(57)【要約】      （修正有）【課題】安価な構成によって、光学系の解像限界を超える解像度を有する画像を取得することができる技術を提供する。【解決手段】観察装置１０は、標本Ｓからの光を検出する対物レンズ７と、対物レンズ７の前側焦点面である観察面と共役な位置に配置された、観察面以外の面からの入射光を遮光するディスク５と、ディスク５を介した光をコリメートするコリメート光学系４と、コリメート光学系４によってコリメートされた光を複数の光束に分割する光路分割光学系８と、複数の光束を結像する集光光学系９と、集光光学系９の結像位置に配置される撮像素子１１と、を備え、光路分割光学系８は、コリメートされた光を集光光学系９の光軸から離れる方向にシフトさせることで、複数の光束に分割し、複数の光束は、分割される前のコリメートされた光の光軸に対する角度と等しい角度を光軸に対して有するコリメート光束である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
標本からの光を検出する対物レンズと、
前記対物レンズの前側焦点面である観察面と共役な位置に配置された、前記観察面以外の面からの光を制限する面内変調手段と、
前記面内変調手段を介した光束をコリメートするコリメート光学系と、
前記コリメートされた光束の径を拡大する光束径拡大光学系と、
前記複数の光束を結像する集光光学系と、
前記集光光学系の結像位置に配置される撮像素子と、を備え、
前記光束径拡大光学系は、前記コリメートされた光束の径を拡大させ、かつ前記光軸に対する角度を変化させない
ことを特徴とする観察装置。
【請求項２】
請求項１に記載の観察装置であって、
前記光束径拡大光学系は、前記コリメートされた光束を複数の光束に分割し、前記集光光学系の光軸から離れる方向にシフトさせ、
前記複数の光束は、分割される前の前記コリメートされた光束の前記光軸に対する角度と等しい角度を前記光軸に対して有するコリメート光束である
ことを特徴とする観察装置。
【請求項３】
請求項２に記載の観察装置であって、
前記光束径拡大光学系は、少なくとも２面以上の互いに平行な平面からなる偏向面の組み合わせを有する
ことを特徴とする観察装置。
【請求項４】
請求項３に記載の観察装置であって、
前記光束径拡大光学系は、
前記コリメートされた光束の一部を偏向する第１の平面と、
前記第１の平面によって偏向された光を、前記集光光学系に向けて偏向する第２の平面と、を有し、
前記第１の平面と前記第２の平面は、互いに平行な平面である前記偏向面の組み合わせである
ことを特徴とする観察装置。
【請求項５】
請求項３または請求項４に記載の観察装置であって、
前記光束径拡大光学系は、前記偏向面の組み合わせを、前記光軸周りに３組以上有し、
前記偏向面の組み合わせは、前記コリメートされた光を少なくとも３つ以上の光束に分割するように配置される
ことを特徴とする観察装置。
【請求項６】
請求項２乃至請求項５のいずれか１項に記載の観察装置であって、
前記光束径拡大光学系は、前記コリメート光学系の後側焦点位置近傍に配置される
ことを特徴とする観察装置。
【請求項７】
請求項２乃至請求項６のいずれか１項に記載の観察装置であって、
前記偏向面は、反射面である
ことを特徴とする観察装置。
【請求項８】
請求項２乃至請求項６のいずれか１項に記載の観察装置であって、
前記偏向面は、屈折面である
ことを特徴とする観察装置。
【請求項９】
請求項８に記載の観察装置であって、
前記光束径拡大光学系は、屈折面である前記偏向面を有する第１のプリズムと第２のプリズムを含み、
前記第１のプリズムと前記第２のプリズムの間の距離が可変である
ことを特徴とする観察装置。
【請求項１０】
請求項２乃至請求項９のいずれか１項に記載の観察装置であって、
前記光路上に配置される前記光束径拡大光学系は、大きさの異なる他の光束径拡大光学系と切替可能である
ことを特徴とする観察装置。
【請求項１１】
請求項２乃至請求項１０のいずれか１項に記載の観察装置であって、
前記面内変調手段は、共焦点開口を有するディスクである
ことを特徴とする観察装置。
【請求項１２】
請求項２乃至請求項１０のいずれか１項に記載の観察装置であって、
前記面内変調手段は、ＤＭＤである
ことを特徴とする観察装置。
【請求項１３】
請求項２乃至請求項１０のいずれか１項に記載の観察装置であって、
前記面内変調手段は、ＬＣＯＳである
ことを特徴とする観察装置。
【請求項１４】
請求項２乃至請求項１３のいずれか１項に記載の観察装置であって、
共焦点走査型顕微鏡であることを特徴とする観察装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
超解像を得るための観察装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近では、共焦点光学系を有する顕微鏡に係る技術分野で、光学系の解像限界を超える解像度（超解像）を有する画像を取得する超解像技術が普及しつつある。
【０００３】
上記技術として、共焦点ピンホールの径をエアリーディスク直径（以下回折径とも記載する）の半分に絞ることで分解能を向上させる方法が知られている。一方この方法では、ピンホール径を絞ることで検出光の損失が生じてしまうという問題がある。上記問題を回避する超解像技術として、例えば以下の２つの文献が挙げられる。
