JP2006258990A - Optical microscope - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical microscope achieving the shortening of measuring time. <P>SOLUTION: The optical microscope is equipped with: a laser beam source 11; a cylindrical lens 15 converting a laser beam into a linear light beam; a galvano mirror 23 making the linear light beam scan; an objective 27 condensing the light beam made to scan by the galvano mirror 23 to be linear; a 1st beam splitter 22 branching emitted light 62 whose wavelength is different from laser wavelength and which is emitted from a sample 28 to the objective 27 side from the laser beam; a spectroscope 33 having an incident slit 32 arranged on an incident side on which the emitted light 62 branched by the 1st beam splitter 22 is made incident and spatially dispersing the emitted light 62 passing through the incident slit 32 in accordance with the wavelength; and a detector 34 detecting the emitted light 62 dispersed by the spectroscope 33. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、光学顕微鏡に関し、特に詳しくは試料に照射するレーザ光と異なる波長の光を検出する光学顕微鏡に関する。   The present invention relates to an optical microscope, and more particularly to an optical microscope that detects light having a wavelength different from that of laser light applied to a sample.

ラマン分光測定は、試料が気体、液体、結晶、無定形固体であることを問わず、温度は高温でも低温でも可能であり、測定において、真空などの特殊な測定雰囲気を必要をしないという利点を持つ。さらに、試料の前処理を特に必要とせず、試料をそのままの状態で測定可能であるなどの長所があり、これらの長所を生かした測定が多くなされている。ラマン分光測定を利用することによって、分子を非染色で観測すること、及び半導体中の不純物を観測することができる   The Raman spectroscopic measurement is possible regardless of whether the sample is a gas, liquid, crystal, or amorphous solid, and the temperature can be high or low, and there is an advantage that a special measurement atmosphere such as a vacuum is not required for the measurement. Have. Furthermore, there is an advantage that the sample can be measured as it is without requiring any pre-treatment of the sample, and many measurements are made by taking advantage of these advantages. By using Raman spectroscopy, molecules can be observed unstained and impurities in semiconductors can be observed

このようなラマン分光測定を行うため、分光器を用いたラマン顕微鏡が開示されている(特許文献1、特許文献2)。このラマン顕微鏡では、試料にレーザ光を集光して照射している。そして、試料からのラマン散乱光を分光器で分光することにより、ラマンスペクトルを測定することができる。さらに、これらのラマン顕微鏡では、試料を移動させて測定することにより、特定の波長におけるラマン散乱光強度の空間分布を測定することができる。また、シリンドリカルレンズにより試料をライン状に照明して、CCDカメラにより検出するラマン顕微鏡も開示されている(非特許文献1)。
特開2002−14043号公報 特開2003−344776号公報 CHARLENE A.DRUMM、他1名「Microscopic Raman Line−Imaging With Principal Component Analysis」 APPLIED SPECTROSCOPY、1995年、49巻、第9号、p.1331−1337
In order to perform such Raman spectroscopic measurement, a Raman microscope using a spectroscope has been disclosed (Patent Documents 1 and 2). In this Raman microscope, a sample is irradiated with focused laser light. A Raman spectrum can be measured by spectroscopically analyzing Raman scattered light from the sample. Furthermore, in these Raman microscopes, the spatial distribution of the Raman scattered light intensity at a specific wavelength can be measured by moving the sample and measuring. A Raman microscope is also disclosed in which a sample is illuminated in a line by a cylindrical lens and detected by a CCD camera (Non-Patent Document 1).
JP 2002-14043 A Japanese Patent Laid-Open No. 2003-344776 CHARLENE A. DRUMM and 1 other "Microscopic Raman Line-Imaging With Principle Component Analysis" APPLIED SPECTROCOPY, 1995, 49, No. 9, p. 1331-1337

しかしながら、従来のラマン顕微鏡では以下のような問題点があった。例えば、生体のラマン散乱は弱いため、1点あたりのラマンスペクトルの測定時間(積算時間)が長くなる。例えば、1点あたりの積算時間を1秒すると、64×64pixelの画像を取得する場合に1時間以上(4096秒=64×64秒)かかってしまう。さらに積算時間を上げて波長分解能を向上させる場合、解像度を上げるため又はより広い領域を測定するため測定点を増やす場合は、測定時間がより長時間となってしまうという問題点があった。   However, the conventional Raman microscope has the following problems. For example, since the Raman scattering of a living body is weak, the measurement time (integrated time) of the Raman spectrum per point becomes long. For example, if the integration time per point is 1 second, it takes 1 hour or more (4096 seconds = 64 × 64 seconds) to acquire a 64 × 64 pixel image. Further, when the wavelength resolution is improved by increasing the integration time, there is a problem that the measurement time becomes longer if the number of measurement points is increased in order to increase the resolution or measure a wider area.

このような長時間の測定を避けるためには、測定範囲、すなわち観察範囲を狭くする必要がある。また、測定範囲を広くするためには、解像度を下げる必要がある。あるいは、測定するスペクトルの範囲を狭くしたり、特定の波長に対してのみ測定する必要がある。このように従来のラマン顕微鏡では、測定時間が長時間となるため、測定が制限されてしまうという問題点があった。   In order to avoid such long-time measurement, it is necessary to narrow the measurement range, that is, the observation range. Also, in order to widen the measurement range, it is necessary to lower the resolution. Alternatively, it is necessary to narrow the range of the spectrum to be measured or to measure only for a specific wavelength. As described above, the conventional Raman microscope has a problem in that the measurement is limited because the measurement time is long.

このように従来のラマン顕微鏡では、測定時間が長時間となってしまい測定が制限されるという問題点があった。
本発明は上述の問題点に鑑みてなされたものであり、測定時間を短縮することができる光学顕微鏡を提供することを目的とする。
As described above, the conventional Raman microscope has a problem that the measurement time is long and the measurement is limited.
The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object thereof is to provide an optical microscope that can shorten the measurement time.

本発明の第1の態様にかかる光学顕微鏡は、レーザ光源(例えば、本発明の実施の形態にかかるレーザ光源11)と、前記レーザ光源からの光ビームをライン状の光ビームに変換する光変換手段(例えば、本発明の実施の形態にかかる第3のレンズシリンドリカル15及び/又はアイリス絞り39)と、前記ライン状に変換された光ビームを走査する走査手段(例えば、本発明の実施の形態にかかるガルバノミラー23)と、前記走査手段により走査された光ビームをライン状に集光して試料に入射させる対物レンズ(例えば、本発明の実施の形態にかかる対物レンズ27)と、前記試料に入射された光ビームのうち、異なる波長となって前記試料から前記対物レンズ側に出射する出射光を前記レーザ光源から前記試料に入射するライン状の光ビームと分岐する第1のビームスプリッタ(例えば、本発明の実施の形態にかかる第1のビームスプリッタ22)と、前記第1のビームスプリッタにより分岐された出射光が入射する入射側に前記ライン状の光ビームに対応する方向に沿って配置された入射スリット(例えば、本発明の実施の形態にかかる入射スリット32)を有し、前記入射スリットを通過した前記出射光を波長に応じて空間的に分散させる分光器(例えば、本発明の実施の形態にかかる分光器33)と、前記分光器で分散させた出射光を検出する2次元アレイ光検出器(例えば、本発明の実施の形態にかかる検出器34)とを備えるものである。これにより、測定時間を短縮することができる。   An optical microscope according to a first aspect of the present invention includes a laser light source (for example, the laser light source 11 according to an embodiment of the present invention) and light conversion for converting a light beam from the laser light source into a linear light beam. Means (for example, the third lens cylindrical 15 and / or the iris diaphragm 39 according to the embodiment of the present invention) and scanning means for scanning the light beam converted into the line shape (for example, the embodiment of the present invention) The objective lens (for example, the objective lens 27 according to the embodiment of the present invention) for condensing the light beam scanned by the scanning means into a line and entering the sample, and the sample Out of the light beam incident on the sample, the output light that has a different wavelength and exits from the sample to the objective lens side is linearly incident on the sample from the laser light source. A first beam splitter (for example, the first beam splitter 22 according to an embodiment of the present invention) that branches off from the beam, and the line-like shape on the incident side on which the outgoing light branched by the first beam splitter enters. An incident slit (for example, an incident slit 32 according to an embodiment of the present invention) arranged along a direction corresponding to the light beam, and the outgoing light that has passed through the incident slit is spatially dependent on the wavelength. (For example, the spectrometer 33 according to the embodiment of the present invention) and a two-dimensional array photodetector (for example, the embodiment of the present invention) that detects the emitted light dispersed by the spectrometer. And such a detector 34). Thereby, measurement time can be shortened.

本発明の第2の態様にかかる光学顕微鏡は、上述の光学顕微鏡において、前記走査手段がガルバノミラーであることを特徴とするものである。これにより、走査速度を向上することができ、さらに試料に照射される光ビームの変動を少なくすることができる。よって、利便性を向上することができる。   The optical microscope according to the second aspect of the present invention is characterized in that, in the above-described optical microscope, the scanning means is a galvanometer mirror. As a result, the scanning speed can be improved, and the fluctuation of the light beam applied to the sample can be reduced. Therefore, convenience can be improved.

本発明の第3の態様にかかる光学顕微鏡は、上述の光学顕微鏡において、前記走査手段が前記光ビームのラインの方向と垂直な方向に光ビームを走査するものである。これにより、測定時間を短縮することができる。   An optical microscope according to a third aspect of the present invention is the above-described optical microscope in which the scanning unit scans the light beam in a direction perpendicular to the line direction of the light beam. Thereby, measurement time can be shortened.

本発明の第4の態様にかかる光学顕微鏡は、上述の光学顕微鏡において、前記光変換手段がシリンドリカルレンズを有していることを特徴とするものである。これにより、レーザ光源からの光を効率よく試料に入射させることができ、測定時間を短縮することができる。   An optical microscope according to a fourth aspect of the present invention is characterized in that, in the above-described optical microscope, the light conversion means has a cylindrical lens. Thereby, the light from the laser light source can be efficiently incident on the sample, and the measurement time can be shortened.

本発明の第5の態様にかかる光学顕微鏡は、上述の光学顕微鏡において、前記シリンドリカルレンズにより前記入射光が集光される位置にスリット状の開口を有するアイリス絞り(例えば、本発明の実施の形態にかかるアイリス絞り39)であって、前記開口の大きさが可変であるアイリス絞りが設けられているものである。これにより、測定時間を短縮することができる。   An optical microscope according to a fifth aspect of the present invention is the above-described optical microscope, wherein an iris diaphragm having a slit-like opening at a position where the incident light is condensed by the cylindrical lens (for example, an embodiment of the present invention). The iris diaphragm 39) is provided with an iris diaphragm whose opening size is variable. Thereby, measurement time can be shortened.

本発明の第6の態様にかかる光学顕微鏡は、上述の光学顕微鏡において、前記第1のスプリッタと前記2次元アレイ光検出器の間に、前記レーザ光源のレーザ波長の光を遮るフィルタ(例えば、本発明の実施の形態にかかるエッジフィルタ38)が設けられていることを特徴とするものである。これにより、測定時間を短縮することができる。   An optical microscope according to a sixth aspect of the present invention is the above-described optical microscope, wherein a filter (for example, a filter that blocks light having a laser wavelength of the laser light source) is interposed between the first splitter and the two-dimensional array photodetector. An edge filter 38) according to the embodiment of the present invention is provided. Thereby, measurement time can be shortened.

本発明の第7の態様にかかる光学顕微鏡は、上述の光学顕微鏡において、前記光変換手段により集光される面と試料面とが互いに共役な関係となり、前記試料面と前記入射スリットが互いに共役な関係となっているものである。これにより、分解能を向上することができる。     An optical microscope according to a seventh aspect of the present invention is the optical microscope described above, wherein the surface condensed by the light conversion means and the sample surface are conjugated with each other, and the sample surface and the entrance slit are conjugated with each other. It has become a relationship. Thereby, the resolution can be improved.

