JPH11326860A - 波面変換素子及びそれを用いたレーザ走査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 機械的な機構を用いることなしに光束の集光
位置を光軸方向に走査させることができ、且つその際に
発生する収差を相殺することの出来る波面変換素子及び
それを用いたレーザ走査装置を提供する。 【解決手段】 レーザ光束１の光路中に配置された光束
分岐素子２と、ビームエクスパンダ３と、光の波面形状
を適宜変化させ得る波面変換素子４と、標本面６上に集
光させるための対物レンズ５と、検出器８と、制御装置
９を備えている。波面変換素子４は、微小に分割された
各領域が制御装置９により独立に制御され得るように構
成された液晶素子から成っている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光の波面形状を任
意に変換できる波面変換素子、及び該素子を用いたレー
ザ走査装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば走査型レーザ顕微鏡におい
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行く必要があった。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
が出来ない等の問題があった。更に、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漬けて高速な生体
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。又、対物レンズのイマージョン媒質の屈折
率と標本の屈折率が異なる場合は、集光位置の移動に伴
って発生する収差（球面収差）により、解像度が低下し
てしまうと云う問題点があった。

【０００３】一方、パワー（波面形状）を変化させるこ
との出来る光学素子としては、液晶レンズや液体レンズ
或いはそれらを組み合わせたものが知られており、特に
液晶を用いて焦点距離や焦点位置を変える方法として
は、特開平５−９３８９５号，同５−１００２０１号及
び同５−５３０８９号公報等に開示されているものがあ
る。又、液晶を用いて倍率を変化させる方法としては、
特開平９−３１８９０９号公報等に開示されたものがあ
るが、これらの先行例は何れも、液晶レンズの光学特性
を変化させる手段として、輪帯状に電極を配置し、これ
に印加する電圧を制御する方法が用いられている。な
お、これらの先行例には、液晶レンズを他の複数の光学
系と組み合わせて用いた場合、パワーを変化させたこと
によって全体として発生する収差をどうするかに関して
は、全く言及されていない。

【０００４】又、液体レンズに関しては、特開平８−１
１４７０３号公報等に開示されているが、これも複数の
光学系と組み合わせて用いた場合、パワーを変化させた
ことによって全体として発生する収差をどうするかに関
しては、全く言及されていない。

【０００５】又、アダプティブオプティスクに関して
は、例えば望遠鏡に用いる場合、大気の揺らぎによる光
の波面の乱れを相殺する目的で用いられており、また顕
微鏡に用いる場合も標本を光が通過する際等の光の波面
の乱れを相殺する目的で用いられており、あくまで乱れ
た波面（収差）の相殺と云う観点で用いられているだけ
で、それにパワーを持たせることで光学系の焦点位置を
変化させると云った観点では用いられていない。更に、
収差補正という観点においても、具体的にどのように収
差補正を行うかが示されていない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来の技術
の有するこのような問題点及び実情に鑑みてなされたも
のであり、その目的とするところは、機械的な機構を用
いることなしに光束の集光位置を光軸方向に走査させる
ことができ、且つその際に発生する収差を相殺して走査
に伴う集光性能及び結像性能の低下を低減し得る波面変
換素子及びそれを用いたレーザ走査装置を提供すること
にある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明による波面変換素子は、微小に分割された各
領域が独立に制御され得るように構成された液晶素子か
ら成り、前記各領域の位相を変化させることにより、そ
こを透過し又はそこから反射する光の波面形状を適宜変
化させ得るようになっている。

【０００８】本発明によれば、上記各領域はマトリクス
状又は扇形状をなしている。

【０００９】又、上記目的を達成するため、本発明によ
るレーザ走査装置は、レーザからの出射光を光学系を用
いて標本位置に集光させ、その集光位置を光軸方向に走
査させるようにしたレーザ走査装置において、前記走査
に伴って発生する収差を相殺し得る光学素子を装備した
ことを特徴としている。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を説明す
るに先立ち、図１を用いて、光軸方向の前記走査に伴っ
て発生する収差（球面収差）と、それを相殺するための
非球面特性とに関して説明することにする。

【００１１】一般に、無収差レンズによりデフォーカス
させた場合の光波面の崩れは焦点位置を挾んで上下（前
後）対称であり、又その崩れの度合いはＮＡ（開口数）
の大きな所（瞳で考えれば周辺部）に行く程大きくなる
ので、それを相殺するための非球面パワーは、周辺に行
く程即ち光軸から離れるに従って強くする必要がある。
図１では、分かり易くするため、光の進行方向が実際と
は逆に描かれている。即ち、対物レンズの焦点位置及び
その前後にデフォーカスした位置から光が出るものとし
て描かれている。ここで、対物レンズの焦点位置Ｆから
出た光束は、無収差のコリメート光即ち平面波となって
対物レンズより出射する。これに対して、前側にデフォ
ーカスした点Ａから出た光束は収斂光束となって対物レ
ンズより出射するが、その波面は収差の影響によりＮＡ
の大きい部分（光束の周辺部）での曲がりが大きくなる
ため、これを無収差のコリメート光即ち平面波に戻すに
は、凹パワーを持ち周辺に行く程その凹パワーが強くな
るような非球面レンズと等価な特性を有する光学素子が
必要となる。

