JP2005195801A

JP2005195801A - 赤外顕微鏡

Info

Publication number: JP2005195801A
Application number: JP2004001284A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Nakada; 靖史中田; Toyohiko Tanaka; 豊彦田中
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2004-01-06
Filing date: 2004-01-06
Publication date: 2005-07-21

Abstract

【課題】可視光による試料像の観察と赤外スペクトル測定とを擬似的に並行して行うことにより、特徴的なスペクトルを有する領域を探索するといった測定を簡便に行う。
【解決手段】ＦＴＩＲ１の干渉計１０１において赤外干渉光を生成するための移動鏡１０３の往動期間中にはミラー５１、１７１を光路中に挿入し、赤外干渉光を試料１３に照射してその透過光／反射光を検出器２１で取得する。一方、移動鏡１０３の方向転換及び復動期間中にはミラー５１、１７１を光路中から退避させ、可視光を試料１３に照射してその透過光／反射光をＣＣＤカメラ１８に導入し、可視画像をモニタ３２に表示する。移動鏡１０３の１往復動周期中に両動作モードを１回ずつ行い、これを繰り返すことで試料像の観察と赤外スペクトル測定とを擬似的に同時並行して行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、試料に赤外光を照射して透過又は反射してくる赤外光のスペクトルを測定することにより試料の分析を行う赤外顕微鏡に関する。

赤外顕微鏡を用いた測定においては、通常、まず移動可能な試料ステージ上に載置した試料を可視光で観察することにより測定領域の位置と大きさとを決め、その後に、フーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴＩＲ）の干渉計で生成した時間的に強弱の変化する赤外光（インターフェログラム）を上記測定領域に照射し、その反射光又は透過光を検出器で検出してその検出信号をフーリエ変換することによりその微小な測定領域における赤外スペクトルを求める。測定領域の観察は、接眼レンズ等を介して直接目視で行う場合とＣＣＤカメラ等の撮像装置で取得した画像をモニタ等に表示する場合とがあるが、いずれにしても赤外光とは異なる可視光を試料に照射し、その反射光又は透過光を赤外検出器とは異なる位置に配置された接眼レンズやＣＣＤカメラに導入する必要がある。

そこで、従来採られている一般的な構成では、試料からの反射光又は透過光を導く光路上に進退自在に反射鏡を設置し、赤外光測定時にはその反射鏡を光路中に進出させ、該反射鏡で反射させた光を赤外検出器に導入し、一方、可視光測定時には反射鏡を光路中から退避させ直進させた光をＣＣＤカメラ又は接眼レンズに導くといった切り替えが行われる（例えば特許文献１など参照）。そのため、当然のことながら、可視光を用いた試料の観察と、赤外光を用いた赤外スペクトルの測定とを同時に行うことはできず、上述したように、まず可視画像の観察により測定領域を決め、その後にその測定領域における赤外スペクトルを取得するという手順を踏む必要がある。

しかしながら、測定の目的や試料の種類等によっては、例えば空間的な位置を特定するのではなく特徴的な赤外スペクトル吸収を示す領域を探したいといった場合がある。従来の赤外顕微鏡によりこうした測定を行う場合には、測定領域をずらすために試料ステージを少し移動させる毎に可視光／赤外光の切替え操作を行って赤外スペクトルを取得する、という操作を多数回繰り返す必要があり、これはたいへんに煩雑で時間の掛かる作業であった。

特開平９−３０４２７０号公報

本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、可視光による試料像の観察と所定の微小領域に対する赤外測定とを擬似的にほぼ同時並行的に行うことができる赤外顕微鏡を提供することにある。

フーリエ変換赤外分光光度計の干渉計では、一般的に、直線上（又は曲線上）を往復動する移動鏡を利用して干渉光を発生させるが、本願発明者は、この移動鏡の１往復動期間中の全てに亘って干渉光が利用されているわけではなく（つまり赤外スペクトルデータの収集が行われているわけではなく）、実際には多くの場合、その１往復動期間中の半分程度の期間には干渉光が利用されていないことに着目した。干渉光が利用されていない期間では試料に赤外干渉光を照射する必要はなく、その代わりに可視光を照射し、それに対する試料からの透過光又は反射光を試料の像の観察に利用することが可能である。また、赤外吸収（スペクトル）を算出するためには、移動鏡の往復動を多数回繰り返し、各往復動毎に収集したデータを積算する処理が行われる。したがって、移動鏡の往復動毎に可視画像を得るようにすれば、可視画像の取得と赤外吸収測定とを交互に繰り返し行うことができる。

