WO2010004720A1 - 顕微分光装置 - Google Patents

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WO2010004720A1
WO2010004720A1 PCT/JP2009/003125 JP2009003125W WO2010004720A1 WO 2010004720 A1 WO2010004720 A1 WO 2010004720A1 JP 2009003125 W JP2009003125 W JP 2009003125W WO 2010004720 A1 WO2010004720 A1 WO 2010004720A1
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sample
polarized
laser beam
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谷口博基
藤井康裕
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国立大学法人 東京工業大学
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    • G02B21/0052—Optical details of the image generation
    • G02B21/0068—Optical details of the image generation arrangements using polarisation

Definitions

  • the present invention relates to a microspectroscopic device, and more particularly to a microspectroscopic device that measures the dynamics inside a substance.
  • Ferroelectric materials have a practically useful function by having a non-uniform nanoscale structure inside.
  • the physical properties of these useful substances are thought to be due to internal dynamics (dynamics) such as lattice vibration and molecular vibration.
  • a confocal microspectroscopy device is known as a device for measuring the dynamics inside a substance.
  • the confocal microspectroscopic device described in Patent Document 1 accumulates measurement data such as the amount of reflected light, Raman scattered light, and fluorescence spectrum while sequentially moving measurement locations in a sample. Then, the confocal microspectroscopic device obtains a two-dimensional or three-dimensional distribution image based on the measurement data. Thereby, the confocal microspectroscopic device can measure the dynamics inside the substance.
  • Non-Patent Document 1 reports a technique for reducing the spot diameter at the time of condensing by giving the laser light a symmetric polarization distribution with respect to the optical axis.
  • a laser beam having a polarization distribution symmetric with respect to the optical axis (hereinafter referred to as an axially symmetric polarized laser beam) has a horizontally polarized component and a vertically polarized component at the focal point.
  • the conventional confocal microspectroscopic device uses linearly polarized laser light as incident light.
  • Linearly polarized laser light has only a transversely polarized component at the focal point. Therefore, only the dynamics such as the lattice vibration inside the substance that can detect the lateral polarization component as a probe can be measured, and it is difficult to measure the dynamics of all the lattice vibrations including the component that can detect the longitudinal polarization component as a probe. . Therefore, development of a confocal microspectroscopic device that can easily measure all dynamics in various motion states is desired.
  • the limit of the two-dimensional spatial resolution of the conventional confocal microspectroscopic device is about the square of the wavelength of incident light. Further, considering the spatial resolution in the depth direction, the three-dimensional spatial resolution of the conventional confocal microspectroscopic device is about several ⁇ m 3 , and the dynamics inside the substance cannot be measured at the nanoscale. Therefore, the expression mechanism of the function of a useful substance such as a ferroelectric substance having a non-uniform nanoscale structure inside has not yet been elucidated. Therefore, the development of a confocal microspectroscopy device capable of measuring the dynamics inside a substance at the nanoscale is also desired.
  • An object of the present invention is to provide a microspectroscopic device capable of measuring the dynamics inside a substance in more detail.
  • a microspectroscopic device is a microspectroscopic device that performs spectroscopic measurement using a part or the whole of a sample as a measurement part, and generates an axially symmetric polarized laser beam having a polarization distribution symmetric with respect to the optical axis.
  • the axially symmetric polarized laser beam is focused on the sample.
  • Axisymmetric polarized laser light has not only a laterally polarized component but also a vertically polarized component at the focal point. Therefore, not only the dynamics that can detect the lateral polarization component inside the substance as a probe, but also any dynamics including the dynamics that can detect the longitudinal polarization component as a probe can be measured.
  • the microspectroscopic device in the microspectroscopic device according to the present invention, information resulting from all the dynamics inside the substance is obtained as reflected light and / or scattered light from the sample by the condensing means for condensing the axially symmetric polarized laser light on the sample. Is done. Therefore, all dynamics in various motion states can be measured with a simple optical system or easy operation.
  • the spot size of the axially symmetric polarized laser beam is smaller than the linearly polarized laser beam. Therefore, the resolution can be improved by using an axially symmetric polarized laser beam.
  • the selection means can selectively transmit the reflected light and / or scattered light derived from any one of the lateral polarization component and the longitudinal polarization component included in the axially symmetric polarized laser beam. Therefore, only one of the dynamics derived from the laterally polarized light component and the dynamics derived from the longitudinally polarized light component can be measured.
  • the axially symmetric polarized light generating means generates a radially polarized laser beam that is polarized in a radial direction with respect to the optical axis, and at least using Raman spectroscopy, the reflected light collected by the condensing means and / or It is more preferable to provide an extraction means for extracting only the reflected light and / or scattered light derived from the longitudinally polarized light component among the scattered light.
  • the radially polarized laser light has a horizontally polarized component and a vertically polarized component at the focal point.
  • the spot size of the vertically polarized component at the focal point is much smaller than the spot size of the horizontally polarized component.
  • a component that can detect a laterally polarized light component as a probe has a different frequency from a component that can detect a vertically polarized light component as a probe. Therefore, the resolution can be further improved by extracting only the reflected light and / or scattered light derived from the longitudinally polarized light component by the extracting means.
  • the spot size of the longitudinally polarized light component is about 30% of the wavelength. Therefore, the three-dimensional spatial resolution can be improved about 30 times. In other words, nanoscale resolution can be achieved.
  • intensity modulation means for spatially modulating the intensity distribution of laser light incident on the sample.
  • the resolution can be further improved by making only the laser beam having a high numerical aperture enter the sample.
  • the intensity of the observation light can be adjusted by arbitrarily modulating the spatial intensity distribution of the laser light. Therefore, even if the resolution is improved, the decrease in the intensity of the observation light can be reduced by the optimization control of the intensity distribution of the laser light.
  • a phase modulation means for spatially modulating the phase of the laser light incident on the sample based on the refractive index of the sample and the focal position of the sample.
  • a phase modulation means for spatially modulating the phase of the laser light incident on the sample based on the refractive index of the sample and the focal position of the sample.
  • the internal dynamics of a substance can be measured in more detail.
  • FIG. 1 shows an example of a confocal microspectroscopic device according to an embodiment of the present invention. It is a figure explaining an axially symmetric polarization laser beam. It is a figure explaining an axially symmetric polarization laser beam. It is a figure explaining the polarization
  • a confocal microspectroscopic device will be described as an example of the microspectroscopic device.
  • the present invention is not limited to the following embodiments.
  • the confocal microspectroscopic device 100 includes a laser light source 1, a first beam expander 2, a distributed liquid crystal optical rotator 3 (axisymmetric polarization generating means), and a liquid crystal spatial light modulator 4 (phase modulation).
  • Means second beam expander 5, first half mirror 6, optical mask 7 (intensity modulating means), objective lens 8 (condensing means), wave plate 9, confocal pinhole unit 10 (selecting means).
  • the confocal microspectroscopic device 100 scans the sample S in three dimensions, and obtains three-dimensional image data representing the dynamics of the sample S.
  • the dynamics of a substance that can be measured by the confocal microspectroscopic device 100 include lattice vibration, molecular vibration, magnetic excitation, plasmon, chemical composition, domain structure, local temperature, defect, and the like.
  • the laser light source 1 includes a gain medium such as a laser diode.
  • the laser light source 1 emits, for example, linearly polarized laser light (hereinafter referred to as linearly polarized laser light).
  • linearly polarized laser light hereinafter referred to as linearly polarized laser light
  • the polarization distribution of the laser light emitted from the laser light source 1 is not limited to linearly polarized light.
  • the laser light source 1 may emit laser light having a symmetric polarization distribution with respect to the optical axis (hereinafter referred to as axially symmetric polarized laser light). In this case, the configuration of the distributed liquid crystal optical rotator 3 described later can be omitted.
  • an axially symmetric polarized laser beam can be emitted from the laser light source 1.
