光学顕微鏡、及び分光測定方法
【課題】高い分解能の測定を行うことができる光学顕微鏡、及び分光測定方法を提供すること。
【解決手段】本発明の一態様にかかる分光測定装置は、レーザ光源１０と、光ビームを集光して、試料２２に入射させる対物レンズ２１と、試料２２上における光ビームのスポット位置を走査するＹ走査装置１３と、試料２２に入射された光ビームのうち、異なる波長となって試料２２から対物レンズ２１側に出射する出射光と光源１０から前記試料に入射する光ビームとを分離するビームスプリッタ１７と、ビームスプリッタ１７により分離された出射光を波長に応じて空間的に分散させる分光器３１と、分光器３１で分散された出射光を検出する検出器３２と、分光器３１の入射側に配置され、出射光を分光器３１側に通過させる複数のピンホール４２が配列されたピンホールアレイ３０を備えるものである。
【解決手段】本発明の一態様にかかる分光測定装置は、レーザ光源１０と、光ビームを集光して、試料２２に入射させる対物レンズ２１と、試料２２上における光ビームのスポット位置を走査するＹ走査装置１３と、試料２２に入射された光ビームのうち、異なる波長となって試料２２から対物レンズ２１側に出射する出射光と光源１０から前記試料に入射する光ビームとを分離するビームスプリッタ１７と、ビームスプリッタ１７により分離された出射光を波長に応じて空間的に分散させる分光器３１と、分光器３１で分散された出射光を検出する検出器３２と、分光器３１の入射側に配置され、出射光を分光器３１側に通過させる複数のピンホール４２が配列されたピンホールアレイ３０を備えるものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学顕微鏡、及び分光測定方法に関し、特に詳しくは試料に照射する光と異なる波長の光を検出する光学顕微鏡及び分光測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ラマン分光測定は、試料が気体、液体、結晶、無定形固体であることを問わず、温度は高温でも低温でも可能であり、測定において、真空などの特殊な測定雰囲気を必要としないという利点を持つ。さらに、試料の前処理を特に必要とせず、試料をそのままの状態で測定可能であるなどの長所があり、これらの長所を生かした測定が多くなされている。ラマン分光測定を利用することによって、分子を非染色で観測すること、及び半導体中の不純物を観測することができる。
【０００３】
このようなラマン分光測定を行うため、分光器を用いたラマン顕微鏡が開示されている（特許文献１、特許文献２）。特許文献１の図１では、試料から発生したラマン散乱光が、分光器で分光されている。さらに、分光器の前に、入射スリットが設けられている。そして、試料のある１点から発生したラマン散乱光は、入射スリットのスポット状の領域を通過する。特許文献２の光学顕微鏡も同様に、入射スリットを有している。分光器に収差がない理想的な場合、試料のある１点から発生し、スポット状の領域を通過した光は、λ方向に分散されて、検出器の１行の画素列で検出される。この場合、試料のある１点から発生した、特定の波長のラマン散乱光は、検出器の受光面において、図１３に示すような、光ビームのスポット８１を形成する。図１３では、特定の２波長のラマン散乱光を示している。
【０００４】
しかしながら、分光器の光学系に非点収差がある場合、スポットがＹ方向に延びてしまう。すなわち、受光面において、スポットが分散方向と直交する方向に拡がってしまう。従って、図１３に示すように、楕円形のスポット８２が形成されてしまう。なお、スポット８２は、検出器における入射スリットの像の長手方向に延びている。
【０００５】
このような非点収差の問題を分光器の収差の補正によって、解決する技術が開示されている（非特許文献１）。例えば、Ａｃｔｏｎ社製の分光器ＳｐｅｃｔｒａＰｒｏシリーズにおいては、分光器の凹面鏡に球面ではなく、トロイダル面を持ったものを使用している。これにより、収差を補正することができる。あるいは、複数枚の凹面鏡を使用することで非点収差を補正する分光器が開示されている（特許文献３）。
【０００６】
また、分光器の前段にファイババンドルを配置する多焦点共焦点顕分ラマン分光法が開示されている（非特許文献２）。この構成では、マイクロレンズアレイによって、光ビームをマルチビームとしている。そして、マルチビームが格子状のピンホールアレイを通過している。さらに、試料からのマルチビームが、格子状のピンホールアレイを介して、ファイババンドルに入射している。ファイババンドルの出射端を１列に配置している。そして、ファイババンドルから出射された光が、分光器に入射している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１７９００２号公報
【特許文献２】特開２０１０−５４３６８号公報
【特許文献３】特開２００７−１２１０８７号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】[平成２３年２月２５日検索]、インターネット ｈｔｔｐ：//ｗｗｗ.ｒｏｐｅｒ.ｃｏ.ｊｐ/Ｈｔｍｌ/ｒｏｐｅｒ/ｔｅｃｈ＿ｎｏｔｅ/ｈｔｍｌ/ｒｐ０３.ｈｔｍ
【非特許文献２】Ｍｕｌｔｉｆｏｃｕｓ ｃｏｎｆｏｃａｌ Ｒａｍａｎ ｍｉｃｒｏｓｐｅｃｒｏｓｃｏｐｙ ｆｏｒ ｆａｓｔ ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎａｌ ｉｍａｇｉｎｇ ｏｆ ｌｉｖｉｎｇ ｃｅｌｌｓ， Ｍａｓａｎａｒｉ Ｏｋｕｎｏ ａｎｄ Ｈｉｒｏ−ｏ Ｈａｍａｇｕｃｈｉ， ＯＰＴＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ／Ｖｏｌ．３５,Ｎｏ．２４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、これらの構成によっても、非点収差の補正は十分ではなく、例えば、焦点距離５００ｍｍの分光器において、スリット方向に、１００μｍ程度の分解能の低下が生じてしまう。
【００１０】
本発明は上述の問題点に鑑みてなされたものであり、高い分解能での測定を行うことができる光学顕微鏡、及び分光測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第１の態様にかかる光学顕微鏡は、光源と、前記光源からの光ビームを集光して、試料に入射させる対物レンズと、前記試料に対する光ビームの位置を相対移動させて、前記試料上における前記光ビームのスポット位置を走査する走査手段と、前記試料に入射された光ビームのうち、異なる波長となって前記試料から前記対物レンズ側に出射する出射光と前記レーザ光源から前記試料に入射する光ビームとを分離する光分岐手段と、前記光分岐手段により分離された出射光を波長に応じて空間的に分散させる分光器と、アレイ状に配列された受光画素を有し、前記分光器で分散された出射光を検出する２次元アレイ光検出器と、前記分光器の入射側に配置され、集光された出射光を前記分光器側に通過させる複数の光通過部が前記分光器の分散方向と直交する方向に沿って配列された光制限手段と、を備えるものである。これにより、高い分解能での測定を短時間で行うことができる。
【００１２】
本発明の第２の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡であって、前記２次元アレイ光検出器の受光面において、前記複数の光通過部を通過した出射光が重ならないように、複数の前記光通過部が形成されているものである。これにより、分光器の光学系の非点収差の影響を低減することができるため、分解能を向上することができる。
【００１３】
本発明の第３の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡であって、前記分散方向と平行な方向において、前記光通過部の大きさが、可変であることを特徴とするものである。これにより、検出される光量を調整することができる。
【００１４】
本発明の第４の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡であって、複数の前記光通過部が、ピンホールが１列に並んだピンホールアレイによって形成されていることを特徴とするものである。これにより、簡便な構成で光の通過を制限することができる。
【００１５】
本発明の第５の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡であって、複数の前記光通過部による測定領域を同時に照明するよう、前記試料に入射する光ビームのスポットを複数形成するマルチビーム形成手段をさらに備えるものである。これにより、光源からの光を有効に利用することができ、測定を短時間で行うことができる。また、測定されない部分に光が照射されなくなることによって、試料の損傷を低減することができる。
【００１６】
本発明の第６の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡であって、前記マルチビーム形成手段が、複数の前記光ビームのスポットを１列に配列することを特徴とするものである。これにより、光を効率よく利用することができる。
【００１７】
本発明の第７の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡であって、前記走査手段が、前記光源から前記光分岐手段までの光路中に配置され、前記光制限手段における出射光の位置が前記光通過部の配列方向に変化するよう、前記光源からの光ビームを第１の方向に偏向させる第１の走査装置と、前記光分岐手段から前記試料までの光路中に配置され、前記試料上における前記光ビームのスポット位置を、前記第１の方向と異なる第２の方向に走査する第２の走査装置と、を備えるものである。これにより、測定時間を短縮することができる。
【００１８】
本発明の第８の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡であって、前記走査手段が、前記試料に対する光ビームの位置を相対移動させて、前記試料上における前記光ビームのスポット位置を走査する第３の走査装置をさらに備え、前記第３の走査装置の走査によって、前記光通過部の測定領域と前記光ビームのスポットとが前記試料上で前記第１の方向に移動することを特徴とするものである。これにより、所望の領域を測定することができる。
【００１９】
本発明の第９の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡であって、前記光源からの光ビームをライン状の光に変換する光変換手段をさらに備え、前記光通過部の配列方向に対応する方向に沿ったライン状の光が前記試料に入射しているものである。これにより、配列方向における走査を不要とすることが可能となる。
【００２０】
