JP2018521304A - 放射光測定器および放射光測定方法 - Google Patents

Abstract

試料領域、試料領域に位置決め可能な試料を照射するための照射ユニット、および試料から放射光するビームを検出するためのビーム検出器を備えた検出ユニットを備えた放射光測定器が提供される。この場合照射ユニットは、ビーム源、ビーム源の後のビーム方向に配置されビームをそのスペクトル成分に分解するための第１の分光素子、第１の分光素子の後に配置されスペクトル成分を選択するための第１のマイクロミラーアレイ、および第１のマイクロミラーアレイの後のビーム方向に配置され選択されたスペクトル成分を１つの共通の励起ビームにまとめるための第２の分光素子を有する。さらに、第１のマイクロミラーアレイの個々のマイクロミラーの反射および／または非反射により励起ビームのスペクトル組成を選択する放射光測定器による放射光測定方法が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、試料領域、試料領域に位置決め可能な試料に照射するための照射ユニットおよび試料から放射光するビームを検出するためのビーム検出器を備えた検出ユニットを有する放射光測定器に関する。更に本発明はこの放射光測定器により試料の放射光を測定する方法に関する。

従来技術では放射光測定器はしばしば放射光分光計または放射光顕微鏡として使用されている。公知の放射光分光計では典型的には広帯域の光源が試料の照射に使用され、光源の光スペクトルが試料の少なくとも１つの吸収帯域に重ねられている。光の吸収により試料には吸収波長に対してスペクトル的にずらされたビームが励起され、その放射光は検出ユニットによりそのスペクトル成分に分解されて波長に関係して検出できるようにされている。このような放射光はたとえば蛍光放射光、フォトルミネセンス放射光、燐光放射光である。上述の放射光メカニズムでは光吸収の際に試料から受け取られるエネルギーの一部はビームなしで消失するので、放射ビームはスペクトル的に比較的長い波長のビーム方向に変化する。代替的に放射光分光計により適切な方法で試料のラマン散乱が分析される。この場合でも励起ビームと放射ビームとの間にスペクトルの変化が生じる。

試料の測定すべき放射光をできるだけ所期通りに励起できるようにするには、励起ビームができるだけ広く試料の吸収帯域に重なると有利である。励起ビームの付加的なスペクトル成分はこの場合、とりわけ励起ビームの比較的長い波長の成分が測定すべきビームを覆い隠す恐れがあるので、測定にとっては有害な作用をする。これを回避するために、従来技術では種々の試料に対しそれぞれスペクトル的に選択する種々の吸収フィルタを使用して、励起ビームの不所望な特に比較的長い波長のスペクトル成分をフィルタリングしている。

放射光ビームのできるだけ精確な検出とスペクトル分析のためにはさらに、ビームの励起に使用されるビームの波長をできるだけフィルタリングすると有利である。なぜならさもなければ部分的に極めて弱い放射光帯域が強いバックグラウンド信号により覆い隠される恐れがあるからである。測定の良好なＳＮ比と高いスペクトル分析を達成するため、それゆえ放射光帯域に比して短波長の励起ビーム成分が同様に光学吸収フィルタによりフィルタリングされる。

上述の放射光分光計の場合と同様に放射光顕微鏡では試料は短波長の照射ユニットで放射光を励起され、試料から放射光するビームはそれに基づいて画像面上に写され、試料の種々の領域における放射光の空間的分布を可視化している。放射光分光計におけるような放射光スペクトルの波長に関係した測定の代わりに放射光顕微鏡ではしたがって放射光中心の空間的画像化が達成される。ここで特に広範囲に行われていることは蛍光顕微鏡による蛍光領域の画像化である。放射光分光計および放射光顕微鏡によるこの２つの方法は原理的には互いに組み合わせることもできる。

従来技術による放射光分光計と放射光顕微鏡の欠点は、被測定試料に適した励起ビームのフィルタリングおよび励起スペクトルに適合化した被検出ビームのフィルタリングに対しては（スペクトル選択フィルタの形式の）光学部品を大きく動かし、互いに交換しなければならないことである。このような光学部品の交換は分析すべき試料に関係して測定器の常に比較的煩雑な改造を必要とする。これは一方では高い測定品質をなおも得るためには改造毎に他の光学部品の後調整を必要とする恐れを生じる。他方では測定器の所要空間も、種々の形態に対して別々にまたは組み合わせてビーム経路に組み込むべき種々の光学フィルタのために、全体として比較的大きくなる。

それゆえ本発明の課題は、上述の欠点を克服する放射光測定器を提供することにある。特に装置的に簡単で所要面積をとらずに簡単に適合化が可能なおよび／または万能的に使用可能な放射光測定器が提供されなければならない。別の課題はこのような利点を持つ放射光測定方法を提供することにある。

これらの課題は請求項１に記載の放射光測定器および請求項８記載の測定方法により解決される。

本発明による放射光測定器は、試料領域、試料領域に位置決め可能な試料を照射するための照射ユニット、および試料からの放射光ビームを検出するためのビーム検出器を備えた検出ユニットを備える。この場合照射ユニットは、ビーム源、ビーム源の後のビーム方向に配置されビームをそのスペクトル成分に分解するための第１の分光素子、第１の分光素子の後に配置されスペクトル成分を選択するための第１のマイクロミラーアレイ、および第１のマイクロミラーアレイの後のビーム方向に配置され選択されたスペクトル成分を共通の励起ビームにまとめるための第２の分光素子を有する。

この場合上述のビーム方向とは、ビーム経路の空間的方向性がビーム進行中に変化するかどうかに無関係に、放射光測定器における局所的な光学ビーム方向を意味する。ビーム方向に他の部品の「前」または「後」に配置される個々の光学部品の上述の空間的配置に関してはそれゆえ進行する統一的方向に沿った位置は提示される必要はなく、全体としてビーム源から試料を介してビーム検出器に至る光学ビーム経路上の光学ビームの進行の順序だけが提示されれば良く、換言すればビーム経路における光学的な「前」または「後」が提示されれば良い。

