波長分布測定装置
【課題】被測定領域から放射される略平行な光束を受光面において受光面の周辺部も含めて均一化し、測定精度を向上した波長分布測定装置を提供する。
【解決手段】波長分布測定装置２４は、拡散板５２により被測定領域１１から放射される光束を拡散させ、光束均一化光学素子５３により、拡散板５２により拡散された光束の少なくとも一部を、受光部５６の受光面の垂線の方向に近づくように側面５３ｂで反射させるとともに受光面へ導き、互いに異なる分光感度特性を有する受光部５６の複数の受光素子によって検出する。
【解決手段】波長分布測定装置２４は、拡散板５２により被測定領域１１から放射される光束を拡散させ、光束均一化光学素子５３により、拡散板５２により拡散された光束の少なくとも一部を、受光部５６の受光面の垂線の方向に近づくように側面５３ｂで反射させるとともに受光面へ導き、互いに異なる分光感度特性を有する受光部５６の複数の受光素子によって検出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定物の所定の領域から発散される光を均一化し、波長分布特性を検出する波長分布測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
被測定物から放射される光束のスペクトルを測定する測定装置として測色計がある。測色計は色情報を数値的に測定する装置であり、自動車、食品、印刷等種々の分野の工業製品や商品の色品質の検査や、顕微鏡における色補正を行うために用いられている。
【０００３】
測色計では、被測定物の所定領域から放射される光束を均一化し、この光を異なる波長成分を透過させるカラーフィルタとＣＣＤやＣＭＯＳ等の複数の受光素子とから構成される光センサに照射させる光学系を有するものが知られている。複数の受光素子を用いて測定を行う測色計の光学系としては種々のものがある。
【０００４】
光束を均一化するために、光ファイバを備える光学系（例えば、特許文献１参照）、あるいは、ライトパイプのような光束均一化光学素子を備える光学系（例えば、特許文献２参照）が知られている。光束均一化光学素子は内側面で光束が複数回反射されることにより、光束の輝度分布が均一化され、一様な光束が光センサに照射される。
【０００５】
一方、顕微鏡で光束のスペクトルを測定する場合、標本を対物レンズで拡大して中間像を形成し、その中間像を被測定領域とする場合がある。その場合、標本の拡大像が被測定領域となるので、標本からの発散光束が被測定領域では開口数（ＮＡ）が小さくなり、平行光束に近くなることが多い。その光束を光束均一化光学素子に入射させると、光束均一化光学素子の内側面での反射により光束を均一化するためには、光束均一化光学素子の全長を長くしなければならないという問題が生じる。
【０００６】
そこで、測定領域と光束均一化光学素子の間に拡散板を配置することが行われている。拡散板により、略平行な光束を発散光束に変換することができるので、光束均一化光学素子の全長を短縮でき、装置を小型化することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平６−２７３２３２号公報
【特許文献２】特開２００８−９６７７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来の光束均一化光学素子を用いた場合、入射する光束の角度範囲が大きいと、出射する光束の角度範囲も大きくなる。光束均一化光学素子と光センサとの間はカバーガラス等による間隔があるので、出射する光束の角度範囲が大きければ、光センサの中央部に比べ周辺部（光センサの受光部のうちセンサの端部に近い部分）の光量が低下することになる。それにより、個々の受光素子に照射される光束が不均一となり、スペクトルの測定精度が低下してしまうという問題があった。
【０００９】
本発明の目的は、被測定領域から放射される光束を受光面において受光面の周辺部も含めて均一化し、測定精度を向上した波長分布測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成する波長分布測定装置の発明は、
被測定領域から放射される光束を拡散させる拡散板と、
受光面に、互いに異なる分光感度特性を有する受光素子を複数備える受光部と、
前記拡散板により拡散された前記光束の少なくとも一部を、前記受光面の垂線の方向に近づくように偏向させるとともに、該光束を前記受光面へ導く光束均一化光学素子と
を備えることを特徴とするものである。
【００１１】
前記光束均一化光学素子は、前記拡散板によって拡散された前記光束を入射させる入射面と、前記入射面から入射した前記光束を前記受光部に向けて出射させる出射面と、前記入射面から入射した前記光束の少なくとも一部を内部反射させる側面とを備えることが好ましい。
【００１２】
さらに好ましくは、前記光束均一化光学素子は、前記入射面の面積より前記出射面の面積の方が大きい。
【００１３】
また、前記光束均一化光学素子は、前記側面の少なくとも一部が、平面により構成されていることが好ましい。
【００１４】
さらに、前記光束均一化光学素子は、前記入射面の形状が円形であり、前記出射面の形状が四角形としても良い。
【００１５】
また、前記光束均一化光学素子は、前記側面の少なくとも一部が、前記受光面の垂線の方向と平行であっても良い。
【００１６】
前記光束均一化光学素子は、前記入射面と前記出射面との間で、前記受光面に平行な断面の形状が連続的に変化するように構成することができる。
【００１７】
あるいは、前記光束均一化光学素子は、段差部を介して結合される少なくとも第１の部分と第２の部分とを備えても良い。
【００１８】
さらに、前記受光部は、前記受光素子が二次元的に配置されることが好ましい。
【００１９】
好適には、それぞれの前記受光素子は、光電変換素子と、該光電変換素子の前面に近接して配置された透過帯域特性の互いに異なるフィルタとから構成される。
【００２０】
さらに、前記波長分布測定装置は、それぞれの前記受光素子からの出力信号に基づいて、前記光束の波長分布特性を導出する特性導出部を備えても良い。
【００２１】
また、前記光束均一化光学素子は、前記受光部の前記受光面の垂線を含む所定の断面で、入射面側よりも出射面側が広いテーパー部を有し、
前記拡散板により拡散された光束の拡散角に対する強度分布の半値半幅の角度をθｉｎ、前記光束均一化光学素子の屈折率をｎ、前記光束均一化光学素子の前記断面におけるテーパーの角度をαとするとき、
ａｓｉｎ(ｓｉｎθｉｎ／ｎ)＞α
であると好ましい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、拡散板により拡散された光束の少なくとも一部を、受光面の垂線の方向に近づくように偏向させて受光面へ導くようにしたので、被測定領域から放射される光束を受光面において受光面の周辺部も含めて均一化し、測定精度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１実施の形態に係る波長分布測定装置を適用した顕微鏡の概略構成図である。
【図２】図１の被測定物から発した光が受光部に至るまでを示す光路図である。
【図３】図２の受光部上での受光素子の配列の一例を示す図である。
【図４】図２の受光部の各受光素子の分光感度の一例を示す図である。
【図５】図１の顕微鏡における測色処理を示すブロック図である。
【図６】光束均一化光学素子に入射する光束の拡散角と光束均一化光学素子のテーパー角との関係について説明する図である。
【図７】光束均一化光学素子内での光束の内部反射による角度変化を説明する図である。
【図８】本発明の第２実施の形態に係る波長分布測定装置の概略構成を光束の光路と共に示す図である。
【図９】本発明の第３実施の形態に係る波長分布測定装置の概略構成を光束の光路と共に示す図である。
【図１０】本発明の第１の変形例に係る光束均一化光学素子の斜視図である。
【図１１】本発明の第２の変形例に係る光束均一化光学素子の斜視図である。
【図１２】本発明の第３の変形例に係る光束均一化光学素子の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００２５】
（第１実施の形態）
図１は、本発明の第１実施の形態に係る波長分布測定装置を適用した顕微鏡の概略構成図である。この顕微鏡１０は、透過型の光学顕微鏡である。
【００２６】
顕微鏡１０は、被測定物１１を載置するステージ１２を含むステージユニット１３と、被測定物１１を照明する光源ユニット１４と、複数の対物レンズ１５が装着されたレボルバユニット１６と、対物レンズ１５を通った光に中間像を結像させる結像レンズ１７と、使用者が被測定物１１を目視するための接眼部１８と、被測定物像を撮像するために直筒部に取付けられたカメラユニット１９とを含んで構成されている。なお、カメラユニット１９は、接眼部１８に装着しても良く、また、カメラユニットの画像のみで被測定物１１を観察するように構成されていても良い。
