JPH11326860A - Wave front converting element and laser scanner using it - Google Patents
Wave front converting element and laser scanner using itInfo
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Abstract
Description
【0001】[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。[0001] 1. Field of the Invention [0002] The present invention relates to a wavefront conversion element capable of arbitrarily converting the wavefront shape of light, and a laser scanning device using the element.
【0002】[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。2. Description of the Related Art Conventionally, in order to obtain a three-dimensional image of a specimen, for example, in a scanning laser microscope, the specimen or an objective lens is mechanically moved in the optical axis direction, and an optical image on each surface inside the specimen is sequentially formed. I needed to take it. However, with this method, it is difficult to realize accurate scanning in the optical axis direction in terms of position control errors and reproducibility due to mechanical movement.
In the case of sample scanning, there is a problem that high-speed scanning cannot be performed if the sample is large. Further, when the specimen is a biological specimen or the like and the objective lens is directly immersed in a living body or a culture solution to observe a high-speed movement of the living body, scanning the objective lens causes
This adversely affects the specimen to be observed, such as vibration, which is not preferable. Further, when the refractive index of the immersion medium of the objective lens is different from the refractive index of the specimen, there is a problem that the resolution is reduced due to the aberration (spherical aberration) generated due to the movement of the focusing position. .
【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。On the other hand, as an optical element capable of changing the power (wavefront shape), a liquid crystal lens, a liquid lens, or a combination thereof is known. In particular, a liquid crystal is used to change a focal length and a focal position. Examples of the method include those disclosed in JP-A-5-93895, JP-A-5-100201, and JP-A-5-53089. Also, as a method of changing the magnification using liquid crystal,
Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 9-318909 discloses a liquid crystal lens in which the electrodes are arranged in an annular shape as a means for changing the optical characteristics of the liquid crystal lens. A control method is used. Note that, in these prior examples, there is no mention at all of how aberrations generated as a whole by changing the power when the liquid crystal lens is used in combination with a plurality of other optical systems.
【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。[0004] As for the liquid lens, Japanese Patent Laid-Open No. 8-1
Although it is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Publication No. 14703, there is no mention at all in the case of using the optical system in combination with a plurality of optical systems as to how aberration generated as a whole due to a change in power is handled.
【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。[0005] Adaptive optics is used, for example, when used in a telescope to cancel the wavefront turbulence of light due to fluctuations in the atmosphere. In addition, when used in a microscope, adaptive optics is used when light passes through a sample. It is used for the purpose of canceling the wavefront disturbance of the light, and it is used only for the purpose of canceling the wavefront (aberration) that has been disturbed. By giving power to it, the focal position of the optical system changes. It is not used from the point of view of letting it do. Furthermore,
In terms of aberration correction, it does not specifically show how to perform aberration correction.
【0006】[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。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned problems and circumstances of the prior art, and an object thereof is to provide a method without using a mechanical mechanism. A wavefront conversion element capable of scanning the light-converging position of the light beam in the direction of the optical axis, canceling out aberrations occurring at that time, and reducing deterioration of light-collecting performance and imaging performance due to scanning, and a wavefront conversion element using the same. To provide a laser scanning device.
【0007】[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。In order to achieve the above object, a wavefront conversion element according to the present invention comprises a liquid crystal element configured so that each of the finely divided regions can be controlled independently. Is changed, the wavefront shape of the light transmitted therethrough or reflected therefrom can be appropriately changed.
【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。According to the present invention, each of the regions has a matrix shape or a fan shape.
【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。In order to achieve the above object, a laser scanning device according to the present invention focuses light emitted from a laser at a sample position using an optical system, and scans the focused position in the optical axis direction. The laser scanning device according to any one of claims 1 to 3, further comprising an optical element capable of canceling out aberrations caused by the scanning.
【0010】[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。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Before describing an embodiment of the present invention, referring to FIG. 1, an aberration (spherical aberration) generated by the scanning in the optical axis direction and a aberration for canceling the aberration will be described. The aspherical characteristic will be described.
【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。In general, when the light wavefront is defocused by an aberration-free lens, the wavefront collapse is vertically (front-back) symmetric with respect to the focal point position, and the degree of the collapse is NA (numerical aperture).
Becomes larger as it goes toward the periphery (peripheral portion when viewed from the pupil), so that the aspherical power for canceling it needs to be increased as it goes to the periphery, that is, as the distance from the optical axis increases.
In FIG. 1, the traveling direction of light is drawn in reverse to the actual direction for easy understanding. That is, light is drawn from the focal position of the objective lens and the defocused positions before and after the focal position. Here, the light beam coming out of the focal position F of the objective lens is emitted from the objective lens as collimated light having no aberration, that is, a plane wave. On the other hand, the light beam that has come out of the point A defocused to the front side is emitted from the objective lens as a convergent light beam.
