JP2012128156A - 光軸ズレ補正装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】比較的簡単な構成で、光軸のズレを補正できる光軸ズレ補正装置を提供する。
【解決手段】光学系に設けられた光学フィルタに起因する光軸のズレを補正する光軸ズレ補正装置であって、
厚みと屈折率が前記光学フィルタの厚みと屈折率と等しい補正用光学基板と、
これら光学フィルタと補正用光学基板を、光軸に対して互いに異なる方向に等しい傾き角度で回転するように駆動する回転駆動機構、とで構成されたことを特徴とするもの。
【選択図】 図1

Description

本発明は、光軸ズレ補正装置に関し、詳しくは、光学系における光軸のズレを補正する機構に関するものである。
従来から、無限遠観察光学系を有する光学顕微鏡を用いて標本を観察するのにあたり、観察対象となる標本に応じて、光学系に所定の光学部品を挿入したり抜き出すことが行われている。
図8は、特許文献1に記載されている無限遠観察光学系を有する光学顕微鏡の構成説明図である。図8において、蛍光色素観察を行うのにあたり、無限遠観察光学系に、ダイクロイックミラー1060および吸収フィルタ62が組み込まれた蛍光キューブ56が挿入される。この結果、無限遠観察光学系に光軸ズレ(芯ズレ)が発生し、高精度の観察が行えなくなることがある。
そこで、特許文献1では、図9に示すように、平凹レンズ68と平凸レンズ70の凹凸面が所定の間隙を保って対向配置されるとともにこれらレンズがそれらの凹凸面の曲率に沿って相対的に移動可能な状態で保持されるように構成された光軸ズレ補正用の芯補正ユニット66を用い、図8の蛍光キューブ56に設けている。
このような構成において、ミラーやフィルターの挿入によって生じる光軸ズレの量に応じて蛍光キューブ56の平凹レンズ68と平凸レンズ70との相対的な位置関係を調整することにより、光軸ズレを補正できる。
特許文献1には、無限遠観察光路中での光学部品の切換挿脱に伴う光軸のブレを防止することにより、高精度に標本の多重観察が行える光学顕微鏡が開示されている。
特開2004ー1069685号公報
しかし、図9のような構成の芯補正ユニット66は、本来の光軸を「偏向」させて傾けるものであり、光の入射角度を変化させながら顕微観察するような光学系では、その角度を変化させるたびに煩雑な調整が必要となる。
また、角度変調型の可変バンドパスフィルタを含む光学系で芯補正ユニット66を使用するのにあたり、平凹レンズ68と平凸レンズ70との相対的な位置関係を連続的に可変させることは困難である。
本発明は、このような課題を解決するものであり、その目的は、比較的簡単な構成で、光軸のズレを補正できる光軸ズレ補正装置を提供することにある。
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項1記載の発明は、
光学系に設けられた光学フィルタに起因する光軸のズレを補正する光軸ズレ補正装置であって、
厚みと屈折率が前記光学フィルタの厚みと屈折率とに等しい補正用光学基板と、
これら光学フィルタと補正用光学基板を、光軸に対して互いに異なる方向に等しい傾き角度で回転するように駆動する回転駆動機構、
とで構成されたことを特徴とする。
請求項2記載の発明は、請求項1記載の光軸ズレ補正装置において、
前記回転駆動機構は、前記光学フィルタと補正用光学基板を、共通の回転動力源で回転駆動することを特徴とする。
請求項3記載の発明は、請求項1記載の光軸ズレ補正装置において、
前記回転駆動機構は、前記光学フィルタと補正用光学基板を、それぞれ個別の回転動力源で回転駆動することを特徴とする。
これらにより、比較的簡単な構成で、光軸のズレを補正できる。
本発明の一実施例を示す側面構成図である。 図1の上面構成図である。 図2の光学素子である光学フィルタ113と補正用光学基板114に着目した光路説明図である。 本発明の他の実施例を示す構成説明図である。 本発明に基づく光軸ズレ補正装置を用いた分光装置の構成説明図である。 図5の構成により分光される波長領域の説明図である。 図5の構成により分光される他の波長領域の説明図である。 無限遠観察光学系を有する光学顕微鏡の構成説明図である。 図8で用いられる芯補正ユニットの構成説明図である。
