JP2011043508A - 光電子工学的像拡大システム - Google Patents

Abstract

【課題】汎用のＦＴ−ＩＲ分光計の試料室内に装着できる赤外スペクトル分析用光電子装置および光電子工学的像拡大システムを提供する。
【解決手段】この拡大システムは、見ようとする物体を照射する光源（３８、３９）、レンズ（３１）および照射された物体からの光を受ける光検出器のアレイ（３２）からつくられた小型化された光電子拡大モジュール（ＭＯＭ）、ＭＯＭからの信号を受取る電子回路（３４）、該電子回路からの拡大された信号を受取り像を表示するビデオのモニター（３５）を含んでいる。この光電子工学的像拡大システムは、観測するのに歴史的な複式顕微鏡または特殊な光学的観察システムを必要としたような小さい物体または物体の小さい特徴を観測することができる。
【選択図】図３

Description

関連出願

本出願人は１９９８年１２月１４日に同時出願した米国特許願６０／１１２，１７２の特典を請求する。

（本発明の分野）
本発明は小さい物体または物体の極めて小さい特徴を観察し、該物体または特徴を特性化するという工業、商業および教育の分野において常に増加し続けている要求に関する。歴史的にはこのような観察は複式顕微鏡、即ち特殊化された光学観測システムによって行なわれてきた。

（本発明の背景）
Ｌｅｅｕｗｅｎｈｏｅｋは１７００年頃単一レンズ顕微鏡を用いて微生物学の基礎を築いた。彼のガラス玉は倍率が２６６倍であった。複式顕微鏡はその５０年前に既に発見されていた。Ｌｅｅｕｗｅｎｈｏｅｋの単一レンズ顕微鏡は複式顕微鏡に比べ高い分解能と良質な品質をもった像を与えたが、時の流れには勝てなかった。対物レンズと接眼レンズをもつシステムの複式顕微鏡は近代的なすべての光学顕微鏡の標準になった。複式顕微鏡が成功した主な理由は取り扱い易さであった。Ｌｅｅｕｗｅｎｈｏｅｋの顕微鏡を使用するためには、試料と顕微鏡とを眼の極めて近くに置かなければならない。そのためにＬｅｅｕｗｅｎｈｏｅｋの簡単な顕微鏡は使用が難しくなり、多くの場合殆ど使用不可能になる。何世紀かに亙って複式顕微鏡は改良され、機能も強化されてきたが、大部分の場合像生成面に対し比較的長い距離（少なくとも１６０ｍｍ）を保って対物レンズを使用し、接眼レンズで第２段階の拡大を行なって人の眼に像を提示するというものであった。

レンズはビデオ・カメラを含む多数の種類のカメラまたは投影機において実像をつくるのに使用され、ビデオ・カメラ、即ちテレビジョン送信装置の撮像部分はレンズによって感光材料の上につくられた一次像を受取り、これを電気的な信号に変換する。標準的な使用方法では、ビデオ・カメラは大きな物体の像をモニターのスクリーンに送る。感光材料の上にレンズによってつくられた像はその大きさを小さくされる、即ち縮小される。物体がレンズに近づくと、モニターのスクリーン上では大きくなるように見えるが、レンズによって像の大きさが物体よりも大きくなることはない。マクロなモードにおいても感光材料の上にレンズによってつくられた像は拡大されない。

レンズは虚像または実像のいずれかとして拡大された像をつくる。物体をレンズに対して焦点距離よりも近い距離に置いた場合、眼をレンズに近づけると拡大された虚像が見える。これがＬｅｅｕｗｅｎｈｏｅｋの顕微鏡である。

光を当てた物体を、レンズの焦点距離よりも大きいがレンズの焦点距離の２倍よりも小さい距離に置いた場合、拡大された実像が投影される。複式光学顕微鏡の対物レンズは拡大された実像を投影する。この実像を見るには接眼レンズまたはスクリーンが必要である。接眼レンズは実像を拡大し、これを眼で見える拡大された虚像に変える。対物レンズと接眼レンズとをこのように組み合わせたものが複式顕微鏡である。

複式顕微鏡は２００年以上に亙って光学顕微鏡に対する標準的な形として作られてきた。以来複式顕微鏡は科学および技術の主要な道具であり続けている。複式顕微鏡の高さは通常１６インチを越えており、これよりもはるかに大きいことがしばしばである。試料を
試料台に載せなければならないが、顕微鏡を使用する誰でもが自分の眼に対し焦点を合わせることができるようにするためには機械的な装置が必要である。矯正用の眼鏡をかけている人は接眼レンズを使うことが困難なことが多い。特殊な「眼点の高い」接眼レンズが必要な場合もあろう。

光学顕微鏡は５〜２，０００倍の範囲の倍率をもっている。この倍率の大部分は対物レンズによって得られるが、対物レンズの拡大力は典型的には０．５から最大１６０倍である。対物レンズは対物レンズから１６０ｍｍまたはそれ以上の像を投影する（無限補正システムでは一次像をつくるのに１８０ｍｍのテラン・レンズ（ｔｅｌａｎ ｌｅｎｓｅ）を使用する）。接眼レンズと組み合わされたこの投影距離（または鏡筒の長さ）は顕微鏡の物理的な大きさを決定する主要な因子である。接眼レンズの拡大率は５〜２０倍であり、高倍率の接眼レンズに対しては眼を近づけなければならないから、高倍率の接眼レンズは使用するのが困難である。倍率１０の接眼レンズが普通であり、大部分の光学顕微鏡の用途では１０〜５００倍の倍率を使用する。

