特許 6182005 光学的分解能向上装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6182005

(24)【登録日】2017年7月28日

(45)【発行日】2017年8月16日

(54)【発明の名称】光学的分解能向上装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 21/00 20060101AFI20170807BHJP

   G02B 21/34 20060101ALI20170807BHJP

   G02B 21/36 20060101ALI20170807BHJP

【ＦＩ】

   G02B21/00

   G02B21/34

   G02B21/36

【請求項の数】7

【全頁数】27

(21)【出願番号】特願2013-151894(P2013-151894)

(22)【出願日】2013年7月22日

(65)【公開番号】特開2015-22233(P2015-22233A)

(43)【公開日】2015年2月2日

【審査請求日】2016年7月15日

(73)【特許権者】

【識別番号】000101330

【氏名又は名称】アストロデザイン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100101269

【弁理士】

【氏名又は名称】飯塚 道夫

(72)【発明者】

【氏名】武居 利治

(72)【発明者】

【氏名】武田 重人

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 茂昭

【審査官】 森内 正明

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０００−２７５１６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１３／０１６３００２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０１０−１５６５５７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ ２１／００ − ２１／３６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

測定対象物に光束を照射する光源と、
前記測定対象物を透過した光をそれぞれ受光する第１の受光素子及び一対の第２の受光素子と、
前記各受光素子と前記光源の間に配置され、前記光源側の面に前記測定対象物が設置可能とされると共に前記各受光素子側の面に曲面状の表面を有した凸部が設けられたスライドガラスと、
を有した光学的分解能向上装置であって、
前記光束の照射光軸上に位置し、前記測定対象物及び前記スライドガラスを透過した光束を平行な光束に変換する第１のレンズと、
第１のレンズを透過した透過光の内の照射光軸を挟んだ各側部分の光をそれぞれ受光する２つの分割受光素子を少なくとも有する第１の受光素子と、
前記照射光軸に対して第１の受光素子の分割受光素子が受光する各側にそれぞれ傾きを有した傾斜光軸上に位置し、かつ、前記測定対象物及び前記スライドガラスを透過した光束をそれぞれ平行な光束とする一対の第２のレンズと、
第１のレンズから出射された光束と前記各第２のレンズから出射された光束とをそれぞれ干渉させる光学素子と、
該光学素子により干渉された各光束を受光する一対の第２の受光素子と、
第１の受光素子の照射光軸を挟んで位置する分割受光素子間の出力和や出力差および、一対の第２の受光素子間の出力和や出力差をそれぞれ検出する出力和差検出部と、
を含む光学的分解能向上装置。

【請求項2】

測定対象物に光束を照射する光源と、
前記測定対象物を透過した光をそれぞれ受光する複数の第１の受光素子及び複数の第２の受光素子と、
前記各受光素子と前記光源の間に配置され、前記光源側の面に前記測定対象物が設置可能とされると共に前記各受光素子側の面に曲面状の表面を有した凸部が設けられたスライドガラスと、
を有した光学的分解能向上装置であって、
前記光束の照射光軸に対して傾きを有した傾斜光軸上に位置し、かつ、前記測定対象物及び前記スライドガラスを透過した光束を平行な光束とする第１のレンズと、
該第１のレンズに入射される光束の前記照射光軸に近い該第１のレンズの部分を通過する第１の光束と該照射光軸から遠い該第１のレンズの一方の半面を通過する第２の光束を干渉させる第１の光学素子と、
第１の光学素子により干渉された光束をそれぞれ検出する複数の第１の受光素子と、
前記照射光軸に対して前記第１のレンズと反対方向に配置され、かつ、前記測定対象物及び前記スライドガラスを透過した光束を平行な光束とする第２のレンズと、
前記照射光軸に対して前記第１の光学素子と反対方向に配置され、前記照射光軸に近い該第２のレンズの部分を通過する第１の光束と前記照射光軸から遠い該第１のレンズの一方の半面を通過する第２の光束を干渉させる第２の光学素子と、
第２の光学素子により干渉された光束をそれぞれ検出する複数の第２の受光素子と、
複数の第１の受光素子の任意の受光出力と複数の第２の受光素子の任意の受光出力との和や差の出力値を検出する出力和差検出部と、
を含む光学的分解能向上装置。

【請求項3】

測定対象物に光束を照射する光源と、
前記測定対象物を透過した光をそれぞれ受光する第１の受光素子及び第２の受光素子と、
前記各受光素子と前記光源の間に配置され、前記光源側の面に前記測定対象物が設置可能とされると共に前記各受光素子側の面に曲面状の表面を有した凸部が設けられたスライドガラスと、
を有した光学的分解能向上装置であって、
前記光束の照射光軸に対して傾きを有した傾斜光軸上に位置し、かつ、前記測定対象物及び前記スライドガラスを透過した光束を平行な光束とする第1のレンズと、
該第1のレンズで平行となった光束を収束して光束を干渉させる第1の集光レンズと、
該第1の集光レンズにより干渉された光束を検出する第１の受光素子と、
前記照射光軸に対して前記第１のレンズと反対方向に配置され、かつ、前記測定対象物及び前記スライドガラスを透過した光束を平行な光束とする第２のレンズと、
前記照射光軸に対して前記第１の集光レンズと反対方向に配置され、該第２のレンズで平行となった光束を収束して光束を干渉させる第２の集光レンズと、
該第２の集光レンズにより干渉された光束を検出する第２の受光素子と、
第１の受光素子の受光出力と第２の受光素子の受光出力との和や差の出力値を検出する出力和差検出部と、
を含む光学的分解能向上装置。

【請求項4】

前記凸部の表面が球面状であり、前記スライドガラスの前記光源側の面上に凸部の曲率中心が位置する、請求項１から３のいずれかに記載の光学的分解能向上装置。

【請求項5】

前記凸部の表面がレンズ面状であり、スライドガラス内に凸部の表面の焦点位置が位置する、請求項１から３のいずれかに記載の光学的分解能向上装置。

【請求項6】

前記凸部を構成する部材の屈折率が、スライドガラスの他の部分を構成する部材の屈折率よりも高い、請求項１から５のいずれかに記載の光学的分解能向上装置。

【請求項7】

前記凸部が複数設けられ、これら凸部に対向する前記スライドガラスの光源側の位置に、測定対象物が設置されうる凹部がそれぞれ設けられる、請求項１から６のいずれかに記載の光学的分解能向上装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザー光の照射により表面状態のプロファイルや細胞等の表面状態の計測や観察を極めて高い分解能で実現させる光学的分解能向上装置に関し、顕微鏡等の光学機器の分解能を向上するのに好適なものである。

【背景技術】

【0002】

微少なものを高精度に測定したり観察したりするには、周波数の異なる２つのレーザー光を干渉させて、その差の周波数のビート信号を作成し、このビート信号の位相変化を検出することで、被測定物を測定や観察することが考えられる。

【0003】

そして、下記特許文献１の特開昭５９−２１４７０６号公報には、音響光学素子を用いて異なる波長からなる２つのビームを隣接して発生させ、これら２ビーム間の位相変化を検出し、その位相変化を累積して表面プロファイルを得る方法が開示されている。しかし、この特許文献１の技術では、ビームプロファイル内の情報を引き出すことはできず、面内であるビームプロファイル内の分解能を高くすることは出来なかった。

【0004】

他方、従来よりＤＰＣ(Differential Phase Contrast)法と呼ばれる手法が知られている。これは、最初Dekkers and de Langにより電子顕微鏡に適用された技術であり、その後、Sheppard and Wilson等により光学的顕微鏡への拡張がなされた技術である。このＤＰＣ法は、試料に照射された電磁波に対してファーフィールドであって、電磁波の照射軸に対して対称に配置されたディテクタ同士で検出した０次回折光と１次回折光との干渉の結果の差動信号を求めることにより、試料のプロファイル情報を得るものである。しかし、このＤＰＣ法も空間周波数が高くなると、これら０次回折光と１次回折光とが干渉できなくなり、その空間周波数が再現されない結果として、測定ができなくなることがあった。

