JP5389523B2

JP5389523B2 - 光学顕微鏡

Info

Publication number: JP5389523B2
Application number: JP2009111398A
Authority: JP
Inventors: 美香村井; 日出樹小渕
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2009-04-30
Filing date: 2009-04-30
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2029-04-30
Also published as: JP2010262070A

Description

本発明は、微分干渉観察と明視野観察或いは微分干渉観察と暗視野観察が可能な光学顕微鏡に関する。

従来、例えば、半導体ウェハ上に形成された回路パターンのように、表面上に微小な凹凸が形成され、全面でほぼ一様な反射率を有する標本の観察には、光の干渉を利用し、微小な凹凸に対応する光の位相差を明暗のコントラストに変換して観察像を形成する微分干渉観察を行うことができる光学顕微鏡が用いられている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−２７５５３３号公報

ところで、通常、微分干渉観察用の光学顕微鏡は、直交した２つの偏光を生成して干渉させる光学素子としてのポラライザ、アナライザおよび偏光プリズムが明視野観察あるいは暗視野観察を行う光学顕微鏡に付加されている。そして、明視野観察を行う際は、前記ポラライザ、アナライザ及び偏光プリズムを光学系から外す必要がある。一方、暗視野観察を行う際は、リング状に絞った光を入射させるために明視野観察状態からリング絞り又はハーフミラーを抜き、穴あきミラーを光路内に配置する必要があった。このため、微分干渉観察用の光学顕微鏡は、観察方式を切り替える場合に顕微鏡本体から多くの光学部品を抜き差ししなければならず、抜き差しする光学部品の保管や切替操作が煩雑であるという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、観察方式を切り替える際に抜き差しする光学部品の数を低減し、切替操作が容易な光学顕微鏡を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の光学顕微鏡は、光源から出射された光を反射させるハーフミラーを有する照明光学系と、前記ハーフミラーによって反射した光束を対物レンズによって標本に照射し、前記標本から反射した光束を前記対物レンズ、前記ハーフミラー及び結像レンズを介して結像させて前記標本を観察する観察光学系とを備えた光学顕微鏡において、前記ハーフミラーを偏光ビームスプリッタとすると共に、前記観察光学系は、前記偏光ビームスプリッタと前記対物レンズとの間の光軸上に切替自在に配置される微分干渉プリズムと四分の一波長板とを有することを特徴とする。

また、本発明の光学顕微鏡は、上記の発明において、前記偏光ビームスプリッタは、ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタであることを特徴とする。

また、本発明の光学顕微鏡は、上記の発明において、前記微分干渉プリズムと四分の一波長板は、ユニット化されていることを特徴とする。

また、本発明の光学顕微鏡は、上記の発明において、前記四分の一波長板の直径は、前記ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタで反射して前記対物レンズへ入射する光束の直径よりも小さいことを特徴とする。

本発明の光学顕微鏡は、ハーフミラーを偏光ビームスプリッタとすると共に、観察光学系は、偏光ビームスプリッタと対物レンズとの間の光軸上に切替自在に配置される微分干渉プリズムとλ／４波長板とを有するので、観察方式を切り替える際に抜き差しする光学部品の数が低減されるうえ、観察方式の切替操作が容易な光学顕微鏡になるという効果を奏する。

図１は、実施の形態１の光学顕微鏡の構成を示す概略側面図である。図２は、偏光ビームスプリッタと対物レンズとの間の光軸上に切替自在に配置される微分干渉プリズムと四分の一波長板とを有するスライダユニットを示すレボルバの水平断面図である。図３は、実施の形態１の光学顕微鏡における照明光学系と観察光学系の概略構成を示す図である。図４は、観察方式を図１の微分干渉観察から明視野観察に切り替えたスライダユニットを示すレボルバの水平断面図である。図５は、図４に示す状態における照明光学系と観察光学系の概略構成を示す図である。図６は、実施の形態２の光学顕微鏡で使用するスライダユニットを示すレボルバの水平断面図である。図７は、図６に示す状態における照明光学系と観察光学系の概略構成を示す図である。図８は、図６に示すスライダユニットを移動して暗視野観察に切り替えたスライダユニットを示すレボルバの水平断面図である。図９は、微分干渉観察、明視野観察或いは暗視野観察への切り替えを可能としたスライダユニットを挿着したレボルバの水平断面図である。

