JP2013205231A - ブリルアン散乱顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】試料からのブリルアン散乱光の発光効率が高いブリルアン散乱顕微鏡を提供する。
【解決手段】レーザ光を出射する発光素子１２と、発光素子１２から出射されるレーザ光を走査しつつ試料Ｓに照射する走査光学系２１と、試料Ｓから発生する光を共焦点絞りを介して検出する検出光学系３１とを備え、発光素子１２と走査光学系２１との間に、発光素子１２から出射されるレーザ光の一部を導入して波長シフトレーザ光を発生するＳＳＢ変調器１３を設け、このＳＳＢ変調器１３から発生する波長シフトレーザ光を発光素子１２から出射するレーザ光に重畳し、この重畳したレーザ光を走査光学系２１にて走査しつつ試料Ｓに照射し、この試料Ｓから発生する誘導ブリルアン散乱光を検出光学系３１にて検出して観察を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、ブリルアン散乱顕微鏡に関し、特に詳しくは、誘導ブリルアン散乱を利用することにより、ブリルアン散乱の発生効率の高いブリルアン散乱顕微鏡に関するものである。

レーザ顕微鏡は、レーザ光を試料の表面をＸＹ方向に走査しながら対物レンズの高さ位置を上下動させ、ＸＹ平面上の各点にて共焦点となるＺ位置を測定することで、試料の表面形状の分布等を表示する装置である。
このようなレーザ顕微鏡の応用例としては、試料にレーザ光を照射し、この試料からのラマン散乱光を検出して成分組成の分析を行うラマン顕微鏡が提案されている（特許文献１参照）。

一方、ブリルアン散乱光を用いても、成分組成や歪み、温度等の分析を行うことができる。
このようなブリルアン散乱光を用いた装置としては、レーザ光からブリルアン散乱光を分離する特殊な分光器を組み込むことにより、高い空間分解能とブリルアン散乱光の成分組成とを両立したレーザ顕微鏡（非特許文献１参照）、ブリルアン散乱光を用いて、測定対象物の弾性及び粘性の分布を非接触かつ簡便に測定することのできる弾性粘性測定装置（特許文献２参照）等が提案されている。

特開２００７−１４７３５７号公報 再公表ＷＯ２００７／０３４８０２号公報

小島誠治、「顕微ブリルアン散乱法によるギガヘルツ帯音波物性」、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、２００９年、第３０巻、ｐ．４１９−４２２

ところで、従来のブリルアン散乱光を用いた装置では、試料からのブリルアン散乱光の発光効率が低く、試料の表面の歪みや温度の測定精度が著しく低下してしまい、その結果、試料の表面の歪みや温度等の３次元表示を充分に行うことができない場合があるという問題点があった。
その理由は、試料にレーザ光を照射した場合に、この試料中のフォノンによって、フォノン周波数Ωに相当する波長Δλの分だけ波長がシフトした誘導ブリルアン散乱光が発生するが、この誘導ブリルアン散乱光の発光効率が低く、したがって、発光するブリルアン散乱光の光強度も弱いものとなり、その結果、このブリルアン散乱光を単に増幅しても目的とする試料の表面の歪みや温度等を３次元表示する際の空間分解能が充分に得られないことにある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、試料からのブリルアン散乱光の発光効率が高いブリルアン散乱顕微鏡を提供することを目的とする。

本発明者等は、上記課題を解決するために鋭意検討を行った結果、前記光源から出射されるレーザ光の一部を用いて種光を発生するＳＳＢ変調手段をブリルアン散乱顕微鏡に組み込み、このＳＳＢ変調手段から発生する種光を光源から出射されるレーザ光に重畳し、この重畳したレーザ光を試料に照射することにより、この試料に誘導ブリルアン散乱光を発生させ、この誘導ブリルアン散乱光を基に、試料の表面形状や成分の分布を画像表示すれば、試料からのブリルアン散乱光の発光効率が高くなり、その結果、空間分解能及び測定精度が高い３次元表示画像が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明のブリルアン散乱顕微鏡は、レーザ光を出射する光源と、前記光源から出射されるレーザ光を走査しつつ試料に照射する走査光学系と、前記試料から発生する光を共焦点絞りを介して検出する検出光学系とを備え、前記光源と前記走査光学系との間に、前記光源から出射されるレーザ光の一部を導入して種光を発生するＳＳＢ変調手段を設け、前記ＳＳＢ変調手段から発生する種光を前記光源から出射するレーザ光に重畳し、この重畳したレーザ光を前記走査光学系にて走査しつつ試料に照射し、この試料から発生する誘導ブリルアン散乱光を検出して観察を行うことを特徴とする。

前記光源は、発光素子からなり、前記ＳＳＢ変調手段から発生する種光を前記発光素子から出射するレーザ光に重畳し、この重畳したレーザ光を前記走査光学系にて前記試料の表面を縦横に走査しつつ前記試料に照射することが好ましい。

