專利名稱：光學零件及使用光學零件的相位差顯微鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及相位差顯微鏡及其光學零件，尤其涉及改變相位差的光學零件。
背景技術(shù)：
一直以來，作為能夠在無需染色而避免其死亡的情況下觀察無色透明的生物體細 胞的顯微鏡，研究出了相位差顯微鏡。該相位差顯微鏡，能夠通過明暗對比度觀察無色透明 的標本，并能夠在生物體細胞等存活的狀態(tài)下進行觀察。專利文獻1 特開平9-230247號公報如上所述，相位差顯微鏡是能夠通過明暗對比度對無色透明的生物體細胞等標本 進行觀察的裝置。為了能夠通過該明暗對比度進行觀察，在相位差顯微鏡中需要使用相位 板。該相位板由規(guī)定物質(zhì)的薄膜形成，使從光源發(fā)出的光透過薄膜，由此使相位超前 或延遲四分之一波長。在構(gòu)成該相位板的薄膜的物質(zhì)中，存在色散現(xiàn)象，所以不能對所有波 長的相位錯開四分之一波長，在利用寬波長范圍的光觀察標本的情況下，對比度會降低。因 此，在以往的相位差顯微鏡中，為了能夠僅對固定波長進行觀察，其結(jié)構(gòu)為裝有與固定波長 對應的濾色片。通過使用這樣的濾色片，能夠僅使固定波長的相位錯開四分之一波長。但是，以往的相位差顯微鏡由于制成使用了濾色片的結(jié)構(gòu)，所以，在對標本進行觀 察的情況下，僅以單一顏色的濃淡表現(xiàn)標本的像。因此，不得不在欠缺關(guān)于標本顏色的信息 的狀態(tài)下進行觀察。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于上述問題作出的發(fā)明，其目的在于，提供能夠以包含頻率信息以及 顏色信息的方式表示相位差的光學零件及相位差顯微鏡。為了實現(xiàn)上述目的，在本發(fā)明中，并列設(shè)置至少兩個以上光學介質(zhì)以使至少兩個 波長產(chǎn)生固定的相位差。具體而言，本發(fā)明的光學零件包括入射至少2個以上波長的光束的入射面和使入 射光束的相位發(fā)生變化后出射光束的出射面，其特征在于，具有包含沿所述入射面和所述 出射面之間并列設(shè)置的至少兩個光學介質(zhì)的光學介質(zhì)體，所述光學介質(zhì)體包括第一光學介質(zhì)區(qū)域，該區(qū)域根據(jù)波長使所述至少2個以上波長的各光束改變相位 后出射；第二光學介質(zhì)區(qū)域，該區(qū)域根據(jù)波長使所述至少2個以上波長的各光束以相對于 從所述第一光學介質(zhì)區(qū)域出射的光束的相位，的相位差大致固定的方式改變相位后出射。本發(fā)明的光學零件包括入射面和出射面。入射面入射至少2個以上波長的光束。 光學零件使入射光束的相位變化。從出射面出射相位變化的光束。在光學零件的入射面和出射面之間設(shè)有光學介質(zhì)體。此外，光學介質(zhì)體的表面優(yōu)選形成為入射面及出射面。光學介質(zhì)體包含至少兩個光學介質(zhì)。這些至少兩個光學介質(zhì)沿 入射面和出射面之間并列設(shè)置。而且，光學介質(zhì)體至少含有第一光學介質(zhì)區(qū)域和第二光學介質(zhì)區(qū)域。在第一光學介質(zhì)區(qū)域入射上述至少2個以上波長的光束。第一光學介質(zhì)區(qū)域通過 其折射率等光學特性，使入射光束的相位根據(jù)波長變化。相位發(fā)生變化的光束從第一光學 介質(zhì)區(qū)域出射。第二光學介質(zhì)區(qū)域也與第一光學介質(zhì)區(qū)域相同，入射上述至少2個以上波長的光 束。第二光學介質(zhì)區(qū)域也通過其折射率等光學特性，使入射光束的相位根據(jù)波長變化。而 且，該第二光學介質(zhì)區(qū)域以相對于從第一光學介質(zhì)區(qū)域出射的光束的相位，相位差大致固 定的方式，使入射光束的相位變化。使相位如此發(fā)生變化的光束從第二光學介質(zhì)區(qū)域出射。由此，通過第一光學介質(zhì)區(qū)域和第二光學介質(zhì)區(qū)域，能夠使至少2個以上波長的 光束從第一光學介質(zhì)區(qū)域出射的光束的相位和從第二光學介質(zhì)區(qū)域出射的光束的相位的 差大致固定。從而能夠使多個波長的相位錯開，所以，能夠在包含光束的頻率信息的情況下 對光束的相位進行調(diào)整。另外，本發(fā)明的光學零件優(yōu)選下述零件所述第一光學介質(zhì)區(qū)域由至少一個光學介質(zhì)層構(gòu)成，所述第二光學介質(zhì)區(qū)域由至少一個光學介質(zhì)層構(gòu)成，設(shè)所述第一光學介質(zhì)區(qū)域中的第i層的厚度為tn，對波長λ 1的光的折射率為 njia)，對波長λ 2的光的折射率為II1 (i，2)，設(shè)所述第二光學介質(zhì)區(qū)域中的第j層的厚度為t”，對波長λ 1的光的折射率為 n2 (j，1)，對波長λ 2的光的折射率為ri2 (j，2)，此時如下的3式成立，Σ tIixnI (i' -Σ t2j X n2 (j, 1) =cai
