JP4935254B2 - 微分干渉顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、微分干渉顕微鏡に関するものである。

微分干渉顕微鏡は、光源からの直線偏光又は楕円偏光、あるいは光源からの光を偏光子を用いて直線偏光又は楕円偏光としたものを、複屈折光学部材を通して、振動方向が互いに直角な２つの直線偏光として、これらの２つの光により被検査物体を照明し、被検査物体を透過したこれら２つの光、又は被検査物体で反射されたこれら２つの光を、複屈折光学部材を通して合成し、さらに、検光子を通してこれら２つの光を干渉させ、これら２つの光が被検査物体を透過し、又は被検査物体で反射されるときに発生する位相差に起因する干渉縞を、コントラストとして可視化し、その像を観察するものである。このような微分干渉顕微鏡の例は、例えば、特開平２−１５１８２５号公報（特許文献１）に記載されている。
特開平２−１５１８２５号公報

このような微分干渉顕微鏡では、一般に、照明光学系にはコンデンサレンズを使用し、結像レンズには対物レンズが使用される。結像光学系の複屈折光学部材は、対物レンズの後側焦点面近傍に配置され、照明光学系の複屈折光学部材は、コンデンサレンズの前側焦点面近傍、又は対物レンズの後側焦点面と共約な面の近傍に配置される。

上記のような複屈折光学材料としては、水晶、フッ化マグネシウム、サファイヤ、方解石等が知られている。複屈折光学材料には、水晶、フッ化マグネシウム等の正結晶の複屈折光学材料と、サファイヤ、方解石等の負結晶の複屈折光学材料とがあり、これらのうち何れを楔形として用いても、直線偏光又は楕円偏光を、振動方向が互いに直角な２つの直線偏光とすること、振動方向が互いに直角な２つの直線偏光を一つに合成することができる。

しかしながら、これらの複屈折光学材料の材料の１つのみを用いた場合、分離された２つの光の位相差に、入射角による角度依存性が発生する。これを打ち消すためには、結晶の正負の異なる複屈折光学材料を光路中に入れることが行われており、特許文献１に記載されている。

直線偏光又は楕円偏光を、振動方向が互いに直角な２つの直線偏光とするために、サファイヤ、方解石等の負結晶の複屈折光学材料を用いようとする場合、方解石は結晶がもろく研磨に耐えないので実用上使用することができず、実際には材料はサファイヤに限られるのが普通である。しかしながら、サファイヤは硬度が高いため、楔形に研磨することが非常に困難であるという問題があった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、製造が簡単で性能のよい複屈折光学部材を使用した微分干渉顕微鏡を提供することを課題とする。

前記課題を達成するための第１の手段は、微分干渉顕微鏡であって、その照明光学系の複屈折光学部材と、その結像光学系の複屈折光学部材とは、それぞれ、正結晶複屈折光学材料の楔形プリズムと、等方性光学材料の楔形プリズムとが接合されたものに、さらに、負結晶複屈折光学材料であるサファイヤの平行平面板が接合されて形成され、当該複屈折光学部材の入射面と射出面とはほぼ平行とされていることを特徴とする微分干渉顕微鏡である。

前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段であって、前記正結晶複屈折光学材料が、水晶であることを特徴とするものである。

正結晶複屈折光学材料の楔形プリズム、等方性光学材料の楔形プリズムのいずれに、負結晶複屈折光学材料であるサファイヤの平行平面板を貼り合わせるかは任意である。

なお、照明光学系を構成する光学部材と、結像光学系を構成する光学部材とは、１部が共用されていてもよい。また、第１の複屈折光学部材と第２の複屈折光学部材は１つの複屈折光学部材を共用することによって実現してもよく、このようなものも請求項に係る発明に含まれる。「ほぼ平行」とは、製作誤差の範囲で、平行から外れる場合をも含むことを意味する。「平行平面板」の平行も同じ意味である。

