JP7206020B2 - 画像観察装置及びその照明光学系 - Google Patents

Description

本発明は、画像観察装置及びその照明光学系に係り、特に、被観察物が高い分解能で観察可能となり、かつ被観察物の表面の傾斜角を広い範囲で認識可能となる画像観察装置及びその照明光学系に関する。

従来、特許文献１～３に示すように、照明光を被観察物に照射する照明光学系と、該被観察物からの物体光を集光し検出器に導く観察光学系と、を備える画像観察装置が知られている。特許文献１～３では、片側テレセントリック光学系を備えた照明装置を用いることで、一つの撮像された画像に基づいて被観察物の各点の傾斜角の情報を得ることが可能となっている。即ち、この発明によれば、手軽でかつ迅速に、被観察物の微小な凹凸の状態を観察することが可能である。

特許第５８６６５７３号公報 特許第５８６６５８６号公報 特許第６４５１８２１号公報

しかしながら、特許文献１～３の画像観察装置では、一回の撮像で被観察物の各点の傾斜角の情報を高い精度で得ることを可能にしているものの、観察光学系で用いられる対物レンズと被観察物との間に照明光学系の光路が割り込む構成となっている。すなわち、特許文献１では、対物レンズと被観察物との間の作動距離を相応に大きくする必要があった。そのため、対物レンズの開口数を大きくすることが難しく、結果として、被観察物の各点の傾斜角の検出範囲が狭く、かつ被観察物を高い分解能で観察することが困難となるおそれがあった。

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、被観察物を高い分解能で観察可能とし、かつ被観察物の表面の傾斜角を広い範囲で認識可能とする画像観察装置及びその照明光学系の提供を課題とする。

本願の請求項１に係る発明は、照明光を被観察物に照射する照明光学系と、該被観察物からの物体光を集光し検出器に導く観察光学系と、を備える画像観察装置において、前記被観察物に対峙する対物レンズと、該対物レンズの反被観察物側に配置され、前記照明光学系の照明光軸と前記観察光学系の観察光軸とを同軸とするビームスプリッタと、を備え、前記照明光の光属性を１以上の立体角領域に分割するフィルター部材または該フィルター部材のリレー像が、前記対物レンズの手前に配置されたことにより、前記課題を解決したものである。

本願の請求項２または８に係る発明は、前記フィルター部材または該フィルター部材のリレー像を、前記対物レンズの開口数を決定する開口絞りの位置に配置したものである。

本願の請求項３または９に係る発明は、前記フィルター部材では、前記光属性を光の波長領域としたものである。

本願の請求項４または１０に係る発明は、前記照明光学系と前記観察光学系とをいずれも、被観察物側をテレセントリック光学系としたものである。

本願の請求項５または１１に係る発明は、前記リレー像を、前記フィルター部材の縮小像としたものである。

本願の請求項６に係る発明は、前記対物レンズを交換可能に構成したものである。

なお、本願の請求項７に係る発明は、被観察物からの物体光を集光して該被観察物の画像を観察可能にする画像観察装置に用いられる照明光学系において、前記被観察物に対峙する対物レンズと、該対物レンズの反被観察物側に配置され、前記照明光学系の照明光軸と前記物体光を集光する観察光学系の観察光軸とを同軸とするビームスプリッタと、を備え、前記照明光の光属性を１以上の立体角領域に分割するフィルター部材または該フィルター部材のリレー像が、前記対物レンズの手前に配置されたことにより、課題を解決したものでもある。

本発明によれば、被観察物を高い分解能で観察することが可能となり、かつ被観察物の表面の傾斜角が広い範囲で認識可能となる。

本発明の第１実施形態に係る画像観察装置を示す模式図 図１の照明光学系に用いられる照明光分割部材を示す図（中心周りに３つのフィルター領域を備える照明光分割部材の図（Ａ）、同心円状に３つのフィルター領域を備える照明光分割部材の図（Ｂ）） 照明光の照射立体角の比較模式図（照明光の照射立体角が互いに相似であるときの模式図（Ａ）、対物レンズの被観察物側がテレセントリック光学系であるときの照明光の照射立体角の模式図（Ｂ）） 図１の画像観察装置における照射立体角と反射立体角と観察立体角との関係を示す模式図（被観察物の表面の法線ベクトルが観察光軸と一致している場合の図（Ａ）、被観察物の表面が傾斜角Φを有し、法線ベクトルが観察光軸とずれている場合の図（Ｂ）） 図１の画像観察装置により被観察物の形状を観察可能にする手順を示すフロー図 本発明の第２実施形態に係る画像観察装置を示す模式図 本発明の第３実施形態に係る画像観察装置を示す模式図

以下、本発明の第１実施形態について、図１から図５を用いて説明する。なお、本発明は以下の実施形態に記載した内容により限定されるものではない。又、以下に記載した実施形態における構成要件には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。更に、以下に記載した実施形態で開示した構成要素は適宜組み合わせてもよいし、適宜選択して用いてもよい。

