JP2012008308A - 結像光学系、及びそれを用いた共焦点走査型顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】収斂光束中に配置された平行平板を通過することにより生じる像面での色分離を抑制する技術を提供する。
【解決手段】結像光学系１は、平行光束として入射する光を像面ＩＰに集光して標本の像を形成する結像レンズ２と、結像レンズ２と像面ＩＰの間に配置されるダイクロイックミラー３と、標本面と結像レンズ２の間に配置される形状を呈する光学素子４と、を含み、ダイクロイックミラー３で生じる色分離を、光学素子４を用いて相殺する。
【選択図】図１

Description

本発明は、結像光学系、及びそれを用いた共焦点走査型顕微鏡に関し、特に、収斂光束中に配置された平行平板を通過する標本からの光を結像する結像光学系、及びそれを用いた共焦点走査型顕微鏡に関する。

現在、平行平板形状を呈するダイクロイックミラーやハーフミラーは、光路の分離や合成に用いられる光学素子（以降、光路分離合成素子と記す。）として広く用いられている。

光路分離合成素子は、透過光と反射光をそれぞれ入射光とは異なる光路に導くために、入射光に対して傾けて配置され、通常は、平行光束中に配置される。
しかしながら、次のような場合には、光路分離合成素子は、収斂光束中に配置されることがある。

まず、平行光束中に光路分離合成素子を配置するスペースがない場合である。このような場合には、光路分離合成素子は、平行光束中に配置することができないため、収斂光束中に配置される。

次に、平行光束中に光路分離合成素子を配置するスペースはあるが、そのスペースが対物レンズから離れた位置にある場合である。対物レンズから離れた位置では光束が太くなるため、光路分離合成素子としての機能を十分に発揮することが難しく、また、大きな光路分離合成素子が必要となる。このため、このような場合には、光路分離合成素子が収斂光束中に配置されることがある。

さらに、レーザ顕微鏡で光路分離合成素子を用いる場合である。レーザ光からなる平行光束中に平行平板を配置すると、表面を反射したレーザ光と裏面を反射したレーザ光が干渉して、干渉縞が生じる。このため、このような場合にも、光路分離合成素子は、収斂光束中に配置される。

以上のような場合には、収斂光束中に光路分離合成素子が配置されうるが、収斂光束中に光路分離合成素子が配置されると、以下のような理由から結像性能が劣化することがある。

第１の理由は、非点収差が生じることである。収斂光束中に平行平板を配置すると、メリディオナル面上の透過光の集光位置とサジタル面上の透過光の集光位置が異なるため、非点収差が生じる。

第２の理由は、像面での色分離が生じることである。平行平板に対して傾いて入射した光は、平行平板での屈折により光軸に垂直な方向（横方向）に平行にシフトする。また、屈折率は波長毎に異なるため、そのシフト量は波長毎に異なる。このため、平行平板形状を呈する光路分離合成素子を通過した光は、波長毎に分離された光として射出されることになる。光路分離合成素子が平行光束中に配置されている場合であれば、波長毎に分離された透過光は光路分離合成素子から射出後に入射する集光レンズ（例えば、対物レンズや結像レンズなど）を介して同じ位置に集光するため、結像性能に影響しない。しかしながら、光路分離合成素子が収斂光束中に配置されている場合には、波長毎に分離した透過光が集光レンズを介すことなくそれぞれ異なる位置に集光する。このため、像面での色分離が生じる。

このような結像性能の劣化を抑制するために有効な技術が、特許文献１及び特許文献２に開示されている。

特許文献１では、光路分離合成素子であるダイクロイックミラーへの入射角が４５度未満となるように設定することにより、非点収差の発生量を減少させる技術が開示されている。従って、特許文献１に開示される技術を用いることで、非点収差による結像性能の劣化を抑制することができる。

特許文献２では、光路分離合成素子であるハーフミラーで生じた非点収差を、ハーフミラーの傾斜軸と垂直な傾斜軸で傾斜しているガラス板により補正する技術が開示されている。従って、特許文献２に開示される技術を用いることで、非点収差による結像性能の劣化を解消することができる。

特開平８−３３４７２７号公報 特開平７−２９４２４９号公報

しかしながら、特許文献１及び特許文献２に開示される技術では、収斂光束中に配置された平行平板を通過することにより生じる像面での色分離は解消されない。このため、収斂光束中に配置された平行平板を通過することにより生じる像面での色分離を、解消または抑制する技術が求められている。

以上のような実情を踏まえ、本発明では、収斂光束中に配置された平行平板を通過することにより生じる像面での色分離を抑制する技術を提供することを課題とする。

本発明の第１の態様は、平行光束として入射する光を像面に集光して標本の像を形成する結像レンズと、結像レンズと像面の間に配置される第１の平行平板と、標本と結像レンズの間に配置される楔状光学素子と、を含む結像光学系を提供する。

本発明の第２の態様は、第１の態様に記載の結像光学系において、楔状光学素子は、結像レンズの光軸と第１の平行平板の法線を含む第１の平面上に楔角を有する結像光学系を提供する。

本発明の第３の態様は、第２の態様に記載の結像光学系において、標本からの光が入射する楔状光学素子の第１の光学面の法線と光軸とが一致するとき、第１の平行平板の回転軸と光軸とを含む第２の平面に対して一方側の領域内に、楔状光学素子の光軸方向の厚さが薄い端部と、第１の平行平板の結像レンズに近い端部とが、位置する結像光学系を提供する。

本発明の第４の態様は、第２の態様または第３の態様に記載の結像光学系において、標本からの光が入射する楔状光学素子の第１の光学面の法線と光軸とが一致し、楔角をψ_０ （ラジアン）とし、像面での分解能をα(ｍｍ)とし、結像レンズの焦点距離をｆ（ｍｍ）とし、第１の平行平板の厚さをｄ（ｍｍ）とするとき、以下の条件式
を満たす結像光学系を提供する。

本発明の第５の態様は、第１の態様に記載の結像光学系において、さらに、結像レンズと像面の間の収斂光束中に、第１の平行平板を通過することで生じる非点収差を補正する補正素子を含む結像光学系を提供する。

