(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源と、該レーザ光源から出射されたレーザビームを適切なビーム径にコリメートする光学系と、前記レーザビームを標本上に集光する対物レンズと、前記対物レンズと標本の距離を相対的に変わらないようにして光軸方向の集光位置を変えていく際に、対物レンズの瞳位置又はその近傍において、光線が入射する領域の９０％以上の領域で形成される波面形状が、前記対物レンズの瞳面と共役な位置又はその近傍に配置された波面変換素子によって下記の条件１〜４を満たすように変形され、前記対物レンズの瞳位置又はその近傍における波面形状ｇ（ｘ，ｙ，ｚ，ｎａ）が式１ａ又は式１ｂを満たす範囲内で前記波面変換素子の制御を行う制御装置と、を備えることを特徴とするレーザ集光光学系。
集光位置が対物レンズから遠ざかる場合、
条件１：波面形状は光軸から瞳周辺部に向かい単調に減少する；
条件２：波面形状は対物レンズに向かって凸の形状である；
集光位置が対物レンズに近づく場合、
条件３：波面形状は光軸から瞳周辺部に向かい単調に増加する；
条件４：波面形状は対物レンズから離れる方向に向かって凸の形状である；
ただし、光源から標本に向かう向きを正の向きとし、また、対物レンズの瞳位置は、標本側を前側としたときの後側焦点位置である。
ｇ1 （ｘ，ｙ，ｚ，ｎａ）＝ｇ0 （ｘ，ｙ，１０δ，ｎａ）ｚ／１０δとして、
ｘ2 ＋ｙ2 ≧０．３を満たす（ｘ，ｙ）と、３δ＜ｚ＜５０δを満たすｚに対して、
１．２ｇ1 （ｘ，ｙ，ｚ，ｎａ）
＜ｇ（ｘ，ｙ，ｚ，ｎａ）＜０．８ｇ1 （ｘ，ｙ，ｚ，ｎａ）
・・・（式１ａ）
ｘ2 ＋ｙ2 ≧０．３を満たす（ｘ，ｙ）と、−５０δ＜ｚ＜−３δを満たすｚに対して、
０．８ｇ1 （ｘ，ｙ，ｚ，ｎａ）
＜ｇ（ｘ，ｙ，ｚ，ｎａ）＜１．２ｇ1 （ｘ，ｙ，ｚ，ｎａ）
・・・（式１ｂ）
ここで、
ｇ（ｘ，ｙ，ｚ，ｎａ）：波面変換素子が対物レンズの瞳面に作る波面形状（単位：波長）。ｇ（０，０，ｚ，ｎａ）≡０を満たす。
ｇ0 （ｘ，ｙ，ｚ，ｎａ）：光軸上の位置ｚにある点光源から発した光が対物レンズを透過し、対物レンズの瞳面に作る波面形状（単位：波長）。
ｇ0 （０，０，ｚ，ｎａ）≡０を満たす。
ｘ，ｙ：対物レンズの瞳面上の位置。光軸上は（ｘ，ｙ）＝（０，０）で、対物レンズの瞳半径で規格化するため、ｘ2 ＋ｙ2 ≦１となる。
ｚ：光軸上の位置。使用対物レンズの像側から平面波が入射したとき、対物レンズの標本側にできる集光スポットの波面収差ベスト位置をｚ＝０とし、光源から標本に向かう向きを正の向きとする。
ｎａ：（＝ＮＡ／ｎ）対物レンズの標本側開口数を前記対物レンズと標本との間の媒質の屈折率ｎで割った値（０．１＜ｎａ＜０．９５）。
また、対物レンズの瞳位置は、標本側を前側としたときの後側焦点位置である。
δ＝ｎλ／２ＮＡ2 
δ：焦点深度、
ｎ：前記対物レンズと標本の間の媒質の屈折率、
λ：使用波長、
ＮＡ：前記対物レンズの標本側開口数。
【請求項２】
レーザ光源と、該レーザ光源から出射されたレーザビームを適切なビーム径にコリメートする光学系と、前記レーザビームを標本上に集光する対物レンズと、前記対物レンズと標本の距離を相対的に変わらないようにして光軸方向の集光位置を変えていく際に、対物レンズの瞳位置又はその近傍において、光線が入射する領域の９０％以上の領域で形成される波面形状が、前記対物レンズの瞳面と共役な位置又はその近傍に配置された波面変換素子によって下記の条件１〜４を満たすように変形され、かつ、前記対物レンズの瞳位置又はその近傍における波面形状ｇ（ｘ，ｙ，ｚ，ｎａ）が式２ａ又は式２ｂを満たす範囲内で前記波面変換素子の制御を行う制御装置と、を備えることを特徴とするレーザ集光光学系。
集光位置が対物レンズから遠ざかる場合、
条件１：波面形状は光軸から瞳周辺部に向かい単調に減少する；
条件２：波面形状は対物レンズに向かって凸の形状である；
集光位置が対物レンズに近づく場合、
条件３：波面形状は光軸から瞳周辺部に向かい単調に増加する；
条件４：波面形状は対物レンズから離れる方向に向かって凸の形状である；
ただし、光源から標本に向かう向きを正の向きとし、また、対物レンズの瞳位置は、標本側を前側としたときの後側焦点位置である。
−３δ＜ｚ＜３δに対して、ｇ1 （ｘ，ｙ，ｚ，ｎａ）
＝｛ｇ0 （ｘ，ｙ，δ，ｎａ）−ｇ0 （ｘ，ｙ，０，ｎａ）｝ｚ／δ
＋ｇ0 （ｘ，ｙ，０，ｎａ）として、
ｇ1 （ｘ，ｙ，ｚ，ｎａ）≧０のとき、
０．８ｇ1 （ｘ，ｙ，ｚ，ｎａ）＜ｇ（ｘ，ｙ，ｚ，ｎａ）
＜１．２ｇ1 （ｘ，ｙ，ｚ，ｎａ）・・・（式２ａ）
ｇ1 （ｘ，ｙ，ｚ，ｎａ）≦０のとき、
１．２ｇ1 （ｘ，ｙ，ｚ，ｎａ）＜ｇ（ｘ，ｙ，ｚ，ｎａ）
＜０．８ｇ1 （ｘ，ｙ，ｚ，ｎａ）・・・（式２ｂ）
ここで、
