JP4576137B2

JP4576137B2 - 顕微鏡

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Inventors: 章兵小林
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Description

本発明は、波面変調器を備えている顕微鏡に関する。

例えば特開平１１−１０１９４２号公報は、波面変調器を備えている顕微鏡を開示している。この顕微鏡は、結像系を構成する対物レンズと中間像形成のための円筒レンズとの間にビームスプリッターが配置されており、ビームスプリッターを介して二つの反射型の波面変調器が結像系に光学的に結合されている。二つの波面変調器はビームスプリッターを間に挟んで向き合って配置されている。波面変調器とビームスプリッターの間にはそれぞれ１／４波長板が配置されている。

対物レンズからの光束は、ビームスプリッターで反射されて一方の波面変調器に入射し、そこで反射された後に今度はビームスプリッターを透過して他方の波面変調器に入射し、そこで反射された後に今度はビームスプリッターで反射されて円筒レンズに入射する。

この顕微鏡では、これらの波面変調器によって光波の波面の位相を変調することによって、対物レンズの焦点位置を光軸に沿って移動させることが可能である。また、これらの波面変調器によって波面を適当に変形させることによって、標本と試料環境による収差を補正することも可能である。また、収差補正は、結像系だけでなく、照明系にも適用可能である。
特開平１１−１０１９４２号公報

顕微鏡の対物レンズを交換すると、多くの場合、対物レンズからの光束の光束径は変化する。特に倍率が大きく異なるものに交換したときは、光束径は大きく変化する。つまり、顕微鏡において、対物レンズからの光束の光束径は、対物レンズの倍率に依存している。

一方、波面変調器の各部分毎の波面の変調量（例えば可変形状ミラーの変形量や液晶波面変調器の屈折率変調量）には限界がある。このため、対物レンズの交換に起因して光束径が変化すると、波面変調器で焦点移動や適正な収差補正が困難になる可能性がある。

本発明は、このような実状を考慮して成されたものであり、その目的は、倍率が異なる複数の対物レンズに対して焦点移動と適正な収差補正が可能な顕微鏡を提供することである。

本発明の顕微鏡は、対物レンズと、対物レンズと共働して結像光学系を構成する結像レンズと、対物レンズと結像レンズの間の光路上に配置された波面変調器と、波面変調器と対物レンズの間の光路上に配置された、対物レンズからの光束の光束径を波面変調器の光学的有効径にほぼ等しくなるように変える光束径制御部とを備えている。

本発明によれば、倍率が異なる複数の対物レンズに対して焦点移動と適正な収差補正が可能な顕微鏡が提供される。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

第一実施形態
本実施形態は、透過型の波面変調器を備えた顕微鏡に向けられている。図１は本発明の第一実施形態の顕微鏡の構成を概略的に示している。

図１に示されるように、本実施形態の顕微鏡１００は、対物レンズ１１０と、光束径制御部１２０と、波面変調器１３０と、結像レンズ１４０とを備えている。

本明細書において、対物レンズ１１０は、顕微鏡１００の光軸上に配置された対物レンズを意味しており、通常は、複数の対物レンズの中から選択される。以下の説明では、対物レンズ１１０は、比較的低倍率の対物レンズ１１１と比較的高倍率の対物レンズ１１２のいずれかであるとする。また、図面において結像レンズと対物レンズは単レンズのように記載しているが、これらは組合せレンズで構成されていてもよいのはいうまでもない。

結像レンズ１４０は、対物レンズ１１０と共働して結像光学系を構成している。波面変調器１３０は、対物レンズ１１０と結像レンズ１４０の間の光路上に配置されている。光束径制御部１２０は、波面変調器１３０と対物レンズ１１０の間の光路上に配置されている。

波面変調器１３０は、光学的有効径以下の光束径の光束の波面を変調し得る。光束径制御部１２０は、対物レンズ１１０からの光束の光束径を、対物レンズ１１０の倍率に関係なく、ほぼ一定の光束径に変更する。より好ましくは、光束径制御部１２０は、対物レンズ１１０からの光束の光束径を、波面変調器１３０の光学的有効径にほぼ等しい光束径に変更する。光束径制御部１２０は、好ましくは、光軸に沿って移動可能な可動レンズを含むリレー光学系で構成される。