前記光源は、複数の発光素子を配列してなるライン光源からなり、前記検出光学系は、前記複数の発光素子それぞれが出射するレーザ光に対応して配列された複数の検出素子からなるライン検出部を備え、前記ＳＳＢ変調手段から発生する種光を前記ライン光源から出射する複数のレーザ光それぞれに重畳し、これら重畳した複数のレーザ光を前記走査光学系にて前記試料の表面を前記複数のレーザ光の配列方向と直交する方向に走査しつつ前記試料に照射することが好ましい。

前記種光の最大波長は、前記ＳＳＢ変調手段の変調周波数に対応して長波長側にシフトしていることが好ましい。
前記試料からのブリルアン散乱光を基に、この試料の表面形状、成分の分布のいずれか一方または双方を３次元画像表示する表示手段を備えていることが好ましい。

本発明のブリルアン散乱顕微鏡によれば、光源と走査光学系との間に、光源から出射されるレーザ光の一部を導入して種光を発生するＳＳＢ変調手段を設け、このＳＳＢ変調手段から発生する種光を光源から出射するレーザ光に重畳し、この重畳したレーザ光を走査光学系にて走査しつつ試料に照射し、この試料から発生する誘導ブリルアン散乱光を検出して観察を行うので、種光を試料に照射することにより、この試料から発生するフォノン周波数Ωに相当する波長Δλの分だけ波長がシフトした誘導ブリルアン散乱光の光強度を増大させることができ、試料からのブリルアン散乱光の発光効率を高めることができる。したがって、この発光効率の高い誘導ブリルアン散乱光を用いて、この試料の表面形状や成分の分布を３次元表示すれば、空間分解能及び測定精度が高い３次元表示画像を容易に得ることができる。

本発明の第１の実施形態のブリルアン散乱顕微鏡を示す概略構成図である。 本発明の第１の実施形態のブリルアン散乱顕微鏡のＳＳＢ変調器を示す概略構成図である。 本発明の第１の実施形態のＳＳＢ変調器を示す概略構成図である。 本発明の第１の実施形態のブリルアン散乱顕微鏡のＳＳＢ変調器の光導波路の各点におけるレーザ光の周波数スペクトルと位相を示す図である。 本発明の第１の実施形態のＳＳＢ変調の前後におけるレーザ光の波長と光強度との関係を示す図である。 本発明の第１の実施形態における誘導ブリルアン散乱光の発生と自発的なブリルアン散乱光の発生の違いを説明する模式図である。 本発明の第１の実施形態における発光効率の最も高い誘導ブリルアン散乱光を発生させるためのレーザ光の波長を特定する方法を示す図である。 本発明の第１の実施形態のブリルアン散乱顕微鏡における試料の３次元表示画像の一例を示す図である。 本発明の第２の実施形態のブリルアン散乱顕微鏡を示す概略構成図である。

本発明のブリルアン散乱顕微鏡を実施するための形態について説明する。
なお、この形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態のブリルアン散乱顕微鏡を示す概略構成図であり、このブリルアン散乱顕微鏡１は、レーザ光を走査することにより共焦点画像を取得する共焦点顕微鏡であり、さらに非共焦点光学系を備えることによりピンホールを通さずに結像した非共焦点画像も取得することができる。

このブリルアン散乱顕微鏡１は、共焦点光学系１Ａと、非共焦点光学系１Ｂと、ブリルアン散乱顕微鏡１の動作制御及び信号処理を実行する制御部２と、ブリルアン散乱顕微鏡１からの３次元表示画像を表示するためのディスプレイ（表示手段）３とを備えている。
共焦点光学系１Ａは、レーザ光を出射する第１照明光学系１１と、レーザ光を走査しつつ試料Ｓに照射する走査光学系２１と、試料Ｓから発生する光を共焦点絞りを介して検出する第１検出光学系３１とを備えている。

第１照明光学系１１は、発光素子１２と、ＳＳＢ変調器（ＳＳＢ変調手段）１３と、コリメータレンズ１４と、アナモルフィックプリズム１５と、アイリス１６とを備えている。
発光素子１２は、例えば、紫色レーザ光や赤色レーザ光を発光する半導体レーザ（ＬＤ）である。この発光素子１２は、制御部２により制御されるレーザ駆動回路（図示略）により駆動される。

ＳＳＢ変調器（Single Side Band modulator）１３は、マイクロ波発生器１７Ａとオートバイアスコントロール回路１７Ｂとからなるドライブ回路１７を備えており、発光素子１２からのレーザ光をＲＦ（Radio Frequency）信号で変調した際に基本波周波数の＋側と−側に発生する側波帯の片方を抑圧し、単一の側波帯からなる出力光を得ることができる光変調器である。このＳＳＢ変調器１３によれば、ＲＦ信号の周波数を変更することにより、出力するレーザ光の波長を変化させることが可能である。
例えば、発光素子１２から出射されるレーザ光の一部を導入し、このレーザ光の最大波長λを、このＳＳＢ変調器１３の変調周波数に対応して長波長側に波長Δλだけシフトした波長λ＋Δλの波長シフトレーザ光（種光）を発生する。

