JPWO2016121249A1 - 干渉光学装置、干渉観察装置および干渉観察方法 - Google Patents
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Abstract
干渉観察装置１は、干渉光学装置２、顕微鏡筐体５０、撮像部５６、対物レンズ７０を備える。干渉光学装置２は、筐体１０、光源１３、光検出器１４、ビームスプリッタ１５，１７、参照ミラー２１および制御部３１を備える。干渉観察装置１は、開口を有する対物レンズ取付部５１に取り付けられる対物レンズ７０を経た光を撮像する撮像部を含む顕微鏡装置において、対物レンズ取付部５１と対物レンズ７０との間に干渉光学装置２の筐体１０が配置された構成を有する。
Description
本発明は、干渉光学装置、この干渉光学装置を備える干渉観察装置、および、この干渉光学装置を用いる干渉観察方法に関するものである。
観察対象物の干渉画像を取得する干渉観察装置として、特許文献１に開示されたものが知られている。この干渉観察装置は、マイケルソン（Michelson）干渉計の光学系を用いて、第１光源から出力されたインコヒーレント光を分岐して第１分岐光および第２分岐光とし、第１分岐光を観察対象物で反射させ、第１分岐光と第２分岐光とを合波して、その合波により生じる干渉光の画像を取得する。
また、この干渉観察装置は、コヒーレントなレーザ光を出力する第２光源を用いて干渉光の検出結果に基づいてマイケルソン干渉計における２つの光路の間の光路長差をフィードバック制御する。
なお、干渉光検出結果に基づくフィードバック制御により干渉計における２つの光路の間の光路長差を一定に維持する技術を「位相ロック」という。また、該フィードバック制御により位相ロックにより維持される該光路長差の値を変更する技術を「位相シフト」という。
特許文献１に開示された干渉観察装置は、個々の部品を用意して組み立てを行おうとすると、光学調整が容易ではなく、コストが高くなる。
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、容易に光学調整することができて安価に構成することができる干渉観察装置、このような干渉観察装置において好適に用いられ得る干渉光学装置、および、このような干渉光学装置を用いる干渉観察方法を提供することを目的とする。
本発明の一側面に係る干渉光学装置は、開口を有する対物レンズ取付部に取り付けられる対物レンズを経た光を撮像する撮像部を含む顕微鏡装置において対物レンズ取付部と対物レンズとの間に配置される干渉光学装置であって、(1) 対物レンズ取付部の開口と光学的に結合される開口を有する第１取付部と、(2) 対物レンズと光学的に結合される開口を有する第２取付部と、(3) 光を出力する光源と、(4) 合波光を受光して検出信号を出力する光検出器と、(5) 光源及び光検出器と光学的に結合し、光源から出力された光を入力して該光を所定方向に沿って出力するとともに、合波光を入力して該合波光を光検出器へ出力する第１ビームスプリッタと、(6) 第１ビームスプリッタと光学的に結合し、第１ビームスプリッタから出力された光を分岐して第１分岐光および第２分岐光とし、対物レンズを介して第１分岐光を観察対象物に照射して該観察対象物で反射された第１分岐光を入力するとともに、参照光路を経た第２分岐光を入力し、これら入力された第１分岐光と第２分岐光とを合波して当該合波光を第１取付部の開口および第１ビームスプリッタへ出力する第２ビームスプリッタと、(7) 第２ビームスプリッタと光学的に結合するとともに参照光路上に設けられ、第２ビームスプリッタから出力された第２分岐光を集光する第１レンズと、第１レンズにより集光された第２分岐光を第１レンズへ反射する参照ミラーと、第１レンズの光軸方向に参照ミラーを移動させるミラー移動部と、を含む参照光学系と、(8) 第１取付部，第２取付部，光源，光検出器，第１ビームスプリッタ，第２ビームスプリッタおよび参照光学系を保持する筐体と、を備える。
本発明の一側面に係る干渉観察装置は、開口を有する対物レンズ取付部に取り付けられる対物レンズを経た光を撮像する撮像部を含む顕微鏡装置と、上記の本発明の干渉光学装置と、を備え、干渉光学装置の筐体およびこれに保持される光学部品が対物レンズ取付部と対物レンズとの間に配置され、対物レンズ取付部と第１取付部とが互いに光学的に結合されているとともに、対物レンズと第２取付部とが互いに光学的に結合されている。
本発明の一側面に係る干渉観察方法は、開口を有する対物レンズ取付部に取り付けられる対物レンズを経た光を撮像する撮像部を含む顕微鏡装置において対物レンズ取付部と対物レンズとの間に上記の本発明の干渉光学装置を配置して、対物レンズ取付部と第１取付部とを互いに光学的に結合するとともに、対物レンズと第２取付部とを互いに光学的に結合し、検出信号に基づいて、第２ビームスプリッタにおける分岐から合波までの第１分岐光と第２分岐光との間の光路長差に応じた位相差を求め、この求めた位相差に基づいてミラー移動部を駆動して光路長差を制御し、撮像部を用いて干渉画像を取得する。
本発明の一側面によれば、容易に光学調整することができて安価な構成で観察対象物の干渉画像を取得することができる。
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。本発明は、これらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
図１は、本実施形態の干渉観察装置１の構成を示す図である。干渉観察装置１は、干渉光学装置２、顕微鏡筐体５０、対物レンズ取付部５１、試料保持台５２、ステージ５３，５４、チューブレンズ５５、撮像部５６、接眼レンズ５７および対物レンズ７０を備える。また、干渉光学装置２は、筐体１０、第１取付部１１、第２取付部１２、光源１３、光検出器１４、第１ビームスプリッタ１５、第２レンズ１６、第２ビームスプリッタ１７、参照ミラー２１、第１レンズ２２、駆動素子２３、ステージ２４，２５および制御部３１を備える。
この干渉観察装置１は、マイケルソン干渉計の光学系を有し、試料保持台５２により保持された観察対象物からの反射光に基づいて干渉画像を取得する。観察対象物は、特定の細胞や生体サンプルに限定されるものではない。例えば、観察対象物として、培養細胞、不死化細胞、初代培養細胞、がん細胞、脂肪細胞、肝臓細胞、心筋細胞、神経細胞、グリア細胞、体性幹細胞、胚性幹細胞、多能性幹細胞、ｉＰＳ細胞、および、これらの細胞のうち少なくとも１つの細胞をもとに作られた細胞塊（スフェロイド）などが挙げられる。また、観察対象物として、生体に限らず、工業サンプル、たとえば金属表面、半導体表面、ガラス表面、半導体素子の内部、樹脂素材表面、液晶、高分子化合物なども挙げられる。
干渉観察装置１は、開口を有する対物レンズ取付部５１に取り付けられる対物レンズ７０を経た光を撮像する撮像部を含む顕微鏡装置において、対物レンズ取付部５１と対物レンズ７０との間に干渉光学装置２の筐体１０が配置された構成を有する。仮に、干渉観察装置１から干渉光学装置２を取り除いて対物レンズ取付部５１に対物レンズ７０を直接に取り付けた構成とすると、それは通常の顕微鏡装置として用いられ得る。すなわち、干渉観察装置１は、通常の顕微鏡装置に干渉光学装置２を取り付けることで構成され得る。
