特許 6462705 位相変調デバイス及びレーザ顕微鏡

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6462705

(24)【登録日】2019年1月11日

(45)【発行日】2019年1月30日

(54)【発明の名称】位相変調デバイス及びレーザ顕微鏡

(51)【国際特許分類】

   G02B 21/00 20060101AFI20190121BHJP

   G02B 21/06 20060101ALI20190121BHJP

   G02F 1/13 20060101ALI20190121BHJP

   G02F 1/1347 20060101ALI20190121BHJP

   G02F 1/01 20060101ALI20190121BHJP

【ＦＩ】

   G02B21/00

   G02B21/06

   G02F1/13 505

   G02F1/1347

   G02F1/01 D

【請求項の数】5

【全頁数】23

(21)【出願番号】特願2016-549988(P2016-549988)

(86)(22)【出願日】2015年6月22日

(86)【国際出願番号】JP2015067914

(87)【国際公開番号】WO2016047225

(87)【国際公開日】20160331

【審査請求日】2017年11月7日

(31)【優先権主張番号】特願2014-195399(P2014-195399)

(32)【優先日】2014年9月25日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000001960

【氏名又は名称】シチズン時計株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100099759

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100092624

【弁理士】

【氏名又は名称】鶴田 準一

(74)【代理人】

【識別番号】100114018

【弁理士】

【氏名又は名称】南山 知広

(74)【代理人】

【識別番号】100133835

【弁理士】

【氏名又は名称】河野 努

(72)【発明者】

【氏名】田辺 綾乃

【審査官】 殿岡 雅仁

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１４／０２７６９４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１２／１２４６３４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１３／１７２０８５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１３／１１５３８３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００３−０６７９６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００５／１１７００３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特表２０１４−５２１１２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００９／０１３７９９０（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ ２１／００ − ２１／３６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光源から出射される光の光束の光路中に配置された対物レンズを含む光学系により生じる波面収差を補正する位相変調デバイスであって、
前記波面収差の第１の収差成分に対する前記波面収差の第２の収差成分の第１の比に応じた位相分布を打ち消す位相変調量を前記光束に与えるように配置された複数の第１の電極を有し、該複数の第１の電極のそれぞれに印加された電圧に応じて前記光束の位相を変調する第１の位相変調素子と、
前記波面収差の第１の収差成分に対する前記波面収差の第２の収差成分の前記第１の比よりも小さい第２の比に応じた位相分布を打ち消す位相変調量を前記光束に与えるように配置された複数の第２の電極を有し、該複数の第２の電極のそれぞれに印加された電圧に応じて前記光束の位相を変調する第２の位相変調素子と、
前記複数の第１の電極及び前記複数の第２の電極に印加する電圧を、前記対物レンズから前記光束の集光位置までの光路長に応じて制御する制御回路と、
を有することを特徴とする位相変調デバイス。

【請求項2】

前記第１の収差成分は前記波面収差の３次球面収差成分を含み、かつ、前記第２の収差成分は、前記波面収差の５次球面収差成分を含む、請求項１に記載の位相変調デバイス。

【請求項3】

前記複数の第１の電極及び前記複数の第２の電極は、それぞれ、前記光学系の光軸を中心とする同心円状の複数の輪帯電極であり、前記複数の第１の電極のうちの前記第１の位相変調素子が前記光束に与える前記位相変調量が極値となる電極のうちの前記光軸から最も近い電極と前記光軸間の距離が、前記複数の第２の電極のうちの前記第２の位相変調素子が前記光束に与える前記位相変調量が極値となる電極のうちの前記光軸から最も近い電極と前記光軸間の距離よりも大きくなるように前記複数の第１の電極及び前記複数の第２の電極が配置される、請求項１または２に記載の位相変調デバイス。

【請求項4】

光源から出射される光の光束の光路中に配置された対物レンズを含む光学系により生じる波面収差を補正する位相変調デバイスであって、
前記光束が透過する一方の面に前記波面収差の第１の収差成分に対する前記波面収差の第２の収差成分の第１の比に応じた位相分布を打ち消す位相変調量を前記光束に与えるように配置された複数の第１の電極を有し、前記一方の面と対向する他方の面に前記波面収差の第１の収差成分に対する前記波面収差の第２の収差成分の前記第１の比よりも小さい第２の比に応じた位相分布を打ち消す位相変調量を前記光束に与えるように配置された複数の第２の電極を有し、該複数の第１の電極及び該複数の第２の電極のそれぞれに印加された電圧に応じて前記光束の位相を変調する位相変調素子と、
前記複数の第１の電極及び前記複数の第２の電極に印加する電圧を、前記対物レンズから前記光束の集光位置までの光路長に応じて制御する制御回路と、
を有することを特徴とする位相変調デバイス。

【請求項5】

コヒーレント光を照射するコヒーレント光源と、
前記コヒーレント光の光束の光路中に配置され、前記光束を試料に集光する対物レンズを含む第１の光学系と、
前記試料から発生した前記試料の情報を含んだ光束を検出器に伝送する第２の光学系と、
を有し、
請求項１〜４の何れか一項に記載の位相変調デバイスとを有し、
前記コヒーレント光源と前記対物レンズの間に、前記位相変調デバイスの位相変調素子が配置されることを特徴とするレーザ顕微鏡。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、顕微鏡などで用いられる光学系において発生する収差を補償する位相変調デバイス及びそのような位相変調デバイスを用いたレーザ顕微鏡に関する。

【背景技術】

【0002】

共焦点レーザ顕微鏡は、レーザ光を対物レンズにより試料上に集光し、試料より発生する反射光、散乱光または蛍光を光学系で伝送し、試料上の集光点と光学的に共役な位置に配置したピンホールを透過した光束を検出器で受光している。ピンホールを配置することにより、試料上の集光点以外から発生する光をフィルタリングできるので、共焦点レーザ顕微鏡は、SN比の良好な画像を取得することができる。

【0003】

また、共焦点レーザ顕微鏡は、レーザ光を光軸と垂直な面に沿った、互いに直交する二方向（X方向、Y方向）に沿って試料をスキャンすることにより、試料の平面画像を取得する。一方、共焦点レーザ顕微鏡は、光軸方向（Z方向）に沿った対物レンズと試料間の間隔を変えることで、Z方向の複数の断層像を取得し（Ｚスタック）、これにより試料の３D画像を生成している。

【0004】

生体試料を観察する場合、培養液に浸した状態でカバーガラス越しにその生体試料を観察することが多い。また一般に、対物レンズは、カバーガラス直下で結像性能が最も良くなるように設計されている。生体試料内部を観察する場合、培養液または生体組織を透過した奥行きを持つ観察位置の画像を取得する必要があり、カバーガラス直下から観察位置までの距離に比例して収差が発生し、その結果として解像度が低下する。

【0005】

さらに、カバーガラスの厚さも設計値（例えば０．１７ｍｍ）から公差の範囲でばらつきを持っており、カバーガラス屈折率１．５２５と生体試料屈折率１．３８〜１．３９の差により、設計厚さからのカバーガラスの実際の厚さの差に比例して収差が発生する。また、対物レンズが水浸レンズの場合、同様に生体試料屈折率と水の屈折率（１．３３３）の違いにより、観察位置までの生体深さに比例して収差が発生する。そのため、生体深部を観察するときに解像度が低下する。

【0006】

この欠点を解決する手段の一つに補正環がある（例えば、特許文献１を参照）。補正環は、対物レンズに設けられたリング状の回転部材で、補正環を回すことにより、対物レンズを構成するレンズ群の間隔が変更される。これにより、カバーガラスの厚さの誤差または生体深部を観察する場合に発生する収差がキャンセルされる。補正環には、目盛りが振ってあり、例えば、カバーガラス厚さについて、０，０．１７，０．２３の様に大まかに数値が示されている。そして、実際に使用するカバーガラスの厚さに合わせて補正環の目盛りを合わせることで、その厚さにおいて最適化されるようにレンズ群の間隔が調整される。

