JP2001194592A

JP2001194592A - 位相物体観察装置

Info

Publication number: JP2001194592A
Application number: JP2000001271A
Authority: JP
Inventors: Tatsuro Otaki; 達朗大瀧
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2000-01-07
Filing date: 2000-01-07
Publication date: 2001-07-19

Abstract

(57)【要約】【課題】ハローを生じず、しかも、位相構造に応じたコ
ンラストのついた像を観察することのできる位相物体観
察装置を提供する。【解決手段】光源１０と、被検物体を搭載するステージ
３と、光源１０からの光を通過させる開口１ａと、被検
物体からの光束を通過させる透過部材５と、透過部材を
通過した光束を結像させる結像光学系４，６とを有す
る。透過部材５は、開口１ａに共役な領域５１が、予め
定められた一定の透過率であり、その片側の第１領域５
２は、領域５１の透過率よりも透過率が小さく、もう片
側の第２領域５３は、領域５１の透過率よりも透過率が
大きい。第１の領域５２の透過率は、領域５１から離れ
るに従って小さくなり、第２の領域５３の透過率は、開
口１ａに共役な領域から離れるに従って大きくなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、無色透明な生物標
本などの位相物体を染色することなく観察することを可
能にする位相物体観察装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】位相物体を観察するための顕微鏡として
は位相差顕微鏡が知られている。位相差顕微鏡では、照
明系の開口位置に開口絞りが配置されているとともに、
対物レンズ側の前記開口絞りの共役位置に位相を変換す
る位相膜が配置されている。照明系は開口絞りによって
制限された照明光を被検物体（位相物体）に照射する。
この照明によって被検物体によって生じる回折光と透過
光との位相の差を、位相膜が調節し、両者を干渉させる
ことにより、被検物体の位相差は像の明暗として可視化
される。この位相差顕微鏡の原理は、F.Zernikeによっ
て発明されたものであり、例えば鶴田匡夫著「応用光学
１（倍風館，1990，pp．256−259）」等に記載されてい
る。

【０００３】また、特開昭５１−１２８５４８号公報に
は、位相差顕微鏡とは異なる原理により位相物体を観察
する変調コントラスト顕微鏡が開示されている。この方
法では、照明光学系にスリット絞りを配置し、観察光学
系に前記スリット絞りと共役な位置に透過率変調器を配
置する。透過率変調器は、スリット絞りの開口と共役な
領域に適当な透過率を持つ吸収膜を備え、この吸収膜の
隣接する領域には前記吸収膜とは透過率の異なる吸収膜
を備える。この変調コントラスト顕微鏡では、被検物体
の屈折により前記透過率変調器の通過する領域が異なる
ことを利用して、透過光にコントラストをつける。

【０００４】また、特開平１０−２６８１９７号公報に
は、上記変調コントラスト顕微鏡と位相差顕微鏡とを組
み合わせた構成の顕微鏡が開示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記位相差顕微鏡で
は、位相差量が大きい物体では、コントラストの反転し
た像が形成されるという問題がある。この現象はハロー
（ｈａｌｏ）と呼ばれ、物体の像の周囲に位相差や構造
に応じた隈取り状の光の滲みが現れる現象である。ハロ
ーが生じると良好な観察が妨げられ、場合によってはハ
ローによる光の滲みの部分が被検物体の構造であると観
察者が誤解する可能性もある。

【０００６】一方、変調コントラスト法では、ハローは
生じないが、微小な位相差量の物体を観察する場合に
は、観察像のコントラストが低くなるため、検出感度が
低くなるという問題がある。

【０００７】本発明は、ハローを生じず、しかも、位相
構造に応じたコンラスト差のついた像を観察することの
できる位相物体観察装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本願によれば以下のような位相物体観察装置が提供
される。

【０００９】すなわち、光源(10)と、被検物体を搭載す
るステージ(3)と、前記光源(10)からの光を通過させて
前記被検物体に照射する予め定められた形状の開口(1a)
と、前記被検物体からの光束を通過させる透過部材(5)
と、前記透過部材(5)を通過した光束を結像させる結像
光学系(6)とを有し、前記透過部材(5)は、前記開口(1a)
に共役な領域(51)と、該開口に共役な領域(51)の両側に
配置された第１および第２領域(52,53)とを含み、前記
開口に共役な領域(51)は、予め定められた一定の透過率
であり、前記第１領域(52)は、前記開口に共役な領域(5
1)の透過率よりも透過率が小さい領域であり、前記第２
領域(53)は、前記開口に共役な領域(51)の透過率よりも
透過率が大きい領域であり、前記第１の領域(52)の透過
率は、前記開口に共役な領域(51)から離れるに従って低
くなり、前記第２の領域(53)の透過率は、前記開口に共
役な領域(51)から離れるに従って高くなっていることを
特徴とする位相物体観察装置である。

