JP2016024210A - 位相変調素子調整システムおよび位相変調素子調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】中間像が光学素子に一致する位置で結像されても、中間像に光学素子の傷、異物および欠陥等が重なることを防止して鮮明な最終像を取得する。【解決手段】最終像および少なくとも１つの中間像を形成する複数の結像レンズと、結像レンズにより形成されるいずれかの中間像を挟む位置に配置された互いに逆の位相特性を有する波面錯乱素子３７と波面回復素子５１とを備えるレーザ走査型共焦点観察装置１００に用いられ、波面錯乱素子３７と波面回復素子５１との相対的な位置関係を調整可能な位置関係調整部３と、波面錯乱素子３７と波面回復素子５１とを通過した物体からの光の波面収差を測定する波面収差測定部５と、波面収差測定部５により測定された波面収差が低減するように位置関係調整部３を制御するプロセッサ７とを備える位相変調素子調整システム１を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、位相変調素子調整システムおよび位相変調素子調整方法に関するものである。

従来、中間像位置において光路長を調節することにより、合焦点位置を光軸に沿う方向に移動させる方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特許第４０１１７０４号公報

しかしながら、特許文献１の方法では、中間像面に平面鏡を配置するので、平面鏡の表面の傷や異物が像に重なってしまうという不都合がある。また、顕微鏡光学系に適用される場合には、拡大光学系であるため、縦倍率は横倍率の２乗に等しく、合焦点位置の光軸に沿う方向への僅かな移動によっても、中間像はその光軸方向に大きく移動する。その結果、移動した中間像がその前後に位置していたレンズに重なると、上記と同様に、レンズの表面の傷や異物あるいはレンズ内の欠陥等が像に重なってしまうという不都合がある。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、中間像が光学素子に一致する位置で結像されても、中間像に光学素子の傷、異物および欠陥等が重なることを防止して鮮明な最終像を取得することができる位相変調素子調整システムおよび位相変調素子調整方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、最終像および少なくとも１つの中間像を形成する複数の結像レンズと、該結像レンズにより形成されるいずれかの前記中間像を挟む位置に配置された互いに逆の位相特性を有する２つの位相変調素子とを備える顕微鏡装置に用いられ、前記２つの位相変調素子の相対的な位置関係を調整可能な位置関係調整部と、前記２つの位相変調素子を通過した物体からの光の波面収差を測定する波面収差測定部と、該波面収差測定部により測定された前記波面収差が低減するように前記位置関係調整部を制御する制御部とを備える位相変調素子調整システムを提供する。

顕微鏡装置においては、結像レンズに対して物体側から入射された光が集光されることにより最終像が結像される。また、中間像の１つよりも物体側に配置された一方の位相変調素子を通過することにより、光の波面に空間的な乱れが生じるような位相変調が付与され、結像される中間像がぼやける。また、中間像を結像した光は他方の位相変調素子を通過することにより、一方の位相変調素子によって付与された波面の空間的な乱れが打ち消されるような位相調整が付与される。

本発明によれば、制御部により位置関係調整部が制御されて２つの位相変調素子の相対的な位置関係が調整され、波面収差測定部により測定される２つの位相変調素子を通過した物体からの光の波面収差が低減する。これにより、一方の位相変調素子により光の波面に付与される空間的な乱れを他方の位相変調素子により精度よく打ち消し、他方の位相変調素子以降においてなされる最終像の結像において鮮明な像を得ることができる。したがって、中間像位置に何らかの光学素子が配置されて、その光学素子の表面や内部に傷、異物あるいは欠陥等が存在していても、それらが中間像に重なって最終的に最終像の一部として形成されてしまう不都合の発生を防止することができる。

上記発明においては、前記位置関係調整部が、前記２つの位相変調素子の少なくとも一方の光軸に沿う方向の位置、光軸に交差する方向の位置および光軸回りの角度の少なくともいずれかを変更することとしてもよい。
このように構成することで、２つの位相変調素子の相対的な位置関係を精度よく調整することができる。

上記発明においては、前記波面収差測定部が、前記２つの位相変調素子よりも前記物体から離間した位置に配置されることとしてもよい。
このように構成することで、２つの位相変調素子を通過した物体からの光の波面収差の測定を複雑な構成にすることなく行うことができる。

上記発明においては、前記物体側から前記２つの位相変調素子に光を入射させる光源を備え、前記波面収差測定部が、前記２つの位相変調素子よりも前記最終像側に配置されることとしてもよい。
このように構成することで、２つの位相変調素子を通過した物体からの光の波面収差を測定する際に、物体からの光を集光する結像レンズ、すなわち、対物レンズを光路から外さなくて済む。また、その対物レンズによる収差の影響も含めて２つの位相変調素子の位置関係を調整することができる。

上記発明においては、前記波面収差測定部が、前記光を前記顕微鏡装置による観察用の照明光と位相変調素子調整用の参照光とに分岐する光分岐部と、前記２つの位相変調素子を通過させた前記照明光と前記２つの位相変調素子を通過させていない前記参照光とを合波する合波部と、該合波部により合波された前記照明光と前記参照光の光路差により生じる干渉縞を撮像する撮像部と、該撮像部により撮像された干渉縞に基づいて前記波面収差を算出する算出部とを備えることとしてもよい。
このように構成することで、一般的に入手可能な部材により干渉計を構成して光の波面収差を簡易かつ精度よく測定することができる。

上記発明においては、前記波面収差測定部がシャックハルトマンセンサであることとしてもよい。
このように構成することで、干渉計を用いなくても光の波面収差を測定することができる。したがって、システムの構成の簡素化および小型化を図ることができる。

本発明は、中間像を結像する物体からの光の波面に対して第１位相変調素子により空間的な乱れを付与する一方、前記中間像を結像した前記光の波面の前記空間的な乱れを第２位相変調素子により打ち消して、最終像を結像させる顕微鏡装置の位相変調素子調整方法であって、前記２つの位相変調素子を通過した前記物体からの光の波面収差を測定する測定工程と、該測定工程により測定された波面収差が低減するように、前記２つの位相変調素子の相対的な位置関係を調整する調整工程とを含む位相変調素子調整方法を提供する。

