JP2008015182A - 光学顕微鏡装置及び顕微鏡観察方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクト化を図ることが可能な光学顕微鏡装置及びその光学顕微鏡装置を利用した顕微鏡観察方法を提供する。
【解決手段】光学顕微鏡装置１は、被検査物１５を載置する被検査物載置台１０と、被検査物に照射する照明光を出力する照明手段２１と、被検査物載置台に対して照明手段と同じ側に設けられており、照明手段から出力された照明光を被検査物へ向かって反射させると共に、被検査物から反射された光を通過させる反射手段２２と、反射手段２２を挟んで被検査物載置台の反対側に設けられる対物レンズ３１とを備え、照明手段２１から出力され反射手段２２によって反射した照明光は被検査物１５に照射され、被検査物において反射した光は、対物レンズ３１と反射手段２２との間の空間上の一点４０に収束した後に対物レンズに入射する。
【選択図】図１

Description

本発明は、各種材料の組織構造の観察に適した光学顕微鏡装置および顕微鏡観察方法に関するものである。本発明の光学顕微鏡装置および顕微鏡観察方法の観察対象となり得る材料として、ポリエチレンフィルム、ポリプロピレン系複合材料の射出成形品等の高分子材料や、植物、病理組織等の生体材料や、塗液、乳液等の懸濁液や、半導体材料等が挙げられる。

各種材料の組織構造は、その物性と密接に相関していることから、その組織構造を正確に評価・解析することが重要となる。そのために、多くの手法が開発され活用されているが、光学顕微鏡装置はその中でも、利用のしやすさや得られる情報の多様性等から、材料の組織構造観察法として最も一般的に利用される手法となっている。

そして、従来の光学顕微鏡装置では、被検査物に対する照明法として、被検査物を一様に照射し、かつ像の分解能を高めるために、平行光を入射するケーラー照明法が通常用いられている。

しかし、平行光を入射するケーラー照明法を利用した従来の光学顕微鏡では、照明光によって照明された被検査物からの光の強度に起因する像を観察するだけなので、組織構造における異方性の有無、配向度といった特徴を観察できなかった。このような課題を解決するために、空間の一点に収束する収束光を照明光として照射する照明手段を備えた光学顕微鏡装置及びその観察方法が知られている（例えば、特許文献１）。ここでは本顕微鏡を収束光顕微鏡と呼ぶ。
特開２００１―２６４６３８号公報

このような収束光顕微鏡では、照明手段から収束光を出力して、被検査物に照射する。そして、被検査物からの光が収束点でひとたび収束してから対物レンズに入射するように対物レンズを配置している。この場合、収束点を含む面には、被検査物の回折像が形成されるので、収束点の位置および被検査物に対物レンズの焦準をそれぞれ合わせることで、回折像及び被検査物の光学像を観察できる。

その結果、従来の収束光顕微鏡によって、ケーラー照明法では観察できなかった、上述したような組織構造における異方性の有無、配向度といった特徴を確かに観察できているが、近年、この収束光顕微鏡のコンパクト化が求められてきている。

そこで、本発明は、コンパクト化を図ることが可能な光学顕微鏡装置及びその光学顕微鏡装置を利用した顕微鏡観察方法を提供することを目的とする。

本発明の光学顕微鏡装置は、被検査物を載置する被検査物載置台と、被検査物に照射する照明光を出力する照明手段と、被検査物載置台に対して照明手段と同じ側に設けられており、照明手段から出力された照明光を被検査物へ向かって反射させると共に、被検査物から反射された光を通過させる反射手段と、反射手段を挟んで被検査物載置台の反対側に設けられる対物レンズとを備え、照明手段から出力され反射手段によって反射した照明光は被検査物に照射され、被検査物において反射した光は、対物レンズと反射手段との間の空間上の一点に収束した後に対物レンズに入射することを特徴とする。

この構成では、対物レンズと同じ側から照明光を被検査物に照射し、その被検査物から反射した光を対物レンズに入射させているので、照明手段、反射手段及び対物レンズを被検査物載置台に対して同じ側に配置できている。その結果、光学顕微鏡のコンパクト化を図ることができる。

また、被検査物から反射した光が収束する空間上の一点（以下、「収束点」という）を含む面には被検査物のフーリエ変換像すなわち回折像が形成される。上記光学顕微鏡装置によれば、対物レンズと反射手段との間にこの回折像を形成させることができるので、回折像そのものを観察したり、回折像に対して操作を加えて所望の処理を施したりすることが容易にできる。また、反射手段と対物レンズとの間に回折像が形成されることから、被検査物及び回折像を観察するために対物レンズの焦準（ピント）を調整したとしても被検査物への照明光の照射条件への影響がない。そのため、被検査物及び回折像を同じ条件で容易に観察することが可能である。また、回折像には被検査物の構造情報が集約されている。換言すると、被検査物の組織構造に応じた回折像が形成され、被検査物の組織構造が異なっていれば、その回折像も異なったものとなる。したがって、組織構造と回折像との関係が判っていれば、回折像から逆に被検査物の組織構造を知ることができる。

また、本発明に係る光学顕微鏡装置においては、被検査物において反射した光が収束した空間上の一点である収束点における収束角を０〜９０°の範囲で任意に変更する収束角変更手段を更に備えることが好適である。収束角変更手段によって収束角を変更することによってコントラストの高さ、焦点深度の深さの効果を変化させることができる。