【0007】

しかし、補正環の操作は、対物レンズについているリング状の調整機構を手で回転することで行われる。そのため、その調整機構を調整することによるフォーカスのズレまたは視野のズレが生じる。また、対物レンズの最適位置を決定するためには、補正環の操作とフォーカシングを繰り返す必要があり、最適化のためのプロセスが煩雑であるという問題がある。プロセスが煩雑であるため、最適位置への調整に手間取り、蛍光色素が褪色してしまうという問題もある。蛍光色素の褪色は、励起光を当て続けることにより、発生する蛍光強度が弱くなってしまうという問題である。

【0008】

また、補正環の操作はデリケートであり、その操作によるフォーカシングの調整結果の判断は画像を目視した人が判断しているのが現状で、最適位置かどうかの判断が非常に難しい。特に、Zスタックの撮影においては、この作業を奥行き方向の取得画像数分繰り返す必要があり、非常に煩雑である。そのため、補正環を十分に生かしているユーザーは少ないという現状がある。さらに、試料によっては、手を触れることによる振動が観察位置に影響を与えてしまうため、対物レンズに手を触れずに自動でフォーカスを調整することが望まれている。

【0009】

そこで、波面収差の位相分布をZernike多項式で分解したときの３次球面収差と５次球面収差の比と、対物レンズの開口数との関係式に従って表される、その位相分布の逆極性を有する位相変調プロファイルを表示する位相変調デバイスを対物レンズを含む光学系内に配置することで、ユーザーが対物レンズまたはその鏡枠に手を触れることなく、試料または観察条件に応じてその光学系により生じる波面収差を補正する技術が提案されている（例えば、特許文献２を参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】特許第３２９９８０８号公報

【特許文献2】国際公開第２０１３／１１５３８３号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

しかし、対物レンズの瞳面以外では、観察対象となる試料の深さ、すなわち、対物レンズからその対物レンズにより集光される光束の集光位置までの距離に応じて、３次球面収差成分と５次球面収差成分の比が変化する。そのため、顕微鏡の構造に起因する制約などにより、特許文献２に開示された位相変調デバイスを対物レンズの瞳面及びその共役面の何れにも配置できない場合、その位相変調デバイスでは、観察対象となる試料の深さが変化する場合に、必ずしも対物レンズを含む光学系で生じる波面収差を適切に補正できないおそれがあった。

【0012】

そこで、本発明は、対物レンズから光束が集光される位置までの距離が変化しても、対物レンズを含む光学系により発生する収差を補正できる位相変調デバイスを提供する。

【課題を解決するための手段】

【0013】

本発明の一つの実施形態によれば、光源から出射される光の光束の光路中に配置された対物レンズを含む光学系により生じる波面収差を補正する位相変調デバイスが提供される。この位相変調デバイスは、波面収差の第１の収差成分に対する波面収差の第２の収差成分の第１の比に応じた位相分布を打ち消す位相変調量を光束に与えるように配置された複数の第１の電極を有し、複数の第１の電極のそれぞれに印加された電圧に応じて光束の位相を変調する第１の位相変調素子と、波面収差の第１の収差成分に対する波面収差の第２の収差成分の第１の比よりも小さい第２の比に応じた位相分布を打ち消す位相変調量を光束に与えるように配置された複数の第２の電極を有し、複数の第２の電極のそれぞれに印加された電圧に応じて光束の位相を変調する第２の位相変調素子と、複数の第１の電極及び複数の第２の電極に印加する電圧を、対物レンズから光束の集光位置までの光路長に応じて制御する制御回路とを有することを特徴とする。

【0014】

この位相変調デバイスにおいて、第１の収差成分は波面収差の３次球面収差成分を含み、かつ、第２の収差成分は、波面収差の５次球面収差成分を含むことが好ましい。

【0015】

またこの位相変調デバイスにおいて、複数の第１の電極及び複数の第２の電極は、それぞれ、光学系の光軸を中心とする同心円状の複数の輪帯電極であり、複数の第１の電極のうちの第１の位相変調素子が極値となる電極のうちの光軸から最も近い電極と光軸間の距離が、複数の第２の電極のうちの第２の位相変調素子が光束に与える位相変調量が極値となる電極のうちの光軸から最も近い電極と光軸間の距離よりも大きくなるように複数の第１の電極及び複数の第２の電極が配置されることが好ましい。

【0016】

また本発明の他の実施形態によれば、光源から出射される光の光束の光路中に配置された対物レンズを含む光学系により生じる波面収差を補正する位相変調デバイスが提供される。この位相変調デバイスは、光束が透過する一方の面に波面収差の第１の収差成分に対する波面収差の第２の収差成分の第１の比に応じた位相分布を打ち消す位相変調量を光束に与えるように配置された複数の第１の電極を有し、その一方の面と対向する他方の面に波面収差の第１の収差成分に対する波面収差の第２の収差成分の第１の比よりも小さい第２の比に応じた位相分布を打ち消す位相変調量を光束に与えるように配置された複数の第２の電極を有し、複数の第１の電極及び複数の第２の電極のそれぞれに印加された電圧に応じて光束の位相を変調する位相変調素子と、複数の第１の電極及び複数の第２の電極に印加する電圧を、対物レンズから光束の集光位置までの光路長に応じて制御する制御回路とを有することを特徴とする。

【0017】

また、本発明のさらに他の実施形態によれば、レーザ顕微鏡が提供される。このレーザ顕微鏡は、コヒーレント光を照射するコヒーレント光源と、コヒーレント光の光束の光路中に配置され、光束を試料に集光する対物レンズを含む第１の光学系と、試料から発生したその試料の情報を含んだ光束を検出器に伝送する第２の光学系と、上記の何れかの位相変調デバイスとを有し、コヒーレント光源と対物レンズの間に、その位相変調デバイスの位相変調素子が配置される。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、位相変調デバイスは、対物レンズから光束が集光される位置までの距離が変化しても、対物レンズを含む光学系により発生する収差を補正できる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】図１は、本発明の一つの実施形態に係る、位相変調デバイスを有するレーザ顕微鏡の概略構成図である。

【図2A】図２Ａは、試料表面を観察する場合に発生する収差を説明するための図である。

【図2B】図２Ｂは、試料表面から深さＤの試料内部を観察する場合に発生する収差を説明するための図である。

【図3A】図３Ａは、３次球面収差の位相分布の一例を示す図である。

【図3B】図３Ｂは、５次球面収差の位相分布の一例を示す図である。

【図4】図４は、ＲＭＳ値が最小となる複合収差の位相分布断面プロファイルを示す図である。

【図5】図５は、位相変調量ＰＶ値が最小となる複合収差の位相分布断面プロファイルを示す図である。

【図6A】図６Ａは、試料の表面からの深さと、対物レンズを含む光学系で生じる３次球面収差成分との関係を示すグラフである。

【図6B】図６Ｂは、試料の表面からの深さと、その光学系で生じる５次球面収差成分との関係を示すグラフである。

【図6C】図６Ｃは、試料表面からの深さと、図６Ａ及び図６Ｂに示される、３次球面収差成分に対する５次球面収差成分の比との関係を示すグラフである。

【図7A】図７Ａは、位相変調デバイスの概略構成図である。

【図7B】図７Ｂは、位相変調素子の平面図である。

【図8】図８は、図７Ｂに示された位相変調素子のアクティブ領域の一部における断面模式図である。

【図9A】図９Ａは、二つの位相変調素子のそれぞれに表示される、光軸を通る面に対応する位相変調プロファイルの断面図を表す。

【図9B】図９Ｂは、図９Ａに示された位相変調プロファイルを量子化して得られる、光軸を通る面に対応する位相変調プロファイルの断面図を表す。

【図10】図１０は、図９Ｂに示された、量子化された位相変調プロファイルに対応する、各位相変調素子の輪帯電極の配置パターンを示す図である。

【図11】図１１は、各位相変調素子がｎ個の輪帯電極を有する場合の、各輪帯電極と印加される電圧との関係を示す図である。

【図12A】図１２Ａは、各位相変調素子により表示される位相変調プロファイル及びその組み合わせに応じた３次球面収差成分の補正量と試料表面からの深さとの関係の一例を示す図である。

