JP4229000B2 - 光学顕微鏡および顕微鏡システム - Google Patents

Description

本発明は、光学顕微鏡およびこれを備える顕微鏡システムに関する。

アスベストは、建材などに幅広く使用されてきており、建材などに含まれるアスベストを採取して測定する方法が確立されている。従来、アスベストの同定は、アスベストを分散染色用浸液に混入して作製した試料をリング絞りを備えた照明光学系で照明し、分散対物レンズで観察することにより行われている。アスベストには、いくつかの種類があり、屈折率の異なる分散染色用浸液を用いるとその種類に応じた特有の分散色を呈する。この分散色を観察することにより、アスベストの同定を行う。分散対物レンズの後ろ側焦点面には、遮光リングが設けられている（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。

特開平７−１８１２６８号公報 労働省労働基準局長通達「建築物の耐火等吹付け材の石綿含有率の判定方法について」平成８年３月２９日 基発第１８８の２

種類の異なるアスベストが発する分散色の色調が近い場合、これらを明確に識別することができず、アスベストの同定を誤る恐れがあった。

（１）上記問題点を解決するために、請求項１に係る発明のアスベスト分析用光学顕微鏡は、試料ステージ上の試料に開口絞りを介して照明光を照射する照明装置と、開口絞りと共役な後ろ側焦点面に開口絞りの形状に対応する遮光部材を有し、試料からの光のうち回折光を透過させる分散対物レンズと、試料からの光の光路に配設される偏光部材と、試料に対して偏光部材を光軸を中心に回転させる回転手段とを備えることを特徴とする。
（２）請求項２に係る発明は、請求項１のアスベスト分析用光学顕微鏡において、開口絞りは、リング状の開口部が形成されたリング絞りであり、遮光部材は、リング絞りの開口部の形状に対応する遮光部が形成された遮光リングであることを特徴とする。
請求項３に係る発明は、請求項１または２のアスベスト分析用光学顕微鏡において、試料からの光の光路で、偏光部材よりも後の光路に配設されるデポラライザをさらに備えることが好ましい。
請求項４に係る発明は、請求項１または２のアスベスト分析用光学顕微鏡において、偏光部材は、遮光部材と試料の像が結像される結像面との間に配置されていることが好ましい。
請求項５に係る発明は、請求項３のアスベスト分析用光学顕微鏡において、偏光部材とデポラライザは、遮光部材と試料の像が結像される結像面との間に配置されていることが好ましい。

（３）請求項６に係る発明の顕微鏡システムは、請求項１〜５のいずれかのアスベスト分析用光学顕微鏡と、試料像を所定の波長域の光のみを選択する波長域選択部材を介して撮影する撮像手段と、試料ステージと偏光部材との相対回転における所定角度毎に試料像を撮影するように、撮像手段を制御する撮影制御手段と、試料像が撮影された複数枚の画像について重ね合わせ処理する画像処理手段と、その重畳画像における所定輝度レベル以上の輝点を計数する計数手段とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、色調が近い分散色を示すアスベストでも明確に区別することができ、アスベストの同定を正確に行うことができる。

以下、本発明の実施の形態による光学顕微鏡および顕微鏡システムについて、図１〜４を参照しながら説明する。
〈第１の実施の形態〉
図１は、本発明の第１の実施の形態による光学顕微鏡の構成を模式的に示す全体構成図である。図２は、第１の実施の形態による光学顕微鏡の概略的な光路図である。

図１に示される光学顕微鏡１００は、正立型であり、基台１、直立ベース２、アーム３、照明レンズユニット４、試料ステージ５、ステージ駆動部６、レボルバ７、分散対物レンズ８、観察鏡筒９および接眼レンズ鏡筒１０を備える。基台１には、直立ベース２が立設され、直立ベース２の上部には、アーム３が水平に延出している。基台１の後面（図中、左側）には、光源部１ａが設けられている。直立ベース２の前面には、照明レンズユニット４とステージ駆動部６が固設されている。ステージ駆動部６は、試料Ｓを載置する試料ステージ５を光軸ＡＸ方向に上下させるとともに、光軸ＡＸ廻りに回転可能に保持している。アーム３の先端下部には、分散対物レンズ８を光路に挿脱するレボルバ７が設けられ、アーム３の先端上部には、観察鏡筒９が設けられている。観察鏡筒９の先端部には、接眼レンズ鏡筒１０が接続されている。