  • a resonator using a birefringent crystal having a uniaxial optical axis it is possible to emit axially symmetric polarized laser light from the laser light source 1.
  • the first beam expander 2 is located on the optical path of the laser light emitted from the laser light source 1.
  • the first beam expander 2 shapes the beam shape by enlarging the beam diameter of the laser beam emitted from the laser light source 1.
  • the first beam expander 2 can be omitted.
  • the distributed liquid crystal optical rotator 3 is located on the optical path of the laser beam that has passed through the first beam expander 2.
  • the distributed liquid crystal optical rotator 3 converts the polarization distribution of the laser light transmitted through the first beam expander 2 to generate an axially symmetric polarized laser light.
  • the distributed liquid crystal optical rotator 3 since the laser light transmitted through the first beam expander 2 is linearly polarized laser light, the distributed liquid crystal optical rotator 3 converts the linearly polarized laser light into axially symmetric polarized laser light.
  • the axially symmetric polarized laser beam includes a concentric polarized laser beam shown in FIG. 2A and a radially polarized laser beam shown in FIG. 2B.
  • the distributed liquid crystal optical rotator 3 converts linearly polarized laser light into radially polarized laser light will be described as an example.
  • the distributed liquid crystal rotator 3 may convert linearly polarized laser light into concentric circularly polarized laser light.
  • the distributed liquid crystal optical rotator 3 has a liquid crystal member in which the orientation distribution of liquid crystal molecules is spatially twisted. Then, when the linearly polarized laser light is incident on the distributed liquid crystal optical rotator 3, as shown in FIG. 3, the laser light is converted into laser light having different polarized light in each place according to the twisted state of each liquid crystal molecule. Thereby, the linearly polarized laser beam is converted into a radially polarized laser beam.
  • Axisymmetric polarized laser light can also be generated by using a conical Brewster prism, c-cutNd: YVO 4 crystal, an optical fiber, a photonic crystal mirror, a divided wavelength plate, or the like.
  • the liquid crystal spatial light modulator 4 is located on the optical path of the laser light transmitted through the distributed liquid crystal rotator 3.
  • the liquid crystal spatial light modulator 4 has a liquid crystal member (not shown) including a liquid crystal layer and a transparent electrode layer.
  • the liquid crystal spatial light modulator 4 includes a voltage control device 4A that adjusts the voltage applied to the transparent electrode layer. By adjusting the voltage applied to the transparent electrode layer, the alignment direction of the liquid crystal molecules in the liquid crystal layer can be adjusted.
  • the liquid crystal spatial light modulator 4 can give a phase difference to the laser light incident on the liquid crystal spatial light modulator 4 by adjusting the alignment direction of each liquid crystal molecule.
  • the liquid crystal spatial light modulator 4 does not affect the polarization of the laser light.
  • the liquid crystal spatial light modulator 4 spatially modulates the phase of the laser light incident on the sample S based on the refractive index of the sample S and the focal position of the sample S. Specifically, the liquid crystal spatial light modulator 4 gives a phase difference that reduces aberration based on the refractive index of the sample S to the laser light incident on the liquid crystal spatial light modulator 4. Further, the liquid crystal spatial light modulator 4 gives a phase difference that reduces aberration based on the movement of the focal position to the laser light incident on the liquid crystal spatial light modulator 4 based on the focal position in the sample S.
  • the liquid crystal spatial light modulator 4 first spatially modulates the phase of the laser light incident on the sample S based on the refractive index of the sample S. Next, when the focal position in the sample S is moved, the liquid crystal spatial light modulator 4 spatially modulates the phase of the laser light incident on the sample S based on the focal position in the sample S. Thereby, the aberration which generate
  • the liquid crystal spatial light modulator 4 modulates the phase of the laser light incident on the liquid crystal spatial light modulator 4 and reflects or transmits the light.
  • the second beam expander 5 is located on the optical path of the laser light reflected or transmitted by the liquid crystal spatial light modulator 4.
  • the first beam expander 2 shapes the light beam shape by reducing the light beam diameter of the laser light transmitted through the laser light source 1.
  • the second beam expander 5 can be omitted.
  • the first half mirror 6 reflects the laser light that has passed through the second beam expander 5. Further, the first half mirror 6 is reflected by the sample S, condensed on the objective lens 8, and transmits the reflected light and scattered light transmitted through the optical mask 7.
  • the optical mask 7 is positioned on the optical path of the laser light reflected by the first half mirror 6.
  • the optical mask 7 spatially modulates the intensity distribution of the laser light incident on the sample S. Thereby, the optical mask 7 adjusts the intensity of observation light (lightness of observation light).
  • the resolution can be further improved by allowing only the laser beam having a high numerical aperture to enter the sample S.
  • the intensity distribution of the laser light is spatially modulated by the optical mask 7.
  • the intensity of the observation light can be adjusted by arbitrarily modulating the spatial intensity distribution of the laser light. Therefore, even if the resolution is improved, the decrease in the intensity of the observation light can be reduced by the optimization control of the intensity distribution of the laser light.
  • the intensity distribution in the vicinity of the focal point is controlled by arranging an aperture or the like in the optical path closer to the laser light source 1 than the objective lens 8.
  • This is a method called modified illumination, and a specific intensity distribution can be calculated based on vector diffraction theory.
  • modified illumination methods methods using illumination in various shapes such as annular illumination, dipole illumination, and quadrupole illumination have been proposed, and the annular illumination method is frequently used.
  • optical elements having spatially different transmittances in the optical path closer to the laser light source 1 than the objective lens 8 the intensity distribution of the light beam can be optimized. This technique is called apotization.
  • the objective lens 8 condenses the laser light transmitted through the optical mask 7 on the sample S.
  • the objective lens 8 collects the reflected light and / or scattered light reflected from the sample S.
  • the NA (numerical aperture) of the objective lens 8 is high, for example, 0.7.
  • the wave plate 9 is positioned on the optical path of the reflected light and / or scattered light transmitted through the first half mirror 6.
  • the wave plate 9 selectively transmits or blocks the longitudinally polarized light component or the horizontally polarized light component of the reflected light and / or scattered light transmitted through the wave plate 9. This enables polarization analysis of the reflected light and / or scattered light collected by the objective lens 8.
  • the confocal pinhole unit 10 is located on the optical path of the reflected light and / or scattered light transmitted through the wave plate 9.
  • the confocal pinhole unit 10 includes a first confocal lens 10A, a confocal slit 10B, and a second confocal lens 10C.
  • the first confocal lens 10A collects the reflected light and / or scattered light transmitted through the wave plate 9.
  • the confocal slit 10B is disposed in the vicinity of the condensing point position of the reflected light and / or scattered light collected by the first confocal lens 10A. In other words, the confocal slit 10B is disposed in the vicinity of the focal position having a conjugate relationship with the focal point of the sample S.
  • the confocal slit 10B is formed so that a region occupied by a predetermined polarization component included in the axially symmetric polarized laser beam can be transmitted in the beam diameter direction of the axially symmetric polarized laser beam.
  • the confocal slit 10B selectively transmits the reflected light and / or scattered light derived from the predetermined polarization component among the reflected light and / or scattered light collected by the objective lens 8.
  • the confocal slit 10B is one of the reflected light and / or scattered light derived from the laterally polarized light component or the vertically polarized light component among the reflected light and / or scattered light collected by the objective lens 8. Is selectively transmitted.
  • the second confocal lens 10C collects the reflected light and / or scattered light transmitted through the confocal slit 10B and emits it as parallel light.
  • FIG. 4A shows the polarization direction at the focal position of the linearly polarized laser beam
  • FIG. 4B shows the polarization direction at the focal position of the radially polarized laser beam.
  • the linearly polarized laser light has a laterally polarized component at the focal position.