更に、本発明に係る光学顕微鏡装置は、被検査物において反射した光が収束した空間上の一点である収束点を含み対物レンズの光軸に直交する回折像面および被検査物のいずれにも対物レンズの焦準を合わせるための焦準調整手段を備えることが好ましい。これにより、被検査物の光学像と回折像とをそれぞれ観察することができ、被検査物の構造情報をより多く取得することができる。

更にまた、本発明の光学顕微鏡装置においては、被検査物において反射した光が収束した空間上の一点である収束点を含み対物レンズの光軸に直交する回折像面と被検査物との相対的な位置を変更するための調整機構を更に備えることが好ましい。

この場合、回折像面と被検査物との相対的な位置を変えることで、回折像の大きさを変化させることが可能であり、例えば、相対的な位置を変えることで、回折像を大きくすることができる。また、上記収束角変更手段を備えている場合には、回折像面と被検査物との相対的な位置を変更しても、収束角変更手段によって収束角を一定にすることができ、結果として、コントラストの高さ、焦点深度の探さの効果を一定に保ったまま被検査物及び回折像を観察することができる。

また、本発明に係る光学顕微鏡装置は、被検査物において反射した光が収束した空間上の一点である収束点を含み対物レンズの光軸に直交する回折像面の位置に配置されると共に、被検査物において反射した光の一部を選択的に通過させる空間絞りを更に備えることが好適である。

この空間絞りにより、被検査物において反射した光の一部を選択できることから、被検査物からの所望の回折光を選択して対物レンズに入射させることが可能である。ここで、回折光とは、０次の回折光（すなわち直接光）も含む意味である。回折光を選択した後、対物レンズの焦準を被検査物に合わせれば、選択された所望の回折光による被検査物の光学像を観察することができる。また、回折光の選択が自由なので、同一の被検査物について所望の回折光に応じた様々な被検査物の光学像を観察することができる。

また、空間絞りを備える本発明に係る光学顕微鏡装置においては、空間絞りを通過した光の方向と対物レンズの光軸とを略一致させる調整機構を更に備えることが好ましい。空間絞りにより光量が減少するが、空間絞りを通過した光の方向と対物レンズの光軸とを略一致させることにより、歪みの少ない明るい像を得ることができる。

更に、本発明に係る光学顕微鏡装置では、照明光に単色光を用いてもよい。単色光を用いることにより、白色光では得られなかった、組織構造を知る上で重要な像を得ることができる。

本発明に係る光学顕微鏡装置を用いた本発明の顕微鏡観察方法の一つは、対物レンズの焦準を被検査物に合わせて被検査物を観察することを特徴とする。前述したように、本発明の光学顕微鏡装置では、照明光は対物レンズと同じ側から被検査物に照射され、被検査物から反射した光は、反射手段と対物レンズとの間の空間上の一点に収束した後に対物レンズに入射する。この場合、照明光は、収束光として被検査物に照射されていることになる。その結果、極めてコントラストの高い、焦点深度の深い観察像を得ることができる。

また、本発明に係る光学顕微鏡装置を用いた本発明の他の顕微鏡観察方法は、被検査物において反射した光が収束した空間上の一点である収束点を含み対物レンズの光軸に直交する回折像面に対物レンズの焦準を合わせることにより、回折像面上に形成された被検査物の照明光による回折像を観察することを特徴とする。

この場合、回折像と被検査物の組織構造との関係を予め取得しておけば、回折像を直接観察することにより、回折像のパターンの特徴から被検査物の組織構造を知ることができる。

また、本発明に係る光学顕微鏡装置を用いた本発明の顕微鏡観察方法は、対物レンズの焦準を被検査物に合わせて被検査物を観察する工程と、対物レンズの焦準を回折像面上に形成された回折像に合わせて回折像を観察する工程とを備えることを特徴とする。

この場合、対物レンズの焦準を被検査物及び回折像面に合わせることで、被検査物の光学像および回折像をそれぞれ観察することによって、光学像の観察だけでは分かりにくかった組織構造の全体的な特徴を把握したり、回折像の観察だけでは分かりにくかった、回折像の形成に寄与する被検査物の組織構造の詳細を知ることができる。また、収束点は、反射手段と対物レンズとの間に位置しているので、回折像は、反射手段と対物レンズとの間に形成されることになる。その結果、被検査物及び回折像を観察するために対物レンズの焦準を調整したとしても照明光の被検査物への照射条件への影響がない。よって、被検査物及び回折像を同じ条件で容易に観察することが可能である。

また、本発明に係る光学顕微鏡装置を用いた本発明の他の顕微鏡観察方法は、空間絞りを用いて回折像面の所望の領域の光を通過させ、対物レンズの焦準を被検査物に合わせて空間絞りを通過した光によって被検査物を観察することを特徴とする。

この顕微鏡観察方法では、空間絞りを用いて回折像面上の所望の光を通過させることで、所望の回折光を選択しているため、選択された所望の回折光による被検査物の光学像を観察することが可能である。回折光の選択が自由なので、同一の被検査物について回折光に応じた様々な光学像を観察することができ、その結果、被検査物の組織構造をさらに詳しく知ることができる。

本発明の光学顕微鏡を利用した他の顕微鎮観察方法は、対物レンズの焦準を回折像面に合わせることにより、回折像面上に形成された被検査物の照明光による回折像を観察し、回折像の所望の領域の光を通過させるように空間絞りを調整した後、対物レンズの焦準を被検査物に合わせることにより、空間絞りを通過した光によって被検査物を観察することを特徴とする。

