JP2011203739A - 光強度分布補正光学系およびそれを用いた光学顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】光源からの発散光の光強度分布を均一化すると共に光利用効率を向上させ、光源のＮＡの違いを容易に吸収し、かつローコストな光強度分布補正光学系およびそれを用いた光学顕微鏡を提供する。
【解決手段】平面のＸＹ方向で大きく発散角が異なる入射光の強度分布を平坦な強度分布に補正する光強度分布補正光学系は、前記入射光の大きな発散角の方向に正の屈折力を持ち、その直角方向に屈折力を持たない少なくとも１つのシリンドリカルレンズから成る第１レンズ群４２と、この第１レンズ群４２の後段に配置され、前記入射光の小さな発散角の方向に正の屈折力を持ち、その直角方向に屈折力を持たない少なくとも１つのシリンドリカルレンズから成る第２レンズ群４３とを有し、平面のＸＹ方向で大きく発散角が異なる点光源４１からの入射光をコリメートすると共に、各レンズ群４２、４３の球面収差により前記入射光の強度分布を平坦にして出射する。
【選択図】図４

Description

本発明は、光強度分布を補正する光学系に関し、詳しくは、発散光の強度分布を均一な分布に補正する光学系に関するものである。

光学顕微鏡の一例として共焦点顕微鏡がある。共焦点顕微鏡は、試料を薄切片にすることなくスライス画像が得られ、そのスライス画像から試料の正確な３次元立体像を構築できるので、生物やバイオテクノロジーなどの分野における生きた細胞の生理反応観察や形態観察あるいは半導体市場におけるＬＳＩの表面観察などに使用されている。
このような共焦点顕微鏡では、レーザ光から複数のビームスポットを生成し、これらのビームスポットを試料に照射して試料からの蛍光もしくは反射光により試料の観察を行う。この場合、レーザ光の光強度の分布むら（光軸の垂直な面に対してガウス分布となる）がビームスポット各点の強度に影響する。このために、レーザ光の光軸付近の均一な光束を切り出すために、開口を有する遮蔽版を設け、これを通過した光束のみを使用している。

また、ファイバ端から発せられる発散光を平行光にするコリメータレンズと遮蔽板との間に光強度分布補正フィルタを配置した共焦点スキャナも開示されている（例えば特許文献１参照。）。この光強度分布補正フィルタは、光強度分布がガウス分布である入射光のうち遮蔽板の開口を通過する光の強度分布を平坦化し、それ以外の光をカットしている。
これらのような光強度を補正する構成では、利用できる光量が少なく試料に十分な強さの照明を行うにはその分大きな出力の光源を用いる必要があるが、余分な迷光を増加させることとなり、蛍光観察のような微弱光を扱う場合には適さない。
これに対して、光量を低下させずに光強度が均一な光を試料に照射する構成として、光度均一化レンズを使用するものがある（例えば特許文献２参照。）。

図６は、特許文献２に記載の共焦点顕微鏡の構成図である。
図６において、光ファイバ端から発せられるような点光源６１からの光はコリメータレンズ６２によって平行光となり、光強度均一化レンズ６３によって強度分布均一化され、遮蔽板６４の開口６５を通って、集光ディスク６６に入射する。なお、点光源６１はコリメータレンズ６２の前側焦点（焦点距離ｆ）に置かれている。

集光ディスク６６には複数のマイクロレンズ（例えばフレネルレンズ）６６ａが形成され、ピンホールディスク６７には複数のピンホール６７ａが多数列で螺旋状に形成されている。各マイクロレンズ６７ａの焦点位置に各ピンホール６７ａが位置するように、集光ディスク６６とピンホールディスク６７とが連結されている。

