DE112015003920T5

DE112015003920T5 - Optisches Bilderzeugungssystem, Beleuchtungsvorrichtung und Mikroskopvorrichtung

Info

Publication number: DE112015003920T5
Application number: DE112015003920.1T
Authority: DE
Inventors: Hiroya Fukuyama
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2014-10-09
Filing date: 2015-10-01
Publication date: 2017-05-18
Anticipated expiration: 2035-10-02
Also published as: DE112015003920B4; JPWO2016056465A1; WO2016056465A1; US20170205609A1

Abstract

Zum Zweck des Bereitstellens eines Bilderzeugungssystems, mit dem es möglich ist, zu verhindern, dass Fehlerstellen, Fremdobjekte, Defekte oder dergleichen in einem optischen Element einem Zwischenbild überlagert werden, selbst wenn das Zwischenbild in einer Position erzeugt wird, die mit dem optischen Element zusammenfällt, und mit dem es möglich ist, selbst dann stabil ein scharfes Endbild zu erlangen, wenn ein Herstellungsfehler in einem optischen Relaissystem vorhanden ist, ist ein Bilderzeugungssystem der vorliegenden Erfindung vorgesehen mit: einer Lichtquelle (11); einem optischen Beleuchtungssystem (12), das Beleuchtungslicht von der Lichtquelle (11) auf ein Untersuchungsobjekt (A) strahlt; einem Bilderzeugungssystem (13), das Licht von dem Untersuchungsobjekt (A) erfasst; und einer Bildaufnahmevorrichtung (Photodetektor) (14), die ein Lichtbild durch Erfassen des von dem Bilderzeugungssystem (13) erfassten Lichts aufnimmt. Das Bilderzeugungssystem (13) ist vorgesehen mit: einer Mehrzahl von Abbildungslinsen (2) und (3), die ein Endbild (I) und mindestens ein Zwischenbild (II) erzeugen; einem ersten Phasenmodulator (5), der weiter auf einer Seite des Objekts (O) angeordnet ist als eines der von den Abbildungslinsen (2) und (3) erzeugten Zwischenbilder (II) und der eine räumliche Störung auf eine Wellenfront von Licht von dem Objekt (O) aufbringt; und einem zweiten Phasenmodulator (6), der in einer Position angeordnet ist, in der mindestens eines der Zwischenbilder (II) von dem ersten Phasenmodulator (5) und dem zweiten Phasenmodulator (6) flankiert ist, und der die von dem ersten Phasenmodulator (5) auf die Wellenfront von dem Licht von dem Objekt (O) aufgebrachte räumliche Störung aufhebt, und einem Teil zum Einstellen der optischen Vergrößerung (81), der eine optische Vergrößerung in einer Abbildungsbeziehung zwischen dem ersten und dem zweiten Phasenmodulator einstellt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft beispielsweise ein optisches Bilderzeugungssystem, mit dem ein Bild unter Verwendung von Laserlicht erzeugt wird, und betrifft ein optisches Bilderzeugungssystem, eine Beleuchtungsvorrichtung und eine Mikroskopvorrichtung zur Verbesserung der Bildqualität.
Stand der Technik
In der verwandten Technik sind Verfahren bekannt, in denen eine Brennpunktposition in einem betroffenen Objekt in eine Richtung entlang einer optischen Achse (auf der Z-Achse) durch Einstellen einer Strahlenganglänge an einer Zwischenbildposition (vergleiche beispielsweise Patentliteratur 1 und 2) bewegt wird.
Literaturliste
Patentliteratur

PTL1 Veröffentlichung des japanischen Patentes mit der Nummer 4011704
PTL 2 Japanische Übersetzung der internationalen PCT Anmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2010-513968

Kurzbeschreibung der Erfindung
Problem
Mit den Verfahren gemäß Patentliteratur 1 und 2 besteht jedoch, da ein flacher Spiegel in einer Zwischenbildebene angeordnet ist, ein Problem darin, dass Fehlerstellen und Fremdobjekte auf der Oberfläche des flachen Spiegels einem aufgenommenen Endbild oder einem auf ein betroffenes Objekt projizierten Beleuchtungslicht überlagert werden. Außerdem wird mit dem Verfahren gemäß Patentliteratur 2, da das System ein optisches System ist, in dem ein vergrößertes Zwischenbild zwischen einer Strahlenganglängeneinstellungseinrichtung und dem betreffenden Objekt besteht, aufgrund des grundlegenden Prinzips der Optik, dass die Längsvergrößerung gleich dem Quadrat der Quervergrößerung ist, selbst mit einer geringen Bewegung in die Richtung entlang der optischen Achse an der Brennpunktposition, das vergrößerte Zwischenbild um einen großen Abstand in die Richtung der optischen Achse bewegt. Folglich besteht, wenn das bewegte Zwischenbild mit einer Linse überlappt, die sich vor oder hinter dem Bild befindet, wie in der vorstehend beschriebenen Situation, ein Problem darin, dass Fehlerstellen und Fremdobjekte auf der Oberfläche der Linse oder Defekte oder dergleichen in der Linse einem Endbild oder einem projizierten Beleuchtungslicht überlagert sind. Außerdem ist diese Art von Problem besonders prägnant in dem Fall, in dem der vorstehend beschriebene Stand der Technik auf ein Mikroskop angewendet wird, das ein optisches Vergrößerungssystem ist. Aus diesem Grund ist es mit Mikroskopvorrichtungen mit einer Scanfunktion in die Richtung der optischen Achse (Z-Achse) in der verwandten Technik, wenn Beobachtung oder dergleichen an unterschiedlichen Brennpunkten in die Z-Achsen Richtung ausgeführt wird, schwierig, ein scharfes Endbild zu erlangen, und war es viele Jahre lang nicht möglich, dieses Problem zu lösen, das ein inhärenter Aspekt von Mikroskopvorrichtungen zum Scannen in die Richtung der optischen Achse ist.
Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht der vorstehend beschriebenen Umstände erdacht und eine Aufgabe davon besteht in der Bereitstellung eines optischen Bilderzeugungssystems, einer Beleuchtungsvorrichtung und einer Mikroskopvorrichtung, mit denen es möglich ist, ein scharfes Endbild durch Verhindern, dass Fehlerstellen, Fremdobjekte, Defekte oder dergleichen eines optischen Elementes einem Zwischenbild überlagert werden, selbst wenn das Zwischenbild an einer Position erzeugt wird, die mit dem optischen Element zusammenfällt, zu erlangen. Lösung des Problems
Zum Lösen der vorstehend beschriebenen Aufgabe stellt die vorliegende Erfindung folgende Lösungen bereit.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein optisches Bilderzeugungssystem, das eine Mehrzahl von Bilderzeugungslinsen, die ein Endbild und mindestens ein Zwischenbild erzeugen; einen ersten Phasenmodulator, der näher an einem Objekt angeordnet ist als eines der von den Bilderzeugungslinsen erzeugten Zwischenbilder und der eine räumliche Störung auf eine Wellenfront des von dem Objekt kommenden Lichts aufbringt; einen zweiten Phasenmodulator, der in einer Position angeordnet ist, zwischen der und dem ersten Phasenmodulator mindestens eines der Zwischenbilder angeordnet ist, und der die durch den ersten Phasenmodulator auf die Wellenfront des von dem Objekt kommenden Lichts aufgebrachte räumliche Störung aufhebt, und eine Einstellungseinrichtung zum Einstellen einer optischen Vergrößerung in einer Abbildungsbeziehung zwischen dem ersten und dem zweiten Phasenmodulator, umfasst.
In dieser Beschreibung werden zwei Konzepte bezüglich der Form eines Bildes verwendet, nämlich ein „scharfes Bild” und ein „unscharfes Bild” (oder „unfokussiertes Bild”).
Zuerst ist ein „scharfes Bild” ein Bild, das über eine Bilderzeugungslinse in einem Zustand, in dem keine räumliche Störung auf die Wellenfront des von dem Objekt ausgestrahlten Lichts aufgebracht wird, oder in einem Zustand, in dem eine Störung, die einmal aufgebracht wurde, aufgehoben und beseitigt wurde, erzeugt wird, und bezieht sich auf ein Bild mit einem Raumfrequenzband, das durch die Wellenlänge des Lichts und die numerische Apertur der Bilderzeugungslinse bestimmt wird, ein darauf basierendes Raumfrequenzband oder ein Raumfrequenzband gemäß dem Zweck.
Als nächstes ist ein „unscharfes Bild” (oder „unfokussiertes Bild”) ein Bild das über eine Bilderzeugungslinse in einem Zustand erzeugt wird, in dem eine räumliche Störung auf die Wellenfront des von dem Objekt ausgestrahlten Lichts aufgebracht wird, und bezieht sich auf ein Bild mit derartigen Eigenschaften, dass ein Endbild derart erzeugt wird, dass es praktisch keine Fehlerstellen, Fremdobjekte, Defekte oder dergleichen enthält, die auf einer Oberfläche von oder innerhalb eines in der Nähe dieses Bildes angeordneten optischen Elements vorhanden sind.
Ferner ist es, besonders in der vorliegenden Erfindung, vorzuziehen, dass eine Einrichtung zum Einstellen einer optischen Vergrößerung in einer Abbildungsbeziehung zwischen dem ersten und dem zweiten Phasenmodulator vorgesehen ist.
Nach Passieren des ersten Phasenmodulators erzeugt das von dem Objekt ausgestrahlte Licht ein Bild des ersten Phasenmodulators über ein optisches Relaissystem und wird dieses Bild auf den zweiten Phasenmodulator projiziert. Zu diesem Zeitpunkt wird, wenn das optische Relaissystem ohne Herstellungsfehler hergestellt wird, mit dem vorstehend beschriebenen Licht die räumliche Störung, die von dem ersten Phasenmodulator auf die Wellenfront davon aufgebracht wurde, durch Passieren des zweiten Phasenmodulators vollständig aufgehoben und ist es somit in dem Endbild möglich, ein scharfes Bild zu erzeugen. Wenn jedoch Herstellungsfehler in dem optischen Relaissystem vorhanden sind, kann die Größe des auf den zweiten Phasenmodulator projizierten Bildes aufgrund von Änderungen in der Projektionsvergrößerung zu groß oder zu klein sein. Wenn eine solche Variabilität in der Vergrößerung besteht, ist es nicht möglich, mittels des zweiten Phasenmodulators die von dem ersten Phasenmodulator aufgebrachte räumliche Störung in der Wellenfront des von dem Objekt ausgestrahlten Lichts aufzuheben, und ist es somit nicht möglich, in dem Endbild ein scharfes Bild zu erzeugen. Ein solches einzigartiges Problem kann durch Bereitstellen verschiedener Einstellungseinrichtungen zur Feinjustierung der Bilderzeugungsvergrößerung zwischen den Phasenmodulatoren gelöst werden. Mit einer solchen Abbildungsvergrößerungseinstellungseinrichtung besteht eine einzigartige vorteilhafte Wirkung der vorliegenden Erfindung darin, dass die Variabilität in der Vergrößerung aufgrund der Herstellungsfehler in den Linsen durch Einstellen der optischen Verstärkung in der Abbildungsbeziehung zwischen dem ersten und dem zweiten Phasenmodulator mittels der vorstehend beschriebenen Einstellungseinrichtung absorbiert wird, und ist es somit möglich, die gegenseitigen Effekte der beiden Phasenmodulatoren vollständig aufzuheben.
Ein „unscharfes Bild” (oder ein „unfokussiertes Bild”), das auf diese Art erzeugt wird, unterscheidet sich von einem schlicht nicht fokussierten Bild darin, dass mit einem Bild an einer Position, an der das Bild ursprünglich erzeugt werden sollte (das heißt, einer Position, an der das Bild erzeugt werden würde, wenn die räumliche Störung nicht auf die Wellenfront aufgebracht würde) ein unscharfes Bild keine klare Spitze des Bildkontrastes über einen großen Bereich in die Richtung der optischen Achse hat und das Raumfrequenzband davon im Vergleich zu dem Raumfrequenzband eines „scharfen Bildes” immer schmaler ist.
Im Folgenden basieren die Begriffe „scharfes Bild” und „unscharfes Bild” (oder „unfokussiertes Bild”) in dieser Beschreibung auf den oben beschriebenen Konzepten und das Bewegen eines Zwischenbildes auf der Z-Achse bedeutet in der vorliegenden Erfindung, dass das Zwischenbild in einen verschwommenen Zustand bewegt wird. Zusätzlich ist das Scannen in die Z-Achsen-Richtung nicht auf die Bewegung von Licht auf der Z-Achse beschränkt und können, wie später beschrieben wird, XY-Lichtbewegungen zusammen damit durchgeführt werden.
Mit diesem Aspekt wird das Licht, das von der Objektseite in die Bilderzeugungslinsen eingetreten ist, von den Bilderzeugungslinsen fokussiert, wodurch das Endbild erzeugt wird. In diesem Fall wird, durch Passieren des ersten Phasenmodulators, der näher an dem Objekt als die Zwischenbilder angeordnet ist, eine räumliche Störung auf die Wellenfront des Lichts aufgebracht und wird somit das erzeugte Zwischenbild undeutlich gemacht. Zusätzlich passiert das Licht, das das Zwischenbild erzeugt hat, den zweiten Phasenmodulator und wird somit die von dem ersten Phasenmodulator auf die Wellenfront davon aufgebrachte räumliche Störung aufgehoben. Dadurch ist es bei der Erzeugung des Endbildes, die durchgeführt wird, nachdem das Licht den zweiten Phasenmodulator passiert, möglich, ein scharfes Bild zu erlangen.
Im Speziellen ist es dadurch, dass das Zwischenbild undeutlich gemacht wird, selbst wenn ein optisches Element in der Zwischenbildposition angeordnet ist, und Fehlerstellen, Fremdobjekte oder Defekte oder dergleichen auf der Oberfläche oder im Inneren dieses optischen Elementes vorhanden sind, möglich, das Auftreten eines Problems zu verhindern, dass die Fehlerstellen, Fremdobjekte, Defekte oder dergleichen dem Zwischenbild überlagert werden und als Teil des endgültigen erzeugten Endbildes enthalten sind. Außerdem werden in dem Fall, in dem das System auf ein optisches Mikroskopsystem angewendet wird, selbst wenn die Zwischenbilder, die aufgrund der Fokussierung oder dergleichen auf der Z-Achse bewegt werden, mit Linsen überlappen, die vor oder hinter den Bildern angeordnet sind, Rauschbilder wie beispielsweise Bilder von Fehlerstellen und Fremdobjekte auf den Oberflächen der Linsen oder Defekte oder dergleichen in den Linsen, die unerwartet in den Endbild erscheinen, nicht erzeugt.
In dem vorstehend beschriebenen Aspekt können das erste Phasenmodulationselement und das zweite Phasenmodulationselement in optisch konjugierten Positionen angeordnet sein.
In dem vorstehend beschriebenen Aspekt können der erste Phasenmodulator und der zweite Phasenmodulator in einer Nähe von Pupillenpositionen der Bilderzeugungslinsen angeordnet sein.
Dadurch können die Größen des ersten Phasenmodulators und des zweiten Phasenmodulators reduziert werden, indem sie in der Nähe der Pupillenpositionen angeordnet werden, wo sich die Strahlen nicht ändern.
Zusätzlich kann der vorstehend beschriebene Aspekt mit einem Strahlenganglängenvariationsteil vorgesehen sein, der eine Strahlenganglänge zwischen den zwei Bilderzeugungslinsen variieren kann, die in Positionen angeordnet sind, zwischen denen ein eines der Zwischenbilder angeordnet ist.
Dadurch ist es durch Ändern der Strahlenganglänge zwischen den zwei Bilderzeugungslinsen durch Betätigung der Strahlenganglängenvariationseinrichtung leicht möglich, die Bilderzeugungsposition des Endbildes in die Richtung der optischen Achse zu ändern.
Außerdem kann in dem vorstehend beschriebenen Aspekt die Strahlenganglängenvariationseinrichtung mit einem flachen Spiegel, der rechtwinklig zu einer optischen Achse angeordnet ist und der Licht reflektiert, das die Zwischenbilder erzeugt, um das Licht rückzustrahlen; einem Aktuator, der den flachen Spiegel in eine Richtung der optischen Achse bewegt; und einem Strahlenteiler, der das von dem flachen Spiegel reflektierte Licht in zwei Richtungen teilt, vorgesehen sein.
Dadurch wird das von dem Objekt ausgestrahlte Licht, das von der Bilderzeugungslinse auf der Objektseite erfasst wird, von dem flachen Spiegel reflektiert, sodass es zurückgestrahlt wird, und wird anschließend von dem Strahlenteiler geteilt, wodurch es in die Bilderzeugungslinse auf der Bildseite eintritt. In diesem Fall ist es durch Bewegen des flachen Spiegels in die Richtung der optischen Achse durch Betätigen des Aktuators leicht möglich, die Strahlenganglänge zwischen den zwei Bilderzeugungslinsen zu ändern, und ist es somit leicht möglich, die Bilderzeugungsposition des Endbildes in die Richtung der optischen Achse zu ändern.
Außerdem kann der vorstehend beschriebene Aspekt mit einem variablen räumlichen Phasenmodulator, der in einer Nähe einer Pupillenposition einer der Bilderzeugungslinsen angeordnet ist und der eine Position des Endbildes in die Richtung der optischen Achse durch Ändern einer räumlichen Phasenmodulation ändert, die auf die Wellenfront des Lichts aufzubringen ist, vorgesehen sein.
Dadurch ist es möglich, eine räumliche Phasenmodulation derart auf die Wellenfront des Lichts aufzubringen, dass die Endbildposition mittels des variablen räumlichen Phasenmodulators in die Richtung der optischen Achse geändert wird, und ist es leicht möglich, die Bilderzeugungsposition des Endbildes in die Richtung der optischen Achse durch Einstellen der aufzubringenden Phasenmodulation zu ändern.
