JP6278707B2 - 光学装置 - Google Patents

Description

本発明は、照明光を標本に照射する光学装置に関し、特に、対物レンズの瞳位置またはその近傍に位相変調型の空間光変調器を備える光学装置に関する。

従来から、対物レンズの瞳共役位置に、デフォーマブルミラーや液晶光変調素子などの位相変調型の空間光変調器（Spatial light modulator、以降、ＳＬＭと記す）を備えた光学装置が知られている。この光学装置によれば、ＳＬＭで光の位相を変調することで集光面に照射される光のパターン（以降、照射パターンと記す）や集光位置を変化させることができる。このため、装置外部の要因（例えば、標本の観察深さ、標本の屈折率分布、カバー硝子の厚さなど）によって生じる集光位置の変動の補償やパターン照明などへの利用が提案されている。

対物レンズの瞳共役位置に２次元走査ユニットが配置された顕微鏡装置にＳＬＭを適用する場合、ＳＬＭは、光源と２次元走査ユニットとの間に配置されるのが通常である。しかしながら、この構成では、対物レンズの瞳を２次元走査ユニットに投影するためのリレー光学系に加えて、２次元走査ユニットに投影された対物レンズの瞳をＳＬＭに投影するためのリレー光学系が必要となる。このため、装置構成の複雑化、装置の大型化、光の利用効率の低下などの課題が指摘されている。

これに対して、ＳＬＭを対物レンズの瞳位置またはその近傍に配置すれば、これらの課題は解決可能である。対物レンズの瞳位置近傍にＳＬＭを配置した構成は、例えば、特許文献１に開示されている。

特開２００３−１２１７４９号公報

ところで、顕微鏡装置などの光学装置では、標本に対して用途の異なる複数の照明が同時に行われることがある。例えば、刺激光（照明光）による光刺激と標本のイメージングのための励起光（照明光）の照射、マルチフォーカスのためのＺ位置が異なる複数の面への照明光の照射、複数の蛍光物質を励起するための異なる波長の照明光の照射などである。

この場合、対物レンズの瞳位置またはその近傍にＳＬＭを配置する構成では、通常は用途の異なる複数の照明光がＳＬＭで一律に変調されてしまう。従って、複数の照明光の中から特定の照明光のみをＳＬＭで選択的に変調するということは困難である。

また、顕微鏡装置などの光学装置では、標本に対して用途の異なる複数の照明が順番に行われることがある。例えば、刺激光（照明光）の照射後に励起光（照明光）を照射する場合などである。

この場合、照明の切り換えに連動してＳＬＭを制御することで、特定の照明光（例えば、刺激光）のみでパターン照明を行うなど、複数の照明光の中から特定の照明光のみをＳＬＭで選択的に制御することが可能である。しかしながら、ＳＬＭで行う位相変調のパターン（以降、位相変調パターンと記す）の変更にはある程度の時間がかかる。従って、位相変調パターンの変更に合せて照明の切換えを行うと、照明の切換え速度が制限されてしまい、実用において支障を来す可能性がある。

以上のような実情を踏まえ、本発明は、標本に対して様々な照明が可能なコンパクト且つシンプルな光学構成を有する光学装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様は、照明光を標本に照射するとともに、前記照明光の照射によって前記標本から発生する反応光を取り込む対物レンズと、照明光を出射する１つの光源と、前記対物レンズの瞳位置またはその近傍に配置され、第１の偏光方向を有する照明光の位相を変調し前記第１の偏光方向と直交する第２の偏光方向を有する照明光の位相を変調しない１つの位相変調型の空間光変調器と、前記位相変調型の空間光変調器に、前記光源からの照明光の偏光方向を切り替えることで、前記第１の偏光方向を有する照明光と前記第２の偏光方向を有する照明光を切り換えて照射する照射切り替え手段と、を備える光学装置を提供する。

本発明の第２の態様は、第１の態様に記載の光学装置において、前記光源は、直線偏光である照明光を出射し、前記照射切り替え手段は、前記光源と前記位相変調型の空間光変調器の間に挿脱可能に配置され、前記光源から出射した前記照明光の偏光方向を９０度回転させる偏光変調素子と、前記偏光変調素子を前記照明光の光路に対して挿脱する挿脱機構と、前記挿脱機構を駆動する駆動部と、前記駆動部を制御する偏光制御部と、を備える光学装置を提供する。

本発明の第３の態様は、第１の態様に記載の光学装置において、前記光源は、直線偏光である照明光を出射し、前記照射切り替え手段は、前記光源と前記位相変調型の空間光変調器の間に配置され、前記光源から出射した前記照明光を円偏光に変換する第１の偏光変調素子と、前記第１の偏光変調素子と前記位相変調型の空間光変調器の間に配置され、円偏光に変換された前記照明光を偏光方向が９０度異なる直線偏光のいずれかに変換する第２の偏光変調素子と、前記第２の偏光変調素子の状態を、前記照明光を偏光方向が９０度異なる直線偏光の一方に変換する第１の状態と前記照明光を偏光方向が９０度異なる直線偏光の他方に変換する第２の状態との間で切り換える偏光制御部と、を備える光学装置を提供する。

本発明の第４の態様は、第１の態様に記載の光学装置において、前記照射切り替え手段は、前記光源と前記位相変調型の空間光変調器の間に回転可能に配置され、前記光源から出射した前記照明光から所定の偏光方向を有する照明光を選択的に透過させる偏光変調素子と、回転前後で前記所定の偏光方向が９０度異なるように前記偏光変調素子を回転させる回転機構と、前記回転機構を駆動する駆動部と、前記駆動部を制御する偏光制御部と、を備える光学装置を提供する。

本発明の第５の態様は、第１の態様乃至第４の態様のいずれか１つに記載の光学装置において、さらに、前記対物レンズの瞳共役位置またはその近傍に配置された、前記標本を走査する走査ユニットを備える光学装置を提供する。

本発明の第６の態様は、第１の態様に記載の光学装置において、前記光源は、直線偏光である照明光を出射する第１の光源ユニットであり、直線偏光である照明光を出射する第２の光源ユニットを備え、前記照射切り替え手段は、前記第１の光源ユニットから出射した照明光と前記第２の光源ユニットから出射した照明光とを互いに偏光方向が９０度異なる状態で前記位相変調型の空間光変調器に導く光路合成素子と、前記第１の光源ユニットからの照明光の出射と前記第２の光源ユニットからの照明光の出射を制御する偏光制御部と、を備える光学装置を提供する。