ビデオ顕微鏡法はここ数十年の間に複式光学顕微鏡の機能を拡張する有用な技術になった。初期の使用法はＩｎｏｕｅにより米国ニューヨークのＰｌｅｎｕｍ Ｐｒｅｓｓ １９８６年発行のＶｉｄｅｏ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙに記載されている。ビデオ顕微鏡の最も普通の実装は三眼顕微鏡のビューアーのアクセサリー・ポートにビデオカメラを取付けることである。ビデオ顕微鏡には幾つかの種類のビデオカメラが使用されているが、当業界の現場においてはソリッド・ステートの電荷結合素子（ＣＣＤ）が使用されている。光のレベルが低い場合、感度が高いために冷却したＣＣＤビデオカメラが使用される。これらのカメラは非常に高価であるが、或る種の生物学的な用途に対しては特有な感度が実証されている。ビデオ顕微鏡の最も普通の用途は、眼で観測し、像を記録し、ディジタル化された像をつくり、これをディジタル・コンピュータを用いて解析するための補助手段とすることである。

写真またはビデオ顕微鏡法に光学顕微鏡を使用する場合、カメラ装置が眼の代わりをする。これらのカメラは実像をフィルムまたは電子的なビデオ像生成装置の上に投影する付加的なレンズを含んでいる。ビデオカメラのアクセサリーは電子的なスケーリングの効果を減少させる特殊な接眼レンズを必要とする。すべての場合写真用のカメラまたはビデオカメラを付加すると、複式光学顕微鏡の大きさ、複雑さおよび価格が増加する。複式光学顕微鏡にビデオカメラを付加すると大きさが６〜１０インチ加わる。

電子的に像をつくるために顕微分光計システムの中にビデオカメラが組み込まれた。特許文献１（ＲｅｆｆｎｅｒおよびＷｉｈｌｂｏｒｇ）記載のシステムでは組み込みのビデオカメラを使用して試料を観察し像を記録するための電子的な像をつくる。数種の顕微ラマン分光計システムでは、ラマン・スペクトルを得るのに用いられるレーザー光にビューアーが露出するのを防ぐために、ビデオにより像を生成させる方法が用いられている。これらのシステムはすべて、１個の対物レンズ、１個またはそれ以上の中間レンズおよび１個のビデオカメラをもった複式光学顕微鏡の原理を用いている。これらのビデオ顕微鏡システムは長い鏡筒の長さをもちビデオカメラを付加した通常の顕微鏡の光学系を使用している。標準的な鏡筒の長さは１６０ｍｍ（６．３インチ）であるが、ビデオによる像生成システムを付加するとこの長さの２倍以上になることがある。

顕微鏡と分光法、分光計または分光写真を組み合わせて小さい物体または物体の小さい特徴部分の化学分析を行なう方法は、１２５年以上の歴史をもっている（非特許文献１参照）。初期の顕微分光計は可視光の顕微鏡と色の分析に使用された分散型の分光計との組み合わせであった。１９４９年、顕微分光法に赤外線のエネルギーを使用する最初の報告はＲ．Ｃ．Ｇｏｒｅによって非特許文献２に、またＢａｒｅｒ等によって非特許文献３に
なされた。１９５３年には最初の市販用の赤外線顕微分光計のアクセサリーが製造された（Ｃｏａｔｓ等、非特許文献４）。しかしフーリエ変換赤外（ＦＴ−ＩＲ）分光法が開発されるまで赤外線顕微分光法は実用的な技術にはならなかった。ＦＴ−ＩＲに対する最初の顕微鏡アクセサリーは１９８３年に導入された。これらのアクセサリーの顕微鏡の設計は像を生成させそのスペクトルの測定を行なうための複式光学顕微鏡の一般的な技術および設計に従っている。

光の波長（λ）および対物レンズの口径はすべての顕微鏡の空間的な分解能を制限する。制限を与える開口数（ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｐｅｒｔｕｒｅ，Ｎ．Ａ．）をもつ顕微鏡の回折によって制限された空間的な分解能（ｄ）はｄ＝（０．６７ λ／Ｎ．Ａ．）によって与えられる。この回折によって制限された空間的な分解能が小さくなるにつれ、顕微鏡の解像力は高くなる。ビデオ顕微鏡法では光検出器のアレーの解像素子が分解能を制限し得る他の因子になる。Ｎｙｑｕｅｓｔの限界に合致させるためには記録すべき特定の分解能に対して二つの画像要素が必要である。

有機物質のような分子性化合物、或る種のイオン性の塩および珪酸塩材料の分析に対しては、中間赤外領域（２．５〜２５μｍ）の範囲の光の輻射エネルギーが最も有用である。このスペクトル領域においては、通常の回折によって制限された空間的な分解能は一般に約１０μｍであると考えられる。

赤外顕微分光法において試料の区域の空間的な規定を改善するために、ＭｅｓｓｅｒｓｃｈｍｉｄｔとＳｔｉｎｇ（特許文献２）は共焦点顕微鏡法の原理を適用した。このような方法においては像生成面のマスクを用いてＭｉｎｓｋｙ（特許文献３）によって導入された共焦点の幾何学的形状が得られる。しかしマスクを使用すると、赤外顕微分析に使用する顕微鏡に複雑さと価格が余計に加わることになる。

内部反射分析法は、ＳｔｉｎｇおよびＲｅｆｆｎｅｒ（特許文献４）によって示されているように内部反射素子（ＩＲＥ）と接触している試料の面積を減少させることによって達成される。Ｓｔｉｎｇの特許（特許文献５）によれば、取付けられたＩＲＥを通る異なった光学的経路を選ぶために、反射するＡＴＲ用顕微鏡の対物レンズおよび口径マスクに接触した機械的なスライダーが提示されている。ＡＴＲの対物レンズは、ＩＲＥを通して試料を見る場合とそのＡＴＲスペクトルを記録する場合との間で口径マスクを移動させることを必要としている。異なった光学的経路を選ぶことによってＡＴＲスペクトルを集め、試料の接触を観察し、或いは試料を調べることが可能になる。これらの三つのモードによってＡＴＲの対物レンズを用いる顕微分析は一層容易になるが、価格および複雑さは著しく増加する。

