JP3986137B2 - レーザ照明装置及びそれを用いた光学装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光源を用いて所定の領域を照明する照明装置及びそれを用いた光学装置に関するものであって、特にレーザのコヒーレンスの高さによって発生するスペックルノイズを除去できるようにした照明装置及びそれを用いた光学装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ照明顕微鏡，ホログラフィー，リゾグラフィー，干渉計等には、レーザを光源として所定の領域を照明する照明装置が用いられている。このような照明装置においては、レーザのコヒーレンシーの良さによって散乱光の干渉が起こり、所謂スペックルノイズが発生する。そして、このスペックルノイズは、照明むらの原因となるばかりでなく、画像取得装置においては画質を著しく低下させる要因となる。そのため、上記のような各種の装置の照明光源にレーザを用いる場合には、このスペックルノイズを除去する必要がある。
【０００３】
上述のように、スペックルノイズはレーザ光源のコヒーレンスが高いことによって生じるものであるから、スペックルノイズを除去するためには、光源の時間的又は空間的コヒーレンスを低下させる必要がある。しかし、一般的には、時間的コヒーレンスを低下させるのは困難であるため、通常は、空間的コヒーレンスを低下させる方法が用いられている。そこで、空間的コヒーレンスを低下させるために用いられている代表的な従来の三つの方法を説明する。
【０００４】
先ず、第１の方法は、レーザ光源からの光を点光源として集光し、それを走査することによって擬似的に空間的コヒーレンスを低下させ、スペックルノイズを減少させる方法である。また、第２の方法は、主に画像を取得する光学系に用いられている方法であって、或る領域全体を一度に照射しておいて、多数枚の画像を一度に又は時系列に取り込み、それらを積算又は平均化することによって、像としてはスペックルノイズによる影響が目立たないようにする方法である。
【０００５】
更に、第３の方法は、レーザ光源からの光が入射するバンドルファイバを、そのバンドルファイバを構成している任意の２本のファイバの長さの差が、レーザ光源の空気中でのコヒーレンス長をファイバのコアの屈折率で割った値よりも大きいバンドルファイバとすることによって、レーザ光源からの光を、バンドルファイバの射出端面では互いにインコヒーレントな或る大きさを持った複数の光源の集まりとし、結果的に空間的コヒーレンスを低下させ、スペックルノイズを少なくする方法である。尚、この第３の方法は、特開平６−１６７６４０号公報に開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の三つの方法は、いずれも問題点を有している。即ち、第１の方法の場合には、点光源の走査が必要であるため、所定の領域を照明するのにかなりの時間を要してしまい、また、ビームを正確に走査できるようにするためには、構成が極めて複雑になってしまうという問題がある。
【０００７】
また、第２の方法において、時系列に複数枚の画像を取り込み、それらを処理してスペックルノイズを減少させるようにする場合は、やはり最終的な画像を得るのにかなりの時間が掛かってしまう。また、多数枚の画像を一度に取得するようにした場合には、実時間で画像を取得することができるが、拡散板やメッシュスクリーン等の光源分散素子を高速で回転させたり、振動させたりする必要があるため、高速回転や振動を行わせるための複雑な駆動機構が必要になるし、また、光源分散素子による光量ロス（エネルギー損失）が大きい等の問題がある。しかも、この方法は、短パルスレーザを用いて瞬間的に照明し、その瞬間の像を取得するものには適用することができない。
【０００８】
更に、第３の方法の場合には、上記した第１の方法及び第２の方法における問題点は解決しているものの、高精度に一様な照明を必要とする光学装置や、光学系の分解能レベルの解像力を必要とする光学装置に適用した場合には、充分にスペックルノイズを取りきれているとは言えない。また、上記した特開平６−１６７６４０号公報には、短パルスレーザを用いて瞬間的に照明し、像を取得する場合についての記載が全くない。
【０００９】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、複雑且つ高精度な走査系や駆動機構等を必要とせず、また、光量ロスが少なく、更には、実時間での画像取得や短パルスレーザを用いた瞬間的な照明を行う場合でも充分にスペックルノイズを除去できるようにしたレーザ照明装置及びそれを用いた光学装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明のレーザ照明装置は、レーザ光源と、該レーザ光源からの光束の位相をランダムに乱す手段と、該位相をランダムに乱す手段からの光束が入射するバンドルファイバとを備えており、前記レーザ光源は、パルス発振のレーザ光源又は連続発振のレーザをシャッタ等でパルス状にできるレーザ光源であり、前記バンドルファイバは、該バンドルファイバを構成している任意の２本のファイバの長さの差が前記レーザ光源の空気中でのコヒーレンス長をファイバのコアの屈折率で割った値よりも大きくなるようにする。
また、本発明のレーザ照明装置においては、好ましくは、前記位相をランダムに乱す手段を、フェイズランダマイザにする。
また、本発明のレーザ照明装置においては、好ましくは、前記位相をランダムに乱す手段を、大口径ファイバにする。
また、本発明のレーザ照明装置においては、好ましくは、前記レーザ光源のパルス幅をτ、大口径ファイバでのパルスの拡がりをΔτ1、バンドルファイバ１本でのパルスの拡がりをΔτ2、バンドルファイバ全体でのパルスの拡がりをΔτ3、照明時間をＴ（＜＜１sec）としたとき、下記の条件式を満足するようにしたことを特徴とする。
τ＋Δτ1＋Δτ2＋Δτ3＜Ｔ
但し、
Δτ1：｛Ｌ1×ｎ1×（１／cosθ1−１）｝／ｃ
Δτ2：｛Ｌ2×ｎ2×（１／cosθ2−１）｝／ｃ
Δτ3：（ｍ×ΔＬ×ｎ2）／ｃ
θ1：arcsin（ＮＡ1／ｎ1）；大口径ファイバのコア中での最大光線角
θ2：arcsin（ＮＡ2／ｎ2）；バンドルファイバのコア中での最大光線角
NA1：大口径ファイバの開口数
NA2：バンドルファイバの開口数
Ｌ1：大口径ファイバの長さ
Ｌ2：バンドルファイバの長さ
ｎ1：大口径ファイバのコアの屈折率
ｎ2：バンドルファイバのコアの屈折率
ｍ：バンドルファイバの本数
ｃ：空気中での光の速度
ΔＬ：バンドルファイバの各ファイバに付加していく一定の長さであり、レーザ光 源の空気中でのコヒーレンス長Ｌｃをコアの屈折率で割った値よりも大きなも の。
また、本発明のレーザ照明装置においては、好ましくは、前記レーザ光源からの光束の位相をランダムに乱す手段と、前記バンドルファイバとが密着されていること又はそれらの間が伝搬光学系でビームリレーされていることを特徴とする。
また、本発明のレーザ照明装置においては、好ましくは、前記バンドルファイバと照明する物体との間に照明光学系（ビーム伝搬光学系）を有する場合、前記バンドルファイバの射出端面が、該照明光学系の瞳位置に投影され、その瞳面におけるバンドル本数ｍが、下記の条件式を満足するようにしたことを特徴とする。
２０＜ｍ＜２００
また、本発明の光学装置においては、好ましくは、上記何れかのレーザ照明装置を用い、照明された物体の像を取得するための結像光学系及び画像取得／表示機構を有することを特徴とする。
また、本発明の光学装置においては、好ましくは、上記何れかのレーザ照明装置を用い、画像取得機構で取得された画像又は１パルスの照明のみにより得られた画像を、複数枚平均化処理又は積算処理をして１枚の画像として表示する機構を有することを特徴とする。
更に、本発明の光学装置においては、好ましくは、上記何れかのレーザ照明装置を用い、前記レーザ光源からの光束の位相をランダムに乱す手段又は前記バンドルファイバに振動等を与える機構を有することを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明のレーザ照明装置は、レーザ光源と、該レーザ光源からの光束の位相をランダムに乱す手段と、バンドルファイバとで構成されている。従来はバンドルファイバだけを用いていたが、本発明は、更に、該レーザ光源からの光束の位相をランダムに乱す手段を配置したことによって、従来の場合よりも、レーザ光源の空間的コヒーレンスをより低下させ、スペックルノイズを一段と低減させることを可能にしている。
