JP4669995B2 - 光学顕微鏡及び観察方法 - Google Patents

Description

本発明は、光学顕微鏡及び観察方法に関する。

光学顕微鏡は、その用途に応じて様々なタイプのものが開発されている。光学顕微鏡には、例えば、レーザ顕微鏡がある。レーザ顕微鏡は、レーザより出力されたレーザ光を試料上に集光し、試料による反射光、発光光などを受光することによって、試料の観察や検査などを行うことができる。

レーザ顕微鏡の一つの態様として、共焦点顕微鏡が知られている。共焦点顕微鏡は、優れた分解能や試料の３次元情報を取得することができるなどの利点から、注目を集めている。さらに、このような利点から、共焦点光学系を利用した蛍光顕微鏡が開示されている（特許文献１）。特許文献１の蛍光顕微鏡では、試料で発生した蛍光を偏光板を介して検出している。そして、偏光板を回転させて蛍光の偏光特性を抽出している。そして、蛍光偏光を検出することにより、様々な観点から試料を解析、分析することが可能となる。例えば、たんぱく質などの試料の分子構造が変化すると、偏光特性が変化する。よって、蛍光偏光を検出することによって分子構造の分析を行うことができる。
特開２００５−９９６６２号公報

ところで、光は、横波であるため、進行方向に平行方向には、振動しない、従って、光の進行方向に平行方向に関しては、試料を分析、解析することが困難であった。よって、従来の顕微鏡では、様々な観点から試料を解析、分析することができないという問題点があった。
本発明は上述の問題点に鑑みてなされたものであり、様々な観点からの解析、分析を容易にすることができるレーザ顕微鏡を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様にかかる光学顕微鏡は、光源（例えば、本発明の実施の形態にかかるレーザ光源１１）と、前記光源からの光ビームを集光して試料に照射する対物レンズ（例えば、本発明の実施の形態にかかる対物レンズ１６）と、前記試料に入射した光ビームにより発生した光、又は前記試料で反射した反射光が入射し、入射位置に応じた位相差を与える偏光制御素子（例えば、本発明の実施の形態にかかる偏光制御素子１３）と、前記対物レンズよりも低いＮＡを有し、前記偏光制御素子を通過した光を集光するレンズ（例えば、本発明の実施の形態にかかるレンズ３３）と、共焦点光学系を介して前記レンズで集光された光を検出する光検出器（例えば、本発明の実施の形態にかかる検出器３５）と、を備えるものである。これにより、様々な観点からの解析、分析を行うことができる。

本発明の第２の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡において、前記偏光制御素子を光路上から取り除き、特定の偏光方向の光のみを透過する偏光子を前記光路中に挿入する切換手段をさらに備えるものである。これにより、様々な観点からの解析、分析を行うことができる。

本発明の第３の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡において、前記光路中に挿入される偏光子の吸収軸、又は反射軸を異なる角度に切換えることができることを特徴とするものである。これにより、様々な観点からの解析、分析を行うことができる。

本発明の第４の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡において、前記光源と前記対物レンズの間に配置され、前記光源から前記試料に入射する入射光と、前記試料から前記対物レンズの方向に出射された出射光とを分離するビームスプリッタをさらに備え、前記偏光制御素子が、前記ビームスプリッタと前記対物レンズとの間に配置されているものである。これにより、様々な観点からの解析、分析を行うことができる。

本発明の第５の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡において、前記光源と前記対物レンズの間に配置され、前記光源から前記試料に入射する入射光と、前記試料から前記対物レンズの方向に出射された出射光とを分離するビームスプリッタをさらに備え、前記偏光制御素子が、前記ビームスプリッタと前記検出器との間に配置されているものである。これにより、様々な観点からの解析、分析を行うことができる。

本発明の第６の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡において、前記ビームスプリッタと前記光源との間に配置され、入射位置に応じた位相差を与える入射側偏光制御素子をさらに備えるものである。これにより、様々な観点からの解析、分析を行うことができる。

本発明の第７の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡において、前記入射側偏光制御素子を光路上から取り除き、入射した光を直線偏光にする入射側偏光子を前記ビームスプリッタと前記光源との間に挿入する切換手段をさらに備えるものである。これにより、様々な観点からの解析、分析を行うことができる。

本発明の第８の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡において、前記入射側偏光制御素子を光路上から取り除き、１／２波長板を前記ビームスプリッタと前記光源との間に挿入する切換手段をさらに備えるものである。これにより、光の利用効率を向上することができる。

本発明の第９の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡において、前記偏光制御素子が、前記試料の前記対物レンズが配置された側と反対側に配置され、前記試料で発生した光が前記試料を透過し、前記偏光制御素子に入射することを特徴とするものである。これにより、様々な観点からの解析、分析を行うことができる。

本発明の第１０の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡において、前記光源と前記対物レンズとの間に配置され、入射位置に応じた位相差を与える入射側偏光制御素子をさらに備えるものである。これにより、様々な観点からの解析、分析を行うことができる。

本発明の第１１の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡において、前記入射側偏光制御素子を光路上から取り除き、特定の偏光方向の光のみを透過する入射側偏光子を前記光源と前記対物レンズとの間に挿入する切換手段をさらに備えるものである。これにより、様々な観点からの解析、分析を行うことができる。

本発明の第１２の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡において、前記光路中に挿入される入射側偏光子の吸収軸、又は反射軸を異なる角度に切換えることができることを特徴とするものである。これにより、様々な観点からの解析、分析を行うことができる。

本発明の第１３の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡において、前記入射側偏光制御素子に入射する光ビームが直線偏光であることを特徴とするものである。これにより、様々な観点からの解析、分析を行うことができる。

本発明の第１４の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡において、前記入射側偏光制御素子を光路上から取り除き、１／２波長板を前記対物レンズと前記光源との間に挿入する切換手段をさらに備えるものである。これにより、光の利用効率を向上することができる。

本発明の第１５の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡において、前記光源と前記入射側偏光制御素子との間に、特定の偏光方向の光のみを透過する光源側偏光子をさらに備えるものである。これにより、様々な光源を用いることができる。

本発明の第１６の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡において、ラマン散乱光、コヒーレントアンチストークスラマン散乱光、コヒーレントストークスラマン散乱光、第２高調波、蛍光、第３高調波、蛍光、２光子蛍光、又は和周波であることを特徴とするものである。

本発明の第１７の態様にかかる観察方法は、光ビームを対物レンズによって、試料に集光して照射するステップと、前記試料に入射した光ビームにより発生した光、又は前記試料からの反射光に対して、入射位置に応じた位相差を与えるステップと、前記入射位置に応じた位相差を与えられた光を、前記対物レンズよりも低いＮＡのレンズで集光するステップと、前記低いＮＡのレンズで集光された光を、共焦点光学系を介して検出するステップとを備えるものである。これにより、様々な観点からの解析、分析を容易に行うことができる。

本発明によれば、様々な観点からの解析、分析を容易にすることができる光学顕微鏡、及び観察方法を提供することができる。

以下に、本発明を適用可能な実施の形態が説明される。以下の説明は、本発明の実施形態を説明するものであり、本発明が以下の実施形態に限定されるものではない。説明の明確化のため、以下の記載は、適宜、省略及び簡略化がなされている。又、当業者であれば、以下の実施形態の各要素を、本発明の範囲において容易に変更、追加、変換することが可能であろう。尚、各図において同一の符号を付されたものは同様の要素を示しており、適宜、説明が省略される。

