像差校正光學(xué)單元及激光顯微鏡的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光學(xué)系統(tǒng)的像差校正技術(shù)，特別是涉及在激光顯微鏡中，配合于觀(guān)察模式或顯微鏡的規(guī)格來(lái)控制根據(jù)試樣或觀(guān)察條件而產(chǎn)生的像差。
【背景技術(shù)】
[0002]激光顯微鏡將激光通過(guò)物鏡聚光于試樣上，激光顯微鏡通過(guò)沿著在與光軸垂直的面上的、互相正交的兩方向(X方向、Y方向)掃描試樣，取得試樣的平面圖像。另一方面，通過(guò)改變物鏡和試樣的光軸方向(Z方向)的間隔，可得到Z方向的多個(gè)斷層像(Z堆)，由此，激光顯微鏡構(gòu)筑試樣的3D圖像。
[0003]在這里，形成激光顯微鏡的主流的共焦點(diǎn)激光顯微鏡將由試樣產(chǎn)生的反射光、散射光或熒光在光學(xué)系統(tǒng)中傳輸，在檢測(cè)器接收透過(guò)了配置于和試樣上的聚光點(diǎn)光學(xué)共軛的位置的針孔的光束。通過(guò)配置針孔，能夠過(guò)濾從試樣上的聚光點(diǎn)以外產(chǎn)生的光，因此共焦點(diǎn)激光顯微鏡能夠取得SN比良好的圖像。
[0004]又，多光子顯微鏡通過(guò)用開(kāi)口數(shù)NA的大物鏡來(lái)對(duì)激光進(jìn)行聚光，從而提高焦點(diǎn)面的光子密度。由此，熒光分子同時(shí)吸收多個(gè)(N個(gè))光子，用通常的N倍的能量來(lái)激發(fā)熒光分子。例如，在2光子顯微鏡的情況下，兩個(gè)光子同時(shí)相當(dāng)于熒光分子，觀(guān)察到通常的1/2波長(zhǎng)的熒光。2光子同時(shí)相當(dāng)于熒光分子的概率非常低，不產(chǎn)生來(lái)自焦點(diǎn)以外的區(qū)域的發(fā)光。因而，即使沒(méi)有上述針孔，多光子顯微鏡也可只獲取檢點(diǎn)的試樣信息。
[0005]觀(guān)察活體試樣的情況下，以浸入培養(yǎng)液的狀態(tài)隔著蓋玻片觀(guān)察的情形較多。又，一般來(lái)說(shuō)，物鏡設(shè)計(jì)為規(guī)定厚度的主蓋玻片正下的成像性能最好。在觀(guān)察活體試樣內(nèi)部的情況下，有必要取得與透過(guò)了培養(yǎng)液或活體組織的深度相當(dāng)?shù)挠^(guān)察位置的圖像，產(chǎn)生與在從蓋玻片正下方到觀(guān)察位置的距離成比例的像差，作為其結(jié)果，分辨率降低。
[0006]對(duì)于該像差，參照?qǐng)D2A及圖2B進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。圖2A及圖2B是示意地表示進(jìn)行觀(guān)察的試樣的深度所產(chǎn)生的像差的圖。為了簡(jiǎn)化說(shuō)明，物鏡被設(shè)計(jì)為最適于對(duì)均勻折射率的介質(zhì)進(jìn)行觀(guān)察的情況。圖2A示出設(shè)計(jì)中使用的觀(guān)察均勻折射率的介質(zhì)情況下的光束100。圖2A中，示出光束100無(wú)像差地聚光于一點(diǎn)。與此相對(duì)，圖2B示出觀(guān)察試樣深度D的面的情況下的光束100。在相接于物鏡的介質(zhì)和試樣的邊界面111，光束110折射，通過(guò)產(chǎn)生的像差，光束I1沒(méi)有聚光于一點(diǎn)。
