JP2003015042A - 微分干渉顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 視野の均一性を確保できる微分干渉顕微鏡を
提供すること。 【解決手段】 光源１からの照明光はコレクタレンズ２
によって集光された後、ビームスプリッタＢＳ１で反射
されてコンデンサレンズの役割を兼ねた対物レンズ３へ
向かい、対物レンズ３を介して標本４を照明する。標本
４上で反射された照明光は対物レンズ３によって集光さ
れ、ビームスプリッタＢＳ１を透過した成分が結像して
拡大像５を形成する。コレクタレンズ２とビームスプリ
ッタＢＳ１の間の光路中には偏光子Ｐ１が、ビームスプ
リッタＢＳ１と対物レンズ３の間の光路中には、対物レ
ンズ３の後側焦点面近傍に、光軸Ｉに垂直な平面γ対し
て傾き角度ηとなるように傾けて配置したノマルスキィ
プリズムからなる複屈折光学部材ＢＰ１が、またビーム
スプリッタＢＳ１と拡大像５の間の光路中には検光子Ａ
１がそれぞれ配置されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、微分干渉顕微鏡、
特に複屈折光学部材を用いた微分干渉顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来技術】従来の微分干渉顕微鏡における光学系の構
成の一例として、反射型微分干渉顕微鏡がある。

【０００３】この、反射型微分干渉顕微鏡では、光源か
らの照明光はコレクタレンズによって集光された後、ビ
ームスプリッタで反射されてコンデンサレンズの役割を
兼ねた対物レンズへ向かい、対物レンズを介して標本を
照明する。標本上で反射された照明光は対物レンズによ
って集光され、ビームスプリッタを透過した成分が結像
して拡大像を形成する。コレクタレンズとビームスプリ
ッタの間の光路中には偏光子が、ビームスプリッタと対
物レンズの間の光路中には対物レンズの後側焦点面近傍
に複屈折光学部材が複屈折光学部材の表面で発生する反
射光の影響を除くために僅か（数度以内）に傾けて、ま
たビームスプリッタと拡大像の間の光路中には検光子が
それぞれ配置されている。

【０００４】上記従来例において複屈折光学部材として
一般に用いられるウォラストンプリズムやノマルスキィ
プリズムは、複屈折性をもつ光学材料、たとえば水晶や
方解石の様な結晶等からなる楔型プリズムを、それぞれ
の光学軸の方向が互いに直交するように２枚張り合わせ
たものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述のような微分干渉
顕微鏡においては、ウォラストンプリズムやノマルスキ
ィプリズムに用いられる結晶特有の収差のため、像に図
６に示すような観察視野内の明るさや色づきのむらが生
じ、視野内の均一性が失われるという問題点があった。
このむらは一般に視野周辺部のシア方向およびシア方向
と垂直な方向に現れる。そこで、この問題を解決しよう
としたのが特公昭６１−３４０９号や、特開平２−１５
１８２５に記載の装置であった。

【０００６】しかし、特公昭６１−３４０９号に記載の
装置は、結晶特有の収差により生じる位相差を相殺する
ために、結晶からなる補償板を新たに追加する必要があ
った。また、特開平２−１５１８２５に記載の装置にお
いては、同じく位相差を相殺するために、正結晶と負結
晶という光学的に逆の性質をもつ結晶を組み合わせて用
いる必要があった。一般に、結晶材料は高価であり、特
に負結晶材料は正結晶材料に比べて高価でかつ加工難易
度の高い材料が多い。

