(57)【要約】  顕微鏡装置１Ａは、変調面を有するＳＬＭ３３，３６と、変調面と対象物Ｂとの間の光路上に配置された対物レンズ１２と、対象物Ｂの屈折率界面に起因する収差を補正するための補正パターンを含む変調パターンに基づいてＳＬＭ３３，３６を制御するコンピュータ４３と、を備える。コンピュータ４３は、対物レンズ１２の光軸に垂直な平面に対する屈折率界面の傾斜情報に基づいて、変調パターンにおける補正パターンの位置を決定する。これにより、対象物の屈折率界面が光軸に対して傾斜している場合であっても収差補正を短時間で容易に行うことが可能な収差補正方法及び光学装置が実現される。
2018190339.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空間光変調器の変調面と対象物とを、対物レンズを介して光学的に結合する結合ステップと、
前記対象物の屈折率界面に起因する収差を補正するための補正パターンを含む変調パターンに基づいて前記空間光変調器を制御する制御ステップと、
を含み、
前記変調パターンにおける前記補正パターンの位置は、前記対物レンズの光軸に垂直な平面に対する前記対象物の前記屈折率界面の傾斜情報に基づいて設定される、収差補正方法。
【請求項２】
空間光変調器の変調面と対象物とを、対物レンズを介して光学的に結合する結合ステップと、
前記対象物の屈折率界面に起因する収差を補正するための補正パターンを含む変調パターンに基づいて前記空間光変調器を制御する制御ステップと、
を含み、
前記空間光変調器及び前記対物レンズは、前記対物レンズの光軸に垂直な平面に対する前記対象物の前記屈折率界面の傾斜情報に基づいて配置される、収差補正方法。
【請求項３】
前記対象物の前記屈折率界面の傾斜角度を計測する計測ステップを更に含み、
前記傾斜情報は、前記計測ステップにより計測された前記傾斜角度に基づいて決定される、請求項１または２に記載の収差補正方法。
【請求項４】
前記計測ステップでは、前記対象物の前記屈折率界面からの深さがそれぞれ異なる前記対象物の複数の画像を取得し、前記複数の画像に基づいて前記傾斜角度を求める、請求項３に記載の収差補正方法。
【請求項５】
前記傾斜情報は、予め記憶された前記対象物の前記屈折率界面の傾斜角度に関する情報に基づいて決定される、請求項１または２に記載の収差補正方法。
【請求項６】
前記変調面における前記補正パターンの領域の直径が、前記対物レンズの瞳径より大きい、請求項１〜５のいずれか一項に記載の収差補正方法。
【請求項７】
前記計測ステップでは、前記対象物の前記屈折率界面を複数の領域に分割し、各領域における前記傾斜角度を計測し、
前記傾斜情報は、前記各領域における前記傾斜角度に基づいて決定される、請求項３に記載の収差補正方法。
【請求項８】
変調面を有する空間光変調器と、
前記変調面と対象物との間の光路上に配置された対物レンズと、
前記対象物の屈折率界面に起因する収差を補正するための補正パターンを含む変調パターンに基づいて前記空間光変調器を制御する制御部と、
を備え、
前記変調パターンにおける前記補正パターンの位置は、前記対物レンズの光軸に垂直な平面に対する前記対象物の前記屈折率界面の傾斜情報に基づいて設定される、光学装置。
【請求項９】
変調面を有し、対象物の屈折率界面に起因する収差を補正するための補正パターンを含む変調パターンに基づいて光を変調する空間光変調器と、
前記変調面と前記対象物との間の光路上に配置された対物レンズと、
前記対物レンズ及び前記空間光変調器の少なくともいずれか一方を前記対物レンズの光軸と交差する方向に移動させる移動機構と、
前記移動機構を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記対物レンズの前記光軸に垂直な平面に対する前記対象物の前記屈折率界面の傾斜情報に基づいて、移動機構を制御する、光学装置。
【請求項１０】
前記対象物の前記屈折率界面の傾斜角度を計測する計測部を更に備え、
前記傾斜情報は、前記計測部により計測された前記傾斜角度に基づいて決定される、請求項８または９に記載の光学装置。
【請求項１１】
前記計測部は、前記対象物の前記屈折率界面からの深さがそれぞれ異なる前記対象物の複数の画像を取得し、前記複数の画像に基づいて前記傾斜角度を求める、請求項１０に記載の光学装置。
【請求項１２】
前記対象物の前記屈折率界面の傾斜角度に関する情報を予め記憶する記憶部を更に備え、
前記傾斜情報は、前記記憶部に記憶された前記情報に基づいて決定される、請求項８または９に記載の光学装置。
【請求項１３】
前記変調面における前記補正パターンの領域の直径が、前記対物レンズの瞳径より大きい、請求項８〜１２のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項１４】
前記計測部は、前記対象物の前記屈折率界面を複数の領域に分割し、各領域における前記傾斜角度を計測し、
前記傾斜情報は、前記各領域における前記傾斜角度に基づいて決定される、請求項１０に記載の光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、収差補正方法及び光学装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１及び２には、屈折率界面における収差等の影響を、空間光変調器を用いて低減する方法が開示されている。特許文献１に記載された方法では、媒質内部に発生する収差範囲の間にレーザ光の集光点が位置するように、レーザ光の収差を補正する。また、特許文献２に記載された方法では、媒質の屈折率をｎ、媒質の屈折率ｎが集光手段の雰囲気媒質の屈折率に等しいと仮定した場合における媒質の入射面から集光手段の焦点までの深さをｄ、媒質によって発生する縦収差の最大値をΔｓと定義するとき、媒質の入射面からｎ×ｄ−Δｓより大きく、ｎ×ｄより小さい範囲にレーザ光の集光点が位置するように、レーザ光の収差を補正する。これにより、収差を補正しないときに媒質内部で縦収差が存在する範囲の間に集光点が位置するように、レーザ光の収差を補正することができる。【０００３】
非特許文献１には、２光子励起蛍光顕微鏡に関する技術が記載されている。この２光子励起蛍光顕微鏡では、空間光変調器に収差補正パターンを表示させ、この空間光変調器を用いて観察対象物への照射光を変調することにより、観察対象物の表面形状に起因して生じる球面収差を補正している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−７５９９７号公報
【特許文献２】特開２０１１−１８０２９０号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Naoya Matsumoto, Takashi Inoue, Akiyuki Matsumoto, and Shigetoshi Okazaki, “Correction of depth-induced spherical aberration for deep observation using two-photon excitation fluorescence microscopy with spatial light modulator”, Biomedical Optics Express, Vol.6, No.7, pp.2575-2587, (2015)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
例えばレーザ加工装置や顕微鏡などの様々な光学装置においては、対象物の表面もしくは内部に存在する屈折率界面により生じる収差（例えば、球面収差）を補正するために、例えば収差補正パターンを有する空間光変調器（Spatial Light Modulator：ＳＬＭ）を用いて照射光（若しくは観察光）を変調することがある。そのような場合、対象物の屈折率界面が光軸に対して垂直であれば、収差補正パターンは光軸を中心とした同心円状に広がるパターンとなるので、パターンを求めるための計算は比較的容易である。【０００７】
