JP2021012137A

JP2021012137A - 光学測定装置

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Publication number: JP2021012137A
Application number: JP2019127205A
Authority: JP
Inventors: 本間　敬之; Noriyuki Honma; 敬之本間; 雅広柳沢; Masahiro Yanagisawa; 賢一河村; Kenichi Kawamura
Original assignee: Waseda University; Tokyo Instruments Inc
Current assignee: Waseda University; Tokyo Instruments Inc
Priority date: 2019-07-08
Filing date: 2019-07-08
Publication date: 2021-02-04
Anticipated expiration: 2039-07-08
Also published as: JP7325736B2

Abstract

【課題】試料の深さ方向の各位置からの検出光を同時に検出することができる光学測定装置を提供する。【解決手段】ラマン分光装置１０には、コリメートレンズ１７と、マイクロレンズアレイ２１、ファイババンドル２２が設けられている。コリメートレンズ１７は、結像レンズ１６から射出されるラマン散乱光を略平行光に変換する。マイクロレンズアレイ２１は、二次元配列した複数のマイクロレンズ２１ａを有し、コリメートレンズ１７から入射するラマン散乱光をそれぞれ集光することにより、試料Ｓ１の深さ方向の各位置からの光を分割して、ファイババンドル２２の対応する光ファイバ２２ａに入射する。ファイババンドル２２は、二次元に配列された状態で入射するラマン散乱光をライン状に並び替えて射出する。【選択図】図１

Description

本発明は、光学測定装置に関するものである。

試料の化学組成の情報を得ることができる光学測定装置として、共焦点光学系を用い、励起光を試料に照射したときに試料から放出される検出光としてのラマン散乱光を検出する共焦点ラマン分光装置が知られている。このような共焦点光学系では、対物レンズの焦点位置と共役な結像位置にピンホールを配置するとともに、対物レンズによって点光源からの励起光を対物レンズの焦点位置に集光するようにしている。これにより焦点が合致した試料の特定位置からだけの検出光を選択に取得している。このような共焦点ラマン分光装置は、測定対象となる試料の特定位置からだけのラマン散乱光を検出して高精度な測定ができる。

また、試料に対して複数の励起光を所定の間隔で二次元配列した状態で照射することにより、試料から多点の分光スペクトルを同時取得できる多焦点共焦点タイプのラマン分光装置が知られている（特許文献１、２を参照）。

特開２０１２―２３７６４７号公報特開２０１４―１０２１６号公報

共焦点光学系を用いた上記のようなラマン分光装置では、対物レンズの焦点から試料の深さ方向（厚み方向）にずれた各位置についての分光スペクトルは同時に得ることはできない。このため、深さ方向の各位置の分光スペクトルを得る場合には、対物レンズの光軸方向に、対物レンズの焦点に対して試料を相対的に移動させる必要があり、測定に時間がかかるという問題があった。このような問題は、試料に励起光を照射したときに放出される蛍光の分光スペクトルを測定するための蛍光分光装置や試料に赤外線を照射したときの透過または反射される検出光の分光スペクトルを得る赤外分光装置等の共焦点光学系を用いた光学測定装置についても同様に生じる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、試料の深さ方向の各位置からの検出光を同時に検出することができる光学測定装置を提供することを目的とする。

本発明の光学測定装置は、試料に測定光を点状に集光して照射する光照射部と、前記測定光の照射により前記試料から放出される検出光が入射する対物レンズ及び前記対物レンズからの前記検出光を結像させる結像レンズを有する主光学系と、前記主光学系の光軸方向について前記対物レンズの焦点位置からずれた前記試料からの光を含む前記検出光が前記主光学系から入射され、入射される前記検出光を平行光に変換するコリメートレンズを含む検出光学系と、前記コリメートレンズから射出される前記検出光の中心軸から離れた位置の光を前記試料の前記対物レンズの焦点位置からずれた位置からの光として検出する検出部とを備えるものである。

本発明の光学測定装置は、測定光を試料に照射する光照射部と、前記測定光の照射により前記試料から放出される検出光が入射する対物レンズ及び前記対物レンズからの前記検出光を結像させる結像レンズを有する主光学系と、複数のマイクロレンズが配列され、前記主光学系からの前記検出光が入射するマイクロレンズアレイと、前記マイクロレンズアレイの各々のマイクロレンズに対応して複数の光ファイバが設けられ、前記マイクロレンズを透過した光が前記複数の光ファイバの一端に入射するファイババンドルと、前記ファイババンドルの各光ファイバの他端から射出される各光を検出する検出部とを備えるものである。

