JPWO2016052743A1 - 光軸方向走査型顕微鏡装置 - Google Patents

Abstract

中間像が光学素子に一致する位置で結像されても、中間像に光学素子の傷、異物および欠陥等が重なることを防止して鮮明な最終像を取得することを目的として、本発明の光軸方向走査型顕微鏡装置１０は、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。最終像Ｉおよび少なくとも１つの中間像ＩＩを形成する複数の結像レンズ２，３と、該結像レンズ２，３により形成されるいずれかの中間像ＩＩよりも物体Ｏ側に配置され、物体Ｏ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５と、該第１の位相変調素子５との間に少なくとも１つの中間像ＩＩを挟む位置に配置され、第１の位相変調素子５により物体Ｏ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６とを備える。

Description

本発明は、例えば光学的に光軸方向の走査を行う光軸方向走査型の顕微鏡装置に関するものである。

従来、中間像位置において光路長を調節することにより、対象物における合焦点位置を光軸に沿う方向（Ｚ軸方向）に移動させる方法が知られている（例えば、特許文献１および特許文献２参照。）。

特許第４０１１７０４号公報 特表２０１０−５１３９６８号公報

しかしながら、特許文献１および特許文献２の方法では、中間像面に平面鏡を配置するので、平面鏡の表面の傷や異物が、取得された最終像や対象物に投影された照明光に重なってしまうという不都合がある。また、特許文献２の方法は、光路長の調節手段と対象物との間に拡大された中間像が介在する光学系であるため、縦倍率は横倍率の２乗に等しくなるという光学上の基本原理により、合焦点位置の光軸に沿う方向への僅かな移動によっても、拡大された中間像はその光軸方向に大きく移動する。その結果、移動した中間像がその中間像の前後に位置していたレンズに重なると、上記と同様に、レンズの表面の傷や異物あるいはレンズ内の欠陥等が最終的な像や投影された照明光に重なってしまうという不都合がある。そしてこの種の不都合は、上記先行技術を拡大光学系である顕微鏡に適用した場合に特に顕著である。このことから、従来技術による光軸（Ｚ軸）方向走査機能を備えた顕微鏡装置においては、Ｚ軸方向に異なる合焦位置で観察等を行おうとすると、鮮明な最終像を得ることが困難であり、長年、光軸方向走査型の顕微鏡装置における宿命として解消できない課題であった。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、中間像が光学素子に一致する位置で結像されても、中間像に光学素子の傷、異物および欠陥等が重なることを防止して鮮明な最終像を取得することができる光軸方向走査型顕微鏡装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の一態様は、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る結像光学系と、前記物体からの波面が前記結像光学系を通過することにより結像される像を光軸方向に走査するための走査系とを備える光軸方向走査型顕微鏡装置である。

本明細書においては、像のあり方として、「鮮明な像」および「不鮮明な像」（または「ぼやけた像」）という２つの概念を用いる。
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。

次に「不鮮明な像」（または「ぼやけた像」）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た状態で、結像レンズを介して生成された像であり、その像の近傍に配置された光学素子の表面や内部に存在する傷や異物や欠陥等が、実質的に最終像として形成されない様な特性を有するものを意味する。

このようにして形成された「不鮮明な像」（または「ぼやけた像」）は、単に焦点の外れた像とは異なり、本来結像されるはずだった位置（すなわち仮に波面の空間的な乱れが付与されなかった場合に結像される位置）における像も含めて、光軸方向の広い範囲にわたって、像コントラストの明確なピークを持たない。「不鮮明な像」の空間周波数帯域は、「鮮明な像」の空間周波数帯域に比べて、常に狭いものとなる。

以下、本明細書における「鮮明な像」および「不鮮明な像」（または「ぼやけた像」）は、上記概念に基づくものであり、Ｚ軸方向での中間像の移動とは、本発明ではぼやけた中間像の状態のまま移動することを意味する。また、Ｚ軸走査とは、Ｚ軸方向での光の移動のみに限らず、後述するようにＸＹ上の光移動を伴なっていてもよい。また、本明細書において、Ｚ軸方向とは光軸に沿う方向を意味する。

本態様によれば、結像レンズの物体側から入射された光は結像レンズによって集光されることにより最終像を結像する。この場合において、中間像の一つよりも物体側に配置された第１の位相変調素子を通過することにより、光の波面に空間的な乱れが付与され、結像される中間像はぼやける。また、中間像を結像した光は第２の位相変調素子を通過することにより、第１の位相変調素子によって付与された波面の空間的な乱れが打ち消される。これにより、第２の位相変調素子以降において結像される最終像が鮮明になる。

すなわち、中間像をぼやけさせることにより、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、それら光学素子の傷、異物あるいは欠陥等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、本態様が顕微鏡光学系に適用される場合には、フォーカシング等によりＺ軸方向での移動した中間像がその中間像の前後に位置していたレンズに重なったとしても、レンズの表面の傷や異物あるいはレンズ内の欠陥等が最終的な像に映りこむようなノイズ画像を生じない。
上記態様においては、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、光学的に共役な位置に配置されていることとしてもよい。

上記態様においては、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、前記結像レンズの瞳位置近傍に配置されていてもよい。
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。

また、上記態様においては、いずれかの前記中間像を挟む位置に配置される２つの前記結像レンズ間の光路長を変更可能な光路長可変手段を備えていてもよい。
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。

また、上記態様においては、前記光路長可変手段が、光軸に直交して配置され前記中間像を形成する光を折り返すように反射する平面鏡と、該平面鏡を光軸方向に移動させるアクチュエータと、前記平面鏡により反射された光を２方向に分岐するビームスプリッタとを備えていてもよい。
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。

また、上記態様においては、いずれかの前記結像レンズの瞳位置近傍に、光の波面に付与する空間的な位相変調を変更することにより、前記最終像位置を光軸方向に変化させる可変空間位相変調素子を備えていてもよい。
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る。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。

また、上記態様においては、前記第１の位相変調素子または前記第２の位相変調素子の少なくとも一方の機能が、前記可変空間位相変調素子によって担われていてもよい。
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。

また、上記態様においては、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もよい。
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る。そして、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、それら光学素子の傷、異物あるいは欠陥等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。

また、上記態様においては、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、光軸に直交する２次元方向に変化する位相変調を光束の波面に付与してもよい。
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。

また、上記態様においては、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、光を透過させる際に波面に位相変調を付与する透過型素子であってもよい。
また、上記態様においては、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。

また、上記態様においては、前記第１の位相変調素子と前記第２の位相変調素子とが、相補的な形状を有していてもよい。
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。

また、上記態様においては、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、透明材料の屈折率分布によって波面に位相変調を付与してもよい。
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。

また、上記態様においては、前記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ていてもよい。
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、それら光学素子の傷、異物あるいは欠陥等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、上記態様においては、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ていてもよい。
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。

上記態様においては、前記光検出器が、前記結像光学系の最終像位置に配置され、該最終像を撮影する撮像素子であってもよい。
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。

また、上記態様においては、前記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ていてもよい。

本態様によれば、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。

上記態様においては、前記光源および前記光検出器と前記結像光学系との間に配置されたニポウディスク型コンフォーカル光学系を備えていてもよい。
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。

また、上記態様においては、前記光源がレーザ光源であり、前記光検出器が共焦点ピンホールおよび光電変換素子を備えていてもよい。
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。

また、上記態様においては、前記光源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を備え、前記光源がパルスレーザ光源であってもよい。
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。
上記態様においては、光スキャナを備え、該光スキャナが、前記第１の位相変調素子、前記第２の位相変調素子および前記結像レンズの瞳に対して光学的に共役な位置に配置されていることとしてもよい。

また、上記態様においては、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、光学的に非共役な位置に配置されたシリンドリカルレンズの組合せであることとしてもよい。
すなわち、適切なパワーのシリンドリカルレンズを適切な場所に配置することによって、第１の位相変調素子と第２の位相変調素子が光学的に非共役であっても、第１の位相変調素子により生じた光の波面の乱れを第２の位相変調素子により打ち消して、非点収差を生じることなく結像させることができる。これにより、たとえ空間的な制約等によって、第１の位相変調素子と第２の位相変調素子を光学的に共役に配置することが出来ない光学系であっても、中間像をぼやけさせることにより、中間像位置に配置された光学素子の表面や内部に存在する傷、異物あるいは欠陥等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。

上記態様においては、前記第１の位相変調素子および前記第２の位相変調素子の少なくとも１つが、前記結像レンズの瞳位置近傍に配置されていることとしてもよい。
上記態様においては、いずれかの前記中間像を挟む位置に配置される２つの前記結像レンズ間の光路長を変更可能な光路長可変手段を備えていてもよい。

上記態様においては、前記光路長可変手段が、光軸に直交して配置され前記中間像を形成する光を折り返すように反射する平面鏡と、該平面鏡を光軸方向に移動させるアクチュエータと、前記平面鏡により反射された光を２方向に分岐するビームスプリッタとを備えていてもよい。

上記態様においては、いずれかの前記結像レンズの瞳位置近傍に、光の波面に付与する空間的な位相変調を変更することにより、前記最終像位置を光軸方向に変化させる可変空間位相変調素子を備えていてもよい。
上記態様においては、前記第１の位相変調素子または前記第２の位相変調素子の少なくとも一方の機能が、前記可変空間位相変調素子によって担われていてもよい。

上記態様においては、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、光を透過させる際に波面に位相変調を付与する透過型素子であってもよい。
上記態様においては、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。

上記態様においては、前記第１の位相変調素子と前記第２の位相変調素子とが、相補的な形状を有していてもよい。
上記態様においては、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、透明材料の屈折率分布によって波面に位相変調を付与してもよい。

上記態様においては、前記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ための光源をさらに備えていてもよい。
上記態様においては、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をさらに備えていてもよい。

上記態様においては、前記光検出器が、前記結像光学系の最終像位置に配置され、該最終像を撮影する撮像素子であってもよい。
上記態様においては、前記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さらに備えていてもよい。

上記態様においては、前記光源および前記光検出器と前記結像光学系との間に配置されたニポウディスク型コンフォーカル光学系を備えていてもよい。
上記態様においては、前記光源がレーザ光源であり、前記光検出器が共焦点ピンホールおよび光電変換素子を備えていてもよい。

上記態様においては、前記光源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を備え、前記光源がパルスレーザ光源であってもよい。
上記態様においては、光スキャナを備え、該光スキャナが、前記第１の位相変調素子、前記第２の位相変調素子および前記結像レンズの瞳に対して光学的に共役な位置に配置されていることとしてもよい。

本発明によれば、中間像が光学素子に一致する位置で結像されても、中間像に光学素子の傷、異物および欠陥等が重なることを防止して鮮明な最終像を取得することができるという効果を奏する。特に、顕微鏡のような拡大光学系においてフォーカシング等で中間像を移動させた場合、Ｚ軸方向での移動した中間像がその中間像の前後に位置していたレンズに重なったとしても、レンズの表面の傷や異物あるいはレンズ内の欠陥等が最終的な像に映りこむようなノイズ画像を生じないことから、本発明は、長年、光軸方向走査型の顕微鏡装置において解消できなかた課題を解決できるという格別な作用効果を奏する。

