JP4741561B2 - 光ビームの中心決定方法 - Google Patents

Description

この発明は、例えば分光システムの光スリットを用いた光ビームの中心決定方法に関する。

我々の先行特許文献１において、試料がレーザーからの単色光にて照射され、結果として生ずるラマンスペクトルの特定の線を選択するために散乱光が分析される。この分析は、回折格子の如き分散素子によって行われたり、または非分散性の調整可能なフィルタを用いてこれを行うことができる。結果として生ずるラマン散乱光を２次元の光検出器アレイである電荷結合素子（ＣＣＤ）に集束させることができる。

特許文献２は、上述のような分光方法を開示しており、１次元の共焦点性が光スリットを具えた空間フィルタの使用によって達成されている。

欧州特許明細書ＥＰ０５４３５７８ 欧州特許第０５４２９６２号

本発明の第１の形態は、分光システムの光スリットを用いて光ビームの中心を決定するための方法を提供し、この方法は
前記光ビームを検出器に向け、
前記光スリットの少なくとも一方の端縁を前記光ビームの光路を横切って移動し、
前記検出器に伝播する前記光ビームの強度を前記光スリットの前記少なくとも一方の端縁の複数の位置にて検出し、
伝播した前記光ビームの強度が前記光スリットの前記少なくとも一方の端縁のそれぞれの位置に関して閾値を越えているか否かを決定し、
前記光スリットの位置を調整する信号をフィードバックし、伝播した前記光ビームの強度が前記閾値を越える場合には前記光スリットの前記少なくとも一方の端縁がスリット幅を狭めるために移動するのに対し、伝播した前記光ビームの強度が前記閾値未満の場合には前記光スリットの前記少なくとも一方の端縁が前記スリット幅を増大するか、または前記光スリットの位置をずらすために移動するようになっていることを具えている。

さて、本発明の好ましい実施形態が、例示の方法により添付図面を参照して記述されよう。

図面を参照すると、従来から知られている図１に示された装置は、ダイクロイックフィルタ１２を入射レーザービーム１０に対して４５°に配置している。代わりに、ＥＰ０５４３５７８にて説明されているように、これをビームに対して浅い角度で配置することができる。入射ビームは、ダイクロイックフィルタ１２によって反射され、そして対物レンズ１４により試料１６上の一点に集束させられる。この試料上の点からの散乱光は、対物レンズ１４によって集められ、平行ビームへとコリメートされてダイクロイックフィルタ１２を通過する。このダイクロイックフィルタ１２は、入射ビームと同じ周波数を有するレイリー散乱光を遮断するが、ラマン散乱光を通す。このラマン散乱光は、スリット２４を有するスクリーン２２を具えた空間フィルタの所に、レンズ１８によってタイトな焦点をもたらされる。対物レンズの焦点から散乱する光は、スリット２４を通過する。焦点の前後から散乱する光の大部分は、これがスリットの所の焦点に到達しないように、スクリーン２２によって遮断される。従って、このスリットは、１次元の共焦点性を散乱光に与える。スリットを通過した光は、レンズ２６により平行ビームにコリメートされてラマン分析器２８を通過する。この分析器は、スペクトルを作り出す（すなわち回折格子が用いられた場合）か、あるいは（例えば調整可能な非分散フィルタを使うことによって）単一周波数からなる光を選択することができる。レンズ３０は、電荷結合素子（ＣＣＤ）であってよい光検出器３２に分析された光のタイトな焦点をもたらす。

２００２年９月２６日に公開された我々の同時係属中の国際出願ＷＯ０２/０７５２９２において、スリット２４は、試料の走査を可能にするために左右に移動することが必要である。調整可能なスリット幅は、このスリットが共焦点の設定と非共焦点の設定との間で調整されることを可能にしよう。

空間フィルタの好ましい実施形態が図２に示されており、２枚の移動可能なブレード４０，４２がこれらの間にスリットを画成する。それぞれのブレード４０，４２は、アンビル４６，４８に取り付けられており、これらは図３に示されたたわみユニットにさらに取り付けられている。図３Ａに示されたそれぞれのたわみユニットは、２枚の平らなばね６４，６６により上下に間隔をあけて連結された２枚の平行な板６０，６２を具えており、これらのばねは上板６２の対向端縁に下板６０の対向端縁を接合して箱形状を形成する。この機構は、上板６２つまりアンビル４６，４８が図３Ｂに見られるように、下板に対して第１の水平方向に（すなわち図２中の矢印Ｘと平行なスリットの開閉方向に）移動すると同時に、上下の板が平行なままでいることを可能とする。第１の方向と直交する第２の方向における上板の移動は抑制される。

