JPH08101120A - Wavelength dispersion correcting optical device for evanescent wave intrusion length - Google Patents

Wavelength dispersion correcting optical device for evanescent wave intrusion length

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JPH08101120A
JPH08101120A JP23643994A JP23643994A JPH08101120A JP H08101120 A JPH08101120 A JP H08101120A JP 23643994 A JP23643994 A JP 23643994A JP 23643994 A JP23643994 A JP 23643994A JP H08101120 A JPH08101120 A JP H08101120A
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JP
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Patent type
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evanescent wave
wavelength
angle
prism
light
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Pending
Application number
JP23643994A
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Japanese (ja)
Inventor
Midori Katou
Masafumi Kiguchi
Morio Taniguchi
美登里 加藤
雅史 木口
彬雄 谷口
Original Assignee
Hitachi Ltd
株式会社日立製作所
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Publication date

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Abstract

PURPOSE: To correct the evanescent wave intrusion length varying according to the wavelength changing the incident angle to the total reflection surface of a prism in accordance with the wavelength by the use of a dispersing element. CONSTITUTION: A diffraction light originating from an incident white light at a certain angle on a diffraction lattice 4 is collimated by a lens 1 having a focal distance f, and upon image inversion by two lenses 3, is converged by a lens 2 having a focal distance f. The optical axis of this lens system is laid on the line tying the center of the lattice 4 with a prism 5 which is formed into a semi-columnar shape and whose angle change due to refraction is ignorable. Because therein the desired incident angle can not be obtained so long as the dispersion angle of the lattice 4 remains as it is, the total reflection surface of the prism 5 is inclined from the optical axis so that an offset angle is generated, and thereby, the desired incident angle is established. This permits obtaining an evanescent wave intrusion length which is constant in the visible ray region. That is, it is possible to segregate beams of light having different, wavelengths using dispersing element of the lattice 4 and change the incident angle according to the wavelength by converging onto the total reflection surface by the lenses, and the evanescent wave intrusion length can be made constant.

Description

【発明の詳細な説明】 DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】 [0001]

【産業上の利用分野】本発明は、ATR分光装置、近接場顕微鏡などエバネセント波を用いた光学装置に関する。 The present invention relates, ATR spectrometer, an optical device using the evanescent wave like near-field microscope.

【0002】 [0002]

【従来の技術】エバネセント波は、波長以下の侵入長の範囲までに局所化した光であるので、界面近傍の性質を調べたり、深さ方向の情報を得るのに用いられる。 BACKGROUND ART evanescent wave, because it is light localized in the extent of the following penetration length wavelength, or examine the nature of the vicinity of the interface is used to obtain the information in the depth direction. 従来、これを用いた装置としては、ATR分光装置や近接場顕微鏡などが一般的である。 Conventionally, as a device using the same, such as ATR spectrometer and the near-field microscope is generally used. ATR分光については、 For ATR spectroscopy,
新実験化学講座4 基礎技術3 光[II](日本化学会編 丸善 昭和59年3月20日発行)の第408頁から第416頁に解説されている。 New Experimental Chemistry Course 4 basic technology 3 light [II] are from the first 408 pages of the (edited by the Chemical Society of Japan Maruzen, 1984 March 20 issue) is described in the first 416 pages. また、近接場顕微鏡については、例えば、S. As for the near-field microscope, for example, S. Jiangら著、ジャパニーズ ジャーナル オブ アプライド フィジックス 第30巻(1991年)第2107頁から第2111頁(Japanese Journal ofAppli Jiang et al., Japanese Journal of Applied Physics vol. 30 (1991) No. 2111 pages from the 2107 pages (Japanese Journal ofAppli
ed Physics 30、1991、pp. ed Physics 30,1991, pp. 210 210
7−2111)に記述がある。 7-2111) in there is a description.

