JP2725369B2

JP2725369B2 - 赤外顕微鏡装置

Info

Publication number: JP2725369B2
Application number: JP1106902A
Authority: JP
Inventors: 眞人渋谷
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1989-04-26
Filing date: 1989-04-26
Publication date: 1998-03-11
Anticipated expiration: 2013-03-11
Also published as: JPH02285315A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は可視近赤外光を被観察物体に照明して反射す
る可視近赤外光（可視光または近赤外光）の像をTVカメ
ラもしくは目視により観察できると共に、加熱光（可視
光または近赤外光）を被観察物体に照射して放射する赤
外放射光の像、あるいは被観察物体自ら発生させる赤外
放射光の像を検出することにより観察できる赤外顕微鏡
装置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来における赤外顕微鏡装置は、例えば特開昭63−49
721号公報等で開示されている。

この開示された装置においては、透過測定光路と反射
測定光路を選択的に分岐する機構により、供給される赤
外光が、何れかの光路に導かれる。そして、透過測定光
路に沿って進行する光束はコンデンサー鏡により試料面
で集光された後、対物鏡により検出器上で集光され、こ
の検出器で検出される。一方、反射測定光路に沿って進
行する光束は最終的に対物鏡の上方に設けられた光導入
鏡を反射して、対物鏡により試料面上で集光され、再び
この反射鏡により検出面で集光されて、検出器で検出さ
れる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上述の如き透過測定方式のみならず反
射測定方式において試料面での赤外反射光を対物鏡によ
り反射集光させるという反射光学系により赤外光検出す
る構成となっているため、広視野の赤外光を得ることが
できない。また、開口数を大きくすることも困難である
ため、高い解像度を得ることもできなかった。さらに、
対物鏡による倍率も精々15〜20倍程度であるため、大き
な倍率で観察することができない。

そこで、本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもの
であり、可視近赤外光での観察が可能で、広視野及び高
解像度を有し、高倍率で観察可能である高性能な赤外顕
微鏡装置を提供することを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は上記の目的を達成するために、第１図に示す
如く、被観察物体からの赤外光による赤外像と、該被観
察物体からの可視近赤外光（可視光または近赤外光）に
よる可視近赤外像とを観察する赤外顕微鏡装置におい
て、該両像を互いに異なる位置に結像する対物レンズを設
け、該対物レンズは、前記被観察物体からの赤外光と可視
近赤外光とを略平行光束にする共用対物レンズと、該略
平行光束となる両光を分別する光束分別手段と、該分別
された赤外光により赤外像を形成する赤外用対物レンズ
と、該分別された可視近赤外光により可視近赤外像を形
成する可視近赤外用対物レンズとを有するものである。

特に、前記光束分別手段は、前記共用対物レンズを介
した両光の一方を分別し、他方を分割するように構成す
ることが望ましい。

本発明による対物レンズの具体的構成は、共用対物レ
ンズが少なくとも１つのメニスカスレンズを有し、前記
赤外用対物レンズが少なくとも１つの負レンズと正レン
ズとを有し、前記可視近赤外用対物レンズが正レンズ群
と負レンズ群とを有するようすることが好ましい。

本発明の対物レンズを適用した際における装置全体の
構成は、前記被観察物体から赤外光を発生させるための
加熱光（可視光または近赤外光）を前記共用対物レンズ
を介して前記被観察物体に照射する加熱光供給手段と、
前記可視近赤外光を前記共用対物レンズを介して前記被
観察物体にケーラー照明する可視近赤外光供給手段と、
前記赤外像を検出するための赤外像検出手段と、前記可
視近赤外像を拡大観察する観察光学系とを有することが
望ましい。

さらに、前記加熱光をスポット走査する走査手段を設
けることがより好ましい。

また、観察光路内に、前記加熱光供給手段からの加熱
光を前記被観察物体へ導くための第１光学部材と、前記
可視近赤外光供給手段からの可視近赤外光を前記被観察
物体へ導くための第２光学部材とを有するように構成し
ても良い。