本発明の第６の態様は、第５の態様に記載の結像光学系において、補正素子は、平行平板形状を呈し、結像レンズの光軸と第１の平行平板の法線を含む第１の平面と、光軸と補正素子の法線を含む第２の平面と、が直交するように配置される結像光学系を提供する。

本発明の第７の態様は、第６の態様に記載の結像光学系において、楔状光学素子は、第１の平行平板及び補正素子を通過することで生じる色分離を低減する結像光学系を提供する。

本発明の第８の態様は、第６の態様または第７の態様に記載の結像光学系において、補正素子の屈折率は、第１の平行平板の屈折率と等しく、補正素子の厚さは、第１の平行平板の厚さに等しく、補正素子の法線と光軸のなす角は、第１の平行平板の法線と光軸のなす角に等しい結像光学系を提供する。

本発明の第９の態様は、第８の態様に記載の結像光学系において、楔状光学素子は、光軸を含む第３の平面上に楔角を有し、第３の平面は、第１の平面と４５度の角度をなし、且つ、第２の平面と４５度の角度をなす結像光学系を提供する。

本発明の第１０の態様は、第５の態様乃至第９の態様のいずれか１つに記載の結像光学系において、さらに、第１の平行平板を反射した収斂光束が進行する光路上に、第２の平行平板を含み、第２の平行平板を通過することで生じる色分離及び非点収差は、第１の平行平板を通過することで生じる色分離及び非点収差と等しい結像光学系を提供する。

本発明の第１１の態様は、第１の態様乃至第１０の態様のいずれか１つに記載の結像光学系において、第１の平行平板は、光路を分離または合成する光路分離合成素子である結像光学系を提供する。

本発明の第１２の態様は、第１の態様乃至第１１の態様のいずれか１つに記載の結像光学系において、楔状光学素子は、光路を分離または合成する光路合成分離素子である結像光学系を提供する。

本発明の第１３の態様は、レーザ光を射出するレーザ光源と、標本面からの検出光を結像する、第１の態様乃至第１２の態様のいずれか１つに記載の結像光学系と、標本面と結像光学系の間に配置されて、標本面にレーザ光を照射する対物レンズと、を含む共焦点走査型顕微鏡を提供する。

本発明の第１４の態様は、第１３の態様に記載の共焦点走査型顕微鏡において、さらに、標本面を走査する走査手段と、結像光学系からの検出光を平行光束に変換し、且つ、対物レンズの瞳を走査手段に投影する瞳投影レンズと、標本面と共役な位置にピンホールを有する共焦点絞りと、ピンホールを通過した検出光を検出する検出光学系と、を含む共焦点走査型顕微鏡を提供する。

本発明によれば、収斂光束中に配置された平行平板を通過することにより生じる像面での色分離を抑制する技術を提供することができる。

実施例１に係る結像光学系の構成を例示する概略図である。 平行平板を通過することで生じる光線のシフト量を説明するための図である。 楔状光学素子とレンズを通過することで生じる光線のシフト量を説明するための図である。 実施例２に係る結像光学系の構成を例示する概略図である。 実施例３に係る結像光学系の構成を例示する概略図である。 実施例４に係る結像光学系の構成を例示する概略図である。 実施例５に係る結像光学系の構成を例示する概略図である。 実施例５に係る結像光学系を含む共焦点走査型顕微鏡の構成を例示する概略図である。

図１は、本実施例に係る結像光学系の構成を例示する図である。図１では、結像光学系の構成に加えて、軸上のマージナル光線Ｍ、Ｆ線（４８６．１３ｎｍ）の主光線Ｆ、及びＣ線（６５６．２７ｎｍ）の主光線Ｃが例示されている。なお、図１のＸＹＺ座標系は、方向参照の便宜のために設けた右手直交座標系である。

図１に例示される結像光学系１は、標本面からの検出光を結像する光学系であり、標本面側から順に、楔形状を呈する光学素子４（楔状光学素子）と、平行光束として入射する光を像面ＩＰに集光して標本（図示しない）の像を形成する結像レンズ２と、結像レンズ２と像面ＩＰの間に配置される平行平板形状を呈するダイクロイックミラー３（第１の平行平板）と、を含んでいる。

各構成要素の詳細は、以下のとおりである。
結像レンズ２の焦点距離は２００ｍｍである。
ダイクロイックミラー３は、Ｓ−ＢＳＬ７（株式会社オハラの商品名）からなる厚さ３ｍｍの平行平板である。また、ダイクロイックミラー３は、図１のＸＹＺ座標系のＸ軸のマイナス方向から見て、法線が光軸ＡＸと一致する状態からＸ軸を回転軸として時計回りに４５度回転した状態で、収斂光束中に配置されている。ダイクロイックミラー３は、照明光路Ｌ１からの照明光を反射し、結像レンズ２を介して入射する検出光を透過する特性を有している。従って、ダイクロイックミラー３は、光路を分離または合成する光路分離合成素子として機能する。

光学素子４は、Ｓ−ＢＳＬ７（株式会社オハラの商品名）からなる楔形状を呈する光学素子である。また、光学素子４は、検出光が入射する入射面（第１の光学面）の法線が光軸ＡＸに一致する状態で、平行光束中に配置されている。光学素子４は、結像レンズ２の光軸ＡＸとダイクロイックミラー３の法線を含むＹＺ平面（第１の平面）上に楔角を有している。なお、光学素子４の楔角については、後述する。

図１に例示されるように、結像光学系１には、標本側に配置された不図示の無限遠補正型の対物レンズを介して、平行光束が入射する。結像光学系１に入射した平行光束は、光学素子４を介して結像レンズ２に入射する。結像レンズ２は、平行光束を収斂光束に変換して、収斂光束をダイクロイックミラー３に入射させる。ダイクロイックミラー３に入射した収斂光束は、ダイクロイックミラー３を通過して像面ＩＰに集光する。これにより、標本の像が像面ＩＰに形成される。

