JPH10246696A - 共焦点の顕微分光計システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 透過及び反射式顕微スペクトロメトリーのた
めの単一の共焦点開口を使用し、操作中の透過モードの
際に照射エネルギーがその開口を通過して第１及び第２
方向へ進む顕微鏡を提供する。 【解決手段】 顕微鏡１０はインプット光信号を受ける
入口窓４を持っている。入口窓４は、赤外線波長を含み
実質的に平行な赤外線ビーム１６のようなインプット照
射線または光信号の窓に適用されるインプット部１２を
含んでいる。平行赤外線インプットビーム１６は平面鏡
１８により曲面鏡２２へ反射される。その反射ビームは
曲面鏡２２で受けられる。ビーム２４は共役の視野面を
規定する単一遠隔開口２６に指向される。焦点合わせ用
曲面鏡２２は、同開口面に垂直でありかつその中心を通
る直線である第１集束ビーム軸５に対して角度φを形成
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、一般に顕微鏡検
査とスペクトロメトリーに関するものである。より詳し
くはこの発明は、赤外線放射エネルギーを用いて分子の
顕微スペクトロメトリーに使用するための顕微鏡に関連
するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の顕微鏡−分光計の組合せの空間解
像度（ｓｐａｔｉａｌ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ）は、赤
外線の比較的長い波長（λ）によって制限される。例え
ば、限界開口数（Ｎ．Ａ．）を持った顕微鏡に対する回
折制限された空間解像度（ｄ）はｄ＝（０．６２λ／
Ｎ．Ａ．）となる。有機物質、ある種のイオン塩及びケ
イ酸塩鉱物のような分子化合物を分析するためには、中
間赤外線範囲である２．５〜２５μｍの放射エネルギー
がもっとも有用である。このような中間赤外線範囲で
は、従来の回折制限された空間的解像度は約１０μｍで
ある。

【０００３】光顕微鏡検査の分野において、鏡筒長さの
固定された光学デザインから離れて無限遠補正された顕
微鏡の着実な発展がされてきた。無限遠補正された顕微
鏡の対物レンズによれば、試料からの光はほぼ平行にさ
れたビームになる。この平行にされたビームを望遠鏡式
の光学システムで観察すると、試料の拡大像が得られ
る。無限遠補正された顕微鏡の光学デザインは、種々の
光学要素を像の質を落とすことなく平行ビーム中に配置
することができるという利点を持っている。

【０００４】共焦点の開口は、米国特許第４，８７７，
９６０号公報で開示されているように、空間的解像度を
改善するためにメッサーシュミットとスティングによっ
て最初に赤外線顕微スペクトロメトリーに適用された。
この発展において、ミンスキーによって導入されて米国
特許第３，０１３，４６７号公報で説明されているよう
に、共焦点の配置を達成するために整合した２つの離れ
た像面の一対のマスクまたは開口が用いられた。より最
近の詳しい検査において、独立したマスクまたは開口
は、透過分析のための透過モードでだけ要求されること
が発見された。しかしながら、反射分析のための反射モ
ードにおいて、単一の開口を使用すると、光源からの照
射エネルギーで照射された試料領域と、検出器へ照射エ
ネルギーを反射する試料領域との境界を決めることで、
共焦点効果を生じる。反射式顕微スペクトロメトリーに
おいて開口を区画する試料の２つの機能は、いくつかの
従来のデザインでは一般的なものである。

【０００５】共焦点の試料区画マスクで透過分析をする
ために、従来技術のシステムでは、試料面において等し
い寸法の像と同一の幾何学的形状とを持った２つの遠隔
開口が必要である。透明試料を照射するために使用され
る赤外光は２回、遮蔽されるが、その第１回の遮蔽は、
その光が、光源から試料へ進んでいるときのような、試
料の表面に入射する前に起こり、第２回の遮蔽は、照射
エネルギーが試料から透過状に出た後に、すなわち、そ
の光が、試料から可視光及び／または赤外光検出器へ進
んでいるときに起こる。

【０００６】透過式顕微スペクトロメトリーのために２
つの遠隔開口が必要性であるということは、複雑さとコ
ストを増やす。例えば、そのようなシステムを適切に操
作するために、使用者は、２つの遠隔開口の寸法と配列
の両方を、共通の焦点に持ってくるように揃えかつ調和
させなければならない。加えて、試料マスクを調整する
ために技術的な熟練が要求される。２つの遠隔開口シス
テムにつきものの問題点の結果として、多くの商業的顕
微分光計システムが、照射信号が開口を通って一回だ
け、すなわち、照射源から試料への方向に進む透過測定
のための単一開口システムを使い、それによって解像度
を犠牲にして操作の簡便さをもたらすことを選んでき
た。

【０００７】現存する顕微分光計の他の短所は、赤外光
の測定または検出の際に対象物像の同時目視観察をもた
らすことができないことである。例えば、われわれに共
有の米国特許第５，５８１，０８５号公報で説明されて
いるシステムを含む多くの従来のシステムにおいて、反
射要素（米国特許第５，５８１，０８５号公報の図１で
要素２４として示されている）は、可視光が使用者また
はビデオカメラなどの可視光検出器によって検視できる
ように、反射光または透過光の経路から除去しなければ
ならない。しかしながら、赤外線測定が必要なときに
は、反射要素は、赤外光が検出器へ反射されて戻るよう
に、照射される試料の光路に再配置しなければならな
い。そのように配置されると可視像観察はもう利用でき
ず、したがって連続自動焦点合わせの特徴が不可能とま
ではいかないが実行困難になる。

【０００８】従来の顕微分光計システムのさらなる短所
は、自動化された一連のスペクトル測定のために、対象
物を遮蔽しまた光量を調節するために用いられる２つの
開口の寸法や面積が固定されてしまうという点である。
試料の遮蔽面積は自動化されたスペクトル収集連続操作
の間、変えることができないので、最適の試料遮蔽は犠
牲にされる。例えば、一連の粒子や細胞が自動化された
方法で連続的に分析されるとすると、従来技術は２つの
遠隔開口が最小の形態に作られることを要求するであろ
うし、この寸法は前記連続操作の間、変えることができ
ないであろう。

