JP6496745B2 - 結像光学系、照明装置および観察装置 - Google Patents
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Description
本発明の第1の態様は、最終像および少なくとも1つの中間像を形成する複数の結像レンズと、該結像レンズにより形成されるいずれかの前記中間像よりも物体側に配置され、前記物体からの光の波面に空間的な乱れを付与する第1の位相変調素子と、該第1の位相変調素子との間に少なくとも1つの中間像を挟む位置に配置され、前記第1の位相変調素子により前記物体からの光の波面に付与された空間的な乱れを打ち消す第2の位相変調素子とを備え、前記第1の位相変調素子および前記第2の位相変調素子の各々が、複屈折媒質から形成され、前記物体からの光を複屈折させる複数個のプリズムを備える結像光学系である。
まず「鮮明な像」とは、物体から発した光の波面に、空間的な乱れが付与されていない状態で、あるいは一旦付与された乱れが打ち消され解消された状態で、結像レンズを介して生成された像であり、光の波長と結像レンズの開口数とで決まる空間周波数帯域、あるいはそれに準ずる空間周波数帯域、あるいは目的に応じた所望の空間周波数帯域を有するものを意味する。
このようにすることで、プリズムの数が2個、3個、4個・・・と増加すると、第1の位相変調素子による光の分割数が4本、8本、16本・・・と増加し、中間結像面における集光点の数も、4個、8個、16個・・・と増加する。したがって、プリズムの数が多
い程、中間像の不鮮明化効果を高めることができる。
第1の位相変調素子において、一のプリズムに入射した光は、該一のプリズムによって2つの直線偏光に分割され、各直線偏光は4分の1波長板によって円偏光に変換された後に次のプリズムによって2つの直線偏光に分割される。これにより、第1の位相変調素子に入射した単一の入射光は、4以上の直線偏光に変換され、中間結像面において、結像レンズの光軸に交差する方向に一列に配列する4個以上の集光点を形成する。このように、プリズム同士の間に4分の1波長板を配置するだけで、中間結像面における集光点の数を簡単な構成で増大することができ、中間結像面における集光点の配列の自由度を向上することができる。
このようにすることで、中間像を効果的に不鮮明化することができる。平面上において集光点を2次元的に配列するためには、例えば、第1の位相変調素子を構成する任意の2個のプリズムの内、物体側のプリズムの光学軸と像側の光学軸とがねじれの関係となるように、物体側のプリズムに対して像側のプリズムを光軸回りに傾ければよい。
本態様によれば、物体側に配置された光源から発せられた照明光が結像光学系に入射することにより、最終像側に配置された観察対象物に照明光を照射することができる。この場合において、第1の位相変調素子によって、結像光学系により形成される中間像がぼやけるので、中間像位置に何らかの光学素子が配置されて、光学素子の表面や内部に傷、異物あるいは欠陥等が存在していても、それらが中間像に重なって最終的に最終像の一部として形成されてしまう不都合の発生を防止することができる。
本態様によれば、結像光学系により、光学素子の表面や内部に傷、異物あるいは欠陥等の像が中間像に重なることが防止されることによって、鮮明な最終像を光検出器によって検出することができる。
本態様によれば、観察対象部における照明光の走査範囲にわたり鮮明な最終像を取得することができる。
本態様によれば、観察対象物を多光子励起観察することができる。
このようにすることで、光束の変動しない瞳位置近傍に配置して第1の位相変調素子および第2の位相変調素子を小型化することができる。
このようにすることで、光路長可変手段の作動により、2つの結像レンズ間の光路長を変更することにより、最終像の結像位置を光軸方向に容易に変更することができる。
このようにすることで、物体側の結像レンズにより集光された物体側からの光が平面鏡によって反射されて折り返された後、ビームスプリッタによって分岐されて像側の結像レ
ンズに入射される。この場合において、アクチュエータを作動させて平面鏡を光軸方向に移動させることにより、2つの結像レンズ間の光路長を容易に変更することができ、最終像の結像位置を光軸方向に容易に変更することができる。