【０００４】
非特許文献１には、検出光（蛍光）の損失がなく、超解像を得るＩＳＭ (Imaging Scanning Microscopy )に係る技術が記載されている。ＩＳＭでは、ピンホール径を絞ることなく、コンピュータによる画像処理によって超解像を有する画像を構築する手法をとっていることから検出光の損失を防ぐことができる。一方で、ＩＳＭでは、コンピュータによる処理工程を含むことから、超解像画像の取得に時間を要するという問題がある。
【０００５】
また、特許文献１には、ディスク走査型のスキャナで超解像を得る技術が記載されている。特許文献１には、複数のマイクロレンズが配置されたマイクロレンズディスクと、そのマイクロレンズディスクの個々のマイクロレンズの対向する位置にマイクロレンズ付きピンホールを有するピンホールディスクと、を備えた共焦点スキャナについて記載されている。
【０００６】
特許文献１に記載の構成では、各ピンホールに対向する位置に備わる超解像用マイクロレンズによって開口数を増やすことで、ピンホール径を絞ることなく回折径の半分の像を形成することができ、検出光の損失を防ぐことができる。即ち、特許文献１の技術は、光学系によって回折像を小さくしていることからコンピュータによる画像処理が不要であり、蛍光を損失することなしにＩＳＭよりも高速に超解像を有する画像を取得することができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】”Phys Rev Lett”, Germany, 10 May 2010, 104, 198101, 1-4
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１５−１５２８３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
一方で、特許文献１の技術では、照明用のマイクロレンズディスクの個々のマイクロレンズに応じたピンホールに対向する位置に超解像用のマイクロレンズを配置するため、装置構成が非常に高価となってしまう。また、回折径は使用する対物レンズによって変わるため、対物レンズに応じたマイクロレンズディスク、及び、ピンホールディスクの組合せを複数用意することとなり、実用に際し技術的に困難を極める。
【００１０】
本発明では、上記の実情を鑑みて、安価な構成によって、蛍光を損失することなく共焦点光学系が本来有している超解像性能を得ることができる技術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】
【００１１】
本発明の一態様における観察装置は、標本からの光を検出する対物レンズと、前記対物レンズの前側焦点面である観察面と共役な位置に配置された、前記観察面以外の面からの光を制限する面内変調手段と、前記面内変調手段を介した光束をコリメートするコリメート光学系と、前記コリメートされた光束の径を拡大する光束径拡大光学系と、前記複数の光束を結像する集光光学系と、前記集光光学系の結像位置に配置される撮像素子と、を備え、前記光束径拡大光学系は、前記コリメートされた光束の径を拡大させ、かつ前記光軸に対する角度を変化させないことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、安価な構成によって、蛍光を損失することなく共焦点光学系が本来有している超解像性能を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施形態における観察装置の構成を示す図。
【図２】第１の実施形態における光路分割光学系の断面構成を示す図
【図３】光路分割光学系が偏向面の組み合わせを３組有する場合における、光学部材を標本側から集光光学系の光軸方向に俯瞰した様子と、光学部材を撮像素子側から集光光学系の光軸方向に俯瞰した様子と、を示す図。
【図４】光路分割光学系が偏向面の組み合わせを４組有する場合における、光学部材を標本側から集光光学系の光軸方向に俯瞰した様子と、光学部材を撮像素子側から集光光学系の光軸方向に俯瞰した様子と、を示す図。
【図５】第１の実施形態における光路分割光学系の他の断面構成を示す図。
【図６】光学部材を標本側から集光光学系の光軸方向に俯瞰した様子と、光学部材を撮像素子１１側から集光光学系９の光軸方向に俯瞰した様子とを示す図。
【図７】第１の実施形態の変形例における光路分割光学系の断面構成を示す図。
【図８】第１の実施形態の他の変形例における光路分割光学系の断面構成を示す図。
【図９】プリズムをＸ軸方向に移動させている様子を示す図。
【図１０】第１の実施形態の他の変形例における光路分割光学系の断面構成を示す図。
【図１１】第１の実施形態のさらに他の変形例における光路分割光学系の断面構成を示す図。
【図１２】第２の実施形態における観察装置の構成を示す図。
【図１３】第３の実施形態における観察装置の構成を示す図。
【図１４】第４の実施形態における観察装置の構成を示す図。
【図１５】第５の実施形態における観察装置の構成を示す図。
【図１６】第６の実施形態における光路分割光学系を配置した観察装置の構成の一部を示す図。
