(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
最終像および少なくとも１つの中間像を形成する複数の結像レンズと、
該結像レンズにより形成されるいずれかの前記中間像よりも物体側に配置され、前記物体からの光の波面に空間的な乱れを付与する第１の位相変調素子と、
該位相変調素子との間に少なくとも１つの中間像を挟む位置に配置され、前記第１の位相変調素子により前記物体からの光の波面に付与された空間的な乱れを打ち消す第２の位相変調素子とを備え、
前記第１の位相変調素子と、前記第２の位相変調素子の少なくとも片方が、光軸方向に間隔をあけて配置された複数のシリンドリカルレンズを備え、該複数のシリンドリカルレンズの全系のなす主点が前記結像レンズの瞳位置近傍に位置するように配置されている結像光学系。
【請求項２】
前記シリンドリカルレンズの少なくとも１つのパワーの符号が、他のシリンドリカルレンズのパワーの符号とは逆である請求項１に記載の結像光学系。
【請求項３】
前記全系のパワーが正である請求項２に記載の結像光学系。
【請求項４】
前記全系のパワーが負である請求項２に記載の結像光学系。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の結像光学系と、
該結像光学系の物体側に配置され、該結像光学系に入射させる照明光を発生する光源とを備える照明装置。
【請求項６】
請求項５に記載の照明装置と、
前記結像光学系の最終像位置に配置された観察対象物から発せられた光を検出する光検出器とを備える観察装置。
【請求項７】
該光源からの照明光を走査するスキャナを備える請求項６に記載の観察装置。
【請求項８】
前記光源が極短パルスレーザ光源である請求項７に記載の観察装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、結像光学系、照明装置、観察装置および波面回復素子に関するものである。
【０００２】
従来、中間像位置において光路長を調節することにより、合焦点位置を光軸に沿う方向に移動させる方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４０１１７０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の方法では、中間像面に平面鏡を配置するので、平面鏡の表面の傷や異物が像に重なってしまうという不都合がある。また、顕微鏡光学系に適用される場合には、拡大光学系であるため、縦倍率は横倍率の２乗に等しく、観察対象物における合焦点位置の光軸に沿う方向への僅かな移動によっても、中間像はその光軸方向に大きく移動する。その結果、移動した中間像がその前後に位置していたレンズに重なると、上記と同様に、レンズの表面の傷や異物あるいはレンズ内の欠陥等が像に重なってしまうという不都合がある。
【０００５】
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、中間像が光学素子に一致する位置で結像されても、中間像に光学素子の傷、異物および欠陥等が重なることを防止して鮮明な最終像を取得することができる結像光学系、照明装置、観察装置および波面回復素子を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、中間像が光学素子に一致する位置で結像されても、中間像に光学素子の傷、異物および欠陥等が重なることを防止して鮮明な最終像を取得することができる結像光学系、照明装置および観察装置を提供することを目的としている。
【０００７】
本態様によれば、結像レンズの物体側から入射された光は結像レンズによる集光を複数回繰り返した後に最終像を結像する。この場合において、中間像の一つよりも物体側に配置された第１の位相変調素子を通過することにより、光の波面に空間的な乱れが付与され、結像される中間像は不鮮明化される。また、中間像を結像した光は第２の位相変調素子を通過することにより、第１の位相変調素子によって付与された波面の空間的な乱れが打ち消される。これにより、第２の位相変調素子以降においてなされる、最終像の結像においては、鮮明な像を得ることができる。
