JP7325736B2 - Optical measuring device - Google Patents

Optical measuring device Download PDF

Info

Publication number
JP7325736B2
JP7325736B2 JP2019127205A JP2019127205A JP7325736B2 JP 7325736 B2 JP7325736 B2 JP 7325736B2 JP 2019127205 A JP2019127205 A JP 2019127205A JP 2019127205 A JP2019127205 A JP 2019127205A JP 7325736 B2 JP7325736 B2 JP 7325736B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
light
detection
sample
objective lens
incident
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2019127205A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2021012137A (en
Inventor
敬之 本間
雅広 柳沢
賢一 河村
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Waseda University
Original Assignee
Waseda University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Waseda University filed Critical Waseda University
Priority to JP2019127205A priority Critical patent/JP7325736B2/en
Publication of JP2021012137A publication Critical patent/JP2021012137A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7325736B2 publication Critical patent/JP7325736B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Description

本発明は、光学測定装置に関するものである。 The present invention relates to an optical measuring device.

試料の化学組成の情報を得ることができる光学測定装置として、共焦点光学系を用い、励起光を試料に照射したときに試料から放出される検出光としてのラマン散乱光を検出する共焦点ラマン分光装置が知られている。このような共焦点光学系では、対物レンズの焦点位置と共役な結像位置にピンホールを配置するとともに、対物レンズによって点光源からの励起光を対物レンズの焦点位置に集光するようにしている。これにより焦点が合致した試料の特定位置からだけの検出光を選択に取得している。このような共焦点ラマン分光装置は、測定対象となる試料の特定位置からだけのラマン散乱光を検出して高精度な測定ができる。 As an optical measurement device capable of obtaining information on the chemical composition of a sample, a confocal optical system is used to detect Raman scattered light emitted from the sample when the sample is irradiated with excitation light. Spectroscopic devices are known. In such a confocal optical system, a pinhole is arranged at an imaging position conjugate to the focal position of the objective lens, and the objective lens converges the excitation light from the point light source to the focal position of the objective lens. there is As a result, the detected light is selectively acquired only from the specific position of the focused sample. Such a confocal Raman spectroscopic device can detect Raman scattered light only from a specific position of a sample to be measured and perform highly accurate measurement.

また、試料に対して複数の励起光を所定の間隔で二次元配列した状態で照射することにより、試料から多点の分光スペクトルを同時取得できる多焦点共焦点タイプのラマン分光装置が知られている(特許文献1、2を参照)。 Also known is a multifocal confocal type Raman spectrometer capable of simultaneously acquiring multi-point spectra from a sample by irradiating the sample with a plurality of excitation lights in a two-dimensional array at predetermined intervals. (See Patent Documents 1 and 2).

特開2012―237647号公報JP 2012-237647 A 特開2014―10216号公報JP-A-2014-10216

共焦点光学系を用いた上記のようなラマン分光装置では、対物レンズの焦点から試料の深さ方向(厚み方向)にずれた各位置についての分光スペクトルは同時に得ることはできない。このため、深さ方向の各位置の分光スペクトルを得る場合には、対物レンズの光軸方向に、対物レンズの焦点に対して試料を相対的に移動させる必要があり、測定に時間がかかるという問題があった。このような問題は、試料に励起光を照射したときに放出される蛍光の分光スペクトルを測定するための蛍光分光装置や試料に赤外線を照射したときの透過または反射される検出光の分光スペクトルを得る赤外分光装置等の共焦点光学系を用いた光学測定装置についても同様に生じる。 In a Raman spectroscopic apparatus using a confocal optical system as described above, it is not possible to simultaneously obtain spectral spectra at positions deviated from the focal point of the objective lens in the depth direction (thickness direction) of the sample. Therefore, in order to obtain the spectrum at each position in the depth direction, it is necessary to move the sample relative to the focal point of the objective lens in the direction of the optical axis of the objective lens, which takes time. I had a problem. Such problems include fluorescence spectrometers for measuring the spectroscopic spectrum of fluorescence emitted when a sample is irradiated with excitation light, and spectroscopic spectra of detected light transmitted or reflected when the sample is irradiated with infrared rays. The same applies to optical measurement devices using a confocal optical system, such as infrared spectrometers.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、試料の深さ方向の各位置からの検出光を同時に検出することができる光学測定装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide an optical measuring apparatus capable of simultaneously detecting detection light from each position in the depth direction of a sample.

本発明の光学測定装置は、試料に測定光を点状に集光して照射する光照射部と、前記測定光の照射により前記試料から放出される検出光が入射する対物レンズ及び前記対物レンズからの前記検出光を結像させる結像レンズを有する主光学系と、前記主光学系の光軸方向について前記対物レンズの焦点位置からずれた前記試料からの光を含む前記検出光が前記主光学系から入射され、入射される前記検出光を平行光に変換するコリメートレンズを含む検出光学系と、前記コリメートレンズから射出される前記検出光の中心軸から離れた位置の光を前記試料の前記対物レンズの焦点位置からずれた位置からの光として検出する検出部とを備えるものである。 The optical measurement apparatus of the present invention includes a light irradiation unit that irradiates a sample with measurement light condensed into a point, an objective lens that receives detection light emitted from the sample due to the irradiation of the measurement light, and the objective lens. a main optical system having an imaging lens for forming an image of the detection light from the main optical system; a detection optical system including a collimating lens that converts the incident detection light into parallel light; and a detection unit for detecting light from a position shifted from the focal position of the objective lens.

本発明の光学測定装置は、測定光を試料に照射する光照射部と、前記測定光の照射により前記試料から放出される検出光が入射する対物レンズ及び前記対物レンズからの前記検出光を結像させる結像レンズを有する主光学系と、複数のマイクロレンズが配列され、前記主光学系からの前記検出光が入射するマイクロレンズアレイと、前記マイクロレンズアレイの各々のマイクロレンズに対応して複数の光ファイバが設けられ、前記マイクロレンズを透過した光が前記複数の光ファイバの一端に入射するファイババンドルと、前記ファイババンドルの各光ファイバの他端から射出される各光を検出する検出部とを備えるものである。 The optical measurement apparatus of the present invention includes a light irradiation unit that irradiates a sample with measurement light, an objective lens that receives detection light emitted from the sample by the irradiation of the measurement light, and an objective lens that connects the detection light from the objective lens. a main optical system having an imaging lens for imaging, a microlens array in which a plurality of microlenses are arranged and the detection light from the main optical system is incident, and corresponding to each microlens of the microlens array A fiber bundle provided with a plurality of optical fibers, in which light transmitted through the microlens is incident on one end of the plurality of optical fibers, and detection for detecting each light emitted from the other end of each optical fiber of the fiber bundle and a part.

本発明によれば、測定光を点状に集光して照射した試料から主光学系通して得られる検出光をコリメートレンズを介して平行光に変換し、このコリメートレンズからの検出光の中心軸から離れた位置の光を試料の対物レンズの焦点位置からずれた位置からの光として検出するようにしたので、試料の深さ方向の各位置からの検出光を同時に検出することができる。 According to the present invention, the detection light obtained through the main optical system from the sample irradiated by condensing the measurement light into a point is converted into parallel light through the collimating lens, and the center of the detection light from the collimating lens is converted to parallel light. Since the light at the position away from the axis is detected as the light from the position shifted from the focal position of the objective lens of the sample, the detection light from each position in the depth direction of the sample can be detected at the same time.

本発明によれば、主光学系を通して得られる試料からの検出光をマイクロレンズアレイを介して複数の光ファイバの一端に入射するようにしたので、各光ファイバから試料の深さ方向の各位置に対応した検出光を同時に検出することができる。 According to the present invention, since the detection light from the sample obtained through the main optical system is incident on one end of a plurality of optical fibers via the microlens array, each position in the depth direction of the sample from each optical fiber can be detected at the same time.

