(57)【要約】【目的】自己発光体又は光ディスクの観察において、光学系の回折限界内の像を得る。【構成】自己発光体上の各光点の各二分割フォーカススポット光量の差の和を、光学的に一定の範囲づつ検出するか、又は光ディスクの記録マークの戻り光を光ディスクの走査方向に２分割し、その差を検出する。すなわち、自己発光体上の一光点のフォーカススポット光の光量分布グラフより、又は光ディスクの記録マークの像の光量分布グラフより、対物レンズの回折限界内により変化の激しい特異点を有するグラフを求める。そしてそのグラフから等間隔にて、３つの値Ｆ，Ｇ，Ｈを求め、（Ｆ−２Ｇ＋Ｈ）値を自己発光体の各光点の輝度又は、光ディスクの各記録マークの像の輝度とする。【選択図】      図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料からの光が結像する一定の範囲内において、試料の一光点からの光が、その一定の範囲を２分割にした２つの範囲に到達する、その光量の差を求める光検出機構を有し、又は、試料からの光を２分割して２つの光ビームを得、一方の光ビームの左，右をひっくり返して、もう一方の光ビームと干渉さして、その干渉光量の値を求める光検出機構を有し、このどちらかの光検出機構で、試料と前記２つの光検出機構の光学的相対位置の移動によって得られた各測定値間の引き算を行う操作を１回以上行って得られた値でもって、試料の光学像の輝度とする、光学顕微鏡および天体望遠鏡の結像方法。
【請求項２】
自己発光体の光点からの光が結像する一定の範囲内において、その一定の範囲を２分割した２つの範囲に、各光点から結像した各々の光量の差の和の値を求める光検出機構を有し、又は、自己発光体からの光を２分割して２つの光ビームを得、一方の光ビームの左右をひっくり返して、もう一方の光ビームと干渉さして、その干渉光量の値を求める光検出機構を有し、このどちらかの光検出機構で、試料と前記２つの光検出機構の光学的相対位置の移動によって得られた各測定値間の引き算を行う操作を１回以上行って得られた値でもって、試料の光学像の輝度とする、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。
【請求項３】
試料（自己発光体を含む）の光学像検出部分と、上記光検出機構の光学的相対位置を等間隔で測定した３つの測定値Ｍ，Ｎ，Ｏを求め、（Ｍ−２Ｎ＋Ｏ）の値にて、試料（自己発光体を含む）の光学像の輝度とした、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】
試料（自己発光体を含む）の光学像検出部分と、上記光検出機構の光学的相対位置を等間隔で、前記光検出機構で検出された光量値の微分値Ｐ，Ｑを求め、（Ｑ−Ｐ）値にて、試料（自己発光体を含む）の光学像の輝度とした、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５】
光検出機構又は、試料上に照射するフォーカススポット光の走査方向を回転さした請求項１記載の光学顕微鏡および天体望遠鏡の結像方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、対物レンズの光の回折限界内の分解能を有する、光デイスの読み取り用光学顕微鏡の結像方法、自己発光体観察用光学顕微鏡および、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，光ディスクの記録マークを読み取るに、光ヘッドと言う一種の光学顕微鏡を用いて、対物レンズの光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〕
細胞の螢光像の対物レンズの光の回折限界内の光学像を得るために、多光子レーザー顕微鏡が開発されているが染色用螢光体数が少なく又対物レンズの光の回折限界の約２倍の解像度であり、さらなる解像度の向上が求められていた。
