DE68919078T2

DE68919078T2 - Vorrichtung zur ramanstrahlungsanalyse.

Info

Publication number: DE68919078T2
Application number: DE68919078T
Authority: DE
Inventors: David Batchelder; Chunwei Cheng; Brian Smith
Original assignee: Renishaw PLC
Current assignee: Renishaw PLC
Priority date: 1988-12-22
Filing date: 1989-12-22
Publication date: 1995-03-30
Anticipated expiration: 2009-12-23
Also published as: DE68919078D1; GB8830039D0; WO1990007108A1; JP2733491B2; EP0404901A1; EP0404901B1; US5194912A; JPH03504046A

Description

Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung und Methoden, bei denen der Raman-Effekt verwendet wird, um eine Probe zu analysieren.
Der Raman-Effekt ist ein Phänomen, bei dem eine Probe auftreffendes Licht einer gegebenen Frequenz in ein Frequenzspektrum streut, das Linien aufweist, die durch Wechselwirkung des auftreffenden Lichts mit den die Probe aufbauenden Molekülen hervorgerufen werden. Verschiedene Molekülarten haben unterschiedliche charakteristische Raman-Spektren, und so kann dieser Effekt verwendet werden, um die vorhandenen Molekülarten zu analysieren.
Analytische Methoden und eine Vorrichtung, die den Raman-Effekt verwenden, sind in einer Veröffentlichung "Raman Microprobe and Microscope with Laser Excitation", M. Delhaye und P. Dhamelincourt, Journal of Raman Spectroscopy, 3 (1975) 33-43 beschrieben. Eine Probe wird mit monochromatischem Licht von einem Laser beleuchtet und das gestreute Licht wird durch einen Monochromator geschickt, um eine bestimmte Linie des resultierenden Raman Spektrums auszuwählen. Die Veröffentlichung beschreibt sowohl eine Mikrosonde, bei der Licht von einem einzelnen beleuchteten Punkt oder einer Linie auf der Probe durch den Monochromator geschickt wird, als auch ein Mikroskop, in dem ein Bereich beleuchtet wird und ein integrales, zweidimensionales Bild dieses Bereichs durch den Monochromator geschickt wird. Die Mikrosonde besitzt den Nachteil, daß es zum Erhalt eines zweidimensionalen Bildes notwendig ist, eine Reihe von Punkten oder Linien über dem Bereich der Probe abzutasten, so daß der Aufbau des geforderten Bildes komplex ist und eine relativ lange Zeit benötigt. Das Mikroskop weist diesen Nachteil offensichtlich nicht auf, aber die Optiken des Monochromators erfordern eine wesentliche Modifikation, um ein zweidimensionales Bild hindurchzulassen.
Insbesondere weist ein konventioneller Monochromator ein optisches System auf, das ein Bild des beleuchteten Punktes oder Linie auf der Probe auf einen Eingangsspalt fokussiert; und ein weiteres optisches System, das ein Bild des Eingangsspaltes auf einen Ausgangsspalt fokussiert. Zwischen dem Eingangsspalt und dem Ausgangsspalt ist ein dispersives Gerät wie beispielsweise ein Beugungsgitter (oder gewöhnlicherweise zwei oder drei solcher Gitter in Reihe). Das dispersive Gerät hat die Wirkung, einen einkommenden polychromatischen Lichtstrahl frequenzabhängig in einen Bereich von Winkeln aufzuspalten. Aufgrund der Dispersion wählt die Lage des Ausgangsspaltes relativ zu dem Beugungsgitter die zu untersuchende spektrale Linie aus. Der Monochromator kann durch Bewegen des Ausgangsspaltes oder bequemer durch eine Anordnung, in der das Beugungsgitter relativ zu dem Ausgangsspalt rotiert wird, auf verschiedene Spektrallinien abgestimmt werden. Da die Frequenzen des Spektrums durch einen Beugungsprozeß getrennt werden, ist es offensichtlich, daß eine gute Frequenzauflösung enge Spalte erfordert. Da das Bild der Probe auf den Spalten fokussiert wird, ist dies der Grund, warum diese konventionelle Monochromatoranordnung keinen zweidimensionalen Bereich einer Probe beobachten kann. Wenn ein breiterer Spalt verwendet wird um ein zweidimensionales Bild hindurchzulassen, würde er einen Bereich von Frequenzen hindurchlassen. Da jede gegebene Spektrallinie eine endliche Breite besitzt, ist das Ergebnis ein verschmiertes Bild eines jeden gegebenen Punktes der Probe, und falls man versucht, ein Bild in zwei Dimensionen zu bilden, wird das verschmierte Bild eines Punktes der Probe mit dem verschmierten Bild eines benachbarten Punktes überlappen, was zu einem sehr gestörten Bild (schlechte räumliche Auflösung zusätzlich zu verschlechterter Frequenzauflösung) führt.