しかしながら、対象物の屈折率界面が光軸に対して傾斜している場合も有り得る。そのような場合、球面収差以外の収差が含まれるので、収差補正パターンの計算が複雑となり、計算に長時間を要してしまう。特に、例えば顕微鏡で立体像を得る場合等、対象物とレンズとの相対距離を変えながら照射若しくは観察を行うような場合には、相対距離が変化する毎に収差補正パターンを計算し直す必要があるので、作業に要する時間が非常に長くなってしまう。また、収差補正パターンの計算自体が困難となる場合もある。【０００８】
実施形態は、対象物の表面などの屈折率界面が光軸に対して傾斜している場合であっても、収差補正を短時間で容易に行うことが可能な収差補正方法及び光学装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
一実施形態は、収差補正方法である。収差補正方法は、空間光変調器の変調面と対象物とを、対物レンズを介して光学的に結合する結合ステップと、対象物の屈折率界面に起因する収差を補正するための補正パターンを含む変調パターンに基づいて空間光変調器を制御する制御ステップと、を含む。収差補正方法において、変調パターンにおける補正パターンの位置は、対物レンズの光軸に垂直な平面に対する対象物の屈折率界面の傾斜情報に基づいて設定される。【００１０】
また、一実施形態は、光学装置である。光学装置は、変調面を有する空間光変調器と、変調面と対象物との間の光路上に配置された対物レンズと、対象物の屈折率界面に起因する収差を補正するための補正パターンを含む変調パターンに基づいて空間光変調器を制御する制御部と、を備える。光学装置において、変調パターンにおける補正パターンの位置は、対物レンズの光軸に垂直な平面に対する対象物の屈折率界面の傾斜情報に基づいて設定される。【００１１】
本発明者は、対象物の屈折率界面が対物レンズの光軸に対して傾斜している場合には、変調パターンにおける補正パターンの位置を、傾斜角度などの傾斜情報に応じて設定することにより、収差を好適に補正できることを見出した。これにより、複雑な計算をすることなく、収差補正を短時間で容易に行うことができる。【００１２】
別の実施形態は、収差補正方法である。収差補正方法は、空間光変調器の変調面と対象物とを、対物レンズを介して光学的に結合する結合ステップと、対象物の屈折率界面に起因する収差を補正するための補正パターンを含む変調パターンに基づいて空間光変調器を制御する制御ステップと、を含む。収差補正方法において、空間光変調器及び対物レンズは、対物レンズの光軸に垂直な平面に対する対象物の屈折率界面の傾斜情報に基づいて配置される。【００１３】
また、別の実施形態は、光学装置である。光学装置は、変調面を有し、対象物の屈折率界面に起因する収差を補正するための補正パターンを含む変調パターンに基づいて光を変調する空間光変調器と、変調面と対象物との間の光路上に配置された対物レンズと、対物レンズ及び空間光変調器の少なくともいずれか一方を対物レンズの光軸と交差する方向に移動させる移動機構と、移動機構を制御する制御部と、を備える。光学装置において、制御部は、対物レンズの光軸に垂直な平面に対する対象物の屈折率界面の傾斜情報に基づいて、移動機構を制御する。【００１４】
前述した本発明者の知見は、空間光変調器の変調面内における補正パターンの移動を必ずしも必要とせず、空間光変調器の変調面自体及び／或いは対物レンズ自体を移動させることでも実現可能である。これにより、複雑な計算をすることなく、収差補正を短時間で容易に行うことができる。
【発明の効果】
【００１５】
実施形態の収差補正方法及び光学装置によれば、対象物の屈折率界面が光軸に対して傾斜している場合であっても収差補正を短時間で容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、一実施形態に係る光学装置としての顕微鏡装置の構成を示す図である。
【図２】図２は、顕微鏡装置の動作を示すフローチャートである。
【図３】図３は、（ａ）〜（ｄ）作成ステップにおいて作成される変調パターンを概念的に示す図である。
【図４】図４は、対物レンズの光軸に垂直な平面に対して屈折率界面が傾いている状態を示す模式図である。
【図５】図５は、（ａ）、（ｂ）一実施形態による効果を示す画像であって、対物レンズとして乾燥対物レンズを用い、対象物として生体試料の内部を観察したときの血管の様子を示している。
【図６】図６は、（ａ）〜（ｃ）実施例において得られた三次元画像を深さ方向に切断して得られた二次元画像である。
【図７】図７は、（ａ）、（ｂ）一変形例を概念的に示す図である。
【図８】図８は、第１変形例の収差補正方法を示すフローチャートである。
【図９】図９は、一変形例の収差補正方法を実現できる顕微鏡装置の構成を示す図である。
【図１０】図１０は、対象物の屈折率界面が２つの面によって構成されていると近似できる場合を示す図である。
【図１１】図１１は、対象物の屈折率界面が多数の面によって構成されていると近似できる場合を示す図である。
【図１２】図１２は、第３変形例に係る顕微鏡装置の構成を示す図である。
【図１３】図１３は、（ａ）、（ｂ）プレスキャンにより得られたマウスの脳画像である。
【図１４】図１４は、対象物が内部に複数の屈折率界面を有する場合の状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、添付図面を参照しながら、収差補正方法及び光学装置の実施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。
【００１８】
図１は、一実施形態に係る光学装置としての顕微鏡装置１Ａの構成を示す図である。顕微鏡装置１Ａは、対象物Ｂに対して光を照射しながら対象物Ｂの拡大画像を取得する装置であって、図１に示されるように、顕微鏡ユニット１０、傾斜計測ユニット２０、画像取得ユニット３０、及び制御ユニット４０を備えている。
【００１９】
顕微鏡ユニット１０は、後述する傾斜計測ユニット２０及び画像取得ユニット３０からの照射光Ｐ１を対象物Ｂに照射するとともに、対象物Ｂからの被検出光Ｐ２を傾斜計測ユニット２０及び画像取得ユニット３０へそれぞれ出力する。被検出光Ｐ２は、例えば、照射光Ｐ１の反射光、照射光Ｐ１の高調波、若しくは照射光Ｐ１によって励起された蛍光である。顕微鏡ユニット１０は、試料台（ステージ）１１、対物レンズ１２、対物レンズ移動機構１３、及びビームスプリッタ１４を有する。
【００２０】
試料台１１は、対象物Ｂ（若しくは対象物Ｂを収容する容器）を支持するための板状の部材である。試料台１１は、例えばガラス製である。本実施形態では、照射光Ｐ１は試料台１１の表面側から対象物Ｂに照射される。また、対象物Ｂからの被検出光Ｐ２は、試料台１１の表面側へ出射する。
【００２１】
対物レンズ１２は、後述するＳＬＭ３３と対象物Ｂの表面Ｂａとの間の照射光Ｐ１の光路上に配置されている。また、対物レンズ１２は、後述するＳＬＭ３６と対象物Ｂの表面Ｂａとの間の被検出光Ｐ２の光路上に配置されている。対物レンズ１２の一方の面は試料台１１と対向するように配置され、対物レンズ１２の該一方の面側の焦点は、対象物Ｂの内部に位置している。対物レンズ１２は、対象物Ｂの内部の一点に照射光Ｐ１を集光する。また、対物レンズ１２は、対象物Ｂの該一点から放射される被検出光Ｐ２の一部を受けて、該一部を平行化する。対物レンズ１２は、乾燥対物レンズ、水浸対物レンズ、或いは油浸対物レンズなどの液浸対物レンズでもよい。
【００２２】
