WO2016121249A1 - 干渉光学装置、干渉観察装置および干渉観察方法 - Google Patents

干渉光学装置、干渉観察装置および干渉観察方法 Download PDF

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interference
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beam splitter
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豊彦 山内
秀直 山田
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浜松ホトニクス株式会社
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    • G01B9/0203—With imaging systems
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Definitions

  • the present invention relates to an interference optical device, an interference observation device including the interference optical device, and an interference observation method using the interference optical device.
  • Patent Document 1 As an interference observation apparatus that acquires an interference image of an observation object, one disclosed in Patent Document 1 is known.
  • This interference observation apparatus uses an optical system of a Michelson interferometer to split incoherent light output from a first light source into first branched light and second branched light. Reflected by the observation object, the first branched light and the second branched light are combined, and an image of interference light generated by the combination is acquired.
  • this interference observation apparatus feedback-controls the optical path length difference between the two optical paths in the Michelson interferometer based on the detection result of the interference light using the second light source that outputs coherent laser light.
  • phase lock A technique for maintaining a constant optical path length difference between two optical paths in the interferometer by feedback control based on the interference light detection result. Further, a technique for changing the value of the optical path length difference maintained by the phase lock by the feedback control is referred to as “phase shift”.
  • Patent Document 1 The interference observation apparatus disclosed in Patent Document 1 is not easy to adjust optically and costs increase when individual parts are prepared and assembled.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and can be suitably used in an interference observation apparatus that can be optically adjusted easily and can be configured at low cost. It is an object of the present invention to provide an interference optical device and an interference observation method using such an interference optical device.
  • An interference optical device is disposed between an objective lens mounting portion and an objective lens in a microscope apparatus including an imaging unit that images light that has passed through an objective lens that is attached to an objective lens mounting portion having an opening.
  • a first mounting portion having an opening optically coupled to the opening of the objective lens mounting portion; and (2) a second having an opening optically coupled to the objective lens.
  • a first beam splitter that inputs the output light and outputs the light along a predetermined direction, and inputs the combined light and outputs the combined light to a photodetector; (6) a first beam splitter; Optically coupled, the light output from the first beam splitter
  • the first branched light and the second branched light are split, and the first branched light is irradiated to the observation object through the objective lens, and the first branched light reflected by the observation object is input, and the reference optical path
  • the second branched light that has passed through the second branched light, and the input first branched light and the second branched light are combined to output the combined light to the opening of the first mounting portion and the first beam splitter.
  • a splitter (7) a first lens that is optically coupled to the second beam splitter and is provided on the reference optical path and collects the second branched light output from the second beam splitter, and is collected by the first lens.
  • a reference optical system including a reference mirror that reflects the emitted second branched light to the first lens, and a mirror moving unit that moves the reference mirror in the optical axis direction of the first lens; and (8) a first mounting unit.
  • Second mounting part light source, photodetector, first beam spring Comprising data, a housing for holding the second beam splitter and the reference optical system, the.
  • An interference observation apparatus includes a microscope apparatus that includes an imaging unit that images light that has passed through an objective lens that is attached to an objective lens mounting part having an opening, and the interference optical apparatus according to the present invention.
  • the housing of the interference optical device and the optical component held by the interference optical device are disposed between the objective lens mounting portion and the objective lens, and the objective lens mounting portion and the first mounting portion are optically coupled to each other.
  • the objective lens and the second mounting portion are optically coupled to each other.
  • An interference observation method includes a microscope apparatus including an imaging unit that captures light that has passed through an objective lens attached to an objective lens attachment unit having an opening.
  • the interference optical device of the present invention is arranged to optically couple the objective lens mounting portion and the first mounting portion to each other, and to optically couple the objective lens and the second mounting portion to each other, based on the detection signal. Then, a phase difference corresponding to the optical path length difference between the first branched light and the second branched light from the branching to the multiplexing in the second beam splitter is obtained, and the mirror moving unit is driven based on the obtained phase difference. Then, the optical path length difference is controlled, and an interference image is acquired using the imaging unit.
  • an interference image of an observation object can be acquired with an inexpensive configuration that can be easily optically adjusted.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of the interference observation apparatus 1.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of the interference observation apparatus 1A.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating the configuration of the interference observation apparatus 1B.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration of the interference observation apparatus 1C.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration of the interference observation apparatus 100 of the comparative example.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration of the interference observation apparatus 1E.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an example of information displayed on the display unit (display).
  • FIG. 8 is a graph showing a temporal change in phase when feedback control is not performed.
  • FIG. 9 is a graph showing temporal changes in phase when feedback control is performed.
  • FIG. 8 is a graph showing a temporal change in phase when feedback control is not performed.
  • FIG. 9 is a graph showing temporal changes in phase when feedback control is performed.
  • FIG. 8 is a graph
  • FIG. 10 is a diagram illustrating an interference image.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating an interference image.
  • FIG. 12 shows a phase image.
  • FIG. 13 is a diagram for explaining a method of maximizing the interference intensity.
  • FIG. 14 is a diagram for explaining another method for maximizing the interference intensity.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of the interference observation apparatus 1 of the present embodiment.
  • the interference observation apparatus 1 includes an interference optical apparatus 2, a microscope housing 50, an objective lens mounting part 51, a sample holder 52, stages 53 and 54, a tube lens 55, an imaging part 56, an eyepiece lens 57, and an objective lens 70.
  • the interference optical device 2 includes a housing 10, a first attachment portion 11, a second attachment portion 12, a light source 13, a photodetector 14, a first beam splitter 15, a second lens 16, and a second beam splitter 17.
  • a mirror 21, a first lens 22, a drive element 23, stages 24 and 25, and a control unit 31 are provided.
  • the interference observation apparatus 1 has an optical system of a Michelson interferometer, and acquires an interference image based on reflected light from an observation object held by a sample holder 52.
