JP7163929B2 - 光学ガラス、光学素子、光学系、光学装置、カメラ用交換レンズ、音響光学素子、照明装置、顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、光学ガラス、光学素子、光学系、光学装置、カメラ用交換レンズ、音響光学素子、照明装置、顕微鏡に関する。本発明は2017年10月20日に出願された日本国特許の出願番号2017-203759の優先権を主張し、文献の参照による織り込みが認められる指定国については、その出願に記載された内容は参照により本出願に織り込まれる。

光学ガラスは、様々な光学素子や光学装置に用いられており、例えば、特許文献１には、ＴｅＯ_２を２０モル％以上含有し、波長４０５ｎｍの光に対する厚み２ｍｍにおける内部透過率が８０％以上かつ同光に対する屈折率が１．８５以上である光学ガラスであって、アルカリ金属酸化物を含有しない、またはアルカリ金属酸化物を合計で１５モル％以下の範囲で含有する光学ガラスが開示されている。

特開２００４－０４３２９４号公報

本発明の第一の態様は、質量％で、ＴｅＯ_２含有率：７０～８０％、Ｂｉ_２Ｏ_３含有率：１８～２５％、Ｌｉ_２Ｏ含有率：２～５％、ＺｎＯ含有率：０～３．４９％、である光学ガラスである。また質量％で、ＴｅＯ_２含有率：７０～８０％、Ｂｉ_２Ｏ_３含有率：１８～２５％、Ｌｉ_２Ｏ含有率：２～５％、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ及びＺｎＯの総含有率：０～３％である、光学ガラスである。また質量％で、ＴｅＯ_２含有率：７０～８２．８４％、Ｂｉ_２Ｏ_３含有率：１４～２５％、Ｌｉ_２Ｏ含有率：２～５％、ＺｎＯ含有率：０～３．４９％、Ｌａ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３及びＧｄ_２Ｏ_３の総含有率：１．０３～３％、である、光学ガラスである。また質量％で、ＴｅＯ_２含有率：７０～８２．８４％、Ｂｉ_２Ｏ_３含有率：１４～２５％、Ｌｉ_２Ｏ含有率：２～５％、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ及びＺｎＯの総含有率：０～３％、Ｌａ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３及びＧｄ_２Ｏ_３の総含有率：１．０３～３％である、光学ガラスである。

本発明の第二の態様は、上述した光学ガラスを用いた光学素子である。

本発明の第三の態様は、上述した光学素子を含む光学系である。

本発明の第四の態様は、上述した光学系を備える光学装置である。

本発明の第五の態様は、上述した光学系を備えるカメラ用交換レンズである。

本発明の第六の態様は、上述した光学ガラスを用いた音響光学素子である。

本発明の第七の態様は、上述した音響光学素子を備える照明装置である。

本発明の第八の態様は、上述した照明装置を備える顕微鏡である。

本実施形態に係る光学装置を撮像装置とした場合の一例の斜視図である。 本実施形態に係る光学装置を撮像装置とした場合の他の例の概略図である。 本実施形態に係る多光子顕微鏡の構成の例を示すブロック図である。 本実施形態に係る構造化照明顕微鏡装置の概略を示す説明図である。 本実施形態に係る音響光学素子の構成図である。 本実施形態に係る音響光学素子の別の態様を示す構成図である。 実施例で用いた光照射実験装置の構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態（以下、「本実施形態」という。）について説明する。以下の本実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明を以下の内容に限定する趣旨ではない。

本実施形態における光学ガラスの成分組成及び物性等について、以下に説明する。なお、本明細書中において、特に断らない場合は、各成分の含有量は全て酸化物換算組成のガラス全質量に対する質量％であるものとする。なお、ここでいう酸化物換算組成とは、ガラス構成成分の原料として使用される酸化物、複合塩等が溶融時に全て分解されて酸化物に変化すると仮定し、当該酸化物の総質量を１００質量％として、ガラス中に含有される各成分を表記した組成である。

＜光学ガラス＞
本実施形態に係る光学ガラスは、質量％で、ＴｅＯ_２成分が７０～８３％、Ｂｉ_２Ｏ_３成分が１０～２５％、Ｌｉ_２Ｏ成分が２～５％、である。本実施形態に係る光学ガラスは、屈折率が高く、可視短波長域の透過率が良好であり、かつ、４０５ｎｍ光照射時における透過率変化の割合を低減できるテルライト系ガラスとして好適に用いることができる。

従来、テルライト系ガラスは、例えば、音響光学素子（ＡＯＭ）等の材料として用いられている。しかし、可視短波長のレーザ光を照射されると、ガラスの透過率の劣化（ソラリゼーション）が生じてしまうといった問題がある。この点、本実施形態に係る光学ガラスは、耐ソラリゼーションに優れるテルライト系ガラスである。

ＴｅＯ_２の含有量は、７０～８３％であり、好ましくは７１～８０％であり、より好ましくは７２～７８％であり、更に好ましくは７３～７５％である。含有量をかかる範囲とすることで、可視短波長域の透過率を良好に維持したまま、屈折率を高めることができる。しかしながら、その導入量が多すぎるとソラリゼーションが生じやすくなる。

