JP2016133668A - パターン投影装置、パターン投影方法、及び、位相変調量設定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で任意の３次元パターンを投影するための技術を提供する。【解決手段】パターン投影装置１０は、光の位相を変調する複数の変調素子が配列された位相変調器１５と、位相変調器１５で変調された光に基づいて光のパターンを投影する投影光学系１６を備える。パターン投影装置１０は、さらに、複素振幅変調パターン算出手段１２と位相変調量設定手段１３を備える。位相変調量設定手段１３は、複素振幅変調パターン算出手段１２が算出した複素振幅変調パターンを複数の位相変調パターンの線形結合に分解し、複数の変調素子を複数の位相変調パターンと同数のグループにグループ分けし、グループ分けされた複数の変調素子の各々に設定する位相変調量設定値を、当該変調素子が属するグループに対応する位相変調パターンに基づく位相変調量に設定する。【選択図】図１

Description

本発明は、空間光変調器で光の位相を変調して任意の光のパターンを投影するパターン投影装置、パターン投影方法、及び、空間光変調器に位相変調量を設定する方法に関する。

従来から、空間光変調器を利用して任意の光のパターンを投影する技術が知られている。空間光変調器の中でも、光の位相を変調する位相変調型の空間光変調器（以降、単に、位相変調器と記す。）を利用することで、３次元の光のパターンを投影することができる。位相変調器を利用して光のパターンを投影する技術又はそれに関連する技術は、例えば、特許文献１、特許文献２、非特許文献１に記載されている。

特許文献１には、複数の捕捉位置に光を集束させる光ピンセット装置が記載されている。この光ピンセット装置は、複数の捕捉位置の各々に対して一つ以上の部分位相パターンを用意し、これらの部分位相パターンを２次元的に配列して出力位相パターンを作成する位相パターン生成手段と、出力位相パターンに応じて読出し光の位相を変調する空間光変調器とを備えている。

特許文献２には、光のビームをステアリングする光学スイッチが記載されている。この光学スイッチに含まれる位相変調器が形成する位相ホログラム（位相のパターン）は、繰り返し計算によって算出される。非特許文献１には、複数の位相変調器を用いて目的の複素振幅変調を実現する技術が記載されている。また、特許文献３には、ベッセルガウシアンビームを形成する光シート顕微鏡システムが記載されている。

特開２００７−１１４４０３号公報 米国特許出願公開第２００１／００５０７８７号明細書 米国特許第８７１１２１１号明細書

Rau´l Tudela; Estela Martin-Bodosa; Ignasi Labastida; Santiago Vallmitjana; ArturCarnicer 、"Wavefront reconstruction by adding modulation capabilities of two liquid crystal devices"、Optical Engineering、November 01, 2004、43(11)、p.2650-2657

特許文献１に記載された技術では、位相変調器に設定する部分位相パターンを集光点毎に形成するため、多数の集光点からなるパターンを投影することが難しい。また、特許文献２に記載された技術では、繰り返し計算により位相ホログラムが計算されるため、計算に時間がかかり計算結果も安定しない。さらに、非特許文献１に記載された技術では、複数の位相変調器の位置合わせ及び複数の位相変調器間の位相差の制御が難しい。

以上のような実情を踏まえ、本発明は、簡単な構成で任意の３次元パターンを投影するパターン投影装置及びパターン投影方法、並びに、それらに用いられる空間光変調器に位相変調量を設定する方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様は、光の位相を変調する複数の変調素子が配列された空間光変調器と、前記空間光変調器で変調された光に基づいて光のパターンを投影する投影光学系と、投影すべき光のパターンを形成するための複素振幅変調パターンを算出する複素振幅変調パターン算出手段と、前記複素振幅変調パターンを複数の位相変調パターンの線形結合に分解し、前記複数の変調素子を前記複数の位相変調パターンと同数のグループにグループ分けし、前記複数の変調素子の各々に当該変調素子が属するグループに対応する位相変調パターンに基づく位相変調設定量を設定する位相変調量設定手段と、を備えるパターン投影装置を提供する。

本発明の第２の態様は、第１の態様に記載のパターン投影装置において、前記位相変調量設定手段は、前記空間光変調器を各々グループ数以上の変調素子を含む複数の領域に領域分けし、領域分けされた前記複数の領域の各々に各グループに属する変調素子が少なくとも１つずつ含まれるように、前記複数の変調素子をグループ分けするパターン投影装置を提供する。

本発明の第３の態様は、第２の態様に記載のパターン投影装置において、前記位相変調量設定手段は、領域分けされた前記複数の領域の各々に各グループに属する変調素子が同数ずつ含まれるように、前記複数の変調素子をグループ分けするパターン投影装置を提供する。

本発明の第４の態様は、第２の態様または第３の態様に記載のパターン投影装置において、前記複素振幅変調パターン算出手段は、領域分けされた前記複数の領域の各々に、前記投影すべき光のパターンに基づいて、当該領域の基準位置に対応する位置における複素振幅変調量を算出し、前記複素振幅変調パターンは、前記領域毎に算出された複素振幅変調量を含むパターン投影装置を提供する。

本発明の第５の態様は、第１の態様乃至第３の態様のいずれか１つに記載のパターン投影装置において、前記複素振幅変調パターン算出手段は、前記複数の変調素子の各々に、前記投影すべき光のパターンに基づいて、当該変調素子の基準位置に対応する位置における複素振幅変調量を算出し、前記複素振幅変調パターンは、前記変調素子毎に算出された複素振幅変調量を含むパターン投影装置を提供する。

本発明の第６の態様は、第１の態様乃至第５の態様のいずれか１つに記載のパターン投影装置において、前記位相変調量設定手段は、前記複数の変調素子の各々に対して、当該変調素子が属するグループに対応する位相変調パターンに基づいて位相変調設定量を決定し、当該位相変調量設定手段が前記変調素子毎に決定した位相変調設定量を含む位相変調パターンに基づいて、前記投影光学系が形成する光のパターンを算出するパターン投影装置を提供する。

本発明の第７の態様は、第６の態様に記載のパターン投影装置において、前記位相変調量設定手段は、当該位相変調量設定手段が算出した光のパターンと前記投影すべき光のパターンとに基づいて、前記複素振幅変調パターンを補正し、補正された複素振幅変調パターンに基づいて、前記複数の変調素子の各々に設定する位相変調設定量を設定するパターン投影装置を提供する。

本発明の第８の態様は、第１の態様乃至第７の態様のいずれか１つに記載のパターン投影装置において、さらに、光源と前記空間光変調器の間に配置され、前記空間光変調器に入射する光の複素振幅分布が前記投影すべき光のパターンに基づいて算出される複素振幅パターンに近づくように、光を変調する変調手段を備えるパターン投影装置を提供する。

本発明の第９の態様は、第１の態様乃至第８の態様のいずれか１つに記載のパターン投影装置において、さらに、視野絞りを備えるパターン投影装置を提供する。

本発明の第１０の態様は、第１の態様乃至第９の態様のいずれか１つに記載のパターン投影装置において、前記位相変調量設定手段は、各変調素子が属するグループが時間の経過とともに変化するように、前記複数の変調素子をグループ分けするパターン投影装置を提供する。

本発明の第１１の態様は、第１の態様乃至第９の態様のいずれか１つに記載のパターン投影装置において、前記位相変調量設定手段は、各グループに属する変調素子が空間的にランダムに配列されるように、前記複数の変調素子をグループ分けするパターン投影装置を提供する。

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つに記載のパターン投影装置において、さらに、前記投影すべき光のパターンを設定するパターン設定手段を備えるパターン投影装置を提供する。

本発明の第１３の態様は、第１２態様に記載のパターン投影装置において、前記パターン設定手段は、設定される光のパターンを構成する点間に位相差を設定するパターン投影装置を提供する。

本発明の第１４の態様は、投影すべき光のパターンを形成するための複素振幅変調パターンを算出し、前記複素振幅変調パターンを複数の位相変調パターンの線形結合に分解し、空間光変調器に配列された光の位相を変調する複数の変調素子を前記複数の位相変調パターンと同数のグループにグループ分けし、前記複数の変調素子の各々に当該変調素子が属するグループに対応する位相変調パターンに基づく位相変調設定量を設定し、前記空間光変調器で変調された光に基づいて光のパターンを投影するパターン投影方法を提供する。

本発明の第１５の態様は、空間光変調器に配列された光の位相を変調する複数の変調素子の各々に位相変調設定量を設定する方法であって、投影すべき光のパターンに基づいて複素振幅変調パターンを算出し、前記複素振幅変調パターンを複数の位相変調パターンの線形結合に分解し、前記複数の変調素子を前記複数の位相変調パターンと同数のグループにグループ分けし、前記複数の変調素子の各々に当該変調素子が属するグループに対応する位相変調パターンに基づく位相変調設定量を設定する方法を提供する。