このとき、光学部材の少なくとも一方を、観察光路も
しくは加熱光路から退避可能に設けても良い。

〔作用〕

本発明は、対物レンズの屈折作用により被観察物体か
らの赤外光と可視近赤外光とによる各像を異なる位置に
形成しているため、広い観察視野で高分解能な各像の観
察が可能となるり、さらには高倍率観察も可能となる。

〔実施例〕

第１図は本発明の赤外顕微鏡における対物レンズの概
略構成図を示すものである。

図示の如く、本発明の対物レンズは、可視近赤外用対
物レンズと赤外用対物レンズとの機能を兼ね備えてお
り、具体的には、被観察物体５からの赤外光と可視近赤
外光とを略平行光束にする共用対物レンズ１と、この略
平行光束となる両光束を分別する光束分別手段２と、分
別された赤外放射光により前記赤外像I₁を形成する赤外
用対物レンズ３と、分別された可視近赤外光により前記
可視近赤外像I₂を形成する可視近赤外用対物レンズ４と
を有するものである。

この様な対物レンズの構成により、被観察物体５に加
熱光（可視光または近赤外光）を照射して得られる赤外
放射光（または被観察物体自ら放射する赤外放射光）
と、同じく被観察物体５に可視近赤外光を照射して得ら
れる可視近赤外光とが、互いに異なる位置に結像（I₁、
I₂）される。

したがって、赤外像I₁が形成される位置に配置された
検出器を通してこの像I₁を光電検出し、検出信号を画像
処理することにより観察することができるとともに、可
視近赤外像I₂が形成される位置の後方に、観察光学系を
設けることにより、拡大された可視近赤外像I₂を目視も
しくはTVカメラ等で観察することができる。

本発明の対物レンズは、共用対物レンズ１がZnS、ZnS
e等の材質のレンズで、光束分別手段２がZnS等の基板上
にITO膜を蒸着させることにより得られるダイクロイッ
クミラー等で、赤外用対物レンズ３がGe、ZnS、ZnSe等
の材質のレンズで、可視近赤外用対物レンズ４が一般の
光学ガラス、すなわちZnS、ZnSe等の材質のレンズでそ
れぞれ構成されている。

尚、光束分別手段２を構成している基板をGe等で構成
すれば、これは赤外光を透過させ、可視近赤外光を反射
させるため、第１図に示す如き赤外用対物レンズ３と可
視近赤外用対物レンズ４とが入れ換わる光学配置とな
る。

次に、上述の対物レンズを赤外顕微鏡装置中に組み込
んだ際における概略的な構成の一例を示す第５図を参照
しながら本発明を説明する。

レーザー10から射出した加熱光（可視光または近赤外
光）は、チョッパー11によりオン・オフされて断続光に
変換される。このチョッパー11を通過した光束は、走査
手段として光束を振るガルバノミラー12等で反射転向し
て、集光レンズ13により収斂作用を受けて集光点SPを形
成する。

その後、集光点SPからの光束は、第１光学部材のダイ
クロイックミラー23、第２光学部材のハーフミラー22を
介し、可視近赤外用対物レンズ４を通過すると略平行光
束となり、ダイクロイックミラー２により45度反射転向
された後、共用対物レンズ１を通過することによって被
観察物体面５でスポット光が形成される。尚、ダイクロ
イックミラー２は、可視近赤外光のみを反射させ、赤外
光に対して半透過させる波長特性を有している。

集光点SPは可視近赤外用対物レンズ４と共用対物レン
ズ１とに関して被観察物体５と像共役となっており、ガ
ルバノミラー12により光束が振られると、集光空間面Ｐ
内における集光点SPの移動に対応して、スポット光が被
観察物体面を走査する。

このように、スポット光が走査されて被観察物体５を
加熱することにより、この被観察物体５から放射される
赤外光は、再び共用対物レンズ１を通過すると略平行光
束となって、ダイクロイックミラー２を通過し、赤外用
対物レンズ３により赤外像I₁が形成され、検出器６を通
してこの赤外像I₁が検出される。