【００２７】
また、対物レンズ１５と結像レンズ１７との間には、ハーフミラー２０が設けられ、被測定物１１からの光束の一部を分岐させフォーカス検出ユニット２１に入射させる。さらに、結像レンズ１７と接眼部１８およびカメラユニット１９との間には、ハーフミラー２２が設けられ、被測定物１１からの光束の一部を分岐させ、ミラー２３を介して測定ユニット２４に入射させる。ハーフミラー２０および２２は、光束を分岐させるものであれば、プリズムやビームスプリッタ等を使用することもできる。また、ミラー２３は必ずしも設ける必要は無い。
【００２８】
ステージユニット１３は、ステージ１２と、ステージ１２に載置された被測定物１１の向きを変えずに３次元方向に駆動させるＸＹ駆動機構機構（図示せず）およびＺ駆動機構（図示せず）と、これら、ＸＹ駆動機構およびＺ駆動機構をそれぞれ制御するＸＹ駆動制御部１３ａおよびＺ駆動制御部１３ｂとを含んでいる。ここで、対物レンズ１５の光軸方向をＺ方向とし、Ｚ方向と垂直な平面をＸＹ平面として定義している。これによって、ステージ１３は、ＸＹＺ方向に自在に移動させることができる。ＸＹ駆動制御部１３ａは、ＸＹ位置の原点センサ（図示せず）によってステージのＸＹ平面における所定の原点位置を検知し、この原点位置を基点としてモータの駆動量を制御することによって、被検査物の観察視野を移動させる。Ｚ駆動制御部１３ｂは、Ｚ位置の原点センサ（図示せず）によってステージのＺ方向における所定の原点位置を検知し、この原点位置を基点としてモータの駆動量を制御することによって、所定の高さ範囲内の任意のＺ位置に被検査物を焦準移動させる。
【００２９】
光源ユニット１４は、ステージ１２の下部からステージ１２の開口部を通して、ステージ１２に載置される被測定物１１を照明する白色光源であり、ハロゲンランプ等が使用される。光源ユニット１４から出射した光の被測定物１１を透過した透過光が観察光として対物レンズ１５に入射する。レボルバユニット１６は、回転可能なレボルバに倍率の異なる対物レンズ１５を複数装着しており、このレボルバを回転させて使用する対物レンズ１５を自在に交換し、対物レンズの倍率（観察倍率）の変更を行う。フォーカス検出ユニット２１は、分岐した被測定物１１からの光束に基づいて、合焦位置を検出する。また、測定ユニット２４は、被測定物１１の色またはスペクトルに関する情報を取得するものである。測定ユニット２４の構成の詳細については後述する。
【００３０】
さらに、顕微鏡１０は、制御・データ処理部３０として、ステージユニット制御部３１と、光源ユニット制御部３２と、レボルバユニット制御部３３と、カメラユニット制御部３４と、フォーカス検出ユニット制御部３５と、測定ユニット制御部３６と、制御コントローラ３７と、ホストシステム３８と、ユーザインタフェース３９とを備える。
【００３１】
ステージユニット制御部３１は、ＸＹ駆動制御部１３ａおよびＺ駆動制御部１３ｂを制御して、被測定物１１の位置を制御する。光源ユニット制御部３２は、光源ユニット１４を制御して、光源ユニット１４から照射される照明光の光量を調整する。レボルバユニット制御部３３は、レボルバユニット１６のレボルバを回転させて、対物レンズの切り換えを行う。フォーカス検出ユニット制御部３５は、フォーカス検出ユニット２１を制御して、顕微鏡１０のフォーカス位置に関する情報を取得する。測定ユニット制御部３６は、測定ユニット２４を制御して、被測定物１１の所定の領域の波長分布特性を電気信号として受信する。
【００３２】
制御コントローラ３７は、ホストシステム３８の制御に基づいて、顕微鏡装置１０を構成する各部の動作を統括的に制御する。例えば、制御コントローラ３７は、レボルバを回転させて観察光の光路上に配置する対物レンズ１５を切換える処理や、切換えた対物レンズ１５の倍率等に応じた光源の調光制御や各種光学素子の切換え、あるいはＸＹ駆動制御部１３ａやＺ駆動制御部１３ｂに対するステージの移動指示等、被測定物１１の観察に伴う顕微鏡１０の各部の調整を行うとともに、各部の状態を適宜ホストシステム３８に通知する。
【００３３】
また、制御コントローラ３７は、フォーカス検出ユニット３５を制御して顕微鏡１０のフォーカス状態に関する情報を取得し、その結果に応じてＺ駆動制御部１３ｂに対するステージの移動指示を行うことで被測定物１１に自動的にピントを合わせるオートフォーカス制御を実現する。また、ユーザインタフェース３９は、キーボードおよびディスプレイ等で構成され、ホストシステム３８に対する各種入力を受付け、また、各種測定結果の表示およびシステム情報の表示をする。
【００３４】
さらに、制御コントローラ３７は、ホストシステム３８の制御に基づいて、カメラユニット１９の自動ゲイン制御のＯＮ／ＯＦＦ切換、ゲインの設定、自動露出制御のＯＮ／ＯＦＦ切換、露光時間の設定等を行ってカメラユニット１９を駆動し、カメラの撮像動作を制御する。また、測定ユニット２４によるスペクトルの取得の際の測定視野や測定箇所、測定数、測定の際の積算回数や使用する受光素子５６ａの数、フィルタ設定等を制御する。
【００３５】
次に、測定ユニット２４について説明する。図２は、図１の被測定物１１から発した光が測定ユニット２４の受光部５６に至るまでを示す光路図である。測定ユニット２４は、視野絞り５１と、拡散板５２と、光束均一化光学素子５３と、受光部５６を含んで構成されている。図２において、光束均一化光学素子５３の入射面５３ａおよび出射面５３ｃの断面形状を、光束均一化光学素子５３の下側に示している。
【００３６】
視野絞り５１は、対物レンズ１５と結像レンズ１７による被測定物１１の中間像５７が形成される位置に配置されている。この視野絞り５１によって、被測定物１１の測定対象の領域を制限することができる。視野絞り５１を通過した光束は、拡散板５２により拡散され、光束均一化光学素子５３を通り、均一化された光となって受光部５６に到達する。拡散板５２と光束均一化光学素子５３とについては、後で説明する。
【００３７】
受光部５６は、複数（例えば、４〜２０色）の異なる分光感度を有する受光素子５６ａを含んで構成される。受光素子５６ａは、受光面に一列に配置されていても良く、また、２次元的に配置されていても良い。図３は、図２の受光部５６の受光素子５６ａの配列の一例を示す図であり、この場合受光部５６は、１５の受光素子５６ａが、３行５列に配置され、受光部５６の受光面は全体として長方形の形状となっている。
【００３８】
また、各受光素子５６ａは、光電変換素子例えばフォトダイオード（ＰＤ）の前面に、透過帯域特性の異なる有機膜のフィルタを配置して構成される。図４は、図２の受光部５６の各受光素子５６ａの分光感度の一例を示す図であり、横軸に波長、縦軸に分光感度を示している。この受光部５６を用いた場合、隣接するグラフに対応する２つの受光素子５６ａの信号の差分をとることによって、合計１４バンドのスペクトルに対応した信号（成分特性）を得ることができる。使用する受光素子５６ａの数を多くすることで、高い測定精度を得ることができる。一方、高い測定精度が求められていない場合には、使用する受光素子５６ａの数を減らすことで、測定時間を短縮することができる。
【００３９】
図５は、図１の顕微鏡における測色処理を示すブロック図である。受光部５６の各受光素子５６ａで検出された各スペクトル帯域に対応する電気信号は、制御・データ処理部３０の測定ユニット制御部３６によって読み出され、ホストシステム３８に転送される。ホストシステム３８には、補正部６１、スペクトル推定部６２および画像補正部６３が含まれる。補正部６１は、各受光素子５６ａの光学的なムラや受光素子の個体差等に基づきデータを補正し、スペクトル推定部６２は、補正部６１で補正されたデータに基づいて、色またはスペクトルの推定を行う。画像補正部６３は、スペクトル推定部６２で推定された色またはスペクトルに基づいて、カメラユニット１９から得られる画像の色を補正する。この例において、補正部６１およびスペクトル推定部６２は、特性導出部に対応する。
【００４０】
次に拡散板５２と光束均一化光学素子５３とについて説明する。まず、拡散板５２としては、例えば、平板ガラスの片面を砂面に処理したものや、ガラス内に光拡散物質を分散させたものが使用される。この拡散板５２は、視野絞り５１を透過した光束の進行方向を発散させるためのものである。顕微鏡の場合は一般的に拡大観察を行うので、被測定物１１よりも中間像５７の方が大きくなる。それに伴い、被測定物１１から放射される発散光束の角度範囲よりも、中間像５７に収束する光束の角度範囲の方が小さくなる。中間像の拡大倍率が高くなるほど、視野絞り５１を通過する光束は平行光に近くなる。その光束を、拡散板５２を用いずに直接光束均一化光学素子５３の入射面５３ａに入射させると、光束均一化光学素子５３の側面５３ｂで反射することなく出射面５３ｃから光束が出射し受光部５６に到達するので、光束の輝度分布の均一化がなされず、スペクトルの測定精度が悪化する。
【００４１】
