JP5901814B1 - 顕微分光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】広範囲のマッピング測定を、高検出感度・高速・高波長分解能で実行することができる顕微分光装置を提供すること。【解決手段】ラマン分光装置は、励起光をライン状に照射する手段と、試料用の可動ステージと、ライン状照射領域からのラマン光を集光する対物レンズと、ラマン光の結像位置に設けた入射スリットと、その通過光を分散させる分光器と、ラマンスペクトル像を検出するＣＣＤ検出器と、可動ステージおよびＣＣＤ検出器を同期させてマッピング測定を制御する制御装置とを備える。制御手段は、可動ステージを制御してライン状照射領域を長手方向に直交する方向へ移動させるとともに、一回の光検出サイクルでライン状照射領域の移動範囲の平均的なスペクトルを一つ取得するように、ステージ移動中にＣＣＤ検出器のサイクルを実行するように構成する。【選択図】 図１

Description

本発明は顕微分光装置、特に、試料の測定領域内の複数位置からの反射光、透過光、発光または散乱光についてスペクトルを取得することにより、試料の成分、物性、形状等に関する二次元または三次元のマッピング測定を行うための顕微分光装置の改良に関する。例えば、試料の測定領域を面分析するためのラマン分光装置、蛍光分光装置、赤外分光装置などが適用範囲に入る。

従来、試料の点分析に適した共焦点光学系のレーザー顕微分光装置が知られている。この装置は、試料の微小領域にレーザー光をピンポイントで照射し、１μｍ程度の径サイズのビームスポットを形成する。そして、その１点からの光のスペクトルを高い空間分解能で得る。具体的には、対物レンズ、結像レンズおよびシングルアパーチャーを用いて、対物レンズで試料からの光を集光し、結像レンズによりその像を形成し、結像位置にシングルアパーチャーの開孔部を合わせる。この際、対物レンズの焦点以外からの光はシングルアパーチャーで遮断されることから、その通過光を分光器にて分光し、検出器にてスペクトルを検出すれば、高い空間分解能での点分析が可能になる（特許文献１）。

近年、試料の広い領域を面分析するのに適した顕微分光装置のニーズが高くなっている。複数の測定を１点ずつ従来の点分析を繰り返していくようなマッピング測定（ポイントマッピングとも呼ぶ。）では、測定ポイントが過多となって、測定時間の観点からニーズに十分応えられない。１点当たりの露光時間を短縮するとスペクトルのＳ／Ｎが悪くなってしまうため、それはできない。

面分析の測定時間の短縮という観点から、幾つかのマッピング測定の手法が提案されている。その１つに試料に対して照射光をライン状に照射して、その縦長の照射領域から複数点のスペクトルをまとめて取得する手法（ラインマッピングと呼ぶ。）がある。特許文献２には、ビームスポットを高速にＹ方向へ偏向させる方法で、試料にライン状の照射領域を形成するタイプのラインマッピングが開示されている。試料に照射光をスポット状に照射して、音響光学素子などの偏向手段により、ビームスポットをＹ方向に移動させると、分光器の入射スリットにおいても、スポット像がスリットに沿って移動する。ＣＣＤ検出器の露光期間に、ビームスポットをＹ方向に１回以上移動させて、試料をライン状に照射するとともに、その読出期間に、ライン状の照射領域の複数の測定点に対応した複数のスペクトルを読み出す。これにより、ＣＣＤ検出器の１フレームで、ライン状の照射領域の複数点のスペクトルがまとめて取得される。１フレームの撮像が終了したら、試料をＸ方向にずらして同様のライン照射を繰り返す。このようなマッピング測定を本書では、「従来型ラインマッピング」と呼ぶ。

なお、本書では、次のように定義された分解能および検出感度を用いる。空間分解能は、空間的に接近している２点を識別する測定能力とする。波長分解能（スペクトル分解能とも呼ぶ。）は、スペクトル上で接近している２本のピークを識別する測定能力とする。検出感度は、試料への照射光量に対する、検出器への入射光量の割合とする。試料への照射光量が同じ場合に、検出器への入射光量が多い方が、検出感度が高い。つまり、試料への照射時間が短くても、検出器への十分な入射光量が得られる。

特開平９−７２８４８号公報（図４） 特開２００７−１７９００２号公報（図２）

しかし、従来型ラインマッピングであっても、広範囲の領域に対して高空間分解能でのマッピングデータを取得する場合は、測定ポイント数が非常に多くなってしまう。また、Ｙ方向についてはライン照射によって、スペクトルをまとめて取得できるとは言えるが、Ｘ方向については試料をステップワイズで走査させる必要があり、繰り返されるステージの加減速および整定時間などが、測定時間の短縮のボトルネックになっている。また、高速測定のために、１点当たりの露光時間を短くすると、Ｓ／Ｎが低下してしまうので、必要な露光時間を確保したい。ステージを高速かつ正確に制御するためには、高い性能のステージが必要になってしまう。以上のような理由で、従来型ラインマッピングを使った広範囲マッピング測定の時間短縮化は困難である。

本発明は前記従来技術に鑑みなされたものであり、その解決すべき課題は、広範囲の領域を、高検出感度・高速・高波長分解能で分光測定できる顕微分光装置を提供することにある。

前記目的を達成するために本発明に係る二次元または三次元のマッピング測定用の顕微分光装置は、
照射光をライン状に整形するビーム整形手段と、
整形されたライン状照射光の集光位置に試料を位置決めするための可動ステージと、
試料に形成されるライン状の照射領域からの光を集める集光レンズと、
前記集光レンズによるライン状照射領域の結像位置に設けられ、前記ライン状照射領域の像の長手方向に平行なスリットと、
前記スリットの通過光を受けて、前記ライン状照射領域の像を当該像の長手方向に直交する方向に分散させる分光手段と、
分散した前記ライン状照射領域の像を検出する光検出手段と、
前記可動ステージおよび前記光検出手段を同期させてマッピング測定を実行するマッピング測定制御手段と、を備え、
前記光検出手段は、前記ライン状照射領域の像の長手方向およびこれに直交する分散方向の２方向に配置された受光素子群からなり、
前記マッピング測定制御手段は、
前記可動ステージの移動によって前記ライン状照射領域を試料において当該ライン状照射領域の長手方向に直交する方向へ停止させることなく連続的に移動させる連続走査制御部と、
前記ライン状照射領域の連続的な移動中に、前記光検出手段の露光期間および読出期間からなる光検出サイクルを当該光検出手段に実行させて、一回の前記光検出サイクル中の前記ライン状照射領域の移動範囲の平均的なスペクトルを一つ取得する光検出制御部と、
前記光検出サイクル毎の平均的なスペクトルを蓄積してマッピングデータを構成するマッピングデータ構成部と、を有することを特徴とする。

また、前記マッピング測定制御手段は、一回の前記光検出サイクル中の前記移動範囲が前記ライン状照射領域の長手方向の寸法を一辺とする正方形に相当するように、前記可動ステージの移動速度または前記光検出サイクルのサイクル期間を変更することが好ましい。

さらに、前記光検出制御部は、前記読出期間に、分散した前記ライン状照射領域の像の長手方向に一列に並んでいる全ての受光素子をひとまとめにして読み出す処理を実行することが好ましい。