  • the radially polarized laser beam has not only a laterally polarized component but also a vertically polarized component at the focal position.
  • the concentric polarized laser beam also has a lateral polarization component and a longitudinal polarization component at the focal position.
  • the upper graph of FIG. 5 shows the intensity distribution of the spot of the radially polarized laser beam
  • the middle graph of FIG. 5 shows the intensity distribution of the spot of the longitudinal polarization component
  • the lower graph of FIG. The intensity distribution of the spot is shown.
  • the spot size of the vertically polarized component is much smaller than the spot size of the horizontally polarized component. Therefore, the spot size of the longitudinal polarization component is smaller than the spot size of the radially polarized laser beam. Further, the intensity of the spot of the longitudinal polarization component is higher at the center portion.
  • the intensity of the spot of the lateral polarization component is increased in a donut shape.
  • the diameter of the donut-shaped hole is substantially the same as the spot size of the longitudinally polarized light component. Therefore, the confocal slit 10B has a vertically polarized light shape by making the shape of the pinhole of the confocal slit 10B a circle having substantially the same diameter as the spot size of the vertically polarized component multiplied by the transfer magnification of the optical system. Reflected light and / or scattered light derived from components can be selectively transmitted.
  • the pinhole shape of the confocal slit 10B is a donut shape that is substantially the same as the area obtained by multiplying the area larger than the spot size of the longitudinal polarization component and smaller than the spot size of the lateral polarization component by the transfer magnification of the optical system.
  • the confocal slit 10B can selectively transmit the reflected light and / or scattered light derived from the transversely polarized light component.
  • the case where the confocal slit 10B selectively transmits the longitudinally polarized light component will be described as an example.
  • FIGS. 6A and 6B show examples of observation of spectra excited by radially polarized laser light.
  • FIG. 6A shows an example of spectrum observation when the confocal slit 10B is not transmitted.
  • FIG. 6B shows an example of spectrum observation when the light is transmitted through the confocal slit 10B.
  • the vertical axis represents the spectrum intensity and the horizontal axis represents the frequency.
  • a vibration component that can be detected using a laterally polarized light component as a probe has a vibration component that is different from a vibration component that can be detected using a vertically polarized light component as a probe.
  • the horizontally polarized component is cut, so that the intensity of the horizontally polarized component becomes much smaller.
  • the longitudinally polarized light component is selectively transmitted by the confocal slit 10B.
  • the second half mirror 11 is located on the optical path of the reflected light and / or scattered light transmitted through the confocal pinhole unit 10.
  • the second half mirror 11 reflects a part of the reflected light and / or scattered light transmitted through the confocal pinhole unit 10 and transmits the reflected light and / or scattered light that has not been reflected.
  • the precise confocal adjustment system 12 is located on the optical path of the reflected light and / or scattered light reflected by the second half mirror 11.
  • the precision confocal adjustment system 12 includes a light receiving element such as a CCD (not shown), a display device such as a liquid crystal panel (not shown), and an adjustment device (not shown) that adjusts the position of the confocal pinhole unit 10. Have. Then, the precise confocal adjustment system 12 simultaneously observes the position of the pinhole of the confocal slit 10B and the position of the spot of the laser beam condensed by the first confocal lens 10A.
  • the precise confocal adjustment system 12 determines whether or not the position of the pinhole and the position of the laser beam spot are shifted, and when the position is shifted, the position of the pinhole is adjusted. And the position of the laser beam spot are matched.
  • 7A and 7B show the positional relationship between the pinhole and the focal spot.
  • 7A and 7B the shaded portion indicates the confocal slit 10B, and the portion sandwiched between the shaded portions indicates a pinhole.
  • FIG. 7A when the position of the pinhole and the position of the laser beam spot are aligned, a portion where the intensity of the laser beam spot is the highest is located at the center position of the pinhole.
  • FIG. 7A when the position of the pinhole and the position of the laser beam spot are aligned, a portion where the intensity of the laser beam spot is the highest is located at the center position of the pinhole.
  • FIG. 7A when the position of the pinhole and the position of the laser beam spot are aligned, a portion where the intensity of the laser beam spot is the highest is located at the center position of the pinhole.
  • the precise confocal adjustment system 12 shifts the position of the pinhole from the position of the laser light spot based on whether or not the portion having the highest laser beam spot intensity is located at the center position of the pinhole. The pinhole position is adjusted.
  • the mirror 13 is located on the optical path of the reflected light and / or scattered light transmitted through the second half mirror 11.
  • the mirror 13 reflects the reflected light and / or scattered light that has passed through the second half mirror 11.
  • the condenser lens 14 is located on the optical path of the reflected light and / or scattered light reflected by the mirror 13.
  • the condenser lens 14 collects the reflected light and / or scattered light reflected from the mirror 13 with respect to the spectroscope 15.
  • the spectroscope 15 performs spectrum analysis using Raman spectroscopy on the reflected light and / or scattered light collected by the condenser lens 14. Specifically, the spectroscope 15 divides the reflected light and / or scattered light based on Raman spectroscopy to create a graph (Raman spectrum) indicating the intensity on the vertical axis and the frequency on the horizontal axis. To do. The spectroscope 15 creates a Raman spectrum for the entire scanning range of the sample S. In addition, the spectroscope 15 causes reflected light and / or scattered light that has been split based on Raman spectroscopy to enter the photodetector 16.
  • the photodetector 16 detects the reflected light and / or scattered light incident from the spectroscope 15 and converts it into image data.
  • the photodetector 16 includes a CCD (Charge Coupled Device; not shown), and measures the intensity of the received reflected light and / or scattered light for each frequency.
  • the photodetector 16 represents the Raman spectrum of the received reflected light and / or scattered light as a spectral image.
  • the photodetector 16 generates spectral image data for the entire scanning range of the sample S. Based on all the spectral image data generated by the photodetector 16, three-dimensional image data representing the dynamics of the sample S is obtained.
  • the photodetector 16 may include a photodiode and a photomultiplier tube instead of the CCD.
  • the photodetector 16 includes a computer (not shown) that analyzes the spectral image data.
  • the confocal pinhole unit 10 selectively transmits the reflected light and / or scattered light derived from the longitudinal polarization component.
  • the confocal pinhole unit 10 slightly transmits reflected light and / or scattered light derived from the laterally polarized light component. This is due to the fact that the spot diameter of the lateral polarization component and the spot diameter of the longitudinal polarization component partially overlap each other.
  • the reflected light and / or scattered light derived from the transversely polarized light component and the reflected light and / or scattered light derived from the vertically polarized light component are completely separated only by the difference in spot diameter between the horizontally polarized light component and the vertically polarized light component. Is difficult. Accordingly, the laser light incident on the photodetector 16 slightly includes reflected light and / or scattered light derived from the laterally polarized light component. Moreover, as shown in FIG. 6, the frequency of the reflected light and / or scattered light derived from the transversely polarized light component is different from the frequency of the reflected light and / or scattered light derived from the vertically polarized light component.
  • the computer equipped in the photodetector 16 extracts data based on the spectral component derived from the longitudinal polarization component based on the frequency, thereby easily measuring the dynamics using only the longitudinal polarization component. It can be carried out.
  • the confocal microspectroscopic device 100 includes a distributed liquid crystal rotator 3 that generates an axially symmetric polarized laser beam having a polarization distribution symmetric with respect to the optical axis, and a distributed liquid crystal rotator 3. And an objective lens 8 for condensing the axially symmetric polarized laser beam generated by the step S on the sample S.
  • the objective lens 8 collects reflected light and / or scattered light from the sample S.
  • the axially symmetric polarized laser beam is condensed on the sample S.
  • Axisymmetric polarized laser light has not only a laterally polarized component but also a vertically polarized component at the focal point. Therefore, not only the dynamics that can detect the lateral polarization component inside the substance as a probe, but also any dynamics including the dynamics that can detect the longitudinal polarization component as a probe can be measured.
