JP2007328223A

JP2007328223A - 顕微鏡

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Publication number: JP2007328223A
Application number: JP2006160548A
Authority: JP
Inventors: Yasuharu Nakajima; 康晴中島
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2006-06-09
Filing date: 2006-06-09
Publication date: 2007-12-20
Anticipated expiration: 2026-06-09
Also published as: EP2028518B1; ATE530942T1; JP4997834B2; EP2028518A4; TWI417568B; KR101375196B1; EP2028518A1; CN101467088B; CN101467088A; WO2007142017A1; TW200745601A; US7791795B2; KR20090018924A; US20090080069A1

Abstract

【課題】より簡素かつ小型化された構成であり、また対物レンズの倍率やＮＡに制限されることなく精度良く合焦することができる合焦支援装置を備えた顕微鏡を提供する。
【解決手段】合焦支援時にはスプリットプリズム５を挿入して焦点合わせを行う。虹彩絞り３０の像はスプリットプリズム５の偏角作用により２つに分岐され、各々装置光軸を挟んで対称な位置にずれて結像している。この２つに分岐された虹彩絞り３０の像はさらに、レンズ２１の結像作用によりビームスプリッタ２２を経て対物レンズ２３上に像を結ぶ。上下動装置の操作部を操作して光学系を上下させることにより、視野内で合焦パターン１５の像が互いに逆方向に動くのが見えるとともに、対物レンズ２３の焦点位置が試料面２４に合致した合焦時には、合焦パターン１５の像が合致した状態で見えるように配置されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、顕微鏡観察時に目視により被測定物の物体面にピントを合わせるための合焦支援装置を備えた顕微鏡に関するものである。

一般に、顕微鏡において被測定物の物体面の像を目視観察する場合（例えば、対物レンズにより焦点板上に結像された物体面の像を接眼レンズを通して観察する場合）、物体面が対物レンズの焦点深度内にあれば、その範囲内で対物レンズの光軸方向における物体面と対物レンズとの相対位置を変えても、焦点板上に結像された物体面の像はピントが合っているように見える。そのため、被測定物のある一つの物体面内での寸法や形状を精度良く測定する場合、及び被測定物の高さ方向の寸法、例えば対物レンズの光軸方向にずれた２つの物体面間の寸法を精度良く測定する場合には、特に、前記相対位置を調節して対物レンズの焦点位置を前記各物体面に精度良く合致させる合焦装置が必要である。

従来、このような合焦装置を備えた顕微鏡としては、例えば、英国特許公報ＧＢ２０７６１７６Ａ（特許文献１）に開示されているものが知られている。図１は特許文献１に記載されている従来の合焦装置を備えた顕微鏡の概略構成図を示している。レンズ１２はコレクタレンズ１０とスプリットプリズム5を概ね共役な位置関係にするように構成されている。スプリットプリズム５は所定の頂角を有するベースプリズム１４とベースプリズムの２倍の頂角を有する半円形プリズム１６から構成されている。また、ベースプリズム１４の光源側には合焦パターン１５が形成されている。合焦パターンは少なくとも１本のラインから構成されており、ベースプリズム１４および半円形プリズム１６によりそれぞれ異なる偏角が与えられる２つの領域を跨いでいる。

光源から放出された光は開口絞り１３により合焦支援に最適な条件に光束を制限され、スプリットプリズム５に入射する。開口絞り１３はレンズ１７および１８によって径可変の顕微鏡開口絞り１９上に結像する。ただし、ここで開口絞り１３の像はスプリットプリズム５の偏角作用により２つに分岐され、各々装置光軸を挟んで対称な位置にずれて結像している。

この２つに分岐された開口絞り１３の像はさらに、レンズ２１の結像作用により顕微鏡視野絞り２０及びビームスプリッタ２２を経て対物レンズ２３上（厳密には対物レンズ２３の瞳）に像を結ぶ。