そこで本発明では、上述のように視野絞り５１と光束均一化光学素子５３の間に拡散板５２を配置する。視野絞り５１を通過した平行光に近い光束が拡散板５２で散乱されることにより、光束均一化光学素子５３の入射面５３ａに発散光束が入射する。光束の角度範囲が大きくなることで、光束均一化光学素子５３内を通る光束の一部が、側面５３ｂで一回または複数回反射し、輝度分布が均一化された光束が光束均一化光学素子５３の出射面５３ｃから出射し、受光部５６に到達する。特に顕微鏡では、被測定物１１が厚みを持つ場合やデフォーカスした場合に光束の輝度の位置分布だけでなく、輝度の角度分布も不均一となる。このような場合でも受光部５６に照射される光束の照度分布を均一化できるので、スペクトルの測定精度を確保することができる。
【００４２】
光束均一化光学素子５３は、ガラスやプラスチック等で形成された光透過性の部材であり、入射面５３ａから入射した光束を、その少なくとも一部を側面５３ｂで反射させつつ、出射面５３ｃに導光して出射させる。光束均一化光学素子５３は、入射側より出射側にかけて広がった形状を有する。すなわち、入射面５３ａの面積よりも出射面５３ｃの面積の方が広い。その理由は以下である。一般的に、光束を均一化する素子としては、円柱や角柱などのような太さが一定の棒状の光学素子であるライトパイプが用いられる。その場合、拡散板５２からの発散光束の角度範囲が保たれたまま、受光部５６に光束が到達する。受光部５６は、カバーガラス等の配置等メカ的な制約により、光束均一化光学素子５３の出射面５３ｃから一定の間隔が空いた状態で配置される。すると、光束の一部が受光部５６の外側に抜けていくので、受光部５６の周辺部では照度が低下し、スペクトルの測定精度が低下することとなる。
【００４３】
この問題を解決するために、光束均一化光学素子５３の側面５３ｂは少なくとも一部に傾斜がついている。本実施の形態の側面５３ｂは、図２に示すように、入射面５３ａから出射面５３ｃにかけて、テーパーの角度が次第に緩やかになる曲面として形成されている。しかし、側面５３ｂは曲面である必要はなく、平面で構成しても良い。
【００４４】
図６は、光束均一化光学素子５３に入射する光束の拡散角と光束均一化光学素子のテーパー角αとの関係について説明する図である。拡散板５２によって拡散された光束の拡散角に対する強度分布の半値半幅の角度をθin、光束均一化光学素子５３の屈折率をｎ、光束均一化光学素子５３のテーパーの角度をαとしたとき、
asin（sinθin／ｎ）＞α （１）
の関係を満足すれば、光束均一化光学素子５３が適度な長さを有するとき、光束の光線の多くが光束均一化光学素子５３内で１回以上反射する。
【００４５】
また、図７は、光束均一化光学素子内での光束の内部反射による角度変化を説明する図である。この図は、簡単のために２次元で表している。テーパーの角度がαの光束均一化光学素子５３の側面５３ｂに、光軸に対する角度がθ１の光線が内部反射し、光軸に対する角度がθ２の光線として反射されたとすると、α、θ１およびθ２の関係は、（２）式となる。
θ２＝θ１−２α （２）
すなわち、光束均一化光学素子５３の内側面で全反射する度に、光線の角度が２αずつ減少し、光軸に平行な光に近づく。光束均一化光学素子５３の長さが十分長ければ、光線の角度はαよりも小さくなる。これにより、出射面５３ｃを出射する光束が、受光部５６の受光面の垂線に平行に近づくので、受光部５６の外側に抜けていく光束が減少し、受光部５６の周辺部での照度低下を抑えられるので、スペクトルの測定精度を確保することができる。なお、光軸は受光部５６の受光面の垂線と同じ方向である。
【００４６】
次に、入射角θｉｎで入射した光線が、Ｎ回全反射した後の光線角度は、θｉｎ／ｎ−２Ｎαとなる（asin（sinθin／ｎ）をθin／ｎで近似した場合）。従って、最終的に光束均一化光学素子５３の出射面５３ｃで屈折した後の光線角度は、スネルの法則から、θｉｎ−２ｎＮαとなる（sinθｉｎをθｉｎで近似した場合）。ここで、光束均一化光学素子５３を出射して受光器に照射される光線角度の中で最大のものをθｏｕｔとするとき、
θｉｎ−２ｎＮα＜２θｏｕｔ （３）
の関係を満足することが望ましい。式（３）の左辺は、θｉｎの光線が光束均一化光学素子５３を出射した時の光線角度、右辺は受光部５６の受光面への最大角度θｏｕｔを２倍したものである。右辺をθｏｕｔとすれば確実に受光部５６の受光面で照度分布を均一化できるが、経験的には２θｏｕｔ以下であれば照度分布はほぼ均一化することができる。これにより、光束均一化光学素子５３の長さを短くすることができ、光学系の小型化と照度分布均一化とを両立することができる。
【００４７】
さらに、光束均一化光学素子５３の内側面５３ｂでの反射回数Ｎは、照明均一化と光学系小型化とのためにＮ＝２とすることが好ましい。Ｎが１以下では全反射回数が少なく、照明の均一化効果が不十分である。また、Ｎが３以上の場合は光学系の全長が長くなる。
【００４８】
光束均一化光学素子５３内で２回の全反射が発生するためには、
θｉｎ／ｎ＞３α （４）
の関係を満足することが望ましい（ただし、ｓｉｎθｉｎをθｉｎ、ｓｉｎ３αを３αで近似した場合）。式（４）の左辺は光束均一化光学素子５３の入射面５３ａで屈折した後の光線角度である。前述のように、全反射が発生する度にこの角度が２αずつ減少する。したがって、式（４）を満たさない光線の角度は、１回反射後には光束均一化光学素子５３のテーパーの角度αよりも小さくなるので、２回目の反射が生じない。
【００４９】
式（３）および（４）によれば、Ｎ＝２のときαやθｏｕｔに対して、光束均一化光学素子５３内で２回反射をし、かつ、出射面５３ｃでの出射角度の広がりが小さい、適切なθｉｎの範囲を定めることができる。
【００５０】
以上説明したように、本実施の形態によれば、視野絞り５１を通過した光束を、拡散板により拡散させて、光束均一化光学素子に入射させ、該光束の少なくとも一部を光束均一化光学素子の内部で傾斜した側面により受光部の垂線に近づく方向に反射させたので、光束が均一化され受光部５６における外周部も含めて照度ムラが小さくなり、波長分布の測定精度が向上する。
【００５１】
また、受光素子５６ａは二次元的に配置したので、一次元に配置するよりもより多くの成分特性、すなわちスペクトル帯域に対応した光を検出することができる。さらに、光学系を構成する部材が少なく、単純な構成であるため、安価で組み立ても容易である。
【００５２】
なお、上記実施の形態において、結像レンズ１７の位置は、ハーフミラー２０とハーフミラー２２との間に限られない。例えば、ハーフミラー２２とミラー２３との間、および、ハーフミラー２２と接眼部１８およびカメラユニット１９との間にそれぞれ結像レンズを設ける構成とすることもできる。
【００５３】
また、拡散板５２は、入射光束の角度範囲を拡大する作用があれば、他の光学素子で代用してもよい。例えば、光の回折を利用したもの（回折格子、ＨＯＥなど）、光の屈折を利用したもの（レンズ、レンズアレイ、フレネルレンズなど）で代用してもよい。
【００５４】
（第２実施の形態）
図８は、本発明の第２実施の形態に係る波長分布測定装置の概略構成を光束の光路と共に示す図である。この波長分布測定装置は、第１実施の形態と同様に顕微鏡に適用されるが、顕微鏡の部分は第１実施の形態と同様であるため省略し、視野絞り５１から受光器５６までを図示している。図８において、光束均一化光学素子５３の入射面５３ａおよび出射面５３ｃの面形状を、光束均一化光学素子５３の下側に示している。
【００５５】
図８の光束均一化光学素子５３は、入射面５３ａの面積より出射面５３ｃの面積の方が大きく、かつ、側面５３ｂが複数の平面で構成されている。図８に示した構成では、入射面５３ａ、出射面５３ｃともに四角形であるため、側面５３ｂはこれら対向する入射面５３ａと出射面５３ｃとの頂点を結ぶ４つの平面で構成されていることになる。
【００５６】
このような構成とすることで、側面５３ｂが傾斜しているため、出射面５３ｃから出射する光束を平行光に近づけることができ、受光部５６の外側に抜けていく光束が減少するため、受光部５６の周辺部での照度低下を抑えることができ、スペクトルの測定精度を確保することができる。さらに、側面５３ｂが複数の平面で構成されていることにより、研磨が容易となるため、光束均一化光学素子５３の加工性も向上することができる。
【００５７】
（第３実施の形態）
図９は、本発明の第３実施の形態に係る波長分布測定装置の概略構成を光束の光路と共に示す図である。第２実施の形態を示す図８と同様に、視野絞り５１から受光器５６までを図示している。図９においても、光束均一化光学素子５３の入射面５３ａおよび出射面５３ｃの面形状を、光束均一化光学素子５３の下側に示している。
【００５８】
図９の光束均一化光学素子５３は、入射面５３ａの面積より出射面５３ｃの面積の方が大きく、入射面５３ａの形状が円形となっており、出射面５３ｃの形状が四角形となっている。さらに、入射面５３ａから出射面５３ｃにかけて、受光部５６の受光面と平行な断面形状は、円形から長方形へ連続的に変化する。