【００１０】なお、上記記載において各構成要件の後に
括弧書きで示した符号は、後述する実施の形態でその構
成要件に対応する構成の符号であるが、各構成要件を実
施の形態の構成要件に限定するものではない。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の一実施の形態について図
面を用いて説明する。

【００１２】本発明の第１の実施の形態の透過型の位相
物体観察装置について説明する。

【００１３】本実施形態の透過型位相物体観察装置は、
図１のように光軸１０１上に順に、光源１０、絞り１、
コンデンサレンズ２、被検物体を搭載するためのステー
ジ３、対物レンズ４、透過率変調板５、結像レンズ６を
配置した構成である。

【００１４】絞り１は、スリット状の開口１ａを有して
いる。開口１ａは光軸１０１からずれた位置に配置され
ている。開口１ａの向きは、スリット幅の方向が光軸１
０１を含む面内すなわちメディジオナル方向に一致し、
スリットの長さ方向がそれに直交するサジタル方向に一
致するように配置されている。

【００１５】また、透過率変調板５は、被検物体からの
光束１０２を横切るように配置され、少なくとも光束１
０２が通過する領域においてその透過率が変調されてい
る。図３のように、透過率変調板５は、開口１ａに共役
な領域５１と、その両脇の透過率変調領域５２，５３と
に分けられている。各領域５１，５２，５３の透過率
は、図２のグラフ２１のように定められている。開口１
ａに共役な領域５１は、その全体が、予め定められた一
定の透過率Ｔ₁＝約２０％である。一方、領域５３は、
光束１０２を横切るｒ１方向に沿って透過率が単調増加
するように形成されている。よって、領域５３のうち領
域５１に接している部分の透過率は、領域５１の透過率
Ｔ₁と等しく、領域５１から離れるにつれて透過率は徐
々に増加し、領域５３のうち領域５１から最も離れた部
分の透過率は、ほぼ１００％となっている。逆に、領域
５２は、領域５１から離れるにつれて、透過率が単調減
少するように形成されている。よって、領域５２のうち
領域５１に接している部分の透過率は、領域５１の透過
率Ｔ₁と等しく、領域５１から離れるにつれて徐々に透
過率が減少し、領域５２のうち領域５１から最も離れた
部分の透過率は、ほぼ０％となっている。

【００１６】このような構成の位相物体観察装置より、
観察を行う際には、ステージ３上に被検物体を搭載し、
光源１０から光を出射させる。光源１０からの光は、絞
り１の開口１ａを通過することにより、光束の断面形状
が開口１ａ形状の照明光束１０３となる。照明光束１０
３は、コンデンサレンズ２により集光され、斜め方向か
らステージ３上の被検物体を照明する。このとき、照明
光束１０３により対物レンズ４の視野全体を照明できる
ように、コンデンサレンズ２の光学特性および開口１ａ
の大きさ・形状等を予め定めておく。また、開口１ａの
幅は、照明の明るさを確保できる大きさに設定する。例
えば、開口１ａの幅は、Ｎ．Ａ．で０．１〜０．２程度
となるように設定することができる。

【００１７】照明光束１０３により照明された被検物体
３からは、光束１０２が生じる。光束１０２には、照明
光束１０３が被検物体を透過した透過光（直接光）Ｌ１
と、回折光Ｌ２とが含まれる。回折光Ｌ２は、透過光Ｌ
１に対して回折角θの角度をなしている。この回折角θ
は、光源１０の波長をλ、被検物体の屈折率をｎ、被検
物体の構造の周期をｄとしたとき、 θ＝ｓｉｎ^-1（０．６１λ／ｎ・ｄ）ただし０≦θ≦π／４と表される。よって、回折角θの
大きさは、被検物体の周期の大きさによって決定され
る。また、回折光の方向すなわち、回折光Ｌ２の方向に
回折光が生じるかまたは回折光Ｌ２’の方向に回折光が
生じるかは、被検物体の構造によって決まる。