本発明の第７の態様は、第６の態様に記載の光学装置において、さらに、前記対物レンズの瞳共役位置またはその近傍であって前記第１の光源ユニットと前記光路合成素子との間に配置された第１の走査ユニット、または、前記対物レンズの瞳共役位置またはその近傍であって前記第２の光源ユニットと前記光路合成素子との間に配置された第２の走査ユニット、の少なくとも一方を備える光学装置を提供する。

本発明の第８の態様は、第１の態様乃至第７の態様のいずれか１つに記載の光学装置において、さらに、前記位相変調型の空間光変調器を制御するＳＬＭ制御部を備え、前記ＳＬＭ制御部は、前記第１の偏光方向を有する照明光の集光面と前記第２の偏光方向を有する照明光の集光面が一致するように、前記位相変調型の空間光変調器を制御する光学装置を提供する。

本発明の第９の態様は、第１の態様乃至第７の態様のいずれか１つに記載の光学装置において、さらに、前記位相変調型の空間光変調器を制御するＳＬＭ制御部を備え、前記ＳＬＭ制御部は、前記第１の偏光方向を有する照明光の集光面と前記第２の偏光方向を有する照明光の集光面が異なるように、前記位相変調型の空間光変調器を制御する光学装置を提供する。

本発明の第１１の態様は、第１の態様乃至第１０の態様のいずれか１つに記載の光学装置において、さらに、前記対物レンズの瞳位置またはその近傍に配置され、前記第２の偏光方向を有する照明光の位相を変調し前記第１の偏光方向を有する照明光の位相を変調しない位相変調型の第２の空間光変調器を備える光学装置を提供する。

本発明によれば、標本に対して様々な照明が可能なコンパクト且つシンプルな光学構成を有する光学装置を提供することができる。

本発明の実施例１に係る光学装置の構成を示す概略図である。 本発明の実施例１に係る光学装置が第１の状態にあるときに標本上に形成される照射パターンを例示した図である。 本発明の実施例１に係る光学装置が第２の状態にあるときに標本上に形成される照射パターンを例示した図である。 本発明の実施例２に係る光学装置の構成の一部を示す概略図である。 本発明の実施例２、６に係る光学装置が第１の状態にあるときに標本上に形成される照射パターンを例示した図である。 本発明の実施例２、６に係る光学装置が第２の状態にあるときに標本上に形成される照射パターンを例示した図である。 本発明の実施例３に係る光学装置の構成の一部を示す概略図である。 本発明の実施例４に係る光学装置の構成を示す概略図である。 本発明の実施例４に係る光学装置が第１の状態にあるときに標本上に形成される照射パターンを例示した図である。 本発明の実施例４に係る光学装置が第２の状態にあるときに標本上に形成される照射パターンを例示した図である。 本発明の実施例５に係る光学装置の構成を示す概略図である。 本発明の実施例６に係る光学装置の構成を示す概略図である。 本発明の実施例７に係る光学装置の構成を示す概略図である。 本発明の実施例８に係る光学装置の構成を示す概略図である。 本発明の実施例８に係る光学装置がポンプ光とイレース光で標本上に形成する照射パターンを例示した図である。

［実施例１］
図１は、本実施例に係る光学装置１００の構成を例示した図である。図１に例示される光学装置１００は、対物レンズ６の瞳位置またはその近傍に位相変調型のＳＬＭである液晶光変調素子７を備えた２光子励起顕微鏡装置である。光学装置１００は、液晶光変調素子７に入射する照明光の偏光方向を制御することで照明光の変調が必要な場合にのみ液晶光変調素子７で照明光を変調することが可能であり、その結果、標本Ｓに対して様々な照明を行うことができるというものである。

光学装置１００は、図１に示されるように、顕微鏡本体と、制御装置２０と、記憶装置３０と、表示装置４０と、入力装置５０と、駆動装置６０と、を備えている。

顕微鏡本体は、レーザ１と、挿脱機構２と、λ／２板３と、レーザ光を平行光に変換するレンズ４と、レーザ光を透過し且つ蛍光を反射する光学特性を有するダイクロイックミラー５と、レーザ光を標本Ｓに照射するとともにレーザ光の照射によって標本Ｓから発生する反応光である蛍光を取り込む対物レンズ６と、液晶光変調素子７を備えている。顕微鏡本体は、さらに、結像レンズ８と、レーザ光を遮断するバリアフィルタ９と、瞳投影レンズ１０と、蛍光を検出する光電子増倍管（Photomultiplier、以降、ＰＭＴと記す）１１と、を備えている。

レーザ１は、直線偏光であるレーザ光（照明光）を出射する光源である。レーザ１は、例えば、赤外域のレーザ光を出射する２光子励起用のチタンサファイアレーザであり、サブピコ秒オーダーのパルス幅を有するパルス光を出射する。レーザ１から出射される直線偏光は、図１に示すように紙面に直交する偏光方向Ｄ２（第２の偏光方向）を有している。レーザ１は制御装置２０に接続されていて、レーザ１の発光は制御装置２０によって制御される。

挿脱機構２は、λ／２板３をレーザ光の光路に対して挿脱する機構であり、挿脱機構２を駆動する駆動部である駆動装置６０に接続されている。駆動装置６０が制御装置２０の制御の下で挿脱機構２を駆動することで、λ／２板３が光路に対して挿脱される。挿脱機構２は、例えば、スライダ機構であり、駆動装置６０は、例えば、モータである。

λ／２板３は、レーザ１から出射されるレーザ光の偏光方向を変調する偏光変調素子である。より詳細には、λ／２板３は、直線偏光であるレーザ光に位相差を１８０度与えてレーザ光の偏光方向を９０度回転させる。λ／２板３は、レーザ１と液晶光変調素子７の間のレーザ光の光路に対して挿脱可能に配置されている。

