JP2010156556A - 入射光学系及びラマン散乱光測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】全反射する光の入射角を正確に制御することができる入射光学系、及びラマン散乱光測定装置を提供することにある。
【解決手段】本発明の入射光学系では、平面状の試料面１１１及び半球面状の曲面１１２を有する透光部材１１と、反射面１２１が回転放物面１２２の一部をなす放物面鏡１２とを備え、曲面１１２が反射面１２１に対向し、試料面１１１上の球中心が回転放物面１２２の焦点１２５に一致する。回転放物面１２２の回転対称軸１２３に平行なレーザ光（光束）Ｌは、反射面１２１で反射し、試料面１１１上の焦点１２５へ集光する。試料面１１１でレーザ光Ｌが内部全反射して発生したエバネッセント光により試料Ｓからラマン散乱光が発生する。レーザ光Ｌの光軸を回転対称軸１２３に接離する方向に移動させることにより、試料面１１１に対するレーザ光Ｌの入射角を変更することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、試料が接触される試料面で全反射を起こすために試料面へ光を入射する入射光学系に関し、より詳しくは、光の入射角を全反射条件を保ちながら変更することができる入射光学系及びそれを用いたラマン散乱光測定装置に関する。

従来、試料に含まれる物質の同定又は特定物質の分布の推定等を非破壊で行う方法として、ラマン分光分析が利用されている。ラマン分光分析では、試料の表面のみを励起するために、試料を載置した試料面で光を全反射させ、全反射により発生したエバネッセント光を励起光として利用することができる。特許文献１には、全反射を起こすように光を入射する光学系の例が開示されている。図８は、全反射を起こすように光を試料面へ入射する入射光学系の一部を示す模式図である。平面と半球面とを有する半球状の透光部材４１を用い、透光部材４１の平面の中心に試料Ｓを載置し、半球面の外側から平面の中心へ向かってレーザ光Ｌを照射する。レーザ光Ｌは半球面を直進して通過し、透光部材４１の内部から平面へ入射する。平面への入射角を臨界角以上にしておけば、透光部材４１の内部においてレーザ光Ｌは平面で全反射し、エバネッセント光が試料Ｓに浸透し、エバネッセント光と試料Ｓとの相互作用によりラマン散乱光が発生する。試料Ｓが透明である場合は、試料Ｓ側からラマン散乱光を観測することができる。このような入射光学系を用いることにより、ラマン分光分析でも、試料Ｓの表面を選択的に分析することができる。
特開平９−１５９９２２号公報

全反射において光の入射角を臨界角以上の範囲で変更した場合は、エバネッセント光が試料Ｓに浸透する深さが変化し、異なった深さでの分析を行うことができる。このため、全反射において光の入射角を変更できるようにした機構のニーズがある。図８に示す入射光学系では、透光部材４１へ入射するレーザ光Ｌの向きを変更することによって、入射角を変更することができる。

しかしながら、図８に示す入射光学系では、透光部材４１へ入射する直前のレーザ光Ｌを反射するミラー４２を回転させるだけでは、レーザ光Ｌの入射位置が変化し、レーザ光Ｌの向きを適切に変更することはできず、入射角を変更することはできない。同様に、ミラー４２を平行移動させるだけでも、レーザ光Ｌの入射角を変更することはできない。レーザ光Ｌの向きを変更するためには、レーザ光Ｌがミラー４２で反射する角度とレーザ光Ｌがミラー４２で反射する位置との両方を変更する必要があり、ミラー４２の回転とミラー４２の平行移動とを同時に行う必要がある。従って、入射光学系において光の入射角を正確に制御するためには、ミラー４２の回転及び平行移動を同期させて正確に制御する必要があり、実現が困難である。また仮に実現したとしても、入射光学系光学系を制御する機構が複雑になり、ラマン散乱光測定装置のコストが上昇する。特許文献１に開示された入射光学系光学系では、光が全反射する条件を保った状態で入射角を変更することはできない。

本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、光の入射角の変更を簡易的な機構で実行可能にすることにより、全反射を起こす光の入射角を正確に制御することができる入射光学系、及び該入射光学系を用いたラマン散乱光測定装置を提供することにある。

本発明に係る入射光学系は、任意の試料が接触される平面状の試料面を有する透光部材を備え、前記試料面で全反射が行われるように前記試料面へ光を入射する入射光学系において、凹面状の反射面が回転放物面の一部分をなす放物面鏡と、前記回転放物面の回転対称軸に平行な光束を前記放物面鏡の反射面へ入射する入射手段とを備え、前記透光部材及び前記放物面鏡は、前記放物面鏡の反射面で反射した前記光束が、前記透光部材内へ入射され、前記試料面で内部全反射するように配置してあることを特徴とする。