Since the bending at a large portion (peripheral portion of the luminous flux) becomes large, in order to return this to a collimated light having no aberration, that is, a plane wave, an aspheric lens having concave power and having a concave power that becomes stronger toward the periphery is used. An optical element having characteristics equivalent to the above is required.
【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。Conversely, the light beam that has exited from the point B defocused rearward is divergent light, but its wavefront has a large bend at the portion where the NA is large due to the influence of aberration. In order to return to light, an optical element having characteristics equivalent to an aspherical lens that has a convex power and becomes stronger toward the periphery is required. In general, when a collimated light beam is condensed by a single lens, the power of a thick general spherical lens increases toward the periphery, and spherical aberration occurs at the focal position. It is known that in order to correct this, it is possible to collect light with no aberration by making the power weaker toward the periphery by making it aspherical, but when canceling out the aberration caused by defocus, The opposite is true.
【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。Although an actual objective lens or the like is not necessarily aberration-free, when a high-precision objective lens used in a laser microscope is used with quasi-monochromatic light such as laser light, the objective lens becomes substantially aberration-free. It can be considered applicable.
Further, when the refractive index of the immersion medium of the objective lens is smaller than the refractive index of the sample (observing the sample in water with a dry objective lens), spherical aberration occurs in the direction in which the ray angle becomes gentle at the interface, The power of the aspherical surface for canceling the power needs to be increased toward the periphery, and the aspherical surface characteristic as described above is required. Further, since the amount of aberration increases with an increase in the NA of the objective lens and the amount of movement of the condensing position in the optical axis direction, the amount of aspherical surface for canceling the aberration also increases accordingly.
【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。When the refractive index of the immersion medium of the objective lens is larger than the refractive index of the sample (observation of the sample in water with an oil immersion objective lens), the spherical aberration in the direction in which the ray angle becomes tight at the interface. Therefore, it is necessary to make the aspherical characteristic for canceling out the power weaker toward the periphery, that is, lower than the power of a spherical surface having the same paraxial curvature.
This is the opposite of the direction that cancels out the wavefront collapse when defocused, and in the case of a small NA, the aberration due to the refractive index mismatch is smaller than the aberration due to defocus.
The aspheric characteristic that cancels out the overall aberration may increase as its power moves away from the optical axis, but oil immersion objective lenses are generally used to increase the NA, and the aberrations due to the mismatch of the refractive index are generally used. Since the generation amount is extremely large, the total aberration has a tendency to generate aberration due to a refractive index mismatch, and the aspherical characteristic that cancels out the aberration decreases as the power becomes farther from the optical axis. Further, since the amount of generated aberration increases with an increase in the NA of the objective lens and the amount of movement of the condensing position in the optical axis direction, the amount of aspherical surface for canceling the aberration also increases accordingly, and the same paraxial The difference (deviation) from a spherical surface having a curvature increases.
【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。Next, the basic structure and operation of the present invention will be described with reference to FIG. In the figure, 1 is a light beam emitted from a laser (not shown), 2 is a light beam splitting element, 3 is a beam expander, 4 is a wavefront conversion element that can change the wavefront of the light beam into an arbitrary shape, 5 is an objective lens, and 6 is an objective lens. A focal position of the objective lens 5 (a sample surface in a normal case); 7, a defocus position deviated in a direction away from the objective lens 5 from the focal position 6;
8 is a photodetector, 9 is a control device for driving the wavefront conversion element.
【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。In FIG. 2, a light beam 1 passes through a light beam splitting element 2, is collimated to a desired size by a beam expander 3, and is incident on a wavefront conversion element 4, where the wavefront is appropriately adjusted by a control device 9. After being deformed, it is collected by the objective lens 5. In this case, when the wavefront converting element 4 is controlled by the control device 9 so as not to deform the wavefront at all, the light beam 1 is focused on the focal position 6, but the wavefront converting element 4 is controlled by the control device 9. ,
When the light beam 1 is given a wavefront deformation so as to become a diffuse beam, the light beam 1 is focused on the defocus position 7.
