(57)【要約】【課題】  視野むらを確実に除去することができ、複屈折部材への入射角が大きくても良好な微分干渉像を得ることができる微分干渉顕微鏡を提供する。【解決手段】  第１複屈折部１５を介して物体を照明する照明手段(１１〜１６)と、第２複屈折部１５を介して物体の微分干渉像を形成する結像手段(１４〜１７)とを備え、第１複屈折部および第２複屈折部は、併せて、正の複屈折性を示す１つ以上の第１光学部材と、負の複屈折性を示す１つ以上の第２光学部材とを含み、第１光学部材と第２光学部材とは、条件式（｜ｎｏ１−ｎｅ２｜＜ε，｜ｎｅ１−ｎｏ２｜＜ε）を満足する。ｎｏ１,ｎｅ１は前記第１光学部材の常光線,異常光線に対する屈折率、ｎｏ２,ｎｅ２は前記第２光学部材の常光線,異常光線に対する屈折率、εは屈折率差の許容範囲を示す閾値を表す。【選択図】      図１
2006308975.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１複屈折部を介して物体を照明する照明手段と、
第２複屈折部を介して前記物体の微分干渉像を形成する結像手段とを備え、
前記第１複屈折部および前記第２複屈折部は、併せて、正の複屈折性を示す１つ以上の第１光学部材と、負の複屈折性を示す１つ以上の第２光学部材とを含み、
前記第１光学部材と前記第２光学部材とは、次の条件式を満足する
｜ｎｏ１−ｎｅ２｜＜ε
｜ｎｅ１−ｎｏ２｜＜ε
（ｎｏ１,ｎｅ１は前記第１光学部材の常光線,異常光線に対する屈折率、ｎｏ２,ｎｅ２は前記第２光学部材の常光線,異常光線に対する屈折率、εは屈折率差の許容範囲を示す閾値を表す）
ことを特徴とする微分干渉顕微鏡。
【請求項２】
請求項１に記載の微分干渉顕微鏡において、
前記第１光学部材と前記第２光学部材との少なくも一方は、透光性複屈折セラミックスからなる
ことを特徴とする微分干渉顕微鏡。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の微分干渉顕微鏡において、
前記閾値εは、次の条件式を満足する
ε＜０.０１
ことを特徴とする微分干渉顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体の微分干渉観察を行う微分干渉顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
微分干渉顕微鏡では、物体の微分干渉像を得るために、ウォラストンプリズムやノマルスキィプリズムなどの複屈折部材を用いている。一般的な複屈折部材は、２つの楔形プリズムを接合したものであり、楔形プリズムの各々が水晶や方解石などの結晶からなる。また、結晶特有の収差に起因して視野内にコントラストや色のむら（以下「視野むら」）が生じることを回避するために、光学的に逆の性質を持つ正結晶と負結晶とを組み合わせて微分干渉像を得ることが提案されている（例えば特許文献１を参照）。
【特許文献１】特開平２−１５１８２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、正結晶と負結晶の種類は限られており、それぞれの屈折率楕円体は完全に正負対称形ではないため、正結晶と負結晶とを組み合わせても、視野むらが残存してしまう。このため、微分干渉顕微鏡において複屈折部材への入射角が大きい光学系を構成した場合には、視野むらの残存により良好な微分干渉像を得ることはできなかった。
