JP5009135B2 - 光学測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、全反射を利用した屈折率測定等の光学測定装置に関するものである。

従来、全反射を利用した顕微鏡が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この顕微鏡は、平行光束を全反射蛍光観察用の対物レンズに入射させ、その焦点位置に収斂させるもので、観察対象の微細な範囲における屈折率測定等を行うことができる。

特開２００５−３３７９４０号公報 特開平１０-４８１３０号広報 特開２００６−１７６４８号広報

しかしながら、特許文献１に記載の顕微鏡では、観察対象の測定範囲は点であり、観察対象の広範囲にわたる観察を行うことが困難であった。例えば、観察対象の屈折率が分布している場合に、簡単に光学系を切り換え、試料の微小部のみならず、その屈折率分布や平均的な屈折率等を測定することは困難であるという問題がある。
また、対物レンズと試料の間をオイルで充填しなければならないことや使用後のオイルの拭取りの手間がかかった。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、全反射を利用した光学測定において、種々の屈折率測定を切り替えて行うことができる光学測定装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、光源と、測定光学系と、光検出器とを備え、全反射を利用した光学測定装置であって、前記測定光学系が、前側焦点位置に該測定光学系の光軸に直交する平面を持つ光学部材が構成された無限遠補正の正レンズであり、該測定光学系の光軸を挟んだ一側を試料に測定光を照射する投光光学系、他側を試料からの反射光を捕らえる測光光学系として使用し、前記光源が、前記投光光学系側の入射瞳位置もしくは該入射瞳位置と共役な位置に配置され、該入射瞳面上もしくは該入射瞳位置と共役な面上を前記光軸に直交する直線に沿って光軸からの距離を検出しながら移動し、前記光検出器が、前記測光光学系側の射出瞳位置もしくは該射出瞳位置と共役な位置に配置され、前記光源を種々の位置または形態に変更する光源変更手段を備える光学測定装置を提供する。

上記発明においては、前記光源が、平行光束を集光レンズにより収斂した点光源であり、前記光源変更手段により、投光光学系光軸に挿脱されることとしてもよい。
また、上記発明においては、前記光源が、シングルモードファイバで導光された点光源であり、前記光源変更手段により、投光光学系光軸に挿脱されることとしてもよい。

また、上記発明においては、前記光源が、前記光源変更手段を構成するシリンドリカルレンズにより収斂された前記光軸に直交するライン光源に変更されることとしてもよい。
また、上記発明においては、前記光源が、前記光源変更手段を構成する開口部材により前記光軸に平行な平行光束とされた面光源に変更されることとしてもよい。

また、上記発明においては、前記光源変更手段が、前記入射瞳位置もしくは該入射瞳位置と共役な位置に配置された開口部材を備えることとしてもよい。
また、上記発明においては、前記光源変更手段が、前記平行光束中に挿脱可能に配置され、前記入射瞳位置に点像を作る正レンズを備えることとしてもよい。
また、前記光源の入射射出側に配置された白色光源と分光器を備え、前記光源がマルチモードファイバで導光されることとしてもよい。

また、上記発明においては、前記光学部材が、前記平面側に配置される平行平面板を含む２つの光学部材片と、該２つの光学部材片の間に介在させられる薄膜状の液体とを備え、該平行平面板が他の光学部材片の表面に沿う方向に移動可能に配置されていることとしてもよい。

また、上記発明においては、前記光源変更手段が、前記開口部材を前記光軸に直交する方向に移動させることとしてもよい。
また、上記発明においては、前記平行平面板が前記光軸に直交する方向に移動可能であり、前記平行平面板の移動量を測定する移動量測定器を有することとしてもよい。
また、上記発明においては、前記平行平面板を移動させる１軸または２軸の移動ステージを備え、前記移動量測定器がマイクロメータであることとしてもよい。

本発明によれば、全反射を利用した光学測定において、種々の測定法を切り替えて行うことができるという効果を奏する。

以下、本発明の第１の実施形態に係る光学測定装置について、図１および図２を参照して詳細に説明する。
本実施形態に係る光学測定装置は、屈折率測定器１であって、図１に示されるように、光学系２と光源３と光検出器４を備えている。
図１は本実施形態に係る屈折率測定器１の概略構成を示す図、図２は瞳面の様子を示す図である。

光学系２は２つの光学素子２ａ，２ｂを備えている。一方の光学素子２ａは、一方の面が平面で、光学系２の前側焦点位置Ｆ_Ｆに配置されており、他方の面が曲面の平凸形状を有するレンズである。そして、平面が試料Ｓを載置する載置面として使用される。

試料Ｓが生物の切片である場合には、試料Ｓは平面に直接載せられるが、試料Ｓがガラスなどの場合には、イマージョンオイルを介して載せられる。イマージョンオイルの屈折率は試料Ｓと光学素子２ａの屈折率の中間の屈折率を持つことが望ましいが、試料Ｓの全反射が生じるより小さな入射角でイマージョンオイルと光学素子２ａとの間で全反射が起こらなければよい。イマージョンオイルは顕微鏡で使用されるものやヨウ化メチレン系の液体で作られる。