なお、本実施形態では照射光Ｐ１のための対物レンズと被検出光Ｐ２のための対物レンズとが共通となっているが、照射光Ｐ１のための対物レンズと被検出光Ｐ２のための対物レンズとが別個に設けられてもよい。例えば、照射光Ｐ１のために瞳径が大きい対物レンズを用い、後述する収差補正により局所的に集光させてもよい。また、被検出光Ｐ２のために瞳の大きな対物レンズを用い、より多くの光を取り出せるようにしてもよい。
【００２３】
対物レンズ移動機構１３は、対物レンズ１２を照射光Ｐ１の光軸方向に移動させるための機構である。対物レンズ１２は、対物レンズ移動機構１３によって、光軸方向に移動可能なように支持されている。対物レンズ移動機構１３は、例えばステッピングモータ若しくはピエゾアクチュエータ等によって構成される。
【００２４】
ビームスプリッタ１４は、画像取得ユニット３０との間の光路と、傾斜計測ユニット２０との間の光路とを分割及び合成する。具体的には、ビームスプリッタ１４は、画像取得ユニット３０から顕微鏡ユニット１０に到達した照射光Ｐ１を、対物レンズ１２へ向けて反射する。また、ビームスプリッタ１４は、対物レンズ１２によって集められた被検出光Ｐ２を、画像取得ユニット３０に向けて反射する。一方、ビームスプリッタ１４は、傾斜計測ユニット２０からの光Ｐ３２、及び対象物Ｂにおける光Ｐ３２の反射光を透過する。ビームスプリッタ１４は、例えばハーフミラーやダイクロイックミラーによって好適に構成される。顕微鏡ユニット１０は、光Ｐ３２の光軸方向を変更する反射ミラー１５を更に有してもよい。
【００２５】
傾斜計測ユニット２０は、本実施形態における計測部であり、対物レンズ１２の光軸に垂直な平面に対する、対象物Ｂの屈折率界面の傾斜角度を計測する。以下、対象物Ｂの屈折率界面として、対象物Ｂの表面Ｂａと周囲媒質との屈折率界面を一例として説明するが、対象物Ｂの屈折率界面はこれに限らない。例えば、対象物Ｂと対象物Ｂを収容する容器との屈折率界面でもよいし、対象物Ｂの内部構造における屈折率界面であってもよい。周囲媒質は、例えば空気或いは浸液である。
【００２６】
傾斜計測ユニット２０は、例えば、マイケルソン干渉計を用いた、対象物Ｂの表面形状を計測する干渉光計測ユニットであってもよい。その場合、傾斜計測ユニット２０は、図１に示されるようにコヒーレント光源２１、ビームスプリッタ２２、参照光用ミラー２３、及び検出器２４を有する。
【００２７】
コヒーレント光源２１は、対象物Ｂに照射されるコヒーレント光Ｐ３を発生する。コヒーレント光源２１は、例えば半導体レーザ素子によって好適に構成される。ビームスプリッタ２２は、コヒーレント光源２１からのコヒーレント光Ｐ３を、参照光Ｐ３１と顕微鏡ユニット１０への光Ｐ３２とに分岐する。また、ビームスプリッタ２２は、参照光用ミラー２３において反射した参照光Ｐ３１を反射させるとともに、光Ｐ３２の対象物Ｂ表面からの反射光を透過させることにより、これらの光を合成して干渉光Ｐ４を生成する。干渉光Ｐ４は、検出器２４に入射する。なお、参照光用ミラー２３は、参照光Ｐ３１の光軸方向に対して移動可能に構成されていてもよいし、固定されていてもよい。検出器２４は、ビームスプリッタ２２によって合成された干渉光Ｐ４を検出し、検出信号Ｓ１を出力する。検出器２４は、例えばＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサなどの２次元光検出素子を含む。
【００２８】
なお、傾斜計測ユニットは、上述した構成に限られない。例えば、傾斜計測ユニットは、ミロー型、リニーク型などの干渉計測方式を有してもよい。或いは、傾斜計測ユニットは、コンフォーカルリフレクタンス顕微鏡を有してもよく、コモンパス干渉計を有してもよい。このような顕微鏡によれば、合焦情報を用いて対象物Ｂの表面Ｂａの傾斜角度を好適に計測することができる。
【００２９】
画像取得ユニット３０は、対象物Ｂからの被検出光Ｐ２を検出し、拡大画像を作成する。なお、以下では被検出光Ｐ２が対象物Ｂからの蛍光である場合の蛍光光学系の例について説明するが、被検出光Ｐ２は対象物Ｂからの反射光或いは高調波であってもよい。本実施形態の画像取得ユニット３０は、レーザ光源３１、ビームエキスパンダ３２、ＳＬＭ３３、ダイクロイックミラー３４、光スキャナ３５、ＳＬＭ３６、検出器３７、及びフィルタ３８を有する。
【００３０】
レーザ光源３１は、対象物Ｂに対し、対物レンズ１２を介して照射光Ｐ１を照射するための光源である。レーザ光源３１は、照射光Ｐ１の元になる光Ｐ５を出力する。光Ｐ５は、例えば対象物Ｂの励起波長を含むレーザ光である。レーザ光源３１は、例えば半導体レーザ素子を含んで構成される。ビームエキスパンダ３２は、例えば光Ｐ５の光軸上に並んで配置された複数のレンズ３２ａ，３２ｂを含んで構成され、光Ｐ５の光軸に対して垂直な断面の大きさを調整する。
【００３１】
ＳＬＭ３３は、位相変調を複数の画素毎に制御するタイプのＳＬＭである。ＳＬＭ３３は、対象物Ｂの表面Ｂａの屈折率差に起因する収差を補正するための補正パターンを含む変調パターン（ホログラム）を変調面３３ａに表示する。ＳＬＭ３３は、レーザ光源３１からの光Ｐ５を変調することにより、対象物Ｂへ照射される光Ｐ１を生成する。ＳＬＭ３３の変調面３３ａと対象物Ｂの表面Ｂａとの間の光Ｐ１の光路上には、対物レンズ１２が配置されている。なお、ＳＬＭ３３は、位相変調型に限らず、振幅（強度）変調型でも良い。また、ＳＬＭ３３は、反射型及び透過型の何れであってもよい。なお、補正パターンを含む変調パターンの詳細については後述する。
【００３２】
ダイクロイックミラー３４は、ＳＬＭ３３からの照射光Ｐ１、及び顕微鏡ユニット１０からの被検出光Ｐ２のうち一方を透過し、他方を反射する。図１に示される例では、ダイクロイックミラー３４は、照射光Ｐ１を透過し、被検出光Ｐ２を反射する。
【００３３】
光スキャナ３５は、照射光Ｐ１の光軸に垂直な面内において照射光Ｐ１の光軸を移動させることにより、対象物Ｂにおける照射光Ｐ１の集光位置を走査する。光スキャナ３５は、例えばガルバノミラー、共振ミラー若しくはポリゴンミラーによって構成される。また、対象物Ｂからの被検出光Ｐ２は、光スキャナ３５を介して検出される。これにより、照射光Ｐ１の光軸と被検出光Ｐ２の光軸とを互いに一致させることができる。
【００３４】
ＳＬＭ３６は、位相変調を複数の画素毎に制御するタイプのＳＬＭである。ＳＬＭ３６は、対象物Ｂの表面Ｂａの屈折率差に起因する収差を補正するための補正パターンを含む変調パターンを変調面３６ａに表示する。ＳＬＭ３６は、ダイクロイックミラー３４からの被検出光Ｐ２を変調する。ＳＬＭ３６の変調面３６ａと対象物Ｂの表面Ｂａとの間の被検出光Ｐ２の光路上には、対物レンズ１２が配置されている。
【００３５】
ＳＬＭ３６は、位相変調型に限らず、振幅（強度）変調型でも良い。また、ＳＬＭ３６は、反射型及び透過型の何れであってもよい。検出器３７の前段にピンホールを配置する場合、補正パターンに加え、ピンホールに被検出光Ｐ２が集光するためのパターンを変調面３６ａに表示することが好ましい。これにより、コンフォーカル効果を得ることができる。二光子吸収などの多光子吸収効果を利用して、対象物Ｂから発生した蛍光などの被検出光Ｐ２を検出する場合、検出器３７に被検出光Ｐ２を集光するためのパターンを補正パターンに重畳させて変調パターンに含めることにより、コンフォーカル効果を得ることができる。なお、補正パターンを含む変調パターンの詳細については後述する。
【００３６】
検出器３７は、対象物Ｂから対物レンズ１２を介して出射された被検出光Ｐ２の光強度を検出し、検出信号Ｓ２を出力する。検出器３７は、ＰＭＴ（Photomultiplier Tube）、フォトダイオード、アバランシェフォトダイオードといったポイントセンサであってもよい。或いは、検出器３７は、ＣＣＤイメージセンサ、ＣＭＯＳイメージセンサ、マルチアノードＰＭＴ、フォトダイオードアレイといったエリアイメージセンサであってもよい。なお、検出器３７の直前には集光レンズ３７ａが配置されてもよい。
