JP6182005B2 - Optical resolution improvement device - Google Patents
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Description
本発明は、レーザー光の照射により表面状態のプロファイルや細胞等の表面状態の計測や観察を極めて高い分解能で実現させる光学的分解能向上装置に関し、顕微鏡等の光学機器の分解能を向上するのに好適なものである。 The present invention relates to an optical resolution enhancement equipment to achieve a very high resolution measurement and observation of the surface conditions, such as the profile and cell surface state by irradiation of a laser beam, to improve resolution of an optical instrument such as a microscope It is suitable for.
微少なものを高精度に測定したり観察したりするには、周波数の異なる2つのレーザー光を干渉させて、その差の周波数のビート信号を作成し、このビート信号の位相変化を検出することで、被測定物を測定や観察することが考えられる。 In order to measure and observe minute objects with high accuracy, two laser beams with different frequencies are made to interfere, a beat signal of the difference frequency is created, and the phase change of this beat signal is detected. Thus, it is conceivable to measure and observe the object to be measured.
そして、下記特許文献1の特開昭59−214706号公報には、音響光学素子を用いて異なる波長からなる2つのビームを隣接して発生させ、これら2ビーム間の位相変化を検出し、その位相変化を累積して表面プロファイルを得る方法が開示されている。しかし、この特許文献1の技術では、ビームプロファイル内の情報を引き出すことはできず、面内であるビームプロファイル内の分解能を高くすることは出来なかった。 In Japanese Patent Application Laid-Open No. 59-214706 of Patent Document 1 below, two beams having different wavelengths are generated adjacent to each other using an acousto-optic device, and a phase change between these two beams is detected. A method for accumulating phase changes to obtain a surface profile is disclosed. However, in the technique of Patent Document 1, information in the beam profile cannot be extracted, and the resolution in the beam profile that is in the plane cannot be increased.
他方、従来よりDPC(Differential Phase Contrast)法と呼ばれる手法が知られている。これは、最初Dekkers and de Langにより電子顕微鏡に適用された技術であり、その後、Sheppard and Wilson等により光学的顕微鏡への拡張がなされた技術である。このDPC法は、試料に照射された電磁波に対してファーフィールドであって、電磁波の照射軸に対して対称に配置されたディテクタ同士で検出した0次回折光と1次回折光との干渉の結果の差動信号を求めることにより、試料のプロファイル情報を得るものである。しかし、このDPC法も空間周波数が高くなると、これら0次回折光と1次回折光とが干渉できなくなり、その空間周波数が再現されない結果として、測定ができなくなることがあった。 On the other hand, a technique called a DPC (Differential Phase Contrast) method has been conventionally known. This is a technique that was first applied to an electron microscope by Dekkers and de Lang, and was later extended to an optical microscope by Sheppard and Wilson et al. This DPC method is a far field with respect to the electromagnetic wave irradiated to the sample, and is a result of interference between the zeroth-order diffracted light and the first-order diffracted light detected by detectors arranged symmetrically with respect to the irradiation axis of the electromagnetic wave. By obtaining the differential signal, the profile information of the sample is obtained. However, in this DPC method, if the spatial frequency becomes high, the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light cannot interfere with each other, and as a result, the spatial frequency is not reproduced, and measurement may not be possible.
つまり、従来の電磁波を用いた結像型の顕微鏡においては、アッべの理論の限界とされる分解能を超えることはできなかった。したがって、光学顕微鏡はもとより、電子顕微鏡においても使用している実質的な波長による限界を打破することは困難であった。 In other words, a conventional imaging microscope using electromagnetic waves could not exceed the resolution that is the limit of Abbe's theory. Therefore, it has been difficult to overcome the limitations due to the substantial wavelength used not only in the optical microscope but also in the electron microscope.
ここで、結像光学系を用いた従来の顕微鏡における対物レンズのOTF特性について、以下に説明する。
結像光学系を用いた従来の顕微鏡においては、対物レンズにて捉える測定対象物の空間周波数の1次回折光の成分と0次回折光の成分とが干渉して像形成を行うため、対物レンズの開口に1次回折光が入射されないと、その空間周波数は再現されないことになる。他方、低い周波数から高い周波数に至るにつれてその1次回折光の回折角は次第に大きくなるので、対物レンズに入力される1次回折光の量が減っていくことになる。その結果として、1次回折光が入力されない周波数がカットオフになり、低い周波数から高い周波数に至る途中で、変調度が次第に落ちていくようになる。
Here, the OTF characteristic of the objective lens in the conventional microscope using the imaging optical system will be described below.
In a conventional microscope using an imaging optical system, the first-order diffracted light component and the zero-order diffracted light component of the object to be measured captured by the objective lens interfere with each other to form an image. If the first-order diffracted light is not incident on the aperture, the spatial frequency is not reproduced. On the other hand, since the diffraction angle of the first-order diffracted light gradually increases from a low frequency to a high frequency, the amount of the first-order diffracted light input to the objective lens decreases. As a result, the frequency at which the first-order diffracted light is not input is cut off, and the degree of modulation gradually decreases in the middle from the low frequency to the high frequency.
以上が対物レンズのOTF特性であり、したがって、結像系においては対物レンズに入力される1次回折光には自ずと限界があるので、再現される対称物の空間周波数に関連して分解能も自ずと限界があることになる。 The above is the OTF characteristic of the objective lens. Therefore, in the imaging system, the first-order diffracted light input to the objective lens is naturally limited, so the resolution is naturally limited in relation to the spatial frequency of the symmetrical object to be reproduced. There will be.
以上の定性的な説明を定量化して、以下に詳細に説明する。
図13のように開口半径がaで焦点距離がfの対物レンズ11に平行光束が入射しているとする。なお、図13においては、照射光軸を光軸L0で表し、この光軸L0に対して角度Θだけ傾く傾斜光軸を光軸L1で表している。通常の結像を用いた顕微鏡では、図13のように光束が試料Sを透過する透過型となるが、光束が試料Sで折り返される反射型として考えてもよい。また、式を簡単にするために、1次元の開口として扱う。
The above qualitative explanation is quantified and explained in detail below.
As shown in FIG. 13, it is assumed that a parallel light beam is incident on the
また、簡単のために試料Sが高さhでピッチdの正弦波状の形状をしているものとする。すなわち、光学的な位相θが以下の式で表される。
θ=2π(h/λ)sin(2πx/d)・・・・・(1)式
試料Sから回折された光の振幅Eは、焦点距離fだけ離れた面において、(1)式のフーリエ変換とレンズの開口とのコンボリューションとして、与えられるので、以下のように表される。ただし、(1)式の位相のフーリエ変換であるベッセル関数は、±1次まで取るものとする。
For simplicity, it is assumed that the sample S has a sine wave shape having a height h and a pitch d. That is, the optical phase θ is expressed by the following formula.
θ = 2π (h / λ) sin (2πx / d) (1) Equation The amplitude E of the light diffracted from the sample S is the Fourier of the equation (1) on the plane separated by the focal length f. Since it is given as a convolution of the transformation and the aperture of the lens, it is expressed as follows. However, the Bessel function that is the Fourier transform of the phase of equation (1) is assumed to be ± 1st order.
ここで、(2)式のフーリエ変換が結像に寄与する。
したがって、強度Iは下記(3)式のようになる。
Here, the Fourier transform of equation (2) contributes to imaging.
Accordingly, the intensity I is expressed by the following equation (3).
この式の意味するところは、d=λf/2a=0.5λ/NAより小さいピッチの情報は欠落するということであるが、これは、矩形開口のビーム径(sinc(ka)=0の最初の暗環半径wは、ka=πを満たすので、w=0.5λ/NAとなる )と一致する。また、d>0.5λ/NAでもdが小さいほど変調度が低下することを意味している。これを1/dの空間周波数と変調度との関係を示せば、MTFとなっている。 The meaning of this equation is that information with a pitch smaller than d = λf / 2a = 0.5λ / NA is lost. This means that the beam diameter of the rectangular aperture (sinc (ka) = 0 The dark ring radius w is equal to w = 0.5λ / NA because ka = π is satisfied. Further, even when d> 0.5λ / NA, the smaller the d is, the lower the modulation degree is. If the relationship between the spatial frequency of 1 / d and the modulation factor is shown, this is MTF.
以上に示したように、通常の結像光学系では、対物レンズ11のNAによって再現される空間周波数のリミットは、必然的にd=λf/2a=0.5λ/NAとなり、この値よりも小さいものは、どのようにしても再現されないことになる。
As described above, in a normal imaging optical system, the limit of the spatial frequency reproduced by the NA of the
この一方、1次回折光の回折に関しては以下のような問題をも有していた。つまり、従来の一般的なスライドガラスを用いて測定対象物を観察した場合、このスライドガラスの表面側だけでなく裏面側も平面であるために、測定対象物を透過してスライドガラス内に入射された1次回折光のスライドガラスと空気との間の境界での空気側への入射角が、臨界角以上のものは、全反射して外部に取り出すことができない。 On the other hand, the diffraction of the first-order diffracted light has the following problems. In other words, when a measurement object is observed using a conventional general slide glass, not only the front side of this slide glass but also the back side is flat, so that it passes through the measurement object and enters the slide glass. If the incident angle of the first-order diffracted light on the air side at the boundary between the slide glass and air is greater than the critical angle, it cannot be totally reflected and taken out.
以下に、従来技術のスライドガラスの問題点について、詳細に説明する。
図14に示すように、レーザー光源10からレンズ11に平行光束が入射し、このレンズ11により集束してスライドガラス172上の測定対象物である試料Sに光束が照射されて、対物レンズ111に試料Sで回折された回折光が入射されているとする。
なお、図14及び図15においては、スライドガラス172に垂直に入射されるレーザー光源10の照射光軸を光軸L0で表す。また、図15において、スライドガラス172内を透過する1次回折光の光軸を光軸L1で表し、この光軸L1における光軸L0に対する角度をα1とする。そして、このスライドガラス172の屈折率をnとする。
以上より、スライドガラス172内からスライドガラス172外へ境界面Bを介して出射される際の1次回折光の入射角がα1とされ、屈折角をα2とすると、屈折の法則により、以下の式が成り立つ。
nsinα1=sinα2
Below, the problem of the slide glass of a prior art is demonstrated in detail.
