JPWO2016056657A1 - 結像光学系、照明装置および観察装置 - 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等が重なることを防止することを目的として、本発明の観察装置は、光源と、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（１）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（１）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、第１および第２の位相変調素子（５）、（６）の間の結像関係における共役性を維持する結像特性を有する。

Description

本発明は、例えばレーザ光を用いて対象の結像を行う装置に適用され、画像の質を向上させるための結像光学系、照明装置および観察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、照明装置および観察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、前記第１および第２の位相変調素子の間の結像関係における共役性を維持する構成としたことを特徴とする結像特性を有することを特徴とする結像光学系である。本態様においては、前記第１および第２の位相変調素子の間の結像関係における共役性を維持する構成が、前記第１および第２の位相変調素子の間に配された共役性維持光学系であってもよい。

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、本発明においては、瞳収差に着目し、瞳結像における好ましい共役性の条件を設定することが重要との発想に立っていることを説明する。すなわち、その１つ目の観点には、正弦条件を準拠することで性能を高め、光学的な理想に向かうように構成することが挙げられる。詳しくは、瞳リレーレンズ（共役性維持光学系）の物体結像に適切な歪曲収差を持たせ、瞳結像の正弦条件を満たし、片方の位相変調素子の像がもう片方の位相変調素子に対して高い結像性能をもって投影されるようにする（それをここでは「瞳共役性の確保」と呼ぶ）。この作用効果として、中間像のぼかし（不鮮明化）の効果が高い位相変調素子を用いることができ、瞳収差を無くし、且つ瞳結像によって「瞳共役関係」を確保することができるという効果を有する。瞳結像において正弦条件を満たすことは、瞳結像における球面収差とコマ収差の補正を意味するが、「瞳共役性確保」の観点からは、瞳結像における他の収差すなわち軸上色収差、倍率色収差、歪曲収差、非点収差、および像面湾曲についても補正されることが望ましい。

２つ目の観点としては、正弦条件に反するが、光学系の性能の限界も考慮し、瞳リレーレンズとして「一般的なレンズ」を用い、瞳結像の正弦条件を満たさない場合に、瞳収差による悪影響（「瞳共役性」の不完全さ）が実用上充分に抑えられるための条件を適用することで、現実的で早期に実用化できる解決手段とすることが挙げられる。具体的には、瞳収差の実用的な許容量としての位相条件により生じる光線の傾き変化の上限を求める。この作用効果として、瞳リレーレンズのコストを抑えることができる。収差のある「不完全な」瞳結像でも充分な「瞳共役関係」を確保できるという効果を有する。

なお、本発明における位相変調素子は、必ずしも瞳面や瞳共役面に配置される訳ではない（正確には、像面および中間像面を除く場所に配置することにより効果を発揮するものである）。したがって、片方の位相変調素子の像がもう片方の位相変調素子へ投影される際の位置関係は必ずしも瞳共役の位置関係に一致するものではない。しかし、ここでは表現を簡潔にするために、瞳面や瞳共役面以外の場所に配置された位相変調素子であっても、位相変調素子同士の上記意味における位置関係を、広く「瞳共役性」と呼んでいる。

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。

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、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とを備える観察装置である。
本態様によれば、結像光学系により、光学素子の表面や内部に傷、異物あるいは欠陥等の像が中間像に重なることが防止されることによって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観察装置である。

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観察装置である。
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。

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し、さらに、位相変調素子を改良することで、より鮮明な最終像の取得を可能とする。

本発明の顕微鏡装置に用いられる結像光学系の第１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。 フィールドレンズによる瞳結像が正弦条件を満たす構成を示す模式図である。 図１の結像光学系を説明する別の模式図である。 本発明の顕微鏡装置に用いられる結像光学系の第２実施形態を示す模式図である。 本発明の顕微鏡装置に用いられる結像光学系の第３実施形態を示す模式図である。 本発明の顕微鏡装置に用いられる結像光学系の第４実施形態を示す模式図である。 本発明の結像光学系の第４実施形態の第１変形例の構成を示す模式図である。 本発明の結像光学系の第４実施形態の第２変形例の構成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１６の観察装置のさらなる変形例を示す模式図である。 図１５の観察装置の第２の変形例を示す模式図である。 図１５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２０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２１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縦断面図である。 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。

