JP2012127855A - 分光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的簡単な構成で、中心波長を連続的に変えることができる分光装置を提供すること。
【解決手段】少なくとも２個の可変バンドパスフィルタで構成された第１および第２のフィルタ群からなり、
これらフィルタ群は、光軸に対して互いに異なる方向に所望の回転角度で交わるように回転可能に取り付けられていることを特徴とする分光装置である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、分光装置に関し、詳しくは、ラマン散乱光の測定に有効な分光装置に関するものである。

従来から、試料（測定対象）の分析にあたり、試料に励起用レーザ光束を照射したときに生じる励起光、蛍光、ラマン散乱光などを顕微鏡を介して分光分析することが提案されている。

ラマン散乱とは、レーザーなどの単一波長を物質に照射することによって生じる非線形な光学現象であり、照射する単一波長光源の波長に対して長波長側にも短波長側にも若干波長シフト（ラマンシフト）した散乱光が発生する現象である。このラマン散乱光は、照射光の強度を１とすると、１０^-14程度の微弱な光強度しか得られない。

このラマンシフトしたラマン散乱光スペクトルは物質固有のものであることから、試料が発生するラマン散乱光を検出することにより、試料中に含まれる物質の化学構造や物理的状態などを特定できる。なお、試料は固体、液体、気体を問わず、非破壊でラマン散乱光を検出できる。

ところで、このようなラマン散乱光の測定にあたり、レーリー散乱光は試料の特性測定を阻害する不要な光である。

ところが、レーリー散乱光とラマン散乱光の散乱断面積の比に着目すると、ほぼ１００００対１であって、不要なレーリー散乱光が圧倒的に大きい。

そこで、試料の測定に必要なラマン散乱光成分を失うことなく、レーリー散乱光などの不要な光成分を効率よく除去できる分光器が提案されている。

図１０は、特許文献１に記載されているフィルタ分光器の構成説明図である。図１０において、分光器１は、狭帯域バンドパスフィルタ１１〜１４と、ミラー１５とで構成されている。試料７からの放射光は、試料からの放射光は、第１光学系２で平行光束にされた後、第１のミラー３で光軸を約９０°曲げられる。この光束は、第１のミラー３により狭帯域バンドパスフィルタ１１〜１４へ等しい角度で入射され、レーリー光は透過除去され、ラマン光は反射／伝達される。第２のミラー５は、分光された光束を第１の光学系２、第１のミラー３の光軸に戻すために働く。第２光学系６は、以上のようにして分光された光束を主分光器１７の入射スリットに集光する。

特許文献１には、反射光やレーリー散乱光を、それらに比べて著しく微弱なラマン散乱光（信号光）から高効率で分離除去し、信号光のみを検出するための分光器が開示されている。

特開平８−２６１８２６号公報

しかし、図１０の構成は、狭帯域バンドパスフィルタを複数個使用することにより、狭い波長領域における透過率を抑制するものであるが、波長は光源と同じ波長に固定されていて、中心波長を連続的に変えることはできない。

本発明は、このような課題を解決するものであり、その目的は、比較的簡単な構成で、中心波長を連続的に変えることができる分光装置を提供することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
少なくとも２個の可変バンドパスフィルタで構成された第１および第２のフィルタ群からなり、
これらフィルタ群は、光軸に対して互いに異なる方向に所望の回転角度で交わるように回転可能に取り付けられていることを特徴とする分光装置である。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の分光装置において、
前記フィルタ群は、回転可能に取り付けられたフィルタ支持板上に少なくとも２個の可変バンドパスフィルタが固定されていることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の分光装置において、
前記フィルタ群は、各可変バンドパスフィルタが独立して回転可能に取り付けられていることを特徴とする。