本発明の実施の形態にかかるレーザ顕微鏡について図１を用いて説明する。図１は本実施の形態にかかる光学顕微鏡の光学系の構成を模式的に示す図である。光学顕微鏡１００は、試料２０を観察するための構成として、レーザ光源１１と、ビームエキスパンダ１２と、偏光制御素子１３と、ビームスプリッタ１７と、対物レンズ１６と、ＸＹステージ２１と、レンズ３３と、ピンホール３４ａと、検出器３５とを有する。光学顕微鏡１００は、落射照明方式のレーザ共焦点顕微鏡である。従って、試料２０からの光は共焦点光学系を介して検出される。なお、以下の説明で、Ｚ方向は、光軸に平行な方向とする。さらに、Ｘ方向、及びＹ方向は、互いに垂直な方向であり、光軸（Ｚ方向）に垂直な方向である。従って、Ｘ方向、及びＹ方向は試料２０の表面に平行な方向となる。

また、光学顕微鏡１００は、偏光制御素子１３から偏光板１５に切換えるための回転機構１４を有している。回転機構１４は、回転モータ等を備えている。そして、回転機構１４を所定の角度だけ回転することにより、偏光制御素子１３が光路上から取り除かれるとともに、偏光板１５が光路上に挿入される。回転機構１４をさらに回転させると、偏光板１５が光路上から取り除かれるとともに、偏光制御素子１３が光路上に挿入される。従って、偏光制御素子１３、及び偏光板１５のうちの一方が排他的に光路上に配置される。このように、偏光制御素子１３と偏光板１５を切換えることによって、試料２０に入射する光の偏光状態を制御することができる。

レーザ光源１１からは、所定の波長のレーザ光が出射される。レーザ光源１１としては、観察する試料２０に応じたレーザ装置を用いることができる。例えば、生物細胞の観察などにおいて、モード・ロック・チタン・サファイア・レーザを使用した赤外光パルスなどを使用することができる。レーザ光波長、レーザ光強度、発振態様、繰り返し周波数、パルス幅などのレーザ光の特性は、試料や観察方法によって適切なものが選択される。また、レーザ光源１１からは、直線偏光が出射されるものとする。もちろん、他の光源を用いてもよい。ランダム偏光等の直線偏光以外の光を出射する光源を用いる場合、レーザ光源１１と偏光制御素子１３との間に偏光板を追加して直線偏光にしてもよい。レーザ光源１１からのレーザ光は、２枚のレンズからなるビームエキスパンダ１２に入射する。ビームエキスパンダ１２は、レーザ光のビーム径を拡大して出射する。ビームエキスパンダ１２によって平行な光束となったレーザ光は、ビームスプリッタ１７に入射する。

ビームスプリッタ１７は、入射した光の一部を透過する。ビームスプリッタ１７としては、例えば、ハーフミラーを用いることができる。あるいは、ビームスプリッタ１７をダイクロイックミラーとしてもよい。この場合、レーザ光と異なる波長となって発生する光を効率よく検出することができる。ビームスプリッタ１７を透過した光は、偏光制御素子１３に入射する。偏光制御素子１３は、入射した直線偏光のレーザ光に対して、入射位置に応じた位相差を与える。すなわち、入射位置に応じて偏光状態が変化して、試料２０に入射する入射光の偏光状態が制御される。

ここで、偏光制御素子１３について説明する。偏光制御素子１３は、後述する対物レンズ１６との組み合わせによって、Ｚ偏光を作り出すものである。すなわち、偏光制御素子１３を通過した光を、対物レンズ１６で集光すると、Ｚ方向に振動するＺ偏光となる。例えば、偏光制御素子１３としては、ナノフォトン社製ＺＰｏｌを用いることができる。この偏光制御素子１３の構成について図２を用いて説明する。図２（ａ）は、偏光制御素子１３の構成を模式的に示す正面図であり、光学軸の方向を示している。図２（ｂ）は、偏光制御素子１３に直線偏光を入射したときに、偏光制御素子１３から出射される光の偏光状態を示す図である。すなわち、図２（ｂ）は、出射光の偏光軸を示している。図２（ａ）に示すように、偏光制御素子１３には、光学軸が異なる１／２波長板が複数配置されている。ここでは、８つの１／２波長板が放射状に配置されている。それぞれの１／２波長板は、円弧状に形成されている。そして、入射光の光軸、すなわち偏光制御素子１３の中心に対して対向する領域では、１／２波長板の光学軸が９０°異なっている。すなわち、対向する領域では、光学軸が直交している。従って、入射位置に応じた位相差が与えられる。従って、対向する領域からの出射光は１８０°異なる位相となっている。

そして、偏光制御素子１３の光学軸と直線偏光の偏光軸の角度を所定の角度に合わせた状態で、直線偏光が偏光制御素子１３に入射すると、偏光制御素子１３から出射される光は、図２（ｂ）に示すように、偏光軸が放射状になる。すなわち、光軸に対して対向する領域で振動方向が反対方向になっている。このような偏光状態をラジアル偏光と称す。電気ベクトルＥのＸ成分をＥｘとし、Ｙ成分をＥｙとすると、ラジアル偏光では、Ｅｘ，Ｅｙがｘ、ｙに分布を有する。すなわち、異なる光学軸の１／２波長板を通過した光線は、偏光軸が異なっている。一方、偏光制御素子１３にラジアル偏光が入射すると、出射光は、所定の偏光軸を有する直線偏光になる。このように、偏光制御素子１３は、入射位置に応じた位相差を与える位相板である。すなわち、偏光制御素子１３を通過した光は、入射位置に応じて振動方向が変化して、偏光状態が変化する。

さらに、図２（ａ）に示す偏光制御素子１３では、アジマス偏光（アジマサル偏光）を生成することができる。アジマス偏光では、図２（ｃ）に示すように、ラジアル偏光と直交する方向に直線偏光が分布している。すなわち、偏光軸が円形に近い偏光状態となる。このように、偏光制御素子１３を用いることによって、光束断面において、光の電気ベクトルの振動方向が空間的な分布を有する偏光状態を形成することができる。なお、図２（ａ）に示す偏光制御素子１３における０°の方向に、光の偏光軸を一致させることによって、ラジアル偏光を得ることができる。また、図２（ａ）に示す偏光制御素子１３における９０°の方向に、光の偏光軸を一致させることによって、アジマス偏光を得ることができる。このように、入射位置に応じて異なる光学軸を有する１／２波長板に光が入射すると、レーザビームには、入射位置に対応する光学軸に基づいて位相差が与えられる。

この偏光制御素子１３を通過した光は、図１に示すように対物レンズ１６に入射する。対物レンズ１６には、ＮＡ（開口数）の高いものを用いる。例えば、対物レンズ１６のＮＡを０．３〜０．９とすることができる。対物レンズ１６は、入射光を屈折させて試料２０に出射する。高ＮＡの対物レンズ１６を用いることによって、分解能を向上することができる。

この対物レンズ１６に入射したレーザ光は、図３に示すように、試料２０に集光される。このとき、上記の偏光制御素子１３を通過したラジアル偏光が対物レンズ１６によって集光されて、試料２０に入射する。ここで、ラジアル偏光が高ＮＡの対物レンズ１６で集光されると、レンズ集光によって各光線は、角度分散を持つ。対向する領域で反対方向に振動する光が内側に屈折される。よって、焦点では、対向する領域でＸ成分又はＹ成分が打ち消し合い、Ｚ成分がエンハンスされる（図３（ｂ）参照）。これにより、電気ベクトルのＺ成分であるＥｚを有するＺ偏光が試料２０に集光される。さらに、ここではＥｘ、及びＥｙが０に近くなっている。すなわち、試料２０には、Ｚ方向に振動するレーザ光が集光されている。なお、通常の直線偏光が対物レンズ１６によって集光されると、Ｚ成分が打ち消しあう（図３（ａ）参照）。従って、電気ベクトルは伝播方向と垂直な方向に振動する。