〔第１実施形態〕
本発明の顕微鏡装置（観察装置）に用いられる結像光学系１の第１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_〇，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、βＦは、フィールドレンズ４による波面錯乱素子５と波面回復素子６の共役関係における横倍率であり、下式（３）により表される。
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_Ｉ・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、波面錯乱素子５と波面回復素子６とを共役な関係にするフィールドレンズ４による結像すなわち瞳結像において、中間像を強くぼやけさせる光線（例えば、高次の回折光線）は開口数が大きく、大きな収差を生じることになる。このような瞳収差が生じると、波面回復素子６による位相復調が損なわれ、最終像におけるぼけ成分が解消されなくなってしまう。

これに対し、波面錯乱素子５と波面回復素子６との間に配されたレンズが瞳結像における正弦条件を満たせば、収差の影響を抑制することができる。例えば、図５に示す例では、フィールドレンズ４による結像において次式が成り立てば、正弦条件が満たされ、瞳収差の影響が抑制される。以下、「正弦条件を満たす」とは、正弦条件を完全に満たすこと、すなわち正弦条件違反量をゼロにすることは必ずしも必要ではなく、波面回復素子６により位相復調を行う上で、十分な精度を持って波面錯乱素子５と波面回復素子６との間の瞳結像がなされればよい。

ｓｉｎΘ_Ｏ（Ｎ）／ｓｉｎΘ_Ｉ（Ｎ）＝（ｎ_Ｉ／ｎ_Ｏ）×β_Ｆ
ｎ_Ｏ＝ｎ_Ｉ＝１の場合は、
ｓｉｎΘ_Ｏ（Ｎ）／ｓｉｎΘ_Ｉ（Ｎ）＝β_Ｆ
図５において、Ｒ_Ｄ（Ｎ）：光線ＲＡの波面錯乱素子５による（Ｎ）次回折光線（例えば、Ｒ_Ｄ＋５は＋５次の回折光線）、Θ_Ｏ（Ｎ）：光線Ｒ_Ｄ（Ｎ）が光軸対してなす角度（Θ_０＋１、Θ_０＋３、Θ_０＋５の符号は負）、Θ_Ｉ（Ｎ）：フィールドレンズ４で屈折された光線Ｒ_Ｄ（Ｎ）が光軸に対してなす角度、Ｈ_Ｆ：フィールドレンズ４の主点、Ｓ_ＨＦＯ：フィールドレンズ４の物体側主面（中心がＰ_Ｏに一致し、半径が｜ｄ_Ｏ｜の球面、Ｓ_ＨＦＩ：フィールドレンズ４の像側主面（中心がＰ_Ｉに一致し、半径がｄ_Ｉの球面）、ｎ_Ｏ：フィールドレンズ４よりも物体Ｏ側の空間媒質の屈折率、ｎ_Ｉ：フィールドレンズ４よりも像Ｉ側の空間媒質の屈折率である。図５では、波面錯乱素子５により±５次までの回折光が生じる例を示したが、より高い次数の回折光が生じる場合であっても、上記式が成り立てば正弦条件が満たされ、瞳収差の影響を抑制することができる。また、５次よりも低い次数の回折光が生じる場合であっても、その回折角（Θ_０（ｎ））が球面収差等の収差を有するフィールドレンズ４において瞳結像特性の低下を顕在化させるのに十分な大きさを有するならば、上記式が成り立てば正弦条件が満たされ、瞳収差の影響を抑制することができる。また、図５では、波面錯乱素子５および波面回復素子６として回折格子を用いた例を示したが、波面錯乱素子５および波面回復素子６として屈折素子を用いた場合も同様である。