i jΣ tiixn! (i, 2) "Σ t2j x n2 (j, 2) =ClXl|C1_C2| < 0. 02。而且，本發(fā)明的光學零件優(yōu)選以下的3式成立，tfc^l, l)-n2(l, 1)) = ClX λ 1Iin1(I^)-Xi2 (1,2)) = C2X λ 2|C1_C2| < 0· 02。這里，設(shè)第一光學介質(zhì)區(qū)域?qū)Φ谝徊ㄩL入丨的折射率為叫^丄)，設(shè)第一光學介質(zhì)區(qū)域?qū)Φ诙ㄩLλ 2的折射率為Ii1 (1，2)，設(shè)第二光學介質(zhì)區(qū)域?qū)Φ谝徊ㄩLλ 1的折射率為η2(1，1)，設(shè)第二光學介質(zhì)區(qū)域?qū)Φ诙ㄩLλ 2的折射率為Ii2 (1，2)。而且，優(yōu)選滿足式ni(i，l)-n2(i，2) <0.3。另外，在設(shè)上述的Cl或C2為C時，優(yōu)選滿足1/4彡C彡3/4。這里，表示|C|的 絕對值。這里，在上述至少2個以上波長的光束中，包含第一波長λ 1的光束和第二波長 λ 2的光束。另外，在上述的式中，t為第一光學介質(zhì)區(qū)域的厚度和第二光學介質(zhì)區(qū)域的厚 度，C為不取決于波長的常數(shù)。
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而且，n(l，1)是第一光學介質(zhì)區(qū)域?qū)Φ谝徊ㄩLλ 1的折射率，η(2，1)是第一光學 介質(zhì)區(qū)域?qū)Φ诙ㄩLλ 2的折射率，η (1，2)是第二光學介質(zhì)區(qū)域?qū)Φ谝徊ㄩLλ 1的折射率， η (2, 2)是第二光學介質(zhì)區(qū)域?qū)Φ诙ㄩLλ 2的折射率。通過使用滿足上述2式的光學介質(zhì)，能夠使波長λ 1的光束和波長λ 2的光束從 第一光學介質(zhì)區(qū)域出射的光束的相位相對于從第二光學介質(zhì)區(qū)域出射的光束的相位都以 規(guī)定的常數(shù)C的量超前或延遲。這樣能夠使多個波長的相位錯開，所以，能夠在包含光束的 頻率信息的情況下，對光束的相位進行調(diào)整。而且，本發(fā)明的光學零件，優(yōu)選所述第一波長λ 1和所述第二波長λ 2為可見光的 波長。由此，能夠在包含可見光的頻率信息，即顏色信息的情況下，對光束的相位進行調(diào)
iF. ο另外，本發(fā)明的相位差顯微鏡包括對樣品進行照明的照明光學系統(tǒng)和使所述樣品 成像的成像光學系統(tǒng)，其特征在于，包括配置在所述照明光學系統(tǒng)的光瞳位置的開口 ；配置在與所述開口共軛位置上的相位板，所述相位板包括入射至少2個以上波長的光束的入射面和使入射光束的相位變 化并出射的出射面，并且，具有光學介質(zhì)體，其包含沿所述入射面和所述出射面之間并列設(shè)置的至少兩個光 學介質(zhì)，所述光學介質(zhì)體包含第一光學介質(zhì)區(qū)域，該區(qū)域根據(jù)波長使所述至少2個以上波長的各光束改變相位 后出射；第二光學介質(zhì)區(qū)域，該區(qū)域根據(jù)波長使所述至少2個以上波長的各光束以相對于 從所述第一光學介質(zhì)區(qū)域出射的光束的相位，相位差大致固定的方式改變相位后出射。本發(fā)明的相位差顯微鏡，包含照明光學系統(tǒng)、成像光學系統(tǒng)、開口、相位板。照明光 學系統(tǒng)用于對樣品進行照明。成像光學系統(tǒng)用于對樣品進行成像。開口配置在照明光學系 統(tǒng)的光瞳位置，用于對照射樣品的光進行限制。相位板配置在與開口共軛的位置。該相位板包括入射面和出射面。在入射面上入 射至少2個以上波長的光束。相位板使入射光束的相位變化。從出射面出射相位已變化的 光束。在相位板的入射面和出射面之間設(shè)有光學介質(zhì)體。此外，光學介質(zhì)體的表面優(yōu)選 形成為入射面及出射面。光學介質(zhì)體包含至少兩個光學介質(zhì)。該至少兩個光學介質(zhì)沿入射 面和出射面之間并列設(shè)置。而且，光學介質(zhì)體至少包含第一光學介質(zhì)區(qū)域和第二光學介質(zhì)區(qū)域。在第一光學介質(zhì)區(qū)域，入射上述至少2個以上波長的光束。第一光學介質(zhì)區(qū)域，通 過其折射率等光學特性，使入射光束的相位根據(jù)波長變化。相位發(fā)生變化的光束從第一光 學介質(zhì)區(qū)域出射。在第二光學介質(zhì)區(qū)域，也與第一光學介質(zhì)區(qū)域相同，入射上述至少2個以上波長 的光束。第二光學介質(zhì)區(qū)域也根據(jù)其折射率等光學特性，使入射光束的相位根據(jù)波長變化。而且，該第二光學介質(zhì)區(qū)域以相對于從第一光學介質(zhì)區(qū)域出射的光束的相位，相位差大致 固定的方式，使入射光束的相位變化。使相位如此變化的光束從第二光學介質(zhì)區(qū)域出射。由此，通過第一光學介質(zhì)區(qū)域和第二光學介質(zhì)區(qū)域，能夠使至少2個以上波長的 光束從第一光學介質(zhì)區(qū)域出射的光束的相位和從第二光學介質(zhì)區(qū)域出射的光束的相位的 差大致固定。從而能夠使多個波長的相位錯開，所以，能夠在包含光束的頻率信息的情況下 對光束的相位進行調(diào)整，并能夠在包含顏色信息的情況下對接近透明的樣品進行觀察。另 外，能夠不使用濾色片而對樣品進行觀察，所以能夠簡化相位差顯微鏡的結(jié)構(gòu)。發(fā)明的效果能夠在包含頻率信息以及顏色信息的情況下表示樣品的相位差。