米国特許５，５８１，０８５号 米国特許４，８７７，９６０号 米国特許３，０１３，４６７号 米国特許５，１７２，１８２号 米国特許５，０９３，５８０号

米国、ニューヨーク、Ｈａｒｐｅｒ ＆ Ｒｏｗ社１９８５年発行、Ｆｏｒｄ著、Ｓｉｎｇｌｅ Ｌｅｎｓ，Ｔｈｅ Ｓｔｏｒｙ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｉｍｐｌｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ誌、１１０巻、７０頁（１９４９年） Ｎａｔｕｒｅ誌、１６３巻、１９８頁（１９４９年） Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．誌、４３巻、９８４頁（１９５３年）

（本発明の概要）
本発明は小型化された光電子工学的像拡大システム、即ち拡大の一部が１個またはそれ以上のレンズまたは他の光学要素によって行なわれ、残りの部分の拡大は電子的なスケーリング・システムによって行なわれる拡大された物体の像をつくるシステムに関する。この小型化された光電子工学的なシステムは、可変焦点距離をもつズームレンズのような一つまたはそれ以上のレンズ系（本明細書において「レンズ」という言葉は単一レンズ、および多数のレンズを備えたレンズ系、例えば複合レンズおよびズームレンズの両方を含むものとする）、ソリッド・ステートの光検出器のアレイ、および電子的な表示装置、例えばテレビジョン、ビデオ・モニターまたはコンピュータのモニター・スクリーンに入力を与える電子回路を具備している。レンズまたはレンズ系は照射されたまたは発光している物体、またはその一部の拡大された実像を直接小さいソリッド・ステートの光検出器の上に投影し、該光検出器はその上に投影された拡大された実像を表す電気信号を発生する。この光学的な像は次いで電子的に拡大され、表示装置のスクリーンに表示される。検出器上の像の焦点はスクリーンを見ているすべての人に対して同じである。スクリーン上で像を見ることは便宜上のことであり、像を見る人は矯正用の眼鏡をかけていることができる。

本発明の核心をなすものは、レンズまたはレンズ系と小さいソリッド・ステートの光検出器との組み合わせである。本明細書においてこの組み合わせを小型化された光電子工学的拡大（ＭＯＭ）モジュールと呼ぶことにする。本発明の小型化された光電子工学的拡大システムでは、ＭＯＭモジュールをビデオ表示装置のモニターと組み合わせて使用することにより、顕微鏡の対物レンズおよび接眼レンズが省かれている。従ってＬｅｅｕｗｅｎｈｏｅｋの顕微鏡の利点、例えばコンパクトな大きさで光学系が簡単というような利点が得られ、同時に接眼レンズおよび観察している物体の両方の近くに観察者がいなければならないという主要な問題点を無くすことができる。本発明を使用すれば、眼をＬｅｅｕｗｅｎｈｏｅｋの顕微鏡のレンズの近くからコンピュータのモニターまたはテレビジョンのスクリーン上で気持ち良く眺められる位置へと移動させることができる。スクリーン上で拡大された像を見ることおよびビデオカメラを取付けることはいずれも新規のアイディアではないが、本発明の新規性は、従来手頃な価格では得られなかった「視覚的なアクセス」を与える独特な簡単さをもつ予想外の方法で物体の拡大された像を見ることを可能にした点である。

ＭＯＭモジュールは、典型的には鏡筒の長さが１６０ｍｍの標準的な複式光学顕微鏡に比べて実質的に小さい。本発明のＭＯＭモジュールは適当な焦点距離のレンズを選び小さい光検出器のアレイと組み合わせて所望の大きさをもつようにすることによって小型化されている。この小さいＭＯＭモジュールは、全体的な高さが約２５〜約１００ｍｍであり、装置の中に入れて別のビデオのモニター・スクリーン上で遠隔的に観測し得る拡大された像をつくることができる。

この光電子工学的像拡大システムの倍率は、光学的倍率と電気的なスケーリング操作による倍率との積である。大部分のシステムでは電気的なスケーリングによる倍率が約２０〜約１００倍であるのに対し、レンズまたはレンズ系による光学的な倍率は約２〜２０倍である。光学的な倍率は典型的には２〜１０倍であり、もっと典型的には２〜５倍であろう。従って全部ではないが大部分の場合、倍率は典型的には電気的なスケーリングによって得られる。好適具体化例においては、電気的なスケーリングによる倍率が全体の倍率の主要の部分であり、光学的な倍率は少ない割合を占めている。電気的なスケーリングによ
る倍率対光学的な倍率の比は一般に約１．５：１〜３０：１であり、典型的には約４：１〜約１０；１である。

本発明の小型化された光電子工学的像拡大システムでは、顕微鏡の接眼レンズおよび対物レンズ系を通して物体を見る必要がなく、またビデオカメラを複式顕微鏡システムに連結するために高いコストをかける必要もない。その代わり、付属の複式顕微鏡のを用いずにモニターのスクリーンの上だけで拡大された電子的な像が見られる。このシステムは単独で、非常に小さく低価格の拡大システムの形、例えば虫、土壌、植物および鉱物を観察するための倒立顕微鏡の形としても利点をもっている。他の感知技術、例えばＦＴ−ＩＲ分光法またはラマン分光法と組み合わせると、例えば包装材料の欠陥の解析または痕跡量の法医学上の証拠の分析等において、試料を検査する上で劇的な利点が得られるであろう。

本発明の好適具体化例においては、試料の拡大された像を連続的に観察し、内部反射分光法によってＡＴＲスペクトルを同時に集めることができる。これによって内部反射分光装置は一層安定になり、使用が容易になると共に価格が低下する。ＩＲＥを通して試料を観察することは顕微分析の上で特に価値があり、どんな物体または特徴を分析しようとしているかを眼で確かめることができる。内部反射法は重合体および他の有機物体の分光分析に非常に有用であり、特に厚く不透明な材料の表面を分析するのに有用である。厚く不透明な材料の上でスペクトル分析を行なう区域を探すには、ＩＲＥを通して観測することが必要である。

