JP4842441B2 - Convergent light polarization microscope apparatus and convergent light polarization microscope observation method - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種材料の組織構造の観察に適した収束光偏光顕微鏡装置および収束光偏光顕微鏡観察方法に関するものである。本発明の収束光偏光顕微鏡装置および収束光偏光顕微鏡観察方法の観察対象となり得る材料のとして、ポリエチレンフィルム、ポリプロピレンフィルム等の高分子材料や、植物、病理組織等の生体材料や、塗液、乳液等の懸濁液や、半導体材料等が挙げられる。
【0002】
【従来の技術】
各種材料の組織構造は、その物性と密接に相関していることから、その組織構造を正確に評価・解析することが重要となる。そのために、多くの手法が開発され活用されているが、光学顕微鏡装置はその中でも、利用のしやすさや得られる情報の多様性等から、材料の組織構造観察法として最も一般的に利用される手法となっている。
【0003】
そして、従来の光学顕微鏡装置では、被検査物に対する照明法として、被検査物を一様に照射し、かつ像の分解能を高めるために、平行光を入射するケーラー照明法が通常用いられている。また、入射光を偏光させるポラライザーと、被検査物を透過または反射したのちに、検出のためのアナライザーを配置した偏光顕微鏡装置も従来からしばしば用いられている。以下これらを合わせて従来の顕微鏡装置と略称する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の光学顕微鏡装置による観察は、対物レンズによって被検査物の拡大された光学像を単に形成し、それを接眼レンズでさらに拡大して行うだけである。すなわち、被検査物で反射あるいは透過した光の強度に起因する像を観察するだけなので、たとえ偏光顕微鏡装置を用いても、配向と複屈折を与える構造の分布に関する詳細な知見を十分に得ることはできなかった。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明の収束光偏光顕微鏡装置および収束光偏光顕微鏡観察方法はこのような課題を解決するためになされたものである。
【0006】
本発明の収束光偏光顕微鏡装置は、空間の一点に収束する収束光を照明光として照射する照明手段と、前記照明光を被検査物の手前で直線偏光もしくは円偏光に変換するポラライザーと、前記照明光の前記収束点の手前で前記被検査物を載置する被検査物載置台と、前記照明光が前記被検査物において透過もしくは反射した光をひとたび前記収束点に収束させた後に入射するように配置された対物レンズと、前記被検査物を透過もしくは反射した光を再度直線偏光もしくは円偏光に変換するアナライザーと、前記収束点を含み前記照明光の光軸に直交する回折像面と前記被検査物との相対的な位置を任意に変更できる調整機構とを備えることを特徴とする。
【0007】
このように、従来の非偏光の平行光に代わってポラライザーによって偏光させた収束光を照明光として用い、さらに被検査物の透過または反射光を再度偏光させるアナライザーを用いると、極めてコントラストの高い、焦点深度の深い偏光顕微鏡像と偏光を用いたことに基づく回折像を得ることができる。
【0008】
ここで直線偏光および円偏光とは、進行する光波に相対したとき、一定の場所において電場の振動方向と大きさを表す電場ベクトルの終端が時間とともに描く軌跡のうち、それぞれ直線および円となるものおよびその状態のことである。直線偏光の場合、電場とともに振動している磁場の振動方向と伝播方向を含む面は平面となり、ここではこの平面を偏光面と呼ぶ。また入射光を直線偏光に変換するポラライザーおよびアナライザーについては、変換された光の偏光面をポラライザーおよびアナライザーの偏光面と呼ぶことがある。一方、円偏光の場合、電場ベクトルの描く軌跡により右回りと左回りの違いがあり、ここではそれぞれ右円偏光および左円偏光と呼ぶ。ポラライザーまたはアナライザーに光を透過させることにより、偏光にすることができる。
【0009】
一方、複屈折とは、光学的異方性を持つ媒質に光が入射するときに一般に二つの屈折光が現れる現象をいう。2つの屈折光は直線偏光となるため、入射する光に偏光を用いることにより、複屈折を与える構造を観察することができる。
【0010】
この収束光偏光顕微鏡装置では、照明光の収束点を含み照明光の光軸に直交する面(以下回折像面という)には、偏光照明光による被検査物のフーリエ変換像すなわち回折像が形成される。この収束光偏光顕微鏡装置によれば、対物レンズの前方にこの回折像を形成させることができるので、回折像そのものを観察したり、回折像に対して操作を加えて所望の処理を施したりすることができる。
【0011】
従来の光学顕微鏡装置では、入射光が平行光なので回折像は対物レンズの後側焦点面、すなわち、鏡筒内部に形成されるので、接眼レンズをはずさない限り観察できないし、いわんや操作を加えたりすることは不可能である。
【0012】
回折像には被検査物の構造情報が集約されている。換言すると、被検査物の組織構造に応じた回折像が形成され、被検査物の組織構造が異なっていれば、その回折像も異なったものとなる。したがって、組織構造と回折像との関係が判っていれば、回折像から逆に被検査物の組織構造を知ることができる。この収束光偏光顕微鏡装置では、偏光顕微鏡像に加えて偏光下での回折像を同時に得られることが大きな特徴の一つである。
【0013】
対物レンズは、回折像面および被検査物のいずれにもに焦準(ピント)を合わせることができるようになっていることが望ましい。これにより、被検査物の光学像と回折像を共に観察することができ、被検査物の構造情報の取得を増やすことができる。
【0014】
この収束光偏光顕微鏡装置は、回折像面の位置に配置され、照明光が被検査物において透過または反射した光の一部を選択的に遮蔽する空間絞りを備えることが望ましい。
【0015】
この空間絞りにより、所望の回折光および直接光を選択して対物レンズに入射させることができるからである。対物レンズの焦準を被検査物に合わせ、選択された回折光のみを空間絞りで透過させてやれば、選択された回折光のみによる被検査物の光学像(暗視野像)を観察することができる。しかも、回折光の選択が自由なので、同一の被検査物について所望の回折光に応じた様々な暗視野像を観察することができる。このときポラライザーおよびアナライザーを用いているので、回折光の偏光状態を反映した暗視野像を観察することができる。なお、直接光も含んで選択してやれば、明視野像を得ることができる。
【0016】