【００１８】光束１０２の直接光Ｌ１と回折光Ｌ２、Ｌ
３は、対物レンズ４により平行光束となり、透過率変調
板５を通過する。このとき、直接光Ｌ１は、透過率変調
板５のうち、開口１ａに共役な領域５１を通過する。一
方、回折光Ｌ２は、直接光Ｌ１から距離ｐだけ離れた部
分の透過率変調板５を通過する。直接光Ｌ１と回折光Ｌ
２の距離ｐは、対物レンズ４の焦点距離ｆ₂により、ｐ＝ｆ₂・ｓｉｎθ と表され、回折角θによって定まる。したがって、回折
角θの小さな回折光Ｌ２は、透過率変調板５のうち共役
な領域５１に近い部分を通過し、回折角θの大きな回折
光Ｌ２は、共役な領域５１から遠い部分を通過する。こ
のとき透過率変調板５の領域５３は、図２のグラフ２１
に示したように共役な領域５１に近い部分ほど透過率が
Ｔ１に近く、共役な領域５１から遠くなるほど透過率が
高くなっている。逆に領域５２は、共役な領域５１から
遠くなるほど透過率が低くなっている。よって、回折光
Ｌ２は、透過率変調板５を通過することにより、回折角
θの大きさに応じて強度変調され、回折角θが大きいほ
ど直接光Ｌ１に対してコントラスト差の大きな光とな
る。また、このコントラスト差が、明方向になるか暗方
向になるかは、回折光が回折した方向が、回折光Ｌ２の
方向すなわち領域５３側か、回折光Ｌ２’の方向すなわ
ち領域５２側かによって決まる。

【００１９】このように透過率変調板５により、透過光
（直接光）Ｌ１と回折光Ｌ２、Ｌ２’とでコントラスト
差をつけられた光束１０２は、結像レンズ６により像面
７に結像される。この像では、被検物体の形状が透過光
により結像されているとともに、回折光が生じている部
分にコントラスト変調された暗い（もしくは明るい）回
折光の像が重ねて結像され、それがコントラスト差のつ
いた影のように観察される。したがって、不図示の撮像
装置もしくは接眼レンズを介した肉眼によりこの像を撮
像もしくは観察することにより、被検物体が透明な試料
であっても、回折光を生じさせる位相分布がある構造を
暗い（もしくは明るい）コントラスト差のついた像とし
て観察することができる。この像においては、コントラ
スト差が明か暗かにより、回折光の方向を知ることがで
き、コントラスト差の大きさにより、回折角θの大きさ
を把握できる。

【００２０】例えば、被検物体として透明な材質からな
る微小な凸形状を観察した場合、右側の側面から生じる
回折光は図１の回折光Ｌ２の方向に回折し領域５３を通
過するため、透過光に対して明るいコントラストがつ
く。一方、凸形状の左側側面から生じる回折光は、図１
の回折光Ｌ２’の方向に回折し領域５２を通過するた
め、透過光に対して暗いコントラストがつく。したがっ
て、像面７に結像された像では、凸形状の右側面部分が
明るく光り、左側面部分が暗い影となる。これにより、
透明な材質からなる凸形状をコントラスト差のついた像
として観察者が認識できる。このとき、片側側面が明る
く、逆側側面が暗い像となることにより、観察者には像
が立体的に見えるため、凸形状を容易に把握できる。し
かも、コントラスト差の大きさ（影の濃さ）により、回
折角θの大きさを把握でき、凸形状の高さや角度を推測
することが可能である。

【００２１】なお、本実施の形態の位相物体観察装置で
は、位相差顕微鏡のようにハローが生じないため、ハロ
ーを被検物体の構造であると誤解するおそれがない。

【００２２】また、本実施の形態では、開口１ａを光軸
１０１からずらした位置に配置することにより、被検物
体に対して斜め方向から光を照射することができ、回折
角θの大きな回折光を取り込むことができる。また、斜
め方向から光を照射することにより、いわゆる偏斜照明
となっているため、被検物体に回折光を効果的に生じさ
せることができ、透過光Ｌ１に対する回折光Ｌ２の割合
を増加させることができる。これらにより、位相物体か
ら、分解能および検出感度が高いコントラスト像を得る
ことができる。ただし、開口１ａが光軸１０１上に位置
していても回折光は生じるので、開口１ａを光軸１０１
上に配置させることも可能である。

【００２３】また、図１の構成では、開口１ａの辺の長
さは、メディジオナル方向の径よりもサジタル方向の径
の方が長くなっているため、被検物体に対して一定の斜
め方向から照明光を照射できる。これにより、被検物体
から回折光を一方向に生じさせることができる。