一方、前記マッピング測定制御手段は、一回の前記光検出サイクル中の前記移動範囲が前記ライン状照射領域の長手方向の寸法を長辺とする長方形に相当し、かつ、前記長辺が当該長方形の短辺のｎ倍（ｎは２以上の整数）に相当するように、前記可動ステージの移動速度または前記光検出サイクルのサイクル期間を変更することが好ましい。

ここで、前記光検出制御部は、前記読出期間に、分散した前記ライン状照射領域の像の長手方向に一列に並んでいる全ての受光素子をｎ個のグループに分けて、各グループの受光素子をひとまとめにして読み出す処理を実行することが好ましい。

なお、前記ビーム整形手段を照射光の光軸に対してオンライン位置およびオフライン位置に切り換える切換手段を備え、
前記ビーム整形手段を介さずに円形断面の照射光を試料に集光させたときのスポット径を集光限界とすると、前記ビーム整形手段を介して前記試料に形成されるライン状照射領域の形状は、前記集光限界に相当する幅寸法、および、前記幅寸法の２〜５００倍の長さ寸法を有することが好ましい。

このような構成によれば、光検出手段にはライン照射によるスペクトル像が形成されるので、瞬時のスペクトル像の取り込みの際に、ライン状照射光の幅方向に関して回折限界に匹敵する高い空間分解能のスペクトル像が形成される。また、分光手段の入射スリットの幅寸法を狭くできるので、高い波長分解能の光検出を実現できる。しかも、ライン状照射光が試料を連続走査する間、光検出手段を露光状態で維持するので、高空間分解能かつ高波長分解能のスペクトル像が光検出手段に蓄積される。つまり、高空間分解能かつ高波長分解能のスペクトル像に基づく、連続走査範囲の平均的なスペクトルデータを取得できる。そして、マッピングデータは、このような平均的なスペクトルに基づいて構築されるので、実質的な空間分解能（測定点数）が下がり、光検出手段の読み出し回数が減少する。加えて、従来型ラインマッピング測定のようなステップワイズ移動が不要となり、可動テーブルの連続走査が可能であるから、測定時間が大幅に短縮される。また、１点当たりに必要な露光時間が確保されて、Ｓ／Ｎの低下を避けられる。以上のように、本発明の顕微分光装置を用いれば、広範囲のマッピング測定を、高検出感度・高速・高波長分解能で実行することができる。

第一実施形態に係る顕微分光装置の全体構成図である。 前記装置を用いたマッピング測定の説明図である。 前記装置における可動テーブルおよびＣＣＤ検出器の同期動作の説明図。 前記装置を用いたマッピング測定の時間短縮の効果を説明するための図。 従来のマッピング測定の所要時間を説明するための図である。 本実施形態の装置におけるステージ速度と測定時間の関係を示す図。 前記装置における測定点数と測定時間の関係を示す図である。 第二実施形態に係る顕微分光装置の全体構成図である。 前記装置を用いたマッピング測定の説明図である。 広範囲マッピング測定の比較例を説明するための図である。 低倍率レンズを用いた比較例を説明するための図である。 マクロ照射の比較例を説明するための図である。

以下、図面に基づき本発明の好適な実施形態について説明する。図１は、本発明の顕微分光装置の第一実施形態である顕微レーザーラマン分光光度計（以下、ラマン分光装置１０と呼ぶ。）の概略構成図である。ラマン分光装置１０は、レーザー光を照射したときに生じる試料（Ｓ）からのラマン散乱光を分光検出し、ラマンスペクトルを取得するための装置である。加えて、複数の測定ポイントからそれぞれ取得されるラマンスペクトルに基づき、マッピングデータを構成することもでき、二次元または三次元の広範囲マッピング測定に適する。ラマン分光装置１０は、主に、ライン状ビームを照射するライン照射光源２０、共焦点光学手段３０、可動ステージ４０、分光器５０、ＣＣＤ検出器６０および制御装置７０を備えている。

まず、ライン照射光源２０は、ライン状照射光を試料に照射するために設けられ、例えば、レーザー装置２２、ミラー２４、シリンドリカルレンズ２６およびビームスプリッタ２８からなる。ビームスプリッタ２８は光束分離素子の一例である。シリンドリカルレンズ２６は、ビーム拡張型のビーム整形手段に相当し、円形断面のレーザー光を拡張して、細長形の断面のレーザー光であるライン状照射光に整形する。なお、これに代えてビーム整形手段として、レーザーラインジェネレータレンズとコリメータレンズの組合せにしてもよい。

平行光のライン状照射光をビームスプリッタ２８に入射させる。ビームスプリッタ２８は、照射光を対物レンズ３２に向けて反射するとともに、対物レンズ３２からのラマン光を透過する。シリンドリカルレンズ２６と対物レンズ３２の組合せによって、照射光が試料において細長形のライン状の像、つまり、ライン状照射領域（Ｉ_Ｓ）が形成される。ここで、シリンドリカルレンズ２６を照射系の光軸から外せるようにしてもよい。シリンドリカルレンズ２６から通常のビーム拡張素子２６Ａへの切換手段を設けてもよい。切り換えたビーム拡張素子２６Ａを用いれば、円形断面の照射光によるビームスポットが試料に形成される。このような切換手段を設ければ、ラインマッピング測定からポイントマッピング測定へスムーズに移行することができる。

なお、図１に示すビーム拡張型のビーム整形手段に代えて、ビーム走査型のビーム整形手段を用いてもよい。ビーム走査型では、ガルバノミラーなどを用いて、円形断面のレーザー光による試料上のスポット位置を高速に移動させることで、細長形のライン状の照射領域が形成される。いずれのビーム整形手段を用いても、Ｙ方向に長く伸びたライン状照射領域Ｉ_Ｓを形成することができ、本書では、Ｙ方向をライン状照射領域の長手方向と呼ぶ。

可動ステージ４０は、Ｘ−Ｙ平面に平行な載置面を有するＸ−Ｙの２軸ステージであり、載置面の試料Ｓを対物レンズ３２の集光位置に位置決めできる。可動ステージ４０によって試料がＸ方向に後退（図において左方向に移動）すれば、相対的にライン状照射領域Ｉ_ＳはＸ方向に前進するので、試料をＸ方向に走査することができる。なお、可動ステージ４０がＸ−Ｙ−Ｚの３軸ステージであれば、試料の深さ方向（Ｚ方向）への位置決めを効率よくできる。透光性の試料であれば、試料に埋もれた異物測定などができる。なお、Ｚ方向については、３軸ステージに限られず、専用のＺ軸調整装置を設けてもよい。

次に、共焦点光学手段３０について説明する。共焦点光学手段３０は、一対のレンズ（対物レンズ３２、結像レンズ３４）、レイリー光をカットするためのノッチフィルター３６、および、スリット３８から構成される。対物レンズ３２は、ライン照射光源２０からのライン状照射光を試料Ｓに集光させ、図１（Ｂ）のようにライン状照射領域Ｉ_Ｓを形成する役目と、照射領域Ｉ_Ｓからのラマン光を集光する役目とを担う。ライン状照射領域Ｉ_Ｓの幅をより狭く、かつ検出感度を高くするために、高ＮＡの対物レンズを用いるとよい。本実施形態では、高ＮＡ：０．４以上、低ＮＡ：０．４未満として区別する。ＮＡ＝０．４以上の高ＮＡの対物レンズが好ましい。なお、ＮＡの上限値については、例えば液浸レンズを使ってＮＡを１以上にしても、検出の取り込み角は９０°以上にはならないため、検出感度は変わらない。ＮＡを１以上にする効果は、照射サイズを小さくできる点にある。
結像レンズ３４は、対物レンズ３２と同じ光軸上に配置され、対物レンズ３２からの光を後段のスリット３８の位置に結像させ、スリット位置にライン状照射領域の像Ｉ_Ａを形成する。