本発明の第8の態様にかかる光学顕微鏡は、上述の光学顕微鏡において、前記対物レンズと前記試料との相対距離が可変であることを特徴とするものである。これにより、簡易な構成で3次元測定を行うことができる。   An optical microscope according to an eighth aspect of the present invention is characterized in that, in the above-described optical microscope, a relative distance between the objective lens and the sample is variable. Thereby, three-dimensional measurement can be performed with a simple configuration.

本発明の第9の態様にかかる光学顕微鏡は、上述の光学顕微鏡において、前記試料の前記対物レンズと反対側に配置され、照明光を出射する照明光源(例えば、本発明の実施の形態にかかる照明光源41)と、前記照明光源からの照明光をリング状の照明光にするリングスリット(例えば、本発明の実施の形態にかかるリングスリット43)と、前記リング状の照明光を集光して前記試料に入射させるコンデンサーレンズ(例えば、本発明の実施の形態にかかるコンデンサーレンズ44)と、前記コンデンサーレンズにより集光され前記試料を透過した透過光が前記対物レンズを介して入射する第2のビームスプリッタ(例えば、本発明の実施の形態にかかる第2のビームスプリッタ21)であって、前記透過光の光路を前記レーザ光源からの前記入射光の光路と分岐する第2のビームスプリッタと、前記第2のビームスプリッタによって分岐された透過光の前記リングスリットに対応するリング状の領域に位相差を設ける位相板(例えば、本発明の実施の形態にかかる位相板46)と、前記位相板からの透過光を撮像する撮像素子(例えば、本発明の実施の形態にかかるCCDカメラ48)とをさらに備えるものである。これにより、透過光を検出することができるため、利便性を向上することができる。   An optical microscope according to a ninth aspect of the present invention is an illumination light source (for example, according to an embodiment of the present invention) that is disposed on the opposite side of the sample from the objective lens and emits illumination light. An illumination light source 41), a ring slit (for example, a ring slit 43 according to an embodiment of the present invention) that converts the illumination light from the illumination light source into a ring illumination light, and the ring illumination light is condensed. A condenser lens (for example, a condenser lens 44 according to an embodiment of the present invention) that is incident on the sample, and second light that is collected by the condenser lens and transmitted through the sample is incident through the objective lens. Beam splitter (for example, the second beam splitter 21 according to an embodiment of the present invention), and the optical path of the transmitted light from the laser light source A phase plate that provides a phase difference in a ring-shaped region corresponding to the ring slit of the transmitted light branched by the second beam splitter branched by the optical path of the incident light (for example, the present invention) A phase plate 46) according to the first embodiment, and an image pickup device (for example, a CCD camera 48 according to the embodiment of the present invention) that images the transmitted light from the phase plate. Thereby, since transmitted light can be detected, the convenience can be improved.

本発明の第10の態様にかかる光学顕微鏡は、上述の光学顕微鏡において、前記第1のビームスプリッタが前記第2のビームスプリッタの試料側に配置され、前記第1のビームスプリッタを介して前記透過光が前記第2のビームスプリッタに入射していることを特徴とするものである。これにより、試料からの出射光を効率よく検出器に入射されることができるため、測定時間を短縮することができる。   An optical microscope according to a tenth aspect of the present invention is the optical microscope described above, wherein the first beam splitter is disposed on the sample side of the second beam splitter, and the transmission is performed via the first beam splitter. The light is incident on the second beam splitter. Thereby, since the emitted light from the sample can be efficiently incident on the detector, the measurement time can be shortened.

本発明の第11の態様にかかる光学顕微鏡は、上述の光学顕微鏡において、前記撮像素子により、前記試料中の位相が異なる位相物体の分布を観察するものである。これにより、簡易な構成で位相物体を観察することができるため、利便性を向上することができる。   An optical microscope according to an eleventh aspect of the present invention is the above-described optical microscope, wherein the imaging element observes the distribution of phase objects having different phases in the sample. Thereby, since the phase object can be observed with a simple configuration, the convenience can be improved.

本発明によれば、測定時間を短縮することができる光学顕微鏡を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the optical microscope which can shorten measurement time can be provided.

以下に、本発明を適用可能な実施の形態が説明される。以下の説明は、本発明の実施形態を説明するものであり、本発明が以下の実施形態に限定されるものではない。説明の明確化のため、以下の記載は、適宜、省略及び簡略化がなされている。又、当業者であれば、以下の実施形態の各要素を、本発明の範囲において容易に変更、追加、変換することが可能であろう。尚、各図において同一の符号を付されたものは同様の要素を示しており、適宜、説明が省略される。   Hereinafter, embodiments to which the present invention can be applied will be described. The following description is to describe the embodiment of the present invention, and the present invention is not limited to the following embodiment. For clarity of explanation, the following description is omitted and simplified as appropriate. Further, those skilled in the art will be able to easily change, add, and convert each element of the following embodiments within the scope of the present invention. In addition, what attached | subjected the same code | symbol in each figure has shown the same element, and abbreviate | omits description suitably.

本発明の実施の形態にかかる光学顕微鏡について図1を用いて説明する。図1は本実施の形態にかかる光学顕微鏡の光学系の構成を模式的に示す図である。1は光学顕微鏡、11はレーザ光源、12はミラー、13は第1の第2のシリンドリカルレンズ14は第2の第3のシリンドリカルレンズ15は第3のシリンドリカルレンズ、16はレンズ、21は第2のビームスプリッタ、22は第1のビームスプリッタ、23はガルバノミラー、24はレンズ、25はミラー、26はレンズ、27は対物レンズ、28は試料、31はレンズ、32は入射スリット、33は分光器、34は検出器、35は処理装置、38はエッジフィルタ、39はアイリス絞り、41は照明光源、42はレンズ、43はリングスリット、44はコンデンサーレンズ、45aはレンズ、45bはレンズ、46は位相板、47はレンズ、48は撮像素子である。また、61はレーザ光源11から試料28に入射する入射光、62は入射光61のうち試料28でラマン散乱されて試料28から出射された出射光、71は照明光源41から試料28に入射する照明光、72は照明光源41から入射した照明光71のうち試料28を透過した透過光である。   An optical microscope according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a diagram schematically showing the configuration of the optical system of the optical microscope according to the present embodiment. 1 is an optical microscope, 11 is a laser light source, 12 is a mirror, 13 is a first second cylindrical lens 14 is a second third cylindrical lens 15 is a third cylindrical lens, 16 is a lens, and 21 is a second , 22 is a galvano mirror, 24 is a lens, 25 is a mirror, 26 is a lens, 27 is an objective lens, 28 is a sample, 31 is a lens, 32 is an entrance slit, and 33 is a spectroscopic beam. , 34 is a detector, 35 is a processing device, 38 is an edge filter, 39 is an iris diaphragm, 41 is an illumination light source, 42 is a lens, 43 is a ring slit, 44 is a condenser lens, 45a is a lens, 45b is a lens, 46 Is a phase plate, 47 is a lens, and 48 is an image sensor. In addition, 61 is incident light incident on the sample 28 from the laser light source 11, 62 is light emitted from the sample 28 after being Raman scattered by the sample 28, and 71 is incident on the sample 28 from the illumination light source 41. Illumination light 72 is transmitted light transmitted through the sample 28 among the illumination light 71 incident from the illumination light source 41.

光学顕微鏡1はレーザ光源11、出射光62を分光する分光器33、分光器33で分光された出射光62を検出する検出器34及びレーザ光源11と分光器33との間の光学系を有するラマン顕微鏡並びに、照明光源41、照明光源41から入射して試料28を透過した透過光72を検出するCCDカメラ48及び照明光源41からCCDカメラ48までの光学系を有する位相差顕微鏡を備えている。位相差顕微鏡とラマン顕微鏡では光学系が重複した部分を有している。本実施の形態かかる光学顕微鏡1では、レーザ光源11又は照明光源41をオフすることにより、ラマン顕微鏡又は位相差顕微鏡のいずれか一方で観察することができる。すなわちラマン顕微鏡及び位相差顕微鏡が排他的に使用される。なお、光源をオフする他、レーザ光源11又は照明光源41からの光を遮るシャッターをそれぞれ設けて、いずれか一方からの光を遮光してもよい。   The optical microscope 1 includes a laser light source 11, a spectroscope 33 that splits the outgoing light 62, a detector 34 that detects the outgoing light 62 split by the spectroscope 33, and an optical system between the laser light source 11 and the spectroscope 33. A Raman microscope, an illumination light source 41, a CCD camera 48 that detects the transmitted light 72 incident from the illumination light source 41 and transmitted through the sample 28, and a phase contrast microscope having an optical system from the illumination light source 41 to the CCD camera 48 are provided. . In the phase contrast microscope and the Raman microscope, the optical system has an overlapping portion. In the optical microscope 1 according to the present embodiment, the laser light source 11 or the illumination light source 41 can be turned off to observe either the Raman microscope or the phase contrast microscope. That is, a Raman microscope and a phase contrast microscope are used exclusively. In addition to turning off the light source, a shutter that blocks light from the laser light source 11 or the illumination light source 41 may be provided to block light from either one.

まず、光学顕微鏡1のうちのラマン顕微鏡の構成について図1を参照して説明する。レーザ光源11は単色のレーザ光を出射する。レーザ光源11には、例えば、スペクトラフィジックス社製Millenniaを用いることができる。このレーザ光源11はレーザ波長532nm、線幅0.24nm、最大出力が10WのNd/YVO4レーザである。レーザ光源11はこのレーザ波長を有するレーザ光を出射する。レーザ光源11からのレーザ光が後述の光学系を伝播して試料28に入射する入射光61となる。   First, the configuration of the Raman microscope of the optical microscope 1 will be described with reference to FIG. The laser light source 11 emits monochromatic laser light. As the laser light source 11, for example, Millennia manufactured by Spectra Physics Co., Ltd. can be used. The laser light source 11 is an Nd / YVO4 laser having a laser wavelength of 532 nm, a line width of 0.24 nm, and a maximum output of 10 W. The laser light source 11 emits laser light having this laser wavelength. Laser light from the laser light source 11 propagates through an optical system described later to become incident light 61 incident on the sample 28.

レーザ光源11からの入射光61は図示しないレンズなどにより平行光束となって、ミラー12に入射する。そして、入射光61はミラー12で反射され第1の第1のシリンドリカルレンズ13に入射する。第1のシリンドリカルレンズ13は入射光61を1方向にのみ屈折する。以下、光の伝播方向、すなわち光軸方向をZ方向とし、Z方向に垂直な平面をXY平面として説明する。第1のシリンドリカルレンズ13はY方向の焦点距離が50mmのレンズであり、入射光61をY方向に屈折させる。第1のシリンドリカルレンズ13によってY方向に屈折された入射光61はライン状に集光される。すなわち、入射光61は第1のシリンドリカルレンズ13により一旦、X方向に沿ったライン状の光ビームに変換される。ライン状に集光された入射光61は広がって、第2のシリンドリカルレンズ14に入射する。第2のシリンドリカルレンズ14はY方向の焦点距離が100mmのレンズである。第2のシリンドリカルレンズ14は入射光61をY方向に屈折させ、平行光束に変換する。すなわち、第2のシリンドリカルレンズ14からの入射光61はY方向に伸びたビーム形状をしている。換言すると第1のシリンドリカルレンズ13及び第2のシリンドリカルレンズ14はY方向にビーム径を広げるビームエキスパンダーである。   Incident light 61 from the laser light source 11 becomes a parallel light beam by a lens (not shown) or the like and enters the mirror 12. The incident light 61 is reflected by the mirror 12 and is incident on the first first cylindrical lens 13. The first cylindrical lens 13 refracts the incident light 61 only in one direction. In the following description, it is assumed that the light propagation direction, that is, the optical axis direction is the Z direction, and the plane perpendicular to the Z direction is the XY plane. The first cylindrical lens 13 is a lens having a focal length of 50 mm in the Y direction, and refracts incident light 61 in the Y direction. Incident light 61 refracted in the Y direction by the first cylindrical lens 13 is collected in a line. That is, the incident light 61 is once converted into a linear light beam along the X direction by the first cylindrical lens 13. The incident light 61 condensed in a line shape spreads and enters the second cylindrical lens 14. The second cylindrical lens 14 is a lens having a focal length of 100 mm in the Y direction. The second cylindrical lens 14 refracts the incident light 61 in the Y direction and converts it into a parallel light beam. That is, the incident light 61 from the second cylindrical lens 14 has a beam shape extending in the Y direction. In other words, the first cylindrical lens 13 and the second cylindrical lens 14 are beam expanders that expand the beam diameter in the Y direction.

