JP7008974B2 - 光学顕微鏡、及び分光測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、光学顕微鏡、及び分光測定方法に関する。

ラマン分光測定は、試料が気体、液体、結晶、非晶質であることを問わず、温度は高温でも低温でも可能であり、測定において、真空などの特殊な測定雰囲気を必要としないという利点を持つ。さらに、試料の前処理を特に必要とせず、試料をそのままの状態で測定可能であるなどの長所があり、これらの長所を生かした測定が多くなされている。ラマン分光測定を利用することによって、物質の同定、濃度測定、結晶性、応力等が測定できる。

このようなラマン分光測定を行うための光学顕微鏡が開示されている（特許文献１、２）。特許文献１の光学顕微鏡では、試料にレーザ光を集光して照射している。そして、試料からのラマン散乱光を分光器で分光することにより、ラマンスペクトルを測定する。さらに、この光学顕微鏡では、レーザ光を偏向させて、試料におけるビームスポットを走査させて測定することにより、試料の特定の領域内におけるスペクトルの分布を測定することができる。また、測定時間を短縮するためビームスポットを１方向に伸ばして走査し、試料をライン状に照明して、ＣＣＤカメラにより検出している。ライン状に照明しているため一度に広い領域を照射することができ、測定時間を短縮することができ、ビームスポットを伸ばすことで試料の損傷を防いでいる。

特開２００７－１７９００２号公報 特開２０１０－１２７７２６号公報 米国特許第４９９７２４２号

しかしながら、特許文献１の光学顕微鏡では光ビームをレンズによって屈折させるために、色収差が生じ、広い波長帯域での測定が困難である問題があった。具体的には、特許文献１の図１に示す構成において、２００ｎｍの深紫外領域から２０００ｎｍの近赤外領域で共通の光学系を用いようとした場合、レンズを含む光学系において色収差が生じる。例えば、Ｙ走査装置１３で偏向された光ビームをＸ走査ミラー１８に導くためのレンズ１４、１６（以下、リレー光学系Ａと呼ぶ）、Ｘ走査ミラー１８で反射された光ビームを対物レンズ２１に導くためのレンズ１９、２０（以下、リレー光学系Ｂと呼ぶ）、試料２２からの出射光を入射スリット３０に集光させるレンズ２４（以下、集光光学系と呼ぶ）において、色収差が生じる。

特許文献１では、リレー光学系Ａ、リレー光学系Ｂ、及び集光光学系で生じる色収差を回折限界近くまで補正することが困難である。これは、一般にレンズにおける色収差は、複数種類のレンズ材料を組み合わせることによって補正されるが、２００ｎｍからの深紫外領域を含めての色収差補正は、多くの光学ガラスが深紫外領域で不透明であるために使用できず、使用可能なレンズ材料が合成石英ガラスやフッ化カルシウムなど少ない種類に限定されるためである。

本発明は上述の問題点に鑑みてなされたものであり、収差を低減することができる光学顕微鏡、及び分光測定方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様にかかる光学顕微鏡は、光ビームを発生する光源と、前記光ビームを偏向させて、試料上における前記光ビームのスポット位置を走査する第１のスキャナと、前記第１のスキャナで偏向された光ビームを集光して、試料に入射させる対物レンズと、前記試料の前記光ビームが照射された領域から出射した出射光が入射する入射側にスリットを有する分光器と、前記分光器からの出射光を検出する、アレイ状に配列された受光画素を有する２次元アレイ光検出器と、前記第１のスキャナから前記対物レンズまでの光路中に配置され、前記第１のスキャナで偏向された光ビームを反射する第１の非軸放物面鏡と、前記第１の非軸放物面鏡で反射された光ビームを反射する第２の非軸放物面鏡と、を備えた第１のリレー光学系と、を備えたものである。この構成により収差を低減することができる。

上記の光学顕微鏡は、出射光を波長に応じて空間的に分散させる分光器をさらに有してもよい。

上記の光学顕微鏡において、前記第１の非軸放物面鏡と前記第２の非軸放物面鏡との放物面の幾何学的な対称軸が平行で、かつ、前記放物面が互いに反対方向を向くように配置されていてもよい。

上記の光学顕微鏡において、前記第１の非軸放物面鏡の焦点距離と前記第２の非軸放物面鏡の焦点距離が同じであってもよい。

上記の光学顕微鏡において、前記第１の非軸放物面鏡と前記第２の非軸放物面鏡との間における前記光ビームの焦点から前記第１の非軸放物面鏡までの距離をＬ２とし、前記焦点から前記第２の非軸放物面鏡までの距離をＬ３とすると、Ｌ２とＬ３との比が、前記第１の非軸放物面鏡の焦点距離と前記第２の非軸放物面鏡の焦点距離との比と等しくなっていてもよい

上記の光学顕微鏡において、前記第１のスキャナから前記第１の非軸放物面鏡までの距離をＬ１とし、前記第２の非軸放物面鏡から前記対物レンズの入射瞳までの距離をＬ４とすると、Ｌ１＝Ｌ２、かつ、Ｌ３＝Ｌ４となっていてもよい。これにより、光ビームが、対物レンズの入射瞳のほぼ中心を通ることができるため、測定領域全体で、レーザ強度や空間分解能の変化を抑制することができる。

上記の光学顕微鏡において、前記第１のリレー光学系は、前記第１の非軸放物面鏡と前記光ビームの焦点との間に設けられた正のパワーを有する第１の補正レンズと、前記焦点と前記第２の非軸放物面鏡との間に設けられた正のパワーを有する第２の補正レンズと、をさらに備えていてもよい。これにより、収差を低減することができる。

上記の光学顕微鏡において、前記第１の補正レンズから前記焦点までの距離をＬ５とし、前記焦点から前記第２の補正レンズまでの距離をＬ６とすると、Ｌ５＝Ｌ６となっていることが好ましい。

上記の光学顕微鏡は、前記第１のスキャナでデスキャンされた前記出射光を前記分光器のスリットに集光する集光光学系をさらに備え、前記集光光学系は、前記出射光を反射する第１の凹面鏡と、前記第１の凹面鏡で反射した出射光を反射する第１の凸面鏡と、を備えていてもよい。これにより、非点収差を補正することができる。

上記の光学顕微鏡において、前記第１の凹面鏡と前記第１の凸面鏡とは、曲率半径が実質的に等しい球面鏡であってもよい。これにより、ペッツバール和を小さくすることができ、像面湾曲を小さくすることができる。

上記の光学顕微鏡において、前記集光光学系によって結像される前記試料の像面が、前記スリットの入射面に対して傾いていてもよい。これにより、ゴースト像の発生を抑制することができる。

上記の光学顕微鏡において、前記第１の凹面鏡の曲率中心と前記第１の凸面鏡の曲率中心とを通る直線が、前記第１の凹面鏡に入射する前記出射光の基準軸から傾いていてもよい。

上記の光学顕微鏡は、前記光源から前記第１のスキャナまでの光路中に配置され、前記光ビームを偏向させて、前記試料上における前記光ビームの前記スポット位置を走査する第２のスキャナと、前記第１のスキャナと前記第２のスキャナとの間の光路中に配置され、前記第２のスキャナから前記第１のスキャナに向かう光ビームから、前記試料から前記分光器に向かう前記出射光を分離するビームスプリッタと、をさらに備え、前記第１のスキャナが前記分光器の前記スリットの長手方向と直交する方向に対応する第１の方向に前記スポット位置を走査し、前記第２のスキャナが前記スリットの長手方向に対応する第２の方向に前記スポット位置を走査するようにしてもよい。

上記の光学顕微鏡は、前記第２のスキャナと前記第１のスキャナとの間の光路中に配置された第２のリレー光学系をさらに備え、前記第２のリレー光学系は、前記第２のスキャナからの光ビームを反射する第２の凹面鏡と、前記第２の凹面鏡で反射された光ビームを反射する第２の凸面鏡と、前記第２の凸面鏡で反射された光ビームを反射する第３の凸面鏡と、前記第３の凸面鏡で反射された光ビームを反射する第３の凹面鏡と、を備えており、前記第２の凸面鏡と前記第３の凸面鏡との間にある中間像面に対して、前記第２の凹面鏡と前記第２の凸面鏡が、前記第３の凹面鏡と前記第３の凸面鏡と対称に配置されていてもよい。これにより、コマ収差、歪曲収差、非点収差を補正することができる。

上記の光学顕微鏡において、前記第２の凹面鏡と前記第２の凸面鏡と前記第３の凹面鏡と前記第３の凸面鏡とが、曲率半径が実質的に等しい球面鏡であってもよい。像面湾曲を補正することができる。

上記の光学顕微鏡において、前記第２の凹面鏡の曲率中心と前記第２の凸面鏡の曲率中心とを通る直線が、前記第２の凹面鏡に入射する前記光ビームの基準軸から傾いており、前記第３の凹面鏡の曲率中心と前記第３の凸面鏡の曲率中心とを通る直線が、前記第３の凹面鏡で反射された前記光ビームの基準軸から傾いていてもよい。

上記の光学顕微鏡は、前記第２のスキャナと前記第１のスキャナとの間の光路中に配置された第２のリレー光学系をさらに備え、前記光源は、異なるレーザ波長のレーザ光を切替えて使用可能であり、前記レーザ光の光路には、集光度合い又は発散度合いを調整するビームエキスパンダが設けられており、前記第２のリレー光学系は、前記第２のスキャナからの光ビームを屈折する第１のリレーレンズと、前記第１のリレーレンズからの光ビームを屈折して平行光とし、前記第１のスキャナに入射させる第２のリレーレンズと、前記第１のリレーレンズと第２のリレーレンズとの間に配置された絞りと、を備えていてもよい。これにより、色収差を補正することができる。

上記の光学顕微鏡は、前記第１のスキャナの直前に配置され、試料上における前記光ビームの前記スポット位置を前記第２の方向に走査する第３のスキャナをさらに備え、前記第１のリレー光学系の歪曲収差により生じるスポット位置の変化を打ち消すように、前記第１のスキャナの角度に応じて、前記第３のスキャナが第２の方向に光ビームを走査するようにしてもよい。これにより、歪曲収差を補正することができる。

