JP5285306B2 - 光学部品及び光学部品を用いた位相差顕微鏡 - Google Patents

Description

位相差顕微鏡及びその光学部品に関し、特に位相差を変更する光学部品に関する。

従前から、無色透明な生体細胞などを染色等によって死滅させることなく観察できる顕微鏡として位相差顕微鏡が考え出されてきた。この位相差顕微鏡は、明暗のコントラストによって無色透明な標本を観察できるもので、生体細胞などを生きた状態で観察することができる。
特開平９−２３０２４７号公報

上述したように、位相差顕微鏡は、明暗のコントラストによって無色透明な生体細胞などの標本を観察できるものである。この明暗のコントラストによって観察できるようにするために、位相差顕微鏡では位相板を用いることが必要である。

この位相板は、所定の物質の薄膜によって形成され、光源から発せられた光を薄膜に透過させることにより、波長の４分の１だけ位相を進めたり遅らせたりするものである。この位相板の薄膜を構成する物質には、分散現象があるため、あらゆる波長に対して、波長の４分の１だけ位相をずらすことができず、広範囲の波長の光で標本を観察した場合には、コントラストが低くならざる得なかった。そのため、従来の位相差顕微鏡では、一定の波長に対してのみ観察できるようにするために、一定の波長に対応した色のフィルタを介在させた構成としていた。このようなフィルタを用いることによって、一定の波長に対してのみ、波長の４分の１だけ位相がずれるようにしていた。

しかしながら、従来の位相差顕微鏡は、フィルタを用いた構成としていたため、標本を観察した場合には、標本の像は、単色の濃淡のみで表現される。このため、標本の色に関する情報が欠落した状態で、観察せざるを得なかった。

本発明は、上述の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、周波数情報や色情報を含めて位相差を示すことができる光学部品及び位相差顕微鏡を提供することにある。

以上のような目的を達成するために、本発明においては、少なくとも２つの波長に対して、一定の位相の差が生ずるように、少なくとも２つ以上の光学媒質を並設する。

具体的には、本発明に係る光学部品は、
少なくとも２以上の波長の光束が入射する入射面と、入射した光束の位相を変化させた後、光束を出射する出射面とを含む光学部品であって、
前記入射面と前記出射面との間に沿って並設された少なくとも２つの光学媒質を含む光学媒質体を有し、
前記光学媒質体は、
前記少なくとも２以上の波長の光束の各々について、波長に応じて位相を変化させた後、光束を出射する第１の光学媒質領域と、
前記少なくとも２以上の波長の光束の各々について、前記第１の光学媒質領域から出射される光束の位相に対して、位相差が略一定となるように波長に応じて位相を変化させて出射する第２の光学媒質領域と、を含むことを特徴とする。

本発明に係る光学部品は、入射面と出射面とを含む。入射面には、少なくとも２以上の波長の光束が入射する。光学部品は、入射した光束の位相を変化させる。出射面からは、位相が変化した光束が出射される。

光学部品の入射面と出射面との間には光学媒質体が設けられている。なお、光学媒質体の表面が、入射面及び出射面として形成されているものが好ましい。光学媒質体は、少なくとも２つの光学媒質を含む。これらの少なくとも２つの光学媒質が、入射面と出射面との間に沿って並べられて設けられている。

さらに、光学媒質体は、第１の光学媒質領域と第２の光学媒質領域とを少なくとも含む。

第１の光学媒質領域には、上述した少なくとも２以上の波長の光束が入射される。第１の光学媒質領域は、その屈折率等の光学的特性によって、入射された光束の位相を波長に応じて変化させる。位相を変化させた光束は、第１の光学媒質領域から出射される。

第２の光学媒質領域にも、第１の光学媒質領域と同様に、上述した少なくとも２以上の波長の光束が入射される。第２の光学媒質領域も、その屈折率等の光学的特性によって、入射された光束の位相を波長に応じて変化させる。さらに、この第２の光学媒質領域は、第１の光学媒質領域から出射される光束の位相に対して位相差が略一定となるように、入射された光束の位相を変化させる。このように位相を変化させた光束は、第２の光学媒質領域から出射される。

このように第１の光学媒質領域と第２の光学媒質領域とによって、少なくとも２以上の波長の光束について、第１の光学媒質領域から出射される光束の位相と、第２の光学媒質領域から出射される光束の位相との差が略一定となるようにすることができる。このように複数の波長に対して、位相をずらすことができるので、光束の周波数情報を含めて、光束の位相を調整することができる。

また、本発明に係る光学部品は、
前記第１の光学媒質領域が、少なくとも１つの光学媒質層からなり、
前記第２の光学媒質領域が、少なくとも１つの光学媒質層からなり、
前記第１の光学媒質領域のうちのｉ番目の層の厚さをｔ_１ｉとし、波長λ１の光束に対する屈折率をｎ_１（ｉ、１）とし、波長λ２の光束に対する屈折率をｎ_１（ｉ、２）とし、
前記第２の光学媒質領域のうちのｊ番目の層の厚さをｔ_２ｊとし、波長λ１の光束に対する屈折率をｎ_２（ｊ、１）とし、波長λ２の光束に対する屈折率をｎ_２（ｊ、２）としたときに、次の３つの式

が成立するものが好ましい。

さらに、本発明に係る光学部品は、以下の３つの式
ｔ(ｎ_１(１,１)−ｎ_２(１,１))＝Ｃ１×λ１
ｔ(ｎ_１(１,２)−ｎ_２(１,２))＝Ｃ２×λ２
|Ｃ１−Ｃ２|＜０．０２
が成立するものが好ましい。

