(57)【要約】  結像光学系（１）は、最終像（Ｉ）および少なくとも１つの中間像（ＩＩ）を形成する複数の結像レンズ（２，３）と、該結像レンズ（２，３）により形成されるいずれかの中間像（ＩＩ）よりも物体（Ｏ）側に配置され、物体（Ｏ）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（５）と、該第１の位相変調素子（５）との間に少なくとも１つの中間像（ＩＩ）を挟む位置に配置され、第１の位相変調素子（５）により物体（Ｏ）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（６）とを備える。
2014163114.tif 000002
【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、
該第１の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る結像光学系。
【請求項２】
前記第１の位相変調素子および前記第２の位相変調素子が、光学的に共役な位置に配置されている請求項１に記載の結像光学系。
【請求項３】
前記第１の位相変調素子および前記第２の位相変調素子が、前記結像レンズの瞳位置近傍に配置されている請求項１または請求項２に記載の結像光学系。
【請求項４】
いずれかの前記中間像を挟む位置に配置される２つの前記結像レンズ間の光路長を変更可能な光路長可変手段を備える請求項１から請求項３のいずれかに記載の結像光学系。
【請求項５】
前記光路長可変手段が、光軸に直交して配置され前記中間像を形成する光を折り返すように反射する平面鏡と、該平面鏡を光軸方向に移動させるアクチュエータと、前記平面鏡により反射された光を２方向に分岐するビームスプリッタとを備える請求項４に記載の結像光学系。
【請求項６】
いずれかの前記結像レンズの瞳位置近傍に、光の波面に付与する空間的な位相変調を変更することにより、前記最終像位置を光軸方向に変化させる可変空間位相変調素子を備える請求項１から請求項３のいずれかに記載の結像光学系。
【請求項７】
前記第１の位相変調素子または前記第２の位相変調素子の少なくとも一方の機能が、前記可変空間位相変調素子によって担われる請求項６に記載の結像光学系。
【請求項８】
前記第１の位相変調素子および前記第２の位相変調素子が、光軸に直交する１次元方向に変化する位相変調を光束の波面に付与する請求項１から請求項７のいずれかに記載の結像光学系。
【請求項９】
前記第１の位相変調素子および前記第２の位相変調素子が、光軸に直交する２次元方向に変化する位相変調を光束の波面に付与する請求項１から請求項７のいずれかに記載の結像光学系。
【請求項１０】
前記第１の位相変調素子および前記第２の位相変調素子が、光を透過させる際に波面に位相変調を付与する透過型素子である請求項１から請求項９のいずれかに記載の結像光学系。
【請求項１１】
前記第１の位相変調素子および前記第２の位相変調素子が、光を反射させる際に波面に位相変調を付与する反射型素子である請求項１から請求項９のいずれかに記載の結像光学系。
【請求項１２】
前記第１の位相変調素子と前記第２の位相変調素子とが、相補的な形状を有する請求項１から請求項１１のいずれかに記載の結像光学系。
【請求項１３】
前記第１の位相変調素子および前記第２の位相変調素子が、透明材料の屈折率分布によって波面に位相変調を付与する請求項１０に記載の結像光学系。
【請求項１４】
請求項１から請求項１３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１５】
請求項１から請求項１３のいずれかに記載の結像光学系と、
該結像光学系の最終像側に配置され、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１６】
前記光検出器が、前記結像光学系の最終像位置に配置され、該最終像を撮影する撮像素子である請求項１５に記載の観察装置。
【請求項１７】
請求項１から請求項１３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、
前記結像光学系の最終像側に配置され、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１８】
前記光源および前記光検出器と前記結像光学系との間に配置されたニポウディスク型コンフォーカル光学系を備える請求項１７に記載の観察装置。
【請求項１９】
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る請求項１７に記載の観察装置。
【請求項２０】
請求項１４に記載の照明装置と、
該照明装置によって照明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、
前記光源がパルスレーザ光源である観察装置。
【請求項２１】
光スキャナを備え、
該光スキャナが、前記第１の位相変調素子、前記第２の位相変調素子および前記結像レンズの瞳に対して光学的に共役な位置に配置されている請求項１９または請求項２０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、照明装置および観察装置に関するものである。【０００２】
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】
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。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、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。【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、照明装置および観察装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様は、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第１の位相変調素子と、該第１の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る結像光学系である。【０００７】
本明細書においては、像のあり方として、「鮮明な像」および「不鮮明な像」（または「ぼやけた像」）という２つの概念を用いる。
まず「鮮明な像」とは、物体から発した光の波面に、空間的な乱れが付与されていない状態で、あるいは一旦付与された乱れが打ち消され解消された状態で、結像レンズを介して生成された像であり、光の波長と結像レンズの開口数とで決まる空間周波数帯域、あるいはそれに準ずる空間周波数帯域、あるいは目的に応じた所望の空間周波数帯域を有するものを意味する。【０００８】
次に「不鮮明な像」（または「ぼやけた像」）とは、物体から発した光の波面に、空間的な乱れが付与された状態で、結像レンズを介して生成された像であり、その像の近傍に配置された光学素子の表面や内部に存在する傷や異物や欠陥等が、実質的に最終像として形成されないような特性を有するものを意味する。【０００９】
このようにして形成された「不鮮明な像」（または「ぼやけた像」）は、単に焦点の外れた像とは異なり、本来結像されるはずだった位置（すなわち仮に波面の空間的な乱れが付与されなかった場合に結像される位置）における像も含めて、光軸方向の広い範囲にわたって、像コントラストの明確なピークを持たず、その空間周波数帯域は、「鮮明な像」の空間周波数帯域に比べて、常に狭いものとなる。