第1実施形態のラマン分光装置の構成を示す説明図である。1 is an explanatory diagram showing the configuration of a Raman spectrometer according to a first embodiment; FIG. ファイババンドルの入射端面と射出端面における光ファイバの配置を示す説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram showing the arrangement of optical fibers on the incident end surface and the exit end surface of the fiber bundle; 焦点位置及び非焦点位置からのラマン散乱光が形成する像を示す説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram showing images formed by Raman scattered light from focal positions and non-focal positions; 焦点位置及び非焦点位置からのラマン散乱光に対応した光束と光ファイバとの位置関係の例を示す説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram showing an example of the positional relationship between light beams corresponding to Raman scattered light from focal positions and non-focal positions and optical fibers; 測定した試料の層構造を示す説明図である。It is an explanatory view showing the layer structure of the measured sample. 2本の光ファイバの光から得られた各ラマンシフトを示すグラフである。4 is a graph showing Raman shifts obtained from light from two optical fibers; 1行分の各光ファイバの光における上層のFeと下層のNiOのラマンスペクトルピークおよびNiOとFeの光強度比を示すグラフである。4 is a graph showing the Raman spectrum peaks of Fe 2 O 3 in the upper layer and NiO in the lower layer and the light intensity ratio of NiO and Fe 2 O 3 in the light of each optical fiber for one row. 第2実施形態のラマン分光装置の構成を示す説明図である。It is an explanatory view showing the configuration of the Raman spectroscopic device of the second embodiment. 光源部の構成を示す説明図である。4 is an explanatory diagram showing the configuration of a light source section; FIG. マイクロレンズに対する光ファイバの配置の一例を示す説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram showing an example of arrangement of optical fibers with respect to microlenses; 各光ファイバに入射する光線を説明する説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining light rays incident on each optical fiber;

[第1実施形態]
図1において、ラマン分光装置10は、試料S1の深さの異なる各位置からのラマン散乱光の分光スペクトルを同時に検出するものである。
[First embodiment]
In FIG. 1, the Raman spectroscopic device 10 simultaneously detects spectral spectra of Raman scattered light from positions at different depths of a sample S1.

光学測定装置としてのラマン分光装置10は、光源部12、ダイクロイックミラー14、対物レンズ15、結像レンズ16、コリメートレンズ17、エッジフィルタ18、マイクロレンズアレイ21、ファイババンドル22、検出部としての分光検出器23を備えている。これらのうち光源部12、ダイクロイックミラー14、対物レンズ15は、光照射部を構成し、コリメートレンズ17、エッジフィルタ18、マイクロレンズアレイ21、ファイババンドル22は、検出光学系を構成する。 A Raman spectroscopic device 10 as an optical measurement device includes a light source unit 12, a dichroic mirror 14, an objective lens 15, an imaging lens 16, a collimator lens 17, an edge filter 18, a microlens array 21, a fiber bundle 22, and a spectroscopic device as a detector. A detector 23 is provided. Among them, the light source unit 12, the dichroic mirror 14, and the objective lens 15 constitute a light irradiation unit, and the collimator lens 17, the edge filter 18, the microlens array 21, and the fiber bundle 22 constitute a detection optical system.

光源部12は、励起光となるレーザ光を出力する点状光源であるレーザ光源、このレーザ光源からのレーザ光をコリメートして平行光とするコリメートレンズ等で構成される。ダイクロイックミラー14は、光源部12からの励起光を反射するとともに、励起光よりも長波長のラマン散乱光を透過する。光源部12、ダイクロイックミラー14は、ダイクロイックミラー14で反射される励起光の中心が、対物レンズ15の光軸P1(図3参照)と一致するように調整されている。対物レンズ15は、ダイクロイックミラー14で反射された励起光を試料S1上に集光するとともに、励起光を照射しているときに試料S1から放出されるラマン散乱光を集光する。この例では、励起光が測定光であり、ラマン散乱光が検出光である。 The light source unit 12 is composed of a laser light source which is a point-like light source for outputting laser light as excitation light, a collimating lens which collimates the laser light from the laser light source into parallel light, and the like. The dichroic mirror 14 reflects the excitation light from the light source unit 12 and transmits Raman scattered light having a wavelength longer than that of the excitation light. The light source unit 12 and the dichroic mirror 14 are adjusted so that the center of the excitation light reflected by the dichroic mirror 14 coincides with the optical axis P1 of the objective lens 15 (see FIG. 3). The objective lens 15 collects the excitation light reflected by the dichroic mirror 14 onto the sample S1, and collects the Raman scattered light emitted from the sample S1 during irradiation with the excitation light. In this example, the excitation light is the measurement light and the Raman scattered light is the detection light.

この例では、光源部12は、対物レンズ15を通して励起光を照射する落射照明配置であるが、対物レンズ15と反対側から試料S1に励起光を照射する透過照明配置であってもよい。透過照明配置の場合においても、励起光を対物レンズ15の焦点位置の一点に集光することが好ましい。 In this example, the light source unit 12 has an epi-illumination arrangement that irradiates excitation light through the objective lens 15, but may have a transmission illumination arrangement that irradiates the sample S1 with excitation light from the opposite side of the objective lens 15. Even in the case of the transmitted illumination arrangement, it is preferable to focus the excitation light on one point at the focal position of the objective lens 15 .

結像レンズ16は、対物レンズ15とともに主光学系を構成し、ダイクロイックミラー14を透過したラマン散乱光を集光して結像する。コリメートレンズ17は、結像レンズ16から射出されるラマン散乱光を略平行光に変換する。このため、コリメートレンズ17は、例えば、その物体側(図中左側)の焦点が結像レンズ16の像側(図中右側)の焦点と略一致するように配置されている。試料S1の深さ方向に異なる各位置から放出されて、コリメートレンズ17から射出されるラマン散乱光は、それぞれ光軸P1に直交する断面が、光軸P1すなわちコリメートレンズ17からの射出される光束の中心軸を中心とする輪帯状(ドーナツ状)であって、その径が焦点位置からのずれ量に応じた光束(以下、筒状光束という)に変換される。なお、実際にはコリメートレンズ17で平行光に変換されるラマン散乱光は、輪帯状の部分がピークとなるよう山状の光強度分布を有している。 The imaging lens 16 constitutes a main optical system together with the objective lens 15, and converges the Raman scattered light transmitted through the dichroic mirror 14 to form an image. The collimating lens 17 converts the Raman scattered light emitted from the imaging lens 16 into substantially parallel light. For this reason, the collimator lens 17 is arranged, for example, so that the focal point on the object side (left side in the figure) substantially coincides with the focal point on the image side (right side in the figure) of the imaging lens 16 . The Raman scattered light emitted from different positions in the depth direction of the sample S1 and emitted from the collimator lens 17 has a cross section perpendicular to the optical axis P1, that is, the light flux emitted from the collimator lens 17. It is converted into a luminous flux (hereinafter referred to as a cylindrical luminous flux) having a ring-shaped (doughnut-shaped) centered on the central axis of and having a diameter corresponding to the amount of deviation from the focal position. Incidentally, the Raman scattered light that is actually converted into parallel light by the collimating lens 17 has a mountain-like light intensity distribution such that the ring-like portion has a peak.

このラマン分光装置10では、対物レンズ15の焦点位置からのラマン散乱光の他に、その焦点位置に対して試料S1の深さ方向(厚み方向)にずれた位置(以下、非焦点位置という)からのラマン散乱光についても同時に分光スペクトルを検出する。このため、結像レンズ16の像側の焦点位置であって、試料S1上の対物レンズ15の焦点位置すなわち励起光の集光位置と共役な焦点位置には、非焦点位置からの光をカットするためのピンホール等を設けていない。なお、試料S1の深さ方向とは、対物レンズ15の光軸方向である。 In this Raman spectrometer 10, in addition to the Raman scattered light from the focal position of the objective lens 15, a position shifted in the depth direction (thickness direction) of the sample S1 with respect to the focal position (hereinafter referred to as a non-focal position) At the same time, the spectroscopic spectrum of the Raman scattered light from . Therefore, at the focal position of the imaging lens 16 on the image side and conjugate with the focal position of the objective lens 15 on the sample S1, that is, the condensing position of the excitation light, light from the non-focal position is cut. There is no pinhole or the like for Note that the depth direction of the sample S1 is the optical axis direction of the objective lens 15 .

エッジフィルタ18は、コリメートレンズ17から射出される光から励起光を精度良く取り除きラマン散乱光だけを透過するロングパスフィルタである。なお、エッジフィルタ18の位置は、ダイクロイックミラー14よりも後ろ側であれば特に限定されず、例えばダイクロイックミラー14と結像レンズ16との間に配してもよい。 The edge filter 18 is a long-pass filter that accurately removes the excitation light from the light emitted from the collimator lens 17 and transmits only the Raman scattered light. The position of the edge filter 18 is not particularly limited as long as it is behind the dichroic mirror 14 , and may be arranged between the dichroic mirror 14 and the imaging lens 16 , for example.