ｇ（ｘ，ｙ，ｚ，ｎａ）：波面変換素子が対物レンズの瞳面に作る波面形状（単位：波長）。ｇ（０，０，ｚ，ｎａ）≡０を満たす。
ｇ0 （ｘ，ｙ，ｚ，ｎａ）：光軸上の位置ｚにある点光源から発した光が対物レンズを透過し、対物レンズの瞳面に作る波面形状（単位：波長）。
ｇ0 （０，０，ｚ，ｎａ）≡０を満たす。
ｘ，ｙ：対物レンズの瞳面上の位置。光軸上は（ｘ，ｙ）＝（０，０）で、対物レンズの瞳半径で規格化するため、ｘ2 ＋ｙ2 ≦１となる。
ｚ：光軸上の位置。使用対物レンズの像側から平面波が入射したとき、対物レンズの標本側にできる集光スポットの波面収差ベスト位置をｚ＝０とし、光源から標本に向かう向きを正の向きとする。
ｎａ：（＝ＮＡ／ｎ）対物レンズの標本側開口数を前記対物レンズと標本との間の媒質の屈折率ｎで割った値（０．１＜ｎａ＜０．９５）。
また、対物レンズの瞳位置は、標本側を前側としたときの後側焦点位置である。
δ＝ｎλ／２ＮＡ2 
δ：焦点深度、
ｎ：前記対物レンズと標本の間の媒質の屈折率、
λ：使用波長、
ＮＡ：前記対物レンズの標本側開口数。
【請求項３】
請求項１又は２記載のレーザ集光光学系と、標本からの光を検出光学系を介して検出する検出器と、を備えたことを特徴とするレーザ走査型顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ集光光学系及びそれを用いたレーザ走査型顕微鏡に関し、特に、波面形状を任意に変形できる波面変換素子を用いたレーザ集光光学系とそれを用いたレーザ走査型顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えばレーザ走査型顕微鏡において、標本の３次元像を得るためには、標本又は対物レンズを機械的に光軸方向に移動させて、標本内部の各面における光学像を順次取り込んでいく必要があった。しかし、この方法は機械的移動のため、位置制御誤差や再現性等の点で正確な光軸方向の走査の実現は困難であり、また、標本走査の場合には標本が大きくなると高速走査ができない等の問題があった。さらに、標本が生体標本等で対物レンズを直接生体又は培養液に浸けて高速な生体の動きを観察する場合には、対物レンズを走査すると、観察する標本に振動等の悪影響を与えることになり好ましくない。
【０００３】
これらの問題を解決する方法として、パワーを変化させることのできる光学素子を備えた光学装置として、特開平１１−１０１９４２号の顕微鏡におけるアダプティブ光学装置がある。この先行例では、観察光路及び／又は照明光路内に波面変調器を挟み、その波面変調器を用いて光学系の焦点距離を変化させ、これによって生じる収差も、波面変調量を瞳半径の関数にすることにより吸収しようとするものである。こうすることによって、対物レンズと標本との距離を変えることなく、物体空間内での焦点の形成と移動のみならず、収差補正も行うことができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
対物レンズと標本との距離を変えることなく、物体空間内での焦点を移動させると、それが原因で球面収差が発生する。先行例では、その収差を補正しようにも波面変換素子によってどのように波面が変換されるべきかに関しては、具体的に述べられていなかった。
【０００５】
本発明は従来の技術が持つこの問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、以下の３項目である。まず、レーザ集光光学系において、ビームの集光位置を光軸方向に走査するのに機械的な機構を用いず、光学的にパワーを可変にできる波面変換素子を用いて行うものであり、また、その際に発生する収差をその波面変換素子で相殺し、光軸方向の走査に伴う集光性能の低下を低減させること。次に、この波面変換素子によって作られる波面形状の性質を表すこと。最後に、この際の波面変換素子によって変換された波面形状が対物レンズの光軸方向の集光位置によってどのように変化するかの性質を明らかにすること。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明のレーザ集光光学系は、レーザ光源と、該レーザ光源から出射されたレーザビームを適切なビーム径にコリメートする光学系と、前記レーザビームを標本上に集光する対物レンズとを備えたレーザ集光光学系において、前記対物レンズと標本の距離を相対的に変わらないようにして光軸方向の集光位置を変えていく際に、対物レンズの瞳位置又はその近傍において、光線が入射する領域の９０％以上の領域で形成される波面形状が、前記対物レンズの瞳面と共役な位置又はその近傍に配置された波面変換素子によって下記の条件１〜４を満たすように変形されていることを特徴とするものである。
【０００７】
集光位置が対物レンズから遠ざかる場合、
