JP6531403B2

JP6531403B2 - 顕微鏡

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Publication number: JP6531403B2
Application number: JP2015013769A
Authority: JP
Inventors: 俊也鈴木; 範夫三宅
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2015-01-27
Filing date: 2015-01-27
Publication date: 2019-06-19
Anticipated expiration: 2035-01-27
Also published as: JP2016139007A

Description

本発明は、顕微鏡に関する。

顕微鏡の分野において、位相差観察、暗視野観察、偏斜照明観察などの観察方法を切り替え可能な顕微鏡が提案されている（例えば、下記の特許文献１参照）。特許文献１の顕微鏡は、形状が異なる複数の開口が形成された絞り部材を備える。この顕微鏡は、絞り部材をスライドさせることによって、光路に配置される開口を選択可能であり、位相差観察と偏斜照明観察とを切り替え可能である。

米国特許第４４０７５６９号明細書

ところで、絞り部材をスライドさせる場合、絞り部材の位置決めのための構成や手間を要することがある。本発明は、試料に照射される照明光の強度分布の角度依存性を簡易に切り替え可能な顕微鏡を提供することを目的とする。

本発明の態様に従えば、照明光が通過可能な開口部を有する絞り部材と、開口部の一部を覆う第１の偏光板と、照明光の光路に配置され、第１の偏光板と相対的に回転可能な第２の偏光板と、第１の偏光板および第２の偏光板を通った照明光を試料に照射するコンデンサレンズと、試料の観察側に配置される対物レンズと、を備え、開口部は、コンデンサレンズの光軸を含む面を挟む一対の領域のうち一方の領域のみに、コンデンサレンズの光軸から離れた位置に配置され、コンデンサレンズの光軸から開口部のエッジまでの最短距離をｈ１とし、光軸から開口部における第１の偏光板のエッジまでの最短距離をｈ２とし、コンデンサレンズの光軸から開口部のエッジまでの最長距離をｈ４とし、コンデンサレンズの焦点距離をｆとし、対物レンズの開口数をＮＡ１としたときに、ｈ１＜ｆ×ＮＡ１≦ｈ２＜ｈ４を満たし、開口部の一部を覆うＮＤフィルタを備え、光軸から開口部におけるＮＤフィルタのエッジまでの最短距離をｈ６としたときに、ｈ１＜ｈ６≦ｈ２を満たし、ＮＤフィルタに対する照明光の透過率をＴとしたときに、０．２２≦（ｈ６−ｈ１）／（ｈ２−ｈ１）≦０．７５、かつ３０％≦Ｔ≦７０％を満たす、ことを特徴とする顕微鏡
が提供される。

本発明によれば、試料に照射される照明光の強度分布の角度依存性を簡易に切り替え可能な顕微鏡を提供することができる。

実施形態に係る顕微鏡を示す図である。第１実施形態に係る絞り部を示す図である。第１実施形態に係る顕微鏡の光路を示す図である。変形例に係る絞り部を示す図である。第２実施形態に係る絞り部を示す図である。第２実施形態に係る顕微鏡の光路を示す図である。減光領域のパラメータを変化させた際の結像性能の評価を示す表である。透過率を変化させた数値シミュレーションを説明するための図である。変形例に係る絞り部を示す図である。

［第１実施形態］
第１実施形態について説明する。図１は、本実施形態に係る顕微鏡ＭＳを示す図である。顕微鏡ＭＳは、例えば、試料Ｓを拡大観察する正立型の顕微鏡である。顕微鏡ＭＳは、例えば、試料Ｓで透過散乱した光により観察を行う透過型の顕微鏡であるが、試料Ｓで反射散乱した光により観察を行う反射型の顕微鏡であってもよい。

顕微鏡ＭＳは、例えば、光源部１０、基台１１、直立ベース１２、アーム１３、照明レンズユニット１４、試料ステージ１５、ステージ駆動部１６、レボルバ１７、複数の対物レンズ１８、観察鏡筒１９、および接眼レンズ鏡筒２０を備える。光源部１０から接眼レンズ鏡筒２０の内部に至る光路に配置される光学系は、例えば、球面レンズや非球面レンズなどの回転対称な形状のレンズ部材を含む。以下、顕微鏡ＭＳの光学系において、レンズ部材の回転対称軸を連結した軸を光軸ＡＸと称す。光軸ＡＸは、カットレンズなどのように回転対称な形状の一部を用いたレンズ部材においても、その元になる回転対称な形状の回転対称軸に応じて定められる。

基台１１は、例えば、机やテーブルなどに載置可能であり、その下面が平坦に形成される。直立ベース１２は、例えば、基台１１を基端として鉛直方向に延びる部材である。アーム１３は、例えば、直立ベース１２を基端として水平方向に延びる部材である。以下、アーム１３の先端側を顕微鏡ＭＳの前面側と称し、その反対側を後面側と称す。