この収束光偏光顕微鏡装置は、回折像面と被検査物との相対的な位置を任意に変更できる調整機構を備えている。通常は、収束する照明光の出射面となるコンデンサーレンズの位置を変えることにより収束点の位置、すなわち回折像面の位置を変える。回折像面と被検査物との距離を変えると、回折像の大きさが変化する。距離を離すほど、回折像の大きさを大きくすることができ、回折像のより詳細な観察ができる。
【0017】
この収束光偏光顕微鏡装置のポラライザーおよびアナライザーは、入射光の光軸の周りで回転できることが望ましい。被検査物中のさまざまな方向を持つ複屈折を与える構造の中で、目的の構造に対するポラライザーおよびアナライザーおのおのの最適な角度を、被検査物の方向を一定に保ちながら選ぶことができるからである。
【0018】
この収束光偏光顕微鏡装置の被検査物載置台は、入射光の光軸の周りで回転できることが望ましい。被検査物中のさまざまな方向を持つ複屈折を与える構造の中で、目的の構造に対する被検査物の最適な方向を、ポラライザーおよびアナライザーの角度を一定に保ちながら選ぶことができるからである。
【0019】
このとき、ポラライザーとアナライザーが直線偏光素子であり、かつ両素子の偏光面が互いに平行のときは、被検査物中の偏光面を回転させる領域が回転させない領域よりも明るい領域となる像を観察することができ、一方、両素子の偏光面が互いに垂直のときは、被検査物中の偏光面を回転させる領域が回転させない領域よりも暗い領域となる像を観察することができる。これらにより複屈折を与える構造の分布を知ることができる。
【0020】
また、ポラライザーとアナライザーが円偏光素子であり、かつ両素子の偏光面の回転方向が互いに同方向(ポラライザーが右円偏光であればアナライザーは右円偏光、ポラライザーが左円偏光であればアナライザーは左円偏光)のときは、被検査物中の偏光面を回転させる領域が回転させない領域よりも明るい領域となる像を観察することができ、一方、両素子の偏光面を回転させる方向が互いに逆方向(ポラライザーが右円偏光であればアナライザーは左円偏光、ポラライザーが左円偏光であればアナライザーは右円偏光)のときは、被検査物中の偏光面を回転させる領域が回転させない領域よりも暗い領域となる像を観察することができる。これらによって複屈折を与える構造の分布を知ることができる。
【0021】
さらに、ポラライザーが円偏光素子であり、かつアナライザーが直線偏光素子であるときは、被検査物中の微小な複屈折を与える構造の分布を検出することができるようになる。
【0022】
すなわち、被検査物の複屈折を与える構造の分布が小さいとき、ポラライザーおよびアナライザーがともに照明光を直線偏光に変換する場合には、配向あるいは複屈折を与える構造による光の強度の変化がほとんど無く、これらの構造を観察することが困難であるが、ポラライザーが照明光を円偏光に変換し、アナライザーが被検査物を透過した光もしくは反射した光を直線偏光に変換する場合には、複屈折に基づく光の強度が大きくなり、これらの構造を観察することが可能となる。そのため、ポラライザーが照明光を円偏光に変換し、アナライザーが照明光を直線偏光に変換する場合には、被検査物の微小な複屈折を与える構造の分布を識別するのに都合がよい。
【0023】
この収束光偏光顕微鏡装置は、空間絞りを通過した光の方向と対物レンズの光軸とを略一致させる調整機構を備えていることが望ましい。空間絞りにより光量が減少するが、この2つの光軸を略一致させることにより、ひずみの少ない明るい像を得ることができる。
【0024】
この収束光偏光顕微鏡装置は、照明光に単色光を用いてもよい。単色光を用いることにより、白色光では得られなかった、組織構造を知る上で重要な像を得ることができる。
【0025】
この収束光偏光顕微鏡装置のポラライザーとアナライザーは着脱可能であることが望ましい。ポラライザーのみあるいはアナライザーのみ用いた観察や、ポラライザーおよびアナライザーのいずれも用いない観察など、様々な観察を行うことができる。
【0026】
このような収束光偏光顕微鏡装置を用いた本発明の顕微鏡観察方法の一つは、対物レンズの焦準を被検査物に合わせて被検査物を観察するものである。収束光を照明光として用いるので、極めてコントラストの高い、焦点深度の深い偏光顕微鏡像を得ることができる。
【0027】
本発明の他の顕微鏡観察方法は、収束点を含む対物レンズの光軸に直交する回折像面に対物レンズの焦準を合わせることにより、回折像面上に形成された被検査物の偏光入射光による回折像をアナライザーを用いて観察するものである。
【0028】
被検査物について、回折像と組織構造との関係を予め取得しておけば、回折像を直接観察することにより、回折像のパターンの特徴から被検査物の組織構造を知ることができる。
【0029】
本発明の他の顕微鏡観察方法は、最初に前記対物レンズの焦準を前記被検査物に合わせて前記被検査物を観察した後、前記対物レンズの焦準を前記回折像面上に形成された回折像に合わせて前記回折像を観察するか、もしくは、最初に前記対物レンズの焦準を前記回折面上に形成された回折像に合わせて前記回折像を観察した後、前記対物レンズの焦準を前記被検査物に合わせて前記被検査物を観察するものである。
【0030】
光学像の観察だけでは分かりにくかった組織構造の全体的な特徴を把握したり、回折像の観察だけでは分かりにくかった回折像が由来する組織構造の詳細を知ることができる。
【0031】
本発明の他の顕微鏡観察方法は、空間絞りを用いて回折像面上の所望の領域のみの光を通過させ、空間絞りを通過した光について対物レンズの焦準を被検査物に合わせて被検査物を観察するものである。
【0032】
空間絞りによって通過させる光(直接光および回折光)を自由に選択できるので、偏光下で同一の被検査物について回折光に応じた様々な暗視野像および明視野像を観察することができる。これにより被検査物の組織構造をさらに詳しく知ることができる。
【0033】
本発明の他の顕微鏡観察方法は、回折像面に対物レンズの焦準を合わせることにより、回折像面上に形成された被検査物の偏光入射光による回折像を観察し、回折像の所望の領域のみの光を通過させるように空間絞りを調整した後、対物レンズの焦準を被検査物に合わせることにより、空間絞りおよびアナライザーを通過した光によって被検査物を観察するものである。
【0034】
回折像に基づいて回折光を選択してから像観察を行うので、いかなる回折光に基づく光学像かを知ることができる。これにより被検査物の組織構造をさらに詳しく知ることができる。
【0035】
本発明の顕微鏡観察方法では、対物レンズが回折像面の近傍に位置したときに被検査物に焦準が合うように回折像面の位置を調整して被検査物を観察することが望ましい。回折像面は照射光が収束する位置なので、そこに対物レンズが置かれたときに回折光をロスすることなく最も像が明るくなるためである。
【0036】