【０００９】従来技術の顕微分光計システムのなおいっ
そうの短所は、同システムが単一検出器ユニットへの赤
外光を準備し指向させるだけであるという点である。も
し、第１検出器によって供給されるようになるものとは
別の分析を手に入れるように、異なる検出器ユニットを
望むならば、第１検出器はアウトプット光路から分離さ
れあるいは、さもなければ取り外され、代わりに他の検
出器に置き換えなければならない。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】したがって、この発明
の１つの目的は、透過及び反射式顕微スペクトロメトリ
ーのための単一の共焦点開口を使用し、操作中の透過モ
ードの際に照射エネルギーがその開口を通過して第１及
び第２方向へ進む顕微鏡を提供することである。

【００１１】この発明のさらなる１つの目的は、赤外線
測定のされている間に対象物像を観察することができ、
かつ焦点合わせ手段によって試料の焦点を連続的に調節
する手段を提供する、同時に可視像観察と赤外線検出と
ができる特徴を持った顕微鏡を提供することである。

【００１２】この発明の他の１つの目的は、対象物試料
の照射領域を変えるために単一の共焦点開口の面積を調
整しかつ規制するための機構を持った顕微鏡を提供する
ことである。

【００１３】この発明の他の目的は、複数の検出器を載
置して赤外光を選択的に指向させるための顕微鏡を提供
することである。

【００１４】この発明のさらに他の目的は、顕微鏡から
放射されるアウトプット赤外ビームを検出器に位置合わ
せするための立体移動可能な検出器搭載用の載置台を提
供することである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】この発明は、単一の試料
区画開口が透過式及び反射式の顕微スペクトロメトリー
のための共焦点開口として機能することができるという
発見に一部、基づいている。この発明による顕微鏡は、
単一の共焦点開口と、平行照射ビームを発生させるため
の平行赤外線源とを含んでいる。第１光学手段は、平行
照射ビームを単一の共焦点開口を通して指向させ、第２
光学手段は、その指向されたビームを受け入れて再び平
行にする。透過モードにおいて、再び平行にされたその
ビームを受け入れるために配された第３光学手段が、再
び平行にされたビームを透明試料を含んだ試料面に焦点
合わせして、その透明試料における１つの領域を像ビー
ムの発生のために照射する。その像ビームを受け入れて
平行にするための第４の光学手段が設けられ、その像ビ
ームは、検出器により受け入れることのできるアウトプ
ットビームを形成するための単一の共焦点開口を通し
て、平行ビームを焦点合わせするための第５の光学手段
へ指向される。

【００１６】好ましい実施の形態では、その開口の寸法
と配向を調整するための機構が設けられており、また、
対象物像の同時観察と赤外線検出を行わせ、それによっ
て可視光及び赤外光のビームの試料面への連続的な自動
焦点合わせを促進するための二色性ビームスプリッタが
設けられている。また、その好ましい実施の形態では、
アウトプット赤外線ビームを複数の検出器の１つに選択
的に指向させるための、可動光学要素などの機構が設け
られている。

【００１７】他の好ましい実施の形態では、検出器の搭
載される載置台装置が設けられている。その載置台装置
は、検出器を適切に赤外線ビームと整列させるために設
けられる検出器の３次元運動を促進する。

【００１８】この発明の種々の特徴は、非限定的な例と
して与えられた次の記述を読み、添付図面を参照して考
察される以下の詳細な記述から明らかになるであろう。
しかしながら、同図面は例示の目的のためにだけ描かれ
ており、この発明の限界を定めるものではなく、その目
的のためには添付の請求項を参照するべきである、とい
うことを理解すべきである。

【００１９】

【発明の実施の形態】この発明による発明性のある顕微
分光計システムは、試料の外部反射と内部反射のスペク
トル分析はもちろん、視覚的観察を達成するためのフー
リエ変換赤外線分光計に用いられるために設計されてい
る。この顕微分光計システムは、当業者によく知られか
つわれわれに共有の米国特許第５，５８１，０８５号公
報にいっそう詳しく説明されている種々の基準光学構成
要素を用いるものであり、そのすべての内容は引用によ
りここに組み込まれる。簡略化のために、そのような公
知の光学要素の操作及び機能についてはここでは記載し
ない。

【００２０】この発明は、透過的または反射的なスペク
トル分析及び像形成のための単一試料区画用開口を用い
る共焦点顕微鏡の光学上の空間解像度の利点をもたら
す。共焦点顕微スペクトロメトリーのための単一試料開
口を用いると、この進歩性あるシステムは、そのような
システムのコストを減らす一方、２つの遠隔開口の整列
及び調整のための必要性が軽減されるため、従来技術の
システムに比べていっそう使いやすくなり、より精密で
効率のよいものになる。

【００２１】さて、各図面そしてまず図１を参照する
と、透過モードまたは反射モードにおける操作の可能な
単一開口共焦点顕微分光計システム１０が概略的に描か
れている。透過モードにおける顕微鏡操作をまず説明す
る。図に示されていないが、顕微分光計または顕微鏡１
０は、当業者に知られ米国特許第５，５８１，０８５号
公報に記載されているハウジングを含んでいる。そのハ
ウジングはここで記載される種々の顕微鏡要素を収納す
る。

【００２２】顕微鏡１０はインプット光信号を受けるた
めの入口窓４を持っている。入口窓４は、赤外線波長を
含み実質的に平行にされた赤外線ビーム１６のようなイ
ンプット照射線または光信号の窓に適用されるインプッ
ト部１２を含んでいる。平行にされたインプット赤外線
ビーム１６は例えば、従来技術で知られたフーリエ変換
赤外線分光計のような赤外線源１７から発生することが
できる。

【００２３】実質的に平行にされた赤外線インプットビ
ーム１６は、反射面すなわち平面鏡１８により曲面鏡２
２へ反射される。その反射ビームは、ビーム２０として
示されており、好ましくは球面状に形成されかつ反射ビ
ーム２０を集束ビーム２４に集中させる第１光学手段す
なわち曲面鏡２２で受けられる。ビーム２４は共役の視
野面を規定する単一遠隔開口２６に指向される。焦点合
わせ用曲面鏡２２は、同開口面に垂直でありかつその中
心を通る直線として定められる軸５に対して第１集束ビ
ーム２４が角度φを形成するように設計される。好まし
い実施例では、第１集束ビーム２４と定められた軸５と
の間の角度φは、５°から１５°の範囲にあり、最も好
ましくは約７°である。集束ビーム２４を開口２６に対
し傾斜させることにより、同様の単一開口は顕微鏡操作
の透過及び反射モードのための２つの共焦点開口として
用いることができることがわかった。

