(57)【要約】【課題】顕微鏡装置を構成する光学系により生じる偏光状態の変化を補正する偏光補正光学系及びこの偏光補正光学系を備える顕微鏡装置を提供する。【解決手段】偏光子１、コンデンサレンズ２、対物レンズ３及び検光子４を備える偏光顕微鏡光学系において、偏光子１及びコンデンサレンズ２の間に、第１光学素子１１、第１波長板１２の順で並んだ第１偏光補正光学系１０を配置し、対物レンズ３及び検光子４の間に、第２波長板２１、第２光学素子２２の順で並んだ第２偏光補正光学系２０を配置して、コンデンサレンズ２及び対物レンズ３で生じる偏光状態の変化を補正する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被補正光学系を透過した光の当該被補正光学系による偏光状態の変化を補正する偏光補正光学系であって、
前記被補正光学系の光源側に配置される第１の偏光補正光学系と、
前記被補正光学系の像側に配置される第２の偏光補正光学系とからなり、
前記第１の偏光補正光学系が、前記光が透過する順に、
少なくとも１面以上の屈折面を有する第１の光学素子と、
予め指定した位相差を生じさせる第１の波長板とから構成され、
前記第２の偏光補正光学系が、前記光が透過する順に、
予め指定した位相差を生じさせる第２の波長板と、
少なくとも１面以上の屈折面を有する第２の光学素子とから構成される偏光補正光学系。
【請求項２】
被補正光学系を透過した光の当該被補正光学系による偏光状態の変化を補正する偏光補正光学系であって、
前記被補正光学系の光源側に配置され、前記光が透過する順に、
少なくとも１面以上の屈折面を有する光学素子と、
予め指定した位相差を生じさせる波長板とから構成される偏光補正光学系。
【請求項３】
被補正光学系を透過した光の当該被補正光学系による偏光状態の変化を補正する偏光補正光学系であって、
前記被補正光学系の像側に配置され、前記光が透過する順に、
予め指定した位相差を生じさせる波長板と、
少なくとも１面以上の屈折面を有する光学素子とから構成される偏光補正光学系。
【請求項４】
予め定められた偏光特性を有し、光源からの光を偏光する偏光子と、前記偏光子を透過した光を集光して試料に照射するコンデンサレンズと、前記試料からの光を集光して試料像を結像する対物レンズと、予め定められた偏光特性を有し、前記対物レンズ及び前記試料像の間に配設される検光子とを備える顕微鏡装置であって、
前記偏光子と前記コンデンサレンズとの間に請求項１に記載の偏光補正光学系を構成する前記第１の偏光補正光学系が配置され、
前記対物レンズと前記検光子との間に請求項１に記載の偏光補正光学系を構成する前記第２の偏光補正光学系が配置された顕微鏡装置。
【請求項５】
予め定められた偏光特性を有し、光源からの光を偏光する偏光子と、前記偏光子を透過した光を集光して試料に照射するコンデンサレンズと、前記試料からの光を集光して試料像を結像する対物レンズと、予め定められた偏光特性を有し、前記対物レンズ及び前記試料像の間に配設される検光子とを備える顕微鏡装置であって、
前記偏光子と前記コンデンサレンズとの間に請求項２に記載の偏光補正光学系が配置された顕微鏡装置。
【請求項６】
予め定められた偏光特性を有し、光源からの光を偏光する偏光子と、前記偏光子を透過した光を集光して試料に照射するコンデンサレンズと、前記試料からの光を集光して試料像を結像する対物レンズと、予め定められた偏光特性を有し、前記対物レンズ及び前記試料像の間に配設される検光子とを備える顕微鏡装置であって、
前記対物レンズと前記検光子との間に請求項３に記載の偏光補正光学系が配置された顕微鏡装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、偏光補正光学系、及び、この偏光補正光学系を備える顕微鏡装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
偏光顕微鏡は、偏光を利用して複屈折性を有する試料の観察に用いられる装置である。このような顕微鏡装置は、照明側と結像側に２つの偏光子がその透過軸を直交させた状態で配置されて構成されており（この配置を「クロスニコル」と呼ぶ）、これらの２つの偏光子の間に偏光状態を変化させる物、すなわち複屈折性を有する試料を配置し、偏光状態を変化させて結像側の偏光子（これを「検光子」と呼ぶ）を通り抜けた光を観察することにより試料の特性を観察するように構成されている。このような顕微鏡装置においては、試料によるわずかな偏光状態の変化を可視化するために、試料以外、すなわち、この顕微鏡装置を構成する光学系が偏光状態の変化を引き起こすことは、できる限り避けなければならない。しかし、実際は２つの偏光子の間に複雑な光学系が配置されているために偏光状態は変化してしまい、試料の複屈折性を検出する能力を低下させてしまう。特に、この問題は高倍、高開口数の光学系を用いて観察する場合、より顕著となる。