他方の光学素子２ｂは両面が曲面で、両凸形状のレンズである。また、光学素子２ａ，２ｂは分離した状態（非接合レンズ）になっている。
ただし、光学系２は説明をわかりやすくするための構成で、光学素子の数は２個以上あっても良いし、分離した形状でなくても良い。光学素子２ａの前側面が光軸と直交した前側焦点を含む平面であること、つまり前側焦平面と一致していることが必須の条件である。

本実施形態においては、光学素子２ａと試料Ｓとの相対距離は変化することがない。また、光学素子２ｂも移動しない。よって、光学系２と試料Ｓとの相対距離は変化しない。また、光学素子２ａ，２ｂで構成される入射瞳位置と試料Ｓとの相対距離も変化しない。
よって、測定手順は試料を載置台に載せ、測定光を入射させるだけで、ピント合わせが必要なく、測定誤差を少なくでき、かつ、手順が簡単なものとなる。

光源３は、光学系２の光軸Ｘを挟んで一方の側に配置されている。この光源３は、図１に符号Ｆ_Ｂで示される位置、すなわち光学系２の後側焦平面Ｆ_Ｂに形成され光軸からの距離を検出しながら移動できるようになっている。なお、光学系２の後側焦平面Ｆ_Ｂは、光学系２の入射瞳位置でもある。

光源３の移動範囲は、入射側瞳を満足しなければならないように思われるが、実用的には屈折率の算出式から、試料Ｓへの入射角が４０°〜７５°の相当する大きさでよい。ここで、瞳上に点光源３を作った場合は、この範囲はその位置を検出しながら点光源３を移動させねばならない。平行光束やシリンドリカルレンズを用いて面光源および線光源を作った場合は、この範囲を満足する径や長さがを持たせば、移動はさせなくてよい。ただし、レーザ光源から射出されるビームには光量分布があるので、一般には、ビームエキスパンダレンズで光束を広げて、中心付近の光量分布の平坦な部分のみを入射光として用いるのが望ましく、この範囲を満足しないので移動したほうがよい。

本実施形態では、図１に示されるように、後述するミラー１０と切替機構（スライダ）１４を含む光源変更手段１５を移動機構１６によって一体に動かし、かつ、集光レンズ１１やシリンドリカルレンズ１２や開口１３を切替機構１４に固定し、各光学素子をレーザ光源７の光軸に挿脱するようにして、レーザ光源７からのレーザ光の光量分布の同範囲を利用し、光量分布の影響を取り除くようにしている。図中符号１７は、移動機構１６の移動量を測定する測長器である。

光源３としては、コヒーレント光源やインコヒーレント光源がある。コヒーレント光源には、レーザ光源が考えられる。また、インコヒーレント光源は、ブロードな分光特性を有する光源（白色光源）が考えられる。インコヒーレント光源としては、ハロゲンランプ、キセノンランプ、ＬＥＤがある。尚、ミラー１０と光学系２の間に、偏光素子を配置してもよい。

また、光検出器４は、光学系２の光軸Ｘを挟んで他方の側に配置されている。この光検出器４の位置は、光学系２の後側焦平面位置Ｆ_Ｂである。光検出器４としては、フォトマルチプライヤ、フォトディテクタ、ラインセンサ、イメージセンサ、ポジションセンサ等がある。
光検出器４は、測定光学系の瞳を満足する大きさがあればよいが、実用上は、試料への入射角が４０°〜７５°の相当する大きさでよい。しかし、大きな光検出器４は高価で精度も悪くなることから、受光面の小さな精度が良い光検出器４を選び、光源３の移動とは、逆方向に同期して動くものが望ましい。

また、屈折率測定器１は、演算部５を備えていてもよい。演算部５は光検出器４と接続されている。演算部５は、光検出器４の出力信号に基づいて、試料Ｓの屈折率を算出するようになっている。
例えば、図１では、測定光学系の焦点距離と光軸上の点ａと光源３の点ｂとの間の距離から試料への入射角θが計算でき、入射角θが全反射角に達したとき、点ｃに全反射光が集光する。よって、光源ｂを点ａから瞳周辺に向けて移動させ、光検出器４が全反射光を検出した光源ｂの位置を測定すれば、屈折率を測定できる。

屈折率測定器１は、さらに、光学系２の後側焦平面Ｆ_Ｂに光源３を形成する光源側光学系６を備えている。光源側光学系６は、レーザ光源７、集光レンズ８、コリメートレンズ９およびミラー１０を備えている。
光源側光学系６は、さらに、集光レンズ１１、シリンドリカルレンズ１２および開口部材１３を有している。また、屈折率測定器１は、集光レンズ１１、シリンドリカルレンズ１２または開口部材１３のいずれか１つをコリメートレンズ９とミラー１０との間の光路中に位置させる切替機構１４を有している。これら集光レンズ１１，シリンドリカルレンズ１２、開口部材１３および切替機構１４は光源変更手段１５を構成している。