【００３７】
フィルタ３８は、ダイクロイックミラー３４と検出器３７との間の光軸上に配置される。フィルタ３８は、検出器３７に入射する光から、照射光Ｐ１の波長、及び観察に不要な蛍光等の波長をカットする。なお、フィルタ３８は、集光レンズ３７ａの前段、後段のどちらに配置されてもよい。
【００３８】
なお、本実施形態の画像取得ユニット３０は、上記の構成に加えて、ミラー３９ａ及び反射部材３９ｂを更に有する。ミラー３９ａは、光スキャナ３５と顕微鏡ユニット１０のビームスプリッタ１４とを光学的に結合させるために、照射光Ｐ１及び被検出光Ｐ２の光軸を屈曲させる。反射部材３９ｂは、２つの反射面を有するプリズムであって、ＳＬＭ３６と対向して配置される。反射部材３９ｂは、一方の反射面においてダイクロイックミラー３４からの被検出光Ｐ２をＳＬＭ３６へ向けて反射し、他方の反射面においてＳＬＭ３６からの被検出光Ｐ２を検出器３７へ向けて反射する。
【００３９】
対物レンズ１２とＳＬＭ３３との距離が長い場合には、照射光Ｐ１及び被検出光Ｐ２の光軸上に少なくとも一つの４ｆ光学系が設けられてもよい。一例として、図１には２つの４ｆ光学系５１及び５２が示されている。４ｆ光学系５１及び５２は、ＳＬＭ３３において生成された照射光Ｐ１の波面を対物レンズ１２の後側焦点へ転送する役割を有する。なお、対物レンズ１２とＳＬＭ３３とが極めて近い場合には、４ｆ光学系を省くことも可能である。
【００４０】
制御ユニット４０は、本実施形態における制御部である。制御ユニット４０は、顕微鏡ユニット１０、傾斜計測ユニット２０、及び画像取得ユニット３０を制御する。
【００４１】
例えば、制御ユニット４０は、顕微鏡ユニット１０において対物レンズ移動機構１３を用いて対物レンズ１２の光軸方向の位置を制御する。また、制御ユニット４０は、対象物Ｂを支持する試料台１１を光軸方向と交差する方向に移動させる。また、制御ユニット４０は、傾斜計測ユニット２０のコヒーレント光源２１、検出器２４、及び参照光用ミラー２３の制御を行う。また、制御ユニット４０は、画像取得ユニット３０のレーザ光源３１、光スキャナ３５、及び検出器３７を制御する。更に、制御ユニット４０は、ＳＬＭ３３及び３６に表示される変調パターンを計算し、その変調パターンをＳＬＭ３３及び３６に表示させる。
【００４２】
制御ユニット４０は、例えば、マウスやキーボードといった入力装置４１、表示装置（ディスプレイ）４２、及びコンピュータ４３を含んで構成される。コンピュータ４３は、例えば、パーソナルコンピュータ、マイクロコンピュータ、スマートデバイス、クラウドサーバなどである。
【００４３】
また、制御ユニット４０は、本実施形態における計測部の一部を構成する。制御ユニット４０は、傾斜計測ユニット２０の検出器２４からの検出信号Ｓ１を入力し、この検出信号Ｓ１に基づき、フーリエ変換を用いた方法やλ／４位相シフト干渉法を用いて、対象物Ｂの表面Ｂａの傾斜角度に関する情報を取得する。制御ユニット４０は、得られた情報に基づいて、対象物Ｂの表面Ｂａの屈折率差に起因する収差を補正するための補正パターンを含む変調パターンデータを作成する。変調パターンデータは、ＳＬＭ３３及びＳＬＭ３６に提供される。また、制御ユニット４０は、検出器３７からの検出信号Ｓ２、及び光スキャナ３５による光照射位置の情報に基づいて、対象物Ｂに関する拡大画像を作成する。作成された画像は、表示装置４２に表示される。
【００４４】
図２は、上述した顕微鏡装置１Ａの動作を示すフローチャートである。図２を参照しながら、本実施形態による収差補正方法を含む光照射方法及び観察方法について説明する。
【００４５】
まず、試料台１１上に対象物Ｂを載置することにより、ＳＬＭ３３，３６の変調面３３ａ，３６ａと対象物Ｂの表面Ｂａとを、対物レンズ１２を介して光学的に結合する（結合ステップＳ１０）。次に、傾斜計測ユニット２０の光源２１から光Ｐ３を出射させ、対象物Ｂの表面からの反射光と参照光Ｐ３１との干渉光Ｐ４を検出器２４において検出する。これにより、対象物Ｂの表面Ｂａにおける干渉縞が観測される。そして、この干渉縞に基づき、制御ユニット４０において、対物レンズ１２の光軸に垂直な平面に対する対象物Ｂの表面Ｂａの傾斜角度が取得される（計測ステップＳ１１）。
【００４６】
続いて、計測ステップＳ１１において取得した傾斜角度に基づいて、対象物Ｂの表面Ｂａの屈折率差に起因する収差を補正するための補正パターンを含む変調パターンデータが制御ユニット４０により作成される（作成ステップＳ１２）。続いて、変調パターンデータに基づいてＳＬＭ３３及びＳＬＭ３６が制御され、変調パターンデータに基づく変調パターンがＳＬＭ３３及び３６に表示される（制御ステップＳ１３）。そして、レーザ光源３１から出射された光Ｐ５がＳＬＭ３３により変調され、変調後の照射光Ｐ１が対物レンズ１２を介して対象物Ｂに照射される（照射ステップＳ１４）。
【００４７】
続いて、対象物Ｂにおいて生じた被検出光Ｐ２の強度を検出器３７において検出する（検出ステップＳ１５）。このとき、被検出光Ｐ２は、ＳＬＭ３６によって変調された後、検出器３７に入射する。なお、本実施形態では、光スキャナ３５によって照射光Ｐ１を走査しながら、照射ステップＳ１４及び検出ステップＳ１５が繰り返し（または同時に連続して）行われる。その後、検出ステップＳ１５における検出情報に基づき、制御ユニット４０において対象物Ｂの拡大画像が作成される（画像作成ステップＳ１６）。
【００４８】
ここで、作成ステップＳ１２において作成される、ＳＬＭ３３，３６の変調面３３ａ，３６ａに表示される変調パターンの詳細について述べる。なお、以下の説明において、対象物Ｂの表面Ｂａと対物レンズ１２の光軸との関係に言及する場合、「対物レンズ１２の光軸」とは、対物レンズ１２の光軸を対象物Ｂの表面Ｂａまで延長した直線を意味する。また、ＳＬＭ３３，３６の変調面３３ａ，３６ａと対物レンズ１２の光軸との関係に言及する場合、「対物レンズ１２の光軸」とは、対物レンズ１２の光軸をＳＬＭ３３，３６の各変調面３３ａ，３６ａまで延長した直線（途中の光軸がミラー等により曲げられるときは、曲がった後の直線）を意味する。通常、これらの直線は、照射光Ｐ１及び被検出光Ｐ２の光線の中心軸線と一致する。
【００４９】
図３は、作成ステップＳ１２において作成される変調パターンを概念的に示す図である。図３（ａ）は、対物レンズ１２の光軸１２ａと対象物Ｂの表面Ｂａとが互いに垂直である状態を示し、図３（ｂ）は、そのような場合に変調面３３ａ，３６ａに表示される変調パターンＤ１を示している。なお、図中には、光軸１２ａに沿った方向をＺ方向とするＸＹＺ直交座標系が示されている。
【００５０】
変調パターンＤ１は、対象物Ｂの表面Ｂａの屈折率差に起因する収差を補正するための補正パターンＤ３を含んでいる。補正パターンＤ３は、対物レンズ１２の光軸１２ａに関して点対称なパターンであり、例えば対物レンズ１２の光軸１２ａがＳＬＭ３３，３６の各変調面３３ａ，３６ａと交わる点Ｔを中心とした同心円状に広がるパターンである。すなわち、補正パターンＤ３の中心Ｏは対物レンズ１２の光軸１２ａ上に位置する。
【００５１】
また、図３（ｃ）は、対象物Ｂの表面Ｂａが対物レンズ１２の光軸１２ａに垂直な平面Ｈに対して角度βだけ傾斜している状態を示し、図３（ｄ）は、そのような場合に変調面３３ａ，３６ａに表示される変調パターンＤ２を示している。
【００５２】
変調パターンＤ２は、上述した補正パターンＤ３を含んでいる。但し、補正パターンＤ３の中心Ｏは、対物レンズ１２の光軸１２ａがＳＬＭ３３，３６の各変調面３３ａ，３６ａと交わる点Ｔに対し、表面Ｂａの傾斜方向に距離Ｅだけずれている。距離Ｅは、平面Ｈに対する表面Ｂａの傾斜角度βに比例しており、傾斜角度βに基づいて好適に求められる。本実施形態では、作成ステップＳ１２において、傾斜角度βに基づいて距離Ｅを決定する（決定ステップＳ１２ａ）。
