JP2014095908A - 焦点調整装置および焦点調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】使用中に、高開口数対物レンズによって生じる球面収差を減少させることができる光学システムを提供する。
【解決手段】高開口数対物レンズ２０を有する光学システムのための焦点調整装置であって、中間像区域に像を形成し、選択された焦点面からの光を中間像区域内に受けて再び焦点を合わせるための像形成捕捉手段２６と、中間像区域内の選択された焦点面の位置を調整するための焦点調整手段２８と、を含む焦点調整装置が提供される。像形成捕捉手段２６は少なくとも一つの高開口数レンズ２０を含んでいる。
【選択図】図２

Description

本発明は、焦点調整装置および焦点調整方法に関し、特に（しかしこれに限定されない）、微視的な用途で用いられる焦点調整装置および焦点調整方法に関する。本発明は、様々な微視的な用途においても使用することが可能である。

本明細書中で使用する「微視的、顕微鏡的（ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃ）」なる用語は、約１０^−４〜１０^−７の範囲の解像度を有する光学的用途・応用を意味する。係る用途は、一般的には空気中の開口数（ＮＡ）が０．５〜０．９５の範囲または液浸油中の開口数が０．７〜１．４の範囲である高開口数対物レンズ（ｈｉｇｈ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｐｅｒｔｕｒｅ ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ ｏｐｔｉｃｓ）を使用することが一般的な特長である。

本発明は、対象物の像を形成するため、もしくは対象物の特定の特性を検出するためにこの対象物から光を集める用途（例えば広視野顕微鏡、走査顕微鏡、蛍光顕微鏡等）にも、あるいは、対象物に対して光の焦点を合わせてこの対象物を照射もしくはこの対象物に作用する用途（例えば微細加工もしくはレーザー手術）においても用いることができる。本明細書における焦点調整（ｆｏｃｕｓｉｎｇ）および結像（ｉｍａｇｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ）は、上記両方の種類に同じように適用されることを理解すべきである。本発明は、光を対象物上に焦点を合わせてこの対象物の像を検出する用途にも使用することができる。

従来の顕微鏡の使用においては、試料・標本からの光が対物レンズによって集められて、次に、目視用の接眼レンズによって焦点を合わせられるかあるいは結像レンズによって検出器（例えば電荷結合素子（ＣＣＤ））上に焦点が合わせられる。典型的な配置を図１に示す。これには対物レンズ２、結像レンズ４およびＣＣＤ検出器６が含まれる。試料８からの光は、対物レンズ２によって集められて、次に結像レンズ４によってＣＣＤ検出器６上に焦点を合わされる。ＣＣＤ検出器によって記録される像は、試料の薄片１０を表す。試料の他の全ての部分からの光はぼやけてしまうのである。

従来の構成において、像は、対物レンズ２の光軸１２（Ｚ軸）に対して直交する二次元の平面（Ｘ−Ｙ平面）を表す。しかしながら、時には、３次元画像、あるいは対物レンズ２の光軸１２に直交しない平面からの画像を得ることが望ましいことがある。これらの場合のどちらにおいても、対物レンズの焦点面を調整して試料の異なる領域からの光を集めることが必要である。次に、異なる焦点面から得られる多くの像を、３次元画像または非直交平面（例えばＸ−Ｚ平面）の２次元画像のいずれかを得るために結合することができる。

試料の異なる平面からの像を得るために顕微鏡を調整するには２つの方法がある。第１の方法は、単に、対物レンズまたは試料を光軸の方向に移動することによって対物レンズと試料との間の距離を調整することを含む。しかしながら、この方法には次の２つの重大な欠点がある。
（ｉ） 機械的調整を行うことができる速度は、移動される対象物（対物レンズまたは試料）の質量によって制限され、一般的にはこの質量によって反応時間が遅くなる。
（ｉｉ） 機械的動作は時には試料を乱すこともあり、これによりユーザの興味のある特性を変えてしまう。

第２の方法は、試料の異なる平面から像を得るために対物レンズに対して相対的に検出器を移動することである。しかしながら、この方法は次の欠点があり、商業的には用いられない。
（ｉ） 係るシステムのほとんどは高倍率のため、試料の結像面の変位が小さくても検出器を大きく平行移動することが必要である。
（ｉｉ） この検出器が対物レンズに対して最適に設計された位置に置かれていない場合、対物レンズの高開口数（ＮＡ）と、像を検出器上に焦点を合わせる結像光学系（結像光学システム）の低開口数（ＮＡ）との間の相違が多大な球面収差を生じさせる。その結果、変位された焦点面の像質が深刻に劣化してしまい、この質の劣化は検出器の移動が大きくなるにつれて次第にひどくなる。従って、検出器をその最適位置から移動するときに信号対雑音比（ＳＮ比）が大幅に減少する。このことは、ほとんどの用途、特に非線形の顕微鏡使用法において実際に大きな問題を引き起こす。
（ｉｉｉ） 全ての断面生成技術（セクショニング技術）、例えば共焦点顕微鏡法、ニプコー円板顕微鏡法、構成照射顕微鏡法（ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）において、球面収差の存在は像のセクショニングの明らかな損失を導く。このことは、実用値になるように一貫したセクショニングに多大に依存する結像モードにとって非常に好ましくない。

異なる焦点面を得るために顕微鏡を再び焦点調整する機能は非常に重要である。同様に、照明系（照明システム）を迅速かつ正確に再び焦点調整する機能は、特定の製造システムおよび他のシステムにおいて必要とされている。最近の技術では、単一の焦点面におけるライン走査を迅速に、例えば約５ｋＨｚの周波数で得ることができる。しかしながら、機械的な制限によって、軸方向の走査は非常に低い周波数、一般に約１５Ｈｚに制限される。従って、試料を移動することなく、また球面収差の問題に直面することなく、従来よりも非常に高い周波数で軸方向走査を可能にするシステムが必要とされている。