上記の光学顕微鏡は、前記第１のリレー光学系で生じる歪曲収差を補正する処理装置をさらに備え、前記試料上における前記光ビームのスポットが前記第２の方向に沿ってライン状に伸びており、前記２次元アレイ光検出器では、前記ライン状の領域からの出射光を検出する複数の画素が配列されており、前記複数の画素が検出した１次元の測定データを補間することで、歪曲収差を補正するようにしてもよい。これにより、簡便に歪曲収差を補正することができる。

上記の光学顕微鏡は、前記第２のスキャナにおける光ビームのビーム断面形状を前記第２の方向に縮める光学部材をさらに備えていてもよい。これにより、試料の損傷を抑制ことができる。

上記の光学顕微鏡は、前記スリットの長手方向に対応する第２の方向が、前記第１の非軸放物面鏡の幾何学的な対称軸に対応する方向に沿っていてもよい。

本実施の形態にかかる分光測定装置は、光ビームを第１のスキャナによって偏向させ、第１のリレー光学系を介して、前記第１のスキャナからの前記光ビームを対物レンズに入射させ、前記光ビームを前記対物レンズで集光して試料に照射し、前記試料から出射した出射光を、前記対物レンズで集光し、前記対物レンズからの出射光を分光器で分光し、前記分光器で分光された出射光を検出することで分光測定する分光測定方法であって、前記第１のリレー光学系は、前記第１のスキャナから前記対物レンズまでの光路中に配置され、前記第１のスキャナで偏向された光ビームを反射する第１の非軸放物面鏡と、前記第１の非軸放物面鏡で反射された光ビームを反射する第２の非軸放物面鏡と、を備えているものである。これにより、収差を低減することができる。

本発明によれば、収差を低減することができる光学顕微鏡、及び分光測定方法を提供することができる。

本実施の形態にかかる光学顕微鏡の構成を示す図である。 リレー光学系の構成を示す図である。 リレー光学系の変形例の構成を示す図である。 集光光学系の構成を示す図である。 リレー光学系２００の構成を示す図である。 光源の構成を示す図である。 図３の光学系で生じる歪曲収差を説明するための図である。 歪曲収差を低減するための構成を示す図である。 歪曲収差の補正を説明するための図である。 歪曲収差の補正を説明するための図である。 ビーム断面形状を１方向に縮めるための構成を示す図である。 ビーム断面形状を１方向に縮めるための別の構成を示す図である。 ビーム断面形状を１方向に縮めるための別の構成を示す図である。

以下に、本発明を適用可能な実施の形態が説明される。以下の説明は、本発明の実施形態を説明するものであり、本発明が以下の実施形態に限定されるものではない。説明の明確化のため、以下の記載は、適宜、省略及び簡略化がなされている。又、当業者であれば、以下の実施形態の各要素を、本発明の範囲において容易に変更、追加、変換することが可能であろう。尚、各図において同一の符号を付されたものは同様の要素を示しており、適宜、説明が省略される。

本発明の実施の形態にかかる光学顕微鏡について図１を用いて説明する。図１は本実施の形態にかかる光学顕微鏡１００の光学系の全体構成を模式的に示す図である。光学顕微鏡１００は、試料２２を観察するための構成として、光源１０と、ビームエキスパンダ１１と、Ｙ走査装置１３と、第１のリレー光学系２００と、ビームスプリッタ１７と、Ｘ走査ミラー１８と、第２のリレー光学系３００、対物レンズ２１と、ステージ２３と、集光光学系４００と、分光器３１と、検出器３２と、ステージ駆動装置４０と、処理装置５０とを備えている。また分光器３１は入射側に入射スリット３０を備えている。Ｘ走査ミラー１８、及びＹ走査装置１３による走査角度が変わる場合でも、基準軸（光軸）をＺ軸として、光の進行方向を正、Ｘ軸とＹ軸を左手系にとる。Ｘ走査ミラー１８、及びＹ走査装置１３による走査角度が変わる場合でもＺ軸は一定とする。

光学顕微鏡１００はラマン顕微鏡であり、光源１０からの光ビームを試料２２に入射させ、試料２２からのラマン散乱光を検出器３２で検出する。さらに、ラマン散乱光を分光器３１で分光するため、ラマンスペクトルを分光測定することができる。さらに、光学顕微鏡１００では、ＸＹ方向（水平方向）及びＺ方向（鉛直方向）に走査することができるため、３次元のラマンスペクトルイメージを測定することができる。

まず、光学顕微鏡１００の全体構成について図１を参照して説明する。光源１０は単色のレーザ光を出射するレーザ光源である。光源１０には、例えば、スペクトラフィジックス社製Ｍｉｌｌｅｎｎｉａを用いることができる。この光源１０はレーザ波長５３２ｎｍ、線幅０．２４ｎｍ、最大出力が１０ＷのＮｄ／ＹＶＯ４レーザである。光源１０はこのレーザ波長を有するレーザ光を出射する。さらに、光源１０として複数のレーザ光源を用いて、分光測定したい帯域に応じてレーザ波長を切り替えて用いることも可能である。すなわち、異なるレーザ波長のレーザ光を切替えて使用可能な光源１０を用いることも可能である。

光源１０からの光ビームはビームエキスパンダ１１によって拡大され、Ｙ走査装置１３に入射する。Ｙ走査装置１３は、例えば、音響光学素子や、ガルバノミラーであり、入射した光ビームの出射角を変化させて、光ビームを偏向させる。これにより、試料２２上で光ビームの入射位置がＹ方向に沿って変化する。すなわち、Ｙ走査装置１３は、光ビームをＹ方向に走査する。なお、Ｙ走査装置１３での偏向角は、処理装置５０からの電気信号によって制御される。Ｙ走査装置１３で偏向された光ビームは、リレー光学系２００に入射する。リレー光学系２００の詳細については後述する。

リレー光学系２００からの光ビームは、ビームスプリッタ１７に入射する。ビームスプリッタ１７は、例えば、ダイクロイックミラーであり、レーザ波長の光を試料２２の方向に反射する。ダイクロイックミラーとしては、Ｓｅｍｒｏｃｋ社製のエッジフィルタを用いることができる。ビームスプリッタ１７により反射された光は、Ｘ走査ミラー１８に入射する。Ｘ走査ミラー１８は、例えば、ガルバノミラーであり、反射面の角度が変化することによって、光ビームを偏向させる。すなわち、光軸に対するＸ走査ミラー１８の反射面の傾斜角度が変化するため、光ビームの出射角を変化させることができる。これにより、試料２２上で光ビームの入射位置がＸ方向に沿って変化する。これにより、光ビームをＸ方向に走査することができる。なお、Ｘ走査ミラー１８での偏向角は、処理装置５０からの電気信号によって制御される。また、Ｘ方向とＹ方向とは互いに直交する方向であるため、Ｘ走査ミラー１８及びＹ走査装置１３によってＸＹ方向に走査することにより、試料２２上において２次元領域を走査することができる。

Ｘ走査ミラー１８によって走査された光ビームは、リレー光学系３００に入射する。リレー光学系３００の詳細については後述する。リレー光学系３００からの光ビームは、対物レンズ２１に入射する。対物レンズ２１は、光ビームを集光して、試料２２上に入射させる。すなわち、対物レンズ２１は、試料２２上に光ビームを集光して、試料２２を照明する。これにより、試料２２のスポット状の領域が照明される。対物レンズ２１としては、後述するようにシュヴァルツシルト型の反射対物レンズを用いることができる。あるいは、レボルバなどに取り付けられた複数の対物レンズをレーザ波長に応じて、切替えるようにしてもよい。

試料２２に入射した入射光の一部はラマン散乱される。試料２２に入射した入射光のうち、ラマン散乱により対物レンズ２１側に出射した光を出射光とする。すなわち、ラマン散乱光のうち、対物レンズ２１に入射したものを出射光とする。ラマン散乱された出射光は入射光とは異なる波長となっている。すなわち、ラマンシフトによって出射光は入射光の振動数からずれて散乱される。この出射光のスペクトルがラマンスペクトルとなる。したがって、出射光のスペクトルを測定することにより、試料２２中に含まれる物質の化学構造及び物理的状態を特定することができる。すなわち、ラマンスペクトルには、試料２２を構成する物質の振動数の情報が含まれるため、出射光を分光器３１で分光して検出することにより、試料２２中の物質を特定することができる。

そして、入射光の焦点位置をＸＹＺ方向にスキャンして試料２２の全面又は一部の領域からの出射光のスペクトルを測定することにより、ラマンスペクトルの３次元測定を行うことができる。測定したラマンスペクトルのうち、特定の波長に注目することにより、特定の物質の３次元空間分布の測定も可能となる。具体的には、試料２２を生体細胞とした場合、核酸や脂質の空間分布を測定することができる。

なお、試料２２はステージ２３の上に載置されている。ステージ２３は、例えば、ＸＹＺステージである。このステージ２３はステージ駆動装置４０によって、駆動される。ステージ駆動装置４０がステージ２３をＸＹ方向に駆動することによって、試料２２の任意の位置を照明することができる。また、ステージ駆動装置４０がステージをＺ方向に駆動することによって、対物レンズ２１と試料２２との距離を変化させることができる。従って、対物レンズ２１の焦点位置を光軸方向に沿って変化させることができる。本発明にかかる光学顕微鏡１００は、後述するようにレーザコンフォーカル顕微鏡を構成しているため、焦点位置を変化させることによって、Ｚ方向の走査が可能となる。すなわち、Ｚ方向にステージを移動させることによって、試料２２の断層画像を撮像することができる。試料２２の任意の高さからのラマン散乱光の検出することができ、３次元のラマンスペクトルイメージの測定が可能になる。処理装置５０はステージ駆動装置４０に対して制御信号を入力し、ステージ２３の駆動を制御する。

ステージ２３上に載置された試料２２でラマン散乱され、対物レンズ２１に入射した出射光は、入射光と同じ光路上を伝播していく。すなわち、対物レンズ２１により屈折又は反射され、リレー光学系３００を介して、Ｘ走査ミラー１８に入射する。Ｘ走査ミラー１８は、入射した出射光をビームスプリッタ１７の方向に反射する。このとき、出射光は、Ｘ走査ミラー１８によってデスキャンされる。すなわち、出射光は、Ｘ走査ミラー１８で反射されることによって、出射光は、光源１０からＸ走査ミラー１８に入射した入射光の進行方向と反対方向に伝播する。また、試料２２からのレーリー散乱光もラマン散乱光と同じ光路で伝播していく。

