JP6673552B2 - ラマン分光顕微鏡及びラマン散乱光観察方法 - Google Patents
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Description
実施の形態1にかかるラマン分光顕微鏡について説明する。図1は、実施の形態1にかかるラマン分光顕微鏡100の基本構成を模式的に示すブロック図である。図2は、実施の形態1にかかるラマン分光顕微鏡100の構成を模式的に示す上面図である。図3は、実施の形態1にかかる光学系3の一部の構成を光源1側から見た場合の斜視図である。
図9は、実施の形態1にかかるラマン分光顕微鏡100(実施例1)及び比較例である一般的なラマン分光顕微鏡(比較例1)での試料の観察像を示す図である。図9は、直径500nmのポリスチレン微小球のラマン画像(1003cm−1)を示している。比較例では、構造化照明を用いないスリット共焦点ラマン顕微鏡を使用した。図9からわかるように、ラマン分光顕微鏡100では、通常のスリット共焦点ラマン顕微鏡と比べて、ポリスチレン微小球の像がより高解像度で得られることが確認できる。
図10は、実施の形態1にかかるラマン分光顕微鏡100(実施例2)及び比較例である一般的なラマン分光顕微鏡(比較例2)での試料の観察像を示す図である。図10は、ガラス基板上の直径500〜800nmのポリスチレン及びポリメチルメタクリレート(PMMA)微小球混合体の波数3055cm−1及び2957cm−1におけるラマン画像を示している。比較例2では、構造化照明を用いないスリット共焦点ラマン顕微鏡を使用した。図10の陰影の明るい微小球はポリスチレン微小球であり、陰影の暗い微小球はPMMA微小球である。図10からわかるように、ラマン分光顕微鏡100では、通常のスリット共焦点ラマン顕微鏡と比べて、微小球の像がより高解像度で得られることが確認できる。
図13は、実施の形態1にかかるラマン分光顕微鏡100(実施例3)及び比較例である一般的なラマン分光顕微鏡(比較例3)での試料の観察像を示す図である。図13は、単層グラフェン、2層グラフェン、グラファイト及びこれらに生じた欠陥を示している。比較例3では、構造化照明を用いないスリット共焦点ラマン顕微鏡を使用した。図13からわかるように、ラマン分光顕微鏡100では、通常のスリット共焦点ラマン顕微鏡と比べて、試料の微細構造がより高解像度で得られることが確認できる。なお、図13では、iはグラファイト、iiは欠陥、iiiは単層グラフェンの積層、ivは2層グラフェン、vは単層グラフェンを示す。
図15は、実施の形態1にかかるラマン分光顕微鏡100(実施例4)及び比較例である一般的なラマン分光顕微鏡(比較例4)での試料の観察像を示す図である。図15は、実験用マウスの脳組織をスライスして作製した標本のラマン画像を示している。比較例4では、構造化照明を用いないスリット共焦点ラマン顕微鏡を使用した。これらの例では、タンパクのβシート及び脂質を観察するため、波数1682cm−1(アミドIバンド(C=O伸縮)に対応、赤色)及び波数2828cm−1(CH2基の伸縮に対応、緑色)での観察像を示している。図15からわかるように、ラマン分光顕微鏡100では、通常のスリット共焦点ラマン顕微鏡と比べて、標本の構造の像がより高解像度で得られることが確認できる。
実施の形態2にかかるラマン分光顕微鏡200について説明する。ラマン分光顕微鏡200は、ラマン分光顕微鏡100と比べて、制御部5が、分光器の収差に起因する光強度分布の歪みを補正する動作を行う点で相違する。なお、ラマン分光顕微鏡200の構成は、ラマン分光顕微鏡100と同様であるので説明を省略する。
まず、光強度分布の歪み補正を行うため、一様に発光する基準サンプルの光強度分布を測定する。一様に発光する十分に薄い基準サンプルとしては、例えば蛍光膜を用いることができ、S/N比の高い光強度分布を得ることができる。
測定した歪みを含む基準サンプルの光強度分布(以下、基準サンプル光強度分布と称する)を横軸方向で複数の区間に分割する。なお、各区間は、隣接する区間の50%とオーバーラップするように分割される。ここでは、基準サンプル光強度分布を8分割する例について説明する。