Außerdem kann in dem vorstehend beschriebenen Aspekt eine Funktion mindestens des ersten Phasenmodulators und des zweiten Phasenmodulators von dem variablen räumlichen Phasenmodulator ausgeführt werden.
Dadurch ist es möglich, den variablen räumlichen Phasenmodulator die Funktion des Aufbringens einer räumlichen Phasenmodulation, die die Endbildposition in die Richtung der optischen Achse ändert, und einer Phasenmodulation, die das Zwischenbild undeutlich macht, oder einer Phasenmodulation, die die Undeutlichkeit des Zwischenbildes aufhebt, übernehmen zu lassen. Dadurch ist es möglich, ein optisches Bilderzeugungssystem mit einer einfachen Konfiguration durch Reduzierung der Anzahl von Komponenten zu bilden.
Außerdem können in dem vorstehend beschriebenen Aspekt der erste Phasenmodulator und der zweite Phasenmodulator Phasenmodulationen auf eine Wellenfront eines Strahls aufbringen, die sich in eine eindimensionale Richtung rechtwinklig zu einer optischen Achse ändern.
Dadurch ist es möglich, das Zwischenbild durch Aufbringen der Phasenmodulation, die sich in eine eindimensionale Richtung rechtwinklig zur optischen Achse ändert, auf die Wellenfront des Lichts durch Verwenden des ersten Phasenmodulators undeutlich zu machen, und, ist es, selbst wenn ein optisches Element an der Zwischenbildposition angeordnet ist und Fehlerstellen, Fremdobjekte, Defekte oder dergleichen auf der Oberfläche oder im Inneren des optischen Elementes vorhanden sind, möglich, das Auftreten eines Problems zu verhindern, dass die Fehlerstellen, Fremdobjekte, Defekte oder dergleichen dem Zwischenbild überlagert werden und als Teil des letztendlich erzeugten Endbildes enthalten sind. Außerdem ist es möglich, ein scharfes Bild ohne Verschwommenheit durch Aufbringen der Phasenmodulation, die die Phasenmodulation aufhebt, die sich in die eindimensionale Richtung geändert hat, auf die Wellenfront des Lichts durch Verwendung des zweiten Phasenmodulators zu erzeugen.
Außerdem können in dem vorstehend beschriebenen Aspekt der erste Phasenmodulator und der zweite Phasenmodulator auf eine Wellenfront eines Strahls Phasenmodulationen aufbringen, die sich in zweidimensionale Richtungen rechtwinklig zu einer optischen Achse ändern.
Dadurch ist es möglich, das Zwischenbild zuverlässiger undeutlich zu machen durch Aufbringen der Phasenmodulation, die sich in zweidimensionale Richtungen rechtwinklig zur optischen Achse ändert, auf die Wellenfront des Lichts durch Verwendung des ersten Phasenmodulators. Außerdem ist es möglich, ein schärferes Endbild zu erzeugen durch Aufbringen der Phasenmodulation, die die Phasenmodulation aufhebt, die sich in die zweidimensionalen Richtungen verändert hat, auf die Wellenfront des Lichts durch Verwenden des zweiten Phasenmodulators.
Außerdem können in dem vorstehend beschriebenen Aspekt der erste Phasenmodulator und der zweite Phasenmodulator Vorrichtungen vom Übertragungstyp sein, die Phasenmodulationen auf eine Wellenfront von Licht aufbringen, wenn das Licht durch diese passieren gelassen wird.
Außerdem können in dem vorstehend beschriebenen Aspekt der erste Phasenmodulator und der zweite Phasenmodulator Vorrichtungen vom Reflexionstyp sein, die Phasenmodulationen bei der Reflexion von Licht auf eine Wellenfront von Licht aufbringen.
Außerdem können in dem vorstehend beschriebenen Aspekt der erste Phasenmodulator und der zweite Phasenmodulator komplementäre Formen haben.
Dadurch ist es möglich, einfache Konfigurationen in dem ersten Phasenmodulator, der die räumliche Störung auf die Wellenfront aufbringt, die das Zwischenbild undeutlich macht, und dem zweiten Phasenmodulator, der die Phasenmodulation aufbringt, die die auf die Wellenfront aufgebrachte räumliche Störung aufhebt, zu verwenden.
Außerdem können in dem vorstehend beschriebenen Aspekt der erste Phasenmodulator und der zweite Phasenmodulator Phasenmodulationen auf eine Wellenfront durch Verwendung einer Brechungsindexverteilung eines transparenten Materials aufbringen.
Dadurch ist es möglich, eine Wellenfrontstörung gemäß der Brechungsindexverteilung zu erzeugen, wenn das Licht den ersten Phasenmodulator passiert, und ist es möglich, auf die Wellenfront des Lichts die Phasenmodulation, die die Wellenfrontstörung aufhebt, durch Verwendung der Brechungsindexverteilung aufzubringen, wenn das Licht den zweiten Phasenmodulator passiert
Außerdem ist ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Beleuchtungsvorrichtung, die umfasst: eines der vorstehend beschriebenen optischen Bilderzeugungssysteme und eine Lichtquelle, die auf einer Objektseite des optischen Bilderzeugungssystems angeordnet ist und die das Beleuchtungslicht erzeugt, das in das optische Bilderzeugungssystem einfallen gelassen wird.
Mit diesem Aspekt kann dadurch, dass das von der auf der Objektseite angeordneten Lichtquelle ausgestrahlte Beleuchtungslicht in das optische Bilderzeugungssystem einfallen gelassen wird, das zu beleuchtende Objekt, das auf der Endbildseite angeordnet ist, von dem Beleuchtungslicht beleuchtet werden. In diesem Fall ist es, da das von dem optischen Bilderzeugungssystem erzeugte Zwischenbild von dem ersten Phasenmodulator undeutlich gemacht wird, selbst wenn ein optisches Element an der Zwischenbildposition angeordnet ist und Fehlerstellen, Fremdobjekte, Defekte oder dergleichen auf der Oberfläche oder im Inneren dieses optischen Elementes vorhanden sind, möglich, das Auftreten eines Problems zu verhindern, dass die Fehlerstellen, Fremdobjekte, Defekte oder dergleichen dem Zwischenbild überlagert werden und als Teil des schließlich erzeugten Endbildes enthalten sind.
Außerdem ist ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Mikroskopvorrichtung, die eines der vorstehend beschriebenen optischen Bilderzeugungssysteme und einen Photodetektor umfasst, der auf einer Endbildseite des optischen Bilderzeugungssystems angeordnet ist und der von einem Untersuchungsobjekt ausgestrahltes Licht detektiert.
Mit diesem Aspekt ist es mit dem Photodetektor möglich, ein scharfes Endbild zu detektieren, das durch Verhindern, dass Fehlerstellen, Fremdobjekte, Defekte oder dergleichen auf der Oberfläche des oder im Inneren des optischen Zwischenbildelements das Zwischenbild überlagern, unter Verwendung des optischen Bilderzeugungssystems erzeugt wird.
In dem vorstehend beschriebenen Aspekt kann der Photodetektor an einer Endbildposition in dem optischen Bilderzeugungssystem angeordnet sein und ist eine Bildaufnahmevorrichtung, die das Endbild erfasst.
Dadurch ist es möglich, Beobachtungen mit hoher Präzision durch Erfassen eines scharfen Endbildes durch Verwendung der Bildaufnahmevorrichtung durchzuführen, die an der Endbildposition in dem optischen Bilderzeugungssystem angeordnet ist.
Außerdem ist ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Mikroskopvorrichtung, die eines der vorstehend beschriebenen optischen Bilderzeugungssysteme; eine Lichtquelle, die auf einer Objektseite des optischen Bilderzeugungssystems angeordnet ist und die das Beleuchtungslicht erzeugt, das auf das optische Bilderzeugungssystem einfallen gelassen wird; und einen Photodetektor, der auf einer Endbildseite des optischen Bilderzeugungssystems angeordnet ist und der von einem Untersuchungsobjekt ausgestrahltes Licht detektiert, umfasst.
Mit diesem Aspekt wird das von der Lichtquelle ausgestrahlte Licht von dem optischen Bilderzeugungssystem fokussiert und wird auf das Untersuchungsobjekt gestrahlt und wird das an dem Untersuchungsobjekt erzeugte Licht von dem Photodetektor detektiert, der auf der Endbildseite angeordnet ist. Dadurch ist es möglich, ein scharfes Endbild mit dem Photodetektor zu detektieren, das durch Verhindern, dass Fehlerstellen, Fremdobjekte, Defekte oder dergleichen auf der Oberfläche des oder im Inneren des optischen Zwischenbildelements das Zwischenbild überlagern, erzeugt wird.
Der vorstehend beschriebene Aspekt kann mit einem konfokalen optischen Nipkow-Scheiben-System vorgesehen sein, das zwischen der Lichtquelle und dem Photodetektor und dem optischen Bilderzeugungssystem angeordnet ist.
Dadurch ist es möglich, mit hoher Geschwindigkeit durch Scannen des Untersuchungsobjekts mit mehreren Lichtpunkten ein scharfes Bild von dem Untersuchungsobjekt zu erlangen.
Außerdem kann in dem vorstehend beschriebenen Aspekt die Lichtquelle eine Laserlichtquelle sein und kann der Photodetektor mit einer konfokalen Lochblende und einer photoelektrischen Wandlungsvorrichtung vorgesehen sein.
Dadurch ist es möglich, das Untersuchungsobjekt durch Verwendung eines scharfen konfokalen Bildes zu beobachten, in dem Bilder von Fehlerstellen, Fremdobjekten, Defekten oder dergleichen in der Zwischenbildposition nicht erscheinen.
Außerdem ist in einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Mikroskopvorrichtung vorgesehen, die die vorstehend beschriebene Beleuchtungsvorrichtung und einen Photodetektor umfasst, der von einem Untersuchungsobjekt, das von der Beleuchtungsvorrichtung beleuchtet wird, ausgestrahltes Licht detektiert, wobei die Lichtquelle eine gepulste Laserlichtquelle ist.
Dadurch ist es möglich, das Untersuchungsobjekt unter Verwendung eines scharfen Multiphotonenerregungsbildes zu beobachten, in dem Bilder von Fehlerstellen, Fremdobjekten, Defekten oder dergleichen an der Zwischenbildpositionen nicht erscheinen.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft einen Vorteil darin, dass es möglich ist, ein scharfes Endbild durch Verhindern zu erlangen, dass Bilder von Fehlerstellen, Fremdobjekten, Defekten oder dergleichen in einem optischen Element einem Zwischenbild überlagert werden, selbst wenn das Zwischenbild in einer Position erzeugt wird, die mit dem optischen Element zusammenfällt, und ist es ferner möglich, stabil ein scharfes Bild zu erlangen, selbst wenn Herstellungsfehler in dem optischen Relaissystem vorhanden sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Ansicht, die eine Ausführungsform eines optischen Bilderzeugungssystems zeigt, das in einer Mikroskopvorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
2 ist eine schematische Ansicht zum Erläutern des Betriebs des optischen Bilderzeugungssystems gemäß 1.
3 ist eine erweiterte Ansicht, die Teile zwischen einer Pupillenposition auf der Objektseite und einer Wellenfrontwiederherstellungseinrichtung gemäß 2 zeigen.
4 ist eine schematische Ansicht, die ein in einer herkömmlichen Mikroskopvorrichtung verwendetes optisches Bilderzeugungssystem zeigt.
5 ist eine schematische Ansicht, die eine Beobachtungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
6 ist eine schematische Ansicht, die eine Beobachtungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
7 ist eine schematische Ansicht, die eine Beobachtungsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
8 ist eine schematische Ansicht, die eine Modifizierung der Beobachtungsvorrichtung gemäß 7 zeigt.
9 ist eine schematische Ansicht, die eine erste Modifizierung der Beobachtungsvorrichtung gemäß 8 zeigt.
10 ist ein vergrößertes Diagramm, das den Umfang eines Teils zur Einstellung der optischen Vergrößerung gemäß 9 zeigt.
11 ist ein schematisches Diagramm, das eine zusätzliche Modifizierung der Beobachtungsvorrichtung gemäß 9 zeigt.
12 ist eine schematische Ansicht, die eine zweite Modifizierung der Beobachtungsvorrichtung gemäß 8 zeigt.
13 ist eine schematische Ansicht, die eine dritte Modifizierung der Beobachtungsvorrichtung gemäß 8 zeigt.
14 ist ein schematisches Diagramm, das eine Modifizierung des Teils zur Einstellung der optischen Vergrößerung gemäß 10 zeigt.
15 ist ein schematisches Diagramm, das eine weitere Modifizierung des Teils zur Einstellung der optischen Vergrößerung gemäß 10 zeigt.
16 ist eine perspektivische Ansicht, die zylinderförmige Linsen als Beispiele von Phasenmodulatoren zeigt, die in dem optischen Bilderzeugungssystem und der Beobachtungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
17 ist eine schematische Ansicht zur Erläuterung der Wirkungen der Verwendung der zylinderförmigen Linsen gemäß 16.
18 ist ein Diagramm zum Erläutern der Beziehung zwischen dem Phasenmodulationspegel und der optischen Leistung auf Grundlage der Gauß'schen Optik, die zur Erläuterung von 17 verwendet wurde.
19 ist eine perspektivische Ansicht, die binäre Beugungsgitter als weitere Beispiele der in dem optischen Bilderzeugungssystem und der Beobachtungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendeten Phasenmodulatoren zeigt.
20 ist eine perspektivische Ansicht, die eindimensionale sinuswellenförmige Beugungsgitter als weitere Beispiele der in dem optischen Bilderzeugungssystem und der Beobachtungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendeten Phasenmodulatoren zeigt.
21 ist eine perspektivische Ansicht, die frei gekrümmte Oberflächenlinsen als weitere Beispiele der in dem optischen Bilderzeugungssystem und der Beobachtungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendeten Phasenmodulatoren zeigt.
22 ist eine Längsschnittansicht, die Kegellinsen als weitere Beispiele der in dem optischen Bilderzeugungssystem und der Beobachtungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendeten Phasenmodulatoren zeigt.
23 ist eine perspektivische Ansicht, die konzentrische binäre Beugungsgitter als weitere Beispiele der in dem optischen Bilderzeugungssystem und der Beobachtungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendeten Phasenmodulatoren zeigt.
24 ist eine schematische Ansicht zum Erläutern der Wirkungen eines Strahls, der sich entlang der optischen Achse fortbewegt, wenn die Beugungsgitter als die Phasenmodulatoren verwendet werden.
25 ist eine schematische Ansicht zum Erläutern der Wirkungen von Strahlen auf der Achse, wenn die Beugungsgitter als die Phasenmodulatoren verwendet werden.
26 ist ein Diagramm, das die Einzelheiten eines Mittelteils zum Erläutern der Wirkungen eines Beugungsgitters zeigt, das als eine Wellenfrontstöreinrichtung dient.
27 ist ein Diagramm, das die Einzelheiten eines Mittelteils zum Erläutern der Wirkungen eines Beugungsgitters zeigt, die als eine Wellenfrontwiederherstellungseinrichtung dient.
28 ist eine Längsschnittansicht, die sphärische Abbildungsfehlervorrichtungen als weitere Beispiele der in dem optischen Bilderzeugungssystem und der Beobachtungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendeten Phasenmodulatoren zeigt.
29 ist eine Längsschnittansicht, die unregelmäßig geformte Vorrichtungen als weitere Beispiele der in dem optischen Bilderzeugungssystem und der Beobachtungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendeten Phasenmodulatoren zeigt.
30 ist eine schematische Ansicht, die Phasenmodulatoren vom Reflexionstyp als weitere Beispiele der in dem optischen Bilderzeugungssystem und der Beobachtungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendeten Phasenmodulatoren zeigt.
31 ist eine schematische Ansicht, die Gradientenindexvorrichtungen als weitere Beispiele der in dem optischen Bilderzeugungssystem und der Beobachtungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendeten Phasenmodulatoren zeigt.
32 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine Linsenanordnung in dem Fall zeigt, in dem das optische Bilderzeugungssystem der vorliegenden Erfindung auf eine Vorrichtung zum Ausführen von mikroskopisch vergrößerter Beobachtung in endoskopischer Verwendung verwendet wird.
33 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine Linsenanordnung in dem Fall zeigt, in dem das optische Bilderzeugungssystem der vorliegenden Erfindung auf ein Mikroskop angewendet wird, das mit einer Objektivlinse vom Endoskoptyp mit kleinem Durchmesser vorgesehen ist, die eine Innenfokusfunktion umfasst.
Beschreibung von Ausführungsformen
Eine Ausführungsform eines optischen Bilderzeugungssystems 1, das in einer Mikroskopvorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist nachstehend mit Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Wie in 1 gezeigt, ist das optische Bilderzeugungssystem 1 gemäß dieser Ausführungsform mit zwei Bilderzeugungslinsen 2 und 3, die als ein Satz mit einem Raum dazwischen angeordnet sind; einer Feldlinse 4, die an einer Zwischenbilderzeugungsebene zwischen den Bilderzeugungslinsen 2 und 3 angeordnet ist; einer Wellenfrontstöreinrichtung (erster Phasenmodulator) 5, die in der Nähe einer Pupillenposition PP_O der Bilderzeugungslinse 2 auf der Seite des Objekts O angeordnet ist; und einer Wellenfrontwiederherstellungseinrichtung (zweiter Phasenmodulator) 6, die in der Nähe einer Pupillenposition PP_I der Bilderzeugungslinse 3 auf der Seite des Bildes I angeordnet ist, vorgesehen. Bezugszeichen 7 in der Zeichnung zeigt eine Aperturblende.
Die Wellenfrontstöreinrichtung 5 ist derart konfiguriert, dass sie auf die Wellenfront eine Störung aufbringt, wenn Licht, das von einem Objekt O ausgestrahlt wird und das von der Bilderzeugungslinse 2 auf der Seite des Objekts O fokussiert wird, diese passiert. Durch Stören der Wellenfront mit der Wellenfrontstöreinrichtung 5 wird ein an der Feldlinse 4 erzeugtes Zwischenbild unscharf gemacht.
