JPH09288237A

JPH09288237A - 暗視野落射顕微鏡

Info

Publication number: JPH09288237A
Application number: JP17243796A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Tamura; 雄一田村
Original assignee: BUNSHI BIO PHOTONICS KENKYUSHO; Bunshi Biophotonics Kenkyusho KK
Current assignee: BUNSHI BIO PHOTONICS KENKYUSHO; Bunshi Biophotonics Kenkyusho KK
Priority date: 1996-02-20
Filing date: 1996-07-02
Publication date: 1997-11-04

Abstract

(57)【要約】【課題】照明光を高効率かつ一様に被測定物に照射し
て、コントラストのよい光像を観察する。【解決手段】光源１０から出力された照明光Ａは、コ
レクタレンズ１１、開口絞り１４、視野絞り１５および
コリメータレンズ１６を経て、二重円錐鏡３０に入射し
て、殆ど損失なく平行輪帯光束に成形される。平行輪帯
光束とされた照明光Ａは、輪帯リレーレンズ４０、輪帯
反射鏡４３および輪帯リレーレンズ４１と４２を経て、
やはり殆ど伝送損失なくコンデンサレンズ５０に入射す
る。照明光Ａは、コンデンサレンズ５０によって被測定
物６０表面に高効率に集光照射される。これに伴って発
生した散乱光Ｂは、対物レンズ７０を経て光検出器９０
で像が検出される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、暗視野落射方式で
被測定物を照射して、その被測定物から発した光束（散
乱光または蛍光）に基づいて被測定物を観察する暗視野
落射顕微鏡に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】暗視野落射顕微鏡は、被測定物を暗視野
方式で照明するため、光学系のフレアーノイズが殆どな
く、コントラスト（Ｓ／Ｎ比）の非常に良い光学像が得
られ、被測定物からの微弱な散乱光や蛍光を観察するこ
とができるものである。図２３は、従来型の暗視野落射
顕微鏡の光学系を示す図である。

【０００３】この暗視野落射顕微鏡においては、光源１
０から出力された照明光Ａは、先ず、コレクタレンズ１
１とコリメータレンズ１６とによって略平行光束とされ
る。この平行光束とされた照明光Ａは、遮光板２０によ
って光軸近傍の光束が遮光され、光軸から離れた光束部
分のみが透過して輪帯形状の光束に成形される。輪帯光
束とされた照明光Ａは、輪帯反射鏡４３で反射され、拡
散板２１で拡散され、コンデンサレンズ５０によって被
測定物６０の表面に集光照射される。ここで拡散板２１
は、被測定物６０の所定領域に照明光Ａを一様に照明す
るためのものであり、コンデンサレンズ５０は、通常の
球面レンズまたは反射鏡の中心部をくり貫いたものであ
る。このようにして照明光Ａが照射された被測定物６０
で発生した散乱光Ｂは、対物レンズ７０に入射し、輪帯
反射鏡４３の中央の孔部を通過して、光検出器９０で検
出される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の暗視野落射顕微鏡では、光源１０から出力された照
明光Ａのうち遮光板２０によって光軸から離れた光束部
分のみを透過させて、これをコンデンサレンズ５０に入
射させることから、照明光Ａの利用効率が悪い。例え
ば、図２４に示すようなコンデンサレンズ５０と対物レ
ンズ７０とからなる暗視野対物レンズ（照明光Ａの入射
側から見た平面図）について照明光Ａの利用効率を説明
する。この図に示した暗視野対物レンズの各部の寸法は
一般的な値であり、ここでは、コンデンサレンズ５０の
内径を１８ｍｍ、外形を２４ｍｍとする。このようなコ
ンデンサレンズ５０に照明光Ａを輪帯光束として入射さ
せる場合に、光源１０から出力された照明光Ａの遮光板
２０における最大利用効率η₁は、 η₁ ＝（１２² −９² ）／１２² ＝０．４３ … (1) となる。

【０００５】また、遮蔽板２０から拡散板２１に到るま
での光路は幅が狭く長いために、これに起因して、照明
光Ａがコンデンサレンズ５０に到達する効率が悪くな
る。例えば、図２５に示すような視野絞り１５からコン
デンサレンズ５０に到るまでの光学系について照明光Ａ
の利用効率を説明する。この図においても光学要素間の
距離などについては一般的な数値を示しており、視野絞
り１５の径を１２ｍｍとし、コンデンサレンズ５０の内
径を１８ｍｍ、外形を２４ｍｍとし、視野絞り１５とコ
リメータレンズ１６との間の光路長すなわちコリメータ
レンズ１６の焦点距離を２００ｍｍとし、コリメータレ
ンズ１６とコンデンサレンズ５０との間の光路長を１５
０ｍｍとする。

【０００６】このような光学系において、視野絞り１５
を通過した照明光Ａの全てがコンデンサレンズ５０に入
射するのではない。すなわち、視野絞り１５の中央付近
から出射した光束Ａ１（図中で実線で示されている光
束）はコンデンサレンズ５０に入射する。しかし、視野
絞り１５の周辺部から出射した光束Ａ２（図中で波線で
示されている光束）や、視野絞り１５の中心から４ｍｍ
離れた地点から出射した光束Ａ３（図中で点線で示され
ている光束）は、コンデンサレンズ５０に入射しない。
すなわち、視野絞り１５から出射した照明光Ａのうち一
部分しかコンデンサレンズ５０に到達しないことになっ
て、照明光Ａの利用効率が低下する。

【０００７】この場合、視野絞り１５を通過した照明光
Ａがコンデンサレンズ５０に入射する効率η₂ は、以下
のようにして求められる。まず、顕微鏡の画角（明視野
落射照明の画角）αは、視野数（２４ｍｍ）の半分すな
わち像高半径（１２ｍｍ）と結像レンズ（コリメータレ
ンズ）１６の焦点距離（２００ｍｍ）とから、 α≒１２／２００＝０．０６ｒａｄ＝３．６゜ … (2) で求められ、また、照明光Ａの画角βは、コリーメータ
レンズ１６からコンデンサレンズ５０までの光路の幅
（３ｍｍ）と長さ（１５０ｍｍ）とから、 β≒３／１５０＝０．０２ｒａｄ＝１．２゜ … (3) で求められる。したがって、照明光Ａの使用効率（暗視
野照明の明視野照明に対する比）η₂ は、 η₂ ＝β² ／α² ＝０．１１ … (4) となる。

【０００８】また、このような照明光学系の場合には、
被測定物６０上の照明範囲を確保することができない。
そこで、従来では、一定の広さの照明範囲を確保するた
めに、照明光学系の共役関係を崩し、コンデンサレンズ
５０の収差や拡散板２１を利用して必要な照明範囲を確
保していた。しかし、照明光学系の共役を崩すと、絞り
機能が作用しなくなる。このように、照明範囲の確保と
調整は両立し得なかった。

【０００９】また、一般には臨界照明法が用いられてお
り、光源１０の像が被測定物６０の表面に結像される。
したがって、光源１０からの照明光Ａの出射強度分布が
一様でなく不均一である場合には、被測定物６０に照射
される照明光Ａの強度分布も不均一となり、光検出器９
０で検出する散乱光の像は不正確なものとなる。そこ
で、従来より、照明範囲の極めて狭い１００倍程度の高
倍率対物レンズの場合を除いて、被測定物６０上の所定
領域に照明光Ａを一様に照射するために拡散板２１を通
常使用している。したがって、照明光Ａは拡散板２１か
ら拡散して出射され、コンデンサレンズ５０に入射する
効率η₃ は数分の一になる。

【００１０】以上より、光源１０から出射された照明光
Ａのうち被測定物６０に照射される効率ηは、η₁ 、η
₂ およびη₃ の積で与えられ、その値は百分の一程度に
なる。このように照明光Ａの利用効率が悪いことから、
光検出器９０で観察する被測定物６０の像が暗い。ま
た、照明範囲を限定・調整することができず、像のコン
トラストを改善することも困難であった。このことは、
被測定物６０から発生する散乱光が微弱であったり、被
測定物６０に含まれる蛍光物質から発生する蛍光が微弱
である場合には、特に大きな問題であった。

【００１１】本発明は、上記問題点を解消する為になさ
れたものであり、光源から出力された照明光を高効率か
つ一様に被測定物に照射して、コントラストのよい光像
を観察することができる暗視野落射顕微鏡を提供するこ
とを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る暗視野落
射顕微鏡は、(1) 第１の光束を出力する光源部と、(2)
第１の光束を入力し輪帯形状に成形して出力する輪帯光
束形成手段と、(3) 輪帯形状の第１の光束を伝送するリ
レーレンズ系と、(4) リレーレンズ系から出力された第
１の光束を入力し被測定物の所定領域に集光照射する輪
帯形状のコンデンサレンズと、(5) コンデンサレンズの
内側に同軸に配置され、第１の光束が照射された被測定
物の所定領域から発した第２の光束を入力し、所定位置
に結像する対物レンズと、(6) 対物レンズで結像された
第２の光束を検出する光検出手段と、を備えることを特
徴とする。

