光学系统以及光学显微镜
阅读：791发布：2020-05-13
专利汇可以提供光学系统以及光学显微镜专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开一种将入射光的强度分布校正为平坦的强度分布的光学系统，所述入射光在平面的X方向和Y方向上具有不同的发散 角 ，所述光学系统包括：第一透镜组，其包括至少一个柱面透镜，并且在发散角的较大发散角方向上具有正折射率，在垂直于所述较大发散角方向的方向上没有折射率；第二透镜组，其包括至少一个柱面透镜，并且在发散角的较小发散角方向上具有正折射率，在垂直于所述较小发散角方向的方向上没有折射率，在所述入射光方向上所述第二透镜组位于所述第一透镜组之后。在该光学系统中，使得所述入射光 准直 ，并且利用所述第一透镜组的球面像差和所述第二透镜组的球面像差将所述入射光的强度分布校正为平坦的强度分布。，下面是光学系统以及光学显微镜专利的具体信息内容。
1.一种将入射光的强度分布校正为平坦的强度分布的光学系 统，所述入射光在平面的X方向和Y方向上具有不同的发散角，所述 光学系统包括：
第一透镜组，其包括至少一个柱面透镜，并且在发散角的较大 发散角方向上具有正折射率，在垂直于所述较大发散角方向的方向上 没有折射率；
第二透镜组，其包括至少一个柱面透镜，并且在发散角的较小 发散角方向上具有正折射率，在垂直于所述较小发散角方向的方向上 没有折射率，在所述入射光方向上所述第二透镜组位于所述第一透镜 组之后。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其中，
使得所述入射光准直，并且利用所述第一透镜组的球面像差和 所述第二透镜组的球面像差将所述入射光的强度分布校正为平坦的 强度分布。
3.根据权利要求1所述的光学系统，其中，
所述入射光是激光或者自然光。
4.根据权利要求1所述的光学系统，其中，
所述入射光的强度分布是高斯分布或者艾里分布。
5.根据权利要求1所述的光学系统，其中，
在平面的X方向和Y方向上具有不同发散角的入射光是从点光 源发出的，所述点光源是激光二极管。
6.根据权利要求2所述的光学系统，其中，
所述球面像差的量基本上等于或大于所述第一透镜组的焦距的 40％。
7.一种光学显微镜，在所述光学显微镜中，通过物镜利用来自 光源的入射光照射样品的表面，所述光学显微镜包括：
根据权利要求1所述的光学系统，
其中，所述光学系统使所述入射光准直，并且利用所述第一透 镜组的球面像差和所述第二透镜组的球面像差将所述入射光的强度 分布校正为平坦的强度分布，从而将所述入射光入射到所述物镜上。
技术领域
本发明涉及一种用于校正光强度分布的光学系统，更具体地说， 本发明涉及一种用于将发散光的强度分布校正为均匀分布的光学系 统。
背景技术
光学显微镜的一个实例是共焦显微镜。共焦显微镜能够获得样品 的切片图像，而无需将样品制成切片部分，并且能够由该切片图像构 成样品的准确三维图像。因此，共焦显微镜例如用于生物学和生物工 程学领域中对活体细胞的生理反应观察和形态观察，或者用于半导体 领域中对LSI(大规模集成电路)的表面观察。
在这种共焦显微镜中，由激光生成多个射束点，以便利用这些射 束点照射样品，并且根据来自样品的荧光或者反射光观察样品。在这 种情况下，激光强度的分布不均匀性(获得了相对于与光轴垂直的平 面的高斯分布)会影响各射束点的强度。因此，为了在激光的光轴附 近仅获得均匀的光通量，设置具有片窗的片窗板，并且仅使用通过该 片窗板的光束。
另外，还公开了一种共焦扫描仪，在该共焦扫描仪中，将光强度 分布校正滤光器放置在准直透镜与片窗板之间，该准直透镜将从光纤 末端发出的发散光变为平行光(例如参见JP-A-2001-228402)。该光 强度分布校正滤光器使得具有高斯光强度分布的入射光中通过片窗板 的片窗的光的强度分布平坦化，并且遮挡除通过片窗板的片窗的光之 外的光。
在按照这种方式校正光强度的配置中，可利用的光量小，因此为 了充分照射样品，必须使用具有相应的大输出功率的光源。这样使得 杂散光大幅增加。因此，该配置不适于处理微弱光的情况，例如荧光 观察。