ここで、試料２０にレーザ光が入射すると、レーザ光及び試料２０に応じた光が発生する。例えば、試料２０からは、蛍光、ラマン散乱光、又は第２高調波が発生する。ここでは、試料２０から蛍光が発生されるものとして説明する。すなわち、レーザ光源１１からのレーザ光が励起光となる。蛍光の波長は、レーザ光、及び試料２０に応じたものとなる。さらに、蛍光の振動方向は、試料２０の分子配列、結晶方向に応じたものとなる。すなわち、分子や結晶の方向性によって、蛍光の電気ベクトルの振動方向が決定する。従って、試料２０の状態に応じて、蛍光の偏光状態が変化する。なお、試料２０は、ＸＹステージ２１上に載置されている。このＸＹステージ２１で試料２０を走査することができる。よって、試料２０の様々な箇所を観察することができる。例えば、Ｘ方向及びＹ方向に、ＸＹステージ２１を移動させる。これにより、試料２０の２次元像を撮像することができる。

試料２０からの蛍光は、様々な方向に出射される。従って、レーザ光の伝播方向と反対方向に出射される蛍光は、対物レンズ１６に入射する。この対物レンズ１６に入射した蛍光は、対物レンズ１６で屈折されて、平行な光束となる。そして、対物レンズ１６からの蛍光は、偏光制御素子１３を通過する。ここでは、レーザ光が入射した偏光制御素子１３と同じ偏光制御素子１３を通過する。この偏光制御素子１３によって、蛍光の偏光状態が制御される。そして、偏光制御素子１３を通過した蛍光の一部は、ビームスプリッタ１７で反射される。これにより、試料２０に入射する入射光の光路と、試料から出射する出射光の光路とが分岐される。ビームスプリッタ１７で反射された蛍光は、レンズ３３に入射する。レンズ３３は、対物レンズ１６よりもＮＡが小さい低ＮＡレンズである。例えば、レンズ３３には、ＮＡが０．００５〜０．０４のものを用いることができる。このレンズ３３によって蛍光が屈折して、ピンホールフィルタ３４に設けられたピンホール３４ａ上に集光される。すなわち、ピンホール３４ａがレンズ３３の焦点上に配置されている。

このピンホールフィルタ３４のピンホール３４ａを通過した蛍光が、検出器３５に入射する。すなわち、ピンホール３４ａの外側に入射した蛍光は、ピンホールフィルタ３４で遮光され、検出器３５に入射しない。検出器３５は、ピンホール３４ａを通過して入射した蛍光の光量に応じた信号を出力する。検出器３５としては、例えば、ポイントセンサである光電子増倍管を用いることができる。検出器３５は受光量に応じた検出信号を出力する。ここでは、ピンホール３４ａを通過した光が検出器３５で受光される。この検出器３５からの検出信号が、図示しない処理装置に入力される。そして、検出結果が処理装置に記憶されるとともに、処理装置の画面上に表示される。さらに、検出器３５の前段に、分光器を配設してもよい。これにより、分光測定を行うことができる。従って、より詳細なスペクトル分析、解析を行うことができる。

ここで、検出器３５は共焦点光学系を介して蛍光を検出する。すなわち、点光源であるレーザ光源１１、及び試料２０、並びに試料２０、及びピンホール３４ａが互いに共役な位置に配置されている。従って、試料２０での焦点と共役な位置にピンホール３４ａが配置される。従って、試料２０の焦点以外からの光は、ピンホール３４ａの外側に入射するため、ピンホールフィルタ３４によって遮光される。すなわち、共焦点ピンホールを通過した光が検出器３５によって検出される。これにより、試料２０の焦点からの像を高分解能で検出することができる。そして、上記のＸＹステージ２１の走査によって２次元の共焦点画像を撮像することができる。さらに、対物レンズ１６と試料２０との相対位置をＺ方向に変化させることによって、３次元の共焦点画像の撮像も可能となる。

次に、試料２０で発生する蛍光の振動方向について説明する。試料２０の分子の配列方向に応じて、偏光状態が変化する。ここでは、試料２０の状態に応じて変化する蛍光の振動方向について図４を用いて説明する。図４（ａ）は、試料２０の分子がＹ方向を向いている場合の蛍光の振動方向を示す図であり、図４（ｂ）は、試料２０の分子がＺ方向を向いている場合の蛍光の振動方向を示す図である。ここでは、試料からの蛍光を電気双極子からの放射とみなして説明する。

まず、試料２０の分子がＹ方向を向いている場合について考える。この場合、蛍光をＹ方向の電気双極子からの放射として考えることがができる。従って、出射光は、図４（ａ）に示すように、Ｙ方向に振動している。Ｙ方向に向いている分子のみからの蛍光は、Ｙ方向を偏光軸とする直線偏光として出射される。

一方、試料２０の分子がＺ方向に向いている場合、蛍光は、Ｚ方向の電気双極子からの放射として考えることができる。従って、出射光は、図４（ｂ）に示すように、放射状に振動している。さらに、電気双極子の方向には光が放射されないため、Ｚ方向の電気双極子からの放射では、Ｚ方向と平行方向に光が放射されない。よって、光軸、及びその近傍では、蛍光強度が略０になる。従って、Ｚ方向の分子のみからの蛍光は、図４（ｂ）に示すドーナツ状のラジアル偏光となって出射される。このように、Ｚ方向の分子からの蛍光は、Ｚ方向の電気ベクトルがＸ方向、及びＹ方向に分布を有する。

このように、試料２０の分子が向いている方向によって、蛍光の偏光状態が異なる。図４に示した偏光状態の蛍光が、偏光制御素子１３を介して検出される場合について図５、及び図６を用いて説明する。図５は、Ｙ方向を向いた分子からの蛍光が偏光制御素子１３を介して検出される場合について示している。図６は、Ｚ方向を向いた分子からの蛍光が偏光制御素子１３を介して検出される場合について示している。さらに、図５（ａ）、及び図６（ａ）は、蛍光が伝播する光学系を模式的に示す図であり、図１の一部の光学系を示している。図５（ｂ）、及び図６（ｂ）は、Ａ、及びＢの位置における蛍光の偏光状態、及び、Ｃの位置における蛍光強度の空間分布を示す図である。ここで、偏光制御素子１３を通過する前の位置をＡとし、偏光制御素子１３を通過した後の位置をＢとし、ピンホールフィルタ３４が配置された位置をＣとする。