Ｂｉ_２Ｏ_３の含有量は、１０～２５％であり、好ましくは１４～２４％であり、より好ましくは１８～２３％であり、更に好ましくは２０～２３％である。含有量をかかる範囲とすることで、屈折率を高めるとともに、可視短波長域の透過率の低下を抑制できる。

Ｌｉ_２Ｏの含有量は、２～５％であり、好ましくは２～４．５％であり、より好ましくは２．５～４％であり、更に好ましくは２．５～３．５％である。含有量をかかる範囲とすることで、屈折率を低下させることなく、ガラスの熔融温度を下げるとともに、ソラリゼーション耐性を高めることができる。

本実施形態に係る光学ガラスは、Ｌａ_２Ｏ_３成分、Ｙ_２Ｏ_３成分及びＧｄ_２Ｏ_３成分からなる群より選ばれる少なくとも１つの成分を含有することが好ましい。これらは１種のみならず２種以上を用いてもよい。その場合、本実施形態に係る光学ガラスは、Ｌａ_２Ｏ_３成分、Ｙ_２Ｏ_３成分及びＧｄ_２Ｏ_３成分の総量が０～３％であることが好ましく、０～２％であることがより好ましく、０～１％であることが更にこのましい。これらの成分の総量を上記範囲とすることで、屈折率を一層向上させるとともに、ソラリゼーション耐性を一層向上させることができ、さらにはガラスの失透を抑制することができる。

本実施形態に係る光学ガラスは、ＭｇＯ成分、ＣａＯ成分、ＳｒＯ成分、ＢａＯ成分及びＺｎＯ成分からなる群より選ばれる少なくとも１つの成分を含有することが好ましい。これらは１種のみならず２種以上を用いてもよい。その場合、本実施形態に係る光学ガラスは、ＭｇＯ成分、ＣａＯ成分、ＳｒＯ成分、ＢａＯ成分及びＺｎＯ成分の総量が０～３％であることが好ましく、０～２％であることがより好ましく、０～１％であることが更にこのましい。これらの成分の総量を上記範囲とすることで、屈折率を低下させずに、ガラスの安定性を一層向上させることができる。

本実施形態に係る光学ガラスは、Ｂ_２Ｏ_３の含有量は、耐ソラリゼーションや屈折率の観点から、４％以下であることが好ましく、２％以下であることがより好ましく、実質的に含有しないことが更に好ましい。なお、本明細書中において「実質的に含有しない」とは、当該成分が、不純物として不可避的に含有される濃度を越えて、ガラス組成物の特性に影響する構成成分として含有されないこと、を意味する。例えば、製造過程における１００ｐｐｍ以下程度のコンタミネーションについては、実質的に含有されていないものとする。

本実施形態に係る光学ガラスは、その目的達成に支障のない範囲であれば、その他の任意成分を更に含有してもよい。

次に、本実施形態の光学ガラスの物性値について説明する。

本実施形態に係る光学ガラスは、高屈折率領域に関するものとして好適に使用できる。かかる観点から、本実施形態に係る光学ガラスは、ｄ線（波長：５８７．５６２ｎｍ）に対する屈折率（ｎ_ｄ）が２．０～２．２であることが好ましく、２．０～２．１であることがより好ましい。

本実施形態に係る光学ガラスは、アッベ数（ν_ｄ）が１６～２０であることが好ましく、１６～１９であることがより好ましく、１７～１８であることが更に好ましい。

本実施形態に係る光学ガラスは、高いソラリゼーション耐性を有するものとできる。その好適な態様として、厚さ７ｍｍの試料に対して、０．８４ｍＷ／ｍｍ^２の波長４０５ｎｍの光を２０時間照射した時、波長４０５ｎｍにおける透過率変化の割合が、光の照射開始時を基準として２０％以下である光学ガラスとすることが可能である。この透過率変化の割合は、後述する方法によって測定することができる。

本実施形態に係る光学ガラスの好適な態様として、厚さ１０ｍｍにおける内部透過率が８０％となる波長が、４２０ｎｍ以下である光学ガラスとすることが可能である。

＜光学素子、光学系、光学装置等＞
本実施形態に係る光学ガラスは、光学装置の部材として用いることができる光学素子として好適である。このような光学素子には、ミラー、レンズ、プリズム、フィルタ等が含まれ、光学系として幅広く使用可能である。かかる好適例として、例えば、光学レンズ、カメラ用交換レンズ、音響光学素子等が挙げられる。そして、これらは、レンズ交換式カメラ、レンズ非交換式カメラ等の撮像装置、音響光学素子を備える照明装置、照明装置を備える顕微鏡、構造化照明顕微鏡装置等の各種装置として好適に使用できる。以下に、これらの一例を説明する。

（撮像装置）
図１は、本実施形態に係る光学装置を撮像装置とした場合の一例の斜視図である。撮像装置１はいわゆるデジタル一眼レフカメラ（レンズ交換式カメラ）であり、撮影レンズ１０３（光学系）は本実施形態に係る光学ガラスを母材とする光学素子を備えたものである。カメラボディ１０１のレンズマウント（不図示）にレンズ鏡筒１０２が着脱自在に取り付けられる。そして該レンズ鏡筒１０２の撮影レンズ１０３を通した光がカメラボディ１０１の背面側に配置されたマルチチップモジュール１０６のセンサチップ（固体撮像素子）１０４上に結像される。このセンサチップ１０４は、いわゆるＣＭＯＳイメージセンサー等のベアチップであり、マルチチップモジュール１０６は、例えばセンサチップ１０４がガラス基板１０５上にベアチップ実装されたＣＯＧ（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）タイプのモジュールである。

