JP2020129038A - 光源装置、及びホログラフィ観察装置 - Google Patents

光源装置、及びホログラフィ観察装置 Download PDF

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Abstract

【課題】容易に合波可能で、光の利用効率が高い、小型の光源装置を提供する。【解決手段】光ファイバに接続され、光ファイバから光を出射する光源装置が、波長の異なる光をそれぞれ出射する複数のレーザ光源と、各レーザ光源に、交流成分を重畳した駆動電流を供給する電流源と、電流源を制御して、複数のレーザ光源を選択的に切り替える光源制御部と、各レーザ光源の光路中に配置され、各レーザ光源からの光を光ファイバの入射端に向けて反射すると共に、入射端で反射される戻り光を各レーザ光源に向けて反射する複数の光学系と、光ファイバから出射される光のスペクトルが連続的に広がるように、戻り光の光量を調整する戻り光調整部と、を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、ホログラフィを用いて対象物体を観察する装置等に用いられる光源装置、及びこの光源装置を備えるホログラフィ観察装置に関する。
従来、ｉＰＳ細胞やその他の細胞の観察を行うための装置として、ホログラフィ観察装置が実用に供されている。このようなホログラフィ観察装置においては、位相の揃った光束（コヒーレント光束）を２つに分割し、一方を対象物体に照射して通過又は反射させ、他方をそのままにして、両光束を結像面で干渉させることによりホログラフィ画像（ホログラム）を得ている。そして、得られたホログラムには対象物体の３次元的形状や光学的組成等の情報が含まれているため、これに対して各種演算を行うことによりこれらの情報を取り出している。
このようなホログラフィ観察装置を用いて、細胞を生きたまま観察しようとする場合、細胞を容器内で培地中に浮遊させたり、ガラス板上に載置したりして観察を行うが、光路上には観察対象物体である細胞の他に、容器やガラス板等が存在するため、コヒーレント光束の位相変位は観察対象物体だけでなく、容器やガラス板等によっても発生することとなる。そして、容器やガラス板等によって位相変位が発生すると、容器やガラス板等によって発生する位相変位による干渉が、観察対象物体（細胞）によって発生する位相変位から生じる干渉像に影響を及ぼす（つまり、観察対象物体（細胞）のホログラムの画質を劣化させる）こととなる。
そのため、観察対象物体以外の物体（非観察対象物体）によって発生する位相変位の影響をできるだけ排除し、観察対象物体によって発生する位相変位から生じる干渉像のみを検出するように、可干渉距離が短い光束を使用することが提案されている（特許文献１）。
特許文献１には、半導体レーザ光源を備えるホログラフィ観察装置において、半導体レーザ光源から出射される光の一部を、光が入射するフェルールの端面で反射させることによって半導体レーザ光源に戻す（すなわち、戻り光を形成する）と共に、交流成分を重畳した電流により半導体レーザ光源を駆動することで、可干渉距離の短い、ブロードなスペクトルの光束（すなわち、コヒーレンス性の低い光束）を得る構成が記載されている。また、高い分解能で観察対象物体の画像を得るために、４種類の異なる波長の半導体レーザ光源を用いて４種類のホログラフィ像を取得し、観察対象物体の画像を再構築する構成が記載されている。
国際公開第２０１７／２０４０１３号
特許文献１のホログラフィ観察装置によれば、汎用の半導体レーザ光源を用いてブロードなスペクトルの光束（すなわち、コヒーレンス性の低い光束）を得ることができ、劣化の少ないホログラフィ像を得ることができ、また高い分解能の観察対象物体の画像を得ることができる。しかしながら、４種類の異なる波長の半導体レーザ光源を用いる場合には、各波長の光の出射位置を物理的に一致させる必要があるところ、特許文献１の構成においては、半導体レーザ光源からの光をフェルールに集光して光ファイバで導光するため、各光ファイバで導光される各波長の光を光ファイバカプラ等で合波して同一光軸の光源を形成する必要があった。そして、このように光ファイバカプラ等で合波する構成においては、光の減衰率が大きく、強度の高い半導体レーザ光源が必要となったり、波長毎に個別の光学系を構成し調整が必要となるあるため、装置構成が複雑となる上、小型化が図れないといった問題があった。また、光ファイバカプラは、作製に熟練を要するため、製造リードタイムが長く、高コストであるという問題があった。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、従来のような光ファイバカプラを用いることなく、容易に合波可能で、光の利用効率が高い、小型の光源装置を提供すること、また、このような光源装置を備えたホログラフィ観察装置を提供することである。
上記目的を達成するため、本発明の光源装置は、光ファイバに接続され、光ファイバから光を出射する光源装置であって、波長の異なる光をそれぞれ出射する複数のレーザ光源と、各レーザ光源に、交流成分を重畳した駆動電流を供給する電流源と、電流源を制御して、複数のレーザ光源を選択的に切り替える光源制御部と、各レーザ光源の光路中に配置され、各レーザ光源からの光を光ファイバの入射端に向けて反射すると共に、入射端で反射される戻り光を各レーザ光源に向けて反射する複数の光学系と、光ファイバから出射される光のスペクトルが連続的に広がるように、戻り光の光量を調整する戻り光調整部と、を備えることを特徴とする。
このような構成によれば、複数のレーザ光源からの光が複数の光学系によって合波され、従来のような光ファイバカプラを用いる必要がないため、光の利用効率が高く、小型で安価な光源装置が実現される。また、戻り光調整部を設けたため、光ファイバから出射される光が、可干渉距離の短い、ブロードなスペクトルの光束（すなわち、コヒーレンス性の低い光束）となるように容易に調整することができる。