第2のシリンドリカルレンズ14からの入射光61は第3のシリンドリカルレンズ15に入射する。第3のシリンドリカルレンズ15はX方向の焦点距離が100mmのレンズである。第3のシリンドリカルレンズ15はX方向に入射光61を屈折させる。この第3のシリンドリカルレンズ15によって、入射光61はX方向に集光される。よって、第3のシリンドリカルレンズ15は入射光61をY方向に沿ったライン状の光ビームに変換する。シリンドリカルレンズを用いることにより効率よくライン状の光に変換することができる。第3のシリンドリカルレンズ15はアイリス絞り39の位置で入射光61を結像する。すなわち、第3のシリンドリカルレンズ15はアイリス絞り39の位置で、入射光61がライン状に光ビームとなるよう集光する。換言すると、第3のシリンドリカルレンズ15の後の像面部にアイリス絞り39を配置する。アイリス絞り39はライン状の入射光61の方向に対応するスリット状の開口部を有している。アイリス絞り39は試料28に集光されるライン状の入射光61の大きさを設定する。このアイリス絞り39の開口部の大きさを可変とすることによって、試料28上における入射光61の光ビームのスポットの大きさ、すなわちラマン顕微鏡における照明領域を調整することができる。   Incident light 61 from the second cylindrical lens 14 enters the third cylindrical lens 15. The third cylindrical lens 15 is a lens having a focal length of 100 mm in the X direction. The third cylindrical lens 15 refracts the incident light 61 in the X direction. The incident light 61 is condensed in the X direction by the third cylindrical lens 15. Therefore, the third cylindrical lens 15 converts the incident light 61 into a linear light beam along the Y direction. By using a cylindrical lens, it can be efficiently converted into line light. The third cylindrical lens 15 forms the incident light 61 at the position of the iris diaphragm 39. That is, the third cylindrical lens 15 condenses the incident light 61 at a position of the iris diaphragm 39 so as to form a light beam in a line shape. In other words, the iris diaphragm 39 is disposed on the image plane portion behind the third cylindrical lens 15. The iris diaphragm 39 has a slit-shaped opening corresponding to the direction of the line-shaped incident light 61. The iris diaphragm 39 sets the size of the line-shaped incident light 61 condensed on the sample 28. By making the size of the opening of the iris diaphragm 39 variable, the size of the spot of the light beam of the incident light 61 on the sample 28, that is, the illumination area in the Raman microscope can be adjusted.

第3のシリンドリカルレンズ15によって屈折され、アイリス絞り39を通過してライン状に変換された入射光61はX方向に広がってレンズ16に入射する。レンズ16は例えば、焦点距離160mmのレンズである。レンズ16は、第3のシリンドリカルレンズ15により一旦ライン状に集光された後、広がって入射する入射光61を屈折して、平行光束にする。レンズ16からの入射光61の一部は第2のビームスプリッタ21及び第1のビームスプリッタ22を通過して、ガルバノミラー23に入射する。ガルバノミラー23は入射光61を走査するとともに、レンズ24の方向に反射する。すなわち、ガルバノミラー23はライン状に変換された光ビームを走査する走査手段である。処理装置35から電気信号を入力してガルバノミラー23の角度を変えることにより、入射光61を走査することができる。   Incident light 61 refracted by the third cylindrical lens 15, passing through the iris diaphragm 39 and converted into a line shape, spreads in the X direction and enters the lens 16. The lens 16 is, for example, a lens having a focal length of 160 mm. The lens 16 is once condensed into a line shape by the third cylindrical lens 15 and then refracts the incident light 61 which is spread and enters into a parallel light flux. Part of the incident light 61 from the lens 16 passes through the second beam splitter 21 and the first beam splitter 22 and enters the galvanometer mirror 23. The galvanometer mirror 23 scans the incident light 61 and reflects it in the direction of the lens 24. That is, the galvanometer mirror 23 is a scanning unit that scans the light beam converted into a line shape. Incident light 61 can be scanned by inputting an electrical signal from the processing device 35 and changing the angle of the galvanometer mirror 23.

ガルバノミラー23で反射された入射光61はレンズ24に入射する。レンズ24は例えば、焦点距離が200mmのレンズであり、入射光61を屈折させる。レンズ24で屈折された入射光61は、ミラー25に入射する。ミラー25に入射した入射光61は反射され、レンズ26に入射する。レンズ26は例えば、焦点距離が200mmのレンズである。レンズ26は入射光61を屈折して、対物レンズ27に入射させる。対物レンズ27は入射光61を集光して試料28に入射させる。対物レンズ27には、例えば、ニコン製アポクロマート NA 1.2 x60を用いることができる。対物レンズ27は第3のシリンドリカルレンズ15によってライン状に変換された入射光61を試料面上においてライン状に集光する。すなわち、アイリス絞り39と試料28とは互いに共役な関係に配置される。   Incident light 61 reflected by the galvanometer mirror 23 enters the lens 24. For example, the lens 24 is a lens having a focal length of 200 mm, and refracts the incident light 61. Incident light 61 refracted by the lens 24 enters the mirror 25. Incident light 61 incident on the mirror 25 is reflected and incident on the lens 26. The lens 26 is, for example, a lens having a focal length of 200 mm. The lens 26 refracts the incident light 61 and makes it incident on the objective lens 27. The objective lens 27 collects the incident light 61 and makes it incident on the sample 28. For the objective lens 27, for example, Nikon Apochromat NA 1.2 x60 can be used. The objective lens 27 collects the incident light 61 converted into a line shape by the third cylindrical lens 15 in a line shape on the sample surface. That is, the iris diaphragm 39 and the sample 28 are arranged in a conjugate relationship with each other.

試料28に入射した入射光61の一部はラマン散乱される。試料28に入射した入射光61のうち、ラマン散乱により対物レンズ27側に出射した光を出射光62とする。すなわち、ラマン散乱光のうち、対物レンズ27に入射したものを出射光62とする。ラマン散乱された出射光62は入射光61とは異なる波長となっている。すなわち、ラマンシフトによって出射光62は入射光61の振動数からずれて散乱される。この出射光62のスペクトルがラマンスペクトルとなる。したがって、出射光62のスペクトルを測定することにより、試料28中に含まれる物質の化学構造及び物理的状態を特定することができる。すなわち、ラマンスペクトルには、試料28を構成する物質の振動数の情報が含まれるため、出射光62を分光器33で分光して検出することにより、試料28中の物質を特定することができる。そして、入射光61をXYZ方向にスキャンして試料28の全面又は一部の領域からの出射光62のスペクトルを測定することにより、ラマンスペクトルの3次元測定を行うことができる。測定したラマンスペクトルのうち、特定の波長に注目することにより、特定の物質の3次元空間分布の測定も可能となる。具体的には、試料28を生体細胞とした場合、核酸や脂質の空間分布あるいはスクロースやポリスチレン球の空間分布を測定することができる。   A part of the incident light 61 incident on the sample 28 is subjected to Raman scattering. Out of the incident light 61 incident on the sample 28, light emitted to the objective lens 27 side by Raman scattering is referred to as outgoing light 62. That is, out of the Raman scattered light, the light incident on the objective lens 27 is set as the outgoing light 62. The Raman scattered outgoing light 62 has a wavelength different from that of the incident light 61. In other words, the outgoing light 62 is scattered by being shifted from the frequency of the incident light 61 by the Raman shift. The spectrum of the emitted light 62 becomes a Raman spectrum. Therefore, by measuring the spectrum of the emitted light 62, the chemical structure and physical state of the substance contained in the sample 28 can be specified. That is, since the Raman spectrum includes information on the frequency of the substance constituting the sample 28, the substance in the sample 28 can be specified by detecting the emission light 62 with the spectrometer 33. . Then, by scanning the incident light 61 in the XYZ directions and measuring the spectrum of the emitted light 62 from the entire surface or a partial region of the sample 28, a three-dimensional measurement of the Raman spectrum can be performed. By paying attention to a specific wavelength in the measured Raman spectrum, it is possible to measure a three-dimensional spatial distribution of a specific substance. Specifically, when the sample 28 is a living cell, the spatial distribution of nucleic acids and lipids or the spatial distribution of sucrose and polystyrene spheres can be measured.

ラマン散乱され、対物レンズ27に入射した出射光62は、入射光61と同じ光路を伝播していく。すなわち、対物レンズ27により屈折され、ミラー25で反射され、レンズ24で屈折され、ガルバノミラー23で反射され、第1のビームスプリッタ22に入射する。第1のビームスプリッタ22は入射した出射光62のうち、一部をレンズ31の方向に反射する。例えば、第1のビームスプリッタ22は反射率が80%で透過率が20%のものを用いている。すなわち、第1のビームスプリッタ22に入射された出射光62のうち、80%の光がレンズ31に入射する。レンズ31と第1のビームスプリッタ22との間にはエッジフィルタ38が配置されている。このエッジフィルタ38により、レーザ波長と同じ波長の散乱光が除去される。すなわち、エッジフィルタ38はレーリー散乱光とラマン散乱光との波長に差に基づいてレーリー散乱光を除去する。これにより、ラマン散乱による出射光62からレーザ波長と同じ波長の散乱光が分離される。なお、レーザ波長の光を遮光するエッジフィルタの替わりに、第1のビームスプリッタ22としてダイクロイックミラーを用いてもよい。これにより、効率よくラマン散乱光のみを検出することができる。   The outgoing light 62 that has been Raman-scattered and entered the objective lens 27 propagates through the same optical path as the incident light 61. That is, the light is refracted by the objective lens 27, reflected by the mirror 25, refracted by the lens 24, reflected by the galvanometer mirror 23, and incident on the first beam splitter 22. The first beam splitter 22 reflects a part of the incident outgoing light 62 in the direction of the lens 31. For example, the first beam splitter 22 has a reflectance of 80% and a transmittance of 20%. That is, 80% of the outgoing light 62 incident on the first beam splitter 22 enters the lens 31. An edge filter 38 is disposed between the lens 31 and the first beam splitter 22. The edge filter 38 removes scattered light having the same wavelength as the laser wavelength. That is, the edge filter 38 removes the Rayleigh scattered light based on the difference in wavelength between the Rayleigh scattered light and the Raman scattered light. Thereby, the scattered light having the same wavelength as the laser wavelength is separated from the outgoing light 62 by Raman scattering. It should be noted that a dichroic mirror may be used as the first beam splitter 22 instead of the edge filter that blocks the light having the laser wavelength. Thereby, only Raman scattered light can be detected efficiently.