このＳＳＢ変調器１３は、図２に示すように、ＳＳＢ変調器１１１と、マイクロ波ドライバ１１２と、マイクロ波分岐器１１３と、位相シフタ（フェーズシフタ）１１４、１１５と、直流電源（ＤＣ Supply）１１６〜１１８と、合波器（Ｂｉａｓ Ｔｃｃ）１１９、１２０を備えており、位相シフタ１１４及び直流電源１１６は合波器１１９を介してＳＳＢ変調器１１１に接続され、位相シフタ１１５及び直流電源１１７は合波器１２０を介してＳＳＢ変調器１１１に接続され、このＳＳＢ変調器１１１には光検出器１２１が接続され、これら直流電源１１６〜１１８はオートバイアスコントロール回路１７Ｂによりオートバイアスコントロール（ＡＢＣ）されている。

ＳＳＢ変調器１１１は、図３に示すように、メインマッハツェンダー導波路１３１の各アームにそれぞれ第１及び第２のサブマッハツェンダー導波路１３２，１３３が配置され、メインマッハツェンダー導波路１３１上かつ出力側には、直流電源１１８から電圧を印加することにより伝搬光の位相を変化させるための電極１３４が装荷され、サブマッハツェンダー導波路１３２上には、位相シフタ１１４及び直流電源１１６により周波数ｆｍのＲＦ電圧及びＤＣ電圧を印加することにより伝搬光の位相を変化させるための電極１３５が装荷され、サブマッハツェンダー導波路１３３上にも同様に、位相シフタ１１５及び直流電源１１７により周波数ｆｍのＲＦ電圧及びＤＣ電圧を印加することにより伝搬光の位相を変化させるための電極１３６が装荷されている。

次に、コリメータレンズ１４は、発光素子１２から出射するレーザ光とＳＳＢ変調器１３から発生する波長シフトレーザ光（種光）とを重畳し、この重畳したレーザ光を平行光化する光学素子である。
アナモルフィックプリズム１５は、この重畳したレーザ光を成形する光学素子であり、例えば、重畳したレーザ光の断面形状を楕円形から円形に成形する。
アイリス１６は、重畳したレーザ光を所定のビーム径及び断面形状に整形する絞りである。

走査光学系２１は、第１走査ミラー２２と、第１瞳リレーレンズ（ｆθレンズ）２３と、第２瞳リレーレンズ（ｆθレンズ）２４と、第２走査ミラー２５と、第３瞳リレーレンズ（ｆθレンズ）２６と、チューブレンズ２７と、ハーフミラー２８と、対物レンズ２９とを備えている。

第１走査ミラー２２はレゾナンスミラーにより構成されており、この第１走査ミラー２２を紙面に垂直なＹ軸の回りに回転させることで、反射するレーザ光をＸ軸方向（紙面に水平な一方向）に偏向させる。
第２走査ミラー２５はガルバノミラーにより構成されており、この第２走査ミラー２５を紙面に水平なＸ軸の回りに回転させることで、レーザ光をＹ軸方向（紙面に垂直な一方向）に偏向させる。
このように、第１走査ミラー２２及び第２走査ミラー２５により、試料Ｓの表面にて、レーザ光をＸ軸方向に偏向させる動作を、Ｙ軸方向に沿って繰り返し行うことにより、試料Ｓの表面（ＸＹ平面）の二次元走査が可能である。これら第１走査ミラー２２及び第２走査ミラー２５は、ミラー駆動部（図示略）により回転可能であり、それぞれの回転駆動は制御部２により制御されている。

第１走査ミラー２２及び第２走査ミラー２５は、それぞれ、第１瞳リレーレンズ２３、第２瞳リレーレンズ２４、及び第３瞳リレーレンズ２６により、対物レンズ２９の瞳位置と共役位置に配置されている。
これら第１走査ミラー２２及び第２走査ミラー２５により平面上で偏向されたレーザ光は、チューブレンズ２７及びハーフミラー２８を透過して対物レンズ２９に入射し、試料Ｓ上に集光される。

第１検出光学系３１は、偏光ビームスプリッタ３２と、１／４波長板３３と、ピンホールレンズ３４と、ピンホール（共焦点絞り）３５と、光検出器３６とを備えている。
偏光ビームスプリッタ３２及び１／４波長板３３は、照明光学系１１と走査光学系２１との間に配置され、試料Ｓに照射するレーザ光と試料Ｓから発生するレーザ光とを分離する。

ピンホールレンズ３４は、偏光ビームスプリッタ３２から入射する光をピンホール３５に集光する。
光検出器３６は、ピンホール３５を通過して入射する光を検出し、その受光量を電気信号に変換して出力する素子であり、この光検出器３６としては、光電子増倍管等を挙げることができる。
この光検出器３６では、上記の電気信号を制御部２に出力し、制御部２にてブリルアン散乱顕微鏡１からの電気信号に基づき３次元表示画像の電気信号を作製し、ディスプレイ３にて３次元表示画像を表示する。

この共焦点光学系１Ａにおいては、発光素子１２から出射されたレーザ光の多くは、コリメータレンズ１４に入射し、このレーザ光の一部は、ＳＳＢ変調器１３に入射する。
ＳＳＢ変調器１３では、図３に示すように、ＳＳＢ変調器１１１のメインマッハツェンダー導波路１３１に周波数ｆ０の光波が入力され、この入力光は、分岐後に２つのサブマッハツェンダー導波路１３２，１３３に導入されて、変調を受ける。変調されたレーザ光は、再びメインマッハツェンダー導波路１３１にて合波され、出力される。