【図12B】図１２Ｂは、各位相変調素子により表示される位相変調プロファイル及びその組み合わせに応じた５次球面収差成分の補正量と試料表面からの深さとの関係の一例を示す図である。

【図13】図１３は、位相変調素子として用いられる液晶素子のレーザ光の波長による波長分散について示した図である。

【図14A】図１４Ａは、変形例による、二つの位相変調素子のそれぞれに表示される、光軸を通る面に対応する位相変調プロファイルの断面図を表す。

【図14B】図１４Ｂは、図１４Ａに示された位相変調プロファイルを互いに隣接する輪帯間での位相差が等間隔になるように量子化して得られる、光軸を通る面に対応する位相変調プロファイルの断面図を表す。

【図15】図１５は、図１４Ｂに示された、量子化された位相変調プロファイルに対応する、二つの位相変調素子の輪帯電極の配置パターンを示す図である。

【図16】図１６は、変形例による、位相変調素子の光軸を通る面における側面断面における、輪帯電極の配置パターンの概略を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる位相変調デバイス、また、位相変調デバイスを用いたレーザ顕微鏡の好適な実施の形態を詳細に説明する。
この位相変調デバイスは、対物レンズを含む光学系で発生する波面収差を補正するために、波面収差の位相分布を打ち消すような位相変調プロファイルを表示可能な位相変調素子を少なくとも二つ有する。そして各位相変調素子により表示される位相変調プロファイルは、３次球面収差成分と５次球面収差成分とを異なる比率で含み、その比率は、それぞれ、対物レンズからその対物レンズにより集光される光束の集光位置（以下では、単に集光位置と呼ぶ）、すなわち、観察対象となる試料の深さに対応している。そのため、この位相変調デバイスが対物レンズの瞳面に配置されず、かつ、対物レンズから集光位置までの距離が変わっても、この位相変調デバイスは、各位相変調素子に表示される位相変調プロファイルによる位相変調量の比率を調節することで、適切に波面収差を補正できる。

【0021】

図１は、本発明の一つの実施形態に係るレーザ顕微鏡１００の概略構成図である。コヒーレント光源であるレーザ光源１から出射した光束は、コリメート光学系２により平行光に調整され、その平行光は、コリメート光学系２と対物レンズ４の間に配置された位相変調デバイス３を透過した後、対物レンズ４によって試料５上に集光される。試料５により反射または散乱した光束もしくは試料により発生した蛍光等、試料の情報を含んだ光束は、光路を逆にたどり、対物レンズ４及び位相変調デバイス３を再度透過した後、ビームスプリッター６で反射され、第２の光学系であるコンフォーカル光学系７で共焦点ピンホール８上に集光される。そして、共焦点ピンホール８が、試料の焦点位置以外からの光束をカットするので、検出器９でSN比の良好な信号が得られる。

【0022】

ここで、対物レンズ４は、レンズ系内部だけでなく、レンズ先端から観察面までの光路の屈折率と間隔、例えばカバーガラスの厚さまたはカバーガラスの有無を想定し、それらの想定値で結像性能が最適化されるように設計されている。そのため、観察対象となる生体試料の深さ、またはカバーガラスの製造誤差による厚さのずれ等により収差が発生し、その収差が結像性能の低下をもたらす。そこで、光路長の設計値からのずれに応じて、対物レンズ４を含む、レーザ光源１から光束の集光位置までの光学系により発生する波面収差を見積もり、その波面収差の位相分布を打ち消して、光束が平行光束となるところでその光束の波面が平面となるような位相分布を位相変調プロファイルとして位相変調デバイス３に表示することで、レーザ顕微鏡１００は、結像性能を向上させる。

【0023】

本実施形態では、位相変調デバイス３は、対物レンズ４を含む光学系により形成される光路内の何れに配置されてもよいが、上記のように、コリメート光学系２と対物レンズ４の間のように、位相変調デバイス３を透過する光束が平行光束となる位置に位相変調デバイス３は配置されることが好ましい。これにより、光学系により生じる波面収差が重畳された波面を平面波の波面と比較することで位相変調プロファイルを求めることができるので、位相変調プロファイルの作成が簡単化される。また、本実施形態のように、ビームスプリッター６と対物レンズ４間に位相変調デバイス３を配置することで、レーザ光源１から出射した光束は、位相変調デバイス３を往路と復路との２回通過するので、位相変調デバイス３は、往路、復路ともに光束の位相を補正できる。また、顕微鏡の対物レンズは、一般的に、無限系で設計されており、対物レンズに入射する光束は平行光となっている。したがって、位相変調デバイス３は、対物レンズ４の光源側、なるべく対物レンズ４の近傍に配置されることが好ましく、このように位相変調デバイス３を配置することで、レーザ顕微鏡１００は補正の効果をより効果的に得ることができる。

【0024】

発生する収差について、より詳細に説明する。図２Ａ及び図２Ｂは、観察する試料の深さにより発生する収差を模式的に示した図である。説明を簡略化するため、対物レンズは、一様な屈折率の媒質を観察する場合に最適になるように設計されるとしている。図２Ａは、設計で用いた一様な屈折率の媒質を観察する場合の光束２００を示している。光束２００が収差無く１点に集光していることが示されている。これに対し図２Ｂは、試料表面からの深さＤの面を観察している場合の光束２１０を示している。対物レンズに接している媒質と試料との境界面２１１において、光束２１０は屈折し、発生する収差により光束２１０は１点に集光していない。

【0025】

このように試料表面でなく試料内部を観察するときに収差が発生する。発生する収差は、対物レンズ４を含む光学系の波面収差として表される。そこで、位相変調デバイス３が配置された位置における、波面収差による位相分布をキャンセルするような位相分布を、位相変調デバイス３が発生させる。これにより、レーザ顕微鏡は、レーザ光源１からの光束を試料表面または試料内部に設定される観察位置において１点に集光させることができる。同様に、試料より発生した光束も光路を逆にたどるので、レーザ顕微鏡は、その光束を平面波に変換することができる。

【0026】

波面収差は、成分ごとに分解可能であり、各成分の和として表現できる。このとき、波面収差をZernike多項式のような直交関数に分解し、各関数の和として波面収差を表現することが一般的に行われている。したがって、波面収差の補正量も、Zernike多項式の各関数の位相分布として表現し、各関数の相対的な位相変調量を変化させることで求める方法が考えられる。例えば、収差を標準Zernike多項式で分解したとき、１３番目の係数（Ｚ_１３）は、３次球面収差を表し、２５番目の係数（Ｚ_２５）は、５次球面収差を表しておりそれぞれの係数に対応する補正量の位相分布を適切に調節することにより、位相変調デバイス３は、３次と５次の球面収差を補正することができる。

【0027】

試料深部を見る場合などに発生する収差は、デフォーカスまたは低次、高次の球面収差が複合的に発生した収差であり、位相変調デバイス３が、例えば、Ｚ_１３のみを補正しても、結像性能の向上は十分でない。

【0028】

しかし、実際のところは、デフォーカスは、試料深さＤにより非常に敏感に変わるため、試料の観察位置で決まり、また、Zernike多項式におけるＺ_１３、Ｚ_２５以外の収差は、非常に小さく無視することができる。従って、３次球面収差に対応するＺ_１３と５次球面収差に対応するＺ_２５の項を補正することで、結像性能の向上が図れる。さらに、デフォーカスと３次球面収差、５次球面収差、場合によっては７次球面収差までを考慮すれば、充分満足できる収差補正が可能である。