【００５３】
なお、変調面３３ａ，３６ａにおける補正パターンＤ３の表示領域の直径ｄ３は、対物レンズ１２の瞳径より大きくてもよい。図３（ｄ）のように補正パターンＤ３を点Ｔに対して相対的に移動させると、補正パターンＤ３が存在する領域が点Ｔに対して偏る。したがって、補正パターンＤ３の表示領域が小さい場合、光の一部については、補正パターンＤ３を通らず収差補正が行われない虞がある。補正パターンＤ３の表示領域の直径ｄ３が対物レンズ１２の瞳径より大きいことにより、そのような虞を低減できる。
【００５４】
傾斜角度βに基づいて距離Ｅを決定する方法の詳細について、以下に説明する。照射光Ｐ１が集光する過程、及び被検出光Ｐ２が放射する過程に対象物Ｂの表面Ｂａなどの屈折率界面が存在し、その界面が光軸に対して垂直である場合には、その界面により生じる収差はほぼ球面収差となる。
【００５５】
収差が球面収差のみである場合、対物レンズ１２の光軸に垂直な面内における収差の分布は、光軸を中心とした同心円状に広がる形となる。ＳＬＭ３３，３６に表示される補正パターンも同様の形状となり、その中心は、対物レンズ１２の光軸と一致する。ＳＬＭ３３，３６の変調面３３ａ，３６ａ内での画素位置を（ｘ，ｙ）、画素ピッチをｐ、対物レンズ１２の光軸と変調面３３ａ，３６ａとが交わる位置をＴ（ｘ０，ｙ０）とすると、そのような場合の球面収差補正パターンφは、例えば次の数式（１）によって求められる。
【数１】
2018190339.tif 000003
但し、ｄは光軸上における屈折率界面（表面Ｂａ）と集光点との距離、λは光の波長、ｎ１は周囲媒質の屈折率、ｎ２は対象物Ｂの屈折率、ＮＡは対物レンズ１２の開口数、αは、実際の光線の集光位置を光軸上で前後させるデフォーカスパラメータである。
【００５６】
この球面収差補正パターンφがＳＬＭ３３に表示されると、レーザ光源３１から平面波として出力された光Ｐ５がＳＬＭ３３によって変調される。変調された光Ｐ１は、対象物Ｂの表面Ｂａにおいて回折されつつも、対象物Ｂにおける所定の深さの一点に集光する。
【００５７】
図４は、対物レンズ１２の光軸Ａ１に垂直な平面Ｈに対して屈折率界面Ｂａが傾いている状態を示す模式図である。なお、ＳＬＭ３３，３６の変調面３３ａ，３６ａ内での画素位置（ｘ，ｙ）に対応する光Ｐ１の波面Ｃでの位置を（ｘ’，ｙ’）とする。つまり、対物レンズ１２の光軸と変調面３３ａ，３６ａとが交わる位置Ｔ（ｘ０，ｙ０）に対応する光Ｐ１の波面Ｃでの位置Ｔ’は、（ｘ’０，ｙ’０）となる。平面Ｈに対する屈折率界面Ｂａの傾斜角はβである。このとき、屈折率界面Ｂａに対して垂直な直線が新たな光軸Ａ２となり、その光軸Ａ２と、対物レンズ１２から出射される光Ｐ１（或いは対物レンズ１２に入射する光Ｐ２）の波面（放物面）Ｃとの交点Ｑ’１（ｘ’０＋ｘ’１，ｙ’０＋ｙ’１）が、新たな収差補正パターンの中心軸となる。つまり、屈折率界面Ｂａが傾いている場合の収差補正パターンφは、次の数式（２）によって求められる。
【数２】
2018190339.tif 000004
【００５８】
そして、以下に示すように、平面Ｈに対する傾斜方位角α及び傾斜角β、対物レンズ１２の開口数ＮＡ及び焦点距離ｆ、ＳＬＭ３３，３６の画素ピッチｐ、ＳＬＭ３３，３６に対する対物レンズ１２の結像倍率Ｍ、並びに周囲媒質の屈折率ｎ１に基づいて、この新たな補正パターンの中心を元の補正パターン（屈折率界面Ｂａが対物レンズ１２の光軸Ａ１に対して垂直である場合の補正パターン）に対して何画素移動させればよいかを容易に求めることができる。
【００５９】
まず、計測ステップＳ１１において、傾斜計測ユニット２０により得られた対象物Ｂの表面形状に基づいて、傾斜方位角α及び傾斜角βを計測する。一例では、得られた表面形状を多項式近似し、得られた多項式のうち１次項（ａｘ＋ｂｙ、ａ，ｂは係数）から、傾斜方位角α及び傾斜角βを導出する。なお、傾斜方位角α及び傾斜角βの導出は、多項式近似に限らない。例えば、多項式近似以外の近似でもよいし、スプライン補間などの補間でもよい。
【００６０】
次に、作成ステップＳ１２において、対象物Ｂの表面Ｂａが対物レンズ１２の光軸に対して垂直である場合の収差補正パターンの位置を基準とする、傾斜角βによる収差補正への影響を抑制するための収差補正パターンの移動距離（傾斜情報）を決定する（決定ステップＳ１２ａ）。この移動距離は、以下に示すように、対物レンズ１２の開口数ＮＡ、焦点距離ｆ、及び結像倍率Ｍから好適に求められる。
【００６１】
まず、対物レンズ１２から対象物Ｂへ到達する、あるいは対象物Ｂから対物レンズ１２へ入射する光線と、対物レンズ１２の光軸とのなす角度の最大値をθｍａｘとすると、このθｍａｘは、対物レンズ１２の開口数ＮＡ及び周囲媒質の屈折率ｎ１に基づいて、次の数式（３）により求められる。
θｍａｘ＝ａｓｉｎ（ＮＡ／ｎ１）  ・・・（３）
【００６２】
また、対物レンズ１２の瞳の半径Ｌ１は、対物レンズ１２の開口数ＮＡ及び焦点距離ｆに基づいて、次の数式（４）により求められる。
Ｌ１＝ＮＡ・ｆ  ・・・（４）
また、ＳＬＭ３３，３６に対する対物レンズ１２の結像倍率Ｍ（対物レンズ１２とＳＬＭ３３，３６とがＭ：１の拡大結像関係（ＳＬＭ３３，３６側の光径が対物レンズ１２側の光径よりも小さい）にある）に基づいて、ＳＬＭ３３，３６における光の半径Ｌ２は次の数式（５）により求められる。
Ｌ２＝Ｌ１／Ｍ  ・・・（５）
【００６３】
ここで、変調面３３ａ，３６ａの画素ピッチをｐとすると、半径Ｌ２に含まれるＳＬＭ３３，３６の画素数Ｒは、次の数式（６）により求められる。
Ｒ＝Ｌ２／ｐ  ・・・（６）
上記の数式（３）及び数式（６）から、対物レンズ１２の光軸と光線とのなす角度１°あたりの画素数ｒは、次の数式（７）により求められる。
ｒ＝Ｒ／θｍａｘ＝（ＮＡ・ｆ）／（Ｍ・ｐ）  ・・・（７）
【００６４】
収差補正パターンの移動距離（画素数）は、傾斜角βと画素数ｒとの積により求められる。一例では、傾斜方位角α及び傾斜角βに基づいて、ｘ軸方向への傾斜角成分βｘと、ｙ軸方向への傾斜角成分βｙとを算出する。収差補正パターンのｘ軸方向への移動距離（画素数）ｘ１と、ｙ軸方向への移動距離（画素数）ｙ１とは、それぞれ次の数式（８），（９）により求められる。
ｘ１＝βｘ・ｒ  ・・・（８）
ｙ１＝βｙ・ｒ  ・・・（９）
これらを数式（２）に適用することにより、ＳＬＭ３３，３６に表示すべき収差補正パターンが導出される。
【００６５】
以上に説明した本実施形態の顕微鏡装置１Ａ及び収差補正方法によって得られる効果について説明する。
【００６６】
上述したように、本発明者は、対象物Ｂの表面Ｂａが対物レンズ１２の光軸１２ａに対して傾斜している場合には、これらが略垂直である場合の補正パターンＤ３を、傾斜角βに応じた距離だけ傾斜方向に移動させることにより、収差を好適に補正できることを見出した。すなわち、本実施形態では、対物レンズ１２の光軸１２ａと対象物Ｂの表面Ｂａとが略垂直である場合の補正パターンＤ３を変調面３３ａ，３６ａ内において移動させたパターンを含む変調パターンＤ２を、変調面３３ａ，３６ａに表示させる。そして、この補正パターンＤ３の移動距離を、対象物Ｂの表面Ｂａの傾斜角βに基づいて決定する。これにより、複雑な計算をすることなく、収差補正を短時間で容易に行うことができる。
【００６７】
図５（ａ）及び図５（ｂ）は、本実施形態による効果を示す画像であって、対物レンズ１２として乾燥対物レンズを用い、対象物Ｂとして生体試料の内部を観察したときの血管の様子を示している。図中の縦軸は、生体試料の表面からの深さである。図５（ａ）は本実施形態の収差補正方法を適用して得られた画像であって、図５（ｂ）は収差の補正を行わずに得られた画像である。
【００６８】