以下、本明細書における「鮮明な像」および「不鮮明な像」（または「ぼやけた像」）は、上記概念に基づく。【００１０】
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って集光されることにより最終像を結像する。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ぼやける。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。【００１１】
すなわち、中間像をぼやけさせることにより、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。【００１２】
上記態様においては、前記第１の位相変調素子および前記第２の位相変調素子が、前記結像レンズの瞳位置近傍に配置されていてもよい。
このようにすることで、光束の変動しない瞳位置近傍に配置して第１の位相変調素子および第２の位相変調素子を小型化することができる。【００１３】
また、上記態様においては、いずれかの前記中間像を挟む位置に配置される２つの前記結像レンズ間の光路長を変更可能な光路長可変手段を備えていてもよい。
このようにすることで、光路長可変手段の作動により、２つの結像レンズ間の光路長を変更することにより、最終像の結像位置を光軸方向に容易に変更することができる。【００１４】
また、上記態様においては、前記光路長可変手段が、光軸に直交して配置され前記中間像を形成する光を折り返すように反射する平面鏡と、該平面鏡を光軸方向に移動させるアクチュエータと、前記平面鏡により反射された光を２方向に分岐するビームスプリッタとを備えていてもよい。
このようにすることで、物体側の結像レンズにより集光された物体側からの光が平面鏡によって反射されて折り返された後、ビームスプリッタによって分岐されて像側の結像レンズに入射される。この場合において、アクチュエータを作動させて平面鏡を光軸方向に移動させることにより、２つの結像レンズ間の光路長を容易に変更することができ、最終像の結像位置を光軸方向に容易に変更することができる。【００１５】
また、上記態様においては、いずれかの前記結像レンズの瞳位置近傍に、光の波面に付与する空間的な位相変調を変更することにより、前記最終像位置を光軸方向に変化させる可変空間位相変調素子を備えていてもよい。
このようにすることで、可変空間位相変調素子によって最終像位置を光軸方向に変化させるような空間的な位相変調を光の波面に付与することができ、付与する位相変調を調節することにより最終像の結像位置を光軸方向に容易に変更することができる。【００１６】
また、上記態様においては、前記第１の位相変調素子または前記第２の位相変調素子の少なくとも一方の機能が、前記可変空間位相変調素子によって担われていてもよい。
このようにすることで、可変空間位相変調素子に最終像位置を光軸方向に変化させるような空間的な位相変調と、中間像をぼやけさせるような位相変調あるいは中間像のぼやけを打ち消すような位相変調との両方を受け持たせることができる。これにより、構成部品を少なくして簡易な結像光学系を構成することができる。【００１７】
また、上記態様においては、前記第１の位相変調素子および前記第２の位相変調素子が、光軸に直交する１次元方向に変化する位相変調を光の波面に付与してもよい。
このようにすることで、第１の位相変調素子により光軸に直交する１次元方向に変化する位相変調を光の波面に付与して、中間像をぼやけさせることができ、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。また、１次元方向に変化した位相変調を打ち消すような位相変調を第２の位相変調素子により光の波面に付与して、ぼやけない鮮明な最終像を結像させることができる。【００１８】
また、上記態様においては、前記第１の位相変調素子および前記第２の位相変調素子が、光軸に直交する２次元方向に変化する位相変調を光束の波面に付与してもよい。
このようにすることで、第１の位相変調素子により光軸に直交する２次元方向に変化する位相変調を光の波面に付与して、中間像をより確実にぼやけさせることができる。また、２次元方向に変化した位相変調を打ち消すような位相変調を第２の位相変調素子により光の波面に付与して、より鮮明な最終像を結像させることができる。【００１９】
また、上記態様においては、前記第１の位相変調素子および前記第２の位相変調素子が、光を透過させる際に波面に位相変調を付与する透過型素子であってもよい。
また、上記態様においては、前記第１の位相変調素子および前記第２の位相変調素子が、光を反射させる際に波面に位相変調を付与する反射型素子であってもよい。【００２０】
また、上記態様においては、前記第１の位相変調素子と前記第２の位相変調素子とが、相補的な形状を有していてもよい。
このようにすることで、中間像をぼやけさせる空間的な乱れを波面に付与する第１の位相変調素子と、波面に付与された空間的な乱れを打ち消すような位相変調を付与する第２の位相変調素子とを簡易に構成することができる。【００２１】
また、上記態様においては、前記第１の位相変調素子および前記第２の位相変調素子が、透明材料の屈折率分布によって波面に位相変調を付与してもよい。
このようにすることで、第１の位相変調素子を光が透過する際に屈折率分布に従う波面の乱れを生じさせ、第２の位相変調素子を光が透過する際に屈折率分布によって波面の乱れを打ち消すような位相変調を光の波面に付与することができる。【００２２】
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である。
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ぼやけさせられるので、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。【００２３】
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側に配置され、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である。
本態様によれば、結像光学系により、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形成された鮮明な最終像を光検出器によって検出することができる。【００２４】
上記態様においては、前記光検出器が、前記結像光学系の最終像位置に配置され、該最終像を撮影する撮像素子であってもよい。
このようにすることで、結像光学系の最終像位置に配置された撮像素子により、鮮明な最終像を撮影して、精度の高い観察を行うことができる。【００２５】
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、前記結像光学系の最終像側に配置され、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である。
本態様によれば、光源からの光が結像光学系によって集光されて観察対象物に照射され、観察対象物において発生した光が最終像側に配置された光検出器により検出される。これにより、中間の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形成された鮮明な最終像を光検出器によって検出することができる。【００２６】