空間絞りの形状または回折像面上での位置を変えることにより、もしくは、対物レンズの光軸に対する照明光の光軸の角度を変えることにより、対物レンズによる被検査物の光学像形成にあずかる回折光を選択して被検査物を観察することができる。
【0037】
本発明の顕微鏡観察方法では、空間絞りを通過した光の方向と対物レンズの光軸とを略一致させて被検査物を観察することが望ましい。空間絞りにより光量が減少するが、この2つの光軸を略一致させることにより、ひずみの少ない明るい像を得ることができる。
【0038】
本発明の顕微鏡観察方法では、照明光の収束点の位置を対物レンズの光軸方向において変えることにより回折像の大きさを調整することができることが望ましい。距離を離すほど、回折像の大きさを大きくすることができ、回折像のより詳細な観察ができる。
【0039】
本発明の顕微鏡観察方法では、照明光に単色光を用いてもよい。単色光を用いることにより、白色光では得られなかった、組織構造を知る上で重要な像を得ることができる。
【0040】
本発明の顕微鏡観察方法は、高分子材料に対して好適に用いることができる。高分子材料の重要な組織構造について、従来の顕微鏡観察方法では得られなかった詳細な知見が得られる。
【0041】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の一実施形態である収束光偏光顕微鏡装置の基本構成を示す図である。光源1とコンデンサレンズ2、およびポラライザー15によって、空間の一点4に収束する偏光した収束光を照明光として照射する照明手段3が構成されている。光源1から出力される光は、白色光でもよいし、単色光でもよい。
【0042】
照明手段3の上方には、被検査物(標本)6を載置する被検査物載置台(ステージ)5が配置されている。ステージ5は、その中央に照明手段3からの偏光した照明光を透過する開口を有し、照明光はこの開口を通ってさらに上方の収束点4で収束する。これにより、収束点4を通り照明光の光軸7に垂直な平面8には、被検査物6の偏光した照明光によるフーリエ変換像すなわち偏光下での回折像が形成される。ここでは、この平面8を回折像面と呼ぶことにする。
【0043】
コンデンサレンズ2は、ステージ5に対して光軸7の方向に移動可能となっている。コンデンサレンズ2を光軸7の方向に移動させることにより、ステージ5に載置された被検査物6と収束点4との距離、すなわち、被検査物6と回折像面8との距離を変化させることができる。
【0044】
回折像面8上またはその近傍の位置には、回折像面8と平行に空間絞り9が設けられている。図2は空間絞り9の平面図であり、遮光板の中央に、たとえば直径数百ミクロンの円形開口が形成されている。この空間絞り9は、光軸7に直交する方向に移動可能となっており、回折像面8上に形成される回折像のうちで光を透過させるべき領域を選択できる。また、この空間絞り9は観察途中でも、容易に脱着可能となっている。
【0045】
なお、空間絞り9に形成する開口形状すなわち観察視野は、必ずしも円形でなくてもよい。目的に応じて方形、半円形、扇形等を適宜選択することができる。
【0046】
空間絞り9のさらに上方には、対物レンズ10、アナライザー16、結像レンズ11および接眼レンズ12を備えた鏡筒13が配置されている。この鏡筒13の内部構成自体は、従来からある一般的なものであり、光軸7の方向に移動させることにより、焦準合わせを行うことができるようなっている。
【0047】
しかし、焦準合わせのための鏡筒移動可能範囲は、従来の一般的な顕微鏡装置に比べて十分に長いことが必要である。すなわち、少なくとも被検査物6と回折像面8の両方に焦準合わせができるようになっている。
【0048】
対物レンズ10は、被検査物6に焦準を合わせたときの位置が空間絞り9よりも後方(上方)になるような焦点距離を有している。したがって、焦準合わせ動作において、空間絞り9が邪魔になることがない。
【0049】
なお、図3に示すように、対物レンズ10が空間絞り9に最も近づいたときに被検査物6に焦準が合うように、回折像面8の位置を調整すると、最も明るい像を得ることができる。
【0050】
対物レンズ10が捕らえた像は、アナライザー16を透過したのちに結像レンズ11の後方にある中間像位置14に形成され、接眼レンズ12はこの像を観察できるように焦準が調整されている。
【0051】
本発明による被検査物としては、高分子材料(たとえば、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリマーフィルム)、生体材料、セラミックス、金属他を挙げることができるが、組織構造を観察し得るという点で、ポリマーフィルムは最も典型的な対象材料である。
【0052】
そこで、被検査物としてポリマーフィルムを観察したときの具体的な実施例を説明する。
【0053】
100Wハロゲンランプおよび口径100μm の円形のピンホールからなる点光源1の前方に、開口数0.4のコンデンサーレンズ2を配置することにより収束する照明光を得た。本コンデンサーレンズ2は光軸7と平行な方向に最大25mm以上移動させることができるようにした。なお、光源に単色化のためのフィルターは取り付けなかった。
【0054】
コンデンサーレンズ2の後方にステージ5を配置し、その上にポリマーフィルムを固定したスライドグラスを載せた。ステージ5は光軸7と平行な方向に固定した。一方、光軸7と垂直な方向には、観察視野を選択するために移動することができるようにした。
【0055】
さらにステージ5の後方に空間絞り9として口径800μmの円形のピンホールが設けられた遮光板を配置した。この遮光板は、試料(ポリマーフィルム)を透過した光の中から遮蔽する直接光または散乱光を選択するために光軸7と垂直でかつ互いに直角に交わる2方向にそれぞれ最大5mm移動させることができるようにした。また、収束面(回折像面)8とピンホール面を一致させるために光軸7と平行な方向に最大5mm移動させることができるようにした。
【0056】
空間絞り9の後方に長作動距離の対物レンズ10((株)ニコン製CF ICEPI Plan 5×、作動距離22.5mm、開口数0.13、倍率5倍)、および三眼鏡筒13((株)ニコン製TI)をこの順番で配置した。
【0057】
三眼鏡筒13には図示省略した写真撮影装置((株)ニコン製H−3)および接眼レンズ12((株)ニコン製 CFWN 10×、倍率10倍)を取り付け、肉眼による観察、および写真撮影ができるようにした。対物レンズ10および三眼鏡筒13は一体となって光軸7と平行な方向に移動することにより、焦準を試料像あるいは回折像にそれぞれ合わせることができるようにした。
【0058】
観察結果は、高感度インスタント白黒フィルム(富士写真フィルム(株)製FP−3000B SUPER SPEEDY、ISO 3200)を用い、回折像および試料像それぞれについて一定の露光時間にて写真撮影した。