本発明の第１６の態様は、光源から出射した可干渉光からベッセルガウシアンビームを形成する第１の光学系と、前記第１の光学系によりベッセルガウシアンビームが形成される位置に配置された絞りと、前記絞りをリレーする第２の光学系と、を備えるパターン投影装置を提供する。

本発明によれば、簡単な構成で任意の３次元パターンを投影することができる。

パターン投影装置の基本構成を示すブロック図である。 図１に示すパターン投影装置の動作の流れを示すフローチャートである。 図２に示す位相変調量設定処理の流れを示すフローチャートである。 グループ分けについて説明するための図である。 位相変調パターンの計算位置について説明する。 複素振幅変調パターンを２つの位相変調パターンの線形結合に分解する方法を説明するための図である。 複素振幅変調パターンを３つの位相変調パターンの線形結合に分解する方法を説明するための図である。 複素振幅変調パターンを４つの位相変調パターンの線形結合に分解する方法を説明するための図である。 位相変調設定量の設定例を示した図である。 位相変調設定量の別の設定例を示した図である。 隣接する２つの変調素子からなる２×１の領域に分けてそれらの領域の重心位置における位相変調量を設定する例を示した図である。 領域毎にグループ分けのパターンを異ならせた例を示した図である。 図２に示す位相変調量設定処理の変形例の流れを示すフローチャートである。 実施例１に係る光刺激装置の構成を例示した図である。 図１４に示す光刺激装置の動作の流れを示すフローチャートである。 図１４に示す光刺激装置のモニタに表示されるＧＵＩ画面の一例を示した図である。 刺激対象パターンを例示した図である。 決定した位相変調設定量に基づいて算出された刺激パターンを例示した図である。 補正による複素振幅変調パターンの変化を示した図である。 図１４に示す光刺激装置のモニタに表示されるＧＵＩ画面の別の例を示した図である。 実施例２に係る光トラップ装置の構成を例示した図である。 補正前後の集光点列（投影パターン）を示した図である。 実施例３に係る光シート照明装置の構成を例示した図である。 図２３に示す光シート照明装置の動作の流れを示すフローチャートである。 図２３に示す光シート照明装置で設定される投影対象パターンについて説明するための図である。 図２３に示す光シート照明装置で算出される投影パターンの強度分布について説明するための図である。 図２３に示す光シート照明装置のビーム整形器の作用について説明するための図である。 図２３に示す光シート照明装置のＬＣＯＳ−ＳＬＭに入射するレーザ光の振幅分布と投影対象パターンから算出される複素振幅分布を例示した図である。 実施例４に係る光シート照明装置の構成を例示した図である。 視野絞りが存在しない場合に図２９に示す光シート照明装置の円錐レンズの後方に形成されるビームについて説明するための図である。 視野絞りが存在する場合に図２９に示す光シート照明装置の円錐レンズの後方に形成されるビームについて説明する図である。 視野絞りが存在する場合に標本に形成されるビームについて説明する図である。

実施例について説明する前に、後述する複数の実施例に係るパターン投影装置に共通する基本構成及び動作について説明する。図１は、パターン投影装置１０の基本構成を示すブロック図である。図２は、パターン投影装置１０の動作の流れを示すフローチャートである。図３は、図２に示す位相変調量設定処理の流れを示すフローチャートである。

パターン投影装置１０は、基本的な構成要素として、図１に示すように、パターン設定手段１１と、複素振幅変調パターン算出手段１２と、位相変調量設定手段１３と、可干渉光源１４と、位相変調器１５と、投影光学系１６を備えている。なお、これら基本的な構成要素の一部については、パターン投影装置１０外部に設けられてもよい。位相変調器１５は、光の位相を変調する複数の変調素子が配列された空間光変調器であり、例えば、ＬＣＯＳ（Liquid crystal on silicon）−ＳＬＭである。パターン投影装置１０は、図２及び図３に示す動作により任意の光のパターンを投影する。

まず、パターン設定手段１１が投影すべき光のパターン（以降、投影対象パターンと記す。）を設定する（ステップＳ１０）。ここでは、例えば、利用者が入力した情報に従って、パターン設定手段１１が投影対象パターンを設定する。なお、投影対象パターンは、１次元の光パターンでも、２次元の光のパターンでも、３次元の光のパターンであってもよい。また、投影対象パターンは、複数の点からなるパターンであっても、線状のパターンであっても、面状のパターンであってもよい。

次に、複素振幅変調パターン算出手段１２が、パターン設定手段１１が設定した投影対象パターンを形成するための複素振幅変調パターンを算出する（ステップＳ２０）。さらに、位相変調量設定手段１３が、図３に示す３つの処理により、各々の変調素子に位相変調量を設定する（ステップＳ３０）。以降、変調素子に設定する位相変調量を特に位相変調設定量と記す。

ステップＳ３０では、位相変調量設定手段１３は、まず、複素振幅変調パターンを複数の位相変調パターンの線形結合に分解し（ステップＳ３１）、位相変調器１５の複数の変調素子を位相変調パターンの数と同数の数のグループにグループ分けする（ステップＳ３２）。グループ分けは、位相変調器１５を複数の領域に領域分けしてから行われてもよい。図４（ａ）には、位相変調器１５をそれぞれ２×２の計４つの変調素子からなる４つの領域（領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４）に領域分けした例が示されている。なお、各領域は単位格子ともいう。

領域分け後に、領域分けされた複数の領域の各々に各グループに属する変調素子が少なくとも１つずつ含まれるように、複数の変調素子をグループ分けしてもよい。図４（ｂ）及び図４（ｃ）には、複数の領域の各々に各グループに属する変調素子が同数ずつ（ここでは２つずつ）含まれるように、複数の変調素子をグループＡとグループＢにグループ分けした例が示されている。図４（ｂ）では、各領域内で２つのグループに属する変調素子が縦横の両方向に交互に配置され、市松模様を形成している例が示されている。図４（ｃ）では、各領域内で２つのグループに属する変調素子がそれぞれ一列に並んで配置され、縞模様を形成している例が示されている。

また、グループ分けは領域分けすることなく行われてもよい。図４（ｄ）には、位相変調器１５の複数の変調素子（変調素子Ｅ１１からＥ４４）をランダムにグループＡとグループＢにグループ分けした例が示されている。図４（ｄ）では、各グループに属する変調素子が空間的にランダムに配列されている。

グループ分けが完了すると、位相変調量設定手段１３は、各変調素子に位相変調設定量を設定する（ステップＳ３３）。位相変調量は、領域分けが行われている場合には、図５（ａ）に示すように領域（単位格子）毎に算出してもよく、図５（ｂ）に示すように変調素子毎に算出してもよい。また、領域分けが行われていない場合には、図５（ｃ）に示すように変調素子毎に算出する。なお、領域毎に算出する場合には、図５（ａ）に示すように、領域の重心位置（基準位置）における位相変調量を算出することが望ましい。位相変調量Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４は領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４の重心位置における位相変調量を示している。また、変調素子毎に算出する場合には、図５（ｂ）及び図５（ｃ）に示すように、変調素子の重心位置（基準位置）における位相変調量を算出することが望ましい。位相変調量Ｐ１１、Ｐ１２、Ｐ１３、Ｐ１４、…は、変調素子Ｅ１１、Ｅ１２、Ｅ１３、Ｅ１４、…の重心位置における位相変調量を示している。

より詳細には、ステップＳ２０において、複素振幅変調パターン算出手段１２は、投影対象パターンを形成するために投影光学系１６に含まれる対物レンズの射出瞳面に形成すべき可干渉光の複素振幅分布を、投影対象パターンから算出する。そして、複素振幅分布から射出瞳面上に位置する各領域又は各変調素子と共役な位置での複素振幅量を算出する。これにより、領域毎又は変調素子毎に算出された各領域又は各変調素子と共役な位置での複素振幅量を含む複素振幅パターンが算出される。なお、パターン投影装置１０では、位相変調器１５は対物レンズの射出瞳面と共役な位置に配置されるため、算出された複素振幅パターンは、位相変調器１５により対物レンズの射出瞳面に形成される複素振幅パターンと看做すことができる。さらに、複素振幅パターンに含まれる各領域又は各変調素子と共役位置での複素振幅量を位相変調器１５の各領域又は各変調素子に入射する可干渉光の複素振幅量で除す。これにより、各領域又は各変調素子と共役な位置での複素振幅変調量Ｔが算出され、位相変調器１５が対物レンズの射出瞳面に形成する複素振幅変調パターンＴＰが算出される。なお、複素振幅変調パターンＴＰは、領域又は変調素子と共役な位置毎に算出された複素振幅変調量Ｔを含む。また、領域又は変調素子と共役な位置毎に算出された複素振幅変調量Ｔは、当該領域又は当該変調素子の基準位置の共役位置における複素振幅変調量Ｔであることが望ましい。

複素振幅変調パターンＴＰが算出されると、位相変調量設定手段１３は、上述したように、複素振幅変調パターンＴＰを複数の位相変調パターンＰＰに線形分解し（ステップＳ３１）、複数の変調素子を、位相変調パターンＰＰの数と同数のグループにグループ分けする（ステップＳ３２）。

