JP2000056232A

JP2000056232A - 顕微鏡

Info

Publication number: JP2000056232A
Application number: JP10241026A
Authority: JP
Inventors: Koichiro Komatsu; 宏一郎小松
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1998-08-12
Filing date: 1998-08-12
Publication date: 2000-02-25
Anticipated expiration: 2018-08-12
Also published as: JP4228125B2

Abstract

(57)【要約】【課題】倍率を変更しても観察位置がずれにくい倍率
可変顕微鏡を提供する。【解決手段】試料面１からの光を集光する対物レンズ
系２と、対物レンズ系２で集光された光束を結像させ
る、対物レンズ系２に対して相対的に固定された結像レ
ンズ系６と、対物レンズ系２で集光された光束を結像レ
ンズ系６にリレーする、互いに倍率の異なる複数のリレ
ー光学系41、41ａと、複数のリレー光学系41、41ａを相
互に切替える切替機構11、12とを備え、複数のリレー光
学系41、41ａは、それぞれ第１のレンズ群３、３ａと第
２のレンズ群５、５ａとを含んで構成され、第１のレン
ズ群３、３ａの前側焦点は対物レンズ系２の瞳共役面に
ほぼ一致し、第２のレンズ群５、５ａの前側焦点は第１
のレンズ群３、３ａの後側焦点にほぼ一致するように配
置される顕微鏡。対物レンズ系２に対して結像レンズ系
６が相対的に固定されているので、顕微鏡の観察位置が
ずれにくく、また、互いに倍率の異なる複数のリレー光
学系を備え、それらを切り替える切替機構を備えるの
で、顕微鏡の倍率を変更することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、倍率可変顕微鏡に
関し、特に倍率を変更しても観察位置がすれにくい倍率
可変顕微鏡に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】顕微鏡装置における変倍機構は、図４に
示したように焦点距離の異なる対物レンズ１０２、１０
２ａをレボルバー１１３にとりつけ、レボルバー１１３
を回転させることによって対物レンズの焦点距離を変え
結像倍率を切り替えていた。対物レンズ１０２、１０２
ａの取り付け位置や射出瞳の位置を規格化し、レボルバ
ー１１３に取り付ける対物レンズを交換できるように構
成することにより、変更可能な倍率をさらに多くするこ
とも可能である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら以上のよ
うな従来の顕微鏡によれば、レボルバー１１３の回転停
止位置に誤差があると、試料１の観察位置がずれてしま
うという問題点があった。特に、有限系の対物レンズを
使った顕微鏡では、レボルバー１１３の回転停止位置に
誤差があると、対物レンズ１０２あるいは１０２ａの光
軸と接眼レンズ１０８の光軸がずれてしまい、さらに倍
率がかけられて試料１の像位置が動いて結像されてしま
う。無限遠系の対物レンズを使った顕微鏡では、図５に
示すように対物レンズ１０２と接眼レンズ１０８の間に
像を形成するための結像レンズ１０６が配置されてい
て、対物レンズ１０２と結像レンズ１０６の間では試料
面１の上の一点から発した光束は平行になって進むた
め、対物レンズ１０２と結像光学系であうる結像レンズ
１０６の光軸のずれによる像のずれはない。

【０００４】ここで、レボルバー１１３を回転して対物
レンズを１０２から倍率の異なる対物レンズ１０２ａに
交換する際には、接眼レンズ１０８を含む顕微鏡本体及
び試料１は動かさない。対物レンズ１０２ａの光軸と試
料面１の交わる位置すなわち観察位置が、本来ならば結
像レンズ１０６の光軸と試料面の交点１０１Ａとならな
ければならないのに対し、レボルバー１１３による回転
停止位置に誤差があると対物レンズ１０２ａの光軸と試
料面の交点１０１Ｂにずれてしまうことになり、やはり
像がずれてしまうことになる。