【0003】しかし、エバネセント波の侵入長は波長の関数であるため、分光等の目的のために白色光などスペクトル幅の広い光を用いた場合、色、つまり波長によってエバネセント波の侵入長が異なる。 However, penetration depth of the evanescent wave for a function of the wavelength, when using white light like spectral wide light for the purpose of spectral like color, the penetration length of the evanescent wave that is by different wavelengths . 以下、便宜的にこれをエバネセント波の侵入長の波長分散と呼ぶことにする。 Hereinafter, convenience will be this is called penetration length of the wavelength dispersion of the evanescent wave. たとえば、可視光領域では、その侵入長はほぼ2倍違ってくる。 For example, in the visible light region, the penetration depth will differ substantially doubled. このことは、ATR分光などでは、波長によって実効深さが異なってしまうため、異なる条件での測定をしていることになる。 This is in such ATR spectroscopy, since the effective depth becomes different depending on the wavelength, will have been measured under different conditions. また、近接場顕微鏡では分解能が波長によって異なってしまうという問題をもたらす。 Also it results in a problem that resolution near-field microscope becomes different by the wavelength.

【0004】従来は、これを計算で補正したり、単色光を用いてその波長掃引しながら入射角などの条件を適宜調整するという方法を取っていた。 [0004] Conventionally, was taking method that appropriately adjusting the conditions such as the angle of incidence with the wavelength sweep with or corrected by calculating, with monochromatic light it. しかし、これらの方法では、試料が一様であるなどの条件が必要であったり、測定に多くの時間を有するなどの問題があった。 However, in these methods, because it involves conditions such as the sample is uniform, there is a problem such as having a lot of time to measure.

【0005】 [0005]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、白色光などのスペクトル幅の広い光を用いても、エバネセント波の侵入長の波長分散の無い光学系を提供することにある。 The object of the present invention is to solve the above can be used an optical wide spectral width, such as white light, is to provide an optical system having no wavelength dispersion of the penetration length of the evanescent wave.

【0006】 [0006]

【課題を解決するための手段】エバネセント波の侵入長は、入射角にも依存するので、波長毎に入射角を変えて、侵入長の波長分散を自動的に補正するようにすればよい。 Penetration length of the evanescent wave SUMMARY OF THE INVENTION Since it depends on the angle of incidence, by changing the incident angle for each wavelength, it suffices to automatically correct the penetration length of the wavelength dispersion. 波長毎に入射角を変えるのは、回折格子などの分散素子を用いることで実現できる。 Changing the angle of incidence for each wavelength can be realized by using a dispersing device such as a diffraction grating.

【0007】 [0007]

【作用】エバネセント波の侵入長は(数1)で与えられる。 [Action] penetration length of the evanescent wave is given by equation (1).

【0008】 [0008]

【数1】 [Number 1]

【0009】ここで、tinは全反射面への光の入射角、n [0009] Here, tin the angle of incidence of the light on the total reflection surface, n
pはプリズムの屈折率、nsはプリズム全反射面に接する媒体の屈折率、ラムダは光の波長を表わす。 p is the refractive index of the prism, ns is the refractive index of the medium in contact with the prism total reflection surface, lambda represents the wavelength of light.

【0010】よって、長波長の光ほど入射角を大きくすればよいことが判る。 [0010] Thus, it is understood that it is sufficient to increase the incident angle as the light of a longer wavelength. 回折格子などの分散素子を用いて波長の異なる光を空間的に分離し、レンズ等で全反射面に集光すれば、入射角を波長によって変えることが可能になる。 Light of different wavelengths using a dispersing device such as a diffraction grating spatially separated, if focused on the total reflection surface in a lens or the like, it is possible to vary the wavelength of the incident angle. 回折格子などの分散角は、そのままでは所望の入射角とはならないので、全反射面を光軸から傾けることでオフセット角を作り、また適当な倍率を有するレンズ系を用いて角度を定数倍に拡大縮小すれば、適当な条件を選ぶことで、侵入長が一定となるような入射角を得ることが可能になる。 Dispersion angle such as a diffraction grating itself would not be a desired angle of incidence, making the offset angle by inclining the total reflection surface from the optical axis and a constant multiple of the angle using a lens system having a suitable ratio if scale, by selecting the appropriate conditions, it is possible to obtain the angle of incidence, such as penetration depth is constant.