なお、λ／２板３が光路に挿入されている状態（以降、第１の状態と記す）では、レーザ光の偏光方向はλ／２板３で紙面に平行な偏光方向Ｄ１（第１の偏光方向）に変換されるため、偏光方向Ｄ１を有するレーザ光がレンズ４及びダイクロイックミラー５を介して液晶光変調素子７に入射する（図１の実線を参照）。一方、λ／２板３が光路から取り除かれている状態（以降、第２の状態と記す）では、偏光方向は変換されないため、偏光方向Ｄ２を有するレーザ光がレンズ４及びダイクロイックミラー５を介して液晶光変調素子７に入射する（図１の破線を参照）。即ち、光学装置１００では、レーザ光の光路へのλ／２板３の挿脱によって、液晶光変調素子７に入射するレーザ光の偏光方向が切り替わる。従って、挿脱機構２を用いてλ／２板３を光路に対して挿脱するために駆動装置６０を制御する制御装置２０は、液晶光変調素子７に入射するレーザ光の偏光方向を制御する偏光制御部として機能している。また、レーザ１、挿脱機構２、λ／２板３、駆動装置６０、及び制御装置２０は、液晶光変調素子７に、偏光方向Ｄ１（第１の偏光方向）を有するレーザ光と、偏光方向Ｄ１に直交する偏光方向Ｄ２（第２の偏光方向）を有するレーザ光と、を切り換えて照射する照射手段として機能している。

液晶光変調素子７は、入射光の位相を変調する位相変調型のＳＬＭであり、対物レンズ６の瞳位置またはその近傍に配置されている。液晶光変調素子７は、各々が独立して入射光の位相を変調する複数のピクセルからなるピクセル構造を有している。また、複数のピクセルは、対物レンズ６の光軸と直交する平面に２次元に配列されていて、それらの状態は制御装置２０によって制御される。つまり、制御装置２０は液晶光変調素子７を制御するＳＬＭ制御部として機能していて、液晶光変調素子７の位相変調パターンは制御装置２０によって制御される。

なお、液晶光変調素子７は、液晶の配向等に起因して偏光依存性を有していて、入射光の偏光方向に依存して異なる光学特性を示す。具体的には、液晶光変調素子７は、偏光方向Ｄ１（第１の偏光方向）を有するレーザ光（照明光）の位相を変調し、偏光方向Ｄ１（第１の偏光方向）と直交する偏光方向Ｄ２（第２の偏光方向）を有するレーザ光（照明光）の位相を変調しない。
バリアフィルタ９は、ダイクロイックミラー５で遮断できなかったレーザ光を遮断して、ＰＭＴ１１にレーザ光が入射することを防止するフィルタである。

ＰＭＴ１１は、蛍光を検出する光検出器であり、対物レンズ６の瞳位置と光学的に共役な位置またはその近傍に配置されている。つまり、光学装置１００では、結像レンズ８及び瞳投影レンズ１０により、対物レンズ６の瞳がＰＭＴ１１またはその近傍に投影される。このため、ＰＭＴ１１は、標本Ｓの任意の領域から生じ得る蛍光を検出することができる。

制御装置２０は、光学装置１００全体を制御する制御部であり、例えば、パーソナルコンピュータである。制御装置２０は、記憶装置３０に記憶されている制御プログラムを実行することにより、光学装置１００を制御する。その結果、標本Ｓにレーザ光が照射されて、ＰＭＴ１１からの信号に基づいて制御装置２０で標本Ｓの画像が生成される。

記憶装置３０は、光学装置１００の制御プログラム、制御プログラムの実行に用いられる各種情報、制御装置２０で生成された標本Ｓの画像などが格納される記憶部であり、例えば、ハードディスク装置である。記憶装置３０は、制御装置２０内に設けられても良い。

表示装置４０は、標本Ｓの画像や光学装置１００を操作するためのＧＵＩ（Graphical User Interface）画面を表示する表示部であり、例えば、液晶ディスプレイ装置や有機ＥＬ（Electroluminescence）ディスプレイ装置である。

入力装置５０は、利用者が光学装置１００へ情報を入力するための入力部である。入力装置５０で入力された情報は制御装置２０へ出力される。入力装置５０は、例えば、マウス、キーボード、表示装置４０のディスプレイに重ねて配置されたタッチパネルなどである。

以上のように構成された光学装置１００では、λ／２板３が光路に挿入されている状態（第１の状態）にあるときには、照射手段により液晶光変調素子７に第１の偏光方向を有するレーザ光が照射されるため、液晶光変調素子７でレーザ光の位相が位相変調パターンに従って変調される。このため、例えば、図２Ａに示すような任意の照射パターンを標本Ｓ上に形成することができる。一方、λ／２板３が光路から取り除かれている状態（第２の状態）にあるときには、照射手段により液晶光変調素子７に第２の偏光方向を有するレーザ光が照射されるため、液晶光変調素子７でレーザ光の位相は変調されない。液晶光変調素子７で変調されずに対物レンズ６に平行光として入射したレーザ光は、液晶光変調素子７の位相変調パターンによらず標本Ｓ上に集光する。このため、例えば、図２Ｂに示すような照射パターン（つまり、スポット）を標本Ｓ上に形成することができる。

このように、本実施例に係る光学装置１００によれば、照射手段によって液晶光変調素子７に照射するレーザ光の偏光方向を切り換えることで、標本Ｓに対して様々な照明を行うことができる。また、液晶光変調素子７が対物レンズ６の瞳位置またはその近傍に配置されているため、装置に含まれる光学系の構成をコンパクト且つシンプルにすることができる。さらに、液晶光変調素子７の位相変調パターンを変更することなく標本上に異なる照射パターンを形成することができるため、標本Ｓに対して様々な照明を高速に切り換えて行うことができる。これは、液晶光変調素子７の位相変調パターンの変更に比べてλ／２板３の挿脱による偏光方向の切換えの方がより高速に行うことができるからである。