  • the observation object is not limited to a specific cell or biological sample.
  • cultured cells immortalized cells, primary cultured cells, cancer cells, adipocytes, liver cells, cardiomyocytes, neurons, glial cells, somatic stem cells, embryonic stem cells, pluripotent stem cells, Examples thereof include iPS cells and cell clusters (spheroids) produced based on at least one of these cells.
  • the observation object is not limited to a living body, and may be an industrial sample such as a metal surface, a semiconductor surface, a glass surface, the inside of a semiconductor element, a resin material surface, a liquid crystal, a polymer compound and the like.
  • the interference observation apparatus 1 is a microscope apparatus including an imaging unit that images light that has passed through an objective lens 70 that is attached to an objective lens attachment unit 51 having an aperture, and an interference optical device between the objective lens attachment unit 51 and the objective lens 70. 2 casings 10 are arranged. If the interference optical device 2 is removed from the interference observation device 1 and the objective lens 70 is directly attached to the objective lens attachment portion 51, it can be used as a normal microscope device. That is, the interference observation apparatus 1 can be configured by attaching the interference optical apparatus 2 to a normal microscope apparatus.
  • a first mounting portion 11, a second mounting portion 12, a light source 13, a light detector 14, a first beam splitter 15, a second lens 16, a second beam splitter 17, and a reference mirror 21 are provided on the housing 10 of the interference optical device 2.
  • the first lens 22, the drive element 23, and the stages 24 and 25 are held. Among these, the photodetector 14 and the drive element 23 are electrically connected to the control unit 31.
  • the microscope case 50 holds an objective lens mounting part 51, a sample holder 52, stages 53 and 54, a tube lens 55, an imaging part 56, and an eyepiece lens 57.
  • the first attachment portion 11 of the interference optical device 2 has an opening that is optically coupled to the opening of the objective lens attachment portion 51 of the microscope apparatus.
  • the second mounting portion 12 of the interference optical device 2 has an opening that is optically coupled to the objective lens 70.
  • the light source 13 outputs light.
  • the light source 13 may be a laser light source that outputs coherent laser light, or may output incoherent light.
  • the light source 13 may be a lamp system light source such as a halogen lamp, an ASE (Amplified spontaneous emission) light source, or the like. Are preferred.
  • the photodetector 14 receives light and outputs a detection signal.
  • the photodetector 14 may be a photomultiplier tube, a line sensor (linear sensor), a CCD area image sensor, or a CMOS area image sensor.
  • the photodetector 14 is a small one such as a photodiode or an avalanche photodiode. Is preferred.
  • the beam splitter 15 is optically coupled to the light source 13 and the light detector 14, inputs light output from the light source 13, outputs the light to the lens 16 along a predetermined direction, and along the predetermined direction.
  • the light reaching from the lens 16 is input and the light is output to the photodetector 14.
  • the beam splitter 15 has a surface 15a for inputting the light output from the light source 13, a surface 15b for outputting the light output from the light source 13 to the lens 16 and a combined light to be described later, and the input combined light. Is output to the photodetector 14, and a surface 15 d that reflects part of the light input from each surface and transmits part of the light is provided.
  • the beam splitter 15 is, for example, a half mirror.
  • the lens 16 is provided on the optical path between the beam splitter 15 and the beam splitter 17 and collimates the light output from the beam splitter 15.
  • the imaging surface of the imaging portion 56 and the observation object are mutually connected.
  • the lens 16 is disposed at a position where the position of the photodetector 14 is optically conjugate with both the imaging surface of the imaging unit 56 and the observation object. Yes.
  • the beam splitter 17 is optically coupled to the beam splitter 15 and constitutes an optical system of a Michelson interferometer.
  • the beam splitter 17 branches the light that has arrived from the beam splitter 15 via the lens 16 to be a first branched light and a second branched light.
  • the beam splitter 17 irradiates the observation target object with the first branched light through the opening of the second mounting portion 12 and the objective lens 70, and inputs the first branched light reflected by the observation target object.
  • the beam splitter 17 inputs the second branched light that has returned through the reference optical path including the reference mirror 21 and the lens 22.
  • the beam splitter 17 combines the input first branched light and second branched light, and outputs the combined light to the opening of the first mounting portion 11 and the beam splitter 15.
  • the beam splitter 17 receives the light output from the beam splitter 15 and outputs the combined light to the beam splitter 15.
  • the beam splitter 17 outputs the first branched light to the objective lens 70 and returns from the objective lens 70.
  • the surface 17b to which the one-branched light is input, the surface 17c to which the second branched light is output to the reference optical path and the second branched light is returned from the reference optical path, and the light output from the beam splitter 15 is the first A surface 17d that divides the branched light into the branched light and the second branched light and combines the first branched light returned from the objective lens 70 and the second branched light returned from the reference optical path, and the combined light to the opening of the first mounting portion 11. And an output surface 17e.
  • the beam splitter 17 is, for example, a half mirror.
  • the reference optical system 20 includes a reference mirror 21, a lens 22, a drive element 23, and stages 24 and 25.
  • the reference optical system 20 is optically coupled to the beam splitter 17 and disposed in the reference optical path.
  • the lens 22 is optically coupled to the beam splitter 17 and condenses the second branched light output from the beam splitter 17 on the reference mirror 21. Further, the lens 22 outputs the second branched light reflected by the reference mirror 21 to the beam splitter 17.
  • the drive element 23 is a mirror moving unit that moves the reference mirror 21 in a direction parallel to the optical axis of the lens 22 (the optical axis direction of the lens 22).
  • the drive element 23 is, for example, an actuator such as a piezo element or a stepping motor.
  • the stage 24 moves the lens 22 in a direction parallel to the optical axis of the lens 22.
  • the stage 25 moves the reference mirror 21 and the lens 22 together in a direction parallel to the optical axis of the lens 22.
  • the interval between the reference mirror 21 and the lens 22 is coarsely adjusted by the stage 24 and finely adjusted by the driving element 23.
