JP6784396B2 - 円偏光照射器、分析装置及び顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、円偏光を出射する光照射器と、この光照射器を備える分析装置及び顕微鏡に関する。より詳しくは、試料に対して円偏光を照射し、円二色性などの光学特性を測定する技術に関する。

円二色性（CD：Circular Dichroism）は、左円偏光と右円偏光とで吸収が異なる現象であり、左右円偏光の吸収の差で表される。この円二色性は、光学活性を有する物質特有の性質であり、光学活性物質の分析、光学異性体の存在率の測定、生体分子の構造や状態の解析などに利用されている（例えば、特許文献１、２参照。）。

一般に、円二色性分散計は、光弾性変調器などにより左円偏光と右円偏光を周期的に発生させて試料に照射し、試料を透過した透過光の強度を、変調周波数に同期させて検出する。また、従来、左右円偏光を照射して、試料から放射される蛍光を検出する円二色性蛍光顕微鏡（特許文献３参照）や、円二色性の光電子前方散乱ピークで形成される光電子回折パターンを検出する立体原子顕微鏡（特許文献４）も提案されている。

一方、前述した円二色性計測において、試料が直線偏光に対する二色性や複屈折などの円二色性以外の偏光特性を有する場合、円偏光変調に非線形性や位相歪みがあると、この円二色性以外の偏光特性が円二色性信号に混入し、アーティファクトが生じる。特に、試料が、液晶や結晶などの固体の場合や、膜、ミセル及びゲルなどの巨視的な異方性をもつ場合は、直線偏光に対するアーティファクトの影響が大きい。

図１２は従来の円偏光照射器の構成例を示す模式図である。図１２に示すように、従来の円二色性計測に用いられている円偏光照射器は、光源１００から出射した光を直線偏光子１０１に入射させて直線偏光を取り出し、それを光弾性変調器１０２により左円偏光又は右円偏光に変調している。

しかしながら、通常、光弾性変調器で生成される光は、例えば９０°と２７０°などのように特定の位相では左又は右偏光状態となるが、それ以外の位相では直線偏光又は直線偏光を含む楕円偏光状態となっている。このため、従来の装置では、直線偏光の混入がない純粋な左右円偏光を試料に照射することができず、固体試料や巨視的な異方性を持つ試料の円二色性を高精度で計測することは困難とされている。

従来、円二色性計測においてアーティファクトを取り除く技術としては、例えば固体試料については、試料を回転したり、裏返して両面を測定したりする方法が提案されている（特許文献５参照）。また、光位相変調器において直線偏光の振動面とは異なる振動面を持ち互いに直交する２つの偏光成分の間の位相差の最大値δ_０が１／４λ＜δ_０となるように位相差に変調を加える円偏光光源システムも提案されている（特許文献６参照）。

特開２００１−１３０６４号公報 国際公開第２００６／０８５６０６号 国際公開第２００７／０８８９４７号 特開２００２−１３９４６６号公報 特開２００２−１２２４７７号公報 特開２０１３−２１７７０２号公報

しかしながら、前述したアーティファクト除去技術には、以下に示す問題点がある。例えば、特許文献５に記載の測定方法は、回転や反転させることが困難な試料や装置には適用できない。また、特許文献６に記載の円偏光光源システムは、位相差変調が行われた光に含まれる水平偏光成分の光の出力がゼロとなるタイミングでゲートを開き、光を通過させているが、ゲート幅を最短にしても数％程度水平偏光成分が残っており、完全に純粋な円偏光照射は実現できていない。

そこで、本発明は、直線偏光成分の混入のない円偏光を生成し出射することができる円偏光照射器、並びにこれを用いた分析装置及び顕微鏡を提供することを目的とする。

本発明に係る円偏光照射器は、光源と、前記光源から出射された直線偏光又は前記光源から出射された光から取り出された直線偏光を、ｘ軸方向成分とｙ軸方向成分とに分ける偏光分離部と、前記偏光分離部で分離された直線偏光のｘ軸方向成分とｙ軸方向成分とを交互に遮断する光遮断部と、前記光遮断部を通過した直線偏光のｘ軸方向成分とｙ軸方向成分とを同軸に合成する偏光合成部と、前記偏光合成部から出射された直線偏光を円偏光に変換して直線偏光成分を含まない円偏光を生成する偏光変換部を有する。
この円偏光照射器は、前記偏光合成部からｘ軸方向成分とｙ軸方向成分が離散的に繰り返す直線偏光を出射し、前記偏光変換部から右円偏光と左円偏光を交互にかつ連続的に出射することができる。
本発明の円偏光照射器は、前記光源と前記偏光分離部との間に、前記光源から出射された光から直線偏光を取り出す偏光子部が設けられていてもよい。
前記偏光分離部は、入射時の光軸に対して、前記直線偏光のｘ軸方向成分及びｙ軸方向成分のいずれか一方若しくは両方の光軸を変位又は角度変化させる光学素子を備えていてもよい。
前記光遮断部は、光チョッパを備えていてもよい。
前記光源としては、例えば平行光を出射するものを使用することができる。