Das in der obigen Veröffentlichung verwendete modifizierte optische System zur Schaffung eines integralen zweidimensionalen Bildes bildet ein Bild der Probe auf dem Beugungsgitter des Monochromators anstatt auf den Eingangs- und Ausgangsspalten. An den Eingangs- und Ausgangsspalten werden Bilder der Ausgangsapertur eines optischen Mikroskops gebildet, das den abzubildenden Bereich der Probe betrachtet. Durch diese Mittel kann man (in der Theorie) ein integrales zweidimensionales Bild des Bereichs auf der Probe durch einen Monochromator mit beliebig engen Eingangs- und Ausgangsspalten hindurchschicken. Die Aperturgröße des Eingangsspaltes regelt die Lichtmenge, die gesammelt wird und auf dem Gitter fokussiert wird; während die Aperturgröße des Ausgangsspaltes die Lichtmenge regelt, die von dem Gitter gesammelt und fokussiert wird, um das sich ergebende zweidimensionale Bild zu erzeugen, das detektiert wird. Wenn die Eingangs- und Ausgangsspalte eng gemacht werden um die Frequenzauflösung zu verbessern, wird im Ergebnis dann die Intensität des erzeugten Bildes extrem niedrig und schwer zu detektieren. Dies wird durch die Tatsache verschlimmert, daß die gewünschten Raman-Spektren schon von sehr geringen Intensitäten sind und nicht durch einfache Erhöhung der auftreffenden Beleuchtung der Probe von dem Laser erhöht werden können, da eine erhöhte Laserleistung wahrscheinlich die Probe zerstören wird. Daher tendierten kommerzielle Raman-Analysegeräte dazu, eher von dem Abtastmikrosondentyp als ein Raman-Mikroskop zu sein, in dem ein integrales zweidimensionales Bild gebildet wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis des Erfinders, daß dann, wenn man einen nicht dispersiven Filter statt eines dispersiven Monochromators verwendet, keine Notwendigkeit für enge Eingangs- und Ausgangsspalte zur Schaffung einer angemessenen Frequenzauflösung besteht. Die oben angegebene Veröffentlichung schlägt tatsächlich kurz vor, daß das optische System durch die Verwendung eines Interferenzfilters bei dem Gebrauch eines abstimmbaren Farbstofflasers zur Abstimmung des Systems auf verschiedene Raman-Linien vereinfacht werden kann, aber die Autoren geben an, daß dieses Experiment keinen Erfolg hatte.
Die Verwendung von Interferenz filtern mit Wellenlängen, die im Gebrauch fest sind, ist ebenfalls in dem US-Patent 4,081,215 (Penney) und US-Patent 4,397,556 (Müller) offenbart. Das letztere Patent offenbart auch das zweidimensionale Abbilden eines Bereichs einer Probe im Licht einer vorbestimmten fixierten Raman-Frequenz.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung schafft eine Vorrichtung zur Raman-Analyse die umfaßt:
Mittel zum Beleuchten einer Probe, um daraus ein Raman-Spektrum zu erzeugen,
Abstimmittel zum Wählen einer gewünschten Frequenz aus dem von der Probe erhaltenen Spektrum, wobei das Abstimmittel im Gebrauch kontinuierlich mittels eines Rotationsantriebs über ein Band des Spektrums, das eine Vielzahl von gestreuten Linien enthält, abstimmbar ist, und
einen Detektor zum Nachweis des von dem Abstimmittel in jeder der gestreuten Linien ausgewählten Lichts,
wobei das Abstimmittel ein nicht-dispersives Filtermittel zur Wahl der gewünschten Frequenz ohne Aufspaltung sich unterscheidender Frequenzen in einen Bereich von Winkeln umfaßt.
Ein zweiter Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung schafft eine Vorrichtung zur Raman-Analyse, die umfaßt:
Mittel zum Beleuchten eines Bereichs einer Probe, um daraus ein Raman-Spektrum zu erzeugen,
nicht-dispersive abstimmbare Filtermittel zur Wahl einer gewünschten Frequenz auf einer Spitze des von der Probe ohne Aufspaltung sich unterscheidender Frequenzen in einen Bereich von Winkeln erhaltenen Spektrums, wobei das Filtermittel mittels eines Rotationsantriebes abstimmbar ist, um die Wahl bei einer benachbarten Frequenz zu wiederholen, und
einen Detektor zum Nachweis eines zweidimensionalen Bildes von dem Bereich der Probe bei jeder der Frequenzen, wobei die Bilder aus dem von dem Filtermittel gewählten Licht gebildet sind.
Eine derartige Vorrichtung kann entweder ein Raman-Mikroskop oder eine Raman-Mikrosonde bilden.