【０００８】
すなわち、中間像を不鮮明化することにより、表面や内部に傷、異物あるいは欠陥等が存在する光学素子の近傍に中間像が位置する場合であっても、該傷や異物あるいは欠陥等が中間像に重なって、最終的に最終像の一部として形成されてしまう不都合の発生を防止することができる。
【０００９】
そして、複数のシリンドリカルレンズを光軸方向に間隔をあけて配置して組み合わせることで、位相変調素子の全系の主点をシリンドリカルレンズと重ならない位置に配置することができ、結像レンズの瞳位置近傍にスペースの余裕が足りない場合であっても、単体の位相変調素子を瞳位置近傍に配置したのと同じ効果を得ることができる。
【００１０】
特に、スキャナを有する光学系において、光学素子の表面や内部に存在する傷や異物や欠陥等が最終像の一部として形成される上記不都合を防止するためには、スキャナと、結像レンズの瞳と、第１の位相変調素子と、第２の位相変調素子とが共役に配置されている必要があり、上記各要素が共役な位置関係にあることによって、スキャナによって光束の位置が変動させられても、光束は第２の位相変調素子の一定の位置に入射し、これにより第１の位相変調素子によって付与された波面の空間的な乱れを完全に打ち消すことができる。
【００１１】
すなわち、複数のシリンドリカルレンズを光軸方向に間隔をあけて配置して組み合わせることで、スキャナを有する光学系において、結像レンズの瞳位置近傍にスペースの余裕が足りない場合であっても、単体の位相変調素子を瞳位置に一致させて配置したのと同じ効果を得ることができる。
【００１２】
上記態様においては、前記シリンドリカルレンズ群をなすシリンドリカルレンズの少なくとも１つのパワーの符号が、他のシリンドリカルレンズのパワーの符号とは逆であってもよい。
このようにすることで、負のパワーのシリンドリカルレンズと正のパワーのシリンドリカルレンズの組み合わせにより、位相変調素子としてのシリンドリカルレンズ群全系の主点の位置を第２の位相変調素子の光軸方向の外側に容易に配置することができ、第２の位相変調素子自体を結像レンズの瞳位置から光軸方向に離れた位置に挿入することができる。
上記態様においては、前記シリンドリカルレンズ群全系のパワーが正であってもよいし、前記シリンドリカルレンズ群全系のパワーが負であってもよい。
【００１３】
また、本発明の他の態様は、上記いずれかの結像光学系と、該結像光学系の物体側に配置され、該結像光学系に入射させる照明光を発生する光源とを備える照明装置を提供する。
本態様によれば、物体側に配置された光源から発せられた照明光が結像光学系に入射されることにより、最終像側に配置された照明対象物に照明光を照射することができる。この場合に、第１の位相変調素子によって、結像光学系により形成される中間像が不鮮明化させられるので、中間像位置に何らかの光学素子が配置されて、該光学素子の表面や内部に傷、異物あるいは欠陥等が存在していてもそれらが中間像に重なって、最終的に最終像の一部として形成されてしまう不都合の発生を防止することができる。
【００１４】
また、本発明の他の態様は、上記いずれかの結像光学系と、該結像光学系の最終像位置に配置された観察対象物から発せられた光を検出する光検出器とを備える観察装置を提供する。
本態様によれば、光学素子の表面や内部に存在する傷、異物あるいは欠陥等の像が中間像に重なることが防止されることによって形成された鮮明な最終像としての光スポットが、上記観察対象物を照射することで該観察対象物が発する光を、光検出器によって検出することができる。
【００１５】
また、本発明の他の態様は、上記いずれかの結像光学系と、該結像光学系の物体側に配置され、該結像光学系に入射させる照明光を発生する光源と、該光源からの照明光を走査するスキャナと、前記結像光学系の最終像位置に配置された観察対象物から発せられた光を検出する光検出器とを備える観察装置を提供する。
【００１６】