本発明の小型化された光電子工学的像拡大システムの他の好適な具体化例においては、内部反射スペクトル分析に市販のＦＴ−ＩＲ分光計を使用する。ＭＯＭモジュールを内部反射アクセサリーの内部にはめ込み、試料（物体）の拡大された像をつくると同時に赤外分光法によってこれを分析する。内部反射アクセサリーは汎用のＦＴ−ＩＲ分光計の試料室の中に取付ける。分光計の試料室の空間的な限界により内部反射素子（ＩＲＥ）を通して試料の視覚的なアクセス（眼で見ること）が制限される。内部反射アクセサリーの内部にＭＯＭモジュールを入れることにより、ＩＲＥを通して眼で見ることおよびＩＲＥと接触している材料を調べることが可能になる。光の経路および内部反射による光のエネルギーの経路を見ることは内部反射素子の中で別々に行なわれるが、その経路は試料上の同じ点に収束している。これらの光学的経路は別々であるが、これによって赤外スペクトルを記録すると同時に試料を眼で観察することができる。

他の形においては、本発明のＭＯＭモジュールは内部反射顕微分析専用の分光計システムに組み込まれる。内部反射像形成アクセサリーまたはこの専用システムはいずれも単一のまたは多数のＩＲＥを使用することができる。拡大された像をビデオで内部反射ＦＴ−ＩＲ装置とをこのように独特な方法で組み合わせにより、有機化合物、薬品、プラスティックス、ペイント、および大部分の鉱物を含む広範囲の材料を分析するのに使用し得る簡単で廉価な装置が得られる。

ここで今、本発明は添付の図面を特に参照にして単に例として記載する。

拡大された像を直接見るために使用する従来の複合光学顕微鏡技術の現状を示す概略図であり、主要素を示す。 ビデオ顕微鏡技術の現状を示す概略図であり、主要素を示す。 本発明の小型化された光−電子拡大システムの概略図であり、主要素を示す。 本発明のシステムを実行するために使用する部品部分を強調する小型化された光−電子拡大システムのブロック線図である。 赤外線スペクトル分析に使用する内部反射付属品中に配置された本発明の小型化された光学−電子拡大システムを表す概略図である。内部反射要素上に配置されたサンプルの拡大された像は、ビデオ−モニタースクリーン上に表示される。 倒立顕微鏡における本発明の小型化された光−電子拡大システムを表す概略図であり、これは小さい物体の拡大された像をＴＶモニター上に生成する。 分析するサンプルの拡大された像を生成するために、ＦＴ−ラマン分光計のサンプル区分に配置された本発明の小型化された光−電子拡大システムを表す概略図である。 図８ａは、ＡＲＴスペクトル測定のために、被検体領域の制御された赤外線照射を用いて内部反射要素の領域を見るための、本発明の小型化された光学−電子拡大システムを表す概略図であり；そして 図８ｂは、図８ａのプローブチップの拡大図であり、その図のＡＲＴプローブ装置中の小型化された光−電子拡大システムにより提供される。

（詳細な説明）
図１は光学的に拡大した像を直接見るために使用する従来の複合光学顕微鏡の主要素を表す。従来の複合光学顕微鏡は、光源１、物体４を照射するために光を向ける集光レンズ３に光を向ける鏡２から成る。対物レンズ５は照射された物体の実像６を接眼レンズ７に投影し、目８は虚像９を見、そして目のレンズ１０は網膜１７上に物体の実像１１を形成する。

図２に示す複合光学顕微鏡を電子画像用のシステムに転換する本技術は、図１の目８をレンズ１３および電子画像要素１４から成るビデオカメラ１２と置き換える。このビデオカメラは通常、従来の接眼レンズを通して正常の直接視野を保持するために別の口に取り付けられている。電子像はビデオ ディスプレイ スクリーン１５に表示される。

複合光学顕微鏡は多くの形状およびサイズで組み立てられて来たが、今日の顕微鏡は大きく、複雑で、汎用的な科学装置である。接眼レンズのシートに取り付けられた対物レンズからの機械的距離、これを機械的な筒長１６と呼ぶ。標準的な光学顕微鏡は１６０ｍｍ以上の筒長を有する。従来の複合光学顕微鏡にビデオ付属品を付加すると、サイズおよび複雑さが加わる。

電子画像は従来の顕微鏡に大きな衝撃を与え、特に電子画像分析の分野に衝撃を与え、そして小さいコントラスト差の検出に対する感度を上昇させた。

本発明は顕微鏡のサイズおよび複雑さを低減するので、従来の顕微鏡では見られないか、または高すぎて調査できない物体を観察するために使用することができる。上記のように、本発明の核心は小型化された光−電子像拡大モジュール、すなわちレンズと１以上の小さい固体素子の光−検出器アレイとの組み合わせである。光−検出器は電荷−結合素子（ＣＣＤ）カメラの部品であり得る。それらは単純なボードカメラ（ｓｉｍｐｌｅ ｂｏａｒｄ ｃａｍｅｒａ）、すなわちプリント回路または上に光−検出器が取り付けられた他の基盤の部分でもよく、回路が該光−検出器上に像の表示であるシグナルを生成する。１／４インチのＣＣＤカメラおよび１２ｍｍの焦点距離のレンズは、ＭＯＭモジュールの
１例である。

