JPWO2016056651A1 - 結像光学系、照明装置および顕微鏡装置 - 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することを目的として、本発明の顕微鏡装置は、光源と、照明光を観察対象物に照射する照明光学系と、観察対象物からの光を集光する結像光学系と、集光された光を撮影する撮像素子（光検出器）とを備え、結像光学系が、最終像（Ｉ）および１つ以上の中間像（ＩＩ）を形成する複数の結像レンズ（２），（３）と、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、第１の位相変調素子（５）との間に１つ以上の中間像（ＩＩ）を挟む位置に配され、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）とを備える結像光学系（１）を備え、結像レンズがハーシェルの条件を満たすように構成されている。

Description

本発明は、結像光学系、照明装置および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軸上）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結像光学系、照明装置および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、前記結像レンズがハーシェルの条件を満たすように構成されたことを特徴とする結像光学系である。

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。また、「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ず、そ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軸上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軸上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。

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。特に、走査系により、結像光学系を通過する光は上記の空間変調状態を保ったままＺ軸上を中間像が移動し、Ｚ軸走査中に結像光学系のどのレンズについても中間像がぼやけたまま通過する。

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、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軸上での移動した中間像がそ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。

ここで、前記結像レンズがハーシェルの条件を満たすように構成されていることが、本発明の結像光学系、照明装置および顕微鏡装置において重要な発想を提供する。すなわち、物体からの光の波面に対する、第１の位相変調素子による空間的な乱れの付与と第２の位相変調素子による乱れの取り消し作用は、ハーシェルの条件を用いることで、Ｚスキャンに伴う収差変動を無くすことが可能となる。すなわち、対物レンズの切り換え等により倍率やＮＡ（開口数）が変化しても、ハーシェルの条件を保てるような波面調整機能を有する波面調整手段を設けるのが好ましい。かかる波面調整手段による作用効果として、Ｚ走査に伴う収差変動を抑えることができる。

一方で、小型レンズを駆動することによりＺ軸走査を実行するには、Ｚ軸走査光学系におけるビーム径とレンズ径を小さくするような形状のレンズを用いるのが好ましい。さらにＺ軸光学系におけるビームを、レンズ径の小型化により生じる波面の変形を抑制するように波面調整された形状のビーム、たとえばラゲールガウシアンビームにするような波面調整手段を設けるのが好ましい。かかる波面調整手段による作用効果として、レンズの小径化により、収差が実質的に低減し、レンズ構成枚数が減り軽量化できると共に、走査幅、走査速度共に向上する。

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。
このようにすることで、第１の位相変調素子により物体からの光の波面に付与された空間的な乱れを第２の位相変調素子により精度よく打ち消して、鮮明な最終像を形成することができる。

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。

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ることとしてもよい。
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配置され、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、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、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。

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、本発明の他の態様は、上記いずれかの結像光学系と、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である。
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、本発明の他の態様は、上記いずれかの結像光学系と、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を備えることとしてもよい。
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、本発明の他の態様は、上記いずれかの結像光学系と、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顕微鏡装置である。
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、本発明の他の態様は、上記照明装置と、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顕微鏡装置である。
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。

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。
このように構成することで、光スキャナにより観察対象物において照明光を走査させて、観察対象物における照明光の走査範囲の鮮明な画像を取得することができる。

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インナーフォーカシング方式すなわち内焦点方式によって中間像を移動させた場合、Ｚ軸上での移動した中間像がそ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。とくに、波面調整手段を設けることにより、各種走査方向への走査の過程で生じ得る収差を低減することが可能となり、走査性能を向上することができる。

