JP2015184620A - 光分割装置及びそれを備える光計測装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】装置全体の小型化を容易にする光分割装置及びそれを備える光計測装置を提供すること。【解決手段】光計測装置1は、対象物Sからの光を受けて、結像面に光像を結像する顕微鏡光学系3と、結像面からの光を受けて、顕微鏡光学系3の瞳面をリレーするリレーレンズ17と、結像面からの光を、対象物Sで生じる蛍光の光像を生成する0次回折光L0と励起光の光像を生成する1次回折光L1とに分割する回折格子15と、1次回折光L1及び0次回折光L0にそれぞれ対応する2つの光軸A3,A2を有し、1次回折光L1と0次回折光L0を、ぞれぞれ、光像G3と光像G2に結像する結像光学素子21と、1次回折光L1と0次回折光L0の波長成分を選択する光学素子19a,19bと、光像G2,G3を撮像する撮像素子7とを備える。【選択図】図1
Description
本発明は、試料からの光を観察するために用いられる光分割装置及びそれを備える光計測装置に関する。
ライフサイエンス分野では、試料からの蛍光などの光を、波長に応じて分割し、分割の結果得られる光像を撮像することが行われている。例えば、下記特許文献1には、試料により反射、散乱された光を光源からの光と合成してから検出系に導く光路と、試料から発せられた蛍光を分岐して別の検出系に導く光路とを形成する走査型顕微鏡が記載されている。
しかしながら、上記特許文献1記載の走査型顕微鏡では、蛍光観察用の光学素子及び検出系と、蛍光波長以外の波長の光の観察用の光学素子及び検出系が別々に設けられているため、装置の構成が複雑化する傾向にある。そのため、装置全体の小型化が困難である。
そこで、本発明は、かかる課題に鑑みて為されたものであり、装置全体の小型化を容易にする光分割装置及びそれを備える光計測装置を提供することを目的とする。
すなわち、上記課題を解決するため、本発明の一形態に係る光分割装置は、対象物の観察用の対物レンズの結像面からの光を受けて、対物レンズの瞳面をリレーするリレーレンズと、結像面からの光を、対象物で生じる蛍光に対応する蛍光波長成分を含む第1の光像を生成するための第1の光と第2の光像を生成するための第2の光とに分割する回折格子と、第1の光及び第2の光にそれぞれ対応する2つの光軸を有し、第1の光と第2の光を、ぞれぞれ、第1の光像と第2の光像に結像する結像光学素子と、第2の光の波長成分を選択する波長選択部と、を備える。
或いは、本発明の他の形態に係る光計測装置は、対象物からの光を受けて、結像面に光像を結像する対物レンズと、結像面からの光を受けて、対物レンズの瞳面をリレーするリレーレンズと、結像面からの光を、対象物で生じる蛍光に対応する蛍光波長成分を含む第1の光像を生成するための第1の光と第2の光像を生成するための第2の光とに分割する回折格子と、第1の光及び第2の光にそれぞれ対応する2つの光軸を有し、第1の光と第2の光を、ぞれぞれ、第1の光像と第2の光像に結像する結像光学素子と、第2の光の波長成分を選択する波長選択部と、第1の光像及び第2の光像を撮像する撮像素子と、を備える。
このような光分割装置、或いは光計測装置においては、リレーレンズによって対象物からの光を結像する対物レンズの瞳面がリレーされるとともに、対物レンズの結像面からの光は、回折格子によって蛍光波長成分を含む第1の光像を生成するための第1の光と第2の光像を生成するための第2の光とに分割される。さらに、回折格子によって分割された第1及び第2の光は、それぞれ、結像光学素子によって、第1及び第2の光像に結像され、第2の光は、所望の波長成分が選択される。このような構成により、対象物からの光を分割するための光学素子、及びその光を観察するための撮像素子の共通化が容易にされ、その結果、装置全体の小型化が容易に実現される。
上記の光分割装置或いは光計測装置においては、波長選択部は、蛍光を生じさせる励起光の波長成分を選択することが好適である。この場合、対象物から発せられる蛍光及び励起光が同時に観察可能にされ、蛍光を検出すると同時に、励起光により対象物の光像を取得するので、蛍光が生じている対象物の部位の特定が容易となる。