すなわち、上記課題を解決するために成された本発明は、干渉計において移動鏡の動作に伴って発生させた赤外干渉光を試料に照射し、その試料からの透過光又は反射光を赤外検出手段に導入することで、試料上の測定領域による赤外吸収を測定する赤外顕微鏡において、
a)可視光を発生する可視光源と、
b)試料に照射された可視光に対する透過光又は反射光に基づいて、試料の可視画像を形成し測定者が視認可能であるように提供する可視画像観察手段と、
c)前記干渉計による赤外干渉光を選択的に試料に照射するとともに該試料からの透過光／反射光を前記赤外検出手段に導入する第１光路と、前記可視光源による可視光を選択的に試料に照射するとともに該試料からの透過光／反射光を前記可視画像観察手段に導入する第２光路とを切り替える光路切替手段と、
d)前記移動鏡の１動作周期の中で、赤外干渉光に対する赤外吸収データを収集する期間中には第１光路とし、その赤外吸収データを収集しない期間中には第２光路とするように、前記移動鏡の動作に同期させて前記光路切替手段の切替動作を繰り返し制御する制御手段と、
を備えることを特徴としている。

ここで、本発明に係る赤外顕微鏡の典型的な一態様として、前記移動鏡は往復動を行い、その往動又は復動のいずれかの期間中に赤外吸収データを収集するものであって、前記制御手段は、少なくともその往動又は復動の他方の期間中に可視画像の観察を行えるように前記光路切替手段の切替動作を制御する構成とすることができる。

本発明に係る赤外顕微鏡によれば、移動鏡が１往復動する期間中に赤外吸収データの収集と試料の可視画像の取得とを時分割で行うことができ、移動鏡の往復動を多数回繰り返すときに赤外吸収データの収集と試料の可視画像の取得とを交互に繰り返し行うことができる。移動鏡が１往復動する期間は試料の移動などの操作に比べて短いので、実際には時分割の処理でありながら、測定者に対しては、両者がほぼ同時並行的に行われているような作業性、操作性を提供することができる。

また、可視画像観察手段は、測定者が直接、覗き込む接眼レンズを用いたものでもよいが、それ以外に、試料からの可視透過光又は反射光を受けて画像信号を出力する撮像手段と、該画像信号を受けて試料の像を再現して表示する画像表示手段とを含む構成とするこができる。この構成では、画像をメモリに保持しておく等の処理が容易であるので、特に画像表示手段は、赤外吸収データの収集期間にその直前に取得された画像を保持して表示する構成とすることが好ましい。この構成によれば、実際には新規の可視画像が得られない赤外吸収データの収集期間においても、何らの画像も表示されない状態となることを防止し、より高い操作性を提供することができる。

本発明に係る赤外顕微鏡によれば、試料の可視画像の取得と赤外吸収測定とが短時間で交互に繰り返されるので、見かけ上、両測定を同時並行的に行っているのとほぼ同等の測定を行うことが可能となる。したがって、例えば、試料上の測定領域を少しずつずらす状態を可視画像で確認しながら、その試料上の測定領域における赤外吸収（スペクトル）をほぼリアルタイムで確認し、所望の赤外吸収が得られる領域を見い出す、といった測定を容易且つ手軽に行うことができる。

以下、本発明の一実施例である赤外顕微鏡を図１〜図４を参照して説明する。図１は本実施例の赤外顕微鏡の光路構成を中心とする要部の構成図、図２は赤外／可視切替ミラーの構成図、図３はマイケルソン干渉計における移動鏡の動作を説明する概略図、図４は本実施例に特徴的な測定動作を説明するための概略タイミング図である。