図３を参照にして、レンズ３１は、発光または照射された物体３２の実像を固体素子の光−検出器アレイ３３上に形成する。物体は透明または不透明のいずれかであり得るので、２つの可視光光源３８および３９が提供される。レンズ３１および光−検出器アレイ３２は、ＭＯＭモジュールを形成する。アレイ検出器の各素子は、拡大された像のピクセルを含む。ＭＯＭモジュールから電子的に生成されたシグナルは、電子回路３４により処理され、そして拡大された像がビデオ−モニター３５上に表示される。多くのシステムで、光検出アレイ３２および電子回路３４は上記のＣＣＤカメラのようなシステム中で組み合わされるだろう。しかし特定の応用では、例えばＭＯＭモジュールがフーリエ変換分光計、熱分析システムおよび視診用の小型化プローブのような小型の装置内に置かれた時、光−検出アレイ３２はレンズ３１と組合わさってＭＯＭモジュールを形成し、そして電子回路３４は図３に説明するように別の都合のよい位置に配置され得る。この種の応用では、ボードカメラが特に有利である。

小型化されたソリッドステートの電荷結合素子（ＣＤＤ）ビデオカメラは、本発明で使用して顕微鏡に代わり縮小型の寸法である。市販のＣＤＤビデオカメラ（ＣＨＵＧＡＩ ＢＯＹＥＫＩ（米国）、コンマック、ニューヨーク、１１７２５、モデルＣＥＣ１００のような）は小型であり、そして１／４インチのＣＣＤ素子を有する。このカメラはサイズが小さく、１．２５インチ平方（３基盤）×１．０インチ高である。ＣＣＤは５１２個の水平（Ｈ）×４９２個の垂直（Ｖ）素子を有し、そしてその走査サイズは３．６９（Ｈ）×２．７６（Ｖ）ｍｍである。このカメラは３３０（Ｈ）×３３０（Ｖ）のＴＶ線分解能を有する。

このＣＣＤカメラで電子スケーリング（ｓｃａｌｉｎｇ）の原理を具体的に説明する。ＣＣＤ固体素子アレイ上に形成された像は、モニタースクリーン上で表示される。モニタースクリーンの垂直（Ｈ）サイズが１０インチ（２５４ｍｍ）ならば、２５４／３．６９＝６８．８がこのシステムに関する電子スケーリング因子である。レンズ（１つまたは複数）系がＣＣＤ素子上に３倍に拡大された像を形成すれば、モニター上で見える像は３×６８．８すなわち２０６．４倍となるだろう。容易に想定されるように、電子スケーリングは、本発明の主要素である。

ＣＣＤ固体素子アレイとは異なる外形、サイズを持つ他の小型ビデオカメラおよび他のビデオモニターを使用することも可能である。本発明に良く適する市販されているレンズと合わせるためには、カメラまたは他の固体素子の光−検出アレイは、１インチ幅未満で（斜めに沿って測定した）、モニタースクリーンの分解能に等しいピクセル素子の密度を有し、そして５０ｌｕｘ未満の最小輝度を検出するべきである。

レンズはＣＣＤ固体素子アレイと組み合わせて、本発明の小型化された光電子拡大システムの小型光電荷拡大機（ＭＯＭ）モジュールを形成する。レンズは最終的な電子像に望まれる倍率を達成するために、特別サイズの像および分解能を作成する。このレンズの拡大力（ｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｐｏｗｅｒ）は、物体のサイズに対する像の比率として計算される。像のサイズはＣＣＤ固体素子アレイのサイズに等しい。ＣＣＤ固体素子アレイおよび上記のモニターを使用して、レンズの倍率および分解能は、３×６８．８＝２０６．４倍の最終的な倍率と算出される。この全倍率は光学的倍率および電子スケーリング因子の生成物に等しいので、この例では光学的拡大力は３倍である。このＣＣＤ固体素子アレイに関して、水平寸法は３．６９ｍｍである。３倍の倍率について、最大の物体サイズは３．６９／３＝１．２３ｍｍである。この１．２３ｍｍの物体は５１２個の素子上に像が作られ、したがって各ＣＣＤアレイ素子は１．２３／５１２＝０．００２４ｍｍ（２．４ミクロン）に等しい画像素子サイズを有する。電子分解能に等しい光学分解能に
は、レンズは２．４マイクロメーターの分解能の像を作成しなければならない。これはレンズの開口数（ＮＡ）がｄ＝波長／ＮＡ（ここでｄは検出できる分離の最小距離である）のアッベ分離基準（Ａｂｂ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｃｒｉｔｅｒｉａ）を満たさなければならない。可視光について、この関係はＮ＝（０．５Ｅ−３）／ｄであり、これはこの例ではｄ＝２．４Ｅ−３そしてＮＡ＝０．２０８である。

この光電子システムの全倍率は、光学倍率および電子スケーリングの生成物である。光学倍率は画像距離３７に対する物体距離３６の比率である。電子スケーリングは、光−検出素子３３のサイズに対するビデオ−モニタースクリーン３５のサイズの比率である。拡大のすべてではないがほとんどが、典型的には電子スケーリングからもたらされる。

表１は所望の倍率、分解能および小さい全ＭＯＭモジュール長を達成するために使用することができる直ちに利用可能な例として市販されているレンズの特性を掲げる。市販されている固体素子光電子アレイ検出器に合わせ、そして本発明により提供される利点を達成するために、レンズは固定または可変の焦点距離（ズームレンズ系）を持ち、そして最高２０倍の光学倍率を作ることができる単一レンズまたはレンズ系であるべきである。レンズ焦点距離は２から５０ｍｍの間の範囲にあるべきである。

上記のようにほとんどの好適な組み合わせでは、電子スケーリングが全倍率の主要素となり、そして光学倍率の要素は小さいだろう。２０インチモニターを使用して、そして４００倍の全倍率を生成するＭＯＭモジュール中に０．２５インチの固体素子アレイを用いたシステムについて、電子スケーリング要素は８０倍であり、そして光学倍率要素は５倍である。この例では、電子スケーリングが光学倍率よりも１６倍大きい。これは、すべての倍率が光学的であり、そして対物レンズが一般に大部分の倍率をつくり出す従来の複合光学顕微鏡とは好対照である。ＭＯＭモジュールにおける光学倍率は多くは２０倍未満であるので、レンズには経費がかからず、そして収差用の補正に必要なレンズ要素は少ない。

