JP2009237486A - ズーム位相差観察装置および位相差観察用照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】観察倍率の変更を連続的かつ効率的に実施できるズーム位相差観察装置、および低倍率観察に好適な位相差観察用照明装置を提供する
【解決手段】ズーム位相差観察装置は、外面および内面が互いに平行な円錐筒状の光束を試料面に供給するための照明装置２０と、試料面を直進した直接光および試料面で回折した回折光を集光するための対物レンズ３１と、対物レンズ３１を通過した直接光の位相を変化させるための位相板３２と、位相板３２を通過した直接光および対物レンズ３１を通過した回折光を結像面に集光するための結像レンズ３３と、位相板３２と結像レンズ３３の間に配置されたアフォーカルズームレンズ４０などで構成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば、微生物や細胞などの生物試料、ガラスやアスベストなどの鉱物試料など、位相物体を観察するためのズーム位相差観察装置に関する。また本発明は、位相差顕微鏡などの位相差観察装置に好適に用いられる位相差観察用照明装置に関する。

図９は、従来の位相差顕微鏡の一例を示す構成図である。この位相差顕微鏡は、照明装置５と、位相差対物レンズ１０と、結像レンズ１３などで構成される。照明装置５は、光進行方向に沿って、点光源１と、コンデンサレンズ２と、リングスリット板３と、コンデンサレンズ４を備える。位相差対物レンズ１０は、対物レンズ１１と、リング状の位相板１２を備える。

点光源１は、白熱電球やＬＥＤ（発光ダイオード）などで構成され、コンデンサレンズ２の前焦点位置に配置される。コンデンサレンズ２は、点光源１からの光を集光して、光軸に関して平行な光に変換する。リングスリット板３は、光軸から所定の半径を有するリング状の開口を有し、コンデンサレンズ２からの平行光を輪帯状の平行光に整形する。コンデンサレンズ４は、輪帯状の平行光を試料面に集光する。

試料面は、対物レンズ１１の前焦点位置に配置され、この位置に位相物体からなる試料ＳＰがセットされる。試料ＳＰを輪帯状の平行光で照明すると、試料ＳＰを直進する直接光および試料ＳＰで回折する回折光が発生する。

対物レンズ１１は、これらの直接光および回折光を集光して、光軸に関して平行な光に変換する。位相板１２は、通過した光の位相を変化させるために、所定の屈折率および所定の厚さを有する透明材料で形成され、さらに、直接光は通過し、回折光は通過しないように、光軸から所定の半径を有するリング状に形成される。

結像レンズ１３は、位相板１２を通過した直接光および位相板１２を通過しない回折光を集光して、直接光と回折光の干渉像を結像面に形成する。

特開平２００５−４０８８号公報 特開平２００７−１５５９８２号公報

従来の位相差顕微鏡において観察倍率を変更したい場合、位相差対物レンズ１０を、所望の倍率を有する別の位相差対物レンズに交換する。このとき、位相差対物レンズ１０に含まれる位相板１２の寸法および位置も変更になることから、照明装置５に含まれるリングスリット板３の寸法および位置についても変更する必要がある。リングスリット板だけの交換や位置調整は、極めて高度な技能が要求される。そのため、一般には、異なる倍率を有する複数の位相差対物レンズと、各倍率に対応したリングスリット板を有する複数の照明装置を予め用意しておく。例えば、倍率１０の位相差対物レンズ／照明装置セット、倍率５０の位相差対物レンズ／照明装置セット、倍率１００の位相差対物レンズ／照明装置セット等を予め用意しておいて、倍率変更ごとにセット単位で交換することなる。

このように従来の位相差顕微鏡では、離散的な固定倍率しか設定することができない。そのため多くの倍率に対応しようとすると、用意すべき位相差対物レンズ／照明装置セットの数が増加して、装置全体のコストが増えてしまう。

さらに、位相差対物レンズ１０を交換した際、位相差対物レンズ１０の作動距離(Working Distance)が変化する場合は、ピント調整も必要になるため、倍率変更の作業が煩雑になる。