As shown in FIG. 14, a parallel light beam enters the
14 and 15, the irradiation optical axis of the
From the above, when the incident angle of the first-order diffracted light emitted from the inside of the
nsinα1 = sinα2
ここで、入射角α1がα1<90°で屈折角α2が90°のとき、この入射角α1は臨界角となり、この臨界角以上でスライドガラス172内から境界面Bに入射された1次回折光はすべて反射され、スライドガラス172外に出射されなくなる。例えば、臨界角のときの1次回折光を光線LXで表す。
上記の式から、臨界角は、sinα1=1/nと表され、正確には使用するレーザー光の波長と波長分散を考慮する必要性があるが、簡単のためにn=1.52とすると、α1=41.14°程度となる。以上から、光軸L1と境界面Bとのなす角となる挟角α3が48.86°以下の1次回折光はスライドガラス172内から取り出すことができないこととなる。
Here, when the incident angle α1 is α1 <90 ° and the refraction angle α2 is 90 °, the incident angle α1 becomes a critical angle, and the first-order diffracted light incident on the boundary surface B from the inside of the
From the above formula, the critical angle is expressed as sin α1 = 1 / n, and it is necessary to consider the wavelength and wavelength dispersion of the laser beam to be used. To be simple, if n = 1.52, α1 = 41.14 °. From the above, the first-order diffracted light having the included angle α3, which is the angle formed by the optical axis L1 and the boundary surface B, of 48.86 ° or less cannot be extracted from the
したがって、対物レンズに入力される1次回折光には、スライドガラスの影響もあって自ずと限界があるので、再現される測定対象物の空間周波数に関連して分解能も自ずと限界があることになる。 Therefore, since the first-order diffracted light input to the objective lens is naturally limited due to the influence of the slide glass, the resolution is naturally limited in relation to the spatial frequency of the measurement object to be reproduced.
そこで本発明は、測定対象物を透過した回折光をより確実に受光可能としうる光学的分解能向上装置を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention aims at providing an optical resolution enhancement equipment capable of more reliably received allow diffracted light transmitted through the measuring object.
上記目的を達成させるために、請求項1に係る光学的分解能向上装置は、測定対象物に光束を照射する光源と、
前記測定対象物を透過した光をそれぞれ受光する第1の受光素子及び一対の第2の受光素子と、
前記各受光素子と前記光源の間に配置され、前記光源側の面に前記測定対象物が設置可能とされると共に前記各受光素子側の面に曲面状の表面を有した凸部が設けられたスライドガラスと、
を有した光学的分解能向上装置であって、
前記光束の照射光軸上に位置し、前記測定対象物及び前記スライドガラスを透過した光束を平行な光束に変換する第1のレンズと、
第1のレンズを透過した透過光の内の照射光軸を挟んだ各側部分の光をそれぞれ受光する2つの分割受光素子を少なくとも有する第1の受光素子と、
前記照射光軸に対して第1の受光素子の分割受光素子が受光する各側にそれぞれ傾きを有した傾斜光軸上に位置し、かつ、前記測定対象物及び前記スライドガラスを透過した光束をそれぞれ平行な光束とする一対の第2のレンズと、
第1のレンズから出射された光束と前記各第2のレンズから出射された光束とをそれぞれ干渉させる光学素子と、
該光学素子により干渉された各光束を受光する一対の第2の受光素子と、
第1の受光素子の照射光軸を挟んで位置する分割受光素子間の出力和や出力差および、一対の第2の受光素子間の出力和や出力差をそれぞれ検出する出力和差検出部と、
を含む。
In order to achieve the above object, an optical resolution improving apparatus according to claim 1 includes a light source that irradiates a measurement object with a light beam,
A first light-receiving element and a pair of second light-receiving elements that respectively receive light transmitted through the measurement object;
The measurement object is disposed between each light receiving element and the light source, and the measurement object can be set on the surface on the light source side, and a convex portion having a curved surface is provided on the surface on each light receiving element side. Slide glass,
An optical resolution enhancing apparatus having a
A first lens that is located on the irradiation optical axis of the luminous flux and converts the luminous flux that has passed through the measurement object and the slide glass into a parallel luminous flux;
A first light-receiving element having at least two divided light-receiving elements that respectively receive light on each side portion across the irradiation optical axis of transmitted light that has passed through the first lens;
A light beam that is located on an inclined optical axis that has an inclination on each side on which the divided light receiving elements of the first light receiving element receive light with respect to the irradiation optical axis and that has passed through the measurement object and the slide glass. A pair of second lenses each having a parallel luminous flux;
An optical element that causes interference between the light beam emitted from the first lens and the light beam emitted from each of the second lenses;
A pair of second light receiving elements for receiving each light beam interfered by the optical element;
An output sum difference detection unit for detecting an output sum or output difference between the divided light receiving elements located across the irradiation optical axis of the first light receiving element and an output sum or output difference between the pair of second light receiving elements; ,
including.
請求項1に係る光学的分解能向上装置の作用を以下に説明する。
本請求項によれば、光源から光束がスライドガラスに設置される測定対象物に照射され、この測定対象物を透過した光を受光素子が受光する。この際、受光素子と光源の間に配置されるスライドガラスの受光素子側の面に曲面状の表面を有した凸部が設けられている。
従って、測定対象物を透過するのに伴い生じた回折光が、曲面状の表面を有した凸部から外部に入射されることで、入射角が小さくなって全反射されることなく、スライドガラスから射出される。
The operation of the optical resolution improving apparatus according to claim 1 will be described below.
According to this claim, the light beam is irradiated from the light source onto the measurement object installed on the slide glass, and the light receiving element receives the light transmitted through the measurement object. At this time, a convex portion having a curved surface is provided on the surface of the slide glass disposed between the light receiving element and the light source on the light receiving element side.
Therefore, the diffracted light generated as it passes through the measurement object is incident on the outside from the convex portion having a curved surface, so that the incident angle is reduced and the glass slide is not totally reflected. Is injected from.
以上より、本請求項に係る光学的分解能向上装置によれば、測定対象物を透過した回折光のうち、より高次の回折光を受光素子が取得することができる。この結果として、通常の結像光学系の再現空間周波数では取得不可能な空間周波数をも取得して、光学系の分解能の向上を図ることができる。
この一方、0次回折光および1次回折光の各主光線軸の間に光軸を有する第1のレンズ及び第2のレンズを配置し、測定対象物で回折された0次回折光もしくは1次回折光を平行光束とし、その片方の光に対して、ダブプリズムのような光学素子で像を反転し、さらに0次回折光と1次回折光が重なるようにロンボイドプリズムのような光学素子で平行シフトして、0次回折光と1次回折光を干渉させることが考えられる。
これを1次回折光と0次回折光との間及び−1次回折光と0次回折光との間の2系統で行うことにより、ファーフィールドに配置した2種類の受光素子による和信号や差信号がより大きな空間周波数情報を有することになり、実質的に分解能が一層向上する。
As described above, according to the optical resolution improving apparatus of the present invention, the light receiving element can acquire higher-order diffracted light among the diffracted light transmitted through the measurement object. As a result, it is possible to acquire a spatial frequency that cannot be acquired with the reproduction spatial frequency of a normal imaging optical system, and to improve the resolution of the optical system.
On the other hand, a first lens and a second lens having an optical axis are arranged between the principal ray axes of the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light, and the 0th-order diffracted light or the 1st-order diffracted light diffracted by the measurement object A parallel light beam is used, and the image is inverted with an optical element such as a Dove prism for one of the lights, and is further shifted in parallel with an optical element such as a rhomboid prism so that the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light overlap. It is conceivable that the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light interfere with each other.
By performing this in two systems between the 1st-order diffracted light and the 0th-order diffracted light and between the −1st-order diffracted light and the 0th-order diffracted light, the sum signal and the difference signal by the two types of light receiving elements arranged in the far field are further increased. It will have large spatial frequency information, and resolution will be further improved substantially.
請求項2に係る光学的分解能向上装置の作用を以下に説明する。
本請求項に係る光学的分解能向上装置は、測定対象物に光束を照射する光源と、
前記測定対象物を透過した光をそれぞれ受光する複数の第1の受光素子及び複数の第2の受光素子と、
前記各受光素子と前記光源の間に配置され、前記光源側の面に前記測定対象物が設置可能とされると共に前記各受光素子側の面に曲面状の表面を有した凸部が設けられたスライドガラスと、
を有した光学的分解能向上装置であって、
前記光束の照射光軸に対して傾きを有した傾斜光軸上に位置し、かつ、前記測定対象物及び前記スライドガラスを透過した光束を平行な光束とする第1のレンズと、
該第1のレンズに入射される光束の前記照射光軸に近い該第1のレンズの部分を通過する第1の光束と該照射光軸から遠い該第1のレンズの一方の半面を通過する第2の光束を干渉させる第1の光学素子と、
第1の光学素子により干渉された光束をそれぞれ検出する複数の第1の受光素子と、
前記照射光軸に対して前記第1のレンズと反対方向に配置され、かつ、前記測定対象物及び前記スライドガラスを透過した光束を平行な光束とする第2のレンズと、
前記照射光軸に対して前記第1の光学素子と反対方向に配置され、前記照射光軸に近い該第2のレンズの部分を通過する第1の光束と前記照射光軸から遠い該第1のレンズの一方の半面を通過する第2の光束を干渉させる第2の光学素子と、
第2の光学素子により干渉された光束をそれぞれ検出する複数の第2の受光素子と、
複数の第1の受光素子の任意の受光出力と複数の第2の受光素子の任意の受光出力との和や差の出力値を検出する出力和差検出部と、
を含む。
これより、請求項1と同様にスライドガラスを有する他、請求項1と同様に1次回折光と0次回折光との間及び−1次回折光と0次回折光との間の2系統で行うことにより、ファーフィールドに配置した2種類の受光素子による和信号や差信号がより大きな空間周波数情報を有することになり、実質的に分解能が一層向上する。
The operation of the optical resolution improving apparatus according to claim 2 will be described below.
An optical resolution improving apparatus according to the present invention includes a light source that irradiates a measurement object with a light beam,
A plurality of first light receiving elements and a plurality of second light receiving elements that respectively receive light transmitted through the measurement object;
The measurement object is disposed between each light receiving element and the light source, and the measurement object can be set on the surface on the light source side, and a convex portion having a curved surface is provided on the surface on each light receiving element side. Slide glass,
An optical resolution improving device having
A first lens which is located on the inclined optical axis having a tilt, and a light beam transmitted through the object to be measured and the slide glass and a light beam parallel to the irradiation optical axis of the light beam,
Passes through one half of the first light flux and該照Shako the farther from the axis a first lens that passes through portions of the irradiation optical axis near the first lens of the light flux incident to the first lens A first optical element that causes the second light beam to interfere;
A plurality of first light receiving elements for respectively detecting light beams interfered by the first optical element;
A second lens arranged in a direction opposite to the first lens with respect to the irradiation optical axis, and having a light beam transmitted through the measurement object and the slide glass as a parallel light beam;
A first light beam that is disposed in a direction opposite to the first optical element with respect to the irradiation optical axis and passes through a portion of the second lens close to the irradiation optical axis, and the first light beam that is far from the irradiation optical axis. A second optical element that interferes with a second light flux that passes through one half of the lens ;
A plurality of second light receiving elements for respectively detecting light beams interfered by the second optical element;
An output sum / difference detector for detecting an output value of a sum or a difference between an arbitrary received light output of the plurality of first light receiving elements and an arbitrary received light output of the plurality of second light receiving elements;
including.
Thus, in addition to the slide glass as in the first aspect, in the same manner as in the first aspect, by performing two systems between the first-order diffracted light and the zero-order diffracted light and between the −1st-order diffracted light and the zeroth-order diffracted light Therefore, the sum signal and difference signal by the two types of light receiving elements arranged in the far field have larger spatial frequency information, and the resolution is further improved substantially.