以下、本発明にかかる光学顕微鏡の実施の形態について図面を参照して説明する。本発明は、実施の形態に限らず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば、種々の変形が可能である。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１の光学顕微鏡の構成を示す概略側面図であり、図２は、偏光ビームスプリッタと対物レンズとの間の光軸上に切替自在に配置される微分干渉プリズムと四分の一波長板とを有するスライダユニットを挿着したレボルバの水平断面図である。

光学顕微鏡１は、落射同軸型の顕微鏡であり、図１に示すように、ベース部２と支持部３とアーム部４とを一体的に備えている。ベース部２は、光学顕微鏡１を所定箇所に設置する部分であり、奥側に支持部３が立設されている。支持部３は、このように設けることでベース部２と支持したアーム部４との間にステージ５の昇降動作に必要なスペースを確保している。アーム部４は、支持部３の上端から手前前方側にベース部２に対向するように延在されている。アーム部４は、一端に観察用の光を出射する光源７が設けられ、他端上部には接眼レンズ８を設けた鏡筒９が配置されている。鏡筒９は、内部に結像レンズ９ａが設けられている。また、アーム部４は、下部の鏡筒９と対向する位置に複数の対物レンズ１０を着脱自在に取り付けたレボルバ１１が設けられている。レボルバ１１には、観察方式を切り替えるスライダユニット１２がＸ軸方向へ移動自在に挿着されている。

スライダユニット１２は、図２に示すように、板状のホルダ１２ａにノマルスキープリズム、即ち、微分干渉プリズム（以下、「ＤＩＣプリズム」という)１２ｂと四分の一波長板（以下、「λ／４板」という）１２ｃが保持されてユニット化されており、ホルダ１２ａの側面にはスライド操作用の操作つまみ１２ｄを設けた操作軸１２ｅが取り付けられている。スライダユニット１２は、ホルダ１２ａとホルダ１２ａのスライドを案内するガイド部材１３がレボルバ１１の内部に設置されている。そして、スライダユニット１２は、レボルバ１１の壁面から延出した操作軸１２ｅの端部に設けられた操作つまみ１２ｄを把持して操作することにより、ホルダ１２ａがガイド部材１３に案内されて矢印で示す方向へスライドする。このとき、ホルダ１２ａの矢印方向へのスライド位置は、ガイド部材１３に設けた規制部材１３ａによって規制される。また、図２は、微分干渉プリズム１２ｂを観察光学系ＯOの光軸ＡO上に配置した状態を示している。

ここで、ステージ５は、観察対象となる標本６を載置する可動ステージであり、図１に示すように、ベース部２の側部にステージ５を昇降移動させる焦準ハンドル２ａが設けられている。ステージ５は、焦準ハンドル２ａを回転操作することによって対物レンズ１０の光軸方向（Ｚ軸方向）に移動可能であり、このようにして標本６と対物レンズ１０との相対距離を変化させることで焦点合わせを行う。また、ステージ５は、図１に示すＸ軸方向及びＹ軸方向に移動可能であり、このＸ，Ｙ軸方向への移動により標本６の拡大像を接眼レンズ８の視野の中央に移動させる。

そして、アーム部４は、図１及び図３に示すように、内部に光源７側から順に照明レンズ１４、開口絞り１５、視野絞り１６、照明レンズ１７及びワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ（以下、単に「ＰＢＳ」という）１８が配置されている。これら照明レンズ１４〜ＰＢＳ１８は、光源７と共に光学顕微鏡１の落射同軸型の照明光学系ＯIを構成している。また、結像レンズ９ａ、ＰＢＳ１８及び対物レンズ１０は、観察光学系ＯOを構成している。ここで、ＰＢＳ１８は、反射する直線偏光の振動方向に対してλ／４板１２ｃとの角度が４５°傾斜するように、λ／４板１２ｃに対して配置する。