シリンドリカルレンズ１２が光路中に配置された場合には、図２（ａ）に示すように、瞳面Ｆ_Ｂにはライン状の光束が形成される。また、試料Ｓ上に照射される照明光は瞳上にできたライン光源と直交するライン光束で試料に入射され、全反射角以上の入射角分のライン光束が光検出器４上にできる。よって、光検出器４としてラインセンサを配置して、何番目の画素に光量の立ち上がりがあるか測定すればよい。また、シリンドリカルレンズを９０°回転し瞳面上のライン光束の方向は、前記ライン光束とは直交したものでもよい。

なお、集光レンズ１１が光路中に配置された場合には、図２（ｂ）に示すように、瞳面Ｆ_Ｂにはスポット光が形成される。このとき、ｂ点が全反射角以上に相当する場合は、点ｃは明点となり、以下の場合は暗点となる。また、試料Ｓ上に照射される照明光は平行光束（円形）になる。また、開口部材１３が光路中に配置された場合には、図２（ｃ）に示すように、瞳面Ｆ_Ｂには開口光源像ができる。また、試料Ｓ上に照射される照明光はスポット状になる。この場合は、光検出器４としてはイメージセンサが置かれる。全反射が生じると開口像が光軸ａに近いほうが暗く、周辺側が明るくなり、境界線の位置から屈折率を測定する。基本的に光検出器４はイメージセンサであれば全てに対応できる。

このように、本実施形態に係る屈折率測定器１によれば、光源変更手段１５の作動により、光学系２の瞳面に形成される光源３の形状を変化させ、試料Ｓ上に照射される照明光の形状を変化させることができる。したがって、試料Ｓの微小なエリアの屈折率測定は開口部材１３を挿入しての収束光測定を行い、試料Ｓの面の平均屈折率測定は集光レンズ１１を挿入しての平行光測定を行い、試料Ｓの１断面の屈折率測定にはシリンドリカルレンズ１２を挿入して、線収束光による測定を行うことができるという利点がある。

次に本発明の第２の実施形態に係る光学測定装置について、図３〜図５を参照して以下に説明する。
なお、本実施形態の説明において、上述した第１の実施形態に係る光学測定装置と構成を共通とする箇所には同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態に係る光学測定装置も屈折率測定器２０である。
本実施形態に係る屈折率測定器２０は、図３に示されるように、光源３の位置を第１の位置Ｆ_Ｂと第２の位置Ｐ_１との間で移動させる移動機構（光源変更手段）２１を備えている。ここで、第１の位置Ｆ_Ｂは、光学系２の後側焦点位置Ｆ_Ｂあるいはその共役位置である。また、第２の位置Ｐ_１は、試料Ｓを載置する平面と共役な位置である。

移動機構２１は、例えば、光源３の位置を光軸方向に移動させる直線移動機構（光源変更手段）２２と、光源３が第１の位置Ｆ_Ｂに配置されるときには退避させられ、光源３が第２の位置Ｐ_１に配置されるときには光路中に挿入される集光レンズ２３とを備えている。
このように構成することで、光源３を第１の位置Ｆ_Ｂに移動させると、試料Ｓを平行光束で照明することができる。一方、光源３を第２の位置Ｐ_１に移動させ、集光レンズ２３を挿入することにより、試料Ｓをスポット光で照明することができる。

なお、光源３の位置を第２の位置Ｐ_１に固定しておき、レンズ２３の位置を光軸方向に移動させることにしてもよい。これにより、光学系２の後側焦点位置Ｆ_Ｂに光源３の像を形成することができる。この場合には、光源３は物理的に移動していない。しかしながら、レンズ２３によって投影された光源３の位置が、無限遠の位置から光学系２の後側焦点位置Ｆ_Ｂの位置に移動した見ることができる。よって、実質的に光源３の位置が第１の位置Ｆ_Ｂから第２の位置Ｐ_１に移動したということができる。また、レンズ２３の位置を固定しておき、別のレンズを挿入してもよい。

このように、本実施の形態の屈折率測定器２０によれば、試料Ｓ上に照射される照明光の形状を変化させることができる。
なお、前記光軸に直交する直線に沿って光軸からの距離を検出しながら移動する装置は省略してある。
また、光源３の位置に、図８のようなシングルモードファイバ４５の端部４５ｂを配置しても、同様の作用が得られるのは言うまでもない。

さらに、図４（ａ）および図５（ａ）に示されるように、光源３の位置を光軸方向に適当な距離移動させてもよい。後側焦平面Ｆ_Ｂ付近に空間ができるので図６のようなターレットが配置し易くなる。図４（ａ）、（ｂ）は、光学系２の後側焦点位置Ｆ_Ｂの位置で、光束が平行な状態を示している。また、図５（ａ）、（ｂ）は、光学系２の後側焦点位置Ｆ_Ｂの位置からずれた位置において、光束が集光している状態を示している。図５の場合には、試料Ｓで反射された光は、光学系２の後側焦点位置Ｆ_Ｂで集光せずに発散光となる。この場合、特許文献２に示されるような使い方ができる。
なお、前記光軸に直交する直線に沿って光軸からの距離を検出しながら移動する装置は省略してある。