本発明の放射光測定器の主要な利点は、第１のマイクロミラーアレイによるスペクトル成分の選択によって励起ビームのスペクトル特性を、ビーム経路内にスペクトル選択吸収フィルタを必要とすることなく、被測定試料の光学特性に適合化できる点にある。むしろ試料へのおよび／または所定の測定課題への励起スペクトルのスペクトル適合化は、このために巨視的な光学部品を動かす必要性なしに行うことができる。従来技術で知られている光学フィルタの出し入れの代わりに、第１のマイクロミラーアレイを介してスペクトル選択はより簡単に、所要面積を少なく、自動的にかつより精確に行うことができる。

ビーム源から送出されるビームはまず第１の分光素子に到達し、この分光素子により空間的に種々のスペクトル成分に分解される。すなわち第１の分光素子は個々のスペクトル成分に対応する部分ビームの方向および／または空間的位置を変化させ、これによりビームを空間的に分光させる。第１の分光素子の後でビームは第１のマイクロミラーアレイに到達し、このアレイは個々のミラーの配置によって種々のスペクトル成分の選択を可能にする。本発明による分光素子は一般にたとえば光学プリズマまたは光学格子として形成することができる。

第１のマイクロミラーアレイはたとえば多数の小さな光学ミラーを規則的に配置したものである。これらのマイクロミラーはデジタル制御ユニットを介して自動的に個々に制御可能であり、ミラーは、それぞれ「オン」「オフ」状態、すなわち反射、非反射状態に相当する２つの所定の向きに傾けられる。このようなマイクロミラーアレイはテキサス・インスツルメンツ社から市販されており、「ＤＬＰ（登録商標）」（Digital Light Processing）の商品名で提供されている。これらは従来主としてデジタル画像・ビデオ投射用に使用されている。

本発明の核心となる考えは、このようなマイクロミラーアレイを放射光分光計における励起ビームのスペクトル形成に使用することにある。この場合第１の分光素子による励起ビームの空間的分光によりマイクロミラーの各グループにスペクトル成分、すなわち励起ビームの波長スペクトルの小さい部分領域が対応することになる。ビーム経路におけるマイクロミラーアレイの方向付け次第でマイクロミラーの反射状態または非反射状態により、これに当たる部分ビームの選択が行われるようにすることができる。このようにして選択された部分ビームはビーム経路に続いて配置された第２の分光素子により再び１つの共通の励起ビームに集束されるが、その後は個々のスペクトル成分への分光はほぼ行われない。第１の分光素子によるスペクトルの分光は、すなわちマイクロミラーアレイによるスペクトル選択を可能にするための一時的ステップにすぎず、これは次いで第２の分光素子により逆行させられる。（それぞれ反対のオン・オフ状態にある）残りのマイクロミラーの非選択部分ビームは他の方向に誘導され、励起ビームから外される。このようにして行われる選択および励起ビームのスペクトル構成により試料の光学特性および所定の測定課題への極めて精確な適合化が可能になる。特に種々の測定に対する種々の励起スペクトル間の特に簡単な切り換えも可能となる。

放射光測定のための本発明方法では本発明による放射光測定器が使用される。この方法は第１のマイクロミラーアレイの個々のマイクロミラーの反射および／または非反射による励起ビームのスペクトル組成の選択を特徴としている。本発明方法の利点は本発明による放射光測定器の上述の利点と同様である。

本発明の有利な実施形態および発展形態は請求項１および請求項８の従属請求項並びにこれに関する明細書の記述から明らかである。この場合放射光測定器および測定方法の上述の形態は有利に互いに組み合わせることができる。

放射光測定器の照射ユニットは、ビーム方向にビーム源と第１の分光素子との間に配置された少なくとも１つの集束ユニットを有することができる。代替的にまたは付加的に、この集束ユニットを第２の分光素子と試料領域の間のビーム経路に配置することもできる。この種の集束ユニットは、たとえば光学レンズ、レンズシステムおよび／または凹面鏡を含むことができる。このユニットはすなわち、たとえば少なくとも１つの集束レンズまたは集束ミラーを有することができる。ビーム源と第１の分光素子との間に配置された集束ユニットによりスペクトル成分に相当する個々の部分ビームをマイクロミラーアレイの種々の対応する領域に集束することが達成される。このような集束は精確なスペクトル選択を可能にする。第２の分光素子と試料領域の間に付加的に配置された集束ユニットは、たとえば分光して第２の分光素子を離れるビームを限定的に規準化された励起ビームに集束することを可能にするので有利である。

上述の集束ユニットに付加してこのユニットに接してそれぞれビーム経路の前または後に光学絞りを配置すると有利である。たとえばビーム源側の集束ユニットの後に入口スリットを配置し、ビームをマイクロミラーアレイに精確に写し、従って各スペクトル成分に対しマイクロミラーアレイの各列および各行を精確に配列することを可能にすると有利である。

放射光測定器の検出ユニットは、試料領域の後のビーム経路に配置され放射ビームをスペクトル成分に分解するための第３の分光素子を有するようにすると有利である。検出ユニットは、これに続くビーム経路に個々のスペクトル成分の選択用に第２のマイクロミラーアレイを有するようにし、さらにこれに続くビーム経路にビーム検出器を有するようにすることができる。この実施形態では、すなわち試料から放射されるビームは検出ユニット内で第３の分光素子によりスペクトル的に分解され、次いで第２のマイクロミラーアレイによりスペクトル的に選択される。この選択は、第１のマイクロミラーアレイと同様に、一定のスペクトル成分に対応するマイクロミラーが反射および／または非反射されることにより行われる。第２のマイクロミラーアレイと検出器との間の以後のビーム経路は、たとえば非反射マイクロミラーアレイの部分ビームまたは反射マイクロミラーアレイの部分ビームが検出器に誘導されるように設定できる。ミラーのそれぞれ逆の反射状態の部分ビームは次いで相応して検出ビーム経路から外される。第２のマイクロミラーアレイにより選択された部分ビームはこの場合原理的には同時または個々にもしくはグループで順次にビーム検出器に誘導させることができる。