ダイクロイックミラー３は、上述したように、平行平板であり、収斂光束中に配置されている。このため、ダイクロイックミラー３を通過する際に、収斂光束は波長毎に異なる量だけシフトする。従って、波長毎の主光線が一致している収斂光束がダイクロイックミラー３に入射する場合には、収斂光束は波長毎に像面ＩＰの異なる位置に集光して、像面ＩＰでの色分離が生じる。

そこで、結像光学系１では、標本と結像レンズ２の間に、ダイクロイックミラー３を通過することで生じる像面ＩＰでの色分離を低減する光学素子４が配置されている。これにより、ダイクロイックミラー３を通過することで生じる波長間のシフト量の差が、光学素子４及び結像レンズ２を通過することで生じる波長間のシフト量の差で相殺されるため、像面ＩＰでの色分離を抑制することができる。

より具体的には、図１に例示されるように、光学素子４及び結像レンズ２を通過することで生じるＦ線とＣ線のシフト量の差が、ダイクロイックミラー３を通過することで生じるＦ線とＣ線のシフト量の差によって、相殺される。これにより、ダイクロイックミラー３を通過した収斂光束のうち、少なくともＦ線とＣ線の主光線は一致するため、Ｆ線とＣ線の収斂光束は同じ位置に集光する。また、ダイクロイックミラー３を通過した収斂光束の他の波長の主光線も、Ｆ線とＣ線の主光線とおよそ一致するため、収斂光束は波長毎にほぼ同じ位置に集光する。従って、像面ＩＰでの色分離を抑制することができる。

なお、図１に例示される結像光学系１は、Ｆ線とＣ線のシフト量の差を相殺するように構成されているが、特にこれに限らない。結像光学系１は、任意の２波長のシフト量の差を相殺するように構成されても良い。

以下、本実施例に係る結像光学系１に含まれるダイクロイックミラー３を通過することで生じるＦ線とＣ線のシフト量の差と、楔形状を呈する光学素子４及び結像レンズ２を通過することで生じるＦ線とＣ線のシフト量の差とを、相殺するために必要な光学素子４の楔角を算出方法について説明する。

まず、図２及び図３を参照しながら、平行平板を通過することで生じる光線のシフト量と、楔状光学素子とレンズを通過することで生じる光線のシフト量の算出方法について説明する。

図２は、平行平板を通過することで生じる光線のシフト量を説明するための図である。図２のＸＹＺ座標系は、方向参照の便宜のために設けた右手直交座標系である。
図２に例示されるように、平行平板Ｐの入射面Ｓ１に入射する光線の入射角をθ_１とし、入射面Ｓ１から射出される光線の射出角をθ_２とし、平行平板Ｐの屈折率をｎ_ｐとし、平行平板Ｐの厚さをｄとし、平行平板Ｐでの入射位置から射出位置までの距離をｄ_２とすると、以下の関係が成り立つ。

ここで、入射角θ_１は、図２のＸＹＺ座標系のＸ軸のマイナス方向から見て、入射光が入射面Ｓ１の法線Ｎ１に対して時計周りに回転した方向から入射する場合を正として、入射光が入射面Ｓ１の法線Ｎ１に対して反時計周りに回転した方向から入射する場合を負として定義される。同様に、射出角θ_２は、射出光が射出面Ｓ１の法線Ｎ１に対して時計周りに回転した方向へ射出される場合を正として定義される。従って、図２に例示される入射角θ_１及び射出角θ_２は、共に負の値である。

また、式（１）の関係は、平行平板Ｐの入射面Ｓ１、射出面Ｓ２の両方で成り立つため、射出面Ｓ２から射出される光線は、入射面Ｓ１に入射する光線と平行である。従って、平行平板Ｐを通過することにより生じる光線のシフト量をｈ_ｐとすると、以下の関係が成り立つ。

ここで、光線のシフト量ｈ_ｐは、透過光が入射光に対してＹ軸の正方向にシフトする場合を正として、透過光が入射光に対してＹ軸の負方向にシフトする場合を負として定義される。

さらに、式（１）及び式（２）用いて、式（３）を変形すると、以下の関係が導かれる。

式（４）によって、シフト量ｈ_ｐは、入射角θ_１、屈折率ｎ_ｐ、及び厚さｄを用いて算出することができる。
なお、シフト量ｈ_ｐは、波長毎に異なる。図２の一点鎖線は、異なる波長の主光線を例示している。式（４）では、波長に応じた平行平板の屈折率を用いることで、波長毎のシフト量を算出することができる。従って、波長間のシフト量の差についても、式（４）を用いて算出することができる。

図３は、楔状光学素子とレンズを通過することで生じる光線のシフト量を説明するための図である。図３のＸＹＺ座標系は、方向参照の便宜のために設けた右手直交座標系である。

図３に例示されるように、楔形状を呈する楔状光学素子Ｗの楔角をψ_０とし、楔状光学素子Ｗの入射面Ｓ３に入射する光線の入射角をψ_１とし、入射面Ｓ３から射出される光線の射出角をψ_２とし、射出面Ｓ４から射出される光線の射出角をψ_３とし、楔状光学素子Ｗの屈折率をｎ_ｗとすると、以下の関係が成り立つ。

ここで、入射角ψ_１は、図３のＸＹＺ座標系のＸ軸のマイナス方向から見て、入射光が入射面Ｓ３の法線Ｎ３に対して時計周りに回転した方向から入射する場合を正として定義される。同様に、射出角ψ_２は、射出光が射出面Ｓ３の法線Ｎ３に対して時計周りに回転した方向へ射出される場合を正として定義される。また、射出角ψ_３は、射出光が射出面Ｓ４の法線Ｎ４に対して時計周りに回転した方向へ射出される場合を正として定義される。さらに、楔角ψ_０は、入射面Ｓ３の法線Ｎ３に対して射出面Ｓ４の法線Ｎ４が時計周りに回転した方向に傾いている場合を正として定義される。従って、図３に例示される入射角ψ_１、射出角ψ_２、射出角ψ_３、及び楔角ψ_０は、いずれも負の値である。

また、楔状光学素子Ｗから射出される透過光の主光線がレンズＬにより集光される場合、レンズＬの焦点距離をｆとし、楔状光学素子Ｗ及びレンズＬを通過することにより生じる光線のシフト量をｈ_ｗとすると、以下の関係が成り立つ。