本発明の目的は、上記の問題を少なくともいくらか緩和する焦点調整装置および焦点調整方法を提供することにある。

本発明の一態様では、高開口数対物レンズを有する光学系用の焦点調整装置であって、中間像区域に像を形成し、選択された焦点面からの光を中間像区域内に受けて再び焦点を合わせるための像を形成し取り込む手段（像形成捕捉手段）と、中間像区域内の選択された焦点面の位置を調整するための焦点調整手段と、を含んでおり、像形成捕捉手段は少なくとも一つの高開口数レンズを含んでおり、これにより、使用中に高開口数対物レンズによって生じる球面収差が減少される焦点調整装置が提供される。

本発明は、球面収差を生じることなく対物レンズから異なる距離で迅速に光学系の焦点を再び合わせることを可能にする。従って、顕微鏡結像系システムの場合、試料内の複数の異なる平面から像を得ることができ、この試料および対物レンズのいずれも移動することなしに軸方向の走査を可能にする。照射系システムの場合、やはり球面収差を生じることなく対物レンズからの複数の異なる距離で対象物上に像（すなわち光のパターン）の焦点を合わせることができる。

好適な一実施形態において、像形成捕捉手段は、中間像区域内に像を形成するための第１の高開口数レンズと、中間像区域から光を受けて焦点を合わせるための第２の高開口数レンズと、を含んでおり、焦点調整手段は第１の高開口数レンズに対して相対的に第２の高開口数レンズの軸方向位置を調整するための手段を含んでいる。この実施形態において、このシステムの構成要素は同軸の構成に配置することができ、これによりコンパクトな実装となる。更に、光がこの装置を通過するとき、通常の透過損失は別として著しく損失することがない。

好都合には、第１および第２の高開口数レンズは、対向する一対の対物レンズである。好適には、第１および第２の高開口数レンズは同一のものである。

別の好適な実施形態において、像形成捕捉手段は、高開口数レンズと、選択される焦点面からの像を中間像区域内で取り込むように高開口数レンズによって形成される像を同じ高開口数レンズ内へ反射するための反射要素と、を含み、焦点調整手段は、反射要素の軸方向位置を調整するための手段を含む。このシステムの形態は非常に迅速な焦点再調整を可能にする。なぜなら反射要素のみを移動すればよいからである。反射要素は非常に小さく軽量な鏡であってもよいため、例えば圧電変換器（ピエゾトランスデューサ）を用いて、迅速な調整が可能である。

このシステムの第２の形態において、焦点調整装置は、この焦点調整装置に入射する光からの反射された光を分割するためのビームスプリッタ（分配器）を含むことが好ましい。好都合には、この焦点調整装置は、偏光ビームスプリッタと、この偏光ビームスプリッタとこの反射光の偏光を調整するための中間像区域との間に配置された偏光調整器と、を含む。偏光調整器は、ビームスプリッタと鏡との間に位置する四分の一波長板であってもよい。

好都合には、偏光ビームスプリッタが、第１の軸の方向に第１の偏光を有する入射光を送り、第２の軸の方向に第２の偏光を有する光を反射するように構成および配置されており、焦点調整装置が、第１の像形成捕捉手段であって第２の像形成捕捉手段と第１の高開口数レンズと第１の軸上の第１の中間像区域内の像を形成および取り込むための第１の反射要素とを含む第１の像形成捕捉手段と、第２の像形成捕捉手段であって第２の高開口数レンズと第２の軸上に第２の中間像区域内に像を形成し取り込むための第２の像形成捕捉手段と、第１の取り込まれた像と第２の取り込まれた像とを再結合するための手段と、を含む。この構成はビームスプリッタを通過する全ての光が捕捉されて結果としてより明るい像になるという利点を提供する。

あるいは、この焦点調整装置は、焦点調整装置に入射する光からの反射光を分割するための弁別器を含んでいてもよい。弁別器は、例えばグラントムソンプリズムであってもよく、入力光線の軸から離れた角度でこのプリズムを移動することによって、焦点調整装置に入射する光から反射光を分割するものである。

好都合には、像形成捕捉手段の少なくとも一つの高開口数レンズが、その空気中の開口数が少なくとも０．５であって、好適には０．７であって、より好適には少なくとも０．９である。例えば、高開口数レンズは、約０．９５の空気中の開口数をしていてもよい。

本発明の別の態様では、高開口数対物レンズと、この高開口数対物レンズの焦点を調整するための前述した発明の記載のいずれかの焦点調整装置と、を含む光学系が提供される。

好都合には、焦点調整装置の少なくとも一つの高開口数レンズ（「集束レンズ」）は、高開口数対物レンズと光学的に整合されている。「光学的に整合される」という記載は、対物レンズの光軸に対する角度γで物体空間の中から対物レンズに入射するかあるいは出射する光線は、集束レンズの光軸に対する同一角γで中間像空間内の集束レンズに入射するかあるいは出射する光線としてこのシステムによってマッピングされる（写像される、対応関係を定義されて割り当てされる）ということを意味する。この構成は、対物レンズによって生じる球面収差が集束レンズによって消されることを確実にする。最も単純な場合において、対物レンズおよび集束レンズは同一のものである。しかしながら、このことは不可欠というわけではなく、光学的に整合されることを条件とし、異なるレンズが用いられてもよい。よって、油浸対物レンズが例えば乾燥系高開口数集束レンズに光学的に整合されてもよい。

焦点調整装置の少なくとも一つの高開口数レンズ（「集束レンズ」）の開口角が、高開口数対物レンズの前記開口角と少なくとも同じ大きさであることが好ましい。これは、システムの解像度が集束レンズによって悪影響を受けないことを確実にする。例えば、開口数が１．４であって開口角が６７°である油浸対物レンズを、開口数が０．９５であって開口角が７１．８°である乾燥系高開口数集束レンズと組み合わせて使用することができる。