本発明に係る入射光学系は、前記入射手段は、前記放物面鏡の反射面へ入射する光束の光軸を、前記回転放物面の回転対称軸に平行な状態を保ちながら、前記回転対称軸に接離する方向に移動させる手段を有することを特徴とする。

本発明に係る入射光学系は、前記透光部材は、前記試料面上の一点を球中心とする半球面の一部又は全部をなす曲面を有する形状になし、前記曲面が前記回転放物鏡の反射面に対向し、前記球中心が前記回転放物面の焦点に位置するように配置してあることを特徴とする。

本発明に係る入射光学系は、前記放物面鏡は、前記回転放物面の頂点に対応する部分が欠損した形状に形成してあり、前記放物面鏡及び前記透光部材は、前記試料面が前記回転放物面の頂点に対向するように配置してあることを特徴とする。

本発明に係るラマン散乱光測定装置は、本発明に係る入射光学系と、前記入射手段が入射する光束として単色の光束を発生させる手段と、前記入射光学系が備える透光部材の試料面で前記光束が全反射することにより発生したエバネッセント光が試料に作用することによって発生したラマン散乱光を検出する手段とを備えることを特徴とする。

本発明においては、ラマン散乱光測定装置で用いることができる入射光学系は、試料が接触する平面状の試料面を有する透光部材と、凹面状の反射面が回転放物面の一部分をなす放物面鏡とを備え、回転放物面の軸に平行な光束が、放物面鏡の反射面で反射し、透光部材へ入射され、透光部材内において試料面で全反射するように、透光部材及び放物面鏡を配置してある。試料面で光束が内部全反射することにより、発生したエバネッセント光で試料の試料面に接触した部分が励起される。

また本発明においては、入射光学系は、放物面鏡の反射面へ入射される光束の光軸を、回転放物面の軸に平行な状態を保ちながら軸に接離する方向に移動させる。

また本発明においては、透光部材は、球中心が試料面上にある半球面の少なくとも一部をなす曲面を有し、曲面が放物面鏡の反射面に対向し、試料面上の球中心が回転放物面の焦点に一致するように配置してある。放物面鏡の反射面で反射した光束は、透光部材の曲面に直交し、試料面上の焦点に集光する。

また本発明においては、放物面鏡は、回転放物面の頂点付近に対応する部分が欠損しており、透光部材は、試料面が頂点に対向して配置されている。試料が透明である場合、試料を透過した光は、回転放物面の頂点付近に対応する部分を通過して出射することが可能である。

本発明にあっては、放物面鏡の軸に平行な光束は、放物面鏡の反射面のどの位置で反射させたとしても、反射面で反射した後で回転放物面の焦点に集光するので、反射面上で光束が反射する位置を変化させることにより、焦点へ向かう光束の向きが変化する。従って、放物面鏡の軸に平行な光軸を移動させるだけで、透光部材の試料面で全反射する光束の入射角を変化させることができる。

また本発明にあっては、ミラーを平行移動させる機構等、回転放物面の軸に平行な光束の光軸を軸に接離する方向に移動させる機構を備えることにより、全反射を行う光束の入射角を変化させることを可能とする。ミラーの回転及び平行移動を同期させて正確に制御する機構等の複雑な機構を必要とすることが無いので、全反射において光の入射角を正確に制御することができるラマン散乱光測定装置を容易に実現することが可能となる。また簡易的な機構で光の入射角を変更することができるので、ラマン散乱光測定装置のコストの上昇を抑制することが可能となる。

また本発明にあっては、放物面鏡の反射面で反射した光束は、常に、試料面上にある回転放物面の焦点に集光して内部反射するので、光束の全反射によりエバネッセント光が発生する位置は、入射角が変化しても焦点から移動しない。従って、試料面に接触した試料へのエバネッセント光の浸透深さを入射角の変化により変化させ、試料を深さ方向に分析する際には、試料の同一部分を深さ方向に分析することが可能である。

また本発明にあっては、試料が透明である場合、エバネッセント光により発生したラマン散乱光を、回転放物面の頂点付近に対応する部分を通過して出射させることができるので、ラマン散乱光を測定するための機構を、入射光学系と物理的に干渉しない位置に配置することが可能となる等、本発明は優れた効果を奏する。

