JPH04352116A - 位相差顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、輪帯状照明手段とゾー
ンプレートから成る対物レンズとを備えていて、位相物
体の観察や計測等に用いられる位相差顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の位相差顕微鏡では、輪帯照明手段
と、その輪帯に対応する部分の位相が四分の一波長ずれ
るような位相膜を施した瞳を有する対物レンズとが用い
られている。図４は従来の位相差顕微鏡の基本構成を示
しているが、図４及び５において、１１は光源、１２は
コレクターレンズ、１３は輪帯照明を行うためのリング
状開口１３ａを有するリングスリット、１４はコンデン
サーレンズ、１５は物体、１６は対物レンズ、１７は対
物レンズ１６の瞳位置又はその近傍に配置されていてリ
ングスリット１３の開口１３ａに対応するリング状部分
にそこを透過する投影光の位相を他の部分に対して四分
の一波長ずれるようにするための位相膜１７ａを施して
成る位相板、１８は像面である。

【０００３】近年、軟Ｘ線領域の波長（数Å〜数百Å）
を用いた顕微鏡が注目されている（例えば、レーザー研
究第１８巻，Ｎｏ１０，Ｐ１〜１０９，社団法人レーザ
ー学会）。この領域の光は波長が短いために高分解能が
期待でき、又光のエネルギーが高いため被検物体との間
の相互作用により新しい情報が得られる等の利点がある
が、この領域の光に対する物質の屈折率は殆ど１で、可
視光領域では顕著に現われる光の反射や屈折等の現象が
起きず、又物質による光の吸収も大きいため、可視光領
域で通常使われる屈折型のレンズは使われず、レンズ（
結像素子）としては全反射を利用する斜入型の反射鏡や
多層膜を用いて反射率を向上させる直入型の多層反射鏡
や回折現象を利用するゾーンプレート等が用いられる。

【０００４】図６はゾーンプレートを用いた従来の顕微
鏡の基本構成を示しているが、図６及び７において、２
１はレーザープラズマ光源や放射光等の高輝度光源、２
２は分光器の働きも兼ねるコンデンサーゾーンプレート
、２３は直接光が物体に当らないようにするための遮光
板、２４はゾーンプレート２２により分散せしめられる
光の中から使用する波長の光を選択するためのピンホー
ル、２５は観察物体、２６は対物ゾーンプレート、２７
は像面である。コンデンサーゾーンプレート２２及び対
物ゾーンプレート２６は図７に示した如く多くの同心状
の回折格子パターンを有する板部材である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ゾーンプレートでは、
結像に寄与する光量は入射光量の１０％であり、コンデ
ンサーゾーンプレート２２の効率をも考慮すると１％に
減ってしまう。このため、回折効率の良い位相型のゾー
ンプレートも提案されていて、これによれば回折効率は
４０％程度ではあるが、物質による光の吸収があるため
、実際にはこの値は得られない。

【０００６】一方、このタイプの顕微鏡では位相差観察
を行うために、直接光と物体による回折光との間に位相
差を与える透過型の位相板を用いると光量は著しく低下
してしまう。今、物質の複素屈折率

【数１】 をｎ＋ｉδ（実数部ｎは位相を、ｉは虚数単位を、δは
吸収を夫々表わす）とすると、物質の厚さをｄとしたと
き、物質を透過した光と真空中を通過した光との間の光
路差は（ｎ−１）ｄであり、透過率ｔはｅｘｐ（−４π
δｄ／λ）となる。従って、位相膜用の物質としては、
屈折率の実数部はできるだけ１より離れており且つ虚数
部は小さい方が望ましく、四分の一波長の位相差を作る
のに必要な物質の厚さｄはλ／（４｜ｎ−１｜）、透過
率ｔはｅ×ｐ（−πδ／｜ｎ−１｜）である。以下に幾
つかの具体例を示す。

【数２】

【０００７】このように、四分の一波長の透過型の位相
膜を用いると透過率が半減してしまう。上記の具体例は
、真空中での値を示しているが、実際には位相膜を支え
る基盤（薄膜）が必要になり、その基板の吸収も加味さ
れるので透過率の低下は更に大きくなる。

【０００８】本発明は、上記のような従来技術の問題点
に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは
、吸収型の位相膜を用いることなく位相観察を行うこと
のできる位相差顕微鏡を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明における位相差顕
微鏡は、物体を照明する輪帯状の照明光束を発生する照
明手段と、物体像を形成するゾーンプレートから成る対
物レンズとを備えた顕微鏡において、前記ゾーンプレー
トの前記輪帯状照明光束の直接光が照射される部分の回
折格子が他の部分の回折格子に対して、回折光の波面が
四分の一波長ずれるようにゾーンプレートの面内で偏位
していることを特徴とするものである。

【００１０】

【作用】以下、図１及び図２に基づいて本発明の原理を
説明する。図１はゾーンプレートによる結像の様子を示
す図である。ゾーンプレートは図７にも示したように、
同心円状の透明・不透明パターン即ち回折格子を形成し
、透明部分を透過した光の波面同志を重ね合わせて干渉
させることにより結像作用をもたせたものである。図１
ではゾーンプレートの一つの断面を描いてあるが、ここ
では一つの輪帯の両端での位相差がλ／２になるように
同心状パターンを形成したもの、即ちλ／２毎に干渉に
より結像作用を示すものを例示してある。一般には、ゾ
ーンプレートはλ／ｍ毎の干渉により結像作用を持つも
のを得ることができる。