複素振幅変調パターンＴＰを、二つの位相変調パターンＰＰの線形結合に分解する場合であれば、図６に示すように、複素振幅変調パターンＴＰの各点における複素振幅変調値Ｔ（複素振幅変調量Ｔ）をそれぞれ絶対値（振幅変調量）が１である位相変調値Ｐ_Ａ（位相変調量）と位相変調値Ｐ_Ｂ（位相変調量）の線形結合に分解する。換言すると、１以下の任意の振幅の複素振幅変調値（複素数）Ｔを振幅が１で位相値がΦ_ＡとΦ_Ｂの二つの複素数の平均値で表す。位相値Φ_Ａ、Φ_Ｂはそれぞれ下式で表わされる。なお、｜Ｔ｜は複素振幅変調値Ｔの振幅（絶対値）であり、位相値Φ_Ｔは複素振幅変調値Ｔの位相値である。

複素振幅変調パターンＴＰを、三つの位相変調パターンＰＰの線形結合に分解する場合であれば、図７に示すように、複素振幅変調パターンＴＰの各点における複素振幅変調値Ｔをそれぞれ絶対値（振幅変調量）が１である位相変調値Ｐ_Ａ、位相変調値Ｐ_Ｂ、位相変調値Ｐ_Ｃの線形結合に分解する。換言すると、１以下の任意の振幅の複素振幅変調値Ｔを振幅が１で位相値Φ_Ａ、Φ_Ｂ、Φ_Ｃの三つの複素数の平均値で表す。位相値Φ_Ａ、Φ_Ｂ、Φ_Ｃは、例えば、それぞれ下式で表わされる。なお、３つに分解する場合には、分解式は下式に限られず、無数に存在する。

複素振幅変調パターンＴＰを、四つの位相変調パターンＰＰの線形結合に分解する場合であれば、図８に示すように、複素振幅変調パターンＴＰの各点における複素振幅変調値Ｔをそれぞれ絶対値（振幅変調量）が１である位相変調値Ｐ_Ａ、位相変調値Ｐ_Ｂ、位相変調値Ｐ_Ｃ、位相変調値Ｐ_Ｄの線形結合に分解する。換言すると、１以下の任意の振幅の複素振幅変調値Ｔを振幅が１で位相値Φ_Ａ、Φ_Ｂ、Φ_Ｃ、Φ_Ｄの四つの複素数の平均値で表す。位相値Φ_Ａ、Φ_Ｂ、Φ_Ｃ、Φ_Ｄは、例えば、それぞれ下式で表わされる。なお、４つに分解する場合には、分解式は下式に限られず、無数に存在する。

位相変調パターンＰＰへの分解が完了すると、位相変調量設定手段１３は、変調素子を位相変調パターンＰＰの数と同数にグループにグループ分けした後、各変調素子に、当該変調素子が属するグループにグループ分けされた位相変調パターンに基づく位相変調設定量を設定する（ステップＳ３３）。ここでは、位相変調量設定手段１３は、複数の変調素子の各々に設定する位相変調設定量を次のように決定する。まず、ステップＳ３１で算出された位相変調パターンＰＰのうちのその変調素子が属するグループに対応する位相変調パターンを特定する。その後、その変調素子の位相変調設定量を、特定された位相変調パターンの当該変調素子に対応する値（位相変調量）に決定する。

例えば、領域毎に算出された複素振幅変調量Ｔを含む複素振幅変調パターンＴＰがステップＳ３１で二つの位相変調パターンＰＰ（ＰＰ_ＡとＰＰ_Ｂ）に分解され、ステップＳ３２で変調素子がグループＡとＢにグループ分けされた場合の、ステップＳ３３における処理について考える。この場合、領域Ｒ１内でグループＡに属する変調素子に設定する位相変調設定量は、領域Ｒ１の重心位置と共役な位置（即ち、重心位置に対応する位置）における複素振幅変調量Ｔ１から算出される位相変調量Ｐ１_Ａ（位相値Φ１_Ａ）に決定される。領域Ｒ１内でグループＢに属する変調素子に設定する位相変調設定量は、複素振幅変調量Ｔ１から算出される位相変調量Ｐ１_Ｂ（位相値Φ１_Ｂ）に決定される。また、領域Ｒ２内でグループＡ、Ｂに属する変調素子に設定する位相変調設定量は、領域Ｒ２の重心位置と共役な位置（即ち、重心位置に対応する位置）における複素振幅変調量Ｔ２から算出される位相変調量Ｐ２_Ａ、Ｐ２_Ｂ（それぞれ位相値Φ２_Ａ、Φ２_Ｂ）に決定される。即ち、同一領域内で同一グループに属する変調素子には、同一の位相変調設定量が設定される。図９には、上記の手順で決定した位相変調設定量の設定が示されている。

また、変調素子毎に算出された複素振幅変調量Ｔを含む複素振幅変調パターンＴＰがステップＳ３１で二つの位相変調パターンＰＰ（ＰＰ_ＡとＰＰ_Ｂ）の線形結合に分解され、ステップＳ３２で変調素子が二つのグループ（グループＡとグループＢ）にグループ分けされた場合の、ステップＳ３３における処理について考える。この場合、グループＡに属する変調素子Ｅ１１に設定する位相変調設定量は、変調素子Ｅ１１の重心位置と共役な位置における複素振幅変調量Ｔ１１から算出される位相変調量Ｐ１１_Ａ（Φ１１_Ａと記す）に決定される。グループＢに属する変調素子Ｅ１２に設定する位相変調設定量は、複素振幅変調量Ｔ１２から算出される位相変調量Ｐ１２_Ｂ（Φ１２_Ｂと記す）に決定される。図１０には、上記の手順で決定した位相変調設定量の設定が示されている。

以上のようにして、複数の変調素子の各々に設定する位相変調設定量を決定すると、位相変調量設定手段１３は、複数の変調素子に設定する位相変調設定量（これらをまとめて位相変調パターンともいう。また、ステップＳ３１で算出される位相変調パターンと区別して位相変調設定パターンともいう。）に関する情報を位相変調器１５に送信する。これにより、位相変調量設定手段１３によって、位相変調器１５の各々の変調素子に位相変調設定量が設定される（ステップＳ３０）。

位相変調器１５は、変調素子の設定値と変調素子での位相変調量（位相変調設定量）との既知の関係に基づいて、ステップＳ３０で設定された位相変調設定量だけ入射光の位相を変調するように、変調素子への入力値（設定値）を変更する。

その後、位相変調器１５が可干渉光源１４から発生した可干渉光の位相を変調し（ステップＳ４０）、投影光学系１６が位相変調器１５で変調された可干渉光に基づいて光のパターン（投影パターン）を投影する（ステップＳ５０）。

パターン投影装置１０によれば、位相変調器１５での位相変調により対物レンズの射出瞳面において投影対象パターンに応じた複素振幅変調パターンを実現することができる。このため、３次元パターンなど任意の光パターンを投影することができる。パターン投影装置１０は、投影パターン全体に対して位相変調パターンを算出する。このため、特許文献１に記載された技術とは異なり、多数の集光点からなるパターンなど複雑な投影パターンも投影することができる。また、パターン投影装置１０は、繰り返し計算を行うことなく位相変調パターンを算出する。このため、特許文献２に記載された技術とは異なり、位相変調パターンを高速に算出することができる。また、パターン投影装置１０は、位相変調が単一の位相変調器１５で行われるという簡単な構成を有している。このため、非特許文献１に記載された複数の位相変調器を用いる場合とは異なり、位相変調器間の位置合わせや位相変調パターンの個体差の調整などが不要である。また、振動や温度変化などの外的な要因によるパターンの劣化も抑えることができる。

なお、図４（ａ）では、位相変調器１５を２×２の計４つの変調素子からなる領域（単位格子）に領域分けする例を示したが、単位領域は２×２の領域に限られない。例えば、図１１に示すように、隣接する２つの変調素子からなる２×１の領域に分けて、それらの領域の重心位置における位相変調量を算出し、設定してもよい。

また、図４（ｂ）及び図４（ｃ）では、複数の領域内のグループ分けのパターンが同じとなる例を示したが、領域毎にグループ分けのパターンは異なってもよい。例えば、図１２に示すように、隣接する領域とは反対のパターンが形成されるように、変調素子をグループ分けしてもよい。このように領域毎にグループ分けのパターンが異なることで、単一パターンの繰り返しによって生じる不要なエリアジングの強度を弱めることができる。なお、エリアジングを弱める効果は、図４（ｄ）に示すように、ランダムにグループ分けすることによっても得られる。一方、複数の領域内のグループ分けのパターンを同じにすることで、１つの領域内の位相変調パターンのフーリエ変換により投影パターン全体を予測することもできる。

また、グループ分けのパターンは、光のパターンを投影している期間中に変化してもよい。つまり、位相変調量設定手段１３は、各変調素子が属するグループが時間の経過とともに変化するように、位相変調器１５の複数の変調素子を繰り返しグループ分けしてもよい。これにより、エリアジングの時間平均強度を弱めることができる。

