JP2008203235A - 顕微レーザーラマン分光方法および分光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 太陽電池や燃料電池などの微結晶、多結晶あるいは非晶質の薄膜または熱に弱い生体高分子や熱可塑性高分子材料などの有機化合物やその複合体では、レーザー光線の影響を大きく受け、試料の温度が上昇し、熱応力の影響や、熱変形及び変質が起こり、正確なラマンスペクトルの測定が出来ない問題があった。レーザー光線の試料への照射径を拡大し、単位面積当たりの照射強度を小さくして、短時間に正確なラマンスペクトルを提供する。
【解決手段】 顕微ラマン分光装置の対物レンズ焦点の内側に試料を配置し、そこから発生するラマン散乱光に対応できる３枚のレンズ光学系を配置し、その中の１枚を光軸上で移動可能にし、対物レンズ焦点の内側からのラマン散乱光に対応できるようにする。また、レーザー光線の光路上に凸または凹レンズ挿入し試料への照射径を拡大する手段を併用することと、レーザー光線とラマン散乱光の分離を穴あき全反射鏡で行うことにより、両光の透過効率を向上させることにより図る。
【選択図】図１

Description

本発明は、化学、物理学、医学、薬学などの分野で、物質の化学構造や組成、結晶構造や状態などの分析、解析に広く適用されているラマン散乱分光方法および装置に関するもので、特にレーザー光線を照射することにより熱変形や変質が生じ、これまで難しいとされていた太陽電池、燃料電池などの微結晶薄膜，多結晶、非晶質薄膜、あるいは生体高分子、熱可塑性高分子材料、有機化合物などの様に熱に弱い物質に適用できるように、照射するレーザー光線の影響を小さくし、試料の温度上昇を軽減し、熱応力の影響、熱変形及び変質のなどの影響を受けることなく、短時間に正確なラマンスペクトルを測定可能にする顕微ラマン分光方法および装置に関する。

レーザー光線（励起光）を照射すると、試料から振動数分だけシフトした光即ち、ラマン散乱光を生成する。ラマン散乱分光法もフーリエ変換赤外線分光法と同じ様に、その振動スペクトルから物質の化学結合状態、組成、結晶構造、結晶化度などの情報を得ることができる。しかし、ラマン散乱光は励起光の１０万分の１以下と非常に弱い。そのためパワー密度の大きいレーザー光が励起光に用いられる。そのため、熱変形、熱損傷を生じ易い物質である高分子ポリマーとか有機化合物には利用できないことが多く、また熱により特性や形態などが変化する微結晶体、多結晶体、非晶質薄膜には適用が困難であった。そのためラマン散乱分光の普及はフーリエ変換赤外分光法の十分の１程度である。

図２は従来の顕微ラマン分光装置の構成図である。レーザー発振装置２を出たレーザー光線２ａはノッチフィルター８ａの裏面で反射し、さらに全反射鏡２０ａで反射し、対物レンズ５を介して試料１を照射する。試料１で発生したラマン散乱光は対物レンズ５で集光され、全反射鏡を経て２枚のノッチフィルター８ａ、８を透過し、励起レーザー光に由来のレーリー散乱光が除かれて分光器１１に入射する。分光されたラマン散乱光はＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ ｄｅｖｉｃｅｓ、電荷結合素子）１２で検知される。この図２に近い従来装置の構成例が特許文献１または２の公報に記載されている。

特許出開平１０−９００６４号公報（第５頁 第１から第４図） 特許出開平１０−３１８９２３号公報（第１−２頁 第１図）

ノッチフィルター８ａ、８ｂが開発される以前のラマン分光装置ではレーリー散乱光の排除を１段又は２段の分光器を正配置又は逆位置にして行われていた。そのためラマン散乱光の検出器への透過効率が非常に悪かった。またラマン散乱光の検出は光電子増倍管が用いられていた。ＣＣＤの様に広い波数領域を一度に測定することが出来ず、回折格子を連続駆動して測定するため、測定に長時間必要とした。そのためパワー密度が高いレーザー光線を長い時間試料に照射してラマンスペクトルを測定していた。