【0059】
<試料(被検査物)>
メルトフローレート1.2g/10分のポリプロピレンをスライドガラスおよびカバーガラスのあいだにはさみ、230℃で5分間溶融させたのち、130℃で等温結晶化させて得られたフィルム(ポリマーフィルムと呼ぶ)を試料とした。得られた試料の試料像を本発明の収束光偏光顕微鏡装置で観察した。
【0060】
観察例1
空間絞り9を光軸7から取り除いたのち収束する照明光を試料6に照射し、透過した光束の直径をトレーシングペーパー等で確認することにより、収束面すなわち回折像面8の位置が試料6と対物レンズ10の間になるようにコンデンサーレンズ2の位置を調整した。次に、対物レンズ10の焦準を収束面8に合わせることにより回折像を得た。図4はポリマーフィルムの偏光下での回折像の顕微鏡写真である。このときポラライザーの直線偏光面を図4の上下方向に、アナライザーの直線偏光面を図4の左右方向に合わせた。このようにポラライザーおよびアナライザーの直線偏光面を互いに垂直となるように配置した状態を直交ニコルと呼ぶことにする。図4は四つ葉のクローバー状の像となった。これは、複屈折を与える構造から構成されている球晶と呼ばれる組織構造の光散乱像と特徴が一致した。図4が特定の方向にゆがんでいないことから、球晶は全体として特定の方向に配向していないことが分かる。図4では球晶の配向についての知見が得られたが、ポラライザーとアナライザーを光路からはずして回折像を観察することにより、複屈折を与える構造以外の構造の配向についても知ることができる。図5は対物レンズ10の焦準をポリマーフィルムに合わせたときの直交ニコル下での顕微鏡写真である。図5には暗い十字形のコントラストを持った構造の集合体が観察された。これは直交ニコル下での球晶の顕微鏡像の特徴と一致しており、複屈折を与える構造から構成される球晶が高いコントラストで観察されていることが分かる。
【0061】
観察例2
図4の回折像を得たのち、空間絞りとして口径800μmの円形のピンホールを有する空間絞り9を収束面8と同一面上に挿入することにより、直接光およびその付近の散乱光以外を遮蔽した。図6はこのときのポリマーフィルムの回折像を示す顕微鏡写真である。そののち、顕微鏡装置の焦準を試料位置まで移動させることにより、試料像として空間絞り9を透過した光のみで形成させた像を得た。図7はこのときのポリマーフィルムの像を示す顕微鏡写真である。その結果、球晶界面より内側に円形の構造が存在することが観察された。これは空間絞りを用いなかった図5には見られなかった構造である。
【0062】
観察例3
図4の回折像を得たのち、空間絞り9として口径800μm の円形のピンホールを有する遮光板を収束面8と同一面上に挿入することにより、直接光の上側の散乱光以外を遮蔽した。図8は、このときのポリマーフィルムの回折像を示す顕微鏡写真である。そののち、顕微鏡装置の焦準を試料位置に合わせることにより、試料像として空間絞り9を透過した光のみで形成させた像を得た。図9の顕微鏡写真は、このときのポリマーフィルムの像を示す。その結果、空間絞りにより球晶の上方の構造が下方の構造に対して識別された。このような構造を抽出できることは従来の光学顕微鏡装置では知られていないことである。
【0063】
観察例4
図4の回折像を得たのち、観察例2および3のときと同じ空間絞り9を収束面8と同一面上に挿入することにより、直接光の右側の散乱光以外を遮蔽した。図10は、このときのポリマーフィルムの回折像を示す顕微鏡写真である。そののち、顕微鏡装置の焦準を試料位置に合わせることにより、試料像として空間絞り9を透過した光のみで形成させた像を得た。図11の顕微鏡写真は、このときのポリマーフィルムの像を示す。その結果、空間絞りにより球晶の左右方向の違いについても識別された。
【0064】
観察例5
図4の回折像を得たのち、観察例2から4のときと同じ空間絞り9を収束面8と同一面上に挿入することにより、直接光の右上側の散乱光以外を遮蔽した。図12は、このときのポリマーフィルムの回折像を示す顕微鏡写真である。そののち、顕微鏡装置の焦準を試料位置に合わせることにより、試料像として空間絞り9を透過した光のみで形成させた像を得た。図13の顕微鏡写真は、このときのポリマーフィルムの像を示す。その結果、空間絞りにより球晶の右上方の構造がそれ以外の構造に対して識別された。空間絞りで選択する範囲を小さくすることで、抽出される構造の範囲を小さくすることができた。
【0065】
観察例6
図4の回折像を得たのち、観察例2から5のときと同じ空間絞り9を収束面8と同一面上に挿入することにより、直接光の左下側の散乱光以外を遮蔽した。図14は、このときのポリマーフィルムの回折像を示す顕微鏡写真である。そののち、顕微鏡装置の焦準を試料位置に合わせることにより、試料像として空間絞り9を透過した光のみで形成させた像を得た。図15顕微鏡写真は、このときのポリマーフィルムの像を示す。その結果、空間絞りにより球晶の左下方の構造がそれ以外の構造に対して識別された。図8〜15から、空間絞りで選択する回折像の大きさおよび位置により、球晶中の任意の部分を抽出することができた。これらにより、回折像の各部分が球晶中のどの部分に由来しているかが明らかになった。
【0066】
【発明の効果】
以上のように、本発明の収束光偏光顕微鏡装置およびこれを用いた顕微鏡観察方法によれば、対物レンズの手前で一点に収束する偏光した照明光を用いるので、偏光下での被検査物およびその回折像を対物レンズを光軸方向に移動するだけで選択的に観察できる。また、この収束光偏光顕微鏡装置は、回折像面と被検査物との相対的な位置を任意に変更できる調整機構を備えているので、回折像面と被検査物との距離を離すほど、回折像の大きさを大きくすることができ、回折像のより詳細な観察ができる。さらに、空間絞りを適当に挿入または移動させることにより、偏光下での所望の回折光による被検査物の光学像と回折像とを得ることができる。したがって、従来の光学顕微鏡装置では得られなかった配向と複屈折を与える構造の分布に関する詳細な知見を十分に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態である収束光偏光顕微鏡装置の構成を示す図
【図2】空間絞り9を示す平面図
【図3】対物レンズ10を空間絞り9に近接させた状態の収束光偏光顕微鏡装置を示す図
【図4】ポリマーフィルムの回折像を示す顕微鏡写真
【図5】ポリマーフィルムの光学像を示す顕微鏡写真
【図6】選択された一部の回折光によるポリマーフィルムの回折像を示す顕微鏡写真
【図7】選択された一部の回折光によるポリマーフィルムの光学像を示す顕微鏡写真
【図8】選択された一部の回折光によるポリマーフィルムの回折像を示す顕微鏡写真
