成像光学系统、照明装置和观察装置

摘要

成像光学系统(1)具有：多个成像透镜(2、3)，其形成最终像(I)和至少一个中间像(II)；第1相位调制元件(5)，其配置在比由该成像透镜(2、3)形成的任意中间像(II)靠物体(O)侧的位置，对来自物体(O)的光的波面赋予空间干扰；以及第2相位调制元件(6)，其配置在与该第1相位调制元件(5)之间隔着至少一个中间像(II)的位置，抵消由第1相位调制元件(5)对来自物体(O)的光的波面赋予的空间干扰。

说明书

技术领域

本发明涉及成像光学系统、照明装置和观察装置。

背景技术

公知有通过在中间像位置处调节光路长度而使对焦点位置在沿着光轴的方向上 移动的方法(例如参照专利文献1。)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特许第4011704号公报

发明内容

发明要解决的课题

在专利文献1的方法中，由于在中间像面配置平面镜，所以，平面镜的表面的损 伤或异物与像重合。并且，在应用于显微镜光学系统的情况下，由于是放大光学系统， 所以，纵倍率与横倍率的平方相等，即使对焦点位置在沿着光轴的方向上稍微移动， 中间像也会在其光轴方向上大幅移动。其结果，当移动的中间像与位于其前后的透镜 重合时，与上述同样，透镜表面的损伤、异物或透镜内的缺陷等与像重合。

本发明是鉴于上述情况而完成的，提供如下的成像光学系统、照明装置和观察装 置：即使在与光学元件一致的位置形成中间像，也能够防止光学元件的损伤、异物和 缺陷等与中间像重合，能够取得鲜明的最终像。

用于解决课题的手段

本发明的一个方式是一种成像光学系统，该成像光学系统具有：多个成像透镜， 其形成最终像和至少一个中间像；第1相位调制元件，其配置在比由该成像透镜形成 的任意所述中间像靠物体侧的位置，对来自所述物体的光的波面赋予空间干扰；以及 第2相位调制元件，其配置在与该第1相位调制元件之间隔着至少一个中间像的位置， 抵消由所述第1相位调制元件对来自所述物体的光的波面赋予的空间干扰。

在本说明书中，作为像的存在方式，使用“鲜明的像”和“不鲜明的像”(或“模 糊的像”)这2个概念。

首先，“鲜明的像”是在未对从物体发出的光的波面赋予空间干扰的状态下或抵 消并消除了临时赋予的干扰的状态下经由成像透镜生成的像，意味着具有由光的波长 和成像透镜的数值孔径决定的空间频带、或以此为基准的空间频带、或与目的对应的 期望空间频带。

接着，“不鲜明的像”(或“模糊的像”)是在对从物体发出的光的波面赋予了 空间干扰的状态下经由成像透镜生成的像，意味着具有配置在该像附近的光学元件的 表面或内部存在的损伤、异物、缺陷等实质上未作为最终像形成的特性。

这样形成的“不鲜明的像”(或“模糊的像”)与只是未对焦的像不同，也包含 本来应该成像的位置(即，假设未赋予波面的空间干扰的情况下成像的位置)处的像， 在光轴方向的宽范围内不具有像对比度的明确峰值，其空间频带常常比“鲜明的像” 的空间频带窄。

下面，本说明书中的“鲜明的像”和“不鲜明的像”(或“模糊的像”)基于上 述概念。

根据本方式，从成像透镜的物体侧入射的光通过成像透镜会聚，由此形成最终像。 该情况下，穿过配置在比一个中间像靠物体侧的位置的第1相位调制元件，由此，对 光的波面赋予空间干扰，所形成的中间像模糊。并且，形成了中间像的光穿过第2 相位调制元件，由此，抵消由第1相位调制元件赋予的波面的空间干扰。由此，在第 2相位调制元件以后进行的最终像的成像中，能够得到鲜明的像。

即，通过使中间像模糊，即使在中间像位置配置某些光学元件、在该光学元件的 表面或内部存在损伤、异物或缺陷等，也能够防止产生它们与中间像重合而最终形成 为最终像的一部分这样的不良情况。

在上述方式中，也可以是，所述第1相位调制元件和所述第2相位调制元件配置 在所述成像透镜的光瞳位置附近。

由此，配置在光束不变动的光瞳位置附近，能够使第1相位调制元件和第2相位 调制元件小型化。

并且，在上述方式中，也可以是，所述成像光学系统具有光路长度可变单元，该 光路长度可变单元能够对配置在隔着任意所述中间像的位置的2个所述成像透镜间 的光路长度进行变更。

由此，通过光路长度可变单元的工作对2个成像透镜间的光路长度进行变更，由 此，能够容易地在光轴方向上变更最终像的成像位置。

并且，在上述方式中，也可以是，所述光路长度可变单元具有与光轴正交配置且 以折返方式对形成所述中间像的光进行反射的平面镜、使该平面镜在光轴方向上移动 的致动器、以及使由所述平面镜反射的光向2个方向分支的分束器。

由此，在由物体侧的成像透镜会聚的来自物体侧的光通过平面镜反射而折返后， 通过分束器进行分支，入射到像侧的成像透镜。该情况下，通过使致动器进行工作而 使平面镜在光轴方向上移动，能够容易地变更2个成像透镜间的光路长度，能够容易 地在光轴方向上变更最终像的成像位置。

并且，在上述方式中，也可以是，在任意所述成像透镜的光瞳位置附近具有可变 空间相位调制元件，该可变空间相位调制元件通过变更对光的波面赋予的空间上的相 位调制，使所述最终像的位置在光轴方向上变化。

由此，能够对光的波面赋予通过可变空间相位调制元件而使最终像位置在光轴方 向上变化这样的空间相位调制，通过调节要赋予的相位调制，能够容易地在光轴方向 上变更最终像的成像位置。

并且，在上述方式中，也可以是，所述第1相位调制元件或所述第2相位调制元 件中的至少一方的功能由所述可变空间相位调制元件承担。

由此，能够使可变空间相位调制元件承担使最终像位置在光轴方向上变化的空间 相位调制、以及使中间像模糊的相位调制或抵消中间像的模糊的相位调制这双方。由 此，能够减少结构部件，能够构成简易的成像光学系统。