光源部１０は、例えば、基台１１の後面側に配置され、基台１１の後面に接続される。照明レンズユニット１４は、直立ベース１２の前面側に固定されている。ステージ駆動部１６は、照明レンズユニット１４の上方に配置され、直立ベース１２の前面側に固定されている。ステージ駆動部１６は、試料Ｓを載置する試料ステージ１５を保持する。ステージ駆動部１６は、試料ステージ１５を光軸ＡＸと平行な方向に上下させること、試料ステージ１５を光軸ＡＸと垂直な方向に移動させること、試料ステージ１５を光軸ＡＸの回りで回転させることなどができる。

レボルバ１７は、試料ステージ１５の上方に配置され、アーム１３の先端下部に取り付けられている。レボルバ１７は、例えば、倍率が異なる複数の対物レンズ１８（例、対物レンズ１８ａおよび対物レンズ１８ｂ）を保持する。顕微鏡ＭＳは、レボルバ１７の回転により、複数の対物レンズ１８のうち光路（光軸ＡＸの周囲）に配置される対物レンズ（例、対物レンズ１８ａ）を切り替え可能である。

観察鏡筒１９は、レボルバ１７の上方に配置され、アーム１３の先端上部に取り付けられている。観察鏡筒１９は、アーム１３を基端として上方に延びており、その先端側が基端側に対して折れ曲がって傾斜している。接眼レンズ鏡筒２０は、観察鏡筒１９の先端側に接続されている。

以下、顕微鏡ＭＳの光学系の各部について、光源部１０から接眼レンズ鏡筒２０に向かう順に説明する。光源部１０は、照明光を射出する。光源部１０は、その筐体内に収容される光源２１を備える。光源２１は、ＬＥＤなどの固体光源であってもよいし、ランプ光源であってもよい。なお、顕微鏡ＭＳは、光源部１０の少なくとも一部を備えていなくてもよい。例えば、光源部１０は、観察の際に外付けされる態様であってもよい。

顕微鏡ＭＳは、光源部１０の光出射側に、基台１１に収容されたコレクタレンズ２２およびミラー２３を備える。コレクタレンズ２２は、例えば、その光軸が光軸ＡＸと同軸に設定され、光源部１０からの照明光束を平行にする。ミラー２３は、例えば、その反射面が光軸ＡＸと４５°の角度で配置される。コレクタレンズ２２からの照明光は、ミラー２３で反射し、上方に向かって進行する。

照明レンズユニット１４は、複数の絞り部２４（例、絞り部２４ａおよび絞り部２４ｂ）、ターレット２５、およびコンデンサレンズ２６を備える。複数の絞り部２４は、それぞれ、複数の対物レンズ１８のいずれかと１対１の対応で設けられる。例えば、絞り部２４ａは対物レンズ１８ａと対応し、絞り部２４ｂは対物レンズ１８ｂと対応する。ターレット２５は、複数の絞り部２４を保持し、所定軸２５ａの周りで回転可能である。所定軸２５ａは、例えば、光軸ＡＸと平行、かつ光軸ＡＸと直交する方向において光軸ＡＸからずれた位置に設定される。顕微鏡ＭＳは、ターレット２５の回転によって、複数の絞り部２４のうち光路（光軸ＡＸの周囲）に配置される絞り部（例、絞り部２４ａ）を切り替え可能である。なお、以下の説明において、複数の絞り部２４のうち照明光Ｌの光路に配置されている１つの絞り部を、適宜、符号２４を付して表す。

コンデンサレンズ２６は、絞り部２４（例、絞り部２４ａ）を通った照明光を集光し、試料Ｓに照射する。コンデンサレンズ２６の光軸は、光軸ＡＸと同軸である。以下、照明光の照射により試料Ｓから放射される光を観察光という。透過型の顕微鏡である場合に、観察光は試料Ｓで透過散乱した光を含み、反射型の顕微鏡である場合に、観察光は試料Ｓで反射散乱した光を含む。

試料Ｓは、例えば、コンデンサレンズ２６の後側焦点を含み光軸ＡＸに直交する面に配置される。複数の絞り部２４は、それぞれ、例えばコンデンサレンズ２６の前側焦点を含み光軸ＡＸに直交する面に配置される。

複数の対物レンズ１８は、それぞれ、その前側焦点面がコンデンサレンズ２６の後側焦点面と一致するように配置される。以下の説明において、複数の対物レンズ１８のうち、照明光の光路に配置されている１つの対物レンズを、適宜、第１対物レンズ１８と称す。

顕微鏡ＭＳは、第１対物レンズ（例、対物レンズ１８ａ）の光出射側に、観察鏡筒１９に保持された第２対物レンズ２７およびプリズム２８、並びに接眼レンズ鏡筒２０に保持された接眼レンズ２９を備える。第１対物レンズ１８および第２対物レンズ２７は、試料Ｓの像を形成する。プリズム２８は、第２対物レンズ２７からの観察光を、接眼レンズ２９へ導く。接眼レンズ２９は、例えば、第１対物レンズ１８および第２対物レンズ２７が形成した像をリレーする。