本発明に係る分析装置は、前述した円偏光照射器を備えるものであり、前記円偏光照射器から出射された円偏光を試料に照射し、前記試料の光学特性を測定する。
本発明の分析装置は、前記試料からの透過光、反射光、散乱光又は発光を電気信号として検出する１又は２以上の光検出器を備えていてもよい。
更に、前記光検出器で検出された電気信号から円二色性信号を得る円二色性検出部を設けることもできる。
その場合、前記光検出器で透過光を検出し、前記円二色性検出部において、前記透過光の電気信号を、前記円偏光における左右円偏光変調の位相でロックイン検出を行い、前記透過光における左円偏光と右円偏光の相対的な強度差を求め、円二色性信号を得てもよい。

本発明に係る顕微鏡は、前述した円偏光照射器を備えるものであり、観察対象の試料に、前記円偏光照射器から出射された円偏光を照射する。
この顕微鏡は、前記試料からの透過光を捕集する対物レンズと、前記対物レンズから出射した透過光を結像させる結像レンズと、前記透過光を電気信号として検出する光検出器と、前記光検出器で検出された電気信号から円二色性信号を得る円二色性検出部を備えていてもよい。
その場合、前記円二色性検出部は、例えば前記電気信号を、前記円偏光における左右円偏光変調の位相でロックイン検出を行い、前記透過光における左円偏光と右円偏光の相対的な強度差を求め、円二色性信号を得ることもできる。
本発明の顕微鏡は、前記透過光の結像位置にピンホールを設け、前記ピンホールを通過した光を前記光検出器で検出してもよい。
本発明の顕微鏡は、前記試料に対して前記円偏光を相対的に走査しながら照射することもできる。

本発明によれば、試料に対して直線偏光成分の混入のない円偏光を照射することができるため、巨視的な異方性を有するものについてもアーティファクトの影響を抑えた円二色性の測定が可能となる。

本発明の第１の実施形態の円偏光照射器の構成を示す概念図である。 本発明の第１の実施形態の変形例の円偏光照射器の構成を示す概念図である。 図２に示す円偏光照射器の具体的構成例を模式的に示す図である。 Ａは図３に示す円偏光照射器２の光路例を示す上面図であり、Ｂは光チョッパ２３への入射位置を示す模式図である。 Ａは光軸変位素子２２の代わりに光軸角度変更素子を用いた場合の光路例を示す上面図であり、Ｂは光チョッパ２３への入射位置を示す模式図である。 本発明の第２の実施形態の分析装置の構成例を示す模式図である。 Ａは円偏光に変換する前の直線偏光Ｌ３の光強度を示し、Ｂは円偏光照射器１から出射された円偏光Ｌ４の光強度を示し、Ｃは試料３が円二色性を有しない場合の検出信号を示し、Ｄは試料３が円二色性を有する場合の検出信号を示す図である。 本発明の第３の実施形態の顕微鏡の構成例を示す模式図である。 Ａはクロム膜の透過光像であり、Ｂは本発明の顕微鏡を用いて撮影したクロム膜の円二色性像であり、ＣはＢの中央付近のラインプロファイルである。 Ａは二次元金属ナノ構造体の電子顕微鏡写真であり、Ｂは透過光像であり、Ｃは本発明の顕微鏡を用いて撮影した円二色性像である。 Ａは有機物結晶（１，８−Dihydroxyanthraquinone）の透過像であり、Ｂは円二色性像である。 従来の円偏光照射器の構成例を示す模式図である。

以下、本発明を実施するための形態について、添付の図面を参照して、詳細に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。

（第１の実施形態）
先ず、本発明の第１の実施形態に係る円偏光照射器について説明する。図１は本実施形態の円偏光照射器の構成を示す概念図であり、図２はその変形例に係る円偏光照射器の構成を示す概念図である。また、図３は図２に示す円偏光照射器の具体的構成例を模式的に示す図である。

図１に示すように、本実施形態の円偏光照射器１は、円偏光を照射するものであり、少なくとも、光源１０、偏光分離部１２、光遮断部１３、偏光合成部１４及び偏光変換部１５を備えている。また、本実施形態の円偏光照射器には、図２に示すように、光源１０と偏光分離部１２との間に、偏光子部１１やその他の光学素子が設けられていてもよい。

［光源１０］
光源１０は、試料の種類や検出光の波長などに応じて適宜選択することができ、例えば固体レーザや半導体レーザ（ＬＤ：laser diode）などの各種レーザ、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）などの発光素子、各種放電管、白熱灯光源を適切に処理したもの、放射光（特に短波長）を使用することができる。光の利用効率、輝度、集光性などの観点から、光源１０はレーザなどのコリメートされた光（平行光）を出射するものであることが好ましい。

［偏光子部１１］
偏光子部１１は、光源１０から出射された光Ｌ１から直線偏光Ｌ２を取り出すものであり、必要に応じて光源１０と偏光分離部１２との間の光Ｌ１の光軸上に配置される。ここで、光源１０から出射された光Ｌ１が直線偏光以外の成分を含む場合だけでなく、光源１０から出射された光Ｌ１が直線偏光のみである場合にも、偏光成分の調整などのために、光源１０と偏光分離部１２との間に偏光子部１１を配置することもできる。

偏光子部１１を構成する光学素子には、各種直線偏光子を用いることができる。直線偏光子の具体例としては、複屈折結晶を用いたグラントムソン、グランテーラー、グランレーザーなどの各種プリズム、プラスチックフィルムなどを用いた吸収型偏光フィルター、薄膜偏光素子、ワイヤグリッド型偏光子などが挙げられる。

