JP2005337715A - バンドリジェクションミラー、フィルタ分光器、及びラマン散乱スペクトル測定用フィルタ分光器 - Google Patents

Abstract

【課題】 不要な波長成分の光を確実に吸収し、迷光の発生を防止することができるバンドパスフィルタを提供する。
【解決手段】特定狭帯域の波長の光束のみを表面反射すると共に特定狭帯域以外の波長の光束を透過後に吸収する迷光吸収部２２ｂを裏面に設けた。
【選択図】図２

Description

本発明は、バンドリジェクションミラー、フィルタ分光器、及びラマン散乱スペクトル測定用フィルタ分光器に関するものである。

特開平８−２６１８２６号公報

従来から、試料の分子状態や結晶状態を計測する方法としてラマン分光を利用した方法が知られている。
このラマン分光は、試料にレーザー光を照射してその試料を励起させ、それにより生じた散乱光を集光系を介して分光器に入射させ、そこにおいてスペクトルに分解し、そのスペクトルを分光器の出射口に設けた検出器で検出・計測するものである。

この際、試料から出射（反射）される散乱光には、レイリー散乱光とラマン散乱光とがあり、両者の強度比は１０⁶以上となっている。従って、レイリー散乱光に基づく迷光によって、ラマン散乱光から得られたラマンスペクトルが隠されてしまい、ＣＣＤ等の結像素子での検出が不可能となる虞がある。

そこで、ラマン散乱光のみを効率良く結像素子へと導くものとして、特定狭帯域の波長の光束のみを表面反射する反射特性を有する反射部材（バンドリジェクションミラー）を複数配置したラマン散乱スペクトル測定用フィルタ分光器が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

即ち、極めて狭帯域（透過率の半値幅３．０ｎｍ程度）のバンドリジェクションミラーに、平行光束とした試料からの散乱光を入射させることにより、特定の不要な波長成分を透過して除く（除去率α）。一方で、その周囲の必要な波長成分の光は鏡面反射する。これをＮ回繰り返すことにより、不必要な波長成分の除去率はαNに比例して向上する。一方で、除去成分以外の光に対するフィルタの反射率βは０．９９以上であるので、Ｎ回繰り返すことによる損失は、（１−β^N）であり無視できるほど小さくすることができる。

図５は、このようなラマン散乱スペクトル測定用フィルタ分光器を有する測定光学系の光学説明図である。
図５において、ラマン散乱スペクトル測定用フィルタ分光器１は、試料２から反射された反射光束を平行光束とするアクロマティックレンズ３と、アクロマティックレンズ３により平行光束とされた反射光束を反射する斜設ミラー（誘電体多層膜ミラー）４と、斜設ミラー４で反射された反射光束のうち特定波長領域の光束のみを取り出す分光器本体５と、分光器本体５で取り出された特定波長領域の光束を反射する斜設ミラー６と、斜設ミラー６で反射された光束を主分光器７に集光する集光レンズ８とを備えている。

斜設ミラー４はアクロマティックレンズ３からの平行光束の光路を曲げてかつ分光器本体５への入射角θを調整して分光器本体５に入射するものである。分光器本体５の内部には、複数の狭帯域光学ミラー５ａ〜５ｅが配置されている。

このような構成されたラマン散乱スペクトル測定用フィルタ分光器１において、ラマン散乱光の分光作用は次のようになされる。

試料２からの放射光は、アクロマティックレンズ３で平行光束にされた後、誘電体多層膜ミラーからなる斜設ミラー４で光軸を約９０°曲げられる。この光束は、斜設ミラー４により分光器本体５に適切な入射角をもって導入される。この時、分光器本体５の狭帯域光学ミラー５ａでレイリー散乱光などの不要な波長成分の光がそれぞれの狭帯域光学ミラー５ａの後方に透過する一方で、ラマン散乱光はそれぞれの狭帯域光学ミラー５ａの表面で反射する。狭帯域光学ミラー５ａで反射された光は、以下、狭帯域光学ミラー５ｂ〜５ｅの等価な光学ミラーにより全く同様に入射及び反射される。その結果、不要な波長成分は光軸Ｏ上から除外される一方でラマン散乱光束のみが光軸Ｏ上に残る。誘電体多層膜ミラーからなる斜設ミラー６は、分光されたラマン散乱光束をアクロマティックレンズ３及び斜設ミラー４と同軸上に光軸Ｏを戻すために働く。集光レンズ８は、ラマン散乱光束を主分光器７の入射スリットに集光する。