検出ユニット内に第２のマイクロミラーアレイを備えた実施形態の主要な利点は、励起ビームの比較的短波長のスペクトル成分が検出前に検出ユニットに当たるビームから相応するマイクロミラーの非選択によりフィルタリングされることにある。試料から、たとえば蛍光または燐光により放出される二次ビームは典型的には励起ビームに対してより長い光波長にずらされる。しかし、試料および励起ビームのビーム経路に対する検出ユニットの配置に関係して励起ビームの付加的に反射および／または散乱した従ってスペクトル的にずれていないビーム成分が検出ユニットに到達する。検出器における本来の測定の際に比較的長波長の放射光ビームと比較的短波長の励起ビームとの重畳を避けるためには、それ故検出ユニット内でのスペクトル的なフィルタリングを行うことが合目的的である。第２のマイクロミラーアレイの使用により、従来技術で使用されていた交換可能な吸収フィルタの使用は避けられる。この場合には、前に記載した照射ユニットに対して吸収フィルタの代わりに分光素子とマイクロミラーアレイを組み合わせることによる利点と同様な利点が得られる。

照射ユニット内の第１のマイクロミラー部品と検出ユニット内の第２のマイクロミラー部品の組み合わせにより、被検査試料のスペクトル特性への測定器全体の適合化が簡単にして精確に行うことができる。特に、全体として光学部品を大きく動かすことなくおよび／またはスペクトル選択吸収フィルタを使用することなしに、このようなスペクトル的フィルタリングの適合化が照射側および検出側で可能となる。

検出ユニットの別の実施形態は、放射光測定器が放射光分光器であるかまたは放射光パターンを画像化するための機器、すなわちたとえば放射光顕微鏡であるかに応じて種々なものとすることができる。放射光分光計では、放射光強度のスペクトル分解測定用に検出ユニットが構成される。このため既に第３の分光素子により分解された放射光ビームの部分ビームは、そのマイクロミラーアレイによる選択後にそのスペクトル成分に分光された状態でビーム検出器の画像化面上に誘導される。ビーム検出器は、たとえば一次元または二次元検出器アレイとすることができ、これにより種々のスペクトル成分の部分ビームを同時に測定することができる。こうして、放射光スペクトル全体の強度またはそのうちの一部だけの強度を同時に求めることができる。

代替的に、ビーム検出器が検出チャネルを１つだけ有し、マイクロミラーアレイにより選択された種々のスペクトル成分の部分ビームが、順次この１つの検出チャネルの検出面に誘導されるようにすることもできる。そのようにして、種々の波長領域に対する強度を順次に測定することができる。最後に述べた実施形態では、被測定ビームのスペクトル分解用の第２のマイクロミラーアレイの作動態様は欧州特許第０５４８８３０号明細書に記載されている分光計と同様である。しかし検出の付加的な効果、すなわちスペクトルの不所望な部分、特に検出ビームの短波長でかつ励起スペクトルと重畳する部分をフィルタリングすることは新規である。

放射光イメージャー、すなわち空間的放射光分布を画像化するための放射光測定器では、検出ユニット内の第２のマイクロミラーアレイとビーム検出器との間のビーム経路にもう１つの、すなわち第４の分光素子を配置することができる。この第４の分光素子は選択されたスペクトル成分を１つの共通のフィルタリングされた放射光ビームにまとめるために用いられる。このフィルタリングされた放射光ビームは次いでビーム検出器に誘導され、放射光試料の空間画像が作られる。たとえば、ビーム検出器は一次元または二次元ピクセル化センサアレイを有し、この画像面上に試料が写される。代替的に、試料の画像は走査により連続的に１つの検出チャネルに写すこともできる。検出ユニットには付加的に拡大レンズを設けることができ、これにより放射光測定器は放射光顕微鏡として、特に蛍光顕微鏡として使用することができる。

一般に放射光測定器は放射光分光計としても放射光イメージャーとしても構成できる。これはたとえば、第２のマイクロミラーアレイを離れる部分ビームが１つの空間方向にはその波長に応じて分光状態に置かれ、別の空間方向には検出器の画像面上に誘導され、この方向で放射光ビームの出口箇所の情報が得られるようにすることにより可能である。このため、ビーム検出器は二次元のセンサアレイを有するようにすると合目的的である。

集束ユニットを有する照射ユニットの実施形態と同様に、検出ユニットも１つまたは複数の集束ユニットを有することができる。ここでもこの集束ユニットは、それぞれ少なくとも１つの集束レンズおよび／または凹面鏡を有することができる。たとえば、このような集束ユニットは光学的に試料領域と第３の分光素子の間に配置すれば、スペクトル成分に応じた個々の部分ビームを第２のマイクロミラーアレイの種々の関連領域に集束することができる。この集束は精確なスペクトル選択を可能にする。付加的に、第２のマイクロミラーアレイとビーム検出器の間に配置される集束ユニットは有利なことに典型的には分光的に第２のマイクロミラーアレイを離れるビームをビーム検出器の画像面の方向に集束することを可能にする。このような集束は、放射光分光計におけるより精確な波長の解像または放射光イメージャーにおけるより精確な空間的解像を可能にする。

スペクトル解像および／または画像化品質の改良には照射ユニットの幾つかの実施形態における絞りと同様に、１つまたは複数の光学絞りを有するようにすることができる。たとえば検出ユニットは第３の分光素子の前のビーム経路に光学絞り、好適にはスリットを有するようにすることができる。

ビーム検出器は一般にセンサチャネルを１つだけ設けると有利である。たとえば、このセンサチャネルは面状のフォトダイオードまたはフォトマルチプライヤーを有することができる。

代替的にビーム検出器は、一般に一次元または二次元ピクセル化センサアレイを有することができる。これはたとえば、ＣＣＤアレイ、ピンダイオードアレイ、ＣＭＯＳセンサまたはフォーカルプレインアレイである。シリコンをベースとするセンサ材料のほかに、たとえばＩｎＧａＡｓ（インジウム・ガリウム・砒素化合物）およびＭＣＴ（水銀・カドミウム・テルル化合物）がフォトセンサの有利な材料である。