請求項3に係る光学的分解能向上装置の作用を以下に説明する。
本請求項に係る光学的分解能向上装置は、測定対象物に光束を照射する光源と、
前記測定対象物を透過した光をそれぞれ受光する第1の受光素子及び第2の受光素子と、
前記各受光素子と前記光源の間に配置され、前記光源側の面に前記測定対象物が設置可能とされると共に前記各受光素子側の面に曲面状の表面を有した凸部が設けられたスライドガラスと、
を有した光学的分解能向上装置であって、
前記光束の照射光軸に対して傾きを有した傾斜光軸上に位置し、かつ、前記測定対象物及び前記スライドガラスを透過した光束を平行な光束とする第1のレンズと、
該第1のレンズで平行となった光束を収束して光束を干渉させる第1の集光レンズと、
該第1の集光レンズにより干渉された光束を検出する第1の受光素子と、
前記照射光軸に対して前記第1のレンズと反対方向に配置され、かつ、前記測定対象物及び前記スライドガラスを透過した光束を平行な光束とする第2のレンズと、
前記照射光軸に対して前記第1の集光レンズと反対方向に配置され、該第2のレンズで平行となった光束を収束して光束を干渉させる第2の集光レンズと、
該第2の集光レンズにより干渉された光束を検出する第2の受光素子と、
第1の受光素子の受光出力と第2の受光素子の受光出力との和や差の出力値を検出する出力和差検出部と、
を含む。
The operation of the optical resolution improving apparatus according to claim 3 will be described below.
An optical resolution improving apparatus according to the present invention includes a light source that irradiates a measurement object with a light beam,
A first light receiving element and a second light receiving element that respectively receive light transmitted through the measurement object;
The measurement object is disposed between each light receiving element and the light source, and the measurement object can be set on the surface on the light source side, and a convex portion having a curved surface is provided on the surface on each light receiving element side. Slide glass,
An optical resolution improving device having
A first lens that is positioned on an inclined optical axis that is inclined with respect to the irradiation optical axis of the luminous flux and that makes the luminous flux that has passed through the measurement object and the slide glass a parallel luminous flux;
A first condenser lens that converges the light beam paralleled by the first lens and interferes the light beam;
A first light receiving element for detecting a light beam interfered by the first condenser lens;
A second lens arranged in a direction opposite to the first lens with respect to the irradiation optical axis, and having a light beam transmitted through the measurement object and the slide glass as a parallel light beam;
A second condenser lens that is disposed in a direction opposite to the first condenser lens with respect to the irradiation optical axis, and converges the light beam paralleled by the second lens to interfere with the light beam;
A second light receiving element for detecting a light beam interfered by the second condenser lens;
An output sum difference detector for detecting an output value of a sum or a difference between a light receiving output of the first light receiving element and a light receiving output of the second light receiving element;
including.
請求項4に係る光学的分解能向上装置の作用を以下に説明する。
本請求項に係る光学的分解能向上装置は、請求項1から請求項3と同様の構成を有するが、さらに、前記凸部の表面が球面状であり、前記スライドガラスの前記光源側の面上に凸部の曲率中心が位置する。
この結果、測定対象物を透過した回折光が、凸部の球面状とされる表面を介してスライドガラスの外部に垂直に出射されるので、スライドガラスと外部の空気との間の境界面において全反射することなく、スライドガラスから回折光をより確実に取り出すことができる。
The operation of the optical resolution improving apparatus according to
The optical resolution improving apparatus according to the present invention has the same configuration as that of the first to third aspects, but further, the surface of the convex portion is spherical, and on the surface of the slide glass on the light source side. The center of curvature of the convex portion is located at
As a result, the diffracted light that has passed through the measurement object is emitted perpendicularly to the outside of the slide glass through the spherical surface of the convex portion, so that at the boundary surface between the slide glass and the external air Diffracted light can be more reliably extracted from the slide glass without total reflection.
請求項5に係る光学的分解能向上装置の作用を以下に説明する。
本請求項に係る光学的分解能向上装置は、請求項1から請求項3と同様の構成を有するが、さらに、前記凸部の表面がレンズ面状であり、スライドガラス内に凸部の表面の焦点位置が位置する。
従って、測定対象物からの回折光は出射方向を受光素子に対して絞られ気味にスライドガラスから出射される。このため、回折角がより大きな回折光であっても、同じ大きさの受光素子で回折光を取得することが可能となる。つまり、より空間周波数の高い情報を取得することができる。
また、凸部の表面の曲率を測定対象物付近に焦点があるような曲率にすれば、出射光はスライドガラスからほぼそのまま直進することとなり、受光素子上で測定対象物のフーリエ変換が得られることになる。
The operation of the optical resolution improving apparatus according to claim 5 will be described below.
The optical resolution improving apparatus according to the present invention has the same configuration as that of the first to third aspects, but the surface of the convex portion is a lens surface, and the surface of the convex portion is formed in the slide glass. The focal position is located.
Therefore, the diffracted light from the measurement object is emitted from the slide glass with the emission direction narrowed with respect to the light receiving element. For this reason, even for diffracted light having a larger diffraction angle, it is possible to acquire diffracted light with a light receiving element of the same size. That is, information with a higher spatial frequency can be acquired.
Moreover, if the curvature of the surface of the convex portion is set to a curvature that is in the vicinity of the measurement object, the emitted light travels straight from the slide glass as it is, and a Fourier transform of the measurement object is obtained on the light receiving element. It will be.
請求項6に係る光学的分解能向上装置の作用を以下に説明する。
本請求項に係る光学的分解能向上装置は、請求項1から請求項5と同様の構成を有するが、さらに、前記凸部を構成する部材の屈折率が、スライドガラスの他の部分を構成する部材の屈折率よりも高い。
従って、回折光がスライドガラスの他の部分とされる本体部分から凸部に入射される際に、この回折光が集束傾向とされて受光素子が受光する。このため、請求項3と同様に、より空間周波数の高い情報を取得することができる。
The operation of the optical resolution improving apparatus according to
The optical resolution improving apparatus according to the present invention has the same configuration as that of the first to fifth aspects, but the refractive index of the member constituting the convex portion constitutes another part of the slide glass. It is higher than the refractive index of the member.
Therefore, when the diffracted light is incident on the convex portion from the main body portion which is the other portion of the slide glass, the diffracted light is made to tend to be focused and received by the light receiving element. For this reason, similarly to the third aspect, information having a higher spatial frequency can be acquired.
請求項7に係る光学的分解能向上装置の作用を以下に説明する。
本請求項に係る光学的分解能向上装置は、請求項1から請求項6と同様の構成を有するが、さらに、前記凸部が複数設けられ、これら凸部に対向する前記スライドガラスの光源側の位置に、測定対象物が設置されうる凹部がそれぞれ設けられる。
従って、複数の凹部にそれぞれ測定対象物が設置されて、各測定対象物を順次観察可能になるので、効率の良い観察ができるようになる。例えば、各凹部において細胞等を培養することができ、多数の細胞の時間経過による変化を容易に観察することが可能となる。
The operation of the optical resolution improving apparatus according to claim 7 will be described below.
The optical resolution improving apparatus according to the present invention has the same configuration as that of the first to sixth aspects, but is further provided with a plurality of the convex portions on the light source side of the slide glass facing the convex portions. A concave portion in which a measurement object can be placed is provided at the position.
Accordingly, the measurement objects are installed in the plurality of recesses, and the respective measurement objects can be observed sequentially, so that efficient observation can be performed. For example, cells and the like can be cultured in each recess, and it becomes possible to easily observe changes over time of many cells.
上記目的を達成させるために、請求項8に係るスライドガラスは、測定対象物が設置可能とされて、該測定対象物を観察する光学的機器で使用される板状のスライドガラスであって、曲面状の表面を有した凸部が、他の部分と一体的に形成され或いは他の部分に接着されて、一方の面に設けられている。 In order to achieve the above object, the slide glass according to claim 8 is a plate-like slide glass used in an optical instrument in which a measurement object can be installed and which observes the measurement object, A convex portion having a curved surface is formed on one surface so as to be formed integrally with another portion or bonded to the other portion.
本発明によれば、測定対象物を透過した回折光をより確実に受光可能としうる光学的分解能向上装置及びスライドガラスが提供されるという優れた効果を奏する。 According to the present invention, there is an excellent effect that an optical resolution improving device and a slide glass that can receive diffracted light transmitted through a measurement object more reliably are provided.
以下に、本発明に係る光学的分解能向上装置及びスライドガラスの各実施例を各図面に基づき、詳細に説明する。 Embodiments of an optical resolution improving apparatus and a slide glass according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
本発明に係る光学的分解能向上装置及びスライドガラスの実施例1を以下に図1及び図2を参照しつつ説明する。
図1は、光学的機器の一種である本実施例の光学的分解能向上装置の構成を示す概略図である。この図1に示すように、光を照射する光源であるレーザー光源10が図示しない光学機器を介して、対物レンズ11と対向して配置され、このレーザー光源10が照射した光が、透過物の測定対象物である試料Sに収束照射されている。但し、この試料Sは、図1及び図2に示すカバーガラス71に覆われつつスライドガラス72上に載せられた水溶液E中で安定的に支持されていて、本実施例において、このスライドガラス72は、試料Sを載せる板状の本体部72Aの他に、半球状の表面を有した凸部72Bを設けた構造とされている。
Embodiment 1 of an optical resolution improving apparatus and a slide glass according to the present invention will be described below with reference to FIGS.
FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of an optical resolution improving apparatus of this embodiment, which is a kind of optical equipment. As shown in FIG. 1, a
そして、このスライドガラス72の本体部72Aは、図2に示すように試料Sが載せられるレーザー光源10側の上面72Cと、凸部72Bが設けられた下面72Dとを有していて、また、この凸部72Bの表面の曲率中心Pは、試料Sが載せられる上面72C上の位置に存在している。つまり、試料Sを透過して上面72Cからスライドガラス72内に入射した回折光は、この球面状の表面を有した凸部72Bから全反射することなく、そのままの角度でスライドガラス72から出射されるようになる。
And the main-
このレーザー光源10の収束照射の照射光軸とされる光軸L0上には、凸レンズとされる第1のレンズであるレンズ15が位置していて、試料Sを透過してスライドガラス72内を通り、スライドガラス72から出射された光束をレンズ15が平行な光束に変換している。
On the optical axis L0 that is the irradiation optical axis of the convergent irradiation of the
このレンズ15の下方の光軸L0上には、レンズ15から出射された平行な光束をそれぞれ左右に分割する2つの第1のビームスプリッター12A、12Bが連続して配置されており、この下方にこの光を受光する第1の受光素子6が位置している。ただし、この第1の受光素子6は、光軸L0を挟んで位置する2つの分割受光素子6A、6Bにより構成されていて、右側寄りの分割受光素子6Aが、レンズ15からの透過光の内の光軸L0の右側寄り部分を受光し、左側寄りの分割受光素子6Bが、レンズ15からの透過光の内の光軸L0の左側寄り部分を受光することになる。
On the optical axis L0 below the
光軸L0に対して図1の右側に傾きを有した傾斜光軸とされる1次回折光の光軸である光軸L1上には、凸レンズとされる第2のレンズであるレンズ16が位置しており、このレンズ16が試料Sから出射された光束を平行な光束としている。この光軸L1上には、この平行な光束を反射するための反射鏡18が配置されており、また、この反射鏡18の下方には、第2のビームスプリッター13が位置している。このため、レンズ16と第2のビームスプリッター13との間に配置される反射鏡18が、レンズ16からの出射光を第2のビームスプリッター13側に反射させている。また、第2のビームスプリッター13の下方には、複数の分割受光素子から構成される第2の受光素子群4が位置している。
A
さらに、2つの第1のビームスプリッター12A、12Bの内の上側の第1のビームスプリッター12Aが分割された光束を第2のビームスプリッター13側に送り出している。このため、レンズ15から出射された光束とレンズ16から出射された光束とを第2のビームスプリッター13が干渉させて、この光束を第2の受光素子群4が受光するようにさせている。
Further, the light beam obtained by splitting the upper
他方、上記と同様の構成を有したレンズ17、反射鏡19、第2のビームスプリッター14および、第2の受光素子群5が照射光軸L0を挟んで対称に、図1の左側にも配置されている。以上より、2つの第1のビームスプリッター12A、12Bおよび左右の第2のビームスプリッター13、14が、レンズ15から出射された光束とレンズ16、17から出射された光束とを干渉させている。
On the other hand, the
さらに、前述の分割受光素子6A、6B、受光素子群4、5が、これら受光素子6A、6B、受光素子群4、5からの信号を比較するための比較器33にそれぞれ接続されている。そして、この比較器33が、最終的にデータを処理して試料Sのプロフィル等を得るデータ処理部34に繋がっている。このため、比較器33及びデータ処理部34が、光軸L0を挟んで位置する第1の受光素子6の分割受光素子6A、6B間の出力和や出力差および、一対の第2の受光素子群4、5間の出力和や出力差を検出する出力和差検出部とされている。
Further, the divided
以上のことより、この図1に示す対物レンズ11で収束された光は、カバーガラス71に覆われつつスライドガラス72上に載せられた測定対象物である試料S上にスポットを形成する。このスポットは理想的には回折限界の径を有し、このスポット径内における試料Sのパターンの空間周波数情報が透過光として回折される。
From the above, the light converged by the
他方、本実施例においては、前述のようにスライドガラス72の下面側に凸部72Bを設けた構造とされている。ここで、図1の一部を拡大して表す図2に示す凸部72Bの表面の半径rは、以下の式より求められる。尚、下記式において、tはスライドガラス72の厚み、dはスライドガラス72上に設定される観察範囲の直径であり、α3は図15と同様に、試料Sを透過してスライドガラス72外からスライドガラス72内に入射される1次回折光と境界面とのなす挟角である。
r=(t/tanα3)+ d/2
On the other hand, in the present embodiment, as described above, the
r = (t / tanα3) + d / 2
本実施例においては、tは一般的なスライドガラスと同様に1.2mmとし、dは細胞等を観察するに十分な直径とされる0.5mmとする。ここで、1次回折光と境界面とのなす挟角α3が10°までの1次回折光を取り出そうとしたときには、t/tanα3が約6.8mmであり、d/2が0.25mmであることから、凸部72Bの半径rが上記の式より、約7.1mmとなる。なお、凸部72Bの表面形状は球面状に限定されず、一定の高い空間周波数を有する1次回折光を全反射させることなく外部に取り出すことができるような、一般的な曲面であっても良い。
In this embodiment, t is 1.2 mm as in a general slide glass, and d is 0.5 mm, which is a diameter sufficient for observing cells and the like. Here, when trying to extract the first order diffracted light with the included angle α3 formed by the first order diffracted light and the boundary surface up to 10 °, t / tan α3 is about 6.8 mm and d / 2 is 0.25 mm. The radius r of the
ここで、試料Sの有する空間周波数の1次回折光であってレンズ15に入射されない高い空間周波数の光を考慮すると、レンズ15には試料Sを透過した0次回折光と上記空間周波数よりも低い空間周波数成分の光が入射される。このことで、レンズ15単体では、レンズ15の有するカットオフ周波数までは、試料Sのパターンが再現されうることになる。
Here, in consideration of the first-order diffracted light having the spatial frequency that the sample S has and having high spatial frequency that is not incident on the
ところが、レンズ15に入射されない空間周波数の光はカットされ、像情報に欠落を生じることになる。そこで、図1に示すように0次回折光の光軸L0に対して、レンズ16及びレンズ17が相互に対象な位置であって、ある傾き角を有して配置されている。0次回折光の光軸L0に対するこのレンズ16及びレンズ17の光軸L1、L2の傾き角は、試料Sのコントラストが最大になる空間周波数に匹敵するようにする。
However, the light of spatial frequency that is not incident on the
すなわち、レンズ16の光軸L1上の光束は、反射鏡18で折り返され、ビームスプリッター12Aにより分離された0次回折光の光軸L0上の光束とビームスプリッター13により合成される。合成された光自体は受光素子群4に導かれる。したがって、0次回折光とレンズ16から出射される1次回折光とを干渉させて受光素子群4が受光する。このとき、最も高いコントラストを有する光束は、レンズ16の光軸L1に一致する空間周波数の光束となるからである。
That is, the light beam on the optical axis L1 of the
上記した光学系と0次回折光の光軸L0に対して反対方向に同様な光学系について考えた場合、レンズ17の傾斜光軸とされる光軸L2上の光束は反射鏡19で折り返され、このレンズ17の光軸L2上の光束は、ビームスプリッター12Aを経てビームスプリッター12Bにより折り返された0次回折光の光軸L0上の光束と、ビームスプリッター14により合成される。合成された光自体は受光素子群5に導かれる。0次回折光とレンズ17から出射される−1次回折光とを干渉しつつ受光素子群5が受光する。
When considering a similar optical system in the opposite direction to the optical axis L0 of the above-described optical system and the 0th-order diffracted light, the light beam on the optical axis L2 that is the inclined optical axis of the
ここで、受光素子群4は複数の分割受光素子よりなり、おのおのの分割受光素子は0次回折光と1次回折光で干渉された干渉縞を適当なピッチでサンプリングした干渉縞強度を取得する。つまり、0次回折光の光軸L0と1次回折光の光軸L1が傾きを持たなければ、光束内で一様な干渉強度となるが、多少傾きを有した場合には一様なピッチの干渉縞を生じるからである。この干渉縞のピッチは、1次回折光の出射角度によるので、レンズ16に入射される空間周波数を反映したものとなる。
Here, the light receiving
また、受光素子群5も複数の分割受光素子よりなり、おのおのの分割受光素子は0次回折光と−1次回折光で干渉された干渉縞を適当なピッチでサンプリングした干渉縞強度を取得し、上記と同様に動作する。 The light receiving element group 5 also includes a plurality of divided light receiving elements, and each divided light receiving element acquires interference fringe intensity obtained by sampling the interference fringes interfered by the 0th order diffracted light and the −1st order diffracted light at an appropriate pitch. Works as well.
したがって、受光素子群4、5は、複数の分割受光素子によりそれぞれ構成される形で配置され、空間周波数の反映した情報が取得できるようになる。受光素子群4,5の実質上対応する空間周波数を取得している受光素子の差の出力を取得することにより、より高い空間周波数情報を取得できるようになる。
Accordingly, the light receiving
以上は、DPC法の光学系および、発明者たちが提案するDPC法とヘテロダイン法とを組み合わせた光学系において、特に有効となる。 The above is particularly effective in the optical system of the DPC method and the optical system combining the DPC method and the heterodyne method proposed by the inventors.
上記光学系により取得できる実質的な空間周波数を大きくできる点を以下に定量的に明らかにする。ただし、説明を簡単にするために試料Sが高さhでピッチdの正弦波状の形状をしているものとする。すなわち、光学的な位相θが以下の式で表される。
θ=2πh/λsin(2πx/d+θ0)・・・・・(4)式
The point that the substantial spatial frequency that can be obtained by the optical system can be increased will be clarified below. However, in order to simplify the description, it is assumed that the sample S has a sine wave shape having a height h and a pitch d. That is, the optical phase θ is expressed by the following formula.
θ = 2πh / λsin (2πx / d + θ0) (4)
試料Sから回折された光の振幅Eは、fだけ離れた面においては、(4)式のフーリエ変換とレンズの開口とのコンボリューションとして、与えられるので、以下のように表される。ただし、(4)式の位相のフーリエ変換であるベッセル関数は±1次まで取るものとする。ここで、E0、E1は、おのおの0次回折光と1次回折光が入射されるレンズ15、レンズ16を経た複素振幅分布である。おのおの(5)、(6)式で表される。
The amplitude E of the light diffracted from the sample S is given as a convolution of the Fourier transform of the equation (4) and the lens aperture on the surface separated by f, and is expressed as follows. However, the Bessel function that is the Fourier transform of the phase in equation (4) is assumed to be ± 1st order. Here, E 0 and E 1 are complex amplitude distributions through the
同様にE-1を−1次回折光が入射されるレンズ17を経た振幅分布である複素振幅分布であるとすると、下記(7)式のようになる。
Similarly, when E −1 is a complex amplitude distribution that is an amplitude distribution through the
0次回折光の複素振幅分布を表す(5)式と1次回折光の複素振幅分布を表す(6)式とから、レンズ15の光束とレンズ16の光束とをビームスプリッター12A,13で合成して、受光素子群4上で干渉させた結果とされる受光素子群4上の強度I1は、下記式のようになる。
From the equation (5) representing the complex amplitude distribution of the 0th-order diffracted light and the equation (6) representing the complex amplitude distribution of the 1st-order diffracted light, the light flux of the
同様に0次回折光の複素振幅分布を表す(5)式と−1次回折光の複素振幅分布を表す(7)式とから、レンズ15の光束とレンズ17の光束とをビームスプリッター14,12Bで合成して受光素子群5上で干渉させた結果とされる受光素子群5上の強度I2は、下記式のようになる。
Similarly, from the equation (5) representing the complex amplitude distribution of the 0th-order diffracted light and the equation (7) representing the complex amplitude distribution of the −1st-order diffracted light, the light beams of the
ただし、上記強度I1と強度I2は簡単のために0次回折光および±1次回折光の光路差が実質上ないものとした。このようにして、受光素子群4と受光素子群5との差出力を表すと下記式のようになる。
However, the intensity I 1 and the intensity I 2 are assumed to have substantially no optical path difference between the 0th order diffracted light and the ± 1st order diffracted light for simplicity. Thus, the difference output between the light
ここで、単独の受光素子を用いずに、適正個数の分割受光素子よりなる受光素子群としたのは、受光素子と空間周波数が対応関係にすることになるので、受光量より試料Sに含まれる空間周波数成分の分布も考慮に入れた解析ができるからである。
もし、0次回折光と1次回折光とを干渉させないと、±1次回折光の強度は、下記式のようになり、差出力を取得すると0となる。
Here, the light receiving element group made up of an appropriate number of divided light receiving elements without using a single light receiving element has a correspondence relationship between the light receiving elements and the spatial frequency. This is because the analysis taking into account the distribution of the spatial frequency components to be taken into consideration can be performed.