以下、試料２として酸化ビスマスを使用した場合の狭帯域光学ミラー４枚（狭帯域光学ミラー５ｃを反射ミラーで構成）で構成される分光特性を具体的に示す。

まず、透過波長５１７．０ｎｍの光学ミラーを用いた時のフィルタ分光器は、除去率１０^-4、半値幅５ｎｍで立ち上がり５１４．５ｎｍの両側でほぼ９０％以上の平坦な透過率を示す。また、フィルタへの入射角を調節することにより透過率の立ち上がり波長を微調することができる。入射角約９°のとき、図６（Ａ）に示すように、５１４．５ｎｍでの除去率１０^-4で５１５．９ｎｍで透過率５０％が得られた。次に、５１４．５ｎｍのレーザー光を用いて粉末試料表面からのラマン散乱光の測定を行った。図６（Ｂ）に示すように、フィルタへの入射角を最適な角度に調整したとき、５１４．５ｎｍのレイリー散乱光は、フィルタ分光器により１０^-4減光される上に、５１５．９ｎｍ（波数シフト約５０ｃｍ^-1）付近からラマン散乱スペクトルが観測された。

ところで、上記の如く構成されたフィルタ分光器にあっては、分光器本体５内に入射された光のうち、レイリー散乱光などの不要な波長成分の光はそれぞれの狭帯域光学ミラー５ａ〜５ｅの後方に透過する。

従って、この透過した不要な波長成分の光は、分光器本体５の内部で迷光となって充満し、その一部が本来測定すべきラマンスペクトルと共に分光器本体５から出射されてしまうため、迷光に対する充分な解決策とはなっていないという問題が生じていた。

本発明は、上記問題を解決するため、不要な波長成分の光を確実に吸収し、迷光の発生を防止することができるバンドリジェクションミラー、フィルタ分光器、及びラマン散乱スペクトル測定用フィルタ分光器を提供することを目的とする。

その目的を達成するため、請求項１に記載のバンドリジェクションミラーは、特定狭帯域以外の波長の光束を表面反射すると共に特定狭帯域の波長の光束を透過後に吸収する迷光吸収部を裏面に設けたことを特徴とする。

請求項２に記載のバンドリジェクションミラーは、前記迷光吸収部は、反射率０．１％以下の光吸収材料からなる筐体であることを特徴とする。

請求項３に記載のバンドリジェクションミラーは、前記筐体内に無反射コーティング膜を配置したことを特徴とする。

請求項４に記載のフィルタ分光器は、請求項１乃至請求項３に記載のバンドリジェクションミラーを複数配置したことを特徴とする。

請求項５に記載のラマン散乱スペクトル測定用フィルタ分光器は、試料にレーザー光を照射する照明光学系と、試料から反射された反射光束を結像素子へと導く測定光学系とを備え、試料から反射された反射光束のうち特定狭帯域以外の波長の光束を表面反射すると共に特定狭帯域の波長の光束を透過後に吸収する迷光吸収部を裏面に設けたバンドリジェクションミラーを前記測定光学系の光路中に配置したことを特徴とする。

本発明のバンドリジェクションミラーによれば、不要な波長成分の光を確実に吸収し、迷光の発生を防止することができる。

次に、本発明のバンドリジェクションミラーをラマン散乱スペクトル測定用フィルタ分光器に適用し、図面に基づいて説明する。

図１は、本発明のバンドリジェクションミラーを有するラマン散乱スペクトル測定用フィルタ分光器の光学説明図、図２（Ａ）は本発明のバンドリジェクションミラーの断面図、図２（Ｂ）はバンドリジェクションミラーの変形例１の断面図、図２（Ｃ）はバンドリジェクションミラーの変形例２の断面図、図２（Ｄ）はバンドリジェクションミラーの変形例３の断面図、図２（Ｅ）はバンドリジェクションミラーの変形例４の断面図、図３（Ａ）はバンドリジェクションミラーの応用例１の断面図、図３（Ｂ）はバンドリジェクションミラーの応用例２の断面図、図４は本発明のバンドリジェクションミラーのフィルタ特性のグラフ図である。