【００１２】逆に、後側にデフォーカスした点Ｂから出
た光束は発散光となるが、その波面は収差の影響により
ＮＡの大きい部分での曲がりが大きくなるため、これを
無収差のコリメート光に戻すには、凸パワーを持ち周辺
に行く程その凸パワーが強くなるような非球面レンズと
等価な特性を有する光学素子が必要となる。一般に単レ
ンズでコリメート光を集光させようとすると、厚肉であ
る一般の球面レンズでは周辺に行くに従ってパワーが強
くなるため、その焦点位置で球面収差が発生する。これ
を補正するため、非球面にして周辺に行く程そのパワー
が弱くなるようにすることにより、無収差で集光させ得
ることは周知であるが、デフォーカスによって発生する
収差を相殺する場合はこれとは逆になる。

【００１３】実際の対物レンズ等は必ずしも無収差では
ないが、レーザ顕微鏡に用いられるような高精度の対物
レンズをレーザ光のような準単色光で用いる場合は略無
収差となり、上記の理論が適用できると考えて良い。
又、対物レンズのイマージョン媒質の屈折率が標本の屈
折率よりも小さい（ドライ対物レンズで水中の標本を観
察する）場合は、その界面で光線角が緩くなる方向で球
面収差が発生するため、それを相殺するための非球面パ
ワーは周辺に行く程強くする必要があり、やはり上記の
ような非球面特性を必要とする。更に、収差の発生量が
対物レンズのＮＡと集光位置の光軸方向移動量の増加に
伴って大きくなるので、その収差を相殺するための非球
面量もそれに応じて増加することになる。

【００１４】又、対物レンズのイマージョン媒質の屈折
率が標本の屈折率よりも大きい（油浸対物レンズで水中
の標本を観察する）場合は、その界面で光線角がきつく
なる方向で球面収差が発生するため、それを相殺するた
めの非球面特性は周辺に行く程弱くする、即ち同じ近軸
曲率を持つ球面のパワーよりも小さくする必要がある。
これは、デフォーカスさせた場合の波面の崩れを相殺す
る方向とは逆であり、ＮＡの小さいものでは屈折率不一
致による収差がデフォーカスによる収差よりも小さく、
総合的な収差を相殺する非球面特性はそのパワーが光軸
から離れるに従って大きくなる可能性もあるが、一般に
油浸対物レンズはＮＡを大きくするために用いられてい
て、屈折率不一致による収差の発生量が極めて大きいた
め、総合的な収差は屈折率不一致による収差発生の傾向
を持ち、それを相殺する非球面特性はそのパワーが光軸
から離れるに従って小さくなる。更に、収差の発生量が
対物レンズのＮＡと集光位置の光軸方向移動量の増加に
伴って大きくなるので、その収差を相殺するための非球
面量もそれに伴って増加し、同じ近軸曲率を持つ球面と
の差（乖離量）は大きくなる。

【００１５】次に、図２を用いて本発明の基本構成と作
用を説明する。図中、１は図示しないレーザから出射さ
れた光束、２は光束分岐素子、３はビームエクスパン
ダ、４は光束波面を任意の形状に変えることのできる波
面変換素子、５は対物レンズ、６は対物レンズ５の焦点
位置（通常の場合の標本面）、７は焦点位置６よりも対
物レンズ５から離れた方向に外れたデフォーカス位置、
８は光検出器、９は波面変換素子を駆動する制御装置で
ある。

【００１６】図２において、光束１は光束分岐素子２を
通過後、ビームエクスパンダ３により所望の大きさにコ
リメートされて、波面変換素子４に入射せしめられ、こ
こで制御装置９により適宜波面を変形させられた後、対
物レンズ５により集光される。この場合、制御装置９に
より波面変換素子４が全く波面を変形させないように制
御されたときは、光束１は焦点位置６に集光せしめられ
るが、波面変換素子４が制御装置９により制御されて、
光束１に拡散ビームとなるような波面変形を与えたとき
は、光束１はデフォーカス位置７に集光せしめられる。

