(57)【要約】【課題】温度変動による対物光学系の焦点位置ずれによる観察画像のぼけを抑制する。  【解決手段】光学装置は、ステージ３上の物体２の光学像を形成する対物光学系と、対物光学系の光軸方向でのステージの位置を計測する計測部８と、該計測部により計測された該位置に基づいてステージの光軸方向での位置を制御する制御部１１とを有する。計測部は、対物光学系を保持する光学系保持部材５等の計測部保持部材に取り付けられている。温度の上昇に伴い、対物光学系の焦点４の位置が対物光学系を構成する複数の光学素子６のうち最物体側光学素子に近づく方向に変化する場合に、焦点４と最物体側光学素子との間の距離を第１の距離Ｚ１とし、計測部と最物体側光学素子との間の距離を第２の距離Ｚ２とするとき、該計測部は、温度上昇に伴う第２の距離の増加量ΔＺ２が第１の距離の減少量ΔＺ１に対して一致するように計測部保持部材に取り付けられている。【選択図】図１
2015060075.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステージと、
該ステージ上に配置された物体の光学像を形成する対物光学系と、
前記対物光学系を保持する光学系保持部材と、
前記対物光学系の光軸方向での前記ステージの位置を計測する計測部と、
該計測部により計測された前記位置に基づいて前記ステージの前記光軸方向での位置を制御する制御部とを有する光学装置であって、
前記計測部は、前記光学系保持部材、該光学系保持部材を支持するベース部材、および前記光学系保持部材または前記ベース部材に取り付けられた支持部材のうちいずれかである計測部保持部材に取り付けられており、
該光学装置の温度の上昇に伴い、前記対物光学系の焦点の位置が、前記光軸方向において、前記対物光学系を構成する複数の光学素子のうち前記物体に最も近い光学素子である最物体側光学素子に近づく方向に変化し、
前記光軸方向において、前記焦点と前記最物体側光学素子との間の距離を第１の距離とし、前記計測部と前記最物体側光学素子との間の距離を第２の距離とするとき、
前記計測部は、前記温度の上昇に伴う前記第２の距離の増加量が前記第１の距離の減少量に対して一致する若しくは許容差を持つように前記計測部保持部材に取り付けられていることを特徴とする光学装置。
【請求項２】
前記計測部は、前記最物体側光学素子に対して前記焦点とは反対側に位置するように前記計測部保持部材に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【請求項３】
前記第１の距離の増加量および前記第２の距離の減少量はそれぞれ、前記光学系保持部材および前記計測部保持部材の線膨張係数に応じた値であることを特徴とする請求項１または２に記載の光学装置。
【請求項４】
前記許容差は、前記第２の距離の増加量が前記第１の距離の減少量の絶対値の２倍以下となるように設定されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項５】
ステージと、
該ステージ上に配置された物体の光学像を形成する対物光学系と、
前記対物光学系を保持する光学系保持部材と、
前記対物光学系の光軸方向での前記ステージの位置を計測する計測部と、
該計測部により計測された前記位置に基づいて前記ステージの前記光軸方向での位置を制御する制御部とを有する光学装置であって、
前記計測部は、前記光学系保持部材、該光学系保持部材を支持するベース部材、および前記光学系保持部材または前記ベース部材に取り付けられた支持部材のうちいずれかである計測部保持部材に取り付けられており、
該光学装置の温度の上昇に伴い、前記対物光学系の焦点の位置が、前記光軸方向において、前記対物光学系を構成する複数の光学素子のうち前記物体に最も近い光学素子である最物体側光学素子から遠ざかる方向に変化し、
前記光軸方向において、前記焦点と前記最物体側光学素子との間の距離を第１の距離とし、前記計測部と前記最物体側光学素子との間の距離を第２の距離とするとき、
前記計測部は、前記温度の上昇に伴う前記第２の距離の増加量が前記第１の距離の増加量に対して一致する若しくは許容差を持つように前記計測部保持部材に取り付けられていることを特徴とする光学装置。
【請求項６】
前記計測部は、前記最物体側光学素子に対して前記焦点と同じ側に位置するように前記計測部保持部材に取り付けられていることを特徴とする請求項５に記載の光学装置。