これらにより、分光装置の中心波長を連続的に変えることができる。

本発明の一実施例を示す構成説明図である。 図１の構成の光軸ＯＡ上の各位置Ｂ〜Ｅにおける分光スペクトル図である。 本発明の他の実施例を示す構成説明図である。 本発明に基づく分光装置を用いた分光器の構成説明図である。 図４の光軸調整光学系１１０として用いる光軸ズレ補正装置の側面構成図である。 図５の上面構成図である。 図５の光学素子である光学フィルタ１１０ｎと補正用光学基板１１０ｐに着目した光路説明図である。 図４の構成により分光される波長領域の説明図である。 図４の構成により分光される他の波長領域の説明図である。 特許文献１に記載されているフィルタ分光器の構成説明図である。

以下、本発明について、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例を示す構成説明図である。図１において、矩形状のフィルタ支持板２０には可変バンドパスフィルタ２１と２２が垂直方向に平行に固定されて第１のフィルタ群を構成し、矩形状のフィルタ支持板３０には可変バンドパスフィルタ３１と３２が垂直方向に平行に固定されて第２のフィルタ群を構成している。

そして、フィルタ支持板２０の中心部分にはフィルタ支持板２０を任意の角度θ１で回転させるための回転軸２３が設けられ、フィルタ支持板３０の中心部分にはフィルタ支持板３０を任意の角度θ２で回転させるための回転軸２３が設けられている。これらフィルタ支持板２０と３０は、それぞれ図示しない回転機構により、光軸に対して所望の角度θ１およびθ２になるように回転駆動される。

これら可変バンドパスフィルタ２１と２２および３１と３２は、光の入射角度に応じて透過する波長領域を変化させる。

図２は、図１の構成の光軸ＯＡ上の各位置Ｂ〜Ｅにおける分光スペクトル図である。なお、光は、位置Ａから光軸ＯＡに沿って入射するものとして説明する。

実線Ｂは可変バンドパスフィルタ２１の透過波長領域を示していて、Ｌ１を底辺とする台形領域である。これは図１の位置Ｂでの透過スペクトルに相当する。

破線Ｃは可変バンドパスフィルタ２２の透過波長領域を示していて、Ｌ１ｍを底辺とする台形領域である。これは図１の位置Ｃでの透過スペクトルに相当する。

このように、光を、光軸ＯＡ上の位置Ａから、フィルタ支持板２０に支持固定されている２枚の可変バンドパスフィルタ２１と２２を透過させることにより、エッジ急峻度のよいバンドパスフィルタリングが行える。

一点鎖線Ｄは可変バンドパスフィルタ３１の透過波長領域を示していて、Ｌ２を底辺とする台形領域である。これは図１の位置Ｄでの透過スペクトルに相当する。

二点鎖線Ｅは可変バンドパスフィルタ３２の透過波長領域を示していて、Ｌ２ｍを底辺とする台形領域である。これは図１の位置Ｅでの透過スペクトルに相当する。

同様に、フィルタ支持板３０に支持固定されている２枚の可変バンドパスフィルタ３１と３２を透過させることによっても、エッジ急峻度のよいバンドパスフィルタリングが行える。

最終的に、４枚の可変バンドパスフィルタ２１、２２、３１、３２を透過することによって得られる図１の位置Ｅにおける透過波長領域は、図２のＬｏを底辺とするハッチングを付けた三角形の領域になる。

仮に、図１の構成において、可変バンドパスフィルタ２２、３２を使用しないものとすると、可変バンドバスフィルタ２１、３２による透過波長領域は、図２のＬｐを底辺とする三角形の領域になり、良好なエッジ急峻度は得られないことになる。

このように、光を複数の可変バンドパスフィルタを透過させることによって、より狭い透過波長領域を分光することができる。

そして、フィルタ支持板２０の角度θ１とフィルタ支持板３０の角度θ２を適切に変化させることにより、図２のＬｏを底辺とした三角形の中心波長ＬｃＸをＬｃＹへ推移させることができる。この中心波長Ｌｃの推移は、中心波長ＬｃＸからＬｃＹまでの間で、連続分光が行えることを意味する。