If the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light do not interfere with each other, the intensity of the ± 1st-order diffracted light is expressed by the following equation, and becomes 0 when the difference output is acquired.
また、たとえ和の出力を取得したとしても位相情報θ0は完全に失われることになり、試料Sにその空間周波数が存在するか否かの情報だけとなり、プロファイル情報等の知りたい情報を取得することはできない。 Even if the sum output is acquired, the phase information θ0 is completely lost, and only information on whether or not the spatial frequency exists in the sample S is obtained, and information desired to be acquired such as profile information is acquired. It is not possible.
以下、上記光学系を具体的に適用して効果のあるDPC法の光学系および、DPC法とヘテロダイン法とを組み合わせた光学系について述べる。ここで、図3はDPC法における透過光学系のブロック図を示す。 Hereinafter, an optical system of the DPC method which is effective by specifically applying the above optical system and an optical system combining the DPC method and the heterodyne method will be described. Here, FIG. 3 shows a block diagram of a transmission optical system in the DPC method.
まず、図3に示すように、レーザー光源21からの光束はコリメーターレンズ22により平行光束とされ、2次元走査デバイス26に入射される。この2次元走査デバイス26は光を面上に走査するデバイスであり、MEMSやガルバノミラー、レゾナントミラー等で構成されるものである。
First, as shown in FIG. 3, the light beam from the
この平行光束は、2次元走査デバイス26の瞳位置を対物レンズ31の瞳位置に伝達するための瞳伝達レンズ系30を経て、対物レンズ31に入射された後、試料Sに収束される。試料Sに収束された光は透過光となり、受光素子29に入射される。この受光素子29は、試料Sから実質上ファーフィールドとなる位置に配置され、光軸Lに対して対称に少なくとも2分割された受光素子とされている。
The parallel light flux is incident on the
この結果、光軸L上の平行光束が試料Sの屈折率分布や凸凹により0次回折光と±1次回折光とに分離され、分離されたこれらの光が干渉しつつ、受光素子29に受光される。これに伴い、試料Sの屈折率分布や凸凹の情報が、0次回折光と±1次回折光との干渉情報に基づき、受光素子29内の図示しない光電変換部において、変換される。このとき、光軸Lに対して対象な受光素子29の2つの受光素子間の差出力に試料Sの上記情報が反映される。このように、差出力を得る場合には、境界線を挟んで隣り合う受光素子間同士で行うようにすれば良い。
As a result, the parallel light beam on the optical axis L is separated into 0th order diffracted light and ± 1st order diffracted light by the refractive index distribution and unevenness of the sample S, and these separated lights are received by the
但し、複数の受光素子の和出力だけを用いるのであれば、実質上1つの受光素子を用いることで、同様のことが実現できることになる。特に、和出力の場合、試料Sが吸収率や反射率の異なるような強度パターンとなっている場合には有効である。たとえば、試料Sが細胞で染色されているような場合である。 However, if only the sum output of a plurality of light receiving elements is used, the same can be realized by using substantially one light receiving element. In particular, the sum output is effective when the sample S has an intensity pattern with different absorptance and reflectance. For example, this is a case where the sample S is stained with cells.
この図3に示すDPC法における透過光学系においても、図1及び図2に示す半球状の表面を有した凸部72Bを有したスライドガラス72が同様に用いられている。但し、図3においては、図1に示すレンズ15、16、17やビームスプリッター12A、12B、13、14等の部材を用いず直接に受光素子29に回折光が入射されるようになっている。
これに伴い、上記と同様に、試料Sを透過して上面72aからスライドガラス72内に入射した回折光は、この球面状の表面を有した凸部72Bから全反射することなく、そのままの角度でスライドガラス72から出射されて、受光素子29に入射される。
Also in the transmission optical system in the DPC method shown in FIG. 3, the
Accordingly, similarly to the above, the diffracted light that has passed through the sample S and entered the
次に、図4は、発明者たちが提案するDPC法とヘテロダイン法とを組み合わせた光学系であり、これを以下に説明する。ここで、図4はこれらの方法を組み合わせた透過光学系のブロック図を示す。
この光学系が図3に示す光学系と異なるのは、図4に示すように、音響光学素子23によりきわめて接近した2つの光束を作成し、試料Sに照射することにある。
Next, FIG. 4 shows an optical system combining the DPC method and the heterodyne method proposed by the inventors, which will be described below. Here, FIG. 4 shows a block diagram of a transmission optical system combining these methods.
This optical system is different from the optical system shown in FIG. 3 in that two light beams that are very close to each other are generated by the
具体的には、この図4に示すように、レーザー光が出射されるレーザー光源21と、AODドライバー24が接続されて動作が制御される音響光学素子(AOD)23との間に、コリメーターレンズ22が配置されている。また、この音響光学素子23に対して、2群のレンズからなる瞳伝達拡大レンズ系25、入力されたレーザー光を分離して出射するビームスプリッター27、入力されたレーザー光を2次元走査する2次元走査デバイス26が順に並んで配置されている。
Specifically, as shown in FIG. 4, a collimator is provided between a
さらに、このビームスプリッター27に隣り合って、2群のレンズからなる瞳伝達レンズ系30が位置し、この隣に対物レンズ31が試料Sと対向して配置されている。つまり、これら部材が光軸Lに沿って並んでいることになる。他方、光軸Lが通過する方向に対して直交する方向であってビームスプリッター27の右隣の位置には、光センサである受光素子28が配置されている。また、試料Sの背面側である下側には、同じく光センサである受光素子29が配置されている。これら受光素子28、29が、これら受光素子28、29からの信号を比較する比較器33にそれぞれ接続され、この比較器33が、最終的にデータを処理して試料Sのプロフィル等を得るデータ処理部34に繋がっている。
Further, adjacent to the
以上に伴い、キャリア周波数fcと変調周波数fmの2つのDSB変調された信号を外部からAODドライバー24を経て、音響光学素子23に入力することで、きわめて接近したこれら2つの光束を作成することができる。これらきわめて接近した2方向に出射された光束は、音響光学素子23の実質的な瞳位置を2次元走査デバイス26の瞳位置に伝達する瞳伝達レンズ系25、光を面上に走査する2次元走査デバイス26および、2次元走査デバイス26の瞳位置を対物レンズ31の瞳に伝達するための瞳伝達レンズ系30を経て、対物レンズ31に入射される。
Accordingly, the two DSB-modulated signals having the carrier frequency fc and the modulation frequency fm are input from the outside to the
この結果として、対物レンズ31で収束された光束は、きわめて接近された2つのスポットとして、試料Sを面上に走査することになる。この2つのスポットは周波数fc+fmと周波数fc−fmの2つの信号となるので、これらの信号をヘテロダイン検波をすることにより、試料Sの凸凹情報、屈折率分布を反映した信号が得られる。
As a result, the light beam converged by the
本実施例において、ヘテロダイン検波を行うには、照射された変調信号の一部をビームスプリッター27で取り出して受光素子28でレファランス信号を得て、このレファランス信号と2分割された受光素子29で検出された信号とで差動出力を求め、比較器33により位相差情報および強度情報を取得し、データ処理部34に送る。データ処理部34では走査情報とともに取得された情報を画像やデータの形として、ディスプレイに表示したり、メモリにデータとして蓄積したりする。
In this embodiment, in order to perform heterodyne detection, a part of the irradiated modulation signal is extracted by the
ただし、受光素子28は必ずしも必要ではなく、音響光学素子23に出力する信号、すなわち音響光学素子23に印加される信号自体と比較してもよい。この場合、回路系や音響光学素子等による遅延が発生するが、予め補正するなどしておけば、位相差検出等に大きな影響を与えることはない。
However, the
また、試料Sの表面を面上に走査する極めて接近した2つのスポット光は、相互に周波数の異なる光となるが、実質上、瞳伝達レンズ系25、30等の拡大光学系を使用することにより、高い周波数でも極めて接近させたスポットにすることができる。これにより高速な走査により高速な情報取得ができることになる。
In addition, two very close spot lights that scan the surface of the sample S on the surface are lights having different frequencies from each other. However, in practice, an enlargement optical system such as the pupil
なお、この図4に示すDPC法とヘテロダイン法とを組み合わせた光学系であっても、本実施例のスライドガラス72(本実施例では図示を省略)を採用できる。これに伴い、図示しないものの試料Sを透過して上面72aからスライドガラス72内に入射した回折光は、この球面状の表面を有した凸部72Bから全反射することなく、そのままの角度でスライドガラス72から出射されて、図4に示す受光素子29に入射される。
Note that the
この一方、このようにして得られた2つの光は、上記手法により分離度を非常に小さくすることができ、実質上1つのビームで走査した情報と変わらない。これに対し、一つのビームで走査し、ファーフィールドに配置した少なくとも2分割された受光素子の差動出力を得る方法が、前記したDPC法である。 On the other hand, the two lights obtained in this way can have a very low degree of separation by the above-described method, and are substantially the same as the information scanned with one beam. On the other hand, the DPC method described above is a method of scanning with one beam and obtaining a differential output of at least two divided light receiving elements arranged in the far field.
つまり、DPC法に比較すると、このような本ヘテロダイン法をさらに使用した方法では、ヘテロダイン検出することにより、位相変化および強度変化をきわめて精度よく検出できる点と、受光素子29で受光される光が非常に微弱でも検出回路系のゲインを高くすることで、高精度に検出できる点と、検出される信号は変調信号だけなので、外乱光の影響を受けることもなくなる点とを有することから、さらに高精度な検出ができることになる。
In other words, compared to the DPC method, in the method further using the present heterodyne method, the phase change and the intensity change can be detected with high accuracy by performing the heterodyne detection, and the light received by the
また、上記のような光学系の受光素子部分に図1に示す光学系を用いることで、さらに空間周波数の高い情報、すなわち横分解能の大幅な向上が図れるようになる。さらに、試料Sに照射する光束を平行光束として、図1に示すレンズ15,16,17を省き、その他の光学系は上記実施例と同じようにすることで、平行光束系に対する光学的分解能向上装置とすることもできる。
Further, by using the optical system shown in FIG. 1 for the light receiving element portion of the optical system as described above, information with a higher spatial frequency, that is, a significant improvement in lateral resolution can be achieved. Further, the light beam irradiating the sample S is made into a parallel light beam, the
以下の実施例においては、DPC法の光学系の受光素子部分および、DPC法とヘテロダイン法とを組み合わせた光学系の受光素子部分に、以下の実施例の受光素子系を適用すればよいので、受光素子系以外の光学系についての説明は省略する。 In the following examples, the light receiving element part of the following example may be applied to the light receiving element part of the optical system of the DPC method and the light receiving element part of the optical system combining the DPC method and the heterodyne method. Description of optical systems other than the light receiving element system is omitted.