なお、液晶光変調素子７に入射するレーザ光の偏光方向が異なる第１の状態と第２の状態で標本上に異なる照射パターンを形成する例を示したが、光学装置１００は、第１の状態と第２の状態で標本上に同じ照射パターンを形成してもよい。例えば、制御装置２０が第１の状態で出射したレーザ光（第１の偏光方向を有するレーザ光）の集光面と第２の状態で出射したレーザ光（第２の偏光方向を有するレーザ光）の集光面が異なるように液晶光変調素子７を制御してもよい。この場合、照明の切換えによってＺ方向（対物レンズ６の光軸方向）への走査を実現することができる。また、例えば、レーザ１が異なる波長のレーザ光を選択的に出射する可変波長レーザであれば、第１の状態と第２の状態でレーザ１が異なる波長のレーザ光を出射し、制御装置２０が異なる波長のレーザ光（第１の偏光方向を有するレーザ光と第２の偏光方向を有するレーザ光）の集光面が一致するように液晶光変調素子７を制御してもよい。つまり、波長の違いによって生じる照射位置のずれを液晶光変調素子７で補正してもよい。

また、光学装置１００が２光子励起顕微鏡装置である例を示したが、光学装置１００は、その他の非線形光学顕微鏡装置であってもよい。非線形光学顕微鏡装置であれば、標本Ｓから発生する反応光（例えば、蛍光）がＰＭＴ１１に入射する限り、反応光が液晶光変調素子７で変調されても検出結果に影響しないからである。
［実施例２］

図３は、本実施例に係る光学装置２００の構成の一部を例示した図である。光学装置２００は、図３に例示されるように、挿脱機構２とレンズ４の間にＸＹスキャナ１２及び瞳投影レンズ１３を備える点が、実施例１に係る光学装置１００と異なっている。その他の構成は、実施例１に係る光学装置１００の構成と同様である。

ＸＹスキャナ１２は、レーザ１から出射したレーザ光で標本Ｓを走査するための走査ユニットであり、対物レンズ６の瞳共役位置またはその近傍に配置されている。ＸＹスキャナ１２は制御装置２０に接続されていて、ＸＹスキャナ１２による走査は制御装置２０によって制御される。ＸＹスキャナ１２は、例えば、近接して配置された、対物レンズ６の光軸と直交するＸ方向に走査するガルバノミラーと対物レンズ６の光軸と直交するＹ方向に走査するガルバノミラーとを備えている。
瞳投影レンズ１３は、レンズ４との組み合わせで、対物レンズ６の瞳をＸＹスキャナ１２上またはその近傍に投影するレンズである。

以上のように構成された光学装置２００でも、λ／２板３が光路に挿入されている状態（第１の状態）にあるときには、照射手段により液晶光変調素子７に第１の偏光方向を有するレーザ光が照射されるため、液晶光変調素子７でレーザ光の位相が位相変調パターンに従って変調される。このため、例えば、図４Ａに示すような任意の照射パターンを標本Ｓ上に形成することができる。一方、λ／２板３が光路から取り除かれている状態（第２の状態）にあるときには、照射手段により液晶光変調素子７に第２の偏光方向を有するレーザ光が照射されるため、液晶光変調素子７でレーザ光の位相は変調されない。対物レンズ６に平行光として入射したレーザ光は、液晶光変調素子７の位相変調パターンによらず標本Ｓ上に集光する。このため、例えば、図４Ｂに示すような照射パターン（つまり、スポット）を標本Ｓ上に形成することができる。さらに、例えば、図４Ｂに示すように、ＸＹスキャナ１２で標本Ｓ上に形成するスポットの位置を移動させることで、標本Ｓを走査することができる。

従って、本実施例に係る光学装置２００によっても、実施例１に係る光学装置１００と同様に、コンパクト且つシンプルな光学構成を実現しつつ、標本Ｓに対して様々な照明を高速に切り換えて行うことができる。また、光学装置２００によれば、走査ユニットであるＸＹスキャナ１２を備えているため、標本Ｓの画像を容易に取得することができる。
［実施例３］

図５は、本実施例に係る光学装置３００の構成の一部を例示した図である。光学装置３００は、図５に例示されるように、レーザ１とレンズ４の間に、挿脱機構２及びλ／２板３の代わりにλ／４板１４及びポッケルセル１５を備える点が、実施例１に係る光学装置１００と異なっている。その他の構成は、実施例１に係る光学装置１００の構成と同様である。

λ／４板１４は、レーザ１と液晶光変調素子７の間に配置された、レーザ１から出射されるレーザ光の偏光方向を変調する偏光変調素子（第１の偏光変調素子）である。より詳細には、λ／４板１４は、直線偏光であるレーザ光に位相差を９０度与えて、レーザ光を円偏光に変換する。

ポッケルセル１５は、λ／４板１４と液晶光変調素子７の間に配置された、λ／４板１４により円偏光に変換されたレーザ光の偏光方向を変調する偏光変調素子（第２の偏光変調素子）である。より詳細には、ポッケルセル１５は、円偏光に変換されたレーザ光を、偏光方向が９０度異なる偏光方向Ｄ１を有する直線偏光または偏光方向Ｄ２を有する直線偏光のいずれかに変換する。ポッケルセル１５は制御装置２０に接続されていて、ポッケルセル１５の状態は制御装置２０によって制御される。

なお、ポッケルセル１５の状態が、円偏光を偏光方向Ｄ１の直線偏光に変換する状態（以降、第１の状態と記す）に有る場合には、レーザ光はポッケルセル１５で円偏光から偏光方向Ｄ１を有する直線偏光に変換されるため、偏光方向Ｄ１を有するレーザ光がレンズ４及びダイクロイックミラー５を介して液晶光変調素子７に入射する（図５の実線を参照）。一方、ポッケルセル１５の状態が、円偏光を偏光方向Ｄ２の直線偏光に変換する状態（以降、第２の状態と記す）に有る場合には、レーザ光はポッケルセル１５で円偏光から偏光方向Ｄ２を有する直線偏光に変換されるため、偏光方向Ｄ２を有するレーザ光がレンズ４及びダイクロイックミラー５を介して液晶光変調素子７に入射する（図５の破線を参照）。即ち、光学装置３００では、ポッケルセル１５の状態によって、液晶光変調素子７に入射するレーザ光の偏光方向が切り替わる。従って、ポッケルセル１５の状態を第１の状態と第２の状態の間で切り換える制御装置２０は、液晶光変調素子７に入射するレーザ光の偏光方向を制御する偏光制御部として機能している。また、レーザ１、λ／４板１４、ポッケルセル１５、及び制御装置２０は、液晶光変調素子７に、偏光方向Ｄ１を有するレーザ光と、偏光方向Ｄ１に直交する偏光方向Ｄ２を有するレーザ光と、を切り換えて照射する照射手段として機能している。