画像観察装置１００は、図１に示す如く、光源部１１２と、照明光分割部材（フィルター部材）１１４と、照明光学系１１６と、観察光学系１２２と、検出器１２６と、処理装置１３０と、表示装置ＤＤと、を備える。なお、本実施形態では、被観察物Ｗは、表面形状が複雑であっても光沢面に近いものが好ましいが、これに限定されるものではない。

以下、各要素を詳細に説明する。

前記光源部１１２は、１つ以上のチップ型ＬＥＤを配置したものや、有機ＥＬや、サイドライトから導光板を導いたものなどであってもよい。光源部１１２の位置は、照明光軸Ｌ１に沿って変更可能とされてもよい。

前記照明光分割部材１１４は、図１に示す如く、照明光の光の波長領域（光属性）Ｒｅｄ、Ｇｒｅｅｎ、Ｂｌｕｅ（Ｒｅｄは赤色波長領域、Ｇｒｅｅｎは緑色波長領域、Ｂｌｕｅは青色波長領域）を異なる複数の立体角領域（例えば、図４（Ａ）の符号ＩＳ１、ＩＳ２、ＩＳ３）に分割する（以降、符号Ｒｅｄは符号Ｒ、符号Ｇｒｅｅｎは符号Ｇ、符号Ｂｌｕｅは符号Ｂとも記載する）。例えば、照明光分割部材１１４（１１４Ａ、１１４Ｂ）は、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、円盤形状であり、複数のフィルター領域（カラーフィルター）を備えている。これらの照明光分割部材１１４は、適宜変更可能とされている。例えば、図２（Ａ）に示す照明光分割部材１１４Ａは、中心（照明光軸Ｌ１）周りに、３つの同一形状（中心角１２０度の扇形状）のフィルター領域ＣＦ１、ＣＦ２、ＣＦ３を備える。図２（Ｂ）に示す照明光分割部材１１４Ｂは、同心円状に３つのフィルター領域ＣＦ１、ＣＦ２、ＣＦ３を備える。

照明光分割部材１１４は、後述する開口絞り１２２Ｂの位置に結像する（配置される）ように、照明光軸Ｌ１上の光源部１１２と照明光学系１１６のリレー光学系（例えば、タンデム配置のレンズ）１１６Ａとの間に配置されている（開口絞り１２２Ｂの位置に結像する照明光分割部材１１４の像をリレー像ＲＩと称する）。リレー像ＲＩは、照明光分割部材１１４の縮小像とされている。なお、照明光分割部材１１４の位置も、照明光軸Ｌ１に沿って変更可能とされていてもよい（つまり、照明光分割部材１１４のリレー像ＲＩが開口絞り１２２Ｂの位置に配置可能とされる構成である）。なお、本実施形態では、照明光分割部材１１４は、照明光を遮る遮光マスクである照明絞りの部分（不図示）を上述したフィルター領域の外周に備えているが、これに限定されず、照明絞りの部分は別に設けてもよい。あるいは、照明光分割部材に、電気的に透過率や色を変化できる液晶シャッターなどを用いるようにしてもよい。また、照明光分割部材は、透過型とされているが、反射型であってもよい。

前記照明光学系１１６は、図１に示す如く、光源部１１２からの照明光を被観察物Ｗに照射するようにされている。つまり、照明光学系１１６は、被観察物Ｗからの物体光を集光して被観察物Ｗの画像を観察可能にする画像観察装置１００に用いられる構成である。照明光学系１１６は、被観察物側がテレセントリック光学系とされ、リレー光学系１１６Ａと、ビームスプリッタ１１６Ｂと、開口絞り１２２Ｂと、対物レンズ１２２Ａと、を備える（上述した照明光分割部材１１４が含まれてもよい）。

リレー光学系１１６Ａは、例えば、照明光分割部材１１４を通過する照明光を通過させる屈折型レンズ系であり、単レンズでもよいが、複数枚のレンズによって構成されていてもよい。なお、レンズとしては、凹凸形状を付けたもののほか、屈折率分布型レンズなども含まれる。リレー光学系１１６Ａはリレー像側でテレセントリック光学系とされていてもよい。その理由は後述する。

ビームスプリッタ１１６Ｂは、図１に示す如く、対物レンズ１２２Ａの反被観察物側に配置され、照明光学系１１６の照明光軸Ｌ１と観察光学系１２２の観察光軸Ｌ２とを同軸とする。つまり、ビームスプリッタ１１６Ｂは、観察光学系１２２の観察光軸Ｌ２上のチューブレンズ１２２Ｃと対物レンズ１２２Ａとの間に配置され、照明光分割部材１１４を通過する照明光の照明光軸Ｌ１を観察光軸Ｌ２と一致させる。つまり、本実施形態は、いわゆる同軸落射照明を備えた画像観察装置１００とされている。