[0007]例如，在物鏡為干透鏡的情況下，因?yàn)槲镧R和試樣間的空隙被空氣充滿(mǎn)，所以物鏡和試樣間的介質(zhì)(空氣)的折射率為1.0，而與活體試樣的折射率(例如1.39)不同。因此，與物鏡和試樣間的介質(zhì)的折射率與活體試樣的折射率之間的差，以及活體的觀(guān)察深度成比例地產(chǎn)生像差。另一方面，在物鏡為浸水透鏡的情況下，因?yàn)槲镧R和試樣間的空隙被水充滿(mǎn)，所以物鏡和試樣間的介質(zhì)(水)的折射率為1.333，其折射率比起空氣更接近活體試樣的折射率。因此，浸水透鏡雖適于觀(guān)察活體深部，但因?yàn)榛铙w試樣的折射率和水的折射率不相等，所以最終還是由于活體試樣的折射率和水的折射率之差而導(dǎo)致像差產(chǎn)生。因此，分辨率下降成為問(wèn)題。
[0008]進(jìn)而，蓋玻片的厚度也具有偏離設(shè)計(jì)值(例如0.17mm)在公差范圍內(nèi)的誤差。由于蓋玻片折射率1.525和活體試樣折射率1.38?1.39之差，導(dǎo)致與偏離設(shè)計(jì)厚度的蓋玻片實(shí)際厚度的差成比例地產(chǎn)生像差。由于偏離上述的設(shè)計(jì)值的偏差而導(dǎo)致具有以光軸為中心的對(duì)稱(chēng)性相位分布的球面像差產(chǎn)生。
[0009]解決上述像差所導(dǎo)致的畫(huà)質(zhì)劣化的手段之一有校正環(huán)。校正環(huán)是被設(shè)置于物鏡上的環(huán)狀旋轉(zhuǎn)構(gòu)件，通過(guò)旋轉(zhuǎn)校正環(huán)，構(gòu)成物鏡的透鏡組的間隔被變更。由此，蓋玻片的厚度的誤差或觀(guān)察活體深部的情況下產(chǎn)生的像差被消除。校正環(huán)上刻有度數(shù)，例如，對(duì)于蓋玻片厚度，如0、0.17,0.23那樣地大致地示出數(shù)值。然后，根據(jù)實(shí)際上使用的蓋玻片的厚度來(lái)配合校正環(huán)的度數(shù)，由此其厚度中被最優(yōu)化那樣地調(diào)整透鏡組的間隔(例如，參照專(zhuān)利文獻(xiàn)I)。
[0010]又，也已知通過(guò)作為像差校正器件的一例的波面轉(zhuǎn)換元件來(lái)補(bǔ)償產(chǎn)生的像差。該技術(shù)在顯微鏡的光路中配置可矩陣驅(qū)動(dòng)的形狀可變鏡元件，通過(guò)該形狀可變鏡元件，基于事前測(cè)定的波面轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)制波面形狀，并將調(diào)制的光波入射到試樣，由此取得像差被校正的成像性能高的圖像(例如參照專(zhuān)利文獻(xiàn)2)。
[0011]又，作為波面轉(zhuǎn)換元件，已知有LCOS(Liquid Crystal on Silicon)類(lèi)型的空間光調(diào)制元件(參照專(zhuān)利文獻(xiàn)3)，其中，該LCOS類(lèi)型的空間光調(diào)制元件對(duì)相位分布進(jìn)行顯示，該相位分布是將電壓施加于像素被排列為矩陣狀的液晶元件的各像素，通過(guò)使液晶的折射率改變來(lái)消除波像差的相位分布。LCOS類(lèi)型的空間光調(diào)制元件是在采用CMOS技術(shù)制作而成的地址部形成直接液晶層的反射型的電光相位調(diào)制元件，通過(guò)驅(qū)動(dòng)的電壓，控制各像素的相位調(diào)制量。
[0012]又，已知利用這些校正手段，基于物鏡和試樣間的距離來(lái)控制像差校正量的顯微鏡的控制方法(例如，參照專(zhuān)利文獻(xiàn)4)。
[0013]現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0014]專(zhuān)利文獻(xiàn)
[0015]專(zhuān)利文獻(xiàn)1:日本專(zhuān)利第3299808號(hào)(第4-6頁(yè)、圖1)
[0016]專(zhuān)利文獻(xiàn)2:日本專(zhuān)利第4149309號(hào)(第3-5頁(yè)、圖1)
[0017]專(zhuān)利文獻(xiàn)3:日本專(zhuān)利特開(kāi)2011-180290號(hào)公報(bào)(第13頁(yè))