なお、顕微鏡ＭＳが備える対物レンズの数は、１つでもよいし、２以上の任意の数でもよい。対物レンズの数が１つの場合、絞り部２４の数は１つでもよい。また、プリズム２８は、観察光の少なくとも一部を、試料Ｓの像を撮像する撮像素子へ導いてもよい。また、プリズム２８は、観察光を分岐して、観察光の一部を撮像素子へ導くとともに、観察光の他の一部を接眼レンズ２９に導いてもよい。顕微鏡ＭＳは、上述の撮像素子を備えていてもよいし、備えていなくてもよい。例えば、撮像素子は、観察の際に顕微鏡ＭＳに外付けされてもよい。

本実施形態において、顕微鏡ＭＳは、偏斜照明観察用のモード（以下、偏斜モードという）と、暗視野観察用のモード（以下、暗視野モードという）とを有し、これらのモードを切り替え可能である。顕微鏡ＭＳは、絞り部２４を通る照明光の強度分布を可変であり、これにより、試料Ｓに向かう照明光の角度分布を変化させることができる。

図２（Ａ）は絞り部２４を示す斜視図であり、図２（Ｂ）は絞り部２４を示す平面図である。なお、以下の説明において、光軸ＡＸと平行な方向をＺ方向とし、Ｚ方向に直交する１方向をＸ方向とし、Ｘ方向およびＺ方向に直交する方向をＹ方向とする。図２（Ａ）に示すように、絞り部２４は、第１の偏光板３１、第２の偏光板３２、及び絞り部材３３を備える。

絞り部材３３は、照明光Ｌが通過可能な開口部３４を有する。絞り部材３３は、開口部３４の周囲が照明光Ｌを遮光する遮光部になっている。絞り部材３３は、例えば、円盤状の部材であり、光軸ＡＸと垂直に配置される。開口部３４は、コンデンサレンズ２６の光軸（光軸ＡＸ）を含む面Ｐｘｚを挟む一対の領域（領域Ａ４および領域Ａ５）のうち一方の領域Ａ４（＋Ｙ方向の領域）のみに配置されている。開口部３４は、コンデンサレンズの光軸（光軸ＡＸ）から離れた位置に配置されており、絞り部材３３は、光軸ＡＸ上の照明光Ｌを遮光する。開口部３４は、例えば、そのエッジの形状が矩形状である。

第１の偏光板３１は、光軸ＡＸの方向から平面的に見た場合に、開口部３４の一部を覆うように配置されている。第１の偏光板３１は、開口部３４の内側の領域の一部と重なるように配置されている。開口部３４の内側の領域（図２（Ｂ）参照）は、第１の偏光板３１を経由する照明光Ｌが通る調光領域Ａ１と、第１の偏光板３１を経由しない照明光Ｌが通る通過領域Ａ２とを含む。

第１の偏光板３１は、開口部３４のうち相対的に光軸ＡＸから近い部分を覆うとともに、開口部３４のうち相対的に光軸ＡＸから遠い部分を覆わないように、配置されている。すなわち、調光領域Ａ１は、通過領域Ａ２と比べて、光軸ＡＸの近くに配置される。第１の偏光板３１は、例えば、平面形状が矩形の角を丸めた形状の板状の部材であり、その１辺が開口部３４のエッジの１辺と平行になるように配置される。

第１の偏光板３１は、絞り部材３３に固定され、絞り部材３３とユニット化されている。第１の偏光板３１は、絞り部材３３のうち照明光Ｌの入射側の面に設けられている。第１の偏光板３１および絞り部材３３を含むユニットの一部は、例えば、コンデンサレンズ２６の前側焦点面またはその近傍に配置される。例えば、コンデンサレンズ２６の前側焦点面に、第１の偏光板３１の一部が配置されていてもよいし、絞り部材３３の一部が配置されていてもよい。

第１の偏光板３１および絞り部材３３は、例えば、照明光の光路に配置されている状態（例、観察中）において、光軸ＡＸの周りで回転しないように保持される。なお、第１の偏光板３１は、照明光Ｌの光路に配置されている状態において、光軸ＡＸの周りで回転可能であってもよい。例えば、第１の偏光板３１は、絞り部材３３とともに回転可能であってもよい。第１の偏光板３１の透過軸３１ａの方向は、任意に設定されるが、ここではＹ方向に平行であるとする。偏光板は、所定方向の直線偏光が通る光学部材であり、以下、所定方向に平行な軸を透過軸という。

第２の偏光板３２は、照明光Ｌの光路に配置されている。第２の偏光板３２は、例えば、第１の偏光板３１に対する照明光Ｌの入射側に配置される。第２の偏光板３２は、例えば円盤状の部材であり、光軸ＡＸと直交するように配置される。第２の偏光板３２は、第１の偏光板３１と相対的に回転可能である。ここでは、第１の偏光板３１の回転位置が固定されており、第２の偏光板３２は、第１の偏光板３１に対して光軸ＡＸの周りで回転可能である。第１の偏光板３１および第２の偏光板３２は、互いにオープンニコルの関係を満たす回転位置とクロスニコルの関係を満たす回転位置とに配置可能である。図２（Ａ）に示すように、第２の偏光板３２は、例えば、その透過軸３２ａが第１の偏光板３１の透過軸３１ａに平行となる回転位置から、その透過軸３２ａが第１の偏光板３１の透過軸３１ａに垂直となる回転位置まで、回転可能である。