【０００５】このため、従来の顕微鏡では有限系にしろ
無限系にしろ、レボルバー１１３の回転停止位置精度を
非常に厳密に抑えておく必要があった。ところが、頻繁
に倍率を変えるのにも拘わらず、複数の対物レンズの取
り付けられるレボルバー１１３は構造上大きさに制約が
あり、片軸でその重さを支えなくてはならないため回転
停止位置精度を厳密に抑えるのは難しく、加工コストを
増やす原因となっていた。そこで本発明は、倍率を変更
しても観察位置がずれにくい倍率可変顕微鏡を提供する
ことを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に係る発明による顕微鏡は、図１に示すよ
うに、試料面１からの光を集光する対物レンズ系２と；
対物レンズ系２で集光された光束を結像させる、対物レ
ンズ系２に対して相対的に固定された結像レンズ系６
と；対物レンズ系２で集光された光束を結像レンズ系６
にリレーする、互いに倍率の異なる複数のリレー光学系
４１、４１ａと；複数のリレー光学系４１、４１ａを相
互に切替える切替機構１１、１２とを備え；複数のリレ
ー光学系４１、４１ａは、それぞれ第１のレンズ群３、
３ａと第２のレンズ群５、５ａとを含んで構成され、第
１のレンズ群３、３ａの前側焦点は対物レンズ系２の瞳
共役面にほぼ一致し、第２のレンズ群５、５ａの前側焦
点は第１のレンズ群３、３ａの後側焦点にほぼ一致する
ように配置されることを特徴とする。ここで、対物レン
ズ系２の瞳共役面は、勿論対物レンズ系２の射出瞳その
ものであってもよい。

【０００７】このように構成すると、対物レンズ系２に
対して結像レンズ系６が相対的に固定されているので、
顕微鏡の観察位置がずれにくく、また、互いに倍率の異
なる複数のリレー光学系を備え、それらを切り替える切
替機構を備えるので、顕微鏡の倍率を変更することがで
きる。

【０００８】以上の顕微鏡では、請求項２に記載のよう
に、第１のレンズ群３、３ａよりも試料面側にある瞳共
役面に開口制限絞りを配置してもよい。ここでいう瞳共
役面は、瞳そのものであってもよいし、第１のレンズ群
の前側焦点の一致する瞳共役面に限らず、どの瞳共役面
であってもよい。このように構成すると、複数のリレー
光学系４１、４１ａを入れ換えたときに、入れ換えられ
たリレー光学系の光軸の位置が入れ換える前のリレー光
学系の光軸の位置からたとえずれたとしても、試料面の
観察位置からの光束が開口制限絞りを通過する位置がず
れることがない。

【０００９】さらに以上の顕微鏡では、請求項３に記載
のように、また図３に示すように、試料面１とリレー光
学系４１、４１ａとの間の光路中に、試料面１からの光
を分岐する分岐系１５と、分岐系１５を介して試料面１
と対物レンズ系２の物体面１との整合状態を検出するオ
ートフォーカス光学系１８とを有するようにしてもよ
い。ここで、分岐系１５は例えばダイクロイックミラー
やハーフミラー等のビームスプリッターである。このよ
うに構成すると、分岐系をリレー光学系と試料面との間
に取り付けることにより、観察倍率によらずオートフォ
ーカス機能を働かせることができるため、常に高精度な
フォーカスをかけながら観察することができる。したが
って、変倍しても焦点位置調整をやり直すことがないの
で、効率的に観察をすることができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照して説明する。なお、各図において互い
に同一あるいは相当する部材には同一符号を付し、重複
した説明は省略する。

【００１１】図１は、本発明による第１の実施の形態で
ある顕微鏡の模式的断面図である。図中、試料１を載置
する基台４０には、試料１を透過または落射により照明
する不図示の照明光学系が備えられている。基台４０の
図中で上方には、試料面１からの光を集光して平行な光
束とする対物光学系である対物レンズ２が備えられてお
り、さらに上方には後述の変倍リレー光学系４１ａを挟
んで、結像光学系である結像レンズ６が、その光軸を対
物レンズ２の光軸とほぼ一致させて備えられ、さらに上
方には結像レンズ６の結像面７を挟んで、接眼光学系で
ある接眼レンズ８が備えられている。接眼レンズ８のさ
らに上方から人間の目９で、試料１の拡大像を観察でき
るように構成されている。