図２は、本実施形態に係る光学装置を撮像装置とした場合の他の例の概略図である。図２（ａ）は撮像装置ＣＡＭの正面図を、図２（ｂ）は撮像装置ＣＡＭの背面図を示す。撮像装置ＣＡＭはいわゆるデジタルスチルカメラ（レンズ非交換式カメラ）であり、撮影レンズＷＬ（光学系）は本実施形態に係る光学ガラスを母材とする光学素子を備えたものである。

撮像装置ＣＡＭは、不図示の電源ボタンを押すと、撮影レンズＷＬの不図示のシャッタが開放されて、撮影レンズＷＬで被写体（物体）からの光が集光され、像面に配置された撮像素子に結像される。撮像素子に結像された被写体像は、撮像装置ＣＡＭの背後に配置された液晶モニターＭに表示される。撮影者は、液晶モニターＭを見ながら被写体像の構図を決めた後、レリーズボタンＢ１を押し下げて被写体像を撮像素子で撮像し、不図示のメモリーに記録保存する。

撮像装置ＣＡＭには、被写体が暗い場合に補助光を発光する補助光発光部ＥＦ、撮像装置ＣＡＭの種々の条件設定等に使用するファンクションボタンＢ２等が配置されている。

このようなデジタルカメラ等に用いられる光学系には、より高い解像度、軽量化、小型化が求められる。これらを実現するには光学系に高屈折率な光学ガラスを用いることが有効である。かかる観点から、本実施形態に係る光学ガラスは、かかる光学機器の部材として好適である。なお、本実施形態において適用可能な光学機器としては、上述した撮像装置に限らず、例えばプロジェクタ等も挙げられる。光学素子についても、レンズに限らず、例えばプリズム等も挙げられる。

（多光子顕微鏡）
図３は、本実施形態に係る多光子顕微鏡の構成の例を示すブロック図である。多光子顕微鏡２は、対物レンズ２０６、集光レンズ２０８、結像レンズ２１０を備える。対物レンズ２０６、集光レンズ２０８、結像レンズ２１０のうち少なくとも１つは、本実施形態に係る光学ガラスを母材とする光学素子を備えたものである。以下、多光子顕微鏡２の光学系を中心に説明する。

パルスレーザ装置２０１は、例えば、近赤外波長（約１０００ｎｍ）であって、パルス幅がフェムト秒単位の（例えば、１００フェムト秒の）超短パルス光を射出する。パルスレーザ装置２０１から射出された直後の超短パルス光は、一般に所定の方向に偏光された直線偏光となっている。

パルス分割装置２０２は、超短パルス光を分割し、超短パルス光の繰り返し周波数を高くして射出する。

ビーム調整部２０３は、パルス分割装置２０２から入射される超短パルス光のビーム径を、対物レンズ２０６の瞳径に合わせて調整する機能、試料Ｓから発せられる多光子励起光の波長と超短パルス光の波長との軸上の色収差（ピント差）を補正するために超短パルス光の集光及び発散角度を調整する機能、超短パルス光のパルス幅が光学系を通過する間に群速度分散により広がってしまうのを補正するために、逆の群速度分散を超短パルス光に与えるプリチャープ機能（群速度分散補償機能）等を有する。

パルスレーザ装置２０１から射出された超短パルス光は、パルス分割装置２０２によりその繰り返し周波数が大きくされ、ビーム調整部２０３により上述した調整が行われる。そして、ビーム調整部２０３から射出された超短パルス光は、ダイクロイックミラー２０４によりダイクロイックミラー２０５の方向に反射され、ダイクロイックミラー２０５を通過し、対物レンズ２０６により集光されて試料Ｓに照射される。このとき、走査手段（不図示）を用いることにより、超短パルス光を試料Ｓの観察面上に走査させてもよい。

例えば、試料Ｓを蛍光観察する場合には、試料Ｓの超短パルス光の被照射領域及びその近傍では、試料Ｓが染色されている蛍光色素が多光子励起され、赤外波長である超短パルス光より波長が短い蛍光（以下、「観察光」という。）が発せられる。

試料Ｓから対物レンズ２０６の方向に発せられた観察光は、対物レンズ２０６によりコリメートされ、その波長に応じて、ダイクロイックミラー２０５により反射されたり、あるいは、ダイクロイックミラー２０５を透過したりする。

ダイクロイックミラー２０５により反射された観察光は、蛍光検出部２０７に入射する。蛍光検出部２０７は、例えば、バリアフィルタ、ＰＭＴ（ｐｈｏｔｏ ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ ｔｕｂｅ：光電子増倍管）等により構成され、ダイクロイックミラー２０５により反射された観察光を受光し、その光量に応じた電気信号を出力する。また、蛍光検出部２０７は、超短パルス光が試料Ｓの観察面において走査されるのに合わせて、試料Ｓの観察面にわたる観察光を検出する。