ここでは、サブマッハツェンダー導波路１３２上の電極１３５に、変調信号ＲＦ_Ａに対する位相差がπとなるように位相シフタ１１４により位相が調整された変調周波数ｆｍのＲＦ電圧（変調信号ＲＦ_Ａ）を印加し、さらに直流電源１１６から出力されるＤＣ電圧（ＤＣ_Ａ）を印加する。
また、サブマッハツェンダー導波路１３３上の電極１３６に、位相シフタ１１５により位相が調整された変調周波数ｆｍのＲＦ電圧（変調信号ＲＦ_Ｂ）を印加し、さらに伝搬するレーザ光の位相差がπとなるように直流電源１１７から出力されるＤＣ電圧（ＤＣ_Ｂ）を印加する。
さらに、メインマッハツェンダー導波路１３１上の電極１３４に、サブマッハツェンダー導波路１３３を伝搬するレーザ光に対するサブマッハツェンダー導波路１３２を伝搬するレーザ光の位相差がπ／２となるようなＤＣ電圧（ＤＣ_Ｃ）を印加する。

図４は、ＳＳＢ変調器１１１の光導波路の各点（図３中の点Ａ〜点Ｇ）におけるレーザ光の周波数スペクトルと位相を示したものである。この図においては、横軸は周波数を、周波数軸上の矢印は、その周波数のスペクトルを表し、矢印の向きはスペクトルの位相を表している。ここでは、位相の値は、上向き矢印が０、右斜め上向き矢印がπ／２、下向き矢印がπ、左斜め下向き矢印が３π／２とする。

点Ａ及び点Ｂでは、周波数ｆ０のレーザ光は、電極１３５に印加されたＤＣ電圧（ＤＣ_Ａ）により互いに逆位相（位相差π）となっている。また、変調周波数ｆｍのＲＦ電圧（変調信号ＲＦ_Ａ）により位相変調を与えたことにより、レーザ光の周波数ｆ０を中心として周波数ｆｍ間隔にて高周波成分が発生する。
ここでは、高周波成分のうち２次以上の高次成分は非常に小さいので無視することとし、±１次の成分のみを考えると、＋１次の変調光（周波数ｆ０＋ｆｍ）及び−１次の変調光（周波数ｆ０−ｆｍ）は、いずれも点Ａと点Ｂにて同位相（位相差０）となっている。

第１サブマッハツェンダー導波路１３２の各アーム上の点Ａ，Ｂにて、このような位相関係を有するレーザ光が点Ｅにて合波されると、逆位相である周波数ｆ０のレーザ光は打ち消しあって無くなり、±１次の変調成分だけが残ることとなる。

点Ｃ及び点Ｄにおいても、点Ａ及び点Ｂと同様、周波数ｆ０のレーザ光は、電極１３６に印加されたＤＣ電圧（ＤＣ_Ｂ）により互いに逆位相（位相差π）となっている。また、変調周波数ｆｍのＲＦ電圧（変調信号ＲＦ_Ｂ）により位相変調を与えたことにより、レーザ光の周波数ｆ０を中心として周波数ｆｍ間隔にて高周波成分が発生する。
ここでは、高周波成分のうち２次以上の高次成分は非常に小さいので無視することとし、±１次の成分のみを考えると、＋１次の変調光（周波数ｆ０＋ｆｍ）及び−１次の変調光（周波数ｆ０−ｆｍ）は、いずれも点Ｃと点Ｄにて同位相（位相差０）となっている。

第２サブマッハツェンダー導波路１３３の各アーム上の点Ｃ，Ｄにて、このような位相関係を有するレーザ光が点Ｆにて合波されると、逆位相である周波数ｆ０のレーザ光は打ち消しあって無くなり、±１次の変調成分だけが残ることとなる。

さらに、メインマッハツェンダー導波路１３１上の電極１３４には、サブマッハツェンダー導波路１３３を伝搬するレーザ光に対するサブマッハツェンダー導波路１３２を伝搬するレーザ光の位相差がπ／２となるようなＤＣ電圧（ＤＣ_Ｃ）を印加するので、点Ｅ及び点Ｆでは、＋１次の変調光は同位相、−１次の変調光は逆位相となっている。したがって、メインマッハツェンダー導波路１３１の出力側にある点Ｇにおいては、合波されたレーザ光は＋１次の変調成分、すなわち周波数ω＋Ωに対応する波長λ＋Δλの変調成分、及び周波数ω−３Ωに対応する波長λ−３Δλの変調成分のみを有することとなる。
なお、電極１３４のＤＣ電圧により付与される位相差を−π／２とした場合、点Ｇにおいては、合波されたレーザ光は−１次の変調成分のみを有することとなる。

以上により、ＳＳＢ変調器１３では、周波数ｆ０のレーザ光と一方の側波帯が抑圧されて単一の側波帯からなるスペクトルを有するものとなる。
＋側と−側のいずれかの単一側波帯となるかは、電極１３４に印加するＤＣ電圧（ＤＣ_Ｃ）の位相差により選択することができる。