図５（ｂ）に示されるように、収差の補正を行わない場合、深さ５００μｍを超えると収差の影響によって血管がぼやけて見える。これに対し、図５（ａ）に示されるように、本実施形態の収差補正方法を適用した場合、深さ１０００μｍを超える範囲まで血管が明瞭に見える。このように、本実施形態によれば、対物レンズ１２が乾燥対物レンズであって対象物Ｂの表面Ｂａに起因する収差が大きい場合であっても、収差を好適に補正し、より深い部分まで明瞭な画像を得ることができる。また、対物レンズ１２が乾燥対物レンズ或いは液浸対物レンズであることにより、非接触・低侵襲での簡易な計測が可能となる。
【００６９】
なお、本実施形態のＳＬＭ３３，３６は、位相変調を複数の画素毎に行うタイプのＳＬＭであればよく、例えばＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）型のＳＬＭ、或いはデフォーマブルミラー等が適用され得る。デフォーマブルミラーは、メンブレン型及びセグメント型のいずれであってもよい。ＬＣＯＳ型ＳＬＭはデフォーマブルミラーと比べて画素数が多く、収差を高精度で補正できる。また、デフォーマブルミラーはＬＣＯＳ型ＳＬＭと比べて高速に動作でき、作業時間を短縮できる。
【００７０】
本実施形態の顕微鏡装置１Ａは、レーザ走査型２光子励起蛍光顕微鏡（ＴＰＦＬＭ）であってもよい。ＴＰＦＬＭでは、２光子吸収過程により光子密度が極めて高くなる部分（対物レンズ１２で励起光を集光した部分）においてのみ、蛍光が生じる。また励起光には近赤外の光が用いられるが、この励起光は、可視光に比べて生体に対する吸収、散乱が小さくなる。蛍光の発生が局所的である点、及び吸収や散乱が小さい点が、生体試料の深部観察に適している。そして、生体試料の深部を観察する際に、収差補正を短時間で容易に行うことができる本実施形態の収差補正方法は極めて有用である。本実施形態の収差補正方法によれば、生体試料の深部の解像度の向上、及び従来のＴＰＦＬＭでは観察が難しかった深さでの観察を容易にすることができる。
【００７１】
（実施例）
【００７２】
上記実施形態の一実施例について説明する。本実施例では、対象物Ｂとして、粒径３μｍの球形の蛍光ビーズをエポキシ樹脂に内包させたモデル試料を作成した。そして、ゴニオメータを用いて、モデル試料の表面を対物レンズ１２の光軸１２ａに垂直な平面から８°傾け、観察を行った。
【００７３】
三次元のビーズ分布を得るために、対物レンズ１２の光軸１２ａに垂直な面内において２軸のガルバノスキャナにて励起光を走査し、集光点位置において生じた蛍光をＰＭＴなどの検出器により検出し、二次元画像を得た。その後、対物レンズ１２若しくは試料台１１を光軸方向に移動させながら上記の操作を繰り返し行い、深さがそれぞれ異なる複数の画像を得た。このとき、対物レンズ１２と試料台１１との距離を、６００μｍから８００μｍまで変化させた。そして、これらの画像を再構成して、三次元画像を得た。なお、対物レンズ１２として乾燥対物レンズ（２０倍、ＮＡ＝０．７）を用い、モデル試料の周囲媒質を空気とした。
【００７４】
図６（ａ）〜図６（ｃ）は、本実施例において得られた三次元画像を深さ方向に切断して得られた二次元画像である。図６（ａ）は上記実施形態の収差補正方法を適用したときの画像であり、図６（ｂ）は収差の補正を行わずに（すなわち波面が光軸に対して垂直な従来の平行光を照射して）得られた画像であり、図６（ｃ）は補正パターンを移動せずに（図３（ａ）参照）得られた画像である。なお、図６（ａ）では、移動距離（画素数）は６５画素であった。本実施例では周囲媒質を空気としたので、周囲媒質とモデル試料（エポキシ樹脂）との間に屈折率差が存在する。従って、モデル試料の表面において収差が生じる。更に、モデル試料の表面が傾いているので、球面収差以外の収差も生じる。
【００７５】
図６（ｂ）を参照すると、上述した収差の影響を受けて、画像中の蛍光ビーズの輪郭が深さ方向に伸びている。また、補正パターンを移動しなかった場合（図６（ｃ））には、収差の補正を行わなかった場合（図６（ｂ））と比較して蛍光ビーズの最大蛍光強度が０．４倍となり、収差補正を行わない場合よりも不鮮明な画像となった。これは、球面収差のみを補正する補正パターンでは他の収差（例えば非点収差）が残ること、及び、波面が適切でないために却って他の収差が大きくなったことが原因であると考えられる。
【００７６】
これに対し、図６（ａ）を参照すると、上記実施形態の収差補正方法を適用した場合、球面収差以外の他の収差も良好に補正されることにより、画像中の蛍光ビーズの輪郭形状が、球形に近くなり顕著に改善されていることがわかる。また、収差の補正を行わなかった場合（図６（ｂ））と比較して蛍光ビーズの最大蛍光強度が６．５倍となり、格段に明るくなった。すなわち、本実施例により、対象物Ｂの表面Ｂａが光軸１２ａに対して傾斜している場合に、上記実施形態の収差補正方法を適用することによって収差を精度良く補正できることが示された。
【００７７】
（第１変形例）
【００７８】
図７は、上記実施形態の一変形例を概念的に示す図である。上記実施形態ではＳＬＭ３３，３６として複数の画素毎に変調を制御するタイプのＳＬＭを例示したが、ＳＬＭ３３，３６はこれに限られず、例えば変調面３３ａ，３６ａ上で変調パターンが固定されたタイプのＳＬＭであってもよい。その場合、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示されるように、対物レンズ１２の光軸１２ａと対象物Ｂの表面Ｂａとが略垂直である場合の収差補正パターンＤ３を有する変調面３３ａ，３６ａ自体を、対物レンズ１２の光軸１２ａに対して光軸１２ａと交差する方向に相対的に距離Ｅだけ移動させる。そして、移動距離Ｅを、平面Ｈに対する表面Ｂａの傾斜角度βに基づいて決定する。
【００７９】
このような方法により、上記実施形態と同様に、複雑な計算をすることなく、収差補正を短時間で容易に行うことができる。なお、この場合、前述した数式（８）及び（９）は、それぞれ次の数式（１０）及び（１１）に置き換えられる。
ｘ１＝βｘ・Ｌ２／θｍａｘ  ・・・（１０）
ｙ１＝βｙ・Ｌ２／θｍａｘ  ・・・（１１）
そして、変調面３３ａ，３６ａを、ｘ軸方向にｘ１、ｙ軸方向にｙ１だけそれぞれ移動させるとよい。
【００８０】
また、このような方法は、複数の画素毎に変調を制御するタイプのＳＬＭであっても適用できる。まず、移動距離Ｅを、平面Ｈに対する表面Ｂａの傾斜角度βに基づいて決定する。そして、補正パターンＤ３の中心Ｏが対物レンズ１２の光軸１２ａ上に位置するように補正パターンＤ３をＳＬＭ３３，３６に表示させ、そのＳＬＭ３３，３６自体を光軸１２ａに対して相対的に距離Ｅだけ移動させる。このような方法であっても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００８１】
図８は、本変形例の収差補正方法を示すフローチャートである。図８に示されるように、本変形例では、まず、対物レンズ１２の光軸に垂直な平面に対する対象物Ｂの表面Ｂａの傾斜角度を取得する（計測ステップＳ１１）。次に、決定ステップＳ２１において、変調面３３ａ，３６ａの移動距離Ｅを、平面Ｈに対する表面Ｂａの傾斜角度βに基づいて決定する。そして、結合ステップＳ２２において、収差補正パターンＤ３を有する変調面３３ａ，３６ａを、対物レンズ１２の光軸１２ａに対して光軸１２ａと交差する方向に相対的に距離Ｅだけ移動させる。この状態で、試料台１１上に対象物Ｂを載置することにより、ＳＬＭ３３，３６の変調面３３ａ，３６ａと対象物Ｂの表面Ｂａとを、対物レンズ１２を介して光学的に結合する。続いて、レーザ光源３１から出射された光Ｐ５をＳＬＭ３３により変調する（変調ステップＳ２３）。そして、変調後の照射光Ｐ１を対物レンズ１２を介して対象物Ｂに照射する（照射ステップＳ１４）。以降、検出ステップＳ１５及び画像作成ステップＳ１６を、上記実施形態と同様に行う。
【００８２】