【請求項７】
前記第１および第２の距離の増加量はそれぞれ、前記光学系保持部材および前記計測部保持部材の線膨張係数に応じた値であることを特徴とする請求項５または６に記載の光学装置。
【請求項８】
前記許容差は、前記第２の距離の増加量が前記第１の距離の増加量の２倍以下となるように設定されていることを特徴とする請求項５から７のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項９】
複数の前記計測部を含み、
前記制御部は、前記複数の計測部によってそれぞれ得られた前記ステージの位置に基づいて前記ステージの傾きを低減する制御を行うことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか一項に記載の光学装置と、
前記対物光学系により形成された前記光学像を撮像する撮像素子とを有することを特徴とする顕微鏡装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、顕微鏡等の観察装置に好適な光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
顕微鏡等の観察装置を用いて細胞や組織切片等の試料を観察する際に、ステージ上に配置された試料のうち観察したい部分（観察領域）が対物光学系の焦点位置に一致するようにステージの位置を制御する方法が知られている。例えば、対物光学系の光軸方向でのステージの位置を計測部により計測し、取得した位置情報に基づいて、予め取得しておいた焦点位置に試料の観察領域が一致するようにステージの位置を制御する。この方法において、ステージの位置を計測する計測部は、対物光学系を構成する複数の光学素子を保持する鏡筒に取り付けることができる。
【０００３】
ただし、環境温度（周囲温度）の変動や顕微鏡内部での発熱等の影響により、対物光学系を構成する各光学素子の屈折率が変化したり鏡筒に熱変形が生じたりして、焦点位置が光軸方向に変位する場合がある。一般に、対物光学系の焦点深度は浅く、かつ対物光学系の温度敏感度は他の部材と比較して特に高い。例えば、焦点深度が１μｍである対物光学系において環境温度が５℃変動するだけでも１〜１０μｍ程度の焦点位置のずれが生じる場合がある。この場合、計測部により取得するステージの位置情報と予め取得しておいた焦点位置とに基づいてステージの位置を制御したとしても、試料の観察領域を焦点深度内に収めることができず、観察される画像がぼけてしまう。
【０００４】
特許文献１には、投影光学系を保持した鏡筒と、その光軸方向における物体（ウエハ）の位置と傾きを計測する検出系とを、低熱膨張部材であるインバーを用いて支持した構成を備える露光装置が開示されている。この露光装置では、検出系による計測結果を用いて、温度変動によって生じる鏡筒（投影光学系）の光軸と検出系との水平方向での相対位置の変動を抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１５４０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１では温度変動によって鏡筒が光軸方向に変形することを考慮していない。このため、特許文献１の構成を用いても、上述したような対物光学系の光軸方向での焦点位置のずれによる観察画像のぼけを抑制することができない。
【０００７】
本発明は、温度変動によって生ずる対物光学系の焦点位置ずれによる観察画像のぼけを抑制することができるようにした光学装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一側面としての光学装置は、ステージと、該ステージ上に配置された物体の光学像を形成する対物光学系と、該対物光学系を保持する光学系保持部材と、対物光学系の光軸方向でのステージの位置を計測する計測部と、該計測部により計測された該位置に基づいてステージの光軸方向での位置を制御する制御部とを有する。計測部は、光学系保持部材、該光学系保持部材を支持するベース部材、および光学系保持部材またはベース部材に取り付けられた支持部材のうちいずれかである計測部保持部材に取り付けられている。