本発明によれば、測定工程により測定された２つの位相変調素子を通過した物体からの光の波面収差に基づいて、調整工程により２つの位相変調素子の相対的な位置関係を調整して、２つの位相変調素子を通過した物体からの光の波面収差を低減することで、第１位相変調素子により光の波面に付与される空間的な乱れを第２位相変調素子により精度よく打ち消すことができる。これにより、中間像位置に何らかの光学素子が配置されて、該光学素子の表面や内部に傷、異物あるいは欠陥等が存在していても、それらが中間像に重なって最終的に最終像の一部として形成されてしまう不都合の発生を防止し、鮮明な最終像を得ることができる。

本発明によれば、中間像が光学素子に一致する位置で結像されても、中間像に光学素子の傷、異物および欠陥等が重なることを防止して鮮明な最終像を取得することができるという効果を奏する。

本発明の第１実施形態に係る位相変調素子調整システムを示す概略構成図である。 本発明の第２実施形態に係る位相変調素子調整システムを示す概略構成図である。 本発明の第３実施形態に係る位相変調素子調整システムを示す概略構成図である。 本発明の第４実施形態に係る位相変調素子調整システムを示す概略構成図である。

〔第１実施形態〕
本発明の第１実施形態に係る位相変調素子調整システムおよび位相変調素子調整方法について図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る位相変調素子調整システム１は、例えば、図１に示すようなレーザ走査型共焦点観察装置（顕微鏡装置）１００に用いられ、レーザ走査型共焦点観察装置１００の波面錯乱素子（位相変調素子）３７および波面回復素子（位相変調素子）５１による位相変調を調整するものである。

まず、レーザ走査型共焦点観察装置１００について説明する。
レーザ走査型共焦点観察装置１００は、コヒーレントなレーザ光を連続的に発生するＣＷレーザ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ ｌａｓｅｒ、物体）２１と、ＣＷレーザ２１から発せられたレーザ光を導光するシングルモード光ファイバ２３（以下、単に「光ファイバ２３」とする。）と、光ファイバ２３により導光されたレーザ光を観察対象物（物体、図示略）に集光させる一方、観察対象物からの光を集光する結像光学系２５と、結像光学系２５により集光された蛍光を通過させるピンホール２７と、ピンホール２７を通過した蛍光を検出する光電子増倍管のような光検出器２９とを備えている。

結像光学系２５は、光ファイバ２３により導光されたレーザ光を平行光に変換するコリメートレンズ３１と、コリメートレンズ３１により平行光に変換されたレーザ光を偏向する一方、観察対象物からの蛍光を透過させるダイクロイックミラー３３と、ダイクロイックミラー３３により偏向されたレーザ光を２次元的に走査させるガルバノミラー３５と、ガルバノミラー３５により走査されたレーザ光の波面に位相変調を付与する波面錯乱素子３７と、波面錯乱素子３７からのレーザ光を集光して中間像を結像させる第１中間結像レンズ対（結像レンズ）３９とを備えている。

また、結像光学系２５は、第１中間結像レンズ対３９を透過したレーザ光を偏向するハーフミラー４１と、ハーフミラー４１により偏向されたレーザ光を集光して中間像を結像させる中間結像レンズ（結像レンズ）４３と、中間結像レンズ４３により集光されたレーザ光を折り返すように反射する光路長変更部４５と、光路長変更部４５により折り返されたレーザ光を集光して中間像を結像させる第２中間結像レンズ対（結像レンズ）４７と、第２中間結像レンズ対４７を透過したレーザ光を反射する反射ミラー４９と、反射ミラー４９からのレーザ光の波面に位相変調を付与する波面回復素子５１と、波面回復素子５１を透過したレーザ光を観察対象物に照射する一方、観察対象物において発生する蛍光を集光する対物レンズ（結像レンズ）５３と、対物レンズ５３により集光されてレーザ光の光路を戻る蛍光を集光して最終像を結像させる結像レンズ５５とを備えている。

ガルバノミラー３５は、対物レンズ５３の瞳と共役な位置の近傍に配置されている。このガルバノミラー３５は、例えば、互いに直交する搖動軸回りに搖動可能な２枚のミラーにより構成されている。

波面錯乱素子３７は、第１中間結像レンズ対３９の瞳位置近傍に配置されている。また、波面錯乱素子３７は、光を透過可能な光学的に透明な材料により構成されており、光が透過する際に表面の凹凸形状に従う位相変調を光の波面に付与するようになっている。また、波面錯乱素子３７は、波面回復素子５１とは逆の位相特性を有している。

したがって、波面錯乱素子３７は、例えば、ＣＷレーザ２１からのレーザ光を透過させる際に波面に乱れを付与するようになっている。また、波面錯乱素子３７は、観察対象物から波面回復素子５１を介してレーザ光の光路を戻る蛍光を透過させる際に、波面回復素子５１により蛍光の波面に付与される位相変調を打ち消すような位相変調を付与するようになっている。

ハーフミラー４１は、第１中間結像レンズ対３９からのレーザ光を中間結像レンズ４３に向けて反射する一方、光路長変更部４５から中間結像レンズ４３を介して戻るレーザ光を第２中間結像レンズ対４７に向けて透過させるようになっている。

光路長変更部４５は、中間結像レンズ４３による中間結像面に配置された平面鏡４５Ａと、平面鏡４５Ａを光軸方向に変位させるアクチュエータ４５Ｂとを備えている。平面鏡４５Ａは、中間結像レンズ４３の光軸に直交するように配置されている。

この光路長変更部４５は、アクチュエータ４５Ｂの作動により平面鏡４５Ａを光軸方向に変位させることで、中間結像レンズ４３と平面鏡４５Ａとの間の光路長を変化させて、観察対象物における対物レンズ５３の合焦点位置を光軸方向に変化させるようになっている。光路長変更部４５により、観察対象物における対物レンズ５３の合焦点位置を光軸方向に移動させ、異なる合焦点位置において観察光を撮影することにより、観察対象物の奥行き方向に異なる位置に合焦させた複数の画像を取得することができる。