  • the confocal microspectroscopic device 100 in the confocal microspectroscopic device 100 according to the present embodiment, all the dynamics inside the substance as reflected light and / or scattered light from the sample S by the objective lens 8 that condenses the axially symmetric polarized laser light on the sample S. Information resulting from is acquired. Therefore, all dynamics in various motion states can be measured with a simple optical system or easy operation.
  • the spot size of the axially symmetric polarized laser beam is smaller than the linearly polarized laser beam. Therefore, the resolution can be improved by using an axially symmetric polarized laser beam.
  • the common lens is provided at a focal point having a conjugate relationship with the focal point of the sample S, and is formed so that a region occupied by a predetermined polarization component included in the axially symmetric polarized laser beam can be transmitted in the beam diameter direction of the axially symmetric polarized laser beam.
  • a focal pinhole unit 10 is provided. Thereby, the confocal pinhole unit 10 can selectively transmit the reflected light and / or scattered light derived from any one of the lateral polarization component and the longitudinal polarization component included in the axially symmetric polarized laser beam. Therefore, only one of the dynamics derived from the laterally polarized light component and the dynamics derived from the longitudinally polarized light component can be measured.
  • the distributed liquid crystal rotator 3 generates a radially polarized laser beam that is polarized in the radial direction with respect to the optical axis, and the confocal microspectroscopic device 100 collects light by the objective lens 8 using at least Raman spectroscopy.
  • a spectroscope 15 and a photodetector 16 are provided that extract only reflected light and / or scattered light derived from the longitudinally polarized light component.
  • the radially polarized laser light has a horizontally polarized component and a vertically polarized component at the focal point.
  • the spot size of the vertically polarized component at the focal point is much smaller than the spot size of the horizontally polarized component.
  • a component that can detect a laterally polarized light component as a probe has a different frequency from a component that can detect a vertically polarized light component as a probe. Therefore, the resolution can be further improved by extracting only the reflected light and / or scattered light derived from the longitudinal polarization component by the spectroscope 15 and the photodetector 16.
  • the spot size of the longitudinally polarized light component is about 30% of the wavelength. Therefore, the three-dimensional spatial resolution can be improved about 30 times. In other words, nanoscale resolution can be achieved.
  • the confocal microspectroscopic device 100 includes an optical mask 7 that spatially modulates the intensity distribution of the laser light incident on the sample S.
  • the resolution can be further improved by allowing only the laser beam having a high numerical aperture to enter the sample S.
  • the intensity of the observation light can be adjusted by arbitrarily modulating the spatial intensity distribution of the laser light. Therefore, even if the resolution is improved, the decrease in the intensity of the observation light can be reduced by the optimization control of the intensity distribution of the laser light.
  • the confocal microspectroscopic device 100 includes a liquid crystal spatial modulator 4 that spatially modulates the phase of the laser light incident on the sample S based on the refractive index of the sample S and the focal position of the sample S.
  • a liquid crystal spatial modulator 4 that spatially modulates the phase of the laser light incident on the sample S based on the refractive index of the sample S and the focal position of the sample S.