圖1是表示第一實施方式的相位差顯微鏡的概要的圖。圖2是表示第一實施方式的相位板100的俯視圖(a)和剖視圖(b)和原理圖(c)。圖3是表示第二實施方式 第五實施方式的相位板的剖視圖。圖4是表示第一實施方式 第五實施方式的相位板的一般化概念的剖視圖。附圖標記10相位差顯微鏡100、200、300、400、500、600 相位板(光學零件)110,310第一光學介質(zhì)部(第一光學介質(zhì)區(qū)域)120、320、520第二光學介質(zhì)部(第二光學介質(zhì)區(qū)域)140、340、540 入射面150,350,550 出射面600a第一光學介質(zhì)層(第一光學介質(zhì)區(qū)域)600b第二光學介質(zhì)層(第二光學介質(zhì)區(qū)域)
具體實施例方式以下基于附圖對本發(fā)明的實施例進行說明。 <第一實施方式y(tǒng)y> 相位差顯微鏡的構(gòu)成>>圖1是表示相位差顯微鏡10的概要的圖。相位差顯微鏡10包括光源(未圖示)和環(huán)狀光闌12、聚光透鏡14、物鏡18、相 位板100。這些部分通過規(guī)定的支承體(未圖示)被支承在規(guī)定的位置上。環(huán)狀光闌12具有環(huán)帶形的開口，位于照明光學系統(tǒng)1的光瞳位置，即后述的物鏡 18的前焦點面上。在從光源(未圖示)發(fā)出的光束到達環(huán)狀光闌12之前，通過準直透鏡等 光學元件(未圖示)，預先變換成平行光。被變換成平行光的光束被該環(huán)狀光闌12聚光，以 使光束僅通過環(huán)帶形的開口，從而變換成環(huán)狀的光束。聚光透鏡14變換通過環(huán)狀光闌12被變成環(huán)狀光束的光束，以使其在后述的樣品 16聚光。通過聚光透鏡14被變成聚光的光束通過作為標本的樣品16成像。被照射在樣 品16上的光束分離成透過樣品16的內(nèi)部并直行的直接光(圖1所示的實線)和通過樣品16的相位物體衍射并彎曲行進的衍射光(圖1所示的虛線)。該衍射光被樣品16的相位 物體衍射的同時相位被延遲約四分之一波長。由上述光源、環(huán)狀光闌12和聚光透鏡14構(gòu)成照明光學系統(tǒng)1。在被樣品16分離的直接光和衍射光的行進方向上，配置有物鏡18。而且，相位板 100被配置在成像光學系統(tǒng)2的光瞳位置，即物鏡18的后焦點位置，從而配置在與環(huán)狀光 闌12成為共軛關(guān)系的位置上。相位板100，如后述那樣，由第一光學介質(zhì)部110和第二光學 介質(zhì)部120構(gòu)成。第一光學介質(zhì)部110形成為環(huán)狀(參見圖2)。此外，在后面對該相位板 100的結(jié)構(gòu)及功能進行詳細描述。透過樣品16的直接光的光束被物鏡18變換成平行光，并入射到相位板100。配置 相位板100的形成為環(huán)狀的第一光學介質(zhì)部110，使其與成為環(huán)狀光的直接光重疊。S卩，相 位板100的形成為環(huán)狀的第一光學介質(zhì)部110的內(nèi)徑dl和外徑d2(參見圖2(a)及(b)) 分別是環(huán)狀光闌12的內(nèi)徑和外徑乘以由聚光透鏡14和物鏡18決定的倍率后的值。另一方面，被樣品16的相位物體衍射的衍射光通過后述的相位板100的外側(cè)第二 光學介質(zhì)部120b。透過相位板100的直接光和衍射光在像面20中被聚光并互相干涉而成像。<相位板100的結(jié)構(gòu)>圖2表示第一實施方式的相位板100的俯視圖(a)、剖視圖(b)、原理圖(c)。如圖2(a)所示，相位板100具有大致圓板狀的形狀。相位板100包含由第一光 學介質(zhì)區(qū)域構(gòu)成的第一光學介質(zhì)部110、由第二光學介質(zhì)區(qū)域構(gòu)成的第二光學介質(zhì)部120。 關(guān)于第一光學介質(zhì)部110和第二光學介質(zhì)部120的光學性質(zhì)將在后敘述。另外，如圖2(b) 所示，相位板100具有入射面140(圖2(b)所示的下表面)和出射面150(圖2(b)所示的 上表面)。如后所述，從光源發(fā)出的光束入射到入射面140，透過第一光學介質(zhì)部110以及 第二光學介質(zhì)部120的光束從出射面150出射。而且，在該相位板100的入射面140側(cè)，形 成有基部130。該基部130由第二光學介質(zhì)部120構(gòu)成，作為相位板100的基部發(fā)揮功能。第一光學介質(zhì)部110，如圖2(b)所示，配置在出射面150側(cè)。該第一光學介質(zhì)部 110在出射面150具有環(huán)帶或環(huán)形的形狀。第一光學介質(zhì)部110的內(nèi)徑為dl，外徑為d2。 該內(nèi)徑dl和外徑d2，如上所述，可以基于環(huán)狀光闌12的內(nèi)徑及外徑、由聚光透鏡14及物鏡 18決定的倍率適當確定。另外，第一光學介質(zhì)部110的厚度為tl。該第一光學介質(zhì)部110 的厚度tl只要滿足后述的式1及式2而確定即可。