このようにすることで、可変空間位相変調素子によって最終像位置を光軸方向に変化させるような空間的な位相変調を光の波面に付与することができ、付与する位相変調を調節することにより最終像の結像位置を光軸方向に容易に変更することができる。
このようにすることで、可変空間位相変調素子に最終像位置を光軸方向に変化させるような空間的な位相変調と、中間像をぼやけさせるような位相変調あるいは中間像のぼやけを打ち消すような位相変調との両方を受け持たせることができる。これにより、構成部品を少なくして簡易な結像光学系を構成することができる。
このようにすることで、第1の位相変調素子により光軸に直交する1次元方向に変化する位相変調を光の波面に付与して、中間像をぼやけさせることができ、中間像位置に何らかの光学素子が配置されて、該光学素子の表面や内部に傷、異物あるいは欠陥等が存在していてもそれらが中間像に重なって、最終的に最終像の一部として形成されてしまう不都合の発生を防止することができる。また、1次元方向に変化した位相変調を打ち消すような位相変調を第2の位相変調素子により光の波面に付与して、ぼやけない鮮明な最終像を結像させることができる。
このようにすることで、第1の位相変調素子により光軸に直交する2次元方向に変化する位相変調を光の波面に付与して、中間像をより確実にぼやけさせることができる。また、2次元方向に変化した位相変調を打ち消すような位相変調を第2の位相変調素子により光の波面に付与して、より鮮明な最終像を結像させることができる。
上記第1の参考例においては、前記第1の位相変調素子および前記第2の位相変調素子が、光を反射させる際に波面に位相変調を付与する反射型素子であってもよい。
このようにすることで、中間像をぼやけさせる空間的な乱れを波面に付与する第1の位相変調素子と、波面に付与された空間的な乱れを打ち消すような位相変調を付与する第2の位相変調素子とを簡易に構成することができる。
このようにすることで、第1の位相変調素子を光が透過する際に屈折率分布に従う波面の乱れを生じさせ、第2の位相変調素子を光が透過する際に屈折率分布によって波面の乱れを打ち消すような位相変調を光の波面に付与することができる。
本参考例によれば、物体側に配置された光源から発せられた照明光が結像光学系に入射されることにより、最終像側に配置された照明対象物に照明光を照射することができる。この場合に、第1の位相変調素子によって、結像光学系により形成される中間像がぼやけさせられるので、中間像位置に何らかの光学素子が配置されて、該光学素子の表面や内部に傷、異物あるいは欠陥等が存在していてもそれらが中間像に重なって、最終的に最終像の一部として形成されてしまう不都合の発生を防止することができる。
本参考例によれば、結像光学系により、光学素子の表面や内部に傷、異物あるいは欠陥等の像が中間像に重なることが防止されることによって形成された鮮明な最終像を光検出器によって検出することができる。
このようにすることで、結像光学系の最終像位置に配置された撮像素子により、鮮明な最終像を撮影して、精度の高い観察を行うことができる。
本参考例によれば、光源からの光が結像光学系によって集光されて観察対象物に照射され、観察対象物において発生した光が最終像側に配置された光検出器により検出される。これにより、中間の光学素子の表面や内部に傷、異物あるいは欠陥等の像が中間像に重なることが防止されることによって形成された鮮明な最終像を光検出器によって検出することができる。
このようにすることで、観察対象物に多点のスポット光を走査させて観察対象物の鮮明な画像を高速に取得することができる。
このようにすることで、中間像位置における傷や異物や欠陥等の像の写り込みのない、鮮明な共焦点画像による観察対象物の観察を行うことができる。
このようにすることで、中間像位置における傷や異物や欠陥等の像の写り込みのない、鮮明な多光子励起画像による観察対象物の観察を行うことができる。
本実施形態に係る結像光学系1は、図1に示されるように、間隔をあけて配置された2つ1組の結像レンズ2,3と、これらの結像レンズ2,3の中間結像面に配置されたフィールドレンズ4と、物体O側の結像レンズ2の瞳位置PPO近傍に配置された波面錯乱素子(第1の位相変調素子)5と、像I側の結像レンズ3の瞳位置PPI近傍に配置された波面回復素子(第2の位相変調素子)6とを備えている。図中、符号7は開口絞りであり、符号Qは結像光学系1の光軸である。