従って、本実施例に係る光学装置３００によっても、実施例１に係る光学装置１００と同様に、コンパクト且つシンプルな光学構成を実現しつつ、標本Ｓに対して様々な照明を高速に切り換えて行うことができる。また、ポッケルセル１５の状態は極めて高速に切り換えることが可能であるため、光学装置３００によれば、実施例１に係る光学装置１００よりも更に高速に照明を切り換えることができる。

なお、光学装置３００は、レンズ４とポッケルセル１５との間に、レンズ４側から順に、瞳投影レンズ１３、ＸＹスキャナ１２を備えてもよい。この場合、実施例２に係る光学装置２００と同様に、標本Ｓの画像を容易に取得することが可能となる。
［実施例４］

図６は、本実施例に係る光学装置４００の構成を例示した図である。光学装置４００は、図６に例示されるように、液晶光変調素子７に加えて、位相変調型の第２のＬＳＭである液晶光変調素子１６を備えている点が、実施例１に係る光学装置１００と異なっている。その他の構成は、実施例１に係る光学装置１００の構成と同様である。

液晶光変調素子１６は、液晶光変調素子７と同様に、対物レンズ６の瞳位置またはその近傍に配置されている。即ち、液晶光変調素子７と液晶光変調素子１６は、対物レンズ６の瞳位置またはその近傍に互いに近接して配置されている。液晶光変調素子１６は制御装置２０に接続されていて、液晶光変調素子１６の位相変調パターンは制御装置２０によって制御される。

液晶光変調素子１６は、液晶の配向等に起因して偏光依存性を有していて、入射光の偏光方向に依存して異なる光学特性を示す。具体的には、液晶光変調素子１６は、偏光方向Ｄ２（第２の偏光方向）を有するレーザ光（照明光）の位相を変調し、偏光方向Ｄ２（第２の偏光方向）と直交する偏光方向Ｄ１（第１の偏光方向）を有するレーザ光（照明光）の位相を変調しない。つまり、液晶光変調素子７とは反対の光学特性を有している。

以上のように構成された光学装置光学装置４００では、λ／２板３が光路に挿入されている状態（第１の状態）にあるときには、照射手段により液晶光変調素子７及び液晶光変調素子１６に第１の偏光方向を有するレーザ光が照射されるため、液晶光変調素子７でレーザ光の位相が位相変調パターンに従って変調され、液晶光変調素子１６ではレーザ光の位相は変調されない。このため、例えば、液晶光変調素子７の位相変調パターンに従って図７Ａに示すような任意の照射パターンを標本Ｓ上に形成することができる。一方、λ／２板３が光路から取り除かれている状態（第２の状態）にあるときには、照射手段により液晶光変調素子７及び液晶光変調素子１６に第２の偏光方向を有するレーザ光が照射されるため、液晶光変調素子７ではレーザ光の位相は変調されず、液晶光変調素子１６でレーザ光の位相が位相変調パターンに従って変調される。このため、例えば、液晶光変調素子１６の位相変調パターンに従って図７Ｂに示すような任意の照射パターンを標本Ｓ上に形成することができる。

従って、本実施例に係る光学装置４００によっても、実施例１に係る光学装置１００と同様に、コンパクト且つシンプルな光学構成を実現しつつ、標本Ｓに対して様々な照明を高速に切り換えて行うことができる。また、光学装置４００によれば、第１の状態と第２の状態の両方でレーザ光の位相を任意に変調することができる。

なお、光学装置４００は、レンズ４と挿脱機構２の間に、レンズ４側から順に、さらに、瞳投影レンズ１３、ＸＹスキャナ１２を備えてもよい。この場合、実施例２に係る光学装置２００と同様に、標本Ｓの画像を容易に取得することが可能となる。また、光学装置４００は、挿脱機構２とλ／２板３の代わりに、λ／４板１４とポッケルセル１５を備えてもよい。この場合、実施例３に係る光学装置３００と同様に、更に高速に照明を切り換えることができる。
［実施例５］

図８は、本実施例に係る光学装置５００の構成を例示した図である。光学装置５００は、図８に例示されるように、レーザ１の代わりに光源１ａを備える点、挿脱機構２及びλ／２板３の代わりに回転機構１７及び偏光板１８を備えている点が、実施例１に係る光学装置１００と異なっている。その他の構成は、実施例１に係る光学装置１００の構成と同様である。

光源１ａは、レーザ１と異なり、さまざまな偏光方向を有する光を出射する光源である。光源１ａは制御装置２０に接続されていて、光源１ａの発光は制御装置２０によって制御される。

回転機構１７は、偏光板１８を対物レンズ６の光軸と平行な回転軸周りに９０度回転させる機構であり、回転機構１７を駆動する駆動部である駆動装置６０に接続されている。駆動装置６０が制御装置２０の制御の下で回転機構１７を駆動することで、偏光板１８が回転軸周りに９０度回転する。

偏光板１８は、光源１ａから出射される照明光の偏光方向を変調する偏光変調素子である。より詳細には、偏光板１８は、光源１ａから出射した照明光から所定の偏光方向を有する照明光を選択的に透過させる。偏光板１８は、光源１ａと液晶光変調素子７の間に回転可能に配置されていて、回転機構１７によって回転前後で所定の偏光方向が９０度異なるように回転する。ここでは、偏光板１８は、回転前後で所定の偏光方向が偏光方向Ｄ１と偏光方向Ｄ２の間で切り替わるように、回転する。

なお、偏光板１８が所定の偏光方向として偏光方向Ｄ１を有する状態（以降、第１の状態と記す）では、偏光方向Ｄ１を有する照明光がレンズ４及びダイクロイックミラー５を介して液晶光変調素子７に入射する（図８の実線を参照）。一方、偏光板１８が所定の偏光方向として偏光方向Ｄ２を有する状態（以降、第２の状態と記す）では、偏光方向Ｄ２を有する照明光がレンズ４及びダイクロイックミラー５を介して液晶光変調素子７に入射する（図８の破線を参照）。即ち、光学装置５００では、偏光板１８の回転によって、液晶光変調素子７に入射する照明光の偏光方向が切り替わる。従って、回転機構１７を用いて偏光板１８を回転させるために駆動装置６０を制御する制御装置２０は、液晶光変調素子７に入射する照明光の偏光方向を制御する偏光制御部として機能している。また、光源１ａ、回転機構１７、偏光板１８、駆動装置６０、及び制御装置２０は、液晶光変調素子７に、偏光方向Ｄ１（第１の偏光方向）を有する照明光と、偏光方向Ｄ１に直交する偏光方向Ｄ２（第２の偏光方向）を有する照明光と、を切り換えて照射する照射手段として機能している。