なお、円偏光照射器１から出射される円偏光Ｌ４の左円偏光と右円偏光のバランスがずれていると、円二色性計測などに用いた場合に、得られる円二色性信号にオフセットが生じることがある。そこで、左円偏光と右円偏光の強度が一致した円偏光Ｌ４を出射するため、偏光子部１１を構成する光学素子には、回転などによって直線偏光Ｌ２における縦と横の偏光成分の比率を調整できるものを用いることが好ましい。

［偏光分離部１２］
偏光分離部１２は、光源１０から出射された直線偏光Ｌ２又は偏光子部１１で取り出された直線偏光Ｌ２を、ｘ軸方向成分Ｌ２ｘとｙ軸方向成分Ｌ２ｙとに分離するものであり、直線偏光Ｌ２の光軸上に配置されている。この偏光分離部１２では、例えば直線偏光Ｌ２の入射時の光軸に対して、ｘ軸方向成分Ｌ２ｘ及びｙ軸方向成分Ｌ２ｙのいずれか一方若しくは両方の光軸を変位させるか又は光軸の角度（進行方向）を変化させる。

偏光分離部１２を構成する光学素子としては、例えば方解石を用いた偏波ビームディスプレーサ（ＰＢＤ：Polarizing beam displacer）、ウォラストンプリズム、グランテーラープリズム、グランレーザプリズム、ローションプリズム、サヴァール板、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ：Polarizing Beam Splitter）などが挙げられる。これらの光学素子のうち、偏波ビームディスプレーサ及びサヴァール板は光軸変位素子２２であり、その他の素子は光軸角度変更素子である。

偏光分離部１２を構成する光学素子は、直線偏光Ｌ２をｘ軸方向成分Ｌ２ｘとｙ軸方向成分Ｌ２ｙとに分離可能なものであればよく、その種類や数は特に限定されるものではない。例えば、直線偏光Ｌ２を分離する光学素子の偏光消光比が低い場合は、分離されたｘ軸方向成分Ｌ２ｘ及びｙ軸方向成分Ｌ２ｙの各光軸上に高い消光比をもつ直線偏光子を配置することで、偏光消光比が高い分離素子を用いた場合と同等の効果を得ることができる。ただし、部品数低減などの観点から、偏光分離部１２を構成する光学素子には、高い偏光消光比で直線偏光中の成分を分離するものを用いることが好ましい。

［光遮断部１３］
光遮断部１３は、偏光分離部１２で分離された直線偏光のｘ軸方向成分Ｌ２ｘ及びｙ軸方向成分Ｌ２ｙの光軸上に配置され、ｘ軸方向成分Ｌ２ｘ及びｙ軸方向成分Ｌ２ｙを交互に遮断するものである。この光遮断部１３を構成する光学素子としては、光チョッパ２３や光シャッターなどのように光を物理的に遮断するものが好ましいが、これらに限定されるものではなく、電気光学素子や音響光学素子、液晶偏光素子などを使用してもよい。

また、光遮断部１３に光チョッパ２３を用いる場合は、動作時の振動が他の光学素子に影響しないように、光遮断部１３は他の光学素子とは分離し、独立配置することが好ましい。更に、光チョッパ２３には、デューティ比が１〜４９％程度のものを使用することが好ましい。これにより、ｘ軸方向成分Ｌ２ｘとｙ軸方向成分Ｌ２ｙとが同時に光チョッパ２３を通過することを防止し、光チョッパ２３からこれらの成分を離散的に出射することが可能となる。

なお、光遮断部１３は、ｘ軸方向成分Ｌ２ｘ及びｙ軸方向成分Ｌ２ｙの光軸上にそれぞれ１つずつ設けられていてもよく、また、１つの光遮断部１３でｘ軸方向成分Ｌ２ｘ及びｙ軸方向成分Ｌ２ｙの両方を遮断してもよい。

［偏光合成部１４］
偏光合成部１４は、光遮断部１３を通過したｘ軸方向成分Ｌ２ｘ及びｙ軸方向成分Ｌ２ｙを同軸に合成して同一光軸の直線偏光に戻すものであり、光遮断部１３を通過したｘ軸方向成分Ｌ２ｘ及びｙ軸方向成分Ｌ２ｙの光軸上に配置されている。この偏光合成部１４では、例えば、光遮断部１３を通過したｘ軸方向成分Ｌ２ｘ及びｙ軸方向成分Ｌ２ｙのいずれか一方若しくは両方の光軸を変位させるか、又は光軸の角度（進行方向）を変化させる。これにより、ｘ軸方向の直線偏光とｙ軸方向の直線偏光が離散的に繰り返す変調を有する直線偏光Ｌ３が得られる。

偏光合成部１４を構成する光学素子としては、前述した偏光分離部１２と同様に、例えば方解石を用いた偏波ビームディスプレーサ（ＰＢＤ）、ウォラストンプリズム、グランテーラープリズム、グランレーザプリズム、ローションプリズム、サヴァール板、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）などが挙げられる。なお、偏光合成部１４に用いる光学素子と偏光分離部１２に用いる光学素子は、同種の対をなすものであることが好ましいが、種類の異なる光学素子を組み合わせ使用することもできる。偏光合成部１４に、偏光分離部１２で用いた光学素子と光学特性が同じものを使用することにより、２つに分離させた直線偏光成分を容易に１本のビームに戻すことが可能となる。