このとき、視野絞り１６は、光源７の中心Ｃと対物レンズ１０の後ろ側焦点とが視野絞り１６に関して共役関係となるように配置する。また、ＰＢＳ１８の反射面は、光源７が出射した光束の光軸、即ち、照明光学系ＯIの光軸ＡIと対物レンズ１０の光軸、即ち、観察光学系ＯOの光軸ＡOとの交点上にくるように配置する。

以上のように構成される光学顕微鏡１は、標本６を微分干渉観察する場合には、操作つまみ１２ｄを操作してスライダユニット１２を移動させ、図２に示すように、微分干渉プリズム１２ｂを観察光学系ＯOの光軸ＡO上に配置する。これにより、光学顕微鏡１においては、光源７が出射した光束は、図３に示すように、光軸ＡI上に配置された照明レンズ１４、開口絞り１５、視野絞り１６および照明レンズ１７を通って平行な光束としてＰＢＳ１８へ導かれる。

このとき、ＰＢＳ１８は、図３に示すように、所定振動方向の直線偏光を観察光学系ＯOの光軸ＡOに沿って微分干渉プリズム１２ｂの方向へ反射する。そして、この直線偏光は、微分干渉プリズム１２ｂにおいて振動方向が互いに直交する２つの直線偏光に分割され、２つの直線偏光が異なる方向に出射される。この２つの直線偏光は、対物レンズ１０で集光され、標本６に照射される。

照射された２つの直線偏光は、図３に示すように、標本６によって観察光として反射され、再度、対物レンズ１０を通って微分干渉プリズム１２ｂに入射する。微分干渉プリズム１２ｂは、この２つの直線偏光を同軸に合成し、光軸ＡOと平行に出射する。合成された２つの直線偏光は、ＰＢＳ１８を透過し、結像レンズ９ａを介して接眼レンズ８に入射する。

このとき、標本６の表面に凹凸が存在すると、反射光に光路差が生じる。このため、微分干渉プリズム１２ｂが合成した２つの直線偏光に基づく２つの象は、干渉を起こし、位相差に基づく明暗のコントラストを持つ微分干渉像を生じる。そして、微分干渉プリズム１２ｂを透過した光がＰＢＳ１８に入射すると、ＰＢＳ１８は、微分干渉プリズム１２ｂで合成された２つの直線偏光のみを透過させ、他の光を遮断する。このため、光学顕微鏡１は、接眼レンズ８を通して明暗のある立体的な微分干渉像を目視観察することができる。

一方、標本６を明視野観察する場合、光学顕微鏡１は、操作つまみ１２ｄを操作してスライダユニット１２を移動させ、図４及び図５に示すように、λ／４板１２ｃを観察光学系ＯOの光軸ＡO上に配置する。

これにより、光学顕微鏡１においては、上述のように光源７が出射した平行光束がＰＢＳ１８に到達すると、図５に示すように、ＰＢＳ１８が所定振動方向の直線偏光を観察光学系ＯOの光軸ＡOに沿ってλ／４板１２ｃの方向へ反射する。そして、この直線偏光は、λ／４板１２ｃによって円偏光に変換された後、対物レンズ１０で集光され、標本６に照射される。

照射された円偏光は、図５に示すように、標本６によって観察光として反射され、再度、対物レンズ１０、λ／４板１２ｃ、ＰＢＳ１８及び結像レンズ９ａを経て接眼レンズ８を通して明視野像として目視観察される。このとき、標本６から反射してくる円偏光は、λ／４板１２ｃによって直線偏光に変換され、この直線偏光は、所定振動方向の直線偏光のみがＰＢＳ１８を透過する。このため、光学顕微鏡１は、接眼レンズ８を通して標本６の明視野像を目視観察することができる。