まず、Ｙ方向を向いた分子からの蛍光が検出される場合について説明する。Ｙ方向を向いた分子からの蛍光は、偏光制御素子１３を通過する前のＡの位置において、Ｙ方向に振動する直線偏光となっている。この蛍光が、対物レンズ１６で平行光束となって、偏光制御素子１３に入射する。偏光制御素子１３は、上記のように、直線偏光をラジアル偏光にする。従って、偏光制御素子１３を通過したＢの位置では、図５（ｂ）に示すようにラジアル偏光となる。偏光制御素子１３によってラジアル偏光となった蛍光は、レンズ３３に入射する。低ＮＡのレンズ３３は、弱い屈折力で蛍光を屈折する。レンズ３３の焦点は、ピンホールフィルタ３４のピンホール３４ａとなっている。低ＮＡのレンズ３３で屈折されたラジアル偏光は、Ｃにおける光軸上では振動が打ち消しあって光強度が低くなる。すなわち、ピンホール３４ａの中心では、図５（ｂ）に示すように光強度が０に近くなる。さらに、光軸からずれた位置で光強度がピークとなる。ここで、ピンホール３４ａの径が、ピーク位置よりも内側となるようにする。この場合、蛍光のほとんどが通過できずに、遮光される。すなわち、試料２０の焦点からの蛍光のほとんどは、ピンホール３４ａを通過できない。従って、検出器３５に受光される光量が弱くなり、検出信号が弱くなる。
さらに、Ｘ方向を向いた分子からの蛍光が、偏光制御素子１３を透過すると、アジマス偏光となる。このアジマス偏光のビームを低ＮＡのレンズ３３で集光した場合も同様に、焦点での光強度が小さくなる。この場合、蛍光のほとんどが通過できずに、遮光される。すなわち、試料２０の焦点からの蛍光のほとんどは、ピンホール３４ａを通過できない。従って、検出器３５に受光される光量が弱くなり、検出信号が弱くなる。

一方、Ｚ方向を向いた分子からの蛍光は、上記のように、ドーナツ状のラジアル偏光となっている。この蛍光が、対物レンズ１６で平行光束となって、偏光制御素子１３に入射する。偏光制御素子１３は、上記のように、ラジアル偏光を直線偏光にする。従って、偏光制御素子１３を通過したＢの位置では、図６（ｂ）に示すようにドーナツ状の直線偏光となる。偏光制御素子１３によってドーナツ状の直線偏光となった蛍光は、レンズ３３に入射する。低ＮＡのレンズ３３は、弱い屈折力で蛍光を屈折する。レンズ３３の焦点は、ピンホールフィルタ３４のピンホール３４ａとなっている。ここで、低ＮＡのレンズ３３で屈折された直線偏光は、ピンホール３４ａに集光される。よって、ピンホール３４ａが配置されたＢにおける空間分布は、図６（ｂ）に示すように光軸上で最大となる。すなわち、中心が最大のピークとなり、中心から離れるにつれて光強度が弱くなる。従って、適切なピンホール径を設定すると、試料２０の焦点からの蛍光のほとんどは、ピンホール３４ａを通過する。従って、ピンホール３４ａを通過する蛍光強度が高くなる。これにより、検出器３５で受光される光量が強くなり、検出信号が高くなる。

このように偏光制御素子１３を通過した蛍光を低ＮＡのレンズ３３でピンホール３４ａ上に集光することによって、試料２０の分子の方向を検出することができる。すなわち、試料２０で発生した蛍光が偏光制御素子１３を通過して、低ＮＡのレンズ３３で屈折されると、レンズ３３の焦点上で蛍光の空間分布は、試料２０の分子の方向を反映したものとなる。このレンズ３３の焦点にピンホール３４ａを配置して、共焦点光学系を介して検出すると、試料２０の分子の方向を検出することができる。

例えば、試料２０の分子がＹ方向を向いている場合、直線偏光の蛍光を放射する。このため、偏光制御素子１３を通過した蛍光は、ラジアル偏光となる。このラジアル偏光が低ＮＡのレンズで集光されるため、ピンホール３４ａを介して検出器３５で検出される蛍光強度が弱くなる。一方。試料２０の分子がＺ方向を向いている場合、ラジアル偏光の蛍光を放射する。このため、偏光制御素子１３を通過した蛍光は、直線偏光となる。この直線偏光が低ＮＡのレンズで集光されるため、ピンホール３４ａを介して検出器３５で検出される蛍光強度が強くなる。このように、試料２０の分子の方向によって検出信号に変化が現れる。具体的には、Ｚ方向の分子からの蛍光が強くなり、Ｙ方向（又はＸ方向）の分子からの蛍光が弱くなる。よって、それぞれの検出結果を記憶して、分析、解析を行うことによって、試料２０の状態を様々な観点から観察することが可能となる。

さらに、図１に示したように、上記の偏光制御素子１３は回転機構１４に取り付けられている。そして、回転機構１４を駆動することによって、偏光制御素子１３を偏光板１５に切換えることができる。すなわち、蛍光の光路上には、偏光制御素子１３ではなく、偏光板１５が配置された状態になる。この状態における蛍光の偏光状態について図７、及び図８を用いて説明する。図７は、Ｙ方向を向いた分子からの蛍光が偏光板１５を介して検出される場合について示している。図８は、Ｚ方向を向いた分子からの蛍光が偏光板１５を介して検出される場合について示している。さらに、図７（ａ）、及び図８（ａ）は、蛍光が伝播する光学系を模式的に示す図であり、図１の一部の光学系を示している。図７（ｂ）、及び図８（ｂ）は、Ａ、及びＢの位置における蛍光の偏光状態、及び、Ｃの位置における蛍光強度の空間分布を示す図である。偏光板１５は、入射した光のうち、特定の偏光方向の光のみを透過する。これにより偏光板１５を通過した光は直線偏光になる。ここで偏光板１５の吸収軸はＸ方向になっている。従って、Ｙ方向に振動する成分が偏光板１５を通過する。

まず、Ｙ方向を向いた分子からの蛍光を偏光板を介して検出する場合について図７を用いて説明する。Ｙ方向を向いた分子からの蛍光は、Ａの位置では、Ｙ方向の直線偏光になっている。ここで、Ｙ方向の直線偏光が偏光板１５と通過しても、Ｙ方向の直線偏光のままとなる。また、偏光板１５で吸収されないので、蛍光強度もほとんど変化しない。すなわち、偏光板１５を通過した蛍光は、偏光状態が変化しない。従って、Ｂの位置でもＹ方向の直線偏光となる。このような、蛍光が低ＮＡのレンズ３３で集光されて、ピンホール３４ａ上に集光される。すなわち、レンズ３３の焦点がピンホール３４ａとなっている。従って、蛍光強度の空間分布は、図７（ｂ）に示すようになる。ここでは、ピンホール３４ａの中心が蛍光強度の最大ピークとなる。よって、試料２０の焦点からの蛍光のほとんどは、ピンホール３４ａを通過する。よって、検出器３５での受光量が大きくなる。

一方、Ｚ方向を向いた分子からの蛍光を偏光板１５を介して検出する場合について図８を用いて説明する。Ｙ方向を向いた分子からの蛍光は、Ａの位置では、ドーナツ状のラジアル偏光になっている。このラジアル偏光が偏光板１６に入射すると、Ｙ方向に振動する成分のみが通過し、Ｘ方向に振動する成分は吸収される。従って、偏光板１５を通過した蛍光は、図８（ｂ）に示すように空間的な分布を有する。そして、光軸を中心として対向する領域で、Ｙ方向の振動成分が反対となっている。すなわち、偏光板１５を通過した蛍光は、光軸を通るＸ方向の直線に対して線対称になっている。この偏光状態の蛍光、低ＮＡのレンズ３３によってピンホール３４ａに集光される。低ＮＡのレンズ３３で屈折された蛍光は、Ｃにおける光軸上では振動が打ち消しあって光強度が低くなる。すなわち、ピンホール３４ａの中心では、図８（ｂ）に示すように光強度が０に近くなる。さらに、光軸からずれた位置で光強度がピークとなる。ここで、ピンホール３４ａの径が、ピーク位置よりも内側となるようにする。この場合、蛍光のほとんどが通過できずに、遮光される。すなわち、試料２０の焦点からの蛍光のほとんどは、ピンホール３４ａを通過できない。従って、検出器３５に受光される光量が弱くなり、検出信号が弱くなる。