一方、従来の位相差顕微鏡では、試料ＳＰのごく狭い範囲を高倍率で観察することが多いため、試料面における照明光の平行度はごく狭い範囲で確保されていれば足りる。しかしながら、低倍率で観察する場合、照明光の平行度は、試料面の広い範囲に渡って確保する必要がある。図９に示した照明装置５では、リングスリット板のスリット幅を小さくした場合は、照明光の平行度は大きくなるが試料面での平行光が照射される視野が狭くなる。また、リングスリット板のスリット幅を大きくした場合は、試料面での平行光が照射される視野は広いが照明光の平行度は低下する。そのため、低倍率で観察した場合、視野の周辺領域で照明光が照射されずに干渉像が得られない。また、視野領域での干渉が甘くなり、鮮明な干渉像が得られない。

本発明の目的は、観察倍率の変更を連続的かつ効率的に実施できるズーム位相差観察装置を提供することである。

また本発明の目的は、照明光の平行度を広い範囲に渡って確保でき、低倍率観察に好適な位相差観察用照明装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明に係るズーム位相差観察装置は、試料面を直進した直接光および試料面で回折した回折光を集光するための対物レンズと、
対物レンズを通過した直接光の位相を変化させるための光学位相素子と、
光学位相素子を通過した直接光および対物レンズを通過した回折光を結像面に集光するための結像レンズと、
光学位相素子と結像レンズの間に配置されたアフォーカルズームレンズと、を備えることを特徴とする。

こうした構成によれば、アフォーカルズームレンズを光学位相素子と結像レンズの間に配置することによって、観察倍率を変更する際、アフォーカルズームレンズの倍率変更だけで足りることになる。そのため、リングスリット板および位相板の交換や位置調整が不要になり、対物レンズ／照明セットの数を削減できる。また、対物レンズ交換に伴うピントの再調整も不要になるため、倍率変更の作業が簡便になる。さらに、連続的な倍率変更も容易に実現できるため、多様な位相差観察を提供できる。

また本発明に係るズーム位相差観察装置は、試料面を直進した直接光および試料面で回折した回折光を集光するための対物レンズと、
対物レンズを通過した直接光の位相を変化させるための光学位相素子と、
光学位相素子を通過した直接光および対物レンズを通過した回折光を結像面に集光するためのズーム結像レンズと、を備えることを特徴とする。

こうした構成によれば、ズーム結像レンズを採用することによって、観察倍率を変更する際、ズーム結像レンズの倍率変更だけで足りることになる。そのため、リングスリット板および位相板の交換や位置調整が不要になり、対物レンズ／照明セットの数を削減できる。また、対物レンズ交換に伴うピントの再調整も不要になるため、倍率変更の作業が簡便になる。さらに、連続的な倍率変更も容易に実現できるため、多様な位相差観察を提供できる。

前記光学位相素子は、前記対物レンズの後焦点位置に配置されることが好ましい。

こうした構成によれば、光学位相素子を前記対物レンズの後焦点位置に配置することによって、試料面を通過した直接光が光学位相素子で集光するようになる。そのため直接光と回折光のセパレーションが向上し、結像面において高コントラストの干渉像が得られる。

また本発明に係る位相差観察用照明装置は、均一な照度分布を有する面発光光源と、
面発光光源からの光を第１面に集光するための第１コンデンサレンズと、
第１面に配置され、第１コンデンサレンズで集光した光を輪帯状の光束に整形するためのリングスリット板と、
リングスリット板を通過した輪帯状の光束を集光して、外面および内面が互いに平行な円錐筒状の光束を試料面に供給するための第２コンデンサレンズと、を備えることを特徴とする。リングスリット板は、スリット幅が狭いほど照明光の平行度が増加するため好ましい。

こうした構成によれば、均一な照度分布を有する面発光光源を採用し、外面および内面が互いに平行な円錐筒状の光束を試料面に供給することによって、照明光の平行度を広い範囲に渡って確保できる。そのため、高倍率観察だけでなく低倍率観察においても、広い視野で高コントラストの干渉像が得られる。