上記正弦条件を満たすためには、波面錯乱素子５と波面回復素子６の間に配されたレンズが、少なくとも１つの非球面を有するか、あるいは、少なくとも１つの凹面を有することが好ましい。
本実施形態においては、フィールドレンズ４として、図６に示すように、波面変調素子５を通過した光を波面回復素子６にリレーする一対の非球面レンズ（共役性維持光学系）８３ａ，８３ｂからなるリレーレンズが用いられるようになっている。

非球面レンズ８３ａは、物体Ｏ側面が球面Ｓ_１で構成され、反対側の像Ｉ側面が非球面Ｓ_２で構成されている。一方、非球面レンズ８３ｂは、物体Ｏ側面が非球面Ｓ_３で構成され、反対側の像Ｉ側面が球面Ｓ₄で構成されている。

このように構成された結像光学系１によれば、図６に示すように、非球面レンズ８３ａ，８３ｂをなす４つの面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４の内の少なくとも１つの面（図５に示す例では面Ｓ２および面Ｓ３。）が非球面であるので、物点Ｐ_Ｏと像点Ｐ_Ｉとの結像における正弦条件を満たすこと、すなわち正弦条件違反量を抑えることができる。

これにより、波面変調素子５と波面回復素子６との間の結像関係における共役性が維持され、物点Ｐ_Ｏが像点Ｐ_Ｉとして収差なく結像するとともに、物点Ｐ_Ｏが対して光軸に交差する方向にずれた点についても像点Ｐ_Ｉに対して光軸に交差する方向に収差なく結像する。したがって、物点Ｐ_Ｏと像点Ｐ_Ｉとの結像における球面収差とコマ収差を抑えて、波面回復素子６による位相復調を精度良く行い、鮮明な最終像を取得することができる。

本実施形態においては、非球面レンズ８３ａ，８３ｂの２つの面（面Ｓ２と面Ｓ３。）が非球面であることとしたが、４つの面（面Ｓ１、Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４）の内の少なくとも１つの面が非球面であればよい。

〔第２実施形態〕
本発明の顕微鏡装置に用いられる結像光学系１の第２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、フィールドレンズ４として、図７に示すように、６枚のレンズ（共役性維持光学系）８５ａ、８５ｂ、８５ｃ、８５ｄ、８５ｅ、８５ｆからなるアプラナティックレンズを備える点で第１実施形態と異なる。
本実施形態の説明において、上述した第１実施形態に係る結像光学系１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。

レンズ８５ａとレンズ８５ｆ、レンズ８５ｂとレンズ８５ｅ、レンズ８５ｃとレンズ８５ｄは、それぞれ同一形状かつ中間像面Ｓ_ＩＩに関して対称に形成されている。

レンズ８５ａは物点Ｐ_Ｏとその像Ｐ_Ｏ´に関してアプラナティック、すなわち無収差となっている。レンズ８５ｂは、物点Ｐ_Ｏ´とその像Ｐ_Ｏ´´に関してアプラナティックとなっている。レンズ８５ｃは、点Ｐ_Ｏ´´の結像（コリメーション）に関してアプラナティックではないが、コリメーションに必要なパワーが小さくなっている。したがって、レンズ８５ｃにおいて生じる収差は極めて小さい。

レンズ８５ｄ，８５ｅ，８５ｆは、レンズ８５ａ、８５ｂ，８５ｃと同一形状かつ中間像面Ｓ_ＩＩに関して対称なので、レンズ８５ｄ，８５ｅ，８５ｆを通過した光は小さな収差を持って像点Ｐ_Ｉに結像するようになっている。

本実施形態に係る結像光学系１によれば、物点Ｐ_Ｏと像点Ｐ_Ｉとの結像における球面収差とコマ収差を抑えて、鮮明な最終像を取得することができる。

〔第３実施形態〕
本発明の顕微鏡装置に用いられる結像光学系１の第３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、フィールドレンズ４として、図８に示すように、物体Ｏからの光を平行光にする第１レンズ群（共役性維持光学系）８７ａと、第１レンズ群８７ａにより平行光にされた光を集束する第２レンズ群（共役性維持光学系）８７ｂとからなり、２組のダブレットレンズ（フラウンホーフェル型アクロマート）を備える点で第１実施形態と異なる。
本実施形態の説明において、上述した第１実施形態に係る結像光学系１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。