本発明によれば、測定光を点状に集光して照射した試料から主光学系通して得られる検出光をコリメートレンズを介して平行光に変換し、このコリメートレンズからの検出光の中心軸から離れた位置の光を試料の対物レンズの焦点位置からずれた位置からの光として検出するようにしたので、試料の深さ方向の各位置からの検出光を同時に検出することができる。

本発明によれば、主光学系を通して得られる試料からの検出光をマイクロレンズアレイを介して複数の光ファイバの一端に入射するようにしたので、各光ファイバから試料の深さ方向の各位置に対応した検出光を同時に検出することができる。

第１実施形態のラマン分光装置の構成を示す説明図である。ファイババンドルの入射端面と射出端面における光ファイバの配置を示す説明図である。焦点位置及び非焦点位置からのラマン散乱光が形成する像を示す説明図である。焦点位置及び非焦点位置からのラマン散乱光に対応した光束と光ファイバとの位置関係の例を示す説明図である。測定した試料の層構造を示す説明図である。２本の光ファイバの光から得られた各ラマンシフトを示すグラフである。１行分の各光ファイバの光における上層のＦｅ_２Ｏ_３と下層のＮｉＯのラマンスペクトルピークおよびＮｉＯとＦｅ_２Ｏ_３の光強度比を示すグラフである。第２実施形態のラマン分光装置の構成を示す説明図である。光源部の構成を示す説明図である。マイクロレンズに対する光ファイバの配置の一例を示す説明図である。各光ファイバに入射する光線を説明する説明図である。

［第１実施形態］
図１において、ラマン分光装置１０は、試料Ｓ１の深さの異なる各位置からのラマン散乱光の分光スペクトルを同時に検出するものである。

光学測定装置としてのラマン分光装置１０は、光源部１２、ダイクロイックミラー１４、対物レンズ１５、結像レンズ１６、コリメートレンズ１７、エッジフィルタ１８、マイクロレンズアレイ２１、ファイババンドル２２、検出部としての分光検出器２３を備えている。これらのうち光源部１２、ダイクロイックミラー１４、対物レンズ１５は、光照射部を構成し、コリメートレンズ１７、エッジフィルタ１８、マイクロレンズアレイ２１、ファイババンドル２２は、検出光学系を構成する。

光源部１２は、励起光となるレーザ光を出力する点状光源であるレーザ光源、このレーザ光源からのレーザ光をコリメートして平行光とするコリメートレンズ等で構成される。ダイクロイックミラー１４は、光源部１２からの励起光を反射するとともに、励起光よりも長波長のラマン散乱光を透過する。光源部１２、ダイクロイックミラー１４は、ダイクロイックミラー１４で反射される励起光の中心が、対物レンズ１５の光軸Ｐ１（図３参照）と一致するように調整されている。対物レンズ１５は、ダイクロイックミラー１４で反射された励起光を試料Ｓ１上に集光するとともに、励起光を照射しているときに試料Ｓ１から放出されるラマン散乱光を集光する。この例では、励起光が測定光であり、ラマン散乱光が検出光である。

この例では、光源部１２は、対物レンズ１５を通して励起光を照射する落射照明配置であるが、対物レンズ１５と反対側から試料Ｓ１に励起光を照射する透過照明配置であってもよい。透過照明配置の場合においても、励起光を対物レンズ１５の焦点位置の一点に集光することが好ましい。

結像レンズ１６は、対物レンズ１５とともに主光学系を構成し、ダイクロイックミラー１４を透過したラマン散乱光を集光して結像する。コリメートレンズ１７は、結像レンズ１６から射出されるラマン散乱光を略平行光に変換する。このため、コリメートレンズ１７は、例えば、その物体側（図中左側）の焦点が結像レンズ１６の像側（図中右側）の焦点と略一致するように配置されている。試料Ｓ１の深さ方向に異なる各位置から放出されて、コリメートレンズ１７から射出されるラマン散乱光は、それぞれ光軸Ｐ１に直交する断面が、光軸Ｐ１すなわちコリメートレンズ１７からの射出される光束の中心軸を中心とする輪帯状（ドーナツ状）であって、その径が焦点位置からのずれ量に応じた光束（以下、筒状光束という）に変換される。なお、実際にはコリメートレンズ１７で平行光に変換されるラマン散乱光は、輪帯状の部分がピークとなるよう山状の光強度分布を有している。