【００１３】この暗視野落射顕微鏡は以下のように作用
する。光源部から出力された第１の光束（照明光または
励起光）は、輪帯光束形成手段によって光束の損失が殆
ど無く輪帯形状とされ、リレーレンズ系によって伝送損
失が殆ど無くコンデンサレンズまで伝送される。したが
って、光源部から出力された第１の光束の大部分が、コ
ンデンサレンズによって被測定物の所定領域に集光照射
されるので、その所定領域から発生する第２の光束（散
乱光または蛍光）の強度は大きい。そして、この第２の
光束は、対物レンズを経て光検出手段によって検出され
る。

【００１４】請求項２に係る暗視野落射顕微鏡は、請求
項１記載の暗視野落射顕微鏡であって、さらに、輪帯光
束形成手段が、第１の光束を輪帯幅および光束径が略一
定の平行輪帯形状として出力するとともに、リレーレン
ズ系が、その平行輪帯形状とされた第１の光束を略一定
径のまま伝送する１または２以上の輪帯リレーレンズを
備える、ことを特徴とする。この場合、輪帯光束形成手
段により平行輪帯形状とされた第１の光束は、１または
２以上の輪帯リレーレンズからなるリレーレンズ系によ
り伝送される。

【００１５】請求項３に係る暗視野落射顕微鏡は、請求
項２記載の暗視野落射顕微鏡であって、さらに、輪帯光
束形成手段が、円錐形状または円錐台形状の側面に形成
された第１の反射鏡と円錐台内壁側面に形成された第２
の反射鏡とを備えることを特徴とするものであり、光源
部から出力された第１の光束を第１および第２の反射鏡
で順次反射させて平行輪帯形状として出力する。

【００１６】請求項４に係る暗視野落射顕微鏡は、請求
項２記載の暗視野落射顕微鏡であって、さらに、輪帯光
束形成手段が、それぞれ回転対称形状である第１のプリ
ズムと第２のプリズムとを備えることを特徴とするもの
であり、光源部から出力された第１の光束を第１および
第２のプリズムで順次屈折させて平行輪帯形状として出
力する。

【００１７】請求項５に係る暗視野落射顕微鏡は、請求
項２記載の暗視野落射顕微鏡であって、さらに、輪帯光
束形成手段が、円盤形状の反射型の第１の回折格子と輪
帯形状の反射型の第２の回折格子とを備えることを特徴
とするものであり、光源部から出力された第１の光束を
第１および第２の回折格子で順次回折させて平行輪帯形
状として出力する。

【００１８】請求項６に係る暗視野落射顕微鏡は、請求
項２記載の暗視野落射顕微鏡であって、さらに、輪帯光
束形成手段が、円盤形状の透過型の第１の回折格子と輪
帯形状の透過型の第２の回折格子とを備えることを特徴
とするものであり、光源部から出力された第１の光束を
第１および第２の回折格子で順次回折させて平行輪帯形
状として出力する。

【００１９】請求項７に係る暗視野落射顕微鏡は、請求
項２記載の暗視野落射顕微鏡であって、さらに、輪帯光
束形成手段が、回転対称形である第１の曲面鏡と回転対
称形であって中央に孔部が設けられている第２の曲面鏡
とを備えることを特徴とするものであり、光源部から出
力された第１の光束を第２の曲面鏡の孔部に入力し、第
１および第２の曲面鏡で順次反射させて平行輪帯形状と
して出力する。

【００２０】請求項８に係る暗視野落射顕微鏡は、請求
項２記載の暗視野落射顕微鏡であって、さらに、リレー
レンズ系が、(1) 輪帯光束形成手段の入射側および出射
側の何れかに配置される第１の輪帯リレーレンズと、
(2) コンデンサレンズの入射側に配置される第２の輪帯
リレーレンズと、(3) 第１および第２の輪帯リレーレン
ズの間の光路上に配置される第３の輪帯リレーレンズ
と、を備えることを特徴とする。この場合、輪帯光束形
成手段により平行輪帯光束に成形された第１の光束は、
リレーレンズ系を構成する第１ないし第３の輪帯リレー
レンズにより伝送され、第１の光束の自由光路長（光学
系のない光路の光路長を便宜的にこのように呼ぶ）が短
くなる。

【００２１】請求項９に係る暗視野落射顕微鏡は、請求
項８記載の暗視野落射顕微鏡であって、さらに、第１の
輪帯リレーレンズが輪帯光束形成手段と一体である、こ
とを特徴とする。この場合、光学素子それぞれの配置と
装置の取り扱いが容易になる。

【００２２】請求項１０に係る暗視野落射顕微鏡は、請
求項１記載の暗視野落射顕微鏡であって、さらに、輪帯
光束形成手段が、第１の光束を輪帯幅が略一定であって
光束径が次第に拡がる傾斜輪帯形状として出力するとと
もに、リレーレンズ系が、傾斜輪帯形状の第１の光束を
入力し光束径が略一定であって輪帯幅が次第に狭くなる
集光輪帯形状として出力するリレーレンズと、その集光
輪帯形状とされた第１の光束を略一定径のまま伝送する
１または２以上の輪帯リレーレンズとを備える、ことを
特徴とする。この場合、輪帯光束形成手段により傾斜輪
帯形状とされた第１の光束は、リレーレンズにより集光
輪帯形状とされ、さらに、１または２以上の輪帯リレー
レンズにより伝送される。

【００２３】請求項１１に係る暗視野落射顕微鏡は、請
求項１０記載の暗視野落射顕微鏡であって、さらに、輪
帯光束形成手段が、円錐形状の側面に形成された反射鏡
を備えることを特徴とするものであり、光源部から出力
された第１の光束を反射鏡で反射させて傾斜輪帯形状と
して出力する。

【００２４】請求項１２に係る暗視野落射顕微鏡は、請
求項１０記載の暗視野落射顕微鏡であって、さらに、輪
帯光束形成手段が、入射面および出射面の少なくとも何
れか一方が凸状または凹状の円錐形状である回転対称形
の円錐プリズムを備えることを特徴とするものであり、
光源部から出力された第１の光束を円錐プリズムで屈折
させて傾斜輪帯形状として出力する。

【００２５】請求項１３に係る暗視野落射顕微鏡は、請
求項１０記載の暗視野落射顕微鏡であって、さらに、輪
帯光束形成手段が、円盤形状の透過型の回折格子を備え
ることを特徴とするものであり、光源部から出力された
第１の光束を回折格子で回折させて傾斜輪帯形状として
出力する。

【００２６】請求項１４に係る暗視野落射顕微鏡は、請
求項２または９記載の暗視野落射顕微鏡であって、さら
に、輪帯リレーレンズがフレネルレンズであることを特
徴とする。この場合、この輪帯リレーレンズを含む光学
素子それぞれの配置が容易となる。

【００２７】請求項１５に係る暗視野落射顕微鏡は、請
求項１記載の暗視野落射顕微鏡であって、さらに、リレ
ーレンズ系が、光源部の像をコンデンサレンズの前側焦
点面に結像し、コンデンサレンズが、被測定物の所定領
域をケーラー照明法で照明する、ことを特徴とする。こ
の場合、光源部の発光ムラの影響を受けることなく、第
１の光束は被測定物に一様に照射される。

【００２８】請求項１６に係る暗視野落射顕微鏡は、請
求項１記載の暗視野落射顕微鏡であって、さらに、光源
部が、第１の光束の光路上に配され、第１の光束の光軸
に垂直な平面上に複数の小レンズが配列されたレンズア
レイを備える、ことを特徴とする。この場合、光源部の
指向性の影響を受けることなく、第１の光束は被測定物
に一様に照射される。

【００２９】請求項１７に係る暗視野落射顕微鏡は、請
求項１記載の暗視野落射顕微鏡であって、さらに、被測
定物に対してコンデンサレンズの反対側に配され、被測
定物を透過した第１の光束を吸収する透過光吸収部材を
更に備える、ことを特徴とする。この場合、被測定物に
照射されて透過した第１の光束が再び被測定物を透過し
て対物レンズに入射することはないので、Ｓ／Ｎ比の優
れた第２の光束の像が得られる。

【００３０】請求項１８に係る暗視野落射顕微鏡は、請
求項１７記載の暗視野落射顕微鏡であって、さらに、透
過光吸収部材が、逆円錐形状の円錐内壁が傾斜して形成
されて、被測定物を透過した第１の光束を円錐内壁で多
重反射させて吸収する傾斜円錐内壁鏡である、ことを特
徴とする。この場合、被測定物を透過した第１の光束は
傾斜円錐内壁鏡により好適に吸収される。

【００３１】請求項１９に係る暗視野落射顕微鏡は、請
求項１８記載の暗視野落射顕微鏡であって、さらに、傾
斜円錐内壁鏡の円錐内壁の頂部に接続され、頂部に到達
した第１の光束を入射して外部へ廃棄する光ファイバを
更に備える、ことを特徴とする。この場合、傾斜円錐内
壁鏡の円錐内壁の頂部に到達した第１の光束は、光ファ
イバにより外部に廃棄される。

【００３２】請求項２０に係る暗視野落射顕微鏡は、請
求項１７記載の暗視野落射顕微鏡であって、さらに、透
過光吸収部材が、円錐台形状の遮光筒内壁が傾斜して形
成されて、被測定物を透過した第１の光束を遮光筒内壁
で多重反射させて吸収する傾斜円錐遮光筒である、こと
を特徴とする。この場合、被測定物を透過した第１の光
束は、傾斜円錐遮光筒により好適に吸収される。