従って、本実施例に係る光学装置５００によっても、実施例１に係る光学装置１００と同様に、コンパクト且つシンプルな光学構成を実現しつつ、標本Ｓに対して様々な照明を高速に切り換えて行うことができる。

なお、光学装置５００は、レンズ４と回転機構１７の間に、レンズ４側から順に、さらに、瞳投影レンズ１３、ＸＹスキャナ１２を備えてもよい。この場合、実施例２に係る光学装置２００と同様に、標本Ｓの画像を容易に取得することが可能となる。また、光学装置５００は、対物レンズ６の瞳位置またはその近傍に、液晶光変調素子７と近接して液晶光変調素子１６を備えてもよい。この場合、実施例４に係る光学装置４００と同様に、第１の状態と第２の状態の両方でレーザ光の位相を任意に変調することができる。
［実施例６］

図９は、本実施例に係る光学装置６００の構成を例示した図である。光学装置６００は、図９に例示されるように、複数のレーザ（レーザ７０、レーザ８０）を備え、複数のレーザからレーザ光を同時に液晶光変調素子７及び標本Ｓに照射することができる点が、実施例１に係る光学装置１００とは異なっている。

光学装置６００は、直線偏光であるレーザ光を出射するレーザ７０とシャッタ装置７１からなる第１の光源ユニットと、レーザ７０からのレーザ光を偏向して標本Ｓを走査するＸＹスキャナ７２（第１の走査ユニット）と、レンズ４と共同でＸＹスキャナ７２を対物レンズ６の瞳またはその近傍に投影する瞳投影レンズ７３を備えている。レーザ７０から出射されるレーザ光は、偏光方向Ｄ１を有している。レーザ７０の発光及びシャッタ装置７１の開閉は制御装置２０によって制御される。

光学装置６００は、直線偏光であるレーザ光を出射するレーザ８０とシャッタ装置８１からなる第２の光源ユニットと、レーザ８０からのレーザ光を偏向して標本Ｓを走査するＸＹスキャナ８２（第２の走査ユニット）と、レンズ４と共同でＸＹスキャナ８２を対物レンズ６の瞳またはその近傍に投影する瞳投影レンズ８３を備えている。レーザ８０から出射されるレーザ光は、偏光方向Ｄ２を有している。レーザ８０の発光及びシャッタ装置８１の開閉は制御装置２０によって制御される。

光学装置６００は、さらに、レーザ７０から出射したレーザ光とレーザ８０から出射したレーザ光を液晶光変調素子７に導くダイクロイックミラー１９を備えている。ダイクロイックミラー１９は、レーザ７０から出射したレーザ光の光路とレーザ８０から出射したレーザ光の光路とを合成する光路合成素子であり、レーザ７０からのレーザ光とレーザ８０からのレーザ光を互いに偏光方向が９０度異なる状態（第１の偏光方向Ｄ１を有する状態と第２の偏光方向Ｄ２を有する状態）で、液晶光変調素子７へ導く。

即ち、光学装置６００では、制御装置２０が第１の光源ユニット（レーザ７０及びシャッタ装置７１）からのレーザ光の出射と第２の光源ユニット（レーザ８０及びシャッタ装置８１）からのレーザ光の出射を制御することで、液晶光変調素子７に入射するレーザ光の偏光方向が制御される。従って、制御装置２０は、液晶光変調素子７に入射するレーザ光の偏光方向を制御する偏光制御部である。また、レーザ７０、シャッタ装置７１、レーザ８０、シャッタ装置８１、及び制御装置２０は、液晶光変調素子７に、偏光方向Ｄ１（第１の偏光方向）を有するレーザ光と、偏光方向Ｄ１に直交する偏光方向Ｄ２（第２の偏光方向）を有するレーザ光と、を同時に照射する照射手段として機能している。

以上のように構成された光学装置６００では、レーザ７０から出射したレーザ光は液晶光変調素子７に第１の偏光方向を有する直線偏光として入射するため、液晶光変調素子７でレーザ光の位相が位相変調パターンに従って変調される。このため、例えば、図４Ａに示すような任意の照射パターンを標本Ｓ上に形成することができる。一方、レーザ８０から出射したレーザ光は液晶光変調素子７に第２の偏光方向を有する直線偏光として入射するため、液晶光変調素子７でレーザ光の位相は変調されない。液晶光変調素子７で変調されずに対物レンズ６に平行光として入射したレーザ光は、液晶光変調素子７の位相変調パターンによらず標本Ｓ上に集光する。このため、例えば、図４Ｂに示すような照射パターン（つまり、スポット）を標本Ｓ上に形成することができる。
従って、本実施例に係る光学装置６００によれば、コンパクト且つシンプルな光学構成を実現しつつ、標本Ｓに対して様々な照明を同時に行うことができる。

なお、光学装置６００は、対物レンズ６の瞳位置またはその近傍に、液晶光変調素子７と近接して液晶光変調素子１６を備えてもよい。この場合、レーザ７０からのレーザ光の位相とレーザ８０からのレーザ光の位相の両方を任意に変調することができる。また、図４Ａ及び図４Ｂでは、レーザ８０からのレーザ光でのみ標本Ｓを走査する例を示したが、光学装置６００は、レーザ７０からのレーザ光で標本Ｓを走査してもよい。また、光路合成素子としてダイクロイックミラー１９を例示したが、光学装置６００は、ダイクロイックミラー１９の代わりに偏光ビームスプリッタを用いて光路を合成してもよい。また、光学装置６００は、レーザ７０からのレーザ光とレーザ８０からのレーザ光を同時に標本Ｓに照射する代わりに、レーザ７０からのレーザ光とレーザ８０からのレーザ光を順番に標本Ｓに照射してもよい。また、ＸＹスキャナ７２とＸＹスキャナ８２の両方を備える例を示したが、光学装置６００は、ＸＹスキャナ７２とＸＹスキャナ８２の少なくとも一方を備えていればよい。
［実施例７］

