19 getreten ist, durch das Wellenfrontwiederherstellungselement 14, wo die von dem wellenfrontstörenden Element 10 angewendete Störung aufgehoben wird, und wird dann von den Objektivlinsen 15 fokussiert und erzeugt ein Endbild IF auf dem Beobachtungsziel A.
Die Fokuslage des Laserlichts, die die Position des vom bilderzeugenden optischen System 3 erzeugten Endbilds IF ist, kann in der parallel zur optischen Achse S verlaufenden Richtung bewegt werden, indem die Lichtfokussierungslinse 8a durch Betätigen des Antriebs 8b bewegt wird. Dadurch kann die Beobachtungstiefe des Beobachtungsziels A eingestellt werden. Außerdem kann dadurch, dass die Galvanometerspiegel 13a und 13b zum Schwingen gebracht werden, die Laserlicht-Fokuslage im Beobachtungsziel A zweidimensional in senkrecht zu der optischen Achse S verlaufenden Richtungen abgetastet werden.
Bezüglich des Laserlichts, auf das die räumliche Wellenfrontstörung vom wellenfrontstörenden Element 10 angewendet wird, wird, selbst nachdem mehrere Zwischenbilder II von dem Relais-Linsenpaar 11 und 12 erzeugt wurden, ein Strahl P in eine große Anzahl kleinerer Strahlen aufgeteilt, und aufgrund der Wirkung des linsenförmigen Elements, das heißt einer Zylinderlinsenanordnung, die das wellenfrontstörende Element 10 ausmacht, mit einem Astigmatismus versehen. Infolgedessen wird ein Punktbild, das ursprünglich eines ist, unscharf gemacht und als eine Anhäufung einer großen Zahl kreisförmiger Bilder, elliptischer Bilder oder linearer Bilder erzeugt, die auf einer geraden Linie angeordnet sind. Da die räumliche Wellenfrontstörung, die von dem wellenfrontstörenden Element 10 angewendet wird, von dem Laserlicht aufgehoben wird, das durch das Wellenfrontwiederherstellungselement 14 tritt, kann beim Erzeugen des Endbilds IF, das ausgangsseitig des Wellenfrontwiederherstellungselements 14 erscheint, ein scharfes Bild erzielt werden.
Insbesondere kann infolgedessen, dass das Zwischenbild II unscharf und verschwommen gemacht wird, verhindert werden, dass ein Fehler, Fremdkörper, Defekt oder dergleichen dem Zwischenbild II überlagert wird und somit das Endbild IF, das auf dem Beobachtungsziel A erzeugt wird, unscharf macht, selbst wenn das Zwischenbild II nahe an einem optischen Element angeordnet ist, das einen Fehler, Fremdkörper, Defekt oder dergleichen auf der Oberfläche oder in seinem Inneren aufweist. Infolgedessen kann ein extrem kleines Punktbild als Endbild IF erzeugt werden.
Obwohl sich der Laserlichtstrahl P aufgrund der Schwingung des Galvanometerspiegels 13a auf der Seite der Lichtquelle 6 in einer eindimensionalen linearen Richtung bewegt, tritt in diesem Fall der Strahl P im Wellenfrontwiederherstellungselement 14, der an einer mit dem Galvanometerspiegel 13a optisch konjugierten Position angeordnet ist, durch den gleichen Bereich in Richtung des Pfeils X. Entsprechend muss unabhängig von der Schwingung des Galvanometerspiegels 13a die Phasenmodulation, die von dem Wellenfrontwiederherstellungselement 14 auf das Laserlicht angewendet wird, nicht geändert werden.
Andererseits wird, wenn der Galvanometerspiegel 13b auf der Seite des Beobachtungsziels A zum Schwingen gebracht wird, die Neigung des Laserlichtstrahls P durch die Schwingung des Galvanometerspiegels 13b geändert, wodurch die Durchtrittposition des Strahls P im Wellenfrontwiederherstellungselement 14 in Richtung des Pfeils Y bewegt wird. Da die Richtung des Pfeils Y gleich der Richtung ist, in der sich die Phasenverteilungseigenschaft des Wellenfrontwiederherstellungselements 14 ändert, ändert sich die anzuwendende Phasenmodulation nicht, selbst wenn der Strahl P aufgrund der Bewegung der Durchtrittposition des Strahls P in Richtung des Pfeils Y durch andere Bereiche des Wellenfrontwiederherstellungselement 14 tritt. Entsprechend muss die Phasenmodulation, die von dem Wellenfrontwiederherstellungselement 14 auf das Laserlicht angewendet wird, nicht geändert werden, selbst wenn der Galvanometerspiegel 13b schwingt.