本態様によれば、物体側に配置された光源から発せられた照明光が、結像光学系に入射され、中間像を形成しながら進行する途中でスキャナを通過することにより、最終像位置に配置された観察対象物上において走査される。そして、観察対象物の各走査位置において照明光が照射されることにより発せられた光が光検出器により検出されることにより、照明光の走査位置と検出器により検出された光の強度情報とにより観察対象物の画像を生成することができる。この場合に、光学素子の表面や内部に傷、異物あるいは欠陥等の像が中間像に重なることが防止されることによって、観察対象物上に鮮明な最終像としての光スポットが形成されるので、観察対象物の鮮明な画像を取得することができる。
【００１７】
上記態様においては、前記光源がレーザ光源であり、前記光検出器が共焦点ピンホールおよび光電変換素子を備えていてもよい。
このようにすることで、中間像位置における傷や異物や欠陥等の像の写り込みのない、鮮明な共焦点画像による観察対象物の観察を行うことができる。
【００１８】
また、本発明の他の態様は、上記いずれかの結像光学系を備え、前記光源が極短パルスレーザ光源である観察装置を提供する。
本態様によれば、物体側に配置された光源から発せられた極短パルス照明光が、最終像位置に配置された観察対象物に照射されることにより発せられた多光子蛍光が、光検出器により検出されることにより、観察対象物の画像を生成することができる。この場合に、光学素子の表面や内部に傷、異物あるいは欠陥等の像が中間像に重なることが防止されることによって、観察対象物上に鮮明な最終像としての光スポットが形成されるので、観察対象物の鮮明な多光子蛍光画像を取得することができる。
【００１９】
また、本発明の参考例としての発明の参考態様は、最終像および少なくとも１つの中間像を形成する複数の結像レンズと、該結像レンズにより形成されるいずれかの前記中間像よりも物体側に配置され、前記物体からの光の波面に空間的な乱れを付与する波面錯乱素子とを備える結像光学系に用いられ、前記波面錯乱素子との間に少なくとも１つの中間像を挟む光路上の位置に挿入されて、前記波面錯乱素子により前記物体からの光の波面に付与された空間的な乱れを打ち消す波面回復素子であって、光軸方向に間隔をあけて配置された複数のシリンドリカルレンズよりなるシリンドリカルレンズ群を備え、該シリンドリカルレンズ群の全系のなす主点が前記結像レンズの瞳位置に一致して、または瞳位置の近傍に位置するように配置される波面回復素子である。
【００２０】
本態様によれば、結像レンズの瞳位置とは異なる光路上の位置に挿入するだけで、単一の波面回復素子を瞳位置または瞳位置の近傍に配置したのと同じ効果を得ることができ、内視鏡の対物レンズのように、極めて小型に構成されているために瞳位置近傍に挿入スペースが少ない場合や、顕微鏡の対物レンズユニットのような既存の結像レンズを使用する場合などに適用して、中間像位置における傷や異物や欠陥等の像の写り込みのない照明や観察を行うことができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、中間像が光学素子に一致する位置で結像されても、中間像に光学素子の傷、異物および欠陥等が重なることを防止して鮮明な最終像を取得することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る観察装置を示す模式的な全体構成図である。
【図２】図１の観察装置に備えられる本実施形態に係る位相変調素子の一例を示す図である。
【図３】図１の観察装置の対物レンズの後ろ側に、（ａ）図２の位相変調素子を配置した状態、（ｂ）（ａ）と等価な位相変調素子が対物レンズ内に組み込まれている状態をそれぞれ示す図である。
【図４】非点隔差を求める手法を説明する図であり，（ａ）基本の光学系、（ｂ）位相変調素子をアドオンした状態の平面図、（ｃ）（ｂ）の側面図、（ｄ）（ｃ）と等価な光学系を示す図である。
【図５】図２の位相変調素子の変形例を示す図である。
【図６】図１の観察装置の対物レンズの光軸方向の前後に挟んで、（ａ）位相変調素子を配置した状態、（ｂ）（ａ）と等価な位相変調素子が対物レンズ内に組み込まれている状態をそれぞれ示す図である。
【図７】図２の位相変調素子の他の変形例を示す図である。