エッジフィルタ38を通過した出射光62は、レンズ31に入射する。レンズ31を通過した光は入射側に入射スリット32が有する分光器33に入射する。すなわち、出射光62は入射スリット32を通過して、分光器33で分光される。レンズ31は出射光62を屈折させて、入射スリット32上に結像する。ここで、試料28面上において入射光61はライン状に結像されているため、入射スリット32上において出射光62はライン状に集光される。入射スリット32の方向とライン状の出射光62の方向を一致させる。すなわち、試料28上のライン状の入射光と入射スリット32の開口とは互いに共役な関係となるよう配置される。したがって、ラマン顕微鏡はコンフォーカル光学系として構成される。すなわち、アイリス絞り39と試料28面上とが互いに共役な関係となるように配置され、試料28面上と入射スリット32とが互いに共役な関係となるように配置されている。したがって、アイリス絞り39が設けられたXY平面及び試料28が設けられた面上において、入射光61はY方向に沿ってライン状に集光される。そして、試料28から散乱して出射した出射光62は入射スリット32上でY方向に沿ってライン状に集光される。そして、入射スリット32はY方向に沿った開口部を有しており、この開口部に入射した光のみを検出器34側に透過させる。レーザ光源11から試料28までの照明光学系及び試料28から検出器34まで観察光学系をこのような結像光学系とすることにより、共焦点ラマン顕微鏡とすることができる。これにより、Z方向の分解能の高い測定を行うことができる。   The outgoing light 62 that has passed through the edge filter 38 enters the lens 31. The light that has passed through the lens 31 enters the spectroscope 33 that the incident slit 32 has on the incident side. That is, the outgoing light 62 passes through the entrance slit 32 and is split by the spectroscope 33. The lens 31 refracts the outgoing light 62 and forms an image on the entrance slit 32. Here, since the incident light 61 is imaged in a line shape on the surface of the sample 28, the emitted light 62 is collected in a line shape on the incident slit 32. The direction of the incident slit 32 and the direction of the line-shaped outgoing light 62 are matched. That is, the line-shaped incident light on the sample 28 and the opening of the incident slit 32 are arranged so as to be conjugated with each other. Therefore, the Raman microscope is configured as a confocal optical system. That is, the iris diaphragm 39 and the surface of the sample 28 are arranged so as to be conjugated with each other, and the surface of the sample 28 and the entrance slit 32 are arranged so as to be conjugated with each other. Accordingly, the incident light 61 is collected in a line along the Y direction on the XY plane on which the iris diaphragm 39 is provided and on the surface on which the sample 28 is provided. Then, the outgoing light 62 scattered and emitted from the sample 28 is collected in a line along the Y direction on the entrance slit 32. The entrance slit 32 has an opening along the Y direction, and only the light incident on the opening is transmitted to the detector 34 side. By using such an imaging optical system for the illumination optical system from the laser light source 11 to the sample 28 and the observation optical system from the sample 28 to the detector 34, a confocal Raman microscope can be obtained. Thereby, measurement with high resolution in the Z direction can be performed.

分光器33は回折格子(グレーティング)やプリズムなどの分光素子を備えており、入射スリット32から入射した光をその波長に応じて空間的に分散させる。反射型回折格子を用いた分光器33の場合、さらに入射スリット32からの光を分光素子までに導く球面ミラーと分光素子によって分光された光を検出器34まで導く球面ミラーなどの光学系が設けられている。出射光62は分光器33によって入射スリット32の方向と垂直な方向に分散される。分光器33により分光された出射光62は検出器34に入射する。検出器34は受光素子がマトリクス状に配列されたエリアセンサである。すなわち、検出器34は画素がアレイ状に配置された2次元CCDなどの2次元アレイ光検出器である。   The spectroscope 33 includes a spectroscopic element such as a diffraction grating (grating) or a prism, and spatially disperses light incident from the incident slit 32 according to the wavelength. In the case of the spectroscope 33 using a reflective diffraction grating, an optical system such as a spherical mirror that guides the light from the incident slit 32 to the spectroscopic element and a spherical mirror that guides the light dispersed by the spectroscopic element to the detector 34 is provided. It has been. The outgoing light 62 is dispersed by the spectroscope 33 in a direction perpendicular to the direction of the entrance slit 32. The outgoing light 62 split by the spectroscope 33 enters the detector 34. The detector 34 is an area sensor in which light receiving elements are arranged in a matrix. That is, the detector 34 is a two-dimensional array photodetector such as a two-dimensional CCD in which pixels are arranged in an array.

検出器34は、イメージインテンシファイア付き冷却CCDを用いることができる。検出器34は例えば、プリンストン・インスツルメンツ社製1024×256画素の電子冷却CCD(−25℃)を用いることができる。検出器34の画素は、入射スリット32に対応する方向に沿って配置されている。したがって、検出器34の画素の一方の配列方向は入射スリット32の方向と一致し、他方の配列方向は、分光器33の分散方向と一致する。ここで、検出器34の入射スリット32の方向に対応する方向をY方向とし、入射スリット32と垂直な方向、すなわち、分光器33によって出射光62が分散される方向をX方向とする。   The detector 34 may be a cooled CCD with an image intensifier. The detector 34 may be, for example, an electronically cooled CCD (−25 ° C.) of 1024 × 256 pixels manufactured by Princeton Instruments. The pixels of the detector 34 are arranged along the direction corresponding to the entrance slit 32. Therefore, one arrangement direction of the pixels of the detector 34 coincides with the direction of the entrance slit 32, and the other arrangement direction coincides with the dispersion direction of the spectrometer 33. Here, the direction corresponding to the direction of the incident slit 32 of the detector 34 is defined as the Y direction, and the direction perpendicular to the incident slit 32, that is, the direction in which the emitted light 62 is dispersed by the spectroscope 33 is defined as the X direction.

検出器34は各画素で受光した出射光62の光強度に応じた検出信号を処理装置35に出力する。処理装置35はパーソナルコンピュータ(PC)などの情報処理装置であり、検出器34からの検出信号をメモリなどに記憶していく。そして、検出結果に所定の処理を行い、モニターに表示する。さらに、処理装置35はガルバノミラー23の走査や、図示しない試料28のステージの駆動を制御している。ここで、検出器34のX方向は出射光62の波長(振動数)に対応している。すなわち、X方向に配列されている画素列において、一端の画素は長波長(低振動数)の出射光62を検出し、他端の画素は短波長(高振動数)の出射光62を検出する。このように、検出器34のX方向における光強度の分布はラマンスペクトルの分布を示すことになる。   The detector 34 outputs a detection signal corresponding to the light intensity of the emitted light 62 received by each pixel to the processing device 35. The processing device 35 is an information processing device such as a personal computer (PC), and stores a detection signal from the detector 34 in a memory or the like. Then, the detection result is subjected to a predetermined process and displayed on the monitor. Further, the processing device 35 controls scanning of the galvanometer mirror 23 and driving of the stage of the sample 28 (not shown). Here, the X direction of the detector 34 corresponds to the wavelength (frequency) of the outgoing light 62. That is, in the pixel array arranged in the X direction, one pixel detects the outgoing light 62 having a long wavelength (low frequency), and the other pixel detects the outgoing light 62 having a short wavelength (high frequency). To do. Thus, the light intensity distribution in the X direction of the detector 34 indicates the distribution of the Raman spectrum.

一方、ライン状の入射光61を用いているため、検出器34のY方向は、試料28のY方向に対応している。すなわち、Y方向に配列されている画素列において、一端の画素はライン状の入射光61によって照明された領域の一端からの出射光62を検出し、他端の画素はライン状の入射光61によって照明された領域の他端からの出射光62を検出している。換言すれば、検出器34のY方向に配列された画素の位置は、試料28上での位置に対応しており、Y方向の光強度分布は、試料28上における出射光62の空間分布を示すことになる。このように検出器34の受光面におけるX方向の位置はラマンスペクトルの波長に対応し、Y方向の位置は試料28上での位置に対応する。そして、入射光61をガルバノミラー23により走査して、試料28と入射光61との相対位置をX方向にずらしていく。試料28上での照明領域をX方向に走査することにより、ライン状の入射光61の長さ及び走査距離に対応する領域を照明することができる。これにより、ラマンスペクトルの2次元空間分布を測定することができる。さらに、ガルバノミラー23の走査距離が十分でない場合は、試料28を駆動ステージとして照明領域を広くしてもよい。   On the other hand, since the linear incident light 61 is used, the Y direction of the detector 34 corresponds to the Y direction of the sample 28. That is, in the pixel array arranged in the Y direction, one pixel detects the emitted light 62 from one end of the region illuminated by the linear incident light 61, and the other pixel detects the linear incident light 61. The emitted light 62 from the other end of the area illuminated by is detected. In other words, the positions of the pixels arranged in the Y direction of the detector 34 correspond to the positions on the sample 28, and the light intensity distribution in the Y direction represents the spatial distribution of the emitted light 62 on the sample 28. Will show. As described above, the position in the X direction on the light receiving surface of the detector 34 corresponds to the wavelength of the Raman spectrum, and the position in the Y direction corresponds to the position on the sample 28. Then, the incident light 61 is scanned by the galvanometer mirror 23, and the relative position between the sample 28 and the incident light 61 is shifted in the X direction. By scanning the illumination area on the sample 28 in the X direction, an area corresponding to the length and scanning distance of the linear incident light 61 can be illuminated. Thereby, the two-dimensional spatial distribution of the Raman spectrum can be measured. Furthermore, when the scanning distance of the galvanometer mirror 23 is not sufficient, the illumination area may be widened using the sample 28 as a drive stage.

本実施の形態では、ライン状の入射光61を走査している。これにより、試料28のXY平面における任意のポイントのラマンスペクトルを測定することができる。さらに、点照明を走査する場合やステージを走査する場合に比べて、走査速度を向上することができるため、スペクトルの測定時間を短縮化することができる。すなわち、試料28の広い領域におけるラマンスペクトルの測定を短時間で行うことができる。よって、試料28の観察領域を広くした場合でも、長時間の測定時間が必要とならない。これにより、ラマンスペクトルの波長分解能を向上した場合や、より広い範囲のスペクトルを測定した場合でも、測定時間が長時間とならず、実用的な観察を行なうことができる。例えば、任意の波長(振動数)のラマン散乱光に着目した2次元像の観察や試料28の特定の点におけるラマンスペクトルの測定を高い分解能で行なうことができる。   In the present embodiment, the line-shaped incident light 61 is scanned. Thereby, the Raman spectrum of an arbitrary point on the XY plane of the sample 28 can be measured. Furthermore, since the scanning speed can be improved as compared with the case of scanning point illumination or the stage, the spectrum measurement time can be shortened. That is, the measurement of the Raman spectrum in a wide region of the sample 28 can be performed in a short time. Therefore, even when the observation area of the sample 28 is widened, a long measurement time is not required. Thereby, even when the wavelength resolution of the Raman spectrum is improved or when a spectrum in a wider range is measured, the measurement time does not take a long time, and practical observation can be performed. For example, observation of a two-dimensional image paying attention to Raman scattered light of an arbitrary wavelength (frequency) and measurement of a Raman spectrum at a specific point of the sample 28 can be performed with high resolution.

さらに、本実施の形態では、ラマン顕微鏡をライン状に光を集光するコンフォーカル光学系として構成している。これにより、Z方向の分解能を向上することができるため、ラマンスペクトルの3次元測定が可能になる。すなわち、対物レンズ27の試料28との相対距離を変化させ、試料28上の焦点位置をZ方向に走査することができる。これにより、XYZ方向の走査が可能となり、ラマンスペクトルを3次元空間分布の測定をすることができる。換言すると、立体的な試料28の任意にポイントにおいて、ラマンスペクトルを測定することができる。このような、ラマンスペクトルの3次元空間分布を測定した場合でも、ライン状に照明することにより、測定時間を短縮することができる。よって、実用的な時間で測定を行うことができる。   Furthermore, in this embodiment, the Raman microscope is configured as a confocal optical system that collects light in a line shape. Thereby, since the resolution in the Z direction can be improved, three-dimensional measurement of the Raman spectrum becomes possible. That is, the relative distance between the objective lens 27 and the sample 28 can be changed, and the focal position on the sample 28 can be scanned in the Z direction. As a result, scanning in the XYZ directions becomes possible, and the Raman spectrum can be measured for a three-dimensional spatial distribution. In other words, the Raman spectrum can be measured at an arbitrary point of the three-dimensional sample 28. Even when such a three-dimensional spatial distribution of a Raman spectrum is measured, the measurement time can be shortened by illuminating in a line shape. Therefore, measurement can be performed in a practical time.

