JP2007298668A - 照射光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】照射対象物上における光の照射面積が可変であって、簡単な構造により該照射面積を高い精度で再現することのできる照射光学系を提供する。
【解決手段】光源２０から発する光を収束手段２２によって収束し、照射対象物１５に照射するための照射光学系において、収束手段２２と照射対象物１５の間の光路上に光学物質２４を挿入することにより照射位置における光の照射領域１５ａの面積を該光学物質２４を挿入しない状態から変化させる照射面積変更手段を設ける。また、このような照射面積変更手段を、屈折率又は光路方向の厚さの異なる複数の光学物質２４と、上記光路上に該複数の光学物質２４のいずれかを選択的に挿入する光学物質切替手段とで構成する。これにより前記照射領域１５ａの面積を多段階に切り替えることが可能となる。
【選択図】図２

Description

本発明は照射光学系に関し、特に照射対象物上における光の照射面積を可変とする照射光学系に関する。

図５（ａ）に示すように、所定の照射対象物５０に光源４０からの光４１を照射するための照射光学系において、固定された照射対象物５０上における光４１の照射領域５０ａの面積を変化させようとする場合、一般的には、図５（ｂ）に示すように該照射光学系の光路上に配置されたレンズやミラー等の光学素子４２の位置を光軸方向に沿って移動させ、像倍率を変化させることにより対応している。

米国特許第5808300号公報 内藤康秀、「生体試料を対象にした質量顕微鏡」、 J. Mass Spectrom. Soc. Jpn., Vol. 53, No. 3, 2005, pp. 125-132.

しかし、上記のように光学素子を移動させることにより照射面積を変化させる方式の場合、その再現性が問題となる。特に、最も縮小率を上げた状態（即ち照射対象物上における照射面積が最小の状態）を再現したい場合には、光学素子の移動の再現性を高精度で確保する必要があるため、光学素子の駆動機構の構造が複雑化して製造コストの増大を招来する。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、照射対象物上における光の照射面積が可変であって、簡単な構造により該照射面積を高精度で再現することのできる照射光学系を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明に係る照射光学系は、光源から発する光を収束手段によって収束し、照射対象物に照射するための照射光学系において、前記収束手段と照射対象物の間の光路上に光学物質を挿入することにより該照射対象物上での光の照射面積を該光学物質を挿入しない状態から変化させる照射面積変更手段を有することを特徴としている。

上記構成を有する本発明の照射光学系によれば、光路上に光学物質が挿入された状態と光路上に光学物質が存在しない状態とを切り替えることによって、照射光の集光位置を変化させ、照射対象物上における光の照射面積を高い再現性で変化させることができる。また、従来のようにレンズ等の光学素子を高精度で移動させる必要が無いため、簡単な構成で実現することができ、製造コストを抑えることが可能となる。

なお、本発明の照射光学系は、上記照射対象物上での光の照射面積が、上記光学物質を光路上に挿入していないときに最も小さくなるように構成することが望ましい。このような構成とした場合、光学物質を光路上から取り除くことによって、最も縮小率を上げた状態（照射面積が最小の状態）を確実に再現することが可能となる。

また、上記本発明に係る照射面積変更手段は、光路方向の厚さ又は屈折率の異なる複数の光学物質と、上記光路上に該複数の光学物質のいずれかを選択的に挿入する光学物質切替手段とを有するものとすることが望ましい。これにより、光路上に挿入する光学物質を切り替えることによって、照射対象物上における光の照射面積を多段階に切り替えることができるようになる。

更に、上記本発明に係る照射面積変更手段は、光路方向の厚さ又は屈折率が該光路方向と直交する方向に連続的又は段階的に変化する光学物質と、光路上に挿入した前記光学物質を前記光路方向と直交する方向に移動させる光学物質移動手段とを有するものとすることもできる。これにより、前記光学物質を移動させることで該光学物質を通過する光の光路長を変化させ、照射対象物上における光の照射面積を連続的又は段階的に変化させることができるようになる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について本発明の一実施例に基づいて説明する。