本発明の目的は、視野むらを確実に除去することができ、複屈折部材への入射角が大きくても良好な微分干渉像を得ることができる微分干渉顕微鏡を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の微分干渉顕微鏡は、第１複屈折部を介して物体を照明する照明手段と、第２複屈折部を介して前記物体の微分干渉像を形成する結像手段とを備え、前記第１複屈折部および前記第２複屈折部は、併せて、正の複屈折性を示す１つ以上の第１光学部材と、負の複屈折性を示す１つ以上の第２光学部材とを含み、前記第１光学部材と前記第２光学部材とは、次の条件式を満足するものである。ただし、ｎｏ１,ｎｅ１は前記第１光学部材の常光線,異常光線に対する屈折率、ｎｏ２,ｎｅ２は前記第２光学部材の常光線,異常光線に対する屈折率、εは屈折率差の許容範囲を示す閾値を表す。
【０００５】
｜ｎｏ１−ｎｅ２｜＜ε
｜ｎｅ１−ｎｏ２｜＜ε
また、前記第１光学部材と前記第２光学部材との少なくも一方は、透光性複屈折セラミックスからなることが好ましい。
さらに、前記閾値εは、次の条件式を満足することが好ましい。
【０００６】
ε＜０.０１
【発明の効果】
【０００７】
本発明の微分干渉顕微鏡によれば、視野むらを確実に除去することができ、複屈折部材への入射角が大きい光学系でも良好な微分干渉像を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
（第１実施形態）
ここでは、反射型の微分干渉顕微鏡を例に説明する。
第１実施形態の微分干渉顕微鏡１０は、図１に示す通り、物体１０Ａを照明する照明系(１１〜１６)と、物体１０Ａの微分干渉像を像面１０Ｂに形成する結像系(１４〜１７)とで構成される。
【０００９】
照明系(１１〜１６)は、光源１１と、コレクタレンズ１２と、ポラライザ１３と、ビームスプリッタ１４と、複屈折部材１５と、対物レンズ１６とで構成される。また、結像系(１４〜１７)は、上記の照明系(１１〜１６)と共用の光学素子(１４〜１６)と、アナライザ１７とで構成される。ポラライザ１３とアナライザ１７とは、クロスニコル状態に配置されている。
【００１０】
上記構成の微分干渉顕微鏡１０において、光源１１からの照明光は、コレクタレンズ１２を介してポラライザ１３に入射し、所定の振動方向の直線偏光となる。ポラライザ１３からの直線偏光は、ビームスプリッタ１４で反射して複屈折部材１５に入射し、振動方向が互いに直交する２つの直線偏光に分離される。この２つの直線偏光は、対物レンズ１６を介して互いに略平行な集光光となり、物体１０Ａの異なる位置を垂直に照明する。物体１０Ａにおける２光束の照明位置の横ずれ量は僅かである。
【００１１】
そして、物体１０Ａの僅かに横ずれした２箇所のそれぞれで反射した光は、再び対物レンズ１６を介して複屈折部材１５に入射し、そこで合成されて同一光路を進む光となる。複屈折部材１５からの２光束は、ビームスプリッタ１４を介してアナライザ１７に入射し、同一の振動方向の成分が取り出されて偏光干渉する。その後、偏光干渉した光が像面１０Ｂに導かれ、像面１０Ｂに微分干渉像（コントラスト像）が形成される。
【００１２】
次に、微分干渉顕微鏡１０の視野むらの残存量に関わる複屈折部材１５の構成について説明する。
複屈折部材１５は、２つの楔形プリズム５Ａ,５Ｂを接合した平行平面板である。また、楔形プリズム５Ａ,５Ｂのうち一方は正の複屈折性を示す物質からなり、他方は負の複屈折性を示す物質からなる。正／負の複屈折性を示す各物質は楔形プリズム５Ａ,５Ｂのどちらでも構わないが、以下の説明では、正の複屈折性を示す方を楔形プリズム５Ａとし、負の複屈折性を示す方を楔形プリズム５Ｂとする。
【００１３】
