JP6307130B2 - Microscopic apparatus and microscopic observation method - Google Patents
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Description
本発明は、物体からの光を拡大して観察するための顕微装置及び顕微観察方法に関する。 The present invention relates to a microscope apparatus and a microscope observation method for magnifying and observing light from an object.
従来から、物体からの赤外線等の特定波長の光を観察するための光学装置が用いられている。このような光学装置においては、物体以外からの光の影響を抑えるような仕組みが設けられている。例えば、下記特許文献1には、セグメント化されたトロイダルウォームシールドを有する赤外線検出装置が開示されている。この赤外線検出装置には、赤外線検出器を囲むコールドシールドの前面に真空窓が設けられ、この真空窓の前方に3つのトロイダル反射部材が配置されている。これらのトロイダル反射部材は、中心に開口が形成されており、それらの開口が検出装置の中心軸に対して対象に位置するように中心軸上に並んで配置されている。それぞれの開口の大きさは赤外線検出器で検出する光学像の径に応じて設定される。また、これらのトロイダル反射部材の内側の面はトロイダル面になっている。
Conventionally, an optical device for observing light of a specific wavelength such as infrared rays from an object has been used. Such an optical apparatus is provided with a mechanism for suppressing the influence of light from other than the object. For example,
また、下記特許文献2には、交換レンズを介して物体からの赤外光を検出素子に入射させるための赤外線光学装置が開示されており、この赤外線光学装置は検出素子の周囲に設けられたデュワ瓶と、デュワ瓶の外部に設けられた2つのミラーアパーチャとを備え、これらのミラーアパーチャは交換レンズの光軸に沿って移動可能にされている。このミラーアパーチャの内側にはミラー面が設けられており、物体からの赤外光は、ミラーアパーチャの開口部を通過してデュワ瓶内の検出素子に達する一方で、検出素子からミラー面を見ると冷却された部分、すなわち、検出素子のみしか見えないので、物体以外から放射される赤外光は検出素子に入射しないようにされる。その結果、良好な結像性能が実現できる。
しかしながら、上記特許文献1に記載の赤外線検出装置では、コールドシールドの開口に合わせてトロイダル反射部材の開口の大きさを設定しているため、物体側に配置される光学系の倍率が切り替わった際に、その倍率に応じた像を検出素子に入射させることが困難である。
However, since the size of the opening of the toroidal reflecting member is set in accordance with the opening of the cold shield in the infrared detection device described in
また、上記特許文献2に記載の赤外線光学装置では、物体側の交換レンズを交換した際にミラーアパーチャを交換レンズの光軸に沿って移動させることで倍率の異なる様々な開口数の交換レンズで物体を好適に観察することができるが、ミラーアパーチャの位置調整のための機構が必要であり、装置が大型化する傾向にある。また、交換対象の複数の交換レンズの像側開口数の差が大きい場合には、ミラーアパーチャの調整可能な距離を長くとる必要があるために、装置が大型化する傾向にある。
Further, in the infrared optical device described in
そこで、本発明は、かかる課題に鑑みて為されたものであり、物体の観察倍率を複数に切り替えることを可能にするとともに、装置の小型化を容易に実現することが可能な顕微装置及び顕微観察方法を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made in view of such a problem, and it is possible to switch the observation magnification of an object to a plurality, and to make it possible to easily realize downsizing of the device and a microscope. The purpose is to provide an observation method.
上記課題を解決するため、本発明の一側面にかかる顕微装置は、物体からの光を観察する顕微装置であって、第1の倍率を有する第1の光学系、及び第1の倍率よりも高い倍率である第2の倍率を有する第2の光学系を有し、第1の光学系及び第2の光学系のいずれか一方が物体に対向して配置されるように構成された顕微光学系と、物体からの光を撮像する撮像素子と、第2の光学系に対応する開口を有し、物体からの光を撮像素子に向けて通過させる絞り部材と、絞り部材を物体からの光の光軸上に出し入れ可能に支持する支持部材と、を備え、絞り部材は、第1の光学系が用いられる場合には、支持部材により光軸上から外すように支持され、第2の光学系が用いられる場合には、支持部材により光軸上に配置されるように支持される。 In order to solve the above problem, a microscope apparatus according to one aspect of the present invention is a microscope apparatus for observing light from an object, and includes a first optical system having a first magnification, and a first magnification. Microscopic optics having a second optical system having a second magnification which is a high magnification, and one of the first optical system and the second optical system being arranged to face an object System, an image sensor for imaging light from the object, an aperture member having an aperture corresponding to the second optical system, and allowing the light from the object to pass toward the image sensor, and light from the object through the aperture member And a support member that is detachably supported on the optical axis. When the first optical system is used, the diaphragm member is supported by the support member so as to be removed from the optical axis. When the system is used, it is supported by the support member so as to be arranged on the optical axis.
あるいは、本発明の他の側面に係る顕微観察方法は、第1の倍率を有する第1の光学系、及び第1の倍率よりも高い倍率である第2の倍率を有する第2の光学系を有し、第1の光学系及び第2の光学系のいずれか一方が物体に対向して配置されるように構成された顕微光学系と、真空容器内に配置される撮像素子を用いて、物体の画像を取得する顕微観察方法であって、第1の光学系から第2の光学系に切り替えて、第2の光学系を物体に対向して配置し、第2の光学系に対応する開口を、物体からの光の光軸上に配置し、撮像素子を用いて、第2の光学系と、開口と、を通過した物体からの光を撮像する。 Alternatively, a microscopic observation method according to another aspect of the present invention includes a first optical system having a first magnification and a second optical system having a second magnification that is higher than the first magnification. Using a microscopic optical system configured such that either one of the first optical system and the second optical system is disposed to face an object, and an imaging device disposed in a vacuum container, A microscopic observation method for acquiring an image of an object, wherein the first optical system is switched to a second optical system, the second optical system is disposed facing the object, and corresponds to the second optical system. The aperture is disposed on the optical axis of light from the object, and light from the object that has passed through the second optical system and the aperture is imaged using the imaging device.
本発明によれば、複数の観察倍率の光学系に対して背景ノイズを低減することを可能にするとともに、装置の小型化を容易に実現することができる。 According to the present invention, it is possible to reduce background noise for an optical system having a plurality of observation magnifications, and to easily realize downsizing of the apparatus.