【0005】

つまり、従来の電磁波を用いた結像型の顕微鏡においては、アッべの理論の限界とされる分解能を超えることはできなかった。したがって、光学顕微鏡はもとより、電子顕微鏡においても使用している実質的な波長による限界を打破することは困難であった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開昭５９−２１４７０６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

ここで、結像光学系を用いた従来の顕微鏡における対物レンズのＯＴＦ特性について、以下に説明する。
結像光学系を用いた従来の顕微鏡においては、対物レンズにて捉える測定対象物の空間周波数の１次回折光の成分と０次回折光の成分とが干渉して像形成を行うため、対物レンズの開口に１次回折光が入射されないと、その空間周波数は再現されないことになる。他方、低い周波数から高い周波数に至るにつれてその１次回折光の回折角は次第に大きくなるので、対物レンズに入力される１次回折光の量が減っていくことになる。その結果として、１次回折光が入力されない周波数がカットオフになり、低い周波数から高い周波数に至る途中で、変調度が次第に落ちていくようになる。

【0008】

以上が対物レンズのＯＴＦ特性であり、したがって、結像系においては対物レンズに入力される１次回折光には自ずと限界があるので、再現される対称物の空間周波数に関連して分解能も自ずと限界があることになる。

【0009】

以上の定性的な説明を定量化して、以下に詳細に説明する。
図１３のように開口半径がaで焦点距離がｆの対物レンズ１１に平行光束が入射しているとする。なお、図１３においては、照射光軸を光軸Ｌ０で表し、この光軸Ｌ０に対して角度Θだけ傾く傾斜光軸を光軸Ｌ１で表している。通常の結像を用いた顕微鏡では、図１３のように光束が試料Ｓを透過する透過型となるが、光束が試料Ｓで折り返される反射型として考えてもよい。また、式を簡単にするために、１次元の開口として扱う。

【0010】

また、簡単のために試料Ｓが高さｈでピッチdの正弦波状の形状をしているものとする。すなわち、光学的な位相θが以下の式で表される。
θ＝2π(h/λ)sin(2πx/d)・・・・・（１）式
試料Ｓから回折された光の振幅Ｅは、焦点距離ｆだけ離れた面において、（１）式のフーリエ変換とレンズの開口とのコンボリューションとして、与えられるので、以下のように表される。ただし、（１）式の位相のフーリエ変換であるベッセル関数は、±１次まで取るものとする。

【0011】

【数1】

【0012】

ここで、（２）式のフーリエ変換が結像に寄与する。
したがって、強度Ｉは下記（３）式のようになる。

【0013】

【数2】

【0014】

この式の意味するところは、ｄ＝λf/2a＝0.5λ/NAより小さいピッチの情報は欠落するということであるが、これは、矩形開口のビーム径（sinc(ka)=0の最初の暗環半径ｗは、ka=πを満たすので、w=0.5λ/NAとなる ）と一致する。また、ｄ＞0.5λ/NAでもｄが小さいほど変調度が低下することを意味している。これを1/dの空間周波数と変調度との関係を示せば、ＭＴＦとなっている。

【0015】

以上に示したように、通常の結像光学系では、対物レンズ１１のＮＡによって再現される空間周波数のリミットは、必然的にｄ＝λf/2a＝0.5λ/NAとなり、この値よりも小さいものは、どのようにしても再現されないことになる。

【0016】

この一方、１次回折光の回折に関しては以下のような問題をも有していた。つまり、従来の一般的なスライドガラスを用いて測定対象物を観察した場合、このスライドガラスの表面側だけでなく裏面側も平面であるために、測定対象物を透過してスライドガラス内に入射された１次回折光のスライドガラスと空気との間の境界での空気側への入射角が、臨界角以上のものは、全反射して外部に取り出すことができない。

【0017】

以下に、従来技術のスライドガラスの問題点について、詳細に説明する。
図１４に示すように、レーザー光源１０からレンズ１１に平行光束が入射し、このレンズ１１により集束してスライドガラス１７２上の測定対象物である試料Ｓに光束が照射されて、対物レンズ１１１に試料Ｓで回折された回折光が入射されているとする。
なお、図１４及び図１５においては、スライドガラス１７２に垂直に入射されるレーザー光源１０の照射光軸を光軸Ｌ０で表す。また、図１５において、スライドガラス１７２内を透過する１次回折光の光軸を光軸Ｌ１で表し、この光軸Ｌ１における光軸Ｌ０に対する角度をα１とする。そして、このスライドガラス１７２の屈折率をｎとする。
以上より、スライドガラス１７２内からスライドガラス１７２外へ境界面Ｂを介して出射される際の１次回折光の入射角がα１とされ、屈折角をα２とすると、屈折の法則により、以下の式が成り立つ。
ｎｓｉｎα１＝ｓｉｎα２

【0018】

ここで、入射角α1がα1＜９０°で屈折角α2が９０°のとき、この入射角α1は臨界角となり、この臨界角以上でスライドガラス１７２内から境界面Ｂに入射された１次回折光はすべて反射され、スライドガラス１７２外に出射されなくなる。例えば、臨界角のときの１次回折光を光線ＬＸで表す。
上記の式から、臨界角は、ｓｉｎα1＝1/ｎと表され、正確には使用するレーザー光の波長と波長分散を考慮する必要性があるが、簡単のためにｎ＝1.52とすると、α１＝41.14°程度となる。以上から、光軸Ｌ１と境界面Ｂとのなす角となる挟角α3が48.86°以下の１次回折光はスライドガラス１７２内から取り出すことができないこととなる。

【0019】

したがって、対物レンズに入力される１次回折光には、スライドガラスの影響もあって自ずと限界があるので、再現される測定対象物の空間周波数に関連して分解能も自ずと限界があることになる。

【0020】

そこで本発明は、測定対象物を透過した回折光をより確実に受光可能としうる光学的分解能向上装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0021】

上記目的を達成させるために、請求項１に係る光学的分解能向上装置は、測定対象物に光束を照射する光源と、
前記測定対象物を透過した光をそれぞれ受光する第１の受光素子及び一対の第２の受光素子と、
前記各受光素子と前記光源の間に配置され、前記光源側の面に前記測定対象物が設置可能とされると共に前記各受光素子側の面に曲面状の表面を有した凸部が設けられたスライドガラスと、
を有した光学的分解能向上装置であって、
前記光束の照射光軸上に位置し、前記測定対象物及び前記スライドガラスを透過した光束を平行な光束に変換する第１のレンズと、
第１のレンズを透過した透過光の内の照射光軸を挟んだ各側部分の光をそれぞれ受光する２つの分割受光素子を少なくとも有する第１の受光素子と、
前記照射光軸に対して第１の受光素子の分割受光素子が受光する各側にそれぞれ傾きを有した傾斜光軸上に位置し、かつ、前記測定対象物及び前記スライドガラスを透過した光束をそれぞれ平行な光束とする一対の第２のレンズと、
第１のレンズから出射された光束と前記各第２のレンズから出射された光束とをそれぞれ干渉させる光学素子と、
該光学素子により干渉された各光束を受光する一対の第２の受光素子と、
第１の受光素子の照射光軸を挟んで位置する分割受光素子間の出力和や出力差および、一対の第２の受光素子間の出力和や出力差をそれぞれ検出する出力和差検出部と、
を含む。

【0022】

請求項１に係る光学的分解能向上装置の作用を以下に説明する。
本請求項によれば、光源から光束がスライドガラスに設置される測定対象物に照射され、この測定対象物を透過した光を受光素子が受光する。この際、受光素子と光源の間に配置されるスライドガラスの受光素子側の面に曲面状の表面を有した凸部が設けられている。
従って、測定対象物を透過するのに伴い生じた回折光が、曲面状の表面を有した凸部から外部に入射されることで、入射角が小さくなって全反射されることなく、スライドガラスから射出される。