【００３３】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の実施の形態を詳細に説明する。尚、図面の説明におい
て同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省
略する。

【００３４】（第１の実施形態）先ず、第１の実施形態
について説明する。図１は、第１の実施形態に係る暗視
野落射顕微鏡の光学系の構成図である。

【００３５】光源１０は、被測定物６０に照射すべき照
明光（第１の光束）Ａを出射するものである。この光源
１０から出射された照明光Ａは、コレクタレンズ１１で
集光され、開口絞り１４および視野絞り１５それぞれの
開口部を通過し、コリメータレンズ１６に入射して平行
光束とされる。ここで、開口絞り１４は、コレクタレン
ズ１１によって光源１０の光像が結像される位置に配置
されており、被測定物６０に照射される照明光Ａの光量
を調整するものである。また、視野絞り１５は、視野絞
り１５と被測定物６０との間の光学系によって視野絞り
１５の像が被測定物６０表面に結像される位置に配置さ
れており、照明光Ａが照射される被測定物６０上の範囲
を定めるものである。

【００３６】このようにしてコリメータレンズ１６によ
って平行光束とされた照明光Ａは、輪帯光束形成手段と
しての二重円錐鏡３０によって平行輪帯光束に成形され
る。この平行輪帯光束は、輪帯幅も光束径も一定の輪帯
光束である。そして、この平行輪帯光束は、輪帯リレー
レンズ４０、輪帯反射鏡４３、輪帯リレーレンズ４１，
４２を順に経て、コンデンサレンズ５０によって被測定
物６０表面の所定領域に集光照射される。なお、輪帯光
束形成手段である二重円錐鏡３０および輪帯リレーレン
ズ４０の何れかを照明系の入射瞳の共役位置に配置する
と、被測定物６０表面の所定領域が一様に明るく照明さ
れるので好ましい。そして、被測定物６０に照明光Ａが
照射されて発生した散乱光（第２の光束）Ｂは、対物レ
ンズ７０で結像されて光検出器９０によって検出され
る。

【００３７】本実施形態においてはケーラー照明法を採
用している。すなわち、コリメータレンズ１６から輪帯
リレーレンズ４２に到るまでの光学系によってコンデン
サレンズ５０の前側焦点面に開口絞り１４の像が結像さ
れるよう、開口絞り１４は配置されている。そして、コ
ンデンサレンズ５０は、前側焦点面に結像された照明光
Ａを入力して、被測定物６０表面に照射する。

【００３８】このようなケーラー照明法を採用すること
により、光源１０の発光ムラ（光源１０の出射位置によ
る強度の違い）が解消されて、被測定物６０表面の所定
領域は一様に照明される。したがって、従来の暗視野落
射顕微鏡では必要であった拡散板は不要となり、輪帯リ
レーレンズ系で伝送されてきた照明光Ａを高効率に利用
することができる。それだけでなく、被測定物６０に照
明光Ａが照射される照明範囲を確保でき、その照明範囲
の調整も可能となる。

【００３９】次に、輪帯光束形成手段としての二重円錐
鏡３０について説明する。図２は、この二重円錐鏡３０
の出射側から見た平面図（ａ）、入射側から見た平面図
（ｂ）、光軸に沿って切断した端面図（ｃ）、および斜
視図（ｄ）である。二重円錐鏡３０は、光軸を中心とす
る回転対称体であって、円錐形状の側面に形成された反
射鏡３０Ａと、それに対面する円錐台形状の内壁に形成
された反射鏡３０Ｂとからなる。入射端３０ａに入射し
た照明光Ａは、先ず、円錐形状の側面に形成された反射
鏡３０Ａで反射され、続いて、円錐台形状の内壁に形成
された反射鏡３０Ｂで反射されて、出射端３０ｂから平
行輪帯光束として出射される。

【００４０】なお、照明光Ａを平行輪帯光束に成形する
手段は、この二重円錐鏡３０に限られない。例えば、輪
帯光束形成プリズムを利用しても照明光Ａを平行輪帯光
束とすることができる。図３は、輪帯光束形成プリズム
の出射側から見た平面図（ａ）、入射側から見た平面図
（ｂ）、光軸に沿って切断した断面図（ｃ）、および斜
視図（ｄ）である。輪帯光束形成プリズム３１は、光軸
を中心とする回転対象体であって、一対のプリズム３１
Ａとプリズム３１Ｂとからなる。入射端３１ａから入射
した照明光Ａは、最初にプリズム３１Ａで屈折され、次
にプリズム３１Ｂで屈折され、出射端３１ｂから平行輪
帯光束として出射される。

【００４１】また、反射型輪帯光束形成回折格子を利用
しても照明光Ａを平行輪帯光束とすることができる。図
４は、反射型輪帯光束形成回折格子を光軸に沿って切断
した断面図である。図４（ａ）は、反射型輪帯光束形成
回折格子３２の断面図であり、図４（ｂ）は、その断面
の形状を模式的に拡大して示した図である。この図に示
すように、反射型輪帯光束形成回折格子は、断面形状が
鋸歯状の輪帯格子からなる一対の反射型の回折現象を利
用して平行輪帯光束を形成するものである。この場合、
入射端３２ａに入射した照明光Ａは、一方の回折格子３
２Ａの中央に設けられた孔部を通過して、他方の回折格
子３２Ｂで反射・回折される。その回折された照明光Ａ
は、回折格子３２Ａで反射・回折されて、平行輪帯光束
として出射端３２ｂから出力される。

【００４２】また、透過型輪帯光束形成回折格子を利用
しても照明光Ａを平行輪帯光束とすることができる。図
５は、透過型輪帯光束形成回折格子を光軸に沿って切断
した断面図である。図５（ａ）は、透過型輪帯光束形成
回折格子３３の断面図であり、図５（ｂ）は、その断面
の形状を模式的に拡大して示した図である。この図に示
すように、透過型輪帯光束形成回折格子は、断面形状が
鋸歯状の輪帯格子からなる一対の透過型の回折現象を利
用して平行輪帯光束を形成するものである。この場合、
入射端３３ａに入射した照明光Ａは、一方の回折格子３
３Ａの中央に設けられた格子部分で透過・回折され、そ
の回折した照明光Ａは、他方の回折格子３３Ｂで透過・
回折されて、平行輪帯光束として出射端３３ｂから出力
される。

【００４３】このように、二重円錐鏡３０、輪帯光束形
成プリズム３１、反射型輪帯光束形成回折格子３２およ
び透過型輪帯光束形成回折格子３３の何れを用いても、
その入射端に入射した照明光Ａは遮断されることがな
く、全ての光束が平行輪帯光束に成形されて出射され
る。したがって、照明光Ａが平行輪帯光束に成形される
際にも、光束の損失は極めて少ない。

【００４４】次に、輪帯リレーレンズ４０，４１および
４２について説明する。輪帯リレーレンズ４０，４１お
よび４２それぞれは、図６に示すように、光軸を中心と
する回転対称体であり、光軸に沿って切断したときの端
面の形状が凸レンズ形状であって（図６（ａ））、照明
光Ａが入射する方向から見れば照明光Ａの光束形状と同
様の輪帯形状である（図６（ｂ））。また、輪帯リレー
レンズ４０，４１および４２それぞれは互いに焦点距離
に等しい光路長だけ隔てられて配置される。

【００４５】なお、輪帯リレーレンズは、通常のガラス
レンズであってもよいが、光の回折現象を利用するフレ
ネル型のレンズであってもよい。図７は、輪帯フレネル
レンズの端面図と平面図である。輪帯フレネルレンズ
は、光軸を中心とする回転対称体であり、光軸に沿って
切断したときの端面が凸レンズと作用し得るフレネルレ
ンズであって（図７（ａ））、照明光Ａが入射する方向
から見れば照明光Ａの光束形状と同様の輪帯形状である
（図７（ｂ））。

【００４６】また、輪帯リレーレンズは、多数のレンズ
を輪帯状に融着接続して形成されたものであってもよ
い。図８は、８個のレンズを融着接続して形成された輪
帯リレーレンズの端面図と平面図である。この輪帯リレ
ーレンズは、光軸に沿って切断したときの端面図（図８
（ａ））も平面図（図８（ｂ））も、図６に示した輪帯
リレーレンズと同様である。ここで、融着接続される個
々のレンズは、球面レンズ、シリンドリカルレンズある
いはこれらと同一機能のフレネルレンズ等であり、輪帯
リレーレンズ系は、これらの組み合わせでもよい。ま
た、平面形状が図８（ｂ）に示した輪帯形状でなくても
よく、例えば、八角形等の多角形であってもよい。ま
た、輪帯リレーレンズの内径と外径との比が１に近く幅
が狭い場合には、図９（ａ）の端面図および図９（ｂ）
の平面図に示すように、１６や２４あるいは更に多数の
枚数のレンズを融着接続するのが好適である。

