JP2003131138A

JP2003131138A - 結像光学装置

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Publication number: JP2003131138A
Application number: JP2001325067A
Authority: JP
Inventors: Takashi Ikuta; 孝生田; Ryuichi Shimizu; 隆一志水
Original assignee: Japan Science and Technology Corp
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2001-10-23
Filing date: 2001-10-23
Publication date: 2003-05-08
Anticipated expiration: 2021-10-23
Also published as: JP3942861B2

Abstract

(57)【要約】【課題】球面収差や色収差を含んだ光学系の下で、両
収差の影響を除去した高分解能観察が可能な結像光学装
置を提供する。【解決手段】波動性ビーム〔光波を含む各波長域の電
磁波、音波（超音波）、電子ビームや荷電粒子ビームな
ど〕を使用した球面収差や色収差を有する結像光学装置
において、焦点はずれ量を一定範囲内で連続的に変化さ
せながら観察像を積算する（焦点移動平均，色収差と等
価）。焦点はずれ量の可変範囲が球面収差係数で決まる
値に比べ十分に大きければ、積算画像は焦点深度が深く
なることに加えて、光学系の球面収差（回転不変型波面
収差）の影響を受けなくなる。しかしながら、この際、
積算画像は中・高域空間周波数成分が抑制されるので、
これを回復し、鮮明な像を再生できるように、中・高域
空間周波数強調フィルタリングを適用する。これにより
球面・色両収差の影響が除去され、かつ付随的に焦点深
度の深い観察像を再生することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、球面収差や色収差
の無い高分解能な観察像を取得する結像光学装置に関す
る。本発明により、光学系に含まれる球面収差（回転不
変型波面収差）と色収差の影響が除去され、解像力の高
い像が再生される。さらに、本発明は光波のみならず、
同等の原理で動作する、電磁波、音波、電子ビームや荷
電粒子ビームなどを用いた波動性ビーム結像装置にも広
く利用できるものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、光波を用いる光学顕微鏡、望遠
鏡、カメラなどを代表として、電磁波、音波、電子ビー
ムや荷電粒子ビームなどを用いた波動性ビーム結像光学
装置が広く実用化されている。よく知られているよう
に、結像光学装置を構成する広い意味でのレンズには各
種の収差が含まれている。とりわけ回転不変型波面収差
として分類される主球面収差と高次球面収差は、光学結
像装置の解像力を決める極めて重要なファクターであ
る。

【０００３】さて、光波を用いる光学顕微鏡や望遠鏡、
カメラなどでは、光学系を構成する凸レンズに凹レンズ
を組み合わせることで、わずかに高次球面収差が残留す
る程度にまで主球面収差を除去することが可能となって
いる。しかしながら電子ビームや荷電粒子ビームなどを
用いた顕微鏡で使用される磁場型や静電型レンズには原
理的に凹レンズが作りえないという欠点があるため、光
学レンズで行われているように凸凹レンズの組み合わせ
で球面収差を除去することが出来ない。

【０００４】このためこの種の顕微鏡における高分解能
化の努力はまずレンズの球面収差係数低減に注がれてき
た。しかしながら現在、この方向での努力は材料、技術
の両面で限界に直面している。このため今日達成されて
いる分解能は波長限界からみて、はるかに低いところに
留まっている。

【０００５】一方、原理的に異なる手段で凹レンズを作
り、凸レンズと組み合わせて球面収差を補正しようとす
る試みがいくつか報告されている。例えば、静電型電子
レンズの一部に導電性を有する薄膜を挿入して凹レンズ
を構成する方法や、非回転不変型の多極子レンズにより
球面収差補正を実現する方法が挙げられる。とりわけ後
者の多極子レンズによる球面収差補正光学系は最近、透
過型電子顕微鏡に適用され良好な結果を得ている。しか
しながら、この方法は原理的に高次球面収差を完全補正
できるわけではない。

【０００６】もう１つの方向として、球面収差の影響を
受けた観察像を画像処理的手段で修復する試みがある。
よく知られた例として、ガボアーによるインラインホロ
グラムがあり、これは電子線と光によるインラインホロ
グラムの記録・再生過程において、記録時における電子
レンズの正の球面収差係数を、再生時に負の球面収差係
数をもつ光学レンズで補償するものである。

【０００７】さらに焦点はずれ量の異なった複数枚の観
察像からフーリエ空間でフィルタリング・荷重付き積算
演算して球面収差の影響を補正する手法もいくつか報告
されているが、実時間収差補正は困難であること、なら
びにガボアーのインラインホログラムも含めて強い散乱
体からの散乱波相互の干渉縞が球面収差補正の妨げにな
り、観察対象が弱散乱体に限られることが欠点である。