波面回復素子５１は、対物レンズ５３の瞳位置近傍に配置されている。波面回復素子５１も光を透過可能な光学的に透明な材料により構成されており、光が透過する際に表面の凹凸形状に従う位相変調を光の波面に付与するようになっている。上述したように、波面回復素子５１は、波面錯乱素子３７とは逆の位相特性を有している。

したがって、波面回復素子５１は、例えば、ＣＷレーザ２１から波面錯乱素子３７を介して入射するレーザ光を透過させる際に、光の波面に対して波面錯乱素子３７により付与される波面の乱れを打ち消すような位相変調を付与するようになっている。また、観察対象物からの蛍光を透過させる際に波面に乱れを付与するようになっている。

このように構成されたレーザ走査型共焦点観察装置１００は、ＣＷレーザ２１から発生させたレーザ光が光ファイバ２３により導光されてコリメートレンズ３１により平行光に変換された後、ダイクロイックミラー３３により偏向されてガルバノミラー３５により２次元的に走査される。そして、レーザ光は、波面錯乱素子３７を透過し、第１中間結像レンズ対３９を介してハーフミラー４１により偏向され、中間結像レンズ４３により集光されて光路長変更部４５の平面鏡４５Ａにより折り返される。

平面鏡４５Ａにより折り返されたレーザ光は、中間結像レンズ４３、ハーフミラー４１および第２中間結像レンズ対４７を透過して反射ミラー４９により反射され、波面回復素子５１を透過して対物レンズ５３により観察対象物に照射される。

このレーザ光は、波面錯乱素子３７を透過することによって波面に乱れが付与された後に光路長変更部４５の平面鏡４５Ａに中間像を結像するので、中間像が不鮮明化する。したがって、平面鏡４５Ａの表面に傷や塵埃等の異物が存在していても、その異物の像が中間像に重なることを防止することができる。また、光路長変更部４５により折り返されたレーザ光は、波面回復素子５１を透過することによって、波面錯乱素子３７により付与された波面の乱れが打ち消される。したがって、鮮明化した最終像を観察対象物に結像させることができる。また、最終像の結像深さは、光路長変更部４５によって任意に調節することができる。

レーザ光が照射されることにより観察対象物において発生する蛍光は、対物レンズ５３により集光されてレーザ光の光路を戻り、波面回復素子５１を透過する。そして、蛍光は、反射ミラー４９、第２中間結像レンズ対４７、ハーフミラー４１および中間結像レンズ４３を介して光路長変更部４５の平面鏡４５Ａにより折り返される。

平面鏡４５Ａにより折り返された蛍光は、中間結像レンズ４３、ハーフミラー４１および第１中間結像レンズ対３９を介して波面錯乱素子３７を透過した後、ガルバノミラー３５およびダイクロイックミラー３３を介して結像レンズ５５により集光され、ピンホール２７を通過して光検出器２９により検出される。

この蛍光は、波面回復素子５１を透過することによって波面に乱れが付与された後に光路長変更部４５の平面鏡４５Ａに中間像を結像するので、中間像が不鮮明化する。したがって、平面鏡４５Ａの表面に異物が存在していても、その異物の像が中間像に重なることを防止することができる。また、不鮮明化した中間像を結像した後の蛍光は、波面錯乱素子３７を透過することによって、波面回復素子５１により付された波面の乱れが打ち消される。したがって、鮮明化した像をピンホール２７に結像させ、光検出器２９において、観察対象物におけるレーザ光の最終像の結像位置にて発生した蛍光を効率よく検出することができる。

次に、本実施形態に係る位相変調素子調整システム１について説明する。
位相変調素子調整システム１は、レーザ走査型共焦点観察装置１００の波面錯乱素子３７と波面回復素子５１との相対的な位置関係を調整可能な位置関係調整部３と、これら波面錯乱素子３７および波面回復素子５１を透過したＣＷレーザ２１からのレーザ光の波面収差を測定する波面収差測定部５と、位置関係調整部３を制御するプロセッサ（制御部、算出部）７とを備えている。

また、位相変調素子調整システム１は、ＣＷレーザ２１から発せられるレーザ光を光ファイバ２３によりコリメートレンズ３１に導光する観察用のレーザ光（以下、「照明光」という。）と位相変調素子調整用のレーザ光（以下、「参照光」という。）とに分岐するファイバカップラ（光分岐部）１１と、ファイバカップラ１１により分岐された参照光を導光するシングルモード光ファイバ１３（以下、単に「光ファイバ１３」という。）と、光ファイバ１３により導光された参照光を平行光に変換するコリメートレンズ１５とを備えている。

位置関係調整部３は、波面錯乱素子３７に接続されるようになっている。この位置関係調整部３は、プロセッサ７の制御により、波面錯乱素子３７の光軸に沿う方向（Ｚ方向）や光軸に交差する方向（Ｘ方向、Ｙ方向）の位置を変更したり、光軸回りの角度（θ）を変更したりすることができるようになっている。

波面収差測定部５は、コリメートレンズ１５により平行光束に変換された参照光を波面錯乱素子３７および波面回復素子５１よりも観察対象物側で照明光に合波するハーフミラー（合波部）１７と、ハーフミラー１７により合波された共に略平行光束の照明光と参照光との光路差により生じる干渉縞を撮像する撮像素子（撮像部）１９とを備えている。これら、ハーフミラー１７および撮像素子１９は、ＣＷレーザ２１およびファイバカップラ１１とともに用いられて干渉計を構成するようになっている。

ハーフミラー１７は、対物レンズ５３と共に図示しないレボルバに取り付けられている。このハーフミラー１７は、レボルバを所定の回転軸回りに回転させることにより、照明光の光路上に対物レンズ５３に置き換えて配置することができるようになっている。

撮像素子１９は、例えば、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）あるいはＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）のような２次元のイメージセンサである。