以上の如き構成により、制御部30はチョッパー11によ
る断続光と同期した検出信号を検出器６によって検出す
るとともに、ガルバノミラー12により走査方向に応じた
信号を取り込んで、画像処理することにより、モニター
31を通して赤外像I₁を観察することができる。尚、本実
施例においては、走査手段としてガルバノミラーを適用
しているが、回転多面鏡等で構成しても良い。

一方、可視近赤外光を供給する光源20は加熱光の光路
（後述する可視近赤外像が形成される光路）外に配置さ
れている。

そして、破線で示す如く、光源20から供給された可視
近赤外光は、集光レンズ21により収斂作用を受け、加熱
光の光路（後述する可視近赤外像が形成される光路）内
に45度傾けられて設けられた第２光学部材のハーフミラ
ー22により可視近赤外用対物レンズ４へ向けて反射す
る。

そして、可視近赤外用対物レンズ４を通過した可視近
赤外光はダイクロイックミラー２で反射した後、共用対
物レンズ１を透過し、破線で示す如く、被観察物体５を
均一に照明する。

このとき、光源20の光源像が、可視近赤外用対物レン
ズ４と共用対物レンズ１との瞳位置に形成されるよう
な、所謂ケーラー照明を達成できる構成が望ましい。

均一に照明された被観察物体５から反射する可視近赤
外光は、先に述べた加熱光の逆光路を辿るように、共用
対物レンズ１により略平行光束となって、再びダイクロ
イックミラー２で反射し、可視近赤外用対物レンズ４を
通過することにより収斂作用を受ける。そして、この収
斂作用を受けた光束は、光路内に斜設された第１光学部
材のハーフミラー22及び第２光学部材のダイクロイック
ミラー23を介して、前述の加熱光の光路外の位置に可視
近赤外像I₂を形成する。

この可視近赤外像I₂の上方に設けられた観察光学系24
を通して、目視もしくはTVカメラ等で、この像を拡大観
察することができる。

尚、光源20から可視近赤外光を被観察物体へ照射する
ための第２光学部材とレーザー10からの加熱光を被観察
物体へ照射するための第１光学部材とは、観察光路、す
なち可視近赤外像が形成される光路または可視近赤外像
が拡大観察される光路内に配置されていれば良い。

また、この２つの光学部材を反射ミラーで構成し、こ
の各反射ミラーは、可視近赤外像を観察する際には、こ
の２つの光学部材が図示の如く所定の位置に設定され、
赤外像を検出する際には、加熱光のみが可視近赤外用対
物レンズに入射するように退避可能に構成しても良い。

また、ハーフミラーで構成された第２光学部材22を固
定して、反射ミラーで構成された第１光学部材23のみを
退避可能としても良い。

このように、第１及び第２光学部材は、レーザー10か
らの加熱光と光源20からの可視近赤外光とが、可視近赤
外用対物レンズ４、ダイクロイックミラー２、共用対物
レンズ１を介して、被観察物体を照射するように構成す
れば良い。

さて、本発明による対物レンズをより具体的にするた
めに、第２図に対物レンズの断面図及び光路図を示す。

図示の如く、被観察物体側から順に、共用対物レンズ
１は、像側に凸面を向けた２つのメニスカスレンズより
成り、赤外用対物レンズ２は、物体側に凸面を向けた正
メニスカスレンズと及びメニスカスレンズと、側像に強
い曲率の面を向けた負メニスカスレンズより成り、可視
近赤外用対物レンズ３は、正レンズと、負レンズと正レ
ンズとで接合された接合レンズと、負レンズとを有する
正レンズ群と、２枚のレンズで接合された接合レンズを
有する負レンズ群より成っている。

以下の表１〜表２にて、この第２図に示す対物レンズ
の諸元を掲げる。表中、左端の数字は被観察物体からの
順序を表し、ｒはレンズ面の曲率半径、ｄはレンズ面間
隔である。可視近赤外用対物レンズと共用対物レンズと
における屈折率ｎは可視近赤外光の波長（λ＝0.6328μ
ｍ）に対する値であり、赤外用対物レンズにおける屈折
率ｎは赤外光の波長（λ＝10μｍ）に対する値である。
また、共用対物レンズと可視近赤外用対物レンズとの軸
上空気間隔をD₁、共用対物レンズと赤外用対物レンズと
の軸上空気間隔をD₂として表している。