図3に示される例では、結像光学系1は、物体O側および像I側に関してテレセントリックな配置になっている。また、波面錯乱素子5はフィールドレンズ4から物体O側に距離aFだけ離れた位置に配置され、波面回復素子6はフィールドレンズ4から像I側に距離bFだけ離れた位置に配置されている。
ただし、波面錯乱素子5と波面回復素子6は、フィールドレンズ4による結像に関して、式(1)に示されるように、互いに共役な位置関係に配置されている必要がある。
ここで、fFはフィールドレンズ4の焦点距離である。
ここで、ΔLは、光が光学素子を透過することによって付与される、特定の位置(すなわち光線高さ)を透過する光線を基準とした、位相の進み量である。
さらに、ΔLI(xI)は、光が波面回復素子6の光軸上(x=0)を通過する場合を基準とした、波面回復素子6の任意の光線高さxiを通過する場合の位相の進み量を与える関数である。
ΔLO(xO)+ΔLI(xI)=ΔLO(xO)+ΔLI(βF・xO)=0 (2)
ここで、βFは、フィールドレンズ4による波面錯乱素子5と波面回復素子6の共役関係における横倍率であり、下式(3)により表される。
βF=−bF/aF (3)
また、位相進み量の関数を1次元的な関数としたが、これに代えて、2次元的な関数としても同様に作用し得る。
本実施形態においては、波面錯乱素子5および波面回復素子6の各々が、ウォラストンプリズム5A,6Aを1つのみ備えることとしたが、これに代えて、図6および図7に示されるように、複数個のウォラストンプリズムと、該複数個のウォラストンプリズムの間に配置された4分の1波長板を備えていてもよい。
本実施形態に係る観察装置10は、図9に示されるように、非コヒーレントな照明光を発生する光源11と、光源11からの照明光を観察対象物Aに照射する照明光学系12と、観察対象物Aからの光を集光する結像光学系13と、該結像光学系13により集光された光を撮影して画像を取得する撮像素子(光検出器)14とを備えている。
また、この照明光学系12は、いわゆるケーラー照明であり、集光レンズ15a,15bは、光源11の発光面と対物レンズ16の瞳面とが互いに共役になるように配置されている。
波面回復素子23は、上述した波面回復素子6のいずれかであり、複屈折媒質により構成されている。したがって、波面回復素子23は、光が透過する際に、複屈折媒質が有する複屈折性によって光の波面を変調する。
また、同様にして、観察対象物Aにおける合焦点位置を光軸方向に移動させると、第1の中間結像レンズ対19によって形成される中間像も光軸方向に大きく変動するが、その変動の結果、中間像が第1の中間結像レンズ対19の位置に重なったとしても、あるいはまた、その変動範囲内に何らかの他の光学素子が存在する場合であっても、中間像が不鮮明化されているので、異物の像が最終像に重なって撮影されてしまうことを防止することができる。本実施形態において、上述したような走査系を搭載した場合には、結像光学系に配置されるあらゆる光学素子上で、光がZ軸移動してもノイズ画像を生じない。
本実施形態の説明において、上述した第1の実施形態に係る観察装置10と構成を共通とする箇所には同一符号を付して説明を省略する。
本実施形態に係る観察装置30によれば、ニポウディスク型コンフォーカル光学系34のピンホールから結像光学系25、位相変調素子23、中間結像レンズ対24を介して結像光学系32に入射した光は、ビームススプリッタ36を透過した後に、第2の中間結像レンズ21によって集光され、光路長可変手段22の平面鏡22aによって折り返されるように反射される。そして、光は、第2の中間結像レンズ21を通過した後にビームスプリッタ36によって90°偏向され、第1の中間結像レンズ対19および位相変調素子17を透過して対物レンズ16により観察対象物Aに集光される。
本実施形態の説明において、上述した第2の実施形態に係る観察装置30と構成を共通とする箇所には同一符号を付して説明を省略する。