このラマン分光装置１０では、対物レンズ１５の焦点位置からのラマン散乱光の他に、その焦点位置に対して試料Ｓ１の深さ方向（厚み方向）にずれた位置（以下、非焦点位置という）からのラマン散乱光についても同時に分光スペクトルを検出する。このため、結像レンズ１６の像側の焦点位置であって、試料Ｓ１上の対物レンズ１５の焦点位置すなわち励起光の集光位置と共役な焦点位置には、非焦点位置からの光をカットするためのピンホール等を設けていない。なお、試料Ｓ１の深さ方向とは、対物レンズ１５の光軸方向である。

エッジフィルタ１８は、コリメートレンズ１７から射出される光から励起光を精度良く取り除きラマン散乱光だけを透過するロングパスフィルタである。なお、エッジフィルタ１８の位置は、ダイクロイックミラー１４よりも後ろ側であれば特に限定されず、例えばダイクロイックミラー１４と結像レンズ１６との間に配してもよい。

マイクロレンズアレイ２１は、二次元配列した複数のマイクロレンズ２１ａが一体に形成されている。マイクロレンズアレイ２１は、各マイクロレンズ２１ａの光軸が光軸Ｐ１と平行となる姿勢で配置されている。各マイクロレンズ２１ａは、それに入射するラマン散乱光をそれぞれ集光する。すなわちコリメートレンズ１７からのラマン散乱光の一部を集光する。このマイクロレンズアレイ２１により、コリメートレンズ１７から射出されるラマン散乱光を複数の光束に分割し、分割した光束をそれぞれファイババンドル２２の入射端面に集光する。この例では、マイクロレンズアレイ２１は、ｎを２以上の整数として、ｎ×ｎ個のマイクロレンズ２１ａをマトリックス状に配列している。マイクロレンズ２１ａの二次元配列の態様は、マトリックス状に限定されず、例えばハニカム状の配列であってもよい。なお、図示の煩雑化を避けるために、図１ではマイクロレンズ２１ａを実際よりも少なく描いてある。

上記マイクロレンズアレイ２１は、ファイババンドル２２を構成する各光ファイバ２２ａにラマン散乱光を効率良く入射させるとともに、焦点位置及び各非焦点位置からのラマン散乱光同士が混ざるクロストークを抑制する。

ファイババンドル２２は、マイクロレンズアレイ２１のマイクロレンズ２１ａと同数の光ファイバ２２ａをまとめたものであり、光ファイバ２２ａとマイクロレンズ２１ａとが１対１に対応する。各マイクロレンズ２１ａからのラマン散乱光は、射出されるマイクロレンズ２１ａに対応する光ファイバ２２ａを通して分光検出器２３に導光される。

分光検出器２３は、ラマン散乱光の分光スペクトルを検出する。この分光検出器２３は、ラマン散乱光を分散する分光器と、この分光器で分散されたラマン散乱光の波長毎の光の強度すなわち分光スペクトルを検出する光強度検出器等で構成される。分光検出器２３による分光スペクトルの検出は、各光ファイバ２２ａから射出されるラマン散乱光のそれぞれについて行なわれる。なお、各光ファイバ２２ａのうちの任意の１または複数の光ファイバ２２ａからのラマン散乱光について分光スペクトルを検出してもよい。

ファイババンドル２２は、マイクロレンズアレイ２１側の入射端面では、図２（Ａ）に示すように、光ファイバ２２ａの一端がマトリックス状に配列されている。光ファイバ２２ａは、それらの一端がマイクロレンズ２１ａと同じピッチ、行数及び列数で配列されている。これにより、各マイクロレンズ２１ａから射出されるラマン散乱光が、それぞれ対応する光ファイバ２２ａに入射する。一方、ファイババンドル２２の分光検出器２３側の射出端面では、図２（Ｂ）に示すように、光ファイバ２２ａの他端がライン状に配列されている。このファイババンドル２２によって、マイクロレンズアレイ２１から２次元的に分布した状態で射出される焦点位置及び非焦点位置からの各ラマン散乱光が１次元的に配列した状態で分光検出器２３に出力される。

上記のように、ファイババンドル２２により、焦点位置及び非焦点位置からの各ラマン散乱光が、その進行方向（光ファイバ２２ａからの射出方向）と直交するライン状に展開されて分光検出器２３に射出されるので、分光スペクトルの検出が容易である。