另一方面，如圖2(b)所示，第二光學介質(zhì)部120被配置在除第一光學介質(zhì)部110 以外的相位板100的區(qū)域。這里，為了方便，將第一光學介質(zhì)部110分成內(nèi)側(cè)第二光學介質(zhì) 部120a、外側(cè)第二光學介質(zhì)部120b、基部130三個部分。如上所述，基部130形成在相位板 100的入射面140側(cè)，發(fā)揮相位板100的基部的功能。上述第一光學介質(zhì)部110、內(nèi)側(cè)第二 光學介質(zhì)部120a、外側(cè)第二光學介質(zhì)部120b形成為同心狀。內(nèi)側(cè)第二光學介質(zhì)部120a位于第一光學介質(zhì)部110的內(nèi)側(cè)。內(nèi)側(cè)第二光學介質(zhì) 部120a在入射面140及出射面150具有大致圓形的形狀。內(nèi)側(cè)第二光學介質(zhì)部120a的直徑由上述第一光學介質(zhì)部110的內(nèi)徑dl確定。外 側(cè)第二光學介質(zhì)部120b位于第一光學介質(zhì)部110的外側(cè)。外側(cè)第二光學介質(zhì)部120b在入 射面140及出射面150具有大致環(huán)帶形的形狀。外側(cè)第二光學介質(zhì)部120b的內(nèi)徑由第一
8光學介質(zhì)部110的外徑d2確定，外側(cè)第二光學介質(zhì)部120b的外徑由相位板100的直徑確 定。另外，第二光學介質(zhì)部120的厚度也為tl，只要能滿足后述的式1及式2而確定即可。這樣，第一光學介質(zhì)部110和第二光學介質(zhì)部120 (內(nèi)側(cè)第二光學介質(zhì)部120a及 外側(cè)第二光學介質(zhì)部120b)，沿入射面140和出射面150之間并列設(shè)置。第一光學介質(zhì)部110對波長入丨的光束的折射率為叫^^，對波長λ2的光束的 折射率為Ii1 (1，2)。該第一光學介質(zhì)部110優(yōu)選為塑料或樹脂等。另一方面，內(nèi)側(cè)第二光學介質(zhì)部120a和外側(cè)第二光學介質(zhì)部120b對波長λ 1的 光束的折射率為 (1，1)，對波長入2的光束的折射率為112(1，2)。該內(nèi)側(cè)第二光學介質(zhì)部 120a和外側(cè)第二光學介質(zhì)部120b優(yōu)選為大致圓板狀的介質(zhì)。此外，基部130也由第二光學 介質(zhì)區(qū)域形成，所以具有相同的折射率。這些折射率叫⑴。、!!…，〗)、!!…，！)及112(1，2)滿足以下三個式子。tfc^l, l)-n2(l, 1)) = ClX λ 1Iin1(I^)-Xi2 (1,2)) = C2X λ 2Cl-C2| < 0. 02這里，式1及式2中的t是第一光學介質(zhì)部110、內(nèi)側(cè)第二光學介質(zhì)部120a和外側(cè) 第二光學介質(zhì)部120b的厚度，在圖2(b)所示的例中，t為厚度tl，是相位板100整體厚度 t2中除去基部130的厚度以外的厚度。該厚度tl對于由第一光學介質(zhì)部110引起的相位 變化和由第二光學介質(zhì)部120引起的相位變化有影響。即，該厚度tl是使通過第一光學介 質(zhì)部110的光束和通過第二光學介質(zhì)部120的光束產(chǎn)生相位差的要素之一。<相位板100的制造>上述相位板100是通過加工具有大致圓板狀的形狀的玻璃板而制作的。該玻璃板 成為第二光學介質(zhì)部120 (內(nèi)側(cè)第二光學介質(zhì)部120a及外側(cè)第二光學介質(zhì)部120b)以及基 部130。玻璃板的加工首先是通過對構(gòu)成玻璃板的出射面150的一側(cè)的表面進行加工，從而 以與相位板100成為同心狀的方式形成環(huán)形的槽。進行該加工以使槽的深度為tl。向形成 的槽內(nèi)流入粘結(jié)劑并使其固化。在槽中干燥的粘結(jié)劑成為第一光學介質(zhì)部110。通過這樣 的加工形成槽，同時利用粘結(jié)劑形成第一光學介質(zhì)部110，所以，能夠簡易且便宜地制作相 位板100。另外，由于通過加工形成槽，所以，能夠通過形成的槽的深度調(diào)整第一光學介質(zhì)部 110的厚度，也能夠容易地將第一光學介質(zhì)部110的厚度形成為較薄或較厚。此外，在較厚 地形成第一光學介質(zhì)部110時，可以通過蒸鍍或噴涂等薄膜形成處理進行。另外，只要滿足上述的式1及式2，可以不使用玻璃板而使用透明的塑料等樹脂作 為第二光學介質(zhì)部120。這樣，能夠更簡易且便宜地制作相位板100。〈相位板100的功能〉如上所述，從光源發(fā)出的光束被樣品16的相位物體分離成直接光和衍射光。衍射 光在被樣品16的相位物體衍射時，相位約延遲四分之一波長。另一方面，直接光不被樣品 16的相位物體衍射，相位不發(fā)生變化。如圖1的虛線所示，衍射光的行進方向被物鏡18調(diào)整，以使其透過相位板100的 內(nèi)側(cè)第二光學介質(zhì)部120a以及外側(cè)第二光學介質(zhì)部120b。具體而言，到達相位板100的 入射面140的衍射光，首先通過基部130。然后，通過基部130的衍射光到達內(nèi)側(cè)第二光學 介質(zhì)部120a以及外側(cè)第二光學介質(zhì)部120b。而且，通過內(nèi)側(cè)第二光學介質(zhì)部120a以及外