【０００７】本発明は、上記問題に鑑みてなされたもの
であり、結像面上でのむらを除去し、高コントラストで
良好な微分干渉像の得られる微分干渉顕微鏡を提供する
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、本発明では、所定の振動方向を持つ偏光光を、複屈
折光学部材へ入射させて、偏光方向が互いに直交する２
つの直線偏光成分に分離し、分離された該２つの直線偏
光成分を対物レンズを介して被検物へ照射し、該被検物
を反射した前記２つの直線偏光成分を前記対物レンズを
経由させて、前記複屈折光学部材へ導いて１つの光に合
成し、合成された光束の両直線偏光成分を偏光干渉さ
せ、干渉した光束により前記被検物の前記対物レンズに
よる像を形成する微分干渉顕微鏡において、前記複屈折
光学部材は楔面と基準面を有し、光軸と楔面法線を含む
面内において、前記光軸と垂直な平面に対して１６度以
上４０度以下の範囲で楔角方向に傾けて配置されている
ことを特徴とする微分干渉顕微鏡を提供する。

【０００９】また、本発明の微分干渉顕微鏡では、前記
複屈折光学部材は、ノマルスキィプリズムであることが
好ましい。

【００１０】さらに、本発明では、所定の振動方向を持
つ偏光光を、第１の複屈折光学部材へ入射させて、偏光
方向が互いに直交する２つの直線偏光成分に分離し、分
離された該２つの直線偏光成分を照明光学系を経由させ
て被検物へ照射し、該被検物を反射あるいは透過した前
記２つの直線偏光成分を対物レンズを経由させて、第２
の複屈折光学部材へ導いて１つの光に合成し、合成され
た光束の両直線偏光成分を偏光干渉させ、干渉した光束
により前記被検物の前記対物レンズによる像を形成する
微分干渉顕微鏡において、前記第１および第２の複屈折
光学部材は楔面と基準面を有し、光軸と楔面法線を含む
面内において、前記第１および第２の複屈折光学部材の
少なくとも一方は、前記光軸と垂直な平面に対して１６
度以上４０度以下の範囲で楔角方向に傾けて配置されて
いることを特徴とする微分干渉顕微鏡を提供する。

【００１１】また、本発明の微分干渉顕微鏡では、前記
第１の複屈折光学部材と前記第２の複屈折光学部材の少
なくとも一方は、ノマルスキィプリズムであることが好
ましい。

【００１２】さらに、より好ましい傾き角度の範囲は、
２５度以上３５度以下である。

【００１３】

【発明の実施形態】本発明の実施形態を図面を参照しつ
つ説明する。

【００１４】図１は、本発明の第１の実施形態である反
射型微分干渉顕微鏡の光学系の概略図であり、図２は、
複屈折光学部材ＢＰ１の拡大説明図である。

【００１５】図1に示す反射型微分干渉顕微鏡におい
て、光源１からの照明光はコレクタレンズ２によって集
光された後、ビームスプリッタＢＳ１で反射されてコン
デンサレンズの役割を兼ねた対物レンズ３へ向かい、対
物レンズ３を介して標本４を照明する。標本４上で反射
された照明光は対物レンズ３によって集光され、ビーム
スプリッタＢＳ１を透過した成分が結像して拡大像５を
形成する。コレクタレンズ２とビームスプリッタＢＳ１
の間の光路中には偏光子Ｐ１が配置されている。ビーム
スプリッタＢＳ１と対物レンズ３の間の光路中には、対
物レンズ３の後側焦点面近傍に複屈折光学部材ＢＰ１が
配置されている。複屈折光学部材ＢＰ１はノマルスキィ
プリズムからなり、光軸Ｉに垂直な平面γ対して傾き角
度ηとなるようにプリズムの楔角方向（図２のθ方向）
に傾けて配置されている。またビームスプリッタＢＳ１
と拡大像５の間の光路中には検光子Ａ１が配置されてい
る。