［偏光変換部１５］
偏光変換部１５は、偏光合成部１４から出射された直線偏光Ｌ３を円偏光に変換するものであり、直線偏光Ｌ３の光軸上に配置されている。この偏光変換部１５を構成する光学素子としては、例えば１／４波長板２５、バビネ−ソレイユの補償板、液晶可変リターダなどの液晶偏光素子を用いることができる。ｘ軸方向の直線偏光とｙ軸方向の直線偏光が離散的に繰り返す変調を有する直線偏光Ｌ３を、偏光変換部１５で円偏光に変換することで、直線偏光成分を含まず、左円偏光と右円偏光が離散的に繰り返す変調を有する円偏光Ｌ４が得られる。

［その他の光学素子］
光源１０から直線偏光が出射される場合は、偏光子部１１に代えて、光源１０と偏光分離部１２との間に半波長板（図示せず）を配置してもよい。半波長板は、直線偏光の偏光方向を変えるものであり、光源１０から出射された直線偏光を、半波長板により適切な偏光方向に回転させてから偏光分離部１２に入射させることで、左円偏光と右円偏光の強度が一致した円偏光Ｌ４を出射することができる。

［動作］
次に、本実施形態の円偏光照射器の動作について、図３に示す円偏光照射器２を例に説明する。図３に示す円偏光照射器２は、レーザ光源２０、直線偏光子２１、光軸変位素子２２、光チョッパ２３、光軸変位素子２４、１／４波長板２５がこの順に配置されている。この円偏光照射器２では、先ず、レーザ光源２０から出射された平行光Ｌ１は、偏光を揃えるため、直線偏光子２１に入射される。

そして、直線偏光子２１において、ｘ軸又はｙ軸から４５°方向の直線偏光Ｌ２が生成する。この直線偏光Ｌ２は、ｘ軸方向とｙ軸方向に同じ強度をもつ２つの直線偏光状態を合成したものと考えられる。次に、光軸変位素子２２により、直線偏光Ｌ２をｘ軸方向成分Ｌ２ｘとｙ軸方向成分Ｌ２ｙとに分離し、得られた２本の平行ビーム（ｘ軸方向成分Ｌ２ｘ及びｙ軸方向成分Ｌ２ｙ）を、光チョッパ２３などで交互に遮断する。

図４Ａは図３に示す円偏光照射器２の光路例を示す上面図であり、図４Ｂは光チョッパ２３への入射位置を示す模式図である。例えば、光軸変位素子２２として偏波ビームディスプレーサを用いた場合、図４Ａに示すように、直線偏光Ｌ２を光軸変位素子２２に入射させると、ｘ軸方向の直線偏光成分（ｘ軸方向成分Ｌ２ｘ）のみが入射時の光軸に対して光軸を平行に保ったまま変位し、出射される。一方、ｙ軸方向の直線偏光成分（ｙ軸方向成分Ｌ２ｙ）は、光軸変位せず、入射時の光軸のまま出射される。

光軸変位素子２２から出射されたｘ軸方向成分Ｌ２ｘ及びｙ軸方向成分Ｌ２ｙは、光チョッパ２３により交互に遮断され、光チョッパ２３からはこれらの成分が離散的に出射される。その際、図４Ｂに示すように、ｘ軸方向成分Ｌ２ｘ及びｙ軸方向成分Ｌ２ｙは相互に近接した位置に入射するが、デューティ比が１〜４９％程度の光チョッパ２３を用いることで、ｘ軸方向成分Ｌ２ｘとｙ軸方向成分Ｌ２ｙとが同時に光チョッパ２３を通過することを防止できる。

次に、光チョッパ２３を通過したｘ軸方向成分Ｌ２ｘ及びｙ軸方向成分Ｌ２ｙの両方を光軸変位素子２４に入射させ、これら２つの平行ビームを再度同軸に戻す。例えば光軸変位素子２４に偏波ビームディスプレーサを用いた場合、図４Ａに示すように、ｘ軸方向成分Ｌ２ｘは入射時の光軸に対して平行方向に変位し、光軸変位せずに入射時の光軸のまま進行するｙ軸方向成分Ｌ２ｙに合流する。これにより、ｘ軸方向成分Ｌ２ｘとｙ軸方向成分Ｌ２ｙとが離散的に繰り返す直線偏光Ｌ３が得られる。

ここで、光軸変位素子２２，２４に偏波ビームディスプレーサを用いると、ｘ軸方向成分Ｌ２ｘとｙ軸方向成分Ｌ２ｙとで素子を通過する時間が異なる場合も考えられるが、その差は、光遮断部１３における遮断時間に比べて極わずかであるため、これらの成分を合成する際は問題にならない。このように、本実施形態の円偏光照射器２では、各成分の光路長を厳密に同一にしなくても、ｘ軸方向成分Ｌ２ｘとｙ軸方向成分Ｌ２ｙとが離散的に繰り返す直線偏光Ｌ３を生成することが可能である。