ここで、
第１の光学媒質領域の第１の波長λ１に対する屈折率をｎ_１(１,１)とし、
第１の光学媒質領域の第２の波長λ２に対する屈折率をｎ_１(１,２)とし、
第２の光学媒質領域の第１の波長λ１に対する屈折率をｎ_２(１,１)とし、
第２の光学媒質領域の第２の波長λ２に対する屈折率をｎ_２(１,２)とする。

さらに、式 |ｎ_１（１，１）−ｎ_２（１，２）|＜０．３を満たすものが好ましい。

また、上述したＣ１又はＣ２をＣとするときに、１／４≦｜Ｃ｜≦３／４を満たすものが好ましい。ここで、｜Ｃ｜の絶対値を示す。

ここで、上述した少なくとも２以上の波長の光束には、第１の波長λ１の光束と、第２の波長λ２の光束とを含む。また、上述した式において、ｔは、第１の光学媒質領域の厚みと第２の光学媒質領域の厚みとであり、Ｃは、波長によらない定数である。

さらに、ｎ（１，１）は、第１の光学媒質領域の第１の波長λ１に対する屈折率であり、ｎ（２，１）は、第１の光学媒質領域の第２の波長λ２に対する屈折率であり、ｎ（１，２）は、第２の光学媒質領域の第１の波長λ１に対する屈折率であり、ｎ（２，２）は、第２の光学媒質領域の第２の波長λ２に対する屈折率である。

上述した２式を満たす光学媒質を用いたことによって、波長λ１の光束に対しても、波長λ２の光束に対しても、第１の光学媒質領域から出射される光束の位相を、第２の光学媒質領域から出射される光束の位相に対して、所定の定数Ｃだけ進めたり遅らせたりすることができる。このように、複数の波長に対して、位相をずらすことができるので、光束の周波数情報を含めて、光束の位相を調整することができる。

さらに、本発明に係る光学部品は、
前記第１の波長λ１と、前記第２の波長λ２とが、可視光の波長であるものが好ましい。

このようにすることで、可視光の周波数情報、すなわち、色情報を含めて、光束の位相を調整することができる。

さらに、本発明に係る位相差顕微鏡は、
試料を照明する照明光学系と、前記試料の像を結像させる結像光学系とを含む位相差顕微鏡であって、
前記照明光学系の瞳位置に配置された開口と、
前記開口と共役な位置に配置された位相板と、を含み、
前記位相板が、
少なくとも２以上の波長の光束が入射する入射面と、入射した光束の位相を変化させて出射する出射面とを含み、かつ、
前記入射面と前記出射面との間に沿って並設された少なくとも２つの光学媒質を含む光学媒質体を有し、
前記光学媒質体が、
前記少なくとも２以上の波長の光束の各々について、波長に応じて位相を変化させて出射する第１の光学媒質領域と、
前記少なくとも２以上の波長の光束の各々について、前記第１の光学媒質領域から出射される光束の位相に対して、位相差が略一定となるように波長に応じて位相を変化させて出射する第２の光学媒質領域と、を含むことを特徴とする。

本発明に係る位相差顕微鏡は、照明光学系と、結像光学系と、開口と、位相板とを含む。照明光学系は、試料を照明するためのものである。結像光学系は、試料の像を結像させるためのものである。開口は、照明光学系の瞳位置に配置され、試料に照射する光を制限するためのものである。

位相板は、開口と共役な位置に配置されている。この位相板は、入射面と出射面とを含む。入射面には、少なくとも２以上の波長の光束が入射する。位相板は、入射した光束の位相を変化させる。出射面からは、位相が変化した光束が出射される。

位相板の入射面と出射面との間には光学媒質体が設けられている。なお、光学媒質体の表面が、入射面及び出射面として形成されているものが好ましい。光学媒質体は、少なくとも２つの光学媒質を含む。これらの少なくとも２つの光学媒質が、入射面と出射面との間に沿って並べられて設けられている。

さらに、光学媒質体は、第１の光学媒質領域と第２の光学媒質領域とを少なくとも含む。

第１の光学媒質領域には、上述した少なくとも２以上の波長の光束が入射される。第１の光学媒質領域は、その屈折率等の光学的特性によって、入射された光束の位相を波長に応じて変化させる。位相を変化させた光束は、第１の光学媒質領域から出射される。

第２の光学媒質領域にも、第１の光学媒質領域と同様に、上述した少なくとも２以上の波長の光束が入射される。第２の光学媒質領域も、その屈折率等の光学的特性によって、入射された光束の位相を波長に応じて変化させる。さらに、この第２の光学媒質領域は、第１の光学媒質領域から出射される光束の位相に対して位相差が略一定となるように、入射された光束の位相を変化させる。このように位相を変化させた光束は、第２の光学媒質領域から出射される。

このように第１の光学媒質領域と第２の光学媒質領域とによって、少なくとも２以上の波長の光束について、第１の光学媒質領域から出射される光束の位相と、第２の光学媒質領域から出射される光束の位相との差が略一定となるようにすることができる。このように複数の波長に対して、位相をずらすことができるので、光束の周波数情報を含めて、光束の位相を調整することができ、透明に近い試料を色情報を含めて観察することができる。また、また、フィルタを用いることなく試料を観察できるので、位相差顕微鏡の構成を簡素にすることができる。