マイクロレンズアレイ21は、二次元配列した複数のマイクロレンズ21aが一体に形成されている。マイクロレンズアレイ21は、各マイクロレンズ21aの光軸が光軸P1と平行となる姿勢で配置されている。各マイクロレンズ21aは、それに入射するラマン散乱光をそれぞれ集光する。すなわちコリメートレンズ17からのラマン散乱光の一部を集光する。このマイクロレンズアレイ21により、コリメートレンズ17から射出されるラマン散乱光を複数の光束に分割し、分割した光束をそれぞれファイババンドル22の入射端面に集光する。この例では、マイクロレンズアレイ21は、nを2以上の整数として、n×n個のマイクロレンズ21aをマトリックス状に配列している。マイクロレンズ21aの二次元配列の態様は、マトリックス状に限定されず、例えばハニカム状の配列であってもよい。なお、図示の煩雑化を避けるために、図1ではマイクロレンズ21aを実際よりも少なく描いてある。 The microlens array 21 is integrally formed with a plurality of microlenses 21a arranged two-dimensionally. The microlens array 21 is arranged in a posture in which the optical axis of each microlens 21a is parallel to the optical axis P1. Each microlens 21a collects the Raman scattered light incident thereon. That is, part of the Raman scattered light from the collimator lens 17 is condensed. The microlens array 21 splits the Raman scattered light emitted from the collimator lens 17 into a plurality of light beams, and the split light beams are focused on the incident end surface of the fiber bundle 22 . In this example, the microlens array 21 has n×n microlenses 21a arranged in a matrix, where n is an integer of 2 or more. The two-dimensional arrangement of the microlenses 21a is not limited to a matrix arrangement, and may be arranged in a honeycomb arrangement, for example. In addition, in order to avoid complication of illustration, in FIG. 1, the number of micro lenses 21a is drawn smaller than the actual number.

上記マイクロレンズアレイ21は、ファイババンドル22を構成する各光ファイバ22aにラマン散乱光を効率良く入射させるとともに、焦点位置及び各非焦点位置からのラマン散乱光同士が混ざるクロストークを抑制する。 The microlens array 21 efficiently causes the Raman scattered light to enter each optical fiber 22a constituting the fiber bundle 22, and suppresses crosstalk in which the Raman scattered light from the focal position and each non-focal position are mixed.

ファイババンドル22は、マイクロレンズアレイ21のマイクロレンズ21aと同数の光ファイバ22aをまとめたものであり、光ファイバ22aとマイクロレンズ21aとが1対1に対応する。各マイクロレンズ21aからのラマン散乱光は、射出されるマイクロレンズ21aに対応する光ファイバ22aを通して分光検出器23に導光される。 The fiber bundle 22 is a collection of the same number of optical fibers 22a as the microlenses 21a of the microlens array 21, and the optical fibers 22a and the microlenses 21a correspond one-to-one. The Raman scattered light from each microlens 21a is guided to the spectral detector 23 through the optical fiber 22a corresponding to the emitted microlens 21a.

分光検出器23は、ラマン散乱光の分光スペクトルを検出する。この分光検出器23は、ラマン散乱光を分散する分光器と、この分光器で分散されたラマン散乱光の波長毎の光の強度すなわち分光スペクトルを検出する光強度検出器等で構成される。分光検出器23による分光スペクトルの検出は、各光ファイバ22aから射出されるラマン散乱光のそれぞれについて行なわれる。なお、各光ファイバ22aのうちの任意の1または複数の光ファイバ22aからのラマン散乱光について分光スペクトルを検出してもよい。 The spectral detector 23 detects the spectral spectrum of Raman scattered light. The spectroscopic detector 23 is composed of a spectroscope that disperses Raman scattered light and a light intensity detector that detects the intensity of light for each wavelength of the Raman scattered light dispersed by the spectroscope, that is, a spectral spectrum. The spectral detector 23 detects the spectral spectrum of each Raman scattered light emitted from each optical fiber 22a. It should be noted that the spectral spectrum of the Raman scattered light from any one or a plurality of optical fibers 22a out of the optical fibers 22a may be detected.

ファイババンドル22は、マイクロレンズアレイ21側の入射端面では、図2(A)に示すように、光ファイバ22aの一端がマトリックス状に配列されている。光ファイバ22aは、それらの一端がマイクロレンズ21aと同じピッチ、行数及び列数で配列されている。これにより、各マイクロレンズ21aから射出されるラマン散乱光が、それぞれ対応する光ファイバ22aに入射する。一方、ファイババンドル22の分光検出器23側の射出端面では、図2(B)に示すように、光ファイバ22aの他端がライン状に配列されている。このファイババンドル22によって、マイクロレンズアレイ21から2次元的に分布した状態で射出される焦点位置及び非焦点位置からの各ラマン散乱光が1次元的に配列した状態で分光検出器23に出力される。 As shown in FIG. 2A, one ends of optical fibers 22a of the fiber bundle 22 are arranged in a matrix on the incident end surface on the microlens array 21 side. One ends of the optical fibers 22a are arranged at the same pitch, number of rows and number of columns as the microlenses 21a. As a result, the Raman scattered light emitted from each microlens 21a enters the corresponding optical fiber 22a. On the other hand, as shown in FIG. 2B, the other ends of the optical fibers 22a are arranged in a line on the exit end face of the fiber bundle 22 on the spectroscopic detector 23 side. By this fiber bundle 22, each Raman scattered light from the focal position and the non-focal position emitted from the microlens array 21 in a state of two-dimensional distribution is output to the spectroscopic detector 23 in a state of one-dimensional arrangement. be.

上記のように、ファイババンドル22により、焦点位置及び非焦点位置からの各ラマン散乱光が、その進行方向(光ファイバ22aからの射出方向)と直交するライン状に展開されて分光検出器23に射出されるので、分光スペクトルの検出が容易である。 As described above, the fiber bundle 22 develops each Raman scattered light beam from the focal position and the non-focal position into a line orthogonal to the direction of travel (the direction of emergence from the optical fiber 22a) and onto the spectroscopic detector 23. Since it is emitted, it is easy to detect the spectral spectrum.

次に上記構成の作用について説明する。まず試料S1をラマン分光装置10のステージ(図示省略)に載置する。ステージを対物レンズ15の光軸方向に移動して、対物レンズ15の焦点位置を、例えば試料S1の表面から僅かに試料S1内に入った位置に調整する。なお、対物レンズ15の焦点位置を、試料S1の表面に一致させたり、試料S1の外部としたり、試料S1の内部のより深い位置としたりしてもよい。対物レンズ15の焦点位置が試料S1の内部に入り込んでいる場合、その焦点位置を挟んだ一対の位置からのラマン散乱光の筒状光束が重なる場合がある。このため、そのような一対の位置の試料S1からのラマン散乱光を検出する必要がない場合や、それらの筒状光束が重なっても問題なく検出できる場合(例えば同じ組成であることが既知である場合)に、焦点位置が試料S1の内部に入り込んだ状態にするのがよい。 Next, the action of the above configuration will be described. First, the sample S1 is placed on the stage (not shown) of the Raman spectrometer 10 . The stage is moved in the optical axis direction of the objective lens 15 to adjust the focal position of the objective lens 15 to, for example, a position slightly inside the sample S1 from the surface of the sample S1. The focal position of the objective lens 15 may be aligned with the surface of the sample S1, outside the sample S1, or deeper inside the sample S1. When the focal position of the objective lens 15 is inside the sample S1, the tubular beams of Raman scattered light from a pair of positions sandwiching the focal position may overlap. For this reason, when there is no need to detect the Raman scattered light from the sample S1 at such a pair of positions, or when the cylindrical light beams overlap and can be detected without any problem (for example, when they are known to have the same composition). ), it is preferable to set the focal position to be inside the sample S1.

光源部12からの励起光をダイクロイックミラー14,対物レンズ15を介して試料S1に照射する。この励起光の照射により、試料S1からラマン散乱光が放出される。試料S1から放出されたラマン散乱光は、対物レンズ15、ダイクロイックミラー14、結像レンズ16を経てコリメートレンズ17に入射する。 A sample S1 is irradiated with excitation light from a light source unit 12 via a dichroic mirror 14 and an objective lens 15 . Raman scattered light is emitted from the sample S1 by irradiation with this excitation light. The Raman scattered light emitted from the sample S1 passes through the objective lens 15, the dichroic mirror 14, and the imaging lens 16 and enters the collimating lens 17. As shown in FIG.

図3(A)に示すように、試料S1から放出されるラマン散乱光には、試料S1内の対物レンズ15の焦点位置Fpからだけではなく、対物レンズ15の光軸P1上の非焦点位置からのものが含まれている。以下、説明を簡単にするために、焦点位置Fpとともに3箇所の非焦点位置NFp1~NFp3からラマン散乱光が放出されるものとして説明する。 As shown in FIG. 3A, the Raman scattered light emitted from the sample S1 is scattered not only from the focal position Fp of the objective lens 15 in the sample S1 but also from the non-focus position of the objective lens 15 on the optical axis P1. includes those from To simplify the explanation, it is assumed that Raman scattered light is emitted from the focal position Fp and three non-focal positions NFp1 to NFp3.

