JP6577890B2 - 光学装置 - Google Patents

Description

本発明は、対物レンズを備え、電圧の印加によって光の制御を行う光学素子を用いた光学装置に関する。

対物レンズを備えた光学装置において、対物レンズは、カバーガラス直下での結像性能が最も良くなるように設計されていることが多い。そのため、被照射物をカバーガラスの直下に置いて被照射物の深部を観察する場合、カバーガラス直下から被照射物の深部の観察位置までの距離に応じて、被照射物に照射する光に収差が発生し、解像度の低下が生じる。そこで、解像度の低下を防ぐために、被照射物に照射する光の収差を補正する光学装置が利用されている。

上記光の収差を補正する手段として、電気的に制御される光学素子が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

特許文献１に記載の光学素子は、電圧を印加することで透過する光に位相分布を与えることができ、電圧を調整して光学装置に発生する収差の位相分布と逆極性の位相分布を作ることによって、発生した収差を打ち消すことができる。
ここで、光学素子を制御する電圧値は、発生する収差の位相分布と逆極性となるように観察位置の深さ方向に応じてその都度調整する必要がある。その調整は手動又は自動で行われるが、いずれの場合も測定条件（深さ）を変える毎に行うことは、非常に煩雑で時間がかかってしまう。特に、光学装置がレーザ顕微鏡であって被照射物が生体試料の場合、被照射物にレーザが照射され続ける時間が長くなると、生体試料そのものにダメージが加わったり、生体試料に付加した蛍光色素が退色してしまったりする問題がある。

調整に要する時間を短くすることを目的として、例えば、特許文献２が知られている。特許文献２では、本測定（本観察）の前にあらかじめ深さ方向に対する実測値について間隔をあけて数点測定し、この測定によって得られた実測値の間は、２次以上の曲線近似式を用いて制御している。

国際公開第２０１３／１１５３８３号パンフレット（第１０頁、図６） 特開２０１２−９３７９０号公報（第９頁、図９Ｂ）

しかしながら、上記の曲線近似式で制御する方法においては、あらかじめ測定して実測値を得た範囲内では曲線近似式適用の信頼性が高く、適用した電圧値を最適電圧値としても、大きな誤差とはならないが、実測値を得た範囲から外れる範囲では、曲線近似式適用の信頼性が低く、適用した電圧値を最適電圧値とした場合、誤差が大きくなるという欠点を有する。対物レンズを用いた光学装置においては、あらかじめ測定して実測値を得た範囲から外れる範囲においても画像取得の必要性が頻発する。したがって、上記の曲線近似式で広い範囲の制御を行うことは困難である。

本発明の目的は、上記課題を解決する光学装置を提供するためにある。すなわち、あら
かじめ測定して実測値を得た範囲から外れる範囲においても、正確な収差補正を行い、解像度が高い画像を短時間で取得できる光学装置を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明の光学装置は、対物レンズと、電圧の印加によって光の制御を行なう光学素子と、対物レンズの光学素子の反対側に配置された被照射物と、対物レンズとの距離を制御する制御回路と、を有し、制御回路は、あらかじめ測定した被照射物と対物レンズとの距離に対する光学素子への印加電圧値を複数記憶するメモリを備え、メモリは、複数の印加電圧値に基づいて、隣接する二つの印加電圧値の間を補完する２次以上の曲線近似式と、複数の印加電圧値に基づいて、最小の距離に対する印加電圧値よりも小さい距離の範囲について、最小の距離に対する印加電圧値と最小の距離の次に小さい距離に対する印加電圧値とによる第１の一次近似式と、複数の印加電圧値に基づいて、最大の距離に対する印加電圧値よりも大きい距離の範囲について、最大の距離に対する印加電圧値と最大の距離の次に大きい距離に対する印加電圧値とによる第２の一次近似式と、を有し、制御回路は、被照射物と対物レンズとの距離に応じて、曲線近似式と第１の一次近似式と第２の一次近似式とから光学素子に印加する電圧値を算出する算出手段を有する ことを特徴とする。