プロセッサ７は、撮像素子１９により撮像された干渉縞に基づいて、波面錯乱素子３７および波面回復素子５１を通過した照明光の波面収差を算出するようになっている。また、プロセッサ７は、その算出結果に基づいて、波面錯乱素子３７および波面回復素子５１を通過した照明光の波面収差が低減するように位置関係調整部３を制御するようになっている。例えば、プロセッサ７は、照明光の波面が平面波にできるだけ近づくように、位置関係調整部３により波面錯乱素子３７の位置および角度を調整して、照明光の波面収差を極めて小さくするようになっている。

次に、本実施形態に係る位相変調素子調整方法について説明する。
位相変調素子調整方法は、波面錯乱素子３７および波面回復素子５１を通過したＣＷレーザ２１からのレーザ光の波面収差を測定する測定工程と、測定工程により測定された波面収差が低減するように、波面錯乱素子３７と波面回復素子５１との相対的な位置関係を調整する調整工程とを含んでいる。

次に、このように構成された位相変調素子調整システム１および位相変調素子調整方法について説明する。
本実施形態に係る位相変調素子調整システム１によりレーザ走査型共焦点観察装置１００の波面錯乱素子３７および波面回復素子５１による位相変調を調整するには、まず、対物レンズ５３に代えて光路上にハーフミラー１７を配置するとともに、観察対象物に代えて撮像素子１９を配置する。

次いで、ＣＷレーザ２１から発せられるレーザ光をファイバカップラ１１により照明光と参照光とに分岐する。ファイバカップラ１１により分岐された照明光は、光ファイバ２３により結像光学系２５に導光され、波面錯乱素子３７および波面回復素子５１を介してハーフミラー１７を撮像素子１９に向かって透過する。一方、ファイバカップラ１１により分岐された参照光は、光ファイバ１３により導光されてコリメートレンズ１５を介してハーフミラー１７により撮像素子１９に向かって反射される。

これにより、ハーフミラー１７において照明光と参照光とが合波され、略平行光束の照明光と参照光との干渉により生じる干渉縞が撮像素子１９によって撮影される。そして、プロセッサ７により、撮像素子１９によって撮影された干渉縞に基づいて、波面錯乱素子３７および波面回復素子５１を透過した照明光の波面収差が算出され（測定工程）、その波面収差に基づいて位置関係調整部３が制御される。

この場合において、波面錯乱素子３７と波面回復素子５１との位置関係にずれが生じていると、波面錯乱素子３７により照明光の波面に付与される空間的な乱れを波面回復素子５１により精度よく打ち消すことができず、また、波面回復素子５１により蛍光の波面に付与される空間的な乱れも波面錯乱素子３７により精度よく打ち消すことができない。この場合、波面錯乱素子３７および波面回復素子５１を通過した照明光の波面収差が大きくなる。

本実施形態においては、位置関係調整部３により、照明光の波面が平面波にできるだけ近づくように波面錯乱素子３７のＸＹＺ方向の位置や光軸回りの角度θが調整され（調整工程）、波面錯乱素子３７および波面回復素子５１を透過する照明光の波面収差が極めて低減される。

これにより、波面錯乱素子３７によって照明光の波面に付与される空間的な乱れを波面回復素子５１により精度よく打ち消し、波面回復素子５１以降においてなされる最終像の結像においてより鮮明な像を得ることができる。また、波面回復素子５１によって蛍光の波面に付与される空間的な乱れを波面錯乱素子３７により精度よく打ち消し、ピンホール２７に鮮明な像を結像させて光検出器２９により蛍光をより効率よく検出することができる。

また、光路長変更部４５により観察対象物における合焦点位置を光軸方向に移動させると、第２中間結像レンズ対４７によって形成される中間像も光軸方向に大きく変動するが、その変動の結果、中間像が第２中間結像レンズ対４７の位置に重なったり、その変動範囲内に何らかの他の光学素子が存在したりする場合であっても、中間像が不鮮明化されているので、異物の像が最終像に重なって撮影されてしまうことを防止することができる。

以上説明したように、本実施形態に係る位相変調素子調整システム１および位相変調素子調整方法によれば、レーザ走査型共焦点観察装置１００の中間像位置に何らかの光学素子が配置されて、その光学素子の表面や内部に傷、異物あるいは欠陥等が存在していても、それらが中間像に重なって最終的に最終像の一部として形成されてしまう不都合の発生を防止することができる。したがって、レーザ走査型共焦点観察装置１００により観察対象物の鮮明な画像を取得させることができる。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態に係る位相変調素子調整システム１０１および位相変調素子調整方法について説明する。
本実施形態に係る位相変調素子調整システム１０１は、図２に示すように、位置関係調整部３が波面回復素子５１の位置および角度を調整する点で第１実施形態と異なる。位相変調素子調整方法については、第１実施形態と同様である。
以下、第１実施形態に係る位相変調素子調整システム１および位相変調素子調整方法と構成を共通する箇所には、同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態においては、図２に示すようなレーザ走査型共焦点観察装置（顕微鏡装置）２００に位相変調素子調整システム１０１および位相変調素子調整方法を用いる場合について説明する。
まず、レーザ走査型共焦点観察装置２００について説明する。
レーザ走査型共焦点観察装置２００は、結像光学系２５が、コリメートレンズ３１と、ダイクロイックミラー３３と、ダイクロイックミラー３３により偏向されたレーザ光を集光して中間像を結像させる中間結像光学系（結像レンズ）６１と、観察対象物における合焦点位置を変更するアクチュエータ（光路長変更部）６３と、中間結像光学系６１を透過したレーザ光の波面に位相変調を付与する波面錯乱素子３７と、第１中間結像レンズ対３９と、ガルバノミラー３５と、ガルバノミラー３５により走査されたレーザ光を集光して中間像を結像させる第２中間結像レンズ対４７と、第２中間結像レンズ対４７により集光されたレーザ光の波面に位相変調を付与する波面回復素子５１と、対物レンズ５３とを備えている。

アクチュエータ６３は、中間結像光学系６１を構成するレンズ６１Ａ，６１Ｂの一方、例えば、レンズ６１Ａを光軸方向に移動させるようになっている。アクチュエータ６３によりレンズ６１Ａを光軸方向に移動させることで、観察対象物における合焦点位置を光軸方向に移動させることができる。