スリット３８は、細長形の開孔部または隙間を有する。開口部の長手方向は、ライン状照射領域の像Ｉ_Ａの長手方向に平行である。試料のライン状照射領域Ｉ_Ｓからの光だけがスリット３８を通過し、ライン状照射領域外からの光はスリット３８を通過できないので、余計な光が分光器５０へ入らないで済む。従って、連続走査の瞬時においては、ライン状照射領域Ｉ_Ｓの幅方向に関し、高い空間分解能で形成されたスペクトル像を受光面に形成することができる。ＣＣＤ検出器６０が受光するスペクトル像を図１（Ｄ）に示す。

また、スリット３８は、分光器５０の入射光の取り込み口に位置しており、分光器の入射スリットとしても機能する。スリット３８の開口部の幅が狭いほど分光器の波長分解能が向上する。図１（Ｃ）は、スリット３８の開口部に対する結像Ｉ_Ａの大きさを示す図である。

分光器５０として、一般的な分散型分光器の構成を説明する。分光器５０は、スリットの通過光を平行光束にする前段ミラー５２と、前段ミラー５２からの平行光束を回折する回折格子５４と、回折格子５４からの回折光を後段のＣＣＤ検出器６０において再び結像させるための後段ミラー５６とからなる。回折格子５４の姿勢は、その分散方向がＣＣＤ検出器６０でのライン状照射領域の像の長手方向に直交する方向になるように、設定されている。ここで、回折格子５４の分散方向がＣＣＤ検出器６０での像の長手方向に直交する方向とは、光軸に直交する平面上での直交方向であり、図１（Ｄ）では横方向である。

ＣＣＤ検出器６０は、二次元アレイ型の光検出手段の一例であり、ライン状照射領域の像の長手方向およびこれに直交する分散方向の２方向に配置された受光素子群からなる。本発明では、受光素子を単に画素とも呼ぶ。

前述のスリット３８での結像Ｉ_Ａはあらゆる波長の光が混ざった状態であるため、そのままでは波長ごとのラマン光量を検出できない。これに対し、ＣＣＤ検出器６０には、図１（Ｄ）に示すように、分光器５０によって波長に応じて分散方向に結像位置がずれた状態の像（スペクトル像とも呼ぶ。）が形成される。ＣＣＤ検出器６０の受光面では、ライン状照射領域の像の長手方向（図における縦方向）に対して、分光器５０の分散方向（図における横方向）が直交しているので、分散した波長ごとの像が互いに重なる面積が最小になる。このように、入射スリット３８としてライン状照射領域の結像Ｉ_Ａに合った細いものを使用するので、分光器５０を介して受光面に映し出される像から、高い波長分解能でスペクトルデータを得ることができる。例えば、図１（Ｄ）に示す受光面でのスペクトル像のように、分散した像の中で強度の高い波長光が濃いグレーの帯となって現れて、強度の低い波長光と明確に区別できる状態になる。

マッピング測定制御装置
制御装置７０はラマン分光装置全体を制御するためのものであるが、本実施形態では、ＣＣＤ検出器６０のフルビニング処理を利用したマッピング測定に関する事項を中心に説明する。制御装置７０は、可動ステージ４０およびＣＣＤ検出器６０の同期駆動によるマッピング測定を実現させるため、マッピング範囲設定部７２、連続走査制御部７４、光検出制御部７６、および、マッピングデータ構成部７８を含んでいる。制御装置７０は、例えば、マイクロコントローラユニット（ＭＣＵ）で構築してもよいし、分光装置に専用の制御コンピュータで構築してもよい。そして、制御装置７０は、これらの各機能を実行するためのプログラムを有している。

マッピング範囲設定部７２は、試料Ｓのマッピング範囲を設定する。マッピング範囲は複数のマスを２次元または３次元的に並べたものである。１マスの形状は正方形であり、サイズ（一辺の寸法）がマッピング測定の空間分解能を表わす。使用する対物レンズ、結像レンズ、ＣＣＤ検出器によって、１マスの一辺の設定可能なサイズ範囲は変わる。例えば、１００倍対物レンズを使って、１マスの一辺を１３０μｍに設定するシステムが可能である。２０倍対物レンズでの１マスの一辺は、その５倍（６５０μｍ）になる。

一例として、１００倍対物レンズ（焦点距離ｆ_１＝１．８ｍｍ）、Ｙ方向に２００ｃｈ（長さ３．２ｍｍ）のＣＣＤ検出器、および、結像レンズ（焦点距離ｆ_２＝８５ｍｍ）を組み合わせたシステムの測定範囲（１マスの一辺）Ｌを計算する。１００倍対物レンズの焦点距離ｆ_１＝１．８ｍｍと結像レンズのｆ_２＝８５ｍｍから、光学倍率Ｍは、
Ｍ＝８５ｍｍ／１．８ｍｍ＝４７．２倍
となる。ＣＣＤ検出器のＹ方向のサイズは３．２ｍｍ（１画素：１６μｍ）であるから、ＣＣＤ検出器が結像レンズおよび対物レンズを通して光を取り込む際の測定範囲Ｌは、
Ｌ＝ＣＣＤ検出器のＹ方向サイズ／光学倍率Ｍ＝３．２ｍｍ／４７．２＝６８μｍ
になる。

例えば、顕微鏡の対物レンズ用のレボルバーによって、５倍（ｆ_１＝３６ｍｍ）、２０倍（ｆ_１＝９ｍｍ）、５０倍（ｆ_１＝３．６ｍｍ）、１００倍（ｆ_１＝１．８ｍｍ）の対物レンズに切り換え可能にしておくとよい。同じ結像レンズを用いる場合、５倍対物レンズの測定範囲（１マスの一辺）Ｌは１３５５μｍであり、２０倍対物レンズではＬ＝３３９μｍ、５０倍対物レンズではＬ＝１３６μｍ、１００倍対物レンズではＬ＝６８μｍである。従って、最初は、低倍率の対物レンズを使って比較的広い範囲をマッピング測定し、徐々に高倍率の対物レンズに切り換えることで、対象範囲の絞り込みをスムーズに行うことができる。更に、ラインマクロマッピング測定からピンポイント測定に切り換えれば、絞り込んだ対象範囲の詳細な測定へと進めることもできる。

別の例で、ＣＣＤ検出器のＹ方向サイズが６．９ｍｍ（１画素：１３．５μｍ）であるＣＣＤ検出器を使った場合を同様に計算する。同じ結像レンズを用いて、対物レンズを５倍から２０倍、５０倍、１００倍と変更することにより、測定範囲Ｌを２９２２μｍから、７３１μｍ、２９２μｍ、１４６μｍと変化させることができる。