干渉光学装置２の筐体１０に、第１取付部１１、第２取付部１２、光源１３、光検出器１４、第１ビームスプリッタ１５、第２レンズ１６、第２ビームスプリッタ１７、参照ミラー２１、第１レンズ２２、駆動素子２３およびステージ２４，２５が保持されている。これらのうち光検出器１４および駆動素子２３は、制御部３１と電気的に接続されている。顕微鏡筐体５０に、対物レンズ取付部５１、試料保持台５２、ステージ５３，５４、チューブレンズ５５、撮像部５６および接眼レンズ５７が保持されている。干渉光学装置２の第１取付部１１は、顕微鏡装置の対物レンズ取付部５１の開口と光学的に結合される開口を有する。干渉光学装置２の第２取付部１２は、対物レンズ７０と光学的に結合される開口を有する。
光源１３は、光を出力する。光源１３は、コヒーレントなレーザ光を出力するレーザ光源であってもよいし、インコヒーレントな光を出力するものであってもよい。光源１３は、ハロゲンランプなどのランプ系光源、ＡＳＥ（Amplified spontaneous emission）光源等であってもよいが、例えば、レーザダイオード、ＬＥＤ（Light emitting diode）光源、ＳＬＤ（Super luminescent diode）光源等の小型のものであるのが好適である。
光検出器１４は、光を受光して検出信号を出力する。光検出器１４は、光電子増倍管、ラインセンサ（リニアセンサ）、ＣＣＤエリアイメージセンサ、ＣＭＯＳエリアイメージセンサであってよいが、例えば、フォトダイオード、アバランシェフォトダイオード等の小型のものであるのが好適である。
ビームスプリッタ１５は、光源１３および光検出器１４と光学的に結合され、光源１３から出力された光を入力して該光を所定方向に沿ってレンズ１６へ出力するとともに、この所定方向に沿ってレンズ１６から到達した光を入力して光を光検出器１４へ出力する。ビームスプリッタ１５は、光源１３から出力された光を入力する面１５ａと、光源１３から出力された光をレンズ１６に出力すると共に後述する合波光が入力される面１５ｂと、入力された合波光を光検出器１４に出力する面１５ｃと、各面から入力された光の一部を反射すると共に、当該光の一部を透過する面１５ｄを有する。ビームスプリッタ１５は、例えば、ハーフミラーなどである。
レンズ１６は、ビームスプリッタ１５とビームスプリッタ１７との間の光路上に設けられており、ビームスプリッタ１５から出力された光をコリメートする。第１取付部１１が対物レンズ取付部５１に光学的に結合され、第２取付部１２に対物レンズ７０が光学的に結合された状態において、撮像部５６の撮像面と観察対象物とが互いに光学的に共役となるようにフォーカスを調整した際に、レンズ１６は、光検出器１４の位置が撮像部５６の撮像面および観察対象物の双方と光学的に共役となる位置に配置されている。
ビームスプリッタ１７は、ビームスプリッタ１５と光学的に結合され、マイケルソン干渉計の光学系を構成する。ビームスプリッタ１７は、ビームスプリッタ１５からレンズ１６を経て到達した光を分岐し第１分岐光および第２分岐光とする。ビームスプリッタ１７は、第２取付部１２の開口および対物レンズ７０を介して第１分岐光を観察対象物に照射し、該観察対象物で反射された第１分岐光を入力する。ビームスプリッタ１７は、参照ミラー２１およびレンズ２２を含む参照光路を経て帰還した第２分岐光を入力する。そして、ビームスプリッタ１７は、これら入力した第１分岐光と第２分岐光とを合波して、当該合波光を第１取付部１１の開口およびビームスプリッタ１５へ出力する。ビームスプリッタ１７は、ビームスプリッタ１５から出力された光が入力されると共に合波光をビームスプリッタ１５に出力する面１７ａと、第１分岐光を対物レンズ７０に出力すると共に対物レンズ７０から帰還した第１分岐光が入力される面１７ｂと、第２分岐光を参照光路に出力すると共に参照光路から帰還した第２分岐光が入力される面１７ｃと、ビームスプリッタ１５から出力された光を第１分岐光と第２分岐光に分岐すると共に対物レンズ７０から帰還した第１分岐光と参照光路から帰還した第２分岐光を合波する面１７ｄと、合波光を第１取付部１１の開口に出力する面１７ｅと、を有する。ビームスプリッタ１７は、例えば、ハーフミラーなどである。
参照光学系２０は、参照ミラー２１、レンズ２２、駆動素子２３およびステージ２４，２５を含む。参照光学系２０は、ビームスプリッタ１７と光学的に結合し、参照光路に配置される。レンズ２２は、ビームスプリッタ１７と光学的に結合され、ビームスプリッタ１７から出力された第２分岐光を参照ミラー２１に集光する。また、レンズ２２は、参照ミラー２１で反射された第２分岐光をビームスプリッタ１７へ出力する。駆動素子２３は、レンズ２２の光軸に平行な方向（レンズ２２の光軸方向）に参照ミラー２１を移動させるミラー移動部である。駆動素子２３は、例えば、ピエゾ素子やステッピングモータなどのアクチュエータなどである。ステージ２４は、レンズ２２の光軸に平行な方向にレンズ２２を移動させる。ステージ２５は、レンズ２２の光軸に平行な方向に参照ミラー２１およびレンズ２２を一体として移動させる。参照ミラー２１とレンズ２２との間の間隔は、ステージ２４により粗調整され、駆動素子２３により微調整される。参照ミラー２１とビームスプリッタ１７との間の間隔は、ステージ２５により粗調整され、駆動素子２３により微調整される。
制御部（コントローラ）３１は、プロセッサ及びメモリ等を含むコンピュータである。コンピュータは、例えば、パーソナルコンピュータあるいはタブレット端末などのスマートデバイスであってもよい。また、制御部３１は、利用者からの入力を受け付ける入力部（キーボード、マウス、タブレット端末等）や、干渉強度等を表示する表示部（ディスプレイ、タブレット端末、スピーカー、バイブレータなど）を備えていてもよい。なお、表示部がディスプレイやタブレット端末などのように画面表示できる装置であれば、撮像部５６により取得された干渉画像などを干渉強度と合わせて表示してもよい。
制御部３１は、光検出器１４から出力される検出信号を入力し、プロセッサにより、この検出信号に基づいて、ビームスプリッタ１７における分岐から合波までの第１分岐光と第２分岐光との間の光路長差に応じた位相差を求め、この求めた位相差に基づいて駆動素子２３を駆動して光路長差を制御する。制御の詳細については後述する。
対物レンズ７０は、干渉光学装置２の第２取付部１２の開口と光学的に結合され、これを介してビームスプリッタ１７と光学的に結合される。対物レンズ７０は、ビームスプリッタ１７から出力された第１分岐光を試料保持台５２により保持された観察対象物に集光する。また、対物レンズ７０は、観察対象物で反射された第１分岐光を入力してビームスプリッタ１７へ出力する。ステージ５３は、対物レンズ７０の光軸に平行な方向に試料保持台５２を平行移動させる。ステージ５４は、対物レンズ７０の光軸に交差する２方向（例えば、対物レンズ７０の光軸に直交する２方向）に試料保持台５２を平行移動させる。
チューブレンズ５５は、対物レンズ取付部５１の開口と光学的に結合され、これを介して干渉光学装置２の第１取付部１１と光学的に結合され、さらに、これを介してビームスプリッタ１７と光学的に結合される。チューブレンズ５５は、分割光学素子６０を介してビームスプリッタ１７から出力された合波光を撮像部５６および接眼レンズ５７へ出力する。分割光学素子６０は、例えば、プリズムである。撮像部５６および接眼レンズ５７は、分割光学素子６０を介してチューブレンズ５５と光学的に結合されている。撮像部５６は、チューブレンズ５５から出力された合波光を受光して干渉画像を取得する。撮像部５６は、例えば、ＣＣＤエリアイメージセンサやＣＭＯＳエリアイメージセンサなどのイメージセンサである。また、接眼レンズ５７を介して干渉画像を視認することができる。