このように構成されたレーザ走査型共焦点観察装置２００は、ＣＷレーザ２１において発生させたレーザ光が光ファイバ２３により導光されてコリメートレンズ３１、ダイクロイックミラー３３、中間結像光学系６１を介して波面錯乱素子３７を透過する。そして、レーザ光は、第１中間結像レンズ対３９、ガルバノミラー３５、第２中間結像レンズ対４７を介して波面回復素子５１を透過し、対物レンズ５３により観察対象物に照射される。

ここで、波面錯乱素子３７を透過することによりレーザ光の波面に乱れが付与されて中間像が不鮮明化するので、中間結像面に異物が存在していても異物の像が中間像に重なることを防止することができる。また、不鮮明化した中間像を結像した後のレーザ光は、波面回復素子５１を透過することにより波面錯乱素子３７によって付与された波面の乱れが打ち消されるので、鮮明化した最終像を観察対象物に結像させることができる。

レーザ光が照射されることにより観察対象物において発生する蛍光は、対物レンズ５３により集光されてレーザ光の光路を戻り、波面回復素子５１を透過する。そして、蛍光は、第２中間結像レンズ対４７、ガルバノミラー３５、第１中間結像レンズ対３９を介して波面錯乱素子３７を透過した後、中間結像光学系６１、ダイクロイックミラー３３を介して結像レンズ５５により集光され、ピンホール２７を通過して光検出器２９により検出される。

ここで、波面回復素子５１を透過することにより蛍光の波面に乱れが付与されて中間像が不鮮明化するので、中間像面に異物が存在していても異物の像が中間像に重なることを防止することができる。また、不鮮明化した中間像を結像した後の蛍光は、波面錯乱素子３７を透過することにより波面回復素子５１によって付された波面の乱れが打ち消されるので、鮮明化した像をピンホール２７に結像させて、光検出器２９により蛍光を効率よく検出することができる。

また、アクチュエータ６３により、レンズ６１Ａを光軸方向に移動させて観察対象物における合焦点位置を光軸方向に移動させると、第１中間結像レンズ対３９および第２中間結像レンズ対４７によって形成される中間像も光軸方向に大きく変動する。変動の結果、中間像が第１中間結像レンズ対３９および第２中間結像レンズ対４７の位置に重なったり、その変動範囲内に何らかの他の光学素子が存在したりする場合であっても、中間像が不鮮明化しているので、異物の像が最終像に重なって撮影されてしまうことを防止することができる。

次に、本実施形態に係る位相変調素子調整システム１０１について説明する。
位置関係調整部３は、プロセッサ７の制御により、波面回復素子５１の光軸に沿う方向（Ｚ方向）や光軸に交差する方向（Ｘ方向、Ｙ方向）の位置を変更したり、光軸回りの角度（θ）を変更したりすることができるようになっている。

このように構成された位相変調素子調整システム１０１および位相変調素子調整方法の作用について説明する。
本実施形態に係る位相変調素子調整システム１０１によりレーザ走査型共焦点観察装置２００の波面錯乱素子３７および波面回復素子５１による位相変調を調整するには、対物レンズ５３に代えて光路上にハーフミラー１７を配置するとともに、観察対象物に代えて撮像素子１９を配置し、ＣＷレーザ２１から発せられるレーザ光をファイバカップラ１１により照明光と参照光とに分岐する。

ファイバカップラ１１により分岐された照明光は、光ファイバ２３により結像光学系２５に導光され、波面錯乱素子３７および波面回復素子５１を介してハーフミラー１７を撮像素子１９に向かって透過する。一方、ファイバカップラ１１により分岐された参照光は、光ファイバ１３により導光されてコリメートレンズ１５を介してハーフミラー１７により撮像素子１９に向かって反射される。

これにより、ハーフミラー１７において照明光と参照光とが合波され、略平行光束の照明光と参照光との干渉により生じる干渉縞が撮像素子１９によって撮影される。そして、プロセッサ７により、撮像素子１９によって撮影された干渉縞に基づいて、波面錯乱素子３７および波面回復素子５１を透過した照明光の波面収差が算出され（測定工程）、その波面収差に基づいて位置関係調整部３が制御される。

すなわち、位置関係調整部３により、照明光の波面が平面波にできるだけ近づくように波面回復素子５１のＸＹＺ方向の位置や光軸回りの角度θが調整され（調整工程）、波面錯乱素子３７および波面回復素子５１を透過する照明光の波面収差が極めて低減される。

これにより、波面錯乱素子３７によって照明光の波面に付与される空間的な乱れを波面回復素子５１により精度よく打ち消し、波面回復素子５１以降においてなされる最終像の結像においてより鮮明な像を得ることができる。また、波面回復素子５１によって蛍光の波面に付与される空間的な乱れを波面錯乱素子３７により精度よく打ち消し、ピンホール２７に鮮明な像を結像させて光検出器２９により蛍光をより効率よく検出することができる。

したがって、本実施形態に係る位相変調素子調整システム１０１および位相変調素子調整方法によれば、第１実施形態と同様の効果を奏する。

〔第３実施形態〕
次に、本発明の第３実施形態に係る位相変調素子調整システム１および位相変調素子調整方法について説明する。
本実施形態に係る位相変調素子調整システム２０１は、図３に示すように、波面収差測定部として、シャックハルトマンセンサ２０３を備える点で第１実施形態および第２実施形態と異なる。
以下、第１実施形態，第２実施形態に係る位相変調素子調整システム１，１０１および位相変調素子調整方法と構成を共通する箇所には、同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態においては、図３に示すようなレーザ走査型多光子励起観察装置（顕微鏡装置）３００に位相変調素子調整システム２０１および位相変調素子調整方法を用いる場合について説明する。
まず、レーザ走査型多光子励起観察装置３００について説明する。
レーザ走査型多光子励起観察装置３００は、極短パルスレーザ光（以下、単に「レーザ光」とする。）を発生するパルスレーザ（物体）７１と、パルスレーザ７１から発せられたレーザ光を観察対象物に集光させる一方、観察対象物からの光を集光する結像光学系７３と、結像光学系７３により集光されてレーザ光の光路を戻る蛍光を検出する光検出器２９とを備えている。