相反，在不减少光量的情况下能够利用均匀强度的光照射样品的 配置中，使用了光强度均匀化透镜(例如参见JP-A-11-95109)。
图6是JP-A-11-95109中公开的共焦显微镜的图示。
参照图6，准直透镜62将从点光源(例如光纤末端)61发出的光 转变为平行光，光强度均匀化透镜63使平行光的强度分布均匀化，并 且该均匀化的光通过片窗板64的片窗65入射到聚光盘66上。该点光 源61位于准直透镜62的前侧焦点(焦距f)处。
在聚光盘66中形成有多个微透镜(例如菲涅尔透镜)66a，并且 在针孔盘67中以多行方式螺旋地形成多个针孔67a。聚光盘66与针孔 盘67彼此连接，从而使得各针孔67a位于各微透镜66a的焦点位置处。
微透镜66a使入射到聚光盘66上的激光会聚，继而通过分束器(未 示出)会聚到针孔67a。物镜68使通过针孔67a的光会聚，继而照射 到样品表面69上。
从样品表面69返回的光再次通过物镜68和针孔盘67，继而由分 束器(未示出)反射，接着经由成像透镜(未示出)入射到照相机(未 示出)中。这样，在该照相机的图像接收表面上形成样品表面69的图 像。
在这种配置中，部件70使聚光盘66和针孔盘67一体旋转，并且 多个针孔67a对样品表面69进行光学扫描(光栅扫描)，从而能够通 过照相机观察到样品表面69的表面图像。
光强度均匀化透镜63是这样的透镜：即，保持从准直透镜62入 射的入射光量并使入射光的强度均匀化的透镜(例如参见 JP-A-11-258544)。
光强度均匀化透镜63置于准直透镜62与片窗板64之间。入射到 光强度均匀化透镜63中的入射光具有高斯光强度分布，因此入射光的 强度在光轴附近最强，并且随着距光轴越远而变弱。在光强度均匀化 透镜63中，将入射光密集的中央部分形成为扩散透镜(凹透镜)，以 使平行光扩散，并且将入射光不密集的周边部分形成为使平行光会聚 的会聚透镜(凸透镜)。光强度均匀化透镜63不遮挡高斯分布中光强 度小的部分(透镜的周边部分)中的光，因此能够保持大约70到90 ％的入射光量，从而防止光量损失的发生。从光强度均匀化透镜63发 出的光是平行光，在该平行光中的光强度分布基本上是均匀的。
在另一种激光强度分布变换光学系统中，利用分别由两个透镜构 成且具有正折射率的第一组和第二组(四个透镜/两组配置)的无焦光 学系统，使作为平行光的发射光束的光强度分布平坦化，并且通过变 焦而连续改变平坦分布区域的直径(例如参见JP-A-3-75612)。
然而，在JP-A-11-95109公开的使光强度分布均匀化的配置中， 使用了变换光强度分布的专用透镜，例如JP-A-11-258544中公开的透 镜。因此，这种配置需要利用专用的模具生产，检查曲率的过程也需 要工时，从而导致这种配置昂贵。此外，难以应对光源的NA(数值孔 径)不同的情况以及难以改变输出光的直径。以上，将NA定义为NA ＝nsinθ，其中n为折射率，θ为发散角。
在JP-A-3-75612公开的光学系统中，使用了常用的球面透镜，但 是四个透镜的配置是必须的。因此，这种配置对成本和空间产生了不 利影响。
在这种共焦显微镜中，由激光生成多个射束点，以便利用这些射 束点照射样品，并且根据来自样品的荧光或者反射光观察样品。在这 种情况下，激光强度的分布不均匀性(获得了相对于与光轴垂直的平 面的高斯分布)会影响各射束点的强度。因此，为了在激光的光轴附 近仅获得均匀的光通量，设置具有片窗的片窗板，并且仅使用通过该 片窗板的光束。
另外，还公开了一种共焦扫描仪，在该共焦扫描仪中，将光强度 分布校正滤光器放置在准直透镜与片窗板之间，该准直透镜将从光纤 末端发出的发散光变为平行光(例如参见JP-A-2001-228402)。该光 强度分布校正滤光器使得具有高斯光强度分布的入射光中通过片窗板 的片窗的光的强度分布平坦化，并且遮挡除通过片窗板的片窗的光之 外的光。
在按照这种方式校正光强度的配置中，可利用的光量小，因此为 了充分照射样品，必须使用具有相应的大输出功率的光源。这样使得 杂散光大幅增加。因此，该配置不适于处理微弱光的情况，例如荧光 观察。
相反，在不减少光量的情况下能够利用均匀强度的光照射样品的 配置中，使用了光强度均匀化透镜(例如参见JP-A-11-95109)。