また、回折格子は、対物レンズの結像面とリレーレンズとの間に配置される、ことも好適である。かかる構成を採れば、光学系全体の長さを短縮化する設計が容易となる。
さらに、第1の光は0次回折光であり、かつ、第2の光はn次回折光(nは正または負の整数)である、ことも好適である。このように0次回折光を蛍光波長とすることで、蛍光像の回折方向への広がりを抑制することができる。
またさらに、0次回折光を結像する部分の結像光学素子の光軸は、リレーレンズの光軸とずれている、ことも好適である。かかる構成を採れば、無理のない配置で0次回折光とn次回折光(nは正または負の整数)それぞれにおいて良好な像を得ることができる。
さらにまた、リレーレンズと結像光学素子との間に配置された光学素子をさらに備え、リレーレンズは、光学素子に対して対物レンズの瞳面をリレーする、ことも好適である。かかる構成を採れば、光学素子によって自由に調整された光像を観察することができる。
また、波長選択部は、リレーレンズと結像光学素子との間に配置され、リレーレンズは、波長選択部に対して対物レンズの瞳面をリレーする、ことも好適である。こうすれば、波長選択部によって波長成分が自由に調整された光像を観察することができる。
また、回折格子、リレーレンズ、波長選択部、及び結像光学素子の少なくとも1つが、対物レンズの光軸に対して傾けられている、ことも好適である。この場合、像面湾曲を補正することにより、良好な観察像を得ることができる。
結像光学素子は、第1の光を第1の光像に結像する第1のレンズと第2の光を第2の光像に結像する第2のレンズとを有する、ことも好適である。また、結像光学素子は、第1の光を第1の光像に結像する第1のレンズ部と、第2の光を第2の光像に結像する第1のレンズ部と一体化された第2のレンズ部とを有する、ことも好適である。かかる結像光学素子を備えれば、結像光学素子の構造が単純化され、装置全体のさらなる小型化が容易となる。
上記の光分割装置においては、撮像素子は、対物レンズの光軸に対して傾いた状態で配置される、ことが好適である。この場合、像面湾曲を補正することにより、良好な観察像を得ることができる。
本発明によれば、装置全体の小型化を容易にする光分割装置及びそれを備える光計測装置を提供することができる。
以下、添付図面を参照しながら本発明による光分割装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、各図面は説明用のために作成されたものであり、説明の対象部位を特に強調するように描かれている。そのため、図面における各部材の寸法比率は、必ずしも実際のものとは一致しない。
図1は、本発明の一実施形態の光計測装置1の内部構成を示す透視図である。本実施形態による光計測装置1は、試料(対象物)の観察光を分割し、分割した2つの光像を観察するための光学装置である。
同図に示すように、光計測装置1は、試料保持部材(不図示)、励起光用光源(不図示)、顕微鏡光学系3、光分割装置5、及び撮像素子7を含んで構成されている。顕微鏡光学系3は、対象物Sからの光を受けて結像面に光像G1を結像する光学系であり、対物レンズ9と結像レンズ11とによって構成されている。光分割装置5は、顕微鏡光学系3に取り付けられ、顕微鏡光学系3から入力された光を分割し、分割した光を撮像素子7の受光面7a上の異なる位置に結像する光学装置である。撮像素子7は、光分割装置5に取り付けられ、光分割装置5によって受光面7a上の異なる位置に結像された光像G2,G3をそれぞれ撮像することにより、それらの光像G2,G3を電気信号に変換して出力する。
詳細には、光分割装置5は、絞り部材13、回折格子15、リレーレンズ17、光学素子(波長選択部)19a,19b、結像光学素子21がこの順で並んで配置されて構成されている。絞り部材13は、対物レンズ9を含む顕微鏡光学系3の1次結像面に配置され、撮像素子7の受光面7a上に結像される光像G3,G4の大きさが、受光面7aにおいて、受光面7aの大きさの半分以下となるように、対象物Sから顕微鏡光学系3を経由して入射する光を絞る。