一方、ダイクロイックミラー２０５を透過した観察光は、走査手段（不図示）によりデスキャンされ、ダイクロイックミラー２０４を透過し、集光レンズ２０８により集光され、対物レンズ２０６の焦点位置とほぼ共役な位置に設けられているピンホール２０９を通過し、結像レンズ２１０を透過して、蛍光検出部２１１に入射する。

蛍光検出部２１１は、例えば、バリアフィルタ、ＰＭＴ等により構成され、結像レンズ２１０により蛍光検出部２１１の受光面において結像した観察光を受光し、その光量に応じた電気信号を出力する。また、蛍光検出部２１１は、超短パルス光が試料Ｓの観察面において走査されるのに合わせて、試料Ｓの観察面にわたる観察光を検出する。

なお、ダイクロイックミラー２０５を光路から外すことにより、試料Ｓから対物レンズ２０６の方向に発せられた全ての観察光を蛍光検出部２１１で検出するようにしてもよい。

また、試料Ｓから対物レンズ２０６と逆の方向に発せられた観察光は、ダイクロイックミラー２１２により反射され、蛍光検出部２１３に入射する。蛍光検出部２１３は、例えば、バリアフィルタ、ＰＭＴ等により構成され、ダイクロイックミラー２１２により反射された観察光を受光し、その光量に応じた電気信号を出力する。また、蛍光検出部２１３は、超短パルス光が試料Ｓの観察面において走査されるのに合わせて、試料Ｓの観察面にわたる観察光を検出する。

蛍光検出部２０７、２１１、２１３からそれぞれ出力された電気信号は、例えば、コンピュータ（不図示）に入力され、そのコンピュータは、入力された電気信号に基づいて、観察画像を生成し、生成した観察画像を表示したり、観察画像のデータを記憶したりすることができる。

（構造化照明顕微鏡装置）
図４は、本実施形態に係る構造化照明顕微鏡装置の概略構成図である。構造化照明顕微鏡装置３は、照明光学系３１１、結像光学系３１２、光検出器３１３、及び画像処理手段３１４から構成されている。

照明光学系３１１は、光源（不図示）からの照明光を標本３１６に導くものであり、光ファイバー３１７、コレクタレンズ３１８、音響光学素子（光変調器）３１９、コンデンサレンズ３２０、０次光カットマスク３２１、リレーレンズ３２２、視野絞り３２３、照明レンズ３２４、ダイクロイックミラー３２５、対物レンズ３２６、及び制御部３２７等から構成される。音響光学素子３１９は、本実施形態の光学ガラスを用いたものである。標本３１６は、例えば蛍光染色された生体標本であり、ステージ（不図示）上に載置されている。なお、符号３１６ａは、標本３１６の観察対象面（標本面）である。

結像光学系３１２は、対物レンズ３２６、ダイクロイックミラー３２５、及び結像レンズ３２８等から構成されている。光検出器は、撮像部（ＣＣＤカメラ等）３２９になっている。結像光学系３１２は、対物レンズ３２６で集光され、ダイクロイックミラー３２５を透過した標本３１６からの光を結像レンズ３２８により撮像部３２９の撮像面３２９ａに結像する。また、画像処理手段は、制御部３２７、画像記憶・演算部（コンピュータ等）３３０、及び画像表示部３３１等から構成される。

光ファイバー３１７は、可干渉光源（不図示）からの光を導光し、その出射端に二次点光源（過干渉な二次点光源）を形成する。なお、可干渉光源の波長は、標本３１６の励起波長と同じ波長に設定されている。その二次点光源から射出した光は、コレクタレンズ３１８によって平行光に変換され、音響光学素子３１９へ入射する。

音響光学素子３１９は、照明光学系３１１の光軸上で、かつ標本３１６と共役な位置に配置されている。音響光学素子３１９で入射光を回折し、その回折光を用いて標本面３１６ａ上に干渉縞を形成する。詳しく説明すると、音響光学素子３１９は、圧電素子等のトランスデューサを音響光学媒体に貼り付けたものであり、トランスデューサに高周波の交流電圧が印加されると厚み方向に振動し、トランスデューサの形成面から音響光学媒体中に超音波を伝搬する。

音響光学素子３１９は、超音波を音響光学媒体の中に伝搬する超音波伝搬路Ｒを、光源からの所定の波長を有する射出光束を横切る方向に有しており、その超音波伝搬路Ｒに超音波の平面定在波（以下、「超音波定在波」という。）を生起させることにより、超音波伝搬路Ｒに正弦波状の屈折率分布を付与する。このような音響光学素子３１９は、入射光に対して位相型回折格子の働きをし、その光を各次数の回折光に分岐する。図４において実線で示したのは０次回折光であり、点線で示したのは±１次回折光である。

音響光学素子３１９から出射した各次数の回折光は、コンデンサレンズ３２０を通過した後に、０次光カットマスク３２１に入射する。０次光カットマスク３２１は、対物レンズ３２６の瞳面Ｐの共役位置、又はその近傍に配置されており、共役位置へ入射した各次数の回折光のうち、０次回折光、及び２次以降の高次回折光をカットし、かつ±１次回折光のみ（２光速のみ）を通過させる機能を有する。０次光カットマスク３２１は、基板に複数の開口部、又は透過部を形成したものである。光路挿入時における開口部、又は透過部の位置は、共役な位置において±１次回折光が通過する領域に対応する。