图6是JP-A-11-95109中公开的共焦显微镜的图示。
参照图6，准直透镜62将从点光源(例如光纤末端)61发出的光 转变为平行光，光强度均匀化透镜63使平行光的强度分布均匀化，并 且该均匀化的光通过片窗板64的片窗65入射到聚光盘66上。该点光 源61位于准直透镜62的前侧焦点(焦距f)处。
在聚光盘66中形成有多个微透镜(例如菲涅尔透镜)66a，并且 在针孔盘67中以多行方式螺旋地形成多个针孔67a。聚光盘66与针孔 盘67彼此连接，从而使得各针孔67a位于各微透镜66a的焦点位置处。
微透镜66a使入射到聚光盘66上的激光会聚，继而通过分束器(未 示出)会聚到针孔67a。物镜68使通过针孔67a的光会聚，继而照射 到样品表面69上。
从样品表面69返回的光再次通过物镜68和针孔盘67，继而由分 束器(未示出)反射，接着经由成像透镜(未示出)入射到照相机(未 示出)中。这样，在该照相机的图像接收表面上形成样品表面69的图 像。
在这种配置中，部件70使聚光盘66和针孔盘67一体旋转，并且 多个针孔67a对样品表面69进行光学扫描(光栅扫描)，从而能够通 过照相机观察到样品表面69的表面图像。
光强度均匀化透镜63是这样的透镜：即，保持从准直透镜62入 射的入射光量并使入射光的强度均匀化的透镜(例如参见 JP-A-11-258544)。
光强度均匀化透镜63置于准直透镜62与片窗板64之间。入射到 光强度均匀化透镜63中的入射光具有高斯光强度分布，因此入射光的 强度在光轴附近最强，并且随着距光轴越远而变弱。在光强度均匀化 透镜63中，将入射光密集的中央部分形成为扩散透镜(凹透镜)，以 使平行光扩散，并且将入射光不密集的周边部分形成为使平行光会聚 的会聚透镜(凸透镜)。光强度均匀化透镜63不遮挡高斯分布中光强 度小的部分(透镜的周边部分)中的光，因此能够保持大约70到90 ％的入射光量，从而防止光量损失的发生。从光强度均匀化透镜63发 出的光是平行光，在该平行光中的光强度分布基本上是均匀的。
在另一种激光强度分布变换光学系统中，利用分别由两个透镜构 成且具有正折射率的第一组和第二组(四个透镜/两组配置)的无焦光 学系统，使作为平行光的发射光束的光强度分布平坦化，并且通过变 焦而连续改变平坦分布区域的直径(例如参见JP-A-3-75612)。
然而，在JP-A-11-95109公开的使光强度分布均匀化的配置中， 使用了变换光强度分布的专用透镜，例如JP-A-11-258544中公开的透 镜。因此，这种配置需要利用专用的模具生产，检查曲率的过程也需 要工时，从而导致这种配置昂贵。此外，难以应对光源的NA(数值孔 径)不同的情况以及难以改变输出光的直径。以上，将NA定义为NA ＝nsinθ，其中n为折射率，θ为发散角。
在JP-A-3-75612公开的光学系统中，使用了常用的球面透镜，但 是四个透镜的配置是必须的。因此，这种配置对成本和空间产生了不 利影响。
发明内容
考虑到上面的情况而提出本发明，并且本发明提供一种光强度分 布校正光学系统，还提供一种利用该光学系统的光学显微镜，其中使 来自光源的发散光的光强度分布均匀化，从而提高光的使用效率。此 外，在该光分布校正光学系统中，容易吸收光源NA的差别，从而使 得该光分布校正光学系统成本较低。
在某些实施方案中，本发明的光学系统将入射光的强度分布校正 为平坦的强度分布，该光学系统包括：
第一透镜组，其包括至少一个透镜，并且具有正折射率；
第二透镜组，其包括至少一个透镜，并且具有负折射率，在入射 光方向上该第二透镜组位于第一透镜组之后；
第三透镜组，其包括至少一个透镜，并且具有正折射率，在入射 光方向上该第三透镜组位于第二透镜组之后。
在本发明的光学系统中，使得入射光准直，并且利用第一透镜组 的球面像差、第二透镜组的球面像差和第三透镜组的球面像差将入射 光的强度分布校正为平坦的强度分布。
在某些实施方案中，本发明的光学系统将入射光的强度分布校正 为平坦的强度分布，该入射光在平面的X方向和Y方向上具有不同的 发散角，该光学系统包括：