又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、重力の存在、大気のゆらぎのため建設費や維持費の増大を来たし、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、対物レンズの光の回折限界内の分解能を有する、一般型の螢光顕微鏡、レーザー走査型螢光顕微鏡、安価で回折限界内の分解能を有する天体望遠鏡、従来の光ヘッドを用いて、光デスクの記録マーク読み取り能の向上した光ヘッドの結像方法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、自己発光体の結像面内に、透明平板の所々にπ位相差を有する線状２分割回折格子を持つ回折格子を設置する。又、レーザー走査型螢光顕微鏡では、光学系を照射レーザー光と反対の方向に戻って来た螢光の結像位置に、π位相差を有する回折格子を設置するか、前記螢光を２分割し、一方の光ビームの左右をひっくり返して残りの光ビームと干渉さす光学装置を設置し、試料と前記３種類の光学装置との光学的相対位置を変化さし、その変化方向に対して一定の間隔で、前記３種類の光学系を通して得られた光検出光量ａ，ｂ，ｃ又は、その光検出光量の微分値ａ′，ｂ′を求め、ａ−２ｂ＋ｃの値又は、ｂ′−ａ′の値でもって、自己発光体の一発光点の光学像の輝度とする。
【０００６】
又光ディスクの記録マークからの戻り光の結像位置にある光検出器を４分割し、この光検出器の互いに垂直方向２分割分の検出光量の差をとり、一方の値でトラッキング用とし、他方の値の光ディスクの回転方向に一定の間隔で、ｄ，ｌ，ｆの３個の値又は、２分割分の検出光量の微分値ｄ′，ｌ′を求め、ｄ−２ｌ＋ｆの値又は、ｌ′−ｄ′の値でもって、光ディスクの記録マークの像とする。この時、記録マーク間の最小距離内の２つの像は１つとかぞえている。
【０００７】
〔作用〕
この様な結像方法であるので、自己発光体の各光点より発した光の像は、対物レンズの光の回折限界内の範囲内で、鋭いピークを有する曲線となっている。又光ディスクの記録マークの中心点又は隣り合った２つの記録マークの中間点に対応する位置かつ対物レンズの光の回折限界内の範囲内で、鋭いピークを有する曲線となっている。
【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上の光点２からの光は、光学系３にて、π位相差の段差を有する回折格子４の、その段差の部分５に結像する。
【０００９】
そして、その段差の部分５を通過した回折光は、光学系６にて二次元光検出器７の光検出面に、フォーカススポット光８として結像し、その光量が検出されるこの時回折格子４は、自己発光体１の光学像検出目的層の光学系３による結像平面内を、回折格子４の格子方向に垂直方向に移動していて、二次元光検出器７により、フォーカススポット光８の近傍で、等間隔時系列で３個の光量ｇ，ｈ，ｉ値を検出し、又この検出光量の微分値ｇ′，ｈ′値を検出し、ｇ−２ｈ＋ｉ値又はｈ′−ｇ′値を自己発光体１上の光点２の光学像の輝度としている。
【００１０】
又、回折格子４の他の多数の段差の部分９，１０，・・・・も同様のπ位相差を有し、この多数の段差の部分９，１０，・・・・に対応する自己発光体１の対応する光点の光学像の輝度も同時に得ている。
【００１１】
共焦点レーザー走査型螢光顕微鏡では、図２において、照射レーザー光と反対方向の自己発光体１上の光点２からの戻り螢光１１を、光学系１２で焦点を結ばせ、その焦点部分に、π位相差を生じる回折格子１３を設置し、回折格子１３による回折光を、光学系１４にて焦点を結ばせ、その焦点の位置にピンホール１５を設置し、このピンホール１５を通過した光を、光検出器１６にて検出している。
【００１２】
この共焦点レーザ走査型螢光顕微鏡の他の実施例では、図３において、自己発光体１上の光点２からの戻り螢光１１を、光分割器１７で２つの光ビームに分割し、一方の光ビームは、平面鏡１８，１９，２０で反射され光分割器２１に導びかれる。他方の光ビームも、平面鏡２４，２５で反射され同じ光分割器２１に導びかれ、干渉光である２つの光ビーム２２，２３を得る。光ビーム２２を光学系２７でピンホール２６に焦点を結び、その透過光を光検出器２８にて検出する
この時光ビーム２２は、戻り螢光１１の分割された２つの光ビームの光強度の差の光強度を有する様に調節されている。
【００１３】
そして、光検出器１６，２８で等間隔時系列で各々３個の光量ｋ，ｌ，ｍ値ｎ，ｐ，ｑ値を検出し、又これらの検出光量の微分値ｋ′，ｌ′値ｎ′，ｐ′値を検出し（ｋ−２ｌ＋ｍ）値又は（ｌ′−ｋ′）値、（ｎ−２ｐ＋ｑ）値又は（ｐ′−ｎ′）値でもって、自己発光体１上の光点２の光学像の輝度とする。
【００１４】
図４において自己発光体１上の光点２から光学系３０を通った光は光分割器２９で２分割しそれぞれ図１図２の光学系３，１２以下の光学系又は図３の光学系に導き、自己発光体１上を走査するレーザー光の走査方向を、２つの直交する回折格子の２等分線上又は、２つの戻り螢光１１をそれぞれ２分割し、分割されたそれぞれ一方の光ビームを左右ひっくり返して、他方の光ビームと干渉さすそのひっくり返す方向の２等分線上を自己発光体１の光学像が移動する様にした実施例がある。
【００１５】