【００１６】上記配置において、コレクタレンズ２を介
して集光された光源１からの照明光は偏光子Ｐ１によっ
て直線偏光となり、次にビームスプリッタＢＳ１により
反射された後、複屈折光学部材ＢＰ１の複屈折作用によ
り常光線と異常光線とに分離される。これら２光線は振
動方向が光軸に垂直でかつ互いに直交する直線偏光であ
る。分離した２光線は複屈折光学部材ＢＰ１を通過後わ
ずかな分離角をもって進行し、対物レンズ３の集光作用
によって互いにわずかに離れた平行光線に変換され試料
４に到達する。このとき、平行光線のわずかな分離量の
ことをシア量といい、また試料面上において平行光線が
分離する方向のことをシア方向という。試料４上のわず
かに離れた位置で反射した２光線は、対物レンズ３の集
光作用により複屈折光学部材ＢＰ１上に集光し、複屈折
光学部材ＢＰ１の複屈折作用により１つの光線となり同
一光路上を進行し、複屈折光学部材ＢＰ１を透過する。
そして検光子Ａ１により互いに直交する直線偏光中の同
一方向振動成分だけが取り出されて干渉し、試料４上の
わずかに異なる位置で反射する際に２光線間に付与され
た位相差に応じた干渉縞が拡大像５として観察される。

【００１７】複屈折光学部材ＢＰ１の拡大図を、図２
（ａ）に示す。図２（ａ）において、複屈折光学部材の
ＢＰ１の基準面をα、楔面をβとし、光軸Ｉに対して垂
直な平面をγとすると、複屈折光学部材ＢＰ１は、該複
屈折光学部材ＢＰ１の基準面αが光軸Ｉと垂直な平面γ
に対してなす角度ηが、１６度以上４０度以下の範囲と
なるように、傾けて配置されている。ここに基準面α
は、光軸Ｉおよび光軸Ｉと垂直な平面γの交点Ｒを通
り、複屈折光学部材の上面と平行な平面である。光軸上
の光線Ｌは、複屈折光学部材ＢＰ１を通過することによ
り光線ＬｏとＬｅに分離し、複屈折光学部材ＢＰ１の外
部の光線分離面Ｑで２光線ＬｏとＬｅは交わる。ここで
楔角方向は基準面αに対する楔面βの傾き方向（θ方
向）とする。

【００１８】以下、第１の実施形態における複屈折光学
部材ＢＰ１の傾き角ηと、シア方向のむらについて説明
する。

【００１９】図２（ａ）において、交点Ｒを通る基準面
αの法線をＮとし、複屈折光学部材ＢＰ１を構成する２
枚の水晶製楔型プリズムの法線Ｎに沿った厚さをそれぞ
れｄ１、ｄ２とする。また、楔面βの、基準面αに対す
る傾き角度をθとする。具体的には、ｄ１＝ｄ２＝０．
５ｍｍ、θ＝１５分とし、２枚目の楔型プリズムにおけ
る光学軸の基準面αに対する角度はゼロ、すなわち光学
軸は基準面αに平行とする（図２の矢印）。このとき、
複屈折光学部材ＢＰ１の傾き角度ηをゼロから順次大き
くしていったときに、シア方向のむらがどのように変化
するかを計算したのが、図３のグラフである。

【００２０】図３において、横軸は複屈折光学部材ＢＰ
１の傾き角度η、縦軸は顕微鏡像のシア方向最外視野に
おける視野中心に対するむら量を、位相差（リターデー
ション量（ｎｍ））で表したものである。ただし、複屈
折光学部材ＢＰ１は水晶からなるものとし、光源の波長
は５４６ｎｍとした。また、顕微鏡像の最外視野位置に
おける主光線Ｌ１、Ｌ２は、光線分離面Ｑにおける光軸
Ｉと成す角度δ１、δ２（図２（ｂ））がそれぞれ−
３．６度、＋３．６度であると仮定して計算をおこなっ
た。図３より、傾き角度ηが増加するに従って、むら量
が減っていき、η＝３３度付近でむら量が略ゼロとなっ
ているのがわかる。さらに傾き角度ηが増加していくと
今度はむら量がマイナス方向に増加していく。以上の説
明より、複屈折光学部材ＢＰ１の傾き角度ηを増加して
いくと、シア方向のむら量はある傾き角度ηの範囲内で
大幅に減少することが、数値計算上明らかになった。