本発明によれば、被照射物と対物レンズとの距離に応じた印加電圧値を光学素子に与えて収差補正を行い、その印加電圧値は、あらかじめ測定して実測値を得た範囲内の距離では２次以上の曲線近似式を用いて制御され、範囲外の距離では一次近似式を用いて制御されることにより、発生する収差の位相分布と光学素子の位相分布との誤差が少なくすることができ、解像度が高い画像を短時間で取得することができる光学装置を得ることができる。

本発明の実施形態における光学装置を示す概略構成図である。 図１に示す対物レンズと被照射物の模式図であり、（ａ）は収差が無いときの結像状態を示す図であり、（ｂ）は収差が発生したときの結像状態を示す図である。 図１に示す光学素子を示す平面図である。 液晶の駆動を説明するための光学素子の断面図である。 ３次球面収差の位相分布を表す位相分布曲線を示すグラフである。 図３に示す液晶素子による位相分布を示す図であり、（ａ）は位相分布線を示すグラフであり、（ｂ）は輪帯電極構造を示す平面図である。 図６に示す輪帯電極間の接続構成を示す接続図である。 本発明の光学素子における予測曲線の近似式を示すグラフである。

以下、図面を用いて本発明の光学装置の具体的な実施形態を詳述する。
説明にあっては、実施形態において用いる図面は模式図とし、寸法や形状は実際の形状を正確に反映したものではなく、図面を見やすく、また、理解しやすくするため一部誇張しており、発明に直接関係しない一部の要素は省略している。

図１は、本発明の実施形態に係る光学装置１０の概略構成図である。光源１からの出射光は、コリメート光学系２により平行光に調整され、その平行光は光学素子５を透過した後、対物レンズ６によってステージ８の上に置かれた被照射物７上に集光される。

被照射物７により反射又は散乱した光や被照射物により発生した蛍光等、被照射物の情報を含んだ反射光は、光路を逆にたどり、対物レンズ６、光学素子５を通過してビームス
プリッタ―３で反射され、第２の光学系であるコンフォーカル光学系９で再び共焦点ピンホール１１上に集光される。そして、共焦点ピンホール１１が、被照射物の観察位置以外からの光をカットするので、撮像素子１２はＳ／Ｎ比の良好な画像を得ることができる。撮像素子１２が捉えた画像は、入力配線１３ａを介して制御回路１３に取り込まれる。

焦点位置（深さ）ごとの画像を得るため、光学素子５と対物レンズ６とを一体で動かす駆動部４が設けられており、対物レンズ６と被照射物７との間の距離Ｚを任意に変えることができる。駆動部４の動作は、制御回路１３が出力配線１３ｂを介して制御する。また、駆動部４を複数設け、光学素子５と対物レンズ６とをそれぞれ別々に移動させるように制御してもよい。対物レンズ６と被照射物７との間の距離Ｚは、ステージ８を上下に動かすことで変えてもよい。

ここで、対物レンズ６は、一般的に被照射物７がカバーガラス１５の下に配置されると想定し、カバーガラス１５の直下での結像性能が最も良くなるように設計されていることが多い。そのため、カバーガラス１５直下から被照射物７の深部の観察位置までの距離に応じて、収差が発生する。さらに、カバーガラス１５の製造誤差による厚さのずれ等による収差も発生し、それらの収差が結像性能の低下をもたらしている。

光学素子５は、当該光学素子５に電圧を印加することにより透過する光を位相変調し、上述した収差の位相分布と逆極性の位相分布を与えることで、発生した収差を打ち消す。これにより光学装置１０の収差補正を行うことができ、解像度の高い画像を取得することができる。光学素子５は、対物レンズの瞳位置に配置されることが好ましく、対物レンズの瞳面及びその共役面の何れにも配置できない場合、例えば対物レンズ６の光源側で、なるべく対物レンズ６の近傍に配置されることが好ましい。光学素子５の動作は、制御回路１３が出力配線１３ｃを介して制御する。光学素子５の詳細については後述する。