周波数情報や色情報を含めて試料の位相差を示すことができる。

以下に、本発明の実施例について図面に基づいて説明する。

＜＜＜第１の実施の形態＞＞＞
＜＜位相差顕微鏡の構成＞＞
図１は、位相差顕微鏡１０の概要を示す図である。

位相差顕微鏡１０は、光源（図示せず）とリング絞り１２と、コンデンサレンズ１４と、対物レンズ１８と、位相板１００とを含む。これらは、所定の支持体（図示せず）によって、所定の位置に支持されている。

リング絞り１２は、輪帯形状の開口を有し、照明光学系１の瞳位置、すなわち、後述する対物レンズ１８の前側焦点面に位置づけられている。光源（図示せず）から発せられた光束は、リング絞り１２に到達する前に、コリメーターレンズ等の光学素子（図示せず）によって、予め平行光に変換されている。平行光に変換された光束は、このリング絞り１２によって、輪帯形状の開口のみを通過するように絞られて、輪帯状の光束に変換される。

コンデンサレンズ１４は、リング絞り１２によって輪帯状の光束に変換された光束を、後述する試料１６で集光させるように変換する。コンデンサレンズ１４によって集光光に変換された光束は、標本である試料１６で結像する。試料１６に照射された光束は、試料１６の内部を透過して直進する直接光（図１に示す実線）と、試料１６の位相物体によって回折して曲がって進む回折光（図１に示す破線）とに分離される。この回折光は、試料１６の位相物体によって、回折すると共に、位相が約波長の４分の１だけ遅れる。

上述した光源と、リング絞り１２とコンデンサレンズ１４とによって照明光学系１が構成される。

試料１６によって分離された直接光と回折光との進行方向には、対物レンズ１８が配置されている。さらに、位相板１００が、結像光学系２の瞳位置に、すなわち、対物レンズ１８の後側焦点位置に配置されて、リング絞り１２と共役な関係となる位置に配置されている。位相板１００は、後述するように、第１光学媒質部１１０と第２光学媒質部１２０とからなる。第１光学媒質部１１０は、輪帯状に形成されている（図２参照）。なお、この位相板１００の構成及び機能の詳細については後述する。

試料１６を透過した直接光の光束は、対物レンズ１８によって平行光に変換され、位相板１００に入射する。位相板１００の輪帯状に形成された第１光学媒質部１１０は、輪帯光となっている直接光と重なるように配置されている。すなわち、位相板１００の輪帯状に形成された第１光学媒質部１１０の内径ｄ１と外径ｄ２（図２（ａ）及び（ｂ）参照）との各々は、リング絞り１２の内径と外径とに、コンデンサレンズ１４と対物レンズ１８による倍率を乗じた値である。

一方、試料１６の位相物体によって回折された回折光は、後述する位相板１００の外側第２光学媒質部１２０ｂを通過する。

位相板１００を透過した直接光と回折光とは、像面２０において、集光されて互いに干渉して像を結像する。

＜位相板１００の構成＞
図２は、第１の実施の形態による位相板１００の平面図（ａ）と、断面図（ｂ）と、原理図（ｃ）とを示す。

位相板１００は、図２（ａ）に示すように、略円板状の形状を有する。位相板１００は、第１の光学媒質領域からなる第１光学媒質部１１０と、第２の光学媒質領域からなる第２光学媒質部１２０とを含む。第１光学媒質部１１０と第２光学媒質部１２０との光学的性質については、後述する。また、位相板１００は、図２（ｂ）に示すように、入射面１４０（図２（ｂ）に示す下面）と出射面１５０（図２（ｂ）に示す上面）と有する。後述するように、光源から発せられた光束は、入射面１４０に入射し、第１光学媒質部１１０や第２光学媒質部１２０を透過した光束は、出射面１５０から出射される。さらに、この位相板１００の入射面１４０側には、基部１３０が形成されている。この基部１３０は、第２光学媒質部１２０からなり、位相板１００の基部として機能する。

第１光学媒質部１１０は、図２（ｂ）に示すように、出射面１５０側に配置されている。この第１光学媒質部１１０は、出射面１５０において、輪帯状やリング状の形状を有する。第１光学媒質部１１０の内径はｄ１であり、外径はｄ２である。この内径ｄ１と外径ｄ２とは、上述したように、リング絞り１２の内径及び外径や、コンデンサレンズ１４及び対物レンズ１８による倍率に応じて適宜定めればよい。また、第１光学媒質部１１０の厚さはｔ１である。この第１光学媒質部１１０の厚さｔ１は、後述する式１及び式２を満たすように定めればよい。

一方、第２光学媒質部１２０は、図２（ｂ）に示すように、第１光学媒質部１１０を除いた位相板１００の領域に配置されている。ここでは、第１光学媒質部１１０を、便宜的に、内側第２光学媒質部１２０ａと、外側第２光学媒質部１２０ｂと、基部１３０との３つに区分する。基部１３０は、上述したように、位相板１００の入射面１４０側に形成され、位相板１００の基部として機能する。上述した第１光学媒質部１１０と、内側第２光学媒質部１２０ａと、外側第２光学媒質部１２０ｂとは、同心状となるように形成されている。

内側第２光学媒質部１２０ａは、第１光学媒質部１１０の内側に位置する。内側第２光学媒質部１２０ａは、入射面１４０及び出射面１５０において、略円形の形状を有する。

内側第２光学媒質部１２０ａの直径は、上述した第１光学媒質部１１０の内径ｄ１によって定まる。外側第２光学媒質部１２０ｂは、第１光学媒質部１１０の外側に位置する。外側第２光学媒質部１２０ｂは、入射面１４０及び出射面１５０において、略輪帯状の形状を有する。外側第２光学媒質部１２０ｂの内径は、第１光学媒質部１１０の外径ｄ２によって定まり、外側第２光学媒質部１２０ｂの外径は、位相板１００の直径によって定まる。また、第２光学媒質部１２０の厚さもｔ１であり、後述する式１及び式２を満たすように定めればよい。