複屈折部材１５の配置は、対物レンズ１６の後側焦点面の近傍とすることが好ましい。この場合、楔形プリズム５Ａ,５Ｂの各結晶軸（光学軸）の方向は、図２(ａ),(ｂ)に“←→”や“＋”で示す通り、互いに平行となるように構成すればよい。また、複屈折部材１５を対物レンズ１６の後側焦点面に配置できない場合は、図２(ｃ),(ｄ)に示す通り、楔形プリズム５Ａ,５Ｂのうちプリズム楔法線方向と平行な光学軸の少なくとも１つをプリズム入射面や射出面に対して傾ければよい。
【００１４】
さらに、複屈折部材１５は、正の複屈折性を示す楔形プリズム５Ａが、水晶などの正結晶または透光性複屈折セラミックスからなり、負の複屈折性を示す楔形プリズム５Ｂが、方解石やサファイアなどの負結晶または透光性複屈折セラミックスからなり、楔形プリズム５Ａ,５Ｂの少なくとも一方が、透光性複屈折セラミックスからなる。このため、複屈折部材１５の構成物質としては表１の組み合わせ(１)〜(３)が考えられる。
【００１５】
【表１】
2006308975.tif 000003
透光性複屈折セラミックスは、2004年10月に開催された展示会（CEATEC JAPAN 2004）で、(株)村田製作所が参考出品した物質である。この物質は、一般的な複屈折結晶と同様の複屈折性を示すが、次の点で一般的な複屈折結晶とは異なっている。つまり、透光性複屈折セラミックスは、その組成や製造工程(温度など)に依存して屈折率楕円体（例えば常光線,異常光線に対する屈折率ｎｏ,ｎｅなどのパラメータ）を自在に調整可能であり、所望の値に設計することができる。例えば、上記の組み合わせ(１)〜(３)のように、正の複屈折性を示すように設計することも、負の複屈折性を示すように設計することも自在である。
【００１６】
そして、正の複屈折性を示す楔形プリズム５Ａと負の複屈折性を示す楔形プリズム５Ｂとは、次の条件式(１),(２)を満足するように（つまり各々の屈折率楕円体が正負対称形となるように）、各パラメータｎｏ１,ｎｅ１,ｎｏ２,ｎｅ２が調整される。
｜ｎｏ１−ｎｅ２｜＜ε  …(１)
｜ｎｅ１−ｎｏ２｜＜ε  …(２)
条件式(１)において、ｎｏ１,ｎｅ１は楔形プリズム５Ａ（正の複屈折性を示す物質）の常光線,異常光線に対する屈折率を表し、ｎｏ２,ｎｅ２は楔形プリズム５Ｂ（負の複屈折性を示す物質）の常光線,異常光線に対する屈折率を表している。
【００１７】
各パラメータｎｏ１,ｎｅ１,ｎｏ２,ｎｅ２の調整は、表１の組み合わせ(１)の場合、正結晶の屈折率ｎｏ１,ｎｅ１（固定値）に対して条件式(１),(２)を満足するように透光性複屈折セラミックスの屈折率ｎｏ２,ｎｅ２を選定すればよい。また、組み合わせ(２)の場合は、負結晶の屈折率ｎｏ２,ｎｅ２（固定値）に対して透光性複屈折セラミックスの屈折率ｎｏ１,ｎｅ１を選定すればよい。組み合わせ(３)の場合には屈折率ｎｏ１,ｎｅ１と屈折率ｎｏ２,ｎｅ２とを自由に組み合わせることができる。
【００１８】
また、εは屈折率差の許容範囲を示す閾値であり、視野むらの残存量の許容範囲に応じて、経験的に次の条件式(３)を満足することが好ましく、ε〜０とすることがさらに好ましい。
ε＜０.０１  …(３)
屈折率差（条件式(１),(２)の左辺）が閾値ε以上になると、複屈折部材１５への斜入射光の常光線と異常光線との位相差（リタデーション）が大きくなり、視野むらの残存量が大きくなる。このため、複屈折部材１５への入射角が大きい場合には、良好な微分干渉像を得ることができなくなってしまう。なお、従来のような正結晶と負結晶との組み合わせでは、条件式(１)〜(３)を満足することはない。
【００１９】
本実施形態では、複屈折部材１５を構成するに当たり、屈折率差（条件式(１),(２)の左辺）を閾値εより小さくするため、複屈折部材１５への斜入射光の常光線と異常光線との位相差（リタデーション）を非常に小さくすることができ、視野むらを確実に除去することができる。このため、複屈折部材１５への入射角が大きくても良好な微分干渉像を得ることができる。特に、閾値εが条件式(３)を満足する場合には、視野むらをほぼ完全に相殺することができ、全視野を有効に使用可能となる。