また、各光学系は、各光学系から光ファイバの入射端に向かう光の光路中心が、光ファイバの光軸と略一致するように、光ファイバの光軸に沿って配置することができる。
また、戻り光調整部は、各レーザ光源の光軸に対して戻り光の角度を変更することによって戻り光の光量を調整する構成とすることができる。
また、戻り光調整部は、各光学系に対する各レーザ光源の光軸の角度を変更することによって戻り光の光量を調整する構成とすることができる。
また、戻り光調整部は、各レーザ光源の波長に対応し、透過率が戻り光の光量に基づいて設定された複数のダイクロイックミラーを有し、光源制御部によって選択されたレーザ光源に基づいて、レーザ光源に対応するダイクロイックミラーを複数の光学素子と光ファイバの入射端との間に配置する構成とすることができる。
また、各レーザ光源と各光学素子の間にそれぞれ配置され、各レーザ光源からの光を集光する複数の集光レンズをさらに備え、戻り光調整部は、各レーザ光源の光軸に対する各集光レンズの角度を変更することによって戻り光の光量を調整する構成とすることができる。
また、各光学系は、平面の反射面を有し、各光学系に対応するレーザ光源からの光を反射すると共に、他のレーザ光源からの光を透過させる反射型バンドパスフィルタで構成することができる。
また、各光学系は、楕円又は放物面の反射面を有し、各光学系に対応するレーザ光源からの光を反射すると共に、他のレーザ光源からの光を透過させる反射型バンドパスフィルタで構成することができる。
また、交流成分の周波数が、５０ｋＨｚ〜３００ｋＨｚとなるように構成することができる。
また、光ファイバの入射端が、光ファイバの光軸に対して３°〜７°傾斜するテーパー面となるように構成することができる。
また、各光学系が、各レーザ光源の光路中に配置され、各レーザ光源からの光を光ファイバの入射端に向けて反射する第１の光学素子と、光ファイバの入射端で反射される戻り光を各レーザ光源に向けて反射する第２の光学素子と、を有する構成とすることができる。
また、別の観点からは、本発明のホログラフィ観察装置は、上記のいずれかの光源装置と、光ファイバから出射される光を観察対象物体に透過又は反射させ、観察対象物体の異なる位置で透過又は反射した光を干渉させる照明光学系と、観察対象物体を透過又は反射した光の干渉像を取得するイメージセンサと、を備えることを特徴とする。
以上のように、本発明によれば、従来のような光ファイバカプラを用いることなく、容易に合波可能で、光の利用効率が高い、小型の光源装置が実現される。また、このような光源装置を備えたホログラフィ観察装置が実現される。
本発明の実施形態に係るホログラフィ観察装置の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係るホログラフィ観察装置の光源部のブロック図である。 本発明の実施形態に係るホログラフィ観察装置の光源モジュールの構成例を示す断面図である。 本発明の実施形態に係るホログラフィ観察装置の半導体レーザダイオードから出射される光の発光スペクトルを説明するグラフである。 本発明の実施形態に係るホログラフィ観察装置の光源モジュールの第１の変形例を示す断面図である。 本発明の実施形態に係るホログラフィ観察装置の光源モジュールの第２の変形例を示す断面図である。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、図中同一又は相当部分には同一の符号を付してその説明は繰り返さない。
（ホログラフィ観察装置の構成）
図１は、本発明の実施形態に係るホログラフィ観察装置の概略構成を示す図である。図１に示すように、本実施形態のホログラフィ観察装置１は、いわゆるインライン型ホログラフィ観察装置であり、培養プレート上で培養されたｉＰＳ細胞やＥＳ細胞等の細胞の観察画像を取得するために用いられる装置である。ホログラフィ観察装置１は、光源部２、イメージセンサ４、及び制御部５を備えており、光源部２から発せられる微小角度（約１０度）の広がりを持つ光が、培養プレート３上の細胞に照射されるように構成されている。細胞及び培養プレート３を透過した光は、培養プレート３上の細胞の隣接位置を透過した光と干渉しつつイメージセンサ４に到達し、イメージセンサ４によってホログラムデータが得られる。なお、光源部２から発せられる光のスポットサイズを細胞全体に照射するために、光源部２と培養プレート３との間に照射光学系を配置してもよい。なお、本実施形態の光源部２から発せられる光は、半導体レーザ光のような高コヒーレント光よりもコヒーレンス性の低い光となっており、以下、本明細書においては、擬コヒーレント光、又は擬コヒーレント光束ともいう。
制御部５は、記憶部５０と、光源部２の動作を制御する光源制御部５１と、演算処理部５２とを備えている。演算処理部５２は、イメージセンサ４で取得されたホログラムデータ（イメージセンサ４の検出面で形成された擬コヒーレント光束の二次元強度分布データ）から数値演算により位相情報を求め、細胞の観察画像を作成する。記憶部５０には、光源部２の半導体レーザダイオード２４１〜２４４（図２）に供給する電流の大きさと擬コヒーレント光束の強度の関係、及び、交流信号の振幅及び周波数と擬コヒーレント光束の可干渉距離の関係に関連する情報である、擬コヒーレント光束特性情報（詳細は後述）が予め保存されている。また、制御部５には、入力部６と表示部７が接続されており、演算処理部５２により作成された観察画像は表示部７に表示される。