試料側光学系（第１分岐光の光学系）および参照側光学系（第２分岐光の光学系）の何れにも、反射位置（観察対象物、参照ミラー２１）で光を結像するためのレンズ７０，２２が設けられている。このように双方の光学系に対物レンズ（または同等なレンズ）が設けられた干渉光学系はリニク（Linnik）型干渉計として知られている。図１に示される構成では、参照側光学系（第２分岐光の光学系）の軽量化の為に、対物レンズに替えて、小型で軽量な非球面アクロマティックレンズ２２が用いられている。
ステージ５３は、対物レンズ７０の光軸方向に試料保持台５２を移動可能に構成され、試料側光学系（第１分岐光の光学系）の光路長を調整することができる。駆動素子２３は、レンズ２２の光軸方向に参照ミラー２１を移動可能に構成され、参照側光学系（第２分岐光の光学系）の光路長を調整することができる。ステージ５３および駆動素子２３は、試料側光学系（第１分岐光の光学系）の光路長と試料側光学系（第１分岐光の光学系）の光路長との差を調整することができ、干渉光学系における分岐から合波までの第１分岐光と第２分岐光との間の光路長差を調整する光路長差調整部として作用する。
干渉観察装置１は以下のように動作する。光源１３から出力された光は、ビームスプリッタ１５を透過して、レンズ１６によりコリメートされた後、ビームスプリッタ１７により分岐されて第１分岐光および第２分岐光とされる。第１分岐光は、第２取付部１２の開口を経て、対物レンズ７０により、試料保持台５２により保持された観察対象物に集光され、観察対象物の表面または内部で反射される。その反射された第１分岐光は、対物レンズ７０および第２取付部１２の開口を経てビームスプリッタ１７に入力される。この第１分岐光は、観察対象物における反射の際に光学的な遅れを有する。第２分岐光は、レンズ２２により参照ミラー２１に集光され、参照ミラー２１により反射される。その反射された第２分岐光は、レンズ２２を経てビームスプリッタ１７に入力される。
対物レンズ７０からビームスプリッタ１７に入力された第１分岐光、および、レンズ２２からビームスプリッタ１７に入力された第２分岐光は、ビームスプリッタ１７により合波される。その合波光は、第１取付部１１の開口，対物レンズ取付部５１の開口およびチューブレンズ５５を経て撮像部５６により受光されるとともに、レンズ１６およびビームスプリッタ１５を経て光検出器１４により受光される。合波光を受光した撮像部５６により干渉画像が取得される。また、合波光を受光した光検出器１４から検出信号が出力される。そして、制御部３１により、光検出器１４から出力される検出信号に基づいて、干渉光学系における分岐から合波までの第１分岐光と第２分岐光との間の光路長差が制御される。
干渉観察装置１は、図２〜図５に示されるような変形例の構成とすることも可能である。なお、図２〜図４に示される変形例において干渉光学装置２の筐体１０内の構成は同じままとしてよい。
図２に示される変形例の干渉観察装置１Ａは、図１に示される構成に対して、顕微鏡筐体５０に内蔵された照明用光源５８およびビームスプリッタ５９を用いる点で相違する。照明用光源５８から出力された光は、ビームスプリッタ５９により反射されて、対物レンズ取付部５１の開口および干渉光学装置２の第１取付部１１の開口を経て、ビームスプリッタ１７により分岐されて第１分岐光および第２分岐光とされる。照明用光源５８由来の第１分岐光は、光源１３由来の第１分岐光と同様に、試料側光学系を経てビームスプリッタ１７に帰還する。照明用光源５８由来の第２分岐光は、光源１３由来の第２分岐光と同様に、参照側光学系を経てビームスプリッタ１７に帰還する。これらの第１分岐光および第２分岐光は、ビームスプリッタ１７により合波される。その合波光は、第１取付部１１の開口，対物レンズ取付部５１の開口，ビームスプリッタ５９およびチューブレンズ５５を経て撮像部５６により受光される。
図２に示される変形例では、顕微鏡筐体５０に内蔵された照明用光源５８および撮像部５６は、干渉画像の取得に用いられる。干渉光学装置２の光源１３および光検出器１４は、干渉光学系における分岐から合波までの第１分岐光と第２分岐光との間の光路長差の制御に用いられる。例えば、好適には、顕微鏡筐体５０に内蔵された照明用光源５８は可視光を出力するハロゲンランプであり、撮像部５６は可視域に感度を有するシリコンＣＣＤカメラである。また、干渉光学装置２の光源１３は近赤外光を出力するレーザダイオードであり、光検出器１４は近赤外域に感度を有するフォトダイオードである。このようにすると、撮像部５６および光検出器１４それぞれの感度帯域が互いに重なることがないので、干渉画像の取得および光路長差の制御が互いに影響を受けることなく可能である。
図３に示される変形例の干渉観察装置１Ｂは、図１に示される構成に対して、顕微鏡筐体５０にステージ６１が設けられており、このステージ６１により干渉光学装置２の筐体１０およびこれに保持される光学部品が対物レンズ７０の光軸方向に移動可能である点で相違する。制御部３１は、ステージ６１を駆動することで、筐体１０と観察対象物との間の距離を調整して観察対象物へのフォーカスを制御する。ステージ６１は、干渉光学系における分岐から合波までの第１分岐光と第２分岐光との間の光路長差を調整する光路長差調整部としても作用する。
図４に示される変形例の干渉観察装置１Ｃは、図１に示される構成に対して、ステージ５３により試料保持台５２上の観察対象物が対物レンズ７０の光軸方向に移動可能である点で相違する。制御部３１は、ステージ５３を駆動することで、筐体１０と観察対象物との間の距離を調整して観察対象物へのフォーカスを制御する。ステージ５３は、図１に示される構成と同様に、干渉光学系における分岐から合波までの第１分岐光と第２分岐光との間の光路長差を調整する光路長差調整部としても作用する。
図３，４に示される変形例では、制御部３１は、試料側光学系（第１分岐光の光学系）の光路長および参照側光学系（第２分岐光の光学系）の光路長の双方を調整することができる。制御部３１は、ステージ６１またはステージ５３を駆動することにより光路長差を粗調整することができ、駆動素子２３を駆動することにより光路長差を微調整することができる。また、一般に、ステージの移動範囲が大きいのに対して駆動素子の移動範囲が小さいので、制御部３１は、ステージ６１またはステージ５３の駆動により試料側光学系の光路長を調整することで、駆動素子２３の駆動により光路調差が値０の近傍で可能となるようすることができる。
図５に示される比較例の干渉観察装置１００は、既存の顕微鏡装置のカメラポートにビームスプリッタ６２および光検出器６３を配置した干渉観察装置であり、図１に示される構成に対して、干渉光学装置２Ｄが光検出器１４および第１ビームスプリッタ１５を備えていない点で相違する。この比較例では、ビームスプリッタ１７により合波されて出力された合波光は、第１取付部１１の開口，対物レンズ取付部５１の開口，チューブレンズ５５およびビームスプリッタ６２を経て、撮像部５６および光検出器６３により受光される。合波光を受光した撮像部５６により干渉画像が取得される。また、合波光を受光した光検出器６３から検出信号が出力される。そして、光検出器６３から出力される検出信号に基づいて、干渉光学系における分岐から合波までの第１分岐光と第２分岐光との間の光路長差が制御される。