次に、本発明の第３の実施形態に係る光学測定装置について、図６および図７を参照して以下に説明する。
本実施形態の説明においても、上述した第１の実施形態に係る光学測定装置と構成を共通とする箇所には同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態に係る光学測定装置も屈折率測定器３０である。
本実施形態に係る屈折率測定器３０は、図６および図７に示されるように、光学系２の後側焦点位置Ｆ_Ｂあるいはその共役位置に配置された絞り（光源変更手段）３１を備えている。
図６は、本実施形態に係る屈折率測定器３０の絞り３１の概略構成を示す図、図７は絞り３１を光軸方向から見た図である。

絞り３１には、図７に示されるように、円形開口部３２，３３や矩形開口部３４が備えられている。本実施形態では、絞り３１には大きさの異なる第１の円形開口部３２と第２の円形開口部３３とが備えられている。第１の円形開口部３２の方が第２の円形開口部３３よりも小さい口径を有している。

絞り３１は、円板状のターレット（光源変更手段）３５上に設けられている。また、ターレット３５の中心には、棒状の軸部材３６が設けられている。軸部材３６の一端にはターレット３５が設けられ、他端には回転機構（不図示）が設けられている。この回転機構の作動により、軸部材３６が回転軸Ｙの周りに回転するようになっている。また、該ターレットが図１に示す光源変更手段１５に取り付けられ、移動機構１６によって、光軸に直交する方向に移動するようにしてもよい。

また、ターレット３５を挟んで光学系２とは反対側に、光源側光学系３７が配置されている。ここで、回転軸Ｙは光学系の光軸Ｘと平行になっている。また、回転軸Ｙは、光源側光学系３７の光軸Ｘ’から所定の距離ｒだけ離れている。一方、開口部３２〜３４の中心も、ターレット３５の中心から距離ｒだけ離れている。

すなわち、第１の円形開口部３２、第２の円形開口部３３および矩形開口部３４の各々は、ターレット３５の中心とした半径ｒの円周上に位置している。よって、ターレット３５を回転させることで、第１の円形開口部３２、第２の円形開口部３３または矩形開口部３４のうちの１つが、光源側光学系３７の光路（光軸Ｘ’）上に位置するようになっている。

光源側光学系３７の光路には、所定の径の光束が入射する。この光束の径は、基本的には絞り３１の開口部３２〜３４の大きさよりも大きくなっている。よって、絞り３１を通過することで、開口部３２〜３４のいずれかの形状と同じ形状に整形された光束が光学系２に入射することになる。

このように、本実施形態に係る屈折率測定器３０によれば、試料Ｓに照射される照明光の照射角を変更することができる。そのため、標本上にできるスポット径や測定角度範囲を変えることができる。また、矩形スリットを用いて、不要な角度の照明光を排除できる。

次に、本発明の第４の実施形態に係る光学測定装置について、図８を参照して以下に説明する。
本実施形態の説明においても、上述した第１の実施形態に係る光学測定装置と構成を共通とする箇所には同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態に係る光学測定装置も屈折率測定器４０である。
本実施形態に係る屈折率測定器４０は、図８に示されるように、光学系２の後側焦点位置Ｆ_Ｂを挟んで、光学系２とは反対側にテレセントリック光学系４１および光源側光学系４２を備えている。

テレセントリック光学系４１は、光軸方向に間隔をあけて配置された２つのレンズ４３，４４を備えている。
レンズ４３は、その前側焦点位置が光学系２の後側焦点位置Ｆ_Ｂと一致するように配置されている。また、レンズ４４は、その前側焦点位置がレンズ４３の後側焦点位置と一致するように配置されている。

光源側光学系４２は、レーザ光源７、集光レンズ８，１１、コリメートレンズ９およびシングルモードファイバ４５を備えている。シングルモードファイバ４５の一端４５ａはコリメートレンズ９の焦点位置に配置されている。
また、シングルモードファイバ４５の他端４５ｂは、レンズ４４の後側焦点位置Ｆ_Ｂ′に一致するように配置され、移動機構４６によって、後側焦点位置Ｆ_Ｂ′を維持したまま、光軸Ｘに直交する方向に移動することができるようになっている。
また、光検出器４も、レンズ４４の後側焦点位置Ｆ_Ｂ′に配置されている。また、光検出器４は図示しない移動機構によりファイバ端４５ｂと相反する方向に移動できるようにするのがよい。