【０００８】このようなガボアーのインライン電子線ホ
ログラムによる球面収差補正手法の欠点である、弱散乱
体試料に限られる問題点はその後、電子線パイプリズム
を用いたオフアクシス電子線ホログラムの実現によって
改善されているが、いまだ、従来型電子顕微鏡の最高分
解能を大幅に上回る球面収差補正効果を示すには至って
いないのが現状である。

【０００９】また、先に示した焦点はずれ量の異なった
複数枚の観察像を使用する方式の延長として、能動的に
焦点はずれ量を変調して得られた観察像を正負荷重付き
積算する方式の実時間球面収差補正手法〔Ｔ．Ｉｋｕｔ
ａ：Ｊ．Ｅ１ｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃ．３８，４１
５（１９８９）．，Ｙ．Ｔａｋａｉｅｔ．ａ１．：
Ｊ．Ｅ１ｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃ．４８，８７９
（１９９９）．〕が最近開発されている。

【００１０】これによれば、実時間補正手法であること
と、瞬時に振幅・位相像を切り替え観察可能であること
が最大の特徴であるが、残念ながら強い散乱体からの散
乱波相互の干渉縞成分には誤った補正処理が作用してし
まう。このため、観察対象が弱散乱体に限定される。

【００１１】このような画像処理的手段に基づく収差補
正法では、一般的に空間的コヒーレンスの高い光源（電
子源、波動性ビーム源）によるコヒーレント照明法が用
いられる。このような照明法を用いた透過型顕微鏡（光
学／電子光学／波動性ビーム光学）で、弱散乱性の試料
を用いた場合を考える。この場合、直接透過波の振幅が
大きく、後側焦点近傍での干渉縞の形成には主として直
接透過波と散乱波の干渉を考えれば良い。

【００１２】そこで、直接透過波の進行方向は判ってい
るので観察された干渉縞の空間周波数から寄与する散乱
波の進行方向を決定することができる。これから両波の
位相ずれ量の差（波面収差関数の差）を求めると、位相
補正がフーリエ空間上で可能になる。これが画像処理的
手段による収差補正の基本原理であり、先の電子線ホロ
グラムにも当てはまる。もちろんこのような収差補正適
用の前提条件として、結像光学系の波面収差関数が既知
である必要がある。

【００１３】また、先に示したように、試料からの散乱
が大きく散乱波相互の干渉縞の寄与が無視できなくなる
と、観察された干渉縞の空間周波数から干渉に寄与した
２波の進行方向を特定できなくなり、誤った補正処理が
作用してしまう結果になる。

【００１４】さて、いわゆる天体望遠鏡は主として恒
星、星雲などの自己発光体を観測する。光学顕微鏡にお
いても自己発光体や蛍光を観察することがある。自己発
光体や蛍光では観察対象物上の異なった点から出た光波
（波動）は干渉しない（インコヒーレント）。同一点か
ら異なった方向に射出された光波のみが干渉を起こす。

【００１５】結像現象とは観察対象物上の１点１点から
各方向に射出する光波が光学系を通じ波面収差関数に対
応する位相変化を受けて再度後側焦点近傍で干渉縞を形
成、それらが重なり合ったものとして記述できる。空間
的にインコヒーレントである光源を観察対象物の照明
（インコヒーレント照明）に用いた場合の望遠鏡、透過
／反射型顕微鏡、カメラなどもほぼ同様な考え方で結像
現象を捉える事が可能である。

【００１６】自己発光体や蛍光の結像と同等の考え方を
行える例としては、紫外線、Ｘ線励起の光電子を観察す
る光電子顕微鏡がある。直接透過光（直接反射光）を対
物瞳に入れない暗視野顕微鏡（光学／電子光学）の結像
もこれに近い考え方を行って良い。このような結像をま
とめて以下、便宜上インコヒーレント照明型結像と呼
ぶ。

【００１７】以上のインコヒーレント照明型結像に共通
した事情として、進行方向が定まった直接透過波などが
存在しないことが挙げられる。このため、観察された干
渉縞の空間周波数を基にして、干渉縞形成に寄与した２
波の進行方向を特定できない（複数の２波の組が同一空
間周波数の干渉縞に寄与している）。これは既知の波面
収差関数を基にした収差補正手法が適用できないことを
意味する。さらに球面収差に加えて結像光学系に波長分
散性が含まれる場合、照明光（自己発光、蛍光）の波長
広がりによって色収差を生じる。球面収差による分解能
低下に色収差が追い討ちをかける形になり、分解能はさ
らに低下する。

【００１８】幸い光波を用いた結像光学装置では、凸凹
レンズの組み合わせと波長分散の異なるレンズ材料を使
用することで、球面収差や色収差をかなりの程度除去出
来る。