結像光学系７３は、パルスレーザ７１からのレーザ光のビーム径を拡大するビームエキスパンダ７５と、中間結像光学系６１と、アクチュエータ６３と、波面錯乱素子３７と、第１中間結像レンズ対３９と、ガルバノミラー３５と、第２中間結像レンズ対４７と、ハーフミラー７７と、波面回復素子５１と、対物レンズ５３と、観察対象物において発生し対物レンズ５３により集光されてレーザ光の光路を戻る蛍光を集光する集光レンズ７９とを備えている。

ハーフミラー７７は、第２中間結像レンズ対４７からのレーザ光を透過させる一方、観察対象物から対物レンズ５３および波面回復素子５１を介してレーザ光の光路を戻る蛍光を集光レンズ７９に向けて偏向するようになっている。

このように構成されたレーザ走査型多光子励起観察装置３００は、パルスレーザ７１において発生させたレーザ光がビームエキスパンダ７５によりビーム径を拡大された後、中間結像光学系６１を介して波面錯乱素子３７を透過し、第１中間結像レンズ対３９を介してガルバノミラー３５により２次元的に走査される。そして、レーザ光は、第２中間結像レンズ対４７およびハーフミラー７７を介して波面回復素子５１を透過し、対物レンズ５３により観察対象物に照射される。

レーザ光が照射されることにより観察対象物において発生する蛍光は、対物レンズ５３により集光されて波面回復素子５１を透過した後、ハーフミラー７７により偏向されて集光レンズ７９により集光され、光検出器２９により検出される。

ここで、波面錯乱素子３７を透過することによりレーザ光の波面に乱れが付与されて、中間像が不鮮明化するので、中間結像面に異物が存在していても異物の像が中間像に重なることを防止することができる。また、不鮮明化した中間像を結像した後のレーザ光は、波面回復素子５１を透過することにより波面錯乱素子３７によって付与された波面の乱れが打ち消されるので、鮮明化した最終像を観察対象物に結像させることができる。

次に、本実施形態に係る位相変調素子調整システム２０１について説明する。
位相変調素子調整システム２０１は、波面錯乱素子３７の光軸に沿う方向（Ｚ方向）および光軸に交差する方向（Ｘ方向、Ｙ方向）の位置や光軸回りの角度（θ）を変更可能な位置関係調整部３と、略平行光束のレーザ光の波面収差を測定するレーザシャックハルトマンセンサ２０３と、プロセッサ７とを備えている。

シャックハルトマンセンサ２０３は、対物レンズ５３と共に図示しないレボルバに取り付けられており、レボルバを所定の回転軸回りに回転させることにより、レーザ光の光路上に対物レンズ５３に置き換えて配置することができるようになっている。

このシャックハルトマンセンサ２０３は、例えば、マイクロレンズアレイと、撮像素子と、解析演算部（いずれも図示略）とを備えている。このシャックハルトマンセンサ２０３は、マイクロレンズアレイに入射した光束の集光スポットを撮像素子により撮像し、得られた画像データを用いて、解析演算部により各集光スポットの集光位置を解析することで、波面収差を測定するようになっている。

プロセッサ７は、シャックハルトマンセンサ２０３により測定された照明光の波面収差に基づいて、照明光の波面収差が低減するように位置関係調整部３を制御するようになっている。

次に、本実施形態に係る位相変調素子調整方法について説明する。
位相変調素子調整方法は、波面錯乱素子３７および波面回復素子５１を通過したパルスレーザ７１からのレーザ光の波面収差を測定する測定工程と、測定工程により測定された波面収差が低減するように、波面錯乱素子３７と波面回復素子５１との相対的な位置関係を調整する調整工程とを含んでいる。

このように構成された位相変調素子調整システム２０１および位相変調素子調整方法の作用について説明する。
本実施形態に係る位相変調素子調整システム２０１によりレーザ走査型多光子励起観察装置３００の波面錯乱素子３７および波面回復素子５１による位相変調を調整するには、まず、対物レンズ５３に代えてシャックハルトマンセンサ２０３を配置し、パルスレーザ７１からレーザ光を発生させる。

パルスレーザ７１から発せられたレーザ光は、上述した多光子励起観察の場合と同様にして結像光学系７３の波面錯乱素子３７および波面回復素子５１を透過する。そして、レーザ光は、シャックハルトマンセンサ２０３により受光されて、照明光の波面収差が算出される（測定工程）。

次いで、プロセッサ７により、シャックハルトマンセンサ２０３により測定された照明光の波面収差に基づいて、位置関係調整部３が制御される。すなわち、位置関係調整部３により、照明光の波面が平面波にできるだけ近づくように波面錯乱素子３７のＸＹＺ方向の位置および光軸回りの角度θが調整され（調整工程）、波面錯乱素子３７および波面回復素子５１を透過したパルスレーザ７１からのレーザ光の波面収差が極めて低減される。

これにより、波面錯乱素子３７によってレーザ光の波面に付与される空間的な乱れを波面回復素子５１により精度よく打ち消し、波面回復素子５１以降においてなされる最終像の結像においてより鮮明な像を得ることができる。

以上説明したように、本実施形態に係る位相変調素子調整システム２０１および位相変調素子調整方法によれば、波面収差測定部としてシャックハルトマンセンサ２０３を採用することで、干渉計を用いなくても光の波面収差を測定することができる。したがって、システムの構成の簡素化および小型化を図ることができる。