【0011】 [0011]

【実施例】 【Example】

実施例1 本発明の一実施例を、図1を用いて説明する。 An example of the first embodiment the present invention will be described with reference to FIG. コリメートされた白色光を回折格子4に角度aで入射せしめ、回折光を、焦点距離f1のレンズ1でコリメートし、2枚のレンズ3で像反転した後、焦点距離f2のレンズ2で集光する。 The collimated white light allowed incident in the diffraction grating 4 at an angle a, the diffracted light collimated by the lens 1 of a focal length f1, after image inversion two lenses 3, condenser lens 2 having a focal length f2 to. ガラスプリズム5は、屈折による角度変化が無視できるように、半円柱形に加工している。 Glass prisms 5, as negligible change in angle due to refraction, are processed into a semi-cylindrical. これは球形でもよい。 This may be a spherical shape. 回折格子4とプリズム5の中心を結ぶ線上にレンズの光軸を配置している。 It is arranged optical axis of the lens on the line connecting the centers of the diffraction grating 4 and the prism 5. この線と回折格子4の法線のなす角をcとする。 The normal angle between the line and the diffraction grating 4 and c. プリズム5を更に傾ける角度、つまり前述のオフセット角をtとする。 Further tilting angle prism 5, that is, the offset angle of the foregoing and t. レンズ3を2枚用いたのは、短波長の光ほど回折角は小さいので、 Since the lens 3 is given using two diffraction angle as the light of shorter wavelength is small,
プリズム5への入射角を小さくするためには、図1の配置では、像を反転する必要があるためである。 In order to reduce the incident angle to the prism 5, in the arrangement of FIG. 1, because it is necessary to invert the image.

【0012】回折格子4は、1200本/mmのものを用い、1次の回折を利用した。 [0012] diffraction grating 4, used as a 1200 / mm, using the first-order diffraction. エバネセント波の侵入長は近接場顕微鏡を用いて測定した。 Penetration length of the evanescent wave was measured using a near-field microscope. 光源としては、タングステンランプの放射光をピンホールを通したのち、レンズでコリメートしたものを用いた。 As the light source, then through a pinhole radiation of a tungsten lamp used was collimated by a lens.

【0013】a=0.58度、c=36.8度、t=0. [0013] a = 0.58 degrees, c = 36.8 degrees, t = 0.
6度、f1/f2=0.57とした時の、エバネセント波の侵入長の計算結果と測定結果を合わせて図2に示す。 6 °, when the f1 / f2 = 0.57, shown in Figure 2 combined measurement results and calculation results of the penetration length of the evanescent wave. これより、可視領域でほぼ一定の侵入長を実現できたことがわかる。 From this, it can be seen that can achieve substantially constant penetration depth in the visible region. ただし、この場合の計算と測定は、図1で試料11が無い場合、つまり、全反射面が空気とプリズムの界面である場合について行った。 However, calculation and measurement of this case, if no sample 11 in FIG. 1, i.e., the total reflection surface is performed if it is the interface between air and the prism.

【0014】ここでは、合計4枚のレンズを用いているが、等価な光学系は適当なレンズを組み合わせることで実現でき、その枚数を減らすことは容易にできる。 [0014] Here, although the use of a total of four lenses, an equivalent optical system can be realized by combining a suitable lens, it can easily reduce the number. 更に、侵入長が120nmの場合について実験したが、種々の侵入長についても適当な条件を選ぶことで、同様の結果を得ることができる。 Further, penetration depth is experimented for the case of 120 nm, by choosing also suitable conditions for various penetration length, it is possible to obtain the same results. また、本実施例では、レンズの色収差を無くすため、アクロマ−トレンズを用いた。 Further, in this embodiment, in order to eliminate the chromatic aberration of the lens, Akuroma - with Trends.