図２は、本実施形態の光源部２のブロック図である。図２に示すように、光源部２は、互いに異なる波長の光を発する４つの半導体レーザダイオード２４１〜２４４（レーザ光源）を有する光源モジュール２４０と、各半導体レーザダイオード２４１〜２４４に駆動電流を供給する駆動電流供給部２０１〜２０４（電流源）とを備えている。また、駆動電流供給部２０１〜２０４は、それぞれ、直流電圧を生成する直流電圧生成部２１１〜２１４、交流電圧を生成して前記直流電圧に重畳する交流電圧生成部２２１〜２２４、及び電圧／電流変換部２３１〜２３４を備えている。また、光源部２は、さらに、直流電圧生成部２１１〜２１４に送信する直流信号を生成する直流信号生成部２５、交流電圧生成部２２１〜２２４に供給する交流信号を生成する交流信号生成部２６、及び直流電圧生成部２１１〜２１４に供給するタイミング信号を生成する照明タイミング信号生成部２７（光源制御部）を備えている。
本実施形態においては、光源制御部５１が、擬似コヒーレント光束の強度や可干渉距離に関する使用者の入力指示と、記憶部５０に保存された擬コヒーレント光束特性情報に基づいて、各直流電圧生成部２１１〜２１４により生成する直流電圧の大きさを決定し、これらの情報が直流信号生成部２５に入力される。そして、直流信号生成部２５から各直流電圧生成部２１１〜２１４に送信する直流信号の大きさにより、各半導体レーザダイオード２４１〜２４４から発せられる擬コヒーレント光束の（平均）強度が制御されるようになっている。また、光源制御部５１が、交流電圧生成部２２１〜２２４により生成する交流電圧の振幅及び周波数の値を決定し、これらの情報が交流信号生成部２６に入力される。そして、交流信号生成部２６から各交流電圧生成部２２１〜２２４に送信する交流信号の周波数及び振幅により、各半導体レーザダイオード２４１〜２４４から発せられる擬コヒーレント光束の可干渉距離が制御されるようになっている。なお、詳細は後述するが、交流信号の周波数はイメージセンサ４の読み出し周波数よりも十分に高い周波数（例えば約１０００倍の周波数）に設定され、可干渉距離は観察対象物体の大きさや光学的特性に応じた適切な長さ（例えば数百μｍ）に設定されている。また、各半導体レーザダイオード２４１〜２４４から発せられる光のコヒーレント性を低下させるために、各半導体レーザダイオード２４１〜２４４に戻り光が戻るように構成している。
照明タイミング信号生成部２７は、直流電圧生成部２１１〜２１４を介して、各半導体レーザダイオード２４１〜２４４に順番にタイミング信号を送信する。各駆動電流供給部２０１〜２０４では、直流電圧生成部２１１〜２１４にタイミング信号が送信されると、直流電圧生成部２１１〜２１４で生成した直流信号に交流電圧生成部２２１〜２２４で生成した交流信号を重畳して電圧／電流変換部２３１〜２３４に送信し、半導体レーザダイオード２４１〜２４４に駆動電流を供給する。これにより、観察対象物体に、異なる波長の擬コヒーレント光束が順に照射され、各波長の擬コヒーレント光束による観察対象物体のホログラフィ像が得られる。
観察対象物体に照射された擬コヒーレント光束の干渉の態様は、光束の波長によって異なるため、上記のように波長の異なる４種類の擬コヒーレント光束を観察対象物体に照射すると、波長に応じて異なる４種類のホログラフィ像が得られ、イメージセンサ４によって４種類のホログラムデータが取得される。そして、制御部５の演算処理部５２が、イメージセンサ４で取得された４種類のホログラムデータから数値演算により位相情報を求め、観察対象物体の画像を再構成することにより、高い分解能の観察対象物体の画像を生成する。演算処理部５２により生成された観察画像は、表示部７に表示されるようになっている。
上述のように、本実施形態のホログラフィ観察装置１では培養プレート３上の細胞を観察する。使用者が入力部６を介して細胞の推定厚さ（一般に、数十から百μｍ程度）と培養プレート３の厚さ（一般に、約１ｍｍ程度）の値を入力すると、光源制御部５１は擬コヒーレント光束特性情報に基づいて、生成される擬コヒーレント光束の可干渉距離が観察対象物体（細胞）の厚さ（例えば、数十から百μｍ）よりも長く、光路上に存在する非観察対象物体（培養プレート３）の厚さ（例えば、約１ｍｍ）よりも短くなるように、交流信号の振幅及び周波数を決定する。なお、この周波数は、イメージセンサ４の信号読み出し周期よりも十分に高い周波数（例えば、イメージセンサ４の信号読み出し周波数の１０００倍の周波数）に設定される。なお、本実施形態では、光路上に存在する非観察対象物体が培養プレート３のみであるため、培養プレート３の厚さを入力するが、試料を収容する容器やガラス板などが光路上に存在する場合には、使用者はこれらの厚さも入力する。あるいは非観察対象物体のうち、最も薄い物体の厚さを入力する。なお、ここでは細胞と培養プレート３の厚さのみを入力する構成とするが、観察対象物体等が厚い場合には屈折率によって光学的距離が大きく変わるため、厚さに加えて屈折率も入力し、擬コヒーレント光束の可干渉距離が観察対象物体の光学的厚さ（物理的厚さと屈折率の積）よりも長く、非観察対象物体の光学的厚さよりも短くなるように構成することが好ましい。
このように、本実施形態のホログラフィ観察装置１においては、擬コヒーレント光束の可干渉距離が観察対象物体（細胞）の厚さ（例えば、数十から百μｍ）よりも長く、光路上に存在する非観察対象物体（培養プレート３）の厚さ（例えば、約１ｍｍ）よりも短くなるように交流信号の振幅及び周波数を決定するが、本実施形態においては、このようなコヒーレンス性の低い擬コヒーレント光束を得るために、各半導体レーザダイオード２４１〜２４４に戻り光が戻るように構成している。
（光源モジュール２４０の具体的構成）