Vorzugsweise umfaßt das Filtermittel einen Interferenzfilter, wie beispielsweise einen dielektrischen Filter, und vorzugsweise wird es durch Ändern des Einfallswinkels des von der Probe auf den Filter gestreuten Lichts abgestimmt. Dies kann dadurch geschehen, daß das Filter um eine Achse, die senkrecht zu der optischen Achse verläuft, auf die erforderlichen Einfallswinkel rotierbar ist.
In einem anderen Gesichtspunkt schafft die Erfindung ein Verfahren zur Analyse einer Probe bei Verwendung einer derartigen Vorrichtung.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nun anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen
Fig. 1 ein Graph ist, der ein Raman-Spektrum zeigt,
Fig. 2 ein schematisches Diagramm einer einfachen Ausführungsform der Erfindung ist, und
Fig. 3 und 4 schematische Diagramme sind, die weitere Ausführungsformen darstellen.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Zuerst wird kurz der Raman-Effekt erklärt. Wenn eine Probe durch ein monochromatisches Licht einer Frequenz ωL, beispielsweise von einem Laser, beleuchtet wird, wird Licht gestreut. Der Graph in Fig. 1 zeigt die Frequenz ω des gestreuten Lichtes gegen die Intensität I. Das meiste Licht wird durch Rayleigh-Streuung gestreut und ergibt eine Spitze 12 bei der Frequenz ωL, aber geringe Lichtmengen werden bei anderen Frequenzen aufgrund verschiedener Effekte einschließlich Fluoreszenz und dem Raman-Effekt gestreut. Der Raman-Effekt wird durch die verschiedenen Eigenfrequenzen der interatomaren Schwingung innerhalb der Moleküle hervorgerufen, die die Probe aufbauen. Fig. 1 zeigt eine Anzahl von Raman-Linien 10 bei Frequenzen (ωL,-ωO), wobei ωO die Eigenfrequenz einer molekularen Schwingung ist. Jede gegebene Molekülart hat einen charakteristischen Satz von Raman-Linien, die verwendet werden können, um die Zusammensetzung der beleuchteten Oberfläche der Probe (oder das Innere einer durchsichtigen Probe) zu identifizieren. Diese Anwendung des Raman-Effektes zur Analyse einer Probe ist bereits gut verstanden. Die Durchführung einer Analyse umfaßt die Messung der Frequenzen und relativen Höhen h der Spitzen 10, um in der Lage zu sein, das beobachtete Spektrum mit den bekannten Spektren von verschiedenen Molekülen in Übereinstimmung zu bringen.
Fig. 2 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung einer solchen Analyse nach der Erfindung. Eine Probe 14 wird über einen zweidimensionalen Bereich auf ihrer Oberfläche durch eine monochromatische Laserquelle 16 beleuchtet. Das Laserbündel wird von der Quelle durch einen zweifarbigen Interferenzfilter (in diesem Fall einen dielektrischen Vielschichtfilter) 18 reflektiert, der ausgeführt ist, alle Frequenzen außer der sehr engen Linie der monochromatischen Laserquelle 16 zu transmittieren. Ein halbversilberter Spiegel kann anstelle des Filters 18 verwendet werden, obgleich dies einen Verlust an Lichtstärke mit sich bringt. Das Laserbündel läuft auch durch ein Mikroskopobjektiv 20 hindurch, das in der Zeichnung durch eine einzelne Linse dargestellt ist, das aber auch ein System von verschiedenen Linsen in bekannter Weise umfassen kann. Die Laserquelle 16 kann einen Laser eines jeglichen geeigneten Typs, beispielsweise eines He-Ne-Laser verwenden, aber falls es ein Ionenlaser ist, sollte er einen geeigneten Filter enthalten, um Plasmalinien zu entfernen.
Das Mikroskopobjektiv 20 fokussiert ein zweidimensionales Bild des beleuchteten Bereichs 14 der Probe auf eine Kamera 22. Die Kamera 22 ist vorzugsweise ein ladungsgekoppeltes Gerät (CCD: charge coupled device), das auf kryogene Temperaturen (beispielsweise durch flüssigen Stickstoff oder durch Peltier-Kühlen) gekühlt ist, um einen Dunkelstrom zu beseitigen und dadurch das Signal zu Rauschverhältnis der Vorrichtung zu verbessern. Die Verwendung eines CCD's bei konventioneller Raman-Spektroskopie ist in einer Veröffentlichung "Multichannel Raman Spectroscopy with a Cooled CCD Imaging Detector", D. N. Batchelder, ESN - European Spectroscopy News, 80 (1988), Seiten 28, 32, 33 beschrieben. Der Ausgang des CCD 22 wird von einem Computer 24 aufgenommen, der sowohl zur Datensammlung von dem CCD als auch zur Analyse des sich ergebenden Bildes verwendet wird. Andere Kameras können natürlich anstelle des CCD 22 auch verwendet werden, wie beispielsweise eine verstärkte Videokamera.