【図9】選択された一部の回折光によるポリマーフィルムの光学像を示す顕微鏡写真
【図10】選択された一部の回折光によるポリマーフィルムの回折像を示す顕微鏡写真
【図11】選択された一部の回折光によるポリマーフィルムの光学像を示す顕微鏡写真
【図12】選択された一部の回折光によるポリマーフィルムの回折像を示す顕微鏡写真
【図13】選択された一部の回折光によるポリマーフィルムの光学像を示す顕微鏡写真
【図14】選択された一部の回折光によるポリマーフィルムの回折像を示す顕微鏡写真
【図15】選択された一部の回折光によるポリマーフィルムの光学像を示す顕微鏡写真
【符号の説明】
1…光源、2…コンデンサレンズ、3…照明手段、4…収束点、5…被検査物載置台(ステージ)、6…被検査物、7…光軸、8…回折像面、9…空間絞り、10…対物レンズ、11…結像レンズ(必ずしも必要ではない)、12…接眼レンズ、13…鏡筒、14…中間像位置、15…ポラライザー、16…アナライザー[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a convergent light polarization microscope apparatus and a convergent light polarization microscope observation method suitable for observing the structure of various materials. Materials that can be observed by the convergent light polarizing microscope apparatus and the convergent light polarizing microscope observation method of the present invention include polymer materials such as polyethylene film and polypropylene film, biological materials such as plants and pathological tissues, coating liquids, and emulsions. And suspensions such as semiconductor materials.
[0002]
[Prior art]
Since the structure of various materials is closely correlated with their physical properties, it is important to accurately evaluate and analyze the structure. For this purpose, many techniques have been developed and utilized, but among them, the optical microscope apparatus is most commonly used as a method for observing the structure of materials because of its ease of use and the diversity of information obtained. It is a method.
[0003]
In the conventional optical microscope apparatus, as an illumination method for the inspection object, a Koehler illumination method in which parallel light is incident is usually used in order to uniformly irradiate the inspection object and increase the resolution of the image. . In addition, a polarization microscope apparatus in which incident light is polarized and a polarization microscope apparatus in which an analyzer for detection is provided after being transmitted or reflected by an inspection object are often used. Hereinafter, these are collectively referred to as a conventional microscope apparatus.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, observation with a conventional optical microscope apparatus is simply performed by forming an enlarged optical image of an object to be inspected with an objective lens and further enlarging it with an eyepiece. In other words, since only the image due to the intensity of the light reflected or transmitted by the object to be inspected is observed, sufficient knowledge about the distribution of the structure that gives orientation and birefringence can be obtained even if a polarization microscope apparatus is used. I couldn't.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The convergent-light polarization microscope apparatus and the convergent-light polarization microscope observation method of the present invention have been made to solve such problems.