しかし、図５に示される比較例は、以下の点で好ましくない。すなわち、既存の顕微鏡装置では、チューブレンズ５５から撮像部５６の撮像面までの距離は、顕微鏡メーカーにより適切に設計されており、一般にチューブレンズ５５の焦点距離と等しくなるようにしている。また、撮像部５６の撮像面が接眼レンズ５７で見た時の像面と共役になるよう予め設計されている。しかし、撮像部５６側に光検出器６３を設ける場合、チューブレンズ５５と撮像部５６との間にビームスプリッタ６２を挿入することが必要となり、チューブレンズ５５の焦点距離と、チューブレンズ５５と撮像部５６との間の光学距離との間に不整合が生じる。また、この状態では、接眼レンズ５７で観察対象物にフォーカスした際に、撮像部５６の撮像面上ではフォーカスがずれているという問題も発生する。以上のことから、図５に示される比較例は好ましくない。
本実施形態では、干渉光学装置２の光源１３は、コヒーレント光源であってもよいし、インコヒーレント光源であってもよい。光源１３としてインコヒーレント光源を用いる場合、光路長差を制御して位相ロックおよび位相シフトを行なうことが必要である。何故なら、インコヒーレント光、例えば白色光の場合、光路長差がコヒーレンス長ΔＬＣ以下である場合に干渉が得られるからである。インコヒーレント光の中心波長をλ０とし、インコヒーレント光のスペクトル幅をΔλとすると、コヒーレンス長ΔＬＣは下記（１）式で表される。ＬＥＤの場合、コヒーレンス長ΔＬＣは１０μｍ程度である。ハロゲンランプの場合、コヒーレンス長ΔＬＣは１μｍ程度である。
本実施形態では、制御部３１が、合波光を受光した光検出器１４から出力された検出信号に基づいて駆動素子２３による光路長差調整動作を制御して、位相ロックおよび位相シフトを行なう。
なお、厳密には駆動素子２３による参照ミラー２１の移動は参照光学系２０の結像条件を乱してしまう。しかし、実際の参照ミラー２１のスキャン距離は、光の波長の半分程度であり、例えば光源１３として赤色ＬＥＤ（波長６１０ｎｍ）を用いた場合は高々３０５ｎｍである。この移動量は、レンズ２２（またはその同等品の対物レンズ）の焦点深度と同程度または有意に短い距離である。したがって、駆動素子２３により参照ミラー２１を移動させても、実質的に参照側光学系の結像条件は保たれているとみなして差し支えない。
実際の実験環境においては、振動対策をしてある実験台において１秒あたり１０ｎｍ程度の光路長の振動は避けられず、また、振動対策をしていない実験台では１秒あたり１００ｎｍ以上の光路長の擾乱が生じることは珍しくない。そこで、高精度な干渉イメージングにおいては、光路長差のロックは必要である。
位相ロックとしては、以下に説明する技術（以下「第１位相ロック技術」という。）を用いることができる。この位相ロック技術は、光源１３の出力光の波長に比べて十分小さい振幅で参照ミラー２１を正弦波的に高速に振動させ、そのときに光検出器１４から出力される検出信号を参照ミラー２１の振動周波数の１倍波および２倍波で同期検波することで、干渉光の位相を得るというものである。制御部３１は、この得られた位相値を目標値に近づけるべくフィードバック制御することで、光路長差をロックすることが可能となる。
制御部３１は、光検出器１４からのアナログ信号である検出信号を入力し、駆動素子２３を駆動制御するためのアナログ信号を出力する。制御部３１は、内部でアナログ処理をしてもよいしデジタル処理をしてもよい。後者の場合、例えば、制御部３１は、入力した検出信号をＡＤ変換してデジタル信号とし、そのデジタル信号を処理し、その処理により得られたデジタル信号をＤＡ変換してアナログ信号とし、そのアナログ信号を出力してもよい。デジタル信号の処理には、マイクロプロセッサやＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）が用いられてもよい。
光路長差に相当する位相差がΔφであるとき、光検出器１４が受光する光の強度Ｖは下記（２）式で表される。受光強度Ｖは、何れも未知数であるオフセット成分ＤＣおよび振幅ＡＣを含む。それ故、何等かの処理により、ＤＣおよびＡＣを含まない形で位相差Δφを抽出する必要がある。
光源１３の出力光の波長に比べて十分小さい振幅で駆動素子２３により参照ミラー２１を正弦波的に高速に振動させると、光検出器１４が受光する光の強度Ｖは下記（３）式で表される。αは、参照ミラー２１の振動の振幅に応じて決まる変調度である。ωは、振動の角周波数である。ｔは時間変数である。
この（３）式の右辺をフーリエ級数展開すると、近似式として下記（４）式が得られる。Ｊ１およびＪ２は第一種ベッセル関数である。（４ａ）式の右辺の第２項は振幅Ａωｔおよび角周波数ωで振動する。また、（４ａ）式の右辺の第３項は振幅Ａ２ωｔおよび角周波数２ωで振動する。したがって、光検出器１４から出力される検出信号を角周波数ωで同期検波することで振幅Ａωｔを得ることができ、検出信号を角周波数２ωで同期検波することで振幅Ａ２ωｔを得ることができる。
振幅Ａωｔと振幅Ａ２ωｔとの比は下記（５）式で表される。また、ＡＣは合波光の干渉強度を表しており、その干渉強度ＡＣは下記（６）式で表される。参照ミラー２１の振動の振幅が一定であるので、その振幅に基づいてＪ１(α)およびＪ２(α)を求めることができる。（５）式に基づいて光路長差に応じた位相差Δφを求めることができ、（６）式に基づいて干渉強度ＡＣをも求めることができる。制御部３１は、以上のような処理を行なう為に、同期検波回路，加算回路および乗除算回路を含む。
本実施形態は、インコヒーレント光を用いて位相ロックを行なうものである。従来では、インコヒーレント光の可干渉性が低いので、これを位相ロックに用いることは難しかった。しかし、本実施形態では、インコヒーレント光の干渉強度ＡＣを求めることによって、作業者に光学系の干渉状態を最適化するよう促すことができる。すなわち、干渉計の光路長差が光のコヒーレンス長に比べて十分に大きいとき、干渉強度ＡＣはゼロに近づく。干渉計の光路長差がゼロであるときに干渉強度ＡＣは最大値を取る。干渉強度ＡＣを求めて、この干渉強度ＡＣが大きくなるように光路長差を調整することができる。
"spatial filtering detector" を用いた位相ロック技術（以下「第２位相ロック技術」という。）も採用可能である。この技術では、光検出器１４として、１次元方向に複数の画素が配列されたラインセンサまたは１次元方向に配列された複数の光検出器を用いる。以下では、等間隔に配列された４個の光検出器を用いる場合について説明する。測定側光学系および参照側光学系の双方または何れか一方に傾きを与えることで干渉縞が現れるようにし、この状態において４個の光検出器の受光強度Ｖ1〜Ｖ4が下記（７）式となるように干渉縞の傾きを調整する。
測定側光学系および参照側光学系の双方または何れか一方に傾きを与えるために、例えば、試料保持台５２または参照ミラー２１を傾斜させてもよいし、何れかのレンズを傾けてもよいし、また、所定方向に沿って厚みが異なる楔形状のプリズムを光路上に挿入してもよい。
この受光強度Ｖ1〜Ｖ4から下記（８）式によりＡ1，Ａ2が求められ、下記（９）式によりＡ1とＡ2との比が求められる。また、干渉強度ＡＣは下記（１０）式で表される。これらの式から、光路長差に応じた位相差Δφを求めることができ、干渉強度ＡＣをも求めることができる。制御部３１は、以上のような処理を単純な電気回路系で実現できることができる。
制御部３１は、このようにして光路長差に応じた位相差を求めるとともに干渉強度を求め、駆動素子２３による光路長差調整動作を制御して、求めた干渉強度に基づいて光路長差を小さくするとともに、求めた位相差に基づいて光路長差を一定に維持する。なお、光路長差の調整に際して、ステージ５３および駆動素子２３の何れを制御してもよいが、ステージ５３の制御により光路長差を粗調整することができ、駆動素子２３の制御により光路長差を微調整することができる。
