JP2017521729A - ズーム顕微鏡 - Google Patents

Abstract

本発明は、交換可能な対物レンズ（０３、１３）と、観察ビーム経路内で対物レンズ（０３、１３）の後ろに配置されている少なくとも２つの可動レンズ群を備えたズームアセンブリ（０４）と、ズームアセンブリ（０４）の後ろに配置されている鏡筒アセンブリ（０８）と、対象物面内に配置された試料の像を捕捉するための、鏡筒アセンブリ（０８）の後ろに配置され、かつ像面内にポジショニングされた画像センサー（０９）を備えている結像ユニットとを備えたモジュール式ズーム顕微鏡に関する。本発明によれば、対物レンズ（０３、１３）が、対物レンズの像側焦点がズームアセンブリ内にあるような焦点距離を有しており、かつ可動レンズ群の１つが絞り（０７）を含む。これに関し有利な１実施形態では、可動レンズ群を、少なくとも第１の位置では、ズームアセンブリの入射瞳が対物レンズの像側焦点内にあるように調整することができる。

Description

本発明は、請求項１のプリアンブルに基づくズーム顕微鏡に関する。

光学測定技術では、とりわけ特定の部分を検査する場合に、射影歪みがなく、かつ光軸方向でも規定の範囲内では結像倍率が一定に保たれる結像が必要である。これはつまり、設定された焦点深度範囲内でテレセントリック性が存在している限り、高さは異なるが同じ大きさの対象物は、結像でも同じ大きさに見えるということである。

様々な大きさの対象物の測定に対し、結像領域ができるだけ完全に利用されるべきであり、したがって非常に小さな対象物の場合は、結像倍率を大きくしなければならない。これはズームシステムによって行われ、このズームシステムはテレセントリック性を維持しなければならない。このために、像側テレセントリック性も有益である。

両側テレセントリック光学系は、理論的にはデフォーカスの際の倍率誤差がない。
現況技術から、中間像のあるかまたはない様々なテレセントリックズーム顕微鏡が知られている。

中間像のないシステムは設置長さが比較的短く、したがってとりわけ、測定タスクと観察タスクと記録タスクとが入れ替わる場合に適用可能であることが有利である。
さらに対象物側テレセントリックズームシステムは、対象物側でビーム経路にフィルターまたは同軸落射光照明をカップリングすべき場合に適用可能であることが特に有利である。

特許文献１からは、様々な交換レンズを使用する場合にズームの拡大範囲が広げられるズーム顕微鏡が知られており、このズーム顕微鏡は、交換レンズの像側焦点内に開口絞りを配置することにより、対象物側テレセントリック性を確立している。これに関しては、焦点距離が比較的大きな対物レンズの場合、より大きな設置スペースが必要とされることが問題である。

特許文献２からは、像側テレセントリック性を有するズーム顕微鏡が知られている。このズームシステムは４つのレンズ群を含んでおり、そのうち真ん中の２つのレンズ群が、倍率調整のために移動する。このズームシステムは、第１のレンズ群の対象物側に入射瞳があり、この入射瞳は対物レンズの射出瞳と実質的に重なり合っている。したがって常に、ズームシステムと対物レンズの間に比較的大きな間隔が必要である。

米国特許出願公開第２０１０／００１４１５４（Ａ１）号 米国特許出願公開第２００４／０２４６５９２（Ａ１）号

そこで本発明の課題は、好ましくは測定のために、対象物を歪みなく拡大して結像することができるコンパクトな顕微鏡を提供することにある。

この課題は、請求項１の特徴を有するモジュール式ズーム顕微鏡によって解決される。
このモジュール式ズーム顕微鏡は、観察すべき対象物を配置可能な対象物面と、対象物ステージに対して一定の距離をあけて配置されている交換可能な対物レンズと、ズームアセンブリと、結像レンズアセンブリと、対象物の像を捕捉するための結像ユニットとを含む。

顕微鏡ではたいていの場合、対象物面内に、既知のやり方で対象物ステージが設けられている。対象物面は、対物レンズに対して一定の距離をあけて配置されるのが好ましい。
対物レンズと、ズームアセンブリと、結像レンズ群と、結像ユニットとは、対象物面を出発点として、光路または観察ビーム経路内にこの順番で配置されている。