第１レンズ群８７ａと第２レンズ群８７ｂは同一形状を有している。具体的には、第１レンズ群８７ａは、物体Ｏ側に凸面を向けたフリントガラス製の凹メニスカスレンズ８８ａと、クラウンガラス製の両凸レンズ８８ｂとの接合レンズにより構成されている。第２レンズ群８７ｂは、クラウンガラス製の両凸レンズ８８ｃと、像Ｉ側に凸面を向けたフリントガラス製の凹メニスカスレンズ８８ｄとの接合レンズにより構成されている。これら第１レンズ群８７ａの各レンズ８８ａ，８８ｂと第２レンズ群８７ｂの各レンズ８８ｃ，８８ｄは、それぞれ色消しレンズである。

本実施形態に係る結像光学系１によれば、正弦条件違反量が抑制されて物点Ｐ_Ｏが像点Ｐ_Ｉとして収差なく結像する。したがって、物点Ｐ_Ｏと像点Ｐ_Ｉとの結像における球面収差とコマ収差を抑えて、鮮明な最終像を取得することができる。また、第１レンズ群８７ａおよび第２レンズ群８７ｂを色消しレンズにより構成することで、色収差も低減することができる。したがって、対象とする光の波長が複数あるいは広域に跨る場合に特に有効である。

〔第４実施形態〕
本発明の顕微鏡装置に用いられる結像光学系１の第４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、フィールドレンズ４として、図９に示すように、物体Ｏからの光を平行光にする第１レンズ群（共役性維持光学系）９１ａと、第１レンズ群９１ａにより平行光にされた光を集束する第２レンズ群（共役性維持光学系）９１ｂとからなり、２組のトリプレットレンズ（クック型）を備える点で第１実施形態と異なる。
本実施形態の説明において、上述した第１実施形態に係る結像光学系１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。

第１レンズ群９１ａは、物体Ｏ側に強い凸面を向けた両凸レンズ９２ａと、両凹レンズ９２ｂと、像Ｉ側に凸面を向けた平凸レンズ９２ｃとにより構成されている。第２レンズ群９１ｂは、物体Ｏ側に凸面を向けた平凸レンズ９２ｄと、両凹レンズ９２eと、像Ｉ側に強い凸面を向けた両凸レンズ９２ｆとにより構成されている。これら第１レンズ群９１ａおよび第２レンズ群９１ｂはそれぞれがアナスチグマートレンズとなっている。

本実施形態に係る結像光学系１によれば、正弦条件違反量が抑制されて、物点Ｐ_Ｏが像点Ｐ_Ｉとして収差なく結像する。したがって、物点Ｐ_Ｏと像点Ｐ_Ｉとの結像における球面収差とコマ収差を低減するのみならず、球面収差、コマ収差、非点収差、歪曲収差、像面湾曲収差の５つのザイデル収差をバランスよく低減することができる。

本実施形態は以下のように変形することができる。
本実施形態においては、フィールドレンズ４として、トリプレットレンズを２つ用いることとしたが、第１変形例としては、例えば、フィールドレンズ４として、図１０に示すように、両凸レンズ（共役性維持光学系）９３ａと、両凹レンズ（共役性維持光学系）９３ｂと、両凸レンズ（共役性維持光学系）９３ｃとからなる１つのトリプレットレンズ（クック型）を用いることとしてもよい。

この場合、これら両凸レンズ９３ａと、両凹レンズ９３ｂと、両凸レンズ９３ｃにより構成されるレンズ群が、アナスチグマートレンズになるように構成すればよい。このようにすることで、物点Ｐ_Ｏが像点Ｐ_Ｉとして収差なく結像して、前記５つのザイデル収差をバランスよく低減することができる。