該光学装置の温度の上昇に伴い、対物光学系の焦点の位置が、光軸方向において、対物光学系を構成する複数の光学素子のうち物体に最も近い光学素子である最物体側光学素子に近づく方向に変化する場合に、光軸方向において、上記焦点と最物体側光学素子との間の距離を第１の距離とし、計測部と最物体側光学素子との間の距離を第２の距離とするとき、該計測部は、温度の上昇に伴う第２の距離の増加量が第１の距離の減少量に対して一致する若しくは許容差を持つように計測部保持部材に取り付けられていることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の他の側面としての光学装置は、ステージと、該ステージ上に配置された物体の光学像を形成する対物光学系と、該対物光学系を保持する光学系保持部材と、対物光学系の光軸方向でのステージの位置を計測する計測部と、該計測部により計測された該位置に基づいてステージの光軸方向での位置を制御する制御部とを有する。該光学装置は。
【００１０】
前記計測部は、前記光学系保持部材、該光学系保持部材を支持するベース部材、および前記光学系保持部材または前記ベース部材に取り付けられた支持部材のうちいずれかである計測部保持部材に取り付けられている。該光学装置の温度の上昇に伴い、対物光学系の焦点の位置が、光軸方向において、対物光学系を構成する複数の光学素子のうち物体に最も近い光学素子である最物体側光学素子から遠ざかる方向に変化する場合に、光軸方向において、上記焦点と最物体側光学素子との間の距離を第１の距離とし、計測部と最物体側光学素子との間の距離を第２の距離とするとき、該計測部は、温度の上昇に伴う第２の距離の増加量が第１の距離の増加量に対して一致する若しくは許容差を持つように計測部保持部材に取り付けられていることを特徴とする。
【００１１】
なお、上記光学装置と対物光学系により形成された物体の光学像を撮像する撮像素子とを有する観察装置も、本発明の他の一側面を構成する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、温度変動によって生ずる対物光学系の焦点位置の変化による観察画像のぼけを抑制することができるようにした
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施例１である顕微鏡装置の構成を示す図。
【図２】実施例１の顕微鏡装置において対物光学系の焦点位置が光軸方向上側にシフトした場合の位置計測部の配置位置を示す図。
【図３】実施例１の顕微鏡装置において対物光学系の焦点位置が光軸方向下側にシフトした場合の位置計測部の配置位置を示す図。
【図４】本発明の実施例２である顕微鏡装置の構成を示す図。
【図５】本発明の実施例３である顕微鏡装置での位置計測部の配置位置を示す図。
【図６】本発明の実施例４である顕微鏡装置であり、位置計測部を３つ配置した例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１５】
図１（ａ）には、本発明の実施例１である光学装置を備えた観察装置としての顕微鏡装置１の構成を示す。光学装置は、ステージ３と、対物光学系５と、鏡筒７と、鏡筒定盤９と、位置計測部８と、制御部１１とにより構成される。この光学装置に撮像素子１０と画像生成部１２とが組み合わされて顕微鏡装置１が構成される。
【００１６】
物体としての試料２はステージ３の上面上（ステージ上）に配置されて固定されており、ステージ３（つまりは試料２）の光軸方向での位置は位置計測部８によって計測される。ステージ３の光軸方向での位置は、制御部１１により、位置計測部８によって計測された値に基づいて、光軸方向において試料２の位置（以下、観察位置という）と対物光学系５の焦点４の位置（焦点位置）とが一致するように制御される。図１（ａ）および後に説明する図１（ｂ）において、光軸方向上側を＋Ｚとして示している。
【００１７】
正確な焦点４の位置は、何らかの方法によるキャリブレーションを行うことによって予め求めておく。また、試料２の観察位置については、外部の計測器によって計測された試料２の厚さ情報を用いて決定される。この厚さ情報を計測する計測器を顕微鏡装置１に含めてもよい。例えば、対物光学系５の横に設けた計測器により計測された試料２の表面位置とステージ３の位置との相対位置から試料２の厚さを求める方法も用いてもよい。
【００１８】
位置計測部８を、ステージ３（試料２）の傾きを補正するために３つ以上設けて、ステージ３の傾き補正を行うように構成してもよい。