本発明の顕微鏡装置に用いられる結像光学系の一実施形態を示す模式図である。 図１の結像光学系の作用を説明する模式図である。 ２の物体側の瞳位置から波面回復素子までを示す拡大図である。 従来の顕微鏡装置に用いられる結像光学系を示す模式図である。 本発明の第１の実施形態に係る観察装置を示す模式図である。 本発明の第２の実施形態に係る観察装置を示す模式図である。 本発明の第３の実施形態に係る観察装置を示す模式図である。 図７の観察装置の変形例を示す模式図である。 図８の観察装置の第１の変形例を示す模式図である。 図９の観察装置のさらなる変形例を示す模式図である。 図８の観察装置の第２の変形例を示す模式図である。 図８の観察装置の第３の変形例を示す模式図である。 本発明の結像光学系および観察装置に使用される位相変調素子の一例としてのシリンドリカルレンズを示す斜視図である。 図１３のシリンドリカルレンズを用いた場合の作用を説明する模式図である。 図１４の説明に使用するガウス光学に基づく位相変調量と光学パワーの関係を説明する図である。 本発明の結像光学系および観察装置に使用される位相変調素子の他の例としてのバイナリ回折格子を示す斜視図である。 本発明の結像光学系および観察装置に使用される位相変調素子の他の例としての１次元正弦波回折格子を示す斜視図である。 本発明の結像光学系および観察装置に使用される位相変調素子の他の例としての自由曲面レンズを示す斜視図である。 本発明の結像光学系および観察装置に使用される位相変調素子の他の例としてのコーンレンズを示す縦断面図である。 本発明の結像光学系および観察装置に使用される位相変調素子の他の例としての同心円型バイナリ回折格子を示す斜視図である。 位相変調素子として回折格子を用いた場合の光軸に沿う光線の作用を説明する模式図である。 位相変調素子として回折格子を用いた場合の軸上光線の作用を説明する模式図である。 波面錯乱素子として機能する回折格子の作用を説明する中央部の詳細図である。 波面回復素子として機能する回折格子の作用を説明する中央部の詳細図である。 本発明の結像光学系および観察装置に使用される位相変調素子の他の例としての球面収差素子を示す縦断面図である。 本発明の結像光学系および観察装置に使用される位相変調素子の他の例としての不規則形状素子を示す縦断面図である。 本発明の結像光学系および観察装置に使用される位相変調素子の他の例としての反射型の位相変調素子を示す模式図である。 本発明の結像光学系および観察装置に使用される位相変調素子の他の例としての屈折率分布型素子を示す模式図である。 本発明の結像光学系を内視鏡的用途でもって顕微鏡的に拡大観察するための装置に適用する場合のレンズ配列の一例を示す図である。 本発明の結像光学系を、インナーフォーカス機能付き内視鏡型細径対物レンズを備えた顕微鏡に適用する場合のレンズ配列の一例を示す図である。 波面錯乱素子と波面回復素子とが共役な位置関係に配置された結像光学系をシリンドリカルレンズのパワーがある方向から見た模式図である。 図３１Ａをシリンドリカルレンズのパワーがない方向から見た模式図である。 波面錯乱素子と波面回復素子とが非共役な位置関係に配置された結像光学系をシリンドリカルレンズのパワーがある方向から見た模式図である。 図３２Ａをシリンドリカルレンズのパワーがない方向から見た模式図である。 波面錯乱素子と波面回復素子とが非共役な別の位置関係に配置された結像光学系をシリンドリカルレンズのパワーがある方向から見た模式図である。 図３３Ａをシリンドリカルレンズのパワーがない方向から見た模式図である。 本発明の変形例に係る結像光学系のアスペクト比変換光学系を示す断面図である。 本発明の変形例に係る結像光学系のアスペクト比変換機構を示す模式図である。 本発明の変形例に係る結像光学系のアスペクト比変換回路を示す模式図である。 アスペクト比補正回路による補正前と補正後のイメージ画像の一例を示す図である。 本発明の結像光学系を組み合わせる顕微鏡の平行平板を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る観察装置を示す模式図である。 図３９の照明装置を示す平面図である。 図３９の照明装置を示す側面図である。 図３９の波面回復素子におけるスキャン動作による光束の通過位置を示す横断面図である。 図３９の対物レンズの瞳位置におけるスキャン動作による光束の通過位置を示す横断面図である。 本発明の一実施例に係る照明装置の一部を示す拡大模式図である。

本発明の顕微鏡装置（光軸方向走査型顕微鏡装置）に用いられる結像光学系１の一実施形態について、図面を参照して以下に説明する。
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ＰＰ_Ｏ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ＰＰ_Ｉ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は開口絞りである。

波面錯乱素子５は、物体Ｏから発せられ物体Ｏ側の結像レンズ２により集光された光を透過させる際に波面に乱れを付与するようになっている。波面錯乱素子５によって波面に乱れを付与することにより、フィールドレンズ４に結像される中間像が不鮮明化されるようになっている。

一方、波面回復素子６は、フィールドレンズ４により集光された光を透過させる際に、波面錯乱素子５によって付与された波面の乱れを打ち消すような位相変調を光に付与するようになっている。波面回復素子６は、波面錯乱素子５とは逆の位相特性を有し、波面の乱れを打ち消すことによって、鮮明な最終像Ｉを結像させるようになっている。

本実施形態に係る結像光学系１の、より一般的な概念について詳細に説明する。
図２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ａ_Ｆ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ｂ_Ｆだけ離れた位置に配置されている。

図２において、符号ｆ_Ｏは結像レンズ２の焦点距離、符号ｆ_Ｉは結像レンズ３の焦点距離、符号Ｆ_Ｏ，Ｆ_Ｏ´は結像レンズ２の焦点位置、符号Ｆ_Ｉ，Ｆ_Ｉ´は結像レンズ３の焦点位置、符号ＩＩ_０，ＩＩ_Ａ，ＩＩ_Ｂは中間像である。

ここで、波面錯乱素子５は必ずしも結像レンズ２の瞳位置ＰＰ_Ｏ近傍に配置されている必要はなく、波面回復素子６も必ずしも結像レンズ３の瞳位置ＰＰ_Ｉ近傍に配置されている必要はない。
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。

１／ｆ_Ｆ＝１／ａ_Ｆ＋１／ｂ_Ｆ・・・（１）
ここで、ｆ_Ｆはフィールドレンズ４の焦点距離である。

図３は、図２の物体Ｏ側の瞳位置ＰＰ_Ｏから波面回復素子６までを詳細に示す図である。
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。

また、ΔＬ_Ｏ（ｘ_Ｏ）は、光が波面錯乱素子５の光軸上（ｘ＝０）を通過する場合を基準とした、波面錯乱素子５の任意の光線高さｘ_Ｏを通過する場合の位相の進み量を与える関数である。
さらに、ΔＬ_Ｉ（ｘ_Ｉ）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ｘ_Ｉを通過する場合の位相の進み量を与える関数である。

ΔＬ_Ｏ（ｘ_Ｏ）とΔＬ_Ｉ（ｘ_Ｉ）は、下式（２）を満たしている。
ΔＬ_Ｏ（ｘ_Ｏ）＋ΔＬ_Ｉ（ｘ_Ｉ）＝ΔＬ_Ｏ（ｘ_Ｏ）＋ΔＬ_Ｉ（β_Ｆ・ｘ_Ｏ）＝０・・・（２）
ここで、β_Ｆ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。
β_Ｆ＝−ｂ_Ｆ／ａ_Ｆ・・・（３）

このような結像光学系１に１本の光線Ｒが入射し、波面錯乱素子５上の位置ｘ_Ｏを通過すると、そこで、ΔＬ_Ｏ（ｘ_Ｏ）の位相変調を受け、屈折、回折、散乱等による錯乱光線Ｒｃを生じる。錯乱光線Ｒｃは、光線Ｒの位相変調を受けなかった成分とともに、フィールドレンズ４によって波面回復素子６上の位置ｘ_Ｉ＝β_Ｆ・ｘ_Ｏに投影される。投影された光線はここを通過することにより、ΔＬ_Ｉ（β_Ｆ・ｘ_Ｏ）＝−ΔＬ_Ｏ（ｘ_Ｏ）の位相変調を受け、波面錯乱素子５によって受けた位相変調が打ち消される。これにより、波面の乱れのない１本の光線Ｒ´に戻る。

波面錯乱素子５と波面回復素子６が共役な位置関係にあり、かつ式（２）の特性を有する場合には、波面錯乱素子５上の１つの位置を経て位相変調を受けた光線は、その位置と一対一対応し、かつ波面錯乱素子５から受けた位相変調を打ち消すような位相変調を付与する波面回復素子６の特定の位置を必ず通過する。図２および図３に示される光学系は、光線Ｒに対して、波面錯乱素子５におけるその入射位置ｘ_Ｏや入射角に関わりなく、上記のように作用する。すなわち、あらゆる光線Ｒに関して、中間像ＩＩを不鮮明化し、かつ最終像Ｉを鮮明に結像させることができる。

図４に、従来の結像光学系を示す。この結像光学系によれば、物体Ｏ側の結像レンズ２によって集光された光は中間結像面に配置されるフィールドレンズ４において鮮明な中間像ＩＩを形成した後、像Ｉ側の結像レンズ３によって集光されて鮮明な最終像Ｉを形成する。

従来の結像光学系では、フィールドレンズ４の表面に傷や塵埃等があったり、フィールドレンズ４の内部に空洞等の欠陥があったりした場合に、フィールドレンズ４に鮮明に形成された中間像にこれらの異物の像が重なってしまい、最終像Ｉにも異物の像が形成されてしまうという問題が発生する。

これに対し、本実施形態に係る結像光学系１によれば、フィールドレンズ４に一致する位置に配置される中間結像面には、波面錯乱素子５によって不鮮明化された中間像ＩＩが結像されるので、中間像ＩＩに重なった異物の像は、波面回復素子６によって位相変調を受けて不鮮明な中間像ＩＩが鮮明化される際に同じ位相変調によって不鮮明化される。したがって、鮮明な最終像Ｉに中間結像面の異物の像が重なることを防止することができる。

なお、上記説明においては、２つの結像レンズ２，３をそれぞれテレセントリックな配置として説明したが、これに限定されるものではなく、非テレセントリック系であっても同様に作用する。
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。

また、結像レンズ２と波面錯乱素子５とフィールドレンズ４の間の空間、およびフィールドレンズ４と波面回復素子６と結像レンズ３の間の空間は、必ずしも必要でなく、これらの素子の間は光学的に接合されていてもよい。

また、結像光学系１をなす各レンズ、すなわち、結像レンズ２，３およびフィールドレンズ４の各々が結像と瞳リレーの機能を明確に分担する構成としたが、実際の結像光学系においては、１つのレンズが結像と瞳リレーの両機能を同時に有するような構成も用いられている。このような場合においても、上記条件が満たされる場合には、波面錯乱素子５は波面に乱れを付与して中間像ＩＩを不鮮明化し、波面回復素子６は波面の乱れを打ち消して最終像Ｉを鮮明化することができる。

次に、本発明の第１の実施形態に係る観察装置（光軸方向走査型顕微鏡装置）１０について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る観察装置１０は、図５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。

照明光学系１２は、光源１１からの照明光を集光する集光レンズ１５ａ，１５ｂと、該集光レンズ１５ａ，１５ｂにより集光された照明光を観察対象物Ａに照射する対物レンズ１６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。

結像光学系１３は、物体側に配置された観察対象物Ａから発せられた観察光（例えば、反射光）を集光する上記対物レンズ（結像レンズ）１６と、該対物レンズ１６により集光された観察光の波面に乱れを付与する波面錯乱素子１７と、波面に乱れを付与された光を光源１１からの照明光路から分岐させる第１のビームスプリッタ１８と、光軸方向に間隔を明けて配置された第１の中間結像レンズ対１９と、該第１の中間結像レンズ対１９の各レンズ１９ａ，１９ｂを通過した光を９０°偏向する第２のビームスプリッタ２０と、該第２のビームスプリッタ２０により偏向された光を集光して中間像を結像させる第２の中間結像レンズ２１と、該第２の中間結像レンズ２１による中間結像面に配置された光路長可変手段２２と、第２のビームスプリッタ２０と第２の中間結像レンズ２１との間に配置された波面回復素子２３と、該波面回復素子２３および第２のビームスプリッタ２０を透過した光を集光して最終像を結像させる結像レンズ２４とを備えている。

撮像素子１４は、例えば、ＣＣＤあるいはＣＭＯＳのような２次元のイメージセンサであり、結像レンズ２４による最終像の結像位置に配置された撮像面１４ａを備え、入射される光を撮影することにより観察対象物Ａの２次元的な画像を取得することができるようになっている。
波面錯乱素子１７は、対物レンズ１６の瞳位置近傍に配置されている。波面錯乱素子１７は、光を透過可能な光学的に透明な材料により構成され、光が透過する際に、表面の凹凸形状に従う位相変調を光の波面に付与するようになっている。本実施形態においては、観察対象物Ａからの観察光を１回透過させることにより、必要な波面の乱れを付与するようになっている。

また、波面回復素子２３は、第２の中間結像レンズ２１の瞳位置近傍に配置されている。波面回復素子２３も光を透過可能な光学的に透明な材料により構成され、光が透過する際に、表面の凹凸形状に従う位相変調を光の波面に付与するようになっている。本実施形態においては、波面回復素子２３は、ビームスプリッタ２０により偏向された観察光および光路長可変手段２２により折り返すように反射された観察光を往復で２回透過させることにより、波面錯乱素子１７により付与された波面の乱れを打ち消すような位相変調を光の波面に与えるようになっている。