すなわち、光を複数の可変バンドパスフィルタを透過させるとともに、これら可変バンドパスフィルタの光軸に対する取付角度が任意に調整できるようにすることにより、狭い波長領域の分光スペクトルが得られ、かつ波長可変の分光が行える。

図３は本発明の他の実施例を示す構成説明図であり、図１と共通する部分には同一の符号を付けている。図３の実施例では、４枚の可変バンドパスフィルタ２１、２２、３１、３２は、フィルタ支持板２０、３０を介在させることなく、所定の取付部にそれぞれ個別の独立した回転軸２１、２２、３１、３２を介して取り付けられている。

図３において、可変バンドパスフィルタ２１、２２は第１のフィルタ群を構成し、可変バンドパスフィルタ３１、３２は第２のフィルタ群を構成している。

図３の構成によれば、フィルタ支持板２０、３０を介在させる図１の構成に比べて、可変バンドパスフィルタ２１、２２、３１、３２を回転させるのに必要なスペース幅を短縮でき、装置に組み込む場合の小型化が図れる。

なお、図１の実施例では、可変バンドパスフィルタ２１と２２は互いに平行になるようにフィルタ支持板２０に取り付けられて可変バンドパスフィルタ３１と３２は互いに平行になるようにフィルタ支持板３０に取り付けられ、図３の実施例では、可変バンドパスフィルタ２１と２２は互いに平行になるように光軸に対して等しい角度θ１で取り付けられて可変バンドパスフィルタ３１と３２は互いに平行になるように光軸に対して等しい角度θ２で取り付けられているが、可変バンドパスフィルタ２１と２２の組み合わせおよび可変バンドパスフィルタ３１と３２の組み合わせは必ずしも平行でなくてもよく、これら可変バンドパスフィルタ２１、２２、３１、３２の透過特性のバラツキを加味して全体として所望の透過特性が得られるように個別の角度に設定してもよい。

図４は、本発明に基づく分光装置を用いた分光器の構成説明図である。
図４において、光源１０１の出力光は、光照射レンズ光学系１０２を介して、試料である測定対象１０３に照射される。測定対象１０３の照射にあたっては、光源１０４のように光軸から外れた位置から照射してもよい。

なお、これら光源１０１と１０４は少なくともいずれか一つがあればよく、これら光源１０１と１０４はレーザのような単一波長光源でもよいし、広領域波長光源でもよい。

測定対象１０３からの光は対物レンズ光学系１０５により拡大され、エッジフィルタ１０６によりある波長を境に、その短波長領域あるいは長波長領域に限定された光が透過する。

エッジフィルタ１０６の出力光は、可変バンドパスフィルタ１０７を通過することによって分光される。可変バンドパスフィルタ１０７で分光された出力光は、ノッチフィルタ１０８→偏光フィルタ１０９→光軸調整光学系１１０→結像光学系１１１よりなる光学経路を経て、２次元アレイ光検出器１１２に入射される。

可変バンドパスフィルタ１０７としては、たとえば図１や図３に示したように可変バンドパスフィルタ２１と２２および３１と３２で構成される本発明に基づく分光器を用いることができる。

ノッチフィルタ１０８は必須ではないが、光源１０１または１０４が単一波長光源である場合にはあったほうがよい。

光軸調整光学系１１０としては、たとえば図５および図６に示すように構成される光軸ズレ補正装置を用いる。図５は側面構成図、図６は図５の上面構成図である。図５および図６において、支持板１１０ａには、たとえば図示しないベアリングを介して、円滑に回転するように４本のシャフト１１０ｂ〜１１０ｅが取り付けられている。これらシャフト１１０ｂ〜１１０ｅには、それぞれプーリー１１０ｆ〜１１０ｉが固定されている。

シャフト１１０ｄには回転動力源１１０ｊ（たとえばモータ）が連結され、プーリー１１０ｆとプーリー１１０ｇはベルト１１０ｋを介して連結され、プーリー１１０ｈとプーリー１１０ｉはベルト１１０ｍを介して連結され、プーリー１１０ｇとプーリー１１０ｈは互いの外周が直接接触するように連結されている。