初めに対物レンズ１１１を用いて観察対象物の一点Ｐ１を観察するものとする。点Ｐ１からの発散光は、対物レンズ１１１で集光されて光束Ｌ１になる。光束Ｌ１の光束径が波面変調器１３０の光学的有効径とほぼ等しい場合には、光束径制御部１２０は光束Ｌ１の光束径を変更しないように調整される。その結果、光束Ｌ１は、光束径制御部１２０はそのまま通り、波面変調器１３０で波面変調を受け、結像レンズ１４０で中間像面の一点に結像される。結像レンズ１４０で結像された像（中間像）は、例えば、図示しない接眼レンズを通して観察される。

点Ｐ１が対物レンズ１１１の焦点面上にないときは、点Ｐ１からの光束Ｌ１にピントずれによる球面収差が発生している。この球面収差を波面変調器１３０で補正することによって、点Ｐ１が焦点面上にない場合でも点Ｐ１をほぼ無収差で観察することができる。また、波面変調器１３０での補正量すなわち変調量を調節することによって、収差を補正するだけでなく、観察物や対物レンズ１１１を光軸方向に移動させることなく、焦点面と異なる位置での観察可能がとなる。つまり、焦点移動の観察が可能となる。

ピントずれによる球面収差の波面変調器１３０による補正について具体的にのべる。いま、光束Ｌ１の光軸に垂直な面内で、光束Ｌ１の中心からの距離をｒとする。球面収差を補正するためには、波面変調器１３０は中心からの距離の二乗ｒ²に比例する形状に光束Ｌ１の波面を変調する。また、高次の球面収差まで補正するためには、波面変調器１３０は、さらに、ｒ⁴、ｒ⁶、…に比例する項を付加した形状に波面を変調する。

図２は、球面収差の補正に必要な波面の変調量すなわち波面の補正量を示している。ｒ²、ｒ⁴、ｒ⁶、…の項を含むため、ｒが大きくなるほど、つまり、光束Ｌ１の中心から遠くなるほど、波面補正量の変化が大きくなる。

波面変調器１３０は、例えば、液晶セルで構成される。図３は、液晶セルで構成された球面収差の補正に適した波面変調器１３０の電極パターンを示している。図３に示されるように、液晶セルで構成された波面変調器１３０は、同中心に配置された複数のリング状電極１３１、１３２、１３３、１３４を備えている。リング状電極１３１、１３２、１３３、１３４は、中心から遠いものほど、幅が狭くなっている。

中心に位置するリング状電極１３１は実際には円形であるが、ここでは説明の都合上このように呼ぶことにする。その場合、リング状電極１３１の幅は円の半径を意味するものとする。

球面収差の補正は、リング状電極１３１、１３２、１３３、１３４にそれぞれ異なる電圧を印加して、液晶セルの屈折を、リング状電極１３１、１３２、１３３、１３４に対応する輪帯ごとに変化させることによって行なわれる。より詳しくは、中心から遠いリング状電極１３１、１３２、１３３、１３４ほど、高い電圧が印加される。リング状電極１３１、１３２、１３３、１３４は、中心から遠いものほど、幅が狭く印加電圧が高いため、液晶セルは、中心から遠い部分ほど、屈折率の変化量が大きく変化する。これによって、図２に示した波面の補正量が得られる。

次に、図１において、対物レンズ１１１を対物レンズ１１２に交換して観察対象物の一点Ｐ２を観察するものとする。点Ｐ２からの発散光は、対物レンズ１１２で集光されて光束Ｌ２になる。光束Ｌ２の光束径が光束Ｌ１の光束径より小さい場合には、光束径制御部１２０は、光束Ｌ２の光束径を光束Ｌ１の光束径とほぼ同じに変更するように調整される。その結果、光束Ｌ２は、光束径制御部１２０によって波面変調器１３０の光学的有効径とほぼ等しい光束径に拡大され、波面変調器１３０で波面変調を受け、結像レンズ１４０で中間像面の一点に結像される。結像レンズ１４０で結像された像（中間像）は、例えば、図示しない接眼レンズを通して観察される。