また、第２変形例としては、例えば、フィールドレンズ４として、図１１に示すように、それぞれトリプレットレンズを構成する第１レンズ群（共役性維持光学系）９５ａ、第２レンズ群（共役性維持光学系）９５ｂおよび第３レンズ群（共役性維持光学系）９５ｃと、第１レンズ群９５ａと第２レンズ群９５ｂとの間に配置された両凹レンズ９６ｄと、第２レンズ群９５ｂと第３レンズ群９５ｃとの間に配置された両凹レンズ９６ｈとを用いることとしてもよい。

第１レンズ群９５ａは両凸レンズ９６ａと両凹レンズ９６ｂと両凸レンズ９６ｃにより構成され、第２レンズ群９５ｂは両凸レンズ９６ｅと両凹レンズ９６ｆと両凸レンズ９６ｇにより構成され、第３レンズ群９５ｃは両凸レンズ９６ｉと両凹レンズ９６ｊと両凸レンズ９６ｋにより構成されている。これら第１レンズ群９５ａ、第２レンズ群９５ｂおよび第２レンズ群９５ｃはそれぞれがアナスチグマートレンズとなっている。

この場合、第１レンズ群９５ａ、第２レンズ群９５ｂおよび第３レンズ群９５ｃにより、瞳面に配置された波面錯乱素子５の像が３回の瞳結像を繰り返して、瞳共役面に配置された波面回復素子６に投影される。

これと同時に、第１レンズ群９５ａの両凸レンズ９６ｃと、両凹レンズ９６ｄと、第２レンズ群９５ｂの両凸レンズ９６ｅとにより構成されるレンズ群９７ａと、第２レンズ群９５ｂの両凸レンズ９６ｇと、両凹レンズ９６ｈと、第３レンズ群９５ｃの両凸レンズ９６ｉとにより構成されるレンズ群９７ｂが、それぞれトリプレットレンズとして、中間像面Ｓ_ＩＩ１，Ｓ_ＩＩ２，Ｓ_ＩＩ３間が共役な関係になるように物体結像を行うようになっている。これらのレンズ群９７ａ，９７ｂはアナスチグマートレンズとなっている。図１１において、実線は瞳結像の光線を示し、破線は物体結像の光線を示している。

このように構成された結像光学系１によれば、アナスチグマートレンズにより物体結像と瞳結像の両方がなされることで、物体像も瞳像も前記５つのザイデル収差をバランスよく低減することができる。

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１２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１３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１４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ー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ー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１５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１５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１６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１７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１８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１９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。

本発明の観察装置は、上記各実施形態に係る観察装置１０，２０，３０において、結像光学系１３，３２，４２に代えて上述した結像光学系１が適用されるようになっている。観察装置１０，２０，３０において結像光学系１を適用することにより、瞳収差の影響を抑制して位相変調により与えたぼけ成分を位相復調により確実に相殺し、鮮明な最終像を取得することができる。

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１８，図１９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ー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２０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２０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２１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ψ_Ｏｘ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ψ_Ｉｘ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２１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２２を用いて説明する。
図２２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_１）・・・・・（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２１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ＲA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２３に示されるような１次元バイナリ回折格子、図２４に示されるような１次元正弦波回折格子、図２５に示されるような自由曲面レンズ、図２６に示されるようなコーンレンズ、図２７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２８に、また、軸上光線Ｒ_Ｘの好ましい経路の一例を図２１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２８および図２９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３０は回折格子５の、図３１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_Ｉ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３０および図３１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_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_Ｉ−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３２に示されるような球面収差素子、図３３に示されるような不規則形状素子、図３４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３５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３６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３７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な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、観察装置に適用することも可能である。

以上に論じた本発明の結像光学系は、以下に示すような態様であり得、下記に示す主旨に基づき当業者が最適な実施形態を検討することができる。以下の態様によれば、上述した（一組の）位相変調素子における空間的な乱れと該乱れの打ち消しを調整または増大する構成を有することを特徴とする結像光学系を提供するので、本発明の位相変調素子による独自の作用効果を進化させ、または実用上有利なものにすることが可能であると言うことができる。