【００１２】
また、上記の構成において、各素子を、レーザ光源、該レーザ光源からの光束の位相をランダムに乱す手段、バンドルファイバの順に配列すると、予め位相をランダムに乱した光束をバンドルファイバに入射させることになるので、該レーザ光源からの光束の位相をランダムに乱す手段を、バンドルファイバの後段に配置した場合に比較して、レーザ光源の空間的コヒーレンスを低下させ、スペックルノイズをより低減させることが可能になる。
また、レーザ光源と、該レーザ光源からの光束の位相をランダムに乱す手段との間にビーム伝搬光学系を配置すると、レーザ光源からの光束を、効率よく且つ後段の素子にとって最適な状態で、該レーザ光源からの光束の位相をランダムに乱す手段に導入することが可能になる。
【００１３】
また、該レーザ光源からの光束の位相をランダムに乱す手段と、バンドルファイバとを密着させるか、それらの間を伝搬光学系でビームリレーさせると、該レーザ光源からの光束の位相をランダムに乱す手段とバンドルファイバの間のビーム伝搬に伴う光量ロスが最小限に抑えられ、また、該レーザ光源からの光束の位相をランダムに乱す手段の後段にバンドルファイバを配置した場合には、バンドルファイバに最適な状態でビームを入射させることが可能になる。
【００１４】
また、該レーザ光源からの光束の位相をランダムに乱す手段を、大口径ファイバ、拡散板、メッシュスクリーン、回折光学素子、フェイズランダマイザ、ライトチューブの何れかで構成するか、それらを任意に組み合わせたもので構成した場合には、それらの素子の長所，短所を勘案して、各種の仕様や用途に対応した最適な照明装置を得ることが可能になる。
また、バンドルファイバを構成している任意の２本のファイバの長さの差が、該レーザ光源の空気中でのコヒーレンス長を、ファイバのコアの屈折率で割った値よりも大きくなるように構成すると、バンドルファイバの各ファイバからの射出光は互いにインコンヒレートとなって干渉しないため、スペックルノイズを大幅に低減させることが可能になる。
【００１５】
また、レーザ光源を、パルス発振のレーザ光源か、連続発振のレーザをシャッタ等でパルス状にできる光源にすると、パルス幅に応じた瞬間的な照明が可能になる。
また、その場合、レーザ光源のパルス幅をτとし、該レーザ光源からの光束の位相をランダムに乱す手段とバンドルファイバによるパルス幅の拡がりをΔτとし、照明時間をＴ（＜＜１ｓｅｃ）として、下記の条件式（１）を満足できるようにすると、それ以上にビームの照射時間が長くならないように、コヒーレンス低下光学系に、条件付け（構成やファイバの長さ等）をすることが可能になる。仮に、上限のＴを越えるようなパルス幅の拡がりΔτをコヒーレンス低下光学系で発生させてしまうと、本来照明したい時間を越えることになり、所望の瞬間的な照明が実際上不可能となってしまう。
条件式（１） τ＋Δτ＜Ｔ
【００１６】
また、上記のようにパルス出力のレーザ光源を用い、且つ該レーザ光源からの光束の位相をランダムに乱す手段が、大口径ファイバである場合においては、レーザ光源のパルス幅をτ、大口径ファイバでのパルスの拡がりをΔτ1 、バンドルファイバ１本でのパルスの拡がりをΔτ2 、バンドルファイバ全体でのパルスの拡がりをΔτ3 、照明時間をＴ (＜＜1sec) としたとき、下記の条件式（２）を満足するようにすると、所期の効果を得ることができる。もし、上限のＴを越えるようなパルスの拡がりを与えてしまう長さや本数を有するファイバを用いると、本来照明したい時間を越えることになり、所望の瞬間的な照明が実際上不可能となってしまう。
条件式（２） τ＋Δτ1 ＋Δτ2 ＋Δτ3 ＜Ｔ
但し、
Δτ1:｛L1×n1×(1/cosθ1-1)｝/c
Δτ2:｛L2×n2×(1/cosθ2-1)｝/c
Δτ3: ( m×ΔL ×n2) /c
θ1 : arcsin(NA1/n1) ; 大口径ファイバのコア中での最大光線角
θ2 : arcsin(NA2/n2) ; バンドルファイバのコア中での最大光線角
NA1 :大口径ファイバの開口数
NA2 :バンドルファイバの開口数
L1 :大口径ファイバの長さ
L2 :バンドルファイバの長さ
n1 :大口径ファイバのコアの屈折率
n2 :バンドルファイバのコアの屈折率
m :バンドルファイバの本数
c :空気中での光の速度
ΔL :バンドルファイバの各ファイバに付加していく一定の長さであり、レーザ光源の空気中でのコヒーレンス長Lcをコアの屈折率で割った値よりも大きなもの。
【００１７】
ここで、上記の条件式に用いられている数式を、図１によって説明しておく。ファイバの開口数 NA(=sinθ) は、そのファイバのコア中を伝搬していく最大光線角θn によって決まる。スネルの法則により、コアの屈折率をｎとすると、 sinθ= n × sinθn が成立し、これによりθn = ａrcsin(NA/n) となる。ファイバによるパルスの拡がりは、コア中を直進する光線ｒ1 と、角度θn で全反射を繰り返して伝搬する光線ｒ2 の光路長差をコア中の光速ｃ／ｎで割ったものとなり、これから上記のΔτ1 ，Δτ2 を求めることができる。また、バンドルファイバ全体でのパルスの拡がりは、その構成ファイバのうち最短のものと最長のものとの長さの差（ここではバンドルファイバのバンドル本数ｍ×ΔＬ）を、コア内の光速で割ったものとなり、これから上記のΔτ3 を求めることができる。
【００１８】
また、本発明の構成において、バンドルファイバと照明する物体との間に照明光学系（ビーム伝搬光学系）を配置した場合には、バンドルファイバの射出端面が該照明光学系の瞳位置に投影され、その瞳面におけるバンドル本数ｍが、下記の条件式（３）を満足するようにすると、バンドルファイバからの射出光束を効率よく光学系に導入することができ、また、瞳の中でお互いにインコンヒレートな光源が数多く存在し、スペックルノイズが低減される。
条件式（３） ２０＜ｍ＜２００
【００１９】
その場合、下限の２０を下回ると、瞳の中のバンドル本数が少なすぎ、充分にスペックルノイズが低減されない。また、上限の２００を上回るものは、実際の製作が極めて困難になり、且つバンドル径が大きくなり過ぎる等の問題が発生する。スペックルノイズの低減効果は瞳の中のバンドル本数の平方根にほぼ比例することが一般に知られており、バンドル本数が多ければ多いほど低減されるが、あまりバンドル本数の多いものは、上記の問題点以外にもパルスの拡がりという点で問題となる。即ち、瞬間的な照明に際しては、その他の要因によるパルスの拡がりが既知であり、必要な瞬間照射時間Ｔが決まっていれば、上記の条件式（２）から自ずとバンドル本数ｍの上限が決まってくるのである。
【００２０】
また、本発明の照明装置に関連して、照明された物体の像を取得するための結像光学系及び画像取得／表示機構を備えると、スペックルノイズの除去された照明装置による高画質の画像を得ることができる。
また、その場合、画像取得機構で取得された画像又は１パルスの照明のみにより得られた画像を、複数枚平均化処理又は積算処理をして、１枚の画像として表示する機構を備えると、たとえパルスの拡がりや製作上の問題からスペックルノイズを充分に低減できていない照明装置を用いても、最終的な画像としてはスペックルノイズが充分に除去されたものとなる。
【００２１】
また、本発明の照明装置に関連して、前記レーザ光源からの光束の位相をランダムに乱す手段又は前記バンドルファイバに振動等を与える機構を備えると、パルスの拡がりや製作上の問題から、静止光学系ではスペックルノイズを充分に低減できていなくても、積算又は平均化して見れば、スペックルノイズが充分に除去されたものとなる。
【００２２】
【実施例】
以下、四つの実施例を、夫々の図面を用いて説明する。
〔第１実施例〕
先ず、図２を用いて、本発明の第１実施例を説明する。レーザ光源１から発せられた単体コヒーレント光の光束は、ビーム伝搬光学系２を介して、光束の位相をランダムに乱す手段３に入射される。光束の位相をランダムに乱す手段３によって位相を乱された光束は、伝搬光学系４によってバンドルファイバ５にビームリレーされる。
【００２３】
このバンドルファイバ５は、それを構成するファイバの任意の２本の長さの差が、レーザ光源１の空気中でのコヒーレンス長(Lc)を、ファイバのコアの屈折率で割った値よりも大きいものである。それにより、各ファイバから射出するビームは、お互いにインコヒーレントとなって干渉しないため、スペックルノイズが生じない。夫々のファイバから射出するビームは或る程度コヒーレントであるから、多少のスペックルノイズは生じてしまうが、そのパターンは各ファイバごとに異なり、それらが照野（照明範囲）６上で重ね合わされて、スペックルノイズが平均化されてしまうため、最終的には、照野６におけるスペックルノイズは、はぼ完全に除去される。