【００２４】遠隔の共焦点開口２６はビーム２４の焦点
の断面積を制限する。当業者に知られているように、対
象物の照射面積を制限することにより、試料領域の解像
力を増加させることができる。このことは、シュワルツ
シルト−ビリガー効果の減少として、また赤外線スペク
トル測定における回折効果の減少として知られている。
以下でいっそう充分に説明されるが、好ましい実施例
は、集束ビーム２４の断面積をさらに調節しそれによっ
て照射対象物面積を調節するための調節可能な開口２６
を含んでいる。

【００２５】開口２６を通過した後に、集束ビーム２４
は第２光学手段すなわち曲面鏡２８に指向されるが、こ
の曲面鏡２８も、好ましくは球面状であって、ビーム２
４を再び平行にして平行ビーム３０とし、その平行ビー
ム３０は次に反射面すなわち平面鏡３２により反射され
る。好ましい実施例においてまた以下にいっそう充分に
記載されるように、反射された平行ビーム（ビーム３４
として示されている）は、二色性材料から構成されかつ
入射ビームを２以上の経路へ指向させるための二色性ビ
ームスプリッタとして機能する反射要素３６に指向され
る。特に、二色性ビームスプリッタ３６は、ある波長を
特定方向に通し、かつ他の波長を他の方向に反射させる
ために構成されている。二色性の光の性質については米
国特許第５，１６０，８２６号公報に詳しい説明が見受
けられる。

【００２６】二色性ビームスプリッタ３６は、反射され
た平行ビーム３４を、米国特許第５，５８１，０８５号
公報でいっそう詳細に説明されている無限遠補正対物レ
ンズ４０へ指向させる。レンズ４０は、実質的に平行に
された反射ビーム３８がレンズの合焦特性によって焦点
位置に運ばれるように、適切な曲率と間隔を持った複数
の鏡要素から構成されている。レンズ４０の焦点位置
は、スペクトル分析が行われる試料の材料を含んだ試料
面４２にある。

【００２７】透過モードにおいて、試料面４２は、対物
レンズ４０によって試料のある領域に焦点の合うビーム
３８が開口の像を試料上に形成するために指向される透
明な試料（図示略）を含んでいる。試料から出る像ビー
ムは、その像ビームを再び平行にするとともに光学要素
４８に指向させる集光レンズ４４のような第４の光学手
段へもたらされる。集光レンズ４４の操作は、当業者に
知られており、反射レンズであっても屈折レンズであっ
てもよいが、反射レンズが好ましい。

【００２８】好ましい実施例において、集光レンズ４４
の焦点距離は対物レンズ４０と同じ焦点距離及び倍率を
持っている。単一開口が２つの共焦点開口として機能す
るためには、試料面４２及びビームと開口２６を含む共
役視野開口面における入射ビームと透過ビームに対して
倍率が実質的に等しくなれけばならない。

【００２９】集光レンズ４４は、試料面４２上に含まれ
る試料対象物のある領域を照射することで生じる像ビー
ムが再び平行にされたビームである実質的に平行なビー
ム４６をもたらす。その再び平行にされたビーム４６
は、反射要素３６のように二色性材料から構成されそこ
にもたらされた種々のビームを複数の異なる光路に指向
させるためのビームスプリッタとして機能する反射要素
４８により反射される。反射された平行ビームは、ビー
ム４６を集束用の曲面鏡５２である第５の光学要素に指
向させるための平面鏡であるのが好ましい反射面５０に
もたらされる。鏡２２のように、集束用の鏡５２は曲面
状に形成されており、平行ビーム４６を単一遠隔開口２
６を通して集束ビーム５４として集束させる。換言すれ
ば、赤外線ビーム４６は、同じ単一の開口２６を再び通
過し、その際、照射ビームの断面積が再び制限され、そ
れにより得られる像の試料解像力がさらに改善される。

【００３０】得られたビーム５４は、平行にされた像ビ
ーム５８として示されそれを顕微鏡１０のアウトプット
端子１４に指向させる集束されたビーム５４を再び平行
にする曲面状にされた他の球面鏡５６に指向される。特
に、ビーム５８は、再び平行にされた像ビーム５８をビ
ーム６２へと反射させるための反射要素６０へ指向さ
れ、ビーム６２は、反射された赤外アウトプットビーム
を光学要素６８へもたらすための鏡６６のような反射面
へ指向される。光学要素６８は、再び平行にされたビー
ム６２を赤外線放射エネルギー検出器６９上に集束させ
る。赤外線放射エネルギー検出器６９により生じた信号
は、信号処理のためのフーリエ変換分光器に通される。

【００３１】以下でいっそう充分に説明されるが、反射
要素６０は、照明モードで用いるための顕微鏡１０への
可視光の導入を行わせる二色性ビームスプリッタであっ
てもよい。さらに、光学要素６８は好ましくは、反射ビ
ームを複数の検出器６９・９９に指向させ種々のスペク
トル分析を行うために可動のものでもよい。換言すれ
ば、光学要素６８の配設方向を変化させることで、その
結果としてのアウトプットビームを、種々の測定を行う
ために適切に配置された複数の検出器の１つに指向させ
ることができる。

【００３２】顕微鏡１０は、可視光と赤外線の両方によ
って照らされる試料面４２に置かれた試料を使用者が観
察できるようにする照明モードで同時に操作することの
できるものである。さて、図２を参照すると、透過分析
中に試料を照らすための照明モードが説明される。図示
されているように、顕微鏡１０は、対物レンズ４０によ
る上面照明かまたは集光レンズ４４による下面照明のい
ずれかを通して試料面４２を照らすために置かれた数種
の可視光源７２・８６・８９を含んでいる。透過モード
照明のために、レンズ４４を通る試料面４２の下面照明
が使用される。種々の可視光ビームが図２における破線
で示されている。