以下、図面を参照しつつ本発明に係る顕微装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
[第1実施形態]
Hereinafter, preferred embodiments of a microscope according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
[First Embodiment]
図1は、本発明の第1実施形態に係る発光観察用の顕微装置1の概略構成図である。同図に示す顕微装置1は、暗箱2と、暗箱2内に収納されたサンプル(物体)Sから発せられる赤外光を検出可能なカメラ(撮像素子)3と、カメラ3に取り付けられた顕微観察用光学装置4と、顕微観察用光学装置4と一体化されたカメラ3とサンプルSとの間に配置された顕微光学系5とによって構成されている。この顕微光学系5は、サンプルSの赤外線像を所望の倍率でカメラ3に結像するための光学系であり、比較的低倍率のレンズを内蔵するマクロ光学系7と、マクロ光学系7の倍率に比較して高倍率のレンズを内蔵するミクロ光学系8とが、光学系切替機構6によって切り替え可能に支持されて構成されている。このような顕微光学系5によって、マクロ光学系7及びミクロ光学系8のいずれかがサンプルSと顕微観察用光学装置4との間に配置されるように切り替えられ、これにより、サンプルSから発せられる赤外線が、所望の倍率に応じた対物光学系を通ってカメラ3に入射する。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a
顕微観察用光学装置4は、赤外線を検出可能なカメラ3と、サンプルSの赤外線像をその倍率を切り替えてカメラ3に結像させる顕微光学系5に組み合わせるための光学装置である。図2及び図3は、顕微観察用光学装置4を中心軸線に沿って切断して示す斜視図である。図2は、顕微光学系5をマクロ光学系7に切り替えた際の顕微観察用光学装置4の使用状態を示しており、図3は、顕微光学系5をミクロ光学系8に切り替えた際の顕微観察用光学装置4の使用状態を示している。
The microscopic observation optical device 4 is an optical device for combining the camera 3 capable of detecting infrared rays and the microscopic
顕微観察用光学装置4は、マクロ光学系7及びミクロ光学系8からの赤外線の光束がそれぞれ結像する像面を再結像するリレーレンズ9と、リレーレンズ9側から入射する光束を絞るための遮光性の絞り部材であるウォームストップ10と、このウォームストップ10をリレーレンズ9の光軸上に出し入れ可能に支持する支持部材11と、略円柱状の真空容器12と、真空容器12内のリレーレンズ9の光軸上に配置され、リレーレンズ9側から入射する光束を絞るための遮光性の絞り部材であるコールドストップ13とを備えている。
The optical device 4 for microscopic observation is for reducing the incident light from the relay lens 9 and the relay lens 9 for re-imaging the image plane on which the infrared light beams from the macro
ウォームストップ10は、略円板形状を有しており、この中心には略円形状の開口14が形成されるとともに、開口14の外側のリレーレンズ9に対して反対側の面には反射面15が形成されている。このようなウォームストップ10は、長尺状の支持部材11に固定され、支持部材11によってリレーレンズ9の光軸に垂直な方向にスライド可能に支持される。すなわち、ウォームストップ10は、リレーレンズ9の出射面9aから離脱した位置(図2)と、リレーレンズ9の出射面9aに向かい合うように挿入した位置(図3)との間で出し入れ可能にされる。ウォームストップ10を挿入した場合には、ウォームストップ10が、その開口14の中心をリレーレンズ9の光軸と一致させた状態で顕微光学系5のミクロ光学系8の瞳位置に対応した位置に配置される。このミクロ光学系8の瞳位置に対応した位置は、好ましくは瞳位置の近傍であり、瞳位置が真空容器12内に存在する場合には可能な限り瞳位置に近い位置、具体的には、真空容器12のサンプルS側の窓部12aに近接した位置である。
The
コールドストップ13は、図示しない冷却装置によって低温状態に維持された真空容器12の内部に配置され、円筒状の筒部材13aの内側に2重の絞り部材13b,13cが一体的に形成されてなる。これらの絞り部材13b,13cは略円板形状を有しており、それらの中心には略円形状の開口13d,13eが、開口13d,13eの中心がリレーレンズ9の光軸に一致するようにそれぞれ形成されている。そして、真空容器12のリレーレンズ9側の端面には、円形状の窓部12aが設けられ、リレーレンズ9を透過したサンプルSからの光束が窓部12aを透過して真空容器12内のコールドストップ13に入射する。さらに、真空容器12のリレーレンズ9に対して反対側の円形状の開口部12bには、カメラ3の先端部が気密に接続され、カメラ3に内蔵される撮像素子の像検出面がコールドストップ13を挟んで窓部12aと対面するように配置される。このような構成により、コールドストップ13の全体とカメラ3の先端部とが低温状態に維持可能にされる。
The
次に、ウォームストップ10及びコールドストップ13のサイズの関係について説明する。図4は、ウォームストップ10が取り外された顕微観察用光学装置4においてサンプルSからの光束の入射状態を示す平面図であり、図5は、ウォームストップ10が挿入された顕微観察用光学装置4においてサンプルSからの光束の入射状態を示す平面図である。
Next, the relationship between the sizes of the