光軸（Ｚ軸）走査系としての光路長可変手段２２は、光軸に直交して配置された平面鏡２２ａと、該平面鏡２２ａを光軸方向に変位させるアクチュエータ２２ｂとを備えている。光路長可変手段２２のアクチュエータ２２ｂの作動により、平面鏡２２ａを光軸方向に変位させると、第２の中間結像レンズ２１と平面鏡２２ａとの間の光路長が変化させられ、それによって、観察対象物Ａにおける、撮像面１４ａと共役な位置、すなわち、対物レンズ１６の前方の合焦点位置が、光軸方向に変化させられるようになっている。

このように構成された本実施形態に係る観察装置１０を用いて観察対象物Ａの観察を行うには、光源１１からの照明光を照明光学系１２によって観察対象物Ａに照射する。観察対象物Ａから発せられた蛍光、反射光、散乱光等よりなる観察光は、対物レンズ１６によって集光され、波面錯乱素子１７を１回透過して第１のビームスプリッタ１８および中間結像光学系１９を通過し、第２のビームスプリッタ２０において９０°偏向されて波面回復素子２３を透過する。し、そして、観察光は、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て波面回復素子２３を再度透過し、ビームスプリッタ２０を透過する。これにより、結像レンズ２４によって結像された最終像が撮像素子１４によって撮影される。

光路長可変手段２２のアクチュエータ２２ｂを作動させて、平面鏡２２ａを光軸方向に移動させることにより、第２の中間結像レンズ２１と平面鏡２２ａとの間の光路長を変化させることができ、これによって、対物レンズ１６の前方の合焦点位置を光軸方向に移動させ走査することができる。そして、異なる合焦点位置において観察光を撮影することにより、観察対象物Ａの奥行き方向に異なる位置に合焦させた複数の画像を取得することができる。さらに、これらの画像を加算平均によって合成した後、高域強調処理を施すことにより、被写界深度の深い画像を取得することができる。

この場合において、光路長可変手段２２の平面鏡２２ａ近傍には第２の中間結像レンズ２１による中間像が結像されるが、この中間像は、波面錯乱素子１７を透過することにより付与された波面の乱れが、波面回復素子２３を１回透過することにより部分的に打ち消されて残った波面の乱れによって、不鮮明化されている。そして、不鮮明化された中間像を結像した後の光は、第２の中間結像レンズ２１によって集光された後に、波面回復素子２３を再度通過させられることにより、波面の乱れが完全に打ち消される。

その結果、本実施形態に係る観察装置１０によれば、平面鏡２２ａの表面に傷や塵埃等の異物が存在していても、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、かつ、観察対象物Ａの鮮明な画像を得ることができるという利点がある。
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。

次に、本発明の第２の実施形態に係る観察装置３０について、図面を参照して以下に説明する。
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は、図６に示されるように、レーザ光源３１と、該レーザ光源３１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３２と、該結像光学系３２により集光された光を撮影する撮像素子（光検出器）３３と、光源３１および撮像素子３３と結像光学系３２との間に配置されたニポウディスク型コンフォーカル光学系３４とを備えている。

ニポウディスク型コンフォーカル光学系３４は、平行間隔をあけて配置される２枚のディスク３４ａ，３４ｂと、該ディスク３４ａ，３４ｂを同時に回転させるアクチュエータ３４ｃとを備えている。レーザ光源３１側のディスク３４ａには、マイクロレンズ（図示略）が多数配列されており、物体側のディスク３４ｂには、各マイクロレンズに対応する位置に多数のピンホール（図示略）が設けられている。また、２枚のディスク３４ａ，３４ｂの間の空間には、ピンホールを通過した光を分岐するダイクロイックミラー３４ｄが固定されており、ダイクロイックミラー３４ｄによって分岐された光は集光レンズ３５によって集光され、撮像素子３３の撮像面３３ａに最終像が結像されて、画像が取得されるようになっている。

結像光学系３２は、第１の実施形態における第１のビームスプリッタ１８と第２のビームスプリッタ２０とを共通化して単一のビームスプリッタ３６とし、ニポウディスク型コンフォーカル光学系３４のピンホールを通過した光を観察対象物Ａに照射するための光路と、観察対象物Ａにおいて発生し、ニポウディスク型コンフォーカル光学系３４のピンホールに入射するまでの光路とを完全に共通化している。

このように構成された本実施形態に係る観察装置３０の作用について、以下に説明する。
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３２に入射した光は、ビームススプリッタ３６および位相変調素子２３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、第２の中間結像レンズ２１を通過した後に、位相変調素子２３を再度透過し、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。

本実施形態においては、レーザ光が最初に２回透過する位相変調素子２３は、レーザ光の波面に乱れを付与する波面錯乱素子として機能し、その後に１回透過する位相変調素子１７は、位相変調素子２３により付与された波面の乱れを打ち消すような位相変調を付与する波面回復素子として機能する。

したがって、ニポウディスク型コンフォーカル光学系３４によって多数の点光源状に形成された光源の像は第２の中間結像レンズ２１によって平面鏡２２ａ上に中間像として結像されるが、第２の中間結像レンズ２１により形成される中間像は、位相変調素子２３を１回通過することにより不鮮明化されているので、中間結像面に存在する異物の像が、最終像に重なってしまう不都合を防止できる。

また、位相変調素子２３を２回透過することにより波面に付与された乱れは、位相変調素子１７を１回透過することにより打ち消されるので、観察対象物Ａに鮮明な多数の点光源の像を結像させることができる。そして、ニポウディスク型コンフォーカル光学系３４のアクチュエータ３４ｃの作動によりディスク３４ａ，３４ｂを回転させることにより、観察対象物Ａに結像している多数の点光源の像を光軸に交差するＸＹ方向に移動させ、高速走査を行うことができる。

一方、観察対象物Ａにおける点光源の像の結像位置において発生した光、例えば、蛍光は、対物レンズ１６により集光され、位相変調素子１７および第１の中間結像レンズ対１９を透過した後、ビームスプリッタ３６によって９０°偏向されて、位相変調素子２３を透過し、第２の中間結像レンズ２１によって集光されて、平面鏡２２ａによって折り返されるように反射される。その後、蛍光は、再度、第２の中間結像レンズ２１によって集光され、位相変調素子２３およびビームスプリッタ３６を透過して、結像レンズ２４により集光され、ニポウディスク型コンフォーカル光学系３４のピンホール位置に結像される。

ピンホールを通過した光はダイクロイックミラーによって、レーザ光源からの光路から分岐され、集光レンズによって集光されて撮像素子の撮像面に最終像として結像される。
この場合において、観察対象物において多数の点状に発生した蛍光が透過する位相変調素子１７は第１の実施形態と同様に波面錯乱素子として機能し、位相変調素子２３は波面回復素子として機能する。

したがって、位相変調素子１７を透過することにより波面に乱れが付与された蛍光は、位相変調素子２３を１回透過することにより、部分的に乱れが打ち消された状態ではあるが、平面鏡２２ａに結像される中間像は不鮮明化されたものとなる。そして、位相変調素子２３をもう１回透過することにより、波面の乱れが完全に打ち消された状態となった蛍光は、ニポウディスク型コンフォーカル光学系３４のピンホールに結像し、ピンホールを通過した後にダイクロイックミラー３４ｄによって分岐され、集光レンズ３５により集光されて撮像素子３３の撮像面３３ａに鮮明な最終像を結像する。

これにより、本実施形態に係る観察装置によれば、観察対象物Ａにレーザ光を照射する照明装置としても、観察対象物Ａにおいて発生した蛍光を撮影する観察装置としても、中間像を不鮮明化して中間結像面における異物の像が最終像に重なることを防止しつつ、鮮明な最終像を得ることができるという利点を有する。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。

次に、本発明の第３の実施形態に係る観察装置４０について、図面を参照して以下に説明する。
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。

本実施形態に係る観察装置４０は、図７に示されるように、レーザ走査型共焦点観察装置である。
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、該結像光学系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。

結像光学系４２は、レーザ光のビーム径を拡大するビームエキスパンダ４５と、レーザ光を偏向し蛍光を透過するダイクロイックミラー４６と、対物レンズ１６の瞳と共役な位置の近傍に配置されたガルバノミラー４７と、第３の中間結像レンズ対４８とを第２の実施形態に係る観察装置３０とは異なる構成として備えている。また、レーザ光の波面に乱れを付与する位相変調素子２３をガルバノミラー４７の近傍に配置している。図中、符号４９はミラーである。

このように構成された本実施形態に係る観察装置４０の作用について以下に説明する。
本実施形態に係る観察装置４０によれば、レーザ光源４１から発せられたレーザ光は、ビームエキスパンダ４５によってビーム径が拡大されてダイクロイックミラー４６により偏向され、ガルバノミラー４７によって２次元的に走査された後、位相変調素子２３および第３の中間結像レンズ対４８を通過してビームスプリッタ３６に入射する。

ビームスプリッタ３６へ入射したレーザ光は、光路長可変手段２２の平面鏡２２ａに入射して中間像を結像するが、これに先立って位相変調素子２３によって波面に乱れを付与されて中間像が不鮮明化されており、中間結像面に存在する異物の像が重なることを防止することができる。また、対物レンズ１６の瞳位置に配置された位相変調素子１７によって、波面の乱れが打ち消されるので、鮮明化された最終像を観察対象物Ａに結像させることができる。また、最終像の結像深さは、光路長可変手段２２によって任意に調節することができる。

一方、観察対象物Ａにおけるレーザ光の最終像の結像位置において発生した蛍光は、対物レンズ１６によって集光され、位相変調素子１７を透過した後に、レーザ光とは逆の光路を辿って、ビームスプリッタ３６により偏向される。そして、蛍光は、第３の中間結像レンズ対４８、位相変調素子２３、ガルバノミラー４７およびダイクロイックミラー４６を通過した後に結像レンズ２４によって、共焦点ピンホール４３に集光され、共焦点ピンホール４３を通過した蛍光のみが光検出器４４によって検出される。

この場合においても、対物レンズ１６により集光された蛍光は、位相変調素子１７によって波面に乱れを付与された後に中間像を結像するので、中間像が不鮮明化され、中間結像面に存在する異物の像が重なることを防止することができる。そして、位相変調素子２３を透過することによって波面の乱れが打ち消されるので、鮮明化された像を共焦点ピンホール４３に結像させることができ、観察対象物Ａにおいてレーザ光の最終像の結像位置において発生した蛍光を効率よく検出することができる。その結果、高分解能の明るい共焦点画像を取得することができるという利点がある。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。

なお、本実施形態においては、レーザ走査型共焦点観察装置を例示したが、これに代えて、図８に示されるようにレーザ走査型多光子励起観察装置に適用してもよい。
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、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。

図８の観察装置５０においては、極短パルスレーザ光を観察対象物Ａに照射する照明装置の機能において、中間像を不鮮明化し、最終像を鮮明化することができる。観察対象物Ａにおいて発生した蛍光については、対物レンズ１６により集光され、位相変調素子１７およびダイクロイックミラー４６を透過した後に、中間像を結像することなく、集光レンズ５１によって集光されて、光検出器４４によりそのまま検出される。

また、上記各実施形態においては、光路を折り返す平面鏡の移動により光路長を変化させる光路長可変手段２２により、対物レンズの前方の合焦点位置を光軸方向に変化させることとした。これに代えて、光路長可変手段としては、図９に示されるように、中間結像光学系６１を構成するレンズ６１ａ，６１ｂの一方のレンズ６１ａをアクチュエータ６２によって光軸方向に移動させることにより、光路長を変化させるものを採用した観察装置６０を構成してもよい。図中、符号６３は他の中間結像光学系である。

また、図１０に示されるように、２次元の光スキャナを構成する２枚のガルバノミラー４７の間に、他の中間結像光学系８０を配置し、２つのガルバノミラー４７が位相変調素子１７，２３および対物レンズ１６の瞳に配置されている開口絞り８１に対して、精度よく光学的に共役な位置関係に配置されているように構成してもよい。

また、光路長可変手段として、図１１に示されるように、反射型のＬＣＯＳのような空間光変調素子（ＳＬＭ）６４を採用してもよい。このようにすることで、ＬＣＯＳの液晶の制御によって高速に波面に与える位相変調を変化させ、対物レンズ１６の前方の合焦点位置を光軸方向に高速に変化させることができる。図中、符号６５は、ミラーである。

また、反射型のＬＣＯＳのような空間光変調素子６４に代えて、図１２に示されるように、透過型のＬＣＯＳのような空間光変調素子６６を採用してもよい。反射型のＬＣＯＳと比較してミラー６５が不要となるので、構成を簡易化することができる。