本実施形態では、感度の面から２０倍対物レンズ（ＮＡ０．４）からが実用的になるため、測定範囲Ｌについては１μｍ〜０．７ｍｍに設定するのがよい。感度のことを議論しない場合は、測定範囲Ｌを１μｍ〜１ｍｍに設定することができる。本実施形態では、例えば１００μｍとして、マスの一辺の寸法をライン状照射領域Ｉ_Ｓの長手方向の寸法に相当させるとよい。そして、１マス分の領域を、ライン状照射領域Ｉ_Ｓによる一回の光検出サイクルでの走査範囲に相当させるのがよい。

また、マッピング範囲設定部７２は、１マスのサイズに応じて、可動ステージ４０の移動速度または／およびＣＣＤ検出器のサイクル期間を設定する。つまり、これらの移動速度または／およびサイクル期間を変更することにより、マッピング測定の空間分解能（１マスのサイズ）を容易に調整することができる。図１（Ｂ）には１マス分の走査範囲しか示しておらず、ハッチングを付したライン状照射領域Ｉ_Ｓは走査開始位置である。

連続走査制御部７４は、可動ステージ４０に連続走査を実行させる。走査開始位置にライン状照射領域Ｉ_Ｓが形成されるように、可動ステージ４０によって試料を位置決めすることができる。連続走査は、可動ステージ４０をＸ方向に設定された移動速度で後退させることにより実行される。つまり、可動ステージ４０の移動によってライン状照射領域Ｉ_Ｓが、当該照射領域Ｉ_Ｓの長手方向に直交する方向（Ｘ方向）へ停止することなく連続的に移動する。

光検出制御部７６は、ライン状照射領域Ｉ_Ｓの連続的な移動中に、ＣＣＤ検出器６０の光検出を制御する。ＣＣＤ検出器６０の光検出サイクルは、露光期間および読出期間からなる。露光期間は、受光素子を露光状態に維持する期間であり、読出期間は、受光量を読み出す期間である。光検出サイクルと連続走査は同期して同時に行われるため、露光状態のまま試料Ｓが走査され、続くＣＣＤ検出器の読み出し処理中も、試料Ｓは走査されることになる。このようにＣＣＤ検出器６０の光検出サイクル中に、試料Ｓの走査が停止することなく同時に行われることを、「連続走査」と呼ぶ。従来型のラインマッピング測定における「ステップワイズ走査」と対比した表現である。図１（Ｂ）には、露光期間における照射領域Ｉ_Ｓの移動範囲を露光領域として示し、読出期間における照射領域Ｉ_Ｓの移動範囲を読出領域として示す。ライン状照射領域Ｉ_Ｓは試料上の１マス内を移動しているため、露光期間中に、ＣＣＤ検出器６０は同じマス内ではあるが、そのマス内においては異なる部位からのラマンスペクトル像を受光することになる。

さらに、本実施形態では、ＣＣＤ検出器６０が読出期間にフルビニング処理を実行するのがよい。通常のビニング処理では、受光面全体でスペクトル像を一斉に受光（露光）した後、露光を止めて受光量を読み出す際に、いくつかの素子を１区画の素子群とみなしてその区画にある素子の電荷をまとめて読み出す。特に、フルビニング処理では、ライン状照射領域の像の長手方向（図１（Ｄ）における縦方向）に一列に並んでいる全ての受光素子の受光量（電荷）をひとまとめにして読み出す。１つの画素列の受光量の総計は、その画素列の位置に応じた波長の光強度を表し、画素列ごとの受光量を個別に読み出すことで、１本分のスペクトルデータが取得される。このようなフルビニング処理をすれば、電荷を読み出す素子の実質的な総数が大幅に少なくなるので、フレームレートが向上する。特に、微弱光であるラマン光の検出においては、複数画素に蓄積された電荷をまとめて読み出すことで検出感度が向上する。

本実施形態において特徴的なことは、露光期間中の時々刻々と変化するスペクトル像が、ＣＣＤ検出器６０に光量に応じた電荷量として蓄積されることを利用して、フルビニング処理により読み出す１本のスペクトルデータが、１サイクルに対応するマス内の試料の平均的なスペクトルデータになっていることである。

マッピングデータ構成部７８は、光検出サイクル毎に取得された平均的なスペクトルデータを蓄積し、平均的なスペクトルデータに基づいてマッピングデータを構成する。

ラインマクロマッピングの測定方法
図２を用いて、マッピング測定方法について説明する。測定の手順は、マッピング範囲の設定Ｓ１→試料の位置決めＳ２→連続走査の開始（同時に光検出サイクルの開始）Ｓ３→反復動作（行換え及び連続走査の再開）Ｓ４→マッピングデータの構築（マッピング表示など）Ｓ５である。

まず、マッピング範囲設定部７２によって試料Ｓにマッピング範囲を設定する。ここでは、２行２列（２×２で表す）の４マスからなるマッピング範囲を使って説明する。次に、測定プログラムを実行して、可動ステージ４０による連続走査およびＣＣＤ検出器６０による光検出サイクルを開始する。測定プログラムの基本動作は、対物レンズ３２の集光位置に試料Ｓの走査開始位置を位置決めする可動ステージ４０の動作と、走査開始位置に照射光を当てるレーザー装置２２の動作と、複数マス（２マス）からなる１行分の領域をライン状照射領域Ｉ_Ｓが連続的に移動するように、試料Ｓを移動させる可動ステージ４０の動作と、１行分のマス数の光検出サイクルを実行するＣＣＤ検出器６０の動作と、からなる。ライン状照射領域Ｉ_Ｓが走査終了位置に達したら、これらレーザー装置２２、可動ステージ４０およびＣＣＤ検出器６０を停止させる。

試料Ｓを連続走査する可動ステージ４０の動作と、光検出サイクルを実行するＣＣＤ検出器６０の動作は、同時に実行される。ライン状照射領域Ｉ_Ｓは、走査開始位置から１行分のマスの並びの最後まで、停止することなく連続して試料Ｓを走査する。その間に、ＣＣＤ検出器６０は、マスの数だけ光検出サイクルを実行し、マスに対応したスペクトルデータを順次取得する。また、測定プログラムは、照射領域Ｉ_Ｓが１行分のマスの並びの最後まで連続走査したら、照射したまま、照射領域Ｉ_Ｓを隣りの行の走査再開位置に合わせる行換え動作と、連続走査を再開させる動作とを含み、マスの行数分（２行分）だけこれらの動作を反復して実行するようになっている。

上記の測定プログラムによって取得されるスペクトルデータは、組成成分の濃度分布など分光測定の目的に応じたマッピングデータとして構築され、必要に応じてモニター等に表示される。マッピングデータを構成する個々の情報は、マッピング範囲のマス目ごとの平均的なスペクトルデータであるから、マス内の測定部位の平均的な情報と言える。このような測定方法によれば、ライン状照射光による連続走査を行うため、試料の広範囲を高速にマッピング測定できるという点で非常に有効である。このような測定方法を、特に、「ラインマクロマッピング」若しくは「マクロマッピング」と呼ぶ。

図３を用いて、可動ステージ４０の動作とＣＣＤ検出器６０の動作とを同期させる方法を説明する。図３は、ライン状照射領域Ｉ_Ｓが３つ分のマス目を連続走査する場合の、ステージ位置４０の時間変化とＣＣＤ検出器６０のサイクル動作を示す。可動ステージ４０には、必要な位置決め精度と移動速度が要求されるため、例えばステッピングモーター駆動型を用いる。図示されたパルス信号に基づいて、ステッピングモーターが可動ステージ４０を一定速度で移動させる。同時に、このパルス信号をＣＣＤ検出器６０のサイクル動作にも用いて、光検出サイクルをパルスのカウント数に基づいて実行させる。ＣＣＤの露光動作については、ＯＮ期間に露光し、ＯＦＦ期間にフルビニングでの読み出しを行う。このようにすれば、個々のマスを高い位置決め精度で連続走査することができ、かつ、これに同期したスペクトルデータの取得も可能になる。