以下本発明をその実施の形態を示す図面に基づき具体的に説明する。
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る本発明の入射光学系を示す構成図であり、図２は、実施の形態１に係る本発明のラマン散乱光測定装置の構造を示す概略図である。本発明の入射光学系は、試料Ｓを載置される透光部材１１と、放物面鏡１２と、ミラー１３とを備えている。透光部材１１は、透光性の材料からなり、球中心を通る切断面で球体を切断した半球体の形状に形成してある。即ち、透光部材１１は、前述の切断面である平面状の試料面１１１と、半球面をなす曲面１１２とを有し、試料面１１１は、半球面の球中心を含み、球中心を円の中心とする円形となっている。透光部材１１の材料としては、屈折率の大きいものが良く、ガラス、石英、ＺｒＯ₂ 、ダイヤモンド、ＺｎＳｅ、ＫＲＳ−５、Ｓｉ、Ｇｅ等が挙げられる。ＫＲＳ−５は、ヨウ化タリウム及び臭化タリウムの混晶である。

放物面鏡１２は、反射面１２１が凹面状になった凹面鏡であり、反射面１２１が回転放物面１２２の一部をなす形状となっている。図１には、反射面１２１を延長した仮想的な回転放物面１２２を破線で示し、回転放物面１２２の回転対称軸１２３を一点鎖線で示している。また図１には、回転放物面１２２の頂点１２４及び焦点１２５を示している。放物面鏡１２は、頂点１２４付近に対応する部分が欠損した形状に形成してある。透光部材１１は、試料面１１１を回転対称軸１２３に対して垂直にし、試料面１１１の中心（半球面の球中心）を焦点１２５に一致させ、更に試料面１１１を頂点１２４に対向させて配置されている。この結果、透光部材１１の回転対称軸が回転放物面１２２の回転対称軸１２３に一致し、透光部材１１の曲面１１２は、放物面鏡１２の反射面１２１に対向している。図１及び図２では、透光部材１１及び放物面鏡１２の断面図を示している。透光部材１１及び放物面鏡１２は、三次元的には、図１に示す断面図を図１中の回転対称軸１２３を中心にして回転させた形状となっている。

ラマン散乱光測定装置は、レーザ光（光束）Ｌを発光するレーザ光源２１を備えている。ミラー１３は、レーザ光源２１が発光したレーザ光Ｌを回転対称軸１２３と平行に放物面鏡１２の反射面１２１へ入射するように、位置及び傾きが調整されている。ミラー１３は、本発明における入射手段であり、回転対称軸１２３に平行な光束であるレーザ光源２１からのレーザ光Ｌを、反射面１２１へ入射する。

ミラー１３により反射面１２１へ入射されたレーザ光Ｌは、反射面１２１で反射し、焦点１２５へ向かって透光部材１１へ入射する。放物面鏡１２の反射面１２１に対向する透光部材１１の曲面１１２は、焦点１２５に一致した球中心を持つ半球面であるので、焦点１２５へ向かう光は、曲面１１２と直交し、屈折しない。このため、ミラー１３により入射されて反射面１２１で反射したレーザ光Ｌは、直進し、透光部材１１の内部で焦点１２５に集光する。焦点１２５は試料面１１１上にあるので、焦点１２５に集光したレーザ光Ｌは、透光部材１１の内部において試料面１１１で反射する。レーザ光Ｌの試料面１１１に対する入射角が臨界角以上である場合は、レーザ光Ｌは試料面１１１で内部全反射する。ミラー１３は、レーザ光Ｌが試料面１１１で全反射するような位置に配置されている。

ミラー１３には、ソレノイド、ステッピングモータ又はアクチュエータ等によりミラー１３を移動させる移動機構１４が設けられている。移動機構１４は、放物面鏡１２の反射面１２１へ入射されるレーザ光Ｌの光軸を、回転対称軸１２３に平行な状態を保ちながら、回転対称軸１２３に接離する方向に移動させる構成となっている。具体的には、移動機構１４は、ミラー１３の傾きを固定した状態でミラー１３を平行移動させる構成となっている。図１には、ミラー１３を移動させたミラー１３ａを示している。放物面鏡１２の反射面１２１へ回転対称軸１２３と平行に入射されたレーザ光Ｌは、全て、反射面１２１で反射した後で焦点１２５に集光する。透光部材１１の曲面１１２は、焦点１２５に一致した球中心を持つ半球面であるので、放物面鏡１２の反射面１２１で反射したレーザ光Ｌは、全て、直進して試料面１１１上の焦点１２５へ集光し、透光部材１１の内部において試料面１１１で反射する。ミラー１３ａで反射したレーザ光Ｌも、ミラー１３で反射したレーザ光Ｌと同様に、回転対称軸１２３と平行に放物面鏡１２の反射面１２１へ入射され、反射面１２１で反射して焦点１２５へ集光し、透光部材１１の内部において試料面１１１上の焦点１２５で反射する。