本発明の第１０の態様にかかる分光測定方法は、光源からの光ビームを集光して、試料に入射させ、前記試料に対する光ビームの位置を相対移動させて、前記試料上における前記光ビームのスポット位置を走査し、前記試料に入射された光ビームのうち、異なる波長となって前記試料から前記対物レンズ側に出射する出射光と前記レーザ光源から前記試料に入射する光ビームとを分離し、前記光ビームから分離された前記出射光を集光し、前記集光された出射光を通過させる複数の光通過部が配列された光制限手段に入射させ、前記光通過部を通過した出射光を、波長に応じて前記光通過部の配列方向と直交する方向に分散させ、アレイ状に配列された受光画素を有する２次元アレイ光検出器で、分散された出射光を検出するものである。これにより、高い分解能での測定を短時間で行うことができる。
【００２１】
本発明の第１１の態様にかかる分光測定方法は、上記の分光測定方法であって、前記２次元アレイ光検出器の受光面において、前記複数の光通過部を通過した出射光が重ならないように、複数の前記光通過部が形成されているものである。これにより、分光器の光学系の非点収差の影響を低減することができるため、分解能を向上することができる。
【００２２】
本発明の第１２の態様にかかる分光測定方法は、上記の分光測定方法であって、前記分散方向と平行な方向において、前記光通過部の大きさが、可変であることを特徴とするものである。これにより、検出される光量を調整することができる。
【００２３】
本発明の第１３の態様にかかる分光測定方法は、上記の分光測定方法であって、複数の前記光通過部が、ピンホールが１列に並んだピンホールアレイによって形成されていることを特徴とするものである。これにより、簡便な構成で光の通過を制限することができる。
【００２４】
本発明の第１４の態様にかかる分光測定方法は、上記の分光測定方法であって、前記試料に入射する光ビームのスポットを複数形成して、複数の前記光通過部による測定領域を同時に照明するものである。これにより、光源からの光を有効に利用することができ、測定を短時間で行うことができる。また、測定されない部分に光が照射されなくなることによって、試料の損傷を低減することができる。
【００２５】
本発明の第１５の態様にかかる分光測定方法は、上記の分光測定方法であって、前記試料上における複数の前記光ビームのスポットが１列に配列されていることを特徴とするものである。これにより、光を効率よく利用することができる。
【００２６】
本発明の第１６の態様にかかる分光測定方法は、上記の分光測定方法であって、前記試料上のライン状の領域を測定するように、前記試料上の光ビームのスポット位置を第１の方向に走査して、前記ライン状の領域に対する測定を行った後、前記試料上における前記光ビームのスポット位置を第２の方向に走査するものである。これにより、測定時間を短縮することができる。
【００２７】
本発明の第１７の態様にかかる分光測定方法は、上記の分光測定方法であって、前記試料上の光ビームのスポット位置を第１の方向に走査する際において、前記光源からの光ビームをデスキャンさせずに、第１の方向に偏向させた後、前記試料における前記光通過部の測定領域を前記第１の方向に移動させるものである。これにより、所望の領域を測定することができる。
【００２８】
本発明の第１８の態様にかかる分光測定方法は、上記の分光測定方法であって、前記光源からの光ビームをライン状の光に変換し、前記光通過部の配列方向に対応する方向に沿ったライン状の光が前記試料に入射しているものである。これにより、配列方向における走査を不要とすることが可能となる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、高い分解能での測定を行うことができる光学顕微鏡、及び分光測定方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】実施の形態１にかかる光学顕微鏡の構成を示す図である。
【図２】分光器の入射側に設けられたピンホールアレイを示す図である。
【図３】ピンホールアレイのピンホールと、受光面の光スポットとの関係を説明するための図である。
【図４】ピンホールアレイのピンホールによる、試料上の測定領域を示す平面図である。
【図５】ピンホールのサイズを変更したピンホールアレイを示す平面図である。
【図６】ピンホールのサイズを可変とする第１の構成を示す平面図である。
【図７】ピンホールのサイズを可変とする第２の構成を示す平面図である。
【図８】ピンホールのサイズを可変とする第３の構成を示す平面図である。
【図９】本発明の実施の形態２にかかる光学顕微鏡の構成を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態３にかかる光学顕微鏡の構成を示す図である。
【図１１】マイクロレンズアレイの構成を示す斜視図である。
【図１２】マイクロレンズアレイによって、複数のスポットを形成する様子を示す図である。
【図１３】検出器の受光面上で、非点収差によりスポットが拡がる様子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
実施の形態１
以下に、本発明を適用可能な実施の形態が説明される。以下の説明は、本発明の実施形態を説明するものであり、本発明が以下の実施形態に限定されるものではない。説明の明確化のため、以下の記載は、適宜、省略及び簡略化がなされている。又、当業者であれば、以下の実施形態の各要素を、本発明の範囲において容易に変更、追加、変換することが可能であろう。尚、各図において同一の符号を付されたものは同様の要素を示しており、適宜、説明が省略される。
【００３２】
発明の実施の形態１．
本発明の実施の形態にかかる光学顕微鏡について図１を用いて説明する。図１は本実施の形態にかかる光学顕微鏡の光学系の構成を模式的に示す図である。光学顕微鏡１００は、試料２２を観察するための構成として、レーザ光源１０と、ビームエキスパンダ１１と、Ｙ走査装置１３と、レンズ１４と、絞り１５と、レンズ１６と、ビームスプリッタ１７と、Ｘ走査ミラー１８と、レンズ１９と、レンズ２０と、対物レンズ２１と、ステージ２３と、レンズ２４と、分光器３１と、検出器３２と、ステージ駆動装置３５と、処理装置３６とを備えている。また、分光器３１は入射側にピンホールアレイ３０を備えている。
【００３３】
光学顕微鏡１００はラマン顕微鏡であり、レーザ光源１０からの光ビームを試料２２に入射させ、試料２２からのラマン散乱光を検出器３２で検出する。さらに、ラマン散乱光を分光器３１で分光するため、ラマンスペクトルを測定することができる。光学顕微鏡１００では、ＸＹ方向（水平方向）及びＺ方向（鉛直方向）に走査することができるため、３次元のラマンスペクトルイメージを測定することができる。
【００３４】
まず、光学顕微鏡１００の全体構成について図１を参照して説明する。レーザ光源１０は単色のレーザ光を出射する。使用するレーザ光源１０に付いては、特に限定されるものではないが、高スペクトル分解能を得るためには挟線幅の光源が望ましい。レーザ光源１０からの光ビームはビームエキスパンダ１１によって拡大され、Ｙ走査装置１３に入射する。Ｙ走査装置１３は、例えば、音響光学素子や、ガルバノミラーであり、入射した光ビームの出射角を変化させて、光ビームを偏向させる。これにより、試料２２上で光ビームの入射位置がＹ方向に沿って変化する。すなわち、Ｙ走査装置１３は、光ビームをＹ方向に走査する。なお、Ｙ走査装置１３での偏向角は、処理装置３６からの電気信号によって制御される。Ｙ走査装置１３で偏向された光ビームはレンズ１４で屈折され、絞り１５に入射する。なお、レンズ１４は絞り１５の面上に光ビームを集光する。絞り１５は、例えば円状の開口を有し、外側の光ビームを遮光する。すなわち、開口から外れた光ビームの通過を制限する。
【００３５】
絞り１５を透過した光ビームは、レンズ１６で屈折され、ビームスプリッタ１７に入射する。ビームスプリッタ１７は、例えば、ダイクロイックミラーであり、レーザ波長の光を試料２２の方向に反射する。ダイクロイックミラーとしては、Ｓｅｍｒｏｃｋ社製のエッジフィルタを用いることができる。ビームスプリッタ１７により反射された光は、Ｘ走査ミラー１８に入射する。Ｘ走査ミラー１８は、例えば、ガルバノミラーであり、反射面の角度が変化することによって、光ビームを偏向させる。すなわち、光軸に対するＸ走査ミラー１８の反射面の傾斜角度が変化するため、光ビームの出射角を変化させることができる。試料２２上で、試料２２上で光ビームの入射位置がＸ方向に沿って変化する。これにより、光ビームをＸ方向に走査することができる。なお、Ｘ走査ミラー１８での偏向角は、処理装置３６からの電気信号によって制御される。また、Ｘ方向とＹ方向とは互いに直交する方向であるため、Ｘ走査ミラー１８及びＹ走査装置１３によってＸＹ方向に走査することにより、試料２２上において２次元領域を走査することができる。
【００３６】
Ｘ走査ミラー１８によって走査された光ビームは、レンズ１９、及びレンズ２０で屈折され、対物レンズ２１に入射する。対物レンズ２１は、光ビームを集光して、試料２２上に入射する。すなわち、対物レンズ２１は、試料２２上に光ビームを集光して、試料２２を照明する。これにより、試料２２のスポット状の領域が照明される。対物レンズ２１には、例えば、ニコン製アポクロマート ＮＡ １．２ ｘ６０を用いることができる。
【００３７】
試料２２に入射した入射光の一部はラマン散乱される。試料２２に入射した入射光のうち、ラマン散乱により対物レンズ２１側に出射した光を出射光とする。すなわち、ラマン散乱光のうち、対物レンズ２１に入射したものを出射光とする。ラマン散乱された出射光は入射光とは異なる波長となっている。すなわち、ラマンシフトによって出射光は入射光の振動数からずれて散乱される。この出射光のスペクトルがラマンスペクトルとなる。したがって、出射光のスペクトルを測定することにより、試料２２中に含まれる物質の化学構造及び物理的状態を特定することができる。すなわち、ラマンスペクトルには、試料２２を構成する物質の振動の情報が含まれるため、出射光を分光器３１で分光して検出することにより、試料２２中の物質を特定することができる。そして、入射光の焦点位置をＸＹＺ方向にスキャンして試料２２の全面又は一部の領域からの出射光のスペクトルを測定することにより、ラマンスペクトルの３次元測定を行うことができる。測定したラマンスペクトルのうち、特定の波長に注目することにより、特定の物質の３次元空間分布の測定も可能となる。具体的には、試料２２を生体細胞とした場合の細胞中の核酸や脂質の空間分布、あるいはスクロースやポリスチレン球の空間分布を測定することができる。
【００３８】
なお、試料２２はステージ２３の上に載置されている。ステージ２３は、例えば、ＸＹＺステージである。このステージ２３はステージ駆動装置３５によって、駆動される。ステージ駆動装置３５がステージ２３をＸＹ方向に駆動することによって、試料２２の任意の位置を照明することができる。また、ステージ駆動装置３５がステージをＺ方向に駆動することによって、対物レンズ２１と試料２２との距離を変化させることができる。従って、対物レンズ２１の焦点位置を光軸方向に沿って変化させることができる。本発明にかかる光学顕微鏡１００は、後述するようにレーザコンフォーカル顕微鏡を構成しているため、焦点位置を変化させることによって、Ｚ方向の走査が可能となる。すなわち、Ｚ方向にステージを移動させることによって、試料２２の断層画像を撮像することができる。試料２２のＺ方向の任意の高さからのラマン散乱光の検出することができ、３次元のラマンスペクトルイメージの測定が可能になる。処理装置３６はステージ駆動装置３５に対して制御信号を入力し、ステージ２３の駆動を制御する。