[0006]
The convergent light polarization microscope apparatus of the present invention includes an illumination unit that irradiates convergent light that converges to one point in space as illumination light, a polarizer that converts the illumination light into linearly polarized light or circularly polarized light in front of the inspection object, and An inspection object mounting table for mounting the inspection object before the convergence point of the illumination light, and the illumination light incident after the light transmitted or reflected by the inspection object is converged to the convergence point once. An objective lens that is arranged in such a manner, and an analyzer that converts the light transmitted or reflected by the inspection object into linearly polarized light or circularly polarized light again. An adjustment mechanism that can arbitrarily change the relative position between the diffraction image plane that includes the convergence point and is orthogonal to the optical axis of the illumination light, and the inspection object; It is characterized by providing.
[0007]
Thus, instead of the conventional non-polarized parallel light, using the convergent light polarized by the polarizer as the illumination light and using an analyzer that re-polarizes the transmitted or reflected light of the inspection object, the contrast is extremely high. It is possible to obtain a polarization microscope image having a deep focal depth and a diffraction image based on the use of polarized light.
[0008]
Here, linearly polarized light and circularly polarized light are linear and circular, respectively, of trajectories drawn with time by the end of the electric field vector representing the vibration direction and magnitude of the electric field in a certain place when opposed to a traveling light wave. And that state. In the case of linearly polarized light, the plane including the vibration direction and propagation direction of the magnetic field oscillating with the electric field is a plane, and this plane is referred to as a polarization plane here. For a polarizer and analyzer that convert incident light into linearly polarized light, the polarization plane of the converted light may be referred to as the polarization plane of the polarizer and analyzer. On the other hand, in the case of circularly polarized light, there is a difference between clockwise and counterclockwise depending on the locus drawn by the electric field vector, which are referred to as right circularly polarized light and left circularly polarized light, respectively. Polarization can be achieved by transmitting light through a polarizer or analyzer.
[0009]
On the other hand, birefringence is a phenomenon in which two refracted lights generally appear when light is incident on a medium having optical anisotropy. Since the two refracted lights are linearly polarized light, a structure giving birefringence can be observed by using polarized light for incident light.
[0010]
In this convergent light polarization microscope apparatus, a Fourier transform image, that is, a diffraction image of an object to be inspected by polarized illumination light is formed on a plane (hereinafter referred to as a diffraction image plane) that includes the convergence point of the illumination light and is orthogonal to the optical axis of the illumination light. Is done. According to this convergent light polarization microscope apparatus, since this diffraction image can be formed in front of the objective lens, the diffraction image itself is observed or a desired process is applied to the diffraction image. be able to.
[0011]
In the conventional optical microscope apparatus, since the incident light is parallel light, the diffraction image is formed on the back focal plane of the objective lens, that is, inside the lens barrel. It is impossible to do.
[0012]
In the diffraction image, the structure information of the inspection object is collected. In other words, a diffraction image corresponding to the tissue structure of the inspection object is formed. If the tissue structure of the inspection object is different, the diffraction image is also different. Therefore, if the relationship between the tissue structure and the diffraction image is known, the tissue structure of the object to be inspected can be known from the diffraction image. One of the major features of this convergent light polarizing microscope apparatus is that it can simultaneously obtain a diffraction image under polarized light in addition to a polarizing microscope image.
[0013]
It is desirable that the objective lens can be focused on both the diffraction image plane and the inspection object. Thereby, both the optical image and the diffraction image of the inspection object can be observed, and the acquisition of the structure information of the inspection object can be increased.
[0014]
This convergent light polarization microscope apparatus is preferably provided with a spatial aperture that is arranged at the position of the diffraction image plane and selectively shields part of the light transmitted or reflected by the illumination light on the inspection object.
[0015]
This is because this spatial aperture allows desired diffracted light and direct light to be selected and made incident on the objective lens. If the focus of the objective lens is adjusted to the object to be inspected and only the selected diffracted light is transmitted through the spatial aperture, the optical image (dark field image) of the object to be inspected by only the selected diffracted light is observed. Can do. Moreover, since the diffracted light can be freely selected, various dark field images corresponding to the desired diffracted light can be observed for the same inspection object. Since a polarizer and an analyzer are used at this time, a dark field image reflecting the polarization state of diffracted light can be observed. Note that a bright field image can be obtained if selection is made including direct light.
[0016]
This convergent light polarization microscope apparatus includes an adjustment mechanism that can arbitrarily change the relative position of the diffraction image plane and the inspection object. Usually, the position of the converging point, that is, the position of the diffraction image plane is changed by changing the position of the condenser lens serving as the exit surface of the convergent illumination light. When the distance between the diffraction image plane and the inspection object is changed, the size of the diffraction image changes. As the distance is increased, the size of the diffraction image can be increased, and the diffraction image can be observed in more detail.
[0017]
It is desirable that the polarizer and analyzer of the convergent light polarization microscope apparatus can be rotated around the optical axis of the incident light. This is because, among the structures that give birefringence in various directions in the inspection object, the optimum angle of each of the polarizer and analyzer with respect to the target structure can be selected while keeping the direction of the inspection object constant. .
[0018]
It is desirable that the inspection object mounting table of the convergent light polarization microscope apparatus can be rotated around the optical axis of incident light. This is because, among the structures providing birefringence having various directions in the inspection object, the optimum direction of the inspection object with respect to the target structure can be selected while keeping the angle of the polarizer and the analyzer constant.
[0019]
At this time, when the polarizer and analyzer are linearly polarizing elements and the polarization planes of both elements are parallel to each other, an image in which the area in which the polarization plane in the inspection object rotates is brighter than the area that does not rotate is observed. On the other hand, when the polarization planes of the two elements are perpendicular to each other, it is possible to observe an image in which the polarization plane in the inspection object is a darker area than the non-rotated area. From these, the distribution of the structure giving birefringence can be known.