〔第４実施形態〕
次に、本発明の第４実施形態に係る位相変調素子調整システム１および位相変調素子調整方法について説明する。
本実施形態に係る位相変調素子調整システム３０１は、図４に示すように、位相調整用のレーザ光を発生する光源３０３と、波面錯乱素子３７および波面回復素子５１よりも最終像側に配置されるシャックハルトマンセンサ（波面収差測定部）２０３とを備える点で第１実施形態〜第３実施形態と異なる。
以下、第１実施形態，第２実施形態，第３実施形態に係る位相変調素子調整システム１，１０１，２０１および位相変調素子調整方法と構成を共通する箇所には、同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態においては、図４に示すような蛍光顕微鏡（顕微鏡装置）４００に位相変調素子調整システム３０１および位相変調素子調整方法を用いる場合について説明する。
まず、蛍光顕微鏡４００について説明する。
蛍光顕微鏡４００は、非コヒーレントな照明光を発生する照明用光源（物体）８１と、照明用光源８１から発せられた照明光を観察対象物（物体）に照射する照明光学系８３と、観察対象物からの光を集光する結像光学系８５と、結像光学系８５により集光された光を撮影して画像を取得するＣＣＤやＣＭＯＳのような撮像素子８７とを備えている。

照明光学系８３は、照明用光源８１からの照明光を集光する照明レンズ８９Ａ，８９Ｂと、照明レンズ８９Ａ，８９Ｂにより集光された照明光を観察対象物に照射する対物レンズ５３とを備えている。この照明光学系８３は、いわゆるケーラー照明であり、照明レンズ８９Ａ，８９Ｂは、照明用光源８１の発光面と対物レンズ５３の瞳面とが互いに共役になるように配置されている。

結像光学系８５は、観察対象物から発せられた観察光（例えば、反射光）を集光する上記対物レンズ（結像レンズ）５３と、対物レンズ５３により集光された観察光の波面に位相変調を付与する波面錯乱素子３７と、波面に位相変調が付与された観察光を照明用光源８１からの照明光路から分岐させる第１ビームスプリッタ９１と、光軸方向に間隔をあけて配置された中間結像レンズ対（結像レンズ）９３と、中間結像レンズ対９３を透過した観察光を９０°偏向する第２ビームスプリッタ９５と、第２ビームスプリッタ９５により偏向された観察光を集光して中間像を結像させる中間結像レンズ（結像レンズ）４３と、中間結像レンズ４３による中間結像面に配置された光路長変更部４５と、第２ビームスプリッタ９５と中間結像レンズ４３との間に配置された波面回復素子５１と、波面回復素子５１および第２ビームスプリッタ９５を透過した観察光を集光して最終像を結像させる結像レンズ５５とを備えている。

撮像素子８７は、結像レンズ５５による最終像の結像位置に配置された撮像面（図示略）を備え、撮像面に入射される観察光を撮影することにより、観察対象物の２次元的な画像を取得することができるようになっている。

波面錯乱素子３７は、対物レンズ５３の瞳位置近傍に配置されている。この波面錯乱素子３７は、観察対象物からの観察光を１回透過させることにより、必要な波面の乱れを付与するようになっている。

波面回復素子５１は、第２中間結像レンズ対４７の瞳位置近傍に配置されている。この波面回復素子５１、第２ビームスプリッタ９５により偏向された観察光および光路長変更部４５により折り返される観察光を往復で２回透過させることにより、波面錯乱素子３７により付与される波面の乱れを打ち消すような位相変調を観察光の波面に与えるようになっている。

このように構成された蛍光顕微鏡４００は、照明用光源８１から発せられた照明光を照明光学系８３によって観察対象物に照射する。照明光が照射されることにより観察対象物から戻る観察光は、対物レンズ５３によって集光されて波面錯乱素子３７を１回透過し、第１ビームスプリッタ９１および中間結像レンズ対９３を介して第２ビームスプリッタ９５により偏向される。

第２ビームスプリッタ９５により偏向された観察光は、波面回復素子５１を透過し、中間結像レンズ４３を介して光路長変更部４５の平面鏡４５Ａによって折り返される。そして、観察光は、中間結像レンズ４３を介して波面回復素子５１を再度透過し、第２ビームスプリッタ９５を透過して結像レンズ５５により集光される。これにより、結像レンズ５５により結像された最終像が撮像素子８７によって撮影される。

ここで、光路長変更部４５の平面鏡４５Ａ近傍には中間結像レンズ４３による中間像が結像されるが、この中間像は、波面錯乱素子３７を透過することにより付与された波面の乱れが波面回復素子５１を１回透過することにより部分的に打ち消されて残った波面の乱れによって不鮮明化する。そして、不鮮明化した中間像を結像した後の観察光は、中間結像レンズ４３よって集光された後に、波面回復素子５１を再度透過することにより、波面の乱れが打ち消される。

その結果、平面鏡４５Ａの表面に傷や塵埃等の異物が存在していても、異物の像が最終像に重なって撮影されてしまうことを防止することができ、かつ、観察対象物の鮮明な画像を得ることができる。

次に、本実施形態に係る位相変調素子調整システム３０１について説明する。
位相変調素子調整システム３０１は、観察対象物側から波面錯乱素子３７および波面回復素子５１にレーザ光を入射させる光源３０３と、波面回復素子５１のＸＹＺ方向の位置や光軸回りの角度θを変更可能な位置関係調整部３と、光源３０３からのレーザ光を反射する反射ミラー３０５と、反射ミラー３０５により反射されたレーザ光をリレーするリレーレンズ群３０７と、リレーレンズ群３０７によりリレーされた略平行光束のレーザ光の波面収差を測定するシャックハルトマンセンサ２０３と、プロセッサ７とを備えている。

次に、本実施形態に係る位相変調素子調整方法について説明する。
位相変調素子調整方法は、波面錯乱素子３７および波面回復素子５１を通過した光源（物体）３０３からのレーザ光の波面収差を測定する測定工程と、測定工程により測定された波面収差が低減するように、波面錯乱素子３７と波面回復素子５１との相対的な位置関係を調整する調整工程とを含んでいる。

このように構成された位相変調素子調整システム３０１および位相変調素子調整方法の作用について説明する。
本実施形態に係る位相変調素子調整システム３０１により蛍光顕微鏡４００の波面錯乱素子３７および波面回復素子５１の位相変調を調整するには、まず、観察対象物に代えて光源３０３を配置し、光源３０３からレーザ光を発生させる。

光源３０３から発せられたレーザ光は、対物レンズ５３により集光されて波面錯乱素子３７を透過し、第１ビームスプリッタ９１、中間結像レンズ対９３を介して第２ビームスプリッタ９５により偏向される。第２ビームスプリッタ９５により偏向されたレーザ光は波面回復素子５１を透過して中間結像レンズ４３により集光され、光路長変更部４５により折り返される。