Andererseits ist die Wellenfrontwiederherstellungseinrichtung 6 derart konfiguriert, dass sie eine Phasenmodulation auf Licht derart aufbringt, dass die von der Wellenfrontstöreinrichtung 5 aufgebrachte Wellenfrontstörung aufgehoben wird, wenn von der Feldlinse 4 fokussiertes Licht dadurch passiert. Die Wellenfrontwiederherstellungseinrichtung 6 hat denen der Wellenfrontstöreinrichtung 5 entgegengesetzte Phaseneigenschaften, sodass durch Aufheben der Wellenfrontstörung ein scharfes Endbild I erzeugt wird.
Jetzt werden allgemeinere Konzepte bezüglich des optischen Bilderzeugungssystems 1 gemäß dieser Ausführungsform ausführlich beschrieben.
In dem in 2 gezeigten Beispiel ist das optische Bilderzeugungssystem 1 auf der Seite des Objekts O und der Seite des Bildes I telezentrisch. Außerdem ist die Wellenfrontstöreinrichtung 5 in einer Position von der Feldlinse 4 um einen Abstand a_F zu dem Objekt O entfernt angeordnet und ist die Wellenfrontwiederherstellungseinrichtung 6 in einer Position um einen Abstand b_F zu dem Bild I entfernt von der Feldlinse 4 angeordnet.
In 2 bezeichnet das Bezugszeichen f_O die Brennweite der Bilderzeugungslinse 2 bezeichnet Bezugszeichen f_I die Brennweite der Bilderzeugungslinse 3, bezeichnen Bezugszeichen F_O und F_O' Fokuslagen der Bilderzeugungslinsen 2, bezeichnen Bezugszeichen F_I und F_I' die Fokuslagen der Bilderzeugungslinse 3 und bezeichnen Bezugszeichen II _O, II _A, und II _g Zwischenbilder.
Hier muss die Wellenfrontstöreinrichtung 5 nicht notwendigerweise in der Nähe der Pupillenposition PP_O der Bilderzeugungslinsen 2 angeordnet sein und muss auch die Wellenfrontwiederherstellungseinrichtung 6 nicht notwendigerweise in der Nähe der Pupillenposition PP_I der Bilderzeugungslinse 3 angeordnet sein.
Bezüglich der Bilderzeugung durch die Feldlinse 4 müssen jedoch die Wellenfrontstöreinrichtung 5 und die Wellenfrontwiederherstellungseinrichtung 6 derart angeordnet sein, dass sie eine zueinander konjugierte Positionsbeziehung haben, wie durch Ausdruck (1) angegeben 1/f_F = 1/a_F + 1/b_F (1) wobei f_F die Brennweite der Feldlinse 4 ist.
3 ist ein Diagramm, das ausführlich den Teil zwischen der Pupillenposition PP_O auf der Seite des Objekts O und der Wellenfrontwiederherstellungseinrichtung 6 gemäß 2 zeigt.
Hier wird eine Phasenvoreilung mit Bezugnahme auf einen Strahl erreicht, der eine spezifische Position passiert (das heißt eine Strahlenhöhe), wenn Licht ein optisches Element passiert.
Außerdem ist ΔL_O(x_O) eine Funktion, die mit Bezugnahme auf den Fall, in dem sich Licht entlang einer optischen Achse der Wellenfrontstöreinrichtung 5 fortbewegt (d. h. x = 0), ein3 Phasenvoreilung gleich der in dem Fall, in dem sich das Licht bei einer beliebigen Strahlenhöhe x_o in der Wellenfrontstöreinrichtung 5 fortbewegt, zeigt.
Ferner ist ΔL_I(x_I) eine Funktion, die mit Bezugnahme auf den Fall, in dem sich Licht entlang einer optischen Achse der Wellenfrontwiederherstellungseinrichtung 6 fortbewegt (d. h. x = 0), eine Phasenvoreilung gleich der in dem Fall, in dem sich das Licht bei einer beliebigen Strahlenhöhe x_i in der Wellenfrontwiederherstellungseinrichtung 6 fortbewegt, zeigt. ΔL_O(x_O) und ΔL_I(x_I) erfüllen Ausdruck (2) nachstehend. ΔL_O(x_O) + ΔL_I(x_I) = ΔL_O(x_O) + ΔL_I(β_F·x_O) = 0 (2)
Hier ist f_F eine Quervergrößerung der Feldlinse 4, wenn die Wellenfrontstöreinrichtung 5 und die Wellenfrontwiederherstellungseinrichtung 6 eine konjugierte Beziehung haben, die durch Ausdruck (3) nachstehend ausgedrückt ist β_F = –b_F/a_F (3)
Wenn ein einzelner Strahl R in ein solches optisches Bilderzeugungssystem 1 eintritt und eine Position x_O in der Wellenfrontstöreinrichtung 5 passiert, wird an diesem Punkt der Strahl einer Phasenmodulation auf Grundlage der Funktion ΔL_O(x_O) unterzogen und wird ein gestörter Strahl R_C aufgrund von Beugung, Brechung, Streuung oder dergleichen erzeugt. Der gestörte Strahl R_C wird von der Feldlinse 4 zu einer Position x_i = β_F·x_O auf der Wellenfrontwiederherstellungseinrichtung 6 projiziert, zusammen mit Komponenten des Strahls R, die der Phasenmodulation nicht unterzogen wurden. Dadurch, dass er diese passiert, wird der projizierte Strahl einer Phasenmodulation auf Grundlage der Funktion ΔL_I(β_F·x_O) = –ΔL_O(x_O) unterzogen und wird die darauf von der Wellenfrontstöreinrichtung 5 aufgebrachte Phasenmodulation somit aufgehoben. Dadurch wird der Strahl zu einem einzelnen Strahl R' wiederhergestellt, dessen Wellenfront nicht gestört ist.
In dem Fall, in dem die Wellenfrontstöreinrichtung 5 und die Wellenfrontwiederherstellungseinrichtung 6 in einer konjugierten Positionsbeziehung sind und auch die Eigenschaften gemäß Ausdruck (2) innehaben, passiert der Strahl, der Phasenmodulation unterworfen wurde, indem er eine Position in der Wellenfrontstöreinrichtung 5 passiert hat, ohne Ausnahme eine spezielle Position in der Wellenfrontwiederherstellungseinrichtung 6, die eine 1:1-Entsprechung der vorstehend beschriebenen Position ist und bei der die Phasenmodulation, die die von der Wellenfrontstöreinrichtung 5 aufgebrachte Phasenmodulation aufhebt, aufgebracht wird. Mit dem in 2 und 3 gezeigten optischen System werden die vorstehend beschriebenen Wirkungen auf den Strahl R unabhängig von der Einfallsposition x_O und dessen Einfallswinkel in die Wellenfrontstöreinrichtung 5 ausgeübt. Speziell ist es für alle Typen von Strahlen R möglich, das Zwischenbild II unscharf zu machen und auch ein scharfes Endbild I zu erzeugen.
4 zeigt ein herkömmliches optisches Bilderzeugungssystem. Mit diesem optischen Bilderzeugungssystem erzeugt von der Bilderzeugungslinse 2 auf der Seite des Objekts O fokussiertes Licht ein scharfes Zwischenbild II an der in der Zwischenbildebene angeordneten Feldlinse 4 und wird anschließend von der Bilderzeugungslinse 3 auf der Seite des Bildes I fokussiert, wodurch ein scharfes Endbild erzeugt wird.
Mit dem herkömmlichen optischen Bilderzeugungssystem werden in dem Fall, in dem Fehlerstellen, Fremdobjekte, Staub oder dergleichen auf einer Oberfläche der Feldlinse 4 vorhanden sind oder Defekte, wie beispielsweise Hohlräume oder dergleichen, innerhalb der Feldlinse 4 vorhanden sind, Bilder dieser Fremdobjekte dem an der Feldlinse 4 erzeugten scharfen Zwischenbild überlagert, was zu einem Problem führt, dass die Bilder dieser Fremdobjekte auch enthalten sind, wenn das Endbild I erzeugt wird.
Im Gegensatz dazu werden mit dem optischen Bilderzeugungssystem 1 gemäß dieser Ausführungsform, da ein Zwischenbild II, das von der Wellenfrontstöreinrichtung 5 unscharf gemacht wurde, in der Zwischenbilderzeugungsebene erzeugt wird, die in einer Position angeordnet ist, die mit der Feldlinse 4 zusammenfällt, wenn das unscharfe Zwischenbild II scharf gemacht wird, indem es der Phasenmodulation durch das Wellenfrontwiederherstellungseinrichtung 6 unterzogen wird, die Bilder von Fremdobjekten, die das Zwischenbild II überlagern, unscharf gemacht, indem sie der gleichen Phasenmodulation unterzogen werden. Dadurch ist es möglich, zu verhindern, dass die Bilder der Fremdobjekte auf der Zwischenbilderzeugungsebene das scharfe Endbild I überlagern.
Es ist anzumerken, dass in der vorstehenden Beschreibung, obwohl die beiden Bilderzeugungslinsen 2 und 3 als zueinander telezentrisch angeordnet beschrieben wurden, ihre Anordnung nicht darauf beschränkt ist und ähnliche Wirkungen auch mit einem nicht telezentrischen System erreicht werden.
Außerdem können, obwohl angenommen wurde, dass die Funktion der Phasenvoreilung eine eindimensionale Funktion ist, ähnliche Wirkungen stattdessen auch durch Anwendung einer zweidimensionalen Funktion erreicht werden.
Außerdem müssen Zwischenräume zwischen den Bilderzeugungslinsen 2 der Wellenfrontstöreinrichtung 5 und der Feldlinse 4 und Zwischenräume zwischen der Feldlinse 4, der Wellenfrontwiederherstellungseinrichtung 6 und der Bilderzeugungslinse 3 nicht notwendigerweise vorgesehen sein und können diese Vorrichtungen optisch gekoppelt sein.
Außerdem sind die einzelnen Linsen, die das optische Bilderzeugungssystem 1 bilden, nämlich die Bilderzeugungslinsen 2 und 3 und die Feldlinse 4, derart konfiguriert, dass die Bilderzeugungsfunktion und die Pupillenrelaisfunktion deutlich zwischen diesen aufgeteilt sind; in einem tatsächlichen optischen Bilderzeugungssystem kann jedoch eine Konfiguration verwendet werden, in der eine einzelne Linse gleichzeitig sowohl die Bilderzeugungsfunktion als auch die Pupillenrelaisfunktion ausführt. In solch einem Fall kann auch, wenn die vorstehend beschriebenen Bedingungen erfüllt sind, die Wellenfrontstöreinrichtung 5 die Wellenfront stören, um das Zwischenbild II unscharf zu machen, und kann die Wellenfrontwiederherstellungseinrichtung 6 das Endbild I durch Aufheben der Wellenfrontstörung scharf machen.
Das optische Bilderzeugungssystem 1 gemäß dieser Ausführungsform umfasst außerdem eine Einstellungseinrichtung zum Einstellen einer optischen Vergrößerung in der Abbildungsbeziehung zwischen der Wellenfrontstöreinrichtung 5 und der Wellenfrontwiederherstellungseinrichtung 6. Konfigurationen, in denen das optische Bilderzeugungssystem 1 die Einstellungseinrichtung umfasst, sind nachstehend in der Form von optischen Bilderzeugungssystemen 13, 32 und 42 beschrieben.
Das optische Bilderzeugungssystem 13 und eine Beobachtungsvorrichtung (Mikroskopvorrichtung) 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind jetzt nachstehend mit Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Wie in 5 gezeigt, ist die Beobachtungsvorrichtung 10 gemäß dieser Ausführungsform mit einer Lichtquelle 11, die nicht kohärentes Beleuchtungslicht erzeugt; einem optischen Beleuchtungssystem 12, das ein Untersuchungsobjekt A mit dem Beleuchtungslicht von der Lichtquelle 11 bestrahlt; einem optischen Bilderzeugungssystem 13, das Licht von dem Untersuchungsobjekt A fokussiert; und einer Bildaufnahmevorrichtung (Photodetektor) 14, die das von dem optischen Bilderzeugungssystem 13 erfasste Licht fokussiert und ein Bild davon aufnimmt, vorgesehen.
Das optische Beleuchtungssystem 12 umfasst: Fokussierlinsen 15a und 15b, die das Beleuchtungslicht von der Lichtquelle 11 fokussieren; und eine Objektivlinse 16, die das Untersuchungsobjekt A mit dem von den Fokussierlinsen 15a und 15b fokussierten Beleuchtungslicht bestrahlt.
Außerdem ist dieses optische Beleuchtungssystem 12 ein sogenanntes optisches Koehler-Beleuchtungssystem 12 und sind die Fokussierlinsen 15a und 15b derart angeordnet, dass eine Lichtausstrahlfläche der Lichtquelle 11 und eine Pupillenebene der Objektivlinse 16 zueinander konjugiert sind.
Das optische Bilderzeugungssystem 13 ist mit der vorstehend beschriebenen Objektivlinse (Bilderzeugungslinse) 16, die auf der Objektseite angeordnet ist und Beobachtungslicht (beispielsweise reflektiertes Licht) erfasst, das von dem Untersuchungsobjekt A ausgestrahlt wird; einer Wellenfrontstöreinrichtung (erster Phasenmodulator) 17, die auf die Wellenfront des von der Objektivlinse 16 erfassten Beobachtungslichts eine Störung aufbringt; einem ersten Strahlenteiler 18, der das Licht teilt, dessen Wellenfront von dem Beleuchtungsstrahlengang von der Lichtquelle 11 gestört wurde; einem ersten Paar 19 Zwischenbilderzeugungslinsen, die derart angeordnet sind, dass sie einen Zwischenraum dazwischen in die Richtung der optischen Achse haben; einem zweiten Strahlenteiler 20, der das Licht in die Richtung der optischen Achse um 90° beugt; einzelnen Linsen 19a und 19b des ersten Paars 19 Zwischenbilderzeugungslinsen; einer zweiten Zwischenbilderzeugungslinse 21, die ein Zwischenbild durch Fokussieren des Lichts erzeugen, das von dem zweiten Strahlenteiler 20 gebeugt wurde; einer Strahlenganglängenvariationseinrichtung 22, die in einer Zwischenbilderzeugungsebene der zweiten Zwischenbilderzeugungslinse 21 angeordnet ist; einer Wellenfrontwiederherstellungseinrichtung (zweiter Phasenmodulator) 23, die zwischen dem zweiten Strahlenteiler 20 und der zweiten Zwischenbilderzeugungslinse 21 angeordnet ist; und eine Bilderzeugungslinse 24, die ein Endbild durch Fokussieren des Lichts erzeugt, das die Wellenfrontwiederherstellungseinrichtung 23 und den zweiten Strahlenteiler 20 passiert hat, vorgesehen.
Die Bildaufnahmevorrichtung 14, die beispielsweise ein zweidimensionaler Bildsensor, wie beispielsweise ein CCD oder CMOS ist, ist mit einer Bildaufnahmeoberfläche 14a vorgesehen, die in einer Position angeordnet ist, in der ein Endbild von der Bilderzeugungslinse 24 erzeugt wird, und ist derart konfiguriert, dass ein zweidimensionales Bild des Untersuchungsobjekts A durch Erfassen des Einfallslichts erfasst werden kann.
Die Wellenfrontstöreinrichtung 17 ist in der Nähe der Pupillenposition der Objektivlinse 16 angeordnet. Die Wellenfrontstöreinrichtung 17 ist aus einem optisch transparenten Material gebildet, das das Passieren von Licht dadurch zulässt, und ist derart konfiguriert, dass beim Passieren von Licht dadurch eine Phasenmodulation auf die Wellenfront des Lichts gemäß Vertiefungen und Vorsprüngen auf der Oberfläche des optisch transparenten Materials aufgebracht wird. In dieser Ausführungsform wird die erforderliche Wellenfrontstörung erreicht, indem das Beobachtungslicht, das von dem Untersuchungsobjekt A ausgestrahlt wird, die Wellenfrontstöreinrichtung 17 einmal passiert.
Außerdem ist die Wellenfrontwiederherstellungseinrichtung 23 in der Nähe der Pupillenposition der zweiten Zwischenbilderzeugungslinse 21 angeordnet. Die Wellenfrontwiederherstellungseinrichtung 23 ist auch aus einem optisch transparenten Material gebildet, das die Passage von Licht dadurch ermöglicht, und ist derart konfiguriert, dass bei der Passage von Licht dadurch eine Phasenmodulation auf die Wellenfront des Lichts gemäß Vertiefungen und Vorsprüngen auf der Oberfläche des optisch transparenten Materials aufgebracht wird. In dieser Ausführungsform ist dadurch, dass das von dem Strahlenteiler 20 gebeugte Beobachtungslicht und das von der Strahlenganglängenvariationseinrichtung 22 zum Rückstrahlen reflektierte Beobachtungslicht werden, zweimal dadurch passieren, während sich das Licht auf eine reziproke Weise fortbewegt, die Wellenfrontwiederherstellungseinrichtung 23 dafür konfiguriert, die Phasenmodulationen, die die von der Wellenfrontstöreinrichtung 17 aufgebrachte Wellenfrontstörung aufhebt, auf die Wellenfront des Lichts aufzubringen.
Die Strahlenganglängenvariationseinrichtung 22, die als ein Scansystem zum Scannen in die optische Achse (Z-Achse) dient, ist mit einem flachen Spiegel 22a, der rechtwinklig zur optischen Achse angeordnet ist, und einem Aktuator 22b, der den flachen Spiegel 22a in die Richtung der optischen Achse verlagert, vorgesehen. Wenn der flache Spiegel 22a in die Richtung der optischen Achse durch Betätigen des Aktuators 22b der Strahlenganglängenvariationseinrichtung 22 verlagert wird, wird die Strahlenganglänge zwischen der zweiten Zwischenbilderzeugungslinse 21 und dem flachen Spiegel 22a geändert und wird dadurch die Position in dem Untersuchungsobjekt A, die mit der Bildaufnahmeoberfläche 14a konjugiert ist, d. h. die vordere Brennpunktposition der Objektivlinse 16, in die Richtung der optischen Achse geändert.