上記態様においては、前記光源および前記光検出器と前記結像光学系との間に配置されたニポウディスク型コンフォーカル光学系を備えていてもよい。
このようにすることで、観察対象物に多点のスポット光を走査させて観察対象物の鮮明な画像を高速に取得することができる。【００２７】
また、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。【００２８】
また、本発明の他の態様は、上記照明装置と、該照明装置によって照明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、前記光源がパルスレーザ光源である観察装置を提供する。
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、鮮明な多光子励起画像による観察対象物の観察を行うことができる。
【発明の効果】
【００２９】
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】
【００３０】
【図１】本発明の一実施形態に係る結像光学系を示す模式図である。
【図２】図１の結像光学系の作用を説明する模式図である。
【図３】図２の物体側の瞳位置から波面回復素子までを示す拡大図である。
【図４】従来の結像光学系を示す模式図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る観察装置を示す模式図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る観察装置を示す模式図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る観察装置を示す模式図である。
【図８】図７の観察装置の変形例を示す模式図である。
【図９】図８の観察装置の第１の変形例を示す模式図である。
【図１０】図８の観察装置の第２の変形例を示す模式図である。
【図１１】図８の観察装置の第３の変形例を示す模式図である。
【図１２】本発明の結像光学系および観察装置に使用される位相変調素子の一例としてのシリンドリカルレンズを示す斜視図である。
【図１３】図１２のシリンドリカルレンズを用いた場合の作用を説明する模式図である。
【図１４】図１３の説明に使用するガウス光学に基づく位相変調量と光学パワーの関係を説明する図である。
【図１５】本発明の結像光学系および観察装置に使用される位相変調素子の他の例としてのバイナリ回折格子を示す斜視図である。
【図１６】本発明の結像光学系および観察装置に使用される位相変調素子の他の例としての１次元正弦波回折格子を示す斜視図である。
【図１７】本発明の結像光学系および観察装置に使用される位相変調素子の他の例としての自由曲面レンズを示す斜視図である。
【図１８】本発明の結像光学系および観察装置に使用される位相変調素子の他の例としてのコーンレンズを示す縦断面図である。
【図１９】本発明の結像光学系および観察装置に使用される位相変調素子の他の例としての同心円型バイナリ回折格子を示す斜視図である。
【図２０】位相変調素子として回折格子を用いた場合の光軸に沿う光線の作用を説明する模式図である。
【図２１】位相変調素子として回折格子を用いた場合の軸上光線の作用を説明する模式図である。
【図２２】波面錯乱素子として機能する回折格子の作用を説明する中央部の詳細図である。
【図２３】波面回復素子として機能する回折格子の作用を説明する中央部の詳細図である。
【図２４】本発明の結像光学系および観察装置に使用される位相変調素子の他の例としての球面収差素子を示す縦断面図である。
【図２５】本発明の結像光学系および観察装置に使用される位相変調素子の他の例としての不規則形状素子を示す縦断面図である。
【図２６】本発明の結像光学系および観察装置に使用される位相変調素子の他の例としての反射型の位相変調素子を示す模式図である。
【図２７】本発明の結像光学系および観察装置に使用される位相変調素子の他の例としての屈折率分布型素子を示す模式図である。
【図２８】本発明の結像光学系を内視鏡に適用する場合のレンズ配列の一例を示す図である。
【図２９】本発明の結像光学系を、インナーフォーカス機能付き内視鏡型細径対物レンズを備えた顕微鏡に適用する場合のレンズ配列の一例を示す図である。
【図３０】図９の観察装置のさらなる変形例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
本発明の一実施形態に係る結像光学系１について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る結像光学系１は、図１に示されるように、間隔をあけて配置された２つ１組の結像レンズ２，３と、これらの結像レンズ２，３の中間結像面に配置されたフィールドレンズ４と、物体Ｏ側の結像レンズ２の瞳位置ＰＰＯ近傍に配置された波面錯乱素子（第１の位相変調素子）５と、像Ｉ側の結像レンズ３の瞳位置ＰＰＩ近傍に配置された波面回復素子（第２の位相変調素子）６とを備えている。図中、符号７は開口絞りである。
【００３２】
波面錯乱素子５は、物体Ｏから発せられ物体Ｏ側の結像レンズ２により集光された光を透過させる際に波面に乱れを付与するようになっている。波面錯乱素子５によって波面に乱れを付与することにより、フィールドレンズ４に結像される中間像が不鮮明化されるようになっている。
【００３３】
一方、波面回復素子６は、フィールドレンズ４により集光された光を透過させる際に、波面錯乱素子５によって付与された波面の乱れを打ち消すような位相変調を光に付与するようになっている。波面回復素子６は、波面錯乱素子５とは逆の位相特性を有し、波面の乱れを打ち消すことによって、鮮明な最終像Ｉを結像させるようになっている。
【００３４】
本実施形態に係る結像光学系１の、より一般的な概念について詳細に説明する。
図２に示される例では、結像光学系１は、物体Ｏ側および像Ｉ側に関してテレセントリックな配置になっている。また、波面錯乱素子５はフィールドレンズ４から物体Ｏ側に距離ａＦだけ離れた位置に配置され、波面回復素子６はフィールドレンズ４から像Ｉ側に距離ｂＦだけ離れた位置に配置されている。
【００３５】
図２において、符号ｆｏは結像レンズ２の焦点距離、符号ｆＩは結像レンズ３の焦点距離、符号ＦＯ，ＦＯ´は結像レンズ２の焦点位置、符号ＦＩ，ＦＩ´は結像レンズ３の焦点位置、符号ＩＩ０，ＩＩＡ，ＩＩＢは中間像である。
【００３６】
ここで、波面錯乱素子５は必ずしも結像レンズ２の瞳位置ＰＰＯ近傍に配置されている必要はなく、波面回復素子６も必ずしも結像レンズ３の瞳位置ＰＰＩ近傍に配置されている必要はない。
ただし、波面錯乱素子５と波面回復素子６は、フィールドレンズ４による結像に関して、式（１）に示されるように、互いに共役な位置関係に配置されている必要がある。
【００３７】
１／ｆＦ＝１／ａＦ＋１／ｂＦ            （１）
ここで、ｆＦはフィールドレンズ４の焦点距離である。
【００３８】
図３は、図２の物体Ｏ側の瞳位置ＰＰＯから波面回復素子６までを詳細に示す図である。
ここで、ΔＬは、光が光学素子を透過することによって付与される、特定の位置（すなわち光線高さ）を透過する光線を基準とした、位相の進み量である。
【００３９】