次に、位相差顕微鏡の構成について説明する。位相差顕微鏡の照明光源41にはランプ光源が用いられている。照明光源41はラマン顕微鏡の対物レンズ27と反対側に配置されている。照明光源41から出射した照明光71はレンズ42で屈折され、リングスリット43に入射する。リングスリット43はリング状の領域に光を透過する透過部が設けられた輪帯である。リングスリット43は照明光源41からの照明光71をリング状の照明光71に変換する。リングスリット43によりリング状に変換された照明光71はコンデンサーレンズ44により集光された試料28に入射する。コンデンサーレンズ44は試料28上でリング状の照明光71が重なるように集光する。   Next, the configuration of the phase contrast microscope will be described. A lamp light source is used as the illumination light source 41 of the phase contrast microscope. The illumination light source 41 is disposed on the side opposite to the objective lens 27 of the Raman microscope. The illumination light 71 emitted from the illumination light source 41 is refracted by the lens 42 and enters the ring slit 43. The ring slit 43 is a ring zone in which a transmission part that transmits light is provided in a ring-shaped region. The ring slit 43 converts the illumination light 71 from the illumination light source 41 into a ring-shaped illumination light 71. The illumination light 71 converted into a ring shape by the ring slit 43 enters the sample 28 collected by the condenser lens 44. The condenser lens 44 collects light so that the ring-shaped illumination light 71 overlaps on the sample 28.

コンデンサーレンズ44で集光された照明光71のうち、試料28を透過した透過光72は、対物レンズ27に入射する。透過光72は出射光62が入射する光学部品と同じ光学部品を伝播していく。すなわち、透過光72は、対物レンズ27で屈折され、レンズ26で屈折され、ミラー25で反射され、レンズ24で屈折され、ガルバノミラー23に入射する。位相差顕微鏡を用いる場合、ガルバノミラー23による走査を行わないで観察を行なう。例えば、ガルバノミラー23はレンズ24の光軸に対して45°傾斜して配置されている。よって、ガルバノミラー23は、透過光を90°の角度で反射させて、第1のビームスプリッタ22の方向に反射する。第1のビームスプリッタ22に入射した透過光の一部は第2のビームスプリッタ21に入射する。上述のように、第1のビームスプリッタ22の透過率は20%であるので、第1のビームスプリッタ22に入射した透過光72のうちの20%が第2のビームスプリッタ21に入射する。第2のビームスプリッタ21に入射した透過光72のうちの一部は反射され、レンズ45aに入射する。そして、透過光72は、レンズ45aで屈折されて、レンズ45bに入射する。レンズ45aで屈折された透過光72はレンズ45aの前側で結像して、レンズ45bに入射する。レンズ45bは、入射した透過光72を屈折させる。レンズ45bにより屈折された透過光72は、位相板46に入射する。   Of the illumination light 71 collected by the condenser lens 44, the transmitted light 72 that has passed through the sample 28 enters the objective lens 27. The transmitted light 72 propagates through the same optical component as the optical component on which the outgoing light 62 is incident. That is, the transmitted light 72 is refracted by the objective lens 27, refracted by the lens 26, reflected by the mirror 25, refracted by the lens 24, and enters the galvanometer mirror 23. When a phase contrast microscope is used, observation is performed without scanning with the galvanometer mirror 23. For example, the galvanometer mirror 23 is disposed with an inclination of 45 ° with respect to the optical axis of the lens 24. Therefore, the galvanometer mirror 23 reflects the transmitted light at an angle of 90 ° and reflects it in the direction of the first beam splitter 22. Part of the transmitted light that has entered the first beam splitter 22 enters the second beam splitter 21. As described above, since the transmittance of the first beam splitter 22 is 20%, 20% of the transmitted light 72 incident on the first beam splitter 22 is incident on the second beam splitter 21. A part of the transmitted light 72 incident on the second beam splitter 21 is reflected and incident on the lens 45a. The transmitted light 72 is refracted by the lens 45a and enters the lens 45b. The transmitted light 72 refracted by the lens 45a forms an image on the front side of the lens 45a and enters the lens 45b. The lens 45b refracts the incident transmitted light 72. The transmitted light 72 refracted by the lens 45 b enters the phase plate 46.

位相板46はリング状の位相膜が設けられている。このリング状の位相膜に入射した光は、その他の領域に入射した光からπ/2の位相差が与えられる。すなわち、リング状の位相膜が設けられた領域に入射した透過光72は、その内側及びその外側に入射した透過光72よりもπ/2だけ位相が遅れる。位相板46を通過した透過光72はレンズ47で屈折されて、CCDカメラ48に入射する。レンズ47はCCDカメラ48の受光面に透過光を結像するよう配置されている。   The phase plate 46 is provided with a ring-shaped phase film. The light incident on the ring-shaped phase film is given a phase difference of π / 2 from the light incident on other regions. That is, the phase of the transmitted light 72 incident on the region where the ring-shaped phase film is provided is delayed in phase by π / 2 relative to the transmitted light 72 incident on the inner side and the outer side thereof. The transmitted light 72 that has passed through the phase plate 46 is refracted by the lens 47 and enters the CCD camera 48. The lens 47 is arranged to form an image of transmitted light on the light receiving surface of the CCD camera 48.

このように位相差顕微鏡を設けることによって、試料28の屈折率の異なる位相物体の分布を観察することができる。したがって、細胞の状態を維持できる緩衝溶液中に細胞を注入した場合において、緩衝溶液と細胞との間に透過率の差がほとんどない物質であっても屈折率の差によって細胞を観察することができる。すなわち、緩衝溶液に対して細胞が位相物体となる。この、位相物体の分布、すなわち細胞の空間分布を位相差顕微鏡で観察できる。そして、その細胞の密度が高い領域のみラマンスペクトルの3次元空間分布を測定する。すなわち、透明な緩衝溶液中に透明な細胞を注入した場合であっても細胞の空間分布を測定することができる。このように、上記の構成により効率的な測定を行うことができるため、実質的に長時間ラマンスペクトルの測定を行うことができる。よって光学顕微鏡の利便性を向上することができる。   By providing the phase contrast microscope in this way, it is possible to observe the distribution of the phase objects having different refractive indexes of the sample 28. Therefore, when cells are injected into a buffer solution that can maintain the state of the cells, even if the substance has almost no difference in transmittance between the buffer solution and the cells, the cells can be observed by the difference in refractive index. it can. That is, the cell becomes a phase object with respect to the buffer solution. The distribution of the phase object, that is, the spatial distribution of the cells can be observed with a phase contrast microscope. Then, the three-dimensional spatial distribution of the Raman spectrum is measured only in the region where the cell density is high. That is, even when transparent cells are injected into a transparent buffer solution, the spatial distribution of the cells can be measured. As described above, since efficient measurement can be performed with the above configuration, a Raman spectrum can be measured for a substantially long time. Therefore, the convenience of the optical microscope can be improved.

光学顕微鏡1は、位相差顕微鏡とラマン顕微鏡を備える構成をしているため、様々な観察を行なうことができる。光学顕微鏡の応用範囲を広くすることができ、今までに不可能であった観察を行なうことができる。この光学系により、高分解能でラマンスペクトルを測定することができる。また、高い分解能でラマンスペクトルの3次元空間分布を測定した場合であっても、測定時間を短縮することができる。例えば、Hela細胞などの細胞の観察を高分解能で行なうことができる。   Since the optical microscope 1 is configured to include a phase contrast microscope and a Raman microscope, various observations can be performed. The application range of the optical microscope can be widened, and observation that has been impossible until now can be performed. With this optical system, a Raman spectrum can be measured with high resolution. Moreover, even when the three-dimensional spatial distribution of the Raman spectrum is measured with high resolution, the measurement time can be shortened. For example, observation of cells such as Hela cells can be performed with high resolution.

次に試料28の近傍の構成について図2〜図4を用いて説明する。図2は試料28の近傍の光学系を模式的に示す図である。図3は試料28上における入射光61のスポットを示す平面図である。図4はリングスリット43の構成を示す平面図である。   Next, the configuration in the vicinity of the sample 28 will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a diagram schematically showing an optical system in the vicinity of the sample 28. FIG. 3 is a plan view showing spots of the incident light 61 on the sample 28. FIG. 4 is a plan view showing the configuration of the ring slit 43.

まず、ラマン顕微鏡において、試料28に入射するレーザ光源11からの入射光61について説明する。入射光61は対物レンズ27により、試料28に集光される。試料28は透明なステージ29に載置されている。ステージ29はXYZステージとすることが好ましい。ここでは、試料28の対物レンズ27側の表面に集光される様子について図示しているが、Z方向に走査する場合は、対物レンズ27又はステージ29を移動して、対物レンズ27と試料28との間の距離を光軸に沿って変化させればよい。例えば、対物レンズ27とステージ29との距離は処理装置35により変化させることができる。このように、対物レンズ27と試料28との距離を可変とすることにより、ラマンスペクトルの3次元空間分布を測定することができる。なお、ガルバノミラー23の替わりにステージ29でX方向に走査してもよい。このようにステージ29を走査することによっても試料28全面を観察することができる。   First, incident light 61 from the laser light source 11 incident on the sample 28 in the Raman microscope will be described. Incident light 61 is focused on the sample 28 by the objective lens 27. The sample 28 is placed on a transparent stage 29. The stage 29 is preferably an XYZ stage. Here, a state of focusing on the surface of the sample 28 on the objective lens 27 side is illustrated, but when scanning in the Z direction, the objective lens 27 or the stage 29 is moved to move the objective lens 27 and the sample 28. The distance between the two may be changed along the optical axis. For example, the distance between the objective lens 27 and the stage 29 can be changed by the processing device 35. In this way, by making the distance between the objective lens 27 and the sample 28 variable, the three-dimensional spatial distribution of the Raman spectrum can be measured. In place of the galvanometer mirror 23, the stage 29 may scan in the X direction. The entire surface of the sample 28 can also be observed by scanning the stage 29 in this way.

この入射光61は試料28上において図4に示すよう照射される。シリンドリカルレンズ15によって入射光61はライン状に変換されているため、試料28上において入射光61の光ビームのスポットはライン状となっている。入射光61はシリンドリカルレンズ15によって変換された方向、すなわち、Y方向に沿って、ライン状となっている。ライン状の入射光61のスポットは例えば、Y方向に60μm程度の長さとすることができる。このライン状の入射光61はガルバノミラー23によって例えば、X方向に走査される。すなわち、入射光61がライン状に延びている方向と垂直な方向に走査を行う。これにより、試料28の一定の領域を照明することができる。この入射光61のうち、試料28で散乱されて出射された出射光62が上述のように分光器33で分光され、検出器34で検出される。   The incident light 61 is irradiated on the sample 28 as shown in FIG. Since the incident light 61 is converted into a line shape by the cylindrical lens 15, the light beam spot of the incident light 61 is in a line shape on the sample 28. The incident light 61 has a line shape along the direction converted by the cylindrical lens 15, that is, the Y direction. For example, the spot of the line-shaped incident light 61 can have a length of about 60 μm in the Y direction. The line-shaped incident light 61 is scanned by the galvanometer mirror 23 in the X direction, for example. That is, scanning is performed in a direction perpendicular to the direction in which the incident light 61 extends in a line. Thereby, the fixed area | region of the sample 28 can be illuminated. Out of this incident light 61, the outgoing light 62 scattered and emitted by the sample 28 is dispersed by the spectroscope 33 as described above and detected by the detector 34.