Selbst wenn die beiden Galvanometerspiegel 13a und 13b zur Schwingung gebracht werden, um das Laserlicht in zweidimensionale Richtungen abzutasten, ist es infolgedessen möglich, mit dem Wellenfrontwiederherstellungselement 14 konstant festgelegte Phasenmodulation anzuwenden, ohne von dem Abtastzustand des Laserlichts beeinflusst zu sein, und somit die von dem wellenfrontstörenden Element 10 angewendete räumliche Wellenfrontstörung aufzuheben.
Dann kann infolgedessen, dass ein extrem kleines Punktbild auf dem Beobachtungsziel A erzeugt wird, die Photonendichte in einem extrem kleinen Bereich erhöht werden, um Fluoreszenz zu generieren, und die Fluoreszenz durch Sammeln der generierten Fluoreszenz mit der Objektivlinse 15, Abspalten dieser mit dem dichroitischer Spiegel 19 und Führen der Fluoreszenz zum Photodetektor 5 mit der Detektoroptik 4 erfasst werden.
Infolgedessen, dass die vom Photodetektor 5 festgestellte Fluoreszenzintensität im Zusammenhang mit einer dreidimensionalen Laserlicht-Abtastposition gespeichert wird, wobei eine Position in Richtung der Pfeile X und Y, die von den Galvanometerspiegeln 13a und 13b abgetastet wird, und eine Position in parallel zur optischen Achse S verlaufender Richtung verwendet wird, die vom Antrieb 8b abgetastet wird, wird ein Fluoreszenzbild des Beobachtungsziels A erzielt. Insbesondere hat die Beobachtungsvorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform den Vorteil, dass ein Fluoreszenzbild mit hoher räumlicher Auflösung erzielt werden kann, da sie bewirkt, dass Fluoreszenz in einem extrem kleinen Punktbereich an jeder Abtastposition generiert wird.
Außerdem kann in der Beobachtungsvorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform die Anzahl der Komponenten der Vorrichtung reduziert werden, da es nicht notwendig ist, ein Relais-Linsenpaar zwischen den beiden Galvanometerspiegeln 13a und 13b bereitzustellen. Außerdem kann die Größe der Vorrichtung reduziert werden, indem eine Konfiguration verwendet wird, in der die Galvanometerspiegel 13a und 13b benachbart angeordnet sind, ohne ein Relais-Linsenpaar bereitzustellen.
Es ist anzumerken, dass in dieser Ausführungsform, obwohl linsenförmige Elemente als Beispiele für das wellenfrontstörende Element 10 und das Wellenfrontwiederherstellungselement 14 gezeigt wurden, stattdessen Elemente verwendet werden können, die eindimensionale Phasenverteilungseigenschaften aufweisen. Beispielsweise können Prismenanordnungen, Beugungsgitter, Zylinderlinsen oder dergleichen verwendet werden.
Außerdem können in dieser Ausführungsform, obwohl die Galvanometerspiegel 13a und 13b als Beispiele für den ersten Scanner und den zweiten Scanner gezeigt wurden, einer oder beide durch einen Scanner eines anderen Typs ersetzt werden. Beispielsweise können ein Polygonspiegel, eine AOD (akustooptische Vorrichtung) ein KTN-(Kalium-Tantalat-Niobat-)Kristall oder dergleichen verwendet werden.
Außerdem kann, obwohl ein Mikroskop mit Mehrphotonenanregung als Beispiel für die Beobachtungsvorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform gezeigt wurde, die Beobachtungsvorrichtung 1 stattdessen auf ein Konfokalmikroskop angewendet werden.
Dadurch wird ein extrem kleines Punktbild als geschärftes Endbild IF auf dem Beobachtungsziel A erzeugt, wodurch es möglich ist, die Photonendichte in einem extrem kleinen Bereich zu erhöhen, um Fluoreszenz zu generieren. Auf diese Weise kann die durch das konfokale Pinhole tretende Fluoreszenz erhöht und somit ein helles konfokales Bild erzeugt werden.
Außerdem kann, anstatt die Beobachtungsvorrichtung 1 als Konfokalmikroskop zu nutzen und die Fluoreszenz festzustellen, die durch das konfokale Pinhole tritt, diese das Licht feststellen, das durch das konfokale Pinhole tritt und am Beobachtungsziel A reflektiert oder gestreut wird.
Außerdem kann in dieser Ausführungsform die vorliegende Erfindung als ein Verfahren zur Schärfung eines Endbilds verstanden werden, obwohl die vorliegende Erfindung als Beobachtungsvorrichtung 1 beschrieben wurde.