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。 図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。 焦点距離が長い結像レンズの組を光路に配置した状態を示す図である。 焦点距離が短い結像レンズの組を光路上に配置した状態を示す図である。 本発明の一実施形態の第１変形例に係る結像光学系の一例を示す図である。 本発明の一実施形態の第２変形例に係る結像光学系の一例を示す図である。 本発明の第１の参考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１実施形態に係る観察装置を示す模式図である。 図１０の観察装置において、焦点距離が短く高倍率の対物レンズおよび焦点距離が短くＮＡが大きいリレーレンズを光路に配置した状態を示す模式図である。 本発明の第２の参考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の参考実施形態に係る観察装置を示す模式図である。 図１３の観察装置の変形例を示す模式図である。 図１４の観察装置の第１の変形例を示す模式図である。 図１４の観察装置のさらなる変形例を示す模式図である。 図１４の観察装置の第２の変形例を示す模式図である。 図１４の観察装置の第３の変形例を示す模式図である。 本発明の第２実施形態に係る観察装置を示す模式図である。 図１９の観察装置において、焦点距離が短い第２レンズと焦点距離が長いコリメータレンズを光路上に配置した状態を示す模式図である。 図１９の観察装置において、焦点距離が長い第２レンズと焦点距離が短いコリメータレンズを光路上に配置した状態を示す模式図である。 本発明の第２実施形態の第１変形例に係る観察装置の照明光学系を示す模式図である。 本発明の第２実施形態の第２変形例に係る観察装置の照明光学系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２４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２５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。 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４２の照明装置を示す平面図である。 図４２の照明装置を示す側面図である。 図４２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４２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。

図２において、符号ｆＯは結像レンズ２の焦点距離、符号ｆＩは結像レンズ３の焦点距離、符号ＦＯ，ＦＯ´は結像レンズ２の焦点位置、符号ＦＩ，ＦＩ´は結像レンズ３の焦点位置、符号ＩＩ〇，ＩＩＡ，ＩＩＢ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ＰＰＯ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ＰＰI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ＰＰＯ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、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。

ここで、本実施形態に係る結像光学系１は、図５および図６に示すように、結像レンズ２として、焦点距離が長い結像レンズ２ａと、結像レンズ２ａよりも焦点距離が短い結像レンズ２ｂとが用いられ、結像レンズ３として、焦点距離が長い結像レンズ３ａと、結像レンズ３ａよりも焦点距離が短い結像レンズ３ｂとが用いられるようになっている。

焦点距離が長い結像レンズ２ａと焦点距離が長い結像レンズ３ａの組が光路に配置された場合に、物体Ｏにおけるマージナル光線の傾きΘ_Ｏ１と像Ｉにおけるマージナル光線の傾きΘ_Ｉ１とが一致し、焦点距離が短い結像レンズ２ｂと焦点距離が短い結像レンズ３ｂの組が光路に配置された場合に、物体Ｏにおけるマージナル光線の傾きΘ_Ｏ２と像Ｉにおけるマージナル光線の傾きΘ_Ｉ２とが一致するように、これら結像レンズ２ａ，２ｂおよび結像レンズ３ａ，３ｂのパラメータが決められている。

さらに、本実施形態に係る結像光学系１は、結像レンズ２ａと結像レンズ２ｂとを切り替えて光路上に択一的に配置する切替装置（波面調整手段）８と、結像レンズ３ａと結像レンズ３ｂとを切り替えて光路上に択一的に配置する切替装置（波面調整手段）９とを備えている。

このように構成された結像光学系１によれば、図５に示すように、切替装置８により結像レンズ２ａを光路上に配置した場合は、切替装置９により結像レンズ３ａを光路上に配置することで、物体ＯにおけるΘ_Ｏ１と像ＩにおけるΘ_Ｉ１とを等しくして（Θ_Ｏ１＝Θ_Ｉ１）、ハーシェルの条件を満すことができる。この場合、物点Ｏ_１Ｃが像点Ｉ_１Ｃとして収差なく結像するだけでなく、物点Ｏ_１Ｃの前後の物点Ｏ_１−，Ｏ_１＋もそれぞれ像点Ｉ_１−，Ｉ_１＋として収差なく結像する。

一方、図６に示すように、切替装置８により結像レンズ２ｂを光路上に配置した場合は、切替装置９により結像レンズ３ｂを光路上に配置することで、物体ＯにおけるΘ_Ｏ２と像ＩにおけるΘ_Ｉ２とを等しくして（Θ_Ｏ２＝Θ_Ｉ２）、ハーシェルの条件が満たすことができる。この場合も、物点Ｏ_２Ｃが像点Ｉ_２Ｃとして収差なく結像するだけでなく、物点Ｏ_２Ｃの前後の物点Ｏ_２−，Ｏ_２＋もそれぞれ像点Ｉ_２−，Ｉ_２＋として収差なく結像する。