本手段においては、基本的な構成は、従来の微分干渉顕微鏡と変わるところはないが、２つの複屈折光学部材は、正結晶の複屈折光学材料の楔形プリズムと等方性光学材料の楔形プリズムとを貼り合わせたものに、さらに負結晶の複屈折光学材料であるサファイヤの平行平板とを貼り合わせ、その入射面と出射面をほぼ平行にしたものを使用している。

正結晶の複屈折光学材料としては水晶が代表的なものであり、研磨が容易であるので楔形の形状とすることが容易である。それに、ガラス等の等方性光学材料の楔形プリズムを貼り合わせ、貼り合わせたものの両面をほぼ平行にしている。「ほぼ平行」とは、製作誤差の範囲で、平行から外れる場合をも含むことを意味する。さらに、これに、負結晶の複屈折光学材料であるサファイヤの平行平板を貼り合わせている。従って、この複屈折光学材料においては、入射面と出射面がほぼ平行になり、結像性能が悪化することがない。

正結晶の複屈折光学材料の楔形プリズムは、直線偏光又は楕円偏光の光を、振動方向が互いに直交する２つの光に分割する作用を行い、等方性光学材料の楔形プリズムは、正結晶の複屈折光学材料の楔形プリズムと貼り合わせたものの両面をほぼ平行にする役割を果たしている。また、２つの直線偏光を１つに合成する作用は、正結晶の複屈折光学材料の楔形プリズムにより行われている。サファイヤは、分離された２つの光の位相差の、入射角による角度依存性を打ち消す作用を行っている。

又、本手段においては、３つの光学要素（正結晶の複屈折光学材料、等方性光学材料、サファイヤ）が貼り合わせて構成されているので、これらを単独で光路に挿入したときに生じる結晶軸の角度方向の位置合わせをする手間を省くことができる。

本発明によれば、製造が簡単で性能のよい複屈折光学部材を使用した微分干渉顕微鏡を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態である微分干渉顕微鏡の光学系の概要を示す図である。光源１よりの光は、コレクタレンズ２及び偏光子３を通って直線偏光とされる。そして第１の複屈折光学部材４を透過し、振動方向が互いに直角な２つの直線偏光に変換される。さらに、コンデンサレンズ５により、前記２つの直線偏光は互いに平行な直線偏光に変換され、被検査物体６のわずかに離れた位置を照明する。

被検査物体６を透過した２つの直線偏光は、対物レンズ７により偏向され、第２の複屈折光学部材８により１つの光束にまとめられる。１つの光束となった光は、検光子９を通ってベクトル合成されて干渉し、結像面に被検査物体６の像１０を結像する。２つの光が被検査物体６を透過するとき、両者の間にわずかの位相の違いが発生する。この位相の違いに起因して像１０には、干渉縞がコントラストとして可視化された像が表れ、それを観測することができる。

この例においては、第１の複屈折光学部材４は、コンデンサレンズ５の前側焦点面近傍に、光源側から、サファイヤの平行平板４ｂ、ガラス等の等方性物質からなる楔形プリズム４ｃ、水晶からなる楔形プリズム４ａを貼り合わせて形成され、その入射面と出射面とはほぼ平行とされている。

又、第２の複屈折光学部材８は、対物レンズ７の後側焦点面近傍に、被検査物体６側から、水晶からなる楔形プリズム８ａ、ガラス等の等方性物質からなる楔形プリズム８ｃ、サファイヤの平行平板８ｂを貼り合わせて形成され、その入射面と出射面とはほぼ平行とされている。

図２に、複屈折光学部材４、８の詳細図を示す。（ａ）は、複屈折光学部材４、（ｂ）は複屈折光学部材８を示し、ともにｚ軸を光軸にとっている。複屈折光学部材４は、前述のように、入射側より順に、サファイヤの平行平板４ｂ、光学的に等方性を示すガラス等の光学材料によって楔形に成形された等方性プリズム４ｃ、水晶の楔形に成形されたプリズム４ａとの接合によって構成されている。他方、複屈折光学部材８は入射側より順に水晶の楔形プリズム８ａ、等方性材料の楔形プリズム８ｃ、サファイヤの平行平板８ｂとの接合によって構成されている。