尚、本発明の対物レンズは以下の条件を満足すること
が望ましい。

共用対物レンズの最も物体側に位置する物体側に凹面
を向けたメニスカスレンズにおける軸上厚をd₁、このレ
ンズの物体側面及び像側面の曲率半径をそれぞれR₁、R₂
とし、赤外用対物レンズの最も像側に位置する像側に凹
面を向けた負メニスカスレンズの物体側及び像側面の曲
率半径をそれぞれR₃、R₄とするとき、以下の条件を満足
することが望ましい。

条件（１）の上限を越えると、球面収差の補正が困難
となり、下限を越えると、同様に球面収差の補正が困難
となる。

また条件（２）の上限を越えると、正の像面弯曲が甚
大に発生するばかりか、球面収差の補正が困難となる。
逆に下限を越えると、負の像面弯曲が甚大に発生するの
みならず、球面収差の補正が困難となる。

以下の表４に条件対応数値表を掲げる。

また、第３図は可視近赤外用対物レンズ（共用対物レ
ンズを含む）の収差図、第４図は赤外用レンズ（共用対
物レンズを含む）の収差図である。各収差図における
（ａ）は物体高ｙ＝0.0mmでの収差図、（ｂ）は物体高
ｙ＝0.1mmでの収差図を示している。

ここで、回折限界ｄは一般的に次式で表わすことがで
きる。

そして、倍率をＭとすると、可視近赤外像及び赤外像
側での開口数N.A.′は N.A.′＝N.A./Mで表せる。

これらの像の開口数は、 N.A.′＝0.77/90＝0.0086となる。

今、赤外像及び可視近赤外像を形成する各波長の光
が、それぞれλ_１＝0.6328μｍ、λ_２＝10μｍであると
すると、可視近赤外光による回折限界d₁は一方、赤外光による回折限界は、したがって、第２図の対物レンズはその収差図からも
分かるように、90倍にも達する高倍率にもかからず、収
差は回折限界まで極めて良好に補正されて、優れた結像
性能を有していることが分かる。

尚、本発明における光束分別手段としてのダイクロイ
ックミラー２が、第１図で示した如く、斜設することに
より、これ自身にて発生する収差を軽減できる有利な構
成となっている。

また、共用対物レンズは上述の如く、ZnS、ZnSe等の
材質で構成されているにもかかわらず、赤外像における
色収差補正が不十分となるため、赤外用対物レンズ中の
像側に位置する負メニスカスレンズをZnS、ZnSe等の材
質で構成することが望ましい。

さらに、本発明の対物レンズにおける倍率の切換えに
ついては、可視近赤外用対物レンズの１部と赤外用対物
レンズの１部とを構成している共用対物レンズによっ
て、被観察物体からの赤外放射光と可視近赤外反射光と
を略平行光束化しているため、別の共用対物レンズに変
換すれば容易に達成することができ、さらには、共用対
物レンズのズームレンズ化を図って、連続的に変倍させ
ることも可能である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、対物レンズの屈折作用により被観察
物体から放射する赤外光と可視近赤外光との各像を形成
しているため、広い観察視野が得られるとともに、解像
度における格段の向上を達成できる、可視近赤外光と赤
外光とを共に観察できる赤外顕微鏡を達成することがで
きる。