合焦支援装置は、不図示の上下動装置の架台上に載置されており、前記光軸方向における対物レンズ２３と物体面２４との相対位置を調節するために、前記上下動装置の操作部を操作することにより、光学系全体が前記光軸方向に一緒に移動するようになっている。上下動装置の操作部を操作して光学系を上下させることにより、視野内で合焦パターンの像が互いに逆方向に動くのが見えるとともに、対物レンズ２３の焦点位置が試料面２４に合致した合焦時には、合焦パターンの像が合致した状態で見えるように配置されている。また、非合焦時（たとえば試料面が２４ａにある時）には合焦パターンの像がずれた状態で見え、合焦パターンのラインは試料面２４ａ上でｄだけ離れた２つのラインとして投影される。

開口絞り１３、スプリットプリズム５は不図示の挿脱機構により光路から挿脱可能に構成されており、合焦支援時にはスプリットプリズム５と開口絞り１３を光路に挿入し、合焦パターンの合致により合焦をおこなう。また観察時には開口絞り１３とスプリットプリズム５を光路から外すことで通常の顕微鏡落射照明装置として機能する。
英国特許公報ＧＢ２０７６１７６Ａ

特許文献１に記載の合焦支援装置においては、レンズ１７，１８によって開口絞り１３を顕微鏡開口絞り１９と共役、合焦パターン１５を顕微鏡視野絞り２０に共役に配置し、一度中間結像されたのちにそれぞれ対物レンズ瞳面と試料面２４に投影されている。これにより１２〜１８をモジュール化することを可能にし、通常の顕微鏡に付加的に機能追加できる反面、装置構成が複雑になっており、コストアップの原因となっているばかりでなく装置の肥大化を招き好ましくない。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、より簡素かつ小型化された構成であり、また対物レンズの倍率やＮＡに制限されることなく精度良く合焦することができる合焦支援装置を備えた顕微鏡を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための第１の手段は、合焦支援装置を備えた顕微鏡であって、光源と、第１のレンズ群と、前記第１のレンズ群を介して光源と共役に配置される径可変な絞りと、前記径可変な絞りにより制限される光束で照明され、合焦指標を有し光軸から互いに所定の角度で傾斜する２つの光束を形成する光路分岐部材と、第２のレンズ群と、対物レンズにより構成され、前記径可変な絞りは第２のレンズ群を介して前記対物レンズの瞳と共役に配置され、かつ前記光路分岐部材の前記合焦指標と、前記被観察面とが前記第２のレンズ群及び前記対物レンズにより共役に配置され、前記光路分岐部材は顕微鏡光路から挿脱可能であることを特徴とする顕微鏡である。

本手段においては、前記特許文献１において、顕微鏡視野絞り２０が置かれた位置に光路分岐部材とその合焦指標を配置し、光路分岐部材は顕微鏡光路から挿脱可能であるようにしている。よって、合焦指標を中間結像なしに直接被観察面に投影する構成となり、従来のものに比較して、より簡素で小型化された構成となる。

前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段であって、前記光路分岐部材を顕微鏡光路に挿入した際に、前記径可変な絞りの径φが、合焦支援に適した所定の値に設定可能であることを特徴とするものである。

本手段においては、従来の手法において照明条件の最適化のために用いられた開口絞りを省略する代わりに顕微鏡の開口を径可変な絞り（虹彩絞り）とし、合焦支援時の光束の最適化を可能にしている。よって、より簡素で小型化された構成となると共に、後に具体的な例を示すように、径可変な絞りの径φが、合焦支援に適した所定の値に設定可能であるので、対物レンズの倍率やＮＡに制限されることなく精度良く合焦することができる合焦支援装置を備えた顕微鏡とすることができる。

前記課題を解決するための第３の手段は、前記第２の手段であって、前記合焦支援に適した設定は、以下の条件式（１）、（２）を同時に満たすことで与えられることを特徴とするものである。

ただし、β_１は前記光源が前記第１のレンズ群により前記径可変な絞りの位置に結像する像の倍率、ａは前記光源の大きさ、φ_Ｍは前記径可変な絞りの最大径、εは前記光路分岐部材により与えられる光束の傾斜角、Ｌは前記径可変な絞りと前記合焦指標との距離、φ_０は前記対物レンズの瞳の直径、β_２は前記径可変な絞りが前記第２のレンズ群を介して前記対物レンズの瞳の位置に結像する像の倍率である。