光束Ｌ２の球面収差を補正するために、光束Ｌ１と同様、光束の外周ほど中心からの距離ｒに対する波面補正量の変化が大きくなるように波面変調される。光束Ｌ２は光束径制御部１２０によって光束径が光束Ｌ１の光束径とほぼ同じ大きさに制御されているので、波面変調器１３０の光学的有効径の全面を利用した適正な補正が可能である。例えば、図３に示した液晶セルで構成された波面変調器１３０によって、光束Ｌ１の補正と同様に、光束の外周でｒに対する波面補正量の変化が大きくなるように波面を変調すなわち波面を補正することができる。

このように、波面変調器１３０に入射する光束の光束径を光束径制御部１２０によって波面変調器１３０の光学的有効径に合うように制御することによって、倍率が異なる対物レンズに対応した光束径が異なる光束に対して、一つの波面変調器１３０で十分な収差補正が可能となる。なお、ここでいう収差は、焦点移動による球面収差や高次の球面収差に限るものではなく、コマ収差や非点収差も含む。先に液晶セルで構成された球面収差の補正に適した波面変調器１３０を図３に示したが、球面収差に加えてコマ収差や非点収差にも対応した液晶セルで構成された波面変調器は、特に図示しないが、図３と同様に複数のリング状電極を有するとともに、それらのリング状電極が、回転非対称なコマ収差や非点収差を補正するために不均等に分割された構成となっている。

次に、光束径制御部１２０の具体的な構成であるリレー光学系について詳しく説明する。図４は、図１において光束径制御部がリレー光学系に置き換えられた顕微鏡の構成を示している。リレー光学系１２０は三枚のレンズ１２１、１２２、１２３を備えている。可動レンズ１２２、１２３は光軸に沿って移動可能である。対物レンズ１１０が対物レンズ１１１の場合、可動レンズ１２２、１２３は実線の位置にあり、リレー光学系１２０は光束Ｌ１の光束径を変えずに波面変調器１３０に導く。次に、対物レンズ１１０を対物レンズ１１２に交換したときは、可動レンズ１２２、１２３をそれぞれ想像線の位置１２２’、１２３’に移動し、光束Ｌ２の光束径を光束Ｌ１の光束径にほぼ等しく変えて波面変調器１３０に導く。レンズの移動方向は光軸に平行なので、このようなリレー光学系は容易に構成可能である。

波面の変調は対物レンズ１１０の瞳面で行なうのが好ましい。このため、実際には、対物レンズ１１０の瞳面と波面変調器１３０は光学的な共役関係に配置される。対物レンズ１１０が対物レンズ１１１であり、可動レンズ１２２、１２３が実線の位置にあるとき、対物レンズ１１１の瞳面と波面変調器１３０が光学的に共役であるとする。このとき、リレー光学系１２０が対物レンズ１１１の瞳面と波面変調器１３０とを光学的な共役関係に配置する働きをしている。すなわち、図５に示されるように、対物レンズ１１１の瞳１５１はリレー光学系１２０によって波面変調器１３０上に結像されている。

次に、対物レンズ１１０を対物レンズ１１２に交換し、可動レンズ１２２、１２３を想像線の位置１２２’、１２３’に移動させると、リレー光学系１２０の倍率が変化するため、対物レンズ１１２の瞳面と波面変調器１３０は光学的な共役関係からずれる。対物レンズ１１２の瞳が対物レンズ１１１の瞳と同じ位置（図５の瞳１５１と同じ位置）にあるとすると、その像は波面変調器１３０からずれた位置１５２にできる。このずれを補償するため、レンズ１２１、１２２、１２３を一体的に移動させて、リレー光学系１２０と波面変調器１３０の間の光学距離（すなわちリレー光学系１２０の波面変調器１３０側のレンズ１２３と波面変調器１３０との間の光学距離）を調整する。これによって、再び、対物レンズ１１２の瞳面と波面変調器１３０を光学的な共役関係に配置することができる。すなわち、実質的に波面変調器１３０がリレー光学系１２０に対して想像線の位置１３０’に来るように光学距離が調整される。なお、図５は、説明の便宜上、リレー光学系１２０に対して波面変調器１３０が相対的に移動しているように図示されている。