また、ΔＬｏ（ｘｏ）は、光が波面錯乱素子５の光軸上（ｘ＝０）を通過する場合を基準とした、波面錯乱素子５の任意の光線高さｘＯを通過する場合の位相の進み量を与える関数である。
さらに、ΔＬＩ（ｘＩ）は、光が波面回復素子６の光軸上（ｘ＝０）を通過する場合を基準とした、波面回復素子６の任意の光線高さｘｉを通過する場合の位相の進み量を与える関数である。
【００４０】
ΔＬＯ（ｘＯ）とΔＬＩ（ｘＩ）は、下式（２）を満たしている。
ΔＬＯ（ｘＯ）＋ΔＬＩ（ｘＩ）＝ΔＬＯ（ｘＯ）＋ΔＬＩ（βＦ・ｘＯ）＝０
（２）
ここで、βＦは、フィールドレンズ４による波面錯乱素子５と波面回復素子６の共役関係における横倍率であり、下式（３）により表される。
βＦ＝−ｂＦ／ａＦ                （３）
【００４１】
このような結像光学系１に１本の光線Ｒが入射し、波面錯乱素子５上の位置ｘＯを通過すると、そこで、ΔＬＯ（ｘＯ）の位相変調を受け、屈折、回折、散乱等による錯乱光線Ｒｃを生じる。錯乱光線Ｒｃは、光線Ｒの位相変調を受けなかった成分とともに、フィールドレンズ４によって波面回復素子６上の位置ｘＩ＝βＦ・ｘＯに投影される。投影された光線はここを通過することにより、ΔＬＩ（βＦ・ｘＯ）＝−ΔＬＯ（ｘＯ）の位相変調を受け、波面錯乱素子５によって受けた位相変調が打ち消される。これにより、波面の乱れのない１本の光線Ｒ´に戻る。
【００４２】
波面錯乱素子５と波面回復素子６が共役な位置関係にあり、かつ式（２）の特性を有する場合には、波面錯乱素子５上の１つの位置を経て位相変調を受けた光線は、その位置と一対一対応し、かつ波面錯乱素子５から受けた位相変調を打ち消すような位相変調を付与する波面回復素子６の特定の位置を必ず通過する。図２および図３に示される光学系は、光線Ｒに対して、波面錯乱素子５におけるその入射位置ｘＯや入射角に関わりなく、上記のように作用する。すなわち、あらゆる光線Ｒに関して、中間像ＩＩを不鮮明化し、かつ最終像Ｉを鮮明に結像させることができる。
【００４３】
図４に、従来の結像光学系を示す。この結像光学系によれば、物体Ｏ側の結像レンズ２によって集光された光は中間結像面に配置されるフィールドレンズ４において鮮明な中間像ＩＩを形成した後、像Ｉ側の結像レンズ３によって集光されて鮮明な最終像Ｉを形成する。
【００４４】
従来の結像光学系では、フィールドレンズ４の表面に傷や塵埃等があったり、フィールドレンズ４の内部に空洞等の欠陥があったりした場合に、フィールドレンズ４に鮮明に形成された中間像にこれらの異物の像が重なってしまい、最終像Ｉにも異物の像が形成されてしまうという問題が発生する。
【００４５】
これに対し、本実施形態に係る結像光学系１によれば、フィールドレンズ４に一致する位置に配置される中間結像面には、波面錯乱素子５によって不鮮明化された中間像ＩＩが結像されるので、中間像ＩＩに重なった異物の像は、波面回復素子６によって位相変調を受けて不鮮明な中間像ＩＩが鮮明化される際に同じ位相変調によって不鮮明化される。したがって、鮮明な最終像Ｉに中間結像面の異物の像が重なることを防止することができる。
【００４６】
なお、上記説明においては、２つの結像レンズ２，３をそれぞれテレセントリックな配置として説明したが、これに限定されるものではなく、非テレセントリック系であっても同様に作用する。
また、位相進み量の関数を１次元的な関数としたが、これに代えて、２次元的な関数としても同様に作用し得る。
【００４７】
また、結像レンズ２と波面錯乱素子５とフィールドレンズ４の間の空間、およびフィールドレンズ４と波面回復素子６と結像レンズ３の間の空間は、必ずしも必要でなく、これらの素子の間は光学的に接合されていてもよい。
【００４８】
また、結像光学系１をなす各レンズ、すなわち、結像レンズ２，３およびフィールドレンズ４の各々が結像と瞳リレーの機能を明確に分担する構成としたが、実際の結像光学系においては、１つのレンズが結像と瞳リレーの両機能を同時に有するような構成も用いられている。このような場合においても、上記条件が満たされる場合には、波面錯乱素子５は波面に乱れを付与して中間像ＩＩを不鮮明化し、波面回復素子６は波面の乱れを打ち消して最終像Ｉを鮮明化することができる。
【００４９】
次に、本発明の第１の実施形態に係る観察装置１０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１０は、図５に示されるように、非コヒーレントな照明光を発生する光源１１と、光源１１からの照明光を観察対象物Ａに照射する照明光学系１２と、観察対象物Ａからの光を集光する結像光学系１３と、該結像光学系１３により集光された光を撮影して画像を取得する撮像素子（光検出器）１４とを備えている。
【００５０】
照明光学系１２は、光源１１からの照明光を集光する集光レンズ１５ａ，１５ｂと、該集光レンズ１５ａ，１５ｂにより集光された照明光を観察対象物Ａに照射する対物レンズ１６とを備えている。
また、この照明光学系１２は、いわゆるケーラー照明であり、集光レンズ１５ａ，１５ｂは、光源１１の発光面と対物レンズ１６の瞳面とが互いに共役になるように配置されている。
【００５１】
結像光学系１３は、物体側に配置された観察対象物Ａから発せられた観察光（例えば、反射光）を集光する上記対物レンズ（結像レンズ）１６と、該対物レンズ１６により集光された観察光の波面に乱れを付与する波面錯乱素子１７と、波面に乱れを付与された光を光源１１からの照明光路から分岐させる第１のビームスプリッタ１８と、光軸方向に間隔を明けて配置された第１の中間結像レンズ対１９と、該第１の中間結像レンズ対１９の各レンズ１９ａ，１９ｂを通過した光を９０°偏向する第２のビームスプリッタ２０と、該第２のビームスプリッタ２０により偏向された光を集光して中間像を結像させる第２の中間結像レンズ２１と、該第２の中間結像レンズ２１による中間結像面に配置された光路長可変手段２２と、第２のビームスプリッタ２０と第２の中間結像レンズ２１との間に配置された波面回復素子２３と、該波面回復素子２３および第２のビームスプリッタ２０を透過した光を集光して最終像を結像させる結像レンズ２４とを備えている。
【００５２】
撮像素子１４は、例えば、ＣＣＤあるいはＣＭＯＳのような２次元のイメージセンサであり、結像レンズ２４による最終像の結像位置に配置された撮像面１４ａを備え、入射される光を撮影することにより観察対象物Ａの２次元的な画像を取得することができるようになっている。
波面錯乱素子１７は、対物レンズ１６の瞳位置近傍に配置されている。波面錯乱素子１７は、光を透過可能な光学的に透明な材料により構成され、光が透過する際に、表面の凹凸形状に従う位相変調を光の波面に付与するようになっている。本実施形態においては、観察対象物Ａからの観察光を１回透過させることにより、必要な波面の乱れを付与するようになっている。
【００５３】
また、波面回復素子２３は、第２の中間結像レンズ２１の瞳位置近傍に配置されている。波面回復素子２３も光を透過可能な光学的に透明な材料により構成され、光が透過する際に、表面の凹凸形状に従う位相変調を光の波面に付与するようになっている。本実施形態においては、波面回復素子２３は、ビームスプリッタ２０により偏向された観察光および光路長可変手段２２により折り返すように反射された観察光を往復で２回透過させることにより、波面錯乱素子１７により付与された波面の乱れを打ち消すような位相変調を光の波面に与えるようになっている。
【００５４】