【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。Normally, the objective lens 5 is designed to converge the collimated beam to the focal position 6 with substantially no aberration when the collimated beam is incident. Not only does the position shift, but also aberration occurs. Therefore, the wavefront converting element 4 has an aspherical characteristic, and can deform the wavefront of the beam so as to cancel the generated aberration. In this case, if the wavefront conversion element 4 continuously deforms the wavefront over the entire area of the divergent beam to the convergent beam, and at the same time cancels out the aberration generated at that time, the light at the condensing position of the incident beam is Scanning in the axial direction is always possible without aberration. In the case of a laser scanning microscope, light (reflected light, fluorescent light, etc.) emitted from the focusing position
Travels backward in the optical path, is reflected by the light beam branching element 2 and
Is detected by
【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。Hereinafter, embodiments of the present invention will be described more specifically with reference to the illustrated examples. Embodiment 1 FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a first embodiment of the laser scanning device according to the present invention. In the figure, substantially the same members as those used in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals. Although the present embodiment has the same basic configuration as that shown in FIG. 2 and is not shown, scanning within the same test surface is performed by moving a stage. The detection system is a so-called confocal system using a confocal lens 10 and a confocal pinhole 11. Further, in this embodiment, the wavefront converting element 4 capable of changing the wavefront into an arbitrary shape is constituted by a diffractive lens composed of a homogeneous liquid crystal element, and is controlled by the liquid crystal controller 9. It has become.
【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。A homogeneous type liquid crystal element can control its phase between zero and 2π according to the magnitude of the applied voltage. When this is used as an optical element, it can be used as a phase modulation element. Can be used. or,
Since the phase can be controlled between zero and 2π, reversing the characteristic reverses the phase, meaning that when considered as a lens element, it is possible to reverse from a convex lens to a concave lens. . It is to be noted that, even when the liquid crystal elements are arranged in a matrix or a fan shape, each element can be controlled independently, as in a normal liquid crystal.
【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。FIG. 4 is a conceptual diagram when a diffractive lens is realized by a homogeneous type of subdivided liquid crystal. Generally, a diffractive lens is manufactured by controlling the shape (pitch) and phase in the radial direction. The information (shape and phase data in the polar coordinate system) is converted into matrix information (shape and gradation in the Cartesian coordinate system). Alternatively, it can be converted into polar coordinate information (shape and gradation in a polar coordinate system). The gradation in this case is not a normal light and dark gradation, but a phase gradation between zero and 2π. Conversely, by controlling the phase gradation of each element of the subdivided liquid crystal, an arbitrary diffraction lens can be constituted by the subdivided liquid crystal.
【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。As shown in FIG. 5, when the diffractive lens has a shape (so-called kinoform) in which a straight line extends from a position where the phase is zero to a position where the phase becomes 2π, the diffraction efficiency is theoretically 100.
%. However, when a diffractive lens is composed of subdivided liquid crystals, it is impossible to form a kinoform, which is approximated stepwise. If there is a sufficient number of liquid crystal elements within the pitch at a large pitch, a shape equivalent to a substantially kinoform can be realized, but at a small pitch such as a peripheral portion, the number of liquid crystal elements contained therein is small. Therefore, a rough staircase approximation is obtained. In the present embodiment, the shape of the diffractive lens is limited so that at least four liquid crystal elements can enter even within the minimum pitch. Therefore, the worst case is a four-stage approximation of the kinoform, and a diffraction efficiency of about 81% can be realized. This value hardly poses a problem in practical use even in a general optical system. However, in the case of this embodiment, the unnecessary order light increased due to the decrease in the diffraction efficiency is cut by the confocal pinhole 11 at the time of detection. It doesn't matter at all.
【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。 Embodiment 2 FIG. 6 is a schematic structural view of a laser scanning device according to a second embodiment of the present invention. In the figure, substantially the same members as those used in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals. In this embodiment, the present invention is applied to a confocal laser microscope for fluorescence observation of a beam scan method, in which a wavefront conversion element (a diffraction lens made of finely divided liquid crystal) is provided in an incident laser beam and in a detection optical path. Each of them is provided with a feature that the two liquid crystal control devices 9 are controlled in an interlocking and independent manner. Reference numeral 12 denotes a liquid crystal diffraction lens (wavefront conversion element) for excitation light, and reference numeral 13 denotes a laser. A dichroic mirror that transmits light and reflects fluorescence, 14 is a scanning optical system that scans in the X and Y directions, 15 is a pupil projection lens, 16 is an imaging lens, 17 is a liquid crystal diffraction lens for fluorescence (wavefront conversion element), Reference numeral 18 denotes a signal processing system having a magnification variation correction mechanism, 19 denotes a display, and 20 denotes an image storage device.