光束径の変更に関する必要な情報は、例えば光束径制御部１２０内のメモリーにあらかじめ記憶させておくとよい。具体的には、あらかじめ、使用するすべての対物レンズについて、射出光束径を測定して必要な可動レンズ移動量を求めておき、その可動レンズ移動量をメモリーに記憶させておくとよい。そして、対物レンズを切り換えた際に、切り換えられた対物レンズに対応した必要な可動レンズ移動量をメモリーから選び出して可動レンズ１２２、１２３を移動させるとよい。

同様に、光束径制御部１２０と波面変調器１３０の間の光学距離の調整に関する必要な情報をあらかじめメモリーに記憶させておくとよい。具体的には、使用するすべての対物レンズについて、対物レンズの瞳面と波面変調器１３０を共役関係に配置するために必要なリレー光学系移動量をあらかじめメモリーに記憶させておくとよい。

波面変調器１３０の光学的有効径は、最大の射出光束径を与える対物レンズの射出光束径にあわせておくとよい。このようにすれば、リレー光学系１２０の調整は光束径を拡大する移動だけとなるので調整しやすい。

本実施形態の顕微鏡は、観察対象物や対物レンズを光軸方向に移動させることなく、焦点面からずれた任意の位置を観察することが可能である。しかも、倍率が異なる複数の対物レンズに対して一つの波面変調器で対応可能である。従って、波面変調器を適当に制御することによって、観察位置を光軸に沿って走査することも可能である。

第二実施形態
本実施形態は、反射型の波面変調器を備えた顕微鏡に向けられている。図６は、本発明の第二実施形態の顕微鏡の構成を概略的に示している。図６において、図１に示された部材と同一の参照符号で示された部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。

図６に示されるように、本実施形態の顕微鏡２００は、対物レンズ１１０と結像レンズ１４０の間の光路上に、第一実施形態の透過型の波面変調器１３０に代えて、反射型の波面変調器２３０を備えている。

反射型の波面変調器２３０は、例えば、可変形状ミラーで構成される。可変形状ミラーには、例えば特開平１１−１０１９４２号公報の図５にいくつか示されているように、静電駆動タイプや圧電駆動タイプなどがある。波面変調器２３０は、例えば、静電駆動タイプの可変形状ミラーで構成されてよい。

図７は、図６の波面変調器に適用可能な静電駆動タイプの可変形状ミラーの構成を概略的に示している。可変形状ミラー２３０は下側基板２３１と上側基板２３５で構成される。下側基板２３１は、例えばシリコン基板からなり、その上面に複数の分割電極２３２を備えている。分割電極２３２は、例えば、図３と同様なリング状電極で構成される。上側基板２３５は、枠状で、薄膜ミラー２３６を支持している。薄膜ミラー２３６は、変形可能であり、その下面に均一電極を有している。

薄膜ミラー２３６の電極と分割電極２３２との間に電圧を印加すると、両者間に静電力が発生して薄膜ミラーが変形する。分割電極２３２のそれぞれに適切な電圧を印加すると、図８に示されるように薄膜ミラー２３６をその外周での傾きが大きい形状に変形できる。これによって、光束の外周で中心からの距離ｒに対する波面補正量の変化が大きくなるように波面を変調すなわち波面を補正することが可能である。

図６において、光束Ｌ１と光束Ｌ２のどちらも同じ光束径で可変形状ミラー２３０に入射する。従って、光束Ｌ１と光束Ｌ２のどちらにも、光束の外周で中心からの距離ｒに対する波面補正量の変化が大きくなるように波面を変調すなわち波面を補正することが可能である。

本実施形態は、第一実施形態と同様の利点を有する。また、前述の液晶セルで構成された波面変調器では、波長によって屈折率が異なるため色収差が発生する場合がある。これに対して、可変形状ミラーは色収差を発生させない。従って、本実施形態は色収差の発生を抑制することができる。また、可変形状ミラーは、液晶セルよりも、波面の変調速度が速い。従って、本実施形態は、第一実施形態よりも波面の変調を高速で行なうことができる。

第三実施形態
本実施形態は、光束径測定部を備えた顕微鏡に向けられている。図９は、本発明の第三実施形態の顕微鏡の構成を概略的に示している。より詳しくは、図９は、図４の構成に対して光束径測定部が付加された構成を示している。図９において、図４に示された部材と同一の参照符号で示された部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。