また、このテレセントリック光学系４１では、レンズ４３の焦点距離をｆ１とし、レンズ４４の焦点距離をｆ２として、ｆ１＜ｆ２の関係が成立している。ここで、前述のように、光学系２の後側焦点位置Ｆ_Ｂは、光学系２の瞳位置である。したがって、テレセントリック光学系においてｆ１＜ｆ２の関係が成立しているので、レンズ４４の後側焦点位置Ｆ_Ｂ′には、光学系２の瞳の像が拡大像として形成されることになる。
テレセントリック光学系４１の利点は、瞳面およびその共役面への入射光と測定光が前記瞳面に直交しており、光源３や光検出器４の移動が直線で可能なことと、光検出器４に対して測定光が直角で受光効率がよいことなどである。

このように、本実施形態に係る屈折率測定器４０によれば、像拡大テレセントリック光学系４１を備えているので、移動機構４６によってシングルモードファイバ４５の他端４５ｂを移動させる際に、試料に入射する入射光の光軸Ｘに対する角度θをより細かく検出することができる。その結果、より高精度に屈折率を測定することができる。

なお、破線で示すように、偏光素子４７を光路中に配置してもよい。このようにすると、レーザ光の振動方向（偏光方向）がレンズ４３，４４によって乱れた場合、その乱れによる影響を取り除くことができる。

また、本実施形態では、光源３側と光検出器４側とで共通のテレセントリック光学系４１を用いているが、これに代えて、例えば、破線で示すように、光源３側と光検出器４側の各々の光路中に、それぞれ別の光学系４８，４９を配置してもよい。例えば、光学系４８はミラー４８ａ、集光レンズ４８ｂおよびイメージセンサ４８ｃを備えている。また、光学系４９は、例えば、シングルモードファイバ４９ａ、コリメートレンズ４９ｂ、集光レンズ４９ｃ、ミラー４９ｄを備えている。また、別の光学系４８，４９は、テレセントリック光学系でなくてもよい。また、光源３側における別の光学系４８と、光検出器４側における別の光学系４９とで、光学系の倍率が異なっていてもよい。よって、装置の機械的な構成を自在に変えることができる。

次に、本発明の第５の実施形態に係る光学測定装置について、図９および図１０を参照して以下に説明する。
本実施形態の説明においても、上述した第１の実施形態に係る光学測定装置を構成を共通とする箇所には同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態に係る光学測定装置も屈折率測定器５０である。
本実施形態に係る屈折率測定器５０は、図９に示されるように、光検出器４が第１の位置Ｆ_Ｂと第２の位置Ｐ_２との間で移動可能になっている。ここで、第１の位置Ｆ_Ｂは、光学系２の後側焦点位置Ｆ_Ｂあるいはその共役位置である。また、第２の位置Ｐ_２は、試料Ｓを載置する平面と測定光学系２とレンズ５２を介して共役な位置である。

光検出器４の位置を移動させるために、屈折率測定器５０は移動機構５１を有している。また、光検出器４が第１の位置Ｆ_Ｂに配されるときには光路から退避させられ、第２の位置Ｐ_２に配されたときに光路中に挿入されるレンズ５２を備えている。

このように構成された本実施形態に係る屈折率測定器５０によれば、光検出器４を第１の位置Ｆ_Ｂに移動させた状態で、試料Ｓの屈折率の測定を行うことができる。一方、光検出器４を第２の位置Ｐ_２に移動させた状態で、試料Ｓの観察を行うことができる。
このとき、本光学系では試料の像は半回転するものの、試料の形状と相似である。つまり、円形の試料であれば、円形の像を観察することができる。この構成での光検出器としては、当然ながらイメージセンサが用いられる。よって、特許文献３に示すような像の補正手段を講じなくてもよい。

試料Ｓの観察を行う場合には、図９および図１０に示されるように、試料Ｓにおける周辺の点ｄは、光検出器４上における周辺の点ｄ′に結像する。同様に、試料Ｓにおける中心点ｅは、光検出器４上における中心点ｅ′に、試料Ｓにおける別の周辺の点ｇは、光検出器４上における別の周辺の点ｇ′に結像する。このようにして、試料Ｓの像が光検出器４上に形成される。

このように、本実施形態に係る屈折率測定器５０によれば、試料Ｓの屈折率測定と試料Ｓの観察、つまり試料Ｓの屈折率分布像の取得とを選択的に行うことができるという利点がある。

次に、本発明の第６の実施形態に係る光学測定装置について、図１１および図１２を参照して以下に説明する。
本実施形態の説明においても、上述した第１の実施形態に係る光学測定装置と構成を共通とする箇所には同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態に係る光学測定装置も屈折率測定器６０である。
本実施形態に係る屈折率測定器６０は、光学系６１の構成において第１の実施形態と相違するとともに、該光学系６１の後側焦点位置Ｆ_Ｂにシングルモードファイバ４５の他端４５ｂを配置した第４の実施形態における光源側光学系４２を備えている。