【図８】図２の位相変調素子のさらに他の変形例を示す図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る観察装置を示す模式的な全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明の第１の実施形態に係る観察装置１、照明装置２、結像光学系３および位相変調素子１５について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る観察装置１は、図１に示されるように、例えば、レーザ走査型多光子励起顕微鏡である。
【００２４】
観察装置１は、観察対象物Ａに極短パルスレーザ光（以下、単にレーザ光（照明光）という。）を照射する照明装置２と、該照明装置２によるレーザ光の照射により観察対象物Ａにおいて発生する蛍光を光検出器に導く検出器光学系４と、該検出器光学系４により導かれた蛍光を検出する光検出器５とを備えている。
【００２５】
照明装置２は、レーザ光を発生する光源６と、該光源６からのレーザ光を観察対象物Ａに照射する結像光学系３とを備えている。
結像光学系３は、光源６からのレーザ光のビーム径を拡大するビームエキスパンダ７と、該ビームエキスパンダ７を通過したレーザ光を集光して中間像を結像しその結像位置を光軸方向に移動させるＺ走査部８と、該Ｚ走査部８を通過して中間像を結像したレーザ光を略平行光にするコリメートレンズ９とを備えている。
【００２６】
また、結像光学系３は、コリメートレンズ９により略平行光となったレーザ光を通過させる位置に配置された第１の位相変調素子（波面錯乱素子）１０と、Ｚ走査部８により形成された中間像をリレーする複数のリレーレンズ対１１，１２，１３と、リレーレンズ対１１，１２，１３間に配置された２つのガルバノミラー１４ａ，１４ｂからなるスキャナ１４と、リレーレンズ対１１，１２，１３を通過して略平行光となったレーザ光を通過させる位置に配置された第２の位相変調素子（波面回復素子）１５と、該第２の位相変調素子１５を通過したレーザ光を集光して観察対象物Ａに照射する一方、観察対象物Ａにおけるレーザ光の集光点において発生した蛍光を集光する対物レンズ１６とを備えている。
【００２７】
Ｚ走査部８は、ビームエキスパンダ７によりビーム径を拡大させられたレーザ光を集光する集光レンズ８ａと、該集光レンズ８ａを光軸方向に移動させるアクチュエータ８ｂとを備えている。アクチュエータ８ｂにより集光レンズ８ａを光軸方向に移動させることで、その結像位置を光軸方向に移動させることができるようになっている。
【００２８】
第１の位相変調素子１０は、光学的に透明な材料により構成された１以上のシリンドリカルレンズである。第１の位相変調素子１０は、レーザ光が透過する際に、その表面形状に従って光軸に直交する１次元方向に変化する波面の空間的な乱れをレーザ光に付与し、非点収差を発生するようになっている。
また、第１の位相変調素子１０は、後述するリレーレンズ対１１，１２，１３によってリレーされる、後述する対物レンズ１６の瞳と光学的に共役な位置に配置されている。
【００２９】
リレーレンズ対１１，１２，１３は、コリメートレンズ９により略平行光となったレーザ光を一方のレンズ１１ａ，１２ａ，１３ａによって集光して中間像ＩＩを形成した後に、拡散するレーザ光を他方のレンズ１１ｂ，１２ｂ，１３ｂによって再度コリメートして略平行光に戻すようになっている。本実施形態においては３つのリレーレンズ対１１，１２，１３を光軸に沿う方向に間隔をあけて配置し、３カ所において中間像ＩＩを形成するようになっている。
【００３０】
ガルバノミラー１４ａ，１４ｂは、それぞれ光軸に直交する軸線回りに揺動可能に設けられていて、揺動角度を変更することによって、反射するレーザ光に傾き角度を付与するようになっている。２つのガルバノミラー１４ａ，１４ｂの軸線は互いにねじれの位置関係に配置されていて、レーザ光の傾き角度を２次元方向に変化させることができるようになっている。２つのガルバノミラー１４ａ，１４ｂは、それぞれ、リレーレンズ対１２，１３によってリレーされる後述する対物レンズ１６の瞳と光学的に共役な位置に配置されている。
【００３１】
対物レンズ１６は、入射されてきたレーザ光を集光して観察対象物Ａにおいてスポットを形成させる１以上のレンズ１６ａと、瞳位置に配置された開口絞り１６ｂとを備えている。
