JP2005189142A - 赤外顕微測定方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】透過／反射切替え式の赤外顕微鏡において低廉なコストで簡便に高感度反射測定を行えるようにする。
【解決手段】高感度反射測定時には、集光鏡２０と反射対物鏡２１とを結ぶ中心軸Ｃに対し試料２３が略直交して延在する位置から所定角度を以て斜交する位置まで回動自在であるような試料ホルダアタッチメント３０を試料ステージ２２に取り付ける。まず試料２３を水平状態にして可視像を確認し、その状態で試料２３上の所望の測定対象部位が集光鏡２０の焦点に来るように試料ステージ２２を調整し、その後にツマミを回して試料２３を所定角度だけ傾ける。集光鏡２０を出た光の中で高感度反射の入射角条件を満たす光のみが試料２３の測定対象部位に当たり、その反射光が反射対物鏡２１に入る。したがって、従来の光学系のままアタッチメント３０の取付けのみで高感度反射測定が可能となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、フーリエ変換赤外分光光度計を利用した赤外顕微測定方法及び装置に関する。

従来より、高い感度が得られるフーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴＩＲ）を利用した赤外顕微鏡が知られている。例えば特許文献１には、透過法と反射法のいずれでも使用できる赤外顕微鏡が記載されている。

図３はこの赤外顕微鏡における主要な光路構成を示す概略図である。この図では、試料を可視で確認するための可視光の光学系及び光路は省略している。試料２３を載置する試料ステージ２２を挟んで下方には集光鏡２０、上方には反射対物鏡２１が設けられる。集光鏡２０及び反射対物鏡２１はいずれも凹面鏡と凸面鏡とを組み合わせた周知のシュバルツシルド式反射鏡（カセグレイン鏡と呼ばれることもある）である。

透過測定の場合には、フーリエ変換赤外分光光度計１のマイケルソン干渉計から与えられる赤外測定光（インターフェログラム）は切替駆動部３により駆動される透過／反射切替ミラー２で下方に向けて反射され、反射鏡４、５で反射されて集光鏡２０に入る。集光鏡２０は測定光を直径約１ｍｍ程度の微小径に絞り、試料ステージ２２に保持されている試料２３に照射する。この試料２３を透過した光は反射対物鏡２１に入り集光され（反射鏡７は透過測定時は光路から外しておく）、可変アパーチャ８に当たる。可変アパーチャ８で視野制限を受けた光は反射鏡９、１０、１１を介してＭＣＴ検出器１２に導入される。この検出器１２で検出された信号をフーリエ変換することにより赤外スペクトルが得られる。

一方、反射測定の場合には、フーリエ変換赤外分光光度計１からの赤外測定光は透過／反射切替ミラー２で上方に向けて反射され、反射鏡６、７（反射鏡７は光路の半分を下方に反射）で反射されて上方から反射対物鏡２１に入る。この反射対物鏡２１で集光された光が試料２３に照射され、試料２３からの反射光を同じ反射対物鏡２１で受ける。反射対物鏡２１で集光された反射光は、反射鏡７の残りの空間を通って可変アパーチャ８を介し反射鏡９に入射する。以降の光路は透過測定時と同じであり、反射光をＭＣＴ検出器１２で検出する。

ところで、ＦＴＩＲ特有の測定方法として、高感度反射測定法（Grazing Angle Specular Reflectance）と呼ばれる測定法が知られている。高感度反射測定法とは、試料に対して大きな入射角（通常７０〜８５°程度）で赤外測定光を入射させることで、試料表面の厚み方向の非常に薄い範囲の情報を取得するものであり、金属などの高反射率物質の表面に付着している薄膜等を高い感度で測定するのに適している。従来、ＦＴＩＲで高感度反射測定を行う際には、多数の反射鏡を組み合わせた専用の付属装置を試料室内にセットするようにしている。

一方、上述した赤外顕微鏡では、反射測定モードにおいて反射対物鏡２１から出射された赤外測定光は試料２３に斜め方向から当たるものの、その入射角は比較的小さく（１０〜３０°程度）、上述したような高感度反射の入射角条件を満たすことができない。そのため、通常の透過／反射切替え式の測定を行うための光学系を備える赤外顕微鏡では、通常、高感度反射測定を行うことはできなかった。

また、こうした高感度反射測定を可能とするために特殊な光学系の配置を持つ専用のシュバルツシンド型の反射鏡も入手可能であるが、こうしたものは非常に高価である。また、こうした専用の反射鏡を使用した場合、可視光を試料に照射して測定対象部位を観察しながら赤外測定を行う位置を決める際に、得られる可視像が非常に暗くなってしまって観察位置を特定するのが困難であるという問題もある。