【００３９】
ステージ２３上に載置された試料２２でラマン散乱され、対物レンズ２１に入射した出射光は、入射光と同じ光路上を伝播していく。すなわち、対物レンズ２１により屈折され、レンズ２０及びレンズ１９で屈折されて、Ｘ走査ミラー１８に入射する。Ｘ走査ミラー１８は、入射した出射光をビームスプリッタ１７の方向に反射する。このとき、出射光は、Ｘ走査ミラー１８によってデスキャンされる。すなわち、出射光は、Ｘ走査ミラー１８で反射されることによって、出射光は、レーザ光源１０からＸ走査ミラー１８に入射した入射光の進行方向と反対方向に伝播する。また、試料２２からのレーリー散乱光もラマン散乱光と同じ光路で伝播していく。
【００４０】
Ｘ走査ミラー１８によって、反射された出射光は、ビームスプリッタ１７に入射する。ビームスプリッタ１７は、例えば、ダイクロイックミラーであり、試料２２からの出射光と、レーザ光源１０から試料２２に入射する入射光とを波長に基づいて分岐する。すなわち、ビームスプリッタ１７は、その反射面が入射光の光軸に対して傾いて設けられている。試料２２からの出射光がビームスプリッタ１７を透過することによって、試料２２からの出射光の光軸が、レーザ光源１０から試料２２に入射する入射光の光軸と異なるものとなる。よって、試料２２からの出射光を、レーザ光源１０から試料２２に入射する入射光から分離することができる。
【００４１】
さらに、ダイクロイックミラーであるビームスプリッタ１７は、レーザ光源１０の波長の光を反射して、ラマン散乱光を透過するような、特性を有している。従って、レーザ光源１０の波長を持つ試料２２からのレーリー散乱光は、ビームスプリッタ１７で反射され、ラマン散乱光は、ビームスプリッタ１７を透過する。すなわち、ダイクロイックミラーをビームスプリッタ１７として用いることによって、レーリー散乱光とラマン散乱光との波長に差に基づいてレーリー散乱光を除去することができる。さらに、レーザ光源１０からのレーザ光のほとんどはビームスプリッタ１７で反射され、試料２２に向かう。これにより、レーザ光のロスを低減することができ、効率よくラマン散乱光のみを検出することができる。なお、ダイクロイックミラーの反射特性は、測定するスペクトルの範囲に応じて決定すればよい。ここで、ビームスプリッタ１７は、試料２２とＹ走査装置１３との間に配置されている。従って、ビームスプリッタ１７は、Ｙ走査装置１３によってデスキャンされる前の出射光と、レーザ光源１０からの光ビームとを分離する。
【００４２】
ビームスプリッタ１７を透過した出射光は、レンズ２４で屈折されて分光器３１の入射側に設けられたピンホールアレイ３０に入射する。このとき、レンズ２４はピンホールアレイ３０上に出射光を集光している。すなわち、レンズ２４は、ピンホールアレイ３０上に試料２２の照明された領域の拡大像を結像している。ピンホールアレイ３０には複数のピンホールが設けられている。このピンホールは、Ｙ方向に対応する方向に沿って１列に配列している。すなわち、ピンホールアレイ３０のピンホールは試料２２上におけるＹ走査装置１３の走査方向（Ｙ方向）に対応する方向に沿って配列している。
【００４３】
レンズ２４は出射光を屈折させて、ピンホールアレイ３０上に結像する。ここで、試料２２面上において入射光はスポット状に結像されているため、ピンホールアレイ３０上において出射光はスポット状に集光される。ピンホールアレイ３０のピンホールの配列方向とＹ走査装置１３の走査方向とを一致させる。出射光は、Ｙ走査装置１３によってデスキャンされずに、ビームスプリッタ１７に入射している。このため、Ｙ走査装置１３で走査すると、ピンホールアレイ３０上で光ビームのスポット位置がピンホールの配列方向に移動する。試料２２上でＹ方向に走査された光がピンホールアレイ３０のピンホールが配列された箇所に結像するように配置する。換言するとピンホールアレイ３０と試料２２とは互いに共役な関係となるよう配置される。
【００４４】
したがって、ラマン顕微鏡はコンフォーカル光学系として構成される。すなわち、絞り１５と試料２２面上とが互いに共役な関係となるように配置され、試料２２面上とピンホールアレイ３０とが互いに共役な関係となるように配置されている。絞り１５が設けられたＸＹ平面及び試料２２面上において、入射光がスポット状に集光される。そして、試料２２から散乱して出射した出射光はピンホールアレイ３０上でスポット状に集光される。ピンホールアレイ３０はＹ方向に沿った配列されたピンホールを有しており、ピンホールに入射した出射光のみを検出器３２側に透過させる。レーザ光源１０から試料２２までの照明光学系及び試料２２から検出器３２まで観察光学系をこのような結像光学系とすることにより、共焦点ラマン顕微鏡とすることができる。これにより、Ｚ方向の分解能の高い測定を行うことができる。そして、ステージ２３をＺ方向に移動することにより、試料２２の任意の高さからのラマン散乱光を他の高さからのラマン散乱光から分離して検出することができる。
【００４５】
このピンホールアレイ３０を通過した出射光は、分光器３１の本体に入射する。分光器３１は、回折格子（グレーティング）やプリズムなどの分光素子を備えており、ピンホールアレイ３０から入射した出射光をその波長に応じて空間的に分散させる。反射型回折格子を用いた分光器３１の場合、さらにピンホールアレイ３０からの出射光を分光素子までに導く凹面ミラーと、分光素子によって分光された出射光を検出器３２まで導く凹面ミラーなどの光学系が設けられている。もちろん、上記以外の構成を有する分光器３１を用いてもよい。出射光は分光器３１によってピンホールアレイ３０の配列方向と垂直な方向に分散される。すなわち、分光器３１は、ピンホールの配列方向と垂直な方向に出射光を波長分散する。分光器３１により分光された出射光は検出器３２に入射する。検出器３２は受光素子がマトリクス状に配列されたエリアセンサである。具体的には、検出器３２は画素がアレイ状に配置された２次元ＣＣＤカメラなどの２次元アレイ光検出器である。
【００４６】
検出器３２には、例えば、冷却ＣＣＤを用いることができる。具体的には、検出器３２として、プリンストン・インスツルメンツ社製１３４０×４００画素の電子冷却ＣＣＤ（冷却温度−８０℃）を用いることができる。また、検出器３２にイメージインテンシファイアを取り付けることも可能である。検出器３２の画素は、ピンホールアレイ３０に対応する方向に沿って配置されている。したがって、検出器３２の画素の一方の配列方向はピンホールの配列方向と一致し、他方の配列方向は、分光器３１の分散方向と一致する。検出器３２のピンホールの配列方向に対応する方向がＹ方向となり、配列方向と垂直な方向、すなわち、分光器３１によって出射光が分散される方向がＸ方向となる。
【００４７】
検出器３２は各画素で受光した出射光の光強度に応じた検出信号を処理装置３６に出力する。処理装置３６は、例えば、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）などの情報処理装置であり、検出器３２からの検出信号をメモリなどに記憶していく。そして、検出結果に所定の処理を行い、モニターに表示する。さらに、処理装置３６は、Ｙ走査装置１３及びＸ走査ミラー１８の走査や、ステージ２３の駆動を制御している。ここで、検出器３２のＸ方向は出射光の波長（振動数）に対応している。すなわち、Ｘ方向に配列されている画素列において、一端の画素は長波長（低振動数）の出射光を検出し、他端の画素は短波長（高振動数）の出射光を検出する。このように、検出器３２のＸ方向における光強度の分布はラマンスペクトルの分布を示すことになる。
【００４８】
Ｙ走査装置１３が、レーザ光をＹ方向にスキャンすることで、ライン状の領域を照明することができる。そして、Ｙ走査装置１３の走査周期を、検出器３２の１フレームに比べて十分早くする。これにより、試料２２上における複数のスポットからの出射光を一度に測定することができる。試料２２上における複数のスポットからの出射光が検出器３２の１フレームで検出される。よって、測定時間を短縮することができる。さらに、試料２２において、レーザ光が点状のスポットを形成するように、対物レンズ２１がレーザ光を集光している。これにより、空間分解能を向上することができる。
【００４９】
上記のように、分光器３１の入射側には、ピンホールアレイ３０が配置されている。ピンホールアレイ３０のピンホールが試料上の測定領域を規定する。ここで、ピンホールアレイ３０の構成について、図２を用いて説明する。図２は、ピンホールアレイ３０の構成を示すＸＹ平面図である。ピンホールアレイ３０は、複数のピンホール４２が設けられた遮光板４０を有している。例えば、遮光板４０に貫通孔、あるいは透明パターン等を設けることで、ピンホール４２が形成される。ここでは、６個のピンホール４２が一列に配置されている。また、Ｙ方向に配列されたピンホール４２は、等間隔に配列されている。ピンホール４２に入射した出射光のみ、検出器３２側に通過する。ピンホール４２の間の領域に入射した出射光は、遮光板４０で遮光される。ピンホール４２は、出射光を通過させる光通過部となり、ピンホール４２以外の領域は、遮光部となる。
【００５０】
ピンホール４２の配列方向は、上記の通り、Ｙ走査装置１３の走査方向に対応している。Ｙ走査装置１３によって光ビームをＹ方向に走査する。すると、ピンホールアレイ３０上において、出射光のスポットがピンホール４２の配列方向に移動する。ここで、ピンホール４２が配列されている領域をアレイ部４１とする。通常の分光器の入射スリットの幅が、このアレイ部４１の幅となる。従って、分光器３１の波長分解能は、アレイ部４１の幅に依存している。なお、光通過部となるピンホール４２は、物理的に穴が開いた構成に限らず、透明な材質のみから形成される構成であっても良い。
【００５１】
次に、ピンホールアレイ３０と、検出器３２の受光面との関係について、図３を用いて説明する。図３（ａ）は、ピンホールアレイ３０を示し、図３（ｂ）は、検出器３２の受光面３２ａを模式的に示している。さらに、図３（ａ）では、ピンホールアレイ３０のピンホール４２を識別するために、上から一番目のピンホール４２をピンホール４２ａとし、２番目のピンホール４２をピンホール４２ｂとし、３番目のピンホール４２をピンホール４２ｃとしている。
【００５２】
ピンホール４２ａを通過した出射光は、受光面３２ａの領域Ａに入射する。領域Ａは、Ｘ方向を長手方向とする帯状の領域であり、Ｙ方向にＮピクセルの幅を有している。なお、ピンホール４２ａを通過した出射光は、分光器３１によって、Ｘ方向（波長方向）に分散されている。従って、受光面３２ａ上におけるＸ方向の位置は、ラマン散乱光である出射光の波長に応じている。同様に、ピンホール４２ｂを通過した出射光は、受光面３２ａの領域Ｂに入射し、ピンホール４２ｃを通過した出射光は、受光面３２ａの領域Ｃに入射する。領域Ｂ、領域Ｃは、領域Ａと同様に、Ｘ方向に延びた帯状の領域であり、Ｙ方向にＮピクセルの幅を有している。領域Ａと領域Ｂと領域Ｃは、重ならないように配置されている。ここでは、領域Ａと領域Ｂが隣接するように配置されている。同様に、領域Ｃと領域Ｂが隣接するように配置されている。もちろん、残りのピンホール４２を通過した出射光についても、同様に別々の帯状領域に入射する。