Ｘ走査ミラー１８によって、反射された出射光は、ビームスプリッタ１７に入射する。ビームスプリッタ１７は、例えば、ダイクロイックミラーであり、試料２２からの出射光と、光源１０から試料２２に入射する入射光とを波長に基づいて分岐する。すなわち、ビームスプリッタ１７は、その反射面が入射光の光軸に対して傾いて設けられている。試料２２からの出射光がビームスプリッタ１７を透過することによって、試料２２からの出射光の光軸が、光源１０から試料２２に入射する入射光の光軸と異なるものとなる。よって、試料２２からの出射光を、光源１０から試料２２に入射する入射光から分離することができる。

さらに、ダイクロイックミラーであるビームスプリッタ１７は、レーザ波長の光を反射して、ラマン散乱光を透過するような、特性を有している。従って、試料２２からのレーリー散乱光は、ビームスプリッタ１７で反射され、ラマン散乱光は、ビームスプリッタ１７を透過する。すなわち、ダイクロイックミラーをビームスプリッタ１７として用いることによって、レーリー散乱光とラマン散乱光との波長に差に基づいてレーリー散乱光を除去することができる。さらに、光源１０からのレーザ光のほとんどはビームスプリッタ１７で反射され、試料２２に向かう。これにより、レーザ光のロスを低減することができ、効率よくラマン散乱光のみを検出することができる。なお、ダイクロイックミラーの反射特性は、測定するスペクトルの範囲に応じて決定すればよい。ここで、ビームスプリッタ１７は、試料２２とＹ走査装置１３との間に配置されている。従って、ビームスプリッタ１７は、Ｙ走査装置１３によってデスキャンされる前の出射光と、光源１０からの光ビームとを分離する。

ビームスプリッタ１７を透過した出射光は、集光光学系４００を介して、分光器３１の入射側に設けられた入射スリット３０に入射する。このとき、集光光学系４００は入射スリット３０上に出射光を集光している。すなわち、集光光学系４００は、入射スリット３０上に試料２２の照明された領域の拡大像を結像している。集光光学系４００の詳細については後述する。入射スリット３０には、ライン状の開口部が設けられている。この開口部は、Ｙ方向に対応する方向に沿って設けられている。すなわち、入射スリット３０の開口部は試料２２上におけるＹ走査装置１３の走査方向（Ｙ方向）に対応する方向に沿って設けられている。したがって、Ｙ走査装置１３の走査方向は、入射スリット３０の開口部の長手方向に対応している。

集光光学系４００は出射光を、入射スリット３０上に結像する。ここで、試料２２面上において入射光はスポット状に結像されているため、入射スリット３０上において出射光はスポット状に集光される。入射スリット３０の開口部の長手方向とＹ走査装置１３の走査方向とを一致させる。出射光は、Ｙ走査装置１３によってデスキャンされずに、ビームスプリッタ１７に入射しているため、Ｙ走査装置１３で走査すると、入射スリット３０上で光ビームのスポット位置が入射スリット３０のライン状の開口部の方向に移動する。試料２２上でＹ方向に走査された光が入射スリット３０の開口部に結像するように配置する。換言すると入射スリット３０と試料２２の照明された領域とは互いに共役な関係となるよう配置される。したがって、ラマン顕微鏡はラインコンフォーカル（スリットコンフォーカル）光学系として構成される。

そして、試料２２から散乱して出射した出射光は入射スリット３０上でスポット状に集光される。入射スリット３０はＹ方向に沿った開口部を有しており、この開口部に入射した出射光のみを検出器３２側に透過させる。光源１０から試料２２までの照明光学系及び試料２２から検出器３２まで観察光学系をこのような結像光学系とすることにより、共焦点ラマン顕微鏡とすることができる。これにより、Ｚ方向の分解能の高い測定を行うことができる。そして、ステージ２３をＺ方向に移動することにより、試料２２の任意の高さからのラマン散乱光を他の高さからのラマン散乱光から分離して検出することができる。

この入射スリット３０を通過した出射光は、分光器３１の本体に入射する。分光器３１は、回折格子（グレーティング）やプリズムなどの分光素子を備えており、入射スリット３０から入射した光をその波長に応じて空間的に分散させる。反射型回折格子を用いた分光器３１の場合、さらに入射スリット３０からの光を分光素子までに導く凹面ミラーと分光素子によって分光された光を検出器３２まで導く凹面ミラーなどの光学系が設けられている。もちろん、上記以外の構成を有する分光器３１を用いてもよい。出射光は分光器３１によって入射スリット３０の方向と垂直な方向に分散される。すなわち、分光器３１は、入射スリット３０のライン状の開口部と垂直な方向に出射光を波長分散する。分光器３１により分光された出射光は検出器３２に入射する。検出器３２は受光素子がマトリクス状に配列されたエリアセンサである。具体的には、検出器３２は画素がアレイ状に配置された２次元ＣＣＤカメラなどの２次元アレイ光検出器である。分光器３１は、例えば、２００ｎｍの深紫外領域から２０００ｎｍの近赤外領域の広帯域のラマン散乱光を分光することができる。なお、分光器３１は、フーリエ分光器であってもよい。この場合、出射光を波長に応じて空間的に分散させずに、検出器３２が出射光を検出する。

検出器３２には、例えば、２００ｎｍから１１００ｎｍの範囲の光の検出には、冷却ＣＣＤを用いることができる。具体的には、検出器３２として、プリンストン・インスツルメンツ社製１０２４×２５６画素の電子冷却ＣＣＤ（冷却温度－７５℃）を用いることができる。また、検出器３２にイメージインテンシファイアを取り付けることも可能である。１０００ｎｍから２０００ｎｍの光の検出には、ＩｎＧａＡｓカメラを用いることができる。分光測定する帯域に応じて検出器３２を切替えることで、広帯域のスペクトル測定に対応することができる。検出器３２の画素は、入射スリット３０に対応する方向に沿って配置されている。したがって、検出器３２の画素の一方の配列方向は入射スリット３０の方向と一致し、他方の配列方向は、分光器３１の分散方向と一致する。検出器３２の入射スリット３０の方向に対応する方向がＹ方向（第２の方向）となり、入射スリット３０と垂直な方向、すなわち、分光器３１によって出射光が分散される方向がＸ方向（第１の方向）となる。

上記のように、分光器は、２００ｎｍの深紫外領域から２０００ｎｍの近赤外領域の広帯域のラマン散乱光をＸ方向に分散する。そして、検出器３２は、２００ｎｍの深紫外領域から２０００ｎｍの近赤外領域の光について感度を有する。検出器３２は各画素で受光した出射光の光強度に応じた検出信号を処理装置５０に出力する。処理装置５０は、例えば、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）などの情報処理装置であり、検出器３２からの検出信号をメモリなどに記憶していく。そして、検出結果に所定の処理を行い、モニターに表示する。さらに、処理装置５０は、Ｙ走査装置１３及びＸ走査ミラー１８の走査や、ステージ２３の駆動を制御している。ここで、検出器３２のＸ方向は出射光の波長（振動数）に対応している。すなわち、Ｘ方向に配列されている画素列において、一端の画素は長波長（低振動数）の出射光を検出し、他端の画素は短波長（高振動数）の出射光を検出する。このように、検出器３２のＸ方向における光強度の分布はラマンスペクトルの分布を示すことになる。

検出器３２が１フレーム撮像する間に、Ｙ走査装置１３が光ビームをＹ方向に１回以上走査する。すなわち、Ｙ走査装置１３の走査周期を露光時間以下にして、検出器３２の１フレームの露光時間内で、Ｙ方向に１回以上走査する。これにより、検出器３２の１フレームで、走査範囲に応じたライン状の領域のラマンスペクトルを測定することができる。すなわち、露光時間内に、Ｙ走査装置１３の走査領域の全体を走査させる。よって、測定時間を短縮することができる。例えば、３次元の広い領域に対してラマンスペクトルを測定する場合でも、測定時間が長時間となるのを防ぐことができ、実用性を向上することができる。さらに、Ｙ走査装置１３が光ビームを高速に走査しているため、試料の損傷を抑制することができる。

本実施の形態では、光学顕微鏡１００は、例えば、２００ｎｍの深紫外領域から２０００ｎｍの近赤外領域の広帯域のラマン散乱光を分光測定する。そのため、収差を低減するための光学系を用いている。例えば、リレー光学系２００、リレー光学系３００、集光光学系４００が、後述するように反射鏡により構成されている。これにより、色収差を低減することができるため、広帯域で分光測定への適用が可能となる。以下、リレー光学系２００、リレー光学系３００、集光光学系４００について、それぞれ説明する。

（リレー光学系３００）
まず、リレー光学系３００の構成について、図２を用いて説明する。図２は、リレー光学系３００の構成を示す図である。なお、以下の説明では、非軸対称光学系について説明するが、対物レンズ２１の瞳に入射角０度で入射する光、あるいは、対物レンズ２１の瞳から０度で射出されるラマン散乱光（出射光）の主光線が通る直線を基準軸ＯＸ１とする。Ｘ走査ミラー１８、及びＹ走査装置１３による走査角度が変わる場合でも基準軸をＺ軸として、光の進行方向を正、Ｘ軸とＹ軸を左手系にとる。また特に断りのない限り光学素子間の距離は、基準軸に沿った距離とする。

リレー光学系３００は、第１の非軸放物面鏡３０１と第２の非軸放物面鏡３０２とを備えた反射光学系である。第１の非軸放物面鏡３０１と第２の非軸放物面鏡３０２とは、放物面を有する凹面鏡であり、放物面の幾何学的な焦点Ｐ１が一致するように配置されている。第１の非軸放物面鏡３０１と第２の非軸放物面鏡３０２とは、幾何学的な対称軸ＳＸが互いに平行で、放物面が互いに反対の方向を向くように配置されている。例えば、図２において、第１の非軸放物面鏡３０１の放物面は左側を向いており、第２の非軸放物面鏡３０２の放物面は右側を向いている。なお、図２では第１の非軸放物面鏡３０１の幾何学的な対称軸ＳＸと第２の非軸放物面鏡３０２の幾何学的な対称軸ＳＸは一致している。また、第１の非軸放物面鏡３０１に入射する光ビームの基準軸と第２の非軸放物面鏡３０２で反射された光ビームの基準軸は、幾何学的な対称軸ＳＸに平行である。Ｙ軸は放物面の幾何学的な対称軸ＳＸを含む平面内にある。具体的には、図２に示すＹ軸は、第１の非軸放物面鏡３０１と第２の非軸放物面鏡３０２の間において、対称軸ＳＸと平行になっている。