ここで、光線のシフト量ｈ_ｗは、レンズＬからの射出光が楔状光学素子Ｗへの入射光に対してＹ軸の正方向にシフトする場合を正として、レンズＬからの射出光が楔状光学素子Ｗへの入射光に対してＹ軸の負方向にシフトする場合を負として定義される。

さらに、式（５）及び式（６）用いて式（７）を変形すると、以下の関係が導かれる。

式（８）及び式（９）によって、シフト量ｈ_ｗは、楔角ψ_０、入射角ψ_１、屈折率ｎ_ｗ、及び焦点距離ｆを用いて算出することができる。
なお、シフト量ｈ_ｗは、波長毎に異なる。図３の一点鎖線は、異なる波長の主光線を例示している。式（８）及び式（９）では、波長毎に応じた楔状光学素子の屈折率を用いることで、波長毎のシフト量を算出することができる。従って、波長間のシフト量の差についても、式（８）及び式（９）から算出することができる。

次に、ダイクロイックミラー３を通過することで生じるＦ線とＣ線のシフト量の差と、光学素子４及び結像レンズ２を通過することで生じるＦ線とＣ線のシフト量の差を算出する。

本実施例に係る結像光学系１のダイクロイックミラー３は、図２に例示される平行平板Ｐに相当する。このため、ダイクロイックミラー３を通過することで生じるＣ線のシフト量ｈ_Ｐ（Ｃ）とダイクロイックミラー３を通過することで生じるＦ線のシフト量ｈ_Ｐ（Ｆ）の差Δｈ_ｐは、式（４）を用いて、以下のように算出される。

Δｈ_ｐ＝ｈ_Ｐ（Ｆ）−ｈ_Ｐ（Ｃ）＝−７．５６４６１６μｍ
ここで、式（４）のパラメータである入射角θ_１、厚さｄ、Ｆ線に対する屈折率ｎ_ｐ（Ｆ）、及びＣ線に対する屈折率ｎ_ｐ（Ｃ）は、それぞれ以下のとおりである。

θ_１＝−４５°＝−π／４ｒａｄ、ｄ＝３ｍｍ、
ｎ_ｐ（Ｆ）＝１．５２１９１、ｎ_ｐ（Ｃ）＝１．５１３８６
また、本実施例に係る結像光学系の光学素子４、結像レンズ２は、それぞれ、図３に例示される楔状光学素子Ｗ、レンズＬに相当する。

光学素子４の入射角ψ_１は０であるから、式（８）及び式（９）から以下の関係が導かれる。

さらに、光学素子４の楔角ψ_０が小さいと仮定して、以下のように近似する。
ｓｉｎψ_０＝ψ_０、ｓｉｎ^２ψ_０＝０、ｃｏｓψ_０＝１
上記の近似及び式（１０）を用いて、式（１１）を変形すると、以下の関係が導かれる。

このため、光学素子４及び結像レンズ２を通過することで生じるＣ線のシフト量ｈ_ｗ（Ｃ）と光学素子４及び結像レンズ２を通過することで生じるＦ線のシフト量ｈ_ｗ（Ｆ）の差Δｈ_ｗは、式（１２）を用いて、以下のような楔角ψ_０の関数として算出される。

ここで、式（１２）のパラメータである焦点距離ｆ、Ｆ線に対する屈折率ｎ_ｗ（Ｆ）、及びＣ線に対する屈折率ｎ_ｗ（Ｃ）は、それぞれ以下のとおりである。
ｆ＝２００ｍｍ、ｎ_ｗ（Ｆ）＝１．５２１９１、ｎ_ｗ（Ｃ）＝１．５１３８６
以上から、Δｈ_ｐをΔｈ_ｗで相殺するために必要な楔角ψ_０は、式（１３）及びΔｈ_ｗ＝−Δｈ_ｐの関係を用いて、以下のように算出される。

ψ_０＝０．００４６９８５ｒａｄ＝１６．１５２３１９′
なお、色分離を十分に抑制するためには、上記のシフト量の差Δｈ_ｐ、Δｈ_ｗを完全に相殺する必要ない。Ｆ線とＣ線の集光位置の間の距離が解像度αよりも小さければよい。このため、以下の関係が導かれる。

一般に、ダイクロイックミラー３や光学素子４に用いられる材料のＦ線とＣ線の屈折率差は、０．００６から０．００９程度である。また、ダイクロイックミラー３は、通常、入射角θ_１が−π／４（ｒａｄ）となるように配置される。さらに、光学素子４は、入射角ψ_０が０となるように配置されるとすると、式（１４）から以下の関係が導かれる。

従って、結像光学系１は、式（１５）を満たすように構成されることが望ましい。
また、色分離を抑制するためには、上記のシフト量の差Δｈ_ｐ、Δｈ_ｗの正負が異なればよい。このため、標本からの光が入射する光学素子４の入射面（第１の光学面）の法線と光軸ＡＸとが一致する場合であれば、結像光学系１は、ダイクロイックミラー３の回転軸（Ｘ軸）と光軸ＡＸとを含むＸＺ平面（第２の平面）に対して一方側の領域（Ｙマイナス領域、又は、Ｙプラス領域）に、光学素子４の光軸方向の厚さが薄い方の端部と、ダイクロイックミラー３の結像レンズ２に近い方の端部と、を含むことが望ましい。これにより、ダイクロイックミラー３を通過することで生じるＦ線とＣ線のシフト量の差Δｈ_ｐと光学素子４及び結像レンズ２を通過することで生じるＦ線とＣ線のシフト量の差Δｈ_ｗの正負が異なるため、像面ＩＰでの色分離が抑制される。

以上、本実施例に係る結像光学系１によれば、収斂光束中に配置された平行平板であるダイクロイックミラー３（第１の平行平板）を通過することにより生じる像面ＩＰでの色分離を、平行光束中に楔形状を呈する光学素子４（楔状光学素子）を配置することで、抑制することができる。

