JP5454942B2 - 分光装置とそれを用いた顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、分光装置とそれを用いた顕微鏡に関し、詳しくは、ラマンシフトを計測するための平面分光装置とそれを用いた顕微鏡に関する。

ラマン散乱は、レーザなどの単一波長を物質に照射することによって生じる非弾性な光学現象であって、照射する単一波長光源の波長より長波長側および短波長側にも若干波長シフトした散乱光が発生する現象である。この波長シフト（ラマンシフト）したラマン散乱光スペクトルは物質固有のものであって、ラマン散乱光スペクトルを測定することにより、光を照射した対象の物質が何であるかを特定できる。

光を金属ナノ構造に照射すると、金属表面に自由電子の粗密波である表面プラズモンが励起されるが、表面プラズモンにはその領域における光電場を増強する効果がある。

これにより、金属ナノ構造周囲で発生するラマン散乱光を増強して計測することができる。つまり、ナノサイズの金属構造の周囲に物質が存在するとき、レーザなどの単一波長光が照射されると、物質により増強されたラマン散乱光が発生する。この増強されたラマン散乱光は、ＳＥＲＳ（Surface Enhanced Raman Scattering、表面増強ラマン散乱）とよばれている。

さらに、光を金属ナノ構造に照射すると、金属表面に自由電子の粗密波である表面プラズモンが励起されるが、表面プラズモンにはその領域における光電場を増強する効果がある。これにより、金属ナノ構造周囲で発生するラマン散乱光を増強して計測することができる。

これらラマン散乱およびＳＥＲＳはいずれもラマンシフトを計測することから、その測定装置は基本的には同じであり、本発明もラマン散乱およびＳＥＲＳのいずれの測定にも適用できるものであるが、特にラマンシフトを計測するための装置構成を顕微鏡と併用することにより、その効果が期待できる。

ところで、このようなラマンシフトを計測するための装置構成を顕微鏡と併用したものとして、たとえば特許文献１に開示されているようなレーザ顕微鏡がある。図４は、特許文献１に開示されているレーザ顕微鏡の構成説明図であり、光軸に対し垂直方向に光を走査させるように構成されている。

図４において、光学顕微鏡１００は、レーザ光源１０と、ビームエキスパンダ１１で拡大された光ビームをＹ方向に走査するＹ走査装置１３と、Ｙ走査装置１３で偏向された光ビームを屈折させるレンズ１４と、レンズ１４で屈折された光ビームが入射される絞り１５と、絞り１５を透過した光ビームを屈折させるレンズ１６と、対物レンズ２１と、光ビームをＸ方向に走査するＸ走査ミラー１８と、Ｘ走査ミラー１８で走査された光ビームを屈折させるレンズ１９および２０と、Ｙ走査装置１３から試料２２までの光路中に配置され、試料２２に入射された光ビームのうち異なる波長となって試料２２から対物レンズ２１側に出射する出射光とレーザ光源１０から試料２２に入射する光ビームとを分離するビームスプリッタ１７と、試料２２が配置されるステージ２３と、ビームスプリッタ１７を透過した光ビームを屈折させるレンズ２４と、Ｙ方向に対応する方向に沿って配置された入射スリット３０を有し、入射スリット３０を通過した出射光を波長に応じて空間的に分散させる分光器３１と、分光器３１で分散させた出射光を検出する検出器３２と、ステージ２３を駆動するステージ駆動装置４０と、各部を制御する処理装置５０とを備えるものである。

Ｙ走査装置１３は、たとえば音響光学素子やガルバノミラーで構成されていて、入射した光ビームの出射角を変化させて光ビームを偏向させる。これにより、試料２２上で光ビームの入射位置がＹ方向に沿って変化する。すなわち、Ｙ走査装置１３は、光ビームをＹ方向に走査する。