【００３３】引き続いて図２を参照すると、第１透過照
明モードが可視光源７２によってもたらされるが、可視
光源７２は、可視照明ビーム７４を発生しそれを可視ビ
ームインプット部７３を通して平面鏡７６のような反射
面に指向させる。鏡７６は二色性要素４８を通して反射
ビーム７４を集光レンズ４４の中へ指向させ、集光レン
ズ４４はビーム７４を試料面４２に集光させる。試料面
４２から出る像ビームは対物レンズ４０によって再び平
行にされて平行ビーム７８に形成される。次いで、平行
ビーム７８は、ビーム７８を可視ビームスプリッタ８０
へ通過させる二色性要素３６に供給される。ビームスプ
リッタ８０は、実質的に平行にされた可視像ビーム（ビ
ーム８２として示されている）を、ビーム８２から像を
形成するために、例えば接眼レンズまたはビデオカメラ
のような観察機構９６へ供給する。

【００３４】第２透過照明モードは可視光源８９によっ
てつくられる。この第２モードでは、赤外線ビーム１６
によって照射される試料対象物領域を照らすために、可
視光が用いられる。このことをなし遂げるために、赤外
線ビーム１６（図１に示されている）のビーム幅に実質
的に等しいビーム幅を持った可視光が、インプット部１
２（図１に示されている）または分離可視光インプット
部９０を通って顕微鏡の入口窓４にインプットされ、実
質的に赤外線ビームが通るのと同じ経路、すなわち赤外
線ビームと同軸である経路に沿って試料面４２に指向さ
れる。したがって、可視光源８９によって発生し平行に
された可視ビーム１２０はインプット部１２またはイン
プット部９０にインプットされる。

【００３５】もし、インプット部１２が用いられると、
平面鏡１８を、赤外線ビーム１６と可視ビーム２０の両
方を受け入れるための二色性要素に置き換える必要があ
る。図２に示されるように、もし、インプット部９０が
用いられると、ビーム１２０は、平面鏡７０へ指向され
てそこで曲面鏡５６へ反射される。

【００３６】従来技術で知られているように、曲面鏡５
６は、１つの方向へ進む平行ビームを集束させるととも
に、他の方向へ進む集束ビームを平行にする。言い換え
れば、曲面鏡５６は、集束した赤外線ビーム５４を平行
ビーム５８（図１に示されている）に変換するだけでな
く、平行にされた可視光ビーム１２０を集束した可視光
ビーム１２２に集束させる。このビーム１２２は、示さ
れているように開口２６へ指向されて曲面鏡５２により
受けられる。

【００３７】同様に、曲面鏡５２は、平行赤外線ビーム
４６を開口２６を通して集束させて集束ビーム５４（図
１に示されている）にするととともに、集束した可視ビ
ーム１２２を再び平行にして平行ビーム１２４にする。

【００３８】平行にされた可視ビーム１２４は、反射面
すなわち鏡５０で反射されて、反射平行ビーム１２６に
なる。この平行ビーム１２６は、二色性要素４８によっ
てさらに反射され、また試料面４２の上にレンズ４４に
よって集束されて試料面４２の可視像を形成する。平行
にされた可視ビーム（ビーム１２８として示されてい
る）は、次いで、試料領域の可視像を形成するための観
察機構９６によって受けられる。すぐ明らかになるであ
ろうが、両レンズ４０・４４は可視光源７２・８９から
発生する両可視ビーム７４・１２６にそれぞれ作用す
る。

【００３９】前記のように、二色性材料のビームスプリ
ッタの作用は、入射ビームに含まれるある波長が１つの
方向に向けられ、他の波長が他の方向に向けられるよう
なものである。例えば、ビームスプリッタ３６は、ビー
ム３４をレンズ４０（図１に示されている）の中へ反射
させ、ビーム１２８（すなわち、試料面を可視光で照射
することで形成される可視的波長）を可視ビームスプリ
ッタ８０へ通過させる。

【００４０】その結果、ビームはコンピュータに接続さ
れたビデオカメラへもたらされる。このコンピュータ
は、レンズ４０・４４の一方または両方及び／または試
料面４２における焦点合わせ装置に順次接続されてお
り、可視像を得るために反射面３６を除く必要なしにレ
ンズまたは試料面の連続的な自動焦点合わせを促進す
る。

【００４１】次に、図３を参照すると、透過モードにお
ける顕微鏡１０の赤外線可視ビーム光路の他の形態が示
されている。図３に示されたシステムは、数種の付加的
要素を含んでいる点を除いて、図１に示されたシステム
に類似している。

【００４２】例えば、示差干渉対照（ＤＩＣ）型の光学
要素８８は、従来技術で知られているように、試料面４
２の上に置かれた試料の可視像のコントラストを改善す
るための二色性要素３６と対物レンズ４０の間に含まれ
ているのが好ましい。その可視像は可視ビームスプリッ
タ８０を通り、観察機構９６へもたらされる。観察機構
９６は前記のように、照射された試料の可視像を得るた
めの、単眼鏡、双眼鏡、三眼鏡、ビデオカメラ、テレビ
ジョンなどの直接的な観察手段であってもよい。

【００４３】前記のように、二色性要素３６は試料の観
察とスペクトル分析を同時にもたらすが、これは、可視
像を観察機構９６へもたらす間に入射する赤外線ビーム
３４を対物レンズ４０へそして最後に赤外線検出器６９
へと同時に反射させるからである。

【００４４】したがって、観察機構９６により制御され
対物レンズ４０及び／または集光レンズ４４及び／また
は対象物試料の置かれる試料面４２に接続される焦点合
わせ用モータ９８を設けることにより、連続的な自動焦
点合わせが達成できる。例えば、もし可視像がぼやけて
いるかピンぼけであれば、観察機構９６は、再び焦点合
わせをしあるいは対物レンズ４０及び／または集光レン
ズ４４及び／または試料面４２を調節するために、焦点
合わせ用モータ９８へ信号を送ることになる。