図４は、本実施例に係る結像光学系の構成を例示する図である。図４では、結像光学系の構成に加えて、Ｆ線（４８６．１３ｎｍ）の主光線Ｆ、及びＣ線（６５６．２７ｎｍ）の主光線Ｃが例示されている。なお、図４のＸＹＺ座標系は、方向参照の便宜のために設けた右手直交座標系である。

以下、図４に例示される結像光学系５と実施例１に係る結像光学系１との相違点について説明する。
第１に、結像光学系５は、結像レンズ２と像面ＩＰの間の収斂光束中に、ダイクロイックミラー３を通過することで生じる非点収差を補正する補正素子６（非点収差補正素子）を含む点が、結像光学系１と異なる。補正素子６は、ダイクロイックミラー３と同様に、Ｓ−ＢＳＬ７（株式会社オハラの商品名）からなる厚さ３ｍｍの平行平板である。

ダイクロイックミラー３は、図４のＸＹＺ座標系のＸ軸のマイナス方向から見て、Ｘ軸を回転軸として時計回りに４５度傾いている。従って、ダイクロイックミラー３を通過するＸＺ平面上の透過光の集光位置とＹＺ平面上の透過光の集光位置が相違し、非点収差が生じうる。

このため、結像光学系５は、結像レンズ２の光軸ＡＸとダイクロイックミラー３の法線を含む第１の平面（ＹＺ平面）と、光軸ＡＸと補正素子６の法線を含む第２の平面（ＸＺ平面）とが直交するように、平行平板形状を呈する補正素子６を配置して、非点収差を補正する。即ち、補正素子６は、Ｙ軸を回転軸として傾けて配置される。

なお、本実施例に係る結像光学系５では、補正素子６の屈折率は、ダイクロイックミラー３の屈折率と等しく、補正素子６の厚さは、ダイクロイックミラー３の厚さに等しい。このため、補正素子６の法線と光軸ＡＸのなす角は、ダイクロイックミラー３の法線と光軸ＡＸのなす角と同様に、４５度に設定される。より具体的には、補正素子６は、図４のＸＹＺ座標系のＹ軸のマイナス方向から見て、法線が光軸ＡＸと一致する状態からＹ軸を回転軸として時計回りに４５度回転した状態で配置される。これにより、結像光学系５は、非点収差を良好に補正することができる。

第２に、結像光学系５は、光学素子４の代わりに、光学素子４ａを含む点が、結像光学系１と異なる。光学素子４ａは、光学素子４と同様に、Ｓ−ＢＳＬ７（株式会社オハラの商品名）からなる楔形状を呈する光学素子である。

結像光学系５では、ダイクロイックミラー３で生じるＹ方向のシフト量の差と、補正素子６で生じるＸ方向のシフト量の差によって、像面ＩＰでの色分離が生じうる。
このため、結像光学系５は、これら２つのシフト量の差の合成ベクトルと光軸ＡＸを含む第３の平面上に楔角を有するように、光学素子４ａを配置して、像面ＩＰでの色分離を抑制する。

なお、結像光学系５では、補正素子６の屈折率は、ダイクロイックミラー３の屈折率と等しく、補正素子６の厚さは、ダイクロイックミラー３の厚さに等しい。また、補正素子６の法線と光軸ＡＸのなす角は、ダイクロイックミラー３の法線と光軸ＡＸのなす角と等しい。このため、第３の平面は、光軸を含み、且つ、光軸ＡＸとダイクロイックミラー３の法線を含む第１の平面（ＹＺ平面）と４５度の角度を成し、光軸ＡＸと補正素子６の法線を含む第２の平面（ＸＺ平面）と４５度の角度を成す、平面である。

また、ダイクロイックミラー３及び補正素子６を通過することで生じるＦ線とＣ線のシフト量の差Δｈ_ｐは、実施例１に係る結像光学系１のダイクロイックミラー３を通過することで生じるＦ線とＣ線のシフト量の差の√２倍になるため、以下のように算出される。

Δｈ_ｐ＝√２×（−７．５６４６１６）＝−１０．６９７９８μｍ
よって、光学素子４ａ及び結像レンズ２を通過することで生じるＦ線とＣ線のシフト量の差Δｈ_ｗも、実施例１に係る結像光学系１の光学素子４及び結像レンズ２を通過することで生じるＦ線とＣ線のシフト量の差の√２倍必要となる。このため、光学素子４ａの楔角ψ_０も、実施例１に係る光学素子４の楔角ψ_０の√２倍となり、以下のように算出される。

ψ_０＝√２×０．００４６８５＝０．００６６４４７ｒａｄ＝２２．８４２８２９′
以上、本実施例に係る結像光学系５によれば、収斂光束中に配置された平行平板であるダイクロイックミラー３（第１の平行平板）及び補正素子６を通過することにより生じる像面ＩＰでの色分離を、平行光束中に楔形状を呈する光学素子４ａ（楔状光学素子）を配置することで抑制することができる。

さらに、収斂光束中に配置されたダイクロイックミラー３（第１の平行平板）を通過することにより生じる非点収差を、収斂光束中に補正素子６を配置することで補正することができる。

図５は、本実施例に係る結像光学系の構成を例示する図である。図５では、結像光学系の構成に加えて、Ｆ線（４８６．１３ｎｍ）の主光線Ｆ、及びＣ線（６５６．２７ｎｍ）の主光線Ｃが例示されている。なお、図５のＸＹＺ座標系は、方向参照の便宜のために設けた右手直交座標系である。

図５に例示される結像光学系７は、光学素子４の代わりにダイクロイックミラー８を含む点が、実施例１に係る結像光学系１と異なる。
ダイクロイックミラー８は、実施例１に係る結像光学系１の光学素子４と同様に、Ｓ−ＢＳＬ７（株式会社オハラの商品名）からなる楔形状を呈する光学素子であり、結像レンズ２の光軸ＡＸとダイクロイックミラー３の法線を含むＹＺ平面（第１の平面）上に楔角を有している。