本実施例は、本発明の照射光学系を顕微質量分析装置に適用したものである。顕微質量分析装置は、レーザ脱離イオン化法（ＬＤＩ＝Laser Desorption /Ionization）やマトリクス支援レーザ脱離イオン化法（ＭＡＬＤＩ＝Matrix Assisted Laser Desorption /Ionization）等のレーザ光の照射による試料のイオン化を行うイオン源を備えた質量分析装置を利用して試料上の１次元又は２次元領域の質量分析を行うことにより、例えば、試料上における或る質量数を持ったイオンの強度分布（２次元物質分布）を表す画像を得ることができるものである。こうした装置は質量分析顕微鏡ともよばれ、特に、生化学分野、医療分野等において、生体内細胞に含まれるタンパク質の分布情報を得るといった応用が期待されている（例えば非特許文献１、特許文献１など参照）。

上記のような利用分野において試料についての有用な知見を得るには、空間分解能が高いことが望ましい。しかしながら、レーザ光の集光径を絞って空間分解能を高くした場合に、次のような問題がある。

例えば、試料中の或る領域にのみ目的物質が局在しており、その目的物質が存在する領域のみの詳細な分布画像を取得したい場合に、目的物質が局在している部位が不明である場合には、試料の全体に亘って順番に質量分析を行って目的物質が存在する位置を見い出さなければならない。空間分解能が高いと１回の質量分析で以て分析可能な範囲はかなり狭いため、目的物質が存在する位置に行き当たるまでに多数回の質量分析を繰り返す可能性が高い。そのため、目的の分布画像を取得するまでの所要時間がかなり長くなるおそれがある。こうした問題を回避するために、質量分析を行う位置の間隔（つまり位置走査のステップ幅）を大きくして試料全域を粗く分析し、その結果に基づいて目的物質が存在する領域を推測した後にステップ幅を小さくして注目領域の分析を行う、という方法も考えられる。しかしながら、この方法では、目的物質の局在範囲が狭い場合に最初の粗い分析において見逃しが生じるおそれがある。

そこで、本実施例の顕微質量分析装置は、試料に対してレーザ光を照射するための照射光学系にレーザ光の照射径を切り替える手段を設け、１回の質量分析で観察可能な領域を大きくしたい場合にはレーザ光の照射径を大きくし、高い空間分解能で観察を行いたい場合には、レーザ光の照射径を小さくするといったように、分析目的に応じてレーザ光の照射径を適宜に切り替えることができるようにしたものである。

本実施例による顕微質量分析装置の全体構成図を図１に示す。図示しない真空ポンプにより真空排気される真空チャンバ１０の内部には、試料ステージ１３、イオン輸送光学系１６、質量分析器１７、検出器１８等が配設され、真空チャンバ１０の外側には、レーザ照射部２０、レーザ集光光学系２２、ＣＣＤカメラ２５、観察用光学系２６などが配置されている。イオン輸送光学系１６は例えば、静電的な電磁レンズや多極型の高周波イオンガイド、あるいはそれらの組み合わせなどが用いられる。質量分析器１７は例えば四重極型質量分析器や飛行時間型質量分析器、磁場セクター型質量分析器などが用いられる。

分析対象である試料１５が載せられた試料プレート１４は試料ステージ１３上に載置され、この試料ステージ１３は、互いに直交するｘ軸、ｙ軸の二軸方向に高い位置精度で以て駆動するためのステージ駆動機構１３ａにより移動可能となっている。ｘ−ｙ軸駆動部３３は走査制御部３２及び照射径制御部３１の制御の下に、ステージ駆動機構１３ａに含まれるステッピングモータ等を駆動する。