【００１９】このため、インコヒーレント照明型結像に
対する両収差補正の必要性は高くなかった。しかし、光
波以外の結像光学装置については、原理的に異なる新し
い収差補正法の登場が強く嘱望される現状である。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】上記したように、近
年、コヒーレント照明型の結像光学装置（コヒーレント
照明透過型光学・電子顕微鏡）について、画像処理的手
段に基づく収差補正手法が活発に研究され始めている。
これらの収差補正手法はすべて結像光学系の波面収差関
数が既知でないと適用できないものであった。しかしな
がら、きわめて最近提案された画像処理的手段に基づく
球面・コマ収差補正手法に、傾斜コヒーレント照明を用
いる方法〔Ｔ，Ｉｋｕｔａ：Ｊ．Ｅ１ｅｃｔｒｏｎＭ
ｉｃｒｏｓｃ．４７，４２７（１９９８）〕があり、主
・高次球面収差にあたる回転不変波面収差やコマ収差型
の軸反対称波面収差に関して、原理的にそれらの大きさ
・方向を知ることなく収差補正を行うことができること
を最大の特徴としている。

【００２１】最近、光学の分野に導入され始めた３次元
結像理論によれば、このホイスラー式の焦点深度拡大法
は回転不変波面収差関数を持つ結像光学系において、波
面収差を打ち消せる条件であることが容易に示唆され
る。焦点はずれ（デフォーカス）が回転不変波面収差関
数の一部分であると見なすと、逆の立場で、焦点はずれ
による波面収差を打ち消すことが焦点深度を拡大するこ
とにあたると理解されるであろう。また、加えて、結像
光学系で生じる色収差現象は実効的に焦点深度を深める
作用がある。このことから色収差の存在は、逆に回転不
変波面収差の影響を抑制すると示唆される。

【００２２】さて、上記したように、インコヒーレント
照明型結像、もしくは部分的インコヒーレント照明型結
像を行う結像光学装置での結像は、観察された干渉縞の
空間周波数を基にして、干渉縞形成に寄与した２波の進
行方向を特定することはできない。既知である波面収差
関数を拠り所にした収差補正手法は、この段階で破綻す
る。しかしながら、上記したホイスラー式の焦点深度拡
大法を利用した無収差結像法は、波面収差関数を知るこ
となく適用可能である。さらに色収差の存在を焦点深度
拡大に利用可能であることは、色収差の影響を抑制する
上でまことに具合が良い。

【００２３】本発明は、上記状況に鑑みて、球面収差や
色収差を含んだ光学系の下で、両収差の影響を除去した
高分解能観察が可能な結像光学装置を提供する。すなわ
ち、インコヒーレント照明型結像、もしくは部分的イン
コヒーレント照明型結像を行う結像光学装置について、
ホイスラー式の焦点深度拡大法を利用した無収差結像法
を実用的に実現し、積極的に球面収差と色収差の影響を
除去した高分解能化を実現可能な結像光学装置を提供す
る。

【００２４】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、〔１〕結像光学装置において、波動性ビームを使用した
結像光学系と、この結像光学系の焦点位置に配置され
た、画像蓄積特性を有する検知器アレイと、適切な範囲
で前記結像光学系の焦点はずれ量を高速に制御する焦点
はずれ制御機構と、前記検知器アレイから得られた画像
情報に対する中・高域空間周波数強調フィルタリング機
構とを備え、前記結像光学系の球面収差と色収差の影響
除去を行うことを特徴とする。

【００２５】〔２〕上記〔１〕記載の結像光学装置にお
いて、前記波動性ビームは、電磁波（光波含む）、音
波、電子ビーム又は荷電粒子ビームであることを特徴と
する。

【００２６】〔３〕上記〔１〕記載の結像光学装置にお
いて、前記検知器アレイは、取り外し可能なフィルム、
蓄積プレート又は電気的出力が可能な各種エリアセンサ
ーであることを特徴とする。

【００２７】〔４〕上記〔１〕記載の結像光学装置にお
いて、前記焦点はずれ制御機構を、前記結像光学系自体
の焦点制御機構、観察対象物の機械的移動機構、前記結
像光学系が０でない色収差係数を持つ場合の波動性ビー
ム波長変調あるいは強制的な外的色収差付加機構、又は
等価的に円環状（アニュラー型）瞳を有する結像レンズ
に置き換えたことを特徴とする。

【００２８】〔５〕上記〔１〕記載の結像光学装置にお
いて、前記中・高域空間周波数強調フィルタリングを、
上記〔３〕記載のフィルムや蓄積プレートを取り出した
後、光学的もしくは電子的に行う、または前記エリアセ
ンサーの画像出力信号に対しアナログ／ディジタル処理
で行うことを特徴とする。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て詳細に説明する。