【0015】更に、本実施例では、ATR分光を想定して、吸収測定が可能となるようにした。 Furthermore, in this embodiment, assuming ATR spectroscopy, it was made to enable absorption measurements. 全反射した光は、波長毎に異なる角度に反射されてくる。 Light totally reflected will come is reflected at different angles for each wavelength. つまりすでに分光されているので、そのまま1次元フォトダイオードアレイを用いて強度を測定すれば、スペクトル分布を得ることができる。 Since that is already spectroscopy, by measuring the intensity with as one-dimensional photodiode array, it is possible to obtain a spectral distribution. ここでは、2次元のフォトダイオードアレイ10を配置した。 Here, we place the two-dimensional photodiode array 10. 試料11はプリズム5の全反射面の一部に密着せしめているが、図3のように、試料の無い部分からの反射光は参照光として用いることができる。 Sample 11 although in close contact to a part of the total reflection surface of the prism 5, as shown in FIG. 3, the reflected light from a portion having no sample can be used as reference light. これを2次元のフォトダイオードアレイを用いて、試料に当たった光とを同時に測定すれば、2光束測定が可能になるわけである。 Using a two-dimensional photodiode array this, by measuring the light striking the sample at the same time, not allowing two beams measured. 2次元フォトダイオードアレイ10の代わりに、1次元フォトダイオードアレイを2本あるいはそれ以上用いても良い。 Instead of the two-dimensional photodiode array 10 may be used a one-dimensional photodiode array two or more. なお、レンズ12 It is to be noted that the lens 12
は、反射光をコリメートするためのものである。 Is for collimating the reflected light.

【0016】このように分光測定に応用する場合は、元来回折格子は必要であったわけであるから、本発明によって特に回折格子などの高価な部品の点数の増加を招く訳ではない。 [0016] When applying the spectroscopic measurement in this way, because originally the diffraction grating is not was necessary, not particularly lead to an increase in the number of expensive components such as a diffraction grating according to the present invention.

【0017】実施例2 本発明の別の実施例を、図4を用いて説明する。 [0017] Another embodiment of Example 2 the present invention will be described with reference to FIG. 概ね、 Generally,
実施例1と同様であるが、この場合は、像反転をする必要がない配置になっている。 Is similar to Example 1, in this case, has the arrangement need not be the image reversal. これにより、レンズの数を減らすことができ、調整等も簡単になる。 Thus, it is possible to reduce the number of lenses becomes easy adjustment. 更に、プリズムは固定することを考え、オフセット角は回折格子側で調節することにした。 Further, prism thinking of fixed, offset angle was in regulating the diffraction grating side. 侵入長が120nmの場合も実施例1と同様に可能であるが、ここでは、侵入長が150 Although penetration depth can be in the same manner as in Example 1 in the case of 120 nm, where the penetration length 150
nmとなるように調整した。 It was adjusted so as to be nm. この時のパラメータは、a Parameters at this time, a
=1.56度、c=39.8度、t2=0.6度、f1/ = 1.56 degrees, c = 39.8 degrees, t2 = 0.6 degrees, f1 /
f2=0.34であった。 f2 = was 0.34.

【0018】 [0018]

【発明の効果】本発明を用いれば、エバネセント波の侵入長が波長によって変化しないようにできるので、エバネセント波を用いた測定、たとえばATR分光や界面の深さ方向の蛍光分光、近接場顕微鏡などの、実効深さの波長による変化や解像度の波長変化を抑さえることができる。 Using the present invention, it is possible as penetration depth of the evanescent wave does not change depending on the wavelength, measurement using the evanescent wave, for example, fluorescence spectroscopy in the depth direction of the ATR spectroscopy or surface, near-field microscopes of the variation and resolution wavelength change due to the wavelength of the effective depth can be suppressed feel more alert. さらに、経時変化の問題となる試料については、 Further, for the sample in question of aging,
光源として白色光などの極めてスペクトル幅の広い光源を用いて、必要な波長領域を同時測定する必要があるが、特にこの場合、本発明を用いることが重要となる。 Using a wide source extremely spectral width such as white light as a light source, it is necessary to simultaneously measure the required wavelength range, in particular in this case, it is important to use the present invention.