  • the axially symmetric polarized light generating means may be realized by the laser light source 1 that emits an axially symmetric polarized laser beam.
  • the extraction means can also be realized by providing other spectroscopic equipment such as an interference spectrometer in place of the spectroscope 15 and the light detector 16.
  • the resolution improvement technique by using the axially symmetric polarized laser beam in the present invention can be used in combination with the resolution improvement technique in the conventional confocal microspectroscopic device. By using in combination, further improvement in resolution can be realized.
  • a technique for improving resolution in conventional confocal microspectroscopic devices a technique for improving the diffraction limit by shortening the wavelength of the incident laser light, a technique for selectively using a component having a high numerical aperture by modifying the illumination method, A technique for improving the numerical aperture by using a liquid immersion / oil immersion / solid immersion lens can be mentioned.
  • the method of reducing the aberration generated by the difference in refractive index between the air and the inside of the substance and the aberration generated by scanning the inside of the substance in the depth direction is limited to using the liquid crystal spatial modulator 4.
  • Absent for example, a deformable mirror, a lens having a plurality of annular zones, a lens having a different lens thickness for each annular zone, a lens having a plurality of annular zones, a refractive index different for each annular zone, a liquid crystal lens, Aberrations can also be reduced by using other spatial light phase modulators.
  • microspectroscope that can measure the dynamics inside a substance in more detail.

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Abstract

　試料Ｓの一部もしくは全部を測定部分として分光測定を行う共焦点顕微分光装置１００であって、光軸に対して対称な偏光分布を有する軸対称偏光レーザ光を生成する分布型液晶旋光子３と、分布型液晶旋光子３により生成された軸対称偏光レーザ光を試料Ｓに集光する対物レンズ８と、を備え、対物レンズ８は、試料Ｓからの反射光及び／又は散乱光を集光するように構成した。

Description

顕微分光装置
　本発明は、顕微分光装置に関し、特に、物質内部の動態を計測する顕微分光装置に関する。
　強誘電体物質などは、内部に不均一なナノスケールの構造を有することにより、実用上有用な機能を有する。これら有用物質の物性は、格子振動や分子振動等の物質内部の動態（ダイナミクス）に起因すると考えられている。
　物質内部の動態を計測するものとして、共焦点顕微分光装置が知られている。例えば、特許文献１に記載の共焦点顕微分光装置は、試料における測定箇所を順次移動させながら、反射光量、ラマン散乱光及び蛍光スペクトル等の測定データを蓄積する。そして、当該共焦点顕微分光装置は、当該測定データに基づく２次元又は３次元分布像を得る。これにより、当該共焦点顕微分光装置は、物質内部の動態を計測することができる。
　また、最近、非特許文献１に、レーザ光に光軸に対して対称な偏光分布を与えることにより、集光時のスポット径を小さくする技術が報告されている。また、光軸に対して対称な偏光分布を有するレーザ光（以下、軸対称偏光レーザ光と称する。）は、焦点において横偏光成分と縦偏光成分とを有する。
特開２００５－１２１４７９号公報
S. Quabis, R. Dorn, M. Eberler, O. Glockl and G. Leuchs, Focusing light to a tighter spot, Optics Communications, Elsevier Science B.V., 25 May 2000, Volume 179, Issues 1-6, Pages 1-7
　しかしながら、従来の共焦点顕微分光装置は、直線偏光のレーザ光を入射光として用いる。直線偏光のレーザ光は、焦点において横偏光成分しか有さない。そのため、横偏光成分を探針として検出できる物質内部の格子振動などの動態しか計測できず、縦偏光成分を探針として検出できる成分を含む全ての格子振動などの動態を計測することは難しかった。そのため、様々な運動状態にあるあらゆる動態を容易に計測することができる共焦点顕微分光装置の開発が望まれている。
　また、従来の共焦点顕微分光装置の２次元空間分解能の限界は、入射光の波長の２乗程度であった。さらに深さ方向の空間分解能を考慮すると、従来の共焦点顕微分光装置の３次元空間分解能は、数μｍ３程度であり、物質内部の動態をナノスケールで計測することができない。そのため、内部に不均一なナノスケールの構造を有する強誘電体物質などの有用物質の機能の発現機構は未だ解明されていない。したがって、ナノスケールで物質内部の動態を計測可能な共焦点顕微分光装置の開発も望まれている。
　本発明は、物質内部の動態をより詳細に計測可能な顕微分光装置を提供することを目的とする。
　本発明にかかる顕微分光装置は、試料の一部もしくは全体を測定部分として分光測定を行う顕微分光装置であって、光軸に対して対称な偏光分布を有する軸対称偏光レーザ光を生成する軸対称偏光生成手段と、前記軸対称偏光生成手段により生成された軸対称偏光レーザ光を前記試料に集光する集光手段と、を備え、前記集光手段は、前記試料からの反射光及び／又は散乱光を集光するものである。
　本発明にかかる顕微分光装置においては、軸対称偏光レーザ光を試料に集光する。軸対称偏光レーザ光は、焦点において、横偏光成分だけでなく縦偏光成分も有する。そのため、物質内部の横偏光成分を探針として検出できる動態だけでなく、縦偏光成分を探針として検出できる動態を含むあらゆる動態をも計測することができる。従来、様々な運動状態にあるあらゆる動態を計測する場合には、複雑な光学系や煩雑な操作を必要とし、装置自体が大きくなってしまうなどの問題があった。しかし、本発明にかかる顕微分光装置においては、軸対称偏光レーザ光を試料に集光する集光手段により、試料からの反射光及び／又は散乱光として物質内部のあらゆる動態に起因する情報が取得される。そのため、簡易な光学系、もしくは容易な操作で、様々な運動状態にあるあらゆる動態を計測することができる。
　また、軸対称偏光レーザ光のスポットサイズは、直線偏光レーザ光より小さい。そのため、軸対称偏光レーザ光を用いることにより、分解能を向上することができる。
　また、前記試料における焦点と共役関係を有する焦点に設けられ、前記軸対称偏光レーザ光の光束径方向において、前記軸対称偏光レーザ光に含まれる所定の偏光成分が占める領域が透過可能に形成された選択手段を備えることが好ましい。
　これにより、選択手段は、軸対称偏光レーザ光に含まれる横偏光成分及び縦偏光成分の何れか一方に由来する反射光及び／又は散乱光を選択的に透過することができる。そのため、横偏光成分に由来する動態及び縦偏光成分に由来する動態の何れか一方の動態のみを計測することができる。