次に被照射物７の深さにより発生する収差について、図２を用いて詳細に説明する。図２は図１に示す対物レンズ６と被照射物７の模式図であり、被照射物７の深さにより発生する収差を模式的に示した図である。図２（ａ）は収差が無いときの結像状態を示し、図２（ｂ）は収差が発生したときの結像状態を示す。

図２（ａ）は、一様な屈折率の媒質（被照射物７の存在しない空気だけの状態とした）を観察する場合の光２００を示している。光２００はカバーガラス１５の直下である被照射物７との境界面７ａで収差なく一点に集光していることが示されている。これに対し図２（ｂ）は、被照射物７の内部を観察している場合の光２１０を示している。対物レンズ６に接している媒質（空気）と被照射物７の境界面７ａにおいて、光２１０は屈折し、発生する収差により光２１０は一点に集光していない。このように被照射物７の表面ではなく被照射物７の内部を観察するときに収差が発生する。

次に、上述したような収差を打ち消す位相分布を与える光学素子５について、図３〜図７を用いて詳細に説明する。以降では光学素子５として液晶素子を用いたものとして説明を行う。図３は光学素子５の平面図であり、図４は光学素子５の液晶の駆動を説明するための断面図であり、図５は発生する収差の位相分布を示すグラフであり、図６は光学素子５に形成される電極パターンと、当該電極パターンによって得られる位相分布を示すグラフであり、図７は図６の電極パターンの接続図である。

図３は、光学素子５の構成を示す平面図である。光学素子５を構成する液晶素子３０は、透明基板３１、３２によって液晶が挟持されており、シール部材３３で、液晶が漏れないように周辺部が封止されている。

透明基板３１、３２の互いに対向する側の面には、光軸を中心とする同心円状の透明な輪帯電極３５が複数形成されて光変調領域３４を成しており、この光変調領域３４が透過する光の位相を変調する。ここで、図３の輪帯電極３５を示す円形の実線は、輪帯電極間の隙間を表している。なお、透明基板３１、３２の一方については、光変調領域３４全体を覆うように透明電極が形成されていてもよい。

光変調領域３４は、対物レンズ６の瞳径に合わせて決定されたサイズを有する。そして、制御回路１３が、透明な輪帯電極３５に印加する電圧を制御することで、光学素子５を透過する光に所望の位相分布を与えることが出来る。

制御回路１３は、後述するようにプロセッサとメモリと、プロセッサからの駆動信号に応じて出力する電圧を変更可能な駆動回路とを有する。

図４は、図３の光学素子５の光変調領域３４の一部における断面模式図を示している。光学素子５では、透明基板３１、３２間に液晶分子４４が挟持されている。透明基板３１、３２の互いに対向する側の表面には透明電極４３、４３ａ、４３ｂが形成されている。図４では、右側半分の電極４３ａと電極４３の間に電圧が印加された状態（電圧ＯＮ）が示され、左側半分の電極４３ｂと電極４３の間には電圧が印加されていない状態（電圧ＯＦＦ）が示されている。

液晶分子４４は、細長い分子構造を持ち、ホモジニアス配向されている。すなわち、２枚の基板３１、３２に挟持された液晶分子４４は、その長軸方向がお互いに平行となり、かつ、基板３１、３２の液晶層に接する面と平行に並んでいる。液晶分子４４は、その長軸方向における屈折率と長軸と直交する方向における屈折率とが異なり、一般に、液晶分子４４の長軸方向に平行な偏光成分（異常光線）に対する屈折率ｎ_ｅは、液晶分子の短軸方向に平行な偏光成分（常光線）に対する屈折率ｎ_ｏよりも高い。そのため、液晶分子４４をホモジニアス配向させた光学素子５は、１軸性の複屈折素子として振舞う。

液晶分子４４は、誘電率異方性を持ち、一般に液晶分子長軸が電界方向に向く力が働く。つまり、図４で示したように、液晶分子を挟持する２枚の基板３１，３２に設けられた電極間に電圧が印加されると、液晶分子の長軸方向は、２枚の基板に平行な状態から、電圧に応じて基板の表面に直交する方向に傾いてくる。そのため、液晶素子３０の液晶層の厚さがｄであると、液晶素子３０の、電圧が印加された領域と印加されていない領域を通る光の間に、光路差Δｎｄ（＝ｎ_φｄ―ｎ_ｏｄ）が生じる。ここで、ｎ_ｏ≦ｎ_φ≦ｎ_ｅである。そして、位相差は、２πΔｎｄ／λとなる。λは、液晶層と透過する光の波長である。