并且，在上述方式中，也可以是，所述第1相位调制元件和所述第2相位调制元 件对光束的波面赋予在与光轴正交的一维方向上变化的相位调制。

由此，通过第1相位调制元件对光的波面赋予在与光轴正交的一维方向上变化的 相位调制，能够使中间像模糊，即使在中间像位置配置某些光学元件、在该光学元件 的表面或内部存在损伤、异物或缺陷等，也能够防止产生它们与中间像重合而最终形 成为最终像的一部分这样的不良情况。并且，通过第2相位调制元件对光的波面赋予 抵消在一维方向上变化的相位调制的相位调制，能够形成不模糊的鲜明的最终像。

并且，在上述方式中，也可以是，所述第1相位调制元件和所述第2相位调制元 件对光束的波面赋予在与光轴正交的二维方向上变化的相位调制。

通过第1相位调制元件对光的波面赋予在与光轴正交的二维方向上变化的相位 调制，能够更加可靠地使中间像模糊。并且，通过第2相位调制元件对光的波面赋予 抵消在二维方向上变化的相位调制的相位调制，能够形成更加鲜明的最终像。

并且，在上述方式中，也可以是，所述第1相位调制元件和所述第2相位调制元 件是使光透射时对波面赋予相位调制的透射型元件。

并且，在上述方式中，也可以是，所述第1相位调制元件和所述第2相位调制元 件是使光反射时对波面赋予相位调制的反射型元件。

并且，在上述方式中，也可以是，所述第1相位调制元件和所述第2相位调制元 件具有互补的形状。

由此，能够简易地构成对波面赋予使中间像模糊的空间干扰的第1相位调制元件 以及赋予用于抵消对波面赋予的空间干扰的相位调制的第2相位调制元件。

并且，在上述方式中，也可以是，所述第1相位调制元件和所述第2相位调制元 件根据透明材料的折射率分布对波面赋予相位调制。

由此，能够使第1相位调制元件在光透射时产生基于折射率分布的波面干扰，能 够使第2相位调制元件在光透射时根据折射率分布对光的波面赋予抵消波面干扰的 相位调制。

并且，本发明的另一个方式是一种照明装置，该照明装置具有：上述任意一个成 像光学系统；以及光源，其配置在该成像光学系统的物体侧，产生入射到该成像光学 系统的照明光。

根据本方式，从配置在物体侧的光源发出的照明光入射到成像光学系统，由此， 能够对配置在最终像侧的照明对象物照射照明光。该情况下，通过第1相位调制元件 使由成像光学系统形成的中间像模糊，所以，即使在中间像位置配置某些光学元件、 在该光学元件的表面或内部存在损伤、异物或缺陷等，也能够防止产生它们与中间像 重合而最终形成为最终像的一部分这样的不良情况。

并且，本发明的另一个方式是一种观察装置，该观察装置具有：上述任意一个成 像光学系统；以及光检测器，其配置在该成像光学系统的最终像侧，检测从观察对象 物发出的光。

根据本方式，能够利用光检测器检测通过防止光学元件的表面或内部的损伤、异 物或缺陷等的像与中间像重合而由成像光学系统形成的鲜明的最终像。

在上述方式中，也可以是，所述光检测器是配置在所述成像光学系统的最终像位 置并对该最终像进行拍摄的摄像元件。

由此，能够通过配置在成像光学系统的最终像位置的摄像元件拍摄鲜明的最终像 并进行高精度的观察。

并且，本发明的另一个方式是一种观察装置，该观察装置具有：上述任意一个成 像光学系统；光源，其配置在该成像光学系统的物体侧，产生入射到该成像光学系统 的照明光；以及光检测器，其配置在所述成像光学系统的最终像侧，检测从观察对象 物发出的光。

根据本方式，来自光源的光由成像光学系统会聚并对观察对象物进行照射，通过 配置在最终像侧的光检测器检测观察对象物中产生的光。由此，能够利用光检测器检 测通过防止中间的光学元件的表面或内部的损伤、异物或缺陷等的像与中间像重合而 形成的鲜明的最终像。