図３は、本実施形態の光源部２の光源モジュール２４０の構成例を示す断面図である。図３に示すように、本実施形態の光源モジュール２４０は、互いに異なる波長の光を発する４つの半導体レーザダイオード２４１〜２４４と、各半導体レーザダイオード２４１〜２４４から出射された光を集光する集光レンズ２５１〜２５４と、各集光レンズ２５１〜２５４を通過した光を反射する反射ミラー２６１〜２６４（光学系）と、各反射ミラー２６１〜２６４で反射された光が入射し、該光を導光して培養プレート３上の細胞に向けて出射する光ファイバ２７０と、半導体レーザダイオード２４１〜２４４、集光レンズ２５１〜２５４及び反射ミラー２６１〜２６４を収容すると共に、光ファイバ２７０の基端部を支持する箱形のケース２００と、を備える。なお、図３に示すように、本実施形態においては、光ファイバ２７０の光軸Ｏｘと平行な方向をＸ軸方向、半導体レーザダイオード２４１〜２４４の光軸Ａｘ１〜Ａｘ４と平行な方向をＺ軸方向、Ｘ軸方向及びＺ軸方向と直交する方向をＹ軸方向として以下説明する。
半導体レーザダイオード２４１〜２４４は、互いに異なる波長（例えば、４００ｎｍ、５２０ｎｍ、７５０ｎｍ、８００ｎｍ）の光を発する発光素子であり、Ｘ軸方向に沿って所定の間隔をおいて、ケース２００内の底面に配置されている。各半導体レーザダイオード２４１〜２４４の電極は、電圧／電流変換部２３１〜２３４（図２）に電気的に接続されており、半導体レーザダイオード２４１〜２４４は、電圧／電流変換部２３１〜２３から供給される駆動電流に応じた所定の強度の光（図３中、実線の矢印で示す）を、光軸Ａｘ１〜Ａｘ４に沿って出射する。
集光レンズ２５１〜２５４は、各半導体レーザダイオード２４１〜２４４から出射された光を光ファイバ２７０の入射端面２７１に集光する光学素子であり、各集光レンズ２５１〜２５４の光軸が、半導体レーザダイオード２４１〜２４４の光軸Ａｘ１〜Ａｘ４と略一致するように、半導体レーザダイオード２４１〜２４４の光路中に配置される。なお、図３において、各集光レンズ２５１〜２５４は、両凸の１枚レンズとして示されているが、複数のレンズによって構成することもできる。
反射ミラー２６１〜２６４は、各集光レンズ２５１〜２５４を通過した光を、光ファイバ２７０の入射端面２７１に向けて反射すると共に、入射端面２７１で反射された反射光を集光レンズ２５１〜２５４及び半導体レーザダイオード２４１〜２４４に向けて反射する光学素子であり、本実施形態においては、対応する半導体レーザダイオード２４１〜２４４の光のみを反射するように構成された、平板状の反射型バンドパスフィルターミラーである。本実施形態の各反射ミラー２６１〜２６４は、入射面に入射する光を光ファイバ２７０の光軸Ｏｘに沿って（つまり、Ｘ軸方向に）反射する。また、各反射ミラー２６１〜２６４は、半導体レーザダイオード２４１〜２４４の光軸Ａｘ１〜Ａｘ４と光ファイバ２７０の光軸Ｏｘとの交点を通りＹ軸方向に延びる中心軸を中心に、回動可能に構成されており、不図示の角度調整機構（戻り光調整部）によって角度調整ができるようになっている。上述のように、本実施形態の各反射ミラー２６１〜２６４は、対応する半導体レーザダイオード２４１〜２４４の光のみを反射するように構成されているため、反射ミラー２６１によって反射された光（つまり、半導体レーザダイオード２４１の波長の光）は、反射ミラー２６２、２６３、２６４を通過し、光ファイバ２７０の入射端面２７１に入射する。また、反射ミラー２６２によって反射された光（つまり、半導体レーザダイオード２４２の波長の光）は、反射ミラー２６３、２６４を通過し、光ファイバ２７０の入射端面２７１に入射し、反射ミラー２６３によって反射された光（つまり、半導体レーザダイオード２４３の波長の光）は、反射ミラー２６４を通過し、光ファイバ２７０の入射端面２７１に入射し、反射ミラー２６４によって反射された光（つまり、半導体レーザダイオード２４４の波長の光）は、そのまま光ファイバ２７０の入射端面２７１に入射する。
図３に示すように、本実施形態の光ファイバ２７０の入射端面２７１は、その法線と光軸Ｏｘとが０ではない所定の角度θを成すように傾斜するテーパー面となっており、入射端面２７１に入射する光の一部を反射するように構成されている。すなわち、入射端面２７１に入射する光の一部は光軸Ｏｘに対して所定の角度θで反射され、該反射光を除く光が入射端面２７１から光ファイバ２７０内に入射して導光され、出射端面２７２から出射されるようになっている。入射端面２７１によって反射された反射光（図３中、一点鎖線の矢印で示す）のうち、半導体レーザダイオード２４４の波長の光は、反射ミラー２６４によって反射され、集光レンズ２５４を通って半導体レーザダイオード２４４に戻り光として入射する。また、入射端面２７１によって反射された反射光のうち、半導体レーザダイオード２４３の波長の光は、反射ミラー２６３によって反射され、集光レンズ２５３を通って半導体レーザダイオード２４３に戻り光として入射する。また、入射端面２７１によって反射された反射光のうち、半導体レーザダイオード２４２の波長の光は、反射ミラー２６２によって反射され、集光レンズ２５２を通って半導体レーザダイオード２４２に戻り光として入射する。また、入射端面２７１によって反射された反射光のうち、半導体レーザダイオード２４１の波長の光は、反射ミラー２６１によって反射され、集光レンズ２５１を通って半導体レーザダイオード２４１に戻り光として入射する。
このように、本実施形態においては、各半導体レーザダイオード２４１〜２４４から出射された光の一部が、各半導体レーザダイオード２４１〜２４４に戻る（つまり、戻り光を形成する）ように構成されている。シングルモードで発振する一般的な半導体レーザダイオード２４１〜２４４に対して、戻り光が形成される構成とすると、発光スペクトルが離散的に広がったものとなる。
図４は、本実施形態の半導体レーザダイオード２４１〜２４４から出射される光の発光スペクトルを説明するグラフであり、図４（ａ）は、戻り光がない場合の発光スペクトルを示し、図４（ｂ）は、戻り光がある場合の発光スペクトルを示し、図４（ｃ）は、戻り光があり、かつ低周波の交流成分を重畳した場合（詳細は後述）の発光スペクトルを示している。なお、図４（ａ）〜（ｃ）において、横軸は波長（ｎｍ）であり、縦軸は強度（ｍＷ）である。
