JP4713391B2 - 赤外顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、赤外顕微鏡、特にその測定部位観察機構の改良に関する。

赤外顕微鏡は、例えば固体表面に付着した有機物等の分子構造等を調べる目的で使用される。つまり、試料の特定の微小部位に赤外光を照射し、試料からの反射もしくは透過スペクトルを顕微手段を介して測定することで分析を行っている。
測定範囲の制限は、試料からの反射光／透過光を集光する対物鏡の結像位置にアパーチャを配置し、測定範囲以外からの光を遮断することで行う。しかし、アパーチャを設けることで、試料を観察するための視野も同様に制限される。そのため、試料上の特定の微小部位を設定するのが困難であるという問題があった。

この問題を回避するため、特許文献１には試料像光をアパーチャ通過前に採取し、採取した試料像光とアパーチャ像とを光学的に合成するといった技術が記載されている。具体的にはビームスプリッタをアパーチャと顕微手段との間に設置し、このビームスプリッタにより試料像光を取り出す。さらに、アパーチャの後段（対物鏡とは反対側）にアパーチャ照射用の光源が別途設置され、この光源から出射した光はアパーチャを通過した後、先のビームスプリッタにより反射される。ビームスプリッタにより反射された光は試料に向わず、別途設置した平面鏡に向かい、そこにアパーチャ像を形成する。この平面鏡にて反射されたアパーチャ像光は再度ビームスプリッタに戻り、試料像光とアパーチャ像光とが光学的に合成される。この合成像を観察することで試料の広い領域の像とアパーチャの像とを同時に観察することができる。
実開平５−９０３５０号公報

しかし、特許文献１に記載された方法では、アパーチャ像と試料光像とを光学的に合成するための光学素子、例えば上で述べた例での平面鏡、が余分に必要となり、構造が複雑になるという問題があった。また、アパーチャ像光が試料像光と光学的に合成しているため、アパーチャ像が重ね合わされた部分において、試料像がやや不鮮明になるという問題もあった。
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、その目的は、簡単な構成で、試料像とアパーチャ像を同時に観察することが可能な赤外顕微鏡を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明にかかる赤外顕微鏡は、試料の測定部位に赤外光を照射する赤外光照射手段と、前記試料からの透過光もしくは反射光を集光する顕微手段と、前記顕微手段にて集光された赤外光のうち測定部位以外からの光を遮断するアパーチャと、前記アパーチャを介して前記試料の測定部位からの赤外透過光もしくは赤外反射光を検出する赤外光検出手段と、前記アパーチャ及び顕微手段を介して試料に有彩色の可視光を照射し、試料上に有彩色のアパーチャ像を投影するアパーチャ照射用光源と、前記試料の測定部位近傍に可視光を照射する試料照明用光源と、前記試料からの可視反射光および／または可視透過光を前記顕微手段を介して観察し、前記試料照明用光源により照明された試料像およびアパーチャ照射用光源からの照明により試料上に投影されたアパーチャ像を観察する試料画像観察手段と、前記顕微手段と前記アパーチャとの間の光路上に設置され、可視光を反射光と透過光の二光束に分割しており、前記アパーチャ照射用光源からの可視光を前記試料へ、前記試料からの可視光を前記試料画像観察手段へ、前記試料からの赤外光を前記アパーチャへ導光する観測用ビームスプリッタと、を備えたことを特徴とする。

上記の赤外顕微鏡において、前記観察用ビームスプリッタは赤外光を反射し、可視光を反射光と透過光の二光束に分離するものであり、前記観察用ビームスプリッタは、前記アパーチャ照射用光源からの可視光を試料へ、試料からの可視光を前記試料画像観察手段へ、前記試料からの赤外光を前記アパーチャへ導光することが好適である。