【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。The light beam 1 emitted from the laser is collimated to a desired size by the beam expander 3 and enters the liquid crystal diffraction lens 12. The beam whose wavefront shape has been changed passes through the dichroic mirror 13 and is scanned by the scanning optical system 14 in both the X and Y directions. The scanned beam is condensed by the pupil projection lens 15 at the focal position of the imaging lens 16, and scanned by the imaging lens 16 and the objective lens 5 on the sample surface 6 in the XY directions. Fluorescence from the specimen surface 6 excited by the focused excitation beam travels backward in the optical path, is reflected by the dichroic mirror 13, and passes through the liquid crystal diffraction lens 17, the confocal lens 10, and the confocal pinhole 11 for fluorescence. Through the detector 8.
The detected signal is displayed on a display 19 via a signal processing system 18 and is simultaneously stored in an image storage device 20.
【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。As in the first embodiment, scanning in the optical axis direction is performed with almost no aberration by controlling the liquid crystal diffraction lens 12 for excitation light, and the fluorescent light provided in the detection optical system is provided. By interlocking and controlling the liquid crystal diffraction lens 17 described above, diffraction lenses optimized for excitation light and fluorescence having different wavelengths can be configured. However, in the present embodiment, since the liquid crystal diffraction lens 12 is not arranged at a position completely conjugate with the pupil of the objective lens 5, the power is applied to the liquid crystal diffraction lens so that the focal length of the entire system is increased. (Magnification) changes slightly. Therefore, if an optical slice image is taken as it is, the size of the image changes depending on the slice position, and when a three-dimensional image is constructed, the shape of the sample cannot be faithfully reproduced. However, if the optical system is known, it is possible to calculate the magnification change accompanying the scanning in the optical axis direction.
It becomes possible to construct a three-dimensional image that is faithful to the shape of the sample by canceling out the magnification change.
【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。 Embodiment 3 FIG. 7 is a schematic structural view of a laser scanning device according to a third embodiment of the present invention. In the drawing, substantially the same members as those used in the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals. In this embodiment, the present invention is applied to a multi-photon excitation fluorescence microscope of a beam scan type, and a pupil position of the objective lens 5 is projected by a relay optical system in order to eliminate a magnification change accompanying scanning in an optical axis direction. A liquid crystal subdivided lens is provided at a position, and is characterized in that it is controlled by the liquid crystal controller 9. In the figure, 21 is a liquid crystal diffraction lens (wavefront conversion element), 22 is a pupil relay optical system, 2
Reference numeral 3 denotes a detection optical system.
【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。The light beam 1 emitted from the laser is collimated to a desired size by the beam expander 3, and the collimated light beam is scanned by the scanning optical system 14 in the XY directions. The scanned beam is condensed by the pupil projection lens 15 at the focal position of the imaging lens 16 and enters the liquid crystal diffraction lens 21 via the imaging lens 16. The luminous flux whose wavefront shape has been changed here is projected by the pupil relay optical system 22, passes through the dichroic mirror 13, and passes through the objective lens 5.
Scans the sample surface 6 in the XY directions. The fluorescence from the specimen surface 6 excited by the focused excitation beam travels backward in the optical path, is reflected by the dichroic mirror 13, and is detected by the detector 8 via the detection optical system 23.
【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。The liquid crystal diffraction lens 21 via the control device 9
As in the first embodiment, the scanning in the optical axis direction is performed with no aberration by the operation of the first embodiment. Although the present embodiment is not a confocal system, the fluorescence itself due to multiphoton excitation is a non-linear phenomenon in itself, and occurs only near the focus of the excitation beam. Multi-photon excitation does not occur with the increased unnecessary order light, so that there is no problem at all. However, in fluorescence observation by multiphoton excitation, the wavelength range of the excitation light and the wavelength range of the fluorescence are far apart, so if there is a liquid crystal diffraction lens in the coaxial optical path, the shape is optimized for light of one wavelength. When this occurs, the diffraction efficiency of the other light decreases and does not affect the imaging characteristics, but the amount of detected light may be lost. Therefore, it is better to provide only in the excitation laser light path as in this embodiment. . In this embodiment, if the detection optical system 23 and the detector 8 are removed, and instead, for example, an observation system using normal illumination or the like is added, a laser scanning device that enables cell operation using a laser trap device or laser manipulation is provided. Become.
【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。 Embodiment 4 In this embodiment, a wavefront conversion element is obtained by adding a refraction lens 24 or a refraction surface 25 to the liquid crystal diffraction lens 21 in the third embodiment. FIGS. 8 (a) and 8 (b) An example of each is shown in FIG. In general, a diffractive lens has an inverse dispersion characteristic, and a normal refracting lens bends better as the wavelength is longer, as opposed to bending as light with a shorter wavelength. Therefore, a refraction lens 24 is added to the liquid crystal diffraction lens 21 including the diffraction surface 21a and the substrate 21b (see FIG. 8A).