次に、光学素子５を透過する光に所望の位相分布を与える方法について、発生する収差の典型である３次球面収差を例として詳細に述べる。
図５は、３次球面収差の位相分布を表した位相分布曲線５００を示している。ここで考えている収差は、点対称性の位相分布を持っており、位相分布の断面図を示している。縦軸は位相差の正の最大値を「１」として位相差を正規化した値を表し、横軸は光変調領域３４の径の最大値を「１」として正規化した値を表す。すなわち、横軸における「０」の位置は、光軸上であることを表す。

したがって、光学素子５が作るべき位相分布は、３次球面収差を表す位相分布曲線５００の逆極性の位相分布である。図６は輪帯電極３５によって得られる位相分布を説明するための図であり、図６（ａ）は、発生する収差の位相分布の逆位相と、光学素子５を透過することによって与えられる位相分布を示すグラフであり、図６（ｂ）は図３の輪帯電極３５部分のみを示したものであり、図６（ａ）は図６（ｂ）の一点鎖線上の位相分布を示
している。ここで図６（ａ）は、縦軸が位相であり、横軸が位置である。そして、横軸の中心は図３に示す光変調領域３４の中心に対応する。

図６（ａ）に示すように、位相分布曲線５１０は図５の位相分布曲線５００の逆極性の位相分布であり、位相分布線５２０は輪帯電極群３５０によって与えられる位相分布である。

次に、図６と図７を用いて、輪帯電極３５の形状と電圧印加方法を説明する。まず、図６（ａ）に示す位相分布曲線５１０を等位相間隔で分割する。等位相線と位相分布曲線５１０の交点を図３に示す光変調領域３４に投影した点を、隣り合う輪帯電極３５間のスペースとして、輪帯電極３５の形状を決める。得られた形状が輪帯電極群３５０である。図６中の各輪帯電極３５の外形線が輪帯電極間のスペースを示している。各輪帯電極３５は引き出し電極を介して図１の出力配線１３ｃと接続され、制御回路１３と電気的に接続している。

このようにして決めた輪帯電極群３５０では、隣接する輪帯電極３５間の電圧の差が同一ステップになるので、図７の接続図に示すように、それぞれ隣接する輪帯電極３５間を同一の電気抵抗を持つ抵抗体Ｒによって接続することで駆動が容易になる。

図７は光学素子５がｎ個の輪帯電極３５を有しており、それぞれの輪帯電極３５をＣ１、Ｃ２、・・、Ｃｍ、・・、Ｃ（ｎ−１）、Ｃｎとする（図６（ｂ）では、ｎ＝９）。そして、隣接する輪帯電極３５同士は抵抗体Ｒによって接続されている。中心の輪帯電極Ｃ１と最外周の輪帯電極Ｃｎに同一の電圧ＶＡを印加し、位相変調量が最大となる位置に対応する輪帯電極Ｃｍ（図６（ｂ）では、輪帯電極Ｃ５）に電圧ＶＢを印加することによって、図６（ａ）に示すような位相分布曲線５１０に近似する位相分布線５２０を形成することができる。

以上の結果、光学素子５は、発生した収差である位相分布曲線５００の逆極性に近い位相分布線５２０を発生することにより、発生した収差を打ち消すことができるので、光学装置１０が取得する画像の解像度が低下しない。また、光学素子５の応答時間が短いので、発生した収差を短時間で補正でき、その結果、測定時間を短縮することが可能となる。

次に、図８を用いて、光学装置１０の対物レンズ６と被照射物７との間の距離Ｚを変えて深さごとの画像を取得する動作について説明する。この測定によって得た複数の画像から３次元画像を生成することができるため、生体観察では非常に重要な測定である。