結像レンズ16の焦点面では、図3(B)に示されるように、焦点位置Fpからのラマン散乱光は点状の像R0を形成する。一方、非焦点位置NFp1~NFp3からのラマン散乱光は、それらが焦点位置Fpからずれているため、輪帯状の像R1~R3を形成する。像R1~R3は像R0を中心とした同心円状のものとなり、焦点位置Fpからのずれが大きい非焦点位置のものほど径が大きくなる。 On the focal plane of the imaging lens 16, the Raman scattered light from the focal position Fp forms a point-like image R0, as shown in FIG. 3(B). On the other hand, the Raman scattered lights from the non-focus positions NFp1 to NFp3 form annular images R1 to R3 because they are shifted from the focus position Fp. The images R1 to R3 are concentric circles centered on the image R0, and the diameters of the images R1 to R3 become larger as the deviation from the focal position Fp increases.

上記ように像R0~R3を形成するラマン散乱光は、コリメートレンズ17により平行光に変換される。すなわち、焦点位置Fpからのラマン散乱光は、断面が円形の光束に変換され、非焦点位置NFp1~NFp3からのラマン散乱光は、輪帯状であって焦点位置Fpに対するずれ量に応じた径を有する筒状光束に変換される。 The Raman scattered light that forms the images R0 to R3 as described above is converted into parallel light by the collimating lens 17. FIG. That is, the Raman scattered light from the focal position Fp is converted into a light flux having a circular cross section, and the Raman scattered light from the non-focal positions NFp1 to NFp3 is ring-shaped and has a diameter corresponding to the amount of deviation from the focal position Fp. is converted into a cylindrical luminous flux with

コリメートレンズ17を経たラマン散乱光は、図4に模式的に示すように、その像R0~R3に対応した光束B0~B4がそれぞれ通過する位置のマイクロレンズ21aで集光され、マイクロレンズ21aに対応する光ファイバ22aの一端に入射する。すなわち、焦点位置Fpからずれた非焦点位置NFp1~NFp3kからのラマン散乱光は、光軸P1から離れた各光ファイバ22aに入射し、焦点位置Fpからのずれが大きいものほど光軸P1よりも大きく離れた各光ファイバ22aに入射する。そして、光ファイバ22aに入射した光束B0~B4のラマン散乱光は、それぞれ光ファイバ22aを通ってその他端から分光検出器23に射出される。 As schematically shown in FIG. 4, the Raman scattered light that has passed through the collimating lens 17 is condensed by the microlenses 21a at positions through which the light beams B0 to B4 corresponding to the images R0 to R3 respectively pass. It enters one end of the corresponding optical fiber 22a. That is, the Raman scattered light from the non-focus positions NFp1 to NFp3k shifted from the focal position Fp is incident on each optical fiber 22a distant from the optical axis P1, and the larger the deviation from the focal position Fp, the more the Raman scattered light from the optical axis P1. The light is incident on each optical fiber 22a which is widely separated. The Raman scattered light beams B0 to B4 incident on the optical fiber 22a pass through the optical fiber 22a and are emitted to the spectroscopic detector 23 from the other end.

そして、光ファイバ22aから射出されるラマン散乱光のそれぞれについて、分光検出器23により分光スペクトルが検出される。結果として、焦点位置Fpとともに非焦点位置NFp1~NFp3からのラマン散乱光の分光スペクトルが同時に検出される。そして、このように検出される分光スペクトルは、それの元になるラマン散乱光を射出する光ファイバ22aの一端の位置により、深さ方向における試料S1のいずれの非焦点位置に対応するものであるかを特定できる。このようにして、試料S1に対して対物レンズ15の焦点位置を移動させることなく、試料S1の深さ方向の各位置の分光スペクトルが得られる。 Then, the spectral detector 23 detects the spectral spectrum of each of the Raman scattered lights emitted from the optical fiber 22a. As a result, spectral spectra of Raman scattered light from the focal position Fp and the non-focal positions NFp1 to NFp3 are simultaneously detected. The spectroscopic spectrum thus detected corresponds to any non-focus position of the sample S1 in the depth direction depending on the position of one end of the optical fiber 22a that emits the Raman scattered light that is the source of the spectroscopic spectrum. can be identified. Thus, without moving the focal position of the objective lens 15 with respect to the sample S1, a spectrum is obtained at each position in the depth direction of the sample S1.

上記構成を用いて、図5に示す層構造の試料S1について、ラマン散乱光の分光スペクトルを検出した。試料S1は、上から順番にFe(酸化鉄(III))で形成した第1層31と、NiO(酸化ニッケル)で形成した第2層32とを酸化シリコン(SiO)膜33上に積層した構造である。第1層31と第2層32との厚みは、それぞれ100nmであった。対物レンズ15の焦点位置を第1層31の表面から僅かにずらした第1層31内となるように、試料S1を載せたステージを調節した。 Using the above configuration, the spectroscopic spectrum of Raman scattered light was detected for the sample S1 having the layer structure shown in FIG. In the sample S1, a first layer 31 made of Fe 2 O 3 (iron (III) oxide) and a second layer 32 made of NiO (nickel oxide) are laminated in order from the top to form a silicon oxide (SiO 2 ) film 33 . It is a structure laminated on top. The thicknesses of the first layer 31 and the second layer 32 were each 100 nm. The stage on which the sample S1 was placed was adjusted so that the focal position of the objective lens 15 was within the first layer 31 slightly shifted from the surface of the first layer 31 .

マイクロレンズアレイ21は、図4に示されるように、11×11個のマイクロレンズ21aをマトリックス状に配列したものを用いた。これに対応して、ファイババンドル22は、入射端面に、光ファイバ22aの一端を11行×11列に配列したものを用いた。以下では、図4に示されるように、ファイババンドル22の入射端面における光ファイバ22aの行方向の位置をX0、X1・・・X10、列方向の位置をY0、Y1・・・Y10として、これら行方向と列方向の各位置を用いて光ファイバ22aを特定する。 As the microlens array 21, as shown in FIG. 4, 11×11 microlenses 21a were arranged in a matrix. Correspondingly, the fiber bundle 22 has one end of the optical fibers 22a arranged in 11 rows×11 columns on the incident end face. 4, X0, X1, . The optical fiber 22a is specified using each position in the row direction and the column direction.

対物レンズ15の焦点位置(第1層31内)からのラマン散乱光が入射すると推定される位置X5Y5の光ファイバ22aと、第2層32内の非焦点位置からのラマン散乱光が入射すると推定される位置X5Y2の光ファイバ22aとから射出される光の分光スペクトルを検出した結果から得たラマンシフトを図5に示す。位置X5Y5の光ファイバ22aからの光のラマンシフトには、第1層31のFeに特有のピークが検出された。また、位置X5Y2の光ファイバ22aからの光のラマンスペクトルには、第2層32のNiOに特有のピークが検出された。 The optical fiber 22a at the position X5Y5 where the Raman scattered light is estimated to enter from the focal position (in the first layer 31) of the objective lens 15, and the Raman scattered light from the non-focus position in the second layer 32 is assumed to enter. FIG. 5 shows the Raman shifts obtained from the results of detecting the spectral spectrum of the light emitted from the optical fiber 22a at the position X5Y2. A peak peculiar to Fe 2 O 3 of the first layer 31 was detected in the Raman shift of the light from the optical fiber 22a at position X5Y5. Also, a peak specific to NiO of the second layer 32 was detected in the Raman spectrum of the light from the optical fiber 22a at position X5Y2.

また、図7に、位置Y5の行方向に並ぶ各光ファイバ22aからの光について、光強度比を示す。光強度比(Fe/NiO)は、第1層31のFe(395cm-1)の光強度の第2層32のNiO(455cm-1)に対する比である。また、光強度比(NiO/Fe)は、第2層32のNiO(455cm-1)の光強度の第1層31のFe(395cm-1)に対する比である。これらの光強度比からわかるように、焦点位置から深さ方向のずれにより大きく光強度比が変化していることがわかり、焦点位置及び各非焦点位置からの光を分別して検出できることがわかる。 Further, FIG. 7 shows the light intensity ratio of the light from each optical fiber 22a arranged in the row direction at the position Y5. The light intensity ratio (Fe 2 O 3 /NiO) is the ratio of the light intensity of Fe 2 O 3 (395 cm −1 ) of the first layer 31 to NiO (455 cm −1 ) of the second layer 32 . The light intensity ratio (NiO/Fe 2 O 3 ) is the ratio of the light intensity of NiO (455 cm −1 ) of the second layer 32 to Fe 2 O 3 (395 cm −1 ) of the first layer 31 . As can be seen from these light intensity ratios, it can be seen that the light intensity ratio changes greatly due to the shift in the depth direction from the focus position, and it can be seen that the light from the focus position and each non-focus position can be detected separately.