図５は、ＳＳＢ変調の前後におけるレーザ光の波長と光強度との関係を示す図であり、
図５（ａ）は、ＳＳＢ変調前におけるレーザ光の波長と光強度との関係を、図５（ｂ）は、ＳＳＢ変調後におけるレーザ光の波長と光強度との関係を、それぞれ示している。
図５によれば、レーザ光のピーク波長は、合波されたレーザ光の＋１次の変調成分、すなわち周波数ω＋Ωの変調成分及び周波数ω−３Ωの変調成分それぞれに対応して、λ＋Δλの波長及びλ−３Δλの波長の２つのレーザ光が生じており、λ＋Δλの波長の光強度は、ＲＦ電圧（変調信号ＲＦ）の周波数Ωにより可変可能であり、λ＋Δλの波長のレーザ光の光強度は、λ−３Δλの波長のレーザ光の光強度と比べて極めて大きいことが分かる。

このようにして、ＳＳＢ変調器１３により変調されたレーザ光Ｇは、発光素子１２から出射されたレーザ光と合波され、この合波されたレーザ光は、コリメータレンズ１４により平行光とされた後、アナモルフィックプリズム１５によりレーザ光の断面形状が成形され、アイリス１６により所定のビーム径に絞られるとともに所定の断面形状に整えられる。アイリス１６から出射されたレーザ光は、偏光ビームスプリッタ３２を透過し、１／４波長板３３により円偏光に変換された後、走査光学系２１の第１走査ミラー２２に入射する。

この走査光学系２１に入射したレーザ光は、第１走査ミラー２２及び第２走査ミラー２５により試料Ｓの表面のＸＹ平面内の任意の方向に偏向され、チューブレンズ２７、ハーフミラー２８を透過して対物レンズ２９により試料Ｓの表面の任意の位置に焦点が合わされて照射される。
例えば、試料Ｓの表面にて、レーザ光をＸ軸方向に偏向させる動作を、Ｙ軸方向に沿って繰り返し行うことにより、試料Ｓの表面（ＸＹ平面）の二次元走査が可能である。

試料Ｓの表面では、照射されたレーザ光によりフォノン周波数Ωに相当する波長λ＋Δλの分だけ波長がシフトした誘導ブリルアン散乱光が発生する。
従来では、図６（ａ）に示すように、試料Ｓからは照射されたレーザ光（λ）によりフォノンｐの周波数Ωに相当する波長λ＋Δλの分だけ波長がシフトしたブリルアン散乱光（λ＋Δλ）が発生するが、このブリルアン散乱光の発光効率は非常に低い。

一方、本実施形態では、図６（ｂ）に示すように、発光素子１２から出射される波長λのレーザ光（λ）と、ＳＳＢ変調器１３から出射される波長λ＋Δλの変調成分のみのレーザ光（λ＋Δλ）とが合波されたレーザ光が試料Ｓに照射されるので、試料Ｓからは照射されたレーザ光（λ及びλ＋Δλ）によりフォノンｐの周波数Ωに相当する波長λ＋Δλの誘導ブリルアン散乱光（λ＋Δλ）が発生する。この誘導ブリルアン散乱光（λ＋Δλ）は、従来のブリルアン散乱光（λ＋Δλ）と比べて光強度が高いので、この誘導ブリルアン散乱光の発光効率は非常に高いものとなる。
したがって、試料Ｓからの誘導ブリルアン散乱光（λ＋Δλ）の発光効率を高めることができる。

この誘導ブリルアン散乱光は、レーザ光を試料Ｓの表面に照射して、レーザ光の共焦点位置を決定した後、この共焦点位置にてレーザ光の波長λを変化させて、この波長λのうち検出光量が低い波長λ１を求める。この検出光量が低い波長λ１は、この波長λ１のレーザ光のエネルギーが試料Ｓ中のフォノンに移動しているために検出光量が低下していることを表しているので、誘導ブリルアン散乱光が最も生じる波長といえる。

この試料Ｓの表面にて発生したフォノン周波数Ωに相当する波長Δλの分だけ波長がシフトした誘導ブリルアン散乱光（λ＋Δλ）は、対物レンズ２９、ハーフミラー２８、チューブレンズ２７、第３瞳リレーレンズ２６、第２走査ミラー２５、第２瞳リレーレンズ２４、第１瞳リレーレンズ２３、第１走査ミラー２２を透過して１／４波長板３３に入射する。
１／４波長板３３に入射した誘導ブリルアン散乱光は、円偏光から直線偏光に変換されて偏光ビームスプリッタ３２に入射する。この誘導ブリルアン散乱光は、第１照明光学系１１の発光素子１２から出射されるレーザ光とは振動方向の異なる直線偏光であるから、偏光ビームスプリッタ３２により反射され、ピンホールレンズ３４に入射する。ピンホールレンズ３４により集光された誘導ブリルアン散乱光は、ピンホールレンズ３４の焦点位置に配置されたピンホール３５を通過し、光検出器３６に入射する。