【００２４】また、本実施の形態の透過率変調板５は、
ガラス等の透明な基板上に、Ａｇ膜、Ａｌ膜、Ｃｒ膜、
ＴｉＯ₂膜、クロメル（Ｎｉ８０％Ｃｒ２０％合金）
膜、インコネル（Ｎｉ８０％Ｃｒ１５％Ｆｅ５％合金）
膜等の光学膜の少なくとも１種類を形成することにより
構成することができる。透過率変調領域５２，５３の透
過率を変調させるためには、上記光学膜の膜厚を透過率
が高い部分では薄く、透過率が低い部分では厚くなるよ
うに膜厚を調整して成膜する。なお、上述の実施の形態
では、開口１ａに共役な領域５１内では、透過率を一定
としたが、図２のグラフ２３のように連続的に透過率が
変化する構成にしても、上述の実施の形態とほぼ同様の
結果を得ることができる。

【００２５】なお、上述の実施の形態では透過率変調板
５の透過率変調領域５２，５３の透過率が、共役な領域
５１からの距離に応じて連続的に変化する構成とした
が、図４のように領域５２を３つの領域４４，４５，４
６に分け、領域５３を３つの領域４１，３２，４３に分
け、各領域ごとに異なる透過率に設定することにより、
図２のグラフ２２のように透過率が段階的に変化する構
成にすることも可能である。この構成の場合、回折角θ
によるコントラスト差も段階的に変化することになる。
この構成では、図４の透過率変調板５を比較的容易に製
造できるという利点がある。

【００２６】また、本実施の形態では、絞り１の開口１
ａの形状を長方形にしているが、図６（ｂ）のように円
弧の一部の形状にすることができる。この場合、透過率
変調板５も、開口１ａの形状に合わせて図６（ａ）のよ
うに半径方向に透過率が変調された構成にする。これに
より、上述の実施の形態と同様の効果を得ることができ
る。

【００２７】つぎに、本発明の第２の実施の形態の位相
物体観察装置について図５を用いて説明する。

【００２８】第２の実施の形態の位相物体観察装置は、
反射型の装置である。図５の反射型位相物体観察装置を
構成する光学部品は、図１の透過型の装置とほぼ同様で
あるが、光軸１０１の透過率変調板５と結像レンズ６と
の間にハーフミラー１５０を配置し、このハーフミラー
１５０により光軸１０１から分離された光軸１５１上に
コンデンサレンズ２と絞り１と光源１０とを配置してい
る点が図１の透過型の装置とは異なっている。

【００２９】また、この図５の反射型の装置では、光源
１０からの照明光束１０３は、絞り１を通過した後、斜
め方向からコンデンサレンズ２に入射してコンデンサレ
ンズ２により光軸１５１に平行な光束となって、ハーフ
ミラー１５０に入射し、ハーフミラー１５０で反射され
る。そして、透過率変調板５のうち領域５１，５２，５
３以外の領域を透過し、対物レンズ４で集光されること
により、斜め方向からステージ１上の被検物体を照明す
る。よって、照明光は、透過率変調板５により透過率変
調されることなくステージ１の被検物体に照射される。

【００３０】一方、被検物体１からの反射光および回折
光を含む光束１０２は、対物レンズ４を通過することに
より、光軸１０１に平行な光束となって透過率変調板５
の領域５１，５２，５３を透過する。これにより、第１
の実施の形態と同様に、回折光Ｌ２は、回折角θに応じ
た透過率変調を受ける。この光束１０２を結像レンズ６
で結像することにより像面７に回折角の大きさに応じて
コントラスト差のついた像を得ることができる。

【００３１】このように、図５の位相物体観察装置は、
反射型であっても位相物体をコントラスト差のついた像
として観察することができる。

【００３２】上述してきたように、上述の第１および第
２の実施形態の位相物体観察装置は、きわめて簡単な構
成でありながら、位相物体をコントラスト像に変換する
ことができる。しかも、微小な物体と大きな物体のよう
に回折角θの異なる物体では、像のコントラスト差（影
の濃さ）が異なるため、解像度が高い。また、コントラ
スト差は回折の方向により明方向または暗方向のいずれ
かにつくため、コントラスト像を立体的に視認しやす
く、観察者が位相物体の構造を理解しやすいという利点
もある。

【００３３】

【発明の効果】上述してきたように、本願の請求項１に
記載の発明によれば、ハローを生じず、しかも、位相構
造に応じたコンラストのついた像を観察することのでき
る位相物体観察装置を提供することができる。