シャフト１１０ｂには光学フィルタ１１０ｎが取り付けられ、シャフト１１０ｅには補正用光学基板１１０ｐが取り付けられている。

このような構成において、回転動力源１１０の回転は、シャフト１１０ｄ→プーリー１１０ｈ→ベルト１１０ｍ→プーリー１１０ｉ→シャフト１１０ｅの伝達系を介して補正用光学基板１１０ｐに伝達されて補正用光学基板１１０ｐを回転させるとともに、シャフト１１０ｄ→プーリー１１０ｈ→プーリー１１０ｇ→ベルト１１０ｋ→プーリー１１０ｆ→シャフト１１０ｂの伝達系を介して光学フィルタ１１０ｎに伝達されて光学フィルタ１１０ｎを回転させる。ここで、プーリー１１０ｇとプーリー１１０ｈは、図２に示すように、互いの外周が直接接触するように連結されているので、互いに逆方向に回転する。

図７は、図５の光学素子である光学フィルタ１１０ｎと補正用光学基板１１０ｐに着目した光路説明図である。図７において、光学フィルタ１１０ｎは、直進方向の光軸ＯＡａに対する直交位置から反時計方向に角度θ回転した傾き角度で配置されている。これに対し、補正用光学基板１１０ｐは、直進方向の光軸ＯＡａの延長線に対する直交位置から時計方向に角度θ回転した傾き角度で配置されている。

光は、光軸ＯＡａに沿って光学フィルタ１１０ｎの表面１１３ａに到達し、光学フィルタ１１０ｎに入射される。光学フィルタ１１０ｎに入射された光は、スネルの法則にしたがって光学フィルタ１１０ｎの内部で屈折率ｎに応じて屈折して透過し、光学フィルタ１１０ｎの裏面１１３ｂに到達する。

光学フィルタ１１０ｎの裏面１１３ｂに到達した光は、スネルの法則にしたがって再び屈折して光軸ＯＡａと平行な光軸ＯＡｂに沿って進行し、補正用光学基板１１０ｐの表面１１４ａへ到達して補正用光学基板１１０ｐに入射される。このとき、光軸ＯＡｂは、光軸ＯＡａの延長線上にあるべき本来の光軸ＯＡｃに対して距離Ｓだけの光軸のズレを生じる。この距離Ｓの光軸のズレは、光学フィルタ１１０ｎの傾き角度θと厚みｄと屈折率ｎの関数で表すことができる。

補正用光学基板１１０ｐの表面１１４ａに入射された光は、スネルの法則にしたがって補正用光学基板１１０ｐの内部で屈折率ｎに応じて光学フィルタ１１０ｎの透過に起因する距離Ｓの光軸のズレを打ち消す方向に屈折して透過し、補正用光学基板１１０ｐの裏面１１４ｂに到達する。

補正用光学基板１１０ｐの裏面１１４ｂに到達した光は、スネルの法則にしたがって再び屈折して光軸ＯＡａの延長線上の本来の光軸ＯＡｄに沿って進行する。

すなわち、補正用光学基板１１０ｐの屈折率ｎと厚みｄを光学フィルタ１１０ｎの屈折率ｎと厚みｄと同一にし、光軸ＯＡａに対する光学フィルタ１１０ｎの反時計方向の傾き角度θとその延長線上の本来の光軸ＯＡｄに対する補正用光学基板１１０ｐの時計方向の傾き角度θが常に等しくなるように光学フィルタ１１０ｎと補正用光学基板１１０ｐを連動して回転駆動することにより、光学フィルタ１１０ｎの透過に起因する距離Ｓの光軸のズレを打ち消して、補正用光学基板１１０ｐの裏面１１４ｂから出射される光を光学フィルタ１１０ｎの表面１１３ａから入射される光軸ＯＡａの延長線上の本来の光軸ＯＡｄと一致させることができ、光軸ズレのない光学フィルタが実現できる。