【図１７】第６の実施形態の変形例における光路分割光学系を配置した観察装置の構成の一部を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の第１の実施形態における観察装置について図面を参照しながら説明する。観察装置１０は、後述するディスク５を回転させることで、標本Ｓ上で励起光を高速で走査し、高効率で蛍光を検出するようなディスク走査型の共焦点顕微鏡である。図１に観察装置１０の構成を示す。また、図１では、照明光軸方向（Ｚ方向）と、照明光軸に直交するＸ方向及びＹ方向が規定されている。
【００１５】
観察装置１０は、光源１と、照明光学系２と、ダイクロイックミラー３と、コリメート光学系４と、ディスク５と、結像レンズ６と、対物レンズ７と、光路分割光学系８と、集光光学系９と撮像素子１１と、を備えている。
【００１６】
光源１は、標本Ｓに照射することで蛍光を発生させる励起光を出力する光源である。照明光学系２は、光源１から射出された励起光をディスク５へと導く。
【００１７】
ダイクロイックミラー３は、光源１から射出された励起光と、その励起光を標本Ｓに照射したときに生じる蛍光とを分離する。ダイクロイックミラー３は、励起光を反射し、蛍光を透過するように設計される。
【００１８】
標本Ｓからの光は、対物レンズ７と、結像レンズ６によりディスク５に結像される。
【００１９】
ディスク５は、対物レンズ７の前側焦点面と共役な位置、つまり標本Ｓの観察面と共役な位置に配置されたスピニングディスクである。ディスク５には、共焦点開口として共焦点ピンホールが形成されており、該共焦点ピンホールを通過した励起光によって照明される標本Ｓの領域から発生する蛍光を該共焦点ピンホールを通過させるとともに、励起光によって照明された領域以外からの光を遮光することで制限する。また、ディスク５は、軸１４を中心軸としてＸＹ平面上で回転することで標本Sを光学的に走査する手段として機能する。即ち、ディスク５は、光を通過させる領域を変更することで面内の光強度を変調する面内変調手段でもある。
【００２０】
ディスク５からの光は、コリメート光学系４によってコリメートされ、集光光学系９によって撮像素子１１に結像される。
【００２１】
光路分割光学系８は、コリメート光学系４によってコリメートされた光を集光光学系９の光軸から離れる方向にシフトさせることで、複数の光束に分割する。特に、光路分割光学系８による分割前後で、対物レンズ７の光軸（集光光学系９の光軸）に対する角度は変化しないことを特徴とする。光路分割光学系８の構成については後述する。
【００２２】
集光光学系９は、光路分割光学系８で分割された複数の光束（いずれもコリメート光束である）を撮像素子１１に結像する集光光学系である。
【００２３】
撮像素子１１は、集光光学系９の結像位置に配置される。撮像素子１１は、例えば、高感度のＣＣＤカメラやＣＭＯＳカメラや２次元インテンシファイヤ等が用いられる。
【００２４】
以下、図面を用いて光路分割光学系８の構成について説明する。図２は、Ｚ軸を含む平面上における光路分割光学系８の断面構成を示す図である。ここでは、観察装置１０の一部の様子を含め、ＺＸ平面上における光路分割光学系８の断面構成を示している。
【００２５】
光路分割光学系８は、ミラー面１２ａ（第１の平面とする）を有する光学部材１２と、ミラー面１３ａ（第２の平面とする）を有する光学部材１３と、を備えている。ここで、ミラー面１２ａとミラー面１３ａは互いに平行な平面であることを特徴とし、これら平面は、入射光を偏向させる偏向面として機能する。この構成では、ミラー面１２ａに入射した光束がミラー面１２ａによって偏向され、ミラー面１２ａによって偏向された光束がミラー面１３ａによって偏向されることで、光路分割光学系８から集光光学系９へ向けて射出される。尚、ミラー面１２ａ、１３ａは、いずれも反射面であり、入射光束を反射させることで偏向するものである。
【００２６】
より具体的には、第１の平面であるミラー面１２ａは、入射した光束を入射方向に対して異なる方向に偏向するように配置される。ここでいう異なる方向とは、集光光学系９の光軸から離れる方向である。このときミラー面１２ａの角度は、光束のケラレを防ぐためにＸ軸に対して４５度であることが望ましい。また、ミラー面１２ａは、コリメート光学系４によってコリメートされた光の一部が入射され、その光の一部を偏向するように構成される。特に図２の構成では、Ｚ軸をはさみＺ軸よりも紙面下方向に入射した光束の一部（即ちコリメートされた光の一部）を、ミラー面１２ａが偏向している。
【００２７】
そして、第２の平面であるミラー面１３ａは、ミラー面１２ａで偏向された光束を集光光学系９へ向けて偏向する。上述したように、ミラー面１３ａは、ミラー面１２ａと平行な平面であるため、ミラー面１３ａで偏向された光束は、コリメート光学系４でコリメートされた光束（ミラー面１２ａへ入射する前の光束）の集光光学系９の光軸に対する角度と等しい角度を、該光軸に対して有することになる。尚、ミラー面１３ａで偏向された光束もコリメート光束である。また、ミラー面１３ａは、コリメート光学系４からの光を集光光学系９の光軸から離れる方向にシフトさせるように配置されている。つまり、ミラー面１３ａによって偏向される光束が、コリメート光学系４でコリメートされた光束のマージナル光線高さよりも離れた位置を通過するように配置されることを特徴としている。
【００２８】