Zwischen dem Filter 18 und dem CCD 22 befindet sich ein zweiter Linienfilter 26. Dies ist wiederum ein dielektrischer Interferenzfilter. Entgegen dem Filter 18 ist der Filter 26 jedoch ausgelegt, nur die Frequenz (ωL-ωO) einer interessierenden Raman-Linie zu transmittieren und alle anderen Frequenzen zurückzuweisen. Bei der Zurückweisung der anderen Frequenzen wird er natürlich durch den Filter l8 unterstützt, der bereits die meisten der Anregungsfrequenzen ωL zurückgewiesen hat.
Infolgedessen ist das auf dem CCD 22 fokussierte Bild ein zweidimensionales Streuungsbild bei der ausgewählten Raman-Frequenz ωL-ωO über den beleuchteten Bereich der Probe 14. Dieses Bild weist eine exzellente räumliche Auflösung auf, die nur durch die Qualität des Mikroskopobjektivs 20 und die Auflösung des CCD 22 begrenzt ist. Der Computer 24 ist programmiert, die Intensität der ausgewählten Raman-Spitze 10 für jedes Pixel des von dem CCD empfangenen zweidimensionalen Bildes aufzuzeichnen.
Der Filter 26 ist für eine Schwenkbewegung um eine Achse 28 über einen Winkel Θ ausgelegt, die senkrecht zu der optischen Achse ist. Dies ermöglicht uns, von einer Eigenschaft solcher Interferenzfilter Gebrauch zu machen, nämlich, daß die Frequenz der von dem Filter transmittierten Linie mit dem Einfallswinkel Θ variiert. Infolgedessen kann die Vorrichtung durch das Einstellen des Winkels Θ abgestimmt werden, um verschiedene Spitzen 10 in dem Spektrum von Fig. 1 auszuwählen. Indem zuerst auf eine Frequenz A auf einer der Spitzen 10 abgestimmt wird und für jeden Pixel des Bildes eine Intensität ausgelesen wird, und dann auf eine benachbarte Frequenz B abgestimmt wird und die Intensitätsmessung wiederholt wird, kann der Computer 24 auch die Höhe h der Spitze berechnen, indem er einfach für jeden Pixel des Bildes eine Ablesung von der anderen subtrahiert.
Der Filter 26 wird abgestimmt, indem er auf den geforderten Winkel Θ mittels eines Rotationsantriebes 30 gedreht wird. Am einfachsten kann dieser einfach ein manuelles Einstellgerät umfassen, wie beispielsweise einen Drehknopf, der wahlweise mit einem Zeiger auf einer Skala versehen ist, die den Winkel Θ (der als Ausdruck der Wellenzahl in cm&supmin;¹ kalibriert werden kann) anzeigt. Vorzugsweise ist das Antriebsmittel 30 ein motorisierter Rotationsantrieb, beispielsweise ein Schrittmotor. Dieser kann optional von einem Computer 24 gesteuert werden, wie dies durch eine durchbrochene Linie 32 angezeigt ist. Dies ermöglicht, den Computer 24 mit einer vorbestimmten Analyseprozedur zu programmieren, so daß die Analyse vollkommen automatisch voranschreiten kann. In einem solchen Modus stellt der Computer 24 den Einfallswinkel Θ auf eine erste vorbestimmte Raman-Frequenz, entnimmt und speichert Daten von dem CCD 22, die das zweidimensionale Bild bei dieser Raman-Frequenz betreffen, und wiederholt diesen Vorgang dann für jede Frequenz einer Anzahl von verschiedenen vorbestimmten Raman-Frequenzen. Das Computerprogramm kann dann automatisch jegliche gewünschte Analyse durchführen, wie beispielsweise die oben beschriebene einfache Analyse der Subtraktion der Lesewerte bei einer Frequenz A von jenen bei einer Frequenz B. Er kann auch das Raman-Spektrum, das er für jeden Pixel in dem Bild detektiert hat, mit Daten, die in einer Datenbank vorgespeichert sind und bekannte Raman-Spektren von verschiedenen molekularen Arten betreffen, vergleichen, um so zu bestimmen, welche Arten vorhanden sind.
Der Rotationsantrieb 30 kann nicht nur einen von dem Computer 24 gesteuerten Motor enthalten sondern auch einen Winkelpositionscodierer, der Rückmeldung der gegenwärtigen Winkelstellung Θ an den Computer liefert, um eine Servosteuerung des Winkels Θ zu schaffen.
Alternativ kann der Rotationsantrieb für den Filter 26, falls gewünscht, einen Oszillator umfassen, der den Filter über einen Winkelbereich Θ oszilliert. Dieser Winkelbereich kann so gewählt sein, daß er die beiden Punkte A und B in Fig. 10 enthält. Der Computer 24 ist dann programmiert, den Ausgang von jedem Pixel des CCD 22 über den Oszillationsbereich abzutasten und den Spitze-zu-Spitze-Wert des sich ergebenden Signals für jeden Pixel zu berechnen. Dies ergibt ein einfaches Verfahren zur Bestimmung der Höhe h der Spitze 10.