ところで、最近の顕微ラマン分光装置はペルチェ電子素子で−５０から−１００℃に冷却した５１２から１０２４の多チャンネルのＣＣＤ１２、励起レーザー光に由来するレーリー散乱光の排除には９０％以上の高い透過効率のノッチフィルター８ａ、８ｂや、狭帯域で立ち上がるエッジフィルター（ハイパスフィルター）８が現れ、短時間に高感度で測定できる様になった。それにともないレーザー光線発生装置２も数十から百数十ｍＷ程度の出力の小さい装置が使われる様になった。

レーザー光線の熱影響を防止に関しては、試料を中空に保持し、試料両面に層流の冷媒を吹きつけて試料を冷却しながら測定する、ラマン分光計が特許文献２に提案されている。

特許公開２０００−８８７５４号公報（第１−２頁、第１図）

以上の様な技術の発展で、レーザー光線が試料に与える熱影響はかなり軽減されてきた。しかし、太陽電池、燃料電池などの微結晶薄膜、多結晶、非晶質薄膜あるいは熱に弱い生体高分子、熱可塑性高分子材料、有機化合物などでは、まだ不十分で、照射するレーザー光線の影響を大きく受け、試料の温度が上昇し、熱応力の影響や、熱変形及び変質などが起こり、正確なラマンスペクトルの測定が出来ない問題が多くあった。

ところで、かかる問題が、従来顕微ラマン分光装置で生じる場合、通常使われる５０倍あるいは１００倍の対物レンズに換えて２０倍の対物レンズを用いると測定できることがある。これは、レーザー光線のスポット径が大きくなり、試料を照射するレーザー光線の密度が小さくなったためと考えられる。ところで、ラマン散乱光の集光率は対物レンズの開口角（Ｎ．Ａ．）に大きく影響する。５０倍あるいは１００倍の対物レンズのＮ．Ａ．は０．８あるいは０．９以上に対して２０倍の対物レンズは０．４５以下である。このため対物レンズに集まるラマン散乱光の量が１桁程度小さくなり、測定に長時間かかるとか、ノイズに埋もれてスペクトルが測定出来ないなどの問題が生じていた。

本発明は上述の諸事情に鑑みてなされたもので、その目的は、ラマン散乱光の集光量が大きい５０倍あるいは１００倍の対物レンズを用い、照射するレーザー光線の影響を小さくして、試料の温度上昇を軽減し、熱応力の影響や、熱変形あるいは変質などの影響を受けることなく、短時間に正確なラマンスペクトルの測定を可能にする顕微ラマン分光方法および分光装置を提供することにある。

従来の顕微ラマン分光装置が２０倍の対物レンズを用いる事で試料の温度上昇を軽減し、熱応力の影響や、熱変形あるいは変質などの影響を受けることなく測定できる点に着目して、１００倍、５０倍の対物レンズで、レーザー光線の密度を小さくして試料を照射する方法、即ちレーザー光線の試料への照射径を拡大してラマンスペクトルを測定する方法を考案する事にした。

レーザー光線はコヒーレントな平行光束からなり、従来の顕微ラマン分光装置は対物レンズ焦点に試料を配置するので、レーザー光線は試料上で集光する。６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザー光線の場合、試料上に出来るレーザー光線のスポット径は１００倍の対物レンズで約１μｍ、５０倍の対物レンズで約２μｍである。一方２０倍の対物レンズは５から８μｍである。

これらのことから、Ｎ．Ａ．の大きい１００倍あるいは５０倍の対物レンズを用い、試料上に５から８μｍ以上の大きさレーザー光線スポット径を形成することが有効であると考えた。

対物レンズ５で形成されるレーザー光線のスポット径の拡大はレーザー光線の光路に凸レンズ２６を挿入する事により可能である。図３はレーザー光線光路上で、対物レンズ５裏側の焦点に照射径拡大レンズ２６の焦点を一致させて配置した様子を示したものである。レーザー光線は対物レンズ５を出て平行光束となって試料１を照射する。その径は照射径拡大レンズ２６の焦点距離をｆ_１対物レンズ５のｆ_２、レーザー光線２４の光束をＬ_０とすると、試料を照射するレーザースポット径Ｌは次の式で計算される。
Ｌ＝Ｌ_０×（ｆ_２／ｆ_１）・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１）式