在上述方式中，也可以是，所述观察装置具有配置在所述光源和所述光检测器与 所述成像光学系统之间的尼普科夫盘型共焦光学系统。

由此，能够使多点的点光扫描观察对象物，能够高速取得观察对象物的鲜明图像。

在上述方式中，也可以是，所述光源是激光光源，所述光检测器具有共焦点针孔 和光电转换元件。

由此，能够进行基于没有映入中间像位置处的损伤、异物、缺陷等的像的、鲜明 的共焦点图像的观察对象物的观察。

并且，本发明的另一个方式提供一种观察装置，该观察装置具有：上述照明装置； 以及光检测器，其检测从由该照明装置照明的观察对象物发出的光，所述光源是脉冲 激光光源。

由此，能够进行基于没有映入中间像位置处的损伤、异物、缺陷等的像的、鲜明 的多光子激励图像的观察对象物的观察。

发明效果

根据本发明，发挥如下效果：即使在与光学元件一致的位置形成中间像，也能够 防止光学元件的损伤、异物和缺陷等与中间像重合，能够取得鲜明的最终像。

附图说明

图1是示出本发明的一个实施方式的成像光学系统的示意图。

图2是说明图1的成像光学系统的作用的示意图。

图3是示出从图2的物体侧的光瞳位置到波面恢复元件的放大图。

图4是示出现有的成像光学系统的示意图。

图5是示出本发明的第1实施方式的观察装置的示意图。

图6是示出本发明的第2实施方式的观察装置的示意图。

图7是示出本发明的第3实施方式的观察装置的示意图。

图8是示出图7的观察装置的变形例的示意图。

图9是示出图8的观察装置的第1变形例的示意图。

图10是示出图8的观察装置的第2变形例的示意图。

图11是示出图8的观察装置的第3变形例的示意图。

图12是示出本发明的成像光学系统和观察装置中使用的作为相位调制元件的 一例的圆柱透镜的立体图。

图13是说明使用图12的圆柱透镜的情况下的作用的示意图。

图14是说明基于图13的说明中使用的高斯光学的相位调制量与光学功率的关 系的图。

图15是示出本发明的成像光学系统和观察装置中使用的作为相位调制元件的 另一例的二元衍射光栅的立体图。

图16是示出本发明的成像光学系统和观察装置中使用的作为相位调制元件的 另一例的一维正弦波衍射光栅的立体图。

图17是示出本发明的成像光学系统和观察装置中使用的作为相位调制元件的 另一例的自由曲面透镜的立体图。

图18是示出本发明的成像光学系统和观察装置中使用的作为相位调制元件的 另一例的圆锥透镜的纵剖视图。

图19是示出本发明的成像光学系统和观察装置中使用的作为相位调制元件的 另一例的同心圆型二元衍射光栅的立体图。

图20是说明使用衍射光栅作为相位调制元件的情况下的沿着光轴的光线的作 用的示意图。

图21是说明使用衍射光栅作为相位调制元件的情况下的轴上光线的作用的示 意图。

图22是说明作为波面错乱元件发挥功能的衍射光栅的作用的中央部的详细图。

图23是说明作为波面恢复元件发挥功能的衍射光栅的作用的中央部的详细图。

图24是示出本发明的成像光学系统和观察装置中使用的作为相位调制元件的 另一例的球面像差元件的纵剖视图。

图25是示出本发明的成像光学系统和观察装置中使用的作为相位调制元件的 另一例的不规则形状元件的纵剖视图。

图26是示出本发明的成像光学系统和观察装置中使用的作为相位调制元件的 另一例的反射型相位调制元件的示意图。

图27是示出本发明的成像光学系统和观察装置中使用的作为相位调制元件的 另一例的折射率分布型元件的示意图。

图28是示出将本发明的成像光学系统应用于内窥镜的情况下的透镜排列的一 例的图。

图29是示出将本发明的成像光学系统应用于具有带内对焦功能的内窥镜型细 径物镜的显微镜的情况下的透镜排列的一例的图。

图30是示出图9的观察装置的另一个变形例的示意图。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的一个实施方式的成像光学系统1进行说明。

如图1所示，本实施方式的成像光学系统1具有隔开间隔配置的两个一组的成像 透镜2、3、配置在这些成像透镜2、3的中间成像面上的场透镜4、配置在物体O侧 的成像透镜2的光瞳位置PP_O附近的波面错乱元件(第1相位调制元件)5、配置在 像I侧的成像透镜3的光瞳位置PP_I附近的波面恢复元件(第2相位调制元件)6。图 中，标号7是开口光圈。

波面错乱元件5在使从物体O发出并由物体O侧的成像透镜2会聚的光透射时 对波面赋予干扰。通过波面错乱元件5对波面赋予干扰，由此，场透镜4中成像的中 间像不鲜明。

另一方面，波面恢复元件6在使由场透镜4会聚的光透射时，对光赋予用于抵消 由波面错乱元件5赋予的波面的干扰的相位调制。波面恢复元件6具有与波面错乱元 件5相反的相位特性，通过抵消波面的干扰，形成鲜明的最终像I。

对本实施方式的成像光学系统1的更加一般的概念进行详细说明。

在图2所示的例子中，成像光学系统1中的物体O侧和像I侧为远心配置。并且， 波面错乱元件5配置在从场透镜4向物体O侧分开距离a_F的位置，波面恢复元件6 配置在从场透镜4向像I侧分开距离b_F的位置。

在图2中，标号f_o是成像透镜2的焦距，标号f_I是成像透镜3的焦距，标号F_O、 F_O′是成像透镜2的焦点位置，标号F_I、F_I′是成像透镜3的焦点位置，标号II₀、II_A、 II_B是中间像。

这里，波面错乱元件5不是必须配置在成像透镜2的光瞳位置PP_O附近，波面恢 复元件6也不是必须配置在成像透镜3的光瞳位置PP_I附近。

但是，关于场透镜4的成像，如式(1)所示，波面错乱元件5和波面恢复元件 6需要配置成相互共轭的位置关系。

1/f_F＝1/a_F+1/b_F(1)

这里，f_F是场透镜4的焦距。

图3是详细示出从图2的物体O侧的光瞳位置PP_O到波面恢复元件6的图。

这里，ΔL是由于光透射过光学元件而赋予的、以透射过特定位置(即光线高度) 的光线为基准的相位的提前量。

并且，ΔL_o(x_o)是给出以光穿过波面错乱元件5的光轴上(x＝0)的情况为基准 的、穿过波面错乱元件5的任意的光线高度x_O的情况下的相位的提前量的函数。

进而，ΔL_I(x_I)是给出以光穿过波面恢复元件6的光轴上(x＝0)的情况为基准 的、穿过波面恢复元件6的任意的光线高度x_i的情况下的相位的提前量的函数。

ΔL_O(x_O)和ΔL_I(x_I)满足下式(2)。

ΔL_O(x_O)+ΔL_I(x_I)＝ΔL_O(x_O)+ΔL_I(β_F·x_O)＝0

(2)

这里，β_F是波面错乱元件5与波面恢复元件6的基于场透镜4的共轭关系中的横 倍率，由下式(3)表示。

β_F＝-b_F/a_F(3)

当1条光线R入射到这种成像光学系统1并穿过波面错乱元件5上的位置x_O时， 在此处接受ΔL_O(x_O)的相位调制，产生基于折射、衍射、散射等的错乱光线Rc。 错乱光线Rc与光线R的未接受相位调制的成分一起，通过场透镜4投影到波面恢复 元件6上的位置x_I＝β_F·x_O。所投影的光线穿过此处，由此，接受ΔL_I(β_F·x_O)＝-ΔL_O(x_O)的相位调制，抵消由波面错乱元件5接受的相位调制。由此，返回没有波面干 扰的1条光线R′。