このように、光学顕微鏡１は、ハーフミラーに代えてＰＢＳ１８を使用することによって、ハーフミラーを用いる場合に使用したポラライザとアナライザが不要となり、ユニット化されたスライダユニット１２を移動させるだけで、微分干渉観察と明視野観察とに容易に切り替えることができる。また、光学顕微鏡１は、ハーフミラーに代えてＰＢＳ１８を使用するので、ＰＢＳ１８による光量の減少量はハーフミラーによる光量の減少量より少ないため観察像の明るさが増加するという利点がある。

しかも、光学顕微鏡１は、ポラライザとアナライザが不要であることに加えて、微分干渉プリズム１２ｂとλ／４板１２ｃがユニット化されている。このため、光学顕微鏡１は、従来の光学顕微鏡のように光路から多くの光学部品を顕微鏡本体から抜き差しする必要がないため、抜き差しする光学部品を保管する煩雑さからも解放され、更にはダミースライダーが不要になるという利点がある。

また、光学顕微鏡１は、ＰＢＳ１８としてワイヤグリッド偏光ビームスプリッタを使用し、ポラライザとアナライザが不要なことから、キューブ型の偏光ビームスプリッタを使用する場合に比べて照明光学系ＯI或いは観察光学系ＯOを一層軽量化することができる。

（実施の形態２）
次に、実施の形態２にかかる光学顕微鏡について説明する。実施の形態１の光学顕微鏡は、微分干渉観察と明視野観察が可能であったが、本実施の形態２の光学顕微鏡は、微分干渉観察と暗視野観察を可能にしている。図６は、実施の形態２の光学顕微鏡が備えるスライダユニット１２Ａを挿着したレボルバの水平断面図である。ここで、以下の説明において、実施の形態２の光学顕微鏡は、実施の形態１の光学顕微鏡とスライダユニットの構成が異なるだけであるので、同一の構成要素には同一の符号を付している。

スライダユニット１２Ａは、図６に示すように、ホルダ１２ａに微分干渉プリズム１２ｂとλ／４板１２ｆが保持されている。λ／４板１２ｆは、複数の支持ピン１２ｇによってホルダ１２ａに支持されており、外周とホルダ１２ａとの間は周方向に沿って複数の開口１２ｈが形成されている。

このため、スライダユニット１２Ａがレボルバ１１の内部にスライド自在に設置された実施の形態２の光学顕微鏡は、操作つまみ１２ｄを操作してスライダユニット１２Ａを移動させ、図６及び図７に示すように、微分干渉プリズム１２ｂを観察光学系ＯOの光軸ＡO上に配置すれば、実施の形態１で説明したように、標本６を微分干渉観察することができる。

一方、標本６を暗視野観察する場合、実施の形態２の光学顕微鏡は、操作つまみ１２ｄを操作してスライダユニット１２Ａを移動させ、図６及び図８に示すように、λ／４板１２ｆを観察光学系ＯOの光軸ＡO上に配置する。

これにより、実施の形態２の光学顕微鏡においては、光源７が出射した平行光束がＰＢＳ１８に到達すると、図８に示すように、ＰＢＳ１８が所定振動方向の直線偏光を観察光学系ＯOの光軸ＡOに沿ってλ／４板１２ｆの方向へ反射する。そして、この直線偏光のうちλ／４板１２ｆを通過した直線偏光は、λ／４板１２ｆによって円偏光に変換された後、対物レンズ１０で集光され、標本６に照射される。一方、直線偏光のうちλ／４板１２ｆの外周側を通過した直線偏光は、直線偏光の状態で対物レンズ１０によって集光された後、標本６に照射される。