以下、本発明について、図面を用いて詳細に説明する。図1は本発明の一実施例を示す側面構成図、図2は図1の上面構成図である。図1および図2において、支持板101には、たとえば図示しないベアリングを介して、円滑に回転するように4本のシャフト102〜105が取り付けられている。これらシャフト102〜105には、それぞれプーリー106〜109が固定されている。
シャフト104には回転動力源110(たとえばモータ)が連結され、プーリー106とプーリー107はベルト111を介して連結され、プーリー108とプーリー109はベルト112を介して連結され、プーリー107とプーリー108は互いの外周が直接接触するように連結されている。
シャフト102には光学フィルタ113が取り付けられ、シャフト105には補正用光学基板114が取り付けられている。
このような構成において、回転動力源110の回転は、シャフト104→プーリー108→ベルト112→プーリー109→シャフト105の伝達系を介して補正用光学基板114に伝達されて補正用光学基板114を回転させるとともに、シャフト104→プーリー108→プーリー107→ベルト111→プーリー106→シャフト102の伝達系を介して光学フィルタ113に伝達されて光学フィルタ113を回転させる。ここで、プーリー107とプーリー108は、図2に示すように、互いの外周が直接接触するように連結されているので、互いに逆方向に回転する。
図3は、図2の光学素子である光学フィルタ113と補正用光学基板114に着目した光路説明図である。図3において、光学フィルタ113は、直進方向の光軸OAaに対する直交位置から反時計方向に角度θ回転した傾き角度で配置されている。これに対し、補正用光学基板114は、直進方向の光軸OAaの延長線に対する直交位置から時計方向に角度θ回転した傾き角度で配置されている。
光は、光軸OAaに沿って光学フィルタ113の表面113aに到達し、光学フィルタ113に入射される。光学フィルタ113に入射された光は、スネルの法則にしたがって光学フィルタ113の内部で屈折率nに応じて屈折して透過し、光学フィルタ113の裏面113bに到達する。
光学フィルタ113の裏面113bに到達した光は、スネルの法則にしたがって再び屈折して光軸OAaと平行な光軸OAbに沿って進行し、補正用光学基板114の表面114aへ到達して補正用光学基板114に入射される。このとき、光軸OAbは、光軸OAaの延長線上にあるべき本来の光軸OAcに対して距離Sだけの光軸のズレを生じる。この距離Sの光軸のズレは、光学フィルタ113の傾き角度θと厚みdと屈折率nの関数で表すことができる。
補正用光学基板114の表面114aに入射された光は、スネルの法則にしたがって補正用光学基板114の内部で屈折率nに応じて光学フィルタ113の透過に起因する距離Sの光軸のズレを打ち消す方向に屈折して透過し、補正用光学基板114の裏面114bに到達する。
補正用光学基板114の裏面114bに到達した光は、スネルの法則にしたがって再び屈折して光軸OAaの延長線上の本来の光軸OAdに沿って進行する。
すなわち、補正用光学基板114の屈折率nと厚みdを光学フィルタ113の屈折率nと厚みdと同一にし、光軸OAaに対する光学フィルタ113の反時計方向の傾き角度θとその延長線上の本来の光軸OAdに対する補正用光学基板114の時計方向の傾き角度θが常に等しくなるように光学フィルタ113と補正用光学基板114を連動して回転駆動することにより、光学フィルタ113の透過に起因する距離Sの光軸のズレを打ち消して、補正用光学基板114の裏面114bから出射される光を光学フィルタ113の表面113aから入射される光軸OAaの延長線上の本来の光軸OAdと一致させることができる。
これにより、従来のような煩雑な校正作業を行うことなく、光軸ズレのない光学フィルタが実現できる。
たとえば、角度変調型の可変波長光学フィルタであったとしても、連続測定が可能になる。光入射角度を変えながらリアルタイムに測定を行いたい場合、光入射角度を変えることに伴い光軸ズレが発生するが、本発明を適用することにより光軸ズレを自動的に補正することができるため、間断なく連続測定が行える。
なお、図1の実施例では、回転動力源110をシャフト104に連結する例を示しているが、回転動力源110を連結するシャフトは104に限るものではなく、他のシャフト102、103、または105であってもよい。