Die Interferenzfilter 18, 26 können kommerziell, beispielsweise von Omega Optical Inc., Brattleboro, Vermont, USA, erhalten werden. Der Filter 18 ist problemlos für jede einer Vielzahl von Frequenzen ωL entsprechend der üblicherweise verwendeten Laseranregungsfrequenzen zu erhalten. Der Filter 26 muß jedoch speziell ausgeführt sein, um die gewünschte Raman-Frequenz (oder zumindest einen Bereich von mit dem Winkel Θ variierenden Raman-Frequenzen) zu transmittieren. Der Bau und die Versorgung mit derartigen Filtern bei einer jeden gewünschten Frequenz ist ein kommerziell erhältlicher Service von Firmen wie beispielsweise Omega Optical Inc.
Es ist festzuhalten, daß die Filter 18, 26 Interferenzfilter sind und nicht dispersiv sind (d.h. sie beugen nicht Licht variierender Frequenzen in entsprechende Richtungsbereiche). Es ist dieses Merkmal, das der vorliegenden Vorrichtung ihre gute räumliche Auflösung verleiht, wenngleich auch auf Kosten einer gewissen Frequenzauflösung im Vergleich mit einer konventionellen dispersiven Monochromatorvorrichtung. Dies wird ohne eine wesentliche Verminderung der Intensität der zu untersuchenden Raman-Linie erreicht. Mit zur Zeit verfügbaren kommerziellen Interferenz filtern kann es notwendig sein, vielleicht vier oder fünf gegeneinander austauschbare Filter 26 vorzusehen, um den interessierenden Frequenzbereich zu überdecken. Dies deshalb, da ein individueller derartiger Filter über den gesamten wahrscheinlichen Frequenzbereich durch Änderung des Winkels Θ abgestimmt werden kann. Zu diesem Zweck ist der Filter 26 in einer geeigneten Halterung ausgeführt um sein Entfernen und Wiedereinsetzen zu erleichtern. Alternativ kann ein solches Entfernen und Wiedereinsetzen durch ein automatisches Wechselgerät unter der Steuerung des Computers 24 ausgeführt werden.
Andere nicht-dispersive Filter können anstelle des dielektrischen Filters 26 verwendet werden. Zum Beispiel kann ein Fabry-Perot-Interferometer als ein derartiger Filter verwendet werden und kann über den gewünschten Frequenzbereich durch Einstellung des Abstandes oder durch Änderung des Brechungsindex des Mediums zwischen den Platten (beispielsweise durch Einstellung des Drukkes eines gasförmigen Mediums) abgestimmt werden. Als Filter 18 kann ein kristallines kolloidales Bragg-Beugungsgerät, wie es von Asher et al., Spectroscopy, Vol. 1, Nr. 12, 1986, Seiten 26-31 beschrieben wurde, verwendet werden. Derartige Geräte sind von EG & G Princeton Applied Research, Princeton, New Jersey, USA, erhältlich.
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung mit einer alternativen optischen Anordnung. Hier befindet sich die Probe 14 in der Brennebene des Mikroskopobjektivs 20. Insofern fokussiert das Mikroskopobjektiv 20 nicht direkt ein Bild der Probe auf das CCD 22, sondern erzeugt statt dessen ein paralleles Lichtbündel bezüglich jedes gegebenen Punktes auf der Probe. Dieses wird durch eine weitere Linse oder ein Linsensystem 34 fokussiert, um das geforderte zweidimensionale Bild auf dem CCD zu ergeben. Die zusätzliche Linse 34 befindet sich hinter dem Filter 26, der auf die gewünschte Raman-Frequenz abgestimmt ist, wie dies oben in bezug auf Fig. 2 beschrieben wurde.
Es ist erkennbar, daß deshalb, weil die Probe 14 nun in der Brennebene des Mikroskopobjektivs 20 liegt, das von der Laserquelle 16 erzeugte parallele Lichtbündel nur einen einzelnen Punkt auf der Probe beleuchten würde und keine Beleuchtung über einen zweidimensionalen Bereich - wie erforderlich - herbeiführt. Dies wird durch das Vorsehen eines konvergenten oder divergierenden Beleuchtungsbündels überwunden, so daß die Laserquelle 16 entweder hinter oder vor der Oberfläche der Probe 14 fokussiert wird. Der Winkel der Divergenz oder Konvergenz des einfallenden Bündels ist der Größe des Bereichs auf der Probe, der beleuchtet werden soll, angepaßt. Als Beispiel zeigt Fig. 3, daß das parallele Laserlicht durch eine Konvexlinse 38 als konvergentes Bündel geformt ist. Obgleich es nicht wesentlich ist, zeigt diese Figur, daß dieses konvergente Bündel auf einen zentralen Punkt des Filters 18 fokussiert ist. In diesem Fall kann der Filter 18, falls gewünscht, mit einem kleinen metallisierten Fleck als sein zentraler Punkt versehen sein, um die Reflexion des einfallenden Laserbündels zu verbessern und eine Schädigung des Filters zu vermeiden. In diesem Fall ist es wünschenswert, einen Filter in der Laserquelle 16 einzusetzen, um jegliche Streustrahlung von der Laserquelle zurückzuweisen.