第一透镜组，其包括至少一个柱面透镜，并且在发散角的较大发 散角方向上具有正折射率，在垂直于该较大发散角方向的方向上没有 折射率；以及
第二透镜组，其包括至少一个柱面透镜，并且在发散角的较小发 散角方向上具有正折射率，在垂直于该较小发散角方向的方向上没有 折射率，在入射光方向上该第二透镜组位于第一透镜组之后。
在本发明的光学系统中，使得入射光准直，并且利用第一透镜组 的球面像差和第二透镜组的球面像差将入射光的强度分布校正为平 坦的强度分布。
在本发明的光学系统中，第一透镜组和第二透镜组可以相互接 触。
在本发明的光学系统中，入射光可以为激光或自然光。
在本发明的光学系统中，入射光的强度分布可以是高斯分布或艾 里分布。
在本发明的光学系统中，入射光可以是从点光源发出的，该点光 源是光纤的发射端或者发光二极管。
在本发明的光学系统中，在平面的X方向和Y方向上具有不同发 散角的入射光可以是从点光源发出的，该点光源是激光二极管。
在本发明的光学系统中，球面像差的量可以基本上等于或大于第 一透镜组的焦距的40％。
在某些实施方案中，在本发明的光学显微镜中，通过物镜利用来 自光源的入射光照射样品的表面，该光学显微镜包括：
本发明的光学系统，
其中，该光学系统使入射光准直，并且利用第一透镜组的球面像 差和第二透镜组(以及第三透镜组)的球面像差将入射光的强度分布 校正为平坦的强度分布，从而将入射光入射到物镜上。
本发明能够获得以下效果。
根据本发明，可以实现这样一种光强度分布校正光学系统：即， 使来自光源的发散光的光强度分布均匀化，从而提高光的利用效率， 并且容易地吸收光源NA的差别，这样使得该光学系统的成本较低。
根据本发明，能够使来自半导体激光二极管(在平面内的X方向 和Y方向上的NA彼此不同)等的发散光的强度分布均匀化，从而能 够高效率地使用来自光源的发散光。
根据本发明，可以实现需要小空间且易于操作的光学系统。
根据本发明，可以实现这样的光学显微镜：即，在该光学显微镜
中，使来自光源的发散光的光强度均匀化，从而提高光的利用效率，
并且容易地吸收光源NA的差别，这样使得该光学显微镜成本较低。
附图说明
图1是表示本发明的光强度分布校正光学系统的第一实施例的图 示。
图2A和2B是分别表示透镜的球面像差的图示。
图3A和3B是表示第一实施例中的光强度分布校正效果的视图。
图4A和4B是表示本发明的光强度分布校正光学系统的图示。
图5A和5B是表示第二实施例中的光强度分布校正效果的视图。
图6是现有技术中公开的共焦显微镜的图示。
在某些实施方案中，本发明的光学系统将入射光的强度分布校正 为平坦的强度分布，该光学系统包括：
第一透镜组，其包括至少一个透镜，并且具有正折射率；
第二透镜组，其包括至少一个透镜，并且具有负折射率，在入射 光方向上该第二透镜组位于第一透镜组之后；
第三透镜组，其包括至少一个透镜，并且具有正折射率，在入射 光方向上该第三透镜组位于第二透镜组之后。
在本发明的光学系统中，使得入射光准直，并且利用第一透镜组 的球面像差、第二透镜组的球面像差和第三透镜组的球面像差将入射 光的强度分布校正为平坦的强度分布。
在某些实施方案中，本发明的光学系统将入射光的强度分布校正 为平坦的强度分布，该入射光在平面的X方向和Y方向上具有不同的 发散角，该光学系统包括：
第一透镜组，其包括至少一个柱面透镜，并且在发散角的较大发 散角方向上具有正折射率，在垂直于该较大发散角方向的方向上没有 折射率；以及
第二透镜组，其包括至少一个柱面透镜，并且在发散角的较小发 散角方向上具有正折射率，在垂直于该较小发散角方向的方向上没有 折射率，在入射光方向上该第二透镜组位于第一透镜组之后。
在本发明的光学系统中，使得入射光准直，并且利用第一透镜组 的球面像差和第二透镜组的球面像差将入射光的强度分布校正为平 坦的强度分布。
在本发明的光学系统中，第一透镜组和第二透镜组可以相互接 触。
在本发明的光学系统中，入射光可以为激光或自然光。
在本发明的光学系统中，入射光的强度分布可以是高斯分布或艾 里分布。
在本发明的光学系统中，入射光可以是从点光源发出的，该点光 源是光纤的发射端或者发光二极管。
在本发明的光学系统中，在平面的X方向和Y方向上具有不同发 散角的入射光可以是从点光源发出的，该点光源是激光二极管。