【０００３】
偏光状態の変化は主に２つの原因に依る。１つは顕微鏡装置を構成する光学系に入射する２つの偏光成分、Ｐ偏光とＳ偏光の反射率が入射角ごとに異なることであり、もう１つは反射防止用コートの偏光特性が入射角度依存性を持つことである。これらが原因で、照明側の偏光子を透過した直線偏光は、結像側に配置された検光子に達する時には、楕円偏光化しており、またその長軸は検光子と直交していないために、試料の複屈折とは無関係に光の一部が通り抜けてしまう。この問題を解決する手段として、レクティファイアと呼ばれるレンズからなる偏光補正光学素子を用いる方法や、レクティファイアの屈折面にコーティングを施すことで、より高精度に偏光補正を行う方法が開発されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１１−７２７１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、レクティファイアでは、偏光面の回転は補正されるが、光学素子の入射面等に設けられている反射防止用コートによる楕円偏光化の補正をすることができないという課題があり、また、一般に、光軸から離れ傾いた面に設計値通りのコーティングを施すことは難しい。さらに、異なる光学系の偏光を補正するためには、コートを新たに設計する必要があり、これは煩雑な作業である。
【０００５】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、屈折面を有する光学素子と所定の位相差を生じさせる波長板とを組み合わせ、偏光子と検光子との間に配置された被補正光学系により生じる偏光状態の変化を補正する偏光補正光学系を提供することを目的とし、また、この偏光補正光学系を備えることにより、被補正光学系による偏光状態の変化が良好に補正された顕微鏡装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するために、本発明に係る偏光補正光学系は、被補正光学系を透過した光の当該被補正光学系による偏光状態の変化（例えば、実施形態におけるコンデンサレンズ２や対物レンズ３を透過した光に生じる偏光面の傾きやリタデーション）を補正するものである。その上で、第１の本発明に係る偏光補正光学系は、被補正光学系の光源側に配置される第１の偏光補正光学系（例えば、実施形態における第１偏光補正光学系１０）と、被補正光学系の像側に配置される第２の偏光補正光学系（例えば、実施形態における第２偏光補正光学系２０）とからなり、第１の偏光補正光学系が、光が透過する順に、少なくとも１面以上の屈折面を有する第１の光学素子と、予め指定した位相差を生じさせる第１の波長板とから構成され、第２の偏光補正光学系が、光が透過する順に、予め指定した位相差を生じさせる第２の波長板と、少なくとも１面以上の屈折面を有する第２の光学素子とから構成される。
【０００７】
また、第２の本発明に係る偏光補正光学系（例えば、実施形態における第３偏光補正光学系１０′）は、被補正光学系の光源側に配置され、光が透過する順に、少なくとも１面以上の屈折面を有する光学素子と、予め指定した位相差を生じさせる波長板とから構成される。
【０００８】
また、第３の本発明に係る偏光補正光学系（例えば、実施形態における第３偏光補正光学系２０′）は、被補正光学系の像側に配置され、光が透過する順に、予め指定した位相差を生じさせる波長板と、少なくとも１面以上の屈折面を有する光学素子とから構成される。
【０００９】
また、前記課題を解決するために、本発明に係る顕微鏡装置は、予め定められた偏光特性を有し、光源からの光を偏光する偏光子と、この偏光子を透過した光を集光して試料に照射するコンデンサレンズと、試料からの光を集光して試料像を結像する対物レンズと、予め定められた偏光特性を有し、対物レンズ及び試料像の間に配設される検光子とを備えており、偏光子とコンデンサレンズとの間、若しくは、対物レンズと検光子との間に上述の偏光補正光学系のいずれかが配置されて構成される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る偏光補正光学系及び顕微鏡装置を以上のように構成すると、偏光顕微鏡光学系を構成するコンデンサレンズ及び対物レンズ（すなわち、被補正光学系）で生じる偏光状態の変化を、屈折面を有する光学素子と所定の位相差を生じさせる波長板とを組み合わせた偏光補正光学系により高精度に補正することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。