【００３４】また、本願の請求項２に記載の発明の位相
物体観察装置のように透過部材の透過率を連続的に変化
させた場合には、位相構造に応じて連続的にコントラス
ト差のついた像を得ることができるため、高解像度の像
が得られる。一方、透過率を段階的に変化させた場合に
は、透過部材の製造を容易に行うことができる。

【００３５】本願の請求項３に記載の発明によれば、ハ
ローを生じず、しかも、位相構造に応じたコンラストの
ついた像を観察することのできる位相物体観察装置を提
供することができる。

【００３６】また、本願の請求項４に記載の位相物体観
察装置のように、透過部材の開口に共役な領域の透過率
を一定にしておくことにより、被検物体からの直接光に
はコントラスト差が生じないため、解像度を向上させる
ことができる。

【００３７】本願の請求項５に記載の位相物体観察装置
のように開口径を定めることにより、被検物体から回折
光を一様に生じさせることができる。

【００３８】本願の請求項６に記載の位相物体観察装置
のように開口を光軸からずらしておくことにより、被検
物体に対して照明光を斜め方向から入射させることがで
き、回折光の発生割合を高めることができる。これによ
り、検出感度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の透過型位相物体観
察装置の構成を示すブロック図。

【図２】図１の位相物体観察装置の透過率変調板５の透
過率の分布を示すグラフ。

【図３】図１の位相物体観察装置の透過率変調板の構成
を示す説明図。

【図４】本発明の第１の実施の形態の位相物体観察装置
に用いることのできる透過率変調板の別の構成例を示す
説明図。

【図５】本発明の第２の実施の形態の反射型位相物体観
察装置の構成を示すブロック図。

【図６】本発明の第１の実施の形態の位相物体観察装置
に用いることのできる（ａ）透過率変調板５の別の構成
例を示す説明図と（ｂ）絞り１の別の構成例を示す説明
図。

【符号の説明】

１…絞り、１ａ…開口、２…コンデンサレンズ、３…ス
テージ、４…対物レンズ、５…透過率変調板、６…結像
レンズ、７…像面、１０…像面、５１…開口に共役な領
域、５２，５３…透過率変調領域、１０１…光軸、１０
２…光束、１０３…照明光束、１５０…ハーフミラー、
１５１…光軸。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源と、前記光源からの光を通過させて被
検物体に照射する予め定められた形状の開口と、前記被
検物体からの光束を通過させる透過部材と、前記透過部
材を通過した光束を結像させる結像光学系とを有し、前記透過部材は、前記開口に共役な領域と、該開口に共
役な領域の両側に配置された第１および第２領域とを含
み、前記開口に共役な領域は、予め定められた一定の透過率
であり、前記第１領域は、前記開口に共役な領域の透過
率よりも透過率が低い領域であり、前記第２領域は、前
記開口に共役な領域の透過率よりも透過率が高い領域で
あり、前記第１の領域の透過率は、前記開口に共役な領
域から離れるに従って低くなり、前記第２の領域の透過
率は、前記開口に共役な領域から離れるに従って高くな
っていることを特徴とする位相物体観察装置。
【請求項２】請求項１に記載の位相物体観察装置におい
て、前記第１および第２領域の透過率は、前記開口に共
役な領域からの距離に応じて、連続的もしくは段階的に
変化していることを特徴とする位相物体観察装置。
【請求項３】光源と、前記光源からの光を通過させて被
検物体に照射する予め定められた形状の開口と、前記被
検物体からの光束を通過させる透過部材と、前記透過部
材を通過した光束を結像させる結像光学系とを有し、前記透過部材は、前記被検物体からの光束が通過する領
域の透過率が、前記光束を横切る方向に沿って前記光軸
から離れるにしたがって次第に低くなるように構成され
ていることを特徴とする位相物体観察装置。
【請求項４】請求項３に記載の位相物体観察装置におい
て、前記透過部材は、前記被検物体からの光束が通過す
る領域のうち前記開口に共役な領域は、前記透過率が予
め定めた一定の透過率であることを特徴とする位相物体
観察装置。
【請求項５】請求項１、３または４に記載の位相物体観
察装置において、前記開口の径は、メディジオナル方向
の径よりもサジタル方向の径の方が大きいことを特徴と
する位相物体観察装置。
【請求項６】請求項１、３または５に記載の位相物体観
察装置において、前記開口は、前記結像光学系の光軸か
らずれた位置に配置されていることを特徴とする位相物
体観察装置。