[发明专利]像差校正光学单元及激光显微镜

说明书

技术领域

本发明涉及光学系统的像差校正技术，特别是涉及在激光显微镜中，配合于观察模式或显微镜的规格来控制根据试样或观察条件而产生的像差。

背景技术

激光显微镜将激光通过物镜聚光于试样上，激光显微镜通过沿着在与光轴垂直的面上的、互相正交的两方向(X方向、Y方向)扫描试样，取得试样的平面图像。另一方面，通过改变物镜和试样的光轴方向(Z方向)的间隔，可得到Z方向的多个断层像(Z堆)，由此，激光显微镜构筑试样的3D图像。

在这里，形成激光显微镜的主流的共焦点激光显微镜将由试样产生的反射光、散射光或荧光在光学系统中传输，在检测器接收透过了配置于和试样上的聚光点光学共轭的位置的针孔的光束。通过配置针孔，能够过滤从试样上的聚光点以外产生的光，因此共焦点激光显微镜能够取得SN比良好的图像。

又，多光子显微镜通过用开口数NA的大物镜来对激光进行聚光，从而提高焦点面的光子密度。由此，荧光分子同时吸收多个(N个)光子，用通常的N倍的能量来激发荧光分子。例如，在2光子显微镜的情况下，两个光子同时相当于荧光分子，观察到通常的1/2 波长的荧光。2光子同时相当于荧光分子的概率非常低，不产生来自焦点以外的区域的发光。因而，即使没有上述针孔，多光子显微镜也可只获取检点的试样信息。

观察活体试样的情况下，以浸入培养液的状态隔着盖玻片观察的情形较多。又，一般来说，物镜设计为规定厚度的主盖玻片正下的成像性能最好。在观察活体试样内部的情况下，有必要取得与透过了培养液或活体组织的深度相当的观察位置的图像，产生与在从盖玻片正下方到观察位置的距离成比例的像差，作为其结果，分辨率降低。

对于该像差，参照图2A及图2B进行详细说明。图2A及图2B是示意地表示进行观察的试样的深度所产生的像差的图。为了简化说明，物镜被设计为最适于对均匀折射率的介质进行观察的情况。图2A示出设计中使用的观察均匀折射率的介质情况下的光束100。图2A中，示出光束100无像差地聚光于一点。与此相对，图2B示出观察试样深度D的面的情况下的光束100。在相接于物镜的介质和试样的边界面111，光束110折射，通过产生的像差，光束110没有聚光于一点。

例如，在物镜为干透镜的情况下，因为物镜和试样间的空隙被空气充满，所以物镜和试样间的介质(空气)的折射率为1.0，而与活体试样的折射率(例如1.39)不同。因此，与物镜和试样间的介质的折射率与活体试样的折射率之间的差，以及活体的观察深度成比例地产生像差。另一方面，在物镜为浸水透镜的情况下，因为物镜和试样间的空隙被水充满，所以物镜和试样间的介质(水)的折射率为1.333，其折射率比起空气更接近活体试样的折射率。因此，浸水透镜虽适于观察活体深部，但因为活体试样的折射率和水的折射率不相等，所以最终还是由于活体试样的折射率和水的折射率之差而导致像差产生。因此，分辨率下降成为问题。

进而，盖玻片的厚度也具有偏离设计值(例如0.17mm)在公差范围内的误差。由于盖玻片折射率1.525和活体试样折射率1.38～1.39之差，导致与偏离设计厚度的盖玻片实际厚度的差成比例地产生像差。由于偏离上述的设计值的偏差而导致具有以光轴为中心的对称性相位分布的球面像差产生。

解决上述像差所导致的画质劣化的手段之一有校正环。校正环是被设置于物镜上的环状旋转构件，通过旋转校正环，构成物镜的透镜组的间隔被变更。由此，盖玻片的厚度的误差或观察活体深部的情况下产生的像差被消除。校正环上刻有度数，例如，对于盖玻片厚度，如0、0.17、0.23那样地大致地示出数值。然后，根据实际上使用的盖玻片的厚度来配合校正环的度数，由此其厚度中被最优化那样地调整透镜组的间隔(例如，参照专利文献1)。

又，也已知通过作为像差校正器件的一例的波面转换元件来补偿产生的像差。该技术在显微镜的光路中配置可矩阵驱动的形状可变镜元件，通过该形状可变镜元件，基于事前测定的波面转换数据来调制波面形状，并将调制的光波入射到试样，由此取得像差被校正的成像性能高的图像(例如参照专利文献2)。

又，作为波面转换元件，已知有LCOS(Liquid Crystal on Silicon)类型的空间光调制元件(参照专利文献3)，其中，该LCOS类型的空间光调制元件对相位分布进行显示，该相位分布是将电压施加于像素被排列为矩阵状的液晶元件的各像素，通过使液晶的折射率改变来消除波像差的相位分布。LCOS类型的空间光调制元件是在采用CMOS技术制作而成的地址部形成直接液晶层的反射型的电光相位调制元件，通过驱动的电压，控制各像素的相位调制量。