図１において、ラマン散乱スペクトル測定用フィルタ分光器１０は、試料１１にレーザー光を照射する照明光学系１２と、試料１１から反射された反射光束を結像素子１３へと導く測定光学系１４とを備えている。

照明光学系１２は、可視近赤領域（６００ｎｍ）付近のレーザー光を照明光束として照射するレーザー光源１５と、レーザー光源１５から照射された照明光束を反射する斜設全反射ミラー１６と、斜設全反射ミラー１６で反射された照明光束を透過するビームスプリッタ１７と、対物レンズ１８とをこの順に備えている。

観察光学系１４は、対物レンズ１８、ビームスプリッタ１７、このビームスプリッタ１７で反射された試料１１からの反射光束を結像させる合焦レンズ１９、対物レンズ１８並びに合焦レンズ１９の各焦点を共役位置に配置された開口絞り２０、開口絞り２０を通過した反射光束を平行光束とするコリメートレンズ２１、複数の斜設バンドリジェクションミラー２２〜２５、結像レンズ２６、主分光器２７、ＣＣＤ等の結像素子１３とをこの順に備えている。

斜設バンドリジェクションミラー２２〜２５は、図４に示すように、５３２±２ｎｍ付近という狭帯域の可視近赤光を反射し、その他の領域の光束を透過する特性を有する。尚、斜設バンドリジェクションミラー２２〜２５は同一の特性並びにフィルタ構造を備えているため、以下、斜設バンドリジェクションミラー２２を代表して説明する。

斜設バンドリジェクションミラー２２は、図２（Ａ）に示すように、５３２±２ｎｍ付近の狭帯域の可視近赤光を反射し且つその他の領域の光束を透過する特性を有するフィルタ本体２２ａと、フィルタ本体２２ａの裏面を覆う筐体２２ｂとを備えている。

筐体２２ｂは、その表面において除去したい特定狭帯域の波長の反射率を十分に下回る反射特性を実現する光吸収構造を有する筐体から構成されている。例えば、レイリー光波長付近の狭帯域における反射率が−３０ｄＢであった場合、反射率０．１％以下の可視光吸収材料（例えば、擦りガラスにカーボンブラック等の黒膜処理を施したもの等）により構成されている。尚、筐体２２ｂを樹脂や金属等で構成し、フィルタ本体２２ａの裏面の筐体２２ｂ内に擦りガラスを設けてもよい。

また、図２（Ｂ）に示すように、筐体２２ｂの背面を傾斜させ、フィルタ本体２２ａを透過した光束を筐体２２ｂ内で複数回反射させてもよい。同様に、図２（Ｃ）に示すように、フィルタ本体２２ａを透過した光束を直行する方向に反射して吸収する構成、図２（Ｄ）に示すように、筐体２２ｂの背面を針状として複数回反射させる構成（オプティカルトラップ）、図２（Ｅ）に示すように、吸収材料を混入若しくは吸収材料そのものからなる基板２２ｃを貼り付けた構成としてもよい。さらに、図３（Ａ），（Ｂ）に示すように、フィルタ本体２２ａの背面に無反射コーティング層２２ｄを配置したうえで、オプティカルトラップをさせてもよい。

ところで、これらの各種構成は、例えば斜設バンドリジェクションミラー２２〜２５毎に上述した各種構成のものを組み合わせて使用することも可能である。

また、斜設バンドリジェクションミラー２２，２５は入反射角度を調整するために回転可能となっており、斜設バンドリジェクションミラー２３，２４は斜設バンドリジェクションミラー２２，２５の回転に伴って入反射角を調整するために回転可能で且つ光軸Ｏ方向に沿って変位可能となっている。