対物レンズは、対物レンズの像側焦点がズームアセンブリ内にあるような焦点距離を有している。
ズームアセンブリは少なくとも２つの可動レンズ群を含む。本発明によれば、可動レンズ群の１つは絞りを含む。

これに関し有利な１実施形態では、可動レンズ群を、少なくとも第１の位置では、ズームアセンブリの入射瞳が対物レンズの像側焦点内にあるように調整することができる。さらなる実施形態では、可動レンズ群のそのような位置または調整に、第２以降がさらにある。

この絞りにより、実質的に、ズーム顕微鏡の対象物側および像側のテレセントリック性が確立される。
ズームアセンブリは、アフォーカルなレンズシステムである。

アフォーカルとは、集束性にも拡散性にも作用しないレンズシステムのことである。つまり、平行に到着するビーム束は、確かにシステム内で収束的または発散的に屈折されるが、ビーム経路内のさらなるレンズまたはミラーにより、光が再び平行に方向付けられて出ていく。言い換えれば、光軸に平行に到着するビームは、システムをまた再び軸に平行に出ていく。（出典：Ｗｉｋｉｐｅｄｉａ）
本発明によるズーム顕微鏡により、対物レンズを交換したり、比較的大きな対象物野の場合に所定の拡大範囲内でズームを作動したりすることで、約２５倍までの倍率を達成できることが有利である。

絞りは、好ましい１実施形態では大きさが固定されており、しかし代替的な実施形態では大きさが可変であってもよい。絞りの大きさが可変の場合、焦点深度範囲を変化させることができる。

特に好ましい１実施形態では、ズームアセンブリが、１つの固定レンズ群と、正確に３つの可動レンズ群とを含み、これらのレンズ群は、対物レンズを出発点として、固定の第１のレンズ群（正の屈折力）、可動の第２のレンズ群（負の屈折力）、可動の第３のレンズ群（正の屈折力）、可動の第４のレンズ群（負の屈折力）の順番で配置されている。この実施形態では、絞りは第３のレンズ群に配置されている。３つの可動レンズ群の移動は、第１のレンズ群による絞りの（仮想）結像が一定の場所になるように互いに同調されることが有利である。移動全体は、一定の像位置に同調されている。

テレセントリック性を守るため、像側焦点は、絞りの（仮想）像の場所に存在している。
結像レンズシステムは、像面内で結像を合焦するために、既知のやり方で好ましくは複数のレンズ群を含み、像面内では画像センサーが配置されている。

像側テレセントリック性は、画像センサーの前に例えばマイクロレンズアレイが配置されている場合にとりわけ有利である。このようなマイクロレンズアレイを備えたセンサーは、前置された光学系に基づき、主ビーム傾斜に対して特に感度が良い。

もちろんズーム移動はモータにより、場合によっては自動化して実施することができる。
スケーリングを確定するため、および／または画像内での測定を実施するために、レンズ群の位置を非常に様々なやり方で捕捉することができ、かつ結像ユニットまたは表示ユニット内で使用することができる。

ズームアセンブリの前および後ろにはそれぞれ無限遠のビーム空間が存在しており、このビーム空間は、知られているように、部分ビーム経路、フィルター、またはその類似物のカップリングまたはデカップリングに特に適している。

対象物側の無限遠空間内に、同軸落射照明がカップリングできることが好ましい。
以下に、本発明の特に好ましい１実施形態を図に基づいて説明する。

第１の対物レンズを備えたズーム顕微鏡の特に好ましい１実施形態の光学システムの原理図。 第１の対物レンズが第２の対物レンズと交換されたズーム顕微鏡の光学システムの原理図。

図１は、５つのイラストにより、本発明によるモジュール式ズーム顕微鏡の特に好ましい１実施形態の光学システムのビーム経路を示している。
ズーム顕微鏡の光学システムは、図示されていない対象物ステージ上または対象物面内に存在する対象物野０１を含む。この対象物野０１上に対象物０２が配置されており、この対象物野の観察される部分の大きさは、イラストａ）〜ｅ）で異なっている。これに関しイラストａ）は非常に小さな対象物を示しており、イラストｅ）は、対象物野０１を埋め尽くす対象物を示している。

