像差校正光学单元及激光显微镜的制作方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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I1没有聚光于一点。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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I)。
[0010]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)。
[0011]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。
[0012]又，已知利用这些校正手段，基于物镜和试样间的距离来控制像差校正量的显微镜的控制方法(例如，参照专利文献4)。
[0013]现有技术文献
[0014]专利文献
[0015]专利文献1:日本专利第3299808号(第4-6页、图1)
[0016]专利文献2:日本专利第4149309号(第3-5页、图1)
[0017]专利文献3:日本专利特开2011-180290号公报(第13页)
[0018]专利文献4:日本专利第4554174号(图1)
【发明内容】
[0019]发明所要解决的技术问题
[0020]但是，校正环的操作是通过用手旋转附于物镜上的环状的调整机构来进行的。因此，由于对该调整机构进行调整而产生焦点偏移或视野偏移。又，为了确定物镜的最佳位置，需要重复进行校正环的调整和对焦，有最优化的过程麻烦的问题。因为过程麻烦，所以也存在调整到最佳位置费时间、荧光色素褪色的问题。荧光色素的褪色是基于连续照射激发光而产生的荧光强度变弱的问题。
[0021]又，校正环的调整是精细的，其调整结果的判断现实中是目视图像的人来判断，是否为最优位置的判断是非常困难的。特别地，Z堆的拍摄中，需要深度方向的取得图像数的阶数重复该作业，非常麻烦。因此，现实中充分活用校正环的用户少。进而，根据试样，由于手接触而导致的振动对观察位置造成影响，因此希望手不接触地自动地调整校正环。
[0022]又，波面转换元件的像差的补偿技术中，因为波面转换元件为反射型，所以不能将波面转换元件插入到现有的显微镜光学系统中。因此，需要替续光学系统，从而显微镜光学系统复杂化及大型化，其中，该替续光学系统用于进行与物镜的光瞳位置共轭的配置。进而，为了得到最优补偿波面，需要在事先测定像差，使校正量收敛以形成最优波面的过程是必须的，因此该技术不怎么达到实用。
[0023]又，LCOS类型的光调制元件具有偏振特性。另一方面，用于光源的激光也具有同样的偏振特性，因此，通过使该光调制元件的偏振特性和激光的偏振特性吻合，像差校正对于全光量成为可能。但是，试样中产生的焚光根据试样分子的运动而成为大致任意偏振光。因此，在对使用LCOS类型的光调制元件而产生的任意偏振光的荧光进行校正的情况下，因为该光调制元件仅能校正与该光调制元件的偏振特性一致的偏振成分的像差，所以其他的偏振成分没有被调制。作为其结果，未被调制的偏振成分因共焦点针孔而被遮住，从而检测器中接受到的光量降低。
[0024]又，激光显微镜的光源的偏振特性根据制造商而不同，根据情况，也存在从光源射出的光为圆偏振光的情况。像这样，从光源射出的光不一定为直线偏振光。又，即使从光源射出的光为直线偏振光，其偏振轴也并不为一定。因此，需要使波面转换元件的偏振特性和光源的偏振特性一致，从而存在光学系统进一步变得复杂的问题。
[0025]因此，本发明的目的在于，解决上述技术问题，提供一种可仅通过插入到现有的光学系统来校正波像差的像差校正光学单元。又，作为本发明的另一目的，提供一种手不接触物镜就可配合于显微镜的观察模式或规格来最适当地校正相应于试样或观察条件产生的像差的像差校正光学单元。又，作为本发明的又一目的，提供一种能取得成像性能高的图像的、利用像差校正器件的激光显微镜。
[0026]用于解决技术问题的手段
[0027]为了解决上述技术问题并达成目的，本发明的像差校正光学单元是采用下面记载的构成的装置。
[0028]根据本发明的一个方面，提供一种校正光学系统所产生的波像差的像差校正光学单元。该像差校正光学单元包括:第一相位调制元件，其具有光学轴，对于通过光学系统的光束之中的与光学轴平行的偏振成分，校正光学系统的波像差的规定成分；第二相位调制元件，其具有光学轴，对于光束之中的与光学轴平行的偏振成分，校正波像差的规定成分；可变波长板，其被配置于第一相位调制元件和第二相位调制元件之间，具有光学轴，并能够变更通过光学系统的光束的偏振特性。然后，可变波长板被配置为，可变波长板的光学轴与第一相位调制元件的光学轴或第二相位调制元件的光学轴形成规定角度。
[0029]优选地，在该像差校正光学单元中，第一相位调制元件及第二相位调制元件被配置为，第一相位调制元件的光学轴与第二相位调制元件的光学轴成为平行或者互相正交，可变波长板的光学轴与第一相位调制元件的光学轴或第二相位调制元件的光学轴形成的角度为45° ο
[0030]又，优选地，在该像差校正光学单元中，可变波长板根据施加的电压，使赋予到光束的相位调制量改变。
[0031]又，优选地，在该像差校正光学单元中，第一相位调制元件及第二相位调制元件被配置为，第一相位调制元件的光学轴与第二相位调制元件的光学轴成为平行，可变波长板根据施加的电压的变化来进行以下两种作用的切换，即，作为1/2波长板来发挥作用，或作为将与光束的波长的整数倍相当的相位差赋予到互相正交的两束直线偏振光的波长板来发挥作用。
[0032]或者，优选地，在该像差校正光学单元中，第一相位