回転対称軸１２３に平行なレーザ光Ｌの光軸が回転対称軸１２３に接離する方向に移動することにより、反射面１２１上でレーザ光Ｌが反射する位置は変化する。反射面１２１上での反射位置が変化することにより、焦点１２５に集光するレーザ光Ｌの試料面１１１に対する入射角が変化する。移動機構１４は、ミラー１３が移動可能な移動範囲を、焦点１２５に集光するレーザ光Ｌの試料面１１１に対する入射角が臨界角以上になる範囲内に限定する構成となっている。反射面１２１で反射したレーザ光Ｌは、直進して試料面１１１上の焦点１２５へ集光するので、レーザ光Ｌの試料面１１１に対する入射角が臨界角以上になるミラー１３の移動範囲は、屈折の影響を考慮せずに容易に求めることが可能である。従って、ミラー１３によって放物面鏡１２の反射面１２１へ入射されるレーザ光Ｌは、全て、透光部材１１の内部において試料面１１１の中心（焦点１２５）で全反射する。なお、本実施の形態では入射手段をミラー１３で構成しているが、本発明では、より多くの光学部品を用いて入射手段を構成してもよく、ミラー１３を平行移動させる方法以外の方法でレーザ光Ｌの光軸を平行移動させる構成であってもよい。

試料Ｓは、透光部材１１の試料面１１１の中心に載置される。また試料Ｓは透明な物質であるとする。レーザ光Ｌが試料面１１１で内部全反射する際には、試料面１１１でエバネッセント光が発生する。発生したエバネッセント光は、試料面１１１に接触した試料Ｓ内に浸透し、エバネッセント光と試料Ｓとの相互作用によりラマン散乱光Ｒが発生する。レーザ光Ｌは焦点１２５で全反射するので、試料面１１１の中心（焦点１２５）に接触した試料Ｓの部分からラマン散乱光Ｒが発生する。発生したラマン散乱光Ｒは、透明な試料Ｓを透過して試料Ｓ外へ放出される。

ラマン散乱光測定装置は、試料Ｓを透過して放出された光を集光する集光レンズ２２、レイリーカットフィルタ２３、集光レンズ２４及び分光器２５を備える。レイリーカットフィルタ２３は、レーザ光源２１が発光するレーザ光Ｌと同波長のレイリー散乱光を除去し、集光レンズ２４は、ラマン散乱光Ｒを集光して分光器２５へ入射させる。

またラマン散乱光測定装置は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device ）光センサ又は光電子増倍管を用いてなる光検出器２６を備える。分光器２５は、入射したラマン散乱光Ｒを分光し、光検出器２６は、分光器２５が分光したラマン散乱光Ｒを検出する。ラマン散乱光測定装置は、更に、光検出器２６に接続されたコンピュータ３を備える。光検出器２６は、検出したラマン散乱光Ｒの光量に対応する電気信号をコンピュータ３へ入力する。なお、光検出器２６は、その他の光センサを用いてなる構成であってもよい。

コンピュータ３は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）等の汎用コンピュータを用いて構成されている。コンピュータ３は、分光器２５が接続されており、分光器２５へ必要な制御信号を送信することにより、分光器２５が入射されたラマン散乱光Ｒの中から取り出すラマン散乱光Ｒの波長を制御する処理を行う。光検出器２６は、分光器２５が取り出したラマン散乱光Ｒを検出し、検出したラマン散乱光Ｒの光量を示す電気信号をコンピュータ３へ入力する。コンピュータ３は、光検出器２６からの電気信号を受け付け、分光器２５が取り出したラマン散乱光Ｒの波長をラマンシフトに変換し、ラマンシフトと光検出器２６が検出したラマン散乱光Ｒの光量とを関連付けて記憶する。またコンピュータ３は、分光器２５が取り出すラマン散乱光Ｒの波長を変化させながら光検出器２６からの電気信号を順次受け付け、各ラマンシフトに対応するラマン散乱光Ｒの光量を記憶することにより、ラマンスペクトルを取得する処理を行う。

更にコンピュータ３には、移動機構１４が接続されている。コンピュータ３は、移動機構１４へ必要な制御信号を送信することにより、ミラー１３を適宜移動させ、レーザ光Ｌの試料面１１１に対する入射角を制御する処理を行う。コンピュータ３は、レーザ光Ｌの試料面１１１に対する入射角を変化させ、入射角を変化させた条件の基でラマンスペクトルを取得する処理を行う。