【００１２】対物レンズ２と結像レンズ６との間には、
複数の変倍リレー光学系であるリレーレンズ系４１、４
１ａが備えられている。図１には、２つのリレーレンズ
系４１、４１ａしか図示されていないが、実際には２つ
以上いくつ用意してもよい。例えば３〜５が典型的な数
である。

【００１３】図中、リレー光学系４１は、第１群のレン
ズ群３と第２のレンズ群５とを含んで構成されている。
第１のレンズ群３の前側焦点は、対物レンズ系２の瞳面
Ｐ１にほぼ一致し、第２のレンズ群５の前側焦点は第１
のレンズ群３の後側焦点にほぼ一致するように配置され
ている。ここで、第１のレンズ群３の前側焦点は、対物
レンズ系２の瞳面Ｐ１に限らず、その瞳共役面にほぼ一
致していればよい。また、第２のレンズ群５の後ろ側焦
点は結像レンズ６の前側焦点に一致するように配置され
ている。図中、リレー光学系４１ａについても、リレー
光学系４１と同様に構成されている。ここで、リレー光
学系４１ａのそれぞれ第１のレンズ群３ａが第１のレン
ズ群３に、第２のレンズ群５ａが第２のレンズ群５に、
対応する。

【００１４】変倍リレー光学系４１、４１ａの第１のレ
ンズ群３、３ａと第２のレンズ群５、５ａとは、観察す
る倍率に応じて、また変倍リレー光学系４１、４１ａの
全長が一定になるように、それぞれ組み合わされる焦点
距離が決められている。また、変倍リレー光学系４１、
４１ａは、それぞれ変倍リレーレンズ鏡筒１０、１０ａ
に固定的に収納されている。そして複数の例えば３〜５
群の変倍リレーレンズ系を収納した鏡筒１０、１０ａに
代表される複数の鏡筒は、互いにターレット１１に固定
的に取り付けられている。ターレット１１は、対物レン
ズ２と結像レンズ６の共通光軸に平行な回転軸線回り
に、駆動装置であるモータ１２などにより回転して、変
倍リレー光学系を切り換えることにより観察倍率を変え
ることができるように構成されている。ここで、ターレ
ット１１とモータ１２とを含んで、本発明の切替機構が
構成されている。

【００１５】図１を参照して、第１の実施の形態である
顕微鏡の作用を説明する。不図示の照明装置により照明
された試料面１からの光束は、対物レンズ２で集光され
平行な光束となって、対物レンズ２の射出瞳Ｐ１に前側
焦点位置を一致させて配置された第１のレンズ群３によ
り、鏡筒１０内に位置する第１のレンズ群３の後側焦点
位置にある中間結像面４で結像する。中間結像面４を通
過した光束は再び広がり、中間結像面４に前側焦点位置
を一致させた第２のレンズ群５により平行な光束とな
る。第２レンズ群５を出射した平行光束は、結像レンズ
６により結像面７に集光され、試料１の像を形成する。
結像面７に形成された試料像は、接眼レンズ８で拡大し
て観察してもよいし、結像面７にＣＣＤ等の撮像素子を
配置し像を光電変換して電気信号に変えてモニターで観
察してもよい。

【００１６】異なる倍率で試料１を観察したいときは、
モータ１２を回転させてターレット１１を回転させ、変
倍リレーレンズ系４１の代わりに変倍リレーレンズ系４
１ａを、対物レンズ２と結像レンズ６との間にセットし
て、観察すればよい。

【００１７】図２を参照して、ターレット１１による停
止位置誤差が生じた時の結像状態を説明する。仮にター
レット１１を回転して、変倍リレー系４１ａから変倍リ
レー光学系４１に入れ換えたとする。本来ならば光学系
の光軸、特に対物レンズ２と結像レンズ６の共通の光軸
ＡＸの位置に変倍リレー光学系４１（３〜５）の光軸が
停止しなくてはならないのに対し、ずれてしまい光軸Ａ
Ｘから僅かに平行移動した、図中ＢＸで示す位置に変倍
リレー光学系３〜５の光軸が停止した場合を考える。