在本发明的光学系统中，球面像差的量可以基本上等于或大于第 一透镜组的焦距的40％。
在某些实施方案中，在本发明的光学显微镜中，通过物镜利用来 自光源的入射光照射样品的表面，该光学显微镜包括：
本发明的光学系统，
其中，该光学系统使入射光准直，并且利用第一透镜组的球面像 差和第二透镜组(以及第三透镜组)的球面像差将入射光的强度分布 校正为平坦的强度分布，从而将入射光入射到物镜上。
本发明能够获得以下效果。
根据本发明，可以实现这样一种光强度分布校正光学系统：即， 使来自光源的发散光的光强度分布均匀化，从而提高光的利用效率， 并且容易地吸收光源NA的差别，这样使得该光学系统的成本较低。
根据本发明，能够使来自半导体激光二极管(在平面内的X方向 和Y方向上的NA彼此不同)等的发散光的强度分布均匀化，从而能 够高效率地使用来自光源的发散光。
根据本发明，可以实现需要小空间且易于操作的光学系统。
根据本发明，可以实现这样的光学显微镜：即，在该光学显微镜
中，使来自光源的发散光的光强度均匀化，从而提高光的利用效率，
并且容易地吸收光源NA的差别，这样使得该光学显微镜成本较低。
附图说明
图1是表示本发明的光强度分布校正光学系统的第一实施例的图 示。
图2A和2B是分别表示透镜的球面像差的图示。
图3A和3B是表示第一实施例中的光强度分布校正效果的视图。
图4A和4B是表示本发明的光强度分布校正光学系统的图示。
图5A和5B是表示第二实施例中的光强度分布校正效果的视图。
图6是现有技术中公开的共焦显微镜的图示。
具体实施方式
下文中，将参照附图详细描述本发明。图1是表示本发明的光强 度分布校正光学系统的第一实施例的图示。本实施例的光学系统取代 了现有技术的实例(图6)所述的共焦显微镜的准直透镜和光强度均匀 化透镜。
参照图1，光源1是点光源，例如半导体激光二极管(下文中缩 写为LD)、发光二极管(下文中缩写为LED)或者光纤的端面，该点 光源用于发射发散光。第一凸透镜2利用正折射率将来自光源1的发 散光朝向光轴侧折射，从而在使光束的直径减小的同时将光束入射到 凹透镜3上。凹透镜3利用负折射率将从第一凸透镜2发出的光束朝 向外侧折射，从而形成基本上平行的光。并且利用各透镜的球面像差， 以将来自光源的输出中光强度的高斯分布转变为平坦的光强度分布。
具有正折射率的第一透镜组对应于第一凸透镜，具有负折射率的 第二透镜组对应于凹透镜，具有正折射率的第三透镜组对应于第二凸 透镜。另外，每个透镜组也可以由多个透镜而不是单个透镜构成。
参照图2A和2B进行描述。图2A和2B是分别表示透镜的球面像 差的图示。
参照图2A，在凸透镜21中，利用球面像差使得入射到透镜外周 侧上的光束会聚到透镜附近的焦距f1处，使得入射到内周侧上的光束 会聚到比f1更远的焦距f2处。
参照图2B，在凹透镜22中，利用球面像差，以使入射到透镜外 周侧上的光束具有较大的发散角，而使得入射到透镜内周侧上的光束 具有较小的发散角。在图2B中，焦距f3或者f4表示到下述点的距离： 即，当平行光入射到透镜上时发散光束的延长线(虚线)会聚的点。 这样，由于球面像差而使得焦距在凹透镜22的外周中短(f3)，而在 内周中长(f4)。
返回图1，在第一凸透镜2中，由于球面像差而使得光强度强的 中央部分的光束基本上平行，并且使得光强度弱的周边部分中的光束 聚集到中央部分。
因为第一凸透镜2减少了整个光束的直径，所以光束入射到凹透 镜3的内侧，这样使得凹透镜3的球面像差变弱。因此，凹透镜3能 够将整个光束变为基本上平行的光，并且使光强度分布平坦化。第二 凸透镜4使减小了的光束直径放大，从而能够进行变焦操作。在本发 明中，通过将第一凸透镜2的球面像差、凹透镜3的球面像差和第二 凸透镜4的球面像差组合，从而实现更加均匀的光强度分布。在这种 情况下，当第一凸透镜2具有该合成焦距的大约40％或更大的球面像 差时，能够获得这种效果。
图3A和3B是表示第一实施例中的光强度分布校正的效果的视图。
在图3A和3B中，垂直轴表示光束的相对强度，水平轴表示光束 直径。入射光是从NA＝0.09的光纤端面发出的发散光。