基準サンプル光強度分布のそれぞれの区間についてフーリエ変換を行う。これにより、各区間の光強度分布に現れる空間周波数を取得する。
各区間の光強度分布に現れる空間周波数をプロットし、プロットした各点での値を内挿する。図21は、分割した各区間の光強度分布に現れる空間周波数をプロットした図である。図21では、プロットした点に対する多項式近似曲線を表示している。
プロット結果から、空間周波数の規格化の基準値を決定する。この例では、プロットした点が近傍に多く存在する0.25を基準値とする。
先に決定した基準値に基づいて、光強度分布のピクセルサイズを補正する。図22は、図21のプロット結果に基づいたピクセルサイズの補正を示すグラフである。図22において、破線は補正前のピクセルサイズを示し、実線は補正後のピクセルサイズを示す。
次いで、測定対象となる試料の測定を行い、試料の光強度分布(補正前光強度分布と称する)を測定する。この時点では、試料の光強度分布は、ピクセル補正はされておらず、歪みを含んでいる。
ステップS7で取得した補正前光強度分布に、ステップS6で決定した補正後のピクセルサイズを適用する。これにより、図18に示した光強度分布(補正前光強度分布)におけるピクセルサイズ、すなわち光強度分布のX軸方向の空間ピッチを補正する。図23は、実施の形態2にかかるラマン分光顕微鏡200において歪みを補正した後の光強度分布を示す図である。これにより、分光されたラマン散乱光の光強度分布に現れる空間周波数が一定となり、光強度分布に含まれる歪みが除去される。
2 回折格子
3 光学系
4 分光器
5 制御部
10 観察対象物
31 遮光板
32 エッジフィルタ
33 ガルバノミラー
34 ミラー
40 スリット
41、42 凹面ミラー
43 分散素子
44 検出部
100 ラマン分光顕微鏡
200 ラマン分光顕微鏡
CL1〜CL3 シリンドリカルレンズ
L レーザ光
L1〜L4 レンズ
Ld 照明光
Lr ラマン散乱光
LL ライン照明光
OL 対物レンズ
Claims (16)
- 光源と、
前記光源が出力する光を回折させ、回折光を生じさせる回折素子と、
入射する光の分光スペクトル及び前記分光スペクトルの光強度の空間分布を取得する分光器と、
前記回折素子で生じた+1次回折光及び−1次回折光による干渉光を、前記干渉光による干渉縞と直交する第1の方向を長手方向とするライン照明光として観察対象物に照射するとともに、前記ライン照明光が観察対象物に照射されて生じたラマン散乱光を前記分光器へ導く光学系と、
前記ライン照明光によって、観察対象物を前記第1の方向と直交する第2の方向に走査させる制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記分光器が取得した前記ラマン散乱光の分光スペクトルの光強度の空間分布を取得し、
前記光強度の空間分布に現れる空間周波数が均一となるように、光強度の空間分布の空間ピッチを補正する、
ラマン分光顕微鏡。 - 前記制御部は、
前記第2の方向のサンプリング間隔が前記ライン照明光の前記第1の方向の強度分布に現れる空間周波数と一致するように、前記ライン照明光に観察対象物を走査させる、
請求項1に記載のラマン分光顕微鏡。 - 前記分光器は、
前記ラマン散乱光が入射するスリットと、
前記スリットを介して入射した前記ラマン散乱光が撮像面に結像する撮像素子と、を備え、
前記撮像素子が撮像を行うことにより、前記ラマン散乱光の分光スペクトル及び前記分光スペクトルの光強度の空間分布を取得する、
請求項1又は2に記載のラマン分光顕微鏡。 - 前記制御部は、
観察対象物に対する前記ライン照明光の照射位置を保ったまま、前記+1次回折光及び前記−1次回折光による干渉光によって生じる干渉縞の位相を多段階に変化させ、
変化させた前記干渉縞の位相のそれぞれについて得られる複数の前記分光スペクトルの光強度の空間分布を合成して、当該照射位置における分光スペクトルの光強度の空間分布を生成する、
請求項1乃至3のいずれか一項に記載のラマン分光顕微鏡。 - 前記制御部は、前記分光器から取得した前記光強度の空間分布を複数の区間に分割し、