Außerdem ist, wie in 5 gezeigt, das optische Bilderzeugungssystem 13 mit einem Teil zum Einstellen der optischen Vergrößerung (Einstellungseinrichtung) 81 zum Einstellen der optischen Vergrößerung in der Bildbeziehung zwischen der Wellenfrontstöreinrichtung 17 und der Wellenfrontwiederherstellungseinrichtung 23 vorgesehen.
Der Teil zum Einstellen der optischen Vergrößerung 81 ist derart konfiguriert, dass die einzelnen Linsen 19a und 19b des ersten Paars 19 von Zwischenbilderzeugungslinsen in die Richtung der optischen Achse als eine einzige Einheit bewegt werden können. Durch Bewegen der Linsen 19a und 19b in die Richtung der optischen Achse als eine einzelne Einheit ist es möglich, die Abbildungsvergrößerung eines Bildes der Wellenfrontstöreinrichtung 17 und der Wellenfrontwiederherstellungseinrichtung 23 zu ändern.
Zum Erfassen des Untersuchungsobjekts A durch Verwendung der derart konfigurierten Beobachtungsvorrichtung 10 gemäß dieser Ausführungsform wird das Beleuchtungslicht von der Lichtquelle 11 mittels des optischen Beleuchtungssystems 12 auf das Untersuchungsobjekt A gestrahlt. Das von dem Untersuchungsobjekt A ausgestrahlte Beleuchtungslicht wird von der Objektivlinse 16 erfasst, passiert den ersten Strahlenteiler 18 und das optische Zwischenbilderzeugungssystem 19 durch einmaliges Passieren der Wellenfrontstöreinrichtung 17, passiert die Wellenfrontwiederherstellungseinrichtung 23, wird dabei um 90° von dem zweiten Strahlenteiler 20 gebeugt, passiert die Wellenfrontwiederherstellungseinrichtung 23 nochmals, wobei es von dem flachen Spiegel 22a der Strahlenganglängenvariationseinrichtung 22 reflektiert wird, so dass es rückgestrahlt wird, und passiert den Strahlenteiler 20, wodurch ein Endbild, das von der Bilderzeugungslinse 24 erzeugt wird, mittels der Bildaufnahmevorrichtung 14 erfasst wird.
Durch Bewegen des flachen Spiegels 22a in die Richtung der optischen Achse durch Betätigen des Aktuators 22b der Strahlenganglängenvariationseinrichtung 22 kann die Strahlenganglänge zwischen dem Paar 21 Zwischenbilderzeugungslinsen und dem flachen Spiegel 22a geändert werden und kann dadurch die vordere Brennpunktposition der Objektivlinse 16 in die Richtung der optischen Achse bewegt werden. Dadurch ist es durch Erfassen des Beobachtungslichts an unterschiedlichen Brennpunktpositionen möglich, eine Mehrzahl von Bildern zu erlangen, die an unterschiedlichen Positionen des Untersuchungsobjekts A in die Tiefenrichtung fokussiert sind. Ferner ist es durch Anlegen einer Hochfrequenzbetonungsverarbeitung nach Kombination dieser Bilder durch arithmetisches Mitteln davon möglich, ein Bild mit einer großen Feldtiefe zu erlangen.
In diesem Fall wurde, obwohl das Zwischenbild von der zweiten Zwischenbilderzeugungslinse 21 in der Nähe des flachen Spiegels 22a der Strahlenganglängenvariationseinrichtung 22 erzeugt wird, dieses Zwischenbild aufgrund der Wellenfrontstörung unscharf gemacht, die bleibt, wenn die Wellenfrontstörung, die durch Passieren der Wellenfrontstöreinrichtung 17 aufgebracht wird, durch einmaliges Passieren der Wellenfrontwiederherstellungseinrichtung 23 teilweise aufgehoben wird. Dann wird das Licht, das das unscharfe Zwischenbild erzeugt hat, von der zweiten Zwischenbilderzeugungslinse 21 fokussiert und wird anschließend wieder durch die Wellenfrontwiederherstellungseinrichtung 23 passieren gelassen, die die Wellenfrontstörung davon vollständig aufhebt.
Folglich besteht bei der Beobachtungsvorrichtung 10 gemäß der Ausführungsform ein Vorteil darin, dass es, selbst wenn Fremdobjekte wie beispielsweise Fehlerstellen, Staub oder dergleichen auf der Oberfläche des flachen Spiegels 22a vorhanden sind, möglich ist, zu verhindern, dass Bilder der Fremdobjekte in einem Endbild erfasst werden, das sie überlagern, und ist es außerdem möglich, ein scharfes Bild des Untersuchungsobjekts A zu erlangen.
Auf ähnliche Weise ist es, obwohl das von dem ersten Paar Zwischenbilderzeugungslinsen erzeugte Zwischenbild auch stark in die Richtung der optischen Achse verändert wird, wenn die Brennpunktpositionen auf dem Untersuchungsobjekt A in die Richtung der optischen Achse bewegt werden, als Folge dieser Änderungen, selbst wenn das Zwischenbild mit der Position des ersten Paars 19 von Zwischenbilderzeugungslinsen zusammenfällt, oder sogar in dem Fall, in dem ein weiteres optisches Element zusätzlich in dem Bereich vorhanden ist, in dem die Änderungen auftreten, da das Zwischenbild unscharf gemacht wurde, möglich, zu verhindern, dass die Bilder von Fremdobjekten in dem Endbild, indem sie diesem überlagert werden, erfasst werden. In dieser Ausführungsform wird in dem Fall, in dem ein Scansystem wie das vorstehend beschriebene enthalten ist, kein Rauschbild in irgendeinem optischen Element erzeugt, das in dem optischen Bilderzeugungssystem angeordnet ist, selbst wenn Licht auf der Z-Achse bewegt wird.
Hier sind beispielsweise in dem Fall, in dem Vergrößerungsfehler aufgrund von Herstellungstechnologien in dem ersten Paar 19 Zwischenbilderzeugungslinsen (optisches Relaissystem) bestehen, das aus den Linsen (Relaislinsen) 19a und 19b gebildet ist, die in einem Zwischenraum angeordnet sind, der die Wellenfrontstöreinrichtung 17 und die Wellenfrontwiederherstellungseinrichtung 23 umfasst, und die Vergrößerung, bei der ein Bild von dem ersten Paar 19 Zwischenbilderzeugungslinsen erzeugt wird, von dem Auslegungswert abweicht, Positionen, an denen die Wellenfrontstöreinrichtung 17 und die Wellenfrontwiederherstellungseinrichtung 23 zueinander konjugiert sind, nicht notwendigerweise in einer solchen Beziehung, dass auf das Licht aufgebrachte Phasenmodulationen an den entsprechenden Positionen einander aufheben (d. h., deren Größen sind einander gleich und deren Vorzeichen sind einander entgegengesetzt). Folglich ist es nicht möglich, mittels der Wellenfrontwiederherstellungseinrichtung 23 die von der Wellenfrontstöreinrichtung 17 auf die Wellenfront des Beleuchtungslichts von dem Untersuchungsobjekt A aufgebrachte räumliche Störung aufzuheben, und ist es somit nicht möglich, ein scharfes Bild als das Endbild zu erlangen.
In dieser Ausführungsform ist es durch Bilderzeugung eines Bildes der Wellenfrontstöreinrichtung 17 mit einer erwünschten Vergrößerung in der Wellenfrontwiederherstellungseinrichtung 23 durch Bewegen der einzelnen Linsen 19a und 19b des ersten Paars 19 Zwischenbilderzeugungslinsen in die Richtung der optischen Achse als eine einzelne Einheit mittels des Teil zum Einstellen der optischen Vergrößerung 81 möglich, dass die Positionen, an denen Phasenmodulationen, die einander entgegengesetzt sind, auf die Wellenfront des Lichts aufgebracht werden, eine optisch konjugierte Beziehung in der Wellenfrontstöreinrichtung 17 und der Wellenfrontwiederherstellungseinrichtung 23 haben. Dadurch ist es möglich, Verschwommenheitskomponenten aus dem Beobachtungslicht, das die Wellenfrontwiederherstellungseinrichtung 23 passiert hat, vollständig zu entfernen, und ist es somit möglich, ein scharfes Bild des Untersuchungsobjekts A zu erlangen.
Als nächstes wird eine Beobachtungsvorrichtung 30 gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nachstehend mit Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Bei der Beschreibung dieser Ausführungsform sind den Teilen mit den gleichen Konfigurationen wie denen der Beobachtungsvorrichtung 10 gemäß der ersten vorstehend beschriebenen Ausführungsform die gleichen Bezugszeichen zugeordnet und werden nicht nochmals beschrieben.
Wie in 6 gezeigt, ist eine Beobachtungsvorrichtung 30 gemäß dieser Ausführungsform mit einer Laserlichtquelle 31; einem optischen Bilderzeugungssystem 32, das Laserstrahlen von der Laserlichtquelle 31 auf dem Untersuchungsobjekt A fokussiert und auch Licht von dem Untersuchungsobjekt A erfasst; einer Bildaufnahmevorrichtung (Photodetektor) 33, die das von dem optischen Bilderzeugungssystem 32 erfasste Licht erfasst; und einem konfokalen optischen Nipkow-Scheiben-System 34, das zwischen der Laserlichtquelle 31, der Bildaufnahmevorrichtung 33 und dem optischen Bilderzeugungssystem 32 angeordnet ist, vorgesehen. Die Laserlichtquelle 31, das optische Bilderzeugungssystem 32 und das konfokale optische Nipkow-Scheiben-System 34 bilden eine Beleuchtungsvorrichtung.
Das konfokale optische Nipkow-Scheiben-System 34 ist mit zwei Scheiben 34a und 34b, die parallel zueinander mit einem Zwischenraum dazwischen angeordnet sind, und einem Aktuator 34c vorgesehen, der die Scheiben 34a und 34b gleichzeitig dreht. An der Scheibe 34a auf der Seite der Laserlichtquelle 31 sind zahlreiche Mikrolinsen (nicht gezeigt) in einer Anordnung angeordnet und die Scheibe 34b ist auf der Objektseite mit zahlreichen Lochblenden (nicht gezeigt) in Positionen, die den einzelnen Mikrolinsen entsprechen, vorgesehen. Außerdem ist ein dichroitischer Spiegel 34d, der Licht, das die Lochblenden passiert hat, teilt, in dem Zwischenraum zwischen den beiden Scheiben 34a und 34b befestigt und wird das von dem dichroitischen Spiegel 34d geteilte Licht von der Fokussierlinse 35 fokussiert, wird ein Endbild auf einer Bildaufnahmeoberfläche 33a der Bildaufnahmevorrichtung 33 erzeugt und wird somit ein Bild erlangt.
In dem optischen Bilderzeugungssystem 32 sind der erste Strahlenteiler 18 und der zweite Strahlenteiler 20 in der ersten Ausführungsform in einem einzelnen Strahlenteiler 36 kombiniert und sind somit der Strahlengang zum Bestrahlen des Untersuchungsobjekts A mit dem Licht, das die Lochblenden des konfokalen optischen Nipkow-Scheiben-Systems 34 passiert hat, und der Strahlengang, durch den das an dem Untersuchungsobjekt A erzeugte Licht in die Lochblenden des konfokalen optischen Nipkow-Scheiben-Systems 34 eintritt, exakt die gleichen.
Der Betrieb der somit konfigurierten Beobachtungsvorrichtung 30 gemäß dieser Ausführungsform ist nachstehend beschrieben.
Mit der Beobachtungsvorrichtung 30 gemäß dieser Ausführungsform wird Licht, das von den Lochblenden des konfokalen optischen Nipkow-Scheiben-Systems 34 in das optische Bilderzeugungssystem 32 eintritt, von der zweiten Zwischenbilderzeugungslinse 21 fokussiert, nachdem es den Strahlenteiler 36 und den Phasenmodulator (zweiten Phasenmodulator) 23 passiert hat, und wird von dem flachen Spiegel 22a der Strahlenganglängenvariationseinrichtung 22 derart reflektiert, dass es rückgestrahlt wird. Dann passiert das Licht nach Passieren der zweiten Zwischenbilderzeugungslinse 21 den Phasenmodulator 23 nochmals, wird wieder durch den Strahlenteiler 36 um 90° gebeugt, passiert das erste Paar 19 Zwischenbilderzeugungslinsen und den Phasenmodulator (ersten Phasenmodulator) 17 und wird an dem Untersuchungsobjekt A von der Objektivlinse 16 fokussiert.
In dieser Ausführungsform dient der Phasenmodulator 23, den der Laserstrahl zuerst zweimal passiert, als eine Wellenfrontstöreinrichtung, die eine Störung auf die Wellenfront des Laserstrahls aufbringt, und dient der Phasenmodulator 17, den der Laserstrahl anschließend einmal passiert, als eine Wellenfrontwiederherstellungseinrichtung, die die Phasenmodulation aufbringt, die die von dem Phasenmodulator 23 aufgebrachte Wellenfrontstörung aufhebt.
Dadurch ist es, obwohl ein Bild der Lichtquellen, die wie zahlreiche Punktquellen von Licht von dem konfokalen optischen Nipkow-Scheiben-System 34 gebildet sind, als ein Zwischenbild an dem flachen Spiegel 22a von der zweiten Zwischenbilderzeugungslinse 21 erzeugt, da das von der zweiten Zwischenbilderzeugungslinse 21 erzeugte Zwischenbild unscharf gemacht wird, indem es den Phasenmodulator 23 einmal passiert, möglich, ein Problem zu verhindern, dass die Bilder der Fremdobjekte, die auf der Zwischenbilderzeugungsebene vorhanden sind, die Endbilder überlagern.
Außerdem ist es, da die durch zweimalige Passage des Phasenmodulators 23 auf die Wellenfront aufgebrachte Störung durch einmalige Passage des Phasenmodulators 17 aufgehoben wird, möglich, ein scharfes Bild der zahlreichen Punktquellen von Licht am Untersuchungsobjekt A zu erzeugen. Dann kann Scannen mit großer Geschwindigkeit durch Bewegen des Bildes der zahlreichen an dem Untersuchungsobjekt A in die XY-Richtung, die die optische Achse schneidet, erzeugten Punktquellen von Licht durch Drehen der Scheiben 34a und 34b durch Betätigen des Aktuators 34c des konfokalen optischen Nipkow-Scheiben-Systems 34 ausgeführt werden.
Andererseits wird Licht, beispielsweise Fluoreszenz, die an der Position in dem Untersuchungsobjekt A erzeugt wird, an der das Bild der Punktquellen von Licht erzeugt wird, von der Objektivlinse 16 erfasst, nach Passage durch den Phasenmodulator 17 und das erste Paar 19 Zwischenbilderzeugungslinsen um 90° von dem Strahlenteiler 36 gebeugt, passiert den Phasenmodulator 23, wird von der zweiten Zwischenbilderzeugungslinse 21 fokussiert und wird dann von dem flachen Spiegel 22a reflektiert, um rückgestrahlt zu werden. Anschließend wird das Licht von der zweiten Zwischenbilderzeugungslinse 21 wieder fokussiert, passiert den Phasenmodulator 23 und den Strahlenteiler 36, wird von der Bilderzeugungslinse 24 fokussiert und bildet ein Bild an der Lochblendenposition des konfokalen optischen Nipkow-Scheiben-Systems 34.
Das Licht, das die Lochblenden passiert hat, wird von dem Strahlengang von der Laserlichtquelle von dem dichroitischen Spiegel abgespalten, wird von der Fokussierlinse fokussiert und erzeugt das Endbild auf der Bildaufnahmeoberfläche der Bildaufnahmevorrichtung.
In diesem Fall dient der Phasenmodulator 17, den die an dem Untersuchungsobjekt in der Form von zahlreichen Punkten erzeugte Fluoreszenz passiert, als eine Wellenfrontstöreinrichtung in der ersten Ausführungsform und dient der Phasenmodulator 23 als eine Wellenfrontwiederherstellungseinrichtung.
Dadurch wäre aufgrund des einmaligen Passierens des Phasenmodulators 23, obwohl die Fluoreszenz, deren Wellenfront durch das Passieren des Phasenmodulators 17 gestört wurde, in einem Zustand wäre, in dem die Störung teilweise aufgehoben ist, das an dem flachen Spiegel 22a erzeugte Zwischenbild ein unscharfes Bild. Dann erzeugt die Fluoreszenz, deren Wellenfrontstörung durch nochmaliges Passieren des Phasenmodulators 23 vollständig aufgehoben wurde, ein Bild an den Lochblenden des konfokalen optischen Nipkow-Scheiben-Systems 34, wird nach Passieren der Lochblenden von dem dichroitischen Spiegel 34d geteilt, wird von der Fokussierlinse 35 fokussiert und erzeugt ein scharfes Endbild auf der Bildaufnahmeoberfläche 33a der Bildaufnahmevorrichtung 33.
Dadurch besteht bei der Beobachtungsvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform ein Vorteil darin, dass es, da als eine Beleuchtungsvorrichtung, die Laserstrahlen auf das Untersuchungsobjekt A strahlt, und auch als eine Beobachtungsvorrichtung, mit der an dem Untersuchungsobjekt A erzeugte Fluoreszenz erfasst wird, möglich ist, ein scharfes Endbild zu erlangen, während verhindert wird, dass Bilder von Fremdobjekten auf einer Zwischenbilderzeugungsebene das Endbild überlagern, indem das Zwischenbild unscharf gemacht wird. In dieser Ausführungsform wird in dem Fall, indem ein Scansystem, wie beispielsweise das vorstehend beschriebene, enthalten ist, kein Rauschbild in irgendeinem optischen Element erzeugt, das in dem optischen Bilderzeugungssystem angeordnet ist, selbst wenn Licht auf der Z-Achse bewegt wird. In dieser Ausführungsform wird in dem Fall, in dem ein Scansystem wie das vorstehend beschriebene enthalten ist, kein Rauschbild in irgendeinem optischen Element erzeugt, das in dem optischen Bilderzeugungssystem enthalten ist, selbst wenn Licht auf der Z-Achse bewegt wird.