【００４５】さて、図４及び図５を参照して、顕微鏡１
０の赤外線反射モード操作が次に説明される。図４に示
されるように、赤外線源１７によって発生される赤外線
ビーム１６は、試料面４２から横断状に進む（すなわ
ち、試料面４２から光学要素６８へ）光路と実質的に同
じ光路（すなわち、赤外線源１７から試料面４２へ）を
たどって試料面４２に至る。特に、平行にされた赤外線
ビーム１６は、ビーム（ビーム２０として示されてい
る）をテーパ状端部と反射用上面とを持ったビームスプ
リッタ１３０へ反射させる第１平面鏡１８へ指向され
る。

【００４６】ビームスプリッタ１３０は、ビーム２０の
実質的に半分を遮蔽し、その残りを開口２６を通って集
束させるための曲面鏡２２へ通過させる。その結果、ビ
ームは、反射面３２に指向される平行赤外線ビーム３０
を形成するための球面鏡２８によって再び平行にされ
る。反射面３２は、平行にされた赤外線ビーム３０（ビ
ーム３４として示されている）を二色性要素３６へ反射
させる。二色性要素３６は試料面４２の上に集束させる
ためのレンズ４０へ同ビームを順次、反射させる。

【００４７】反射モード操作のために、レンズ４０を通
過して集束したビームを反射させる試料面４２の上に不
透明な反射試料が置かれる。レンズ４０は、反射された
ビーム（平行ビーム３８として示されている）を平行に
して二色性要素３６へ指向させ、反射面３２へ向けて反
射させて曲面鏡２８へ指向させる。

【００４８】次いで、曲面鏡２８は、反射ビームを再び
集束させ、開口２６を通って曲面鏡２２へ戻す。曲面鏡
２２は、その集束されたビームを再び平行にして平行ビ
ーム５８とする。ビーム５８は、ビームスプリッタ１３
０へ、特にその上部反射面へ戻される。ビームスプリッ
タ１３０は、平行ビーム５８を二色性反射要素６０へ反
射させ、光学要素６８により受けられるように指向させ
る。前記のように、光学要素６８は、アウトプット赤外
線ビームを赤外線検出器６９または９９の１つへ選択的
に指向させるために、可動のものである。

【００４９】次に、図５によれば、反射モードの際の可
視光の光路が描かれている。試料面４２を可視的に照ら
すために第１照明モードが用いられており、また赤外線
が照射される試料対象物領域を可視的に照らすために第
２照明モードが用いられている前記の照明透過モードの
ように、反射モードもまた、これらの目的のための２つ
の照明モードを用いる。

【００５０】その第１モードは、可視光源８６から可視
光ビーム８４を発生させることによって試料面４２を照
らすために用いられる。ビーム８４は可視ビームスプリ
ッタ８０へ指向され、次にビームスプリッタ８０は可視
ビームを二色性ビームスプリッタ３６へ反射させ、ビー
ムスプリッタ３６は試料面４２の上に集束させるための
レンズ４０へビーム８４を通過させる。反射モードにお
いて試料面４２の上に置かれた試料対象物は不透明なも
のであるので、可視光はその試料からビームスプリッタ
３６及び８０へ反射されて戻り、観察機構９６によって
受け入れられる。

【００５１】第２反射照明モードは、鏡７０へ指向され
る平行可視ビーム１２０を作るために可視光源８９を用
いる。平行可視ビーム１２０は、前記のように反射物質
が載置されているビームスプリッタ１３０の上面へ反射
され、さらに曲面鏡２２へ反射される。曲面鏡２２は平
行反射ビーム１２０を開口２６に集束させ、集束した可
視ビーム１３２は曲面鏡２８により受けられる。曲面鏡
２８は、集束ビーム１３２を再び平行にして、反射面３
２に指向されるビーム１３４にする。ビーム１３４は、
二色性要素３６へ指向され、試料面４２の上に集束させ
るための対物レンズ４０へと下向きに進む。

【００５２】可視光は試料面４２で反射されて観察機構
９６へ向かう。言い換えると、反射された可視光は、二
色性ビームスプリッタ３６と可視ビームスプリッタ８０
を通って観察機構９６へもたらされる。赤外線光と同様
な開口２６を通って可視光を指向させることで、赤外線
ビームにより照射される試料面４２に置かれる試料対象
物の領域は、反射モードまたは透過モードのいずれかに
おいて、可視光により照射される領域と同じであること
を理解すべきである。これにより、照射領域の観察が可
能になる。

【００５３】次に、図６〜９を参照して、単一共焦点開
口２６の調節について説明する。前記のように、開口２
６は入射赤外ビーム（すなわち、ビーム源１７から試料
面４２へ進むビーム）の断面積を制限し、また、その結
果としての、図１に示された像ビーム（すなわち、試料
面４２から光学要素６８へ進むビーム４６）の断面積を
制限する。

【００５４】前記のように、開口２６の寸法、すなわ
ち、開口２６を通過するビームの幅は調節することがで
きる。図６でＸ軸−Ｙ軸に置かれた開口２６は、原点に
関して回転可能なものであり、また、２組の対向シャッ
タ１０２・１０４を含んでいる。シャッタ組１０４は、
Ｘ軸に平行に置かれた対向端１０５を持って示されてお
り、シャッタ組１０２は、Ｙ軸に平行に置かれた対向端
１０７を持って示されている。これらのシャッタ組１０
２・１０４は、以下にいっそう充分に説明されるよう
に、開口２６の寸法を変化させるために調節することが
できる。

【００５５】図６には、２つの対向端１０５・１０７ど
うしの間隔が等しい、実質的に正方形の開口が描かれて
おり、図７には、対向端１０５どうしの間隔が対向端１
０７どうしの間隔よりも小さい長方形の開口が描かれて
いる。図８において、開口２６は閉じられた位置に示さ
れており、対向端１０７どうしは互いに接触している。
開口２６は対向端１０７に代えて対向端１０５を合わせ
ることで同様に閉じることができる、ということを理解
すべきである。