光学系６１は、２つのレンズ６２，６３により構成されている。レンズ６２は、一方の面が平面で、光学系６１の焦点位置にあり、他方の面が曲面の平凸形状を有している。レンズ６３は両面が曲面のメニスカス形状を有している。また、レンズ６２，６３は接合レンズとなっている。
本構成も１つの測定光学系２の例である。

本実施形態においては、図８で単一のシングルモードファイバ４５の他端４５ｂを移動機構４６によって光軸に直交する方向に移動させることとしたが、これに代えて、図１１および図１２に示されるように、複数のシングルモードファイバ４５，４５′の他端４５ｂ，４５ｂ′をそれぞれ光学系６１の後側焦点位置Ｆ_Ｂに配置している。

すなわち、光源側光学系４２は、２つのレーザ光源７，７′、集光レンズ８，８′，１１，１１′、コリメートレンズ９，９′およびシングルモードファイバ４５，４５′を備えている。なお、ここでは２組のレーザ光源等を有することとしたが、３組以上備えていてもよい。

また、レーザ光源７，７′から射出されるレーザ光の波長は、それぞれ異なっていることが望ましい。シングルモードファイバ４５，４５′はそれぞれ導光波長に適したファイバが選択される。

ここで、光学系６１の後側焦点位置Ｆ_Ｂ、すなわち、瞳面の様子を図１２に示す。
図１２において、左半分の半円の領域は入射光が通過する空間（入射空間あるいは入射瞳）で、右半分の半円の領域は反射光が通過する空間（検出空間あるいは検出瞳）である。また、符号ａは光学系６１の光軸Ｘの位置である。また、符号ｂ１，ｂ２は入射光のスポット位置である。また、符号ｃ１，ｃ２は検出光のスポット位置である。

このように、この光学系２の後側焦点位置Ｆ_Ｂに、光ファイバ４５，４５′の他端４５ｂ，４５ｂ′が位置しているので、光学系６１の後側焦点位置Ｆ_Ｂに、２つの光源３，３′が配置されている状態と同じである。そして、移動機構４６によって他端４５ｂ，４５ｂ′を光軸Ｘに直交する方向に移動させることにより、試料Ｓの屈折率を測定することができる。

この場合に、図１２に示されるように、スポット光の位置は、光軸に直交する方向に間隔をあけて配置されている。したがって、試料に入射される平行光束と光学系６１の光軸Ｘとのなす角θは、レーザ光源７，７′毎に相違する。すなわち、試料Ｓに対して平行光束を、異なる２つの角度で斜め方向から照射することができる。その結果、レーザ光源７，７′から出射されるレーザ光の波長を異ならせれば、光源３のＯＮ／ＯＦＦを行いながら異なる波長で全反射による屈折率測定が一度に行うことができる。また、屈折率だけでなく分散も同時に測定できるという利点がある。

また、上記各実施形態においては、試料Ｓを載置する光学素子として、平凸形状のレンズ２ａを採用したが、これに代えて、図１３に示されるように、測定光学系２の試料載置台となる光学部材２ａを平面板と平凸レンズに分割し、平凸形状のレンズの平面上に、光学部材２ａとほぼ屈折率の等しいイマージョンオイル７２の薄膜層を介して平行平面板７３を載置し、該平行平面板７３上に試料Ｓを載置することとしてもよい。

このようにすることで、平行平面板７３を自由に取り替えられるので、色々な光学特性（屈折率等）の平行平面板７３を使用することができる。また、平行平面板７３が損傷しても交換できるので、メンテナンスが容易である。また、平面板上に金などの薄膜を形成して表面プラズモン共鳴角測定装置として使用するときに便利である。すなわち、金以外の薄膜を形成した平面板を互換的に使用することができる。

また、イマージョンオイルの潤滑性がよいことから、レンズ２ａ上に配置した平行平面板７３をレンズ２ａの平面に沿って移動させることとしてもよい。
平行平面板７３を移動させる移動機構８０として、例えば、図１４に示される構造のものを採用することができる。

移動機構８０は、２軸ステージ８１、マイクロメータ８２，８３、支柱８４、回転ネジ８５、コイルバネ８６、ロック部材８７およびＯリング８８を有している。
２軸ステージ８１は、Ｘ軸ステージ８１ＸとＹ軸ステージ８１Ｙとを備えている。Ｘ軸ステージ８１Ｘの一端には、マイクロメータ８２のヘッド部分８２ａが接続されている。

マイクロメータ８２を駆動すると、ヘッド部分８２ａがＸ軸ステージ８１Ｘに向かって軸方向に沿って進退させられる。これにより、Ｘ軸ステージ８１Ｘを移動させることができる。同様に、Ｙ軸ステージ８１Ｙの一端には、マイクロメータ８３のヘッド部分が接続されている。

Ｘ軸ステージ８１Ｘの他端には、支柱８４が取り付けられている。また、支柱８４の他端には、保持部８９が設けられている。保持部８９は回転ネジ８５を回転可能に保持している。回転ネジ８５の一端にはつまみ８５ａが設けられ、他端にはロック部材８７が接続されている。