  • the distance between the reference mirror 21 and the beam splitter 17 is roughly adjusted by the stage 25 and finely adjusted by the drive element 23.
  • the control unit (controller) 31 is a computer including a processor and a memory.
  • the computer may be a smart device such as a personal computer or a tablet terminal.
  • the control unit 31 includes an input unit (keyboard, mouse, tablet terminal, etc.) that receives input from the user, and a display unit (display, tablet terminal, speaker, vibrator, etc.) that displays interference intensity and the like. Also good. If the display unit is a device that can display a screen, such as a display or a tablet terminal, an interference image acquired by the imaging unit 56 may be displayed together with the interference intensity.
  • the control unit 31 receives the detection signal output from the photodetector 14 and, based on the detection signal, the processor outputs the first branched light and the second branched light from the branching to the multiplexing in the beam splitter 17. A phase difference corresponding to the optical path length difference is obtained, and the drive element 23 is driven based on the obtained phase difference to control the optical path length difference. Details of the control will be described later.
  • the objective lens 70 is optically coupled to the opening of the second mounting portion 12 of the interference optical device 2 and is optically coupled to the beam splitter 17 through the objective lens 70.
  • the objective lens 70 condenses the first branched light output from the beam splitter 17 on the observation object held by the sample holder 52. Further, the objective lens 70 receives the first branched light reflected by the observation object and outputs it to the beam splitter 17.
  • the stage 53 translates the sample holder 52 in a direction parallel to the optical axis of the objective lens 70.
  • the stage 54 translates the sample holder 52 in two directions intersecting the optical axis of the objective lens 70 (for example, two directions orthogonal to the optical axis of the objective lens 70).
  • the tube lens 55 is optically coupled to the opening of the objective lens mounting portion 51, and is optically coupled to the first mounting portion 11 of the interference optical device 2 via this, and further to the beam splitter 17 via this. Optically coupled.
  • the tube lens 55 outputs the combined light output from the beam splitter 17 via the split optical element 60 to the imaging unit 56 and the eyepiece lens 57.
  • the split optical element 60 is, for example, a prism.
  • the imaging unit 56 and the eyepiece lens 57 are optically coupled to the tube lens 55 via the split optical element 60.
  • the imaging unit 56 receives the combined light output from the tube lens 55 and acquires an interference image.
  • the imaging unit 56 is an image sensor such as a CCD area image sensor or a CMOS area image sensor, for example. Further, the interference image can be visually recognized through the eyepiece lens 57.
  • Lenses 70 and 22 are provided.
  • Such an interference optical system in which an objective lens (or an equivalent lens) is provided in both optical systems is known as a Linnik interferometer.
  • a small and lightweight aspherical achromatic lens 22 is used in place of the objective lens in order to reduce the weight of the reference side optical system (the optical system of the second branched light).
  • the stage 53 is configured to be able to move the sample holder 52 in the optical axis direction of the objective lens 70, and can adjust the optical path length of the sample side optical system (the optical system of the first branched light).
  • the drive element 23 is configured to be able to move the reference mirror 21 in the optical axis direction of the lens 22, and can adjust the optical path length of the reference side optical system (second branched light optical system).
  • the stage 53 and the driving element 23 can adjust the difference between the optical path length of the sample side optical system (first branched light optical system) and the optical path length of the sample side optical system (first branched light optical system).
  • the optical path length difference adjusting unit adjusts the optical path length difference between the first branched light and the second branched light from the branching to the multiplexing in the interference optical system.
  • Interference observation apparatus 1 operates as follows.
  • the light output from the light source 13 is transmitted through the beam splitter 15, collimated by the lens 16, and then branched by the beam splitter 17 to be the first branched light and the second branched light.
  • the first branched light passes through the opening of the second mounting portion 12, is condensed by the objective lens 70 onto the observation target held by the sample holder 52, and is reflected on the surface or inside of the observation target.
  • the reflected first branched light is input to the beam splitter 17 through the objective lens 70 and the opening of the second mounting portion 12.
  • the first branched light has an optical delay when reflected on the observation object.
  • the second branched light is condensed on the reference mirror 21 by the lens 22 and reflected by the reference mirror 21.
  • the reflected second branched light is input to the beam splitter 17 through the lens 22.
  • the first branched light input from the objective lens 70 to the beam splitter 17 and the second branched light input from the lens 22 to the beam splitter 17 are combined by the beam splitter 17.
  • the combined light is received by the imaging unit 56 through the opening of the first mounting unit 11, the opening of the objective lens mounting unit 51 and the tube lens 55, and is received by the photodetector 14 through the lens 16 and the beam splitter 15.
  • the An interference image is acquired by the imaging unit 56 that has received the combined light.
  • a detection signal is output from the photodetector 14 that has received the combined light.
  • the control unit 31 controls the optical path length difference between the first branched light and the second branched light from the branching to the multiplexing in the interference optical system based on the detection signal output from the photodetector 14.
  • the interference observation apparatus 1 may have a modified configuration as shown in FIGS. 2 to 4, the configuration of the interference optical device 2 in the housing 10 may remain the same.
  • the second branched light differs from the configuration shown in FIG. 1 in that an illumination light source 58 and a beam splitter 59 built in the microscope casing 50 are used.
  • the light output from the illumination light source 58 is reflected by the beam splitter 59, passes through the opening of the objective lens mounting portion 51 and the opening of the first mounting portion 11 of the interference optical device 2, and is branched by the beam splitter 17.
  • the first branched light and the second branched light are used.
  • the first branched light derived from the illumination light source 58 returns to the beam splitter 17 through the sample-side optical system, similarly to the first branched light derived from the light source 13.
  • the second branched light derived from the illumination light source 58 returns to the beam splitter 17 via the reference side optical system.
  • These first branched light and second branched light are combined by the beam splitter 17.