[0020]
Also, the polarizer and analyzer are circularly polarizing elements, and the rotation directions of the polarization planes of both elements are the same (if the polarizer is right circularly polarized, the analyzer is right circularly polarized, and if the polarizer is left circularly polarized, the analyzer is Left circularly polarized light), an image in which the polarization plane in the object to be rotated is a brighter area than the non-rotation area can be observed, while the directions in which the polarization planes of both elements rotate are mutually In the reverse direction (if the polarizer is right circularly polarized, the analyzer is left circularly polarized; if the polarizer is left circularly polarized, the analyzer is right circularly polarized), the area that rotates the plane of polarization in the specimen is not rotated. An image that is a darker area can be observed. By these, the distribution of the structure giving birefringence can be known.
[0021]
Furthermore, when the polarizer is a circularly polarizing element and the analyzer is a linearly polarizing element, it is possible to detect the distribution of structures that give minute birefringence in the inspection object.
[0022]
That is, when the distribution of the structure giving the birefringence of the object to be inspected is small, when both the polarizer and the analyzer convert the illumination light into linearly polarized light, there is almost no change in the light intensity due to the structure giving the orientation or birefringence. Although it is difficult to observe these structures, birefringence occurs when the polarizer converts the illumination light into circularly polarized light, and the analyzer converts the light transmitted through the object to be inspected or reflected light into linearly polarized light. The intensity of light based on the above increases, and it becomes possible to observe these structures. Therefore, when the polarizer converts the illumination light into circularly polarized light and the analyzer converts the illumination light into linearly polarized light, it is convenient to identify the distribution of the structure that gives the minute birefringence of the inspection object.
[0023]
The convergent light polarization microscope apparatus preferably includes an adjustment mechanism that substantially matches the direction of light that has passed through the spatial aperture and the optical axis of the objective lens. Although the amount of light is reduced by the spatial stop, a bright image with little distortion can be obtained by making these two optical axes substantially coincident with each other.
[0024]
This convergent light polarization microscope apparatus may use monochromatic light as illumination light. By using monochromatic light, it is possible to obtain an image that is important for knowing the tissue structure, which cannot be obtained with white light.
[0025]
It is desirable that the polarizer and analyzer of the convergent light polarization microscope apparatus are detachable. Various observations can be performed, such as observation using only a polarizer or an analyzer, or observation using neither a polarizer nor an analyzer.
[0026]
One of the microscope observation methods of the present invention using such a convergent light polarization microscope apparatus is to observe the inspection object by aligning the focus of the objective lens with the inspection object. Since the convergent light is used as the illumination light, it is possible to obtain a polarization microscope image having a very high contrast and a deep focal depth.
[0027]
According to another microscope observation method of the present invention, the polarized light incident on an object to be inspected formed on the diffraction image plane is obtained by focusing the objective lens on the diffraction image plane orthogonal to the optical axis of the objective lens including the convergence point. A diffraction image by light is observed using an analyzer.
[0028]
If the relationship between the diffraction image and the tissue structure is acquired in advance for the inspection object, the tissue structure of the inspection object can be known from the characteristics of the pattern of the diffraction image by directly observing the diffraction image.
[0029]
According to another microscope observation method of the present invention, first, the focus of the objective lens is aligned with the inspection object and the inspection object is observed, and then the focus of the objective lens is formed on the diffraction image plane. The diffraction image is observed according to the diffraction image obtained, or first, the focus of the objective lens is adjusted to the diffraction image formed on the diffraction surface, and then the diffraction image is observed. The object to be inspected is focused on the object to be inspected.
[0030]
It is possible to grasp the overall characteristics of the tissue structure that was difficult to understand only by observing the optical image, or to know the details of the tissue structure from which the diffraction image that was difficult to understand only by observing the diffraction image.
[0031]
According to another microscope observation method of the present invention, only a desired region on the diffraction image plane is allowed to pass using a spatial aperture, and the focus of the objective lens is adjusted to the object to be inspected with respect to the light that has passed through the spatial aperture. The inspection object is observed.
[0032]
Since light (direct light and diffracted light) passed through the spatial aperture can be freely selected, various dark field images and bright field images corresponding to the diffracted light can be observed for the same inspection object under polarized light. Thereby, the tissue structure of the object to be inspected can be known in more detail.
[0033]
According to another microscope observation method of the present invention, the objective lens is focused on the diffraction image plane to observe a diffraction image by the polarized incident light of the inspection object formed on the diffraction image plane. After adjusting the spatial aperture so that only the light in the above region passes, the object is observed by the light passing through the spatial aperture and the analyzer by aligning the focus of the objective lens with the target.
[0034]
Since image observation is performed after selecting diffracted light based on the diffracted image, it is possible to know what diffracted light is based on the optical image. Thereby, the tissue structure of the object to be inspected can be known in more detail.
[0035]
In the microscope observation method of the present invention, it is desirable to observe the inspection object by adjusting the position of the diffraction image surface so that the inspection object is focused when the objective lens is positioned in the vicinity of the diffraction image surface. This is because the diffracted image plane is a position where the irradiation light converges, so that when the objective lens is placed there, the image becomes brightest without losing the diffracted light.
[0036]
Diffraction that contributes to the optical image formation of an object to be inspected by the objective lens by changing the shape of the spatial aperture or the position on the diffraction image plane, or by changing the angle of the optical axis of the illumination light with respect to the optical axis of the objective lens The object can be observed by selecting light.
[0037]
In the microscope observation method of the present invention, it is desirable to observe the object to be inspected with the direction of the light that has passed through the space diaphragm and the optical axis of the objective lens substantially matched. Although the amount of light is reduced by the spatial stop, a bright image with little distortion can be obtained by making these two optical axes substantially coincident with each other.