【0029】

３次球面収差と５次球面収差を補正するには、それぞれに対応する位相分布を考慮して位相変調プロファイルを作成する必要がある。図３Ａは、３次球面収差の位相分布を表したグラフ３００を表し、図３Ｂは、５次球面収差の位相分布を表したグラフ３０１を表す。ここで考えている収差は、点対称性の位相分布を持っており、それぞれのグラフは、位相分布の断面図を示している。また、縦軸は位相差の正の最大値を「１」として位相差を正規化した値を表し、横軸は有効径の最大値を「１」として有効径を正規化した値を表す。すなわち、横軸における「０」の位置は、光軸上であることを表す。

【0030】

実際に発生する収差位相分布は、これらの線形和と考えられる。そこで、球面収差成分を３次球面収差の成分と５次球面収差の成分の和とし、この位相分布に適当なデフォーカスによる位相分布成分を足した位相分布を求める。そして、その位相分布をキャンセルするように、得られた位相分布を逆極性化したプロファイルを位相変調プロファイルとする。例えば、開口数ＮＡが１．０の水浸用対物レンズの場合、対物レンズ４の瞳面において発生する３次球面収差と５次球面収差の比は、おおよそ４対１になり、これら球面収差の線形和にデフォーカスによる位相成分を加えた位相分布の逆極性となるプロファイルを位相変調プロファイルとすることができる。

【0031】

前述したように、補正環により収差を補正する場合は、補正環の操作とフォーカシングを繰り返す必要があり、最適化のプロセスが長く複雑になっていた。しかし、フォーカシングにより残留する位相分布（デフォーカス成分）を位相変調プロファイルとして位相変調デバイス３で補正することを考えれば、最適化のための繰り返しプロセスを無くすことができ、効率良く収差補正を行うことができる。

【0032】

次に、位相変調デバイス３が実際に収差補正を行うために用いる位相変調プロファイルについて、例を挙げてより詳細に説明する。フォーカシングにより残留する位相分布は、その波面の２乗平均平方根（ＲＭＳ）値が最小になる形状と一致すると考えることができる。よって、例えば、ＲＭＳ収差が最小となるように、デフォーカス項を加えた複合収差の位相分布を求め、その位相分布から位相変調プロファイルを設定する方法がある。
図４に示されるグラフ４００は、開口数ＮＡが１．０の対物レンズで発生する球面収差と、そのＲＭＳ収差が最小となるようにデフォーカス成分を加えた場合における複合収差の位相分布を表す。

【0033】

また、デフォーカス成分の加え方として、位相分布の位相変調量（以下、ＰＶ値とする）が最小となるようにし、最小となる位相変調量に対応する位相分布を位相変調プロファイルとすることもできる。図５に示されるグラフ５００は、ＰＶ値が最小となるようにデフォーカス成分を加えた複合収差の位相分布を表す。ＰＶ値が最小となるようにした場合は、位相変調レンジ（位相変調量の幅）が小さくてすむ。そのため、位相変調デバイスが有する位相変調素子として液晶素子が用いられる場合には、液晶素子の液晶層が薄くてすむ。また、一般的に、液晶素子の応答時間は、液晶層の厚さの２乗に比例するので、位相変調レンジが小さければ応答速度が向上するというメリットがある。また、液晶層の厚さが薄いほど、面精度が向上するというメリットもある。

【0034】

さらに、フォーカシングにより残留する位相分布は、用いる顕微鏡または画像処理ソフトの仕様により異なることが考えられ、それぞれの固有の残存収差パターンと位相変調デバイスの位相変調プロファイルを合わせ込んで行くことで最適な収差補正が可能となる。

【0035】

また、３次球面収差の成分と、５次球面収差の成分は、それぞれ、対物レンズ４から集光位置までの距離に応じて変化する。
図６Ａ及び図６Ｂは、それぞれ、開口数1.1の水浸タイプの対物レンズから試料の配置側とは反対側に1mm離れた位置における、屈折率1.4の試料の表面からの深さと、対物レンズ４を含む光学系で生じる３次球面収差成分または５次球面収差成分との関係を示すグラフである。図６Ａ及び図６Ｂにおいて、横軸は深さ[mm]を表す。また図６Ａにおいて、縦軸は、３次球面収差成分に相当するZernike係数(Ｚ_１３)を表し、図６Ｂにおいて、縦軸は、５次球面収差成分に相当するZernike係数(Ｚ_２５)を表す。そして線６０１は、試料表面からの深さと３次球面収差成分に相当するZernike係数との関係を表し、線６０２は、試料表面からの深さと５次球面収差成分に相当するZernike係数との関係を表す。

【0036】

図６Ｃは、試料表面からの深さと、図６Ａ及び図６Ｂに示される、３次球面収差成分に対する５次球面収差成分の比との関係を示すグラフである。図６Ｃにおいて、横軸は試料表面からの深さ[mm]を表し、縦軸は、３次球面収差成分に対する５次球面収差成分の比を表す。そして線６０３は、試料表面からの深さと、３次球面収差成分に対する５次球面収差成分の比との関係を表す。

【0037】

図６Ａ及び図６Ｂに示されるように、試料表面からの深さが増大するにつれて、３次球面収差成分と５次球面収差成分の何れも増加する。ただし、図６Ｃに示されるように、試料表面からの深さが増大するにつれて、３次球面収差成分に対する５次球面収差成分の比は略0.29から略0.26まで低下する。したがって、例えば、二つの位相変調素子の一方が、３次球面収差成分に対する５次球面収差成分の比が略0.29となる位相変調プロファイルを表示可能であり、二つの位相変調素子の他方が、３次球面収差成分に対する５次球面収差成分の比が略0.26となる位相変調プロファイルを表示可能であれば、その二つの位相変調素子に表示される位相変調プロファイルによる位相変調量の比率を調節することで、位相変調デバイス３は、任意の深さについての３次球面収差成分と５次球面収差成分を適切に補正することができる。

【0038】

次に、位相変調素子として液晶素子を採用し、波面収差をキャンセルするような位相分布を位相変調プロファイルとして液晶素子に表示させる位相変調デバイス３についてより詳細に説明する。

【0039】

図７Ａは、位相変調デバイス３の概略構成図である。位相変調デバイス３は、対物レンズ４を含む光学系を通る光束中に、その光学系の光軸に沿って並べて配置される二つの位相変調素子１１、１２と、その二つの位相変調素子１１、１２に印加する電圧を調節することで、位相変調素子１１、１２を透過する光束に与える位相変調量を制御する制御回路１３とを有する。なお、制御回路１３は、例えば、プロセッサと、メモリと、プロセッサからの駆動信号に応じて出力する電圧を変更可能な駆動回路とを有する。

【0040】

図７Ｂは、位相変調素子１１の平面図である。なお、位相変調素子１１、１２は、透明電極の配置パターンを除いて同一の構成とすることができる。そこで、透明電極の配置パターン以外についての位相変調素子の構造については、位相変調素子１１についてのみ説明する。

【0041】

図７Ａ及び図７Ｂに示されるように、位相変調素子１１の液晶層は、透明基板２１、２２で挟まれており、シール部材２３で、液晶が漏れないように周辺部が封止されている。透明基板２１、２２の互いに対向する側の面における、液晶を駆動するアクティブ領域２４、すなわち、透過する光束の位相を変調できる領域には、光軸を中心とする同心円状の透明な輪帯電極が複数形成されている。なお、透明基板２１、２２の一方については、アクティブ領域２４全体を覆うように透明電極が形成されていてもよい。アクティブ領域２４は、対物レンズ４の瞳径に合わせて決定されたサイズを有する。そして位相変調デバイス３が有する制御回路１３が、透明な輪帯状の輪帯電極に印加する電圧を制御することで、位相変調素子１１を透過する光束に対して、光軸を中心とする同心円状の所望の位相分布を与えることができる。

