JP2004185005A - 顕微鏡の透過光照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】標準レンジ（１０×〜１００×）、走査レンジ（１．６×〜５×）、及びマクロレンジ（１×〜１．６×）において適正な視野及び瞳照明を保証する簡素な顕微鏡照明装置を提供する。
【解決手段】光源からの照明光が、照明光軸を規定しかつコレクタレンズ、視野絞り、及び開口絞りを介して試料面に入射する形式の顕微鏡の透過光照明装置において、挿入・取出切換可能に構成されるただ１つのコンデンサレンズ５、及び前記視野絞り４と前記開口絞り３の間に配され、かつ前記照明光軸に沿って摺動可能なフォーカシングレンズ８を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、顕微鏡の透過光照明装置に関し、とりわけ光源からの照明光が、コレクタレンズ、視野絞り、開口絞り、（或いはさらにコンデンサレンズ）を介して試料面に入射する形式の顕微鏡の透過光照明装置に関する。更に、本発明は、当該照明装置を有する顕微鏡に関する。

微小な構造を検査する場合、コントラストを低下し細部をぼかしてしまう散乱光から被検対象（試料）を保護することが重要である。顕微鏡検査では、被検対象中の観察される視域（視野）のみが照明され、その他の部分は暗いままであるとき、（外部）散乱光は遮断される。この機能は、視野絞りによって行われる。他方、開口絞りは、種々の被検対象について必要とされる条件に応じてコントラスト又は分解能に有利なように修正可能な画像の性質を実質的に決定する。従って、何れの絞りも、顕微鏡画像の質の観点から極めて重要であり、個々の倍率及び被検対象の状態（条件）に対して各別に調節しなければならない。

顕微鏡では、対物レンズ支持部材（レボルバ）には、通常、複数の対物レンズが取り付けられる。選択対象レンズは、走査（スキャニング）用対物レンズから高分解能・高倍率の対物レンズまで幅広く存在する。しかしながら、顕微鏡の使用中に視野の迅速な変化（切換え）を実行可能にすることを保証するためには、いずれにせよ照明を適応させることが同様に必要である。しかしながら、照明の観点（照明されるべき物体領域、及び照明角度に関する）からの対物レンズに対する要求は、使用される光源の寸法及び発光特性は限定されているため、照明システム内での光線束の幾何学的形状の適合化が必要である程にそれぞれ異なる。照明の光線束の幾何学的形状のこの適合化は、それぞれの倍率範囲のために異なるコンデンサを光路へ切換挿入することによって達成される。

通常の顕微鏡の透過光照明システムでは、開口絞り及び視野絞りは、顕微鏡筐体の基台部分に配置される。従来技術に関する図１に示したように、このタイプの照明では、開口絞りは、コンデンサの入射瞳に結像され（図１（ａ））、視野絞りは、試料（被検対象）面に結像される（図１（ｂ））。このような構造では、光源は、通常、開口絞り面に結像される。このような照明は「ケーラー照明」と称される。

１×〜１００×の対物レンズの倍率の全範囲を照明するために、従来技術では、異なる複数のコンデンサヘッド（先玉ないし先端レンズ）又は光路へ旋回挿入される複蝶番式装填切換機構（double-hinged mechanism）を有する複合コンデンサ光学系（図１）を採用している。この場合も上述のような両方の絞りの結像関係が成立していなければならない。

２つのインデックス位置、即ち標準レンジ１０×〜１００×、及び走査（スキャニング）レンジ１．６×〜５×に対する（コンデンサの）２つの使用位置を有する照明装置について記載している文献もある（特許文献１参照）。この照明装置では、走査用コンデンサヘッドが旋回挿入されると、同時に、複合連動機構によって付加レンズが旋回挿入されるため、倍率の全範囲に亘ってケーラー照明は維持される。しかしながら、この照明装置では、１×対物レンズまで倍率を低下させるマクロレンジに拡張することは、技術上不可能である。

３つのインデックス位置、即ち標準レンジ１０×〜１００×、走査（スキャニング）レンジ１．６×〜５×及びマクロレンジ≧１×に対する（コンデンサの）３つの使用位置を有する照明装置について記載している文献もある（特許文献２参照）。この照明装置により、付加的光学カスケード装置を介して倍率レンジの拡張が達成される。しかしながら、この照明装置では、付加的コンデンサヘッド、試料ステージの下方の極めて限られた空間に配設される３つのコンデンサレンズ群を切り換えるシステムからなる複雑な枢動機構、及びコントラスト生成法のための（複数の）ライトリング（light rings）及びＤＩＣプリズムを受容するためのコンデンサディスクによる導入空間の更なる減少のため、複雑さ及び技術的リスクは大きくなる。ケーラー照明は、標準レンジ及び走査レンジでは成立するが、マクロレンジに対してはクリティカル照明が成立する。