回折格子15は、顕微鏡光学系3の1次結像面とリレーレンズ17との間に配置されている。この回折格子15は、絞り部材13を通過した光を回折現象によって複数の分割光に分割する。回折格子15によって分割された複数の分割光のうちの0次回折光L0及び1次回折光L1は、後述するリレーレンズ17及び結像光学素子21を通過することにより、撮像素子7の受光面7a上に結像される。なお、回折格子15によって分割された0次回折光L0及び1次回折光L1は、共に、対象物Sで生じる蛍光に対応する波長成分を含んでいる。ここで、撮像素子7に結像させる分割光の組み合わせとしては、上記の組み合わせ以外であってもよい。例えば、0次回折光とn次回折光(nは、0以外の正または負の整数)の組み合わせであってもよい。また、リレーレンズ17が回折格子15によって分割された複数の光を受けるため、光学系を短縮化するような設計が容易になるという利点がある。
リレーレンズ17は、顕微鏡光学系3からの光を回折格子15を介して受け、回折格子15によって分割された0次回折光L0及び1次回折光L1を屈折させることにより、顕微鏡光学系3の対物レンズ9の分割光に対応する瞳面を、後述する光学素子19b,19aに対してそれぞれリレーする。このリレーレンズ17は、非球面レンズによって形成されてもよいし、複数のレンズの組み合わせによって構成されてもよい。また、リレーレンズ17は、分割された光を平行光束にしてリレーしてもよい。
結像光学素子21は、リレーレンズ17と撮像素子7との間に配置され、リレーレンズ17によってリレーされた0次回折光L0及び1次回折光L1にそれぞれ対応する2つの異なる光軸A2,A3を有し、0次回折光L0及び1次回折光L1を、それぞれ、受光面7a上の異なる位置の光像G2,G3に結像する。図2には、結像光学素子21の詳細な構造を示しており、(a)は、対物レンズ9の光軸A0に沿った方向から見た正面図、(b)は、対物レンズ9の光軸A0に垂直な方向から見た側面図である。同図に示すように、結像光学素子21には、2つの結像レンズ21a,21bが、撮像素子7の受光面7aに沿った方向に互いに離間した状態で備えられている。それぞれの結像レンズ21a,21bが、1次回折光L1及び0次回折光L0にそれぞれ対応する2つの光軸A3,A2を有する。このように、結像光学素子21が複数の分割光に対応して複数のレンズで構成されることにより、光学系の調整が容易となり、光学系の短縮化や像特性の向上を目的とした設計が容易となる。本実施形態では、2つの結像レンズ21a,21bが同一素子であるが、互いに異なる素子であってもよい。また、2つの結像レンズ21a,21bは互いに端部が接するように配置されてもよい。ここで、0次回折光L0を結像する部分の結像レンズ21bの光軸A2は、リレーレンズ17の光軸A0と同軸上に存在しないで光軸A0からずれるように設定されている。このように光軸A2が設定されることにより、0次回折光L0と1次回折光L1それぞれにおいて良好な像を得ることができるという利点がある。なお、この結像光学素子21は、リレーレンズ17と共に、光分割装置5内で両側テレセントリック光学系を形成してもよい。
光学素子19a,19bは、リレーレンズ17と結像レンズ21a及び結像レンズ21bとの間の1次回折光L1及び0次回折光L0に関する瞳面付近に、それぞれ配置されている。光学素子19a,19bは、それぞれ、1次回折光L1及び0次回折光L0の波長成分を選択する波長選択フィルタであり、例えば、所望の波長を透過する帯域フィルタやローパスフィルタ、ハイパスフィルタなどである。光学素子19bは、0次回折光L0を受けて試料の蛍光の波長を含む波長成分を選択するように構成される。また、光学素子19aは、1次回折光L1を受けて試料の励起光の波長を含む波長成分を選択するように構成される。また、0次回折光L0は、蛍光波長を含む波長成分であるため、光学素子19bは必ずしも必須ではない。