9側(cè)第二光學介質(zhì)部120b后從相位板100的出射面150出射，向像面20前進。此外，如上所 述，出于方便而區(qū)分了內(nèi)側(cè)第二光學介質(zhì)部120a或外側(cè)第二光學介質(zhì)部120b和基部130， 并對衍射光的行進，進行了如上的說明，但在這些部件之間并不存在界限或邊界。另一方面，如圖1的實線所示，直接光的行進方向被物鏡18調(diào)整，以使其透過相位 板100的第一光學介質(zhì)部110。具體而言，到達相位板100的入射面140的直接光，首先通 過基部130。然后，通過基部130的衍射光到達第一光學介質(zhì)部110。更進一步，通過第一 光學介質(zhì)部110后從相位板100的出射面150出射，向像面20前進。如上所述，無論在直接光的情況下還是在衍射光的情況下，從相位板100的入射 面140入射后，首先通過基部130。因此，由于構(gòu)成基部130的第二光學介質(zhì)部120的折射 率和基部130的厚度，直接光和衍射光的相位都同樣地被改變。因此，在通過基部130前的 直接光的相位和衍射光的相位的差，與通過基部130后的直接光的相位和衍射光的相位的 差相同。而通過基部130后，直接光通過第一光學介質(zhì)部110，衍射光通過內(nèi)側(cè)第二光學介 質(zhì)部120a以及外側(cè)第二光學介質(zhì)部120b。因此，直接光的相位因第一光學介質(zhì)部110的 折射率和厚度而發(fā)生變化，衍射光的相位因內(nèi)側(cè)第二光學介質(zhì)部120a以及外側(cè)第二光學 介質(zhì)部120b的折射率和厚度而改變。由此，通過基部130后的直接光的相位和衍射光的相 位的差，與從相位板100的出射面150出射時的直接光的相位和衍射光的相位的差產(chǎn)生差 異。具體而言，通過基部130后的直接光的相位和衍射光的相位的差約為四分之一波長，這 是由樣品16的相位物體產(chǎn)生的差。這樣，基部130對直接光的相位以及衍射光的相位產(chǎn)生影響，但對從相位板100的 出射面150出射時的直接光的相位和衍射光的相位的差沒有影響。對從相位板100的出射 面150出射時的直接光的相位和衍射光的相位的差產(chǎn)生影響的是滿足式1及式2的關(guān)系的 第一光學介質(zhì)部110、內(nèi)側(cè)第二光學介質(zhì)部120a和外側(cè)第二光學介質(zhì)部120b。以下，采用作為原理圖的圖2 (c)，對從光源發(fā)出的波長λ 1禾Π λ 2的光束進行詳細 地說明。此外，圖2(c)中省略示出圖2(b)所示的相位板100的基部130。具有λ 1的波長的光束被樣品16分成直接光LRl和衍射光LDl。同樣地，具有入2 的波長的光束也被樣品16分成直接光LR2和衍射光LD2。直接光LRl通過物鏡18入射到圖2(c)所示的第一光學介質(zhì)部110。入射到第一 光學介質(zhì)部110的直接光LRl具有波長λ 1，所以，基于第一光學介質(zhì)部110的折射率η (1， 1)和厚度tl，錯開預定的相位后從第一光學介質(zhì)部110出射。另一方面，衍射光LDl通過 物鏡18入射到圖2(c)所示的內(nèi)側(cè)第二光學介質(zhì)部120a以及外側(cè)第二光學介質(zhì)部120b。 入射到內(nèi)側(cè)第二光學介質(zhì)部120a以及外側(cè)第二光學介質(zhì)部120b的衍射光LDl也具有波長 λ 1，所以，基于內(nèi)側(cè)第二光學介質(zhì)部120a以及外側(cè)第二光學介質(zhì)部120b的折射率n(l，2) 和厚度tl，錯開預定的相位后從內(nèi)側(cè)第二光學介質(zhì)部120a以及外側(cè)第二光學介質(zhì)部120b 出射。這樣，根據(jù)式1的關(guān)系，從第一光學介質(zhì)部110出射的直接光LRl相對于從內(nèi)側(cè)第 二光學介質(zhì)部120a以及外側(cè)第二光學介質(zhì)部120b出射的衍射光LDl，相位錯開(λ 1)/4的量。同樣地，直接光LR2通過物鏡18入射到圖2(c)所示的第一光學介質(zhì)部110。入射到第一光學介質(zhì)部110的直接光LR2具有波長λ 2，所以，基于第一光學介質(zhì)部110的折 射率η(2，1)和厚度tl，錯開預定的相位后從第一光學介質(zhì)部110出射。另一方面，衍射光 LD2通過物鏡18，入射到圖2(c)所示的內(nèi)側(cè)第二光學介質(zhì)部120a以及外側(cè)第二光學介質(zhì) 部120b。入射到內(nèi)側(cè)第二光學介質(zhì)部120a以及外側(cè)第二光學介質(zhì)部120b的衍射光LD2也 具有波長λ 2，所以，基于內(nèi)側(cè)第二光學介質(zhì)部120a以及外側(cè)第二光學介質(zhì)部120b的折射 率n(2，2)和厚度tl，錯開預定的相位后從內(nèi)側(cè)第二光學介質(zhì)部120a以及外側(cè)第二光學介 質(zhì)部120b出射。