０次光カットマスク３２１を通過した±１次回折光は、リレーレンズ３２２を通過した後に標本面３１６ａの共役位置、又はその近傍に配置された視野絞り３２３に入射する。視野絞り３２３は、標本面３１６ａ上の照明領域（観察領域）のサイズを制御する機能を有している。

ここで、共役位置とは、コンデンサレンズ３２０の焦点距離（後ろ側焦点位置）であって、後述する対物レンズ３２６の瞳Ｐ（±１次回析光が集光する位置）に対して照明レンズ３２４、及びリレーレンズ３２２を介して共役な位置（瞳共役面）をいう（なお、「共役な位置」の概念には、当業者が対物レンズ３２６、リレーレンズ３２２、及び照明レンズ３２４の収差、ビネッティング等、設計上必要な事項を考慮して決定した位置も含まれる。）。

視野絞り３２３を通過した±１次回折光は、照明レンズ３２４を通過した後にダイクロイックミラー３２５へ入射し、そのダイクロイックミラー３２５を反射する。ダイクロイックミラー３２５を反射した±１次回折光は、対物レンズ３２６の瞳面Ｐ上の互いに異なる位置にそれぞれスポットを形成する。なお、瞳面Ｐにおける２つのスポットの形成位置は、瞳面Ｐの概ね最外周部であって、対物レンズ３２６の光軸に関して互いに対称な位置である。

したがって、対物レンズ３２６の先端から射出する±１次回折光は、対物レンズ３２６のＮＡ（開口数）に相当する角度で互いに反対の方向から標本面３１６ａを照射する。なお、後述するように印加電圧の周波数を微少に変更させた結果、回折格子ピッチ（１周期）が微少に変化した場合には、２つのスポットの形成位置が極めて微少に変化する。ここで、標本面３１６ａに照射されるこれらの±１次回折光は、可干渉光源から射出した互いに可干渉な光である。このため、標本面３１６ａには、縞ピッチが一様なストライプ状の干渉縞（以下、「縞」と称する。）が投影される。よって、これらの±１次回折光により標本面３１６ａの照明パターンは、縞構造を持った照明パターンとなる。このように縞構造を持った照明パターンによる照明が、構造化照明である。構造化照明された標本面３１６ａの蛍光領域（前述した蛍光染色された領域）では蛍光物質が励起され、蛍光を発する。

なお、この構造化照明は、±１次回折光の２光束のみからなるので、標本３１６の面内方向にかけては構造化されているが、標本３１６の深さ方向（光軸方向）にかけては構造化されていない。このような構造化照明を光束構造化照明と称す。

ここで、光束構造化照明によると、構造化照明の空間周波数と蛍光領域の構造を持つ空間周波数との差を空間周波数として持つモアレ縞が標本面３１６ａに現れる。このモアレ縞上では、蛍光領域の構造の空間周波数が変調されており、実際よりも低い空間周波数にシフトしている。したがって、構造化照明によると、蛍光領域の構造のうち空間周波数の高い成分を示す蛍光、すなわち対物レンズ３２６の解像限界を超える大角度で射出した蛍光までもが対物レンズ３２６へ入射することができる。

標本面３１６ａから出射して対物レンズ３２６へ入射した蛍光は、対物レンズ３２６により平行光に変換された後にダイクロイックミラー３２５へ入射する。その蛍光は、ダイクロイックミラー３２５を透過した後、結像レンズ３２８を通過することにより撮像部３２９の撮像面３２９ａ上に標本面３１６ａの蛍光像を形成する。この蛍光像には、標本面３１６ａの蛍光領域の構造情報と構造化照明の構造情報とが含まれている。

制御部３２７は、光源の波長に応じて標本面３１６ａに投影される干渉縞が所望の縞ピッチを持つように音響光学素子３１９を制御する。具体的には、±１次回折光の分岐角が、光源の波長を変えても同じ角度になるように、制御部３２７は、音響光学素子３１９に印加する電圧（高周波電圧）の周波数を、光源の波長に応じて調整することで、音響光学素子３１９が発生する音波の波長を調整する。

制御部３２７は、音響光学素子３１９に電圧を印加すると、音響光学媒質内をその振動が音波として進行し、音響光学媒質の反対面で反射して戻り、それらが重なり合う。音響光学媒質内に発生する音波の周期は、印加電圧の周波数によってほぼ決まるが、音響光学媒質内において半周期の音波が整数個存在する場合に定在波となる。定在波は、超音波の疎密波により音響光学媒質中に周期的な屈折率の変化が生じて、回折格子として作用し、光を分岐する。

定在波は、完全なものである必要はなく、印加電圧（高周波電圧）の周波数が音響光学媒質内で定在波の立つ条件から多少ずれがあってもよい。定在波の波長は、高周波電圧の周波数で制御することができる。すなわち、０次光と１次光との間の角度（分岐角）を制御することができる。