ロック部材８７は円筒状の先端部を有しており、該先端部にはＯリング８８が配置されている。このＯリング８８が平行平面板７３と接触するようになっている。また、ロック部材８７と保持部８９の間にはコイルバネ８６が挟まれており、Ｏリング８８がコイルバネ８６の付勢力によって平行平面板７３の表面に押し付けられるようになっている。

このように構成された移動機構８０の動作について説明する。
マイクロメータ８２，８３を駆動すると、Ｘ軸ステージ８１ＸおよびＹ軸ステージ８１Ｙが移動する。その駆動力は、支柱８４を介して、ロック部材８７に伝達される。上述のように、ロック部材８７の先端部にはＯリング８８が設けられ、このＯリング８８はコイルバネ８６の付勢力によって平行平面板７３と押し付けられている。したがって、ロック部材８７に伝達された駆動力は、Ｏリング８８との間の摩擦力により平行平面板７３に伝達される。

ここで、平行平面板７３とレンズ２ａ表面との間には、イマージョンオイル７２からなる薄膜層が介在している。そのため、平行平面板７３は、レンズ２ａに対して、相対的に移動させられる。平行平面板７３には試料Ｓが載置されているので、試料Ｓも移動する。一方、レンズ２ａの位置は固定されているので、照明光の照射位置は変化しない。その結果、照明光の照射位置に対して試料Ｓの位置を変え、試料Ｓの異なる位置に照明光を照射することができる。

なお、回転ネジ８５のつまみ８５ａを回転させることで、平行平面板７３に対するＯリング８８の光軸Ｘ方向の位置を変えることができる。すなわち、平行平面板７３に対するＯリング８８の接触圧力を調整することができる。

また、上記各実施形態に係る屈折率測定器１，２０，３０，４０，５０，６０，７０は、図１５に示される培養器９０において、生体試料Ｓの屈折率を測定するのに応用することができる。

すなわち、平行平面板７３に代えて、レンズ２ａの平面上にイマージョンオイル７２からなる薄膜層を介して底面が厚さが規定された平板状のシャーレ９１を載置し、培地９２を貯留したシャーレ９１の底面に生体試料Ｓを接着させることとすればよい。シャーレ９１の周囲には、レンズ枠９３および密閉箱９４によって密閉された培養空間９５を形成し、該培養空間９５内に、例えば、温度３７℃、湿度１００％、ＣＯ_２濃度５％に調整された空気９６をチューブ９７を介して流通させる。これにより、生体試料Ｓを健全な状態で培養しつつ、屈折率等の光学的特性を測定することができる。

次に、本発明の第７の実施形態に係る光学測定装置について、図１６を参照して以下に説明する。
本実施形態の説明においても、上述した第１の実施形態に係る光学測定装置と構成を共通とする箇所には同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態に係る光学測定装置も屈折率測定器１００である。
本実施形態に係る屈折率測定器１００は、光源側光学系１０１において第１の実施形態に係る屈折率測定器１と相違している。

光源側光学系１０１は、ハロゲンランプ１０２、集光レンズ１０３、ピンホール１０４、コリメートレンズ１０５、分光器１０６、入射レンズ１０７、マルチモードファイバ１０８、移動機構１０９および偏光素子１１０を備えている。
ハロゲンランプ１０２は、ブロードな分光特性を有する白色光源の１つである。なお、偏光素子１１０は必ずしも必要ではない。

ハロゲンランプ１０２は、白色光源である。ハロゲンランプ１０２からの光は集光レンズ１０３で集光されピンホール１０４を通過した後、コリメートレンズ１０５でアフォーカルな光束とされ分光器１０６に入射される。分光器１０６内で、該アフォーカルな光束はグレーティングなどで分光され、指定の波長の光がアフォーカルな光束で入射レンズに向けて射出され、マルチモードファイバ１０８の端面に集光する。

マルチモードファイバ１０８で導光された光は光学系２の後側焦点位置Ｆ_Ｂに配置された端部１０８ｂにマルチモードファイバ１０８のコア径の光源３を形成する。これにより、試料Ｓに対して略平行光束を斜めから照射することができる。

なお、屈折率測定を行うためには、移動機構１０９の作動により、光学系２の後側焦点位置Ｆ_Ｂで、光源３を光軸Ｘに直交する方向に移動させればよい。
また、本実施形態に係る屈折率測定器１００は分光器１０６を備えているので、波長ごとの屈折率や分散を簡単に測定できるという利点がある。