Fig. 3 zeigt einen optionalen weiteren Filter 36, der sich in dem Lichtweg hinter dem Filter 18 befindet. Wie der Filter 18 ist der Filter 36 ausgelegt, nur die Anregungsfrequenz ωL zurückzuweisen. Durch die Schaffung einer besseren Zurückweisung der Anregungsfrequenz wird das Signal-zu-Rauschverhältnis der Vorrichtung verbessert.
Die oben beschriebene Vorrichtung ist als Raman-Mikroskop ausgelegt, das ein zweidimensionales Bild hindurchläßt. Sie kann jedoch einfach zur Verwendung als eine Raman-Mikrosonde modifiziert werden. Dies wird erreicht, indem ein paralleles Lasereingangsbündel vorgesehen ist, das durch das Mikroskopobjektiv 20 auf einen Punkt auf der Probe 14 fokussiert wird. Das sich ergebende Bild wird auf einer kleinen Gruppe von Pixeln auf dem CCD 22 fokussiert. Der Computer 24 mittelt die Ausgänge dieser Pixel. Dies ergibt die Intensität der von dem Filter 26 ausgewählten Raman-Linie. Die Vorrichtung kann wie vorher durch Drehen des Filters 26 auf die verschiedenen interessierenden Raman-Linien abgestimmt werden. Die Probe 14 kann, falls gewünscht, auf einem Tisch angebracht sein, der in zwei orthogonalen Richtungen X und Y vergleitbar ist, so daß der Fleck dieser Raman-Mikrosonde über den Bereich der Probe in einer im allgemeinen konventionellen Art abgetastet werden kann.
Die beschriebene Vorrichtung kann auch zum Analysieren der Fluoreszenz der Probe auf einfache Weise modifiziert werden. Dies wird einfach dadurch erreicht, indem der abstimmbare Filter 26 durch einen breiteren Bandfilter ersetzt wird, der für Fluoreszenzarbeiten geeignet ist.
Eine wie oben beschriebene Mikrosonde mit einer X-Y-Abtastanordnung ist auch für eine Konturabtastarbeit verwendbar, um die Form und Dimensionen des studierten Objektes zu bestimmen. Für eine derartige Arbeit wird das Mikroskopobjektiv 20 ausgelegt, einen leicht defokussierten Fleck auf dem Objekt 14 zu erzeugen. Der Abstand des beleuchteten Flecks auf dem Objekt 14 von dem Mikroskopobjektiv 20 regelt dann die Größe des auf dem CCD 22 erzeugten Bildes (d.h. der Anzahl von Pixeln, die von diesem Bild beleuchtet sind). Der Computer 24 ist programmiert, um die Größe des Bildes zu bestimmen. Wenn die X-Y-Abtastung stattfindet, wird die Größe des Bildes auf dem CCD 22 mit der lokalen Höhe des beleuchteten Teiles des Objektes 14 variieren und kann von dem Computer bestimmt werden. Dies ergibt ein leistungsfähiges Analyseelement, das sowohl die Form und Kontur als auch die lokale Zusammensetzung des Objekts 14 ermitteln kann.
Wenn der Filter 26 gedreht wird, wird das Bild in beiden der in den Fig. 2 und 3 gezeigten Ausführungsformen aufgrund der Brechung in dem Glassubstrat leicht verschoben. Dies kann mechanisch korrigiert werden, indem ein gegendrehendes Glasstück der gleichen optischen Dicke in dem Bündel wie in bezug auf Fig. 4 unten diskutiert, vorgesehen ist, oder indem das Bild mittels einer Software in dem Computer geeignet verschoben wird.
Falls gewünscht, kann der Filter 26 entfernt werden, um das gewöhnliche optische Bild der Probe auf dem CCD zu erzeugen. Dies ermöglicht es, Merkmale, die in den Raman-Bildern gefunden wurden, mit der in dem gewöhnlichen optischen Bild gesehenen Position in Bezug zu bringen. Die Probe kann zu diesem Zweck, falls gewünscht, mit einer zusätzlichen weißen Lichtquelle beleuchtet werden.
In einer anderen Modifikation kann der Filter 18 ausgelegt sein, die Laserfrequenz ωL zu transmittieren und alle anderen Frequenzen zu reflektieren, anstelle der in den Fig. 2 und 3 gezeigten inversen Anordnung. In diesem Fall läuft das Licht von der Quelle durch den Filter 18 in einer geraden Linie zu der Probe 14, und der Filter 26, CCD, usw. sind in rechtem Winkel zu dieser geraden Linie angeordnet, so daß der optische Weg von der Probe 14 zu dem CCD 22 über einen Winkel von 90º an dem Filter 18 reflektiert wird.