図１０は、本実施例に係る光学装置７００の構成を例示した図である。光学装置７００は、図１０に例示されるように、シャッタ装置７１とＸＹスキャナ７２の間に挿脱機構７４及びλ／２板７５を備える点、シャッタ装置８１とＸＹスキャナ８２の間に挿脱機構８４及びλ／２板８５を備える点、挿脱機構７４を駆動する駆動装置６１を備える点、挿脱機構８４を駆動する駆動装置６２を備える点が、実施例６に係る光学装置６００と異なっている。その他の構成は、実施例６に係る光学装置６００の構成と同様である。

なお、挿脱機構７４、λ／２板７５、及び駆動装置６１は、実施例１で上述した挿脱機構２、λ／２板３、及び駆動装置６０と同様に機能する。また、挿脱機構８４、λ／２板８５、及び駆動装置６２も、実施例１で上述した挿脱機構２、λ／２板３、及び駆動装置６０と同様に機能する。

本実施例に係る光学装置７００によっても、実施例６に係る光学装置６００と同様に、コンパクト且つシンプルな光学構成を実現しつつ、標本Ｓに対して様々な照明を同時に行うことができる。

また、光学装置７００では、制御装置２０が駆動装置６１を制御することで、液晶光変調素子７へ入射する際のレーザ７０から出射したレーザ光の偏光方向を、偏光方向Ｄ１と偏光方向Ｄ２の間で切り換えることができる。また、制御装置２０が駆動装置６２を制御することで、液晶光変調素子７へ入射する際のレーザ８０から出射したレーザ光の偏光方向を、偏光方向Ｄ１と偏光方向Ｄ２の間で切り換えることができる。このため、光学装置７００によれば、任意のレーザからのレーザ光を液晶光変調素子７で変調することができる。

なお、光学装置７００は、光学装置６００と同様に種々の変形が可能である。対物レンズ６の瞳位置またはその近傍に、液晶光変調素子７と近接して液晶光変調素子１６を備えてもよい。また、光学装置７００は、ダイクロイックミラー１９の代わりに偏光ビームスプリッタを用いて光路を合成してもよい。また、光学装置７００は、ＸＹスキャナ７２とＸＹスキャナ８２の少なくとも一方を備えていればよい。
［実施例８］

図１１は、本実施例に係る光学装置８００の構成を例示した図である。図１１に例示される光学装置８００は、対物レンズ６の瞳位置またはその近傍に液晶光変調素子７を備えたＳＴＥＤ（Stimulated emission depletion）顕微鏡装置である。

光学装置８００は、複数のレーザからのレーザ光を同時に液晶光変調素子７及び標本Ｓに照射することができる点は、実施例６に係る光学装置６００と同様であるが、以下の点で実施例６に係る光学装置６００と異なっている。

まず、光学装置８００は、複数のレーザがポンプ光発振レーザ９０ａとイレース光発振レーザ９０ｂである点が、実施例６に係る光学装置６００と異なっている。ポンプ光発振レーザ９０ａは、標本Ｓを第１の励起状態に励起するポンプ光を出射するレーザであり、偏光方向Ｄ２の直線偏光を出射する。一方、イレース光発振レーザ９０ｂは、ポンプ光の照射によって第１の励起状態にある標本Ｓを第２の励起状態に励起するイレース光を出射するレーザであり、偏光方向Ｄ１の直線偏光を出射する。

また、光学装置８００は、光路合成素子であるダイクロイックミラー５と液晶光変調素子７の間の共通光路上に、標本Ｓを走査するＸＹスキャナ９１と、レンズ４との組み合わせで対物レンズ６の瞳をＸＹスキャナ９１上またはその近傍に投影する瞳投影レンズ９２と、を備えている点も、実施例６に係る光学装置６００と異なっている。これにより、ポンプ光とイレース光が同時に同じ量だけ標本上を移動する。

さらに、光学装置８００は、ダイクロイックミラー５が走査ユニット（ＸＹスキャナ９１）よりもＰＭＴ１１側に配置されていること、検出系に集光レンズ９３と集光レンズ９３の焦点位置にピンホール９４ａが形成されたピンホール板９４とを備えていることも、実施例６に係る光学装置６００と異なっている。なお、ピンホール板９４は、デフォーカス光を遮断するための絞りであり、一般的な共焦点顕微鏡の共焦点絞りに比べて大きな径に設定される。

以上のように構成された光学装置８００では、図１２に示すように、偏光方向Ｄ２を有するポンプ光が液晶光変調素子７で変調されることなく標本Ｓ上にスポットＰ１を形成している状態で、スポットＰ１の径よりも小さな内径を有するリング状のパターン照明Ｐ２が偏光方向Ｄ１を有するイレース光によって行われるように、制御装置２０が液晶光変調素子７を制御する。これにより、スポットＰ１のうちのパターン照明Ｐ２と重なっている領域からの蛍光の放出が抑制され、スポットＰ１のうちのパターン照明Ｐ２が形成するリングの内側の領域からのみ蛍光が放出されてＰＭＴ１１で検出される。これにより、標本Ｓ上に回折限界を超えて集光した光のスポットを形成するのと同様の効果を得ることができる。このため、制御装置２０はＰＭＴ１１からの信号とＸＹスキャナ９１の走査位置情報から回折限界を超える分解能を有する超解像画像を生成することができる。

本実施例に係る光学装置８００によれば、実施例６に係る光学装置６００と同様の効果を得ることができるとともに、さらに、超解像画像を生成することができる。

なお、対物レンズの瞳共役位置またはその近傍ではなく、対物レンズの瞳位置またはその近傍に液晶光変調素子７を配置する構成は、所望の照射パターンを精度よく標本に照射することが要求されるＳＴＥＤ顕微鏡装置に好適である。対物レンズの瞳共役位置またはその近傍に液晶光変調素子７を配置する場合、対物レンズの瞳が走査ユニットを介して液晶光変調素子７にリレーされるのが通常である。しかしながら、走査ユニットとして、最も一般的な走査ユニットである近接して配置された二組のガルバノミラーが使用される場合、二組のガルバノミラーの両方を対物レンズの瞳共役位置に配置することはできない。このため、対物レンズの瞳を液晶光変調素子７に高い精度に投影することができず、標本に照射される照射パターンが劣化してしまう。

