(57)【要約】      （修正有）【課題】自己発光体を観察する光学系の回折限界内の像を得る。【解決手段】自己発光体１の光結像面内に、０次回折光が０である第１の位相回折格子４を設置し、その第１の位相回折格子からの光の結像面内に、０次回折光が０である第２の位相回折格子６を設置し、その第２の位相回折格子からの光の結像面に、０次回折光が０である第３の位相回折格子８を設置し、自己発光体のある一直線上の任意の光点からの光は多く、それ以外の、その光点から結像光学系の回折限界内にある光点からの光は、第１、２、３の位相回折格子を通過して、２次元光検出器９に少ししか結像しない様に、配置する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料又は天体の結像を得る機構を有し、その光学結像面内に第１の位相回折格子を設置し、第１の位相回折格子を通過した光を、光学系で第２の位相回折格子上に結像する。さらに第２の位相回折格子を通過した光を、光学系で第３の位相回折格子上に結像する。この様に、試料又は天体からの光を、光学系で結像し、その光学結像面内に位相回折格子を設置し、２回以上位相回折格子を通過さす。そして、試料又は天体の結像位置と、位相回折格子群との位置を変化させることにより得る、光学顕微鏡および天体望遠鏡の結像方法。
【請求項２】
位相回折格子による０次回折光が、０となる位相回折格子を使用した、請求項１記載の光学顕微鏡および天体望遠鏡の結像方法。
【請求項３】
第１の位相回折格子のある格子中央の線上の任意の一点（１２）から発した光は、光学系にて第２の位相回折格子上に焦点を結び、そのフォーカススポット中心は、第２の位相回折格子の一つの格子中央線上の一点（１３）にあり、第１の位相回折格子の一点（１２）が存在する隣の格子の中央線上の任意の一点（１５）から発した光は、光学系で第２の位相回折格子上に焦点を結び、そのフォーカススポットの中心は、第２の位相回折格子の一点（１３）が存在する格子と、その隣りの格子の境界線上の一点（１６）に存在する様に配置した、請求項１記載の光学顕微鏡および天体望遠鏡の結像方法。
【請求項４】
第１の位相回折格子のある格子中央線上の任意の一点（１２）より発した光が、第２の位相回折格子上に焦点を結び、そのフォーカススポット中心（１３）から発した光は、第３の位相回折格子上に焦点を結び、そのフォーカススポットの中心点（１４）は、第３の位相回折格子のある格子中央線上に存在する。第１の位相回折格子にある一点（１５）が存在する格子の、一点（１２）が存在しない方の隣りにある格子の中央線上の任意の一点（１７）から発した光は、光学系で第２の位相回折格子上に結像し、そのフォーカススポットの中心は、一点１３が存在する格子の隣りにある格子中央線上の一点１８に存在する。
そのフォーカススポット中心から発した光は光学系で、第３の位相回折格子上に結像し、そのフォーカススポットの中心は、第３の位相回折格子の点（１４）が存在する格子と、その隣りの格子との境界線上の一点（１９）に存在する様に第１、第２、第３の位相回折格子を配置した、請求項３記載の光学顕微鏡および天体望遠鏡の結像方法。
【請求項５】
回転円板の周辺に、回転円板を内臓し、それぞれの回転円板内に、位相回折格子を設置している、請求項１記載の光学顕微鏡および天体望遠鏡の結像方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、回折限界内の分解能を有する自己発光体観察用の、光学顕微鏡および天体望遠鏡の結像方法に関する。
【０００２】
〔従来の技術〕
生物の生命活動を調べるに螢光顕微鏡、天体の調査に天体望遠鏡を用いて、光学系の回折限界外の光学像を得ていた。
【０００３】
〔発明が解決しようとする課題〕
細胞の螢光像の解像度を向上するために、二光子レーザ顕微鏡が開発されているが、螢光材料の種類の少なさに問題がある。天体望遠鏡の解像力向上のため、光学系の大型化が進められて来たが、建設費や維持費の増大と、地球大気のゆらぎのため、解像力の向上に限界があった。