次に、位相差顕微鏡における、照明光源41からの照明光71について説明する。照明光71はレンズ42を介してリングスリット43に入射する。リングスリット43は入射した照明光71をリング状の照明光71に変換する。このリングスリット43の形状は図5に示すようになっている。図5はリングスリット43の構成を示す平面図である。リングスリット43はリング状の透過部43aが形成された円板により構成されている。透過部43aの外側及び内側には遮光部43bが形成されている。透過部43aに入射した光はリングスリット43を透過し、遮光部43bに入射した光はリングスリット43により遮光される。なお、透過部43aの内側の遮光部43bと外側の遮光部43bとを接続する接続部43cが透過部43aを横切るよう配置される。この接続部43cによって、リング状の透過部43aは3つに分断される。この接続部43cは均等、すなわち、120°毎に設けることがこのましい。接続部43cに入射した光は遮光部43bと同様に遮光される。   Next, the illumination light 71 from the illumination light source 41 in the phase contrast microscope will be described. The illumination light 71 enters the ring slit 43 via the lens 42. The ring slit 43 converts the incident illumination light 71 into a ring-shaped illumination light 71. The shape of the ring slit 43 is as shown in FIG. FIG. 5 is a plan view showing the configuration of the ring slit 43. The ring slit 43 is constituted by a disc in which a ring-shaped transmission part 43a is formed. A light shielding part 43b is formed on the outer side and the inner side of the transmission part 43a. The light incident on the transmission part 43 a is transmitted through the ring slit 43, and the light incident on the light shielding part 43 b is blocked by the ring slit 43. In addition, the connection part 43c which connects the inner side light-shielding part 43b and the outer side light-shielding part 43b of the transmission part 43a is arrange | positioned so that the transmission part 43a may be crossed. The ring-shaped transmission part 43a is divided into three by this connection part 43c. It is preferable to provide the connecting portions 43c equally, that is, every 120 °. The light incident on the connection portion 43c is shielded in the same manner as the light shielding portion 43b.

このような透過部43aを有する円形の板によって、リングスリット43を構成することができる。なお、上記の説明ではリングスリット43は円形の板により構成したが、これに限るものではない。例えば、リングスリット43を液晶素子などによって構成してもよい。あるいは、透明な板の上に遮光膜を形成して遮光部43bを形成してもよい。   The ring slit 43 can be constituted by a circular plate having such a transmission part 43a. In the above description, the ring slit 43 is formed of a circular plate, but is not limited thereto. For example, the ring slit 43 may be configured by a liquid crystal element or the like. Alternatively, the light shielding portion 43b may be formed by forming a light shielding film on a transparent plate.

このリングスリット43を透過した内側及び外側に照明光71は広がって、コンデンサーレンズ44に入射する。コンデンサーレンズ44はリングスリット43から広がって入射する照明光71を試料28に屈折させる。この照明光71は透明なステージ29を介して試料28を照明する。これにより、試料28の所定の領域が照明光71により照明される。この照明光71のうち、試料28を透過した透過光72をCCDカメラ48で検出する。このように試料28の前面側及び背面側から照明光源41からの照明光71及びレーザ光源からのレーザ光を入射させる。これにより、簡易な光学系で位相差顕微鏡とラマン顕微鏡とを有する光学顕微鏡1を構成することができる。   The illumination light 71 spreads inside and outside the ring slit 43 and enters the condenser lens 44. The condenser lens 44 refracts the illumination light 71 incident from the ring slit 43 to the sample 28. The illumination light 71 illuminates the sample 28 through the transparent stage 29. Thereby, a predetermined region of the sample 28 is illuminated by the illumination light 71. Of this illumination light 71, transmitted light 72 that has passed through the sample 28 is detected by the CCD camera 48. In this manner, the illumination light 71 from the illumination light source 41 and the laser light from the laser light source are incident from the front side and the back side of the sample 28. Thereby, the optical microscope 1 which has a phase-contrast microscope and a Raman microscope with a simple optical system can be comprised.

つぎに、分光器33の入射スリット32上における出射光62のビームスポットについて図5を用いて説明する。図5は入射スリット32の構成を示す平面図であり、合わせて出射光62についても図示している。入射スリット32はY方向に延びた開口部32aを有している。この、開口部32aを通過した光が分光器33で分光され、検出器34に入射する。入射スリット32の幅、すなわち、入射スリット32の開口部32aのX方向の幅は、例えば、10μmとすることができる。入射スリット32にはライン状のビームスポットを有する出射光62が入射される。すなわち、入射光61はシリンドリカルレンズ15及びアイリス絞り39によってライン状に変換された後、試料28に入射されているので、入射スリット32上においてもY方向に沿ったライン状のスポットを形成する。   Next, the beam spot of the emitted light 62 on the entrance slit 32 of the spectrometer 33 will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a plan view showing the configuration of the entrance slit 32, and also shows the outgoing light 62. The entrance slit 32 has an opening 32a extending in the Y direction. The light that has passed through the opening 32 a is split by the spectroscope 33 and enters the detector 34. The width of the entrance slit 32, that is, the width of the opening 32a of the entrance slit 32 in the X direction can be set to 10 μm, for example. Outgoing light 62 having a linear beam spot is incident on the entrance slit 32. That is, since the incident light 61 is converted into a line shape by the cylindrical lens 15 and the iris diaphragm 39 and then incident on the sample 28, a linear spot along the Y direction is formed on the incident slit 32.

試料上のライン状の入射光61と分光器33の入射スリット32とが結像関係にあることで、ラマン顕微鏡はスリット共焦点光学系となっている。すなわち、アイリス絞り39と試料28上におけるライン状の入射光61が互いに共役な位置関係となっており、入射スリット32の開口部32aと試料28上におけるライン状の入射光61が互いに共役な位置関係となっている。これにより、入射光61が集光している面以外で出射された出射光62を入射スリット32により除去することができる。例えば、図2に示したように試料28の対物レンズ側の表面に集光されている場合、その他の面からのラマン散乱光等は入射スリット32の開口部32aの外側に入射して、除去される。すなわち、試料28の内部からの出射光62は図5に示すように入射スリット32の開口部32aの外側に入射する。したがって、所定の面以外からの出射光62は入射スリット32によって遮光され、検出に寄与しない。このように、コンフォーカル光学系とすることにより、Z方向の分解能を向上することができる。なお、試料面と検出器34での受光面での像の倍率は、例えば、50倍とすることができる。この場合、60μmの長さのライン状の照明が、検出器34の受光面では約3mmとなる。   The Raman microscope is a slit confocal optical system because the line-shaped incident light 61 on the sample and the incident slit 32 of the spectroscope 33 are in an imaging relationship. That is, the iris diaphragm 39 and the line-shaped incident light 61 on the sample 28 are conjugated with each other, and the opening 32a of the incident slit 32 and the line-shaped incident light 61 on the sample 28 are conjugated with each other. It has become a relationship. Thereby, the outgoing light 62 emitted from a surface other than the surface where the incident light 61 is condensed can be removed by the incident slit 32. For example, as shown in FIG. 2, when the light is condensed on the surface of the sample 28 on the objective lens side, the Raman scattered light from the other surface enters the outside of the opening 32a of the entrance slit 32 and is removed. Is done. That is, the outgoing light 62 from the inside of the sample 28 enters the outside of the opening 32a of the entrance slit 32 as shown in FIG. Therefore, outgoing light 62 from other than a predetermined surface is shielded by the entrance slit 32 and does not contribute to detection. Thus, the resolution in the Z direction can be improved by using a confocal optical system. The magnification of the image on the sample surface and the light receiving surface of the detector 34 can be set to 50 times, for example. In this case, the line-shaped illumination having a length of 60 μm is about 3 mm on the light receiving surface of the detector 34.

このように入射スリット32を通過した出射光62は分光器33で分光され、検出器34に入射する。分光器33はスリット状の出射光62をその波長(振動数)に応じて、X方向に分散させる。すなわち、分光器33は、スリット状の出射光62をその方向と垂直な方向に分散させる。分光器33で分散されたスリット状に出射光62を2次元アレイの検出器34で検出する。これにより、ラマンスペクトルの空間分布を測定することができる。   Thus, the outgoing light 62 that has passed through the entrance slit 32 is split by the spectroscope 33 and enters the detector 34. The spectroscope 33 disperses the slit-shaped outgoing light 62 in the X direction according to the wavelength (frequency). That is, the spectroscope 33 disperses the slit-shaped outgoing light 62 in a direction perpendicular to the direction. The emitted light 62 is detected by the detector 34 of a two-dimensional array in the form of slits dispersed by the spectroscope 33. Thereby, the spatial distribution of the Raman spectrum can be measured.

具体的には、検出器34の画素がXY方向に配列されているとすると。X方向は出射光の波長を示し、Y方向は出射光62の試料28上での位置を示す。すなわち、X方向に同じ位置にある画素において受光される出射光62は同じ波長である。試料面上の同じ位置から出射された出射光であっても、その波長が異なる場合、X方向において異なる画素で受光される。一方、Y方向の同じ位置にある画素において受光される出射光62は、試料28上においてY方向の同じ位置から出射されている。同じ波長の出射光62は、試料面上でのY方向の位置に応じて、受光面上でのY方向において異なる画素で受光される。換言すると、検出器34の受光面上のX―Y平面における光の強度分布は、出射光62のω―Y平面での強度分布を示す。なお、ωは出射光62の角振動数である。このようにライン状に照明することにより、測定時間を短縮することができる。具体的には1/(1ライン分の画素数)だけ、測定時間を短縮することができる。さらに、広範な観察範囲の測定を行った場合でも、解像度を下げることなく測定を行うことができる。また、レーザ光をライン状として照明しているため、従来のラマン顕微鏡と比べて、単位面積当たりのレーザ強度を低減することができる。すなわち、点光源であるレーザ光源からのレーザ光を空間的に分散させて線照明としているため、単位面積当たりのレーザ強度を低減することができる。したがって、点照明の場合と同じ照射量を照射しようとした場合でも、単位時間、単位面積当たりのレーザ照射量を低減することができる。これにより、レーザ光による試料の損傷を防ぐことができる。特にレーザ光に対して損傷しやすい生体を試料とする場合に有効である。   Specifically, it is assumed that the pixels of the detector 34 are arranged in the XY directions. The X direction indicates the wavelength of the emitted light, and the Y direction indicates the position of the emitted light 62 on the sample 28. That is, the emitted light 62 received by the pixels at the same position in the X direction has the same wavelength. Even the emitted light emitted from the same position on the sample surface is received by different pixels in the X direction when the wavelengths are different. On the other hand, the emitted light 62 received by the pixels at the same position in the Y direction is emitted from the same position in the Y direction on the sample 28. The emitted light 62 having the same wavelength is received by different pixels in the Y direction on the light receiving surface according to the position in the Y direction on the sample surface. In other words, the light intensity distribution in the XY plane on the light receiving surface of the detector 34 indicates the intensity distribution in the ω-Y plane of the emitted light 62. Note that ω is the angular frequency of the outgoing light 62. By illuminating in this way, measurement time can be shortened. Specifically, the measurement time can be shortened by 1 / (number of pixels for one line). Furthermore, even when a wide observation range is measured, the measurement can be performed without reducing the resolution. Further, since the laser light is illuminated as a line, the laser intensity per unit area can be reduced as compared with a conventional Raman microscope. That is, since the laser light from the laser light source, which is a point light source, is spatially dispersed to provide line illumination, the laser intensity per unit area can be reduced. Therefore, even when an attempt is made to irradiate the same dose as in point illumination, the laser dose per unit time and unit area can be reduced. Thereby, the sample can be prevented from being damaged by the laser beam. This is particularly effective when a living body that is easily damaged by laser light is used as a sample.

ここで、入射光61を走査したときに検出器34で検出される出射光62について図6を用いて説明する。図6は、本発明にかかる光学顕微鏡1において2次元測定されるラマンスペクトルを示すイメージ図である。図6(a)は試料面上において走査される入射光61を模式的に示す図である。図6(b)は図6(a)に示すように入射光61を走査したときに検出器の受光面を概念的に示す図である。   Here, the emitted light 62 detected by the detector 34 when the incident light 61 is scanned will be described with reference to FIG. FIG. 6 is an image diagram showing a Raman spectrum measured two-dimensionally in the optical microscope 1 according to the present invention. FIG. 6A is a diagram schematically showing incident light 61 scanned on the sample surface. FIG. 6B is a diagram conceptually showing the light receiving surface of the detector when the incident light 61 is scanned as shown in FIG.