この光学系は、検出器とこの検出器上に取り込まれた像の焦点を合わせるための手段とを含む光検出系を備えていてもよい。あるいは、この光学系は、高開口数対物レンズを通して対象物を照射するための光源を含む照射系を備えていてもよい。別の変形例において、光学系は、例えば走査型顕微鏡において、照射系および光検出系の両方を含む。

別の変形例において、この光学系は、高開口数顕微鏡対物レンズ（ｌａｒｇｅ ＮＡ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ ｌｅｎｓ）を有する顕微鏡系（システム）を備える。

本発明の別の態様では、高開口数対物レンズと、中間像区域内に像を形成するための第１の高開口数レンズおよび中間像区域から光を受けて再び焦点を合わせるための第２の高開口数レンズならびに第１の高開口数レンズに対して相対的に第２の高開口数レンズの軸方向位置を調整するための焦点調整手段を備える焦点調整装置と、を含む顕微鏡対物レンズ組立体が提供される。この対物レンズ組立体は、既存の顕微鏡に嵌合することができ、試料および顕微鏡対物レンズのいずれの位置も調整することなく顕微鏡を再び焦点調整することができる。好都合には、高開口数対物レンズ、第１の高開口数レンズおよび第２の高開口数レンズが、筐体内に同軸上に搭載される。

本発明の別の態様では、高開口数対物レンズを有する光学系の焦点調整方法であって、少なくとも一つの高開口数レンズを用いて中間像区域内に像を形成することと、前記中間像区域内に選択された焦点面から光を受けて再び焦点調整することによって像を取り込むことと、前記中間像区域内で前記選択された焦点面の位置を調整することと、を含んでおり、これにより高開口数対物レンズによって生じる球面収差が減少されることを特徴とする焦点調整方法が提供される。

本発明の別の態様において、高開口数対物レンズを有する光学系を用いて対象物から光を集めることと、前述の発明の方法によって光の焦点を調整することと、光を検出器上に焦点を合わせて像を得ることを含む結像方法が提供される。

本発明の更に別の態様において、光源からの光を集めることと、本発明の前述の方法によって光の焦点を調整することと、高開口数対物レンズを有する光学系を用いて対象物上に光を向けること、を含む照射方法が提供される。

以下に添付の図面を参照しつつ本発明の実施形態を例示の目的で記載する。

図１は、従来技術の顕微鏡システムの線図である。 図２は本発明の第１の実施形態による顕微鏡システムの線図である。 図３は、本発明の第２の実施形態による顕微鏡システムの線図である。 図４は、本発明の第３の実施形態による顕微鏡システムの線図である。 図５は、本発明の第４の実施形態を構成する顕微鏡対物レンズの線図である。 図６は、本発明の第５の実施形態による、顕微鏡のカメラポートのためのプラグイン組立体の線図である。 図７は、本発明の第６の実施形態による、顕微鏡のカメラポートのための別のプラグイン組立体の線図である。 図８は、本発明の第７の実施形態によるスリット走査共焦点顕微鏡の線図である。 図９は、図３に示されるものに類似する顕微鏡システムの線図である。 図１０は、本発明の第８の実施形態による顕微鏡システムの線図である。 図１１は、本発明の第９の実施形態による顕微鏡システムの線図である。 図１２は、図１１に示される顕微鏡システムの一部を形成する弁別器（ディスクリミネーター）の線図である。 図１３は、図１１に示される顕微鏡システムの一部を形成する弁別器（ディスクリミネーター）の線図である。

図２に示される本発明の第１の実施形態において、顕微鏡システムは、対物レンズ２０と、マッピングレンズシステム２２と、ビームスプリッタ２４と、参照レンズ２６と、参照鏡（参照ミラー）２８とを含んでおり、これら全ては第１の光軸３０に沿って間隔を置いて配置されている。対物レンズ２０および参照レンズ２６は、同一の高開口数レンズである。結像レンズ３２（または「チューブ」レンズ）およびＣＣＤ検出器３４は、第１の光軸３０に直交する第２の光軸３６に沿って間隔を置かれて配置されており、この第２の光軸３６はビームスプリッタ２４を通過している。

マッピングレンズシステム２２は、２つのレンズ２２ａ，２２ｂを備える４ｆシステムであって、このレンズ２２ａ，２２ｂのそれぞれが焦点距離ｆを有しており、互いに距離２ｆ離れており、対物レンズ２０および参照レンズ２６の一つに近接する瞳平面から距離ｆ離れている。マッピングレンズシステム２２は、対物レンズ２０の瞳平面に現れる波面を参照レンズ２６の瞳平面上へマッピングする。

参照鏡２８は圧電変換器（図示せず）に搭載されており、この圧電変換器によって、矢印３８によって示されるように参照レンズ２６に対してその位置を第１の光軸３０の方向に迅速に調整することができる。

物体空間４０の試料４２からの光は対物レンズ２０によって集められて、マッピングレンズシステム２２によって参照レンズ２６の瞳平面上にマッピングされ、この参照レンズ２６が光の焦点を合わせて参照レンズ２６の前であってかつ参照鏡２８に近接する中間像空間４４に試料４２の像を形成する。対物レンズ２０と参照レンズ２６が整合されて、同じ数学的条件（「正弦条件」として知られる）に設計されるため、試料４２の像は、いかなる球面収差も生じることなく中間像空間４４に再生される。参照鏡２８は、この再生像を参照レンズ２６に反射する。参照鏡が参照レンズ２６の通常の焦点面に位置する場合、参照レンズ２６の瞳平面で再生される波面は、マッピングレンズシステム２２からこの参照レンズに入るものと同一である。しかしながら、参照鏡２８が軸方向に変位される場合、それは中間像区域内の異なる平面から光を反射するのであって、次に、再生された波面は物体空間内の異なる平面を表す情報を含むのである。ＣＣＤ検出器３４は、参照レンズ２６の焦点面の情報のみを観察する。これにより、この参照レンズによって再び焦点を合わされた再生像の平面を選択することが可能になる。