上記の赤外顕微鏡において、前記赤外光照射手段および前記試料照明用光源と試料との間の光路上に設置された照明用ビームスプリッタを備え、前記照射用ビームスプリッタは赤外光を反射または透過するものであって、前記赤外光を前記試料へ導光しており、前記照明用ビームスプリッタは赤外光を反射するときは可視光を透過し、赤外光を透過するときは可視光を反射するものであって、前記照明用可視光を前記試料へ導光しており、前記照明用ビームスプリッタから前記試料までの前記照明用可視光の光路を前記赤外光の光路と同一の光路上に導光することが好適である。
上記の赤外顕微鏡において、前記アパーチャと前記アパーチャ照射用光源との間の光路上に設置されたアパーチャ照射用ビームスプリッタを備え、前記アパーチャ照射用ビームスプリッタは赤外光を反射または透過するものであって、前記アパーチャを通過した試料からの前記赤外光を前記赤外光検出手段に導光しており、前記アパーチャ照射用ビームスプリッタは、赤外光を反射するときは可視光を透過し、赤外光を透過するときは可視光を反射するものであって、前記アパーチャ照射用可視光を前記試料へ導光しており、前記試料から前記アパーチャ照射用ビームスプリッタまでのアパーチャ照射用可視光の光路を前記赤外光の光路と同一の光路上に導光するのが好適である。

上記の赤外顕微鏡において、前記試料画像観察手段は画像検出器で構成されており、前記試料を載置するステージと、前記顕微手段と前記ステージとの距離を変更する駆動手段と、前記画像検出器で構成された試料画像観察手段にて観察された試料像と有彩色のアパーチャ像とのコントラストを測定し、該コントラストが最大になるよう前記駆動手段を制御して焦点合わせを行なう制御手段と、を備えることが好適である。

本発明にかかる赤外顕微鏡によれば、アパーチャ及び顕微手段を介して試料に可視光を照射し、試料上にアパーチャ像を投影するアパーチャ照射用光源を備え、アパーチャ像が実際に投影された試料像を観察するといった構成であるため、装置構成が簡単になる。さらに、顕微手段とアパーチャとの間の光路上に設置され、試料からの可視光を前記試料画像観察手段へ導光する観測用ビームスプリッタを備えているため、赤外測定時と可視光観察時で光路を切換える必要なく、アパーチャによって制限されない広い視野での試料観察が可能となり、測定部位の設定が容易である。

本発明にかかる赤外顕微鏡によれば、観察用ビームスプリッタは赤外光を反射し、可視光を反射光と透過光の二光束に分離するものであるため、顕微手段によって採取した試料からの赤外光を効率よく、赤外光検出手段へ導くことができる。
本発明にかかる赤外顕微鏡によれば、赤外光照射手段および試料照明用光源と試料との間の光路上に設置された照明用ビームスプリッタを備えているため、赤外光での測定時と可視光での観察時とで光路を機械的に切換える必要がなく、装置構成がコンパクトになる。また、赤外測定と可視観察とを同時に測定、もしくは短時間で測定と観察の切換えを行うことも可能となる。
本発明にかかる赤外顕微鏡によれば、アパーチャとアパーチャ照射用光源との間の光路上に設置されたアパーチャ照射用ビームスプリッタを備えているため、赤外光での測定時と、可視光によるアパーチャ像及び試料像の観察時とで光路を切換える必要がなく、装置構成がコンパクトになる。また、赤外測定と可視観察とを同時に測定、もしくは短時間で測定と観察の切換えを行うことも可能となる。

本発明にかかる赤外顕微鏡によれば、試料を載置するステージと、顕微手段とステージとの距離を変更する駆動手段と、試料画像観察手段にて観察された試料像及びアパーチャ像による情報に基き、駆動手段を制御して焦点位置を合わせる制御手段と、を備えているため、精度のよい焦点合わせを行なうことができる。

以下に図面を参照して本発明の好適な実施形態について説明する。
＜透過測定＞
図１は、本発明の実施形態にかかる赤外顕微鏡の概略構成図であり、透過測定における光路を示している。図１の赤外顕微鏡１０は、赤外スペクトル測定機構として、赤外光照射手段１２と、顕微手段（対物鏡１４）と、アパーチャ１６と、赤外光検出手段１８と、を備える。赤外光照射手段１２からの赤外光は試料の測定部位に照射され、試料からの透過光は対物鏡１４によって集光される。アパーチャ１６は、試料測定部位の対物鏡１４による略結像位置に配置され、対物鏡１４にて集光された赤外光のうち測定部位以外からの光を遮断する。赤外光検出手段１８はアパーチャ１６を介して試料の測定部位からの赤外透過光を検出する。

