JP6010450B2 - 光観察装置及び光観察方法 - Google Patents

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Description

本発明は、光観察装置に関するものである。
特許文献１には、光の波面形状を任意に変換できる波面変換素子を用いたレーザ走査装置が記載されている。このレーザ走査装置は、レーザ光束の光路中に配置された光束分岐素子と、ビームエクスパンダと、波面変換素子と、標本面上に集光させるための対物レンズと、光検出器と、制御装置とを備えている。波面変換素子は、微小に分割された各領域が制御装置により独立に制御され得るように構成された液晶素子から成る。
特開平１１−３２６８６０号公報
近年、顕微鏡観察における対象物の照明光やレーザ加工用途のレーザ光の生成を、空間光変調器を用いた位相変調によって行うことが研究されている。このような光照射方式によれば、空間光変調器における位相分布（ホログラム）を制御することにより、例えば円環形状、矩形環状、又は直線状といった所望の強度分布を有する照射光を実現することができる。
また、このような光照射方式では、空間光変調器の位相分布を制御することにより、位相変調後の光（以下、変調光という）の光軸方向における集光位置をも任意に変化させることができる。したがって、観察対象物の任意の深さに変調光を集光させることができる。しかしながら、変調光が照射された部位を観察する場合、或いは当該部位の画像を取得する場合等において、このように集光位置が深さ方向に変化すると、観察光像の焦点をその集光位置の変化に対応して変更させる必要が生じ、作業が煩雑になってしまう。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、変調光の集光位置を光軸方向に変化させた場合であっても、照射部位の観察光像を容易に得ることができる光観察装置を提供することを目的とする。
上述した課題を解決するために、本発明による光観察装置は、観察対象物からの被観察光を撮像するための光観察装置であって、光を出力する光源と、二次元配列された複数の領域を含む位相変調面を有し、フレネル型キノフォームを位相変調面に表示し、複数の領域毎に光の位相を変調することにより変調光を生成し、変調光を観察対象物へ出射する空間光変調器と、観察対象物からの被観察光を撮像する撮像光学系と、撮像光学系を移動させる光学系移動機構と、フレネル型キノフォームによる変調光の光軸方向における集光位置の変化に対応して撮像光学系の焦点位置が変化するように光学系移動機構を制御する制御部とを備えることを特徴とする。
この光観察装置では、観察対象物からの被観察光を撮像する撮像光学系を、光学系移動機構が観察光像の光軸方向に移動させる。そして、この光学系移動機構は、キノフォームに起因する変調光の集光位置の変化に対応して撮像光学系の焦点位置が変化するように（典型的には、撮像光学系の焦点位置が変調光の集光位置に近づくように）、制御部により制御される。このような構成によれば、変調光の集光位置が光軸方向に変化したときに、作業者を煩わすことなく照射部位の観察光像の焦点を自動的に合わせることができる。従って、上記の光観察装置によれば、変調光の集光位置を光軸方向に変化させた場合であっても、照射部位の観察光像を容易に得ることができる。
また、光観察装置は、撮像光学系が、観察対象物において透過した被観察光を撮像することを特徴としてもよい。この場合、変調光を観察対象物へ照射するための照射光学系と、観察対象物において透過した変調光を撮像する撮像光学系とを互いに独立して構成することができる。したがって、照射光学系に影響を与えることなく撮像光学系を移動させることが容易であり、上述した光観察装置の構成を容易に実現することができる。
また、光観察装置は、観察対象物を被観察光の光軸方向に移動させる観察対象物移動機構を更に備えることを特徴としてもよい。
また、光観察装置は、撮像光学系が結像レンズを含み、光学系移動機構が結像レンズを移動させることを特徴としてもよい。
また、光観察装置は、撮像光学系が撮像装置を含み、光学移動機構が撮像装置を移動させることを特徴としてもよい。
また、光観察装置は、制御部が、観察対象物に変調光を出射中に、位相変調面に表示されているフレネル型キノフォームに基づいて、撮像光学系の焦点位置が変化するように光学系移動機構を制御することを特徴としてもよい。
また、光観察装置は、制御部が、観察対象物に変調光を出射後に、予め記憶されたフレネル型キノフォームに基づいて、撮像光学系の焦点位置が変化するように光学系移動機構を制御することを特徴としてもよい。
また、本発明による光観察方法は、観察対象物からの被観察光を撮像するための光観察方法であって、二次元配列された複数の領域を含む位相変調面を有する空間光変調器を用いて、フレネル型キノフォームに基づいて複数の領域毎に光の位相を変調して、変調光を生成し、変調光を観察対象物に集光し、撮像光学系を用いて、観察対象物からの被観察光を撮像し、撮像光学系を移動させる光学系移動機構を用いて、フレネル型キノフォームによる変調光の光軸方向における集光位置の変化に対応して撮像光学系の焦点位置が変化するように光学系移動機構を制御することを特徴とする。