（１）凹凸周期構造型の位相変調素子
たとえば、不鮮明化のための第１の位相変調素子および復調のための第２の位相変調素子は、その位相変調分布の平均値に対して位相進みとなる領域の変調分布と、同平均値に対して位相遅れとなる領域の変調分布とが、上記平均値に関して対称な形状を有し、かつ上記位相進み領域と上記位相遅れ領域の組は，複数組が周期性を伴って形成されていることを特徴とする結像光学系であってもよい。このように、同一形状を有する位相変調素子２枚を用い、光学系内にこれらを適切に配置することによって、相補的な位相変調、すなわち第１の位相変調素子によって中間像を不鮮明化し、２の位相変調素子によって最終像を鮮明化することができ、したがって中間像問題を解決することができる。ここで、相変調素子として、補性を得るために異なった二つの種類を準備する必要がなく、種類で足りるので、置の製造が容易になり、且つコストを低減することができる。

また、前記第１および前記第２の位相変調素子は、光学媒質の表面形状（たとえば凹部と凸部からなる形状を周期的に配した形状）とすることによって位相変調を行うようにしてもよい。これにより、一般的な位相フィルターと同様の製法によって、必要な位相変調素子を製作することができる。また、前記第１および前記第２の位相変調素子は、複数の光学媒質の界面形状によって位相変調を行うものであってもよい。これにより、同一の光学媒質形状精度に対して、より高精度な位相変調ができる。あるいは、同一の位相変調精度に対して、より低い光学媒質形状精度すなわちより低コストで、位相変調素子を製作することができる。また、前記第１および前記第２の位相変調素子は、１次元の位相分布特性を有するものであってもよい。これにより、中間像を効果的に不鮮明化できる。また、前記第１および前記第２の位相変調素子は、２次元の位相分布特性を有するものであってもよい。これにより、中間像を効果的に不鮮明化できる。

（２）液晶型の位相変調素子
また、前記第１および前記第２の位相変調素子は、複数の基板によって挟まれた液晶を有するように結像光学系を構成してもよい。こうすることで、液晶の複屈折を利用することにより、第１の位相変調素子によって中間像における一つの集光点を複数個の集光点に分離させることによって不鮮明化し、また第２の位相変調素子によって前記分離した集光点を再び一つに重ねることとなり、最終像を鮮明化することができ、よって中間像問題を解決することができる。この場合、複屈折材料としての液晶は、他の複屈折材料、例えば水晶等の無機材料の結晶と比較して、種類が豊富である点において設計の自由度が高いメリットがあり、さらに複屈折の性質が強い点において中間像を不鮮明化する効果が高いメリットがある。

また、前記基板の液晶との接触面が平面である場合に、平面で挟まれた液晶は複屈折プリズムとして上記の不鮮明化効果を呈するようになる。この場合、液晶を挟む基板の面は平面なので、基板の加工が容易であるというメリットがある。また、前記第１および前記第２の位相変調素子のそれぞれが、液晶よりなる複数個のプリズムで構成されてもよい。
この場合、プリズムを一つ増やすごとに，中間像における集光点の数は二倍になり、より多数の集光点に分離されることとなり、よって中間像を不鮮明化する効果が高まる。また、前記第１および前記第２の位相変調素子のそれぞれが、少なくとも１枚の４分の１波長板を有するものであってもよい。この場合、４分の１波長板を用いることによって、分離された集光点の中間像における配置の自由度が高まる。例えば、複数個のプリズムによって４点、あるいは８点等に分離された集光点を一直線上に配置することができるようになる点で好ましい。
また、上述した複屈折によって分離された中間像点が、２次元的に配置された結像光学系とすれば、中間像を効果的に不鮮明化できる点で好ましい。