図４（ｂ）に示すように、各半導体レーザダイオード２４１〜２４４から出射された光の一部が、各半導体レーザダイオード２４１〜２４４に戻る（つまり、戻り光を形成する）ように構成すると、そのスペクトルは、離散的に広がった様相を呈するようになる。このときのスペクトル幅は、戻り光の光量や各半導体レーザダイオード２４１〜２４４の特性によって変化する。そこで、本実施形態においては、各反射ミラー２６１〜２６４をＹ軸方向に延びる中心軸を中心に回動可能に構成し、角度調整機構によって各反射ミラー２６１〜２６４の回転角度を調整することで、各半導体レーザダイオード２４１〜２４４の光軸Ａｘ１〜Ａｘ４に対して戻り光の角度を変更し、これによって各半導体レーザダイオード２４１〜２４４の戻り光の光量を調整している。つまり、各反射ミラー２６１〜２６４の回転角度を調整することで、各半導体レーザダイオード２４１〜２４４の発光スペクトルが、図４（ｂ）に示すような形状となるように調整している。なお、光ファイバ２７０の入射端面２７１の角度θも戻り光の光量に影響するが、本実施形態においては、角度θを、３°〜７°の範囲とすることで、各半導体レーザダイオード２４１〜２４４から出射された光の１０〜９０％が各半導体レーザダイオード２４１〜２４４に向かって反射されるようになっている。なお、本実施形態においては、各反射ミラー２６１〜２６４の回転角度を調整するように構成しているが、別の実施形態としては、集光レンズ２５１〜２５４の回転角度を調整可能な構成とし、集光レンズ２５１〜２５４の回転角度を調整することで各半導体レーザダイオード２４１〜２４４の戻り光の光量を調整してもよい。また、半導体レーザダイオード２４１〜２４４の回転角度を調整可能な構成とし、半導体レーザダイオード２４１〜２４４の回転角度を調整することで（つまり、各反射ミラー２６１〜２６４に対する各半導体レーザダイオード２４１〜２４４の光軸Ａｘ１〜Ａｘ４の角度を変更することで）各半導体レーザダイオード２４１〜２４４の戻り光の光量を調整してもよい。
（可干渉距離の制御）
上述のように、本実施形態においては、交流信号生成部２６から各交流電圧生成部２２１〜２２４に送信する交流信号の周波数及び振幅により、各半導体レーザダイオード２４１〜２４４から発せられる擬コヒーレント光束の可干渉距離を制御している。具体的には、半導体レーザダイオード２４１〜２４４の駆動電流に重畳する交流信号の振幅が大きくするほど光束のスペクトル幅が広がり、コヒーレント性が低下して可干渉距離が短くなること、および５０ｋＨｚ〜３００ｋＨｚ程度の低周波数の交流信号を重畳すると発振スペクトルがブロード化されて光束のスペクトル幅が連続的に広がり、コヒーレント性が低下して可干渉距離が短くなることが知られていることから（引用文献１を参照）、このような特性を利用して、擬コヒーレント光束の可干渉距離を制御する。例えば、周波数：１００ｋＨｚの交流信号を重畳することで、スペクトル幅が連続的に広がり、図４（ｃ）に示す発光スペクトルが得られる。なお、上述したように、駆動電流に重畳する交流信号の周波数は、イメージセンサ４の信号読み出し周期よりも十分短い周期で半導体レーザ光を変調できる周波数（すなわち、イメージセンサ４の信号読み出し周波数よりも十分に高い周波数）であることが好ましく、イメージセンサ４の信号読み出し周波数の１０００倍程度であることが特に好ましい。例えば、一般的なイメージセンサの場合、信号読み出し周期は３３ｍｍ（読み出し周波数３０Ｈｚ）であるので、上述した５０ｋＨｚ〜３００ｋＨｚの低周波数の交流信号が好適である。
このように、本実施形態のホログラフィ観察装置１においては、半導体レーザダイオード２４１〜２４４に対して戻り光を形成すると共に、観察対象物体と光路上に位置する非観察対象物体の厚さ（及び屈折率）を勘案して所定の振幅及び周波数の交流電圧を生成し、直流電圧に重畳して半導体レーザダイオード２４１〜２４４を駆動することにより、所望の可干渉距離のレーザ光束（擬コヒーレント光束）を得ている。そして、上記のように波長の異なる４種類の擬コヒーレント光束を観察対象物体に照射することによって、波長に応じた４種類のホログラムデータが取得され、これらを基に観察対象物体の画像を再構成することにより、高い分解能の観察対象物体の画像を生成することができる。なお、本実施形態の光源モジュール２４０においては、従来のような光ファイバカプラを用いることなく、反射ミラー２６１〜２６４によって、半導体レーザダイオード２４１〜２４４の光を合波するため、光源モジュール２４０を従来と比較して格段に小型化することが可能となる。
以上が本実施形態の説明であるが、本発明は、上記の構成に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内において様々な変形が可能である。
例えば、本実施形態においては、反射ミラー２６１〜２６４は、各集光レンズ２５１〜２５４を通過した光を、光ファイバ２７０の入射端面２７１に向けて反射すると共に、入射端面２７１で反射された反射光を集光レンズ２５１〜２５４及び半導体レーザダイオード２４１〜２４４に向けて反射する光学素子であるとしたが、このような構成に限定されるものではない。各半導体レーザダイオード２４１〜２４４に戻り光を形成すればよく、例えば、各反射ミラー２６１〜２６４について、各集光レンズ２５１〜２５４を通過した光を、光ファイバ２７０の入射端面２７１に向けて反射するミラー（第１の光学素子）と、入射端面２７１で反射された反射光を集光レンズ２５１〜２５４及び半導体レーザダイオード２４１〜２４４に向けて反射するミラー（第２の光学素子）の２枚構成とすることもできる。