さらに、赤外顕微鏡１０は、試料像観察機構として、アパーチャ照射用光源２０と、試料照明用光源２２と、観察用ビームスプリッタ２４と、試料画像観察手段２６と、を備える。アパーチャ１６は対物鏡１４とアパーチャ照射用光源２０との間に配置されており、アパーチャ照射用光源２０からの可視光はアパーチャ１６、観察用ビームスプリッタ２４、対物鏡１４を介して試料面上に照射される。試料照明用光源２２は試料像を観察するため、試料の測定部位近傍に可視光を照射する。観測用ビームスプリッタ２４は、対物鏡１４とアパーチャ１６との間の光路上に設置され、試料からの可視光を試料画像観察手段２６へ、試料からの赤外光を前記アパーチャ１６へと導光する。試料画像観察手段２６では、試料からの可視光を対物鏡１４を介して検出し、試料照明用光源２２により照明された試料面と、アパーチャ照射用光源２０からの照明により試料面上に投影されたアパーチャ像とを観察する。

本実施形態の赤外顕微鏡１０では、対物鏡１４とアパーチャ１６との間の光路に設置された観察用ビームスプリッタ２４により、アパーチャ像が投影された試料面像を観察する。このため、アパーチャによる視野の制限なく、全視野の試料像を観察することができ、測定部位の設定が容易となる。また、観察用ビームスプリッタ２４により、試料からの赤外光、可視光をそれぞれ赤外光検出手段１８、試料画像観察手段２６へと振り分けているため、赤外光による測定時と可視光による観察時とで光路を機械的に切換える必要がない。さらに、アパーチャ照射用光源２０を別途設け、この光源２０からの可視光をアパーチャ１６及び対物鏡１４を介して試料面に照射し、試料面上に実際にアパーチャ像を結像している。この結果、アパーチャ像と試料像とを光学的に合成する場合に比べ、必要とする光学素子が少なくて済み、装置構成も簡単になる。さらに、アパーチャ像光が試料像光と光学的に合成している場合に比べ、アパーチャ像が重ね合わされた部分において、試料像も鮮明に観察できる。

以上が本実施形態の概略構成であり、以下に各部の詳細な説明を行なう。赤外光照射手段１２は、赤外光源２８と、干渉計等で構成された分光器３０とを備える。なお、ここでは分光器を光源側に配置した例を示したが、もちろん検出器側に配置した構成でもかまわない。赤外光照射手段１２からの赤外光は、照射用ビームスプリッタ３２により反射され、カセグレン鏡等で構成された集光鏡３４によって試料の測定部位に集光される。

試料からの透過赤外光は対物鏡１４（顕微手段）によって集光される。対物鏡１４はカセグレン鏡等で構成される。対物鏡１４にて集光された赤外透過光は、観察用ビームスプリッタ２４により反射されて、アパーチャ１６へと送られる。アパーチャ１６は対物鏡１４の結像位置に配置されており、測定部位以外からの透過赤外光を遮断する。アパーチャ１６を通過した赤外光はアパーチャ照射用ビームスプリッタ３６によって反射され、集光鏡３８で集光され、赤外光検出手段１８にて検出される。赤外光検出手段１８で検出した信号は、コンピュータ等で構成されたデータ処理手段４０へと送られ、所定の処理等が施される。

試料照明用光源２２は通常の可視光源によって構成される。試料照明用光源２２からの可視光は、照明用ビームスプリッタ３２を透過し、集光鏡３４によって試料の測定部位近傍に照射される。試料を透過した可視光は対物鏡１４によって集光され、観察用ビームスプリッタ２４を透過し、集光レンズ４２を介して試料画像観察手段２６によって検出される。試料画像観察手段２６は二次元画像可視ＣＣＤ検出器等で構成される。試料画像観察手段２６にて検出された試料面の画像データはデータ処理手段４０へと送られ、各種処理が行われる。なお、ここでは試料画像観察手段２６として、可視画像検出器を用いた例を示したが、ファインダ等で目視観察する構成でもよい。