照射ユニットおよび／または検出ユニットとはスペクトル選択光学吸収フィルタを持たないものにすると有利である。

放射光測定器は可視光、紫外線ビームおよび／または赤外線ビームによる測定用に形成することができる。ビーム源は光源、紫外線ビーム源および／または赤外線源とすることができる。有利なビーム源は広帯域に出射するビーム源、たとえば広帯域光ダイオードまたは広帯域レーザー、特に量子カスケードレーザーまたはハロゲンランプとすることができる。

放射光測定器は一般に試料からの放射光ビームが励起ビームの投射方向とは反対の方向成分とともに検出ユニットに入射されるように構成することができる。放射光測定はすなわち反対方向の二次ビームの測定とすることができる。これはたとえば試料領域の近くに、励起ビームおよび検出ビームの光学的進行を互いに分離するビームスプリッタを配置することにより達成される。

代替的に放射光測定器は一般に、試料からの放射光ビームが励起ビームの投射方向に相当する方向成分とともに検出ユニットに入射されるように構成することができる。このため試料はこれに当たる励起ビームと検出ユニットに入射される放射光ビーム部分との間にジオメトリックに配置することができる。すなわち前進放射光の測定用配置である。しかし、また放射光測定器は主方向が励起ビームの入射方向とは垂直である放射光ビームの入射用に形成することもできる。

放射光測定方法では第１のマイクロミラーアレイによりビームのスペクトル成分に個々に関連する部分量を選択し、残りのビームを以後のビーム経路から外すようにすることができる。換言すれば第１のマイクロミラーアレイが第１および第２の分光素子とともに帯域通過フィルタとして作用し、これにより所定の関連波長領域、すなわち波長帯域が選択されるようにすることができる。このような励起スペクトルのいわゆる帯域通過フィルタリングはたとえば、励起用に被検査試料の１つまたは複数の吸収帯域と重畳するスペクトル帯域を選択するのに好適である。検査試料の励起に不必要なスペクトル成分はこのようにして絞られ、以後のビーム経路において擾乱のない光学効果に寄与する。代替的に、第１のマイクロミラーアレイにより同様にして複数のスペクトル帯域のグループを選択することもできる。

代替的に第１のマイクロミラーアレイによりビームのスペクトル成分の個々に関連する部分量をビーム経路から外し、残りのビームを選択することもできる。換言すれば、第１のマイクロミラーアレイは第１および第２の分光素子と共に帯域阻止フィルタとして作用し、これにより所定の関連する波長領域、すなわち波長帯域をフェードアウトすることもできる。これは、励起スペクトルのビーム経路の以後の進行において特に擾乱の原因となる一定の部分領域をフェードアウトするのに有利である。

代替的に第１のマイクロミラーアレイによりビームの全ての短波長スペクトル成分を波長の固定閾値まで選択し、残りの比較的長波長のビームをビーム経路から外すこともできる。換言すれば、第１のマイクロミラーアレイは第１および第２の分光素子と共にショートパスフィルタとして作用させ、一定の閾値以下の短い波長のみを以後のビーム経路に通過させるようにすることができる。この実施形態はたとえば、短波長ビームを試料の最も長波長の励起吸収帯域まで試料領域に誘導するのに有利である。

代替的に第１のマイクロミラーアレイにより、波長の固定閾値以上の全ての長波長スペクトル成分を選択し、残りのビームをビーム経路から外すようにすることもできる。換言すれば、第１のマイクロミラーアレイは第１および第２の分光素子と共にロングパスフィルタとして作用し、一定の閾値以上の長い波長のみを以後のビーム経路へ通過させることができる。

この測定方法では、試料からの放射光ビームを検出ユニット内に配置された第２のマイクロミラーアレイにより、個々のマイクロミラーの反射および／または非反射によりスペクトル選択すると有利である。換言すれば検出ユニット内でマイクロミラーアレイによるスペクトルフィルタリングを行い、たとえば励起ビームのスペクトル成分を検出ユニットの以後のビーム進行からフェードアウトすることもできる。この方法の実施形態の利点は、放射光測定器の前述の実施形態の利点と同様である。

このような検出ユニット内でのスペクトルフィルタリングでもミラー位置により調整されるフィルタのプロフィールは前に照射ユニットに対して記載したように帯域通過フィルタ、マルチパスフィルタ、帯域阻止フィルタ、ショートパスフィルタ、ロングパスフィルタ、並びに上述のフィルタ形式の組み合わせに相当する。第２のマイクロミラーアレイは、検出ユニットに到達するビームに対して帯域通過フィルタリングまたはロングパスフィルタリングが生じるようにし、このようにして励起スペクトルと重畳する短波長のスペクトル成分をビーム経路の以後の進行から、特にビーム検出器の領域からフェードアウトするように制御または調整すると特に有利である。

この測定方法では、少なくともビームの波長スペクトルの部分領域において第１のマイクロミラーアレイにより選択されたスペクトル成分の選択パターンが第２のマイクロミラーアレイにより選択されたスペクトル成分の選択パターンに補完するように、照射ユニットと検出ユニットの機能が補完し合うようにすると特に有利である。このような形態は、照射ユニットでビーム源から出射されたビームの短波長部分領域を試料の励起のために選択し、このスペクトル部分領域をビーム検出器の前で正確にフィルタリングし、測定の際に長波長にずれた放射光ビームの障害となる重畳を避けるようにするために使用できる。さらに（代替的または付加的に）照射ユニット内の試料の放射光帯域の領域における長波長のスペクトル成分は、たとえば放射光の励起には寄与しないので、励起ビームの波長スペクトルからフィルタリング除去される。この長波長成分は次いで検出ユニット内で選択され、ビーム検出器に誘導される。なぜなら、これらの成分は所望の信号に対し主要な寄与を提供するからである。特に有利なのは、第１のマイクロミラーアレイおよび第２のマイクロミラーアレイの選択パターンがほぼ完全に互いに補完し合うようにできることである。しかし多くの場合は、このような補完選択パターンが波長スペクトルの部分領域にあれば、たとえば試料のスペクトル吸収帯域および／または試料の放射光帯域に相当する領域にあれば、十分である。