【0023】

以上より、本請求項に係る光学的分解能向上装置によれば、測定対象物を透過した回折光のうち、より高次の回折光を受光素子が取得することができる。この結果として、通常の結像光学系の再現空間周波数では取得不可能な空間周波数をも取得して、光学系の分解能の向上を図ることができる。
この一方、０次回折光および１次回折光の各主光線軸の間に光軸を有する第1のレンズ及び第２のレンズを配置し、測定対象物で回折された０次回折光もしくは１次回折光を平行光束とし、その片方の光に対して、ダブプリズムのような光学素子で像を反転し、さらに０次回折光と１次回折光が重なるようにロンボイドプリズムのような光学素子で平行シフトして、０次回折光と１次回折光を干渉させることが考えられる。
これを１次回折光と０次回折光との間及び−１次回折光と０次回折光との間の２系統で行うことにより、ファーフィールドに配置した２種類の受光素子による和信号や差信号がより大きな空間周波数情報を有することになり、実質的に分解能が一層向上する。

【0024】

請求項２に係る光学的分解能向上装置の作用を以下に説明する。
本請求項に係る光学的分解能向上装置は、測定対象物に光束を照射する光源と、
前記測定対象物を透過した光をそれぞれ受光する複数の第１の受光素子及び複数の第２の受光素子と、
前記各受光素子と前記光源の間に配置され、前記光源側の面に前記測定対象物が設置可能とされると共に前記各受光素子側の面に曲面状の表面を有した凸部が設けられたスライドガラスと、
を有した光学的分解能向上装置であって、
前記光束の照射光軸に対して傾きを有した傾斜光軸上に位置し、かつ、前記測定対象物及び前記スライドガラスを透過した光束を平行な光束とする第１のレンズと、
該第１のレンズに入射される光束の前記照射光軸に近い該第１のレンズの部分を通過する第１の光束と該照射光軸から遠い該第１のレンズの一方の半面を通過する第２の光束を干渉させる第１の光学素子と、
第１の光学素子により干渉された光束をそれぞれ検出する複数の第１の受光素子と、
前記照射光軸に対して前記第１のレンズと反対方向に配置され、かつ、前記測定対象物及び前記スライドガラスを透過した光束を平行な光束とする第２のレンズと、
前記照射光軸に対して前記第１の光学素子と反対方向に配置され、前記照射光軸に近い該第２のレンズの部分を通過する第１の光束と前記照射光軸から遠い該第１のレンズの一方の半面を通過する第２の光束を干渉させる第２の光学素子と、
第２の光学素子により干渉された光束をそれぞれ検出する複数の第２の受光素子と、
複数の第１の受光素子の任意の受光出力と複数の第２の受光素子の任意の受光出力との和や差の出力値を検出する出力和差検出部と、
を含む。
これより、請求項１と同様にスライドガラスを有する他、請求項１と同様に１次回折光と０次回折光との間及び−１次回折光と０次回折光との間の２系統で行うことにより、ファーフィールドに配置した２種類の受光素子による和信号や差信号がより大きな空間周波数情報を有することになり、実質的に分解能が一層向上する。

【0025】

請求項３に係る光学的分解能向上装置の作用を以下に説明する。
本請求項に係る光学的分解能向上装置は、測定対象物に光束を照射する光源と、
前記測定対象物を透過した光をそれぞれ受光する第１の受光素子及び第２の受光素子と、
前記各受光素子と前記光源の間に配置され、前記光源側の面に前記測定対象物が設置可能とされると共に前記各受光素子側の面に曲面状の表面を有した凸部が設けられたスライドガラスと、
を有した光学的分解能向上装置であって、
前記光束の照射光軸に対して傾きを有した傾斜光軸上に位置し、かつ、前記測定対象物及び前記スライドガラスを透過した光束を平行な光束とする第1のレンズと、
該第1のレンズで平行となった光束を収束して光束を干渉させる第1の集光レンズと、
該第1の集光レンズにより干渉された光束を検出する第１の受光素子と、
前記照射光軸に対して前記第１のレンズと反対方向に配置され、かつ、前記測定対象物及び前記スライドガラスを透過した光束を平行な光束とする第２のレンズと、
前記照射光軸に対して前記第１の集光レンズと反対方向に配置され、該第２のレンズで平行となった光束を収束して光束を干渉させる第２の集光レンズと、
該第２の集光レンズにより干渉された光束を検出する第２の受光素子と、
第１の受光素子の受光出力と第２の受光素子の受光出力との和や差の出力値を検出する出力和差検出部と、
を含む。

【0026】

請求項４に係る光学的分解能向上装置の作用を以下に説明する。
本請求項に係る光学的分解能向上装置は、請求項１から請求項３と同様の構成を有するが、さらに、前記凸部の表面が球面状であり、前記スライドガラスの前記光源側の面上に凸部の曲率中心が位置する。
この結果、測定対象物を透過した回折光が、凸部の球面状とされる表面を介してスライドガラスの外部に垂直に出射されるので、スライドガラスと外部の空気との間の境界面において全反射することなく、スライドガラスから回折光をより確実に取り出すことができる。

【0027】

請求項５に係る光学的分解能向上装置の作用を以下に説明する。
本請求項に係る光学的分解能向上装置は、請求項１から請求項３と同様の構成を有するが、さらに、前記凸部の表面がレンズ面状であり、スライドガラス内に凸部の表面の焦点位置が位置する。
従って、測定対象物からの回折光は出射方向を受光素子に対して絞られ気味にスライドガラスから出射される。このため、回折角がより大きな回折光であっても、同じ大きさの受光素子で回折光を取得することが可能となる。つまり、より空間周波数の高い情報を取得することができる。
また、凸部の表面の曲率を測定対象物付近に焦点があるような曲率にすれば、出射光はスライドガラスからほぼそのまま直進することとなり、受光素子上で測定対象物のフーリエ変換が得られることになる。

【0028】

請求項６に係る光学的分解能向上装置の作用を以下に説明する。
本請求項に係る光学的分解能向上装置は、請求項１から請求項５と同様の構成を有するが、さらに、前記凸部を構成する部材の屈折率が、スライドガラスの他の部分を構成する部材の屈折率よりも高い。
従って、回折光がスライドガラスの他の部分とされる本体部分から凸部に入射される際に、この回折光が集束傾向とされて受光素子が受光する。このため、請求項３と同様に、より空間周波数の高い情報を取得することができる。

【0029】

請求項７に係る光学的分解能向上装置の作用を以下に説明する。
本請求項に係る光学的分解能向上装置は、請求項１から請求項６と同様の構成を有するが、さらに、前記凸部が複数設けられ、これら凸部に対向する前記スライドガラスの光源側の位置に、測定対象物が設置されうる凹部がそれぞれ設けられる。
従って、複数の凹部にそれぞれ測定対象物が設置されて、各測定対象物を順次観察可能になるので、効率の良い観察ができるようになる。例えば、各凹部において細胞等を培養することができ、多数の細胞の時間経過による変化を容易に観察することが可能となる。

【0030】

上記目的を達成させるために、請求項８に係るスライドガラスは、測定対象物が設置可能とされて、該測定対象物を観察する光学的機器で使用される板状のスライドガラスであって、曲面状の表面を有した凸部が、他の部分と一体的に形成され或いは他の部分に接着されて、一方の面に設けられている。

【発明の効果】

【0032】

本発明によれば、測定対象物を透過した回折光をより確実に受光可能としうる光学的分解能向上装置及びスライドガラスが提供されるという優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0033】