撮像素子7は、結像光学素子21によって受光面7a上に結像された光像G2,G3を電気信号に変換するCCD(Charge Coupled Device)イメージセンサ、CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)イメージセンサ等の固体撮像素子である。この撮像素子7は、受光面7a上の異なる位置に分離して結像された光像G2,G3を検出してもよいし、検出に支障が無い範囲で互いに重なり合った位置に結像された光像G2,G3を検出してもよい。
以上説明した光計測装置1によれば、リレーレンズ17によって蛍光波長成分を含む対象物Sからの光を結像する顕微鏡光学系3の瞳面がリレーされるとともに、顕微鏡光学系3の結像面からの光は、回折格子15によって0次回折光L0と1次回折光L1とに分割される。さらに、回折格子15によって分割された0次回折光L0は、光学素子19bによって蛍光の波長を含む波長成分が選択され、結像光学素子21によって、光像G2に結像される。一方、回折格子15によって分割された1次回折光L1は、光学素子19aによって励起光の波長を含む波長成分が選択され、結像光学素子21によって、光像G3に結像される。このような構成により、対象物Sから発せられる蛍光及び励起光が同時に観察可能にされるので、蛍光が生じている対象物Sの部位の特定が容易となる。
また、光計測装置1においては、回折格子15が顕微鏡光学系3の結像面とリレーレンズ17との間に配置されている。リレーレンズ17が回折格子15によって分割された光を受けるようにすることで、0次回折光に対応する瞳とn次回折光に対応する瞳とを分割してリレーすることができ、波長選択フィルタである光学素子19a,19bの配置が容易になる。その結果、光学系全体の長さを短縮化する設計が容易となる。
さらに、光計測装置1は、結像面からの光の蛍光波長成分を0次回折光L0に分割し、その光の励起光波長成分をn次回折光(nは正または負の整数)に分割する。このように0次回折光L0を蛍光波長とすることで、蛍光像の回折方向への広がりを抑制することができる。また、単一波長である励起光成分はn次回折光として分割し、光学素子19でその波長を選択することで、結像レンズで結像しても回折方向への像の広がりは抑えられる。その結果、高精度の蛍光像及び物体像の取得が可能になる。
また、0次回折光を結像する部分の結像レンズ21bの光軸A2は、リレーレンズ17の光軸A0とずれているので、0次回折光とn次回折光それぞれにおいて良好な像を得ることができる。
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。
例えば、光計測装置1は、波長選択フィルタにより、回折格子15で分割された0次回折光から蛍光の波長を含む波長成分を選択し、一方、回折格子15で分割された1次回折光から励起光の波長を含む波長成分を選択し、それぞれの分割光の光像を検出可能にしていたが、このような構成には限定されない。例えば、波長選択フィルタにより、0次回折光から励起光の波長を含む波長成分を選択し、一方、1次回折光から蛍光の波長を含む波長成分を選択してもよい。また、光学素子19aで選択される波長成分は、励起光の波長を含む波長成分に限らず、例えば、光学素子19bと同様に、試料の蛍光の波長を含む波長成分を選択してもよく、それ以外の波長成分を選択してもよい。また、試料から複数の波長の蛍光が出力されている場合、光学素子19aが一方の蛍光の波長を含む波長成分を選択し、光学素子19bが他方の蛍光の波長を含む波長成分を選択するように構成してもよい。また、回折格子15によって分割された光は、0次回折光とn次回折光であることに限らず、n次回折光とm次回折光(mは正または負の整数(ただし、nを除く))であってもよい。また、対象物Sに励起光に加えて励起光波長でもなく蛍光波長でもない波長領域の照明光を照射した際に、光計測装置1は、その照明光の散乱光或いは反射光を受けてその光を分割し、その光の光像を検出可能に構成されていてもよい。