従来型のラインマッピングとの違い
図４および図５を用いて、従来型のラインマッピングとの違いを説明する。図４に、本実施形態における可動ステージ４０とＣＣＤ検出器６０の同期動作を、可動ステージ４０の加速期間も合わせて示した。加速中、すなわち、移動速度が一定になるまでは、ＣＣＤ検出器６０の露光を開始しない。移動速度が一定になってから、露光を開始する。一旦、速度が安定すれば、その状態を維持して、露光および読出の光検出サイクルを繰り返し実行する。行換え動作などが必要になるまで、可動ステージ４０に対して他の動作指令は付与されず、可動ステージ４０の連続走査が中断することはない。

図５に、従来型ラインマッピングの手法を示す。従来型ラインマッピングの目的は、高い空間分解能でマッピングデータを取得することである。そのため、本実施形態と同じサイズのマッピング範囲から得られるスペクトルデータの数は非常に多い。ライン状照射領域Ｉ_Ｓを移動させる方向は、本実施形態と同様に、照射領域Ｉ_Ｓの長手方向に直交する方向（Ｘ方向）であり、必要に応じて行換え動作も行う。しかし、高い空間分解能のスペクトルデータを得るため、試料を停止させた状態で、ＣＣＤ検出器の光検出サイクル（露光および読出）を実行する。そのため、Ｘ方向に並んだマスの数だけ、可動テーブルによる試料の位置決めを実行して、スペクトルを取得したいマス列にライン状照射領域Ｉ_Ｓを合わせなければならない。ステージの加減速と整定に時間がかかるため、１回の位置決め時間が長くなる。なお、この時間は、ステージの種類に応じて異なっている。可動テーブルの位置決めが完了したら、露光および読出の光検出サイクルを開始する。つまり、試料が停止した状態で露光を行って、ライン状照射領域Ｉ_Ｓに応じた試料の部位からのスペクトルデータを取得する。そして、光検出サイクルが完了したら、ライン状照射領域Ｉ_Ｓを隣りのマス列に合わせるため試料を再度位置決めする。このような試料の段階的な移動は、ステップワイズ移動と呼ばれ、移動と露光（読出を含む）とが交互に行われる。さらに、ＣＣＤ検出器においてはビニング処理を用いず、画素ごとのきめ細かな読み出しを行う。このような可動テーブルのステップワイズ移動、および、ＣＣＤ検出器の画素ごとの読み出しをすることで、従来型ラインマッピングでは、高い空間分解能でマッピングデータを取得できる。例えば、試料のライン状照射領域Ｉ_Ｓのサイズが、本実施形態と同様に幅１μｍ×長さ１００μｍであって、ＣＣＤ検出器の画素数が１００×１００である場合について、従来型ラインマッピングでの１マスのサイズは次のようになる。ライン照射の領域は、Ｘ方向に１μｍずつステップワイズで位置決めされる。そして、１回の露光と読出のサイクルで１００本のスペクトルを取得する。従って、１本のスペクトルを取得する正方形のマス目の１辺（空間分解能）は、１μｍになる。

従来型ラインマッピングでの課題は、スペクトルデータを取得する測定ポイントが過多であるということだけでなく、ＣＣＤ検出器の光検出サイクルごとに可動ステージの移動時間が余計にかかるので、測定時間の短縮が困難になっていることである。特に、可動ステージを停止させる際、減速期間の後にステージが静止するまでの整定時間が必要になるので、これも測定時間のロスになる。仮に、従来型ラインマッピングを利用して、マクロマッピングデータを取得することを考えるとすれば、例えば、ｎ×ｎのマス目から取得したｎ×ｎ個のスペクトルデータを合算平均して、１つのスペクトルデータとして扱えばよい。しかし、大量の測定ポイントから個々のスペクトルデータを取得することには変わらないので、測定時間の短縮にはならない。ＣＣＤ検出器のＳ／Ｎは、合算平均するマス目（ｎ×ｎ）におけるｎの平方根に比例した値になるが、各チャンネルでの読出ノイズが残る。

一方、本実施形態のラインマクロマッピングによれば、露光したまま試料を連続走査させるので、ステップワイズ移動がなく、測定時間が非常に短くなる。また、従来型で合算平均するマス（ｎ×ｎ）と同サイズのマスに対して、本実施形態ではＣＣＤ検出器の光検出サイクルを１回行うだけなので、読み出し回数も大幅に削減される。

取得するマッピングデータの空間分解能は悪くなるが、１ｍｍ角〜数十ｍｍ角の広範囲のマッピング測定の場合は、従来型のラインマッピング測定のような高レベルの空間分解能を必要としないことが多い。本実施形態のラインマクロマッピングは、従来型のラインマッピング測定と比較すれば、空間分解能を犠牲にしたものとも言えるが、広範囲のマッピング測定としては、十分な空間分解能である。しかも、上述のように、測定時間の大幅な短縮により、マクロマッピングデータの取得が速い。

また、従来型よりも１サイクルの露光時間（Ｔ）を長く設定し易くなる。ＣＣＤ検出器のＳ／Ｎは、この露光時間Ｔに比例するので、従来型の合算平均よりも、本実施形態のような露光時間を拡大させる方がＳ／Ｎを高くできる点で有利である。

ステージ移動速度および測定時間
図６に、本実施形態のラインマクロマッピング測定の適用例を示す。錠剤の成分分布の測定を目的として、１０ｍｍ角のマッピング範囲に、１辺が１００μｍのマスをＸ，Ｙ方向に１００マスずつ配置した。測定点数は１万ポイントになる。図６は、１マス（１００μｍ角）の露光時間を５通り（１、１０、１００、５００、１０００ｍｓ）に設定した場合の可動ステージ４０の走査速度、および、測定時間を示した一覧である。なお、ＣＣＤ検出器６０の読出時間および行換え時間をゼロとして、測定時間を算出した。露光時間が長ければ測定時間も長くはなるが、どの露光時間の条件においても、従来型のラインマッピング測定の測定時間から大幅に短縮されている。この一覧から分かるように、露光時間が１ｍｓと短いと、測定時間を１０秒と短くできるが、１００ｍｍ／ｓという高速移動に適した可動ステージが必要になる。露光時間の設定下限値は、１０ｍｓになる。これは、ＦＶＢモードでの読み取りに数ｍｓかかるためである。代表的な検出器のスペクトル読み取り速度は、１秒間に２６９点（１点あたり４ｍｓ）であり、その他、７５点（１４ｍｓ）、１２２点（８．２ｍｓ）、３９６点（２．５ｍｓ）の検出器がある。