Als nächstes wird nachstehend eine Beobachtungsvorrichtung 40 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Bei der Beschreibung dieser Ausführungsform sind den Teilen mit den gleichen Konfigurationen wie denen der Beobachtungsvorrichtung 30 gemäß der zweiten vorstehend beschriebenen Ausführungsform die gleichen Bezugszeichen zugeordnet und werden nicht nochmals beschrieben.
Wie in 7 gezeigt, ist die Beobachtungsvorrichtung 40 gemäß dieser Ausführungsform eine konfokale Laserscanbeobachtungsvorrichtung.
Diese Beobachtungsvorrichtung 40 ist mit einer Laserlichtquelle 41; einem optischen Bilderzeugungssystem 42, das Laserstrahlen von der Laserlichtquelle 41 auf dem Untersuchungsobjekt A fokussiert und das auch Licht von dem Untersuchungsobjekt A erfasst; einer konfokalen Lochblende 43, die die von dem optischen Bilderzeugungssystem 42 erfasste Fluoreszenz dadurch passieren lässt; und einem Photodetektor 44, der die Fluoreszenz detektiert, die die konfokale Lochblende 43 passiert hat, vorgesehen. Die Laserlichtquelle 41 und das optische Bilderzeugungssystem 42 bilden eine Beleuchtungsvorrichtung.
Da sich die Komponenten von denen der Beobachtungsvorrichtung 30 gemäß der zweiten Ausführungsform unterscheiden, ist das optische Bilderzeugungssystem 42 mit einem Strahlenaufweiter 45, der den Strahldurchmesser eines Laserstrahls aufweitet, einem dichroitischen Spiegel 46, der den Laserstrahl beugt und das Passieren von Fluoreszenz dadurch ermöglicht, einem Galvanometerspiegel 47, der in der Nähe einer Position angeordnet ist, die zu der Pupille der Objektivlinse 16 konjugiert ist, und einem dritten Paar 48 Zwischenbilderzeugungslinsen vorgesehen. Außerdem ist der Phasenmodulator 23, der auf die Wellenfront des Laserstrahls eine Störung aufbringt, in der Nähe des Galvanometerspiegel 47 angeordnet. In den Figuren bezeichnet Bezugszeichen 49 einen Spiegel.
Der Betrieb der somit konfigurierten Beobachtungsvorrichtung 40 gemäß dieser Ausführungsform ist nachstehend beschrieben.
Mit der Beobachtungsvorrichtung 40 gemäß dieser Ausführungsform wird der von der Laserlichtquelle 41 ausgestrahlte Laserstrahl, dessen Durchmesser von dem Strahlenaufweiter 45 aufgeweitet wird, von dem dichroitischen Spiegel 46 gebeugt und wird zweidimensional von dem Galvanometerspiegel 47 gescannt, wonach der Laserstrahl den Phasenmodulator 23 und das dritte Paar 48 Zwischenbilderzeugungslinsen passiert, und tritt in den Strahlenteiler 36 ein.
Obwohl das Laserlicht, das in den Strahlenteiler 36 eingetreten ist, Zwischenbilder erzeugt, die auf den flachen Spiegel 22a der Strahlenganglängenvariationseinrichtung 22 einfallen, wurde davor von dem Phasenmodulator 23 auf die Wellenfront davon eine Störung aufgebracht, die die Zwischenbilder unscharf macht, und ist es somit möglich, zu verhindern, dass Bilder von Fremdobjekten, die auf der Zwischenbilderzeugungsebene vorhanden sind, darauf überlagert werden. Außerdem ist es, da die Wellenfrontstörung von dem Phasenmodulator 17 aufgehoben wird, der an der Pupillenposition der Objektivlinse 16 angeordnet ist, möglich, ein scharfes Endbild an dem Untersuchungsobjekt A zu erzeugen. Außerdem kann die Bilderzeugungstiefe des Endbildes von der Strahlenganglängenvariationseinrichtung 22 beliebig angepasst werden.
Andererseits wird Fluoreszenz, die an einer Position in dem Untersuchungsobjekt A erzeugt wird, an der der Laserstrahl das Endbild erzeugt, von der Objektivlinse 16 erfasst, bewegt sich entlang dem Strahlengang auf dem umgekehrten Weg als dem, auf dem sich der Laserstrahl nach Passieren des Phasenmodulators 17 bewegt hat, wird von dem Strahlenteiler 36 gebeugt, passiert das dritte Paar 48 Zwischenbilderzeugungslinsen, den Phasenmodulator 23, den Galvanometerspiegel 47 und den dichroitischen Spiegel 46 und wird an einer konfokalen Lochblende 43 von der Bilderzeugungslinse 24 fokussiert; somit wird nur die Fluoreszenz, die die konfokale Lochblende 43 passiert hat, von dem Photodetektor 44 detektiert.
Auch in diesem Fall wird, da die von der Objektivlinse 16 erfasste Fluoreszenz ein Zwischenbild erzeugt, nachdem deren Wellenfront von dem Phasenmodulator 17 gestört wurde, das Zwischenbild unscharf gemacht, und ist es somit möglich, zu verhindern, dass die Bilder von Fremdobjekten, die in der Zwischenbilderzeugungsebene vorhanden sind, darauf überlagert werden. Auch ist es, da die Wellenfrontstörung durch Passieren des Phasenmodulators 23 aufgehoben wird, möglich, an der konfokalen Lochblende 43 ein scharfes Bild zu erzeugen, und ist es möglich, die Fluoreszenz, die an der Position in dem Untersuchungsobjekt A erzeugt wird, an der der Laserstrahl das Endbild erzeugt, effizient zu detektieren. Folglich besteht ein Vorteil darin, dass es möglich ist, ein helles konfokales Bild mit hoher Auflösung zu erlangen. In dieser Ausführungsform wird in dem Fall, in dem ein Scansystem wie das vorstehend beschriebene enthalten ist, kein Rauschbild in irgendeinem optischen Element erzeugt, das in dem optischen Bilderzeugungssystem angeordnet ist, selbst wenn Licht auf der Z-Achse bewegt wird.
Wie in der ersten und der zweiten Ausführungsform ist diese Ausführungsform derart konfiguriert, dass die einzelnen Linsen 19a und 19b des ersten Paars 19 Zwischenbilderzeugungslinsen in die Richtung der optischen Achse mittels des Teil zum Einstellen der optischen Vergrößerung 81 als eine einzelne Einheit bewegt werden. Alternativ können beispielsweise die Linsen 48a und 48b in die Richtung der optischen Achse als eine einzelne Einheit durch Bereitstellen des Teils zum Einstellen der optischen Vergrößerung 81 an dem dritten Paar 48 Zwischenbilderzeugungslinsen bewegt werden oder kann der Teil zum Einstellen der optischen Vergrößerung 81 sowohl am Satz Linsen in dem ersten Paar 19 Zwischenbilderzeugungslinse als auch dem Satz Linsen in dem dritten Paar 48 Zwischenbilderzeugungslinsen vorgesehen sein und können beide Linsensätze als eine einzelne Einheit einzeln in die Richtung der optischen Achse bewegt werden.
Es ist anzumerken, dass in dieser Ausführungsform, obwohl eine konfokale Laserscanbeobachtungsvorrichtung als Beispiel beschrieben wurde, die vorliegende Erfindung alternativ auf eine Laserscanmultiphotonenerregungsbeobachtungsvorrichtung angewendet werden kann, wie in 8 gezeigt.
In diesem Fall kann eine ultrakurze gepulste Laserlichtquelle als die Laserlichtquelle 41 verwendet werden, kann der dichroitische Spiegel 46 aus der ursprünglichen Position entfernt werden und kann anstatt des Spiegels 49 der dichroitische Spiegel 46 verwendet werden.
Mit einer Beobachtungsvorrichtung 50 gemäß 8 ist es möglich, das Endbild scharf zu machen, indem das Zwischenbild unscharf gemacht wird, indem dessen Funktion als eine Beleuchtungsvorrichtung verwendet wird, die einen ultrakurzen gepulsten Laserstrahl auf das Untersuchungsobjekt A strahlt. Bezüglich der am Untersuchungsobjekt A erzeugten Fluoreszenz wird die Fluoreszenz von der Objektivlinse 16 erfasst, passiert den Phasenmodulator 17 und den dichroitischen Spiegel 46, wird anschließend von der Fokussierlinse 51 fokussiert, ohne ein Zwischenbild zu erzeugen, und wird direkt von dem Photodetektor 44 detektiert.
In dieser Modifizierung können auch die einzelnen Linsen 19a und 19b des ersten Paars 19 Zwischenbilderzeugungslinsen entlang der Richtung der optischen Achse mittels des Teils zum Einstellen der optischen Vergrößerung 81 als eine einzelne Einheit bewegt werden oder können beide Linsensätze in dem ersten Paar 19 Zwischenbilderzeugungslinsen und der Linsensatz in dem dritten Paar 48 Zwischenbilderzeugungslinsen einzeln in die Richtung der optischen Achse bewegt werden.
Außerdem wird in den einzelnen vorstehend beschriebenen Ausführungsformen mittels der Strahlenganglängenvariationseinrichtung 22, die die Strahlenganglänge über die Bewegung des flachen Spiegels ändert, der den Strahlengang rückstrahlt, die vordere Brennpunktposition der Objektivlinse in die Richtung der optischen Achse geändert. Alternativ kann eine Beobachtungsvorrichtung 60 durch Verwenden einer Einheit, die die Strahlenganglänge durch Bewegen einer Linse 61a ändert, die eine der Linsen 61a und 61b ist, die ein optisches Zwischenbilderzeugungssystem 61 bilden, in die Richtung der optischen Achse durch Verwenden des Aktuators 62 als die Strahlenganglängenvariationseinrichtung, wie in 9 gezeigt, konfiguriert werden. In den Zeichnungen bezeichnet Bezugszeichen 63 ein weiteres optisches Zwischenbilderzeugungssystem. Außerdem zeigen in 9 von durchgezogenen Linien gezeigte Strahlen Objektabbildung und zeigen von gestrichelte Linien gezeigte Strahlen Pupillenabbildung.
Wie in 10 gezeigt, ist diese Modifizierung mit dem Strahlenlängenvariationsteil (Einstellungseinrichtung) 81 vorgesehen, der die optische Vergrößerung in der Abbildungsbeziehung zwischen dem Phasenmodulator 17 und dem Phasenmodulator 23 einstellt.
Der Teil zum Einstellen der optischen Vergrößerung 81 ist derart konfiguriert, dass einzelne Linsen 63a und 63b eines anderen optischen Zwischenbilderzeugungssystems 63 entlang der Richtung der optischen Achse als eine einzelne Einheit bewegt werden können.
Wie in 9 gezeigt, wird, wenn die einzelnen Linsen 63a und 63b als eine einzelne Einheit mittels des Teils zum Einstellen der optischen Vergrößerung 81 zu dem Phasenmodulator 17 bewegt werden, die Größe eines Bildes des Phasenmodulators 23 an dem Galvanometerspiegel 47, der mit dem Phasenmodulator 23 konjugiert ist, weiter reduziert. Außerdem wird, da der Galvanometerspiegel 47 mit dem Phasenmodulator 17 über einzelne Linsen 48a und 48b des dritten Paars 48 Zwischenbilderzeugungslinsen konjugiert ist, die Größe des Bildes des Phasenmodulators 23 am Phasenmodulator 17 schließlich reduziert. Mit anderen Worten wird die Abbildungsvergrößerung βpm des Phasenmodulators 23 am Phasenmodulator 17 reduziert.
Andererseits wird, wenn die einzelnen Linsen 63a und 63b als eine einzelne Einheit mittels des Teils zum Einstellen der optischen Vergrößerung 81 zum Phasenmodulator 23 bewegt werden, die Größe eines Bildes des Phasenmodulators 23 am Phasenmodulator 17 vergrößert. Mit anderen Worten wird die Abbildungsvergrößerung βpm des Phasenmodulators 23 am Phasenmodulator 17 erhöht.
Aus diesem Grund ist es, selbst in dem Fall, in dem Vergrößerungsfehler oder dergleichen aufgrund von Herstellungstechnologien in den einzelnen Linsen 63a und 63b eines anderen optischen Zwischenbilderzeugungssystems 63 vorhanden sind, durch Bewegen der einzelnen Linsen 63a und 63b in die Richtung der optischen Achse als eine einzelne Einheit mittels des Teil zum Einstellen der optischen Vergrößerung 81 möglich, ein Bild des Phasenmodulators 23 mit einer genauen erwünschten Vergrößerung bezüglich des Phasenmodulators 17 zu erzeugen. Dadurch wird eine Beziehung, in der sich die von dem Phasenmodulator 23 und dem Phasenmodulator 17 aufgebrachten Phasenmodulationen vollständig aufheben, gebildet, wodurch die Verschwommenheitskomponenten vollständig aus dem Strahl entfernt werden, der den Phasenmodulator 17 passiert hat, wodurch es möglich wird, Punktbeleuchtung von ultrakurzem gepulstem Laserlicht ohne Verschwommenheit auf das Untersuchungsobjekt A zu strahlen, und ist es somit möglich, letztendlich ein scharfes Bild des Untersuchungsobjekts A zu erlangen.
Es ist anzumerken, dass in einigen Fällen die Brennpunktpositionen, d. h. die Positionen, an denen der Galvanometerspiegel 47 und dem Phasenmodulator 17, an denen Bilder des Phasenmodulators 23 erzeugt werden, manchmal verbunden mit der Bewegung der einzelnen Linsen 63a und 63b als eine einzelne Einheit in die Richtung der optischen Achse bewegt werden. Bezüglich dieses Phänomens sind in dem Fall, in dem die Abbildungsvergrößerung βpm zwischen den Phasenmodulatoren 1 oder ein Wert in der Nähe von 1 ist, solche Bewegungen nicht problematisch, da die Bewegungen der Positionen, an denen die Bilder des Phasenmodulators 23 erzeugt werden, extrem klein sind. Außerdem sollte in dem Fall, in dem die Abbildungsvergrößerung βpm zwischen den Phasenmodulatoren stark von 1 abweicht, d. h. im Fall einer vergrößerten Projektion oder reduzierten Projektion, da die Bewegungen der Positionen, an denen Bilder des Phasenmodulators 23 erzeugt werden, verstärkt werden, ein Verfahren zum Aufheben von Brennpunktverlagerungen angewendet werden, wie später beschrieben.
Außerdem können in dieser Modifizierung auch beispielsweise die einzelnen Linsen 48a und 48b in die Richtung der optischen Achse als eine einzelne Einheit durch Bereitstellen des Teils zum Einstellen der optischen Vergrößerung 81 am dritten Paar 48 Zwischenbilderzeugungslinsen bewegt werden oder kann der Teil zum Einstellen der optischen Vergrößerung 81 an beiden Linsensätzen in einem anderen Zwischenbilderzeugungssystem 63 vorgesehen sein und können der Linsensatz in dem dritten Paar 48 Zwischenbilderzeugungslinsen und beide Linsensätze einzeln als eine einzelne Einheit in die Richtung der optischen Achse bewegt werden.
Außerdem ist, wie in 11 gezeigt, ein weiteres Zwischenbilderzeugungssystem 80 zwischen zwei Galvanometerspiegeln 47 angeordnet, die einen zweidimensionalen Lichtscanner bilden, und sind die zwei Galvanometerspiegel 47 genau in einer optisch konjugierten Positionsbeziehung relativ zu den Phasenmodulatoren 17 und 23 angeordnet und ist eine Aperturblende 81 an der Pupille der Objektivlinse 16 angeordnet.
In diesem Fall kann der Teil zum Einstellen der optischen Vergrößerung 81 an einem der Linsensätze in einem anderen Zwischenbilderzeugungssystem 63, der Linsensätze in einem anderen Zwischenbilderzeugungssystem 80 und der Linsensätze in dem dritten Paar 48 Zwischenbilderzeugungslinsen vorgesehen sein und kann der Linsensatz oder können beliebig viele Linsensätze von diesen als eine einzelne Einheit einzeln in die Richtung der optischen Achse bewegt werden.
Außerdem kann ein Raumlichtmodulator (SLM) 64, wie beispielsweise eines LCOS vom Reflexionstyp, als die Strahlenganglängenvariationseinrichtung verwendet werden, wie in 12 gezeigt. Dadurch ist es möglich, die vordere Brennpunktposition der Objektivlinse 16 in die Richtung der optischen Achse mit einer hohen Geschwindigkeit durch Ändern der auf die Wellenfront aufgebrachten Phasenmodulation mit hoher Geschwindigkeit durch Steuern von Flüssigkristallen des LCOS zu ändern. In den Zeichnungen bezeichnet Bezugszeichen 65 einen Spiegel.
Außerdem kann anstatt des Raumlichtmodulators 64, wie beispielsweise ein LCOS vom Reflexionstyp, ein Raumlichtmodulator 66, wie beispielsweise ein LCOS vom Übertragungstyp verwendet werden, wie in 13 gezeigt. Da der Spiegel 65 im Vergleich zu dem Fall, indem der LCOS vom Reflexionstyp verwendet wird, weggelassen werden kann, kann die Konfiguration vereinfacht werden.