次に上記構成の作用について説明する。まず試料Ｓ１をラマン分光装置１０のステージ（図示省略）に載置する。ステージを対物レンズ１５の光軸方向に移動して、対物レンズ１５の焦点位置を、例えば試料Ｓ１の表面から僅かに試料Ｓ１内に入った位置に調整する。なお、対物レンズ１５の焦点位置を、試料Ｓ１の表面に一致させたり、試料Ｓ１の外部としたり、試料Ｓ１の内部のより深い位置としたりしてもよい。対物レンズ１５の焦点位置が試料Ｓ１の内部に入り込んでいる場合、その焦点位置を挟んだ一対の位置からのラマン散乱光の筒状光束が重なる場合がある。このため、そのような一対の位置の試料Ｓ１からのラマン散乱光を検出する必要がない場合や、それらの筒状光束が重なっても問題なく検出できる場合（例えば同じ組成であることが既知である場合）に、焦点位置が試料Ｓ１の内部に入り込んだ状態にするのがよい。

光源部１２からの励起光をダイクロイックミラー１４，対物レンズ１５を介して試料Ｓ１に照射する。この励起光の照射により、試料Ｓ１からラマン散乱光が放出される。試料Ｓ１から放出されたラマン散乱光は、対物レンズ１５、ダイクロイックミラー１４、結像レンズ１６を経てコリメートレンズ１７に入射する。

図３（Ａ）に示すように、試料Ｓ１から放出されるラマン散乱光には、試料Ｓ１内の対物レンズ１５の焦点位置Ｆｐからだけではなく、対物レンズ１５の光軸Ｐ１上の非焦点位置からのものが含まれている。以下、説明を簡単にするために、焦点位置Ｆｐとともに３箇所の非焦点位置ＮＦｐ１〜ＮＦｐ３からラマン散乱光が放出されるものとして説明する。

結像レンズ１６の焦点面では、図３（Ｂ）に示されるように、焦点位置Ｆｐからのラマン散乱光は点状の像Ｒ０を形成する。一方、非焦点位置ＮＦｐ１〜ＮＦｐ３からのラマン散乱光は、それらが焦点位置Ｆｐからずれているため、輪帯状の像Ｒ１〜Ｒ３を形成する。像Ｒ１〜Ｒ３は像Ｒ０を中心とした同心円状のものとなり、焦点位置Ｆｐからのずれが大きい非焦点位置のものほど径が大きくなる。

上記ように像Ｒ０〜Ｒ３を形成するラマン散乱光は、コリメートレンズ１７により平行光に変換される。すなわち、焦点位置Ｆｐからのラマン散乱光は、断面が円形の光束に変換され、非焦点位置ＮＦｐ１〜ＮＦｐ３からのラマン散乱光は、輪帯状であって焦点位置Ｆｐに対するずれ量に応じた径を有する筒状光束に変換される。

コリメートレンズ１７を経たラマン散乱光は、図４に模式的に示すように、その像Ｒ０〜Ｒ３に対応した光束Ｂ０〜Ｂ４がそれぞれ通過する位置のマイクロレンズ２１ａで集光され、マイクロレンズ２１ａに対応する光ファイバ２２ａの一端に入射する。すなわち、焦点位置Ｆｐからずれた非焦点位置ＮＦｐ１〜ＮＦｐ３ｋからのラマン散乱光は、光軸Ｐ１から離れた各光ファイバ２２ａに入射し、焦点位置Ｆｐからのずれが大きいものほど光軸Ｐ１よりも大きく離れた各光ファイバ２２ａに入射する。そして、光ファイバ２２ａに入射した光束Ｂ０〜Ｂ４のラマン散乱光は、それぞれ光ファイバ２２ａを通ってその他端から分光検出器２３に射出される。

そして、光ファイバ２２ａから射出されるラマン散乱光のそれぞれについて、分光検出器２３により分光スペクトルが検出される。結果として、焦点位置Ｆｐとともに非焦点位置ＮＦｐ１〜ＮＦｐ３からのラマン散乱光の分光スペクトルが同時に検出される。そして、このように検出される分光スペクトルは、それの元になるラマン散乱光を射出する光ファイバ２２ａの一端の位置により、深さ方向における試料Ｓ１のいずれの非焦点位置に対応するものであるかを特定できる。このようにして、試料Ｓ１に対して対物レンズ１５の焦点位置を移動させることなく、試料Ｓ１の深さ方向の各位置の分光スペクトルが得られる。