上述した実施例は、発明の理解を容易にするために具体例を示したものであり、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。光学装置は、特許請求の範囲により規定される本発明の思想を逸脱しない範囲において、さまざまな変形、変更が可能である。例えば、光学装置は、顕微鏡装置に限られず、レーザ加工装置としても構成され得る。

Ｓ 標本
１、７０、８０ レーザ
１ａ 光源
２、７４、８４ 挿脱機構
３、７５、８５ λ／２板
４ レンズ
５、１９ ダイクロイックミラー
６ 対物レンズ
７、１６ 液晶光変調素子
８ 結像レンズ
９ バリアフィルタ
１０、１３、７３、８３、９２ 瞳投影レンズ
１１ ＰＭＴ
１２、７２、８２、９１ ＸＹスキャナ
１４ λ／４板
１５ ポッケルセル
１７ 回転機構
１８ 偏光板
２０ 制御装置
３０ 記憶装置
４０ 表示装置
５０ 入力装置
６０、６１、６２ 駆動装置
７１、８１ シャッタ装置
９０ｂ イレース光発振レーザ
９０ａ ポンプ光発振レーザ
９３ 集光レンズ
９４ ピンホール板
９４ａ ピンホール
１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００ 光学装置

Claims (10)

1. 照明光を標本に照射するとともに、前記照明光の照射によって前記標本から発生する反応光を取り込む対物レンズと、
   照明光を出射する１つの光源と、
   前記対物レンズの瞳位置またはその近傍に配置され、第１の偏光方向を有する照明光の位相を変調し前記第１の偏光方向と直交する第２の偏光方向を有する照明光の位相を変調しない１つの位相変調型の空間光変調器と、
   前記位相変調型の空間光変調器に、前記光源からの照明光の偏光方向を切り替えることで、前記第１の偏光方向を有する照明光と前記第２の偏光方向を有する照明光を切り換えて照射する照射切り替え手段と、を備える
   ことを特徴とする光学装置。
2. 請求項１に記載の光学装置において、
   前記光源は、直線偏光である照明光を出射し、
   前記照射切り替え手段は、
   前記光源と前記位相変調型の空間光変調器の間に挿脱可能に配置され、前記光源から出射した前記照明光の偏光方向を９０度回転させる偏光変調素子と、
   前記偏光変調素子を前記照明光の光路に対して挿脱する挿脱機構と、
   前記挿脱機構を駆動する駆動部と、
   前記駆動部を制御する偏光制御部と、を備える
   ことを特徴とする光学装置。
3. 請求項１に記載の光学装置において、
   前記光源は、直線偏光である照明光を出射し、
   前記照射切り替え手段は、
   前記光源と前記位相変調型の空間光変調器の間に配置され、前記光源から出射した前記照明光を円偏光に変換する第１の偏光変調素子と、
   前記第１の偏光変調素子と前記位相変調型の空間光変調器の間に配置され、円偏光に変換された前記照明光を偏光方向が９０度異なる直線偏光のいずれかに変換する第２の偏光変調素子と、
   前記第２の偏光変調素子の状態を、前記照明光を偏光方向が９０度異なる直線偏光の一方に変換する第１の状態と前記照明光を偏光方向が９０度異なる直線偏光の他方に変換する第２の状態との間で切り換える偏光制御部と、を備える
   ことを特徴とする光学装置。
4. 請求項１に記載の光学装置において、
   前記照射切り替え手段は、
   前記光源と前記位相変調型の空間光変調器の間に回転可能に配置され、前記光源から出射した前記照明光から所定の偏光方向を有する照明光を選択的に透過させる偏光変調素子と、
   回転前後で前記所定の偏光方向が９０度異なるように前記偏光変調素子を回転させる回転機構と、
   前記回転機構を駆動する駆動部と、
   前記駆動部を制御する偏光制御部と、を備える
   ことを特徴とする光学装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の光学装置において、さらに、
   前記対物レンズの瞳共役位置またはその近傍に配置された、前記標本を走査する走査ユニットを備える
   ことを特徴とする光学装置。
6. 請求項１に記載の光学装置において、
   前記光源は、直線偏光である照明光を出射する第１の光源ユニットであり、
   直線偏光である照明光を出射する第２の光源ユニットを備え、
   前記照射切り替え手段は、
   前記第１の光源ユニットから出射した照明光と前記第２の光源ユニットから出射した照明光とを互いに偏光方向が９０度異なる状態で前記位相変調型の空間光変調器に導く光路合成素子と、
   前記第１の光源ユニットからの照明光の出射と前記第２の光源ユニットからの照明光の出射を制御する偏光制御部と、を備える
   ことを特徴とする光学装置。
7. 請求項６に記載の光学装置において、さらに、
   前記対物レンズの瞳共役位置またはその近傍であって前記第１の光源ユニットと前記光路合成素子との間に配置された第１の走査ユニット、または、前記対物レンズの瞳共役位置またはその近傍であって前記第２の光源ユニットと前記光路合成素子との間に配置された第２の走査ユニット、の少なくとも一方を備える
   ことを特徴とする光学装置。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の光学装置において、さらに、
   前記位相変調型の空間光変調器を制御するＳＬＭ制御部を備え、
   前記ＳＬＭ制御部は、前記第１の偏光方向を有する照明光の集光面と前記第２の偏光方向を有する照明光の集光面が一致するように、前記位相変調型の空間光変調器を制御する
   ことを特徴とする光学装置。
9. 請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の光学装置において、さらに、
   前記位相変調型の空間光変調器を制御するＳＬＭ制御部を備え、
   前記ＳＬＭ制御部は、前記第１の偏光方向を有する照明光の集光面と前記第２の偏光方向を有する照明光の集光面が異なるように、前記位相変調型の空間光変調器を制御する
   ことを特徴とする光学装置。
10. 請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の光学装置において、さらに、
    前記対物レンズの瞳位置またはその近傍に配置され、前記第２の偏光方向を有する照明光の位相を変調し前記第１の偏光方向を有する照明光の位相を変調しない位相変調型の第２の空間光変調器を備える
    ことを特徴とする光学装置。