開口絞り１２２Ｂは、対物レンズ１２２Ａの開口数を決定する光学素子であり、対物レンズ１２２Ａが被観察物側でテレセントリック光学系であるので、対物レンズ１２２Ａの反被観察物側の焦点位置に配置される（このため、開口絞り１２２Ｂ面内の各点から光が出射された場合には、その光は、ほぼ平行光線とされて、被観察物Ｗに照射される）。検出器１２６上の像の明るさの調整、後述する分解能、及び被観察物Ｗの表面の傾斜角観察能力の調節のために、開口絞り１２２Ｂの内径が調節可能であってもよい。

対物レンズ１２２Ａは、図１に示す如く、無限遠補正されており、被観察物Ｗに対峙する。対物レンズ１２２Ａは、光源部１１２から出射され照明光分割部材１１４とリレー光学系１１６Ａを通過した照明光を特定の照射立体角ＩＳで被観察物Ｗに照射する。このとき、対物レンズ１２２Ａが無限遠補正であり、かつ上述したリレー光学系１１６Ａがリレー像側でテレセントリック光学系であることから、開口絞り１２２Ｂを経た照明光のうち、互いに平行なもの（例えばリレー光学系１１６Ａの各像高（各結像位置）における主光線）はいずれも対物レンズ１２２Ａを通過後に被観察物Ｗ上の同一位置に集光する。これにより、対物レンズ１２２Ａで観察している被観察物Ｗの各点において、均一な照明を実現することができる（ケーラー照明）。なお、対物レンズ１２２Ａが無限遠補正であることは、ビームスプリッタ１１６Ｂの特性を確保する上でも好ましいが、本実施形態において必須ではない。無限遠補正でない対物レンズ１２２Ａを用いる場合は、リレー光学系１１６Ａもリレー像側でテレセントリック光学系である必要はない。例えば対物レンズ１２２Ａの軸上マージナル光線（観察光軸Ｌ２（照明光軸Ｌ１）の方向に進み、焦点に集まる光線のうちの一番外側の光線）が観察光軸Ｌ２（照明光軸Ｌ１）に対し傾いているときは、その傾きの角度と同等の大きさの主光線角度を持ってリレー像ＲＩが形成されるようリレー光学系１１６Ａが構成されていてもよい。

また、対物レンズ１２２Ａは、観察光学系１２２の一部として、被観察物Ｗからの物体光（被観察物Ｗにより反射された照明光）を所定の観察立体角ＤＳで受光する（つまり、対物レンズ１２２Ａは、照明光学系１１６の光路上（または照明光軸Ｌ１上）及び観察光学系１２２の光路上（観察光軸Ｌ２上）に配置されている）。対物レンズ１２２Ａが交換可能に構成されていることで、被観察物Ｗの観察範囲（即ち、倍率）ないしは開口数が変更できる。即ち、対物レンズ１２２Ａを適切に交換することで、被観察物Ｗに応じて最適な分解能で最適な傾斜角を選定することが可能になる。なお、対物レンズ１２２Ａの交換の際には、開口絞り１２２Ｂが対物レンズ１２２Ａと一緒に交換されてもよいが、その際には開口絞り１２２Ｂの位置が同じ位置に保たれていることが望ましい。対物レンズ１２２Ａの交換のために、例えばリボルバー機構などが使用されてもよい。

このように、照明光分割部材１１４のリレー像ＲＩは、対物レンズ１２２Ａの開口絞り１２２Ｂの位置に配置される。このため、照明光学系１１６は、被観察物Ｗの観察範囲の各位置に対し、照明主光線Ｌ１’を中心にほぼすべて互いに相似形の立体角形状を持ち、かつ光の波長領域Ｒ、Ｇ、Ｂそれぞれの立体角領域ＩＳ１、ＩＳ２、ＩＳ３に分割された照明光を照射することができる。その際には、対物レンズ１２２Ａによる照明開口ＬＳにより、被観察物Ｗの異なる位置Ｐ、Ｐ’に対する照射立体角ＩＳ、ＩＳ’が図３（Ａ）のように示される。ただし、図３（Ａ）に示す如く、位置Ｐ、Ｐ’では互いに照射立体角ＩＳ、ＩＳ’の形状や照明主光線Ｌ１’の方向が異なってくる。

それに対して、更に対物レンズ１２２Ａが被観察物側でテレセントリック光学系であれば、図３（Ｂ）に示す如く、検出器１２６の撮像する被観察物Ｗの観察範囲のすべての位置に対して、ほぼすべて同条件で照明光を照射することができる。つまり、その際には、照射立体角ＩＳは、被観察物Ｗの各点に対して同一にされている。なお、被観察物Ｗは平面であることが多いため、対物レンズ１２２Ａが被観察物側でテレセントリック光学系とされていることで、観察範囲全体において、位置が異なっていても同じ傾斜角Φを持った箇所は互いに同様の反射を起こすように構成することができるので都合がよい。なお、組立誤差などにより発生する照明光学系１１６や観察光学系１２２の誤差や、開口絞り１２２Ｂが対物レンズ１２２Ａと一緒に交換される場合の開口絞り１２２Ｂの位置ずれなどを補正する目的で、光源部１１２、照明光分割部材１１４、およびリレー光学系１１６Ａの移動調整を行ってもよい。