【００１８】試料面１と対物レンズ２の光軸ＡＸの交点
から発した光束は、第１のレンズ群３による中間結像面
４での結像位置は光軸ＡＸに対して平行な光束なので変
倍リレー光学系３〜５の光軸ＢＸとの交点を通過するこ
とになる。変倍リレー光学系３〜５の光軸が図中ＢＸで
示す位置にずれていると中間結像面４での通過位置は対
物レンズ２の光軸ＡＸとの交点とは異なるが、第２のレ
ンズ群５の前側焦点位置である中間結像面４では第２の
レンズ群５の光軸ＢＸ上を通過するため、前記光束が第
２のレンズ群５を通過すると再び対物レンズ２の光軸Ａ
Ｘに平行な光束となる。このため、結像レンズ６は焦点
面である結像面７では光軸ＡＸとの交点に像を形成する
ので、像のずれは観察されない。

【００１９】必要に応じて、対物レンズ２の瞳面Ｐ１ま
たは瞳共役面Ｐ２に開口絞りを設けて観察する開口数を
制限するようにしてもよい。しかし図２からわかるよう
に、瞳共役面Ｐ２では変倍リレー光学系４１の光軸のず
れがあると光束の通過する位置がずれるので、変倍リレ
ー光学系４１より、具体的には第１のレンズ群３より物
体側の瞳面Ｐ１に開口絞りを設けることが望ましい。

【００２０】図３を参照して、本発明の第２の実施の形
態を説明する。以上説明した顕微鏡では、特に、観察だ
けでなく線幅計測などをするための測定機用の光学系で
は、結像に寄与する光束の中心が試料１の面に対して垂
直になっているいわばテレセントリックである必要があ
るために、変倍リレー光学系４１の光軸のずれの影響を
受けないようにしなくてはならない。ところが、対物レ
ンズ２の瞳は多くの場合対物レンズ２の内側に存在する
ように作られているので、瞳面に直接開口絞りを設ける
ことはできない。そこで図３のように、対物レンズ２と
変倍リレー光学系３〜５の間にテレセントリックなリレ
ー光学系１６、１７を挿入し、変倍リレー光学系３〜５
の物体側の瞳共役面に、変倍リレー光学系３〜５と独立
に、開口絞り１４を設けるようにするのが望ましい。ま
た開口絞り１４の開口数を必要に応じて変えることがで
きるように、偏心のおきにくい虹彩絞りなどの絞り機構
や高精度の位置再現性のあるターレット式の絞り機構を
配置してもよい。

【００２１】さらに図３ではオートフォーカス機能を加
えるため、対物レンズ２の出射側に分岐系であるダイク
ロイックミラー１５を設け、オートフォーカス光学系１
８に光束を分岐する。オートフォーカス光学系１８で
は、観察に影響のない赤外光などを使って試料１の被検
面のフォーカスずれを検知するので、可視光を透過し赤
外光を反射するようなダイクロイックミラー１５を用い
て分岐する。一般的にオートフォーカス光学系１８は対
物レンズ２の開口数が大きいほど試料面のデフォーカス
に対して感度が高い。図３のように、対物レンズ２とテ
レセントリックなリレー光学系１６、１７との間に分岐
系１５を配置すると、観察倍率に関係なく常に対物レン
ズ２の最大の開口数を使った状態で試料面のデフォーカ
スを検出することができるので、常に高精度にフォーカ
スを合わせながら観察することができる。