このように偏光板１５を通過した蛍光を低ＮＡのレンズ３３でピンホール３４ａ上に集光することによって、試料２０の分子の方向を検出することができる。すなわち、試料２０で発生した蛍光が偏光板１５を通過して、低ＮＡのレンズ３３で屈折されると、レンズ３３の焦点上で蛍光の空間分布は、試料２０の分子の方向を反映したものとなる。このレンズ３３の焦点上にピンホール３４ａを配置して、共焦点光学系を介して検出すると、試料２０の分子の方向を検出することができる。従って、偏光制御素子１３を偏光板１５に切換えることによって、さらに異なる観点からの観察が可能となる。例えば、偏光制御素子１３、又は偏光板１５を光路上に配置することにより、試料２０の分子の方向性について観察、分析することができる。

さらに、偏光板１５の吸収軸を可変にすることによって、Ｘ方向の分子についても検出が可能となる。例えば、２つの偏光板１５を用意して、一方の吸収軸をＸ方向とし、他方の吸収軸をＹ方向とする。これにより、Ｘ方向、及びＹ方向に関しての観察が可能となる。この場合、レーザ光源１１からの直線偏光は、Ｘ方向、及びＹ方向の間の直線偏光とする。そして、吸収軸がＸ方向の偏光板１５を配置した場合、Ｙ方向の直線偏光が試料２０に照射される。また、Ｙ方向の分子からの蛍光強度が高くなるため、Ｙ方向の分子に着目して分析を行うことができる。さらに、吸収軸がＹ方向の偏光板１５を配置した場合、Ｘ方向の直線偏光が試料２０に照射される。また、Ｘ方向の分子からの蛍光強度が高くなるため、Ｘ方向の分子に着目して分析を行うことができる。この場合、回転機構１４に、偏光制御素子１３、及び２つの偏光板１５を取り付ける。そして、偏光制御素子１３、Ｘ方向の偏光板１５、及びＹ方向の偏光板１５のうちの一つが光路上に配置されるようにする。すなわち、偏光制御素子１３、Ｘ方向の偏光板１５、又はＹ方向の偏光板１５を選択的に光路上に挿入して、それぞれに対する検出を行なう。そして、ＸＹＺの３方向について検出を行なう。このことで、試料２０を異なる観点から、観察、分析、解析することができる。なお、偏光制御素子１３、及び偏光板１５を切換える切換え手段は、回転機構１４に限られるものではない。例えば、偏光制御素子１３、及び偏光板１５をスライドさせるスライド機構によって、切換えてもよい。この場合、偏光制御素子１３、又は偏光板１５をスライド移動することによって、偏光板１５又は偏光制御素子１３を光路上に挿入する。また、偏光板１５と偏光制御素子１３とを異なる位置に挿入されるよう配置してもよい。さらに、偏光板１５を光路上で回転させることによって、吸収軸の方向を変えるようにしてもよい。これにより、任意の方向に対しての観察、分析を行うことができる。このようにして、光路中に挿入される偏光板１５の吸収軸を異なる角度に切り換えることができる。なお、偏光板には、吸収型に限らず、反射型の偏光子を用いることができる。

なお、上記の説明では直線偏光からラジアル偏光を生成する偏光制御素子１３を、図２に示す８分割の１／２波長板として説明したが、偏光制御素子１３の構成はこれに限るものではない。偏光制御素子１３としては、入射位置に応じて位相差を与えるものであればよい。すなわち、対向する領域で１８０°異なる位相差を与え、直線偏光をラジアル偏光にする偏光制御素子１３を用いることができる。従って、偏光制御素子１３については、様々な構成のものを利用することができる。この偏光制御素子１３の具体的な変形例について図９〜図１２を用いて説明する。

図９（ａ）は変形例１の偏光制御素子１３の構成を示す平面図であり、図９（ｂ）は、図９（ａ）の断面図である。変形例１にかかる偏光制御素子１３は対向する領域で厚さが異なっている。この厚さの違いが、１８０°の位相差に対応する。従って、上半分の領域と下半分の領域で、１８０°の位相差が与えられる。よって、直線偏光が図９に示す偏光制御素子１３を通過すると、２分割のラジアル偏光になる。また、ラジアル偏光が図９に示す偏光制御素子１３を通過すると直線偏光になる。

図１０は、変形例２の偏光制御素子１３の構成を示す平面図である。変形例２にかかる偏光制御素子１３では、２分割の１／２波長板が２枚用いられている。そして、上半分の領域と下半分の領域で、光学軸が直交している。よって、直線偏光が図１０に示す偏光制御素子１３を通過すると、２分割のラジアル偏光になる。また、ラジアル偏光が図１０に示す偏光制御素子１３を通過すると直線偏光になる。

図１１は、変形例３の偏光制御素子１３の構成を示す平面図である。変形例３にかかる偏光制御素子１３では、４分割の１／２波長板が４枚用いられている。そして、上側の領域と下側の領域で、光学軸が直交している。また、右側の領域と左側の領域で、光学軸が直交している。よって、直線偏光が図１１に示す偏光制御素子１３を通過すると、４分割のラジアル偏光になる。また、ラジアル偏光が図１１に示す偏光制御素子１３を通過すると直線偏光になる。なお、１／２波長板は、２分割や４分割に限られるものではない。

図１２は、変形例４の偏光制御素子１３の構成を示す図である。変形例４にかかる偏光制御素子１３は、２枚のＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）５１ａ、５１ｂ、及び２枚のミラー５２ａ、５２ｂからなる干渉計の中に、位相板５３ａ、５３ｂが配置された構成を有している。さらに、位相板５３ａとＰＢＳ５１ａとの間には、マスク５４ａが配設されている。また、位相板５３ｂとＰＢＳ５１ｂとの間には、マスク５４ｂが配設されている。まず、直線偏光の入射光がＰＢＳ５１ａによって２分割される。そして、２分割された光ビームの一方がミラー５２ａで反射されて、ＰＢＳ５１ｂに入射する。また、２分割された光ビームの他方がミラー５２ｂで反射されて、ＰＢＳ５１ｂに入射する。ＰＢＳ５１ｂは、２分割されていた光ビームを合成して出射する。ここで、ＰＢＳ５１ａで分岐された光ビームのうち、ミラー５２ａに入射する光ビームがＸ方向に振動し、ミラー５２ｂに入射する光ビームがＹ方向に振動するものとする。なお、図１２では紙面に垂直な方向をＸ方向とする。ここで、位相板５３ａ、５３ｂ、及びマスク５４ａ、５４ｂは、図１３に示す構成を有している。

ここで、一方の光ビームの光路上には、位相板５３ａ、及びマスク５４ａが配置され、他方の光ビームの光路上には位相板５３ｂが配置されている。位相板５３ａ、５３ｂは、図９で示した偏光制御素子１３と同じ構成のものである。すなわち、位相板５３ａ、５３ｂの２分割の領域で１８０°の位相差が与えられる。そして、図１３（ａ）に示すように位相板５３ａは、Ｘ方向において異なる位置に入射した光に位相差を与える。一方、位相板５３ｂは、Ｙ方向において異なる位置に入射した光に位相差を与える。