図１において、フーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴＩＲ）１は赤外光源１００とインターフェログラムを得るためのマイケルソン干渉計１０１とを含む。マイケルソン干渉計１０１は、固定鏡１０２、移動鏡１０３、ビームスプリッタ１０５等から構成され、移動鏡１０３はモータ１０４により図１中の矢印で示すように往復動される。赤外光源１００から出射された赤外光はビームスプリッタ１０５に照射され、ここで固定鏡１０２及び移動鏡１０３の二方向に分割される。固定鏡１０２及び移動鏡１０３でそれぞれ反射した光はいずれもビームスプリッタ１０５へ戻り、ビームスプリッタ１０５で合成されて左方に出射される。移動鏡１０３は往復動しているため、分割された二光束の光路長の差は周期的に変化し、左方へ出射される光は時間的に振幅が変動する赤外干渉光つまりインターフェログラムとなる。この赤外干渉光は反射鏡２で反射されて第１赤外／可視切替ミラー５へ送られる。一方、可視光源３からの出射光はレンズ４で収束されて第１赤外／可視切替ミラー５へと送られる。

第１赤外／可視切替ミラー５は、図２に示すように、モータ５２の回転軸に１８０°の回転範囲のみに反射面を有する半円板状のミラー５１を取り付けたものである。したがって、例えばモータ５２を一定速度で回転駆動したとき、光路中にはそれぞれ同一時間ずつミラー５１が存在する期間と存在しない期間とが発生する。光路中にミラー５１が存在する期間では、上方から到来する赤外干渉光がミラー５１により反射されて左方へと送られ、光路中にミラー５１が存在しない期間では、右方からから到来する可視光がミラー５１を素通りしてそのまま左方へと送られる。第１赤外／可視切替ミラー５によりこのように選択された赤外干渉光又は可視光（以下、測定光という）は、駆動部７により切替え駆動される透過／反射切替ミラー６に送られる。

透過測定モードでは、測定光は透過／反射切替ミラー６で下方に向けて反射され、反射鏡８、１０を介して集光鏡１１に入る。集光鏡１１は測定光を直径約１ｍｍ程度の微小径に絞り、試料ステージ１２に保持されている試料１３の下面に照射する。この試料１３を透過して上面から出射した光は反射対物鏡１４に入って集光され、反射鏡１５を介して可変アパーチャ１６に当たる。集光鏡１１及び反射対物鏡１４は例えばカセグレント鏡により構成される。

可変アパーチャ１６で視野制限を受けた光は、第１赤外／可視切替ミラー５と同じ構成を有する第２赤外／可視切替ミラー１７へと送られる。第２赤外／可視切替ミラー１７は上記第１赤外／可視切替ミラー５と同期して回転駆動され、光路中にミラー１７１が存在する期間ではミラー１７１により反射された光が反射鏡１９、２０を介してＭＣＴ検出器２１に導入される。このＭＣＴ検出器２１で検出された信号を信号処理部３０で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。光路中にミラー１７１が存在しない期間では、ミラー１７１を素通りした光がそのままＣＣＤカメラ１８に導入される。ＣＣＤカメラ１８で検出された画像信号は画像処理部３１で処理され、モニタ３２の画面上に画像として表示される。この画面上には上記信号処理部３０で算出された赤外スペクトルも表示される。

一方、反射測定モードでは、第１赤外／可視切替ミラー５からの測定光は透過／反射切替ミラー６で上方に向けて反射され、反射鏡９、１５で反射されて上方から反射対物鏡１４に入る。この反射対物鏡１４で集光された光が試料１３に照射され、試料１３からの反射光を同じ反射対物鏡１４で受ける。その後の光路は上記透過測定モードと同じであり、赤外反射光をＭＣＴ検出器２１で検出する又は可視反射光をＣＣＤカメラ１８で検出する。

この赤外顕微鏡の動作を統括的に制御する制御部４０は、マイケルソン干渉計１０１におけるモータ１０４の動作を制御するとともに、第１及び第２の赤外／可視切替ミラー５、１７におけるモータ５２、１７２の動作も制御する。次に、この制御部４０による制御の下で行われる本実施例に特徴的な測定動作について説明する。

マイケルソン干渉計１０１においては、図３に示すように移動鏡１０３を位置Ｌ０と位置Ｌ１との間で往復動させることにより赤外干渉光を発生させるが、信号処理部３０において赤外透過光／反射光による赤外スペクトルデータを収集しているのはその移動鏡１０３の往動時のみであり、移動鏡１０３が方向転換する期間及び復動期間中にはデータは収集されない。つまりは、これら期間中にはＭＣＴ検出器２１に赤外光は導入されているものの、この赤外光は使用されていないことになる。本実施例の赤外顕微鏡では、こうした赤外光が実質的に使用されていない期間には光路を切り替えて可視光を試料１３に照射し、可視透過光又は可視反射光をＣＣＤカメラ１８に導入して試料像を再現する。