【0042】

図８は、図７の位相変調素子１１のアクティブ領域２４の一部における断面模式図を示している。位相変調素子１１では、透明基板２１、２２間に液晶分子３４が挟まれている。透明基板２１、２２の互いに対向する側の表面には透明電極３３、３３ａ、３３ｂが形成されている。図８では、右側半分の透明電極３３aと透明電極３３の間に電圧が印加され、一方、左側半分の透明電極３３ｂと透明電極３３の間には電圧が印加されていない状態が示されている。液晶分子３４は、細長い分子構造を持ち、ホモジニアス配向されている。すなわち、２枚の透明基板２１、２２に挟まれた液晶分子３４は、その長軸方向がお互いに平行となり、かつ、透明基板２１、２２と液晶層の界面と平行に並んでいる。液晶分子３４は、その長軸方向における屈折率と長軸方向に直交する方向における屈折率とが異なり、一般に、液晶分子３４の長軸方向に平行な偏光成分（異常光線）に対する屈折率ｎ_ｅは、液晶分子の短軸方向に平行な偏光成分（常光線）に対する屈折率ｎ_ｏよりも高い。そのため、液晶分子３４をホモジニアス配向させた位相変調素子１１は、１軸性の複屈折素子として振舞う。

【0043】

液晶分子は、誘電率異方性を持ち、一般に液晶分子長軸が電界方向に倣う方向に力が働く。つまり、図８で示したように、液晶分子を挟む２枚の透明基板に設けられた電極間に電圧が印加されると、液晶分子の長軸方向は、透明基板に平行な状態から、電圧に応じて透明基板の表面に直交する方向に傾いてくる。このとき、液晶分子長軸に平行な偏光成分の光束を考えると、液晶分子の屈折率ｎ_ψは、ｎ_o≦ｎ_ψ≦ｎ_e（ｎ_oは常光の屈折率、ｎ_eは異常光の屈折率）となる。そのため、液晶層の厚さがｄであると、液晶層のうち、電圧が印加された領域と印加されていない領域を通る光束の間に、光路長差Δｎｄ（＝ｎ_ψｄ−ｎ_oｄ)が生じる。位相差は、２πΔｎｄ／λとなる。なお、λは、液晶層に入射する光束の波長である。

【0044】

次に、液晶素子として構成された位相変調素子１１を透過する光束に所望の位相分布を与える方法について詳細に述べる。まずは、表示したい位相分布プロファイルを決めて、それを等位相間隔で分割し、各輪帯電極に印加する電圧を決定する。

【0045】

図９Ａは、二つの位相変調素子のそれぞれに表示される、光軸を通る面に対応する位相変調プロファイルの断面図を表す。この例では、位相変調素子１１が表示する位相変調プロファイルにおける、３次球面収差成分に対する５次球面収差成分の比(Ｚ_２５／Ｚ_１３)は、0.292であり、位相変調素子１２が表示する位相変調プロファイルにおける、３次球面収差成分に対する５次球面収差成分の比(Ｚ_２５／Ｚ_１３)は、0.24であるとする。図９Ａにおいて、横軸は光軸に直交する面における位置を表す。なお横軸において光軸の位置は０で表される。縦軸は位相変調量を表す。実線で示される曲線９０１は、位相変調素子１１が表示する位相変調プロファイルを表す。一方、点線で示される曲線９０２は、位相変調素子１２が表示する位相変調プロファイルを表す。この例では、位相変調プロファイル９０１における位相変調量の最大値及び最小値が、それぞれ、位相変調プロファイル９０２における位相変調量の最大値及び最小値と一致するようにしている。

【0046】

位相変調プロファイル９０１及び９０２に示されるように、３次球面収差成分に対する５次球面収差成分の比が大きくなるほど、位相変調プロファイルにおける、位相変調量が光軸に最も近い極値（この例では、最大値）となる位置が光軸から離れる。すなわち、光軸から、位相変調プロファイル９０１における、光軸に最も近い極値に相当する位置９０１ａまでの距離d1は、光軸から、位相変調プロファイル９０２における、光軸に最も近い極値に相当する位置９０２ａまでの距離d2よりも長くなる。

【0047】

ここで、互いに隣接する輪帯間での位相差が等間隔になるように、位相変調プロファイルを量子化することにより、位相変調素子１１及び１２の輪帯電極の配置パターンが決定される。互いに隣接する輪帯間での位相差が等間隔となる場合、後述するように、隣接する二つの輪帯電極ごとに、同じ抵抗値を持つ抵抗で接続することで位相変調プロファイルを離散的に近似する位相変調プロファイルを与えることができる。

【0048】

図９Ｂは、図９Ａに示された位相変調プロファイルを量子化して得られる、光軸を通る面に対応する位相変調プロファイルの断面図を表す。図９Ｂにおいて、横軸は光軸に直交する面における位置を表す。なお横軸において光軸の位置は０で表される。縦軸は位相変調量を表す。実線で示される折線９１１は、位相変調プロファイル９０１を量子化して得られる位相変調プロファイルを表し、点線で示される折線９１２は、位相変調プロファイル９０２を量子化して得られる位相変調プロファイルを表す。図９Ａと同様に、光軸から、位相変調プロファイル９１１における、光軸に最も近い極値に相当する位置９１１ａまでの距離d3は、光軸から、位相変調プロファイル９１２における、光軸に最も近い極値に相当する位置９１２ａまでの距離d4よりも長くなる。

【0049】

図１０は、図９Ｂに示された、量子化された位相変調プロファイルに対応する、位相変調素子１１及び１２の輪帯電極の配置パターンを示す図である。上側が示された実線で示される折線９１１は、図９Ｂに示される位相変調プロファイル９１１に対応し、点線で示される折線９１２は、図９Ｂに示される位相変調プロファイル９１２に対応する。図１０の下側には、位相プロファイル９１１に合わせて決定した位相変調素子１１の輪帯電極パターン１００１及び位相プロファイル９１２に合わせて決定した位相変調素子１２の輪帯電極パターン１００２が示される。簡単化のため、輪帯電極間のスペース及び引き出し電極等は図示していない。位相変調素子１１が透過する光束に与える位相変調量と印加電圧の特性がほぼリニアな電圧範囲内で、隣接する輪帯電極間の電圧差が同一ステップとなるように、制御回路１３が各輪帯電極に電圧を印加することで、位相変調素子１１は、３次球面収差成分に対する５次球面収差成分の比が0.292となる、量子化された位相変調プロファイルを表示することができる。同様に、位相変調素子１２が透過する光束に与える位相変調量と印加電圧の特性がほぼリニアな電圧範囲内で、隣接する輪帯電極間の電圧差が同一ステップとなるように、制御回路１３が各輪帯電極に電圧を印加することで、位相変調素子１２は、３次球面収差成分に対する５次球面収差成分の比が0.24となる、量子化された位相変調プロファイルを表示することができる。

【0050】

上述したように、３次球面収差成分に対する５次球面収差成分の比が大きくなるほど、位相変調プロファイルにおける、位相変調量が最大値、すなわち、光軸に最も近い極値となる位置が光軸から離れる。そのため、量子化された位相変調プロファイル９１１が与える位相変調量の最大値に相当する位置も、量子化された位相変調プロファイル９１２が与える位相変調量の最大値に相当する位置よりも光軸から離れた位置となる。したがって、光軸から、位相変調素子１１における位相変調プロファイルが与える位相変調量の最大値（光軸に最も近い極値）に相当する透明電極１００１ａの位置までの距離d3は、光軸から、位相変調素子１２における位相変調プロファイルが与える位相変調量の最大値（光軸に最も近い極値）に相当する透明電極１００２ａの位置までの距離d4よりも長くなる。

【0051】

隣接する輪帯電極間の電圧の差が同一ステップとなるように、各輪帯電極に電圧を印加するために、位相プロファイルから、位相変調量が最大となる位置及び最小となる位置に対応する輪帯電極が決定される。そして制御回路１３が、最大位相変調量となる印加電圧と最小位相変調量となる印加電圧を、それぞれに対応する輪帯電極に加える。また、複数の輪帯電極は、それぞれ隣接する輪帯電極間を同一の電気抵抗を持つ電極（抵抗子）によって接続されているため、抵抗分割により隣接する輪帯電極間の電圧差は同一ステップとなる。また、このように印加電圧を制御することで、各輪帯電極に印加する電圧を独立に制御する際の回路よりも、制御回路１３を単純な構成とすることができるというメリットがある。