[0038]
In the microscope observation method of the present invention, it is desirable that the size of the diffraction image can be adjusted by changing the position of the convergence point of the illumination light in the optical axis direction of the objective lens. As the distance is increased, the size of the diffraction image can be increased, and the diffraction image can be observed in more detail.
[0039]
In the microscope observation method of the present invention, monochromatic light may be used as illumination light. By using monochromatic light, it is possible to obtain an image that is important for knowing the tissue structure, which cannot be obtained with white light.
[0040]
The microscope observation method of the present invention can be suitably used for a polymer material. With respect to the important structure of the polymer material, detailed knowledge that cannot be obtained by the conventional microscope observation method can be obtained.
[0041]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a diagram showing a basic configuration of a convergent light polarization microscope apparatus according to an embodiment of the present invention. The
[0042]
An inspection object mounting table (stage) 5 on which an inspection object (specimen) 6 is mounted is disposed above the illumination means 3. The
[0043]
The
[0044]
A spatial stop 9 is provided in parallel with the
[0045]
The opening shape formed in the space stop 9, that is, the observation field of view, is not necessarily circular. A square shape, a semi-circle shape, a sector shape, or the like can be appropriately selected according to the purpose.
[0046]
A
[0047]
However, the movable range of the lens barrel for focusing needs to be sufficiently longer than that of a conventional general microscope apparatus. That is, focusing can be performed at least on both the
[0048]
The
[0049]
As shown in FIG. 3, when the position of the
[0050]
The image captured by the
[0051]
Examples of the inspected object according to the present invention include polymer materials (for example, polymer films such as polyethylene and polypropylene), biomaterials, ceramics, metals, and the like. Is the most typical target material.
[0052]
Therefore, a specific example when a polymer film is observed as an object to be inspected will be described.
[0053]
A converging illumination light was obtained by disposing a
[0054]
A
[0055]
Further, a light-shielding plate provided with a circular pinhole having a diameter of 800 μm was disposed as a space stop 9 behind the
[0056]
A long working distance objective lens 10 (
[0057]
The
[0058]
As the observation result, a high-sensitivity instant black-and-white film (FP-3000B SUPER SPEEDY, ISO 3200 manufactured by Fuji Photo Film Co., Ltd.) was used, and photographs were taken for each of the diffraction image and the sample image at a constant exposure time.
[0059]
<Sample (inspection object)>
A film obtained by sandwiching polypropylene at a melt flow rate of 1.2 g / 10 min between a slide glass and a cover glass, melting at 230 ° C. for 5 minutes, and then isothermally crystallizing at 130 ° C. (referred to as a polymer film) Was used as a sample. The sample image of the obtained sample was observed with the convergent light polarization microscope apparatus of the present invention.
[0060]
Observation example 1
By irradiating the
[0061]
Observation example 2
After obtaining the diffraction image of FIG. 4, a space stop 9 having a circular pinhole with an aperture of 800 μm is inserted as the space stop on the same plane as the converging
[0062]
Observation example 3
After obtaining the diffraction image of FIG. 4, a light shielding plate having a circular pinhole with an aperture of 800 μm is inserted as the spatial aperture 9 on the same plane as the converging
[0063]
Observation example 4
After obtaining the diffraction image of FIG. 4, the same spatial aperture 9 as in observation examples 2 and 3 was inserted on the same plane as the converging
[0064]
Observation example 5
After obtaining the diffraction image of FIG. 4, the same spatial aperture 9 as in observation examples 2 to 4 was inserted on the same plane as the converging
[0065]
Observation Example 6
After obtaining the diffraction image of FIG. 4, the same spatial aperture 9 as in observation examples 2 to 5 was inserted on the same plane as the converging
[0066]
【The invention's effect】
As described above, according to the convergent light polarization microscope apparatus of the present invention and the microscope observation method using the same, the polarized illumination light that converges to one point in front of the objective lens is used. The diffraction image can be selectively observed only by moving the objective lens in the optical axis direction. Also, This convergent light polarization microscope apparatus has an adjustment mechanism that can arbitrarily change the relative position between the diffraction image plane and the object to be inspected. Can be enlarged, and a diffraction image can be observed in more detail. further, By appropriately inserting or moving the space stop, it is possible to obtain an optical image and a diffracted image of the object to be inspected by desired diffracted light under polarized light. Therefore, it is possible to sufficiently obtain detailed knowledge about the distribution of the structure giving the orientation and birefringence that could not be obtained by the conventional optical microscope apparatus.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a convergent light polarization microscope apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a plan view showing a spatial aperture 9
FIG. 3 is a diagram showing a convergent light polarization microscope apparatus in a state where an
FIG. 4 is a micrograph showing a diffraction image of a polymer film.
FIG. 5 is a micrograph showing an optical image of a polymer film.
FIG. 6 is a micrograph showing a diffraction image of a polymer film by a selected part of diffracted light.
FIG. 7 is a photomicrograph showing an optical image of a polymer film by selected diffracted light.
FIG. 8 is a micrograph showing a diffracted image of a polymer film by selected diffracted light.
FIG. 9 is a photomicrograph showing an optical image of a polymer film by selected diffracted light.
FIG. 10 is a micrograph showing a diffraction image of a polymer film by a selected part of diffracted light.
FIG. 11 is a micrograph showing an optical image of a polymer film by a selected part of diffracted light.
FIG. 12 is a photomicrograph showing a diffraction image of a polymer film by a part of selected diffracted light.
FIG. 13 is a micrograph showing an optical image of a polymer film by a selected part of diffracted light.
FIG. 14 is a micrograph showing a diffraction image of a polymer film by a selected part of diffracted light.
FIG. 15 is a photomicrograph showing an optical image of a polymer film by selected diffracted light.
[Explanation of symbols]
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