光路長変更部４５により折り返されたレーザ光は、中間結像レンズ４３を介して波面回復素子５１を透過し、第２ビームスプリッタ９５、反射ミラー３０５およびリレーレンズ群３０７を介してシャックハルトマンセンサ２０３により受光されて、レーザ光の波面収差が算出される（測定工程）。

次いで、プロセッサ７により、シャックハルトマンセンサ２０３により測定されたレーザ光の波面収差に基づいて、位置関係調整部３が制御される。すなわち、位置関係調整部３により、レーザ光の波面が平面波にできるだけ近づくように波面回復素子５１のＸＹＺ方向の位置および光軸回りの角度θが調整され（調整工程）、波面錯乱素子３７および波面回復素子５１を透過した光源３０３からのレーザ光の波面収差が極めて低減される。

これにより、波面錯乱素子３７によって観察光の波面に付与される空間的な乱れを波面回復素子５１により精度よく打ち消し、波面回復素子５１以降においてなされる最終像の結像においてより鮮明な像を得ることができる。

以上説明したように、本実施形態に係る位相変調素子調整システム３０１および位相変調素子調整方法によれば、波面錯乱素子３７および波面回復素子５１を透過する光源３０３からのレーザ光の波面収差を測定する際に、観察対象物からの光を集光する対物レンズ５３を光路から外さなくて済む。また、対物レンズ５３による収差の影響も含めて２つの波面錯乱素子３７および波面回復素子５１の相対的な位置関係を調整することができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。例えば、本発明を上記の各実施形態に適用したものに限定されることなく、これらの実施形態を適宜組み合わせた実施形態に適用してもよく、特に限定されるものではない。

また、例えば、上記各実施形態においては、波面錯乱素子３７および波面回復素子５１のいずれか一方の位置および角度を調整することとしたが、これら波面錯乱素子３７および波面回復素子５１のいずれか他方の位置および角度を調整することとしてもよいし、これらの両方の位置および角度を調整することとしてもよい。

また、上記各実施形態においては、プロセッサ７が、照明光の波面が平面波にできるだけ近づくように位置関係調整部３を制御することとしたが、これに代えて、例えば、撮像素子１９やシャックハルトマンセンサ２０３の位置を変更し、照明光の波面が球面波にできるだけ近づくように位置関係調整部３を制御することとしてもよい。

１，１０１，２０１，３０１ 位相変調素子調整システム
３ 位置関係調整部
５ 波面収差測定部
７ プロセッサ（制御部、算出部）
１１ ファイバカップラ（光分岐部）
１７ ハーフミラー（合波部）
１９ 撮像素子（撮像部）
２１ ＣＷレーザ（物体）
３７ 波面錯乱素子（位相変調素子）
３９ 第１中間結像レンズ対（結像レンズ）
４３ 中間結像レンズ（結像レンズ）
４７ 第２中間結像レンズ対（結像レンズ）
５１ 波面回復素子（位相変調素子）
５３ 対物レンズ（結像レンズ）
５５ 結像レンズ
６１ 中間結像光学系（結像レンズ）
９３ 中間結像レンズ対（結像レンズ）
１００，２００ レーザ走査型共焦点観察装置（顕微鏡装置）
２０３ シャックハルトマンセンサ（波面収差測定部）
３００ レーザ走査型多光子励起観察装置（顕微鏡装置）
３０３ 光源
４００ 蛍光顕微鏡（顕微鏡装置）

Claims (7)

1. 最終像および少なくとも１つの中間像を形成する複数の結像レンズと、該結像レンズにより形成されるいずれかの前記中間像を挟む位置に配置された互いに逆の位相特性を有する２つの位相変調素子とを備える顕微鏡装置に用いられ、前記２つの位相変調素子の相対的な位置関係を調整可能な位置関係調整部と、
   前記２つの位相変調素子を通過した物体からの光の波面収差を測定する波面収差測定部と、
   該波面収差測定部により測定された前記波面収差が低減するように前記位置関係調整部を制御する制御部とを備える位相変調素子調整システム。
2. 前記位置関係調整部が、前記２つの位相変調素子の少なくとも一方の光軸に沿う方向の位置、光軸に交差する方向の位置および光軸回りの角度の少なくともいずれかを変更する請求項１に記載の位相変調素子調整システム。
3. 前記波面収差測定部が、前記２つの位相変調素子よりも前記物体から離間した位置に配置される請求項１または請求項２に記載の位相変調素子調整システム。
4. 前記物体側から前記２つの位相変調素子に光を入射させる光源を備え、
   前記波面収差測定部が、前記２つの位相変調素子よりも前記最終像側に配置される請求項１または請求項２に記載の位相変調素子調整システム。
5. 前記波面収差測定部が、前記光を前記顕微鏡装置による観察用の照明光と位相変調素子調整用の参照光とに分岐する光分岐部と、
   前記２つの位相変調素子を通過させた前記照明光と前記２つの位相変調素子を通過させていない前記参照光とを合波する合波部と、
   該合波部により合波された前記照明光と前記参照光の光路差により生じる干渉縞を撮像する撮像部と、
   該撮像部により撮像された干渉縞に基づいて前記波面収差を算出する算出部とを備える請求項４に記載の位相変調素子調整システム。
6. 前記波面収差測定部がシャックハルトマンセンサである請求項１から請求項４のいずれかに記載の位相変調素子調整システム。
7. 中間像を結像する物体からの光の波面に対して第１位相変調素子により空間的な乱れを付与する一方、前記中間像を結像した前記光の波面の前記空間的な乱れを第２位相変調素子により打ち消して、最終像を結像させる顕微鏡装置の位相変調素子調整方法であって、
   前記２つの位相変調素子を通過した前記物体からの光の波面収差を測定する測定工程と、
   該測定工程により測定された波面収差が低減するように、前記２つの位相変調素子の相対的な位置関係を調整する調整工程とを含む位相変調素子調整方法。

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