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手段としては、上記各実施例に示したもの（光路長可変手段２２、あるいは中間結像光学系６１とアクチュエータ６２、あるいは反射型空間光変調素子６４、あるいは透過型空間光変調素子６６）の他にも、能動光学素子として知られるパワー可変光学素子が各種利用可能である。まず機械的可動部を有する可変光学素子として、形状可変鏡（ＤＦＭ：Ｄｅｆｏｒｍａｂｌｅ Ｍｉｒｒｏｒ）、液体やゲルを用いた形状可変レンズがある。そして機械的可動部を持たない同様の可変光学素子として、電界により媒質の屈折率を制御する、液晶レンズやタンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴＮ：ＫＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３）結晶レンズ、さらには音響光学偏向器（ＡＯＤ／Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃａｌ
Ｄｅｆｌｅｃｔｏｒ）におけるシリンドリカルレンズ効果を応用したレンズ、等がある。

以上、本発明の顕微鏡としての実施形態は、いずれも観察対象物Ａにおける合焦点位置を光軸方向に移動させる何らかの手段を有する。さらに、これらの合焦点位置光軸方向移動手段は、同じ目的に対する従来の顕微鏡における手段（対物レンズか観察対象物かの何れかを光軸方向に移動させる）に比較して、駆動対象物の質量が小さい、あるいは応答速度の速い物理現象を利用している、という理由により、動作速度を大幅に高めることができる。
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。

また、透過型あるいは反射型のＬＣＯＳのような空間光変調素子６４，６６を採用する場合には、位相変調素子２３の機能を空間光変調素子６４，６６に担わせることができる。このようにすることで、波面錯乱素子としての位相変調素子２３を省略でき、構成をさらに簡易化することができるという利点がある。

また、上記例は、空間光変調素子とレーザ走査型多光子励起観察装置との組み合わせにおける、位相変調素子２３の省略であるが、これと同様にして、空間光変調素子と、レーザ走査型共焦点観察装置との組み合わせにおいても、位相変調素子２３を省略することが可能である。すなわち、図１１，図１２において、ダイクロイックプリズム３６に代えてミラー４９を採用し、ビームエキスパンダ４５と空間光変調素子６４，６６との間にダイクロイックミラー４６を採用して分岐光路をなし、さらに結像レンズ２４、共焦点ピンホール４３、および光検出器４４を採用した上で、位相変調素子２３の機能を空間光変調素子６４，６６に担わせることができる。この場合の空間光変調素子６４，６６は、レーザ光源４１からのレーザ光に対しては、波面錯乱素子として波面に乱れを付与する一方で、観察対象物Ａからの蛍光に対しては、位相変調素子１７によって付与された波面の乱れを打ち消す波面回復素子として作用する。

位相変調素子としては、例えば、図１３に示されるような、シリンドリカルレンズ１７，２３を採用することにしてもよい。
この場合には、シリンドリカルレンズ１７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、これと相補的な形状のシリンドリカルレンズ２３により、最終像を鮮明化することができる。
図１３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。

位相変調素子としてシリンドリカルレンズ５，６を用いる場合の作用について、以下に詳細に説明する。図１４は、図２および図３における位相変調素子としてシリンドリカルレンズ５，６を用いた例を示す。

ここでは、特に、下記条件を設定する。
（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ψＯ_ｘ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ψＩ_ｘ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Ｒ_ｘのシリンドリカルレンズ５における位置（光線高さ）をｘ_Ｏとする。
（ｄ）ｘｚ平面上の軸上光線Ｒ_ｘのシリンドリカルレンズ６における位置（光線高さ）をｘ_Ｉとする。
図１４において、符号ＩＩ_０Ｘ，ＩＩ_０Ｙは中間像である。

この例における作用を説明する前に、ガウス光学に基づく位相変調量と光学パワーとの関係について、図１５を用いて説明する。
図１５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ｄ_０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）＝（ｄ_０−ｄ（ｘ））＋ｎ・ｄ（ｘ）・・・（４）

高さｘにおける光路長Ｌ（ｘ）と高さ０（光軸上）における光路長Ｌ（０）との差は、薄肉レンズとしての近似を用いると、次式（５）で表される。
Ｌ（ｘ）−Ｌ（０）＝（−ｘ^２／２）（ｎ−１）（１／ｒ_１−１／ｒ_２）・・・（５）

上記光路長差Ｌ（ｘ）−Ｌ（０）は、高さ０における射出光に対する、高さｘにおける射出光の位相進み量と、絶対値が等しく符号が逆である。したがって、上記位相進み量は、式（５）の符号を反転させた次式（６）で表される。
Ｌ（０）−Ｌ（ｘ）＝（ｘ^２／２）（ｎ−１）（１／ｒ_１−１／ｒ_２）・・・（６）

一方、この薄肉レンズの光学パワーψは、次式（７）で表される。
ψ＝１／ｆ＝（ｎ−１）（１／ｒ_１−１／ｒ_２）・・・（７）

したがって、式（６）、（７）から位相進み量Ｌ（０）−Ｌ（ｘ）と光学パワーψとの関係が次式（８）によって求められる。
Ｌ（０）−Ｌ（ｘ）＝ψ・ｘ^２／２・・・（８）

ここで、図１４の説明に戻る。
ｘｚ面上の軸上光線Ｒ_ｘ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Ｒ_Ａに対する位相進み量ΔＬ_Ｏｃは、式（８）に基づいて次式（９）で表される。
ΔＬ_Ｏｃ（ｘ_Ｏ）＝Ｌ_Ｏｃ（０）−Ｌ_Ｏｃ（ｘ_Ｏ）＝ψＯ_ｘ・ｘ_Ｏ ^２／２・・・（９）
ここで、Ｌ_Ｏｃ（ｘ_Ｏ）はシリンドリカルレンズ５における高さｘ_Ｏ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。

これと同様にして、ｘｚ平面上の軸上光線Ｒｘがシリンドリカルレンズ６において受ける、軸上主光線すなわち光軸に沿った光線Ｒ_Ａに対する位相進み量ΔＬ_Ｉｃは、次式（１０）で表される。
ΔＬ_Ｉｃ（ｘ_Ｉ）＝Ｌ_Ｉｃ（０）−Ｌ_Ｉｃ（ｘ_Ｉ）＝ψＩ_ｘ・ｘ_Ｉ ^２／２・・・（１０）
ここで、Ｌ_Ｉｃ（ｘ_Ｉ）はシリンドリカルレンズ６における高さｘ_Ｉ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。

上記式（２）に式（９）、（１０）および（ｘ_Ｉ／ｘ_Ｏ）２＝β_Ｆ ^２の関係を適用すると、この例において、シリンドリカルレンズ５が波面錯乱、シリンドリカルレンズ６が波面回復の機能をそれぞれ果たすための条件が式（１１）に示すように求められる。
ψ_ＯＸ／ψ_ＩＸ＝−β_Ｆ ^２・・・（１１）

すなわち、ψ_ＯＸとψ_ＩＸの値は互いに符号が逆であり、かつ、それらの絶対値の比はフィールドレンズ４の横倍率の２乗に比例する必要がある。
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。

また、位相変調素子５，６，１７，２３（図においては、位相変調素子５，６として表示。）としては、シリンドリカルレンズに代えて、図１６に示されるような１次元バイナリ回折格子、図１７に示されるような１次元正弦波回折格子、図１８に示されるような自由曲面レンズ、図１９に示されるようなコーンレンズ、図２０に示されるような同心円型バイナリ回折格子を採用してもよい。同心円型回折格子としてはバイナリ型に限定されるものではなく、ブレーズド型、正弦波型等の任意の形態を採用することができる。

ここで、波面変調素子として回折格子５，６を用いた場合について、以下に詳細に説明する。
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。

位相変調素子として、回折格子５，６を用いた場合における軸上主光線、すなわち、光軸に沿った光線Ｒ_Ａの好ましい経路の一例を図２１に、また、軸上光線Ｒ_Ｘの好ましい経路の一例を図２２にそれぞれ示す。これらの図において、光線Ｒ_Ａ，Ｒ_Ｘは回折格子５を経て複数の回折光に分離するが、回折格子６を経ることにより元通りの１本の光線になる。

この場合においても、上記式（１）から（３）を満たすことによって上記効果を達成することができる。
ここで、図２１および図２２に準じて、式（２）は「１本の軸上光線Ｒ_Ｘが回折格子５，６で受ける位相変調の和は、軸上主光線Ｒ_Ａ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。

また、回折格子５，６が周期構造を有する場合、それらの形状（すなわち位相変調特性）が一周期分の領域において式（２）を満たすならば、他の領域においても同様に満たすとみなすことができる。
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２３は回折格子５の、図２４は回折格子６の、それぞれ中央部の詳細図である。

ここで、回折格子５，６が式（２）を満たすための条件は以下の通りである。
すなわち、回折格子６における変調の周期ｐ_Ｉ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ｐ_Ｏと等しく、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。

まず、周期ｐ_Ｉと投影された周期ｐ_Ｏとが等しくなるための条件は式（１２）により表される。
ｐ_Ｉ＝｜β_Ｆ｜・ｐ_Ｏ・・・（１２）

次に、回折格子６による変調の位相が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いるためには、上記式（１２）を満たした上で、例えば、回折格子５はその山領域の中心の１つが光軸と一致するように配置されるとともに、回折格子６はその谷領域の中心の１つが光軸と一致するように配置されればよい。図２３および図２４はその一例に他ならない。

最後に、回折格子６による位相変調の大きさと、回折格子５による位相変調の大きさとが絶対値で等しいための条件を求める。
回折格子５の光学的なパラメータ（山領域厚さｔ_ＯＣ、谷領域厚さｔ_Ｏｔ、屈折率ｎ_Ｏ）より、回折格子５の谷領域を透過する軸上光線Ｒ_Ｘに付与される、光軸に沿った（山領域を透過する）光線Ｒ_Ａに対する位相進み量ΔＬ_Ｏｄtは、次式（１３）で表される。

ΔＬ_Ｏｄｔ＝ｎ_Ｏ・ｔ_Ｏｃ−（ｎ_Ｏ・ｔ_Ｏｔ＋（ｔ_Ｏｃ−ｔ_Ｏｔ））＝（ｎ_Ｏ−１）（ｔ_Ｏｔ−ｔ_Ｏｔ）・・・（１３）

同様にして、回折格子６の光学的なパラメータ（山領域厚さｔ_Ｉｃ、谷領域厚さｔ_Ｉｔ、屈折率ｎ_Ｉ）より、回折格子６の山領域を透過する軸上光線ＲXに付与される、光軸に沿った（谷領域を透過する）光線Ｒ_Ａに対する位相進み量ΔＬ_Ｉｄｔは、次式（１４）で表される。
ΔＬ_Ｉｄｔ＝（ｎ_Ｉ・ｔ_Ｉｔ＋（ｔ_Ｉｃ−ｔ_Ｉｔ））−ｎ_Ｉ・ｔ_Ｉｃ＝−（ｎ_Ｉ−１）（ｔ_Ｉｃ−ｔ_Ｉｔ）・・・（１４）

この場合、ΔＬ_Ｏｄｔの値は正、ΔＬ_Ｉｄｔの値は負なので、両者の絶対値が等しいための条件は次式（１５）で表される。
ΔＬ_Ｏｄｔ＋ΔＬ_Ｉｄｔ＝（ｎ_Ｏ−１）（ｔ_Ｏｃ−ｔ_Ｏｔ）−（ｎ_Ｉ−１）（ｔ_Ｉｃ−ｔ_Ｉｃ）＝０・・・（１５）

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、軸外光線に対しても、回折格子５は波面散乱、回折格子６は波面回復の機能を果たす。
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。

さらに、位相変調素子５，６としては、図２５に示されるような球面収差素子、図２６に示されるような不規則形状素子、図２７に示されるような透過型の空間光変調素子６４との組み合わせによる反射型の波面変調素子、図２８に示されるような屈折率分布型素子を採用してもよい。

さらにまた、位相変調素子５，６としては、多数の微小なレンズが並んだフライアイレンズやマイクロレンズアレイ、あるいは多数の微小なプリズムが並んだマイクロプリズムアレイを採用してもよい。

また、上記実施形態に係る結像光学系１を内視鏡に適用する場合には、図２９に示されるように、対物レンズ（結像レンズ）７０の内部に位相錯乱素子５を配置し、複数のフィールドレンズ４および集光レンズ７１を含むリレー光学系７２を挟んで対物レンズ７０とは反対側に配置された接眼レンズ７３近傍に位相回復素子６を配置すればよい。このようにすることで、フィールドレンズ４の表面近傍に形成される中間像を不鮮明化し、接眼レンズ７３によって結像される最終像を鮮明化することができる。