【００５６】図９によれば、シャッタ組１０２・１０４
は、特定の方向へ回転されたときにシャッタ組１０２・
１０４を開閉するカム機構によって操作される。さらに
詳しくは、このカム機構は、中央開口１５５を持った一
対のワッシャすなわちディスク１５０（一方だけが図示
されている）を含んでいる。シャッタ組１０４は、ピン
１５２を介してワッシャ１５０に接続されており、ピン
１５２の一端がワッシャ１５０に結合され、他端がシャ
ッタ組１０４に形成された曲線状の溝１５４に嵌められ
ている。実質的に平行な一対のロッド１５６がシャッタ
組１０４に結合され、シャッタ組１０４が互いに一直線
に並んで存在することを保証する。

【００５７】ワッシャ１５０が回転すると、シャッタ組
１０４がロッド１５６に平行な移動方向へ動く。ワッシ
ャ１５０に類似したワッシャ（図示略）に取り付けられ
そこから９０°の角度をもって変位させたシャッタ組１
０２に関しても同様な形態が存在する。開口２６の寸法
を選択的に調節することで照射されるべき対象物試料の
領域を調節することができる、ということは認識するこ
とができる。

【００５８】前記のように、開口２６の寸法はシャッタ
組１０２・１０４を動かすことで調節される。寸法調節
に加えて、開口２６はまた、１つの軸に関して回転可能
なものである。例えば、図１０〜１２によれば、ワッシ
ャ１５０は軸１６７に関して置かれて示されている。

【００５９】フレーム１６９は、ロッド１５６が固定さ
れて設けられている。フレーム１６９は、顕微鏡ハウジ
ンクに固定状に取り付けられその中に区画された中央口
を持った支持ブラケット１６５に接続されている。襟状
部材１６１は、示されるようにその中央口に回転状に取
り付けられかつ襟状部材１６１にしっかり固定されてい
るベルト駆動プーリすなわちギア１６３を持っている。
ベルト駆動プーリ１６３は、モータ（図示略）に接続さ
れたベルト（図示略）によって、回転状に駆動される。
プーリ１６３が回転すると、シャッタ組１０２・１０４
が固定されているフレーム１６９も回転し、それによっ
て開口２６の角度的変位が起きる。

【００６０】次に、図１３及び１４によれば、この発明
の検出器整列機構１９０が説明される。図１３には、検
出器軸２０１を持ちかつ整列機構１９０に取り付けられ
て検出器軸２０１が図において左から右へ伸びる検出器
６９が描かれており、図１４には、図１３の検出器が９
０°回転されて示されている。

【００６１】整列機構１９０は、一対のロッド２０２・
２０４によって中間板２１２から離された基板２１４を
含んでいる。基板２１４は、ロッド２０４がしっかりと
固定されている端に沿って形成された切欠すなわち溝２
０３を持っており、中間板２１２はロッド２０２がしっ
かりと固定されている切欠２０５を持っている。ロッド
２０２の両端は、一端がバネプランジャ２１０により他
端が蝶ネジ２１６により基板２１４に固定されている。
ネジ２１６の調節によって、基板２１４に対して中間板
２１２は直線状に動く（すなわち、軸２０１に垂直な方
向への動き）。

【００６２】取付機構もまた、ロッド２０８とネジ２２
０とによって中間板２１２から間隔をおいて配された上
板２１８を含んでいる。ロッド２０８は、上板２１８に
形成されてそこに付けられた溝２０７に嵌められてい
る。ロッド２０８はまた、その両端でバネプランジャ２
００と蝶ネジ２０６とにより支持されている。蝶ネジ２
０６の調節によって、中間板２１２と基板２１４とに対
して上板２１８は直線状に動く（すなわち、軸２０１に
平行な方向への動き）。

【００６３】上板２１８の付加的な動きは、中間板２１
２に関して上板２１８の端を上方及び下方へ動かす調節
ネジにより引き起こされる。取付機構は検出器６９の３
種類の動きをもたらし、生じる赤外線ビームを受け入れ
る検出器６９の整列を容易にするということは認識でき
る。

【００６４】前記のように、進歩性のある顕微分光計シ
ステムは、多種類の検出器による赤外線の検出のため
に、そこへアウトプットされる赤外線ビームを選択的に
指向させることにより提供される。

【００６５】次に、図１５によれば、これは光学要素６
８を赤外線光案内機構２２１に接続することで達成でき
る。赤外線光案内機構２２１は、一対の支持体２３８に
よって支持される載置台２２２を含んでいる。光学要素
６８は、光学マウント２４２、停止ブロック２２６及び
歯車２３０，２３４とともに載置台２２２に回転可能に
接続されている。モータ２３６により駆動されるベルト
２３２は歯車２３０，２３４を互いにかみ合わせる。

【００６６】モータ２３６が駆動されると、歯車２３４
は回転し、順次、ベルト２３２及び歯車２３０を動か
す。歯車２３０が動くと、それに接続された光学要素６
８は、停止ブロック２２６により定められかつ好ましく
は１８０°離れた第１位置と第２位置との間で動く。

【００６７】光学要素６８の前記２つの位置は図１６と
図１７とに示されている。特に、図１６において、焦点
２４０を持った光学要素６８は第１位置（すなわち上向
き位置）に方向付けられて示されており、図１７におい
て、焦点２４０は第２位置（すなわち下向き位置）に方
向付けられて示されている。

【００６８】したがって、図１５〜１７に示されるよう
に、ベルト２３２が動くと、焦点２４０が２つの位置の
間を動き、検出器が載置台２２２の一方側部に置かれた
ときに、光学要素６８により受けられたアウトプット赤
外線ビームがそれぞれの検出器に選択的に指向される。
２つの位置だけが示されているが、多種類の検出器を適
合させるためにより多くの位置が決められるということ
は、当業者にとって容易に理解されるであろう。

【００６９】したがって、この発明の基本的な新規形態
が好ましい実施例として示され、記載され、指摘されて
きたが、種々の省略や置換、また図示された装置の形態
や詳細における変化及びそれらの操作は、この発明の精
神から逸脱することなく当業者によって行われてもよ
い。

【００７０】例えば、同様の結果を達成するために実質
的に同様な方法で実質的に同様な機能を達成する要素の
すべての組み合せがこの発明の観点内にあるということ
は明らかに意図される。したがって、この明細書に添付
された特許請求の範囲の観点により示されるものだけに
制限されるということがその目的である。