また、位相変調量設定手段１３では、図３に示す位相変調量設定処理の代わりに、図１３に示す位相変調量設定処理が行われてもよい。図１３に示す位相変調量設定処理のステップＳ３１からステップＳ３３は、図３に示す位相変調量決定処理と同様である。

図１３に示す位相変調量設定処理では、ステップＳ３３で位相変調設定量が設定されると、位相変調量設定手段１３は、設定された位相変調設定量を含む位相変調パターン（位相変調設定パターン）に基づいて、投影光学系１６が形成する光のパターン（投影パターン）を算出する（ステップＳ３４）。なお、ステップＳ３３で各変調素子に設定する位相変調設定量を決定後、各変調素子に設定することなく、ステップＳ３４の処理が行われてもよい。この場合、決定された位相変調設定量を含む位相変調パターンに基づいて、投影パターンを算出してもよい。さらに、ステップＳ３４で算出した投影パターンと投影対象パターンとを比較して、位相変調設定量を修正するために複素振幅変調パターンを補正するか否かを判断する（ステップＳ３５）。

補正すべきと判断すると、位相変調量設定手段１３は、投影パターンと投影対象パターンに基づいて、複素振幅変調パターンを補正する（ステップＳ３６）。ここでは、例えば、投影パターンが投影対象パターンに比べて暗い場合には、投影対象パターンをより明るいパターンに変更し変更後の投影対象パターンから複素振幅変調パターンを算出することで、複素振幅変調パターンを補正する。その後、補正された複素振幅変調パターンに基づいて各変調素子に設定する位相変調設定量を再決定して設定する（ステップＳ３１、ステップ３２、ステップ３３）。位相変調量設定手段１３は、以上の処理をステップＳ３５で補正不要と判断されるまで繰り返す。
これにより、パターン投影装置１０は、当初の投影対象パターンにより近い投影パターンを形成することができる。
以下、各実施例について具体的に説明する。

図１４は、本実施例に係る光刺激装置１００の構成を例示した図である。光刺激装置１００は、所望の光のパターンを投影するパターン投影装置であり、落射蛍光顕微鏡と、光刺激光学系１１０と、ＬＣＯＳ−ＳＬＭコントローラ１１９と、コンピュータ１２０と、モニタ１３０と、キーボード１４０を備えている。

落射蛍光顕微鏡は、水銀ランプ１０１と、照明レンズ１０２と、蛍光フィルタセット１０３と、対物レンズ１０４と、結像レンズ１０５と、撮像レンズ１０６と、ＣＣＤカメラ１０７を備えている。落射蛍光顕微鏡は、水銀ランプ１０１からの励起光を標本Ｓに照射し、標本Ｓからの蛍光をＣＣＤカメラ１０７で検出して、標本Ｓの蛍光画像を生成する。

光刺激光学系１１０は、レーザ１１１と、ＡＯＴＦ（Acousto-Optic Tunable Filter）１１２と、ビームエキスパンダ１１３と、プリズム１１４と、ＬＣＯＳ−ＳＬＭ１１５と、瞳リレーレンズ１１６と、視野絞り１１７と、ダイクロイックミラー１１８を備えている。

レーザ１１１は、可干渉光であるレーザ光を出射する可干渉光源である。ＡＯＴＦ１１２は、シャッタとして機能する。ビームエキスパンダ１１３は、レーザ光の光束径をＬＣＯＳ−ＳＬＭ１１５の有効径程度に広げる光学系である。ＬＣＯＳ−ＳＬＭ１１５は、対物レンズ１０４の射出瞳面と共役な位置に配置された位相変調器である。瞳リレーレンズ１１６は、結像レンズ１０５とともにＬＣＯＳ−ＳＬＭ１１５の像を対物レンズ１０４の射出瞳面に投影する。視野絞り１１７は、ＬＣＯＳ−ＳＬＭ１１５での変調により生じた不要光をカットする手段である。視野絞り１１７の開口径及び位置は可変であり、視野絞り１１７は対物レンズ１０４の前側焦点位置と共役な位置又はその近傍に配置される。即ち、投影パターンの中間結像位置又はその近傍に配置される。なお、瞳リレーレンズ１１６は、結像レンズ１０５及び対物レンズ１０４とともに、ＬＣＯＳ−ＳＬＭ１１５で変調された光に基づいて標本Ｓに光のパターンを投影する投影光学系を構成する。

コンピュータ１２０は、複素振幅変調パターンを算出する複素振幅変調パターン算出手段であり、プロセッサ１２１とメモリ１２２を備えている。また、ＬＣＯＳ−ＳＬＭコントローラ１１９及びコンピュータ１２０は、ＬＣＯＳ−ＳＬＭ１１５に設けられた複数の変調素子に位相変調設定量を設定する位相変調量設定手段である。モニタ１３０及びキーボード１４０は、利用者からの入力に従って標本Ｓに投影すべき光のパターン（投影対象パターン）を設定するパターン設定手段である。

図１５は、本実施例に係る光刺激装置１００の動作の流れを示すフローチャートである。図１６は、本実施例に係る光刺激装置１００のモニタ１３０に表示されるＧＵＩ（graphical user interface）画面の一例を示した図である。以下、図１５及び図１６を参照しながら、本実施例に係るパターン投影方法について説明する。ここでは、図１４に示すように、複数の光刺激点からなる投影対象パターンを設定する場合を例に説明する。

まず、光刺激装置１００は、標本Ｓの三次元画像を取得する（ステップＳ６１）。なお、三次元画像の取得方法は既知であるので、詳細な説明は割愛する。三次元画像は、図１６に示す３Ｄ表示１３４として表示される。

次に、光刺激装置１００は、投影対象パターンである刺激対象パターンを設定する（ステップＳ６２）。ここでは、モニタ１３０に表示された情報を見ながら、利用者がキーボード１４０などの入力装置を用いて、標本Ｓ中に与えるべき光刺激点の位置、強度、位相などを指定して刺激対象パターンを入力する。これを受けて、キーボード１４０などの入力装置は、入力に従ってコンピュータ１２０に情報を出力して刺激対象パターンを設定する。ここでは、例えば、図１７に示す８つの光刺激点からなる刺激対象パターンが設定される。

例えば、利用者は、ＬＣＯＳ−ＳＬＭ１１５に入射するレーザ光の条件を露光条件設定表１３６に入力する。さらに、利用者は、スライダ１３３を移動させることで所望のＺ位置の２次元画像をフレーム表示領域１３１に表示させて、ポインタ１３２で光刺激点の位置を指定する。光刺激点の位置は座標情報を直接入力して指定してもよい。フレーム表示領域１３１に表示されている画像のＺ位置はフレーム位置１３５として３Ｄ表示１３４中に表示される。設定済みの光刺激点の位置は、光刺激位置表示１３７及び光刺激情報設定表１３８に表示される。光刺激位置表示１３７は、３次元画像をＺ方向から見た表示であり、設定順を示した通し番号により設定済みの光刺激点の位置を表示する。光刺激情報設定表１３８には、設定済みの光刺激点の座標情報が表示される。さらに、利用者は、光刺激情報設定表１３８に、設定済みの光刺激点の相対強度（ｌ）及び相対位相（Φ）を指定する。例えば、距離が近い光刺激点については、それらの中間点での干渉を抑えるために位相を１８０度ずらしてもよい。即ち、光刺激点間に位相差を設定してもよい。これにより、刺激対象パターンが設定される。

刺激対象パターンが設定されると、光刺激装置１００は、位相変調パターンを決定する（ステップＳ６３）。即ち、各変調素子に設定する位相変調設定量を決定する。ここでは、コンピュータ１２０がステップＳ６２で設定した刺激対象パターンに基づいてＬＣＯＳ−ＳＬＭ１１５に設定する位相変調パターンを決定する。位相変調パターンの決定方法は図３に示すとおりである。

なお、刺激対象パターンが図１７に示すように光刺激点の集合である場合には、以下の式を用いて、各点に対応する波面の位相分布の足し合わせとして、複素振幅量Ａ（ｕ、ｖ）を算出する。

ここで、ｕ、ｖは対物レンズ１０４の瞳半径で規格化された瞳面における座標である。ＮＡは対物レンズ１０４の開口数である。ｎは標本Ｓの屈折率である。λは波長である。ｘ_ｉ、ｙ_ｉ、ｚ_ｉはｉ番目の光刺激点の座標である。ａ_ｉはｉ番目の光刺激点の振幅である。Φ_ｉはｉ番目の光刺激点の位相値である。

さらに、算出した複素振幅量Ａ（ｕ、ｖ）をＬＣＯＳ−ＳＬＭ１１５に入射する可干渉光の複素振幅量で除して複素振幅変調量Ｔ（ｕ、ｖ）を算出する。そして、算出した複素振幅変調量Ｔ（ｕ、ｖ）に基づいて、複数の変調素子の位相変調設定量を決定する。