Ｘ走査ミラー１８で反射された平行光である光ビームが第１の非軸放物面鏡３０１に入射する。光ビームが基準軸ＯＸ１に沿って第１の非軸放物面鏡３０１に入射するとき（平行入射）、第１の非軸放物面鏡３０１で反射した反射光は、その放物面の幾何学的な焦点Ｐ１（中間焦点）に集光される。そして、第１の非軸放物面鏡３０１で反射した反射光は、第２の非軸放物面鏡３０２に入射する。第２の非軸放物面鏡３０２で反射された反射光は、基準軸に平行な平行光になって、対物レンズ２１に入射する。対物レンズ２１は対物レンズ２１の光軸が第２の非軸放物面鏡３０２の幾何学的な軸に平行になるように配置される。

リレー光学系３００では、第１の非軸放物面鏡３０１と第２の非軸放物面鏡３０２の焦点距離を同じにすることが好ましい。これによって、試料２２における走査範囲と、対物レンズ２１に入射する光ビームのビーム径と、Ｘ走査ミラー１８から対物レンズ２２の瞳までの距離を一定にする条件下で、像面湾曲を最小化できる。基準軸に沿った第１の非軸放物面鏡３０１から焦点Ｐ１までの距離をＬ１とし、焦点Ｐ１から第２の非軸放物面鏡３０２までの距離をＬ２とし、Ｘ走査ミラー１８から第１の非軸放物面鏡３０１までの距離をＬ３とし、第２の非軸放物面鏡３０２から対物レンズ２１の入射瞳までの距離をＬ４とする。Ｌ１＝Ｌ２＝Ｌ３＝Ｌ４とすることがより好ましい。

例えば、第１の非軸放物面鏡３０１、第２の非軸放物面鏡３０２が焦点距離７６．２ｍｍの放物面を有しており、基準軸に平行に入射する光を９０度の角度で反射させる場合、Ｌ１=Ｌ２=Ｌ３=Ｌ４＝１５２．４ｍｍとする。Ｌ１=Ｌ２=Ｌ３=Ｌ４とすることで、Ｘ走査ミラー１８の角度を変えた場合にも光ビームが対物レンズ２１の入射瞳のほぼ中心を通る。この結果、Ｘ走査ミラー１８によって試料２２を走査した場合にも、測定領域の全体でレーザ強度や空間分解能の変化を抑えることができる。なお多少の収差の増大を許容するのであれば、Ｌ１とＬ４とが等しくなく、かつ、Ｌ２＝Ｌ３の条件としてもよい。このような条件下でも、Ｘ走査ミラー１８の角度を変えた場合に光ビームが対物レンズの入射瞳のほぼ中心を通るようにできる。第１の非軸放物面鏡３０１と第２の非軸放物面鏡３０２の焦点距離は異なっていても良い。この場合、Ｌ２とＬ３との比を、第１の非軸放物面鏡３０１の焦点距離と第２の非軸放物面鏡３０２の焦点距離との比に等しくし、Ｌ１＝Ｌ２、かつ、Ｌ３＝Ｌ４とする。

非軸放物面鏡を単体で用いると、平行入射の場合を除いて収差が大きく発生する。しかしながら、リレー光学系３００は中間焦点（焦点Ｐ１）に対して第１の非軸放物面鏡３０１と第２の非軸放物面鏡３０２とを互いに反対の方向を向くように置くことで収差を打ち消し、球面収差、コマ収差、非点収差を補正した光学系となっている。例えば、Ｘ走査ミラー１８の角度を変えた場合、第１の非軸放物面鏡３０１への光ビームが平行入射でなくなる。このような場合には、中間焦点においては収差の影響でスポットの形状が広がるが、第２の非軸放物面鏡３０２で反射した後の光ビームは収差が打ち消されてほぼ完全な平行光となる。

図２では第１の非軸放物面鏡３０１への入射光と反射光の主光線のなす角度（以下、第１の非軸放物面鏡３０１の反射角度とする）は９０度であるが、第１の非軸放物面鏡３０１の反射角度が９０度でない場合にも、以上で述べた性質をもった光学系となる。例えば第１の非軸放物面鏡３０１の反射角度は４５度や６０度など他の角度としても良い。しかしながら、この場合には対物レンズに光学部品および光路が近づいてしまうため、大きなサンプルの測定が難しくなる。大きなサンプルを測定する場合には、反射角度を９０度程度にし、対物レンズから光学部品および光路を離すことが好ましい。反射角度を大きくした場合には歪曲収差が増大するため、望遠鏡等で類似のリレー光学系が用いられる場合には、反射角度がなるべく小さい角度となるように設計される。リレー光学系３００においてはＸ走査ミラー１８の角度の調整と、データ処理によって歪曲収差を補正できる（歪曲収差の補正については後述する）。したがって、反射角度を９０度程度にできる。

以上では、Ｘ走査ミラー１８から対物レンズ２１に向かう光ビームについて説明したが、リレー光学系３００は、対物レンズ２１からＸ走査ミラー１８に向かう出射光についても、同様の性質をもっている。図２では、レンズを用いない構成とすることができるため、色収差を無くすことができる。

（リレー光学系３００の変形例）
図３を用いて、リレー光学系３００の変形例について説明する。図３では、図２の構成に対して、第１の補正レンズ３０３と、第２の補正レンズ３０３とが追加されている。すなわち、図３に示すリレーレンズ光学系３００は、第１の非軸放物面鏡３０１と、第２の非軸放物面鏡３０２と、第１の補正レンズ３０３と第２の補正レンズ３０４とを備えた反射屈折光学系である。なお、図２と同様の構成については、適宜説明を省略する。なお、図３においても、第１の非軸放物面鏡３０１と第２の非軸放物面鏡３０２は、放物面の幾何学的な対称軸が互いに平行で、放物面が互いに反対の方向を向くように配置されている。そして、Ｙ軸は対称軸を含む平面内にある。

第１の補正レンズ３０３、第２の補正レンズ３０４は、正のパワーを持つレンズである。第１の補正レンズ３０３は、第１の非軸放物面鏡３０１から焦点Ｐ１までの光路中に配置されている。第２の補正レンズ３０４は、焦点Ｐ１から第２の非軸放物面鏡３０２までの光路中に配置されている。すなわち、第１の非軸放物面鏡３０１で反射した光ビームは、第１の補正レンズ３０３に入射する。第１の補正レンズ３０３で屈折した光ビームは、第２の補正レンズ３０４に入射する。第２の補正レンズ３０４で屈折した光ビームは、第２の非軸放物面鏡３０２に入射する。第２の非軸放物面鏡３０２で反射した光ビームは、対物レンズ２１に入射する。第１の非軸放物面鏡３０１、及び第１の補正レンズ３０３は、焦点Ｐ１に光ビームを集光する。

最適化された正のパワーを持つ第１の補正レンズ３０３及び第２の補正レンズ３０４を追加することで、図２の光学系の持つ像面湾曲を補正することができる。第１の補正レンズ３０３、及び第２の補正レンズ３０４は、なるべく焦点Ｐ１の近くに配置することが好ましい。このようにすることで、第１の補正レンズ３０３、及び第２の補正レンズ３０４によって生じる色収差を無視できる程度に小さくすることができる。また、第１の補正レンズ３０３、及び第２の補正レンズ３０４の材料は合成石英ガラスまたはフッ化カルシウムとすることが好ましい。このようにすることで、リレー光学系３００が、深紫外領域を含んだ広い波長帯域において使用可能となる。

第１の非軸放物面鏡３０１と第２の非軸放物面鏡３０２との間に、第１の補正レンズ３０３、及び第２の補正レンズ３０４が追加されている。このため、図２とは異なり、第１の非軸放物面鏡３０１と第２の非軸放物面鏡３０２の放物面の幾何学的な焦点と、光ビームの焦点Ｐ１とは一致しない。

第１の補正レンズ３０３から焦点Ｐ１までの距離をＬ５とし、焦点Ｐ１から第２の補正レンズ３０４までの距離をＬ６とする。第１の非軸放物面鏡３０１に平行光が平行入射した場合に、第２の非軸放物面鏡３０２の反射光が第２の非軸放物面鏡３０２の幾何学的な軸に平行な平行光となる条件下で、Ｌ５＝Ｌ６、かつ、Ｌ２＝Ｌ３とするのがよい。

焦点Ｐ１に対して、第１の非軸放物面鏡３０１、及び第１の補正レンズ３０３を、第１の補正レンズ３０３及び第２の補正レンズ３０４と対称に配置することで、コマ収差、非点収差を打ち消すことができる。図３のリレー光学系３００においても、Ｌ１＝Ｌ４の条件で、Ｌ１を、Ｘ走査ミラー１８の角度を変えた場合にも光ビームが対物レンズ２１の入射瞳のほぼ中心を通る、長さとすることが好ましい。このようなＬ１は、Ｘ走査ミラー１８の位置から傾きを持った光線を光線追跡し、基準軸との交点を求めることを、Ｌ１を変えて繰り返すことで求めることができる。これにより、Ｘ走査ミラー１８が試料２２を走査した場合にも、測定領域の全体でレーザ強度や空間分解能の変化を抑えることができる。

例えば、焦点距離７６．２ｍｍの放物面をもった第１の非軸放物面鏡３０１、第２の非軸放物面鏡３０２を用い、基準軸ＯＸ１に平行に入射する光ビームを第１の非軸放物面鏡３０１で９０度の方向に反射させるとする。さらに、第１の補正レンズ３０３、及第２の補正レンズ３０４に焦点距離１０００ｍｍ、中心厚２．２ｍｍの合成石英ガラス製平凸レンズを用いる。この場合に、Ｌ１＝Ｌ４＝１２８．７ｍｍ、Ｌ２＝Ｌ３＝１５２．７ｍｍ、Ｌ５＝Ｌ６＝２０ｍｍとすることで、以上の条件を満たすことができる。なお、Ｌ５、及びＬ６は、焦点Ｐ１から補正レンズの平面側までの距離である。