図１は、偏光顕微鏡光学系を構成する照明光学系と結像光学系とを示しており、図示しない光源側から順に、偏光子１、コンデンサレンズ２、対物レンズ３及び検光子４を有して構成され、コンデンサレンズ２と対物レンズ３との間に試料５が配置される。図２は、この偏光顕微鏡光学系を備える透過照明型の顕微鏡装置を示しており、光源６から放射された光はコレクタレンズ７やミラー等を介して偏光子１に照射される。この偏光子１を透過した光は直線偏光となり、コンデンサレンズ２で集光されて試料５を照明する。そして、照明された試料５からの光は、対物レンズ３により集光されて検光子４に入射し、この検光子４を透過した光は結像レンズ８によって拡大像として形成され、観察者はこの試料像を、接眼レンズ９を介して観察する。
【００１２】
このような偏光顕微鏡光学系において、偏光子１と検光子４とは、その透過軸が直交するように配置されており（上述の「クロスニコル」）、これらの偏光子１及び検光子４との間に偏光状態（偏光面の傾き及びリタデーション）を変化させる物体がなければ、偏光子１を透過した直線偏光は検光子４を透過することができない。しかし、これらの偏光子１及び検光子４の間に複屈折性を有する試料５が配置されて偏光子１を透過した直線偏光の偏光状態が変化すると、検光子４を光の一部が通り抜け、観察者はその像を観察することができる。なお、このときの視野内の輝度は、試料５のリタデーション量が小さい場合にはその量に比例することが知られている。
【００１３】
上述のように、偏光子１と検光子４との間に配置されたコンデンサレンズ２や対物レンズ３では偏光状態の変化が生ずる。そのため、屈折面を有する光学素子と所定の位相差を生じさせる波長板とを組み合わせた偏光補正光学系を用いてこれらのコンデンサレンズ２及び対物レンズ３で生ずる偏光状態の変化を補正した偏光顕微鏡光学系の実施例について以下に説明する。
【実施例１】
【００１４】
まず第１実施例として、偏光顕微鏡の光学系で、コンデンサレンズ２及び対物レンズ３のそれぞれに対して、これらのレンズ２，３で生ずる偏光状態の変化を補正するように構成した場合について、図３を用いて説明する。この第１実施例に係る偏光顕微鏡光学系は、偏光子１とコンデンサレンズ２との間に第１偏光補正光学系１０が配置され、対物レンズ３と検光子４との間に第２偏光補正光学系２０が配置されており、第１偏光補正光学系１０は、主にコンデンサレンズ２の偏光状態の変化を補正し、第２偏光補正光学系２０は、主に対物レンズ３の偏光状態の変化を補正するために用いられる。
【００１５】
ここで、第１偏光補正光学系１０は、偏光子１側から順に、凹レンズ、凸レンズの順でほぼ同じ曲率を有する凹面と凸面とが組み合わされた第１光学素子１１、及び、第１波長板１２から構成される。また、第２偏光補正光学系２０は、対物レンズ３側から順に、第２波長板２１、及び、凸レンズ、凹レンズの順でほぼ同じ曲率を有する凸面と凹面とが組み合わされた第２光学素子２２から構成される。なお、この第１及び第２偏光補正光学系１０，２０において、第１及び第２光学素子１１，２２は、少なくとも１面以上の屈折面を有しているが、全体として屈折力を有さないように構成されていることが好ましい。
【００１６】
次に、図４〜図７を用いて第１及び第２偏光補正光学系１０，２０によりコンデンサレンズ２及び対物レンズ３の偏光状態の変化を補正する方法について説明する。なお、図５及び図７は、第１若しくは第２偏光補正光学系１０，２０の偏光状態をポアンカレ球の上に表したものであり、ポアンカレ球を構成するストークスパラメータのうち、Ｓ1−Ｓ3平面に投影した状態を表している。
【００１７】
それでは、図４及び図５を用いて第１偏光補正光学系１０について説明する。偏光子１を透過した光はその偏光面が４５°傾いた直線偏光となり、ストークスパラメータＳ2上の状態Ｐ10に位置する。この直線偏光を第１光学素子１１に入射させて屈折面で屈折させると、この直線偏光の偏光面が傾き状態Ｐ11になる。速軸が４５°傾いた第１波長板１２は、S2軸を中心に偏光状態を回転させる効果を持っているので、適切な位相差を付けることで、偏光状態をＰ12に移動させる。この偏光状態Ｐ12の位置は、被補正光学系であるコンデンサレンズ２により楕円化及び偏光面の回転が起きた場合に状態Ｐ10に戻るように計算されており、第１波長板１２の位相差として指定される。そのため、コンデンサレンズ２を透過した光線は状態Ｐ10に戻り、これにより、コンデンサレンズ２による偏光状態の変化は補正される。
【００１８】