図4は、本発明の他の実施例を示す構成説明図である。図4において、光学フィルタ113が取り付けられたシャフト102には回転動力源115が連結され、補正用光学基板114が取り付けられたシャフト105には回転動力源116が連結されている。
これら回転動力源115および回転動力源116は、光学フィルタ113と補正用光学基板114が、図3と同様にそれぞれ所定の方向に等しい角度で連動して回転することにより光軸ズレを補正するように、適切に回転駆動制御される。
図5は、本発明に基づく光軸ズレ補正装置を用いた分光装置の構成説明図である。
図5において、光源201の出力光は、光照射レンズ光学系202を介して、試料である測定対象203に照射される。測定対象203の照射にあたっては、光源204のように光軸から外れた位置から照射してもよい。
なお、これら光源201と204は少なくともいずれか一つがあればよく、これら光源201と204はレーザのような単一波長光源でもよいし、広領域波長光源でもよい。
測定対象203からの光は対物レンズ光学系205により拡大され、エッジフィルタ206によりある波長を境に、その短波長領域あるいは長波長領域に限定された光が透過する。
エッジフィルタ206の出力光は、可変バンドパスフィルタ207を通過することによって分光される。可変バンドパスフィルタ207で分光された出力光は、ノッチフィルタ208→偏光フィルタ209→光軸調整光学系210→結像光学系211よりなる光学経路を経て、2次元アレイ光検出器212に入射される。
可変バンドパスフィルタ207としては、光干渉型や光入射角度チューニング型などを用いることができる。
ノッチフィルタ208は必須ではないが、光源201または204が単一波長光源である場合にはあったほうがよい。
光軸調整光学系210としては、前述のような本発明に基づく光軸ズレ補正装置を用いる。
2次元アレイ光検出器212は、CMOSイメージセンサやCCDイメージセンサなどを用いることができる。
これらエッジフィルタ206、可変バンドパスフィルタ207、ノッチフィルタ208、偏光フィルタ209、光軸調整光学系210、結像光学系211および2次元アレイ光検出器212は制御装置213と接続されている。
エッジフィルタ206、ノッチフィルタ208および偏光フィルタ209は、制御装置213により、必要に応じて光軸上への出し入れが制御される。そして、可変バンドパスフィルタ207、光軸調整光学系210、結像光学系211および2次元アレイ光検出器212は、制御装置213により、分光される波長領域と撮像するタイミングが所望の条件になるように制御される。
図5の動作を、図6および図7を用いて説明する。図6はエッジフィルタ206と可変バンドパスフィルタ207により分光される波長領域の説明図であり、横軸は波長λを表し、縦軸は透過率Tを表している。
図6において、C1に示すようなスペクトルの波長領域t0からt1を分光するものとする。実線aはエッジフィルタ206の光透過領域を示し、波長領域Le以下の短波長領域の光を透過させることを意味している。
破線bと一点鎖線cは、可変バンドパスフィルタ207の透過領域を示している。透過領域を変調することにより、波長範囲Vt0= Vt0Y−Vt0Xの領域を透過させる破線bの状態と、波長範囲Vt1=Vt1Y−Vt1Xの領域を透過させる一点鎖線cの状態を生成する。なお、図6では、実線aと破線bと一点鎖線cはそれぞれの透過率が異なるように描画されているが、説明の便宜上であって、特段の意味はない。
今、破線bの状態をとった場合、透過する波長領域は、長波長側がエッジフィルタ206の透過領域と可変バンドパスフィルタ207の透過領域からなるため、Rt0=Vt0X−Leになる。まず、このときの光量を測定し、この光量をE_Rt0とする。
次に、一点鎖線cの状態をとった場合の光量を測定する。この場合、透過する波長領域はRt1=Vt1X−Leであり、この光量をE_Rt1とする。
実線aと一点鎖線cの状態における光量、E_Rt0とE_Rt1は、制御装置213が有する記憶機能により保持されている。
制御装置213は、光量E_Rt0からE_Rt1を減ずる計算処理を行い、差分光量E_Rt(0−1)=E_Rt0−E_Rt1を算出する。
ここで、E_Rt(0−1)は、波長領域Rt0t1=Vt0X−Vt1Xでの光量を意味している。つまり、スペクトルC1に対し、この波長領域での分光出力が得られたことになる。なお、上記の「光量を測定する」とは、2次元アレイ光検出器212による平面撮像を意味している。これにより、制御装置213は、2次元アレイ光検出器212における各素子(ピクセル)それぞれの測定光量を記憶して減算処理を行い、各素子それぞれから分光結果を出力をする。