【００１７】通常、対物レンズ５はコリメートビームが
入射した際に、その焦点位置６に略無収差で集光するよ
うに設計されているため、拡散ビームや収斂ビームが入
射した際はその集光位置がずれるだけでなく、収差も発
生してしまう。そこで、波面変換素子４は非球面特性を
持ち、発生した収差を相殺するようにビームの波面を変
形させ得るようになっている。この場合、波面変換素子
４が発散ビームから収斂ビームの全域に亘って連続的に
波面を変形させ、同時にその際発生する収差を相殺する
ようになっていると、入射ビームの集光位置の光軸方向
の走査が常に無収差状態で可能となる。レーザ走査顕微
鏡の場合は、集光位置から発する光（反射光、蛍光等）
は光路を逆進し、光束分岐素子２で反射されて検出器８
により検出される。

【００１８】以下、本発明の実施形態を図示した実施例
に基づきより具体的に説明する。実施例１ 図３は、本発明に係るレーザ走査装置の第１実施例の概
略構成図である。図中、図２で用いたのと実質上同一の
部材には同一符号が付されている。本実施例は図２に示
したものと基本的な構成は同じで、図示は省略されてい
るが、同一被検面内での走査はステージを動かすことに
より行われるようになっている。又、検出系は、共焦点
レンズ１０と共焦点ピンホール１１を用いた所謂共焦点
系となっている。更に、本実施例では、波面を任意の形
状に変えることの出来る波面変換素子４が、ホモジニア
スタイプの細分化された液晶素子から成る回折レンズで
構成されていて、液晶制御装置９で制御されるようにな
っている。

【００１９】ホモジニアスタイプの液晶素子は、印加さ
れる電圧の大きさに応じてその位相を零から２πの間で
制御することが出来、これを光学素子として用いた場合
には、位相変調素子として使用することが出来る。又、
位相を零から２πの間で制御することが出来るので、そ
の特性を反転させることにより位相が逆転し、レンズ素
子として考えた場合には凸レンズから凹レンズに反転さ
せることが可能であることを意味する。尚、この液晶素
子はマトリクス状や扇形状に配列された場合でも、各素
子を独立に制御することが出来ることは通常の液晶と同
じである。

【００２０】図４は、回折レンズをホモジニアスタイプ
の細分化された液晶で実現する際の概念図である。一般
に、回折レンズは半径方向の形状（ピッチ）と位相を制
御して製作されるが、その情報（極座標系での形状と位
相データ）を、マトリクス情報（デカルト座標系での形
状と階調）或いは極座標情報（極座標系での形状と階
調）に変換することが出来る。この場合の階調は、通常
の明暗の階調ではなく、零から２πの間の位相階調であ
る。逆に考えれば細分化された液晶の各素子の位相階調
を制御することにより、細分化された液晶で任意の回折
レンズを構成することが出来る。

【００２１】回折レンズは、図５に示すように、位相が
零の位置から２πになる位置までが直線となる形状（所
謂キノフォーム）の時に、理論的には回折効率が１００
％となる。しかし、細分化された液晶で回折レンズを構
成する場合は、キノフォームにすることは不可能であ
り、それを階段的に近似させたものとなる。ピッチが大
きい部分でそのピッチ内に十分な数の液晶素子があれ
ば、略キノフォームと等価な形状が実現できるが、周辺
部等のピッチの小さいところではその中に入る液晶素子
の数が少なくなるため、粗い階段近似となる。本実施例
では、最小ピッチの中にでも少なくとも４個の液晶素子
が入るように回折レンズの形状を限定している。そのた
め、最悪でもキノフォームの４段近似となり、回折効率
８１％程度は実現できる。この値は、一般の光学系でも
実用上殆ど問題にならないが、本実施例の場合は、回折
効率の低下により増加した不要次数光は、検出の際の共
焦点ピンホール１１でカットされるため、全く問題にな
らない。

【００２２】実施例２ 図６は、本発明に係るレーザ走査装置の第２実施例の概
略構成図である。図中、図２で用いたものと実質上同一
の部材には同一符号が付されている。本実施例は、ビー
ムスキャン方式の蛍光観察用の共焦点レーザ顕微鏡に本
発明を適用したものであり、波面変換素子（細分化され
た液晶による回折レンズ）が入射レーザ光束中と検出光
路中に夫々設けられていて、二つの液晶制御装置９で連
動且つ独立に制御されるようになっている点に特徴を有
するが、１２は励起光用の液晶回折レンズ（波面変換素
子）、１３はレーザ光を透過し蛍光を反射するダイクロ
イックミラー、１４はＸ−Ｙ方向に走査するスキャン光
学系、１５は瞳投影レンズ、１６は結像レンズ、１７は
蛍光用の液晶回折レンズ（波面変換素子）、１８は倍率
変動補正機構を備えた信号処理系、１９はディスプレ
イ、２０は画像保存装置である。