前記分光器は、前記複数の区間のそれぞれについて、光強度の空間分布に現れる空間周波数を取得し、
前記制御部は、
前記複数の区間のそれぞれについて取得した空間周波数から基準値を決定し、
前記基準値に基づいて前記光強度の空間分布のピクセルサイズを補正することで、分光スペクトルの光強度の空間分布を補正する、
請求項1乃至4のいずれか一項に記載のラマン分光顕微鏡。 - 前記光源から前記回折素子に入射する光は、平行光である、
請求項1乃至5のいずれか一項に記載のラマン分光顕微鏡。 - 試料の深さ方向に対して干渉縞が生成されるように、+1次回折光及び−1次回折光の位相に対して、前記回折素子で生じた0次回折光の位相及び強度を調整して、+1次回折光、−1次回折光干渉及び0次回折光を干渉させる、
請求項1乃至6のいずれか一項に記載のラマン分光顕微鏡。 - 前記光源と前記回折素子との間又は前記光学系に設けられ、通過する光のビーム断面形状を変化させるビーム断面変換器を更に備える、
請求項1乃至6のいずれか一項に記載のラマン分光顕微鏡。 - 光源が出力する光を、回折素子により回折させ、回折光を生じさせ、
前記回折素子で生じた+1次回折光及び−1次回折光による干渉光を、前記干渉光による干渉縞と直交する第1の方向を長手方向とするライン照明光として観察対象物に照射し、
前記ライン照明光によって、観察対象物を前記第1の方向と直交する第2の方向に走査させ、
前記ライン照明光が観察対象物に照射されて生じたラマン散乱光の分光スペクトル及び前記分光スペクトルの光強度の空間分布を取得し、
前記ラマン散乱光の分光スペクトルの光強度の空間分布に現れる空間周波数が均一となるように、光強度の空間分布の空間ピッチを補正する、
ラマン散乱光観察方法。 - 前記第2の方向のサンプリング間隔が前記ライン照明光の前記第1の方向の強度分布に現れる空間周波数と一致するように、前記ライン照明光に観察対象物を走査させる、
請求項9に記載のラマン散乱光観察方法。 - 前記ラマン散乱光をスリットに入射させ、
前記スリットを介して入射した前記ラマン散乱光を撮像素子の撮像面に結像させ、
前記撮像素子が撮像を行わせることで、前記ラマン散乱光の分光スペクトル及び前記分光スペクトルの光強度の空間分布を取得する、
請求項9又は10に記載のラマン散乱光観察方法。 - 観察対象物に対する前記ライン照明光の照射位置を保ったまま、前記+1次回折光及び前記−1次回折光による干渉光によって生じる干渉縞の位相を多段階に変化させ、
変化させた前記干渉縞の位相のそれぞれについて得られる複数の前記分光スペクトルの光強度の空間分布を合成して、当該照射位置における分光スペクトルの光強度の空間分布を生成する、
請求項9乃至11のいずれか一項に記載のラマン散乱光観察方法。 - 前記ラマン散乱光の分光スペクトルの光強度の空間分布を複数の区間に分割し、
前記複数の区間のそれぞれについて、光強度の空間分布に現れる空間周波数を取得し、
前記複数の区間のそれぞれについて取得した空間周波数から基準値を決定し、
前記基準値に基づいて前記光強度の空間分布のピクセルサイズを補正することで、分光スペクトルの光強度の空間分布を補正する、
請求項9乃至12のいずれか一項に記載のラマン散乱光観察方法。 - 前記光源から前記回折素子に入射する光は、平行光である、
請求項9乃至13のいずれか一項に記載のラマン散乱光観察方法。 - 試料の深さ方向に対して干渉縞が生成されるように、+1次回折光及び−1次回折光の位相に対して、前記回折素子で生じた0次回折光の位相及び強度を調整して、+1次回折光、−1次回折光干渉及び0次回折光を干渉させる、
請求項9乃至14のいずれか一項に記載のラマン散乱光観察方法。 - 前記回折素子の前記光源側又は前記回折素子の前記光源とは反対側に、通過する光のビーム断面形状を変化させるビーム断面変換器が前記回折素子と離隔して設けられる、
請求項9乃至15のいずれか一項に記載のラマン散乱光観察方法。
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