回折像に基づいて光学像の観察に用いる回折光を選択するので、いかなる回折光に基づく光学像かを知ることができる。これにより被検査物の組織構造をさらに詳しく知ることができる。また、前述したように、回折像は反射手段と対物レンズとの間に形成されることから、被検査物及び回折像を観察するために対物レンズの焦準を調整したとしても被検査物への照明光の照射条件への影響がない。その結果、被検査物及び回折像を同じ条件で容易に観察することが可能である。

本発明の顕微鏡観察方法では、被検査物に対する回折像面の位置を調整して被検査物を観察することが好ましい。照明光の収束点を含んでおり対物レンズの光軸に直交する面が回折像面であるため、被検査物に対する回折像面の位置を調整することは、被検査物に対する収束点の位置を調整することになる。よって、回折像面の位置を調整擦ることによって、対物レンズに入射する光の量を調整でき、その結果、観察する像の明るさを調整することができる。例えば、対物レンズが回折像面の近傍に位置したときに被検査物に焦準が合うように回折像面の位置を調整して被検査物を観察することで、回折光をロスすることなく対物レンズに入射できるので、最も像が明るくなる。

本発明の顕微鏡観察方法では、空間絞りの形状若しくは回折像面上での位置を変えることにより、又は、対物レンズの光軸に対する照明光の光軸の角度を変えることにより、対物レンズによる被検査物の光学像形成にあずかる回折光を選択して被検査物を観察することが好適である。

本発明の顕微鏡観察方法では、空間絞りを通過した光の方向と対物レンズの光軸とを略一致させて被検査物を観察することが好ましい。空間絞りを通過した光の方向と対物レンズの光軸とが略一致するので、歪みの少ない明るい像を得ることができる。

本発明の顕微鏡観察方法では、照明光の収束点の位置を対物レンズの光軸方向において変えることにより、回折像の大きさを調整することが好適である。これによって、所望の大きさの回折像を観察することができる。

このとき、収束点の位置を対物レンズの光軸方向において変えても収束点における収束角を変化させないことが好ましい。収束角が一定であると、回折像面と被検査物との相対的な位置を変更しても、コントラストの高さ、焦点深度の深さの効果を一定に保ったまま観察することができる。

また、本発明の顕微鏡観察方法では、照明光を単色光とすることができる。

更に、本発明に係る顕微鏡観察方法で観察する被検査物としては、高分子材料が考えられる。

本発明の光学顕微鏡装置によれば、光学顕微鏡装置のコンパクト化を図ることができる。また、本発明の顕微鏡観察方法によれば、コンパクト化された光学顕微鏡装置を利用して被検査物の顕微鏡観察が可能である。

以下、図面と共に本発明に係る光学顕微鏡装置及びその光学顕微鏡装置を用いた顕微鏡観察方法の好適な実施形態について詳細に説明する。以下の説明においては、同一の要素には同一符号を付することとし、重複する説明は省略するものとする。また、本明細書における「上」等の方向を示す語は、図面に示された状態に基づいた便宜的な語である。

図１は本発明に係る光学顕微鏡装置の一実施形態の基本構成を示す概略構成図である。光学顕微鏡装置１は、被検査物載置台としてのステージ１０を有する。この光学顕微鏡装置１は、ステージ１０上に載置された被検査物（標本）１５に照明光を照射し、被検査物１５から反射された光を利用して種々の観察を実施する反射型の光学顕微鏡装置である。

光学顕微鏡装置１で観察する被検査物１５としては、例えば、高分子材料（たとえば、ポリエチレン等のポリマーフィルムやポリプロピレン系複合材料の射出成形品）、生体材料、セラミックス、金属等を挙げることができる。なお、組織構造を観察し得るという点と光透過率が小さいという点で、ポリプロピレン系複合材料の射出成形品は最も典型的な対象材料である。

光学顕微鏡装置１は、被検査物１５に照明光を照射するための光照射部２０と、照明光が照射された被検査物１５から反射された光を検出するための光検出部３０とを有しており、光照射部２０と光検出部３０とは被検査物１５の上方に配置されている。以下の説明では、光検出部３０の光軸Ｌ１方向をＺ軸方向とし、図１に示すようにＺ軸方向に直交する方向をＸ軸方向及びＹ軸方向とする。なお、図１では、Ｚ軸方向が鉛直方向に対応しているものとする。

図２は、光照射部の基本構成を示す概略構成図である。図２では、図１に示した光学顕微鏡装置１における光照射部２０近傍を拡大して示している。光照射部２０は、光出力部（照明手段）２１と反射手段２２と筐体２３とを含んで構成されている。

光出力部２１は、被検査物１５に照射するための照明光を出力する。光出力部２１は、筐体２３に収容されており、Ｘ軸方向に沿って配置された光源２１Ａ、絞り２１Ｂ及びコンデンサーレンズ２１Ｃを有している。光源２１Ａは、例えば点光源であり、光源２１Ａから出力される光は、白色光でもよいし単色光でもよい。光源２１Ａは、光源移動手段２４によって、コンデンサーレンズ２１Ｃに対して光出力部２１の光軸Ｌ２と平行な方向に移動可能となっている。光源移動手段２４としては、光源２１Ａの位置調整に従来利用されるものでよいが、モータやピエゾ等を利用した少なくとも一軸方向に移動可能なステージが例示される。