【００２４】
〔第２実施例〕
次に、図３及び図４を用い、第１実施例を基本構成として、より具体化された第２実施例を説明する。本実施例においては、レーザ光源１として連続発振の光源を用い、第１実施例における、光束の位相をランダムに乱す手段３として、フェイズランダマイザ７を用いたものであり、その他の構成は第１実施例の場合と同じである。また、本実施例に用いられているフェイズランダマイザ７とは、図４の模式図に示すように、平行平面板を入射ビーム径に対して充分に細分化し、ランダムな分割領域に、ランダムな位相を付加した素子である。その場合、付加される位相が一定で且つ規則的に付いていると、位相格子になってしまうが、完全にランダムである場合には、マクロ的に見れば、入射したレーザはランダムな位相分布を付加されて直進すると考えてよい。
【００２５】
このようなフェイズランダマイザ７に対し、レーザ光源１からの光束を、ビーム伝搬光学系２でコリメートし、平行光束にして入射させる。そして、フェイズランダマイザ７で位相をランダムに乱された光束は、マクロ的にはそのまま直進し、伝搬光学系４を介してバンドルファイバ５にビームリレーされる。このバンドルファイバ５のバンドル本数は１００本である。本実施例においては、レーザは連続発振であり、パルスの拡がりを考慮する必要がないから、本数は多いほど良いわけであるが、製作上の観点から１００本にしてある。それにより、照野６は、１００個のインコヒーレントな有限の大きさを持つ光源からの光で照射され、ほぼ完全にスペックルノイズの除去されたものとなる。
【００２６】
〔第３実施例〕
次に、図５を用いて、第３実施例を説明する。この図５は、透過型のレーザ照明顕微鏡の光学系を示している。レーザ光源１から発せられるレーザ光は、ＹＡＧレーザの２倍波(532nm) 、パルス発振（パルス幅5nsec)、空気中でのコヒーレント長Lcが10mmのものとする。また、第１実施例における位相をランダムに乱す手段３としては、大口径ファイバ８を用いており、その開口数 NA1，長さL1，コアの屈折率n1は、夫々、0.22，1m，1.46である。更に、バンドルファイバ５の本数 m，開口数 NA2，長さL2，コアの屈折率n2は、夫々、100, 0.2, 1.2m (最長のもの), 1.46 とし、また、各ファイバに付加する長さΔL は 7mm(>10/1.46)で一定とする。
【００２７】
レーザ光源１から発せられた単色コヒーレント光は、ビーム伝搬光学系２を介して大口径ファイバ８に入射される。そして、大口径ファイバ８で位相を乱されたビームは、密着されているバンドルファイバ５に入射される。尚、大口径ファイバ８とバンドルファイバ５の密着は、単に密着させるだけでもよいが、両者間にオイル等を介在させた油浸密着の方が好適である。バンドルファイバ５から射出されたビームは、スペックルノイズが除去された状態で、照明光学系９を介して、標本（照野）６を一様に照射する。このとき、バンドルファイバ５の射出端面が、照明光学系９の瞳位置にその径を合わせて投影されていることは言うまでもない。標本６を透過した光は、対物レンズ１０によって結像され、その結像された像は、その結像位置に配置された像検出器１１（ＣＣＤ等）によって電気信号に変換され、図示していない制御装置を介してテレビモニタ上に表示されることになる。
【００２８】
本実施例は、動きの速い標本を観察することを目的とするものであるため、そのことについて説明をしておく。そこで、標本が、非常に動きの速い細胞内物質であって、それを、ほぼ静止した状態で捉えるためには、ビームの照射時間Ｔが10nsec以下でなければならないとする。このとき、各ファイバでのパルスの拡がりを上記の条件式（２）によって計算すると次のようになる。
コア中での最大光線角θ1 ＝ arcsin(NA1/n1) ＝ 8.67 (degree)
コア中での最大光線角θ2 ＝ arcsin(NA2/n2) ＝ 7.86 (degree)
パルスの拡がりΔτ1 ＝｛L1×n1×(1/cosθ1-1)｝/c＝ 0.056 (nsec)
パルスの拡がりΔτ2 ＝｛L2×n2×(1/cosθ2-1)｝/c＝ 0.055 (nsec)
パルスの拡がりΔτ3 ＝ ( m×ΔL ×n2) /c＝ 3.407(nsec)
これにより、τ＋Δτ1 ＋Δτ2 ＋Δτ3 ＝ 5 + 0.056 + 0.055 + 3.407＝ 8.518 (nsec) となり、照射時間Ｔが10nsec以下という条件を満たしている。また、条件式（１），（３）の条件も明らかに満足している。尚、生きた細胞の速い動きを見るのであるから染色等は通常行えず、単なる透過照明では像として観察することができないため、実際に観察する場合には、位相差観察，微分干渉観察，偏光観察等を行うことになることは言うまでもない。
【００２９】
〔第４実施例〕
最後に、図６及び図７を用いて、第４実施例を説明する。図６は、落射型のレーザ照明蛍光顕微鏡でライフタイムイメージングを行う場合を示したものである。そこで、先ず、ライフタイムイメージングに関し、図７を用いて簡単に説明をする。尚、図７（ａ）は蛍光のライフタイムを表す図であり、図７（ｂ）は蛍光像を捉えるためのタイミングを示す図である。
【００３０】
蛍光色素は、その種類によって寿命（励起光を照射し、その照明を止めてからも蛍光を発している時間）が異なっている。そこで、パルスレーザのようなパルス光源を用いて、標本を極めて短い時間だけ照射し、その後の蛍光発光を経時的に測定又はイメージングすることにより、蛍光色素を同定することが可能であり、蛍光色素を同定することによって、その色素が結合している細胞内の物質等の同定も可能となる。また、一般に、細胞自身や硝材から発する自家蛍光は、蛍光色素の蛍光の寿命よりも短いため、パルス照射後、或る一定のタイムラグをおいて蛍光像を捉える（実際には図７（ｂ）に示すようにタイムゲートをかける）ことにより、自家蛍光の除去されたピュアな蛍光像を得ることが可能になる。これは、硝材等による自家蛍光が大きい紫外励起時に特に有効である。
【００３１】
さて、そこで、本実施例において、レーザ光源１から発せられるレーザ光は、ＹＡＧレーザの３倍波(354.7nm) 、パルス発振（パルス幅0.2nsec)、空気中でのコヒーレント長Lcが1.4mm のものとする。また、第１実施例における位相をランダムに乱す手段３としては、第３実施例と同様に大口径ファイバ８を用いており、その開口数 NA1，長さL1，コアの屈折率n1は、夫々、0.22，1m，1.48である。更に、バンドルファイバ５の本数 m，開口数 NA2，長さL2，コアの屈折率n2は、夫々、50, 0.2, 0.55m (最長のもの), 1.48 とし、また、各ファイバに付加する長さΔL は1mm(>1.4/1.48)で一定とする。
【００３２】
レーザ光源１から発せられた単色コヒーレント光は、ビーム伝搬光学系２を介して大口径ファイバ８に入射される。そして、大口径ファイバ８で位相を乱されたビームは、密着されたバンドルファイバ５に入射される。尚、大口径ファイバ８とバンドルファイバ５の密着については、第３実施例の説明で述べた通りである。バンドルファイバ５から射出されたビームは、照明光学系９でコリメートされ、354.7nm の波長を反射し、380nm 以上の波長を透過するダイクロイックミラー１２で反射され、対物レンズ１０を介して、スペックルノイズが除去された状態で、標本（照野）６を一様に照明する。このとき、バンドルファイバ５の射出端面が、照明光学系９により、対物レンズ１０の瞳位置にその径を合わせて投影されていることは言うまでもない。
【００３３】
標本６からの蛍光は、光路を逆進し、上記のダイクロイックミラー１２を透過して、結像レンズ１３で結像される。そして、結像された蛍光像は、その結像位置に配置された像検出器１１（ＣＣＤ等）によって電気信号に変換された後、図示していない制御装置を介してテレビモニタ上に表示されることになる。
【００３４】
一般に、硝材等による自家蛍光の寿命は、サブナノ秒であり、蛍光色素の寿命は１nsecから数十nsec程度であるため、標本を照明する時間は、0.7nsec 以下であることが必要になる。そこで、その場合における各ファイバでのパルスの拡がりを上記の条件式（２）によって計算すると次のようになる。