在波面错乱元件5和波面恢复元件6处于共轭的位置关系、且具有式(2)的特 性的情况下，经由波面错乱元件5上的1个位置接受了相位调制的光线必定穿过与该 位置一一对应、且赋予用于抵消从波面错乱元件5接受的相位调制的相位调制的波面 恢复元件6的特定位置。在图2和图3所示的光学系统中，相对于光线R，与波面错 乱元件5中的该光线的入射位置x_O或入射角无关，如上所述发挥作用。即，关于所 有的光线R，能够使中间像II不鲜明，并且能够鲜明地形成最终像I。

图4示出现有的成像光学系统。根据该成像光学系统，由物体O侧的成像透镜2 会聚的光在配置于中间成像面的场透镜4中形成鲜明的中间像II后，通过像I侧的成 像透镜3会聚并形成鲜明的最终像I。

在现有的成像光学系统中，在场透镜4的表面存在损伤或尘埃等、或者在场透镜 4的内部存在空洞等缺陷的情况下，这些异物的像与场透镜4中鲜明地形成的中间像 重合，产生在最终像I中也形成异物的像这样的问题。

与此相对，根据本实施方式的成像光学系统1，在配置于与场透镜4一致的位置 的中间成像面上形成有由于波面错乱元件5而变得不鲜明的中间像II，所以，与中间 像II重合的异物的像通过波面恢复元件6接受相位调制，在使不鲜明的中间像II变 得鲜明时，通过相同的相位调制而变得不鲜明。因此，能够防止中间成像面的异物的 像与鲜明的最终像I重合。

另外，在上述说明中，设2个成像透镜2、3分别成为远心配置来进行说明，但 是不限于此，在非远心系统中也同样发挥作用。

并且，设相位提前量的函数为一维函数，但是，取而代之，二维函数也能够同样 发挥作用。

并且，成像透镜2、波面错乱元件5、场透镜4之间的空间、以及场透镜4、波 面恢复元件6、成像透镜3之间的空间不是必须的，这些元件之间也可以以光学方式 接合。

并且，构成成像光学系统1的各透镜、即成像透镜2、3和场透镜4分别明确地 分担成像和光瞳中继的功能，但是，在实际的成像光学系统中，还采用1个透镜同时 具有成像和光瞳中继这两个功能的结构。这种情况下，在满足上述条件的情况下，波 面错乱元件5能够对波面赋予干扰而使中间像II变得不鲜明，波面恢复元件6能够 抵消波面的干扰而使最终像I变得鲜明。

接着，下面参照附图对本发明的第1实施方式的观察装置10进行说明。

如图5所示，本实施方式的观察装置10具有产生非相干照明光的光源11、对观 察对象物A照射来自光源11的照明光的照明光学系统12、使来自观察对象物A的 光会聚的成像光学系统13、拍摄由该成像光学系统13会聚的光并取得图像的摄像元 件(光检测器)14。

照明光学系统12具有使来自光源11的照明光会聚的会聚透镜15a、15b、以及 对观察对象物A照射由该会聚透镜15a、15b会聚的照明光的物镜16。

并且，该照明光学系统12是所谓的科勒照明，会聚透镜15a、15b配置成使光源 11的发光面和物镜16的光瞳面相互共轭。

成像光学系统13具有使从配置于物体侧的观察对象物A发出的观察光(例如反 射光)会聚的上述物镜(成像透镜)16、对由该物镜16会聚的观察光的波面赋予干 扰的波面错乱元件17、使对波面赋予干扰的光从来自光源11的照明光路分支的第1 分束器18、在光轴方向上隔开间隔配置的第1中间成像透镜对19、使穿过该第1中 间成像透镜对19的各透镜19a、19b的光偏向90°的第2分束器20、使由该第2分 束器20进行了偏向的光会聚而形成中间像的第2中间成像透镜21、配置于该第2中 间成像透镜21的中间成像面上的光路长度可变单元22、配置于第2分束器20与第2 中间成像透镜21之间的波面恢复元件23、使透射过该波面恢复元件23和第2分束 器20的光会聚而形成最终像的成像透镜24。

摄像元件14例如是CCD或CMOS这样的二维图像传感器，具有配置于成像透 镜24的最终像的成像位置的摄像面14a，通过拍摄所入射的光，能够取得观察对象 物A的二维图像。

波面错乱元件17配置在物镜16的光瞳位置附近。波面错乱元件17由能够透射 光的光学上透明的材料构成，在光透射时，对光的波面赋予基于表面的凹凸形状的相 位调制。在本实施方式中，通过使来自观察对象物A的观察光透射一次，赋予必要 的波面的干扰。

并且，波面恢复元件23配置在第2中间成像透镜21的光瞳位置附近。波面恢复 元件23也由能够透射光的光学上透明的材料构成，在光透射时，对光的波面赋予基 于表面的凹凸形状的相位调制。在本实施方式中，波面恢复元件23通过使由分束器 20进行了偏向的观察光和由光路长度可变单元22以折返方式反射的观察光往复透射 两次，对光的波面赋予用于抵消由波面错乱元件17赋予的波面干扰的相位调制。

光路长度可变单元22具有与光轴正交配置的平面镜22a、以及使该平面镜22a 在光轴方向上变位的致动器22b。当通过光路长度可变单元22的致动器22b的工作 而使平面镜22a在光轴方向上变位时，第2中间成像透镜21与平面镜22a之间的光 路长度变化，由此，观察对象物A中的与摄像面14a共轭的位置、即物镜16的前方 的对焦点位置在光轴方向上变化。

要想使用这样构成的本实施方式的观察装置10进行观察对象物A的观察，需要 通过照明光学系统12对观察对象物A照射来自光源11的照明光。从观察对象物A 发出的观察光由物镜16会聚，透射过波面错乱元件17一次，穿过第1分束器18和 中间成像光学系统19，在第2分束器20中偏向90°，透射过波面恢复元件23，通 过光路长度可变单元22的平面镜22a以折返的方式反射，再次透射过波面恢复元件 23，透射过分束器20并由成像透镜24成像，通过摄像元件14对这样形成的最终像 进行拍摄。