それぞれのアンビルの移動は、モータ５０，５２によって制御される。それぞれのモータは、平面ばね５４の中央に取り付けられている。それぞれのばねは切欠５６を有し、この切欠はモータ軸線と平行なモータの変位を可能とするが、この軸線を中心とする如何なる回転変位をも抑制する。このばねはまた、多少の横移動および傾きを可能とし、モータのどのような小さなアライメント誤差をも抑える。

たわみユニットの上板６２が左右に移動するので、その下板６０に対する距離は、これらを連結する平面ばね６４，６６の図３Ａおよび図３Ｂに見られる屈曲のために変化しよう。この変化は、スリット２４と試料１６との間およびスリット２４と光検出器３２との間の距離が異なるスリット位置と共に変化することをもたらす。従って、スリット位置に依存した分析データに誤差調整を含めることが必要である。

２枚のブレード４０，４２は、一緒に、または個々に移動させることができる。一緒に移動させるため、１台のモータが用いられて一方のアンビルを望ましい方向に動かし、このアンビルはスリット幅を一定にしたまま、すなわちその最小幅で他方を押し進めよう。例えば、モータ５２がアンビル４８を方向Ｘに動かすために用いられる。アンビル４８および４６は、アンビル４８の突出部５８がアンビル４６のくぼみ部５９に対して押し付け、アンビル４８がアンビル４６を押し進めるという結果になるような噛み合い形状を有する。スペーサ要素６２がアンビル４６の突出部５８に隣接するアンビル４６のくぼみ部５９に設けられている。このスペーサ要素６２は、アンビル４６および４８がこの操作中に所定距離だけ離れていることを保証し、従ってこのスリット幅はその最小幅において一定である。

代わりに、２台のモータを２つのアンビル、つまり２枚のブレードを独立に動かすために用いることができる。これは、スリットの幅および位置の両方を修正することを可能とする。

この機構はまた、分光計においてスリットを光ビームと位置合わせする場合に使用するのに適している。ラマン顕微鏡検査のための共焦点かつ小さなレーザースポットの要件は、一般的な分光計スリットに対するレーザービームの位置合わせの極めて精密な調整を必要とする。スリットに対するレーザーの位置合わせは、長期的安定性の問題にさらされており、一般に調整する必要がある。上の実施形態で記載された電動式スリットの使用は、スリットの開口中心の位置を修正することを可能とする。

図４は、分光計においてスリットとビーム７０とを画成する２枚のブレード４０，４２を示している。光スリットの開口の中心７２の位置をレーザーのビーム中心に対応付けることが好ましい。このため、従って、開口位置の中心を調整するためにビームの位置を割り出す必要がある。

第１の方法において、ブレード４０，４２の間のスリット幅が例えば５０μmに固定された状態に保たれ、スリットは光路を横切って移動する。このスリットの横移動は、段階的または連続的であってよい。この技術的操作の間、伝播光の強度がＣＣＤにてスリットのそれぞれの位置に対して測定される。

図５は、画素７６の２次元アレイを具えたＣＣＤ３２のごく一部を示している。ＣＣＤにて示される値は、それぞれの画素における画像の光量に対応する。これらの値は、それぞれのスリット位置に対して相違しよう。

それぞれのスリット位置に対してＣＣＤにて測定される総光量が図６に示されたグラフに記入され、曲線が当てはめられている。合計強度の最高値８０は、ビーム中心の位置に対応する（すなわち光スリットの開口中心の位置がビーム中心に位置合わせされた時）。検出器での光量の測定から得られたその割り出し位置にブレードを駆動するため、検出器からのフィードバックが用いられる。従って、この時点でスリットはビーム中心と一直線状に並ぶ位置に動かされている。