本実施例においては、0次回折光の光軸L0に対してレンズを傾斜して設置することとした。このことで、0次回折光の一部だけでなく、同じレンズを用いた場合に比較してより高い空間周波数を有した1次回折光の一部を取り入れることができ、これに伴ってこれら0次回折光と1次回折光の干渉を実現している。
本実施例は、図5に示すように、平行光束が対物レンズ11に入射し、試料Sに収束され、試料Sを透過した回折光がスライドガラス72(本実施例では図示を省略)から出射されるまでは、図1と同様である。ただし、本実施例においては、試料Sを透過した0次回折光の一部と1次回折光の一部とを、0次回折光と1次回折光との間の中間的な傾き角を有した光軸L3だけ傾けた状態のレンズ36に取り入れる。そして、上記一部の1次回折光と上記一部の0次回折光をロンボイドプリズム39のようなものにより、光束同士をシフトして重ね合わせることで、お互いの光束同士を干渉させる。
In the present embodiment, the lens is installed inclined with respect to the optical axis L0 of the 0th-order diffracted light. As a result, not only a part of the 0th-order diffracted light but also a part of the 1st-order diffracted light having a higher spatial frequency compared to the case where the same lens is used can be taken. Interference between the folded light and the first-order diffracted light is realized.
In this embodiment, as shown in FIG. 5, a parallel light beam enters the
また、ロンボイドプリズム39の一面を半透鏡39Aとし、この半透鏡39Aと反対の面を半透鏡39Bにし、それぞれの面を通過して光を受光する受光素子40,41,42を配置する。ここで、受光素子40と受光素子41は、それぞれ0次回折光の一部と1次回折光の一部との干渉結果を反映し、受光素子42は、レンズ36の0次回折光の一部が含まれる領域に回折される低い空間周波数の1次回折光と0次回折光の一部との干渉結果を反映する。
One surface of the
以下の式にて、0次回折光と1次回折光とが干渉した結果について説明する。
まず、図5で示した光学系と同様の光学系を、図5では示していないが0次回折光の光軸L0と対称となるように、−1次回折光に対しても配置する。これら対応する各受光素子の出力差を取得すると以下のように考えられる。説明を簡単にするために、試料Sが高さhでピッチdの正弦波状の形状をしているものとすれば、光学的な位相θが以下の式で表される。
The result of interference between the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light will be described with the following formula.
First, although not shown in FIG. 5, an optical system similar to the optical system shown in FIG. 5 is also arranged for the −1st order diffracted light so as to be symmetrical with the optical axis L0 of the 0th order diffracted light. It is considered as follows when the output difference of each corresponding light receiving element is acquired. In order to simplify the explanation, if the sample S has a sine wave shape with a height d and a pitch d, the optical phase θ is expressed by the following equation.
θ=2πh/λsin(2πx/d+θ0)・・・・・(4)式 θ = 2πh / λsin (2πx / d + θ0) (4)
試料Sから回折された光の振幅Eは、焦点距離fだけ離れた面において、(4)式のフーリエ変換とレンズの開口とのコンボリューションとして与えられるので、以下のように表される。
ただし、(4)式の位相のフーリエ変換であるベッセル関数は±1次まで取るものとする。また、図5に示すように光軸L3をレンズ36のほぼsin-1(NA)に相当する角度ξだけ傾ける。この際、光軸L3に対する垂直方向をy軸とし、(1)式の空間周波数1/dに相当する1次回折光の中心位置をY1とする。
このとき、上記(2)式を参考にして、光軸L3を角度ξだけ傾けた場合、(2)式の0次回折光は中心がaだけずれ、1次回折光の中心軸がy1になるので、下記の(8)式で複素振幅分布E1が与えられる。
The amplitude E of the light diffracted from the sample S is given as a convolution of the Fourier transform of the equation (4) and the lens aperture on a plane separated by the focal length f, and is expressed as follows.
However, the Bessel function that is the Fourier transform of the phase in equation (4) is assumed to be ± 1st order. Further, as shown in FIG. 5, the optical axis L3 is inclined by an angle ξ corresponding to approximately sin −1 (NA) of the lens. At this time, the direction perpendicular to the optical axis L3 is taken as the y-axis, and the center position of the first-order diffracted light corresponding to the spatial frequency 1 / d in the equation (1) is taken as Y1.
At this time, if the optical axis L3 is tilted by an angle ξ with reference to the above equation (2), the center of the zero-order diffracted light of equation (2) is shifted by a, and the central axis of the first-order diffracted light is y1. The complex amplitude distribution E 1 is given by the following equation (8).
同様に0次回折光の光軸L0に対して、1次回折光と対称な光学系における−1次回折光に関しては、下記の(9)式となる。 Similarly, for the −1st order diffracted light in the optical system symmetrical to the 1st order diffracted light with respect to the optical axis L0 of the 0th order diffracted light, the following equation (9) is obtained.
図5の光学系は、レンズ36の光軸L3を0次回折光と1次回折光との間の境界に実質上シフトして重ねているので、(8)式は、下記の(8)’式となる。
In the optical system of FIG. 5, since the optical axis L3 of the
このようにy1=aのときに複素振幅分布E1は最も大きく、y1=2aのときに0となる。
y1=2aは、0次回折光から見れば、3aに相当した空間周波数までの情報を取得したことになる。したがって、同じNAのレンズを用いた時に比較して1.5倍の空間周波数まで取得できたことになる。その分、光学的な分解能が実質的に向上したことになる。
Thus, the complex amplitude distribution E 1 is the largest when y1 = a, and becomes 0 when y1 = 2a.
When y1 = 2a is viewed from the 0th-order diffracted light, information up to a spatial frequency corresponding to 3a is acquired. Therefore, it is possible to obtain up to 1.5 times the spatial frequency as compared with a lens having the same NA. Accordingly, the optical resolution is substantially improved.
他方、0次回折光の光軸L0に対して、1次回折光と対称な光学系における−1次回折光に関しては、同様にして−1次回折光の光軸L2に垂直方向をy'軸とすると、下記の(9)’式となる。 On the other hand, with respect to the −1st order diffracted light in the optical system symmetrical to the 1st order diffracted light with respect to the optical axis L0 of the 0th order diffracted light, similarly, if the direction perpendicular to the optical axis L2 of the −1st order diffracted light is the y ′ axis, The following equation (9) ′ is obtained.
このようにy1=-aのときに複素振幅分布E-1は最も大きく、y1=-2aのときに0となる。
y1=-2aは、0次回折光から見れば、-3aに相当した空間周波数までの情報を取得したことになる。したがって、同じNAのレンズを用いた時に比較して1.5倍の空間周波数まで取得できたことになる。その分、光学的な分解能が実質的に向上したことになるのは、1次回折光と同様である。
この様にして得た情報に対して、受光素子40と受光素子41の和の出力とそれと等価な−1次回折光の受光素子間で差出力ΔIを下記の式により得るようにする。
Thus, the complex amplitude distribution E −1 is the largest when y1 = −a, and is 0 when y1 = −2a.
When y1 = −2a is seen from the 0th-order diffracted light, information up to a spatial frequency corresponding to −3a is acquired. Therefore, it is possible to obtain up to 1.5 times the spatial frequency as compared with a lens having the same NA. Accordingly, the optical resolution is substantially improved as in the first-order diffracted light.
With respect to the information thus obtained, a difference output ΔI between the light output of the
これは、実質的に実施例1と同様な式となっている。ただし、実施例1に比較すると光学系はよりシンプルで、かつロンボイドプリズムのような簡単な素子で構成しており、レンズを一体的に成形するなどすれば、安定的な光学系とすることが可能である。なお、ロンボイドプリズムを、実質上2つのハーフミラーで構成しても同様な効果をもたらすことができる。 This is substantially the same as in the first embodiment. However, the optical system is simpler than that of the first embodiment, and is composed of simple elements such as a rhomboid prism. If the lens is molded integrally, a stable optical system can be obtained. Is possible. The same effect can be obtained even if the rhomboid prism is constituted by two half mirrors.
本発明に係る光学的分解能向上装置の実施例3を図6を参照しつつ、以下に説明する。
図6は、本実施例の光学的分解能向上装置の構成を示す概略図である。この図6に示すように、本実施例においても、試料Sを透過した回折光がスライドガラス72(本実施例では図示を省略)から出射されるが、0次回折光の光軸L0に対して、レンズ36を傾斜して設置することで、0次回折光の一部だけでなく、同じレンズを用いた場合に比較してより高い空間周波数を有した1次回折光の一部を取り入れ、結像光学系にて干渉を実現している。なお、図示しないものの、本実施例においては、軸L0に対して対象な位置に同様な光学系が配置されている。
A third embodiment of the optical resolution improving apparatus according to the present invention will be described below with reference to FIG.
FIG. 6 is a schematic diagram showing the configuration of the optical resolution improving apparatus of the present embodiment. As shown in FIG. 6, also in this embodiment, the diffracted light transmitted through the sample S is emitted from the slide glass 72 (not shown in this embodiment), but with respect to the optical axis L0 of the 0th-order diffracted light. By inclining the
レンズ36を傾けて0次回折光の一部と1次回折光の一部を取得するところまでは、実施例2と同様である。本実施例では、レンズ36により平行光束にした回折光同士をレンズ52にて集光する。このレンズ52により回折光同士が焦点近傍で重なり合って、実質的に干渉する。ただし、0次回折光と±1次回折光との干渉ではないので、試料S自体の結像とは異なる。
The process up to obtaining a part of the 0th-order diffracted light and a part of the 1st-order diffracted light by tilting the
さらに、レンズ52の実効的な焦点距離を長くすることで、干渉縞のピッチを広げることができる。もし、レンズ36とレンズ52の焦点距離が同じであれば、当然等倍となり、試料Sの空間周波数となる。これに対して、他方の−1次回折光の光学系にて干渉された結果は、ピッチがずれた干渉縞となる。しかしながら、干渉縞のピッチに対して受光素子が大きいと、±1次回折光を受光する素子の位置あわせが困難になる。
Furthermore, by increasing the effective focal length of the
そこで、拡大光学系53により干渉縞自体を拡大し、受光素子50の大きさにほぼ等しくすれば、±1次回折光で自然と逆位相となるので、0次回折光がバイアスになるような形で明暗が逆になる。この様にすれば、極めて簡単に空間周波数の高い領域まで、情報を取得することができるようになる。本実施例の場合、レンズ52を用いているので、このレンズ52に入射される0次回折光と1次回折光の位相差がそのまま反映される程度の波面収差は許容される。したがって、高額なレンズを用いる必要性はない。
Therefore, if the interference fringes themselves are magnified by the magnifying
なお、本実施例においては、焦点距離が多少異なるレンズであっても、お互いの受光素子の受けとる光量に大きな変化がなく、レンズ面内の波面収差が大きくなければ、干渉縞のピッチが多少変わる程度なので、そのまま用いることができる。また、取得できる空間周波数の限界は、図5とほぼ同じ原理なので、1.5倍程度となる。この光学系は、レンズ系だけを用いて構成しているので、非常にシンプルで、外乱に対しても強い。 In this embodiment, even if the lenses have slightly different focal lengths, the light amounts received by the light receiving elements are not significantly changed, and if the wavefront aberration in the lens surface is not large, the pitch of the interference fringes changes somewhat. It can be used as it is. Further, the limit of the spatial frequency that can be acquired is about 1.5 times because the principle is almost the same as in FIG. Since this optical system is constructed using only the lens system, it is very simple and resistant to disturbance.