【００５３】
レンズ２４の非点収差等がある場合、出射光がＹ方向に拡がって、受光面３２ａに到達する。すなわち、受光面３２ａでのスポット５０が、Ｙ方向に拡がる。しかしながら、領域Ａがある一定の幅（ここではＮピクセル）を持っている。従って、ピンホール４２ａを通過した出射光は、受光面３２ａ上で領域Ａからはみ出すことはない。換言すると、ピンホール４２ａを通過した出射光が隣の領域Ｂに入射しない。ピンホール４２ａを通過した出射光を検出する場合、領域Ａに含まれる幅Ｎピクセル分の信号を合算して読み出す。これにより、ピンホール４２ａを通過した出射光のラマンスペクトルを得ることができる。
【００５４】
同様に、ピンホール４２ｂを通過した出射光は、受光面３２ａ上で領域Ｂからはみ出すことはない。すなわち、ピンホール４２ｂを通過した出射光は、受光面３２ａ上で領域Ａや領域Ｃに入射しない。従って、ピンホール４２ｂを通過した出射光は、受光面３２ａ上において、他のピンホールを通過した出射光から、分離して検出される。他のピンホールも同様であるため、隣り合ったピンホール４２からの出射光は異なる帯状領域に入射する。
【００５５】
なお、ピンホール４２の間隔は、帯状領域が重ならないように設定する。すなわち、非点収差やピンホールの大きさに応じて、ピンホール間隔を決定すればよい。このようにすることで、隣接するピンホール４２からの出射光が、受光面において重なるのを防ぐことができる。
【００５６】
本実施の形態において、レーザ光を高速にＹ走査することで、試料２２のライン状の領域を照明している。そして、１回の露光で、ライン状の領域における複数の測定領域が一度に測定される。さらに、本実施の形態では、Ｙ走査装置１３とは異なる走査装置が、Ｙ方向において、レーザ光のスポットと試料２２と相対的に移動させる。例えば、ステージ２３を別の走査装置として用いている。
ここで、試料２２における光スポットの動作を図４に示す。図４（ａ）は、１回の測定で測定される測定領域を示す図である。図４（ｂ）は次の１回の測定で測定される測定領域を示す図である。図４（ｃ）は複数回の測定で測定される測定領域をまとめて示す図である。なお、測定領域とは、ピンホールアレイ３０上のピンホール４２に投影される試料２２上の領域である。従って、測定領域からの出射光が、ピンホール４２を通過して、分光測定される。
【００５７】
図４（ａ）に示すような走査幅でＹ走査装置１３によるＹ走査を行った場合、測定領域５１ａ〜測定領域５１ｆの測定を行うことができる。測定領域５１ａ〜測定領域５１ｆは、Ｙ方向に沿って点在している。すなわち、測定領域５１ａ〜測定領域５１ｆは、一定の間隔を隔てて、配列されている。測定領域５１ａ〜測定領域５１ｆは、ピンホール４２に対応する領域である。具体的には、測定領域５１ａで発生したラマン散乱光は、図３で示したピンホール４２ａを通過する。同様に、測定領域５１ｂを通過したラマン散乱光は、ピンホール４２ｂを通過する。従って、１ラインのＹ走査を行った場合、点在する測定領域５１ａ〜測定領域５１ｆの測定しか行うことができない。換言すると、Ｙ走査装置１３による走査では、測定領域５１ａ〜測定領域５１ｆの以外箇所からの出射光は、ピンホール４２を通過することができない。Ｙ走査装置１３によって走査させたとしても、測定領域５１ａ〜測定領域５１ｆの間の箇所からの出射光は、ピンホール４２の間に入射して、遮光板４０で遮光される。
【００５８】
そこで、ステージ２３が、Ｙ方向において、レーザ光のスポットと試料２２と相対的に移動させる。図４（ａ）において、ステージ２３が試料２２を矢印方向（＋Ｙ方向）に、１測定領域分だけずらすと、測定領域５１ａ〜５１ｆが相対移動して、図４（ｂ）に示すようになる。なお、図４（ｂ）において、点線で示す丸は、図４（ａ）における測定領域を示している。このように、１測定領域分だけ、測定領域５１ａ〜測定領域５１ｆをずらすことで、試料２２の別の箇所を測定することができる。すなわち、図４（ｂ）に示す照明状態で照明すると、図４（ａ）に示す照明状態では測定されていなかった箇所を測定することができる。ステージ２３を駆動することで、別の箇所を測定することができる。
【００５９】
このようにしてＹ走査装置１３とは別の走査装置で、試料２２上における光スポットとの位置を変化させる。そして、スポットを測定領域ずつ移動していく。こうすることで、図４（ｃ）に示すように、ライン領域５２を測定することができる。具体的には、Ｙ走査装置１３が１ライン分のＹ走査をして、測定を行う。その後、別の走査装置によって、試料２２の測定領域を１測定領域分、Ｙ方向に移動させる。これを繰り返すことで、複数の測定領域５１の集合によって、ライン領域５２全体を測定することができる。すなわち、スポット状の測定領域５１の測定を複数回行うことによって、１ライン分の測定を行うことができる。もちろん、ステージによるＹ走査は、１測定領域分でなくても良い。
【００６０】
そして、ライン領域５２の測定が終了したら、Ｘ走査ミラー１８がＸ走査をする。ここでは、１ラインの幅だけ、レーザ光のスポットをずらす。Ｘ走査ミラー１８は、試料２２からビームスプリッタ１７までの光路中に配置されている。このため、出射光がデスキャンされる。Ｘ走査ミラー１８による走査により、試料２２上で、レーザ光のスポットがずれたとしても、ピンホールアレイ３０でのスポット位置は変化しない。すなわち、Ｘ走査ミラー１８による走査位置によらず、出射光は、ピンホールアレイ３０のアレイ部４１に入射する。よって、Ｘ走査ミラー１８に走査によって、隣のラインを照明することができる。もちろん、Ｘ走査ミラー１８ではなくステージ２３によって、Ｘ走査を行っても良い。
【００６１】
なお、上記の説明では、ステージ２３によって、測定領域をＹ方向にずらしたが、別のスキャナで、ずらしてもよい。例えば、ビームスプリッタ１７とＸ走査ミラー１８の間に、Ｙ走査装置１３とは異なるＹ走査装置を配置しても良い。この構成については、実施の形態２で説明する。また、試料２２上での測定間隔（図４（ａ）においては測定領域５１ａ〜５１ｆの間隔）が、測定目的に対して十分小さい場合、Ｙ走査装置１３以外の走査手段による走査は不要である。
【００６２】
次に、ピンホールアレイ３０のピンホール４２のサイズを可変とする構成に付いて説明する。例えば、試料２２からの出射光が弱い場合、ピンホール４２のサイズを大きくする。こうすることで、検出器３２での検出光量を増やすことができる。このとき、アレイ部４１の幅と直交する方向、すなわちＸ方向に、ピンホール４２を拡げる。すなわち、図５に示すように、例えば、ピンホール４２をＸ方向が長手方向である長穴とする。これにより、ピンホール４２を通過した出射光が受光面３２ａ上において、重なったり、隣のピンホール同士が連結されてしまったりするのを防ぐことができる。
【００６３】
ピンホール４２のサイズを調整するための構成について、図６〜図８を用いて説明する。図６〜図８は、それぞれピンホール４２のサイズ調整を行うための構成を示す平面図である。まず、図６に示す第１の構成では、第１プレート４５と第２プレート４６とが、ピンホールアレイ３０を構成している。ここで、第１プレート４５は、櫛歯状の遮光板であり、Ｘ方向に沿った透過パターン４８を有している。透過パターン４８は、Ｘ方向を長手方向とする長方形である。透過パターン４８の数が、ピンホールアレイ３０のピンホール４２の数に対応する。第２プレート４６は、矩形状の遮光板である。第１プレート４５と第２プレート４６は略同じ外形サイズを有している。
【００６４】
そして、図６（ａ）に示す状態から、第２プレート４６を矢印の方向に移動させる。これにより、図６（ｂ）に示すように、第１プレート４５が第２プレート４６と重なり合う。すると、透過パターン４８の一部が、第２プレート４６によって遮光される。従って、第２プレート４６と重ならない部分の透過パターン４８によって、アレイ部４１が形成される。そして、第１プレート４５と第２プレート４６の相対位置をＸ方向に変化させると、アレイ部４１の幅を変えることができる。すなわち、第１プレート４５、及び第２プレート４６の一方、又は両方を移動させると、第２プレート４６が透過パターン４８を覆う面積が変化する。第１プレート４５と第２プレート４６の両方を動かすことによって、開口の中心位置が変わらないようにすることが望ましい。第２プレート４６が透過パターン４８を覆う面積が変化することにより、アレイ部４１の幅を変えることができ、分光器３１に入射する出射光のスポットサイズを変えることができる。よって、測定に十分な光量を得ることができる。
【００６５】
図７に、ピンホール４２のサイズ調整を行うための第２の構成を示す。図７では、第１プレート４５と、第２プレート４６と、第３プレート４７とが、ピンホールアレイ３０を構成している。第１プレート４５は、ストライプ状の透過パターン４８を有する遮光板である。透過パターン４８は、Ｘ方向を長手方向とする長方形である。第２プレート４６と第３プレート４７は、矩形状の遮光板である。そして、図７（ａ）に示すように、第２プレート４６と第３プレート４７を第１プレート４５の両側に配置する。第２プレート４６と第３プレート４７は、幅可変スリットとして機能する。第２プレート４６と第３プレート４７の間隔を近づけると、図７（ｂ）に示すようになる。第２プレート４６と第３プレート４７の間隔に応じて、第２プレート４６と第３プレート４７が透過パターン４８を覆う面積が変化する。これにより、アレイ部４１の幅を変えることができ、分光器３１に入射する出射光のスポットサイズを変えることができる。よって、測定に十分な光量を得ることができる。なお、第２の構成において、図６に示した第１の構成のように、櫛歯型の遮光板からなる第１プレート４５を用いてもよい。
【００６６】
図８に示す第３の構成では、様々な大きさの透過パターン４８が形成されている。サイズの違う透過パターン４８を多数設ける。アレイ部４１を形成するため、Ｙ方向の１列には、同じ大きさの透過パターン４８を配置する。また、Ｙ方向を長手方向とするスリットとなる透過パターン４８ａを用意している。さらに、Ｙ方向に単一のピンホールしかない透過パターン４８ｂを用意している。加えて、透過パターン４８、透過パターン４８ａ、透過パターン４８ｂのそれぞれには、幅の異なるものを３種類用意している。
【００６７】
このように、１枚の第１プレート４５に、Ｘ方向の幅が異なる透過パターン４８、４８ａ、４８ｂを形成する。第１プレート４５をＸ方向に移動させると、スリット、ピンホールの幅を段階的に変えることができる。分光器３１に入射する出射光のスポットサイズを変えることができる。これにより、測定に十分な光量を得ることができる。また、第３の構成において、単一のピンホールとなる透過パターン４８を用いることで、Ｙ走査装置１３を止めて、試料２２の１点を測定する場合に、空間分解能を向上することができる。スリットとなる透過パターン４８を用いることで、測定時間を短縮することができる。さらに、単一のピンホール、スリット、ピンホールアレイを切り替えて、測定することも可能である。
