JP2010066011A

JP2010066011A - イメージ分光器

Info

Publication number: JP2010066011A
Application number: JP2008229809A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Neshiro; 均根城
Original assignee: National Institute for Materials Science
Current assignee: National Institute for Materials Science
Priority date: 2008-09-08
Filing date: 2008-09-08
Publication date: 2010-03-25

Abstract

【課題】対象の形状と光学成分とを同時に取得できるイメージ分光器において、センサ近接場光の制御を可能にする装置を提供する。
【解決手段】イメージ分光器は、対象からの光を受ける対物レンズからの光を二次元平面で多数の微小区域に分割するマイクロレンズアレイと、各マイクロレンズアレイを透過した光から近接場光を得るスリットアレイを配置してあり、顕微鏡下での細胞の蛍光局所やフォトルミネッセンス、ラマンなどへの応用される。
【選択図】図１３

Description

本発明は、対象の形状と光学成分とを同時に取得できるイメージ分光器に関する。

被写体のイメージ（像）と分光スペクトルを測定できる分光器であって、顕微鏡下での細胞の蛍光局所やフォトルミネッセンス、ラマンなどへの応用。森林、農作物、植物、印刷物、撮影対象は多岐にわたり、以下のような効果を得ることを目的に使用される。
・イメージ（像）を確認しながら、波長による強度がわかります。
・イメージ（像）取り込みの視野を変えることが出来ます。
・検出器が目的別に選択できます。
・スペクトル測定用分光器としても使用できます。（オプション）
・測定体のイメージ（像）などにより分光器、検出器、光学系を設計、選択します。

本発明は、近接場光の制御を可能にすることを目的とする。

本発明のイメージ分光器は、対象からの光を受ける対物レンズからの光を二次元平面で多数の微小区域に分割するマイクロレンズアレイと、各マイクロレンズアレイを透過した光から近接場光を得るスリットアレイを配置してあることを特徴とする。

本発明の翌朝は、近接場光を伝播光に変換するためにホールアレイを用いた点と、２次元で同時観測するためにホールアレイを用いた点である。
従来は０次元の観測しかできなかったものを、２次元で観測できるようにした。
光の波長より小さなサイズの発光体から２次元画像取得可能な装置である。
なおかつ２次元画像およびスペクトルを同時に得ることが可能な装置である。

１）既知の理論から、実施例７，８の波長範囲を４００〜８００ｎｍ以外にしても同様な作用効果を発揮させうることは容易に類推できる。

２）既知の理論から、実施例５の空間分解を３００ｎｍ以下にしても同様な作用効果を発揮させうることは容易に類推できる。

３）既知の理論から、実施例２の測定系において超高真空中の１００倍対物レンズ（ＮＡ．０．９５）をこれ以外の倍率にして集光、結像レンズで真空窓を介して大気中に結像され、バンドル光ファイバーに導入、分岐ファイバーで分光器の入射スリットに導入され、高空間分解能ポリクロメータ（分光器）で分光分散し、ＣＣＤ検出器で分光検出しても同様な作用効果を発揮させうることは容易に類推できる。

４）既知の理論から、実施例７のバンドル光ファイバー本数を１４ｘ１４で行う以外にしても同様な作用効果を発揮させうることは容易に類推できる。

５）既知の理論から、実施例１１，１２のある波長におけるスペクトルを像位置に変換し観察像との相関位置を決めるソフトは使用者が製作したもの以外にしても同様な作用効果を発揮させうることは容易に類推できる。

装置の構成は次のとおりである。
前記イメージ分光器１８は、集光用カメラレンズ１７によって集光された光学像のうち、スリットを通過した光（一次元画像）を分光するものであり、具体的には図４に示すように、イメージ分光器１８は、集光用カメラレンズ１７によって集光された光が通過するスリット２３と、該スリット２３から入った光が最初に通過するレンズ２４と、該レンズ２４の後方に配置されたＰＧＰエレメント２５と、該エレメント２５の更に後方に配置された集光用レンズ２６とを有する。