条件１：波面形状は中心から瞳周辺部に向かい単調に減少する；
条件２：波面形状は上に凸の形状である；
集光位置が対物レンズに近づく場合、
条件３：波面形状は中心から瞳周辺部に向かい単調に増加する；
条件４：波面形状は下に凸の形状である；
ただし、光源から標本に向かう向きを正の向きとし、また、対物レンズの瞳位置は、標本側を前側としたときの後側焦点位置である。
【０００８】
これにより、対物レンズと標本の距離を相対的に変わらないようにして光軸方向の集光位置を変えていく際においても、そのために発生する球面収差を軽減することができる。
【０００９】
ここで、光軸方向の走査に伴って発生する収差（球面収差）に対応する波面形状に関して、図１を用いて説明しておく。無収差レンズの光軸上の集光点を移動させた場合の波面変形は、光軸に対して軸対称であり、また、その変形量は瞳の周辺部に近づく程加速的に大きくなるので、それを相殺して平面波に戻すための波面変換量は、周辺程加速的に大きくする必要がある。図１では、分かりやすくするために実際とは逆向き（逆光線追跡）に描いてあり、対物レンズの焦点位置Ｆから出た光束は、無収差の平行光、すなわち、波面の状態で言い換えれば、平面波となって射出する。正の方向に移動した点Ａから出た光束は収斂光束となって射出するが、対物レンズの瞳面におけるその波面は集光位置の移動によって発生する収差の影響により瞳の（すなわち、光束の）周辺部にいく程曲がりが大きくなっていて、波面形状曲線の傾きが大きくなる。このときの波面形状は、条件１、条件２を満たすような形状になっている。なお、条件１の「単調に減少する」とは、図１における‘Ｆからの波面’を基準にして‘Ａからの波面’の様子を記述したもので、‘Ｆからの波面’の形状（平面）を基準とすると、‘Ａからの波面’の波面形状は光軸から周辺に離れるに従い、光源の方向（負の方向）に平面から離れるように変化していることから、これを「減少する」と表した。また、上に凸とは、対物レンズに向かって凸形状の意味である。この後、波面変換素子によって波面は平面波に戻ることになる。ここで、光線を上記と逆、すなわち、光源側から追跡すると、波面変換素子に入射した平面波は波面変換素子によって変形され、対物レンズの瞳面においては、前述のように、条件１、条件２を満たした形状になっている。この後、対物レンズによって点Ａに集光する。したがって、波面変換素子によって対物レンズの瞳において条件１、条件２を満たすように変形された波面は点Ａ、すなわち、集光位置が対物レンズから遠ざかった位置に収差が軽減されて集光することとなる。
【００１０】
逆に、負の方向に移動した点Ｂから出た光束は発散光束となって射出するが、対物レンズの瞳面におけるその波面は集光位置の移動よって発生する収差の影響により瞳の（すなわち、光束の）周辺部に行く程曲がりが大きくなっていて、波面形状曲線の傾きが大きくなる。このとき波面形状は条件３、条件４を満たすような形状になっている。なお、条件３の「単調に増加する」とは、図１における‘Ｆからの波面’を基準にして‘Ｂからの波面’の様子を記述したもので、‘Ｆからの波面’の形状（平面）を基準とすると、‘Ｂからの波面’の波面形状は光軸から周辺に離れるに従い、対物レンズの方向（正の方向）に平面から離れるように変化していることから、これを「増加する」と表した。この後、波面変換素子によって波面は平面波に戻ることになる。ここで、光線を上記と逆、すなわち、光源側から追跡すると、波面変換素子に入射した平面波は波面変換素子によって変形され、対物レンズの瞳面においては、前述のように、条件３、条件４を満たした形状になっている。この後、対物レンズによって点Ｂに集光する。したがって、波面変換素子によって対物レンズの瞳において条件３、条件４を満たすように変形された波面は点Ｂ、すわなち、集光位置が対物レンズから近づいた位置に収差が軽減されて集光することとなる。
【００１１】
なお、輪帯照明等の変形照明の場合、対物レンズの瞳全面に光線が入射しないが、光線が入射している領域の内、その９０％の領域においてのみ考慮して、これらの領域において条件１、条件２若しくは条件３、条件４が成り立てばよいこととする。さらに、途中の光学系や波面変換素子自身にゴミやキズがある場合、対物レンズの瞳位置における波面の変化が急峻になる可能性がある。また、波面変換素子が複数の領域に分割されていて、その境界線が対物レンズの瞳面に投影されている場合等も、波面が不連続になったり、急峻に変化する可能性がある。このような波面形状が急激に変化する部分や不連続になっている部分に関しての波面形状は、条件１、条件２若しくは条件３、条件４が成り立たなくても構わない。また、光学系を構成するレンズ及び光学素子又は／かつ波面変換素子自身の面精度が、光学性能を集光スポットにおける波面収差のストレール強度で０．７以下に劣化させない程度の場合、その光学系によって形成される波面形状に極めて小さな振幅のうねりが発生することもあるため、波面形状が厳密な意味でも単調増加若しくは単調減少ではなくなる。しかし、このような要因で発生する極めて振幅の小さな波面形状の変化は、光学系の特徴を記述する主たる要因にならないため、これに関しては、上記の条件１、条件３に記載の単調増加若しくは単調減少に含まれることとする。