また、幅の異なる透過パターン４８をＹ方向に並べ、第１プレート４５をＹ方向に移動させることで、幅を変えてもよい。この構成とすると、幅を変えるための第１プレートの移動量は大きくなるが、切り替えによって開口位置がＸ方向にずれてしまい、測定波長の誤差となってしまうことを防ぐことができる。
【００６８】
上記の第１〜第３の構成では、Ｙ方向におけるピンホール４２のサイズを一定としたまま、Ｘ方向のサイズを変えることができる。なお、第１〜第３の構成で示した第１プレート４５は、例えば、リソグラフィー法を用いて製作することができる。具体的には、ガラス基板等の透明基板に、クロムなどの遮光膜を形成する。そして、リソグラフィー法で、遮光膜をパターニングする。これにより、所定の形状のパターンを形成することができる。あるいは金属薄板をレーザ加工やエッチング加工、電鋳加工することなどによって製作することも可能である。
【００６９】
本実施の形態では、スリットではなく、ピンホールアレイ３０を用いた共焦点光学系を採用している。このため、空間分解能を向上することができる。検出器３２の受光面３２ａにおいて、ピンホール４２を通過した出射光が互いに重ならないように、複数のピンホール４２を形成することが好ましい。具体的には、複数のピンホールからの信号が重ならないような幅に設定する。実際にはピンホールからの信号は有限の大きさとならないので、例えば、幅Ｎピクセル内に１つのピンホールからの信号の９０％以上が含まれるように、幅を設定することが好ましい
これにより、分光器３１の光学系に非点収差があり、ピンホール４２を通過した出射光が拡がる場合でも、高い分解能での測定が可能となる。すなわち、分光器３１の光学系の非点収差の影響を低減することができ、分解能を向上することができる。複数のスポットからの出射光を一度に測定できるため、測定時間を短縮することができる。また、ピンホールアレイ３０のピンホールの大きさを調整可能としてもよい。こうすることで、測定に十分な光量を得ることができる。また、ピンホール４２の大きさは、必要な分解能と、測定に必要な光量に応じて決定すればよい。また、Ｘ走査ミラー１８よりもレーザ光源１０側に配置されたＹ走査装置１３の他に、別のＹ走査手段を設ける。こうすることで、ライン領域５２全体を測定することができる。
【００７０】
また、１列にピンホール４２が並んだピンホールアレイ３０を用いることで、簡便な構成で光の通過を制限することができる。例えば、非特許文献２のように格子状のピンホールアレイ及びファイババンドルを用いる構成では、格子状のファイババンドルをライン状に並び変える必要がある。ピンホールアレイ３０を用いる構成では、ファイババンドルの並べ替えなどの作業を省略することができる。ピンホールアレイ３０が、ビームスプリッタ１７から分光器３１までの光路中に配置されている。すなわち、レーザ光源１０からの光が直接ピンホールアレイ３０に入射せずに、ビームスプリッタ１７で分離されたラマン散乱光がピンホールアレイ３０に入射する。これにより、ピンホールアレイ３０から散乱された照明光が分光器３１に入射するのを防ぐことができる。
さらに、特許文献１に記載されているように、シリンドリカルレンズ等によって、Ｙ方向に光を広げた後、Ｙ走査装置１３によって走査してもよい。あるいは、特開２００６−２５８９９０号公報に記載されているように、シリンドリカルレンズによって、Ｙ方向に光を拡げて、試料２３のライン状の領域を照明しても良い。例えば、１枚のシリンドリカルレンズで、ライン状のフォーカスを絞り１５の面に形成する。そして、ライン状の光を試料２２に投影する。このように、ライン状の光に変換する手段を設けることで、Ｙ走査装置１３を省略することが可能となる。非特許文献２のようにマイクロレンズアレイを使用するマルチフォーカス照明の構成に比べると、Ｙ走査装置１３あるいはシリンドリカルレンズによるライン照明の構成は、より調整が簡単である。
【００７１】
実施の形態２．
本実施の形態にかかる光学顕微鏡、及び分光測定方法について、図９を用いて説明する。本実施の形態では、実施の形態１で示したステージ２３によるＹ走査の代わりに、ガルバノミラー等のＹ走査ミラーを用いている。本実施の形態では、Ｙ走査ミラーを、Ｘ走査ミラーに近接させて配置している。
【００７２】
本発明の実施の形態にかかる光学顕微鏡について図９を用いて説明する。図１は本実施の形態にかかる光学顕微鏡１００の光学系の構成を模式的に示す図である。光学顕微鏡１００は、試料１２４を観察するための構成として、レーザ光源１１０と、ビームエキスパンダ１１１とレーザラインフィルタ１１２、Ｙ走査装置１４０、リレーレンズ１１４、リレーレンズ１１５、リレーレンズ１１７、リレーレンズ１１８、エッジフィルタ１１９、Ｘ走査装置１２０、リレーレンズ１２１、チューブレンズ１２２、対物レンズ１２３、結像レンズ１２６、ミラー１２７、分光器１３１、ステージ１６０と、を有している。Ｙ走査装置１４０は、高速スキャナ１１３と低速スキャナ１１６とを含んでいる。高速スキャナ１１３と低速スキャナ１１６は、ガルバノミラー等の走査ミラーであり、光ビームを偏向する。
【００７３】
レーザ光源１１０、ビームエキスパンダ１１１、高速スキャナ１１３、リレーレンズ１１７、リレーレンズ１１８、エッジフィルタ１１９、Ｘ走査装置１２０、リレーレンズ１２１、チューブレンズ１２２、対物レンズ１２３、ステージ１６０、結像レンズ１２６は、それぞれ実施の形態１で示した、レーザ光源１０、ビームエキスパンダ１１、レンズ１４、レンズ１６、ビームスプリッタ１７、Ｘ走査ミラー１８、レンズ１９、レンズ２０、対物レンズ２１、ステージ２３、レンズ２４と同様であるため説明を省略する。また、他の基本的構成についても、特開２０１０−５４３６８号公報の図５と同様であるため説明を省略する。
【００７４】
本実施の形態では、分光器１３１がピンホールアレイ１３０を有している。ピンホールアレイ１３０は、実施の形態１で示したピンホールアレイ３０と同様のものである。高速スキャナ１１３は、実施の形態１のＹ走査装置１３と同様に、ライン領域を照明する。本実施の形態では、さらに、Ｘ走査装置１２０とエッジフィルタ１１９の間に、低速スキャナ１１６が配置されている。低速スキャナ１１６は、実施の形態１で示したステージ２３の代わりに、Ｙ走査を行う。これにより、レーザ光とその出射光が、Ｙ方向に走査される。低速スキャナ１１６は、出射光をデスキャンしている。これにより、ライン領域全体を照明することができる。よって、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【００７５】
実施の形態３．
実施の形態１、２では、Ｙ走査装置１３又は高速スキャナ１１３の走査によって、スポットを走査している。このとき、ライン領域の等間隔の点が測定される。すなわち、ステージ２３や、低速スキャナ１１６を走査しない限り、測定領域の間の領域は、照明されているが、測定されない。そのため、照明光の大部分が有効に利用されないことがある。また、同じ品質のデータを得るために、試料に照射される光の光量が増加する。このため、光に照射によっては、試料が受けるダメージが増えてしまう。
【００７６】
そこで、本実施の形態では、照明系を変更している。具体的にはマイクロレンズアレイを用いて、マルチビームを形成している。この構成について、図１０〜図１２を用いて説明する。図１０では、図１に示した構成の、Ｙ走査装置１３、レンズ１４の代わりに、シリンドリカルレンズ６２、６３と、マイクロレンズアレイ６０が使用されている。図１１は、マイクロレンズアレイ６０の構成を示す斜視図である。図１２は、マイクロレンズアレイ６０によって、複数のスポット照明が形成される様子を示す図である。なお、光学顕微鏡１００の基本的構成については、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。
【００７７】
シリンドリカルレンズ６２、６３は、レーザ光をライン状の平行光に変換する。一対のシリンドリカルレンズ６２、６３は、紙面と垂直なＹ方向に拡がったライン状の平行光７０を形成する（図１２参照）。ライン状の平行光７０は、光軸と平行に伝播して、マイクロレンズアレイ６０に入射する。マイクロレンズアレイ６０は、図１１に示すように、Ｙ方向に配列された複数のレンズ６１を有している。マイクロレンズアレイ６０の各レンズ６１は、入射したレーザ光を集光する。マイクロレンズアレイ６０の複数のレンズ６１は、絞り１５の置かれる位置に複数のスポット照明７１ａ〜７１ｆを形成する（図１２参照）。これにより、複数のスポットを形成するためのマルチビームを生成することができる。これらのスポット照明７１ａ〜７１ｆが、レンズ１６、レンズ１９、レンズ２０、対物レンズ２１によって、試料２２に投影される。従って、試料２２上における複数のスポットを同時に照明することができる。
【００７８】
そして、試料２２上でのスポット照明の間隔を、ピンホールアレイ３０によって形成される測定領域５１ａ〜５１ｆの間隔と一致させる。これにより、レーザ光が入射した箇所からの出射光が、ピンホールアレイ３０のピンホール４２を通過する。例えば、マイクロレンズアレイ６０が形成したスポット照明が試料２２に入射すると、照明光７１ａが投影された試料２２の領域からの出射光が、ピンホール４２ａに入射する。他のスポット７１ｂ〜７１ｆについても、それぞれピンホール４２を通過する。よって、ピンホールアレイ３０による複数の測定領域５１ａ〜５１ｆを同時に照明することができる。
【００７９】
マイクロレンズアレイ６０による複数の照明スポットを、ピンホールアレイ３０の測定領域と一致させている。これにより、レーザ光を有効に利用することができる。さらに、測定されない部分に光が照射されなくなるため試料２２のダメージを低減することができる。さらに、光を効率よく利用することができる。また、実施の形態１と同様に、スポット状の領域を照明している。そして、スポット状の領域からの出射光が、ピンホールアレイ３０を介して検出される。従って、共焦点光学系を介して、測定が行われる。これにより、スリットによる共焦点効果のみを使用している従来構成に比べて、Ｙ方向、及びＺ方向の空間分解能を向上することができる。
【００８０】
なお、シリンドリカルレンズ６２、６３の代わりに、アナモフィックプリズムを用いて、ライン状の平行光７０を形成しても良い。このように、一対のシリンドリカルレンズ６２，６３、又はアナモフィックプリズムを用いることで、レンズ６１が並んだ方向に、ビームを拡げることができる。また、１列に並んだ複数のスポット照明を形成する素子として、回折光学素子とレンズの組み合わせを用いても良い。すなわち、試料２２上において、複数のスポットを形成するマルチビーム形成手段は特に限定されるものではない。
【００８１】
上記の光学顕微鏡によって、ラマンスペクトルを測定することができる。なお、上述の説明では、ラマン散乱光を分光測定する光学顕微鏡１００について説明したが、本発明はこれに限られるものでない。入射光のレーザ波長と異なる波長で試料から出射する出射光を検出する分光測定装置であればよい。例えば、励起光によって励起される蛍光を検出する分光測定装置や、赤外吸収を検出する分光測定装置であってもよい。これらの分光測定装置でも、短時間で、スペクトルの測定を行うことができる。
【符号の説明】
【００８２】
１０ レーザ光源
１１ ビームエキスパンダ