集光ディスク６６に入射するレーザ光はマイクロレンズ６６ａで絞られ、ビームスプリッタ（図示せず）を透過してピンホール６７ａに集光する。ピンホール６７ａを通った光は対物レンズ６８により集光され、試料６９上に照射される。
試料８からの戻り光は再び対物レンズ６８及びピンホールディスク６７を通ってビームプリッタ（図示せず）で反射され、集光レンズ（図示せず）を介してカメラ（図示せず）に入る。カメラの受像面には試料面６９の像が結像される。

このような構成において、集光ディスク６６とピンホールディスク６７とを部材７０により一体で回転させ、複数のピンホール６７ａにより試料面６９を光走査（ラスタースキャン）することにより、カメラにより試料面６９の表面画像を観測することができる。

光強度均一化レンズ６３は、コリメータレンズ６２から入射する入射光の光量を維持するとともに、この入射光の強度を均一化するレンズである（例えば特許文献３参照。）。
光強度均一化レンズ６３は、コリメータレンズ６２と遮蔽板６４との間に配置されている。光強度均一化レンズ６３に入射する入射光は、光強度分布がガウス分布であり、光軸付近において入射光強度が最も強く、光軸から離れるにしたがって入射光強度が弱くなる。光強度均一化レンズ６３は、入射光が密になる中心部が平行光を拡散させる拡散レンズ（凹レンズ）状に形成されており、入射光が疎になる周辺部が平行光を収束させる収束レンズ（凸レンズ）状に形成されている。光強度均一化レンズ６３は、ガウス分布における光強度の低い部分（レンズ周辺部）の光をカットしないために、入射光の光量を７０〜９０％程度維持して光量損失を防止することができる。光強度均一化レンズ６３から出射する出射光は、光強度分布が略均一な平行光になる。

その他のレーザ光強度分布変換光学系として、２枚のレンズで構成された正の屈折力を持つ第１群および第２群（２群４枚構成）のアフォーカル系の光学系により、平行光である出射光束の光強度分布を平坦分布とすると共に平坦分布領域の径をズーミングにより連続的に変化させるものがある（例えば特許文献４参照。）。

特開平２００１−２２８４０２号公報 特開平１１―９５１０９号公報 特開平１１−２５８５４４号公報 特許平３−７５６１２号公報

しかし、特許文献２に記載の光強度分布を均一化させる構成では、特許文献３に記載されたような光強度分布を変換する専用のレンズを使用するので、専用の型で作成されたり、曲率などの検査に工数がかかったりするので高価になる。また、光源のＮＡ（開口数）が異なる場合への対応や出力光の径の変更が困難である。ここで、ＮＡはＮＡ＝ｎｓｉｎθで定義され、ｎは屈折率、θは発散角である。
また、特許文献４に記載の光学系では、通常の球面レンズを使用するものの４枚での構成が必要となり、価格やスペースに影響する。

本発明は、このような問題点を解決しようとするものであり、光源からの発散光の光強度分布を均一化すると共に光利用効率を向上させ、光源のＮＡの違いを容易に吸収し、かつローコストな光強度分布補正光学系およびそれを用いた光学顕微鏡を提供することを目的とする。

本発明は次の通りの構成になった光強度分布補正光学系およびそれを用いた光学顕微鏡である。

（１）平面のＸＹ方向で大きく発散角が異なる入射光の強度分布を平坦な強度分布に補正する光強度分布補正光学系において、
前記入射光の大きな発散角の方向に正の屈折力を持ち、その直角方向に屈折力を持たない少なくとも１つのシリンドリカルレンズから成る第１レンズ群と、
この第１レンズ群の後段に配置され、前記入射光の小さな発散角の方向に正の屈折力を持ち、その直角方向に屈折力を持たない少なくとも１つのシリンドリカルレンズから成る第２レンズ群と、
を有し、
平面のＸＹ方向で大きく発散角が異なる点光源からの入射光をコリメートすると共に、各レンズ群の球面収差により前記入射光の強度分布を平坦にして出射することを特徴とする光強度分布補正光学系。