そして円偏光は、図８に示すように、標本６によって観察光として反射され、再度、対物レンズ１０、λ／４板１２ｆ、ＰＢＳ１８及び結像レンズ９ａを経て接眼レンズ８を通して明視野像として目視観察される。このとき、標本６から反射してくる円偏光は、λ／４板１２ｆによって直線偏光に変換され、この直線偏光は、所定振動方向の直線偏光のみがＰＢＳ１８を透過する。但し、標本６によって反射され直線偏光は、同様の経路を通過するが、ＰＢＳ１８を透過するのは所定振動方向の直線偏光のみのため殆どの直線偏光がカットされてしまう。このため、光学顕微鏡は、λ／４板１２ｆを通過し、ＰＢＳ１８を透過した所定振動方向の直線偏光に基づく暗視野像を目視観察することができる。

このように、実施の形態２の光学顕微鏡は、上述した実施の形態１の光学顕微鏡１が奏する効果に加え、λ／４波長板の直径をＰＢＳ１８で反射して対物レンズ１０へ入射する光束の直径よりも小さくするので、スライダユニット１２Ａを移動させるだけで、微分干渉観察と暗視野観察とに容易に切り替えて観察することができる。

尚、スライダユニットは、図９に示すスライダユニット１２Ｂのように、ホルダ１２ａに微分干渉プリズム１２ｂ、λ／４板１２ｃ及びλ／４板１２ｆを保持する構成としてもよい。このように構成したスライダユニット１２Ｂを用いると、光学顕微鏡１は、スライダユニット１２Ｂを移動させることによって観察光学系ＯOの光軸ＡO上に配置する光学部品を微分干渉プリズム１２ｂ、λ／４板１２ｃ或いはλ／４板１２ｆに切り替えることで、微分干渉観察、明視野観察或いは暗視野観察へと容易に切り替えて標本６を観察することができる。

また、一般に、微分干渉観察を行うことができる従来の光学顕微鏡は、微分干渉プリズムを挿脱配置するための挿脱孔が装備されている。このため、スライダユニット１２は、そのような一般的な挿脱孔に対応した形状に成形しておけば、一般的な挿脱孔に対して挿着することで、従来の光学顕微鏡に対しても汎用的に使用することができる。

以上のように、本発明の光学顕微鏡は、観察方式を切り替える際に抜き差しする光学部品の数を低減し、観察方式を切り替える際の切替操作を容易にするうえで有用である。

１光学顕微鏡
２ベース部
３支持部
４アーム部
５ステージ
６標本
７光源
８接眼レンズ
９鏡筒
９ａ結像レンズ
１０対物レンズ
１１レボルバ
１２，１２Ａ，１２Ｂスライダユニット
１２ａホルダ
１２ｂ微分干渉プリズム
１２ｃ λ／４板
１２ｄ操作つまみ
１２ｅ操作軸
１２ｆ λ／４板
１２ｇ支持ピン
１２ｈ開口
１３ガイド部材
１４照明レンズ
１５開口絞り
１６視野絞り
１７照明レンズ
１８ＰＢＳ
ＡO 観察光学系の光軸
ＡI 照明光学系の光軸
ＯO 観察光学系
ＯI 照明光学系

Claims

光源から出射された光を反射させるハーフミラーを有する照明光学系と、前記ハーフミラーによって反射した光束を対物レンズによって標本に照射し、前記標本から反射した光束を前記対物レンズ、前記ハーフミラー及び結像レンズを介して結像させて前記標本を観察する観察光学系とを備えた光学顕微鏡において、
前記ハーフミラーをワイヤグリッド偏光ビームスプリッタとすると共に、
前記観察光学系は、前記ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタと前記対物レンズとの間の光軸上に切替自在に配置される微分干渉プリズムおよび四分の一波長板を有し、
前記四分の一波長板の直径は、前記ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタで反射して前記対物レンズへ入射する光束の直径よりも小さいことを特徴とする光学顕微鏡。
前記微分干渉プリズムと前記四分の一波長板とは、ユニット化されていることを特徴とする請求項１に記載の光学顕微鏡。