以上の構成でなるラマン散乱光測定装置は、透光部材１１の試料面１１１に試料Ｓを載置させた状態で、透光部材１１の内部からレーザ光Ｌを試料面１１１で全反射させ、発生したエバネッセント光により試料Ｓから発生したラマン散乱光Ｒを測定する。またラマン散乱光測定装置は、試料面１１１に対するレーザ光Ｌの入射角を、臨界角以上の範囲で変更し、入射角を変更した状態で試料Ｓから発生するラマン散乱光Ｒを測定する。レーザ光Ｌが試料面１１１で全反射する範囲内で入射角を変更することにより、エバネッセント光が試料Ｓに浸透する深さが変化し、試料Ｓ内でラマン散乱光Ｒが発生する部分の深さが変化する。従って、本発明により、試料Ｓの表面からの深さが異なった部分からのラマン散乱光Ｒを測定することができ、試料Ｓ内の深さ方向の物質分布等、試料Ｓを深さ方向に分析することが可能となる。また、レーザ光Ｌが全反射してエバネッセント光が発生する位置は、入射角が変化しても、試料面１１１上にある焦点１２５から移動しないので、試料Ｓの同一部分を深さ方向に分析することが可能である。

本発明では、放物面鏡１２を利用することにより、回転対称軸１２３に平行に放物面鏡１２の反射面１２１へ入射されたレーザ光Ｌは、全て反射面１２１で反射して焦点１２５へ集光するようになる。焦点１２５で全反射が起こるように透光部材１１を配置してあるので、回転対称軸１２３に平行なレーザ光Ｌが反射面１２１で反射する位置を変更することにより、全反射時のレーザ光Ｌの入射角を変更することができる。回転対称軸１２３に平行なレーザ光Ｌの光軸を回転対称軸１２３に接離する方向に移動させることによりレーザ光Ｌが反射面１２１で反射する位置が変化するので、レーザ光Ｌの光軸を回転対称軸１２３に接離する方向に移動させるだけで、全反射時のレーザ光Ｌの入射角を変更することができる。レーザ光Ｌの光軸を回転対称軸１２３に接離する方向に移動させることは、ミラー１３を平行移動させる機構等、簡易的な機構で実行可能である。

従って、本発明では、試料Ｓを励起するために試料面１１１で全反射する光の入射角を正確に制御することができるラマン散乱光測定装置を容易に実現することが可能となる。また簡易的な機構で光の入射角を変更することができるので、ラマン散乱光測定装置のコストの上昇を抑制することが可能となる。

（実施の形態２）
実施の形態１に係るラマン散乱光測定装置は、試料Ｓを透過したラマン散乱光Ｒを測定する構成となっているので、試料Ｓは透明である必要がある。実施の形態２においては、試料Ｓが不透明な物質であってもラマン散乱光Ｒを測定することができるラマン散乱光測定装置を示す。

図３は、実施の形態２に係る本発明の入射光学系を示す構成図であり、図４は、実施の形態２に係る本発明のラマン散乱光測定装置の構造を示す概略図である。本実施の形態に係る入射光学系は、透光部材１５を備えてなる。透光部材１５は、球体中心を面中心とする試料面１５１と試料面１５１に平行な切頭面１５３とを有する切頭半球体の形状に形成されている。透光部材１５の曲面１５２は、半球面の一部をなす。透光部材１５は、試料面１５１を回転放物面１２２の回転対称軸１２３に対して垂直にし、試料面１５１の中心を回転放物面１２２の焦点１２５に一致させ、更に試料面１５１を回転放物面１２２の頂点１２４に対向させて配置されている。入射光学系のその他の構成は実施の形態１と同様であり、その説明を省略する。この形態においても、透光部材１５の回転対称軸は回転放物面１２２の回転対称軸１２３に一致し、透光部材１５の曲面１５２は放物面鏡１２の反射面１２１に対向している。透光部材１５は、三次元的には、図３に示す断面図を図３中の回転対称軸１２３を中心にして回転させた形状となっている。

透光部材１５の切頭面１５３は、回転対称軸１２３に対して垂直となっており、切頭面１５３の中心は回転対称軸１２３上になる。本実施の形態でも、試料Ｓは透光部材１５の試料面１５１に載置されるので、焦点１２５に対して切頭面１５３とは逆の位置に試料Ｓが配置されることになる。レーザ光Ｌが透光部材１５の試料面１５１で内部全反射し、エバネッセント光により試料Ｓの試料面１５１に接した部分で発生したラマン散乱光Ｒは、試料面１５１から透光部材１５内へ進入し、透光部材１５内を透過して切頭面１５３から放出される。

ラマン散乱光測定装置は、集光レンズ２２を透光部材１５の切頭面１５３に対向する位置に配置してあり、集光レンズ２２は、切頭面１５３から放出されたラマン散乱光Ｒを集光する。レイリーカットフィルタ２３、集光レンズ２４及び分光器２５は、集光レンズ２２が集光したラマン散乱光Ｒを、レイリーカットフィルタ２３及び集光レンズ２４を通して分光器２５へ入射させるように配置されている。ラマン散乱光測定装置のその他の構成は実施の形態１と同様であり、その説明を省略する。