１３ Ｙ走査装置
１４ レンズ
１５ 絞り
１６ レンズ
１７ ビームスプリッタ
１８ Ｘ走査ミラー
１９ レンズ
２０ レンズ
２１ 対物レンズ
２２ 試料
２３ ステージ
２４ レンズ
２５ 絞り
２６ レンズ
２７ フィルタ
２８ フィルタ
２９ フィルタ駆動装置
３０ ピンホールアレイ
３１ 分光器
３２ 検出器
３２ａ 受光面
３５ ステージ駆動装置、
３６ 処理装置
４０ 遮光プレート
４１ アレイ部
４２ ピンホール
４５ 第１プレート
４６ 第２プレート
４７ 第３プレート
４８ 透過パターン
５０ スポット
５１ スポット
５１ａ〜５１ｅ スポット
５２ ライン領域
６０ マイクロレンズアレイ
６１ レンズ
７０ ライン状の平行光
７１ａ〜７１ｅ スポット
８１ スポット
８２ スポット
１００ 光学顕微鏡
１１０ レーザ光源
１１１ ビームエキスパンダ、
１１２ レーザラインフィルタ
１１３ 高速スキャナ
１１４ リレーレンズ
１１５ リレーレンズ
１１６ 低速スキャナ
１１７ リレーレンズ
１１８ リレーレンズ
１１９ エッジフィルタ
１２０ Ｘ走査装置
１２１ リレーレンズ
１２２ チューブレンズ
１２３ 対物レンズ
１２６ 結像レンズ
１２７ ミラー
１３１ 分光器
１４０ Ｙ走査装置
１６０ ステージ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学顕微鏡、及び分光測定方法に関し、特に詳しくは試料に照射する光と異なる波長の光を検出する光学顕微鏡及び分光測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ラマン分光測定は、試料が気体、液体、結晶、無定形固体であることを問わず、温度は高温でも低温でも可能であり、測定において、真空などの特殊な測定雰囲気を必要としないという利点を持つ。さらに、試料の前処理を特に必要とせず、試料をそのままの状態で測定可能であるなどの長所があり、これらの長所を生かした測定が多くなされている。ラマン分光測定を利用することによって、分子を非染色で観測すること、及び半導体中の不純物を観測することができる。
【０００３】
このようなラマン分光測定を行うため、分光器を用いたラマン顕微鏡が開示されている（特許文献１、特許文献２）。特許文献１の図１では、試料から発生したラマン散乱光が、分光器で分光されている。さらに、分光器の前に、入射スリットが設けられている。そして、試料のある１点から発生したラマン散乱光は、入射スリットのスポット状の領域を通過する。特許文献２の光学顕微鏡も同様に、入射スリットを有している。分光器に収差がない理想的な場合、試料のある１点から発生し、スポット状の領域を通過した光は、λ方向に分散されて、検出器の１行の画素列で検出される。この場合、試料のある１点から発生した、特定の波長のラマン散乱光は、検出器の受光面において、図１３に示すような、光ビームのスポット８１を形成する。図１３では、特定の２波長のラマン散乱光を示している。
【０００４】
しかしながら、分光器の光学系に非点収差がある場合、スポットがＹ方向に延びてしまう。すなわち、受光面において、スポットが分散方向と直交する方向に拡がってしまう。従って、図１３に示すように、楕円形のスポット８２が形成されてしまう。なお、スポット８２は、検出器における入射スリットの像の長手方向に延びている。
【０００５】
このような非点収差の問題を分光器の収差の補正によって、解決する技術が開示されている（非特許文献１）。例えば、Ａｃｔｏｎ社製の分光器ＳｐｅｃｔｒａＰｒｏシリーズにおいては、分光器の凹面鏡に球面ではなく、トロイダル面を持ったものを使用している。これにより、収差を補正することができる。あるいは、複数枚の凹面鏡を使用することで非点収差を補正する分光器が開示されている（特許文献３）。
【０００６】
また、分光器の前段にファイババンドルを配置する多焦点共焦点顕分ラマン分光法が開示されている（非特許文献２）。この構成では、マイクロレンズアレイによって、光ビームをマルチビームとしている。そして、マルチビームが格子状のピンホールアレイを通過している。さらに、試料からのマルチビームが、格子状のピンホールアレイを介して、ファイババンドルに入射している。ファイババンドルの出射端を１列に配置している。そして、ファイババンドルから出射された光が、分光器に入射している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１７９００２号公報
【特許文献２】特開２０１０−５４３６８号公報
【特許文献３】特開２００７−１２１０８７号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】[平成２３年２月２５日検索]、インターネット ｈｔｔｐ：//ｗｗｗ.ｒｏｐｅｒ.ｃｏ.ｊｐ/Ｈｔｍｌ/ｒｏｐｅｒ/ｔｅｃｈ＿ｎｏｔｅ/ｈｔｍｌ/ｒｐ０３.ｈｔｍ
【非特許文献２】Ｍｕｌｔｉｆｏｃｕｓ ｃｏｎｆｏｃａｌ Ｒａｍａｎ ｍｉｃｒｏｓｐｅｃｒｏｓｃｏｐｙ ｆｏｒ ｆａｓｔ ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎａｌ ｉｍａｇｉｎｇ ｏｆ ｌｉｖｉｎｇ ｃｅｌｌｓ， Ｍａｓａｎａｒｉ Ｏｋｕｎｏ ａｎｄ Ｈｉｒｏ−ｏ Ｈａｍａｇｕｃｈｉ， ＯＰＴＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ／Ｖｏｌ．３５,Ｎｏ．２４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、これらの構成によっても、非点収差の補正は十分ではなく、例えば、焦点距離５００ｍｍの分光器において、スリット方向に、１００μｍ程度の分解能の低下が生じてしまう。
【００１０】
本発明は上述の問題点に鑑みてなされたものであり、高い分解能での測定を行うことができる光学顕微鏡、及び分光測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第１の態様にかかる光学顕微鏡は、光源と、前記光源からの光ビームを集光して、試料に入射させる対物レンズと、前記試料に対する光ビームの位置を相対移動させて、前記試料上における前記光ビームのスポット位置を走査する走査手段と、前記試料に入射された光ビームのうち、異なる波長となって前記試料から前記対物レンズ側に出射する出射光と前記レーザ光源から前記試料に入射する光ビームとを分離する光分岐手段と、前記光分岐手段により分離された出射光を波長に応じて空間的に分散させる分光器と、アレイ状に配列された受光画素を有し、前記分光器で分散された出射光を検出する２次元アレイ光検出器と、前記分光器の入射側に配置され、集光された出射光を前記分光器側に通過させる複数の光通過部が前記分光器の分散方向と直交する方向に沿って配列された光制限手段と、を備えるものである。これにより、高い分解能での測定を短時間で行うことができる。
【００１２】
本発明の第２の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡であって、前記２次元アレイ光検出器の受光面において、前記複数の光通過部を通過した出射光が重ならないように、複数の前記光通過部が形成されているものである。これにより、分光器の光学系の非点収差の影響を低減することができるため、分解能を向上することができる。
【００１３】
本発明の第３の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡であって、前記分散方向と平行な方向において、前記光通過部の大きさが、可変であることを特徴とするものである。これにより、検出される光量を調整することができる。
【００１４】
本発明の第４の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡であって、複数の前記光通過部が、ピンホールが１列に並んだピンホールアレイによって形成されていることを特徴とするものである。これにより、簡便な構成で光の通過を制限することができる。
【００１５】
本発明の第５の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡であって、複数の前記光通過部による測定領域を同時に照明するよう、前記試料に入射する光ビームのスポットを複数形成するマルチビーム形成手段をさらに備えるものである。これにより、光源からの光を有効に利用することができ、測定を短時間で行うことができる。また、測定されない部分に光が照射されなくなることによって、試料の損傷を低減することができる。
【００１６】
本発明の第６の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡であって、前記マルチビーム形成手段が、複数の前記光ビームのスポットを１列に配列することを特徴とするものである。これにより、光を効率よく利用することができる。
【００１７】
本発明の第７の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡であって、前記走査手段が、前記光源から前記光分岐手段までの光路中に配置され、前記光制限手段における出射光の位置が前記光通過部の配列方向に変化するよう、前記光源からの光ビームを第１の方向に偏向させる第１の走査装置と、前記光分岐手段から前記試料までの光路中に配置され、前記試料上における前記光ビームのスポット位置を、前記第１の方向と異なる第２の方向に走査する第２の走査装置と、を備えるものである。これにより、測定時間を短縮することができる。
【００１８】
本発明の第８の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡であって、前記走査手段が、前記試料に対する光ビームの位置を相対移動させて、前記試料上における前記光ビームのスポット位置を走査する第３の走査装置をさらに備え、前記第３の走査装置の走査によって、前記光通過部の測定領域と前記光ビームのスポットとが前記試料上で前記第１の方向に移動することを特徴とするものである。これにより、所望の領域を測定することができる。
【００１９】
本発明の第９の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡であって、前記光源からの光ビームをライン状の光に変換する光変換手段をさらに備え、前記光通過部の配列方向に対応する方向に沿ったライン状の光が前記試料に入射しているものである。これにより、配列方向における走査を不要とすることが可能となる。
【００２０】
本発明の第１０の態様にかかる分光測定方法は、光源からの光ビームを集光して、試料に入射させ、前記試料に対する光ビームの位置を相対移動させて、前記試料上における前記光ビームのスポット位置を走査し、前記試料に入射された光ビームのうち、異なる波長となって前記試料から前記対物レンズ側に出射する出射光と前記レーザ光源から前記試料に入射する光ビームとを分離し、前記光ビームから分離された前記出射光を集光し、前記集光された出射光を通過させる複数の光通過部が配列された光制限手段に入射させ、前記光通過部を通過した出射光を、波長に応じて前記光通過部の配列方向と直交する方向に分散させ、アレイ状に配列された受光画素を有する２次元アレイ光検出器で、分散された出射光を検出するものである。これにより、高い分解能での測定を短時間で行うことができる。