また、図３０に示されるように、アクチュエータ６２によってレンズ６１ａを駆動するインナーフォーカス機能付き内視鏡型細径対物レンズ７４内に、波面錯乱素子５を設け、顕微鏡本体７５に設けられたチューブレンズ（結像レンズ）７６の瞳位置近傍に波面回復素子６を配置してもよい。このように、アクチュエータ自身は公知なレンズ駆動手段（たとえば圧電素子）でもよいが、Ｚ軸方向での中間像の移動という点では上述した実施形態と同様の観点で中間像の空間変調を実行できるよう配置であることが重要である。

〔変形例〕
次に、上記各実施形態の観察装置に用いられる結像光学系の変形例について図を参照して説明する。
上記実施形態においては、波面錯乱素子５，２３と波面回復素子６，１７とが互いに共役な位置関係に配置されていることとしたが、これら波面錯乱素子５，２３と波面回復素子６，１７とを非共役な位置関係に配置することとしてもよい。この場合、波面錯乱素子５，２３および波面回復素子６，１７として、シリンドリカルレンズを採用することが望ましい。

まず、図３１Ａおよび図３１Ｂを参照して、波面錯乱素子５，２３と波面回復素子６，１７とを互いに共役な位置関係に配置した場合について、波面錯乱素子５および波面回復素子６を例示して説明する。
図３１Ａおよび図３１Ｂにおいて、焦点距離ｆ_０＝ｆ_Ｆ＝ｆ_Ｉ＝ｌ、波面錯乱素子５の焦点距離ｆ_ＰＭＯ＝２ｌ、波面回復素子６の焦点距離ｆ_ＰＭＩ＝−２ｌ、Θ_ＯＸ＝Θ_ＩＸ、Θ_ＯＹ＝Θ_ＩＹ、β_Ｘ＝β_Ｙ＝１とする。

図３１Ａおよび図３１Ｂに示す例では、物体Ｏから像点Ｉへの結像横倍率はＸ方向（β_Ｘ）およびＹ方向（β_Ｙ）共に１に等しい。また、瞳面に配置された波面錯乱素子５から瞳共役面に配置された波面回復素子６までの瞳結像倍率は−１に等しい。波面回復素子６からの射出光線としての例えばマージナル光線Ｒ（Ｏ）により結像される虚像であるＸ方向の中間像ＩＩ_Ｘ´は、フィールドレンズ４上に生成される。

なお、図３１Ａおよび図３１Ｂに示す本実施例、および後述の図３２Ａ、図３２Ｂ、図３３Ａ、および図３３Ｂに示す実施例においては、フィールドレンズ４からの射出光が、Ｘ方向でいずれも平行光となるように、各レンズのパワーと配置を選んだ。この条件は、これらの実施例を構成する上で本質的なことではなく、これらの実施例の理解を助けるための工夫である。すなわち、これらの実施例における各波面回復素子６の、焦点距離（ｆ_ＰＭＩ）と、各配置と、そして各波面回復素子６への入射光がＸ方向で並行光であるという上記条件とにより、各波面回復素子６からの射出光により結像される虚像であるＸ方向の中間像ＩＩ_Ｘ´がフィールドレンズ４上に生成されるという特性を、図３１Ａに示す本実施例のみならず、図３２Ａおよび図３３Ａに示す後述の実施例においても同様に備えていることが、明らかに示される。

次に、波面錯乱素子５，２３と波面回復素子６，１７とを互いに非共役な位置関係に配置した場合について、波面錯乱素子５および波面回復素子６を例示して説明する。図３２Ａおよび図３２Ｂは、波面錯乱素子５と波面回復素子６とを互いに共役な位置関係に配置した場合よりも、波面回復素子６を物体Ｏ側寄りに配置した場合を示している。

この構成において、像Ｉが非点収差を生じることなく結像するためには、波面回復素子６からの射出光線としてのマージナル光線Ｒ（−）が、波面錯乱素子５と波面回復素子６とを互いに共役な位置関係に配置した場合の波面回復素子６からのマージナル光線Ｒ（Ｏ）よりも広く発散する必要がある。すなわち、波面回復素子６はシリンドリカルレンズとして、より強い負のパワーを持つ必要がある。具体的には、フィールドレンズ４から波面回復素子６までの距離ｍ（＜２ｌ）に関して、波面回復素子５の焦点距離ｆ_ＰＭＩ＝−ｍでなければならない。

このように構成することで、波面回復素子６によって像Ｉが非点収差を生じることなく生成される。しかしながら、波面回復素子６からのマージナル光線Ｒ（−）が、波面錯乱素子５と波面回復素子６とを互いに共役な位置関係に配置した場合のマージナル光線Ｒ（Ｏ）よりも広く発散することで、像Ｉにおけるマージナル光線の傾きΘ_Ｉは、Ｘ方向のみにおいて、物体Ｏ側よりも大きくなる（Θ_ＯＸ＜Θ_ＩＸ）。これは、Ｘ方向とＹ方向とで結像横倍率βに差が生じ、Ｙ方向は等倍のまま（β_Ｙ＝１）だが、Ｘ方向は縮小する（β_Ｘ＜１）ことを意味する。

次に、図３３Ａおよび図３３Ｂは、波面錯乱素子５と波面回復素子６とを互いに共役な位置関係に配置した場合よりも、波面回復素子６を像Ｉ側寄りに配置した場合を示している。この構成において、像Ｉが非点収差を生じることなく結像するためには、波面回復素子６からの射出光としてのマージナル光線Ｒ（＋）が、波面錯乱素子５と波面回復素子６とを互いに共役な位置関係に配置した場合のマージナル光線Ｒ（Ｏ）よりも狭く発散する必要がある。すなわち、波面回復素子６はシリンドリカルレンズとして、より弱い負のパワーを持つ必要がある。具体的には、フィールドレンズ４から波面回復素子６までの距離ｎ（＞２ｌ）に関して、波面回復素子６の焦点距離ｆ_ＰＭＩ＝−ｎでなければならない。これにより、マージナル光線Ｒ（＋）により結像される中間像ＩＩ_Ｘ´をフィールドレンズ４上に生成させることができる。

このように構成することで、波面回復素子６によって像Ｉが非点収差を生じることなく生成される。しかしながら、波面回復素子６からのマージナル光線Ｒ（＋）が、波面錯乱素子５と波面回復素子６とを互いに共役な位置関係に配置した場合のマージナル光線Ｒ（Ｏ）よりも狭く発散することで、像Ｉにおけるマージナル光線の傾きΘ_Ｉは、Ｘ方向のみにおいて、物体Ｏ側よりも小さくなる（Θ_ＯＸ＞Θ_ＩＸ）。これは、Ｘ方向とＹ方向とで結像横倍率βに差が生じ、Ｙ方向は等倍のまま（β_Ｙ＝１）だが、Ｘ方向は拡大する（β_Ｘ＞１）ことを意味する。

以上の通り、波面錯乱素子５と波面回復素子６とが共役な位置関係に配置されていなくても、波面錯乱素子５と波面回復素子６としてのシリンドリカルレンズのパワーをそれぞれ適切に選択することにより、非点収差を生じさせることなく像Ｉを結像させることができる。すなわち、波面錯乱素子５で生じた波面の乱れを波面回復素子６によって打ち消すことができる。

ただし、この場合、Ｘ方向の結像倍率とＹ方向の結像倍率とに差が生じる。そこで、Ｘ方向とＹ方向との結像倍率の差を解消する手段を採用することが望ましい。このようにすることで、波面錯乱素子５と波面回復素子６とを共役な位置関係に配置しない場合であっても、非点収差を生じさせることなく結像させつつ、最終的に観察される像における、Ｘ方向とＹ方向の倍率も一致させることができる。Ｘ方向とＹ方向の結像倍率差を解消する手段としては、画像のいわゆるアスペクト比を変換することができるものであればよい。

Ｘ方向とＹ方向の結像倍率差を光学的に解消する手段として、例えば、図３４に示すように、シリンドリカルレンズまたはトロイダルレンズにより構成されるアスペクト比変換光学系１２１を採用することとしてもよい。図３４に示す例では、アスペクト比変換光学系１２１は、凸形状のシリンドリカルレンズ１２３Ａと、凹形状のシリンドリカルレンズ１２３Ｂとを備え、例えば、撮像素子３３（図６参照。）の前に配置されている。

アスペクト比変換光学系１２１は、Ｘ方向の倍率が不変で、Ｙ方向の倍率を拡大するものであり、焦点位置はＸ方向とＹ方向とで一致するようになっている。すなわち、アスペクト比変換光学系１２１は、Ｘ方向とＹ方向とで倍率が変わるが焦点位置は変わらないようになっている。図３４において、アスペクト比変換光学系１２１から撮像素子３３に入射する光線の内、実線はＹ方向の光線を示し、破線はＸ方向の光線を示している。

次に、結像倍率差を機械的に解消する手段として、例えば、図３５に示すように、ガルバノミラー４７（図７参照）によりＸ方向およびＹ方向に走査するサンプリング機能が光学系に組み合わされている場合に、所定のサンプリング数に対するＸ走査とＹ走査の振り幅の比率を変更することにより、画像のアスペクト比を変換可能なアスペクト比変換機構１２５を採用することとしてもよい。

アスペクト比変換機構１２５は、Ｘ方向の信号源１２７Ａと、Ｙ方向の信号源１２７Ｂと、可変抵抗１２９Ａ，１２９Ｂと、ドライブアンプ１３１Ａ，１３１Ｂとを備えている。Ｘ方向の信号源１２７ＡおよびＹ方向の信号源１２７Ｂは、それぞれ鋸波状の信号を出力するようになっている。Ｘ方向の信号源１２７ＡとＹ方向の信号源１２７Ｂとからの各信号がドライブアンプ１３１Ａ，１３１Ｂに入力する前に，可変抵抗１２９Ａ，１２９Ｂを介して各信号の電圧を相対的に調整することで、ガルバノミラー４７のＸ方向の振れ幅とＹ方向の振れ幅とをそれぞれ変更することができる。

続いて、結像倍率差を電気的に解消する手段として、例えば、図３６に示すように、観察装置１０（図５参照）により取得された画像情報にアスペクト比補正処理を施すことにより、画像のアスペクト比を変換可能なアスペクト比変換回路１３３またはアスペクト比変換プログラムを採用することとしてもよい。アスペクト比変換回路１３３により、図３７に示すように、例えば観察対象物Ａが円形である場合、楕円形状に取得された画像イメージを円形状の画像イメージに補正することができる。

シリンドリカルレンズよりなる位相変調素子と位相復調素子の組である波面錯乱素子５と波面回復素子６を光学的に非共役な位置関係に配置した場合について説明した上記性質は、図３２Ａおよび図３２Ｂ、図３３Ａおよび図３３Ｂの構成に限られるものではなく、基本配置がいわゆる４ｆ光学系である場合も含め、また、あらゆるパワーのレンズとあらゆるパワーのシリンドリカルレンズを組み合わせた場合も含めて、上述した説明の延長線上に載るものすべてに共通である。

本変形例に係る波面錯乱素子５と波面回復素子６は、上記各実施形態の顕微鏡としての観察装置１０，３０，４０，５０，６０に適用することができる。また、本変形例に係る波面錯乱素子５と波面回復素子６をその他の顕微鏡各種と組み合わせることとしてもよい。
なお、波面錯乱素子５と波面回復素子６とが互いに共役な位置関係に配置される前記各実施形態は、既述の通り顕微鏡としての観察装置１０，３０，４０，５０，６０に適用し得るのみならず、その他の顕微鏡各種と組み合わせることも可能であるのは、言うまでもない。

例えば、図３８に示すような、平行平板１３５を備え、平行平板１３５の厚さ切り替え方式を採用して焦点位置を変更する光学系と組み合わせてもよい。その場合、図３８の光学系を、顕微鏡としての観察装置１０，３０，４０，５０，６０と組み合わせ、これに波面錯乱素子５と波面回復素子６を共役に配置して適用してもよいし、非共役に配置して適用してもよい。平行平板１３５は、厚さが異なる段付き形状を有するガラス部材により形成され、互いに向い合うレンズ１３９Ａ，１３９Ｂの焦点位置近傍に配置されている。