顕微鏡ＭＳは、第１の偏光板３１と第２の偏光板３２とが相対的に回転することにより試料Ｓに入射する照明光Ｌの量を調整する。偏斜モードにおいて、第１の偏光板３１および第２の偏光板３２は、透過軸３１ａと透過軸３２ａとが非垂直（例、平行）となる回転位置に配置される。例えば、偏斜モードにおいて、透過軸３１ａと透過軸３２ａとの角度は、０°以上９０°未満に設定される。また、暗視野モードにおいて、第１の偏光板３１および第２の偏光板３２は、透過軸３１ａと透過軸３２ａとの角度が偏斜モードに比べて９０°に近くなる回転位置に、もしくは透過軸３１ａと透過軸３２ａの角度が９０°になる回転位置に配置される。そのため、暗視野モードでは、第１の偏光板３１を通る照明光Ｌの光量が偏斜モードに比べて少なくなり、絞り部２４を通る照明光Ｌのうち試料Ｓに対する入射角が相対的に小さい成分の光量が減少する。

また、第１の偏光板３１は、絞り部材３３と別の部材に取り付けられ、この部材に支持されていてもよい。この場合に、第１の偏光板３１は、光軸ＡＸの周りで回転可能であってもよいし、光軸ＡＸの周りで回転しないように固定されていてもよい。また、第１の偏光板３１が回転可能である場合、第２の偏光板３２は、第１の偏光板３１との回転位置の関係が変化するように、回転可能であってもよいし、回転しないように固定されていてもよい。

ここで、光軸ＡＸに関する放射方向（絞り部材３３上で光軸ＡＸを中心とする円の径方向）において、光軸ＡＸに近づく側を内側と称し、光軸ＡＸから離れる側を外側と称す。図２（Ｂ）に示すように、光軸ＡＸから開口部３４の内側のエッジまでの最短距離をｈ１とし、光軸ＡＸから開口部３４における第１の偏光板３１の外側のエッジまでの最短距離をｈ２とし、光軸ＡＸから開口部３４の外側のエッジまでの最長距離をｈ４とする。最短距離ｈ１および最短距離ｈ２は、コンデンサレンズ２６の焦点距離をｆとし、複数の対物レンズ１８から選択される１つの対物レンズの開口数をＮＡ１としたときに、下記の式（１）を満たすように設定される。
ｈ１＜ｆ×ＮＡ１≦ｈ２＜ｈ４・・・（１）

図２（Ｂ）において、開口部３４の形状は矩形状であり、最短距離ｈ１は、開口部３４の４辺のうち光軸ＡＸに最も近い辺から、光軸ＡＸまでの距離である。また、最長距離ｈ４は、開口部３４の４つの頂点のうち光軸ＡＸから最も遠い頂点から、光軸ＡＸまでの距離である。なお、図２（Ｂ）において、符号ｈ５は、最短距離ｈ１に対応する辺の対辺から光軸ＡＸの距離であり、距離ｈ５は、ｈ２＜ｈ５＜ｈ４の関係を満たす。

なお、図１に示したように、対になる絞り部と対物レンズとが複数組設けられる場合、絞り部は、対になる対物レンズとの間で、上記の式（１）を満たす。例えば、絞り部２４ａにおけるｈ１、ｈ２、及びｈ４は、対物レンズ１８ａの開口数に対して、上記の式（１）を満たすように設定される。また、絞り部２４ｂのｈ１、ｈ２、及びｈ４は、対物レンズ１８ｂの開口数に対して、上記の式（１）を満たすように設定される。

図３（Ａ）は偏斜モードにおける光路を示す図であり、図３（Ｂ）は暗視野モードにおける光路を示す図である。なお、図３（Ａ）および図３（Ｂ）において、絞り部２４よりも光源部１０側の光学系および対物レンズ１８よりも像面Ｖｐ側の光学系については図示を省略した。

なお、偏斜モードとは、第１の偏光板３１の透過軸と第２の偏光板３２の透過軸とが互いに垂直とならない場合を称し、暗視野モードとは、第１の偏光板３１の透過軸と第２の偏光板３２の透過軸とが互いに垂直または垂直に近い場合を称す。図３（Ａ）に示すように、偏斜モードにおいて絞り部２４に入射した照明光Ｌは、その一部が絞り部材３３の開口部３４のうち通過領域Ａ２を通り、他の一部が調光領域Ａ１を通る。なお、図３（Ａ）では、ｆ×ＮＡ１＝ｈ２である場合を例として示している。
ここで、照明光Ｌのうちその直接光が対物レンズ１８入射する光を低ＮＡ成分Ｌ１と称し、照明光Ｌのうちその直接光が対物レンズ１８に入射しない光を高ＮＡ成分Ｌ２と称す。図３（Ａ）、（Ｂ）に示す例では、ｆ×ＮＡ１＝ｈ２場合を示しているので、照明光Ｌのうち調光領域Ａ１を通る光が低ＮＡ成分Ｌ１となり、照明光Ｌのうち通過領域Ａ２を通る光は高ＮＡ成分Ｌ２となる。低ＮＡ成分Ｌ１および高ＮＡ成分Ｌ２は、それぞれ、コンデンサレンズ２６を介して試料Ｓに照射される。