【００１２】
また、上記の本発明のレーザ集光光学系において、前記対物レンズと標本の距離を相対的に変わらないようにして光軸方向の集光位置を変えていく際に、対物レンズの瞳位置又はその近傍における波面形状ｇ（ｘ，ｙ，ｚ，ｎａ）が式１ａ又は式１ｂを満たすことが好ましい。
【００１３】
ｇ1 （ｘ，ｙ，ｚ，ｎａ）＝ｇ0 （ｘ，ｙ，１０δ，ｎａ）ｚ／１０δとして、
ｘ2 ＋ｙ2 ≧０．３を満たす（ｘ，ｙ）と、３δ＜ｚ＜５０δを満たすｚに対して、
１．２ｇ1 （ｘ，ｙ，ｚ，ｎａ）
＜ｇ（ｘ，ｙ，ｚ，ｎａ）＜０．８ｇ1 （ｘ，ｙ，ｚ，ｎａ）
・・・（式１ａ）
ｘ2 ＋ｙ2 ≧０．３を満たす（ｘ，ｙ）と、−５０δ＜ｚ＜−３δを満たすｚに対して、
０．８ｇ1 （ｘ，ｙ，ｚ，ｎａ）
＜ｇ（ｘ，ｙ，ｚ，ｎａ）＜１．２ｇ1 （ｘ，ｙ，ｚ，ｎａ）
・・・（式１ｂ）
ここで、
ｇ（ｘ，ｙ，ｚ，ｎａ）：波面変換素子が対物レンズの瞳面に作る波面形状（単位：波長）。ｇ（０，０，ｚ，ｎａ）≡０を満たす。
【００１４】
ｇ0 （ｘ，ｙ，ｚ，ｎａ）：光軸上の位置ｚにある点光源から発した光が対物レンズを透過し、対物レンズの瞳面に作る波面形状（単位：波長）。
【００１５】
ｇ0 （０，０，ｚ，ｎａ）≡０を満たす。
【００１６】
ｘ，ｙ：対物レンズの瞳面上の位置。光軸上は（ｘ，ｙ）＝（０，０）で、対物レンズの瞳半径で規格化するため、ｘ2 ＋ｙ2 ≦１となる。
【００１７】
ｚ：光軸上の位置。使用対物レンズの像側から平面波が入射したとき、対物レンズの標本側にできる集光スポットの波面収差ベスト位置をｚ＝０とし、光源から標本に向かう向きを正の向きとする。
【００１８】
ｎａ：（＝ＮＡ／ｎ）対物レンズの標本側開口数を前記対物レンズと標本との間の媒質の屈折率ｎで割った値（０．１＜ｎａ＜０．９５）。
【００１９】
また、対物レンズの瞳位置は、標本側を前側としたときの後側焦点位置である。
【００２０】
δ＝ｎλ／２ＮＡ2 
δ：焦点深度、
ｎ：前記対物レンズと標本の間の媒質の屈折率、
λ：使用波長
ＮＡ：前記対物レンズの標本側開口数。
【００２１】
このように、波面変換素子を制御することにより、対物レンズと標本の距離を相対的に変わらないようにして光軸方向の集光位置を広範囲に変えていく際においても、そのために発生する球面収差を軽減することができる。
【００２２】
ここで、光軸方向に沿って集光位置を変化させていった場合における、焦点位置以外の各点で発生する収差（球面収差）とそれに対応する波面形状の関係を、図２を用いて説明しておく。図２は、Ａ1 、Ａ2 、Ａ3 の位置に点光源を置いた場合に、この点光源からの光が対物レンズを通過したときに対物レンズの瞳位置に形成される波面の形状を示したものである。
【００２３】
無収差である対物レンズの場合、対物レンズの瞳位置における波面形状の平面からの乖離量は、焦点位置Ｆから各点光源Ａ1 、Ａ2 、Ａ3 までの距離に比例する。ただし、集光位置がいくら焦点位置Ｆから離れても比例関係が保たれるわけではなく、比例関係が保たれるのはせいぜい焦点深度δの５０倍程度までである。
【００２４】
さて、無収差である対物レンズとは、焦点位置Ｆにある点光源から出た光が対物レンズの瞳位置で完全な平面波となる対物レンズのことであるが、このような対物レンズを実際に実現することは難しく、ほとんどの対物レンズは多少の収差を持っている。そのため、収差によって瞳位置での波面が変形することもある。しかしながら、一般的に対物レンズは収差が良好に補正されているので、発生する収差量は少ない。よって、収差により生じる波面の変形量は、焦点位置Ｆからのずれ（デフォーカス）によって生じる波面の変形量に比べて小さい。ただし、焦点位置Ｆからのずれが小さい場合は、収差による波面の変形の方が焦点位置Ｆからのずれによって生じる波面の変形に比べて多くなるので、比例関係が保たれるのは焦点深度δの３倍程度までで、それより焦点位置Ｆに近い距離になると比例関係はくずれてしまう。したがって、３δ＜ｚ＜５０δ及び−５０δ＜ｚ＜−３δの位置に点光源が置かれたときに、対物レンズの瞳位置にできる波面形状は焦点位置Ｆから集光位置の距離に略比例して変形するとみなすことができる。
【００２５】
本発明では、後述するように、ｇ0 （ｘ，ｙ，１０δ，ｎａ）を比例関係の基となる波面としている。ここで、このｇ0 （ｘ，ｙ，１０δ，ｎａ）は、焦点位置Ｆから１０δ離れた位置にある点光源から発した光によって形成される波面であり、３δ＜ｚ＜５０δの範囲にあるため、比例関係の基とすることができる。