ＣＣＤボードカメラのような小さい素子の固体素子光検出器は、掌中カムコーダーおよび保安監視カメラで商用に開発された。この要素は１／４から３／４インチの通常サイズ
で利用可能である。従来の１／４インチカメラは、約３．９６ｍｍ水平（Ｈ）×約２．７９ｍｍ垂直（Ｖ）の寸法のアレイを有する。ビデオモニターのスクリーンサイズは、５から２０インチの範囲であり、そしてホームビデオスクリーンは最高４８インチ幅で利用可能である。この電子スケーリングは大変高い。現在ではこの電子スケーリングの多くが、分解能がピクセルのサイズおよびモニタースクリーンの分解能に限定される点で「空の倍率（ｅｍｐｔｙ ｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ）」である。空の倍率は詳細な分解を越えて広がる拡大であり；画像は大きいが新たに詳細を明らかにすることはない。現在のビデオ技術は分解能を限定し、したがって本発明の小型光−電子拡大装置の実際の全倍率は５００以下である。しかし高い鮮明度のＴＶの開発、そして将来のビデオ技術の進歩により、倍率値は光学顕微鏡の光学回折限界にまで上がり、そして１，０００以上の倍率が達成可能となるだろう。

電子スケーリングを提供することに加えて、固体素子の光検出器は大変感度があり、そして低レベルの光強度で高品質の画像を生成する。本発明では、感度の上昇を使用して光源を単純化し、そしてその経費を下げる。周囲の光で多くの応用が可能である。別の場合では、低電力のランプで十分な光を提供する。

本発明のＭＯＭモジュールユニットの汎用化形態では、これは小型化された光−素子拡大システムの１構成要素である。図４のシステムのブロック線図を参照にして、ＭＯＭモジュール４１は光源４３または４４により照射される物体４２を見るために配置され、ＭＯＭモジュール４１からの電気的シグナルはビデオモニター４５またはコンピューター４６に送られる。さらにビデオレコーダー４７および、またはプリンター４８は拡大された画像を記録するために加えることができるさらなる構成要素の例である。

現在、利用可能な小型のボードカメラは、ＮＴＳＣ、ＰＡＬまたはＳ−ビデオ出力を生じる。このような市販のビデオ標準は変化してＴＶ品質を向上すると期待され、これは本発明の応用にも広がるだろう。

本発明は、内部反射、赤外線分光分析用に適当な付属品である小型化された光−電子拡大システムを提供する。ＡＳＩ ＳｅｎｓＩＲ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓが製造し、そしてＤｕｒａＳａｍｐｌＩＲ（商標）として販売されている内部反射装置が例として使用されるが、本発明はこれに限らない。図５はＤｕｒａＳａｍｐｌＩＲの本体内に取り付けられた本発明の小型化された光−電子画像拡大機モジュールの該略図である。

図５を参照にして、分光計５０からの赤外線輻射エネルギー５１は鏡５２によりセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）素子５３に向けられ、これは取付け具５５に取り付けられた菱形の窓５４を通して赤外線輻射を透過する。菱形の表面５６で、輻射エネルギーは内側に反射するので、輻射エネルギーは菱形の窓５４およびＺｎＳｅ素子５３を通って戻り、そして鏡５７に向けられ、これは次に検出器５８に向けられる。可視光源５００は表面５６を照らし、そしてこの光は菱形の窓５４およびＺｎＳｅ素子５３を通って透過し、ここでこれはレンズ５０１により集められ、そして表面５６の画像が固体素子の光検出器５２上に形成される。図５では、部材５０１、５０２および５０４はＭＯＭモジュール５０３である。光−検出器により生成される電子的シグナルはカメラの電子部品５０４により処理され、そして電子シグナルは表面５６の拡大された画像を見るためにビデオ−モニター５０５に送られる。ビデオ−モニタースクリーン上で画像は拡大される。画像はサンプルと同じ幾何学的方向を有することができ、そして左から右、そして上下の移動はサンプルと画像が同じである。カメラ用の電力は、電源５０６により提供される。不透明のサンプルには、可視光源５０７がＺｎＳｅ素子５３の下に配置される。ＣＣＤ光−検出器の高い感度のために、必要とされるのはすべて低電力の照明である。

この形態で、１２ｍｍの焦点距離レンズのＣＣＤ素子１／４インチが好適である。ＤｕｒａＳａｍｐｌＩＲにおけるこの組み合わせで、１．５ｍｍの寸法のＩＲＥは拡大されてモニターの垂直スクリーンサイズを満たすだろう。

内部反射分光法は、完全なサンプル調製を必要とせずに液体または固体サンプルを分析するためのＡＴＲ赤外線スペクトルを生成するので大変重要な方法である。内部反射要素（ＩＲＥ）とサンプルとの間の光学的接触が必要なだけである。小さいＩＲＥの使用が内部反射分光法における主な進歩であった。小さい接触表面が固体の分析をより再現性のある、しかも定量的ものとする。中央−赤外線スペクトル範囲での透過測定では、サンプルは薄く（０．０３ｍｍ以下）しかも均一でなければならない。これは分析用のサンプル調製に特別な注意を必要とする。内部反射では、サンプル厚は輻射の波長、入射角およびサンプルとＩＲＥとの間の屈折率の差により確立される。大きなＩＲＥ要素は液体の定量的分析に有用であるが、固体には有用ではない。小さいＩＲＥが使用されるのは、固体サンプルとの再現性のある接触ができる時だけである。本発明は小さいＩＲＥ表面上の固体サンプルの接触を見ることを可能とする。この接触を見ることは分析の再現性を向上させる一方、分析者は正しいサンプルが分析されることを確認する。