Insbesondere ist das Verfahren zur Schärfung eines Endbilds gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Schärfung eines Endbilds IF in einem typischen Laser-Scanning-Mikroskop mit Mehrphotonenanregung, das die in 1 gezeigt Beobachtungsvorrichtung 1 ohne das wellenfrontstörende Element 10 und das Wellenfrontwiederherstellungselement 14 ist.
Im Verfahren zur Schärfung eines Endbilds gemäß dieser Ausführungsform ist das wellenfrontstörende Element 10 an einer Position zwischen dem Galvanometerspiegel 13a auf der Seite der Lichtquelle 6 und der Lichtquelle 6 angeordnet, wobei die Position mit dem Galvanometerspiegel 13a optisch konjugiert ist, und das Wellenfrontwiederherstellungselement 14 ist an einer Position hinter der Objektivlinse 15 angeordnet, wobei die Position mit dem Galvanometerspiegel 13a auf der Seite der Lichtquelle 6 optisch konjugiert ist. Das Wellenfrontwiederherstellungselement 14 ist so angeordnet, dass dessen Phasenverteilungseigenschaft gleich der Richtung (Richtung des Pfeils X) ist, in die das Laserlicht von Galvanometerspiegel 13a abgetastet wird.
Mit diesem Verfahren zur Schärfung eines Endbilds kann mit dem Wellenfrontwiederherstellungselement 14 die räumliche Wellenfrontstörung, die von dem wellenfrontstörenden Element 10 angewendet wird, unabhängig von den Schwingungswinkeln der Galvanometerspiegel 13a und 13b aufgehoben werden. Somit wird das Zwischenbild II unscharf gemacht, wodurch verhindert werden kann, dass das Bild von Fremdgegenständen, die sich an der bilderzeugenden Position des Zwischenbilds II befinden, in das Zwischenbild II eingeblendet werden, und wodurch das Endbild IF schärfer gemacht werden kann. Insbesondere besteht ein Vorteil darin, dass das Endbild IF schärfer gemacht und ein Bild erzielt werden kann, das eine hohe räumliche Auflösung aufweist, indem lediglich das wellenfrontstörende Element 10 und das Wellenfrontwiederherstellungselement 14 zu einem typischen Scanning-Mikroskop mit Mehrphotonenanregung hinzugefügt werden.
Als nächstes wird unten anhand von 6 ein Beispiel für die Beobachtungsvorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform beschrieben.
Die Beobachtungsvorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform umfasst die Beleuchtungsvorrichtung 2, die Detektoroptik 4 und den Photodetektor 5.
Außerdem erfüllt der Abstand zwischen der Pupillenposition POB der Objektivlinse 15 und dem Wellenfrontwiederherstellungselement 14 die Bedingung in Ausdruck (1). a = b(fTL/fPL)2 (1) wobei b der Abstand zwischen dem Galvanometerspiegel 13a auf der Seite der Lichtquelle 6 und einer Position 13c ist, die sich zwischen den beiden Galvanometerspiegeln 13a und 13b befindet und im Wesentlichen mit der Pupillenposition POB der Objektivlinse 15 konjugiert ist; fPL die Brennweite einer Linse 12a auf der Seite der Lichtquelle 6 des Relais-Linsenpaars 12 ist; und fTL die Brennweite einer Linse 12b auf der Seite des Beobachtungsziels A des Relais-Linsenpaars 12 ist.
Außerdem erfüllt der Abstand c zwischen dem hinteren Ende der Schraube der Objektivlinse 15 und dem Wellenfrontwiederherstellungselement 14 die Bedingung in Ausdruck (2). c = a – (d + e) (2) wobei d der Betrag des Vorsprungs der Schraube der Objektivlinse 15 und e der Abstand zwischen der anliegenden Oberfläche der Objektivlinse 15 und der Pupillenposition POB der Objektivlinse 15 ist.
In diesem Beispiel gelten die folgenden Werte:
b = 2,7 (mm)
fPL = 52 (mm)
fTL = 200 (mm)
d = 5 (mm)
e = 28 (mm).
Dementsprechend wird aus Ausdruck (1) a = 39,9 (mm) berechnet, und aus Ausdruck (2) wird c = 6,9 (mm) berechnet. Infolgedessen ist das Wellenfrontwiederherstellungselement 14 an einer Position hinter der Objektivlinse 15 und mit dem Galvanometerspiegel 13a auf der Seite der Lichtquelle 6 optisch konjugiert angeordnet, ohne den Außenrahmen der Objektivlinse 15 zu berühren.