したがって、本実施形態に係る結像レンズ１によれば、結像レンズ２ａ，２ｂの切り替えによりΘ_Ｏが変化したとしても、結像レンズ３ａ，３ｂの切り替えによってΘ_ＩをΘ_Ｏに一致させてハーシェルの条件を満たすことで、結像レンズの切り換え等による倍率やＮＡ（開口数）の変化に伴う収差変動を抑えることができる。

本実施形態においては、結像レンズ２ａ，２ｂを切り替えることによりΘ_Ｏが変化する場合を例示して説明したが、例えば、物体Ｏが配置される物体空間を液体等で満たした場合など、物体空間の屈折率が変化した場合も、結像レンズ３ａ，３ｂの切り替えによってΘ_ＩをΘ_Ｏに一致させてハーシェルの条件を満たすことができる。したがって、物体空間の屈折率の変化に伴う収差変動を抑えることができる。

本実施形態は以下のように変形することができる。
第１変形例としては、例えば、結像レンズ３として、図７に示すように、２枚の凸レンズ８３ａ，８３ｃと、これら２枚の凸レンズ８３ａ，８３ｃの間に配置される光軸方向に移動可能な１枚の凹レンズ８３ｂとにより構成することとしてもよい。また、波面調整手段として、凹レンズ８３ｂを光軸方向に移動させる移動機構８５を採用することとしてもよい。

この場合、凹レンズ３ｂを光軸方向に移動させることで、像Ｉにおけるマージナル光線の傾きΘ_Ｉを変更することができる。したがって、移動機構８５により凹レンズ８３ｂの光軸方向の位置を調節することで、Θ_ＩをΘ_Ｏに一致させてハーシェルの条件を満たすことができる。

また、第２変形例としては、例えば、図８に示すように、結像レンズ３に隣接して光路上の像Ｉ側に、焦点距離を長く変換するコンバージョンレンズ８７ａと、焦点距離を短く変換するコンバージョンレンズ８７ｂとを挿脱可能に配置することとしてもよい。また、波面調整手段として、照明光の光路上に択一的に配置するコンバージョンレンズ８７ａ，８７ｂを切り替える切替機構８９を採用することとしてもよい。この場合は、挿脱機構８９により、光軸上に配置するコンバージョンレンズ８７ａ，８７ｂを切り替えることで、Θ_ＩをΘ_Ｏに一致させてハーシェルの条件を満たすことができる。

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の参考実施形態に係る観察装置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。

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。
結像レンズ２４は瞳共役面に配置されている。

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を透過し、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を透過して結像レンズ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１実施形態に係る観察装置（顕微鏡装置）１２０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の参考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１２０は、図１０に示すように、結像光学系１３が、対物レンズ１６に代えて、焦点距離が長く低倍率の対物レンズ（結像レンズ）１２１ａと、対物レンズ１２１ａよりも焦点距離が短く高倍率の対物レンズ（結像レンズ）１２１ｂと、対物レンズ１２１ａ，１２１ｂを保持し、これら対物レンズ１２１ａ，１２１ｂを照明光の光路上に択一的に挿入可能なレボルバ（波面調整手段）１２３とを備えている。

また、観察装置１２０は、同図に示すように、第２の中間結像レンズ２１に代えて、焦点距離が長くＮＡが小さいリレーレンズ１２５ａと、リレーレンズ１２５ａよりも焦点距離が短くＮＡが大きいリレーレンズ１２５ｂと、照明光の光路上に択一的に配置するリレーレンズ１２５ａ，１２５ｂを切り替える切替機構（波面調整手段）１２７とを備えている。これらリレーレンズ１２５ａ，１２５ｂは、第２のビームスプリッタ２０により偏向された光を光路長可変手段２２の平面鏡２２ａにリレーするようになっている。

また、観察装置１２０は、光路長可変手段２２により折り返されて第２のビームスプリッタ２０を透過した光をリレーするリレーレンズ１２９を備え、波面回復素子２３が、リレーレンズ１２９と結像レンズ２４との間に配置されている。