位相板５３ａを通過した光ビームはマスク５４ａに入射する。また、位相板５３ｂを通過した光は、マスク５４ｂに入射する。ここで、マスク５４ａ、マスク５４ｂは、図１３（ｂ）に示す構成を有している。例えば、マスク５４ａ、５４ｂは、円板状であり、４分割された扇状の領域を有している。そして、マスク５４ａでは、４分割された扇状の領域のうち、上下の領域で光を遮光し、左右の領域で光を透過する。すなわち、マスク５４ａでは、光を透過する透過領域がＸ方向に対向して配置されている。一方、マスク５４ｂは、分割された扇状の領域のうち、左右の領域で光を遮光し、上下の領域で光を透過する。すなわち、マスク５４ｂでは、光を透過する透過領域がＹ方向に対向して配置されている。このように、マスク５４ａ、５４ｂは入射した光の半分を遮光し、半分を透過する。さらに、マスク５４ａ、５４ｂを通過した光は、位相板５３ａ、５３ｂによって位相差が与えられている。

マスク５４ａ、５４ｂを通過した光ビームは、ＰＢＳ５１ｂに入射する。このような２本の光ビームをＰＢＳ５１ｂによって合成するとラジアル偏光が生成される。よって、変形例４にかかる偏光制御素子１３は、直線偏光をラジアル偏光になる。また、変形例４にかかる偏光制御素子１３は、ラジアル偏光を直線偏光とする。ここでは、４分割のマスクを用いているため、４分割のラジアル偏光が生成される。

なお、上記の例では、４分割のマスク５４ａ、５４ｂを用いたがこの構成に限るものではない。マスク５４ａ、５４ｂの分割数を多くすることによって、偏光軸の空間分布をより滑らかにすることができる。さらには、マスク５４ａ、５４ｂの極座標での透過率を、それぞれＴａ（ｒ、θ）、Ｔｂ（ｒ、θ）とすると、Ｔａ（ｒ、θ）＝ｃｏｓ^２θ、Ｔｂ（ｒ、θ）＝ｓｉｎ^２θとすることが好ましい。これにより、分割数が無限大の完全なラジアル偏光を生成することができる。

上記の変形例１〜４の偏光制御素子１３を通過することにより、直線偏光がラジアル偏光となり、ラジアル偏光が直線偏光となる。さらには、直線偏光をアジマス偏光にすることも可能になる。このように、偏光制御素子１３には、様々な構成のものを用いることができる。もちろん、偏光制御素子１３には、物理的に１つの光学部品に限らず、複数の光学部品を組み合わせたものを含むものとする。さらに、図示した例に限られるものではない。例えば、液晶や電気光学効果（ＥＯ）を用いたＳＬＭ（Spatial Light Modulators）を偏光制御素子１３としてもよい。

なお上記の説明では、検出される光を蛍光として説明したが、本発明はこれに限るものではない。例えば、ラマン散乱によって発生したラマン散乱光や第２高調波発生によって発生した第２高調波を検出することができる。また、試料２０で正反射される反射光を検出してもよい。さらに、２本のレーザ光の和周波発生によって発生した和周波を検出してもよい。この場合、２本のレーザ光が同一光軸上を伝播するように合成して、試料２０照射させる。このような、蛍光、反射光、第２高調波、ラマン散乱光、和周波、２光子蛍光、第３高調波、などの検出に利用することができる。また、蛍光偏光解消や、偏光ラマンについても利用可能である。従って、反射型共焦点顕微鏡、蛍光顕微鏡、ラマン顕微鏡、和周波顕微鏡、ＣＡＲＳ（コヒーレントアンチストークスラマン散乱）顕微鏡、ＣＳＲＳ（コヒレントストークスラマン散乱）顕微鏡等に対して上記の偏光制御素子１３を用いることで、様々な観点からの観察、分析、解析が可能となる。さらに、カー効果などによる偏光状態の変化を利用して、磁石の軸を観察することも可能となる。また、液晶素子における液晶分子のプレチルト角の測定を行うこともできる。よって、顕微鏡のアプリケーションを広くすることができ、利用分野の拡大を図ることができる。また、上記の光学顕微鏡の構成に対して、スペクトル分析のための分光器や、バンドパスフィルタなどを加えてもよい。

本実施の形態にかかる光学顕微鏡１００では、偏光制御素子１３がビームスプリッタ１７と対物レンズ１６との間に配置される。これにより、簡便な構成で試料２０に入射するレーザ光と、試料２０からの戻り光とに同じ偏光制御素子１３を通過させることができる。さらに、偏光制御素子１３を入射光路上に配置することによって、Ｚ方向に振動する光を試料２０に照射することができる。また、偏光板１５を入射光路上に配置することによって、Ｘ方向、又はＹ方向に振動する光を試料２０に照射することができる。これにより、様々な観点からの観察が可能となる。もちろん、偏光制御素子１３の配置は、ビームスプリッタ１７と対物レンズ１６との間に限られるものではない。例えば、試料２０に入射するレーザ光が偏光制御素子１３を通過しない構成としてもよい。例えば、ランダムな偏光を試料２０に照射させた時に発生する蛍光やラマン散乱光を偏光制御素子１３を介して検出してもよい。なお、上記の光学顕微鏡１００では、ＸＹステージ２１を駆動することによって、走査したが、光ビームを偏向することによって走査してもよい。

上記のように偏光制御素子１３を光路上に挿入することによって、試料２０の分子の方向性に応じて、ピンホール３４ａを通過する光の光量が変化する。従って、試料２０の分子の方向性についての観察、分析を行なうことができる。なお、ピンホールフィルタ３４を光路上から取り除き、検出器３５を焦点に配置してもよい。この場合、検出器３５の受光領域に大きさに応じて検出光量が変化する。従って、適当な大きさの受光領域を有する検出器３５をレンズ３３の焦点上に配置することによって、対物レンズ１６の焦点以外からの光は、検出器３５の受光領域の外側に入射する。この場合、ピンホールフィルタ３４を不要にすることができる。このような場合でも、ピンホールフィルタ３４を用いた場合と同様に、共焦点光学系を介して蛍光が検出器３５で検出される。よって、試料２０の分子の方向性についての観察、分析を行うことができる。さらに、偏光制御素子、及び２枚の偏光板１５を切換えることによって、Ｘ方向、Ｙ方向、及びＺ方向の３方向それぞれについて、分子の方向性を観察、分析することができる。

発明の実施の形態２．
本実施の形態にかかる光学顕微鏡２００は、実施の形態１と同様に、落射照明方式のレーザ共焦点顕微鏡である。従って、実施の形態１と重複する構成については、説明を省略する。本実施の形態にかかる光学顕微鏡２００では、図１４に示すように、実施の形態１と異なり、偏光制御素子１３がビームスプリッタ１７とピンホールフィルタ３４の間に配置されている。この場合、レーザ光源１１から試料２０に入射する光が偏光制御素子１３に入射しない。従って、レーザ光源１１とビームスプリッタ１７の間に、入射側偏光制御素子４３が配置されている。この入射側偏光制御素子４３は、偏光制御素子１３と同じ構成を有している。従って、直線偏光が入射側偏光制御素子４３を通過するとラジアル偏光になり、ラジアル偏光が入射側偏光制御素子４３を通過すると直線偏光になる。