【００５９】
顕微鏡等において、一般的に被測定領域は円形とすることが多いため、視野絞り５１も円形とする場合が多い。この場合、円形の面光源からの発散光束が拡散板５２を経て光束均一化光学素子５３に入射すると見做せるので、光束均一化光学素子５３の入射面５３ａには円形の光束が入射することとなる。ここで、光束均一化光学素子５３の入射面５３ａの形状を円形とすると、この円形の直径と等しい辺の長さを有する正方形の入射面を有する場合と比較すると、光束が側面５３ｂに到達するまでの光路長を短くすることができるので、光束均一化光学素子５３の全長を短くすることが可能となる。それにより、装置をさらに小型化することができる。
【００６０】
その一方、受光部５６は一般的に四角形である。そこで、光束均一化光学素子の出射面５３ｃの形状を四角形とすることで、入射面５３ａから入射した光束のほぼ全てが出射面５３ｃから出射されるので、被測定領域と受光部５６との形状に差異があっても、光量のロスが発生しない。これによって、受光部５６の外側に抜けていく光束を少なくすることができるので、受光部５６での照度を高く保つことができ、スペクトルの測定精度も確保することが可能となる。
【００６１】
(変形例）
図１０〜図１２は、それぞれ、本発明の第１の変形例、第２の変形例および第３の変形例に係る光束均一化光学素子５３を示す斜視図である。これらの変形例は、第１〜第３実施の形態と異なる形状の光束均一化光学素子を用いるものであり、その他の構成は第１実施の形態と同様である。
【００６２】
図１０の光束均一化光学素子５３は、入射面５３ａと出射面５３ｃとは円形であり、出射面５３ｃの方が入射面５３ａよりも面積が大きい。光束均一化光学素子５３の側面は、５３ｂ１、５３ｂ２および５３ｂ３の３つの部分から構成される。ここで、側面５３ｂ１と５３ｂ３とは、円筒の側面形状であり、側面５３ｂ２は、入射面５３ａ側に比べ出射面５３ｃ側が広い円錐台の側面形状となっている。この場合、光束均一化光学素子５３は、入射面５３ａと出射面５３ｃとの間で、受光面の垂線に垂直な断面の形状（この場合は、円の径）が連続的に変化する。このように、一部の側面５３ｂ２のみが光軸に対して傾斜を有していても、この側面５３ｂ２に光束均一化光学素子５３を通過する光束の一部が反射することによって、光束の方向が受光部５６の受光面の垂線方向に近づくので、第１実施の形態と同様の効果が得られる。
【００６３】
図１１の光束均一化光学素子５３は、入射面５３ａが円形であり出射面５３ｃが長方形である。また、出射面５３ｃの方が入射面５３ａよりも面積が大きい。この光束均一化光学素子５３の側面は、５３ｂ１および５３ｂ２の２つの部分から構成される。ここで、側面５３ｂ１は、入射面５３ａ側に比べ出射面５３ｃ側が広い円錐台の側面形状であり、側面５３ｂ２は、四角柱の側面形状となっている。この場合も、光束均一化光学素子５３は、入射面５３ａと出射面５３ｃとの間で、受光面に平行な断面の形状が連続的に変化する。この場合も、第１実施の形態と同様の効果が得られる。さらに、この光束均一化光学素子５３は、円錐形の部材の底面側を四角柱の形状に切り出すことによって形成することができるので、製造が容易である。あるいは、この光束均一化光学素子５３は、四角柱の長手方向の一方の端部から円錐台を切り出すことによっても形成することができる。
【００６４】
図１２の光束均一化光学素子５３は、入射面５３ａが円形であり出射面５３ｃが長方形である。また、出射面５３ｃの方が入射面５３ａよりも面積が大きい。光束均一化光学素子５３の側面は、５３ｂ１および５３ｂ２の２つの部分から構成される。ここで、側面５３ｂ１は、入射面５３ａ側に比べ出射面５３ｃ側が広い円錐台の側面形状であり、側面５３ｂ２は、四角柱の側面形状となっている。この光束均一化光学素子５３は、段差部５３ｄを介して円錐台部分（第１の部分）と直方体部分（第２の部分）とが結合された形状となっている。この場合も、第１実施の形態と同様の効果が得られる。
【００６５】
なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。たとえば、光束均一化光学素子は、上述の実施の形態および変形例で挙げたもの以外に種々の形態のものを適用することが可能である。例えば、光束均一化光学素子の入射面および出射面の面形状は、円形や長方形に限られず、三角形や、正方形、五角形、六角形等であっても良い。
【００６６】
また、光束均一化光学素子は、ガラスやプラスチック等の光学部材で構成し、光束はその内側面で全反射するものとしたが、これに限られない。例えば、入射面および出射面を開口とし、内側面をミラーにより構成した中空の部材とすることも可能である。
【００６７】
さらに、本発明の波長分布測定装置は、顕微鏡に限られず単独の測色計や波長分布の測定を必要とする他の装置の一部として適用することができる。また、第１実施の形態のように、中間像を結像させる必要は無く、被測定物からの光束を直接測定するようにしても良い。
【符号の説明】
【００６８】
１０ 顕微鏡
１１ 被測定物
１２ ステージ
１３ ステージユニット
１３ａ ＸＹ駆動制御部
１３ｂ Ｚ駆動制御部
１４ 光源ユニット
１５ 対物レンズ
１６ レボルバユニット
１７ 結像レンズ
１８ 接眼部
１９ カメラユニット
２０ ハーフミラー
２１ フォーカス検出ユニット
２２ ハーフミラー
２３ ミラー
２４ 測定ユニット
３０ 制御・データ処理部
３１ ステージユニット制御部
３２ 光源ユニット制御部
３３ レボルバユニット制御部
３４ カメラユニット制御部
３５ フォーカスユニット制御部
３６ 測定ユニット制御部
３７ 制御コントローラ
３８ ホストシステム
３９ ユーザインタフェース
５１ 視野絞り
５２ 拡散板
５３ 光束均一化光学素子
５３ａ 入射面
５３ｂ 側面
５３ｃ 出射面
５６ 受光部
５６ａ 受光素子
５７ 被測定物の中間像
６１ 補正部
６２ スペクトル推定部
６３ 画像補正部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定物の所定の領域から発散される光を均一化し、波長分布特性を検出する波長分布測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
被測定物から放射される光束のスペクトルを測定する測定装置として測色計がある。測色計は色情報を数値的に測定する装置であり、自動車、食品、印刷等種々の分野の工業製品や商品の色品質の検査や、顕微鏡における色補正を行うために用いられている。
【０００３】
測色計では、被測定物の所定領域から放射される光束を均一化し、この光を異なる波長成分を透過させるカラーフィルタとＣＣＤやＣＭＯＳ等の複数の受光素子とから構成される光センサに照射させる光学系を有するものが知られている。複数の受光素子を用いて測定を行う測色計の光学系としては種々のものがある。
【０００４】
光束を均一化するために、光ファイバを備える光学系（例えば、特許文献１参照）、あるいは、ライトパイプのような光束均一化光学素子を備える光学系（例えば、特許文献２参照）が知られている。光束均一化光学素子は内側面で光束が複数回反射されることにより、光束の輝度分布が均一化され、一様な光束が光センサに照射される。
【０００５】
一方、顕微鏡で光束のスペクトルを測定する場合、標本を対物レンズで拡大して中間像を形成し、その中間像を被測定領域とする場合がある。その場合、標本の拡大像が被測定領域となるので、標本からの発散光束が被測定領域では開口数（ＮＡ）が小さくなり、平行光束に近くなることが多い。その光束を光束均一化光学素子に入射させると、光束均一化光学素子の内側面での反射により光束を均一化するためには、光束均一化光学素子の全長を長くしなければならないという問題が生じる。
【０００６】
そこで、測定領域と光束均一化光学素子の間に拡散板を配置することが行われている。拡散板により、略平行な光束を発散光束に変換することができるので、光束均一化光学素子の全長を短縮でき、装置を小型化することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平６−２７３２３２号公報
【特許文献２】特開２００８−９６７７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来の光束均一化光学素子を用いた場合、入射する光束の角度範囲が大きいと、出射する光束の角度範囲も大きくなる。光束均一化光学素子と光センサとの間はカバーガラス等による間隔があるので、出射する光束の角度範囲が大きければ、光センサの中央部に比べ周辺部（光センサの受光部のうちセンサの端部に近い部分）の光量が低下することになる。それにより、個々の受光素子に照射される光束が不均一となり、スペクトルの測定精度が低下してしまうという問題があった。
【０００９】