参照レンズ２６から出てくる反射光は、ビームスプリッタ２４によって第２の光軸３６に沿って反射されて、結像レンズ３２によってＣＣＤ検出器３４上に焦点を合わされる。このＣＣＤ検出器は、参照レンズ２６の焦点面内の情報のみを観察する。よって、参照鏡２８を移動することによって、像の異なる平面をその観察のために選択することが可能である。参照レンズ２６が高開口数対物レンズ２０に整合されているため、これらの異なる平面は球面収差を生じることなく結像される。

鏡２８を非常に小さくかつ軽量にすることができるため、この鏡と参照レンズとの間の接触がなく、その位置を圧電変換器を用いて非常に迅速に調整することができ、高周波（例えば１００〜１０００Ｈｚ）での軸方向の走査を可能にし、これは既存のシステムにて利用可能な約１５Ｈｚの周波数よりも何倍も早い。

図２に示される例において、対物レンズ２０および参照レンズ２６は同一のものである。マッピングレンズシステム２２が正しい拡大倍率を提供するように変更されることを条件として、２つの異なる高開口数レンズを使用することも可能である。例えば、参照レンズとして開口数０．９５のドライレンズ（乾燥系レンズ）を対物レンズとして他の任意のレンズと共に、対物レンズによって設定される解像度に影響を及ぼすことなく使用することが可能である。なぜなら、開口数の０．９５ドライレンズは市販の全てのレンズで最も大きい開口角を有するからである。従って、参照レンズのためにドライレンズを使用し、対物レンズのために液浸レンズを使用することが可能である。この場合、参照鏡は、液浸媒体を介して参照レンズと接触させる必要はない。これは、ユーザが参照鏡および参照レンズに触れる必要がないため、これら参照鏡および参照レンズを密封室に配置することができるという利点を提供する。

このシステムの一変形態様が、図３に示されている。このシステムにおいて、ビームスプリッタ２４に代わって偏光ビームスプリッタ２４’が用いられており、四分の一波長板４５がビームスプリッタ２４’と参照レンズ２８との間に配置されている。このシステムの他の構成要素は、上記第１のシステムのものと同じである。偏光を用いて使用される場合、このシステムは、ＣＣＤ検出器３４に届く光の減衰がないという効果を発揮する。

本発明の第３の実施形態が図４に示されている。この実施形態において、顕微鏡システムは対物レンズ１２０と、マッピングレンズシステム１２２ａ，ｂと、第１の参照レンズ１２４と、第２の参照レンズ１２６と、結像レンズ１３２と、ＣＣＤ検出器１３４とを含んでおり、これら全てが光軸１３６に沿って間隔を置かれて配置されている。マッピングレンズシステム２２は、対物レンズ１２０の瞳平面に現れている波面を参照レンズ１２４の瞳平面上へマッピングする。対物レンズ１２０ならびに第１の参照レンズ１２４および第２の参照レンズ１２６は、同一であるかまたは整合された高開口数レンズである。

第２の参照レンズ１２６は、光軸１３６に沿って第１の参照レンズ１２４に対して相対的に移動可能となるように搭載されており、かつ、第１の参照レンズ１２４に対してその位置を矢印１３７で示されるように迅速に調整することを可能にする圧電変換器（図示せず）に取り付けられている。

試料からの光は、対物レンズ１２０によって集められて、マッピングレンズシステム１２２によって参照レンズ１２４の瞳平面上にマッピングされる。この参照レンズ１２４はこの光の焦点を合わせて参照レンズ１２４と第２の参照レンズ１２６との間の中間像空間１３８中に像を形成する。対物レンズ１２０および第１の参照レンズ１２４が整合されて同じ数学的条件に設計されているため、いかなる球面収差も生じることなく試料の像は中間像空間１３８に再生される。第２の参照レンズ１２６はこの像空間から出てくる光を集めて焦点を合わせる。第２の参照レンズ１２６から出てくる波面は、結像レンズ１３２によってＣＣＤ検出器１３４上に焦点を合わされる。

第２の参照レンズ１２６の焦点面が第１の参照レンズ１２４の焦点面に位置する場合、第２の参照レンズ１２６の瞳平面で再生される波面は、マッピングレンズシステム１２２から参照レンズ１２４に入るものと同一である。しかしながら、第２の参照レンズ１２６を軸方向に変位する場合、これは中間像区域内の異なる平面から光を集めるのであって、次に、再生された波面は物体空間内の異なる平面を表す情報を含むのである。ＣＣＤ検出器１３４は、第２の参照レンズ１２６の焦点面内の情報のみを観察する。よって、第２の参照レンズ１２６を移動することによって、球面収差を生じることなく像の異なる平面をその観察のために選択することが可能である。先のシステムと同様に、例えば適切な変換器を用いて、第２の参照レンズ１２６の位置を非常に迅速に調整することができ、高周波での軸方向の走査を可能にする。

このシステムは、角度γで物体空間１４０の試料から出る光線を、同じ角度γで中間像空間１３８に入る共役光線までマッピングするように設計されている。この場合、物体空間内のこの配光は、中間像空間１３８内に収差なく再結像される。検出器組立体１３２，１３４は、中間像空間の単一平面を結像する。軸に沿って第２の参照レンズ１２６を移動することで結像のための異なる複数の平面を選択し、検出器１３４上に形成される結果として生じる複数の像には全て収差が存在しない。この実施形態において、パッケージングの理由から、対物レンズ１２０と第１の参照レンズ１２４が同一のものであることが好適であり得る。しかしながら、このことは、対物レンズ１２０と第１の参照レンズ１２４が光学的に整合されることを条件とし、必ずというものではない。