【００２３】レーザから出射した光束１は、ビームエク
スパンダ３により所望の大きさにコリメートされ、液晶
回折レンズ１２に入射する。ここで波面形状を変えられ
たビームは、ダイクロイックミラー１３を透過し、スキ
ャン光学系１４でＸ−Ｙ両方向に走査される。走査され
たビームは、瞳投影レンズ１５で結像レンズ１６の焦点
位置に集光され、結像レンズ１６と対物レンズ５によ
り、標本面６上でＸ−Ｙ方向に走査される。集光された
励起ビームにより励起された標本面６からの蛍光は、光
路を逆進し、ダイクロイックミラー１３で反射され、蛍
光用の液晶回折レンズ１７，共焦点レンズ１０及び共焦
点ピンホール１１を介して検出器８により検出される。
検出された信号は、信号処理系１８を介してディスプレ
イ１９に表示され、同時に画像保存装置２０に保存され
る。

【００２４】励起光用の液晶回折レンズ１２の制御によ
り、光軸方向の走査が略無収差で行われるのは、第１実
施例と同様であり、又、検出光学系に設けられた蛍光用
の液晶回折レンズ１７を連動させて制御することによ
り、波長の異なる励起光と蛍光に関して各々最適化した
回折レンズを構成することができる。但し、本実施例で
は、対物レンズ５の瞳と完全に共役な位置に液晶回折レ
ンズ１２が配置されている訳ではないため、ここで液晶
回折レンズにパワーを与えることにより、全系の焦点距
離（倍率）が若干変化する。そのため、このままでは光
学的スライス像を取った時にスライス位置によって像の
大きさが変わってしまい、３次元像を構築した際に標本
の形状を忠実に再現しなくなる。しかし、光学系が分か
っていれば光軸方向の走査に伴う倍率変動が計算できる
ため、検出された信号に電気・ソフト的に補正をかけ、
倍率変動を相殺し、標本の形状に忠実な３次元像を構築
することが可能となる。

【００２５】実施例３ 図７は、本発明に係るレーザ走査装置の第３実施例の概
略構成図である。図中、既述の実施例で用いたものと実
質上同一の部材には同一符号が付されている。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本発
明を適用したものであり、光軸方向の走査に伴う倍率変
動をなくすため、対物レンズ５の瞳位置をリレー光学系
で投影した位置に細分化された液晶による回折レンズを
設けたものであり、それが液晶制御装置９により制御さ
れるようにした点に特徴を有する。図中、２１は液晶回
折レンズ（波面変換素子）、２２は瞳リレー光学系、２
３は検出光学系である。

【００２６】レーザから出射した光束１はビームエクス
パンダ３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スキャン光学系１４でＸ−Ｙ方向
に走査される。走査されたビームは瞳投影レンズ１５に
より結像レンズ１６の焦点位置に集光され、結像レンズ
１６を介して液晶回折レンズ２１に入射する。ここで波
面形状を変えられた光束は瞳リレー光学系２２で投影さ
れ、ダイクロイックミラー１３を透過し、対物レンズ５
により標本面６上で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６からの蛍光は光路
を逆進し、ダイクロイックミラー１３で反射され、検出
光学系２３を介して検出器８により検出される。

【００２７】制御装置９を介しての液晶回折レンズ２１
の作用により、光軸方向の走査が無収差で行われるのは
第１実施例と同様である。本実施例は共焦点系とはなっ
ていないが、多光子励起による蛍光はその過程自体が非
線形現象であり、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、回折効率の低下により増加した不
要次数光では多光子励起が起きず、全く問題にならな
い。但し、多光子励起による蛍光観察では励起光の波長
域と蛍光の波長域は離れているため、それらの共軸光路
中に液晶回折レンズがあると、一方の波長の光に合わせ
て形状を最適化すると他方の光の回折効率が低下し、結
像特性には影響しないが、検出光量を損失する場合があ
るので、本実施例のように励起レーザ光路中にのみ設け
るようにした方が良い。尚、本実施例において、検出光
学系２３と検出器８を取り除き、代わりに例えば通常照
明等による観察系を付加すれば、レーザトラップ装置や
レーザマニピュレーション等による細胞操作を可能にす
るレーザ走査装置となる。

【００２８】実施例４ 本実施例は、第３実施例において液晶回折レンズ２１に
屈折レンズ２４又は屈折面２５を付加して波面変換素子
となしたもので、図８（ａ）及び（ｂ）にそれらの一例
が夫々示されている。一般に回折レンズは逆分散特性を
持っており、通常の屈折レンズが波長の短い光ほど良く
曲がるのとは逆に、波長が長い程よく曲がる。そのた
め、回折面２１ａと基板２１ｂから成る液晶回折レンズ
２１に屈折レンズ２４を付加する（図８（ａ）参照）
か、或いは基板２１ｂ自体の外表面を屈折レンズ面にす
る（図８（ｂ）参照）ことにより、色収差を効果的に補
正することが可能な波面変換素子とすることができる。
即ち、このような構成の波面変換素子を用いれば、波長
の異なるレーザ光を同時に入射させる場合や、波長幅を
持つレーザ光を入射させた場合でも、色収差がなく、レ
ーザ光束の集光位置を光軸方向に走査させることが可能
となる。この場合、波長が異なると回折効率が低下する
が、それに伴い増加した不要次数光が結像特性に悪影響
を及ぼさないのは、第３実施例で説明した通りである。