【００３０】本発明は、以下の特色を有する。

【００３１】結像光学（荷電ビームを含む）装置を用
いて結像パラメータを高速で連続的に変化させながら観
察像を取得し、そのまま積算する。その積算画像に中・
高域空間周波数強調フィルタリング処理をする。

【００３２】結像パラメータの変化は焦点はずれ量と
する。電子顕微鏡では高圧を振る。

【００３３】収差の影響を受けた像成分は焦点位置を
変えることにより流れ、コントラストはバックグラウン
ドの中に拡散する。収差を受けない像成分がそのままの
位置で積算される。ただし、中・高域では信号成分を回
復する必要がある。

【００３４】焦点はずれ量の可変範囲を球面収差係数
で決まる値に比べ十分大きくすると積算画像は焦点深度
が深くなる。

【００３５】各種の波動性ビームを用いる結像光学装置
の分解能（解像力）は主として結像光学系の球面収差と
色収差で決定される。ここではインコヒーレント照明型
結像、もしくは部分的インコヒーレント照明型結像を行
う結像光学装置について、球面収差と色収差の影響除去
（無収差観察）による高分解能化を対象とする。

【００３６】まず、回転不変型の波面収差関数をもつ主
・高次球面収差の影響除去を図る。このためにホイスラ
ー式の焦点深度拡大法を利用する。以下焦点はずれ量移
動平均法による焦点深度拡大処理と無収差情報抽出の原
理を説明する。

【００３７】まず、自己発光体（蛍光含む）の結像と球
面収差の影響を示す。

【００３８】図１には試料１上の１点から発せられた光
波が、凸レンズ２で描かれる結像光学系を通り、後側焦
点面（結像面）３に達する様子を、幾何光学と波面光学
の両面から示した。

【００３９】前述したように、試料１上の異なった点か
ら発せられた光波は干渉しない。同一点から発せられた
光波のみが干渉に寄与する。波面光学では点状試料から
発せられる球面波を、各方向に進行する平面波の集まり
と捉える。結像光学系は瞳に入射したこれらの平面波の
向きを変え、後側焦点位置に集める役目を果たす。

【００４０】図２に示す無収差光学系では後側焦点位置
４でこれらの平面波の位相が一致して、小さいスポット
が形成される。

【００４１】一方、図３に示す球面収差のある光学系で
は、光軸と平面波進行方向のなす角度の４乗に比例して
平面波の位相が変化する（波面が移動する）。この結
果、後側焦点位置４でこれらの平面波の位相が一致せ
ず、大きいスポットになる。

【００４２】以上の状況を進行方向の異なった２平面波
の組に限定して考察する。

【００４３】現実の結像はこれら異なった多数の平面波
の組によって生じた干渉縞の寄せ集めで記述できる。

【００４４】図４には点状試料から発せられ、結像光学
系５を通過した２平面波が後側焦点位置（焦点面）６周
囲に作る３次元干渉縞７を示した。波面は光速で移動す
るが、３次元干渉縞７は移動しないことに注意された
い。２平面波の進行方向が光軸８に対し同じ角度になる
場合、図４に示すように３次元干渉縞７は光軸８に対し
並行になる。

【００４５】一方、図５には２平面波の進行方向が光軸
８に対し同じでより大きな角度になる場合を示した。こ
のように焦点面６で見た干渉縞間隔は２平面波進行方向
のなす角度にほぼ反比例する。

【００４６】さて、図４及び図５に示すように、球面収
差が無ければ干渉縞の峰（強度が強い）の一つが後側焦
点の原点位置に位置する。かつ、２平面波の進行方向が
光軸に対し同じ角度になる場合、焦点位置を変えた時、
観察される干渉縞は不動である。

【００４７】一方、図６に示すように、光軸８と２平面
波進行方向のなす角度が異なると、焦点位置６を変えた
時、干渉縞は移動するように観察される。このように、
２平面波進行方向のなす角度が等しい場合のみ焦点位置
６を変えても、観察される干渉縞は不動になる。

【００４８】球面収差があると２平面波の位相は、図７
に示すように、光軸８と平面波進行方向のなす角度の４
乗に比例して変化する。これに伴い、３次元干渉縞７も
これら２平面波の位相ずれの差に比例して移動する。こ
の結果、干渉縞の峰（強度が強い）が後側焦点の原点位
置からずれてしまう。

【００４９】しかし、図８に示すように、２平面波進行
方向のなす角度が等しい場合には２平面波の位相ずれの
差が０になるので、無収差の場合と同様、干渉縞の峰
（強度が強い）の一つが後側焦点の原点位置に位置す
る。また、この時、焦点位置６を変えても干渉縞は不動
であるように観察される。このような光軸８に平行な３
次元干渉縞７はすべて球面収差の影響を受けない。逆に
考えると、焦点位置６を変えても不動であるように観察
される干渉縞のみ、すなわち、焦点深度拡大された干渉
縞のみを取り出せば、球面収差の影響を受けない無収差
結像が実現できる。これが焦点深度拡大に基づく無収差
結像法の原理である。