また、ダイクロイックミラー８は、図５のＸＹＺ座標系のＸ軸のマイナス方向から見て、法線が光軸ＡＸと一致する状態からＸ軸を回転軸として時計回りに４５度回転した状態で、平行光束中に配置されている。ダイクロイックミラー８は、照明光路Ｌ２からの照明光を反射し、標本側から入射する検出光を透過する特性を有している。従って、ダイクロイックミラー８は、ダイクロイックミラー３と同様に、光路を分離または合成する光路分離合成素子として機能する。

結像光学系７では、実施例１に係る結像光学系１と同様に、ダイクロイックミラー３で生じるＹ方向のシフト量の差によって、像面ＩＰでの色分離が生じうる。このため、結像光学系７は、ＹＺ平面（第１の平面）上に楔角を有するように、ダイクロイックミラー３を配置して、像面ＩＰでの色分離を抑制する。

結像光学系７のダイクロイックミラー３を通過することで生じるＦ線とＣ線のシフト量の差Δｈ_ｐは、実施例１と同様である。
このため、ダイクロイックミラー３を通過することで生じるＦ線とＣ線のシフト量の差Δｈ_ｐを、ダイクロイックミラー８を通過することで生じるＦ線とＣ線のシフト量の差Δｈ_ｗで相殺する楔角ψ_０は、式（８）、式（９）、Δｈ_ｐ＝−Δｈ_ｗの関係を用いて、以下のように算出される。

ψ_０＝１０.１６′＝０．００２９５５４ｒａｄ
ここで、式（８）、式（９）のパラメータである入射角ψ_１、焦点距離ｆ、Ｆ線に対する屈折率ｎ_ｗ（Ｆ）、及びＣ線に対する屈折率ｎ_ｗ（Ｃ）は、それぞれ以下のとおりである。

ψ_１＝４５°、ｆ＝２００ｍｍ、
ｎ_ｗ（Ｆ）＝１．５２１９１、ｎ_ｗ（Ｃ）＝１．５１３８６
以上、本実施例に係る結像光学系７によれば、収斂光束中に配置された平行平板であるダイクロイックミラー３（第１の平行平板）を通過することにより生じる像面ＩＰでの色分離を、平行光束中に楔形状を呈するダイクロイックミラー８（楔状光学素子）を配置することで抑制することができる。

また、平行光束中に配置されるダイクロイックミラー８を楔形状とすることで、照明光路Ｌ２からのレーザ光をダイクロイックミラー８で反射する場合に、標本面での干渉縞の発生を抑制することができる。

さらに、ダイクロイックミラー８が、光路を分離または合成する光路分離合成素子と、像面での色分離を抑制する楔状光学そしとを兼ねることで、結像光学系７に必要とされる光学素子の数を削減することができる。

図６は、本実施例に係る結像光学系の構成を例示する図である。図６では、結像光学系の構成に加えて、Ｆ線（４８６．１３ｎｍ）の主光線Ｆ、及びＣ線（６５６．２７ｎｍ）の主光線Ｃが例示されている。なお、図６のＸＹＺ座標系は、方向参照の便宜のために設けた右手直交座標系である。

図６に例示される結像光学系９は、光学素子４ａの代わりにダイクロイックミラー８ａを含む点が、実施例２に係る結像光学系５と異なる。
ダイクロイックミラー８ａは、実施例２に係る結像光学系５の光学素子４ａと同様に、Ｓ−ＢＳＬ７（株式会社オハラの商品名）からなる楔形状を呈する光学素子である。また、ダイクロイックミラー８ａは、照明光路Ｌ２からの照明光を反射し、標本側から入射する検出光を透過する特性を有している。従って、ダイクロイックミラー８ａは、ダイクロイックミラー３と同様に、光路を分離または合成する光路分離合成素子として機能する。

結像光学系９では、結像光学系５と同様に、ダイクロイックミラー３で生じるＹ方向のシフト量の差と、補正素子６で生じるＸ方向のシフト量の差によって、像面ＩＰでの色分離が生じうる。

このため、結像光学系５は、これら２つのシフト量の差の合成ベクトルと光軸ＡＸを含む第３の平面上に楔角を有するように、ダイクロイックミラー８ａを配置して、像面ＩＰでの色分離を抑制する。従って、ダイクロイックミラー８ａは、結像レンズ２の光軸ＡＸを含み、且つ、光軸ＡＸとダイクロイックミラー３の法線を含む第１の平面（ＹＺ平面）と４５度の角度を成し、光軸ＡＸと補正素子６の法線を含む第２の平面（ＸＺ平面）と４５度の角度を成す、第３の平面上に楔角を有している。

結像光学系９のダイクロイックミラー３及び補正素子６を通過することで生じるＦ線とＣ線のシフト量の差Δｈ_ｐは、実施例２と同様である。
このため、ダイクロイックミラー３及び補正素子６を通過することで生じるＦ線とＣ線のシフト量の差Δｈ_ｐを、ダイクロイックミラー８ａを通過することで生じるＦ線とＣ線のシフト量の差Δｈ_ｗで相殺する楔角ψ_０は、式（８）、式（９）、Δｈ_ｐ＝−Δｈ_ｗの関係を用いて、以下のように算出される。

ψ_０＝０．００４１８８７ｒａｄ＝１４.４′
ここで、式（８）、式（９）のパラメータである入射角ψ_１、焦点距離ｆ、Ｆ線に対する屈折率ｎ_ｗ（Ｆ）、及びＣ線に対する屈折率ｎ_ｗ（Ｃ）は、それぞれ以下のとおりである。

ψ_１＝４５°、ｆ＝２００ｍｍ、
ｎ_ｗ（Ｆ）＝１．５２１９１、ｎ_ｗ（Ｃ）＝１．５１３８６
以上、本実施例に係る結像光学系９によれば、収斂光束中に配置された平行平板であるダイクロイックミラー３（第１の平行平板）及び補正素子６を通過することにより生じる像面ＩＰでの色分離を、平行光束中に楔形状を呈するダイクロイックミラー８ａ（楔状光学素子）を配置することで抑制することができる。

また、収斂光束中に配置されたダイクロイックミラー３（第１の平行平板）を通過することにより生じる非点収差を、収斂光束中に補正素子６を配置することで補正することができる。