【００２６】
ｘ2 ＋ｙ2 ＜０．３を除いた理由は、この範囲では、波面の平面からの乖離量が小さく、対物レンズが本来持っている収差の影響が無視できなくなり、単純な比例関係から外れるからである。−３δ≦ｚ≦３δを除いた理由は、この領域における波面の形状はデフォーカスによるものの大きさに対して、対物レンズが本来持っている収差の影響が無視できなくなり、単純な比例関係から外れるからである。また、ｚ≧５０δ、ｚ≦−５０δの範囲を除くのは、対物レンズがどれ程無収差レンズに近かろうとも、最早これだけの大きなデフォーカス成分に対しては波面形状が線形に変形しなくなり、式１ａ、式１ｂを満たさなくなるからである。
【００２７】
したがって、上記の条件を満たすような（ｘ，ｙ，ｚ）に対して、波面変換素子を透過又は反射して対物レンズの瞳面に到達した光線の対物レンズの瞳面における波面形状が式１ａ又は式１ｂを満たすように波面変換素子が動作したときは、所望のｚの範囲で球面収差を低減した集光状態を得ることができる。
【００２８】
ここで、上記で用いられている関数の説明をする。
【００２９】
ｇ（ｘ，ｙ，ｚ，ｎａ）は、波面変換素子が対物レンズの瞳面に作る波面形状であって、ｘ2 ＋ｙ2 ≦１の範囲で定義されている。対物レンズを透過後、光軸上の位置ｚ近傍で集光するような波面形状であって、対物レンズの瞳面上の位置ｘ，ｙ、集光位置ｚ、対物レンズのｎａ（＝ＮＡ／ｎ；使用した対物レンズの標本側開口数ＮＡを前記対物レンズと標本との間の媒質の屈折率ｎで割った値）の関数である。一般的には，ｘ2 ＋ｙ2 ＝ｋ（ｋ：定数）のときには，ｇ（ｘ，ｙ，ｚ，ｎａ）も一定値をとる。ｇ（０，０，ｚ，ｎａ）≡０であって、単位は波長である。
【００３０】
ｇ0 （ｘ，ｙ，ｚ，ｎａ）は、光軸上の位置ｚにある点光源から発した光が対物レンズを透過し、対物レンズの瞳面に作る波面形状である。ｘ2 ＋ｙ2 ≦１の範囲で定義されていて、ｘ2 ＋ｙ2 ＝ｋ（ｋ：定数）のときには、ｇ0 （ｘ，ｙ，ｚ，ｎａ）も一定値をとる。対物レンズの瞳面上の位置ｘ，ｙ、集光位置ｚ、対物レンズのｎａ（＝ＮＡ／ｎ）の関数である。ｇ0 （０，０，ｚ，ｎａ）≡０であって、単位は波長である。
【００３１】
以上の内容では、ｇ（ｘ，ｙ，ｚ，ｎａ）＝ｇ1 （ｘ，ｙ，ｚ，ｎａ）を仮定していた。ｇ1 （ｘ，ｙ，ｚ，ｎａ）は、ｇ1 （ｘ，ｙ，ｚ，ｎａ）＝ｇ0 （ｘ，ｙ，１０δ，ｎａ）ｚ／１０δで定義される関数で、光軸上の位置ｚ＝１０δにある点光源から発した光が対物レンズを透過し、対物レンズの瞳面に作る波面形状を比例関係の基となる波面形状として選び、距離に比例するように係数倍させた波面形状である。
【００３２】
あるｘ，ｙ，ｚに対して、ｇ（ｘ，ｙ，ｚ，ｎａ）が式１ａ、式１ｂの下限値よりも小さくなると、波面が理想の形状から離れ、その結果、光軸上の位置ｚ付近に集光点（波面収差ベスト位置）はなく、より対物レンズから遠い位置に集光点が移動している。又は／さらに、波面収差ベスト位置における波面収差の値も大きな値となり、良好な集光スポットが得られなくなる。一方で、あるｘ，ｙ，ｚに対して、ｇ（ｘ，ｙ，ｚ，ｎａ）が式１ａ、式１ｂの上限値よりも大きくなると、波面が理想の形状から離れ、その結果、光軸上の位置ｚ位置に集光点（波面収差ベスト位置）はなく、より対物レンズから近い位置に集光点が移動している。又は／さらに、波面収差ベスト位置における波面収差の値も大きな値となり、良好な集光スポットが得られなくなる。
【００３３】
なお、式１ａ、式１ｂを満たしている場合においても、集光位置における波面収差のストレール強度は０．７以上あることが望ましい。このようにすれば、集光性能もさほど劣化せず、良好な集光状態で集光位置をｚ方向にスキャンできる。
【００３４】
また、上記の本発明のレーザ集光光学系において、前記対物レンズと標本の距離を相対的に変わらないようにして光軸方向の集光位置を変えていく際に、対物レンズの瞳位置又はその近傍における波面形状が式２ａ又は式２ｂを満たすことことが好ましい。
【００３５】
−３δ＜ｚ＜３δに対して、ｇ1 （ｘ，ｙ，ｚ，ｎａ）
＝｛ｇ0 （ｘ，ｙ，δ，ｎａ）−ｇ0 （ｘ，ｙ，０，ｎａ）｝ｚ／δ
＋ｇ0 （ｘ，ｙ，０，ｎａ）として、
ｇ1 （ｘ，ｙ，ｚ，ｎａ）≧０のとき、
０．８ｇ1 （ｘ，ｙ，ｚ，ｎａ）＜ｇ（ｘ，ｙ，ｚ，ｎａ）
＜１．２ｇ1 （ｘ，ｙ，ｚ，ｎａ）・・・（式２ａ）
ｇ1 （ｘ，ｙ，ｚ，ｎａ）≦０のとき、
１．２ｇ1 （ｘ，ｙ，ｚ，ｎａ）＜ｇ（ｘ，ｙ，ｚ，ｎａ）
＜０．８ｇ1 （ｘ，ｙ，ｚ，ｎａ）・・・（式２ｂ）
このように、波面変換素子を制御することにより、対物レンズと標本の距離を相対的に変わらないようにして、光軸方向の集光位置を広範囲に変えていく際においても、そのために発生する球面収差を軽減することができる。