本手段においては、後に示すように、径可変な絞りの径φが小さすぎて物体面に照明光が到達しないと言う現象が起こらず、かつ、径可変な絞りの径φが大きすぎて合焦支援装置としての機能を果たさなくなることが無くなる。よって、合焦支援に適した設定とすることができる。

前記課題を解決するための第４の手段は、前記第２の手段であって、前記合焦支援に適した設定は、以下の条件式（３）、（４）、（５）を同時に満たすことで与えられることを特徴とするものである。

本手段においては、後に示すように、光路分岐部材により与えられる光束の傾斜角εが大きすぎて物体面に照明光が到達しないと言う現象が起こらず、かつ、光路分岐部材により与えられる光束の傾斜角εが小さすぎて合焦支援装置としての機能を果たさなくなることが無くなる。よって、合焦支援に適した設定とすることができる。

前記課題を解決するための第５の手段は、前記第３の手段であって、以下の条件式（６）を満たすことを特徴とするものである。

本手段においては、後に示すように、異なる瞳径の対物レンズを切り替えて使用する場合にも、対物レンズの瞳径に依存せず、常に良好な合焦支援が可能となる。

前記課題を解決するための第６の手段は、前記第４の手段であって、以下の条件式（７）を満たすことを特徴とするものである。

本発明によれば、より簡素かつ小型化された構成であり、また対物レンズの倍率やＮＡに制限されることなく精度良く合焦することができる合焦支援装置を備えた顕微鏡を提供することができる。

以下本発明第１の実施の形態に係る合焦装置を備えた顕微鏡について、図２を参照して説明する。光源１から放出された光は、コレクタレンズ１０及びレンズ１２により虹彩絞り３０の位置に集光され、光源１の像を倍率β１で結像している。スプリットプリズム５は所定の頂角を有するベースプリズム１４とベースプリズムの２倍の頂角を有する半円形プリズム１６から構成されている。また、ベースプリズム１４の光源側には合焦パターン１５が形成されている。合焦パターンは少なくとも１本のラインから構成されており、ベースプリズム１４および半円形プリズム１６によりそれぞれ異なる偏角が与えられる２つの領域を跨いでいる。スプリットプリズム５は不図示の挿脱機構により装置の光路から挿脱可能に設置されている。

試料の観察時にはスプリットプリズム５を装置の光路から外し、一般的な顕微鏡落射照明装置として機能する。このとき照明の余分な光束を制限するためにスプリットプリズム５が光路から外れるときには、スプリットプリズム５に代わって視野絞り１９が挿入されることが好ましい。

虹彩絞り３０の直径は、その機構的制約以内で自由に設定可能なように構成されており、照明光のコヒーレンスファクターを制御するために用いられる。虹彩絞り３０の径を調整することでコヒーレンスファクターを増減させ観察対象に応じた照明条件を観察者が自由に設定することを可能にしている。

一方で合焦支援時にはスプリットプリズム５を挿入して焦点合わせを行う。光源から放出された光は虹彩絞り３０により光束を制限され、スプリットプリズム５に入射する。虹彩絞り３０の像はレンズ２１の結像作用によりビームスプリッタ２２を経て対物レンズ２３の瞳EP上に結像する。ただし、ここで虹彩絞り３０の像はスプリットプリズム５の偏角作用により２つに分岐され、各々装置光軸を挟んで対称な位置にずれて結像している。この２つに分岐された虹彩絞り３０の像はさらに、レンズ２１の結像作用によりビームスプリッタ２２を経て対物レンズ２３上（厳密には対物レンズ２３の瞳）に像を結ぶ。