前記観察光学系１２２は、図１に示す如く、被観察物Ｗからの反射光を受光することによって、被観察物Ｗからの物体光を所定の観察立体角ＤＳで集光し検出器１２６に導く。つまり、観察光学系１２２は、物体光を集光して被観察物Ｗの画像を観察可能にする。観察光学系１２２は、被観察物側がテレセントリック光学系とされ、対物レンズ１２２Ａと、開口絞り１２２Ｂと、チューブレンズ１２２Ｃと、を備えている。チューブレンズ１２２Ｃは、対物レンズ１２２Ａおよび開口絞り１２２Ｂを通過した物体光を結像させる。なお、対物レンズ１２２Ａと開口絞り１２２Ｂについては、既に説明したので、ここでは説明を省略する。

前記検出器１２６は、観察光学系１２２で結像された被観察物Ｗの像における異なる光の波長領域Ｒ、Ｇ、Ｂを識別可能とされている。検出器１２６は、例えば、カラーＣＣＤカメラやカラーＣＭＯＳカメラであり、結像された被観察物Ｗの像を２次元のカラーの画像データとして出力する。本実施形態では、異なる光属性は異なる光の波長領域Ｒ、Ｇ、Ｂであり、例えば検出器１２６の各画素は、赤色、緑色、青色それぞれのカラーフィルター付きの（４画素単位で構成されるベイヤーパターンの）画素要素のセットで構成されていてもよい。もちろん、検出器１２６として、米国特許第５９６５８７５号にて開示されるような、それぞれの色（波長領域）の検出層を光軸方向に積み上げた積層型の検出器を用いてもよい。なお、カラーの画像データは、処理装置１３０で処理される。

前記処理装置１３０は、図１に示す如く、検出器１２６と、表示装置ＤＤとに接続されている。このため、処理装置１３０は、検出器１２６から出力される画像データの処理をして被観察物Ｗに対する画素同士の補間やノイズ除去などを行うことができる（これに限らず、処理装置１３０は、さらに、被観察物Ｗの寸法測定や傾斜角Φを計測してもよいし、特定の傾斜角Φを持った領域を強調表示したりしてもよい）。表示装置ＤＤは、処理装置１３０の出力に基づいて、検出器１２６で撮像したカラーの画像データや、３次元画像や、各種情報を表示することができる。本実施形態では、処理装置１３０が設けられているが、これに限らず、処理装置がなく、検出器１２６に直接表示装置ＤＤが接続されていてもよい。

次に、図４（Ａ）、（Ｂ）を用いて、検出器１２６からの光の波長領域Ｒ、Ｇ、Ｂそれぞれの出力の違いから被観察物Ｗの表面の傾斜角Φが観察可能になる原理を説明する。なお、実線で描かれているのは照明光学系１１６による照射立体角ＩＳと観察光学系１２２による観察立体角ＤＳである（便宜上、照射立体角ＩＳと観察立体角ＤＳとは違いが分かるように異なる大きさとしているが、本実施形態でこのような大小関係が成立するわけではない）。本実施形態では、対物レンズ１２２Ａと開口絞り１２２Ｂとが、照明光学系１１６の光路と観察光学系１２２の光路とに配置されている。ここで、対物レンズ１２２Ａの反被観察物側の焦点位置に開口絞り１２２Ｂがあり、フィルター部材としての照明光分割部材１１４のリレー像ＲＩが開口絞り１２２Ｂの位置に配置される構成となっている。このため、リレー像ＲＩが開口絞り１２２Ｂの大きさよりも大きい場合には、照射立体角ＩＳの最外形は開口絞り１２２Ｂによって決定され、照射立体角ＩＳと観察立体角ＤＳの形状及び方向は同一となる。この場合を想定して以下、説明を行う。なお、線で描かれているのは、物体光が形成する反射立体角ＲＳである。反射立体角ＲＳは、照射立体角ＩＳで被観察物Ｗの各点に照射された照明光の反射光（物体光）である。照明光は各点において、正反射され、物体光となることから、反射立体角ＲＳの形状は、照射立体角ＩＳを鏡面反射した形状と同一となる。すなわち、照射立体角ＩＳの立体角領域ＩＳ１、ＩＳ２、ＩＳ３はそれぞれ、反射立体角ＲＳの立体角領域ＲＳ１、ＲＳ２、ＲＳ３に対応する（同時に、ＩＳ１＝ＲＳ１、ＩＳ２＝ＲＳ２、ＩＳ３＝ＲＳ３となる）。