Nd-YAGレーザ（波長355nm）を有するレーザ照射部２０から出射されたイオン化用のレーザ光２１は集光用のレンズ又はミラー等の光学素子を備えたレーザ集光光学系２２により絞られ、真空チャンバ１０の側面に設けられた照射用窓１１を通して試料１５に向けて照射される。ステージ駆動機構１３ａにより試料ステージ１３がｘ−ｙ面内で移動されると、試料１５上でレーザ光２１が当たる位置、つまり試料１５上で質量分析の実行対象となる微小測定領域１５ａが移動する。これにより、試料１５上で質量分析が実行される位置の走査が行われる。

更に、集光光学系２２と照射用窓１１の間の空間には、照射径切替部２３が設けられている。照射径切替部２３は、光学物質２４と光学物質２４を移動させるための駆動機構（図示略）とを備えており、該駆動機構によって光学物質２４を移動させることでレーザ光２１の光路上に光学物質２４を挿入したり、光学物質２４を光路上から取り除いたりすることができる構成となっている。なお、ここでは光学物質２４として波長355nmにおいて高い屈折率を有する合成石英を用いることが望ましい。

一方、ＣＣＤカメラ２５は真空チャンバ１０の側面に設けられた観察用窓１２及び観察用光学系２６を介して試料プレート１４上の所定の範囲を撮像し、ここで得られた画像信号は画像処理部３７に送られて２次元観察画像が構成される。中央制御部３０は本装置の全体的な動作の制御を司るものであり、具体的には、走査制御部３２を介してｘ−ｙ軸駆動部３３による移動量や移動方向を制御し、照射径制御部３１を介して照射径切替部２３による光学物質２４の移動を制御する。更に、照射制御部３５を介してレーザ照射部２０でのレーザ光２１の出射／停止やレーザ光強度などを制御する。また、図１では繁雑さを避けるために信号線の記載を省略しているが、中央制御部３０はイオン輸送光学系１６、質量分析器１７、検出器１８などの動作も制御する。

検出器１８による検出信号、つまりイオン強度信号は質量分析データ処理部３６に入力され、ここで適宜のデータ処理が実行されて、例えば後述するような２次元物質分布画像が作成される。また、中央制御部３０にはオペレータの操作により空間分解能や測定対象領域などの分析条件を設定するための操作部３８が接続され、更に、試料１５の２次元観察画像や２次元物質分布画像などを表示するための表示部３９も接続されている。

本実施例に係る顕微質量分析装置を用いた、質量数が既知である目的物質の２次元物質分布画像の取得のための基本的な動作は次の通りである。

まずオペレータは試料１５上のどの箇所を分析するのかを決める。そのために、ＣＣＤカメラ２５は真空チャンバ１０の側面に設けられた観察用窓１２及び観察用光学系２６を介して試料１５の２次元観察画像を取得し、表示部３９の画面上に表示させる。オペレータはその中で質量分析を行う範囲を決めて操作部３８により範囲の設定を行い、目的物質の質量数を設定した上で、分析開始を指示する。

分析が開始されると、レーザ照射部２０から出射したレーザ光２１がレーザ集光光学系２２で集光され、真空チャンバ１０の側面に設けられた照射用窓１１を通して試料１５上に照射される。レーザ光２１が照射されると、試料１５上の微小測定領域１５ａ付近に存在する各種物質がイオン化されて、主として試料１５表面に略直交する方向つまり真上にイオンが放出される。このイオンはイオン輸送光学系１６で収束されて質量分析器１７に導入され、質量分析器１７により目的物質の質量数を持つイオンのみが分離されて検出器１８に到達する。検出器１８は到達したイオンの個数に応じた電流を検出信号として出力する。データ処理部３６はこの検出信号を受け取って、試料１５上のレーザ照射位置（微小測定領域１５ａ）に対応する目的物質の相対強度を求める。