【００２０】
上記の複屈折部材１５を対物レンズ１６の後側焦点面に配置したときの視野むらの計算例を図３(ａ)に点線で示す。図３(ａ)の横軸は視野のｙ方向（図３(ｄ)）の位置を表し、縦軸は視野むらの残存量の目安としてリタデーションを表す。この計算は、マクロ顕微鏡（無限遠補正光学系）を想定して、表２の条件にしたがって行った。表２の対物レンズと第２対物レンズとは、併せて、図１の対物レンズ１６と同等の機能を発揮する。
【００２１】
【表２】
2006308975.tif 000004
また、図３(ａ)の計算結果は、複屈折部材１５の楔形プリズム５Ａ（正の複屈折性を示す物質）を水晶とし、楔形プリズム５Ｂ（負の複屈折性を示す物質）を透光性複屈折セラミックスとし、各結晶軸（光学軸）の方向を図２(ａ)のように構成し、それぞれの厚さを１ｍｍとした場合の結果である。水晶の常光線,異常光線に対する屈折率ｎｏ,ｎｅは表３の通りであり、これに対して条件式(１)〜(３)を満足するように透光性複屈折セラミックスの屈折率ｎｏ,ｎｅを定めている。表３の屈折率は何れもｄ線の波長域での値である。
【００２２】
【表３】
2006308975.tif 000005
比較のために、従来の構成での計算結果を、図３(ｂ),(ｃ)に示す。図３(ｂ)は、楔形プリズム５Ａ,５Ｂを水晶,サファイアとし、各結晶軸の方向を図２(ａ)のように構成した場合の計算結果である（厚さは水晶１ｍｍ,サファイア１.１４７ｍｍ）。サファイアの屈折率ｎｏ,ｎｅも表３に示した。図３(ｃ)は、楔形プリズム５Ａ,５Ｂを水晶,水晶とし、各結晶軸の方向を図３(ｅ)のように互いに直交する構成とした場合の計算結果である（厚さは各１ｍｍ）。
【００２３】
図３(ａ)と図３(ｂ),(ｃ)との比較から、従来の構成（図３(ｂ),(ｃ)）では視野むらの残存量（リタデーション）が非常に大きいのに対して、本実施形態の構成（図３(ａ)）では視野むらが殆ど残っていないことが分かる。具体的な数値を上げると、視野の周辺におけるリタデーションは、図３(ａ),(ｂ),(ｃ)の各々に関し、約１ｎｍ,１５ｎｍ,１２０ｎｍとなっている。
【００２４】
ちなみに、リタデーションが約５ｎｍを超えると、目視にて視野むらの存在が明かになる。この点からも、従来の構成（図３(ｂ),(ｃ)）では視野むらの残存量が非常に大きく、本実施形態の構成（図３(ａ)）では視野むらを確実に除去できることが分かる。
このように、本実施形態の微分干渉顕微鏡１０では、視野むらを確実に除去することができるため、複屈折部材１５への入射角が大きくても良好な微分干渉像を得ることができる。複屈折部材１５への入射角が大きい光学系には、上記の計算例で想定した低倍マクロ観察が可能な光学系や、シア量の大きな微分干渉光学系、対物レンズの後側焦点面から複屈折部材までの距離が離れている配置の光学系などがある。このような光学系であっても、上記の複屈折部材１５を用いることで、常光線と異常光線との位相差（リタデーション）を完全に相殺することができ、視野むらをほぼ完全に除去して、高コントラストで良好な微分干渉像を得ることができる。
（第２実施形態）
ここでは、反射型の微分干渉顕微鏡の他の構成例を説明する。
【００２５】
第２実施形態の微分干渉顕微鏡２０は、図４(ａ)に示す通り、上記した図１の微分干渉顕微鏡１０の複屈折部材１５に代えて、複屈折部材２１と補償板２２とを設けたものである。その他の構成は同様であるため、ここでの説明を省略する。