コア中での最大光線角θ1 ＝ arcsin(NA1/n1) ＝ 8.55 (degree)
コア中での最大光線角θ2 ＝ arcsin(NA2/n2) ＝ 7.77 (degree)
パルスの拡がりΔτ1 ＝｛L1×n1×(1/cosθ1-1)｝/c＝ 0.055 (nsec)
パルスの拡がりΔτ2 ＝｛L2×n2×(1/cosθ2-1)｝/c＝ 0.025 (nsec)
パルスの拡がりΔτ3 ＝ ( m×ΔL ×n2) /c＝ 0.247(nsec)
これにより、τ＋Δτ1 ＋Δτ2 ＋Δτ3 ＝ 0.2 + 0.055 + 0.025 + 0.0247 ＝ 0.527 (nsec) となり、照射時間Ｔが 0.7nsec以下という条件を満たしている。また、条件式（１），（３）の条件も明らかに満足している。
【００３５】
以上、四つの実施例について説明したが、いずれの実施例も上記した構成のみに限定されるものではなく、様々な組合せで構成できることは言うまでもない。特に、第４実施例のように、レーザ照明蛍光顕微鏡でライフタイムイメージングを行う場合は、励起ビームは瞬間的にしか照射されず、励起ビームの照射後にしか信号（像）を取らないため、上記のような落射型のレーザ照明蛍光顕微鏡を、通常の透過型の照明系を用いた透過型のレーザ照明蛍光顕微鏡としても差し支えなく、そのようにしても信号（像）に励起光がかぶることはない。
【００３６】
以上の説明からも明らかなように、各請求項に記載の構成のほか、以下に示す構成も本願発明の特徴である。
（１）前記レーザ光源から順に、該レーザ光源からの光束の位相をランダムに乱す手段、該位相をランダムに乱された光束を伝搬させるバンドルファイバが配置されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ照明装置。
（２）前記レーザ光源と、該レーザ光源からの光束の位相をランダムに乱す手段との間に、ビーム伝搬光学系を配置したことを特徴とする請求項１又は上記（１）に記載のレーザ照明装置。
（３）前記レーザ光源からの光束の位相をランダムに乱す手段と、前記バンドルファイバとが密着されているか、それらの間が伝搬光学系でビームリレーされていることを特徴とする請求項１、又は上記（１），（２）の何れかに記載のレーザ照明装置。
（４）前記レーザ光源からの光束の位相をランダムに乱す手段が、大口径ファイバ、拡散板、メッシュスクリーン、回折光学素子、フェイズランダマイザ、ライトチューブの何れかか、それらを任意に組み合わせたものであることを特徴とする請求項１、又は上記（１）乃至（３）の何れかに記載のレーザ照明装置。
（５）前記バンドルファイバは、該バンドルファイバを構成している任意の２本のファイバの長さの差が、前記レーザ光源の空気中でのコヒーレンス長を、ファイバのコアの屈折率で割った値よりも大きくなるように構成されていることを特徴とする請求項１、又は上記（１）乃至（４）の何れかに記載のレーザ照明装置。
（６）前記レーザ光源からの光束の位相をランダムに乱す手段が、大口径ファイバである場合、レーザ光源のパルス幅をτ、大口径ファイバでのパルスの拡がりをΔτ1 、バンドルファイバ１本でのパルスの拡がりをΔτ2 、バンドルファイバ全体でのパルスの拡がりをΔτ3 、照明時間をＴ (＜＜1sec) としたとき、下記の条件式を満足するようにしたことをことを特徴とする請求項２に記載のレーザ照明装置。
τ＋Δτ1 ＋Δτ2 ＋Δτ3 ＜Ｔ
但し、
Δτ1:｛L1×n1×(1/cosθ1-1)｝/c
Δτ2:｛L2×n2×(1/cosθ2-1)｝/c
Δτ3: ( m×ΔL ×n2) /c
θ1 : arcsin(NA1/n1) ; 大口径ファイバのコア中での最大光線角
θ2 : arcsin(NA2/n2) ; バンドルファイバのコア中での最大光線角
NA1 :大口径ファイバの開口数
NA2 :バンドルファイバの開口数
L1 :大口径ファイバの長さ
L2 :バンドルファイバの長さ
n1 :大口径ファイバのコアの屈折率
n2 :バンドルファイバのコアの屈折率
m :バンドルファイバの本数
c :空気中での光の速度
ΔL :バンドルファイバの各ファイバに付加していく一定の長さであり、レーザ光源の空気中でのコヒーレンス長Lcをコアの屈折率で割った値よりも大きなもの。
（７）前記バンドルファイバと照明する物体との間に照明光学系（ビーム伝搬光学系）を有する場合、前記バンドルファイバの射出端面が、該照明光学系の瞳位置に投影され、その瞳面におけるバンドル本数ｍが、下記の条件式を満足するようにしたことをことを特徴とする請求項１乃至３及び上記（１）乃至（６）の何れかに記載のレーザ照明装置。
２０＜ｍ＜２００
（８）照明された物体の像を取得するための結像光学系及び画像取得／表示機構を有することを特徴とする請求項１乃至３及び上記（１）乃至（７）の何れかに記載のレーザ照明装置を用いた光学装置。
（９）画像取得機構で取得された画像、又は１パルスの照明のみにより得られた画像を、複数枚平均化処理又は積算処理をして１枚の画像として表示する機構を有することを特徴とする上記（８）に記載のレーザ照明装置を用いた光学装置。
（１０）前記レーザ光源からの光束の位相をランダムに乱す手段又は前記バンドルファイバに振動等を与える機構を有することを特徴とする請求項１乃至３及び上記（１）乃至（９）の何れかに記載のレーザ照明装置を用いた光学装置。
【００３７】
【発明の効果】
上記したように、本発明によれば、複雑且つ高精度な走査系や駆動機構等を必要とせず、且つ光量ロスも少なく、更には、実時間での画像取得や短パルスレーザを用いた瞬間的な照明の際にも、スペックルノイズを充分に除去することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の態様の説明において用いられている各条件式を説明するための図である。
【図２】第１実施例の光学系を示した構成図である。
【図３】第２実施例の光学系を示した構成図である。
【図４】第２実施例に用いられているフェイズランダマイザの説明図である。
【図５】第３実施例の光学系を示した構成図である。
【図６】第４実施例の光学系を示した構成図である。
【図７】第４実施例において蛍光のライフタイムイメージングを説明するための図であって、図７（ａ）は蛍光のライフタイムを表す図であり、図７（ｂ）は蛍光像を捉えるためのタイミングを示す図である。
【符号の説明】
１ レーザ光源
２ ビーム伝搬光学系
３ 光束の位相をランダムに乱す手段
４ 伝搬光学系
５ バンドルファイバ
６ 標本（照野）
７ フェイズランダマイザ
８ 大口径ファイバ
９ 照明光学系
１０ 対物レンズ
１１ 像検出器
１２ ダイクロイックミラー
１３ 結像レンズ
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光源を用いて所定の領域を照明する照明装置及びそれを用いた光学装置に関するものであって、特にレーザのコヒーレンスの高さによって発生するスペックルノイズを除去できるようにした照明装置及びそれを用いた光学装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ照明顕微鏡，ホログラフィー，リゾグラフィー，干渉計等には、レーザを光源として所定の領域を照明する照明装置が用いられている。このような照明装置においては、レーザのコヒーレンシーの良さによって散乱光の干渉が起こり、所謂スペックルノイズが発生する。そして、このスペックルノイズは、照明むらの原因となるばかりでなく、画像取得装置においては画質を著しく低下させる要因となる。そのため、上記のような各種の装置の照明光源にレーザを用いる場合には、このスペックルノイズを除去する必要がある。
【０００３】
上述のように、スペックルノイズはレーザ光源のコヒーレンスが高いことによって生じるものであるから、スペックルノイズを除去するためには、光源の時間的又は空間的コヒーレンスを低下させる必要がある。しかし、一般的には、時間的コヒーレンスを低下させるのは困難であるため、通常は、空間的コヒーレンスを低下させる方法が用いられている。そこで、空間的コヒーレンスを低下させるために用いられている代表的な従来の三つの方法を説明する。
【０００４】