このように、第１光学媒質部１１０と第２光学媒質部１２０（内側第２光学媒質部１２０ａ及び外側第２光学媒質部１２０ｂ）とは、入射面１４０と出射面１５０との間に沿って並んで設けられている。

第１光学媒質部１１０は、波長λ１の光束に対して、屈折率ｎ_１（１、１）を示し、波長λ２の光束に対して、屈折率ｎ_１（１、２）を示す。この第１光学媒質部１１０は、プラスチックや樹脂等であるのが好ましい。

一方、内側第２光学媒質部１２０ａと外側第２光学媒質部１２０ｂとは、波長λ１の光束に対して、屈折率ｎ_２（１、１）を示し、波長λ２の光束に対して、屈折率ｎ_２（１、２）を示す。この内側第２光学媒質部１２０ａと外側第２光学媒質部１２０ｂとは、略円板状の媒質であるのが好ましい。なお、基部１３０も第２の光学媒質領域からできているので、同様の屈折率を示す。

これらの屈折率ｎ_１（１、１）、ｎ_１（１、２）、ｎ_２（１、１）及びｎ_２（１、２）は、以下の３つの式を満たす。
ｔ(ｎ_１(１,１)−ｎ_２(１,１))＝Ｃ１×λ１
ｔ(ｎ_１(１,２)−ｎ_２(１,２))＝Ｃ２×λ２
|Ｃ１−Ｃ２|＜０．０２

ここで、式１及び式２おけるｔは、第１光学媒質部１１０と内側第２光学媒質部１２０ａと外側第２光学媒質部１２０ｂとの厚さであり、図２（ｂ）に示した例では、厚さｔ１であり、位相板１００の全体の厚さｔ２のうち、基部１３０の厚さを除いた厚さである。この厚さｔ１が、第１光学媒質部１１０による位相の変化と、第２光学媒質部１２０による位相の変化とに寄与する。すなわち、この厚さｔ１が、第１光学媒質部１１０を通過する光束の位相と、第２光学媒質部１２０を通過する光束の位相との差を生じさせる要素の１つである。

＜位相板１００の製造＞
上述した位相板１００は、略円板状の形状を有するガラス板を加工することによって作られる。このガラス板が第２光学媒質部１２０（内側第２光学媒質部１２０ａ及び外側第２光学媒質部１２０ｂ）並びに基部１３０となる。ガラス板の加工は、まず、ガラス板の出射面１５０となる側の表面を加工することによって、位相板１００と同心状となるように輪帯状の形状の溝を形成する。この加工は、溝の深さがｔ１となるように行う。形成した溝に、接着剤を流し込んで固化させる。溝で乾燥した接着剤が、第１光学媒質部１１０となる。このように加工によって溝を形成すると共に接着剤によって第１光学媒質部１１０を形成することができるので、簡易にかつ安価に位相板１００を作ることができる。また、溝を加工によって形成するので、形成する溝の深さにより、第１光学媒質部１１０の厚さを調整することができ、第１光学媒質部１１０の厚さを薄くして形成したり厚く形成したりすることも容易にできる。なお、第１光学媒質部１１０を厚く形成したい場合には、蒸着やスパッタ等の薄膜形成処理によって行ってもよい。

また、上述した式１及び式２を満たすものであれば、ガラス板を用いずに透明なプラスチック等の樹脂を、第２光学媒質部１２０として用いてもよい。このようにすることで、より簡易にかつ安価に位相板１００を作ることができる。

＜位相板１００の機能＞
上述したように、光源から発せられた光束は、試料１６の位相物体によって直接光と回折光とに分離される。回折光は、試料１６の位相物体によって回折の際に、位相が約波長の４分の１だけ遅れる。一方、直接光は、試料１６の位相物体によって、回折されることはなく、位相は変更されない。

回折光は、図１の破線で示すように、位相板１００の内側第２光学媒質部１２０ａや外側第２光学媒質部１２０ｂを透過するように、対物レンズ１８によって進行方向が調整される。具体的には、位相板１００の入射面１４０に到達した回折光は、まず、基部１３０を通過する。次に、基部１３０を通過した回折光は、内側第２光学媒質部１２０ａや外側第２光学媒質部１２０ｂに到達する。さらに、内側第２光学媒質部１２０ａや外側第２光学媒質部１２０ｂを通過して、位相板１００の出射面１５０から出射されて、像面２０に向かって進む。なお、上述したように、内側第２光学媒質部１２０ａや外側第２光学媒質部１２０ｂと基部１３０とを便宜的に区分したので、回折光の進行について、上述したような説明をしたが、これらの間に境界や界面が存在するわけでない。

一方、直接光は、図１の実線で示すように、位相板１００の第１光学媒質部１１０を透過するように、対物レンズ１８によって進行方向が調整される。具体的には、位相板１００の入射面１４０に到達した直接光は、まず、基部１３０を通過する。次に、基部１３０を通過した回折光は、第１光学媒質部１１０に到達する。さらに、第１光学媒質部１１０を通過して、位相板１００の出射面１５０から出射されて、像面２０に向かって進む。

上述したように、直接光の場合も回折光の場合も、位相板１００の入射面１４０から入射すると、まず、基部１３０を通過することになる。したがって、基部１３０を構成している第２光学媒質部１２０の屈折率と基部１３０の厚さによって、直接光も回折光も同様に位相が変更される。したがって、基部１３０を通過する前における直接光の位相と回折光の位相との差と、基部１３０を通過した後における直接光の位相と回折光の位相との差とは同じものになる。