光出力部２１では、光源２１Ａから出力された光のうち絞り２１Ｂを通った光が、コンデンサーレンズ２１Ｃによって集光され照明光として出力される。光出力部２１から出力される照明光は収束光である。また、上記構成の光出力部２１では、絞り２１Ｂの開度（光を通過させるための開口の大きさ）を調整することで、光源２１Ａからの光の光量を有効に利用できるようになっている。

反射手段２２は、光出力部２１の光軸Ｌ２上に配置されており、筐体２３の一側壁２３ａに取りつけられることによって筐体２３に保持されている。反射手段２２は、例えば、ハーフミラーであり、光出力部２１から出力された照明光を被検査物１５側に反射させて被検査物１５に照射すると共に、被検査物１５から反射した光を通過させる。なお、反射手段２２は、筐体２３内に収容されていてもよく、その場合には、図１及び図２において反射手段２２の上方に被検査物１５によって反射し反射手段２２を通過した光を通すための窓を側壁２３ａに形成しておく。

筐体２３は、光出力部２１を収容し且つ反射手段２２を保持している。筐体２３の被検査物１５側の側壁２３ｂには、反射手段２２によって反射された照明光を通すと共に、照明光が照射された被検査物１５から反射した光を通すための窓２５が形成されている。窓２５は単なる開口でも良いし、開口に石英板等の透明な板が取り付けられていてもよい。窓２５は、反射手段２２で反射された照明光や被検査物１５からの光の一部又は全てを遮らないよう、適切な位置に形成され且つ十分な大きさを持っていればよい。筐体２３は、筐体移動手段２６によって被検査物１５との間の距離を調整できるようになっていることが好ましい。これによって、光照射部２０の位置を被検査物１５と後述する回折像面Ｐ１との間の自由な位置に配置することができる。

光学顕微鏡装置１では、光出力部２１及び反射手段２２は、光検出部３０及び光出力部２１の光軸Ｌ１，Ｌ２上に反射手段２２が位置し、光軸Ｌ２と反射手段２２とのなす角θｉと光軸Ｌ１と反射手段２２とのなす角θｏとが等しくなるように配置されている。以下では、特に断らない限り、光軸Ｌ１，Ｌ２は直交しているものとする。

また、光学顕微鏡装置１では、照明光は、被検査物１５によって反射した光が反射手段２２の上方（光検出部３０側）の空間上の一点である収束点４０に収束するように被検査物１５に照射されるようになっている。すなわち、光出力部２１から出力された光が、反射手段２２の上方に収束点４０を有する収束光として被検査物１５に照射されるようになっている。収束点４０を通り光軸Ｌ１に直交する平面Ｐ１には、照明光による被検査物１５のフーリエ変換像すなわち回折像が形成される。ここでは、この平面Ｐ１を回折像面と呼ぶことにする。

収束点４０における収束角θは、絞り２１Ｂを利用して照明光の大きさを制限することによって０〜９０°の範囲で変化する。よって、絞り２１Ｂは収束角変更手段としても機能していることになる。

また、光源移動手段２４によって光源２１Ａの位置を移動させることによって、回折像面Ｐ１と被検査物１５との相対的な位置としての距離（図１では距離ｄ１）を変化させることができるようになっている。すなわち、光源２１Ａが光軸Ｌ２方向に移動することによって、収束点４０の被検査物１５からの距離が変化し、結果として、回折像面Ｐ１と被検査物１５との相対的な位置が変化することになる。

このとき、図１及び図２に示すように、絞り２１Ｂをコンデンサーレンズ２１Ｃの後側焦点面Ｐ２に配置することにより、光源２１Ａを光軸Ｌ２に平行な方向に移動させても、収束点４０における照明光の収束角θを一定に保つことができる。これは、光源２１Ａの移動の前後でコンデンサーレンズ２１Ｃへ入射する光束の一番外側の面である最外郭面Ｐ３が焦点面Ｐ２上の同じ部分を通ることにより、コンデンサーレンズ２１Ｃから出射される光束の最外郭面Ｐ４の光軸Ｌ２に対する角度が一定になるからである。これにより、収束点４０における照明光の収束角θを一定に保ったままで被検査物１５と回折像面Ｐ１との間の距離を変化させることができることになる。

図１及び図２に示すように、回折像面Ｐ１上又はその近傍の位置には、光学顕微鏡装置１の一部を構成する空間絞り５０が回折像面Ｐ１と略平行に設けられている。空間絞り５０は観察途中でも、容易に脱着可能となっている。

図３は空間絞り５０の平面図である。空間絞り５０は、遮光板５１の中央に例えば直径数百ミクロンの円形開口５２が形成されたものである。遮光板５１に形成する開口形状すなわち観察視野は、必ずしも円形でなくてもよく、目的に応じて方形、半円形、扇形等を適宜選択することができる。

空間絞り５０は、円形開口５２によって被検査物１５から反射された光の一部を選択的に通過させるものであり、図１に示すように、絞り移動手段５３によって３次元的、すなわち、光軸Ｌ１方向及び光軸Ｌ１に直交する方向に移動できるようになっている。絞り移動手段５３は、例えば３軸ステージ等である。絞り移動手段５３によって空間絞り５０を光軸Ｌ１に略直交する方向、すなわち、ＸＹ平面内で移動させることにより、回折像面Ｐ１上に形成される回折像の観察視野を選択できる。また、絞り移動手段５３によって空間絞り５０は光軸Ｌ１方向（Ｚ軸方向）に移動可能であるため、回折像面Ｐ１の位置を被検査物１５に対して光軸Ｌ１方向に調整しても、それに合わせて空間絞り５０の位置を調整することができる。