本実施形態に係る第２の位相変調素子１５は光学的に透明な材料からなり、第１の位相変調素子１０との間に３つの中間像ＩＩを挟む位置に配置され、通過するレーザ光の波面を変調することにより、第１の位相変調素子１０によってレーザ光に付与された波面の空間的な乱れ、すなわち非点収差を打ち消すようになっている。
【００３２】
また、本実施形態に係る第２の位相変調素子１５は、光軸方向に間隔をあけて配置された２つのシリンドリカルレンズ１５ａ，１５ｂよりなるシリンドリカルレンズ群を備えている。図２に示されるように、一方のシリンドリカルレンズ１５ａは負のパワーを有し、他方のシリンドリカルレンズ１５ｂは正のパワーを有し該シリンドリカルレンズ群全系のパワーが正となるように、シリンドリカルレンズ１５ａ，１５ｂのパワーおよびそれらの間隔が決められている。
【００３３】
これにより、第２の位相変調素子１５の全系のなす主点ＨＣが、第２の位相変調素子１５の光軸方向の外側に配置される。そして、本実施形態においては、第２の位相変調素子１５が、その主点ＨＣを対物レンズ１６の瞳位置に一致させて配置されている。
【００３４】
検出器光学系４は、第２の位相変調素子１５を挟んで対物レンズ１６とは反対側の光軸上に配置されたダイクロイックミラー１７と、該ダイクロイックミラー１７により屈曲された光軸上に配置された２つの集光レンズ１８ａ，１８ｂとを備えている。ダイクロイックミラー１７は、レーザ光を透過し、蛍光を反射する特性を有し、対物レンズ１６によって集光された蛍光を９０°偏向して集光レンズ１８ａに入射させるようになっている。
光検出器５は、例えば、光電子増倍管であり、入射された蛍光の強度を検出するようになっている。
【００３５】
このように構成された本実施形態に係る観察装置１の作用について以下に説明する。
本実施形態に係る観察装置１を用いて観察対象物Ａの観察を行うには、照明装置２の光源６から発せられたレーザ光を結像光学系３によって観察対象物Ａに照射する。レーザ光は、ビームエキスパンダ７によってビーム径が拡大され、Ｚ走査部８、コリメートレンズ９および第１の位相変調素子１０を通過させられる。
【００３６】
レーザ光は、Ｚ走査部８の集光レンズ８ａにより集光され、アクチュエータ８ｂの作動によって集光位置を光軸方向に調節することができる。
また、レーザ光は第１の位相変調素子１０を通過させられることにより、波面に空間的な乱れ、すなわち非点収差が付与される。
【００３７】
レーザ光はその後、３つのリレーレンズ対１１，１２，１３と、２つのガルバノミラー１４ａ，１４ｂからなるスキャナ１４とを通過させられることにより、中間像ＩＩを形成しながら、光束の傾き角度を変化させられてダイクロイックミラー１７を透過し、第２の位相変調素子１５を透過して対物レンズ１６により観察対象物Ａに集光される。
【００３８】
第１の位相変調素子１０によって波面の空間的な乱れが付与されたレーザ光は、リレーレンズ対１１，１２，１３によって中間像ＩＩが形成されても、非点隔差によって点像が線状に伸ばされ、あるいは楕円状に、あるいは円状に広げられ、不鮮明化されて結像される。そして、レーザ光は、対物レンズ１６への入射前に第２の位相変調素子１５を通過させられることにより、第１の位相変調素子１０によって与えられた波面の空間的な乱れ、すなわち非点収差が打ち消されるので、対物レンズ１６により観察対象物Ａに形成される最終像ＩＦは、所望の形状、例えば、エアリー・ディスク形状、あるいはガウシアン・ビーム形状の鮮明なスポットを形成することができる。
【００３９】
すなわち、第１の位相変調素子１０によって中間像ＩＩが不鮮明化され、さらに第２の位相変調素子によって最終像ＩＦが鮮明化されることにより、中間像ＩＩの結像位置に何らかの光学素子が配置されて、該光学素子の表面や内部に傷、異物あるいは欠陥等が存在していてもそれらが中間像ＩＩに重なって、対物レンズ１６の最終像ＩＦの画像を劣化させてしまうことを防止することができる。
【００４０】