上記構成を用いて、図５に示す層構造の試料Ｓ１について、ラマン散乱光の分光スペクトルを検出した。試料Ｓ１は、上から順番にＦｅ_２Ｏ_３（酸化鉄(III)）で形成した第１層３１と、ＮｉＯ（酸化ニッケル）で形成した第２層３２とを酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜３３上に積層した構造である。第１層３１と第２層３２との厚みは、それぞれ１００ｎｍであった。対物レンズ１５の焦点位置を第１層３１の表面から僅かにずらした第１層３１内となるように、試料Ｓ１を載せたステージを調節した。

マイクロレンズアレイ２１は、図４に示されるように、１１×１１個のマイクロレンズ２１ａをマトリックス状に配列したものを用いた。これに対応して、ファイババンドル２２は、入射端面に、光ファイバ２２ａの一端を１１行×１１列に配列したものを用いた。以下では、図４に示されるように、ファイババンドル２２の入射端面における光ファイバ２２ａの行方向の位置をＸ０、Ｘ１・・・Ｘ１０、列方向の位置をＹ０、Ｙ１・・・Ｙ１０として、これら行方向と列方向の各位置を用いて光ファイバ２２ａを特定する。

対物レンズ１５の焦点位置（第１層３１内）からのラマン散乱光が入射すると推定される位置Ｘ５Ｙ５の光ファイバ２２ａと、第２層３２内の非焦点位置からのラマン散乱光が入射すると推定される位置Ｘ５Ｙ２の光ファイバ２２ａとから射出される光の分光スペクトルを検出した結果から得たラマンシフトを図５に示す。位置Ｘ５Ｙ５の光ファイバ２２ａからの光のラマンシフトには、第１層３１のＦｅ_２Ｏ_３に特有のピークが検出された。また、位置Ｘ５Ｙ２の光ファイバ２２ａからの光のラマンスペクトルには、第２層３２のＮｉＯに特有のピークが検出された。

また、図７に、位置Ｙ５の行方向に並ぶ各光ファイバ２２ａからの光について、光強度比を示す。光強度比（Ｆｅ_２Ｏ_３／ＮｉＯ）は、第１層３１のＦｅ_２Ｏ_３（３９５ｃｍ^−１）の光強度の第２層３２のＮｉＯ（４５５ｃｍ^−１）に対する比である。また、光強度比（ＮｉＯ／Ｆｅ_２Ｏ_３）は、第２層３２のＮｉＯ（４５５ｃｍ^−１）の光強度の第１層３１のＦｅ_２Ｏ_３（３９５ｃｍ^−１）に対する比である。これらの光強度比からわかるように、焦点位置から深さ方向のずれにより大きく光強度比が変化していることがわかり、焦点位置及び各非焦点位置からの光を分別して検出できることがわかる。

上記の例では、マイクロレンズアレイを介して、コリメートレンズからのラマン散乱光をファイババンドルに入射しているが、マイクロレンズアレイを省略し、コリメートレンズからのラマン散乱光を直接にファイババンドルに入射させてもよい。また、複数のマイクロレンズをライン状に並べたマイクロレンズアレイを用い、コリメートレンズから射出されるラマン散乱光を対物レンズの光軸と直交する一次元方向にのみ取得してもよい。また、複数のマイクロレンズをライン状に並べたマイクロレンズアレイを、対物レンズの光軸と直交する面内で移動あるいは回転させて、コリメートレンズから射出されるラマン散乱光を走査してもよい。さらに、１個のマイクロレンズを対物レンズの光軸と直交する面内で移動させて、コリメートレンズから射出される所望とする位置のラマン散乱光を取得してもよい。なお、上記のように構成した場合にも、光ファイバをマイクロレンズと同数にすることができる。また、ファイババンドルを省略し、１個のマイクロレンズあるいはライン状に並べたマイクロレンズから射出されるラマン散乱光を用いて分光スペクトルを検出することもできる。

［第２実施形態］
第２実施形態のラマン分光装置は、試料の面方向及び厚み方向についてのラマン散乱光の分光スペクトルを同時に検出するものである。

図８において、光学測定装置としてのラマン分光装置５０は、光源部５２、ダイクロイックミラー５４、対物レンズ５５、エッジフィルタ５６、結像レンズ５７、マイクロレンズアレイ５８、ファイババンドル６１、検出部としての分光検出器６２、データ演算部６３を備えている。これらのうちの光源部５２、ダイクロイックミラー５４、対物レンズ５５は、光照射部を構成し、マイクロレンズアレイ５８、ファイババンドル６１は、検出光学系を構成する。