【０００４】
本発明はどんな螢光染色にも対応でき光学系の回折限界内の分解能を有する螢光顕微鏡と、安価で回折限界内の分解能を有する天体望遠鏡を提供しようとするものである。
【０００５】
〔課題を解決するための手段〕
上記目的を達成するために、本発明光学顕微鏡および天体望遠鏡の結像方法では、０次回折光が０である複数個の位相回折格子を使用して、試料および天体の拡大光学結像面にこの第１の位相回折格子を設置し、
【０００６】
次に第１の位相回折格子の各点より発する光を、光学系により第２の位相回折格子に結像さし、この繰り返しを２から３回施行して、２次元光検出器に結像さす。そして、この時、各位相回折格子を同期して移動さしている。
【０００７】
〔作用〕
この様な構造となっているので、試料又は天体のある一点より発した光の大部分は、２次元光検出器に到達しているが、各位相回折格子の格子に垂直方向にて前記一光点に対し試料又は天体を結像する最初の光学系の回折限界内にある光点からの光は、より減光して２次元光検出器に到達している。
【０００８】
〔実施例〕
実施例について図面を参照して説明すると、図１において、自己発光体１からの光は、光学系２にて、０次回折光が０である第１の位相回折格子４上に拡大して結像する。この第１の位相回折格子４を通過した光は、光学系３にて、０次の回折光が０である第２の位相回折格子６上に結像する。
【０００９】
同様に、第２の位相回折格子６を通過した光は、光学系５にて、０次回折光が０である第３の位相回折格子８上に結像し、光学系７にて２次元光検出器９に結像する。この時、位相回折格子４、６、８は同期して移動して、自己発光体１の２次元像を得ている。
【００１０】
図１で使用されている各位相回折格子は、図２にて示されている様に、透過型では、位相回折格子１０の山と谷との厚さの差で、光のπ位相差を生じ、反射型では、山と谷との高低の差は４分の１波長となっている。
【００１１】
図３は、位相回折格子４、６、８の配置関係を説明したもので、位相回折格子４のある格子の中央線上の任意の一点１２から発した光は、光学系３にて、位相回折格子６のある格子の中央線上の点１３を中心とするフォーカススポットに結像する。
【００１２】
そして、位相回折格子６上の一点１３から発した光は、光学系５にて位相回折格子８に存在する、ある格子の中央線上の一点１４を中心とするフォーカススポットに結像する。
【００１３】
又、位相回折格子４に存在する一点１２が存在する格子の隣りの格子の中央線上にある任意の一点１５から発した光は、光学系３にて、位相回折格子６に存在する一点１３が存在する格子と、その隣りの格子の境界線上の一点１６を中心とするフォーカススポットに結像する。
【００１４】
又、位相回折格子４の一点１５が存在する格子の両隣りの格子の内、一点１２が存在しない方の格子の中央線上に存在する一点１７から発した光は、光学系３にて、位相回折格子６にある一点１３が存在する格子と、その隣りの格子とが、一点１６が存在する境界線をなす、その隣りの格子の中央線上の一点１８を中心とするフォーカススポットに結像する。
【００１５】
そして、位相回折格子６に存在する一点１８から発した光は、光学系５にて、位相回折格子８にある一点１４の存在する格子と、その隣りの格子との境界線上に存在する一点１９に中心を有する、フォーカススポットに結像する。
【００１６】
図４にて、位相回折格子４、６、８は、それぞれ透明円板４′、６′、８′に載せられ固定されていて、その位相回折格子４、６、８の方向は同じにし、透明円板４′、６′、８′は回転軸２０に固定され、同期して回転している。
【００１７】
位相回折格子４は、透明円板４′に多方向に多数配置し、同様に、位相回折格子６、８もそれぞれ、透明円板６′、８′に多方向に多数配置されている。そして位相回折格子４、６、８はそれぞれ透明円板４′、６′、８′に回転軸２０方向に、整列して配置している。