[0018]專(zhuān)利文獻(xiàn)4:日本專(zhuān)利第4554174號(hào)(圖1)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0019]發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0020]但是，校正環(huán)的操作是通過(guò)用手旋轉(zhuǎn)附于物鏡上的環(huán)狀的調(diào)整機(jī)構(gòu)來(lái)進(jìn)行的。因此，由于對(duì)該調(diào)整機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整而產(chǎn)生焦點(diǎn)偏移或視野偏移。又，為了確定物鏡的最佳位置，需要重復(fù)進(jìn)行校正環(huán)的調(diào)整和對(duì)焦，有最優(yōu)化的過(guò)程麻煩的問(wèn)題。因?yàn)檫^(guò)程麻煩，所以也存在調(diào)整到最佳位置費(fèi)時(shí)間、熒光色素褪色的問(wèn)題。熒光色素的褪色是基于連續(xù)照射激發(fā)光而產(chǎn)生的熒光強(qiáng)度變?nèi)醯膯?wèn)題。
[0021]又，校正環(huán)的調(diào)整是精細(xì)的，其調(diào)整結(jié)果的判斷現(xiàn)實(shí)中是目視圖像的人來(lái)判斷，是否為最優(yōu)位置的判斷是非常困難的。特別地，Z堆的拍攝中，需要深度方向的取得圖像數(shù)的階數(shù)重復(fù)該作業(yè)，非常麻煩。因此，現(xiàn)實(shí)中充分活用校正環(huán)的用戶(hù)少。進(jìn)而，根據(jù)試樣，由于手接觸而導(dǎo)致的振動(dòng)對(duì)觀(guān)察位置造成影響，因此希望手不接觸地自動(dòng)地調(diào)整校正環(huán)。
[0022]又，波面轉(zhuǎn)換元件的像差的補(bǔ)償技術(shù)中，因?yàn)椴孓D(zhuǎn)換元件為反射型，所以不能將波面轉(zhuǎn)換元件插入到現(xiàn)有的顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)中。因此，需要替續(xù)光學(xué)系統(tǒng)，從而顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜化及大型化，其中，該替續(xù)光學(xué)系統(tǒng)用于進(jìn)行與物鏡的光瞳位置共軛的配置。進(jìn)而，為了得到最優(yōu)補(bǔ)償波面，需要在事先測(cè)定像差，使校正量收斂以形成最優(yōu)波面的過(guò)程是必須的，因此該技術(shù)不怎么達(dá)到實(shí)用。
[0023]又，LCOS類(lèi)型的光調(diào)制元件具有偏振特性。另一方面，用于光源的激光也具有同樣的偏振特性，因此，通過(guò)使該光調(diào)制元件的偏振特性和激光的偏振特性吻合，像差校正對(duì)于全光量成為可能。但是，試樣中產(chǎn)生的焚光根據(jù)試樣分子的運(yùn)動(dòng)而成為大致任意偏振光。因此，在對(duì)使用LCOS類(lèi)型的光調(diào)制元件而產(chǎn)生的任意偏振光的熒光進(jìn)行校正的情況下，因?yàn)樵摴庹{(diào)制元件僅能校正與該光調(diào)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沒(méi)有被調(diào)制。作為其結(jié)果，未被調(diào)制的偏振成分因共焦點(diǎn)針孔而被遮住，從而檢測(cè)器中接受到的光量降低。