また、多少の収差の増大を許容するのであれば、Ｌ１とＬ４とが等しくない条件としてもよい。このようにした場合でも、Ｘ走査ミラー１８の角度を変えた場合に光ビームが対物レンズ２１の入射瞳のほぼ中心を通るようにできる。

像面湾曲は、焦点Ｐ１の位置に両凸レンズを置くことでも補正できる。焦点の位置に両凸レンズをおいた場合には、両凸レンズ中にレーザ光が集光されるため、レンズ材料からラマン散乱光等の発光が生じ、サンプルからのラマン散乱光の測定を妨げる場合がある。従って、図３のように、焦点Ｐ１を挟むように間隔を空けて、第１の補正レンズ３０３及び第２の補正レンズ３０４を配置することが好ましい。第１の補正レンズ３０３及び第２の補正レンズ３０４を用いる場合には、焦点位置にレンズ材料が無いため、レンズ材料からの発光がサンプルからのラマン散乱光の測定を妨げることがない。

なお、図２，又は図３に示す構成を、リレー光学系２００に用いることも可能である。すなわち、Ｙ走査装置１３からビームスプリッタ１７までの光路中に図２，又は図３に示すリレー光学系を配置してもよい。この場合、Ｙ走査装置１３で走査された光ビームが第１の非軸放物面鏡３０１に入射する。

（集光光学系４００）
次に、集光光学系４００の構成について、図４を用いて説明する。図４は、集光光学系４００の構成を示す図である。具体的には、図４は、Ｘ走査ミラー１８から入射スリット３０までの光学系を示している。図４では、ビームスプリッタ１７が省略されている。図４において、Ｙ軸は、紙面に垂直となっている。集光光学系４００は、第１の凹面鏡４０１と第１の凸面鏡４０２と平面鏡４０３を備えた反射光学系となっている。

試料２２で発生した出射光はＸ走査ミラー１８によってデスキャンされる。Ｘ走査ミラー１８で反射された出射光は、第１の凹面鏡４０１で反射される。第１の凹面鏡４０１で反射された出射光は、第１の凸面鏡４０２で反射される。そして、第１の凸面鏡４０２で反射された出射光は、平面鏡４０３で反射される。平面鏡４０３で反射された出射光は、入射スリット３０に入射する。第１の凹面鏡４０１と第１の凸面鏡４０２は、入射スリット３０に出射光を集光する。第１の凹面鏡４０１、及び第１の凸面鏡４０２は球面鏡とすることができる。この場合、第１の凹面鏡４０１の曲率半径と第１の凸面鏡４０２の曲率半径が実質的に等しくなっていてもよい。なお、実質的に等しいとは、曲率半径の差が例えば、１０％以内となっていることを示す。１０％程度の違いであれば、十分な収差低減効果を得ることができる。図４では、第１の凹面鏡４０１の反射角度をθ１とし、第２の凸面鏡４０２の反射角度をθ２としている。

球面鏡である第１の凹面鏡４０１及び第１の凸面鏡４０２に対して光が垂直に入射しない場合は非点収差が生じる。しかしながら、集光光学系４００においては、第１の凹面鏡４０１での反射角θ１と第１の凸面鏡４０２での反射角θ２とを最適化することで非点収差を補正できる。このようにして非点収差を補正した場合、第１の凹面鏡４０１の曲率中心と第１の凸面鏡４０２の曲率中心とを通る直線（対称軸）は、第１の凹面鏡４０１へ入射する光ビームの基準軸と平行にならない。すなわち、第１の凹面鏡４０１の曲率中心と第１の凸面鏡４０２の曲率中心を通る直線（対称軸）は、第１の凹面鏡４０１へ入射する光ビームの基準軸から傾いている。そして、Ｙ軸に沿った狭い領域の外では、収差が増大する光学系となるが、入射スリット３０の開口部分に沿っては良像が得られる。また、集光光学系４００では第１の凹面鏡４０１と第２の凸面鏡４０２が使用されている。曲率の近い第１の凹面鏡４０１、及び第２の凸面鏡４０２を用いることでペッツバール和を小さくし、像面湾曲が小さくできる。なお、Ｙ軸は、基準軸と対称軸を含む平面に垂直な向きとなっている。

特許文献１の集光光学系（レンズ２４）では、試料の基準軸に垂直な面に対する像面（以下、単に像面という）と、分光器の入射スリットの入射面は一致しているため、光学系の調整が容易となっている。一方、図４に示す集光光学系４００では、入射スリット３０の位置で、試料の像面と入射スリット３０とが平行とはなっていない。すなわち、集光光学系４００によって結像される試料の像面が、入射スリットの入射面に対して傾いている。試料の像面は、入射スリットの入射面に対して、Ｙ軸周りに回転している。換言すると、入射スリット３０の位置において、基準軸ＯＸ１に対して垂直な平面と、試料の像面が平行となっていない。

これは分光器３１（図４では不図示のため、図１参照）を、基準軸ＯＸ１に対して入射スリット３０が垂直となるように設置しているためである。分光器３１には入射スリット３０への入射角が検出器３２への入射角と等しくなるものを用いる。このようにすることで、光学系調整の手順は複雑になるものの、検出器３２への入射角を０度とし、検出器３２の窓と検出器３２の受光面の反射によってゴースト像が生じるのを防ぐことができる。

入射スリット３０の位置では、試料の像面と入射スリット３０が平行にならないため、試料２２のライン状の部分のみがスリットと合焦する。しかしながら、一度に測定するのは、入射スリット３０に合焦する領域のみであるために問題は生じない。Ｘ走査ミラー１８の角度に関わらず、レーザ光の照射される試料２２上のライン状の領域が入射スリット３０に合焦する。出射光の入射スリット３０への入射角と、検出器３２への入射角とが等しく無い場合には、検出器３２への入射角が０度となるように入射スリット３０に出射光を入射させる。

Ｘ走査ミラー１８から第１の凹面鏡４０１までの距離は、試料２２上のライン状に照明された各点からの出射光の主光線が、入射スリット３０に対して垂直となる距離とすることが好ましい。言い換えるとＸ走査ミラー１８から第１の凹面鏡４０１までの距離は、試料から入射スリット３０への結像がテレセントリックとなる距離とするのが良い。テレセントリックとなる距離は、距離を変えて光線追跡を繰り返すことで求めることができる。分光器３１には内部の光学系がテレセントリック光学系であるものを用いる。このようにすることで、ライン上の各点からの出射光は、検出器３２に垂直に入射させることができる。よって、各点からの光の検出効率を一様にでき、またゴースト像の発生を抑えることができる。

設計例を以下に示す。第１の凹面鏡４０１及び第２の凸面鏡４０２の曲率半径を２００ｍｍで同じとする。基準軸ＯＸに沿った第１の凹面鏡４０１から第２の凸面鏡４０２までの距離を５５．１１ｍｍ、第１の凸面鏡４０２からスリットまでの距離を８１．４２ｍｍとする。さらに、θ１＝１１．５２度、θ２＝２５．６２度とすることで諸収差が良好に補正される。このとき、Ｘ走査ミラー１８から第１の凹面鏡４０１までの距離を２７７．３ｍｍにすることでテレセントリックとなる。

集光光学系４００では、基準軸ＯＸ１に沿って、試料２２側から第１の凹面鏡４０１、第２の凸面鏡４０２の順番で光学素子が配置されている。この順番とすることで、試料２２から入射スリット３０への結像がテレセントリックとなる距離にした場合でも、Ｘ走査ミラー１８から集光光学系４００までの距離を離すことができる。よって、Ｘ走査ミラー１８と集光光学系４００との間に、ビームスプリッタ１７や、フィルタ類を設置する空間を設けることができる。仮に、第２の凸面鏡４０２、第１の凹面鏡４０１の順に並べて、諸収差を補正した設計にすると、テレセントリックとなる距離ではＸ走査ミラー１８と光学素子との間隔が小さくなる。よって、ビームスプリッタ１７やフィルタ類を設置する空間を設けることが困難となる。本実施の形態のように、試料２２から、第１の凹面鏡４０１、第２の凸面鏡４０２の順番で配置することが好ましい。

（リレー光学系２００）
次に、図５を用いて、リレー光学系２００の構成について説明する。図５は、リレー光学系２００の構成を示す図である。具体的には、図５は、Ｙ走査装置１３からＸ走査ミラー１８までの光学系を示している。なお、図５ではビームスプリッタ１７は省略されている。図５では、Ｙ方向は紙面と垂直な方向となっている。リレー光学系２００は、第２の凹面鏡２０１、第２の凸面鏡２０２、第３の凸面鏡２０３、及び第３の凹面鏡２０４を備えた反射光学系である。

Ｙ走査装置１３で走査された平行光の光ビームは、第２の凹面鏡２０１で反射される。第２の凹面鏡２０１で反射された光ビームは、第２の凸面鏡２０２で反射される。第２の凹面鏡２０１と第２の凸面鏡２０２は、光ビームを中間像面Ｐ２にスポット状に集光する。第２の凸面鏡２０２で反射された光ビームは、第３の凸面鏡２０３に入射する。第３の凸面鏡２０３は、光ビームを第３の凹面鏡２０４に向けて反射する。第３の凹面鏡２０４は、光ビームをＸ走査ミラー１８に向けて反射する。第３の凸面鏡２０３と第３の凹面鏡２０４とで反射された光ビームは、平行光となる。よって、Ｘ走査ミラー１８は、平行光の光ビームを走査する。

中間像面Ｐ２に絞り２０５を設けても良い。絞り２０５は例えば円状の開口を有し、外側の光ビームを遮光する。すなわち、開口から外れた光ビームの通過を制限する。Ｙ走査装置１３の走査速度が一定とならない領域を絞り２０５によって遮光することが好ましい。これにより、ライン状の領域の照明強度を均一にすることができる。