これにより、コリメートレンズ２１を透過した試料１１からの反射光束のうち、その反射光束に含まれるレイリー散乱光などの不要な波長成分の光束は斜設バンドリジェクションミラー２２のフィルタ本体２２ａの後方に透過し、ラマン散乱光は斜設バンドリジェクションミラー２２のフィルタ本体２２ａの表面で反射する。斜設バンドリジェクションミラー２２のフィルタ本体２２ａで反射された光は、以下、斜設バンドリジェクションミラー２３〜２５の等価なフィルタ本体により全く同様に入射及び反射される。その結果、不要な波長成分は光軸Ｏ上から除外され、ラマン散乱光束のみが光軸Ｏ上に残る。

一方、フィルタ本体２２ａの後方に透過した反射光束に含まれるレイリー散乱光などの不要な波長成分の光束は、筐体２２ｂ内で吸収され、ラマン散乱光のみが結像レンズ２６へと導かれる。

ところで、本発明のバンドリジェクションミラーは、上述したラマン散乱スペクトル測定用フィルタ分光器にのみ適用されるものではなく、各種光学器械において、特定波長のレーザー光のみを取り出して測定する場合、例えば、顕微鏡や眼科機械などの広範囲な光学測定器全般に適用可能であることは勿論である。また、その際に使用される光束の波長やフィルタ特性は任意に設定することができる。

本発明のバンドリジェクションミラーを有するラマン散乱スペクトル測定用フィルタ分光器の光学説明図である。 本発明のバンドリジェクションミラーを示し、（Ａ）はバンドリジェクションミラーの断面図、（Ｂ）はバンドリジェクションミラーの変形例１の断面図、（Ｃ）はバンドリジェクションミラーの変形例２の断面図、（Ｄ）はバンドリジェクションミラーの変形例３の断面図、（Ｅ）はバンドリジェクションミラーの変形例４の断面図である。 本発明のバンドリジェクションミラーを示し、（Ａ）はバンドリジェクションミラーの応用例１の断面図、（Ｂ）はバンドリジェクションミラーの応用例２の断面図である。 本発明のバンドリジェクションミラーのフィルタ特性のグラフ図である。 従来のバンドリジェクションミラーを有するラマン散乱スペクトル測定用フィルタ分光器の光学説明図である。 従来のバンドリジェクションミラーを示し、（Ａ）は効果率スペクトルのグラフ図、（Ｂ）はラマン散乱スペクトル測定例のグラフ図である。

符号の説明

１０…ラマン散乱スペクトル測定用フィルタ分光器
１１…試料
１２…照明光学系
１３…結像素子
１４…測定光学系
１５…レーザー光源
１６…斜設全反射ミラー
１７…ビームスプリッタ
１８…対物レンズ
１９…合焦レンズ
２０…開口絞り
２１…コリメートレンズ
２２…バンドリジェクションミラー
２２ａ…フィルタ本体
２２ｂ…筐体（迷光吸収部）
２３…バンドリジェクションミラー
２４…バンドリジェクションミラー
２５…バンドリジェクションミラー
２６…結像レンズ
２７…主分光器

Claims (6)

1. 特定狭帯域以外の波長の光束を表面反射すると共に特定狭帯域の波長の光束を透過後に吸収する迷光吸収部を裏面に設けたことを特徴とするバンドリジェクションミラー。
2. 前記迷光吸収部は、その表面において除去したい特定狭帯域の波長の反射率を十分に下回る反射率を実現する光吸収特性を備えていることを特徴とする請求項１に記載のバンドリジェクションミラー。
3. 前記迷光吸収部は、反射率０．１％以下とすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のバンドリジェクションミラー。
4. 前記筐体内に無反射コーティング膜を配置したことを特徴とする請求項３に記載のバンドリジェクションミラー。
5. 請求項１乃至請求項４に記載のバンドリジェクションミラーを複数配置したことを特徴とするフィルタ分光器。
6. 試料にレーザー光を照射する照明光学系と、試料から反射された反射光束を結像素子へと導く測定光学系とを備え、試料から反射された反射光束のうち特定狭帯域以外の波長の光束を表面反射すると共に特定狭帯域の波長の光束を透過後に吸収する迷光吸収部を裏面に設けたバンドリジェクションミラーを前記測定光学系の光路中に配置したことを特徴とするラマン散乱スペクトル測定用フィルタ分光器。
   

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