又図４、５にて、透明円板４′、６′、８′の周辺に、回転軸２１を共有して独立して回転する、それぞれ透明円板２２−４′、２２−６′、２２−８′を内臓している。そして、その透明円板２２−４′、２２−６′、２２−８′にもそれぞれ位相回折格子４、６、８を多方向に多数整列して載せている。そして、透明円板４′、６′、８′のそれぞれの周辺リング状の範囲２３−４′、２３−６′、２３−８′に位相回折格子４、６、８が配置されている。
【００１８】
図６にて、自己発光体のある一点からの光が、位相回折格子４の一格子の中央線上の一点１２を中心とする、直径が２格子間隔の円２４で表わされるフォーカススポットに焦点を結ぶ。又光学系３、５、７による拡大率は、ほぼ１としている。
【００１９】
透明円板４′、６′、８′上には、それぞれ多方向の位相回折格子が多数配置されているので、それらの同期した回転によって得られるそれぞれの２次元光検出器９の像を、重ね合わせて、自己発光体１の光学像としている。
【００２０】
螢光顕微鏡として使用する場合、自己発光体１に照射される励起光自体による自己発光体１の全体像は、透明板４′の位相回折格子４が設置されていない所に、図７で示される様に、πだけの位相差を生じる透明板２６、２７を有するスリット２８を設置し、そのスリット２８を通過した光を分離して取り出し、微分干渉様の画像として得ている。
【００２１】
〔発明の効果〕
本発明は、以上説明したように構成されているので、以下に記載されるような効果を奏する。
【００２２】
自己発光体１の各点より発する光は、互いに干歩しないので、図３に示すように、自己発光体１の一点より発した光が、位相回折格子４のある格子中央線上の一点１２を中心とするフォーカススポットに結像すると、その光が位相回折格子４を通過し、大部分光学系３に入射し、位相回折格子６上ある格子中央線上の一点１３を中心とするフォーカススポットに、結像する。
【００２３】
この時、この光が位相回折格子６を通過して、全光量が光学系５に入射して、位相回折格子８に結像する。そして、この光が位相回折格子８を通過して全光量が光学系７に入射して、２次元光検出器９に結像して検出される。
【００２４】
又、位相回折格子４上の一点１２より、格子に垂直方向にだんだん離れて結像するに対応した、自己発光体１の一点より発する光は、位相回折格子４、６をそれぞれ通過する。この時、それぞれの位相回折格子４、６に対応している光学系３、５に入射する光量は、減少するが、位相回折格子８を通過時は光学系７に入射する光量は、減少しない。そして、自己発光体１の一点より発する光が、位相回折格子４上の一点１２と一点１５の存在する２つの格子の境界線上の一点を中心とするフォーカススポットに結像する時、その光が位相回折格子４を通過して光学系３に入射する光量は、０となり、２次元光検出器９に入射する光量も０となっている。
【００２５】
そして、自己発光体１の一点より発した光が、位相回折格子４の一点１５が存在する格子の中央線に、フォーカススポットの中心点が近づくにつれて、位相回折格子４を通過して光学系３に入射し、位格回折格子６上に結像する光量は大きくなるが、そのフォーカススポットの中心が、一点１６の存在する格子間の境界線に近づくため、位相回折格子６を通過して、光学系５に入射する光量は小さくなる。又、その光が位相回折格子８上に結像するフォーカススポットの中心は、位相回折格子８の格子間の境界線上に、多少近づくため、位相回折格子８を通過して光学系７に入射する光量も多少小さくなり、これらのことより２次元光検出器９に結像する光量も小さくなる。
【００２６】
自己発光体１の一点より発する光が位相回折格子４上に結像し、そのフォーカススポットの中心が、一点１５が存在する格子中央線上から、一点１５と一点１７がそれぞれ存在する２格子間の境界線上に近づくにつれて、位相回折格子４を通過して光学系３に入射する光量が減少し、このフォーカススポットの中心が、一点１５が存在する格子と、一点１７が存在する格子の境界線上に存在すると、位相回折格子４を通過して光学系３に入射する光量が０となる。