走査制御部３２は試料１５上に設定された分析範囲の中で、レーザ光２１が照射される微小測定領域１５ａが順次移動するようにｘ−ｙ軸駆動部３３を介してステージ駆動機構１３ａを制御し、試料ステージ１３をステップ状に移動させる。そして、試料ステージ１３が微小距離移動して停止する毎に、上述したようにレーザ光２１を照射してその微小測定領域１５ａに対応する目的物質の相対強度を求める。このようにして、初めに設定された分析範囲の全体に亘って質量分析を行い、目的物質の相対強度のマップを作成しこれを表示部３９の画面上に表示する。

次に本実施例の顕微質量分析装置における特徴的な動作について説明する。上述したようにレーザ光２１はレーザ集光光学系２２により絞られて試料１５上に当たるが、本実施例の顕微質量分析装置では、該レーザ光の光路上に光学物質２４を挿入することにより試料１５上でのレーザ照射径（つまりは微小測定領域１５ａの面積）が変更できるようになっている。即ち、図２の概略図に示すように、光学物質２４を光路上に挿入しない状態では、レーザ集光光学系２２の焦点と試料１５の表面位置とが一致するため微小測定領域１５ａの面積は最小となっており（図２（ａ））、光路上に光学物質２４を挿入すると前記焦点位置が変化して微小測定領域１５ａの面積が大きくなる（図２（ｂ））。これにより、試料１５上での１回の質量分析の対象とする範囲の大きさと空間分解能とを変更することができる。

なお、図３に示すように、照射径切替部２３を光路方向の厚さ（又は屈折率）の異なる複数の光学物質２４ａ、２４ｂ、２４ｃを備えたものとし、レーザ光２１の光路上に挿入する光学物質を切り替えることによって、微小測定領域１５ａの面積を多段階に変更することのできる構成としてもよい。また、図４に示すように、照射径切替部２３を光路方向の厚さ（又は屈折率）が、該光路方向と直交する方向に沿って段階的に（又は連続的に）変化する光学物質２４ｄを備えたものとし、光路上に挿入した光学物質２４ｄを該光路方向と直交する方向に移動させることによって、微小測定領域１５ａの面積を段階的（又は連続的）に変更することのできる構成としてもよい。これらのような照射面積を2段階以上に変更可能な構成とする場合においても光路上に光学物質を配置していない状態（図３（ａ）、図４（ａ））のときに照射対象物上における照射面積が最小になるような構成とすることで、最も縮小率を上げた状態（照射面積が最小の状態）を確実に再現することが可能となる。

以上により、例えば試料中に局在する目的物質の位置を知りたいような場合や試料全体の概略的な物質の分布を調べたいような場合には、照射面積を大きくすれば、試料の全域に亘って２次元的な分析を実行しても分析の繰り返し回数を少なくすることができる。それにより、分析の所要時間を短縮することができ、分析作業を効率的に進めてスループットを向上させることができる。そして、目的物質が局在している領域が判明した後には、レーザの照射面積を小さくして、即ち空間分解能を高くして、限定された領域を漏れなく走査して質量分析を実行すればよい。

またレーザの照射面積が大きいとその面積内に存在する分子の数も多く、発生するイオンの量が増加することによって質量スペクトルのＳ／Ｎ比が良くなり、目的物質の分子の存在密度が低くても高感度での検出が可能である。したがって、例えば試料に含まれる目的物質の同定を行いたい場合であってその物質の分布の精度はあまり重要でないような場合には、あえてレーザの照射面積を大きくして高い感度で以て質量スペクトルを取得し、目的物質の同定を行い易くするということも可能である。

このように、顕微質量分析装置に本発明の照射光学系を適用することにより、分析目的に応じて試料表面におけるレーザ光の照射面積を適宜に切り替えて試料上の１次元又は２次元的な物質分布画像を得ることができる。また、光路上に光学物質を挿入しない状態が最小照射面積となるよう構成されているため、最小面積の再現性を高精度で確保することができる。