【００４７】次に、輪帯リレーレンズ４０，４１および
４２からなる輪帯リレーレンズ系の作用について説明す
る。図１０は、輪帯リレーレンズ系の作用を説明する図
である。なお、ここでは説明の簡便のために輪帯反射鏡
４３を省略して、輪帯リレーレンズ４０，４１および４
２が一直線の光軸に沿って配置されているものとして説
明する。この図に示すように、二重円錐鏡３０で平行輪
帯光束に成形された照明光Ａは、輪帯リレーレンズ４０
に入射して、輪帯リレーレンズ４１の位置に集光され、
さらに、輪帯リレーレンズ４１から出射した照明光Ａは
輪帯リレーレンズ４２に入射して平行輪帯光束として出
射される。そして、輪帯リレーレンズ４２から出射され
た照明光Ａはコンデンサレンズ５０に入射し、被測定物
６０表面に集光照射される。

【００４８】このように二重円錐鏡３０とコンデンサレ
ンズ５０との間に輪帯リレーレンズ系を設けることによ
り、視野絞り１５と被測定物６０との間の照明光学系は
無限遠光学系となる。したがって、視野絞り１５を通過
した照明光Ａは、被測定物６０表面に高効率に照射され
るだけでなく、必要な照明範囲の確保と調整も可能とな
る。

【００４９】例えば、平行輪帯光束とされた照明光Ａの
光路幅を３ｍｍとし、画角を０．０６ｒａｄ（＝３．６
゜）とした場合に、輪帯リレーレンズ４０，４１および
４２それぞれの焦点距離ｆが、ｆ＜３ｍｍ／０．０６＝５０ｍｍ … (5) であれば、輪帯リレーレンズ系は照明光Ａを損失なく伝
送することができる。また、３枚の焦点距離５０ｍｍの
輪帯リレーレンズ４０，４１および４２を５０ｍｍ間隔
に配置することにより、自由光路（光学系のない光路）
を１００ｍｍ短縮することができる。

【００５０】短縮すべき自由光路の長さと幅および画角
（照明範囲）が異なる場合には、輪帯リレーレンズの焦
点距離、間隔および枚数を最適に設計する。ただし、輪
帯リレーレンズの枚数は３以上の奇数であることが望ま
しい。また、輪帯リレーレンズを含めて光学素子それぞ
れの配置の問題やコストの制約がある場合には、理論値
とは異なる或程度の伝送損失を見込んで現実的配置も可
能である。

【００５１】なお、図１０では、照明光Ａのうち視野絞
り１５の中心から発した光束のみについて説明した。し
かし、実際には、視野絞り１５の開口部は点ではなく有
限の径を有するから、照明光Ａのうち視野絞り１５の開
口部の周辺部から発した光束については、図１０に示す
ような経路を経るのではない。

【００５２】図１１は、輪帯リレーレンズ系に斜めに入
射した場合の照明光Ａの光路を説明する図である。な
お、この図では、説明を更に簡便にするために、輪帯リ
レーレンズ４０，４１および４２それぞれについて、光
軸に沿って切断したときに現れる２端面のうちの１端面
についてのみ記してある。この図で、一点鎖線で示した
照明光Ａ１は、図１０で示した照明光Ａと同様のもので
あり、輪帯リレーレンズ系の光軸に平行に入射するもの
である。

【００５３】輪帯リレーレンズ４０に斜めに入射する照
明光Ａ２（図で実線で示した光束）は、照明光Ａのうち
視野絞り１５の開口部の周辺部から発した光束であり、
やはり平行光束である。この照明光Ａ２は、輪帯リレー
レンズ系がないとした場合（すなわち、従来の暗視野落
射顕微鏡の場合）には、破線で示した方向に進むので、
コンデンサレンズ５０に入射せず、無駄になってしま
う。

【００５４】しかし、輪帯リレーレンズ系がある場合に
は、この照明光Ａ２は、輪帯リレーレンズ４０によって
輪帯リレーレンズ４１の位置に集光され、さらに、輪帯
リレーレンズ４１から出射した照明光Ａ２は輪帯リレー
レンズ４２に入射して平行輪帯光束として出射される。
そして、この照明光Ａ２は、輪帯リレーレンズ系の光軸
に平行に入射して輪帯リレーレンズ４２から出射した照
明光Ａ１と交わる方向に進む。このように輪帯リレーレ
ンズ系を用いることにより、視野絞り１５を通過した照
明光Ａは再び一定領域に集められるので、二重円錐鏡３
０によって平行輪帯光束とされた照明光Ａはコンデンサ
レンズ５０まで効率よく伝送される。

【００５５】なお、上記実施形態においては、輪帯リレ
ーレンズ系は、３枚の輪帯リレーレンズ４０，４１およ
び４３を備えて構成されるものであった（図１２
（ａ））。しかし、輪帯リレーレンズ系を構成する輪帯
リレーレンズの枚数は３またはそれ以上の奇数枚に限ら
れるものではない。例えば、図１２（ｂ）に示すよう
に、低倍率のコンデンサレンズ５０Ａが用いられ、且
つ、初段の輪帯リレーレンズ４０Ａからコンデンサレン
ズ５０Ａまでの光路が比較的短い場合には、輪帯リレー
レンズ系は、２枚の輪帯リレーレンズ４０Ａおよび４１
Ａで構成してもよい。

【００５６】以上のように、照明光Ａを平行輪帯光束に
成形する際においても、また、平行輪帯光束とされた照
明光Ａを輪帯リレーレンズ系でコンデンサレンズ５０ま
で伝送する際においても、照明光Ａの損失は極めて少な
い。さらに、ケーラー照明法を採用することにより拡散
板を不要としたので、この点でも照明光Ａの有効利用が
図られる。したがって、光源１０から出力され視野絞り
１５を通過した照明光Ａの殆どの光束が被測定物６０の
所定領域に照射されることとなり、また、その所定領域
から発生する散乱光Ｂの強度も強くなることから、光検
出器９０は極めて明るい光像を検出することができるこ
とになる。

【００５７】（第２の実施形態）次に、第２の実施形態
について説明する。図１３は、第２の実施形態に係る暗
視野落射顕微鏡の光学系の構成図である。本実施形態に
係る暗視野落射顕微鏡は、第１の実施形態と比較して、
光源１０の後段にレンズアレイ１２等が設けられている
点、輪帯リレーレンズとしてフレネルレンズが用いられ
ている点、および、被測定物６０の裏面側に傾斜円錐内
壁鏡１００等が設けられている点で異なる。

【００５８】光源１０から出力された照明光Ａは、コレ
クタレンズ１１を経てレンズアレイ１２に入射する。こ
のレンズアレイ１２は、フライアイレンズあるいはイン
テグレータレンズとも呼ばれるもので、光軸に垂直な平
面上に多数の小レンズが２次元状に配列され、個々の小
レンズの入射端に入射した光束をその出射端に出射する
ものである。レンズアレイ１２を構成する多数の小レン
ズそれぞれから出射された照明光Ａは、コレクタレンズ
１３で集光され、開口絞り１４および視野絞り１５それ
ぞれの開口部を通過し、コリメータレンズ１６に入射し
て平行光束とされる。

【００５９】ここで、開口絞り１４は、コレクタレンズ
１３によってレンズアレイ１２の光像が結像される位置
に配置されており、被測定物６０に照射される照明光Ａ
の光量を調整する。また、視野絞り１５は、視野絞り１
５と被測定物６０との間の光学系によって視野絞り１５
の像が被測定物６０表面に結像される位置に配置されて
おり、照明光Ａが照射される被測定物６０上の範囲を定
める。

【００６０】コリメータレンズ１６によって平行光束と
された照明光Ａは、二重円錐鏡３０によって平行輪帯光
束に成形され、輪帯フレネルレンズ４４、輪帯反射鏡４
３、輪帯フレネルレンズ４５，４６を順に経て、コンデ
ンサレンズ５０によって被測定物６０表面の所定領域に
集光照射される。輪帯フレネルレンズ４４，４５および
４６それぞれは、既に図７で説明したものであり、第１
の実施形態における輪帯リレーレンズ４０，４１および
４２それぞれと同様の作用をする。なお、輪帯フレネル
レンズ４４は、二重円錐鏡３０の出射端に貼り合わせら
れていてもよい。被測定物６０に照明光Ａが照射されて
発生した散乱光Ｂは、対物レンズ７０で結像されて光検
出器９０によって検出される。

【００６１】本実施形態においては、ケーラー照明法の
採用に加えて、レンズアレイ１２を使用しており、これ
によって、被測定物６０表面の所定領域に照明光Ａを更
に均一に照射することができる。すなわち、ケーラー照
明法は、光源１０における照明光Ａの発光ムラを除去す
ることができるが、指向性を除去することができず、し
たがって、指向性を有する光源１０から出力された照明
光Ａが被測定物６０に斜めに照射される暗視野落射顕微
鏡においては、これに起因して被測定物６０上に照明ム
ラが生じる。そこで、レンズアレイ１２を用いて、レン
ズアレイ１２を構成する多数の小レンズそれぞれから出
射された照明光Ａを指向性のないものにする。これによ
って、被測定物６０表面の所定領域に照明光Ａを斜めに
照射する場合でも均一に照射することができ、光検出器
９０は散乱光Ｂの像を正確に検出することができる。