本発明に係る光学的分解能向上装置の実施例4を以下に図7を参照しつつ説明する。
図7は、本実施例の光学的分解能向上装置の構成を示す概略図である。本実施例は図6と同様な光学系に採用されるものであるが、本実施例においては、この図7に示すように拡大光学系53をなくす替りに、回折格子であるグレーティング54をレンズ52の焦点付近に配置した構造としている。なお、本実施例においても試料Sを透過した回折光が図示しないスライドガラス72から出射され、さらに、図示しないものの、本実施例においては、光軸L0に対して対象な位置に同様な光学系が配置されている。
FIG. 7 is a schematic diagram showing the configuration of the optical resolution improving apparatus of the present embodiment. Although this embodiment is employed in an optical system similar to that shown in FIG. 6, in this embodiment, instead of using the magnifying
この結果、試料Sにより回折された0次回折光と1次回折光がグレーティング54により、さらに回折され、0次回折光と1次回折光が実質上干渉するようになる。図7において、斜線を施した部分が、0次回折光と1次回折光が重なる干渉部Kであるが、光軸L3に対して、逆側にも同様な干渉部Kが存在する。 As a result, the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light diffracted by the sample S are further diffracted by the grating 54, and the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light substantially interfere with each other. In FIG. 7, the shaded portion is the interference portion K where the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light overlap, but there is a similar interference portion K on the opposite side of the optical axis L3.
ここで、グレーティング54が正弦波状で構成されていれば、グレーティング54による回折波は、0次回折光、±1次回折光で位相差がない。この場合、光軸L3に対して対称な部分の位相差は同じなので、重なった部分は同相となる。従って、本実施例では、受光素子50はグレーティング54から出力された少なくとも2つの領域の上記干渉部Kを含む部分の光量を取得すればよい。
Here, if the grating 54 is configured in a sine wave shape, the diffracted wave by the grating 54 is zero-order diffracted light and ± first-order diffracted light and has no phase difference. In this case, since the phase difference of the symmetric portion with respect to the optical axis L3 is the same, the overlapping portion is in phase. Therefore, in this embodiment, the
ただし、光軸L0に対して干渉部Kが対称で同相であるが、試料Sで回折された−1次回折光では、この干渉部Kの位相が180度反転する。これに対して、干渉部K以外の強度は、試料Sで回折された±1次回折光の方向で同一となるため、±1次回折光の強度の差動出力を取ると、干渉部Kのみの情報が残ることになる。 However, although the interference part K is symmetrical and in phase with the optical axis L0, the phase of the interference part K is inverted by 180 degrees in the −1st order diffracted light diffracted by the sample S. On the other hand, the intensities other than the interference part K are the same in the direction of the ± first-order diffracted light diffracted by the sample S. Information will remain.
この一方、グレーティング54が位相差を生じる実質上の正弦波状で構成されていると、グレーティング54による0次回折光と±1次回折光で位相差が180°生じる。この場合、上記したように受光素子50をグレーティング54から出力された少なくとも1つの領域の干渉部Kを含む光量を取得すればよい。ただし、上記と異なる点は、グレーティング54の有する位相差が反映することになるので、グレーティング54のビームに対する位置も反映する。従って、グレーティング54のビームに対する位置調整が必要になる。
On the other hand, when the grating 54 is configured in a substantially sine wave shape that causes a phase difference, a phase difference of 180 ° is generated between the 0th-order diffracted light and the ± 1st-order diffracted light by the
なお、位置調整は非常に簡単で、あらかじめ用意した、ある空間周波数を有する位相格子の試料Sに対して、走査による観察される両側の受光素子50の強度変調が最大になるように調整し、かつ、両側で位相差が180°になる様にすればよい。±1次回折光の強度の差動出力が、干渉部Kのみの情報が残ることは上記と同様である。
It should be noted that the position adjustment is very simple and is adjusted so that the intensity modulation of the
本発明に係る光学的分解能向上装置の実施例5を以下に図8を参照しつつ説明する。
図8は、本実施例の光学的分解能向上装置の構成を示す概略図である。
本実施例は図7と同様なグレーティング54を別の光学系に採用したものであるが、本実施例においては、試料Sを透過した回折光が図示しないスライドガラス72から出射されるものの、この図8に示すように、レンズ15、16、17を有する他、反射鏡18、19を有する実施例1に近似した構造とされている。ただし、ビームスプリッター12A、12B、13、14等が無い替りに、レンズ55が反射鏡18の下方に配置され、このレンズ55と受光素子57との間であって、レンズ55の焦点位置にグレーティング54が配置された構造となっている。
Embodiment 5 of the optical resolution improving apparatus according to the present invention will be described below with reference to FIG.
FIG. 8 is a schematic diagram showing the configuration of the optical resolution improving apparatus of the present embodiment.
In this embodiment, a grating 54 similar to that shown in FIG. 7 is used in another optical system. In this embodiment, diffracted light transmitted through the sample S is emitted from a slide glass 72 (not shown). As shown in FIG. 8, in addition to the
さらに、レンズ15が大型とされて、このレンズ15を透過した光束の一部がレンズ55に入射されることで、実施例4と同様に作用する。また、レンズ56が反射鏡19の下方に配置され、上記と同様にこのレンズ56と受光素子58との間であって、レンズ56の焦点位置にグレーティング54が配置された構造となっている。このため、これらレンズ56、グレーティング54、受光素子58等によっても、上記と同様に作用する。
Furthermore, the
本発明に係る光学的分解能向上装置及びスライドガラスの実施例6を図3に示すDPC法の光学系に適用した例を用いて、以下に図9を参照しつつ説明する。
図9に示すように、平行光束が対物レンズ31に入射し、試料Sに収束されるまでは、図2と同様である。しかし、本実施例においては、スライドガラス72の替わりに、凸部74Bの表面がレンズ面状であって、内部にこの凸部74Bの表面の焦点位置Fが位置する曲率を有する構造とされたスライドガラス74を採用している。
An optical resolution improving apparatus and a slide glass according to a sixth embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG. 9 using an example in which the sixth embodiment of the DPC method shown in FIG. 3 is applied.
As shown in FIG. 9, the process is the same as that in FIG. 2 until the parallel light beam enters the
この結果、試料Sにより回折されスライドガラス74内に入射した0次回折光と±1次回折光は、スライドガラス74から受光素子29に対して絞られ気味に照射されることとなり、これら0次光と1次回折光の干渉が実現される。このため、回折角がより大きな1次回折光であっても、同じ大きさの受光素子で回折光を取得することが可能となるのに伴って、より空間周波数の高い情報を取得することができる。また、凸部74Bの表面の曲率を試料S付近に焦点があるような曲率にすれば、スライドガラス74からの出射光はほぼそのまま直進することとなって、受光素子29上で試料Sのフーリエ変換が得られることになる。
As a result, the 0th-order diffracted light and the ± 1st-order diffracted light diffracted by the sample S and incident on the
本発明に係る光学的分解能向上装置及びスライドガラスの実施例7を図3に示すDPC法の光学系に適用した例を用いて、以下に図10を参照しつつ説明する。
本実施例は、図10に示すように、平行光束が対物レンズ31に入射し、試料Sに収束されるまでは、図3と同様である。しかし、本実施例においては、スライドガラス72の替わりに、凸部76Bを構成する部材の屈折率が他の部分である本体部76Aを構成する部材の屈折率よりも高くされるスライドガラス76が採用されている。
An optical resolution improving apparatus and a slide glass according to Example 7 of the present invention will be described below with reference to FIG. 10 using an example in which the optical system of the DPC method shown in FIG. 3 is applied.
This embodiment is the same as FIG. 3 until the parallel light beam enters the
このスライドガラス76を用いることで、試料Sを透過した0次回折光と±1次回折光が本体部76Aから凸部76Bに入射される際に、これら回折光が集束傾向とされる。なお、図10において、光軸L0とされる0次回折光の図における両端部を光エッジ部L0a、L0bとし、光軸L1とされる1次回折光の図における両端部を光エッジ部L1a、L1bとし、光軸L2とされる−1次回折光の図における両端部を光エッジ部L2a、L2bとして、表した。
このため、スライドガラス76から出射されて受光素子29がこれら回折光を受光するときに、実施例6と同様に、より空間周波数の高い情報を取得することができる。
By using the
For this reason, when the
本発明に係る光学的分解能向上装置及びスライドガラスの実施例8を図示しないものの図3に示すDPC法の光学系に適用した例を用いて、図11及び図12を参照しつつ説明する。本実施例では、図11に示すように、凸部78Bが複数設けられたスライドガラス78とし、これら凸部78Bに対向するスライドガラス78のレーザー光源21側の位置に、試料Sが設置されうる凹部78Eがそれぞれ設けられている。
An optical resolution improving apparatus and a slide glass according to an eighth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 11 and 12, using an example in which the optical system of the DPC method shown in FIG. In this embodiment, as shown in FIG. 11, the
従って、本実施例によれば、凹部78Eを複数有することで、これらの中に細胞等を単数、あるいは複数個入れて培養することができると共に、動きのあるプランクトンや細胞等の運動範囲をある程度制限することができるため、試料Sの観察がしやすくなる。
Therefore, according to the present embodiment, by having a plurality of the
また、複数の凹部78Eにそれぞれ試料Sが設置可能となっているので、各凹部78Eに番号を付与しておき、スライドガラス78を支持する図示しないテーブルを電動ステージとし、この電動ステージの読み取り位置とともにこの番号を記憶しておくことが考えられる。このようにすれば、簡単に個々の培養細胞の管理ができるだけでなく、各試料Sを順次観察可能になるのに伴い、効率の良い観察ができるようになる。この結果として、各凹部78Eにおいて細胞等を培養することができ、多数の細胞の時間経過による変化を位相情報を有した3次元情報として容易に観察することが可能となる。
Since the sample S can be set in each of the plurality of
さらに、スライドガラスの凸部を、一定の曲率を有する平凸レンズにより構成し、市販の適切な焦点距離を有する平凸レンズの平面部を本体部に接着したり、一体的に形成したりして、スライドガラスを作成しても良い。このように平凸レンズを用いることで、焦点位置をカバーガラス内にすることができるのに伴い、回折光が収束光となる。この場合、高い空間周波数が取り出せると同時に空間周波数情報を取得する受光素子の面積を小さくできる。 Furthermore, the convex part of the slide glass is constituted by a plano-convex lens having a certain curvature, and the flat part of a commercially available plano-convex lens having an appropriate focal length is bonded to the main body part or integrally formed, A slide glass may be created. By using the plano-convex lens in this way, the diffracted light becomes convergent light as the focal position can be set in the cover glass. In this case, the area of the light receiving element that acquires spatial frequency information can be reduced at the same time that a high spatial frequency can be extracted.