アパーチャ照射用光源２０は通常の可視光源によって構成される。なお、試料面上にアパーチャ像が鮮明に投影されるように、アパーチャ照射用光源２０と試料照明用光源２２の光の色を異なったものにすることが好適である。アパーチャ照射用光源２０からの可視光は集光レンズ４４、アパーチャ照射用ビームスプリッタ３６を透過してアパーチャ１６へ向う。アパーチャ１６を通過した可視光は対物鏡１４によって試料面上に集光され、アパーチャ照射用光源２０からの光によるアパーチャ像が試料面上に投影されることになる。このアパーチャ像光は試料面で反射され、再び対物鏡１４により集光される。そして、観察用ビームスプリッタ２４を透過して、試料画像観察手段２６にて、試料を透過した試料照明用光源２２からの可視光と共に検出される。よって、試料画像観察手段２６では、図２に示すようなアパーチャ像が投影された試料像を観察することとなる。なお、アパーチャ照射用光源２０を消灯すれば、通常の試料面像の観察もできる。

観察用ビームスプリッタ２４は対物鏡１４とアパーチャ１６との間の光路上に設置される。観察用ビームスプリッタ２４は、アパーチャ照射用光源２０からアパーチャ１６を通過してきた可視光を反射して試料へ導き、逆に試料からの可視光（アパーチャ像光及び試料像光）を透過して試料画像観察手段２６へ導いている。よって、観察用ビームスプリッタ２４は可視光を反射光と透過光の二光束に一定の割合（例えば、波長４００ｎｍ〜８００ｎｍでの反射率と透過率の比（反射率／透過率）が０．１〜１０）で分離するハーフミラーとして機能する必要がある。しかし、試料からの赤外光はアパーチャ１６方向へのみ導ければよいため、赤外光に対しては反射率の高い反射鏡（例えば、波長１０００ｎｍ〜２５００ｎｍでの反射率が９５％以上）として機能することが望ましい。赤外光に対しては反射鏡として機能することで、効率良く試料からの赤外光を赤外光検出手段１８に送ることができる。以上のことから、観察用ビームスプリッタ２４は、赤外光を反射して、可視光の一部を透過、一部を反射するものであることが好適である。このようなビームスプリッタとしては、例えば、ガラス基板上にクロムと金を蒸着したものを用いればよい。なお、このようなビームスプリッタは、照明用ビームスプリッタ３２、アパーチャ照射用ビームスプリッタ３６として使用してもよい。

照射用ビームスプリッタ３２は赤外光照射手段１２と試料との間の光路上、かつ試料照明用光源２２と試料との間の光路上、に設置されている。照射用ビームスプリッタ３２は赤外光を反射し、可視光を透過するもの、いわゆるホットミラー等を用いればよい。照明用ビームスプリッタ３２により、赤外光照射手段１２からの赤外光および試料照明用光源２２からの可視光を、試料へ向う光路上に導光する。このため、赤外測定時と試料像観察時で光路を機械的に切換える必要がなく、装置構成が簡単になる。また、赤外測定と可視観察とを同時に行なう、もしくは短時間で測定と観察の切換えを行うことも可能となる。
なお、ここでは照明用ビームスプリッタ３２として、赤外光を反射、可視光を透過するものを用いたが、逆に赤外光を透過、可視光を反射するもの、いわゆるコールドミラー等を用いてもよい。この場合、赤外光照射手段１２と試料照明用光源２２との配置関係は逆になる。

アパーチャ照射用ビームスプリッタ３６は、アパーチャ照射用光源２０とアパーチャ１６との間の光路上に設置される。アパーチャ照射用ビームスプリッタ３６は赤外光を反射し、可視光を透過するもの、いわゆるホットミラー等を用いればよい。アパーチャ照射用ビームスプリッタ３６によって、アパーチャ１６を通過した試料からの赤外光を赤外光検出手段１８に導光し、アパーチャ照射用光源２０からの可視光をアパーチャ１６へと導いている。この構成の結果、赤外光での測定時と、可視光によるアパーチャ像及び試料の観察時とで光路を切換える必要がなく、装置構成がコンパクトになる。また、赤外測定と可視観察とを同時に行なう、もしくは短時間で測定と観察の切換えを行うことも可能となる。
なお、ここではアパーチャ照射用ビームスプリッタ３６として、赤外光を反射、可視光を透過するものを用いたが、逆に赤外光を透過、可視光を反射するもの、いわゆるコールドミラー等を用いてもよい。この場合、アパーチャ照射用公転２０と赤外光検出手段１８との配置関係は逆になる。