本発明による光観察装置によれば、変調光の集光位置を光軸方向に変化させた場合であっても、照射部位の観察光像を容易に得ることができる。
本発明の一実施形態に係る光観察装置の構成を示す図である。 空間光変調器の一例として、ＬＣｏＳ型の空間光変調器を概略的に示す断面図である。 （ａ）一実施形態の計算方法により算出されたフレネル型キノフォームの例を示す画像である。（ｂ）そのキノフォームによって観察対象物に照射される変調光の形状を示す図である。 （ａ）一実施形態の計算方法により算出されたフレネル型キノフォームの例を示す画像である。（ｂ）そのキノフォームによって観察対象物に照射される変調光の形状を示す図である。 （ａ）一実施形態の計算方法により算出されたフレネル型キノフォームの例を示す画像である。（ｂ）そのキノフォームによって観察対象物に照射される変調光の形状を示す図である。 観察対象物に対して変調光を立体的に照射している様子を概念的に示す図である。 第１変形例としての光観察装置の構成を示す図である。 第２変形例としての光観察装置の構成を示す図である。 第３変形例としての光観察装置の構成を示す図である。
以下、添付図面を参照しながら本発明による光観察装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
図１は、本発明の一実施形態に係る光観察装置１Ａの構成を示す図である。一例では、本実施形態の光観察装置１Ａは、光学顕微鏡などの観察対象物を撮像するための光観察装置である。また、別の一例では、光観察装置１Ａは、レーザ加工において加工対象物にレーザ光を照射することで加工対象物を加工し、加工された箇所の状態を観察する光観察装置である。なお、図１では、観察対象物も加工対象物も観察対象物Ｂとして示されている。
図１に示されるように、光観察装置１Ａは、光源１０と、前段光学系１１と、空間光変調器（Spatial Light Modulator；ＳＬＭ）２０と、後段光学系１２Ａと、観察対象物Ｂを支持するステージ１３と、ステージ移動機構１４と、撮像光学系１５と、光学系移動機構１６と、制御部１９とを備えている。
光源１０は、所定波長の光Ｌ１を出力する。光Ｌ１は、単色且つ或る程度のコヒーレンシーを有することが好ましく、例えばレーザ光である。また、光Ｌ１としては、ＬＥＤからの光などのコヒーレント性が低い光でもよいが、光Ｌ１に複数の波長成分が含まれる場合、色補正レンズなどによる補正が必要になる場合がある。
前段光学系１１は、光源１０と光学的に結合されており、光源１０から出力された光Ｌ１を、空間光変調器２０へ導く。前段光学系１１は、例えばビームエキスパンダや空間フィルタなどの光学系を含むことができる。また、前段光学系１１は、例えばビームスプリッタ、波長板、偏光子、及びレンズといった種々の光学部品を含むことができる。一例として、図１に示される前段光学系１１は、空間フィルタ１１ａと、コリメートレンズ１１ｂとを含んでいる。
空間光変調器２０は、二次元配列された複数の領域を含む位相変調面２０ａを有し、その複数の領域毎に光Ｌ１の位相を変調することにより、変調光Ｌ２を生成する。位相変調面２０ａには、制御部１９から提供される制御信号Ｓ１に応じて、フレネル型キノフォームが表示される。なお、キノフォームとは、位相の空間情報を意味する。空間光変調器２０は、変調光Ｌ２を、後段光学系１２Ａを介して観察対象物Ｂへ照射する。フレネル型キノフォームの算出方法については後述する。なお、位相変調面２０ａに表示されるのは、フレネル型キノフォームに所定の変調パターンを重畳させた位相の空間情報でもよい。
空間光変調器２０としては、電気アドレス型の液晶素子、光アドレス型の液晶素子、可変鏡型の光変調器など種々の方式のものが適用され得る。また、本実施形態の空間光変調器２０は、透過型及び反射型の何れであってもよい。
図２は、本実施形態の空間光変調器２０の一例として、ＬＣｏＳ型の空間光変調器を概略的に示す断面図であって、光Ｌ１の光軸に沿った断面を示している。この空間光変調器２０は、透明基板２１、シリコン基板２２、複数の画素電極２３、液晶層２４、透明電極２５、配向膜２６ａ及び２６ｂ、誘電体ミラー２７、並びにスペーサ２８を備えている。これらのうち、複数の画素電極２３、液晶層２４、透明電極２５、配向膜２６ａ及び２６ｂ、並びに誘電体ミラー２７は、位相変調面２０ａを構成する。
透明基板２１は、光Ｌ１を透過する材料からなり、シリコン基板２２の主面に沿って配置される。複数の画素電極２３は、シリコン基板２２の主面上において二次元格子状に配列され、空間光変調器２０の各画素を構成する。透明電極２５は、複数の画素電極２３と対向する透明基板２１の面上に配置される。液晶層２４は、複数の画素電極２３と透明電極２５との間に配置される。配向膜２６ａは液晶層２４と透明電極２５との間に配置され、配向膜２６ｂは液晶層２４と複数の画素電極２３との間に配置される。誘電体ミラー２７は配向膜２６ｂと複数の画素電極２３との間に配置される。誘電体ミラー２７は、透明基板２１から入射して液晶層２４を透過した光Ｌ１を反射して、再び透明基板２１から出射させる。