Ｘ走査ミラー１８は、たとえばガルバノミラーで構成されていて、反射面の角度が変化することで光ビームを偏向させる。すなわち、光軸に対するＸ走査ミラー１８の反射面の傾斜角度が変化するため、光ビームの出射角を変化させることができる。これにより、試料２２上で光ビームの入射位置がＸ方向に沿って変化し、光ビームをＸ方向に走査することができる。

検出器３２が１フレーム撮像する間に、光ビームをＹ方向に１回以上走査する。すなわち、Ｙ走査装置１３の走査周期を露光時間よりも短くして、検出器３２の１フレームの露光時間内で、Ｙ方向に１回以上走査する。これにより、検出器３２の１フレームで走査範囲に応じたライン状の領域のスペクトルを測定できる。

露光時間内にＹ走査装置１３の走査領域の全体を走査することにより、光ビームの入射位置は露光時間内に入射スリット３０上でＹ走査領域の一端から他端まで移動する。したがって、試料２２上において開口部３０ａに対応する領域全体に対してスペクトルのスペクトル測定を行うことができ、１フレームで入射スリット３０の開口部３０ａに対応する長さのライン状の領域を撮像でき、試料２２上の複数の点からのスペクトルを１回の露光で測定できる。

これにより、検出器３２のＣＣＤにおける電荷の転送回数およびＣＣＤからのデータの転送回数が減少して測定時間を短縮でき、１フレームのデータ転送で複数の点のスペクトルを測定でき、各点毎にデータ転送などを行う必要がなくなることから測定時間を短縮できる。

この場合、検出器３２の画素がａ〜ｎ列まであるため、試料２２のｎ個の点でのスペクトルを１回の露光で測定でき、測定時間を短縮できる。

このように、２次元アレイ状に画素が配列された検出器３２のＹ方向と直交する方向にスペクトルの分光情報を展開し、試料２２における直線状の領域の分光情報を１度に取得することにより、ライン状の領域のスペクトルの測定を高速に行うことができる。
１フレームの撮像が終了したら、Ｘ走査ミラー１８によってＸ方向に１照明領域分照明位置をずらす。そして、同様に１フレームの撮像を行い、ライン状領域のスペクトルを測定する。これを繰り返し行うことによって、試料２２上の２次元領域のスペクトルを測定できる。

このように構成されるレーザ顕微鏡は、Ｙ方向（Ｚ軸＝光軸の垂直面内）とＸ方向（Z軸＝光軸の垂直面内）に光軸をスキャンするので、ＸＹ面を高速に分光できる。

特許文献１には高精度の測定が短時間に行えるレーザ顕微鏡の技術が記載され、特許文献２にはＺ方向の焦点距離のずれを補正するための光学系の技術が記載されている。

特開２００７−１７９００２号公報 特開２００４−３１７６７６号公報

しかし、図４の構成では、２次元アレイ検出器３２のフレームデータ転送時間内に１回集光ポイントをライン上でスキャンするため２次元アレイ検出器３２への露光（撮像）時間が少なく、微弱な光を分光撮像する場合には繰り返しスキャンと２次元アレイ検出器３２による撮像を行う必要があり、結果として高速な分光は困難になる。

また、集光ポイントをＹ方向にラインスキャンするが、これをＸ方向にずらして繰り返すことによりＸＹ平面を撮像することから、Ｚ方向の焦点距離がずれる。Ｚ方向のずれはピントの外れた画像取得につながることになる。これを補正するためにはたとえば特許文献２に開示されているような更なる光学系が必要となるが、このような補正光学系は、部品数の増加、装置の大型化、装置の高価格化などをもたらすことになり、好ましくない。

また、Ｘ方向およびＹ方向の集光スポット走査手段として、たとえばモータを利用したガルバノミラーによる光偏向を利用しているが、これら両方向の回転軸を直角に配置すると、装置が大型化する。

また、２次元アレイ検出器３２のフレームデータ転送時間内に分光する手法としては、回折格子などの分散素子による固定光学系であるポリクロメータが考えられるが、光分散素子はスペクトルを角度に振って分ける機能を持つため、この角度を平行光などの取り扱いが容易な光の状態へ修正するためにミラーやレンズなどの複数の光素子が必要となって部品点数の増加につながり、装置が大型化になるとともに、高価格になってしまう。