本実施形態においては、焦点距離が長く低倍率の対物レンズ１２１ａと焦点距離が長くＮＡが小さいリレーレンズ１２５ａの組を光路上に配置した場合に、対物レンズ１２１ａのマージナル光線の傾きΘ_Ｏａとリレーレンズ１２５ａのマージナル光線の傾きΘ_Ｒａとが一致し、焦点距離が短く高倍率の対物レンズ１２１ｂと焦点距離が短くＮＡが大きいリレーレンズ１２５ｂの組を光路上に配置した場合に、対物レンズ１２１ｂのマージナル光線の傾きΘ_Ｏｂとリレーレンズ１２５ｂのマージナル光線の傾きΘ_Ｒｂとが一致するように、これら対物レンズ１２１ａ，１２１ｂおよびリレーレンズ１２５ａ，１２５ｂのパラメータが決められている。

このように構成された観察装置１２０においては、図１０に示すように、レボルバ１２３により対物レンズ１２１ａを光路上に配置した場合は、切替機構１２７によりリレーレンズ１２５ａを光路上に配置することで、Θ_Ｏａ＝Θ_Ｒａが成り立ち、ハーシェルの条件を満すことができる。また、図１１に示すように、レボルバ１２３により対物レンズ１２１ｂを光路上に配置した場合は、切替機構１２７によりリレーレンズ１２５ｂを光路上に配置することで、Θ_Ｏｂ＝Θ_Ｒｂが成り立ち、ハーシェルの条件を満すことができる。

したがって、本実施形態に係る観察装置１２０によれば、光路長可変手段２２により、リレーレンズ１２５ａ，１２５ｂと平面鏡２２ａとの間の光路長を変化させて、観察対象物Ａにおける対物レンズ１２１ａ，１２１ｂの前方の合焦点位置を移動（Ｚ軸走査）させた場合に、リレーレンズ１２５ａ，１２５ｂの切り替えにより、収差変動を抑制することができる。

次に、本発明の第２の参考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の参考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１２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。レーザ光源３１と結像光学系３２とにより照明装置が構成される。

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の参考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、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の参考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３０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、本発明の観察装置は、上記第２の参考実施形態におけるニポウディスク型コンフォーカル光学系３４を備える観察装置４０に適用することとしてもよい。この場合、図１２の観察装置３０の対物レンズ１６に代えて、図１０に示す本発明の第１実施形態と同様に、結像対物レンズ１２１ａ，１２１ｂとレボルバ１２３を採用し、また、第２の中間結像レンズ２１に代えて、リレーレンズ１２５ａ，１２５ｂと切替機構１２７を採用することとすればよい。また、第２のビームスプリッタ２０と結像レンズ２４との間に、リレーレンズ１２９および波面回復素子２３を配置することとすればよい。

次に、本発明の第３の参考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の参考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１３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の参考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への入射後は、第２の参考実施形態に係る観察装置３０と同様である。

すなわち、レーザ光は、位相変調素子２３によって波面に乱れを付与された後に、光路長可変手段２２の平面鏡２２ａに中間像を結像するので、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、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１４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、チタンサファイアレーザのような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１４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１５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１６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１７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１８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り、まず機械的可動部を有するものとして、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。

次に、本発明の第２実施形態に係る観察装置（顕微鏡装置）１３０について、図面を参照して説明する。
本実施形態の説明において、上述した第３の参考実施形態およびその変形例に係る観察装置４０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１３０は、図１９に示すように、対物レンズ１３１および照明光学系１３２において、第３の参考実施形態に係る観察装置４０と構成が異なる。すなわち、本実施形態に係る観察装置１３０は、同図に示すように、対物レンズ１６に代えて、倍率が低くＮＡが小さく瞳径が大きい対物レンズ（結像レンズ）１３１ａと、対物レンズ１３１ａよりも倍率が高くＮＡが大きく瞳径が小さい対物レンズ（結像レンズ）１３１ｂとを備えている。これら対物レンズ１３１ａ，１３１ｂは、レボルバ１２３により保持され、レボルバ１２３により照明光の光路上に択一的に配置されるようになっている。

また、観察装置１３０は、図２０に示すように、ビームエキスパンダ―４５の第２レンズとして、焦点距離が短い第２レンズ１３３ａと、第２レンズ１３３ａよりも焦点距離が長い第２レンズ１３３ｂと、照明光の光路上に択一的に配置する第２レンズ１３３ａ，１３３ｂを切り替える切替機構（波面調整手段）１３５とを備えている。