図4を参照すると、顕微光学系5をマクロ光学系7に切り替えた際には、比較的低倍率のマクロ光学系7を用いても高い感度を得るためにNAが大きいレンズを使う必要があるため、マクロ光学系7の射出瞳径はそれに応じて大きくなる。この場合は、サンプルSから出射されてマクロ光学系7を通過した光束B1は、リレーレンズ9によって再結像されてから、コールドストップ13の絞り部材13b,13cの開口13d,13eを通過してカメラ3に内蔵された撮像素子16に入射する。この際に撮像素子16において周囲からの輻射を観測することを防止するために、開口13d,13eの内径は、光束B1の径に対応するようにマクロ光学系7の倍率に対応した大きさに設定される。ここで言う「倍率に対応した大きさ」とは、マクロ光学系7の倍率によって決まる光束B1の径に応じた許容範囲の誤差を含む光束B1の径の100〜120%の大きさを意味し、光束B1の径に完全に一致する大きさに限定されるものではない。
Referring to FIG. 4, when the microscopic
図5を参照すると、顕微光学系5をミクロ光学系8に切り替えた際には、比較的高倍率のミクロ光学系8において必要なNAはマクロ光学系7に比べて小さいため、ミクロ光学系8の射出瞳径はそれに応じて小さくなる。具体的には、ミクロ光学系8のNAはマクロ光学系7に対し数十分の一となる。この場合は、サンプルSから出射されてミクロ光学系8を通過した光束B2は、リレーレンズ9によって再結像されてから、ウォームストップ10の開口14、及びコールドストップ13の絞り部材13b,13cの開口13d,13eを順次通過してカメラ3に内蔵された撮像素子16に入射する。この際に撮像素子16において周囲からの輻射を観測することを防止するために、開口14の内径は、光束B2の径に対応するようにミクロ光学系8の倍率に対応した大きさに設定される。これにより、開口14の内径は開口13d,13eの内径よりも小さく設定されることになる。ここで言う「倍率に対応した大きさ」とは、ミクロ光学系8の倍率によって決まる光束B2の径に応じた許容範囲の誤差を含む光束B2の径の100〜120%の大きさを意味し、光束B2の径に完全に一致する大きさに限定されるものではない。
Referring to FIG. 5, when the microscopic
次に、ウォームストップ10の構成について詳細に説明する。図6にはウォームストップ10の平面図を示す。
Next, the configuration of the
ウォームストップ10の撮像素子16側の面には、金、銀等の反射率の高い材料がコーティングされた反射面15が形成されている。この反射面15は、開口14の開口端から外側に向けて、開口14の開口端を含む面に対して傾斜が緩やかな反射面15aと、開口14の開口端を含む面に対して傾斜が急な反射面15bとが、この順で連続して形成されて成る。具体的には、反射面15aが開口14の開口端を含む面に対して略平行な平面をなし、反射面15bが外側に向けて徐々に傾斜角が急になる凹面(例えば、球面など)をなす。また、反射面15bは、傾斜角が一定である円錐面形状であってもよい。これらの反射面15a,15bの形状は、撮像素子16に対してコールドストップ13を映し、かつ、撮像素子16自体を映さないように設定されている。
On the surface of the
具体的には、ウォームストップ10の反射面15bとして光軸上に球心をもつ球面形状を採用する場合には、撮像素子16からの発光および反射散乱光が再度撮像素子16に結像することを防ぐため、反射面15bの法線が撮像素子16に直接向かないように、反射面15bの曲率半径Rが撮像素子16とウォームストップ10の距離と異なるように設定されている。具体的には、曲率半径Rが撮像素子16とウォームストップ10の距離の1倍を十分超えるように設定されている。また、ウォームストップ10の反射面15bとして円錐面を採用する場合は、撮像素子16からの発光および反射散乱光が再度撮像素子16に結像することを防ぐため、反射面15bの法線が撮像素子16に直接向かないように、その法線が光軸と交わる位置が、撮像素子から十分に離れるよう設定されている。
Specifically, when a spherical shape having a spherical center on the optical axis is adopted as the reflecting
また、図7に示すように、ウォームストップ10の反射面15bは、コールドストップ13の絞り部材13bの開口13dの直径に相当する部分、すなわち、同図の一点鎖線と交わる部分の傾斜における曲率半径が、撮像素子16とウォームストップ10の距離の約2倍以下に設定されている。これは、撮像素子16から延びる視線をコールドストップ13の内部に戻して、外部の輻射を撮像素子16に導かないための条件である。より詳細には、撮像素子16とウォームストップ10の距離がLであり、反射面15bのNAがNmであり、反射面15bの有効なエッジ位置の傾斜角度がNA換算でNe=NmL/R(Rは反射面15bの曲率半径)であり、反射面15bのエッジ位置から見たコールドストップ13の外周までの角度がNA換算でNcであり、反射面15bから見た撮像素子16のNAがNdである場合は、撮像素子16から常にコールドストップ13の外側が見えない条件は下記式(1);
Nc>Nm+Nd−2Ne …(1)
で与えられる。従って、上記式(1)を基に、反射面15bの曲率半径Rは、下記式(2);
R<2NmL/(Nm+Nd−Nc) …(2)
を満たすように設定される。なお、NA換算とは、角度をsin関数で換算したものである。
Further, as shown in FIG. 7, the
N c> N m + N d -2N e ... (1)
Given in. Therefore, based on the above formula (1), the radius of curvature R of the reflecting
R <2N m L / (N m + N d −N c ) (2)
It is set to satisfy. The NA conversion is an angle converted by a sin function.