上記の例では、マイクロレンズアレイを介して、コリメートレンズからのラマン散乱光をファイババンドルに入射しているが、マイクロレンズアレイを省略し、コリメートレンズからのラマン散乱光を直接にファイババンドルに入射させてもよい。また、複数のマイクロレンズをライン状に並べたマイクロレンズアレイを用い、コリメートレンズから射出されるラマン散乱光を対物レンズの光軸と直交する一次元方向にのみ取得してもよい。また、複数のマイクロレンズをライン状に並べたマイクロレンズアレイを、対物レンズの光軸と直交する面内で移動あるいは回転させて、コリメートレンズから射出されるラマン散乱光を走査してもよい。さらに、1個のマイクロレンズを対物レンズの光軸と直交する面内で移動させて、コリメートレンズから射出される所望とする位置のラマン散乱光を取得してもよい。なお、上記のように構成した場合にも、光ファイバをマイクロレンズと同数にすることができる。また、ファイババンドルを省略し、1個のマイクロレンズあるいはライン状に並べたマイクロレンズから射出されるラマン散乱光を用いて分光スペクトルを検出することもできる。 In the above example, the Raman scattered light from the collimator lens is injected into the fiber bundle via the microlens array, but the microlens array is omitted and the Raman scattered light from the collimator lens is injected directly into the fiber bundle. You may let Alternatively, a microlens array in which a plurality of microlenses are arranged in a line may be used to obtain Raman scattered light emitted from a collimating lens only in a one-dimensional direction perpendicular to the optical axis of the objective lens. Alternatively, a microlens array in which a plurality of microlenses are arranged in a line may be moved or rotated within a plane perpendicular to the optical axis of the objective lens to scan the Raman scattered light emitted from the collimator lens. Furthermore, one microlens may be moved within a plane orthogonal to the optical axis of the objective lens to acquire Raman scattered light emitted from the collimator lens at a desired position. Note that, even in the above configuration, the number of optical fibers can be the same as that of the microlenses. It is also possible to omit the fiber bundle and detect the spectrum using Raman scattered light emitted from one microlens or microlenses arranged in a line.

[第2実施形態]
第2実施形態のラマン分光装置は、試料の面方向及び厚み方向についてのラマン散乱光の分光スペクトルを同時に検出するものである。
[Second embodiment]
The Raman spectroscopic device of the second embodiment simultaneously detects spectral spectra of Raman scattered light in the plane direction and the thickness direction of the sample.

図8において、光学測定装置としてのラマン分光装置50は、光源部52、ダイクロイックミラー54、対物レンズ55、エッジフィルタ56、結像レンズ57、マイクロレンズアレイ58、ファイババンドル61、検出部としての分光検出器62、データ演算部63を備えている。これらのうちの光源部52、ダイクロイックミラー54、対物レンズ55は、光照射部を構成し、マイクロレンズアレイ58、ファイババンドル61は、検出光学系を構成する。 In FIG. 8, a Raman spectroscopic device 50 as an optical measurement device includes a light source unit 52, a dichroic mirror 54, an objective lens 55, an edge filter 56, an imaging lens 57, a microlens array 58, a fiber bundle 61, and a spectroscopic device as a detection unit. A detector 62 and a data calculator 63 are provided. Among these, the light source unit 52, the dichroic mirror 54, and the objective lens 55 constitute a light irradiation unit, and the microlens array 58 and fiber bundle 61 constitute a detection optical system.

光源部52は、複数の励起光を出力する。図9に一例を示すように、光源部52は、レーザ光源65、ビームエクスパンダ66、マイクロレンズアレイ67、複数のピンホールを二次元配列したピンホール板68、コリメートレンズ69を備えている。レーザ光源65は、励起光となるレーザ光を出力する点状光源である。レーザ光源65から出力されるレーザ光は、ビームエクスパンダ66で径が大きな平行光束に変換され、マイクロレンズアレイ67によってマイクロレンズごとの小さな径の光束に分割される。 The light source unit 52 outputs a plurality of excitation lights. As an example is shown in FIG. 9, the light source unit 52 includes a laser light source 65, a beam expander 66, a microlens array 67, a pinhole plate 68 in which a plurality of pinholes are two-dimensionally arranged, and a collimator lens 69. The laser light source 65 is a point-like light source that outputs laser light as excitation light. A laser beam output from a laser light source 65 is converted into a parallel beam having a large diameter by a beam expander 66 and is split into beams having a small diameter for each microlens by a microlens array 67 .

ピンホール板68の各ピンホールは、マイクロレンズアレイ67の各マイクロレンズの焦点に配されている。マイクロレンズアレイ67から射出されて、ピンホール板68の各ピンホールを透過した各光束は、コリメートレンズ69によってそれぞれ平行光の励起光としてダイクロイックミラー54に向けて射出される。光源部52、ダイクロイックミラー54は、ダイクロイックミラー54で反射される各励起光が、対物レンズ55の光軸P2(図8参照)と平行になるように調整されている。対物レンズ55は、ダイクロイックミラー54で反射された各励起光を試料S2上に集光する。これにより、複数の励起光をマトリックス状に試料S2に対して照射する。これにより、複数の励起光を所定の間隔で、マトリクス状に二次元配列した状態で試料S2に照射する。 Each pinhole of the pinhole plate 68 is arranged at the focal point of each microlens of the microlens array 67 . Each light beam emitted from the microlens array 67 and transmitted through each pinhole of the pinhole plate 68 is emitted toward the dichroic mirror 54 as parallel excitation light by the collimator lens 69 . The light source unit 52 and the dichroic mirror 54 are adjusted so that each excitation light reflected by the dichroic mirror 54 is parallel to the optical axis P2 of the objective lens 55 (see FIG. 8). The objective lens 55 collects each excitation light reflected by the dichroic mirror 54 onto the sample S2. As a result, the sample S2 is irradiated with a plurality of excitation lights in a matrix. As a result, the sample S2 is irradiated with a plurality of excitation lights arranged two-dimensionally in a matrix at predetermined intervals.

この例における光源部52は、対物レンズ55を通して励起光を照射する落射照明配置であるが、対物レンズ55と反対側から試料S2に各励起光を照射する透過照明配置であってもよい。 Although the light source unit 52 in this example is arranged for epi-illumination in which excitation light is emitted through the objective lens 55, it may be arranged for transmitted illumination in which each excitation light is emitted to the sample S2 from the opposite side of the objective lens 55.

対物レンズ55は、複数の励起光を照射しているときに試料S2から放出されるラマン散乱光を集光する。ダイクロイックミラー54は、光源部52からの励起光を反射するとともに、励起光よりも長波長のラマン散乱光を透過する。 The objective lens 55 collects the Raman scattered light emitted from the sample S2 during irradiation with a plurality of excitation lights. The dichroic mirror 54 reflects the excitation light from the light source unit 52 and transmits Raman scattered light having a longer wavelength than the excitation light.

図8に示されるように、ダイクロイックミラー54と結像レンズ57との間に配されているエッジフィルタ56は、ロングパスフィルタで構成され、ダイクロイックミラー54を透過した光から励起光を精度良く取り除きラマン散乱光だけを透過する。結像レンズ57は、エッジフィルタ56を透過したラマン散乱光を集光して結像する。 As shown in FIG. 8, the edge filter 56 arranged between the dichroic mirror 54 and the imaging lens 57 is composed of a long-pass filter, and removes the excitation light from the light transmitted through the dichroic mirror 54 with high accuracy. Only scattered light is transmitted. The imaging lens 57 collects and forms an image of the Raman scattered light that has passed through the edge filter 56 .

ラマン分光装置50は、試料S2における各励起光の集光点、すなわち対物レンズ55の焦点面上における各励起光の照射部分からのラマン散乱光の他に、各集光点から試料S2の深さ方向(厚み方向)にずれた位置(以下、非焦点位置という)からのラマン散乱光についても同時に分光スペクトルを検出する。このため、結像レンズ57の像側の焦点面には、各励起光の集光点以外からの光をカットするためのピンホール等を設けていない。なお、試料S2の深さ方向とは、対物レンズ55の光軸方向である。 The Raman spectrometer 50 detects the depth of the sample S2 from each condensing point in addition to the Raman scattered light from the condensing point of each excitation light on the sample S2, that is, the irradiated portion of the excitation light on the focal plane of the objective lens 55. The spectrum of Raman scattered light from a position shifted in the depth direction (thickness direction) (hereinafter referred to as a non-focus position) is also detected at the same time. For this reason, the image-side focal plane of the imaging lens 57 is not provided with a pinhole or the like for cutting light from other than the condensing point of each excitation light. Note that the depth direction of the sample S2 is the optical axis direction of the objective lens 55 .