本実施形態の円偏光照射器２では、前述した光軸変換素子２２，２４に代えて光軸角度変更素子を用いることもできる。図５Ａは光軸角度変更素子を用いた場合の光路例を示す上面図であり、図５Ｂは光チョッパ２３への入射位置を示す模式図である。例えば光軸角度変更素子３２としてウォラストンプリズムを用いた場合、図５Ａに示すように、直線偏光Ｌ２を光軸角度変更素子３２に入射させると、ｘ軸方向の直線偏光成分（ｘ軸方向成分Ｌ２ｘ）及びｙ軸方向の直線偏光成分（ｙ軸方向成分Ｌ２ｙ）の両方の光軸が、入射時の光軸に対して角度変化し、即ち進行方向が変更されて、出射される。

光軸角度変更素子３２から出射されたｘ軸方向成分Ｌ２ｘ及びｙ軸方向成分Ｌ２ｙは、例えばミラー２６などにより光軸が相互に平行になるように進行方向が変更された後、光チョッパ２３により交互に遮断される。その際、図５Ｂに示すように、ｘ軸方向成分Ｌ２ｘ及びｙ軸方向成分Ｌ２ｙは、例えば一方の成分が光チョッパ２３の右側、他方の成分が光チョッパ２３の左側のように、比較的離れた位置にそれぞれ入射する。この場合も、光チョッパ２３からはｘ軸方向成分Ｌ２ｘ及びｙ軸方向成分Ｌ２ｙが離散的に出射される。

次に、ミラー２６などにより進行方向を変更し、光チョッパ２３を通過したｘ軸方向成分Ｌ２ｘ及びｙ軸方向成分Ｌ２ｙを、光軸角度変更素子３４に入射させる。そして、光軸角度変更素子３４において、ｘ軸方向成分Ｌ２ｘ及びｙ軸方向成分Ｌ２ｙを再度同軸に戻す。これにより、ｘ軸方向成分Ｌ２ｘとｙ軸方向成分Ｌ２ｙとが離散的に繰り返す直線偏光Ｌ３が得られる。

前述した方法で生成した直線偏光Ｌ３は、１／４波長板２５によって円偏光Ｌ４に変換される。その結果、図４Ａ及び図５Ａに示すように、１／４波長板２５からは、右円偏光ＲＣＰと左円偏光ＬＣＰとが交互にかつ連続的に出射することとなる。

本実施形態の円偏光照射器は、ｘ軸方向の直線偏光成分とｙ軸方向の直線偏光成分が離散的に繰り返す直線偏光を生成し、これを円偏光に変換しているため、直線偏光成分の混入を排除し、試料に対して右円偏光と左円偏光を交互にかつ連続的に照射することができる。また、本実施形態の円偏光照射器は、電気的変調を用いていないため、得られる円偏光に非線形性や位相歪みは生じない。

前述した特許文献６に記載の技術は、短い時間ゲートをかけることによってなるべく純粋な円偏光を得ようとするものであるため、時間的な光の利用効率が低く、円偏光の純度にも限界がある。これに対して、本実施形態の円偏光照射器は、特許文献６に記載の方法に比べて光の利用効率が高く、また、円偏光の純度も、偏光変換部の特性のみで決まるため、十分に高くすることが可能である。

以上から、本実施形態の円偏光照射器を用いることにより、従来の方法では実現することができなかった直線偏光成分の混入のない純粋な円偏光を、試料に照射することが可能となる。その結果、異方性を有する試料についてもアーティファクトの影響を抑えた円二色性の測定が可能となる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る分析装置について説明する。本実施形態の分析装置は、前述した第１の実施形態の円偏光照射器１を備え、この円偏光照射器１から出射された円偏光Ｌ４を試料に照射し、試料の光学特性を測定するものである。

本実施形態の分析装置は、透過光、反射光、散乱光又は蛍光などの発光を電気信号として検出する１又は複数の検出器を備えていてもよい。その場合、各検出器は、検出する光に応じて適宜配置することができる。また、検出器の種類も特に限定されるものではないが、例えばＰＭＴ（Photo-Multiplier Tube；光電子増倍管）、ＣＣＤ（Charge Coupled Device；電荷結合素子）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）などの固体撮像素子を用いた光検出器を使用することができる。

図６は本実施形態の分析装置の構成例を示す模式図である。例えば本実施形態の分析装置により円二色性を測定する場合は、図６に示すように、試料３を挟んで、円偏光照射器１と、透過光Ｔ１を検出するための光検出器４とを配置する。また、本実施形態の分析装置には、検出器４で検出された光信号Ｓ１と、円偏光照射器１の光遮断部１３からの参照信号Ｓ２に基づき、円二色性信号を生成する円二色性検出部５を設けることもできる。

図７Ａは円偏光に変換する前の直線偏光Ｌ３の光強度を示し、図７Ｂは円偏光照射器１から出射された円偏光Ｌ４の光強度を示し、図７Ｃは試料３が円二色性を有しない場合の検出信号を示し、図７Ｄは試料３が円二色性を有する場合の検出信号を示す図である。円偏光照射器１では、光源から出射された直線偏光又は光源から出射された光から取り出された直線偏光を、直線偏光のｘ軸方向成分とｙ軸方向成分に分離した後、これらの成分を交互に遮断して、離散的に２つの直線偏光の間で変調された光ビームを生成する。図７Ａに示すように、この光ビーム（直線偏光）では、ｘ軸方向成分の光強度Ｉ_ＸＬＰと、ｙ軸方向成分の光強度Ｉ_ＹＬＰは、同じになっている。