図１を参考にして、全体の機能を説明する。
ホールアレイを試料ディスクに取付、ホールアレイの端面（サファイアの界面）に対物レンズ先端の焦点を合わせて固定する。
ホールアレイをマルチプローブとして集められた面画像は、１００倍対物レンズ、結像レンズで拡大結像させる。
この光像は、真空窓を介して大気中に結像される。
バンドル光ファイバーに導入する。
分岐ファイバーで画像可視化ＣＣＤ検出器および分光器の入射スリットに導入される。
高空間分解能ポリクロメータ（分光器）で分光分散し、ＣＣＤ検出器で分光検出する。
本装置を用いて行うことが可能なすべての機能を示す。
２次元スペクトルを得ておくことにより次の３データを必要であればデータ処理を施して得ることができる。
１．２次元画像（全波長に渡る積算）。
２．試料のある１点におけるスペクトル。
３．ある望みの波長における２次元画像。

図２は、試料を含めた装置全体図である。
ホールアレイを対物レンズ先端に取付、アレイの端面（サファイアの界面）に焦点を合わせて固定する。
ホールアレイをマルチプローブとして集められた面画像は、１００倍対物レンズ、結像レンズで拡大結像させる。
この光像は、真空窓を介して大気中に結像される。
バンドル光ファイバーに導入する。
分岐ファイバーで画像可視化ＣＣＤ検出器および分光器の入射スリットに導入される。
高空間分解能ポリクロメータ（分光器）で分光分散し、ＣＣＤ検出器で分光検出する。

図３は、試料近傍セットアップを示す図面である。
試料とホールアレイ位置決め：ホールアレイを試料に接触方式を用いる。
ホールアレイと試料を担持するグリッドの間にバイアス電圧を印加し、トンネル電流を利用し発光させる。

図４は、本装置を適用する概念図である。
具体的には、ホールアレイを用いて発光を複数ホールから同時所得することで、情報を高次に得ることができる概念図である。
基板上に発光分子を分子架橋により分子に接続する。分子架橋の仕方から分子相互の相互作用はすべて異なる。この分子系を基板上に担持しその上に２次元の微細ホールを配列したホールアレイではさむ。この分子系が電子注入されて発光すると、その発光はホールアレイの中の架橋の複雑な相互作用および接場光相互作用などによって、多様な発光スペクトルを出すものとする。これを各ホールごとに分光してスペクトルを同時に測定し、そのスペクトルに適当な敷居をかませて１か０にし、それをそのホールアレイの一つが持つコードとする。このコードがホールごとに違うならばそれはホールのアイデンティティーあるいは暗号になる。ホール一つを読むとコードが取り出せるというのは、極端に言うと穴一つから文章が読み出せるあるいは本一冊読み出せるということにつながる。これがローカル刺激グローバル読み出しメモリーの原理である。

図５は、ホールアレイ仕様例を示す概略図である。
１）目的：近接場系を遠接場系に変換する空間分解能改善のための変換素子。
２）仕様：サファイア基板上のクローム膜に穴径３００ｎｍ、間隔４００ｎｍの２次元ホールアレイを加工
＜加工パターン＞
１．円筒径（光取り込み口）＝３００ｎｍ
２．円筒間隔＝４００ｎｍ
３．孔材質／厚さ＝クローム／６０〜１００ｎｍ
４．基板材質／厚さ＝サファイア／０．６ｍｍ、ｏｒ１ｍｍ
５．有効エリア＝５０×５０ μｍ^２以上
３）材質：サファイア
（１）サファイアの透過率例（厚さ＝１ｍｍ）

図６は、ホールアレイとファイバーの相互位置決めを示す図面である。
図６（２）は、超高真空内部のホールアレイ；図６の左側に対応
図６（３）大気中のバンドルファイバー；図６の右側に対応
１．単純計算
１）ファイバーのコア径は
ホール径Φ１２０ｎｍを対物レンズ１００×で結像できるとすると、結像径Φ１２μｍ。
・対物レンズの空間分解能＝０．６１×６００ｎｍ÷０．８＝約４６０ｎｍ
従って、結像径は、約４６μｍ。
以上から、ホールとファイバー・コアの相対位置が最適化できれば、コア径は、Φ５０μｍ。最適化できなければ、Φ１００μｍが良い。
また、空間分解能は、結像位置では、約４６μｍ。
コア径Φ１００μｍの場合には、クラッド径Φ１２５μｍ（検出器間隔に合わせた場合、１３５μｍ）ですから、間隔は、２５μｍですから、空間分解以下。
従って、コア径は、Φ５０μｍが望ましいと思います。
２）ホールアレイの間隔は
単純に逆算すると、
２．ラッド径１２５μｍから、１２５μｍ÷１００＝１．２５μｍ
２．検出器間隔（１３．５μｍの倍数）にファイバー間隔を合わせると、
１３５μｍ÷１００＝１．３５μｍ
ホールアレイの間隔は、上記の約数が望ましい。
従って、単純計算では、
１．６２５ｎｍ、４１６．７ｎｍ、３１２．５ｎｍ、２５０ｎｍ・・・
２．６７５ｎｍ、４５０ｎｍ、３３７．５ｎｍ、２７０ｎｍ・・・となる。
ホールアレイの製作仕様３００ｎｍから、それ以上とする。
また、対物レンズの空間分解能（約４６０ｎｍ）から、
１．３１２．５ｎｍか４１６．７ｎｍ
２．３３７．５ｎｍか４５０ｎｍが望ましい。
２．仕様
１）ファイバーのコア径＝Φ５０μｍ
２）ファイバーの間隔
“１２５μｍ（クラッド径）、５ｍ長さ”と“１３５μｍ間隔、３ｍ長さ”とでバンドルファイバーの価格は、同等です。測定、ソフトの作成などから考えれば、長さが３ｍでよければ、１３５μｍ間隔が望ましい。
３）ホール間隔＝３３７．５ｎｍ、ｏｒ４５０ｎｍ