また、空間光変調器２０は、複数の画素電極２３と透明電極２５との間に印加される電圧を制御する画素電極回路（アクティブマトリクス駆動回路）を更に備えている。画素電極回路から何れかの画素電極２３に電圧が印加されると、該画素電極２３と透明電極２５との間に生じた電界の大きさに応じて、該画素電極２３上の液晶層２４の屈折率が変化する。したがって、液晶層２４の当該部分を透過する光Ｌ１の光路長が変化し、ひいては、光Ｌ１の位相が変化する。そして、複数の画素電極２３に様々な大きさの電圧を印加することによって、位相変調量の空間的な分布を電気的に書き込むことができ、必要に応じて様々なキノフォームを表示することができる。従って、位相変調面２０ａを構成する領域の最小単位は、画素電極２３の大きさに対応する。
再び図１を参照する。後段光学系１２Ａは、前段レンズ１２ａ及び後段レンズ１２ｂを有している。前段レンズ１２ａは、凸レンズであって、空間光変調器２０の位相変調面２０ａと光学的に結合されている。また、後段レンズ１２ｂは、いわゆる対物レンズであり、前段レンズ１２ａと観察対象物Ｂとの間に配置され、一方の面が前段レンズ１２ａと光学的に結合され、他方の面が観察対象物Ｂと光学的に結合されている。なお、後段レンズ１２ｂは凸レンズであってもよい。後段光学系１２Ａは、このような構成を有することにより、位相変調面２０ａと観察対象物Ｂとを光学的に結合する。
ステージ１３は、観察対象物Ｂを支持する。本実施形態のステージ１３は、ステージ移動機構１４によって変調光Ｌ２の光軸方向（図中の矢印Ａ１）に移動可能となっており、このようなステージ１３の移動の結果、観察対象物Ｂが変調光Ｌ２の光軸方向に移動する。なお、ステージ移動機構１４は、本実施形態における観察対象物移動機構である。ステージ移動機構１４は、制御部１９から提供される制御信号Ｓ２により示される方向（前方向か後方向か）および移動量でもってステージ１３を移動させる。
撮像光学系１５は、観察対象物Ｂを支持するステージ１３に対して観察対象物Ｂとは反対側に配置されており、観察対象物Ｂ及びステージ１３を透過した被観察光Ｌ３（観察光像）の画像を取得するために設けられている。
撮像光学系１５は、結像レンズ１５ａ及び検出器１５ｂを含んでいる。結像レンズ１５ａの一方の面は観察対象物Ｂと光学的に結合されており、他方の面は検出器１５ｂの光検出面と光学的に結合されている。結像レンズ１５ａは、観察対象物Ｂにおいて透過した被観察光Ｌ３を、検出器１５ｂに向けて結像する。また、検出器１５ｂは、観察対象物Ｂに関する被観察光Ｌ３の光像を撮像して画像データを生成する。検出器１５ｂは、一次元センサ、二次元イメージセンサ、及び分光器のうちの何れであってもよく、或いはこれらを併用してもよい。なお、検出器１５ｂが一次元センサである場合には、結像レンズ１５ａと検出器１５ｂとの間にピンホールを配置し、共焦点系を構成してもよい。また、結像レンズ１５ａと検出器１５ｂとの間に、リレーレンズといった光学系や、フィルタなどの光学部品が設けられてもよい。
光学系移動機構１６は、撮像光学系１５での被観察光Ｌ３の光軸方向に沿って、撮像光学系１５を移動させるための機構である。光学系移動機構１６は、結像レンズ１５ａを該結像レンズ１５ａにおける被観察光Ｌ３の光軸方向（図中の矢印Ａ２）に沿って移動させるための機構１６ａと、検出器１５ｂを該検出器１５ｂにおける被観察光Ｌ３の光軸方向（図中の矢印Ａ３）に沿って移動させるための機構１６ｂとを含んでいる。機構１６ａは、制御部１９から提供される制御信号Ｓ３により示される方向（前方向か後方向か）および移動量でもって結像レンズ１５ａを移動させる。機構１６ｂは、制御部１９から提供される制御信号Ｓ４により示される方向（前方向か後方向か）および移動量でもって検出器１５ｂを移動させる。なお、光学系移動機構１６は、結像レンズ１５ａもしくは検出器１５ｂのどちらか一方を光軸方向に移動させる機構としてもよい。
制御部１９は、所望の断面形状を有する変調光Ｌ２が観察対象物Ｂに照射されるように、フレネル型キノフォームに関する制御信号Ｓ１を空間光変調器２０に与える。ここで、空間光変調器２０に表示されるフレネル型キノフォームの算出方法の例として、逆伝搬による計算方法について説明する。
本実施形態では、空間光変調器２０によって変調された変調光Ｌ２の再生像面が、観察対象物Ｂと重なるように設定される。この再生像面における変調光Ｌ２のパターン（ターゲットパターン）がＭ個（但しＭは２以上の整数）の点光源によって構成されていると仮定すると、位相変調面２０ａにおけるホログラム面は、各点光源からの波面伝搬関数の総和として扱うことができる。そして、再生像面における各点光源の座標を（ｘｍ，ｘｍ）（但し、ｍ＝０，１，・・・，Ｍ−１）とすると、ホログラム面の各画素の座標（ｘａ，ｙｂ）（但し、ａ，ｂ＝０，１，・・・，Ｎ−１、Ｎはｘ方向及びｙ方向における画素数）における各点光源の波面伝搬関数ｕｍ（ｘａ，ｙｂ）は、次の数式（１）のように表される。

但し、ｉは虚数単位であり、ｋは波数（＝２π／λ、λは変調光Ｌ２の波長）であり、ｚは再生像面とホログラム面との距離であり、Ａｍは複素振幅成分（すなわち光の強さ）であり、θｍは位相成分であり、δは各画素での初期位相である。また、ｒｍは次の数式（２）

により定義される数値であって、再生像面内の各点光源からホログラム面の各画素までの距離を表している。
本方法では、Ｍ個の点光源に関する波面伝搬関数ｕｍの総和ｕｔｏｔａｌ（ｘａ，ｙｂ）を次の数式（３）によって求める。