  • the combined light is received by the imaging unit 56 through the opening of the first mounting part 11, the opening of the objective lens mounting part 51, the beam splitter 59 and the tube lens 55.
  • the illumination light source 58 and the imaging unit 56 built in the microscope housing 50 are used for acquiring an interference image.
  • the light source 13 and the photodetector 14 of the interference optical device 2 are used to control the optical path length difference between the first branched light and the second branched light from the branching to the multiplexing in the interference optical system.
  • the illumination light source 58 incorporated in the microscope housing 50 is preferably a halogen lamp that outputs visible light
  • the imaging unit 56 is a silicon CCD camera having sensitivity in the visible range.
  • the light source 13 of the interference optical device 2 is a laser diode that outputs near infrared light
  • the photodetector 14 is a photodiode having sensitivity in the near infrared region.
  • the interference observation apparatus 1B of the modified example shown in FIG. 3 is provided with a stage 61 in a microscope casing 50 with respect to the configuration shown in FIG. The difference is that the optical component held by this is movable in the optical axis direction of the objective lens 70.
  • the control unit 31 controls the focus on the observation target by adjusting the distance between the housing 10 and the observation target by driving the stage 61.
  • the stage 61 also functions as an optical path length difference adjusting unit that adjusts an optical path length difference between the first branched light and the second branched light from the branching to the multiplexing in the interference optical system.
  • the interference observation apparatus 1C of the modification shown in FIG. 4 is different from the configuration shown in FIG. 1 in that the observation object on the sample holder 52 can be moved in the optical axis direction of the objective lens 70 by the stage 53. Is different.
  • the control unit 31 controls the focus on the observation target by adjusting the distance between the housing 10 and the observation target by driving the stage 53.
  • the stage 53 may be an optical path length difference adjusting unit that adjusts the optical path length difference between the first branched light and the second branched light from the branching to the multiplexing in the interference optical system. Works.
  • the control unit 31 determines the optical path length of the sample-side optical system (first branched light optical system) and the reference-side optical system (second branched light optical system). Both can be adjusted.
  • the controller 31 can roughly adjust the optical path length difference by driving the stage 61 or the stage 53, and can finely adjust the optical path length difference by driving the drive element 23.
  • the control unit 31 is driven by adjusting the optical path length of the sample side optical system by driving the stage 61 or the stage 53. By driving the element 23, the optical path difference can be made in the vicinity of the value 0.
  • the interference observation apparatus 100 of the comparative example shown in FIG. 5 is an interference observation apparatus in which a beam splitter 62 and a photodetector 63 are arranged in the camera port of an existing microscope apparatus.
  • the optical device 2D does not include the photodetector 14 and the first beam splitter 15.
  • the combined light output after being combined by the beam splitter 17 passes through the opening of the first mounting portion 11, the opening of the objective lens mounting portion 51, the tube lens 55 and the beam splitter 62, and the imaging portion 56 and Light is received by the photodetector 63.
  • An interference image is acquired by the imaging unit 56 that has received the combined light.
  • a detection signal is output from the photodetector 63 that has received the combined light. Based on the detection signal output from the photodetector 63, the optical path length difference between the first branched light and the second branched light from the branching to the multiplexing in the interference optical system is controlled.
  • the comparative example shown in FIG. 5 is not preferable in the following points. That is, in the existing microscope apparatus, the distance from the tube lens 55 to the imaging surface of the imaging unit 56 is appropriately designed by the microscope manufacturer, and is generally set equal to the focal length of the tube lens 55. In addition, the imaging surface of the imaging unit 56 is designed in advance so as to be conjugate with the image surface when viewed by the eyepiece lens 57. However, when the light detector 63 is provided on the imaging unit 56 side, it is necessary to insert the beam splitter 62 between the tube lens 55 and the imaging unit 56, and the focal length of the tube lens 55, the tube lens 55, and the imaging. There is a mismatch between the optical distance and the portion 56. Further, in this state, when the object to be observed is focused with the eyepiece lens 57, there is a problem that the focus is shifted on the imaging surface of the imaging unit 56. From the above, the comparative example shown in FIG. 5 is not preferable.
  • the light source 13 of the interference optical device 2 may be a coherent light source or an incoherent light source.
  • an incoherent light source is used as the light source 13, it is necessary to perform phase locking and phase shifting by controlling the optical path length difference.
  • the central wavelength of the incoherent light is lambda 0, when the spectral width of the incoherent light and [Delta] [lambda], the coherence length [Delta] L C is represented by the following equation (1).
  • the coherence length [Delta] L C is about 10 [mu] m.
  • the coherence length [Delta] L C is about 1 [mu] m.
  • the movement of the reference mirror 21 by the drive element 23 disturbs the imaging condition of the reference optical system 20.
  • the actual scanning distance of the reference mirror 21 is about half of the wavelength of light.
  • a red LED wavelength 610 nm
  • This amount of movement is the same or significantly shorter distance than the depth of focus of the lens 22 (or an equivalent objective lens). Therefore, even if the reference mirror 21 is moved by the drive element 23, it can be considered that the imaging conditions of the reference-side optical system are substantially maintained.
  • vibration with an optical path length of about 10 nm per second is unavoidable on an experimental table with vibration countermeasures, and an optical path length of 100 nm or more per second with an experimental table without vibration countermeasures. It is not uncommon for a disturbance to occur. Therefore, in high-accuracy interference imaging, it is necessary to lock the optical path length difference.
  • first phase lock technology the technology described below (hereinafter referred to as “first phase lock technology”) can be used.
  • the reference mirror 21 is vibrated at high speed sinusoidally with a sufficiently small amplitude compared to the wavelength of the output light of the light source 13, and the detection signal output from the photodetector 14 at that time is used as the reference mirror 21.
  • the phase of the interference light is obtained by performing synchronous detection with the 1st harmonic and the 2nd harmonic of the vibration frequency.