位相変調設定量が決定されると、光刺激装置１００は、刺激パターンを算出する（ステップＳ６４）。ここでは、コンピュータ１２０がステップＳ６３で決定した位相変調設定量に基づいて標本Ｓに投影される刺激パターンを算出する。図１８は、位相変調設定量に基づいて算出された刺激パターンを例示した図である。

図１８は、図４（ｂ）に示すように、各領域内に２つのグループに属する変調素子を縦横の両方向に交互に配置し、図５（ｂ）に示すように、各変調素子の重心位置（基準位置）における複素振幅変調量に基づいて位相変調設定量を算出したときに、それらの位相変調設定量を含む位相変調パターンに基づいて算出した刺激パターンを示している。図１８では、図１７に示す刺激対象パターンに含まれる８点に光が集光していることが確認できる。また、照野全体に微弱な集光スポット（ノイズ）が多数発生していることも確認できる。

なお、図５（ａ）に示すように、各領域の重心位置（基準位置）における複素振幅変調量に基づいて位相変調設定量を算出してもよい。その場合、それらの位相変調設定量を含む位相変調パターンに基づいて算出した刺激パターンでは、照野中心のノイズが抑制される。これは、位相変調器１５により領域の重心位置と共役な位置における複素振幅変調量が精度良く再現されるためである。

また、図４（ｄ）に示すように、各グループに属する変調素子を空間的にランダムに配列し、図５（ｃ）に示すように、各変調素子の重心位置（基準位置）と共役な位置における複素振幅変調量に基づいて位相変調設定量を算出してもよい。

刺激パターンが算出されると、光刺激装置１００は、刺激対象パターンが得られたか、すなわち、刺激パターンが刺激対象パターンに近似しているかを判定し（ステップＳ６５）、近似していない場合には、位相変調設定量を修正する（ステップＳ６６）。ここでは、コンピュータ１２０がステップＳ６２で設定した刺激対象パターンとステップＳ６４で算出した刺激パターンとを比較した結果に基づいて、例えば、刺激対象パターンを変更する。そして、変更後の刺激対象パターンに基づいて、変更前の刺激対象パターンに近い刺激パターンが形成される位相変調設定量が決定される。

例えば、刺激対象パターンの変更は、隣り合う光刺激点の位相差を０から１／４πに変更するものであってもよい。また、隣り合う光刺激点の位相差を０からランダムな決定された値に変更するものであってもよい。これにより、刺激パターンに発生するノイズを抑制することができる。

また、算出した刺激パターンにおいて光刺激強度が不足している場合には、刺激パターンから算出された複素振幅変調パターンを整数倍（例えば２倍など）に補正してもよい。この場合、変更前の複素振幅変調パターンは最大値が１となるように規格化されているため、絶対値の最大値が１を超える複素振幅変調パターンが発生する。複素振幅変調パターンに含まれる絶対値が１を超えた複素振幅変調量については、その位相を変化させずに絶対値が１になるようにさらに補正する。これにより、投影効率が改善されて光刺激点の強度を改善することができる。なお、図１９は、補正による複素振幅変調パターンの変化を示した図であり、図１９（ａ）、図１９（ｂ）は、それぞれ補正前後の複素振幅変調パターンのヒストグラム（頻度を明暗で表示）である。

複素振幅変調パターンが修正されると、光刺激装置１００は、修正後の位相変調設定量を設定する（ステップＳ６７）。ここでは、コンピュータ１２０から修正後の位相変調設定量に関する情報がＬＣＯＳ−ＳＬＭコントローラ１１９に出力され、ＬＣＯＳ−ＳＬＭコントローラ１１９がＬＣＯＳ−ＳＬＭ１１５の複数の変調素子の各々に、ステップＳ６６で修正された位相変調設定量を設定する。

さらに、光刺激装置１００は、利用者からの指示に応じて視野絞り（ＦＳ）１１７を調整する（ステップＳ６８）。ここでは、例えば、図１７に示す投影対象パターン以外のパターンの発生を抑制するために、８つの光刺激点の外側へ入射する光が遮断されるように、視野絞り１１７の開口径や位置が調整される。
最後に、光刺激装置１００は、レーザ１１１及びＡＯＴＦ１１２の動作を開始させて、刺激パターンを標本Ｓに投影する（ステップＳ６９）。

本実施例に係る光刺激装置１００によれば、単一のＬＣＯＳ−ＳＬＭ１１５での位相変調により対物レンズ１０４の射出瞳面において刺激対象パターンに応じた複素振幅変調パターンを実現することができる。このため、簡単な構成で任意の刺激パターンを投影することができる。

なお、光刺激装置１００は、ＦＲＡＰ(Fluorescence Recovery After Photobleaching)に用いられてもよい。なお、ＦＲＡＰとは、蛍光染色した標本Ｓの一部の領域に光刺激を与えることにより蛍光退色させ、その後、蛍光強度が復活する時間的速度から、その領域の輸送速度を求める方法である。この技術については、例えば、非特許文献２（B. Sprague, et. al., Biophysical Journal Vol. 86, pp. 3473-95 (2004)）に記載されている。

光刺激装置１００がＦＲＡＰに用いられる場合には、図１５のステップＳ６２では、例えば、図２０に示すＧＵＩ画面上で、光刺激点の代わりに光刺激領域が指定される。図２０に示すＧＵＩ画面は、光刺激位置表示１３７の代わりに光刺激位置表示１３９を備えている点が、図１４に示すＧＵＩ画面とは異なっている。光刺激位置表示１３９は、３次元画像をＹ方向から見た表示であり、設定順を示した通し番号により設定済みの光刺激領域の位置を表示する。

光刺激領域は、三次元に広がった領域であっても二次元に広がった平面状の領域であってもよい。光刺激領域が平面状の領域の場合には、その上下に光が強く集光する領域（集光領域）が発生することがある。その集光領域は光刺激位置表示１３９で確認することができるため、集光領域の存在が標本Ｓに意図しない刺激を与えるかどうかを事前に把握することができる。また、光刺激領域を複数設定する場合には、相対位相の設定を調整することで領域間での干渉を抑制することもできる。また、光刺激領域に位相勾配を与えることにより光の照射角度を調整することができる。

さらに、光刺激装置１００がＦＲＡＰに用いられる場合には、図１５のステップＳ６３では、式（４）の代わり、三次元フーリエ変換の式（５）を用いて複素振幅量Ａ（ｕ、ｖ）を算出する。ここで、ｘ、ｙ、ｚは標本Ｓ上の座標である。ａ（ｘ、ｙ、ｚ）は光刺激領域の振幅分布である。Φ（ｘ、ｙ、ｚ）は光刺激領域の位相分布である。
また、光刺激領域が焦点面と平行な面状の領域であり、光刺激パターンがその集合である場合には、式（５）に比べて計算が簡略化される、二次元フーリエ変換の式（６）を用いて複素振幅量Ａ（ｕ、ｖ）を算出してもよい。ここで、ａ_ｉ（ｘ、ｙ）はｉ番目の光刺激領域の面内振幅分布である。Φ_ｉ（ｘ、ｙ）はｉ番目の光刺激領域の面内位相分布である。Φ_０ｉはｉ番目の光刺激領域の相対位相値、ｚ_ｉはｉ番目の光刺激領域のｚ座標である。
なお、光刺激領域が面状の領域である場合には、スペックルノイズが発生し面内での均一性が失われやすい。このため、スペックルパターンを時間的に変化させて平均化することでノイズ除去を行うことが望ましい。従って、各変調素子が属するグループが時間の経過とともに変化するように、グループ分けを繰り返し行うことが望ましい。また、３つ以上のグループに分ける場合であれば、時間の経過とともに、複素振幅変調量Ｔを複数の位相変調量φ_Ａ，φ_Ｂ，etc.に分解する式を変更することも望ましい。

以上では、光刺激点または領域の位置をポインタ１３２等を用いて指定する例を示したが、蛍光画像から自動的に検出した特定の蛍光標識の位置に光刺激点または領域を設定してもよい。また、定期的または不定期に取得した最新の蛍光画像から蛍光標識の位置を検出してもよい。これにより、移動する標識の位置を追尾して標識の位置に光刺激を与え続けることができる。この場合、予め設定された範囲内で標識を追尾するようにしてもよい。さらに、光刺激装置１００は、蛍光画像から光刺激領域内の褪色度合いを判断して、その結果によって光刺激領域内の刺激強度分布を補正してもよい。

また、設定した刺激対象パターンは、コンピュータ１２０に不揮発的に記憶されてもよい。これにより、同様の光刺激を高い再現性で繰り返し与えることができる。また、刺激対象パターンは、対物レンズやレーザ波長などの他の設定情報とともに記憶されてもよい。

また、光学系の内部での反射やＬＣＯＳ−ＳＬＭ１１５の表面での反射などにより予めノイズが発生する位置が既知である場合には、その位置をステップＳ６２でＧＵＩ画面上に表示してもよい。これにより、ノイズが発生する位置を避けて、光刺激位置を設定することができる。