２つのインデックス位置、即ち標準レンジ１０×〜１００×、及び走査（スキャニング）レンジ１×〜５×に対する（コンデンサの）２つの使用位置を提供する光学照明法について記載している文献もある（特許文献３参照）。この拡張された対物レンズ倍率範囲は、試料ステージの下方に配設される僅かに１つの単純な切換機構によって達成される。標準レンジは、ケーラー照明原理を利用したコンデンサヘッドによって実現される。より低い倍率に対しては、コンデンサヘッドの（光軸からの）取出切換えにより、同時に、より下方に位置していたレンズ群は（光軸への）挿入切換えされ、その結果全体として、最早ケーラー照明原理と一致しないアフォーカル系が成立する。この構造では、標準レンジの視野絞りは、走査レンジ及びマクロレンジの開口絞りになる。しかしながら、標準レンジの開口絞りは、低倍率対物レンズのための視野絞りの機能を代替せず、或いはせいぜい視野を極めて大雑把に制限できるに過ぎない。その結果、絞りを絞ると、試料領域は不均一に照明されることになる。この不十分な視野制限（視野絞り）は、この種の照明の極めて大きな欠点である。

米国特許５，６８４，６２５号 特開平９−３３８２０ 欧州特許公開０ ８４１ ５８４ Ａ２

１×〜１００×の対物レンズの寸法（観察）範囲が同一の光学系によって照明されなければならないので、コンデンサ光学系に対する要求は厳しい。これらの臨界的な条件は、従来は、上述の欠点を有する複雑かつ精緻なマルチステージコンデンサ光学系によってしか満足することができなかった。

それゆえ、本発明の課題は、標準レンジ、走査レンジ及びマクロレンジにおいて、特に標準レンジ（１０×〜１００×）、走査レンジ（１．６×〜５×）、及びマクロレンジ（１×〜１．６×）において、適正な視野及び瞳照明を保証する簡素な顕微鏡照明装置を提供することである。

本発明の一視点によれば、光源からの照明光が、コレクタレンズ、視野絞り、開口絞り（あるいはさらにコンデンサレンズ）を介して試料面に入射する形式の顕微鏡の透過光照明装置が提供される。この透過光照明装置において、前記コンデンサレンズは、（照明光軸に対し）挿入・取出切換可能に構成され、照明光軸に沿って摺動可能なフォーカシング（合焦）レンズが、前記視野絞りと前記開口絞りの間に配される。特に光源からの照明光が、照明光軸を規定しかつコレクタレンズ、視野絞り、及び開口絞りを介して試料面に入射する形式の顕微鏡の透過光照明装置において、（照明光軸に対し）挿入・取出切換可能に構成されるただ１つの（可動）コンデンサレンズ、及び前記視野絞りと前記開口絞りの間に配され、かつ前記照明光軸に沿って摺動可能なフォーカシング（合焦）レンズを有することを特徴とする（形態１・基本構成）。

本発明の独立請求項１により、所定の課題として掲げた効果が上述の通り達成される。即ち、本発明の透過光照明装置は、（照明光軸に対し）挿入・取出切換可能なただ１つのコンデンサ（ヘッド）を使用するだけで１×〜１００×の全倍率範囲に亘って適正に被検対象を照明することができる（基本構成）。
更に、各従属請求項により、付加的な効果が後述の通りそれぞれ達成される。