また、観察装置１３０は、図１５に示す中間結像光学系６１を構成するコリメータレンズ６１ｂに代えて、図２０に示すように、焦点距離が長いコリメータレンズ１３７ａと、コリメータレンズ１３７ａよりも焦点距離が短いコリメータレンズ１３７ｂと、照明光の光路上に択一的に配置するコリメータレンズ１３７ａ，１３７ｂを切り替える切替機構（波面調整手段）１３９とを備えている。

本実施形態においては、倍率が低くＮＡが小さく瞳径が大きい対物レンズ１３１ａと焦点距離が短い第２レンズ１３３ａと焦点距離が長いコリメータレンズ１３７ａの組を光路上に配置した場合に、対物レンズ１３１ａのマージナル光線の傾きΘ_Ｏａとレンズ６１ａにより集光される照明光の光束における最大傾き角Θ_Ｚａとが一致するとともに、対物レンズ１３１ａに入射させる照明光の光束径が対物レンズ１３１ａの瞳径に一致するように、これら対物レンズ１３１ａと第２レンズ１３３ａとコリメータレンズ１３７ａのパラメータが決められている。同様に、倍率が高くＮＡが大きく瞳径が小さい対物レンズ１３１ｂと焦点距離が長い第２レンズ１３３ｂと焦点距離が短いコリメータレンズ１３７ｂの組を光路上に配置した場合に、対物レンズ１３１ｂのマージナル光線の傾きΘ_Ｏｂとレンズ６１ａにより集光される照明光の光束における最大傾き角Θ_Ｚｂとが一致するとともに、対物レンズ１３１ｂに入射させる照明光の光束径が対物レンズ１３１ｂの瞳径に一致するように、これら対物レンズ１３１ｂと第２レンズ１３３ｂとコリメータレンズ１３７ｂのパラメータが決められている。

このように構成された観察装置１３０によれば、図２０に示すように、レボルバ１２３により対物レンズ１３１ａを光路上に配置した場合に、切替機構１３５により第２レンズ１３３ａを光路上に配置することで、ビームエキスパンダ４５から射出される照明光の光束を細くして、レンズ６１ａにより集められる照明光の光束における最大傾き角Θ_Ｚａを小さくし、Θ_Ｚａを対物レンズ１３１ａのマージナル光線の傾きΘ_Ｏａに一致させてハーシェルの条件を満たすことができる。この場合において、切替機構１３９によりコリメータレンズ１３７ａを光路上に配置して、レンズ６１ａにより集光された照明光をコリメータレンズ１３７ａによりコリメートすることで、射出光束の径を太くして、対物レンズ１３１ａの瞳径に一致する光束径の照明光を対物レンズ１３１ａに入射させることができる。

一方、図２１に示すように、レボルバ１２３により対物レンズ１３１ｂを光路上に配置した場合に、切替機構１３５により第２レンズ１３３ｂを光路上に配置することで、ビームエキスパンダ４５から射出される照明光の光束を太くして、レンズ６１ａにより集められる照明光の光束における最大傾き角Θ_Ｚを大きくし、Θ_Ｚｂを対物レンズ１３１ｂのマージナル光線の傾きΘ_Ｏｂに一致させてハーシェルの条件を満たすことができる。この場合において、切換機構１３９によりコリメータレンズ１３７ｂを光路上に配置して、レンズ６１ａにより集光された照明光をコリメータレンズ１３７ｂによりコリメートすることで、射出光束の径を細くして、対物レンズ１３１ｂの瞳径に一致する光束径の照明光を対物レンズ１３１ｂに入射させることができる。

したがって、本実施形態に係る観察装置１３０によれば、対物レンズ１３１ａ，１３１ｂを切り替えた場合に、ハーシェルの条件を満たして収差変動を抑制するとともに、対物レンズ１３１ａ，１３１ｂに対してその瞳径に過不足なく照明光を入射させて光学性能を十分に発揮させることができる。

本実施形態は以下のように変形することができる。
第１変形例としては、例えば、図２２に示すように、照明光学系１３２が、凹レンズ１４１ａおよび凸レンズ１４１ｂの組からなる光束を拡大する拡大光学系１４１と、凸レンズ１４３ａおよび凹レンズ１４３ｂの組からなる光束を縮小する縮小光学系１４３と、光路上に拡大光学系１４１を配置した状態、縮小光学系１４３を配置した状態、および光路にこれらを配置しないで素通しにした状態のいずれかに切り替える切換機構１４５とを備え、ビームエキスパンダ―４５とレンズ６１ａとの間で照明光の光束径を調整可能にすることとしてもよい。