図6(a)に示すように、試料28上において、Y方向に沿ったライン状の入射光61はX方向に走査される。ここで、試料28上においてライン状の入射光61a、入射光61b、入射光61c、入射光61dの順で走査したものとして説明する。このとき、入射光61a、入射光61b、入射光61c及び入射光61dのそれぞれの位置からの出射光について、検出器34によりラマンスペクトルの測定が行われたものとする。ここで、入射光61aからの出射光62が検出器に入射したときの受光面を受光面65aとする。すなわち、入射光61aの位置からのラマン散乱光である出射光62は受光面65aに入射する。同様に、入射光61b、入射光61b及び入射光61cからの出射光62が検出器に入射したときの受光面をそれぞれ受光面65b、受光面65c及び受光面65dとする。この受光面65a〜65dのそれぞれにおける光強度分布がY方向におけるラマンスペクトルの分布を表している。したがって、図6(b)に示すように、この受光面65a〜65dまでの測定結果をX方向に並べることで、XY平面におけるラマンスペクトルの分布を測定することができる。さらに、Z方向に走査することで、XYZ−ωの4次元の測定を行うことができる。4次元測定を行うことにより、様々なスペクトル解析を行なうことができる。   As shown in FIG. 6A, on the sample 28, the line-shaped incident light 61 along the Y direction is scanned in the X direction. Here, a description will be given assuming that scanning is performed in the order of the line-shaped incident light 61a, incident light 61b, incident light 61c, and incident light 61d on the sample 28. At this time, it is assumed that the Raman spectrum of the incident light 61a, the incident light 61b, the incident light 61c, and the outgoing light from the respective positions of the incident light 61d is measured by the detector 34. Here, the light receiving surface when the outgoing light 62 from the incident light 61a enters the detector is referred to as a light receiving surface 65a. That is, the outgoing light 62, which is Raman scattered light from the position of the incident light 61a, enters the light receiving surface 65a. Similarly, the light receiving surfaces when the incident light 61b, the incident light 61b, and the outgoing light 62 from the incident light 61c enter the detector are a light receiving surface 65b, a light receiving surface 65c, and a light receiving surface 65d, respectively. The light intensity distribution in each of the light receiving surfaces 65a to 65d represents the distribution of the Raman spectrum in the Y direction. Therefore, as shown in FIG. 6B, the distribution of the Raman spectrum in the XY plane can be measured by arranging the measurement results from the light receiving surfaces 65a to 65d in the X direction. Furthermore, XYZ-ω four-dimensional measurement can be performed by scanning in the Z direction. Various spectrum analysis can be performed by performing the four-dimensional measurement.

次に、位相差顕微鏡の構成について図7及び図8を用いて説明する。図7は位相差顕微鏡の光学系の構成を示す図である。図8は位相板の構成を示す平面図である。なお、図7において、ステージ29とレンズ26からレンズ45bまでの光学系とは省略して図示している。また、図7ではリングスリット43の光透過部の一方のみから通過する照明光71及びその照明光71による0次の回折光74と+1次の回折光73のみを代表して図示している。照明光源41からの照明光71はレンズ42により屈折されてリングスリット43に入射する。リングスリット43は例えば、図4に示した形状のものを用いることができる。リングスリット43に入射した照明光71は透過部43aのみ通過することができるためリング状に変換される。リング状の照明光71はコンデンサーレンズ44により集光されて、試料28を照明する。リング状の照明光71は試料28上で光軸上の点を中心として重なるように集光されている。ここで、リング状の照明光71は光軸上の点を含む領域を照明するようコンデンサーレンズ44により集光されている。試料28に入射した照明光71のうち試料28を透過した透過光72は0次の回折光(直接光)74と1次の回折光73とを含んでいる。すなわち、試料28における屈折率の差、すなわち位相に差があると、回折を生じる。位相差量が小さいとき、0次の回折光74と1次の回折光73は1/4波長(π/2)ずれている。   Next, the configuration of the phase contrast microscope will be described with reference to FIGS. FIG. 7 is a diagram showing the configuration of the optical system of the phase contrast microscope. FIG. 8 is a plan view showing the configuration of the phase plate. In FIG. 7, the stage 29 and the optical system from the lens 26 to the lens 45b are not shown. In FIG. 7, only the illumination light 71 passing through only one of the light transmission portions of the ring slit 43 and only the 0th-order diffracted light 74 and the + 1st-order diffracted light 73 are shown. The illumination light 71 from the illumination light source 41 is refracted by the lens 42 and enters the ring slit 43. For example, the ring slit 43 having the shape shown in FIG. 4 can be used. Since the illumination light 71 incident on the ring slit 43 can pass only through the transmission part 43a, it is converted into a ring shape. The ring-shaped illumination light 71 is condensed by the condenser lens 44 and illuminates the sample 28. The ring-shaped illumination light 71 is collected on the sample 28 so as to overlap with a point on the optical axis as a center. Here, the ring-shaped illumination light 71 is condensed by the condenser lens 44 so as to illuminate a region including a point on the optical axis. Of the illumination light 71 incident on the sample 28, the transmitted light 72 that has passed through the sample 28 includes zero-order diffracted light (direct light) 74 and first-order diffracted light 73. That is, if there is a difference in refractive index, that is, a phase difference in the sample 28, diffraction occurs. When the amount of phase difference is small, the zero-order diffracted light 74 and the first-order diffracted light 73 are shifted by a quarter wavelength (π / 2).

0次の回折光74を照明光71の入射方向と同じ方向で試料28を透過する。一方、1次の回折光73は照明光71の入射方向から所定の角度(回折角)だけ傾いて試料28を照射する。なお、ここでは、説明の簡略化のため試料28やステージにおける屈折を省略して説明している。0次の回折光74と1次の回折光73とを含む透過光72は対物レンズ27に入射する。そして、対物レンズ27により屈折され、図1で示した光学系を伝播する。このとき、0次の回折光74と1次の回折光73とは異なる経路で伝播して、位相板46に入射する。位相板46には図8に示すようリング状の位相膜46aが設けられている。すなわち、位相板46は、透明な円板とその上に設けられたリング状の位相膜46aから構成される。0次の回折光74は位相板46の位相膜46aが設けられた領域に入射する。一方、1次の回折光73は位相板46の位相膜46aが設けられていない領域に入射する。すなわち、一次の回折光73はリング状の位相膜46aより内側の領域に入射する。なお、図7では+1次の回折光73しか図示していないため、1次の回折光73は位相膜46aの内側のみを通過しているが、−1次の回折光は位相膜46aより外側を通過する。   The zero-order diffracted light 74 is transmitted through the sample 28 in the same direction as the incident direction of the illumination light 71. On the other hand, the first-order diffracted light 73 irradiates the sample 28 with a predetermined angle (diffraction angle) from the incident direction of the illumination light 71. Here, in order to simplify the description, refraction at the sample 28 and the stage is omitted. The transmitted light 72 including the 0th-order diffracted light 74 and the first-order diffracted light 73 is incident on the objective lens 27. Then, the light is refracted by the objective lens 27 and propagates through the optical system shown in FIG. At this time, the zero-order diffracted light 74 and the first-order diffracted light 73 propagate through different paths and enter the phase plate 46. The phase plate 46 is provided with a ring-shaped phase film 46a as shown in FIG. That is, the phase plate 46 includes a transparent disk and a ring-shaped phase film 46a provided thereon. The zero-order diffracted light 74 is incident on a region of the phase plate 46 where the phase film 46a is provided. On the other hand, the first-order diffracted light 73 is incident on a region of the phase plate 46 where the phase film 46a is not provided. That is, the primary diffracted light 73 is incident on a region inside the ring-shaped phase film 46a. 7 shows only the + 1st order diffracted light 73, the first order diffracted light 73 passes only inside the phase film 46a, but the −1st order diffracted light is outside the phase film 46a. Pass through.

位相膜46aは入射した光の位相を1/4波長遅らせて出射する。すなわち、位相膜46aが設けられた領域に入射した0次の回折光74は位相膜46a設けられていない領域に入射した1次の回折光73に比べて、1/4波長遅れて出射する。リングスリット43と位相板46とは互いに共役な関係となっている。よって、リングスリット43の透過部43aと位相膜46aとは試料28を介して互いに共役な形状をしている。したがって、0次の回折光74のみ位相膜46aが設けられた領域に入射して、1次の回折光73は位相膜46aが設けられていない領域に入射する。このように、位相板46はリングスリット43の透過部43aに対応する領域に位相差を設ける。   The phase film 46a emits the incident light with a phase delayed by a quarter wavelength. That is, the 0th-order diffracted light 74 incident on the region where the phase film 46a is provided is emitted with a quarter wavelength delay compared to the first-order diffracted light 73 incident on the region where the phase film 46a is not provided. The ring slit 43 and the phase plate 46 are conjugated with each other. Therefore, the transmission part 43 a of the ring slit 43 and the phase film 46 a are conjugated with each other through the sample 28. Accordingly, only the 0th-order diffracted light 74 enters the region where the phase film 46a is provided, and the first-order diffracted light 73 enters the region where the phase film 46a is not provided. As described above, the phase plate 46 provides a phase difference in a region corresponding to the transmission part 43 a of the ring slit 43.

この、1次の回折光73と0次の回折光74とがレンズ47により集光されてCCDカメラ48の受光面に入射する。1次の回折光73と0次の回折光74とは、CCDカメラ48の受光面において、同じ領域に入射する。すなわち、レンズ47は1次の回折光73と0次の回折光74がCCDカメラ48の受光面において、レンズ47の光軸上の点を中心として重なるよう透過光72を集光する。   The first-order diffracted light 73 and the zero-order diffracted light 74 are collected by the lens 47 and enter the light receiving surface of the CCD camera 48. The first-order diffracted light 73 and the zero-order diffracted light 74 are incident on the same region on the light receiving surface of the CCD camera 48. That is, the lens 47 condenses the transmitted light 72 so that the 1st-order diffracted light 73 and the 0th-order diffracted light 74 overlap on the light receiving surface of the CCD camera 48 around the point on the optical axis of the lens 47.

位相膜46aによって、0次の回折光74と1次の回折光73とは1/4波長ずれているため、干渉により位相物体が明るくなる。これにより、位相物体のXY平面における分布を測定することができる。   Due to the phase film 46a, the zero-order diffracted light 74 and the first-order diffracted light 73 are shifted by ¼ wavelength, and the phase object becomes bright due to interference. Thereby, the distribution in the XY plane of the phase object can be measured.

なお、1次の回折光73の強度が0次の回折光74に比べて弱い場合、位相膜46aが設けられている領域の透過率を低くしてもよい。具体的には、吸収膜を位相膜46aが設けられている領域に設ける。これにより、コントラストを高くすることができる。また、上述の説明では、0次の回折光74が入射する領域の位相をπ/2遅らせたが、π/2進ませてもよい。例えば、リング状の領域だけ位相板46の厚さを薄くすることにより、位相を進ませることができる。なお、位相差顕微鏡の構成は上述の構成に限られるものではない。   If the intensity of the first-order diffracted light 73 is weaker than that of the zero-order diffracted light 74, the transmittance of the region where the phase film 46a is provided may be lowered. Specifically, the absorption film is provided in the region where the phase film 46a is provided. As a result, the contrast can be increased. In the above description, the phase of the region where the 0th-order diffracted light 74 is incident is delayed by π / 2, but it may be advanced by π / 2. For example, the phase can be advanced by reducing the thickness of the phase plate 46 only in the ring-shaped region. The configuration of the phase contrast microscope is not limited to the above-described configuration.