偏斜モードでは、上述したように、第１の偏光板３１の透過軸と第２の偏光板３２の透過軸とは互いに垂直とならない回転位置にあるため、図３（Ａ）に示すように、低ＮＡ成分Ｌ１および高ＮＡ成分が試料Ｓに入射する。暗視野モードでは、上述したように、第１の偏光板３１の透過軸と第２の偏光板３２の透過軸とは互いに垂直または垂直に近い回転位置にあるため、図３（Ｂ）に示すように、低ＮＡ成分Ｌ１が試料に入射しないように構成されている。ユーザは、第１の偏光板３１または第２の偏光板３２を回転して、第１の偏光板３１の透過軸と第２の偏光板３２の透過軸との相対位置関係を調整することにより、低ＮＡ成分Ｌ１の光量を調整することが可能となる。つまり、ユーザは、偏斜モードと、暗視野モードとを切り替えることもできるし、偏斜モードにおける低ＮＡ成分Ｌ１の光量も調整することができる。したがって、ユーザは、低ＮＡ成分Ｌ１の光量を微調整しながら試料Ｓを観察することができる。

上述のような本実施形態に係る顕微鏡ＭＳは、式（１）の条件を満たす絞り部２４において、第１の偏光板３１と第２の偏光板３２の相対的な回転位置を変化させるので、試料Ｓに照射される照明光Ｌの強度分布の角度依存性を簡易に変化させることができる。第１の偏光板３１と第２の偏光板３２を相対的に回転させる場合、例えば、絞り部材３３を光軸ＡＸの交差方向にスライドさせなくとも、低ＮＡ成分Ｌ１の光量を調整することができる。そのため、例えば、絞り部材３３をスライドさせる際の開口部３４の位置決めなどを省くことができ、低ＮＡ成分Ｌ１の光量を簡易に調整することができる。

また、第１の偏光板３１に対する照明光Ｌの入射側に第２の偏光板３２が配置されている場合、第１の偏光板３１により低ＮＡ成分Ｌ１の光量を調整することができる。ここで、第１の偏光板３１は絞り部材３３の開口部３４の近傍に配置されていると、試料Ｓに入射する際の照明光Ｌの強度分布の角度依存性を精度よく調整することができる。

次に、絞り部２４の変形例について説明する。図４（Ａ）〜（Ｄ）はそれぞれ、変形例に係る絞り部２４を示す図である。

図４（Ａ）に示す第１変形例の絞り部２４は、絞り部材３３の開口部３４の平面形状が扇状（輪帯の一部）である。開口部３４のエッジは、例えば、光軸ＡＸを中心とし径が異なる２つの円の一部（円弧３５ａおよび円弧３５ｂ）と、光軸ＡＸに対する放射方向（径方向）に延びて円弧３５ａおよび円弧３５ｂを結ぶ直線３６とを含む。また、第１変形例において、第１の偏光板３１は、開口部３４を覆う部分の平面形状が扇状である。第１の偏光板３１は、例えば、光軸ＡＸを中心とする円盤状であるが、光軸ＡＸの方向から見た状態で開口部３４の外側に配置される部分の形状については任意に変更してもよい。

なお、絞り部２４は、開口部３４の平面形状が扇状であって、第１の偏光板３１のうち開口部３４を覆う部分の平面形状が矩形あるいはその他の形状であってもよい。また、絞り部２４は、開口部３４の平面形状が矩形状（スリット状）であって、第１の偏光板３１のうち開口部３４を覆う部分の平面形状が扇状あるいはその他の形状であってもよい。

図４（Ｂ）に示す第２変形例の絞り部２４において、第１の偏光板３１は、絞り部材３３の開口部３４の内側に配置されている。なお、第１の偏光板３１の厚みは、絞り部材３３の厚みと同じであってもよいし、絞り部材３３の厚み未満であってもよく、絞り部材３３の厚みを超えていてもよい。第１の絞り部材３３は、その全体が開口部３４の内側に配置されていてもよいし、その一部が開口部３４の外側に配置されていてもよい。

図４（Ｃ）に示す第３変形例の絞り部２４において、第１の偏光板３１は、絞り部材３３に対して第２の偏光板３２と反対側に配置されている。また、図４（Ｄ）に示す第４変形例において、第２の偏光板３２は、絞り部材３３に対して、照明光Ｌの出射側に配置されている。この場合、低ＮＡ成分Ｌ１は、第２の偏光板３２によって遮られる。