【００３６】
−３δ＜ｚ＜３δの範囲に点光源を置いた場合の対物レンズの瞳面にできる波面の形状について考察してみる。無収差である対物レンズの光軸上の点光源を移動させた場合の対物レンズ瞳位置における波面形状の各点での平面との乖離量は、対物レンズの開口数を一定にとったとき、図２中のＦＡn （ｎ＝１，２，３）の距離に比例して変形する。ただし、これは集光位置がＦにあるときには完全な平面波が対物レンズの瞳位置で形成されているような、対物レンズが無収差である場合についてである。実際の対物レンズにはごくわずかに収差が残っている場合がある。こうした対物レンズを用いると、図２中のＦの位置に点光源を置いたときに、対物レンズ瞳位置にできる波面形状ｇ0 （ｘ，ｙ，０，ｎａ）は平面にならない。このとき、−３δ＜ｚ＜３δの範囲にある点Ａに点光源を置いた場合の対物レンズの瞳面にできる波面の形状から波面形状ｇ0 （ｘ，ｙ，０，ｎａ）を減じた波面形状はＡの位置によって変化するが、これはＦＡの距離ｚに比例する。ｇ1 （ｘ，ｙ，ｚ，ｎａ）は、
ｇ1 （ｘ，ｙ，ｚ，ｎａ）＝
｛ｇ0 （ｘ，ｙ，δ，ｎａ）−ｇ0 （ｘ，ｙ，０，ｎａ）｝ｚ／δ
＋ｇ0 （ｘ，ｙ，０，ｎａ）
より定義され、−３δ＜ｚ＜３δの範囲において光軸上の位置ｚに点光源を置いたときに対物レンズの瞳位置にできる波面形状を比例関係に基づき定めたものである。
【００３７】
−３δ＜ｚ＜３δの範囲にある（ｘ，ｙ，ｚ）に対して、波面変換素子を透過又は反射して対物レンズの瞳面に到達した光線の、対物レンズの瞳面における波面形状が式２ａ、式２ｂを満たすように波面変換素子が動作したときは、所望のｚの範囲で球面収差を低減した集光状態を得ることができる。
【００３８】
以上の内容では、ｇ（ｘ，ｙ，ｚ，ｎａ）＝ｇ1 （ｘ，ｙ，ｚ，ｎａ）を仮定していた。あるｘ，ｙ，ｚに対して、ｇ（ｘ，ｙ，ｚ，ｎａ）が式２ａ、式２ｂの下限値よりも小さくなると、波面が理想の形状から離れ、その結果、光軸上の位置ｚ付近に集光点（波面収差ベスト位置）はなく、より対物レンズから遠い位置に集光点が移動している。又は／さらに、波面収差ベスト位置における波面収差の値も大きな値となり、良好な集光スポットが得られなくなる。一方で、あるｘ，ｙ，ｚに対して、ｇ（ｘ，ｙ，ｚ，ｎａ）が式ａ、式２ｂの上限値よりも大きくなると、波面が理想の形状から離れ、その結果、光軸上の位置ｚ付近に集光点（波面収差ベスト位置）はなく、より対物レンズから近い位置に集光点が移動している。又は／さらに、波面収差ベスト位置における波面収差の値も大きな値となり、良好な集光スポットが得られなくなる。
【００３９】
なお、式２ａ、式２ｂを満たしている場合においても、集光位置における波面収差のストレール強度は０．７以上あることが望ましい。このようにすれば、集光性能もさほど劣化せず、良好な集光状態で集光位置をｚ方向にスキャンできる。
【００４０】
また、上記の本発明のレーザ集光光学系において、前記対物レンズと標本との間の媒質の屈折率と標本の屈折率とが略等しく、ｚ＝１０δの位置近傍に、前記対物レンズと標本の距離を相対的に変わらないようにして前記レーザビームを集光させる際に、対物レンズの瞳位置における波面形状が前記波面変換素子によって式３を満たすように変形され、かつ、集光スポットの波面収差ベスト位置における波面収差のストレール強度が０．７より大きいことが望ましい。
【００４１】
０．３≦ρ≦０．９における全てのρに対して、
１．２ｆ（ρ，ｎａ）＜ｇ（ｘ，ｙ，１０δ，ｎａ）
＜０．８ｆ（ρ、ｎａ）・・・（式３）
ただし、ρ＝√（ｘ2 ＋ｙ2 ）（０≦ρ≦１）。
ここで、ｆ（ρ，ｎａ）はｆ（０，ｎａ）＝０である連続で滑らかな関数であって、ρ＝０．３，０．５，０．７，０．９のときは、以下の式４で定義される値を待つ。単位は波長である。
【００４２】
ｆ（０．３，ｎａ）＝−０．００５４４１３ｎａ2 
−０．００８８７１４ｎａ−０．２２３４６
ｆ（０．５，ｎａ）＝−０．０９６７８４ｎａ3 −０．０３０６１３ｎａ2 
−０．０２４７３９ｎａ−０．６２３０３
ｆ（０．７，ｎａ）＝−０．６１７４ｎａ4 ＋０．４７３７ｎａ3 
−０．６３０１ｎａ2 ＋０．０２７４ｎａ
−１．２２６７
ｆ（０．９，ｎａ）＝−３３．９７６ｎａ5 ＋７０．３６１ｎａ4 
−５６．７３９ｎａ3 ＋１９．３７９ｎａ2 
−３．２７８５ｎａ−１．８５１１
・・・（式４）
このように波面変換素子が動作することによって、ｚ＝１０δの位置近傍に良好な集光スポットを形成することができる。
【００４３】