そして、この総和ｕｔｏｔａｌ（ｘａ，ｙｂ）から位相成分を抽出することにより、計算機合成ホログラム（Computer Generated Hologram；ＣＧＨ）を作成する。なお、ここで位相成分を抽出するのは、空間光変調器２０が位相変調型の空間光変調器であることから、波面伝搬関数ｕｍに含まれる振幅情報を無視するためである。また、この計算の際、位相折り畳みの折り返し線がナイキスト周波数を越えないように、すなわち波面伝搬関数ｕｍの位相項ｅｘｐ（−ｉθｍ）において、隣接する画素との位相差がπ（ｒａｄ）を越えないように、波面伝搬関数ｕｍの関数領域を制限する必要がある。
図３〜図５は、（ａ）上記の計算方法により算出されたフレネル型キノフォームを示す画像と、（ｂ）そのキノフォームによって観察対象物Ｂに照射される変調光Ｌ２の形状（光軸に垂直な断面形状）を示す図である。図３は、観察対象物Ｂにおける変調光の形状が矩形状である場合を示している。図４は、観察対象物Ｂにおける変調光の形状が円形状である場合を示している。図５は、観察対象物Ｂにおける変調光の形状が、互いに平行な２本の直線状である場合を示している。
上記の計算方法によれば、位相変調面２０ａに表示されるフレネル型キノフォームを、これらのように、観察対象物Ｂにおける変調光Ｌ２の形状を円形状、矩形状、又は直線状とするキノフォームとすることが可能である。なお、観察対象物Ｂにおける変調光Ｌ２の形状はこれらに限られず、様々な形状が可能である。
また、上記の計算方法を用いると、観察対象物Ｂに対して立体的に（三次元的に）変調光Ｌ２を照射することができるキノフォームも計算可能である。図６は、観察対象物Ｂ（例えば細胞）に対して変調光Ｌ２を立体的に照射している様子を概念的に示す図である。図中に示された実線Ｃは、観察対象物Ｂの表面において変調光Ｌ２が照射される部分を表している。
なお、上記の計算方法において、再生像面における光強度分布の中心部分の光強度を、該光強度分布の周囲部分の光強度よりも小さくすることにより、十分な開口数（ＮＡ）を維持しつつ照射光量を調整することができる。また、計算的もしくは実験的なフィードバックを行う反復法によって、光強度Ａｍの分布を調整してもよい。
また、上記の計算方法において、開口数（ＮＡ）を、ナイキスト周波数を超えない程度に変更してもよい。これにより、観察対象物Ｂに照射される変調光Ｌ２の光強度、及び集光点の大きさを任意に変更することができる。
また、上記の計算方法における数式の中に初期値を含めても良いが、次の数式（４）によって算出される初期位相θｍ’を、キノフォーム算出後に加算してもよい。

なお、この初期位相θｍ’は、収差補正、ビーム整形、ビーム拡がりなどを調整するためのものであってもよい。
また、上記の計算方法において、変調光Ｌ２の波長（設計波長）は、空間光変調器２０が変調し得る範囲に含まれる波長であればよく、他の要件によっては何ら制限されない。
また、上記の計算方法において使用される光Ｌ１の強度の値は、理論値及び実験値の何れでもよい。但し、光Ｌ１の光軸に垂直な断面における強度分布は、均一に近いことが望ましい。光Ｌ１の強度分布が均一ではない場合には、光Ｌ１の強度分布情報を含めた計算によりキノフォームを設計する必要がある。このときの光Ｌ１の強度分布は、位相変調面２０ａと共役な面において取得された強度分布であることが望ましい。
なお、位相変調面２０ａに表示されるキノフォームは、上述した逆伝搬による計算方法以外にも、様々な方法により算出されることができる。例えば、一般的な反復法（例えばＧＳ法）などにフレネル回折を適用した計算方法を用いて、キノフォームを計算してもよい。
ここで、後段光学系１２Ａについて更に説明する。観察対象物Ｂに光を照射する際、集光点が大きく照射領域が広い場合には、後段光学系１２Ａは省略されることも可能であるが、例えば顕微鏡での光照射の場合等、集光点を小さくし、且つ狭い領域に効率良く集光させたい場合がある。しかし、位相変調型の空間光変調器２０のみでは、その位相分解能及び空間分解能が十分ではない場合があり、そのような場合には十分に小さな集光点を生成することが難しい。したがって、高い開口数（ＮＡ）を有するレンズを用いて後段光学系１２Ａを構成することが望ましい。
そして、このような場合、ケプラー型アフォーカル光学系（４ｆ光学系）を用い、且つ、この光学系の後段レンズを対物レンズとすることが望ましい。本実施形態の後段光学系１２Ａはケプラー型アフォーカル系を成しており、前段レンズ１２ａと後段レンズ１２ｂとの光学距離が、前段レンズ１２ａの焦点距離ｆ１と後段レンズ１２ｂの焦点距離ｆ２との和（ｆ１＋ｆ２）と実質的に等しい。また、このような後段光学系１２Ａは両側テレセントリックな光学系であるため、対物レンズ（後段レンズ１２ｂ）の焦平面は、空間光変調器２０の位相変調面２０ａと共役な関係にある。なお、フーリエ光学系の０次光成分はバックグラウンドノイズとして残留するが、本実施形態の後段光学系１２Ａでは、このようなノイズは集光点に比べて無視できる程度に小さい。
ここで、４ｆ光学系の縮小倍率Ｍは、次の数式（５）によって求められる。

空間光変調器２０から共役面までの距離Ｌは

であるため、これらの数式（５）及び（６）に基づいて、最適な前段レンズ１２ａ及び後段レンズ１２ｂの組み合わせを決定することができ、光学系の最適化を図ることができる。