【００５０】次に、ホイスラーが行った焦点深度拡大手
法を説明する。

【００５１】まず、焦点位置を連続的に変化させ観察さ
れた画像を積算する（焦点移動平均法）。これにより焦
点位置の変化で移動する干渉縞（光軸に並行でない３次
元干渉縞）が大部分取り除かれ、焦点深度の深い像にな
る。本発明の原理によれば、これにより無収差結像が実
現できる。ただし、焦点位置の変化に伴って移動する干
渉縞が取り除かれてしまうのでそれらの寄与を補償する
ための中・高域強調が不可欠である。球面収差係数が大
きい場合、無収差結像に必要な焦点移動距離は増大す
る。また、より大きな中・高域強調処理が必要になる。

【００５２】一方、結像光学系に含まれる色収差につい
て言えば、これは本質的に焦点移動平均と同じ作用を持
つ。この無収差結像法では色収差を焦点移動平均の過程
に取りこむことが可能で、実質的に色収差を除去、無視
できる。色収差による焦点移動範囲が無収差結像に必要
な焦点移動距離に近いか、あるいはそれを上回る場合、
焦点移動平均はまったく不必要になる。

【００５３】本発明の球面収差除去法の特徴・利点は、（１）焦点移動平均という極めて単純な操作で実現で
き、実時間処理可能である。

【００５４】（２）球面収差係数を知る必要が無い。

【００５５】（３）電子光学系等で重要な色収差を、実
質的に除去、無視できる。

【００５６】（４）自己発光体（蛍光含む）の場合と同
様の結像特性を示す、インコヒーレント照明下の透過・
反射顕微鏡や暗視野照明顕微鏡にも光波（電磁波）・電
子、荷電粒子ビーム・音波を問わず適用可能である。等
が挙げられる。

【００５７】なお、本発明はホイスラー式の焦点深度拡
大法を利用するが、あくまでも結像光学系の球面・色面
収差を処理の対象とするものであって、観察試料の深さ
方向情報を集約して見せる焦点深度拡大処理とは適用方
向がまったく異なり、違った応用分野に属するものであ
る。

【００５８】以下、具体化された、本発明の顕微鏡にお
ける球面・色面収差補正装置の基本的構成を例示的方法
により図９に示す。なお、図９では光学顕微鏡の明視野
透過モードについて例示しているが、暗視野モード、反
射モード、蛍光モードあるいは自己発光体観察について
も原理的には同一である。さらに電磁波、音波、電子ビ
ーム、荷電粒子ビーム等の波動性ビームを用いた結像光
学装置である、光学顕微鏡、望遠鏡、カメラなどについ
ても同様に本発明を適用することができる。

【００５９】図９において、１０は光源、１１Ａは収束
レンズ、１１Ｂはフィルター、１１Ｃは視野絞り、１２
は光路絞り、１３はコンデンサーレンズ、１４は試料ス
テージ、１５は試料、１６は対物レンズ、１７はＴＶカ
メラ、１８はマイクロＣＰＵ、１９はビデオ入出力ユニ
ット、２０はモニタースコープである。

【００６０】そこで、インコヒーレントな照明光を発生
する光源１０を用い、光源１０から発せられた光は収束
レンズ１１Ａ、フィルター１１Ｂと視野絞り１１Ｃ、及
び光路絞り１２を通過してコンデンサーレンズ１３に導
かれる。コンデンサーレンズ１３は照明光を収束して試
料ステージ１４の上に置かれた試料１５を照射する。

【００６１】コンデンサーレンズ１３の照明光収束角が
対物レンズ１６の取り込み角（瞳の張る角度）に比べ十
分小さい時はコヒーレント照明と呼ばれる。一方、同じ
かより大きい場合はインコヒーレント照明である。さら
に中間的な場合は部分的コヒーレント照明と呼ばれる。
本発明ではインコヒーレント照明または部分的コヒーレ
ント照明条件を前提とする。

【００６２】対物レンズ１６が無収差であると、試料１
５上の一点から各方向に発せられた散乱波は対物レンズ
１６を通り、後面に配置されたＴＶカメラ１７上の焦点
面でこれらの平面波の位相が一致して重なり合い、小さ
いスポットが形成される。

【００６３】一方、対物レンズ１６に球面収差がある
と、図３に示すように後側焦点位置４でこれらの平面波
の位相が一致せず、大きいスポットになる。この結果、
顕微鏡の解像力が低下することになる。この状況に対処
する目的で顕微鏡の焦点はずれ量を連続的に変化させ、
画像積算を行う（焦点移動平均法）。

