JP2009086020A

JP2009086020A - 拡大投影光学装置

Info

Publication number: JP2009086020A
Application number: JP2007252219A
Authority: JP
Inventors: Masaki Yamamoto; 正樹山本; Mitsunori Toyoda; 光紀豊田
Original assignee: Tohoku University NUC
Current assignee: Tohoku University NUC
Priority date: 2007-09-27
Filing date: 2007-09-27
Publication date: 2009-04-23

Abstract

【課題】構成が比較的簡単で、設計が容易であり、且つ試料周りを広く採ることのできる顕微鏡等に好適な拡大投影光学装置を提供する。
【解決手段】１対の凹面鏡Ｍ１，Ｍ２をその凹面を対向させて所定の間隔を置いて配置して、該凹面鏡の間で且つ該凹面鏡の球心を貫く光軸Ｏ上の所定位置に観察物体を配置し、該観察物体から発散する光を前記凹面鏡間で反射往復させて観察物体像を拡大投影させるようにした投影光学装置。前記凹面鏡対と前記観察物体との位置を所定の光学精度で決定し得る調整手段２，３を備え、該調整手段は実質上前記反射往復する光の光路を遮ることのない位置に配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、１対の凹面鏡をその凹面を対向させて所定の間隔を置いて配置して、該凹面鏡間で且つ該凹面鏡の球心を貫く光軸上の所定位置に観察物体を配置し、該観察物体から発散する光を該凹面鏡間で反射往復させて観察物体像を拡大投影するようにした拡大投影光学装置に関する。

拡大投影光学装置の代表例として、古くから光学顕微鏡が知られており、現在各種分野で盛んに利用されている。また、近年、生物顕微鏡への応用としてシュワルツシルド型光学系を利用したＸ線顕微鏡システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平６―６７０００号公報

光学顕微鏡は、原理的に色収差を持ち、大きな光学レンズを作成することが困難であり、また、高倍率のものになると、対物レンズから観察試料までの距離が数ｍｍ以下となり、試料周りが狭く制限が大きい。また、レンズの色収差を避ける工夫が必要であり、特に紫外光領域では紫外光に対して透明なレンズが無いため、従来構成の顕微鏡を製作することが出来ないとい問題がある。また、シュワルツシルド型光学系は、アライメントの敏感度が高く、光軸調整が難しいと同時に、動作安定性に欠けるため、設計が難しいという問題点がある。

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、構成が比較的簡単で、設計が容易であり、且つ試料周りを広く採ることのできる顕微鏡等に好適な拡大投影光学装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明による拡大投影光学装置は、１対の凹面鏡をその凹面を対向させて所定の間隔を置いて配置して、該凹面鏡の間で且つ該凹面鏡の球心を貫く光軸上の所定位置に観察物体を配置し、該観察物体から発散する光を該凹面鏡間で反射往復させて観察物体像を拡大投影させるようにした投影光学装置であって、前記凹面鏡対と前記観察物体との位置を所定の光学精度で決定し得る調整手段を備え、該調整手段を実質上前記反射往復する光の光路を遮ることのない位置に配置したことを特徴とする。

本発明によれば、前記調整手段は少なくとも前記１対の凹面鏡間の間隔を固定し、且つ前記観察物体は前記光路外から挿入され得るように構成したことを特徴とする。

また、本発明によれば、前記調整手段は、固定された前記観察物体に対して前記凹面鏡対の間隔を固定し得るように構成されていることを特徴とする。

また、本発明によれば、前記観察物体は、該観察物体からの発散光に対して実質上透明な部材中に包まれて前記所定位置を通過せしめられるようになっていることを特徴とする。

また、本発明によれば、前記観察物体は、観察光を遮ることのないトラッピング手段により、前記所定位置に担持固定されるようになっていることを特徴とする。トラッピング手段は、光トラッピングによる光ピンセット、高速気流を用いるエアートラッピング、磁気を用いる磁気浮上、及び電場と電荷を利用する支持機構の何れかである。

また、本発明による拡大投影光学装置は、１対の凹面鏡をその凹面を対向させて所定の間隔を置いて配置して、該凹面鏡の間で且つ該凹面鏡の球心を貫く光軸上の所定位置に観察物体を配置し、該観察物体から発散する光を該凹面鏡間で反射往復させて観察物体像を拡大投影させるようにした投影光学装置であって、外端面に前記１対の凹面鏡の一方と他方がそれぞれ設けられていて前記観察物体から発散する光に対して透明な物質から成る一対の円筒体の内端面で前記観察物体を挟持し得るように構成されていることを特徴とする。