本発明の第１の実施形態に係る光学測定装置を示す全体構成図である。 図１の光学測定装置における光学系の瞳面の様子を示す図であり、（ａ）シリンドリカルレンズを光路中に挿入した場合、（ｂ）集光レンズを光路中に挿入した場合、（ｃ）開口を光路中に挿入した場合をそれぞれ示している。 本発明の第２の実施形態に係る光学測定装置を示す全体構成図である。 図３の光学測定装置の変形例の（ａ）全体構成図、（ｂ）光学系の瞳面の様子をそれぞれ示す図である。 図４の状態から光源側光学系を移動させた状態における（ａ）全体構成図、（ｂ）光学系の瞳面の様子をそれぞれ示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る光学測定装置を示す図である。 図６の光学測定装置におけるターレットを光軸方向から見た部分的な図である。 本発明の第４の実施形態に係る光学測定装置を示す全体構成図である。 本発明の第５の実施形態に係る光学測定装置を示す全体構成図である。 図９の光学測定装置の光検出器に形成される像の位置を示す図である。 本発明の第６の実施形態に係る光学測定装置を示す全体構成図である。 図１１の光学測定装置の光学系の瞳面の様子を示す図である。 図１の光学測定装置における光学系の他の変形例を示す図である。 図１３の光学測定装置における平行平面板の移動機構の一例を示す図である。 図１から図１４の光学測定装置を培養器に適用した例を説明する図である。 本発明の第７の実施形態に係る光学測定装置を示す全体構成図である。

符号の説明

Ｆ_Ｆ 前側焦点位置
Ｆ_Ｂ 後側焦点位置（入射瞳位置、射出瞳位置）
Ｓ 試料
Ｘ 光軸
１，２０，３０，４０，５０，６０，１００ 屈折率測定器（光学測定装置）
２ 光学系（測定光学系）
２ａ 光学部材（光学部材片）
３，３′ 光源
４ 光検出器
１１ 集光レンズ（正レンズ）
１２ シリンドリカルレンズ
１５ 光源変更手段
１６，４６，７１，１０９ 移動機構（光源変更手段）
２２ 直線移動機構（光源変更手段）
２３ 集光レンズ（コリメータレンズ）
３１ 絞り（開口絞り：光源変更手段）
３５ ターレット（光源変更手段）
４５，１０８ シングルモードファイバ
７２ イマージョンオイル（液体）
７３ 平行平面板（光学部材片）
８１ ２軸ステージ（移動ステージ）
８１Ｘ Ｘ軸ステージ（移動ステージ）
８１Ｙ Ｙ軸ステージ（移動ステージ）
８２，８３ マイクロメータ（移動量測定器）
１０６ 分光器

Claims (12)

1. 光源と、測定光学系と、光検出器とを備え、全反射を利用した光学測定装置であって、
   前記測定光学系が、前側焦点位置に該測定光学系の光軸に直交する平面を持つ光学部材が構成された無限遠補正の正レンズであり、
   該測定光学系の光軸を挟んだ一側を試料に測定光を照射する投光光学系、他側を試料からの反射光を捕らえる測光光学系として使用し、
   前記光源が、前記投光光学系側の入射瞳位置もしくは該入射瞳位置と共役な位置に配置され、該入射瞳面上もしくは該入射瞳位置と共役な面上を前記光軸に直交する直線に沿って光軸からの距離を検出しながら移動し、
   前記光検出器が、前記測光光学系側の射出瞳位置もしくは該射出瞳位置と共役な位置に配置され
   前記光源を種々の位置または形態に変更する光源変更手段を備える光学測定装置。
2. 前記光源が、平行光束を集光レンズにより収斂した点光源である請求項１に記載の光学測定装置。
3. 前記光源が、シングルモードファイバで導光された点光源である請求項１に記載の光学測定装置。
4. 前記光源が、前記光源変更手段を構成するシリンドリカルレンズにより収斂された前記光軸に直交するライン光源または該ライン光源と直交するライン光源に変更される請求項１に記載の光学測定装置。
5. 前記光源が、前記光源変更手段を構成する開口部材により前記光軸に平行な平行光束とされた面光源に変更される請求項１に記載の光学測定装置。
6. 前記光源変更手段が、前記入射瞳位置もしくは該入射瞳位置と共役な位置に配置された開口部材を備える請求項５に記載の光学測定装置。
7. 前記光源変更手段が、前記平行光束中に挿脱可能に配置され、前記入射瞳位置に点像を作る正レンズを備える請求項５に記載の光学測定装置。
8. 前記光源の入射側に配置された白色光源と分光器を備え、前記光源がマルチモードファイバで導光される請求項１に記載の光学測定装置。
9. 前記光学部材が、前記平面側に配置される平行平面板を含む２つの光学部材片と、該２つの光学部材片の間に介在させられる薄膜状の液体とを備え、該平行平面板が他の光学部材片の表面に沿う方向に移動可能に配置されている請求項１に記載の光学測定装置。
10. 前記光源変更手段が、前記開口部材を前記光軸に直交する方向に移動させる請求項６に記載の光学測定装置。
11. 前記平行平面板が前記光軸に直交する方向に移動可能であり、
    前記平行平面板の移動量を測定する移動量測定器を有する請求項９に記載の光学測定装置。
12. 前記平行平面板を移動させる１軸または２軸の移動ステージを備え、
    前記移動量測定器がマイクロメータである請求項１１に記載の光学測定装置。

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