これに対して、基部１３０を通過した後、直接光は、第１光学媒質部１１０を通過するのに対して、回折光は、内側第２光学媒質部１２０ａや外側第２光学媒質部１２０ｂを通過する。このため、直接光は、第１光学媒質部１１０の屈折率と厚さとによって位相が変更され、回折光は、内側第２光学媒質部１２０ａや外側第２光学媒質部１２０ｂの屈折率と厚さとによって位相が変更される。これによって、基部１３０を通過した後における直接光の位相と回折光の位相との差と、位相板１００の出射面１５０から出射されるときにおける直接光の位相と回折光の位相との差とに違いが生ずることになる。具体的には、基部１３０を通過した後における直接光の位相と回折光の位相との差は、約波長の４分の１であり、これは、試料１６の位相物体によって生じた差である。

このように、基部１３０は、直接光の位相や回折光の位相に影響を与えるものであるが、位相板１００の出射面１５０から出射されるときにおける直接光の位相と回折光の位相との差には影響を与えない。位相板１００の出射面１５０から出射されるときにおける直接光の位相と回折光の位相との差に影響を与えるのは、式１及び式２の関係を満たす第１光学媒質部１１０と内側第２光学媒質部１２０ａと外側第２光学媒質部１２０ｂとである。

以下では、原理図である図２（ｃ）を用いて、光源から発せられた波長λ１とλ２の光束について、詳細に説明する。なお、図２（ｃ）は、図２（ｂ）に示した位相板１００の基部１３０を省略して示したものである。

λ１の波長を有する光束は、試料１６によって、直接光ＬＲ１と回折光ＬＤ１とに分離される。同様に、λ２の波長を有する光束も、試料１６によって、直接光ＬＲ２と回折光ＬＤ２とに分離される。

直接光ＬＲ１は、対物レンズ１８によって、図２（ｃ）に示す第１光学媒質部１１０に入射する。第１光学媒質部１１０に入射した直接光ＬＲ１は、波長λ１を有するので、第１光学媒質部１１０の屈折率ｎ（１、１）と厚さｔ１とに応じて、所定の位相だけずれて、第１光学媒質部１１０から出射される。一方、回折光ＬＤ１は、対物レンズ１８によって、図２（ｃ）に示す内側第２光学媒質部１２０ａや外側第２光学媒質部１２０ｂに入射する。内側第２光学媒質部１２０ａや外側第２光学媒質部１２０ｂに入射した回折光ＬＤ１も、波長λ１を有するので、内側第２光学媒質部１２０ａや外側第２光学媒質部１２０ｂの屈折率ｎ（１、２）と厚さｔ１とに応じて、所定の位相だけずれて、内側第２光学媒質部１２０ａや外側第２光学媒質部１２０ｂから出射される。

このように、第１光学媒質部１１０から出射された直接光ＬＲ１は、式１の関係によって、内側第２光学媒質部１２０ａや外側第２光学媒質部１２０ｂから出射された回折光ＬＤ１に対して、位相が（λ１）／４だけずれている。

同様に、直接光ＬＲ２は、対物レンズ１８によって、図２（ｃ）に示す第１光学媒質部１１０に入射する。第１光学媒質部１１０に入射した直接光ＬＲ２は、波長λ２を有するので、第１光学媒質部１１０の屈折率ｎ（２、１）と厚さｔ１とに応じて、所定の位相だけずれて、第１光学媒質部１１０から出射される。一方、回折光ＬＤ２は、対物レンズ１８によって、図２（ｃ）に示す内側第２光学媒質部１２０ａや外側第２光学媒質部１２０ｂに入射する。内側第２光学媒質部１２０ａや外側第２光学媒質部１２０ｂに入射した回折光ＬＤ２も、波長λ２を有するので、内側第２光学媒質部１２０ａや外側第２光学媒質部１２０ｂの屈折率ｎ（２、２）と厚さｔ１とに応じて、所定の位相だけずれて、内側第２光学媒質部１２０ａや外側第２光学媒質部１２０ｂから出射される。

このように、第１光学媒質部１１０から出射された直接光ＬＲ２は、式２の関係によって、内側第２光学媒質部１２０ａや外側第２光学媒質部１２０ｂから出射された回折光ＬＤ２に対して、位相が（λ２）／４だけずれている。

上述した式１及び式２とを満たす第１光学媒質部１１０と内側第２光学媒質部１２０ａや外側第２光学媒質部１２０ｂとを用いることによって、波長λ１の光束に対しても、波長λ２の光束に対しても、第１光学媒質部１１０から出射される光束の位相を、内側第２光学媒質部１２０ａや外側第２光学媒質部１２０ｂから出射される光束の位相に対して、波長の４分の１だけ進めたり遅らせたりすることができる。

従前の位相差顕微鏡に用いられた位相板は、第２の光学媒質領域に相当する媒質として空気を用いて、第１の光学媒質領域の屈折率と空気の屈折率とによって、直接光の位相を回折光に対して波長の４分の１だけ遅らせたり進めたりするものであった。しかし、第１の光学媒質領域の分散によって、複数の波長の光束に対して、直接光の位相を回折光の位相に対して波長の４分の１だけずらすことはできなかった。

これに対して、本願発明は、第２光学媒質を用いることによって、第１光学媒質の分散のみならず、第２光学媒質の分散をも利用して、上述した式１及び式２の関係を充足させて、複数の波長の光束に対して、直接光の位相を回折光の位相に対して波長の４分の１だけずらすことができる。