【００６２】また、本実施形態では、被測定物６０の裏
面側すなわち照明光Ａが照射される側と反対側に傾斜円
錐内壁鏡１００が設けられている。この傾斜円錐内壁鏡
１００は、その表面に、深いほど径が小さい逆円錐形状
の円錐内壁が傾斜して形成されている。被測定物６０が
透明である場合には、被測定物６０に照射した照明光Ａ
は一部が被測定物６０を透過して裏面から出射するが、
その透過光は、傾斜円錐内壁鏡１００の傾斜円錐内壁に
入射し、その傾斜円錐内壁で多重反射する際に吸収され
る。したがって、傾斜円錐内壁鏡１００で反射して再び
被測定物６０を透過して表面に出てくる照明光Ａの光量
は極めて僅かであるので、これが、光検出器９０による
散乱光Ｂの検出に際してノイズとなることはない。

【００６３】さらに、傾斜円錐内壁鏡１００の頂点に孔
部が設けられ、その孔部には光ファイバ１０１の入射端
が接続されている。この光ファイバ１０１は、傾斜円錐
内壁鏡１００に入射した光束のうち多重反射による吸収
によっても僅かに残った光束を、傾斜円錐内壁鏡１００
の頂点の孔部から外部へ廃棄する。このように光ファイ
バ１０１を設けることによって、再び被測定物６０を透
過して表面に出てくる照明光Ａの光量は更に僅少にな
る。また、光ファイバ１０１の出射端に光検出器１０２
を接続することにより、傾斜円錐内壁鏡１００の孔部か
ら廃棄される光束の光量をモニタすることができる。

【００６４】（第３の実施形態）次に、第３の実施形態
について説明する。図１４は、第３の実施形態に係る暗
視野落射顕微鏡の光学系の構成図である。本実施形態に
係る暗視野落射顕微鏡は、第２の実施形態と比較して、
光束径調整器１７が設けられている点、輪帯フレネルレ
ンズ４４に替えて二重円錐鏡３０の入射側にフレネルレ
ンズ４７が設けられている点、および、対物レンズ７０
と光検出器９０との間の光路上に結像レンズ８０が設け
られている点で異なる。

【００６５】光源１０から出力された照明光Ａは、コレ
クタレンズ１１を経て、多数の小レンズが２次元状に配
列されたレンズアレイ１２に入射する。このレンズアレ
イ１２の個々の小レンズに入射端に入射した光束は、そ
の出射端に出射される。レンズアレイ１２を構成する多
数の小レンズそれぞれから出射された照明光Ａは、コレ
クタレンズ１３で集光され、開口絞り１４および視野絞
り１５それぞれの開口部を通過し、コリメータレンズ１
６によって平行光束とされる。

【００６６】ここで、開口絞り１４は、コレクタレンズ
１３によってレンズアレイ１２の光像が結像される位置
に配置されており、被測定物６０に照射される照明光Ａ
の光量を調整する。また、視野絞り１５は、視野絞り１
５と被測定物６０との間の光学系によって視野絞り１５
の像が被測定物６０表面に結像される位置に配置されて
おり、照明光Ａが照射される被測定物６０上の範囲を定
める。

【００６７】コリメータレンズ１６から出力された照明
光Ａは、光束径調整器１７に入射して、所定の光束径の
平行光束とされて出射される。光束径調整器１７によっ
て平行光束とされた照明光Ａは、フレネルレンズ４７、
二重円錐鏡３０、輪帯反射鏡４３、輪帯フレネルレンズ
４５，４６を順に経て、コンデンサレンズ５０によって
被測定物６０表面の所定領域に集光照射される。そし
て、被測定物６０に照明光Ａが照射されて発生した散乱
光Ｂは、無限遠系の対物レンズ７０を経て結像レンズ８
０で結像されて光検出器９０によって検出される。

【００６８】ここで、フレネルレンズ４７は、第２の実
施形態における輪帯フレネルレンズ４４に替えて、二重
円錐鏡３０の入射端に設けられる。このフレネルレンズ
４７は、光束径調整器１７から出射された光束を入射し
て、輪帯フレネルレンズ４５の位置に集光する。なお、
フレネルレンズ４７は、二重円錐鏡３０の入射端に貼り
合わせられていてもよい。また、輪帯フレネルレンズ４
５および４６それぞれは、既に図７で説明したものであ
り、第２の実施形態において同符号を付した要素それぞ
れと同様の作用をする。したがって、フレネルレンズ４
７および輪帯フレネルレンズ４５と４６は、第１および
第２の実施形態と同様にリレーレンズ系を構成する。た
だし、フレネルレンズ４７が輪帯ではない点および二重
反射鏡３０の入射側に設けられている点が第２の実施形
態と異なる。したがって、フレネルレンズ４７から出射
された照明光Ａは、次第に集束しながら、二重円錐鏡３
０で平行輪帯光束に成形され輪帯反射鏡４３で反射さ
れ、輪帯フレネルレンズ４５の位置に集光される。

【００６９】また、光束径調整器１７は、暗視野照明と
明視野照明との切り替えを容易に行えるよう設けられた
ものである。例えば、対物レンズ７０の開口数を０．５
とし、対物レンズ７０の倍率を１０とし、コリメータレ
ンズ１６から対物レンズ１７までの光路長を２００ｍｍ
とすると、明視野照明の場合には、照明開口数は０．０
５（＝０．５／１０）であり、対物レンズ１７に入射す
る照明光Ａの光束径は１０ｍｍ（＝０．０５×２００）
である。これに対して、暗視野照明の場合には、コンデ
ンサレンズ５０に入射する照明光Ａの光束径は、これま
でに述べた数値例では３ｍｍである。このように、明視
野照明の場合と暗視野照明の場合とでは光束径が異な
る。そこで、光束径調整器１７は、この光束径の違いを
調整するために設けられたものであり、入射した光束の
径に対して出射する光束の径を３／１０に縮小させる。

【００７０】このようにすることにより、図１４に示す
ような暗視野照明の構成から輪帯反射鏡４３を取り去
り、これに替えてビームスプリッタ（図示せず）を配置
することにより、明視野照明に切り替えることができ
る。明視野照明においては、光束径調整器１７から出射
された照明光Ａは、ビームスプリッタで反射され、対物
レンズ７０で被測定物６０表面に集光照射され、被測定
物６０から発生した散乱光と反射光は、対物レンズ７０
および結像レンズ８０を経て光検出器９０で検出され
る。

【００７１】（第４の実施形態）次に、第４の実施形態
について説明する。図１５は、第４の実施形態に係る暗
視野落射顕微鏡の光学系の構成図である。本実施形態に
係る暗視野落射顕微鏡は、第１の実施形態と比較して、
蛍光顕微鏡である点、および、平行輪帯光束を形成する
輪帯光束形成手段として二重曲面鏡が用いられている点
が異なる。

【００７２】光源１０Ａは、被測定物６０に照射すべき
励起光（第１の光束）Ｃを出射するものである。この光
源１０Ａから出力された励起光Ｃは、コレクタレンズ１
１で集光され、開口絞り１４および視野絞り１５それぞ
れの開口部を通過し、二重曲面鏡２９に入射する。ここ
で、開口絞り１４は、コレクタレンズ１１によって光源
１０Ａの光像が結像される位置に配置されており、被測
定物６０に照射される励起光Ｃの光量を調整するもので
ある。また、視野絞り１５は、視野絞り１５と被測定物
６０との間の光学系によって視野絞り１５の像が被測定
物６０表面に結像される位置に配置されており、励起光
Ｃが照射される被測定物６０上の範囲を定めるものであ
る。

【００７３】二重曲面鏡２９は、それぞれ回転対称形で
ある凸面鏡２９Ａと凹面鏡２９Ｂとからなり、凹面鏡２
９Ｂの中央には孔部が設けられている。視野絞り１５の
開口部を通過した励起光Ｃは、凹面鏡２９Ｂの中央の孔
部を通過して、先ず凸面鏡２９Ａで反射され、次に凹面
鏡２９Ｂで反射され、平行輪帯形状の光束として出力さ
れる。この二重曲面鏡２９の詳細については後述する。

【００７４】二重曲面鏡２９から平行輪帯光束として出
力された励起光Ｃは、励起フィルタ１８により励起波長
成分のみが透過し、輪帯リレーレンズ４０、輪帯反射鏡
４３、輪帯リレーレンズ４１，４２を順に経て、コンデ
ンサレンズ５０によって被測定物６０表面の所定領域に
集光照射される。

【００７５】被測定物６０に励起光Ｃが照射されて発生
した蛍光（第２の光束）Ｄは、対物レンズ７０により結
像されて光検出器９０により検出される。対物レンズ７
０と光検出器９０との間の光路上に設けられた吸収フィ
ルタ８１は、励起光Ｃの散乱成分を吸収するものであっ
て、励起光散乱成分が光検出器９０に到達しないように
するものである。なお、自家蛍光を考慮すれば、この吸
収フィルタ８１は、被測定物６０から光検出器９０に至
るまでの光路上において、できる限り前方に設けておく
ことが好ましく、例えば、対物レンズ７０の被測定物６
０側、あるいは、対物レンズ７０が複数のレンズで構成
されている場合にそのレンズ間に設けておくのが好適で
ある。