光源部５２は、複数の励起光を出力する。図９に一例を示すように、光源部５２は、レーザ光源６５、ビームエクスパンダ６６、マイクロレンズアレイ６７、複数のピンホールを二次元配列したピンホール板６８、コリメートレンズ６９を備えている。レーザ光源６５は、励起光となるレーザ光を出力する点状光源である。レーザ光源６５から出力されるレーザ光は、ビームエクスパンダ６６で径が大きな平行光束に変換され、マイクロレンズアレイ６７によってマイクロレンズごとの小さな径の光束に分割される。

ピンホール板６８の各ピンホールは、マイクロレンズアレイ６７の各マイクロレンズの焦点に配されている。マイクロレンズアレイ６７から射出されて、ピンホール板６８の各ピンホールを透過した各光束は、コリメートレンズ６９によってそれぞれ平行光の励起光としてダイクロイックミラー５４に向けて射出される。光源部５２、ダイクロイックミラー５４は、ダイクロイックミラー５４で反射される各励起光が、対物レンズ５５の光軸Ｐ２（図８参照）と平行になるように調整されている。対物レンズ５５は、ダイクロイックミラー５４で反射された各励起光を試料Ｓ２上に集光する。これにより、複数の励起光をマトリックス状に試料Ｓ２に対して照射する。これにより、複数の励起光を所定の間隔で、マトリクス状に二次元配列した状態で試料Ｓ２に照射する。

この例における光源部５２は、対物レンズ５５を通して励起光を照射する落射照明配置であるが、対物レンズ５５と反対側から試料Ｓ２に各励起光を照射する透過照明配置であってもよい。

対物レンズ５５は、複数の励起光を照射しているときに試料Ｓ２から放出されるラマン散乱光を集光する。ダイクロイックミラー５４は、光源部５２からの励起光を反射するとともに、励起光よりも長波長のラマン散乱光を透過する。

図８に示されるように、ダイクロイックミラー５４と結像レンズ５７との間に配されているエッジフィルタ５６は、ロングパスフィルタで構成され、ダイクロイックミラー５４を透過した光から励起光を精度良く取り除きラマン散乱光だけを透過する。結像レンズ５７は、エッジフィルタ５６を透過したラマン散乱光を集光して結像する。

ラマン分光装置５０は、試料Ｓ２における各励起光の集光点、すなわち対物レンズ５５の焦点面上における各励起光の照射部分からのラマン散乱光の他に、各集光点から試料Ｓ２の深さ方向（厚み方向）にずれた位置（以下、非焦点位置という）からのラマン散乱光についても同時に分光スペクトルを検出する。このため、結像レンズ５７の像側の焦点面には、各励起光の集光点以外からの光をカットするためのピンホール等を設けていない。なお、試料Ｓ２の深さ方向とは、対物レンズ５５の光軸方向である。

マイクロレンズアレイ５８は、複数のマイクロレンズ５８ａがマトリックス状に二次元配列されている。このマイクロレンズアレイ５８は、各マイクロレンズ５８ａの光軸が光軸Ｐ２と平行となる姿勢で、結像レンズ５７の焦点位置近傍に配置されている。なお、マイクロレンズアレイ５８は、結像レンズ５７の焦点位置に配置されても、またその焦点位置よりも後側、前側のいずれに配置されてもよい。

ファイババンドル６１は、第１実施形態のファイババンドルと同様に、複数の光ファイバ６１ａからなり、マイクロレンズアレイ５８側の入射端面では、光ファイバ６１ａの一端がマトリックス状に配列され、反対側の射出側端面では、光ファイバ６１ａの他端がライン状に配列されている。

図１０に示すように、各々のマイクロレンズ５８ａに対して、複数の光ファイバ６１ａの一端がマトリクス状に配列された状態で対面している。図１０の例では、１つのマイクロレンズ５８ａに対して、４本の光ファイバ６１ａの一端が２行２列に配列された状態で対面している。なお、以下では、１つのマイクロレンズ５８ａに対応する複数の光ファイバ６１ａをまとめてファイバ単位と称して説明する。