この観察装置40は、レーザ光源41と、該レーザ光源41からのレーザ光を観察対象物Aに集光させる一方、観察対象物Aからの光を集光する結像光学系42とを備える照明装置38と、結像光学系42により集光された蛍光を通過させる共焦点ピンホール43と、該共焦点ピンホール43を通過した蛍光を検出する光検出器44とを備えている。
この場合、レーザ光源41として、極短パルスレーザ光源を採用し、ガルバノミラー47と結像レンズ24との間にあるダイクロイックミラー46を無くし、ミラー49に代えて、ダイクロイックミラー46を採用すればよい。
このことには、観察対象物(例えば、生きた生体組織標本)における、より高速な現象を検出し得る、という利点がある。
この場合には、シリンドリカルレンズ68によって中間像は非点収差によって点像が線状に伸ばされるので、この作用により、中間像を不鮮明化することができる。また、シリンドリカルレンズ68と相補的な形状のシリンドリカルレンズ69により、最終像を鮮明化することができる。
図17の場合、凸レンズまたは凹レンズのいずれを波面錯乱素子として使用してもよいし、波面回復素子として使用してもよい。
(a) 物体O側の位相変調素子(波面錯乱素子)5として、x方向にパワーψOxを有するシリンドリカルレンズを用いる。
(b) 像I側の位相変調素子(波面回復素子)6として、x方向にパワーψIxを有するシリンドリカルレンズを用いる。
(c) xz平面上の軸上光線Rxのシリンドリカルレンズ5における位置(光線高さ)をxOとする。
(d) xz平面上の軸上光線Rxのシリンドリカルレンズ6における位置(光線高さ)をxIとする。
図18において、符号II0X,II0Yは中間像である。
図19において、高さ(光軸からの距離)xでのレンズの厚さをd(x)、高さ0(光軸上)でのレンズの厚さをd0とすると、高さxの光線に沿った入射側接平面から射出側接平面までの光路長L(x)は次式(4)で表される。
L(x)=(d0−d(x))+n・d(x) (4)
L(x)−L(0)=(−x2/2)(n−1)(1/r1−1/r2) (5)
L(0)−L(x)=(x2/2)(n−1)(1/r1−1/r2) (6)
ψ=1/f=(n−1)(1/r1−1/r2) (7)
L(0)−L(x)=ψ・x2/2 (8)
xz面上の軸上光線Rxがシリンドリカルレンズ5において受ける軸上主光線すなわち光軸に沿った光線RAに対する位相進み量ΔLOcは、式(8)に基づいて次式(9)で表される。
ΔLOc(xO)=LOc(0)−LOc(xO)=ψOx・xO 2/2 (9)
ここで、LOc(xO)はシリンドリカルレンズ5における高さxOの光線に沿った、入射側接平面から射出側接平面までの光路長の関数である。
ΔLIc(xI)=LIc(0)−LIc(xI)=ψIx・xI 2/2 (10)
ここで、LIc(xI)はシリンドリカルレンズ6における高さxIの光線に沿った、入射側接平面から射出側接平面までの光路長の関数である。
ψOx/ψIx=−βF 2 (11)
なお、ここでは軸上光線に基づいて説明したが、上記条件を満たすならば、シリンドリカルレンズ5,6は軸外光線に対しても同様に波面錯乱と波面回復の機能を果たす。
この場合の中間像IIにおいては回折によって1つの点像が複数の点像に分離される。この作用によって、中間像IIが不鮮明化され、中間結像面の異物の像が最終像に重なって表れることを防止することができる。
ここで、図25および図26に準じて、式(2)は「1本の軸上光線RXが回折格子5,6で受ける位相変調の和は、軸上主光線RAが回折格子5,6で受ける位相変調の和と常に等しい。」と言い換えることができる。
そこで、回折格子5,6の中央部、すなわち、光軸近傍領域に着目して説明する。図27は回折格子5の、図28は回折格子6の、それぞれ中央部の詳細図である。
すなわち、回折格子6における変調の周期pIがフィールドレンズ4によって投影された回折格子5による変調の周期pOと等しくなければならない。また、回折格子6による変調の位相がフィールドレンズ4によって投影された回折格子5による変調の位相に対して反転しており、かつ、回折格子6による位相変調の大きさと回折格子6による位相変調の大きさとが絶対値で等しくなければならない。
pI=|βF|・pO (12)
回折格子5の光学的なパラメータ(山領域厚さtOc、谷領域厚さtOt、屈折率nO)より、回折格子5の谷領域を透過する軸上光線RXに付与される、光軸に沿った(山領域を透過する)光線RAに対する位相進み量ΔLOdtは、次式(13)で表される。