また、回折格子は波長と回折角度がリニアではないことからその光回折角度に波長依存性があり、広い波長領域に対して等間隔の波長分解能が得られない。

さらに、各集光スポットの走査を行うため、各集光スポットにおける分光は同じ波長であっても同時刻にはできず、同時刻分光が困難である。

本発明は、これらの課題を解決するもので、その目的は、比較的少ない部品点数で、高速に２次元（ＸＹ）平面を高い波長分解能で分光できる小型で安価な分光装置とそれを用いた顕微鏡を提供することにある。

このような課題を達成するために、本発明の請求項１記載の発明は、
試料を照射する光源と、
前記試料の反射光から波長Ｌｅ以下の短波長領域または波長Ｌｅ以上の長波長領域の光を透過させるエッジフィルタと、
前記試料の反射光から所望の波長領域を選択する光干渉型可変バンドパスフィルタと、
この可変バンドパスフィルタの透過光が入射される２次元アレイ検出器と、
前記可変バンドパスフィルタの波長領域を波長範囲Ｖｔ０＝Ｖｔ０Ｙ−Ｖｔ０Ｘから波長範囲Ｖｔ１＝Ｖｔ１Ｙ−Ｖｔ１Ｘにシフトさせてシフト前の波長範囲Ｖｔ０における前記２次元アレイ検出器の各素子の検出出力Ｅ＿Ｒｔ０（波長領域Ｒｔ０＝Ｖｔ０Ｘ−Ｌｅ）とシフト後の波長範囲Ｖｔ１における前記２次元アレイ検出器の各素子の検出出力Ｅ＿Ｒｔ１（波長領域Ｒｔ１＝Ｖｔ１Ｘ−Ｌｅ）に基づき波長領域Ｒｔ０ｔ１＝Ｖｔ０Ｘ−Ｖｔ１Ｘでの光量を意味する差分Ｅ＿Ｒｔ(０−１)＝Ｅ＿Ｒｔ０−Ｅ＿Ｒｔ１を算出して分光出力とする制御装置、
とで構成されたことを特徴とする分光装置である。

請求項２記載の発明は、
試料を照射する光源と、
前記試料の反射光から波長Ｌｅ以下の短波長領域または波長Ｌｅ以上の長波長領域の光を透過させるエッジフィルタと、
前記試料の反射光から所望の波長領域を選択する光干渉型可変バンドパスフィルタと、
この可変バンドパスフィルタの透過光が入射される２次元アレイ検出器と、
前記可変バンドパスフィルタの透過光を前記２次元アレイ検出器の受光面に結像させる結像光学系と、
前記可変バンドパスフィルタの波長領域を波長範囲Ｖｔ０＝Ｖｔ０Ｙ−Ｖｔ０Ｘから波長範囲Ｖｔ１＝Ｖｔ１Ｙ−Ｖｔ１Ｘにシフトさせてシフト前の波長範囲Ｖｔ０における前記２次元アレイ検出器の各素子の検出出力Ｅ＿Ｒｔ０（波長領域Ｒｔ０＝Ｖｔ０Ｘ−Ｌｅ）とシフト後の波長範囲Ｖｔ１における前記２次元アレイ検出器の各素子の検出出力Ｅ＿Ｒｔ１（波長領域Ｒｔ１＝Ｖｔ１Ｘ−Ｌｅ）に基づき波長領域Ｒｔ０ｔ１＝Ｖｔ０Ｘ−Ｖｔ１Ｘでの光量を意味する差分Ｅ＿Ｒｔ(０−１)＝Ｅ＿Ｒｔ０−Ｅ＿Ｒｔ１を算出して分光出力とする制御装置、
とで構成されたことを特徴とする顕微鏡である。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の顕微鏡において、前記結像光学系は、共焦点光学系であることを特徴とする。