また、本実施形態においては、互いに波長の異なる４つの半導体レーザダイオード２４１〜２４４を使用して、波長に応じた４種類のホログラムデータを取得する構成としたが、ホログラムデータを基に観察対象物体の画像を再構成することができればよく、少なくとも３つの波長（例えば、４００ｎｍ、５２０ｎｍ、８００ｎｍ）の半導体レーザダイオードを使用して、３種類のホログラムデータを取得すればよい。
（光源モジュール２４０の第１の変形例）
図５は、本実施形態の光源部２の光源モジュール２４０の第１の変形例を示す断面図である。図５に示すように、本変形例の光源モジュール２４０ａは、本実施形態の光源モジュール２４０の集光レンズ２５１〜２５４及び反射ミラー２６１〜２６４に代えて、凹面ミラー２６１ａ〜２６４ａを有する点で、本実施形態の光源モジュール２４０と異なる。つまり、本変形例の光源モジュール２４０ａは、互いに異なる波長の光を発する４つの半導体レーザダイオード２４１〜２４４と、各半導体レーザダイオード２４１〜２４４からの光を反射する凹面ミラー２６１ａ〜２６４ａと、各凹面ミラー２６１ａ〜２６４ａで反射された光が入射し、該光を導光して培養プレート３上の細胞に向けて出射する光ファイバ２７０と、半導体レーザダイオード２４１〜２４４及び凹面ミラー２６１ａ〜２６４ａを収容すると共に、光ファイバ２７０の基端部を支持する箱形のケース２００と、を備えている。
凹面ミラー２６１ａ〜２６４ａは、各半導体レーザダイオード２４１〜２４４からの光を、光ファイバ２７０の入射端面２７１に向けて反射すると共に、入射端面２７１で反射された反射光を半導体レーザダイオード２４１〜２４４に向けて反射する光学素子であり、本変形例においては、対応する半導体レーザダイオード２４１〜２４４の光のみを反射するように構成された、凹面状（例えば、楕円又は放物面）のバンドパスフィルターミラーである。本変形例の各凹面ミラー２６１ａ〜２６４ａは、図５中、実線の矢印で示すように、入射面に入射する光を光ファイバ２７０の光軸Ｏｘに沿って（つまり、Ｘ軸方向に）反射する。また、各凹面ミラー２６１ａ〜２６４ａは、半導体レーザダイオード２４１〜２４４の光軸Ａｘ１〜Ａｘ４と光ファイバ２７０の光軸Ｏｘとの交点を通りＹ軸方向に延びる中心軸を中心に、回動可能に構成されており、不図示の角度調整機構（戻り光調整部）によって角度調整ができるようになっている。上述のように、本変形例の各凹面ミラー２６１ａ〜２６４ａは、対応する半導体レーザダイオード２４１〜２４４の光のみを反射するように構成されているため、凹面ミラー２６１ａによって反射された光（つまり、半導体レーザダイオード２４１の波長の光）は、凹面ミラー２６２ａ、２６３ａ、２６４ａを通過し、光ファイバ２７０の入射端面２７１に入射する。また、凹面ミラー２６２ａによって反射された光（つまり、半導体レーザダイオード２４２の波長の光）は、凹面ミラー２６３ａ、２６４ａを通過し、光ファイバ２７０の入射端面２７１に入射し、凹面ミラー２６３ａによって反射された光（つまり、半導体レーザダイオード２４３の波長の光）は、凹面ミラー２６４ａを通過し、光ファイバ２７０の入射端面２７１に入射し、凹面ミラー２６４ａによって反射された光（つまり、半導体レーザダイオード２４４の波長の光）は、そのまま光ファイバ２７０の入射端面２７１に入射する。
図５に示すように、本変形例においても本実施形態と同様、光ファイバ２７０の入射端面２７１は、その法線と光軸Ｏｘとが０ではない所定の角度θを成すように斜めに傾斜しており、入射端面２７１に入射する光の一部を反射するように構成されている。すなわち、入射端面２７１に入射する光の一部は光軸Ｏｘに対して所定の角度θで反射され、該反射光を除く光が入射端面２７１から光ファイバ２７０内に入射して導光され、出射端面２７２から出射されるようになっている。入射端面２７１によって反射された反射光（図５中、一点鎖線の矢印で示す）のうち、半導体レーザダイオード２４４の波長の光は、凹面ミラー２６４ａによって反射され、半導体レーザダイオード２４４に戻り光として入射する。また、入射端面２７１によって反射された反射光のうち、半導体レーザダイオード２４３の波長の光は、凹面ミラー２６３ａによって反射され、半導体レーザダイオード２４３に戻り光として入射する。また、入射端面２７１によって反射された反射光のうち、半導体レーザダイオード２４２の波長の光は、凹面ミラー２６２ａによって反射され、半導体レーザダイオード２４２に戻り光として入射する。また、入射端面２７１によって反射された反射光のうち、半導体レーザダイオード２４１の波長の光は、凹面ミラー２６１ａによって反射され、半導体レーザダイオード２４１に戻り光として入射する。
このように、本変形例においても本実施形態と同様、各半導体レーザダイオード２４１〜２４４から出射された光の一部が、各半導体レーザダイオード２４１〜２４４に戻る（つまり、戻り光を形成する）ように構成されており、各凹面ミラー２６１ａ〜２６４ａの回転角度を調整することで、各半導体レーザダイオード２４１〜２４４の戻り光の光量を調整している。従って、各半導体レーザダイオード２４１〜２４４の発光スペクトルは離散的に広がったものとなる。なお、本変形例においては、各凹面ミラー２６１ａ〜２６４ａの回転角度を調整するように構成しているが、別の変形例としては、半導体レーザダイオード２４１〜２４４の回転角度を調整する構成としてもよい。
（光源モジュール２４０の第２の変形例）
