JP3782303B2 - 落射照明接続顕微鏡 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、落射照明のために配備された光が、ビームスプリッタキューブの部分反射層へ向けられ、そこから顕微鏡対物レンズによって試料へ向けられる一方、試料から反射および／または放射された光が部分反射層へ戻り、これを通って結像光路へ到達する、落射照明接続顕微鏡に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
落射照明によって得られる結像の品質は、透過光照明によるものよりずっと良いが、一般に照明および結像のために用いられている光路内にある光学素子からの部分的に強い妨害反射が影響する問題がある。それゆえ、光学設計の際には、光路内の各素子もしくは各表面における後方反射が、たとえば主要なスペクトル領域について表面の反射防止によって弱められること、および／または光源の反射像（各表面からの）の位置が、像面から遠く離れることが保証されなければならない。
【０００３】
主鏡筒対物レンズのところで表面反射を除去する対策として、特に、含まれる対物レンズ系の全レンズ表面を広い波長領域にわたって反射防止することが行われている。落射照明応用の高品質対物レンズの最新設計では、古くから採用されている回折を少なくして物体面を像面へ伝達することを可能とするための結像系に加え、さらに個々のレンズの曲率を、中間像内で反射を少なくするようにして要求に適合させている。この場合、多くの顕微鏡製作者は、顕微鏡対物レンズを像側で限りなく修正し、すなわち平らな波面が得られるように修正し、まず円筒レンズによって物体の実像を中間像面へ作るようにしている。
【０００４】
この典型的な落射照明応用の照明光源の接続過程は、照明光源の平行光線ビームを、単色光、二色光または偏光で平面接続素子、例えば面平行な被覆加工されたスプリッタ板または四角のスプリッタキューブを介して入射させている。従って通常の光接続は、対物レンズと円筒レンズの間の平行光線化された無限遠光路で行われる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図１に、従来の円筒レンズと対物レンズの間の平行光路内にある落射照明用配置を示してある。
平行光線化されていない有限な顕微鏡光路内で古くからの照明接続を行うと、問題が起きる。斜めに置かれた平面板を介して接続されたとき収差が起こるので、この種の光入射は高品質光学系に適しない。他方、像面と円筒レンズの間のビームスプリッタキューブを通じた接続は、一般にビームスプリッタキューブの下側平面で比較的強い後方反射が生じる。そのためすべて平面および多くが比較的弱い曲率の光学面、例えば通常の実像長焦点円筒レンズの表面は、落射照明の際に妨害反射を生み、これが像コントラストと結像品質を低下させてしまう。
【０００６】
しかし、特に近年の顕微鏡法手順では、円筒レンズと中間像面の間で落射照明接続するのが特別有利であることが分かっており、例えば顕微鏡主鏡筒内での場所利用に関してがそうであり、このことから前記問題解決の要求が特に起こっているのである。
【０００７】
平行共焦点落射照明顕微鏡において、照明光源を、反射が少なくなるよう接続するための配置がＤＥ１９５１１９３７Ｃ２に記載されている。ここでは照明光源を単色光、二色光または偏光で中間像面の上方で入射させることが提案されており、平面接続素子の妨害反射を防ぐために、菱形に切ったスプリッタ体が使用されている。結像光路内に像形成する際に菱形の誤差影響を少なくするため、補償楔を中間像面の前後にそれぞれ入れている。ニポウ円盤、すなわち照明・結像光路内の共焦点素子は、中間像面内にあり、同様にこの素子の所で妨害反射を起こすのを防ぐため、広い波長範囲にわたって反射防止し光路内に少し傾けて配置している。
【０００８】
平面スプリッタ素子の表面による妨害する影響を除くための別の解決法がＤＥ４４４６１３４Ａ１に記載されている。これは目視距離を測定するための干渉計測定配置によって、非常に弱い目視背景反射を検出しなければならない。このとき、照明（半導体レーザー）を接続するため、また干渉測定原理の参照光路を構築するために、菱形に作られた平面スプリッタ素子、または少し傾いてはいるが平面である物体のいずれかをスプリッタ素子として用いる。これらの素子は、生産上および全配置の中での調整においても取り扱いが難しい。