＜焦点合わせ＞
本実施形態の赤外顕微鏡１０は、試料を載置するステージ４６と、対物鏡１４（顕微手段）とステージ４６との距離を変更する駆動手段４８と、試料画像観察手段２６にて観察された試料像及びアパーチャ像による情報に基き、駆動手段４８を制御して焦点合わせを行なう制御手段５０と、を備える。試料画像観察手段２６にて検出された試料画像データは、データ処理手段４０へと送られ、試料画像データの画像解析を行なう。制御手段５０はデータ処理手段４０に接続されており、画像解析の結果に基いて駆動手段４８を制御し、焦点合わせを行う。すなわち、データ処理手段４０では図２に示したような試料観察画像を基に、アパーチャ像とその周囲部分のコントラストを調べる。制御手段５０は、データ処理手段４０で求めたコントラストの情報を基に、駆動手段４８を制御してステージ４６と対物鏡１４との距離を変更していく。そして、上記のコントラストが最大になった位置が焦点が合った位置であると判断し、ステージ４６を停止する。

このように本実施形態にかかる赤外顕微鏡によれば、例えば試料面が一様で何の目印もないときでも、試料面上に投影したアパーチャ像を目印として焦点合わせを行うことができる。また、試料照明用光源２２とアパーチャ照射用光源２０とからの光の色が異なるように、例えば、試料照明用光源２２からの光が白色光、アパーチャ照射用光源２０からの光が有彩色光となるようにすることが好適である。こうすることによって、試料面上に投影されたアパーチャ像が鮮明になり、焦点合わせも行い易い。

＜反射測定＞
図３は、反射測定の場合の赤外顕微鏡の光路図を示す。図１に対応する部材には符号１００を加え、詳しい説明を省略する。図３の赤外顕微鏡１１０は、赤外スペクトル測定機構として、赤外光照射手段１１２と、顕微手段（対物鏡１１４）と、アパーチャ１１６と、赤外光検出手段１１８と、を備える。さらに、試料像観察機構として、アパーチャ照射用光源１２０と、試料照明用光源１２２と、観察用ビームスプリッタ１２４と、試料画像観察手段１２６と、を備える。赤外光照射手段１１２（赤外光源１２８、分光器１３０）からの赤外光は、照射用ビームスプリッタ１３２により反射され、ミラー１５２、対物鏡１１４によって試料の測定部位に照射される。試料からの反射赤外光は対物鏡（顕微手段）１１４によって集光され、観察用ビームスプリッタ１２４にて反射され、アパーチャ１１６へと向う。アパーチャ１１６を通過した反射赤外光はアパーチャ照射用ビームスプリッタ１３６にて反射され、さらに集光鏡１３８で反射されて赤外光検出手段１１８にて検出される。検出信号は、データ処理手段１４０へと送られ、データ処理等が行なわれる。

試料照明用光源１２２からの可視光は、照明用ビームスプリッタ１３２を透過し、ミラー１５２、対物鏡１１４を通って試料の測定部位近傍に照射される。試料からの反射可視光は対物鏡（顕微手段）１１４によって集光され、観察用ビームスプリッタ１２４を透過し、集光レンズ１４２を介して試料画像観察手段１２６にて検出される。そして、試料画像観察手段１２６からデータ処理手段１４０に検出信号が送られ、データ処理等が行なわれる。

アパーチャ照射用光源１２０からの可視光は、集光レンズ１４４、アパーチャ照射用ビームスプリッタ１３６を透過してアパーチャ１１６へと向う。アパーチャ１１６を通過した可視光は観察用ビームスプリッタ１２４にて反射され、対物鏡１１４によって試料面上に照射される。試料面からの反射した可視光は対物鏡１１４によって集光され、観察用ビームスプリッタ１２４を通過し、集光レンズ１４２を介して試料画像観察手段１２６にて検出される。このように、図３の実施形態の赤外顕微鏡においても、図１のものと同様に、簡単な装置構成で、試料像とアパーチャ像を同時に観察することができる。