In den einzelnen vorstehend beschriebenen Ausführungsformen wäre es, obgleich der Teil zum Einstellen der optischen Vergrößerung 81, der die einzelnen Linsen als eine einzelne Einheit bewegt, die das Zwischenbilderzeugungslinsenpaar 19, 48, 63 oder 80 bilden, als Beispiel der Einstellungseinrichtung als ein Teil zum Einstellen der optischen Vergrößerung beschrieben wurde, sogar noch besser, wenn es nicht nur möglich wäre, die optische Vergrößerung in der Abbildungsbeziehung zwischen dem Phasenmodulator 17 und dem Phasenmodulator 23 einzustellen, sondern es außerdem möglich wäre, Brennpunktverlagerungen zu verhindern, die in Verbindung mit der Vergrößerungseinstellung bewirkt werden, d. h. Verlagerungen der Positionen, an denen Bilder der Phasenmodulatoren erzeugt werden. Beispielsweise können Teile zum Einstellen der optischen Vergrößerung 83a und 83b, die die einzelnen Linsen in dem Paar 19, 48, 43 oder 80 Zwischenbilderzeugungslinsen in die Richtung der optischen Achse bewegen, getrennt verwendet werden. 14 zeigt ein Beispiel einer Konfiguration, in der der Strahlenlängenvariationsteil 83A die Linse 63a separat bewegt, die eine der Linsen in einem anderen Zwischenbilderzeugungssystem 63 ist, und der Strahlenlängenvariationsteil 83B die Linse 63b separat bewegt, die andere Linse in die Richtung der optischen Achse ist.
In 14 wird, wenn die einzelnen Linsen 63a und 63b mittels des Strahlenlängenvariationsteils 83A und 83B einzeln zum Phasenmodulator 17 bewegt werden, die Abbildungsvergrößerung βpm des Phasenmodulators 23 am Phasenmodulator 17 reduziert und wenn die einzelnen Linsen 63a und 63b einzeln zum Phasenmodulator 23 bewegt werden, wird die Abbildungsvergrößerung βpm des Phasenmodulators 23 am Phasenmodulator 17 erhöht.
In diesem Fall ist es durch Einstellen eines geeigneten Unterschieds zwischen den Ausmaßen, in denen die einzelnen Linsen 63a und 63b von den Teilen zum Einstellen der optischen Vergrößerung 83A und 83B bewegt werden, möglich, die Bewegungen der Brennpunktpositionen, d. h. die Brennpunktverlagerungen der Phasenmodulatoren, die bewirkt werden, wenn die einzelnen Linsen 63a und 63b als eine einzelne Einheit bewegt werden, aufzuheben.
Aus diesem Grund ist es mit dieser Modifizierung möglich, die Abbildungsvergrößerungen der Phasenmodulatoren einzustellen, während die Bewegungen der Brennpunktpositionen unterdrückt werden.
Außerdem kann, wie in 15 gezeigt, in den einzelnen vorstehend beschriebenen Ausführungsformen, eine einzelne konkave Linse 85, die in die Richtung der optischen Achse bewegt werden kann, in dem Strahlengang zwischen den einzelnen Linsen 63a und 63b eines anderen optischen Zwischenbilderzeugungssystems 63 angeordnet sein und kann ein Teil 87 zur Einstellung der optischen Vergrößerung, der die konkave Linse 85 in die Richtung der optischen Achse bewegt, verwendet werden. Bezüglich der Bewegung der konkaven Linse 85 in die Richtung der optischen Achse mittels des Teils 87 zur Einstellung der optischen Vergrößerung ist es möglich, sogenannte optisch kompensierte Zoomlinsen durch Konfigurieren eines weiteren optischen Zwischenbilderzeugungssystems 63 als eine Zoomlinse zu bilden.
In diesem Fall wird, wenn die konkave Linse 85 zum Phasenmodulator 17 bewegt, die Abbildungsvergrößerung βpm des Phasenmodulators 23 am Phasenmodulator 17 erhöht und wird, wenn die konkave Linse 85 zum Phasenmodulator 23 bewegt wird, die Abbildungsvergrößerung βpm des Phasenmodulators 23 am Phasenmodulator 17 reduziert.
In dieser Modifizierung ist dies, selbst wenn die Brennpunktpositionen in Verbindung mit Änderungen in der Abbildungsvergrößerung bewegt werden, nicht problematisch, da das Ausmaß an beteiligter Bewegung extrem klein ist.
Außerdem kann in dieser Modifizierung mindestens eine der einzelnen Linsen 63a und 63b derart konfiguriert sein, dass sie in die Richtung der optischen Achse bewegt werden kann. Durch Bewegen einer oder beider einzelnen Linsen 63a und 63b in die Richtung der optischen Achse ist es möglich, die Bewegungen der Brennpunktpositionen aufzuheben, die von den Bewegungen der konkaven Linse 85 bewirkt werden.
Außerdem kann in dieser Modifizierung ein Mitnehmerelement (nicht gezeigt), das die Bewegungen der konkaven Linse 85 in die Richtung der optischen Achse mit den Bewegungen der mindestens einen der einzelnen Linsen 63a und 63b in die Richtung der optischen Achse verknüpft, verwendet werden und kann eine sogenannte mechanisch kompensierte Zoomlinse durch Verwendung der einzelnen Linsen 63a und 63b, der konkaven Linse 85 und des Mitnehmerelementes gebildet werden.
Als eine andere Einrichtung zum Bewegen der Brennpunktposition in dem Untersuchungsobjekt A in die Richtung der optischen Achse als die beschriebenen Einzelbeispiele (die Strahlenganglängenvariationseinrichtung 22 oder das optische Zwischenbilderzeugungssystem 61 und der Aktuator 62 oder ein räumlicher Phasenmodulator 64 vom Reflexionstyp oder der räumliche Phasenmodulator 66 vom Übertragungstyp) können verschiedene Typen von optischen Elementen mit variabler Leistung verwendet werden, die als aktive optische Elemente bekannt sind, einschließlich vor allem als solche mit mechanisch beweglichen Teilen, einen Spiegel mit variabler Form (DFM: Deformable Mirror) und eine Linse mit einer variablen Form, die eine Flüssigkeit oder Gel verwendet. Beispiele für ähnliche Vorrichtungen, die keine mechanisch beweglichen Teile umfassen, umfassen unter anderem eine Flüssigkristalllinse und eine Kaliumtantalatniobat(KTN: KTa_1-xNb_xO₃)-Kristalllinse, die den Brechungsindex eines Mediums mittels eines elektrischen Feldes steuert, und außerdem eine Linse, in der ein Zylinderlinseneffekt in einem akustischen optischen Deflektor (AOD/Acousto-Optical Deflector) angewendet wird.
Wie vorstehend beschrieben, sind in den Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in der Form von Mikroskopen in allen Fällen einige Einrichtungen zum Bewegen der Brennpunktposition in dem Untersuchungsobjekt A in die Richtung der optischen Achse enthalten. Ferner ist es mit diesen Einrichtungen zum Bewegen der Brennpunktposition in die Richtung der optischen Achse im Vergleich zu einer in herkömmlichen Mikroskopen zum gleichen Zweck ausgelegten Einrichtung (nämlich zum Bewegen entweder der Objektivlinse oder des Untersuchungsobjekts in die Richtung der optischen Achse) möglich, die Betriebsgeschwindigkeit erheblich zu erhöhen, da ein Objekt mit geringer Masse, das anzutreiben ist, oder ein physikalisches Phänomen, dessen Ansprechgeschwindigkeit hoch ist, verwendet wird.
Dies schafft einen Vorteil dahingehend, dass es möglich ist, Phänomene zu detektieren, die bei höherer Geschwindigkeit in einem Untersuchungsobjekt A auftreten (beispielsweise Gewebeproben von lebendem biologischen Gewebe).
Außerdem ist es in dem Fall, in dem die räumlichen Phasenmodulatoren 64 und 66, wie beispielsweise vom Übertragungstyp oder Reflexionstyp LCOS verwendet werden, möglich, zu bewirken, dass die räumlichen Phasenmodulatoren 64 und 66 die Funktion des Phasenmodulators 23 ausführen. Dadurch ist es möglich, den Phasenmodulator 23, der als eine Wellenfrontstöreinrichtung dient, wegzulassen, und besteht somit ein Vorteil darin, dass es möglich ist, die Konfiguration zu vereinfachen.
Außerdem ist es, obwohl das vorstehend beschriebene Beispiel eine Form ist, in der der Phasenmodulator 23 in einer Kombination des räumlichen Phasenmodulators und einer Laserscanmultiphotonenerregungsbeobachtungsvorrichtung weggelassen wird, auf eine ähnliche Weise auch möglich, den Phasenmodulator 23 in einer Kombination des räumlichen Phasenmodulators und einer konfokalen Laserscanbeobachtungsvorrichtung wegzulassen. Insbesondere kann in 12 und 13 der Spiegel 49 anstatt des dichroitischen Prismas 36 verwendet werden, kann der dichroitische Spiegel 46 zwischen dem Strahlenaufweiter 45 und den räumlichen Phasenmodulatoren 64 und 66 verwendet werden, wodurch ein Zweigstrahlengang gebildet wird, und ist es, vorausgesetzt, dass die Bilderzeugungslinse 24, die konfokale Lochblende 43 und der Photodetektor 44 verwendet werden, ferner möglich, zu bewirken, dass die räumlichen Phasenmodulatoren 64 und 66 die Funktion des Phasenmodulators 23 ausführen. Die räumlichen Phasenmodulatoren 64 und 66 dienen in diesem Fall als Wellenfrontstöreinrichtungen bezüglich eines Laserstrahls von der Laserlichtquelle 41, stören deren Wellenfront und dienen andererseits als Wellenfrontwiederherstellungseinrichtungen bezüglich der Fluoreszenz, die von dem Untersuchungsobjekt A kommt, die die von dem Phasenmodulator 17 darauf aufgebrachte Wellenfrontstörung aufheben.
Wie in 16 gezeigt, können beispielsweise zylinderförmigen Linsen 17 und 23 als Phasenmodulatoren verwendet werden.
In diesem Fall ist es mit der zylinderförmigen Linse 17, da ein Zwischenbild in der Form eines Punktbildes aufgrund von Astigmatismus in eine lineare längliche Form gebracht wird, möglich, das Zwischenbild mit diesem Effekt unscharf zu machen, und ist es möglich, das Bild, das entsteht, mittels der zylinderförmigen Linse 23 mit einer dazu komplementären Form scharf zu machen.
In dem in 16 gezeigten Fall können entweder eine konvexe Linse oder eine konkave Linse als Wellenfrontstöreinrichtung oder als Wellenfrontwiederherstellungseinrichtung verwendet werden.
Die Wirkung der Verwendung von zylinderförmigen Linsen 5 und 6 als die Phasenmodulatoren ist nachstehend ausführlich beschrieben. 17 zeigt ein Beispiel, in dem die zylinderförmigen Linsen 5 und 6 als die Phasenmodulatoren in 2 und 3 verwendet werden.
Hier sind insbesondere die folgenden Bedingungen festgelegt.

a) eine zylinderförmige Linse mit einer Brechkraft ψ_Ox in die X-Richtung wird als der Phasenmodulator (Wellenfrontstörvorrichtung) 5 auf der Seite des Objekts O verwendet.
b) eine zylinderförmige Linse mit einer Brechkraft ψ_Ix in die X-Richtung wird als der Phasenmodulator (Wellenfrontwiederherstellungsvorrichtung) 6 auf der Seite des Bildes I verwendet.
c) eine Position (Höhe des Strahls) eines Strahls R_X auf der Achse in der XZ-Ebene in der zylinderförmigen Linse 5 wird als x_O angenommen.
d) eine Position (Höhe des Strahls) eines Strahls R_X auf der Achse auf der XZ-Ebene in der zylinderförmigen Linse 6 wird als x_I angenommen

In 17 bezeichnen Bezugszeichen II _0x und II _0y Zwischenbilder.
Vor der Beschreibung der Wirkungen dieses Beispiels wird die Beziehung zwischen dem Phasenmodulationspegel und der optischen Leistung auf der Grundlage von Gauß'scher Optik unter Verwendung von 18 beschrieben.
In 18 wird angenommen, dass die Linsendicke bei der Höhe (Abstand von der optischen Achse) × d(x) ist und dass die Linsendicke bei der Höhe 0 (auf der optischen Achse) d_o ist, die Strahlenganglänge L(x) zwischen der Tangentialebene der Eintrittsseite und der Tangentialebene der Austrittsseite, die sich entlang einem Strahl bei der Höhe x erstreckt, ist durch Ausdruck (4) nachstehend ausgedrückt. L(x) = (d₀ – d(x)) + n·d(x) (4)
Der Unterschied zwischen der Strahlenganglänge L(x) bei der Höhe x und der Strahlenganglänge L(0) bei der Höhe 0 (auf der optischen Achse) ist durch Ausdruck (5) nachstehend ausgedrückt, wenn die Dünnlinsenannäherung verwendet wird. L(x) – L(0) = (–x²/2)(n – 1)(1/r₁ – 1/r₂) (5)
Bezüglich der Differenz der vorstehend beschriebenen Strahlenganglängen L(x) – L(0) ist der Absolutwert davon gleich der Phasenvoreilung von Licht, das an der Höhe x austritt, relativ zu einem Austritt bei der Höhe 0 und ist das Vorzeichen davon umgekehrt. Aus diesem Grund ist die vorstehend beschriebene Phasenvoreilung durch Ausdruck (6) nachstehend ausgedrückt, der ein dem Ausdruck (5) entgegengesetztes Vorzeichen hat. L(0) – L(x) = (x²/2)(n – 1)(1/r₁ – 1/r₂) (6)
Andererseits ist die optische Leistung ψ dieser dünnen Linse durch Ausdruck (7) nachstehend ausgedrückt. ψ = 1/f = (n – 1)(1/r₁ – 1/r₂) (7)
Somit ist auf Grundlage von Ausdrücken (6) und (7) die Beziehung zwischen der Phasenvoreilung L(0) – L(x) und der optischen Leistung ψ durch Ausdruck (8) nachstehend bestimmt. L(0) – L(x) = k·x²/2 (8)
Jetzt wird wieder 17 beschrieben.
Die Phasenvoreilung ng_Oc, die der Strahl R_x auf der Achse in der XZ-Ebene in der zylinderförmigen Linse 5 erfährt, relativ zu einem Hauptstrahl auf der Achse, das heißt einem Strahl R_A, der sich entlang der optischen Achse fortbewegt, ist durch Ausdruck (9) nachstehend auf Grundlage von Ausdruck (8) ausgedrückt. ΔL_OC(x_O) = L_Oc(0) – L_Oc(x_O) = ψ_Ox·X_O ²/2 (9)
Hier ist L_OC(x_O) eine Funktion der Strahlenganglänge zwischen der Tangentialebene der Eintrittsseite und der Tangentialebene der Austrittsseite, die sich entlang einem Strahl bei der Höhe x_O in der zylinderförmigen Linse 5 erstreckt.
Auf ähnliche Weise ist die Phasenvoreilung Iy_Ic, die der Strahl R_x auf der Achse in der XZ-Ebene in der zylinderförmigen Linse 6 erfährt, relativ zu einem Hauptstrahl auf der Achse, das heißt dem Strahl R_A, der sich entlang der optischen Achse fortbewegt, durch Ausdruck (10) nachstehend ausgedrückt. ΔL_Ic(x_I) = L_Ic(0) – L_Ic(x_I) = ψ_Ix·x_I ²/2 (10)
Hier ist L_Ic(x_I) eine Funktion der Strahlenganglänge zwischen der Tangentialebene der Eintrittsseite und der Tangentialebene der Austrittsseite, die sich entlang einem Strahl bei der Höhe x_I in der zylinderförmigen Linse 6 erstreckt.
Wenn die in Ausdrücken (9) und (10) ausgedrückten Beziehungen und (x_I/x₀)² = βF² auf den vorstehend beschriebenen Ausdruck (2) angewendet werden, werden in diesem Beispiel Bedingungen für die zylinderförmige Linse 5 zum Ausführen der Funktion des Störens einer Wellenfront und dafür, dass die zylinderförmige Linse 6 die Funktion der Wiederherstellung einer Wellenfront ausführt, bestimmt, wie von Ausdruck (11) angegeben. ψ_Ox/ψ_Ix = –v_F ² (11)
Speziell ist es notwendig, dass die Werte von ψ_Ox und ψ_Ix Vorzeichen haben, die einander entgegengesetzt sind, und auch, dass das Verhältnis von deren Absolutwerten proportional zu dem Quadrat der Quervergrößerung der Feldlinse 4 ist.
Es ist anzumerken, dass, obgleich die vorstehenden Beschreibungen auf dem Strahl auf der Achse basieren, die zylinderförmigen Linsen 5 und 6, solange die vorstehend beschriebenen Bedingungen erfüllt sind, auch die Funktionen des Störens einer Wellenfront und des Wiederherstellens einer Wellenfront auf eine ähnliche Weise wie bei einem Strahl außerhalb der Achse ausführen können.
Außerdem können als die Phasenmodulatoren 5, 6, 17 und 23 (in den Zeichnungen als die Phasenmodulatoren 5 und 6 angezeigt), eindimensionale binäre Beugungsgitter, in 19 gezeigt, eindimensionale Sinuskurvenbeugungsgitter, in 20 gezeigt, frei gekrümmte Oberflächenlinsen, in 21 gezeigt, Kegellinsen, in 22 gezeigt, oder konzentrische binäre Beugungsgitter, in 23 gezeigt, anstatt zylinderförmiger Linsen verwendet werden. Die konzentrischen Beugungsgitter sind nicht auf den binären Typ beschränkt und es kann jegliche beliebige Form, wie beispielsweise vom Blaze-Typ, Sinuskurventyp oder dergleichen, verwendet werden.
Hier wird der Fall, in dem die Beugungsgitter 5 und 6 als Wellenfrontmodulationsvorrichtungen verwendet werden, nachstehend ausführlich beschrieben.
In einem Zwischenbild II wird in diesem Fall ein Einzelpunktbild durch Beugung in eine Mehrzahl von Punktbildern geteilt.