マイクロレンズアレイ58は、複数のマイクロレンズ58aがマトリックス状に二次元配列されている。このマイクロレンズアレイ58は、各マイクロレンズ58aの光軸が光軸P2と平行となる姿勢で、結像レンズ57の焦点位置近傍に配置されている。なお、マイクロレンズアレイ58は、結像レンズ57の焦点位置に配置されても、またその焦点位置よりも後側、前側のいずれに配置されてもよい。 The microlens array 58 has a plurality of microlenses 58a arranged two-dimensionally in a matrix. The microlens array 58 is arranged near the focal position of the imaging lens 57 in such a posture that the optical axis of each microlens 58a is parallel to the optical axis P2. The microlens array 58 may be arranged at the focal position of the imaging lens 57, or may be arranged behind or in front of the focal position.

ファイババンドル61は、第1実施形態のファイババンドルと同様に、複数の光ファイバ61aからなり、マイクロレンズアレイ58側の入射端面では、光ファイバ61aの一端がマトリックス状に配列され、反対側の射出側端面では、光ファイバ61aの他端がライン状に配列されている。 The fiber bundle 61 is composed of a plurality of optical fibers 61a in the same manner as the fiber bundle of the first embodiment. On the side end surface, the other ends of the optical fibers 61a are arranged in a line.

図10に示すように、各々のマイクロレンズ58aに対して、複数の光ファイバ61aの一端がマトリクス状に配列された状態で対面している。図10の例では、1つのマイクロレンズ58aに対して、4本の光ファイバ61aの一端が2行2列に配列された状態で対面している。なお、以下では、1つのマイクロレンズ58aに対応する複数の光ファイバ61aをまとめてファイバ単位と称して説明する。 As shown in FIG. 10, one ends of a plurality of optical fibers 61a face each microlens 58a in a matrix arrangement. In the example of FIG. 10, one ends of four optical fibers 61a face one microlens 58a in a state of being arranged in two rows and two columns. In the following description, a plurality of optical fibers 61a corresponding to one microlens 58a will be collectively referred to as a fiber unit.

分光検出器62は、第1実施形態のものと同様に、ラマン散乱光の分光スペクトルを検出するものであり、分光器及び光強度検出器等で構成される。この分光検出器62についても、各光ファイバ61aからのラマン散乱光のそれぞれについて分光スペクトルを検出する。データ演算部63は、ライトフィールドカメラと同様なリフォーカス処理を行い、例えば試料S2の深さごとに分光スペクトルをまとめるように分光スペクトルを再配列して表示する。このような表示を行なう場合には、例えば、入射端面におけるファイバ単位ごとの相対的に同一位置の光ファイバ61aから得られる分光スペクトルを、試料S2の同じ深さの位置から得られる分光スペクトルとして扱えばよい。 The spectroscopic detector 62 detects the spectroscopic spectrum of the Raman scattered light, as in the first embodiment, and is composed of a spectroscope, a light intensity detector, and the like. This spectral detector 62 also detects the spectral spectrum of each Raman scattered light from each optical fiber 61a. The data calculation unit 63 performs refocusing processing similar to that of a light field camera, and rearranges and displays the spectral spectra so as to group the spectral spectra for each depth of the sample S2, for example. When performing such a display, for example, the spectral spectrum obtained from the optical fiber 61a at the relatively same position for each fiber unit on the incident end face can be treated as the spectral spectrum obtained from the same depth position of the sample S2. Just do it.

上記のような構成は、ライトフィ-ルドの検出を行なうものである。対物レンズ55及び結像レンズ57からなる主光学系71と、検出光学系を構成するマイクロレンズアレイ58とファイババンドル61の各光ファイバ61aとは、ライトフィールドカメラの撮影レンズ、マイクロレンズアレイ、イメージセンサの受光素子との関係と同じである。 The above configuration is for detecting a light field. A main optical system 71 consisting of an objective lens 55 and an imaging lens 57, a microlens array 58 constituting a detection optical system, and optical fibers 61a of a fiber bundle 61 are a light field camera taking lens, a microlens array, and an image sensor. It is the same as the relationship with the light receiving element of the sensor.

上記のラマン分光装置50の作用について説明する。光源部52からの複数の励起光は、ダイクロイックミラー54、対物レンズ55を介して、試料S2に照射される。このときに、光軸P2に直交する二次元方向にマトリックス状に配列した状態で複数の励起光が試料S2に照射される。 The operation of the Raman spectrometer 50 will be described. A plurality of excitation lights from the light source unit 52 are applied to the sample S2 via the dichroic mirror 54 and the objective lens 55 . At this time, the sample S2 is irradiated with a plurality of excitation lights arranged in a matrix in a two-dimensional direction perpendicular to the optical axis P2.

試料S2の各励起光が照射された各々の部分からは、ラマン散乱光が放出される。このときに、ラマン散乱光は、試料S2における対物レンズ55の焦点面の各部分からだけではなく、励起光が照射された各部分の深さ方向の各部分からも放出される。 Raman scattered light is emitted from each portion of the sample S2 irradiated with each excitation light. At this time, the Raman scattered light is emitted not only from each portion of the focal plane of the objective lens 55 in the sample S2, but also from each portion in the depth direction of each portion irradiated with the excitation light.

上記のようにして放出されるラマン散乱光は、対物レンズ55によって集光された後に、ダイクロイックミラー54、エッジフィルタ56を透過し、結像レンズ57で集光される。そして、結像レンズ57で集光されるラマン散乱光は、マイクロレンズアレイ58を介してファイババンドル61の入射端面に入射し、ライン状に配列された各光ファイバ61aの他端から分光検出器62に射出される。このように各光ファイバ61aの他端から射出されたラマン散乱光の分光スペクトルが分光検出器62によって検出される。 The Raman scattered light emitted as described above is collected by the objective lens 55 , passes through the dichroic mirror 54 and the edge filter 56 , and is collected by the imaging lens 57 . The Raman scattered light focused by the imaging lens 57 is incident on the incident end face of the fiber bundle 61 via the microlens array 58, and is transmitted from the other end of each optical fiber 61a arranged in a line to the spectroscopic detector. 62 is injected. The spectral detector 62 detects the spectral spectrum of the Raman scattering light thus emitted from the other end of each optical fiber 61a.

ところで、試料S2から放出されるラマン散乱光の光線は、それが通過する主光学系71の位置(光軸P2からの高さ)と、当該光線の角度とに応じたいずれかの光ファイバ61aの一端に入射する。図11に主光学系71の中心部をラマン散乱光の光線が通る場合を模式的に示すように、光軸P2に直交する試料S2の面内方向の異なる位置から放出されるラマン散乱光の各光線は、互い異なるマイクロレンズ58aに入射して、それぞれ入射したマイクロレンズ58aに対応する光ファイバ61aに入射する。また、試料S2の面内方向の位置が同じであるが深さの異なる位置から放出されるラマン散乱光の各光線は、同じマイクロレンズ58aに入射するが、異なる光ファイバ61aにそれぞれ入射する。 By the way, the ray of Raman scattered light emitted from the sample S2 passes through one of the optical fibers 61a according to the position (height from the optical axis P2) of the main optical system 71 through which it passes and the angle of the ray. incident on one end of As schematically shown in FIG. 11 for the case where the rays of Raman scattered light pass through the central portion of the main optical system 71, the Raman scattered light emitted from different positions in the in-plane direction of the sample S2 perpendicular to the optical axis P2. Each light beam is incident on different microlenses 58a, and is incident on the optical fiber 61a corresponding to the microlens 58a into which each light beam is incident. Also, the rays of Raman scattered light emitted from the same position in the in-plane direction of the sample S2 but different depths are incident on the same microlens 58a, but are incident on different optical fibers 61a.

上記のように、試料S2からのラマン散乱光の各光線が各光ファイバ61aに入射することによって、図10に示されるように、マイクロレンズ58aごとのファイバ単位の位置は、光軸P2に直交する試料S2の面内方向における面内位置情報となる。また、マイクロレンズ58aごとのファイバ単位内では、光ファイバ61aの一端の位置は、ラマン散乱光の光線が放出された光軸P2の方向の位置情報、すなわち深さ情報となる。したがって、試料S2に対して対物レンズ55の焦点位置を移動させることなく、各々の光ファイバ61aの位置に基づいて、試料S2の面内方向及び深さ方向の3次元の位置情報に対応付けたラマン散乱光の分光スペクトルを同時に得ることができる。 As described above, each light beam of Raman scattered light from the sample S2 is incident on each optical fiber 61a, and as shown in FIG. It becomes the in-plane position information in the in-plane direction of the sample S2. Further, within the fiber unit of each microlens 58a, the position of one end of the optical fiber 61a serves as positional information in the direction of the optical axis P2 from which the Raman scattered light beam is emitted, that is, depth information. Therefore, without moving the focal position of the objective lens 55 with respect to the sample S2, the position of each optical fiber 61a is associated with the three-dimensional positional information of the sample S2 in the in-plane direction and the depth direction. A spectroscopic spectrum of Raman scattered light can be obtained at the same time.

