光照射装置、显微镜装置、光照射方法、及图像获取方法与流程

本公开涉及一种光照射装置、显微镜装置、光照射方法、及图像获取方法。

背景技术：

1、非专利文献1公开了二光子显微镜。在该二光子显微镜中，使角向偏振光和利用螺旋型的相位图案的相位调制组合，生成激励光。非专利文献2公开了使角向偏振光、利用螺旋型的相位图案的相位调制、以及振幅调制组合的结构。非专利文献3公开了相位调制型的多重环形屏蔽。

2、现有技术文献

3、非专利文献

4、非专利文献1：xiangping li et al.,"super-resolved pure-transverse focalfields with an enhanced energy density through focus of an azimuthallypolarized first-order vortex beam",optics letters,volume 39,no.20,pp.5961-5964,october 15,2014

5、非专利文献2：g.h.yuan et al.,"generation of nondiffracting quasi-circular polarization beams using an amplitude modulated phase hologram",journal of the optical society of america a,volume 28,no.8,pp.1716-1720,august 2011

6、非专利文献3：m.martinez-corral et al.,"tailoring the axial shape ofthe point spread function using the toraldo concept",optics express,volume10,issue 1,pp.98-103,february 2002

技术实现思路

1、发明所要解决的问题

2、在观察被观察物的情况下或加工被加工物的情况下，从激光光源等光源输出的光经过聚光透镜并聚光照射于对象物(被观察物或被加工物)的表面或内部。在这样对光进行聚光的情况下，作为其聚光直径的大小的目标的光束腰(beam waist)直径只能减小至光的波长的一半左右。这被称为衍射极限。

3、为了超过衍射极限而减小聚光直径，使用环形屏蔽。例如单环形屏蔽具有单一的环形状的遮光部和分别设置于该遮光部的内侧及外侧的透过部。再者，通过了遮光部的内侧及外侧各自的透过部的光经过聚光透镜到达聚光位置。在聚光位置，通过这两个光干涉，能够将光聚光于小于衍射极限的区域。多重环形屏蔽具有配置成同心圆状的多个环形状的遮光部和设置于这些多个遮光部之间的多个透过部。再者，通过了各透过部的光经过聚光透镜到达聚光位置。即使在使用这样的多重环形屏蔽的情况下，也能够超过衍射极限，将光聚光于更小的区域。

4、在使用环形屏蔽的情况下，为了将聚光直径最小化，可以与物镜的数值孔径对应而调整遮光部和透过部的宽度。然而，即使调整遮光部和透过部的宽度而将聚光直径最小化，也会有时小径化的程度小或几乎没有小径化。这样的现象，物镜的数值孔径越大，越显著。

5、本公开的目的在于，提供一种光照射装置、显微镜装置、光照射方法、及图像获取方法，其能够在使用环形屏蔽的情况下提高聚光直径的小径化的程度。

6、用于解决问题的技术手段

7、本公开的一个方面的光照射装置具备：光输出部，其输出相干光；以及光学系统，其将从光输出部输出的光照射于对象物。光学系统具有：物镜，其使从光输出部输出的光在对象物聚光；以及偏振光变换部、相位变换部、及环形屏蔽，其设置于光输出部与对象物之间的光路上。偏振光变换部以将输入到偏振光变换部的光变换为角向偏振光而输出的方式构成。相位变换部以将利用螺旋型的相位图案的相位调制赋予输入到相位变换部的光的方式构成。根据本发明人的见解，除了环形屏蔽之外，还能够通过设置变换成角向偏振光的偏振光变换部、以及赋予利用螺旋型的相位图案的相位调制的相位变换部，提高聚光直径的小径化的程度。

8、本公开的一个方面的光照射方法包括：输出相干光的步骤；以及对于在输出光的步骤中输出的光，进行偏振光变换处理、相位变换处理、及环形屏蔽处理并且在对象物聚光的步骤。偏振光变换处理是将在输出光的步骤中输出的光变换为角向偏振光的处理。相位变换处理是将利用螺旋型的相位图案的相位调制赋予在输出光的步骤中输出的光的处理。根据发明人的见解，除了环形屏蔽处理之外，还能够通过进行变换成角向偏振光的偏振光变换处理、以及赋予利用螺旋型的相位图案的相位调制的相位变换处理，提高聚光直径的小径化的程度。

9、在上述的光照射装置及光照射方法中，环形屏蔽和环形屏蔽处理也可以是振幅调制型。在环形屏蔽中，存在振幅调制型、相位调制型、以及它们的复合型。相位调制型的光利用效率比振幅调制型的光利用效率更高，因此根据相位调制型，能够降低损失并且高效地照射光。但是，如果使用相位调制型的环形屏蔽，则容易在光轴方向上的聚光点的两边产生不需要的聚光部分，即旁瓣(side lobe)。例如在单光子激励型的荧光显微镜等中，能够使用共焦光学系统，通过基于小孔的共聚焦(confocal)效应来提高分辨率，因此某种程度上容许这样的不需要的聚光部分的产生。但是，例如在二光子激励型的荧光显微镜等中，激励效率比单光子激励型更低，此外，在深部观察时，由于像差的影响而在小孔位置和聚光位置产生大的偏移，因此光损失大。如果使用振幅调制型的环形屏蔽，与相位调制型比较，减小不需要的聚光部分(旁瓣)，因此不设置包含小孔的共焦光学系统即可。由此，能够抑制光损失并且有助于装置的小型化。