通过使光路长度可变单元22的致动器22b进行工作而使平面镜22a在光轴方向 上移动，能够使第2中间成像透镜21与平面镜22a之间的光路长度变化，由此，能 够使物镜16的前方的对焦点位置在光轴方向上移动。然后，通过在不同的对焦点位 置处拍摄观察光，能够取得在观察对象物A的进深方向上不同的位置处对焦的多个 图像。进而，通过相加平均对它们进行合成后，通过实施高频强调处理，能够取得被 摄场深度较深的图像。

该情况下，在光路长度可变单元22的平面镜22a附近形成基于第2中间成像透 镜21的中间像，但是，透射过波面错乱元件17而赋予的波面的干扰通过透射过波面 恢复元件23一次而被抵消一部分，残留的波面的干扰使该中间像变得不鲜明。然后， 形成了不鲜明的中间像后的光由第2中间成像透镜21会聚后，再次穿过波面恢复元 件23，由此，完全抵消波面的干扰。

其结果，根据本实施方式的观察装置10，具有如下优点：即使在平面镜22a的 表面存在损伤或尘埃等异物，也能够防止异物的像与最终像重合而被拍摄，并且，能 够得到观察对象物A的鲜明图像。

并且，同样，当使观察对象物A中的对焦点位置在光轴方向上移动时，由第1 中间成像透镜对19形成的中间像也在光轴方向上大幅变动，但是，其变动的结果， 在即使中间像与第1中间成像透镜对19的位置重合、或者即使在其变动范围内存在 有某些其他光学元件的情况下，由于中间像不鲜明，所以，能够防止异物的像与最终 像重合而被拍摄。

接着，下面参照附图对本发明的第2实施方式的观察装置30进行说明。

在本实施方式的说明中，对与上述第1实施方式的观察装置10结构相同的部位 标注相同标号并省略说明。

如图6所示，本实施方式的观察装置30具有激光光源31、使来自该激光光源31 的激光会聚在观察对象物A并使来自观察对象物A的光会聚的成像光学系统32、对 由该成像光学系统32会聚的光进行拍摄的摄像元件(光检测器)33、配置在光源31 和摄像元件33与成像光学系统32之间的尼普科夫盘型共焦光学系统34。

尼普科夫盘型共焦光学系统34具有隔开平行间隔配置的2张盘34a、34b、以及 使该盘34a、34b同时旋转的致动器34c。在激光光源31侧的盘34a上排列有多个微 透镜(省略图示)，在物体侧的盘34b上，在与各微透镜对应的位置设有多个针孔(省 略图示)。并且，在2张盘34a、34b之间的空间内固定有使穿过针孔的光分支的分 光镜34d，由分光镜34d分支的光由会聚透镜35会聚，在摄像元件33的摄像面33a 上形成最终像，取得图像。

成像光学系统32使第1实施方式中的第1分束器18和第2分束器20共通化而 成为单一的分束器36，使用于对观察对象物A照射穿过了尼普科夫盘型共焦光学系 统34的针孔的光的光路、以及在观察对象物A中产生并入射到尼普科夫盘型共焦光 学系统34的针孔的光路完全共通化。

下面，对这样构成的本实施方式的观察装置30的作用进行说明。

根据本实施方式的观察装置30，从尼普科夫盘型共焦光学系统34的针孔入射到 成像光学系统32的光透射过分束器36和相位调制元件23后，由第2中间成像透镜 21会聚，通过光路长度可变单元22的平面镜22a以折返的方式反射。然后，在穿过 第2中间成像透镜21后，再次透射过相位调制元件23，通过分束器36偏向90°， 透射过第1中间成像透镜对19和相位调制元件17，通过物镜16会聚在观察对象物A。

在本实施方式中，激光最初透射2次的相位调制元件23作为对激光的波面赋予 干扰的波面错乱元件发挥功能，然后透射一次的相位调制元件17作为赋予用于抵消 由相位调制元件23赋予的波面的干扰的相位调制的波面恢复元件发挥功能。

因此，由尼普科夫盘型共焦光学系统34形成为多个点光源状的光源的像通过第 2中间成像透镜21在平面镜22a上形成为中间像，但是，由第2中间成像透镜21形 成的中间像由于穿过一次相位调制元件23而变得不鲜明，所以，能够防止中间成像 面上存在的异物的像与最终像重合的不良情况。

并且，透射过相位调制元件23两次而对波面赋予的干扰由于透射过相位调制元 件17一次而被抵消，所以，能够使观察对象物A形成鲜明的多个点光源的像。而且， 通过尼普科夫盘型共焦光学系统34的致动器34c的工作而使盘34a、34b旋转，由此， 使观察对象物A中形成的多个点光源的像在与光轴交叉的方向上移动，能够进行高 速扫描。

另一方面，观察对象物A中的点光源的像的成像位置处产生的光、例如荧光由 物镜16会聚，透射过相位调制元件17和第1中间成像透镜对19后，由分束器36 偏向90°，透射过相位调制元件23，由第2中间成像透镜21会聚，由平面镜22a以 折返的方式反射。然后，再次由第2中间成像透镜21会聚，透射过相位调制元件23 和分束器36，由成像透镜24会聚，在尼普科夫盘型共焦光学系统34的针孔位置成 像。

穿过针孔的光通过分光镜而从来自激光光源的光路分支，由会聚透镜会聚，在摄 像元件的摄像面上形成为最终像。

该情况下，与第1实施方式同样，观察对象物中呈多个点状产生的荧光透射的相 位调制元件17作为波面错乱元件发挥功能，相位调制元件23作为波面恢复元件发挥 功能。

因此，透射过相位调制元件17而对波面赋予干扰的荧光通过透射过相位调制元 件23一次而成为抵消了一部分干扰的状态，但是，平面镜22a上形成的中间像不鲜 明。然后，通过再一次透射过相位调制元件23而成为完全抵消了波面干扰的状态的 荧光在尼普科夫盘型共焦光学系统34的针孔成像，在穿过针孔后由分光镜34d分支， 由会聚透镜35会聚，在摄像元件33的摄像面33a上形成鲜明的最终像。

