JPS587123A - 高解像結像光学系 - 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】 本発明は補助照明系により照明された物体の像を形成す
るための結像光学系で特に結＠性能の改良された尚解像
結像光学系に関するものである。

郭 例えば顕微ｉ、ＩＣプリンター、輪廓投影器等の光学系
のように補助照明系を用いて物体を照明し、その物体ｆ
象を対物レンズを含む結像光学系に形成せ［−める場合
に分解能をあげるための手段として次の方法が用いられ
て外た。その一つとして例えば顕微Ｑ等の対物レンズで
行なわれている開ａＲ（Ｎ、　Ａ、　）を大きくする方
法がある。［〜かじながら長い間の改良の結果、対物レ
ンズのＮ、Ａ、はほぼ限界に近いところ１で大きくなり
、現在以上にＮ、Ａ、の大きな対物レンズを設ｈ１゛す
る（では非常に大きな困難が伴う。そこで結像−ｙｃｔ
学糸のみでなく、照明系の改良に眼が向けられた。即ち
一般に上記のような補助光学系を備えた光学系の分解能
は照明系のコヒーレンズに依存するために、照明方法の
改良が分解能の向上に寄与するからである。このことを
利用して分解能の向上をはかった照明方法を用いたもの
として輪帯照明系が知られている。それは通常、顕微鏡
等において開口絞りを醸く位置に輪帯伏開１−１絞りを
配置し、この輪帯状開［］絞りを二次光源として物体を
照明する方法である。しかしこの輪帯照明線は、一般に
高周波応答を増加させる反面、低周波応答を低下させる
ので像のコントラストの低下を招く。

したがって生物物体のようにコントラストの低い物質の
微細構造を観察する上では効果を発揮し得す、実質的に
高解像の結像が得難い欠点を有している。

本発明の発明者（ハ、先に上記の欠点を除去した高解像
の光学系を提案１〜特願昭５４−８８４２８号（特開昭
５６−１２６１５号公報参照）として出願した。

それは第１図に示すような構成の光学系で、コンデンサ
ーレンズ２の前側焦点面近傍に輪帯開口絞り１を配置し
、これを光源（図示してない）により図面左側より照明
することによってこの輪帯開口絞りの開口を二次光源と
しコンデンサーレンズ２を介して物体面３を照明する。

このようにして物体を照明した照明光のうち物体にて回
折されずに直接対物レンズ４に入射した光（０次回竹光
）が輪帯開口絞りｌの像を形成する位置に輪帯状吸収フ
ィルター５を配置し、この輪帯状吸収フィルター５によ
って適当に弱められた０次回竹光と物体による１次、２
次、・１・１の回折光とによって予定結像面６に物体像
を形成するようにしたものである。このような構成の光
学系によれば低周波領域から高周波領域（空間周波数）
まで高い応答を示し、高解像結像が得られることが明ら
かにされた。

本発明の目的は、以上のようｆｔ？ｔｆ＋解像結像系を
更に改良し一層高解像な結像光学系を提供することにあ
る。

以下本発明の結像光学系の詳細な内容を説明する。光学
系の構成は第１図に示す従来の高解像光学系と類似する
ものであって、従来の光学系では輪帯フィルターとして
０次回竹光を吸収して減させるのみの作用を有するもの
を使用していたが、本発明の光学系ではこのフィルター
としてＯ次回折光を吸収すると共に位相の変化を与える
ものを用いたもので、これによって一層よい解像力を与
えるようにしたものである。

次にその理由を説明する。第１図の光学系において物体
像の強度分布Ｉ（ｖ）は次の（１）式によって与えるこ
とが出来る Ｉ　（ｖ）−ガＴ　（ｘ、、ｘ２）　ａ　（ｘｌ）Ａ（
ｘ２）ｅｘｐ（２π＋ｖ（ｘｌ−ｘ２）’：Ｉｄｘ１ｄ
ｘ２　（１）上記の（１）式で７間は物体スペクトルを
、賛は複素共役を我す。又Ｔ　（Ｘ＋、Ｘ２）　は下記
の（２）式で表されるものである。

Ｔ砧＋　７２　＞　＝　ｆ　ｓ苺ｐ附７１）ｐ”箔が）
的　　　　（２）ただしｓｉは輪帯絞りの輝度分布、ｐ
６は対物レンズの瞳関数である。尚輪帯フィルターの特
性はｐ固に官まれて−ると考える。

上記（１）、（２）式では２次元的な表示をベクトルで
懺わし、文物体および像平面上の座標は回折単位で、さ
らに瞳上の座標は最大半径が１であゐように規格化して
表している。