一方、光軸方向における集光点の位置は、キノフォーム設計値及び縮小倍率Ｍによって一義的に決定される。すなわち、キノフォームの設計焦点距離をｚとすると、集光点は、後段レンズ１２ｂの焦平面からΔｚ（＝ｚ×Ｍ）の距離に位置することとなる。この関係は、ｚが負である場合であっても同様に成り立つ。
なお、後段レンズ１２ｂと位相変調面２０ａとの間隔が変化しても上記の関係は成り立つが、この間隔が大きく変化する場合には、合成焦点距離の計算を含めてΔｚを求めることが好ましい。これは、後段光学系１２Ａがケプラー型アフォーカル系を構成する場合であっても同様である。このようなΔｚは、例えば次のようにして求められる。位相変調面２０ａに表示されるフレネル型キノフォームの焦点距離をｆSLM、前段レンズ１２ａの焦点距離をｆ１、後段レンズ１２ｂの焦点距離をｆ２、位相変調面２０ａと前段レンズ１２ａとの距離をｆ１、前段レンズ１２ａと後段レンズ１２ｂとの距離をｆ１＋ｆ２とすると、フレネル型キノフォームと前段レンズ１２ａとの合成焦点距離ｆ’は、次の数式（７）によって算出される。

これと同様に、合成焦点距離ｆ’と後段レンズ１２ｂとの合成焦点距離ｆは、次の数式（８）によって算出される。

そして、Δｚは次の数式（９）によって算出される。
なお、本実施形態の後段光学系１２Ａにおいて、前段レンズ１２ａ及び後段レンズ１２ｂは、それぞれが単一のレンズから成ってもよく、また、それぞれが複数のレンズから成ってもよい。また、後段光学系１２Ａは、前段レンズ１２ａ及び後段レンズ１２ｂに加えて、別のレンズを含んでもよい。その場合、別のレンズの焦点距離を上記の合成焦点距離ｆの計算に含めるとよい。また、後段光学系１２Ａは、前段レンズ１２ａ及び後段レンズ１２ｂに加えて、レンズ以外の光学部品（例えば、ビームスプリッタ、波長板、偏光子、スキャナなど）を、大きな波面収差が生じない程度に含んでもよい。
以上に説明したように、フレネル型キノフォームを位相変調面２０ａに表示させる本実施形態の光観察装置１Ａでは、フレネル型キノフォームの形態に応じて、観察対象物Ｂでの変調光Ｌ２の集光位置が光軸方向に変化する。このような場合、検出器１５ｂにおいて明瞭な観察画像を得るためには、撮像光学系１５の焦点位置を、変調光Ｌ２の集光位置の変化に対応して移動させることが望ましい。そこで、本実施形態の光観察装置１Ａでは、光学系移動機構１６の機構１６ａが、撮像光学系１５の結像レンズ１５ａを被観察光Ｌ３の光軸方向に移動させる。そして、この機構１６ａは、キノフォームに起因する変調光Ｌ２の集光位置の変化に対応して結像レンズ１５ａの焦点位置が変化するように（典型的には、結像レンズ１５ａの焦点位置が変調光Ｌ２の集光位置に近づくように）、制御部１９からの制御信号Ｓ３により制御される。本実施形態では、制御部１９が提供するキノフォームに基づいて、このキノフォームに起因する変調光Ｌ２の集光位置を瞬時に算出することができるので、このような制御が可能となる。
なお、制御部１９は、観察対象物Ｂに変調光Ｌ２を照射するために用いたフレネル型キノフォームを記憶しておき、記憶されたフレネル型キノフォームに基づいて、照射された変調光Ｌ２の集光位置の変化に対応して撮像光学系１５の焦点位置が変化するように光学系移動機構１６を制御してもよい。例えば、レーザ加工において加工箇所の状態を観察する場合、制御部１９は、観察対象物Ｂ（加工対象物）を加工するために用いたフレネル型キノフォームを記憶しておき、加工終了後、記憶されたフレネル型キノフォームに基づいて、照射された変調光Ｌ２の集光位置の変化に対応して撮像光学系１５の焦点位置が変化するように光学系移動機構１６を制御し、加工箇所を観察しても良い。
また、撮像光学系１５の結像レンズ１５ａから検出器１５ｂまでの光学距離は、結像レンズ１５ａの焦点距離と略等しいか、その焦点距離に近いことが好ましい。したがって、このような結像レンズ１５ａの移動に伴い、光学系移動機構１６の機構１６ｂは、検出器１５ｂが結像レンズ１５ａと同じ方向および移動量でもって移動するように、制御部１９からの制御信号Ｓ４により制御される。
上記のような構成を備える本実施形態の光観察装置１Ａによれば、変調光Ｌ２の集光位置が光軸方向に変化したときに、作業者を煩わすことなく、照射部位における被観察光Ｌ３（観察光像）の焦点を該集光位置に自動的に合わせることができる。従って、本実施形態の光観察装置１Ａによれば、変調光Ｌ２の集光位置を光軸方向に変化させた場合であっても、照射部位の観察光像を容易に得ることができる。
また、本実施形態の光観察装置１Ａでは、撮像光学系１５を、光学系移動機構１６といった機械的な機構を用いて移動させている。これにより、例えば撮像光学系の中に別の空間光変調素子を配置して焦点位置を調整する場合と比較して、ピエゾ素子や電動ステージといった、空間光変調素子よりも応答速度が十分に速いデバイスを用いて構成することができるので、焦点位置の調整を素早く行うことができる。また、光観察装置１Ａによれば、光学部品を追加する必要がないので、装置規模を小さく抑えることができる。
また、本実施形態の光観察装置１Ａによれば、空間光変調器２０を用いて照射光の形状を自在に制御できるので、光Ｌ１の特性が変化しても、位相変調面２０ａに表示させるキノフォームを変更するだけで対応でき、レンズ等の光学系を変更する必要がないため簡便である。また、例えば光学顕微鏡において、後段レンズ（対物レンズ）１２ｂを切り替える際にも、位相変調面２０ａに表示させるキノフォームを変更するだけで対応でき、他の光学系の変更を不要にできる。また、前段光学系１１及び後段光学系１２と位相変調面２０ａとの光軸調整も、キノフォームの調整のみによって行うことが可能なので極めて容易である。