この平行平板１３５は、モータ１３７により軸線回りに回転させられることで、レンズ１３９Ａ，１３９Ｂの焦点位置近傍に配置される平行平板１３５の厚さを変更することができるようになっている。モータ１３７により、レンズ１３９Ａ，１３９Ｂの焦点位置に配置される平行平板１３５の厚さを変更することで、光路長を高速で変化させることができる。

また、特開平１０−２８２０１０号公報や特開２００６−５３５４２号公報に記載のマルチスポット・スキャン方式（ライン走査方式）の顕微鏡と組み合わせてもよい。その場合、上記ラインスキャン方式の顕微鏡における照明装置、Ｘ軸走査装置、および観察光検出装置を、前記観察装置３０においてニポウディスク型コンフォーカル光学系３４と置き換えた観察装置や、あいは前記観察装置４０においてレーザ光源４１、結像光学系４２、共焦点ピンホール４３、および光検出器４４と置き換えた観察装置に、波面錯乱素子５と波面回復素子６を共役に配置して適用してもよいし、非共役に配置して適用してもよい。

また、特許第４３３４８０１号公報に記載されているようなスリットパターン付きディスク方式の顕微鏡や、非特許文献“Ｕｌｔｒａｆａｓｔ ｓｕｐｅｒｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ ｉｍａｇｉｎｇ ｗｉｔｈ ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｄｉｓｋ ｃｏｎｆｏｃａｌ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ ｏｐｔｉｃｓ”， Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｉｏｌｏｇｙ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｅｌｌ， ｖｏｌ．２６， ｐ．１７４３−１７５１， Ｍａｙ １， ２０１５ に記載されているようなスリットパターン付きディスク方式の超解像顕微鏡と組み合わせてもよい。その場合、上記スリットパターン付きディスク方式の顕微鏡における照明装置、回転走査装置、および観察光検出装置を、前記観察装置３０においてニポウディスク型コンフォーカル光学系３４と置き換えた観察装置に、波面錯乱素子５と波面回復素子６を共役に配置して適用してもよいし、非共役に配置して適用してもよい。

また、非特許文献“Ｂｒｅａｋｉｎｇ ｔｈｅ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｌｉｍｉｔ ｂｙ ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ ｅｍｉｓｓｉｏｎ： ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ−ｅｍｉｓｓｉｏｎ−ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ” Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ， Ｖｏｌ．１９， ｐ．７８０−７８２， １９９４に記載されているようなＳＴＥＤ（Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ）顕微鏡と組み合わせてもよい。その場合、上記ＳＴＥＤ顕微鏡における照明装置を、前記観察装置４０，５０，６０においてレーザ光源４１と置き換えた観察装置に、波面錯乱素子５と波面回復素子６を共役に配置して適用してもよいし、非共役に配置して適用してもよい。

以上に説明した実施形態は、Ｚ軸方向での中間像および最終像の移動という観点で、位相変調による中間像の不鮮明化を観察装置の結像光学系に適用する方法を論じたものである。結像光学系における他の観点であるＸＹ軸方向（あるいは像面上）での中間像および最終像の移動に関して、以下に論ずる。したがって、本発明は、Ｚ軸方向での光走査だけでなく、ＸＹ軸方向での光走査についても含まれる。さらに、本発明は、Ｚ軸方向およびＸＹ軸方向での両方向の中間像および最終像の移動を組合せた三次元的な観察にも適用できる。以下の態様は、ＸＹ軸方向での中間像および最終像の移動について詳しく述べる。以下では、Ｚ軸方向での中間像の移動のみを実行するための移動手段と区別するために、ＸＹ軸方向での中間像および最終像の移動のみを実行するための移動手段をスキャナと称する。

本発明の一態様は、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る結像光学系と、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、光軸方向に間隔をあけて配置され、前記光源からの照明光を走査する第１のスキャナおよび第２のスキャナと、前記結像光学系の最終像位置に配置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、前記第１の位相変調素子および前記第２の位相変調素子が、前記光源側に配置された前記第１のスキャナと光学的に共役な位置に配置されるとともに、前記第１のスキャナによる照明光の走査方向に一致する方向に変化する一次元的な位相分布特性を有する観察装置を提供する。

本態様によれば、光源から発せられた照明光が結像レンズの物体側から入射されると、結像レンズによって集光されることにより最終像を結像する。この過程において、中間像の一つよりも物体側に配置された第１の位相変調素子を通過することにより、照明光の波面に空間的な乱れが付与され、結像される中間像はぼやけて不鮮明化する。また、中間像を結像した照明光は第２の位相変調素子を通過することにより、第１の位相変調素子によって付与された波面の空間的な乱れが打ち消される。これにより、第２の位相変調素子以降においてなされる最終像の結像においては、鮮明な像を得ることができる。

すなわち、中間像をぼやけさせ不鮮明化させることにより、表面や内部に傷、異物あるいは欠陥等が存在する光学素子の近傍に中間像が位置する場合であっても、該傷や異物あるいは欠陥等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、光源からの照明光は第１のスキャナおよび第２のスキャナによって二次元的に走査されることにより、観察対象物に結像された最終像を二次元的に走査させることができる。この場合において、第１のスキャナを作動させると、照明光の光束は一次元的な直線方向に移動するが、第１のスキャナと第２の位相変調素子とが光学的に共役な位置に配置されているために、第２の位相変調素子を通過する光束の位置は変動しない。

一方、第１のスキャナに対して光軸方向に間隔をあけた第２のスキャナは、第２の位相変調素子とは光学的に共役な位置関係に配置されないため、第２のスキャナを作動させると、照明光の光束は、第２の位相変調素子の通過位置を変化させるように移動する。第２の位相変調素子の位相分布特性の変化する方向が第１のスキャナによる照明光の走査方向に一致するので、これに直交する方向すなわち第２のスキャナによる照明の走査方向には、位相分布特性が変化しておらず、照明光の光束の通過位置が変化しても照明光に付与される位相の変調は変化しない。

したがって、本態様によれば、光軸方向に間隔をあけた第１のスキャナおよび第２のスキャナのどちらを作動させても、照明光の走査の状態から影響を受けることなく、第２の位相変調素子による位相変調を変化させずに一定の状態を保つことが可能であり、第１の位相変調素子によって付与された波面の空間的な乱れを完全に打ち消すことができる。

上記態様においては、前記第１の位相変調素子および前記第２の位相変調素子がレンチキュラー素子であってもよい。また、上記態様においては、前記第１の位相変調素子および前記第２の位相変調素子がプリズムアレイであってもよい。また、上記態様においては、前記第１の位相変調素子および前記第２の位相変調素子が回折格子であってもよい。また、上記態様においては、前記第１の位相変調素子および前記第２の位相変調素子がシリンドリカルレンズであってもよい。

本発明の一実施形態に係る観察装置１０１について、図面を参照して以下に説明する。本実施形態に係る観察装置１０１は、例えば、多光子励起顕微鏡である。観察装置１０１は、図３９に示されるように、観察対象物Ａに極短パルスレーザ光（以下、単にレーザ光（照明光）という。）を照射する照明装置１０２と、該照明装置１０２によるレーザ光の照射により観察対象物Ａにおいて発生する蛍光を光検出器１０５に導く検出器光学系１０４と、該検出器光学系１０４により導かれた蛍光を検出する光検出器１０５とを備えている。

照明装置１０２は、レーザ光を発生する光源１０６と、該光源１０６からのレーザ光を観察対象物Ａに照射する結像光学系１０３とを備えている。結像光学系１０３は、光源１０６からのレーザ光のビーム径を拡大するビームエキスパンダ１０７と、該ビームエキスパンダ１０７を通過したレーザ光を集光して中間像を結像しその結像位置を光軸Ｓに沿う方向に移動させるＺ走査部１０８と、該Ｚ走査部１０８を通過して中間像を結像したレーザ光を略平行光にするコリメートレンズ１０９とを備えている。

また、結像光学系１０３は、コリメートレンズ１０９により略平行光となったレーザ光を通過させる位置に配置された波面錯乱素子（第１の位相変調素子）１１０と、Ｚ走査部１０８により形成された中間像をリレーする複数対のリレーレンズ対（結像レンズ）１１１，１１２と、該リレーレンズ対１１１，１１２間に配置された光源１０６側のガルバノミラー（第１のスキャナ）１１３ａと観察対象物Ａ側のガルバノミラー（第２のスキャナ）１１３ｂとからなるＸＹ走査部１１３と、リレーレンズ対１１１，１１２を通過して略平行光となったレーザ光を通過させる位置に配置された波面回復素子（第２の位相変調素子）１１４と、該波面回復素子１１４を通過したレーザ光を集光して観察対象物Ａに照射する一方、観察対象物Ａにおけるレーザ光の
集光点（最終像ＩＦ）において発生した蛍光を集光する対物レンズ（結像レンズ）１１５とを備えている。

Ｚ走査部１０８は、ビームエキスパンダ１０７によりビーム径を拡大させられたレーザ光を集光する集光レンズ１０８ａと、該集光レンズ１０８ａを光軸Ｓに沿う方向に移動させるアクチュエータ１０８ｂとを備えている。アクチュエータ１０８ｂにより集光レンズ１０８ａを光軸Ｓに沿う方向に移動させることで、その結像位置を光軸Ｓに沿う方向に移動させることができるようになっている。

波面錯乱素子１１０は、光を透過可能な光学的に透明な材料により構成されたレンチキュラー素子である。波面錯乱素子１１０は、レーザ光が透過する際に、表面１１６の形状に従って光軸Ｓに直交する一次元方向に変化する位相変調をレーザ光の波面に付与するようになっている。本実施形態においては、光源１０６からのレーザ光を１回透過させることにより、必要な波面の乱れを付与するようになっている。

リレーレンズ対１１１は、コリメートレンズ１０９によって略平行光となったレーザ光を一方のレンズ１１１ａによって集光して中間像ＩＩを形成した後に、拡散するレーザ光を他方のレンズ１１１ｂによって再度集光して略平行光に戻すようになっている。本実施形態においては、２つのリレーレンズ対１１１，１１２はＸＹ走査部１１３を光軸Ｓに沿う方向に挟むように間隔をあけて配置されている。

ガルバノミラー１１３ａ，１１３ｂは、それぞれ光軸Ｓに直交して互いにねじれの位置関係にある軸線回りに揺動可能に設けられている。これらのガルバノミラー１１３ａ，１１３ｂは、揺動させられることによって、レーザ光の傾き角度を光軸Ｓに直交する二次元方向に変化させ、対物レンズ１１５による最終像Ｉ_Ｆの位置を光軸Ｓに交差する二次元方向に走査させることができるようになっている。

波面回復素子１１４は、光を透過可能な光学的に透明な材料により構成された、波面錯乱素子１１０とは逆の位相分布特性を有するレンチキュラー素子である。波面回復素子１１４は、レーザ光が透過する際に、表面１１７の形状に従って光軸Ｓに直交する一次元方向にのみ変化する位相変調を光の波面に付与し、波面錯乱素子１１０により付与された波面の乱れを打ち消すようになっている。

本実施形態においては、２つのガルバノミラー１１３ａ，１１３ｂは、光軸Ｓに沿う方向に間隔をあけて配置され、かつ、それらの中間位置１１３ｃが、対物レンズ１１５の瞳位置ＰＯＢと光学的に略共役な位置となるように配置されている。

また、光源１０６側のガルバノミラー１１３ａは、波面錯乱素子１１０および波面回復素子１１４と光学的に共役な位置に配置されている。これにより、光源１０６側のガルバノミラー１１３ａが揺動させられてレーザ光に傾き角度が付与されても、図４０に示されるように、該レーザ光の光束Ｐの中心光線Ｒａは、波面回復素子１１４の表面１１７において、光軸Ｓと交わる。すなわち、レーザ光の光束Ｐは波面回復素子１１４における通過位置を変化させることなく、同一領域を通過させられるようになっている。

そして、このガルバノミラー１１３ａは、その揺動方向（図４０における矢印Ｘの方向）を、波面回復素子１１４の位相分布特性が変化する方向に一致させて配置されている。
上述したようにガルバノミラー１１３ａの揺動に関わらず、レーザ光の光束Ｐが波面回復素子１１４の同一領域を通過するので、ガルバノミラー１１３ａが揺動してもレーザ光に付与する位相変調を変化させずに済むようになっている。