由此，根据本实施方式的观察装置，作为对观察对象物A照射激光的照明装置， 作为对观察对象物A中产生的荧光进行拍摄的观察装置，均具有如下优点：使中间 像不鲜明，防止中间成像面中的异物的像与最终像重合，并且能够得到鲜明的最终像。

接着，下面参照附图对本发明的第3实施方式的观察装置40进行说明。

在本实施方式的说明中，对与上述第2实施方式的观察装置30结构相同的部位 标注相同标号并省略说明。

如图7所示，本实施方式的观察装置40是激光扫描型共焦点观察装置。

该观察装置40具有激光光源41、使来自该激光光源41的激光会聚在观察对象 物A并使来自观察对象物A的光会聚的成像光学系统42、使由该成像光学系统42 会聚的荧光穿过的共焦点针孔43、对穿过该共焦点针孔43的荧光进行检测的光检测 器44。

作为与第2实施方式的观察装置30不同的结构，成像光学系统42具有放大激光 的光束径的光束扩展器45、使激光偏向并使荧光透射的分光镜46、配置在与物镜16 的光瞳共轭的位置附近的电流计反射镜47、第3中间成像透镜对48。并且，将对激 光的波面赋予干扰的相位调制元件23配置在电流计反射镜47的附近。图中，标号 49是反射镜。

下面，对这样构成的本实施方式的观察装置40的作用进行说明。

根据本实施方式的观察装置40，从激光光源41发出的激光通过光束扩展器45 放大光束径，通过分光镜46偏向，通过电流计反射镜47进行二维扫描后，穿过相位 调制元件23和第3中间成像透镜对48并入射到分束器36。入射到分束器36后，与 第2实施方式的观察装置30相同。

即，激光在通过相位调制元件23对波面赋予干扰后，在光路长度可变单元22 的平面镜22a中形成中间像，所以，中间像不鲜明，能够防止中间成像面中存在的异 物的像重合。并且，通过配置在物镜16的光瞳位置的相位调制元件17抵消波面的干 扰，所以，能够在观察对象物A形成鲜明的最终像。并且，最终像的成像深度能够 通过光路长度可变单元22任意调节。

另一方面，观察对象物A中的激光的最终像的成像位置处产生的荧光由物镜16 会聚，透射过相位调制元件17后，沿着与激光相反的光路，由分束器36偏向，穿过 第3中间成像透镜对48、相位调制元件23、电流计反射镜47和分光镜46后，由成 像透镜24会聚在共焦点针孔43，仅穿过共焦点针孔43的荧光被光检测器44检测。

该情况下，由物镜16会聚的荧光在由相位调制元件17对波面赋予干扰后形成中 间像，所以，中间像不鲜明，能够防止中间成像面中存在的异物的像重合。而且，通 过透射过相位调制元件23来抵消波面的干扰，所以，能够在共焦点针孔43形成鲜明 的像，能够高效地检测观察对象物A中在激光的最终像的成像位置处产生的荧光。 其结果，具有能够取得高分辨率的明亮的共焦点图像的优点。

另外，在本实施方式中，例示了激光器扫描型共焦点观察装置，但是，也可以取 而代之，如图8所示，应用于激光器扫描型多光子激励观察装置。

该情况下，作为激光光源41，采用极短脉冲激光光源，删除分光镜46，代替反 射镜49而采用分光镜46即可。

在图8的观察装置50中，在对观察对象物A照射极短脉冲激光的照明装置的功 能中，能够使中间像不鲜明，使最终像鲜明。观察对象物A中产生的荧光由物镜16 会聚，透射过相位调制元件17和分光镜46后，不形成中间像，而由会聚透镜51会 聚，直接由光检测器44进行检测。

并且，在上述各实施方式中，利用通过使光路折返的平面镜的移动而使光路长度 变化的光路长度可变单元22，使物镜的前方的对焦点位置在光轴方向上变化。也可 以取而代之，作为光路长度可变单元，如图9所示，采用如下单元构成观察装置60： 通过致动器62使构成中间成像光学系统61的透镜61a、61b中的一个透镜61a在光 轴方向上移动，由此使光路长度变化。图中，标号63是其他中间成像光学系统。

并且，如图30所示，也可以构成为，在构成二维光扫描器的2张电流计反射镜 47之间配置其他中间成像光学系统80，2个电流计反射镜47相对于配置在相位调制 元件17、23和物镜16的光瞳的开口光圈81，高精度地配置成在光学上共轭的位置 关系。

并且，作为光路长度可变单元，如图10所示，也可以采用反射型LCOS这样的 空间光调制元件(SLM)64。由此，通过LCOS的液晶的控制而使赋予波面的相位调 制高速变化，能够使物镜16的前方的对焦点位置在光轴方向上高速变化。图中，标 号65是反射镜。

并且，也可以代替反射型LCOS这样的空间光调制元件64，如图11所示，采用 透射型LCOS这样的空间光调制元件66。与反射型LCOS相比，不需要反射镜65， 所以，能够简化结构。

作为使观察对象物A中的对焦点位置在光轴方向上移动的单元，除了上述各实 施例所示的单元(光路长度可变单元22、或中间成像光学系统61和致动器62、或反 射型空间光调制元件64、或透射型空间光调制元件66)以外，还可以利用各种作为 有源光学元件而被公知的功率可变光学元件，首先，作为具有机械可动部的单元，存 在形状可变镜(DFM：DeformableMirror)、使用液体或凝胶的形状可变透镜。而且， 作为不具有机械可动部的同样的元件，存在通过电场来控制介质的折射率的液晶透 镜、铌钽酸钾(KTN：KTa_1-xNb_xO₃)晶体透镜、以及应用了音响光学偏向器 (AOD/Acousto-OpticalDeflector)中的圆柱透镜效应的透镜等。