【００２１】
本発明の第１１の態様にかかる分光測定方法は、上記の分光測定方法であって、前記２次元アレイ光検出器の受光面において、前記複数の光通過部を通過した出射光が重ならないように、複数の前記光通過部が形成されているものである。これにより、分光器の光学系の非点収差の影響を低減することができるため、分解能を向上することができる。
【００２２】
本発明の第１２の態様にかかる分光測定方法は、上記の分光測定方法であって、前記分散方向と平行な方向において、前記光通過部の大きさが、可変であることを特徴とするものである。これにより、検出される光量を調整することができる。
【００２３】
本発明の第１３の態様にかかる分光測定方法は、上記の分光測定方法であって、複数の前記光通過部が、ピンホールが１列に並んだピンホールアレイによって形成されていることを特徴とするものである。これにより、簡便な構成で光の通過を制限することができる。
【００２４】
本発明の第１４の態様にかかる分光測定方法は、上記の分光測定方法であって、前記試料に入射する光ビームのスポットを複数形成して、複数の前記光通過部による測定領域を同時に照明するものである。これにより、光源からの光を有効に利用することができ、測定を短時間で行うことができる。また、測定されない部分に光が照射されなくなることによって、試料の損傷を低減することができる。
【００２５】
本発明の第１５の態様にかかる分光測定方法は、上記の分光測定方法であって、前記試料上における複数の前記光ビームのスポットが１列に配列されていることを特徴とするものである。これにより、光を効率よく利用することができる。
【００２６】
本発明の第１６の態様にかかる分光測定方法は、上記の分光測定方法であって、前記試料上のライン状の領域を測定するように、前記試料上の光ビームのスポット位置を第１の方向に走査して、前記ライン状の領域に対する測定を行った後、前記試料上における前記光ビームのスポット位置を第２の方向に走査するものである。これにより、測定時間を短縮することができる。
【００２７】
本発明の第１７の態様にかかる分光測定方法は、上記の分光測定方法であって、前記試料上の光ビームのスポット位置を第１の方向に走査する際において、前記光源からの光ビームをデスキャンさせずに、第１の方向に偏向させた後、前記試料における前記光通過部の測定領域を前記第１の方向に移動させるものである。これにより、所望の領域を測定することができる。
【００２８】
本発明の第１８の態様にかかる分光測定方法は、上記の分光測定方法であって、前記光源からの光ビームをライン状の光に変換し、前記光通過部の配列方向に対応する方向に沿ったライン状の光が前記試料に入射しているものである。これにより、配列方向における走査を不要とすることが可能となる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、高い分解能での測定を行うことができる光学顕微鏡、及び分光測定方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】実施の形態１にかかる光学顕微鏡の構成を示す図である。
【図２】分光器の入射側に設けられたピンホールアレイを示す図である。
【図３】ピンホールアレイのピンホールと、受光面の光スポットとの関係を説明するための図である。
【図４】ピンホールアレイのピンホールによる、試料上の測定領域を示す平面図である。
【図５】ピンホールのサイズを変更したピンホールアレイを示す平面図である。
【図６】ピンホールのサイズを可変とする第１の構成を示す平面図である。
【図７】ピンホールのサイズを可変とする第２の構成を示す平面図である。
【図８】ピンホールのサイズを可変とする第３の構成を示す平面図である。
【図９】本発明の実施の形態２にかかる光学顕微鏡の構成を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態３にかかる光学顕微鏡の構成を示す図である。
【図１１】マイクロレンズアレイの構成を示す斜視図である。
【図１２】マイクロレンズアレイによって、複数のスポットを形成する様子を示す図である。
【図１３】検出器の受光面上で、非点収差によりスポットが拡がる様子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
実施の形態１
以下に、本発明を適用可能な実施の形態が説明される。以下の説明は、本発明の実施形態を説明するものであり、本発明が以下の実施形態に限定されるものではない。説明の明確化のため、以下の記載は、適宜、省略及び簡略化がなされている。又、当業者であれば、以下の実施形態の各要素を、本発明の範囲において容易に変更、追加、変換することが可能であろう。尚、各図において同一の符号を付されたものは同様の要素を示しており、適宜、説明が省略される。
【００３２】
発明の実施の形態１．
本発明の実施の形態にかかる光学顕微鏡について図１を用いて説明する。図１は本実施の形態にかかる光学顕微鏡の光学系の構成を模式的に示す図である。光学顕微鏡１００は、試料２２を観察するための構成として、レーザ光源１０と、ビームエキスパンダ１１と、Ｙ走査装置１３と、レンズ１４と、絞り１５と、レンズ１６と、ビームスプリッタ１７と、Ｘ走査ミラー１８と、レンズ１９と、レンズ２０と、対物レンズ２１と、ステージ２３と、レンズ２４と、分光器３１と、検出器３２と、ステージ駆動装置３５と、処理装置３６とを備えている。また、分光器３１は入射側にピンホールアレイ３０を備えている。
【００３３】
光学顕微鏡１００はラマン顕微鏡であり、レーザ光源１０からの光ビームを試料２２に入射させ、試料２２からのラマン散乱光を検出器３２で検出する。さらに、ラマン散乱光を分光器３１で分光するため、ラマンスペクトルを測定することができる。光学顕微鏡１００では、ＸＹ方向（水平方向）及びＺ方向（鉛直方向）に走査することができるため、３次元のラマンスペクトルイメージを測定することができる。
【００３４】
まず、光学顕微鏡１００の全体構成について図１を参照して説明する。レーザ光源１０は単色のレーザ光を出射する。使用するレーザ光源１０に付いては、特に限定されるものではないが、高スペクトル分解能を得るためには挟線幅の光源が望ましい。レーザ光源１０からの光ビームはビームエキスパンダ１１によって拡大され、Ｙ走査装置１３に入射する。Ｙ走査装置１３は、例えば、音響光学素子や、ガルバノミラーであり、入射した光ビームの出射角を変化させて、光ビームを偏向させる。これにより、試料２２上で光ビームの入射位置がＹ方向に沿って変化する。すなわち、Ｙ走査装置１３は、光ビームをＹ方向に走査する。なお、Ｙ走査装置１３での偏向角は、処理装置３６からの電気信号によって制御される。Ｙ走査装置１３で偏向された光ビームはレンズ１４で屈折され、絞り１５に入射する。なお、レンズ１４は絞り１５の面上に光ビームを集光する。絞り１５は、例えば円状の開口を有し、外側の光ビームを遮光する。すなわち、開口から外れた光ビームの通過を制限する。
【００３５】
絞り１５を透過した光ビームは、レンズ１６で屈折され、ビームスプリッタ１７に入射する。ビームスプリッタ１７は、例えば、ダイクロイックミラーであり、レーザ波長の光を試料２２の方向に反射する。ダイクロイックミラーとしては、Ｓｅｍｒｏｃｋ社製のエッジフィルタを用いることができる。ビームスプリッタ１７により反射された光は、Ｘ走査ミラー１８に入射する。Ｘ走査ミラー１８は、例えば、ガルバノミラーであり、反射面の角度が変化することによって、光ビームを偏向させる。すなわち、光軸に対するＸ走査ミラー１８の反射面の傾斜角度が変化するため、光ビームの出射角を変化させることができる。試料２２上で、試料２２上で光ビームの入射位置がＸ方向に沿って変化する。これにより、光ビームをＸ方向に走査することができる。なお、Ｘ走査ミラー１８での偏向角は、処理装置３６からの電気信号によって制御される。また、Ｘ方向とＹ方向とは互いに直交する方向であるため、Ｘ走査ミラー１８及びＹ走査装置１３によってＸＹ方向に走査することにより、試料２２上において２次元領域を走査することができる。
【００３６】
Ｘ走査ミラー１８によって走査された光ビームは、レンズ１９、及びレンズ２０で屈折され、対物レンズ２１に入射する。対物レンズ２１は、光ビームを集光して、試料２２上に入射する。すなわち、対物レンズ２１は、試料２２上に光ビームを集光して、試料２２を照明する。これにより、試料２２のスポット状の領域が照明される。対物レンズ２１には、例えば、ニコン製アポクロマート ＮＡ １．２ ｘ６０を用いることができる。
【００３７】
試料２２に入射した入射光の一部はラマン散乱される。試料２２に入射した入射光のうち、ラマン散乱により対物レンズ２１側に出射した光を出射光とする。すなわち、ラマン散乱光のうち、対物レンズ２１に入射したものを出射光とする。ラマン散乱された出射光は入射光とは異なる波長となっている。すなわち、ラマンシフトによって出射光は入射光の振動数からずれて散乱される。この出射光のスペクトルがラマンスペクトルとなる。したがって、出射光のスペクトルを測定することにより、試料２２中に含まれる物質の化学構造及び物理的状態を特定することができる。すなわち、ラマンスペクトルには、試料２２を構成する物質の振動の情報が含まれるため、出射光を分光器３１で分光して検出することにより、試料２２中の物質を特定することができる。そして、入射光の焦点位置をＸＹＺ方向にスキャンして試料２２の全面又は一部の領域からの出射光のスペクトルを測定することにより、ラマンスペクトルの３次元測定を行うことができる。測定したラマンスペクトルのうち、特定の波長に注目することにより、特定の物質の３次元空間分布の測定も可能となる。具体的には、試料２２を生体細胞とした場合の細胞中の核酸や脂質の空間分布、あるいはスクロースやポリスチレン球の空間分布を測定することができる。
【００３８】
なお、試料２２はステージ２３の上に載置されている。ステージ２３は、例えば、ＸＹＺステージである。このステージ２３はステージ駆動装置３５によって、駆動される。ステージ駆動装置３５がステージ２３をＸＹ方向に駆動することによって、試料２２の任意の位置を照明することができる。また、ステージ駆動装置３５がステージをＺ方向に駆動することによって、対物レンズ２１と試料２２との距離を変化させることができる。従って、対物レンズ２１の焦点位置を光軸方向に沿って変化させることができる。本発明にかかる光学顕微鏡１００は、後述するようにレーザコンフォーカル顕微鏡を構成しているため、焦点位置を変化させることによって、Ｚ方向の走査が可能となる。すなわち、Ｚ方向にステージを移動させることによって、試料２２の断層画像を撮像することができる。試料２２のＺ方向の任意の高さからのラマン散乱光の検出することができ、３次元のラマンスペクトルイメージの測定が可能になる。処理装置３６はステージ駆動装置３５に対して制御信号を入力し、ステージ２３の駆動を制御する。
【００３９】