光ディスクの記録マーク検出のための光ヘッドにおいては、記録マークを円形とし、光ディスクからの戻り光を、図５にて示す様に４分割光検出器Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４に結像して４分割して検出して、（Ｄ１＋Ｄ２）の光検出器と（Ｄ３＋Ｄ４）の光検出器とで検出された検出光量の引き算でトラッキングを行い、（Ｄ１＋Ｄ３）の光検出器と（Ｄ２＋Ｄ４）の光検出器とで検出された検出光量の差で、光ディスクの記録マークの検出を行う。
【００１６】
等間隔で、（Ｄ１＋Ｄ３）の光検出器と（Ｄ２＋Ｄ４）の光検出器とで検出された検出光量の３個の差ｒ，ｓ，ｔ又は、２個の差の微分値ｒ′，ｓ′を求め、（ｒ−２ｓ＋ｔ）値又は（ｓ′−ｒ′）値を光ディスクの記録マーク像の輝度とする。ただし、この記録マークの像の輝度のピーク間隔が一定以下であれば、その記録マークの像の輝度ピークを１個と数えている。
【００１７】
〔発明の効果〕
本発明は、以上説明した様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。
【００１８】
図２に示す様に、自己発光体１上の光点２からの螢光１１が、光学系１２にて回折格子１３に結像する時、図６に示す様に、自己発光体１のフォーカススポット光３１の螢光発生強度分布が、底面の半径１、高さ１の円椎３２となり、フォーカススポット光３１の中心光点からの光が、回折格子１３に結像した時、光検出器１６の検出光量が０となり、自己発光体１の光点２の螢光量が１／３πの時、回折格子１３に底面の半径１、高さ１の円錐の光強度分布を持って結像すると仮定するし、フォーカススポット光３１の中心から回格格子１３の格子方向に垂直方向に対応する方向にｘだけ離れた所の一光点からの光は、光検出器１６で光量ｙとして検出されると、
【００１９】
０≦ｘ≦１として
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の式で表わされる。
【００２０】
−１≦ｘ≦０の場合は、０≦ｘ≦１のｙのグラフのｙ軸に対称となるので、−１≦ｘ≦１の範囲では、図７のグラフ３３となる。
従って、グラフ３３は、ｘ，ｙ軸で表わされる座標軸の原点に鋭い切れこみで表わされる特異点有する、幅が２、高さがほぼ０．５に近いｙ軸に対称なグラフとなっている。
【００２１】
図２の光検出器１６による光量、図３の光検出器２８による光量の分布グラフは、ほぼ図７のグラフ３３と同じグラフ３３′で表わされている。
従ってグラフ３３′の微分は、図８のグラフ３４で表わされる。
【００２２】
又図１の二次元光検出器７の光検出面上のフォーカススポット光８の光量の、回折格子４を格子方向に垂直方向に移動して得られる変化のグラフは、図９のグラフ３５で表わされ、その微分グラフは図１０のグラフ３６で表わされる。
【００２３】
従って図７のグラフ３３′、図９のグラフ３５において、ｘ軸方向に微小等間隔にある３つのｘの値に対して、３つの値Ａ，Ｂ，Ｃをとるとすると、Ａ−ＢとＢ−Ｃは、ｘのプラス、マイナスの符号が一致する側では、Ａ−Ｂ≒Ｂ−Ｃとなっている。しかし、Ｂが原点である特異点にあると、Ａ−Ｂ＝−（Ｂ−Ｃ）となっている。従って、（Ａ−２Ｂ＋Ｃ）のグラフは、図１１のグラフ３７にて示される様に、ｘ＝０にて鋭いピークを有する。
【００２４】
図８のグラフ３４、図１０のグラフ３６は、ｘ＝０にてグラフが断絶している。従ってｘ軸方向に微小等間隔にある２つのｘの値に対して、２つの値Ｄ，Ｅをとるとすると、Ｅ−Ｄの値は、ｘのプラス、マイナスの符号が一致する側では、ｘ間隔が小さくなればなるほど小さくなるが、ｘがプラス、マイナスの両方の値をとるとほぼ一定の値となっている。従って、（Ｅ−Ｄ）のグラフは、同様に図１１のグラフ３７にて示され、Ｘ＝０にて鋭いピークを有する。しかもそのピークは、ｘ間隔が小さければ小さいほどより鋭いピークとなっている。
【００２５】
この効果は、自己発光体１の光点２の結像光強度分布グラフより、図７のグラフ３３′、図９のグラフ３５が、非常に激しい変化点である特異点を有することにより発生している。
【００２６】
自己発光体１の各光点からの光は、互いには干渉しないので、その解像限界はレーリーの４分の１波長評価法の説明でよく、図１２に示す様に、２つのグラフ３７，３８のそれぞれの鋭いピーク間隔ｄ″は、ｄ″＜１となりｘ軸方向の解像度は改善している。
【００２７】
この効果は、ｘ軸の一方向だけに生じているので、図４で説明した様に、光分割器２９で自己発光体１からの光を２分割し、ｘ軸とｘ軸に垂直方向の２つの像を得て、この２つの像を重ね合わせる事により、自己発光体１の二次元方向の解像度の向上を得ている実施例がある。