［第２実施形態］
第２実施形態について説明する。本実施形態において、上述の実施形態と同様の構成については、同じ符号を付してその説明を省略あるいは簡略化する。図５（Ａ）は、第２実施形態に係る絞り部２４を示す斜視図であり、図５（Ｂ）は絞り部２４を示す平面図である。

絞り部２４は、開口部３４の一部を覆う減光フィルタ（ＮＤフィルタ４１）を備える。ＮＤフィルタ４１は、第１の偏光板３１の上面に取り付けれ、第１の偏光板３１を介して絞り部材３３とユニット化されている。ＮＤフィルタ４１は、例えば、平面形状が矩形の板状の部材であり、その一辺が開口部３４のエッジの一辺と平行となるように配置される。

図５（Ｂ）に示すように、ＮＤフィルタ４１は、光軸ＡＸの方向から見た場合に、例えば、調光領域Ａ１の少なくとも一部を覆うとともに、通過領域Ａ２を覆わないように配置される。例えば、ＮＤフィルタ４１のうち開口部３４における外側のエッジと光軸ＡＸとの最短距離をｈ６としたときに、最短距離ｈ６は、ｈ１＜ｈ６≦ｈ２を満たすように設定される。図５（Ｂ）のようにＮＤフィルタ４１の平面形状が矩形状である場合、光軸ＡＸからＮＤフィルタ４１までの最長距離ｈ３は、ＮＤフィルタ４１の４つの頂点のうち光軸ＡＸから最も遠い頂点から、光軸ＡＸまでの距離である。最短距離ｈ６は、最長距離ｈ３に対応する辺の対辺から光軸ＡＸの距離であり、最短距離ｈ６は、ｈ６＜ｈ３の関係を満たす。以下、調光領域Ａ１のうちＮＤフィルタ４１と重なる領域を減光領域Ａ３という。減光領域Ａ３は、調光領域Ａ１のうち相対的に光軸ＡＸに近い位置に設定される。

図６は、偏斜モードにおける光路を示す図である。なお、図６において、絞り部２４よりも光源部１０側の光学系および対物レンズ１８よりも像面Ｖｐ側の光学系については図示を省略した。また、暗視野モードについては、ＮＤフィルタ４１を通った照明光Ｌが第１の偏光板３１によって遮光されるため、図３（Ｂ）に示した暗視野モードと同様である。

偏斜モードにおいて、絞り部２４に入射した照明光Ｌのうち低ＮＡ成分Ｌ１および高ＮＡ成分Ｌ２は、それぞれ、コンデンサレンズ２６を介して試料Ｓに照射される。ここで、低ＮＡ成分Ｌ１が減光領域Ａ３を通る際に光量が減少しているので、試料Ｓにおいて構造の背景の明るさが増すことを抑制することができる。

ところで、試料Ｓに入射する際の照明光Ｌが高ＮＡ側に偏ると、例えば、試料Ｓの構造などによってムラが生じやすくなることがある。このようなムラを減らすには、例えば、絞り部２４から出射する照明光Ｌにおいて低ＮＡ側の成分を増加させるとよい。低ＮＡ側の成分を増加させるには、例えば、光軸ＡＸから開口部３４のエッジまでの最短距離ｈ１を減少させればよい。一方、低ＮＡ側の成分が増加すると、試料Ｓにおける構造の背景が明るくなり、構造の像のコントラストが低下することがある。

そこで、本実施形態においては、絞り部２４を通る照明光Ｌのうち低ＮＡ側の成分の一部をＮＤフィルタ４１によって除くことにした。例えば、ＮＤフィルタ４１を用いない場合と比較して最短距離ｈ１を減少させ、低ＮＡ側の成分の光量をＮＤフィルタ４１により減らすことにより、試料Ｓに入射する際の照明光Ｌを低ＮＡ側に広げつつ、低ＮＡ成分Ｌ１の光量の増加を抑えることができる。これにより、試料Ｓにおける構造の像のコントラストを確保しつつ、像のムラを減らすことができる。

本願発明者は、研究開発を行った結果、減光領域Ａ３の設定に応じて結像性能が変化することを見出した。本願発明者は、α＝（ｈ６−ｈ１）／（ｈ２−ｈ１）によりパラメータαを定義した場合、αが小さくなるほどシェーディング影響が大きくなる傾向があり、αが大きくなるほど試料Ｓのエッジが強調された像が得られる傾向があることを見出した。本願発明者は、ｈ１、ｈ６を変化させつつ、結像性能を評価した。なお、ここでいうシェーディングとは、視野の照明の明るさが不均一になる現象であり、特に本実施形態では、一次元に変化する現象である。

図７は、ｈ１、ｈ６を変化させた際のαの値および結像性能の評価結果を示す表である。この評価において、ｈ２は０．６５×f［ｍｍ］の固定値とし、ｈ１、ｈ６を０．０５×f［ｍｍ］の刻みで変化させた。図７において、ｈ１およびｈ６の単位はｍｍである。各セルにおいて、上段はαの値であり、下段は結像性能の評価結果を○または×で表したものである。図７に示すように、αが０．２２以上である場合、シェーディングの影響が所定のレベル以下に抑えられ、結像結果が良好（○）であった。また、αが０．７５以下の場合、試料Ｓのエッジの強調が過剰になることが抑えられ、結像結果が良好（○）であった。このような観点で、ｈ１、ｈ６は、０．２２≦（ｈ６−ｈ１）／（ｈ２−ｈ１）≦０．７５を満たすように、設定されているとよい。