また、光計測装置1においては、撮像素子7が顕微鏡光学系3の対物レンズ9の光軸A0に対して傾いた状態で配置されてもよい。図3は、本発明の他の実施形態の光計測装置1Aの内部構成を示す透視図である。同図に示すように、撮像素子7は、光軸A0に垂直な面に対してその受光面7aが角度θ1だけ傾くように配置されている。n次回折光の像面は、光分割装置5に入射した光の像面に対して傾いているために、入射した光の光軸A0から離れるほど像面は湾曲する。光計測装置1Aの構成によれば、撮像素子7を傾けて配置することで、像面湾曲を低減することができる。その結果、良好な結像特性を得ることができる。なお、撮像素子7に加えて、回折格子15、リレーレンズ17、光学素子19a,19b及び結像光学素子21のうちのいずれか或いはすべてが、光軸A0に対して傾けられて配置されてもよい。この場合、より一層良好な結像特性を得ることができる。
また、光計測装置1,1Aにおいては、回折格子15が異なる位置に配置されてもよい。図4は、本発明の他の実施形態の光計測装置1Bの内部構成を示す透視図である。同図に示すように、回折格子15が、リレーレンズ17と結像光学素子21との間に配置されていてもよい。
また、結像光学素子21の構成は、図2に示した構成以外の様々な構成を採り得る。図5及び図6は、それぞれ、本発明の変化例に係る結像光学素子21A,21Bの詳細な構造を示している。結像光学素子21A,21Bは、いずれも、2つの異なる光軸を有する結像レンズ部が一体的に形成された光像を有する。すなわち、結像光学素子21Aは、1次回折光L1を光像G3に結像する結像レンズ部21Aaと、0次回折光L0を光像G2に結像する結像レンズ部21Abとを有し、これらの結像レンズ部21Aa,21Abは、端部で一体化されて形成されている。また、結像光学素子21Bは、1次回折光L1を光像G3に結像する結像レンズ部21Baと、0次回折光L0を光像G2に結像する結像レンズ部21Bbとを有し、結像レンズ部21Baが結像レンズ部21Bbの内側に一体化されて形成されている。かかる結像光学素子21A,21Bを備えれば、結像光学素子の構造が単純化され、装置全体のさらなる小型化が容易となる。なお、図5の結像レンズ部21Aa,21Abは端部で一体化されているが、2枚の結像レンズを接するように構成することで図5の結像光学素子21Aを構成してもよい。
また、光学素子19a,19bを波長選択部とする構成としたが、様々な構成を採り得る。例えば、図7に示す本発明の他の実施形態の光計測装置1Cのように、光学素子19a,19bとは別には波長選択部23を備えてもよい。同図の波長選択部23は、結像レンズ21aからの光を受ける位置に波長選択フィルタ23aが配置され、結像レンズ21bからの光を受ける位置には波長選択フィルタ23bが配置されている。なお、波長選択フィルタ23a,23bの位置はこれに限らず、リレーレンズ17と光学素子19a,19bとの間、又は光学素子19a,19bと結像レンズ21a,21bとの間に配置されもよい。また、同じ波長成分の光像を観察する場合は、絞り部材13とリレーレンズ17との間に配置してもよい。さらに、リレーレンズ17や結像光学素子21を波長選択コーティングしてもよく、撮像素子7の受光面7a上に波長選択フィルタを設けてもよい。
なお、これらの場合、光学素子19a,19bを波長選択フィルタ以外の光学素子とすることができる。例えば、光学素子19a,19bを偏光板で構成されることにより偏光方向を変化させてもよいし、絞り部材で構成されることにより光束を制限してもよいし、レンズで構成されることにより焦点位置を変化させてもよい。
なお、これらの場合、光学素子19a,19bを波長選択フィルタ以外の光学素子とすることができる。例えば、光学素子19a,19bを偏光板で構成されることにより偏光方向を変化させてもよいし、絞り部材で構成されることにより光束を制限してもよいし、レンズで構成されることにより焦点位置を変化させてもよい。