先ず、第１の方法は、レーザ光源からの光を点光源として集光し、それを走査することによって擬似的に空間的コヒーレンスを低下させ、スペックルノイズを減少させる方法である。また、第２の方法は、主に画像を取得する光学系に用いられている方法であって、或る領域全体を一度に照射しておいて、多数枚の画像を一度に又は時系列に取り込み、それらを積算又は平均化することによって、像としてはスペックルノイズによる影響が目立たないようにする方法である。
【０００５】
更に、第３の方法は、レーザ光源からの光が入射するバンドルファイバを、そのバンドルファイバを構成している任意の２本のファイバの長さの差が、レーザ光源の空気中でのコヒーレンス長をファイバのコアの屈折率で割った値よりも大きいバンドルファイバとすることによって、レーザ光源からの光を、バンドルファイバの射出端面では互いにインコヒーレントな或る大きさを持った複数の光源の集まりとし、結果的に空間的コヒーレンスを低下させ、スペックルノイズを少なくする方法である。尚、この第３の方法は、特開平６−１６７６４０号公報に開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の三つの方法は、いずれも問題点を有している。即ち、第１の方法の場合には、点光源の走査が必要であるため、所定の領域を照明するのにかなりの時間を要してしまい、また、ビームを正確に走査できるようにするためには、構成が極めて複雑になってしまうという問題がある。
【０００７】
また、第２の方法において、時系列に複数枚の画像を取り込み、それらを処理してスペックルノイズを減少させるようにする場合は、やはり最終的な画像を得るのにかなりの時間が掛かってしまう。また、多数枚の画像を一度に取得するようにした場合には、実時間で画像を取得することができるが、拡散板やメッシュスクリーン等の光源分散素子を高速で回転させたり、振動させたりする必要があるため、高速回転や振動を行わせるための複雑な駆動機構が必要になるし、また、光源分散素子による光量ロス（エネルギー損失）が大きい等の問題がある。しかも、この方法は、短パルスレーザを用いて瞬間的に照明し、その瞬間の像を取得するものには適用することができない。
【０００８】
更に、第３の方法の場合には、上記した第１の方法及び第２の方法における問題点は解決しているものの、高精度に一様な照明を必要とする光学装置や、光学系の分解能レベルの解像力を必要とする光学装置に適用した場合には、充分にスペックルノイズを取りきれているとは言えない。また、上記した特開平６−１６７６４０号公報には、短パルスレーザを用いて瞬間的に照明し、像を取得する場合についての記載が全くない。
【０００９】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、複雑且つ高精度な走査系や駆動機構等を必要とせず、また、光量ロスが少なく、更には、実時間での画像取得や短パルスレーザを用いた瞬間的な照明を行う場合でも充分にスペックルノイズを除去できるようにしたレーザ照明装置及びそれを用いた光学装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明のレーザ照明装置は、レーザ光源と、該レーザ光源からの光束の位相をランダムに乱す手段と、該位相をランダムに乱す手段からの光束が入射するバンドルファイバとを備えており、前記レーザ光源は、パルス発振のレーザ光源又は連続発振のレーザをシャッタ等でパルス状にできるレーザ光源であり、前記バンドルファイバは、該バンドルファイバを構成している任意の２本のファイバの長さの差が前記レーザ光源の空気中でのコヒーレンス長をファイバのコアの屈折率で割った値よりも大きくなるようにする。
また、本発明のレーザ照明装置においては、好ましくは、前記位相をランダムに乱す手段を、フェイズランダマイザにする。
また、本発明のレーザ照明装置においては、好ましくは、前記位相をランダムに乱す手段を、大口径ファイバにする。
また、本発明のレーザ照明装置においては、好ましくは、前記レーザ光源のパルス幅をτ、大口径ファイバでのパルスの拡がりをΔτ1、バンドルファイバ１本でのパルスの拡がりをΔτ2、バンドルファイバ全体でのパルスの拡がりをΔτ3、照明時間をＴ（＜＜１sec）としたとき、下記の条件式を満足するようにしたことを特徴とする。
τ＋Δτ1＋Δτ2＋Δτ3＜Ｔ
但し、
Δτ1：｛Ｌ1×ｎ1×（１／cosθ1−１）｝／ｃ
Δτ2：｛Ｌ2×ｎ2×（１／cosθ2−１）｝／ｃ
Δτ3：（ｍ×ΔＬ×ｎ2）／ｃ
θ1：arcsin（ＮＡ1／ｎ1）；大口径ファイバのコア中での最大光線角
θ2：arcsin（ＮＡ2／ｎ2）；バンドルファイバのコア中での最大光線角
NA1：大口径ファイバの開口数
NA2：バンドルファイバの開口数
Ｌ1：大口径ファイバの長さ
Ｌ2：バンドルファイバの長さ
ｎ1：大口径ファイバのコアの屈折率
ｎ2：バンドルファイバのコアの屈折率
ｍ：バンドルファイバの本数
ｃ：空気中での光の速度
ΔＬ：バンドルファイバの各ファイバに付加していく一定の長さであり、レーザ光 源の空気中でのコヒーレンス長Ｌｃをコアの屈折率で割った値よりも大きなも の。
また、本発明のレーザ照明装置においては、好ましくは、前記レーザ光源からの光束の位相をランダムに乱す手段と、前記バンドルファイバとが密着されていること又はそれらの間が伝搬光学系でビームリレーされていることを特徴とする。
また、本発明のレーザ照明装置においては、好ましくは、前記バンドルファイバと照明する物体との間に照明光学系（ビーム伝搬光学系）を有する場合、前記バンドルファイバの射出端面が、該照明光学系の瞳位置に投影され、その瞳面におけるバンドル本数ｍが、下記の条件式を満足するようにしたことを特徴とする。
２０＜ｍ＜２００
また、本発明の光学装置においては、好ましくは、上記何れかのレーザ照明装置を用い、照明された物体の像を取得するための結像光学系及び画像取得／表示機構を有することを特徴とする。
また、本発明の光学装置においては、好ましくは、上記何れかのレーザ照明装置を用い、画像取得機構で取得された画像又は１パルスの照明のみにより得られた画像を、複数枚平均化処理又は積算処理をして１枚の画像として表示する機構を有することを特徴とする。
更に、本発明の光学装置においては、好ましくは、上記何れかのレーザ照明装置を用い、前記レーザ光源からの光束の位相をランダムに乱す手段又は前記バンドルファイバに振動等を与える機構を有することを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明のレーザ照明装置は、レーザ光源と、該レーザ光源からの光束の位相をランダムに乱す手段と、バンドルファイバとで構成されている。従来はバンドルファイバだけを用いていたが、本発明は、更に、該レーザ光源からの光束の位相をランダムに乱す手段を配置したことによって、従来の場合よりも、レーザ光源の空間的コヒーレンスをより低下させ、スペックルノイズを一段と低減させることを可能にしている。
【００１２】
また、上記の構成において、各素子を、レーザ光源、該レーザ光源からの光束の位相をランダムに乱す手段、バンドルファイバの順に配列すると、予め位相をランダムに乱した光束をバンドルファイバに入射させることになるので、該レーザ光源からの光束の位相をランダムに乱す手段を、バンドルファイバの後段に配置した場合に比較して、レーザ光源の空間的コヒーレンスを低下させ、スペックルノイズをより低減させることが可能になる。
また、レーザ光源と、該レーザ光源からの光束の位相をランダムに乱す手段との間にビーム伝搬光学系を配置すると、レーザ光源からの光束を、効率よく且つ後段の素子にとって最適な状態で、該レーザ光源からの光束の位相をランダムに乱す手段に導入することが可能になる。
【００１３】
また、該レーザ光源からの光束の位相をランダムに乱す手段と、バンドルファイバとを密着させるか、それらの間を伝搬光学系でビームリレーさせると、該レーザ光源からの光束の位相をランダムに乱す手段とバンドルファイバの間のビーム伝搬に伴う光量ロスが最小限に抑えられ、また、該レーザ光源からの光束の位相をランダムに乱す手段の後段にバンドルファイバを配置した場合には、バンドルファイバに最適な状態でビームを入射させることが可能になる。
【００１４】
また、該レーザ光源からの光束の位相をランダムに乱す手段を、大口径ファイバ、拡散板、メッシュスクリーン、回折光学素子、フェイズランダマイザ、ライトチューブの何れかで構成するか、それらを任意に組み合わせたもので構成した場合には、それらの素子の長所，短所を勘案して、各種の仕様や用途に対応した最適な照明装置を得ることが可能になる。