【００１９】
ステージ３の下方（対物光学系５とは反対側）に設けられた不図示の光源からは、試料２に向けて光を照射する。試料２を透過した光は、対物光学系５に入射する。対物光学系５は、複数の光学素子６により構成されており、光学系保持部材である鏡筒７によって保持されている。鏡筒７は、顕微鏡装置１のシャーシに固定された鏡筒定盤９によって位置決め支持されている。
【００２０】
対物光学系５は、入射した光に試料２の光学像（物体像）を撮像素子１０上に形成する。撮像素子１０は、試料２の光学像を撮像して電気信号に変換し、画像生成部１２は該電気信号から画像データを生成する。画像データは、モニタ１３に表示される。
【００２１】
ここで、顕微鏡装置１の周囲温度（環境温度ともいう）や内部温度（以下、これら周囲温度と内部温度をまとめて装置温度という）に変動が生じると、対物光学系５を構成する複数の光学素子６の熱変形や屈折率が変化する。また、光学素子６（つまりは対物光学系５）を保持している鏡筒７にも熱変形が生じる。そして、これら熱変形や屈折率変化に起因して、対物光学系５の焦点４の位置がステージ３（試料）２に対して遠ざかる方向や近づく方向（対物光学系５に対して近づく方向や遠ざかる方向）に変化する。この場合、当初のキャリブレーションにより求められた対物光学系５の焦点４の初期位置に対して実際の焦点４の位置が変化し（すなわち、ピントが変動し）、撮像素子１０上に形成される試料２の光学像がぼけてしまう。この結果、試料２の撮像によって鮮明な画像データを取得することができなくなる。
【００２２】
このような場合の対策の１つとして、装置温度をより精度良く管理する方法がある。しかし、対物光学系５の焦点深度は、例えば１μｍときわめて狭く、この範囲内に収まるように焦点４の位置変化量を抑えるためには装置温度の変動を０．１℃以下に管理しなければならない。このような温度精度を満たす温調システムは、そのサイズが大きくなったりコストの増加を招いたりする。また、別の対策として、顕微鏡装置１にオートフォーカス機構を設けることにより、画像データのぼけが最小になるように（画像データから得られるコントラストが最大になるように）、ステージ３の位置または対物光学系５の焦点４の位置を補正する方法もある。しかし、この方法でも、コスト増加や撮像に要する時間（観察時間）が増加するという問題がある。
【００２３】
さらに別の対策として、対物光学系５の代表点に温度センサを取り付け、それにより検出される装置温度の変化の履歴に基づいて、予め求められている温度変化と焦点４の位置変化量との関係からステージ３の位置補正を行う方法もある。しかし、この方法でも、温度センサを用いたり温度変化履歴からステージの位置補正量を算出してステージの位置補正を行う制御系を設けたりする必要があるため、コスト増加の問題が生じる。
【００２４】
そこで、本実施例では、装置温度の変動による焦点４の位置変化の対策として、位置計測部８を配置する位置（場所）を、位置計測部８と焦点４との間の相対位置が装置温度にかかわらず一定となるように設定している。
【００２５】
図１（ａ）は顕微鏡装置１の起動直後（撮像開始時）のように焦点４の位置が初期位置と等しい初期状態を示している。対物光学系５を構成する複数の光学素子６のうち試料２（ステージ３）に最も近い光学素子を、以下、最物体側光学素子という。位置計測部８は、鏡筒（本実施例における計測部保持部材）５の外周面のうち最物体側光学素子に対して焦点４（試料２およびステージ３）とは反対側の部分に取り付けられている。
【００２６】
また、図１（ｂ）は、装置温度が上昇し、対物光学系５の焦点４の位置が、初期位置から光軸方向において最物体側光学素子に近づいた状態を示している。この状態では、位置計測部８の光軸方向での位置は、鏡筒７の熱膨張によって、図１（ａ）に示した位置計測部８の初期位置から試料２に近づいている。この結果、特に何も配置位置（取り付け位置）を指定することなく位置計測部８を鏡筒７に取り付けた場合、位置計測部８と焦点４との間の相対位置（つまりは距離）が変化するため、撮像により取得される画像データがぼける。
【００２７】