前述の通り、ｚ＝１０δの位置に点光源に置いて対物レンズを透過した後の対物レンズの瞳位置にできる波面形状は、対物レンズが完全に無収差である場合も一意に決定する。その波面形状の平面からの乖離量は、使用した対物レンズの標本側開口数を対物レンズと標本との間の媒質の屈折率で割った値（＝ｎａ）と瞳面上における半径に依存する。瞳面上における半径ρを固定して、ρ＝０．３，０．５，０．７，０．９であるときの波面形状の平面からの乖離量はｎａのみの関数となる。この関数は連続で滑らかな関数となっており、簡単な式で表せるものではないが、適当な次数の多項式で近似して書き表すと式４となる。
【００４４】
波面変換素子を透過又は反射して、対物レンズの瞳面に到達した光線の、対物レンズの瞳面における波面形状が式３を満たし、連続的で滑らかになるように波面変換素子が動作したとき、すなわち、ｇ（ｘ，ｙ，１０δ，ｎａ）＝ｆ（ρ，ｎａ）のときには、ｚ＝１０δの位置で球面収差を略完全に低減した集光状態を得ることができる。
【００４５】
波面変換素子を透過又は反射して、対物レンズの瞳面に到達した光線の、対物レンズの瞳面における波面形状が式３を満たすが、ｇ（ｘ，ｙ，１０δ，ｎａ）≠ｆ（ρ，ｎａ）の場合、この影響は集光スポットの波面収差ベスト位置がｚ＝１０δからずれることと、その点における集光性能が劣化することとして現れてくる。
【００４６】
０．３≦ρ≦０．９におけるあるρに対して、ｇ（ｘ，ｙ，１０δ，ｎａ）が式３を満たさない場合、上記の影響が顕著に現れて、集光スポットの波面収差ベスト位置ｚが９．５δ＜ｚ＜１０．５δの範囲から外れたり、その位置における波面収差のストレール強度が０．７を下回ったりすることがある。したがって、光軸方向の集光位置の誤差を焦点深度δ以内に納め、なおかつ、その集光スポットの波面収差を良好に補正するためには、式３を満たしていることが必要となる。
【００４７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図示した実施例に基づき具体的に説明する。
【００４８】
〔実施例１〕
図３は、本発明に係わるレーザ集光光学系をレーザ走査型顕微鏡に用いた実施例１の概略構成図である。より詳しくは、本実施例はビームスキャン方式の多光子励起蛍光顕微鏡に適用したものである。
【００４９】
レーザから出射した光束３０１は、ビームエキスパンダ３０２により所望の大きさにコリメートされ、このコリメートされた光束はハーフミラー３０３を透過後、波面変換素子３０４に入射する。反射型の波面変換素子３０４により波面形状を変えられた光束は、ハーフミラー３０３により反射し、スキャン光学系３０６でｘ−ｙ方向に走査される。走査された光束は、瞳投影レンズ３０７で結像レンズ３０８の焦点位置近傍に集光され、ダイクロイックミラー３０９を透過し、結像レンズ３０８と対物レンズ３１０によって標本面３１２に集光し、ｘ−ｙ方向に走査される。集光した励起ビームにより励起された標本面３１２からの蛍光は光路を逆進し、ダイクロイックミラー３０９で反射され、検出光学系３１３を介して検出器３１４により検出される。なお、波面変換素子３０４と、スキャン光学系３０６中の集光位置３１２を光軸と垂直な方向に走査するための図示しない２枚のガルバノミラーそれぞれと、対物レンズの瞳位置３１１とは全て途中の光学系により共役若しくはその近傍に配置されている。すなわち、スキャン光学系３０６中には、波面変換素子３０４と、波面変換素子３０４により近い図示しないガルバノミラーとを共役に配置するための図示しない瞳投影レンズも含まれているものとする。
【００５０】
本実施例では、波面を任意の形状に変えることのできる波面変換素子３０４がデフォーマブルミラーで形成されていて、制御装置３０５でそのデフォーマルブルミラーの形状が制御される。
【００５１】
デフォーマブルミラーとは、複数の領域に分割され、そのそれぞれがミラー面に対して垂直な方向に位置を制御できる個々の制御素子の上面を可変形状反射膜で覆ってなるものである。これらの可変形状膜を光軸に沿った方向に位置を制御することにより、これを光学素子として用いた場合、波面変換素子として使用することができる。デフォーマブルミラーの形状を非球面凸面鏡や非球面凹面鏡とすることにより、対物レンズの瞳位置３１１に所望の本発明の前記の何れかに記載された波面形状を実現でき、ビーム集光位置の光軸方向への移動と集光位置における収差の除去か可能となる。
【００５２】
本実施例では、レーザ走査型顕微鏡でよく見られる共焦点系になっていないが、多光子励起による蛍光かその過程自体が非線型現象であり、励起ビームの集光位置近傍でしか起きない現象であるため構わない。
【００５３】
対物レンズ３１０が空気中で使用されるものであって、対物レンズ３１０の開口数が０．５及び０．８のときを仮定する。また、デフォーマブルミラー３０４と対物レンズ３１０の瞳位置３１１は共役の位置にある。この投影倍率が何倍のときでも、ｚ＝δの点を略無収差で観察するときのデフォーマブルミラーの変形量と、対物レンズ瞳位置３１１における波面変形量は、表−１及び図４のようになっている。