【００２７】
又、自己発光体１の一点より発する光が、位相回折格子４上に結像し、そのフォーカススポットの中心が、一点１７が存在する格子中央線上に近づくにつれて、位相回折格子４を通過し、光学系３に入射する光量が増大し、位相回折格子６を通過して光学系５に入射する光量も増大する。そして、光学系５に入射する光量は、自己発光体１の一点より発する光が、位相回折格子４の一点１７を通る格子中央線上に、そのフォーカススポットの中心が存在するように結像するとき、その光は、光学系３により位相回折格子６上の一点１８をフォーカススポットの中心として結像するので最大となる。
しかしこの時、光学系５による位相回折格子８上に結像するフォーカススポットの中心は、位相回折格子８上の一点１４が存在する格子と、その隣りの格子との境界線上に存在するので、この光の位相回折格子８を通過して、光学系７に入射する光量は０となり、そこで、２次元光検出器９に結像する光量は０となっている。
【００２８】
以上説明した様に、自己発光体１の一直線上の任意の一点から発する光が、位相回折格子４の一点１２が存在する格子中央線上に結像すると、２次元光検出器９で、大部分の光量が検出されるが、自己発光体１にある前記一直線上の任意の一点に対して、光学系２の回折限界内の一点から発する光が、光学系２で位相回折格子４上の一点１２が存在する格子中央線以外にフォーカススポットの中心が存在して結像すると、大幅に減光されて光検出器９に結像して検出されている。
【００２９】
従って、自己発光体１に対して、位相回折格子４、６、８を多方向走査し、その多方向からの２次元光検出器９で得られた像を重ね合わせることにより、自己発光体１のあらゆる方向に対しての光学系２による回折限界内の像を得ている。
【００３０】
又、自己発光体１の一点より発する光が、位相回折格子４上の一点１２が存在する格子中央線から焦点が外れると、図６が示す様に、位相回折格子４上に広い点線の範囲２５に、光がボケて結像するので、位相回折格子４を通過して、光学系３に入射する光量は非常に小さくなる。
【００３１】
従って、自己発光体１からの光が、位相回折格子４に焦点が合わずに結像すると、２次元光検出器９に到達する光は、大幅に減少している。この様に、共焦点顕微鏡と同じく、自己発光体１の深さ方向も、高分解されて検出している。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施例のブロック図である。
【図２】透過型位相回折格子と、反射型位相回折格子の断面図である。
【図３】一実施例の透過型位相回折格子群とそれぞれに対応する光学系の位置関係図である。
【図４】透過型位相回折格子を内臓した透明円板群と、その駆動回転軸の配置側面図である。
【図５】各透明円板上の透過型位相回折格子の配置正面図である。
【図６】第１番目の位相回折格子に結像した自己発光体の一点からの光のフォーカススポットの大きさの説明図である。
【図７】透明板上に設置され、π位相差を生じる透明板で２分割されたスリット説明図である。
【符号の説明】
１  自己発光体
２，３，５，７  光学系
４，６，８  位相回折格子
９  ２次元光検出器
１０  透過型位相回折格子
１１  反射型位相回折格子
１２，１３，１４，１５，１６，１７，１８，１９  点
２０，２１  回転軸
４′，６′，８′透明円板
２２−４′，２２−６′，２２−８′透明円板に内臓された透明円板
２３−４′，２３−６′，２３−８′リング状の範囲
２４，２５  フォーカススポット
２６，２７  π位相差を生じる透明板
２８  スリット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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