また、本発明によれば、前記凹面鏡の鏡面形状は、何れも非球面であることを特徴とする。

本発明によれば、光の使用波長に制限が無く、試料周りが桁違いに広い、比較的構成の簡単な拡大投影光学装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を図示した実施例に基づき説明する。
図１は、本発明に係る拡大投影光学装置の第１実施例の基本構成を示す光軸に沿う一部を側面図で示す断面図である。図中、１は側面に観察試料を挿入するための所定の大きさの窓１aを設けた所定の長さの円筒体、２は円筒体１の一端面に装着されていて第１ミラーＭ１の光軸に対する中心位置合わせと傾きを調整し得るように第１ミラーＭ１を装架した傾斜・位置調整装置、３は円筒体の他端面に装着されていて第２ミラーＭ２の光軸に対する中心位置合わせと傾きを調整し得るように第２ミラーＭ２を装架した傾斜・位置調整装置、４は円筒体１内の試料面Ｓに照明光を照射するため第１ミラーＭ１に隣接して配置された照明光学装置、５は試料面Ｓに置かれた試料の拡大像を検出するため第２ミラーＭ２から所定距離離れた位置に設置されたカメラ等の２次元検出器である。なお、第１ミラーＭ１及び第２ミラーＭ２の鏡面形状は、好ましくは、非球面である。

上記実施例において、傾斜・位置調整装置２及び３は、何れも、照明光学装置４から試料面Ｓに向かう光束、及び観察物体から発散して第１ミラーＭ１と第２ミラーＭ２の間で反射往復して観察物体像を２次元検出器５の受像面に向かう光束を遮ることのないように構成されており、光軸Ｏと第１ミラーＭ１及び第２ミラーＭ２の球心合わせや、光軸Ｏに対する第１ミラーＭ１及び第２ミラーＭ２の傾きを補正するための、公知の構造の手動Ｘ−Ｙ微動調整装置及びチルト調整装置を備えて構成されている。

また、上記実施例では、試料面Ｓに試料を置くための試料支持装置として、例えば、基部が試料ホルダに固定され、先端に試料載置用ガラス板を接着した片持ち梁式の透明体ロッドが使用される。試料ホルダは、公知構造の手動の三次元ステージを備えていて、円筒体１の窓１aに隣接して設置される。

なお、上記装置の光学設計に関する事項、具体的には、第１ミラーＭ１及び第２ミラーＭ２の凹面の非球面形状や設置精度に関する数値の算出等については、OPTICAL REVIEW Vol. 13, No.3(2006) 149-157に掲載の、本願発明者による論文「Analytical Designing of Two-Aspherical-Mirror Anastigmats Permitting Practical Misalignments in a Soft-X-Ray Optics 」、及び本願出願人の出願に係る特開２００６−２６７６３３号公報が参照される。

上記第１実施例による拡大投影光学装置の使用に当たっては、必要に応じ、傾斜・位置調整装置２及び３を用いて第１ミラーＭ１及び/又は第２ミラーＭ２の傾きや光軸調整を行った後、透明体ロッドの試料載置用ガラス板上に試料を載置固定して、窓１aより円筒体１内の試料面Ｓの位置まで試料を挿入し、透明体ロッドの基部を試料ホルダに取り付ける。そして、例えば、２次元検出器５に接続された図示しないモニタを見ながら、試料ホルダの三次元ステージを操作して、試料を試料面Ｓに正確に合わせ、投影像の観察及び必要な記録を行なう。

実験例によれば、倍率：５０倍、開口数：０．２５、波面収差：７nｍＲＭＳ、使用波長：赤外〜紫外領域、または、４４０nｍ（青色光）で、体長１ｍｍのショウジョウバエの羽の毛、及び直径１μｍのポリスチレン球の透過像、反射像、及び紫外光照明による蛍光発光像を明確に観察することができた。

図２は、本発明に係る拡大投影光学装置の第２実施例の基本構成を示す光軸に沿う断面図である。この実施例は、円筒体１の代わりに、所定の距離を置いて対設された支持部材６a,６bを有する光学台６が用いられ、支持部材６aに第１ミラーＭ１のための傾斜・位置調整装置２が、支持部材６bに第２ミラーＭ２のための傾斜・位置調整装置３が、それぞれ取り付けられている点で、第１実施例と異なる。なお、支持部材６aは照明光学装置４から試料面Ｓに向かう光束を遮ることのないように、また、支持部材６bは２次元検出器５に向かう光束を遮ることのないように、それぞれ構成配置されていることは言うまでもない。