光路分割光学系８は、上述したような第１の平面であるミラー面１２ａと第２の平面であるミラー面１３ａを少なくとも含む互いに平行な平面からなる偏向面の組み合わせを有している。このような偏向面の組み合わせを介して偏向され、射出される光束は、光路分割光学系８への入射光束に対して集光光学系９の光軸から離れる方向にシフトされた光束である。そのため、該光束が集光光学系９によって結像される際のＮＡは、コリメート光学系４によるコリメート光が集光光学系９によって結像される際のＮＡと比較して大きくなる。つまり、光路分割光学系８は、コリメート光学系４によるコリメート光の光束径を拡大していることから、光束径拡大光学系であるともいえる。尚、ここで増大するＮＡは、第１の平面に対向する方向に限定される。
【００２９】
また、光路分割光学系８からの射出光束は、光路分割光学系８への入射光束と平行なコリメート光束である。そのため、コリメート光学系４と集光光学系９が等倍投影を行う場合、ディスク５における標本Ｓの観察面の像の像高は、光路分割光学系８の偏向面の組み合わせによって変化しない。
【００３０】
従って、以上のような第１の平面及び第２の平面を介することで、撮像素子１１が配置される集光光学系９の結像面におけるスポット径１１ａを、ディスク５におけるスポット径５ａよりも狭めることが可能である。即ち、第１の平面及び第２の平面を介さずに、コリメート光学系４、集光光学系９により集光した際のエアリーディスク直径よりも径を狭めることができる。尚、スポット径を狭める方向は、ＮＡを増大させることができる方向であり、即ち第１の平面に対向する方向である。また、この際に光路分割光学系８は倍率変更に寄与しないことから、コリメート光学系４、集光光学系９による倍率を変えずに、第１の平面に対向する方向において光学的な分解能のみを向上させることができる。
【００３１】
本発明の光路分割光学系８は、上記のようなミラー面１２ａ、ミラー面１３ａの組み合わせのような偏向面の組み合わせを複数有し、その偏向面の組み合わせによってコリメート光学系４からの光束を複数の光束に分割するものである。複数の偏向面の組み合わせによって光束を分割することで、各第１の平面に対向する方向においてスポット径を本来のエアリーディスク直径よりも狭めることができ、結像面に形成される像の分解能を、ＸＹ平面上において向上させることができる。
【００３２】
特に、偏向面の組み合わせにおける第１の平面と第２の平面との間隔を調整することで増大させるＮＡは任意に変更され得る。従って、本来のエアリーディスク直径の半分の直径までスポット径１１ａを狭めるように偏向面の間隔を調整することで、結像面に形成される像の分解能を、観察装置１０が有する各レンズ群によって構成される光学系の解像限界を超えて、ＸＹ平面上において向上させることができる。即ち、共焦点光学系が本来有している超解像性能を得ることが可能となる。
【００３３】
尚、上記偏向面の組み合わせが二つである場合は、ＸＹ平面上において一つの軸方向にしかスポット径１１ａを狭めることができない。従って、光路分割光学系８が有する偏向面の組み合わせは、集光光学系９の光軸周りに３組以上あることが望ましい。即ち、光路分割光学系８における偏向面の組み合わせは、コリメートされた光を少なくとも３つ以上の光束に分割するように配置されるものとする。
【００３４】
また、光路分割光学系８は、コリメート光学系４の後側焦点位置に配置されることが望ましい。そうすることで、光路分割光学系８における光束を分割する境界となる位置が、軸上光と軸外光を含めた光線の通過位置となるためである。
【００３５】
また、図１、図２では、ディスク５の軸上からの光束のみを示しているが、軸外光束においても像高は変化しない。第１の平面、第２の平面は互いに平行であるため、光路分割光学系８への入射前後において、集光光学系９の光軸に対する各光線の角度は等しいからである。即ち、光路分割光学系８は、例え、集光光学系９の光軸に対して傾いていたとしても上述の効果を奏する上で問題はない。また、光路分割光学系８は、集光光学系９の光軸に対して偏心していてもよい。従って、光束がケラレない範囲において集光光学系９の光軸に対しての傾きや偏心があっても構わない。
【００３６】
図３は、光路分割光学系８が偏向面の組み合わせを３組有する場合における、光学部材１２を標本Ｓ側から集光光学系９の光軸方向に俯瞰した様子（図３紙面左側）と、光学部材１３を撮像素子１１側から集光光学系の光軸方向に俯瞰した様子（図３紙面右側）と、を示す図である。
【００３７】
光学部材１２は、第１の平面であるミラー面１２ａ、１２ｂ、１２ｃを有している。ミラー面１２ｂ、１２ｃは、上述したミラー面１２ａと同様の特徴を有し、ミラー面１２ａとは異なる位置に配置された平面である。光学部材１３は、第２の平面であるミラー面１３ａ、１３ｂ、１３ｃを有している。ミラー面１３ｂ、１３ｃは、上述したミラー面１３ａと同様の特徴を有している。ミラー面１３ｂ、１３ｃは、それぞれミラー面１２ｂ、１２ｃに平行な面である。
【００３８】
このような構成によれば、光路分割光学系８は、コリメート光学系４からのコリメート光を、３組の偏向面の組み合わせによって３つの光束に分割して集光光学系９へ射出する。従って、結像面に形成される像の分解能をＸＹ平面上において光学系の解像限界を超えて向上させることができる。
【００３９】