図９に示されるように、本実施形態の顕微鏡３００は、図４の構成に対して、光束径測定部３５０が付加されている。光束径測定部３５０は、ビームスプリッター３６０とＣＣＤカメラユニット３７０とを備えている。ビームスプリッター３６０は、リレー光学系１２０と波面変調器１３０の間の光路上に配置されている。ＣＣＤカメラユニット３７０は、ビームスプリッター３６０によって分岐された光路上に配置されている。

本実施形態の顕微鏡３００では、リレー光学系１２０から波面変調器１３０に向かう光束は、ビームスプリッター３６０によって一部が分岐されて、ＣＣＤカメラユニット３７０に入射する。ＣＣＤカメラユニット３７０は、入射する光束の光束径を測定する。リレー光学系１２０の可動レンズ１２２、１２３は、ＣＣＤカメラユニット３７０で測定された光束の光束径が波面変調器１３０の光学的有効径にほぼ等しくなるように移動される。

さらに、可動レンズ１２２、１２３の移動量からリレー光学系１２０の倍率変化が求められる。求められた倍率変化に基づいて、対物レンズ１１０の瞳面と波面変調器１３０とが共役関係に配置されるように、リレー光学系１２０と波面変調器１３０の間の光学距離が調整される。

本実施形態は、第一実施形態と同様の利点を有する。さらに、本実施形態は、あらかじめ対物レンズごとに射出光束を測定しておくことなく、リレー光学系１２０の可動レンズ１２２、１２３を移動させることができる。

本発明は、ひとつには、顕微鏡に向けられており、以下の各項に列記する顕微鏡を含んでいる。

１．本発明の顕微鏡は、対物レンズと、対物レンズと共働して結像光学系を構成する結像レンズと、対物レンズと結像レンズの間の光路上に配置された波面変調器と、波面変調器と対物レンズの間の光路上に配置された、対物レンズからの光束の光束径をほぼ一定の光束径に変更する波面変調器とを備えている。

対物レンズからの光束の光束径は、対物レンズの倍率に依存して変る。従って、対物レンズが倍率が異なるものに交換された際には、対物レンズからの光束の光束径は変る。光束径制御部は、対物レンズからの光束の光束径をほぼ一定の光束径に変更する。従って、波面変調器には、対物レンズの倍率に関係なく、ほぼ一定の光束径の光束が入射する。このため、対物レンズの倍率に関係なく、焦点移動と適正な収差補正を行なうことができる。