（２）前記入射光の強度分布はガウス分布またはエアリー分布であることを特徴とする（１）に記載の光強度分布補正光学系。

（３）前記平面のＸＹ方向で大きく発散が異なる点光源は、レーザダイオードであることを特徴とする（１）または（２）に記載の光強度分布補正光学系。

（４）前記第２レンズ群の球面収差の収差量は、前記第２レンズ群の焦点距離の４０％以上であることを特徴とする（１）から（３）のいずれかに記載の光強度分布補正光学系。

（５）光源からの入射光を対物レンズにより試料面に照射する光学顕微鏡において、
（１）から（４）のいずれかに記載の光強度分布補正光学系を用いて前記入射光をコリメートすると共に、各レンズ群の球面収差により前記入射光の強度分布を平坦にして前記対物レンズに入射させることを特徴とする光学顕微鏡。

本発明によれば、以下のような効果がある。

請求項１から４に記載の発明によれば、平面においてＸ方向とＹ方向のＮＡが大きく異なる半導体レーザダイオードなどからの発散光の光強度分布を均一化させること、および光源からの発散光を高効率で使用することができる。

請求項５に記載の発明によれば、光源からの発散光の光強度分布を均一化すると共に光利用効率を向上させ、光源のＮＡの違いを容易に吸収し、かつローコストな光学顕微鏡を実現できる。

本発明に係る光強度分布補正光学系の第１の実施例を示す構成図である。 レンズの球面収差を説明する説明図である。 第１の実施例における光強度分布補正の効果を表した図である。 本発明に係る光強度分布補正光学系の第２の実施例を示す構成図である。 第２の実施例における光強度分布補正の効果を表した図である。 特許文献２に記載の共焦点顕微鏡の構成図である。

以下図面を用いて本発明を詳細に説明する。図１は本発明に係る光強度分布補正光学系の第１の実施例を示す構成図である。なお、本実施例の光学系を従来例（図６）に記載した共焦点顕微鏡のコリメータレンズと光強度均一化レンズの代わりに配置する。

図１において、光源１は、半導体レーザダイオード（以下、ＬＤという。）、発光ダイオード（以下、ＬＥＤという。）または光ファイバの端面などの点光源であって、発散光を発光する。第１凸レンズ２は、光源１からの発散光を正の屈折力により光束を光軸側に屈折させてビーム径を絞りながら凹レンズ３に入射させる。凹レンズ３は、第１凸レンズ２の出射光を負の屈折力により光束を外側に屈折させてほぼ平行光にする。各レンズの球面収差は、光源から出力された際の光強度のガウス分布を平坦な光強度分布にする。

なお、特許請求の範囲に記載した正の屈折力を持つ第１レンズ群が第１凸レンズに、負の屈折力を持つ第２レンズ群が凹レンズに、正の屈折力を持つ第３レンズ群が第２凸レンズに相当する。また、それぞれのレンズ群は、１枚のレンズに限らず、複数のレンズにより構成しても良い。

このことを図２を用いて説明する。図２は、レンズの球面収差を説明する説明図である。
図２（ａ）において、凸レンズ２１では、球面収差により、その外周側に入射する光束はレンズ近くの焦点距離ｆ１に収束し、内周に入射する光束はｆ１よりも遠い焦点距離ｆ２に収束する。

図２（ｂ）において、凹レンズ２２では、球面収差により、その外周側に入射する光束は、広がり角が大きく、内周に入射する光束は広がり角が小さい。図２（ｂ）において焦点距離ｆ３，ｆ４は、平行光が入射した際の発散する光束の延長線（破線）が収束する点までの距離である。この焦点距離が、球面収差により、凹レンズ２２の外周では短く（ｆ３）、内周では遠くなる（ｆ４）。