本発明の目的は、被測定領域から放射される光束を受光面において受光面の周辺部も含めて均一化し、測定精度を向上した波長分布測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成する波長分布測定装置の発明は、
被測定領域から放射される光束を拡散させる拡散板と、
受光面に、互いに異なる分光感度特性を有する受光素子を複数備える受光部と、
前記拡散板により拡散された前記光束の少なくとも一部を、前記受光面の垂線の方向に近づくように偏向させるとともに、該光束を前記受光面へ導く光束均一化光学素子と
を備えることを特徴とするものである。
【００１１】
前記光束均一化光学素子は、前記拡散板によって拡散された前記光束を入射させる入射面と、前記入射面から入射した前記光束を前記受光部に向けて出射させる出射面と、前記入射面から入射した前記光束の少なくとも一部を内部反射させる側面とを備えることが好ましい。
【００１２】
さらに好ましくは、前記光束均一化光学素子は、前記入射面の面積より前記出射面の面積の方が大きい。
【００１３】
また、前記光束均一化光学素子は、前記側面の少なくとも一部が、平面により構成されていることが好ましい。
【００１４】
さらに、前記光束均一化光学素子は、前記入射面の形状が円形であり、前記出射面の形状が四角形としても良い。
【００１５】
また、前記光束均一化光学素子は、前記側面の少なくとも一部が、前記受光面の垂線の方向と平行であっても良い。
【００１６】
前記光束均一化光学素子は、前記入射面と前記出射面との間で、前記受光面に平行な断面の形状が連続的に変化するように構成することができる。
【００１７】
あるいは、前記光束均一化光学素子は、段差部を介して結合される少なくとも第１の部分と第２の部分とを備えても良い。
【００１８】
さらに、前記受光部は、前記受光素子が二次元的に配置されることが好ましい。
【００１９】
好適には、それぞれの前記受光素子は、光電変換素子と、該光電変換素子の前面に近接して配置された透過帯域特性の互いに異なるフィルタとから構成される。
【００２０】
さらに、前記波長分布測定装置は、それぞれの前記受光素子からの出力信号に基づいて、前記光束の波長分布特性を導出する特性導出部を備えても良い。
【００２１】
また、前記光束均一化光学素子は、前記受光部の前記受光面の垂線を含む所定の断面で、入射面側よりも出射面側が広いテーパー部を有し、
前記拡散板により拡散された光束の拡散角に対する強度分布の半値半幅の角度をθｉｎ、前記光束均一化光学素子の屈折率をｎ、前記光束均一化光学素子の前記断面におけるテーパーの角度をαとするとき、
ａｓｉｎ(ｓｉｎθｉｎ／ｎ)＞α
であると好ましい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、拡散板により拡散された光束の少なくとも一部を、受光面の垂線の方向に近づくように偏向させて受光面へ導くようにしたので、被測定領域から放射される光束を受光面において受光面の周辺部も含めて均一化し、測定精度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１実施の形態に係る波長分布測定装置を適用した顕微鏡の概略構成図である。
【図２】図１の被測定物から発した光が受光部に至るまでを示す光路図である。
【図３】図２の受光部上での受光素子の配列の一例を示す図である。
【図４】図２の受光部の各受光素子の分光感度の一例を示す図である。
【図５】図１の顕微鏡における測色処理を示すブロック図である。
【図６】光束均一化光学素子に入射する光束の拡散角と光束均一化光学素子のテーパー角との関係について説明する図である。
【図７】光束均一化光学素子内での光束の内部反射による角度変化を説明する図である。
【図８】本発明の第２実施の形態に係る波長分布測定装置の概略構成を光束の光路と共に示す図である。
【図９】本発明の第３実施の形態に係る波長分布測定装置の概略構成を光束の光路と共に示す図である。
【図１０】本発明の第１の変形例に係る光束均一化光学素子の斜視図である。
【図１１】本発明の第２の変形例に係る光束均一化光学素子の斜視図である。
【図１２】本発明の第３の変形例に係る光束均一化光学素子の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００２５】
（第１実施の形態）
図１は、本発明の第１実施の形態に係る波長分布測定装置を適用した顕微鏡の概略構成図である。この顕微鏡１０は、透過型の光学顕微鏡である。
【００２６】
顕微鏡１０は、被測定物１１を載置するステージ１２を含むステージユニット１３と、被測定物１１を照明する光源ユニット１４と、複数の対物レンズ１５が装着されたレボルバユニット１６と、対物レンズ１５を通った光に中間像を結像させる結像レンズ１７と、使用者が被測定物１１を目視するための接眼部１８と、被測定物像を撮像するために直筒部に取付けられたカメラユニット１９とを含んで構成されている。なお、カメラユニット１９は、接眼部１８に装着しても良く、また、カメラユニットの画像のみで被測定物１１を観察するように構成されていても良い。
【００２７】
また、対物レンズ１５と結像レンズ１７との間には、ハーフミラー２０が設けられ、被測定物１１からの光束の一部を分岐させフォーカス検出ユニット２１に入射させる。さらに、結像レンズ１７と接眼部１８およびカメラユニット１９との間には、ハーフミラー２２が設けられ、被測定物１１からの光束の一部を分岐させ、ミラー２３を介して測定ユニット２４に入射させる。ハーフミラー２０および２２は、光束を分岐させるものであれば、プリズムやビームスプリッタ等を使用することもできる。また、ミラー２３は必ずしも設ける必要は無い。
【００２８】
ステージユニット１３は、ステージ１２と、ステージ１２に載置された被測定物１１の向きを変えずに３次元方向に駆動させるＸＹ駆動機構機構（図示せず）およびＺ駆動機構（図示せず）と、これら、ＸＹ駆動機構およびＺ駆動機構をそれぞれ制御するＸＹ駆動制御部１３ａおよびＺ駆動制御部１３ｂとを含んでいる。ここで、対物レンズ１５の光軸方向をＺ方向とし、Ｚ方向と垂直な平面をＸＹ平面として定義している。これによって、ステージ１３は、ＸＹＺ方向に自在に移動させることができる。ＸＹ駆動制御部１３ａは、ＸＹ位置の原点センサ（図示せず）によってステージのＸＹ平面における所定の原点位置を検知し、この原点位置を基点としてモータの駆動量を制御することによって、被検査物の観察視野を移動させる。Ｚ駆動制御部１３ｂは、Ｚ位置の原点センサ（図示せず）によってステージのＺ方向における所定の原点位置を検知し、この原点位置を基点としてモータの駆動量を制御することによって、所定の高さ範囲内の任意のＺ位置に被検査物を焦準移動させる。
【００２９】
光源ユニット１４は、ステージ１２の下部からステージ１２の開口部を通して、ステージ１２に載置される被測定物１１を照明する白色光源であり、ハロゲンランプ等が使用される。光源ユニット１４から出射した光の被測定物１１を透過した透過光が観察光として対物レンズ１５に入射する。レボルバユニット１６は、回転可能なレボルバに倍率の異なる対物レンズ１５を複数装着しており、このレボルバを回転させて使用する対物レンズ１５を自在に交換し、対物レンズの倍率（観察倍率）の変更を行う。フォーカス検出ユニット２１は、分岐した被測定物１１からの光束に基づいて、合焦位置を検出する。また、測定ユニット２４は、被測定物１１の色またはスペクトルに関する情報を取得するものである。測定ユニット２４の構成の詳細については後述する。
【００３０】
さらに、顕微鏡１０は、制御・データ処理部３０として、ステージユニット制御部３１と、光源ユニット制御部３２と、レボルバユニット制御部３３と、カメラユニット制御部３４と、フォーカス検出ユニット制御部３５と、測定ユニット制御部３６と、制御コントローラ３７と、ホストシステム３８と、ユーザインタフェース３９とを備える。
【００３１】
ステージユニット制御部３１は、ＸＹ駆動制御部１３ａおよびＺ駆動制御部１３ｂを制御して、被測定物１１の位置を制御する。光源ユニット制御部３２は、光源ユニット１４を制御して、光源ユニット１４から照射される照明光の光量を調整する。レボルバユニット制御部３３は、レボルバユニット１６のレボルバを回転させて、対物レンズの切り換えを行う。フォーカス検出ユニット制御部３５は、フォーカス検出ユニット２１を制御して、顕微鏡１０のフォーカス位置に関する情報を取得する。測定ユニット制御部３６は、測定ユニット２４を制御して、被測定物１１の所定の領域の波長分布特性を電気信号として受信する。
【００３２】
制御コントローラ３７は、ホストシステム３８の制御に基づいて、顕微鏡装置１０を構成する各部の動作を統括的に制御する。例えば、制御コントローラ３７は、レボルバを回転させて観察光の光路上に配置する対物レンズ１５を切換える処理や、切換えた対物レンズ１５の倍率等に応じた光源の調光制御や各種光学素子の切換え、あるいはＸＹ駆動制御部１３ａやＺ駆動制御部１３ｂに対するステージの移動指示等、被測定物１１の観察に伴う顕微鏡１０の各部の調整を行うとともに、各部の状態を適宜ホストシステム３８に通知する。