這樣，根據(jù)式2的關(guān)系，從第一光學介質(zhì)部110出射的直接光LR2相對于從內(nèi)側(cè)第 二光學介質(zhì)部120a以及外側(cè)第二光學介質(zhì)部120b出射的衍射光LD2，相位錯開(λ 2)/4的量。通過使用滿足上述式1及式2的第一光學介質(zhì)部110和內(nèi)側(cè)第二光學介質(zhì)部120a 以及外側(cè)第二光學介質(zhì)部120b，無論對于波長λ 1的光束，還是對于波長λ 2的光束，都能 夠使從第一光學介質(zhì)部110出射的光束的相位相對于從內(nèi)側(cè)第二光學介質(zhì)部120a以及外 側(cè)第二光學介質(zhì)部120b出射的光束的相位，超前或延遲四分之一波長。用于以往的相位差顯微鏡的相位板，使用空氣作為相當于第二光學介質(zhì)區(qū)域的介 質(zhì)，利用第一光學介質(zhì)區(qū)域的折射率和空氣的折射率，使直接光的相位相對于衍射光延遲 或超前四分之一波長。但是，由于第一光學介質(zhì)區(qū)域的色散，不能針對多個波長的光束使直 接光的相位相對于衍射光的相位錯開四分之一波長。而本申請的發(fā)明通過使用第二光學介質(zhì)，不僅利用第一光學介質(zhì)的色散，還利用 第二光學介質(zhì)的色散，滿足上述式1及式2的關(guān)系，從而能夠針對多個波長的光束使直接光 的相位相對于衍射光的相位錯開四分之一波長。需要說明的是，波長λ 1和λ 2雙方都在可見光范圍，并且，優(yōu)選使波長λ 1和入2 的差變得最大。由此，能夠在可見光的較寬范圍內(nèi)，使直接光的相位相對于衍射光的相位錯 開四分之一波長。<實施例1>
當設(shè)波長為；λ 1 = 0. 48613 μ m，λ 2 = 0· 65627 μ m,
折射率為
Ii1(Ll) = 1.60940
叫(1，2) = 1.60019
η2(1，1) = 1.58835
η2(1，2) = 1.57171，
厚度為
"t 5 ·7714 μ m，貝IJ
Cl = ti (Ii1(Ll)-Ii2 (1,1))/λ 1 = 0. 24990
C2 =、Oi1(Id)-Ii2(Id))/λ 2 = 0. 25046。
<實施例2>
當設(shè)波長為
λ 1 = 0. 48613 μ m，λ 2 =0.65627 μ m，
折射率為
叫(1，1)= 1. 59230叫(1，2)= 1. 58323n2(l, 1) = 1. 57616n2(l，2) = 1· 56204，厚度為、= t2 = 7· 636μπι，貝Ij Cl = t^riid, 1)-η2(1,1))/λ 1 = 0· 25352C2 = t1(n1(l,2)-n2(l,2))/A 2 = 0. 24656?！础兜诙嵤┓绞健贰祱D3(a)表示第二實施方式的相位板200。此外，對與第一實施方式的相位板100 同樣的要素，標注相同的符號。該第二實施方式的相位板200是在第一實施方式的相位板100上設(shè)置了保護用的 玻璃蓋片(cover glass) 210的相位板。由此，相位板200的出射面成為玻璃蓋片210的上 表面，但玻璃蓋片210使直接光以及衍射光同樣地透過，所以，與第一實施方式相同，利用 滿足上述式1及式2的第一光學介質(zhì)部110和內(nèi)側(cè)第二光學介質(zhì)部120a以及外側(cè)第二光 學介質(zhì)部120b，無論對于波長λ 1的光束，還是對于波長λ 2的光束，都能夠使從第一光學 介質(zhì)部110出射的光束的相位相對于從內(nèi)側(cè)第二光學介質(zhì)部120a以及外側(cè)第二光學介質(zhì) 部120b出射的光束的相位超前或延遲四分之一波長。而且，該第二實施方式的相位板200因其第一光學介質(zhì)部110以及內(nèi)側(cè)第二光學 介質(zhì)部120a和外側(cè)第二光學介質(zhì)部120b被玻璃蓋片保護，所以，能夠提高強度，能夠使操 作變得簡便，且能夠防止裂紋等損傷，所以能夠維持相位板200的光學特性?！础兜谌龑嵤┓绞健贰祱D3(b)表示第三實施方式的相位板300。該第三實施方式的相位板300是在基部 330上形成有第一光學介質(zhì)部310和第二光學介質(zhì)部320的相位板。該第一光學介質(zhì)部310，除了厚度以外，其形狀、大小以及材質(zhì)可以與第一實施方 式的第一光學介質(zhì)部110相同。另外，第二光學介質(zhì)部320，除了厚度以外，其形狀、大小以 及材質(zhì)也可以與第一實施方式的第二光學介質(zhì)部120相同。此外，該相位板300的第二光 學介質(zhì)部320也和第一實施方式相同，由內(nèi)側(cè)第二光學介質(zhì)部320a和外側(cè)第二光學介質(zhì)部 320b構(gòu)成。相位板300的下表面為入射面340，上表面為出射面350。另外，基部330只要能夠使光束透過即可，可以使用玻璃或塑料等。通過這種結(jié) 構(gòu)，能夠省去切削加工或模壓加工等加工工序，所以，能夠容易地制作相位板300。如圖3(b)所示，第三實施方式的相位板300的第一光學介質(zhì)部310的厚度和第二 光學介質(zhì)部320的厚度不同。在這樣的情況下，可以通過采用以下兩個式子進行相位的調(diào)