第１の複屈折光学部材４と第２の複屈折光学部材８の楔形に成形された側の接合面４ｓ、８ｓは、光軸ｚに直交する平面を光軸ｚに直交する回転軸の周りに楔角だけ回転した位置にあり、両回転軸は互いにほぼ平行であり、楔角の回転方向は両接合面４ｓ、８ｓで同方向となっている。第１の複屈折光学部材４の水晶の楔形プリズム４ａ、サファイヤの平行平板４ｂの光学軸角４ａｘ、４ｂｘは接合面４ｓにほぼ平行で、光軸ｚに直交する方向、すなわち紙面に垂直な方向（図中＋印）に配置されている。

第２の複屈折光学部材８の水晶の楔形プリズム８ａ、サファイヤの平行平板８ｂの光学軸角８ａｘ、８ｂｘは第１の複屈折光学部材４の光学軸角４ａｘ、４ｂｘと光軸ｚの双方に直交する方向、すなわち紙面に平行な方向（図中矢印）に配置されている。

図３は、本発明の第２の実施の形態である微分干渉顕微鏡の光学系の概要を示す図である。以下の図において、前出の図において示された構成要素と同じ構成要素には、同じ符号を付してその説明を省略することがある。

光源１よりの光は、コレクタレンズ２及び偏光子３を通って直線偏光とされ、ビームスプリッタ１１により反射される。そして複屈折光学部材１２を透過し、振動方向が互いに直角な２つの直線偏光に変換され、対物レンズ１３により、被検査物体６を照明する。

被検査物体６で反射された２つの光は、対物レンズ１３により偏向され、複屈折光学部材１２により１つの光束にまとめられ、ビームスプリッタ１１を透過する。１つの光束となった光は、検光子９を通ってベクトル合成されて干渉し、結像面に被検査物体６の像１０を結像する。２つの光が被検査物体６で反射されるとき、両者の間にわずかの位相の違いが発生する。この位相の違いに起因して像１０には、干渉縞がコントラストとして可視化された像が表れ、それを観測することができる。

図４に複屈折光学部材１２の詳細図を示す。複屈折光学部材１２は、前述のように、入射側より順にサファイヤの平行平板１２ｂ、等方性材料の楔形プリズム１２ｃ、水晶の楔形プリズム１２ａとの接合によって構成されている。複屈折光学部材１２の水晶の楔形プリズム１２ａ、サファイヤの平行平板１２ｂの光学軸角１２ａｘ、１２ｂｘは紙面に平行な方向（図中矢印）に配置されている。

図５は、本発明の第３の実施の形態である微分干渉顕微鏡の光学系の概要を示す図である。光源１よりの光は、コレクタレンズ２及び偏光子３を通って直線偏光とされる。そして第１の複屈折光学部材４を透過し、振動方向が互いに直角な２つの直線偏光に変換され、コンデンサレンズ５により、被検査物体６を照明する。

被検査物体６を透過した２つの光は、対物レンズ７により偏向され、第２の複屈折光学部材８により１つの光束にまとめられる。１つの光束となった光は、検光子９を通ってベクトル合成されて干渉し、ズームレンズ１４に入り、更に結像レンズ１５を通って被検査物体６の像１０を結像面に結像する。本実施の形態においては、ズームレンズ１４が設けられているので、倍率を連続的に可変とすることができる。

２つの光が被検査物体６を透過するとき、両者の間にわずかの位相の違いが発生する。この位相の違いに起因して像１０には、干渉縞がコントラストとして可視化された像が表れ、それを観測することができる。