図２１は、本実施例に係る光トラップ装置２００の構成を例示した図である。光トラップ装置２００は、光トラップのための集光点列を形成するパターン投影装置であり、光トラップ光学系２１０と、照明光学系２２０と、検出光学系２３０と、ＬＣＯＳ−ＳＬＭコントローラ１１９と、コンピュータ１２０と、モニタ１３０と、キーボード１４０を備えている。なお、ＬＣＯＳ−ＳＬＭコントローラ１１９、コンピュータ１２０、モニタ１３０、キーボード１４０については、実施例１に係る光刺激装置１００と同様である。

光トラップ光学系２１０は、ＬＣＯＳ−ＳＬＭ１１５の代わりに１次元の変調素子が配列されたＬＣＯＳ−ＳＬＭ２１１を備える点が、実施例１に係る光刺激光学系１１０とは異なっている。光トラップ光学系２１０は、標本Ｓに光トラップのための集光点列を形成する。

照明光学系２２０は、ハロゲンランプ２２１と、コレクタレンズ２２２と、ミラー２２３と、コンデンサレンズ２２４を備えている。照明光学系２２０は、光トラップ光学系２１０が形成する集光点列に捉えられた標本Ｓ中の粒子を照明する。

検出光学系２３０は、対物レンズ１０４と、結像レンズ１０５と、検出レンズ２３１と、検出器アレイ２３２を備えている。検出器アレイ２３２の各検出チャンネルは、光トラップ光学系２１０が形成する集光点列の各点（集光点）に対応する。検出光学系２３０は、光トラップ光学系２１０により集光点列に捉えられ照明光学系２２０により照明された標本Ｓ中の粒子を検出する。

光トラップ装置２００でも、実施例１に係る光刺激装置１００と同様に、図２及び図３に示す処理を実行することで、任意の投影パターンを形成することができる。例えば、等間隔に配列された等強度の集光点の列を形成する場合であれば、互いに干渉し合わない程度の間隔をあけて等間隔に集光点を設定し、且つ、ＬＣＯＳ−ＳＬＭ２１１の一次元に並んだ変調素子を交互に２つのグループに割り当てればよい。なお、等間隔に集光点を形成することで、検出器アレイ２３２の検出チャンネルと集光点とを対応付けることができる。このため、複数の粒子を同時にトラップし、且つ、多チャンネルで同時に検出することが可能となり、高速スクリーニングが実現される。また、複数の集光点の強度を等強度とすることで、各チャンネルからの信号を全て等価に扱うことができる。また、不要な集光点の発生を抑えることでノイズを抑えることができる。

光トラップ装置２００でも、図３に示す位相変調量設定処理の代わりに図１３に示す位相変調量設定処理を行ってもよい。図２２は、補正前後の集光点列（投影パターン）を示した図である。光トラップ装置２００では、等間隔に等強度の集光点を設定した場合であっても、図２２（ａ）に示すように、標本Ｓに形成される集光点の強度は均一にはならず、また設定した集光点列の外側にノイズによる集光点列が形成されてしまうことがある。光トラップ装置２００は、図１３に示す位相変調量設定処理（例えば、設定する集光点間に強度差をつける、形成されるべき集光点列の外側にノイズを打ち消すための集光点を設定する）を行うことで、図２２（ｂ）に示すように、等間隔に配列された等強度の集光点の列を形成してもよい。

図２３は、本実施例に係る光シート照明装置３００の構成を例示した図である。光シート照明装置３００は、光シート照明のための光のパターンを形成するパターン投影装置であり、光シート照明光学系３１０と、観察光学系３２０と、ＬＣＯＳ−ＳＬＭコントローラ１１９と、コンピュータ１２０と、モニタ１３０と、キーボード１４０を備えている。なお、ＬＣＯＳ−ＳＬＭコントローラ１１９、コンピュータ１２０、モニタ１３０、キーボード１４０については、実施例１に係る光刺激装置１００と同様である。また、光シート照明光学系３１０の光軸と観察光学系３２０の光軸が直交するように、光シート照明光学系３１０と観察光学系３２０は配置されている。

光シート照明光学系３１０は、レーザ１１１と、ＡＯＴＦ１１２と、ビームエキスパンダ１１３と、ビーム整形器３１３と、ＬＣＯＳ−ＳＬＭ３１４と、スキャンレンズ３１５と、ガルバノミラー３１６と、照明レンズ３１７と、ミラー３１８を備えている。レーザ１１１、ＡＯＴＦ１１２、ビームエキスパンダ１１３については、実施例１に係る光刺激光学系１１０と同様である。

ビーム整形器３１３は、円錐レンズ３１１と凸レンズ３１２を備えている。ビーム整形器３１３は、レーザ光の振幅分布を変調し、振幅分布が変調されたレーザ光をＬＣＯＳ−ＳＬＭ３１４に照射する。ＬＣＯＳ−ＳＬＭ３１４は、照明レンズ３１７の射出瞳面と共役な位置に配置された透過型の位相変調器である。スキャンレンズ３１５は、ＬＣＯＳ−ＳＬＭ３１４を照明レンズ３１７の射出瞳面に投影する。ガルバノミラー３１６は、照明レンズ３１７の射出瞳面に配置されたスキャナである。スキャンレンズ３１５及び照明レンズ３１７は、ＬＣＯＳ−ＳＬＭ３１４で変調された光に基づいて標本Ｓに光のパターンを投影する投影光学系を構成する。

観察光学系３２０は、対物レンズ１０４と、バリアフィルタ３２１と、結像レンズ１０５と、ＣＣＤカメラ１０７を備えている。なお、対物レンズ１０４、結像レンズ１０５、ＣＣＤカメラ１０７については、実施例１に係る光刺激装置１００に含まれるものと同様である。

図２４は、本実施例に係る光シート照明装置３００の動作の流れを示すフローチャートである。図２５は、図２４に示す光シート照明装置３００で設定される投影対象パターンについて説明するための図である。図２６は、図２４に示す光シート照明装置３００で算出される投影パターンの強度分布について説明するための図である。以下、図２４から図２６を参照しながら、本実施例に係るパターン投影方法について説明する。ここでは、図２５に示すように、光シート照明光学系３１０の光軸方向に沿った細長い円柱状の投影対象パターンＴＰを設定する場合を例に説明する。

まず、光シート照明装置３００は、投影対象パターンを設定する（ステップＳ７１）。ここでは、例えば、利用者がキーボード１４０などの入力装置を用いて、図２５に示すように照明範囲と強度を指定して、その照明範囲を均一に照明する細長い円柱状の光のパターンを投影対象パターンＴＰとして設定する。その後、コンピュータ１２０は、投影対象パターンＴＰを、図２５に示すように光シート照明光学系の焦点深度よりも短い間隔で配列された集光点Ｐの集合からなるパターンに分解する。なお、焦点深度は、集光点Ｐにおける開口数と波長に依存して決定される。また、コンピュータ１２０は、集光点Ｐの強度と位相も設定する。なお、強度と位相は、後述するステップＳ７４で調整される変数である。このため、ステップＳ７１では、例えば、強度はすべて同じ強度に設定され、且つ、位相は全て同位相に設定されてもよい。

投影対象パターンが設定されると、光シート照明装置３００は、位相変調設定量を決定する（ステップＳ７２）。ここでは、コンピュータ１２０が投影対象パターンから生成した集光点Ｐの集合からなるパターンに基づいてＬＣＯＳ−ＳＬＭ３１４の複数の変調素子の各々に設定する位相変調設定量を決定する。位相変調設定量の決定方法は図３に示すとおりである。

位相変調設定量が決定されると、光シート照明装置３００は、投影パターンを算出する（ステップＳ７３）。ここでは、コンピュータ１２０がステップＳ７２で決定した位相変調設定量に基づいて標本Ｓに投影される投影パターンを算出する。なお、図２６の線Ｉ１は、図２５に示す投影パターン計算部位の各々における強度を示している。線Ｉ１には、計算部位毎に強度が大きく変動している様子が表わされている。

投影パターンが算出されると、光シート照明装置３００は、投影対象パターンが得られたか、すなわち、投影パターンが投影対象パターンに近似しているかを判定し（ステップＳ７４）、近似していない場合には、位相変調設定量を修正する（ステップＳ７５）。ここでは、コンピュータ１２０は、ステップＳ７１で設定した投影対象パターンとステップＳ７３で算出した投影パターンとの比較結果に基づいて、集光点の強度や位相を修正する。具体的には、コンピュータ１２０は、例えば、ステップＳ７３で算出した投影パターンから算出される計算部位の強度の標準偏差及び平均値に基づいて、集光点の強度や位相を修正する。そして、強度及び位相を変更した後の集光点の集合からなるパターンに基づいて位相変調設定量が再決定される。なお、図２６の線Ｉ２、Ｉ３は、それぞれ１回の修正後と２回の修正後の位相変調設定量に基づいて算出された、投影パターン計算部位の各々における強度を示している。線Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３が示すように、修正を繰り返すことで計算部位の強度の均一性を改善することができる。