Aufgrund dieser Wirkung wird das Zwischenbild II unscharf gemacht und ist es somit möglich, zu verhindern, dass Bilder von Fremdobjekten in der Zwischenbilderzeugungsebene in dem Endbild erscheinen, indem sie dieses überlagern.
Für den Fall, in dem die Beugungsgitter 5 und 6 als Phasenmodulatoren verwendet werden, ist ein Beispiel eines bevorzugten Weges für einen Hauptstrahl auf der Achse, d. h., den Strahl R_A, der sich entlang der optischen Achse fortbewegt, in 24 gezeigt, und ist außerdem ein Beispiel eines bevorzugten Weges für den Strahl R_X auf der Achse in 25 gezeigt. In diesen Figuren werden, obwohl die Strahlen R_A und R_X über das Beugungsgitter 5 in eine Mehrzahl von gebeugten Strahlen getrennt werden, diese durch Passieren des Beugungsgitters 6 in einen einzelnen Strahl, wie es ursprünglich der Fall war, wiederhergestellt.
Auch in diesem Fall ist es durch Erfüllen der vorstehend beschriebenen Ausdrücke (1) bis (3) möglich, die vorstehend beschriebenen Wirkungen zu erreichen.
Hier ist es gemäß 24 und 25 möglich, Ausdruck (2) so anders zu beschreiben, dass „die Summe von Phasenmodulation, die auf einen Strahl R_X auf der Achse von den Beugungsgittern 5 und 6 aufgebracht wird, immer gleich der Summe von Phasenmodulation ist, die auf den Hauptstrahl R_A auf der Achse von den Beugungsgittern 5 und 6 aufgebracht wird”.
Außerdem ist es in dem Fall, in dem die Beugungsgitter 5 und 6 periodische Strukturen haben, wenn die Formen (d. h. die Phasenmodulationseigenschaften) davon Ausdruck (2) erfüllen, in einem Bereich, der einer Periode entspricht, möglich, anzunehmen, dass Ausdruck (2) auf ähnliche Weise in anderen Bereichen erfüllt ist.
Aus diesem Grund werden Mittelteile der Beugungsgitter 5 und 6, das heißt Bereiche in der Nähe der optischen Achse, in der folgenden Beschreibung fokussiert. 26 ist ein Diagramm, das Einzelheiten des Mittelteils des Beugungsgitters 5 zeigt, und 27 ist ein Diagramm, das Einzelheiten des Mittelteils des Beugungsgitters 6 zeigt.
Hier sind die folgenden Beschreibungen die Bedingungen dafür, dass die Beugungsgitter 5 und 6 Ausdruck (2) erfüllen.
Speziell muss eine Modulationsperiode p_I des Beugungsgitters 6 gleich einer von der Feldlinse 4 projizierten Modulationsperiode p_O des Beugungsgitters 5 sein; muss eine Modulationsphase des Beugungsgitters 6 bezüglich einer von der Feldlinse 4 projizierten Modulationsphase des Beugungsgitters 5 umgekehrt sein; und müssen auch die Größe der Phasenmodulation von dem Beugungsgitter 5 und der Größe der Phasenmodulation von dem Beugungsgitter 6 hinsichtlich der Absolutwerte einander gleich sein.
Zuerst sind die Bedingungen dafür, dass die Periode p_I und die projizierte Periode p₀ einander gleich sind, durch Ausdruck (12) ausgedrückt. p_I = |β_F|·p₀ (12)
Als nächstes muss, um die Modulationsphase des Beugungsgitters 6 bezüglich der projizierten Modulationsphase des Beugungsgitters 5 umzukehren, zusätzlich zum Erfüllen des vorstehend beschriebenen Ausdrucks (12), beispielsweise das Beugungsgitter 5 derart angeordnet sein, dass die Mitten von hervorstehenden Bereichen davon in Ausrichtung mit der optischen Achse sind, und muss auch das Beugungsgitter 6 derart angeordnet sein, dass die Mitten von vertieften Bereichen davon in Ausrichtung mit der optischen Achse sind. 26 und 27 zeigen nur ein Beispiel für solche Anordnungen.
Schließlich werden Bedingungen dafür bestimmt, dass die Größe der Phasenmodulation von dem Beugungsgitter 6 und die Größe der Phasenmodulation von dem Beugungsgitter 5 gleich sind bezüglich der absolute Werte.
Auf Grundlage von optischen Parametern (die Dicke t_0c der hervorstehenden Bereiche, die Dicke t_0t der vertieften Bereiche und der Brechungsindex n₀) des Beugungsgitters 5 ist eine Phasenvoreilung dL_0dt, die der Strahl R_X auf der Achse erfährt, der einen der vertieften Bereiche des Beugungsgitters 5 passiert, relativ zu dem Strahl R_A, der sich entlang der optischen Achse fortbewegt (der einen der hervorstehenden Bereiche passiert), durch Ausdruck (13) nachstehend ausgedrückt. ΔL_0dt = n₀·t_0c – (n₀·t_0t + (t_0c – t_0t)) = (n₀ – 1)(t_0c – t_0t) (13)
Auf ähnliche Weise ist auf Grundlage von optischen Parametern (die Dicke t_Ic der hervorstehenden Bereiche, die Dicke t_It der vertieften Bereiche und der Brechungsindex n_I) des Beugungsgitters 6 eine Phasenvoreilung di_Idt, die der Strahl R_X auf der Achse erfährt, der einen der vertieften Bereiche des Beugungsgitters 6 passiert, relativ zu dem Strahl R_A, der sich entlang der optischen Achse fortbewegt (der einen der hervorstehenden Bereiche passiert), durch Ausdruck (14) nachstehend ausgedrückt. Δ_Idt = (n_I·t_It + (t_Ic – t_It)) – n_I·t_Ic = –(n_I – 1)(t_Ic – t_It) (14)
In diesem Fall wird, da der Wert von nL_0dt positiv ist und der Wert von Δi_Idt negativ ist, die Bedingung dafür, dass die Absolutwerte der beiden einander gleich sind, durch Ausdruck (15) nachstehend ausgedrückt ΔL_0dt + ΔL_Idt = (n₀ – 1)(t_0C – t_0t) – (n₁ – 1)(t_Ic – t_It) = 0 (15)
Es ist anzumerken, dass, obgleich die vorstehenden Beschreibungen auf dem Strahl auf der Achse basieren, solange die vorstehend beschriebene Bedingung erfüllt ist, das Beugungsgitter 5 die Funktion des Störens einer Wellenfront ausführt und das Beugungsgitter 6 auch die Funktion des Wiederherstellens einer Wellenfront auch für einen Strahl außerhalb der Achse ausführt.
Außerdem versteht es sich, obgleich angenommen wird, dass die Querschnittsform der Beugungsgitter 5 und 6 in den vorstehenden Beschreibungen trapezförmig ist, von selbst, dass ähnliche Funktionen auch mit anderen Formen durchgeführt werden können.
Ferner können als die Phasenmodulatoren 5 und 6 sphärische Abbildungsfehlervorrichtungen, gezeigt in 28, Vorrichtungen mit unregelmäßiger Form, gezeigt in 29, Wellenfrontmodulationsvorrichtungen vom Reflexionstyp in einer Kombination mit dem räumlichen Phasenmodulator 64, gezeigt in 30, oder Gradientenindexvorrichtungen, gezeigt in 31, verwendet werden.
Ferner können eine Fliegenaugenlinsen- oder Mikrolinsenanordnung, in der viele Mikrolinsen angeordnet sind, oder alternativ eine Mikroprismaanordnung, in der viele Mikroprismen angeordnet sind, als die Phasenmodulatoren 5 und 6 verwendet werden.
Außerdem muss in dem Fall, in dem das optische Bilderzeugungssystem 1 gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen auf Endoskope angewendet wird, wie in 32 gezeigt, eine Phasenstörvorrichtung 5 innerhalb der Objektivlinse (Bilderzeugungslinse) 70 angeordnet sein und muss eine Phasenwiederherstellungsvorrichtung 6 in der Nähe einer Okularlinse 73 angeordnet sein, die auf der gegenüberliegenden Seite von der Objektivlinse 70 angeordnet ist, mit einem optischen Relaissystem 72, das eine Mehrzahl von Feldlinsen 4 und dazwischen angeordneten Fokussierlinsen 71 umfasst. Dadurch ist es möglich, in der Nähe der Oberflächen der Feldlinsen 4 erzeugte Zwischenbilder unscharf zu machen, und ist es möglich, das von der Okularlinse 73 erzeugte Bild scharf zu machen.
Außerdem kann, wie in 33 gezeigt, die Wellenfrontstöreinrichtung 5 in einer Objektivlinse 74 vom Endoskoptyp mit kleinem Durchmesser vorgesehen sein, die eine Innenfokusfunktion umfasst, in der eine Linse 61a von einem Aktuator 62 getrieben wird, und kann die Wellenfrontwiederherstellungseinrichtung 6 in der Nähe der Pupillenposition einer Schlauchlinse (Bilderzeugungslinse) 76 angeordnet sein, die in einer Mikroskopeinheit 75 vorgesehen ist. Auf diese Weise ist es, obwohl der Aktuator selber eine öffentlich bekannte Linsentreibereinrichtung (beispielsweise ein piezoelektrisches Element) sein kann, bezüglich der Bewegung von Zwischenbildern auf der Z-Achse, aus einer Perspektive ähnlich der der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen wichtig, dass eine Anordnung verwendet wird, die die Ausführung von Raummodulation auf den Zwischenbildern ermöglicht.
Die vorstehend erörterten Ausführungsformen beziehen sich auf Fälle, in denen aus der Perspektive der Bewegung der Zwischenbilder auf der Z-Achse das unscharf Machen der Zwischenbilder durch Raummodulation, auf ein optisches Bilderzeugungssystem einer Beobachtungsvorrichtung angewendet wird. Aus der Perspektive der Bewegung der Zwischenbilder auf den XY-Achsen (oder XY-Ebene), die eine weitere Perspektive ist, ist es auf ähnliche Weise möglich, den Prozess auf eine Beobachtungsvorrichtung anzuwenden.
Die vorstehend erörterten Phasenmodulatoren für das optische Bilderzeugungssystem der vorliegenden Erfindung können nachstehend beschriebene Formen annehmen und der Fachmann kann geeignete Ausführungsformen auf Grundlage des nachstehend angegebenen Offenbarungsbereiches in Betracht ziehen. Da die nachstehend beschriebenen Formen Phasenmodulatoren für ein optisches Bilderzeugungssystem bereitstellen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass deren Konfiguration derartig ist, dass räumliche Störung und Aufhebung von Störung in dem vorstehend beschriebenen (Satz von) Phasenmodulatoren angepasst oder vergrößert werden, kann geschlussfolgert werden, dass die einzigartigen Betriebswirkungen der Phasenmodulatoren der vorliegenden Erfindung weiterentwickelt werden können oder in der praktischen Verwendung vorteilhaft sein können.
(1) Konkav-konvex periodisch strukturierter Phasenmodulator
Beispielsweise kann ein optisches Abbildungssystem derart konfiguriert sein, dass bezüglich des ersten Phasenmodulators zum unscharf Machen von Bildern und des zweiten Phasenmodulators zur Wiederherstellung der Bilder, eine Modulationsverteilung eines Bereiches, in dem die Phase davon bezüglich einer durchschnittlichen Phasenmodulationsverteilung voraus eilt, und eine Modulationsverteilung eines Bereiches, in dem die Phase davon bezüglich der durchschnittlichen Phasenmodulationsverteilung nacheilt, metrische Formen bezüglich des vorstehend beschriebenen Durchschnitts haben; und derart, dass mit dem Satz des vorstehend beschriebenen Phasenvoreilungsbereichs und dem vorstehend beschriebenen Phasennacheilungsbereichs mehrere Sätze mit Periodizität gebildet werden. Auf diese Weise ist es durch Verwenden von zwei Phasenmodulatoren mit der gleichen Form und deren geeigneter Anordnung in einem optischen System möglich, komplementäre Phasenmodulationen auszuführen, d. h. ist es möglich, ein Endbild mittels des zweiten Phasenmodulators durch unscharf Machen von Zwischenbildern mittels des ersten Phasenmodulators scharf zu machen, wodurch es möglich ist, das Problem von Zwischenbildern zu lösen. Hier wird, da es nicht notwendig ist, zwei unterschiedliche Typen von Phasenmodulatoren zum Erreichen von Komplementarität bereitzustellen, und es ausreichend ist, einen Typ von Phasenmodulator zu verwenden, die Herstellung der Vorrichtung erleichtert, wodurch auch die Kosten reduziert werden können.
Außerdem können die Phasenmodulationen mittels des ersten und des zweiten Phasenmodulators mittels Oberflächenformen eines optischen Mediums (beispielsweise durch Verwenden einer Form, in der aus konkaven Teilen und konvexen Teilen gebildete Formen periodisch angeordnet sind) ausgeführt werden. Dadurch ist es möglich, geforderte Phasenmodulatoren durch Verwendung eines Herstellungsverfahrens herzustellen, das dem für allgemeine Phasenfilter ähnlich ist. Außerdem können die Phasenmodulationen mittels des ersten und des zweiten Phasenmodulators durch Schnittstellenformen einer Mehrzahl von optischen Medien ausgeführt werden. Dadurch ist es mit der gleichen Präzision der Form des optischen Mediums möglich, Phasenmodulation mit einer höheren Präzision auszuführen. Alternativ ist es mit der gleichen Phasenmodulationspräzision möglich, einen Phasenmodulator mit einer geringeren Präzision der Form des optischen Mediums, d. h. kostengünstiger, herzustellen. Außerdem können der erste und der zweite Phasenmodulator eindimensionale Phasenverteilungseigenschaften haben. Dadurch ist es möglich, die Zwischenbilder effektiv unscharf zu machen. Außerdem können der erste und der zweite Phasenmodulator zweidimensionale Phasenverteilungseigenschaften haben. Dadurch ist es möglich, die Zwischenbilder effektiv unscharf zu machen.
(2) Flüssigkristall-Phasenmodulator
Außerdem kann ein optisches Abbildungssystem derart konfiguriert sein, dass der erste und der zweite Phasenmodulator Flüssigkristalle haben, die von einer Mehrzahl von Substraten flankiert sind. Dadurch ist es durch Verwendung der Doppelbrechung der Flüssigkristalle möglich, ein Zwischenbild durch Trennen eines Brennpunktes in dem Zwischenbild in eine Mehrzahl von Lichtbrennpunkten durch den ersten Phasenmodulator unscharf zu machen, und ist es außerdem möglich, ein Endbild durch Überlagern der getrennten Lichtbrennpunkte in einen einzelnen Lichtbrennpunkt durch den zweiten Phasenmodulator scharf zu machen; und ist es dadurch möglich, das Problem von Zwischenbildern zu lösen. In diesem Fall sind im Vergleich zu anderen doppelbrechenden Materialien, beispielsweise Kristallen aus anorganischen Materialien, wie beispielsweise Quarz oder dergleichen, Flüssigkristalle, die als doppelbrechende Materialien dienen, dahingehend vorteilhaft, dass, da eine große Menge an verschiedenen Flüssigkristallen existiert, der Freiheitsgrad hinsichtlich Gestaltung größer ist, und sind Flüssigkristalle außerdem dahingehend vorteilhaft, dass, da deren Doppelbrechungseigenschaften hoch sind, die Wirkung des unscharf Machens eines Zwischenbildes hoch ist.
Außerdem weisen in dem Fall, in dem Oberflächen, an denen die Substrate in Kontakt mit den Flüssigkristallen gelangen, flach sind, die Flüssigkristalle, die von flachen Oberflächen flankiert sind, den Effekt auf, ein Bild unscharf zu machen, indem sie als ein Doppelbrechungsprisma dienen. In diesem Fall besteht, da die Oberflächen der Substrate, die die Flüssigkristalle flankieren, flach sind, ein Vorteil dahingehend, dass die Substratverarbeitung vereinfacht wird. Außerdem kann jeder des ersten und des zweiten Phasenmodulators aus einer Mehrzahl von Prismen gebildet sein, die aus Flüssigkristallen gebildet sind.
In diesem Fall wird mit jedem zusätzlichen Prisma die Anzahl von Lichtbrennpunkten in einem Zwischenbild verdoppelt, wodurch diese in mehrere Lichtbrennpunkte getrennt werden, wodurch die Wirkung des unscharf Machens des Zwischenbildes erhöht wird. Außerdem kann jeder des ersten und des zweiten Phasenmodulators mindestens eine 1/4-Wellenlänge-Platte umfassen. In diesem Fall wird durch Verwenden der 1/4-Wellenlänge-Platte der Freiheitsgrad bezüglich der Anordnung der getrennten Lichtbrennpunkte in einem Zwischenbild erhöht. Die Verwendung der 1/4-Wellenlänge-Platte ist dahingehend vorteilhaft, dass Lichtbrennpunkte, die in beispielsweise vier, acht oder dergleichen geteilt werden, mittels einer Mehrzahl von Prismen auf einer geraden Linie angeordnet werden können.
Außerdem ist eine Konfiguration eines optischen Bilderzeugungssystems derart, dass Zwischenbildpunkte, die von der vorstehend beschriebenen Doppelbrechung getrennt werden, zweidimensional angeordnet sind, dahingehend vorteilhaft, dass es möglich ist, ein Zwischenbild effektiv unscharf zu machen.