これにより、本発明のような角度変調型の可変波長光学フィルタを用いながら、連続測定が行える。光入射角度を変えながらリアルタイムに測定を行いたい場合、光入射角度を変えることに伴い光軸ズレが発生するが、図５および図６に示すように構成される光軸ズレ補正装置を用いることにより光軸ズレを自動的に補正することができるため、間断なく連続測定が行える。

再び図４にもどり、２次元アレイ光検出器１１２は、ＣＭＯＳイメージセンサやＣＣＤイメージセンサなどを用いることができる。

これらエッジフィルタ１０６、可変バンドパスフィルタ１０７、ノッチフィルタ１０８、偏光フィルタ１０９、光軸調整光学系１１０、結像光学系１１１および２次元アレイ光検出器１１２は制御装置１１３と接続されている。

エッジフィルタ１０６、ノッチフィルタ１０８および偏光フィルタ１０９は、制御装置１１３により、必要に応じて光軸上への出し入れが制御される。そして、可変バンドパスフィルタ１０７、光軸調整光学系１１０、結像光学系１１１および２次元アレイ光検出器１１２は、制御装置１１３により、分光される波長領域と撮像するタイミングが所望の条件になるように制御される。

図４の動作を、図８および図９を用いて説明する。図８はエッジフィルタ１０６と可変バンドパスフィルタ１０７により分光される波長領域の説明図であり、横軸は波長λを表し、縦軸は透過率Ｔを表している。

図８において、Ｃ１に示すようなスペクトルの波長領域ｔ０からｔ１を分光するものとする。実線ａはエッジフィルタ１０６の光透過領域を示し、波長領域Ｌｅ以下の短波長領域の光を透過させることを意味している。

破線ｂと一点鎖線ｃは、可変バンドパスフィルタ１０７の透過領域を示している。透過領域を変調することにより、波長範囲Ｖｔ０＝ Ｖｔ０Ｙ−Ｖｔ０Ｘの領域を透過させる破線ｂの状態と、波長範囲Ｖｔ１＝Ｖｔ１Ｙ−Ｖｔ１Ｘの領域を透過させる一点鎖線ｃの状態を生成する。なお、図８では、実線ａと破線ｂと一点鎖線ｃはそれぞれの透過率が異なるように描画されているが、説明の便宜上であって、特段の意味はない。

今、破線ｂの状態をとった場合、透過する波長領域は、長波長側がエッジフィルタ１０６の透過領域と可変バンドパスフィルタ１０７の透過領域からなるため、Ｒｔ０＝Ｖｔ０Ｘ−Ｌｅになる。まず、このときの光量を測定し、この光量をＥ＿Ｒｔ０とする。

次に、一点鎖線ｃの状態をとった場合の光量を測定する。この場合、透過する波長領域はＲｔ１＝Ｖｔ１Ｘ−Ｌｅであり、この光量をＥ＿Ｒｔ１とする。

実線ａと一点鎖線ｃの状態における光量、Ｅ＿Ｒｔ０とＥ＿Ｒｔ１は、制御装置１１３が有する記憶機能により保持されている。

制御装置１１３は、光量Ｅ＿Ｒｔ０からＥ＿Ｒｔ１を減ずる計算処理を行い、差分光量Ｅ＿Ｒｔ(０−１)＝Ｅ＿Ｒｔ０−Ｅ＿Ｒｔ１を算出する。

ここで、Ｅ＿Ｒｔ(０−１)は、波長領域Ｒｔ０ｔ１＝Ｖｔ０Ｘ−Ｖｔ１Ｘでの光量を意味している。つまり、スペクトルＣ１に対し、この波長領域での分光出力が得られたことになる。なお、上記の「光量を測定する」とは、２次元アレイ光検出器１１２による平面撮像を意味している。これにより、制御装置１１３は、２次元アレイ光検出器１１２における各素子（ピクセル）それぞれの測定光量を記憶して減算処理を行い、各素子それぞれから分光結果を出力をする。