【００５４】
表−１
0004531895.tif 000002
波面変形量は、条件１、２を満たしている。
【００５５】
また、対物レンズ３１０の開口数が０．７のものを使用し、ｚ＝−δの点を略無収差で観察するときのデフォーマブルミラー３０４の変形量と対物レンズ瞳位置３１１における波面変形量は表−２及び図５のようになっている。
【００５６】
表−２
0004531895.tif 000003
波面変形量は条件３、４を満たしている。
【００５７】
上記何れの場合も、これらの値は波長を基準とした大きさであり、対物レンズ３１０の焦点距離にはよらない。
【００５８】
これらの計算に使用した対物レンズ３１０は実在の対物レンズではなく、平行光を波面光学的に最小のスポットに集光する無収差レンズを仮定している。
【００５９】
この実施例に関して、波面変換素子３０４がデフォーマブルミラーである場合を例にあげたが、波面変換素子３０４の形態はこれに限らず、パワーや形状を自由に可変することのできる液晶レンズやマイクロミラーデバイス、あるいは、それらを組み合わせたものでも構わない。また、デフォーマブルミラーの構成に関しても、複数の制御素子からなるものに限らず、どのような構成になっていても、ミラー面を変形させ、非球面凸面鏡や非球面凹面鏡とすることができればそれでも構わない。
【００６０】
〔実施例２〕
実施例１と同様の構成において、対物レンズ３１０の開口数が０．７であるものを用いたとき、ｚ＝３δ，５δ，１０δの点を略無収差で観察するときの対物レンズの瞳位置３１１における波面変形量は表−３及び図６のようになっている。
【００６１】
表−３
0004531895.tif 000004
ｚ＝０からの距離に比例して、波面変形量は大きくなっており、式１ａ、式１ｂを満たしている。この場合も使用した対物レンズ３１０は無収差レンズである。
【００６２】
〔実施例３〕
実施例１と同様の構成において、対物レンズ３１０の開口数が０．５のものを用いたとき、ｚ＝１０δの点を略無収差で観察するときの対物レンズの瞳位置３１１における波面変形量は式４で計算される通り表−４となる。ミラーが変形した場合の波面形状と、そのときの集光スポットの波面収差ベスト位置とその位置における波面収差のストレール強度も表−４に記載されている。
【００６３】
表−４
0004531895.tif 000005
ただし、ｆ（ρ，０．５）をｆ（ρ）と略記している。
【００６４】
集光性能は、前記の条件「ストレール強度が０．７より大きいこと」を満たしている。この場合も使用した対物レンズ３１０は無収差レンズである。なお、図４乃至図６におけるグラフの縦軸は波面変形量であって、単位は「波長」である。また、横軸は規格後の半径であって単位はない。
【００６５】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、レーザ集光光学系において、光軸方向の走査が機械的手段を要せず光学的に行うことができ、また、その際に発生する収差を相殺することにより、集光性能の低下をなくすことができ、特にレーザ走査型顕微鏡においては、解像の低下のない良好な光学的スライス像が取得できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】対物レンズの焦点位置の前後に移動した点から出た光束の波面変形を説明するための図である。
【図２】Ａ1 、Ａ2 、Ａ3 の位置に置いた点光源が対物レンズの瞳位置に作る波面形状を説明するための図である。
【図３】本発明に係わるレーザ集光光学系をレーザ走査型顕微鏡に用いた実施例の概略構成図である。
【図４】実施例１のｚ＝δの点を略無収差で観察するときの対物レンズ瞳位置における波面変形量を示すグラフである。
【図５】実施例１のｚ＝−δの点を略無収差で観察するときの対物レンズ瞳位置における波面変形量を示すグラフである。
【図６】実施例２のｚ＝３δ，５δ，１０δの点を略無収差で観察するときの対物レンズの瞳位置における波面変形量を示すグラフである。
【符号の説明】
３０１…レーザから出射した光束
３０２…ビームエキスパンダ
３０３…ハーフミラー
３０４…波面変換素子
３０５…波面変換素子の制御装置
３０６…スキャン光学系
３０７…瞳投影レンズ
３０８…結像レンズ
３０９…ダイクロイックミラー
３１０…対物レンズ
３１１…対物レンズの瞳位置
３１２…標本面
３１３…検出光学系
３１４…検出器
【図１】
0004531895.tif 000006
【図２】
0004531895.tif 000007
【図３】
0004531895.tif 000008
【図４】
0004531895.tif 000009
【図５】
0004531895.tif 000010
【図６】
0004531895.tif 000011