また、平行光束中に配置されるダイクロイックミラー８ａを楔形状とすることで、照明光路Ｌ２からのレーザ光をダイクロイックミラー８ａで反射する場合に、標本面での干渉縞の発生を抑制することができる。

さらに、ダイクロイックミラー８ａが、光路を分離または合成する光路分離合成素子と、像面での色分離を抑制する楔状光学そしとを兼ねることで、結像光学系９に必要とされる光学素子の数を削減することができる。

図７は、本実施例に係る結像光学系の構成を例示する図である。図７では、結像光学系の構成に加えて、Ｆ線（４８６．１３ｎｍ）の主光線Ｆ、及びＣ線（６５６．２７ｎｍ）の主光線Ｃが例示されている。なお、図７のＸＹＺ座標系は、方向参照の便宜のために設けた右手直交座標系である。

図７に例示される結像光学系１０は、平行平板形状を呈する光学素子１１（第２の平行平板）を含む点が実施例４に係る結像光学系９と異なる。光学素子１１は、ダイクロイックミラー３と同様に、Ｓ−ＢＳＬ７（株式会社オハラの商品名）からなる厚さ３ｍｍの平行平板であり、不図示の光源からの収斂光束が通る照明光路Ｌ１上に配置されている。ただし、光学素子１１は、ダイクロイックミラー３とは異なり、照明光を透過する特性を有している。

照明光路Ｌ１からダイクロイックミラー３に入射する照明光は、ダイクロイックミラー３を反射するため、ダイクロイックミラー３を通過する場合に生じる光線のシフトが生じない。また、ダイクロイックミラー３を通過する場合に生じる非点収差も生じない。このため、光学素子１１がない場合には、照明光がダイクロイックミラー３を反射後に通過する補正素子６により標本面で非点収差が生じ、結像レンズ２及び光学素子４により標本面での色分離が生じる。

このため、結像光学系１０は、光学素子１１を通過することで生じる色分離及び非点収差がダイクロイックミラー３を通過することで生じる色分離及び非点収差と等しくなるように、光学素子１１を照明光路Ｌ１上に配置して、標本面での非点収差及び色分離を抑制する。具体的には、光学素子１１とダイクロイックミラー３は、屈折率及び厚さが等しいことから、照明光路Ｌ１上にダイクロイックミラー３と平行に配置される。

以上、本実施例に係る結像光学系１０によれば、実施例５と同様に、像面ＩＰでの非点収差及び色分離を抑制するとともに、標本面での非点収差及び色分離も抑制することができる。

なお、照明光路Ｌ１は検出光路として利用されてもよい。つまり、光学素子１１がダイクロイックミラー３を反射した検出光に作用してもよい。この場合、ダイクロイックミラー３を通過する検出光の像面ＩＰとダイクロイックミラー３を反射する検出光の像面の両方で、非点収差及び色分離を抑制することができる。

図８は、本実施例に係る結像光学系１０を含む共焦点走査型顕微鏡の構成を例示する概略図である。
図８に例示される共焦点走査型顕微鏡１２は、レーザ光を射出する複数のレーザ光源ユニット（レーザ光源ユニットＬＵ１、レーザ光源ユニットＬＵ２、レーザ光源ユニットＬＵ３）と、標本面ＳＰからの検出光を結像する結像光学系１０と、標本面ＳＰと結像光学系１０の間に配置されて、標本面ＳＰにレーザ光を照射する対物レンズＯＢを含んでいる。

共焦点走査型顕微鏡１２は、さらに、照明光路Ｌ１上に、ガルバノミラー１３、及び、瞳投影レンズ１４を含み、検出光路Ｌ０上に、瞳投影レンズ１５、ガルバノミラー１６、ダイクロイックミラー１７、共焦点レンズ１８、共焦点絞り１９、集光レンズ２１及び光検出器２２を含む検出光学系２０を含んでいる。

ガルバノミラー１３及びガルバノミラー１６は、それぞれ標本面ＳＰを走査する走査手段として機能する。また、瞳投影レンズ１４、瞳投影レンズ１５は、それぞれ、対物レンズＯＢの瞳をガルバノミラー１３、ガルバノミラー１６に投影する。

レーザ光源ユニットＬＵ１は、例えば、標本を刺激するために用いられる。標本を刺激するためには、標本面ＳＰ上の一点に、色分離及び非点収差が抑制されたレーザ光を、正確に照射する必要がある。共焦点走査型顕微鏡１２では、光学素子１１で生じる非点収差は、補正素子６で補正され、光学素子１１及び補正素子６で生じる色分離は、結像レンズ２及びダイクロイックミラー８ａで補正される。このため、レーザ光源ユニットＬＵ１を用いて、標本面ＳＰ上の一点にレーザ光を正確に照射して、標本を刺激することができる。

レーザ光源ユニットＬＵ２は、例えば、オートフォーカス(automatic focusing)に用いられる。レーザ光源ユニットＬＵ２から射出されるレーザ光は、平行光束としてダイクロイックミラー８ａに入射する。共焦点走査型顕微鏡１２では、ダイクロイックミラー８ａは楔形状を呈しているため、標本面での干渉縞の発生を防止ことができる。

レーザ光源ユニットＬＵ３は、例えば、標本を励起するために用いられる。標本を励起するためには、標本面ＳＰ上の一点に、色分離及び非点収差が抑制されたレーザ光を、正確に照射する必要がある。共焦点走査型顕微鏡１２では、ダイクロイックミラー３で生じる非点収差は、補正素子６で補正され、ダイクロイックミラー３及び補正素子６で生じる色分離は、結像レンズ２及びダイクロイックミラー８ａで補正される。このため、レーザ光源ユニットＬＵ３を用いて、標本面ＳＰ上の一点にレーザ光を正確に照射して、標本を励起することができる。