ラインマクロマッピングでは、露光時間を短くすると、ＣＣＤ読み取りによる空白領域が発生してしまう。逆に露光時間が長いと、空白領域が小さくなる。Ｓ／Ｎを上げるため、露光時間をできる限り長くしたい。一方、露光時間を１０００ｍｓと長くすると、測定時間が１６６分となり、錠剤の成分分布のマクロマッピングとしては、もう少し短縮したい。露光時間を１０〜５００ｍｓの間に設定すれば、Ｓ／Ｎ、走査速度および測定時間のいずれも実用的な範囲になる。例えば、露光時間を１００ｍｓとすれば、測定時間が１７分となり、非常に実用的なマクロマッピング測定を実現できる。より好ましくは、露光時間を５０ｍｓ以上に設定することである。

また、露光時間および測定時間の実用的な範囲を考慮すると、可動テーブル４０の性能については、１ｍｍ／ｓの走査速度に対応できれば十分であり、１０ｍｍ／ｓ以上の高速対応にする必要がないことが分かる。

図７は、図６と同様に錠剤の成分分布の測定において、さらに、マッピング範囲に並べるマスの１辺のサイズを４通り（１、５、１０、１００μｍステップ）に設定して、それぞれの測定時間を示した一覧である。マスのサイズに応じて、測定点数は、１億、４００万、１００万、１万ポイントになる。図６でのライン状照射領域の長手方向は１００μｍであるが、図７ではマスのサイズに応じてライン状照射領域の長手方向を１、５、１０、１００μｍにする。測定点数が多ければ測定時間も長くなるが、どの測定条件においても従来型のラインマッピング測定の測定時間との比較においては、大幅に短縮される。この一覧から分かるように、錠剤の成分分布のマクロマッピングとしては、１μｍステップや５μｍステップの条件では測定時間が未だ長すぎる。やはり、１０ｍｍ角のマッピング範囲に対して、１つのマスを１００μｍステップで測定する条件が、最も実用的である。

本実施形態によれば、（１）マッピングデータとしては空間分解能を下げた状態になるが、高い空間分解能のスペクトル像に基づく平均的なスペクトルデータを取得することができて、（２）波長分解能も高いまま、（３）高い検出感度で、広範囲のマッピングデータを高速に取得することができる。以下、（１）〜（３）について詳しく述べる。

（１）高空間分解能のスペクトル像の形成に基づく平均的なスペクトルデータの取得という作用によって、広範囲の高速マッピング測定の実現という効果が得られる。本実施形態では、ライン状照射光を用いるのでその幅方向（Ｘ方向）に関して言えば、瞬時のラマンスペクトルの取り込みの際に、レーザー光の回折限界に匹敵する高い空間分解能のスペクトル像を形成することができる。このようなスペクトル像がＣＣＤ検出器６０の受光面に形成されて、しかも、ライン状照射光が１マス内を走査する間、ＣＣＤ検出器６０の露光状態が維持される。従って、露光期間に、マス内の照射領域Ｉ_Ｓは移動を続けながら、常に高空間分解能のスペクトル像がＣＣＤ検出器６０に蓄積されていく。つまり、高空間分解能のスペクトル像に基づく、１マス分の平均的なスペクトルデータを高速に取得できる。これにより、広範囲の高速マッピング測定を実現できる。

（２）従来型ラインマッピング測定と同レベルの波長分解能を実現できるという効果が得られる。本発明では、ライン状照射光を用いるので、上述の通り、照射領域Ｉ_Ｓの幅寸法をレーザー光の回折限界に相当するレベルまで短くすることができる。これに伴って、分光器の入射スリット３８の幅寸法を狭くできる。図１（Ｃ）を参照。従って、従来型ラインマッピング測定と同レベルの高い波長分解能を実現することができる。

（３）検出感度を向上できるという効果が得られる。本実施形態では、高ＮＡの対物レンズ３２を用いているので、試料のライン状照射領域Ｉ_Ｓからのラマン光を効率よく取り込むことができる。また、分光器５０のスループットを上げるためには、分光器の開口角に合わせて、分光器へ光を導入する入射光学系を設定（Ｆマッチング）する必要がある。本実施形態の高ＮＡの対物レンズ３２および入射スリット３８の組合せによれば、特別な光学系を追加することなく、入射光学系のＦ値と分光器５０のＦ値とを合わせ易く、Ｆマッチングが容易である。従って、本実施形態の構成によれば、微弱なラマン光などに対して高い検出感度を実現できる。

第二実施形態
図８は、本発明の顕微分光装置の第二実施形態であるラマン分光装置１１０の概略構成図である。図１のラマン分光装置１０の構成との違いは、制御装置１７０におけるマッピング範囲設定部１７２、連続走査制御部１７４および光検出制御部１７６にあり、その他の構成は略同様である。

本実施形態では、マッピング範囲設定部１７２が、ライン状照射領域Ｉ_Ｓの長手方向の寸法に対して、より小さいサイズのマス目を設定すること、および、光検出制御部１７６が、ＣＣＤ検出器６０に通常のビニング処理を実行させることに特徴がある。

図１では、１マスの一辺を例えば１００μｍに設定した。本実施形態では、マッピング範囲設定部１７２が、１マスの一辺を（１００／ｎ）μｍに設定する。ここでｎは２以上の整数であり、図８においてはｎ＝３である。つまり、ライン状照射領域Ｉ_Ｓの長手方向の寸法をｎで割った値に、マスのサイズを合わせる。この際、１マスの一辺が短くなるので、可動ステージ４０の移動速度を維持させる場合は、１回の光検出サイクルでの露光期間を短くする。Ｓ／Ｎの低下などの問題が生じる場合は、露光期間を維持させるために、可動ステージ４０の移動速度を遅くする。このように、可動ステージ４０の移動速度、または、光検出のサイクル期間（特に露光期間）を変更することによって、マスを所望のサイズに設定することができる。ここで、ｎの下限は２であるが、ｎ＝１の場合が図１の実施形態である。ｎの上限を説明する。ライン状照射領域Ｉ_Ｓの長手方向の寸法をｎ分割した値が、当該照射領域Ｉ_Ｓの幅寸法になる場合を、ｎの上限とする。例えば、ライン状照射領域Ｉ_Ｓの大きさが、幅１μｍ×長さ１００μｍである場合、ｎ値の上限は１００になる。

図８（Ｂ）には３６マス分のマッピング範囲を示し、ハッチングの領域は、各光検出サイクルの露光期間の開始時におけるライン状照射領域Ｉ_Ｓの位置である。このように、ライン状照射光は、ｎ個のマスの左端部を同時に照射する。このことは、一回の光検出サイクルでのライン状照射領域Ｉ_Ｓの移動範囲が、この照射領域Ｉ_Ｓの長手方向の寸法を長辺とする長方形となり、かつ、この長辺が長方形の短辺のｎ倍になることを意味する。ライン状照射領域Ｉ_Ｓが形成される試料の部位は同時に３マス内を移動するため、露光期間中に、ＣＣＤ検出器６０は、異なるマス内の部位からのラマン光のスペクトル像を受光する。そこで、本実施形態では、光検出制御部１７６が、ＣＣＤ検出器６０を通常のビニング処理で読み出しを実行させる。

通常のビニング処理は、図８（Ｄ）のように、分散したライン状照射領域の像の長手方向（図中の縦方向）に一列に並んでいる全ての受光素子をｎ個のグループに分けて、各グループの受光素子の受光量（電荷）をひとまとめにして読み出す処理である。つまり、受光面全体を、ｎ個のトラックに分割し、トラックずつ合計ｎ本のスペクトルデータを読み出す。ｎ本のスペクトルは、図８（Ｂ）にて同時に連続走査されるｎ個のマスに対応したスペクトルである。このように、本実施形態では、１回の光検出サイクルで読み出されるｎ本のスペクトルデータが、そのサイクル中に照射領域が通過するｎ個のマス内の平均的なスペクトルデータになっている。