蛍光色素に最適な励起波長帯を選択した光源の光、つまり励起光は、音響光学素子３１９を通ると複数の光に分岐されるが、その後、コンデンサレンズ３２０を通り光の向きを平行にし、ダイクロイックミラー３２５により顕微鏡観察光学経路（結像光学系３１２を含む）内に入射され、対物レンズ３２６により光の向きを内側に曲げ、標本面３１６ａにセットされた標本３１６上で光が重なり（干渉して）一次元格子模様（縞模様）の励起照明光となる。その際、対物レンズ３２６から標本３１６への最大入射角度θで照明光を照射すると最大分解能が得られることが知られている。これを利用し、対物レンズ３２６を透過した後の光の進む角度は、０次光と＋１次光がそれぞれ、対物レンズ３２６から標本３１６への最大入射角度θとなるように構成されている。

制御部３２７は、構造化照明の位相をシフトする際にも音響光学素子３１９に印加される電圧の周波数を変える。なお、この周波数の変化量は十分少ないため、最大分解能を維持するのに大きな影響はない。

具体的には、制御部３２７は、音響光学素子３１９への印加電圧の周波数を変えて、音響光学素子３１９の超音波伝搬路Ｒに生起する超音波定在波を制御することにより、構造化照明の位相シフト量を２π／３ずつステップ状に変化させる。そして、制御部３２７は、構造化照明の位相が各状態にあるときに撮像部３２９を駆動して３種類の画像データＩ－１、Ｉ０、Ｉ＋１を取得し、それらの画像データＩ－１、Ｉ０、Ｉ＋１を順次に画像記憶・演算部３３０へ送出する。

画像記憶・演算部３３０は、取り込まれた画像データＩ－１、Ｉ０、Ｉ＋１に対して復調演算を施すことにより、蛍光領域の構造情報の空間周波数が実際の空間周波数に戻された画像データＩ’を取得し、その画像データＩ’を画像表示部３３１へ送出する。これによって、画像表示部３３１には、対物レンズ３２６の解像限界を超えた解像画像（超解像画像）が表示される。

続いて、上述した音響光学素子３１９について詳しく説明する。図５は、本実施形態に係る音響光学素子の構成図であり、上述した音響光学素子３１９に該当するものである。図５（Ａ）は、音響光学素子３１９を正面（光軸方向）から見た図であり、図５（Ｂ）は、音響光学素子３１９を側面（光軸に垂直な方向）から見た図である。

音響光学素子３１９は、リブ構造をもつ超音波伝搬路を３個もっている。具体的には、図５に示すように、単一の音響光学媒体３３５を備え、音響光学媒体３３５は、互いに平行をなす一対の側面（側面対）３３５ａ－３３５ｆ，３３５ｂ－３３５ｇ，３３５ｃ－３３５ｅを３対備えた正面視八角形のブロック状に形成されている。一方の側面３１５ａ～３１５ｃには、トランスデューサ３３６～３３８がリブ状に突出して設けられており、これによって他方の側面３３５ｆ，３３５ｇ，３３５ｅとの間の音響光学媒体３３５内に３つの超音波伝搬路Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃがそれぞれ形成される。

超音波伝搬路Ｒａは、トランスデューサ３３６をもつ側面３３５ａとそれに対向する側面３３５ｆとの間に形成される伝搬路であり、また、超音波伝搬路Ｒｂは、トランスデューサ３３７をもつ側面３３５ｂとそれに対向する側面３３５ｇとの間に形成される伝搬路であり、さらに、超音波伝搬路Ｒｃは、トランスデューサ３３８をもつ側面３３５ｃとそれに対向する側面３３５ｅとの間に形成される伝搬路である。

音響光学媒体３３５の材質は、本実施形態に係る光学ガラスを用いるものであり、３つの側面対３３５ａ－３３５ｆ，３３５ｂ－３３５ｇ，３３５ｃ－３３５ｅ、及び２つの底面３３５ｄ，３３５ｈは、それぞれ十分な精度で研磨されている。

トランスデューサ３３６は、圧電体３３９と、圧電体３３９の上下面に個別に形成された２つの電極３４０とを有した超音波トランスデューサであり、そのうち下面の電極３４０を介して側面３３５ａに接合されている。制御部３２７から上下面の電極３４０の間に高周波の交流電圧を印加すると、圧電体３３９が厚み方向に振動し、超音波伝搬路Ｒａ内を平面超音波が往復する。上下面の電極３４０の間に印加される交流電圧の周波数が特定の周波数（適正周波数）に設定された場合、その超音波は定在波となるので、超音波伝搬路Ｒａの屈折率には、超音波の伝搬方向にかけて正弦波状の分布が付与される。これによって、超音波伝搬路Ｒａは、超音波の伝搬方向と垂直な位相格子を持った位相型回折格子となる。以下、この超音波伝搬路Ｒａの伝搬方向を、「第１方向」と称す。

トランスデューサ３３７も、トランスデューサ３３６と同じ構成をしており、圧電体３４１と、圧電体３４１の上下面に個別に形成された２つの電極３４２とを有し、そのうち下面の電極３４２を介して側面３３５ｂに接合されている。

したがって、トランスデューサ３３７の２つの電極３４２の間に適正周波数の交流電圧が印加されると、超音波伝搬路Ｒｂ内を平面超音波が伝搬するので、超音波伝搬路Ｒｂは、超音波の伝搬方向と垂直な位相格子を持った位相型回折格子となる。以下、この超音波伝搬路Ｒｂの伝搬方向を、「第２方向」と称す。この第２方向は、第１方向に対して６０°の角度を成す。