Außerdem können die Phasenmodulatoren derart konfiguriert sein, dass die Oberflächen, an denen die Substrate in Kontakt mit den Flüssigkristallen gelangen, unregelmäßige Formen annehmen (konkave Oberflächen, konvexe Oberflächen, Oberflächen mit sowohl Konkavität als auch Konvexität oder nicht flache Oberflächen). Mit einer solchen Konfiguration ist es möglich, die Wirkung des unscharf Machens eines Zwischenbildes zu erhöhen, die unregelmäßige Formen (zylinderförmige Oberflächen, torische Oberflächen, Linsenoberflächen, Mikrolinsenanordnungsformen, beliebig geformte Oberflächen oder dergleichen) inhärent besitzen. Außerdem können die unregelmäßigen Formen der Substrate in dem ersten und dem zweiten Phasenmodulator derart gestaltet sein, dass sie zueinander komplementär sind, und derart, dass die Richtungen, in die die Flüssigkristalle in dem ersten und dem zweiten Phasenmodulator ausgerichtet sind, parallel zueinander sind. Mit einer solchen Konstruktion ist es möglich, Komplementarität auf von den zwei Phasenmodulatoren aufgebrachte Phasenmodulationen aufzubringen; mit anderen Worten ist es möglich, eine Wiederherstellung eines Endbildes (Endbild) auszuführen. Ferner können der erste und der zweite Phasenmodulator derart konfiguriert sein, dass die unregelmäßigen Formen der Substrate des ersten und des zweiten Phasenmodulators die gleichen sind, so dass der Brechungsindex aus Glasmaterialien, die die Substrate bilden, gleich dem Mittelwert von zwei Hauptbrechungsindizes der Flüssigkristalle ist, und derart, dass die Richtungen, in die die Flüssigkristalle in dem ersten und zweiten Phasenmodulator ausgerichtet sind, rechtwinklig zueinander sind. Dadurch ist es auch möglich, Komplementarität auf die von den zwei Phasenmodulatoren aufgebrachten Phasenmodulationen aufzubringen; mit anderen Worten ist es möglich, eine Wiederherstellung eines Endbildes auszuführen.
(3) Heterogener Multimedium-Phasenmodulator
Das vorstehend beschriebene optische Abbildungssystem kann derart konfiguriert sein, dass Oberflächenformen an Grenzen von mehreren Typen von optischen Medien als eine Phasenmodulatoreinrichtung dienen. In diesem Fall wird die Ermöglichung von Fehlern in dessen Dimensionen im Vergleich zu einem herkömmlichen Phasenmodulator (in dem Formen an einer Grenzfläche mit Luft als Phasenmodulatoreinrichtung dienen) erhöht. Dadurch wird deren Herstellung erleichtert und selbst, wenn die Niveaus von Fehlern in den Abmessungen die gleichen sind, ist es möglich, Phasenmodulationen mit einer höheren Präzision auszuführen. In diesem Fall können der erste und der zweite Phasenmodulator derart konfiguriert sein, dass beide Phasenmodulatoren in Kontakt mit einer Mehrzahl von unterschiedlichen Typen von optischen Medien mit unterschiedlichen Brechungsindizes sind. Durch die Konfiguration beider Phasenmodulatoren als Multimedium-Typen ist es möglich, die Herstellung weiter zu vereinfachen und die Präzision der Phasenmodulation zu verbessern.
Außerdem können der erste und der zweite Phasenmodulator derart konfiguriert sein, dass ein erster Teil des optischen Mediums, der den ersten Phasenmodulator bildet, und ein zweiter Teil des optischen Mediums, der den zweiten Phasenmodulator bildet, die gleichen Formen haben, so dass ein drittes optisches Medium, das in Kontakt mit dem ersten optischen Medium gebracht wird, den gleichen Brechungsindex hat wie das zweite optische Medium, und derart, dass ein viertes optisches Medium, das in Kontakt mit dem zweiten optischen Medium gebracht wird, den gleichen Brechungsindex wie das erste optische Medium hat. Dadurch ist es möglich, komplementäre Phasenmodulationseigenschaften durch Verwendung eines Satzes von optischen Medien mit einem gemeinsamen Brechungsindex in jedem des ersten und des zweiten Phasenmodulators und dadurch, dass nur die Beziehung bezüglich deren Formen gewechselt wird, aufzubringen. In diesem Fall ist es außerdem, da die Grenzflächenformen zwischen den optischen Medien in den entsprechenden Phasenmodulatoren die gleichen sind, bei Anordnung der beiden Phasenmodulatoren in einem optischen System, einschließlich der Perspektive von dreidimensionalen Formen der Grenzflächen, möglich, die Phasenmodulatoren in einer optisch konjugierten Weise anzuordnen, und ist somit die Wirkung des zweiten Phasenmodulators, der eine Wellenfrontstörung (Schärfung) aufhebt, präziser ausgeprägt. Ferner ist, wenn sie nicht nur die Brechungsindizes, sondern die optischen Medien gemeinsam haben, selbst wenn es eine Variabilität in den Brechungsindizes der optischen Medien je nach der Herstellungscharge oder dergleichen gibt, oder selbst, wenn es Umwelteinflüsse oder Änderungen gibt, die im Laufe der Zeit auftreten, da von solchen Faktoren bewirkte Phasenmodulationsverlagerungen zwischen den zwei Phasenmodulatoren natürlich aufgehoben werden, die Schärfungswirkung des zweiten Phasenmodulators genauer ausgeprägt.
Außerdem kann das optische Abbildungssystem derart konfiguriert sein, dass ein erster Teil des optischen Mediums, der den ersten Phasenmodulator bildet, und ein zweiter Teil des optischen Mediums, der den zweiten Phasenmodulator bildet, die gleichen Formen und die gleichen Brechungsindizes haben, und derart, dass bezüglich einer Differenz Δn1 des Brechungsindex zwischen dem ersten optischen Medium und dem dritten optischen Medium, das in Kontakt mit dem ersten optischen Medium gebracht wird, und einer Differenz Δn2 des Brechungsindex zwischen dem zweiten optischen Medium und dem vierten optischen Medium, das in Kontakt mit dem zweiten optischen Medium gebracht wird, die Absolutwerte von Δn1 und Δn2 gleich sind und deren Vorzeichen entgegengesetzt sind. Dadurch werden komplementäre Phasenmodulationseigenschaften durch gemeinsames Anwenden von Phasenmodulatoren mit den gleichen Formen und Brechungsindizes wie die der Mehrzahl von Teilen des optischen Mediums, die jeden des ersten und des zweiten Phasenmodulators bilden; bezüglich der gemeinsamen Brechungsindizes durch Anwenden, in einem der Phasenmodulatoren, eines Satzes von optischen Medien mit größeren Brechungsindizes und durch Anwenden, in dem anderen Phasenmodulator, eines Satzes von optischen Medien mit im Gegensatz dazu niedrigeren Brechungsindizes; und durch Einstellen der Absolutwerte der Differenzen der Brechungsindizes der entsprechenden Sätze, so dass sie einander gleich sind, aufgebracht. In diesem Fall führt, wie in den vorstehend beschriebenen Fällen, da die Grenzflächenformen der entsprechenden Phasenmodulatoren die gleichen sind, bei der Anordnung der beiden Phasenmodulatoren auf eine konjugierte Weise der zweite Phasenmodulator die Schärfung präziser aus. Ferner ist es in den vorstehend beschriebenen gemeinsamen Teilen, wenn ihnen nicht nur die Formen und Brechungsindizes, sondern auch die optischen Elemente selber gemeinsam sind, möglich, die Kosten der Phasenmodulatoren zu reduzieren, die komplexe Formen haben und sehr schwer herzustellen sind. Außerdem werden, beispielsweise in dem Fall der Herstellung dieser optischen Elemente durch Formgießen unter Verwendung von Metallgussformen oder dergleichen, selbst wenn unerwartete Fehler in deren Formen aufgrund von Defekten in den Metallgussformen auftreten, da diese Fehler in den Formen in den einzelnen optischen Elementen gemeinsam vorhanden sind, Fehler in der Phasenmodulation, die von den Fehlerteilen des ersten Phasenmodulators bewirkt werden, natürlich von den Fehlerteilen aufgehoben, die auch auf eine gemeinsame Weise in dem zweiten Phasenmodulator vorhanden sind, der in einer konjugierten Weise bezüglich des ersten Phasenmodulators angeordnet ist. Mit anderen Worten wird die Wirkung des zweiten Phasenmodulators, der eine Wellenfrontstörung (Schärfung) aufhebt, genauer ausgeprägt.
(4) Doppelbrechungs-Phasenmodulator
Außerdem können die vorstehend beschriebenen optischen Abbildungssysteme derart konfiguriert sein, dass der erste und der zweite Phasenmodulator Prismen sind, die aus Doppelbrechungsmedien gebildet sind. Bei Verwendung einer solchen Konfiguration ist es durch geeignetes Anordnen eines Satzes von Doppelbrechungsprismen, die aus den gleichen Materialien gebildet sind und die gleichen Formen haben, in einem optischen System möglich, ein Zwischenbild durch Teilen eines Lichtbrennpunkts in dem Zwischenbild in eine Mehrzahl von Lichtbrennpunkten mittels eines ersten Prismas, d. h. des ersten Phasenmodulators unscharf zu machen, und ist es möglich, ein Endbild durch Überlagern der getrennten Lichtbrennpunkte in einen einzelnen Lichtbrennpunkt wieder mittels eines zweiten Prismas, d. h. des zweiten Phasenmodulators, scharf zu machen, wodurch es möglich ist, die Probleme von Zwischenbildern zu lösen. Hier sind, da es möglich ist, die Phasenmodulatoren nur durch Kombination von Komponenten zu konfigurieren, in denen Materialien davon in flache Oberflächen poliert werden, beispielsweise komplexe Oberflächenformen, wie beispielsweise eine Mikrolinsenanordnung oder Linsenformen nicht notwendig, wodurch die Herstellung der Vorrichtung erleichtert wird, wodurch die Kosten reduziert werden können.
Außerdem kann jeder des ersten und des zweiten Phasenmodulators aus einer Mehrzahl von Prismen gebildet sein, die aus Doppelbrechungsmedien gebildet sind. In diesem Fall wird die Wirkung des unscharf Machens des Zwischenbildes mit jedem zusätzlichen Prisma, da die Anzahl von Lichtbrennpunkten in einem Zwischenbild verdoppelt wird, wodurch sie in mehrere Lichtbrennpunkte getrennt werden, erhöht. Außerdem kann jeder des ersten und des zweiten Phasenmodulators mindestens eine 1/4-Wellenlänge-Platte umfassen. Durch Anwenden der 1/4-Wellenlänge-Platte wird der Freiheitsgrad bezüglich der Anordnung der getrennten Lichtbrennpunkte in einem Zwischenbild erhöht und werden somit Lichtbrennpunkte, die mittels der Mehrzahl von Prismen in beispielsweise vier, acht oder dergleichen geteilt werden, auf einer geraden Linie angeordnet werden. Außerdem können der erste und der zweite Phasenmodulator derart konfiguriert sein, dass Zwischenbildpunkte, die aufgrund von Doppelbrechung getrennt sind, zweidimensional angeordnet sind, und ist es dadurch möglich, ein Zwischenbild effektiv unscharf zu machen.
Bezugszeichenliste

I: Endbild
II: Zwischenbild
O: Objekt
PP_O, PP_I: Pupillenposition
1, 13, 32, 42: optisches Bilderzeugungssystem
2, 3: Bilderzeugungslinse
5: Wellenfrontstörvorrichtung (erster Phasenmodulator)
6: Wellenfrontwiederherstellungsvorrichtung (zweiter Phasenmodulator)
10, 30, 40, 50, 60: Beobachtungsvorrichtung (Mikroskopvorrichtung)
11, 31, 41: Lichtquelle
14, 33: Bildaufnahmevorrichtung (Photodetektor)
17, 23: Phasenmodulator
20, 36: Strahlenteiler
22: Strahlenganglängenvariationseinrichtung
22a: flacher Spiegel
22b: Aktuator
34: konfokales optisches Nipkow-Scheiben-System
43: konfokale Lochblende
44: Photodetektor (photoelektronische Wandlungsvorrichtung)
61a: Linse (Strahlenganglängenvariationseinrichtung)
62: Aktuator (Strahlenganglängenvariationseinrichtung)
81, 83A, 83B, 87: Teil zum Einstellen der optischen Vergrößerung (Einstellungseinrichtung)

Claims

Optisches Bilderzeugungssystem, das umfasst: eine Mehrzahl von Bilderzeugungslinsen, die ein Endbild und mindestens ein Zwischenbild erzeugen; einen ersten Phasenmodulator, der näher an einem Objekt angeordnet ist als eines der von den Bilderzeugungslinsen erzeugten Zwischenbilder und der eine räumliche Störung auf eine Wellenfront des von dem Objekt kommenden Lichts aufbringt; einen zweiten Phasenmodulator, der in einer Position angeordnet ist, zwischen der und dem ersten Phasenmodulator mindestens eines der Zwischenbilder angeordnet ist, und die die durch den ersten Phasenmodulator auf die Wellenfront des von dem Objekt kommenden Lichts aufgebrachte räumliche Störung aufhebt; und eine Einstellungseinrichtung zum Einstellen einer optischen Vergrößerung in einer Abbildungsbeziehung zwischen dem ersten und dem zweiten Phasenmodulator.
Optisches Bilderzeugungssystem nach Anspruch 1, wobei der erste Phasenmodulator und der zweite Phasenmodulator in optisch konjugierten Positionen angeordnet sind.
Optisches Bilderzeugungssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Phasenmodulator und der zweite Phasenmodulator in einer Nähe von Pupillenpositionen der Bilderzeugungslinsen angeordnet sind.
Optisches Bilderzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, das ferner umfasst: einen Strahlenganglängenvariationsteil, der eine Strahlenganglänge zwischen den zwei Bilderzeugungslinsen variieren kann, die in Positionen angeordnet sind, zwischen denen eines der Zwischenbilder angeordnet ist.
Optisches Bilderzeugungssystem nach Anspruch 4, wobei der Strahlenganglängenvariationsteil vorgesehen ist mit: einem flachen Spiegel, der rechtwinklig zu einer optischen Achse angeordnet ist und der Licht reflektiert, das die Zwischenbilder erzeugt, um das Licht rückzustrahlen; einem Aktuator, der den flachen Spiegel in eine Richtung der optischen Achse bewegt; und einem Strahlenteiler, der das von dem flachen Spiegel reflektierte Licht in zwei Richtungen teilt;
Optisches Bilderzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, das ferner umfasst: einen variablen räumlichen Phasenmodulator, der in einer Nähe einer Pupillenposition einer der Bilderzeugungslinsen angeordnet ist und der eine Position des Endbildes in eine Richtung der optischen Achse durch Ändern einer räumlichen Phasenmodulation ändert, die auf die Wellenfront des Lichts aufzubringen ist.
Phasenmodulationselement für ein optisches Bilderzeugungssystem nach Anspruch 6, wobei eine Funktion mindestens eines des ersten Phasenmodulators und des zweiten Phasenmodulators von dem variablen räumlichen Phasenmodulator ausgeführt wird.
Optisches Bilderzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der erste Phasenmodulator und der zweite Phasenmodulator Phasenmodulationen auf eine Wellenfront eines Strahls aufbringen, die sich in eine eindimensionale Richtung rechtwinklig zu einer optischen Achse ändern.
Optisches Bilderzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der erste Phasenmodulator und der zweite Phasenmodulator Phasenmodulationen auf eine Wellenfront eines Strahls aufbringen, die sich in zweidimensionale Richtungen rechtwinklig zu einer optischen Achse ändern.
Optisches Bilderzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der erste Phasenmodulator und der zweite Phasenmodulator Vorrichtungen vom Übertragungstyp sind, die Phasenmodulationen auf eine Wellenfront von Licht aufbringen, wenn das Licht durch diese passieren gelassen wird.
Optisches Bilderzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der erste Phasenmodulator und der zweite Phasenmodulator Vorrichtungen vom Reflexionstyp sind, die Phasenmodulationen bei der Reflexion des Lichts auf eine Wellenfront von Licht aufbringen.
Optisches Bilderzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der erste Phasenmodulator und der zweite Phasenmodulator komplementäre Formen haben.
Optisches Bilderzeugungssystem nach Anspruch 10, wobei der erste Phasenmodulator und der zweite Phasenmodulator Phasenmodulationen auf eine Wellenfront durch Verwendung einer Brechungsindexverteilung eines transparenten Materials aufbringen.
Beleuchtungsvorrichtung, die umfasst: ein optisches Bilderzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13; und eine Lichtquelle, die auf einer Objektseite des optischen Bilderzeugungssystems angeordnet ist und die Beleuchtungslicht erzeugt, das in das optische Bilderzeugungssystem einfallen gelassen wird.
Mikroskopvorrichtung, die umfasst: ein optisches Bilderzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13; und einen Photodetektor, der auf einer Endbildseite des optischen Bilderzeugungssystems angeordnet ist und der von einem Untersuchungsobjekt ausgestrahltes Licht detektiert.
Mikroskopvorrichtung nach Anspruch 15, wobei der Photodetektor an einer Endbildposition in dem optischen Bilderzeugungssystem angeordnet ist und eine Bildaufnahmevorrichtung ist, die das Endbild erfasst.
Mikroskopvorrichtung, die umfasst: ein optisches Bilderzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13; eine Lichtquelle, die auf einer Objektseite des optischen Bilderzeugungssystems angeordnet ist und die Beleuchtungslicht erzeugt, das auf das optische Bilderzeugungssystem einfallen gelassen wird; und einen Photodetektor, der auf eine Endbildseite des optischen Bilderzeugungssystems angeordnet ist und der von einem Untersuchungsobjekt ausgestrahltes Licht detektiert.
Mikroskopvorrichtung nach Anspruch 17, die ferner umfasst: ein konfokales optisches Nipkow-Scheiben-System, das zwischen der Lichtquelle und dem Photodetektor und dem optischen Bilderzeugungssystem angeordnet ist.
Mikroskopvorrichtung nach Anspruch 17, wobei die Lichtquelle eine Laserlichtquelle ist und der Photodetektor mit einer konfokalen Lochblende und einer photoelektrischen Wandlungsvorrichtung vorgesehen ist.
Mikroskopvorrichtung, die umfasst: eine Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 14; und einen Photodetektor, der von einem Untersuchungsobjekt, das von der Beleuchtungsvorrichtung beleuchtet wird, ausgestrahltes Licht detektiert, wobei die Lichtquelle eine gepulste Laserlichtquelle ist.