また、本実施形態の光観察装置１Ａによれば、フレネル回折型のキノフォームを位相変調面２０ａに表示させるので、変調光Ｌ２の光軸方向における集光位置の可変範囲を広くすることができ、また、０次光成分による影響を抑えて、蛍光顕微鏡における退色（Photobleach）を小さく抑えることができる。更に、光観察装置１Ａによれば、位相変調面２０ａにおけるキノフォームの切り替え時に０次光が瞬間的に強くなることによる影響を効果的に抑制することができる。
また、この光観察装置１Ａでは、変調光Ｌ２の光強度分布を実験的に計測し、その計測結果をキノフォームの設計にフィードバックしてもよい。これにより、使用者側の需要に適合し且つ汎用性の高い態様での照明が可能となる。なお、変調光Ｌ２の光強度分布を計測する際には、変調光Ｌ２の集光面と同じ像面を観察可能な位置に計測器を配置するとよい。
また、この光観察装置１Ａによれば、フーリエ型ＣＧＨでは実現困難な、強度均一性の高い直線などの連続した断面形状を有する照明光を容易に実現することができる。また、この光観察装置１Ａによれば、同時に照明される観察対象物Ｂの領域は平面的な領域に限られず、立体的な領域を同時に照明することもできる。
また、観察対象物Ｂに照射される変調光Ｌ２の光軸を変更する場合においても、位相変調面２０ａに表示されるキノフォームを変更することのみによって、後段光学系１２Ａを移動させることなく変更することができる。したがって、このような光軸の変更も容易に行うことができる。更には、光学系１２Ａを交換することなく、開口数（ＮＡ）を変更することも容易にできる。また、観察対象物Ｂに照射される変調光Ｌ２の光量の調整も容易である。
また、光観察装置１Ａでは、位相変調面２０ａに表示されるキノフォームを変更することのみによって、光学系１２Ａを移動させることなく、光軸方向における変調光Ｌ２の集光位置を変化させることができる。したがって、この光観察装置１Ａによれば、光軸方向における変調光Ｌ２の照射位置の変化を、簡易な構成によって容易に行うことができ、装置の小型化が可能となる。
なお、この光観察装置１Ａは、近年盛んに研究されているＳＩＭ（Structured Illumination Microscopy）への適用も可能である。加えて、観察対象物Ｂからの被観察光Ｌ３は、観察対象物Ｂを透過した光に限らず、変調光Ｌ２を照射することによって発生した蛍光でもよく、光観察装置１Ａは、蛍光観察装置への適応も可能である。
また、光観察装置１Ａでは、光学系移動機構１６は、撮像光学系１５を光軸方向に移動させることに限らず、光軸に直交する面（ＸＹ面）も含めて撮像光学系１５を三次元に移動させる構成としてもよい。位相変調面２０ａにフレネル型キノフォームを表示すると、観察対象物Ｂに対して立体的に（三次元的に）変調光Ｌ２を照射することができるため、立体的に照射された変調光Ｌ２の集光位置に従って、撮像光学系１５を立体的に移動させることが可能となる。
また、本実施形態のように、撮像光学系１５は、観察対象物Ｂを透過する変調光、および観察対象物Ｂにおいて反射する変調光のうち、観察対象物Ｂを透過する被観察光Ｌ３を撮像することが好ましい。この場合、変調光Ｌ２を観察対象物Ｂへ照射するための後段光学系１２Ａ（照射光学系）と、観察対象物Ｂを透過した被観察光Ｌ３を撮像する撮像光学系１５とを、互いに独立して構成することができる。したがって、後段光学系１２Ａに影響を与えることなく撮像光学系１５を移動させることが容易であり、撮像光学系１５の焦点位置を変調光Ｌ２の集光位置に近づけるための光観察装置１Ａの構成を容易に実現することができる。また、後段光学系１２Ａ及び撮像光学系１５を互いに異なる構成とすることができるので、それぞれ異なる機能を有する光学部品（レンズ、ミラー、フィルタなど）を適宜採用することができる。
（第１の変形例）
図７は、上記実施形態の第１変形例として、光観察装置１Ｂの構成を示す図である。この光観察装置１Ｂは、上記実施形態の後段光学系１２Ａに代えて、後段光学系１２Ｂを備えている。なお、後段光学系１２Ｂを除く他の構成については、上記実施形態と同様である。
本変形例の後段光学系１２Ｂは、前段レンズ１２ａと、後段レンズ１２ｃとを有する。前段レンズ１２ａ及び後段レンズ１２ｃは、いわゆるガリレイ型アフォーカル系を成しており、後段レンズ１２ｃは凹レンズである。このような構成を備える光観察装置１Ｂであっても、上述した光観察装置１Ａと同様の作用効果を奏することができる。但し、本変形例では、位相変調面２０ａに表示されるキノフォームの位相分布の正負を反転する必要があり、また、後段レンズ１２ｃは凹レンズとなるので通常の対物レンズを使用することができない。なお、本変形例において、Δｚの算出方法は上記実施形態と同様である。
（第２の変形例）
図８は、上記実施形態の第２変形例として、光観察装置１Ｃの構成を示す図である。この光観察装置１Ｃは、上記実施形態の光観察装置１Ａの撮像光学系１５及び光学系移動機構１６に代えて、ビームスプリッタ３４、撮像光学系３５、及び光学系移動機構３６を備えている。これらは、観察対象物Ｂを支持するステージ１３に対して観察対象物Ｂと同じ側に配置されており、観察対象物Ｂにおいて反射した被観察光Ｌ４（観察光像）の画像を取得するために設けられている。