  • the control unit 31 can lock the optical path length difference by performing feedback control so that the obtained phase value approaches the target value.
  • the control unit 31 inputs a detection signal that is an analog signal from the photodetector 14 and outputs an analog signal for driving and controlling the drive element 23.
  • the control unit 31 may perform analog processing inside or may perform digital processing. In the latter case, for example, the control unit 31 AD converts the input detection signal into a digital signal, processes the digital signal, DA converts the digital signal obtained by the processing into an analog signal, A signal may be output.
  • a microprocessor or FPGA Field Programmable Gate Gate Array
  • the intensity V of light received by the photodetector 14 is expressed by the following equation (2).
  • the received light intensity V includes an offset component DC and an amplitude AC, both of which are unknown numbers. Therefore, it is necessary to extract the phase difference ⁇ without including DC and AC by some processing.
  • J 1 and J 2 are first-type Bessel functions.
  • the second term on the right side of the equation (4a) vibrates with an amplitude A ⁇ t and an angular frequency ⁇ .
  • the third term on the right side of the equation (4a) vibrates with an amplitude A 2 ⁇ t and an angular frequency 2 ⁇ . Therefore, the amplitude A ⁇ t can be obtained by synchronously detecting the detection signal output from the photodetector 14 at the angular frequency ⁇ , and the amplitude A 2 ⁇ t can be obtained by synchronously detecting the detection signal at the angular frequency 2 ⁇ . it can.
  • the ratio between the amplitude A ⁇ t and the amplitude A 2 ⁇ t is expressed by the following equation (5).
  • AC represents the interference intensity of the combined light, and the interference intensity AC is expressed by the following equation (6). Since the vibration amplitude of the reference mirror 21 is constant, J 1 ( ⁇ ) and J 2 ( ⁇ ) can be obtained based on the amplitude.
  • the phase difference ⁇ corresponding to the optical path length difference can be obtained based on the equation (5), and the interference intensity AC can also be obtained based on the equation (6).
  • the control unit 31 includes a synchronous detection circuit, an addition circuit, and a multiplication / division circuit in order to perform the above processing.
  • phase locking is performed using incoherent light.
  • incoherent light since coherence of incoherent light is low, it has been difficult to use it for phase locking.
  • the interference intensity AC by obtaining the interference intensity AC of incoherent light, it is possible to prompt the operator to optimize the interference state of the optical system. That is, when the optical path length difference of the interferometer is sufficiently larger than the coherence length of the light, the interference intensity AC approaches zero. When the optical path length difference of the interferometer is zero, the interference intensity AC takes a maximum value.
  • the optical path length difference can be adjusted by obtaining the interference intensity AC and increasing the interference intensity AC.
  • phase lock technique using a “spatial filtering detector” (hereinafter referred to as “second phase lock technique”) can also be employed.
  • a line sensor in which a plurality of pixels are arranged in a one-dimensional direction or a plurality of photodetectors arranged in a one-dimensional direction is used as the photodetector 14.
  • the case where four photodetectors arranged at equal intervals is used is demonstrated.
  • Interference fringes appear by tilting either or either of the measurement-side optical system and the reference-side optical system.
  • the received light intensities V 1 to V 4 of the following four (7) Adjust the inclination of the interference fringes so that
  • the sample holder 52 or the reference mirror 21 may be inclined, or any lens may be inclined. Also, wedge-shaped prisms having different thicknesses along a predetermined direction may be inserted on the optical path.
  • a 1 and A 2 are obtained by the following equation (8), and the ratio between A 1 and A 2 is obtained by the following equation (9). Further, the interference intensity AC is expressed by the following equation (10). From these equations, the phase difference ⁇ corresponding to the optical path length difference can be obtained, and the interference intensity AC can also be obtained.
  • the control unit 31 can realize the above processing by a simple electric circuit system.
  • control unit 31 obtains the phase difference according to the optical path length difference and obtains the interference intensity, controls the optical path length difference adjustment operation by the drive element 23, and calculates the optical path length difference based on the obtained interference intensity.
  • the optical path length difference is kept constant based on the obtained phase difference.
  • either the stage 53 or the driving element 23 may be controlled.
  • the optical path length difference can be roughly adjusted by controlling the stage 53, and the optical path length difference can be controlled by controlling the driving element 23. Can be fine-tuned.
  • the stage 53 may be automatically moved.
  • the interference intensity may be notified to the user, and the stage 53 may be moved by the user's operation.
  • the interference intensity is displayed on the display unit of the control unit 31 or a display unit provided separately from the control unit 31 to notify the user of the interference intensity.
  • the display unit may be a visual display such as a display, LED bar, analog panel meter, or digital panel meter, or an auditory display such as a buzzer or speaker that outputs a sound having a magnitude corresponding to the interference intensity.
  • it may be a tactile device such as a vibrator that gives a vibration of a magnitude corresponding to the interference intensity to the user.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an example of information displayed on the display unit (display).
  • the interference intensity is displayed simultaneously in three ways: a numerical value, a bar, and a graph showing temporal changes.
  • an interference image and a phase image are also displayed.
  • the interference intensity When increasing the interference intensity, it is preferable to minimize the optical path length difference.
  • the interference intensity also decreases when the focus or optical axis of the imaging system of either the sample side optical system or the reference side optical system is deviated. Therefore, in order to increase the interference intensity, first, the optical path length difference is adjusted to be reduced, and the focusing and optical axes of the imaging systems of the sample side optical system and the reference side optical system are also adjusted.
  • the lens 22 may be moved in the optical axis direction by the stage 24 in order to increase the interference intensity. In this case, the focal position of the lens 22 with respect to the reference mirror 21 can be adjusted optimally, and the interference intensity can be increased.