iF. οt3 χ Πι (1, 1 ) - [ t4 χ η2 ( 1, 1) + (t3 -14 ) ] =^ χ λ t3 χ ηι ( 1 ‘ 2 ) - [ t4 χ η2 ( 1, 2) + (t3~t4) χλ2這里，波長λ ι 及 λ2、折射率 ηι(1，1)、ηι(1，2)、η2(1，1) ^n2 (1,2)與第一實施方式相同。另外，如圖3(b)所示，t3為第一光學介質(zhì)部310的厚度，t4為第二光學介質(zhì)部 320的厚度。另外，設(shè)空氣的折射率的值為1。利用滿足該式3及式4的第一光學介質(zhì)部310和第二光學介質(zhì)部320，無論對于波 長λ 1的光束，還是對于波長λ 2的光束，都能夠使從第一光學介質(zhì)部310出射的光束的相 位相對于從第二光學介質(zhì)部320出射的光束的相位，超前或延遲四分之一波長。在上述的式3及式4中，示出了兩個波長λ 及λ 2應滿足的條件，但在滿足式3 及式4的情況下，對于兩個波長λ 1及λ 2兩者的波長附近的波長λ 3，有時能夠滿足下式。t3Xn1(l,3)-[t4Xn2(l,3) + (t3-t4)] = δ X λ 3其中，關(guān)于δ，I δ-1/4| < 0.02。這里，折射率II1 (1，3)是第一光學介質(zhì)部310對波長λ 3的折射率，折射率η2 (1，3) 是第二光學介質(zhì)部320對波長λ 3的折射率。這樣，在δ充分接近1/4的情況下，在λ 1、 λ 2、λ 3的較寬的波長范圍內(nèi)，能夠得到良好的1/4波長板?！础兜谒膶嵤┓绞健怠穲D3(c)表示第四實施方式的相位板400。需要說明的是，對與第三實施方式的相 位板300同樣的要素，標注相同的符號。該第四實施方式的相位板400，是在第三實施方式的相位板300上設(shè)置了保護用 的玻璃蓋片410的相位板。由此，相位板400的出射面成為玻璃蓋片410的上表面，玻璃蓋 片410能夠使直接光以及衍射光同樣地透過，與第三實施方式同樣地，利用滿足上述式3及 式4的第一光學介質(zhì)部310和內(nèi)側(cè)第二光學介質(zhì)部320a以及外側(cè)第二光學介質(zhì)部320b，無 論對于波長λ 1的光束，還是對于波長λ 2的光束，都能夠使從第一光學介質(zhì)部310出射的 光束的相位相對于從內(nèi)側(cè)第二光學介質(zhì)部320a以及外側(cè)第二光學介質(zhì)部320b出射的光束 的相位，超前或延遲四分之一波長。而且，該第四實施方式的相位板400的第一光學介質(zhì)部310以及內(nèi)側(cè)第二光學介 質(zhì)部320a和外側(cè)第二光學介質(zhì)部320b被玻璃蓋片保護，所以，能夠提高強度，能夠使操作 變得簡便，且能夠防止裂紋等損傷，所以，能夠維持相位板400的光學特性?！础兜谖鍖嵤┓绞健怠穲D3(d)表示第五實施方式的相位板500。需要說明的是，對與第三實施方式的相 位板300相同的要素，標注相同的符號。該第五實施方式的相位板500，是用第二光學介質(zhì)部520覆蓋了第三實施方式的 第一光學介質(zhì)部310，并用保護膜510覆蓋了第二光學介質(zhì)部520的相位板。相位板500的 下表面為入射面540，其上表面為出射面550。第二光學介質(zhì)部520可以使用與第一實施方式的第二光學介質(zhì)部120相同的光學 介質(zhì)部。此外，該相位板500的第二光學介質(zhì)部520也與第一實施方式相同，由內(nèi)側(cè)第二光 學介質(zhì)部520a和外側(cè)第二光學介質(zhì)部520b構(gòu)成。這樣，通過用第二光學介質(zhì)部520覆蓋 第一光學介質(zhì)部310，能夠可靠地保護第一光學介質(zhì)部310。另外，由于用保護膜510覆蓋 整個第二光學介質(zhì)部520，所以能夠保護第一光學介質(zhì)部310和第二光學介質(zhì)部520兩者， 并能夠使操作變得簡便，同時不易受到損傷，所以，能夠維持光學特性更長時間。〈《第一 第五實施方式的一般化》〉圖4示出對上述第一 第五實施方式的相位板進行一般化的相位板600。圖4所示
13的相位板600的左側(cè)是對第一光學介質(zhì)部進行一般化的第一光學介質(zhì)層600a，相位板600 的右側(cè)是對第二光學介質(zhì)部進行一般化的第二光學介質(zhì)層600b。第一光學介質(zhì)層600a和 第二光學介質(zhì)層600b由至少一層構(gòu)成。在圖4所示的例中，第一光學介質(zhì)層600a的第一層602_1，厚度為tn，對波長λ 1 的光束的折射率表示為Ii1(Ll)，對波長λ 2的光束的折射率表示為Ii1 (1，2)。另外，第一 光學介質(zhì)層600a的第二層602-2，厚度為t12，對波長λ 1的光束的折射率表示為& (2，1)， 對波長λ 2的光束的折射率表示為Ii1 (2，2)。而且，第一光學介質(zhì)層600a的第i層602_i， 厚度為tn，對波長λ 1的光束的折射率表示為Ii1 (i，1)，對波長λ 2的光束的折射率表示為