1,1A,1B,1C…光計測装置、3…顕微鏡光学系、5…光分割装置、7…撮像素子、7a…受光面、9…対物レンズ、15…回折格子、17…リレーレンズ、19a,19b…光学素子(波長選択部)、21,21A,21B…結像光学素子、21Aa,21Ab,21Ba,21Bb…結像レンズ部、21a,21b…結像レンズ、23…波長選択部、23a,23b…波長選択フィルタ、A0,A2,A3…光軸、G1,G2,G3…光像、L0…0次回折光、L1…1次回折光、S…対象物。
Claims (15)
- 対象物の観察用の対物レンズの結像面からの光を受けて、前記対物レンズの瞳面をリレーするリレーレンズと、
前記結像面からの前記光を、前記対象物で生じる蛍光に対応する蛍光波長成分を含む第1の光像を生成するための第1の光と第2の光像を生成するための第2の光とに分割する回折格子と、
前記第1の光及び前記第2の光にそれぞれ対応する2つの光軸を有し、前記第1の光と前記第2の光を、ぞれぞれ、前記第1の光像と前記第2の光像に結像する結像光学素子と、
前記第2の光の波長成分を選択する波長選択部と、
を備える光分割装置。 - 前記波長選択部は、前記蛍光を生じさせる励起光の波長成分を選択する、
請求項1記載の光分割装置。 - 前記回折格子は、前記対物レンズの結像面と前記リレーレンズとの間に配置される、
請求項1又は2記載の光分割装置。 - 前記第1の光は0次回折光であり、かつ、前記第2の光はn次回折光(nは正または負の整数)である、
請求項1〜3のいずれか1項に記載の光分割装置。 - 前記0次回折光を結像する部分の前記結像光学素子の光軸は、前記リレーレンズの光軸とずれている、
請求項4に記載の光分割装置。 - 前記リレーレンズと前記結像光学素子との間に配置された光学素子をさらに備え、
前記リレーレンズは、前記光学素子に対して前記対物レンズの瞳面をリレーする、
請求項1〜5のいずれか1項に記載の光分割装置。 - 前記波長選択部は、前記リレーレンズと前記結像光学素子との間に配置され、前記リレーレンズは、前記波長選択部に対して前記対物レンズの瞳面をリレーする、
請求項1〜5のいずれか1項に記載の光分割装置。 - 前記回折格子、前記リレーレンズ、前記波長選択部、及び前記結像光学素子の少なくとも1つが、前記対物レンズの光軸に対して傾けられている、
請求項1〜7のいずれか1項に記載の光分割装置。 - 前記結像光学素子は、前記第1の光を前記第1の光像に結像する第1のレンズと前記第2の光を前記第2の光像に結像する第2のレンズとを有する、
請求項1〜8のいずれか1項に記載の光分割装置。 - 前記結像光学素子は、前記第1の光を前記第1の光像に結像する第1のレンズ部と、前記第2の光を前記第2の光像に結像する前記第1のレンズ部と一体化された第2のレンズ部とを有する、
請求項1〜8のいずれか1項に記載の光分割装置。 - 対象物からの光を受けて、結像面に光像を結像する対物レンズと、
前記結像面からの光を受けて、前記対物レンズの瞳面をリレーするリレーレンズと、
前記結像面からの前記光を、前記対象物で生じる蛍光に対応する蛍光波長成分を含む第1の光像を生成するための第1の光と第2の光像を生成するための第2の光とに分割する回折格子と、
前記第1の光及び前記第2の光にそれぞれ対応する2つの光軸を有し、前記第1の光と前記第2の光を、ぞれぞれ、前記第1の光像と前記第2の光像に結像する結像光学素子と、
前記第2の光の波長成分を選択する波長選択部と、
前記第1の光像及び前記第2の光像を撮像する撮像素子と、
を備える光計測装置。 - 前記波長選択部は、前記蛍光を生じさせる励起光の波長成分を選択する、
請求項11記載の光計測装置。 - 前記回折格子は、前記対物レンズの結像面と前記リレーレンズとの間に配置される、
請求項11又は12記載の光計測装置。 - 前記第1の光は0次回折光であり、かつ、前記第2の光はn次回折光(nは正または負の整数)である、
請求項11〜13のいずれか1項に記載の光計測装置。 - 前記撮像素子は、前記対物レンズの光軸に対して傾いた状態で配置される、
請求項11〜14のいずれか1項に記載の光計測装置。
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