また、空間絞り５０は、反射手段２２より対物レンズ３１側に位置しているため、空間絞り５０を着脱したり、観察視野の選択する際に空間絞り５０を移動させても被検査物１５への照明条件を一定にすることができるようになっている。

図１に示すように、光学顕微鏡装置１では、空間絞り５０の上方に光検出部３０が配置されている。光検出部３０は、対物レンズ３１、結像レンズ３２、接眼レンズ３３及びそれらを収容する鏡筒３４を有しており、ステージ１０側から順に、対物レンズ３１、結像レンズ３２及び接眼レンズ３３が配置されている。鏡筒３４の内部構成自体は従来からある一般的なものである。本実施形態では、光検出部３０の光軸Ｌ１は対物レンズ３１の光軸と一致しているものとし、特に断らない限り、光検出部３０は、光軸Ｌ１がステージ１０の被検査物１５を載置する面に略直交するようにステージ１０に対して配置されているものとする。

対物レンズ３１は、被検査物１５に焦準（ピント）を合わせたときの位置が光照射部２０及び空間絞り５０より上方に配置可能な焦点距離を有する。これによって、焦準合わせ動作において、光照射部２０及び空間絞り５０が邪魔になることがない。結像レンズ３２は、対物レンズ３１が捕らえた像を、結像レンズ３２の後方（接眼レンズ３３側）にある中間像結像位置３５に形成するように配置されており、接眼レンズ３３はこの像を観察できるように焦準が調整されている。

鏡筒３４は、対物レンズ３１に向かってすぼまっている（言い換えれば、テーパ状になっている）ことが好ましい。これにより、光照射部２０を対物レンズ３１に近づけてもぶつからず、且つ、回折像面Ｐ１と被検査物１５との距離ｄ１を短くしても被検査物１５からの反射光が対物レンズ３１に入射できるようになっている。

鏡筒３４には、焦準調整手段３６によって鏡筒３４とステージ１０との間の距離を変えることができるようになっている。これによって、対物レンズ３１と被検査物１５との相対的な位置、すなわち、対物レンズ３１と被検査物１５との間の距離（図１では距離ｄ２）を変更でき、結果として、対物レンズ３１の焦準合わせを行うことができることになる。

焦準調整手段３６は、例えば、ラックピニオンを利用したものであり、従来の光学顕微鏡が有する鏡筒などに取り付けられているものと同じものでよいが、焦準合わせのために変化させることのできる相対的な位置の範囲は、従来の一般的な顕微鏡に比べて十分に長いことが必要である。すなわち、少なくとも被検査物１５と回折像面Ｐ１の両方に焦準合わせができるようになっている。

上記構成の光学顕微鏡装置１では、対物レンズ３１の焦準を被検査物１５に合わせることによって、被検査物１５の光学像を観察でき、また、対物レンズ３１の焦準を回折像面Ｐ１に合わせることによって回折像を観察することができる。回折像には、被検査物１５の構造情報が集約されているので、組織構造と回折像との関係が予め分かっていれば、回折像から逆に被検査物の組織構造を知ることが可能である。そして、上記のように、被検査物１５の光学像と回折像とを共に観察できるようになっていれば、被検査物１５の構造情報をより多く取得できる。

また、光学顕微鏡装置１では、被検査物１５から反射した光を利用しているので、被検査物１５として透過率の低い被検査物１５の表面組織構造を好適に知ることが可能である。更に、対物レンズ３１、反射手段２２及び光出力部２１をステージ１０に対して同じ側に配置できているので、光学顕微鏡装置１のコンパクト化が図れている。また、光出力部２１からの照明光は収束光として被検査物１５に照射されるため、絞り２１Ｂを利用して収束角θを変更することで、コントラストや焦点深度の深さ等を選択することができ、結果として、所望のコントラストや焦点深度の深さ等で観察可能である。

なお、図４に示すように、被検査物１５に焦準を合わせたときに対物レンズ３１と空間絞り５０とが最も近づくように、回折像面Ｐ１の位置を調整すると、最も明るい像を得ることができる。回折像面Ｐ１の調整は、光源移動手段２４を利用して光源２１Ａの位置を二点鎖線の位置（図１に示した光源の位置）から実線の位置に変えることによって実施すればよい。この状態では、被検査物１５と回折像面Ｐ１との間の距離ｄ１は、図４に示すように被検査物１５と対物レンズ３１との距離ｄ２とはほぼ等しくなっている。

次に、図１及び図５を利用して上記光学顕微鏡装置１を用いた顕微鏡観察方法の一つについて説明する。図１は、被検査物１５に対物レンズ３１の焦準（ピント）が合わせたときの光学顕微鏡装置１の状態を示している。また、図５は、図１の状態から回折像面Ｐ１に対物レンズ３１の焦準を合わせたときの光学顕微鏡装置１の状態を示している。以下の説明では、絞り２１Ｂは焦点面Ｐ２に配置されているものとする。

先ず、ステージ１０に被検査物１５を載置し、続いて光出力部２１から照明光を出力することで被検査物１５に照明光を出力する。次に、空間絞り５０をはずした状態で、図５に示すように、対物レンズ３１の焦準を回折像面Ｐ１に合わせて回折像を観察する。そして、光源２１Ａの位置を光源移動手段２４を利用してＸ軸方向に移動させることで、回折像の大きさを所望の大きさに調整する。このように、回折像の大きさを調整しても、絞り２１Ｂが焦点面Ｐ２に配置されていることで、収束点４０における収束角θは一定である。