图3A表示了在光强度分布校正之前的光束强度分布(高斯分布)。 根据该图，可以看出光强度的峰值处于光束的中心，并且光强度随着 越接近周边而越衰减。
相反，图3B表示了在光强度分布校正之后的光束强度分布。根据 该图，可以看出光强度在距光束中心的距离为a处急剧衰减，但是通 过校正该光束强度分布，以使光束强度分布在所需的视场2a中基本上 均匀。
另外，即使当校正光强度分布时，由峰值处(光束中心)的光束 强度与距中心距离为a处的光束强度之差表示的光度(shading)S的 值也近似相等。
根据这种结果，光束强度分布处于这样的状态：即，在容许的光 度S内的分布是平坦的，并且入射到孔径(视场直径2a)中的效率在 校正之前约为从光纤发出的光量的22％，在校正后的光量约为58％， 即光量提高到2.6倍。
另外，在本实施例中，第一凸透镜2与凹透镜3相互接近。可选 择的是，可以在透镜之间设置空间。然而，当将这些透镜粘结在一起 时，所需的空间变小，从而使得光学系统易于操作。
另外，光源不限于发射发散光的光纤端面，也可以是其它的点光 源，例如LD(激光二极管)或者LED(发光二极管)等。可选择的是， 可以使用自然光。
所要校正的发散光的强度分布不限于高斯分布，也可以是艾里分 布(Airy distribution)。
如上所述，利用三个球面透镜能够使发散光准直，并且在所需的 视场中能够将光强度分布校正为平坦。因此，使得本发明的光学系统 的成本非常低。此外，根据光纤等的NA的差而改变透镜的参数，从而 能够容易地吸收NA的差。此外，不是利用如JP-A-3-75612中的四个 透镜而是利用三个透镜也可以实现光束扩展。
然而，光纤在平面内具有相同的NA，但是对于LD而言，在平面 内的X方向上的NA与Y方向上的NA差别很大。在上述第一实施例的 配置中，难以使来自这种LD的发散光在平面内的所有方向上的强度分 布均匀化。下面，将参照图4A和4B描述能够解决该问题的配置。
图4A和4B是表示本发明的光强度分布校正光学系统的第二实施 例的图示。本实施例的光学系统取代了现有技术的实例(图6)所述的 共焦显微镜的准直透镜和光强度均匀化透镜。
其中，图4A是平面图，图4B是侧视图。
参照图4A和4B，第一柱面透镜42具有短焦距f5，第二柱面透镜 43具有长焦距f6。LD 41的发光面位于与各柱面透镜的焦距对应的位 置处。另外，柱面透镜彼此相对旋转90°。采用这种配置，以便利用 以下特性：即，因为柱面透镜在可观察到其为半圆形的截面方向上具 有曲率，所以光被折射，并且因为柱面透镜在可观察到其为矩形的截 面方向上没有曲率，所以光直接通过该透镜。
在来自LD 41的发散光中，利用第一柱面透镜42将发散角大的平 面内的光束变为平行光，然后该平行光直接通过旋转了90°的第二柱 面透镜43。
相反，在发散角小的平面(垂直于发散角大的平面的平面)内的 光束直接通过第一柱面透镜42，然后利用第二柱面透镜43将该光束转 变为平行光。
这时，利用各柱面透镜的球面像差，将来自光源的发散光变为具 有均匀光强度分布，该光源根据平面具有不同的发光NA。在这种情况 下，当第二柱面透镜具有焦距f6的约40％或更大的球面像差时，能够 获得这种效果。
由柱面透镜配置的第一透镜组对应于第一柱面透镜，第二透镜组 对应于第二柱面透镜。
各透镜组可以配置多个柱面透镜来取代一个柱面透镜。
图5A和5B是表示第二实施例中的光强度分布校正的效果的视图。
图5A表示了在光强度分布校正之前的强度分布，图5B表示了在 光强度分布校正之后的强度分布。在该图中，由分别通过连接相同强 度的点形成的曲线(水平曲线)来表示强度分布。
因为LD在X方向和Y方向上的NA彼此相差很大，所以在X方向 上的光束宽度不同于Y方向上的光束宽度。因此，表示校正之前的分 布的图5A的强度分布具有椭圆的形状。水平曲线表示了光强度分布为 高斯分布。
相反，图5B表示了校正之后的强度分布，其中在X方向上的光束 宽度等于Y方向上的光束宽度。水平曲线仅在外周中密集，并且表示 了光强度分布是均匀的。
另外，获得了这样的结果：即，在实际测量值中，校正之后的光 量提高为校正之前的光量的4.5倍。