  • the algorithm for maximizing the interference intensity is to move one of the adjustment mechanisms (optical path length difference, focus, optical axis) in one direction while recording the interference intensity, and the interference intensity is increased after passing through the optimal position. If the adjustment starts, the adjustment mechanism is moved in the opposite direction, and a point where an interference intensity within an error of several percent of the maximum intensity obtained during scanning in one direction is regarded as an optimum value. If there are multiple adjustment points, search for the optimum value for each adjustment point in order, and once the adjustment is complete, repeat the adjustment once or several times as necessary. An algorithm that realizes a simple state can be considered.
  • one or more of the adjustment mechanisms may be moved while intermittently locking the phase.
  • the optical path length difference is intermittently stabilized by adjusting the interference optical system while repeating ON and OFF of the phase lock.
  • FIG. 13 is a diagram for explaining a method of maximizing the interference intensity. This figure shows temporal changes of the moving amount of the stage 25, the optical path length difference, the extension length of the piezo element 23, ON / OFF of the phase lock, and ON / OFF of the exposure of the combined light.
  • the exposure of the combined light by the imaging unit 56 may be turned ON and OFF in accordance with the ON and OFF of the phase lock.
  • the imaging unit 56 is controlled such that the exposure period of the imaging unit 56 is included in the ON period of the phase lock.
  • the control unit 31 controls the imaging of the imaging unit 56 so that the exposure period of the imaging unit 56 is included in the ON period of the phase lock. Therefore, the operator can check the interference image with the phase lock ON periodically while adjusting the interference optical system, and thus can check the interference image without being influenced by mechanical factors.
  • the interference fringe contrast is useful as secondary interference intensity information.
  • blurring of the optical path length difference also occurs as a secondary effect in focus adjustment and optical axis adjustment that are not directly related to the optical path length difference.
  • the method of moving the adjusting mechanism while intermittently locking the phase is also effective in adjusting the focus and the optical axis.
  • the optical path length can be stabilized with a transition time (depending on the mechanical factors of the optical system) of about 1 millisecond to 5 milliseconds. Desirably longer than at least 1 millisecond.
  • a transition time (depending on the mechanical factors of the optical system) of about 1 millisecond to 5 milliseconds. Desirably longer than at least 1 millisecond.
  • phase lock ON period is too long.
  • the cycle in which the phase lock is repeatedly turned on and off cannot be smaller than the reciprocal of the period in which the phase lock is turned on. For example, if the period during which the phase lock is ON is 5 seconds, of course, the cycle in which the phase lock is repeatedly turned ON and OFF must be longer than 5 seconds. In this case, since the cycle in which the interference image is displayed is longer than 5 seconds, the operator's operability is impaired. Furthermore, when the period during which the phase lock is ON is long, there is a problem related to the expansion range of the piezo element 23.
  • the extension distance of the piezo element 23 is adjusted by feedback control to cancel the change in optical path length due to movement of the adjustment mechanism (optical path length difference, focus, optical axis).
  • the extension range of the piezo element 23 that can be used is at most about ⁇ 8 ⁇ m.
  • the change in the optical path length due to the movement of the adjustment mechanism optical path length difference, focus, optical axis
  • the period during which the phase lock is ON is preferably, for example, 3 seconds or less.
  • the cycle in which the phase lock is repeatedly turned on and off is the same as the cycle in which the interference image is displayed. Therefore, in order not to impair the operator's operability, it is desirable that the cycle be shorter than 3 seconds. If the period in which the phase lock is turned on and the cycle in which the phase lock is turned on and off are suitably set, the time width of the period in which the phase lock is automatically turned off is also obtained.
  • FIG. 13 shows a timing chart in the case of adjusting the optical path length while intermittently locking the phase, and also shows specific numerical values of the length of each period.
  • the period during which the phase lock is ON is set to 20 milliseconds, and the cycle in which the phase lock is repeatedly turned ON and OFF is set to 200 milliseconds. In this modification, interference images can be stably obtained at intervals of 200 milliseconds.
  • the period during which the phase lock is OFF may be 30 milliseconds or less. Since the interference image is not acquired in the period in which the phase lock is OFF, if the period in which the phase lock is OFF is longer than 30 milliseconds, it is difficult for the operator to observe the switching because the interference image is not switched smoothly. Therefore, by setting the period in which the phase lock is OFF to 30 milliseconds or less, it is possible to smoothly switch the interference image for the operator. It should be noted that the period when the phase lock is turned off and the period when the phase lock is turned on may be set to calculate the cycle in which the phase lock is turned on and off repeatedly. May be set to set a period in which the phase lock is turned on.
  • phase shift may be performed in accordance with intermittent phase lock.
  • FIG. 14 is a diagram for explaining another method for maximizing the interference intensity. This figure also shows temporal changes of the moving amount of the stage 25, the optical path length difference, the extension length of the piezo element 23, ON / OFF of the phase lock, and ON / OFF of the exposure of the combined light.
  • phase shift is performed during each phase lock period. Specifically, a plurality (four times in FIG. 14) of phase lock ON periods are provided intermittently across the stagnation period, and phase shift is performed during each phase lock period.
  • phase shift method it is desirable to use the well-known 4-minute lambda phase shift method.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration of an interference observation apparatus 1E according to another embodiment.
  • the interference observation apparatus 1E includes an interference optical apparatus 2E, a microscope casing 50, an objective lens mounting part 51, a sample holding base 52, stages 53 and 54, a tube lens 55, an imaging part 56, an eyepiece lens 57, an illumination light source 58, a beam.
  • a splitter 59 and an objective lens 70 are provided.
  • the interference optical device 2E includes a housing 10, a first mounting portion 11, a second mounting portion 12, a photodetector 14, a second lens 16, a second beam splitter 17, a reference mirror 21, a first lens 22, and a drive.
  • An element 23, stages 24 and 25, and a control unit 31 are provided.
  • the interference observation apparatus 1E shown in FIG. 6 includes an interference optical apparatus 2E instead of the interference optical apparatus 2.