求めた干渉強度に基づいて光路長差を小さくする際に、自動的にステージ５３を移動させてもよい。また、利用者に干渉強度を通知して、利用者の操作によりステージ５３を移動させてもよい。例えば、制御部３１の表示部、または、これとは別に設けた表示部に、干渉強度を表示させて、干渉強度を利用者に知らせる。表示部は、ディスプレイ、ＬＥＤバー、アナログパネルメーター、デジタルパネルメーターなどの視覚的なものであってもよいし、干渉強度に応じた大きさの音を出力するブザーやスピーカーなどの聴覚的なものであってもよいし、また、干渉強度に応じた大きさの振動を利用者に与えるバイブレータなどの触覚的なものであってもよい。利用者は、表示部に表示された干渉強度が大きくなるように、ステージ５３を対物レンズ７０の光軸方向に移動させる。図７は、表示部（ディスプレイ）に表示される情報の一例を示す図である。この例では、干渉強度は、数値、バー、および、時間的変化を示すグラフの３つの態様で同時に表示されている。また、この例では、干渉画像および位相画像（後述）も表示されている。
干渉強度を大きくする際に、光路長差を最小化することが好適である。ただし、試料側光学系および参照側光学系の何れかの結像系のフォーカスや光軸がずれている場合にも干渉強度が小さくなる。したがって、干渉強度を大きくするには、第１に光路長差を調整して小さくするとともに、試料側光学系および参照側光学系それぞれの結像系のフォーカスや光軸の調整をも行なう。例えば、干渉強度を大きくするためにステージ２４によりレンズ２２をその光軸方向に移動させてもよい。この場合、参照ミラー２１に対するレンズ２２の焦点位置を最適に調整でき、干渉強度を大きくすることができる。
干渉強度を最大化するアルゴリズムとしては、干渉強度を記録しながら調整機構（光路長差、フォーカス、光軸）のうちの１つを一方向に動かして行き、最適な位置を通り過ぎて干渉強度が下がり始めたら調整機構を逆方向に動かし、一方向のスキャン中に得られた最大強度の誤差数％以内の干渉強度が得られた地点を最適値とみなすという方法が考えられる。調整箇所が複数ある場合は、このような最適値の探索をそれぞれの調整箇所について順番に行い、調整が一巡したら必要に応じてもう一巡もしくは数回調整を繰り返すことで、光学系全体としての最適な状態を実現する、というアルゴリズムが考えられる。
また、干渉強度を最大化する方法として、断続的に位相ロックをかけながら、調整機構（光路長差、フォーカス、光軸）のうちの１つもしくは複数を移動させてもよい。たとえば、利用者の操作によりステージ２５を移動させながら干渉強度を最大化する場合、ステージ２５を含む光学系の機械的な要因により、実際の移動量は振動をともなったものとなる。そこで、図１３に示すように、位相ロックのＯＮ及びＯＦＦを繰り返しながら、干渉光学系を調整するようにすれば、断続的に光路長差が安定化される。図１３は、干渉強度を最大化する方法を説明する図である。この図は、ステージ２５の移動量、光路長差、ピエゾ素子２３の伸長長さ、位相ロックのＯＮ／ＯＦＦおよび合波光の露光のＯＮ／ＯＦＦそれぞれの時間的変化を示している。
このように断続的に位相ロックを行いながら干渉光学系を調整する場合、位相ロックのＯＮ及びＯＦＦに合わせて、撮像部５６による合波光の露光のＯＮ及びＯＦＦを行ってもよい。この場合、撮像部５６の露光期間が位相ロックのＯＮ期間に含まれるように、撮像部５６は制御される。例えば、制御部３１は、撮像部５６の露光期間が位相ロックのＯＮ期間に含まれるように、撮像部５６の撮像を制御する。そのため、作業者は、干渉光学系を調整しながら、定期的に位相ロックがＯＮの状態の干渉画像を確認できるので、機械的要因の影響を受けずに、干渉画像を確認することができる。
断続的に位相ロックを行いながら調整機構を移動させ、位相ロックがかかっているタイミングでの干渉画像を表示させる場合、各断続的位相ロックにおいて目標とする位相差を毎回同じ値にするのが望ましい。この場合、それぞれの位相ロックのＯＮ期間において、光路長差ＬはＬ＝ΔＬ＋Ｎλ（Ｎは整数、λは光源の中心波長、ΔＬは位相差に対応するオフセット光路長差）に安定化される。それ故、光路長差を調整していながらも、各干渉画像の撮像タイミングにおいては相対的な位相差が一定となる。これにより、干渉縞のパターンがほぼ同一であり、コントラストのみが異なる画像を順次取得することが可能となる。干渉強度を最大化させるという目的のために必要な情報は、干渉縞の位相ではなく干渉縞のコントラストであるので、コントラストのみ異なる干渉画像を観察しながら調整機構を移動させることは、干渉縞が変化している状態で調整機構を移動させることと比べて、作業者にとって作業の負担が少ない。
このように、干渉縞のコントラストは、副次的な干渉強度情報として有用である。また、光路長差のブレは、光路長差に直接関与しないフォーカスや光軸の調整においても、副次的に発生する。断続的に位相ロックを行いながら調整機構を移動させる方法は、フォーカスや光軸の調整においても有効である。
位相ロックがＯＮとなる期間と、位相ロックがＯＦＦとなる期間との配分、および、位相ロックのＯＮ及びＯＦＦが繰り返される周期は、適切に設定される必要がある。まず、位相ロックがＯＮとなる期間が短すぎると、位相ロックを安定化させるために不十分となり、また、撮像部５６による露光を行うにあたっても露光時間が不足する。そこで、位相ロック機構については、１ミリ秒〜５ミリ秒程度の遷移時間（光学系の機械的要因に依存する）で光路長を安定化させることができるので、位相ロックがＯＮとなる期間は少なくとも１ミリ秒より長いことが望ましい。ただし、反射率の低いサンプル（たとえばガラス表面など）を観察する場合は、干渉縞を十分な光量で撮像できるだけの時間幅を取ることが望ましく、撮像部５６の露光期間の観点から、少なくとも２０ミリ秒より長いことが望ましい。
一方、位相ロックがＯＮとなる期間が長すぎても問題になる場合がある。位相ロックのＯＮ及びＯＦＦが繰り返される周期は、位相ロックがＯＮとなる期間の逆数より小さくできない。たとえば、位相ロックがＯＮとなる期間が５秒であれば、当然ながら位相ロックのＯＮ及びＯＦＦが繰り返される周期も５秒より長くなくてはならない。この場合、干渉画像が表示される周期も５秒より長くなるので、作業者の操作性を損なうこととなる。更には、位相ロックがＯＮとなる期間が長い場合、ピエゾ素子２３の伸長範囲に関係した問題も生じる。位相ロックがＯＮとなっている間、調整機構（光路長差、フォーカス、光軸）の移動による光路長変化を打ち消すべく、フィードバック制御によりピエゾ素子２３の伸長距離が調整されるが、フィードバック制御に用いうるピエゾ素子２３の伸長範囲はたかだか±８μｍ程度であり、調整機構（光路長差、フォーカス、光軸）の移動による光路長変化がこの範囲を越えた場合、フィードバック制御がかからなくなる。これらのことから、位相ロックがＯＮとなる期間は、たとえば３秒以下が望ましい。
また、位相ロックのＯＮ及びＯＦＦが繰り返される周期に関しては、干渉画像が表示される周期と同一となるので、作業者の操作性を損なわないためには、３秒間よりも短いことが望ましい。位相ロックがＯＮとなる期間と、位相ロックのＯＮ及びＯＦＦが繰り返される周期とが好適に設定されれば、自動的に位相ロックがＯＦＦとなる期間の時間幅も求められることとなる。
図１３は、断続的に位相ロックを行いながら光路長を調整する場合のタイミングチャートを示すとともに、各期間の長さの具体的数値をも示す。位相ロックがＯＮとなる期間を２０ミリ秒とし、位相ロックのＯＮ及びＯＦＦが繰り返される周期を２００ミリ秒とした。この変形例では、２００ミリ秒間隔で、干渉画像を安定的に得ることができる。