本実施形態のマッピング測定方法については、図１に示す測定方法と基本的には同じである。ただ、光検出サイクルにて通常のビニング処理を実行する。また、可動ステージ４０による連続走査の動作において、図１では、ライン状照射領域Ｉ_Ｓが１行分のマスの並びを走査すると説明したが、本実施形態では、図９に示すように、ライン状照射領域Ｉ_Ｓがｎ行分のマスの並びをまとめて走査する。ＣＣＤ検出器６０の露光制御については、ＯＮ期間に露光し、ＯＦＦ期間にｎ分割のビニングでの読み出しを行う。

本実施形態の構成によれば、第一実施形態と同様の効果が得られるだけでなく、スペクトルデータを取得するマスのサイズを、可動ステージ４０の移動速度、または、光検出のサイクル期間の変更によって、所望の大きさに容易に設定することができる。従って、１マスのサイズがライン照射の長手方向の寸法に限定されることはなく、同じライン照射であっても、多様なマス数のマッピング範囲を設定することができる。

以上の２つの実施形態に共通する事項を説明する。ビーム整形手段を照射光の光軸に対してオンライン位置およびオフライン位置に切り換える切換手段を設けて、必要に応じてレーザー装置からのレーザー光をライン状にしないで照射して、試料にビームスポットを形成できるようにするとよい。すなわち、ビーム整形手段を介さずに円形断面の照射光を試料に集光させたときのスポット径を集光限界とすると、ビーム整形手段を介して試料に形成されるライン状照射領域Ｉ_Ｓの形状は、集光限界に相当する幅寸法、および、幅寸法の２〜５００倍の長さ寸法を有するとよい。このような切換手段を設ければ、本発明にかかるラインマクロマッピング測定の後、必要な微小部位についてポイントマッピング測定を続けて行うことができて、マクロ測定とミクロ測定の連携を同一の装置でスムーズに行うことができる。

１点照射の時に、光学系の設計および分光器の調整でＣＣＤ検出器の１画素にビームスポットが結像するようにしたと仮定する。この場合、最大で設定できるライン照射の幅は、ＣＣＤ検出器の大きさに依存する。代表的なＣＣＤ検出器のＹ方向の画素数は、２００、２５５、４００、５１２チャンネルであるので、これを考慮すると、ライン状照射領域Ｉ_Ｓの長さ寸法を、幅寸法の２倍から５００倍と設定した。

なお、本発明は、ラマン分光装置に限られず、蛍光分光装置や赤外分光装置などへも適用される。本実施形態では照射光にレーザー光を用いるが、赤外分光装置などには高輝度セラミック光源やハロゲンランプ等からの赤外光を照射光として用いる。また、ラマンスペクトルの測定に限られず、試料への照射光の反射光や透過光、励起光による発光などのスペクトルの測定装置にも適用される。

比較例
以降、広範囲マッピングに関する幾つかの比較例を挙げて、本発明の顕微分光装置の優位性を説明する。

図１０（Ａ）の比較例は、「ポイントマッピング法」である。ビームスポットでマッピング範囲の全域を走査する。高速化を図るため、既存のリニアステージ、ＥＭＣＣＤ検出器、多変量解析などを適用するとしても、測定ポイントが過多であるため、高速化には限界があり、１点当たりの露光時間を短縮させなければならなくなる。ラマン光等の微弱な光の検知では、Ｓ／Ｎの問題で露光時間の短縮を避ける必要がある。これらの理由でポイントマッピングは広範囲マッピングには適さない。

図１０（Ｂ）の比較例は、「従来型のラインマッピング法」である。ポイントマッピングと比較すれば、ＣＣＤ検出器の１サイクルの光検出によってライン照射の長手方向に沿った複数の部位からのスペクトルデータをまとめて取得できるとは言えるが、図５を用いた説明と同様に、広範囲マッピングへの適用に関しては、測定時間を十分に短縮することができない。

次に、「低倍率の対物レンズを用いた比較例」について説明する。本発明では、従来型ラインマッピング測定と同様に、高倍率の対物レンズを採用することができる。低倍率のレンズが得策ではない理由を説明する。広範囲のマッピング測定において、試料上のビームスポットが大きければ、測定ポイント数を減らすことができて、測定時間の短縮化を図れる。ビームスポットはレンズのＮＡ（開口数）が小さいほど大きい。低倍率の対物レンズを用いると、レンズのＮＡが小さいため、ビームスポットを大きくすることができる。しかし、対物レンズの検出感度（スループット）の点で問題が生じる。レンズによるラマン光の取り込み量が多い程、検出感度がよいと言える。試料への光の潜り込みが少ないＳｉ基板などの固体においては、対物レンズで取り込まれるラマン光の信号強度ＰはＮＡの二乗に比例するから、ＮＡが小さいと信号強度の検出感度が低下してしまう。図１１（Ａ）に示すように、例えば１００倍（ＮＡ＝０．９）の対物レンズを２０倍（ＮＡ＝０．４）および５倍（ＮＡ＝０．１）のものに変更すると、信号強度はそれぞれ２０％、１％まで減衰してしまう。図１１（Ａ）中のハッチングは、低ＮＡレンズによる取り込み範囲を示す。このように、ＮＡの小さい低倍率レンズを採用すると、対物レンズの検出感度が低下してしまう。

対物レンズの検出感度だけでなく、分光器のＦマッチングも考慮したケースで、低倍率レンズが得策ではないことを説明する。ターレットに取付けられる１．２５倍の低倍率対物レンズ（オリンパス社製MPlanFLN1.25x、ＮＡ＝０．０４、ｆ1＝１４４ｍｍ）を用いるとする。図１１（Ｂ）に示すように、この対物レンズへの入射平行光の径寸法を３．３ｍｍとすると、実ＮＡは以下のように導かれる。レンズの瞳径Ｄは、Ｄ＝２・ＮＡ・ｆ1＝１１．５ｍｍとなり、入射側の実ＮＡは、ＮＡin＝ＮＡ・（入射平行光の径）／Ｄ＝０．０１１となり、ビームスポット径φ＝１．２２・λ／ＮＡin＝約６０μｍとなる。ここで、λは、入射レーザー光の波長（０．５３２μｍ）である。このような装置条件で、焦点距離２０ｃｍの分光器のＦ値が８である場合のエネルギーロスを検討する。結像レンズの焦点距離ｆ2が８５ｍｍである場合、分光器が受け取れる平行光束の大きさは、１０．６ｍｍまでになる。これと対物レンズの瞳径（１１．５ｍｍ）との関係で、エネルギーロスが生じる。前述と同様の計算にて、１００倍対物レンズから１．２５倍レンズに変更した場合の、対物レンズの検出感度は、０．２％まで低下する。さらに、上記の分光器の入口におけるエネルギーロスによって、検出感度はさらに低下することが分かる。従って、低倍率の対物レンズを用いると検出感度の低下という問題が生じるので、広範囲マッピング測定のために、安易に低倍率の対物レンズにしてはならないことが分かる。