本発明によれば、位相差観察の倍率変更を連続的かつ効率的に実施できる。また、低倍率観察において広い視野で高コントラストの干渉像が得られる。

（第１実施形態）
図１（ａ）は本発明の第１実施形態を示す構成図であり、図１（ｂ）は試料ＳＰへの照明光束を示す説明図である。この位相差観察装置は、照明装置２０と、対物レンズ３１と、リング状の位相板３２と、結像レンズ３３などで構成される。対物レンズ３１および結像レンズ３３は、位相物体からなる試料ＳＰがセットされる試料面と結像面ＦＰとが互いに共役となる無限遠補正系の光学系を構成する。照明装置２０は、光進行方向に沿って、面発光光源２１と、コンデンサレンズ２２と、リングスリット板２３と、コンデンサレンズ２４を備える。

面発光光源２１は、均一な照度分布で光を放射する機能を有し、例えば、光源の前方に拡散板を配置し、拡散板を面発光光源とする構成、ＬＥＤアレイの前面に拡散板を設置した構成、拡散面を有する導光板の側面に複数のＬＥＤを配置し、導光板の主面を面発光光源とする構成（例えば、特開２００７−１２２９５７号公報を参照）などが採用できる。こうした面発光光源２１は、コンデンサレンズ２２の前焦点位置に配置される。

コンデンサレンズ２２は、面発光光源２１からの光を集光する機能を有する。リングスリット板２３は、光軸から所定の半径を有するリング状の開口を有し、コンデンサレンズ２２からの光を輪帯状の光束に整形する機能を有する。こうしたリングスリット板２３は、コンデンサレンズ２２の後焦点位置に配置される。このとき面発光光源２１の発光エリアが従来の点光源より格段に広いため、リングスリット板２３を通過できる光は、光軸に関して平行な光に限られず、光軸に関して傾斜した光もリングスリット板２３を通過することができる。

コンデンサレンズ２４は、リングスリット板２３を通過した輪帯状の光束を集光して、外面および内面が互いに平行な円錐筒状の光束を後焦点位置に設定された試料面に供給する。図１（ｂ）に示すように、試料ＳＰへの照明光束は、光軸Ｋに関して一定の角度αをなす母線群からなる円錐外面ＣＡおよび円錐内面ＣＢで規定された円錐筒状をなし、その厚さ（円錐外面と円錐内面の距離）は一定である。厚さ中心を通る中心円錐面ＣＣの頂点は、試料ＳＰがセットされる試料面と一致するように設定される。こうした構成により、試料面において照明光の平行度を広い範囲に渡って確保できる。

対物レンズ３１は、その前焦点位置と試料面が一致するように配置される。試料ＳＰを円錐筒状の光束で照明すると、試料ＳＰを直進する直接光および試料ＳＰで回折する回折光が発生する。

対物レンズ３１は、これらの直接光および回折光を集光する機能を有する。位相板３２は、通過した光の位相を変化させるために、所定の屈折率および所定の厚さを有する透明材料で形成され、さらに、直接光は通過し、回折光は通過しないように、光軸から所定の半径を有するリング状に形成される。

こうした位相板３２は、対物レンズ３１の後焦点位置に配置することが好ましい、これにより試料面を通過した直接光が位相板３２で集光され、一方、回折光は位相板３２を外れて通過するようになり、その結果、直接光と回折光の間のセパレーションが向上する。

結像レンズ３３は、位相板３２を通過した直接光および位相板３２を通過しない回折光を集光して、直接光と回折光の干渉像を後焦点位置に設定された結像面ＦＰに形成する。

位相差観察では、試料ＳＰを直進した直接光が位相板３２を通過する際、位相板３２の光学距離に応じて光の位相が変化する。一方、試料ＳＰで回折した回折光は、回折時に試料ＳＰの屈折率分布に応じて光の位相が変化する。結像面ＦＰでは、直接光と回折光とが干渉し、両者の位相差が０度であれば互いに増強し合い、位相差が１８０度であれば互いに打ち消し合う。その結果、試料ＳＰの屈折率分布に対応した光強度分布が結像面ＦＰに形成される。結像面ＦＰでの干渉像は、接眼レンズを用いて肉眼観察したり、あるいは撮像レンズを用いてＣＣＤ等の撮像素子に結像して画像信号に変換される。