Alternatively, by using the outer surface of the substrate 21b itself as a refractive lens surface (see FIG. 8B), a wavefront conversion element capable of effectively correcting chromatic aberration can be obtained.
That is, if the wavefront conversion element having such a configuration is used, even when laser beams having different wavelengths are simultaneously incident, or when laser beams having a wavelength width are incident, there is no chromatic aberration, and the condensing position of the laser beam can be adjusted. Scanning can be performed in the optical axis direction. In this case, if the wavelength is different, the diffraction efficiency is reduced, but the unnecessary order light increased with the wavelength does not adversely affect the imaging characteristics, as described in the third embodiment.
【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。The present invention is not limited to the embodiments described above, and it goes without saying that various combinations are possible. Although only a diffraction lens made of subdivided liquid crystal has been described as an example of a wavefront conversion element, the wavefront conversion element is a Fresnel lens made of subdivided liquid crystal or an element capable of exhibiting the same characteristics as those (so-called liquid crystal). Lens or liquid lens).
【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。As described above, the wavefront conversion element according to the present invention and the laser scanning device using the same have the features as described in the claims, and also have the following features.
【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。(1) The phase of the minute area is controlled to form a diffraction lens.
Or the wavefront conversion element according to 2. Thereby, a phase type diffraction lens having arbitrary characteristics can be configured.
【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。(2) The method according to (1) or (1), wherein the phase of the minute region is controlled to approximate the kinoform shape stepwise so as to have a lens function. Wavefront conversion element. This makes it possible to achieve high diffraction efficiency at a specific wavelength.
【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。(3) The wavefront conversion element according to (1) or (2) or (1), wherein an aspherical wavefront is formed by controlling the phase of the minute area. Thereby, an arbitrary aspherical characteristic can be provided.
【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。(4) The method according to (1) or (2) or (1), wherein the phase of the minute region is controlled to approximate the kinoform shape stepwise to form an aspherical wavefront. The wavefront conversion element according to any one of the preceding claims. Thereby, a phase type diffraction lens having arbitrary aspherical characteristics can be configured.
【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。(5) The wavefront conversion element according to the above (2) or (4), wherein the minute regions included in the approximation of the kinoform shape are at least four regions per pitch. As a result, the kinoform, which is an ideal shape of the diffraction lens, can be approximated by at least four steps, and at the worst, a high-efficiency diffraction lens having a diffraction efficiency of 81% or more can be formed.
【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。(6) The wavefront conversion element according to (1) or (2) or (1) to (5), wherein the liquid crystal is of a homogeneous type. As a result, a highly efficient wavefront conversion element can be realized by phase control instead of amplitude control.
【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。(7) The optical element has a characteristic equivalent to the function of a coaxial symmetric lens, and scanning in the direction of the optical axis is enabled by a power change of the optical element.
3. The laser scanning device according to claim 1. This enables scanning of the laser beam condensing position in the optical axis direction without using a mechanical mechanism.
【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。(8) The laser according to (3) or (7), wherein the means for canceling the aberration generated by the scanning in the optical axis direction is based on the aspherical characteristic of the optical element. Scanning device. This makes it possible to sufficiently cancel the aberration that occurs when scanning is performed in the optical axis direction.
【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。(9) When the refractive index of the immersion medium of the objective lens and the refractive index of the sample are substantially the same, or the refractive index of the immersion medium of the objective lens is smaller than the refractive index of the sample, The spherical characteristic increases as its power moves away from the optical axis, and the amount of the spherical characteristic increases with the numerical aperture of the objective lens and the amount of movement of the condensing position in the optical axis direction with respect to the focal position of the objective lens. The laser scanning device according to claim 3 or (7) or (8), wherein the laser scanning device is increased. As a result, even when scanning is performed in the optical axis direction to obtain a three-dimensional image, which is the greatest feature of a laser microscope, it is possible to reduce the reduction in resolution due to the occurrence of aberrations associated therewith, and to obtain a favorable optical slice. An image is obtained.
【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。(10) When the refractive index of the immersion medium of the objective lens is larger than the refractive index of the sample, the aspherical characteristic of the optical element becomes smaller as its power away from the optical axis, but the same paraxial curvature is obtained. The difference (deviation) from the spherical surface having the following is increased with an increase in the numerical aperture of the objective lens and the amount of movement of the light-collecting position in the optical axis direction based on the focal position of the objective lens. The laser scanning device according to claim 3, or (7) or (8). As a result, even when scanning is performed in the optical axis direction to obtain a three-dimensional image, which is the greatest feature of a laser microscope, it is possible to reduce the reduction in resolution due to the occurrence of aberrations associated therewith, and to obtain a favorable optical slice. An image is obtained. Further, with respect to the operation of a sample such as a laser trap, it is possible to prevent the trapping force from decreasing due to aberration.