本発明は拡大時の物体を点検するための単純なビデオ画像システムも提供する。この実施では固定焦点の小型光−電子拡大装置が、その視口（ｖｉｅｗｉｎｇ ｐｏｒｔ）に置かれた任意の物体をモニター、コンピューター端末またはＴＶで拡大して見えるように製造される。図６は不透明な物体を調査するために、取付け具中に包含された小型化された光−電子拡大システムを示す該略図である。図６では、取付け具６０は囲いにより支持された視口６１を持つ機械的囲いである。視口６１は平らな磨かれた表面を持つ透明な、耐引掻性材料である。ガラスおよび数種のプラスチックをこの視口に使用してもよいが、石英およびサファイヤが好適な耐引掻性の透明材料である。レンズ６２は、視口６１の外面の実像を光−検出器素子６３上に形成する。レンズ６２は所望の倍率および分解能を生成するための焦点距離および開口数を有するように選択される。回転ディスクまたはスライダー上の多数のレンズは、可変倍率のためのズームレンズ系と同様に使用することができる。光−検出器６３は、ビデオモニター６５に電子シグナルを生成するビデオカメラ電子機器６４に情報を供給するＣＣＤまたは他の固体素子ビデオ画像デバイスである。このカメラ用の電力は、電源６８により供給される。サンプルは点検のために視口表面６１上に置かれる。サンプルは照明６６および、または６７によりライトアップされる。一般的使用には、全倍率は５〜２００倍が最も現実的であるが、最高１，５００の全倍率が可能である。

この態様では、小型化された光−電子拡大システムは、倍率を変化させることが可能な他の可動部を持たない。サンプルは視口上に置かれ、そしてモニター上で調査される。拡大された像は標準的なビデオレコーダーで記録するか、またはビデオ口を通ってコンピューターに輸送することができる。この形態では、本発明は教育および工業的点検での応用を有すると期待される。

ＦＴ−ラマン分光計は別の例を提供し、その例では本発明の小型化された光−電子拡大システムを分光計のサンプル区分に挿入することが、独特な利点を有する。ＦＴ−ラマンでは、不可視の近−赤外線波長（すなわち１０６４ｎｍ）を含む強いレーザーを使用してラマンスペクトルを励起する。直接見れば、この光線は目の組織に重篤な傷害を引き起こすだろう。レーザー光線は小さいので、レーザー光線を所望の領域に配置することができるようにサンプルを見ることが重要である。不均一な固体を用いて、光線が集束していることを見ることが大変重要である。

図７は、分析されるサンプルの拡大された像を生成するために、ＦＴ−ラマン分光計の
サンプル区分に配置された本発明の小型化された光−電子拡大システムを表す該略図である。図７を参照にして、レーザー光線７０は非球面の鏡要素７１中の小さい開口を通って進み、そしてガラス筒７３中に含まれるサンプル７２に入射する。レーザー輻射７０はラマン散乱であり、そして散乱した輻射７４は非球面の鏡７１により集められる。この鏡はラマン散乱輻射をフーリエ−変換分光計７５に向ける。レンズ７６、固体素子光検出器アレイ７７およびカメラ電子機器７８は、ＭＯＭモジュール７９を構成する。この電子画像はビデオ−モニター７０１に送られてサンプルの拡大された画像を表示する。このカメラ用の電力は電源７０２により提供される。鏡７１、サンプル７３、サンプル容器７２、ＭＯＭ モジュール７９はすべてＦＴ−ラマン分光計のサンプル区分（７０３）に含まれる。

ラマン分光計のサンプル区分は小さいが、ＭＯＭ モジュールは内部に収まり、レーザー光線中のサンプル配置を見ることができる。この小さいサイズが重要な因子である。サンプルは１０から２００倍の倍率で見ることができ、そして近−赤外線レーザー光線は固体素子光検出器アレイにより弱く検出される。この態様では、感知要素をモディファイする必要がある。通常の可視光画像に使用するシリコンに基づくＣＣＤカメラの標準的形状は、デバイス上に配置された近−赤外線遮断フィルターを有する。ラマンの応用には、このフィルターをＣＣＤカメラから取り除く必要がある。

本発明の別の目的は、ＭＯＭ モジュールがＡＴＲプローブ中に包含されて内部反射要素とサンプルとの間の接触表面の拡大画像を提供する。この態様では、画像平面マスク（ｉｍａｇｅ ｐｌａｎｅ ｍａｓｋ）が赤外線輻射で照射された界面の領域を限定する。またこのシステムは同軸の可視照明も有し、ＭＯＭ モジュールを使用して分析されるサンプルの領域を見る手段を提供する。

図８ａおよび８ｂは、この応用を具体的に説明するＡＴＲプローブ付属装置の該略図である。分光計７９からの赤外線輻射エネルギー８０は、鏡８１から鏡８２へ反射される。赤外線輻射は鏡８２により可変マスク８３上に集束し、そして次に鏡８４上で集束し続ける。鏡８４はこの光線を取付け具１０１中に取り付けられた複合Ｚｎ−Ｓｅ−菱形ＩＲＥ８５上に再度向けられる。菱形１００の表面８６で、輻射エネルギーは内部に反射される。ＩＲＥ−サンプル境界８６からの反射後、ＩＲＥ要素は赤外線輻射を鏡８４に戻し向ける。鏡８４からの反射で、赤外線輻射は再度、可変マスク８３上に集束し、そして鏡８２上に集束し続ける。鏡８２から光線を鏡８７に向け、そして次に赤外線輻射エネルギー検出器８８に向ける。サンプルは、鏡９０が機械的手段９１により赤外線光路中に配置された時、照明８９からの可視光でライトアップされる。この可視光は赤外線と同軸であり、可変マスク８３を通り、そして鏡８４によりＩＲＥ−サンプル界面に再度向けられる。鏡８４から可視光は透明な内部反射要素８５に向けられて、可変マスク８３により規定されるサンプル領域を照らす。照らされたサンプル−ＩＲＥ界面の拡大された像が、鏡９２からの光をレンズ９３、光−検出アレイ９４および電子インターフェイス９７から成るＭＯＭ ９５に反射することにより生成される。電子シグナルはビデオ−ディスプレイスクリーン９６上に表示される。カメラの電力は電源９８により提供される。このプローブ装置は、ＡＴＲによる分析を容器中に延ばすこと、製造ライン上で表面または材料上の生物的増殖の分析に用途を有する。