１００倍の対物レンズ５の焦点距離（ｆ_２）は顕微鏡メーカーにより若干異なるが本発明では２．０ｍｍを用いている。焦点距離１５０ｍｍの照射径拡大レンズ２６と光束径１０００μｍのレーザー光線２４を用い、対物レンズ５の裏側の焦点に照射拡大レンズ２６の焦点を一致させた時、試料上に形成するレーザースポットの照射径は（１）式より約１３μｍである。

レーザー光線の光路上で、照射径拡大レンズ２６の焦点を対物レンズ５の裏焦点だけでなく外の場所に合わせた場合ついても検討した。その結果を図５に示した。横軸は焦点距離（ｆ_１）１５０ｍｍの拡大レンズ２６の対物レンズからの配置距離である。即ち、横軸１５０は対物レンズの光学的センターに拡大レンズ２６の焦点がある場合を意味する。この１５０ｍｍ近く即ち、１４４から１６０ｍｍの間に拡大レンズ２６を配置した場合は、スポット径が２から６０μｍ以上と大きく変動し、定常的に一定の大きさの照射径を得るには好ましくない。１４０ｍｍ以下あるいは１６０ｍｍ以上に配置すると照射径は配置位置による変化は小さく、１４０ｍｍ以下、即ち対物レンズ５の試料側でフォーカスする様に配置した場合、レーザー光線の照射径は約１２μｍの大きさとなる。また１５０ｍｍ以上、即ち、対物レンズ５の裏側でフォーカスする様にした場合の照射径は約１５μｍとなる。

図６は拡大レンズの焦点距離の違いについて検討した結果である。焦点距離が大きい凸レンズは照射径を拡大する効果が小さく、小さい焦点距離のレンズの方が有効であることを示している。しかし、小さい焦点距離のレンズは対物レンズとの間が狭くなり、他の光学素子と干渉する恐れがある。以上の事から実質的に使えるのは焦点距離１００ｍｍから２００ｍｍ凸レンズ２６のである。

以上の様に、凸レンズは照射径を１２から１５μｍ程度の拡大効果しか得られない。さらに大きく拡大する事ができないか凹レンズでもって検討した。その概要を図７に、検討結果を図８に示した。

凹レンズ２５も凸レンズ２６と同じ様に大きい焦点距離のレンズの効果は小さく、小さい焦点距離のレンズの方が良い、そして、凸レンズ２６と同じ様に他の光学素子と干渉する等のことから、焦点距離が１００ｍｍ以上のレンズを使う必要がある。図７、８結果を合わせて考えると１５０ｍｍのレンズが適切であり、幅を広げて考慮しても１００から２００ｍｍの焦点距離中から選択する必要がある。

以上ことから凸レンズ２６や凹レンズ２５を使ってもレーザー光線スポット径を十数μｍ程度にしか出来ない。さらに大きくする方法を検討した。
従来の顕微ラマン分光では試料１は対物レンズ５の焦点に配置して測定している。対物レンズ５の焦点から外せば照射するレーザー光線のスポットは大きくなる、しかしラマン散乱光は分光器１１のスリット１０にフォーカスしなくなる。本発明では対物レンズ５の焦点から外して測定する方法する適切な方法を考案した。

図２に従来の顕微ラマン分光一例を示した様に、対物レンズ５からのラマン散乱光は平行光束となり分光器１１の前のスリット１０に集光レンズ９でもってフォーカスさせる構成である。 ところで、本発明はラマン散乱光をより多く集めるため、即ち、Ｎ．Ａ．（開口角）を大きくとるため、対物レンズ５焦点の内側に試料を外して照射径を大きくすることを考えた。この様にすることで、対物レンズ５から分光器１１に向かうラマン散乱光は平行光束でなくなり、発散光となる。そのため分光器の前光レンズ９に入射するラマン散乱光は非常に少なくなる。この問題を解決するために図１の集光レンズ９の前に２枚のリレーレンズ６、７ａを配置することにした。レンズ７ａは対物レンズの焦点より内側に配置した試料からのラマン散乱光に対応した位置の配置で、７ｂは対物レンズの焦点に配置した試料からのラマン散乱光に対応した位置である。従来装置の様に試料をレーザー光線のフォーカス位置での測定は７ａ位置から７ｂ位置に対物レンズを移動して測定するようにした。