この例においては、第１の複屈折光学部材４は、光源側から、サファイヤの平行平板４ｂ、ガラス等の等方性物質からなる楔形プリズム４ｃ、水晶からなる楔形プリズム４ａを貼り合わせて形成され、その入射面と出射面とはほぼ平行とされている。

又、第２の複屈折光学部材８は、被検査物体６側から、水晶からなる楔形プリズム８ａ、ガラス等の等方性物質からなる楔形プリズム８ｃ、サファイヤの平行平板８ｂを貼り合わせて形成され、その入射面と出射面とはほぼ平行とされている。

この第３の実施の形態は、対物レンズ７の後側焦点面が対物レンズ７の内部にある例であり、図６（ａ）、（ｂ）はこのとき用いる複屈折光学部材４、８の詳細図を示す。第１の複屈折光学部材４の詳細は、図２に示したものと同じであるが、この場合、第２の複屈折光学部材８の光線分離位置は第２の複屈折光学部材８の外部に存在しなければならない、そのため、図６（ｂ）に示すように水晶の楔形プリズム８ａ、等方性プリズム８ｃ、サファイヤの平行平板８ｂで構成し、８ａの光学軸８ａｘの方向（図中矢印）を紙面に対して平行でかつプリズム入射面に対して角度θを取るように配置している。この構成により、複屈折光学部材８の光線分離位置を複屈折光学部材８の外に配置することができる。このθは、対物レンズの後側焦点面近傍に複屈折光学部材８の光線分離面がくるような角度とすればよい。なお、実施の形態１、２ともに対物レンズの後側焦点面が対物レンズ外部にあるものとしたが、対物レンズ内部にある場合には実施の形態３の第２の複屈折光学部材８と同様に光学軸角をプリズム入射面に対して傾ければよい。

また、光学材料を貼り合わせる順序は、本実施例に限られるものではなく、例えば、ガラス、水晶、サファイヤの順序としてもよい。サファイヤは入射側、射出側のいずれに設けてもよい。

本発明の第１の実施の形態である微分干渉顕微鏡の光学系の概要を示す図である。 複屈折光学部材の詳細を示す図である。 本発明の第２の実施の形態である微分干渉顕微鏡の光学系の概要を示す図である。 複屈折光学部材の詳細を示す図である。 本発明の第３の実施の形態である微分干渉顕微鏡の光学系の概要を示す図である。 複屈折光学部材の詳細を示す図である。

符号の説明

１…光源、２…コレクタレンズ、３…偏光子、４…第１の複屈折光学部材、４ａ…水晶の楔形プリズム、４ｂ…サファイヤの平行平板、４ｃ…等方性物質の楔形プリズム、４ａｘ…光学軸角、４ｂｘ…光学軸角、５…コンデンサレンズ、６…被検査物体、７…対物レンズ、８…第２の複屈折光学部材、８ａ…水晶の楔形プリズム、８ｂ…サファイヤの平行平板、８ｃ…等方性物質の楔形プリズム、８ａｘ…光学軸角、８ｂｘ…光学軸角、９…検光子、１０…像、１１…ビームスプリッタ、１２…複屈折光学部材、１２ａ…水晶の楔形プリズム、１２ｂ…サファイヤの平行平板、１２ｃ…等方性物質の楔形プリズム、１２ａｘ…光学軸角、１２ｂｘ…光学軸角、１３…対物レンズ、１４…ズームレンズ、１５…結像レンズ、

Claims (2)

1. 微分干渉顕微鏡であって、その照明光学系の複屈折光学部材と、その結像光学系の複屈折光学部材とは、それぞれ、正結晶複屈折光学材料の楔形プリズムと、等方性光学材料の楔形プリズムとが接合されたものに、さらに、負結晶複屈折光学材料であるサファイヤの平行平面板が接合されて形成され、当該複屈折光学部材の入射面と射出面とはほぼ平行とされていることを特徴とする微分干渉顕微鏡。
2. 前記正結晶複屈折光学材料は、水晶であることを特徴とする請求項１に記載の微分干渉顕微鏡。

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