この直線偏光は、ｘ軸方向成分及びｙ軸方向成分がそれぞれ左円偏光と右円偏光に変換されて、左円偏光と右円偏光が離散的に繰り返す円偏光Ｌ４が生成し、この円偏光Ｌ４が試料３に照射される。このとき、光学素子としてバビネ−ソレイユの補償板を用いると、高精度に左円偏光又は右円偏光に変換することが可能となる。また、図７Ｂに示すように、円偏光Ｌ４では、左円偏光成分の光強度Ｉ_ＬＣＰと、右円偏光成分の光強度Ｉ_ＲＣＰは、同じである。

試料３を透過した光Ｔ１は、検出器４で検出される。このとき、試料３が円二色性を有しない場合は、図７Ｃに示すように、左円偏光の検出信号強度Ｉ_ＬＣＰと、右円偏光の検出信号強度Ｉ_ＲＣＰは同じになる。一方、入射光の波長において、左円偏光と右円偏光とで吸光度に差（円二色性）がある場合は、図７Ｄに示すように、左円偏光の検出信号強度Ｉ_ＬＣＰと、右円偏光の検出信号強度Ｉ_ＲＣＰに差が生じる。

そこで、変調光の位相を予め片方のビームを遮断して決定し、その変調光の位相（参照信号Ｓ２）で光信号Ｓ１をロックイン検出することにより、左円偏光と右円偏光の強度の相対的な光強度差（Ｉ_ＬＣＰ−Ｉ_ＲＣＰ）を得ることができる。そして、この相対的な光強度差から円二色性信号を見積もることにより、確度の高い円二色性信号を高感度に検出することが可能となる。

以上のように、本実施形態の分析装置は、試料に対して直線偏光成分の混入のない円偏光を照射することができるため、異方性を有する試料についてもアーティファクトの影響を抑えた円二色性測定が可能となる。更に、本実施形態の分析装置は、透過光に基づく円二色性測定だけでなく、反射光、散乱光又は発光の測定についても、従来の装置に比べて高精度の検出が可能であり、その結果、特に、固体試料などについては、周期構造の配列に関する情報などのように試料特有の性質を抽出することもできる。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態に係る顕微鏡について説明する。本実施形態の顕微鏡は、前述した第１の実施形態の円偏光照射器を備え、観察対象の試料に円偏光照射器１から出射された円偏光を照射するものである。図８は本実施形態の顕微鏡の構成例を示す模式図である。

例えば、本実施形態の顕微鏡が円二色性顕微鏡である場合は、図８に示すように、円偏光照射器１、対物レンズ６、結像レンズ７、光検出器４、円二色性検出部５などを備える。図８に示す顕微鏡により試料３の円二色性像を観察する場合は、円偏光照射器１から出射された円偏光を試料３に照射し、試料３からの透過光を対物レンズ６で捕集した後、結像レンズ７で結像させ、光検出器４で電気信号として検出する。

光検出器４で検出された電気信号は円二色性検出部５に送られ、円二色性検出部５において円二色性信号が算出される。具体的には、円二色性検出部５では、ロックインアンプなどを用いて、光検出器４で検出された電気信号を、円偏光における左右円偏光変調の位相でロックイン検出を行い、透過光における左円偏と右円偏光の相対的な強度差（Ｉ_ＬＣＰ−Ｉ_ＲＣＰ）を求め、円二色性信号を得る。これにより、確度の高い円二色性信号を高感度に検出することが可能となる。

本実施形態の顕微鏡は、透過光の結像位置にピンホール８が設けられていてもよい。その場合、ピンホール８を通過した光が光検出器４で検出される。このように、対物レンズ６と結像レンズ７で結像させた光学イメージの一部を、ピンホール８で抽出することにより、試料３からの局所的な応答を検出することができる。

ただし、この場合、光検出器４で得られる信号は、試料の特定の領域からのものに限定される。そこで、より広範囲な領域を観察する場合は、例えばＸ−Ｙステージ９で試料３を移動させるか、又は、円偏光照射器１からの照射位置を移動させるなどの方法により、試料３に対して円偏光を相対的に走査しながら照射する。これにより、局所的な光学応答の二次元マッピングを行うことができるため、円二色性を表す走査顕微鏡像を得ることができる。

更に、本実施形態の顕微鏡は、光検出器４に高速イメージセンサを用い、それぞれの素子において前述したロックイン検出を行えば、試料３に対して円偏光を相対的に走査しながら照射しなくても、円二色性を表す顕微鏡像を得ることができる。

本実施形態の顕微鏡は、基本的には、円偏光は集光せず、平行ビームの状態で試料に照射するが、例えば試料３に照射する光の偏光特性に擾乱を生じない場合には、円偏光照射器１と試料３との間に集光レンズ（図示せず）などを配置し、円偏光照射器１から出射された円偏光を集光して試料３に照射してもよい。