対象物野０１に対して一定の距離をあけて、焦点距離ｆ_ｏ＝８０ｍｍの対物レンズ０３が配置されている。対物レンズ０３は交換可能である。
対物レンズ０３に、ズーム比Γ＝０．５．．．５のズームアセンブリ０４が接続されており、ズームアセンブリは４つのレンズ群を含む。正の屈折力を有する第１のレンズ群ＬＧ１は不動に配置されている。第２のレンズ群ＬＧ２は光軸０６に沿って変位可能であり、負の屈折力を有している。第３のレンズ群ＬＧ３も光軸０６に沿って変位可能であり、正の屈折力を有している。第４のレンズ群ＬＧ４も光軸０６に沿って変位可能であり、負の屈折力を有している。

絞り０７は、第３のレンズ群ＬＧ３に設けられている。この絞り０７は、好ましくは固定的にレンズ群ＬＧ３と結合しており、第３のレンズ群と共に光軸０６に沿って変位可能である。絞りは、この実施形態では直径が１２．７ｍｍで固定されている。

鏡筒アセンブリ０８は、図示した実施形態では焦点距離ｆ_γ＝２００ｍｍであり、正の屈折力を有するレンズ群ＬＧ５と、負の屈折力を有するレンズ群ＬＧ６と、正の屈折力を有するレンズ群ＬＧ７とを含む。鏡筒アセンブリ０８のレンズ群ＬＧ５、ＬＧ６、およびＬＧ７は固定的に配置されている。ズームアセンブリ０４と鏡筒アセンブリ０８の間には無限遠空間が存在している。

画像センサー０９は、鏡筒アセンブリ０８の後ろで、像面内に配置されている。画像センサー０９は、光学システムに適したサイズおよび解像能力を有するあらゆる既知の画像センサーであり得る。当業者は適切な画像センサーを選択することができる。

画像センサーは結像ユニットの一部であり、結像ユニットは、それ自体で既知のやり方で、試料０２の像を捕捉するために用いられる。
以下に、図示したシステムに関する光学的な特性データを表によって示している。

これに関し半径のデータは、レンズの半径を意味している。Ｕは、半径＝無限遠の平面と見なす。間隔は、それぞれ次の素子に対する間隔を規定している。レンズ群のレンズ材料は、屈折率ｎ_ｅおよびアッベ数ν_ｅによって規定されている。これに加え、それぞれのレンズ群の像側の焦点距離ｆ’を示している。

システム全体は、可変の倍率β＝１．２５．．．１２．５を有している。対象物面と像面の間隔は、この実施形態では３５２ｍｍである。

ビーム経路として、例示的にビーム束１１を示しており、このビーム束は、中心から離れた物点から出て、ズーム顕微鏡の光学システムによって何度か偏向され、最終的に画像センサー上で合焦される。

イラストａ）〜ｅ）からビーム経路に基づいて明らかなように、様々な大ささの対象物０２はそれぞれ、レンズ群ＬＧ２、ＬＧ３、およびＬＧ４の軸方向の変位により、それぞれ画像センサー０９の画像面いっぱいに結像されている。アフォーカルズームの可変の望遠倍率Γおよび結像レンズの焦点距離から、結果的に生じる焦点距離ｆ’が明らかである。

下表は、特定の焦点距離または拡大レベルを達成可能な、可変の間隔Ｖ１〜Ｖ４の調整を示している。

説明した実施形態では、正確に４つの拡大レベルに対し、対象物側および像側で十分なテレセントリック性をもたらす入射瞳の位置が提供されている。これらの位置は、テレセントリック性を絶対に守らなければならない場合に使用されるのが好ましい。このために、ズーム顕微鏡の制御ユニットには、固定的で「テレセントリックな」拡大レベルとして、レンズ群の対応する間隔または絶対的ポジションおよび帰属の倍率が記憶されており、必要の際には規定通りに始動する。