一方、観察対象物Ａ側のガルバノミラー１１３ｂは、波面回復素子１１４とは光学的に非共役な位置に配置されている。これにより、観察対象物Ａ側のガルバノミラー１１３ｂが揺動させられてレーザ光に傾きが付与されると、図４１に示されるように、該レーザ光の光束Ｐの中心光線Ｒｂは、波面回復素子１１４の表面において光軸Ｓから離れることになる。そしてこのガルバノミラー１１３ｂは、その揺動方向（図４１における矢印Ｙの方向）を、波面回復素子１１４の位相分布特性が変化する方向に直交する方向（位相分布特性が変化しない方向）に一致させて配置されている。これにより、観察対象物Ａ側のガルバノミラー１１３ｂが揺動させられてこの揺動に対応する傾きが光源１０６側のガルバノミラー１１３ａからのレーザ光に付与されると、図４２に示されるように、レーザ光に付与された傾きによって、波面回復素子１１４におけるレーザ光の光束Ｐの通過位置が波面回復素子１１４の位相分布特性が変化しない方向に移動するようになっている。

なお、上述したように、ガルバノミラー１１３ａ，１１３ｂはいずれもが、対物レンズ１１５の瞳位置ＰＯＢに対して非共役な位置に配置されているので、ガルバノミラー１１３ａ，１１３ｂの揺動によって、レーザ光の光束Ｐは、対物レンズ１１５の瞳位置ＰＯＢにおいて、図４３に示されるように、矢印Ｘおよび矢印Ｙの二次元方向に移動する。しかしながら、その移動範囲は、対物レンズ１１５の瞳位置ＰＯＢに配置されている開口絞り１１８の開口部１１８ａに蹴られることなく通過可能な微小範囲の移動に留められる。

検出器光学系１０４は、対物レンズ１１５によって集光された蛍光をレーザ光の光路から分岐するダイクロイックミラー１１９と、該ダイクロイックミラー１１９によって分岐された蛍光を集光する２つの集光レンズ１０４ａ，１０４ｂとを備えている。
光検出器１０５は、例えば、光電子増倍管であり、入射された蛍光の強度を検出するようになっている。

このように構成された本実施形態に係る観察装置１０１の作用について以下に説明する。 本実施形態に係る観察装置１０１を用いて観察対象物Ａを観察するには、光源１０６から発せられたレーザ光を結像光学系１０３によって観察対象物Ａに照射する。レーザ光は、まず、ビームエキスパンダ１０７によってビーム径が拡大され、Ｚ走査部１０８、コリメートレンズ１０９および波面錯乱素子１１０を通過させられる。

レーザ光は、Ｚ走査部１０８の集光レンズ１０８ａによって集光され、アクチュエータ１０８ｂの作動によって集光位置を光軸Ｓに沿う方向に調節することができる。また、レーザ光は、波面錯乱素子１１０を通過させられることにより、波面に空間的な乱れが付与される。

レーザ光はその後、２つのリレーレンズ対１１１，１１２とＸＹ走査部１１３とを通過させられることにより、中間像ＩＩを形成しながら光束Ｐの傾き角度を変化させられて、ダイクロイックミラー１１９を通過する。そして、ダイクロイックミラー１１９を通過したレーザ光は、波面回復素子１１４を通過して波面錯乱素子１１０によって付与された空間的な乱れを打ち消されて対物レンズ１１５により集光され、最終像Ｉ_Ｆが観察対象物Ａに結像される。

結像光学系１０３によって結像される最終像Ｉ_Ｆの位置であるレーザ光の合焦点位置は、アクチュエータ１０８ｂの作動によって集光レンズ１０８ａを移動させることで、光軸Ｓに沿う方向に移動させられる。これにより、観察対象物Ａの観察深さを調節することができる。また、ガルバノミラー１１３ａ，１１３ｂの揺動によって、観察対象物Ａにおけるレーザ光の合焦位置を光軸Ｓに直交する方向に二次元的に走査させることができる。

波面錯乱素子１１０によって波面の空間的な乱れが付与されたレーザ光は、リレーレンズ対１１１，１１２によって複数の中間像ＩＩが形成されても、波面錯乱素子１１０をなすレンチキュラー素子すなわちシリンドリカルレンズアレイの作用により、一つの光束Ｐが多数の小光束に分割された上で非点収差が付与される。これにより、本来は一つである点像が、一直線上に並んだ多数の円形像、あるいは楕円形像、あるいは線形像の集まりとして、不鮮明化されて結像される。そして、レーザ光は、波面回復素子１１４を通過することにより、波面錯乱素子１１０によって付与された波面の空間的な乱れが打ち消されるので、波面回復素子１１４以降において結像される最終像Ｉ_Ｆが鮮明になる。

すなわち、中間像ＩＩが不鮮明化されてぼやけることにより、表面や内部に傷、異物あるいは欠陥等が存在する光学素子の近傍に中間像ＩＩが位置する場合であっても、該傷や異物あるいは欠陥等が中間像ＩＩに重なって、観察対象物Ａに形成される最終像Ｉ_Ｆが不鮮明になることを防止することができる。その結果、最終像Ｉ_Ｆとして極めて小さいスポットを結像させることができる。

この場合において、光源１０６側のガルバノミラー１１３ａが揺動させられても、レーザ光の光束Ｐは一次元的な直線方向に移動するが、このガルバノミラー１１３ａと光学的に共役な位置関係にある波面回復素子１１４における光束Ｐは、矢印Ｘの方向において同一領域を通過する。したがって、ガルバノミラー１１３ａの揺動に関わらず、波面回復素子１１４によってレーザ光に付与される位相変調を変化させずに済む。

一方、観察対象物Ａ側のガルバノミラー１１３ｂが揺動させられると、このガルバノミラー１１３ｂの揺動によってレーザ光の光束Ｐの傾きが変動させられて波面回復素子１１４における光束Ｐの通過位置が矢印Ｙの方向に移動する。矢印Ｙの方向は波面回復素子１１４の位相分布特性が変化しない方向に一致するので、光束Ｐの通過位置の移動によって波面回復素子１１４の矢印Ｙの方向において異なる領域を通過しても付与される位相変調は変化しない。したがって、ガルバノミラー１１３ｂが揺動しても、波面回復素子１１４によってレーザ光に付与される位相変調を変化させずに済む。

このことは、次のように換言できる。
本実施例のように、中間にリレーレンズ対を配置せずにガルバノミラー１１３ａ，１１３ｂを近接させて配置する構成の場合、ガルバノミラー１１３ａ，１１３ｂの両方に対して光学的に共役な位置は存在しない。すなわち、波面錯乱素子１１０と波面回復素子１１４をたとえ共役に配置しても、ガルバノミラー１１３ａ，１１３ｂの揺動による光の二次元方向の走査に伴って、通常ならば波面錯乱素子１１０と波面回復素子１１４が相補的になるための位置関係が崩れ、その結果として波面錯乱素子１１０によって付与された波面の乱れが波面回復素子１１４によって打ち消すことが出来なくなる。しかしながら本実施例では、波面錯乱素子１１０と波面回復素子１１４の形状と配置を工夫することによって、ガルバノミラー１１３ａ，１１３ｂが揺動しても、波面錯乱素子１１０と波面回復素子１１４が相補的になる位置関係が実質的には保たれ、その結果として波面錯乱素子１１０によって付与された波面の乱れを波面回復素子１１４によって常に完全に打ち消すようにできるのである。

そして、観察対象物Ａに極めて小さいスポットが結像されることにより、極めて小さい領域において光子密度を高めて蛍光を発生させることができ、発生した蛍光を対物レンズ１１５によって集光し、ダイクロイックミラー１１９によって分岐し、検出器光学系１０４によって蛍光を光検出器１０５へ導くことによって検出することができる。

光検出器１０５によって検出された蛍光強度が、ガルバノミラー１１３ａ，１１３ｂによる矢印Ｘ，Ｙの方向の位置およびアクチュエータ１０８ｂによる光軸Ｓに沿う方向の位置によって三次元的なレーザ光の走査位置と対応付けて記憶されることにより、観察対象物Ａの蛍光画像が取得される。すなわち、本実施形態に係る観察装置１０１によれば、各走査位置において、極めて小さいスポットの領域において蛍光を発生させるので、空間分解能の高い蛍光画像を取得することができるという利点がある。

また、本実施形態に係る観察装置１０１は、２つのガルバノミラー１１３ａ，１１３ｂ間にリレーレンズ対を配置する必要がないため、装置の部品点数を少なくすることができる。また、リレーレンズ対を配置せずにガルバノミラー１１３ａ，１１３ｂを近接させて配置する構成を取ることによって、装置の小型化を図ることができる。

なお、本実施形態においては波面錯乱素子１１０および波面回復素子１１４として、レンチキュラー素子を例示したが、これに代えて、一次元的な位相分布特性を有するものを採用してもよい。例えば、プリズムアレイ、回折格子、あるいはシリンドリカルレンズ等を採用してもよい。

また、本実施形態においては、ＸＹ軸上での中間像の移動手段である第１のスキャナおよび第２のスキャナとしてガルバノミラー１１３ａ，１１３ｂを例示したが、これらのうちの片方または両方に別の種類のスキャナを代えて用いてもよい。例えば、ポリゴンミラー、ＡＯＤ（音響光学素子）、ＫＴＮ（タンタル酸ニオブ酸カリウム）結晶等を採用してもよい。

また、本実施形態に係る観察装置１０１は、多光子励起顕微鏡を例示したが、これに代えて、共焦点顕微鏡に適用してもよい。
これによれば、鮮明化された最終像Ｉ_Ｆとして観察対象物Ａに極めて小さいスポットが結像されることにより、極めて小さい領域において光子密度を高めて蛍光を発生させることができ、共焦点ピンホールを通過する蛍光を増加させて明るい共焦点画像を取得することができる。

さらにまた、共焦点顕微鏡として共焦点ピンホールを通過する蛍光を検出するのに代えて、共焦点ピンホールを通過する、観察対象物Ａにおいて反射または散乱した光を検出することとしてもよい。

次に、本実施形態の照明装置１０２における光学的条件の具体例について、図３９および図４４を用いて以下に説明する。
図３９に示される、本実施形態の照明装置１０２における光学的条件の具体例は、光源１０６側のガルバノミラー１１３ａと光源１０６との間のガルバノミラー１１３ａと光学的に共役な位置に波面錯乱素子１１０を配置し、対物ンズ１１５の後ろ側の光源１０６側のガルバノミラー１１３ａと光学的に共役な位置に、波面回復素子１１４を配置する。波面回復素子１１４は、その位相分布特性が、ガルバノミラー１１３ａによるレーザ光の走査方向（矢印Ｘの方向）に一致するように配置する。

この方法によれば、ガルバノミラー１１３ａ，１１３ｂの揺動角度に関わらず、波面錯乱素子１１０によって付与された波面の空間的な乱れを波面回復素子１１４によって常に打ち消すことができる。したがって、中間像ＩＩが不鮮明化されて中間像ＩＩ結像位置にある異物の像が中間像ＩＩに重なることを防止し、かつ最終像Ｉ_Ｆを常に鮮明化することができる。

次に、本実施形態に係る照明装置１０２における光学的条件の具体例を、特にガルバノミラー１１３ａ，１１３ｂから対物レンズ１１５までの各光学素子の配置に着目し、図４４に基づいて説明する。
図４における、対物レンズ１１５の瞳位置ＰＯＢから波面回復素子１１４までの距離ａは、式（１６）の条件を満足する。

ａ＝ｂ（ｆ_ＴＬ／ｆ_ＰＬ）^２・・・（１６）
ここで、ｂは２つのガルバノミラー１１３ａ，１１３ｂに挟まれて位置する対物レンズ１１５の瞳位置ＰＯＢに略共役な位置１１３ｃから光源１０６側のガルバノミラー１１３ａまでの距離、ｆ_ＰＬはリレーレンズ対１１２の光源１０６側のレンズ１１２ａの焦点距離、ｆ_ＴＬはリレーレンズ対１１２の観察対象物Ａ側のレンズ１１２ｂの焦点距離を示している。また、対物レンズ１１５の取り付けねじ後端から波面回復素子１１４までの距離ｃは、式（１７）の条件を満足する。
ｃ＝ａ−（ｄ＋ｅ）・・・（１７）
ここで、ｄは対物レンズ１１５の取り付けねじの突出量、ｅは対物レンズ１１５の胴付面から対物レンズ１１５の瞳位置ＰＯＢまでの距離を示している。