【図1】本発明の光学的分解能向上装置及びスライドガラスに係る実施例１を示した光学系を表す概略図である。

【図2】図１の要部の拡大図である。

【図3】ＤＰＣ法における透過光学系を表すブロック図である。

【図4】ＤＰＣ法とヘテロダイン法とを組み合わせた透過光学系を表すブロック図である。

【図5】本発明の光学的分解能向上装置に係る実施例２を示した光学系を表す概略図である。

【図6】本発明の光学的分解能向上装置に係る実施例３を示した光学系を表す概略図である。

【図7】本発明の光学的分解能向上装置に係る実施例４を示した光学系を表す概略図である。

【図8】本発明の光学的分解能向上装置に係る実施例５を示した光学系を表す概略図である。

【図9】本発明の光学的分解能向上装置及びスライドガラスに係る実施例６を示した光学系を表す概略図である。

【図10】本発明の光学的分解能向上装置及びスライドガラスに係る実施例７を示した光学系を表す概略図である。

【図11】本発明の光学的分解能向上装置及びスライドガラスに係る実施例８を示した光学系を表す概略図である。

【図12】図１１のＡ−Ａ矢視線図である。

【図13】通常の結像光学系の原理を説明する原理図である。

【図14】通常のスライドガラスの反射の原理を説明する原理図である。

【図15】図１４の要部拡大図である。

【発明を実施するための形態】

【0034】

以下に、本発明に係る光学的分解能向上装置及びスライドガラスの各実施例を各図面に基づき、詳細に説明する。

【実施例1】

【0035】

本発明に係る光学的分解能向上装置及びスライドガラスの実施例１を以下に図１及び図２を参照しつつ説明する。
図１は、光学的機器の一種である本実施例の光学的分解能向上装置の構成を示す概略図である。この図１に示すように、光を照射する光源であるレーザー光源１０が図示しない光学機器を介して、対物レンズ１１と対向して配置され、このレーザー光源１０が照射した光が、透過物の測定対象物である試料Ｓに収束照射されている。但し、この試料Ｓは、図１及び図２に示すカバーガラス７１に覆われつつスライドガラス７２上に載せられた水溶液Ｅ中で安定的に支持されていて、本実施例において、このスライドガラス７２は、試料Ｓを載せる板状の本体部７２Ａの他に、半球状の表面を有した凸部７２Ｂを設けた構造とされている。

【0036】

そして、このスライドガラス７２の本体部７２Ａは、図２に示すように試料Ｓが載せられるレーザー光源１０側の上面７２Ｃと、凸部７２Ｂが設けられた下面７２Ｄとを有していて、また、この凸部７２Ｂの表面の曲率中心Ｐは、試料Ｓが載せられる上面７２Ｃ上の位置に存在している。つまり、試料Ｓを透過して上面７２Ｃからスライドガラス７２内に入射した回折光は、この球面状の表面を有した凸部７２Ｂから全反射することなく、そのままの角度でスライドガラス７２から出射されるようになる。

【0037】

このレーザー光源１０の収束照射の照射光軸とされる光軸Ｌ０上には、凸レンズとされる第１のレンズであるレンズ１５が位置していて、試料Ｓを透過してスライドガラス７２内を通り、スライドガラス７２から出射された光束をレンズ１５が平行な光束に変換している。

【0038】

このレンズ１５の下方の光軸Ｌ０上には、レンズ１５から出射された平行な光束をそれぞれ左右に分割する２つの第１のビームスプリッター１２Ａ、１２Ｂが連続して配置されており、この下方にこの光を受光する第１の受光素子６が位置している。ただし、この第１の受光素子６は、光軸Ｌ０を挟んで位置する２つの分割受光素子６Ａ、６Ｂにより構成されていて、右側寄りの分割受光素子６Ａが、レンズ１５からの透過光の内の光軸Ｌ０の右側寄り部分を受光し、左側寄りの分割受光素子６Ｂが、レンズ１５からの透過光の内の光軸Ｌ０の左側寄り部分を受光することになる。

【0039】

光軸Ｌ０に対して図１の右側に傾きを有した傾斜光軸とされる１次回折光の光軸である光軸Ｌ１上には、凸レンズとされる第２のレンズであるレンズ１６が位置しており、このレンズ１６が試料Ｓから出射された光束を平行な光束としている。この光軸Ｌ１上には、この平行な光束を反射するための反射鏡１８が配置されており、また、この反射鏡１８の下方には、第２のビームスプリッター１３が位置している。このため、レンズ１６と第２のビームスプリッター１３との間に配置される反射鏡１８が、レンズ１６からの出射光を第２のビームスプリッター１３側に反射させている。また、第２のビームスプリッター１３の下方には、複数の分割受光素子から構成される第２の受光素子群４が位置している。

【0040】

さらに、２つの第１のビームスプリッター１２Ａ、１２Ｂの内の上側の第１のビームスプリッター１２Ａが分割された光束を第２のビームスプリッター１３側に送り出している。このため、レンズ１５から出射された光束とレンズ１６から出射された光束とを第２のビームスプリッター１３が干渉させて、この光束を第２の受光素子群４が受光するようにさせている。

【0041】

他方、上記と同様の構成を有したレンズ１７、反射鏡１９、第２のビームスプリッター１４および、第２の受光素子群５が照射光軸Ｌ０を挟んで対称に、図１の左側にも配置されている。以上より、２つの第１のビームスプリッター１２Ａ、１２Ｂおよび左右の第２のビームスプリッター１３、１４が、レンズ１５から出射された光束とレンズ１６、１７から出射された光束とを干渉させている。

【0042】

さらに、前述の分割受光素子６Ａ、６Ｂ、受光素子群４、５が、これら受光素子６Ａ、６Ｂ、受光素子群４、５からの信号を比較するための比較器３３にそれぞれ接続されている。そして、この比較器３３が、最終的にデータを処理して試料Ｓのプロフィル等を得るデータ処理部３４に繋がっている。このため、比較器３３及びデータ処理部３４が、光軸Ｌ０を挟んで位置する第１の受光素子６の分割受光素子６Ａ、６Ｂ間の出力和や出力差および、一対の第２の受光素子群４、５間の出力和や出力差を検出する出力和差検出部とされている。

【0043】

以上のことより、この図１に示す対物レンズ１１で収束された光は、カバーガラス７１に覆われつつスライドガラス７２上に載せられた測定対象物である試料Ｓ上にスポットを形成する。このスポットは理想的には回折限界の径を有し、このスポット径内における試料Ｓのパターンの空間周波数情報が透過光として回折される。

【0044】

他方、本実施例においては、前述のようにスライドガラス７２の下面側に凸部７２Ｂを設けた構造とされている。ここで、図1の一部を拡大して表す図２に示す凸部７２Ｂの表面の半径ｒは、以下の式より求められる。尚、下記式において、tはスライドガラス７２の厚み、dはスライドガラス７２上に設定される観察範囲の直径であり、α3は図１５と同様に、試料Ｓを透過してスライドガラス７２外からスライドガラス７２内に入射される１次回折光と境界面とのなす挟角である。
ｒ=（t/tanα3）+ d/2

【0045】

本実施例においては、tは一般的なスライドガラスと同様に1.2ｍｍとし、dは細胞等を観察するに十分な直径とされる0.5ｍｍとする。ここで、１次回折光と境界面とのなす挟角α3が１０°までの１次回折光を取り出そうとしたときには、t/tanα3が約6.8ｍｍであり、d/2が0.25ｍｍであることから、凸部７２Ｂの半径ｒが上記の式より、約7.1ｍｍとなる。なお、凸部７２Ｂの表面形状は球面状に限定されず、一定の高い空間周波数を有する１次回折光を全反射させることなく外部に取り出すことができるような、一般的な曲面であっても良い。

【0046】

ここで、試料Ｓの有する空間周波数の１次回折光であってレンズ１５に入射されない高い空間周波数の光を考慮すると、レンズ１５には試料Ｓを透過した０次回折光と上記空間周波数よりも低い空間周波数成分の光が入射される。このことで、レンズ１５単体では、レンズ１５の有するカットオフ周波数までは、試料Ｓのパターンが再現されうることになる。

【0047】

ところが、レンズ１５に入射されない空間周波数の光はカットされ、像情報に欠落を生じることになる。そこで、図１に示すように０次回折光の光軸Ｌ０に対して、レンズ１６及びレンズ１７が相互に対象な位置であって、ある傾き角を有して配置されている。０次回折光の光軸Ｌ０に対するこのレンズ１６及びレンズ１７の光軸Ｌ１、Ｌ２の傾き角は、試料Ｓのコントラストが最大になる空間周波数に匹敵するようにする。