光路長可変手段２２は、光軸に直交して配置された平面鏡２２ａと、該平面鏡２２ａを光軸方向に変位させるアクチュエータ２２ｂとを備えている。光路長可変手段２２のアクチュエータ２２ｂの作動により、平面鏡２２ａを光軸方向に変位させると、第２の中間結像レンズ２１と平面鏡２２ａとの間の光路長が変化させられ、それによって、観察対象物Ａにおける、撮像面１４ａと共役な位置、すなわち、対物レンズ１６の前方の合焦点位置が、光軸方向に変化させられるようになっている。
【００５５】
このように構成された本実施形態に係る観察装置１０を用いて観察対象物Ａの観察を行うには、光源１１からの照明光を照明光学系１２によって観察対象物Ａに照射する。観察対象物Ａから発せられた観察光は対物レンズ１６によって集光され、波面錯乱素子１７を１回透過して第１のビームスプリッタ１８および中間結像光学系１９を通過し、第２のビームスプリッタ２０において、９０°偏向されて波面回復素子２３を透過し、光路長可変手段２２の平面鏡２２ａによって折り返されるように反射されて波面回復素子２３を再度透過し、ビームスプリッタ２０を透過して結像レンズ２４によって結像された最終像が撮像素子１４によって撮影される。
【００５６】
光路長可変手段２２のアクチュエータ２２ｂを作動させて、平面鏡２２ａを光軸方向に移動させることにより、第２の中間結像レンズ２１と平面鏡２２ａとの間の光路長を変化させることができ、これによって、対物レンズ１６の前方の合焦点位置を光軸方向に移動させることができる。そして、異なる合焦点位置において観察光を撮影することにより、観察対象物Ａの奥行き方向に異なる位置に合焦させた複数の画像を取得することができる。さらに、これらを加算平均によって合成した後、高域強調処理を施すことにより、被写界深度の深い画像を取得することができる。
【００５７】
この場合において、光路長可変手段２２の平面鏡２２ａ近傍には第２の中間結像レンズ２１による中間像が結像されるが、この中間像は、波面錯乱素子１７を透過することにより付与された波面の乱れが、波面回復素子２３を１回透過することにより部分的に打ち消されて残った波面の乱れによって、不鮮明化されている。そして、不鮮明化された中間像を結像した後の光は、第２の中間結像レンズ２１によって集光された後に、波面回復素子２３を再度通過させられることにより、波面の乱れが完全に打ち消される。
【００５８】
その結果、本実施形態に係る観察装置１０によれば、平面鏡２２ａの表面に傷や塵埃等の異物が存在していても、異物の像が最終像に重なって撮影されてしまうことを防止することができ、かつ、観察対象物Ａの鮮明な画像を得ることができるという利点がある。
また、同様にして、観察対象物Ａにおける合焦点位置を光軸方向に移動させると、第１の中間結像レンズ対１９によって形成される中間像も光軸方向に大きく変動するが、その変動の結果、中間像が第１の中間結像レンズ対１９の位置に重なったとしても、あるいはまた、その変動範囲内に何らかの他の光学素子が存在する場合であっても、中間像が不鮮明化されているので、異物の像が最終像に重なって撮影されてしまうことを防止することができる。
【００５９】
次に、本発明の第２の実施形態に係る観察装置３０について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態の説明において、上述した第１の実施形態に係る観察装置１０と構成を共通とする箇所には同一符号を付して説明を省略する。
【００６０】
本実施形態に係る観察装置３０は、図６に示されるように、レーザ光源３１と、該レーザ光源３１からのレーザ光を観察対象物Ａに集光させる一方、観察対象物Ａからの光を集光する結像光学系３２と、該結像光学系３２により集光された光を撮影する撮像素子（光検出器）３３と、光源３１および撮像素子３３と結像光学系３２との間に配置されたニポウディスク型コンフォーカル光学系３４とを備えている。
【００６１】
ニポウディスク型コンフォーカル光学系３４は、平行間隔をあけて配置される２枚のディスク３４ａ，３４ｂと、該ディスク３４ａ，３４ｂを同時に回転させるアクチュエータ３４ｃとを備えている。レーザ光源３１側のディスク３４ａには、マイクロレンズ（図示略）が多数配列されており、物体側のディスク３４ｂには、各マイクロレンズに対応する位置に多数のピンホール（図示略）が設けられている。また、２枚のディスク３４ａ，３４ｂの間の空間には、ピンホールを通過した光を分岐するダイクロイックミラー３４ｄが固定されており、ダイクロイックミラー３４ｄによって分岐された光は集光レンズ３５によって集光され、撮像素子３３の撮像面３３ａに最終像が結像されて、画像が取得されるようになっている。
【００６２】
結像光学系３２は、第１の実施形態における第１のビームスプリッタ１８と第２のビームスプリッタ２０とを共通化して単一のビームスプリッタ３６とし、ニポウディスク型コンフォーカル光学系３４のピンホールを通過した光を観察対象物Ａに照射するための光路と、観察対象物Ａにおいて発生し、ニポウディスク型コンフォーカル光学系３４のピンホールに入射するまでの光路とを完全に共通化している。
【００６３】
このように構成された本実施形態に係る観察装置３０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３０によれば、ニポウディスク型コンフォーカル光学系３４のピンホールから結像光学系３２に入射した光は、ビームススプリッタ３６および位相変調素子２３を透過した後に、第２の中間結像レンズ２１によって集光され、光路長可変手段２２の平面鏡２２ａによって折り返されるように反射される。そして、第２の中間結像レンズ２１を通過した後に、位相変調素子２３を再度透過し、ビームスプリッタ３６によって９０°偏向され、第１の中間結像レンズ対１９および位相変調素子１７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。
【００６４】
本実施形態においては、レーザ光が最初に２回透過する位相変調素子２３は、レーザ光の波面に乱れを付与する波面錯乱素子として機能し、その後に１回透過する位相変調素子１７は、位相変調素子２３により付与された波面の乱れを打ち消すような位相変調を付与する波面回復素子として機能する。
【００６５】
したがって、ニポウディスク型コンフォーカル光学系３４によって多数の点光源状に形成された光源の像は第２の中間結像レンズ２１によって平面鏡２２ａ上に中間像として結像されるが、第２の中間結像レンズ２１により形成される中間像は、位相変調素子２３を１回通過することにより不鮮明化されているので、中間結像面に存在する異物の像が、最終像に重なってしまう不都合を防止できる。
【００６６】
また、位相変調素子２３を２回透過することにより波面に付与された乱れは、位相変調素子１７を１回透過することにより打ち消されるので、観察対象物Ａに鮮明な多数の点光源の像を結像させることができる。そして、ニポウディスク型コンフォーカル光学系３４のアクチュエータ３４ｃの作動によりディスク３４ａ，３４ｂを回転させることにより、観察対象物Ａに結像している多数の点光源の像を光軸に交差する方向に移動させ、高速走査を行うことができる。
【００６７】
一方、観察対象物Ａにおける点光源の像の結像位置において発生した光、例えば、蛍光は、対物レンズ１６により集光され、位相変調素子１７および第１の中間結像レンズ対１９を透過した後、ビームスプリッタ３６によって９０°偏向されて、位相変調素子２３を透過し、第２の中間結像レンズ２１によって集光されて、平面鏡２２ａによって折り返されるように反射される。その後、再度、第２の中間結像レンズ２１によって集光され、位相変調素子２３およびビームスプリッタ３６を透過して、結像レンズ２４により集光され、ニポウディスク型コンフォーカル光学系３４のピンホール位置に結像される。