【０００９】
ドイツ特許ＤＥ１９７１４２２１では（前記ＤＥ１９５１１９３７Ｃ２とは異なり）、照明による強い妨害反射を防ぐため、主照明反射を全く結像枝に到達させないよう、ピンホールアレーを持つ２枚の共焦点板が用いられる。どんなに大変であっても、照明アレーからピンホールアレーへ共役関係を作り出すためには高価な調整を行うこととなる。
こうした技術状況から、本発明の基礎には、前記種類の顕微鏡を用いて妨害光の影響を減少させることにより像品質と、それと共に利用価値特性を改善するという課題がある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の課題は、ビームスプリッタキューブが、対物レンズ側の外面に負の球面曲率を有することによって解決される。
ビームスプリッタキューブに加工された表面曲率に基づき、ビームスプリッタキューブは平凹レンズとして作用し、それによって落射照明の後方反射が中間像面内で減少するのであるが、それはスプリッタに加工されている凹面によってこの表面での光反射が非常に減少するからである。
【００１１】
この効果は本発明の実施例中に、発散レンズと集束レンズからなる組み合わせが配備され、ここで発散レンズと集束レンズの表面曲率およびビームスプリッタキューブに加工された負の球面曲率が互いに調和し、落射照明の後方反射が中間像面内で最小値にまで減少していることによって明らかにされている。
これは、両レンズおよびビームスプリッタキューブ曲面の曲率半径を、目標に合わせて決まった量だけ増大させることにより達成される。このときスプリッタ実体は、厚い平凹レンズ（負レンズ）として最適に動作する。発散レンズ、集束レンズおよびビームスプリッタキューブに加工されている負の球面曲率は、従来配備されていた円筒レンズに代替するものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明に従えば、他の変形実施例中に配備されているように、発散レンズは、強い曲率半径達成の目的で、大きく曲がった負レンズ（両凹レンズ）として、そして集束レンズは両凸レンズとして形成され、両者とも前記のようにビームスプリッタキューブの研磨した凹面と協同して動作する。このときビームスプリッタの負の光学作用および前置された発散レンズによるビームの広がりには、より大きい集束レンズの正の屈折力によって相殺するように作用させている。
【００１３】
こうした集束レンズを用いた屈折力増強によって、当該の光学素子では表面曲率がより大きくなり、それによって結果として起きる後方反射を考慮して本質的により強い発散動作となっている。
この方法で、２基の相対的に強い曲率の発散レンズおよび１基の相対的に強い曲率の集束レンズが代替円筒レンズとして協同することによって、落射照明接続の短所が大幅に回避される。一方、光接続を円筒レンズと顕微鏡中間像の間で従来手段（通常のスプリッタと円筒レンズ）によって行うと、無意味な誤差光の問題が起きるが、本発明の配置によれば、本質的により良く妨害反射を抑制する可能性が示される。
【００１４】
さらにこの配置によれば、主鏡筒の光学的機能性拡大の可能性が大きくなる。すなわち本発明に従えば、集束レンズも発散レンズも像面の方向に単独または共通に可動となるように配置されており、そのとき移動に従って両レンズの距離が互いに、および／または両レンズから像面への距離が可変であり、その結果として焦点距離が可変となる。
【００１５】
それと共に、小範囲のズーム効果が距離変化によって得られ、これによって、顕微鏡主鏡筒の倍率を正確に較正する必要のあるような応用法について利点がもたらされる。周知のように、製造の限られた模範的な同型対物レンズの倍率の分散、および同様に標準円筒レンズの焦点距離の分散に基づいて、主鏡筒全体の倍率はある種のばらつきに支配されている。
【００１６】
主鏡筒を正確な尺度で較正することができるためには、筒システムのズーム特性を知ることが望ましく、これによって焦点距離の変化範囲を通じて主鏡筒全体の倍率を較正することができる。このため、既知の尺度を主鏡筒を介してカメラへ形成し、倍率を測定できる。較正するためには、鏡筒システムを調和させる、すなわちその全焦点距離を空中距離変化によって適切な尺度に設定する。
【００１７】
発散レンズと集束レンズの間の距離を変更することによって、またはこれらの両レンズを共通に押し動かすことによって、全焦点距離（小さい方の極限にも）およびそれと共に結像尺度に変化を持たせ、それによって結像品質を本質的に悪化させないことは可能である。