【００３３】
また、制御コントローラ３７は、フォーカス検出ユニット３５を制御して顕微鏡１０のフォーカス状態に関する情報を取得し、その結果に応じてＺ駆動制御部１３ｂに対するステージの移動指示を行うことで被測定物１１に自動的にピントを合わせるオートフォーカス制御を実現する。また、ユーザインタフェース３９は、キーボードおよびディスプレイ等で構成され、ホストシステム３８に対する各種入力を受付け、また、各種測定結果の表示およびシステム情報の表示をする。
【００３４】
さらに、制御コントローラ３７は、ホストシステム３８の制御に基づいて、カメラユニット１９の自動ゲイン制御のＯＮ／ＯＦＦ切換、ゲインの設定、自動露出制御のＯＮ／ＯＦＦ切換、露光時間の設定等を行ってカメラユニット１９を駆動し、カメラの撮像動作を制御する。また、測定ユニット２４によるスペクトルの取得の際の測定視野や測定箇所、測定数、測定の際の積算回数や使用する受光素子５６ａの数、フィルタ設定等を制御する。
【００３５】
次に、測定ユニット２４について説明する。図２は、図１の被測定物１１から発した光が測定ユニット２４の受光部５６に至るまでを示す光路図である。測定ユニット２４は、視野絞り５１と、拡散板５２と、光束均一化光学素子５３と、受光部５６を含んで構成されている。図２において、光束均一化光学素子５３の入射面５３ａおよび出射面５３ｃの断面形状を、光束均一化光学素子５３の下側に示している。
【００３６】
視野絞り５１は、対物レンズ１５と結像レンズ１７による被測定物１１の中間像５７が形成される位置に配置されている。この視野絞り５１によって、被測定物１１の測定対象の領域を制限することができる。視野絞り５１を通過した光束は、拡散板５２により拡散され、光束均一化光学素子５３を通り、均一化された光となって受光部５６に到達する。拡散板５２と光束均一化光学素子５３とについては、後で説明する。
【００３７】
受光部５６は、複数（例えば、４〜２０色）の異なる分光感度を有する受光素子５６ａを含んで構成される。受光素子５６ａは、受光面に一列に配置されていても良く、また、２次元的に配置されていても良い。図３は、図２の受光部５６の受光素子５６ａの配列の一例を示す図であり、この場合受光部５６は、１５の受光素子５６ａが、３行５列に配置され、受光部５６の受光面は全体として長方形の形状となっている。
【００３８】
また、各受光素子５６ａは、光電変換素子例えばフォトダイオード（ＰＤ）の前面に、透過帯域特性の異なる有機膜のフィルタを配置して構成される。図４は、図２の受光部５６の各受光素子５６ａの分光感度の一例を示す図であり、横軸に波長、縦軸に分光感度を示している。この受光部５６を用いた場合、隣接するグラフに対応する２つの受光素子５６ａの信号の差分をとることによって、合計１４バンドのスペクトルに対応した信号（成分特性）を得ることができる。使用する受光素子５６ａの数を多くすることで、高い測定精度を得ることができる。一方、高い測定精度が求められていない場合には、使用する受光素子５６ａの数を減らすことで、測定時間を短縮することができる。
【００３９】
図５は、図１の顕微鏡における測色処理を示すブロック図である。受光部５６の各受光素子５６ａで検出された各スペクトル帯域に対応する電気信号は、制御・データ処理部３０の測定ユニット制御部３６によって読み出され、ホストシステム３８に転送される。ホストシステム３８には、補正部６１、スペクトル推定部６２および画像補正部６３が含まれる。補正部６１は、各受光素子５６ａの光学的なムラや受光素子の個体差等に基づきデータを補正し、スペクトル推定部６２は、補正部６１で補正されたデータに基づいて、色またはスペクトルの推定を行う。画像補正部６３は、スペクトル推定部６２で推定された色またはスペクトルに基づいて、カメラユニット１９から得られる画像の色を補正する。この例において、補正部６１およびスペクトル推定部６２は、特性導出部に対応する。
【００４０】
次に拡散板５２と光束均一化光学素子５３とについて説明する。まず、拡散板５２としては、例えば、平板ガラスの片面を砂面に処理したものや、ガラス内に光拡散物質を分散させたものが使用される。この拡散板５２は、視野絞り５１を透過した光束の進行方向を発散させるためのものである。顕微鏡の場合は一般的に拡大観察を行うので、被測定物１１よりも中間像５７の方が大きくなる。それに伴い、被測定物１１から放射される発散光束の角度範囲よりも、中間像５７に収束する光束の角度範囲の方が小さくなる。中間像の拡大倍率が高くなるほど、視野絞り５１を通過する光束は平行光に近くなる。その光束を、拡散板５２を用いずに直接光束均一化光学素子５３の入射面５３ａに入射させると、光束均一化光学素子５３の側面５３ｂで反射することなく出射面５３ｃから光束が出射し受光部５６に到達するので、光束の輝度分布の均一化がなされず、スペクトルの測定精度が悪化する。
【００４１】
そこで本発明では、上述のように視野絞り５１と光束均一化光学素子５３の間に拡散板５２を配置する。視野絞り５１を通過した平行光に近い光束が拡散板５２で散乱されることにより、光束均一化光学素子５３の入射面５３ａに発散光束が入射する。光束の角度範囲が大きくなることで、光束均一化光学素子５３内を通る光束の一部が、側面５３ｂで一回または複数回反射し、輝度分布が均一化された光束が光束均一化光学素子５３の出射面５３ｃから出射し、受光部５６に到達する。特に顕微鏡では、被測定物１１が厚みを持つ場合やデフォーカスした場合に光束の輝度の位置分布だけでなく、輝度の角度分布も不均一となる。このような場合でも受光部５６に照射される光束の照度分布を均一化できるので、スペクトルの測定精度を確保することができる。
【００４２】
光束均一化光学素子５３は、ガラスやプラスチック等で形成された光透過性の部材であり、入射面５３ａから入射した光束を、その少なくとも一部を側面５３ｂで反射させつつ、出射面５３ｃに導光して出射させる。光束均一化光学素子５３は、入射側より出射側にかけて広がった形状を有する。すなわち、入射面５３ａの面積よりも出射面５３ｃの面積の方が広い。その理由は以下である。一般的に、光束を均一化する素子としては、円柱や角柱などのような太さが一定の棒状の光学素子であるライトパイプが用いられる。その場合、拡散板５２からの発散光束の角度範囲が保たれたまま、受光部５６に光束が到達する。受光部５６は、カバーガラス等の配置等メカ的な制約により、光束均一化光学素子５３の出射面５３ｃから一定の間隔が空いた状態で配置される。すると、光束の一部が受光部５６の外側に抜けていくので、受光部５６の周辺部では照度が低下し、スペクトルの測定精度が低下することとなる。
【００４３】
この問題を解決するために、光束均一化光学素子５３の側面５３ｂは少なくとも一部に傾斜がついている。本実施の形態の側面５３ｂは、図２に示すように、入射面５３ａから出射面５３ｃにかけて、テーパーの角度が次第に緩やかになる曲面として形成されている。しかし、側面５３ｂは曲面である必要はなく、平面で構成しても良い。
【００４４】
図６は、光束均一化光学素子５３に入射する光束の拡散角と光束均一化光学素子のテーパー角αとの関係について説明する図である。拡散板５２によって拡散された光束の拡散角に対する強度分布の半値半幅の角度をθin、光束均一化光学素子５３の屈折率をｎ、光束均一化光学素子５３のテーパーの角度をαとしたとき、
asin（sinθin／ｎ）＞α （１）
の関係を満足すれば、光束均一化光学素子５３が適度な長さを有するとき、光束の光線の多くが光束均一化光学素子５３内で１回以上反射する。
【００４５】
また、図７は、光束均一化光学素子内での光束の内部反射による角度変化を説明する図である。この図は、簡単のために２次元で表している。テーパーの角度がαの光束均一化光学素子５３の側面５３ｂに、光軸に対する角度がθ１の光線が内部反射し、光軸に対する角度がθ２の光線として反射されたとすると、α、θ１およびθ２の関係は、（２）式となる。
θ２＝θ１−２α （２）
すなわち、光束均一化光学素子５３の内側面で全反射する度に、光線の角度が２αずつ減少し、光軸に平行な光に近づく。光束均一化光学素子５３の長さが十分長ければ、光線の角度はαよりも小さくなる。これにより、出射面５３ｃを出射する光束が、受光部５６の受光面の垂線に平行に近づくので、受光部５６の外側に抜けていく光束が減少し、受光部５６の周辺部での照度低下を抑えられるので、スペクトルの測定精度を確保することができる。なお、光軸は受光部５６の受光面の垂線と同じ方向である。
【００４６】
次に、入射角θｉｎで入射した光線が、Ｎ回全反射した後の光線角度は、θｉｎ／ｎ−２Ｎαとなる（asin（sinθin／ｎ）をθin／ｎで近似した場合）。従って、最終的に光束均一化光学素子５３の出射面５３ｃで屈折した後の光線角度は、スネルの法則から、θｉｎ−２ｎＮαとなる（sinθｉｎをθｉｎで近似した場合）。ここで、光束均一化光学素子５３を出射して受光器に照射される光線角度の中で最大のものをθｏｕｔとするとき、