【００２９】本発明は、以上説明した実施例に限定され
るものではなく、種々の組み合わせが可能であることは
言うまでもない。又、波面変換素子として細分化された
液晶による回折レンズのみを例に挙げて説明したが、こ
れは、細分化された液晶によるフレネルレンズや、それ
らと同等の特性を発揮し得る素子（所謂液晶レンズや液
体レンズ等）で構成することも出来る。

【００３０】以上説明したように、本発明による波面変
換素子及びそれを用いたレーザ走査装置は、特許請求の
範囲に記載した如き特徴を有するが、そのほか下記に記
載したような特徴も有する。

【００３１】（１）前記微小領域の位相を制御し、回折
レンズを形成するようにしたことを特徴とする請求項１
又は２に記載の波面変換素子。これにより、任意の特性
を持った位相型の回折レンズを構成することが出来る。

【００３２】（２）前記微小領域の位相を制御し、キノ
フォーム形状を段階的に近似させてレンズ作用を有する
ようにしたことを特徴とする請求項１又は２又は上記
（１）に記載の波面変換素子。これにより、特定の波長
で高い回折効率を実現することが可能となる。

【００３３】（３）前記微小領域の位相を制御して非球
面波面を形成させるようにしたことを特徴とする請求項
１又は２又は前記（１）に記載の波面変換素子。これに
より、任意の非球面特性を持たせることができる。

【００３４】（４）前記微小領域の位相を制御し、キノ
フォーム形状を段階的に近似させて非球面波面を形成さ
せるようにしたことを特徴とする請求項１又は２又は上
記（１）に記載の波面変換素子。これにより、任意の非
球面特性を持った位相型の回折レンズを構成することが
できる。

【００３５】（５）前記キノフォーム形状の近似に含ま
れる微小領域が１ピッチに少なくとも４領域であること
を特徴とする上記（２）又は（４）に記載の波面変換素
子。これにより、回折レンズの理想的な形状であるキノ
フォームを最低でも４段近似させることができ、最悪で
も回折効率８１％以上の高効率回折レンズが形成でき
る。

【００３６】（６）液晶がホモジニアスタイプであるこ
とを特徴とする請求項１又は２又は上記（１）乃至
（５）の何れかに記載の波面変換素子。これにより、振
幅制御ではなく、位相制御による高効率な波面変換素子
が実現できる。

【００３７】（７）前記光学素子が共軸対称レンズ作用
と等価な特性を持ち、そのパワー変化によって光軸方向
の走査が可能ならしめられたことを特徴とする請求項３
に記載のレーザ走査装置。これにより、機械的な機構を
用いずにレーザ光の集光位置の光軸方向の走査が可能と
なる。

【００３８】（８）前記光軸方向の走査に伴って発生す
る収差を相殺する手段が、前記光学素子の有する非球面
特性によることを特徴とする請求項３又は上記（７）に
記載のレーザ走査装置。これにより、光軸方向の走査を
行った際に発生する収差を十分に相殺することができ
る。

【００３９】（９）前記対物レンズのイマージョン媒質
の屈折率と標本の屈折率が略同じか、又は前記対物レン
ズのイマージョン媒質の屈折率が標本の屈折率よりも小
さい場合、前記光学素子の非球面特性が、そのパワーが
光軸から離れるに従って大きくなり、且つその量が前記
対物レンズの開口数と、前記対物レンズの焦点位置を基
準とした集光位置の光軸方向移動量の増加に伴って増加
して行くようにしたことを特徴とする請求項３又は上記
（７）又は（８）に記載のレーザ走査装置。これによ
り、レーザ顕微鏡の最大の特徴である３次元像を取得す
るための光軸方向の走査を行っても、それに伴う収差の
発生による解像度の低下を低減することができ、良好な
光学的スライス像が得られる。

【００４０】（10）前記対物レンズのイマージョン媒質
の屈折率が標本の屈折率よりも大きい場合、前記光学素
子の非球面特性はそのパワーが光軸から離れるに従っ
て、小さくなるが、同じ近軸曲率を持つ球面との差（乖
離量）は前記対物レンズの開口数と、前記対物レンズの
焦点位置を基準とした集光位置の光軸方向移動量の増加
に伴って増加するようになっていることを特徴とする請
求項３又は上記（７）又は（８）に記載のレーザ走査装
置。これにより、レーザ顕微鏡の最大の特徴である３次
元像を取得するための光軸方向の走査を行っても、それ
に伴う収差の発生による解像度の低下を低減することが
でき、良好な光学的スライス像が得られる。又、レーザ
トラップなどの標本操作に関しても、収差によりトラッ
プ力が低下するのを防止することが可能となる。