このラマン分光装置50では、試料S2の面内方向及び深さ方向の各点の3次元の位置情報に分光スペクトルの情報を加えた4次元の情報が得られる。この4次元の情報は、ファイババンドル61の射出端面において、光ファイバ61aがライン状に配列されているので、2次元の情報として取得できる。 The Raman spectrometer 50 obtains four-dimensional information obtained by adding spectroscopic information to three-dimensional positional information of each point in the in-plane direction and depth direction of the sample S2. This four-dimensional information can be obtained as two-dimensional information because the optical fibers 61a are arranged in a line on the exit end face of the fiber bundle 61. FIG.

上記の例では、試料に対して複数の励起光を同時に照射しているが、例えば1つの励起光あるいはライン状に並べた複数の励起光を試料に対して移動させて走査してもよい。また、面状の励起光を試料に対して照射してもよい。さらに、マイクロレンズを二次元配列したマイクロレンズアレイに代えて、複数のマイクロレンズをライン状に並べたマイクロレンズアレイを用い、このマイクロレンズアレイを対物レンズの光軸と直交する面内で移動あるいは回転させてもよい。なお、上記のように構成した場合にも、光ファイバをマイクロレンズと同数にすることができる。 In the above example, the sample is irradiated with a plurality of excitation light beams at the same time. Alternatively, the sample may be irradiated with planar excitation light. Furthermore, instead of a microlens array in which microlenses are arranged two-dimensionally, a microlens array in which a plurality of microlenses are arranged in a line is used, and this microlens array is moved or moved in a plane perpendicular to the optical axis of the objective lens. You can rotate it. Note that, even in the above configuration, the number of optical fibers can be the same as that of the microlenses.

上記の各実施形態において、例えば国際公開2014/097886号で提案されるように、試料表面に近接して配される光が透過可能な光学デバイスの試料側の表面に金属ナノ粒子設け、金属ナノ粒子の試料に近接した近接面に励起される表面プラズモンにより、試料からのラマン散乱光を増強する構成としてもよい。 In each of the above embodiments, for example, as proposed in International Publication No. WO 2014/097886, metal nanoparticles are provided on the sample-side surface of an optical device that is arranged close to the sample surface and is capable of transmitting light. A configuration may be employed in which surface plasmons are excited on the surface of the particles close to the sample to enhance the Raman scattered light from the sample.

また、上記の各実施形態では、ラマン分光装置について説明しているが、光学測定装置としては、これに限定されるものではない。例えば、光学測定装置としては、試料に測定光としての励起光を照射したときに放出される検出光としての蛍光の分光スペクトルを測定する蛍光分光装置、試料に測定光としての赤外線を照射し、透過または反射される検出光の分光スペクトルを得る赤外分光装置等でもよい。 Moreover, although the Raman spectroscopic device is described in each of the above embodiments, the optical measurement device is not limited to this. For example, as an optical measurement device, a fluorescence spectrometer that measures the spectral spectrum of fluorescence as detection light emitted when a sample is irradiated with excitation light as measurement light, a sample is irradiated with infrared light as measurement light, An infrared spectroscopic device or the like that obtains the spectral spectrum of transmitted or reflected detection light may also be used.

10、50 ラマン分光装置
12、52 光源部
15、55 対物レンズ
16、57 結像レンズ
17 コリメートレンズ
21、58 マイクロレンズアレイ
22、61 ファイババンドル
23、62 分光検出器
71 主光学系

Reference Signs List 10, 50 Raman spectrometer 12, 52 light source unit 15, 55 objective lens 16, 57 imaging lens 17 collimating lens 21, 58 microlens array 22, 61 fiber bundle 23, 62 spectroscopic detector 71 main optical system

Claims (8)

試料に測定光を点状に集光して照射する光照射部と、
前記測定光の照射により前記試料から放出される検出光が入射する対物レンズ及び前記対物レンズからの前記検出光を結像させる結像レンズを有する主光学系と、
前記主光学系の光軸方向について前記対物レンズの焦点位置からずれた前記試料からの光を含む前記検出光が前記主光学系から入射され、入射される前記検出光を平行光に変換するコリメートレンズを含む検出光学系と、
前記コリメートレンズから射出される前記検出光の中心軸から離れた位置の光を前記試料の前記対物レンズの焦点位置からずれた位置からの光として検出する検出部とを備え
前記検出光学系は、前記コリメートレンズの像側に配され、前記コリメートレンズから射出される前記検出光の一部を集光する1または複数のマイクロレンズを備えることを特徴とする光学測定装置。
a light irradiation unit that collects and irradiates measurement light into a point on the sample;
a main optical system having an objective lens into which detection light emitted from the sample by irradiation with the measurement light is incident and an imaging lens that forms an image of the detection light from the objective lens;
A collimator for converting the detection light including the light from the sample deviated from the focal position of the objective lens in the optical axis direction of the main optical system into parallel light from the main optical system, and converting the incident detection light into parallel light. detection optics including a lens;
a detection unit that detects light at a position away from the central axis of the detection light emitted from the collimator lens as light from a position shifted from the focus position of the objective lens of the sample ,
The optical measurement apparatus according to claim 1, wherein the detection optical system is arranged on the image side of the collimator lens and includes one or a plurality of microlenses for condensing part of the detection light emitted from the collimator lens.
試料に測定光を点状に集光して照射する光照射部と、
前記測定光の照射により前記試料から放出される検出光が入射する対物レンズ及び前記対物レンズからの前記検出光を結像させる結像レンズを有する主光学系と、
前記主光学系の光軸方向について前記対物レンズの焦点位置からずれた前記試料からの光を含む前記検出光が前記主光学系から入射され、入射される前記検出光を平行光に変換するコリメートレンズを含む検出光学系と、
前記コリメートレンズから射出される前記検出光の中心軸から離れた位置の光を前記試料の前記対物レンズの焦点位置からずれた位置からの光として検出する検出部とを備え、
前記検出光学系は、マトリックス状に配列された複数のマイクロレンズのそれぞれが前記コリメートレンズから射出される前記検出光の一部を集光するマイクロレンズアレイを備えることを特徴とする光学測定装置。
a light irradiation unit that collects and irradiates measurement light into a point on the sample;
a main optical system having an objective lens into which detection light emitted from the sample by irradiation with the measurement light is incident and an imaging lens that forms an image of the detection light from the objective lens;
A collimator for converting the detection light including the light from the sample deviated from the focal position of the objective lens in the optical axis direction of the main optical system into parallel light from the main optical system, and converting the incident detection light into parallel light. detection optics including a lens;
a detection unit that detects light at a position away from the central axis of the detection light emitted from the collimator lens as light from a position shifted from the focus position of the objective lens of the sample,
Optical measurement, wherein the detection optical system comprises a microlens array in which each of a plurality of microlenses arranged in a matrix converges part of the detection light emitted from the collimating lens. Device.
前記検出光学系は、前記マイクロレンズアレイの各マイクロレンズに対応した複数の光ファイバを含み、前記複数の光ファイバの一端がマトリックス状に配列された入射端面と、前記複数の光ファイバの他端がライン状に配列された射出端面とを有し、前記複数の光ファイバの各々の一端に対応する前記マイクロレンズアレイのマイクロレンズからの光が入射するファイババンドルを有し、
前記検出部は、前記射出端面からの光が入射される分光器を有する
ことを特徴とする請求項に記載の光学測定装置。
The detection optical system includes a plurality of optical fibers corresponding to the respective microlenses of the microlens array, and has an incident end surface on which one ends of the plurality of optical fibers are arranged in a matrix and the other ends of the plurality of optical fibers. are arranged in a line, and has a fiber bundle into which light from the microlenses of the microlens array corresponding to one end of each of the plurality of optical fibers is incident,
3. The optical measurement apparatus according to claim 2 , wherein the detection section has a spectroscope into which the light from the exit end surface is incident.
前記光照射部は、前記測定光として励起光を前記試料に照射し、
前記検出光学系は、前記検出光として前記試料からのラマン散乱光を射出し、
前記検出部は、ラマン散乱光の分光スペクトルを検出する
ことを特徴とする請求項1ないしのいずれか1項に記載の光学測定装置。
The light irradiation unit irradiates the sample with excitation light as the measurement light,
The detection optical system emits Raman scattered light from the sample as the detection light,
The optical measurement apparatus according to any one of Claims 1 to 3 , wherein the detection unit detects a spectrum of Raman scattered light.
試料に測定光を点状に集光して照射する光照射部と、a light irradiation unit that collects and irradiates measurement light into a point on the sample;
前記測定光の照射により前記試料から放出される検出光が入射する対物レンズ及び前記対物レンズからの前記検出光を結像させる結像レンズを有する主光学系と、 a main optical system having an objective lens into which detection light emitted from the sample by irradiation with the measurement light is incident and an imaging lens that forms an image of the detection light from the objective lens;
前記主光学系の光軸方向について前記対物レンズの焦点位置からずれた前記試料からの光を含む前記検出光が前記主光学系から入射され、入射される前記検出光を平行光に変換するコリメートレンズを含む検出光学系と、 A collimator for converting the detection light including the light from the sample deviated from the focal position of the objective lens in the optical axis direction of the main optical system into parallel light from the main optical system, and converting the incident detection light into parallel light. detection optics including a lens;
前記コリメートレンズから射出される前記検出光の中心軸から離れた位置の光を前記試料の前記対物レンズの焦点位置からずれた位置からの光として検出する検出部とを備え、 a detection unit that detects light at a position away from the central axis of the detection light emitted from the collimator lens as light from a position shifted from the focus position of the objective lens of the sample,
前記光照射部は、前記測定光として励起光を前記試料に照射し、 The light irradiation unit irradiates the sample with excitation light as the measurement light,
前記検出光学系は、前記検出光として前記試料からのラマン散乱光を射出し、 The detection optical system emits Raman scattered light from the sample as the detection light,
前記検出部は、ラマン散乱光の分光スペクトルを検出する The detection unit detects a spectrum of Raman scattered light
ことを特徴とする光学測定装置。 An optical measuring device characterized by:
測定光を試料に照射する光照射部と、
前記測定光の照射により前記試料から放出される検出光が入射する対物レンズ及び前記対物レンズからの前記検出光を結像させる結像レンズを有する主光学系と、
複数のマイクロレンズが配列され、前記主光学系からの前記検出光が入射するマイクロレンズアレイと、
前記マイクロレンズアレイの各々のマイクロレンズに対応して複数の光ファイバが設けられ、前記マイクロレンズを透過した光が前記複数の光ファイバの一端に入射するファイババンドルと、
前記ファイババンドルの各光ファイバの他端から射出される各光を検出する検出部と
を備えることを特徴とする光学測定装置。
a light irradiation unit that irradiates a sample with measurement light;
a main optical system having an objective lens into which detection light emitted from the sample by irradiation with the measurement light is incident and an imaging lens that forms an image of the detection light from the objective lens;
a microlens array in which a plurality of microlenses are arranged and on which the detection light from the main optical system is incident;
a fiber bundle in which a plurality of optical fibers are provided corresponding to each microlens of the microlens array, and light transmitted through the microlenses is incident on one end of the plurality of optical fibers;
and a detector that detects each light emitted from the other end of each optical fiber of the fiber bundle.
前記ファイババンドルは、前記複数の光ファイバの一端がマトリックス状に配列された入射端面と、前記複数の光ファイバの他端がライン状に配列された射出端面とを有し、
前記検出部は、前記射出端面からの光が入射される分光器を有する
ことを特徴とする請求項6に記載の光学測定装置。
The fiber bundle has an incident end face in which one ends of the plurality of optical fibers are arranged in a matrix and an exit end face in which the other ends of the plurality of optical fibers are arranged in a line,
7. The optical measurement apparatus according to claim 6, wherein the detection section has a spectroscope into which the light from the exit end surface is incident.
前記光照射部は、前記測定光として励起光を前記試料に照射し、
前記ファイババンドルは、前記検出光として前記試料からのラマン散乱光を射出し、
前記検出部は、ラマン散乱光の分光スペクトルを検出する
ことを特徴とする請求項6または7に記載の光学測定装置。
The light irradiation unit irradiates the sample with excitation light as the measurement light,
The fiber bundle emits Raman scattered light from the sample as the detection light,
The optical measurement device according to claim 6 or 7, wherein the detection unit detects a spectrum of Raman scattered light.
JP2019127205A 2019-07-08 2019-07-08 Optical measuring device Active JP7325736B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019127205A JP7325736B2 (en) 2019-07-08 2019-07-08 Optical measuring device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019127205A JP7325736B2 (en) 2019-07-08 2019-07-08 Optical measuring device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2021012137A JP2021012137A (en) 2021-02-04
JP7325736B2 true JP7325736B2 (en) 2023-08-15