Fig. 4 zeigt eine praktische Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung. Die gleichen Bezugszeichen wie in den Fig. 2 und 3 wurden verwendet, um ähnliche Merkmale zu benennen. Der Lasereingang läuft durch ein Linsensystem 40, das einen räumlichen Filter (beispielsweise ein Nadelloch 41) aufweist, um die Bündelqualität zu verbessern. Das Bündel wird von einem Spiegel 42 zu einem Filter 18 reflektiert. Das Mikroskopobjektiv 20 ist als Teil eines konventionellen optischen Mikroskops 48 vorgesehen und ein Spiegel 46 ist vorgesehen, um Licht zu und von dem Objektiv 20 zu reflektieren. Der Spiegel 46 kann entfernt werden, um einen gewöhnlichen Gebrauch des optischen Mikroskops 48 zu erlauben, d.h. um einen Aufbau und eine gewöhnliche optische Untersuchung der Probe 14 zu ermöglichen. Zu diesen Zwecken weist das Mikroskop 48 eine Quelle 50 von weißem Licht zur Beleuchtung der Probe auf. Die Probe 14 befindet sich auf einem verschieblichen Tisch 52. Wie gezeigt, ist dieser nur in der vertikalen Richtung für Fokussierzwecke beweglich; aber wie oben diskutiert, kann ein Tisch vorgesehen sein, der auch in den horizontalen Richtungen X und Y abgelenkt werden kann.
Ein optischer polarisierender Filter 44 ist in dem Lichtweg von dem Objektiv 20 zu dem CCD 22 vorgesehen. Dieser kann in den optischen Weg eingesetzt oder aus diesem entfernt werden und ist um die optische Achse drehbar, um die Polarisationsrichtung zu variieren. Dies ermöglicht die Untersuchung des Polarisationszustandes (falls vorhanden) der zu untersuchenden Raman-Linie, was bei der Analyse einige Materialien zusätzliche nützliche Information ergeben kann. Der polarisierende Filter 44 kann, falls gewünscht, unter der Steuerung des Computers 24 zur automatischen Analyse gedreht werden.
Fig. 4 zeigt den drehbaren, abstimmbaren Filter 26, der zur Steuerung - entweder manuell oder durch den Computer 24 über den Rotationsantrieb 30 - auf einem drehbaren Rad 27 angebracht ist. Die Figur zeigt auch ein zweites derartiges drehbares Rad 53 zur Halterung eines zweiten Filters 54. Das Rad 53 ist mit dem Rad 27 beispielsweise über einen Draht 55 verbunden, so daß es sich mit dem Rad 27 dreht, jedoch in der entgegengesetzten Richtung. In einer einfachen Anordnung ist der Filter 54 ein ebenes Glasstück, das die bei der Drehung des Filters 26 durch Brechung hervorgerufene leichte Verschiebung des Bildes auf dem CCD 22 korrigiert. Wünschenswerterweise ist der Filter 54 jedoch ein weiterer dielektrischer Filter ähnlich dem Filter 26, der auf eine leicht unterschiedliche Zentralfrequenz abgestimmt ist, aber ein überlappendes Durchgangsband aufweist. Das Ergebnis des Hindurchschickens des Lichtes durch die zwei Filter 26, 54 mit einem überlappenden Durchgangsband ist es, ein noch selektiveres Abstimmen auf eine bestimmte, interessierende Raman-Linie zu ermöglichen.
Die beiden Filter 26, 54 können so verbunden sein, daß sie immer einen gleichen aber gegenüberliegenden Einfallswinkel Θ zu der optischen Achse aufweisen. In diesem Fall werden zwei verschiedene Filter mit zwei leicht unterschiedlichen Zentralfrequenzen benötigt. Alternativ können die beiden Filter identisch sein, aber die Halterung von einem von ihnen auf dem entsprechenden Rad 27, 53 ist so eingestellt, daß die beiden Filter leicht unterschiedliche Einfallswinkel aufweisen. Dies erzielt dieselbe Wirkung aufgrund der abstimmbaren Eigenschaft der Filter. Eine weitere Möglichkeit ist in gestrichelten Linien dargestellt: Anstelle der mechanischen Drahtverbindung 55 weist das Rad 53 ähnlich dem Rad 30 seinen eigenen Rotationsantrieb 56 auf, der von dem Computer 24 über eine Leitung 58 gesteuert wird. Eine geeignete Programmierung des Computers 24 kann daher jedes Rad 27, 53 unabhängig eines jeglichen gewünschten Einfallswinkels einstellen. Die Erzeugung der gewünschten Gegenrotation des einen Rades relativ zum anderen und das Einstellen des gewünschten Maßes an Überlappung der Durchgangsbänder der Filter 26, 54 ist eine einfache Programmieraufgabe.