【0052】

図１１は、位相変調素子１１及び１２がｎ個の輪帯電極を有する場合の、各輪帯電極と印加される電圧との関係を示す図である。例えば、中心電極を輪帯電極１、最外周の輪帯電極を輪帯電極ｎ、最大電圧を印加する輪帯電極を輪帯電極ｍとする。

【0053】

図１１では、３レベル駆動の場合に制御回路１３が電圧を印加する輪帯電極が示される。この例では、中心の１番目の輪帯電極に電圧Ｖ１が印加され、ｍ番目の輪帯電極に電圧Ｖ２が印加され、最外周のｎ番目の輪帯電極に電圧Ｖ３が印加される。この場合、１番目の輪帯電極とｍ番目の輪帯電極の間に位置するｋ番目の輪帯電極に印加される電圧は、ｋ番目の輪帯電極と１番目の輪帯電極間の抵抗値の合計Ｒ１と、１番目の輪帯電極とｍ番目の輪帯電極間の抵抗値の合計Ｒ２の比（Ｒ１／Ｒ２）を、（Ｖ２−Ｖ１）に乗じた値をＶ１に加算した値となる。同様に、ｎ番目の輪帯電極とｍ番目の輪帯電極の間に位置するｌ番目の輪帯電極に印加される電圧は、ｌ番目の輪帯電極とｎ番目の輪帯電極間の抵抗値の合計Ｒ３と、ｎ番目の輪帯電極とｍ番目の輪帯電極間の抵抗値の合計Ｒ４の比（Ｒ３／Ｒ４）を、（Ｖ３−Ｖ２）に乗じた値をＶ３に加算した値となる。

【0054】

なお、発生した波面収差の位相分布における中心及び端部の位相変調量が等しくなるように、デフォーカス値を選ぶことで、中心電極での位相変調量と最外周電極での位相変調量が一致する。この場合、最外周の輪帯電極ｎに印加される電圧値Ｖ３は、中心電極に印加される電圧Ｖ１と同一となり、位相変調素子１１及び１２は、２レベルの電圧で駆動できる。また、このように電圧を印加すれば、ＰＶ値を最小にすることができる。そして２レベル駆動の例では、印加される電圧Ｖ１とＶ２の差で、位相変調プロファイルの相対比を変えずに位相変調量の振幅が可変される。
また、各輪帯電極は互い絶縁され、制御回路１３から直接電圧が印加されてもよい。この場合には、制御回路１３は、輪帯電極ごとに印加する電圧を調整することで、位相変調素子１１、１２に、輪帯電極の配置パターンに応じた所望の位相変調プロファイルを表示させることができる。

【0055】

表１は、試料表面からの深さと、対物レンズ４を含む光学系により発生する収差と、各位相変調素子による位相調整量との関係を表すテーブルである。この例でも、表１に示した観察深さに対する３次球面収差と５次球面収差、及び、３次球面収差に対する５次球面収差の比率は、前述の図６Ａ〜図６Ｃに対応する。
ここで、発生収差を正の値で示し、この発生収差を打ち消す位相変調素子の各収差成分を負で示す。また、位相変調素子１１が表す位相変調プロファイルにおける、３次球面収差成分に対する５次球面収差成分の比は0.292であり、位相変調素子１２が表す位相変調プロファイルにおける、３次球面収差成分に対する５次球面収差成分の比は0.24であるとする。また、各位相変調素子が単独で与えられる３次球面収差成分についての位相調整量の最大値を1.8λ(λは、レーザ光源１から発するレーザ光の波長である)とする。

【表1】

表１に示されるように、観察深さが深くなるほど、発生する３次球面収差と５次球面収差はともに大きくなるが、３次球面収差に対する５次球面収差の比は低下する。
各位相変調素子の列に記載の電圧（Ｖ）は位相変調量が最大となる輪帯電極と最小となる輪帯電極間に印加する電圧値であり、この例においては、図１０及び１１に示すとおり電圧値Ｖは（Ｖ２−Ｖ３）に相当する。

【0056】

位相変調素子１１の３次球面収差成分をａ、５次球面収差成分をｂ、３次球面収差に対する５次球面収差の比率をα（表１では、α＝0.292）とし、位相変調素子１２の３次球面収差成分をｃ、５次球面収差成分をｄ、３次球面収差に対する５次球面収差の比率をβ（表１では、β＝0.24）とする。また、各位相変調素子の３次球面収差成分の合計（発生収差の３次球面収差成分の逆符号）をｘとし、５次球面収差成分の合計（発生収差の５次球面収差成分の逆符号）をｙとすれば、ａ、ｂ、ｃ、ｄと、ｘ、ｙ、α、βの関係は、以下の式で示される。
ａ＋ｃ＝ｘ ・・・式１
ｂ＋ｄ＝ｙ ・・・式２
ｂ／ａ＝α ・・・式３
ｄ／ｃ＝β ・・・式４

【0057】

したがって、発生収差の各次数の球面収差成分の逆符号をそれぞれｘ及びｙとして上記連立方程式を解くことにより、各位相変調素子１１、１２が与えるべき各次球面収差の位相変調成分ａ、ｂ、ｃ、ｄが算出される。

【0058】

各位相変調量素子に算出した位相変調成分と同等の位相変調量を与えるように電圧（Ｖ）を印加することで、位相変調デバイス３は、発生収差を補正することができる。なお、各位相変調素子１１、１２における３次球面収差成分と５次球面収差成分の比率はそれぞれ任意の値α、βに固定されるため、３次球面収差成分のａ、ｃまたは５次球面収差成分のｂ、ｄのどちらか一方が決まれば、他方も算出するまでもなく一意的に決定される。

【0059】

図１２Ａは、各位相変調素子により表示される位相変調プロファイル及びその組み合わせに応じてキャンセルされる３次球面収差成分と試料表面からの深さとの関係の一例を示す図であり、表１に対応する。また図１２Ｂは、各位相変調素子により表示される位相変調プロファイル及びその組み合わせに応じてキャンセルされる５次球面収差成分と試料表面からの深さとの関係の一例を示す図であり、表１に対応する。図１２Ａ及び図１２Ｂにおいて、横軸は試料表面からの深さを表し、縦軸は、波長単位の位相調整量を表す。図１２Ａにおいて、線１２０１は、試料表面からの深さと、位相変調素子１１がキャンセルする３次球面収差成分との関係を表す。また線１２０２は、試料表面からの深さと、位相変調素子１２がキャンセルする３次球面収差成分の補正量との関係を表す。そして線１２０３は、試料表面からの深さと、位相変調素子１１がキャンセルする３次球面収差成分と位相変調素子１２がキャンセルする３次球面収差成分の合計との関係を表す。同様に、図１２Ｂにおいて、線１２１１は、試料表面からの深さと、位相変調素子１１がキャンセルする５次球面収差成分との関係を表す。また線１２１２は、試料表面からの深さと、位相変調素子１２がキャンセルする５次球面収差成分との関係を表す。そして線１２１３は、試料表面からの深さと、位相変調素子１１がキャンセルする５次球面収差成分と位相変調素子１２がキャンセルする５次球面収差成分の合計との関係を表す。

【0060】

表１及び図１２Ａ及び図１２Ｂに示されるように、試料表面からの深さに応じて、３次球面収差成分と５次球面収差成分の比率が変化しても、位相変調素子１１及び位相変調素子１２が有する輪帯電極に印加する電圧を調整することで、各位相変調素子がキャンセルする各次数の球面収差成分の比率はそのままでも、全体として、位相変調量を可変にすることができる。そして位相変調デバイス３が全体として光束に与える位相変調量は、各電圧における、位相変調素子１１が与える位相変調量と位相変調素子１２が与える位相変調量の合計となる。その結果として、位相変調デバイス３は、試料表面からの深さによらずに、３次球面収差及び５次球面収差を良好に補正できることが分かる。