以上，本发明的作为显微镜的实施方式均具有使观察对象物A中的对焦点位置 在光轴方向上移动的某些单元。进而，这些对焦点位置光轴方向移动单元与针对相 同目的的现有的显微镜中的单元(使物镜或观察对象物中的任意一方在光轴方向上移 动)相比，由于利用了驱动对象物的质量较小或响应速度较快的物理现象这样的理由， 能够大幅提高动作速度。

具有能够检测观察对象物(例如活的活体组织标本)中的更加高速的现象这样的 优点。

并且，在采用透射型或反射型LCOS这样的空间光调制元件64、66的情况下， 能够使空间光调制元件64、66承担相位调制元件23的功能。由此，能够省略作为波 面错乱元件的相位调制元件23，具有能够进一步简化结构这样的优点。

并且，上述例子省略了空间光调制元件与激光器扫描型多光子激励观察装置的组 合中的相位调制元件23，但是，在空间光调制元件与激光器扫描型共焦点观察装置 的组合中，也可以与此同样地省略相位调制元件23。即，在图10、图11中，代替分 光棱镜36而采用反射镜49，在光束扩展器45与空间光调制元件64、66之间采用分 光镜46而构成分支光路，进而，采用成像透镜24、共焦点针孔43和光检测器44， 在此基础上，能够使空间光调制元件64、66承担相位调制元件23的功能。该情况下 的空间光调制元件64、66针对来自激光光源41的激光，作为波面错乱元件而对波面 赋予干扰，另一方面，针对来自观察对象物A的荧光，作为抵消由相位调制元件17 赋予的波面干扰的波面恢复元件发挥作用。

作为相位调制元件，例如，也可以采用图12所示的圆柱透镜17、23。

该情况下，通过圆柱透镜17，通过像散而使中间像的点像呈线状延伸，所以， 通过该作用，能够使中间像不鲜明，通过与其互补形状的圆柱透镜23，能够使最终 像鲜明。

在图12的情况下，可以使用凸透镜或凹透镜中的任意一方作为波面错乱元件， 也可以使用凸透镜或凹透镜中的任意一方作为波面恢复元件。

下面，对使用圆柱透镜5、6作为相位调制元件的情况下的作用进行详细说明。 图13示出使用圆柱透镜5、6作为图2和图3中的相位调制元件的例子。

这里，特别设定下述条件。

(a)作为物体O侧的相位调制元件(波面错乱元件)5，使用在x方向上具有功 率ψ_Ox的圆柱透镜。

(b)作为像I侧的相位调制元件(波面恢复元件)6，使用在x方向上具有功率ψ_Ix的圆柱透镜。

(c)设xz平面上的轴上光线R_x的圆柱透镜5中的位置(光线高度)为x_O。

(d)设xz平面上的轴上光线R_x的圆柱透镜6中的位置(光线高度)为x_I。

在图13中，标号II_0X、II_0Y是中间像。

在说明该例子的作用之前，使用图14对基于高斯光学的相位调制量与光学功率 的关系进行说明。

在图14中，当设高度(与光轴之间的距离)x的透镜的厚度为d(x)、高度0 (光轴上)的透镜的厚度为d₀时，沿着高度x的光线的从入射侧切平面到出射侧切平 面的光路长度L(x)由下式(4)表示。

L(x)＝(d0-d(x))+n·d(x)(4)

当使用作为薄壁透镜的近似时，高度x中的光路长度L(x)与高度0(光轴上) 中的光路长度L(0)之差由下式(5)表示。

L(x)-L(0)＝(-x²/2)(n-1)(1/r₁-1/r₂)(5)

上述光路长度差L(x)-L(0)与高度x中的出射光相对于高度0中的出射光的 相位提前量相比，绝对值相等，符号相反。因此，上述相位提前量由使式(5)的符 号反转的下式(6)表示。

L(0)-L(x)＝(x²/2)(n-1)(1/r₁-1/r₂)(6)

另一方面，该薄壁透镜的光学功率ψ由下式(7)表示。

ψ＝1/f＝(n-1)(1/r₁-1/r₂)(7)

因此，根据式(6)、(7)，通过下式(8)求出相位提前量L(0)-L(x)与 光学功率ψ的关系。

L(0)-L(x)＝ψ·x²/2(8)

这里，返回图13的说明。

根据式(8)，相对于在圆柱透镜5中接受xz面上的轴上光线R_x的轴上主光线 即沿着光轴的光线R_A的相位提前量ΔL_Oc由下式(9)表示。

ΔL_Oc(x_O)＝L_Oc(0)-L_Oc(x_O)＝ψ_Ox·x_O²/2(9)

这里，L_Oc(x_O)是沿着圆柱透镜5中的高度x_O的光线的从入射侧切平面到出射 侧切平面的光路长度的函数。

与此相同，相对于在圆柱透镜6中接受xz平面上的轴上光线Rx的轴上主光线即 沿着光轴的光线R_A的相位提前量ΔL_Ic由下式(10)表示。

ΔL_Ic(x_I)＝L_Ic(0)-L_Ic(x_I)＝ψ_Ix·x_I²/2(10)

这里，L_Ic(x_I)是沿着圆柱透镜6中的高度x_I的光线的从入射侧切平面到出射侧 切平面的光路长度的函数。

当在上述式(2)中应用式(9)、(10)和(x_I/x_O)²＝β_F²的关系时，在该例子 中，如式(11)所示求出用于使圆柱透镜5发挥波面错乱的功能、使圆柱透镜6发挥 波面恢复的功能的条件。

ψ_Ox/ψ_Ix＝-β_F²(11)

即，ψ_Ox和ψ_Ix的值的符号相互相反，并且，它们的绝对值的比需要与场透镜4 的横倍率的平方成比例。

另外，这里根据轴上光线进行了说明，但是，如果满足上述条件，则针对轴外光 线，圆柱透镜5、6也同样发挥波面错乱和波面恢复的功能。

并且，作为相位调制元件5、6、17、23(图中显示为相位调制元件5、6。)， 也可以代替圆柱透镜而使用图15所示的一维二元衍射光栅、图16所示的一维正弦波 衍射光栅、图17所示的自由曲面透镜、图18所示的圆锥透镜、图19所示的同心圆 型二元衍射光栅。作为同心圆型衍射光栅，不限于二元型，也可以采用闪耀型、正弦 波型等任意形式。