複屈折部材２１は、２つの楔形プリズム２Ａ,２Ｂを接合した平行平面板である。また、楔形プリズム２Ａ,２Ｂのうち一方は複屈折性を示す物質からなり、他方は硝子などの等方性物質からなる。各物質は楔形プリズム２Ａ,２Ｂのどちらでも構わないが、以下の説明では、複屈折性を示す方を楔形プリズム２Ａとし、等方性の方を楔形プリズム２Ｂとする。
【００２６】
補償板２２は、複屈折性を示す物質からなる平行平面板である。補償板２２の厚さは、複屈折部材１５のうち複屈折性を示す楔形プリズム２Ａの中心厚に等しい。補償板２２のの光学軸の方向は、複屈折部材１５のうち複屈折性を示す楔形プリズム２Ａの光学軸と直交し、図４(ｂ)または図４(ｃ)となるように構成される。
さらに、複屈折性を示す楔形プリズム２Ａと補償板２２とのうち、一方は正の複屈折性を示す物質からなり、他方は負の複屈折性を示す物質からなる。正／負の複屈折性を示す各物質は楔形プリズム２Ａと補償板２２のどちらでも構わないが、以下の説明では、正の複屈折性を示す方を楔形プリズム２Ａとし、負の複屈折性を示す方を補償板２２とする。
【００２７】
また、正の複屈折性を示す楔形プリズム２Ａは、水晶などの正結晶または透光性複屈折セラミックスからなり、負の複屈折性を示す補償板２２は、方解石やサファイアなどの負結晶または透光性複屈折セラミックスからなり、楔形プリズム２Ａ,補償板２２の少なくとも一方が、透光性複屈折セラミックスからなる。このため、複屈折部材２１と補償板２２の構成物質としては表４の組み合わせ(１)〜(３)が考えられる。
【００２８】
【表４】
2006308975.tif 000006
そして、第２実施形態でも、複屈折部材２１と補償板２２とを構成するに当たり、正の複屈折性を示す楔形プリズム２Ａと負の複屈折性を示す補償板２２とが、上記の条件式(１)〜(３)を満足するように（つまり各々の屈折率楕円体が正負対称形となるように）、楔形プリズム２Ａの屈折率ｎｏ１,ｎｅ１と、補償板２２の屈折率ｎｏ２,ｎｅ２との調整が成される。
【００２９】
したがって、複屈折部材２１への斜入射光の常光線と異常光線との位相差（リタデーション）を非常に小さくすることができ、視野むらを確実に除去することができる。このため、複屈折部材２１への入射角が大きくても良好な微分干渉像を得ることができる。特に、閾値εが条件式(３)を満足する場合には、視野むらをほぼ完全に相殺することができ、全視野を有効に使用可能となる。
（第２実施形態の変形例）
なお、補償板２２の配置は、上記例に限らず、ビームスプリッタ１４とアナライザ１７との間でもよい。この場合、補償板２２は、その厚さを、複屈折部材２１のうち複屈折性を示す楔形プリズム２Ａの中心厚の２倍に等しくすればよい。
【００３０】
また、上記した第２実施形態では、複屈折部材２１の楔形プリズム２Ａ,２Ｂのうち一方（例えば楔形プリズム２Ｂ）を硝子などの等方性物質で構成したが、本発明はこれに限定されない。複屈折部材２１のうち等方性物質の楔形プリズムを省略して、複屈折性を示す物質のみからなる楔形の複屈折部材としても構わない。
さらに、上記した第２実施形態では、複屈折部材２１の楔形プリズム２Ａ,２Ｂのうち、一方（例えば楔形プリズム２Ｂ）を硝子などの等方性物質で構成したが、両方とも複屈折性を示す物質で構成してもよい。例えば、楔形プリズム２Ａ,２Ｂの両方を正結晶とし、この場合の視野むらの残存量（図３(ｃ)）を除去するために、補償板２２を透光性複屈折セラミックスにて構成してもよい。さらに、楔形プリズム２Ａ,２Ｂを正結晶,負結晶にて構成し、この場合の視野むらの残存量（図３(ｂ)）を除去するために、補償板２２を透光性複屈折セラミックスにて構成してもよい。
（第３実施形態）
ここでは、透過型の微分干渉顕微鏡を例に説明する。