以上の構成によって、本実施の形態においては、エバネッセント光により試料Ｓで発生したラマン散乱光Ｒを、試料Ｓを透過させること無く、透光部材１５内を透過させて切頭面１５３から取り出すことができる。ラマン散乱光Ｒが試料Ｓを透過せずともラマン散乱光Ｒを試料Ｓから取得できるので、試料Ｓが不透明な物質であってもそのラマン散乱光Ｒを測定することが可能となる。本実施の形態においても、回転対称軸１２３と平行に回転放物面１２２鏡１２の反射面１２１へ入射されるレーザ光Ｌの光軸を回転対称軸１２３に接離する方向に移動させるだけで、全反射時のレーザ光Ｌの入射角を変更することが可能である。従って、試料Ｓを励起するために試料面１５１で全反射する光の入射角を正確に制御することができるラマン散乱光測定装置を容易に実現することが可能となる。

なお、本実施の形態に係るラマン散乱光測定装置は、透光部材１５を透過したラマン散乱光Ｒを測定する形態であるとしたが、試料Ｓを透過したラマン散乱光Ｒをも測定できる構成であってもよい。即ち、ラマン散乱光測定装置は、試料Ｓを透過して放出されたラマン散乱光Ｒを導いて分光器２５へ入射させるための光学系を更に備えた構成としてもよい。この場合は、透明な試料Ｓについては試料Ｓを透過したラマン散乱光Ｒを測定し、不透明な試料Ｓについては透光部材１５を透過したラマン散乱光Ｒを測定するようにラマン散乱光測定装置を利用することが可能である。

（実施の形態３）
図５は、実施の形態３に係る本発明の入射光学系を示す構成図である。半球状に形成された透光部材１６は、試料面１６１を回転放物面１２２の回転対称軸１２３に対して垂直にし、試料面１６１の中心（半球面の球中心）を回転放物面１２２の焦点１２５に一致させ、更に、試料面１６１が焦点１２５に対して頂点１２４に対向する向きとは逆向きになるように配置されている。入射光学系のその他の構成は実施の形態１と同様である。このように配置した結果においても、図５に示すように、透光部材１６の回転対称軸は回転放物面１２２の回転対称軸１２３に一致し、透光部材１６の曲面１６２は、放物面鏡１２の反射面１２１に対向している。透光部材１６は、三次元的には、図５に示す断面図を図５中の回転対称軸１２３を中心にして回転させた形状となっている。また入射光学系を備えるラマン散乱光測定装置のその他の構成は、実施の形態１と同様である。

本実施の形態においても、回転対称軸１２３と平行に反射面１２１へ入射されるレーザ光Ｌの光軸を回転対称軸１２３に接離する方向に移動させるだけで、透光部材１６の試料面１６１で内部全反射するレーザ光Ｌの入射角を変更することが可能である。従って、試料Ｓを励起するために試料面１６１で全反射する光の入射角を正確に制御することができるラマン散乱光測定装置を容易に実現することが可能となる。

（実施の形態４）
図６は、実施の形態４に係る本発明の入射光学系を示す構成図である。本実施の形態に係る入射光学系は、透光部材１７を備えてなる。透光部材１７は、底面に対する側面の傾きが複数段階に亘って変化する円錐台の形状に形成されている。透光部材１７の側面の傾きは、軸方向に底面から離れるに従って、試料面１７１に対する傾きが順次非連続的に小さくなるようになっている。透光部材１７は、円錐台の底面を試料面１７１とし、頂面１７４が試料面１７１に平行な形状となっている。図６には、側面の傾きが２段階で変化している透光部材１７の例を示しており、透光部材１７は、試料面１７１に対する傾きが異なる第１側面１７２及び第２側面１７３を有する。

透光部材１７は、試料面１７１を回転放物面１２２の回転対称軸１２３に対して垂直にし、試料面１７１の中心を回転放物面１２２の焦点１２５に一致させ、更に試料面１７１を回転放物面１２２の頂点１２４に対向させて配置されている。この形態においても、透光部材１７の回転対称軸が回転放物面１２２の回転対称軸１２３に一致している。透光部材１７は、三次元的には、図６に示す断面図を図６中の回転対称軸１２３を中心にして回転させた形状となっている。