続いて、Ｃ１スペクトルの異なる領域の分光を行う。

図９は、可変バンドパスフィルタ１０７の光透過領域を変調し、さらに長波長側の領域を透過させるように制御した状態を示す波長領域の説明図であり、横軸は波長λを表し、縦軸は透過率Ｔを表している。

図９において、スペクトルＣ１の波長領域ｔ１からｔ２を分光するものとする。実線ａはエッジフィルタ１０６の光透過領域を示している。破線ｃは可変バンドパスフィルタ１０７の透過領域を示していて、このときの光量Ｅ＿Ｒｔ１は制御装置１１３により記憶されている。二点鎖線ｄは、可変バンドパスフィルタ１０７を制御し、さらに長波長領域Ｖｔ２＝Ｖｔ２Ｙ−Ｖｔ２Ｘの光を透過するように変調された新たな状態である。

このような状態において、図８と同様な計算処理を行う。この場合、正味の光透過領域は、Ｒｔ１ｔ２＝Ｒｔ１−Ｒｔ２＝(Ｌｅ−Ｖｔ１Ｘ) −(Ｌｅ−Ｖｔ２Ｘ)となる。

そして、このときの透過光量は、Ｅ＿Ｒｔ(１−２)＝Ｅ＿Ｒｔ１−Ｅ＿Ｒｔ２として算出される。

以上により、スペクトルＣ１に対し、長波長側での分光出力が得られたことになる。

これら図８および図９で説明した処理動作を連続的に繰り返して実行することにより、スペクトルＣ１の全波長領域に対する分光処理が行える。

図４の構成によれば、比較的少ない光学部品点数で、小型で安価な分光装置を構成できる。

また、このように構成される分光装置と２次元アレイ光検出器１１２を用いることで２次元（ＸＹ）平面の分光を時間遅れなく行うことができ、ある測定時刻に対して同じ波長領域を分光できる。

そして、２次元アレイ光検出器１１２の撮像速度に基づき、高速の分光が行える。

さらに、可変バンドパスフィルタ１０７の透過領域の制御精度がそのまま波長分解能となることから、高い波長分解能が得られる。

なお、図８および図９の説明では、エッジフィルタ１０６として短波長領域を光透過するように構成されたショートパスフィルタを使用すると仮定して説明したが、長波長領域を光透過するロングパスフィルタを使用するものであってもよい。

また、図４に示すように偏光フィルタ１０９を用いることにより、偏光依存性を持ったスペクトルの分光も行える。

また、図４に示すような偏光フィルタ１０９を用いることにより、偏光の方向を制御しながら分光を行うこともできる。

また、図４に示す結像光学系１１１を共焦点光学系として構成することにより、測定対象１０３の深さ方向をも測定できる。

以上説明したように、本発明によれば、比較的簡単な構成で、光軸のズレを補正できる分光装置が実現でき、分光装置や顕微鏡など、各種光学装置における光軸ズレの補正に好適である。

２０、３０ フィルタ支持板
２１、２２、３１、３２ 可変バンドパスフィルタ
２３、３３、２１ａ、２２ａ、３１ａ、３２ａ 回転軸

Claims (3)

1. 少なくとも２個の可変バンドパスフィルタで構成された第１および第２のフィルタ群からなり、
   これらフィルタ群は、光軸に対して互いに異なる方向に所望の回転角度で交わるように回転可能に取り付けられていることを特徴とする分光装置。
2. 前記フィルタ群は、回転可能に取り付けられたフィルタ支持板上に少なくとも２個の可変バンドパスフィルタが固定されていることを特徴とする請求項１記載の分光装置。
3. 前記フィルタ群は、各可変バンドパスフィルタが独立して回転可能に取り付けられていることを特徴とする請求項１記載の分光装置。

Images