以下に、本発明の好ましい実施の形態を示すが、これらは従属請求項の対象でもある。
（２） 上記の透過光照明装置において、前記コンデンサレンズは、機械的に又は制御装置によって（照明光軸に対し）挿入・取出切換可能に構成されることが好ましい（形態２）。
（３） 上記の透過光照明装置において、前記フォーカシングレンズの照明光軸に沿った摺動を制御するためのスピンドルモータが配されることが好ましい（形態３）。
（４） 上記の透過光照明装置において、透過光照明として構成されることが好ましい（形態４）。
（５） 上記の透過光照明装置において、前記コンデンサレンズは、標準レンジ（１０×〜１００×）に対しては挿入切換され、かつ走査レンジ（１．６×〜５×）及びマクロレンジ（１×〜１．６×）に対しては取出切換されることが好ましい（形態５）。
（６） 上記の透過光照明装置において、前記コンデンサレンズが挿入切換されているとき開口絞りとして作用する絞りは、該コンデンサレンズが取出切換されると視野絞りとして作用し、及び前記コンデンサレンズが挿入切換されているとき視野絞りとして作用する絞りは、該コンデンサレンズが取出切換されると開口絞りとして作用することが好ましい（形態６）。
（７） 上記の透過光照明装置において、前記コンデンサレンズが取出切換されると、前記視野絞りが前記試料面にフォーカスされるような位置に、前記フォーカシングレンズは摺動されることが好ましい（形態７）。
（８） 顕微鏡は、上記形態１〜７及び下記形態９及び１０の透過光照明装置を有するよう構成することができる（形態８）。
（９） 光源からの照明光が、コレクタレンズ、視野絞り、開口絞り、及びコンデンサレンズを介して試料面に入射する形式の顕微鏡の透過光照明装置が提供される。この透過光照明装置において、前記コンデンサレンズは、（照明光軸に対し）挿入・取出切換可能に構成されること、及び照明光軸に沿って摺動可能なフォーカシング（合焦）レンズが、前記視野絞りと前記開口絞りの間に配されることを特徴とする（形態９・基本構成２）。
（１０） 上記の透過光照明装置において、標準レンジ（１０×〜１００×）、走査レンジ（１．６×〜５×）、及びマクロレンジ（１×〜１．６×）の異なるコンデンサレンズが使用され、選択的に（照明光軸に対し）挿入・取出切換可能に構成されることが好ましい（形態１０）。

上記特許文献３を前提とし、（広い範囲に亘る倍率に対する）連続的なケーラー照明を断念することにより、照明光線束の幾何学的形状のよりよい適合化のための自由度を付加し、１つのインデックス位置によって１×〜１００×の間のすべての倍率（に適合する照明）を実現することが可能となった。本発明のコンデンサ（ヘッド）は、標準レンジの場合にのみ（照明光軸に）挿入切換される。走査（スキャニング）レンジ及びマクロレンジの場合は、コンデンサ領域（標準レンジ時にコンデンサが挿入されるべき領域）は、光学的にフリー（無占有）な状態が維持される。例えば、透過光照明のための第１及び第２レンズ要素、及びフォーカシング（合焦）レンズを含むコレクタ光学系は、１×〜５×の倍率範囲の対物レンズのための走査コンデンサの機能を代替することができる。走査レンジにおける不十分な視野絞りという欠陥（試料面ないし照明領域における照明の明るさの不均一性等）を排除するために、本発明に応じて照明光軸に配置されるよう構成されるフォーカシングレンズは、視野絞り（の像）を試料（載置）面にフォーカスするよう作用する。

また、このフォーカシング機能は、通常のコンデンサの代わりにオイル（油浸）コンデンサ、長い作動距離を有するコンデンサ、特殊な暗視野コンデンサを使用する場合とりわけ有利である。このような場合、コンデンサの入射瞳への開口絞りの結像は、適正に調整することができる。このため、視野照明も瞳照明も所望のコンデンサの殆どすべてに対し適正であることが保証される。

本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施例は、発明の理解の容易化のためであり、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲において当業者により実施可能な修正・変更等を排除することは意図しない。また、特許請求の範囲に付した図面参照符号も発明の理解の容易化のためであり、本発明を図示の態様に限定することを意図しない。これらの点に関しては、補正・訂正後においても同様である。

図１（ａ）に、既知の顕微鏡照明システムの標準倍率レンジにおける照明光路（ビーム路）を模式的に示した。この照明システムでは、光源１からの照明光は、コレクタレンズ２及び開口絞り３によって第１コンデンサ５の入射瞳に結像される。

図１（ｂ）に、従来技術から既知の顕微鏡照明システムの標準倍率レンジにおける照明光路を模式的に示した。この照明システムでは、光源１からの照明光は、コンデンサレンズ２及び視野絞り４によって、第１コンデンサ５を介して、試料（被検対象）面７に結像される。コンデンサ光学システムをマクロレンジ又は標準レンジに対して調節するために、第１コンデンサ５は、大掛かりな態様で、第２コンデンサ６と交換しなければならず、上述のような欠点を伴う。

図２（ａ）及び図２（ｂ）に、本発明の透過光型顕微鏡照明システムを模式的に示した。図２（ａ）には、標準倍率レンジ（１０×〜１００×）に対し有利に使用可能な照明光路を示したが、この構成において、光源から試料面７に至るまでの光学系は、ケーラー照明原理に従っている。光源１からの照明光は、コレクタレンズ２及び開口絞り３によって、（照明光軸に挿入切換された）唯一の可動コンデンサ５の入射瞳に結像される。コンデンサ５の運動態様（方向）は、矢印で示した。光源からの照明光は照明光軸（ないし光路）を規定する。

