JP7325736B2 - Optical measuring device - Google Patents
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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
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]
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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Fe2O3(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(SiO2)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
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
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Fe2O3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
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(Fe2O3/NiO)は、第1層31のFe2O3(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/Fe2O3)は、第2層32のNiO(455cm-1)の光強度の第1層31のFe2O3(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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Claims (8)
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.
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2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3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.
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:
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.
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