トランスデューサ３３８も、トランスデューサ３３６と同じ構成をしており、圧電体３４３と、圧電体３４３の上下面に個別に形成された２つの電極３４４とを有し、そのうち下面の電極３４４を介して側面３３５ｃに接合されている。

したがって、トランスデューサ３３８の２つの電極３４４の間に適正周波数の交流電圧が印加されると、超音波伝搬路Ｒｃ内を平面超音波が伝搬するので、超音波伝搬路Ｒｃは、超音波の伝搬方向と垂直な位相格子を持った位相型回折格子となる。以下、この超音波伝搬路Ｒｃの伝搬方向を、「第３方向」と称す。この第３方向は、第１方向に対して－６０°の角度を成す。

そして、画像記憶・演算部３３０は、第１方向Ｒａによる対物レンズ３２６の解像限界を超えた解像画像（超解像画像）Ｉａ’、第２方向Ｒｂによる対物レンズ３２６の解像限界を超えた解像画像（超解像画像）Ｉｂ’、第３方向Ｒｃによる対物レンズ３２６の解像限界を超えた解像画像（超解像画像）Ｉｃ’の３つの復調画像データを波数空間上で合成してから再び実空間に戻すことにより、第１方向、第２方向、第３方向に亘る超解像画像の画像データＩを取得し、その画像データＩを画像表示部３３１へ送出する。したがって、画像表示部３３１には、標本面１６ａの蛍光領域の構造を詳細に示す超解像画像が表示される。

図６は、本実施形態に係る音響光学素子の別の態様を示す構成図である。音響光学媒体３３５は、３つの超音波伝搬路Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃをスポットの中心に関して非対称な関係で配置していたが（図５参照）、例えば図６に示すとおり対称な関係で配置してもよい。図５に示す例の利点は、音響光学媒体３３５の外形の凹凸が少ないところにある。このように、本実施形態に係る光学ガラスを用いた音響光学素子は、適宜好適な構成を選択することができる。

次に、以下の実施例及び比較例の説明をするが、本発明は以下の実施例により何ら限定されるものではない。

＜光学ガラスの作製＞
光学ガラスは、以下の手順に準拠して作製した。まず、酸化物、水酸化物、炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩等から選ばれる原料を所定の化学組成となるよう秤量した。次に、秤量した原料を混合して金ルツボに投入し、７００～８５０℃の温度で１時間程度熔融し、攪拌均質化した。その後、適当な温度に下げてから金型等に鋳込み、徐冷することにより、各サンプルを得た。

＜屈折率（ｎ_ｄ）とアッベ数（ν_ｄ）＞
各サンプルの屈折率（ｎ_ｄ）及びアッベ数（ν_ｄ）は、プリズムカプラ（Ｍｅｔｒｉｃｏｎ製、モデル「２０１０／Ｍ」）を用いて測定した。ガラス試料を研磨し、研磨面を単結晶ルチルプリズムに密着させ、測定波長の光を入射させた際の全反射角を測定して屈折率を求めた。４７３ｎｍ、５９４．１ｎｍ、６５６ｎｍの３波長で各５回測定し、平均値を測定値とした。さらに、得られた実測値に対し、以下のＤｒｕｄｅ－Ｖｏｉｇｔの分散式を用いて最小二乗法によるフィッティングを行い、ｄ線（５８７．５６２ｎｍ）、Ｆ線（４８６．１３３ｎｍ）、Ｃ線（６５６．２７３ｎｍ）における屈折率と、アッベ数（ν_ｄ）を算出した。なお、屈折率の値は、小数点以下第４位までとした。

（ｎ：屈折率、ｍ：電子質量、ｃ：光速度、ｅ：電荷素量、Ｎ：単位体積当たりの分子数、ｆ：振動子強度、λ_０：固有共鳴波長、λ：波長）

また、アッベ数（ν_ｄ）は以下の式で定義される。

＜内部透過率が８０％となる波長（λ_８０）＞
１２ｍｍ厚と２ｍｍ厚の光学研磨された互いに平行な光学ガラス試料を用意し、厚み方向と平行に光が入射した際の波長２００～７００ｎｍの範囲における内部透過率を測定した。そして、光路長１０ｍｍにおける内部透過率が８０％となる波長をλ_８０とした。

＜４０５ｎｍ光照射による透過率低下量＞
４０５ｎｍ光照射による透過率低下量については、図７に示す光照射実験装置を用いて測定した。具体的には、４０５ｎｍレーザ光を広げて平行光にし、直径２．５ｍｍアパーチャで光束中央部のみを透過させてガラスに照射したときの透過光量を、透過光量測定用パーメーターを用いて測定する装置である。直径２．５ｍｍ、０．８４ｍＷ／ｍｍ^２の波長４０５ｎｍの光を、厚さ７ｍｍの試料に対して２０時間照射し、その透過光量を、透過光量測定用光パワーメーター（図７参照）を用いて測定した。そして、光照射開始時の波長４０５ｎｍにおける透過率が２０時間後にどの程度減少したかを計測した。

