JP3942861B2

JP3942861B2 - 結像光学装置

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Publication number: JP3942861B2
Application number: JP2001325067A
Authority: JP
Inventors: 孝生田; 隆一志水
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2001-10-23
Filing date: 2001-10-23
Publication date: 2007-07-11
Anticipated expiration: 2021-10-23
Also published as: JP2003131138A

Description

【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得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．Ｉｋｕｔａ：Ｊ．Ｅ１ｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃ．３８，４１５（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．Ｅ１ｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃ．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、ここで、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）になり、焦点はずれ量の中心値をΔｆ、対物レンズ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（Ｃｓ・ｓｉｎ²θ−Δｆ）／ΔＬであるレイリーの４分の１波長則となるようにし、前記焦点はずれ量の中心位置（Δｆ）と焦点はずれ量の変化幅（ΔＬ）とに基づいて前記結像光学系の焦点はずれ量（焦点位置）を制御し、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瞳を有する結像レンズに置き換えることを特徴とする。
【００２８】
【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。
【００２９】
本発明は、以下の特色を有する。
【００３０】
（１）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。
【００３１】
（２）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。
【００３２】
（３）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。
【００３３】
（４）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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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、後側メモリ（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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
次に、ホイスラーが行った焦点深度拡大手法を説明する。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
（２）球面収差係数を知る必要が無い。
【００５４】
（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。
【００５５】
（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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
対物レンズ１６が無収差であると、試料１５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。
【００６２】
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）。
【００６３】
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（Ｃｓ・ｓｉｎ²θ−Δｆ）／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）。
【００６４】
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１７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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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１９に送られ、最終的にモニタースコープ２０にて表示される。
【００７３】
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。
【００７４】
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・高域空間周波数強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．，２４．２９０７（１９８５）〕が提案されている。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
【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。
【００８４】
（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、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。
【００８５】
（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。
【００８６】
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ＣＰＵ
１９，２９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

Claims

（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、ここで、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）になり、焦点はずれ量の中心値をΔｆ、対物レンズ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（Ｃｓ・ｓｉｎ²θ−Δｆ）／ΔＬであるレイリーの４分の１波長則となるようにし、前記焦点はずれ量の中心位置（Δｆ）と焦点はずれ量の変化幅（ΔＬ）とに基づいて前記結像光学系の焦点はずれ量（焦点位置）を制御し、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結像光学装置。
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。