これらにより、比較的少ない部品点数で、高速に２次元（ＸＹ）平面を高い波長分解能で分光できる小型で安価な分光装置とそれを用いた顕微鏡が実現できる。

本発明の一実施例を示す構成説明図である。 図１の構成により分光される波長領域の説明図である。 図１の構成により分光される他の波長領域の説明図である。 従来のレーザ顕微鏡の構成説明図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例を示す構成説明図である。図１において、光源６１の出力光は、光照射レンズ光学系６２を介して、試料である測定対象６３に照射される。測定対象６３の照射にあたっては、光源６４のように光軸から外れた位置から照射してもよい。

なお、これら光源６１と６４は少なくともいずれか一つがあればよく、これら光源６１と６４はレーザのような単一波長光源でもよいし、広領域波長光源でもよい。

測定対象６３からの光は対物レンズ光学系６５により拡大され、エッジフィルタ６６によりある波長を境に、その短波長領域あるいは長波長領域に限定された光が透過する。

エッジフィルタ６６の出力光は、可変バンドパスフィルタ６７を通過することによって分光される。可変バンドパスフィルタ６７で分光された出力光は、ノッチフィルタ６８→偏光フィルタ６９→光軸調整光学系７０→結像光学系７１よりなる光学経路を経て、２次元アレイ光検出器７２に入射される。

ノッチフィルタ６８は必須ではないが、光源６１または６４が単一波長光源である場合にはあったほうがよい。

可変バンドパスフィルタ６７としては、光干渉型や光入射角度チューニング型などを用いることができる。

２次元アレイ光検出器７２は、ＣＭＯＳイメージセンサやＣＣＤイメージセンサなどを用いることができる。

これらエッジフィルタ６６、可変バンドパスフィルタ６７、ノッチフィルタ６８、偏光フィルタ６９、光軸調整光学系７０、結像光学系７１および２次元アレイ光検出器７２は制御装置７３と接続されている。

エッジフィルタ６６、ノッチフィルタ６８および偏光フィルタ６９は、制御装置７３により、必要に応じて光軸上への出し入れが制御される。そして、可変バンドパスフィルタ６７、光軸調整光学系７０、結像光学系７１および２次元アレイ光検出器７２は、制御装置７３により、分光される波長領域と撮像するタイミングが所望の条件になるように制御される。

図１の動作を、図２および図３を用いて説明する。図２はエッジフィルタ６６と可変バンドパスフィルタ６７により分光される波長領域の説明図であり、横軸は波長λを表し、縦軸は透過率Ｔを表している。

図２において、Ｃ１に示すようなスペクトルの波長領域ｔ０からｔ１を分光するものとする。実線ａはエッジフィルタ６６の光透過領域を示し、波長領域Ｌｅ以下の短波長領域の光を透過させることを意味している。

破線ｂと一点鎖線ｃは、可変バンドパスフィルタ６７の透過領域を示している。透過領域を変調することにより、波長範囲Ｖｔ０＝ Ｖｔ０Ｙ−Ｖｔ０Ｘの領域を透過させる破線ｂの状態と、波長範囲Ｖｔ１＝Ｖｔ１Ｙ−Ｖｔ１Ｘの領域を透過させる一点鎖線ｃの状態を生成する。なお、図２では、実線ａと破線ｂと一点鎖線ｃはそれぞれの透過率が異なるように描画されているが、説明の便宜上であって、特段の意味はない。

今、破線ｂの状態をとった場合、透過する波長領域は、長波長側がエッジフィルタ６６の透過領域と可変バンドパスフィルタ６７の透過領域からなるため、Ｒｔ０＝Ｖｔ０Ｘ−Ｌｅになる。まず、このときの光量を測定し、この光量をＥ＿Ｒｔ０とする。