そこで、本実施例では、上述したように位置計測部８と焦点４との間の相対位置が装置温度によらず一定となるようにするため、以下のように位置計測部８の配置位置を決めている。図１（ａ）において、光軸方向における焦点４の初期位置をＨ１とし、位置計測部８の初期位置をＨ２とする。装置温度の上昇により、光軸方向における焦点４および位置計測部８の位置は変化するが、本実施例では位置計測部８の鏡筒７上での配置位置を、図１（ｂ）に示すように焦点４および位置計測部８の位置変化量δが互いに等しくなる位置に設定している。
【００２８】
前述したように、図１（ｂ）に示す場合、焦点４の位置は装置温度の上昇に伴って最物体側光学素子に近づく方向に変化する。この場合、位置計測部８の位置が鏡筒７の熱膨張によって焦点４の初期位置Ｈ１からの位置変化量δと同じ量だけ光軸方向における同じ側に変化する位置計測部８の鏡筒７上での配置位置を計算により予め求めておき、その配置位置に位置計測部８を取り付ける。すなわち、焦点４の位置変化量δが位置計測部８の位置変化量δによってキャンセルされ、位置計測部８と焦点４との間の相対位置が変化しないようにしている。
【００２９】
この結果、装置温度の上昇によって焦点４の位置がその初期位置から変化しても、位置計測部８と焦点４との間の距離は図１（ａ）に示す初期状態と等しい。このため、焦点４の位置変化による撮像素子１０上でのピント変動は発生せず、鮮明な画像データを取得することができる。しかも、本実施例では、新たに温度センサやピント補正のための制御系を設けることなく焦点４の位置変化量がキャンセルされるように顕微鏡装置１を設計すればよいので、温度センサや制御器等が無くコスト等の削減が期待できる。
【００３０】
ここで、図２（ａ），（ｂ）を用いて、最物体側光学素子の光軸方向での位置を基準位置としたときの焦点４および位置計測部８の位置を示しながら、これらの位置変化量が互いにキャンセルされる理由を説明する。図２（ａ），（ｂ）においても、光軸方向上側を＋Ｚとする。
【００３１】
図２（ａ）には、図１（ａ）と同様に、焦点４が初期位置に位置している初期状態を示している。この状態において、最物体側光学素子の位置を基準位置０とするとき、該基準位置０から焦点４までの距離（第１の距離）をＺ１とし、基準位置０から位置計測部８までの距離（第２の距離）をＺ２とする。
【００３２】
例えば、装置温度が１℃でも上昇すると、光学素子６や鏡筒７等の熱膨張によって、図２（ｂ）に示すように、焦点４および位置計測部８の位置がそれぞれの初期位置から光軸方向に変化する。図２（ｂ）は、装置温度の上昇に伴って焦点４の位置が初期位置から基準位置０に近づく方向に変化した状態を示している。図２（ｂ）において、ΔＺ１は光軸方向における焦点４の位置変化量を示しており、ΔＺ２は鏡筒７の熱膨張により生じる光軸方向における位置計測部８の位置変化量を示している。図２（ａ）において、位置計測部８と焦点４の間の距離は初期設定値であり、
Ｚ１＋Ｚ２
と表せる。また、図２（ｂ）において、位置計測部８と焦点４の間の距離は、
（Ｚ１＋ΔＺ１）＋（Ｚ２＋ΔＺ２）
となる。この式は、
（Ｚ１＋ΔＺ１）＋（Ｚ２＋ΔＺ２）＝（Ｚ１＋Ｚ２）＋（ΔＺ１＋ΔＺ２）
と変形することができる。このことから、装置温度にかかわらず位置計測部８と焦点４との間の距離が常に初期設定値（一定）であるようにするためには、
ΔＺ１＋ΔＺ２＝０    ．．．（１）
を満たすように位置計測部８の配置位置を決定すればよい。つまり、装置温度の変動によって焦点４が基準位置０に近づく方向に変化する場合は、ΔＺ１とΔＺ２の絶対値が互いに等しく、かつ符号が互いに逆となる（Ｚ２の増加量ΔＺ２がＺ１の減少量ΔＺ１に一致する）ように位置計測部８の配置位置を設定すればよい。条件（１）を満足するように位置計測部８の配置位置を設定することで、位置計測部８と焦点４との間の距離は装置温度によらず初期設定値と等しい一定値することができ、焦点４の位置変化をキャンセルして試料２の鮮明な画像データを取得することが可能となる。
【００３３】
次に、位置計測部８の配置位置の算出方法について説明する。装置温度の上昇により生じる位置計測部８の光軸方向での位置変化量ΔＺ２は、鏡筒７のうち基準位置０から位置計測部８までの長さＺ２に相当する部分の熱変形量に相当する。すなわち、鏡筒７の線膨張係数をα３とすると、
ΔＺ２＝α３・Ｚ２
と表すことができる。上記条件（１）を満足するためには、
ΔＺ１＋ΔＺ２＝ΔＺ１＋α３・Ｚ２＝０  ．．．（２）