位相変調設定量が修正されると、光シート照明装置３００は、修正後の位相変調設定量をＬＣＯＳ−ＳＬＭ３１４の各位相変調素子に設定する（ステップＳ７６）。ここでは、コンピュータ１２０から修正後の位相変調設定量に関する情報がＬＣＯＳ−ＳＬＭコントローラ１１９に出力され、ＬＣＯＳ−ＳＬＭコントローラ１１９がＬＣＯＳ−ＳＬＭ３１４の複数の変調素子の各々に、ステップＳ７４で修正された位相変調設定量を設定する。

最後に、光シート照明装置３００は、レーザ１１１、ＡＯＴＦ１１２、及びガルバノミラー３１６の動作を開始させて、光シートで標本Ｓを照明する（ステップＳ７７）。ここでは、光シート照明光学系３１０が、光軸方向に沿った細長い円柱状のパターンを標本Ｓに形成し、ガルバノミラー３１６が、そのパターンを光軸と直交する方向に移動させることで、光シート照明が行われる。さらに、光シート照明装置３００は、光シート照明が行われている期間中、観察光学系３２０によって予め設定された撮像条件で標本Ｓを撮像する。また、光シート照明装置３００は、標本Ｓを撮像する度に光シートを形成する位置を標本Ｓに対してＺ方向に移動させることで、標本Ｓの三次元情報を取得してもよい。

光シート照明装置３００でも、実施例１に係る光刺激装置１００と同様に、任意の投影パターンを形成することができる。このため、均一な強度の光シートを標本Ｓの所望の領域に形成することができる。

光シート照明装置３００では、ＬＣＯＳ−ＳＬＭ３１４に入射するレーザ光の振幅分布は、ビーム整形器３１３により調整される。具体的には、ＬＣＯＳ−ＳＬＭ３１４はビーム整形器３１３を構成する凸レンズ３１２の後側焦点位置よりも凸レンズ３１２の近くに配置されている。このため、ビーム整形器３１３は、図２７に示すように、GaussianビームＬ１を輪帯状の振幅分布を有するレーザ光Ｌ２に変換して、ＬＣＯＳ−ＳＬＭ３１４に照射する。輪帯部分の振幅分布は、およそガウス分布であるため、ＬＣＯＳ−ＳＬＭ３１４には、ぼやけた輪帯状の振幅分布が形成される。これにより、光シート照明装置３００では、図２８に示すように、ＬＣＯＳ−ＳＬＭ３１４に入射するレーザ光の振幅分布Ｄ２を、細長い円柱状の投影対象パターンから算出される複素振幅分布Ｄ０に近づけることができる。従って、ビーム整形器３１３のない場合と比較して、複素振幅分布Ｄ０の振幅の絶対値を大きく設定することが可能となり、変調効率を高めることができる。このため、投影効率も改善することができる。また、変調効率が高まることでノイズが減少するといった効果も期待できる。

ビーム整形器３１３で輪帯状の振幅分布を形成する例を示したが、ビーム整形器３１３は、照明レンズ３１７の射出瞳面に形成すべき複素振幅分布の絶対値に対し包絡的になる様に、ＬＣＯＳ−ＳＬＭ３１４に入射するレーザ光の振幅分布を形成すればよい。即ち、ビーム整形器３１３は、ＬＣＯＳ−ＳＬＭ３１４に入射するレーザ光の振幅分布が形成すべき複素振幅分布に近づくように、レーザ光を変調する変調手段である。また、光シート照明装置３００では、投影効率を改善するために、投影効率を算出し投影効率に基づいてビーム整形器３１３を調整してもよい。また、予め投影パターンが決定されている場合には、ビーム整形器３１３の代わりに投影パターンに応じた強度変調フィルタを用いてもよい。また、ビーム整形器３１３の代わりに強度変調型の空間光変調器を用いてもよい。

また、細長い円柱状の投影対象パターンを一列の集光点列に分解して位相変調設定量を計算する例を示したが、より大きな径の円柱状の投影対象パターンを設定する場合には、投影対象パターンを複数列の集光点列に分解してもよい。この場合、複数列の集光点列は、光シート照明光学系３１０の光軸と直交する方向に互いに近接して配置することが望ましい。また、光シート照明装置３００は、細長い円柱状の投影対象パターンを複数形成しても良い。この場合、位相の設定を調整することで、円柱状の投影対象パターン間での干渉を抑えることが望ましい。

図２９は、本実施例に係る光シート照明装置４００の構成を例示した図である。光シート照明装置４００は、光シート照明のための光のパターンを形成するパターン投影装置である。光シート照明装置４００は、光シート照明光学系３１０及びＬＣＯＳ−ＳＬＭコントローラ１１９の代わりに、光シート照明光学系４１０を備える点が、光シート照明装置３００と異なっている。その他の構成は、光シート照明装置３００と同様である。また、光シート照明光学系４１０の光軸と観察光学系３２０の光軸が直交するように、光シート照明光学系４１０と観察光学系３２０は配置されている。

光シート照明光学系４１０は、レーザ１１１と、ＡＯＴＦ１１２と、複数のレンズ（レンズ４１２、レンズ４１３）からなるアフォーカルズームレンズ４１１と、円錐レンズ４１４（第１の光学系）と、視野絞り４１５と、スキャンレンズ４１６と、ガルバノミラー３１６と、照明レンズ３１７と、ミラー３１８と備えている。なお、レーザ１１１、ＡＯＴＦ１１２、スキャンレンズ３１５、照明レンズ３１７、ミラー３１８については、実施例３に係る光シート照明光学系３１０と同様である。光シート照明光学系４１０では、レーザ１１１からのGaussianビームＬ１は、アフォーカルズームレンズ４１１でビーム径が調整され、円錐レンズ４１４に入射する。

視野絞り４１５が存在しない場合には、円錐レンズ４１４は、図３０（ａ）に示すように、円錐レンズ４１４の後方にBessel-Gaussian（ベッセルガウシアン）ビームＬ１０を形成し、そのBessel-GaussianビームＬ１０がスキャンレンズ４１６及び照明レンズ３１７により標本Ｓに投影される。投影されたBessel-Gaussianビームの強度分布は、元のBessel-GaussianビームＬ１０の強度分布と相似である。

Bessel-GaussianビームＬ１０は、光軸方向（ｘ方向）に図３０（ｂ）に示す強度分布Ｄｘ１０を有し、光軸と直交する方向（ｚ方向）に図３０（ｃ）に示す強度分布Ｄｚ１０を有する。強度分布Ｄｘ１０は、光軸方向に広範囲に広がったおよそガウス形状を有している。この分布は、焦点深度が長い集光状態を示している。このため、視野絞り４１５が存在しない場合に照明すべき範囲（照明対象範囲）を均一な強度で照明するためには、Bessel-Gaussianビームの強度分布の中心部分が照明対象範囲に位置するように、照明対象範囲よりも十分に広がったBessel-Gaussianビームを標本Ｓに投影するのが通常である。この場合、照明対象範囲より広い範囲が照明されることになる。また、強度分布Ｄｚ１０は、光軸上に突出した強度を有する一方で、光軸の周囲にも強いサイドローブを有している。このため、サイドローブの影響により光軸と直交する方向にも不要な照明が発生する。不要な照明は、標本に対する光毒性を示したり蛍光退色を誘発させたりするので、好ましくない。

一方、光シート照明光学系４１０のように円錐レンズ４１４の後方に視野絞り４１５が存在する場合には、円錐レンズ４１４が形成したBessel-GaussianビームＬ１０の一部が視野絞り４１５で遮断される。即ち、視野絞り４１５は、円錐レンズ４１４によりBessel-GaussianビームＬ１０が形成される位置に配置されている。このため、図３１（ａ）に示すようなビームＬ１１が形成される。

ビームＬ１１は、光軸方向（ｘ方向）に図３１（ｂ）に示す強度分布Ｄｘ１１を有し、強度分布Ｄｘ１０とは異なり位置ａ以降の強度が０となる。また、光軸と直交する方向（ｚ方向）の強度分布についても、視野絞り４１５が存在する位置の強度が０となるため、外側のサイドローブがカットされる。光シート照明光学系４１０では、ビームＬ１１がスキャンレンズ４１６及び照明レンズ３１７により標本Ｓに投影され、視野絞り４１５と共役な位置（視野絞り像４１５ａが形成される位置）に図３２（ａ）に示すようなビームＬ１２が形成される。即ち、スキャンレンズ４１６及び照明レンズ３１７は視野絞り４１５をリレーするリレー光学系（第２の光学系）として機能する。