まず、被観察物Ｗに傾きがない場合には、図４（Ａ）に示す如く、被観察物Ｗからの反射光は傾かず、反射光軸Ｌ３と観察光軸Ｌ２とが一致した状態となる。つまり、照射立体角ＩＳを持つ照明光が被観察物Ｗに照射されると、反射立体角ＲＳの方向と観察立体角ＤＳの方向とは一致して、検出器１２６により観察立体角ＤＳで物体光による反射立体角ＲＳの立体角領域ＲＳ１、ＲＳ２、ＲＳ３に対応するそれぞれの光の波長領域Ｒ、Ｇ、Ｂが等しく検出される。このため、この検出されるそれぞれの光の波長領域Ｒ、Ｇ、Ｂの光量の比率が等しくなり、観察される色が白色となることで、傾斜角Φとしてはゼロとなることを判断することができる。

一方、被観察物Ｗに傾き（傾斜角Φ≠０）がある場合には、図４（Ｂ）に示す如く、被観察物Ｗからの反射光は傾き（傾斜角２Φ）、反射光軸Ｌ３と観察光軸Ｌ２とが一致しない状態となる。つまり、照射立体角ＩＳを持つ照明光が被観察物Ｗに照射されると、反射立体角ＲＳの形状は図４（Ａ）の形状に保たれるものの、観察立体角ＤＳの方向に対して反射立体角ＲＳの方向が傾き（傾斜角２Φ）、観察立体角ＤＳが反射立体角ＲＳの一部を含有しない状態となる。このため、検出器１２６では、観察立体角ＤＳの範囲内では物体光による反射立体角ＲＳの立体角領域ＲＳ１に対応する光の波長領域をほとんど受光できない。一方で、検出器１２６では、立体角領域ＲＳ２、ＲＳ３に対応する光の波長領域をほぼ等しく検出できる。このため、この検出されるそれぞれの光の波長領域Ｒ、Ｇ、Ｂの光量の比率に基づき、観察される色が変化することで、傾斜角Φを定量的に判断することができる。

このように、本実施形態では、上述した照射立体角ＩＳを鏡面反射した形状の反射立体角ＲＳに対する観察立体角ＤＳの含有関係により、被観察物Ｗの表面の傾斜角Φが観察可能となっている。

したがって、本実施形態で示すフィルター部材である照明光分割部材１１４のリレー像ＲＩが結像する対物レンズ１２２Ａに対する位置、及び開口絞り１２２Ｂの対物レンズ１２２Ａに対する位置によって、対象とする被観察物Ｗの各点において、反射立体角ＲＳに対する観察立体角ＤＳの相対関係を一定にしておく。すると、被観察物Ｗの傾き（傾斜角Φ）により反射立体角ＲＳがその傾きの２倍だけ（２Φ）傾いた時に、その一定にしておいた相対関係が変化して、観察立体角ＤＳで捕捉できる反射光の明るさ、若しくは、異なる光属性ごとの反射光の明るさの変化によって、被観察物Ｗの傾きに関して、その方向と傾斜角Φを定量的に検知することができる。

その理由は、照明光分割部材１１４のリレー像ＲＩの結像位置、及び対物レンズ１２２Ａの開口絞り１２２Ｂの位置が変化しても、照明光軸Ｌ１（観察光軸Ｌ２）中心においては、反射立体角ＲＳの反射光軸Ｌ３は変わらないが、そのように位置が変化した場合には一定の視野内において照明光軸Ｌ１（観察光軸Ｌ２）から離れた点においては、反射立体角ＲＳに対する観察立体角ＤＳの傾きが大きく変化するからである。

次に、図５を用いて、画像観察装置１００における被観察物Ｗの観察手順を以下に説明する。

まず、照明工程（図５、ステップＳ４）を行う。照明工程では、照明光学系１１６により、異なる光の波長領域Ｒ、Ｇ、Ｂを持つ複数の立体角領域ＩＳ１、ＩＳ２、ＩＳ３を備える特定の照射立体角ＩＳを有する照明光を被観察物Ｗに照射する。なお、本実施形態では、照明光学系１１６を使用することで、照射立体角ＩＳが被観察物Ｗの各点に対して同一にされている。

次に、撮像工程（図５、ステップＳ６）を行う。撮像工程では、検出器１２６により、照明光により生じる被観察物Ｗからの物体光を所定の観察立体角ＤＳで受光し画像を撮像する。

次に表示工程（図５、ステップＳ８）を行う。表示工程では、検出器１２６から出力された画像データに基づいて、表示装置ＤＤで被観察物Ｗを観察可能に表示する。

このように、本実施形態では、ビームスプリッタ１１６Ｂが対物レンズ１２２Ａとチューブレンズ１２２Ｃとの間に配置され、対物レンズ１２２Ａが照明光学系１１６と観察光学系１２２とに共通に使用されている。このため、ビームスプリッタが被観察物Ｗと対物レンズとの間に配置される場合に比べて、対物レンズ１２２Ａとして、被観察物Ｗとの間の作動距離が短いものであっても採用できるようになる。これによって、容易に観察光学系１２２の開口数を大きくできるので、観察光学系１２２の解像分解能を向上させることが可能である。同時に、図４（Ａ）、（Ｂ）で示した観察立体角ＤＳを照射立体角ＩＳとほぼ同等の大きさにすることが可能である。このため、図４（Ｂ）に示す如く、傾斜角Φが相応の大きさとなっても、検出器１２６で、反射立体角ＲＳを構成する複数の立体角領域ＲＳ１、ＲＳ２、ＲＳ３の光の波長領域Ｒ、Ｇ、Ｂを相応に検出することが可能である。