また、前記基板の液晶との接触面が凹凸形状（凹面，凸面，または凹と凸の両方がある面．非平面）であるように位相変調素子を構成してもよい。このような構成では、凹凸形状（シリンドリカル面、トーリック面、レンチキュラー面、マイクロレンズアレイ形状、ランダム面等）が本来的に有する中間像の不鮮明化効果を、液晶の複屈折によってさらに高めることができるようになる。また、前記第１および第２の位相変調素子における前記基板の前記凹凸形状が相補的であり、且つ前記第１および第２の位相変調素子における液晶の配向方向が平行であるように設計してもよい。かかる設計によれば、二つの位相変調素子における位相変調に相補性を持たせることができることとなり、すなわち最終的な画像（最終像）の回復ができるようになる。さらに、前記第１および第２の位相変調素子における前記基板の前記凹凸形状が同一であり、且つ前記基板をなす硝材の屈折率が前記液晶の二つの主屈折率の平均値に等しく、且つ前記第１および第２の位相変調素子における液晶の配向方向が直交するように構成してもよい。こうすることによっても、二つの位相変調素子における位相変調に相補性を持たせることができることとなり、すなわち最終像の回復ができるようになる。

（３）異種の複数媒質型位相変調素子
上記結像光学系は、複数種類の光学媒質の境界面形状を位相変調手段とするように構成してもよい。この場合、通常の位相素子（対空気界面の形状を位相変調手段とする）に比べて寸法誤差の許容値が大きくなる。これにより、製造が容易になるとともに、同一の寸法誤差であっても位相変調をより高精度に行うことができる。この場合、前記第１の位相変調素子と、前記第２の位相変調素子との両方が、互いに屈折率の異なる複数種類の光学媒質として接触するように構成」してもよい。二つの位相変調素子の両方を複数媒質型とすることにより、製造の容易さや、位相変調の高精度化をより高めることができる。

また、前記第１の位相変調素子をなす第１の光学媒質の部分と前記第２の位相変調素子をなす第２の光学媒質の部分とが同一の形状を有し、且つ前記第２の光学媒質と前記第１の光学媒質と接触させられる第３の光学媒質とが同一の屈折率を有し、且つ前記第１の光学媒質と前記第２の光学媒質と接触させられる第４の光学媒質とが同一の屈折率を有してなるように構成してもよい。こうすることで、第１および第２の位相変調素子のそれぞれに、共通の屈折率を有する光学媒質の組を用い、それらの形状関係のみを入れ替えることによって相補的な位相変調特性を持たせることができるようになる。この場合、さらに各位相変調素子における光学媒質間の界面形状は同じなので、二つの位相変調素子を光学系に配置する上で界面の三次元的な形状の観点まで含めて光学的に共役に配置することが可能になることから、第２の位相変調素子による波面の乱れを打ち消す作用（鮮明化）がより正確になされる。さらに、単に屈折率を共通にするのみならず、光学媒質自体を共通にすれば、仮に光学媒質の屈折率が製造ロット等によるバラつきを有していたり、環境の影響や経時変化が生じても、それらによって生じる位相変調のズレは二つの位相変調素子の間でおのずから相殺されるので、第２の位相変調素子による鮮明化の作用がより正確になされる。