【0048】

すなわち、レンズ１６の光軸Ｌ１上の光束は、反射鏡１８で折り返され、ビームスプリッター１２Ａにより分離された０次回折光の光軸Ｌ０上の光束とビームスプリッター１３により合成される。合成された光自体は受光素子群４に導かれる。したがって、０次回折光とレンズ１６から出射される１次回折光とを干渉させて受光素子群４が受光する。このとき、最も高いコントラストを有する光束は、レンズ１６の光軸Ｌ１に一致する空間周波数の光束となるからである。

【0049】

上記した光学系と０次回折光の光軸Ｌ０に対して反対方向に同様な光学系について考えた場合、レンズ１７の傾斜光軸とされる光軸Ｌ２上の光束は反射鏡１９で折り返され、このレンズ１７の光軸Ｌ２上の光束は、ビームスプリッター１２Ａを経てビームスプリッター１２Ｂにより折り返された０次回折光の光軸Ｌ０上の光束と、ビームスプリッター１４により合成される。合成された光自体は受光素子群５に導かれる。０次回折光とレンズ１７から出射される−１次回折光とを干渉しつつ受光素子群５が受光する。

【0050】

ここで、受光素子群４は複数の分割受光素子よりなり、おのおのの分割受光素子は０次回折光と１次回折光で干渉された干渉縞を適当なピッチでサンプリングした干渉縞強度を取得する。つまり、０次回折光の光軸Ｌ０と１次回折光の光軸Ｌ１が傾きを持たなければ、光束内で一様な干渉強度となるが、多少傾きを有した場合には一様なピッチの干渉縞を生じるからである。この干渉縞のピッチは、１次回折光の出射角度によるので、レンズ１６に入射される空間周波数を反映したものとなる。

【0051】

また、受光素子群５も複数の分割受光素子よりなり、おのおのの分割受光素子は０次回折光と−１次回折光で干渉された干渉縞を適当なピッチでサンプリングした干渉縞強度を取得し、上記と同様に動作する。

【0052】

したがって、受光素子群４、５は、複数の分割受光素子によりそれぞれ構成される形で配置され、空間周波数の反映した情報が取得できるようになる。受光素子群４，５の実質上対応する空間周波数を取得している受光素子の差の出力を取得することにより、より高い空間周波数情報を取得できるようになる。

【0053】

以上は、ＤＰＣ法の光学系および、発明者たちが提案するＤＰＣ法とヘテロダイン法とを組み合わせた光学系において、特に有効となる。

【0054】

上記光学系により取得できる実質的な空間周波数を大きくできる点を以下に定量的に明らかにする。ただし、説明を簡単にするために試料Ｓが高さｈでピッチdの正弦波状の形状をしているものとする。すなわち、光学的な位相θが以下の式で表される。
θ＝2πh/λsin(2πx/d+θ０)・・・・・（４）式

【0055】

試料Ｓから回折された光の振幅Ｅは、ｆだけ離れた面においては、（４）式のフーリエ変換とレンズの開口とのコンボリューションとして、与えられるので、以下のように表される。ただし、（４）式の位相のフーリエ変換であるベッセル関数は±１次まで取るものとする。ここで、Ｅ₀、Ｅ₁は、おのおの０次回折光と１次回折光が入射されるレンズ１５、レンズ１６を経た複素振幅分布である。おのおの（５）、（６）式で表される。

【0056】

【数3】

【0057】

同様にＥ_-1を−１次回折光が入射されるレンズ１７を経た振幅分布である複素振幅分布であるとすると、下記（７）式のようになる。

【0058】

【数4】

【0059】

０次回折光の複素振幅分布を表す（５）式と１次回折光の複素振幅分布を表す（６）式とから、レンズ１５の光束とレンズ１６の光束とをビームスプリッター１２Ａ，１３で合成して、受光素子群４上で干渉させた結果とされる受光素子群４上の強度Ｉ₁は、下記式のようになる。

【0060】

【数5】

【0061】

同様に０次回折光の複素振幅分布を表す（５）式と−１次回折光の複素振幅分布を表す（７）式とから、レンズ１５の光束とレンズ１７の光束とをビームスプリッター１４，１２Ｂで合成して受光素子群５上で干渉させた結果とされる受光素子群５上の強度Ｉ₂は、下記式のようになる。

【0062】

【数6】

【0063】

ただし、上記強度Ｉ₁と強度Ｉ₂は簡単のために０次回折光および±１次回折光の光路差が実質上ないものとした。このようにして、受光素子群４と受光素子群５との差出力を表すと下記式のようになる。

【0064】

【数7】

【0065】

ここで、単独の受光素子を用いずに、適正個数の分割受光素子よりなる受光素子群としたのは、受光素子と空間周波数が対応関係にすることになるので、受光量より試料Ｓに含まれる空間周波数成分の分布も考慮に入れた解析ができるからである。
もし、０次回折光と１次回折光とを干渉させないと、±１次回折光の強度は、下記式のようになり、差出力を取得すると０となる。

【0066】

【数8】

【0067】

また、たとえ和の出力を取得したとしても位相情報θ０は完全に失われることになり、試料Ｓにその空間周波数が存在するか否かの情報だけとなり、プロファイル情報等の知りたい情報を取得することはできない。

【0068】

以下、上記光学系を具体的に適用して効果のあるＤＰＣ法の光学系および、ＤＰＣ法とヘテロダイン法とを組み合わせた光学系について述べる。ここで、図３はＤＰＣ法における透過光学系のブロック図を示す。

【0069】

まず、図３に示すように、レーザー光源２１からの光束はコリメーターレンズ２２により平行光束とされ、２次元走査デバイス２６に入射される。この２次元走査デバイス２６は光を面上に走査するデバイスであり、ＭＥＭＳやガルバノミラー、レゾナントミラー等で構成されるものである。

【0070】

この平行光束は、２次元走査デバイス２６の瞳位置を対物レンズ３１の瞳位置に伝達するための瞳伝達レンズ系３０を経て、対物レンズ３１に入射された後、試料Ｓに収束される。試料Ｓに収束された光は透過光となり、受光素子２９に入射される。この受光素子２９は、試料Ｓから実質上ファーフィールドとなる位置に配置され、光軸Ｌに対して対称に少なくとも２分割された受光素子とされている。

【0071】

この結果、光軸Ｌ上の平行光束が試料Ｓの屈折率分布や凸凹により０次回折光と±１次回折光とに分離され、分離されたこれらの光が干渉しつつ、受光素子２９に受光される。これに伴い、試料Ｓの屈折率分布や凸凹の情報が、０次回折光と±１次回折光との干渉情報に基づき、受光素子２９内の図示しない光電変換部において、変換される。このとき、光軸Ｌに対して対象な受光素子２９の２つの受光素子間の差出力に試料Ｓの上記情報が反映される。このように、差出力を得る場合には、境界線を挟んで隣り合う受光素子間同士で行うようにすれば良い。

【0072】

但し、複数の受光素子の和出力だけを用いるのであれば、実質上１つの受光素子を用いることで、同様のことが実現できることになる。特に、和出力の場合、試料Ｓが吸収率や反射率の異なるような強度パターンとなっている場合には有効である。たとえば、試料Ｓが細胞で染色されているような場合である。

【0073】

この図３に示すＤＰＣ法における透過光学系においても、図１及び図２に示す半球状の表面を有した凸部７２Ｂを有したスライドガラス７２が同様に用いられている。但し、図３においては、図１に示すレンズ１５、１６、１７やビームスプリッター１２Ａ、１２Ｂ、１３、１４等の部材を用いず直接に受光素子２９に回折光が入射されるようになっている。
これに伴い、上記と同様に、試料Ｓを透過して上面７２ａからスライドガラス７２内に入射した回折光は、この球面状の表面を有した凸部７２Ｂから全反射することなく、そのままの角度でスライドガラス７２から出射されて、受光素子２９に入射される。