なお、波長λ１とλ２との双方が、可視光の範囲にあり、かつ、波長λ１とλ２との差が最も大きくなるようにするのが好ましい。このようにすることで、可視光の広い範囲で、直接光の位相を回折光の位相に対して波長の４分の１ずらすことができる。

＜実施例１＞
波長を
λ1＝0.48613μｍ、λ2＝0.65627μｍ
とし、
屈折率を
ｎ_１（１，１）＝1.60940
ｎ_１（１，２）＝1.60019
ｎ_２（１，１）＝1.58835
ｎ_２（１，２）＝1.57171
とし、厚さを
ｔ_１＝ｔ_２＝5.7714μｍ
とすると
Ｃ１＝ｔ_１(ｎ_１(１，１)−ｎ_２(１，１))/λ１＝0.24990
Ｃ２＝ｔ_１(ｎ_１(１，２)−ｎ_２(１，２))/λ２＝0.25046
となる。

＜実施例２＞
波長を
λ１＝0.48613μｍ、λ２＝0.65627μｍ
とし、
屈折率を
ｎ_１(１，１)＝1.59230
ｎ_１(１，２)＝1.58323
ｎ_２(１，１)＝1.57616
ｎ_２(１，２)＝1.56204
とし、厚さを
ｔ_１＝ｔ_２＝7.636μｍ
とすると
Ｃ１＝ｔ_１(ｎ_１(１，１)−ｎ_２(１，１))/λ１＝0.25352
Ｃ２＝ｔ_１(ｎ_１(１，２)−ｎ_２(１，２))/λ２＝0.24656
となる。

＜＜＜第２の実施の形態＞＞＞
図３（ａ）は、第２の実施の形態による位相板２００を示す。なお、第１の実施の形態による位相板１００と同様の要素には、同じ符号を付した。

この第２の実施の形態による位相板２００は、第１の実施の形態による位相板１００に保護用のカバーガラス２１０を設けたものである。このようにすることで、位相板２００の出射面は、カバーガラス２１０の上面となるが、カバーガラス２１０は、直接光も回折光も同様に透過するので、第１の実施の形態と同様に、上述した式１及び式２とを満たす第１光学媒質部１１０と内側第２光学媒質部１２０ａや外側第２光学媒質部１２０ｂとによって、波長λ１の光束に対しても、波長λ２の光束に対しても、第１光学媒質部１１０から出射される光束の位相を、内側第２光学媒質部１２０ａや外側第２光学媒質部１２０ｂから出射される光束の位相に対して、波長の４分の１だけ進めたり遅らせたりすることができる。

さらに、この第２の実施の形態の位相板２００は、第１光学媒質部１１０や内側第２光学媒質部１２０ａや外側第２光学媒質部１２０ｂがカバーグラスによって保護されるので、強度を高めることができ、取り扱いを簡便にすることができると共に、傷等の損傷を防ぐことができるので、位相板２００の光学特性を維持することができる。

＜＜＜第３の実施の形態＞＞＞
図３（ｂ）は、第３の実施の形態による位相板３００を示す。この第３の実施の形態による位相板３００は、基部３３０の上に第１光学媒質部３１０と第２光学媒質部３２０とを形成したものである。

この第１光学媒質部３１０は、厚さを除いて形状や大きさや材質については、第１の実施の形態の第１光学媒質部１１０と同様のものを用いればよい。また、第２光学媒質部３２０も、厚さを除いて形状や大きさや材質については、第１の実施の形態の第２光学媒質部１２０と同様のものを用いればよい。なお、この位相板３００の第２光学媒質部３２０も、第１の実施の形態と同様に、内側第２光学媒質部３２０ａと外側第２光学媒質部３２０ｂとからなる。位相板３００は、下面が入射面３４０であり、上面が出射面３５０である。

また、基部３３０は、光束を透過させることができるものであれば、ガラスやプラスチックなどを用いることができる。このように構成することで、切削加工やモールド加工等の加工工程を省くことができるので、容易に位相板３００を作ることができる。

第３の実施の形態による位相板３００は、図３（ｂ）に示すように、第１光学媒質部３１０の厚さと第２光学媒質部３２０の厚さと異なる。このような場合には、以下の２式を用いることで、位相の調整をすることができる。

ここで、波長λ１及びλ２、屈折率ｎ_１（１、１）、ｎ_１（１、２）、ｎ_２（１、１）及びｎ_２（１、２）は、第１の実施の形態と同様のものである。また、図３（ｂ）に示すように、ｔ３は、第１光学媒質部３１０の厚さであり、ｔ４は、第２光学媒質部３２０の厚さである。また、空気の屈折率の値を１とした。

この式３及び式４を満たす第１光学媒質部３１０と第２光学媒質部３２０とによって、波長λ１の光束に対しても、波長λ２の光束に対しても、第１光学媒質部３１０から出射される光束の位相を、第２光学媒質部３２０から出射される光束の位相に対して、波長の４分の１だけ進めたり遅らせたりすることができる。

上述した式３及び式４では、２つの波長λ１及びλ２について満たすべき条件を示す物であったが、式３及び式４を満たす場合には、２つの波長λ１及びλ２の双方の波長と近傍になる波長λ３に対しても、以下の式を満たすことができる場合がある。