図３の赤外顕微鏡１１０も、図１のののと同様に、試料を載置するステージ１４６と、対物鏡１１４とステージ１４６との距離を変更する駆動手段１４８と、試料画像観察手段１５０にて観察された試料面上のアパーチャ像に基き、駆動手段１４８を制御して焦点合わせを行なう制御手段１５０と、を備えている。この結果、自動的に精度のよい焦点合わせを行なうことができる。

本発明の実施形態にかかる赤外顕微鏡の概略構成図 本発明の実施形態にかかる赤外顕微鏡で観察した試料像を示した模式図 本発明の実施形態にかかる赤外顕微鏡の概略構成図

符号の説明

１０ 赤外顕微鏡
１２ 赤外光照射手段
１４ 顕微手段（対物鏡）
１６ アパーチャ
１８ 赤外光検出手段
２０ アパーチャ照射用光源
２２ 試料照明用光源
２４ 観察用ビームスプリッタ
２６ 試料画像観察手段

Claims (1)

1. 試料の測定部位に赤外光を照射する赤外光照射手段と、
   前記試料の測定部位近傍に照明用可視光を照射する試料照明用光源と、
   前記赤外光照射手段及び前記試料照明用光源と前記試料との間の光路上に照明用ビームスプリッタが設置され、該照明用ビームスプリッタは赤外光を反射または透過するものであって、前記赤外光を前記試料へ導光しており、前記照明用ビームスプリッタは赤外光を反射するときは可視光を透過し、赤外光を透過するときは可視光を反射するものであって、前記照明用可視光を前記試料へ導光しており、前記照明用ビームスプリッタから前記試料までの前記照明用可視光の光路を前記赤外光の光路と同一の光路上に導光する照明用ビームスプリッタと、
   前記試料からの透過光もしくは反射光を集光する顕微手段と、
   前記顕微手段にて集光された赤外光のうち測定部位以外からの光を遮断するアパーチャと、
   前記アパーチャを介して前記試料の測定部位からの赤外透過光もしくは赤外反射光を検出する赤外光検出手段と、
   前記アパーチャ及び前記顕微手段を介して前記試料に有彩色のアパーチャ照射用可視光を照射し、前記試料上に有彩色のアパーチャ像を投影するアパーチャ照射用光源と、
   前記アパーチャと前記アパーチャ照射用光源との間の光路上にアパーチャ照射用ビームスプリッタが設置され、該アパーチャ照射用ビームスプリッタは赤外光を反射または透過するものであって、前記アパーチャを通過した試料からの前記赤外光を前記赤外光検出手段に導光しており、前記アパーチャ照射用ビームスプリッタは、赤外光を反射するときは可視光を透過し、赤外光を透過するときは可視光を反射するものであって、前記アパーチャ照射用可視光を前記試料へ導光しており、前記試料から前記アパーチャ照射用ビームスプリッタまでのアパーチャ照射用可視光の光路を前記赤外光の光路と同一の光路上に導光するアパーチャ照射用ビームスプリッタと、
   前記試料からの可視反射光および／または可視透過光を前記顕微手段を介して観察し、前記試料照明用光源により照明された試料像および前記アパーチャ照射用光源からの照明により試料上に投影されたアパーチャ像を観察する画像検出器で構成された試料画像観察手段と、
   前記顕微手段と前記アパーチャとの間の光路上に設置され、可視光を反射光と透過光の二光束に分割しており、前記アパーチャ照射用光源からの可視光を前記試料へ、前記試料からの可視光を前記試料画像観察手段へ、前記試料からの赤外光を前記アパーチャへ導光する観測用ビームスプリッタと、
   前記試料を載置するステージと、
   前記顕微手段と前記ステージとの距離を変更する駆動手段と、
   前記画像検出器で構成された前記試料画像観察手段にて観察された試料像と有彩色のアパーチャ像とのコントラストを測定し、該コントラストが最大になるよう前記駆動手段を制御して焦点合わせを行なう制御手段と、を備えたことを特徴とする赤外顕微鏡

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