図６は、本実施形態の光源部２の光源モジュール２４０の第２の変形例を示す断面図である。図６に示すように、本変形例の光源モジュール２４０ｂは、本実施形態の光源モジュール２４０の反射ミラー２６４と光ファイバ２７０の入射端面２７１との間にダイクロイックミラーモジュールを有し、光ファイバ２７０の入射端面２７１が光軸Ｏｘに対して略垂直に形成されている点で、本実施形態の光源モジュール２４０と異なる。つまり、本変形例の光源モジュール２４０ｂは、互いに異なる波長の光を発する４つの半導体レーザダイオード２４１〜２４４と、各半導体レーザダイオード２４１〜２４４から出射された光を集光する集光レンズ２５１〜２５４と、各集光レンズ２５１〜２５４を通過した光を反射する反射ミラー２６１〜２６４と、各反射ミラー２６１〜２６４で反射された光が入射するダイクロイックミラーモジュール２８０と、ダイクロイックミラーモジュール２８０を通過した光が入射し、該光を導光して培養プレート３上の細胞に向けて出射する光ファイバ２７０と、半導体レーザダイオード２４１〜２４４、集光レンズ２５１〜２５４、反射ミラー２６１〜２６４、ダイクロイックミラーモジュール２８０を収容すると共に、光ファイバ２７０の基端部を支持する箱形のケース２００と、を備えている。なお、本変形例の各反射ミラー２６１〜２６４は、光軸Ｏｘに対して所定の角度で固定されており、本実施形態の反射ミラー２６１〜２６４のように回動することはない。
ダイクロイックミラーモジュール２８０は、各半導体レーザダイオード２４１〜２４４の波長に応じて透過率の異なる４つのダイクロイックミラー２８１〜２８４（図６において、ダイクロイックミラー２８３、２８４は不図示）が等角度間隔（例えば、９０°）で配置された円板状の部材であり、Ｘ軸方向に延びる回転軸Ｂｘを中心に回動可能に構成されている。そして、照明タイミング信号生成部２７によって選択される半導体レーザダイオード２４１〜２４４に応じて、ダイクロイックミラーモジュール２８０を回転させてダイクロイックミラー２８１〜２８４を切り換え、これによって各半導体レーザダイオード２４１〜２４４の戻り光の光量を制御している。つまり、照明タイミング信号生成部２７によって半導体レーザダイオード２４１が選択されて、半導体レーザダイオード２４１が発光する場合、光軸Ｏｘ上にダイクロイックミラー２８１が配置される。そして、反射ミラー２６１によって反射された光（つまり、半導体レーザダイオード２４１の波長の光）は、反射ミラー２６２、２６３、２６４、ダイクロイックミラー２８１を通過し、光ファイバ２７０の入射端面２７１に入射するようになっている。また、照明タイミング信号生成部２７によって半導体レーザダイオード２４２が選択されて、半導体レーザダイオード２４２が発光する場合、光軸Ｏｘ上にダイクロイックミラー２８２が配置される。そして、反射ミラー２６２によって反射された光（つまり、半導体レーザダイオード２４２の波長の光）は、反射ミラー２６３、２６４、ダイクロイックミラー２８２を通過し、光ファイバ２７０の入射端面２７１に入射するようになっている。また、照明タイミング信号生成部２７によって半導体レーザダイオード２４３が選択されて、半導体レーザダイオード２４３が発光する場合、光軸Ｏｘ上にダイクロイックミラー２８３が配置される。そして、反射ミラー２６３によって反射された光（つまり、半導体レーザダイオード２４３の波長の光）は、反射ミラー２６４、ダイクロイックミラー２８３を通過し、光ファイバ２７０の入射端面２７１に入射するようになっている。また、照明タイミング信号生成部２７によって半導体レーザダイオード２４４が選択されて、半導体レーザダイオード２４４が発光する場合、光軸Ｏｘ上にダイクロイックミラー２８４が配置される。そして、反射ミラー２６４によって反射された光（つまり、半導体レーザダイオード２４４の波長の光）は、ダイクロイックミラー２８４を通過し、光ファイバ２７０の入射端面２７１に入射するようになっている。
図６に示すように、本変形例においては、光ファイバ２７０の入射端面２７１は、光軸Ｏｘに対して略垂直に形成されており、入射端面２７１に入射する光の一部を反射するように構成されている。すなわち、入射端面２７１に入射する光の一部は光軸Ｏｘに対して垂直な方向（つまり、Ｘ軸方向と相反する方向）に反射され、該反射光を除く光が入射端面２７１から光ファイバ２７０内に入射して導光され、出射端面２７２から出射されるようになっている。入射端面２７１によって反射された反射光（図５中、一点鎖線の矢印で示す）のうち、半導体レーザダイオード２４４の波長の光は、ダイクロイックミラー２８４を通り、反射ミラー２６４によって反射され、半導体レーザダイオード２４４に戻り光として入射する。また、入射端面２７１によって反射された反射光のうち、半導体レーザダイオード２４３の波長の光は、ダイクロイックミラー２８３を通り、反射ミラー２６３によって反射され、半導体レーザダイオード２４３に戻り光として入射する。また、入射端面２７１によって反射された反射光のうち、半導体レーザダイオード２４２の波長の光は、ダイクロイックミラー２８２を通り、反射ミラー２６２によって反射され、半導体レーザダイオード２４２に戻り光として入射する。また、入射端面２７１によって反射された反射光のうち、半導体レーザダイオード２４１の波長の光は、ダイクロイックミラー２８１を通り、反射ミラー２６１によって反射され、半導体レーザダイオード２４１に戻り光として入射する。
このように、本変形例も本実施形態と同様、各半導体レーザダイオード２４１〜２４４から出射された光の一部が、各半導体レーザダイオード２４１〜２４４に戻る（つまり、戻り光を形成する）ように構成されており、各半導体レーザダイオード２４１〜２４４の波長に応じて透過率の異なる４つのダイクロイックミラー２８１〜２８４を、戻り光の光路中に切り替え可能に配置することによって、半導体レーザダイオード２４１〜２４４の戻り光の光量が切り替えられるようになっている。つまり、ダイクロイックミラー２８１〜２８４を切り替えることによって、各半導体レーザダイオード２４１〜２４４の戻り光の光量が最適なものとなるように（つまり、発光スペクトルが離散的に広がったものとなるとなるように）調整される。