综上所述，能够使来自在平面内的X和Y方向上的NA显著不同的 LD等的发散光准直，能够在所需的视场中使强度分布均匀化，并且能 够高效率地利用来自光源的发散光。
在本实施例中，所要校正的发散光的强度分布不限于高斯分布， 也可以是艾里分布。
本发明不限于上述实施例，并且在不背离本发明精神的情况下包 括许多变化和修改。
本领域技术人员显而易见的是，在不背离本发明精神或范围的情 况下，能够对本发明的上述优选实施例进行各种修改和变化。因此， 其本意是本发明覆盖与所附权利要求及其等同物的范围一致的本发明 的所有修改和变化。
本申请是2006年5月10日提交、发明名称为“光学系统以及光 学显微镜”、申请号为200610079133.8的发明专利申请的分案申请。
本申请要求基于2005年5月10日提交的日本专利申请 No.2005-137132的外国优先权，该申请的全部内容在此以引用的方 式并入本文。
参照图1，光源1是点光源，例如半导体激光二极管(下文中缩 写为LD)、发光二极管(下文中缩写为LED)或者光纤的端面，该点 光源用于发射发散光。第一凸透镜2利用正折射率将来自光源1的发 散光朝向光轴侧折射，从而在使光束的直径减小的同时将光束入射到 凹透镜3上。凹透镜3利用负折射率将从第一凸透镜2发出的光束朝 向外侧折射，从而形成基本上平行的光。并且利用各透镜的球面像差， 以将来自光源的输出中光强度的高斯分布转变为平坦的光强度分布。
具有正折射率的第一透镜组对应于第一凸透镜，具有负折射率的 第二透镜组对应于凹透镜，具有正折射率的第三透镜组对应于第二凸 透镜。另外，每个透镜组也可以由多个透镜而不是单个透镜构成。
参照图2A和2B进行描述。图2A和2B是分别表示透镜的球面像 差的图示。
参照图2A，在凸透镜21中，利用球面像差使得入射到透镜外周 侧上的光束会聚到透镜附近的焦距f1处，使得入射到内周侧上的光束 会聚到比f1更远的焦距f2处。
参照图2B，在凹透镜22中，利用球面像差，以使入射到透镜外 周侧上的光束具有较大的发散角，而使得入射到透镜内周侧上的光束 具有较小的发散角。在图2B中，焦距f3或者f4表示到下述点的距离： 即，当平行光入射到透镜上时发散光束的延长线(虚线)会聚的点。 这样，由于球面像差而使得焦距在凹透镜22的外周中短(f3)，而在 内周中长(f4)。
返回图1，在第一凸透镜2中，由于球面像差而使得光强度强的 中央部分的光束基本上平行，并且使得光强度弱的周边部分中的光束 聚集到中央部分。
因为第一凸透镜2减少了整个光束的直径，所以光束入射到凹透 镜3的内侧，这样使得凹透镜3的球面像差变弱。因此，凹透镜3能 够将整个光束变为基本上平行的光，并且使光强度分布平坦化。第二 凸透镜4使减小了的光束直径放大，从而能够进行变焦操作。在本发 明中，通过将第一凸透镜2的球面像差、凹透镜3的球面像差和第二 凸透镜4的球面像差组合，从而实现更加均匀的光强度分布。在这种 情况下，当第一凸透镜2具有该合成焦距的大约40％或更大的球面像 差时，能够获得这种效果。
图3A和3B是表示第一实施例中的光强度分布校正的效果的视图。
在图3A和3B中，垂直轴表示光束的相对强度，水平轴表示光束 直径。入射光是从NA＝0.09的光纤端面发出的发散光。
图3A表示了在光强度分布校正之前的光束强度分布(高斯分布)。 根据该图，可以看出光强度的峰值处于光束的中心，并且光强度随着 越接近周边而越衰减。
相反，图3B表示了在光强度分布校正之后的光束强度分布。根据 该图，可以看出光强度在距光束中心的距离为a处急剧衰减，但是通 过校正该光束强度分布，以使光束强度分布在所需的视场2a中基本上 均匀。
另外，即使当校正光强度分布时，由峰值处(光束中心)的光束 强度与距中心距离为a处的光束强度之差表示的光度(shading)S的 值也近似相等。
根据这种结果，光束强度分布处于这样的状态：即，在容许的光 度S内的分布是平坦的，并且入射到孔径(视场直径2a)中的效率在 校正之前约为从光纤发出的光量的22％，在校正后的光量约为58％， 即光量提高到2.6倍。
另外，在本实施例中，第一凸透镜2与凹透镜3相互接近。可选 择的是，可以在透镜之间设置空间。然而，当将这些透镜粘结在一起 时，所需的空间变小，从而使得光学系统易于操作。