なお、位相ロックがＯＦＦとなる期間を３０ミリ秒以下としてもよい。位相ロックがＯＦＦとなる期間では干渉画像が取得されないので、位相ロックがＯＦＦとなる期間が３０ミリ秒より大きいと、作業者にとってスムーズな干渉画像の切り替えが行われないので観察しにくい。それ故、位相ロックがＯＦＦとなる期間を３０ミリ秒以下とすることで、作業者にとってスムーズな干渉画像の切り替えを行うことができる。なお、位相ロックがＯＦＦとなる期間及びＯＮとなる期間を設定し、位相ロックのＯＮ及びＯＦＦが繰り返される周期を算出してもよいし、位相ロックがＯＦＦとなる期間及び位相ロックのＯＮ及びＯＦＦが繰り返される周期を設定し、位相ロックがＯＮとなる期間を設定してもよい。
また、図１４に示されるように、断続的な位相ロックに合わせて位相シフトを行ってもよい。図１４は、干渉強度を最大化する他の方法を説明する図である。この図も、ステージ２５の移動量、光路長差、ピエゾ素子２３の伸長長さ、位相ロックのＯＮ／ＯＦＦおよび合波光の露光のＯＮ／ＯＦＦそれぞれの時間的変化を示している。この図に示されるタイミングチャートにおいては、各位相ロック期間中に位相シフトを行っている。具体的には、複数（図１４では４回）の位相ロックのＯＮ期間が停滞期間を挟んで断続的に設けられ、各位相ロック期間中に位相シフトが実施される。その後、位相ロックのＯＦＦ期間が設けられ、再び複数の位相ロック期間が停滞時間を挟んで断続的に設けられ、再び各位相ロック期間中に位相シフトが実施される。位相シフト法としては、よく知られた４分のラムダ位相シフト法を用いることが望ましい。図１４に示す方法で、断続的に位相ロックを行いながら光路長差を調整することで、光路長差を調整しながらも、２００ミリ秒間隔で干渉画像および位相画像が得られることとなる。
次に、他の実施形態について説明する。図６は、他の実施形態の干渉観察装置１Ｅの構成を示す図である。干渉観察装置１Ｅは、干渉光学装置２Ｅ、顕微鏡筐体５０、対物レンズ取付部５１、試料保持台５２、ステージ５３，５４、チューブレンズ５５、撮像部５６、接眼レンズ５７、照明用光源５８、ビームスプリッタ５９および対物レンズ７０を備える。また、干渉光学装置２Ｅは、筐体１０、第１取付部１１、第２取付部１２、光検出器１４、第２レンズ１６、第２ビームスプリッタ１７、参照ミラー２１、第１レンズ２２、駆動素子２３、ステージ２４，２５および制御部３１を備える。
図２に示された干渉観察装置１Ａの構成と比較すると、図６に示される干渉観察装置１Ｅは、干渉光学装置２に替えて干渉光学装置２Ｅを備える点で相違する。干渉観察装置１Ｅにおいても同様に、開口を有する対物レンズ取付部５１に取り付けられる対物レンズ７０を経た光を撮像する撮像部５６および照明用光源５８を含む顕微鏡装置において、対物レンズ取付部５１と対物レンズ７０との間に干渉光学装置２Ｅの筐体１０が配置された構成を有する。
図２に示された干渉光学装置２の構成と比較すると、図６に示される干渉光学装置２Ｅは、光源１３および第１ビームスプリッタ１５を備えていない点で相違する。干渉光学装置２Ｅの筐体１０に、第１取付部１１、第２取付部１２、光検出器１４、第２レンズ１６、第２ビームスプリッタ１７、参照ミラー２１、第１レンズ２２、駆動素子２３およびステージ２４，２５が保持されている。これらのうち光検出器１４および駆動素子２３は、制御部３１と電気的に接続されている。干渉光学装置２Ｅの第１取付部１１は、顕微鏡装置の対物レンズ取付部５１の開口と光学的に結合される開口を有する。干渉光学装置２Ｅの第２取付部１２は、対物レンズ７０と光学的に結合される開口を有する。
干渉観察装置１Ｅは、以下のように動作する。照明用光源５８から出力された光は、ビームスプリッタ５９により反射されて、対物レンズ取付部５１の開口および干渉光学装置２Ｅの第１取付部１１の開口を経て、ビームスプリッタ１７により分岐されて第１分岐光および第２分岐光とされる。第１分岐光は、試料側光学系を経てビームスプリッタ１７に帰還する。第２分岐光は、参照側光学系を経てビームスプリッタ１７に帰還する。これらの第１分岐光および第２分岐光は、ビームスプリッタ１７により合波される。その合波光は、光検出器１４により受光されるともに、第１取付部１１の開口，対物レンズ取付部５１の開口，ビームスプリッタ５９およびチューブレンズ５５を経て撮像部５６により受光される。合波光を受光した撮像部５６により干渉画像が取得される。また、合波光を受光した光検出器１４から検出信号が出力される。そして、制御部３１により、光検出器１４から出力される検出信号に基づいて、干渉光学系における分岐から合波までの第１分岐光と第２分岐光との間の光路長差が制御される。
このような構成を有する干渉光学装置２Ｅは、光源１３および第１ビームスプリッタ１５を備えていないことにより、小型で安価なものとすることができる。一般に顕微鏡装置はインコヒーレント光を出力する照明用光源を備えているので、この干渉光学装置２Ｅを取り付けることで安価に干渉観察装置１Ｅを構成することができる。
次に、干渉観察装置１の実施例について説明する。図１に示される構成を用いた。光源１３として波長６１０ｎｍのＬＥＤを用いた。光検出器１４としてフォトダイオードを用いた。また、撮像部５６としてＣＣＤエリアイメージセンサを搭載したカメラを用いた。
観察対象物として、ハーフミラーで形成された保持基板の上に子宮頚部がん由来のＨｅＬａ細胞を培養してエタノール固定したものを用いた。観察時は、この細胞の上に純水を数滴たらし、その上にカバーガラスをかぶせ、上方から対物レンズ７０で細胞を観察した。
駆動素子２３としてピエゾ素子を用い、ピエゾ素子による参照ミラー２１の振動の角周波数ωを２.３ｋＨｚとした。制御部３１により、光検出器１４から出力された検出信号のうち２.３ｋＨｚ成分および４.６ｋＨｚ成分を同期検波した。この同期検波結果に基づいて上記（５）式から位相差Δφを求め、この位相差Δφに基づいて駆動素子２３による参照ミラー２１の振動の中心位置をフィードバック制御して、位相ロックおよび位相シフトを行なった。
図８は、フィードバック制御を行わなかった場合の位相の時間的変化を示すグラフである。図９は、フィードバック制御を行った場合の位相の時間的変化を示すグラフである。フィードバック制御を行わなかった場合（図８）には、秒間１０ｎｍ程度の光路長のドリフトが認められる。これに対して、フィードバック制御を行った場合（図９）には、正確にπ／２ずつの位相シフトおよび位相ロックが実現されている。
図１０および図１１は、位相シフトおよび位相ロックを行なって取得された干渉画像を示す図である。図１０（ａ）に示される干渉画像Ｉ1(x,y)に対し、図１０（ｂ）に示される干渉画像Ｉ2(x,y)はπ／２だけ位相が異なり、図１１（ａ）に示される干渉画像Ｉ3(x,y)はπだけ位相が異なり、図１１（ｂ）に示される干渉画像Ｉ4(x,y)は３π／２だけ位相が異なる。これらの干渉画像Ｉ1〜Ｉ4から下記（１１）式で定量位相画像Ψ(x,y)が求められた。なお、ｘ、ｙは、各画像における位置を示す変数である。このΨ(x,y)を位相アンラッピングし、ゼルニケ多項式を用いたシェーディング補正の計算によって背景の歪み成分を平坦化すると、図１２に示される定量位相画像が得られた。
次に、本実施形態の効果について説明する。本実施形態では、干渉光学装置２において筐体１０およびこれに保持される光学部品が一体化されているので、この干渉光学装置２を備える干渉観察装置１において容易に光学調整することができて、安価な構成で観察対象物の干渉画像を取得することができる。図１，３，４に示される構成では、光源として１つけだけ備えているので、安価に構成することができ、また、装置の組み立てや搬送後等の再調整の際に容易にセットアップを行なうことができる。