なお、図１１（Ｂ）でのスリット位置でのビームサイズは、像倍率Ｍとの関係から、次のように導かれる。像倍率Ｍは、Ｍ＝ｆ2／ｆ1＝０．５９倍になる。スリットでの像サイズは、（ビームスポット径φ）×Ｍ＝３４μｍになる。

図１０（Ｃ）および（Ｄ）の比較例は、「マクロ照射法」および「擬似後方照射法」である。高ＮＡの対物レンズを用いて、ビームスポットを大きくする方法として、図１０（Ｃ）のように入射側の実ＮＡを低くする方法または入射側の平行光を崩す方法、或いは、図１０（Ｄ）のような擬似後方散乱の方法がある。高ＮＡの対物レンズを使ってビームスポットを大きくする場合の問題点を説明する。１００倍の対物レンズ（ＮＡ＝０．９、ｆ1＝１．８ｍｍ）および結像レンズ（ｆ2＝３０ｍｍ）を用いる。試料には径１０μｍのビームスポットが形成されるとする。このとき、分光器の入射スリットでの像サイズは、次のように導かれる。像倍率Ｍは、Ｍ＝ｆ2／ｆ1＝１６．７倍になる。入射スリットでの像サイズは、（ビームスポット径φ）×Ｍ＝１６７μｍになる。このため、入射スリットの幅を大きくする必要がある。比較のため、試料でのビームスポット径が１μｍである場合の、スリット幅およびＣＣ検出器での結像状態を合わせて示す。図１２から明らかなように、この比較例で得られるスペクトルは、ピーク強度が小さく、ブロードになってしまう。従って、高倍率の対物レンズでビームスポットを広げる方法では、ＣＣＤ検出器における波長分解能が低下してしまう。これに対して、本発明では高ＮＡの対物レンズを使うが、試料でのビームスポットを大きくするのではなく、ライン照射によるライン状の照射領域を形成するので、スリット幅を広げる必要がなく、高い波長分解能での測定が可能になる。

なお、図１０（Ｄ）の疑似後方照射の例では、斜め入射によって照射ビームの照射面積を大きくする。この場合も、同様に、照射面積が広いことによる波長分解能の低下が生じる。また、対物レンズに高ＮＡレンズを用いるとレンズと試料との作動距離が小さくなるので、斜め入射ができなくなってしまう。

図１０（Ｅ）の比較例は、「低倍率専用光学系」を用いた方法である。低倍率の対物レンズを使うと、ＮＡが小さいために検出感度が低下するという問題がある。これを解決するため、大口径の１倍対物レンズ（ＮＡ＝０．１５）を使用する。ビームスポットが大きくなるように、入射光の実ＮＡを設計している。しかし、この方法では、低倍率の対物レンズを高倍率の対物レンズに切り換えることが困難である。用いるレンズが大口径であるため、ターレットの使用や、分光器とのＦマッチングに問題が生じるからである。従って、この比較例は、低倍率専用の光学系になってしまう。

以上に列挙した比較例からも明らかなように、本発明の顕微分光装置であれば、波長分解能の面からも、検出感度の面からも有効であり、広範囲の高速マッピング測定に適しており、対物レンズの倍率を切り換える場合にも適していることが分かる。

なお、本発明において測定点とは、スペクトルの取得対象となる所定面積を有する領域を指す。また、正方形、長方形には、厳密な意味での正方形、長方形だけでなく、角が丸みを帯びた形状なども含まれる。特にライン状ビームの移動範囲の形状が長方形であるという場合、長方形の短辺が円弧状になっている形状も含まれるものとする。

１０，１１０ ラマン分光装置（顕微分光装置）
２６ シリンドリカルレンズ（ビーム整形手段）
３２ 対物レンズ（集光レンズ）
３８ スリット
４０ 可動ステージ
５０ 分光器（分光手段）
６０ ＣＣＤ検出器（光検出手段）
７０，１７０ 制御装置（マッピング測定制御手段）
７４，１７４ 連続走査制御部
７６，１７６ 光検出制御部
７８，１７８ マッピングデータ構成部

Claims (6)

1. 二次元または三次元のマッピング測定用の顕微分光装置であって、
   照射光をライン状に整形するビーム整形手段と、
   整形されたライン状照射光の集光位置に試料を位置決めするための可動ステージと、
   試料に形成されるライン状の照射領域からの光を集める集光レンズと、
   前記集光レンズによるライン状照射領域の結像位置に設けられ、前記ライン状照射領域の像の長手方向に平行なスリットと、
   前記スリットの通過光を受けて、前記ライン状照射領域の像を当該像の長手方向に直交する方向に分散させる分光手段と、
   分散した前記ライン状照射領域の像を検出する光検出手段と、
   前記可動ステージおよび前記光検出手段を同期させてマッピング測定を実行するマッピング測定制御手段と、を備え、
   前記光検出手段は、前記ライン状照射領域の像の長手方向およびこれに直交する分散方向の２方向に配置された受光素子群からなり、
   前記マッピング測定制御手段は、
   前記可動ステージの移動によって前記ライン状照射領域を試料において当該ライン状照射領域の長手方向に直交する方向へ停止させることなく連続的に移動させる連続走査制御部と、
   前記ライン状照射領域の連続的な移動中に、前記光検出手段の露光期間および読出期間からなる光検出サイクルを当該光検出手段に実行させて、一回の前記光検出サイクル中の前記ライン状照射領域の移動範囲の平均的なスペクトルを一つ取得する光検出制御部と、
   前記光検出サイクル毎の平均的なスペクトルを蓄積してマッピングデータを構成するマッピングデータ構成部と、を有することを特徴とする顕微分光装置。
2. 請求項１記載の装置において、前記マッピング測定制御手段は、一回の前記光検出サイクル中の前記移動範囲が前記ライン状照射領域の長手方向の寸法を一辺とする正方形に相当するように、前記可動ステージの移動速度または前記光検出サイクルのサイクル期間を変更することを特徴とする顕微分光装置。
3. 請求項２記載の装置において、前記光検出制御部は、前記読出期間に、分散した前記ライン状照射領域の像の長手方向に一列に並んでいる全ての受光素子をひとまとめにして読み出す処理を実行することを特徴とする顕微分光装置。
4. 請求項１記載の装置において、前記マッピング測定制御手段は、一回の前記光検出サイクル中の前記移動範囲が前記ライン状照射領域の長手方向の寸法を長辺とする長方形に相当し、かつ、前記長辺が当該長方形の短辺のｎ倍（ｎは２以上の整数）に相当するように、前記可動ステージの移動速度または前記光検出サイクルのサイクル期間を変更することを特徴とする顕微分光装置。
5. 請求項４記載の装置において、前記光検出制御部は、前記読出期間に、分散した前記ライン状照射領域の像の長手方向に一列に並んでいる全ての受光素子をｎ個のグループに分けて、各グループの受光素子をひとまとめにして読み出す処理を実行することを特徴とする顕微分光装置。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の装置において、
   前記ビーム整形手段を照射光の光軸に対してオンライン位置およびオフライン位置に切り換える切換手段を備え、
   前記ビーム整形手段を介さずに円形断面の照射光を試料に集光させたときのスポット径を集光限界とすると、前記ビーム整形手段を介して前記試料に形成されるライン状照射領域の形状は、前記集光限界に相当する幅寸法、および、前記幅寸法の２〜５００倍の長さ寸法を有することを特徴とする顕微分光装置。

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