【００７６】次に、二重曲面鏡２９について詳細に説明
する。この二重曲面鏡２９は、既述の輪帯光束形成手段
（二重円錐鏡３０、輪帯光束形成プリズム３１、反射型
輪帯光束形成回折格子３２、透過型輪帯光束形成回折格
子３３）と同様に平行輪帯光束を形成して出力するもの
であるが、既述の輪帯光束形成手段が平行光束を入力す
るのに対して、この二重曲面鏡２９は、視野絞り１５の
開口部を通過して拡がり角をもって入射した光束を入力
するものである。したがって、第１ないし第３の実施形
態で必要であったコリメータレンズ１６は、この二重曲
面鏡２９を使用する場合には不要となる。

【００７７】この二重曲面鏡２９については種々のタイ
プのものが知られている（参考："Handbook of Optic
s", 2nd Ed., Vol.2, Chap.18, McGraw-Hill, New Yor
k）。例えば、凸面鏡２９Ａおよび凹面鏡２９Ｂそれぞ
れの形状として球面、放物面、楕円面または双曲面であ
るものが知られている。また、凸面鏡と凹面鏡との組み
合わせではなく、凹面鏡と凹面鏡との組み合わせからな
る二重曲面鏡も知られている。

【００７８】このような二重曲面鏡は、他の輪帯光束形
成手段（二重円錐鏡３０、輪帯光束形成プリズム３１、
反射型輪帯光束形成回折格子３２、透過型輪帯光束形成
回折格子３３）と比較して、以下の利点がある。すなわ
ち、他の輪帯光束形成手段、特に、反射型輪帯光束形成
回折格子３２や透過型輪帯光束形成回折格子３３は色収
差が大きいのに対して、二重曲面鏡は、色収差がなく、
より広い波長域で使用できる。また、二重曲面鏡は、二
重円錐鏡３０や輪帯光束形成プリズム３１に比較して、
頂点付近が特異ではないので、加工や光学系の調整が容
易となる。さらに、他の輪帯光束形成手段では必要であ
った輪帯光束を平行にするレンズは、頂点の位置ずれや
傾きの影響が比較的少ないので、二重曲面鏡では不要で
ある。

【００７９】（第５の実施形態）次に、第５の実施形態
について説明する。図１６は、第５の実施形態に係る暗
視野落射顕微鏡の光学系の構成図である。本実施形態に
係る暗視野落射顕微鏡は、第１の実施形態と比較して、
蛍光顕微鏡である点、輪帯幅が略一定で光束径が次第に
拡がる傾斜輪帯形状の励起光を出力する円錐鏡が輪帯光
束形成手段として備えられている点、その傾斜輪帯形状
の励起光をコンデンサレンズまで導くリレーレンズ系の
構成、および、被測定物の裏面側に傾斜円錐遮光筒が備
えられている点において異なる。

【００８０】光源１０Ａは、被測定物６０に照射すべき
励起光（第１の光束）Ｃを出射するものである。この光
源１０Ａから出力された励起光Ｃは、コレクタレンズ１
１で集光され、開口絞り１４および視野絞り１５それぞ
れの開口部を通過し、コリメータレンズ１６に入射して
平行光束とされる。ここで、開口絞り１４は、コレクタ
レンズ１１によって光源１０Ａの光像が結像される位置
に配置されており、被測定物６０に照射される励起光Ｃ
の光量を調整するものである。また、視野絞り１５は、
視野絞り１５と被測定物６０との間の光学系によって視
野絞り１５の像が被測定物６０表面に結像される位置に
配置されており、励起光Ｃが照射される被測定物６０上
の範囲を定めるものである。

【００８１】このようにしてコリメータレンズ１６によ
って平行光束とされた励起光Ｃは、励起フィルタ１８に
より励起波長成分のみが透過し、円錐鏡３４により傾斜
輪帯光束に成形される。この傾斜輪帯光束は、輪帯幅が
一定であって光束径が次第に拡がる輪帯光束である。そ
して、この傾斜輪帯光束となった励起光Ｃは、リレーレ
ンズ３９により、光束径が略一定であって輪帯幅が次第
に狭くなる集光輪帯光束に成形され、この集光輪帯光束
となった励起光Ｃは、輪帯反射鏡４３、輪帯リレーレン
ズ４８，４９を順に経て、コンデンサレンズ５０によっ
て被測定物６０表面の所定領域に集光照射される。な
お、ここで、傾斜輪帯光束および集光輪帯光束それぞれ
の光束径は、光軸に垂直な面において光束の輪帯の幅に
ついての中心位置を結んで構成される円の径をいう。

【００８２】被測定物６０に励起光Ｃが照射されて発生
した蛍光（第２の光束）Ｄは、対物レンズ７０および結
像レンズ８０により結像されて光検出器９０により検出
される。対物レンズ７０と結像レンズ８０との間の光路
上に設けられた吸収フィルタ８１は、励起光Ｃの散乱成
分を吸収するものであって、励起光散乱成分が光検出器
９０に到達しないようにするものである。なお、自家蛍
光を考慮すれば、この吸収フィルタ８１は、被測定物６
０から光検出器９０に至るまでの光路上において、でき
る限り前方に設けておくことが好ましく、例えば、対物
レンズ７０の被測定物６０側、あるいは、対物レンズ７
０が複数のレンズで構成されている場合にそのレンズ間
に設けておくのが好適である。

【００８３】また、本実施形態においては、被測定物６
０の裏面側すなわち励起光Ｃが照射される側と反対側に
傾斜円錐遮光筒１１０が設けられている、この傾斜円錐
遮光筒１１０は、深いほど径が大きい円錐台内壁が傾斜
して形成されたものである。被測定物６０が透明である
場合には、被測定物６０に照射した励起光Ｃは一部が被
測定物６０を透過して裏面から出射するが、その透過光
は、傾斜円錐遮光筒１１０の傾斜円錐内壁に入射し、そ
の傾斜円錐内壁で多重反射する際に吸収される。したが
って、傾斜円錐遮光筒１１０で反射して再び被測定物６
０を透過して表面に出てくる励起光Ｃの光量は極めて僅
かであるので、これが、光検出器９０による蛍光Ｄの検
出に際してノイズとなることはない。

【００８４】次に、輪帯光束形成手段としての円錐鏡３
４について説明する。図１７は、この円錐鏡３４を光軸
に沿って切断した断面図である。この円錐鏡３４は、光
軸を中心とする回転対称体であって、円錐形状の側面に
反射鏡が形成されている。円錐形状の頂部側から入射し
た励起光Ｃは、その円錐形状の側面に形成された反射鏡
で反射されて、傾斜輪帯光束として出射される。

【００８５】なお、励起光Ｃを傾斜輪帯光束に成形する
手段は、この円錐鏡３４に限られない。例えば、凸円錐
プリズムを利用しても励起光Ｃを傾斜輪帯光束とするこ
とができる。図１８は、凸円錐プリズムを光軸に沿って
切断した断面図である。この凸円錐プリズム３５は、光
軸を中心とする回転対称体であって、入射端３５ａが光
軸に垂直な平面であり、出射端３５ｂが凸円錐形状であ
る。この凸円錐プリズム３５の入射端３５ａに入射した
励起光Ｃは、出射端３５ｂで屈折されて、一度交差した
後に傾斜輪帯光束として出射される。なお、入射端およ
び出射端を入れ替えても構わない。

【００８６】また、凹円錐プリズムを利用しても励起光
Ｃを傾斜輪帯光束とすることができる。図１９は、凹円
錐プリズムを光軸に沿って切断した断面図である。この
凹円錐プリズム３６は、光軸を中心とする回転対称体で
あって、入射端３６ａが光軸に垂直な平面であり、出射
端３６ｂが凹円錐形状である。この凹円錐プリズム３６
の入射端３６ａに入射した励起光Ｃは、出射端３６ｂで
屈折されて、傾斜輪帯光束として出射される。この場合
も、入射端および出射端を入れ替えても構わない。

【００８７】また、回折格子を利用しても励起光Ｃを傾
斜輪帯光束とすることができる。図２０および図２１
は、回折格子を光軸に沿って切断した断面図である。図
２０は、回折格子３７から出射した励起光Ｃが一度交差
した後に拡がるものであり、図２１は、回折格子３８か
ら出射した励起光Ｃが直ちに拡がるものである。これら
何れの回折格子であっても、励起光Ｃは傾斜輪帯光束に
形成されて出射される。

【００８８】このように、円錐鏡３４、凸円錐プリズム
３５、凹円錐プリズム３６、回折格子３７，３８の何れ
を用いても、その入射端に入射した励起光Ｃは遮断され
ることなく、全ての光束が傾斜輪帯形状に成形されて出
射される。したがって、励起光Ｃが傾斜輪帯光束に成形
される際において光束の損失は極めて少ない。また、こ
の輪帯光束は、リレーレンズ系により伝送損失が殆ど無
くコンデンサレンズまで伝送され、さらに、第１の実施
形態と同様にケーラー照明法を採用しているので、光源
１０Ａから出射された励起光Ｃは効率よく被測定物６０
の所定領域に集光照射される。