【００６４】上記したように、焦点移動平均を通して、
観察される干渉縞に寄与する２平面波の進行方向が制限
される。２平面波の進行方向と光軸のなす角度の差Δθ
は、焦点はずれ量の変化幅をΔＬ、波長をλとすれば、
Δθ・ΔＬ＝２λ／ｓｉｎ（θ）になる。さて、焦点は
ずれ量の中心値をΔｆ、対物レンズ１６の主球面収差係
数をＣｓとおく時、波面収差関数γ（θ）のΔθによる
最大変化量Δγは、Δγ＝４π（Ｃｓｓｉｎ²θ−Δ
ｆ）／ΔＬである。ΔＬは｜Δγ｜がπ／２に収まるよ
うに選ぶ必要がある（レイリーの４分の１波長則）。

【００６５】焦点はずれ量を一定幅、連続的に可変する
手段としては、顕微鏡付属の焦点調節機構を利用するこ
とが一般的であろう。この場合には高速の焦点制御が困
難であるため、焦点移動平均操作として、ＴＶカメラ１
７から出力される映像信号を焦点制御開始時から終了時
までの一定時間、所定ビデオフレーム分をフレームイン
テグレーター（図示なし）で画像積算すれば良い。

【００６６】しかしながら、ＴＶカメラ１７に用いられ
るビディコンやＣＣＤ素子などの撮像素子には、収集ビ
デオフレーム内での画像蓄積特性があり（写真フィル
ム、蓄積プレートにも同等の機能あり）、焦点制御を高
速化すれば、これを利用して焦点移動平均操作を１ビデ
オフレーム時間内に実現できる。

【００６７】このような高速焦点制御機構として、光学
装置では対物レンズ自体の振動機構（光軸方向）や光学
装置の試料ステージ上に設置された試料振動機構（光軸
方向）を用いることが可能である。また、あるいは照明
光の波長変調機構により、結像系の色収差係数を利用し
て等価的に焦点制御を行うことも出来る。

【００６８】さらに、色収差が焦点移動平均と同等の作
用を持つことから、必要な焦点はずれ量の幅に対応する
波長域を通過させる分光器を照明系に導入すれば、変調
操作を省くことも可能になる。その他、変調操作の不要
な焦点深度拡大の方式として、円環状（アニュラー型）
瞳を有する結像レンズの採用が挙げられる。

【００６９】試料から見た円環状瞳の角度をΔθとすれ
ば、これはまさに先に示した２平面波の進行方向と光軸
のなす角度の差、Δθを与えることになる。これらの方
法は本発明における、電磁波（光波含む）、音波、電子
ビームや荷電粒子ビームのいずれかを用いる各種の結像
光学装置に状況に応じて適宜適用することができ、１ビ
デオフレーム以内の焦点移動平均操作を保証するものと
なる。

【００７０】以上の焦点移動平均操作によって、本質的
に球面収差の影響が除去された観察像を得ることにな
る。しかしながらこの焦点移動平均操作は分解能を低下
させてしまう。これは先に述べたように、焦点位置の変
化に伴って移動する干渉縞が取り除かれてしまうので、
分解能に対するそれらの寄与が無くなることによる。こ
れを補償するため、焦点移動平均後の観察像に対し、中
・高域空間周波数の強調処理が不可欠である。

【００７１】さて、３次元結像理論によれば、用いるべ
き強調処理の係数は、空間周波数の絶対値をρとする
時、｛〔（１／λ）²−（ＮＡ／λ−ρ）²〕^1/2−
〔（１／λ）²−（ＮＡ／λ）²〕^1/2｝ΔＬとなる。
ただし、この値が１以下の場合、１とする。

【００７２】図１０にフィルター処理係数の例を示し
た。この中・高域空間周波数の強調処理によって、無収
差結像系のインコヒーレント照明時と同等の分解能に回
復できる。実用的には高域部分をさらに持ち上げること
で、視覚上、より鮮明な再生像を得ることが可能であ
る。

【００７３】図９において、ＴＶカメラ１７からのビデ
オ出力をマイクロＣＰＵ１８に接続されたビデオ入出力
ユニット１９に取りこんだ後、マイクロＣＰＵ１８に転
送、プログラム処理で中・高域空間周波数の強調を行
う。強調処理された画像は再度ビデオ入出力ユニット１
９に送られ、最終的にモニタースコープ２０にて表示さ
れる。

【００７４】今日のマイクロＣＰＵ１８の演算能力から
見て、中・高域空間周波数強調フィルタリングについて
は数十分の１秒以内で実行可能であることから、処理全
体はビデオフレームレートで実時間実行できるものと期
待される。この中・高域空間周波数強調フィルタリング
については上記例に限らず、ビデオ信号の状態でアナロ
グ的に行うことも可能である（アナログビデオプロセサ
ー）。