さらに、同図に示すように、照明光学系１３２が、凹レンズ１４７ａおよび凸レンズ１４７ｂの組からなる光束を拡大する拡大光学系１４７と、凸レンズ１４９ａおよび凹レンズ１４９ｂの組からなる光束を縮小する縮小光学系１４９と、光路上に拡大光学系１４７を配置した状態、縮小光学系１４９を配置した状態、および光路にこれらを配置しないで素通しにした状態のいずれかに切り替える切換機構１５１とを備え、コリメートレンズ６１ｂによりコリメートされた照明光の光束径を調整可能にすることとしてもよい。

次に、第２変形例としては、例えば、図２３に示すように、照明光学系１３２が、光源４１側から凸レンズ１５３ａ、凹レンズ１５３ｂ、凸レンズ１５３ｃの順に配置したズーム光学系１５３と、凹レンズ１５３ｂを光軸方向に移動させる移動機構（波面調整手段）１５５とを備え、ビームエキスパンダ−４５とレンズ６１ａとの間で照明光の光束径を調整可能にすることとしてもよい。

さらに、同図に示すように、照明光学系１３２が、中間結像光学系６１側から凸レンズ１５７ａ、凹レンズ１５７ｂ、凸レンズ１５７ｃの順に配置したズーム光学系１５７と、凹レンズ１５７ｂを光軸方向に移動させる移動機構（波面調整手段）１５９とを備え、コリメートレンズ６１ｂによりコリメートされた照明光の光束径を調整して、照明光の光束を対物レンズ１３３ａ，１３３ｂの瞳径に合わせることとしてもよい。

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１７，図１８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２４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２４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２５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２５において、符号ＩＩ_〇Ｘ，ＩＩ_〇Ｙ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２６を用いて説明する。
図２６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２５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）＝ψ_Ｏｘ・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Ｒ_Ｘ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）＝ψ_Ｉｘ・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２７に示されるような１次元バイナリ回折格子、図２８に示されるような１次元正弦波回折格子、図２９に示されるような自由曲面レンズ、図３０に示されるようなコーンレンズ、図３１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３２に、また、軸上光線Ｒ_Ｘの好ましい経路の一例を図３３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３２および図３３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。

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３４は回折格子５の、図３５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３４および図３５はその一例にならない。

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_Ｏｃ−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Ｒ_Ｘ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_Ｏｔ−１）（ｔ_Ｉｃ−ｔ_Ｉｔ）＝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３６に示されるような球面収差素子、図３７に示されるような不規則形状素子、図３８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３９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４０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４１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軸上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。

以上に説明した実施形態は、Ｚ軸上での中間像の移動という観点で、空間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場合を論じたものである。もう一つの観点であるＸＹ軸（あるいはＸＹ面）上での中間像の移動という観点で、同様に、観察装置（顕微鏡装置）に適用する場合を以下に論ずる。したがって、本発明は、Ｚ軸上での光走査だけでなく、ＸＹ面上での光走査についても、上述した波面調整手段を設けることで光走査の過程で生じ得る収差を効果的に低減することができる結像光学系、照明装置および結像光学系を有する観察装置（顕微鏡装置）を含むものである。さらに、本発明は、Ｚ軸上およびＸＹ軸上での両方の中間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軸上での中間像の移動について詳しく述べる。Ｚ軸上での中間像の場合によっては交替させたり、同時に実行するように適用することも望ましい。以下では、Ｚ軸上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軸上での中間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。かかるスキャナに関する以下の説明においても、ＸＹ軸上での中間像の移動の間の一部または全部においてＸＹ軸上の面形状がＺ軸方向に変化し得る場合には、Ｚ軸上での中間像の移動という観点での課題解決が含まれる。

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。

また、本発明の他の態様は、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る観察装置における最終像の鮮明化方法であって、前記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の前記第１のスキャナと光学的に共役な位置に、前記光源からの照明光の波面に空間的な乱れを付与する第１の位相変調素子を配置し、該第１の位相変調素子との間に少なくとも１つの中間像を挟んだ前記第１のスキャナと光学的に共役な位置に、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し、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の位相変調素子を配置する最終像の鮮明化方法を提供する。