一方、図６及び図７に示すように、第２偏光補正光学系２０において、コンデンサレンズ２から出射した光は、上述の第１偏光補正光学系１０により偏光状態の変化が補正されているため、その偏光面が４５°傾いた直線偏光であり、ストークスパラメータＳ2上の状態Ｐ20に位置する。この状態Ｐ20の直線偏光が対物レンズ３を透過すると、偏光面が傾くと共に楕円化した状態Ｐ21となる。速軸が４５°傾いた第２波長板２１は、Ｓ2軸を中心に偏光状態を回転させる効果を持っているので、この第２波長板２１に適切な位相差を指定することで、偏光状態をＳ1−Ｓ2平面上の状態Ｐ22に移動させることができる。この状態で、第２光学素子２２に入射させて屈折面で屈折させると、元の直線偏光の状態Ｐ20に戻り、そのため、対物レンズ３による偏光状態の変化は補正される。
【００１９】
このように、第１実施例に係る第１及び第２偏光補正光学系１０，２０によれば、コンデンサレンズ２及び対物レンズ３のそれぞれで生じる偏光面の傾き及びリタデーション（すなわち、偏光状態の変化）を、屈折面を有し全体として屈折力のない２個の光学素子１１，２２と、２個の波長板１２，２１とだけを用いて高精度に補正することができる。
【実施例２】
【００２０】
次に、図８を用いて偏光顕微鏡光学系の第２実施例について説明する。上述の第１実施例においては、第１及び第２偏光補正光学系１０，２０を用いて、コンデンサレンズ２及び対物レンズ３で生じる偏光状態の変化を補正するように構成していたが、この第２実施例においては、第１実施例における第１偏光補正光学系１０と同一の構成を有する第３偏光補正光学系１０′を偏光子１とコンデンサレンズ２との間に配置し、一つの偏光補正光学系１０′でコンデンサレンズ２及び対物レンズ３で生じる偏光状態の変化を補正するように構成している。なお、この第３偏光補正光学系１０′の構成及び効果は第１実施例で説明した第１偏光補正光学系１０と同じであるため詳細な説明は省略する。
【実施例３】
【００２１】
また、図９に偏光顕微鏡光学系の第３実施例を示す。この第３実施例は、第１実施例における第２偏光補正光学系２０と同一の構成を有する第４偏光補正光学系２０′を対物レンズ３と検光子４との間に配置し、一つの偏光補正光学系２０′でコンデンサレンズ２及び対物レンズ３で生じた偏光状態の変化を補正するように構成している。なお、この第４偏光補正光学系２０′の構成及び効果は第７実施例で説明した第２偏光補正光学系６０と同じであるため詳細な説明は省略する。
【００２２】
なお、以上の説明では、透過照明型の顕微鏡装置について説明したが、対物レンズを結像光学系と照明光学系の両方で使用する落射照明型の顕微鏡装置でも、本発明は全く同様に成立する。
【００２３】
また、上記の実施の形態では、代表的な偏光顕微鏡光学系について述べた。しかし、この発明は偏光顕微鏡に限定されるものではなく、偏光を利用する各種光学機器、例えばエリプソメータ、微分干渉顕微鏡などの偏光特性の変化を補償することが可能である。また、上述の実施形態は一例に過ぎず、上述の構成に限られるものでなく、本発明の効果範囲内において適切に変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】偏光顕微鏡光学系の構成を示す説明図である。
【図２】上記偏光顕微鏡光学系を備える顕微鏡装置の構成を示す説明図である。
【図３】第１実施例に係る偏光顕微鏡光学系の構成を示す説明図である。
【図４】第１実施例における第１偏光補正光学系の偏光状態の遷移を説明するための説明図である。
【図５】上記偏光状態の遷移をポアンカレ球で説明するための説明図である。
【図６】第１実施例における第２偏光補正光学系の偏光状態の遷移を説明するための説明図である。
【図７】上記偏光状態の遷移をポアンカレ球で説明するための説明図である。
【図８】第２実施例に係る偏光顕微鏡光学系の構成を示す説明図である。
【図９】第３実施例に係る偏光顕微鏡光学系の構成を示す説明図である。
【符号の説明】
【００２５】
１  偏光子    ２  コンデンサレンズ    ３  対物レンズ    ４  検光子    ５  試料
１０  第１偏光補正光学系    １１  第１光学素子    １２  第１位相板
２０  第２偏光補正光学系    ２１  第２位相板    ２２  第２光学素子
１０′  第３偏光補正光学系    ２０′  第４偏光補正光学系
【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】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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