  • the interference observation apparatus 1E in the microscope apparatus including the imaging unit 56 for imaging light passing through the objective lens 70 attached to the objective lens attachment unit 51 having an opening and the illumination light source 58, the objective lens attachment unit 51 and the objective lens
  • the housing 10 of the interference optical device 2 ⁇ / b> E is disposed between the lens 70 and the lens 70.
  • the interference optical device 2 is different from the configuration of the interference optical device 2 shown in FIG. 2 in that the interference optical device 2E shown in FIG. 6 does not include the light source 13 and the first beam splitter 15.
  • a first mounting portion 11, a second mounting portion 12, a photodetector 14, a second lens 16, a second beam splitter 17, a reference mirror 21, a first lens 22, and a driving element 23 are provided on the housing 10 of the interference optical device 2E. And stages 24 and 25 are held. Among these, the photodetector 14 and the drive element 23 are electrically connected to the control unit 31.
  • the first attachment portion 11 of the interference optical device 2E has an opening that is optically coupled to the opening of the objective lens attachment portion 51 of the microscope apparatus.
  • the second mounting portion 12 of the interference optical device 2E has an opening that is optically coupled to the objective lens.
  • the interference observation apparatus 1E operates as follows.
  • the light output from the illumination light source 58 is reflected by the beam splitter 59, passes through the opening of the objective lens mounting portion 51 and the opening of the first mounting portion 11 of the interference optical device 2 E, and is branched by the beam splitter 17.
  • the first branched light and the second branched light are used.
  • the first branched light returns to the beam splitter 17 through the sample side optical system.
  • the second branched light returns to the beam splitter 17 through the reference side optical system.
  • the combined light is received by the photodetector 14 and is also received by the imaging unit 56 via the opening of the first mounting part 11, the opening of the objective lens mounting part 51, the beam splitter 59 and the tube lens 55.
  • An interference image is acquired by the imaging unit 56 that has received the combined light.
  • a detection signal is output from the photodetector 14 that has received the combined light.
  • the control unit 31 controls the optical path length difference between the first branched light and the second branched light from the branching to the multiplexing in the interference optical system based on the detection signal output from the photodetector 14.
  • the interference optical device 2E having such a configuration is not provided with the light source 13 and the first beam splitter 15, it can be made small and inexpensive.
  • the microscope apparatus includes an illumination light source that outputs incoherent light
  • the interference observation apparatus 1E can be configured at low cost by attaching the interference optical apparatus 2E.
  • FIG. 1 The configuration shown in FIG. 1 was used.
  • An LED with a wavelength of 610 nm was used as the light source 13.
  • a photodiode was used as the photodetector 14.
  • a camera equipped with a CCD area image sensor was used as the imaging unit 56.
  • a HeLa cell derived from cervical cancer was cultured and fixed with ethanol on a holding substrate formed with a half mirror.
  • several drops of pure water were dropped on the cells, and a cover glass was placed on the cells, and the cells were observed with the objective lens 70 from above.
  • a piezoelectric element was used as the driving element 23, and the angular frequency ⁇ of the vibration of the reference mirror 21 by the piezoelectric element was set to 2.3 kHz.
  • the control unit 31 synchronously detected the 2.3 kHz component and the 4.6 kHz component of the detection signal output from the photodetector 14. Based on this synchronous detection result, the phase difference ⁇ is obtained from the above equation (5), and based on this phase difference ⁇ , the center position of the vibration of the reference mirror 21 by the drive element 23 is feedback-controlled to perform phase lock and phase shift. I did it.
  • FIG. 8 is a graph showing a temporal change in phase when feedback control is not performed.
  • FIG. 9 is a graph showing temporal changes in phase when feedback control is performed.
  • feedback control is not performed (FIG. 8)
  • an optical path length drift of about 10 nm per second is observed.
  • FIG. 9 when feedback control is performed (FIG. 9), a phase shift and a phase lock of exactly ⁇ / 2 are realized.
  • FIG. 10 and 11 are diagrams showing interference images obtained by performing phase shift and phase lock.
  • the interference image I 2 (x, y) shown in FIG. 10B differs from the interference image I 1 (x, y) shown in FIG. 10A by a phase of ⁇ / 2.
  • interference image I 3 as shown in (x, y) have different phase by [pi
  • a quantitative phase image ⁇ (x, y) was obtained by the following equation (11).
  • X and y are variables indicating the position in each image.
  • the housing 10 and the optical components held by the housing 10 are integrated in the interference optical device 2, so that optical adjustment can be easily performed in the interference observation device 1 including the interference optical device 2.
  • the interference image of the observation object can be acquired with an inexpensive configuration.
  • the configuration shown in FIGS. 1, 3 and 4 since only one light source is provided, the configuration can be made at low cost, and setup can be easily performed at the time of readjustment such as assembly of the device or after conveyance. be able to.
  • the acquired interference image can have a good image quality in which speckles and diffraction noise are suppressed.
  • accurate phase lock and phase shift are possible, so there is no need for high-speed sweeping and high-speed imaging of optical path length differences, and high-quantity interference without irradiating the observation object with high-intensity light. Images can be acquired.
  • interference optical apparatus interference observation apparatus, and interference observation method according to one aspect of the present invention are not limited to the above-described embodiments and configuration examples, and various modifications are possible.
  • An interference optical device is disposed between an objective lens mounting portion and an objective lens in a microscope apparatus including an imaging unit that images light that has passed through an objective lens that is attached to an objective lens mounting portion having an opening.
  • a first mounting portion having an opening optically coupled to the opening of the objective lens mounting portion; and (2) a second having an opening optically coupled to the objective lens.
  • a first beam splitter that inputs the output light and outputs the light along a predetermined direction, and inputs the combined light and outputs the combined light to a photodetector; (6) a first beam splitter; Optically coupled, the light output from the first beam splitter
  • the first branched light and the second branched light are split, and the first branched light is irradiated to the observation object through the objective lens, and the first branched light reflected by the observation object is input, and the reference optical path
  • the second branched light that has passed through the second branched light, and the input first branched light and the second branched light are combined to output the combined light to the opening of the first mounting portion and the first beam splitter.