以下、光路に沿って光学系の配置を説明する。光源部１ａには、光源１１（例えば、白色光を発するハロゲンランプやタングステンランプ）が収納されている。基台１の内部には、コリメータレンズ１２と照明光を上方へ反射するミラー１３が収納されている。照明レンズユニット４には、リング絞り１４とコンデンサレンズ１５が保持されている。光源１１からコンデンサレンズ１５までが照明装置に含まれる。

分散対物レンズ８は、レンズ１６と遮光リング１７を有している。観察鏡筒９には、アナライザ１８、デポラライザ１９、結像レンズ２０およびプリズム２１が配設されている。アナライザ１８は、光軸ＡＸ廻りに回転可能である。なお、プリズム２１は、プリズム２１に到達した光を２つに分離して、一方を接眼レンズ２２へ、他方を不図示の撮像装置へ導くように配設されている。

図２を参照して、光学顕微鏡１００の光学系の作用を説明する。光源１１から射出した照明光Ｌ１は、コリメータレンズ１２により平行光束となり、リング絞り１４に入射する。リング絞り１４は、図２（ｂ）に示されるように、輪帯状の開口部１４ａを有する。照明光はＬ１は、リング絞り１４の開口部１４ａを通過した後に、コンデンサレンズ１５により試料Ｓに向かい、試料Ｓをケーラー照明する。照明光Ｌ１が試料Ｓを照明することにより、試料Ｓを直接透過する透過光（０次の回折光ともいう）および試料Ｓにより回折される回折光が生じる。すなわち、試料からの光Ｌ２としては、透過光および回折光があり、図中、透過光を破線で、回折光を実線で表わす。なお、符号ＡＸは、試料からの光Ｌ２の光軸を表わす。

試料からの光Ｌ２、すなわち透過光および回折光は、レンズ１６に入射し、リング絞り１４と共役な位置に配置された遮光リング１７に入射する。遮光リング１７には、図２（ｃ）に示されるように、リング絞り１４の開口部１４ａに対応する位置に遮光部１７ａが形成されている。

対物レンズ内に遮光リング１７を設けたものは、分散対物レンズと呼ばれるものであり、通常の位相差対物レンズに用いられる位相リングの透過率を０％としたものである。従って、透過光は、遮光リング１７の遮光部１７ａでカットされ、回折光のみが遮光リング１７を透過して、アナライザ１８へ入射する。

アナライザ１８は、回折光の中から特定の偏光方向の光のみを透過させる。すなわち、アナライザ１８を光軸ＡＸ廻りに回転させることにより、様々な偏光方向の入り混じった光から特定の回転角で特定の直線偏光の光のみを分離選択することができる。従って、アナライザ１８を介して回折光を１次像面Ｉに結像させれば、その像は、どのような波長の光により形成されたかが判る。この試料像を接眼レンズ２２によって観察すれば、試料Ｓの特定の偏光方向での状態（色調、形状など）を明瞭に知ることができる。アナライザ１８は、光路に沿って試料Ｓよりも後方であれば任意の位置に配設することができるが、平行光束となっている分散対物レンズ８と結像レンズ２０の間に配設するのが望ましい。

アナライザ１８を通過した直線偏光の回折光は、デポラライザ１９に入射する。デポラライザ１９は、直線偏光の回折光の偏光面を回転し、円偏光とする。デポラライザ１９を配設することによって、直線偏光光の偏光方向に依存する光学特性の差を解消して等方的とすることができる。例えば、プリズム２１での反射率は偏光方向により異なるが、直線偏光光を円偏光光とすることによって、偏光方向に依存せずに試料像が観察できる。デポラライザ１９は、回折光の進行方向において、アナライザ１８の後ろ側の任意の位置に配設できるが、遮光リング１７の後ろ側、または分散対物レンズ８と結像レンズ２０の間に配設するのが望ましい。

デポラライザ１９を通過した円偏光または楕円偏光の回折光は、結像レンズ２０により１次像面Ｉ上に結像する。この試料像を接眼レンズ２２によって観察すれば、試料Ｓの状態（色調、形状など）を知ることができる。もちろん、観察像を撮像装置（例えば、デジタルカメラ）で撮像し、その画像をディスプレイに表示してもよい。