具体的には、制御部４０は図４（ａ）に示すようなタイミングで移動鏡１０３を往復動させるべく移動鏡用のモータ１０４を制御する。移動鏡１０３が往動する期間中は、赤外スペクトルデータの収集のために高い精度で以て移動鏡１０３を一定速度で移動させるが、復動期間中は必ずしも一定速度で制御する必要はない。移動鏡１０３の１往復動の周期は測定精度や装置の構成などによって相違するが、例えば１往復動が１秒程度の周期である。

また、制御部４０は上記のような移動鏡１０３の動作制御と同期して、第１、第２赤外／可視切替ミラー５、１７のモータ５２、１７２の回転を制御する。すなわち、図４（ｂ）に示すように移動鏡１０３が往動する期間中には各光路中にミラー５１、１７１の反射面が挿入され、移動鏡１０３の方向転換期間及び復動期間中にはミラー５１、１７１の回転周内で反射面の存在しない部分が光路中に来る。したがって、第１赤外／可視切替ミラー５では、移動鏡１０３の往動期間中に上方から到来した赤外干渉光が左方へと送られ、移動鏡１０３の方向転換及び復動期間中には右方から到来した可視光が左方へと送られる。一方、第２赤外／可視切替ミラー１７では、移動鏡１０３の往動期間中に可変アパーチャ１６を通過して来た赤外透過光／反射光が右方へと送られ、移動鏡１０３の方向転換及び復動期間中には可変アパーチャ１６を通過して来た可視透過光／反射光が上方へと送られる。

信号処理部３０は移動鏡１０３の往動期間中にＭＣＴ検出器２１による検出信号を受けてデジタルデータに変換し、測定領域に対する赤外スペクトルを算出する（赤外測定）。実際には、多数回の移動鏡１０３の往動における赤外スペクトルを積算することにより、時間的な変動要因を除去して高い精度の赤外スペクトルを算出する。一方、画像処理部３１は移動鏡１０３の方向転換及び復動期間中にＣＣＤカメラ１８による画像信号を所定のフレーム周期で読み込み、試料１３の測定領域近傍の可視画像を再現してモニタ３２の画面上に表示する（可視画像の観察）。したがって、図４（ｃ）に示すように、動作モードとしては赤外測定モードと可視画像観察モードとが交互に繰り返し行われ、且つ可視画像はフレーム周期（例えば６０Ｈｚ）毎に更新されるから、あたかも赤外測定モードと可視画像観察モードとが同時並行的に行われることになる。

これにより、例えば、測定者がモニタ３２で試料１３の可視画像を観察しながら試料ステージ１２を移動させることで試料１３上の測定領域を少しずつずらしてゆき、その過程で各微小測定領域に対する赤外スペクトルを取得して確認する、といった作業を簡便に行うことが可能となる。

但し、新規の可視画像が得られない赤外測定期間中にモニタ３２に何も表示しないようにすると、移動鏡１０３の往復動の１周期期間が比較的長い場合に、モニタ３２に画像表示のない期間が長くなってしまう。そこで、ここでは、画像処理部３１は赤外測定期間が開始される直前の可視画像をホールドし、その赤外測定期間中はそのホールドされた可視画像をモニタ３２の画面上に表示し続け、可視画像観察期間に入って新たな可視画像が得られたならばその時点で表示画像を更新する（図４（ｄ）参照）。これにより、赤外測定期間中には画像は更新されないものの、見かけ上、無表示期間をなくすことができ、作業性を高めることができる。

なお、上記実施例では可視画像を得るためにＣＣＤカメラを利用したが、可視透過／反射光をＣＣＤカメラでなく接眼レンズに導入し、測定者が直接的に目視で試料の可視画像を観察できるようにしてもよい。

また、赤外／可視切替ミラーは上記構成のものに限らず、各種の形態が考え得る。例えば、回転に伴って反射面と非反射面とが交互に存在するような構成ではなく、ミラー（反射面）を往復動自在の構成とし、光路中にそのミラーを進出させる動作と光路中からミラーを後退させる動作を移動鏡１０３の動作に同期して行うようにしてもよい。