特開２００１−１７４７０８号公報（段落0004〜0005、図３）

本発明は上記課題を解決するために成されたものであって、その目的とするところは、従来、一般に使用されている透過／反射切替え式の赤外顕微鏡の光学系を利用して、つまりは高感度反射測定専用の光学系を使用することなく、簡便に高感度反射測定を行うことができる赤外顕微測定方法及び装置を提供することにある。

図３にも現れているように、通常の透過／反射切替え式の赤外顕微鏡では、集光鏡２０と反射対物鏡２１とを結ぶ中心軸Ｃに対して試料２３は略直交するように載置される。これによって、反射測定モードでは反射対物鏡２１から試料２３に照射された光に対し、試料２３で反射する光が再び反射対物鏡２１に戻ることになるが、このときの入射角は上述したよう比較的小さい。これに対し、本願発明者は透過測定の際に集光鏡２０と反射対物鏡２１との間に形成される光路に着目し、集光鏡２０と反射対物鏡２１とを結ぶ中心軸Ｃに対して試料２３を斜交するように配置することにより、集光鏡２０から出て大きな入射角を以て試料２３に当たった光に対する反射光を反射対物鏡２１に導入できることを見い出した。すなわち、本来、透過測定のために設置されていて反射測定の際には不要である集光鏡２０を、高感度反射測定の際に試料２３へ光を送るための光学系として利用するわけである。

上記課題を解決するために成された第１発明は、こうした思想の下に成されたものであり、試料を装着する試料ステージを挟んで対向する位置に配置された集光光学系と反射対物光学系とを具備し、該集光光学系と反射対物光学系とを結ぶ中心軸（光軸）に対し試料を略直交する方向に延在するように設置して、集光光学系を通して試料の一方の面に赤外測定光を照射し反対面から出た透過光を反射対物光学系を通して検出器へと導く透過測定と、反射対物光学系を通して試料の一方の面に赤外測定光を照射しその同一面から出た反射光を反射対物光学系を通して検出器へと導く反射測定とを選択的に行う赤外顕微鏡を利用した赤外顕微測定方法であって、
前記中心軸に対して試料が斜交して延在するように設置することにより、集光光学系から出射した赤外測定光を該試料の一方の面に高感度反射の条件を満たす入射角で以て照射し、その同一面から出た反射光を反射対物光学系に入射させることで高感度反射測定を行うことを特徴としている。

また、上記課題を解決するために成された第２発明は上記第１発明に係る赤外顕微測定方法を具現化する赤外顕微測定装置であって、試料を装着する試料ステージと、該試料を挟んで対向して配置された集光光学系及び反射対物光学系と、を具備し、集光光学系と反射対物光学系とを結ぶ中心軸（光軸）に対し試料を略直交する方向に延在するように設置して、集光光学系を通して試料の一方の面に赤外測定光を照射し反対面から出た透過光を反射対物光学系を通して検出器へと導く透過測定と、反射対物光学系を通して試料の一方の面に赤外測定光を照射しその同一面から出た反射光を反射対物光学系を通して検出器へと導く反射測定とを選択的に行う赤外顕微測定装置において、
前記中心軸に対して試料が斜交して延在するように前記透過／反射測定時から試料を所定角度だけ傾斜させて保持する試料保持手段を備え、前記集光光学系から出射した赤外測定光を該試料の一方の面に高感度反射の条件を満たす入射角で以て照射し、その同一面から出た反射光を前記対物光学系に入射させることで高感度反射測定を選択的に行えるようにしたことを特徴としている。

なお、上記のように集光光学系と反射対物光学系とを結ぶ中心軸に対し試料を略直交する方向に延在するように設置した状態で、透過測定と反射測定を選択的に行えるようにするために、反射対物光学系としてはシュバルツシルド式の構成とするのが一般的である。

第１及び第２発明に係る赤外顕微測定方法及び装置では、高感度反射測定を行う場合に、例えば試料保持手段により、通常の透過／反射測定では集光光学系と反射対物光学系とを結ぶ中心軸に対して略直交して配置される試料（試料の測定面）を、所定角度だけ傾けることによって上記中心軸に対して斜交させればよい。このときの試料の傾き角度は、集光光学系から出射した赤外測定光が試料の測定面に入射する際に高感度反射測定の入射角条件を満たし、且つその反射光が反射対物光学系に入るような角度とする。そして、集光光学系からの赤外測定光の照射及び反射対物光学系で収集された光の検出器への導入については、通常の透過測定と同様に光路を形成する。これによって、通常の透過／反射測定の光学系を利用して高感度反射測定を非常に簡便に実行することができる。

また、第２発明に係る赤外顕微測定装置において、前記試料保持手段は、試料を前記集光光学系による焦点位置である試料表面を中心に回動自在とした着脱式の試料ホルダであり、その回動によって通常の透過／反射測定と高感度反射測定とを切替え可能とした構成とすることが好ましい。