【0061】

なお、制御回路１３は、例えば、制御回路１３が有するメモリに、予め、試料表面からの深さと、位相変調素子１１、１２の各輪帯電極に印加する電圧との関係を表す参照テーブルを記憶しておく。そして制御回路１３は、その参照テーブルを参照して、試料表面からの深さに対応する各輪帯電極に印加する電圧を決定し、その決定した電圧を対応する輪帯電極に印加すればよい。なお、試料表面からの深さだけでなく、試料の屈折率によっても、対物レンズから光束の集光位置までの光路長は変化する。そこで、参照テーブルは、対物レンズから光束の集光位置までの光路長と、位相変調素子１１、１２の各輪帯電極に印加する電圧との関係を表してもよい。そして制御回路１３は、その参照テーブルを参照して、対物レンズから光束の集光位置までの光路長に対応する各輪帯電極に印加する電圧を決定し、その決定した電圧を対応する輪帯電極に印加すればよい。

【0062】

また本実施形態では、各位相変調素子が、予め、３次球面収差成分に対する５次球面収差成分の所定の比率（ただし、所定の比率は0及び∞の何れでもない比率、すなわち、３次球面収差成分と５次球面収差成分の両方を持つ）に応じた位相変調プロファイルを表示することで、二つの位相変調素子のそれぞれが与える位相変調量の合計を大きくすることができる。もし仮に、一方の位相変調素子が３次元球面収差成分の位相分布を打ち消す位相変調プロファイルを表示し、他方の位相変調素子が５次元球面収差成分の位相分布を打ち消す位相変調プロファイルを表示する場合、３次元及び５次元の球面収差成分に対する補正量のそれぞれは、一つの位相変調素子が与えることができる位相変調量の最大値以下に制限される。しかし本実施形態では、位相変調素子１１、１２のそれぞれが、３次球面収差成分と５次球面収差成分の両方を補正する位相変調量を通過する光束に与えることができるので、３次元及び５次元の球面収差成分の補正量のそれぞれは、一つの位相変調素子が与えることができる位相変調量の最大値（この例では1.8λ）よりも大きくなる。

【0063】

また、前述したように、位相差は、液晶層に入射する光の波長に依存する。一般的なレーザ顕微鏡のレーザ光源１は、レーザ光の複数の波長のなかから選択された波長のレーザ光を照射することができる。しかしながら、使用するレーザ光の波長によって、必要な位相変調量が異なるため、位相変調デバイス３の制御回路１３は、位相変調素子１１、１２のそれぞれによる位相変調量を補正することが必要となる。制御回路１３は、波長の違いによる位相変調量のずれを、位相変調デバイス３の液晶層に印加する電圧を変化させることで補正することができる。さらに、制御回路１３は、温度変化等による位相変調量のずれも、位相変調素子１１、１２のそれぞれの液晶層に印加する電圧を調整することでキャンセルすることができる。

【0064】

ここで、レーザ光の波長の違いによる最適な位相変調量を得る方法について説明する。図１３に示されるグラフ１３００は、上述した実施例における位相変調デバイス３の液晶層に封入された液晶の波長分散特性を示している。横軸は波長を表し、縦軸は位相変調デバイス３の位相差（Δｎｄ）を、５５０ｎｍ時の位相差の値が１となるよう正規化した値を示している。グラフ１３００に示されるように、例えば４８８ｎｍのレーザ光では、波長分散の度合いは１．０５７であり、４０５ｎｍのレーザ光では、波長分散の度合いは１．２００となる。これは、液晶層の厚さｄが一定値であるため、Δｎ（＝ｎ_e−ｎ_o）が、レーザ光の波長により異なることを示している。したがって、図１に図示した同じ試料５の同じ位置を観察しても、使用するレーザ光源１の波長によって、最適な位相変調プロファイルは異なる。そこで、位相変調素子１１及び１２が、最適な位相変調プロファイルを透過する光束に与えるには、その波長に最適な、波長分散の度合いをパラメーターとして、位相変調プロファイルの算出式に加味して、位相変調プロファイルを最適化することが好ましい。

【0065】

具体的には、使用するレーザ光源１の波長をパラメーターとして位相変調プロファイルの作成に用いることが必要である。つまり、前述のように作成した位相変調プロファイルに、図１３で図示したように波長分散の度合いを係数として乗じれば、レーザ光源からのレーザ光の波長を考慮した最適化された位相変調プロファイルが得られる。そして、制御回路１３は、最適化された位相変調プロファイルに基づいて、位相変調素子１１及び１２の各電極に印加する電圧を調整すればよい。

【0066】

以上に説明してきたように、この位相変調デバイスは、複数の位相変調素子を有し、各位相変調素子が、３次球面収差成分に対する５次球面収差成分の比率が互いに異なる位相変調プロファイルを表示可能なように、互いに異なる輪帯電極配置パターンを有している。そのため、この位相変調デバイスは、各位相変調素子の輪帯電極に印加する電圧を調整することで、対物レンズから集光位置までの距離によらずに３次球面収差成分及び５次球面収差成分を良好に補正できる。

【0067】

なお、変形例によれば、各位相変調素子が表示する位相変調プロファイルは、３次球面収差成分と５次球面収差成分の組み合わせに相当する位相分布を補正するものに限られない。例えば、その位相変調プロファイルは、３次球面収差成分と７次球面収差成分の合計と、５次球面収差成分とデフォーカス成分の合計との組み合わせに相当する位相分布を補正するものであってもよい。

【0068】

図１４Ａは、変形例による、二つの位相変調素子のそれぞれに表示される、光軸を通る面に対応する位相変調プロファイルの断面図を表す。この変形例では、位相変調素子１１及び１２が表示する位相変調プロファイルは、３次球面収差成分と７次球面収差成分の合計と、５次球面収差成分とデフォーカス成分の合計との組み合わせに相当する位相分布を補正するものである。位相変調素子１１が表示する位相変調プロファイルにおける、３次球面収差成分、７次球面収差成分、５次球面収差成分、デフォーカス成分の比は、1:0.084:0.292:-0.292である。一方、位相変調素子１２が表示する位相変調プロファイルにおける、３次球面収差成分、７次球面収差成分、５次球面収差成分、デフォーカス成分の比は、1:0.084:0.24:-0.24である。図１４Ａにおいて、横軸は光軸に直交する面における位置を表す。なお横軸において光軸の位置は０で表される。縦軸は位相変調量を表す。実線で示される曲線１４０１は、位相変調素子１１が表示する位相変調プロファイルを表す。一方、点線で示される曲線１４０２は、位相変調素子１２が表示する位相変調プロファイルを表す。この例では、位相変調プロファイル１４０１における位相変調量の最大値及び最小値が、それぞれ、位相変調プロファイル１４０２における位相変調量の最大値及び最小値と一致するようにしている。

【0069】

位相変調プロファイル１４０１及び１４０２に示されるように、この変形例でも、３次球面収差成分と７次球面収差成分の合計に対する、５次球面収差成分とデフォーカス成分の合計の比が大きくなるほど、位相変調プロファイルにおける、位相変調量が最大値となる位置（すなわち、位相変調量が光軸に最も近い極値となる位置）が光軸から離れる。すなわち、光軸から、位相変調プロファイル１４０１における、光軸に最も近い極値に相当する位置１４０１ａまでの距離d11は、光軸から、位相変調プロファイル１４０２における、光軸に最も近い極値に相当する位置１４０２ａまでの距離d12よりも長くなる。