θｉｎ−２ｎＮα＜２θｏｕｔ （３）
の関係を満足することが望ましい。式（３）の左辺は、θｉｎの光線が光束均一化光学素子５３を出射した時の光線角度、右辺は受光部５６の受光面への最大角度θｏｕｔを２倍したものである。右辺をθｏｕｔとすれば確実に受光部５６の受光面で照度分布を均一化できるが、経験的には２θｏｕｔ以下であれば照度分布はほぼ均一化することができる。これにより、光束均一化光学素子５３の長さを短くすることができ、光学系の小型化と照度分布均一化とを両立することができる。
【００４７】
さらに、光束均一化光学素子５３の内側面５３ｂでの反射回数Ｎは、照明均一化と光学系小型化とのためにＮ＝２とすることが好ましい。Ｎが１以下では全反射回数が少なく、照明の均一化効果が不十分である。また、Ｎが３以上の場合は光学系の全長が長くなる。
【００４８】
光束均一化光学素子５３内で２回の全反射が発生するためには、
θｉｎ／ｎ＞３α （４）
の関係を満足することが望ましい（ただし、ｓｉｎθｉｎをθｉｎ、ｓｉｎ３αを３αで近似した場合）。式（４）の左辺は光束均一化光学素子５３の入射面５３ａで屈折した後の光線角度である。前述のように、全反射が発生する度にこの角度が２αずつ減少する。したがって、式（４）を満たさない光線の角度は、１回反射後には光束均一化光学素子５３のテーパーの角度αよりも小さくなるので、２回目の反射が生じない。
【００４９】
式（３）および（４）によれば、Ｎ＝２のときαやθｏｕｔに対して、光束均一化光学素子５３内で２回反射をし、かつ、出射面５３ｃでの出射角度の広がりが小さい、適切なθｉｎの範囲を定めることができる。
【００５０】
以上説明したように、本実施の形態によれば、視野絞り５１を通過した光束を、拡散板により拡散させて、光束均一化光学素子に入射させ、該光束の少なくとも一部を光束均一化光学素子の内部で傾斜した側面により受光部の垂線に近づく方向に反射させたので、光束が均一化され受光部５６における外周部も含めて照度ムラが小さくなり、波長分布の測定精度が向上する。
【００５１】
また、受光素子５６ａは二次元的に配置したので、一次元に配置するよりもより多くの成分特性、すなわちスペクトル帯域に対応した光を検出することができる。さらに、光学系を構成する部材が少なく、単純な構成であるため、安価で組み立ても容易である。
【００５２】
なお、上記実施の形態において、結像レンズ１７の位置は、ハーフミラー２０とハーフミラー２２との間に限られない。例えば、ハーフミラー２２とミラー２３との間、および、ハーフミラー２２と接眼部１８およびカメラユニット１９との間にそれぞれ結像レンズを設ける構成とすることもできる。
【００５３】
また、拡散板５２は、入射光束の角度範囲を拡大する作用があれば、他の光学素子で代用してもよい。例えば、光の回折を利用したもの（回折格子、ＨＯＥなど）、光の屈折を利用したもの（レンズ、レンズアレイ、フレネルレンズなど）で代用してもよい。
【００５４】
（第２実施の形態）
図８は、本発明の第２実施の形態に係る波長分布測定装置の概略構成を光束の光路と共に示す図である。この波長分布測定装置は、第１実施の形態と同様に顕微鏡に適用されるが、顕微鏡の部分は第１実施の形態と同様であるため省略し、視野絞り５１から受光器５６までを図示している。図８において、光束均一化光学素子５３の入射面５３ａおよび出射面５３ｃの面形状を、光束均一化光学素子５３の下側に示している。
【００５５】
図８の光束均一化光学素子５３は、入射面５３ａの面積より出射面５３ｃの面積の方が大きく、かつ、側面５３ｂが複数の平面で構成されている。図８に示した構成では、入射面５３ａ、出射面５３ｃともに四角形であるため、側面５３ｂはこれら対向する入射面５３ａと出射面５３ｃとの頂点を結ぶ４つの平面で構成されていることになる。
【００５６】
このような構成とすることで、側面５３ｂが傾斜しているため、出射面５３ｃから出射する光束を平行光に近づけることができ、受光部５６の外側に抜けていく光束が減少するため、受光部５６の周辺部での照度低下を抑えることができ、スペクトルの測定精度を確保することができる。さらに、側面５３ｂが複数の平面で構成されていることにより、研磨が容易となるため、光束均一化光学素子５３の加工性も向上することができる。
【００５７】
（第３実施の形態）
図９は、本発明の第３実施の形態に係る波長分布測定装置の概略構成を光束の光路と共に示す図である。第２実施の形態を示す図８と同様に、視野絞り５１から受光器５６までを図示している。図９においても、光束均一化光学素子５３の入射面５３ａおよび出射面５３ｃの面形状を、光束均一化光学素子５３の下側に示している。
【００５８】
図９の光束均一化光学素子５３は、入射面５３ａの面積より出射面５３ｃの面積の方が大きく、入射面５３ａの形状が円形となっており、出射面５３ｃの形状が四角形となっている。さらに、入射面５３ａから出射面５３ｃにかけて、受光部５６の受光面と平行な断面形状は、円形から長方形へ連続的に変化する。
【００５９】
顕微鏡等において、一般的に被測定領域は円形とすることが多いため、視野絞り５１も円形とする場合が多い。この場合、円形の面光源からの発散光束が拡散板５２を経て光束均一化光学素子５３に入射すると見做せるので、光束均一化光学素子５３の入射面５３ａには円形の光束が入射することとなる。ここで、光束均一化光学素子５３の入射面５３ａの形状を円形とすると、この円形の直径と等しい辺の長さを有する正方形の入射面を有する場合と比較すると、光束が側面５３ｂに到達するまでの光路長を短くすることができるので、光束均一化光学素子５３の全長を短くすることが可能となる。それにより、装置をさらに小型化することができる。
【００６０】
その一方、受光部５６は一般的に四角形である。そこで、光束均一化光学素子の出射面５３ｃの形状を四角形とすることで、入射面５３ａから入射した光束のほぼ全てが出射面５３ｃから出射されるので、被測定領域と受光部５６との形状に差異があっても、光量のロスが発生しない。これによって、受光部５６の外側に抜けていく光束を少なくすることができるので、受光部５６での照度を高く保つことができ、スペクトルの測定精度も確保することが可能となる。
【００６１】
(変形例）
図１０〜図１２は、それぞれ、本発明の第１の変形例、第２の変形例および第３の変形例に係る光束均一化光学素子５３を示す斜視図である。これらの変形例は、第１〜第３実施の形態と異なる形状の光束均一化光学素子を用いるものであり、その他の構成は第１実施の形態と同様である。
【００６２】
図１０の光束均一化光学素子５３は、入射面５３ａと出射面５３ｃとは円形であり、出射面５３ｃの方が入射面５３ａよりも面積が大きい。光束均一化光学素子５３の側面は、５３ｂ１、５３ｂ２および５３ｂ３の３つの部分から構成される。ここで、側面５３ｂ１と５３ｂ３とは、円筒の側面形状であり、側面５３ｂ２は、入射面５３ａ側に比べ出射面５３ｃ側が広い円錐台の側面形状となっている。この場合、光束均一化光学素子５３は、入射面５３ａと出射面５３ｃとの間で、受光面の垂線に垂直な断面の形状（この場合は、円の径）が連続的に変化する。このように、一部の側面５３ｂ２のみが光軸に対して傾斜を有していても、この側面５３ｂ２に光束均一化光学素子５３を通過する光束の一部が反射することによって、光束の方向が受光部５６の受光面の垂線方向に近づくので、第１実施の形態と同様の効果が得られる。
【００６３】
図１１の光束均一化光学素子５３は、入射面５３ａが円形であり出射面５３ｃが長方形である。また、出射面５３ｃの方が入射面５３ａよりも面積が大きい。この光束均一化光学素子５３の側面は、５３ｂ１および５３ｂ２の２つの部分から構成される。ここで、側面５３ｂ１は、入射面５３ａ側に比べ出射面５３ｃ側が広い円錐台の側面形状であり、側面５３ｂ２は、四角柱の側面形状となっている。この場合も、光束均一化光学素子５３は、入射面５３ａと出射面５３ｃとの間で、受光面に平行な断面の形状が連続的に変化する。この場合も、第１実施の形態と同様の効果が得られる。さらに、この光束均一化光学素子５３は、円錐形の部材の底面側を四角柱の形状に切り出すことによって形成することができるので、製造が容易である。あるいは、この光束均一化光学素子５３は、四角柱の長手方向の一方の端部から円錐台を切り出すことによっても形成することができる。
【００６４】
図１２の光束均一化光学素子５３は、入射面５３ａが円形であり出射面５３ｃが長方形である。また、出射面５３ｃの方が入射面５３ａよりも面積が大きい。光束均一化光学素子５３の側面は、５３ｂ１および５３ｂ２の２つの部分から構成される。ここで、側面５３ｂ１は、入射面５３ａ側に比べ出射面５３ｃ側が広い円錐台の側面形状であり、側面５３ｂ２は、四角柱の側面形状となっている。この光束均一化光学素子５３は、段差部５３ｄを介して円錐台部分（第１の部分）と直方体部分（第２の部分）とが結合された形状となっている。この場合も、第１実施の形態と同様の効果が得られる。