また、こうした機械的な切り替えではなく、電気的又は光学的な駆動によって光路の切り替えを行うものを利用してもよい。具体的には、例えば、通常は透明であって所定の電圧を印加することにより不透明になる液晶板を利用することができる。通常、広い波長範囲の赤外光を安定的に透過させるような特性を液晶に持たせることは難しいため、液晶が不透明であるときに赤外光を効率良く反射させることで選択し、液晶が透明であるときに可視光を透過させて選択する構成とするとよい。すなわち、図１に示した第１、第２赤外／可視切替ミラー５、１７の位置においてそれぞれ光路中に液晶板を挿入し、赤外測定を行うときに液晶に電圧を印加して液晶を不透明化すればよい。この構成によれば、機械的な切り替え動作が不要になる。

また、上記実施例では、移動鏡１０３の往動期間中にのみ赤外測定を行っており、それ以外の期間に可視画像観察モードを実行するようにしたが、ＦＴＩＲの構成によっては、往動のみならず復動時にも赤外測定を行う場合もある。こうした構成では、方向転換期間にのみ可視画像観察モードを実行することが可能である。いずれにしても、ＦＴＩＲの干渉計では常に有意な赤外干渉光を発生しているわけではなく、移動鏡の動作の１周期の中で赤外スペクトルデータの収集に利用されていない期間が必ず存在するから、その期間中に上記のような光路の切り替えを行って可視画像観察モードを実行すればよい。また、こうした特定の測定を行うために、移動鏡の動作の１周期の中で赤外スペクトルデータの収集に利用されていない期間を意図的に長くするように制御を変更してもよい。

本発明の一実施例である赤外顕微鏡の光路構成を中心とする要部の構成図。第１及び第２赤外／可視切替ミラーの構成図。マイケルソン干渉計における移動鏡の動作を説明する概略図。本実施例の赤外顕微鏡の特徴的な測定動作を説明するための概略タイミング図。

符号の説明

１…フーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴＩＲ）
１００…赤外光源
１０１…マイケルソン干渉計
１０２…固定鏡
１０３…移動鏡
１０４…モータ
１０５…ビームスプリッタ
２、８、９、１５、１９…反射鏡
３…可視光源
４…レンズ
５…第１赤外／可視切替ミラー
６…透過／反射切替ミラー
７…駆動部
１１…集光鏡
１２…試料ステージ
１３…試料
１４…反射対物鏡
１６…可変アパーチャ
１７…第２赤外／可視切替ミラー
１８…ＣＣＤカメラ
２１…ＭＣＴ検出器
３０…信号処理部
３１…画像処理部
３２…モニタ
４０…制御部

Claims

干渉計において移動鏡の動作に伴って発生させた赤外干渉光を試料に照射し、その試料からの透過光又は反射光を赤外検出手段に導入することで、試料上の測定領域による赤外吸収を測定する赤外顕微鏡において、
a)可視光を発生する可視光源と、
b)試料に照射された可視光に対する透過光又は反射光に基づいて、試料の可視画像を形成し測定者が視認可能であるように提供する可視画像観察手段と、
c)前記干渉計による赤外干渉光を選択的に試料に照射するとともに該試料からの透過光／反射光を前記赤外検出手段に導入する第１光路と、前記可視光源による可視光を選択的に試料に照射するとともに該試料からの透過光／反射光を前記可視画像観察手段に導入する第２光路とを切り替える光路切替手段と、
d)前記移動鏡の１動作周期の中で、赤外干渉光に対する赤外吸収データを収集する期間中には第１光路とし、その赤外吸収データを収集しない期間中には第２光路とするように、前記移動鏡の動作に同期させて前記光路切替手段の切替動作を繰り返し制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする赤外顕微鏡。
前記移動鏡は往復動を行い、その往動又は復動のいずれかの期間中に赤外吸収データを収集するものであって、前記制御手段は、少なくともその往動又は復動の他方の期間中に可視画像の観察を行えるように前記光路切替手段の切替動作を制御することを特徴とする請求項１に記載の赤外顕微鏡。
前記可視画像観察手段は、試料からの可視透過光又は反射光を受けて画像信号を出力する撮像手段と、該画像信号を受けて試料の像を再現して表示する画像表示手段とを含み、該画像表示手段は、赤外吸収データの収集期間にその直前に取得された画像を保持して表示することを特徴とする請求項１又は２に記載の赤外顕微鏡。