【００２８】
レーザー走査型螢光顕微鏡では、走査レーザー方向を回転さす事で、多方向の走査レーザー像より計算にて、自己発光体１の光学像を得ている実施例がある。
【００２９】
従来の方法では、迷光やレンズからのフレア等により、像のコントラストの低下が認められたが、本発明光学顕微鏡および天体望遠鏡の結像方法では、強い断層効果のため、フレアや迷光はほぼ完全に除去されている。
【００３０】
光ディスクの円形記録マークの読み取りにおいては、孤立記録マークについては図１１のグラフ３７として示されるが、円形記録マーク間の距離が、従来の読み取り方法による距離内になってくると、２つの円形記録マークの中間の位置に図１２においてグラフ３８が出現してくる。しかし、この距離はあらかじめ知ることができているので、光ディスクの円形記録マークの読み取りにおいては、従来方法よりも高密度の円形記録マークを簡単な方法で読み取ることができている
【００３１】
図１の二次元光検出器７，図２の光検出器１６，図３の光検出器２８の検出光量を時系列で得、各検出光量の差を多数回とった値を、試料（自己発光体を含む）の光学像の輝度とした実施例がある。
【００３２】
本発明方法は、超高周波成分だけを検出しているので、ノイズを効率よく除去する効果がある。
【００３３】
参考文献
１）出願日  平成１２年９月３０日
出願番号  特願２０００−３５０３０４
２）２００１−２３７１２    ６／２００１  日本
３）２００１−１８９０１７  ７／２００１  日本
４）２００２−１０９７４９  ４／２００２  日本
５）２００３−００５０８１  １／２００３  日本
６）０９／５４１，６５０  Ｓｈｉｎｏｈａｒａ  ｅｔ  ａｌ・・・２６５３米国
７）０９／９８８，４７２  Ｓｈｉｎｏｈａｒａ・・・・・・・２８７２米国
８）Ｒ，Ｊｕｓｋａｉｔｉｓ  ａｎｄ  Ｔ．Ｗｉｌｓｏｎ：
ＡＰＰＬＩＥＤ  ＯＰＴＩＣＳ／Ｖｏｌ，３１，Ｎｏ，７／Ｍａｒｃｈ  １９９２，ｐｐ８９８〜９００
【図面の簡単な説明】
【図１】自己発光体に対する従来タイプの実施例のブロック図である。
【図２】自己発光体に対する共焦点レーザータイプの実施例のブロック図である。
【図３】自己発光体に対する共焦点レーザータイプの実施例のブロック図である。
【図４】二次元方向の実施例のブロック図である。
【図５】光ディスクの光ヘッドの４分割光検出器説明図である。
【図６】自己発光体上のフォーカススポット光とその螢光発生強度分布説明図である。
【図７】試料上の一光点の移動による図２の光検出器１６の検出光量変化図である。
【図８】図７のグラフ３３′の微分グラフである。
【図９】図１の自己発光体の一光点の二次元光検出器による検出光量説明図である。
【図１０】図９のグラフ３５の微分グラフである。
【図１１】図７のグラフ３３′，図９のグラフ３５上の３点測定又は図８のグラフ３４，図１０のグラフ３６の２点測定によるグラフである。
【図１２】本発明法における、レーリーの４分の１波長評価法によ説明図である。
【符号の説明】
１  自己発光体
２  光点
３，６，１２，１４，２７，３０  光学系
４，１３  回折格子
５，９，１０  段差の部分
７  二次元光検出器
８  フォーカススポット光
１１  戻り螢光
１５，２６  ピンホール
１６，２８  光検出器
１７，２１，２９  光分割器
１８，１９，２０，２４，２５  平面鏡
２２，２３  光ビーム
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４  ４分割光検出器
３１  フォーカススポット光
３２  円錐
３３，３３′，３４，３５，３６，３７，３８  グラフ
Ｍ，Ｎ，Ｏ  測定値
Ｐ，Ｑ，ａ′，ｂ′，ｄ′，ｅ′，ｇ′，ｈ′，ｋ′，ｌ′，ｎ′，ｐ′，ｒ′，ｓ′  微値
ａ，ｂ，ｃ  光検出光量
ｙ，ｓ，ｔ  検出光量の差
ｇ，ｈ，ｉ，ｋ，ｌ，ｍ，ｎ，ｐ，ｑ  光量
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，ｄ，ｅ，ｆ  値
ｄ″  ピーク間隔
ｘ，ｙ  軸
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2004264808.tif 000013
【図１１】
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【図１２】
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