また、以上の観察装置１０は、従来のディスク走査型顕微鏡装置においてミラー面を含む光学部材（光学部材１２、１３）を追加することで構成することができ、安価な構成によって分解能の向上を図ることができる。さらに、ディスク５における共焦点ピンホールの径を絞ることなく結像面におけるスポット径１１ａを狭めることができることから、蛍光損失が起こらない。
【００４０】
また、光路分割光学系８が有する複数の偏向面の組み合わせは、３組以上であればよいため、例えば、図４に示すように光路分割光学系８が４組の偏向面の組み合わせを有していてもよい。
【００４１】
図４は、光路分割光学系８が偏向面の組み合わせを４組有する場合における、光学部材１２を標本Ｓ側から集光光学系９の光軸方向に俯瞰した様子（図４紙面左側）と、光学部材１３を撮像素子１１側から集光光学系の光軸方向に俯瞰した様子（図４紙面右側）と、を示す図である。
【００４２】
光学部材１２は、第１の平面であるミラー面１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄを有している。光学部材１３は、第２の平面であるミラー面１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄを有している。ミラー面１３ｂ、１３ｃ、１３ｄは、それぞれミラー面１２ｂ、１２ｃ、１２ｄに平行な面である。
【００４３】
このような構成によっても、光路分割光学系８は、コリメート光学系４からのコリメート光を、４組の偏向面の組み合わせによって４つの光束に分割して集光光学系９へ射出し、結像面に形成される像の分解能をＸＹ平面上において光学系の解像限界を超えて向上させることができる。
【００４４】
また、光路分割光学系８は、上述したような偏向面の組み合わせを複数有し、その偏向面の組み合わせによってコリメート光学系４からの光束を複数の光束に分割するものであればよく、図２、３、４で示したような二つの光学部材（光学部材１２、１３）からなるものに限られない。例えば、図５、図６に示すように光学部材８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄを含む構成であってもよい。
【００４５】
図５、図６は、光路分割光学系８の各光学部材（光学部材８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ）の配置を示す図である。図５は、Ｘ軸を含む平面上における光路分割光学系８の断面構成を示す図である。図６は、光学部材８ａ、８ｃを標本Ｓ側から集光光学系９の光軸方向に俯瞰した様子（図６紙面左側）と、光学部材８ｂ、８ｃを撮像素子１１側から集光光学系９の光軸方向に俯瞰した様子（図６紙面右側）と、を示す図である。
【００４６】
光学部材８ａは、それぞれ異なる方向に入射光を偏向するように配置された第１の平面であるミラー面１２ａ、１２ｃを有する。尚、ミラー面１２ａ、１２ｃは、図３、図４のミラー面１２ａ、１２ｃと同様の特徴を有する。光学部材８ｂは、第２の平面であるミラー面１３ａ、１３ｃを有する。ミラー面１３ａ、１３ｃは、それぞれミラー面１２ａ、１２ｃに平行な面である。
【００４７】
光学部材８ｃは、それぞれ異なる方向に入射光を偏向するように配置された第１の平面であるミラー面１２ｂ、１２ｄを有する。尚、ミラー面１２ｂ、１２ｄは、図３、図４のミラー面１２ｂ、１２ｄと同様の特徴を有する。光学部材８ｄは、第２の平面であるミラー面１３ｂ、１３ｄを有する。ミラー面１３ｂ、１３ｄは、それぞれミラー面１２ｂ、１２ｄに平行な面である。
【００４８】
以上の光学部材８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄを有する構成によれば、コリメート光学系4からのコリメート光は、光学部材８ａ、８ｂによってＸ方向に２分割された後に、光学部材８ｃ、８ｄによってＹ方向にさらに２分割される。即ち、光学部材８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄを有する光路分割光学系８は、コリメート光学系4からのコリメート光を、４組の偏向面の組み合わせによって４つの光束に分割して集光光学系９へ射出する。従って、図４に示した光路分割光学系８の構成と同様に、結像面に形成される像の分解能をＸＹ平面上において光学系の解像限界を超えて向上させることができる。
【００４９】
また、上記に挙げた光路分割光学系８とディスク５は、いずれも光路中に挿脱可能に構成されていてもよい。例えば、特定の領域を探す等、標本Ｓを広範囲で観察を行いたいときは、分解能よりも速度を重視することから、共焦点による構成を介さずに観察を行った方が効果的である。そのような場合には、光路分割光学系８を光路外へ移動させるだけで、容易に共焦点の構成によらない通常の観察を行うこともできる。
【００５０】
また、大きさの異なる他の光路分割光学系８と切替可能に構成されていてもよい。使用する対物レンズ７の開口数が異なると、コリメート光学系４を介してコリメートされる光束のマージナル光線高さも異なるため、使用する対物レンズ７の開口数に応じて適切な大きさの光路分割光学系８を切替可能に構成することで、光路分割光学系８におけるケラレを防止することができる。
【００５１】
以下、第１の実施形態における観察装置１０が有する光路分割光学系の変形例である光路分割光学系１５について説明する。図７は、ＸＹ平面上における光路分割光学系１５の断面構成を示す図である。
【００５２】