【００６５】
なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。たとえば、光束均一化光学素子は、上述の実施の形態および変形例で挙げたもの以外に種々の形態のものを適用することが可能である。例えば、光束均一化光学素子の入射面および出射面の面形状は、円形や長方形に限られず、三角形や、正方形、五角形、六角形等であっても良い。
【００６６】
また、光束均一化光学素子は、ガラスやプラスチック等の光学部材で構成し、光束はその内側面で全反射するものとしたが、これに限られない。例えば、入射面および出射面を開口とし、内側面をミラーにより構成した中空の部材とすることも可能である。
【００６７】
さらに、本発明の波長分布測定装置は、顕微鏡に限られず単独の測色計や波長分布の測定を必要とする他の装置の一部として適用することができる。また、第１実施の形態のように、中間像を結像させる必要は無く、被測定物からの光束を直接測定するようにしても良い。
【符号の説明】
【００６８】
１０ 顕微鏡
１１ 被測定物
１２ ステージ
１３ ステージユニット
１３ａ ＸＹ駆動制御部
１３ｂ Ｚ駆動制御部
１４ 光源ユニット
１５ 対物レンズ
１６ レボルバユニット
１７ 結像レンズ
１８ 接眼部
１９ カメラユニット
２０ ハーフミラー
２１ フォーカス検出ユニット
２２ ハーフミラー
２３ ミラー
２４ 測定ユニット
３０ 制御・データ処理部
３１ ステージユニット制御部
３２ 光源ユニット制御部
３３ レボルバユニット制御部
３４ カメラユニット制御部
３５ フォーカスユニット制御部
３６ 測定ユニット制御部
３７ 制御コントローラ
３８ ホストシステム
３９ ユーザインタフェース
５１ 視野絞り
５２ 拡散板
５３ 光束均一化光学素子
５３ａ 入射面
５３ｂ 側面
５３ｃ 出射面
５６ 受光部
５６ａ 受光素子
５７ 被測定物の中間像
６１ 補正部
６２ スペクトル推定部
６３ 画像補正部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定領域から放射される光束を拡散させる拡散板と、
受光面に、互いに異なる分光感度特性を有する受光素子を複数備える受光部と、
前記拡散板により拡散された前記光束の少なくとも一部を、前記受光面の垂線の方向に近づくように偏向させるとともに、該光束を前記受光面へ導く光束均一化光学素子と
を備えることを特徴とする波長分布測定装置。
【請求項２】
前記光束均一化光学素子は、前記拡散板によって拡散された前記光束を入射させる入射面と、前記入射面から入射した前記光束を前記受光部に向けて出射させる出射面と、前記入射面から入射した前記光束の少なくとも一部を内部反射させる側面とを備えることを特徴とする請求項１に記載の波長分布測定装置。
【請求項３】
前記光束均一化光学素子は、前記入射面の面積より前記出射面の面積の方が大きいことを特徴とする請求項２に記載の波長分布測定装置。
【請求項４】
前記光束均一化光学素子は、前記側面の少なくとも一部が、平面により構成されていることを特徴とする請求項２または３に記載の波長分布測定装置。
【請求項５】
前記光束均一化光学素子は、前記入射面の形状が円形であり、前記出射面の形状が四角形であることを特徴とする請求項２〜４の何れか一項に記載の波長分布測定装置。
【請求項６】
前記光束均一化光学素子は、前記側面の少なくとも一部が、前記受光面の垂線の方向と平行であることを特徴とする請求項２〜５の何れか一項に記載の波長分布測定装置。
【請求項７】
前記光束均一化光学素子は、前記入射面と前記出射面との間で、前記受光面に平行な断面の形状が連続的に変化することを特徴とする請求項２〜６の何れか一項に記載の波長分布測定装置。
【請求項８】
前記光束均一化光学素子は、段差部を介して結合される少なくとも第１の部分と第２の部分とを備えることを特徴とする請求項２〜６の何れか一項に記載の波長分布測定装置。
【請求項９】
前記受光部は、前記受光素子が二次元的に配置されることを特徴とする請求項１〜８の何れか一項に記載の波長分布測定装置。
【請求項１０】
それぞれの前記受光素子は、光電変換素子と、該光電変換素子の前面に近接して配置された透過帯域特性の互いに異なるフィルタとから構成されることを特徴とする請求項１〜９の何れか一項に記載の波長分布測定装置。
【請求項１１】
それぞれの前記受光素子からの出力信号に基づいて、前記光束の波長分布特性を導出する特性導出部を備えることを特徴とする請求項１〜１０の何れか一項に記載の波長分布測定装置。
【請求項１２】
前記光束均一化光学素子は、前記受光部の前記受光面の垂線を含む所定の断面で、入射面側よりも出射面側が広いテーパー部を有し、
前記拡散板により拡散された光束の拡散角に対する強度分布の半値半幅の角度をθｉｎ、前記光束均一化光学素子の屈折率をｎ、前記光束均一化光学素子の前記断面におけるテーパーの角度をαとするとき、
ａｓｉｎ(ｓｉｎθｉｎ／ｎ)＞α
であることを特徴とする請求項２〜１１の何れか一項に記載の波長分布測定装置。
【請求項１】
被測定領域から放射される光束を拡散させる拡散板と、
受光面に、互いに異なる分光感度特性を有する受光素子を複数備える受光部と、
前記拡散板により拡散された前記光束の少なくとも一部を、前記受光面の垂線の方向に近づくように偏向させるとともに、該光束を前記受光面へ導く光束均一化光学素子と
を備えることを特徴とする波長分布測定装置。
【請求項２】
前記光束均一化光学素子は、前記拡散板によって拡散された前記光束を入射させる入射面と、前記入射面から入射した前記光束を前記受光部に向けて出射させる出射面と、前記入射面から入射した前記光束の少なくとも一部を内部反射させる側面とを備えることを特徴とする請求項１に記載の波長分布測定装置。
【請求項３】
前記光束均一化光学素子は、前記入射面の面積より前記出射面の面積の方が大きいことを特徴とする請求項２に記載の波長分布測定装置。
【請求項４】
前記光束均一化光学素子は、前記側面の少なくとも一部が、平面により構成されていることを特徴とする請求項２または３に記載の波長分布測定装置。
【請求項５】
前記光束均一化光学素子は、前記入射面の形状が円形であり、前記出射面の形状が四角形であることを特徴とする請求項２〜４の何れか一項に記載の波長分布測定装置。
【請求項６】
前記光束均一化光学素子は、前記側面の少なくとも一部が、前記受光面の垂線の方向と平行であることを特徴とする請求項２〜５の何れか一項に記載の波長分布測定装置。
【請求項７】
前記光束均一化光学素子は、前記入射面と前記出射面との間で、前記受光面に平行な断面の形状が連続的に変化することを特徴とする請求項２〜６の何れか一項に記載の波長分布測定装置。
【請求項８】
前記光束均一化光学素子は、段差部を介して結合される少なくとも第１の部分と第２の部分とを備えることを特徴とする請求項２〜６の何れか一項に記載の波長分布測定装置。
【請求項９】
前記受光部は、前記受光素子が二次元的に配置されることを特徴とする請求項１〜８の何れか一項に記載の波長分布測定装置。
【請求項１０】
それぞれの前記受光素子は、光電変換素子と、該光電変換素子の前面に近接して配置された透過帯域特性の互いに異なるフィルタとから構成されることを特徴とする請求項１〜９の何れか一項に記載の波長分布測定装置。
【請求項１１】
それぞれの前記受光素子からの出力信号に基づいて、前記光束の波長分布特性を導出する特性導出部を備えることを特徴とする請求項１〜１０の何れか一項に記載の波長分布測定装置。
【請求項１２】
前記光束均一化光学素子は、前記受光部の前記受光面の垂線を含む所定の断面で、入射面側よりも出射面側が広いテーパー部を有し、
前記拡散板により拡散された光束の拡散角に対する強度分布の半値半幅の角度をθｉｎ、前記光束均一化光学素子の屈折率をｎ、前記光束均一化光学素子の前記断面におけるテーパーの角度をαとするとき、
ａｓｉｎ(ｓｉｎθｉｎ／ｎ)＞α
であることを特徴とする請求項２〜１１の何れか一項に記載の波長分布測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１３−２９３２２（Ｐ２０１３−２９３２２Ａ）
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６３５９４（Ｐ２０１１−１６３５９４）
【出願日】平成２３年７月２６日（２０１１．７．２６）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２６日（２０１１．７．２６）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
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