本実施形態では、外面および内面が互いに平行な円錐筒状の光束を発生する照明装置２０を用いているため、試料面において照明光の平行度を広い範囲に渡って確保できる。そのため、高倍率観察だけでなく低倍率観察においても、広い視野で高コントラストの干渉像が得られる。

図２は、本実施形態に係るズーム位相差観察装置の一例を示す構成図である。このズーム位相差観察装置は、図１に示した位相板３２と結像レンズ３３の間に、アフォーカルズームレンズ４０を配置している。これによりアフォーカルズームレンズ４０の倍率変更だけで、観察倍率を連続的に変更することができる。

試料ＳＰを照明する照明光学系は、図９に示した照明装置５を使用してもよいが、低倍率観察時でも広い視野で鮮明な干渉像を得るためには、図１に示したように、外面および内面が互いに平行な円錐筒状の光束を発生する照明装置２０を用いることが好ましい。

図３は、本実施形態に係るズーム位相差観察装置の他の例を示す構成図である。このズーム位相差観察装置は、図１の結像レンズ３３の代替として、ズーム結像レンズ５０を使用している。これによりズーム結像レンズ５０の倍率変更だけで、観察倍率を連続的に変更することができる。

試料ＳＰを照明する照明光学系は、図９に示した照明装置５を使用してもよいが、低倍率観察時でも広い視野で鮮明な干渉像を得るためには、図１に示したように、外面および内面が互いに平行な円錐筒状の光束を発生する照明装置２０を用いることが好ましい。

図４は、図２のアフォーカルズームレンズ４０の動作および構成例を示す説明図である。アフォーカルズームレンズは、図４（ａ）に示すように、幅ａの平行光束が光軸と平行に入射すると、幅ｂの平行光束に変換する機能を有する。このとき、倍率をβとして、ｂ＝ａ／βの関係が成立する。角倍率に関しては、入射角をθとすると、出射角はβθとなる。

図４（ｂ）は、アフォーカルズームレンズ４０の典型例を示す構成図である。ここでは、アフォーカルズームレンズ４０を４枚レンズ群で構成した場合を例示するが、３枚または５枚以上のレンズ群で構成してもよく、各レンズ群は、単レンズまたは複合レンズで構成してもよい（例えば、特開２００３−１６１８８４号公報を参照）。

アフォーカルズームレンズ４０は、光進行方向に沿って、正のパワーを有するレンズ群４１、負のパワーを有するレンズ群４２、正のパワーを有するレンズ群４３、および負のパワーを有するレンズ群４４を備える。ズーム動作の際、外側に位置するレンズ群４１，４４は固定され、内側にあるレンズ群４２，４３が移動する。

図４（ｄ）に示す中間倍率のレンズ位置を基準として、低倍率に変更するときは、図４（ｃ）に示すように、レンズ群４２がレンズ群４１に接近し、レンズ群４３がレンズ群４４に接近する。一方、高倍率に変更するときは、図４（ｅ）に示すように、レンズ群４２がレンズ群４１から遠くなり、レンズ群４３がレンズ群４４から遠くなる。

図２において、対物レンズ３１の前焦点距離をｆ１、結像レンズ３３の後焦点距離をｆ２として、倍率βのアフォーカルズームレンズ４０を挿入した場合、全体倍率は、β×ｆ２／ｆ１で表される。従って、アフォーカルズームレンズ４０のズーム動作により、観察倍率を連続的に変更することができる。しかも、従来のように、リングスリット板および位相板の交換や位置調整が不要になり、対物レンズ交換に伴うピントの再調整も不要になるため、倍率変更の作業が簡便になる。