第２の凹面鏡２０１、第２の凸面鏡２０２、第３の凸面鏡２０３、及び第３の凹面鏡２０４は球面鏡である。中間像面Ｐ２に対して、第２の凹面鏡２０１、第２の凸面鏡２０２は、第３の凸面鏡２０３、及び第３の凹面鏡２０４に対称に配置されている。例えば、第２の凹面鏡２０１と第３の凹面鏡２０４の曲率半径は実質的に等しくする。第３の凸面鏡２０３と第２の凸面鏡２０２の曲率半径は実質的に等しくする。なお、実質的に等しくするとは、曲率半径の差が１０％以内になっていることを示す。１０％程度の違いであれば、十分な収差低減の効果を得ることができる。さらに、第２の凹面鏡２０１から第２の凸面鏡２０２までの距離を、第３の凸面鏡２０３から第３の凹面鏡２０４までの距離と同じとする。第２の凸面鏡２０２から中間像面Ｐ２までの距離を、中間像面Ｐ２から第３の凸面鏡２０３までの距離と同じとする。

なお、第２の凹面鏡２０１の反射角度と、第３の凹面鏡２０４の反射角度とを同じ角度（以下、反射角度θ３）とし、第２の凸面鏡２０２の反射角度と第３の凸面鏡２０３の反射角度とを同じ角度（以下、反射角度θ４）とする。Ｙ走査装置１３から第２の凹面鏡２０１までの距離と、第３の凹面鏡２０４からＸ走査ミラー１８までの距離を最適化することで、Ｙ走査装置１３が光ビームの角度を変えた場合にも、Ｘ走査ミラー１８において主光線の通る位置がほとんど変化しないようにできる。

特許文献３には、直交する２個の走査ミラーの間に用いるリレー光学系が開示されている。特許文献３のリレー光学系は、凹面鏡を用いた反射光学系となっている。しかしながら、特許文献３に記載の光学系では収差の補正が不十分で、大きなビーム径では使用することができない。図５に示すリレー光学系２００では、反射角度θ３、及び反射角度θ４を最適化することで非点収差を補正することできる。

このとき、第２の凹面鏡２０１の曲率中心と、第２の凸面鏡２０２の曲率中心とを通る直線（対称軸）は、第２の凹面鏡２０１に入射する光ビームの基準軸と平行でない。すなわち、第２の凹面鏡２０１の曲率中心と第２の凸面鏡２０２の曲率中心を通る直線は、第２の凹面鏡２０１へ入射する光ビームの基準軸から傾いている。また、第３の凸面鏡２０３の曲率中心と第３の凹面鏡２０４の曲率中心とを通る直線（対称軸）は、第３の凹面鏡２０４で反射されＸ走査ミラー１８に向かう光ビームの基準軸と平行でない。すなわち、第３の凹面鏡２０３の曲率中心と第３の凸面鏡２０４の曲率中心を通る直線は、第３の凹面鏡２０４で反射されＸ走査ミラー１８に向かう光ビームの基準軸から傾いている。このようにすることで、非点収差を補正することができる。なお、Ｙ軸は、基準軸と対称軸を含む平面に垂直な向きとなっている。

さらに、曲率の近い第２の凹面鏡２０１、第２の凸面鏡２０２、第３の凸面鏡２０３第３の凹面鏡２０４を使用することで像面湾曲を補正し、対称な配置とすることでコマ収差、歪曲収差を補正している。そのため、特許文献３の光学系よりも大きなビーム径でも使用できる。

リレー光学系２００の設計例を示す。第２の凹面鏡２０１、第２の凸面鏡２０２、第３の凸面鏡２０３、第３の凹面鏡２０４の曲率半径を２００ｍｍで同じとする。基準軸ＯＸに沿った第２の凹面鏡２０１から第２の凸面鏡２０２までの距離を５５．１１ｍｍ、第２の凸面鏡２０２から中間像面Ｐ２までの距離を８１．４２ｍｍ、中間像面Ｐ２から第３の凸面鏡２０３までの距離を８１．４２ｍｍ、第３の凸面鏡２０３から第３の凹面鏡２０４までの距離を５５．１１ｍｍとする。さらに、θ３＝１１．５２度、θ４＝２５．５８度とする。このような構成とすることで、諸収差を良好に補正することが可能となる。このとき、Ｙ走査装置１３から第２の凹面鏡２０１までの距離と、第３の凹面鏡２０４からＸ走査ミラー１８までの距離とをそれぞれ２７７．２６ｍｍにすることで、Ｙ走査装置によってビームの角度を変えた場合にも、Ｘ走査ミラー１８において主光線の通る位置をほとんど変化しないようにできる。

なお、波長の異なる複数のレーザ光源を用い、レーザ波長毎に光ビームの集光度合い、又は発散度合いを調整可能なビームエキスパンダをそれぞれ配置してもよい。波長に応じて光ビームの集光、発散の度合いを変化させるリレー光学系２００の変形例を図６に示す。

光源１０としては、レーザ波長の異なる３つの光源１１０、１２０、１３０が設けられている。光源１１０は、波長λ１のレーザ光を発生するレーザ光源である。光源１２０は、波長λ２のレーザ光を発生するレーザ光源である。光源１３０は、波長λ３のレーザ光を発生するレーザ光源である。

光源１１０で発生した波長λ１の光ビームは、レンズ１１１、１１２からなるビームエキスパンダ１１を介して、ダイクロイックミラー１１３に入射する。レンズ１１１、１１２の位置を調整することで、波長λ１の光ビームの集光度合い、又は発散度合いを調整することができる。光源１２０で発生した波長λ２の光ビームは、レンズ１２１、１２２からなるビームエキスパンダ１１を介して、ダイクロイックミラー１２３に入射する。レンズ１２１、１２２の位置を調整することで、波長λ２の光ビームの集光度合い、又は発散度合いを調整することができる。光源１３０で発生した波長λ３の光ビームは、レンズ１３１、１３２からなるビームエキスパンダ１１を介して、ダイクロイックミラー１３３に入射する。レンズ１３１、１３２の位置を調整することで、波長λ２の光ビームの集光度合い、又は発散度合いを調整することができる。

ダイクロイックミラー１１３は、波長λ１の光ビームを透過して、波長λ２、λ３の光ビームを反射する。ダイクロイックミラー１２３は、波長λ３の光ビームを透過して、波長λ２の光ビームを反射する。ダイクロイックミラー１２３は、波長λ３の光ビームを反射する。これにより、波長λ１、λ２，λ３の光ビームの光路が合成される。なお、ダイクロイックミラー１１３，１２３，１３３の代わりに、ビームスプリッタを用いて光ビームの光路を合成することも可能である。レンズ１１１、１１２、１２１、１２２，１３１、１３２の位置を調整することで、それぞれの光ビームの集光度合い、発散度合いを独立に変化させることができる。そして、ダイクロイックミラー１１１からの光ビームが、Ｙ走査装置１３に入射する。

図６では、リレー光学系２００を特許文献１のように、２枚のレンズ１４、レンズ１６により構成することができる。Ｙ走査装置１３で偏向された光ビームはレンズ１４で屈折され、絞り１５に入射する。なお、レンズ１４は絞り１５の面上に光ビームを集光する。絞り１５は、例えば円状の開口を有し、外側の光ビームを遮光する。すなわち、開口から外れた光ビームの通過を制限する。Ｙ走査装置１３の走査速度が一定とならない領域を絞り１５によって遮光することが好ましい。これにより、ライン状の領域の照明強度を均一にすることができる。

絞り１５を透過した光ビームは、レンズ１６で屈折されて、平行光となる。なお、図６では省略されているが、レンズ１６の後段には、図１に示すビームスプリッタ１７が設けられている。レンズ１４、レンズ１６を、合成石英ガラスおよびフッ化カルシウムを材料とし、波長によって異なる集光、発散の度合いの光に対して最適化された設計のレンズとすることで、深紫外から近赤外の広い波長帯域で十分に色収差の補正された光学系とすることができる。

（リレー光学系３００で生じる歪曲収差の補正）
図２，又は図３のリレー光学系３００では歪曲収差が生じる。図７は図３の光学系で生じる歪曲収差を説明するための図である。図７の正方格子は、歪曲収差の無い対物レンズに、基準軸に対してＸ方向およびＹ方向に角度を持った光を直接入射した場合の焦点位置を線で繋いだものである。図７のプロットされている点は、図３のＸ走査ミラー１８の位置からリレー光学系３００を通して、歪曲収差の無い対物レンズ２１に、基準軸に対して角度を持った光を入射させたときの焦点の位置である。

図７のプロットは設計データに対する光線追跡によって得ることができる。図７に示すように、Ｙ方向の角度を固定してＸ方向の角度を変化させた場合には、スポット位置がＸ方向の角度に依存してＹ方向に変化する。一方、Ｘ方向の角度を固定して、Ｙ方向の角度を変化させた場合には、スポット位置のＸ方向の変化はほとんど無い。言い換えるとＹ方向の角度変化に対してスポット位置はＹ方向のみに変化する。このため、試料２２を照明するライン状の領域はＹ軸に沿って伸びた領域とするのが良い。言い換えるとＹ走査装置１３で走査されるライン状の領域が第１の非軸放物面鏡３０１の幾何学的な対称軸に対応する方向に沿っていることが好ましい。つまり、図２の構成において、ライン状の領域は、Ｙ軸に平行であり、かつ、第１の非軸放物面鏡３０１の幾何学的な対称軸がＹ軸と平行になっている。

このようにすることで、ライン状の領域の測定ごとのデータの計算によって、歪曲収差を補正することができる。すなわち、仮に図３のリレー光学系３００において、Ｘ走査ミラー１８と第１の非軸放物面鏡３０１との間で光学系をＺ軸回りに９０度回転させると、試料２２を照明するライン状の領域は図７の横軸に沿って伸びる。このようにしてしまうと、例えば試料上のある直線に沿った領域のデータを取得しようとした場合に、歪曲収差によってカーブしたライン状の領域の測定を、測定領域を変えて複数回繰り返し、得たデータを補間して測定結果とする必要がある。このとき測定波長ごとに２次元データの補間が必要となる。ライン状の領域を図７の縦軸に沿った方向とした場合には、複数回のライン状の領域の測定データから補間する必要はなく、それぞれのライン状の領域の測定データに対して補間処理を行うことで歪曲収差を補正できる。また１次元の測定データの補間処理で結果が得られるため計算が容易である。