図４に示される構成は、ビームスプリッタを用いないため、偏光、無偏光に関わらず著しい光の損失がないという利点がある。欠点は、第２の参照レンズ１２６の質量がより大きいため、鏡を備える場合よりも焦点の再調整が遅いことである。しかしながら、それでも従来のシステムよりもかなり速いはずである。

図２〜図４に示される上記のシステムは全て、試料の像が検出器上に焦点を合わされる顕微鏡結像系における使用の目的を意図している。係る用途には、反射、透過、蛍光、位相差および偏光撮像を使用する、幅広い分野の顕微鏡法、共焦点顕微鏡法、非線形顕微鏡法、ステレオ顕微鏡法、走査顕微鏡およびスリット走査顕微鏡が含まれる。

本発明は、光源の光を試料に焦点を合わせる照射系に適用することも可能である。係る用途には、微細加工（例えば光学削摩および光重合を介するミクロ機械加工）、レーザ手術、細胞のフォトポレーション（ｐｈｏｔｏｐｏｒａｔｉｏｎ）（トランスフェクションのために細胞壁に穴を選択的に形成すること）、光トラッピング、原子トラッピング、データ記憶（例えば三次元多層光学記憶媒体におけるデータ書き込み）、ならびに非線形顕微鏡法（例えば多光子顕微鏡法、第二高調波発生顕微鏡法および第３高調波発生顕微鏡法）が含まれる。

照射系のレイアウトは図２〜４に示される結像系のいずれかと実質的に同一でよい。但し各場合において、ＣＣＤ検出器が、適切な光源によって、更に必要であれば試料上に焦点を合わされる照射パターンを作るための適切な大きさのマスクもしくはこれに類似するものによって置き換えられる。試料中の照射パターンの軸の位置は、参照鏡または第２の参照レンズを適切に移動することによって調整することができ、これにより、このシステムを再び焦点調整する。再び、対物レンズまたは試料のいずれも移動する必要がなく、球面収差は避けられる。

本発明は、試料を照射することおよびこの試料から出てくる光を集めることの両方の用途に適用することも可能であって、例えば走査共焦点顕微鏡法（反射または蛍光による）、検出ピンホールおよびデータ記憶を伴う非線形顕微鏡法（例えば３次元多層記憶媒体の共焦点の読み出しを伴う）。本発明は、照射光と試料から集められる光の両方において球面収差を除去するための用いることができ、よって軸方向に間隔を置いた複数の平面において高品質な像を取り込むことが可能になる。

顕微鏡対物レンズ組立体２００の形態である本発明の実用的な実施形態が図５に示されている。対物レンズ組立体２００は既存の対物レンズ組立体の代用として従来の顕微鏡での使用のために設計されている。

この対物レンズ組立体２００は、図４に示される構成に基づいており、対物レンズ２２０と、第１の参照レンズ２２４と、第２の参照レンズ２２６とを含んでおり、これら全てが共通の光軸２３０に沿って間隔を置いて筐体２２８内に配置されている。この顕微鏡は、結像レンズ（またはチューブレンズ）２３２およびＣＣＤ検出器２３４を更に含んでいる。対物レンズ２２０および第１の参照レンズ２２４は、それらの瞳平面が一致するように背中合わせで搭載されている。よって、対物レンズ２２０の瞳平面に現れる波面は、第１の参照レンズ２２４の瞳平面上へマッピングされる。対物レンズ２２０ならびに第１の参照レンズ２２４および第２の参照レンズ２２６は、同一の高開口数レンズである。

第２の参照レンズ２２６は、光軸２３０に沿って第１の参照レンズ２２４に対して相対的に移動可能となるように搭載されており、かつ、第１の参照レンズ２２４に対するその位置を矢印２３８で示されるように迅速に調整することを可能にする圧電変換器（図示せず）に取り付けられている。第２の参照レンズ２２６の瞳平面から出てくる光は、結像レンズ２３２によってＣＣＤ検出器２３４上に焦点を合わせられる。

使用中、物体空間２４０の試料からの光は、対物レンズ２２０によって集められて、第１の参照レンズ２２４と第２の参照レンズ２２６との間の中間像空間２４２内で第１の参照レンズ２２４によって焦点を合わせられる。対物レンズ２２０および第１の参照レンズ２２４が同一なため、試料の像はいかなる球面収差も生じることなく中間像空間２４２に再構成される。第２の参照レンズ２２６は、この像空間２４２から出射する光を集めて集束する。第２の参照レンズ２２６から出射する波面は、結像レンズ２３２によってＣＣＤ検出器２３４上に焦点を合わせられる。

第２の参照レンズ２２６の焦点面が第１の参照レンズ２２４の焦点面に位置する場合、第２の参照レンズ２２６の瞳平面で再生される波面は、対物レンズ２２０から第１の参照レンズ２２４に入るものと同一である。しかしながら、第２の参照レンズ２２６が軸方向に変位されると、この第２の参照レンズは中間像区域内の異なる平面から光を集めるのであって、次に再生された波面は、物体空間内の異なる平面を表す情報を含むのである。ＣＣＤ検出器２３４は、第２の参照レンズ２２６の焦点面内の情報のみを観察する。よって、第２の参照レンズ２２６を移動することによって、球面収差を生じることなく、画像の異なる平面を観察のために選択することが可能である。先のシステムと同様に、第２の参照レンズの位置を非常に迅速に調整することができ、高周波での軸方向の走査を可能にする。

既存の顕微鏡のカメラポートのためのプラグイン組立体（差し込み式の組立体）３００の形態である、本発明の別の実用的な実施形態が図６に示されている。この組立体３００は、顕微鏡対物レンズ３１０と既存のカメラもしくはＣＣＤ検出器３１２との間にプラグイン式に差し込むように設計されている。あるいは、ＣＣＤ検出器３１２はプラグイン組立体３００の一部であってもよい。この顕微鏡は、対物レンズ３１０の瞳平面からの光を組立体３００の入射窓３１６に焦点を合わせるチューブレンズ３１４を含んでいる。