【００３１】
第３実施形態の微分干渉顕微鏡３０は、図５に示す通り、物体１０Ａを照明する照明系(１１〜１３,３１,３２)と、物体１０Ａの微分干渉像を像面１０Ｂに形成する結像系(１６,３３,１７)とで構成される。光源１１からの照明光は、コレクタレンズ１２とポラライザ１３と複屈折部材３１とコンデンサレンズ３２とを介して、物体１０Ａの僅かに横ずれした２箇所に入射する。物体１０Ａからの透過光は、対物レンズ１６と複屈折部材３３とアナライザ１７とを介して像面１０Ｂに入射し、物体１０Ａの微分干渉像を形成する。
【００３２】
第３実施形態では、照明系(１１〜１３,３１,３２)と結像系(１６,３３,１７)との各々に複屈折部材３１,３３が１つずつ配置される。複屈折部材３１の楔形プリズム１Ａ,１Ｂの構成、および、複屈折部材３３の楔形プリズム３Ａ,３Ｂの構成は、それぞれ、上記した複屈折部材１５（図１,表１）と同じである。
したがって、複屈折部材３１,３２への斜入射光の常光線と異常光線との位相差（リタデーション）を非常に小さくすることができ、視野むらを確実に除去することができる。このため、複屈折部材３１,３２への入射角が大きくても良好な微分干渉像を得ることができる。特に、閾値εが条件式(３)を満足する場合には、視野むらをほぼ完全に相殺することができ、全視野を有効に使用可能となる。
（第３実施形態の変形例）
上記した第３実施形態では、複屈折部材３１の楔形プリズム１Ａ,１Ｂと複屈折部材３３の楔形プリズム３Ａ,３Ｂとの全てが複屈折性を示す物質からなる例を説明したが、本発明はこれに限定されない。複屈折部材３１の楔形プリズム１Ａ,１Ｂを複屈折性の物質と等方性物質とで構成し、複屈折部材３３の楔形プリズム３Ａ,３Ｂを複屈折性の物質と等方性物質とで構成してもよい。
【００３３】
この場合、複屈折部材３１のうち複屈折性の物質からなる楔形プリズム、および、複屈折部材３３のうち複屈折性の物質からなる楔形プリズムを、表１の楔形プリズム５Ａ,５Ｂと同様の構成とすればよい。これは、光源１１から像面１０Ｂまでの光路上に、正／負の複屈折性を示す各光学部材を１つずつ配置した構成に対応する。
また、上記した第３実施形態では、照明系(１１〜１３,３１,３２)と結像系(１６,３３,１７)との各々に複屈折部材３１,３３を１つずつ配置したが、本発明はこれに限定されない。上記した第２実施形態と同様、複屈折部材と補償板との組み合わせ（図４,表４）を、照明系と結像系との各々に配置してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】第１実施形態の微分干渉顕微鏡１０の全体構成を示す概略図である。
【図２】複屈折部材１５の各結晶軸（光学軸）の方向を説明する図である。
【図３】視野むらの残存量（リタデーション）の計算結果(ａ)〜(ｃ)と、視野むらの２次元的な分布(ｄ)と、比較例(ｃ)の複屈折部材の光学軸の方向(ｅ)を示す図である。
【図４】第２実施形態の微分干渉顕微鏡２０の全体構成を示す概略図である。
【図５】第３実施形態の微分干渉顕微鏡３０の全体構成を示す概略図である。
【符号の説明】
【００３５】
１０，２０，３０  微分干渉顕微鏡
１０Ａ  物体
１１〜１６  照明系
１４〜１７  結像系
１５，２１，３１，３２  複屈折部材
５Ａ，５Ｂ，２Ａ，２Ｂ，１Ａ，１Ｂ，３Ａ，３Ｂ  楔形プリズム
２２  補償板
【図１】
2006308975.tif 000007
【図２】
2006308975.tif 000008
【図３】
2006308975.tif 000009
【図４】
2006308975.tif 000010
【図５】
2006308975.tif 000011