また、対物レンズの屈折作用によるため、高倍率を得
ることができるばかりか、収差も極めて良好に補正でき
る高性能な赤外顕微鏡装置が期待でる。

さらに、可視近赤外用対物レンズと赤外対物レンズと
の一部を共用対物レンズ系が兼ね備えた構成を実現でき
るため、装置の全体のコンパクト化を達成することがで
きる。

また、共用対物レンズを交換もしくはズームレンズ化
すれば、赤外像と可視近赤外像とを同時に変倍すること
ができるため、極めて有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の対物レンズの概略構成図である。第２
図は本発明の実施例における対物レンズの断面図及び光
路図である。第３図（ａ）は可視近赤外用対物レンズ
（共用対物レンズを含む）の物体高ｙ＝0.0mmでの収差
図、第３図（ｂ）は可視近赤外用対物レンズ（共用対物
レンズを含む）の物体高ｙ＝0.1mmでの収差図、第４図
（ａ）は赤外用レンズ（共用対物レンズを含む）の物体
高ｙ＝0.0mmでの収差図、第４図（ｂ）は赤外用レンズ
（共用対物レンズを含む）の物体高ｙ＝0.1mmでの収差
図、第５図は本発明の実施例における赤外顕微鏡装置の
概略構成図である。〔主要部分の符合の説明〕１……共用対物レンズ２……光束分別手段（ダイクロイックミラー）３……赤外用対物レンズ４……可視近赤外用対物レンズ６……検出器（赤外像検出手段） 10……レーザー（加熱光供給手段） 12……ガルバノミラー（走査手段） 20……光源（可視近赤外光供給手段） 22……ハーフミラー（第２光学部材） 23……ダイクロイックミラー（第１光学部材）

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】被観察物体からの赤外光による赤外像と、
該被観察物体からの可視近赤外光による可視近赤外像と
を観察する赤外顕微鏡装置において、該両像を互いに異なる位置に結像する対物レンズを設
け、該対物レンズは、前記被観察物体からの赤外光と可視近
赤外光とを略平行光束にする共用対物レンズと、該略平
行光束となる両光を分別する光束分別手段と、該分別さ
れた赤外光による赤外像を形成する赤外用対物レンズ
と、該分別された可視近赤外光により可視近赤外像を形
成する可視近赤外用対物レンズとを有し、前記共用対物レンズは、最も物体側に位置して物体側に
凹面を向けたメニスカスレンズを有し、前記赤外用対物レンズは、最も像側に位置して像側に凹
面を向けた負メニスカスレンズを有し、以下の条件を満足することを特徴とする赤外顕微鏡装
置。但し、 d₁:前記共用対物レンズ中の前記メニスカスレンズの軸
上厚 R₁:前記共用対物レンズ中の前記メニスカスレンズの物
体側面の曲率半径 R₂:前記共用対物レンズ中の前記メニスカスレンズの像
側面の曲率半径 R₃:前記赤外用対物レンズ中の前記負メニスカスレンズ
の物体側面の曲率半径 R₄:前記赤外用対物レンズ中の前記負メニスカスレンズ
の像側面の曲率半径である。
【請求項２】前記光束分別手段は、前記共用対物レンズ
を介した両光の一方を透過し、他方を反射することを特
徴とする請求項１記載の赤外顕微鏡装置。
【請求項３】前記共用対物レンズは、少なくとも１つの
メニスカスレンズを有し、前記赤外用対物レンズは少な
くとも１つの負レンズと正レンズとを有し、前記可視近
赤外用対物レンズは正レンズ群と負レンズ群とを有する
ことを特徴とする請求項１又は２記載の赤外顕微鏡装
置。
【請求項４】前記被観察物体から赤外光を発生させるた
めの加熱光を前記共用対物レンズを介して前記被観察物
体に照射する加熱光供給手段と、前記可視近赤外光を前
記共用対物レンズを介して前記被観察物体にケーラー照
明する可視近赤外光供給手段と、前記赤外像を検出する
ための赤外像検出手段と、前記可視近赤外像を拡大観察
する観察光学系とを有することを特徴とする請求項１乃
至３の何れか一項記載の赤外顕微鏡装置。
【請求項５】前記赤外顕微鏡装置は、前記加熱光をスポ
ット走査する走査手段を有することを特徴とする請求項
４記載の赤外顕微鏡装置。
【請求項６】観察光路内に、前記加熱光供給手段からの
加熱光を前記被観察物体へ導くための第１光学部材と、
前記可視近赤外光供給手段からの可視近赤外光を前記被
観察物体へ導くための第２光学部材とを有することを特
徴とする請求項４又は５記載の赤外顕微鏡装置。
【請求項７】前記光学部材の少なくとも一方は、前記観
察光路、もしくは加熱光路から待避可能に設けられてい
ることを特徴とする請求項６記載の赤外顕微鏡装置。