Ii1 (i, 2) ο另外，第二光學介質(zhì)層600b的第一層604-1，厚度為t21，對波長λ 1的光束的折射 率表示為η2 (1,1),對波長λ 2的光束的折射率表示為Ii2 (1，2)。另外，第二光學介質(zhì)層600b 的第二層604-2，厚度為t22，對波長λ 1的光束的折射率表示為n2 (2，1)，對波長λ 2的光束 的折射率表示為η2(2，2)。而且，第二光學介質(zhì)層600b的第i層604-i，厚度為t2i，對波長 λ 1的光束的折射率表示為n2(i，1)，對波長λ 2的光束的折射率表示為ri2 (i，2)。波長λ 1的光束和波長λ 2的光束的兩個光束都能夠通過上述第一光學介質(zhì)層 600a的所有層，并且波長λ 1的光束和波長λ 2的光束的兩個光束都能夠通過第二光學介 質(zhì)層600b的所有層。在由這樣的第一光學介質(zhì)層600a和第二光學介質(zhì)層600b構(gòu)成相位板600的情況 下，可以通過使用以下3個式子調(diào)整相位。Σ tnxri! (i, 1) "Σ t2jxn2 (j, 1) =CR1
iJΣ IliXn1 (i, 2) t2j x n2 (j, 2) =ClX2
iJCl-C2| < 0. 02通過使用滿足該式6、式7及式8的第一光學介質(zhì)層600a和第二光學介質(zhì)層600b， 無論對于波長λ 1的光束，還是對于波長λ 2的光束，都能夠使從第一光學介質(zhì)層600a出 射的光束的相位相對于從第二光學介質(zhì)層600b出射的光束的相位，超前或延遲Cl ( C2)的量。
1權(quán)利要求
一種光學零件，包括入射至少2個以上波長的光束的入射面和使入射光束的相位發(fā)生變化后出射光束的出射面，所述光學零件具有包含沿所述入射面和所述出射面之間并列設(shè)置的至少兩個光學介質(zhì)的光學介質(zhì)體，所述光學介質(zhì)體包括第一光學介質(zhì)區(qū)域，該區(qū)域根據(jù)波長使所述至少2個以上波長的各光束改變相位后出射；第二光學介質(zhì)區(qū)域，該區(qū)域根據(jù)波長使所述至少2個以上波長的各光束以相對于從所述第一光學介質(zhì)區(qū)域出射的光束的相位，相位差大致固定的方式改變相位后出射。
2.如權(quán)利要求1所述的光學零件，所述第一光學介質(zhì)區(qū)域由至少一個光學介質(zhì)層構(gòu)成， 所述第二光學介質(zhì)區(qū)域由至少一個光學介質(zhì)層構(gòu)成，設(shè)所述第一光學介質(zhì)區(qū)域中的第i層的厚度為，設(shè)對波長λ 1的光的折射率*ni(i， 1)，設(shè)對波長入？的光的折射率為！^“二)，設(shè)所述第二光學介質(zhì)區(qū)域中的第j層的厚度為t…設(shè)對波長λ 1的光的折射率為!!2(」_， 1)，設(shè)對波長λ 2的光的折射率為ri2 (j，2)，此時下述3個式子成立，
3.如權(quán)利要求1所述的光學零件，所述至少2個以上波長的光束包括第一波長λ 1的光束和第二波長λ 2的光束， 所述第一光學介質(zhì)區(qū)域和所述第二光學介質(zhì)區(qū)域分別由單一的介質(zhì)構(gòu)成，其厚度設(shè)為t,設(shè)所述第一光學介質(zhì)區(qū)域?qū)Φ谝徊ㄩLλ 1的折射率為Ii1 (1,1), 設(shè)所述第一光學介質(zhì)區(qū)域?qū)Φ诙ㄩLλ 2的折射率為Ii1 (1，2)， 設(shè)所述第二光學介質(zhì)區(qū)域?qū)Φ谝徊ㄩLλ 1的折射率為Ii2 (1，1)， 設(shè)所述第二光學介質(zhì)區(qū)域?qū)Φ诙ㄩLλ 2的折射率為Ii2 (1,2),此時下面的3個式子成立，tfc^l, l)-n2(l, 1)) = ClX λ 1 Iin1(I^)-Xi2 (1,2)) = C2X λ 2 C1-C2 < 0. 02。
4.如權(quán)利要求3所述的光學零件，滿足下式 (土“)- “，〗)I < 0. 3。
5.如權(quán)利要求1所述的光學零件，所述第一波長λ1和所述第二波長λ 2為可見光的 波長。
6.一種相位差顯微鏡，包括對樣品進行照明的照明光學系統(tǒng)、使所述樣品成像的成像 光學系統(tǒng)，所述相位差顯微鏡包括 配置在所述照明光學系統(tǒng)的光瞳位置的開口； 配置在與所述開口共軛的位置上的相位板， 所述相位板包括入射至少2個以上波長的光束的入射面和使入射光束的相位變化后出射的出射面，并且，具有光學介質(zhì)體，所述光學介質(zhì)體包含沿所述入射面和所述出射面之間并列設(shè)置的至 少兩個光學介質(zhì)，所述光學介質(zhì)體包括第一光學介質(zhì)區(qū)域，該區(qū)域根據(jù)波長使所述至少2個以上波長的各光束改變相位后出射；第二光學介質(zhì)區(qū)域，該區(qū)域根據(jù)波長使所述至少2個以上波長的各光束以相對于從所 述第一光學介質(zhì)區(qū)域出射的光束的相位，相位差大致固定的方式改變相位后出射。
全文摘要
本發(fā)明提供一種能夠在包含頻率信息以及顏色信息的情況下表示樣品的相位差的光學零件及相位差顯微鏡，為此并列設(shè)置至少兩個以上的光學介質(zhì)，使得針對至少兩個波長產(chǎn)生固定的相位差。
文檔編號G02B21/14GK101960354SQ20098010764
公開日2011年1月26日 申請日期2009年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月6日
發(fā)明者末永豐 申請人:末永豐