【００６８】
ピンホールを通過した光はダイクロイックミラーによって、レーザ光源からの光路から分岐され、集光レンズによって集光されて撮像素子の撮像面に最終像として結像される。
この場合において、観察対象物において多数の点状に発生した蛍光が透過する位相変調素子１７は第１の実施形態と同様に波面錯乱素子として機能し、位相変調素子２３は波面回復素子として機能する。
【００６９】
したがって、位相変調素子１７を透過することにより波面に乱れが付与された蛍光は、位相変調素子２３を１回透過することにより、部分的に乱れが打ち消された状態ではあるが、平面鏡２２ａに結像される中間像は不鮮明化されたものとなる。そして、位相変調素子２３をもう１回透過することにより、波面の乱れが完全に打ち消された状態となった蛍光は、ニポウディスク型コンフォーカル光学系３４のピンホールに結像し、ピンホールを通過した後にダイクロイックミラー３４ｄによって分岐され、集光レンズ３５により集光されて撮像素子３３の撮像面３３ａに鮮明な最終像を結像する。
【００７０】
これにより、本実施形態に係る観察装置によれば、観察対象物Ａにレーザ光を照射する照明装置としても、観察対象物Ａにおいて発生した蛍光を撮影する観察装置としても、中間像を不鮮明化して中間結像面における異物の像が最終像に重なることを防止しつつ、鮮明な最終像を得ることができるという利点を有する。
【００７１】
次に、本発明の第３の実施形態に係る観察装置４０について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態の説明において、上述した第２の実施形態に係る観察装置３０と構成を共通とする箇所には同一符号を付して説明を省略する。
【００７２】
本実施形態に係る観察装置４０は、図７に示されるように、レーザ走査型共焦点観察装置である。
この観察装置４０は、レーザ光源４１と、該レーザ光源４１からのレーザ光を観察対象物Ａに集光させる一方、観察対象物Ａからの光を集光する結像光学系４２と、該結像光学系４２により集光された蛍光を通過させる共焦点ピンホール４３と、該共焦点ピンホール４３を通過した蛍光を検出する光検出器４４とを備えている。
【００７３】
結像光学系４２は、レーザ光のビーム径を拡大するビームエキスパンダー４５と、レーザ光を偏向し蛍光を透過するダイクロイックミラー４６と、対物レンズ１６の瞳と共役な位置の近傍に配置されたガルバノミラー４７と、第３の中間結像レンズ対４８とを第２の実施形態に係る観察装置３０とは異なる構成として備えている。また、レーザ光の波面に乱れを付与する位相変調素子２３をガルバノミラー４７の近傍に配置している。図中、符号４９はミラーである。
【００７４】
このように構成された本実施形態に係る観察装置４０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４０によれば、レーザ光源４１から発せられたレーザ光は、ビームエキスパンダー４５によってビーム径が拡大されてダイクロイックミラー４６により偏向され、ガルバノミラー４７によって２次元的に走査された後、位相変調素子２３および第３の中間結像レンズ対４８を通過してビームスプリッタ３６に入射する。ビームスプリッタ３６への入射後は、第２の実施形態に係る観察装置３０と同様である。
【００７５】
すなわち、レーザ光は、位相変調素子２３によって波面に乱れを付与された後に、光路長可変手段２２の平面鏡２２ａに中間像を結像するので、中間像が不鮮明化されており、中間結像面に存在する異物の像が重なることを防止することができる。また、対物レンズ１６の瞳位置に配置された位相変調素子１７によって、波面の乱れが打ち消されるので、鮮明化された最終像を観察対象物Ａに結像させることができる。また、最終像の結像深さは、光路長可変手段２２によって任意に調節することができる。
【００７６】
一方、観察対象物Ａにおけるレーザ光の最終像の結像位置において発生した蛍光は、対物レンズ１６によって集光され、位相変調素子１７を透過した後に、レーザ光とは逆の光路を辿って、ビームスプリッタ３６により偏向され、第３の中間結像レンズ対４８、位相変調素子２３、ガルバノミラー４７およびダイクロイックミラー４６を通過した後に結像レンズ２４によって、共焦点ピンホール４３に集光され、共焦点ピンホール４３を通過した蛍光のみが光検出器４４によって検出される。
【００７７】
この場合においても、対物レンズ１６により集光された蛍光は、位相変調素子１７によって波面に乱れを付与された後に中間像を結像するので、中間像が不鮮明化され、中間結像面に存在する異物の像が重なることを防止することができる。そして、位相変調素子２３を透過することによって波面の乱れが打ち消されるので、鮮明化された像を共焦点ピンホール４３に結像させることができ、観察対象物Ａにおいてレーザ光の最終像の結像位置において発生した蛍光を効率よく検出することができる。その結果、高分解能の明るい共焦点画像を取得することができるという利点がある。
【００７８】
なお、本実施形態においては、レーザ走査型共焦点観察装置を例示したが、これに代えて、図８に示されるようにレーザ走査型多光子励起観察装置に適用してもよい。
この場合、レーザ光源４１として、極短パルスレーザ光源を採用し、ダイクロイックミラー４６を無くし、ミラー４９に代えて、ダイクロイックミラー４６を採用すればよい。
【００７９】
図８の観察装置５０においては、極短パルスレーザ光を観察対象物Ａに照射する照明装置の機能において、中間像を不鮮明化し、最終像を鮮明化することができる。観察対象物Ａにおいて発生した蛍光については、対物レンズ１６により集光され、位相変調素子１７およびダイクロイックミラー４６を透過した後に、中間像を結像することなく、集光レンズ５１によって集光されて、光検出器４４によりそのまま検出される。
【００８０】
また、上記各実施形態においては、光路を折り返す平面鏡の移動により光路長を変化させる光路長可変手段２２により、対物レンズの前方の合焦点位置を光軸方向に変化させることとした。これに代えて、光路長可変手段としては、図９に示されるように、中間結像光学系６１を構成するレンズ６１ａ，６１ｂの一方のレンズ６１ａをアクチュエータ６２によって光軸方向に移動させることにより、光路長を変化させるものを採用した観察装置６０を構成してもよい。図中、符号６３は他の中間結像光学系である。
【００８１】
また、図３０に示されるように、２次元の光スキャナを構成する２枚のガルバノミラー４７の間に、他の中間結像光学系８０を配置し、２つのガルバノミラー４７が位相変調素子１７，２３および対物レンズ１６の瞳に配置されている開口絞り８１に対して、精度よく光学的に共役な位置関係に配置されているように構成してもよい。
【００８２】
また、光路長可変手段として、図１０に示されるように、反射型のＬＣＯＳのような空間光変調素子（ＳＬＭ）６４を採用してもよい。このようにすることで、ＬＣＯＳの液晶の制御によって高速に波面に与える位相変調を変化させ、対物レンズ１６の前方の合焦点位置を光軸方向に高速に変化させることができる。図中、符号６５は、ミラーである。
【００８３】
また、反射型のＬＣＯＳのような空間光変調素子６４に代えて、図１１に示されるように、透過型のＬＣＯＳのような空間光変調素子６６を採用してもよい。反射型のＬＣＯＳと比較してミラー６５が不要となるので、構成を簡易化することができる。