分光検出器６２は、第１実施形態のものと同様に、ラマン散乱光の分光スペクトルを検出するものであり、分光器及び光強度検出器等で構成される。この分光検出器６２についても、各光ファイバ６１ａからのラマン散乱光のそれぞれについて分光スペクトルを検出する。データ演算部６３は、ライトフィールドカメラと同様なリフォーカス処理を行い、例えば試料Ｓ２の深さごとに分光スペクトルをまとめるように分光スペクトルを再配列して表示する。このような表示を行なう場合には、例えば、入射端面におけるファイバ単位ごとの相対的に同一位置の光ファイバ６１ａから得られる分光スペクトルを、試料Ｓ２の同じ深さの位置から得られる分光スペクトルとして扱えばよい。

上記のような構成は、ライトフィ−ルドの検出を行なうものである。対物レンズ５５及び結像レンズ５７からなる主光学系７１と、検出光学系を構成するマイクロレンズアレイ５８とファイババンドル６１の各光ファイバ６１ａとは、ライトフィールドカメラの撮影レンズ、マイクロレンズアレイ、イメージセンサの受光素子との関係と同じである。

上記のラマン分光装置５０の作用について説明する。光源部５２からの複数の励起光は、ダイクロイックミラー５４、対物レンズ５５を介して、試料Ｓ２に照射される。このときに、光軸Ｐ２に直交する二次元方向にマトリックス状に配列した状態で複数の励起光が試料Ｓ２に照射される。

試料Ｓ２の各励起光が照射された各々の部分からは、ラマン散乱光が放出される。このときに、ラマン散乱光は、試料Ｓ２における対物レンズ５５の焦点面の各部分からだけではなく、励起光が照射された各部分の深さ方向の各部分からも放出される。

上記のようにして放出されるラマン散乱光は、対物レンズ５５によって集光された後に、ダイクロイックミラー５４、エッジフィルタ５６を透過し、結像レンズ５７で集光される。そして、結像レンズ５７で集光されるラマン散乱光は、マイクロレンズアレイ５８を介してファイババンドル６１の入射端面に入射し、ライン状に配列された各光ファイバ６１ａの他端から分光検出器６２に射出される。このように各光ファイバ６１ａの他端から射出されたラマン散乱光の分光スペクトルが分光検出器６２によって検出される。

ところで、試料Ｓ２から放出されるラマン散乱光の光線は、それが通過する主光学系７１の位置（光軸Ｐ２からの高さ）と、当該光線の角度とに応じたいずれかの光ファイバ６１ａの一端に入射する。図１１に主光学系７１の中心部をラマン散乱光の光線が通る場合を模式的に示すように、光軸Ｐ２に直交する試料Ｓ２の面内方向の異なる位置から放出されるラマン散乱光の各光線は、互い異なるマイクロレンズ５８ａに入射して、それぞれ入射したマイクロレンズ５８ａに対応する光ファイバ６１ａに入射する。また、試料Ｓ２の面内方向の位置が同じであるが深さの異なる位置から放出されるラマン散乱光の各光線は、同じマイクロレンズ５８ａに入射するが、異なる光ファイバ６１ａにそれぞれ入射する。

上記のように、試料Ｓ２からのラマン散乱光の各光線が各光ファイバ６１ａに入射することによって、図１０に示されるように、マイクロレンズ５８ａごとのファイバ単位の位置は、光軸Ｐ２に直交する試料Ｓ２の面内方向における面内位置情報となる。また、マイクロレンズ５８ａごとのファイバ単位内では、光ファイバ６１ａの一端の位置は、ラマン散乱光の光線が放出された光軸Ｐ２の方向の位置情報、すなわち深さ情報となる。したがって、試料Ｓ２に対して対物レンズ５５の焦点位置を移動させることなく、各々の光ファイバ６１ａの位置に基づいて、試料Ｓ２の面内方向及び深さ方向の３次元の位置情報に対応付けたラマン散乱光の分光スペクトルを同時に得ることができる。

このラマン分光装置５０では、試料Ｓ２の面内方向及び深さ方向の各点の３次元の位置情報に分光スペクトルの情報を加えた４次元の情報が得られる。この４次元の情報は、ファイババンドル６１の射出端面において、光ファイバ６１ａがライン状に配列されているので、２次元の情報として取得できる。

上記の例では、試料に対して複数の励起光を同時に照射しているが、例えば１つの励起光あるいはライン状に並べた複数の励起光を試料に対して移動させて走査してもよい。また、面状の励起光を試料に対して照射してもよい。さらに、マイクロレンズを二次元配列したマイクロレンズアレイに代えて、複数のマイクロレンズをライン状に並べたマイクロレンズアレイを用い、このマイクロレンズアレイを対物レンズの光軸と直交する面内で移動あるいは回転させてもよい。なお、上記のように構成した場合にも、光ファイバをマイクロレンズと同数にすることができる。