ビームスプリッタ３４は、後段光学系１２Ａの前段レンズ１２ａと後段レンズ１２ｂとの間における変調光Ｌ２の光路上に配置されている。ビームスプリッタ３４は、位相変調面２０ａから前段レンズ１２ａを経て到達した変調光Ｌ２を後段レンズ１２ｂに向けて透過する。また、ビームスプリッタ３４は、観察対象物Ｂにおいて反射したのち後段レンズ１２ｂを介して到達した被観察光Ｌ４（観察光像）を、撮像光学系３５に向けて反射する。
撮像光学系３５は、結像レンズ３５ａ及び検出器（撮像装置）３５ｂを含んでいる。結像レンズ３５ａの一方の面はビームスプリッタ３４と光学的に結合されており、他方の面は検出器３５ｂの光検出面と光学的に結合されている。結像レンズ３５ａは、観察対象物Ｂにおいて反射した被観察光Ｌ４を、検出器３５ｂに向けて結像する。検出器３５ｂは、観察対象物Ｂに関する被観察光Ｌ４の光像を撮像して画像データを生成する。検出器３５ｂは、一次元センサ、二次元イメージセンサ、及び分光器のうちの何れであってもよく、或いはこれらを併用してもよい。なお、検出器３５ｂが一次元センサである場合には、結像レンズ３５ａと検出器３５ｂとの間にピンホールを配置し、共焦点系を構成してもよい。また、結像レンズ３５ａと検出器３５ｂとの間に、リレーレンズといった光学系や、フィルタなどの光学部品が設けられてもよい。
光学系移動機構３６は、撮像光学系３５での被観察光Ｌ４の光軸方向に沿って、撮像光学系３５を移動させるための機構である。光学系移動機構３６は、結像レンズ３５ａを該結像レンズ３５ａにおける被観察光Ｌ４の光軸方向（図中の矢印Ａ４）に沿って移動させるための機構３６ａと、検出器３５ｂを該検出器３５ｂにおける被観察光Ｌ４の光軸方向（図中の矢印Ａ５）に沿って移動させるための機構３６ｂとを含んでいる。機構３６ａは、制御部１９から提供される制御信号Ｓ３により示される方向（前方向か後方向か）および移動量でもって結像レンズ３５ａを移動させる。機構３６ｂは、制御部１９から提供される制御信号Ｓ４により示される方向（前方向か後方向か）および移動量でもって検出器３５ｂを移動させる。
機構３６ａは、キノフォームに起因する変調光Ｌ２の集光位置の変化に対応して結像レンズ３５ａの焦点位置が変化するように、制御部１９からの制御信号Ｓ３により制御される。また、結像レンズ３５ａの移動に伴い、機構３６ｂは、検出器３５ｂが結像レンズ３５ａと同じ方向および移動量でもって移動するように、制御部１９からの制御信号Ｓ４により制御される。
このような構成を備える本変形例の光観察装置１Ｃによれば、変調光Ｌ２の集光位置が光軸方向に変化したときに、作業者を煩わすことなく、照射部位における被観察光Ｌ４（観察光像）の焦点を該集光位置に自動的に合わせることができる。従って、本変形例の光観察装置１Ｃによれば、変調光Ｌ２の集光位置を光軸方向に変化させた場合であっても、照射部位の観察光像を容易に得ることができる。
（第３の変形例）
図９は、上記実施形態の第３変形例として、光観察装置１Ｄの構成を示す図である。この光観察装置１Ｄは、上記実施形態の光観察装置１Ａの撮像光学系１５及び光学系移動機構１６に代えて、ビームスプリッタ４４、撮像光学系４５、及び光学系移動機構４６を備えている。これらは、第２変形例と同様に、観察対象物Ｂを支持するステージ１３に対して観察対象物Ｂと同じ側に配置されており、観察対象物Ｂにおいて反射した被観察光Ｌ４（観察光像）の画像を取得するために設けられている。
ビームスプリッタ４４は、空間光変調器２０と、後段光学系１２Ａの前段レンズ１２ａとの間における変調光Ｌ２の光路上に配置されている。ビームスプリッタ４４は、位相変調面２０ａから出射された変調光Ｌ２を前段レンズ１２ａに向けて透過する。また、ビームスプリッタ４４は、観察対象物Ｂにおいて反射したのち後段レンズ１２ｂ及び前段レンズ１２ａを介して到達した被観察光Ｌ４（観察光像）を、撮像光学系４５に向けて反射する。
撮像光学系４５は、検出器４５ａを含んでいる。検出器４５ａは、観察対象物Ｂに関する被観察光Ｌ４の光像を撮像して画像データを生成する。検出器４５ａは、一次元センサ、二次元イメージセンサ、及び分光器のうちの何れであってもよく、或いはこれらを併用してもよい。なお、ビームスプリッタ４４と検出器４５ａとの間に、リレーレンズといった光学系や、フィルタなどの光学部品が設けられてもよい。
光学系移動機構４６は、撮像光学系４５での被観察光Ｌ４の光軸方向に沿って、撮像光学系４５を移動させるための機構である。光学系移動機構４６は、検出器４５ａを該検出器４５ａにおける被観察光Ｌ４の光軸方向（図中の矢印Ａ５）に沿って移動させるための機構４６ａを含んでいる。機構４６ａは、制御部１９から提供される制御信号Ｓ４により示される方向（前方向か後方向か）および移動量でもって検出器４５ａを移動させる。機構４６ａは、キノフォームに起因する変調光Ｌ２の集光位置の変化に対応して検出器４５ａの焦点位置が変化するように、制御部１９からの制御信号Ｓ３により制御される。
このような構成を備える本変形例の光観察装置１Ｄによれば、変調光Ｌ２の集光位置が光軸方向に変化したときに、作業者を煩わすことなく、照射部位における被観察光Ｌ４（観察光像）の焦点を該集光位置に自動的に合わせることができる。従って、本変形例の光観察装置１Ｄによれば、変調光Ｌ２の集光位置を光軸方向に変化させた場合であっても、照射部位の観察光像を容易に得ることができる。