続いて、図５に示すように、空間絞り５０を装着して、被検査物１５において反射した光のうち所望の領域の光を通過させることで回折像の観察視野を選択する。すなわち、空間絞り５０によって回折像を形成する回折光のうち所望の回折光を選択する。なお、回折光とは、０次の回折光（すなわち直接光）も含む意味である。空間絞り５０は、反射手段２２より対物レンズ３１側に配置されるので、被検査物１５の照明条件は空間絞り５０を装着してもその影響を受けない。

空間絞り５０によって所望の回折光を選択した後、図１に示すように、対物レンズ３１の焦準を被検査物１５に合わせる。このとき、絞り２１Ｂの開度が一定に保たれているので、収束角θも一定に保たれている。したがって、図１に示すように、対物レンズ３１の焦準を被検査物１５に合わせても、回折像を観察した時と同じ照明条件において、空間絞り５０で選択した所望の回折光を利用して被検査物１５の光学像を観察できる。

なお、上記のように、結像に与る回折光を空間絞り５０によって自由に選択できるため、空間絞り５０によって高次の回折光を選択し、その高次の回折光を利用して像を形成せしめることも可能である。このように、同一の被検査物１５からの高次の回折光によって像を形成する際には、鏡筒３４の傾きを、例えば、光学顕微鏡装置１が有する傾き調整手段３７によって調整するなどして、選択された回折光をできるだけ光軸Ｌ１に近づけることが好ましい。これにより、歪みの低減された好ましい結果（像）が得られるからである。

また、光出力部２１の光軸Ｌ２のうちコンデンサーレンズ２１Ｃから反射手段２２までを特に照明光の光軸としたとき、本実施形態では、対物レンズ３１の光軸Ｌ１と照明光の光軸とを略直交させているが、対物レンズ３１の光軸Ｌ１に対する照明光の光軸の角度を変えられるように構成することも好ましい。このように光軸Ｌ１に対する照明光の光軸の角度を可変にすることによって観察に与る回折光を変化させることができ、結果として、組織構造や配向を知るための像情報を増やすことができる。なお、照明光の光軸の角度を変えることは、例えば、コンデンサーレンズ２１ＣのＺ軸方向に対する傾斜角を変えたり、光出力部２１全体のＺ軸方向に対する傾斜角を変えればよい。

また、上記観察方法の説明では、被検査物１５に焦準を合わせたときに回折像面Ｐ１と対物レンズ３１とが離れている場合について説明したが、図４及び図６に示すように、被検査物１５に焦準を合わせたときに、回折像面Ｐ１と対物レンズ３１とが最も近づくようにして被検査物１５の光学像及び回折像を観察してもよい。図６は、図４の状態から回折像面Ｐ１に対物レンズ３１の焦準を合わせたときの光学顕微鏡装置１の状態を示す図である。

この場合も、先ず、図６に示すように、回折像面Ｐ１に対物レンズ３１の焦準を合わせて回折像を観察する。そして、空間絞り５０によって所望の領域を選択した後に、図４に示すように、被検査物１５に焦準を合わせて被検査物１５の光学像を観察する。被検査物１５から反射した光は収束点４０に収束するので、回折像面Ｐ１と対物レンズ３１とを近づけることで、被検査物１５から反射した光がロスなく対物レンズ３１に入射し、その結果として、明るい像を取得することができる。

ところで、反射型の光学顕微鏡装置としては、例えば、対物レンズの上方にハーフミラーを配置する構成も考えられる。この構成では、照明光を対物レンズを通して被検査物に照射し、被検査物からの光を再度対物レンズに入射させることによって像を取得することになる。しかしながら、このような構成で本実施形態のように、収束光としての照明光を被検査物に照射して収束点の位置に形成される回折像と、被検査物の光学像とを観察しようとすると、対物レンズが収束光の形成に寄与しており且つハーフミラーと被検査物との間に空間絞りが配置されることになる。その結果、被検査物との間の空間絞りの配置や、対物レンズの焦準合わせによって、被検査物への照明条件が変わる恐れがある。

これに対して、光学顕微鏡装置１では対物レンズ３１と被検査物１５との間に反射手段２２が配置されており、コンデンサーレンズ２１Ｃを利用して光源２１Ａから出力された光を集光することによって照明光としての収束光が形成されている。また、収束光の収束点は反射手段２２と対物レンズ３１との間に位置するようになっているため、回折像面Ｐ１も反射手段２２と対物レンズ３１との間に位置することになる。

この場合、対物レンズ３１が収束光の形成に寄与しておらず、また、空間絞り５０も反射手段２２と対物レンズ３１との間に位置することになるため、対物レンズ３１の焦準を調整しても被検査物１５の照射条件、回折像面Ｐｌと被検査物１５との間の距離ｄ１及び収束角θは変化しない。

従って、対物レンズ３１の焦準を被検査物１５及び回折像面Ｐ１にそれぞれ合わせることで、光透過率の小さな被検査物１５の光学像および回折像を選択的に且つ同一の照明条件で観察することができる。特に、収束角θを一定にすることで、コントラストの高さ及び焦点深度の深さなどの効果を一定に保ったままで被検査物１５の光学像や回折像を観察することができる。