図９は対物レンズ５の焦点の内側に試料１を配置する様子を示したもので、図１０は対物レンズのフォーカス位置から試料表面までの距離とレーザー光線の照射径の関係を示したものである。焦点の位置では１００倍の対物レンズの方が５０倍の対物レンズに比べて照射径は小さいが、焦点より対物レンズ方向に少し移動すると照射径は１００倍の方が大きくなる。この方法は適当な大きさの照射径を選ぶのに適した方法である。

ところで顕微ラマン分光では試料へのレーザー光線と試料から発光するラマン散乱光は同じ光路を通るので分光器に入射する前に分離する必要がある。従来顕微ラマン分光ではノッチフィルター８ａやビームスプリッターなどが用いられている。ノッチフィルターは傾斜させて使用するため反射する際３０から４０％のレーザー光線の強度が減少する。ビームスプリッターはさらに大きく５０％減少する。ラマン散乱光もこれらを透過する際に同じように強度が減少する。この問題を解決するため本発明ではレーザー光線を透過するに必要なだけの小さな孔をあけた全反射鏡４をこれらの代わりに用いることにした。ラマン散乱光は孔の分だけ減少するが１０％以下で、またレーザー光線は減光することなく透過する。

本発明によれば、照射径を拡大したレーザー光線を試料に照射することが可能となり、また穴あき全反射鏡使用により、レーザー光線の透過効率を高くすることが出来き、より強度の大きい励起レーザー光線を単位面積当たりの照射強度を小さくして試料に照射可能とする。これにより、試料に与えるレーザー光線の影響が小さくなり、試料の温度上昇が大きく軽減され、熱応力の影響、熱変形あるいは変質などを生じさせることなく、短時間に正確なラマンスペクトルの測定を可能にする効果がある。これまで、レーザー光線を照射することにより熱変形や変質が生じ測定が難しいとされていた太陽電池、燃料電池などの微結晶、多結晶、非晶質薄膜、あるいは生体高分子、熱可塑性高分子材料、有機化合物などへの適用が可能となる。

発明の実施するための最良の形態

以下、図１、図１１および図１２は本発明の実施の形態を示す図である。図１は顕微ラマン分光装置のレーザー光線発生装置２と対物レンズ５の間に凹レンズ２５を配置して試料を照射するレーザー光線の拡大を図った本発明にかかわる一実施形態である。レーザー光線２４の光束が１ｍｍで出力２１ｍＷのＨｅ−Ｎｅレーザー光線発生装置２を出射したレーザー光線は焦点距離が１００ｍｍの凹レンズ２５を透過した後、径が２ｍｍの孔をセンターにあけた孔あき全反射鏡４の孔を通過して、対物レンズ５に入射させた。凹レンズ２５と対物レンズ５との光学センター間が１５０ｍｍとなるように配置した。凹レンズ２５を出た後、レーザー光線２４の光束は広がるが、孔あき全反射鏡４の孔の位置では照射径は１．５ｍｍ程度で孔径２．０ｍｍより小さい。しかし穴あき全反射鏡４の孔壁に接触しないで通りぬけるように細心の注意を払って全反射鏡３等を調整した。

対物レンズ５の焦点から０．１ｍｍ程度内側に配置した試料１ａから出たラマン散乱光は拡大光線となり孔あき全反射鏡で反射した後、凸レンズ６に入射しリレーレンズ７の間で集光する。この集光位置は対物レンズの焦点の位置に置いた試料からの平行光束ラマン散乱光よりも遠くで集光する。リレーレンズ７の７ｂの位置は対物レンズの焦点の内側に配置した試料に対応位置で、７ａは対物レンズの焦点に配置した試料１ｂに対応位置である。これらのリレーレンズ７からでたラマン散乱光が平行光束でレーリー光排除フィルター８に入射する様に予め調整した位置７ａ、７ｂの間を移動できるよう、スライドレールの上に搭載した。