【００７５】また、このような中・高域空間周波数強調
フィルタリングは検知器の固定雑音にも作用するので、
固定雑音起源のアーティファクトを生じさせることがあ
る。このようなアーティファクトを生じさせない中・高
域空間周波数調フィルタリング手法として、能動型コン
ボルバー〔Ｔ．Ｉｋｕｔａ：Ａｐｐ１．Ｏｐｔ．，２
４．２９０７（１９８５）〕が提案されている。

【００７６】結像光学系に能動的な外乱を加えて劣化し
た観察像を、劣化していない観察像から荷重付け減算す
るもので、ビデオレートに近い処理速度と固定雑音にフ
ィルター作用が及ばない事が特徴である。イメージ増倍
管などの欠陥画素を比較的多く含む検知器アレイを用い
る場合に有効であろう。

【００７７】一方、取り外し可能なフィルムや蓄積プレ
ートを検知器アレイに用いる場合は実時間処理に対応で
きないが、コヒーレント光学系やハイブリッド光学系に
よる中・高域空間周波数強調フィルタリングが適用可能
である。

【００７８】図１１は本発明の実施例を示す電子顕微鏡
における球面・色面収差補正（無収差観察）装置の基本
的構成図である。

【００７９】この図において、２１は電子銃、２２はコ
ンデンサーレンズ、２３は試料及びホルダー、２４は対
物レンズ、２５は投影レンズ、２６は蛍光面、２７は焦
点変調信号源、２８はＴＶカメラ、２９はビデオ入出力
ユニット、３０はマイクロＣＰＵ、３１はモニタースコ
ープである。

【００８０】このように構成することにより、透過型電
子顕微鏡の最高分解能を大幅に上回る球面収差補正効果
を示すことができる。

【００８１】本発明によれば、上記したように、波動性
ビーム〔光波を含む各波長域の電磁波、音波（超音
波）、電子ビームや荷電粒子ビームなど〕を使用した、
球面収差や色収差を有する結像光学装置において、焦点
はずれ量を一定範囲内で連続的に変化させながら観察像
を積算する（焦点移動平均）。焦点はずれ量の可変範囲
が球面収差係数で決まる値に比べ十分に大きければ、積
算画像は焦点深度が深くなる事に加えて、光学系の球面
収差（回転不変型波面収差）の影響を受けなくなる。

【００８２】しかしながら、この際、積算画像は中・高
域空間周波数成分が抑制されるのでこれを回復し鮮明な
像を再生できるよう、中・高域空間周波数強調フィルタ
リングを適用する。これにより球面収差の影響が除去さ
れ、かつ付随的に焦点深度の深い観察像を再生すること
ができる。さらに光学系の色収差の影響は、焦点はずれ
量を色収差係数で定まる範囲内で連続的に変化させなが
ら観察像を積算することと本質的に等価である。この結
果、適切な色収差があれば上記処理での焦点移動範囲を
狭めることが可能になる。さらにより大きな色収差があ
れば、焦点移動画像積算処理そのものが不要になる。こ
のように色収差は本手法での焦点移動画像積算処理に組
み込めるものであり、球面収差と同様に実質除去できる
ことになる。

【００８３】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。

【００８４】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、以下のような効果を奏することができる。

【００８５】（Ａ）光波（電磁波）、音波、超音波、電
子線、荷電粒子線などの波動性ビームを照明光源とする
各種の結像光学装置において、波動性ビームを使用した
結像光学系と、前記結像光学系の焦点位置に配置され
た、画像蓄積特性を有する検知器アレイと、適切な範囲
で前記結像光学系の焦点はずれ量を高速に制御する焦点
はずれ制御機構と、前記検知器アレイから得られた画像
情報に対する中・高域空間周波数強調フィルタリング機
構とを備えることにより、前記結像光学系の球面収差の
影響除去（無収差結像）を行うことができる。

【００８６】（Ｂ）結像光学系の色収差を無収差結像法
での焦点移動平均の過程に取りこむことが可能であり、
実質的に色収差を除去、無視できる。この焦点移動平均
の過程は検知器アレイの画像蓄積特性を利用して瞬時に
実現できること、ならびに中・高域空間周波数強調フィ
ルタリングについては現在のマイクロＣＰＵの能力から
見て数十分の１秒以内で実行可能であることから、処理
全体はビデオフレームレートで実行できるものと期待さ
れる。

【００８７】このように光波（電磁波）、音波、超音
波、電子線、荷電粒子線などの波動性ビームを照明光源
とする各種の結像光学装置において、無収差高分解能観
察が実時間で実現できることは、工学、医学、生物学、
天文学などの極めて広い分野における研究、開発、評価
を著しく効率化できると共に、これにより多数の新しい
知見を得るであろうと期待される。