【0074】

次に、図４は、発明者たちが提案するＤＰＣ法とヘテロダイン法とを組み合わせた光学系であり、これを以下に説明する。ここで、図４はこれらの方法を組み合わせた透過光学系のブロック図を示す。
この光学系が図３に示す光学系と異なるのは、図４に示すように、音響光学素子２３によりきわめて接近した２つの光束を作成し、試料Ｓに照射することにある。

【0075】

具体的には、この図４に示すように、レーザー光が出射されるレーザー光源２１と、ＡＯＤドライバー２４が接続されて動作が制御される音響光学素子（ＡＯＤ）２３との間に、コリメーターレンズ２２が配置されている。また、この音響光学素子２３に対して、２群のレンズからなる瞳伝達拡大レンズ系２５、入力されたレーザー光を分離して出射するビームスプリッター２７、入力されたレーザー光を２次元走査する２次元走査デバイス２６が順に並んで配置されている。

【0076】

さらに、このビームスプリッター２７に隣り合って、２群のレンズからなる瞳伝達レンズ系３０が位置し、この隣に対物レンズ３１が試料Ｓと対向して配置されている。つまり、これら部材が光軸Ｌに沿って並んでいることになる。他方、光軸Ｌが通過する方向に対して直交する方向であってビームスプリッター２７の右隣の位置には、光センサである受光素子２８が配置されている。また、試料Ｓの背面側である下側には、同じく光センサである受光素子２９が配置されている。これら受光素子２８、２９が、これら受光素子２８、２９からの信号を比較する比較器３３にそれぞれ接続され、この比較器３３が、最終的にデータを処理して試料Ｓのプロフィル等を得るデータ処理部３４に繋がっている。

【0077】

以上に伴い、キャリア周波数ｆｃと変調周波数ｆｍの２つのＤＳＢ変調された信号を外部からＡＯＤドライバー２４を経て、音響光学素子２３に入力することで、きわめて接近したこれら２つの光束を作成することができる。これらきわめて接近した２方向に出射された光束は、音響光学素子２３の実質的な瞳位置を２次元走査デバイス２６の瞳位置に伝達する瞳伝達レンズ系２５、光を面上に走査する２次元走査デバイス２６および、２次元走査デバイス２６の瞳位置を対物レンズ３１の瞳に伝達するための瞳伝達レンズ系３０を経て、対物レンズ３１に入射される。

【0078】

この結果として、対物レンズ３１で収束された光束は、きわめて接近された２つのスポットとして、試料Ｓを面上に走査することになる。この２つのスポットは周波数ｆｃ＋ｆｍと周波数ｆｃ−ｆｍの２つの信号となるので、これらの信号をヘテロダイン検波をすることにより、試料Ｓの凸凹情報、屈折率分布を反映した信号が得られる。

【0079】

本実施例において、ヘテロダイン検波を行うには、照射された変調信号の一部をビームスプリッター２７で取り出して受光素子２８でレファランス信号を得て、このレファランス信号と２分割された受光素子２９で検出された信号とで差動出力を求め、比較器３３により位相差情報および強度情報を取得し、データ処理部３４に送る。データ処理部３４では走査情報とともに取得された情報を画像やデータの形として、ディスプレイに表示したり、メモリにデータとして蓄積したりする。

【0080】

ただし、受光素子２８は必ずしも必要ではなく、音響光学素子２３に出力する信号、すなわち音響光学素子２３に印加される信号自体と比較してもよい。この場合、回路系や音響光学素子等による遅延が発生するが、予め補正するなどしておけば、位相差検出等に大きな影響を与えることはない。

【0081】

また、試料Ｓの表面を面上に走査する極めて接近した２つのスポット光は、相互に周波数の異なる光となるが、実質上、瞳伝達レンズ系２５、３０等の拡大光学系を使用することにより、高い周波数でも極めて接近させたスポットにすることができる。これにより高速な走査により高速な情報取得ができることになる。

【0082】

なお、この図４に示すＤＰＣ法とヘテロダイン法とを組み合わせた光学系であっても、本実施例のスライドガラス７２（本実施例では図示を省略）を採用できる。これに伴い、図示しないものの試料Ｓを透過して上面７２ａからスライドガラス７２内に入射した回折光は、この球面状の表面を有した凸部７２Ｂから全反射することなく、そのままの角度でスライドガラス７２から出射されて、図４に示す受光素子２９に入射される。

【0083】

この一方、このようにして得られた２つの光は、上記手法により分離度を非常に小さくすることができ、実質上１つのビームで走査した情報と変わらない。これに対し、一つのビームで走査し、ファーフィールドに配置した少なくとも２分割された受光素子の差動出力を得る方法が、前記したＤＰＣ法である。

【0084】

つまり、ＤＰＣ法に比較すると、このような本ヘテロダイン法をさらに使用した方法では、ヘテロダイン検出することにより、位相変化および強度変化をきわめて精度よく検出できる点と、受光素子２９で受光される光が非常に微弱でも検出回路系のゲインを高くすることで、高精度に検出できる点と、検出される信号は変調信号だけなので、外乱光の影響を受けることもなくなる点とを有することから、さらに高精度な検出ができることになる。

【0085】

また、上記のような光学系の受光素子部分に図１に示す光学系を用いることで、さらに空間周波数の高い情報、すなわち横分解能の大幅な向上が図れるようになる。さらに、試料Ｓに照射する光束を平行光束として、図１に示すレンズ１５，１６，１７を省き、その他の光学系は上記実施例と同じようにすることで、平行光束系に対する光学的分解能向上装置とすることもできる。

【0086】

以下の実施例においては、ＤＰＣ法の光学系の受光素子部分および、ＤＰＣ法とヘテロダイン法とを組み合わせた光学系の受光素子部分に、以下の実施例の受光素子系を適用すればよいので、受光素子系以外の光学系についての説明は省略する。

【実施例2】

【0087】

本実施例においては、０次回折光の光軸Ｌ０に対してレンズを傾斜して設置することとした。このことで、０次回折光の一部だけでなく、同じレンズを用いた場合に比較してより高い空間周波数を有した１次回折光の一部を取り入れることができ、これに伴ってこれら０次回折光と１次回折光の干渉を実現している。
本実施例は、図５に示すように、平行光束が対物レンズ１１に入射し、試料Ｓに収束され、試料Ｓを透過した回折光がスライドガラス７２（本実施例では図示を省略）から出射されるまでは、図１と同様である。ただし、本実施例においては、試料Ｓを透過した０次回折光の一部と１次回折光の一部とを、０次回折光と１次回折光との間の中間的な傾き角を有した光軸Ｌ３だけ傾けた状態のレンズ３６に取り入れる。そして、上記一部の１次回折光と上記一部の０次回折光をロンボイドプリズム３９のようなものにより、光束同士をシフトして重ね合わせることで、お互いの光束同士を干渉させる。

【0088】

また、ロンボイドプリズム３９の一面を半透鏡３９Ａとし、この半透鏡３９Ａと反対の面を半透鏡３９Ｂにし、それぞれの面を通過して光を受光する受光素子４０，４１，４２を配置する。ここで、受光素子４０と受光素子４１は、それぞれ０次回折光の一部と１次回折光の一部との干渉結果を反映し、受光素子４２は、レンズ３６の０次回折光の一部が含まれる領域に回折される低い空間周波数の１次回折光と０次回折光の一部との干渉結果を反映する。

【0089】

以下の式にて、０次回折光と１次回折光とが干渉した結果について説明する。
まず、図５で示した光学系と同様の光学系を、図５では示していないが０次回折光の光軸Ｌ０と対称となるように、−１次回折光に対しても配置する。これら対応する各受光素子の出力差を取得すると以下のように考えられる。説明を簡単にするために、試料Ｓが高さｈでピッチdの正弦波状の形状をしているものとすれば、光学的な位相θが以下の式で表される。