さらには、ウォームストップ10の反射面15bのコールドストップ13の絞り部材13bの開口13dの直径に相当する部分の傾斜角は、45度以下に設定される。これは、ウォームストップ10とコールドストップ13の隙間からの輻射を撮像素子16に入射させないために必要な条件である。また、このように傾斜角を小さくすることでウォームストップ10の厚さを薄くすることができ、ウォームストップ10によって適切な光学系を容易に形成できる。
Furthermore, the inclination angle of the portion corresponding to the diameter of the
上述した構成の顕微観察用光学装置4において、ウォームストップ10が挿入されたときに設定される撮像素子16の観測範囲について、図8を参照しながら説明する。
The observation range of the
同図に示すように、ウォームストップ10の内側の反射面15aにより、撮像素子16から延びる視線S1,S2は、コールドストップ13のいずれかの絞り部材13b,13cの冷却された部分に向けられる。それとともに、光束B2が撮像素子16の撮像面で散乱及び反射されることによって生じる散乱光、反射光は、反射面15aによって撮像素子16の外側に反射され、撮像素子16に入射することはない。また、ウォームストップ10の外側の反射面15bにより、撮像素子16から延びる視線S3は、コールドストップ13の絞り部材13bの冷却された部分に向けられ、絞り部材13bの外部の温かい部分に向けられることはない。それとともに、撮像素子16の撮像面で生じる散乱光、反射光は、反射面15bによって撮像素子16の外側に反射され、撮像素子16に入射することはない。
As shown in the figure, the lines of sight S 1 and S 2 extending from the
以上説明した顕微観察用光学装置4によれば、サンプルS側の顕微光学系5として低倍率に設定されたマクロ光学系7を用いた場合には、ウォームストップ10を光軸上から外すことにより、サンプルSからの光が、そのマクロ光学系7のNAに対応した開口13d,13eを有するコールドストップ13によって絞られて撮像素子16に入射するので、撮像素子16による検出像における背景ノイズが低減される。さらに、サンプルS側の顕微光学系5として高倍率に設定されたミクロ光学系8を用いた場合には、そのミクロ光学系8のNAに対応した開口14を有するウォームストップ10を光軸上に配置させることによって、サンプルSからの光がその光束に応じて絞られた後にコールドストップ13を通過して撮像素子16に入射する。ここで、ウォームストップ10の開口14はコールドストップ13の開口13d,13eより小さいので、ウォームストップ10を出し入れする支持部材11を真空容器12の外側に設けても複数の倍率の顕微光学系5に対応して赤外線像を好適に絞ることができるので、支持部材11の構造が単純化される。また、この支持部材11は顕微光学系5の光軸に交わる方向に設けられるので、支持部材11の小型化も容易に実現される。その結果、サンプルSの観察倍率を複数に切り替えたときに背景ノイズを低減することを可能にするとともに、顕微観察用光学装置4の小型化を容易に実現することができる。
According to the microscopic observation optical apparatus 4 described above, when the macro
また、支持部材11は、ウォームストップ10の開口14を、真空容器11のサンプルS側の窓部12aに近接する位置、すなわち、ミクロ光学系8の瞳位置に対応する位置で出し入れ可能に構成されているので、高倍率のミクロ光学系8を使用した場合に、サンプルSの赤外線像をその径に合わせて絞ることができる。
The
また、顕微観察用光学装置4によれば、ウォームストップ10に設けられた反射面15により、撮像素子16では、コールドストップ13からの光が観測され、撮像素子16で反射された光が観測されることはない。これにより、サンプルS側の顕微光学系5を切り替えて使用した場合に、撮像素子16による検出像におけるスポットノイズおよび背景ノイズの両方を低減することができる。
Further, according to the microscopic observation optical device 4, the light from the
一般の顕微鏡装置では、高倍率の対物レンズと低倍率の対物レンズの両方を使用する際には、まず、低倍率のレンズを有効に使用するためにカメラ側のNAを十分に大きくする必要がある。具体的には、低倍率のレンズのカメラに対する倍率がa、NAがnである場合には、カメラ側のNAをn/aに設定する必要がある。ところが、高倍率のレンズに必要なNAは低倍率のレンズと比較して数十分の一であるため、両方のレンズを有効に使用するためには、カメラのNAを調整するためのコールドストップは低倍率のレンズのNAに合わせる必要があった。そのため、従来の顕微鏡装置では、高倍率のレンズを使用した際に余分なNAの部分から周囲の輻射を観察してしまい背景ノイズを上昇させる結果となっていた。背景ノイズの問題を解決するためには、コールドストップのサイズを対物レンズに応じて変更することが効果的ではあるが、コールドストップは通常真空中に配置されて極低温に冷却されているため、サイズ変更のための機構を設けることは難しい。これに対して、本実施形態によれば、サンプルS側の顕微光学系5の倍率に応じて、真空容器12外のウォームストップ10を出し入れすることにより、コールドストップのサイズを小さくした効果を得ることができる。また、ウォームストップ10の位置が射出瞳の位置に制限されることがないため、専用の対物レンズを設計する必要が無く全体の光学設計が容易になる。
In a general microscope apparatus, when using both a high-magnification objective lens and a low-magnification objective lens, first, it is necessary to increase the NA on the camera side sufficiently in order to effectively use the low-magnification lens. is there. Specifically, when the magnification of the low magnification lens with respect to the camera is a and the NA is n, it is necessary to set the NA on the camera side to n / a. However, the NA required for a high-magnification lens is one-tenth that of a low-magnification lens. Therefore, in order to use both lenses effectively, a cold stop for adjusting the NA of the camera is required. Needed to match the NA of the low magnification lens. For this reason, in the conventional microscope apparatus, when a high-power lens is used, ambient radiation is observed from an extra NA portion, resulting in an increase in background noise. In order to solve the background noise problem, it is effective to change the size of the cold stop according to the objective lens, but since the cold stop is usually placed in a vacuum and cooled to a cryogenic temperature, It is difficult to provide a mechanism for resizing. On the other hand, according to this embodiment, the effect of reducing the size of the cold stop is obtained by taking in and out the
また、従来文献(特開平6−160696号公報)に記載の赤外線光学装置では、物体側の交換レンズを交換した際にミラーアパーチャを交換レンズの光軸に沿って移動させることで様々な像側開口数の交換レンズにおいて好適に観察することができるが、ミラーアパーチャの位置の微調整のための機構が必要であり、装置が大型化する傾向にある。また、交換対象の複数の交換レンズの開口数の差が大きい場合には、ミラーアパーチャの調整可能な距離を長くとる必要があるために、装置が大型化する傾向にある。これに対し、本実施形態の顕微観察用光学装置4では、顕微光学系5の光軸に交わる方向にウォームストップ10を出し入れする支持部材11が設けられているため、微調整のための機構も必要なく、光軸方向に距離を確保する必要もなく、装置の小型化が容易である。
Further, in the infrared optical device described in the conventional document (Japanese Patent Laid-Open No. 6-160696), when the interchangeable lens on the object side is replaced, the mirror aperture is moved along the optical axis of the interchangeable lens, thereby changing various image sides. Although it can be suitably observed with an interchangeable lens having a numerical aperture, a mechanism for fine adjustment of the position of the mirror aperture is necessary, and the apparatus tends to be enlarged. Further, when the difference in numerical aperture between a plurality of interchangeable lenses to be exchanged is large, it is necessary to increase the adjustable distance of the mirror aperture, so that the apparatus tends to be enlarged. On the other hand, in the optical device 4 for microscopic observation according to the present embodiment, since the