一般にこの測定方法は、放射光を励起するビームの他の波長領域へのおよび／または放射光ビームの他の波長領域への放射光測定器の切り換えが、巨視的に光学部品を大きく動かすことなしに行われるようにすることができる。これは特に、それぞれ試料に適合化されるスペクトルフィルタリングがスペクトル選択吸収フィルタによってではなく、デジタル制御可能なマイクロミラーアレイにより行われることにより達成することができる。

上述の第１および／または第２のマイクロミラーアレイによるスペクトル成分のフィルタリングは、一般に所与のスペクトル成分の完全な選択または非選択として二元に行われる必要はない。むしろフィルタリングに際しては、一定のスペクトル成分が部分的にも選択できるようにグレースケールも生じるようにすると有利である。このようなフィルタリングに対するグレースケールは種々の方法で実現することができる。

予め決められたスペクトル成分の部分的選択が二次元の第１および／または第２のマイクロミラーアレイの各スペクトル成分に対応する行または列におけるマイクロミラーの予め決められた一部分の選択により行われるようにすると特に有利である。換言すれば、スペクトル成分はそれぞれ前置接続された分光素子により、それぞれミラーアレイの行または列がスペクトル成分、すなわち一定の波長領域に相当するように、二次元マイクロミラーアレイに誘導することができる。このようにほぼ単色で照射される行または列の各マイクロミラーはしかし強制的に同じ反射状態を示す必要はない。部分的選択への変更のためにはこのようなスペクトル的サブグループ（すなわち行または列）における予め決められた部分量も相応するスペクトル成分の選択に寄与することができる。このようなサブグループの種々に接続されたマイクロミラーはこの場合原理的には反射状態によってグループ化するかまたは空間的に混合させることもできる。

代替的な実施形態では、スペクトル成分の部分的選択は個々のマイクロミラーの反射状態の迅速に繰り返される時間的変化によっても行うことができる。この時間的変化は、たとえば周期的におよび同時にスペクトル的サブグループのマイクロミラーに対して行うことができる。スペクトル選択の正確な配分は、この場合反射または非反射状態の時間継続の間の比によって決められる。

一定のスペクトル成分に対する部分的選択の上述の２つの方法に代替的または付加的に、各光学ビームの種々のスペクトル成分への分光の際の不鮮明さによって成分の選択の曖昧化を行うこともできる。これによっても実際の切り換えの際に通常は一定のスペクトル成分の全く完全ではない選択または非選択が、たとえば一定のスペクトル成分に対応するサブグループが完全に選択または非選択される場合でさえ、エッジ近くのエッジフィルタの形態に対して生じる。

この測定方法は有利には放射光をスペクトル的に解像する測定方法とすることができる。代替的または付加的に放射光の空間的分布を画像化する方法とすることができる。これはたとえば放射光顕微鏡法である。

以下に本発明を添付の図面を参照して若干の有利な実施例に基づき説明する。

図１は第１の実施例による放射光測定器のビーム経路の概略図である。 図２は第２の実施例による放射光測定器のビーム経路の概略図である。 図３は第３の実施例による光学フィルタユニットの概略図である。 図４は第４の実施例による光学フィルタユニットの概略図である。 図５は第５の実施例による光学フィルタユニットの概略図である。 図６は第６の実施例による光学フィルタユニットの概略図である。

図１は本発明の第１の実施例による放射光測定器１の概略的ブロック図である。放射光測定器１はここでは蛍光分光計として形成され、試料５から放射された蛍光のスペクトル組成を測定することができる。放射光測定器１は照射ユニット７と検出ユニット３５を有し、それらの構成部品はそれぞれ付属のブロック内に示されている。さらに放射光測定器１は試料領域３を有しており、その中で被測定試料５が位置決めできるようになっている。放射光測定器１の光学部品は以下に主として光線の進行に沿って記述する。照射ユニット７は全体として試料５の照射に必要な励起ビーム２５を提供するのに用いられる。このためビーム源９から放射されるビーム１１が用いられるが、これは可視光、赤外線光または紫外線光とすることができる。放射されたビーム１１は次いで種々の光学構成部品を介してスペクトル的にフィルタリングされる。このためビームは集束ユニット１３を介して第１の分光素子１５に誘導される。集束ユニット１３は第１の分光素子１５にビームを集束する作用をする。図１に概略表示したようにこの集束ユニット１３はたとえば複数の集束レンズ１３ａから構成することができる。これによってビーム１１は第１の分光素子１５に誘導され、光は分光素子１５によってそのスペクトル成分に分光される。たとえば図１では６つの異なるスペクトル成分λ_１〜λ_６に対するビームの進行が示されている。第１の分光素子１５の後の照射ユニット７のビーム経路には第１のマイクロミラーアレイ１７が配置される。この第１のマイクロミラーアレイ１７は２つの規定された状態に切り替え可能なデジタル制御可能なマイクロミラーの二次元アレイである。ミラーは従って反射または非反射状態、換言すればオン・オフ状態にすることができる。第１の分光素子１５によりビームはスペクトル的に分光されるので、個々のスペクトル成分は主としてマイクロミラーアレイ１７の列上に集束される。図１に示すようにマイクロミラーアレイ１７の列は個々に非選択領域１７ａと選択領域１７ｂにまとめられる。選択領域はこの場合マイクロミラーの互いに統一的なスイッチング状態に相当する。非選択領域１７ａはマイクロミラーの別の状態に相当する。選択部分領域１７ｂに当たる部分ビームは以後のビーム進行において第２の分光素子２１に誘導される。図１ではこのビーム束はλ_２で示されている。これはしかし一定の波長ではなく、放出ビーム１１の波長スペクトルの一部分である。他のスペクトル成分λ_１とλ_３〜λ_６は以後のビーム経路から外され、たとえばここには図示しない吸収体またはその他のビームシンクに誘導される。光ブロック１９は散乱ビームが所定のビーム経路以外の経路を通って第２の分光素子２１に到達しないように設けられたものである。第１の分光素子１５と協働してマイクロミラーアレイ１７はここでは即ち帯域通過フィルタとして作用し、スペクトルの部分領域λ_２だけが選択されるようにしている。第２の分光素子２１によりこの部分領域λ_２にある若干異なる波長がさらに共通の励起ビーム２５に集束される。第２の集束ユニット２３はこの励起ビーム２５の空間的に良好に縮小されたビームプロフィールを作る作用をする。照射ユニット７はすなわち全体として１つの光学フィルタユニットを形成しており、これにより励起ビーム２５のスペクトル特性がデジタル的に制御調整される。このためには可動式の光吸収フィルタは不要である。