この方法が図１０に要約して示される。

中心ビーム位置７４を決定する第２の方法において、スリットのそれぞれのブレード４０，４２は、ビーム７０を横切って独立に移動する。前述の方法の場合のように、伝播光の合計強度がそれぞれのスリット位置に対して測定される。最初に、ブレード４０が図７に見られる曲線Ａをもたらすためにビームを横切って動かされ、次にブレード４２が曲線Ｂをもたらすためにビームを横切って移動させられる。これら双方の測定からのデータがビーム中心８２の位置を決定するために組み合わされる。それでスリットが動かされ、スリットの開口の中心７２の位置がビーム中心７４に位置合わせされるようになっている。

ビーム中心を決定する他の方法において、必要な測定回数を減らすため、従って各ステップに関する２つの要因による不確定性を減じるため、ブレードを一緒または２分して別々に動かすることができる。

スリットは光源と光検出器との間に配置され、光検出器での光量に関する合計値がブレードのそれぞれの位置に対して測定される。スリットは初期幅８０にセットされ、光検出器での総光量が８２に測定される。このスリット位置に対して光検出器における伝播光が特定の閾値８４、例えば５０％を越えているか否かが決定される。伝播光がこの閾値を越えている場合、スリット幅が半分の８６にされる。伝播光がこの閾値未満の場合、スリットは前の位置８８のさらに半分動かされる。この処理が繰り返され、ビーム中心が見つけられるまで夫々の回でスリット幅を半量修正する。このようにして、スリットがビーム中心に位置決めされる。

図１２はこの方法を例示しており、光スリットを画成する両方のブレードが一緒に動かされる。ステップ２において、ブレード４０，４２は距離ｘだけ離れている。検出された光量が５０％を越えている場合には、ステップ２に示されるように、スリット幅が半分のｘ/２にされる。ステップ２において検出された光量が５０％未満の場合、スリット幅は同じままであるが、ステップ３に示されるように、スリット位置が前の位置のさらに半分だけ動かれる。ステップ３において検出された光量が５０％を超えている場合には、ステップ４に示されるように、スリット幅が半分のｘ/４にされる。ステップ４において検出された光量が５０％未満の場合には、スリット幅をｘ/４のままにするが、その位置はステップ５に示されるように、前の位置のさらに半分だけ動かされる。ステップ６において検出された光量が５０％を越えている場合には、スリット幅が半分にされる。ステップ７におけるように、最小スリット幅ａに達すると、このスリットはビーム中心と一直線状に並べられている。

従って、このスリット幅は、ステップ毎、つまりすべての他のステップに関して半分にされる。中心を見いだすための最も可能性の高いステップの回数は、最大から最小スリット幅まで２の巾乗の２倍である。

図１３は、一方のブレード４２が静止状態にあるのに対し、他方のブレード４０がスリット位置を変えるために移動するという方法を例示している。それぞれの回で検出された光量が５０％より大きい度に、ステップ１〜３に示されるように、ブレード４０はその時点のスリット幅の半分だけ、ブレード４２に向けて動かされる。光量が５０％未満の場合、ステップ５に示されるように、ブレード４０はその時点のスリット幅の半分までブレード４２から離れるように動かされる。このようにしてビーム中心が見いだされ、スリットの最小ステップ寸法が達せられる。この方法において、このステップ寸法はステップ毎に半分にされ、従ってビーム中心を見いだすための最大ステップ回数は、最大から最小スリット幅まで２の巾乗である。

この方法は、ビーム中心がビームを横切るスリットの移動によって見いだされるという前述の方法よりも早い利点を有する。例えば、１μmのスリットは、この方法によってちょうど１１ステップで２mmのビームの中心に位置合わせすることができる。

上述された電動スリット装置はまた、スリット幅を変更することも可能である。これは、共焦点の設定と非共焦点の設定との間で調整するために有用である。スリットの幅は、ＣＣＤにおける伝播光の割合によって示される。例えば、共焦点の設定は８０％の光伝播を与えるのに対し、非共焦点の設定は９８％の伝播を与えることができる。従って、望ましいスリット幅は、対応する光の割合がＣＣＤに達するまで、スリットの幅を調整することにより設定可能である。異なるスリット幅の効果を図８および図９で見ることができる。両方の図は、（図６の場合のような）異なるスリット位置に対してＣＣＤにて測定された総光量のグラフである。図８は、スリット幅がビーム径よりも狭い（すなわち共焦点の）場合であり、図９は、スリット幅がビーム径よりも大きな（すなわち非共焦点の）場合である。