【００４１】（11）前記レーザ装置が、レーザからの光
を標本面に集光させ、そこから発する光（反射光、蛍光
等）を検出するレーザ顕微鏡であり、前記光学素子が、
入射レーザ光束と検出光束を分岐させる光学部材（偏光
ビームスプリッタやダイクロイックミラー）と標本との
間の所謂共通光路中の略平行光束中に配置されているこ
とを特徴とする請求項３又は上記（７）乃至（１０）の
何れかに記載のレーザ走査装置。これにより、反射観
察、或いは蛍光観察でも励起光の波長と蛍光の波長が接
近している場合は照明系と検出系で前記光学部材を共用
することが出来る。

【００４２】（12）前記レーザ走査装置が、レーザから
の光を標本面に集光させ、そこから発する光（反射光、
蛍光等）を検出するレーザ顕微鏡であり、前記光学素子
が入射レーザ光束と検出光束を分岐させる光学部材（偏
光ビームスプリッタやダイクロイックミラー）と光源と
の間と、該光学部材と検出器との間の両光路中の略平行
光束中に夫々配置され、独立に制御され得るようになっ
ていることを特徴とする請求項３又は上記（７）乃至
（１０）の何れかに記載のレーザ走査装置。これによ
り、励起光の波長域と蛍光の波長域が離れている蛍光観
察の場合でも、夫々の波長域に合わせて前記光学部材を
最適化することができる。

【００４３】（13）前記レーザ走査装置が、レーザから
の光を標本面に集光させ、そこでの多光子励起により発
する蛍光を検出するレーザ顕微鏡、或いは標本面にレー
ザ光を集光させることにより標本操作（トラップ、マニ
ピュレーション等）を行うレーザ装置であり、前記光学
素子が、入射レーザ光路中の略平行光束中にのみ配置さ
れていることを特徴とする請求項３又は上記（７）乃至
（１０）の何れかに記載のレーザ走査装置。これによ
り、入射レーザ光の集光状態のみを制御すれば良い多光
子レーザ顕微鏡において不要な光学部材を省略し、必要
な光学部材のみを最適化するようにすることができる。
或いは、レーザトラップ装置やレーザ加工機等において
も入射レーザ光の集光状態のみを制御すれば良いため、
不要な光学部材を省略でき、必要な光学部材だけを最適
化するようにすることができる。

【００４４】（14）光軸方向の走査とそれに伴って発生
する収差を相殺することが可能な前記光学素子が、前記
対物レンズの瞳位置と共役な位置に配置されていること
を特徴とする上記（１１）乃至（１３）の何れかに記載
のレーザ走査装置。これにより、軸上光束から軸外光束
まで同様なパワー付加と非球面特性による収差補正を行
うことができ、且つパワー付加による光軸方向の走査を
行っても光学系の倍率変動のないレーザ走査装置を提供
することができる。

【００４５】（15）光軸方向の走査とそれに伴って発生
する収差を相殺することが可能な前記光学素子が、前記
対物レンズの瞳位置或いはそれと共役な位置の近傍に配
置されており、走査にビーム走査方式を用いる場合前記
光学素子のパワー変化による集光光学系の焦点距離の変
化（倍率変化）を画像表示時に電気・ソフト的に補正す
る機構を有していることを特徴とする上記（１１）乃至
（１３）の何れかに記載のレーザ走査装置。これによ
り、軸上光束から軸外光束まで略同様なパワー付加と非
球面特性による収差補正を行うことができ、且つ標本に
忠実な３次元像を構築することが可能となる。つまり、
前記光学素子の位置が正確に瞳位置と一致していない場
合は、パワー付加による光軸方向の走査を行うと、光学
系の焦点距離（倍率）が変わり、そのままでは３次元像
の構築時に問題が出る。しかし、光学系が分かっていれ
ば、光軸方向の走査に伴う倍率変動が計算できるため、
画像表示時に電気、ソフト的に補正することが可能とな
る。

【００４６】（16）光軸方向の走査とそれに伴って発生
する収差を相殺することが可能な前記光学素子が、前記
対物レンズの瞳位置或いはそれと共役な位置又はその近
傍に配置されていない場合は、走査にステージ走査方式
を用いるようにしたことを特徴とする上記（１１）乃至
（１３）の何れかに記載のレーザ走査装置。これによ
り、集光特性、結像特性は軸上のみを考慮すれば良く、
また光軸方向の走査に伴う焦点距離の変動も気にしなく
て良いレーザ走査装置を提供することができる。