続いて、C1スペクトルの異なる領域の分光を行う。
図7は、可変バンドパスフィルタ207の光透過領域を変調し、さらに長波長側の領域を透過させるように制御した状態を示す波長領域の説明図であり、横軸は波長λを表し、縦軸は透過率Tを表している。
図7において、スペクトルC1の波長領域t1からt2を分光するものとする。実線aはエッジフィルタ206の光透過領域を示している。破線cは可変バンドパスフィルタ207の透過領域を示していて、このときの光量E_Rt1は制御装置213により記憶されている。二点鎖線dは、可変バンドパスフィルタ207を制御し、さらに長波長領域Vt2=Vt2Y−Vt2Xの光を透過するように変調された新たな状態である。
このような状態において、図6と同様な計算処理を行う。この場合、正味の光透過領域は、Rt1t2=Rt1−Rt2=(Le−Vt1X) −(Le−Vt2X)となる。
そして、このときの透過光量は、E_Rt(1−2)=E_Rt1−E_Rt2として算出される。
以上により、スペクトルC1に対し、長波長側での分光出力が得られたことになる。
これら図6および図7で説明した処理動作を連続的に繰り返して実行することにより、スペクトルC1の全波長領域に対する分光処理が行える。
図5の構成によれば、エッジフィルタ206と可変バンドパスフィルタ207とが各1点の少ない光学部品点数で、小型で安価な分光装置を構成できる。
また、このように構成される分光装置と2次元アレイ光検出器212を用いることで2次元(XY)平面の分光を時間遅れなく行うことができ、ある測定時刻に対して同じ波長領域を分光できる。
そして、2次元アレイ光検出器212の撮像速度に基づき、高速の分光が行える。
さらに、可変バンドパスフィルタ207の透過領域の制御精度がそのまま波長分解能となることから、高い波長分解能が得られる。
なお、図6および図7の説明では、エッジパスフィルタ206として短波長領域を光透過するように構成されたショートパスフィルタを使用すると仮定して説明したが、長波長領域を光透過するロングパスフィルタを使用するものであってもよい。
また、図5に示すように偏光フィルタ209を用いることにより、偏光依存性を持ったスペクトルの分光も行える。
また、図5に示すような偏光フィルタ209を用いることにより、偏光の方向を制御しながら分光を行うこともできる。
また、図5に示す結像光学系211を共焦点光学系として構成することにより、測定対象203の深さ方向をも測定できる。
さらに、このように構成される分光装置を顕微鏡に用いることにより、上記の優れた分光特性を有する顕微鏡が実現できる。そして、図5に示す結像光学系211を共焦点光学系として構成することにより、測定対象203の深さ方向をも測定できる共焦点顕微鏡が実現できる。
以上説明したように、本発明によれば、比較的簡単な構成で、光軸のズレを補正できる光軸ズレ補正装置が実現でき、分光装置や顕微鏡など、各種光学装置における光軸ズレの補正に好適である。
101 支持板
102〜105 シャフト
106〜109 プーリー
4 光フィルタ
5ー106 受光素子
106〜109 処理部
110、115、116 回転動力源
111、112 ベルト
113 光学フィルタ
114 補正用光学基板
210 光軸調整機構

Claims (3)

  1. 光学系に設けられた光学フィルタに起因する光軸のズレを補正する光軸ズレ補正装置であって、
    厚みと屈折率が前記光学フィルタの厚みと屈折率とに等しい補正用光学基板と、
    これら光学フィルタと補正用光学基板を、光軸に対して互いに異なる方向に等しい傾き角度で回転するように駆動する回転駆動機構、
    とで構成されたことを特徴とする光軸ズレ補正装置。
  2. 前記回転駆動機構は、前記光学フィルタと補正用光学基板を、共通の回転動力源で回転駆動することを特徴とする請求項1記載の光軸ズレ補正装置。
  3. 前記回転駆動機構は、前記光学フィルタと補正用光学基板を、それぞれ個別の回転動力源で回転駆動することを特徴とする請求項1記載の光軸ズレ補正装置。
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