また、空間絞り５０を適当に挿入または移動させることにより、所望の回折光による被検査物１５の光学像と回折像とを得ることができるので、従来の光学顕微鏡装置では得られなかった組織構造情報や配向情報を光学像または回折像として得ることができる。更に、空間絞り５０によって、自由に回折光を選択できるので、同一の被検査物１５について回折光に応じた様々な光学像を観察することができる。その結果、被検査物１５の組織構造を更に詳細に知ることが可能である。

以上、本発明の好適な実施形態についてついて説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されない。

上記実施形態では、光源移動手段２４を利用して光源２１Ａの位置を調整することによって、収束角θを略一定に維持しながら距離ｄ１を変化させているが、例えば、光出力部２１全体を一体的にＸ軸方向に移動させてもよい。光出力部２１の全体を一体として位置を変化させることで、すなわち、光源２１Ａ、絞り２１Ｂ及びコンデンサーレンズ２１Ｃの相互の位置関係及び絞り２１Ｂの開度を一定に保ちながらそれらを移動させることで収束角θを一定に保つことができる。これは光出力部２１の全体を一体として位置を変化させることで、光出力部２１を光軸Ｌ２に平行な方向に移動してもコンデンサーレンズ２１Ｃから出射される光束の最外郭面Ｐ４（図２参照）の光軸Ｌ２に対する角度が一定だからである。

光出力部２１の全体を一体として位置を変化させる方法としては、図７に示すように、例えば、光出力部２１を移動させるための光出力部移動手段２７を更に設けておけばよい。光出力部移動手段２７によっても回折像面Ｐ１と被検査物１５との距離ｄ１を変更できるため、光出力部移動手段２７は、回折像面Ｐ１と被検査物１５の相対的な位置の調整機構として機能していることになる。光出力部移動手段２７としては、例えば、光源２１Ａ、絞り２１Ｂ、コンデンサーレンズ２１Ｃ及びそれらの位置調整手段を１つに載せることが可能であって少なくともＸ軸方向に移動可能なステージが例示される。光源２１Ａの位置調整手段は前述した光源移動手段２４に対応する。

また、光出力部２１の全体を一体として位置を変化させることは、光源２１Ａ、絞り２１Ｂ及びコンデンサーレンズ２１Ｃをそれぞれの位置調整手段によって光源２１Ａ、絞り２１Ｂ及びコンデンサーレンズ２１Ｃの相互の位置関係を一定に保ちながらそれらの位置を移動させてもよい。

光出力部２１の全体を一体として位置を変化させることによって、収束点４０と被検査物１５との間の距離ｄ１を変化させる際には、光源２１Ａ、絞り２１Ｂ及びコンデンサーレンズ２１Ｃの相互の位置関係を一定に保ってあればよいが、例えば、光源移動手段２４を利用して光源２１Ａの位置を更に調整してもよい。これにより、被検査物１５自体の像及び回折像の観察方法の幅を広げることができる。図８を利用してより具体的に説明する。

図８は、図４の状態から光出力部２１の位置を光出力部移動手段２７を利用して光軸Ｌ２方向に移動させて反射手段２２から離した状態の光学顕微鏡を示す図である。

図８に示した光学顕微鏡装置１の状態では、図１に示した状態よりも光出力部２１の位置は反射手段２２から離れており、更に、光出力部２１におけるコンデンサーレンズ２１Ｃと光源２１Ａとの位置関係においては、光源２１Ａは、コンデンサーレンズ２１Ｃに対して図１に示した状態（図８中の二点鎖線の位置）よりコンデンサーレンズ２１Ｃ側に移動している。図８における収束点４０と被検査物１５との距離ｄ１は、図１における収束点４０と被検査物１５との距離ｄ１と同じであり、被検査物１５に対物レンズ３１の焦準が合わされている。これにより、回折像面Ｐ１と被検査物１５との距離を図１の場合と同様に小さくした状態で、被検査物１５の光学像を観察できるようになっている。なお、回折像を観察する場合には、対物レンズ３１の照準を回折像面Ｐ１に合わせればよい。

更に、実施形態では、対物レンズ３１の焦準を被検査物１５に合わせるために鏡筒３４を移動させているが、ステージ（被検査物載置台）３と光照射部２０を一体にして移動させても良い。あるいは鏡筒３４およびステージ１０と光照射部２０を一体にしたものの両方を移動させても良い。

また、上記実施形態では、回折像面Ｐ１に焦準を合わせて回折像を観察した後に、被検査物１５に焦準を合わせて光学像を観察しているが、光学像を観察した後に回折像を観察してもよい。また、被検査物１５の光学像及び回折像の何れか一方を観察するようにしてもよい。更に、必ずしも空間絞り５０で所望の回折光を選択しなくてもよい。更にまた、光出力部２１は絞り２１Ｂを備えるとしたが、必ずしも絞り２１Ｂを備えていなくても収束光としての照明光を出力できればよい。

本発明の光学顕微鏡装置の一実施形態の構成を示す概略図である。 光照射部の基本構成を示す概略構成図である。 空間絞りの−例を示す平面図である。 図１において収束点を対物レンズに近接させた状態で光学像を観察するときの光学顕微鏡装置の状態を示す図である。 図１の状態から回折像面に対物レンズの焦準を合わせたときの光学顕微鏡装置の状態を示す図である。 図４の状態から回折像面に対物レンズの焦準を合わせたときの光学顕微鏡装置の状態を示す図である。 光出力部移動手段を有する場合の光照射部の基本構成を示す概略構成図である。 図４に示した状態から光出力部の位置を反射手段から離したときの光学顕微鏡の状態を示す図である。