【００８４】
観察対象物Ａにおける合焦点位置を光軸方向に移動させる手段としては、上記各実施例に示したもの（光路長可変手段２２、あるいは中間結像光学系６１とアクチュエータ６２、あるいは反射型空間光変調素子６４、あるいは透過型空間光変調素子６６）の他にも、能動光学素子として知られるパワー可変光学素子が各種利用可能であり、まず機械的可動部を有するものとして、形状可変鏡（ＤＦＭ：Ｄｅｆｏｒｍａｂｌｅ  Ｍｉｒｒｏｒ）、液体やゲルを用いた形状可変レンズがある。そして機械的可動部を持たない同様の素子として、電界により媒質の屈折率を制御する、液晶レンズやタンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴＮ：ＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ３）結晶レンズ、さらには音響光学偏向器（ＡＯＤ／Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｄｅｆｌｅｃｔｏｒ）におけるシリンドリカルレンズ効果を応用したレンズ、等がある。
【００８５】
以上、本発明の顕微鏡としての実施形態は、いずれも観察対象物Ａにおける合焦点位置を光軸方向に移動させる何らかの手段を有する。さらに、これらの合焦点位置光軸方向移動手段は、同じ目的に対する従来の顕微鏡における手段（対物レンズか観察対象物かの何れかを光軸方向に移動させる）に比較して、駆動対象物の質量が小さい、あるいは応答速度の速い物理現象を利用している、という理由により、動作速度を大幅に高めることができる。
このことには、観察対象物（例えば、生きた生体組織標本）における、より高速な現象を検出し得る、という利点がある。
【００８６】
また、透過型あるいは反射型のＬＣＯＳのような空間光変調素子６４，６６を採用する場合には、位相変調素子２３の機能を空間光変調素子６４，６６に担わせることができる。このようにすることで、波面錯乱素子としての位相変調素子２３を省略でき、構成をさらに簡易化することができるという利点がある。
【００８７】
また、上記例は、空間光変調素子とレーザ走査型多光子励起観察装置との組み合わせにおける、位相変調素子２３の省略であるが、これと同様にして、空間光変調素子と、レーザ走査型共焦点観察装置との組み合わせにおいても、位相変調素子２３を省略することが可能である。すなわち、図１０，図１１において、ダイクロイックプリズム３６に代えてミラー４９を採用し、ビームエキスパンダー４５と空間光変調素子６４，６６との間にダイクロイックミラー４６を採用して分岐光路をなし、さらに結像レンズ２４、共焦点ピンホール４３、および光検出器４４を採用した上で、位相変調素子２３の機能を空間光変調素子６４，６６に担わせることができる。この場合の空間光変調素子６４，６６は、レーザ光源４１からのレーザ光に対しては、波面錯乱素子として波面に乱れを付与する一方で、観察対象物Ａからの蛍光に対しては、位相変調素子１７によって付与された波面の乱れを打ち消す波面回復素子として作用する。
【００８８】
位相変調素子としては、例えば、図１２に示されるような、シリンドリカルレンズ１７，２３を採用することにしてもよい。
この場合には、シリンドリカルレンズ１７によって中間像は非点収差によって点像が線状に伸ばされるので、この作用により、中間像を不鮮明化することができ、これと相補的な形状のシリンドリカルレンズ２３により、最終像を鮮明化することができる。
図１２の場合、凸レンズまたは凹レンズのいずれを波面錯乱素子として使用してもよいし、波面回復素子として使用してもよい。
【００８９】
位相変調素子としてシリンドリカルレンズ５，６を用いる場合の作用について、以下に詳細に説明する。図１３は、図２および図３における位相変調素子としてシリンドリカルレンズ５，６を用いた例を示す。
【００９０】
ここでは、特に、下記条件を設定する。
（ａ）  物体Ｏ側の位相変調素子（波面錯乱素子）５として、ｘ方向にパワーψＯｘを有するシリンドリカルレンズを用いる。
（ｂ）  像Ｉ側の位相変調素子（波面回復素子）６として、ｘ方向にパワーψＩｘを有するシリンドリカルレンズを用いる。
（ｃ）  ｘｚ平面上の軸上光線Ｒｘのシリンドリカルレンズ５における位置（光線高さ）をｘＯとする。
（ｄ）  ｘｚ平面上の軸上光線Ｒｘのシリンドリカルレンズ６における位置（光線高さ）をｘＩとする。
図１３において、符号ＩＩ０Ｘ，ＩＩ０Ｙは中間像である。
【００９１】
この例における作用を説明する前に、ガウス光学に基づく位相変調量と光学パワーとの関係について、図１４を用いて説明する。
図１４において、高さ（光軸からの距離）ｘでのレンズの厚さをｄ（ｘ）、高さ０（光軸上）でのレンズの厚さをｄ０とすると、高さｘの光線に沿った入射側接平面から射出側接平面までの光路長Ｌ（ｘ）は次式（４）で表される。
Ｌ（ｘ）＝（ｄ０−ｄ（ｘ））＋ｎ・ｄ（ｘ）        （４）
【００９２】
高さｘにおける光路長Ｌ（ｘ）と高さ０（光軸上）における光路長Ｌ（０）との差は、薄肉レンズとしての近似を用いると、次式（５）で表される。
Ｌ（ｘ）−Ｌ（０）＝（−ｘ２／２）（ｎ−１）（１／ｒ１−１／ｒ２）      （５）
【００９３】
上記光路長差Ｌ（ｘ）−Ｌ（０）は、高さ０における射出光に対する、高さｘにおける射出光の位相進み量と、絶対値が等しく符号が逆である。したがって、上記位相進み量は、式（５）の符号を反転させた次式（６）で表される。
Ｌ（０）−Ｌ（ｘ）＝（ｘ２／２）（ｎ−１）（１／ｒ１−１／ｒ２）      （６）
【００９４】
一方、この薄肉レンズの光学パワーψは、次式（７）で表される。
ψ＝１／ｆ＝（ｎ−１）（１／ｒ１−１／ｒ２）            （７）
【００９５】
したがって、式（６）、（７）から位相進み量Ｌ（０）−Ｌ（ｘ）と光学パワーψとの関係が次式（８）によって求められる。
Ｌ（０）−Ｌ（ｘ）＝ψ・ｘ２／２            （８）
【００９６】
ここで、図１３の説明に戻る。
ｘｚ面上の軸上光線Ｒｘがシリンドリカルレンズ５において受ける軸上主光線すなわち光軸に沿った光線ＲＡに対する位相進み量ΔＬＯｃは、式（８）に基づいて次式（９）で表される。
ΔＬＯｃ（ｘＯ）＝ＬＯｃ（０）−ＬＯｃ（ｘＯ）＝ψＯｘ・ｘＯ２／２      （９）
ここで、ＬＯｃ（ｘＯ）はシリンドリカルレンズ５における高さｘＯの光線に沿った、入射側接平面から射出側接平面までの光路長の関数である。
【００９７】
これと同様にして、ｘｚ平面上の軸上光線Ｒｘがシリンドリカルレンズ６において受ける、軸上主光線すなわち光軸に沿った光線ＲＡに対する位相進み量ΔＬＩｃは、次式（１０）で表される。
ΔＬＩｃ（ｘＩ）＝ＬＩｃ（０）−ＬＩｃ（ｘＩ）＝ψＩｘ・ｘＩ２／２    （１０）
ここで、ＬＩｃ（ｘＩ）はシリンドリカルレンズ６における高さｘＩの光線に沿った、入射側接平面から射出側接平面までの光路長の関数である。
【００９８】
上記式（２）に式（９）、（１０）および（ｘＩ／ｘＯ）２＝βＦ２の関係を適用すると、この例において、シリンドリカルレンズ５が波面錯乱、シリンドリカルレンズ６が波面回復の機能をそれぞれ果たすための条件が式（１１）に示すように求められる。
ψＯｘ／ψＩｘ＝−βＦ２        （１１）
【００９９】
すなわち、ψＯｘとψＩｘの値は互いに符号が逆であり、かつ、それらの絶対値の比はフィールドレンズ４の横倍率の２乗に比例する必要がある。