【００２１】この現象を模式的に説明すると、次のよう
になる。今、図２（ｂ）において、光軸上の光線をＬと
すると、シア方向最外視野の主光線はＬ１およびＬ２と
なる。また基準面αと紙面の交線をＸ軸とし、交点Ｒで
Ｘ＝0、そこから右方向にＸ＞０とする。さらに、図２
（ａ）、（ｂ）の傾き角度ηの状態をη＞０とする。こ
のとき、傾き角度η＝０において主光線Ｌ１およびＬ２
が基準面αと交わる点のＸ座標をそれぞれＲ１、Ｒ２、
η＞０において主光線Ｌ１およびＬ２が基準面αと交わ
る点のＸ座標をそれぞれＲ１’、Ｒ２’とすると、｜Ｒ
１’｜＞｜Ｒ１｜＝｜Ｒ２｜＞｜Ｒ２’｜が成り立つ
（ここで記号｜｜は絶対値をあらわす）。

【００２２】Ｘ軸座標を横軸にとり、光線Ｌ、Ｌ１およ
びＬ２に発生するむら量すなわち位相差を縦軸Ｙにとっ
たグラフを、図４に示す。図中黒丸はＰ点、すなわち光
軸上の光線Ｌにおけるむら量を表している。また、黒三
角は傾き角度η＝０における光線Ｌ１およびＬ２のむら
量をあらわす。このとき光線Ｌ１とＬ２におけるむら量
は同じである。次に複屈折光学部材ＢＰ１を傾け、η＞
０の状態にすると、黒三角はそれぞれ矢印の方向に従っ
て白丸の方向へと移動する。すなわち、光線Ｌ１、Ｌ２
のむら量は傾き角度η＝０の場合に比べて小さくなる。
その結果、傾き角度ηを０から次第に大きくしていく
と、視野内のむらは小さくなり、ある傾き角度ηの時に
むら量は略ゼロとなる。

【００２３】実際には、むら量がゼロとなるηの値は複
屈折光学部材ＢＰ１の構成によって異なるが、様々な構
成の複屈折光学部材に関して計算を行った結果、望まし
い傾き角度ηの範囲はおおよそ１６度から４０度の範囲
に入ることがわかった。図３は、複屈折光学部材の厚さ
（ｄ１およびｄ２）を０．５ｍｍ、０．７５ｍｍ、１．
０ｍｍと変化させた場合のむら量（位相差：ｎｍ）と複
屈折光学部材の傾き角度η（ｄｅｇ）との関係を示して
いる。複屈折光学部材は水晶などの結晶部材からなり、
複屈折光学部材の厚さとむら量は比例関係にあるため、
厚さが薄いほどむら量が解消されて良いが、製品の製造
上、製作可能な厚さを極端に薄くすることもできない。
また反対に、極端に薄くすると図６に示すむらが悪化し
てしまう。このような事情から複屈折光学部材の厚さ
は、約０．５ｍｍから約１ｍｍ程度のものが実用的であ
る。

【００２４】顕微鏡の観察像としてクリアな像が望める
むら量は約±１０ｎｍ範囲であると考えられる。図３に
おいて、複屈折光学部材の厚さが０．５ｍｍ（実用的な
厚さとしての下限値）の場合、むら量が約±１０ｎｍ範
囲に相当する傾き角度は約１６度から４０度である。ま
た、複屈折光学部材の厚さが１ｍｍの場合、むら量が約
±１０ｎｍ範囲に相当する傾き角度は約２５度から３５
度である。したがって、実用的に使われる厚さの複屈折
光学部材を傾けようとする場合には、傾き角度は約１６
度から４０度の範囲において可変にするのが良く、より
好ましくは約２５度から３５度の範囲とするのが良い。

【００２５】なお、複屈折光学部材ＢＰ１の傾き角度η
を増加していくと、一般に光線分離面Ｑは基準面αから
遠ざかる。よって、複屈折光学部材ＢＰ１の傾き角度η
に応じて複屈折光学部材ＢＰ１の光軸方向位置をずらし
て、光線分離面Ｑと対物レンズ３の後側焦点面とを一致
させて用いる必要がある。