また、入射側偏光制御素子４３から偏光板４５に切換えるための回転機構４４を有している。回転機構４４は、回転モータ等を備えている。そして、回転機構４４を所定の角度だけ回転することにより、入射側偏光制御素子４３が光路上から取り除かれるとともに、入射側偏光板４５が光路上に挿入される。回転機構４４をさらに回転させると、入射側偏光板４５が光路上から取り除かれるとともに、入射側偏光制御素子４３が光路上に挿入される。従って、入射側偏光制御素子４３と入射側偏光板４５が排他的に光路上に配置される。従って、レーザ光源１１からビームスプリッタ１７までの入射側には、入射側偏光制御素子４３、回転機構４４、及び入射側偏光板４５が設けられ、ビームスプリッタ１７からレンズ３３までの検出側で、偏光制御素子１３、回転機構１４、及び入射側偏光板１５が設けられている。

さらに、回転機構４４は、回転機構１４と同様に、光路中に挿入される入射側偏光板４５の吸収軸を切換える。これにより、吸収軸をＸ方向、からＹ方向に切換えることができる。例えば、回転機構４４には、吸収軸が異なる角度で配置された２枚の偏光子が設けられている。もちろん、１枚の入射側偏光板４５を回転させて、吸収軸を切換えてもよい。入射側偏光板４５は、入射した光のうち、特定の偏光方向の光のみを透過する。この入射側偏光板４５を通過した光は直線偏光となる。

このような構成によって、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。すなわち、偏光制御素子１３、及び入射側偏光制御素子４３を光路上に配置することにより、試料２０の分子の方向性について観察することができる。ここでは、Ｚ方向に振動する光を試料２０に照射することができる。また、入射側偏光板４５、及び偏光板１５を光路上に配置した状態では、Ｘ方向、又はＹ方向に振動する光を試料２０に照射することができる。このとき、入射側偏光板４５、及び偏光板１５の吸収軸は、同じ方向にする。すなわち、入射側と、検出側とで、偏光軸を一致させる。このような構成によっても、様々な観点からの観察、分析、解析が可能となる。よって、顕微鏡のアプリケーションを広くすることができ、利用分野の拡大を図ることができる。

また、入射側偏光制御素子４３、及び偏光板１５が光路上に配置された状態で、検出を行なってもよい。さらに、入射側偏光板４５、及び偏光制御素子１３が光路上に配置された状態で、検出を行なってもよい。すなわち、検出側にＸ方向の偏光板１５、Ｙ方向の偏光板１５、及び偏光制御素子１３のいずれか一つを配置し、入射側にＸ方向の入射側偏光板４５、Ｙ方向の入射側偏光板４５、及び入射側偏光制御素子４３のいずれか一つを配置する。そして、ピンホール３４ａを介して検出を行なう。

この場合、（入射側の３通り）×（検出側の３通り）の合計９通りの検出が行なわれる。これにより、試料２０の分子の方向性について、より詳細に分析することができる。よって、様々な観点からの観察、分析、解析が可能となる。さらに、試料２０に入射する光については、ランダムな偏光であってもよい。これにより、実施の形態１よりも、顕微鏡のアプリケーションを広くすることができ、利用分野の拡大を図ることができる。

上記のように、入射側と検出側とで別の偏光制御素子を用いることで、試料２０に入射する入射光と試料２０からの出射光の波長の差が大きい場合でも、容易に検出することができる。例えば、入射光と出射光の波長が大きく異なっていても、本実施の形態では、有効波長範囲の狭い偏光制御素子１３、及び入射側偏光制御素子４３を用いることができる。すなわち、偏光制御素子１３を出射光の波長に最適化されたものとすることができる。さらに、入射側偏光制御素子４３をレーザ光の波長に対して最適化されたものとすることができる。これにより、入射光と出射光の波長が異なる場合であっても、精度よく測定することができる。従って、試料２０に入射する入射光と、試料２０から出射される出射光とが異なる波長となる蛍光顕微鏡、第２高調波顕微鏡、ラマン顕微鏡等に好適である。

発明の実施の形態３．
本実施の形態にかかる光学顕微鏡３００は、実施の形態１、２と同様に、レーザ共焦点顕微鏡であるが、図１５に示すように、実施の形態１、２と異なり、透過照明方式の顕微鏡である。ここで、レーザ光源１１から試料２０までの構成は、実施の形態２とほぼ同様であるため説明を省略する。レーザ光源１１からのレーザ光は、ビームエキスパンダ１２によりビーム径が拡大される。そして、入射側偏光制御素子４３を通過して対物レンズ１６で入射する。このとき、対物レンズ１６で集光されたレーザ光は、ラジアル偏光になっている。また、回転機構４４によって、入射側偏光制御素子４３が入射側偏光板４５に切換えられる。この場合、直線偏光のレーザ光が試料２０に入射する。なお、本実施の形態にかかる光学顕微鏡３００は透過照明方式であるため、ビームスプリッタ１７が設けられていない。

本実施の形態にかかる光学顕微鏡３００は、透過照明方式である。従って、試料２０を通過した光を検出器３５で検出するまでの光学系が上記の構成に加えて設けられている。この光学系について以下に説明する。なお、試料２０から検出器３５までの光学系において、実施の形態１、２と同様の構成については、詳細な説明を省略する。対物レンズ１６から試料２０に入射した光のうち、試料２０を通過した光は、透明なＸＹステージ２１を通過する。そして、コンデンサレンズ３６で屈折されて、平行光束となる。そして、コンデンサレンズ３６からの光は、ダイクロイックフィルタ３７に入射する。ダイクロイックフィルタ３７は、波長に応じて異なる透過率を有している。具体的には、ダイクロイックフィルタ３７は、試料２０で発生した蛍光を通過させ、レーザ光を遮光する。これにより、検出するための蛍光を、試料２０を透過したレーザ光から取り出すことができる。なお、ダイクロイックフィルタ３７の代わりにバンドパスフィルタを用いてもよい。なお、検出する光は、蛍光に限らず、ラマン散乱光、第２高調波などであってもよい。

このように、ダイクロイックフィルタ３７によって、試料２０からの蛍光がレーザ光から分離される。そして、ダイクロイックフィルタ３７を通過した蛍光は、実施の形態１、２と同様に偏光制御素子１３を通過する。この偏光制御素子１３は実施の形態１と同様のものである。本実施の形態にかかる光学顕微鏡３００は透過照明方式であるため、偏光制御素子１３は、試料２０の対物レンズ１６が配置された側と反対側に配置されている。従って、試料２０で発生した蛍光が、試料２０を通過した後、偏光制御素子１３に入射する。そして、偏光制御素子１３と通過して、偏光状態が変化した蛍光がレンズ３３で集光される。そして、レンズ３３で集光された蛍光は、ピンホールフィルタ３４に設けられているピンホール３４ａを介して検出器３５で検出される。この場合、実施の形態１と同様に、試料２０の分子の方向性に応じて、ピンホール３４ａを通過する光の光量が変化する。従って、実施の形態１、２と同様に、試料２０の分子の方向性について、観察、分析、解析を行うことができる。さらに、実施の形態２と同様に、偏光制御素子１３と偏光板１５との切換え、並びに入射側偏光制御素子４３と入射側偏光板４５との切換えを行なう。すなわち、（入射側の３通り）×（検出側の３通り）の合計９通りの検出を行なう。これにより、実施の形態２と同様の効果を得ることができ、様々な観点からの観察、分析、解析が可能となる。