透光部材１７が有する各側面の試料面１７１に対する傾きは、垂直に入射された光が直進して焦点１２５に集光し、試料面１７１で内部全反射するように形成されている。また移動機構１４は、回転対称軸１２３に平行なレーザ光Ｌの光軸の取り得る位置を、放物面鏡１２の反射面１２１で反射したレーザ光Ｌが透光部材１７の各側面に対して垂直に入射されるような位置に限定する構成となっている。図６に示した例では、移動機構１４で移動されるミラー１３の位置は、第１側面１７２に垂直なレーザ光Ｌを入射させるための図６中のミラー１３の位置と、第２側面１７３に垂直なレーザ光Ｌを入射させるための図６中のミラー１３ａの位置とのいずれかに限定される。入射光学系のその他の構成は実施の形態１と同様であり、また入射光学系を備えるラマン散乱光測定装置のその他の構成は実施の形態１又は２と同様である。

以上の構成により、放物面鏡１２の反射面１２１に入射されるレーザ光Ｌは、反射面１２１で反射し、透光部材１７の何れかの側面を通過して透光部材１７内に入射され、試料面１７１上の焦点１２５に集光し、試料面１７１で内部全反射する。反射面１２１へ入射されるレーザ光Ｌの光軸を、取り得る何れかの位置に移動させることにより、透光部材１７の試料面１７１で内部全反射するレーザ光Ｌの入射角を変更することが可能である。従って、本実施の形態においても、試料Ｓを励起するために試料面１７１で全反射する光光の入射角を正確に制御することができるラマン散乱光測定装置を容易に実現することが可能となる。

（実施の形態５）
図７は、実施の形態５に係る本発明の入射光学系を示す構成図である。本実施の形態に係る入射光学系は、透光部材１８を備えてなる。透光部材１８は、円錐台の形状に形成されており、円錐台の底面を試料面１８１とし、頂面１８３が試料面１８１に平行な形状となっている。透光部材１８は、試料面１８１を回転放物面１２２の回転対称軸１２３に対して垂直にし、透光部材１８の回転対称軸を回転放物面１２２の回転対称軸１２３に一致させ、更に試料面１８１を回転放物面１２２の頂点１２４に対向させて配置されている。透光部材１８は、三次元的には、図７に示す断面図を図７中の回転対称軸１２３を中心にして回転させた形状となっている。

透光部材１８が有する側面１８２の試料面１８１に対する傾きは、垂直に入射された光が直進し、試料面１８１で内部全反射するように形成されている。また移動機構１４は、回転対称軸１２３に平行なレーザ光Ｌの光軸の取り得る位置を、放物面鏡１２の反射面１２１で反射したレーザ光Ｌが側面１８２に対して垂直に入射される位置からより回転対称軸１２３に近い位置に限定する構成となっている。図７に示した例では、移動機構１４で移動されるミラー１３の位置は、側面１８２に垂直なレーザ光Ｌを入射させるための図６中のミラー１３ａの位置からより回転対称軸１２３に近い位置に限定される。このようにレーザ光Ｌの光軸の位置が限定されているので、透光部材１８に入射されたレーザ光Ｌは、側面１８２で屈折するものの、試料面１８１に対する入射角は、側面１８２に垂直に入射される光の入射角よりも大きくなる。側面１８２に垂直に入射される光は試料面１８１で内部全反射するので、より入射角が大きいレーザ光Ｌも試料面１８１で内部全反射することになる。従って、透光部材１８に入射されたレーザ光Ｌは、透光部材１８の試料面１８１で内部全反射する。なお、本実施の形態では、透光部材１８に入射されたレーザ光Ｌは、側面１８２で屈折し、回転放物面１２２の焦点で集光しないので、焦点が透光部材１８の試料面１８１上にある必要はない。入射光学系のその他の構成は実施の形態１と同様であり、また入射光学系を備えるラマン散乱光測定装置のその他の構成は実施の形態１又は２と同様である。

以上の構成により、放物面鏡１２の反射面１２１に入射されるレーザ光Ｌは、反射面１２１で反射し、側面１８２を通過して透光部材１８内に入射され、試料面１８１で内部全反射する。反射面１２１へ入射されるレーザ光Ｌの光軸を、取り得る何れかの位置に移動させることにより、透光部材１８の試料面１８１で内部全反射するレーザ光Ｌの入射角を変更することが可能である。従って、本実施の形態においても、試料Ｓを励起するために試料面１８１で全反射する光の入射角を正確に制御することができるラマン散乱光測定装置を容易に実現することが可能となる。なお、本実施の形態においては、透光部材１８の形状を円錐台としたが、透光部材１８の形状を角錐台の形状とすることも可能である。