また、前記第１の位相変調素子をなす第１の光学媒質の部分と，前記第２の位相変調素子をなす第２の光学媒質の部分とが、同一の形状と同一の屈折率とを有し、前記第１の光学媒質に対する該第１の光学媒質と接触させられる第３の光学媒質の屈折率の差Δｎ１と前記第２の光学媒質に対する該第２の光学媒質と接触させられる第４の光学媒質の屈折率の差Δｎ２とに関して、Δｎ１とΔｎ２との絶対値が等しく符号が逆であるような結像光学系としてもよい。このことは、第１および第２の位相変調素子のそれぞれをなす複数の光学媒質部分の片方に、形状も屈折率も同じ位相素子を共通に用い、さらにこの共通の屈折率に対して、片側の位相変調素子においてはより高い屈折率の光学媒質を組として用い、もう片側の位相変調素子においては逆により低い屈折率の光学媒質を組として用い、各組における屈折率差の絶対値を等しいものとすることによって、相補的な位相変調特性を持たせることとなる。この場合、上記と同様に各位相変調素子における界面形状は同じになるので、二つの位相変調素子を共役に配置する上で第２の位相変調素子による鮮明化がより正確になされる。さらに、上記共通部分において、形状と屈折率を共通にするのみならず光学素子自体を共通にすれば、複雑な形状を有し製造の難易度が高い位相変調素子のコストを低減することができる。また、例えばこの光学素子が金型等による成型加工で作られるとすれば、仮にその金型の欠陥によって想定外の形状誤差が生じたとしても、その形状誤差を各光学素子が共通して有することにより、第１の位相変調素子においてその誤差部分によって生じた位相変調の誤差はこれと共役に配置された第２の位相変調素子における、やはり共通に存在する誤差部分によって、おのずから打ち消される。すなわち、第２の位相変調素子によって波面乱れを打ち消す作用（鮮明化）がより正確になされる。

（４）複屈折型の位相変調素子
また、前記第１および前記第２の位相変調素子は、複屈折媒質よりなるプリズムであるように上記結像光学系を構成してもよい。このように構成することにより、同一材料よりなり且つ同一形状を有する一組の複屈折プリズムを光学系内に適切に配置することによって、第１のプリズムすなわち第１の位相変調素子によって中間像における一つの集光点を複数個の集光点に分離させることによって不鮮明化し、第２のプリズムすなわち第２の位相変調素子によって前記分離した集光点を再び一つに重ねることによって最終像を鮮明化することができ、したがって中間像問題を解決することができる。ここで、位相変調素子として、材料を平面に研磨した部品の組み合わせのみで構成することができることから、例えばマイクロレンズアレイやレンチキュラーのような複雑な表面形状を必要とせず、装置の製造が容易になりコストを低減することができる。

また、前記第１および前記第２の位相変調素子のそれぞれが複屈折媒質よりなる複数個のプリズムで構成されてもよい。この場合、プリズムを一つ増やすごとに、中間像における集光点の数は二倍になり、より多数の集光点に分離されることになるので、中間像を不鮮明化する効果がより高まる。また、前記第１および前記第２の位相変調素子のそれぞれが、少なくとも１枚の４分の１波長板を有するものであってもよい。４分の１波長板を用いることによって、分離された集光点の中間像における配置の自由度が高まるようになり、例えば、複数個のプリズムによって、４点あるいは８点等に分離された集光点を一直線上に配置することもできるようになる。また、複屈折によって分離された中間像点が、２次元的に配置されるように構成してもよく、こうすることで、中間像を効果的に不鮮明化できる。

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 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）
８３ａ，８３ｂ 非球面レンズ（共役性維持光学系）
８５ａ、８５ｂ、８５ｃ、８５ｄ、８５ｅ、８５ｆ レンズ（共役性維持光学系）
８７ａ，９１ａ，９５ａ 第１レンズ群（共役性維持光学系）
８７ｂ，９１ｂ, ９５ｂ 第２レンズ群（共役性維持光学系）
９３ａ,９３ｃ 両凸レンズ（共役性維持光学系）
９３ｂ 両凹レンズ（共役性維持光学系）
９５ｃ 第３レンズ群（共役性維持光学系）

Claims (20)

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、
   前記第１および第２の位相変調素子の間の結像関係における共役性を維持する構成としたことを特徴とする結像特性を有することを特徴とする結像光学系。
2. 前記第１および第２の位相変調素子の間の結像関係における共役性を維持する構成が、前記第１および第２の位相変調素子の間に配された共役性維持光学系である請求項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、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１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１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１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１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１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１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をさらに備える照明装置。
15. 請求項１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観察装置。
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に記載の観察装置。
17. 請求項１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観察装置。
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に記載の観察装置。
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に記載の観察装置。
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観察装置。

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