なお、ここでは軸上光線に基づいて説明したが、上記条件を満たすならば、シリンドリカルレンズ５，６は軸外光線に対しても同様に波面錯乱と波面回復の機能を果たす。
【０１００】
また、位相変調素子５，６，１７，２３（図においては、位相変調素子５，６として表示。）としては、シリンドリカルレンズに代えて、図１５に示されるような１次元バイナリ回折格子、図１６に示されるような１次元正弦波回折格子、図１７に示されるような自由曲面レンズ、図１８に示されるようなコーンレンズ、図１９に示されるような同心円型バイナリ回折格子を採用してもよい。同心円型回折格子としてはバイナリ型に限定されるものではなく、ブレーズド型、正弦波型等の任意の形態を採用することができる。
【０１０１】
ここで、波面変調素子として回折格子５，６を用いた場合について、以下に詳細に説明する。
この場合の中間像ＩＩにおいては回折によって１つの点像が複数の点像に分離される。この作用によって、中間像ＩＩが不鮮明化され、中間結像面の異物の像が最終像に重なって表れることを防止することができる。
【０１０２】
位相変調素子として、回折格子５，６を用いた場合における軸上主光線、すなわち、光軸に沿った光線ＲＡの好ましい経路の一例を図２０に、また、軸上光線ＲＸの好ましい経路の一例を図２１にそれぞれ示す。これらの図において、光線ＲＡ，ＲＸは回折格子５を経て複数の回折光に分離するが、回折格子６を経ることにより元通りの１本の光線になる。
【０１０３】
この場合においても、上記式（１）〜（３）を満たすことによって上記効果を達成することができる。
ここで、図２０および図２１に準じて、式（２）は「１本の軸上光線ＲＸが回折格子５，６で受ける位相変調の和は、軸上主光線ＲＡが回折格子５，６で受ける位相変調の和と常に等しい。」と言い換えることができる。
【０１０４】
また、回折格子５，６が周期構造を有する場合、それらの形状（すなわち位相変調特性）が一周期分の領域において式（２）を満たすならば、他の領域においても同様に満たすとみなすことができる。
そこで、回折格子５，６の中央部、すなわち、光軸近傍領域に着目して説明する。図２２は回折格子５の、図２３は回折格子６の、それぞれ中央部の詳細図である。
【０１０５】
ここで、回折格子５，６が式（２）を満たすための条件は以下の通りである。
すなわち、回折格子６における変調の周期ｐＩがフィールドレンズ４によって投影された回折格子５による変調の周期ｐＯと等しく、回折格子６による変調の位相がフィールドレンズ４によって投影された回折格子５による変調の位相に対して反転しており、かつ、回折格子６による位相変調の大きさと回折格子６による位相変調の大きさとが絶対値で等しくなければならない。
【０１０６】
まず、周期ｐＩと投影された周期ｐＯとが等しくなるための条件は式（１２）により表される。
ｐＩ＝｜βＦ｜・ｐＯ      （１２）
【０１０７】
次に、回折格子６による変調の位相が投影された回折格子５による変調の位相に対して反転しているためには、上記式（１２）を満たした上で、例えば、回折格子５はその山領域の中心の１つが光軸と一致するように配置されるとともに、回折格子６はその谷領域の中心の１つが光軸と一致するように配置されればよい。図２２および図２３はその一例に他ならない。
【０１０８】
最後に、回折格子６による位相変調の大きさと、回折格子５による位相変調の大きさとが絶対値で等しいための条件を求める。
回折格子５の光学的なパラメータ（山領域厚さｔＯｃ、谷領域厚さｔＯｔ、屈折率ｎＯ）より、回折格子５の谷領域を透過する軸上光線ＲＸに付与される、光軸に沿った（山領域を透過する）光線ＲＡに対する位相進み量ΔＬＯｄｔは、次式（１３）で表される。
【０１０９】
ΔＬＯｄｔ＝ｎＯ・ｔＯｃ−（ｎＯ・ｔＯｔ＋（ｔＯｃ−ｔＯｔ））
＝（ｎＯ−１）（ｔＯｃ−ｔＯｔ）                  （１３）
【０１１０】
同様にして、回折格子６の光学的なパラメータ（山領域厚さｔＩｃ、谷領域厚さｔＩｔ、屈折率ｎＩ）より、回折格子６の山領域を透過する軸上光線ＲＸに付与される、光軸に沿った（谷領域を透過する）光線ＲＡに対する位相進み量ΔＬＩｄｔは、次式（１４）で表される。
ΔＬＩｄｔ＝（ｎＩ・ｔＩｔ＋（ｔＩｃ−ｔＩｔ））−ｎＩ・ｔＩｃ
＝−（ｎＩ−１）（ｔＩｃ−ｔＩｔ）                  （１４）
【０１１１】
この場合、ΔＬＯｄｔの値は正、ΔＬＩｄｔの値は負なので、両者の絶対値が等しいための条件は次式（１５）で表される。
ΔＬＯｄｔ＋ΔＬＩｄｔ＝（ｎＯ−１）（ｔＯｃ−ｔＯｔ）−（ｎＩ−１）（ｔＩｃ−ｔＩｔ）＝０                                      （１５）
【０１１２】
なお、ここでは軸上光線に基づいて説明したが、上記条件を満たすならば、軸外光線に対しても、回折格子５は波面散乱、回折格子６は波面回復の機能を果たす。
また、ここでは回折格子５，６の断面形状を台形として説明したが、他の形状でも同様の機能を果たし得ることは言うまでもない。
【０１１３】
さらに、位相変調素子５，６としては、図２４に示されるような球面収差素子、図２５に示されるような不規則形状素子、図２６に示されるような透過型の空間光変調素子６４との組み合わせによる反射型の波面変調素子、図２７に示されるような屈折率分布型素子を採用してもよい。
【０１１４】
さらにまた、位相変調素子５，６としては、多数の微小なレンズが並んだフライアイレンズやマイクロレンズアレイ、あるいは多数の微小なプリズムが並んだマイクロプリズムアレイを採用してもよい。
【０１１５】
また、上記実施形態に係る結像光学系１を内視鏡に適用する場合には、図２８に示されるように、対物レンズ（結像レンズ）７０の内部に位相錯乱素子５を配置し、複数のフィールドレンズ４および集光レンズ７１を含むリレー光学系７２を挟んで対物レンズ７０とは反対側に配置された接眼レンズ７３近傍に位相回復素子６を配置すればよい。このようにすることで、フィールドレンズ４の表面近傍に形成される中間像を不鮮明化し、接眼レンズ７３によって結像される最終像を鮮明化することができる。
【０１１６】
また、図２９に示されるように、アクチュエータ６２によってレンズ６１ａを駆動するインナーフォーカス機能付き内視鏡型細径対物レンズ７４内に、波面錯乱素子５を設け、顕微鏡本体７５に設けられたチューブレンズ（結像レンズ）７６の瞳位置近傍に波面回復素子６を配置してもよい。
【符号の説明】
【０１１７】
Ｉ  最終像
ＩＩ  中間像
Ｏ  物体
ＰＰＯ，ＰＰＩ  瞳位置
１，１３，３２，４２  結像光学系
２，３  結像レンズ
５  波面錯乱素子（第１の位相変調素子）
６  波面回復素子（第２の位相変調素子）
１０，３０，４０，５０，６０  観察装置
１１，３１，４１  光源
１４，３３  撮像素子（光検出器）
１７，２３  位相変調素子
２０，３６  ビームスプリッタ
２２  光路長可変手段
２２ａ  平面鏡
２２ｂ  アクチュエータ
３４  ニポウディスク型コンフォーカル光学系
４３  共焦点ピンホール
４４  光検出器（光電子変換素子）
６１ａ  レンズ（光路長可変手段）
６２  アクチュエータ（光路長可変手段）
６４  空間光変調素子（可変空間位相変調素子）
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【国際調査報告】
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