照射ユニット７から出た励起ビームの以後の進行は２５ａで示されている。これは主として第２のスペクトル成分λ_２を有する。ミラー２７とビームスプリッタ３３を介してこの励起ビームは測定器の試料領域３内に位置決めされた試料５に到達する。限定された測定領域２９内でこの試料５は比較的短波長のスペクトル成分λ_２で照射される。これに基づき試料５は蛍光により比較的長波長の、たとえば成分λ_３〜λ_５を有するビームを放射する。これらの成分にさらにもとの波長λ_２を有する散乱ビームが重畳される。この放射光ビームは符号３１でまとめて示されている。このビームはビームスプリッタ３３を貫通して入口スリット３７を介して検出ユニット３５に入射される。検出ユニット３５はビーム検出器４７と若干の別の光学部品を有し、これらは同様に入射された放射光ビーム３１ａのスペクトル的なフィルタリングに用いられる。まず第３の集束ユニット３９が入射された放射光ビーム３１ａを第３の分光素子４１に向けて集束する作用をする。この第３の分光素子４１によりここでもビームは種々のスペクトル成分λ_２〜λ_５に分光される。このように分光されたビームは従ってそのスペクトル成分により分割されて第２のマイクロミラーアレイ４３の種々の列に到達する。ここでも照射ユニット７の第１のマイクロミラーアレイ１７と同様の二次元にデジタル制御可能なマイクロミラーアレイが用いられる。図示の実施例では第２のマイクロミラーアレイ４３は、第２のスペクトル成分λ_２により照射される部分領域が非選択部分領域４３ａであるように形状付けられる。残りのスペクトル成分λ_３〜λ_５は選択部分領域４３ｂ内で第２のマイクロミラーアレイ４３に当たる。これによりスペクトル成分λ_２に比して長波長の蛍光ビーム成分λ_３〜λ_５が以後のビーム経路においてビーム検出器４７の方向に誘導される。このビーム検出器４７へのより良好な集束のために同様に第４の集束ユニット４５、たとえば集束レンズが用いられる。これに対し短波長のスペクトル成分λ_２は以後のビーム経路から外され、たとえばここには示さないビームシンクに誘導される。ここでも光ブロック４９はビーム検出器４７の領域への不所望な散乱ビームの入射を回避する働きをする。検出ユニット３５内ではすなわち第２のマイクロミラーアレイ４３が分光素子４１とともにスペクトルフィルタとして作用し、励起ビームのスペクトル成分λ_２をフィルタリングできるようにされている。すなわちスペクトル成分λ_２および比較的長波長の成分λ_３〜λ_５の少なくとも一部領域において第１のマイクロミラーアレイ１７と第２のマイクロミラーアレイ４３が互いに補完するように構成されている。検出ユニット３５内のスペクトル的なフィルタリングによって短波長のスペクトル成分λ_２がビーム検出器４７による比較的長波長の成分λ_３〜λ_５の測定を妨げないことが達成される。

図１の実施例では測定すべきスペクトル成分λ_３〜λ_５は同時にビーム検出器４７に誘導される。検出器は合目的的にはピクセル型検出器であり、これにより個々のスペクトル成分は位置分解で測定できる。したがってこの第１の実施例の測定器は放射光分光計として好適である。個々のスペクトル成分λ_２〜λ_５が同時に測定される図示の実施例の代わりに、これらのスペクトル成分はまた時間的に前後して第２のマイクロミラーアレイ４３により選択して順次にビーム検出器４７に誘導することもできる。さらにビーム検出器４７は合目的的には、位置分解せずに時間的にずらして種々のスペクトル成分を測定する個々の検出器チャネルとすることもできる。このためには第２のマイクロミラーアレイ４３は時間的に可変な波長調節機能を有する帯域通過フィルタとして作動される。

図２は本発明の第２の実施例による放射光測定器１の概略ブロック図を示す。この場合類似のまたは同じ作用をする部品には図1と同じ符号を付してある。ここでも励起ビーム２５は照射ユニット７から出て被測定試料５に誘導される。試料からの放射光ビームはここから入口スリット３７を通って検出ユニット３５に入り、そこでビーム検出器４７により測定される。第1の実施例との
主な相違点は両マイクロミラーアレイ１７、４３の形態にある。第1のマイクロミラーアレイ１７はこの実施例では第1の分光素子１５とともにマルチパスフィルタとして作用する。３つの別々の選択領域１７ｂが設けられ、この領域内ではこれに当たるビームはさらに第２の分光素子２１の方向に向けられる。ビーム源９から放射されるビーム１１の比較的幅広のスペクトルから３つの異なる波長帯が３つのスペクトル成分λ_１、λ_３、λ_５に従って選択される。残りのここでは概略表示された成分λ_２、λ_４、λ_６はこれに対しビーム経路から外される。第２の分光素子２１によりここでは３つの選択された波長成分λ_１、λ_３、λ_５が再び１つの共通励起ビーム２５に集束される。照射ユニット７から出る励起ビーム２５ａは試料５に誘導され、そこで励起ビームの３つのスペクトル成分により異なる放射光メカニズムが励起される。たとえば、異なるスペクトル成分λ_１、λ_３、λ_５により試料５の異なる化学成分が多チャネル励起の形で放射光のため励起される。この場合、第1のデジタル可制御マイクロミラーアレイを介してスペクトル成分が所期通りに検査すべき化合物に適合させられる。たとえば試料5は３つの異なる成分を有しており、これらの成分は励起ビーム２５ａの３つのスペクトル成分によりそれぞれ若干長波長にずらされた蛍光に励起することができる。これにより、３つの新しいスペクトル成分λ_２、λ_４、λ_６を有する放射光が生じる。このようにして形成された放射光ビーム３１は、同様にビームスプリッタ３３および入口スリット３７を介して検出ユニット３５に入射することができる。放射光スペクトル成分λ_２、λ_４、λ_６には、この例でも励起スペクトル成分λ_１、λ_３、λ_５が散乱ビーム成分として重畳される。しかしこれらの成分は放射光ビーム３１には簡略化のため示されていない。