【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。(11) The laser device is a laser microscope that focuses light from a laser beam on a sample surface and detects light (reflected light, fluorescence, etc.) emitted from the sample surface.
4. The apparatus according to claim 3, wherein the optical member is arranged in a substantially parallel light beam in a so-called common light path between an optical member (a polarizing beam splitter or a dichroic mirror) for splitting the incident laser light beam and the detection light beam. 7) The laser scanning device according to any one of items 7 to 10. Thus, in the reflection observation or the fluorescence observation, when the wavelength of the excitation light and the wavelength of the fluorescence are close, the optical member can be shared by the illumination system and the detection system.
【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。(12) The laser scanning device focuses light from the laser on the sample surface, and emits light (reflected light,
A laser microscope for detecting fluorescence and the like, wherein the optical element is between an optical member (a polarizing beam splitter or a dichroic mirror) for splitting an incident laser beam and a detection beam and a light source, and between the optical member and a detector. The laser scanning device according to any one of claims 3 to 7, wherein the laser scanning devices are arranged in substantially parallel light beams in both optical paths and can be independently controlled. . Thereby, even in the case of fluorescence observation in which the wavelength region of the excitation light and the wavelength region of the fluorescence are separated, the optical member can be optimized according to each wavelength region.
【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。(13) The laser scanning device focuses the light from the laser on the sample surface and detects the fluorescence emitted by the multiphoton excitation there, or focuses the laser light on the sample surface. A laser device for performing a sample operation (trap, manipulation, etc.), wherein the optical element is arranged only in a substantially parallel light beam in an incident laser light path, wherein: The laser scanning device according to any one of 10). This makes it possible to omit unnecessary optical members in a multiphoton laser microscope in which only the condensing state of incident laser light needs to be controlled, and to optimize only necessary optical members.
Alternatively, in a laser trap device or a laser processing machine, etc., only the focusing state of the incident laser light needs to be controlled.
Unnecessary optical members can be omitted, and only necessary optical members can be optimized.
【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。(14) The optical element capable of canceling the scanning in the direction of the optical axis and the aberration generated thereby is arranged at a position conjugate with the pupil position of the objective lens. The laser scanning device according to any one of (11) to (13). As a result, similar power addition and aberration correction based on aspherical characteristics can be performed from the on-axis light beam to the off-axis light beam, and laser scanning that does not change the magnification of the optical system even when scanning in the optical axis direction by adding power is performed. An apparatus can be provided.
【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。(15) The optical element capable of canceling the scanning in the direction of the optical axis and the aberration generated thereby is arranged near the pupil position of the objective lens or a position conjugate with the pupil position. When a beam scanning method is used, a mechanism is provided which electrically and softly corrects a change (magnification change) in the focal length of the condensing optical system due to a change in power of the optical element when displaying an image. The laser scanning device according to any one of (11) to (13). As a result, substantially the same power addition and aberration correction based on aspherical characteristics can be performed from the on-axis light beam to the off-axis light beam, and a three-dimensional image faithful to the sample can be constructed. That is,
If the position of the optical element does not exactly coincide with the pupil position, scanning in the optical axis direction by adding power changes the focal length (magnification) of the optical system, which causes a problem when constructing a three-dimensional image. coming out. However, if the optical system is known, it is possible to calculate the magnification change accompanying the scanning in the optical axis direction,
This makes it possible to electrically or softly correct the image when displaying the image.
【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。(16) When the optical element capable of canceling the scanning in the direction of the optical axis and the aberration caused by the scanning is not arranged at the pupil position of the objective lens or at a position conjugate with the pupil position or in the vicinity thereof The laser scanning device according to any one of (11) to (13), wherein a stage scanning method is used for scanning. As a result, the light-collecting characteristics and the image-forming characteristics need only consider the on-axis state.
In addition, it is possible to provide a laser scanning device which does not need to be concerned with a change in focal length due to scanning in the optical axis direction.
【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。(17) The optical element capable of canceling the scanning in the direction of the optical axis and the aberration caused by the scanning is controlled so as to sequentially realize data (power and aspherical characteristics) stored in advance. 3. The method according to claim 2, wherein the light converging position is scanned in the optical axis direction.
Or the laser scanning device according to any one of (7) to (16). As a result, total system control of a device that requires scanning in the optical axis direction can be performed.