図２（ｂ）に、低い倍率状態（走査及びマクロレンジ）に有利に使用可能な照明光路を模式的に示した。この構成において、光源１から試料面７に至るまでの光学系は、クリティカル照明原理に従っている。即ち、光源は、試料面７に結像される。図２（ａ）の構成と比較すると、コンデンサ５が（照明光軸から）（旋回的に）取出切換され（その運動態様は矢印で示した）、かつフォーカシングレンズ８が摺動されており（その運動態様は矢印で示した）、そのため、図２（ｂ）では、視野絞り４が、試料面７に結像される。コンデンサ５は、機械的又は電気的に、光軸ないし光路から下方（紙面に向かって奥側）又は側方（紙面に向かって左右方向）に旋回され（て取出切換され）る。更に、図２（ａ）と比較すると、２つの絞りの（光学的）機能が交代されている。即ち、図２（ａ）の視野絞り４は、図２（ｂ）では開口絞り３の機能を奏し、図２（ａ）の開口絞り３は、図２（ｂ）では視野絞り４の機能を奏している。

コンデンサ５の旋回的取出しにより、光学的フリー状態が生じる。この構成では、（とりわけ自動化顕微鏡における）コンデンサ光学系の大掛かりな切換装置・作業は不必要であるが、それにもかかわらず、非常に高い倍率（例えば１０×〜１００×）から低い倍率（例えば１×〜５×）に亘るとりわけ広い倍率レンジを使用可能である。

走査（スキャニング）レンジにおける不十分な視野絞りという欠陥（試料面ないし照明領域における照明の明るさの不均一性等）は、本発明のフォーカシングレンズ８によって除去される。この場合、フォーカシングレンズ８は、照明光軸上において、視野絞り４を試料面７に結像する。フォーカシングレンズは、照明光軸に沿って可動的に配設され、例えばスピンドルモータによって機械的又は電気的に制御される。

（ａ） 標準レンジにおいて開口絞りが像を形成している様子を示した従来技術から既知の顕微鏡照明システムの照明光路の原理図。 （ｂ） 標準レンジにおいて視野絞りが像を形成している様子を示した従来技術から既知の顕微鏡照明システムの照明光路の原理図。 （ａ） 標準レンジにおいて開口絞りが像を形成している様子を示した本発明の顕微鏡透過光照明システムの照明光路の原理図。 （ｂ） 走査レンジ及びマクロレンジにおいて視野絞りが像を形成している様子を示した本発明の顕微鏡透過光照明システムの照明光路の原理図。

符号の説明

１ 光源
２ コレクタ
３ 開口絞り
４ 視野絞り
５ 第１コンデンサ
６ 第２コンデンサ
７ 被検対象（面）／試料（面）
８ フォーカシングレンズ
９ 第１レンズ要素
１０ 第２レンズ要素

Claims (8)

1. 光源からの照明光が、照明光軸を規定しかつコレクタレンズ、視野絞り、及び開口絞りを介して試料面に入射する形式の顕微鏡の透過光照明装置において、
   挿入・取出切換可能に構成されるただ１つのコンデンサレンズ（５）、及び
   前記視野絞り（４）と前記開口絞り（３）の間に配され、かつ前記照明光軸に沿って摺動可能なフォーカシングレンズ（８）
   を有すること
   を特徴とする透過光照明装置。
2. 前記コンデンサレンズ（５）は、機械的に又は制御装置によって挿入・取出切換可能に構成されること
   を特徴とする請求項１に記載の透過光照明装置。
3. 前記フォーカシングレンズ（５）の照明光軸に沿った摺動を制御するためのスピンドルモータが配されること
   を特徴とする請求項１に記載の透過光照明装置。
4. 透過光照明として構成されること
   を特徴とする請求項１に記載の透過光照明装置。
5. 前記コンデンサレンズ（５）は、標準レンジ（１０×〜１００×）に対しては挿入切換され、かつ走査レンジ（１．６×〜５×）及びマクロレンジ（１×〜１．６×）に対しては取出切換されること
   を特徴とする請求項１に記載の透過光照明装置。
6. 前記コンデンサレンズ（５）が挿入切換されているとき開口絞りとして作用する絞りは、該コンデンサレンズ（５）が取出切換されると視野絞りとして作用し、及び前記コンデンサレンズ（５）が挿入切換されているとき視野絞りとして作用する絞りは、該コンデンサレンズ（５）が取出切換されると開口絞りとして作用すること
   を特徴とする請求項５に記載の透過光照明装置。
7. 前記コンデンサレンズ（５）が取出切換される場合、前記フォーカシングレンズ（８）は、前記視野絞りを前記試料面に結像するような位置に摺動されること
   を特徴とする請求項６に記載の透過光照明装置。
8. 請求項１〜７の何れか一項に記載の透過光照明装置を有する顕微鏡。

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