となればよく、この条件（２）を満足するようなα３，Ｚ２を求めればよい。具体例として、装置温度が１℃上昇した場合における光軸方向の焦点４の位置変化量をΔＺ１＝−２．５μｍとする。また、鏡筒７の線膨張係数をα３＝１０×１０−６［１／℃］とする。この場合、条件（２）から、Ｚ２＝２５０ｍｍと算出される。したがって、鏡筒７のうち基準位置０（最物体側光学素子の位置）から２５０ｍｍだけ光軸方向上方に位置計測部８を配置することにより、位置計測部８と焦点４との間の距離を装置温度によらずに初期設定値と等しい一定値とすることができる。
【００３４】
以上は対物光学系５の焦点４の位置が装置温度の上昇に伴って基準位置０に近づく方向に変化する場合についての説明である。次に、焦点４の位置が装置温度の上昇に伴って基準位置０から遠ざかる方向に変化する場合について説明する。図３（ａ）には、図２（ａ）と同様に、焦点４が初期位置に位置している初期状態を示している。位置計測部８は、鏡筒（計測部保持部材）５の外周面のうち最物体側光学素子に対して焦点４と同じ側の部分に取り付けられている。また、図３（ｂ）は、図３（ａ）の初期状態から装置温度が１℃上昇することにより、焦点４の位置が初期位置に対して基準位置０から遠ざかる方向（光軸方向下側）に変化した状態を示している。図２（ａ）と同様に、Ｚ１，Ｚ２，ΔＺ１，ΔＺ２を定義すると、図３（ａ）において、位置計測部８と焦点４との間の距離は初期設定値であり、
Ｚ１−Ｚ２
と表せる。また、図３（ｂ）において、位置計測部８と焦点４のと間の距離は、
（Ｚ１＋ΔＺ１）−（Ｚ２＋ΔＺ２）
となっており、この式は、
（Ｚ１＋ΔＺ１）−（Ｚ２＋ΔＺ２）＝（Ｚ１−Ｚ２）＋（ΔＺ１−ΔＺ２）
と変形することができる。したがって、装置温度によらず位置計測部８と焦点４との間の距離が常に初期設定値に等しい一定値であるためには、
ΔＺ１−ΔＺ２＝０  ．．．（３）
（ΔＺ１−α３・Ｚ２＝０）
を満足するように位置計測部８の配置位置を決定すればよい。つまり、装置温度の上昇により焦点４が基準位置０から遠ざかる方向に変化する場合、ΔＺ１とΔＺ２の絶対値が互いに等しく、かつ符号も互いに等しくなる（Ｚ２の増加量ΔＺ２がＺ１の増加量ΔＺ１に一致する）ように位置計測部８の配置位置を設定すればよい。
【００３５】
なお、理想的には条件（１）または（３）を満足することが好ましいが、必ずしも厳密にこれらを満足する必要はない。例えば、ΔＺ２の絶対値がΔＺ１の絶対値に対して、画像データのぼけが観察者にほとんど認識されない程度に少なくなる許容範囲内の差（許容差）を持ってもよい。この許容差としては、ΔＺ２の絶対値がΔＺ１の絶対値の２倍以下となる（｜ΔＺ２｜−｜ΔＺ１｜≦｜ΔＺ１｜）ように設定するのが好ましい。
【００３６】
さらに言えば、装置温度の上昇に伴う焦点４の位置の変化方向に応じて、ΔＺ１とΔＺ２の符号を調整するだけでもよい。これにより、装置温度の上昇に伴う画像データのぼけの程度を小さくすることができるという作用効果が得られる。これらのことは、後述する他の実施例でも同じである。
【実施例２】
【００３７】
図４（ａ）には、本発明の実施例２である光学装置を備えた観察装置としての顕微鏡装置１Ａの構成を示している。本実施例では、実施例１と異なり、位置計測部８が光学装置（または顕微鏡装置）のベース部材かつ本実施例における計測部保持部材としての鏡筒定盤９に取り付けられている。ただし、位置計測部８は、最物体側光学素子に対して焦点４（試料２およびステージ３）とは反対側に位置する。
【００３８】
図４（ａ）は焦点４が初期位置に位置している初期状態を示しており、図４（ｂ）は装置温度が１℃上昇したことにより焦点４の位置が初期位置から基準位置０に近づいた状態を示している。
【００３９】
本実施例では、鏡筒７の熱変形に加えて、鏡筒定盤９の熱変形についても考慮する必要がある。本実施例でも、図４（ａ）の初期状態において、対物光学系５を構成する複数の光学素子６のうち最物体側光学素子の光軸方向での位置を基準位置０とし、光軸方向上側を＋Ｚとする。また、初期状態において、鏡筒７における基準位置０から鏡筒定盤９と鏡筒７との接触面までの距離をＺ３とし、鏡筒定盤９の厚さをＺ４とし、位置計測部８の光軸方向の長さをＺ６とする。また、初期状態から装置温度が１℃上昇した図４（ｂ）の状態でのＺ３，Ｚ４，Ｚ６の光軸方向での変化量をそれぞれ、ΔＺ３，ΔＺ４，ΔＺ６とする。実施例１と同様に、本実施例でも、
ΔＺ１＋ΔＺ２＝０