  • a splitter (7) a first lens that is optically coupled to the second beam splitter and is provided on the reference optical path and collects the second branched light output from the second beam splitter, and is collected by the first lens.
  • a reference optical system including a reference mirror that reflects the emitted second branched light to the first lens, and a mirror moving unit that moves the reference mirror in the optical axis direction of the first lens; and (8) a first mounting unit.
  • Second mounting part light source, photodetector, first beam spring Comprising data, a housing for holding the second beam splitter and the reference optical system, the.
  • the interference optical device further includes a second lens provided on an optical path between the first beam splitter and the second beam splitter, and the first mounting portion is optically connected to the objective lens mounting portion.
  • the lens is disposed at a position where the position of the photodetector is optically conjugate with both the imaging surface of the imaging unit and the observation object.
  • the light source outputs incoherent light.
  • the second beam splitter is optically coupled to the first beam splitter, and the opening of the objective lens mounting portion and the first mounting are provided.
  • An interference optical device includes an objective lens mounting portion and an objective lens in a microscope apparatus including an imaging unit that captures light that has passed through an objective lens that is mounted on an objective lens mounting portion having an aperture, and an illumination light source.
  • An interferometric optical device disposed between, (1) a first mounting portion having an opening optically coupled to the aperture of the objective lens mounting portion; and (2) an aperture optically coupled to the objective lens. (3) a photodetector that receives the combined light and outputs a detection signal; and (4) a light source for illumination through the opening of the objective lens mounting portion and the opening of the first mounting portion.
  • the light output from the illumination light source is branched into first branched light and second branched light, and the first branched light is irradiated to the observation target through the objective lens, and the observation target is The reflected first branched light is input and the reference optical path
  • a second beam splitter that inputs the second branched light that has passed through, combines the input first branched light and the second branched light, and outputs the combined light to the opening of the first mounting portion and the photodetector;
  • a first lens that is optically coupled to the second beam splitter and is provided on the reference optical path and collects the second branched light output from the second beam splitter, and is collected by the first lens.
  • a reference optical system including a reference mirror that reflects the second branched light to the first lens, and a mirror moving unit that moves the reference mirror in the optical axis direction of the first lens, and (6) a first mounting portion, a second And a housing that holds the mounting portion, the photodetector, the second beam splitter, and the reference optical system.
  • the interference optical device is based on a detection signal, and a phase difference corresponding to an optical path length difference between the first branched light and the second branched light from the branching to the multiplexing in the second beam splitter. It is preferable to further include a control unit for controlling the optical path length difference by driving the mirror moving unit based on the obtained phase difference. It is preferable that the control unit obtains the interference intensity of the combined light based on the detection signal and adjusts the optical path length difference so that the obtained interference intensity is increased. Further, it is preferable that the control unit obtains the interference intensity of the combined light based on the detection signal, and adjusts the position of the first lens in the optical axis direction of the first lens so that the obtained interference intensity is increased. . Further, it is preferable that the control unit adjusts the distance between the objective lens and the observation target object to control the focal position of the objective lens with respect to the observation target object.
  • An interference observation apparatus includes a microscope apparatus that includes an imaging unit that images light that has passed through an objective lens that is attached to an objective lens mounting part having an opening, and the interference optical apparatus according to the present invention.
  • the housing of the interference optical device and the optical component held by the interference optical device are disposed between the objective lens mounting portion and the objective lens, and the objective lens mounting portion and the first mounting portion are optically coupled to each other.
  • the objective lens and the second mounting portion are optically coupled to each other.
  • An interference observation method includes a microscope apparatus including an imaging unit that captures light that has passed through an objective lens attached to an objective lens attachment unit having an opening.
  • the interference optical device of the present invention is arranged to optically couple the objective lens mounting portion and the first mounting portion to each other, and to optically couple the objective lens and the second mounting portion to each other, based on the detection signal. Then, a phase difference corresponding to the optical path length difference between the first branched light and the second branched light from the branching to the multiplexing in the second beam splitter is obtained, and the mirror moving unit is driven based on the obtained phase difference. Then, the optical path length difference is controlled, and an interference image is acquired using the imaging unit.
  • the interference intensity of the combined light is obtained based on the detection signal, and the optical path length difference is adjusted so that the obtained interference intensity is increased. Further, the interference intensity of the combined light is obtained based on the detection signal, and the position of the first lens in the optical axis direction of the first lens is adjusted so that the obtained interference intensity is increased. In addition, it is preferable to control the focal position of the objective lens with respect to the observation object by adjusting the distance between the objective lens and the observation object.
  • One aspect of the present invention can be used as an interference observation apparatus and an interference observation method capable of easily performing optical adjustment and acquiring an interference image of an observation object with an inexpensive configuration.

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

干渉光学装置、干渉観察装置および干渉観察方法
　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。
特開２００９－１２２０３３号公報
　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。
図１は、干渉観察装置１の構成を示す図である。 図２は、干渉観察装置１Ａの構成を示す図である。 図３は、干渉観察装置１Ｂの構成を示す図である。 図４は、干渉観察装置１Ｃの構成を示す図である。 図５は、比較例の干渉観察装置１００の構成を示す図である。 図６は、干渉観察装置１Ｅの構成を示す図である。 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。 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。 図１０は、干渉画像を示す図である。 図１１は、干渉画像を示す図である。 図１２は、位相画像を示す図である。 図１３は、干渉強度を最大化する方法を説明する図である。 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。
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
　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)

  1. 　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。
  2. 　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。
  3. 　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。
  4. 　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。
  5. 　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。
  6. 　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。
  7. 　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。
  8. 　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。
  9. 　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。
  10. 　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。
  11. 　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。
  12. 　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。
  13. 　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。
  14. 　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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