まず、観察の前準備として予備測定のサンプリング動作を行う。
はじめに、被照射物７の内部の観察したい任意の深さ位置に焦点が合うように、対物レンズ６と被照射物７との間の距離Ｚを設定する。次に図１に示す光学装置１０の撮像素子１２が捉えた像の明るさが最大となるように、手動で光学素子５に印加する印加電圧値（ＶＡ、ＶＢ）を決める。このとき、距離Ｚは固定したままであるが、光学素子５の制御に合わせて距離Ｚがずれる場合は、ずれ量を補正するように駆動部４を必要に応じて動作させてもよい。この測定によって決まった印加電圧値（ＶＡ、ＶＢ）は、制御回路１３が持つメモリ１４（図１参照）に保存される。
この動作を被照射物７の内部の、観察予定の深さ範囲の中の複数点の距離に対して、同様の測定を行い、それぞれの距離Ｚで決めた印加電圧値をメモリ１４に保存する。

図８は、対物レンズ６と被照射物７との間の距離Ｚと各距離Ｚにおける印加電圧値を示すグラフであり、図８に示す測定点Ｐ１〜Ｐ６は、上述したサンプリング動作で得られた任意の距離Ｚのときの光学素子に印加する最適な印加電圧値を示しており、測定点Ｐ１は
距離Ｚ１における最適な印加電圧値Ｖ１を、測定点Ｐ２は距離Ｚ２における最適な印加電圧値Ｖ２を、測定点Ｐ３は距離Ｚ３における最適な印加電圧値Ｖ３を、測定点Ｐ４は距離Ｚ４における最適な印加電圧値Ｖ４を、測定点Ｐ５は距離Ｚ５における最適な印加電圧値Ｖ５を、測定点Ｐ６は距離Ｚ６における最適な印加電圧値Ｖ６をそれぞれ示す。

図８において距離Ｚ１のときは被照射物７の内部の深い位置を測定し、距離Ｚ６のときは被照射物７の内部の浅い位置を測定したことを意味する。

あらかじめ測定をして印加電圧値を得た測定点Ｐ１〜Ｐ６における距離Ｚ１〜Ｚ６の範囲Ｌ２においては、たとえば印加電圧値Ｖ１〜Ｖ６を用いた曲線近似式７２を求めて、メモリ１４に保存する。範囲Ｌ２においては、２次以上の曲線近似式７２を用いることで信頼性の高い収差補正を行うことができる。

しかし、範囲Ｌ２以外の範囲であって、距離Ｚ１よりも距離が小さい（つまり、被照射物７のカバーガラス１５側を基準として観察深さが深い）範囲Ｌ１や距離Ｚ５よりも大きい（つまり、被照射物７のカバーガラス１５側を基準として観察深さが浅い）範囲Ｌ３に上述した曲線近似式７２をあてはめると、印加電圧値は図８の曲線８１や８３のように大きくずれてしまう。したがって、この曲線近似式７２を適用すると正確な収差補正ができない。

そこで、範囲Ｌ１にある距離Ｚにおける印加電圧値Ｖについては、最小の距離Ｚ１である測定点Ｐ１の印加電圧Ｖ１と、測定点Ｐ１に隣接した、すなわち、測定点Ｐ１の次に小さい距離Ｚ２の測定点Ｐ２の印加電圧値Ｖ２とから作成した第１の一次近似式７１を用いる。当該第１の一次近似式７１はメモリ１４に保存され、光学装置１０の距離Ｚが範囲Ｌ１である場合には、この第１の一次近似式７１に従って収差補正を行う。第１の一次近似式７１は次の式（１）の通りである。
Ｖ＝（Ｖ２−Ｖ１）／（Ｚ２−Ｚ１）×（Ｚ−Ｚ１）＋Ｖ１ ・・・（１）