プラグイン組立体３００は、図４に示される構成に再度基づいており、筐体３１８と、マッピングレンズ３２２と、第１の参照レンズ３２４と、第２の参照レンズ３２６と、結像レンズ３２８とを含んでおり、これら全てが共通の光軸３３０に沿って間隔を置かれて配置されている。チューブレンズ３１４およびマッピングレンズ３２２は共に、対物レンズ３１０の瞳平面に現れる波面を第１の参照レンズ３２４の瞳平面上へマッピングする。対物レンズ３１０および第１の参照レンズ３２４は、同一であるかまたは整合された高開口数レンズである。

第２の参照レンズ３２６は、光軸３３０に沿って第１の参照レンズ３２４に対して相対的に移動可能となるように搭載されており、かつ、第１の参照レンズ３２４に対するその位置を矢印３３２で示されるように迅速に調整することを可能にする圧電変換器（図示せず）に取り付けられている。第２の参照レンズ３２６の瞳平面から出てくる光は、結像レンズ３２８によって出射窓３３４を通してＣＣＤ検出器３１２上に焦点を合わせられる。

使用中、物体空間３４０中の試料からの光は、対物レンズ３１０によって集められて、チューブレンズ３１４およびマッピングレンズ３２２によって第１の参照レンズ３２４の瞳平面にマッピングされる。この光は、第１の参照レンズ３２４と第２の参照レンズ３２６との間の中間像空間３４２内で第１の参照レンズ３２４によって集束される。対物レンズ３１０および第１の参照レンズ３２４は同一のものかまたは整合されており、よって試料の像はいかなる球面収差も生じることなく中間像空間３４２に再生される。第２の参照レンズ３２６は、この像空間から出てくる光を集めて集束する。第２の参照レンズ３２６から出てくる波面は、結像レンズ３２８によって出射窓３３４を通してＣＣＤ検出器３１２上に焦点を合わせられる。

第２の参照レンズ３２６の焦点面が第１の参照レンズ３２４の焦点面に位置する場合、第２の参照レンズ３２６の瞳平面で再生される波面は、対物レンズ３１０から第１の参照レンズ３２４に入るものと同一である。しかしながら、第２の参照鏡３２６が軸方向に変位されるとき、この第２の参照鏡３２６は中間像区域内の異なる平面から光を集めるのであって、次に再生される波面は、物体空間内の異なる平面を表す情報を含むのである。ＣＣＤ検出器３１２は第２の参照レンズ３２６の焦点面内の情報のみを観察する。よって、第２の参照鏡３２６を移動することによって、球面収差を生じることなく、像の異なる平面を観察のために選択することが可能である。第２の参照レンズの位置を非常に迅速に調整することができ、高周波での軸方向の走査が可能となる。

既存の顕微鏡のカメラポートのための別のプラグイン組立体４００が図７に示されている。この組立体４００は、顕微鏡対物レンズ４１０と既存のカメラもしくはＣＣＤ検出器４１２との間にプラグイン式に差し込まれるように設計されている。この顕微鏡は、対物レンズ４１０の瞳平面からの光を組立体４００の入射窓４１６に焦点を合わせるチューブレンズ４１４を含んでいる。

プラグイン組立体４００は、再び図３に示される構成に基づいており、筐体４１８と、マッピングレンズ４２２と、ビームスプリッタ４２４と、四分の一波長板４２５と、参照レンズ４２６と、参照鏡４２８とを含んでおり、これら全てが共通の第１の光軸４３０に沿って間隔を置かれて配置されている。対物レンズ４１０および参照レンズ４２６は、同一の高開口数レンズである。結像レンズ４３２（もしくは「チューブ」レンズ）ならびにＣＣＤ検出器４１２は、第１の光軸４３０に直交しかつビームスプリッタ４２４を通る第２の光軸４３６に沿って間隔を置かれて配置されている。

チューブレンズ４１４およびマッピングレンズ４２２は、対物レンズ４１０の瞳平面に現れる波面を参照レンズ４２６の瞳平面上へマッピングする。対物レンズ４１０および参照レンズ４２６は同一ものまたは整合された高開口数レンズである。

鏡４２８は、参照レンズ４２６に対して相対的に光軸４３０に沿って移動可能であるように筐体４１８内に搭載されており、かつ、参照レンズ４２６に対するその位置を矢印４３８で示されるように迅速に調整することを可能にする圧電変換器（図示せず）に取り付けられている。参照レンズ４２６の瞳平面から出てくる光は、結像レンズ４３２によって出射窓４３４を通してＣＣＤ検出器４１２上に焦点を合わせられる。

使用中、物体空間４４０の試料からの光は、対物レンズ４１０によって集められて、鏡４２８に近接する中間像空間４４２内で参照レンズ４２６によって焦点を合わされる。対物レンズ４１０および参照レンズ４２６が同一のものまたは整合されているため、試料の像は、いかなる球面収差も生じることなく中間像空間４４２に再生される。この光は鏡４２８によって参照レンズ４２６へ反射され、この参照レンズ４２６はこの反射された光を集めて集束する。次に、参照レンズ４２６から出てくる波面は、結像レンズ４３２によってＣＣＤ検出器４１２上に焦点を合わされる。

鏡４２８が参照レンズ４２６の焦点面に位置する場合、参照レンズ４２６の瞳平面で再生される波面は、対物レンズ４１０からこの参照レンズに入るものと同一である。しかしながら、鏡４２８が軸方向に変位される場合、この鏡４２８は中間像区域内の異なる平面からの光を反射するのであって、次に再生される波面は、物体空間内の異なる平面を表す情報を含むのである。ＣＣＤ検出器４１２は、参照レンズ４２６の焦点面内の情報のみを観察する。よって、鏡４２８を移動することによって、球面収差を生じることなく、像の異なる平面を観察のために選択することが可能である。鏡の位置を非常に迅速に調整することができ、高周波での軸方向の走査が可能となる。