図９は、本変形例の収差補正方法を実現できる顕微鏡装置１Ｂの構成を示す図である。顕微鏡装置１Ｂは、図１に示された顕微鏡装置１Ａの構成に加えて、移動機構３３ｂ，３６ｂを更に備える。移動機構３３ｂは、ＳＬＭ３３を支持しており、変調面３３ａを、対物レンズ１２の光軸１２ａに対して光軸１２ａと交差する方向に相対的に移動させる。同様に、移動機構３６ｂは、ＳＬＭ３６を支持しており、変調面３６ａを、対物レンズ１２の光軸１２ａに対して光軸１２ａと交差する方向に相対的に移動させる。
【００８３】
移動機構３３ｂ，３６ｂは、制御ユニット４０のコンピュータ４３によって制御される。コンピュータ４３は、平面Ｈに対する表面Ｂａの傾斜角βに基づいて、変調面３３ａ，３６ａの移動距離を決定する。このような顕微鏡装置１Ｂにより、上記実施形態と同様に、複雑な計算をすることなく、収差補正を短時間で容易に行うことができる。なお、顕微鏡装置１Ｂは、ＳＬＭ３３，３６を移動させる代わりに、或いはＳＬＭ３３，３６の移動とともに、対物レンズ１２を光軸１２ａと交差する方向に移動させる機構を備えてもよい。
【００８４】
（第２変形例）
【００８５】
上記実施形態では、対象物Ｂの表面形状を多項式近似し、得られた多項式のうち１次項から傾斜方位角α及び傾斜角βを導出する方法（言い換えれば、対象物Ｂの表面Ｂａを一つの平坦面に近似する方法）を例示した。これ以外にも、例えば対物レンズ１２の光軸１２ａを複数の領域に分割し、各領域の傾斜角βに基づいて、各領域に対応する補正パターンＤ３の移動距離を決定してもよい。
【００８６】
図１０に示されるように、例えば対象物Ｂの表面Ｂａが２つの面Ｂａ１，Ｂａ２によって構成されていると近似できる場合、面Ｂａ１に関する傾斜方位角α１及び傾斜角β１、並びに面Ｂａ２に関する傾斜方位角α２及び傾斜角β２が、それぞれ計測され得る。そして、決定ステップＳ１２ａにおいて、傾斜方位角α１及び傾斜角β１に基づいて、面Ｂａ１に起因する収差を補正するための部分的な補正パターンの移動方向及び移動距離を算出する。同様に、決定ステップＳ１２ａにおいて、傾斜方位角α２及び傾斜角β２に基づいて、面Ｂａ２に起因する収差を補正するための部分的な補正パターンの移動方向及び移動距離を算出する。そして、移動後の各部分的補正パターンを重ね合わせることにより、収差補正のための変調パターンを作成することができる。このことは、例えば図１１に示されるように、対象物Ｂの表面Ｂａが多数の面Ｂａａによって構成されていると近似できる場合においても同様である。
【００８７】
本変形例によれば、傾斜角βが領域毎に異なるような複雑な形状を対象物Ｂの表面Ｂａが有するような場合であっても、上記実施形態と同様に、複雑な計算をすることなく、収差補正を短時間で容易に行うことができる。
【００８８】
（第３変形例）
【００８９】
図１２は、上記実施形態の第３変形例に係る顕微鏡装置１Ｃの構成を示す図である。顕微鏡装置１Ｃにおいて、図１に示された顕微鏡装置１Ａと異なる点は、傾斜計測ユニット２０を備えておらず、その代わりに形状記憶ユニット６０を備える点である。
【００９０】
形状記憶ユニット６０は、本実施形態における記憶部であって、対象物Ｂの表面Ｂａの傾斜角βに関する情報を予め記憶する。そして、図２に示された決定ステップＳ１２ａの際に、コンピュータ４３は、形状記憶ユニット６０に記憶された情報に基づいて、補正パターンＤ３の移動距離を決定する。このような収差補正方法及び顕微鏡装置１Ｃによれば、図２に示された計測ステップＳ１１を省略して、作業時間をより短縮することができる。特に、例えば半導体デバイスのように、表面Ｂａの傾斜方位角α及び傾斜角βが既知である場合に好適である。
【００９１】
なお、本変形例の顕微鏡装置１Ｃでは傾斜計測ユニット２０が不要であるため、顕微鏡ユニット１０Ａは、反射ミラー１５（図１参照）を有しておらず、ビームスプリッタ１４（図１参照）に代えて反射ミラー１６を有する。その他の顕微鏡ユニット１０Ａの構成は、上記実施形態の顕微鏡ユニット１０と同様である。
【００９２】
（第４変形例）
【００９３】
上記実施形態では、傾斜計測ユニット２０において、マイケルソン干渉計を用いて対象物Ｂの表面形状を計測している。対象物Ｂの表面Ｂａの傾斜方位角α及び傾斜角βを計測する方式としては、これ以外にも様々な方式がある。例えば、プレスキャンにより得られた、深さがそれぞれ異なる複数の画像に含まれる対象物Ｂの輪郭から、対象物Ｂの表面形状を計測することができる。或いは、対象物Ｂの表面Ｂａに超音波を照射し、その反射波を計測することによって、対象物Ｂの表面形状を計測することができる。または、光切断法を用いることもできる。
【００９４】
図１３（ａ）及び図１３（ｂ）は、プレスキャンにより得られたマウスの脳画像である。図１３（ａ）は対象物Ｂの頂部から光軸方向に１２０μｍの深さ位置の画像であり、図１３（ｂ）は対象物Ｂの頂部から光軸方向に５６０μｍの深さ位置の画像である。これらの図に示されるように、画像には、自家蛍光による対象物Ｂの輪郭Ｂｃ（対象物Ｂと周囲媒質との境界）が明瞭に現れている。これらの画像の深さ位置、及び輪郭Ｂｃの変化に基づいて、表面Ｂａの傾斜方位角α及び傾斜角βを好適に求めることができる。
【００９５】
（第５変形例）
【００９６】
上記実施形態では、対象物Ｂが１つの屈折率界面を有している場合を想定している。しかし、対象物Ｂは複数の屈折率界面を有していてもよい。図１４は、対象物Ｂが内部に複数の屈折率界面Ｂ１２，Ｂ２３を有する場合の状態を示す図である。なお、対物レンズ１２の光軸Ａ１に垂直な平面Ｈ１２に対して屈折率界面Ｂ１２は角度β１２だけ傾いており、対物レンズ１２の光軸Ａ１に垂直な平面Ｈ２３に対して屈折率界面Ｂ２３は角度β２３だけ傾いている。
【００９７】
このとき、屈折率界面Ｂ１２に対して垂直な直線が新たな光軸Ａ１２となり、その光軸Ａ１２と、対物レンズ１２から出射される光Ｐ１（或いは対物レンズ１２に入射する光Ｐ２）の波面（放物面）Ｃとの交点Ｑ’２（ｘ’０＋ｘ’２，ｙ’０＋ｙ’２）が得られる。同様に、屈折率界面Ｂ２３に対して垂直な直線が新たな光軸Ａ２３となり、その光軸Ａ２３と波面Ｃとの交点Ｑ’３（ｘ’０＋ｘ’３，ｙ’０＋ｙ’３）が得られる。
【００９８】
そして、屈折率界面Ｂ１２及びＢ２３が傾いている場合の収差補正パターンφは、次の数式（１２）によって求められる。数式（１２）によって得られた収差補正パターンφを用いれば、対象物Ｂが内部に複数の屈折率界面Ｂ１２，Ｂ２３を有している場合でも、１つの空間光変調器を用いて、収差補正を行うことができる。また、複数の空間光変調器を用いる場合、それぞれの屈折率界面Ｂ１２，Ｂ２３における傾きを考慮した収差補正パターンφを求め、それぞれの空間光変調器を制御してもよい。
【数３】
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但し、ｄ２は光軸Ａ１上における屈折率界面Ｂ１２と屈折率界面Ｂ２３との距離、ｄ３は光軸上における屈折率界面Ｂ２３と集光点との距離、ｎ１は屈折率界面Ｂ１２より対物レンズ１２側に位置する部分の屈折率、ｎ２は対象物Ｂの屈折率界面Ｂ１２と屈折率界面Ｂ２３との間の屈折率、ｎ３は屈折率界面Ｂ２３より対物レンズ１２とは反対側に位置する部分の屈折率である。ｘ２、ｙ２は、屈折率界面Ｂ１２の傾きから求めることができ、ｘ３、ｙ３は、屈折率界面Ｂ２３の傾きから求めることができる。
【００９９】
収差補正方法及び光学装置は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上述した実施形態及び各変形例を、必要な目的及び効果に応じて互いに組み合わせてもよい。例えば、第３変形例は図１及び図２に示された実施形態の変形例として説明されているが、第１変形例においても、図９に示された傾斜計測ユニット２０の代わりに形状記憶ユニット６０を設け、図８に示された決定ステップＳ２１の際に、コンピュータ４３は、形状記憶ユニット６０に記憶された情報に基づいて変調面３３ａ，３６ａの移動距離を決定してもよい。また、形状記憶ユニット６０の代わりに、補正パターンを記憶する記憶ユニット（記憶部）を備えてもよい。また、記憶ユニットは、補正パターンをZernike多項式などの多項式に展開し、多項式の各項の係数を記憶してもよい。