また、インコヒーレント光を用いて干渉画像を取得する場合には、その取得される干渉画像は、スペックルや回折ノイズが抑制された良好な画質を有することができる。また、正確な位相ロックおよび位相シフトが可能であるので、光路長差の高速掃引や高速撮像を必要とせず、また、高強度光を観察対象物に照射することなく、定量性に優れた干渉画像を取得することができる。
本発明の一側面に係る干渉光学装置、干渉観察装置および干渉観察方法は、上記した実施形態および構成例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。
本発明の一側面に係る干渉光学装置は、開口を有する対物レンズ取付部に取り付けられる対物レンズを経た光を撮像する撮像部を含む顕微鏡装置において対物レンズ取付部と対物レンズとの間に配置される干渉光学装置であって、(1) 対物レンズ取付部の開口と光学的に結合される開口を有する第１取付部と、(2) 対物レンズと光学的に結合される開口を有する第２取付部と、(3) 光を出力する光源と、(4) 合波光を受光して検出信号を出力する光検出器と、(5) 光源及び光検出器と光学的に結合し、光源から出力された光を入力して該光を所定方向に沿って出力するとともに、合波光を入力して該合波光を光検出器へ出力する第１ビームスプリッタと、(6) 第１ビームスプリッタと光学的に結合し、第１ビームスプリッタから出力された光を分岐して第１分岐光および第２分岐光とし、対物レンズを介して第１分岐光を観察対象物に照射して該観察対象物で反射された第１分岐光を入力するとともに、参照光路を経た第２分岐光を入力し、これら入力された第１分岐光と第２分岐光とを合波して当該合波光を第１取付部の開口および第１ビームスプリッタへ出力する第２ビームスプリッタと、(7) 第２ビームスプリッタと光学的に結合するとともに参照光路上に設けられ、第２ビームスプリッタから出力された第２分岐光を集光する第１レンズと、第１レンズにより集光された第２分岐光を第１レンズへ反射する参照ミラーと、第１レンズの光軸方向に参照ミラーを移動させるミラー移動部と、を含む参照光学系と、(8) 第１取付部，第２取付部，光源，光検出器，第１ビームスプリッタ，第２ビームスプリッタおよび参照光学系を保持する筐体と、を備える。
本発明の一側面に係る干渉光学装置は、第１ビームスプリッタと第２ビームスプリッタとの間の光路上に設けられた第２レンズを更に備え、第１取付部が対物レンズ取付部に光学的に結合され、第２取付部に対物レンズが光学的に結合された状態において、撮像部の撮像面と観察対象物とが互いに光学的に共役となるようにフォーカスを調整した際に、第２レンズが、光検出器の位置が撮像部の撮像面および観察対象物の双方と光学的に共役となる位置に配置されているのが好適である。また、光源がインコヒーレントな光を出力するのが好適である。
顕微鏡装置が照明用光源を含む場合、本発明の一側面に係る干渉光学装置において、第２ビームスプリッタが、第１ビームスプリッタと光学的に結合するとともに、対物レンズ取付部の開口および第１取付部の開口を介して照明用光源と光学的に結合し、第１ビームスプリッタから出力された光および照明用光源から出力された光の双方を分岐して第１分岐光および第２分岐光とするのが好適である。
本発明の一側面に係る干渉光学装置は、開口を有する対物レンズ取付部に取り付けられる対物レンズを経た光を撮像する撮像部および照明用光源を含む顕微鏡装置において対物レンズ取付部と対物レンズとの間に配置される干渉光学装置であって、(1) 対物レンズ取付部の開口と光学的に結合される開口を有する第１取付部と、(2) 対物レンズと光学的に結合される開口を有する第２取付部と、(3) 合波光を受光して検出信号を出力する光検出器と、(4) 対物レンズ取付部の開口および第１取付部の開口を介して照明用光源と光学的に結合し、照明用光源から出力された光を分岐して第１分岐光および第２分岐光とし、対物レンズを介して第１分岐光を観察対象物に照射して観察対象物で反射された第１分岐光を入力するとともに、参照光路を経た第２分岐光を入力し、これら入力された第１分岐光と第２分岐光とを合波して合波光を第１取付部の開口および光検出器へ出力する第２ビームスプリッタと、(5) 第２ビームスプリッタと光学的に結合するとともに参照光路上に設けられ、第２ビームスプリッタから出力された第２分岐光を集光する第１レンズと、第１レンズにより集光された第２分岐光を第１レンズへ反射する参照ミラーと、第１レンズの光軸方向に参照ミラーを移動させるミラー移動部と、を含む参照光学系と、(6) 第１取付部，第２取付部，光検出器，第２ビームスプリッタおよび参照光学系を保持する筐体と、を備える構成でもよい。
本発明の一側面に係る干渉光学装置は、検出信号に基づいて、第２ビームスプリッタにおける分岐から合波までの第１分岐光と第２分岐光との間の光路長差に応じた位相差を求め、この求めた位相差に基づいてミラー移動部を駆動して光路長差を制御する制御部を更に備えるのが好適である。制御部が、検出信号に基づいて合波光の干渉強度を求め、この求めた干渉強度が大きくなるように光路長差を調整するのが好適である。また、制御部が、検出信号に基づいて合波光の干渉強度を求め、この求めた干渉強度が大きくなるように第１レンズの光軸方向における第１レンズの位置を調整するのが好適である。また、制御部が、対物レンズと観察対象物との間の距離を調整して観察対象物に対する対物レンズの焦点位置を制御するのが好適である。
本発明の一側面に係る干渉観察装置は、開口を有する対物レンズ取付部に取り付けられる対物レンズを経た光を撮像する撮像部を含む顕微鏡装置と、上記の本発明の干渉光学装置と、を備え、干渉光学装置の筐体およびこれに保持される光学部品が対物レンズ取付部と対物レンズとの間に配置され、対物レンズ取付部と第１取付部とが互いに光学的に結合されているとともに、対物レンズと第２取付部とが互いに光学的に結合されている。
本発明の一側面に係る干渉観察方法は、開口を有する対物レンズ取付部に取り付けられる対物レンズを経た光を撮像する撮像部を含む顕微鏡装置において対物レンズ取付部と対物レンズとの間に上記の本発明の干渉光学装置を配置して、対物レンズ取付部と第１取付部とを互いに光学的に結合するとともに、対物レンズと第２取付部とを互いに光学的に結合し、検出信号に基づいて、第２ビームスプリッタにおける分岐から合波までの第１分岐光と第２分岐光との間の光路長差に応じた位相差を求め、この求めた位相差に基づいてミラー移動部を駆動して光路長差を制御し、撮像部を用いて干渉画像を取得する。本発明の干渉観察方法は、検出信号に基づいて合波光の干渉強度を求め、この求めた干渉強度が大きくなるように光路長差を調整するのが好適である。また、検出信号に基づいて合波光の干渉強度を求め、この求めた干渉強度が大きくなるように第１レンズの光軸方向における第１レンズの位置を調整する。また、対物レンズと観察対象物との間の距離を調整して観察対象物に対する対物レンズの焦点位置を制御するのが好適である。
本発明の一側面は、容易に光学調整することができて安価な構成で観察対象物の干渉画像を取得することができる干渉観察装置および干渉観察方法として利用可能である。
１，１Ａ〜１Ｅ…干渉観察装置、２，２Ｅ…干渉光学装置、１０…筐体、１１…第１取付部、１２…第２取付部、１３…光源、１４…光検出器、１５…第１ビームスプリッタ、１６…第２レンズ、１７…第２ビームスプリッタ、２１…参照ミラー、２２…第１レンズ、２３…駆動素子（ピエゾ素子）、２４，２５…ステージ、３１…制御部、５０…顕微鏡筐体、５１…対物レンズ取付部、５２…試料保持台、５３，５４…ステージ、５５…チューブレンズ、５６…撮像部、５７…接眼レンズ、５８…照明用光源、５９…ビームスプリッタ、６０…分割光学素子、６１…ステージ、６２…ビームスプリッタ、６３…光検出器、７０…対物レンズ。