また、本実施形態では、リレー光学系１１６Ａを介して、照明光が対物レンズ１２２Ａに入射する構成となっていることで、照明光分割部材１１４と光源部１１２の配置の自由度をより大きくすることが可能である。つまり、被観察物Ｗのセッティングに対して大きな自由度も確保することが可能である。また、画像観察装置１００は、いわゆる同軸落射照明顕微鏡の構成なので、平面形状の被観察物Ｗからの反射光の回収効率が良好であり、多くの場合に被観察物Ｗを隅々まで明るく観察することが可能である。

また、本実施形態では、照明光分割部材１１４では、光属性が光の波長領域Ｒ、Ｇ、Ｂとされている。このため、照明光分割部材１１４には汎用的なカラーフィルターが使用でき、検出器１２６には汎用的なカラーＣＤＤカメラやカラーＣＭＯＳカメラをそのまま使用することができる。つまり、照明光分割部材１１４や検出器１２６を低コストとすることができ、かつ画像観察装置１００を簡易な構成とすることが可能である。さらには、光属性の識別を視覚的に確認でき、傾斜角Φの状況をより容易に認識可能である。

なお、本実施形態では、これに限らず、光の波長領域Ｒ、Ｇ、Ｂの３つは、原色で示される赤、緑、青ではなく、別の光の波長領域を組み合わせて用いてもよいし、補色関係にある黄色、シアン、マゼンダなどであってもよい。また、光の波長領域は、可視化されない赤外線領域や紫外線領域を使用してもよいし、互いに異なる光の波長領域としては２つ以上であればよい。なお、光属性としては、複数の光の波長領域Ｒ、Ｇ、Ｂ以外に、互いに異なる偏光状態を利用するものであってもよい。その際には、例えば光の偏光状態を変化させる偏光板等を照明光分割部材で使用する。そして、検出器１２６には、対応する偏光板を用いるようにして、光属性を識別するようにしてもよい。

また、本実施形態では、照明光学系１１６と観察光学系１２２とはいずれも、被観察物Ｗ側がテレセントリック光学系とされている。すなわち、照射立体角ＩＳが被観察物Ｗの各点に対して同一にされている。これにより、被観察物Ｗが平面である場合には、被観察物Ｗの各点すべてから、均質な情報を画像データに取り込むことができる。つまり、被観察物Ｗの表面の情報を、場所によらず、等しく観察評価することが可能である。同時に、被観察物Ｗの表面に大きな高低差があったとしても、容易に焦点合わせをすることができ、表面形状を高い分解能で観測することが可能である。なお、これに限らず、照明光学系と観察光学系のうちのいずれかが片側テレセントリック光学系であってもよいし、いずれも片側テレセントリック光学系でなくもよい。勿論、両側テレセントリック光学系をいずれか、もしくはいずれもが採用してもよい。

なお、照明光分割部材１１４の各フィルター領域ＣＦ１、ＣＦ２、ＣＦ３は、一般的にフォトリソグラフィ技術などを用いて作成される。このとき、観察できる被観察物Ｗの傾斜角Φの観察誤差を少なくするには、図２（Ａ）に示すような照明光分割部材１１４Ａの場合には、各フィルター領域ＣＦ１、ＣＦ２、ＣＦ３それぞれの境界同士を高精度で一致させる必要がある。同様にして、図２（Ｂ）に示すような照明光分割部材１１４Ｂの場合には、各フィルター領域ＣＦ１、ＣＦ２、ＣＦ３それぞれの中心位置を高精度に一致させる必要がある。これに対して、本実施形態では、リレー像ＲＩが照明光分割部材１１４の縮小像である。このため、照明光分割部材１１４に対して縮小倍率分だけ精度を緩和しても、傾斜角Φに対する高い観察精度を保つことが可能である。つまり、本実施形態では、照明光分割部材１１４の加工や組付けの際に生じる誤差による精度減退を防ぐことができる。なお、これに限らず、リレー像ＲＩが、等倍像であってもよいし、拡大像であってもよい。等倍像の場合はレンズ構成がシンプルにできることから低コスト化に効果があり、拡大像である場合は照明光学系１１６をコンパクト化することができる。