【００１１】ここで各同心円のｎ番目の境界線の半径を
γｎ　とし、その大きさを求める。ゾーンプレートに平
面波が入射し、それが球面波に変換される場合、光軸を
ｚ軸とし、ゾーンプレートが原点にあるとすると、波面
　　　　（ｚ−ｆ）２　＋γｎ　２　＝（ｆ＋ｎλ／２
）２　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
（１）と、ｚ＝０との交点が同心円の境界の半径γｎ　
を与える。但し、ｆはゾーンプレートの焦点距離である
。式（１）より、 　　　　γｎ　２　＝ｆｎλ（１＋ｎλ／４ｆ）　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　（２）通常ｎλ≪４ｆの関係が成立するので、式（
２）の括弧内の第二項を省略でき、

【数３】 となる。図１においてゾーンプレートの遮光部６ａは、
位相差λ／２を持つ透明体でもよい（位相型ゾーンプレ
ート）。以上のようなゾーンプレートの性質を利用する
と、ゾーンプレート自身に位相差観察のための位相をず
らす作用を持たせることができる。

【００１２】図２はゾーンプレートの一部を拡大したも
のである。この図において、黒く示したのは図１即ち通
常のゾーンプレートの遮光部の位置である。本発明では
、斜線で示したように、位相膜に相当する作用を持たせ
たい部分において、遮光部と透明部の同心円の境界線を
、透明部と遮光部とを一組みとしたパターンのピッチの
１／４ずつ内側へずらしてある。このような構成のゾー
ンプレートに平面波を入射させると、出てくる球面波の
波面が四分の一波長だけずれる。

【００１３】一般に波面の位相がｍλずれると、波面の
式は式（１）の代わりに 　　　　（ｚ−ｆ）２　＋γｎ　２　＝（ｆ＋ｎλ／２
＋ｍλ）２　　　　　　　　　　　　　　　　　（４）
となるｚ＝０の交点がリングの境界の半径γｎ　である
から式（４）は、 γｎ　２　＝ｆｎλ（１＋２ｍ／ｎ＋ｎλ／４ｆ＋ｍ２
　λ／ｆｎ＋ｍλ／ｆ）（５）式（５）において、ｎλ
≪４ｆ，ｍ２　λ≪ｆｎ，ｍλ≪ｆより、

【数４】 となる。ｍ＝１／４の場合

【数５】 が得られる。

【００１４】以上のように、光の波面を四分の一波長分
ずらすためには式（７）で示された位置に同心回折格子
の境界線をずらせばよい。従って、従来の位相差顕微鏡
に設けられた位相膜の代わりに、対物レンズのゾーンプ
レートの中の輪帯照明光の直接光が入射する部分の同心
円の境界線の位置を変位させれば、位相膜と同等の作用
を持たせることができる。なお、波面のずれる向きが逆
の場合は、ｍ＝−１／４となり、このときには

【数６】 となる。又、位相は相対的なものであるから、基本とな
るゾーンプレートの構成が式（７）又は（８）で表わさ
れるもので、位相膜に相当する部分が式（３）で表わさ
れるようなゾーンプレートでも同様の効果を得ることが
できる。要は、位相膜に相当する部分とそうでない部分
との間に、式（３）と式（７）又は（８）との差に相当
する同心パターンのずれが存在すればよいのである。

【００１５】

【実施例】図３は本発明に係る位相差顕微鏡の光学系の
一実施例を示している。図中、１はレーザープラズマ光
源や放射光等の高輝度光源、２は光を物体上に集光させ
るためのコンデンサーゾーンプレート、３は輪帯照明用
の遮光板、４は分散した光の中から観察に使用する波長
の光を取り出すためのピンホール、５は観察物体、６は
位相膜に相当する部分の回折格子が四分の一波長ずれる
ように、即ちその上に投影された遮光板３の開口３ａの
像の部分６ａの回折格子が他の部分の回折格子に対して
回折する波面が四分の一波長ずれるように作られた対物
ゾーンプレート、７はＭＣＰ（マイクロチャンネルプレ
ート）やＣＣＤ等の画像検出器が置かれる像面である。 なお、コンデンサーゾーンプレートは遮光板３に対応す
る部分にのみ回折格子を設けられたものでもよい。なお
、ゾーンプレートは位相型でもよい。

【００１６】

【発明の効果】上述の如く本発明によれば、ゾーンプレ
ートの境界をずらすだけであるから、光量の減少は伴わ
ず、軟Ｘ線領域においても好適に使用し得る位相差顕微
鏡を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ゾーンプレートによるＹ−Ｚ平面上における結
像作用を説明するための図である。

【図２】図１の一部を拡大して示した図である。

【図３】本発明による位相差顕微鏡の光学系の一実施例
を示す図である。

【図４】従来の位相差顕微鏡の光学系の一例を示す図で
ある。

【図５】図４に示された光学系に用いられているリング
スリットの正面図である。

【図６】従来の位相差顕微鏡の光学系の他の例を示す図
である。

【図７】図６に示された光学系に用いられている対物ゾ
ーンプレートの正面図である。

【符号の説明】

１，１１，２１　　　　光源 ２，２２　　　　　　　　　　コンデンサーゾーンプレ
ート３，２３　　　　　　　　　　輪帯照明用の遮光板
４，２４　　　　　　　　　　ピンホール５，１５，２
５　　　　観察物体 ６，２６　　　　　　　　　　対物ゾーンプレート７，
２７　　　　　　　　　　像面

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　物体を照明する輪帯状の照明光束を発
   生する照明手段と、物体像を形成するゾーンプレートか
   ら成る対物レンズとを備えた位相差顕微鏡において、前
   記ゾーンプレートの前記輪帯状照明光束の直接光が照射
   される部分の回折格子が他の部分の回折格子に対して、
   回折光の波面が四分の一波長ずれるように、ゾーンプレ
   ートの面内で偏位していることを特徴とする位相差顕微
   鏡。