光路分割光学系１５は、１つのプリズムで構成されており、互いに平行な平面の反射面である反射面１５ａ、１６ａを有している。反射面１５ａは、光路分割光学系１５に入射した一部の光束を集光光学系９の光軸から離れる方向に偏向し、反射面１６ａは、反射面１５ａで偏向された光束を集光光学系９へ向けて偏向する。即ち、反射面１５ａ、１６ａは、第１の平面及び第２の平面に相当するものである。
【００５３】
従って、光路分割光学系１５においてコリメート光学系４からのコリメート光を少なくとも３つ以上の光束に分割するように、第１の平面と第２の平面を含む偏向面の組み合わせを三つ以上有するように構成することで、第１の実施形態と同様、結像面に形成される像の分解能をＹＺ平面上において光学系の解像限界を超えて向上させることができる。例えば、反射面１５ａとは異なる位置に反射面１５ｂ、１５ｃが位置するように設計し、反射面１５ａ、１５ｂ、１５ｃのそれぞれに平行な反射面１６ａ、１６ｂ、１６ｃを有するようにプリズムである光路分割光学系１５が設計される。
【００５４】
以下、第１の実施形態における観察装置１０が有する光路分割光学系の他の変形例である光路分割光学系２０について説明する。図８は、ＺＸ平面上における光路分割光学系２０の断面構成を示す図である。
【００５５】
光路分割光学系２０は、二つのプリズム（プリズム２１、２２）で構成されており、互いに平行な平面の屈折面である屈折面２１ａ、２２ａを有している。屈折面２１ａは、光路分割光学系２０に入射した一部の光束を入射方向と異なる方向に偏向する。屈折面２２ａは、屈折面２１ａで偏向された光束を集光光学系９へ向けて偏向する。即ち、屈折面２１ａ、２２ａは、第１の平面及び第２の平面に相当するものである。
【００５６】
従って、光路分割光学系２０においてコリメート光学系４からのコリメート光を少なくとも３つ以上の光束に分割するように、第１の平面と第２の平面を含む偏向面の組み合わせを三つ以上有するように構成することで、第１の実施形態と同様、結像面に形成される像の分解能をＸＹ平面上において光学系の解像限界を超えて向上させることができる。例えば、プリズム２１上において、屈折面２１ａとは異なる位置に屈折面２１ｂ、２１ｃを形成し、プリズム２２が、屈折面２１ａ、２１ｂ、２１ｃのそれぞれに平行な屈折面２２ａ、２２ｂ、２２ｃを有するように光路分割光学系２０が設計される。
【００５７】
また、光路分割光学系２０は、プリズム２１と、プリズム２２との間の相対的な距離を変更可能に構成されていてもよい。図９は、プリズム２２をプリズム２１に対してZ軸方向に移動させている様子を示している。このように、プリズム２１と、プリズム２２との間の相対的な距離を変更することで、スポット径１１ａの狭め具合を変更することができる。例えば、使用する対物レンズ７の開口数が異なると、コリメート光学系４を介してコリメートされる光束のマージナル光線高さも異なる。そのため、使用する対物レンズ７に応じてプリズム２１、２２間の相対的な距離を変更することで、使用する対物レンズ７が変更されても分解能を一定に保つように調整することができる。
【００５８】
尚、図９では、プリズム２２を移動させる例を示しているが、プリズム２１をプリズム２２に対して相対的に移動させても構わない。また、プリズム２１、２２の移動は、光束がケラレない範囲で行われることが望ましい。
【００５９】
また、光路分割光学系２０は、プリズム２１、２２が、図１０に示すような方向を有していても良い。即ち、プリズム２１、２２は、それぞれ図９に示される向きと逆の向きを向いている。このような場合であっても、屈折面２１ａ、２２ａは、図９の配置と同様に第１の平面、第２の平面に相当するため、複数の偏向面の組み合わせを有するように構成することで、結像面に形成される像の分解能をＸＹ平面上において光学系の解像限界を超えて向上させることができる。
【００６０】
以下、第１の実施形態における観察装置１０が有する光路分割光学系のさらに他の変形例である光路分割光学系２５について説明する。図１１は、ＺＸ平面上における光路分割光学系２０の断面構成を示す図である。
【００６１】
光路分割光学系２０は、１つのプリズムで構成されており、互いに平行な平面の屈折面である屈折面２６ａ、２７ａを有している。屈折面２６ａは、光路分割光学系２０に入射した一部の光束を集光光学系９の光軸から離れる方向に偏向し、屈折面２７ａは、屈折面２６ａで偏向された光束を集光光学系９へ向けて偏向する。即ち、屈折面２６ａ、２７ａは、第１の平面及び第２の平面に相当するものである。
【００６２】
従って、光路分割光学系２５においてコリメート光学系４からのコリメート光を少なくとも３つ以上の光束に分割するように、第１の平面と第２の平面を含む偏向面の組み合わせを三つ以上有するように構成することで、第１の実施形態と同様、結像面に形成される像の分解能をＸＹ平面上において光学系の解像限界を超えて向上させることができる。例えば、屈折面２６ａとは異なる位置に屈折面２６ｂ、２６ｃが位置するように設計し、屈折面２６ｂ、２６ｃのそれぞれに平行な屈折面２７ｂ、２７ｃを有するようにプリズムである光路分割光学系２５が設計される。
【００６３】
以下、第２の実施形態における観察装置について図面を参照しながら説明する。観察装置３０は、光路分割光学系８を有するディスク走査型顕微鏡であることについては、第１の実施形態で説明した観察装置１０と同様であるが、ディスク５の代わりにディスク３２を有し、さらにプリズム３１を有する点において観察装置１０と異なる。図１２に観察装置３０の構成を示す。