以上に説明した本発明に係る各実施例に記載のスライドガラスの材質については、その名称通りにガラス材に限定されるものではなく、透明で堅牢な材質であればよく、例えばプラスチック材等が考えられる。さらに、スライドガラスの本体部及び凸部は一体成型してよいし、上記のように本体部の下面に平凸レンズ等の凸部を接着等して一体化してもよい。また、試料は細胞の他に透明体のものでもよく、水溶液は油や水等でも良い。
以上、本発明に係る実施の形態を説明したが、本発明は前述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
The material of the slide glass described in each of the embodiments according to the present invention described above is not limited to the glass material as the name suggests, and may be a transparent and robust material, such as a plastic material. Conceivable. Furthermore, the main body portion and the convex portion of the slide glass may be integrally formed, or as described above, the convex portion such as a plano-convex lens may be integrated on the lower surface of the main body portion. In addition to the cells, the sample may be a transparent material, and the aqueous solution may be oil or water.
The embodiments according to the present invention have been described above, but the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
本発明の光学的分解能向上装置及びスライドガラスは、測定対象物を透過した回折光をより確実に受光可能とできるので、顕微鏡だけでなく、さまざまな種類の光学機器等の計測機に適用でき、これら光学機器の分解能を向上できるものである。 Since the optical resolution improving apparatus and the slide glass of the present invention can receive diffracted light transmitted through the measurement object more reliably, it can be applied not only to a microscope but also to measuring instruments such as various types of optical instruments, The resolution of these optical devices can be improved.
4、5 第2の受光素子群
6 第1の受光素子
10 レーザー光源
11 対物レンズ
12A、12B 第1のビームスプリッター
13、14 第2のビームスプリッター
15、16、17 レンズ
18、19 反射鏡
21 レーザー光源
22 コリメーターレンズ
23 音響光学素子
24 AODドライバー
25 瞳伝達拡大レンズ系
26 2次元走査デバイス
27 ビームスプリッター
28,29 受光素子
30 瞳伝達レンズ系
31 対物レンズ
33 比較器
34 データ処理部
36 レンズ
39 ロンボイドプリズム
40、41、42 受光素子
50 受光素子
52 レンズ
53 拡大光学系
54 グレーティング
55,56 レンズ
57,58 受光素子
64、65 レンズ
71 カバーガラス
72、74、76、78、172 スライドガラス
E 水溶液
F 焦点
P 曲率中心
S 試料
L0、L1、L2、L3、LX 光軸
4, 5 2nd light receiving
Claims (7)
前記測定対象物を透過した光をそれぞれ受光する第1の受光素子及び一対の第2の受光素子と、
前記各受光素子と前記光源の間に配置され、前記光源側の面に前記測定対象物が設置可能とされると共に前記各受光素子側の面に曲面状の表面を有した凸部が設けられたスライドガラスと、
を有した光学的分解能向上装置であって、
前記光束の照射光軸上に位置し、前記測定対象物及び前記スライドガラスを透過した光束を平行な光束に変換する第1のレンズと、
第1のレンズを透過した透過光の内の照射光軸を挟んだ各側部分の光をそれぞれ受光する2つの分割受光素子を少なくとも有する第1の受光素子と、
前記照射光軸に対して第1の受光素子の分割受光素子が受光する各側にそれぞれ傾きを有した傾斜光軸上に位置し、かつ、前記測定対象物及び前記スライドガラスを透過した光束をそれぞれ平行な光束とする一対の第2のレンズと、
第1のレンズから出射された光束と前記各第2のレンズから出射された光束とをそれぞれ干渉させる光学素子と、
該光学素子により干渉された各光束を受光する一対の第2の受光素子と、
第1の受光素子の照射光軸を挟んで位置する分割受光素子間の出力和や出力差および、一対の第2の受光素子間の出力和や出力差をそれぞれ検出する出力和差検出部と、
を含む光学的分解能向上装置。 A light source for irradiating a measurement object with a light beam;
A first light-receiving element and a pair of second light-receiving elements that respectively receive light transmitted through the measurement object;
The measurement object is disposed between each light receiving element and the light source, and the measurement object can be set on the surface on the light source side, and a convex portion having a curved surface is provided on the surface on each light receiving element side. Slide glass,
An optical resolution enhancing apparatus having a
A first lens that is located on the irradiation optical axis of the luminous flux and converts the luminous flux that has passed through the measurement object and the slide glass into a parallel luminous flux;
A first light-receiving element having at least two divided light-receiving elements that respectively receive light on each side portion across the irradiation optical axis of transmitted light that has passed through the first lens;
A light beam that is located on an inclined optical axis that has an inclination on each side on which the divided light receiving elements of the first light receiving element receive light with respect to the irradiation optical axis and that has passed through the measurement object and the slide glass. A pair of second lenses each having a parallel luminous flux;
An optical element that causes interference between the light beam emitted from the first lens and the light beam emitted from each of the second lenses;
A pair of second light receiving elements for receiving each light beam interfered by the optical element;
An output sum difference detection unit for detecting an output sum or output difference between the divided light receiving elements located across the irradiation optical axis of the first light receiving element and an output sum or output difference between the pair of second light receiving elements; ,
An optical resolution improving apparatus.
前記測定対象物を透過した光をそれぞれ受光する複数の第1の受光素子及び複数の第2の受光素子と、
前記各受光素子と前記光源の間に配置され、前記光源側の面に前記測定対象物が設置可能とされると共に前記各受光素子側の面に曲面状の表面を有した凸部が設けられたスライドガラスと、
を有した光学的分解能向上装置であって、
前記光束の照射光軸に対して傾きを有した傾斜光軸上に位置し、かつ、前記測定対象物及び前記スライドガラスを透過した光束を平行な光束とする第1のレンズと、
該第1のレンズに入射される光束の前記照射光軸に近い該第1のレンズの部分を通過する第1の光束と該照射光軸から遠い該第1のレンズの一方の半面を通過する第2の光束を干渉させる第1の光学素子と、
第1の光学素子により干渉された光束をそれぞれ検出する複数の第1の受光素子と、
前記照射光軸に対して前記第1のレンズと反対方向に配置され、かつ、前記測定対象物及び前記スライドガラスを透過した光束を平行な光束とする第2のレンズと、
前記照射光軸に対して前記第1の光学素子と反対方向に配置され、前記照射光軸に近い該第2のレンズの部分を通過する第1の光束と前記照射光軸から遠い該第1のレンズの一方の半面を通過する第2の光束を干渉させる第2の光学素子と、
第2の光学素子により干渉された光束をそれぞれ検出する複数の第2の受光素子と、
複数の第1の受光素子の任意の受光出力と複数の第2の受光素子の任意の受光出力との和や差の出力値を検出する出力和差検出部と、
を含む光学的分解能向上装置。 A light source for irradiating a measurement object with a light beam;
A plurality of first light receiving elements and a plurality of second light receiving elements that respectively receive light transmitted through the measurement object;
The measurement object is disposed between each light receiving element and the light source, and the measurement object can be set on the surface on the light source side, and a convex portion having a curved surface is provided on the surface on each light receiving element side. Slide glass,
An optical resolution improving device having
A first lens which is located on the inclined optical axis having a tilt, and a light beam transmitted through the object to be measured and the slide glass and a light beam parallel to the irradiation optical axis of the light beam,
Passes through one half of the first light flux and該照Shako the farther from the axis a first lens that passes through portions of the irradiation optical axis near the first lens of the light flux incident to the first lens A first optical element that causes the second light beam to interfere;
A plurality of first light receiving elements for respectively detecting light beams interfered by the first optical element;
A second lens arranged in a direction opposite to the first lens with respect to the irradiation optical axis, and having a light beam transmitted through the measurement object and the slide glass as a parallel light beam;
A first light beam that is disposed in a direction opposite to the first optical element with respect to the irradiation optical axis and passes through a portion of the second lens close to the irradiation optical axis, and the first light beam that is far from the irradiation optical axis. A second optical element that interferes with a second light flux that passes through one half of the lens ;
A plurality of second light receiving elements for respectively detecting light beams interfered by the second optical element;
An output sum / difference detector for detecting an output value of a sum or a difference between an arbitrary received light output of the plurality of first light receiving elements and an arbitrary received light output of the plurality of second light receiving elements;
The including optical histological resolution enhancing apparatus.
前記測定対象物を透過した光をそれぞれ受光する第1の受光素子及び第2の受光素子と、A first light receiving element and a second light receiving element that respectively receive light transmitted through the measurement object;
前記各受光素子と前記光源の間に配置され、前記光源側の面に前記測定対象物が設置可能とされると共に前記各受光素子側の面に曲面状の表面を有した凸部が設けられたスライドガラスと、The measurement object is disposed between each light receiving element and the light source, and the measurement object can be set on the surface on the light source side, and a convex portion having a curved surface is provided on the surface on each light receiving element side. Slide glass,
を有した光学的分解能向上装置であって、An optical resolution improving device having
前記光束の照射光軸に対して傾きを有した傾斜光軸上に位置し、かつ、前記測定対象物及び前記スライドガラスを透過した光束を平行な光束とする第1のレンズと、A first lens that is positioned on an inclined optical axis that is inclined with respect to the irradiation optical axis of the luminous flux and that makes the luminous flux that has passed through the measurement object and the slide glass a parallel luminous flux;
該第1のレンズで平行となった光束を収束して光束を干渉させる第1の集光レンズと、A first condenser lens that converges the light beam paralleled by the first lens and interferes the light beam;
該第1の集光レンズにより干渉された光束を検出する第1の受光素子と、A first light receiving element for detecting a light beam interfered by the first condenser lens;
前記照射光軸に対して前記第1のレンズと反対方向に配置され、かつ、前記測定対象物及び前記スライドガラスを透過した光束を平行な光束とする第2のレンズと、A second lens arranged in a direction opposite to the first lens with respect to the irradiation optical axis, and having a light beam transmitted through the measurement object and the slide glass as a parallel light beam;
前記照射光軸に対して前記第1の集光レンズと反対方向に配置され、該第2のレンズで平行となった光束を収束して光束を干渉させる第2の集光レンズと、A second condenser lens that is disposed in a direction opposite to the first condenser lens with respect to the irradiation optical axis, and converges the light beam paralleled by the second lens to interfere with the light beam;
該第2の集光レンズにより干渉された光束を検出する第2の受光素子と、A second light receiving element for detecting a light beam interfered by the second condenser lens;
第1の受光素子の受光出力と第2の受光素子の受光出力との和や差の出力値を検出する出力和差検出部と、An output sum difference detector for detecting an output value of a sum or a difference between a light receiving output of the first light receiving element and a light receiving output of the second light receiving element;
を含む光学的分解能向上装置。An optical resolution improving apparatus.
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