　さらに、前記軸対称偏光生成手段は、光軸に対して放射方向に偏光する放射状偏光レーザ光を生成し、少なくともラマン分光法を用いて、前記集光手段により集光された反射光及び／又は散乱光のうち、縦偏光成分由来の反射光及び／又は散乱光のみを抽出する抽出手段を備えることがより好ましい。
　放射状偏光レーザ光は、焦点において、横偏光成分と縦偏光成分とを有する。また、焦点における、縦偏光成分のスポットサイズは、横偏光成分のスポットサイズよりはるかに小さい。そして、一般に、横偏光成分を探針として検出できる成分は、縦偏光成分を探針として検出できる成分と異なる振動数を有する。そのため、抽出手段により縦偏光成分由来の反射光及び／又は散乱光のみを抽出することにより、分解能をさらに向上することができる。具体的には、縦偏光成分のスポットサイズは、波長の３０％程度である。したがって、３次元空間分解能を約３０倍向上させることができる。換言すれば、ナノスケールの分解能を達成することができる。
　また、前記試料に入射するレーザ光の強度分布を空間的に変調する強度変調手段を備えることがより好ましい。
　レーザ光の強度分布において、開口数の高い部分のレーザ光のみを試料に入射させることにより、分解能をさらに向上させることができる。しかし、レーザ光の強度分布において、開口数の高い部分のレーザ光のみを用いて計測を行うと、その分、光量が減り、観測光の強度が減少する。本発明では、レーザ光の空間的強度分布を任意に変調することにより、観測光の強度を調節することができる。そのため、分解能の向上を図っても、レーザ光の強度分布の最適化制御によって観測光の強度の減少を低減することができる。
　また、前記試料の屈折率及び前記試料における焦点位置に基づいて、試料に入射するレーザ光の位相を空間的に変調する位相変調手段を備えることが好ましい。
　物質内部の動態を計測する場合、深さ方向にスキャンを行う。深さ方向にスキャンを行うと、空気中と物質内部の屈折率の相違等により、収差が発生してしまう。また、深度（物質表面からの焦点位置までの距離）の増加とともに収差が増加してしまう。そこで、焦点位置に基づいて位相を空間的に変調することにより、深さ方向にスキャンを行うことによって発生する収差を低減することができる。
　本発明により、物質内部の動態をより詳細に計測することができる。
本発明の実施の形態にかかる共焦点顕微分光装置の一例を示したものである。 軸対称偏光レーザ光を説明する図である。 軸対称偏光レーザ光を説明する図である。 本発明の実施の形態にかかる分布型液晶旋光子における偏光を説明する図である。 直線偏光レーザ光の焦点位置における偏光方向を示す図である。 放射状偏光レーザ光の焦点位置における偏光方向を示す図である。 放射状偏光レーザ光のスポットの強度分布、放射状偏光レーザ光の縦偏光成分のスポットの強度分布、放射状偏光レーザ光の横偏光成分のスポットの強度分布を示す図である。 共焦点スリットを透過させない場合における放射状偏光レーザ光の焦点位置における縦偏光成分と横偏光成分の強度分布を示す図である。 共焦点スリットを透過させた場合における放射状偏光レーザ光の焦点位置における縦偏光成分と横偏光成分の強度分布を示す図である。 精密共焦点調整系によるピンホールの位置の調整について説明する図である。 精密共焦点調整系によるピンホールの位置の調整について説明する図である。
　以下に、本発明を適用可能な実施形態を説明する。なお、本実施形態では、顕微分光装置として共焦点顕微分光装置を例に挙げて説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。
　本発明の実施形態にかかる共焦点顕微分光装置１００について、図１を参照しながら説明する。共焦点顕微分光装置１００は、図１に示すように、レーザ光源１、第１のビームエキスパンダ２、分布型液晶旋光子３（軸対称偏光生成手段）、液晶空間光変調器４（位相変調手段）、第２のビームエキスパンダ５、第１のハーフミラー６、光学マスク７（強度変調手段）、対物レンズ８（集光手段）、波長板９、共焦点ピンホールユニット１０（選択手段）、第２のハーフミラー１１、精密共焦点調整系１２、ミラー１３、集光レンズ１４、分光器１５（抽出手段）、光検出器１６（抽出手段）等を有している。そして、共焦点顕微分光装置１００は、試料Ｓに対して３次元で走査を行って、試料Ｓの動態を表す３次元の画像データを得る。ここで、共焦点顕微分光装置１００によって計測できる物質の動態としては、格子振動、分子振動、磁気励起、プラズモン、化学組成、ドメイン構造、局所温度、欠陥などが挙げられる。
　レーザ光源１は、レーザダイオード等の利得媒質を備えている。レーザ光源１は、例えば、直線偏光のレーザ光（以下、直線偏光レーザ光と称する。）を出射する。なお、レーザ光源１から出射されるレーザ光の偏光分布は、直線偏光に限られるものではない。例えば、レーザ光源１は、光軸に対して対称な偏光分布を有するレーザ光（以下、軸対称偏光レーザ光と称する。）を出射してもよい。この場合には、後述する分布型液晶旋光子３の構成を省略することができる。また、ラゲールガウスビームと呼ばれる軌道角運動量を有するビームを２本混合する方法を用いることにより、レーザ光源１から軸対称偏光レーザ光を出射させることができる。また、光学軸が一軸である複屈折結晶を用いる共振器を使用することにより、レーザ光源１から軸対称偏光レーザ光を出射させることができる。
　第１のビームエキスパンダ２は、レーザ光源１から出射されたレーザ光の光路上に位置する。第１のビームエキスパンダ２は、レーザ光源１から出射されたレーザ光の光束径を拡大して光束形状を整形する。なお、第１のビームエキスパンダ２は省略することができる。
　分布型液晶旋光子３は、第１のビームエキスパンダ２を透過したレーザ光の光路上に位置する。分布型液晶旋光子３は、第１のビームエキスパンダ２を透過したレーザ光の偏光分布を変換して、軸対称偏光レーザ光を生成する。本実施形態において、第１のビームエキスパンダ２を透過したレーザ光は直線偏光レーザ光であるため、分布型液晶旋光子３は、直線偏光レーザ光を軸対称偏光レーザ光に変換する。
　軸対称偏光レーザ光には、図２Ａに示す同心円状偏光レーザ光と、図２Ｂに示す放射状偏光レーザ光とがある。本実施形態では、分布型液晶旋光子３が直線偏光レーザ光を放射状偏光レーザ光に変換する場合を例に挙げて説明する。なお、分布型液晶旋光子３は、直線偏光レーザ光を同心円状偏光レーザ光に変換してもよい。
　分布型液晶旋光子３は、液晶分子の配向分布が空間的にツイストしている液晶部材を有している。そして、直線偏光レーザ光が分布型液晶旋光子３に入射すると、図３に示すように、各液晶分子のツイスト状態に応じて、場所毎に異なる偏光をもつレーザ光に変換される。これにより、直線偏光レーザ光が放射状偏光レーザ光に変換される。
　なお、円錐ブリュースタープリズム、ｃ－ｃｕｔＮｄ：ＹＶＯ４結晶、光ファイバ、フォトニック結晶ミラー、分割波長板などを用いることによっても、軸対称偏光レーザ光を発生させることができる。
　液晶空間光変調器４は、分布型液晶旋光子３を透過したレーザ光の光路上に位置する。液晶空間光変調器４は、液晶層と透明電極層とを備える液晶部材（図示省略）を有している。また、液晶空間光変調器４は、透明電極層に印加する電圧を調整する電圧制御装置４Ａを備えている。透明電極層に印加する電圧を調整することにより、液晶層の液晶分子の配向方向を調節することができる。そして、液晶空間光変調器４は、各液晶分子の配向方向を調節することにより、当該液晶空間光変調器４に入射するレーザ光に位相差を与えることができる。なお、液晶空間光変調器４は、レーザ光の偏光には影響を与えない。
　液晶空間光変調器４は、試料Ｓの屈折率及び試料Ｓにおける焦点位置に基づいて、試料Ｓに入射するレーザ光の位相を空間的に変調する。具体的には、液晶空間光変調器４は、試料Ｓの屈折率に基づく収差を低減する位相差を、当該液晶空間光変調器４に入射するレーザ光に与える。また、液晶空間光変調器４は、試料Ｓにおける焦点位置に基づいて、焦点位置の移動に基づく収差を低減するような位相差を、当該液晶空間光変調器４に入射するレーザ光に与える。
　より具体的には、液晶空間光変調器４は、まず、試料Ｓの屈折率に基づいて、試料Ｓに入射するレーザ光の位相を空間的に変調する。次いで、試料Ｓにおける焦点位置が移動されると、液晶空間光変調器４は、試料Ｓにおける焦点位置に基づいて、試料Ｓに入射するレーザ光の位相を空間的に変調する。これにより、試料Ｓをスキャンすることにより発生する収差が低減される。
　また、液晶空間光変調器４は、当該液晶空間光変調器４に入射したレーザ光の位相を変調するとともに、反射又は透過する。
　第２のビームエキスパンダ５は、液晶空間光変調器４を反射又は透過したレーザ光の光路上に位置する。第１のビームエキスパンダ２は、レーザ光源１を透過したレーザ光の光束径を縮小して光束形状を整形する。なお、第２のビームエキスパンダ５は省略することができる。
　第１のハーフミラー６は、第２のビームエキスパンダ５を透過したレーザ光を反射する。
　また、第１のハーフミラー６は、試料Ｓにより反射され、対物レンズ８に集光され、光学マスク７を透過した反射光及び散乱光を透過する。
　光学マスク７は、第１のハーフミラー６により反射されたレーザ光の光路上に位置する。光学マスク７は、試料Ｓに入射するレーザ光の強度分布を空間的に変調する。これにより、光学マスク７は、観測光の強度（観測光の明度）を調節する。