光検出器３６では、検出された誘導ブリルアン散乱光の受光量が電気信号に変換され、制御部２に出力される。制御部２では、入力された電気信号に基づいて試料Ｓの共焦点画像、すなわちブリルアン散乱顕微鏡１からの３次元表示画像を形成する。

例えば、図７（ａ）に示すように、対物レンズ２９をＺ方向に沿って移動させ、ピンホール３５における透過光量が最大となる対物レンズ２９の位置Ｚ_Ｌを特定し、この位置Ｚ_Ｌにてレーザ光の波長を変化させて、光検出器３６が検出する光量が最も低い波長λ_Ｌを特定する。この光量が最も低い波長λ_Ｌは、フォノンｐにエネルギーが最も移動し易い波長であるから、この波長λ_Ｌのレーザ光を試料Ｓに照射すれば、試料Ｓにて誘導ブリルアン散乱が最も多く生じ、したがって、発光効率も高まる。

ディスプレイ３では、制御部２から送られてくる試料Ｓの共焦点画像、すなわちブリルアン散乱顕微鏡１からの３次元表示画像を表示する。
図８は、ブリルアン散乱顕微鏡１における試料Ｓの３次元表示画像の一例を示す図であり、試料Ｓの表面の各スポット毎の組成の違いを表した３次元画像である。
この図によれば、試料Ｓの表面の組成は、Ｘ軸方向に沿って変化していることが分かる。したがって、試料Ｓの表面における組成の変化の程度を目視にて容易に判別することができる。

一方、非共焦点光学系１Ｂは、試料Ｓに均一な照明光を照射する第２照明光学系４１と、この照明光が照射された試料Ｓからの反射光を検出する第２検出光学系５１とを備えている。
この非共焦点光学系１Ｂは、ハーフミラー２８及び対物レンズ２９を共焦点光学系１Ａと共有しており、上述したハーフミラー２８により光路を分岐させている。

第２照明光学系４１は、白色の照明光を出射する白色光源４２と、コレクタレンズ４３と、リレーレンズ４４と、コンデンサレンズ４５と、ハーフミラー４６、２８と、対物レンズ２９とを備えている。この第２照明光学系４１は、ハーフミラー４６を第２検出光学系５１と共有しており、このハーフミラー４６により光路を分岐させている。

白色光源４２としては、例えば、ハロゲンランプが挙げられる。
コレクタレンズ４３は、白色光源４２から出射された白色光を集光して結像させる。リレーレンズ４４は、コレクタレンズ４３にて結像された光源像をリレーする。コンデンサレンズ４５は、リレーレンズ４４により形成された光源像を対物レンズ２９の瞳位置に結像させる。ハーフミラー４６は、白色光源４２から出射される光を透過させる一方、試料Ｓから発生する光を反射させる光学素子である。対物レンズ２９は、ハーフミラー４６を透過してコンデンサレンズ４５から入射する照明光を試料Ｓの表面に集光させる。

第２検出光学系５１は、ハーフミラー４６と、チューブレンズ５２と、ＣＣＤカメラ５３とを備えている。
ハーフミラー４６は、第２照明光学系４１のハーフミラー４６を共有したもので、第２照明光学系４１の光軸に配置されることで、試料Ｓにて反射された光をチューブレンズ５２側へ反射させる。チューブレンズ５２は、入射光をＣＣＤカメラ５３の撮像面に集光させる。ＣＣＤカメラ５３は、入射光を検出することにより試料Ｓの画像を形成する。

この非共焦点光学系１Ｂにおいては、白色光源４２から出射された白色の照明光は、コレクタレンズ４３、リレーレンズ４４、コンデンサレンズ４５、ハーフミラー４６を通過し、ハーフミラー２８に入射する。その後、この白色の照明光はハーフミラー２８にて反射され、対物レンズ２９により試料Ｓ上に集光される。

試料Ｓの表面にて反射された光は、対物レンズ２９を通過し、ハーフミラー２８にて反射され、さらにハーフミラー４６にて反射されてチューブレンズ５２に入射し、ＣＣＤカメラ５３に入射して結像する。そして、ＣＣＤカメラ５３により撮像され、試料Ｓの観察画像（非共焦点画像）が形成される。

以上説明したように、本実施形態のブリルアン散乱顕微鏡１によれば、発光素子１２を有する第１照明光学系１１と走査光学系２１との間に、ＳＳＢ変調器１３を設け、発光素子１２から出射するレーザ光（λ）とＳＳＢ変調器１３から発生する波長シフトレーザ光（λ＋Δλ）とを重畳し、この重畳したレーザ光（λ及びλ＋Δλ）を走査光学系２１にて走査しつつ試料Ｓに照射し、この試料Ｓから発生する誘導ブリルアン散乱光（λ＋Δλ）を検出して観察を行うので、レーザ光に波長シフトレーザ光を重畳することで、この試料Ｓから発生するフォノン周波数Ωに相当する波長Δλの誘導ブリルアン散乱光の光強度を増大させることができ、試料Ｓからのブリルアン散乱光の発光効率を高めることができる。
したがって、この発光効率の高い誘導ブリルアン散乱光を用いて、この試料の表面形状や成分の分布を３次元表示すれば、空間分解能及び測定精度が高い３次元表示画像を容易に得ることができる。