【００７１】

【発明の効果】この発明によれば、透過及び反射式顕微
スペクトロメトリーのための単一の共焦点開口を使用
し、操作中の透過モードの際に照射エネルギーがその開
口を通過して第１及び第２方向へ進む顕微鏡を提供する
ことができる。また、赤外線測定のされている間に対象
物像を観察することができ、かつ焦点合わせ手段によっ
て試料の焦点を連続的に調節する手段をもたらすため
に、同時に可視像観察と赤外線検出とができる特徴を持
った顕微鏡を提供することができる。

【００７２】この発明によれば、対象物試料の照射領域
を変えるために単一の共焦点開口の面積の調整と規制の
機構を持った顕微鏡を提供することができる。さらに、
複数の検出器を載置して赤外光を選択的に指向させるた
めの顕微鏡を提供することができる。加えて、顕微鏡か
ら放射されるアウトプット赤外ビームを検出器に位置合
わせするための立体移動可能な検出器搭載用の載置台を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例に係る単一開口共焦点顕微鏡
の透過モードにおける赤外線光路を定める光学要素の斜
視図である。

【図２】図１の顕微鏡システムの透過モードにおける可
視光路を定める光学要素の斜視図である。

【図３】この発明の実施例に係る単一開口共焦点顕微鏡
の透過モードにおける赤外線ビーム光路、可視的透過・
反射ビーム光路及び焦点調節手段を描いた一部立面・一
部概略図である。

【図４】この発明の実施例に係る単一開口共焦点顕微鏡
の反射モードにおける赤外線光路を定める光学要素の斜
視図である。

【図５】図４の顕微鏡システムの反射モードにおける可
視光路を定める光学要素の斜視図である。

【図６】この発明の実施例に係る開口を１つの開口位置
で示す図である。

【図７】この発明の実施例に係る開口を他の１つの開口
位置で示す図である。

【図８】この発明の実施例に係る開口をさらに他の１つ
の開口位置で示す図である。

【図９】この発明の実施例に係る開口寸法調節機構を示
す図である。

【図１０】図９の開口寸法調節機構の回転装置を示す図
である。

【図１１】図９の開口寸法調節機構の回転装置を示す図
である。

【図１２】図９の開口寸法調節機構の回転装置を示す図
である。

【図１３】この発明の実施例に係る検出器搭載用の載置
台整列機構を示す図である。

【図１４】この発明の実施例に係る検出器搭載用の載置
台整列機構を示す図である。

【図１５】この発明の実施例に係る複数の汎用性検出器
を収納するための赤外線光案内機構の正面立面図であ
る。

【図１６】図１５で描かれた機構の上面平面図である。

【図１７】図１５で描かれた機構の上面平面図である。

【符号の説明】

４ 入口窓 １０ 顕微鏡 １２ インプット部 １７ 赤外線源 １８ 反射面（平面鏡） ２２ 曲面鏡 ２６ 単一の遠隔開口 ２８ 曲面鏡 ３２ 反射面 ３６ 反射要素（二色性ビームスプリッタ） ４０ レンズ ４２ 試料面 ４４ 集光レンズ ４８ 光学要素 ５０ 反射面（鏡） ５２ 曲面鏡 ５６ 曲面鏡 ６０ 二色性反射要素 ６６ 反射面（鏡） ６８ 光学要素 ６９ 検出器 ７０ 鏡 ７２ 可視光源 ７３ 可視ビームインプット部 ７６ 反射面（鏡） ８０ ビームスプリッタ ８６ 可視光源 ８９ 可視光源 ９６ 観察機構 ９９ 赤外線検出器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 598020011 ２ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｄｒｉｖｅ Ｓｈ ｅｌｔｏｎ，ＣＴ 06484−0896 Ｕｎｉ ｔｅｄ Ｓｔｅｔｅｓ ｏｆ Ａｍｅｒｉ ｃａ (72)発明者 スティーブン エイチ．ボーゲル アメリカ合衆国、コネチカット 06848、 シェルトン、オールド コーラム ロード 12