図８は、本発明の第７の実施形態によるスリット走査共焦点顕微鏡を示している。この顕微鏡は、レーザ光源５１０と、ビームエクスパンダ５１２と、円柱レンズ（シリンドリカルレンズ）５１４と、細隙（スリット）５１６とを含んでおり、これらは共に平面光線を形成し、この光線はレンズ５１８によって参照レンズ５２０内に集束される。この光は、上述の構成要素の光軸５２４に沿って移動するように搭載されている参照鏡５２２に近接する中間像空間５２１内に参照レンズ５２０によって焦点を合わせられる。この光は、鏡５２２によって参照レンズ５２０に反射されて、次にビームスプリッタ５２８によって第２の光軸５２６に沿って反射される。この光は、中間レンズ系５３０を通して対物レンズ５３２内に集束され、この対物レンズ５３２はこの平面光線を試料５３４上に焦点を合わせる。

この光線が試料５３４内に焦点が合う軸の位置は、参照鏡５２２を移動することによって調整することができる。対物レンズ５３２および参照レンズ５２０は、照射光線からの球面収差を除去するために整合される。

試料によって反射される光は、対物レンズ５３２によって集められ、次に中間レンズ系５３０、ビームスプリッタ５２８および参照レンズ５２０を通して、鏡５２２に近接する中間像空間５２１に焦点を合わされる。次にこの光は鏡５２２によって第１の光軸５２４に沿って参照レンズ５２０内に反射される。この光は、第２のビームスプリッタ５３６、一対のレンズ５３８、５４０および回転鏡５４２によってＣＣＤ検出器５４４上に反射される。鏡５４２を回転させることによって、線像を検出器５４４全体で走査することが可能となる。

第１の光軸５２４の方向に参照鏡５２２を移動することで試料５３４内に集束された照射光線の位置と検出器５４４上に集束された結像平面との両方を同時に調整する。よって、試料全体に渡って結像平面を対物レンズ５３２の光軸５２６（Ｚ軸）の方向に走査することができる。参照鏡５２２の軸方向の位置と回転鏡５４２の角度位置を同時に調整することによって、試料のＸＺ平面を表す像は、他の手続きを必要とすることなくリアルタイムで得られる。

図９は、図３に示されるものに類似する顕微鏡システムを示しており、偏光ビームスプリッタ２４’と、このビームスプリッタ２４’と参照レンズ２８との間に配置された四分の一波長板４５とを含む。このシステムの他の構成要素は、上記のシステムのものと同様である。

このシステムは、偏光を用いて使用される場合、結像平面３４に届く光の減衰がない。しかしながら、このシステムが無偏光と共に用いられる場合、偏光ビームスプリッタ２４’に入射する光３０は２つの部分に分割され、第１の部分３０ａはビームスプリッタを通過し、一方、第２の部分３０ｂはそこから反射される。この第２の部分が捕捉（取込）されないため、結像平面３４に届く光は５０％減らされる。

図１０は、図９に示される顕微鏡システムの変形態様を示しており、ここでこの問題が対処される。この顕微鏡システムは、対物レンズ６２０と、マッピングレンズシステム６２２と、偏光ビームスプリッタ６２４と、第１の像形成捕捉システム６２５を含んでおり、これら全ては第１の光軸６３０上に配置されている。第１の像形成捕捉システム６２５は、図９に示されるものに類似しており、参照レンズ６２６と、参照鏡６２８と、四分の一波長板６４５とを備える。第２の像形成捕捉システム６２５’は、ビームスプリッタ６２４を通過する第１の光軸６３０に直交する第２の光軸６３６上に配置されている。第２の像形成捕捉システム６２５’は、参照レンズ６２６’と、参照鏡６２８’と、四分の一波長板６４５’とを備える。更に、結像レンズ６３２および検出器６３４は、ビームスプリッタ６２４の反対側の第２の光軸６３６上に配置されている。

試料６４２からの光は、対物レンズ６２０によって集められて、ビームスプリッタ６２４によって２つの部分に分割されて、参照レンズ６２６，６２６’の瞳平面上にマッピングされる。各参照レンズ６２６，６２６’は、それぞれの参照鏡２８，２８’に近接する中間像空間内に試料の像を形成するために光を集束し、これらの参照鏡２８，２８’は参照レンズ２６，２６’に再生像を反射する。この反射光は、ビームスプリッタ６２４によって再結合されて、結像レンズ６３２によって検出器６３４上に焦点を合わせられる。この２つの鏡は、この反射像が同一となることを確実にするように同時に調整される。ビームスプリッタ６２４から出てくる光の両方の部分が使用され、これにより望ましくない減衰を回避する。

別の構成が図１１〜図１３に示されている。この顕微鏡システムは、対物レンズ７２０と、マッピングレンズシステム７２２と、弁別器７２４と、像形成捕捉システム７２５を含んでおり、これら全ては第１の光軸７３０上に配置されている。この像形成捕捉システム７２５は、参照レンズ７２６と、参照鏡７２８と、四分の一波長板７４５とを備える。結像レンズ７３２および検出器７３４は、直交する第２の光軸７３６上に配置される。

図１２および図１３により詳細に記載される弁別器７２４は、接合剤７４８の層で結合された２つの複屈折の方解石結晶７４６からなる偏光プリズム（ここではグラントムソンプリズム）を備える。図１２に示すように、このプリズムは、このプリズムに入射する無偏光光束７５０をｓ極に偏光した異常光線７５２とｐ極に偏光した常光線７５４とに分割するのであって、異常光線７５２は著しく偏向することなくプリズムを通して透過され、常光線７５４は異常光線７５２に対して角度をつけて方角石と接着剤の界面から内方に反射される。両光線は、四分の一波長板７４５および参照レンズ７２６を通過し、次にレンズおよびプレートを通して鏡７２８によって反射される。これにより、両光線の偏光を９０°回転させる。次にこれらの光線は図１３に示される弁別器に再入射し、この分別器によってこれらの光線が結合されて単一の無偏光光線７５６を形成し、この無偏光光線７５６は元の光線７５０に対して小角度でプリズムを出る。