今（１）式の特注を空間周波数領域で考えるためフーリ
エ変換すれば次の式（３）のようになる。尚これ以後フ
ーリエ変換した量には〜を付して表しである。

Ｔ閏−ｆＴし＋７）τρ十マ）ｉ“ダ）ｄマ　　　　　
　（３）ここで物体スペクトルが輝線スペクトルを有し
次の（４）式で異わされるとする。

１品−δ間＋π間　　　　　　　　　　（４）ただ１−
８間　はデルタ−関数である。

この時には（３）式は次の（５）式のようになる。

１間−′ｒダ０）δ閏＋官間Ｔ閲０）十官資−マ）Ｔ（
ｏ、−マ）＋／Ｔ　（ｘ＋ｘ、ｘ　）　１）　（Ｘ＋Ｘ
　）ｂ　（ｘ　）　ｄｘ’　　　　　　（５）上の（５
）式においてＩｂ（Ｘ）Ｉが小さく、１τ（マ）１２（
１′σ（マ）１である場合には（５）式の第４項は無視
出来ると考えられるので（５）式は次の（６）式のよう
になる。

丁団＝Ｔり、０）δｉ＋ｂｉＴｉ、ｇ）Ｉｂ”（−マＩ
Ｔ（ｏ、−マ）（６）すなわち光学系は線型とみなすこ
とが出来る。

このような系は明るい背景中に小物体が存在する場合や
、大きな物体でも低コントラスト或は低位相物体の場合
等には成立する。それ以外でも一般的に明るい背景中に
物体が存在するような場合には近似的に成立していると
みなせる場合が多い。

今輪帯スリットの輝度分布および対物レンズの瞳関数が
光軸に対称であるとすると（２）式から次の（７）式が
得られる。

Ｔ（ｏ、−ｘ）−Ｔ　（ｘ、　ｏ）　　　　　　　　　
　（７）又物体の複素振幅分布ａ　（ｕ）を位相φ　（
ｕ）が小さいと［７て ８間−（１・・閏）・１φ同 ≠　１＋。閏＋ｉ、閏 ＝　　ｌ＋ｂ閏　　　　　　　　　　　　　（８）と書
けば次の（９）式、（１０）式が成立つ。

言問−言間＋１１団　　　　　　　　（９）Ｔ＊　＜−
笥一τ間−１１間　　　　　　　　（ｔ　ｏ）したがっ
て（７）、（９）、（１０）式を（６）式に代入すれば
次の式が得られる。

丁Ｒ−Ｔ（”ｌ　ｏ＞δＬ２ｃｌＲｅＴｉｏ）−ｚｉ？
１Ｉｒｎｒｉｏ）　まただしＲｅ、工ｍは夫々実数部分
、虚数部分を示すオペレーターである４゜ なお、（８）式において ９間−（１＋Ｃ問）φ間　　　　　　　　　（１２）ジ であり、又ｃ　　（ｕ）は、明る背景中に存在する小物
体のような場合には物体の存在する領域においてのみ値
を有し、 であると考えればよい１゜ ここで顕微鏡試料のような物体の特注を考えると、物体
がその周囲と同じ屈折率を持つとは考えられず、たとえ
明暗物体（振幅物体）であっても少館゛であるとはいえ
周囲と位相差を有するのが一般的である。しかも周囲よ
り位相が遅れるのが普通である。

したがって、今物体の位相をφ　（Ｕ）＝−φ′−一定
と仮定し、ＩｍＴ　（（１，０）　−〇　　を考慮に入
れると、（１１）式は次の（１４）式のように変形でき
る。

Ｔｉ−Ｔ　Ｕｊ、　ｏ＋δ７４　＋２ｃ　１（１４ｑ”
　ｇ、　０　）＋φ’ＩｍＴ？Ｍ’、０））　（１４）
ここでＴ（ｘ）は像の強度分布Ｉ　（ｖ）の７−リエ変
換であって、空間周波数領域における像のスペクトル分
布を衣わしているから、これを適当に規格化すればレス
ポンス函数と類似のものとなる。これが低周波領域で大
きければコントラストが増Ｌ、又高周波領域で大きけれ
ば像のシャープさが増大する。したがってこれらが大き
ければ分解能は増大する。

（１４）式からγ（マ）はＴ（マ、０）δ　（マ）と２
０　　（ｘ）　Ｒ（ｘ）　　との和であるから２Ｃ（Ｘ
）Ｒ（Ｘ）が大きい方が分解能が増大すると云える。し
かしＣ（Ｘ）は物体によって決まるので、それ以外で調
整出来るのはＲ（ｘ）であり、Ｒ（ｘ）が大きい方が望
ましい。