合焦支援装置は、不図示の上下動装置の架台上に載置されており、前記光軸方向における対物レンズ２３と物体面２４との相対位置を調節するために、前記上下動装置の操作部を操作することにより、光学系全体が前記光軸方向に一緒に移動するようになっている。上下動装置の操作部を操作して光学系を上下させることにより、視野内で合焦パターン１５の像が互いに逆方向に動くのが見えるとともに、対物レンズ２３の焦点位置が試料面２４に合致した合焦時には、合焦パターン１５の像が合致した状態で見えるように配置されている。また、非合焦時（たとえば試料面が２４ａにある時）には合焦パターン１５の像がずれた状態で見え、合焦パターン１５のラインは試料面２４ａ上でｄだけ離れた２つのラインとして投影される。

ここで図３、および図４を参照して合焦支援時の最適な設定について説明する。図３、図４はともに対物レンズ瞳面EP上での光束の広がりを示している。図３は（１）式を満足する場合であり、虹彩絞り３０の位置に結像する光源１の像に比べ、虹彩絞り３０の最大径の方が小さく、虹彩絞り３０を開放にしたときに光源１の面積の一部を用いて物体を照明する場合を示している。虹彩絞り３０はスプリットプリズム５の偏角作用により二つに分岐して対物レンズ瞳面ＥＰ上に虹彩絞り３０の像を３０ａ、３０ｂのように結像している。

図３（ａ）〜図３（ｅ）は虹彩絞り３０の径を調整することで像３０ａ、３０ｂの大きさが変化している様子を示している。ここで、図３（ａ）のように虹彩絞り３０の絞り径が小さすぎる場合、照明光束が対物レンズの瞳に入射せず、物体面に照明光が到達しない。一方で、図３（ｅ）のように虹彩絞り３０の絞り径が大きすぎる場合は、光束が傾斜せずに試料面２４に投影されるため、基準パターン１５の像が装置上下動に応じて移動しなくなってしまい、合焦支援装置としての機能を果たさなくなる。そのため、合焦支援時の虹彩絞り３０の径は図３（ｂ）〜図３（ｄ）のように調整される必要がある。この条件範囲を式で表したものが（２）式である。以上のような条件を設定するために、顕微鏡の開口を虹彩絞り３０とし、合焦支援時の対物レンズ瞳を観察することで光束の最適化を可能にしている。

虹彩絞り３０の調整について、虹彩絞り３０の最大絞り径に設定した際に前述の条件を満足するよう各部の寸法、倍率、スプリットプリズム５の偏角を設計し、合焦支援時には虹彩絞り３０を開放にするだけで前記条件を満たすように設計されることが望ましい。

さらに好ましい形態としては、スプリットプリズム５の挿脱を行う不図示の挿脱機構を操作し、スプリットプリズム５を挿入する時に強制的に虹彩絞り３０の径が前記条件を満たす範囲に設定されるようにされていることである。

一方で図４は（３）式を満足する場合であり、虹彩絞り３０の位置に結像する光源１の像に比べ、虹彩絞り３０の最大径の方が大きく、虹彩絞り３０を開放にしたときに光源１の全面積を用いて物体を照明する場合を示している。開口絞り３０はスプリットプリズム５の偏角作用により二つに分岐して対物レンズ瞳面ＥＰ上に虹彩絞り３０の像を３０ａ、３０ｂのように結像している。また、光源１の像も同様に対物レンズの瞳面ＥＰ条に光源１の像を１ａ，１ｂのように結像している。

図４（ａ）〜図４（ｄ）はスプリットプリズム５の偏角εに応じて変化している様子を示している。図４（ａ）のように偏角εが大きすぎる場合、照明光束が対物レンズの瞳に入射せず、物体面に照明光が到達しない。一方で、図４（ｅ）のように偏角εが小さすぎる場合は、光束が傾斜せずに試料面２４に投影されるため、基準パターン１５の像が装置上下動に応じて移動しなくなってしまい、合焦支援装置としての機能を果たさなくなる。そのため、合焦支援時に用いるスプリットプリズム５の偏角εは図４（ｂ）〜図４（ｄ）のように設計される必要がある。この条件範囲を式で表したものが（５）式である。加えて虹彩絞り３０は光源１の像を遮ることなく対物レンズの瞳ＥＰに入射させる必要がある、この条件を式で示したものが（４）式である。