【００６４】
ディスク３２は、コリメート光学系４側に配置される凹面ミラー３２ａと、開口３２ｂとを複数備えた凹面ミラーアレイを形成している。本構成は凹面ミラー３２aにより励起光を共焦点ピンホールに集光することで照明利用効率を向上させている。
【００６５】
尚、本構成においても光路分割光学系８を設置することで、第１の実施形態と同様、結像面に形成される像の分解能をＸＹ平面上において光学系の解像限界を超えて向上させることができる。
【００６６】
以下、第３の実施形態における観察装置について図面を参照しながら説明する。観察装置４０は、光路分割光学系８を有するディスク走査型顕微鏡であることについては、第１の実施形態で説明した観察装置１０と同様であるが、ディスク５の代わりに複数のマイクロレンズ４１ａ、４１ｂ、・・・を含むマイクロレンズアレイを形成したディスク４１と、ディスク４１の各マイクロレンズに対向した位置にピンホールを有する、複数のピンホールが形成されたディスク４２とを備えている点において、観察装置１０と異なっている。また、ディスク４１と、ディスク４２は、軸４９を軸として連動して回転することを特徴としている。図１５に観察装置４０の構成を示す。
【００６７】
観察装置４０の構成によれば、不図示の光源装置から射出されるコリメート光束がディスク４１へ入射し、ディスク４１に含まれるマイクロレンズアレイによって複数の収束光となってディスク４２、結像レンズ４３、対物レンズ４４を介して標本Ｓへ照射される。即ち、本構成によっても第２の実施形態と同様に、光源装置から射出される光束が損失なくディスク４２を通過するため、観察装置１０と比較して照明効率を向上させることができる。
【００６８】
尚、本構成においても光路分割光学系８を設置することで、第１の実施形態と同様、結像面に形成される像の分解能をＹＺ平面上において光学系の解像限界を超えて向上させることができる。
【００６９】
以下、第４の実施形態における観察装置について図面を参照しながら説明する。観察装置５０は、ディスク５の代わりにプリズム５４、ＤＭＤ５５を有している点において観察装置１０と異なるが、それ以外の構成については同様である。図１６に観察装置５０の構成を示す。
【００７０】
プリズム５４は、光源５１から射出されてダイクロイックミラー５２及びレンズ５３を介した光束をＤＭＤ５５へ向けて偏向する反射面を有している。また、ＤＭＤ５５を介した光束をレンズ５６へ向けて偏向する反射面を有している。
【００７１】
ＤＭＤ５５は、対物レンズ５７の前側焦点面と共役な位置、つまり標本Ｓの観察面と共役な位置に配置されている。ＤＭＤ５５は、複数のマイクロミラーを含み、各マイクロミラーの角度を変更することで、光束の反射に寄与する状態と光束の反射に寄与しない状態と、を任意に変更することができる。即ち、ＤＭＤ５５は、表面上で光を反射させる状態と、遮光させる状態とを任意に変更することができる。
【００７２】
本実施形態では、標本Ｓの観察面からの蛍光を反射させるとともに、標本Ｓの観察面以外からの光を遮光するようにＤＭＤ５５の光の反射分布が設定されていることから、ＤＭＤ５５は共焦点開口として機能する。また、ＤＭＤ５５は、表面上で光の反射位置を変更することができるため、励起光の走査手段としても機能する。即ち、ＤＭＤ５５、及び、プリズム５４を有する構成は、ディスク５と同様の機能を有するものである。
【００７３】
従って、観察装置５０のような装置においても光路分割光学系８を設置することで、第１の実施形態と同様、結像面に形成される像の分解能をＸＹ平面上において光学系の解像限界を超えて向上させることができる。
【００７４】
以下、第５の実施形態における観察装置について図面を参照しながら説明する。観察装置６０は、ディスク５を有さず、ＰＢＳ６４、ＬＣＯＳ６５を有している点において観察装置１０と異なるが、それ以外の構成については同様である。図１７に観察装置６０の構成を示す。
【００７５】
ＬＣＯＳ６５は、対物レンズ５７の前側焦点面と共役な位置、つまり標本Ｓの観察面と共役な位置に配置されている。ＬＣＯＳ６５は、入射する光束を反射する液晶層を含み、液晶層に加える電圧を変えることで、反射光の偏光状態を変更する。図１７のようにＬＣＯＳ６５及びＰＢＳ６４を配置することで、ＬＣＯＳ６５の液晶層上で、ＰＢＳ６４を通過する光束と、ＰＢＳ６５を反射する光束と、に任意にわけることができる。
【００７６】
本実施形態では、標本Ｓの観察面からの蛍光をＰＢＳ６４を通過させるとともに、標本Ｓの観察面以外からの光をＰＢＳ６４で反射させる、即ち撮像素子７０方向への光を遮光するように液晶層上での偏光分布が設定されているため、ＬＣＯＳ６５は、共焦点開口として機能する。また、ＬＣＯＳ６５は、液晶層上で偏光分布を変更することができるため、励起光の走査手段としても機能する。即ち、ＬＣＯＳ６５、及び、ＰＢＳ６４を有する構成は、ディスク５と同様の機能を有するものである。
【００７７】
従って、観察装置６０のような装置においても光路分割光学系８を設置することで、第１の実施形態と同様、結像面に形成される像の分解能をＸＹ平面上において光学系の解像限界を超えて向上させることができる。
【００７８】