　レーザ光の強度分布において、開口数の高い部分のレーザ光のみを試料Ｓに入射させることにより、分解能をさらに向上させることができる。しかし、レーザ光の強度分布において、開口数の高い部分のレーザ光のみを用いて計測を行うと、その分、光量が減り、観測光の強度が減少する。しかし、本実施形態では、光学マスク７により、レーザ光の強度分布を空間的に変調する。これにより、レーザ光の空間的強度分布を任意に変調することにより、観測光の強度を調節することができる。そのため、分解能の向上を図っても、レーザ光の強度分布の最適化制御によって観測光の強度の減少を低減することができる。
　具体的には、対物レンズ８よりレーザ光源１側の光路にアパーチャーなどを配置することによって、焦点付近における強度分布を制御する。これは変形照明と呼ばれる方法で、具体的な強度分布はベクトル回折理論に基づいて計算することができる。変形照明方法としては、輪帯照明、二極照明、四極照明などの様々な形状の照明を用いる方法が提案されており、輪帯照明方法が多用されている。
　また、対物レンズ８よりレーザ光源１側の光路に、空間的に透過率が異なる光学素子を配置することにより、光束の強度分布を最適化することができる。この手法は、アポタイゼーションと呼ばれている。
　対物レンズ８は、光学マスク７を透過したレーザ光を試料Ｓに集光する。また、対物レンズ８は、試料Ｓから反射された反射光及び／又は散乱光を集光する。対物レンズ８のＮＡ（開口数）は高く、例えば、０．７である。高いＮＡを有する対物レンズ８を用いることにより、微細な構造に基づく反射光及び／又は散乱光を集光することができる。
　波長板９は、第１のハーフミラー６を透過した反射光及び／又は散乱光の光路上に位置する。波長板９は、例えば、波長板９を透過する反射光及び／又は散乱光の縦偏光成分もしくは横偏光成分を選択的に透過、あるいは、遮蔽する。これにより、対物レンズ８により集光された反射光及び／又は散乱光の偏光解析を可能にする。
　共焦点ピンホールユニット１０は、波長板９を透過した反射光及び／又は散乱光の光路上に位置する。共焦点ピンホールユニット１０は、第１の共焦点レンズ１０Ａ、共焦点スリット１０Ｂ、第２の共焦点レンズ１０Ｃを有している。
　第１の共焦点レンズ１０Ａは、波長板９を透過した反射光及び／又は散乱光を集光する。
　共焦点スリット１０Ｂは、第１の共焦点レンズ１０Ａにより集光された反射光及び／又は散乱光の集光点位置付近に配置される。換言すれば、共焦点スリット１０Ｂは、試料Ｓにおける焦点と共役関係を有する焦点位置付近に配置される。また、共焦点スリット１０Ｂは、軸対称偏光レーザ光の光束径方向において、軸対称偏光レーザ光に含まれる所定の偏光成分が占める領域が透過可能に形成されている。これにより、共焦点スリット１０Ｂは、対物レンズ８により集光された反射光及び／又は散乱光のうち、所定の偏光成分由来の反射光及び／散乱光を選択的に透過する。具体的には、共焦点スリット１０Ｂは、対物レンズ８により集光された反射光及び／又は散乱光のうち、横偏光成分又は縦偏光成分由来の反射光及び／又は散乱光のうち何れか一方を選択的に透過する。
　そして、第２の共焦点レンズ１０Ｃは、共焦点スリット１０Ｂを透過した反射光及び／又は散乱光を集光し、平行光として出射する。
　図４Ａに、直線偏光レーザ光の焦点位置における偏光方向を示し、図４Ｂに、放射状偏光レーザ光の焦点位置における偏光方向を示す。図４Ａに示すように、直線偏光レーザ光は、焦点位置において、横偏光成分を有する。これに対し、放射状偏光レーザ光は、図４Ｂに示すように、焦点位置において、横偏光成分だけでなく縦偏光成分も有する。図示省略するが、同心円状偏光レーザ光も、焦点位置において、横偏光成分及び縦偏光成分を有する。
　図５の上段のグラフに、放射状偏光レーザ光のスポットの強度分布を示し、図５の中段のグラフに、縦偏光成分のスポットの強度分布を示し、図５の下段のグラフに、横偏光成分のスポットの強度分布を示す。図５に示すように、縦偏光成分のスポットサイズは、横偏光成分のスポットサイズに比べてはるかに小さい。そのため、縦偏光成分のスポットサイズは、放射状偏光レーザ光のスポットサイズよりも小さい。また、縦偏光成分のスポットの強度は、中心部分ほど高くなっている。これに対し、横偏光成分のスポットの強度は、ドーナツ状に強度が高くなっている。また、当該ドーナツ状の穴部分の径は、縦偏光成分のスポットサイズとほぼ同じ大きさとなっている。
　そこで、共焦点スリット１０Ｂのピンホールの形状を、縦偏光成分のスポットサイズに光学系の転送倍率を乗じたものと略同一の径を有する円形とすることにより、共焦点スリット１０Ｂは、縦偏光成分由来の反射光及び／又は散乱光を選択的に透過することができる。
　また、共焦点スリット１０Ｂのピンホールの形状を、縦偏光成分のスポットサイズより大きく横偏光成分のスポットサイズより小さい領域に光学系の転送倍率を乗じたものと略同一の領域であるドーナツ形状とすることにより、共焦点スリット１０Ｂは、横偏光成分由来の反射光及び／又は散乱光を選択的に透過することができる。
　本実施形態では、共焦点スリット１０Ｂが縦偏光成分を選択的に透過する場合を例に挙げて説明する。
　図６Ａ、Ｂに、放射状偏光レーザ光によって励起されたスペクトルの観測例を示す。図６Ａに、共焦点スリット１０Ｂを透過させない場合のスペクトルの観測例を示す。また、図６Ｂに、共焦点スリット１０Ｂを透過させた場合のスペクトルの観測例を示す。図６Ａ、Ｂにおいて、縦軸がスペクトル強度、横軸が振動数を表す。図６Ａ、Ｂに示すように、一般に、横偏光成分を探針として検出できる振動成分は、縦偏光成分を探針として検出できる振動成分と異なる振動成分を有する。そして、共焦点スリット１０Ｂを透過すると、横偏光成分はカットされるため、横偏光成分の強度は、はるかに小さくなる。換言すれば、共焦点スリット１０Ｂにより、縦偏光成分が選択的に透過される。
　第２のハーフミラー１１は、共焦点ピンホールユニット１０を透過した反射光及び／又は散乱光の光路上に位置する。第２のハーフミラー１１は、共焦点ピンホールユニット１０を透過した反射光及び／又は散乱光の一部を反射するとともに、反射しなかった反射光及び／又は散乱光を透過する。
　精密共焦点調整系１２は、第２のハーフミラー１１により反射された反射光及び／又は散乱光の光路上に位置する。精密共焦点調整系１２は、ＣＣＤ等の受光素子（図示省略）、液晶パネル等の表示装置（図示省略）、及び、共焦点ピンホールユニット１０の位置を調整する調整装置（図示省略）等を有する。そして、精密共焦点調整系１２は、共焦点スリット１０Ｂのピンホールの位置と、第１の共焦点レンズ１０Ａにより集光されたレーザ光のスポットの位置とを同時観察する。そして、精密共焦点調整系１２は、ピンホールの位置とレーザ光のスポットの位置とがずれているか否かを判断し、ずれている場合に、ピンホールの位置を調整することにより、ピンホールの位置とレーザ光のスポットの位置とを一致させる。
　図７Ａ、Ｂを参照して、精密共焦点調整系１２によるピンホールの位置の調整について説明する。図７Ａ、Ｂは、ピンホールと焦点スポットとの位置関係を示す。図７Ａ、Ｂにおいて、斜線部分が共焦点スリット１０Ｂを示し、斜線部分に挟まれた部分がピンホールを示す。図７Ａに示すように、ピンホールの位置とレーザ光のスポットの位置とが合っている場合、ピンホールの中心位置にレーザ光のスポットの強度が最も高い部分が位置する。一方、図７Ｂに示すように、ピンホールの位置とレーザ光のスポットの位置とがずれている場合、ピンホールの中心位置にレーザ光のスポットの強度が最も高い部分が位置しない。したがって、精密共焦点調整系１２は、ピンホールの中心位置にレーザ光のスポットの強度が最も高い部分が位置するか否かに基づいて、ピンホールの位置とレーザ光のスポットの位置とがずれているか否かを判断し、ピンホールの位置の調整を行う。
　ミラー１３は、第２のハーフミラー１１を透過した反射光及び／又は散乱光の光路上に位置する。ミラー１３は、第２のハーフミラー１１を透過した反射光及び／又は散乱光を反射する。
　集光レンズ１４は、ミラー１３により反射された反射光及び／又は散乱光の光路上に位置する。集光レンズ１４は、ミラー１３から反射された反射光及び／又は散乱光を分光器１５に対して集光する。
　分光器１５は、集光レンズ１４により集光された反射光及び／又は散乱光に対してラマン分光法を用いたスペクトル解析を行う。具体的には、分光器１５は、反射光及び／又は散乱光をラマン分光法に基づいて分光することにより、縦軸に強度を示し、横軸に振動数を示すグラフ（ラマンスペクトル）を作成する。分光器１５は、試料Ｓの走査範囲全体に対して、ラマンスペクトルを作成する。また、分光器１５は、ラマン分光法に基づいて分光した反射光及び／又は散乱光を光検出器１６に入射する。
　光検出器１６は、分光器１５から入射された反射光及び／又は散乱光を検出して画像データに変換する。具体的には、光検出器１６は、ＣＣＤ（Charge　Coupled　Device；図示省略）を備え、受光した反射光及び／又は散乱光の強度を各振動数毎に計測する。このようにして、光検出器１６は、受光した反射光及び／又は散乱光のラマンスペクトルをスペクトル画像で表す。そして、光検出器１６は、試料Ｓの走査範囲全体に対して、スペクトル画像データを生成する。光検出器１６により生成された全てのスペクトル画像データに基づいて、試料Ｓの動態を表す３次元の画像データを得る。