Claims

1. Vorrichtung zur Raman-Analyse, die umfaßt Mittel (16) zum Beleuchten einer Probe (14), um daraus ein Raman-Spektrum zu erzeugen,

Abstimmittel (26) zum Wählen einer gewünschten Frequenz aus dem von der Probe erhaltenen Spektrum, wobei das Abstimmittel im Gebrauch kontinuierlich mittels eines Rotationsantriebs (30) über ein Band des Spektrums, das eine Vielzahl von gestreuten Linien enthält, abstimmbar ist, und

einen Detektor (22) zum Nachweis des von dem Abstimmittel in jeder der gestreuten Linien ausgewählten Lichts,

wobei das Abstimmittel ein nicht-dispersives Filtermittel (26) zur Wahl der gewünschten Frequenz ohne Aufspaltung sich unterscheidender Frequenzen in einen Bereich von Winkeln umfaßt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, in der das Beleuchtungsmittel (16) einen Bereich der Probe beleuchtet und wodurch ein entsprechendes zweidimensionales Bild auf dem Detektor (22) erzeugt wird.

3. Vorrichtung zur Raman-Analyse, die umfaßt:

Mittel (16) zum Beleuchten eines Bereichs einer Probe (14), um daraus ein Raman-Spektrum zu erzeugen,

nicht-dispersive abstimmbare Filtermittel (26) zur Wahl einer gewünschten Frequenz auf einer Spitze des von der Probe ohne Aufspaltung sich unterscheidender Frequenzen in einen Bereich von Winkeln erhaltenen Spektrums, wobei das Filtermittel mittels eines Rotationsantriebes (30) abstimmbar ist, um die Wahl bei einer benachbarten Frequenz zu wiederholen, und

einen Detektor (22) zum Nachweis eines zweidimensionalen Bildes von dem Bereich der Probe (14) bei jeder der Frequenzen, wobei die Bilder aus dem von dem Filtermittel (26) gewählten Licht gebildet sind.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in der das Filtermittel (26) einen Interferenzfilter umfaßt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, in der das Filter (26) ein dielektrischer Vielschichtfilter ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in der das Filtermittel (26) durch Ändern des Einfallswinkels des Lichtes, das von der Probe auf das Filtermittel gestreut wird, abstimmbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, in der das Filtermittel (26) um eine Achse (28) rotierbar ist, die senkrecht zu der optischen Achse ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, die Mittel (54) enthält, das der Brechung des Filters entgegenwirkt, wenn der Filter rotiert wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, in der das nicht-dispersive Filtermittel zwei rotierbare Filter (26, 54) mit verschiedenen Zentralfrequenzen aber überlappenden Durchgangsbändern enthält.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ein weiteres Filter (18) zum Entfernen von Licht der Beleuchtungsfrequenz von dem von der Probe empfangenen Licht enthält.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in der der Detektor (22) ein ladungsgekoppeltes Gerät ist.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die einen räumlichen Filter (41) in dem Lichtweg zwischen dem Beleuchtungsmittel (16) und der Probe (14) enthält.

13. Raman-Analyseverfahren, das umfaßt:

das Beleuchten einer Probe (14), um daraus ein Raman-Spektrum zu erzeugen,

die Verwendung eines Abstimmittels (26) zur Wahl einer gewünschten Frequenz des von der Probe erhaltenen Spektrums, wobei das Abstimmittel im Gebrauch mittels eines Rotationsantriebs (30) kontinuierlich über ein Band des Spektrums, das eine Vielzahl von gestreuten Linien enthält, abstimmbar ist, und

den Nachweis des von dem Abstimmittel gewählten Lichts in jeder der gestreuten Linien,

14. Verfahren nach Anspruch 13, in dem ein Bereich der Probe (14) beleuchtet wird und ein entsprechendes zweidimensionales Bild auf dem Detektor (22) erzeugt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 13, das die Bestimmung der Form und Kontur der Probe (14) umfaßt, indem die lokale Höhe des Teils der Probe (14), der von dem Beleuchtungsmittel beleuchtet wird, bestimmt wird.

16. Raman-Analyseverfahren, das umfaßt:

das Beleuchten eines Bereichs einer Probe (14), um daraus ein Raman-Spektrum zu erzeugen,

das Verwenden eines nicht-dispersiven abstimmbaren Filtermittels (26), um eine gewünschte Frequenz auf einer Spitze des von der Probe empfangenen Spektrums auszuwählen, ohne sich unterscheidende Frequenzen in einen Bereich von Winkeln aufzuspalten, wobei das Filtermittel mittels eines Rotationsantriebs (30) abstimmbar ist, und die Wiederholung dieser Wahl bei einer benachbarten Frequenz, und

den Nachweis eines zweidimensionalen Bildes dieses Bereichs der Probe (14) bei jeder dieser Frequenzen, wobei die Bilder mit von dem Filtermittel (26) gewählten Licht gebildet werden.