【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。(18) A liquid crystal lens, a liquid lens, or a micromirror device whose power and shape can be freely changed by the optical element capable of canceling the scanning in the direction of the optical axis and the aberration generated thereby. Or (3) a combination thereof.
Alternatively, the laser scanning device according to any one of the above (7) to (17). Thus, scanning in the optical axis direction can be performed without using a mechanical mechanism, and the accompanying reduction in light-collecting performance and imaging performance can be eliminated.
【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。(19) A laser light source, an objective lens for condensing a light beam from the laser light source on a sample or the like, and the wavefront conversion element according to any one of (1) to (2) or (1) to (6). And a control device for controlling the wavefront conversion element,
A laser scanning device, wherein the condensing position is scanned in an optical axis direction by controlling a phase distribution of the wavefront conversion element. This makes it possible to scan the laser beam condensing position in the optical axis direction without using a mechanical mechanism.
【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。(20) A laser light source, an objective lens for condensing a light beam from the laser light source on a sample or the like, and the wavefront conversion element according to any one of (1) to (2) or (1) to (6). And a control device for controlling the wavefront conversion element,
A laser scanning apparatus characterized in that by controlling the phase distribution of the wavefront conversion element, the light condensing position is scanned in the direction of the optical axis, and the aberration generated by the scanning is canceled. Accordingly, scanning of the laser condensing position in the optical axis direction can be performed without using a mechanical mechanism, and aberration generated when scanning in the optical axis direction can be sufficiently canceled.
【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。(21) The wavefront conversion element according to any one of (1) to (6) or (1) to (6), and a laser light source, an objective lens for condensing a light beam from the laser light source on a sample or the like. And a control device for controlling the wavefront conversion element, and a laser scanning apparatus characterized in that the phase distribution of the wavefront conversion element is controlled so as to cancel out aberrations caused by movement of the condensing position. . This makes it possible to scan the converging position of the laser beam in all directions of x, y, and z without using a mechanical mechanism, and to sufficiently cancel the aberration generated when scanning the laser beam. Can be.
【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。(22) A laser light source, an objective lens for condensing a light beam from the laser light source on a sample or the like, and the wavefront conversion element according to any one of (1) to (2) or (1) to (6). And a control device for controlling the wavefront conversion element, wherein the refractive index of the immersion medium of the objective lens and the refractive index of the sample are substantially the same, or the refractive index of the immersion medium of the objective lens is When the refractive index is smaller than the aspherical characteristic of the wavefront conversion element, the power increases as the power is away from the optical axis, and the amount is based on the numerical aperture of the objective lens and the focal position of the objective lens. A laser scanning device, wherein the phase distribution of the wavefront conversion element is controlled so as to increase with an increase in the amount of movement of the focusing position in the optical axis direction. As a result, even when scanning is performed in the optical axis direction to obtain a three-dimensional image, which is the greatest feature of a laser microscope, it is possible to reduce the reduction in resolution due to the occurrence of aberrations associated therewith, and to obtain a favorable optical slice image. Can be obtained.
【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。(23) A wavefront conversion element according to any one of (1) to (6) or (1) to (6), and a laser light source, an objective lens for condensing a light beam from the laser light source on a sample or the like. And a control device for controlling the wavefront conversion element, wherein when the refractive index of the immersion medium of the objective lens is larger than the refractive index of the sample or the like, the aspheric characteristic of the wavefront conversion element is such that the power is the optical axis. The distance (deviation) from a spherical surface having the same paraxial curvature depends on the numerical aperture of the objective lens and the amount of movement of the condensing position in the optical axis direction with respect to the focal position of the objective lens. A laser scanning apparatus, wherein the phase distribution of the wavefront conversion element is controlled so as to increase as the number of laser scanning elements increases. As a result, even when scanning is performed in the optical axis direction to obtain a three-dimensional image, which is the greatest feature of a laser microscope, it is possible to reduce the reduction in resolution due to the occurrence of aberrations associated therewith, and to obtain a good optical slice. An image can be obtained. In addition, it is possible to prevent the trapping force from being reduced due to aberration in the operation of a sample such as a laser trap.