【００１８】
全焦点距離の変化は、次の関係式より得られる：
ｆ_ａ−ｆ_ｂ＝（ｄ_ａ−ｄ_ｂ）／（（ｆ_２＋ｆ_１−ｄ_ａ）（ｆ_２＋ｆ_１−ｄ_ｂ））
後側焦点距離の変化は次式から導かれる：
ｓ_ａ'−ｓ_ｂ'＝（ｆ_２−ｄ_ａ）×ｆ_１）/（ｆ_１＋ｆ_２−ｄ_ａ）−（ｆ_２−ｄ_ｂ）×ｆ_１）/（ｆ_１＋ｆ_２−ｄ_ｂ）
ここでｆ_ａは調整前の全焦点距離、ｆ_ｂは調整後の全焦点距離、ｆ_１は集束レンズの焦点距離、ｆ_２は発散レンズの焦点距離、ｄ_ａは調整前の集束レンズと発散レンズの間の距離、ｄ_ｂは調整後の集束レンズと発散レンズの間の距離、ｓ_ａ'は調整前の後側焦点距離、ｓ_ｂ'は調整後の後側焦点距離である（図４参照）。
【００１９】
従って模範的には、重要な応用法として光学的結像尺度を自動検査機内で正確に求める可能性があり、自動検査機内ではいわゆる「セル対セル」比較を周期的記憶構成に優先させて実行する。
半導体構成要素内の周期構造の光学検査に際しては、受像機視野内部に同じ光学構造が、またそれと共に電気信号が出現するはずであるため、高い試験の生産性が達成される。この電気信号は直ちに速いハードウェアにより、高価な中間記憶装置なしにその絶対同一性を点検できる。しかしこの方法は、エイリアシング効果が全く現れない場合にのみ信頼できるものであり、すなわち、自由に選択できる周期構造の光学的長さがサブピクセル精度で全画素数を表せる場合のみである。これは非常に正確に、ダイナミックに結像尺度の設定を、通常異なる繰り返し長さで、さまざまな完成度、製造者、技術等のスイッチ回路でカメラ特性（ピクセルサイズ）に行うことによってのみ目視可能である。
【００２０】
このことに関連して、本発明の別の実施例として、集束レンズおよび／または発散レンズをモーターによって駆動する操作部に接続し、この操作部を操作命令出力のための装置に接続するということが考えられる。
適切に設計されたモーターにより駆動される操作部を介して有利に、鋭敏なズーム特性調整が検査装置の平行共焦点主鏡筒内で可能となる。これに反して、２次結像内にある結像尺度を特別に共焦点特性（収差を除くことに最も力を注ぐ！）を持つ受像機スイッチ回路へダイナミックに設定するのは、最大級の困難を伴う。
【００２１】
本発明は以下に実施例に基づきより詳細に説明する。付図に示す。
図１に表示され、始めにすでに説明されている従来の技術から逸脱し、図２には顕微鏡用落射照明接続を本発明に対応して表示している。
ここでは落射照明のために配備された照明光路１が、ビームスプリッタキューブ３の部分反射層２へ向けられる。斜めに置かれた部分反射層２は、照明光路１を試料４の方向に偏向するように作用する。試料４によって反射され、および／または放射された光は部分反射層２に戻り、これを通って結像光路５へ到達する。
本発明に従えば、ビームスプリッタキューブ３は、試料４および結像対物レンズ１７に向いているその外側表面６に、負の球面曲率を有する。
【００２２】
さらに、ビームスプリッタキューブ３と結像対物レンズ１７もしくは試料４との間の光路に、集束レンズ７と発散レンズ８が配置されている。ここで、集束レンズ７と発散レンズ８の表面曲率および外側表面６の曲率は互いに調和し、これらの協同によって妨害の副次的照明反射が最小値にまで抑制されるようにする。これは、結像光路を通過する際に、外側表面６の曲率に基づき厚い平凹レンズとして作用するビームスプリッタキューブ３が、負の光学作用を呼び起こし、ちょうど発散レンズ８と同様に光束を広げることによって達成されるのである。
【００２３】
本発明に従えば、ビームスプリッタ３および発散レンズ８の負の光学作用と集束レンズ７の相対的に大きい屈折力とは反対に作用する。屈折力を大きくすると、集束レンズ７の所でより大きい表面曲率となり、それと共に後方反射の発散を努めてより大きく振る舞わせるようになる。このようにすることで、従来技術の短所が、本発明による円筒レンズと像面の間の外面照射接続で最大限に除去される。
【００２４】
図３には、本発明に従う配置の構成が、ニポウ円盤を共焦点素子として照明・結像光路内に用いた実施例で表示され、このときビームスプリッタキューブ３の負曲面外側表面６が、代替視野レンズとしての視野レンズ９と協同作用する。ここでも集束レンズ７と発散レンズ８が配備され、ビームスプリッタキューブ３と集束レンズ７の間の光路内でニポウ円盤１０が中間像面内に傾いて配置されており、ニポウ円盤１０には楔対１１,１２が付加配置されている。