図５は、図３のズーム結像レンズ５０の動作および構成例を示す説明図である。ズーム結像レンズは、図５（ａ）に示すように、幅ａの平行光束を焦点距離ｆの位置に集光する機能を有する。このとき倍率をβとして、幅ａ／βの平行光束が出射され、結像面からβｆの位置に、後焦点距離βｆの結像レンズが配置されたのと等価になる。

図５（ｂ）は、ズーム結像レンズ５０の典型例を示す構成図である。ここでは、ズーム結像レンズ５０を４枚レンズ群で構成した場合を例示するが、３枚または５枚以上のレンズ群で構成してもよく、各レンズ群は、単レンズまたは複合レンズで構成してもよい（例えば、特開２００４−１８４８２５号公報を参照）。

ズーム結像レンズ５０は、光進行方向に沿って、正のパワーを有するレンズ群５１、負のパワーを有するレンズ群５２、負のパワーを有するレンズ群５３、および正のパワーを有するレンズ群５４を備える。ズーム動作の際、外側に位置するレンズ群５１，５４は固定され、内側にあるレンズ群５２，５３が移動する。

図５（ｄ）に示す中間倍率のレンズ位置を基準として、低倍率に変更するときは、図５（ｃ）に示すように、レンズ群５２がレンズ群５１に接近し、レンズ群５３がレンズ群５４に接近する。一方、高倍率に変更するときは、図５（ｅ）に示すように、レンズ群５２がレンズ群５１から遠くなり、レンズ群５３はレンズ群４４に接近する。

図３において、倍率βのズーム結像レンズ５０のズーム動作により、観察倍率を連続的に変更することができる。しかも、従来のように、リングスリット板および位相板の交換や位置調整が不要になり、対物レンズ交換に伴うピントの再調整も不要になるため、倍率変更の作業が簡便になる。

（第２実施形態）
図６〜図８は、本発明の第２実施形態を示す構成図である。図６に示す位相差観察装置は、照明装置６０と、対物レンズ３１と、位相板３２と、結像レンズ３３などで構成される。対物レンズ３１および結像レンズ３３は、位相物体からなる試料ＳＰがセットされる試料面と結像面ＦＰとが互いに共役となる無限遠補正系の光学系を構成する。

照明装置６０は、光軸に対して平行な光だけを発生する機能を有し、例えば、点光源とコリメータレンズを組み合わせた構成が採用できる。

対物レンズ３１は、その前焦点位置と試料面が一致するように配置される。試料ＳＰを平行光で照明すると、試料ＳＰを直進する直接光および試料ＳＰで回折する回折光が発生する。対物レンズ３１は、これらの直接光および回折光を集光する機能を有する。

位相板３２は、通過した光の位相を変化させるために、所定の屈折率および所定の厚さを有する透明材料で形成され、さらに、直接光は通過し、回折光は通過しないように、光軸上に配置される。こうした位相板３２は、対物レンズ３１の後焦点位置に配置することが好ましく、これにより試料面を通過した直接光が位相板３２で集光され、一方、回折光は位相板３２を外れて通過するようになり、その結果、直接光と回折光の間のセパレーションが向上する。

結像レンズ３３は、位相板３２を通過した直接光および位相板３２を通過しない回折光を集光して、直接光と回折光の干渉像を後焦点位置に設定された結像面ＦＰに形成する。

位相差観察では、試料ＳＰを直進した直接光が位相板３２を通過する際、位相板３２の光学距離に応じて光の位相が変化する。一方、試料ＳＰで回折した回折光は、回折時に試料ＳＰの屈折率分布に応じて光の位相が変化する。結像面ＦＰでは、直接光と回折光とが干渉し、両者の位相差が０度であれば互いに増強し合い、位相差が１８０度であれば互いに打ち消し合う。その結果、試料ＳＰの屈折率分布に対応した光強度分布が結像面ＦＰに形成される。結像面ＦＰでの干渉像は、接眼レンズを用いて肉眼観察したり、あるいは撮像レンズを用いてＣＣＤ等の撮像素子に結像して画像信号に変換される。