また、本願発明者は、ＮＤフィルタ４１の透過率Ｔ［％］に応じて結像性能が変化することも見出した。本願発明者は、透過率Ｔを変化させて数値シミュレーションを行い、結像性能を評価した。

図８（Ａ）〜（Ｃ）は、計算条件を示す説明図である。図８（Ａ）に示すように、開口部３４の形状は扇形、開口部３４における第１の偏光板３１の形状、および開口部３４におけるＮＤフィルタ４１の形状は、光軸ＡＸを中心とする同心円の一部（扇形）である。開口部３４のうち光軸ＡＸに近い側の円弧の半径をｈ１とし、第１の偏光板３１のうち光軸ＡＸから遠い側の円弧の半径をｈ２とし、ＮＤフィルタ４１のうち光軸ＡＸから遠い側の円弧の半径をｈ６とした。図８（Ａ）に示すｈ１、ｈ２、ｈ６はそれぞれ、図２〜図６に記載したｈ１、ｈ２、ｈ６に対応する。また、扇形の開き角θは６０°とした。

図８（Ｂ）に示すように、数値シミュレーション用の試料Ｓｘは、１次元の周期パターンとした。試料Ｓｘは、方向Ｄｓに単位構造が周期的に並んでおり、方向Ｄｓにおける試料Ｓｘのエッジの間隔をｐで表す。ｐは約２μｍの振幅物体であり、照明光の波長は５５０ｎｍである。試料Ｓの透過率は、図８（Ｃ）に示すように、方向Ｄｓにおける位置が０（符号Ｓ_０で表す）において１００［％］である。位置Ｓ_０は、図８（Ｂ）に示した試料Ｓｘにおいて、エッジ間の中心位置である。図８（Ｃ）において、透過率が１００％である範囲の端の位置を符号Ｓ_２で表し、位置Ｓ_０と位置Ｓ_２との中間位置を符号Ｓ_１で表した。

図８（Ｄ）は、透過率Ｔを小さくした場合の像強度分布を示す図であり、図８（Ｅ）は、透過率Ｔを大きくした場合の像強度分布を示す図である。図８（Ｄ）および（Ｅ）において、符号Ｉ_０、Ｉ_１、Ｉ_２は、それぞれ、図８（Ｃ）に示した位置Ｓ_０、Ｓ_１、Ｓ_２に対応する光強度（任意単位、ａ．ｕ．）である。

図８（Ｄ）に示すように、Ｔが減少するにつれて光強度Ｉ_０が減少し、２つのピークがあるように見えてしまう。図８（Ｅ）に示すように、Ｔが増加するにつれて光強度Ｉ_０が増加し、３つのピークが見えてしまう。本願発明者は、上記現象を新たに見出し、Ｔの適切な範囲を見出した。すなわち、透過率Ｔ［％］は、３０％≦Ｔ≦７０％の範囲に設定されているとよい。

次に、変形例について説明する。図９（Ａ）〜（Ｄ）はそれぞれ、変形例に係る絞り部２４を示す図である。

図９（Ａ）に示す第５変形例の絞り部２４において、ＮＤフィルタ４１は、開口部３４を覆う部分の平面形状が扇状である。ＮＤフィルタ４１は、例えば、光軸ＡＸを中心とする円盤状であるが、光軸ＡＸの方向から見た状態で開口部３４の外側に配置される部分の形状については任意に変更してもよい。

なお、絞り部２４は、開口部３４の平面形状が扇状であって、ＮＤフィルタ４１のうち開口部３４を覆う部分の平面形状が矩形あるいはその他の形状であってもよい。また、絞り部２４は、開口部３４の平面形状が矩形状（スリット状）であって、ＮＤフィルタ４１のうち開口部３４を覆う部分の平面形状が扇状あるいはその他の形状であってもよい。

図９（Ｂ）に示す第６変形例の絞り部２４において、第１の偏光板３１は、絞り部材３３の開口部３４の内側に配置されており、ＮＤフィルタ４１は、第１の偏光板３１上と絞り部材３３上とにわたって、絞り部材３３に対する照明光Ｌの入射側に設けられている。

なお、ＮＤフィルタ４１の厚みは、絞り部材３３の厚みと同じであってもよいし、絞り部材３３の厚み未満であってもよく、絞り部材３３の厚みを超えていてもよい。ＮＤフィルタ４１は、第１の偏光板３１と接していてもよいし、第１の偏光板３１と接していなくてもよい。ＮＤフィルタ４１は、その全体が開口部３４の内側に配置されていてもよいし、その一部が開口部３４の外側に配置されていてもよい。