以下の各表に、各実施例及び各比較例の結果を示す。

以上より、本実施例係る光学ガラスは、屈折率が高く、可視短波長域の透過率が良好であり、かつ、４０５ｎｍ光照射時における透過率変化の割合を低減できることが確認された。

１…撮像装置、１０１…カメラボディ、１０２…レンズ鏡筒、１０３…撮影レンズ、１０４…センサチップ、１０５…ガラス基板、１０６…マルチチップモジュール、ＣＡＭ…撮像装置（レンズ非交換式カメラ）、ＷＬ…撮影レンズ、Ｍ…液晶モニター、ＥＦ…補助光発光部、Ｂ１…レリーズボタン、Ｂ２…ファンクションボタン、２…多光子顕微鏡、２０１…パルスレーザ装置、２０２…パルス分割装置、２０３…ビーム調整部、２０４，２０５，２１２…ダイクロイックミラー、２０６…対物レンズ、２０７，２１１，２１３…蛍光検出部、２０８…集光レンズ、２０９…ピンホール、２１０…結像レンズ、Ｓ…試料、３…構造化照明顕微鏡装置、３１１…照明光学系、３１２…結像光学系、３１３…光検出器、３１４…画像処理手段、３１６…標本、３１６ａ…標本面、３１７…光ファイバー、３１８…コレクタレンズ、３１９…音響光学素子（光変調器）、３２０…コンデンサレンズ、３２１…０次光カットマスク、３２２…リレーレンズ、３２３…視野絞り、３２４…照明レンズ、３２５…ダイクロイックミラー、３２６…対物レンズ、３２７…制御部、３２８…結像レンズ、３２９…撮像部、３２９ａ…撮像面、３３０…画像記憶・演算部、３３１…画像表示部、３３５…音響光学媒体、３３５ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，ｇ…側面、３３５ｄ，ｈ…底面、３３６，３３７，３３８…トランスデューサ、３３９，３４１，３４３…圧電体、３４０，３４２，３４４…電極、Ｒ，Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃ…超音波伝搬路

Claims (19)

1. 質量％で、
   ＴｅＯ_２含有率：７０～８０％、
   Ｂｉ_２Ｏ_３含有率：１８～２５％、
   Ｌｉ_２Ｏ含有率：２～５％、
   ＺｎＯ含有率：０～３．４９％、
   である、光学ガラス。
2. 質量％で、
   ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ及びＺｎＯの総含有率：０～３％である、
   請求項１に記載の光学ガラス。
3. 質量％で、
   ＴｅＯ_２含有率：７０～８０％、
   Ｂｉ_２Ｏ_３含有率：１８～２５％、
   Ｌｉ_２Ｏ含有率：２～５％、
   ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ及びＺｎＯの総含有率：０～３％、
   である、光学ガラス。
4. 質量％で、
   Ｌａ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３及びＧｄ_２Ｏ_３の総含有率：０～３％である、
   請求項１～３のいずれか一項に記載の光学ガラス。
5. 質量％で、
   ＴｅＯ_２含有率：７０～８２．８４％、
   Ｂｉ_２Ｏ_３含有率：１４～２５％、
   Ｌｉ_２Ｏ含有率：２～５％、
   ＺｎＯ含有率：０～３．４９％、
   Ｌａ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３及びＧｄ_２Ｏ_３の総含有率：１．０３～３％、
   である、光学ガラス。
6. 質量％で、
   ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ及びＺｎＯの総含有率：０～３％である、
   請求項５に記載の光学ガラス。
7. 質量％で、
   ＴｅＯ_２含有率：７０～８２．８４％、
   Ｂｉ_２Ｏ_３含有率：１４～２５％、
   Ｌｉ_２Ｏ含有率：２～５％、
   ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ及びＺｎＯの総含有率：０～３％、
   Ｌａ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３及びＧｄ_２Ｏ_３の総含有率：１．０３～３％、
   である、光学ガラス。
8. Ｂ_２Ｏ_３を実質的に含有しない、請求項１～７のいずれか一項に記載の光学ガラス。
9. ｄ線に対する屈折率（ｎ_ｄ）が２．０～２．２である、請求項１～８のいずれか一項に記載の光学ガラス。
10. アッベ数（ν_ｄ）が１６～２０である、請求項１～９のいずれか一項に記載の光学ガラス。
11. 厚さ７ｍｍの試料に対して、０．８４ｍＷ／ｍｍ^２の波長４０５ｎｍの光を２０時間照射した時、波長４０５ｎｍにおける透過率変化の割合が、前記光の照射開始時を基準として２０％以下である、
    請求項１～１０のいずれか一項に記載の光学ガラス。
12. 厚さ１０ｍｍあたりの内部透過率が８０％となる波長が、４２０ｎｍ以下である、
    請求項１～１１のいずれか一項に記載の光学ガラス。
13. 請求項１～１２のいずれか一項に記載の光学ガラスを用いた光学素子。
14. 請求項１３に記載の光学素子を含む光学系。
15. 請求項１４に記載の光学系を備える光学装置。
16. 請求項１４に記載の光学系を備えるカメラ用交換レンズ。
17. 請求項１～１２のいずれか一項に記載の光学ガラスを用いた音響光学素子。
18. 請求項１７に記載の音響光学素子を備える照明装置。
19. 請求項１８に記載の照明装置を備える顕微鏡。

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