ＸＹ軸上での中間像の移動において、本発明の態様によれば、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。

本発明の一実施形態に係る観察装置１０１および最終像の鮮明化方法について、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４２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ＩＦ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４３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３８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４４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４４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４５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４６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１４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以降においてなされる最終像Ｉ_Ｆ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。

その結果、２つのガルバノミラー１１３ａ，１１３ｂを揺動させてレーザ光を二次元方向に走査しても、レーザ光の走査の状態から影響を受けることなく、波面回復素子１１４によって常に一定の位相変調を付与することができ、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完全に打ち消すことができる。

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る。そして、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良い。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良い。

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ＩＦ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良い。

また、本実施形態においては、観察装置１０１として本発明を説明したが、本発明は最終像の鮮明化方法としても捉えることができる。
すなわち、本発明の一実施形態に係る最終像の鮮明化方法は、図４２に示される観察装置１０１から波面錯乱素子１１０および波面回復素子１１４を除いた一般的なレーザ走査型多光子励起顕微鏡の最終像ＩＦを鮮明化する方法である。

本実施形態に係る最終像の鮮明化方法は、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を配置するものである。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。

この最終像の鮮明化方法によれば、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、最終像Ｉ_Ｆを鮮明化することができる。すなわち、既存の一般的な走査型多光子励起顕微鏡に波面錯乱素子１１０と波面回復素子１１４とをアドオンするだけで、最終像Ｉ_Ｆを鮮明化することができ、空間分解能の高い画像を取得することができるという利点がある。

次に、本実施形態に係る観察装置１０１の実施例について、図４７を用いて以下に説明する。
本実施形態に係る観察装置１０１は、照明装置１０２、検出器光学系１０４、および光検出器１０５を備えている。また、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（ｆＴＬ／ｆＰＬ）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、ｆＰＬはリレーレンズ対１１２の光源１０６側のレンズ１１２ａの焦点距離、ｆＴＬ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のねじ突出量、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）
ｆＰＬ＝５２（ｍｍ）
ｆＴＬ＝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軸上での中間像の移動に関する上記態様によれば、本発明は、Ｚ軸上での中間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１６で参照されるようなＺ軸上で移動する中間像の不鮮明化という観点に対し、図４２から図４７で例示されたＸＹ軸上での中間像の不鮮明化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、Ｚ軸走査型顕微鏡装置に適用される観察装置。
（付記項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の位相変調素子が回折格子である付記項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。
（付記項６）Ｚ軸走査型顕微鏡装置の作動と共に適用され、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る観察装置における最終像の鮮明化方法であって、前記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の前記第１のスキャナと光学的に共役な位置に、前記光源からの照明光の波面に空間的な乱れを付与する第
１の位相変調素子を配置し、該第１の位相変調素子との間に少なくとも１つの中間像を挟んだ前記第１のスキャナと光学的に共役な位置に、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し、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の位相変調素子を配置する最終像の鮮明化方法。

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４２に示されるように、最終像ＩＦ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ＩＦ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３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。

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）
１０，３０，４０，５０，６０，１３０ 観察装置（顕微鏡装置）
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 (21)

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、
   前記結像レンズがハーシェルの条件を満たすように構成されたことを特徴とする結像光学系。
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に記載の結像光学系。
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に記載の結像光学系。
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結像光学系。
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に記載の結像光学系。
6. いずれかの前記結像レンズの瞳位置近傍に配置され、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とを備える請求項１から請求項３のいずれかに記載の結像光学系。
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に記載の結像光学系。
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４から請求項７のいずれかに記載の結像光学系。
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４から請求項７のいずれかに記載の結像光学系。
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４から請求項９のいずれかに記載の結像光学系。
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４から請求項９のいずれかに記載の結像光学系。
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４から請求項１１のいずれかに記載の結像光学系。
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に記載の結像光学系。
14. 請求項４から請求項１３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ための光源とを備える照明装置。
15. 請求項４から請求項１３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に記載の顕微鏡装置。
17. 請求項４から請求項１３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に記載の顕微鏡装置。
20. 請求項１４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に記載の顕微鏡装置。

Images