ただし、δについては、
|δ−１／４|＜０．０２
である。

ここで、屈折率ｎ_１（１、３）は、波長λ３に対する第１光学媒質部３１０の屈折率であり、屈折率ｎ_２（１、３）は、波長λ３に対する第２光学媒質部３２０の屈折率である。このようにδが充分に１／４に近い場合には、λ１、λ２、λ３の広い波長帯域に渡って、良好な１／４波長板が得られることを示している。

＜＜＜第４の実施の形態＞＞＞
図３（ｃ）は、第４の実施の形態による位相板４００を示す。なお、第３の実施の形態による位相板３００と同様の要素には、同じ符号を付した。

この第４の実施の形態による位相板４００は、第３の実施の形態による位相板３００に保護用のカバーガラス４１０を設けたものである。このようにすることで、位相板４００の出射面は、カバーガラス４１０の上面となるが、カバーガラス４１０は、直接光も回折光も同様に透過するので、第３の実施の形態と同様に、上述した式３及び式４とを満たす第１光学媒質部３１０と内側第２光学媒質部３２０ａや外側第２光学媒質部３２０ｂとによって、波長λ１の光束に対しても、波長λ２の光束に対しても、第１光学媒質部３１０から出射される光束の位相を、内側第２光学媒質部３２０ａや外側第２光学媒質部３２０ｂから出射される光束の位相に対して、波長の４分の１だけ進めたり遅らせたりすることができる。

さらに、この第４の実施の形態の位相板４００は、第１光学媒質部３１０や内側第２光学媒質部３２０ａや外側第２光学媒質部３２０ｂがカバーグラスによって保護されるので、強度を高めることができ、取り扱いを簡便にすることができると共に、傷等の損傷を防ぐことができるので、位相板４００の光学特性を維持することができる。

＜＜＜第５の実施の形態＞＞＞
図３（ｄ）は、第５の実施の形態による位相板５００を示す。なお、第３の実施の形態による位相板３００と同様の要素には、同じ符号を付した。

この第５の実施の形態による位相板５００は、第３の実施の形態による第１光学媒質部３１０を第２光学媒質部５２０で被覆し、さらに、第２光学媒質部５２０を保護膜５１０で被覆したものである。位相板５００は、下面が入射面５４０であり、上面が出射面５５０である。

第２光学媒質部５２０は、第１の実施の形態の第２光学媒質部１２０と同様のものを用いればよい。なお、この位相板５００の第２光学媒質部５２０も、第１の実施の形態と同様に、内側第２光学媒質部５２０ａと外側第２光学媒質部５２０ｂとからなる。このように、第１光学媒質部３１０を第２光学媒質部５２０で被覆することによって、第１光学媒質部３１０を的確に保護することができる。また、第２光学媒質部５２０の全体を保護膜５１０で被覆するので、第１光学媒質部３１０と第２光学媒質部５２０との双方を保護することができ、取り扱いを簡便にすることができると共に、損傷を受けにくくすることができるので、より長い期間、光学的な特性を維持することができる。

＜＜＜第１〜第５の実施の形態の一般化＞＞＞
上述した第１〜第５の実施の形態による位相板を一般化した位相板６００を図４に示す。図４に示した位相板６００の左側が、第１光学媒質部を一般化した第１光学媒質層６００ａで、位相板６００の右側が、第２光学媒質部を一般化した第２光学媒質層６００ｂである。第１光学媒質層６００ａと第２光学媒質層６００ｂとは、少なくとも１つの層からなる。

図４に示した例では、第１光学媒質層６００ａの第１層６０２−１は、厚さｔ_１１で、波長λ１の光束に対して、屈折率ｎ_１（１、１）を示し、波長λ２の光束に対して、屈折率ｎ_１（１、２）を示す。また、第１光学媒質層６００ａの第２層６０２−２は、厚さｔ_１２で、波長λ１の光束に対して、屈折率ｎ_１（２、１）を示し、波長λ２の光束に対して、屈折率ｎ_１（２、２）を示す。さらに、第１光学媒質層６００ａの第ｉ層６０２−ｉは、厚さｔ_１ｉで、波長λ１の光束に対して、屈折率ｎ_１（ｉ、１）を示し、波長λ２の光束に対して、屈折率ｎ_１（ｉ、２）を示す。

また、第２光学媒質層６００ｂの第１層６０４−１は、厚さｔ_２１で、波長λ１の光束に対して、屈折率ｎ_２（１、１）を示し、波長λ２の光束に対して、屈折率ｎ_２（１、２）を示す。また、第２光学媒質層６００ｂの第２層６０４−２は、厚さｔ_２２で、波長λ１の光束に対して、屈折率ｎ_２（２、１）を示し、波長λ２の光束に対して、屈折率ｎ_２（２、２）を示す。さらに、第２光学媒質層６００ｂの第ｉ層６０４−ｉは、厚さｔ_２ｉで、波長λ１の光束に対して、屈折率ｎ_２（ｉ、１）を示し、波長λ２の光束に対して、屈折率ｎ_２（ｉ、２）を示す。

上述した第１光学媒質層６００ａの全ての層には、波長λ１の光束と波長λ２の光束との双方の光束が通過でき、第２光学媒質層６００ｂの全ての層には、波長λ１の光束と波長λ２の光束との双方の光束が通過できる。

このような第１光学媒質層６００ａと第２光学媒質層６００ｂとからなる位相板６００の場合には、以下の３式を用いることで、位相の調整をすることができる。

この式６、式７及び式８を満たす第１光学媒質層６００ａと第２光学媒質層６００ｂとを用いることによって、波長λ１の光束に対しても、波長λ２の光束に対しても、第１光学媒質層６００ａから出射される光束の位相を、第２光学媒質層６００ｂから出射される光束の位相に対して、Ｃ１（〜Ｃ２）だけ進めたり遅らせたりすることができる。