【００２２】図６を参照して、オートフォーカス光学系
１８の一例を説明する。ダイクロイックミラー１５は、
光軸ＡＸに対してほぼ４５度の角度をもって配置されて
おり、その偏向方向にはハーフミラー５１が、偏向した
光軸に対してほぼ４５度の角度をもって配置されてい
る。ハーフミラー５１の偏向方向には、コンデンサレン
ズ５２が配置されており、その先には点光源５３が配置
されている。点光源５３は、ピンホールの明けられた遮
光板５４と、遮光板５４に対してコンデンサレンズ５２
の反対側に置かれた赤外線ランプ等の光源５５とを含ん
で構成されている。そしてコンデンサレンズ５２とハー
フミラー５１との間には、光軸に対して半分を遮光する
ナイフエッジ５６が設けられている。点光源（ピンホー
ル）５３の位置は、試料面１が顕微鏡に対して合焦して
いるときに、試料面と共役になるような位置に設定され
ている。

【００２３】ダイクロイックミラー１５からハーフミラ
ー５１を透過して直進する方向には、結像レンズ５７が
設けられており、その先の結像レンズ５７の結像面に
は、スクリーン５８が設けられている。

【００２４】さらに図６を参照して、オートフォーカス
光学系１８の作用を説明する。ランプ５５からの光はピ
ンホール５３により点光源として発せられ、その点光源
からの合焦用の光は、コンデンサレンズ５２を介して平
行光線となる。このとき、ナイフエッジ５６で平行光束
の円形断面の半円分が遮光される。透光した半円分の光
束は、ハーフミラー５１で反射され、ダイクロイックミ
ラー１５に向かう。ダイクロイックミラー１５で反射さ
れた光は、対物レンズ２を介して試料面１上に入射し点
光源５３の像を結像し、反射される。反射された半円分
の光束は、入射の際に通過したのと反対の半円領域を通
って、対物レンズ２を通過し、ダイクロイックミラー１
５に到り、ダイクロイックミラー１５で反射され、ハー
フミラー５１、結像レンズ５７をこの順番に通過して、
スクリーン５８上に結像する。

【００２５】以上において、試料１が合焦位置にあると
きは、スクリーン５８上で、スクリーンと結像レンズ５
７を含む光学系の光軸との交点上に、試料１からの反射
光は結像するので、スクリーン５８上の受光の強度分布
は、強度分布５８−ａとして示すように、光軸交点を中
心にしてほぼ対称に分布する。しかしながら試料１が、
例えば合焦位置よりも対物レンズ２から離れた位置１−
ａにあるとすると、試料１からの反射光のスクリーン５
８上の像は、強度分布５８−ｂとして示すように、光軸
交点から図中下半分に偏心した分布となる。この偏心量
を測定することにより、合焦位置からのずれを検出する
ことができ、このずれを最小にするように制御すること
により、試料１の面を合焦位置に設定することができ
る。この操作は、スクリーン５８上の受光の強度分布を
検出して、その検出信号を受信して制御する不図示の制
御器により、基台４０を図中上下方向に駆動する駆動装
置（不図示）を駆動して、自動的に行うようにしてもよ
い。即ちオートフォーカスである。このようにオートフ
ォーカス光学系１８を備えると、切り換えた変倍リレー
光学系の製造公差により焦点位置が僅かずつ異ったとし
ても、自動的に調整できるので、倍率を変えるたびに手
動で焦点位置を調整する必要がない。

【００２６】以上説明したように、本発明の実施の形態
によれば、対物レンズを共通化して対物レンズの次にリ
レー光学系を設けて、このリレー光学系で変倍するよう
にした。リレー光学系では、像に対しては倍率がかかっ
た状態でありリレー光学系での光軸の偏心の影響はほと
んど倍率のかからない状態で観察されるので、レボルバ
ーに比べて製造は容易になる。