［第２の実施形態］
図９は、本発明の第２の実施形態のブリルアン散乱顕微鏡を示す概略構成図であり、このブリルアン散乱顕微鏡２０１は、レーザ光を出射する照明光学系２１１と、レーザ光を走査しつつ試料Ｓに照射する走査光学系２２１と、試料Ｓから発生する光を共焦点絞りを介して検出する検出光学系２３１と、ブリルアン散乱顕微鏡２０１の動作制御及び信号処理を実行する制御部２４１と、ブリルアン散乱顕微鏡２０１からの３次元表示画像を表示するためのディスプレイ（表示手段）２５１とを備えている。

照明光学系２１１は、複数の発光素子を一列に配列してなるライン光源２１２と、ＳＳＢ変調器（ＳＳＢ変調手段）１３と、コリメータレンズ１４と、アナモルフィックプリズム１５と、アイリス１６とを備えている。
ライン光源２１２は、例えば、紫色レーザ光や赤色レーザ光を発光する半導体レーザ（ＬＤ）を複数個、例えば２５６個、１０２４個、…等、一列に配列したものである。
このライン光源２１２以外の構成要素であるＳＳＢ変調器１３〜アイリス１６は、第１の実施形態のＳＳＢ変調器１３〜アイリス１６と全く同様である。

走査光学系２２１は、瞳リレーレンズ２２２と、走査ミラー２２３と、対物レンズ２９とを備えている。
瞳リレーレンズ２２２は、シリンドリカルレンズにより構成されている。
走査ミラー２２３は、ガルバノミラーにより構成されており、この走査ミラー２２３を紙面に垂直なＹ軸の回りに回転させることで、一列に配列されたレーザ光を紙面に水平な一方向（Ｘ軸方向）に偏向させる。
この対物レンズ２９は、第１の実施形態の対物レンズ２９と全く同様である。

このように、１つの走査ミラー２２３により、試料Ｓの表面の二次元走査が可能である。
この走査ミラー２２３は、ミラー駆動部（図示略）により回転可能であり、この回転駆動は制御部２４１により制御されている。
この走査ミラー２２３は、瞳リレーレンズ２２２により、対物レンズ２９の瞳位置と共役位置に配置されている。

検出光学系２３１は、偏光ビームスプリッタ３２と、１／４波長板３３と、光検出器２３２とを備えている。
光検出器２３２は、偏光ビームスプリッタ３２により反射される複数のレーザ光各々を検出し、それらの受光量を電気信号に変換して出力する素子であり、ライン光源２１２の複数の発光素子それぞれが出射するレーザ光に対応して配列された複数の検出素子を有するライン検出装置（ライン検出部）であり、このライン検出装置としては、例えば、ラインＣＣＤが好適である。
この光検出器２３２以外の構成要素である偏光ビームスプリッタ３２及び１／４波長板３３は、第１の実施形態の偏光ビームスプリッタ３２及び１／４波長板３３と全く同様である。

このブリルアン散乱顕微鏡２０１においては、ライン光源２１２が半導体レーザ（ＬＤ）を複数個一列に配列しているので、このライン光源２１２からはＸ軸に沿って複数本のレーザ光が出射され、これら複数本のレーザ光は、Ｙ軸方向に沿って配列されることとなる。
これらのレーザ光は、Ｘ軸方向に沿って伝搬した後、コリメータレンズ１４に入射する。
一方、これらのレーザ光のうち一部のレーザ光は、ＳＳＢ変調器１３に入射する。
ＳＳＢ変調器１３では、第１の実施形態と同様、光強度変調器１１１のメインマッハツェンダー導波路１３１に入力した周波数ｆ０の入力光が分岐後に２つのサブマッハツェンダー導波路１３２，１３３に導入されて、変調を受け、この変調されたレーザ光が再びメインマッハツェンダー導波路１３１にて合波され、出力されるので、＋１次の変調成分のみ、あるいは−１次の変調成分のみを有するレーザ光を出力することとなる。

このようにして、ＳＳＢ変調器１３により変調されたレーザ光は、ライン光源２１２から出射された複数本のレーザ光それぞれと合波され、これらの合波された複数本のレーザ光は、コリメータレンズ１４により平行光とされた後、アナモルフィックプリズム１５によりレーザ光の断面形状が成形され、アイリス１６により所定のビーム径に絞られるとともに所定の断面形状に整えられる。アイリス１６から出射された複数本のレーザ光は、偏光ビームスプリッタ３２を透過し、１／４波長板３３により円偏光に変換された後、走査光学系２２１の瞳リレーレンズ２２２を透過して走査ミラー２２３に入射する。

この走査ミラー２２３では、Ｙ軸の回りに回転させることで、Ｙ軸方向に互いに平行に配列された副数本のレーザ光を反射しつつＸ軸方向に偏向させる。これにより、試料Ｓの表面の二次元走査が可能になる。