本実施形態では、対物レンズ１２２Ａが交換可能に構成されている。つまり、本実施形態では、対物レンズ１２２Ａが照明光学系１１６と観察光学系１２２とに共通に使用されているので、被観察物Ｗに応じて対物レンズ１２２Ａを変更することで、照射立体角ＩＳと観察立体角ＤＳを同時に切り替えられる。つまり、対物レンズ１２２Ａを変更することで、観察可能な傾斜角Φの範囲を容易に切り替えることが可能である。なお、これに限らず、対物レンズ１２２Ａが固定的に使用されていてもよい。その際には、開口絞り１２２Ｂの径を変更することで、観察可能な傾斜角Φの範囲を切り替えるよう構成してもよい。

したがって、本実施形態では、被観察物Ｗが高い分解能で観察可能であり、かつ被観察物Ｗの表面の傾斜角Φを広い範囲で認識可能である。

なお、対物レンズとして大口径かつ長作動距離のものを選べば、ビームスプリッタが被観察物Ｗと対物レンズとの間に配置される場合においても観察光学系の開口数を大きくすることは可能である。しかしながら、その場合には、対物レンズの大径化とそれに伴う色収差補正のためのレンズ枚数の増加が避けられない。特に、照明光分割部材１１４としてカラーフィルターを用い、光の波長領域によって照射立体角ＩＳ、ＩＳ’を分割する場合、色ずれに伴う分解能低下や誤検出を防止するために、対物レンズは色収差がよく補正されていることが望ましい。しかし、色収差はレンズに入射する光線の最大高さ、ないしは、その２乗に比例して大きくなるから、開口数が大きいほど、そして作動距離が大きいほど除き難く、小型化と大口径かつ長作動距離の両立はますます困難となる。つまり、本実施形態では、ビームスプリッタが被観察物Ｗと対物レンズとの間に配置される場合に比べて、コンパクトでかつ低コストな画像観察装置１００が製造可能である。

なお、第１実施形態では、照明光学系１１６が、リレー光学系１１６Ａを備えていたが、本発明はこれに限定されない。例えば、図６に示す第２実施形態の如くであってもよい。第２実施形態では、第１実施形態とは異なり、照明光分割部材２１４が照明光軸Ｌ１上の開口絞り（照明絞り）の位置に配置可能とされている。このため、照明光分割部材２１４、ビームスプリッタ２１６Ｂ、及び開口絞り２２２Ｂに関する部分以外の要素については、符号の上１桁を変更し、説明を省略する。本実施形態では、照明光分割部材２１４が照明光軸Ｌ１上の開口絞り（照明絞り）の位置に配置可能とされているので、ビームスプリッタ２１６Ｂは観察光学系２２２に用いられる開口絞り２２２Ｂと対物レンズ２２２Ａとの間に配置されている。即ち、本実施形態では、リレー光学系が無いので、画像観察装置２００の構成をより簡素・コンパクトにでき、低コスト化を実現することができる。なお、対物レンズ２２２Ａから照明光分割部材２１４までの距離は、対物レンズ２２２Ａから開口絞り２２２Ｂまでの距離とほぼ等しくされている。なお、開口絞り２２２Ｂは、照明光学系２１６では使用されていないので、照射立体角ＩＳと観察立体角ＤＳとを異なる形状とすることが可能である（第３実施形態も同様）。

あるいは、図７に示す第３実施形態の如くであってもよい。第３実施形態では、第２実施形態と同様にビームスプリッタ３１６Ｂが観察光学系３２２で用いられる開口絞り３２２Ｂと対物レンズ３２２Ａとの間に配置されている。しかし、第２実施形態とは異なり、照明光学系３１６には照明絞り３１６Ｃが設けられている。そして、第１実施形態と同様に、照明光学系３１６は、リレー光学系３１６Ａを備えている。このため、本実施形態では、照明光学系３１６の配置自由度をより大きく確保でき、観察光学系３２２をより適切に配置することができる。なお、リレー光学系３１６Ａ、開口絞り３２２Ｂ、照明絞り３１６Ｃ以外の要素については、符号の上１桁を変更し、説明を省略している。なお、本実施形態においても、対物レンズ３２２Ａが無限遠補正されている必要はなく、かつリレー光学系３１６Ａのリレー像側でテレセントリック光学系でなくてもよい。更には、照明絞り３１６Ｃは無くてもよい。なお、対物レンズ３２２Ａから照明絞り３１６Ｃまでの距離は、対物レンズ３２２Ａから開口絞り３２２Ｂまでの距離とほぼ等しくされている（つまり、本実施形態でも、リレー光学系３１６Ａによるリレー像ＲＩは開口絞り３２２Ｂの位置に配置されている構成である）。

なお、上記実施形態ではいずれも、照明光分割部材は、常に一定のものを用いる前提で説明をしているが、交換や回転調整が可能に構成されていてもよい。

また、上記実施形態では、照明光分割部材または照明光分割部材のリレー像ＲＩが、対物レンズの開口数を決定する開口絞りの位置に配置可能とされていたが、本発明はこれに限定されない。照明光分割部材または照明光分割部材のリレー像ＲＩは、対物レンズの反被観察物側（対物レンズと光源部との間）、つまり、対物レンズの手前に配置されるようにされていればよい。その場合であっても、図４（Ａ）、（Ｂ）に対し、上述した反射立体角ＲＳに対する観察立体角ＤＳの含有関係が得られるので、本発明の効果を相応に奏することが可能である。