また、バンドルファイバを構成している任意の２本のファイバの長さの差が、該レーザ光源の空気中でのコヒーレンス長を、ファイバのコアの屈折率で割った値よりも大きくなるように構成すると、バンドルファイバの各ファイバからの射出光は互いにインコンヒレートとなって干渉しないため、スペックルノイズを大幅に低減させることが可能になる。
【００１５】
また、レーザ光源を、パルス発振のレーザ光源か、連続発振のレーザをシャッタ等でパルス状にできる光源にすると、パルス幅に応じた瞬間的な照明が可能になる。
また、その場合、レーザ光源のパルス幅をτとし、該レーザ光源からの光束の位相をランダムに乱す手段とバンドルファイバによるパルス幅の拡がりをΔτとし、照明時間をＴ（＜＜１ｓｅｃ）として、下記の条件式（１）を満足できるようにすると、それ以上にビームの照射時間が長くならないように、コヒーレンス低下光学系に、条件付け（構成やファイバの長さ等）をすることが可能になる。仮に、上限のＴを越えるようなパルス幅の拡がりΔτをコヒーレンス低下光学系で発生させてしまうと、本来照明したい時間を越えることになり、所望の瞬間的な照明が実際上不可能となってしまう。
条件式（１） τ＋Δτ＜Ｔ
【００１６】
また、上記のようにパルス出力のレーザ光源を用い、且つ該レーザ光源からの光束の位相をランダムに乱す手段が、大口径ファイバである場合においては、レーザ光源のパルス幅をτ、大口径ファイバでのパルスの拡がりをΔτ1 、バンドルファイバ１本でのパルスの拡がりをΔτ2 、バンドルファイバ全体でのパルスの拡がりをΔτ3 、照明時間をＴ (＜＜1sec) としたとき、下記の条件式（２）を満足するようにすると、所期の効果を得ることができる。もし、上限のＴを越えるようなパルスの拡がりを与えてしまう長さや本数を有するファイバを用いると、本来照明したい時間を越えることになり、所望の瞬間的な照明が実際上不可能となってしまう。
条件式（２） τ＋Δτ1 ＋Δτ2 ＋Δτ3 ＜Ｔ
但し、
Δτ1:｛L1×n1×(1/cosθ1-1)｝/c
Δτ2:｛L2×n2×(1/cosθ2-1)｝/c
Δτ3: ( m×ΔL ×n2) /c
θ1 : arcsin(NA1/n1) ; 大口径ファイバのコア中での最大光線角
θ2 : arcsin(NA2/n2) ; バンドルファイバのコア中での最大光線角
NA1 :大口径ファイバの開口数
NA2 :バンドルファイバの開口数
L1 :大口径ファイバの長さ
L2 :バンドルファイバの長さ
n1 :大口径ファイバのコアの屈折率
n2 :バンドルファイバのコアの屈折率
m :バンドルファイバの本数
c :空気中での光の速度
ΔL :バンドルファイバの各ファイバに付加していく一定の長さであり、レーザ光源の空気中でのコヒーレンス長Lcをコアの屈折率で割った値よりも大きなもの。
【００１７】
ここで、上記の条件式に用いられている数式を、図１によって説明しておく。ファイバの開口数 NA(=sinθ) は、そのファイバのコア中を伝搬していく最大光線角θn によって決まる。スネルの法則により、コアの屈折率をｎとすると、 sinθ= n × sinθn が成立し、これによりθn = ａrcsin(NA/n) となる。ファイバによるパルスの拡がりは、コア中を直進する光線ｒ1 と、角度θn で全反射を繰り返して伝搬する光線ｒ2 の光路長差をコア中の光速ｃ／ｎで割ったものとなり、これから上記のΔτ1 ，Δτ2 を求めることができる。また、バンドルファイバ全体でのパルスの拡がりは、その構成ファイバのうち最短のものと最長のものとの長さの差（ここではバンドルファイバのバンドル本数ｍ×ΔＬ）を、コア内の光速で割ったものとなり、これから上記のΔτ3 を求めることができる。
【００１８】
また、本発明の構成において、バンドルファイバと照明する物体との間に照明光学系（ビーム伝搬光学系）を配置した場合には、バンドルファイバの射出端面が該照明光学系の瞳位置に投影され、その瞳面におけるバンドル本数ｍが、下記の条件式（３）を満足するようにすると、バンドルファイバからの射出光束を効率よく光学系に導入することができ、また、瞳の中でお互いにインコンヒレートな光源が数多く存在し、スペックルノイズが低減される。
条件式（３） ２０＜ｍ＜２００
【００１９】
その場合、下限の２０を下回ると、瞳の中のバンドル本数が少なすぎ、充分にスペックルノイズが低減されない。また、上限の２００を上回るものは、実際の製作が極めて困難になり、且つバンドル径が大きくなり過ぎる等の問題が発生する。スペックルノイズの低減効果は瞳の中のバンドル本数の平方根にほぼ比例することが一般に知られており、バンドル本数が多ければ多いほど低減されるが、あまりバンドル本数の多いものは、上記の問題点以外にもパルスの拡がりという点で問題となる。即ち、瞬間的な照明に際しては、その他の要因によるパルスの拡がりが既知であり、必要な瞬間照射時間Ｔが決まっていれば、上記の条件式（２）から自ずとバンドル本数ｍの上限が決まってくるのである。
【００２０】
また、本発明の照明装置に関連して、照明された物体の像を取得するための結像光学系及び画像取得／表示機構を備えると、スペックルノイズの除去された照明装置による高画質の画像を得ることができる。
また、その場合、画像取得機構で取得された画像又は１パルスの照明のみにより得られた画像を、複数枚平均化処理又は積算処理をして、１枚の画像として表示する機構を備えると、たとえパルスの拡がりや製作上の問題からスペックルノイズを充分に低減できていない照明装置を用いても、最終的な画像としてはスペックルノイズが充分に除去されたものとなる。
【００２１】
また、本発明の照明装置に関連して、前記レーザ光源からの光束の位相をランダムに乱す手段又は前記バンドルファイバに振動等を与える機構を備えると、パルスの拡がりや製作上の問題から、静止光学系ではスペックルノイズを充分に低減できていなくても、積算又は平均化して見れば、スペックルノイズが充分に除去されたものとなる。
【００２２】
【実施例】
以下、四つの実施例を、夫々の図面を用いて説明する。
〔第１実施例〕
先ず、図２を用いて、本発明の第１実施例を説明する。レーザ光源１から発せられた単体コヒーレント光の光束は、ビーム伝搬光学系２を介して、光束の位相をランダムに乱す手段３に入射される。光束の位相をランダムに乱す手段３によって位相を乱された光束は、伝搬光学系４によってバンドルファイバ５にビームリレーされる。
【００２３】
このバンドルファイバ５は、それを構成するファイバの任意の２本の長さの差が、レーザ光源１の空気中でのコヒーレンス長(Lc)を、ファイバのコアの屈折率で割った値よりも大きいものである。それにより、各ファイバから射出するビームは、お互いにインコヒーレントとなって干渉しないため、スペックルノイズが生じない。夫々のファイバから射出するビームは或る程度コヒーレントであるから、多少のスペックルノイズは生じてしまうが、そのパターンは各ファイバごとに異なり、それらが照野（照明範囲）６上で重ね合わされて、スペックルノイズが平均化されてしまうため、最終的には、照野６におけるスペックルノイズは、はぼ完全に除去される。
【００２４】
〔第２実施例〕
次に、図３及び図４を用い、第１実施例を基本構成として、より具体化された第２実施例を説明する。本実施例においては、レーザ光源１として連続発振の光源を用い、第１実施例における、光束の位相をランダムに乱す手段３として、フェイズランダマイザ７を用いたものであり、その他の構成は第１実施例の場合と同じである。また、本実施例に用いられているフェイズランダマイザ７とは、図４の模式図に示すように、平行平面板を入射ビーム径に対して充分に細分化し、ランダムな分割領域に、ランダムな位相を付加した素子である。その場合、付加される位相が一定で且つ規則的に付いていると、位相格子になってしまうが、完全にランダムである場合には、マクロ的に見れば、入射したレーザはランダムな位相分布を付加されて直進すると考えてよい。
【００２５】
このようなフェイズランダマイザ７に対し、レーザ光源１からの光束を、ビーム伝搬光学系２でコリメートし、平行光束にして入射させる。そして、フェイズランダマイザ７で位相をランダムに乱された光束は、マクロ的にはそのまま直進し、伝搬光学系４を介してバンドルファイバ５にビームリレーされる。このバンドルファイバ５のバンドル本数は１００本である。本実施例においては、レーザは連続発振であり、パルスの拡がりを考慮する必要がないから、本数は多いほど良いわけであるが、製作上の観点から１００本にしてある。それにより、照野６は、１００個のインコヒーレントな有限の大きさを持つ光源からの光で照射され、ほぼ完全にスペックルノイズの除去されたものとなる。