以下、第６の実施形態について説明する。第６の実施形態は、上記実施形態において用いられる光路分割光学系に係る構造の実施例である。第６の実施形態における光路分割光学系７５は、第１から第５のいずれの実施形態の観察装置において用いられても構わない。ここでは、第１の実施形態における観察装置１０における光路分割光学系８の代わりに光路分割光学系７５を配置する例を説明する。図１８は、光路分割光学系７５を配置した観察装置１０の構成の一部を示す図である。
【００７９】
光路分割光学系７５は、第１の平面であるミラー面７７ａと第２の平面であるミラー面７６ａを少なくとも含む互いに平行な平面からなる偏向面の組み合わせを有している点において、光路分割光学系８と同様である。一方で、光路分割光学系７５は、第２の平面を有する方の光学部材において開口７８を有している。即ち、コリメート光学系４からのコリメート光束のうち、光路分割光学系７５の中心付近に入射した光束は、開口７８を素通りし、集光光学系９へ入射する。
【００８０】
このような構成とすることで、スポット径１１ａを形成するための光束は、集光光学系９の光軸より離れた周部分を通過する光束と、集光光学系９の光軸を通過する光束とによって形成される。即ち、光束の中抜けをなくし、結像時に、スポット径１１ａを形成する際生じ得るサイドローブの発生を抑制することができる。
【００８１】
また、第６の実施形態の変形例として光路分割光学系８０のような構成も考えられる。図１９は、光路分割光学系８０を配置した観察装置１０の構成の一部を示す図である。
【００８２】
光路分割光学系８０は、第１の平面であるハーフミラー面８１ａと第２の平面であるミラー面８２ａを少なくとも含む互いに平行な平面からなる偏向面の組み合わせを有している。即ち、ハーフミラー面８１ａ（第１の平面）に入射した光束はハーフミラー面８１ａを介して、第２の平面に偏向される光束と、ハーフミラー面８１ａを通過する光束とにわけられる。即ち、コリメート光学系４からのコリメート光束は、第１の平面、第２の平面を介して集光光学系９へ入射する光束と、第１の平面を透過して集光光学系９へ入射する光束とにわけられる。
【００８３】
このような構成としても、スポット径１１ａを形成するための光束は、集光光学系９の光軸より離れた周部分を通過する光束と、集光光学系９の光軸を通過する光束とによって形成される。従って、光束の中抜けをなくし、結像時に、スポット径１１ａを形成する際生じ得るサイドローブの発生を抑制することができる。
【００８４】
尚、上述した実施形態は、発明の理解を容易にするために具体例を示したものであり、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。上述した観察装置は、特許請求の範囲に記載した本発明を逸脱しない範囲において、さまざまな変形、変更が可能である。
【符号の説明】
【００８５】
１０、３０、４０、５０、６０                    観察装置
１、５１、６１                                  光源
２                                              照明光学系
４、４６、５３、６３                            コリメート光学系
５、３２、４１、４２                          ディスク
６、４３、５６、６６                          結像レンズ
９、４７、５８、６９                          集光光学系
１２、３３、４９                              軸
７、４４、５７、６７                          対物レンズ
８、１５、２０、２５、７５、８０              光路分割光学系
８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、１２、１３            光学部材
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１３ａ、１３ｂ、
１３ｃ、１３ｄ、１５ａ、１６ａ２１ａ、２２ａ、
２６ａ、２７ａ、７６ａ、７７ａ、８１ａ、８２ａ        平面
１１、４８、５９、７０                        撮像素子
５ａ、１１ａ                                  スポット径
Ｓ                                            標本
Ａ、Ｂ                                        光束
【図１】
2018124499.tif 000003
【図２】
2018124499.tif 000004
【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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【図１５】
2018124499.tif 000017
【図１６】
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【図１７】
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