図７で、Ｙ方向の角度を固定してＸ方向の角度を変化させた場合、スポット位置がＸ方向の角度に依存してＹ方向に変化する。この変化は上記のように補間処理による計算で補正することができる。例えば、処理装置５０がこの補間処理を実施することで、歪曲収差を補正することができる。具体的には、光ビームが照射されたライン状の領域からの出射光を分光器３１が分光する。検出器３２は、分光された出射光を分散方向と直交する方向に配列された複数の画素を有している。なお、分散方向と直交する方向に沿って１列に配列された複数の画素は、ある特定の波長における出射光を検出する。そして、複数の画素で検出された１次元の測定データを分散方向と直交する方向に補間する。処理装置５０は、ライン状の領域毎に、測定データに対して補間処理を行う。処理装置５０は、歪曲収差を補正したラマン散乱光画像を取得する。

あるいは、図８のようにＸ走査ミラー１８の直前にＹ走査ミラー４１を追加することで歪曲収差を補正してもよい。第３のスキャナであるＹ走査ミラー４１は、試料上において、光ビームのスポット位置をＹ方向に走査する。図８の構成において、Ｘ走査ミラー１８の走査角度に応じてＹ走査ミラー４１の走査角度を変化させることで、歪曲収差を補正できる。なお、図８のようにＸ走査ミラー１８の直前にＹ走査ミラー４１を配置した場合の光学顕微鏡の全体構成は、特許文献２の図１と同様となる。

図９にＸ軸方向の入射角度と、歪曲収差によるＹ軸方向のスポット位置との関係を示す。そして、図９に示すスポット位置の変化を打ち消すように、Ｙ走査ミラー４１の角度を変えるようにすればよい。

図１０は、図９に示した歪曲収差によるスポット位置の変化を打ち消すように、Ｙ走査ミラー４１の走査角度を変化させた場合の走査角度の関係を示すグラフである。図１０において、横軸がＸ走査ミラー１８の角度であり、縦軸がＹ走査ミラー４１の角度となっている。歪曲収差によるスポット位置の変化を打ち消すように、Ｘ走査ミラー１８とＹ走査ミラー４１との走査角度を連動して変化させればよい。

（ビームスポットを１方向に伸ばす構成）
試料の損傷を防ぐためには、試料２２におけるビームスポットを１方向に伸ばすことが好ましい。試料２２におけるビームスポットは例えば図１１の光学系を用いることで伸ばすことができる。図１１ではＹ走査装置１３の直前にシリンドリカルレンズ１４１が追加されている。シリンドリカルレンズ１４１は、Ｙ走査装置１３の位置に光ビームを集光している。

集光された光ビームはＹ走査装置１３の位置で、Ｙ方向に縮められ、Ｘ方向に沿って伸びた断面形状となる。このとき試料２２においてはＹ方向に沿って平行に伸びたビームスポットが形成される。すなわち、Ｙ走査装置１３による走査方向と同じ方向に伸びたビームスポットとなる。

異なる波長のレーザ光を用いるときには、Ｙ走査装置１３の位置に集光されるように、波長に応じてシリンドリカルレンズをＺ方向に動かせばよい。あるいは円筒面の反射鏡を用いてＹ走査装置１３の位置に集光すれば、このような調整を不要とできる。あるいは、特許文献１のようにＹ走査装置１３の後に凹面のシリンドリカルレンズを配置してもよい。

利用できるレーザ強度がそれほど大きくない場合には、試料２２におけるビームスポットを伸ばす量が小さくても、試料の損傷を防ぐことができる。ビームスポットを伸ばす量が小さい場合には、図１２に示す構成を用いることができる。図１２では、Ｙ走査装置１３の直前にアナモルフィックプリズム１５１、１５２が追加されている。２個のアナモルフィックプリズム１５１、１５２によって、ビーム断面形状をＹ方向に縮め、楕円のビーム断面形状としてＹ走査装置１３に入射させる。

あるいは光ビームを一方向に縮めるために、図１３に示すように、２個のシリンドリカルレンズ１６１、１６２を用いても良い。シリンドリカルレンズ１６１、１６２は、Ｙ走査装置１３の直前に配置される。

シリンドリカルレンズ１６１、１６２等が、Ｙ走査装置１３の位置におけるビーム断面形状をＹ方向に縮める。すると、Ｙ走査装置１３の位置でビーム断面形状を縮めた量に応じて、試料２２の位置のビームスポットがＹ方向に伸びる。例えば、シリンドリカルレンズ１６１、１６２等が、ビームを１／５や１／３に縮めるようにしてもよい。ビームを１／５に縮めた場合には、１／３に縮めた場合よりも、よりビームスポットが伸びる。このようにして試料２２でのビームスポットを伸ばす量を調整することができる。

図１１の光学系では、図１２、図１３の光学系よりも試料２２におけるビームスポットを大きく伸ばすことができる。一方、ビームスポットを伸ばしすぎてしまうと、測定領域に照射されるレーザ強度が小さくなってしまう場合がある。図１２、図１３の光学系によって試料２２を損傷させない程度に比較的小さくビームスポットを伸ばすことで、測定したい領域をより効率よくレーザ光を照射することができる。このとき測定したい領域に合わせてＹ走査装置１３による走査範囲を調整するのが良い。

以上の説明では、Ｙ走査装置１３の位置におけるビーム断面形状をＹ方向に縮める場合について述べたが、図１２、図１３の光学系を逆に用いて、一方向にビーム断面形状を広げることで、ビームの断面形状を変えてもよい。このとき、ビームエキスパンダ１１でのビームの拡大率を調整する。

図１１～図１３に示したように、Ｙ走査装置１３における光ビームの断面形状をＹ方向に縮めることで、試料２２の損傷を防ぐことができる。図１１～図１３では、Ｙ走査装置１３における光ビームのビーム断面形状をＹ方向に縮める光学部材として、シリンドリカルレンズ又はアナモルフィックプリズムに限定されるものではなく、種々の光学部材を用いることが可能である。

（対物レンズ２１）
対物レンズ２１は測定しようとする波長帯域ごとに切り替えて使用することができる。あるいは広い波長帯域を一度に測定しようとする場合には、例えばシュヴァルツシルト型の、反射対物レンズを用いれば良い。

上記の説明では、リレー光学系３００、リレー光学系２００、集光光学系４００の構成について、それぞれ説明したが、全ての構成を用いなくてもよい。すなわち、図２～図１３に示す構成の一部のみを図１に示す光学顕微鏡１００に用いることが可能である。

例えば、リレー光学系３００を図２、又は図３に示す構成とすれば、リレー光学系２００、及び集光光学系４００は、図４、図５、又は図６に示す構成に限られるものではない。また、リレー光学系２００を、図２、又は図３に示す構成としてもよい。この場合、リレー光学系３００は、図２、又は、図３の構成に限られるものではない。もちろん、リレー光学系３００を図２又は図３の構成として、かつ、リレー光学系２００を図５又は図６に示す構成とすることが好ましい。さらに、集光光学系４００を図４に示す構成とすることが好ましい。図２～図６以外の光学系としては、例えば、特許文献１、２のようにレンズを用いた光学系とすることができる。

このように本実施の形態にかかる光学顕微鏡は、光源と、前記光源からの光ビームを偏向させて、試料上における前記光ビームのスポット位置を走査する第１のスキャナと、前記第１のスキャナで偏向された光ビームを集光して、試料に入射させる対物レンズと、前記試料の前記光ビームが照射された領域から出射した出射光を波長に応じて空間的に分散させる分光器と、アレイ状に配列された受光画素を有し、前記分光器で分散された出射光を検出する２次元アレイ光検出器と、前記第１のスキャナから前記対物レンズまでの光路中に配置され、前記第１のスキャナで偏向された光ビームを反射する第１の非軸放物面鏡と、前記第１の非軸放物面鏡で反射された光ビームを反射する第２の非軸放物面鏡と、を備えた第１のリレー光学系と、を備える光学顕微鏡。そして、第１のリレー光学系は、図１のリレー光学系２００及びリレー光学系３００の少なくとも一方とすることができる。

上記の光学顕微鏡によって、ラマンスペクトルを測定することができる。なお、上述の説明では、ラマン散乱光を分光測定する光学顕微鏡１００について説明したが、本発明はこれに限られるものでない。入射光のレーザ波長と異なる波長で試料から出射する出射光を検出する分光測定装置であればよい。例えば、励起光によって励起される蛍光を検出する分光測定装置や、赤外吸収を検出する分光測定装置であってもよい。これらの分光測定装置でも、収差を抑制することができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は既に述べた実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることはいうまでもない。

１０ 光源
１１ ビームエキスパンダ
１３ Ｙ走査装置
１７ ビームスプリッタ
１８ Ｘ走査ミラー
２１ 対物レンズ
２２ 試料
２３ ステージ
３０ 入射スリット
３１ 分光器
３２ 検出器
４０ ステージ駆動装置
５０ 処理装置
１００ 顕微鏡
２００ リレー光学系
２０１ 第２の凹面鏡
２０２ 第２の凸面鏡
２０３ 第３の凸面鏡
２０４ 第３の凹面鏡
３００ リレー光学系
３０１ 第１の非軸放物面鏡
３０２ 第２の非軸放物面鏡
３０３ 第１の補正レンズ
３０４ 第２の補正レンズ
４００ 集光光学系
４０１ 第１の凹面鏡
４０２ 第２の凸面鏡

Claims (20)