次に、一点鎖線ｃの状態をとった場合の光量を測定する。この場合、透過する波長領域はＲｔ１＝Ｖｔ１Ｘ−Ｌｅであり、この光量をＥ＿Ｒｔ１とする。

実線ａと一点鎖線ｃの状態における光量、Ｅ＿Ｒｔ０とＥ＿Ｒｔ１は、制御装置７３が有する記憶機能により保持されている。

制御装置７３は、光量Ｅ＿Ｒｔ０からＥ＿Ｒｔ１を減ずる計算処理を行い、差分光量Ｅ＿Ｒｔ(０−１)＝Ｅ＿Ｒｔ０−Ｅ＿Ｒｔ１を算出する。

ここで、Ｅ＿Ｒｔ(０−１)は、波長領域Ｒｔ０ｔ１＝Ｖｔ０Ｘ−Ｖｔ１Ｘでの光量を意味している。つまり、スペクトルＣ１に対し、この波長領域での分光出力が得られたことになる。なお、上記の「光量を測定する」とは、２次元アレイ光検出器７２による平面撮像を意味している。これにより、制御装置７３は、２次元アレイ光検出器７２における各素子（ピクセル）それぞれの測定光量を記憶して減算処理を行い、各素子それぞれから分光結果を出力をする。

続いて、Ｃ１スペクトルの異なる領域の分光を行う。

図３は、可変バンドパスフィルタ６７の光透過領域を変調し、さらに長波長側の領域を透過させるように制御した状態を示す波長領域の説明図であり、横軸は波長λを表し、縦軸は透過率Ｔを表している。

図３において、スペクトルＣ１の波長領域ｔ１からｔ２を分光するものとする。実線ａはエッジフィルタ６６の光透過領域を示している。破線ｃは可変バンドパスフィルタ６７の透過領域を示していて、このときの光量Ｅ＿Ｒｔ１は制御装置７３により記憶されている。二点鎖線ｄは、可変バンドパスフィルタ６７を制御し、さらに長波長領域Ｖｔ２＝Ｖｔ２Ｙ−Ｖｔ２Ｘの光を透過するように変調された新たな状態である。

このような状態において、図２と同様な計算処理を行う。この場合、正味の光透過領域は、Ｒｔ１ｔ２＝Ｒｔ１−Ｒｔ２＝(Ｌｅ−Ｖｔ１Ｘ) −(Ｌｅ−Ｖｔ２Ｘ)となる。

そして、このときの透過光量は、Ｅ＿Ｒｔ(１−２)＝Ｅ＿Ｒｔ１−Ｅ＿Ｒｔ２として算出される。

以上により、スペクトルＣ１に対し、長波長側での分光出力が得られたことになる。

これら図２および図３で説明した処理動作を連続的に繰り返して実行することにより、スペクトルＣ１の全波長領域に対する分光処理が行える。

図１の構成によれば、エッジフィルタ６６と可変バンドパスフィルタ６７とが各１点の少ない光学部品点数で、小型で安価な分光装置を構成できる。

また、このように構成される分光装置と２次元アレイ光検出器７２を用いることで２次元（ＸＹ）平面の分光を時間遅れなく行うことができ、ある測定時刻に対して同じ波長領域を分光できる。

そして、２次元アレイ光検出器７２の撮像速度に基づき、高速の分光が行える。

さらに、可変バンドパスフィルタ６７の透過領域の制御精度がそのまま波長分解能となることから、高い波長分解能が得られる。

なお、図２および図３の説明では、エッジパスフィルタ６６として短波長領域を光透過するように構成されたショートパスフィルタを使用すると仮定して説明したが、長波長領域を光透過するロングパスフィルタを使用するものであってもよい。

また、図１に示すように偏光フィルタ６９を用いることにより、偏光依存性を持ったスペクトルの分光も行える。

また、図１に示すような偏光フィルタ６９を用いることにより、偏光の方向を制御しながら分光を行うこともできる。

また、図１に示す結像光学系７１を共焦点光学系として構成することにより、測定対象６３の深さ方向をも測定できる。

さらに、このように構成される分光装置を顕微鏡に用いることにより、上記の優れた分光特性を有する顕微鏡が実現できる。そして、図１に示す結像光学系７１を共焦点光学系として構成することにより、測定対象６３の深さ方向をも測定できる共焦点顕微鏡が実現できる。