【図面の簡単な説明】

【図１】自己発光体（蛍光含む）の結像に関する幾何光
学的解釈と波動光学的解釈を示す図である。

【図２】点発光体から無収差結像系を通して後側焦点面
に合成される波面と強度分布を示す図である。

【図３】点発光体から球面収差のある無収差結像系を通
して後側焦点面に合成される波面と強度分布を示す図で
ある。

【図４】点状試料から発せられ、無収差結像光学系を通
過した２平面波が後側焦点位置周囲に作る３次元干渉縞
を示した図である。

【図５】２平面波の進行方向が光軸に対し同じで、図４
の場合よりより大きな角度になる場合の３次元干渉縞を
示した図である。

【図６】点状試料から発せられ、無収差結像光学系を通
過した２平面波が後側焦点位置周囲に作る３次元干渉縞
を、光軸と２平面波進行方向のなす角度が異なる場合に
ついて示した図である。

【図７】点状試料から発せられ、球面収差を有する結像
光学系を通過した２平面波が後側焦点位置周囲に作る３
次元干渉縞を、光軸と２平面波進行方向のなす角度が異
なる場合について示した図である。

【図８】点状試料から発せられ、球面収差を有する結像
光学系を通過した２平面波が後側焦点位置周囲に作る３
次元干渉縞を、光軸と２平面波進行方向のなす角度が等
しい場合について示した図である。

【図９】本発明の実施例を示す光学顕微鏡における球面
・色面収差補正（無収差観察）装置の基本的構成図であ
る。

【図１０】本発明の実施例を示す中・高域空間周波数の
強調処理用フィルター処理係数の例を示した（無収差結
像系のインコヒーレント照明時と同等の分解能に回復で
きる例）図である。

【図１１】本発明の実施例を示す電子顕微鏡における球
面・色面収差補正（無収差観察）装置の基本的構成図で
ある。

【符号の説明】

１，１５試料２凸レンズ３後側焦点面（結像面）４後側焦点位置５結像光学系６後側焦点位置（焦点面）７３次元干渉縞８光軸１０光源１１Ａ収束レンズ１１Ｂフィルター１１Ｃ視野絞り１２光路絞り１３，２２コンデンサーレンズ１４試料ステージ１６，２４対物レンズ１７，２８ＴＶカメラ１８，３０マイクロＣＰＵ１９，２９ビデオ入出力ユニット２０，３１モニタースコープ２１電子銃２３試料及びホルダー２５投影レンズ２６蛍光面２７焦点変調信号源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｊ 37/22 ５０１Ｈ０１Ｊ 37/22 ５０１ＺＦターム(参考） 2H052 AA00 AB04 AB29 AB31 AC05 AC06 AC07 AC17 AC18 AC30 AD16 AD35 AF14 AF21 AF25 2H087 KA09 LA01 LA25 RA32 RA37 RA43 RA44 RA45 5C033 HH05 HH06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（ａ）波動性ビームを使用した結像光学系
と、（ｂ）該結像光学系の焦点位置に配置された、画像
蓄積特性を有する検知器アレイと、（ｃ）適切な範囲で
前記結像光学系の焦点はずれ量を高速に制御する焦点は
ずれ制御機構と、（ｄ）前記検知器アレイから得られた
画像情報に対する中・高域空間周波数強調フィルタリン
グ機構とを備え、（ｅ）前記結像光学系の球面収差と色
収差の影響除去を行うことを特徴とする結像光学装置。
【請求項２】請求項１記載の結像光学装置において、
前記波動性ビームは、電磁波（光波含む）、音波、電子
ビーム又は荷電粒子ビームであることを特徴とする結像
光学装置。
【請求項３】請求項１記載の結像光学装置において、
前記検知器アレイは、取り外し可能なフィルムや蓄積プ
レート又は電気的出力が可能な各種エリアセンサーであ
ることを特徴とする結像光学装置。
【請求項４】請求項１記載の結像光学装置において、
前記焦点はずれ制御機構を、前記結像光学系自体の焦点
制御機構、観察対象物の機械的移動機構、前記結像光学
系が０でない色収差係数を持つ場合の波動性ビーム波長
変調あるいは強制的な外的色収差付加機構、又は等価的
に円環状瞳を有する結像レンズに置き換えることを特徴
とする結像光学装置。
【請求項５】請求項１記載の結像光学装置において、
前記中・高域空間周波数強調フィルタリングを、請求項
３記載のフィルムや蓄積プレートを取り出した後、光学
的もしくは電子的に行う、または前記エリアセンサーの
画像出力信号に対しアナログ／ディジタル処理で行うこ
とを特徴とする結像光学装置。