を満足すればよい。つまり、装置温度の変動によって焦点４が基準位置０に近づく方向に変化する場合は、ΔＺ１とΔＺ２の絶対値が互いに等しく、かつ符号が互いに逆となる（Ｚ２の増加量ΔＺ２がＺ１の減少量ΔＺ１に一致する）ように位置計測部８の配置位置を設定すればよい。さらに本実施例では、光軸方向における位置計測部８の位置変化量ΔＺ２はΔＺ３，ΔＺ４，ΔＺ６に影響し、
ΔＺ２＝ΔＺ３−ΔＺ４−ΔＺ６
となる。これにより、
ΔＺ１＋ΔＺ２＝ΔＺ１＋ΔＺ３−ΔＺ４−ΔＺ６＝０    ．．．（５）
なる条件を満足することにより、装置温度によらず位置計測部８と焦点４との間の距離を常に初期設定値に等しい一定値とすることができる。
【００４０】
鏡筒７の線膨張係数α３に加え、鏡筒定盤９の線膨張係数をα４とすると、式（５）は、
ΔＺ１＋α３・Ｚ３−α４・Ｚ４−ΔＺ６＝０    ．．．（６）
と変形することができ、この条件（６）を満足するようにＺ３，Ｚ４を決定すればよい。このように、ΔＺ１とΔＺ２の絶対値が互いに等しく、かつ符号が互いに逆になれば、光軸方向における焦点４の位置変化量と位置計測部８の位置変化量をキャンセルすることができる。
【００４１】
装置温度が１℃上昇した場合における光軸方向の焦点４の位置変化量をΔＺ１＝−２．５μｍとし、鏡筒７の線膨張係数をα３＝１０×１０−６［１／℃］とする。また、鏡筒定盤９の厚さをＺ４＝５０ｍｍとし、線膨張係数をα４＝１０×１０−６［１／℃］とする。位置計測部８の光軸方向における変形量ΔＺ６は微小とし、無視できるものとする。この場合、上記条件（６）からＺ３＝３００ｍｍと算出される。つまり、鏡筒７と鏡筒定盤９の接触面の位置から最物体側光学素子までの鏡筒７の長さを３００ｍｍに設計することにより、装置温度によらず位置計測部８と焦点４との間の距離を常に初期設定値に等しい一定値とすることができる。
【実施例３】
【００４２】
図５（ａ）には、本発明の実施例３である光学装置を備えた観察装置としての顕微鏡装置１Ｂの構成を示している。実施例１，２では、鏡筒７や鏡筒定盤９という光学装置（または顕微鏡装置）の本来の構成部品の熱膨張を利用して位置計測部８の光軸方向の位置を焦点４の位置変化量に合わせて変化させる構成を採用している。これに対して、実施例３では、鏡筒定盤９に取り付けられた支持部材（本実施例における計測部保持部材）１１に位置計測部８を取り付け、該支持部材１１の熱膨張を利用して位置計測部８の光軸方向での位置を変化させる。なお、本実施例でも、位置計測部８は、最物体側光学素子に対して焦点４（試料２およびステージ３）とは反対側に位置する。
【００４３】
図５（ａ）は焦点４が初期位置に位置する初期状態を示しており、図５（ｂ）は装置温度が１℃上昇したことに伴って焦点４の位置が基準位置０に近づく方向に変化した状態を示している。
【００４４】
本実施例では、鏡筒７と鏡筒定盤９の熱変形に加えて、支持部材１１の熱変形も考慮する必要がある。本実施例でも、図５（ａ）の初期状態において、対物光学系５を構成する複数の光学素子６のうち最物体側光学素子の光軸方向での位置を基準位置０とし、光軸方向上側を＋Ｚとする。また、初期状態において、支持部材１１の光軸方向の長さをＺ５とし、支持部材１１の最下面から位置計測部８の最下面までの長さをＺ７とする。さらに、初期状態から装置温度が１℃上昇した図５（ｂ）の状態でのＺ５，Ｚ７の光軸方向での変化量をそれぞれ、ΔＺ５，ΔＺ７とする。
【００４５】
実施例１，２と同様に、本実施例でも、
ΔＺ１＋ΔＺ２＝０
を満足すればよい。本実施例では、光軸方向における位置計測部８の位置変化量ΔＺ２は、実施例２で説明したΔＺ３，ΔＺ４に加えてΔＺ５，ΔＺ７も影響し、
ΔＺ２＝ΔＺ３−ΔＺ４−ΔＺ５−ΔＺ７
となる。このため、
ΔＺ１＋ΔＺ２＝ΔＺ１＋ΔＺ３−ΔＺ４−ΔＺ５−ΔＺ７＝０  ．．．（７）
なる条件を満足することにより、装置温度によらず位置計測部８と焦点４との間の距離を常に初期設定値に等しい一定値とすることができる。
【００４６】
また、支持部材１１の線膨張係数をα５とすると、式（７）は、
ΔＺ１＋α３・Ｚ３−α４・Ｚ４−α５・Ｚ５−ΔＺ７＝０
と変形することができ、該条件（７）を満足するようにＺ３、Ｚ４およびＺ５を決定すればよい。これにより、ΔＺ１とΔＺ２は絶対値が互いに等しく、かつ符号が互いに逆になり（Ｚ２の増加量ΔＺ２がＺ１の減少量ΔＺ１に一致し）、光軸方向における焦点４の位置変化と位置計測部８の位置変化量をキャンセルすることができる。