【００２６】次に、本発明の第２の実施形態について図
面を参照しつつ説明する。

【００２７】図５は、本発明に係る第２の実施形態の光
学系の概略図である。第２の実施形態は透過照明型の微
分干渉顕微鏡である。

【００２８】図５は、試料２４の下方に、光源２１、偏
光子Ｐ２、第１の複屈折光学部材ＢＰ２１、試料を照明
するためのコンデンサレンズ２６を配置し、さらに対物
レンズ２３と拡大像２５の間に第２の複屈折光学部材Ｂ
Ｐ２２と検光子Ａ２を配置して透過照明型の微分干渉顕
微鏡が構成されている。ここで、第１の複屈折光学部材
ＢＰ２１はコンデンサレンズ２６の前側焦点面近傍に配
置され、第２の複屈折光学部材ＢＰ２２は対物レンズ２
３の後側焦点面近傍に配置されている。

【００２９】上記配置において、光源２１からの照明光
は偏光子Ｐ２によって直線偏光となり、第１の複屈折光
学部材ＢＰ２１の複屈折作用により常光線と異常光線と
に分離され、第１の複屈折光学部材ＢＰ２１を通過後わ
ずかな分離角をもって進行し、コンデンサレンズ２６の
集光作用によって互いにわずかに離れた平行光線に変換
され試料２４に照射する。試料２４上のわずかに離れた
位置を透過した２光線は、対物レンズ２３の集光作用に
より第２の複屈折光学部材ＢＰ２２上に集光し、第２の
複屈折光学部材ＢＰ２２の複屈折作用により１つの光線
となり同一光路上を進行するようになる。そして検光子
Ａ２により互いに直交する直線偏光中の同一方向振動成
分だけが取り出されて干渉し、試料２４上のわずかに異
なる位置を透過する際に２光線間に付与された位相差に
応じた干渉縞が拡大像２５として観察される。

【００３０】上記構成において、第１および第２の複屈
折光学部材ＢＰ２１、ＢＰ２２の基準面をそれぞれα
１、α２、楔面をそれぞれβ１、β２とし、光軸Ｉに対
して垂直な平面をγとすると、第１および第２の複屈折
光学部材ＢＰ２１、ＢＰ２２は、該第１および第２の複
屈折光学部材ＢＰ２１、ＢＰ２２の基準面α１、α２が
光軸Ｉと垂直な平面γに対してそれぞれ傾き角度η１、
η２が、１６度以上４０度以下の範囲となるように、第
１および第２の複屈折光学部材ＢＰ２１、ＢＰ２２の少
なくともどちらか一方が傾けて配置されている。ここに
基準面α１、α２は、光軸Ｉおよび光軸Ｉと垂直な平面
γの交点Ｒを通り、第１および第２の複屈折光学部材Ｂ
Ｐ２１、ＢＰ２２のそれぞれの上面と平行な平面であ
る。

【００３１】なお、第２の実施形態は試料を照明光が透
過するいわゆる透過照明型の微分干渉顕微鏡としたが、
第２の実施形態の照明光学系と結像光学系を斜めに向い
合わせて配置し、照明光学系からの光を試料面で反射さ
せて結像光学系に結像させる反射照明型の微分干渉顕微
鏡としても良い。

【００３２】さらに、第２の実施形態における第１およ
び第２の複屈折光学部材ＢＰ２１、ＢＰ２２の構成、作
用および効果は第１の実施形態と同様であるので詳細な
説明を省略する。

【００３３】なおまた、本説明においては、複屈折光学
部材ＢＰ１、ＢＰ２１、ＢＰ２２として、水晶製の楔型
プリズム２枚を接合したノマルスキィプリズムを用いた
が、実際には複屈折光学部材ＢＰ１、ＢＰ２１、ＢＰ２
２の構成はこれに限定されるものではなく、他の結晶材
料を用いてプリズムを構成したり、２枚の接合ではなく
1枚の楔型プリズムのみから構成したり、あるいは２枚
以上の楔型プリズムの一部をガラス等の等方性物質で構
成したりしてもよい。