这里，下面对使用衍射光栅5、6作为波面调制元件的情况进行详细说明。

在该情况下的中间像II中，通过衍射而使1个点像分离为多个点像。通过该作 用，中间像II不鲜明，能够防止中间成像面的异物的像与最终像重合进行显示。

图20示出使用衍射光栅5、6作为相位调制元件的情况下的轴上主光线、即沿着 光轴的光线R_A的优选路径的一例，并且，图21示出轴上光线R_X的优选路径的一例。 在这些图中，光线R_A、R_X经由衍射光栅5分离为多个衍射光，但是，经由衍射光栅 6而成为原来的一条光线。

该情况下，通过满足上述式(1)～(3)，也能够实现上述效果。

这里，基于图20和图21，式(2)可以换言之为“衍射光栅5、6中接受1条轴 上光线R_X的相位调制之和与衍射光栅5、6中接受轴上主光线R_A的相位调制之和始 终相等。”。

并且，在衍射光栅5、6具有周期构造的情况下，如果它们的形状(即相位调制 特性)在一个周期的区域中满足式(2)，则在其他区域中也视为同样能够满足。

因此，着眼于衍射光栅5、6的中央部即光轴附近区域进行说明。图22是衍射光 栅5的中央部的详细图，图23是衍射光栅6的中央部的详细图。

这里，用于使衍射光栅5、6满足式(2)的条件如下所述。

即，衍射光栅6中的调制的周期p_I与基于由场透镜4投影的衍射光栅5的调制 的周期p_O相等，基于衍射光栅6的调制的相位相对于基于由场透镜4投影的衍射光 栅5的调制的相位反转，并且，基于衍射光栅6的相位调制的大小和基于衍射光栅6 的相位调制的大小的绝对值必须相等。

首先，用于使周期p_I和被投影的周期p_O相等的条件由式(12)表示。

p_I＝|β_F|·p_O(12)

接着，为了使基于衍射光栅6的调制的相位相对于基于被投影的衍射光栅5的调 制的相位反转，在满足上述式(12)的基础上，例如，衍射光栅5配置成其峰区域的 一个中心与光轴一致，并且衍射光栅6配置成其谷区域的一个中心与光轴一致即可。 图22和图23只不过是其一例。

最后，求出用于使基于衍射光栅6的相位调制的大小和基于衍射光栅5的相位调 制的大小的绝对值相等的条件。

根据衍射光栅5的光学参数(峰区域厚度t_Oc、谷区域厚度t_Ot、折射率n_O)，对 透射过衍射光栅5的谷区域的轴上光线R_X赋予的、相对于沿着光轴(透射过峰区域) 的光线R_A的相位提前量ΔL_Odt由下式(13)表示。

ΔL_Odt＝n_O·t_Oc-(n_O·t_Ot+(t_Oc-t_Ot))

＝(n_O-1)(t_Oc-t_Ot)(13)

同样，根据衍射光栅6的光学参数(峰区域厚度t_Ic、谷区域厚度t_It、折射率n_I)， 对透射过衍射光栅6的峰区域的轴上光线R_X赋予的、相对于沿着光轴(透射过峰区 域)的光线R_A的相位提前量ΔL_Odt由下式(14)表示。

ΔL_Idt＝(n_I·t_It+(t_Ic-t_It))-n_I·t_Ic

＝-(n_I-1)(t_Ic-t_It)(14)

该情况下，由于ΔL_Odt的值为正，ΔL_Idt的值为负，所以，用于使两者的绝对值相 等的条件由下式(15)表示。

ΔL_Odt+ΔL_Idt＝(n_O-1)(t_Oc-t_Ot)-(n_I-1)(t_Ic-t_It)＝0(15)

另外，这里，根据轴上光线进行了说明，但是，如果满足上述条件，则针对轴外 光线，衍射光栅5也发挥波面散射的功能，衍射光栅6也发挥波面恢复的功能。

并且，这里，设衍射光栅5、6的截面形状为梯形进行了说明，但是，即使是其 他形状，当然也能够发挥同样的功能。

进而，作为相位调制元件5、6，也可以采用图24所示的球面像差元件、图25 所示的不规则形状元件、图26所示的基于与透射型空间光调制元件64的组合的反射 型波面调制元件、图27所示的折射率分布型元件。

进而，作为相位调制元件5、6，也可以采用排列有多个微小透镜的复眼透镜或 微透镜阵列、或排列有多个微小棱镜的微棱镜阵列。

并且，在将上述实施方式的成像光学系统1应用于内窥镜的情况下，如图28所 示，在物镜(成像透镜)70的内部配置相位错乱元件5，在隔着包含多个场透镜4 和会聚透镜71的中继光学系统72而配置在物镜70的相反侧的目镜透镜73附近配置 相位恢复元件6即可。由此，能够使场透镜4的表面附近形成的中间像不鲜明，能够 使由目镜透镜73形成的最终像鲜明。

并且，如图29所示，也可以在通过致动器62驱动透镜61a的带内对焦功能的内 窥镜型细径物镜74内设置波面错乱元件5，在设于显微镜主体75中的镜筒透镜(成 像透镜)76的光瞳位置附近配置波面恢复元件6。

标号说明

I：最终像；II：中间像；O：物体；PP_O、PP_I：光瞳位置；1、13、32、42：成 像光学系统；2、3：成像透镜；5：波面错乱元件(第1相位调制元件)；6：波面恢 复元件(第2相位调制元件)；10、30、40、50、60：观察装置；11、31、41：光源； 14、33：摄像元件(光检测器)；17、23：相位调制元件；20、36：分束器；22：光 路长度可变单元；22a：平面镜；22b：致动器；34：尼普科夫盘型共焦光学系统；43： 共焦点针孔；44：光检测器(光电子转换元件)；61a：透镜(光路长度可变单元)； 62：致动器(光路长度可变单元)；64：空间光调制元件(可变空间相位调制元件)。