以上のように、本実施形態の顕微鏡は、円偏光照射器により発生した左右円偏光が離散的に繰り返す円偏光変調ビームを、円偏光の特性に擾乱を生じない場合を除き、集光せずに平行ビームの状態で用いるため、光学系による不要な擾乱を受けることなく、高い円偏光純度を保ったまま試料に照射することができる。その結果、従来は観察が難しいとされてきた固体試料の円二色性も、アーティファクトの影響を抑え、高い感度と分解能で観察することが可能となる。

また、本実施形態の顕微鏡では、左円偏光と右円偏光を単一のビームとして試料に照射し、試料からの局所的な円二色性信号を検出することにより、不均一な試料についても、円二色性の局所分布を高空間分解能で分析することができる。更に、本実施形態の顕微鏡は、試料の円二色性強度の空間分布を得ることが可能であるため、例えば分子単体の光学活性の評価・追跡のみならず、凝集体・集合体生成による光学活性の変化の過程などをライブ観察することも可能である。即ち、本実施形態の顕微鏡は、医療・バイオなど幅広い分野において新しい観察・定量評価手法を提供するものである。

更にまた、本実施形態の顕微鏡は、生体細胞内における不斉分子の掌性の変換や輸送過程の観察にも有用である。そして、今後、円二色性をプローブ信号にしたイメージ技術が確立されれば、本実施形態の顕微鏡を適用することで、基質染色やラマン散乱による分子イメージ法に続く新しいバイオライブイメージング技術を実現可能となる。

なお、本実施形態の顕微鏡における上記以外の構成及び効果は、前述した第２の実施形態と同様である。

以下、本発明の実施例及び比較例を示し、本発明の効果について具体的に説明する。

＜実施例１＞
先ず、本発明の円偏光照射器を用いて顕微鏡観察を行い、固体試料の円二色性像を得た。試料には、光学不活性である透明ガラス基板上に、厚さ１ｎｍの金属クロム膜を形成したものを用いた。また、測定には直径０．１ｍｍのピンホールを用い、観察波長は７００ｎｍとした。

図９Ａは試料の透過光像であり、図９Ｂは円二色性像であり、図９Ｃは試料中心付近の円二色性信号のラインプロファイルである。図９Ａに示す透過光像では、破線の右側にクロム薄膜が観察された。これに対して、図９Ｂに示すロックインの時定数３００ｍ秒で取得した円二色性像でも、クロム薄膜と基板との境界付近を除き、ほぼ０の円二色性信号が得られた。

図９Ｃに示すその中央付近のラインプロファイルから、０．０００６１Ｏ．Ｄ．という標準偏差の値（楕円率に換算して２０．１ｍｄｅｇに相当）が得られた。この値がこの測定のノイズレベルとなり、０．１４％の光吸収信号の大きさに相当する。以上から、例えば円二色性の値として楕円率約２０ｍｄｅｇ以上の変化がある試料では、本発明の顕微鏡を用いることで、円二色性の分布を画像として得ることができる。なお、本測定では、直径０．１ｍｍのピンホールを用いているが、ピンホールの径を大きくすれば、空間分解能は低下するが、感度限界を大きくすることが可能である。

＜実施例２＞
次に、本発明の顕微鏡の空間分解能を評価した。図１０Ａは二次元金属ナノ構造体の電子顕微鏡写真であり、図１０Ｂは透過光像であり、図１０Ｃは本発明の顕微鏡を用いて撮影した円二色性像である。本実施例では、円二色性信号を、光学顕微鏡として十分な空間分解能を確保しつつ、可視化できるか確認するため、試料には、円二色性の掌性が選択でき、任意の面積領域に試料作成が可能なキラルな形状の二次元金属ナノ構造体を用いた。具体的には、図１０Ａに示すように、ガラス基板上に、風車型の金ナノ構造体を１μｍ間隔で形成したものを試料とした。

図１０Ｂに示す透過光像では、ナノ構造体の配列状態に対応した格子状のパターンが観察された。この透過光像と走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像を比較したところ、図１０Ｂにおいて強い消光が起きている部位に、ナノ構造体の中心が位置していた。これに対して、図１０Ｃに示す円二色性像では、強い消光が起きていた位置よりも、ナノ構造体の上下左右の４箇所の局所部位において、円二色性の極大値がみられた。この円二色性の極大値を示したスポットの大きさ（ピークの半値幅）は３００〜４００ｎｍであった。

また、この試料の隣り合うスポットの間隔は７０７ｎｍと見積もられる。２点間を識別できる光学顕微鏡の分解能はレーリーの基準によると、この測定波長７００ｎｍ及び用いた対物レンズから算出すると５７０ｎｍであるが、この円二色性像では約７００ｎｍ離れたスポットは明瞭に分離しており、空間分解能は３００〜４００ｎｍ程度まで高くなっていると考えられる。図１０Ｃにおけるロックインの時定数は１００ミリ秒であり、縦１００×横１００ピクセルの本観察にはおおよそ２０分程度の時間が必要であった。

また、図１０Ｃの円二色性像では、ΔＡの値の範囲は約０．０６〜０．０７であり、イメージのコントラストが光学密度で０．０１程度に留まるが、明瞭に構造が組織され、空間的に分離できていた。