本発明ではレーリー光排除フィルター８として狭帯域で立ち上がるエッジフィルター（ハイパスフィルター）を用いたが、これは狭帯域バンドオフフィルター（ノッチフィルター）でも同じ効果を得ることが出来る。レーリー光排除フィルター８を通過させた後、ラマン散乱光を分光器１１のスリット９に集光させ、ＣＣＤ１２検出器でラマンスペクトルを測定した。

図１の一実施形態で試料１ｂを対物レンズ５の焦点に配置し、光路から外してある観察用全反射鏡１６ｂを挿入し、光路を観察カメラ１８切り替えて、Ｈｅ−Ｎｅレーザー光線で出来る照射像を観察した。その際Ｈｅ−Ｎｅレーザー強度が１％程度になるような減光フィルターを挿入して行った。計測した結果約１３μｍであった。従来顕微ラマン分光装置の２０倍の対物レンズ焦点の位置に試料を置いて出来る照射径は６から８μｍである。非晶質など小さな温度変化でも結晶化が進む試料や、温度測定、応力測定などを除けば利用可能場合が多い。

次に試料を図１の一実施形態で試料１ｂを対物レンズ５の焦点から０．１ｍｍ程度内側に配置し、レーザー光線２４の試料１ａ上に出来る照射径を観察用カメラ１８で前述と同じ方法で測定した。その結果照射径は約２５μｍであった。

図１の一実施形態の凹レンズ２５に換えて焦点距離１５０ｍｍの凸レンズ２６を１００倍の対物レンズから裏面から１５０ｍｍの距離に配置し、試料１ｂを対物レンズの焦点の位置に配置した。そして前述と同じ方法で試料１ｂ上の照射径を計測した結果約１５μｍ程度であった。次に焦点から０．１ｍｍ程度内側にしてレーザー光線の照射径を測定した結果約３０μｍであった。

図１１は照射径拡大レンズの凹レンズ２５や凸レンズ２６を使わないで、試料に形成されるレーザー光線の照射径を拡大する一実施形態にかかわるものである。１００倍の対物レンズ５の焦点から０．１ｍｍ程度内側に試料１ａを配置して、前述と同じ様方法で試料形成されるレーザー光線の照射径を測定した。その結果約２６μｍであった。

試料１ａを１００倍の対物レンズ焦点から０．１ｍｍ程度内側に配置し、照射径を計測する際挿入した減光フィルターおよび観察用全反射鏡１６ａ、観察用ハーフミラー１５ａなどを光路から外し、ラマン散乱光を３枚の凸レンズおよびレーリー光排除フィルター８を通して分光器のスリット１０に集光し、分光器１１とＣＣＤ１２検出器でラマンスペクトルを測定した。測定に際しては３枚の凸レンズ６，７ａ、９３中で中央に配置した凸レンズ７ａをレーリー光排除フィルター８方向に移動し、ラマン散乱光が平行光束になるようにした。

本発明の一実施形態例を具体的に図１２に示した。ステージ１９上に搭載し、対物レンズ５焦点内への配置は、ステージ１９の高さは回転駆動ノブ２７により行った。この回転駆動ノブ２７には対物レンズの焦点位置、焦点から０．１ｍｍ位置、０．２ｍｍの位置などに対応した回転位置に目じるしを付け、その目じるしの位置に回転ノブ２７を止めた時、前述と同じ様方法で試料形成されるレーザー光線の照射径を測定し照射径を確認した後、レーザー光線強度減光フィルターを光路から外してラマンスペクトルの測定を行った。

図１３は４種類のＧｅｅ組成比の異なるナノ結晶Ｓａｇｅ薄膜試料ラマンスペクトル測定結果である。レーザー光線の試料へ露光時間は１秒である。従来の顕微ラマン分光装置で１００倍の対物レンズで測定しようとすると、レーザー光線を照射した瞬間に結晶化が起こるので、２０倍の対物レンズで測定を行っている。そのため、露光時間は１００秒以上必要とした。本発明手法で測定すると１秒程度で測定できるので、測定時間を大幅に低減できた。対物レンズの焦点から０．１ｍｍに配置し、対物レンズの焦点ではレーザー光線を受けて一瞬にスペクトルが変化するＧｅ組成比が０．４８（４８％）のナノ微結晶薄膜を対物レンズ焦点から０．１ｍｍ内側の位置に配置した直後と２時間照射続けた後のラマンスペクトルはほとんど変化がなかった。