以上説明したように、本発明によれば、比較的少ない部品点数で、高速に２次元（ＸＹ）平面を高い波長分解能で分光できる小型で安価な分光装置とそれを用いた顕微鏡が実現でき、ラマン散乱やＳＥＲＳなどのラマンシフトの計測に好適である。

６１、６４ 光源
６２ 光照射レンズ光学系
６３ 測定対象（試料）
６５ 対物レンズ光学系
６６ エッジフィルタ
６７ 可変バンドパスフィルタ
６８ ノッチフィルタ
６９ 偏光フィルタ
７０ 光軸調整光学系
７１ 結像光学系
７２ ２次元アレイ光検出器

Claims (3)

1. 試料を照射する光源と、
   前記試料の反射光から波長Ｌｅ以下の短波長領域または波長Ｌｅ以上の長波長領域の光を透過させるエッジフィルタと、
   前記試料の反射光から所望の波長領域を選択する光干渉型可変バンドパスフィルタと、
   この可変バンドパスフィルタの透過光が入射される２次元アレイ検出器と、
   前記可変バンドパスフィルタの波長領域を波長範囲Ｖｔ０＝Ｖｔ０Ｙ−Ｖｔ０Ｘから波長範囲Ｖｔ１＝Ｖｔ１Ｙ−Ｖｔ１Ｘにシフトさせてシフト前の波長範囲Ｖｔ０における前記２次元アレイ検出器の各素子の検出出力Ｅ＿Ｒｔ０（波長領域Ｒｔ０＝Ｖｔ０Ｘ−Ｌｅ）とシフト後の波長範囲Ｖｔ１における前記２次元アレイ検出器の各素子の検出出力Ｅ＿Ｒｔ１（波長領域Ｒｔ１＝Ｖｔ１Ｘ−Ｌｅ）に基づき波長領域Ｒｔ０ｔ１＝Ｖｔ０Ｘ−Ｖｔ１Ｘでの光量を意味する差分Ｅ＿Ｒｔ(０−１)＝Ｅ＿Ｒｔ０−Ｅ＿Ｒｔ１を算出して分光出力とする制御装置、
   とで構成されたことを特徴とする分光装置。
2. 試料を照射する光源と、
   前記試料の反射光から波長Ｌｅ以下の短波長領域または波長Ｌｅ以上の長波長領域の光を透過させるエッジフィルタと、
   前記試料の反射光から所望の波長領域を選択する光干渉型可変バンドパスフィルタと、
   この可変バンドパスフィルタの透過光が入射される２次元アレイ検出器と、
   前記可変バンドパスフィルタの透過光を前記２次元アレイ検出器の受光面に結像させる結像光学系と、
   前記可変バンドパスフィルタの波長領域を波長範囲Ｖｔ０＝Ｖｔ０Ｙ−Ｖｔ０Ｘから波長範囲Ｖｔ１＝Ｖｔ１Ｙ−Ｖｔ１Ｘにシフトさせてシフト前の波長範囲Ｖｔ０における前記２次元アレイ検出器の各素子の検出出力Ｅ＿Ｒｔ０（波長領域Ｒｔ０＝Ｖｔ０Ｘ−Ｌｅ）とシフト後の波長範囲Ｖｔ１における前記２次元アレイ検出器の各素子の検出出力Ｅ＿Ｒｔ１（波長領域Ｒｔ１＝Ｖｔ１Ｘ−Ｌｅ）に基づき波長領域Ｒｔ０ｔ１＝Ｖｔ０Ｘ−Ｖｔ１Ｘでの光量を意味する差分Ｅ＿Ｒｔ(０−１)＝Ｅ＿Ｒｔ０−Ｅ＿Ｒｔ１を算出して分光出力とする制御装置、
   とで構成されたことを特徴とする顕微鏡。
3. 前記結像光学系は、共焦点光学系であることを特徴とする請求項２記載の顕微鏡。

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