【００８９】次に、輪帯光束形成手段としての円錐鏡３
４から被測定物６０に到るまでの光学系の詳細につい
て、図２２を用いて説明する。図２２（ａ）は、図１６
に示した光学系と同様のものである。ただし、ここでは
説明の簡便のために励起フィルタ１８および輪帯反射鏡
４３を省略して、リレーレンズ３９、輪帯リレーレンズ
４８および４９が一直線の光軸に沿って配置されている
ものとして説明する。

【００９０】この図２２（ａ）に示す光学系では、視野
絞り１５から出射した励起光Ｃは、コリメータレンズ１
６により平行光束とされて円錐鏡３４に入射し、傾斜輪
帯形状に成形されて出射される。この傾斜輪帯形状に成
形された励起光Ｃは、輪帯幅を略一定に維持したまま光
束径を次第に拡げながらリレーレンズ３９に入射し、リ
レーレンズ３９から集光輪帯形状に成形されて出射され
る。この集光輪帯形状に成形された励起光Ｃは、光束径
を略一定に維持したまま輪帯幅を次第に狭めながら輪帯
リレーレンズ４８の位置に到達し集光・入射される。さ
らに、この輪帯リレーレンズ４８から出射された励起光
Ｃは、輪帯リレーレンズ４９に入射して平行輪帯光束と
して出射される。そして、輪帯リレーレンズ４９から出
射された励起光Ｃは、コンデンサレンズ５０に入射し、
被測定物６０の表面の所定領域に集光照射される。

【００９１】このように、円錐鏡３４とコンデンサレン
ズ５０との間に、リレーレンズ３９並びに輪帯リレーレ
ンズ４８および４９からなるリレーレンズ系を設けるこ
とにより、視野絞り１５と被測定物６０との間の照明光
学系は無限遠光学系となる。したがって、視野絞り１５
を通過した励起光Ｃは、被測定物６０表面に高効率に照
射されるだけでなく、必要な照明範囲の確保と調整も可
能となる。

【００９２】なお、上記実施形態においては、リレーレ
ンズ系は、リレーレンズ３９並びに２枚の輪帯リレーレ
ンズ４８および４９を備えて構成されるものであった。
しかし、輪帯リレーレンズの枚数は２枚に限られるもの
ではない。例えば、図２２（ｂ）に示すように、低倍率
のコンデンサレンズ５０Ａが用いられ、且つ、リレーレ
ンズ３９Ａからコンデンサレンズ５０Ａまでの光路が比
較的短い場合には、これらの間には１枚の輪帯リレーレ
ンズ４８Ａのみでもよい。

【００９３】以上のように、励起光Ｃを傾斜輪帯光束に
成形する際においても、また、傾斜輪帯光束とされた励
起光Ｃをリレーレンズ系でコンデンサレンズ５０まで伝
送する際においても、励起光Ｃの損失は極めて少ない。
さらに、ケーラー照明法を採用することにより拡散板を
不要としたので、この点でも励起光Ｃの有効利用が図ら
れる。したがって、光源１０Ａから出力され視野絞り１
５を通過した励起光Ｃの殆どの光束が被測定物６０の所
定領域に照射されることとなり、また、その所定領域か
ら発生する蛍光Ｄの強度も強くなることから、光検出器
９０は極めて明るい蛍光像を検出することができること
になる。

【００９４】また、本実施形態に係る暗視野落射顕微鏡
は、第１乃至第３の実施形態の場合と比較すると、輪帯
光束形成手段（円錐鏡３４、凸円錐プリズム３５、凹円
錐プリズム３６、回折格子３７，３８それぞれ）を単一
の部品から構成することができるので加工・調整が容易
となる。さらに、第１乃至第３の実施形態の場合と比較
して、リレーレンズ系を構成する輪帯リレーレンズのう
ちの１枚を通常の凸レンズであるリレーレンズ３９に置
き換えることができるので、この点でも加工・調整が容
易となる。

【００９５】本発明は、上記実施形態に限定されるもの
ではなく種々の変形と応用が可能である。例えば、輪帯
光束形成手段として、最も簡単な輪帯絞り（遮光板）を
使用することもできる。この場合、遮光板により光が遮
られるので、光の利用効率は低下する。しかし、コレク
タレンズ等の照明光学系の収差を操作することにより、
絞り位置での開口部の強度を一様ではなく収差を発生さ
せて周辺部を明るくさせることで、光の利用効率の改善
を図ることができる。

【００９６】また、例えば応用として、暗視野落射蛍光
顕微鏡において、励起光をパルス状に出力する光源と、
被測定物から発生した蛍光を時間分解検出する手段とを
備えることにより、蛍光寿命をも高精度に測定すること
ができる。

【００９７】また、比較的長い波長の操作光を出力する
操作光源と、その操作光を被測定物の表面に照射させそ
の照射位置を制御する操作制御装置などを設けてもよ
い。操作光が被測定物表面に照射されるとその照射位置
の特性が変化を受けるので、操作光が照射された蛍光物
質の挙動と操作光が照射されなかった蛍光物質の挙動と
を比較することにより、蛍光物質の平均的な情報だけで
なく、微環境下での個々の蛍光物質の挙動を観察するこ
とができる。

【００９８】以上のように蛍光顕微鏡に適用する場合に
は、本来微弱な蛍光であっても、被測定物には励起光が
高効率かつ一様に照射されるので、被測定物で発生する
蛍光の強度は強く、したがって、コントラストとＳ／Ｎ
比のよい蛍光像の測定、精度のよい蛍光寿命の測定、お
よび、正確な蛍光物質の挙動の観察が可能となる。

【００９９】

【発明の効果】以上、詳細に説明したとおり本発明によ
れば、光源部から出力された第１の光束（照明光または
励起光）は、輪帯光束形成手段によって光束の損失が殆
ど無く輪帯形状とされ、リレーレンズ系によって伝送損
失が殆ど無くコンデンサレンズまで伝送される。

【０１００】このような暗視野落射方式の照明方法とし
たので、光源部から出力された第１の光束は、効率よく
コンデンサレンズによって被測定物の所定領域に集光照
射され、その所定領域から発生する第２の光束（散乱光
または蛍光）の強度は大きく、光検出器で第２の光束の
明るい像を優れたＳ／Ｎ比で観察することが可能とな
る。したがって、強度が弱い散乱光を観察することがで
きるだけでなく、微弱な蛍光をも観察することもでき、
特に蛍光単分子検出が容易になる。

【０１０１】また、ケーラー照明法や光源部にレンズア
レイを採用することにより、光源部の発光ムラや指向性
を解消して、被測定物の所定領域を一様に照射すること
ができるので、第２の光束の正確な光像を得ることがで
きる。

【０１０２】さらに、このような光学系としたことか
ら、従来必要であった拡散板は不要となり、また、照明
光学系の共役関係を維持することができるので、被測定
物上の照明範囲の確保と絞り機能との両立が可能とな
る。

【０１０３】特に、輪帯光束形成手段として二重曲面鏡
を用いる場合には、他の輪帯光束形成手段と比較して、
色収差がないので、より広い波長域で使用でき、形状が
特異である頂点がないので、加工や光学系の調整が容易
となる。さらに、他の輪帯光束形成手段では必要であっ
た輪帯光束を平行にするレンズは、頂点の位置ずれや傾
きの影響が比較的少ないので、二重曲面鏡では不要であ
る。

【０１０４】また、輪帯光束形成手段として傾斜輪帯光
束を形成するもの（円錐鏡、凸円錐プリズム、凹円錐プ
リズム、回折格子それぞれ）を用いる場合には、輪帯光
束形成手段を単一の部品から構成することができ、ま
た、リレーレンズ系を構成する輪帯リレーレンズのうち
の１枚を通常の凸レンズであるリレーレンズに置き換え
ることができるので、加工・調整が容易となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態に係る暗視野落射顕微鏡の光学
系の構成図である。