第１の実施の形態による位相差顕微鏡の概要を示す図である。 第１の実施の形態による位相板１００を示す平面図（ａ）と、断面図（ｂ）と、原理図（ｃ）とである。 第２の実施の形態〜第５の実施の形態の位相板を示す断面図である。 第１の実施の形態〜第５の実施の形態の位相板を一般化した概念を示す断面図である。

符号の説明

１０ 位相差顕微鏡
１００、２００、３００、４００、５００、６００ 位相板（光学部品）
１１０、３１０ 第１光学媒質部（第１の光学媒質領域）
１２０、３２０、５２０ 第２光学媒質部（第２の光学媒質領域）
１４０、３４０、５４０ 入射面
１５０、３５０、５５０ 出射面
６００ａ 第１光学媒質層（第１の光学媒質領域）
６００ｂ 第２光学媒質層（第２の光学媒質領域）

Claims (5)

1. 少なくとも２以上の波長の光束が入射する入射面と、入射した光束の位相を変化させた後、光束を出射する出射面とを含む光学部品であって、
   前記入射面と前記出射面との間に沿って並設された少なくとも２つの光学媒質を含む光学媒質体を有し、
   前記光学媒質体は、
   前記少なくとも２以上の波長の光束の各々について、波長に応じて位相を変化させた後、出射する第１の光学媒質領域と、
   前記少なくとも２以上の波長の光束の各々について、前記第１の光学媒質領域から出射される光束の位相に対して、位相差が略一定となるように波長に応じて位相を変化させて出射する第２の光学媒質領域と、を含み、
   前記第１の光学媒質領域は、少なくとも１つの光学媒質層からなり、
   前記第２の光学媒質領域は、少なくとも１つの光学媒質層からなり、
   前記第１の光学媒質領域のうちのｉ番目の層の厚さをｔ _１ｉ とし、波長λ１の光に対する屈折率をｎ _１ （ｉ、１）とし、波長λ２の光に対する屈折率をｎ _１ （ｉ、２）とし、
   前記第２の光学媒質領域のうちのｊ番目の層の厚さをｔ _２ｊ とし、波長λ１の光に対する屈折率をｎ _２ （ｊ、１）とし、波長λ２の光に対する屈折率をｎ _２ （ｊ、２）としたときに、次の３つの式
   

   

   
   但し、Ｃ１とＣ２は波長によらない定数とする
   が成立することを特徴とする光学部品。
2. 前記少なくとも２以上の波長の光束は、第１の波長λ１の光束と、第２の波長λ２の光束とを含み、
   前記第１の光学媒質領域と前記第２の光学媒質領域とはそれぞれ単一の媒質からなり、その厚みをｔとし、
   前記第１の光学媒質領域の第１の波長λ１に対する屈折率をｎ_１(１,１)とし、
   前記第１の光学媒質領域の第２の波長λ２に対する屈折率をｎ_１(１,２)とし、
   前記第２の光学媒質領域の第１の波長λ１に対する屈折率をｎ_２(１,１)とし、
   前記第２の光学媒質領域の第２の波長λ２に対する屈折率をｎ_２(１,２)としたときに、次の３つの式
   ｔ(ｎ_１(１,１)−ｎ_２(１,１))＝Ｃ１×λ１
   ｔ(ｎ_１(１,２)−ｎ_２(１,２))＝Ｃ２×λ２
   |Ｃ１−Ｃ２|＜０．０２
   が成立する請求項１に記載の光学部品。
3. 式 |ｎ_１（１，１）−ｎ_２（１，２）|＜０．３
   を満たす請求項２に記載の光学部品。
4. 前記第１の波長λ１と、前記第２の波長λ２とは、可視光の波長である請求項１に記載の光学部品。
5. 試料を照明する照明光学系と、前記試料の像を結像させる結像光学系とを含む位相差顕微鏡であって、
   前記照明光学系の瞳位置に配置された開口と、
   前記開口と共役な位置に配置された位相板と、を含み、
   前記位相板は、
   少なくとも２以上の波長の光束が入射する入射面と、入射した光束の位相を変化させて出射する出射面とを含み、かつ、
   前記入射面と前記出射面との間に沿って並設された少なくとも２つの光学媒質を含む光学媒質体を有し、
   前記光学媒質体は、
   前記少なくとも２以上の波長の光束の各々について、波長に応じて位相を変化させて出射する第１の光学媒質領域と、
   前記少なくとも２以上の波長の光束の各々について、前記第１の光学媒質領域から出射される光束の位相に対して、位相差が略一定となるように波長に応じて位相を変化させて出射する第２の光学媒質領域と、を含み、
   前記第１の光学媒質領域は、少なくとも１つの光学媒質層からなり、
   前記第２の光学媒質領域は、少なくとも１つの光学媒質層からなり、
   前記第１の光学媒質領域のうちのｉ番目の層の厚さをｔ _１ｉ とし、波長λ１の光に対する屈折率をｎ _１ （ｉ、１）とし、波長λ２の光に対する屈折率をｎ _１ （ｉ、２）とし、
   前記第２の光学媒質領域のうちのｊ番目の層の厚さをｔ _２ｊ とし、波長λ１の光に対する屈折率をｎ _２ （ｊ、１）とし、波長λ２の光に対する屈折率をｎ _２ （ｊ、２）としたときに、次の３つの式
   

   

   
   但し、Ｃ１とＣ２は波長によらない定数とする
   が成立することを特徴とする位相差顕微鏡。

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