虹彩絞り３０の調整について、虹彩絞りの最大絞り径に設定した際に前述の条件を満足するよう各部の寸法、倍率、スプリットプリズム５の偏角を設計し、合焦支援時には虹彩絞りを開放にするだけで前記条件を満たすように設計されることが望ましい。

さらに好ましい形態としては、スプリットプリズム５の挿脱を行う不図示の挿脱機構を操作し、スプリットプリズム５の挿入する時に強制的に虹彩絞り３０の径が前記条件を満たす範囲に設定されるようにすることである。

以上、本発明の実施形態による合焦支援機能を有する顕微鏡を説明したが、本発明の顕微鏡は上述の実施形態に限定されず、本発明の範囲内において自由に変更が可能である。例えば、上記実施形態においては、顕微鏡光学系が無限遠光学系の顕微鏡概略図を用いて説明したが、これに限られず、本発明は有限遠光学系においても同様に適用可能である。

また、本実施の形態においてスプリットプリズム５をベースプリズム１４とベースプリズムの２倍の頂角を有する半円形プリズム１６から構成したが、本発明はこの構成に限らず、例えば図５に示すようにベースプリズム１４を平行平板３４とし、所定の偏角を有する偏角プリズム３２を２つ互いに逆方向に光束を傾斜させるようベースプリズムに接合してもよい。もしくは、上記形状をプラスチックモールドにより一体に成型してもよい。

次に本発明の第２の実施の形態に係る合焦装置を備えた顕微鏡について図６及び図７を参照して説明する。第２の実施の形態においては、複数の対物レンズを切り替える顕微鏡において好適な条件設定を示している。なお、本実施の形態に係る合焦装置を備えた顕微鏡の概略構成については、第１の実施の形態と同様であり、説明は省略する。

図６は（１）式を満足する場合であり、虹彩絞り３０の位置に結像する光源１の像に比べ、虹彩絞り３０の最大径の方が小さく、虹彩絞り３０を開放にしたときに光源１の面積の一部を用いて物体を照明する場合を示している。一般に対物レンズの瞳の直径は個々に異なっており、高倍になるほど小さく、低倍であるほど大きい傾向にある。第２の実施の形態においては、図６に示すとおり対物レンズ瞳上で光束３０ａと光束３０ｂが丁度接する条件に設定している。

このように設定することにより、このように異なる瞳径の対物レンズを切り替えて使用する場合においても対物レンズの瞳径に依存せず常に良好な合焦支援可能にしている。この条件範囲を式で表したものが（６）式である。条件式（６）が明らかに対物レンズの瞳径φ_０に依存しない条件であることが分かる。以上のような条件を設定するために、顕微鏡の開口を虹彩絞りとし、合焦支援時の対物レンズ瞳を観察することで光束の最適化を可能にしている。

一方で図７は（３）式を満足する場合であり、虹彩絞り３０の位置に結像する光源１の像に比べ、虹彩絞り３０の最大径の方が大きく、虹彩絞り３０を開放にしたときに光源１の全面積を用いて物体を照明する場合を示している。図７に示すとおり対物レンズ瞳上で光束1ａと光束1ｂが丁度接する条件を満足するよう合焦支援時に用いるスプリットプリズム５の偏角εを設計している。このように設計することにより、異なる瞳径の対物レンズを切り替えて使用する場合においても対物レンズの瞳径に依存せず常に良好な合焦支援可能にしている。

この条件範囲を式で表したものが（７）式である。条件式（７）が明らかに対物レンズの瞳径φ_０に依存しない条件であることが分かる。加えて虹彩絞り３０は光源１の像を遮ることなく対物レンズの瞳ＥＰに入射させる必要がある、この条件を式で示したものが（４）式である。

虹彩絞り３０の調整について、好ましくは虹彩絞りの最大絞り径に設定した際に前述の条件を満足するよう各部の寸法、倍率、スプリットプリズム５の偏角を設計し、合焦支援時には虹彩絞りを開放にするだけで前記条件を満たすように設計されることが望ましい。