【００３４】なお、この実施の形態は例に過ぎず、この
構成や形状に限定されるものではない。本発明の範囲内
において適宜修正、変更が可能である。

【００３５】

【発明の効果】上述のように、本発明によれば複屈折光
学部材には安価で製造しやすい正結晶のみを用いてシア
方向について結晶収差を補償し、結像面上でのむらを除
去し、特に写真撮影に最適な、高コントラストで良好な
微分干渉像を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態の反射照明型微分干渉
顕微鏡の光学系の構成図である。

【図２】本発明の実施形態に用いる複屈折光学部材の拡
大図である。

【図３】本発明の効果を計算したグラフである。

【図４】本発明の原理説明図である。

【図５】本発明の第２の実施形態の透過照明型微分干渉
顕微鏡の光学系の構成図である。

【図６】顕微鏡視野内のむらをあらわす説明図である。

【符号の説明】

１、２１、 光源 ２、２２、 コレクタレンズ ３、２３、 対物レンズ ４、２４、 試料 ５、２５、 拡大像 ２６ コンデンサレンズ Ｐ１、Ｐ２、 偏光子 Ａ１、Ａ２、 検光子 ＢＳ１、 ビームスプリッタ ＢＰ１ 複屈折光学部材 ＢＰ２１ 第１の複屈折光学部材 ＢＰ２２ 第２の複屈折光学部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０２Ｂ 21/14 Ｇ０２Ｂ 21/14 27/28 27/28 Ｚ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】所定の振動方向を持つ偏光光を、複屈折光
   学部材へ入射させて、偏光方向が互いに直交する２つの
   直線偏光成分に分離し、分離された該２つの直線偏光成
   分を対物レンズを介して被検物へ照射し、該被検物を反
   射した前記２つの直線偏光成分を前記対物レンズを経由
   させて、前記複屈折光学部材へ導いて１つの光に合成
   し、合成された光束の両直線偏光成分を偏光干渉させ、
   干渉した光束により前記被検物の前記対物レンズによる
   像を形成する微分干渉顕微鏡において、 前記複屈折光学部材は楔面と基準面を有し、光軸と楔面
   法線を含む面内において、前記光軸と垂直な平面に対し
   て１６度以上４０度以下の範囲で楔角方向に傾けて配置
   されていることを特徴とする微分干渉顕微鏡。
2. 【請求項２】前記複屈折光学部材は、ノマルスキィプリ
   ズム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。
3. 【請求項３】所定の振動方向を持つ偏光光を、第１の複
   屈折光学部材へ入射させて、偏光方向が互いに直交する
   ２つの直線偏光成分に分離し、分離された該２つの直線
   偏光成分を照明光学系を経由させて被検物へ照射し、該
   被検物を反射あるいは透過した前記２つの直線偏光成分
   を対物レンズを経由させて、第２の複屈折光学部材へ導
   いて１つの光に合成し、合成された光束の両直線偏光成
   分を偏光干渉させ、干渉した光束により前記被検物の前
   記対物レンズによる像を形成する微分干渉顕微鏡におい
   て、 前記第１および第２の複屈折光学部材は楔面と基準面を
   有し、光軸と楔面法線を含む面内において、前記第１お
   よび第２の複屈折光学部材の少なくとも一方は、前記光
   軸と垂直な平面に対して１６度以上４０度以下の範囲で
   楔角方向に傾けて配置されていることを特徴とする微分
   干渉顕微鏡。
4. 【請求項４】前記第１の複屈折光学部材と前記第２の複
   屈折光学部材の少なくとも一方は、ノマルスキィプリズ
   ムであることを特徴とする請求項３に記載の微分干渉顕
   微鏡。