【００４７】（17）光軸方向の走査とそれに伴って発生
する収差を相殺することが可能な前記光学素子が、予め
記憶されたデータ（パワーと非球面特性）を順次実現す
るように制御されることにより、光軸方向に集光位置を
走査して行くようにしたことを特徴とする請求項（３）
又は（７）乃至（１６）の何れかに記載のレーザ走査装
置。これにより、光軸方向の走査を必要とする装置のト
ータル的なシステム制御が可能となる。

【００４８】（18）光軸方向の走査とそれに伴って発生
する収差を相殺することが可能な前記光学素子が、その
パワーや形状を自由に変えることが出来る液晶レンズや
液体レンズやマイクロミラーデバイス或いはそれらの組
み合わせから成っていることを特徴とする請求項（３）
又は上記（７）乃至（１７）の何れかに記載のレーザ走
査装置。これにより、機械的な機構を用いずに光軸方向
の走査を行うことができ、又それに伴う集光性能や結像
性能の低下をなくすことが出来る。

【００４９】（19）レーザ光源と、該レーザ光源からの
光束を標本等に集光させる対物レンズと、請求項１又は
２又は上記（１）乃至（６）の何れかに記載の波面変換
素子と、該波面変換素子を制御する制御装置とを有し、
前記波面変換素子の位相分布を制御することにより、前
記集光位置を光軸方向に走査させるようにしたことを特
徴とするレーザ走査装置。これにより、機械的な機構を
用いずにレーザ光の集光位置を光軸方向に走査させるこ
とが可能となる。

【００５０】（20）レーザ光源と、該レーザ光源からの
光束を標本等に集光させる対物レンズと、請求項１又は
２又は上記（１）乃至（６）の何れかに記載の波面変換
素子と、該波面変換素子を制御する制御装置とを有し、
前記波面変換素子の位相分布を制御することにより、前
記集光位置を光軸方向に走査させると共に、該走査によ
り発生する収差を相殺するようにしたことを特徴とする
レーザ走査装置。これにより、機械的な機構を用いずに
レーザの集光位置の光軸方向の走査が可能となり、且つ
光軸方向の走査を行った際に発生する収差を十分に相殺
することが出来る。

【００５１】（21）レーザ光源と、該レーザ光源からの
光束を標本等に集光させる対物レンズと、請求項１又は
２又は上記（１）乃至（６）の何れかに記載の波面変換
素子と、該波面変換素子を制御する制御装置と、前記波
面変換素子の位相分布を制御することにより前記集光位
置の移動に伴い発生する収差を相殺するようにしたこと
を特徴とするレーザ走査装置。これにより、機械的な機
構を用いずにレーザ光の集光位置のｘ，ｙ，ｚ全方向の
走査が可能となり、且つレーザ光の走査を行った際に発
生する収差を十分に相殺することができる。

【００５２】（22）レーザ光源と、該レーザ光源からの
光束を標本等に集光させる対物レンズと、請求項１又は
２又は上記（１）乃至（６）の何れかに記載の波面変換
素子と、該波面変換素子を制御する制御装置を有し、前
記対物レンズのイマージョン媒質の屈折率と前記標本等
の屈折率が略同じか、或いは前記対物レンズのイマージ
ョン媒質の屈折率が前記標本等の屈折率よりも小さい場
合、前記波面変換素子の非球面特性が、そのパワーが光
軸から離れるに従って大きくなり、且つその量が前記対
物レンズの開口数と、前記対物レンズの焦点位置を基準
として前記集光位置の光軸方向移動量の増加に伴って増
加するように前記波面変換素子の位相分布を制御するよ
うにしたことを特徴とするレーザ走査装置。これによ
り、レーザ顕微鏡の最大の特徴である３次元像を取得す
るための光軸方向の走査を行ってもそれに伴う収差の発
生による解像度の低下を低減させることができ、良好な
光学的スライス像を得ることができる。

【００５３】（23）レーザ光源と、該レーザ光源からの
光束を標本等に集光させる対物レンズと、請求項１又は
２又は上記（１）乃至（６）の何れかに記載の波面変換
素子と、該波面変換素子を制御する制御装置を有し、前
記対物レンズのイマージョン媒質の屈折率が前記標本等
の屈折率よりも大きい場合、前記波面変換素子の非球面
特性はそのパワーが光軸から離れるに従って小さくなる
が、同じ近軸曲率を持つ球面との差（乖離量）は前記対
物レンズの開口数と、前記対物レンズの焦点位置を基準
とした前記集光位置の光軸方向移動量の増加に伴って増
加するように前記波面変換素子の位相分布が制御される
ようにしたことを特徴とするレーザ走査装置。これによ
り、レーザ顕微鏡の最大の特徴である３次元像を取得す
るための光軸方向の走査を行っても、それに伴う収差の
発生による解像度の低下を低減させることができ、良好
な光学的スライス像を得ることが出来る。又、レーザト
ラップなどの標本操作に関しても収差によりトラップ力
が低下するのを防ぐことが可能となる。