このように本発明で与えられる新規な小型化された光−電子拡大システムは、上記の目的を達成し、そして従来のデバイスおよびシステムの使用で遭遇する困難を排除し、問題を解決し、経費を下げ、そして本明細書に記載した望ましい結果を得た。

前述の記載において、特定の用語を簡潔さ、明瞭性および理解のために使用したが、そのような用語は説明を目的とするだけであり、広く解釈されることを意図しているので、
それらからの不必要な限定を意味していない。さらに記載および具体的説明は例であり、そして前記特許請求の範囲で定義した本発明は示し、そして記載した詳細に限定されない。

Claims (8)

1. （ａ）試料と接触するようにつくられた表面をもち、スペクトルの測定を行なうための第１の光路および該試料を見るための第２の光路をもつ内部反射素子、
   （ｂ）一つまたはそれ以上の光検出器のアレイの上に該試料の拡大された像をつくるように設計され構成され位置しているレンズ、および
   （ｃ）該光検出器のアレイ、および該試料のさらに拡大された像を電子的表示装置の上に表示または記録するための装置を有する電子的スケーリング装置、を具備し、
   該試料から該表示装置への像の拡大はその少しの部分が該レンズによってつくられ、該試料から該表示装置への像の拡大の、該少しの部分より大きい多くの部分は該電子的スケーリング装置によってつくられ、汎用のＦＴ−ＩＲ分光計の試料室内に装着できるような大きさになっていることを特徴とする赤外スペクトル分析用光電子装置。
2. 該内部反射素子は該表面を規定するダイアモンドの層、および第２の赤外線透過材料から成る支持層を備えていることを特徴とする請求項１記載の赤外スペクトル分析用光電子装置。
3. 該第２の赤外線透過材料から成る支持層はセレン化亜鉛またはＫＲＳ−５から成っていることを特徴とする請求項２記載の赤外スペクトル分析用光電子装置。
4. （ａ）赤外線および可視光の両方の輻射エネルギーに対して透明な高い屈折率をもつ材料から成る内部反射素子であって、該素子は試料と接触するようにつくられた表面をもち、スペクトルの測定を行なうための第１の光路および該試料を見るための第２の光路をもつ内部反射素子、
   （ｂ）レンズおよび一つまたはそれ以上の光検出器のアレイを具備し、該レンズは該第２の光路に沿い該内部反射素子を通して試料の上に焦点を結ぶように、また光検出器のアレイの上に試料の拡大された実像をつくるように設計され構成され且つ位置しており、該光検出器は該拡大された実像を表す電気信号をつくるように設計され構成され、２５〜１００ｍｍの高さを有する大きさにつくられている小型化された光電子工学的像拡大モジュール、
   （ｃ）電子的表示装置、および
   （ｄ）該電気信号のスケーリングを行ない該表示装置の上に該試料のさらに拡大された像をつくるように設計され構成された電子的像スケーリング装置、
   を具備していることを特徴とする赤外スペクトル分析用光電子装置。
5. スペクトル分析を行なうためのフーリエ変換赤外分光計であって、
   （ａ）赤外線および可視光の両方の輻射エネルギーに対して透明な高い屈折率をもつ材料から成る内部反射素子であって、該素子は試料と接触するようにつくられた表面をもち、スペクトルの測定を行なうための第１の光路および該試料を見るための第２の光路をもつ内部反射素子、
   （ｂ）赤外線輻射エネルギーの光源、該赤外線輻射エネルギーのビームの焦点を該試料の上に当て、赤外線輻射エネルギーを集め、該エネルギーを赤外線輻射エネルギーの検出器に集中させるように設計され構成された第１の光学系、および該検出器からの電気信号を処理し赤外スペクトルのデータを生成するように設計され構成された電子回路を具備し、ここで該検出器は該内部反射素子を出る赤外線輻射エネルギーの強度に比例した電気信号を生成するように設計され構成されているスペクトル分析システム、および
   （ｃ）該分光計の試料室の内部に位置した小型化された光電子工学的像拡大モジュールであって、該モジュールはレンズおよび一つまたはそれ以上の光検出器のアレイを具備し、該レンズは該第２の光路に沿い該内部反射素子を通して試料をみるようにでき且つ一つまたはそれ以上の該光検出器のアレイの上に試料の拡大された実像をつくるように設計さ
   れ構成され且つ位置しており、該光検出器は該拡大された実像を表す電気信号を生成するように設計され構成されている光電子工学的像拡大モジュール、電子的表示装置および該電気信号のスケーリングを行ない該表示装置の上に該試料のさらに拡大された像をつくるように設計され構成された電子的像スケーリング装置を備える光学観測システム、
   を具備し、
   該試料から該表示装置への像の拡大はその少しの部分が該レンズによってつくられ、該試料から該表示装置への像の拡大の、該少しの部分より大きな多くの部分は該電子的スケーリング装置によってつくられることを特徴とするフーリエ変換赤外分光計。
6. 該内部反射素子はダイアモンド、セレン化亜鉛またはＫＲＳ−５を含んでいることを特徴とする請求項５記載のフーリエ変換赤外分光計。
7. 該表面を規定するダイアモンドの層、および第２の赤外線透過材料から成る支持層を備えていることを特徴とする請求項５記載のフーリエ変換赤外分光計。
8. 該第２の赤外線透過材料から成る支持層はセレン化亜鉛またはＫＲＳ−５から成っていることを特徴とする請求項７記載のフーリエ変換赤外分光計。

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