【００２６】
〔第３実施例〕
次に、図５を用いて、第３実施例を説明する。この図５は、透過型のレーザ照明顕微鏡の光学系を示している。レーザ光源１から発せられるレーザ光は、ＹＡＧレーザの２倍波(532nm) 、パルス発振（パルス幅5nsec)、空気中でのコヒーレント長Lcが10mmのものとする。また、第１実施例における位相をランダムに乱す手段３としては、大口径ファイバ８を用いており、その開口数 NA1，長さL1，コアの屈折率n1は、夫々、0.22，1m，1.46である。更に、バンドルファイバ５の本数 m，開口数 NA2，長さL2，コアの屈折率n2は、夫々、100, 0.2, 1.2m (最長のもの), 1.46 とし、また、各ファイバに付加する長さΔL は 7mm(>10/1.46)で一定とする。
【００２７】
レーザ光源１から発せられた単色コヒーレント光は、ビーム伝搬光学系２を介して大口径ファイバ８に入射される。そして、大口径ファイバ８で位相を乱されたビームは、密着されているバンドルファイバ５に入射される。尚、大口径ファイバ８とバンドルファイバ５の密着は、単に密着させるだけでもよいが、両者間にオイル等を介在させた油浸密着の方が好適である。バンドルファイバ５から射出されたビームは、スペックルノイズが除去された状態で、照明光学系９を介して、標本（照野）６を一様に照射する。このとき、バンドルファイバ５の射出端面が、照明光学系９の瞳位置にその径を合わせて投影されていることは言うまでもない。標本６を透過した光は、対物レンズ１０によって結像され、その結像された像は、その結像位置に配置された像検出器１１（ＣＣＤ等）によって電気信号に変換され、図示していない制御装置を介してテレビモニタ上に表示されることになる。
【００２８】
本実施例は、動きの速い標本を観察することを目的とするものであるため、そのことについて説明をしておく。そこで、標本が、非常に動きの速い細胞内物質であって、それを、ほぼ静止した状態で捉えるためには、ビームの照射時間Ｔが10nsec以下でなければならないとする。このとき、各ファイバでのパルスの拡がりを上記の条件式（２）によって計算すると次のようになる。
コア中での最大光線角θ1 ＝ arcsin(NA1/n1) ＝ 8.67 (degree)
コア中での最大光線角θ2 ＝ arcsin(NA2/n2) ＝ 7.86 (degree)
パルスの拡がりΔτ1 ＝｛L1×n1×(1/cosθ1-1)｝/c＝ 0.056 (nsec)
パルスの拡がりΔτ2 ＝｛L2×n2×(1/cosθ2-1)｝/c＝ 0.055 (nsec)
パルスの拡がりΔτ3 ＝ ( m×ΔL ×n2) /c＝ 3.407(nsec)
これにより、τ＋Δτ1 ＋Δτ2 ＋Δτ3 ＝ 5 + 0.056 + 0.055 + 3.407＝ 8.518 (nsec) となり、照射時間Ｔが10nsec以下という条件を満たしている。また、条件式（１），（３）の条件も明らかに満足している。尚、生きた細胞の速い動きを見るのであるから染色等は通常行えず、単なる透過照明では像として観察することができないため、実際に観察する場合には、位相差観察，微分干渉観察，偏光観察等を行うことになることは言うまでもない。
【００２９】
〔第４実施例〕
最後に、図６及び図７を用いて、第４実施例を説明する。図６は、落射型のレーザ照明蛍光顕微鏡でライフタイムイメージングを行う場合を示したものである。そこで、先ず、ライフタイムイメージングに関し、図７を用いて簡単に説明をする。尚、図７（ａ）は蛍光のライフタイムを表す図であり、図７（ｂ）は蛍光像を捉えるためのタイミングを示す図である。
【００３０】
蛍光色素は、その種類によって寿命（励起光を照射し、その照明を止めてからも蛍光を発している時間）が異なっている。そこで、パルスレーザのようなパルス光源を用いて、標本を極めて短い時間だけ照射し、その後の蛍光発光を経時的に測定又はイメージングすることにより、蛍光色素を同定することが可能であり、蛍光色素を同定することによって、その色素が結合している細胞内の物質等の同定も可能となる。また、一般に、細胞自身や硝材から発する自家蛍光は、蛍光色素の蛍光の寿命よりも短いため、パルス照射後、或る一定のタイムラグをおいて蛍光像を捉える（実際には図７（ｂ）に示すようにタイムゲートをかける）ことにより、自家蛍光の除去されたピュアな蛍光像を得ることが可能になる。これは、硝材等による自家蛍光が大きい紫外励起時に特に有効である。
【００３１】
さて、そこで、本実施例において、レーザ光源１から発せられるレーザ光は、ＹＡＧレーザの３倍波(354.7nm) 、パルス発振（パルス幅0.2nsec)、空気中でのコヒーレント長Lcが1.4mm のものとする。また、第１実施例における位相をランダムに乱す手段３としては、第３実施例と同様に大口径ファイバ８を用いており、その開口数 NA1，長さL1，コアの屈折率n1は、夫々、0.22，1m，1.48である。更に、バンドルファイバ５の本数 m，開口数 NA2，長さL2，コアの屈折率n2は、夫々、50, 0.2, 0.55m (最長のもの), 1.48 とし、また、各ファイバに付加する長さΔL は1mm(>1.4/1.48)で一定とする。
【００３２】
レーザ光源１から発せられた単色コヒーレント光は、ビーム伝搬光学系２を介して大口径ファイバ８に入射される。そして、大口径ファイバ８で位相を乱されたビームは、密着されたバンドルファイバ５に入射される。尚、大口径ファイバ８とバンドルファイバ５の密着については、第３実施例の説明で述べた通りである。バンドルファイバ５から射出されたビームは、照明光学系９でコリメートされ、354.7nm の波長を反射し、380nm 以上の波長を透過するダイクロイックミラー１２で反射され、対物レンズ１０を介して、スペックルノイズが除去された状態で、標本（照野）６を一様に照明する。このとき、バンドルファイバ５の射出端面が、照明光学系９により、対物レンズ１０の瞳位置にその径を合わせて投影されていることは言うまでもない。
【００３３】
標本６からの蛍光は、光路を逆進し、上記のダイクロイックミラー１２を透過して、結像レンズ１３で結像される。そして、結像された蛍光像は、その結像位置に配置された像検出器１１（ＣＣＤ等）によって電気信号に変換された後、図示していない制御装置を介してテレビモニタ上に表示されることになる。
【００３４】
一般に、硝材等による自家蛍光の寿命は、サブナノ秒であり、蛍光色素の寿命は１nsecから数十nsec程度であるため、標本を照明する時間は、0.7nsec 以下であることが必要になる。そこで、その場合における各ファイバでのパルスの拡がりを上記の条件式（２）によって計算すると次のようになる。
コア中での最大光線角θ1 ＝ arcsin(NA1/n1) ＝ 8.55 (degree)
コア中での最大光線角θ2 ＝ arcsin(NA2/n2) ＝ 7.77 (degree)
パルスの拡がりΔτ1 ＝｛L1×n1×(1/cosθ1-1)｝/c＝ 0.055 (nsec)
パルスの拡がりΔτ2 ＝｛L2×n2×(1/cosθ2-1)｝/c＝ 0.025 (nsec)
パルスの拡がりΔτ3 ＝ ( m×ΔL ×n2) /c＝ 0.247(nsec)
これにより、τ＋Δτ1 ＋Δτ2 ＋Δτ3 ＝ 0.2 + 0.055 + 0.025 + 0.0247 ＝ 0.527 (nsec) となり、照射時間Ｔが 0.7nsec以下という条件を満たしている。また、条件式（１），（３）の条件も明らかに満足している。
【００３５】
以上、四つの実施例について説明したが、いずれの実施例も上記した構成のみに限定されるものではなく、様々な組合せで構成できることは言うまでもない。特に、第４実施例のように、レーザ照明蛍光顕微鏡でライフタイムイメージングを行う場合は、励起ビームは瞬間的にしか照射されず、励起ビームの照射後にしか信号（像）を取らないため、上記のような落射型のレーザ照明蛍光顕微鏡を、通常の透過型の照明系を用いた透過型のレーザ照明蛍光顕微鏡としても差し支えなく、そのようにしても信号（像）に励起光がかぶることはない。
【００３６】
以上の説明からも明らかなように、各請求項に記載の構成のほか、以下に示す構成も本願発明の特徴である。
（１）前記レーザ光源から順に、該レーザ光源からの光束の位相をランダムに乱す手段、該位相をランダムに乱された光束を伝搬させるバンドルファイバが配置されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ照明装置。