標本からの検出光（例えば、蛍光）は、対物レンズＯＢにより平行光束に変換されて、結像光学系１０により像面ＩＰに集光する。像面ＩＰには、結像光学系１０により非点収差及び色分離が補正された中間像が形成される。さらに、検出光は、瞳投影レンズ１５で平行光束に変換されて、ガルバノミラー１６を介してダイクロイックミラー１７に入射する。ダイクロイックミラー１７に入射する検出光は、平行光束である。このため、検出光は、非点収差や色分離を生じることなくダイクロイックミラー１７を通過する。そして、共焦点レンズ１８、共焦点絞り１９、集光レンズ２１を介して、光検出器２２で検出される。このように、検出光は、結像光学系１０内を除いて、収斂光束として平行平板を透過することなく光検出器２２に入射する。このため、共焦点走査型顕微鏡１２では、光検出器２２の受光面での非点収差や色分離を抑制することができる。

以上、本実施例に係る結像光学系１０を含む共焦点走査型顕微鏡１２によれば、収斂光束中に配置された平行平板（ダイクロイックミラー３、光学素子１１）を通過することにより生じる像面及び標本面での色分離を抑制することができる。

１、５、７、９、１０・・・結像光学系、２・・・結像レンズ、３、８、８ａ、１７・・・ダイクロイックミラー、４、４ａ、１１・・・光学素子、６・・・補正素子、１２・・・共焦点走査型顕微鏡、１３、１６・・・ガルバノミラー、１４、１５・・・瞳投影レンズ、１８・・・共焦点レンズ、１９・・・共焦点絞り、２０・・・検出光学系、２１・・・集光レンズ、２２・・・光検出器、ＩＰ・・・像面、ＳＰ・・・標本面、Ｌ０・・・検出光路、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３・・・照明光路、ＬＵ１、ＬＵ２、ＬＵ３・・・レーザ光源ユニット、ＯＢ・・・対物レンズ、ＡＸ・・・光軸、Ｆ、Ｃ・・・主光線、Ｍ・・・マージナル光線

Claims (14)

1. 平行光束として入射する光を像面に集光して標本の像を形成する結像レンズと、
   前記結像レンズと前記像面の間に配置される第１の平行平板と、
   標本面と前記結像レンズの間に配置される楔状光学素子と、を含む
   ことを特徴とする結像光学系。
2. 請求項１に記載の結像光学系において、
   前記楔状光学素子は、前記結像レンズの光軸と前記第１の平行平板の法線を含む第１の平面上に楔角を有する
   ことを特徴とする結像光学系。
3. 請求項２に記載の結像光学系において、
   前記標本からの光が入射する前記楔状光学素子の第１の光学面の法線と前記光軸とが一致するとき、
   前記第１の平行平板の回転軸と前記光軸とを含む第２の平面に対して一方側の領域内に、前記楔状光学素子の前記光軸方向の厚さが薄い端部と、前記第１の平行平板の前記結像レンズに近い端部とが、位置する
   ことを特徴とする結像光学系。
4. 請求項２または請求項３に記載の結像光学系において、
   前記標本からの光が入射する前記楔状光学素子の第１の光学面の法線と前記光軸とが一致し、前記楔角をψ_０（ラジアン）とし、前記像面での分解能をα（ｍｍ）とし、前記結像レンズの焦点距離をｆ（ｍｍ）とし、前記第１の平行平板の厚さをｄ（ｍｍ）とするとき、以下の条件式
   を満たす
   ことを特徴とする結像光学系
5. 請求項１に記載の結像光学系において、さらに、
   前記結像レンズと前記像面の間の収斂光束中に、前記第１の平行平板を通過することで生じる非点収差を補正する補正素子を含む
   ことを特徴とする結像光学系。
6. 請求項５に記載の結像光学系において、
   前記補正素子は、
   平行平板形状を呈し、
   前記結像レンズの光軸と前記第１の平行平板の法線を含む第１の平面と、前記光軸と前記補正素子の法線を含む第２の平面と、が直交するように配置される
   ことを特徴とする結像光学系。
7. 請求項６に記載の結像光学系において、
   前記楔状光学素子は、前記第１の平行平板及び前記補正素子を通過することで生じる色分離を低減する
   ことを特徴とする結像光学系。
8. 請求項６または請求項７に記載の結像光学系において、
   前記補正素子の屈折率は、前記第１の平行平板の屈折率と等しく、
   前記補正素子の厚さは、前記第１の平行平板の厚さに等しく、
   前記補正素子の法線と前記光軸のなす角は、前記第１の平行平板の法線と前記光軸のなす角に等しい
   ことを特徴とする結像光学系。
9. 請求項８に記載の結像光学系において、
   前記楔状光学素子は、前記光軸を含む第３の平面上に楔角を有し、
   前記第３の平面は、前記光第１の平面と４５度の角度をなし、且つ、前記第２の平面と４５度の角度をなす
   ことを特徴とする結像光学系。
10. 請求項５乃至請求項９のいずれか１項に記載の結像光学系において、さらに、
    前記第１の平行平板を反射した前記収斂光束が進行する光路上に、第２の平行平板を含み、
    前記第２の平行平板を通過することで生じる色分離及び非点収差は、前記第１の平行平板を通過することで生じる色分離及び非点収差と等しい
    ことを特徴とする結像光学系。
11. 請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の結像光学系において、
    前記第１の平行平板は、光路を分離または合成する光路分離合成素子である
    ことを特徴とする結像光学系。
12. 請求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載の結像光学系において、
    前記楔状光学素子は、光路を分離または合成する光路合成分離素子である
    ことを特徴とする結像光学系。
13. レーザ光を射出するレーザ光源と、
    標本面からの検出光を結像する、請求項１乃至請求項１２のいずれか１項に記載の結像光学系と、
    前記標本面と前記結像光学系の間に配置されて、前記標本面に前記レーザ光を照射する対物レンズと、を含む
    ことを特徴とする共焦点走査型顕微鏡。
14. 請求項１３に記載の共焦点走査型顕微鏡において、さらに、
    前記標本面を走査する走査手段と、
    前記結像光学系からの前記検出光を平行光束に変換し、且つ、前記対物レンズの瞳を前記走査手段に投影する瞳投影レンズと、
    前記標本面と共役な位置にピンホールを有する共焦点絞りと、
    前記ピンホールを通過した前記検出光を検出する検出光学系と、を含む
    ことを特徴とする共焦点走査型顕微鏡。