試料Ｓの表面では、照射された複数本のレーザ光それぞれに対応して、フォノン周波数Ωに相当する波長Δλの誘導ブリルアン散乱光がそれぞれ発生する。
これらの誘導ブリルアン散乱光は、照射された複数本のレーザ光それぞれに対応して発生するので、走査ミラー２２３により互いに平行に配列された副数本のレーザ光をＸ軸方向に偏向させることにより、試料Ｓの表面（ＸＹ平面）の二次元走査が可能である。

この試料Ｓの表面にて、照射された複数本のレーザ光それぞれに対応して発生した複数のフォノン周波数Ωに相当する波長Δλの誘導ブリルアン散乱光は、対物レンズ２９、走査ミラー２２３、瞳リレーレンズ２２２を透過して１／４波長板３３に入射する。
１／４波長板３３に入射した複数本の誘導ブリルアン散乱光は、円偏光から直線偏光に変換されて偏光ビームスプリッタ３２に入射する。これらの誘導ブリルアン散乱光は、偏光ビームスプリッタ３２により反射され、光検出器２３２に入射する。

光検出器２３２では、検出された複数本の誘導ブリルアン散乱光それぞれの受光量が電気信号に変換され、制御部２４１に出力される。制御部２４１では、入力されたそれぞれの電気信号に基づいて試料Ｓの共焦点画像、すなわちブリルアン散乱顕微鏡１からの３次元表示画像を形成する。
ディスプレイ２５１では、制御部２４１から送られてくる試料Ｓの共焦点画像、すなわちブリルアン散乱顕微鏡１からの３次元表示画像を表示する。

以上説明したように、本実施形態のブリルアン散乱顕微鏡２０１によれば、複数の発光素子を一列に配列してなるライン光源２１２及びＳＳＢ変調器１３を備えた照明光学系２１１と、瞳リレーレンズ２２２、走査ミラー２２３及び対物レンズ２９を備えた走査光学系２２１と、光検出器２３２を備えた検出光学系２３１とを備えたので、ライン光源２１２からＸ軸方向に沿って出射される互いに平行な複数本のレーザ光とＳＳＢ変調器１３により変調されたレーザ光とを合波した複数本のレーザ光を、走査ミラー２２３をＹ軸の回りに回転させるだけで試料Ｓの表面にて二次元走査することができ、この試料Ｓから発生する複数本の誘導ブリルアン散乱光各々の光強度を増大させることができ、試料Ｓからの複数本のブリルアン散乱光各々の発光効率を高めることができる。
したがって、この試料の空間分解能及び測定精度が高い３次元表示画像を容易に得ることができる。

１ ブリルアン散乱顕微鏡
２ 制御部
３ ディスプレイ（表示手段）
１１ 第１照明光学系
１２ 発光素子
１３ ＳＳＢ変調器（ＳＳＢ変調手段）
１１１ ＳＳＢ変調器
２１ 走査光学系
２２ 第１走査ミラー
２５ 第２走査ミラー
３１ 第１検出光学系
３６ 光検出器
２０１ ブリルアン散乱顕微鏡
２１１ 照明光学系
２１２ ライン光源
２２１ 走査光学系
２２３ 走査ミラー
２３１ 検出光学系
２３２ 光検出器
２４１ 制御部
２５１ ディスプレイ（表示手段）
Ｓ 試料

Claims (5)

1. レーザ光を出射する光源と、前記光源から出射されるレーザ光を走査しつつ試料に照射する走査光学系と、前記試料から発生する光を共焦点絞りを介して検出する検出光学系とを備え、
   前記光源と前記走査光学系との間に、前記光源から出射されるレーザ光の一部を導入して種光を発生するＳＳＢ変調手段を設け、
   前記ＳＳＢ変調手段から発生する種光を前記光源から出射するレーザ光に重畳し、この重畳したレーザ光を前記走査光学系にて走査しつつ試料に照射し、この試料から発生する誘導ブリルアン散乱光を検出して観察を行うことを特徴とするブリルアン散乱顕微鏡。
2. 前記光源は、発光素子からなり、
   前記ＳＳＢ変調手段から発生する種光を前記発光素子から出射するレーザ光に重畳し、この重畳したレーザ光を前記走査光学系にて前記試料の表面を縦横に走査しつつ前記試料に照射することを特徴とする請求項１記載のブリルアン散乱顕微鏡。
3. 前記光源は、複数の発光素子を配列してなるライン光源からなり、
   前記検出光学系は、前記複数の発光素子それぞれが出射するレーザ光に対応して配列された複数の検出素子からなるライン検出部を備え、
   前記ＳＳＢ変調手段から発生する種光を前記ライン光源から出射する複数のレーザ光それぞれに重畳し、これら重畳した複数のレーザ光を前記走査光学系にて前記試料の表面を前記複数のレーザ光の配列方向と直交する方向に走査しつつ前記試料に照射することを特徴とする請求項１記載のブリルアン散乱顕微鏡。
4. 前記種光の最大波長は、前記ＳＳＢ変調手段の変調周波数に対応して長波長側にシフトしていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項記載のブリルアン散乱顕微鏡。
5. 前記試料からの誘導ブリルアン散乱光を基に、この試料の表面形状、成分の分布のいずれか一方または双方を３次元画像表示する表示手段を備えていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項記載のブリルアン散乱顕微鏡。