【００５４】（24）請求項１又は２又は上記（１）乃至
（６）の何れかに記載の波面変換素子が、少なくとも１
面の屈折面から成る所定のパワーを持った光学系の近傍
に配置され、それらの合成パワーの変化により、前記対
物レンズによるレーザ光束の集光位置を光軸方向に移動
させることが可能であり、且つ前記波面変換素子が発生
する光学系の収差を補正するような非球面特性を有して
いることを特徴とするレーザ走査装置。これにより、レ
ーザ走査装置の大きな特徴である光軸方向の走査を行っ
ても、それに伴う収差の発生による集光性能の低下を低
減させることができ、特にレーザ顕微鏡においては、良
好な光学的スライス像を得ることができる。更に、回折
レンズは逆分散特性を持ち、通常の屈折面と組み合わせ
ると色収差が効果的に補正される。そのため、この構成
を採ることにより、波長の異なるレーザ光を同時に入射
させた場合や波長幅を持つレーザ光を入射させた場合で
も色収差が生じず、レーザ光束の集光位置を光軸方向に
移動させることが可能となる。但し、この場合の非球面
特性は、組み合わせる屈折面のパワーやそこで発生する
収差，用いる対物レンズのイマージョン媒質や標本の状
態（屈折率）により様々な特性を持つため、一概にその
特性を決めることは出来ない。

【００５５】

【発明の効果】上述の如く本発明によれば、任意の波面
形状を形成することができ、またデカルト座標系或いは
極座標系での或る種の画像データを液晶上に再現するこ
とにより光学素子としての機能を持たせることのできる
波面変換素子を提供することができる。又、対物レンズ
等の光学系と組み合わせることにより集光位置の移動及
びそれに伴って発生する収差を相殺することのできる波
面変換素子を提供することができる。

【００５６】又、本発明によれば、機械的な機構を用い
ることなしに集光位置の光軸方向の走査を可能にすると
共に、集光性能の低下をなくすことができ、特にレーザ
走査型顕微鏡に適用したときは、解像度の低下しない良
好な標本の光学的スライス像を得ることの出来るレーザ
走査装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】集光位置の光軸方向の走査に伴って発生する球
面収差とそれを相殺するための非球面特性を説明するた
めの図である。

【図２】本発明に係るレーザ走査装置の基本構成と作用
を説明するための図である。

【図３】本発明の第１実施例の概略構成図である。

【図４】回折レンズをホモジニアスタイプの細分化され
た液晶で実現する際の概念図である。

【図５】回折レンズのキノフォームとその４段近似を説
明するための図である。

【図６】本発明の第２実施例の概略構成図である。

【図７】本発明の第３実施例の概略構成図である。

【図８】本発明の第４実施例の要部構成図で、（ａ）は
液晶回折レンズと屈折レンズを組み合わせた図、（ｂ）
は液晶回折レンズの回折面に対向する外表面を屈折面と
して形成した場合の図である。

【符号の説明】

１ レーザ光束 ２ 光束分岐素子 ３ ビームエクスパンダ ４ 波面変換素子 ５ 対物レンズ ６ 標本面（対物レンズの焦点位置） ７ 対物レンズの焦点位置よりも遠く（対物レン
ズから離れる方向）の位置 ８ 検出器 ９ 制御装置 １０ 共焦点レンズ １１ 共焦点ピンホール １２ 励起光用の液晶回折レンズ（波面変換素子） １３ ダイクロイックミラー １４ スキヤン光学系 １５ 瞳投影レンズ １６ 結像レンズ １７ 蛍光用の液晶回折レンズ（波面変換素子） １８ 信号処理系 １９ ディスプレイ ２０ 画像保存装置 ２１ 細分化された液晶による回折レンズ（波面変
換素子） ２１ａ 回折面 ２１ｂ 基板 ２２ 瞳リレー光学系 ２３ 検出光学系 ２４ 屈折レンズ ２５ 屈折面

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 微小に分割された各領域が独立に制御さ
   れ得るように構成された液晶素子から成り、前記各領域
   の位相を変化させることにより、そこを透過し又はそこ
   から反射する光の波面形状を適宜変化させ得るようにし
   た波面変換素子。
2. 【請求項２】 前記各領域はマトリクス状又は扇形状を
   なしている請求項１に記載の波面変換素子。
3. 【請求項３】 レーザからの出射光を光学系を用いて標
   本位置に集光させ、その集光位置を光軸方向に走査させ
   るようにしたレーザ走査装置において、前記走査に伴っ
   て発生する収差を相殺し得る光学素子を具備したことを
   特徴とするレーザ走査装置。