Claims (14)
- 開口を有する対物レンズ取付部に取り付けられる対物レンズを経た光を撮像する撮像部を含む顕微鏡装置において前記対物レンズ取付部と前記対物レンズとの間に配置される干渉光学装置であって、
前記対物レンズ取付部の開口と光学的に結合される開口を有する第１取付部と、
前記対物レンズと光学的に結合される開口を有する第２取付部と、
光を出力する光源と、
合波光を受光して検出信号を出力する光検出器と、
前記光源及び前記光検出器と光学的に結合し、前記光源から出力された光を入力して該光を所定方向に沿って出力するとともに、前記合波光を入力して該合波光を前記光検出器へ出力する第１ビームスプリッタと、
前記第１ビームスプリッタと光学的に結合し、前記第１ビームスプリッタから出力された光を分岐して第１分岐光および第２分岐光とし、前記対物レンズを介して前記第１分岐光を観察対象物に照射して前記観察対象物で反射された前記第１分岐光を入力するとともに、参照光路を経た前記第２分岐光を入力し、これら入力された前記第１分岐光と前記第２分岐光とを合波して前記合波光を前記第１取付部の開口および前記第１ビームスプリッタへ出力する第２ビームスプリッタと、
前記第２ビームスプリッタと光学的に結合するとともに前記参照光路上に設けられ、前記第２ビームスプリッタから出力された前記第２分岐光を集光する第１レンズと、前記第１レンズにより集光された前記第２分岐光を前記第１レンズへ反射する参照ミラーと、前記第１レンズの光軸方向に前記参照ミラーを移動させるミラー移動部と、を含む参照光学系と、
前記第１取付部，前記第２取付部，前記光源，前記光検出器，前記第１ビームスプリッタ，前記第２ビームスプリッタおよび前記参照光学系を保持する筐体と、
を備える干渉光学装置。 - 前記第１ビームスプリッタと前記第２ビームスプリッタとの間の光路上に設けられた第２レンズを更に備え、
前記第１取付部が前記対物レンズ取付部に光学的に結合され、前記第２取付部に前記対物レンズが光学的に結合された状態において、前記撮像部の撮像面と前記観察対象物とが互いに光学的に共役となるようにフォーカスを調整した際に、前記第２レンズが、前記光検出器の位置が前記撮像部の撮像面および前記観察対象物の双方と光学的に共役となる位置に配置されている、
請求項１に記載の干渉光学装置。 - 前記光源がインコヒーレントな光を出力する、
請求項１または２に記載の干渉光学装置。 - 前記顕微鏡装置が照明用光源を含み、
前記第２ビームスプリッタが、前記第１ビームスプリッタと光学的に結合するとともに、前記対物レンズ取付部の開口および前記第１取付部の開口を介して前記照明用光源と光学的に結合し、前記第１ビームスプリッタから出力された光および前記照明用光源から出力された光の双方を分岐して第１分岐光および第２分岐光とする、
請求項１〜３の何れか１項に記載の干渉光学装置。 - 開口を有する対物レンズ取付部に取り付けられる対物レンズを経た光を撮像する撮像部および照明用光源を含む顕微鏡装置において前記対物レンズ取付部と前記対物レンズとの間に配置される干渉光学装置であって、
前記対物レンズ取付部の開口と光学的に結合される開口を有する第１取付部と、
前記対物レンズと光学的に結合される開口を有する第２取付部と、
合波光を受光して検出信号を出力する光検出器と、
前記対物レンズ取付部の開口および前記第１取付部の開口を介して前記照明用光源と光学的に結合し、前記照明用光源から出力された光を分岐して第１分岐光および第２分岐光とし、前記対物レンズを介して前記第１分岐光を観察対象物に照射して前記観察対象物で反射された前記第１分岐光を入力するとともに、参照光路を経た前記第２分岐光を入力し、これら入力された前記第１分岐光と前記第２分岐光とを合波して前記合波光を前記第１取付部の開口および前記光検出器へ出力する第２ビームスプリッタと、
前記第２ビームスプリッタと光学的に結合するとともに前記参照光路上に設けられ、前記第２ビームスプリッタから出力された前記第２分岐光を集光する第１レンズと、前記第１レンズにより集光された前記第２分岐光を前記第１レンズへ反射する参照ミラーと、前記第１レンズの光軸方向に前記参照ミラーを移動させるミラー移動部と、を含む参照光学系と、
前記第１取付部，前記第２取付部，前記光検出器，前記第２ビームスプリッタおよび前記参照光学系を保持する筐体と、
を備える干渉光学装置。 - 前記検出信号に基づいて、前記第２ビームスプリッタにおける分岐から合波までの前記第１分岐光と前記第２分岐光との間の光路長差に応じた位相差を求め、この求めた位相差に基づいて前記ミラー移動部を駆動して前記光路長差を制御する制御部を更に備える、
請求項１〜５の何れか１項に記載の干渉光学装置。 - 前記制御部が、前記検出信号に基づいて前記合波光の干渉強度を求め、この求めた干渉強度が大きくなるように前記光路長差を調整する、
請求項６に記載の干渉光学装置。 - 前記制御部が、前記検出信号に基づいて前記合波光の干渉強度を求め、この求めた干渉強度が大きくなるように前記第１レンズの光軸方向における前記第１レンズの位置を調整する、
請求項６に記載の干渉光学装置。 - 前記制御部が、前記対物レンズと前記観察対象物との間の距離を調整して前記観察対象物に対する前記対物レンズの焦点位置を制御する、
請求項６〜８のいずれか１項に記載の干渉光学装置。 - 開口を有する対物レンズ取付部に取り付けられる対物レンズを経た光を撮像する撮像部を含む顕微鏡装置と、
請求項１〜９の何れか１項に記載の干渉光学装置と、
を備え、
前記干渉光学装置の前記筐体およびこれに保持される光学部品が前記対物レンズ取付部と前記対物レンズとの間に配置され、前記対物レンズ取付部と前記第１取付部とが互いに光学的に結合されているとともに、前記対物レンズと前記第２取付部とが互いに光学的に結合されている、
干渉観察装置。 - 開口を有する対物レンズ取付部に取り付けられる対物レンズを経た光を撮像する撮像部を含む顕微鏡装置において前記対物レンズ取付部と前記対物レンズとの間に請求項１〜５の何れか１項に記載の干渉光学装置を配置して、前記対物レンズ取付部と前記第１取付部とを互いに光学的に結合するとともに、前記対物レンズと前記第２取付部とを互いに光学的に結合し、
前記検出信号に基づいて、前記第２ビームスプリッタにおける分岐から合波までの前記第１分岐光と前記第２分岐光との間の光路長差に応じた位相差を求め、この求めた位相差に基づいて前記ミラー移動部を駆動して前記光路長差を制御し、
前記撮像部を用いて干渉画像を取得する、
干渉観察方法。 - 前記検出信号に基づいて前記合波光の干渉強度を求め、この求めた干渉強度が大きくなるように前記光路長差を調整する、
請求項１１に記載の干渉観察方法。 - 前記検出信号に基づいて前記合波光の干渉強度を求め、この求めた干渉強度が大きくなるように前記第１レンズの光軸方向における前記第１レンズの位置を調整する、
請求項１１に記載の干渉観察方法。 - 前記対物レンズと前記観察対象物との間の距離を調整して前記観察対象物に対する前記対物レンズの焦点位置を制御する、
請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の干渉観察方法。
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