この構成によれば、上記中心軸に対し試料を略直交する方向に延在するように位置させた場合と、高感度反射測定のために試料を該中心軸に対し斜交させるように回動させた場合とで、集光光学系による焦点位置となる試料表面の位置が移動しない。したがって、まず前者の位置（略直交する位置）において試料の可視像を観察しながら測定対象部位が焦点位置に来るように位置調節を行った後に、高感度反射測定を行うべく試料を傾斜させても、決められた測定対象部位に赤外測定光を正確に照射して測定を実行することができる。それによって、通常の透過／反射測定と同様の十分に明るい可視像を用いて測定対象部位の位置合わせを行うことができるので、位置合わせが容易でありその正確性も向上する。

本発明に係る赤外顕微測定方法及び装置によれば、通常の透過／反射測定を行うために具備されている集光光学系と反射対物光学系とを利用して、例えば試料保持手段のような簡単な装置を装着するだけで高感度反射測定を行うことができる。したがって、従来のような特殊な専用の光学系を使用する必要がないので、コストが非常に安価で済み、測定の手間も掛からず簡便である。

以下、本発明の一実施例である赤外顕微鏡を図面を参照して説明する。本実施例の赤外顕微鏡の主要な光路構成は既に説明した図３と同じであるので説明を省略する。
本実施例の赤外顕微鏡の特徴は、図２に示す、本発明における試料保持手段としての試料ホルダアタッチメント３０を必要に応じて試料ステージ２２に取り付け、それによって高感度反射測定を実施できるようにすることである。

図２において（ａ）は試料ホルダアタッチメント３０の上面図、（ｂ）Ａ−Ａ’線縦断面図、（ｃ）は右側面図である。図１（ａ）は集光鏡（集光レンズ）２０と反射対物鏡（反射対物レンズ）２１との間における通常の透過測定時の光路図、（ｂ）は高感度測定時の光路図である。

試料ホルダアタッチメント３０は、上面略コ字状の台座３１と、該台座３１の両端のアームにそれぞれ回転自在に装着された一対の試料保持片３３と、該試料保持片３３を回動させるためのツマミ３２と、薄板状の試料２３を下から押し上げて試料保持片３３に保持させるための板ばね３４と、を具備する。重要なことは、試料保持片３３の回転中心と、該試料保持片３３に保持される試料２３の表面（図２では上面）が高さ方向に一致していることである。これによって、ツマミ３２により試料保持片３３を回転させて試料２３が傾いたときでも、元々回転中心となっている試料表面の部位は移動せずにその位置を保持する。

通常の透過測定時には、図１（ａ）に示すように、試料ステージ２２上に直接、試料２３を載置する（もちろん、後述するように試料ホルダアタッチメント３０を装着しても同様の測定が可能である）。このとき、試料２３は集光鏡２０と反射対物鏡２１とを結ぶ中心軸Ｃに対し略直交して延在した状態になっている。この状態で、下方の集光鏡２０から出射した赤外測定光を試料２３の下面に照射すると、試料２３中を透過した光がその上面から出て反射対物鏡２１に入り、集光されて上方へと出射される。上述したようにこの光が最終的にＭＣＴ検出器１２に導入されて検出される。

これに対し高感度反射測定を行う際には、図２に示すように試料保持片３３及び板ばね３４により試料２３を保持した試料ホルダアタッチメント３０を、試料ステージ２２上に装着する（図１（ｂ）参照）。ここでは、この装着はネジにより行うが、これに限るものではない。試料ホルダアタッチメント３０を試料ステージ２２に取り付けた状態でツマミ３２を回すことにより、試料２３は中心軸Ｃに対し略直交して延在する状態から斜交して延在する状態まで自在に回動する。

測定の手順としては、まず試料２３を中心軸Ｃに対し略直交して延在する状態にし、その状態で、測定面（水平状態での上面）が集光鏡２０による焦点位置と同じ高さになるように試料ステージ２２の高さ（Ｚ方向）を調節する。さらに、測定者はその測定面の可視像を確認し、測定面内の所望の測定対象部位が焦点位置に来るように試料ステージ２２のＸ方向及びＹ方向の位置を調節する。このとき、通常の透過／反射測定における測定部位の調整のときと同じ可視像で位置合わせができるので、十分に明るい可視像で以て正確な位置合わせが可能である。こうして位置合わせが終了した後に、ツマミ３２を回して試料２３を所定角度となるように傾ける。

具体的には、この例では、図１（ｂ）に記載のように試料２３を水平状態から６９°だけ傾ける。このとき、試料２３の測定面に対する集光鏡２０からの赤外測定光の入射角の範囲は８２°以上（９０°未満）となり、反射光の出射角も同じ角度範囲となって反射対物鏡２１に到達する。これ以外の光、例えば試料２３の裏面に当たるような光は、反射対物鏡２１に到達し得ないためカットされる。また、入射角が８２°未満であるような光は存在しない。これによって、反射対物鏡２１から取り出される光は高感度反射測定の条件の下で試料２３から反射した光のみになる。