符号の説明

１…光学顕微鏡装置、１０…ステージ（被検査物載置台）、１５…被検査物、２１…光出力部、２１Ｃ…絞り（収束角変更手段）、２２…反射手段、２４…光源移動手段（回折像面と被検査物との相対的な位置の調整機構）、３１…対物レンズ、３６…焦準調整手段、３７…傾き調整手段、４０…収束点、５０…空間絞り、５３…絞り移動手段、ｄ１…被検査物と回折像面との距離、Ｌ１…光検出部の光軸（対物レンズの光軸）、Ｐ１…回折像面、θ…収束角。

Claims (18)

1. 被検査物を載置する被検査物載置台と、
   前記被検査物に照射する照明光を出力する照明手段と、
   前記被検査物載置台に対して前記照明手段と同じ側に設けられており、前記照明手段から出力された前記照明光を前記被検査物へ向かって反射させると共に、前記被検査物から反射された光を通過させる反射手段と、
   前記反射手段を挟んで前記被検査物載置台の反対側に設けられる対物レンズとを備え、
   前記照明手段から出力され前記反射手段によって反射した前記照明光は前記被検査物に照射され、
   前記被検査物において反射した光は、前記対物レンズと前記反射手段との間の空間上の一点に収束した後に前記対物レンズに入射することを特徴とする光学顕微鏡装置。
2. 前記被検査物において反射した光が収束した空間上の一点である収束点における収束角を０〜９０°の範囲で任意に変更する収束角変更手段を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の光学顕微鏡装置。
3. 前記被検査物において反射した光が収束した空間上の一点である収束点を含み前記対物レンズの光軸に直交する回折像面および前記被検査物のいずれにも前記対物レンズの焦準を合わせるための焦準調整手段を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学顕微鏡装置。
4. 前記被検査物において反射した光が収束した空間上の一点である収束点を含み前記対物レンズの光軸に直交する回折像面と前記被検査物との相対的な位置を変更するための調整機構を更に備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学顕微鏡装置。
5. 前記被検査物において反射した光が収束した空間上の一点である収束点を含み前記対物レンズの光軸に直交する回折像面の位置に配置されると共に、前記被検査物において反射した光の一部を選択的に通過させる空間絞りを更に備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学顕微鏡装置。
6. 前記空間絞りを通過した光の方向と前記対物レンズの光軸とを略一致させる調整機構を更に備えることを特徴とする請求項５に記載の光学顕微鏡装置。
7. 前記照明光が単色光であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の光学顕微鏡装置。
8. 請求項１に記載の光学顕微鏡装置を用いた顕微鏡観察方法において、
   前記対物レンズの焦準を前記被検査物に合わせて前記被検査物を観察することを特徴とする顕微鏡観察方法。
9. 請求項１に記載の光学顕微鏡装置を用いた顕微鏡観察方法において、
   前記被検査物において反射した光が収束した空間上の一点である収束点を含み前記対物レンズの光軸に直交する回折像面に前記対物レンズの焦準を合わせることにより、前記回折像面上に形成された前記被検査物の前記照明光による回折像を観察することを特徴とする顕微鏡観察方法。
10. 請求項３に記載の光学顕微鏡装置を用いた顕微鏡観察方法において、
    前記対物レンズの焦準を前記被検査物に合わせて前記被検査物を観察する工程と、
    前記対物レンズの焦準を前記回折像面上に形成された回折像に合わせて前記回折像を観察する工程とを備えることを特徴とする顕微鏡観察方法。
11. 請求項５に記載の光学顕微鏡装置を用いた顕微鏡観察方法において、
    前記空間絞りを用いて前記回折像面の所望の領域の光を通過させ、前記対物レンズの焦準を前記被検査物に合わせて前記空間絞りを通過した光によって前記被検査物を観察することを特徴とする顕微鏡観察方法。
12. 請求項５に記載の光学顕微鏡装置を用いた顕微鏡観察方法において、
    前記対物レンズの焦準を前記回折像面に合わせることにより、前記回折像面上に形成された前記被検査物の前記照明光による回折像を観察し、前記回折像の所望の領域の光を通過させるように前記空間絞りを調整した後、前記対物レンズの焦準を前記被検査物に合わせることにより、前記空間絞りを通過した光によって前記被検査物を観察することを特徴とする顕微鏡観察方法。
13. 前記回折像面と前記被検査物との相対的な位置を調整して前記被検査物を観察することを特徴とする請求項１１又は１２に記載の顕微鏡観察方法。
14. 前記空間絞りの形状若しくは前記回折像面上での位置を変えることにより、又は、前記対物レンズの光軸に対する前記照明光の光軸の角度を変えることにより、前記対物レンズによる前記被検査物の光学像形成にあずかる回折光を選択して前記被検査物を観察することを特徴とする請求項１１〜１３の何れか一項に記載の顕微鏡観察方法。
15. 前記空間絞りを通過した光の方向と前記対物レンズの光軸とを略一致させて前記被検査物を観察することを特徴とする請求項１１〜１４の何れか一項に記載の顕微鏡観察方法。
16. 前記照明光の収束点の位置を前記対物レンズの光軸方向において変えることにより、前記回折像の大きさを調整することを特徴とする請求項９〜１５の何れか一項に記載の顕微鏡観察方法。
17. 前記照明光が単色光であることを特徴とする請求項８〜１６の何れか一項に記載の顕微鏡観察方法。
18. 前記被検査物が高分子材料であることを特徴とする請求項８〜１７の何れか一項に記載の顕微鏡観察方法。

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