さらに好ましい形態としては、スプリットプリズムの挿脱を行う不図示の挿脱機構を操作し、スプリットプリズムの挿入する時に強制的に虹彩絞り３０の径が前記条件を満たす範囲に設定されることである。

従来技術における合焦操作支援装置の構成を示す図である本発明の第１の実施の形態における合焦支援装置の構成を示す図である。本発明の第１の実施の形態における対物レンズ瞳上の光束を表す図である。本発明の第１の実施の形態における対物レンズ瞳上の光束を表す図である。本発明の第１の実施の形態における合焦支援装置の構成を示す図である。本発明の第２の実施の形態における対物レンズ瞳上の光束を表す図である。本発明の第２の実施の形態における対物レンズ瞳上の光束を表す図である。

符号の説明

１：光源、１ａ，１ｂ：対物レンズ瞳上の光源像、５：スプリットプリズム、１０：コレクタレンズ、１２、１７、１８、２１：レンズ、１３：開口絞り、１４：ベースプリズム、１５：合焦パターン、１６：半円形プリズム、１９：顕微鏡開口絞り、２０：顕微鏡視野絞り、２２：ビームスプリッタ、２３：対物レンズ、２４：試料面、２４ａ：試料面、３０：虹彩絞り、３０ａ，３０ｂ：対物レンズ瞳上の虹彩絞りの像、３１：第２対物レンズ、３２：偏角プリズム

Claims

合焦支援装置を備えた顕微鏡であって、
光源と、
第１のレンズ群と、
前記第１のレンズ群を介して光源と共役に配置される径可変な絞りと、
前記径可変な絞りにより制限される光束で照明され、合焦指標を有し光軸から互いに所定の角度で傾斜する２つの光束を形成する光路分岐部材と、
第２のレンズ群と、
対物レンズにより構成され、
前記径可変な絞りは第２のレンズ群を介して前記対物レンズの瞳と共役に配置され、かつ前記光路分岐部材の前記合焦指標と、前記被観察面とが前記第２のレンズ群及び前記対物レンズにより共役に配置され、前記光路分岐部材は顕微鏡光路から挿脱可能であることを特徴とする顕微鏡。
前記光路分岐部材を顕微鏡光路に挿入した際に、前記径可変な絞りの径φが、合焦支援に適した所定の値に設定可能であることを特徴とする請求項１に記載の顕微鏡。
前記合焦支援に適した設定は、以下の条件式（１）、（２）を同時に満たすことで与えられることを特徴とする請求項２に記載の顕微鏡。

ただし、β_１は前記光源が前記第１のレンズ群により前記径可変な絞りの位置に結像する像の倍率、ａは前記光源の大きさ、φ_Ｍは前記径可変な絞りの最大径、εは前記光路分岐部材により与えられる光束の傾斜角、Ｌは前記径可変な絞りと前記合焦指標との距離、φ_０は前記対物レンズの瞳の直径、β_２は前記径可変な絞りが前記第２のレンズ群を介して前記対物レンズの瞳の位置に結像する像の倍率である。
前記合焦支援に適した設定は、以下の条件式（３）、（４）、（５）を同時に満たすことで与えられることを特徴とする請求項２に記載の顕微鏡。

ただし、β_１は前記光源が前記第１のレンズ群により前記径可変な絞りの位置に結像する像の倍率、ａは前記光源の大きさ、φ_Ｍは前記径可変な絞りの最大径、εは前記光路分岐部材により与えられる光束の傾斜角、Ｌは前記径可変な絞りと前記合焦指標との距離、φ_０は前記対物レンズの瞳の直径、β_２は前記径可変な絞りが前記第２のレンズ群を介して前記対物レンズの瞳の位置に結像する像の倍率である。
以下の条件式（６）を満たすことを特徴とする請求項３に記載の顕微鏡。
以下の条件式（７）を満たすことを特徴とする請求項４に記載の顕微鏡。