図９（Ｃ）に示す第７変形例の絞り部２４において、ＮＤフィルタ４１は、絞り部材３３の開口部３４の内側に配置されており、第１の偏光板３１は、ＮＤフィルタ４１上と絞り部材３３上とにわたって設けられている。第１の偏光板３１は、ＮＤフィルタ４１に対する照明光Ｌの入射側に設けられている。

図９（Ｄ）に示す第８変形例の絞り部２４において、第１の偏光板３１は、絞り部材３３における照明光Ｌの入射側に面に配置されており、ＮＤフィルタ４１は、絞り部材３３における照明光Ｌの出射側の面に配置されている。

図９（Ｅ）に示す第９変形例の絞り部２４において、ＮＤフィルタ４１は、絞り部材３３における照明光Ｌの入射側に面に配置されており、第１の偏光板３１は、絞り部材３３における照明光Ｌの出射側の面に配置されている。

上述の変形例のように、ＮＤフィルタ４１は、第１の偏光板３１に対する照明光Ｌの入射側に配置されていてもよいし、第１の偏光板３１からの照明光Ｌの出射側に配置されていてもよい。また、ＮＤフィルタ４１は、絞り部材３３とユニット化されていなくてもよく、絞り部材３３および第１の偏光板３１と別の部材に支持されていてもよい。また、絞り部２４がＮＤフィルタ４１を備える場合に、例えば図３（Ｄ）に示したように、第２の偏光板３２は、第１の偏光板３１からの照明光Ｌの出射側に配置されていてもよい。

なお、本発明の技術範囲は、上述の実施形態などで説明した態様に限定されるものではない。上述の実施形態などで説明した要件の１つ以上は、省略されることがある。また、上述の実施形態などで説明した要件は、適宜組み合わせることができる。また、法令で許容される限りにおいて、上述の実施形態などで引用した全ての文献の開示を援用して本文の記載の一部とする。

１８・・・対物レンズ、２４・・・絞り部、２６・・・コンデンサレンズ、
３１・・・第１の偏光板、３１ａ・・・吸収軸、３２・・・第２の偏光板、
３２ａ・・・吸収軸、３３・・・絞り部材、３４・・・開口部、ＡＸ・・・光軸、
ｈ１・・・最短距離、ｈ２・・・最短距離、ｈ６・・・最短距離、Ｌ・・・照明光、
ＭＳ・・・顕微鏡、Ｓ・・・試料

Claims

照明光が通過可能な開口部を有する絞り部材と、
前記開口部の一部を覆う第１の偏光板と、
前記照明光の光路に配置され、前記第１の偏光板と相対的に回転可能な第２の偏光板と、
前記第１の偏光板および前記第２の偏光板を通った前記照明光を試料に照射するコンデンサレンズと、
前記試料の観察側に配置される対物レンズと、を備え、
前記開口部は、前記コンデンサレンズの光軸を含む面を挟む一対の領域のうち一方の領域のみに、前記コンデンサレンズの光軸から離れた位置に配置され、
前記コンデンサレンズの光軸から前記開口部のエッジまでの最短距離をｈ１とし、前記光軸から前記開口部における前記第１の偏光板のエッジまでの最短距離をｈ２とし、前記コンデンサレンズの光軸から前記開口部のエッジまでの最長距離をｈ４とし、前記コンデンサレンズの焦点距離をｆとし、前記対物レンズの開口数をＮＡ１としたときに、
ｈ１＜ｆ×ＮＡ１≦ｈ２＜ｈ４を満たし、
前記開口部の一部を覆うＮＤフィルタを備え、
前記光軸から前記開口部における前記ＮＤフィルタのエッジまでの最短距離をｈ６としたときに、ｈ１＜ｈ６≦ｈ２を満たし、
前記ＮＤフィルタに対する前記照明光の透過率をＴとしたときに、０．２２≦（ｈ６−ｈ１）／（ｈ２−ｈ１）≦０．７５、かつ３０％≦Ｔ≦７０％を満たす、ことを特徴とする顕微鏡。
前記第１の偏光板と前記第２の偏光板とが相対的に回転することにより、前記対物レンズの開口角以下の角度で前記試料に入射する光の量を調整する、ことを特徴とする請求項１に記載の顕微鏡。
前記第１の偏光板と前記第２の偏光板とは、それぞれの透過軸が互いに平行となる回転位置から、それぞれの透過軸が互いに垂直となる回転位置まで、相対的に回転可能である、ことを特徴とする請求項１または２に記載の顕微鏡。
前記第２の偏光板は、前記第１の偏光板に対する前記照明光の入射側に配置されている、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の顕微鏡。
前記第１の偏光板は、前記絞り部材とユニット化されている、ことを特徴とする請求項４に記載の顕微鏡。
前記第１の偏光板および前記絞り部材の一部は、前記コンデンサレンズの前側焦点面に配置される、ことを特徴とする請求項５に記載の顕微鏡。
前記第１の偏光板の回転位置が固定されており、前記第２の偏光板は、前記第１の偏光板に対して回転可能である、ことを特徴とする請求項５または６に記載の顕微鏡。