この第２実施例は、基本的な作用効果は第１実施例と同様であるが、第１ミラーＭ１と第２ミラーＭ２の間の空間が広く開放された状態にあるので、試料面Ｓに挿入される試料の種類及び状態を従来とは著しく異なったものにすることが出来るという点で特徴を有する。図３はその一例を示す概略構成図である。図３中、７は第１ミラーＭ１と第２ミラーＭ２の間の空間の光軸Ｏの上方に設置されていて、観察すべき微小物体を試料として含む液体又は気体等の流体を貯留する流体容器、８は第１ミラーＭ１と第２ミラーＭ２の間の空間の光軸Ｏの下方に設置された流体容器、９は中心軸が試料面Ｓを通るように配置されていて一端が流体容器７に他端が流体容器８に連通された透明導管である。透明導管９には、必要に応じてコック（図示せず）が設けられていてもよい。また、高解像度の観察には、光線の通過に伴う波面の変化を最小にするために、該当部を平行平板または球状に構成するなど、透明導管９の所定部の肉厚や素材およびその形状についての工夫がなされてもよい。

第２実施例は、試料装置をこのように構成することが出来るから、観察すべき微小物体を試料として含む液体または気体などの流体を透明導管９を介して流体容器７から流体容器８へ適宜流すことにより、微小物体の拡大像、分光像、多波長像等を２次元検出器５により検出することができ、所定の画像処理を経てこれらの検出情報を詳細に抽出することができる。この構成によれば、試料として、微生物、微粒子、液滴、反応性生物、大気汚染物質、気泡、バクテリア、細菌、細胞等を採用することができ、それらの大きさ、形状、光の透過率及び反射率、分布等の特定状態を検出することが可能である。また、流体容器７及び８の構成を適宜工夫することにより、上記試料を含む溶液、溶媒、海水、海流、湖水、河川水、地下水、石油、ガス、空気、気流、気相反応媒質等の自動観測検査を行なうこともできる。

上記実施例では、何れも、試料の照明は、試料の左から透過光像を観察する透過照明光の構成で行なったが、これに限定されるものではなく、照明光学装置４は、試料の右から落射照明光を構成するように配置してもよい。

図４は、第２実施例の特徴を利用した第２の使用例を示す概略構成図である。この使用例は、観察光に対して実質的に透明な液体、気体、固体に含まれる被観察物体を観察できるようにした構成である。即ち、ここでは、被観察物体を担持固定する手段として、観察光を遮ることのない、光トラッピングによる光ピンセット、高速気流を用いるエアートラッピング、磁気を用いる磁気浮上、電場と電荷を利用する支持機構等、公知の各種のトラッピング手段を利用して、電場、磁場、気圧、電圧等の勾配を制御するこよにより、試料面Ｓを含む所定領域１０に、被観察物体を担持するようにしたものである。この担持方法によれば、被観察物体は、支持基板、セル、ケージ等に固定されることがないため、観察によってその動態が影響を受けることなく、極めて自然な状態で被観察物体を観察することができる。

また、上記担持方法の他に、観察環境を成す気体や液体そのもので被観察物体を担持するようにするのが好ましい場合がある。例えば、液相や気相からの微結晶、粉体、或いは微粒子の成長ダイナミックスは、成長場での対流、温度、湿度、過飽和度等の勾配変化に敏感で、その観察には、成長環境の物理的な環境変数に与えない観察方法が要請される。第２実施例によれば、第１ミラーＭ１と第２ミラーＭ２の間の空間の光軸Ｏに沿って、例えば、１０ｃｍ幅の領域を上記成長環境場として確保することができる。従って、マイクロメーター分解能の観察には、十分な広さの自由場を確保することができる。この場合、必要に応じて幾何光学的に相似な光学系を構成すれば、この自由度は更に拡大させることができる。例えば、紫外光を利用した大気汚染物質の監視同定等の流れを持つ被観測媒体でも、流れに影響を与えずに観測することができる。

更に、紫外光、可視白色光、赤外光、遠赤外光を利用した生物観測、昆虫観測等では、広い自由場を活用して、活動する被観察体の自由な姿を観測し得る。この場合、本発明実施例によれば、被観察体のサイズに合わせて、光学系のサイズ即ち第１ミラーＭ１と第２ミラーＭ２の大きさと離間間隔を適宜調節することができる。

本発明実施例では、１０ｃｍ離して設置した第１ミラーＭ１と第２ミラーＭ２間の１ｍｍ程度の特定の空間部分では、その空間内に被観察物体が存在すれば、倍率５０倍の実像を結ぶことから、あたかも異次元空間のように機能する。従って、実験によれば、図４に示すような構成で、直径５０ｃｍの第１ミラーＭ１と、直径１．５ｍの第２ミラーＭ２を、５ｍ離して設置した場合、第２ミラーＭ２から右方へ５０ｍ離れた位置で、５ｃｍ角の視野内を２．５ｍ角に実像を拡大投影することができ、この実像は肉眼で容易に細部を観測することができた。