なお、以上の実施の形態１〜５においては、透光部材及び放物面鏡１２は回転対称軸１２３を回転軸とした回転体の形状に形成されているとしたが、これに限るものではない。透光部材及び放物面鏡１２は、レーザ光Ｌが通過する部分が存在していればよく、透光部材及び放物面鏡１２の形状は、回転対称軸１２３を回転軸とした回転体からレーザ光Ｌが通過しない部分を除去した形状であってもよい。また透光部材及び放物面鏡１２は、反射面１２１で反射して透光部材へ入射されたレーザ光Ｌが試料面で内部全反射するように配置されてあれば、必ずしも回転対称軸１２３に対して対称な構成である必要はない。例えば、実施の形態１〜３において曲面の球中心が回転放物面１２２の焦点に一致している等、レーザ光Ｌが試料面で内部全反射する条件が保たれていれば、試料面が回転対称軸１２３に対して直角以外の角度で交差するように透光部材が配置されてあってもよい。また例えば、放物面鏡１２は、試料面での反射後に透光部材外へ出射したレーザ光Ｌを反射する部分が欠損した形状であってもよい。

また以上の実施の形態１〜５においては、試料Ｓを透光部材の試料面に載置する形態を示したが、本発明の構成は、透光部材の試料面が天側になる構成に限るものではない。本発明の構成は、透光部材の試料面で発生するエバネッセント光が試料Ｓに浸透できるように試料Ｓが試料面に接触する構成であればよい。例えば、本発明の入射光学系は、透光部材の試料面を天側以外の方向に向け、試料Ｓを試料面に貼着する構成であってもよい。

また以上の実施の形態１〜５においては、本発明の入射光学系はラマン散乱光測定装置を構成する構成物であるとしたが、これに限るものではない。本発明の入射光学系は、光が試料面で全反射することによって試料Ｓを分析できる方法であれば、ラマン効果以外の現象を測定する測定装置で利用してもよい。例えば、フォトルミネセンス又は蛍光のスペクトルを測定する装置に本発明の入射光学系を組み込んでもよい。

実施の形態１に係る本発明の入射光学系を示す構成図である。 実施の形態１に係る本発明のラマン散乱光測定装置の構造を示す概略図である。 実施の形態２に係る本発明の入射光学系を示す構成図である。 実施の形態２に係る本発明のラマン散乱光測定装置の構造を示す概略図である。 実施の形態３に係る本発明の入射光学系を示す構成図である。 実施の形態４に係る本発明の入射光学系を示す構成図である。 実施の形態５に係る本発明の入射光学系を示す構成図である。 全反射を起こすように光を試料面へ入射する入射光学系の一部を示す模式図である。

符号の説明

１１、１５、１６、１７、１８ 透光部材
１１１、１５１、１６１、１７１、１８１ 試料面
１１２、１５２、１６２ 曲面
１２ 放物面鏡
１２１ 反射面
１２２ 回転放物面
１２３ 回転対称軸
１２４ 頂点
１２５ 焦点
１３ ミラー（入射手段）
１４ 移動機構
２１ レーザ光源
２５ 分光器
２６ 光検出器
３ コンピュータ
Ｌ レーザ光
Ｒ ラマン散乱光
Ｓ 試料

Claims (5)

1. 任意の試料が接触される平面状の試料面を有する透光部材を備え、前記試料面で全反射が行われるように前記試料面へ光を入射する入射光学系において、
   凹面状の反射面が回転放物面の一部分をなす放物面鏡と、
   前記回転放物面の回転対称軸に平行な光束を前記放物面鏡の反射面へ入射する入射手段とを備え、
   前記透光部材及び前記放物面鏡は、前記放物面鏡の反射面で反射した前記光束が、前記透光部材内へ入射され、前記試料面で内部全反射するように配置してあること
   を特徴とする入射光学系。
2. 前記入射手段は、前記放物面鏡の反射面へ入射する光束の光軸を、前記回転放物面の回転対称軸に平行な状態を保ちながら、前記回転対称軸に接離する方向に移動させる手段を有すること
   を特徴とする請求項１に記載の入射光学系。
3. 前記透光部材は、
   前記試料面上の一点を球中心とする半球面の一部又は全部をなす曲面を有する形状になし、
   前記曲面が前記回転放物鏡の反射面に対向し、前記球中心が前記回転放物面の焦点に位置するように配置してあること
   を特徴とする請求項１又は２に記載の入射光学系。
4. 前記放物面鏡は、前記回転放物面の頂点に対応する部分が欠損した形状に形成してあり、
   前記放物面鏡及び前記透光部材は、前記試料面が前記回転放物面の頂点に対向するように配置してあること
   を特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載の入射光学系。
5. 請求項１乃至４のいずれか一つに記載の入射光学系と、
   前記入射手段が入射する光束として単色の光束を発生させる手段と、
   前記入射光学系が備える透光部材の試料面で前記光束が全反射することにより発生したエバネッセント光が試料に作用することによって発生したラマン散乱光を検出する手段と
   を備えることを特徴とするラマン散乱光測定装置。

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