次に、光学顕微鏡１００を用いたアスベストの同定方法を説明する。アスベストは、複屈折の性質をもつ天然の繊維状無機物である。前述したように、アスベストには、いくつかの種類があるが、クリソタイル、アモサイト、クロシドライトの同定について説明する。その同定は、従来法と同様の分散染色法を用いる。先ず、３枚のスライドガラス上に、屈折率の異なる分散染色用浸液Ａ，Ｂ，Ｃをそれぞれ滴下する。２５℃、ｄ線における分散染色用浸液Ａの屈折率ｎ_ｄは１．５５０、分散染色用浸液Ｂの屈折率ｎ_ｄは１．６８０、分散染色用浸液Ｃの屈折率ｎ_ｄは１．７００である。建材などから採取した繊維状粒子を少量づつ３つに分け、それぞれを分散染色用浸液Ａ，Ｂ，Ｃ中に入れて混合し、それぞれカバーガラスで被覆して３個の試料Ｓを作製する。この段階では、試料Ｓ中にアスベストが含まれているか否かは判っていない。

ここで、図３を用いて分散染色法の原理を説明する。図３は、固体Ｘ、固体Ｙ、液体Ｚの屈折率分散曲線である。固体ＸとＹは、２種類の繊維状粒子に対応し、液体Ｚは、分散染色用浸液に対応する。縦軸に屈折率、横軸に波長をほぼ可視域に相当する４００〜７００ｎｍの範囲でとる。この波長範囲で、屈折率の変化は、液体Ｚが最も大きく、固体Ｘ、固体Ｙと続く。固体Ｘ、固体Ｙ、液体Ｚの３本の曲線は、波長λ_０で交わり、波長λ_０を境に短波長側と長波長側では、屈折率の順位は逆転する。しかし、固体と液体との屈折率差をみると、常に、液体Ｚと固体Ｙとの屈折率差が液体Ｚと固体Ｘとの屈折率差を上回っている。この固体と液体との屈折率差、すなわち分散曲線の傾きの差により、固体からの光と液体からの光が干渉して分散色が生じ、固体が染色されたように見える。一般に、液体との屈折率差が大きい固体Ｙの方が固体Ｘよりも明るい分散色を呈する。特に、屈折率差の大きい赤色や青色の波長域で鋭敏な分散色が観察されることが多い。

アスベストの同定では、その種類に応じて鋭敏な分散色を観察できる分散染色用浸液が分かっている。例えば、クリソタイルは、ｎ_ｄ＝１．５５０の分散染色用浸液Ａで赤紫色〜青色、アモサイトは、ｎ_ｄ＝１．６８０の分散染色用浸液Ｂで赤紫色〜青色、クロシドライトは、ｎ_ｄ＝１．７００の分散染色用浸液Ｃで青色の鋭敏な分散色を呈する。裏返して言えば、アスベストとは屈折率が異なる繊維状粒子は、分散染色用浸液Ａ，Ｂ，Ｃに混合しても鋭敏な分散色を呈しないので、アスベストではないことが判る。

上述した３個の試料Ｓを光学顕微鏡１００の試料ステージ５に一つづつ載置して、観察倍率を１００倍として観察する。分散対物レンズの倍率は１０倍である。アナライザ１８を回折光の光路上に挿入しなくともアスベストの種類により特有の分散色を呈するが、例えば２種類のアスベストが同じような赤紫色の分散色を呈している場合には、区別をつけることが難しい。そこで、アナライザ１８を回折光の光路上に挿入して光軸ＡＸ廻りに回転すると、赤紫色の分散色を赤色と紫色の２色に分離することができる。すなわち、視野内の特定のアスベストの繊維状粒子に注目すると、アナライザ１８を光軸ＡＸ廻りに回転すると、ある回転角でその繊維状粒子は紫色に見えるが、アナライザ１８をその位置から９０°回転すると赤色に見える。アスベストの種類により複屈折作用は異なり、同じような赤色でもまた同じような紫色でも色調（波長）が異なるので、この情報を用いることにより、一層正確なアスベストの同定が可能となる。