＜実施例３＞
次に、本発明の顕微鏡を用いて、有機物結晶の円二色性像観察を行った。試料には、１，８−Dihydroxyanthraquinone（ＤＨＡ）の結晶を用い、観察波長は６００ｎｍとした。ＤＨＡは、結晶化していない状態ではアキラル分子であり円二色性を示さないが、結晶化するとキラルな結晶構造をとるため、円二色性を発現する。図１１Ａは有機物結晶（１，８−Dihydroxyanthraquinone）の透過像であり、図１１Ｂはその円二色性像である。

図１１Ａ及び図１１Ｂに示すように、本発明の顕微鏡を用いると、有機物結晶についても、明瞭な円二色性像を得ることができた。図１１Ｂは、キラルな構造をとった領域が示す円二色性信号の空間分布を示している。同じ結晶の内部でも正と負の円二色性信号を示す領域がみられるが、これは場所により異なる掌性をもつキラルな結晶構造が現れていることを意味する。

以上の結果から、光学特性の計測や顕微鏡観察を行う際に、本発明の円偏光照明器を用い、ロックイン検出を行うことにより、高分解能と高感度を両立できることが確認された。

１、２ 円偏光照射器
３ 試料
４ 光検出器
５ 円二色性検出部
６ 対物レンズ
７ 結像レンズ
８ ピンホール
９ Ｘ−Ｙステージ
１０、１００ 光源
１１ 偏光子部
１２ 偏光分離部
１３ 光遮断部
１４ 偏光合成部
１５ 偏光変換部
２０ レーザ光源
２１、１０１ 直線偏光子
２２、２４ 光軸変位素子
２３ 光チョッパ
２５ １／４波長板
２６ ミラー
３２、３４ 光軸角度変更素子
１０２ 光弾性変調器
Ｌ１ 光
Ｌ２、Ｌ３ 直線偏光
Ｌ２ｘ ｘ軸方向成分
Ｌ２ｙ ｙ軸方向成分
Ｌ４ 円偏光
ＬＣＰ 左円偏光
ＲＣＰ 右円偏光
Ｓ１ 光信号
Ｓ２ 参照信号
Ｔ１ 透過光

Claims (15)

1. 光源と、
   前記光源から出射された直線偏光又は前記光源から出射された光から取り出された直線偏光を、ｘ軸方向成分とｙ軸方向成分とに分ける偏光分離部と、
   前記偏光分離部で分離された直線偏光のｘ軸方向成分とｙ軸方向成分とを交互に遮断する光遮断部と、
   前記光遮断部を通過した直線偏光のｘ軸方向成分とｙ軸方向成分とを同軸に合成する偏光合成部と、
   前記偏光合成部から出射された直線偏光を円偏光に変換して直線偏光成分を含まない円偏光を生成する偏光変換部と
   を有する円偏光照射器。
2. 前記偏光合成部からｘ軸方向成分とｙ軸方向成分が離散的に繰り返す直線偏光が出射され、
   前記偏光変換部から右円偏光と左円偏光とが交互にかつ連続的に出射される請求項１に記載の円偏光照射器。
3. 前記光源と前記偏光分離部との間に、前記光源から出射された光から直線偏光を取り出す偏光子部が設けられている請求項１又は２に記載の円偏光照射器。
4. 前記偏光分離部は、入射時の光軸に対して、前記直線偏光のｘ軸方向成分及びｙ軸方向成分のいずれか一方若しくは両方の光軸を変位又は角度変化させる光学素子を備える請求項１〜３のいずれか１項に記載の円偏光照射器。
5. 前記光遮断部は、光チョッパを備える請求項１〜４のいずれか１項に記載の円偏光照射器。
6. 前記光源は平行光を出射する請求項１〜５のいずれか１項に記載の円偏光照射器。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の円偏光照射器を備え、
   前記円偏光照射器から出射された円偏光を試料に照射し、前記試料の光学特性を測定する分析装置。
8. 前記試料からの透過光、反射光、散乱光又は発光を電気信号として検出する１又は２以上の光検出器を備える請求項７に記載の分析装置。
9. 前記光検出器で検出された電気信号から円二色性信号を得る円二色性検出部を備える請求項８に記載の分析装置。
10. 前記光検出器で透過光を検出し、前記円二色性検出部において、前記透過光の電気信号を、前記円偏光における左右円偏光変調の位相でロックイン検出を行い、前記透過光における左円偏光と右円偏光の相対的な強度差を求め、円二色性信号を得る請求項９に記載の分析装置。
11. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の円偏光照射器を備え、
    観察対象の試料に、前記円偏光照射器から出射された円偏光を照射する顕微鏡。
12. 前記試料からの透過光を捕集する対物レンズと、
    前記対物レンズから出射した透過光を結像させる結像レンズと、
    前記透過光を電気信号として検出する光検出器と、
    前記光検出器で検出された電気信号から円二色性信号を得る円二色性検出部と、
    を備える請求項１１に記載の顕微鏡。
13. 前記円二色性検出部は、前記電気信号を、前記円偏光における左右円偏光変調の位相でロックイン検出を行い、前記透過光における左円偏光と右円偏光の相対的な強度差を求め、円二色性信号を得る請求項１２に記載の顕微鏡。
14. 前記透過光の結像位置にはピンホールが設けられており、前記ピンホールを通過した光が前記光検出器で検出される請求項１２又は１３に記載の顕微鏡。
15. 前記試料に対して前記円偏光を相対的に走査しながら照射する請求項１１〜１４のいずれか１項に記載の顕微鏡。