【0019】本実施例では、分散素子として回折格子用いたが、プリズムでもよい。 [0019] In this embodiment, although used the diffraction grating as the dispersing element may be a prism. また、可視光について検討を行ったが、紫外光、赤外光についても同様のことが実現できる。 Although examined visible light, ultraviolet light, similar thing can be realized also infrared light. また、光源として、白色光を用いたが、色素レーザやチタンサファイヤレーザ、或いはパラメトリック発振器などの波長可変光源を用いてもよい。 Further, as the light source, but using a white light, dye laser or titanium sapphire laser, or may be used a wavelength variable light source such as a parametric oscillator. この時、 At this time,
レーザを波長掃引して波長毎の測定が必要となるが、強い光源を得ることができる。 It is necessary to measure for each wavelength laser with a wavelength sweeping, but it is possible to obtain a strong light source. この場合でも、本発明の光学装置を用いれば、波長毎に入射角を変える必要がなく、固定した光学系を用いることができる。 Even in this case, by using the optical device of the present invention, it is not necessary to change the angle of incidence for each wavelength, it is possible to use a fixed optical system.

【0020】通常、厚みの薄い試料を用いた場合には、 [0020] Normally, in the case of using a thin thickness of the sample,
試料の屈折率の波長分散は無視できる。 Wavelength dispersion of the refractive index of the sample is negligible. 仮に、試料の屈折率の波長分散が無視できない場合や、プリズムとして屈折率の波長分散の大きな材質を用いた場合でも、これらを考慮することで、侵入長の波長分散が無視できるような条件を見い出すことができる。 If, and when the wavelength dispersion of the refractive index of the sample can not be neglected, even when a large material of the wavelength dispersion of the refractive index as the prism, by considering these, the conditions such as the wavelength dispersion of penetration depths is negligible it can be found.

【図面の簡単な説明】 BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

【図1】本発明の実施例の構成図。 [1] Configuration diagram of an embodiment of the present invention.

【図2】エバネセント波の侵入長の波長依存性。 [Figure 2] Wavelength dependence of the penetration depth of the evanescent wave.

【図3】ATR分光装置における試料配置図。 [3] Sample layout in ATR spectrometer.

【図4】本発明の別の実施例の構成図。 Diagram of another embodiment of the present invention; FIG.

【符号の説明】 DESCRIPTION OF SYMBOLS

1〜3:レンズ、4:回折格子、5:プリズム、10: 1-3: Lens 4: diffraction gratings, 5: prism, 10:
2次元フォトダイオードアレイ、11:試料、12:レンズ。 2-dimensional photodiode array, 11: Sample, 12: lens.

Claims (3)

    【特許請求の範囲】 [The claims]
  1. 【請求項1】スペクトル幅を有する光源を用いてエバネセント波を発生する機構を有する装置において、エバネセント波の侵入長の波長による変化を補正するために、 An apparatus having a mechanism for generating an evanescent wave by using a light source having a 1. A spectral width, to compensate for changes due to wavelength of penetration depths of the evanescent wave,
    分散素子を用いて、プリズムの全反射界面への入射角を波長により変えることを特徴とするエバネセント波侵入長の波長分散補正光学装置。 Using a dispersion device, evanescent wave penetration depth of the chromatic dispersion compensation optical apparatus characterized by varying the wavelength of the incident angle of the total reflection interface of the prism.
  2. 【請求項2】請求項1に記載の光学装置において、分散素子として回折格子を用いることを特徴とするエバネセント波侵入長の波長分散補正光学装置。 Wherein wherein the optical device according to claim 1, the wavelength dispersion compensation optical device of the evanescent wave penetration depth, which comprises using a diffraction grating as the dispersing element.
  3. 【請求項3】請求項1または2に記載の光学装置において、プリズムとして半円柱形かあるいは半球形のものを用いることを特徴とするエバネセント波侵入長の波長分散補正光学装置。 3. The optical device according to claim 1 or 2, evanescent wave penetration depth of the wavelength dispersion compensation optical device characterized by using those as the prism semi-cylindrical or hemispherical.
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