另外，光源不限于发射发散光的光纤端面，也可以是其它的点光 源，例如LD(激光二极管)或者LED(发光二极管)等。可选择的是， 可以使用自然光。
所要校正的发散光的强度分布不限于高斯分布，也可以是艾里分 布(Airy distribution)。
如上所述，利用三个球面透镜能够使发散光准直，并且在所需的 视场中能够将光强度分布校正为平坦。因此，使得本发明的光学系统 的成本非常低。此外，根据光纤等的NA的差而改变透镜的参数，从而 能够容易地吸收NA的差。此外，不是利用如JP-A-3-75612中的四个 透镜而是利用三个透镜也可以实现光束扩展。
然而，光纤在平面内具有相同的NA，但是对于LD而言，在平面 内的X方向上的NA与Y方向上的NA差别很大。在上述第一实施例的 配置中，难以使来自这种LD的发散光在平面内的所有方向上的强度分 布均匀化。下面，将参照图4A和4B描述能够解决该问题的配置。
图4A和4B是表示本发明的光强度分布校正光学系统的第二实施 例的图示。本实施例的光学系统取代了现有技术的实例(图6)所述的 共焦显微镜的准直透镜和光强度均匀化透镜。
其中，图4A是平面图，图4B是侧视图。
参照图4A和4B，第一柱面透镜42具有短焦距f5，第二柱面透镜 43具有长焦距f6。LD 41的发光面位于与各柱面透镜的焦距对应的位 置处。另外，柱面透镜彼此相对旋转90°。采用这种配置，以便利用 以下特性：即，因为柱面透镜在可观察到其为半圆形的截面方向上具 有曲率，所以光被折射，并且因为柱面透镜在可观察到其为矩形的截 面方向上没有曲率，所以光直接通过该透镜。
在来自LD 41的发散光中，利用第一柱面透镜42将发散角大的平 面内的光束变为平行光，然后该平行光直接通过旋转了90°的第二柱 面透镜43。
相反，在发散角小的平面(垂直于发散角大的平面的平面)内的 光束直接通过第一柱面透镜42，然后利用第二柱面透镜43将该光束转 变为平行光。
这时，利用各柱面透镜的球面像差，将来自光源的发散光变为具 有均匀光强度分布，该光源根据平面具有不同的发光NA。在这种情况 下，当第二柱面透镜具有焦距f6的约40％或更大的球面像差时，能够 获得这种效果。
由柱面透镜配置的第一透镜组对应于第一柱面透镜，第二透镜组 对应于第二柱面透镜。
各透镜组可以配置多个柱面透镜来取代一个柱面透镜。
图5A和5B是表示第二实施例中的光强度分布校正的效果的视图。
图5A表示了在光强度分布校正之前的强度分布，图5B表示了在 光强度分布校正之后的强度分布。在该图中，由分别通过连接相同强 度的点形成的曲线(水平曲线)来表示强度分布。
因为LD在X方向和Y方向上的NA彼此相差很大，所以在X方向 上的光束宽度不同于Y方向上的光束宽度。因此，表示校正之前的分 布的图5A的强度分布具有椭圆的形状。水平曲线表示了光强度分布为 高斯分布。
相反，图5B表示了校正之后的强度分布，其中在X方向上的光束 宽度等于Y方向上的光束宽度。水平曲线仅在外周中密集，并且表示 了光强度分布是均匀的。
另外，获得了这样的结果：即，在实际测量值中，校正之后的光 量提高为校正之前的光量的4.5倍。
综上所述，能够使来自在平面内的X和Y方向上的NA显著不同的 LD等的发散光准直，能够在所需的视场中使强度分布均匀化，并且能 够高效率地利用来自光源的发散光。
在本实施例中，所要校正的发散光的强度分布不限于高斯分布， 也可以是艾里分布。
本发明不限于上述实施例，并且在不背离本发明精神的情况下包 括许多变化和修改。
本领域技术人员显而易见的是，在不背离本发明精神或范围的情 况下，能够对本发明的上述优选实施例进行各种修改和变化。因此， 其本意是本发明覆盖与所附权利要求及其等同物的范围一致的本发明 的所有修改和变化。
本申请是2006年5月10日提交、发明名称为“光学系统以及光 学显微镜”、申请号为200610079133.8的发明专利申请的分案申请。
本申请要求基于2005年5月10日提交的日本专利申请 No.2005-137132的外国优先权，该申请的全部内容在此以引用的方 式并入本文。
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