1. 光ビームを発生する光源と、
   前記光ビームを偏向させて、試料上における前記光ビームのスポット位置を走査する第１のスキャナと、
   前記第１のスキャナで偏向された光ビームを集光して、試料に入射させる対物レンズと、
   前記試料の前記光ビームが照射された領域から出射した出射光が入射する入射側にスリットを有する分光器と、
   前記分光器からの出射光を検出する、アレイ状に配列された受光画素を有する２次元アレイ光検出器と、
   前記第１のスキャナから前記対物レンズまでの光路中に配置され、前記第１のスキャナで偏向された光ビームを反射する第１の非軸放物面鏡と、前記第１の非軸放物面鏡で反射された光ビームを反射する第２の非軸放物面鏡と、を備えた第１のリレー光学系と、
   を備え、
   前記スリットの長手方向に対応する第２の方向が、前記第１の非軸放物面鏡の幾何学的な対称軸に対応する方向に沿っている光学顕微鏡。
2. 前記第１の非軸放物面鏡と前記第２の非軸放物面鏡との放物面の幾何学的な対称軸が平行で、かつ、前記放物面が互いに反対方向を向くように配置されている請求項１に記載の光学顕微鏡。
3. 前記第１の非軸放物面鏡の焦点距離と前記第２の非軸放物面鏡の焦点距離が同じである請求項１、又は２に記載の光学顕微鏡。
4. 前記第１の非軸放物面鏡と前記第２の非軸放物面鏡との間における前記光ビームの焦点から前記第１の非軸放物面鏡までの距離をＬ２とし、前記焦点から前記第２の非軸放物面鏡までの距離をＬ３とすると、
   Ｌ２とＬ３との比が、前記第１の非軸放物面鏡の焦点距離と前記第２の非軸放物面鏡との比と等しい請求項１～３のいずれか１項に記載の光学顕微鏡。
5. 前記第１のスキャナから前記第１の非軸放物面鏡までの距離をＬ１とし、前記第２の非軸放物面鏡から前記対物レンズの入射瞳までの距離をＬ４とすると、
   Ｌ１＝Ｌ２、かつ、Ｌ３＝Ｌ４となっている請求項４に記載の光学顕微鏡。
6. 光ビームを発生する光源と、
   前記光ビームを偏向させて、試料上における前記光ビームのスポット位置を走査する第１のスキャナと、
   前記第１のスキャナで偏向された光ビームを集光して、試料に入射させる対物レンズと、
   前記試料の前記光ビームが照射された領域から出射した出射光が入射する入射側にスリットを有する分光器と、
   前記分光器からの出射光を検出する、アレイ状に配列された受光画素を有する２次元アレイ光検出器と、
   前記第１のスキャナから前記対物レンズまでの光路中に配置され、前記第１のスキャナで偏向された光ビームを反射する第１の非軸放物面鏡と、前記第１の非軸放物面鏡で反射された光ビームを反射する第２の非軸放物面鏡と、を備えた第１のリレー光学系と、
   を備え、
   前記第１のリレー光学系は、
   前記第１の非軸放物面鏡と前記光ビームの焦点との間に設けられた正のパワーを有する第１の補正レンズと、
   前記焦点と前記第２の非軸放物面鏡との間に設けられた正のパワーを有する第２の補正レンズと、をさらに備えた光学顕微鏡。
7. 前記第１の補正レンズから前記焦点までの距離をＬ５とし、前記焦点から前記第２の補正レンズまでの距離をＬ６とすると、
   Ｌ５＝Ｌ６となっている請求項６に記載の光学顕微鏡。
8. 前記第１のスキャナでデスキャンされた前記出射光を前記分光器の前記スリットに集光する集光光学系をさらに備え、
   前記集光光学系は、
   前記出射光を反射する第１の凹面鏡と、
   前記第１の凹面鏡で反射した出射光を反射する第１の凸面鏡と、を備えた請求項１～７のいずれか１項に記載の光学顕微鏡。
9. 前記第１の凹面鏡と前記第１の凸面鏡とは、曲率半径が実質的に等しい球面鏡である請求項８に記載の光学顕微鏡。
10. 前記集光光学系によって結像される前記試料の像面が、前記スリットの入射面に対して傾いている請求項８、又は９に記載の光学顕微鏡。
11. 前記第１の凹面鏡の曲率中心と前記第１の凸面鏡の曲率中心とを通る直線が、前記第１の凹面鏡に入射する前記出射光の基準軸から傾いている請求項８～１０のいずれか１項に記載の光学顕微鏡。
12. 前記光源から前記第１のスキャナまでの光路中に配置され、前記光ビームを偏向させて、前記試料上における前記光ビームの前記スポット位置を走査する第２のスキャナと、
    前記第１のスキャナと前記第２のスキャナとの間の光路中に配置され、前記第２のスキャナから前記第１のスキャナに向かう光ビームから、前記試料から前記分光器に向かう前記出射光を分離するビームスプリッタと、をさらに備え、
    前記第１のスキャナが前記分光器の前記スリットの長手方向と直交する方向に対応する第１の方向に前記スポット位置を走査し、
    前記第２のスキャナが前記スリットの長手方向に対応する第２の方向に前記スポット位置を走査する請求項１～１１のいずれか１項に記載の光学顕微鏡。
13. 光ビームを発生する光源と、
    前記光ビームを偏向させて、試料上における前記光ビームのスポット位置を走査する第１のスキャナと、
    前記第１のスキャナで偏向された光ビームを集光して、試料に入射させる対物レンズと、
    前記試料の前記光ビームが照射された領域から出射した出射光が入射する入射側にスリットを有する分光器と、
    前記分光器からの出射光を検出する、アレイ状に配列された受光画素を有する２次元アレイ光検出器と、
    前記第１のスキャナから前記対物レンズまでの光路中に配置され、前記第１のスキャナで偏向された光ビームを反射する第１の非軸放物面鏡と、前記第１の非軸放物面鏡で反射された光ビームを反射する第２の非軸放物面鏡と、を備えた第１のリレー光学系と、
    前記光源から前記第１のスキャナまでの光路中に配置され、前記光ビームを偏向させて、前記試料上における前記光ビームの前記スポット位置を走査する第２のスキャナと、
    前記第１のスキャナと前記第２のスキャナとの間の光路中に配置され、前記第２のスキャナから前記第１のスキャナに向かう光ビームから、前記試料から前記分光器に向かう前記出射光を分離するビームスプリッタと、
    前記第２のスキャナと前記第１のスキャナとの間の光路中に配置された第２のリレー光学系とを、備え、
    前記第１のスキャナが前記分光器の前記スリットの長手方向と直交する方向に対応する第１の方向に前記スポット位置を走査し、
    前記第２のスキャナが前記スリットの長手方向に対応する第２の方向に前記スポット位置を走査し、
    前記第２のリレー光学系は、
    前記第２のスキャナからの光ビームを反射する第２の凹面鏡と、
    前記第２の凹面鏡で反射された光ビームを反射する第２の凸面鏡と、
    前記第２の凸面鏡で反射された光ビームを反射する第３の凸面鏡と、
    前記第３の凸面鏡で反射された光ビームを反射する第３の凹面鏡と、を備えており、
    前記第２の凸面鏡と前記第３の凸面鏡との間にある中間像面に対して、前記第２の凹面鏡と前記第２の凸面鏡が、前記第３の凹面鏡と前記第３の凸面鏡と対称に配置されている光学顕微鏡。
14. 前記第２の凹面鏡と前記第２の凸面鏡と前記第３の凹面鏡と前記第３の凸面鏡とが、曲率半径が実質的に等しい球面鏡である請求項１３に記載の光学顕微鏡。
15. 前記第２の凹面鏡の曲率中心と前記第２の凸面鏡の曲率中心とを通る直線が、前記第２の凹面鏡に入射する前記光ビームの基準軸から傾いており、
    前記第３の凹面鏡の曲率中心と前記第３の凸面鏡の曲率中心とを通る直線が、前記第３の凹面鏡で反射された前記光ビームの基準軸から傾いている、請求項１３、又は１４に記載の光学顕微鏡。
16. 前記第２のスキャナと前記第１のスキャナとの間の光路中に配置された第２のリレー光学系をさらに備え、
    前記光源は、異なるレーザ波長のレーザ光を切替えて使用可能であり、
    前記レーザ光の光路には、集光度合い又は発散度合いを調整するビームエキスパンダが設けられており、
    前記第２のリレー光学系は、
    前記第２のスキャナからの光ビームを屈折する第１のリレーレンズと、
    前記第１のリレーレンズからの光ビームを屈折して平行光とし、前記第１のスキャナに入射させる第２のリレーレンズと、
    前記第１のリレーレンズと第２のリレーレンズとの間に配置された絞りと、を備えた請求項１２に記載の光学顕微鏡。
17. 前記第１のスキャナの直前に配置され、試料上における前記光ビームの前記スポット位置を前記第２の方向に走査する第３のスキャナをさらに備え、
    前記第１のリレー光学系の歪曲収差により生じるスポット位置の変化を打ち消すように、前記第１のスキャナの角度に応じて、前記第３のスキャナが第２の方向に光ビームを走査する請求項１２～１６のいずれか１項に記載の光学顕微鏡。
18. 前記第１のリレー光学系で生じる歪曲収差を補正する処理装置をさらに備え、
    前記試料上における前記光ビームのスポットが前記第２の方向に沿ってライン状に伸びており、
    前記２次元アレイ光検出器では、前記ライン状の領域からの出射光を検出する複数の画素が配列されており、
    前記複数の画素が検出した１次元の測定データを補間することで、歪曲収差を補正する請求項１２～１６のいずれか１項に記載の光学顕微鏡。
19. 前記第２のスキャナにおける光ビームの断面形状を前記第２の方向に縮める光学部材をさらに備えた請求項１３～１８のいずれか１項に記載の光学顕微鏡。
20. 光源からの光ビームを第１のスキャナによって偏向させ、
    第１のリレー光学系を介して、前記第１のスキャナからの前記光ビームを対物レンズに入射させ、
    前記光ビームを前記対物レンズで集光して試料に照射し、
    前記試料から出射した出射光を、前記対物レンズで集光し、
    前記対物レンズからの出射光を分光器で分光し、
    前記分光器で分光された出射光を検出することで分光測定する分光測定方法であって、
    前記第１のリレー光学系は、前記第１のスキャナから前記対物レンズまでの光路中に配置され、前記第１のスキャナで偏向された光ビームを反射する第１の非軸放物面鏡と、前記第１の非軸放物面鏡で反射された光ビームを反射する第２の非軸放物面鏡と、を備え、
    前記分光器のスリットの長手方向に対応する第２の方向が、前記第１の非軸放物面鏡の幾何学的な対称軸に対応する方向に沿っている分光測定方法。

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