【００２５】
図４は、発散レンズ８および集束レンズ７を介した焦点合わせの状況の代表例を示す。４ａと４ｂでは集束レンズ７は焦点距離ｆ_１を、発散レンズ８は焦点距離ｆ_２を有している。集束レンズ７と発散レンズ８の間の距離ｄが変化することにより、もしくは集束レンズ７および発散レンズ８から成るレンズ群を同時に押し動かすことにより、全焦点距離を小範囲で変化させ、それによって結像尺度を変更し、それと共に結像品質を本質的には低下させないようにすることが可能である。
【００２６】
全焦点距離の変化は、Δｆ＝ｆ_ａ−ｆ_ｂから得られ、後側焦点距離の変化は、段落[００１８]の記述で示された関係式に対応して、Δs＝ｓ_ａ−ｓ_ｂから得られ、その記述にはまた焦点距離ｆ_１,ｆ_２および距離ｄの全焦点距離および後側焦点距離に及ぼす影響も詳細に表示されている。
【００２７】
図５には焦点距離を変化させるための利用例が、集束レンズ７と発散レンズ８の間の距離、もしくは集束レンズ７および発散レンズ８とビームスプリッタキューブ３との間の距離を変化させることによって表示されている。ここでは集束レンズ７は操作部１３と接続され、発散レンズ８は操作部１４と接続されている。両操作部１３および１４は駆動ユニット１５に結合され、駆動ユニット１５は入力モジュール１６を通じて操作命令を入力するために利用される。
【００２８】
操作命令が入力モジュール１６を通じて入力されると（手動または自動で）、駆動ユニット１５および操作部１３もしくは１４を通じて集束レンズ７および／または発散レンズ８を押し動かすよう指示され、これらのレンズは直線運動機構に載って光路の方向に動く。このとき全焦点距離および後側焦点距離は前記関係に従って変化する。この方法および配置を用いて光学的主鏡筒の機能性を、拡大率を正確に較正するという意味で向上させる可能性が推定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来技術の落射照明接続の原理
【図２】 本発明に従う落射照明接続の原理
【図３】 本発明に従う落射照明接続の視野レンズとの関係における利用
【図４】 焦点合わせ状態変化の表示
【図５】 変化する焦点合わせ状態を持つ配置

Claims (6)

1. 落射照明するために配備された光が、ビームスプリッタキューブ（３）の部分反射層（２）およびそこから結像対物レンズ（１７）を通じて試料（４）へ向けられ、一方前記試料（４）から反射したおよび／または放射された光が前記部分反射層（２）へ戻り、これを通過して結像光路（５）へ到達する、落射照明接続を持つ顕微鏡であって：
   前記ビームスプリッタキューブ（３）がその結像対物レンズに向いた外側表面（６）に負の球面曲率を有することを特徴とする落射照明接続顕微鏡。
2. ビームスプリッタキューブ（３）と結像対物レンズ（１７）の間に集束レンズ（７）および発散レンズ（８）からなる円筒レンズ系が配備されていることを特徴とする請求項１に記載の落射照明接続顕微鏡。
3. 共焦点素子が中間像面内に配置されている請求項１に記載の顕微鏡であって：
   円筒レンズ系内に発散レンズ（８）および集束レンズ（７）、および結像光路（５）)内に視野レンズ（９）が配備されていることを特徴とする落射照明接続顕微鏡。
4. 集束レンズ（７）が両凸レンズとしておよび発散レンズ（８）が両凹レンズとして形成されていることを特徴とする請求項２あるいは３に記載の落射照明接続顕微鏡。
5. 集束レンズ（７）および発散レンズ（８）が、像面の方向に単独または共通に押し動かし可能なように配置され、このとき押し動かしに従い、両レンズ（７，８）の互いのおよび／または両レンズ（７，８）から像面までの距離が変更可能であり、この結果として焦点距離の変更がもたらされることを特徴とする請求項２、３あるいは４に記載の落射照明接続顕微鏡。
6. 集束レンズ（７）および／または発散レンズ（８）がモーターにより駆動される操作部（１３，１４）に接続され、これを通じ駆動ユニット（１５）および入力モジュール（１６）に操作命令入力のため結合していることを特徴とする請求項５に記載の落射照明接続顕微鏡。

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