本発明にかかわる顕微ラマン分光の一実施形態その１ 従来の顕微ラマン分光例 凸レンズレンズを用いて照射径を拡大する様子を示した図 凸レンズレンズを用いて照射径を拡大する様子を示した追加図 照射径拡大凸レンズの位置と照射径の関係図 照射径拡大凸レンズの焦点距離と照射径の関係図 凹レンズを用いて照射径を拡大する様子を示した図 照射径拡大凹レンズの位置と照射径の関係図 対物レンズの焦点の内側に試料を配置する様子を示した図 対物レンズの焦点の内側に試料を配置した位置と照射径の関係 本発明にかかわる顕微ラマン分光の一実施形態その２ 本発明にかかわる顕微ラマン分光の一実施形態その３ 本発明にかかわる顕微ラマン分光でのラマン散乱スペクトル測定例

符号の説明

１・・・試料
１ａ・・・対物レンズの焦点の内側に配置した試料
１ｂ・・・対物レンズの焦点に配置した試料
２・・・顕微ラマン分光装置のレーザー光線発生装置
３・・・全反射鏡
４・・・孔あき全反射鏡
５・・・対物レンズ
６・・・凸レンズ
７・・・可動リレーレンズ
７ａ・・・対物レンズの焦点の内側に配置した試料に対応位置
７ｂ・・・対物レンズの焦点に配置した試料に対応位置
８・・・レーリー光排除フィルター
９・・・分光器スリットへの集光レンズ
１０・・・スリット
１１・・・分光器
１２・・・ＣＣＤ
１３・・・観察用照明光
１４・・・観察用照明光レンズ
１５・・・観察用ハーフミラー
１５ａ・・・ラマン散乱光路から外した観察用ハーフミラー
１５ｂ・・・ラマン散乱光路に挿入した観察用ハーフミラー
１６・・・観察用全反射鏡
１６ａ・・・ラマン散乱光路から外した観察用全反射鏡
１６ｂ・・・ラマン散乱光路に挿入した観察用全反射鏡
１７・・・観察用カメラリレーレンズ
１８・・・観察用カメラ
１９・・・試料ステージ
１９ａ・・・対物レンズの焦点の内側に配置した試料のステージ位置
１９ｂ・・・対物レンズの焦点に配置した試料のステージ位置
２０・・・従来ラマン分光装置の切り替え全反射鏡
２０ａ・・・ラマン散乱光のスペクトル測定位置
２０ｂ・・・試料像観察位置
２１・・・顕微鏡本体
２２・・・観察照明装置
２４・・・レーザー光線
２５・・・レーザー光線拡大凹レンズ
２６・・・レーザー光線拡大凸レンズ
２７・・・回転駆動ノブ

Claims (4)

1. レーザー光線を試料に照射して、該試料から発生するラマン散乱光を分光して検出する顕微ラマン分光装置であって、対物レンズの焦点距離よりも内側に試料を配置して、レーザー光線を照射し、該試料から発生するラマン散乱光を３枚のレンズを通過させた後分光器のスリット集光させることを特徴とし、該３枚のレンズの中の１枚はラマン散乱光の光路上を移動可能であることを特徴とする顕微ラマン分光分析方法および装置
2. 請求項１記載の顕微ラマン分光装置であって、中央に穴をあけた全反射鏡を分光器の前に傾斜させて配置することを特徴とする顕微ラマン分光装置
3. 請求項２記載の顕微ラマン分光装置であって、該中央に穴をあけた全反射鏡とレーザー光線発生装置との間に焦点距離が１００から２００ｍｍの凹レンズまたは凸レンズを挿入することを特徴とする顕微ラマン分光装置
4. 請求項１または請求項２記載の顕微ラマン分光装置あるいは方法であって、レーザー光線を受けて熱変形、熱損傷、形態の変化、結晶構造の変化、化学組成の変化などを生じ易い微結晶，多結晶、非晶質薄膜または構造体、あるいは生体高分子や熱可塑性高分子、有機化合物や複合材料や、薬剤などの試料を対物レンズの焦点の内側に配置し、レーザー光線の照射径を拡大して測定することを特徴とする顕微ラマン分光分析方法および装置、

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