また、ウォームストップ10の反射面15には、開口14側から外側にかけて、反射面15aと反射面15bとが連続して形成されているので、撮像素子16においてコールドストップ13以外の部分からの輻射熱を観測しないように設定できるとともに、撮像素子16自体の反射光を観測しにくくすることができる。
Further, since the reflecting
また、ウォームストップ10の反射面15bの曲率半径は、撮像素子16とウォームストップ10との距離の2倍以下に設定されているので、撮像素子16に対してコールドストップ13の外側の高温部からの輻射を入射しにくくすることができる。
Further, the radius of curvature of the reflecting
さらに、ウォームストップ10の開口14は、コールドストップ13の開口13d,13eよりも小さいので、サンプルS側の顕微光学系5を切り替えて使用しても、その顕微光学系5のNAに対応して検出像における背景ノイズを低減することができる。
[第2実施形態]
Further, since the
[Second Embodiment]
図9は、本発明の第2実施形態に係る顕微観察用光学装置24の要部を示す平面図である。本実施形態の顕微観察用光学装置24は、ウォームストップ10の反射面15の形状が第1実施形態に係る顕微観察用光学装置4と異なる。
FIG. 9 is a plan view showing the main part of the
具体的には、顕微観察用光学装置24のウォームストップ10は、開口14の開口端から外側にかけて、開口14の開口端を含む面に沿った平面状の反射面15cが形成されている。このような形状の反射面15cにより、撮像素子16から延びる視線S4は、コールドストップ13のいずれかの絞り部材13b,13cの冷却された部分に向けられる。それとともに、光束B2が撮像素子16の撮像面で散乱及び反射されることによって生じる散乱光、反射光は、反射面15cによって撮像素子16の外側に反射され、撮像素子16に入射することはない。
[第3実施形態]
Specifically, the
[Third Embodiment]
図10は、本発明の第3実施形態に係る顕微観察用光学装置44の要部を示す平面図である。本実施形態の顕微観察用光学装置44は、ウォームストップ10の反射面15の形状と、ウォームストップ10及びそれを支持する支持部材11がコールドストップ13を収納する真空容器12と分離されている点とが第1実施形態に係る顕微観察用光学装置4と異なる。
FIG. 10 is a plan view showing a main part of the
すなわち、ウォームストップ10は、真空容器12の窓部12aから離れた位置においてリレーレンズ9の光軸上に出し入れ可能なように支持部材11によって支持されている。なお、ウォームストップ10と窓部12aとの間には、ミラー等の光学系が配置されていてもよく、この光学系によってウォームストップ10を通過する光束B2の向きを変更して、撮像素子16及びコールドストップ13をリレーレンズ9の光軸からずらして配置してもよい。これにより、顕微観察用光学装置44の大型化を避けることができる。
That is, the
また、顕微観察用光学装置24のウォームストップ10は、開口14の開口端から外側にかけて、開口14の開口端を含む面に対する傾斜角が次第に大きくなるような凹面状の反射面15dが形成されている。凹面状の反射面15dを採用することで撮像素子16に対してコールドストップ13からの光を反射する形状を容易に設定することができる。このような形状の反射面15dにより、撮像素子16から延びる視線S5,S6,S7は、コールドストップ13の内部の冷却された部分に向けられる。それとともに、光束B2が撮像素子16の撮像面で散乱及び反射されることによって生じる散乱光、反射光は、反射面15dによって撮像素子16の外側に反射され、撮像素子16に入射することはない。
[第4実施形態]
Further, the
[Fourth Embodiment]
図11は、本発明の第4実施形態に係る顕微観察用光学装置64の要部を示す平面図である。本実施形態の顕微観察用光学装置64は、ウォームストップ10とコールドストップ13との間の真空容器12の窓部12aの外側近傍に補助ウォームストップ70が設けられている点が第3実施形態に係る顕微観察用光学装置44と異なる。
FIG. 11 is a plan view showing the main part of the
この補助ウォームストップ70は、略円板状の形状を有する遮光性部材であり、真空容器12の窓部12aに沿ってその中心軸がリレーレンズ9の光軸に一致するように配置されている。また、補助ウォームストップ70の中心部には、光束B2の径よりも十分大きな径を有し、コールドストップ13の開口に向かい合う円形の開口74が形成されている。さらに、補助ウォームストップ70の窓部12a側の開口74の外側の面には、平面状の反射面75が形成されている。
The
このような補助ウォームストップ70を備えることにより、撮像素子16からウォームストップ10の外側に延びる視線S8は、補助ウォームストップ70の反射面75によってコールドストップ13の冷却された部分に向けられる。それとともに、撮像素子16の撮像面からウォームストップ10の外側に向けられる散乱光、反射光は、反射面75によってコールドストップ13の外側に反射され、撮像素子16に入射することはない。
By providing such
このような構成の顕微観察用光学装置64によれば、撮像素子16からの反射光および散乱光が再度撮像素子16に入射することを防止できるとともに、ウォームストップ10の径を小さくしても撮像素子16に高温部からの光を入射しにくくすることができる。その結果、装置を小型化することができるとともに光学設計が容易になる。
According to the microscopic observation
なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。例えば、ウォームストップの数は特定数に限定されるものではなく、サンプルS側で切り替えて使用する対物レンズの数に応じて増減させてもよい。また、補助ウォームストップ70の窓部12a側の開口74の外側の面に形成される反射面75は、平面状に限らず、球面等の凹面状でもよいし、円錐面状であってもよい。
In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above. For example, the number of warm stops is not limited to a specific number, and may be increased or decreased according to the number of objective lenses to be switched and used on the sample S side. Further, the
ウォームストップの反射面の形状は、図12に示すような形状であってもよい。同図に示す本発明の変形例であるウォームストップ110には、開口114の開口端から外側にかけて、リレーレンズ9の光軸に沿った断面が円弧状であって、リレーレンズ9の光軸に関して回転対称である反射面115が撮像素子16側に形成されている。この反射面115は、反射面115によって形成される円弧の中心が、撮像素子16の検出面上の端部に位置し、反射面115の垂線が光軸に交わることなく光軸に対して垂直な方向において同一方向に位置する撮像素子16の端部に延びるような形状を有する。ただし、この反射面115は、その円弧の中心が必ずしも撮像素子16の端部に位置する形状には限定されず、撮像素子16の端部から中央部よりに位置する形状であってもよい。このような反射面115を有するウォームストップ110によっても、撮像素子16に対してコールドストップ13を映し、かつ、撮像素子16自体を映さないように設定される。具体的には、ウォームストップ110の開口114から入射した信号又はノイズの一部が、撮像素子16の表面で正反射し、更にウォームストップ110で反射した後に撮像素子16に戻ることを防止できる。また、反射面115上の各点の法線をできるだけ内側に向けることで、撮像素子16に対して冷たい部分、すなわち、コールドストップ13を映すことができる。
The shape of the reflection surface of the warm stop may be as shown in FIG. A
また、ウォームストップの反射面の形状は、図13に示すような形状であってもよい。同図に示す本発明の変形例であるウォームストップ210には、開口214の開口端から外側にかけて、リレーレンズ9の光軸に沿った断面が円弧状であって、リレーレンズ9の光軸に関して回転対称である反射面215が撮像素子16側に形成されている。この反射面215は、反射面215によって形成される円弧の中心が、撮像素子16の検出面上の反対側の端部に位置し、反射面215の垂線が光軸に交わって光軸に対して垂直な方向において逆方向に位置する撮像素子16の端部に延びるような形状を有する。ただし、この反射面215は、その円弧の中心が必ずしも撮像素子16の端部に位置する形状には限定されず、撮像素子16の端部から中央部よりに位置する形状であってもよい。このような反射面215を有するウォームストップ210によっても、ウォームストップ110と同様に、撮像素子16に対してコールドストップ13を映し、かつ、撮像素子16自体を映さないように設定される。