【００４７】
装置温度が１℃上昇した場合における光軸方向の焦点４の位置変化量をΔＺ１＝−２．５μｍとし、鏡筒７の線膨張係数をα３＝１０×１０−６［１／℃］とする。また、鏡筒定盤９の厚さをＺ４＝５０ｍｍとし、線膨張係数をα４＝１０×１０−６［１／℃］とする。基準位置０から鏡筒７と鏡筒定盤９の接触面の位置までの光軸方向での長さをＺ３＝３５０ｍｍとする。また、Ｚ７に相当する位置計測部８の変形量ΔＺ７は微小であり、無視できるものとする。このとき、支持部材１１の線膨張係数をα５＝５×１０−６  ［１／℃］とし、その光軸方向の長さをＺ５＝１００ｍｍとすることにより、装置温度によらず位置計測部８と焦点４との間の距離を常に初期設定値に等しい一定値とすることができる。
【００４８】
なお、本実施例では、位置計測部８を取り付ける支持部材１１を鏡筒定盤９に取り付けた構成について説明したが、この構成に限らず、例えば鏡筒７に取り付けた支持部材（計測部保持部材）に位置計測部８を取り付けてもよい。
【実施例４】
【００４９】
図６（ａ）には、本発明の実施例４である光学装置を備えた観察装置としての顕微鏡装置１Ｃの構成を示している。本実施例では、位置計測部８を鏡筒（本実施例における計測部保持部材）７の外周面における周方向に複数（本実施例では３つ）配置した場合について説明する。複数の位置計測部８を設けることで、これら位置計測部８のそれぞれによって計測されたステージ３の位置から該ステージ３の傾きを検出することができる。図１（ａ）に示した制御部１１と同様の制御部は本実施例でも設けられており、該制御部は、ステージ３の傾きを低減する（望ましくは０にする）制御を行う。
【００５０】
図６（ａ）は焦点４が初期位置に位置している初期状態を示している。また、図６（ｂ）は、装置温度が上昇して焦点４の位置が初期位置から基準位置０に近づく方向に変化した状態を示している。図６（ａ）において、３つの位置計測部８はそれぞれ光軸方向における焦点４との間の相対位置が全て等しくなるように配置されている。これにより、位置計測部８が３つ配置された場合においても、実施例１と同様に位置計測部８の配置位置を決定することにより、装置温度によらず位置計測部８と焦点４との間の距離を常に初期設定値に等しい一定値とすることができる。
【００５１】
なお、図６（ａ），（ｂ）は位置計測部８を鏡筒７に取り付けた構成を示しているが、実施例２，３のように、位置計測部８を鏡筒定盤９に取り付けたり、鏡筒７または鏡筒定盤９に取り付けられた支持部材１１に取り付けたりしてもよい。
【００５２】
また、３つ全ての位置計測部８が必ずしも同じ部材に取り付けられる必要はない。実施例１で説明した条件（１）、すなわち、
ΔＺ１＋ΔＺ２＝０
を満足するように各位置計測部８が取り付けられる部材を設計することにより、これらの部材を互いに異なる線膨張係数の部材にしたり、互いに異なる位置に配置したりすることも可能である。
【００５３】
実施例２，３および４では、装置温度の上昇に伴って対物光学系５の焦点４の位置が基準位置０に近づく方向に変化する場合に位置計測部８の配置位置が満足すべき条件について説明した。しかし、焦点４の位置が基準位置０から遠ざかる方向に変化する場合でも、実施例１で説明した条件（３）と同様の条件が成り立つ。
【００５４】
また、各実施例で説明した条件は、一般的な光学顕微鏡に用いられる光学装置に限らず、試料の断面画像を合成して三次元画像を形成する共焦点顕微鏡装置等、他の顕微鏡装置に用いられる光学装置にも適用することができる。
【００５５】
以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
装置温度の変動にかかわらず鮮明な画像を観察可能とする光学装置を提供できる。
【符号の説明】
【００５７】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ  顕微鏡装置
３  ステージ
４  焦点
５  対物光学系
７  鏡筒
８  位置計測部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2015060075.tif 000007
【図６】
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