次に再結合された光線７５６は、第２の光軸７３６に沿って傾斜鏡７５８によって反射され、これにより、結像レンズ７３２を通過して検出器７３４に入る。再結合された光線７５６が元の光線に対して小角度にずらされているため、鏡７５８を第１の光軸の一方に変位することができ、これによりこの鏡７５８が入力ビームを妨げることがない。

この構成では、試料７４２からの全ての光が集められて、検出器７３４上に焦点を合わせられ、よって減衰を回避する。単一の再集束鏡７２８のみが要求され、試料の異なる平面を結像するために高速で調整することができる。

２０ 対物レンズ
２２ マッピングレンズシステム
２４ ビームスプリッタ
２６ 参照レンズ
３０ 第１の光軸
３２ 結像レンズ
３４ ＣＣＤ検出器
３６ 第２の光軸
４０ 物体空間
４２ 試料

Claims (17)

1. 高開口数対物レンズと、この高開口数対物レンズの焦点を調整するための焦点調整装置とを含む光学システムであって、
   中間像区域内に像を形成するためと、前記中間像区域内で選択された焦点面からの光を受けて再び焦点を合わせることによって像を捕捉するための像形成捕捉手段と、
   前記中間像区域内で前記選択された焦点面の位置を調整するための焦点調整手段と、
   を備えており、
   前記像形成捕捉手段は少なくとも一つの高開口数レンズを含んでおり、前記少なくとも一つの高開口数レンズが、前記高開口数対物レンズと光学的に整合されていることを特徴とする光学システム。
2. 前記焦点調整装置の前記少なくとも一つの高開口数レンズの開口角が、前記高開口数対物レンズの前記開口角と少なくとも同じ大きさであることを特徴とする請求項１に記載の光学システム。
3. 検出器とこの検出器上に前記捕捉された像の焦点を合わせるための手段とを含む光検出システムを備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学システム。
4. 前記高開口数対物レンズを通して対象物を照射するための光源を含む照射システムを備える光学システムであることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学システム。
5. 高開口数顕微鏡対物レンズを有する顕微鏡システムを備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学システム。
6. 前記像形成捕捉手段が、前記中間像区域内に像を形成するための第１の高開口数レンズと、前記中間像区域から光を受けて再び焦点を合わせるための第２の高開口数レンズと、を含んでおり、前記焦点調整手段が前記第１の高開口数レンズに対して相対的に前記第２の高開口数レンズの軸方向位置を調整するための手段を含んでいることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の光学システム。
7. 前記第１の高開口数レンズと第２の高開口数レンズとが、対向する一対の対物レンズであることを特徴とする請求項６に記載の光学システム。
8. 前記第１の高開口数レンズと第２の高開口数レンズとが、同一のものであることを特徴とする請求項６又は７に記載の光学システム。
9. 前記像形成捕捉手段が、高開口数レンズと、選択された焦点面からの像を前記中間像区域内で捕捉するように前記高開口数レンズによって形成された前記像を同じ高開口数レンズ内へ反射するための反射要素と、を含んでおり、前記焦点調整手段が、前記反射要素の軸方向位置を調整するための手段を含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の光学システム。
10. 前記焦点調整装置に入射する光からの反射された光を分割するためのビームスプリッタを含むことを特徴とする請求項９に記載の光学システム。
11. 偏光ビームスプリッタと、前記反射された光の偏光を調整するための、前記偏光ビームスプリッタと前記中間像区域との間に配置された偏光調整器と、を含むことを特徴とする請求項１０に記載の光学システム。
12. 前記偏光ビームスプリッタが、第１の軸の方向に第１の偏光を有する入射光を送り、第２の軸の方向に第２の偏光を有する光を反射するように構成および配置されており、前記焦点調整装置が、前記第１の軸上の第１の中間像区域内で像を形成および捕捉するための第１の高開口数レンズおよび第１の反射要素を含む第１の像形成捕捉手段と、前記第２の軸上の第２の中間像区域内で像を形成および捕捉するための第２の高開口数レンズをおよび第２の反射要素を含む第２の像形成捕捉手段と、前記第１の捕捉された像と前記第２の捕捉された像とを再結合するための手段と、を含むことを特徴とする請求項１１に記載の光学システム。
13. 前記焦点調整装置に入射する光から反射された光を分割するための弁別器を含むことを特徴とする請求項９に記載の光学システム。
14. 前記像形成捕捉手段の前記少なくとも一つの高開口数レンズが、その空気中の開口数が少なくとも０．５であって、好適には０．７であって、より好適には少なくとも０．９であることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載の光学システム。
15. 高開口数対物レンズを有する光学システムの焦点調整方法であって、
    前記高開口数対物レンズと光学的に整合されている少なくとも一つの高開口数レンズを用いて中間像区域内に像を形成する工程と、
    前記中間像区域内で選択された焦点面から光を受けて再び焦点を合わせることによって像を捕捉する工程と、
    前記中間像区域内で前記選択された焦点面の位置を調整する工程と、
    を含んでいることを特徴とする焦点調整方法。
16. 高開口数対物レンズを有する光学システムを用いて対象物から光を集める工程と、請求項１５に記載の方法によって前記光学システムの焦点を調整する工程と、前記光を検出器上に焦点を合わせて像を得る工程と、を含むことを特徴とする結像方法。
17. 光源から光を生成する工程と、請求項１５に記載の方法によって前記光の焦点を調整する工程と、高開口数対物レンズを有する光学システムを用いて対象物上に前記光を向ける工程と、を含むことを特徴とする照射方法。

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