なお、測定者が容易に上記のように試料２３を所定角度だけ傾けた状態とすることができるようにするために、適宜のストッパ機構を設けるとよい。好ましくは、上記のような高感度反射測定に適した傾斜角度（例えば６９°傾斜）と通常の透過／反射測定のために試料２３を水平に位置させる角度（通常、傾斜角度０°）との少なくとも２つの位置で試料２３（実際にはツマミ３２又は試料保持片３３）を係止することができるストッパ機構を設けるとよい。

また、上記のようにツマミ３２を回して試料２３を傾斜させたとき、集光鏡２０の焦点位置に来るように調節した測定面上の測定対象部位は試料２３の回転によっても移動しない。したがって、高感度反射測定において赤外測定光が当たる中心位置は可視像により確認された測定対象部位となり、可視像で確認した測定対象部位を正確に赤外測定することが可能となる。

なお、上記実施例は本発明の一例にすぎず、本発明の趣旨の範囲で適宜変更や修正、追加を行っても本発明に包含されることは明らかである。例えば、試料ホルダアタッチメント３０において試料保持片３３の間隔を適宜に調整可能な構成としたり台座３１の形状を適宜に変更したりすることにより、異なるサイズ又は形状の試料２３を適切に保持することが可能となる。また、試料２３を保持する機構は上記記載のものに限定されず、試料２３を確実に安定して保持可能なものであればよく、好ましくは試料２３の着脱も容易な構造とするとよい。

本発明の一実施例である赤外顕微鏡における集光鏡と反射対物鏡との間における通常の透過測定時の光路図（ａ）及び高感度測定時の光路図（ｂ）。 本実施例の赤外顕微鏡における試料ホルダアタッチメントの上面図（ａ）、Ａ−Ａ’線縦断面図（ｂ）、及び右側面図（ｃ）。 一般的な透過／反射切替え式赤外顕微鏡の主要な光路構成図。

符号の説明

１…フーリエ変換赤外分光光度計
２…透過／反射切替ミラー
３…切替駆動部
４、５、６、７、９、１０、１１…反射鏡
１２…ＭＣＴ検出器
２０…集光鏡
２１…反射対物鏡
２２…試料ステージ
２３…試料
３０…試料ホルダアタッチメント
３１…台座
３２…ツマミ
３３…試料保持片
３４…板ばね

Claims (3)

1. 試料を装着する試料ステージを挟んで対向する位置に配置された集光光学系と反射対物光学系とを具備し、該集光光学系と反射対物光学系とを結ぶ中心軸（光軸）に対し試料を略直交する方向に延在するように設置して、集光光学系を通して試料の一方の面に赤外測定光を照射し反対面から出た透過光を反射対物光学系を通して検出器へと導く透過測定と、反射対物光学系を通して試料の一方の面に赤外測定光を照射しその同一面から出た反射光を反射対物光学系を通して検出器へと導く反射測定とを選択的に行う赤外顕微鏡を利用した赤外顕微測定方法であって、
   前記中心軸に対して試料が斜交して延在するように設置することにより、集光光学系から出射した赤外測定光を該試料の一方の面に高感度反射の条件を満たす入射角で以て照射し、その同一面から出た反射光を反射対物光学系に入射させることで高感度反射測定を行うことを特徴とする赤外顕微測定方法。
2. 試料を装着する試料ステージと、該試料を挟んで対向して配置された集光光学系及び反射対物光学系と、を具備し、集光光学系と反射対物光学系とを結ぶ中心軸（光軸）に対し試料を略直交する方向に延在するように設置して、集光光学系を通して試料の一方の面に赤外測定光を照射し反対面から出た透過光を反射対物光学系を通して検出器へと導く透過測定と、反射対物光学系を通して試料の一方の面に赤外測定光を照射しその同一面から出た反射光を反射対物光学系を通して検出器へと導く反射測定とを選択的に行う赤外顕微測定装置において、
   前記中心軸に対して試料が斜交して延在するように前記透過／反射測定時から試料を所定角度だけ傾斜させて保持する試料保持手段を備え、前記集光光学系から出射した赤外測定光を該試料の一方の面に高感度反射の条件を満たす入射角で以て照射し、その同一面から出た反射光を前記対物光学系に入射させることで高感度反射測定を選択的に行えるようにしたことを特徴とする赤外顕微測定装置。
3. 請求項２に記載の赤外顕微測定装置において、前記試料保持手段は、試料を前記集光光学系による焦点位置である試料表面を中心に回動自在とした着脱式の試料ホルダであり、その回動によって通常の透過／反射測定と高感度反射測定とを切替え可能としたことを特徴とする赤外顕微測定装置。

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