Bezugszeichenliste

1: Beobachtungsvorrichtung
3: bilderzeugendes optisches System
5: Photodetektor
6: Ultrakurzpuls-Laserlicht (Lichtquelle)
10: wellenfrontstörendes Element (erster Phasenmodulator)
11 und 12: Relais-Linsenpaare (bilderzeugende Linsen)
13: xv-Scanning-Abschnitt
13a: Galvanometerspiegel (erster Scanner)
13b: Galvanometerspiegel (zweiter Scanner)
14: Wellenfrontwiederherstellungselement (zweiter Phasenmodulator)
15: Objektivlinse (bilderzeugende Linse)

Claims

Beobachtungsvorrichtung, die umfasst: ein bilderzeugendes optisches System, das eine Mehrzahl von bilderzeugenden Linsen umfasst, die ein Endbild und mindestens ein Zwischenbild erzeugen, einen ersten Phasenmodulator, der auf einer Seite eines Gegenstands von einem der Zwischenbilder angeordnet ist, die von den bilderzeugenden Linsen erzeugt werden, und der eine räumliche Störung auf eine Wellenfront von Licht anwendet, das von einem Gegenstand kommt, und einen zweiten Phasenmodulator, der an einer Position angeordnet ist, die mindestens ein Zwischenbild zwischen dem zweiten Phasenmodulator und dem ersten Phasenmodulator aufweist, und die räumliche Störung aufhebt, die von dem ersten Phasenmodulator auf die Wellenfront des Lichts angewendet wird, das von dem Gegenstand kommt; eine Lichtquelle, die auf der Seite des Gegenstands des bilderzeugenden optischen Systems angeordnet ist, und Beleuchtungslicht generiert, das auf das bilderzeugende optische System fällt; einen ersten Scanner und einen zweiten Scanner, die in Richtung der optischen Achse mit einem Abstand voneinander angeordnet sind und das von der Lichtquelle kommende Beleuchtungslicht abtasten; und und einen Photodetektor, der von einem Beobachtungsziel abgegebenes Licht erfasst, das an einer Endbildposition des bilderzeugenden optischen Systems angeordnet ist, wobei der erste Phasenmodulator und der zweite Phasenmodulator an Positionen angeordnet sind, die optisch mit dem ersten Scanner konjugiert sind, der auf der Seite der Lichtquelle angeordnet ist, und eindimensionale Phasenverteilungseigenschaften aufweisen, die sich in der Richtung ändern, die gleich der Richtung ist, in die das Beleuchtungslicht vom ersten Scanner abgetastet wird.
Beobachtungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Phasenmodulator und der zweite Phasenmodulator linsenförmige Elemente sind.
Beobachtungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Phasenmodulator und der zweite Phasenmodulator Prismenanordnungen sind.
Beobachtungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Phasenmodulator und der zweite Phasenmodulator Beugungsgitter sind.
Beobachtungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Phasenmodulator und der zweite Phasenmodulator Zylinderlinsen sind.
Verfahren zur Schärfung eines Endbilds in einer Beobachtungsvorrichtung, das umfasst: ein bilderzeugendes optisches System, das eine Mehrzahl von bilderzeugenden Linsen umfasst, die ein Endbild und mindestens ein Zwischenbild erzeugen; eine Lichtquelle, die auf der Seite eines Gegenstands des bilderzeugenden optischen Systems angeordnet ist und Beleuchtungslicht generiert, das auf das bilderzeugende optische System fällt; einen ersten Scanner und einen zweiten Scanner, die in Richtung der optischen Achse mit einem Abstand voneinander angeordnet sind und das von der Lichtquelle kommende Beleuchtungslicht abtasten; und einen Photodetektor, der Licht, das von einem Beobachtungsziel abgegeben wird, erfasst, das an einer Endbildposition des bilderzeugenden optischen Systems angeordnet ist, wobei ein erster Phasenmodulator, der eine räumliche Störung auf eine Wellenfront des Beleuchtungslichts anwendet, das von der Lichtquelle kommt, an einer Position angeordnet ist, die auf der Seite des Gegenstands von einem der Zwischenbilder angeordnet ist, die von den bilderzeugenden Linsen erzeugt werden, und die optisch mit dem ersten Scanner konjugiert ist, und ein zweiter Phasenmodulator, der eine eindimensionale Phasenverteilungseigenschaft aufweist, die sich in der Richtung ändert, die gleich der Richtung ist, in die das Beleuchtungslicht von dem ersten Scanner abgetastet wird, und der die räumliche Störung aufhebt, die vom ersten Phasenmodulator auf die Wellenfront des von dem Gegenstand kommenden Lichts angewendet wird, an einer Position angeordnet ist, die mindestens ein Zwischenbild zwischen dem zweiten Phasenmodulator und dem ersten Phasenmodulator aufweist, und die mit dem ersten Scanner optisch konjugiert ist.