ビームＬ１２は、光軸方向（ｘ方向）に図３２（ｂ）に示す強度分布Ｄｘ１２を有する。強度分布Ｄｘ１２は、位置ａと共役な位置ａ’と、視野絞り像４１５ａに対して位置ａ’と対称な位置−ａ’との間に強度を有し、その外側には強度を有しない。即ち、強度分布Ｄｘ１２は、Bessel-Gaussianビームの強度分布Ｄｘ１０のうちの、比較的強度が均一な中心部分に相当する。このため、照明対象範囲に合わせてビームＬ１２の光軸方向の広がりを設定することで、照明対象範囲外に無駄な照明を行うことなく、照明対象範囲を均一に照明することができる。

また、ビームＬ１２は、光軸と直交する方向（ｚ方向）に図３２（ｃ）に示す強度分布Ｄｚ１２を有する。強度分布Ｄｚ１２は、強度分布Ｄｚ１０のうちの、光軸から離れた位置に生じるサイドローブを取り除いた分布に相当する。このため、サイドローブによる光軸と直交する方向の不要な照明も大幅に削減することができる。

以上のように、光シート照明装置４００によれば、照明対象範囲に応じて視野絞り４１５の径を調整することで、照明対象範囲外へ入射する光を大幅にカットすることができる。このため、不要な照明による光毒性や蛍光褪色を避けて、標本Ｓに与えるダメージを軽減することができる。

上述した各実施例は、発明の理解を容易にするために具体例を示したものであり、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。パターン投影装置、パターン投影方法、及び、位相変調設定量を設定する方法は、特許請求の範囲に記載した本発明の思想を逸脱しない範囲において、さまざまな変形、変更が可能である。例えば、この明細書で説明される個別の実施例の文脈におけるいくつかの特徴を組み合わせて単一の実施例としてもよい。また、上述した実施例では、位相変調型の空間光変調器（位相変調器）としてＬＣＯＳ−ＳＬＭを例示したが、位相変調器は、例えば、デフォーマブルミラーであっても、磁気光学空間光変調器であってもよい。

１０ パターン投影装置
１１ パターン設定手段
１２ 複素振幅変調パターン算出手段
１３ 位相変調量設定手段
１４ 可干渉光源
１５ 位相変調器
１６ 投影光学系
１００ 光刺激装置
１０１ 水銀ランプ
１０２、３１７ 照明レンズ
１０３ 蛍光フィルタセット
１０４ 対物レンズ
１０５ 結像レンズ
１０６ 撮像レンズ
１０７ ＣＣＤカメラ
１１０ 光刺激光学系
１１１ レーザ
１１２ ＡＯＴＦ
１１３ ビームエキスパンダ
１１４ プリズム
１１５、２１１、３１４ ＬＣＯＳ−ＳＬＭ
１１６ 瞳リレーレンズ
１１７、４１５ 視野絞り
１１８ ダイクロイックミラー
１１９ ＬＣＯＳ−ＳＬＭコントローラ
１２０ コンピュータ
１２１ プロセッサ
１２２ メモリ
１３０ モニタ
１４０ キーボード
２００ 光トラップ装置
２１０ 光トラップ光学系
２３０ 検出光学系
２３１ 検出レンズ
２３２ 検出器アレイ
２２０ 照明光学系
２２１ ハロゲンランプ
２２２ コレクタレンズ
２２４ コンデンサレンズ
３００、４００ 光シート照明装置
３１０、４１０ 光シート照明光学系
３１１、４１４ 円錐レンズ
３１２ 凸レンズ
３１３ ビーム整形器
３１５、４１６ スキャンレンズ
３１６ ガルバノミラー
３１７ 照明レンズ
３２０ 観察光学系
３２１ バリアフィルタ
４１１ アフォーカルズームレンズ
Ｓ 標本

Claims (16)

1. 光の位相を変調する複数の変調素子が配列された空間光変調器と、
   前記空間光変調器で変調された光に基づいて光のパターンを投影する投影光学系と、
   投影すべき光のパターンを形成するための複素振幅変調パターンを算出する複素振幅変調パターン算出手段と、
   前記複素振幅変調パターンを複数の位相変調パターンの線形結合に分解し、前記複数の変調素子を前記複数の位相変調パターンと同数のグループにグループ分けし、前記複数の変調素子の各々に当該変調素子が属するグループに対応する位相変調パターンに基づく位相変調設定量を設定する位相変調量設定手段と、を備える
   ことを特徴とするパターン投影装置。
2. 請求項１に記載のパターン投影装置において、
   前記位相変調量設定手段は、前記空間光変調器を各々グループ数以上の変調素子を含む複数の領域に領域分けし、領域分けされた前記複数の領域の各々に各グループに属する変調素子が少なくとも１つずつ含まれるように、前記複数の変調素子をグループ分けする
   ことを特徴とするパターン投影装置。
3. 請求項２に記載のパターン投影装置において、
   前記位相変調量設定手段は、領域分けされた前記複数の領域の各々に各グループに属する変調素子が同数ずつ含まれるように、前記複数の変調素子をグループ分けする
   ことを特徴とするパターン投影装置。
4. 請求項２または請求項３に記載のパターン投影装置において、
   前記複素振幅変調パターン算出手段は、領域分けされた前記複数の領域の各々に、前記投影すべき光のパターンに基づいて、当該領域の基準位置に対応する位置における複素振幅変調量を算出し、
   前記複素振幅変調パターンは、前記領域毎に算出された複素振幅変調量を含む
   ことを特徴とするパターン投影装置。
5. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のパターン投影装置において、
   前記複素振幅変調パターン算出手段は、前記複数の変調素子の各々に、前記投影すべき光のパターンに基づいて、当該変調素子の基準位置に対応する位置における複素振幅変調量を算出し、
   前記複素振幅変調パターンは、前記変調素子毎に算出された複素振幅変調量を含む
   ことを特徴とするパターン投影装置。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のパターン投影装置において、
   前記位相変調量設定手段は、
   前記複数の変調素子の各々に対して、当該変調素子が属するグループに対応する位相変調パターンに基づいて位相変調設定量を決定し、
   当該位相変調量設定手段が前記変調素子毎に決定した位相変調設定量を含む位相変調パターンに基づいて、前記投影光学系が形成する光のパターンを算出する
   ことを特徴とするパターン投影装置。
7. 請求項６に記載のパターン投影装置において、
   前記位相変調量設定手段は、当該位相変調量設定手段が算出した光のパターンと前記投影すべき光のパターンとに基づいて、前記複素振幅変調パターンを補正し、補正された複素振幅変調パターンに基づいて、前記複数の変調素子の各々に設定する位相変調設定量を設定する
   ことを特徴とするパターン投影装置。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のパターン投影装置において、さらに、
   光源と前記空間光変調器の間に配置され、前記空間光変調器に入射する光の複素振幅分布が前記投影すべき光のパターンに基づいて算出される複素振幅パターンに近づくように、光を変調する変調手段を備える
   ことを特徴とするパターン投影装置。
9. 請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載のパターン投影装置において、さらに、
   視野絞りを備える
   ことを特徴とするパターン投影装置。
10. 請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載のパターン投影装置において、
    前記位相変調量設定手段は、各変調素子が属するグループが時間の経過とともに変化するように、前記複数の変調素子をグループ分けする
    ことを特徴とするパターン投影装置。
11. 請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載のパターン投影装置において、
    前記位相変調量設定手段は、各グループに属する変調素子が空間的にランダムに配列されるように、前記複数の変調素子をグループ分けする
    ことを特徴とするパターン投影装置。
12. 請求項１乃至請求項１１のいずれか1項に記載のパターン投影装置において、さらに、
    前記投影すべき光のパターンを設定するパターン設定手段を備える
    ことを特徴とするパターン投影装置。
13. 請求項１２に記載のパターン投影装置において、
    前記パターン設定手段は、設定される光のパターンを構成する点間に位相差を設定する
    ことを特徴とするパターン投影装置。
14. 投影すべき光のパターンを形成するための複素振幅変調パターンを算出し、
    前記複素振幅変調パターンを複数の位相変調パターンの線形結合に分解し、
    空間光変調器に配列された光の位相を変調する複数の変調素子を前記複数の位相変調パターンと同数のグループにグループ分けし、
    前記複数の変調素子の各々に当該変調素子が属するグループに対応する位相変調パターンに基づく位相変調設定量を設定し、
    前記空間光変調器で変調された光に基づいて光のパターンを投影する
    ことを特徴とするパターン投影方法。
15. 空間光変調器に配列された光の位相を変調する複数の変調素子の各々に位相変調設定量を設定する方法であって、
    投影すべき光のパターンに基づいて複素振幅変調パターンを算出し、
    前記複素振幅変調パターンを複数の位相変調パターンの線形結合に分解し、
    前記複数の変調素子を前記複数の位相変調パターンと同数のグループにグループ分けし、
    前記複数の変調素子の各々に当該変調素子が属するグループに対応する位相変調パターンに基づく位相変調設定量を設定する
    ことを特徴とする方法。
16. 光源から出射した可干渉光からベッセルガウシアンビームを形成する第１の光学系と、
    前記第１の光学系によりベッセルガウシアンビームが形成される位置に配置された絞りと、
    前記絞りをリレーする第２の光学系と、を備える
    ことを特徴とするパターン投影装置。