この装備により、システム全体は、倍率β＝１．２５．．．１２．５および最大開口数ＮＡ_ｍａｘ＝０．１５を有している。
図２は前述の光学システムを示しているが、ただし対物レンズ０３が焦点距離ｆ_ｏ＝４０ｍｍの対物レンズ１３と交換されているという違いがある。これに関し同じ符号はもちろん同じコンポーネントを意味しており、したがってここではこれ以上の説明は省略する。

ここでもイラストａ）〜ｅ）では、異なる大きさの対象物０２が、画像センサー０９上では全面に結像されており、これに関し、ズームアセンブリの可動レンズ群ＬＧ２、ＬＧ３、およびＬＧ４のポジションは異なっている。この装備により、システム全体は、倍率ｂ＝２．５．．．２５および最大開口数ＮＡ_ｍａｘ＝０．３を有している。

０１ 対象物面
０２ 対象物
０３ 対物レンズ
０４ ズームアセンブリ
０５ −
０６ 光軸
０７ 絞り
０８ 鏡筒アセンブリ
０９ 画像センサー
ＬＧ１．．．ＬＧ４ ズームアセンブリのレンズ群
ＬＧ５．．．ＬＧ７ 鏡筒アセンブリのレンズ群

Claims (10)

1. 交換可能な対物レンズ（０３、１３）と、
   観察ビーム経路内で該対物レンズ（０３、１３）の後ろに配置されている少なくとも２つの可動レンズ群を備えたズームアセンブリ（０４）と、
   該ズームアセンブリ（０４）の後ろに配置されている鏡筒アセンブリ（０８）と、
   対象物面内に配置された試料の像を捕捉するための、該鏡筒アセンブリ（０８）の後ろに配置され、かつ像面内に位置付けされた画像センサー（０９）を含む結像ユニットと、を備えるモジュール式ズーム顕微鏡において、
   該対物レンズ（０３、１３）が、該対物レンズの像側焦点が該ズームアセンブリ内にあるような焦点距離を有すること、および該可動レンズ群の１つが絞り（０７）を含むことを特徴とするモジュール式ズーム顕微鏡。
2. 前記ズームアセンブリ（０４）の入射瞳が、前記可動レンズ群の少なくとも第１の位置では、前記対物レンズ（０３、１３）の前記像側焦点と実質的に一致していることを特徴とする請求項１に記載のモジュール式ズーム顕微鏡。
3. 前記ズームアセンブリ（０４）の前記入射瞳の位置が、ズーム範囲全体にわたって正であり、かつズーム範囲全体にわたって、前記対物レンズ（０３、１３）の前記像側焦点の少なくとも近傍に存在することを特徴とする請求項２に記載のモジュール式ズーム顕微鏡。
4. 前記入射瞳の位置が、前記ズームアセンブリ（０４）のズーム範囲にわたって、単調ではなく変化することを特徴とする請求項３に記載のモジュール式ズーム顕微鏡。
5. 前記ズームアセンブリ（０４）の前記入射瞳の位置が、ズーム範囲にわたって、少なくとも２つの同じ値を有することを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載のモジュール式ズーム顕微鏡。
6. 前記ズームアセンブリ（０４）が、１つの固定レンズ群および正確に３つの可動レンズ群を含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のモジュール式ズーム顕微鏡。
7. 前記ズームアセンブリ（０４）の前記レンズ群が、前記対物レンズ（０３、１３）を出発点として、固定の第１のレンズ群、可動の第２のレンズ群、可動の第３のレンズ群、可動の第４のレンズ群の順番で配置されていることを特徴とする請求項６に記載のモジュール式ズーム顕微鏡。
8. 前記絞り（０７）が、前記第３のレンズ群に配置されていることを特徴とする請求項７に記載のモジュール式ズーム顕微鏡。
9. 前記絞り（０７）の大きさが可変であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のモジュール式ズーム顕微鏡。
10. 前記対物レンズ（０３、１３）が、前記対象物面に対して一定の距離をあけて配置されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載のモジュール式ズーム顕微鏡。