以上、実施例を用いて本発明を実施するための最良の形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更が許容されるものである。例えば、光路上に挿入する光学物質は上記合成石英に限定されるものではなく、照射光の波長に応じた適当なもの（照射波長における吸収が少なく、屈折率の高いものがよい）を選択することが望ましい。また、上記実施例では、本発明を顕微質量分析装置に適用する例を示したが、このほかに、例えば、レーザーラマン分光装置、レーザ表面検査装置等などの種々の装置における照射光学系としても同様に本発明を適用することが可能である。

更に、上記実施例では、光学物質を光路上に挿入していない状態で照射面積が最小となるよう構成したものについて説明したが、最小面積以外の照射面積について最も高い再現性を確保したい場合には、光学物質を光路上に挿入していない状態において、照射対象物上における照射面積が該再現性を確保したい照射面積となるようにし、光学物質の挿入により、照射面積を縮小（あるいは縮小及び拡大）できるようにする。

本発明の一実施例に係る顕微質量分析装置の全体構成を示す模式図。 同実施例の顕微質量分析装置における照射光学系の構成を示す概念図であり、（ａ）は光路上に光学物質を挿入していない状態を示し、（ｂ）は該光学物質を光路上に挿入した状態を示す。 本発明に係る照射光学系の別の構成例を示す概念図であり、（ａ）は光路上に光学物質を挿入していない状態を示し、（ｂ）は光学物質の一つを光路上に挿入した状態を示す。 本発明に係る照射光学系の更に別の構成例を示す概念図であり、（ａ）は光路上に光学物質を挿入していない状態を示し、（ｂ）は光学物質を光路上に挿入した状態を示す。 従来の照射光学系を示す概念図であり、（ａ）は該照射光学系の構成例を示し、（ｂ）は該照射光学系における照射面積の調節方法を示す。

符号の説明

１０…真空チャンバ
１１…照射用窓
１２…観察用窓
１３…試料ステージ
１３ａ…ステージ駆動機構
１４…試料プレート
１５…試料
１５ａ…微小測定領域
１６…イオン輸送光学系
１７…質量分析器
１８…検出器
２０…レーザ照射部
２１…レーザ光
２２…レーザ集光光学系
２２…集光光学系
２３…照射径切替部
２４、２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ…光学物質
２５…ＣＣＤカメラ
２６…観察用光学系
３０…中央制御部
３１…照射径制御部
３２…走査制御部
３３…ｘ−ｙ軸駆動部
３５…照射制御部
３６…質量分析データ処理部
３７…画像処理部
３８…操作部
３９…表示部
４０…光源
４１…光
４２…光学素子
５０…照射対象物
５０ａ…照射領域

Claims (6)

1. 光源から発する光を収束手段によって収束し、照射対象物に照射するための照射光学系において、
   前記収束手段と照射対象物の間の光路上に光学物質を挿入することにより該照射対象物上での光の照射面積を該光学物質を挿入しない状態から変化させる照射面積変更手段を有することを特徴とする照射光学系。
2. 上記照射面積変更手段が、
   a)光路方向の厚さの異なる複数の光学物質と、
   b)上記光路上に該複数の光学物質のいずれかを選択的に挿入する光学物質切替手段と、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の照射光学系。
3. 上記照射面積変更手段が、
   a)屈折率の異なる複数の光学物質と、
   b)上記光路上に該複数の光学物質のいずれかを選択的に挿入する光学物質切替手段と、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の照射光学系。
4. 上記照射面積変更手段が、
   a)光路方向の厚さが該光路方向と直交する方向に連続的又は段階的に変化する光学物質と、
   b)光路上に挿入した前記光学物質を前記光路方向と直交する方向に移動させる光学物質移動手段と、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の照射光学系。
5. 上記照射面積変更手段が、
   a)屈折率が上記光路方向と直交する方向に連続的又は段階的に変化する光学物質と、
   b)光路上に挿入した前記光学物質を前記光路方向と直交する方向に移動させる光学物質移動手段と、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の照射光学系。
6. 上記照射対象物上での光の照射面積が、上記光学物質を光路上に挿入していないときに最も小さくなるように構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の照射光学系。

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