Family

ID=74227611

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2019127205A Active JP7325736B2 (en) 2019-07-08 2019-07-08 Optical measuring device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP7325736B2 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022177373A1 (en) * 2021-02-19 2022-08-25 주식회사 앤서레이 Raman spectroscopic device
CN113252636B (en) * 2021-05-06 2022-10-04 河北大学 Depth recognition Raman spectrum analysis system and analysis method

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008522697A (en) 2004-12-09 2008-07-03 ザ サイエンス アンド テクノロジー ファシリティーズ カウンシル Raman spectroscopic analysis of subsurface tissues and fluids
US20100309464A1 (en) 2007-03-26 2010-12-09 Chemimage Corporation Raman Chemical Imaging of Threat Agents Using Pulsed Laser Excitation and Time-Gated Detection
JP2012237647A (en) 2011-05-11 2012-12-06 Univ Of Tokyo Multifocal confocal raman spectroscopic microscope
JP2016503499A (en) 2012-11-06 2016-02-04 ケムイメージ コーポレーション System and method for serum-based cancer detection
WO2019051602A1 (en) 2017-09-14 2019-03-21 Polyvalor, Limited Partnership Methods and systems for imaging a sample using raman spectroscopy

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008522697A (en) 2004-12-09 2008-07-03 ザ サイエンス アンド テクノロジー ファシリティーズ カウンシル Raman spectroscopic analysis of subsurface tissues and fluids
US20100309464A1 (en) 2007-03-26 2010-12-09 Chemimage Corporation Raman Chemical Imaging of Threat Agents Using Pulsed Laser Excitation and Time-Gated Detection
JP2012237647A (en) 2011-05-11 2012-12-06 Univ Of Tokyo Multifocal confocal raman spectroscopic microscope
JP2016503499A (en) 2012-11-06 2016-02-04 ケムイメージ コーポレーション System and method for serum-based cancer detection
WO2019051602A1 (en) 2017-09-14 2019-03-21 Polyvalor, Limited Partnership Methods and systems for imaging a sample using raman spectroscopy

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CHAO, Kuanglin et al.,A Spatially Offset Raman Spectroscopy Method for Non-Destructive Detection of Gelatin-Encaplulated Powders,Sensors,2017年,17,618; 1-12
MATTIAER, Moriz et al.,Hyperspectral spatially offset Raman spectroscopy in a microfluidic channel,Optics Express,2019年02月04日,27(3),3782-3790

Also Published As

Publication number Publication date
JP2021012137A (en) 2021-02-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6091100B2 (en) Confocal microscope
KR101819006B1 (en) Optical measuring apparatus
JP5646604B2 (en) Method and measuring apparatus for measuring an object three-dimensionally
JP5092104B2 (en) Spectrometer and spectroscopic method
US10114204B2 (en) Apparatus and method for optical beam scanning microscopy
CN109073367A (en) Integrated colored confocal sensor
US20030132394A1 (en) Method and arrangement for the deep resolved optical recording or a sample
JP2012237647A (en) Multifocal confocal raman spectroscopic microscope
JP6573757B2 (en) High resolution scanning microscope
JP2007179002A (en) Optical microscope and method of measuring spectrum
JP2014010216A (en) Multifocal confocal microscope
JP6513697B2 (en) Optical interference device
US8633432B2 (en) Reflective focusing and transmissive projection device
JP6622723B2 (en) Multifocal spectroscopic measurement device and optical system for multifocal spectroscopic measurement device
CN108845410B (en) Multi-beam confocal high-speed scanning imaging method and device based on polyhedral prism
JP7325736B2 (en) Optical measuring device
WO2016152850A1 (en) Microspectroscope
US20110068279A1 (en) Ultra dark field microscope
US10663393B2 (en) Spectrum inspecting apparatus
US8541760B2 (en) Method for calibrating a deflection unit in a TIRF microscope, TIRF microscope, and method for operating the same
JP2016524192A (en) Equipment for confocal observation of samples
WO2017007024A1 (en) Spectroscope
JP2004361087A (en) Biomolecule analyzer
JP2005017127A (en) Interferometer and shape measuring system
JP4595571B2 (en) Micro Raman spectroscopy apparatus and micro Raman spectroscopy measurement method

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20220621

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20230303

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20230404

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20230529

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20230704

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20230724

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7325736

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150