そして、本実施形態に係る第２の位相変調素子１５によれば、複数のシリンドリカルレンズ１５ａ，１５ｂのパワーと面間隔を適切に決めることにより、第２の位相変調素子１５の全系の主点ＨＣの位置を光軸方向の外側に設定する、いわゆるレトロフォーカス系に構成することができる。したがって、図３（ａ）に示されるように、前記主点ＨＣを対物レンズ１６の瞳位置ＰＯＢに一致させて、対物レンズ１６の光軸方向の外側に第２の位相変調素子１５を配置することにより、図３（ｂ）に示されるように、位相変調効果を有する単一のシリンドリカルレンズ１５ｃを対物レンズ１６の瞳位置ＰＯＢに配置したのと等価な位相変調の効果を得ることができる。
【００４１】
すなわち、対物レンズ１６に手を加えることなく、対物レンズ１６の後ろ側にレトロフォーカス系の第２の位相変調素子１５をアドオンするだけで、対物レンズ１６の内部に位置する瞳位置ＰＯＢに単一のシリンドリカルレンズによる第２の位相変調素子１５ｃを等価的に配置することができるという利点がある。対物レンズ１６の内部の瞳位置ＰＯＢには、対物レンズ１６を構成するレンズ１６ａや開口絞り１６ｂ等によって狭いスペースしか残されていないことが多く、現実に位相復調素子１５を瞳位置に組み込むことは困難であるが、本実施形態によればそのような不都合はない。
【００４２】
そして、本実施形態に係る照明装置２および観察装置１によれば、第２の位相変調素子１５を対物レンズ１６の瞳位置ＰＯＢに等価的に配置することによって以下の効果を奏する。
すなわち、上述したように２つのガルバノミラー１４ａ，１４ｂおよび第１の位相変調素子１０は、対物レンズ１６の瞳位置ＰＯＢと光学的に共役な位置に配置されているので、第２の位相変調素子１５とも等価的に光学的に共役な位置に配置される。
【００４３】
したがって、ガルバノミラー１４ａ，１４ｂの傾き角度がどのように変更されても、瞳位置ＰＯＢに等価的に配置された第２の位相変調素子１５の同一領域にレーザ光を通過させることができ、レーザ光に同一の位相変調効果を与えることができ、かつ第１の位相変調素子１０と第２の位相変調素子１５の共役関係は常に保たれる。その結果、第１の位相変調素子１０によって与えられた波面の乱れを、ガルバノミラーの傾き角度に関わりなく確実に打ち消して鮮明な最終像ＩＦを観察対象物Ａに結像させることができる。これにより、空間分解能の高い蛍光画像を取得することができるという利点がある。
【００４４】
ここで、いくつかの光学的パラメータを与えて、それによって生じる非点隔差ＡＳを求める手法について説明する。
図４（ａ）に示される結像レンズＬＴと対物レンズ１６とを備える基本的な光学系に、図４（ｂ）、（ｃ）に示されるように、レトロフォーカス系のシリンドリカルレンズ型の、第２の位相変調素子１５を組み込むと、図４（ｄ）に示されるように、対物レンズ１６の瞳位置ＰＯＢに単一のシリンドリカルレンズによる第２の位相変調素子１５ｃを配置したのと等価な光学系を構成することができる。
【００４５】
なお、図４を用いた本説明では、現象をより理解し易くするために、最終像ＩＦを点光源とみなし、光の進行方向を、図１において光源６から発せられるレーザ光とは逆に取る。また、光軸方向の二点間距離の符号はＺ軸に基づくものとし、その距離の始点（黒点で表記される）から終点（矢印で表記される）への向きが、Ｚ軸の方向と一致する場合を正とする。
【００４６】
最初に定める光学パラメータは、対物レンズ１６の焦点距離ｆＯＢ、結像レンズＬＴの焦点距離ｆＴ、レトロフォーカス系の第２の位相変調素子１５の正のパワーのシリンドリカルレンズ１５ｂの主点から第２の位相変調素子１５の全系の前側主点までの距離ａＣＲ（＜０）、２つのシリンドリカルレンズ１５ａ，１５ｂの主点間の距離ｄＣＲ、第２の位相変調素子１５の合成焦点距離ｆＣＲである。
【００４７】
合成焦点距離ｆＣＲは、一般式より、
ｆＣＲ＝（ｆＣＲ１・ｆＣＲ２）／（ｆＣＲ１＋ｆＣＲ２−ｄＣＲ）        （１）
と表される。
ここで、ｆＣＲ１は正のパワーのシリンドリカルレンズ１５ｂの焦点距離、ｆＣＲ２は負のパワーのシリンドリカルレンズ１５ａの焦点距離である。
【００４８】
また、第２の位相変調素子１５の全系の前側主点の位置を表すａＣＲは、
ａＣＲ＝（ｆＣＲ１・ｄＣＲ）／（ｆＣＲ１＋ｆＣＲ２−ｄＣＲ）          （２）
と表される。
式（１）、（２）を連立して解くことにより、ｆＣＲ１とｆＣＲ２とが求められる。
【００４９】