【００２７】さらに、リレー光学系は第１と第２の２つ
のレンズ群からなっており、第１のレンズ群の前側焦点
は前記対物レンズの射出瞳に一致するように配置され、
第２のレンズ群の前側焦点は前記第１のリレーレンズ群
の後側焦点に一致するようにしたリレー光学系を用い
て、対物レンズの瞳から瞳共役面までのリレー光学系の
間で変倍するようにすると、このリレー光学系での偏心
は瞳面上だけで発生するため、像の位置ずれを生じるこ
とがない。即ち、試料面上の一点からでた光束は対物レ
ンズで集光され平行な光束となって、リレー光学系の第
１のレンズ群に入り、中間結像面で結像する。中間結像
面で結像した光束は再び広がり、リレー光学系の第２の
レンズ群で集光され平行な光束となり、結像レンズを介
して像面に像を形成する。変倍させるリレー光学系は平
行な光束が入射する面と平行な光束が出射する面との間
に入れられており、結像レンズにより像を形成するため
平行な光束を一点に集める場合には平行な光束が横にず
れても集光する位置に変化はない。

【００２８】以上のように、本発明の実施の形態によれ
ば、倍率を変えた場合でも像のずれが生じないため、倍
率を変えて観察する際、観察したい対象を視野の中心に
移動させる必要がなく、効率的に観察を行うことができ
る。また、対物レンズを切り換えないのでフォーカスも
ずれることがない。特に、オートフォーカス機構を取り
付ける場合にも、変倍リレー光学系より試料側に取り付
けることにより観察倍率によらずオートフォーカス機能
を働かせることができるため、常に高精度なフォーカス
をかけながら観察することができる。このため、変倍し
ても焦点位置調整をやり直すことがないので、効率的に
観察をすることができる。

【００２９】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、対物レン
ズ系に対して結像レンズ系が相対的に固定されているの
で、顕微鏡の観察位置がずれにくく、また、互いに倍率
の異なる複数のリレー光学系を備え、それらを切り替え
る切替機構を備えるので、顕微鏡の倍率を変更すること
ができ、倍率を変更しても観察位置がずれにくい倍率可
変顕微鏡を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態による顕微鏡を示す
模式的断面図である。

【図２】図１の実施の形態における像のずれの補償機構
を示す説明図である。

【図３】本発明の第２の実施の形態による顕微鏡を示す
模式的断面図である。

【図４】従来の有限系の顕微鏡の変倍機構を示した模式
的側面図である。

【図５】従来の無限遠系の顕微鏡の変倍による像のずれ
を説明する模式的説明図である。

【図６】オートフォーカス光学系の例を示す模式的説明
図である。

【符号の説明】

１試料２対物レンズ３第１のレンズ群４中間像面５第２のレンズ群６結像レンズ７結像面８接眼レンズ９観察者の肉眼１０、１０ａ鏡筒１１ターレット１２モータ１４開口絞り１５ダイクロイックミラー１６、１７テレセントリックなリレー光学系１８オートフォーカス光学系２３、２３ａ第１のレンズ群２４、２４ａ中間像面２５、２５ａ第２のレンズ群４１、４１ａ変倍リレー光学系４２、４２ａ変倍リレー光学系

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料面からの光を集光する対物レンズ系
と；前記対物レンズ系で集光された光束を結像させる、
前記対物レンズ系に対して相対的に固定された結像レン
ズ系と；前記対物レンズ系で集光された光束を前記結像
レンズ系にリレーする、互いに倍率の異なる複数のリレ
ー光学系と；前記複数のリレー光学系を相互に切替える
切替機構とを備え；前記複数のリレー光学系は、それぞ
れ第１のレンズ群と第２のレンズ群とを含んで構成さ
れ、前記第１のレンズ群の前側焦点は前記対物レンズ系
の瞳共役面にほぼ一致し、前記第２のレンズ群の前側焦
点は前記第１のレンズ群の後側焦点にほぼ一致するよう
に配置されることを特徴とする；顕微鏡。
【請求項２】前記第１のレンズ群よりも試料面側にあ
る瞳共役面に開口制限絞りを配置することを特徴とす
る、請求項１に記載の顕微鏡。
【請求項３】前記試料面と前記リレー光学系との間の
光路中に、前記試料面からの光を分岐する分岐系と、前
記分岐系を介して前記試料面と前記対物レンズ系の物体
面との整合状態を検出するオートフォーカス光学系とを
有する請求項１または請求項２に記載の顕微鏡。