【０１００】
また、上述した実施形態及び各変形例において、ＳＬＭに表示される変調パターンは、補正パターンそのものでなくてもよい。例えば、対象物Ｂに照射される照射光Ｐ１の集光形状や集光位置を制御するためのパターンといった他のパターンと補正パターンとを重畳した変調パターンであってもよい。また、上記実施形態及び各変形例では、光学装置として顕微鏡装置を例示しているが、収差補正方法は、例えばレーザ加工装置といった様々な光学装置に適用可能である。
【０１０１】
また、傾斜計測ユニット２０は、ラインレーザとカメラを組み合わせて計測を行う光切断法による計測ユニットでもよいし、対物レンズ１２の光軸方向に対象物Ｂを移動させて、合焦点位置を計測する計測ユニットでもよい。また、２つ以上の検出器が光学系に内蔵されてもよい。
【０１０２】
また、顕微鏡装置１Ａ、１Ｂ、及び１Ｃは、正立型顕微鏡の構成を有するが、これに限らず、倒立型顕微鏡の構成を有してもよい。倒立型顕微鏡の場合、ガラス面が基準面となり、対象物Ｂを押し付けるが、押し付けられずに平面にならなかった部分を計測ユニット２０で計測することができる。
【０１０３】
また、顕微鏡装置１Ａ、１Ｂ、及び１Ｃでは、被検出光Ｐ２は、光スキャナ３５にデスキャンされて検出器３７で検出されるが、これに限らず、被検出光Ｐ２が光スキャナ３５にデスキャンされずに検出器３７で検出されてもよい。また、傾斜情報は、傾斜角度自体であってもよい。
【０１０４】
上記実施形態による収差補正方法では、空間光変調器の変調面と対象物とを、対物レンズを介して光学的に結合する結合ステップと、対象物の屈折率界面に起因する収差を補正するための補正パターンを含む変調パターンに基づいて空間光変調器を制御する制御ステップと、を含む構成としている。収差補正方法において、変調パターンにおける補正パターンの位置は、対物レンズの光軸に垂直な平面に対する対象物の屈折率界面の傾斜情報に基づいて設定される。
【０１０５】
また、上記実施形態による光学装置では、変調面を有する空間光変調器と、変調面と対象物との間の光路上に配置された対物レンズと、対象物の屈折率界面に起因する収差を補正するための補正パターンを含む変調パターンに基づいて空間光変調器を制御する制御部と、を備える構成としている。光学装置において、変調パターンにおける補正パターンの位置は、対物レンズの光軸に垂直な平面に対する対象物の屈折率界面の傾斜情報に基づいて設定される。
【０１０６】
上記実施形態による収差補正方法では、空間光変調器の変調面と対象物とを、対物レンズを介して光学的に結合する結合ステップと、対象物の屈折率界面に起因する収差を補正するための補正パターンを含む変調パターンに基づいて空間光変調器を制御する制御ステップと、を含む構成としている。収差補正方法において、空間光変調器及び対物レンズは、対物レンズの光軸に垂直な平面に対する対象物の屈折率界面の傾斜情報に基づいて配置される。
【０１０７】
また、上記実施形態による光学装置では、変調面を有し、対象物の屈折率界面に起因する収差を補正するための補正パターンを含む変調パターンに基づいて光を変調する空間光変調器と、変調面と対象物との間の光路上に配置された対物レンズと、対物レンズ及び空間光変調器の少なくともいずれか一方を対物レンズの光軸と交差する方向に移動させる移動機構と、移動機構を制御する制御部と、を備える構成としている。光学装置において、制御部は、対物レンズの光軸に垂直な平面に対する対象物の屈折率界面の傾斜情報に基づいて、移動機構を制御する。
【０１０８】
また、上記の収差補正方法は、対象物の屈折率界面の傾斜角度を計測する計測ステップを更に含み、傾斜情報は、計測ステップにより計測された傾斜角度に基づいて決定されてもよい。同様に、上記の光学装置は、対象物の屈折率界面の傾斜角度を計測する計測部を更に備え、傾斜情報は、計測部により計測された傾斜角度に基づいて決定されてもよい。これにより、傾斜角度を計測して補正パターンの移動距離を好適に決定することができる。
【０１０９】
この場合、収差補正方法の計測ステップでは、対象物の屈折率界面からの深さがそれぞれ異なる対象物の複数の画像を取得し、複数の画像に基づいて傾斜角度を求めてもよい。同様に、光学装置の計測部は、対象物の屈折率界面からの深さがそれぞれ異なる対象物の複数の画像を取得し、複数の画像に基づいて傾斜角度を求めてもよい。これにより、傾斜角度を容易に計測することができる。
【０１１０】
また、上記の収差補正方法では、傾斜情報は、予め記憶された対象物の屈折率界面の傾斜角度に関する情報に基づいて決定されてもよい。同様に、上記の光学装置は、対象物の屈折率界面の傾斜角度に関する情報を予め記憶する記憶部を更に備え、傾斜情報は、記憶部に記憶された情報に基づいて決定されてもよい。これにより、作業時間をより短縮することができる。
【０１１１】
また、上記の収差補正方法及び光学装置では、変調面における補正パターンの領域の直径が、対物レンズの瞳径より大きくてもよい。補正パターン（若しくは変調面）を光軸に対して相対的に移動させると、補正パターンが存在する領域が光軸に対して偏る。したがって、補正パターンの領域が小さい場合、光の一部については、補正パターンを通らず収差補正が行われない虞がある。補正パターンの領域の直径が対物レンズの瞳径より大きいことにより、そのような虞を低減できる。
【０１１２】
また、上記の収差補正方法において、計測ステップでは、対象物の屈折率界面を複数の領域に分割し、各領域における傾斜角度を計測し、傾斜情報は、各領域における傾斜角度に基づいて決定されてもよい。同様に、上記の光学装置の計測部は、対象物の屈折率界面を複数の領域に分割し、各領域における傾斜角度を計測し、傾斜情報は、各領域における傾斜角度に基づいて決定されてもよい。これにより、傾斜角度が領域毎に異なるような複雑な形状を対象物の屈折率界面が有する場合であっても、上述した収差補正方法及び光学装置の作用及び効果を好適に得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１１３】
実施形態は、収差補正方法及び光学装置として利用可能である。
【符号の説明】
【０１１４】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…顕微鏡装置、１０，１０Ａ…顕微鏡ユニット、１１…試料台、１２…対物レンズ、１２ａ…光軸、１３…対物レンズ移動機構、１４…ビームスプリッタ、１５，１６…反射ミラー、２０…傾斜計測ユニット、２１…コヒーレント光源、２２…ビームスプリッタ、２３…参照光用ミラー、２４…検出器、３０…画像取得ユニット、３１…レーザ光源、３２…ビームエキスパンダ、３３，３６…ＳＬＭ、３３ａ，３６ａ…変調面、３３ｂ，３６ｂ…移動機構、３４…ダイクロイックミラー、３５…光スキャナ、３７…検出器、３７ａ…集光レンズ、３８…フィルタ、３９ａ…ミラー、３９ｂ…反射部材、４０…制御ユニット、４１…入力装置、４２…表示装置、４３…コンピュータ、５１…４ｆ光学系、６０…形状記憶ユニット、Ａ１，Ａ２…光軸、Ｂ…対象物、Ｂａ…表面、Ｂｃ…輪郭、Ｄ１，Ｄ２…変調パターン、Ｄ３…収差補正パターン、Ｈ…平面、Ｐ１…照射光、Ｐ２…被検出光、Ｐ３…コヒーレント光、Ｐ４…干渉光、Ｐ５…光、Ｏ…補正パターンの中心。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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