また、全系の前側主点と後ろ側主点との間の距離ｂＣＲは、
ｂＣＲ＝−ｄＣＲ２／（ｆＣＲ１＋ｆＣＲ２―ｄＣＲ）                      （３）
と表される。
【００５０】
次に、図４（ｄ）において、等価な単一のシリンドリカルレンズによる第２の位相変調素子１５ｃの後ろ側主点と結像レンズＬＴの主点との距離ｄＣＴは、
ｄＣＴ＝ｆＴ−ｂＣＲ                                                  （４）
と表される。
【００５１】
また、等価な単一のシリンドリカルレンズによる第２の位相変調素子１５ｃと結像レンズＬＴの合成焦点距離ｆＣＴは、一般式より、
ｆＣＴ＝（ｆＣＲ・ｆＴ）／（ｆＣＲ＋ｆＴ−ｄＣＴ）                    （５）
と表される。
これらの値を次式（６）に代入することにより、後ろ側焦点の位置ｍＣＴは、
ｍＣＴ＝ｆＴ・（ｆＣＲ−ｄＣＴ）／（ｆＣＲ＋ｆＴ−ｄＣＴ）            （６）
と表される。
【００５２】
最後に、式（６）で求めた後ろ側焦点の位置ｍＣＴを用いて、非点隔差ＡＳは、
ＡＳ＝ｆＴ−ｍＣＴ                                                    （７）
により求めることができる。
したがって、所望の非点隔差ＡＳが得られるように、光学パラメータを定めればよい。
【００５３】
なお、本実施形態においては、レトロフォーカス系の第２の位相変調素子１５として、全系のパワーが正となるように、シリンドリカルレンズ１５ａ，１５ｂのパワーおよびそれらの間隔が決められたものを例示したが、これに代えて、図５に示されるように、全系のパワーが負となるように、シリンドリカルレンズ１５ｃ，１５ｄのパワーおよびそれらの間隔が決められたものを採用してもよい。
【００５４】
この場合、図２に示される第２の位相変調素子が、その主点ＨＣを、正のパワーを有するシリンドリカルレンズ１５ｂの側に有するのに対して、図５に示される第２の位相変調素子は、その主点ＨＣを、負のパワーを有するシリンドリカルレンズ１５ｄの側に有するという点で異なる。
したがって、図５に示される第２の位相変調素子は、負のパワーを有するシリンドリカルレンズ１５ｄを対物レンズ１６の側に向けて配置することにより、上記主点ＨＣを対物レンズ１６の瞳位置に一致させることができる。
【００５５】
また、本実施形態においては、対物レンズ１６の後ろ側にアドオンできる第２の位相変調素子１５を例示したが、これに代えて、図６に示されるように、対物レンズ１６の前後に、対物レンズ１６を挟む位置に配置される２以上のシリンドリカルレンズ１９ａ，１９ｂからなる第２の位相変調素子１９を採用してもよい。このようにしても、第２の位相変調素子１９の全系の主点ＨＣを対物レンズ１６の瞳位置ＰＯＢに一致させることができ、単一のシリンドリカルレンズによる第２の位相変調素子１９ｃを瞳位置ＰＯＢに配置したのと等価にすることができる。
【００５６】
また、対物レンズ１６の後ろ側にアドオンすることに代えて、対物レンズ１６の前側にアドオンすることにしてもよい。
また、本実施形態においては、第２の位相変調素子１５として、図２の様に２枚のシリンドリカルレンズ１５ａ，１５ｂを用いて全系のパワーが正となるように構成したものを用いたが、これに代えて、図７に示されるように、１枚のシリンドリカルレンズにおける一つの面１５ｅを凹面とし、これを前記シリンドリカルレンズ１５ａの代わりとする同時に、他の一つの面１５ｆを凸面とし、これを前記シリンドリカルレンズ１５ｂの代わりとすることによって、全系のパワーを正とし、かつ、その主点ＨＣを第２の位相変調素子１５の光軸方向の外側に配置することができる。
【００５７】
さらにまた、図７に示す上記第２の位相変調素子１５の変形例として、図８のように、正のレンズ面１５gと負のレンズ面１５hとを備える１枚のシリンドリカルレンズにおいて全系のパワーを負とし、かつその主点ＨＣを第２の位相変調素子１５の光軸方向の外側に配置することができる。
【００５８】
次に、本発明の第２の実施形態に係る観察装置２０について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る観察装置２０は、図９に示されるように、例えば、硬性内視鏡である。