Claims (24)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 赤外線のビームを受けるための入口部
   と、 単一の遠隔開口と、 この単一の遠隔開口で赤外線放射ビームを集束させると
   ともにその集束した放射ビームを単一の遠隔開口を通し
   て指向させるための第１光学手段と、 その集束したビームを受けて平行にするための第２光学
   手段と、 実質的に透明な試料の１領域が集束ビームで照射され、
   生成する像ビームを発生するように、平行にされたビー
   ムを受けるとともにその平行にされたビームを透明試料
   の含まれた試料面上に集束させる第３光学手段と、 得られた像ビームを受けて平行にするための第４光学手
   段と、 この第４光学手段によって単一の遠隔開口で平行にされ
   た像ビームを集束させるとともに、集束された像ビーム
   を前記単一の遠隔開口を通して指向させ、検出器手段に
   より受けられることのできるアウトプット像ビームを形
   成するための第５光学手段とを備えてなり、実質的に透
   明な試料にエネルギーを持ったビームの照射による透過
   スペクトロメトリーを行うための顕微鏡。
2. 【請求項２】 単一の遠隔開口が、軸を定める面に含ま
   れ、集束した放射ビームが、前記の軸に対して５°〜１
   ５°の範囲内の角度でその単一の遠隔開口を通過する請
   求項１記載の顕微鏡。
3. 【請求項３】 得られた像ビームが、前記の軸に対して
   ５°〜１５°の範囲内の角度でその単一の遠隔開口を通
   過する請求項２記載の顕微鏡。
4. 【請求項４】 第２光学手段と第３光学手段との間に配
   された二色性ビームスプリッタをさらに備え、そのビー
   ムスプリッタが、第３光学手段へ赤外線を指向させかつ
   前記試料面から観察機構へ非赤外線を通すための配置に
   されている請求項１記載の顕微鏡。
5. 【請求項５】 第４光学手段と第５光学手段との間に配
   された二色性ビームスプリッタをさらに備え、そのビー
   ムスプリッタが、第５光学手段へ赤外線を指向させかつ
   第４光学手段へ非赤外線を通すための配置にされている
   請求項３記載の顕微鏡。
6. 【請求項６】 前記放射ビームの領域を調節するととも
   に得られた像ビームの領域を調節するための前記の単一
   の遠隔開口の寸法を調整して、透明試料の照射領域を規
   制するための開口調整機構をさらに備えている請求項１
   記載の顕微鏡。
7. 【請求項７】 開口調整機構が単一の遠隔開口を回転さ
   せる請求項６記載の顕微鏡。
8. 【請求項８】 前記放射ビームが前記の単一の遠隔開口
   を通って第１方向へ指向され、得られた像ビームがその
   単一の遠隔開口を通って第２方向へ指向される請求項１
   記載の顕微鏡。
9. 【請求項９】 前記二色性ビームスプリッタから非赤外
   線を受ける像検出器と、この像検出器が、透明試料を集
   束ビームで照射することで発生する像の焦点の合ってい
   ないことを判断したときに、像検出器により調節するこ
   とのできる焦点合わせ機構とをさらに備えている請求項
   ４記載の顕微鏡。
10. 【請求項１０】 二色性ビームスプリッタと第３光学手
    段との間に配され、像検出器により受けられた実質的に
    透明な試料の像を改善するための示差干渉光学構成要素
    をさらに備えている請求項９記載の顕微鏡。
11. 【請求項１１】 アウトプットビームを受けてそれを少
    なくとも１つの検出器へ指向させるための光学要素をさ
    らに備えている請求項１記載の顕微鏡。
12. 【請求項１２】 光学要素が、アウトプットビームを複
    数の検出器のうちの１つに選択的に指向させるために可
    動である請求項１１記載の顕微鏡。
13. 【請求項１３】 開口調整機構が、間隔をおいて配され
    た第１及び第２の二組のシャッタを備え、各組のシャッ
    タが対向端を有し、前記シャッタ組は角度的に互いにず
    れており、前記の遠隔開口の寸法が、そのシャッタ組の
    対向端の間隔を変化させることで調整される請求項６記
    載の顕微鏡。
14. 【請求項１４】 アウトプット像ビームを受けるための
    位置に前記検出器を支持するための検出器整列機構をさ
    らに備え、検出器調整機構が、検出器の３次元位置をア
    ウトプット像ビームに関して調整するための手段を備え
    ている請求項１記載の顕微鏡。
15. 【請求項１５】 赤外ビームと第１可視ビームとを受け
    るための入口窓と、 この入口窓からの赤外ビームと第１可視ビームとを受け
    て、その赤外ビームで試料面の第１部分を照射するため
    にその赤外ビームと第１可視ビームとを試料面へ指向さ
    せ、その試料面の第１部分をその第１可視ビームで照ら
    すための第１光学要素と、 第２可視ビームを受けるための可視ビームインプット部
    と、 この可視ビームインプット部からの第２可視ビームを受
    けて、その第２可視ビームを試料面へ指向させ、前記第
    １部分の少なくとも一部を含んだ、試料面の第２部分を
    照らすための光学要素と、 試料面を第１可視ビームと第２可視ビームとで照らすこ
    とにより生じる、試料面の第１部分の可視像と試料面の
    第２部分の可視像とを同時に受けるための観察部とを備
    えてなり、試料面上に置かれた試料にエネルギーを持っ
    たビームの照射による透過及び反射スペクトロメトリー
    を行うための顕微鏡。
16. 【請求項１６】 赤外ビームがある１つの直径を有し、
    第１可視ビームがある１つの直径を有し、前記顕微鏡
    が、入口窓と試料面との間に配されて赤外ビームの前記
    直径と第１可視ビームの前記直径とを規制しそれによっ
    て試料面の前記第１部分を定めるための開口をさらに備
    えている請求項１５記載の顕微鏡。
17. 【請求項１７】 第１光学成分が第１光学要素及び第２
    光学要素を備え、その第１光学要素が赤外ビームを受け
    てそれを第１光路に沿って試料面へ指向させ、その第２
    光学要素が第１可視ビームを受けてそれを第２光路に沿
    って試料面へ指向させる請求項１５記載の顕微鏡。
18. 【請求項１８】 第１光学成分が第１光学要素及び第２
    光学要素を備え、その第１光学要素が赤外ビームを受け
    てそれを前記開口を通して第１光路に沿って試料面へ指
    向させ、その第２光学要素が第１可視ビームを受けてそ
    れを前記開口を通して第２光路に沿って試料面へ指向さ
    せる請求項１６記載の顕微鏡。
19. 【請求項１９】 第１光路の部分と第２光路の部分とが
    互いに同軸である請求項１７記載の顕微鏡。
20. 【請求項２０】 第１光路の部分と第２光路の部分とが
    互いに同軸である請求項１８記載の顕微鏡。
21. 【請求項２１】 赤外ビームと可視ビームとを受けるた
    めの入口窓と、 この入口窓からの赤外ビームと可視ビームとを受けて、
    その赤外ビームで試料を照射するためにその赤外ビーム
    と可視ビームとを試料面へ指向させ、その試料をその可
    視ビームで照らすための光学要素と、 その試料を可視ビームで照らすことにより形成された試
    料の像を受けるために試料面に対して光学的整列状に配
    された可視ビームアウトプット部と、 試料面へ赤外ビームを反射させるとともに試料面の像を
    可視ビームアウトプット部へ通すために試料面と可視ビ
    ームアウトプット部とに対して光学的整列状に配された
    二色性ビームスプリッタとを備えてなり、試料面上に置
    かれた試料にエネルギーを持ったビームの照射による透
    過及び反射スペクトロメトリーを行い、かつ、試料を可
    視光で照らすことにより試料の像の連続的観察を行うた
    めの顕微鏡。
22. 【請求項２２】 光学成分が第１光学要素及び第２光学
    要素を備え、その第１光学要素が赤外ビームを受けてそ
    れを第１光路に沿って試料面へ指向させ、その第２光学
    要素が第１可視ビームを受けてそれを第２光路に沿って
    試料面へ指向させる請求項２１記載の顕微鏡。
23. 【請求項２３】 二色性ビームスプリッタが第１光路と
    第２光路との間に配されている請求項２２記載の顕微
    鏡。
24. 【請求項２４】 第１光路の部分と第２光路の部分とが
    互いに同軸である請求項２２記載の顕微鏡。