ここでも検出ユニット３５は第３の分光素子４１と第２のマイクロミラーアレイ４３を有しており、これらはまとまって入射された放射光ビーム３１ａのスペクトル的フィルタリングの作用をする。放射光ビームの３つのスペクトル成分λ_２、λ_４、λ_６は例えば順次に第２のマイクロミラーアレイ４３により選択される。図２に示した形態はスペクトル成分λ_４の選択に相当し、残りの成分λ_２、λ_６は第２のマイクロミラーアレイ４３の非選択領域４３ａにより以後のビーム経路から外される。簡略化のため、図２には励起光線のスペクトル成分λ_１、λ_３、λ₅は検出ユニット３５内にはもはや示されていない。しかし、ここでも励起ビームの一部はたとえば光散乱により検出ユニット３５に到達し、第２のマイクロミラーアレイ４３の形態の適合化により同様に以後のビーム経路から外すことができるので、これらの励起ビーム成分はビーム検出器４７には到達しない。ビーム検出器４７により測定されるスペクトル成分λ_２、λ_４、λ_６はここでも原理的には同時または順次にビーム検出器４７に誘導することができる。図示の実施例の代わりに、このような放射光測定器１は画像化測定器として作動させることもできる。このため検出ユニット３５内では第2のマイクロミラーアレイ４３にそれぞれ分光素子を後置接続することができ、これにより放射光ビームの選択されたスペクトル成分は同様に共通の部分ビームに集束され、これによってビーム検出器４７には試料５の表面の空間的画像を作ることができる。

以下の４図は４つの別の実施例を示すが、これらは放射光測定器の全体図を示すものではなく個別の光学フィルタユニット５１を示し、これらは上述の実施例の場合と同様に光学フィルタユニットとして照射ユニットおよび／または検出ユニットに使用できるものである。この場合図３〜図６はそれぞれ同種の光学部品を示すが、マイクロミラーアレイ１７の励振の仕様はそれぞれ異なっている。

たとえば図３は入射ビーム５３がスペクトル的に選択される光学フィルタユニット５１を示す。これにより可調節スペクトル組成を有する出射ビーム５５が作られる。入射ビームは集束ユニット１３を通って第1の分光素子１５に誘導される。この分光素子１５によりビームはここではたとえばλ₁〜λ_６で示された個々のスペクトル成分に分光される。個々のスペクトル成分の部分ビームはマイクロミラーアレイ１７に当たるが、マイクロミラーの大半は選択的スイッチング状態を有する。２つの選択部分領域１７ｂに側面を接して１つの非選択部分領域１７ａが挟まれており、このマイクロミラーはこれに当たるビームを以後のビーム経路、従って出射ビーム５５から外す働きをする。この非選択部分領域１７ａには第５のスペクトル成分λ₅に相当するビームが当たる。残りのスペクトル成分λ_１〜λ_４およびλ_６は続いて第２の分光素子２１により再び１つの共通の出射ビーム５５に集束されるが、そのスペクトル成分は非選択スペクトル成分λ_５だけ減ぜられる。結論として図示の構成は、従って帯域阻止フィルタである。光学フィルタユニット５１を検出ユニット内に使用する場合には、第２の分光素子２１は検出前の種々のスペクトル成分がもはや共通のビームに集束する必要がない場合には省略できる。これは光学フィルタユニットの以下の実施例に対しても該当する。

図４は本発明の第４の実施例による別の光学フィルタユニット５１を示す。このフィルタユニット５１は上述の実施例とはマイクロミラーアレイ１７の構成が異なっている。ここではマイクロミラーアレイ１７は２つの大面積の非選択部分領域１７ａの側面に選択部分領域１７ｂが１つだけ挟まれるようになっている。従って入射ビーム５３の比較的小さいスペクトル成分のみが出射ビーム５５となるようにフィルタリングされる。図４の概略的に示した例ではこれはもとの多数のスペクトル成分λ₁〜λ_６のうちたとえばスペクトル成分λ_２である。残りのスペクトル成分λ_１およびλ₃〜λ_６はマイクロミラーアレイ１７の非選択部分領域１７ａにより個々には示さないビームシンクに誘導され、従って出射ビーム５５には加わらない。これにより簡単に帯域通過フィルタが構成される。

図５は別の例示的な構成における同様の光学フィルタ部品５１を示す。ここではマイクロミラーアレイ１７は分光素子１５、２１とともにエッジフィルタとして作用し、スペクトルエッジ１７ｃ以下の波長のビームが通過させられる。マイクロミラーアレイ１７は従って１つの選択部分領域１７ｂと１つの非選択部分領域１７ａだけを有し、選択部分領域１７ｂは比較的短波長のスペクトル成分λ₁〜λ_３に対応する。これにより比較的短波長の成分λ₁〜λ_３はまとまって出射ビーム５５に混入される。

図６は同様に光学エッジフィルタとして構成された光学フィルタユニット５１の別の実施例を示す。ここでもエッジ１７ｃはマイクロミラーアレイの非選択部分領域１７ａと被選択部分領域１７ｂとの間の分離線を形成する。この例では選択部分領域１７ｂは入射ビーム５３の比較的長波長の成分λ₄〜λ_６に相当するので、光学フィルタユニットは全体としてロングパスフィルタとして作用する。