図１に戻り、第１凸レンズ２では、球面収差により、光強度の高い中心部の光束は平行に近くなり、光強度の弱い周辺部の光束は中心部に集められる。
また、凹レンズ３は、第１凸レンズ２でビーム径全体が絞られるため、凹レンズ３の内側にビームが入射するので凹レンズ３の球面収差は弱くなり、ビーム全体を平行光に近くすると共に光強度分布を平坦にすることができる。第２凸レンズ４は、絞られたビーム径を拡大することでズーミングを可能にする。なお、本発明では、第１凸レンズ２、凹レンズ３および第２凸レンズ４の球面収差を組み合わせて、より均一な光強度分布を実現している。この場合、球面収差量としては、第１凸レンズにおいて、その合成焦点距離のほぼ４０％以上あれば、このような効果が期待できる。

図３は、第１の実施例における光強度分布補正の効果を表した図である。
図３（ａ），（ｂ）において、縦軸はビームの相対強度を示し、横軸はビーム径を示している。なお、入射光はＮＡ＝０．０９の光ファイバ端面からの発散光である。

図３（ａ）は、光強度分布補正前のビームの強度分布（ガウス分布）であって、ビームの中心に強度のピークがあり、周辺になるほど強度が減衰していく様子がわかる。
これに対して、図３（ｂ）は、光強度分布補正後の分布であって、光強度は、ビームの中心からの距離ａで急峻に減衰しているが、必要な視野２ａの内部では、その分布がほぼ均一に補正されていることが分かる。

また、光強度分布を補正した場合でも、ビーム強度のピーク（ビームの中心）と、そこからの距離ａにおけるビーム強度の差で示したシェーディングＳの値は、ほぼ同一といえる。
この結果からビーム強度分布は、許容できるシェーディングＳ以内に平坦化された状態であって、アパーチャ（視野径２ａ）への入射効率は、補正前ではファイバからの出射光量のおよそ２２％であったものが、補正後にはおよそ５８％となり、２．６倍に改善された。

なお、本実施例において、第１凸レンズ２および凹レンズ３は近接させているが、間に空間あっても良い。ただし、これらのレンズが接着されていれば、スペースが小さく扱いやすい。
また、光源は、ファイバ端面からの発散光のみならず、ＬＤやＬＥＤなどの点光源であっても良い。加えて自然光でも良い。
さらに、補正の対象となる発散光の光強度分布はガウス分布のみならず、エアリー分布でも良い。

以上のように、球面レンズ３枚で発散光をコリメートすると共に、光強度分布を必要な視野内では平坦に補正できるので非常に安価となる。また、ファイバなどのＮＡの違いに応じてレンズのパラメータを変更することにより、容易にＮＡの違いを吸収できる。さらに、ビームのエキスパンドも特許文献４のようなレンズ４枚ではなく、この３枚で実現できる。

しかし、光ファイバは平面において同一のＮＡをもつが、ＬＤは平面においてＸ方向とＹ方向のＮＡが大きく異なる。このようなＬＤからの発散光は、前述の実施例１の構成では、平面上のすべての方向に対して光強度分布を均一化することは困難である。図４を用いて、この問題を解決するための構成を説明する。

図４は、本発明に係る光強度分布補正光学系の第２の実施例を示す構成図である。なお、本実施例の光学系を従来例（図６）に記載した共焦点顕微鏡のコリメータレンズと光強度均一化レンズの代わりに配置する。
図４（ａ）は、平面図、（ｂ）は側面図である。
図４において、第１シリンドリカルレンズ４２は、短焦点距離ｆ５であり、第２シリンドリカルレンズ４３は長焦点距離ｆ６であり、ＬＤ４１の発光面は、各シリンドリカルレンズから焦点距離に相当する位置にある。また、これらシリンドリカルレンズは９０°回転させて設置される。これは、シリンドリカルレンズが、半円に見える断面方向には曲率を持っているので光は曲げられるが、方形に見える断面方向には曲率がないために光が素通りする特性を利用するためである。