10、在上述的光照射装置中，物镜的数值孔径na相对于物镜与对象物之间的介质的折射率r之比(na/r)也可以为0.75以上。在上述的光照射方法的光照射步骤中，也可以使用物镜的数值孔径na相对于物镜与对象物之间的介质的折射率r之比(na/r)为0.75以上的物镜并使光聚光。根据上述的光照射装置及光照射方法，这样在物镜的数值孔径大的情况下，能够进一步提高聚光直径的小径化的程度。

11、在上述的光照射装置中，相位变换部和环形屏蔽中的一者或两者也可以由相位调制型的空间光调制器构成。在上述的光照射方法中，也可以使用相位调制型的空间光调制器进行相位变换处理和环形屏蔽处理中的一者或两者。在该情况下，能够容易进行相位变换部及相位变换处理中的相位图案的变更、和/或环形屏蔽及环形屏蔽处理中的遮光部及透过部的宽度的变更。

12、在上述的光照射装置中，构成相位变换部的空间光调制器也可以与构成环形屏蔽的空间光调制器被共用。空间光调制器也可以呈现将用于构成相位变换部的相位图案和用于构成环形屏蔽的相位图案重叠的相位图案。在上述的光照射方法中，进行相位变换处理的空间光调制器也可以与进行环形屏蔽处理的空间光调制器被共用。空间光调制器也可以呈现将用于进行相位变换处理的相位图案和用于进行环形屏蔽处理的相位图案重叠的相位图案。在该情况下，能够将构成相位变换部的部件和构成环形屏蔽的部件，或者，将进行相位变换处理的部件和进行环形屏蔽处理的部件汇总成一个，简化装置的结构。

13、在上述的光照射装置中，环形屏蔽也可以具有：环形状的多个遮光部，其设置于中心位置的周围；第1透过部，其设置于多个遮光部中的相邻的两个遮光部之间；最内层的第2透过部，其设置于多个遮光部中的最内层的遮光部的内侧；以及最外层的第3透过部，其设置于多个遮光部中的最外层的遮光部的外侧。通过使用这样的多重环形屏蔽，能够进一步提高聚光直径的小径化的程度。

14、本公开的一个方面的显微镜装置具备：上述任一项的光照射装置、检测部和图像生成部。检测部检测通过从光输出部输出的光的照射而在对象物产生的光。图像生成部基于检测部的检测结果，生成对象物的观察图像。本公开的一个方面的图像获取方法包括：上述任一项的光照射方法；检测通过聚光的步骤中的光的照射而在对象物产生的光的步骤；以及基于检测的步骤中的检测结果，生成对象物的观察图像的步骤。根据这些显微镜装置及图像获取方法，能够通过具备上述任一项的光照射装置、或包括上述任一项的光照射方法，提高聚光直径的小径化的程度。因此，能够提高观察图像的分辨率。

15、在上述的显微镜装置中，检测部也可以检测通过利用从光输出部输出的光的照射的多光子激励而在对象物产生的荧光。在图像获取方法的检测的步骤中，也可以检测通过利用聚光的步骤中的光的照射的多光子激励而在对象物产生的荧光。在这样的多光子激励型的显微镜装置及图像获取方法中，也能够提高观察图像的分辨率。

16、在上述的显微镜装置中，光输出部也可以输出光，该光的光强度的时间波形包含正弦波的一次函数的n次方根(n为2以上的整数)，并且该光的光强度的最大值超过对象物的饱和激励强度。检测部也可以检测包含于荧光的光强度的时间波形的第2谐波，荧光通过利用从光输出部输出的光的照射的n光子激励而在对象物产生。在上述的图像获取方法的输出光的步骤中，也可以输出光，该光的光强度的时间波形包含正弦波的一次函数的n次方根(n为2以上的整数)，并且该光的光强度的最大值超过对象物的饱和激励强度。在检测的步骤中，也可以检测包含于荧光的光强度的时间波形的第2谐波，荧光通过利用聚光的步骤中的光的照射的n光子激励而在对象物产生。

17、在这些显微镜装置及图像获取方法中，在光输出部和光输出步骤中输出的光，即激励光的光强度的时间波形包含正弦波的一次函数的n次方根。在n光子激励中，荧光强度与激励光强度的n次方成比例。因此，如果向对象物照射具有包含正弦波的一次函数的n次方根的时间波形的激励光，并且在对象物产生n光子激励，则从对象物输出的荧光的时间波形与正弦波的一次函数成比例。因此，与一般的饱和激励(saturated excitation：sax)显微镜同样，能够基于第2谐波或第3谐波等次数更低的谐波得到观察图像。因此，根据这些显微镜装置及图像获取方法，不需要由于检测荧光的器件的频率范围的制约而减小激励光的频率，因此能够避免观察图像的作成所需的时间变长。

18、发明的效果

19、根据本公开，能够提供一种光照射装置、显微镜装置、光照射方法、及图像获取方法，其能够在使用环形屏蔽的情况下提高聚光直径的小径化的程度。