【００５９】
観察装置２０は、対物レンズ１６と、第１の位相変調素子２５と、リレーレンズ対２１，２２，２３と、接眼レンズ２４と、第２の位相変調素子１５とを備えている。
第１の位相変調素子２５は、２以上のシリンドリカルレンズ２５ａ，２５ｂを備え、対物レンズ１６の前後に、対物レンズ１６を挟んで、第１の位相変調素子２５の全系のなす主点ＨＣ２５が、対物レンズ１５の瞳ＰＯＢに一致するように配置されている。
【００６０】
対物レンズ１６は、開口絞り１６ｂと、レンズ１６ｃ，１６ｄとを備えている。
リレーレンズ２１は、結像レンズ２１ｂと、２つのフィールドレンズ２１ａ，２１ｃとを備えている。リレーレンズ２２は、結像レンズ２２ｂと、２つのフィールドレンズ２２ａ，２２ｃとを備えている。リレーレンズ２３は、結像レンズ２３ｂと、２つのフィールドレンズ２３ａ，２３ｃとを備えている。
【００６１】
第２の位相変調素子１５は、２つのシリンドリカルレンズ１５ａ，１５ｂを備え、それら全系のなす主点ＨＣ１５が、肉眼Ｅの瞳ＰＥに一致するように配置されている。
このように構成された本実施形態に係る観察装置２０の作用について以下に説明する。
【００６２】
観察対象物Ｏから発した光は、対物レンズ１６で集光されると共に第１の位相変調素子２５を通過させられることにより、波面に空間的な乱れ、すなわち非点収差が付与される。
光はその後、リレーレンズ対２１，２２，２３を通過させられることにより、不鮮明化された中間像ＩＩを形成する。この光はさらに、接眼レンズ２４を通過させられた後、第２の位相変調素子１５を通過させられることにより、波面の空間的な乱れ、すなわち非点収差が打ち消される。したがって、肉眼Ｅの網膜（不図示）上においては、鮮明な最終像が観察される。
【００６３】
すなわち、中間像ＩＩが不鮮明化されているので、中間像の近傍、例えばフィールドレンズ２１ａ，２１ｃ，２２ａ，２２ｃ，２３ａ，２３ｃ等の表面や内部に傷や異物、あるいは欠陥等が存在していても、それらが最終像を劣化させてしまうことを防止することができる。
【００６４】
なお、本実施例においては、例えば、図１に示される前記第１の実施形態のようなガルバノミラーすなわちスキャナを有していないので、第１の位相変調素子２５の主点ＨＣ２５は必ずしも対物レンズ１６の瞳面ＰＯＢに完全に一致している必要はなく、該瞳面ＰＯＢの近傍に位置していればよい。また、第２の位相変調素子１５の主点ＨＣ１５も必ずしも肉眼Ｅの瞳面ＰＥに完全に一致している必要はなく、該瞳面ＰＥの近傍に位置していればよい。そして、この場合において、上記主点ＨＣ２５と上記主点ＨＣ１５とは、光学的に共役な位置にあればよい。
【００６５】
一般的な結像光学系における物体と像の関係が相対的かつ可逆的であるのと同様に、本発明における第１の位相変調素子による波面を乱す作用と、第２の位相変調素子による波面の乱れを打ち消す作用もまた、相対的かつ可逆的である。すなわち、本発明の光学系において、光の進行方向が逆になれば、第１の位相変調素子と第２の位相変調素子の役割は自然に入れ替わる。したがって、本発明に基づく構成の作用は、そこを通る光の進行方向によらず、本質的に不変である。
【符号の説明】
【００６６】
ＨＣ，ＨＣ１５，ＨＣ２５  シリンドリカルレンズの主点
ＩＦ  最終像
ＩＩ  中間像
ＰＯＢ  瞳位置
１  観察装置
２  照明装置
３  結像光学系
５  光検出器
６  光源
１０，２５  第１の位相変調素子（波面錯乱素子）
１１，１２，１３  リレーレンズ対（結像レンズ）
１４  スキャナ
１５  第２の位相変調素子（波面回復素子）
１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ（シリンドリカルレンズ）
１６  対物レンズ（結像レンズ）
２０  観察装置
２１，２２，２３  リレーレンズ対（結像レンズとフィールドレンズ）
２４  接眼レンズ
【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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