この電動スリット装置は、上述された用途に限定されず、種々の他の用途、例えばビームの整形，結像，ビーム開口，ビーム輪郭形成，測定および分析に適している。

さらに、この電動スリット装置は、種々の光学系、例えば分光器，モノクロメータ，フーリエフィルタリングおよび変調伝達関数での用途に適している。

先行ラマンシステムの概略図である。 空間フィルタの等角投影図である。 図２で用いられたたわみユニットの側面図である。 光スリットおよび光ビームの平面図である。 ＣＣＤ上の一般的な画像強度の特性を示している。 スリットの２つの端部が一緒に横移動する場合のＣＣＤにおるけ光量の一般的なグラフを示す。 スリットの２つの端部が独立に横移動する場合のＣＣＤにおける光量の一般的なグラフを示す。 スリットが光ビームを横切って移動する際、スリット幅がビーム径より狭い場合でのＣＣＤにおける光量のグラフを示す。 スリットが光ビームを横切って移動する際、スリット幅がビーム径よりも広い場合でのＣＣＤにおける光量のグラフを示す。 ビーム中心を見いだす方法のブロック図を示している。 ビーム中心を見いだす他の方法のブロック図を示している。 スリットを画成する両方のブレードが動かされる図１１の方法を例示している。 スリットを画成する２枚のブレードの一方のみが動かされる図１１の方法を例示している。

Claims (7)

1. 分光システムの光スリットを用いて光ビームの中心を決定する方法であって、
   前記光ビームを検出器に向け、
   前記光スリットの少なくとも一方の端縁を前記光ビームの光路を横切って移動し、
   前記検出器に伝播する前記光ビームの強度を前記光スリットの前記少なくとも一方の端縁の複数の位置にて検出し、
   伝播した前記光ビームの強度が前記光スリットの前記少なくとも一方の端縁のそれぞれの位置に関して閾値を越えているか否かを決定し、
   前記光スリットの位置を調整する信号をフィードバックし、伝播した前記光ビームの強度が前記閾値を越える場合には前記光スリットの前記少なくとも一方の端縁がスリット幅を狭めるために移動するのに対し、伝播した前記光ビームの強度が前記閾値未満の場合には前記光スリットの前記少なくとも一方の端縁が前記スリット幅を増大するか、または前記光スリットの位置をずらすために移動するようになっている
   ことを具えた光ビームの中心決定方法。
2. 前記光スリットの両端縁が前記光ビームを横切って移動し、
   伝播した前記光ビームの強度が前記閾値を越える場合には前記光スリットの両端縁が前記スリット幅を狭めるために移動するのに対し、伝播した前記光ビームの強度が前記閾値未満の場合には前記光スリットの両端縁が移動し、前記スリット幅を同じままにして前記光スリットの位置をずらすようになっている
   請求項１に記載の光ビームの中心決定方法。
3. 前記光スリットの第１の端縁が前記光ビームを横切って移動すると共に第２の端縁が静止したままであり、
   伝播した前記光ビームの強度が前記閾値を越える場合には前記光スリットの前記第１の端縁が移動してこれを前記第２の端縁に対してより近付くように位置させるのに対し、伝播した前記光ビームの強度が前記閾値未満の場合には前記第１の端縁が移動してこれを前記第２の端縁からさらに離れるように位置させる
   請求項１に記載の光ビームの中心決定方法。
4. 前記光スリットは、その前の幅の半分に狭められる請求項１から請求項３の何れかに記載の光ビームの中心決定方法。
5. 前記閾値は、前記光スリットで排除される伝播した前記光ビームの強度の５０％である請求項１から請求項３の何れかに記載の光ビームの中心決定方法。
6. 前記光スリットの第１の端縁は連続的なステップにて動かされ、そのステップ寸法がステップ毎に半分にされる請求項３に記載の光ビームの中心決定方法。
7. この光スリットの位置合わせ方法が最少スリット幅に達するまで連続的なステップにて繰り返される請求項１から請求項６の何れかに記載の光ビームの中心決定方法。

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