以上、本発明に係る光観察装置の好適な実施形態について説明したが、本発明は必ずしも上記実施形態に限られず、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。例えば、上記実施形態および各変形例では、空間光変調器と観察対象物との間に後段光学系が設けられているが、位相変調面に表示されるフレネル型キノフォームのみによって変調光を集光することとし、後段光学系を省略してもよい。
また、上記実施形態および各変形例では、撮像光学系移動機構が結像レンズおよび検出器の双方に設けられているが、撮像光学系移動機構は、結像レンズおよび検出器のうちいずれか一方にのみ設けられてもよい。
また、上記実施形態および各変形例において述べたように、撮像光学系の検出器が一次元センサである場合には、結像レンズと検出器との間にピンホールを配置し、共焦点系を構成してもよい。また、結像レンズと検出器との間に、リレーレンズといった光学系や、フィルタなどの光学部品が設けられてもよい。そして、これらピンホール、リレーレンズ、或いはフィルタ等の光学部品が設けられる場合には、該光学部品を光軸方向に移動させるための機構が更に設けられることが好ましい。
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ…光観察装置、１０…光源、１１…前段光学系、１１ａ…空間フィルタ、１１ｂ…コリメートレンズ、１２Ａ，１２Ｂ…後段光学系、１２ａ…前段レンズ、１２ｂ，１２ｃ…後段レンズ、１３…ステージ、１４…ステージ移動機構、１５，３５，４５…撮像光学系、１５ａ，３５ａ…結像レンズ、１５ｂ，３５ｂ，４５ａ…検出器、１６，３６，４６…光学系移動機構、１９…制御部、２０…空間光変調器、２０ａ…位相変調面、３４，４４…ビームスプリッタ、Ｂ…観察対象物、Ｌ１…光源から出力された光、Ｌ２…変調光、Ｌ３，Ｌ４…被観察光、Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４…制御信号。

Claims (8)

  1. 観察対象物からの被観察光を撮像するための光観察装置であって、
    光を出力する光源と、
    二次元配列された複数の領域を含む位相変調面を有し、フレネル型キノフォームを前記位相変調面に表示し、前記複数の領域毎に前記光の位相を変調することにより変調光を生成し、前記変調光を前記観察対象物へ出射する空間光変調器と、
    前記観察対象物からの前記被観察光を撮像する撮像光学系と、
    前記撮像光学系を移動させる光学系移動機構と、
    前記フレネル型キノフォームによる前記変調光の光軸方向における集光位置の変化に対応して前記撮像光学系の焦点位置が変化するように前記光学系移動機構を制御する制御部とを備えることを特徴とする、光観察装置。
  2. 前記撮像光学系が、前記観察対象物において透過した前記被観察光を撮像することを特徴とする、請求項１に記載の光観察装置。
  3. 前記観察対象物を前記被観察光の光軸方向に移動させる観察対象物移動機構を更に備えることを特徴とする、請求項１または２に記載の光観察装置。
  4. 前記撮像光学系が結像レンズを含み、前記光学系移動機構が前記結像レンズを移動させることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光観察装置。
  5. 前記撮像光学系が撮像装置を含み、前記光学系移動機構が前記撮像装置を移動させることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の光観察装置。
  6. 前記制御部は、前記観察対象物に前記変調光を出射中に、前記位相変調面に表示されている前記フレネル型キノフォームに基づいて、前記撮像光学系の焦点位置が変化するように前記光学系移動機構を制御することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の光観察装置。
  7. 前記制御部は、前記観察対象物に前記変調光を出射後に、予め記憶された前記フレネル型キノフォームに基づいて、前記撮像光学系の焦点位置が変化するように前記光学系移動機構を制御することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の光観察装置。
  8. 観察対象物からの被観察光を撮像するための光観察方法であって、
    二次元配列された複数の領域を含む位相変調面を有する空間光変調器を用いて、フレネル型キノフォームに基づいて前記複数の領域毎に前記光の位相を変調して、変調光を生成し、
    前記変調光を前記観察対象物に集光し、
    撮像光学系を用いて、前記観察対象物からの前記被観察光を撮像し、
    前記撮像光学系を移動させる光学系移動機構を用いて、前記フレネル型キノフォームによる前記変調光の光軸方向における集光位置の変化に対応して前記撮像光学系の焦点位置が変化するように前記光学系移動機構を制御することを特徴とする、光観察方法。
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