なお、今回開示された実施の形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
１ ホログラフィ観察装置
２ 光源部
３ 培養プレート
４ イメージセンサ
５ 制御部
６ 入力部
７ 表示部
２５ 直流信号生成部
２６ 交流信号生成部
２７ 照明タイミング信号生成部
５０ 記憶部
５１ 光源制御部
５２ 演算処理部
２００ ケース
２０１、２０２、２０３、２０４ 駆動電流供給部
２１１、２１２、２１３、２１４ 直流電圧生成部
２２１、２２２、２２３、２２４ 交流電圧生成部
２３１、２３２、２３３、２３４ 電圧／電流変換部
２４０、２４０ａ、２４０ｂ 光源モジュール
２４１、２４２、２４３、２４４ 半導体レーザダイオード
２５１、２５２、２５３、２５４ 集光レンズ
２６１、２６２、２６３、２６４ 反射ミラー
２６１ａ、２６２ａ、２６３ａ、２６４ａ 凹面ミラー
２７０ 光ファイバ
２７１ 入射端面
２７２ 出射端面
２８０ ダイクロイックミラーモジュール
２８１、２８２、２８３、２８４ ダイクロイックミラー

Claims (12)

  1. 光ファイバに接続され、該光ファイバから光を出射する光源装置であって、
    波長の異なる光をそれぞれ出射する複数のレーザ光源と、
    前記各レーザ光源に、交流成分を重畳した駆動電流を供給する電流源と、
    前記電流源を制御して、前記複数のレーザ光源を選択的に切り替える光源制御部と、
    前記各レーザ光源の光路中に配置され、該各レーザ光源からの光を前記光ファイバの入射端に向けて反射すると共に、該入射端で反射される戻り光を前記各レーザ光源に向けて反射する複数の光学系と、
    前記光ファイバから出射される光のスペクトルが連続的に広がるように、前記戻り光の光量を調整する戻り光調整部と、
    を備えることを特徴とする光源装置。
  2. 前記各光学系は、前記各光学系から前記光ファイバの入射端に向かう光の光路中心が、前記光ファイバの光軸と略一致するように、前記光ファイバの光軸に沿って配置されることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
  3. 前記戻り光調整部は、前記各レーザ光源の光軸に対して前記戻り光の角度を変更することによって前記戻り光の光量を調整することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光源装置。
  4. 前記戻り光調整部は、前記各光学系に対する前記各レーザ光源の光軸の角度を変更することによって前記戻り光の光量を調整することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の光源装置。
  5. 前記戻り光調整部は、前記各レーザ光源の波長に対応し、透過率が前記戻り光の光量に基づいて設定された複数のダイクロイックミラーを有し、前記光源制御部によって選択されたレーザ光源に基づいて、該レーザ光源に対応するダイクロイックミラーを前記複数の光学素子と前記光ファイバの入射端との間に配置することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光源装置。
  6. 前記各レーザ光源と前記各光学素子の間にそれぞれ配置され、前記各レーザ光源からの光を集光する複数の集光レンズをさらに備え、
    前記戻り光調整部は、前記各レーザ光源の光軸に対する前記各集光レンズの角度を変更することによって前記戻り光の光量を調整する
    ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の光源装置。
  7. 前記各光学系は、平面の反射面を有し、各光学系に対応するレーザ光源からの光を反射すると共に、他のレーザ光源からの光を透過させる反射型バンドパスフィルタであることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の光源装置。
  8. 前記各光学系は、楕円又は放物面の反射面を有し、各光学系に対応するレーザ光源からの光を反射すると共に、他のレーザ光源からの光を透過させる反射型バンドパスフィルタであることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の光源装置。
  9. 前記交流成分の周波数が、５０ｋＨｚ〜３００ｋＨｚであることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の光源装置。
  10. 前記光ファイバの入射端が、前記光ファイバの光軸に対して３°〜７°傾斜するテーパー面になっていることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の光源装置。
  11. 前記各光学系が、前記各レーザ光源の光路中に配置され、該各レーザ光源からの光を前記光ファイバの入射端に向けて反射する第１の光学素子と、前記光ファイバの入射端で反射される戻り光を前記各レーザ光源に向けて反射する第２の光学素子を有することを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の光源装置。
  12. 請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載の光源装置と、
    前記光ファイバから出射される光を観察対象物体に透過又は反射させ、該観察対象物体の異なる位置で透過又は反射した光を干渉させる照明光学系と、
    前記観察対象物体を透過又は反射した光の干渉像を取得するイメージセンサと、
    を備えることを特徴とするホログラフィ観察装置。
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