【図２】二重円錐鏡の出射側から見た平面図、入射側か
ら見た平面図、光軸に沿って切断した端面図、および斜
視図である。

【図３】輪帯光束形成プリズムの出射側から見た平面
図、入射側から見た平面図、光軸に沿って切断した断面
図、および斜視図である。

【図４】反射型輪帯光束形成回折格子を光軸に沿って切
断した断面図である。

【図５】反射型輪帯光束形成回折格子を光軸に沿って切
断した断面図である。

【図６】輪帯リレーレンズの端面図と平面図である。

【図７】輪帯フレネルレンズの端面図と平面図である。

【図８】多数のレンズを融着接続して形成された輪帯リ
レーレンズの端面図と平面図である。

【図９】更に多数のレンズを融着接続して形成された輪
帯リレーレンズの端面図と平面図である。

【図１０】輪帯リレーレンズ系の作用の説明図である。

【図１１】輪帯リレーレンズ系の初段に斜めに入射した
場合の照明光の光路の説明図である。

【図１２】輪帯リレーレンズ系の変形例の説明図であ
る。

【図１３】第２の実施形態に係る暗視野落射顕微鏡の光
学系の構成図である。

【図１４】第３の実施形態に係る暗視野落射顕微鏡の光
学系の構成図である。

【図１５】第４の実施形態に係る暗視野落射顕微鏡の光
学系の構成図である。

【図１６】第５の実施形態に係る暗視野落射顕微鏡の光
学系の構成図である。

【図１７】円錐鏡を光軸に沿って切断した断面図であ
る。

【図１８】凸円錐プリズムを光軸に沿って切断した断面
図である。

【図１９】凹円錐プリズムを光軸に沿って切断した断面
図である。

【図２０】回折格子を光軸に沿って切断した断面図であ
る。

【図２１】回折格子を光軸に沿って切断した断面図であ
る。

【図２２】リレーレンズ系の変形例の説明図である。

【図２３】従来型の暗視野落射顕微鏡の光学系の構成図
である。

【図２４】従来型の暗視野落射顕微鏡におけるコンデン
サレンズと対物レンズとからなる暗視野対物レンズの照
明光入射側から見た平面図である。

【図２５】従来型の暗視野落射顕微鏡における視野絞り
からコンデンサレンズに到るまでの光学系を示す図であ
る。

【符号の説明】

１０，１０Ａ…光源、１１…コレクタレンズ、１２…レ
ンズアレイ、１３…コレクタレンズ、１４…開口絞り、
１５…視野絞り、１６…コリメータレンズ、１７…光束
径調整器、１８…励起フィルタ、２０…遮光板、２１…
拡散板、２９…二重曲面鏡、３０…二重円錐鏡、３１…
輪帯光束形成プリズム、３２…反射型輪帯光束形成回折
格子、３３…透過型輪帯光束形成回折格子、３４…円錐
鏡、３５…凸円錐プリズム、３６…凹円錐プリズム、３
７，３８…回折格子、３９…リレーレンズ、４０，４
１，４２…輪帯リレーレンズ、４３…輪帯反射鏡、４
４，４５，４６…輪帯フレネルレンズ、４７…フレネル
レンズ、４８，４９…輪帯リレーレンズ、５０…コンデ
ンサレンズ、６０…被測定物、７０…対物レンズ、８０
…結像レンズ、８１…吸収フィルタ、９０…光検出器、
１００…傾斜円錐内壁鏡、１０１…光ファイバ、１０２
…光検出器、１１０…傾斜円錐遮光筒、Ａ，Ａ１，Ａ
２，Ａ３…照明光、Ｂ…散乱光、Ｃ…励起光、Ｄ…蛍
光。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の光束を出力する光源部と、前記第１の光束を入力し輪帯形状に成形して出力する輪
帯光束形成手段と、輪帯形状の前記第１の光束を伝送するリレーレンズ系
と、前記リレーレンズ系から出力された前記第１の光束を入
力し被測定物の所定領域に集光照射する輪帯形状のコン
デンサレンズと、前記コンデンサレンズの内側に同軸に配置され、前記第
１の光束が照射された前記被測定物の前記所定領域から
発した第２の光束を入力し、所定位置に結像する対物レ
ンズと、前記対物レンズで結像された前記第２の光束を検出する
光検出手段と、を備えることを特徴とする暗視野落射顕微鏡。
【請求項２】前記輪帯光束形成手段は、前記第１の光
束を輪帯幅および光束径が略一定の平行輪帯形状として
出力するとともに、前記リレーレンズ系は、その平行輪帯形状とされた前記
第１の光束を略一定径のまま伝送する１または２以上の
輪帯リレーレンズを備える、ことを特徴とする請求項１記載の暗視野落射顕微鏡。
【請求項３】前記輪帯光束形成手段は、円錐形状また
は円錐台形状の側面に形成された第１の反射鏡と円錐台
内壁側面に形成された第２の反射鏡とを備え、前記光源
部から出力された前記第１の光束を前記第１および前記
第２の反射鏡で順次反射させて平行輪帯形状として出力
する、ことを特徴とする請求項２記載の暗視野落射顕微
鏡。
【請求項４】前記輪帯光束形成手段は、それぞれ回転
対称形状である第１のプリズムと第２のプリズムとを備
え、前記光源部から出力された前記第１の光束を前記第
１および前記第２のプリズムで順次屈折させて平行輪帯
形状として出力する、ことを特徴とする請求項２記載の
暗視野落射顕微鏡。
【請求項５】前記輪帯光束形成手段は、円盤形状の反
射型の第１の回折格子と輪帯形状の反射型の第２の回折
格子とを備え、前記光源部から出力された前記第１の光
束を前記第１および前記第２の回折格子で順次回折させ
て平行輪帯形状として出力する、ことを特徴とする請求
項２記載の暗視野落射顕微鏡。
【請求項６】前記輪帯光束形成手段は、円盤形状の透
過型の第１の回折格子と輪帯形状の透過型の第２の回折
格子とを備え、前記光源部から出力された前記第１の光
束を前記第１および前記第２の回折格子で順次回折させ
て平行輪帯形状として出力する、ことを特徴とする請求
項２記載の暗視野落射顕微鏡。
【請求項７】前記輪帯光束形成手段は、回転対称形で
ある第１の曲面鏡と回転対称形であって中央に孔部が設
けられている第２の曲面鏡とを備え、前記光源部から出
力された前記第１の光束を前記第２の曲面鏡の孔部に入
力し、前記第１および前記第２の曲面鏡で順次反射させ
て平行輪帯形状として出力する、ことを特徴とする請求
項２記載の暗視野落射顕微鏡。
【請求項８】前記リレーレンズ系は、前記輪帯光束形成手段の入射側および出射側の何れかに
配置される第１の輪帯リレーレンズと、前記コンデンサレンズの入射側に配置される第２の輪帯
リレーレンズと、前記第１および前記第２の輪帯リレーレンズの間の光路
上に配置される第３の輪帯リレーレンズと、を備えることを特徴とする請求項２記載の暗視野落射顕
微鏡。
【請求項９】前記リレーレンズ系は、前記第１の輪帯
リレーレンズが前記輪帯光束形成手段と一体である、こ
とを特徴とする請求項８記載の暗視野落射顕微鏡。
【請求項１０】前記輪帯光束形成手段は、前記第１の
光束を輪帯幅が略一定であって光束径が次第に拡がる傾
斜輪帯形状として出力するとともに、前記リレーレンズ系は、傾斜輪帯形状の前記第１の光束
を入力し光束径が略一定であって輪帯幅が次第に狭くな
る集光輪帯形状として出力するリレーレンズと、その集
光輪帯形状とされた前記第１の光束を略一定径のまま伝
送する１または２以上の輪帯リレーレンズと、を備え
る、ことを特徴とする請求項１記載の暗視野落射顕微鏡。
【請求項１１】前記輪帯光束形成手段は、円錐形状の
側面に形成された反射鏡を備え、前記光源部から出力さ
れた前記第１の光束を前記反射鏡で反射させて傾斜輪帯
形状として出力する、ことを特徴とする請求項１０記載
の暗視野落射顕微鏡。
【請求項１２】前記輪帯光束形成手段は、入射面およ
び出射面の少なくとも何れか一方が凸状または凹状の円
錐形状である回転対称形の円錐プリズムを備え、前記光
源部から出力された前記第１の光束を前記円錐プリズム
で屈折させて傾斜輪帯形状として出力する、ことを特徴
とする請求項１０記載の暗視野落射顕微鏡。
【請求項１３】前記輪帯光束形成手段は、円盤形状の
透過型の回折格子を備え、前記光源部から出力された前
記第１の光束を前記回折格子で回折させて傾斜輪帯形状
として出力する、ことを特徴とする請求項１０記載の暗
視野落射顕微鏡。
【請求項１４】前記輪帯リレーレンズはフレネルレン
ズである、ことを特徴とする請求項２または９記載の暗
視野落射顕微鏡。
【請求項１５】前記リレーレンズ系は、前記光源部の
像を前記コンデンサレンズの前側焦点面に結像し、前記コンデンサレンズは、前記被測定物の前記所定領域
をケーラー照明法で照明する、ことを特徴とする請求項１記載の暗視野落射顕微鏡。
【請求項１６】前記光源部は、前記第１の光束の光路
上に配され、前記第１の光束の光軸に垂直な平面上に複
数の小レンズが配列されたレンズアレイを備える、こと
を特徴とする請求項１記載の暗視野落射顕微鏡。
【請求項１７】前記被測定物に対して前記コンデンサ
レンズの反対側に配され、前記被測定物を透過した前記
第１の光束を吸収する透過光吸収部材を更に備える、こ
とを特徴とする請求項１記載の暗視野落射顕微鏡。
【請求項１８】前記透過光吸収部材は、逆円錐形状の
円錐内壁が傾斜して形成されて、前記被測定物を透過し
た前記第１の光束を前記円錐内壁で多重反射させて吸収
する傾斜円錐内壁鏡である、ことを特徴とする請求項１
７記載の暗視野落射顕微鏡。
【請求項１９】前記傾斜円錐内壁鏡の前記円錐内壁の
頂部に接続され、前記頂部に到達した前記第１の光束を
入射して外部へ廃棄する光ファイバを更に備える、こと
を特徴とする請求項１８記載の暗視野落射顕微鏡。
【請求項２０】前記透過光吸収部材は、円錐台形状の
遮光筒内壁が傾斜して形成されて、前記被測定物を透過
した前記第１の光束を前記遮光筒内壁で多重反射させて
吸収する傾斜円錐遮光筒である、ことを特徴とする請求
項１７記載の暗視野落射顕微鏡。