【0070】

図１４Ｂは、図１４Ａに示された位相変調プロファイルを互いに隣接する輪帯間での位相差が等間隔になるように量子化して得られる、光軸を通る面に対応する位相変調プロファイルの断面図を表す。図１４Ｂにおいて、横軸は光軸に直交する面における位置を表す。なお横軸において光軸の位置は０で表される。縦軸は位相変調量を表す。実線で示される折線１４１１は、位相変調プロファイル１４０１を量子化して得られる位相変調プロファイルを表し、点線で示される折線１４１２は、位相変調プロファイル１４０２を量子化して得られる位相変調プロファイルを表す。

【0071】

図１５は、図１４Ｂに示された、量子化された位相変調プロファイルに対応する、位相変調素子１１及び１２の輪帯電極の配置パターンを示す図である。上側が示された実線で示される折線１４１１は、図１４Ｂに示される位相変調プロファイル１４１１に対応し、点線で示される折線１４１２は、図１４Ｂに示される位相変調プロファイル１４１２に対応する。図１５の下側には、位相プロファイル１４１１に合わせて決定した位相変調素子１１の輪帯電極パターン１５０１及び位相プロファイル１４１２に合わせて決定した位相変調素子１２の輪帯電極パターン１５０２が示される。簡単化のため、輪帯電極間のスペース及び引き出し電極等は図示していない。位相変調素子１１が透過する光束に与える位相変調量と印加電圧の特性がほぼリニアな電圧範囲内で、隣接する輪帯電極間の電圧差が同一ステップとなるように、制御回路１３が各輪帯電極に電圧を印加することで、位相変調素子１１は、３次球面収差成分、７次球面収差成分、５次球面収差成分、デフォーカス成分の比が1:0.084:0.292:-0.292となる、量子化された位相変調プロファイルを表示することができる。同様に、位相変調素子１２が透過する光束に与える位相変調量と印加電圧の特性がほぼリニアな電圧範囲内で、隣接する輪帯電極間の電圧差が同一ステップとなるように、制御回路１３が各輪帯電極に電圧を印加することで、位相変調素子１２は、３次球面収差成分、７次球面収差成分、５次球面収差成分、デフォーカス成分の比が1:0.084:0.24:-0.24となる、量子化された位相変調プロファイルを表示することができる。そしてこの変形例においても、制御回路１３が各位相変調素子の各輪帯電極に印加する電圧を対物レンズから集光位置までの距離に応じて調節することで、位相変調デバイスは、その距離に応じた比率を持つ各収差成分を良好に補正できる。

【0072】

上述したように、３次球面収差成分と７次球面収差成分の合計に対する５次球面収差成分とデフォーカス成分の合計の比が大きくなるほど、位相変調プロファイルにおける、位相変調量が最大値（すなわち、光軸に最も近い極値）となる位置が光軸から離れる。そのため、量子化された位相変調プロファイル１４１１が与える位相変調量の最大値に相当する位置も、量子化された位相変調プロファイル１４１２が与える位相変調量の最大値に相当する位置よりも光軸から離れた位置となる。したがって、位相変調素子１１における位相変調プロファイルが与える位相変調量の最大値に相当する透明電極１５０１ａの位置は、位相変調素子１２における位相変調プロファイルが与える位相変調量の最大値に相当する透明電極１５０２ａの位置よりも光軸から離れた位置となる。

【0073】

また他の変形例によれば、位相変調デバイスが有する位相変調素子の数は２個に限られない。例えば、位相変調デバイスは、対物レンズを有する光学系の光路上に並べて配置される、３個以上の位相変調素子を有していてもよい。この場合も、各位相変調素子は、何れかの収差成分に対する他の収差成分の比に応じた位相変調プロファイルを表示し、かつ、位相変調素子ごとに、その比が異なっていることが好ましい。

【0074】

さらに他の変形例によれば、位相変調素子は、液晶層を挟んで対向するように形成される二つの透明電極が、それぞれ、互いに異なる何れかの収差成分に対する他の収差成分の比に応じた位相変調プロファイルに対応する配置パターンを有する複数の輪帯電極を有していてもよい。この場合、位相変調デバイスが有する位相変調素子は一つでもよい。

【0075】

図１６は、この変形例による、位相変調素子１６００の光軸を通る面における側面断面における、輪帯電極の配置パターンの概略を示す図である。なお、この変形例においても、位相変調素子１６００の構成は、輪帯電極の配置パターンを除いて、図７Ａ及び図７Ｂに示した位相変調素子１１、１２と同一とすることができる。そのため、輪帯電極の配置パターン以外の位相変調素子１６００の構成の詳細については、位相変調素子１１、１２についての説明を参照されたい。この例では、位相変調素子１６００の液晶層１６１０の一方の面に設けられた輪帯電極の配置パターン１６０１は、例えば、３次球面収差成分に対する５次球面収差成分の比が0.292となる位相変調プロファイルを表示するものである。一方、液晶層１６１０の他方の面に設けられた輪帯電極の配置パターン１６０２は、例えば、３次球面収差成分に対する５次球面収差成分の比が0.24となる位相変調プロファイルを表示するものである。この場合、制御回路１３は、配置パターン１６０１に含まれる各輪帯電極に印加する電圧と、配置パターン１６０２に含まれる各輪帯電極に印加する電圧とを、対物レンズから集光位置までの距離に応じて調節することで、位相変調素子１６００は、その距離に応じた３次球面収差成分に対する５次球面収差成分の比に相当する位相変調プロファイルを表示することができる。

【0076】

この変形例によれば、位相変調素子が一枚でよいので、液晶層及び透明電極の透過率及び吸収率などに応じた光のロスが軽減される。またこの変形例によれば、位相変調素子の数が一枚でよいので、光路内において位相変調素子を配置可能なスペースが小さく、位相変調素子を複数枚配置することができない場合にも適用できる。

【0077】

また、上記の実施形態及び各変形例では、位相変調デバイスの位相変調素子として液晶素子を用いたが、位相変調素子は、液晶素子に限られない。例えば、ポッケルス効果に代表される電気光学効果を持つ光学結晶素子を、位相変調素子として用いることもできる。この場合にも、液晶素子が利用される場合と同様に、光軸を中心とする複数の輪帯電極が、平板上の光学結晶素子の一方の面に取り付けられ、光学結晶素子の他方の面には、その面全体を覆うように電極が取り付けられる。各電極は、上記の実施形態と同様に、透明電極とすることが好ましい。この変形例でも、上記の実施形態と同様に、制御回路は、各輪帯電極に印加する電圧を調節することで、対物レンズを含む光学系の収差を補正する位相変調プロファイルを光学結晶素子に表示させ、光学結晶素子を透過する光束にその位相変調プロファイルに応じた位相分布を与えることができる。

【0078】

また他の変形例では、反射型になるというデメリットはあるが、デフォーマブルミラーを、位相変調素子として用いてもよい。この場合には、デフォーマブルミラーに、光軸を中心とする複数の輪帯電極が取り付けられる。そして制御回路は、各輪帯電極に印加する電圧を調節することで、対物レンズを含む光学系の収差を補正する位相変調プロファイルをデフォーマブルミラーで表し、デフォーマブルミラーにより反射される光束に、その位相変調プロファイルに応じた位相分布を与えることができる。

【0079】

以上のように、当業者は、本発明の範囲内で、実施される形態に合わせて様々な変更を行うことができる。

【符号の説明】

【0080】

１００ レーザ顕微鏡
１ レーザ光源
２ コリメート光学系
３ 位相変調デバイス
４ 対物レンズ
５ 試料
６ ビームスプリッター
７ コンフォーカル光学系
８ 共焦点ピンホール
９ 検出器
１１、１２、１６００ 位相変調素子
１３ 制御回路
２１、２２ 透明基板
２３ シール部材
３３ 透明電極
３４ 液晶分子

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3A】

【図3B】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図6C】

【図7A】

【図7B】

【図8】

【図9A】

【図9B】

【図10】

【図11】

【図12A】

【図12B】

【図13】

【図14A】

【図14B】

【図15】

【図16】