本実施の形態では、アナライザ１８を光軸ＡＸ廻りに回転することにより回折光の偏光分離を行う場合を説明したが、アナライザ１８を回転させず固定して、試料ステージ５、すなわち試料Ｓを光軸ＡＸ廻りに回転させても同様の作用効果が得られる。また、アナライザ１８と試料Ｓの両者をそれぞれ光軸ＡＸ廻りに回転させても同様の作用効果が得られる。

また、本実施の形態では、照明装置の開口絞りとしてリング絞り１４を用い、分散対物レンズ８の遮光部材として遮光リング１７を用いたが、開口絞りとして中央部分に開口を形成した通常の絞りを用い、遮光部材として中央部分に遮光部を形成した遮光板を用いてもよい。但し、リング絞り１４の方が通常の絞りよりも試料の回折像を形成したときに明るい分散色が得られるので、リング絞り１４を用いる方が望ましい。

アスベストの種類が判った段階で定量分析を行う。この分析法は、光学顕微鏡１００の観察倍率を４００倍として、観察視野内のアスベストの個数を種類毎に数えるものである。すなわち、倍率１０倍の分散対物レンズ８を倍率４０倍の分散対物レンズに切り換えるとともに、リング絞り１４を４０倍用のものに切り換える。他の光学系の構成は、同定方法の場合と変わらない。視野内のアスベストの個数を視野内の全粒子数で除算することにより、試料中のアスベスト含有率が得られる。この定量分析では、アスベストの種類に対応する分散色および偏光分離された光の色が判っているので、その色を強調するための波長域選択フィルタを光路に挿入して観察することもできる。

〈第２の実施の形態〉
図４は、本発明の第２の実施の形態による顕微鏡システムの構成を模式的に示す全体構成図である。光学顕微鏡１００は、第１の実施の形態のものと同じであるので、同じ構成部品には同一符号を付す。

顕微鏡システム２００は、光学顕微鏡１００に、デジタルカメラ１１０、回転機構１１１、制御演算装置１１２、画像処理装置１１３およびディスプレイ１１４を付加して構成される。デジタルカメラ１１０は、観察鏡筒９に搭載され、観察面Ｉに結像した試料像を波長域選択フィルタ１１０ａを通して撮像し、画像信号を画像処理装置１１３へ送出する。
また、デジタルカメラ１１０は、制御演算装置１１２からの制御信号により所定のタイミングで撮影できるように制御される。回転機構１１１は、アナライザ１８を光軸ＡＸ廻りに回転駆動する。ステージ駆動部６は、試料Ｓを載置する試料ステージ５を光軸ＡＸ廻りに回転駆動する。回転機構１１１による回転駆動もステージ駆動部６による回転駆動も制御演算装置１１２からの駆動信号により制御される。

アナライザ１８を通して見るとき、ある回転角で例えば赤色に見えるアスベストの場合には、波長域選択フィルタ１１０ａとして赤色を透過するフィルタを使用すると、ある回転角では、フィルタ１１０ａを透過する赤色光の強度（輝度）は最大となる。この回転角からアナライザ１８を回転すると、赤色光の強度は徐々に弱くなり、光強度が最大の角度から９０°回転したところでは、光強度が最小（理想的には０）になる。さらにアナライザ１８を回転すると、徐々に光強度が強くなり、また最大となる。光強度が最大となる角度は、アスベスト粒子の向き（結晶軸の方位）に依存しているので、アナライザ１８を回転していくと、視野内の個々のアスベスト粒子からの分散色の明るさがランダムに変化する。つまり、ある回転角では、あるアスベスト粒子からの光強度が最大となり、別の回転角では、そのアスベスト粒子からの光強度が減少する一方で別のアスベスト粒子からの光強度が最大となる。アナライザ１８を回転しながら、点滅して見えるアスベスト粒子の数を計数することによって、定量分析ができる。

画像処理装置１１３は、デジタルカメラ１１０からの画像信号を不図示のフレームメモリに入力して、例えば、複数フレームの画像を重ね合わせたり、所定の輝度レベル以上の像のみを強調するような処理を行う。また、画像処理装置１１３は、処理前の画像や処理済の画像をディスプレイ１１４に表示させたり、処理済の画像信号を制御演算装置１１２へ送出する。制御演算装置１１２は、その画像信号に基づいて、重ね合わされた１フレームの画像内で所定輝度以上の像の数を計数する。