１ 放射光測定器
３ 試料領域
５ 試料
７ 照射ユニット
９ ビーム源
１１ 入射ビーム
１３ 集束ユニット
１５ 分光素子
１７ マイクロミラーアレイ
１９ 光ブロック
２１ 分光素子
２３ 集束ユニット
２５ 励起ビーム
２７ ミラー
３１ 放射光ビーム
３３ ビームスプリッタ
３５ 検出ユニット
３７ 入口スリット
３９ 集束ユニット
４１ 分光素子
４３ マイクロミラーアレイ
４５ 集束ユニット
４７ ビーム検出器
４９ 光ブロック
５１ 光学フィルタユニット
５３ 入射ビーム
５５ 出射ビーム

Claims (15)

1. 試料領域（３）と、
   前記試料領域（３）に位置決め可能な試料を照射するための照射ユニット（７）と、
   試料（５）から放射光するビーム（３１）を検出するためのビーム検出器（４７）を備えた検出ユニット（３５）と、
   を備えた放射光測定器（１）であって、
   前記射ユニット（７）が
   ビーム源（９）と、
   前記ビーム源（９）の後のビーム方向に配置されビームをそのスペクトル成分（λ_１〜λ_６）に分解するための第１の分光素子（１５）と、
   前記第１の分光素子（１５）の後に配置されスペクトル成分（λ_２）を選択するための第１のマイクロミラーアレイ（１７）と、
   前記第１のマイクロミラーアレイ（１７）の後のビーム方向に配置され選択されたスペクトル成分（λ_２）を１つの共通の励起ビーム（２５）にまとめるための第２の分光素子（２１）と、
   を有する放射光測定器（１）。
2. 前記照射ユニット（７）が少なくとも１つの集束ユニット（１３、２３）を有し、
   前記集束ユニットが、ビーム方向に対して前記ビーム源（９）と前記第１の分光素子（１５）の間、およびビーム方向に対して前記第２の分光素子（２１）と前記試料領域（３）の間、の少なくとも一方に配置される請求項１記載の放射光測定器（１）。
3. 前記検出ユニット（３５）が
   前記試料領域（３）の後のビーム方向に配置され前記放射光ビーム（３１）をそのスペクトル成分（λ_２-λ_５）に分解するための第３の分光素子（４１）と、
   前記第３の分光素子（４１）の後のビーム方向に配置され個々のスペクトル成分（λ_３−λ_５）を選択するための第２のマイクロミラーアレイ（４３）と、
   前記第２のマイクロミラーアレイ（４３）の後のビーム方向に配置されたビーム検出器（４７）と、
   を有する請求項１または２記載の放射光測定器（１）。
4. 前記検出ユニット（３５）が少なくとも１つの集束ユニット（３９、４５）を有し、
   前記集束ユニットが、ビーム方向に対して前記試料領域（３）と前記第３の分光素子（４１）の間、およびビーム方向に対して前記第２のマイクロミラーアレイ（４３）と前記ビーム検出器（４７）の間、の少なくとも一方に配置される請求項３記載の放射光測定器（１）。
5. 前記ビーム検出器（４７）が唯一の個別センサチャネルを有する請求項１から４の１つに記載の放射光測定器（１）。
6. 前記ビーム検出器（４７）が一次元または二次元のピクセル化されたセンサアレイを有する請求項１から４の１つに記載の放射光測定器（１）。
7. 前記照射ユニット（７）および前記検出ユニット（３５）の少なくとも一方がスペクトル選択光学吸収フィルタを持たない請求項１から６の１つに記載の放射光測定器（１）。
8. 前記第１のマイクロミラーアレイ（１７）の個々のマイクロミラーの反射および非反射の少なくとも一方により前記励起ビーム（２５）のスペクトル組成を選択することを特徴とする請求項１から７の１つに記載の放射光測定器（１）による放射光測定方法。
9. 前記第１のマイクロミラーアレイ（１７）によりビームのスペクトル成分の個別関連部分量を選択し残りのビームをビーム経路から外すか、または
   前記第１のマイクロミラーアレイ（１７）によりビームのスペクトル成分の個別関連部分量をビーム経路から外し残りのビームを選択する
   請求項８記載の方法。
10. 前記第１のマイクロミラーアレイ（１７）によりビームの波長の固定閾値までの全ての短波長のスペクトル成分を選択し残りのビームをビーム経路から外すか、または
    前記第１のマイクロミラーアレイ（１７）によりビームの波長の固定閾値以上の全ての長波長のスペクトル成分を選択し残りのビームをビーム経路から外す
    請求項８記載の方法。
11. 前記試料からの放射光ビームを前記検出ユニット内に配置された前記第２のマイクロミラーアレイにより個々の前記マイクロミラーの反射および非反射の少なくとも一方によりスペクトル選択する請求項８から１０の１つに記載の方法。
12. ビームの波長スペクトルの少なくとも一つの部分領域において前記第１のマイクロミラーアレイ（１７）により選択されたスペクトル成分の選択パターンを前記第２のマイクロミラーアレイ（４３）により選択されたスペクトル成分の選択パターンに補完させる請求項１１記載の方法。
13. 励起ビームのさまざまな波長領域および放射光ビームのさまざまな波長領域の少なくとも一方に対する放射光測定器（１）の切り換えを巨視的な光学部品の移動なしに行う請求項８から１２の１つに記載の方法。
14. 予め規定されたスペクトル成分の部分的選択を前記第１および第２のマイクロミラーアレイ（１７、４３）の少なくとも一方のミラーの反射状態と非反射状態の間の反復的な切り換えにより行われる請求項８から１３の１つに記載の方法。
15. 予め規定されたスペクトル成分の部分的選択を二次元の前記第１および／またはは第２のマイクロミラーアレイ（１７、４３）の各スペクトル成分に対応する行または列におけるマイクロミラーの予め規定された一部分の選択により行う請求項８から１３の１つに記載の方法。

Images