２．本発明の別の顕微鏡は、第１項の顕微鏡において、光束径制御部は、対物レンズからの光束の光束径を、波面変調器の光学的有効径にほぼ等しい光束径に変更する。

波面変調器には、波面変調器の光学的有効径にほぼ等しい光束径の光束が入射する。このため、焦点移動と適正な収差補正を効率良く行なうことができる。

３．本発明の別の顕微鏡は、第１項の顕微鏡において、光束径制御部は、結像光学系の光軸に沿って移動可能な可動レンズを含むリレー光学系を備えている。

リレー光学系は、可動レンズの移動方向が光軸に平行であるため、容易に構成可能である。

４．本発明の別の顕微鏡は、第３項の顕微鏡において、リレー光学系と波面変調器の間の光学距離が調整可能である。

どの対物レンズに対しても、波面変調器を実質的に対物レンズの瞳面上に配置することができる。すなわち、対物レンズの瞳面と波面変調器を共役関係に配置することができる。

５．本発明の別の顕微鏡は、第４項の顕微鏡において、光束径の変更に関する必要な情報を記憶しておくメモリーをさらに備えている。

光束径制御部は、対物レンズが切り換えられた際に、必要な情報をメモリーから読み出し、それに基づいて光束径を変更する。

６．本発明の別の顕微鏡は、第５項の顕微鏡において、メモリーには、使用するすべての対物レンズについて、必要な可動レンズ移動量が記憶される。

光束径制御部は、対物レンズが切り換えられた際に、必要な可動レンズ移動量のデータをメモリーから選び出し、それに基づいて可動レンズを移動させる。

７．本発明の別の顕微鏡は、第５項の顕微鏡において、メモリーには、リレー光学系と波面変調器の間の光学距離の調整に関する必要な情報が記憶される。

対物レンズが切り換えられた際に、メモリーに記憶されている情報に基づいて光束径制御部と波面変調器の間の光学距離が調整される。

８．本発明の別の顕微鏡は、第７項の顕微鏡において、メモリーには、対物レンズの瞳面と波面変調器を共役関係に配置するために必要なリレー光学系移動量が記憶される。

光束径制御部は、対物レンズが切り換えられた際に、必要なリレー光学系移動量のデータをメモリーから選び出してリレー光学系を移動させる。

９．本発明の別の顕微鏡は、第１項の顕微鏡において、波面変調器が可変形状ミラーで構成されている。

色収差の発生を抑えることができるとともに、波面を高速に変調することができる。

１０．本発明の別の顕微鏡は、第１項の顕微鏡において、光束径測定部をさらに備えており、光束径制御部は光束径測定部による測定結果に基づいて対物レンズからの光束の光束径を変える。

光束径制御部は、あらかじめ対物レンズごとに射出光束径を測定しておくことなく、対物レンズからの光束の光束径を変えることができる。

本発明の第一実施形態の顕微鏡の構成を概略的に示している。球面収差の補正に必要な波面の変調量すなわち波面の補正量を示している。液晶セルで構成された球面収差の補正に適した波面変調器の電極パターンを示している。図１において光束径制御部がリレー光学系に置き換えられた顕微鏡の構成を示している。図４に示された対物レンズとリレー光学系と波面変調器の相互間の好適な位置関係を示している。本発明の第二実施形態の顕微鏡の構成を概略的に示している。図６の波面変調器に適用可能な静電駆動タイプの可変形状ミラーの構成を概略的に示している。球面収差の補正のために変形された図７の可変形状ミラーの薄膜ミラーの断面形状を概略的に示している。本発明の第三実施形態の顕微鏡の構成を概略的に示している。

符号の説明

１００…顕微鏡、１１０…対物レンズ、１１１…対物レンズ、１１２…対物レンズ、１２０…光束径制御部（リレー光学系）、１２１…レンズ、１２２、１２３…可動レンズ、１３０…波面変調器、１３１、１３２、１３３、１３４…リング状電極、１４０…結像レンズ、２００…顕微鏡、２３０…波面変調器（可変形状ミラー）、２３１…下側基板、２３２…分割電極、２３５…上側基板、２３６…薄膜ミラー、３００…顕微鏡、３５０…光束径測定部、３６０…ビームスプリッター、３７０…ＣＣＤカメラユニット。

Claims

対物レンズと、
対物レンズと共働して結像光学系を構成する結像レンズと、
対物レンズと結像レンズの間の光路上に配置された波面変調器と、
波面変調器と対物レンズの間の光路上に配置された、対物レンズからの光束の光束径をほぼ一定の光束径に変更する光束径制御部とを備えている、顕微鏡。
光束径制御部は、対物レンズからの光束の光束径を、波面変調器の光学的有効径にほぼ等しい光束径に変更する、請求項１に記載の顕微鏡。
光束径制御部は、結像光学系の光軸に沿って移動可能な可動レンズを含むリレー光学系を備えている、請求項１に記載の顕微鏡。
リレー光学系と波面変調器の間の光学距離が調整可能である、請求項３に記載の顕微鏡。
光束径の変更に関する必要な情報を記憶しておくメモリーをさらに備えている、請求項４に記載の顕微鏡。
メモリーには、使用するすべての対物レンズについて、必要な可動レンズ移動量が記憶される、請求項５に記載の顕微鏡。
メモリーには、リレー光学系と波面変調器の間の光学距離の調整に関する必要な情報が記憶される、請求項５に記載の顕微鏡。
メモリーには、対物レンズの瞳面と波面変調器を共役関係に配置するために必要なリレー光学系移動量が記憶される、請求項７に記載の顕微鏡。
波面変調器が可変形状ミラーで構成されている、請求項１に記載の顕微鏡。
光束径測定部をさらに備えており、光束径制御部は光束径測定部による測定結果に基づいて対物レンズからの光束の光束径を変える、請求項１に記載の顕微鏡。