１−たがって高解像顕微鏡用の輪帯フィルターとしては
次の（１５）式で与えられるＲ　（ｘ）が大きくなるよ
うな特性を有することがより望ましいと考えられる。

ＲＨ−ＲｅＴ　Ｅ、ｏ）＋φ′工ｍＴ（マ、０）　　　
　　　（１５）上記（１５）式のうち第２項中のＩｍＴ
（Ｘ、Ｏ）はフィルターが位相シフトを与えない時には
Ｏであり、位相シフトを与えるような特性の時に値を有
する。したがって高解像顕微鏡用の輪帯フィルターとし
ては単にＯ次回折光の強度を弱めるだけでなく位相シフ
トも適切に与えるもの（９） が有効であると考えられる。なお、この場合、前述のよ
うに位相の遅れる物体に対してはφ（Ｕ）＝−φ′であ
るので（１５）式からＩｍＴ（ｘ。

０）が正であることが、Ｒ（ｘ）を大にすることになり
、又、逆に位相の進む物体に対してはＩ、１１Ｔ　（ｘ
、　　０）が負でちることがＲ（ｘ）を大にすることに
なる。したがって、物体の位相が遅れるような時にけＯ
次回折光の位相を進めるように、又実際にはまれではあ
るが物体の１位相が進んでいるような時には、０次回指
光の位相を遅らせるように位相シフトｉを与えるのがよ
いＯ 今−例として振幅透過率が犬で幅が無限小の輪帯フィル
ターがレンズの瞳の最周辺におかれているような場合を
考える。

このような時に、（２）式を考慮して（１５）式のＲ（
Ｘ）　を求め、これをＴ　（０，０）＝２πｔ２で規格
化したものＲ（ｘ）を考えると、空間周波数Ｘがｘ）Ｑ
の時次のように衣わせる。

Ｒ（ｘ）　＝　−’−（ｃｏａθ＋φ’ａｌｎθ）πｔ
（１６） （１０） したがってフィルター位相シフトを与えないθ−〇の時
とを比較すると、輪帯フィルターに次のような位相シフ
トを与えた方が位相シフトを与えない時よりも優れてい
ると考えられる。

１（ｃｏｓθ＋φ’ｓｉｎθ　　　　　　　　　　　（
１７）この式（１７）けθ＜　２　ｊａｎ”−”φ′の
時に成立つ。

第２図、第３図は以上のことをシミュレーションによっ
て確かめたものである。これら図のうち第３図は強度透
過率が第２図に示すような値をもち、しかも位相がその
周囲より０１π遅れているような二つの小円板状の物体
を仮定し、又幅が小さく強度透過率が０．３０輪帯フイ
ルターをレンズ瞳周辺に置いた時に得られる保時性を位
相シフト量θの異なる三つのフィルターに対して計算し
たものである。

！を算は（１）式を用いて行ってあり、第３図のうち曲
線Ｂはθ＝０＜（位相・シフトなし）、曲線Ｃはθ−Ｚ
、　ｌ）はθ＝７３″の場合である。又曲線（ｌ　ｌ） Ａは輪帯フィルターを用いない場合で輪帯照明のみの保
時性であって、参考のために示したものである。

第３図から明らかなように輪帯フィルターを用いた高解
像顕微鏡において、位相シフトを与えない時の曲線Ｂよ
りも、位相シフトを適切に与えた時の曲線Ｃの方がコン
トラスト、解像力ともにすぐれている。つまり図示する
例のうちでθが−の場合が最もすぐれている。物体の位
相は物体毎に異なっておりそれによって望ましいθの値
も異なるが、θは小さい方が良く１θ１π く−が一般的には望ましい。

　６ 以上説明したように、物体が位相をもつような場合には
高解像顕微鏡において輪帯フィルターが牟なる吸収を与
えるだけでなく位相シフトも適切な量だけ与える方がよ
りよい理由が明らかになったと考えるが、このことは次
に説明する理由から実用上もすぐれていることがわかる
。

今、明暗構造がなくｆＣだ小さな位相変化のみを有する
位相物体の像を考える。

（１２） この場合は（８）式１ｃおいてＣ（ｕ）＝Ｏ１又（１２
）式からｃｌ＜ｕ）、＝φ（ｕ）であるから（９）式、
（１０）式は夫々 ３間−１”；ｉ＜ｘ）、釣−マ）−＝”’；ｊ；閏とな
る。これらの式を（６）式に代入すれば次式が得られる
。

γ１＝ｒ（ｘ、ｏ）δｉ−２”ｉｉｘｍＴＥ、ｏ）（１
８）即ちＩｍＴ（Ｘ、０）かＯでなく値を有すれば位相
物体を可視化することができる。

ＩｍＴ　（ｘ、　　０）を最大にするためには輪帯フィ
ルターにθ＝７　　の位相シフトを与えればよいが、こ
れは位相差顕微鏡そのものである。

θ＝７７、　　でなくとも少しでも位相シフト量があれ
ば（１Ｂ）式のＩｍＴ　（Ｘｓ　　Ｏ）は値を有するこ
とになる。したがって本発明におけるように第１図のよ
うな構成の篩解像顕′＃鐘において若干量でも位相シフ
トを与えるような輪帯フィルターを使用すれば振幅物体
に対して高解像力を得るのみでなく、位相シフトを与え
ていない時には見えないような位相物体に対しても物体
構造の（１３） 観察が可能となるような利点が生ずる。