上記の各実施形態において、例えば国際公開２０１４／０９７８８６号で提案されるように、試料表面に近接して配される光が透過可能な光学デバイスの試料側の表面に金属ナノ粒子設け、金属ナノ粒子の試料に近接した近接面に励起される表面プラズモンにより、試料からのラマン散乱光を増強する構成としてもよい。

また、上記の各実施形態では、ラマン分光装置について説明しているが、光学測定装置としては、これに限定されるものではない。例えば、光学測定装置としては、試料に測定光としての励起光を照射したときに放出される検出光としての蛍光の分光スペクトルを測定する蛍光分光装置、試料に測定光としての赤外線を照射し、透過または反射される検出光の分光スペクトルを得る赤外分光装置等でもよい。

１０、５０ラマン分光装置
１２、５２光源部
１５、５５対物レンズ
１６、５７結像レンズ
１７コリメートレンズ
２１、５８マイクロレンズアレイ
２２、６１ファイババンドル
２３、６２分光検出器
７１主光学系

Claims

試料に測定光を点状に集光して照射する光照射部と、
前記測定光の照射により前記試料から放出される検出光が入射する対物レンズ及び前記対物レンズからの前記検出光を結像させる結像レンズを有する主光学系と、
前記主光学系の光軸方向について前記対物レンズの焦点位置からずれた前記試料からの光を含む前記検出光が前記主光学系から入射され、入射される前記検出光を平行光に変換するコリメートレンズを含む検出光学系と、
前記コリメートレンズから射出される前記検出光の中心軸から離れた位置の光を前記試料の前記対物レンズの焦点位置からずれた位置からの光として検出する検出部と
を備えることを特徴とする光学測定装置。
前記検出光学系は、前記コリメートレンズの像側に配され、前記コリメートレンズから射出される前記検出光の一部を集光する１または複数のマイクロレンズを備えることを特徴とする請求項１に記載の光学測定装置。
前記検出光学系は、マトリックス状に配列された複数のマイクロレンズのそれぞれが前記コリメートレンズから射出される前記検出光の一部を集光するマイクロレンズアレイを備えることを特徴とする請求項１に記載の光学測定装置。
前記検出光学系は、前記マイクロレンズアレイの各マイクロレンズに対応した複数の光ファイバを含み、前記複数の光ファイバの一端がマトリックス状に配列された入射端面と、前記複数の光ファイバの他端がライン状に配列された射出端面とを有し、前記複数の光ファイバの各々の一端に対応する前記マイクロレンズアレイのマイクロレンズからの光が入射するファイババンドルを有し、
前記検出部は、前記射出端面からの光が入射される分光器を有する
ことを特徴とする請求項３に記載の光学測定装置。
前記光照射部は、前記測定光として励起光を前記試料に照射し、
前記検出光学系は、前記検出光として前記試料からのラマン散乱光を射出し、
前記検出部は、ラマン散乱光の分光スペクトルを検出する
ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の光学測定装置。
測定光を試料に照射する光照射部と、
前記測定光の照射により前記試料から放出される検出光が入射する対物レンズ及び前記対物レンズからの前記検出光を結像させる結像レンズを有する主光学系と、
複数のマイクロレンズが配列され、前記主光学系からの前記検出光が入射するマイクロレンズアレイと、
前記マイクロレンズアレイの各々のマイクロレンズに対応して複数の光ファイバが設けられ、前記マイクロレンズを透過した光が前記複数の光ファイバの一端に入射するファイババンドルと、
前記ファイババンドルの各光ファイバの他端から射出される各光を検出する検出部と
を備えることを特徴とする光学測定装置。
前記ファイババンドルは、前記複数の光ファイバの一端がマトリックス状に配列された入射端面と、前記複数の光ファイバの他端がライン状に配列された射出端面とを有し、
前記検出部は、前記射出端面からの光が入射される分光器を有する
ことを特徴とする請求項６に記載の光学測定装置。
前記光照射部は、前記測定光として励起光を前記試料に照射し、
前記ファイババンドルは、前記検出光として前記試料からのラマン散乱光を射出し、
前記検出部は、ラマン散乱光の分光スペクトルを検出する
ことを特徴とする請求項６または７に記載の光学測定装置。