　なお、光検出器１６は、ＣＣＤの代わりに、フォトダイオード、光電子倍増管を備えていてもよい。
　また、光検出器１６は、スペクトル画像データを解析するコンピュータ（図示省略）などを備える。本実施形態では、共焦点ピンホールユニット１０において、試料Ｓから反射及び／又は散乱された反射光及び／又は散乱光のうち、縦偏光成分由来の反射光及び／又は散乱光が選択的に透過されている。しかし、図６Ｂに示すように、僅かながら、共焦点ピンホールユニット１０において、横偏光成分由来の反射光及び／又は散乱光も透過されている。これは、実際には、横偏光成分のスポット径と、縦偏光成分のスポット径とは、一部重なってしまうことに原因がある。そして、横偏光成分由来の反射光及び／散乱光と、縦偏光成分由来の反射光及び／又は散乱光とを、横偏光成分と縦偏光成分とのスポット径の違いのみによって完全に分離することは難しい。したがって、光検出器１６に入射するレーザ光には、僅かに横偏光成分由来の反射光及び／又は散乱光も含まれている。
　また、図６に示すように、横偏光成分由来の反射光及び／又は散乱光の振動数は、縦偏光成分由来の反射光及び／又は散乱光の振動数と異なる。そのため、スペクトル観測後に、光検出器１６に備えられたコンピュータにより、振動数に基づいて、縦偏光成分由来のスペクトル成分に基づくデータを抽出することによって、縦偏光成分のみによる動態の計測を容易に行うことができる。
　以上に説明した本実施形態にかかる共焦点顕微分光装置１００は、光軸に対して対称な偏光分布を有する軸対称偏光レーザ光を生成する分布型液晶旋光子３と、分布型液晶旋光子３により生成された軸対称偏光レーザ光を試料Ｓに集光する対物レンズ８と、を備える。そして、対物レンズ８は、試料Ｓからの反射光及び／又は散乱光を集光する。
　本実施形態にかかる共焦点顕微分光装置１００においては、軸対称偏光レーザ光を試料Ｓに集光する。軸対称偏光レーザ光は、焦点において、横偏光成分だけでなく縦偏光成分も有する。そのため、物質内部の横偏光成分を探針として検出できる動態だけでなく、縦偏光成分を探針として検出できる動態を含むあらゆる動態をも計測することができる。従来、様々な運動状態にあるあらゆる動態を計測する場合には、複雑な光学系や煩雑な操作を必要とし、装置自体が大きくなってしまう等の問題があった。しかし、本実施形態にかかる共焦点顕微分光装置１００においては、軸対称偏光レーザ光を試料Ｓに集光する対物レンズ８により、試料Ｓからの反射光及び／又は散乱光として物質内部のあらゆる動態に起因する情報が取得される。そのため、簡易な光学系、もしくは容易な操作で、様々な運動状態にあるあらゆる動態を計測することができる。
　また、軸対称偏光レーザ光のスポットサイズは、直線偏光レーザ光より小さい。そのため、軸対称偏光レーザ光を用いることにより、分解能を向上することができる。
　また、試料Ｓにおける焦点と共役関係を有する焦点に設けられ、軸対称偏光レーザ光の光束径方向において、軸対称偏光レーザ光に含まれる所定の偏光成分が占める領域が透過可能に形成された共焦点ピンホールユニット１０を備える。
　これにより、共焦点ピンホールユニット１０は、軸対称偏光レーザ光に含まれる横偏光成分及び縦偏光成分の何れか一方に由来する反射光及び／又は散乱光を選択的に透過することができる。そのため、横偏光成分に由来する動態及び縦偏光成分に由来する動態の何れか一方の動態のみを計測することができる。
　さらに、分布型液晶旋光子３は、光軸に対して放射方向に偏光する放射状偏光レーザ光を生成し、共焦点顕微分光装置１００は、少なくともラマン分光法を用いて、対物レンズ８により集光された反射光及び／又は散乱光のうち、縦偏光成分由来の反射光及び／又は散乱光のみを抽出する分光器１５及び光検出器１６を備えている。
　放射状偏光レーザ光は、焦点において、横偏光成分と縦偏光成分とを有する。また、焦点における、縦偏光成分のスポットサイズは、横偏光成分のスポットサイズよりはるかに小さい。そして、一般に、横偏光成分を探針として検出できる成分は、縦偏光成分を探針として検出できる成分と異なる振動数を有する。そのため、分光器１５及び光検出器１６により縦偏光成分由来の反射光及び／又は散乱光のみを抽出することにより、分解能をさらに向上することができる。具体的には、縦偏光成分のスポットサイズは、波長の３０％程度である。したがって、３次元空間分解能を約３０倍向上させることができる。換言すれば、ナノスケールの分解能を達成することができる。
　また、共焦点顕微分光装置１００は、試料Ｓに入射するレーザ光の強度分布を空間的に変調する光学マスク７を備えている。
　レーザ光の強度分布において、開口数の高い部分のレーザ光のみを試料Ｓに入射させることにより、分解能をさらに向上させることができる。しかし、レーザ光の強度分布において、開口数の高い部分のレーザ光のみを用いて計測を行うと、その分、光量が減り、観測光の強度が減少する。本実施形態にかかる共焦点顕微分光装置１００では、レーザ光の空間的強度分布を任意に変調することにより、観測光の強度を調節することができる。そのため、分解能の向上を図っても、レーザ光の強度分布の最適化制御によって観測光の強度の減少を低減することができる。
　また、共焦点顕微分光装置１００は、試料Ｓの屈折率及び試料Ｓにおける焦点位置に基づいて、試料Ｓに入射するレーザ光の位相を空間的に変調する液晶空間変調器４を備えている。
　物質内部の動態を計測する場合、深さ方向にスキャンを行う。深さ方向にスキャンを行うと、空気中と物質内部の屈折率の相違により、収差が発生してしまう。また、焦点位置の深さ（物質表面からの焦点位置までの距離）が増加するとともに収差が増加してしまう。そこで、試料Ｓの屈折率だけでなく、焦点位置に基づいて位相を空間的に変調することにより、深さ方向にスキャンを行うことによって発生する収差を低減することができる。
　なお、本発明の範囲は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、軸対称偏光生成手段は、軸対称偏光レーザ光を出射するレーザ光源１により実現されてもよい。また、分光器１５及び光検出器１６の代わりに干渉分光計などの他の分光機器を設けることによっても抽出手段を実現することができる。
　また、本発明における軸対称偏光レーザ光を使用することによる分解能向上技術は、従来の共焦点顕微分光装置における分解能向上技術と併用することができる。併用することにより、さらなる分解能の向上を実現できる。従来の共焦点顕微分光装置における分解能向上技術として、入射レーザ光の波長を短くすることにより回折限界を向上させる技術、照明方法を変形することによって開口数の高い成分を選択的に利用する技術、液浸・油浸・固体浸レンズを用いることによって開口数を向上する技術などが挙げられる。
　また、空気中と物質内部の屈折率の相違によって発生する収差、及び、物質内部を深さ方向にスキャンすることよって発生する収差を低減する方法は、液晶空間変調器４を用いることに限られない。例えば、可変形鏡（ｄｅｆｏｒｍａｂｌｅ　ｍｉｒｒｏｒ）、複数の輪帯を有し、各輪帯毎にレンズ厚みが異なるレンズ、複数の輪帯を有し、輪帯毎に屈折率が異なるレンズ、液晶レンズ、その他の空間光位相変調器などを用いることによっても、収差を低減することができる。
　物質内部の動態をより詳細に計測することができる顕微分光装置を提供することができる。
３　分布型液晶旋光子（軸対称偏光生成手段）
４　液晶空間光変調器（位相変調手段）
７　光学マスク（強度変調手段）
８　対物レンズ（集光手段）
１０　共焦点ピンホールユニット（選択手段）
１５　分光器（抽出手段）
１６　光検出器（抽出手段）
１００　共焦点顕微分光装置（顕微分光装置）
Ｓ　試料

Claims (5)

  1. 　試料の一部もしくは全体を測定部分として分光測定を行う顕微分光装置であって、
    　光軸に対して対称な偏光分布を有する軸対称偏光レーザ光を生成する軸対称偏光生成手段と、
    　前記軸対称偏光生成手段により生成された軸対称偏光レーザ光を前記試料に集光する集光手段と、
    　を備え、
    　前記集光手段は、前記試料からの反射光及び／又は散乱光を集光する顕微分光装置。
  2. 　前記試料における焦点と共役関係を有する焦点に設けられ、前記軸対称偏光レーザ光の光束径方向において、前記軸対称偏光レーザ光に含まれる所定の偏光成分が占める領域が透過可能に形成された選択手段を備える請求項１に記載の顕微分光装置。
  3. 　前記軸対称偏光生成手段は、光軸に対して放射方向に偏光する放射状偏光レーザ光を生成し、
    　少なくともラマン分光法を用いて、前記集光手段により集光された反射光及び／又は散乱光のうち、縦偏光成分由来の反射光及び／又は散乱光のみを抽出する抽出手段を備える請求項１又は２に記載の顕微分光装置。
  4. 　前記試料に入射するレーザ光の強度分布を空間的に変調する強度変調手段を備える請求項１乃至３の何れか一項に記載の顕微分光装置。
  5. 　前記試料の屈折率及び前記試料における焦点位置に基づいて、試料に入射するレーザ光の位相を空間的に変調する位相変調手段を備える請求項１乃至４の何れか一項に記載の顕微分光装置。
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