以上説明したように本発明の結像光学系は簡単な構成で
、従来の高解像光学系より一層高解像力が得られ、又、
位相物体の観察も可能となる等の効果を有するものであ
る。

【図面の簡単な説明】

＄１図は高解像結像光学系の構成を示す図、第２図およ
び第３図は夫々物体の強度透過率分布とその物体に対す
る保時性を示す図である。 １：輪帯状開口絞り　２：：ｒンデンサーレンズ３：物
体面　４：対物レンズ　５：輪帯状フィルター 出願人　オリンパス光学工業株式会社 代理人　　　　向　　　寛　　二 （１４） 第２図 Ｉ□Ｖ −一−，Ｌ、−一一 −４−３−２−１０１２３４ 第３図 １ １−、　　　−　　、−ｔ−ｍ　　　　Ｌ、−ｆ−、−
４−−４−３−２−１０１２３４ 手続補止岩（自発） 昭和５６年７月、３／日 特πｒ庁長官　殿 １事件の表示 昭和５６年特許願第１０４３６１−弓 ２発明の名称 高解像結像光学系 ３補正をする者 事件との１ダ１係特Ｗ（出願人 東京都渋谷［メ幡ケ谷２−４３−２ 代表取締役　北　村　茂　男 ４、代　理　人 東京都港区虎）門２−５−２　　窪ｌＴ＋１園ビル（７
５８６）弁理士　向　　　　寛　二　　　し二゛５補正
の対象 明細用の発明の詳細な説明の（閘 ６、補−Ｗの内容 （１）明細」（２頁８行［し１．・よひ０行［１の［１
寸、Ａ、−１を「Ｎ　、　　Ａ　、　　ｊにＭｌＷｌ゛
る。 （２）　明細４）２頁１４　’？ｊ「Ｉの「コヒーレン
ズ」をＩ゛コヒーレンスに７１１市−４−る。 （３）明細１−１ｔＦ　４頁１に右１“１の「減させる
−１をｒ減少させる」にｔ打止する・・ （４）　明細書５両７１行１１の を 「］（Ｖ）＝／−、／−Ｔ（Ｘ＋＋Ｘ２）ａ（ｘ＋　）
）１　　（Ｘ２　）ｏｘｐ〔２π］ｖ、（ｘｌ−Ｘ２）
］ｄＸ１ｄＸ２　、ｊに計重する。 （５）　　明細せ）−５頁２０　？’−ｊ川−１用を Ｉｆ’　　Ｔ（Ｘ）＝、／Ｔ（Ｘ’　　トｘ、ｘ’　　
）ａ（ｘ’　　１ｘ）ａ、　　（ｘ’　　）ｄｘ′　−
１に訂ｉＦＯ，する。 （６）明細書８頁１６行乃至９頁９行の「ここで■（ｘ
）は・・・・望ましい。」を次のように訂正する。 ｒここでＩ　（ｘ）は像の強度分布１：　（ｖ）のフー
リエ変換であって、空間周波数領域における像の布のス
ペクトルを表わしていることを考慮するとＲ（ｘ）　−
ＲｅＴ（ｘ、ｏ）＋φ’　ＩｍＴ　（ｘ、ｏ）は、これ
を適痛に規格化すればレスポンス函数と類似のものとな
る。」 （７）明細１−１０頁２０行目の 「□’（ＩＸＩ）＝−’−（。。８θ＋（Ａ’ｓｉｎθ
）、に訂正πｔ （３） （９）明細書１３頁４行目の 「π（〜バーー・ｊ市」を「π−５）−・１品」に訂正
する。 ００）明＃Ｉ書Ｊ３頁７行目の （４）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　　コンデンサーレンズの前側焦点近傍に配置さ
   れた輪帯状開口絞りと、コンデンサーレンズと対物レン
   ズＱて関する前８己輪帯状開口絞りの共役位置に配置さ
   れＯ次回折光の一部を吸収すると共に物体の平均位相差
   をφとした時０次以外の回折光に対しθ（２ｔａｎ””
   ’φの位相の進みを与えるようにした輪帯状フィルター
   とを備えた高解像結像光学系。
2. （２）　　θく−である輪帯状フィルターを備えた特　
   ６ 許請求の節回（１）の高解像結像光学系。