Further, the shape of the reflecting surface of the warm stop may be a shape as shown in FIG. In the worm stop 210 which is a modification of the present invention shown in the figure, the section along the optical axis of the relay lens 9 is arcuate from the opening end of the
また、ウォームストップの反射面の形状は、図14に示すように、反射面115と反射面215の形状を組み合わせたような形状であってもよい。同図に示す本発明の変形例であるウォームストップ310には、開口314の開口端から外側にかけて、2つの反射面315a,315bが、この順で撮像素子16側に形成されている。この反射面315aは、反射面115と同様な断面形状であって、反射面315aによって形成される円弧の中心が、撮像素子16の検出面上の端部に位置するような形状を有する。また、反射面315bは、反射面215と同様な断面形状であって、反射面315bによって形成される円弧の中心が、撮像素子16の検出面上の反対側の端部に位置するような形状を有する。このような反射面315を有するウォームストップ310によっても、ウォームストップ110,210と同様に、撮像素子16に対してコールドストップ13を映し、かつ、撮像素子16自体を映さないように設定される。
Further, the shape of the reflection surface of the warm stop may be a shape that combines the shapes of the
また、ウォームストップの反射面の形状は、図15に示すような形状であってもよい。同図に示す本発明の変形例であるウォームストップ90には、撮像素子16側に拡がる内壁を有する開口94が形成されており、この開口94の内壁に反射面95が形成されている。このような反射面95は、開口94の開口端を含む面に対して傾斜角が一定な円錐面形状をなし、この傾斜角及びウォームストップ90の厚さ(=開口94の長さ)は、撮像素子16に対してコールドストップ13を映し、かつ、撮像素子16自体を映さないように設定される。
Further, the shape of the reflecting surface of the warm stop may be a shape as shown in FIG. An
また、顕微装置1には、顕微観察用光学装置4,22,44,64の支持部材11を駆動する駆動機構と、その駆動機構を制御する制御回路が備えられていてもよく、その制御回路が、事前に登録された対物レンズのデータを基に、ウォームストップ10を自動的に出し入れするように制御してもよい。
Further, the
また、顕微装置1は、観察対象であるサンプルSとして、半導体、無機・有機の蛍光・燐光を発する物質等の赤外線等の特定波長の光を発する様々な物体を対象とすることができる。
Further, the
ここで、本発明の他の側面にかかる顕微観察用光学装置は、物体からの光を撮像素子に入射させる顕微観察用光学装置であって、第1の倍率を有する前記物体側の光学系に対応する第1の開口を有し、前記物体からの光を前記撮像素子に通過させる真空容器内に配置されたコールドストップと、第2の倍率を有する前記物体側の光学系に対応する第2の開口を有し、前記物体からの光を前記コールドストップに向けて通過させる前記真空容器外に配置された絞り部材であるウォームストップと、前記ウォームストップを前記物体からの光の光軸上に出し入れ可能に支持する支持部材と、を備え、前記ウォームストップは、前記撮像素子側に反射面を有し、第2の開口は第1の開口より小さい。 Here, an optical apparatus for microscopic observation according to another aspect of the present invention is an optical apparatus for microscopic observation that makes light from an object incident on an image pickup device, and includes an optical system on the object side having a first magnification. A cold stop having a corresponding first opening and disposed in a vacuum vessel that allows light from the object to pass through the imaging device, and a second corresponding to the optical system on the object side having a second magnification. A worm stop that is an aperture member disposed outside the vacuum vessel that allows light from the object to pass toward the cold stop, and the worm stop on the optical axis of the light from the object. And a support member that is detachably supported. The warm stop has a reflective surface on the image sensor side, and the second opening is smaller than the first opening.
このような顕微観察用光学装置によれば、物体側の光学系として第1の倍率に設定された光学系を用いた場合には、ウォームストップを光軸上から外すことにより、物体からの光が、その光学系のNAに対応した第1の開口を有するコールドストップによって絞られて撮像素子に入射するので、撮像素子による検出像における背景ノイズが低減される。さらに、物体側の光学系として第2の倍率に設定された光学系を用いた場合には、その光学系のNAに対応した第2の開口を有するウォームストップを光軸上に配置させることによって、物体からの光がその光束に応じて絞られた後にコールドストップを通過して撮像素子に入射する。ここで、第2の開口は第1の開口より小さいので、ウォームストップを出し入れする支持部材を真空容器の外側に設けても複数の倍率の光学系に対応して背景ノイズを低減することができるので、支持部材の構造が単純化される。また、この支持部材は光学系の光軸に交わる方向に設けられるので、支持部材の小型化も容易に実現される。その結果、複数の観察倍率の光学系に対して背景ノイズを低減しながら物体の観察倍率を複数に切り替えることを可能にするとともに、装置の小型化を容易に実現することができる。 According to such an optical device for microscopic observation, when the optical system set at the first magnification is used as the optical system on the object side, the light from the object is removed by removing the warm stop from the optical axis. However, since it is squeezed by the cold stop having the first aperture corresponding to the NA of the optical system and enters the image sensor, background noise in the image detected by the image sensor is reduced. Further, when an optical system set to the second magnification is used as the object-side optical system, a warm stop having a second opening corresponding to the NA of the optical system is arranged on the optical axis. After the light from the object is narrowed according to the light flux, it passes through the cold stop and enters the image sensor. Here, since the second opening is smaller than the first opening, the background noise can be reduced corresponding to the optical system having a plurality of magnifications even if a support member for taking in and out the warm stop is provided outside the vacuum vessel. Therefore, the structure of the support member is simplified. In addition, since the support member is provided in a direction intersecting the optical axis of the optical system, the support member can be easily reduced in size. As a result, it is possible to switch the observation magnification of an object to a plurality while reducing background noise for an optical system having a plurality of observation magnifications, and to easily realize downsizing of the apparatus.