ここで、出射光62の光路を入射光61の光路から分岐する第1のブームスプリッタ22を第2のビームスプリッタ21よりも試料28側に配置している。すなわち、第2のビームスプリッタ21により分岐される透過光72は、第1のビームスプリッタ22を介して第2のビームスプリッタ21に入射する。第1のビームスプリッタ22と第3のシリンドリカルレンズ15の間に、第2のビームスプリッタ22が配置される。このような配置にすることにより、ラマン顕微鏡と位相差顕微鏡とを備える光学顕微鏡において、ラマン散乱光の強度を低下させることなく観察することができる。すなわち、入射光61は第2のビームスプリッタ22を通過するが、出射光62は第2のビームスプリッタ21を通過することがない。これによって、第2のビームスプリッタ21による光の損失がなくなり、ラマン散乱光の強度低下を抑制することができる。したがって、測定時間が長くなるのを防ぐことができる。   Here, the first boom splitter 22 that branches the optical path of the emitted light 62 from the optical path of the incident light 61 is arranged closer to the sample 28 than the second beam splitter 21. That is, the transmitted light 72 branched by the second beam splitter 21 is incident on the second beam splitter 21 via the first beam splitter 22. A second beam splitter 22 is disposed between the first beam splitter 22 and the third cylindrical lens 15. With such an arrangement, an optical microscope including a Raman microscope and a phase-contrast microscope can be observed without reducing the intensity of Raman scattered light. That is, incident light 61 passes through the second beam splitter 22, but outgoing light 62 does not pass through the second beam splitter 21. Thereby, the loss of light by the second beam splitter 21 is eliminated, and a decrease in the intensity of Raman scattered light can be suppressed. Therefore, it is possible to prevent the measurement time from becoming long.

なお、上述の説明では、ラマン顕微鏡を備えた光学顕微鏡1について説明したが、本発明はこれに限られるものでない。入射光61のレーザ波長と異なる波長で試料から出射する出射光62を検出する顕微鏡であればよい。例えば、励起光によって励起される蛍光を検出する顕微鏡や、赤外吸収を検出する顕微鏡であってもよい。これらの顕微鏡でも、短時間で、スペクトルの空間分布の測定を行うことができる。   In the above description, the optical microscope 1 including the Raman microscope has been described, but the present invention is not limited to this. Any microscope that detects the outgoing light 62 emitted from the sample at a wavelength different from the laser wavelength of the incident light 61 may be used. For example, a microscope that detects fluorescence excited by excitation light or a microscope that detects infrared absorption may be used. Even with these microscopes, the spatial distribution of the spectrum can be measured in a short time.

上記の説明では、第1のビームスプリッタ22を反射した出射光62と第2のビームスプリッタ21を反射した透過光72を検出したが、光学系の配置を変えてビームスプリッタを透過した光を検出するようにしてもよい。   In the above description, the outgoing light 62 reflected from the first beam splitter 22 and the transmitted light 72 reflected from the second beam splitter 21 are detected, but the light transmitted through the beam splitter is detected by changing the arrangement of the optical system. You may make it do.

上記のように、入射光61の光ビームを走査することによって、走査速度を速くすることができる。これにより、測定時間を短縮化することができる。なお、上記の説明では、走査手段をガルバノミラー23として説明したが、これに限るものでもよい。例えば、音響光学偏光器(AOD)を用いて入射光61を走査してもよい。また、レーザ光源11からのレーザ光をライン状に変換する光変換手段はシリンドリカルレンズ、ライン状の開口を有するアイリス絞り及びパウエルレンズを単独で、あるいは組み合わせて構成することができる。   As described above, the scanning speed can be increased by scanning the light beam of the incident light 61. Thereby, measurement time can be shortened. In the above description, the scanning unit is described as the galvanometer mirror 23, but the scanning unit may be limited to this. For example, the incident light 61 may be scanned using an acousto-optic polarizer (AOD). The light conversion means for converting the laser light from the laser light source 11 into a line shape can be constituted by a cylindrical lens, an iris diaphragm having a line-shaped opening, and a Powell lens alone or in combination.

本発明にかかる光学顕微鏡の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the optical microscope concerning this invention. 本発明にかかる光学顕微鏡において、試料近傍の構成を模式的に示す図である。In the optical microscope concerning this invention, it is a figure which shows typically the structure of a sample vicinity. 本発明にかかる光学顕微鏡において、レーザ光源から試料に入射する入射光を説明するための図である。In the optical microscope concerning this invention, it is a figure for demonstrating the incident light which injects into a sample from a laser light source. 本発明にかかる光学顕微鏡において用いられるリングスリットの構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the ring slit used in the optical microscope concerning this invention. 本発明にかかる光学顕微鏡において用いられるスリットに入射する出射光を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the emitted light which injects into the slit used in the optical microscope concerning this invention. 本発明にかかる光学顕微鏡において2次元測定されるラマンスペクトルを示すイメージ図である。It is an image figure which shows the Raman spectrum measured two-dimensionally in the optical microscope concerning this invention. 本発明にかかる光学顕微鏡の一部である位相差顕微鏡の光学系の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the optical system of the phase-contrast microscope which is a part of optical microscope concerning this invention. 本発明にかかる光学顕微鏡において用いられる位相板の構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the phase plate used in the optical microscope concerning this invention.

符号の説明Explanation of symbols

11 レーザ光源、12 ミラー、13 第1のシリンドリカルレンズ、
14 第2の第3のシリンドリカルレンズ15 第3のシリンドリカルレンズ、
16 レンズ、21 第2のビームスプリッタ、22 第1のビームスプリッタ、
23 ガルバノミラー、24 レンズ、25 ミラー、26 レンズ、
27 対物レンズ、28 試料、31 レンズ、32 スリット、33 分光器、
34 検出器、35 処理装置、38 エッジフィルタ、39 アイリス絞り、
41 照明光源、42 レンズ、43 リングスリット、43a 透過部、
44 コンデンサーレンズ、45 レンズ、
46 位相板、46a 位相差膜、47 レンズ、48 CCDカメラ、
61 入射光、62 出射光、71 照明光、73 0次の回折光、74 1次の回折光
11 laser light source, 12 mirror, 13 first cylindrical lens,
14 2nd 3rd cylindrical lens 15 3rd cylindrical lens,
16 lens, 21 second beam splitter, 22 first beam splitter,
23 Galvano mirror, 24 lenses, 25 mirrors, 26 lenses,
27 objective lens, 28 sample, 31 lens, 32 slit, 33 spectroscope,
34 detector, 35 processing device, 38 edge filter, 39 iris diaphragm,
41 Illumination light source, 42 lens, 43 ring slit, 43a transmission part,
44 condenser lens, 45 lens,
46 phase plate, 46a retardation film, 47 lens, 48 CCD camera,
61 incident light, 62 outgoing light, 71 illumination light, 73 0th order diffracted light, 74 1st order diffracted light

Claims (11)

レーザ光源と、
前記レーザ光源からの光ビームをライン状の光ビームに変換する光変換手段と、
前記ライン状に変換された光ビームを走査する走査手段と、
前記走査手段により走査された光ビームをライン状に集光して試料に入射させる対物レンズと、
前記試料に入射された光ビームのうち、異なる波長となって前記試料から前記対物レンズ側に出射する出射光を前記レーザ光源から前記試料に入射するライン状の光ビームと分岐する第1のビームスプリッタと、
前記第1のビームスプリッタにより分岐された出射光が入射する入射側に前記ライン状の光ビームに対応する方向に沿って配置された入射スリットを有し、前記入射スリットを通過した前記出射光を波長に応じて空間的に分散させる分光器と、
前記分光器で分散させた出射光を検出する2次元アレイ光検出器とを備える光学顕微鏡。
A laser light source;
A light converting means for converting a light beam from the laser light source into a linear light beam;
Scanning means for scanning the light beam converted into the line shape;
An objective lens for condensing the light beam scanned by the scanning means into a line and entering the sample; and
Of the light beam incident on the sample, a first beam splitting the light emitted from the sample toward the objective lens with a different wavelength from the line light beam incident on the sample from the laser light source A splitter,
An incident slit disposed along a direction corresponding to the line-shaped light beam on an incident side on which the outgoing light branched by the first beam splitter is incident; and the outgoing light that has passed through the incident slit is A spectroscope that spatially disperses according to the wavelength;
An optical microscope comprising: a two-dimensional array photodetector that detects outgoing light dispersed by the spectrometer.
前記走査手段がガルバノミラーであることを特徴とする請求項1に記載の光学顕微鏡。   The optical microscope according to claim 1, wherein the scanning unit is a galvanometer mirror. 前記走査手段が前記光ビームのラインの方向と垂直な方向に光ビームを走査する請求項1又は2に記載の光学顕微鏡。   The optical microscope according to claim 1, wherein the scanning unit scans the light beam in a direction perpendicular to a line direction of the light beam. 前記光変換手段がシリンドリカルレンズであることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の光学顕微鏡。   The optical microscope according to claim 1, wherein the light conversion unit is a cylindrical lens. 前記シリンドリカルレンズにより前記入射光が集光される位置にスリット状の開口を有するアイリス絞りであって、前記開口の大きさが可変であるアイリス絞りが設けられている請求項4に記載の光学顕微鏡。   5. The optical microscope according to claim 4, wherein an iris diaphragm having a slit-like opening at a position where the incident light is collected by the cylindrical lens, the iris diaphragm having a variable opening size is provided. . 前記第1のスプリッタと前記2次元アレイ光検出器の間に、前記レーザ光源のレーザ波長の光を遮るフィルタが設けられていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の光学顕微鏡。   The optical according to any one of claims 1 to 5, wherein a filter for blocking light having a laser wavelength of the laser light source is provided between the first splitter and the two-dimensional array photodetector. microscope. 前記光変換手段により集光される面と試料面とが互いに共役な関係となり、前記試料面と前記入射スリットが互いに共役な関係となっている請求項1乃至6のいずれかに記載の光学顕微鏡。   7. The optical microscope according to claim 1, wherein the surface condensed by the light conversion means and the sample surface are conjugated with each other, and the sample surface and the entrance slit are conjugated with each other. . 前記対物レンズと前記試料との相対距離が可変であることを特徴とする請求項7に記載の光学顕微鏡。   The optical microscope according to claim 7, wherein a relative distance between the objective lens and the sample is variable. 前記試料の前記対物レンズと反対側に配置され、照明光を出射する照明光源と、
前記照明光源からの照明光をリング状の照明光にするリングスリットと、
前記リング状の照明光を集光して前記試料に入射させるコンデンサーレンズと、
前記コンデンサーレンズにより集光され前記試料を透過した透過光が前記対物レンズを介して入射する第2のビームスプリッタであって、前記透過光の光路を前記レーザ光源からの前記入射光の光路と分岐する第2のビームスプリッタと、
前記第2のビームスプリッタによって分岐された透過光の前記リングスリットに対応するリング状の領域に位相差を設ける位相板と、
前記位相板からの透過光を撮像する撮像素子とをさらに備える請求項1乃至8のいずれかに記載の光学顕微鏡。
An illumination light source arranged on the opposite side of the sample from the objective lens and emitting illumination light;
A ring slit that turns the illumination light from the illumination light source into a ring-shaped illumination light; and
A condenser lens that collects the ring-shaped illumination light and enters the sample; and
A second beam splitter for allowing the transmitted light collected by the condenser lens and transmitted through the sample to enter through the objective lens; and the optical path of the transmitted light branches off from the optical path of the incident light from the laser light source A second beam splitter that
A phase plate providing a phase difference in a ring-shaped region corresponding to the ring slit of transmitted light branched by the second beam splitter;
The optical microscope according to claim 1, further comprising an image sensor that images transmitted light from the phase plate.
前記第1のビームスプリッタが前記第2のビームスプリッタの試料側に配置され、
前記第1のビームスプリッタを介して前記透過光が前記第2のビームスプリッタに入射していることを特徴とする請求項9に記載の光学顕微鏡。
The first beam splitter is disposed on the sample side of the second beam splitter;
The optical microscope according to claim 9, wherein the transmitted light is incident on the second beam splitter through the first beam splitter.
前記撮像素子により、前記試料中の位相が異なる位相物体の分布を観察する請求項8又は10に記載の光学顕微鏡。
The optical microscope according to claim 8 or 10, wherein the imaging element observes a distribution of phase objects having different phases in the sample.
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