本実施例における各値は以下の通りである。
ｂ＝２．７（ｍｍ）
ｆ_ＰＬ＝５２（ｍｍ）
ｆ_ＴＬ＝２００（ｍｍ）
ｄ＝５（ｍｍ）
ｅ＝２８（ｍｍ）
となる。

したがって、式（１６）よりａ＝３９．９（ｍｍ）が算出され、式（１７）よりｃ＝６．９（ｍｍ）が算出される。その結果、波面回復素子１１４は、対物レンズ１１５の外枠後端すなわち取り付けねじに接触することなく、対物レンズ１１５の後ろ側の光源１０６側のガルバノミラー１１３ａと光学的に共役な位置に配置される。

以上のＸＹ軸方向での中間像および最終像の移動に関する上記態様によれば、本発明は、Ｚ軸方向での中間像および最終像の移動に関する上記態様と組合せることが顕微鏡観察を一層有益なものとする。したがって、本発明は、図１から図３８で参照されるようなＺ軸方向で移動する中間像の不鮮明化という観点に対し、図３９から図４４で例示された、互いに共役には配置されていない一組のガルバノミラーによるＸＹ軸方向でのスキャンに対して、波面錯乱素子と波面回復素子との相補性の維持という観点に基づき、次のような付記項も含まれる。

（付記項１） 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る結像光学系と、
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、光軸方向に間隔をあけて配置され、前記光源からの照明光を走査する第１のスキャナおよび第２のスキャナと、前記結像光学系の最終像位置に配置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、前記第１の位相変調素子および前記第２の位相変調素子が、前記光源側に配置された前記第１のスキャナと光学的に共役な位置に配置されるとともに、前記第１のスキャナによる照明光の走査方向に一致する方向に変化する一次元的な位相分布特性を有する、光軸方向走査型顕微鏡装置に適用される観察装置。
（付記項２） 第１の位相変調素子および第２の位相変調素子が、物体側に配置された第２のスキャナと光学的に共役な位置に配置されるとともに、該第２のスキャナによる照明光の走査方向に一致する方向に変化する一次元的な位相分布特性を有し、それ以外の構成は、付記項１に記載の観察装置に準じる、光軸方向走査型顕微鏡装置に適用される観察装置。
（付記項３） 前記第１の位相変調素子および前記第２の位相変調素子がレンチキュラー素子である付記項１に記載の観察装置。
（付記項４） 前記第１の位相変調素子および前記第２の位相変調素子がプリズムアレイである付記項１に記載の観察装置。
（付記項５） 前記第１の位相変調素子および前記第２の位相変調素子が回折格子である付記項１に記載の観察装置。
（付記項６） 前記第１の位相変調素子および前記第２の位相変調素子がシリンドリカルレンズである付記項１に記載の観察装置。

また、上記付記項によれば、次のように上記態様を要約することもできる。
すなわち、上記付記項においては、中間像が光学素子に一致する位置で結像されても、中間像に光学素子の傷、異物および欠陥等が重なることを防止して鮮明な最終像を取得することが技術的課題であるといえる。また、上記付記項による技術課題を解決する手段は、概して図３９に示されるように、最終像Ｉ_Ｆと中間像ＩＩとを形成する結像レンズ１１１，１１２，１１５と、いずれかの中間像ＩＩより物体側に配置され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１１０と、１以上の中間像ＩＩより最終像Ｉ_Ｆ側に配置され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１１４とを備える結像光学系１０３と、物体側に配置される光源１０６と、光軸Ｓ方向に間隔をあけて配置された第１および第２のスキャナ１１３ａ，１１３ｂを備えるＸＹ走査部１１３と、光を検出する光検出器１０５とを備え、２つの位相変調素子１１０，１１４が光源１０６側に配置された第１のスキャナ１１３ａと光学的に共役な位置に配置され、前記第１のスキャナ１１３ａによる照明光の走査方向に一致する方向に変化する一次元的な位相分布特性を有する、観察装置１０１を提供する。

以上、本発明の各実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。例えば、本発明を上記各実施形態および変形例に適用したものに限定されることなく、これらの実施形態および変形例を適宜組み合わせた実施形態に適用してもよく、特に限定されるものではない。

また、例えば、図３９から図４４に示す観察装置１０１においても、波面錯乱素子１１０および波面回復素子１１４を非共役な位置関係に配置することとしてもよい。この場合、波面錯乱素子１１０および波面回復素子１１４としてシリンドリカルレンズを採用することとすればよい。また、第１のスキャナ１１３ａと波面回復素子１１４を共役に配置し、第１のスキャナ１１３ａと波面錯乱素子１１０を非共役に配置すればよい。また、アスペクト比変換光学系１２１、振り幅比率変更機構１２５およびアスペクト比補正回路１３３のようなＸ方向の結像倍率とＹ方向の結像倍率との差を解消する手段を採用することとすればよい。

Ｉ 最終像
ＩＩ 中間像
Ｏ 物体
ＰＰ_Ｏ，ＰＰ_Ｉ 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）
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
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）
１０１ 観察装置
１０３ 結像光学系
１０５ 光検出器
１０６ 極短パルスレーザ光（光源）
１１０ 波面錯乱素子（第１の位相変調素子）
１１１，１１２ リレーレンズ対（結像レンズ）
１１３ ＸＹ走査部
１１３ａ ガルバノミラー（第１のスキャナ）
１１３ｂ ガルバノミラー（第２のスキャナ）
１１４ 波面回復素子（第２の位相変調素子）
１１５ 対物レンズ（結像レンズ）

Claims (39)

1. 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る結像光学系と、
   前記物体からの波面が前記結像光学系を通過することにより結像される像を光軸方向に走査するための走査系とを備える光軸方向走査型顕微鏡装置。
2. 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、光学的に共役な位置に配置されている請求項１に記載の光軸方向走査型顕微鏡装置。
3. 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、前記結像レンズの瞳位置近傍に配置されている請求項１または請求項２に記載の光軸方向走査型顕微鏡装置。
4. いずれかの前記中間像を挟む位置に配置される２つの前記結像レンズ間の光路長を変更可能な光路長可変手段を備える請求項１から請求項３のいずれかに記載の光軸方向走査型顕微鏡装置。
5. 前記光路長可変手段が、光軸に直交して配置され前記中間像を形成する光を折り返すように反射する平面鏡と、該平面鏡を光軸方向に移動させるアクチュエータと、前記平面鏡により反射された光を２方向に分岐するビームスプリッタとを備える請求項４に記載の光軸方向走査型顕微鏡装置。
6. いずれかの前記結像レンズの瞳位置近傍に、光の波面に付与する空間的な位相変調を変更することにより、前記最終像位置を光軸方向に変化させる可変空間位相変調素子を備える請求項１から請求項３のいずれかに記載の光軸方向走査型顕微鏡装置。
7. 前記第１の位相変調素子または前記第２の位相変調素子の少なくとも一方の機能が、前記可変空間位相変調素子によって担われる請求項６に記載の光軸方向走査型顕微鏡装置。
8. 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、光軸に直交する１次元方向に変化する位相変調を光束の波面に付与する請求項１から請求項７のいずれかに記載の光軸方向走査型顕微鏡装置。
9. 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、光軸に直交する２次元方向に変化する位相変調を光束の波面に付与する請求項１から請求項７のいずれかに記載の光軸方向走査型顕微鏡装置。
10. 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、光を透過させる際に波面に位相変調を付与する透過型素子である請求項１から請求項９のいずれかに記載の光軸方向走査型顕微鏡装置。
11. 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る請求項１から請求項９のいずれかに記載の光軸方向走査型顕微鏡装置。
12. 前記第１の位相変調素子と前記第２の位相変調素子とが、相補的な形状を有する請求項１から請求項１１のいずれかに記載の光軸方向走査型顕微鏡装置。
13. 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、透明材料の屈折率分布によって波面に位相変調を付与する請求項１０に記載の光軸方向走査型顕微鏡装置。
14. 請求項１から請求項１３のいずれかに記載の光軸方向走査型顕微鏡装置において、前記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ための光源をさらに備える、光軸方向走査型顕微鏡装置。
15. 請求項１から請求項１３のいずれかに記載の光軸方向走査型顕微鏡装置において、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をさらに備える、光軸方向走査型顕微鏡装置。
16. 前記光検出器が、前記結像光学系の最終像位置に配置され、該最終像を撮影する撮像素子である請求項１５に記載の光軸方向走査型顕微鏡装置。
17. 請求項１から請求項１３のいずれかに記載の光軸方向走査型顕微鏡装置において、前記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さらに備える、光軸方向走査型顕微鏡装置。
18. 前記光源および前記光検出器と前記結像光学系との間に配置されたニポウディスク型コンフォーカル光学系を備える請求項１７に記載の光軸方向走査型顕微鏡装置。
19. 前記光源がレーザ光源であり、
    前記光検出器が共焦点ピンホールおよび光電変換素子を備える請求項１７に記載の光軸方向走査型顕微鏡装置。
20. 前記光源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を備え、
    前記光源がパルスレーザ光源である請求項１４に記載の光軸方向走査型顕微鏡装置。
21. 光スキャナを備え、
    該光スキャナが、前記第１の位相変調素子、前記第２の位相変調素子および前記結像レンズの瞳に対して光学的に共役な位置に配置されている請求項１９または請求項２０に記載の光軸方向走査型顕微鏡装置。
22. 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、光学的に非共役な位置に配置されたシリンドリカルレンズの組合せである請求項１に記載の光軸方向走査型顕微鏡装置。
23. 前記第１の位相変調素子および前記第２の位相変調素子の少なくとも１つが、前記結像レンズの瞳位置近傍に配置されている請求項２２に記載の光軸方向走査型顕微鏡装置。
24. いずれかの前記中間像を挟む位置に配置される２つの前記結像レンズ間の光路長を変更可能な光路長可変手段を備える請求項２２から請求項２３のいずれかに記載の光軸方向走査型顕微鏡装置。
25. 前記光路長可変手段が、光軸に直交して配置され前記中間像を形成する光を折り返すように反射する平面鏡と、該平面鏡を光軸方向に移動させるアクチュエータと、前記平面鏡により反射された光を２方向に分岐するビームスプリッタとを備える請求項２４に記載の光軸方向走査型顕微鏡装置。
26. いずれかの前記結像レンズの瞳位置近傍に、光の波面に付与する空間的な位相変調を変更することにより、前記最終像位置を光軸方向に変化させる可変空間位相変調素子を備える請求項２２または請求項２３に記載の光軸方向走査型顕微鏡装置。
27. 前記第１の位相変調素子または前記第２の位相変調素子の少なくとも一方の機能が、前記可変空間位相変調素子によって担われる請求項２６に記載の光軸方向走査型顕微鏡装置。
28. 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、光を透過させる際に波面に位相変調を付与する透過型素子である請求項２２から請求項２７のいずれかに記載の光軸方向走査型顕微鏡装置。
29. 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る請求項２２から請求項２７のいずれかに記載の光軸方向走査型顕微鏡装置。
30. 前記第１の位相変調素子と前記第２の位相変調素子とが、相補的な形状を有する請求項２２から請求項２９のいずれかに記載の光軸方向走査型顕微鏡装置。
31. 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、透明材料の屈折率分布によって波面に位相変調を付与する請求項２８に記載の光軸方向走査型顕微鏡装置。
32. 請求項２２から請求項３１のいずれかに記載の光軸方向走査型顕微鏡装置において、前記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ための光源をさらに備える、光軸方向走査型顕微鏡装置。
33. 請求項２２から請求項３１のいずれかに記載の光軸方向走査型顕微鏡装置において、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をさらに備える、光軸方向走査型顕微鏡装置。
34. 前記光検出器が、前記結像光学系の最終像位置に配置され、該最終像を撮影する撮像素子である請求項３３に記載の光軸方向走査型顕微鏡装置。
35. 請求項２２から請求項３１のいずれかに記載の光軸方向走査型顕微鏡装置において、前記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さらに備える、光軸方向走査型顕微鏡装置。
36. 前記光源および前記光検出器と前記結像光学系との間に配置されたニポウディスク型コンフォーカル光学系を備える請求項３５に記載の光軸方向走査型顕微鏡装置。
37. 前記光源がレーザ光源であり、
    前記光検出器が共焦点ピンホールおよび光電変換素子を備える請求項３５に記載の光軸方向走査型顕微鏡装置。
38. 前記光源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を備え、
    前記光源がパルスレーザ光源である請求項３２に記載の光軸方向走査型顕微鏡装置。
39. 光スキャナを備え、
    該光スキャナが、前記第１の位相変調素子、前記第２の位相変調素子および前記結像レンズの瞳に対して光学的に共役な位置に配置されている請求項３７または請求項３８に記載の光軸方向走査型顕微鏡装置。
    

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