なお、実施の形態２、３では直線偏光を試料２０に照射するため、入射側偏光板４５を用いたが、これに限られるものではない。例えば、レーザ光源１１が、直線偏光を出射する場合は、入射側偏光板４５は不要となる。なお、この場合、偏光面を所定の角度にするため、入射側１／２波長板を用いてもよい。入射側１／２波長板は、入射側偏光板４５の代わりに用いられる。従って、回転機構４４に入射側１／２波長板を取り付けることができる。入射側１／２波長板は、その光学軸、及び入射した光の偏光面に応じて、所定の角度だけ、偏光面を回転させる。従って、入射側１／２波長板の光学軸の角度を調整することによって、偏光面の角度を変化させることができる。よって、偏光面の角度を所望の角度にすることができる。例えば、異なる角度の入射側１／２波長板を２枚用意して、それらの一方のみを光路中に挿入してもよい。もちろん、光軸を回転中心として回転可能な入射側１／２波長板を用いてもよい。このように、入射側１／２波長板を用いることによって、光の利用効率を向上することができる。

また、レーザ光源１１がランダム偏光等のような直線偏光以外の光を出射する場合、レーザ光源１１の光を直線偏光にする偏光板を配置する。例えば、実施の形態２、３では、入射側偏光制御素子４３のレーザ光源１１側に光源側偏光子を配置する。すなわち、入射側偏光制御素子４３とレーザ光源１１との間に、光源側偏光子をさらに設ける。そして、光源側偏光子を通過して直線偏光となった光を入射側偏光制御素子４３に入射させる。このようにすることによって、光源によらず、直線偏光を入射側偏光制御素子４３に入射させることができる。もちろん、光源側偏光子の後段に、１／２波長板を配置して、偏光軸を調整してもよい。

本発明の実施の形態１にかかる光学顕微鏡の構成を示す図である。 本発明にかかる光学顕微鏡に用いられる偏光制御素子を説明するための図である。 対物レンズによって集光される光の偏光状態を模式的に示す図である。 試料で発生する光の振動方向を模式的に示す図である。 Ｙ方向を向いた分子からの光を偏光制御素子を介して検出する場合について説明する図である。 Ｚ方向を向いた分子からの光を偏光制御素子を介して検出する場合について説明する図である。 Ｙ方向を向いた分子からの光を偏光板を介して検出する場合について説明する図である。 Ｚ方向を向いた分子からの光を偏光板を介して検出する場合について説明する図である。 変形例１にかかる偏光制御素子の構成を示す図である。 変形例２にかかる偏光制御素子の構成を示す図である。 変形例３にかかる偏光制御素子の構成を示す図である。 変形例４にかかる偏光制御素子の構成を示す図である。 変形例４にかかる偏光制御素子に用いられている位相板、及びマスクの構成を示す正面図である。 本発明の実施の形態２にかかる光学顕微鏡の構成を示す図である。 本発明の実施の形態３にかかる光学顕微鏡の構成を示す図である。

符号の説明

１１ レーザ光源、１２ ビームエキスパンダ、１３ 偏光制御素子、１４ 回転機構、
１５ 偏光板、１６ 対物レンズ、１７ ビームスプリッタ、
２０ 試料、２１ ＸＹステージ、
３３ レンズ、３４ ピンホールフィルタ、３４ａ ピンホール、３５ 検出器、
３６ コンデンサレンズ、３７ ダイクロイックフィルタ、
４３ 入射側偏光制御素子、４４ 回転機構、４５ 偏光板、
５１ ＰＢＳ、５２ ミラー、５３ 位相板

Claims (17)

1. 光源と、
   前記光源からの光ビームを集光して試料に照射する対物レンズと、
   前記試料に入射した光ビームにより発生した光、又は前記試料で反射した反射光が入射し、入射位置に応じた位相差を与える偏光制御素子と、
   前記対物レンズよりも低いＮＡを有し、前記偏光制御素子を通過した光を集光するレンズと、
   共焦点光学系を介して前記レンズで集光された光を検出する光検出器と、を備える光学顕微鏡。
2. 前記偏光制御素子を光路上から取り除き、特定の偏光方向の光のみを透過する偏光子を光路中に挿入する切換手段をさらに備える請求項１に記載の光学顕微鏡。
3. 前記光路中に挿入される偏光子の吸収軸、又は反射軸を異なる角度に切換えることができることを特徴とする請求項２に記載の光学顕微鏡。
4. 前記光源と前記対物レンズの間に配置され、前記光源から前記試料に入射する入射光と、前記試料から前記対物レンズの方向に出射された出射光とを分離するビームスプリッタをさらに備え、
   前記偏光制御素子が、前記ビームスプリッタと前記対物レンズとの間に配置されている請求項１乃至３のいずれかに記載の光学顕微鏡。
5. 前記光源と前記対物レンズの間に配置され、前記光源から前記試料に入射する入射光と、前記試料から前記対物レンズの方向に出射された出射光とを分離するビームスプリッタをさらに備え、
   前記偏光制御素子が、前記ビームスプリッタと前記検出器との間に配置されている請求項１乃至３のいずれかに記載の光学顕微鏡。
6. 前記ビームスプリッタと前記光源との間に配置され、入射位置に応じた位相差を与える入射側偏光制御素子をさらに備える請求項５に記載の光学顕微鏡。
7. 前記入射側偏光制御素子を光路上から取り除き、特定の偏光方向のみの光を透過する入射側偏光子を前記ビームスプリッタと前記光源との間に挿入する切換手段をさらに備える請求項６に記載の光学顕微鏡。
8. 前記入射側偏光制御素子を光路上から取り除き、１／２波長板を前記ビームスプリッタと前記光源との間に挿入する切換手段をさらに備える請求項６に記載の光学顕微鏡。
9. 前記偏光制御素子が、前記試料の前記対物レンズが配置された側と反対側に配置され、
   前記試料で発生した光が前記試料を透過し、前記偏光制御素子に入射することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光学顕微鏡。
10. 前記光源と前記対物レンズとの間に配置され、入射位置に応じた位相差を与える入射側偏光制御素子をさらに備える請求項９に記載の光学顕微鏡。
11. 前記入射側偏光制御素子を光路上から取り除き、特定の偏光方向の光のみを透過する入射側偏光子を前記光源と前記対物レンズとの間に挿入する切換手段をさらに備える請求項１０に記載の光学顕微鏡。
12. 前記光路中に挿入される入射側偏光子の吸収軸、又は反射軸を異なる角度に切換えることができることを特徴とする請求項７又は１１に記載の光学顕微鏡。
13. 前記入射側偏光制御素子を光路上から取り除き、１／２波長板を前記光源と前記対物レンズとの間に挿入する切換手段をさらに備える請求項１０に記載の光学顕微鏡。
14. 前記光源と前記入射側偏光制御素子との間に、特定の偏光方向の光のみを透過する光源側偏光子が配置されている請求項６、又は１０に記載の光学顕微鏡。
15. 前記入射側偏光制御素子に入射する光ビームが直線偏光であることを特徴とする請求項６乃至１４のいずれかに記載の光学顕微鏡。
16. 前記試料で発生する光が、ラマン散乱光、コヒーレントアンチストークスラマン散乱光、コヒーレントストークスラマン散乱光、第２高調波、蛍光、第３高調波、蛍光、２光子蛍光、又は和周波であることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれかに記載の光学顕微鏡。
17. 光ビームを対物レンズによって、試料に集光して照射するステップと、
    前記試料に入射した光ビームにより発生した光、又は前記試料からの反射光に対して、入射位置に応じた位相差を与えるステップと、
    前記入射位置に応じた位相差を与えられた光を、前記対物レンズよりも低いＮＡのレンズで集光するステップと、
    前記低いＮＡのレンズで集光された光を、共焦点光学系を介して検出するステップとを備える観察方法。

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