【0090】

θ＝2πh/λsin(2πx/d+θ０)・・・・・（４）式

【0091】

試料Ｓから回折された光の振幅Ｅは、焦点距離ｆだけ離れた面において、（４）式のフーリエ変換とレンズの開口とのコンボリューションとして与えられるので、以下のように表される。
ただし、（４）式の位相のフーリエ変換であるベッセル関数は±１次まで取るものとする。また、図５に示すように光軸Ｌ３をレンズ３６のほぼsin^-1(ＮＡ)に相当する角度ξだけ傾ける。この際、光軸Ｌ３に対する垂直方向をｙ軸とし、（１）式の空間周波数1/dに相当する１次回折光の中心位置をＹ１とする。
このとき、上記（２）式を参考にして、光軸Ｌ３を角度ξだけ傾けた場合、（２）式の０次回折光は中心がaだけずれ、１次回折光の中心軸がy1になるので、下記の（８）式で複素振幅分布Ｅ₁が与えられる。

【0092】

【数9】

【0093】

同様に０次回折光の光軸Ｌ０に対して、１次回折光と対称な光学系における−１次回折光に関しては、下記の（９）式となる。

【0094】

【数10】

【0095】

図５の光学系は、レンズ３６の光軸Ｌ３を０次回折光と１次回折光との間の境界に実質上シフトして重ねているので、（８）式は、下記の（８）’式となる。

【0096】

【数11】

【0097】

このようにy1=aのときに複素振幅分布Ｅ₁は最も大きく、y1=2aのときに０となる。
y1=2aは、０次回折光から見れば、3aに相当した空間周波数までの情報を取得したことになる。したがって、同じＮＡのレンズを用いた時に比較して１．５倍の空間周波数まで取得できたことになる。その分、光学的な分解能が実質的に向上したことになる。

【0098】

他方、０次回折光の光軸Ｌ０に対して、１次回折光と対称な光学系における−１次回折光に関しては、同様にして−１次回折光の光軸Ｌ２に垂直方向をｙ'軸とすると、下記の（９）’式となる。

【0099】

【数12】

【0100】

このようにy1=-aのときに複素振幅分布Ｅ_-1は最も大きく、y1=-2aのときに０となる。
y1=-2aは、０次回折光から見れば、-3aに相当した空間周波数までの情報を取得したことになる。したがって、同じＮＡのレンズを用いた時に比較して1.5倍の空間周波数まで取得できたことになる。その分、光学的な分解能が実質的に向上したことになるのは、１次回折光と同様である。
この様にして得た情報に対して、受光素子４０と受光素子４１の和の出力とそれと等価な−１次回折光の受光素子間で差出力ΔＩを下記の式により得るようにする。

【0101】

【数13】

【0102】

これは、実質的に実施例１と同様な式となっている。ただし、実施例１に比較すると光学系はよりシンプルで、かつロンボイドプリズムのような簡単な素子で構成しており、レンズを一体的に成形するなどすれば、安定的な光学系とすることが可能である。なお、ロンボイドプリズムを、実質上２つのハーフミラーで構成しても同様な効果をもたらすことができる。

【実施例3】

【0103】

本発明に係る光学的分解能向上装置の実施例３を図６を参照しつつ、以下に説明する。
図６は、本実施例の光学的分解能向上装置の構成を示す概略図である。この図６に示すように、本実施例においても、試料Ｓを透過した回折光がスライドガラス７２（本実施例では図示を省略）から出射されるが、０次回折光の光軸Ｌ０に対して、レンズ３６を傾斜して設置することで、０次回折光の一部だけでなく、同じレンズを用いた場合に比較してより高い空間周波数を有した１次回折光の一部を取り入れ、結像光学系にて干渉を実現している。なお、図示しないものの、本実施例においては、軸Ｌ０に対して対象な位置に同様な光学系が配置されている。

【0104】

レンズ３６を傾けて０次回折光の一部と１次回折光の一部を取得するところまでは、実施例２と同様である。本実施例では、レンズ３６により平行光束にした回折光同士をレンズ５２にて集光する。このレンズ５２により回折光同士が焦点近傍で重なり合って、実質的に干渉する。ただし、０次回折光と±１次回折光との干渉ではないので、試料Ｓ自体の結像とは異なる。

【0105】

さらに、レンズ５２の実効的な焦点距離を長くすることで、干渉縞のピッチを広げることができる。もし、レンズ３６とレンズ５２の焦点距離が同じであれば、当然等倍となり、試料Ｓの空間周波数となる。これに対して、他方の−１次回折光の光学系にて干渉された結果は、ピッチがずれた干渉縞となる。しかしながら、干渉縞のピッチに対して受光素子が大きいと、±１次回折光を受光する素子の位置あわせが困難になる。

【0106】

そこで、拡大光学系５３により干渉縞自体を拡大し、受光素子５０の大きさにほぼ等しくすれば、±１次回折光で自然と逆位相となるので、０次回折光がバイアスになるような形で明暗が逆になる。この様にすれば、極めて簡単に空間周波数の高い領域まで、情報を取得することができるようになる。本実施例の場合、レンズ５２を用いているので、このレンズ５２に入射される０次回折光と１次回折光の位相差がそのまま反映される程度の波面収差は許容される。したがって、高額なレンズを用いる必要性はない。

【0107】

なお、本実施例においては、焦点距離が多少異なるレンズであっても、お互いの受光素子の受けとる光量に大きな変化がなく、レンズ面内の波面収差が大きくなければ、干渉縞のピッチが多少変わる程度なので、そのまま用いることができる。また、取得できる空間周波数の限界は、図５とほぼ同じ原理なので、１．５倍程度となる。この光学系は、レンズ系だけを用いて構成しているので、非常にシンプルで、外乱に対しても強い。

【実施例4】

【0108】

本発明に係る光学的分解能向上装置の実施例４を以下に図７を参照しつつ説明する。
図７は、本実施例の光学的分解能向上装置の構成を示す概略図である。本実施例は図６と同様な光学系に採用されるものであるが、本実施例においては、この図７に示すように拡大光学系５３をなくす替りに、回折格子であるグレーティング５４をレンズ５２の焦点付近に配置した構造としている。なお、本実施例においても試料Ｓを透過した回折光が図示しないスライドガラス７２から出射され、さらに、図示しないものの、本実施例においては、光軸Ｌ０に対して対象な位置に同様な光学系が配置されている。

【0109】

この結果、試料Ｓにより回折された０次回折光と１次回折光がグレーティング５４により、さらに回折され、０次回折光と１次回折光が実質上干渉するようになる。図７において、斜線を施した部分が、０次回折光と１次回折光が重なる干渉部Ｋであるが、光軸Ｌ３に対して、逆側にも同様な干渉部Ｋが存在する。

【0110】

ここで、グレーティング５４が正弦波状で構成されていれば、グレーティング５４による回折波は、０次回折光、±１次回折光で位相差がない。この場合、光軸Ｌ３に対して対称な部分の位相差は同じなので、重なった部分は同相となる。従って、本実施例では、受光素子５０はグレーティング５４から出力された少なくとも２つの領域の上記干渉部Ｋを含む部分の光量を取得すればよい。

【0111】

ただし、光軸Ｌ０に対して干渉部Ｋが対称で同相であるが、試料Ｓで回折された−１次回折光では、この干渉部Ｋの位相が１８０度反転する。これに対して、干渉部Ｋ以外の強度は、試料Ｓで回折された±１次回折光の方向で同一となるため、±１次回折光の強度の差動出力を取ると、干渉部Ｋのみの情報が残ることになる。

【0112】

この一方、グレーティング５４が位相差を生じる実質上の正弦波状で構成されていると、グレーティング５４による０次回折光と±１次回折光で位相差が１８０°生じる。この場合、上記したように受光素子５０をグレーティング５４から出力された少なくとも１つの領域の干渉部Ｋを含む光量を取得すればよい。ただし、上記と異なる点は、グレーティング５４の有する位相差が反映することになるので、グレーティング５４のビームに対する位置も反映する。従って、グレーティング５４のビームに対する位置調整が必要になる。

【0113】

なお、位置調整は非常に簡単で、あらかじめ用意した、ある空間周波数を有する位相格子の試料Ｓに対して、走査による観察される両側の受光素子５０の強度変調が最大になるように調整し、かつ、両側で位相差が１８０°になる様にすればよい。±１次回折光の強度の差動出力が、干渉部Ｋのみの情報が残ることは上記と同様である。