ここで、第2の倍率は第1の倍率より高い、ことが好適である。この場合、物体の観察倍率を低倍率と高倍率で切り替えることができる。 Here, it is preferable that the second magnification is higher than the first magnification. In this case, the observation magnification of the object can be switched between a low magnification and a high magnification.
また、支持部材は、ウォームストップの第2の開口を、真空容器の物体側の窓部に近接する位置で出し入れ可能に構成されている、ことも好適である。かかる支持部材を備えれば、第2の倍率の光学系を使用した場合に、その像側開口数に合わせて径を絞ることができる。 It is also preferable that the support member is configured so that the second opening of the worm stop can be taken in and out at a position close to the window portion on the object side of the vacuum vessel. With such a support member, when an optical system having the second magnification is used, the diameter can be reduced in accordance with the image-side numerical aperture.
さらに、支持部材は、ウォームストップの第2の開口を、第2の倍率を有する光学系の瞳位置に対応する位置で出し入れ可能に構成されている、ことも好適である。かかる支持部材を備えれば、第2の倍率の光学系を使用した場合に、その像側開口数に合わせて径を絞ることができる。 Furthermore, it is also preferable that the support member is configured so that the second opening of the warm stop can be taken in and out at a position corresponding to the pupil position of the optical system having the second magnification. With such a support member, when an optical system having the second magnification is used, the diameter can be reduced in accordance with the image-side numerical aperture.
またさらに、ウォームストップの反射面は、撮像素子に対してコールドストップを映し、かつ、撮像素子自体を映さないように形成されている、ことも好適である。かかる構成によれば、ウォームストップに設けられた反射面により、撮像素子では、コールドストップからの光が観測され、撮像素子で反射された光が観測されることはない。これにより、物体側の光学系を切り替えて使用した場合に、撮像素子による検出像におけるスポットノイズおよび背景ノイズの両方を低減することができる。 Furthermore, it is also preferable that the reflecting surface of the warm stop is formed so as to project a cold stop with respect to the image sensor and not to image the image sensor itself. According to such a configuration, the light from the cold stop is observed on the imaging device by the reflecting surface provided on the warm stop, and the light reflected by the imaging device is not observed. Thereby, when the object side optical system is switched and used, both the spot noise and the background noise in the detection image by the image sensor can be reduced.
さらにまた、ウォームストップの反射面には、開口側から外側にかけて、開口を含む面に対して傾斜が緩やかな第1の面と、当該面に対して傾斜が急な第2の面とが連続して形成されている、ことが好適である。かかる構成を採れば、第2の面によって撮像素子においてコールドストップ以外の部分からの光を観測しないように設定できるとともに、第1の面によって撮像素子自体の反射光を観測しにくくすることができる。 Furthermore, the first surface having a gentle inclination with respect to the surface including the opening and the second surface having a steep inclination with respect to the surface are continuous from the opening side to the outside. It is preferable that it is formed. With this configuration, the second surface can be set not to observe light from a portion other than the cold stop on the image sensor, and the first surface can make it difficult to observe the reflected light of the image sensor itself. .
また、反射面は、少なくとも1部が凹面状に形成されている、ことも好適である。この場合、撮像素子に対してコールドストップからの光を反射する形状を容易に設定することができる。 It is also preferable that at least one part of the reflecting surface is formed in a concave shape. In this case, it is possible to easily set the shape that reflects light from the cold stop to the image sensor.
さらに、ウォームストップとコールドストップとの間の真空容器外に設けられ、ウォームストップの開口に向かい合う開口を有し、撮像素子側に反射面が形成された絞り部材である補助ウォームストップをさらに備える、ことも好適である。こうすれば、撮像素子からの反射光が再度撮像素子に入射することを防止できるとともに、ウォームストップの径を小さくしても撮像素子に高温部からの光を入射しにくくすることができる。 Further, provided outside the vacuum vessel between the worm stop and the cold stop, further comprising an auxiliary worm stop that is an aperture member having an opening facing the opening of the worm stop and having a reflective surface formed on the imaging element side, It is also suitable. In this way, it is possible to prevent the reflected light from the image sensor from entering the image sensor again, and it is possible to make it difficult for light from the high temperature part to enter the image sensor even if the diameter of the warm stop is reduced.
またさらに、ウォームストップの反射面の曲率半径は、撮像素子とウォームストップとの距離の2倍以下である、ことも好適である。かかる構成を採れば、撮像素子に対してコールドストップの外側の高温部からの光を入射しにくくすることができる。 Furthermore, it is also preferable that the radius of curvature of the reflecting surface of the warm stop is not more than twice the distance between the imaging element and the warm stop. By adopting such a configuration, it is possible to make it difficult for light from a high-temperature part outside the cold stop to enter the imaging element.
さらにまた、ウォームストップ又は補助ウォームストップの反射面は、少なくとも1部が平面状に形成されている、ことも好適である。この場合、簡易な形状によって撮像素子自体を反射した光が撮像素子に入射することを防止することができる。 Furthermore, it is also preferable that at least a part of the reflecting surface of the worm stop or auxiliary worm stop is formed in a flat shape. In this case, it is possible to prevent light reflected from the image sensor itself from entering the image sensor with a simple shape.
また、ウォームストップ又は補助ウォームストップの反射面は、少なくとも1部が円錐面状に形成されていることも好適である。この場合も、簡易な形状によって撮像素子自体を反射した光が撮像素子に入射することを防止することができる。 It is also preferable that at least a part of the reflecting surface of the worm stop or auxiliary worm stop is formed in a conical shape. Also in this case, it is possible to prevent the light reflected from the image pickup device itself from entering the image pickup device with a simple shape.