図７は、バンドルファイバーの仕様を示す概略図である。
（１）入射口：心線数＝１４×１４心、矩形（１．７５×１．７５ｍｍ）
・外形＝Φ１２ｍｍ×７０ｍｍ、ＳＵＳ製
（２）射出口：１９６心１列スリット
・ファイバー間隔＝１３５μｍ
・外形＝Φ４０ｍｍ（先端部矩形）×７０ｍｍ、ＳＵＳ製
（３）長さ：３ｍ
（４）被覆：ＳＵＳ可とう管
（５）透過特性：図に示すとおり

図８は、ＣＣＤ検出器仕様例を示す。
ＣＣＤ検出器の波長に対する量子効率仕様は図に示すとおり。

図９は、試料焦点合わせ方１．を示す概略図である。
ホールアレイ上側から照明光を当てて、ホールアレイの金属膜での反射光を用いて対物レンズを移動し焦点を合わせる方法。
ファイバーバンドルの個々のファイバー１９６本を通った照明光の輝点が見える。

図１０は、焦点合わせ方２．を示す概略図である。
試料ディスク（グリッド）下方から照明光を照射して、対物レンズを移動し焦点を合わせる方法。
グリッドのバー（黒い上下左右の棒状の像）の１００倍拡大像が明瞭に観測される。
グリッドのホールおよびホールアレイの３００ｎｍのホールを通り抜けた近接場光が観測された例

図１１は、１９６点のスペクトル例１を示す概略図である。
横軸波長に対し縦軸１９６点に対応するスペクトル。
各点の輝度がスペクトルの強度に対応する。
１９６本のファイバーのうち、下方からの照明光が到達するグリッドのホールに対応する本数分が明るく、下方からの照明光が到達しないグリッドのバーに対応する本数が暗く写る。
グリッド下方からＨｅＮｅレーザーで照明。

図１２は、１９６点のスペクトル例１を示す概略図である。
横軸波長に対し縦軸１９６点に対応するスペクトル。
各点の輝度がスペクトルの強度に対応する。
１９６本のファイバーのうち、下方からの照明光が到達するグリッドのホールに対応する本数分が明るく、下方からの照明光が到達しないグリッドのバーに対応する本数が暗く写る。
グリッド下方から水銀ランプで照明。

全機能説明図試料を含めた装置全体図試料近傍セットアップの概略図本装置を適用する概念を示し、ホールアレイを用いて発光を複数ホールから同時所得することで、情報を高次に得ることができる概念図。ホールアレイ仕様例を示す概略図は、ホールアレイとファイバーの相互位置決めを示す図面である。バンドルファイバーの仕様を示す概略図。は、ＣＣＤ検出器仕様例を示す概略図。は、試料焦点合わせ方１．を示す概略図。は、焦点合わせ方２．を示す概略図。は、１９６点のスペクトル例１を示す概略図。は、１９６点のスペクトル例１を示す概略図。は、本発明の要部を示す概要図。

Claims

対象の形状と光学成分とを同時に取得できるイメージ分光器であって、対象からの光を受ける対物レンズからの光を二次元平面で多数の微小区域に分割するマイクロレンズアレイと、各マイクロレンズアレイを透過した光から近接場光を得るスリットアレイを配置してあることを特徴とするイメージ分光器。