ＬＤ４１からの発散光のうち広がり角の大きい面の光束は、第１シリンドリカルレンズ４２で平行光に変換され、９０°回転させて配置した第２シリンドリカルレンズ４３を素通りする。
一方、広がり角の小さい面（広がり角の大きい面に直交している面）の光束は第１シリンドリカルレンズ４２を素通りして、第２シリンドリカルレンズ４３で平行光に変換される。
この時、各シリンドリカルレンズの収差により、平面で出射ＮＡが異なる光源からの発散光を均一な光強度分布にする。この場合、必要な球面収差としては、第２シリンドリカルレンズで、焦点距離ｆ６のほぼ４０％以上あれば、このような効果を期待できる。

なお、特許請求の範囲に記載したシリンドリカルレンズから成る第１レンズ群は、第１シリンドリカルレンズに、第２レンズ群は、第２シリンドリカルレンズに相当する。
また、各レンズ群は、１つのシリンドリカルレンズに限らず、複数のシリンドリカルレンズで構成しても良い。

図５は、第２の実施例における光強度分布補正の効果を表した図である。
図５（ａ）は、補正前、図５（ｂ）は補正後の強度分布を、強度の等しい点を連ねた曲線（水平曲線）により表示したものである。
図５（ａ）は補正前であって、ＬＤのＸ方向とＹ方向のＮＡが大きく異なるため、Ｘ方向のビーム幅とＹ方向のビーム幅が異なり、楕円形を呈している。また、水平曲線は、光強度分布がガウス分布であることを表している。

これに対して、図５（ｂ）は、補正後であって、Ｘ方向のビーム幅とＹ方向のビーム幅が同一となっている。また、水平曲線は、外周のみ密集しており光強度分布が均一化されたことを表している。
また、補正前後の光量比は、実測値で４．５倍に向上するという結果がでている。

以上により、平面においてＸ方向とＹ方向のＮＡが大きく異なるＬＤなどからの発散光をコリメートすると共に必要な視野内で光強度分布を均一化させること、および光源からの発散光を高効率で使用することができる。
なお、本実施例において、補正の対象となる発散光の光強度分布はガウス分布のみならず、エアリー分布でも良い。

また、本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形をも含むものである。

１ 光源
２ 第１凸レンズ
３ 凹レンズ
４ 第２凸レンズ
４１ ＬＤ
４２ 第１シリンドリカルレンズ
４３ 第２シリンドリカルレンズ

Claims (5)

1. 平面のＸＹ方向で大きく発散角が異なる入射光の強度分布を平坦な強度分布に補正する光強度分布補正光学系において、
   前記入射光の大きな発散角の方向に正の屈折力を持ち、その直角方向に屈折力を持たない少なくとも１つのシリンドリカルレンズから成る第１レンズ群と、
   この第１レンズ群の後段に配置され、前記入射光の小さな発散角の方向に正の屈折力を持ち、その直角方向に屈折力を持たない少なくとも１つのシリンドリカルレンズから成る第２レンズ群と、
   を有し、
   平面のＸＹ方向で大きく発散角が異なる点光源からの入射光をコリメートすると共に、各レンズ群の球面収差により前記入射光の強度分布を平坦にして出射することを特徴とする光強度分布補正光学系。
2. 前記入射光の強度分布はガウス分布またはエアリー分布であることを特徴とする請求項１に記載の光強度分布補正光学系。
3. 前記平面のＸＹ方向で大きく発散角が異なる点光源は、レーザダイオードであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光強度分布補正光学系。
4. 前記第２レンズ群の球面収差の収差量は、前記第２レンズ群の焦点距離の４０％以上であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の光強度分布補正光学系。
5. 光源からの入射光を対物レンズにより試料面に照射する光学顕微鏡において、
   請求項１から請求項４のいずれかに記載の光強度分布補正光学系を用いて前記入射光をコリメートすると共に、各レンズ群の球面収差により前記入射光の強度分布を平坦にして前記対物レンズに入射させることを特徴とする光学顕微鏡。

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