3…カメラ(撮像素子)、4,22,44,64…顕微観察用光学装置、5…顕微光学系、7…マクロ光学系、8…ミクロ光学系、10,90,110,210,310…ウォームストップ、11…支持部材、13…コールドストップ、13d,13e…開口、14,114,214,314…開口、15,15a,15b,15c,15d,115,215,315a,315b…反射面、16…撮像素子、70…補助ウォームストップ、74…開口、75…反射面。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 3 ... Camera (imaging element) 4, 22, 44, 64 ... Optical apparatus for microscopic observation, 5 ... Microscopic optical system, 7 ... Macro optical system, 8 ... Micro
Claims (10)
第1の倍率を有する第1の対物レンズ、前記第1の倍率よりも高い倍率である第2の倍率を有する第2の対物レンズ、及び前記第1の対物レンズと前記第2の対物レンズを切り替え可能に支持する切替機構を有し、前記第1の対物レンズ及び前記第2の対物レンズのいずれか一方が前記物体に対向して配置されるように構成された顕微光学系と、
前記物体からの光を撮像する撮像素子と、
前記第1の対物レンズに対応する第1の開口を有し、前記物体からの光を前記撮像素子に向けて通過させる第1の絞り部材と、
前記第2の対物レンズに対応する第2の開口を有し、前記物体からの光を前記撮像素子に向けて通過させる第2の絞り部材と、
前記第2の絞り部材を前記物体からの光の光軸上に出し入れ可能に支持する支持部材と、を備え、
前記第2の開口は前記第1の開口よりも小さく、
前記第2の絞り部材は、前記第1の対物レンズが用いられる場合には、前記支持部材により前記光軸上から外すように支持され、前記第2の対物レンズが用いられる場合には、前記支持部材により前記光軸上に配置されるように支持される、
ことを特徴とする顕微装置。 A microscope for observing light from an object,
A first objective lens having a first magnification, a second objective lens having a second magnification that is higher than the first magnification , and the first objective lens and the second objective lens. A microscopic optical system that includes a switching mechanism that supports the switching , and one of the first objective lens and the second objective lens is disposed to face the object;
An image sensor for imaging light from the object;
A first aperture member having a first aperture corresponding to the first objective lens, and allowing light from the object to pass toward the image sensor;
A second aperture member having a second aperture corresponding to the second objective lens , and allowing light from the object to pass toward the image sensor;
A support member that removably supports the second aperture member on the optical axis of the light from the object,
The second opening is smaller than the first opening;
The second diaphragm member is supported by the support member so as to be removed from the optical axis when the first objective lens is used, and when the second objective lens is used, Supported by the support member so as to be disposed on the optical axis,
A microscopic device characterized by that.
ことを特徴とする請求項1に記載の顕微装置。 A plurality of diaphragm members including the diaphragm member according to a plurality of optical systems including the first objective lens and the second objective lens ;
The microscopic device according to claim 1, wherein:
前記駆動手段を制御する制御回路と、を更に備える、
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の顕微装置。 Drive means for driving the support member;
A control circuit for controlling the driving means;
The microscopic device according to claim 1 or 2, wherein:
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の顕微装置。 The support member, said second opening being out can configured at the corresponding position to the pupil position of the second objective lens,
The microscope according to any one of claims 1 to 3, wherein:
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の顕微装置。 The imaging device is a camera capable of detecting infrared light emitted from the object.
The microscope according to any one of claims 1 to 4, wherein:
ことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の顕微装置。 The object is a semiconductor;
The microscope according to any one of claims 1 to 5, wherein:
前記切替機構によって前記第1の対物レンズから前記第2の対物レンズに切り替えて、前記第2の対物レンズを前記物体に対向して配置し、
前記第2の対物レンズに対応する第2の開口を有する第2の絞り部材、及び前記第1の対物レンズに対応する開口であって前記第2の開口よりも大きい第1の開口を有する第1の絞り部材を、前記物体からの光の光軸上に配置し、
前記撮像素子を用いて、前記第2の対物レンズと、前記第1の開口と、前記第2の開口と、を通過した前記物体からの光を撮像し、
前記切替機構によって前記第2の対物レンズから前記第1の対物レンズに切り替えて、前記第1の対物レンズを前記物体に対向して配置し、
前記第2の絞り部材を前記光軸上から外し、前記第1の絞り部材を前記光軸上に配置し、
前記撮像素子を用いて、前記第1の対物レンズと、前記第1の開口と、を通過した前記物体からの光を撮像する、
ことを特徴とする顕微観察方法。 A first objective lens having a first magnification, a second objective lens having a second magnification that is higher than the first magnification , and the first objective lens and the second objective lens. A microscopic optical system having a switching mechanism for supporting switching , wherein either one of the first objective lens and the second objective lens is disposed to face an object; A microscopic observation method for acquiring an image of the object using an image sensor disposed in
Switch to the second objective lens from the first objective lens by the switching mechanism, and disposed to face the second objective lens on the object,
The has a second diaphragm member, and the first opening an opening larger than said second opening corresponding to the first objective lens having a second opening corresponding to the second objective lens 1 aperture member is disposed on the optical axis of the light from the object,
Using the imaging element, and the second objective lens, images the light from the the first opening, the object has passed through, and said second opening,
By switching from the second objective lens to the first objective lens by the switching mechanism, the first objective lens is disposed to face the object,
Removing the second diaphragm member from the optical axis, disposing the first diaphragm member on the optical axis;
Using the imaging device, image light from the object that has passed through the first objective lens and the first aperture;
A microscopic observation method characterized by that.
ことを特徴とする請求項7に記載の顕微観察方法。 The second opening is disposed at a position corresponding to a pupil position of the second objective lens .
The microscopic observation method according to claim 7.
ことを特徴とする請求項7又は8に記載の顕微観察方法。 The imaging device is a camera capable of detecting infrared light emitted from the object.
The microscopic observation method according to claim 7 or 8, wherein
ことを特徴とする請求項7〜9のいずれか1項に記載の顕微観察方法。 The object is a semiconductor;
The microscopic observation method according to any one of claims 7 to 9, characterized in that:
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