また、上記の場合の半分の距離に光路を折り返す平面ミラーを設置すれば、図５で矢印で示す被観察試料位置に立って、５０倍の拡大象を観察することができる。例えば、その位置に立って、右方向を見ながら手を動かせば、自分の手が５０倍に拡大されて見える。この構成の光学系では、特別の照明光源を必要とせず、太陽光の反射光で試料の観察をすることもできるので、遊園地や学校の校庭等に簡単に設置することができる光学装置が構成できる。

本発明に係る光学系のサイズを適宜縮小すると、手のひらに載るサイズにすることもできる。即ち、図６に示すように、二つの透明なプラスチック円筒１１及び１２の外方端面にそれぞれ凹面鏡を形成して、これを第１ミラーＭ１及び第２ミラーＭ２となし、試料面Ｓの位置で、プラスチック円筒１１及び１２の内方端面により被観察試料を挟んで、右方向から肉眼で覗くことにより、顕微拡大像を観測できるように構成することができる。照明光は、左端面から入射させて透過像を観察してもよいし、試料の右方向側面から入射させて反射像や蛍光像を観察してもよい。また、ダイオード等の光源を、顕微拡大のための光線を遮ることなく、所定の発光方向が維持されるように、プラスチック円筒に埋め込んで構成すれば、太陽光や屋内の照明光に依存せずに、暗所でも使用可能な拡大投影光学装置を構成することができる。

以上、本発明を各種実施例に基づき説明したが、本発明は、これらの実施例に限定されることなく、発明の範囲を逸脱することなしに、種々の変形及び修正が可能であるが、それらは総べて本発明の範囲に属する。

本発明に係る拡大投影光学装置の第１実施例の基本構成を示す光軸に沿う一部を側面図で示す断面図である。本発明に係る拡大投影光学装置の第２実施例の基本構成を示す光軸に沿う断面図である。第２実施例の一使用例を示す概略構成図である。第２実施例の他の使用例を示す概略構成図である。第２実施例の更に他の使用例を示す概略構成図である。本発明に係る拡大投影光学装置の第３実施例を示す光軸に沿う一部を側面図で示す断面図である。

符号の説明

１円筒体
１ａ観察試料挿入窓
２、３傾斜・位置調整装置
４照明光学装置
５二次元検出器
６光学台
６a、６b 支持部材
７、８流体容器
９透明導管
１０所定領域
１１、１２プラスチック円筒
Ｍ１第１ミラー
Ｍ２第２ミラー
Ｏ光軸
Ｓ試料面

Claims

１対の凹面鏡をその凹面を対向させて所定の間隔を置いて配置して、該凹面鏡の間で且つ該凹面鏡の球心を貫く光軸上の所定位置に観察物体を配置し、該観察物体から発散する光を該凹面鏡間で反射往復させて観察物体像を拡大投影させるようにした投影光学装置であって、前記凹面鏡対と前記観察物体との位置を所定の光学精度で決定し得る調整手段を備え、該調整手段を実質上前記反射往復する光の光路を遮ることのない位置に配置したことを特徴とする拡大投影光学装置。
前記調整手段は、前記１対の凹面鏡間の間隔を固定し、且つ前記観察物体は前記光路外から挿入され得るように構成したことを特徴とする請求項１に記載の拡大投影光学装置。
前記調整手段は、固定された前記観察物体に対して前記凹面鏡対の間隔を固定し得るように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の拡大投影光学装置。
前記観察物体は、該観察物体からの発散光に対して実質上透明な部材中に包まれて前記所定位置を通過せしめられるようになっていることを特徴とする請求項１に記載の拡大投影光学装置。
前記観察物体は、観察光を遮ることのないトラッピング手段により、前記所定位置に担持固定されるようになっていることを特徴とする請求項１に記載の拡大投影光学装置。
前記トラッピング手段は、光トラッピングによる光ピンセット、高速気流を用いるエアートラッピング、磁気を用いる磁気浮上、及び電場と電荷を利用する支持機構の何れかである請求項５に記載の拡大投影光学装置。
１対の凹面鏡をその凹面を対向させて所定の間隔を置いて配置して、該凹面鏡の間で且つ該凹面鏡の球心を貫く光軸上の所定位置に観察物体を配置し、該観察物体から発散する光を該凹面鏡間で反射往復させて観察物体像を拡大投影させるようにした投影光学装置であって、外端面に前記１対の凹面鏡の一方と他方がそれぞれ設けられていて前記観察物体から発散する光に対して透明な物質から成る一対の円筒体の内端面で前記観察物体を挟持し得るように構成されていることを特徴とする拡大投影光学装置。
前記凹面鏡の鏡面形状が非球面であることを特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載の拡大投影光学装置。