[0024]又，激光顯微鏡的光源的偏振特性根據(jù)制造商而不同，根據(jù)情況，也存在從光源射出的光為圓偏振光的情況。像這樣，從光源射出的光不一定為直線(xiàn)偏振光。又，即使從光源射出的光為直線(xiàn)偏振光，其偏振軸也并不為一定。因此，需要使波面轉(zhuǎn)換元件的偏振特性和光源的偏振特性一致，從而存在光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)一步變得復(fù)雜的問(wèn)題。
[0025]因此，本發(fā)明的目的在于，解決上述技術(shù)問(wèn)題，提供一種可僅通過(guò)插入到現(xiàn)有的光學(xué)系統(tǒng)來(lái)校正波像差的像差校正光學(xué)單元。又，作為本發(fā)明的另一目的，提供一種手不接觸物鏡就可配合于顯微鏡的觀(guān)察模式或規(guī)格來(lái)最適當(dāng)?shù)匦Ｕ鄳?yīng)于試樣或觀(guān)察條件產(chǎn)生的像差的像差校正光學(xué)單元。又，作為本發(fā)明的又一目的，提供一種能取得成像性能高的圖像的、利用像差校正器件的激光顯微鏡。
[0026]用于解決技術(shù)問(wèn)題的手段
[0027]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題并達(dá)成目的，本發(fā)明的像差校正光學(xué)單元是采用下面記載的構(gòu)成的裝置。
[0028]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種校正光學(xué)系統(tǒng)所產(chǎn)生的波像差的像差校正光學(xué)單元。該像差校正光學(xué)單元包括:第一相位調(diào)制元件，其具有光學(xué)軸，對(duì)于通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)的光束之中的與光學(xué)軸平行的偏振成分，校正光學(xué)系統(tǒng)的波像差的規(guī)定成分；第二相位調(diào)制元件，其具有光學(xué)軸，對(duì)于光束之中的與光學(xué)軸平行的偏振成分，校正波像差的規(guī)定成分；可變波長(zhǎng)板，其被配置于第一相位調(diào)制元件和第二相位調(diào)制元件之間，具有光學(xué)軸，并能夠變更通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)的光束的偏振特性。然后，可變波長(zhǎng)板被配置為，可變波長(zhǎng)板的光學(xué)軸與第一相位調(diào)制元件的光學(xué)軸或第二相位調(diào)制元件的光學(xué)軸形成規(guī)定角度。
[0029]優(yōu)選地，在該像差校正光學(xué)單元中，第一相位調(diào)制元件及第二相位調(diào)制元件被配置為，第一相位調(diào)制元件的光學(xué)軸與第二相位調(diào)制元件的光學(xué)軸成為平行或者互相正交，可變波長(zhǎng)板的光學(xué)軸與第一相位調(diào)制元件的光學(xué)軸或第二相位調(diào)制元件的光學(xué)軸形成的角度為45° ο
[0030]又，優(yōu)選地，在該像差校正光學(xué)單元中，可變波長(zhǎng)板根據(jù)施加的電壓，使賦予到光束的相位調(diào)制量改變。
[0031]又，優(yōu)選地，在該像差校正光學(xué)單元中，第一相位調(diào)制元件及第二相位調(diào)制元件被配置為，第一相位調(diào)制元件的光學(xué)軸與第二相位調(diào)制元件的光學(xué)軸成為平行，可變波長(zhǎng)板根據(jù)施加的電壓的變化來(lái)進(jìn)行以下兩種作用的切換，即，作為1/2波長(zhǎng)板來(lái)發(fā)揮作用，或作為將與光束的波長(zhǎng)的整數(shù)倍相當(dāng)?shù)南辔徊钯x予到互相正交的兩束直線(xiàn)偏振光的波長(zhǎng)板來(lái)發(fā)揮作用。
[0032]或者，優(yōu)選地，在該像差校正光學(xué)單元中，第一相位