（２）前記レーザ光源と、該レーザ光源からの光束の位相をランダムに乱す手段との間に、ビーム伝搬光学系を配置したことを特徴とする請求項１又は上記（１）に記載のレーザ照明装置。
（３）前記レーザ光源からの光束の位相をランダムに乱す手段と、前記バンドルファイバとが密着されているか、それらの間が伝搬光学系でビームリレーされていることを特徴とする請求項１、又は上記（１），（２）の何れかに記載のレーザ照明装置。
（４）前記レーザ光源からの光束の位相をランダムに乱す手段が、大口径ファイバ、拡散板、メッシュスクリーン、回折光学素子、フェイズランダマイザ、ライトチューブの何れかか、それらを任意に組み合わせたものであることを特徴とする請求項１、又は上記（１）乃至（３）の何れかに記載のレーザ照明装置。
（５）前記バンドルファイバは、該バンドルファイバを構成している任意の２本のファイバの長さの差が、前記レーザ光源の空気中でのコヒーレンス長を、ファイバのコアの屈折率で割った値よりも大きくなるように構成されていることを特徴とする請求項１、又は上記（１）乃至（４）の何れかに記載のレーザ照明装置。
（６）前記レーザ光源からの光束の位相をランダムに乱す手段が、大口径ファイバである場合、レーザ光源のパルス幅をτ、大口径ファイバでのパルスの拡がりをΔτ1 、バンドルファイバ１本でのパルスの拡がりをΔτ2 、バンドルファイバ全体でのパルスの拡がりをΔτ3 、照明時間をＴ (＜＜1sec) としたとき、下記の条件式を満足するようにしたことをことを特徴とする請求項２に記載のレーザ照明装置。
τ＋Δτ1 ＋Δτ2 ＋Δτ3 ＜Ｔ
但し、
Δτ1:｛L1×n1×(1/cosθ1-1)｝/c
Δτ2:｛L2×n2×(1/cosθ2-1)｝/c
Δτ3: ( m×ΔL ×n2) /c
θ1 : arcsin(NA1/n1) ; 大口径ファイバのコア中での最大光線角
θ2 : arcsin(NA2/n2) ; バンドルファイバのコア中での最大光線角
NA1 :大口径ファイバの開口数
NA2 :バンドルファイバの開口数
L1 :大口径ファイバの長さ
L2 :バンドルファイバの長さ
n1 :大口径ファイバのコアの屈折率
n2 :バンドルファイバのコアの屈折率
m :バンドルファイバの本数
c :空気中での光の速度
ΔL :バンドルファイバの各ファイバに付加していく一定の長さであり、レーザ光源の空気中でのコヒーレンス長Lcをコアの屈折率で割った値よりも大きなもの。
（７）前記バンドルファイバと照明する物体との間に照明光学系（ビーム伝搬光学系）を有する場合、前記バンドルファイバの射出端面が、該照明光学系の瞳位置に投影され、その瞳面におけるバンドル本数ｍが、下記の条件式を満足するようにしたことをことを特徴とする請求項１乃至３及び上記（１）乃至（６）の何れかに記載のレーザ照明装置。
２０＜ｍ＜２００
（８）照明された物体の像を取得するための結像光学系及び画像取得／表示機構を有することを特徴とする請求項１乃至３及び上記（１）乃至（７）の何れかに記載のレーザ照明装置を用いた光学装置。
（９）画像取得機構で取得された画像、又は１パルスの照明のみにより得られた画像を、複数枚平均化処理又は積算処理をして１枚の画像として表示する機構を有することを特徴とする上記（８）に記載のレーザ照明装置を用いた光学装置。
（１０）前記レーザ光源からの光束の位相をランダムに乱す手段又は前記バンドルファイバに振動等を与える機構を有することを特徴とする請求項１乃至３及び上記（１）乃至（９）の何れかに記載のレーザ照明装置を用いた光学装置。
【００３７】
【発明の効果】
上記したように、本発明によれば、複雑且つ高精度な走査系や駆動機構等を必要とせず、且つ光量ロスも少なく、更には、実時間での画像取得や短パルスレーザを用いた瞬間的な照明の際にも、スペックルノイズを充分に除去することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の態様の説明において用いられている各条件式を説明するための図である。
【図２】第１実施例の光学系を示した構成図である。
【図３】第２実施例の光学系を示した構成図である。
【図４】第２実施例に用いられているフェイズランダマイザの説明図である。
【図５】第３実施例の光学系を示した構成図である。
【図６】第４実施例の光学系を示した構成図である。
【図７】第４実施例において蛍光のライフタイムイメージングを説明するための図であって、図７（ａ）は蛍光のライフタイムを表す図であり、図７（ｂ）は蛍光像を捉えるためのタイミングを示す図である。
【符号の説明】
１ レーザ光源
２ ビーム伝搬光学系
３ 光束の位相をランダムに乱す手段
４ 伝搬光学系
５ バンドルファイバ
６ 標本（照野）
７ フェイズランダマイザ
８ 大口径ファイバ
９ 照明光学系
１０ 対物レンズ
１１ 像検出器
１２ ダイクロイックミラー
１３ 結像レンズ
Claims (9)
- レーザ光源と、該レーザ光源からの光束の位相をランダムに乱す手段と、該位相をランダムに乱す手段からの光束が入射するバンドルファイバとを備えており、
前記レーザ光源は、パルス発振のレーザ光源又は連続発振のレーザをシャッタ等でパルス状にできるレーザ光源であり、
前記バンドルファイバは、該バンドルファイバを構成している任意の２本のファイバの長さの差が前記レーザ光源の空気中でのコヒーレンス長をファイバのコアの屈折率で割った値よりも大きいことを特徴とするレーザ照明装置。 - 前記位相をランダムに乱す手段が、フェイズランダマイザであることを特徴とする請求項１に記載のレーザ照明装置。
- 前記位相をランダムに乱す手段が、大口径ファイバであることを特徴とする請求項１に記載のレーザ照明装置。
- 前記レーザ光源のパルス幅をτ、大口径ファイバでのパルスの拡がりをΔτ1、バンドルファイバ１本でのパルスの拡がりをΔτ2、バンドルファイバ全体でのパルスの拡がりをΔτ3、照明時間をＴ（＜＜１sec）としたとき、下記の条件式を満足するようにしたことを特徴とする請求項３に記載のレーザ照明装置。
τ＋Δτ1＋Δτ2＋Δτ3＜Ｔ
但し、
Δτ1：｛Ｌ1×ｎ1×（１／cosθ1−１）｝／ｃ
Δτ2：｛Ｌ2×ｎ2×（１／cosθ2−１）｝／ｃ
Δτ3：（ｍ×ΔＬ×ｎ2）／ｃ
θ1：arcsin（ＮＡ1／ｎ1）；大口径ファイバのコア中での最大光線角
θ2：arcsin（ＮＡ2／ｎ2）；バンドルファイバのコア中での最大光線角
NA1：大口径ファイバの開口数
NA2：バンドルファイバの開口数
Ｌ1：大口径ファイバの長さ
Ｌ2：バンドルファイバの長さ
ｎ1：大口径ファイバのコアの屈折率
ｎ2：バンドルファイバのコアの屈折率
ｍ：バンドルファイバの本数
ｃ：空気中での光の速度
ΔＬ：バンドルファイバの各ファイバに付加していく一定の長さであり、レーザ光 源の空気中でのコヒーレンス長Ｌｃをコアの屈折率で割った値よりも大きなも の。 - 前記レーザ光源からの光束の位相をランダムに乱す手段と、前記バンドルファイバとが密着されていること又はそれらの間が伝搬光学系でビームリレーされていることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載のレーザ照明装置。
- 前記バンドルファイバと照明する物体との間に照明光学系（ビーム伝搬光学系）を有する場合、前記バンドルファイバの射出端面が、該照明光学系の瞳位置に投影され、その瞳面におけるバンドル本数ｍが、下記の条件式を満足するようにしたことを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載のレーザ照明装置。
２０＜ｍ＜２００ - 照明された物体の像を取得するための結像光学系及び画像取得／表示機構を有することを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載のレーザ照明装置を用いた光学装置。
- 画像取得機構で取得された画像又は１パルスの照明のみにより得られた画像を、複数枚平均化処理又は積算処理をして１枚の画像として表示する機構を有することを特徴とする請求項７に記載のレーザ照明装置を用いた光学装置。
- 前記レーザ光源からの光束の位相をランダムに乱す手段又は前記バンドルファイバに振動等を与える機構を有することを特徴とする請求項１乃至８の何れかに記載のレーザ照明装置を用いた光学装置。
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