また、上記実施形態では、フィルター部材として照明光分割部材が、照明光の光属性を異なる複数の立体角領域に分割するように構成されていたが、本発明はこれに限定されない。例えば、フィルター部材は、照明光の光属性を特定の１つの光属性に変更するようにされていてもよい。

本発明は、照明光を被観察物に照射する照明光学系と、該被観察物からの物体光を集光し検出器に導く観察光学系と、を備える画像観察装置に広く適用することができる。

１００、２００、３００…画像観察装置
１１２、２１２、３１２…光源部
１１４、１１４Ａ、１１４Ｂ、２１４、３１４…照明光分割部材
１１６、２１６、３１６…照明光学系
１１６Ａ、３１６Ａ…リレー光学系
１１６Ｂ、２１６Ｂ、３１６Ｂ…ビームスプリッタ
１２２、２２２、３２２…観察光学系
１２２Ａ、２２２Ａ、３２２Ａ…対物レンズ
１２２Ｂ、２２２Ｂ、３２２Ｂ…開口絞り
１２２Ｃ、２２２Ｃ、３２２Ｃ…チューブレンズ
１２６、２２６、３２６…検出器
１３０、２３０、３３０…処理装置
３１６Ｃ…照明絞り
Ｂ、Ｇ、Ｒ…光の波長領域
ＣＦ１、ＣＦ２、ＣＦ３…フィルター領域
ＤＤ…表示装置
ＤＳ…観察立体角
ＩＳ、ＩＳ’…照射立体角
ＩＳ１、ＩＳ２、ＩＳ３、ＲＳ１、ＲＳ２、ＲＳ３…立体角領域
Ｌ１…照明光軸
Ｌ１’…照明主光線
Ｌ２…観察光軸
Ｌ３…反射光軸
ＬＳ…照明開口
Ｐ、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ’…位置
ＲＩ…リレー像
ＲＳ…反射立体角
Ｗ…被観察物
Φ…傾斜角

Claims (11)

1. 照明光を被観察物に照射する照明光学系と、該被観察物からの物体光を集光し検出器に導く観察光学系と、を備える画像観察装置において、
   前記照明光の光属性を１以上の立体角領域に分割するフィルター部材と、
   前記被観察物に対峙する対物レンズと、
   該対物レンズの反被観察物側に配置され、前記照明光学系の照明光軸と前記観察光学系の観察光軸とを同軸とするビームスプリッタと、を備え、
   該フィルター部材または該フィルター部材のリレー像が、前記対物レンズの反被観察物側であって、照明光軸上の前記対物レンズの焦点位置近傍に配置されることを特徴とする画像観察装置。
   
2. 請求項１において、
   前記フィルター部材または該フィルター部材のリレー像は、前記対物レンズの開口数を決定する開口絞りの位置に配置されることを特徴とする画像観察装置。
3. 請求項１または２において、
   前記フィルター部材では、前記光属性が光の波長領域とされていることを特徴とする画像観察装置。
4. 請求項１乃至３のいずれかにおいて、
   前記照明光学系と前記観察光学系とはいずれも、被観察物側がテレセントリック光学系とされていることを特徴とする画像観察装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかにおいて、
   前記リレー像は、前記フィルター部材の縮小像であることを特徴とする画像観察装置。
6. 請求項１乃至５のいずれかにおいて、
   前記対物レンズが交換可能に構成されていることを特徴とする画像観察装置。
7. 被観察物からの物体光を集光して該被観察物の画像を観察可能にする画像観察装置に用いられる照明光学系において、
   前記照明光の光属性を１以上の立体角領域に分割するフィルター部材と、
   前記被観察物に対峙する対物レンズと、
   該対物レンズの反被観察物側に配置され、前記照明光学系の照明光軸と前記物体光を集光する観察光学系の観察光軸とを同軸とするビームスプリッタと、を備え、
   該フィルター部材または該フィルター部材のリレー像が、前記対物レンズの反被観察物側であって、照明光軸上の前記対物レンズの焦点位置近傍に配置されることを特徴とする照明光学系。
8. 請求項７において、
   前記フィルター部材または該フィルター部材のリレー像は、前記対物レンズの開口数を決定する開口絞りの位置に配置されることを特徴とする照明光学系。
9. 請求項７または８において、
   前記フィルター部材では、前記光属性が光の波長領域とされていることを特徴とする照明光学系。
10. 請求項７乃至９のいずれかにおいて、
    前記照明光学系と前記観察光学系とはいずれも、被観察物側がテレセントリック光学系とされていることを特徴とする照明光学系。
11. 請求項７乃至１０のいずれかにおいて、
    前記リレー像は、前記フィルター部材の縮小像であることを特徴とする照明光学系。

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