範囲Ｌ１においては、上記式（１）を用いることで、発生する収差の位相分布と光学素子５による位相分布との誤差を少なくすることができる。

また、範囲Ｌ３にある距離Ｚにおける印加電圧値Ｖについては、最大の距離Ｚ６である測定点Ｐ６の印加電圧値Ｖ６と、測定点Ｐ６に隣接した、すなわち、測定点Ｐ６の次に大きい距離Ｚ５の測定点Ｐ５の印加電圧値Ｖ５とから作成した第２の一次近似式７３を用いる。当該第２の一次近似式７３はメモリ１４に保存され、光学装置１０の距離Ｚが範囲Ｌ３である場合には、この第２の一次近似式７３に従って収差補正を行う。第２の一次近似式７３は次の式（２）の通りである。
Ｖ＝（Ｖ６−Ｖ５）／（Ｚ６−Ｚ５）×（Ｚ−Ｚ６）＋Ｖ６ ・・・（２）

範囲Ｌ３においては、上記式（２）を用いることで、発生する収差の位相分布と光学素子５による位相分布との誤差を少なくすることができる。

制御回路１３は、駆動部４を制御して距離Ｚを設定し、制御回路１３の算出手段１６（図１参照）は、距離Ｚに応じてメモリに保存された第１の一次近似式７１、曲線近似式７２、第２の一次近似式７３から適切な近似式を選択して、最適な印加電圧値を求めて、光学素子５にその印加電圧値を印加する。これにより、観察範囲の全範囲にわたって生じる収差の位相分布と光学素子５による位相分布との誤差を少なくすることができ、撮像素子１２は解像度の高い画像を取得することができる。

以上、説明したとおり、実測した測定点の範囲については曲線近似式７２を、実測した
測定点以外の範囲については上述した第１の一次近似式７１及び第２の一次近似式７３を用いて収差補正を行うことにより、実測値を持つ範囲Ｌ２に加えて、実測値を持たない、範囲Ｌ１および範囲Ｌ３でも正確な収差補正ができ、発生した収差による解像度の低下が無い画像を短時間で得ることができる。

なお、光源はコヒーレントで直線偏波であるレーザが好ましい。光源にランプを用いるときは、偏光子を光路上に配設するとよい。

本発明の光学装置は、対物レンズを備え、対物レンズの収差を補正することで性能が向上する光学装置であれば、いずれにも適用することが可能であり、たとえば、眼科診療で広く用いられている光干渉断層計等にも適用できる。

１ 光源
４ 駆動部
５ 光学素子
６ 対物レンズ
７ 被照射物
１２ 撮像素子
１３ 制御回路
１４ メモリ
１５ カバーガラス
１６ 算出手段
３０ 液晶素子
３４ 光変調領域
３５ 輪帯電極
４４ 液晶分子
７１ 第１の一次近似式
７２ 曲線近似式
７３ 第２の一次近似式
３５０ 輪帯電極群
５００ 発生した収差の位相分布曲線
５１０ 補正用の位相分布曲線
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３ 範囲
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６ 測定点

Claims (1)

1. 対物レンズと、電圧の印加によって光の制御を行なう光学素子と、前記対物レンズの前記光学素子の反対側に配置された被照射物と、前記対物レンズとの距離を制御する制御回路と、を有する光学装置であって、
   前記制御回路は、あらかじめ測定した前記被照射物と前記対物レンズとの距離に対する前記光学素子への印加電圧値を複数記憶するメモリを備え、
   前記メモリは、
   複数の前記印加電圧値に基づいて、隣接する二つの前記印加電圧値の間を補完する２次以上の曲線近似式と、
   複数の前記印加電圧値に基づいて、最小の距離に対する前記印加電圧値よりも小さい距離の範囲について、前記最小の距離に対する前記印加電圧値と前記最小の距離の次に小さい距離に対する前記印加電圧値とによる第１の一次近似式と、
   複数の前記印加電圧値に基づいて、最大の距離に対する前記印加電圧値よりも大きい距離の範囲について、前記最大の距離に対する前記印加電圧値と前記最大の距離の次に大きい距離に対する前記印加電圧値とによる第２の一次近似式と、を有し、
   前記制御回路は、前記被照射物と前記対物レンズとの距離に応じて、前記曲線近似式と前記第１の一次近似式と前記第２の一次近似式とから前記光学素子に印加する電圧値を算出する算出手段を有する
   ことを特徴とする光学装置。
   
   

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