【実施例5】

【0114】

本発明に係る光学的分解能向上装置の実施例５を以下に図８を参照しつつ説明する。
図８は、本実施例の光学的分解能向上装置の構成を示す概略図である。
本実施例は図７と同様なグレーティング５４を別の光学系に採用したものであるが、本実施例においては、試料Ｓを透過した回折光が図示しないスライドガラス７２から出射されるものの、この図８に示すように、レンズ１５、１６、１７を有する他、反射鏡１８、１９を有する実施例１に近似した構造とされている。ただし、ビームスプリッター１２Ａ、１２Ｂ、１３、１４等が無い替りに、レンズ５５が反射鏡１８の下方に配置され、このレンズ５５と受光素子５７との間であって、レンズ５５の焦点位置にグレーティング５４が配置された構造となっている。

【0115】

さらに、レンズ１５が大型とされて、このレンズ１５を透過した光束の一部がレンズ５５に入射されることで、実施例４と同様に作用する。また、レンズ５６が反射鏡１９の下方に配置され、上記と同様にこのレンズ５６と受光素子５８との間であって、レンズ５６の焦点位置にグレーティング５４が配置された構造となっている。このため、これらレンズ５６、グレーティング５４、受光素子５８等によっても、上記と同様に作用する。

【実施例6】

【0116】

本発明に係る光学的分解能向上装置及びスライドガラスの実施例６を図３に示すＤＰＣ法の光学系に適用した例を用いて、以下に図９を参照しつつ説明する。
図９に示すように、平行光束が対物レンズ３１に入射し、試料Ｓに収束されるまでは、図２と同様である。しかし、本実施例においては、スライドガラス７２の替わりに、凸部７４Ｂの表面がレンズ面状であって、内部にこの凸部７４Ｂの表面の焦点位置Ｆが位置する曲率を有する構造とされたスライドガラス７４を採用している。

【0117】

この結果、試料Ｓにより回折されスライドガラス７４内に入射した０次回折光と±１次回折光は、スライドガラス７４から受光素子２９に対して絞られ気味に照射されることとなり、これら０次光と１次回折光の干渉が実現される。このため、回折角がより大きな１次回折光であっても、同じ大きさの受光素子で回折光を取得することが可能となるのに伴って、より空間周波数の高い情報を取得することができる。また、凸部７４Ｂの表面の曲率を試料Ｓ付近に焦点があるような曲率にすれば、スライドガラス７４からの出射光はほぼそのまま直進することとなって、受光素子２９上で試料Ｓのフーリエ変換が得られることになる。

【実施例7】

【0118】

本発明に係る光学的分解能向上装置及びスライドガラスの実施例７を図３に示すＤＰＣ法の光学系に適用した例を用いて、以下に図１０を参照しつつ説明する。
本実施例は、図１０に示すように、平行光束が対物レンズ３１に入射し、試料Ｓに収束されるまでは、図３と同様である。しかし、本実施例においては、スライドガラス７２の替わりに、凸部７６Ｂを構成する部材の屈折率が他の部分である本体部７６Ａを構成する部材の屈折率よりも高くされるスライドガラス７６が採用されている。

【0119】

このスライドガラス７６を用いることで、試料Ｓを透過した０次回折光と±１次回折光が本体部７６Ａから凸部７６Ｂに入射される際に、これら回折光が集束傾向とされる。なお、図１０において、光軸Ｌ０とされる０次回折光の図における両端部を光エッジ部Ｌ０ａ、Ｌ０ｂとし、光軸Ｌ１とされる１次回折光の図における両端部を光エッジ部Ｌ１ａ、Ｌ１ｂとし、光軸Ｌ２とされる−１次回折光の図における両端部を光エッジ部Ｌ２ａ、Ｌ２ｂとして、表した。
このため、スライドガラス７６から出射されて受光素子２９がこれら回折光を受光するときに、実施例６と同様に、より空間周波数の高い情報を取得することができる。

【実施例8】

【0120】

本発明に係る光学的分解能向上装置及びスライドガラスの実施例８を図示しないものの図３に示すＤＰＣ法の光学系に適用した例を用いて、図１１及び図１２を参照しつつ説明する。本実施例では、図１１に示すように、凸部７８Ｂが複数設けられたスライドガラス７８とし、これら凸部７８Ｂに対向するスライドガラス７８のレーザー光源２１側の位置に、試料Ｓが設置されうる凹部７８Ｅがそれぞれ設けられている。

【0121】

従って、本実施例によれば、凹部７８Ｅを複数有することで、これらの中に細胞等を単数、あるいは複数個入れて培養することができると共に、動きのあるプランクトンや細胞等の運動範囲をある程度制限することができるため、試料Ｓの観察がしやすくなる。

【0122】

また、複数の凹部７８Ｅにそれぞれ試料Ｓが設置可能となっているので、各凹部７８Ｅに番号を付与しておき、スライドガラス７８を支持する図示しないテーブルを電動ステージとし、この電動ステージの読み取り位置とともにこの番号を記憶しておくことが考えられる。このようにすれば、簡単に個々の培養細胞の管理ができるだけでなく、各試料Ｓを順次観察可能になるのに伴い、効率の良い観察ができるようになる。この結果として、各凹部７８Ｅにおいて細胞等を培養することができ、多数の細胞の時間経過による変化を位相情報を有した3次元情報として容易に観察することが可能となる。

【0123】

さらに、スライドガラスの凸部を、一定の曲率を有する平凸レンズにより構成し、市販の適切な焦点距離を有する平凸レンズの平面部を本体部に接着したり、一体的に形成したりして、スライドガラスを作成しても良い。このように平凸レンズを用いることで、焦点位置をカバーガラス内にすることができるのに伴い、回折光が収束光となる。この場合、高い空間周波数が取り出せると同時に空間周波数情報を取得する受光素子の面積を小さくできる。

【0124】

以上に説明した本発明に係る各実施例に記載のスライドガラスの材質については、その名称通りにガラス材に限定されるものではなく、透明で堅牢な材質であればよく、例えばプラスチック材等が考えられる。さらに、スライドガラスの本体部及び凸部は一体成型してよいし、上記のように本体部の下面に平凸レンズ等の凸部を接着等して一体化してもよい。また、試料は細胞の他に透明体のものでもよく、水溶液は油や水等でも良い。
以上、本発明に係る実施の形態を説明したが、本発明は前述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

【産業上の利用可能性】

【0125】

本発明の光学的分解能向上装置及びスライドガラスは、測定対象物を透過した回折光をより確実に受光可能とできるので、顕微鏡だけでなく、さまざまな種類の光学機器等の計測機に適用でき、これら光学機器の分解能を向上できるものである。

【符号の説明】

【0126】

４、５ 第２の受光素子群
６ 第１の受光素子
１０ レーザー光源
１１ 対物レンズ
１２Ａ、１２Ｂ 第１のビームスプリッター
１３、１４ 第２のビームスプリッター
１５、１６、１７ レンズ
１８、１９ 反射鏡
２１ レーザー光源
２２ コリメーターレンズ
２３ 音響光学素子
２４ ＡＯＤドライバー
２５ 瞳伝達拡大レンズ系
２６ ２次元走査デバイス
２７ ビームスプリッター
２８，２９ 受光素子
３０ 瞳伝達レンズ系
３１ 対物レンズ
３３ 比較器
３４ データ処理部
３６ レンズ
３９ ロンボイドプリズム
４０、４１、４２ 受光素子
５０ 受光素子
５２ レンズ
５３ 拡大光学系
５４ グレーティング
５５，５６ レンズ
５７，５８ 受光素子
６４、６５ レンズ
７１ カバーガラス
７２、７４、７６、７８、１７２ スライドガラス
Ｅ 水溶液
Ｆ 焦点
Ｐ 曲率中心
Ｓ 試料
Ｌ０、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、ＬＸ 光軸

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】