=(nO−1)(tOc−tOt) (13)
ΔLIdt=(nI・tIt+(tIc−tIt))−nI・tIc
=−(nI−1)(tIc−tIt) (14)
ΔLOdt+ΔLIdt=(nO−1)(tOc−tOt)−(nI−1)(tIc−tIt)=0(15)
また、ここでは回折格子5,6の断面形状を台形として説明したが、他の形状でも同様の機能を果たし得ることは言うまでもない。
本発明の参考例においては、前記第1および前記第2の位相変調素子は、複数の基板によって挟まれた液晶を有するように結像光学系を構成してもよい。こうすることで、液晶の複屈折を利用することにより、第1の位相変調素子によって中間像における一つの集光点を複数個の集光点に分離させることによって不鮮明化し、また第2の位相変調素子によって前記分離した集光点を再び一つに重ねることとなり、最終像を鮮明化することができ、よって中間像問題を解決することができる。この場合、複屈折材料としての液晶は、他の複屈折材料、例えば水晶等の無機材料の結晶と比較して、種類が豊富である点において設計の自由度が高いメリットがあり、さらに複屈折の性質が強い点において中間像を不鮮明化する効果が高いメリットがある。
また、上述した複屈折によって分離された中間像点が、2次元的に配置された結像光学系とすれば、中間像を効果的に不鮮明化できる点で好ましい。
II,IIA,IIB 中間像
O 物体
PPO,PPI 瞳位置
1,13,32,42 結像光学系
2,3 結像レンズ
5 波面錯乱素子(第1の位相変調素子)
6 波面回復素子(第2の位相変調素子)
5A,5B,6A,6B ウォラストンプリズム(プリズム)
9 4分の1波長板
10,30,40,50,60 観察装置
11,31,41 光源
14,33 撮像素子(光検出器)
17,23 位相変調素子
20,36 ビームスプリッタ
22 光路長可変手段
22a 平面鏡
22b アクチュエータ
28,38 照明装置
34 ニポウディスク型コンフォーカル光学系
43 共焦点ピンホール
44 光検出器(光電子変換素子)
61a レンズ(光路長可変手段)
62 アクチュエータ(光路長可変手段)
64 空間光変調素子(可変空間位相変調素子)
Claims (7)
- 最終像および少なくとも1つの中間像を形成する複数の結像レンズと、
該結像レンズにより形成されるいずれかの前記中間像よりも物体側に配置され、前記物体からの光の波面に空間的な乱れを付与する第1の位相変調素子と、
該第1の位相変調素子との間に少なくとも1つの中間像を挟む位置に配置され、前記第1の位相変調素子により前記物体からの光の波面に付与された空間的な乱れを打ち消す第2の位相変調素子とを備え、
前記第1の位相変調素子および前記第2の位相変調素子の各々が、複屈折媒質から形成され、前記物体からの光を複屈折させる複数個のプリズムを備える結像光学系。 - 前記第1の位相変調素子および前記第2の位相変調素子の各々が、前記複数個の前記プリズムの間に配置された4分の1波長板を有する請求項1に記載の結像光学系。
- 前記第1の位相変調素子は、前記結像レンズの光軸に交差する平面上において2次元的に配列する複数個の集光点を前記中間像として形成する請求項1または請求項2に記載の結像光学系。
- 請求項1から請求項3のいずれかに記載の結像光学系と、
該結像光学系の物体側に配置され、該結像光学系に入射させる照明光を発生する光源とを備える照明装置。 - 請求項1から請求項3のいずれかに記載の結像光学系と、
該結像光学系の最終像側に配置され、観察対象物から発せられた光を検出する光検出器とを備える観察装置。 - 請求項1から請求項3のいずれかに記載の結像光学系と、
該結像光学系の物体側に配置され、該結像光学系に入射させる照明光を発生する光源と、
前記結像光学系の最終像側に配置され、観察対象物から発せられた光を検出する光検出器とを備える観察装置。 - 請求項4に記載の照明装置と、
該照明装置によって照明された観察対象物から発せられた光を検出する光検出器とを備え、
前記光源が、パルスレーザ光源である観察装置。
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