顕微鏡システム２００を用いて、第１の実施の形態で説明したアスベストの定量分析を自動的に行う方法について説明する。この自動分析においても、光学顕微鏡１００の観察倍率を４００倍とする。定量分析用の画像は、次のようにして得ることができる。回転機構１１１によりアナライザ１８を光軸ＡＸ廻りに回転しながら、例えば回転角度３０°毎に試料Ｓの観察像をデジタルカメラ１１０により撮像して複数枚の画像を取得する。画像処理装置１１３により各画像に対して所定輝度以上の像を抽出し、これらの複数枚の画像を重畳する。回転角度範囲が１８０°であれば、６枚の画像が重ね合わされる。制御演算装置１１２は、画像処理装置１１３からの１フレームの重畳画像について、所定種類のアスベストの像の数を計数する。この自動計数により、オペレータが視野を観察しながら像の数を計数するという作業が不要となる。

本発明は、通常の光学顕微鏡に分散対物レンズを装着し、試料からの回折光を偏光分離してその回折像を観察することに特徴がある。本発明は、その特徴を損なわない限り、以上説明した実施の形態に何ら限定されない。

本発明の第１の実施の形態に係る光学顕微鏡の構成を模式的に示す全体構成図である。 本発明の第１の実施の形態に係る光学顕微鏡の概略的な光路図である。 屈折率分散曲線の一例を示すグラフである。 本発明の第２の実施の形態に係る顕微鏡システムの構成を模式的に示す全体構成図である。

符号の説明

５：試料ステージ
６：ステージ駆動部
８：分散対物レンズ
１１：光源
１４：リング絞り
１６：レンズ
１７：遮光リング
１８：アナライザ
１９：デポラライザ
２０：結像レンズ
１００：光学顕微鏡
１１０：デジタルカメラ
１１１：回転機構
１１２：制御演算装置
１１３：画像処理装置
１１４：ディスプレイ
２００：顕微鏡システム
ＡＸ：光軸
Ｉ：１次像面
Ｌ１：照明光
Ｌ２：試料からの光

Claims (6)

1. 試料ステージ上の試料に開口絞りを介して照明光を照射する照明装置と、
   前記開口絞りと共役な後ろ側焦点面に前記開口絞りの形状に対応する遮光部材を有し、前記試料からの光のうち回折光を透過させる分散対物レンズと、
   前記試料からの光の光路に配設される偏光部材と、
   前記試料に対して前記偏光部材を光軸を中心に回転させる回転手段とを備えることを特徴とするアスベスト分析用光学顕微鏡。
2. 請求項１に記載のアスベスト分析用光学顕微鏡において、
   前記開口絞りは、リング状の開口部が形成されたリング絞りであり、
   前記遮光部材は、前記リング絞りの開口部の形状に対応する遮光部が形成された遮光リングであることを特徴とするアスベスト分析用光学顕微鏡。
3. 請求項１または２に記載のアスベスト分析用光学顕微鏡において、
   前記試料からの光の光路で、前記偏光部材よりも後の光路に配設されるデポラライザをさらに備えることを特徴とするアスベスト分析用光学顕微鏡。
4. 請求項１または２に記載のアスベスト分析用光学顕微鏡において、
   前記偏光部材は、前記遮光部材と前記試料の像が結像される結像面との間に配置されていることを特徴とするアスベスト分析用光学顕微鏡。
5. 請求項３に記載のアスベスト分析用光学顕微鏡において、
   前記偏光部材と前記デポラライザは、前記遮光部材と前記試料の像が結像される結像面との間に配置されていることを特徴とするアスベスト分析用光学顕微鏡。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のアスベスト分析用光学顕微鏡と、
   前記試料像を所定の波長域の光のみを選択する波長域選択部材を介して撮影する撮像手段と、
   前記試料ステージと偏光部材との相対回転における所定角度毎に前記試料像を撮影するように、前記撮像手段を制御する撮影制御手段と、
   前記試料像が撮影された複数枚の画像について重ね合わせ処理する画像処理手段と、
   その重畳画像における所定輝度レベル以上の輝点を計数する計数手段とを備えることを特徴とする顕微鏡システム。
   

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