【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。(24) The wavefront conversion element according to any one of (1) to (2) or (1) to (6),
It is arranged in the vicinity of an optical system having a predetermined power consisting of a refracting surface, and it is possible to move the condensing position of the laser beam by the objective lens in the optical axis direction by a change in the combined power. And a laser scanning device having an aspherical characteristic such that aberration of the optical system generated by the wavefront conversion element is corrected. As a result, even when scanning in the direction of the optical axis, which is a major feature of the laser scanning device, it is possible to reduce the reduction in light-collecting performance due to the occurrence of aberrations associated with the scanning. An image can be obtained. Further, the diffractive lens has an inverse dispersion characteristic, and when combined with a normal refractive surface, chromatic aberration is effectively corrected. Therefore, by adopting this configuration, chromatic aberration does not occur even when laser beams having different wavelengths are simultaneously incident or when laser beams having a wavelength width are incident, and the focusing position of the laser beam is moved in the optical axis direction. It is possible to do. However, since the aspherical characteristics in this case have various characteristics depending on the power of the refracting surface to be combined, the aberrations generated there, the immersion medium of the objective lens used, and the state of the sample (refractive index), the characteristics must be determined without exception. Can not.
【0055】[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。As described above, according to the present invention, an arbitrary wavefront shape can be formed, and a certain kind of image data in a Cartesian coordinate system or a polar coordinate system is reproduced on a liquid crystal to thereby form an optical element. It is possible to provide a wavefront conversion element capable of having a function as Also, by combining with an optical system such as an objective lens, it is possible to provide a wavefront conversion element capable of canceling the movement of the light-converging position and the aberration generated thereby.
【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。Further, according to the present invention, it is possible to scan the light condensing position in the optical axis direction without using a mechanical mechanism, and it is possible to prevent the light condensing performance from deteriorating. When applied to a microscope, it is possible to provide a laser scanning device capable of obtaining a good optical slice image of a specimen without lowering the resolution.
【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。FIG. 1 is a diagram for explaining spherical aberration generated in accordance with scanning of a light-converging position in the optical axis direction and aspherical characteristics for canceling the spherical aberration.
【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。FIG. 2 is a diagram for explaining the basic configuration and operation of the laser scanning device according to the present invention.
【図3】本発明の第1実施例の概略構成図である。FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a first embodiment of the present invention.
【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。FIG. 4 is a conceptual diagram when a diffractive lens is realized by a homogeneous-type subdivided liquid crystal.
【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。FIG. 5 is a diagram for explaining a kinoform of a diffractive lens and its four-step approximation.
【図6】本発明の第2実施例の概略構成図である。FIG. 6 is a schematic configuration diagram of a second embodiment of the present invention.
【図7】本発明の第3実施例の概略構成図である。FIG. 7 is a schematic configuration diagram of a third embodiment of the present invention.
【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。8A and 8B are configuration diagrams of a main part of a fourth embodiment of the present invention, wherein FIG. 8A is a diagram in which a liquid crystal diffraction lens and a refractive lens are combined, and FIG.
FIG. 3 is a diagram in a case where an outer surface facing a diffraction surface of a liquid crystal diffraction lens is formed as a refraction surface.
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REFERENCE SIGNS LIST 1 laser beam 2 beam splitter 3 beam expander 4 wavefront converter 5 objective lens 6 sample surface (focal position of objective lens) 7 position farther from the focal position of objective lens (direction away from objective lens) 8 detector 9 Control device 10 Confocal lens 11 Confocal pinhole 12 Liquid crystal diffraction lens (wavefront conversion element) for excitation light 13 Dichroic mirror 14 Scanning optical system 15 Pupil projection lens 16 Imaging lens 17 Liquid crystal diffraction lens for fluorescence (wavefront conversion element) ) 18 signal processing system 19 display 20 image storage device 21 diffraction lens (wavefront conversion element) made of subdivided liquid crystal 21a diffraction surface 21b substrate 22 pupil relay optical system 23 detection optical system 24 refractive lens 25 refractive surface
Claims (3)
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。1. A liquid crystal device comprising: a liquid crystal element configured so that each of finely divided regions can be independently controlled; and by changing a phase of each of the regions, a light transmitted through or reflected therefrom is changed. A wavefront conversion element capable of appropriately changing a wavefront shape.
なしている請求項1に記載の波面変換素子。2. The wavefront conversion device according to claim 1, wherein each of the regions has a matrix shape or a fan shape.
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。3. A laser scanning apparatus in which light emitted from a laser is focused on a sample position using an optical system and the focused position is scanned in the optical axis direction. A laser scanning device comprising an optical element capable of canceling out.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13557298A JPH11326860A (en) | 1998-05-18 | 1998-05-18 | Wave front converting element and laser scanner using it |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13557298A JPH11326860A (en) | 1998-05-18 | 1998-05-18 | Wave front converting element and laser scanner using it |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11326860A true JPH11326860A (en) | 1999-11-26 |
Family
ID=15154961
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP13557298A Pending JPH11326860A (en) | 1998-05-18 | 1998-05-18 | Wave front converting element and laser scanner using it |
Country Status (1)
| Country | Link |
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| JP (1) | JPH11326860A (en) |
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