図７は、本実施形態に係るズーム位相差観察装置の一例を示す構成図である。このズーム位相差観察装置は、図６に示した位相板３２と結像レンズ３３の間に、アフォーカルズームレンズ４０を配置している。アフォーカルズームレンズ４０は、図４に示した構成のものが採用できる。

図８は、本実施形態に係るズーム位相差観察装置の他の例を示す構成図である。このズーム位相差観察装置は、図６の結像レンズ３３の代替として、ズーム結像レンズ５０を使用している。ズーム結像レンズ５０は、図５に示した構成のものが採用できる。

このようにアフォーカルズームレンズ４０またはズーム結像レンズ５０のズーム動作により、位相差観察時の観察倍率を連続的に変更することができる。しかも、従来のように、リングスリット板および位相板の交換や位置調整が不要になり、対物レンズ交換に伴うピントの再調整も不要になるため、倍率変更の作業が簡便になる。

以上の各実施形態において、理解容易のため、コンデンサレンズ２２，２４、対物レンズ３１、結像レンズ３３として、それぞれ単レンズで構成した場合を例示したが、複合レンズで構成しても構わない。また、位相板３２として、所定の屈折率および所定の厚さを有する透明材料で構成した場合を例示したが、電界、磁界、応力等で屈折率が変化する材料で構成しても構わない。

本発明は、鮮明で多様な位相差観察を実現できる点で産業上極めて有用である。

図１（ａ）は本発明の第１実施形態を示す構成図であり、図１（ｂ）は試料ＳＰへの照明光束を示す説明図である。 第１実施形態に係るズーム位相差観察装置の一例を示す構成図である。 第１実施形態に係るズーム位相差観察装置の他の例を示す構成図である。 図２のアフォーカルズームレンズ４０の動作および構成例を示す説明図である。 図３のズーム結像レンズ５０の動作および構成例を示す説明図である。 本発明の第２実施形態を示す構成図である。 第２実施形態に係るズーム位相差観察装置の一例を示す構成図である。 第２実施形態に係るズーム位相差観察装置の他の例を示す構成図である。 従来の位相差顕微鏡の一例を示す構成図である。

符号の説明

２０，６０ 照明装置
２１ 面発光光源
２２，２４ コンデンサレンズ
２３ リングスリット板
３１ 対物レンズ
３２ 位相板
３３ 結像レンズ
４０ アフォーカルズームレンズ
５０ ズーム結像レンズ
ＳＰ 試料
ＦＰ 結像面

Claims (5)

1. 試料面を直進した直接光および試料面で回折した回折光を集光するための対物レンズと、
   対物レンズを通過した直接光の位相を変化させるための光学位相素子と、
   光学位相素子を通過した直接光および対物レンズを通過した回折光を結像面に集光するための結像レンズと、
   光学位相素子と結像レンズの間に配置されたアフォーカルズームレンズと、を備えることを特徴とするズーム位相差観察装置。
2. 試料面を直進した直接光および試料面で回折した回折光を集光するための対物レンズと、
   対物レンズを通過した直接光の位相を変化させるための光学位相素子と、
   光学位相素子を通過した直接光および対物レンズを通過した回折光を結像面に集光するためのズーム結像レンズと、を備えることを特徴とするズーム位相差観察装置。
3. 前記光学位相素子は、前記対物レンズの後焦点位置に配置されることを特徴とする請求項１または２記載のズーム位相差観察装置。
4. 均一な照度分布を有する面発光光源と、
   面発光光源からの光を第１面に集光するための第１コンデンサレンズと、
   第１面に配置され、第１コンデンサレンズで集光した光を輪帯状の光束に整形するためのリングスリット板と、
   リングスリット板を通過した輪帯状の光束を集光して、外面および内面が互いに平行な円錐筒状の光束を試料面に供給するための第２コンデンサレンズと、を備えることを特徴とする位相差観察用照明装置。
5. 請求項４記載の位相差観察用照明装置をさらに備えることを特徴とする請求項１または２記載のズーム位相差観察装置。

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