ステージ２３上に載置された試料２２でラマン散乱され、対物レンズ２１に入射した出射光は、入射光と同じ光路上を伝播していく。すなわち、対物レンズ２１により屈折され、レンズ２０及びレンズ１９で屈折されて、Ｘ走査ミラー１８に入射する。Ｘ走査ミラー１８は、入射した出射光をビームスプリッタ１７の方向に反射する。このとき、出射光は、Ｘ走査ミラー１８によってデスキャンされる。すなわち、出射光は、Ｘ走査ミラー１８で反射されることによって、出射光は、レーザ光源１０からＸ走査ミラー１８に入射した入射光の進行方向と反対方向に伝播する。また、試料２２からのレーリー散乱光もラマン散乱光と同じ光路で伝播していく。
【００４０】
Ｘ走査ミラー１８によって、反射された出射光は、ビームスプリッタ１７に入射する。ビームスプリッタ１７は、例えば、ダイクロイックミラーであり、試料２２からの出射光と、レーザ光源１０から試料２２に入射する入射光とを波長に基づいて分岐する。すなわち、ビームスプリッタ１７は、その反射面が入射光の光軸に対して傾いて設けられている。試料２２からの出射光がビームスプリッタ１７を透過することによって、試料２２からの出射光の光軸が、レーザ光源１０から試料２２に入射する入射光の光軸と異なるものとなる。よって、試料２２からの出射光を、レーザ光源１０から試料２２に入射する入射光から分離することができる。
【００４１】
さらに、ダイクロイックミラーであるビームスプリッタ１７は、レーザ光源１０の波長の光を反射して、ラマン散乱光を透過するような、特性を有している。従って、レーザ光源１０の波長を持つ試料２２からのレーリー散乱光は、ビームスプリッタ１７で反射され、ラマン散乱光は、ビームスプリッタ１７を透過する。すなわち、ダイクロイックミラーをビームスプリッタ１７として用いることによって、レーリー散乱光とラマン散乱光との波長に差に基づいてレーリー散乱光を除去することができる。さらに、レーザ光源１０からのレーザ光のほとんどはビームスプリッタ１７で反射され、試料２２に向かう。これにより、レーザ光のロスを低減することができ、効率よくラマン散乱光のみを検出することができる。なお、ダイクロイックミラーの反射特性は、測定するスペクトルの範囲に応じて決定すればよい。ここで、ビームスプリッタ１７は、試料２２とＹ走査装置１３との間に配置されている。従って、ビームスプリッタ１７は、Ｙ走査装置１３によってデスキャンされる前の出射光と、レーザ光源１０からの光ビームとを分離する。
【００４２】
ビームスプリッタ１７を透過した出射光は、レンズ２４で屈折されて分光器３１の入射側に設けられたピンホールアレイ３０に入射する。このとき、レンズ２４はピンホールアレイ３０上に出射光を集光している。すなわち、レンズ２４は、ピンホールアレイ３０上に試料２２の照明された領域の拡大像を結像している。ピンホールアレイ３０には複数のピンホールが設けられている。このピンホールは、Ｙ方向に対応する方向に沿って１列に配列している。すなわち、ピンホールアレイ３０のピンホールは試料２２上におけるＹ走査装置１３の走査方向（Ｙ方向）に対応する方向に沿って配列している。
【００４３】
レンズ２４は出射光を屈折させて、ピンホールアレイ３０上に結像する。ここで、試料２２面上において入射光はスポット状に結像されているため、ピンホールアレイ３０上において出射光はスポット状に集光される。ピンホールアレイ３０のピンホールの配列方向とＹ走査装置１３の走査方向とを一致させる。出射光は、Ｙ走査装置１３によってデスキャンされずに、ビームスプリッタ１７に入射している。このため、Ｙ走査装置１３で走査すると、ピンホールアレイ３０上で光ビームのスポット位置がピンホールの配列方向に移動する。試料２２上でＹ方向に走査された光がピンホールアレイ３０のピンホールが配列された箇所に結像するように配置する。換言するとピンホールアレイ３０と試料２２とは互いに共役な関係となるよう配置される。
【００４４】
したがって、ラマン顕微鏡はコンフォーカル光学系として構成される。すなわち、絞り１５と試料２２面上とが互いに共役な関係となるように配置され、試料２２面上とピンホールアレイ３０とが互いに共役な関係となるように配置されている。絞り１５が設けられたＸＹ平面及び試料２２面上において、入射光がスポット状に集光される。そして、試料２２から散乱して出射した出射光はピンホールアレイ３０上でスポット状に集光される。ピンホールアレイ３０はＹ方向に沿った配列されたピンホールを有しており、ピンホールに入射した出射光のみを検出器３２側に透過させる。レーザ光源１０から試料２２までの照明光学系及び試料２２から検出器３２まで観察光学系をこのような結像光学系とすることにより、共焦点ラマン顕微鏡とすることができる。これにより、Ｚ方向の分解能の高い測定を行うことができる。そして、ステージ２３をＺ方向に移動することにより、試料２２の任意の高さからのラマン散乱光を他の高さからのラマン散乱光から分離して検出することができる。
【００４５】
このピンホールアレイ３０を通過した出射光は、分光器３１の本体に入射する。分光器３１は、回折格子（グレーティング）やプリズムなどの分光素子を備えており、ピンホールアレイ３０から入射した出射光をその波長に応じて空間的に分散させる。反射型回折格子を用いた分光器３１の場合、さらにピンホールアレイ３０からの出射光を分光素子までに導く凹面ミラーと、分光素子によって分光された出射光を検出器３２まで導く凹面ミラーなどの光学系が設けられている。もちろん、上記以外の構成を有する分光器３１を用いてもよい。出射光は分光器３１によってピンホールアレイ３０の配列方向と垂直な方向に分散される。すなわち、分光器３１は、ピンホールの配列方向と垂直な方向に出射光を波長分散する。分光器３１により分光された出射光は検出器３２に入射する。検出器３２は受光素子がマトリクス状に配列されたエリアセンサである。具体的には、検出器３２は画素がアレイ状に配置された２次元ＣＣＤカメラなどの２次元アレイ光検出器である。
【００４６】
検出器３２には、例えば、冷却ＣＣＤを用いることができる。具体的には、検出器３２として、プリンストン・インスツルメンツ社製１３４０×４００画素の電子冷却ＣＣＤ（冷却温度−８０℃）を用いることができる。また、検出器３２にイメージインテンシファイアを取り付けることも可能である。検出器３２の画素は、ピンホールアレイ３０に対応する方向に沿って配置されている。したがって、検出器３２の画素の一方の配列方向はピンホールの配列方向と一致し、他方の配列方向は、分光器３１の分散方向と一致する。検出器３２のピンホールの配列方向に対応する方向がＹ方向となり、配列方向と垂直な方向、すなわち、分光器３１によって出射光が分散される方向がＸ方向となる。
【００４７】
検出器３２は各画素で受光した出射光の光強度に応じた検出信号を処理装置３６に出力する。処理装置３６は、例えば、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）などの情報処理装置であり、検出器３２からの検出信号をメモリなどに記憶していく。そして、検出結果に所定の処理を行い、モニターに表示する。さらに、処理装置３６は、Ｙ走査装置１３及びＸ走査ミラー１８の走査や、ステージ２３の駆動を制御している。ここで、検出器３２のＸ方向は出射光の波長（振動数）に対応している。すなわち、Ｘ方向に配列されている画素列において、一端の画素は長波長（低振動数）の出射光を検出し、他端の画素は短波長（高振動数）の出射光を検出する。このように、検出器３２のＸ方向における光強度の分布はラマンスペクトルの分布を示すことになる。
【００４８】
Ｙ走査装置１３が、レーザ光をＹ方向にスキャンすることで、ライン状の領域を照明することができる。そして、Ｙ走査装置１３の走査周期を、検出器３２の１フレームに比べて十分早くする。これにより、試料２２上における複数のスポットからの出射光を一度に測定することができる。試料２２上における複数のスポットからの出射光が検出器３２の１フレームで検出される。よって、測定時間を短縮することができる。さらに、試料２２において、レーザ光が点状のスポットを形成するように、対物レンズ２１がレーザ光を集光している。これにより、空間分解能を向上することができる。
【００４９】
上記のように、分光器３１の入射側には、ピンホールアレイ３０が配置されている。ピンホールアレイ３０のピンホールが試料上の測定領域を規定する。ここで、ピンホールアレイ３０の構成について、図２を用いて説明する。図２は、ピンホールアレイ３０の構成を示すＸＹ平面図である。ピンホールアレイ３０は、複数のピンホール４２が設けられた遮光板４０を有している。例えば、遮光板４０に貫通孔、あるいは透明パターン等を設けることで、ピンホール４２が形成される。ここでは、６個のピンホール４２が一列に配置されている。また、Ｙ方向に配列されたピンホール４２は、等間隔に配列されている。ピンホール４２に入射した出射光のみ、検出器３２側に通過する。ピンホール４２の間の領域に入射した出射光は、遮光板４０で遮光される。ピンホール４２は、出射光を通過させる光通過部となり、ピンホール４２以外の領域は、遮光部となる。
【００５０】
ピンホール４２の配列方向は、上記の通り、Ｙ走査装置１３の走査方向に対応している。Ｙ走査装置１３によって光ビームをＹ方向に走査する。すると、ピンホールアレイ３０上において、出射光のスポットがピンホール４２の配列方向に移動する。ここで、ピンホール４２が配列されている領域をアレイ部４１とする。通常の分光器の入射スリットの幅が、このアレイ部４１の幅となる。従って、分光器３１の波長分解能は、アレイ部４１の幅に依存している。なお、光通過部となるピンホール４２は、物理的に穴が開いた構成に限らず、透明な材質のみから形成される構成であっても良い。
【００５１】
次に、ピンホールアレイ３０と、検出器３２の受光面との関係について、図３を用いて説明する。図３（ａ）は、ピンホールアレイ３０を示し、図３（ｂ）は、検出器３２の受光面３２ａを模式的に示している。さらに、図３（ａ）では、ピンホールアレイ３０のピンホール４２を識別するために、上から一番目のピンホール４２をピンホール４２ａとし、２番目のピンホール４２をピンホール４２ｂとし、３番目のピンホール４２をピンホール４２ｃとしている。
【００５２】
ピンホール４２ａを通過した出射光は、受光面３２ａの領域Ａに入射する。領域Ａは、Ｘ方向を長手方向とする帯状の領域であり、Ｙ方向にＮピクセルの幅を有している。なお、ピンホール４２ａを通過した出射光は、分光器３１によって、Ｘ方向（波長方向）に分散されている。従って、受光面３２ａ上におけるＸ方向の位置は、ラマン散乱光である出射光の波長に応じている。同様に、ピンホール４２ｂを通過した出射光は、受光面３２ａの領域Ｂに入射し、ピンホール４２ｃを通過した出射光は、受光面３２ａの領域Ｃに入射する。領域Ｂ、領域Ｃは、領域Ａと同様に、Ｘ方向に延びた帯状の領域であり、Ｙ方向にＮピクセルの幅を有している。領域Ａと領域Ｂと領域Ｃは、重ならないように配置されている。ここでは、領域Ａと領域Ｂが隣接するように配置されている。同様に、領域Ｃと領域Ｂが隣接するように配置されている。もちろん、残りのピンホール４２を通過した出射光についても、同様に別々の帯状領域に入射する。
【００５３】
レンズ２４の非点収差等がある場合、出射光がＹ方向に拡がって、受光面３２ａに到達する。すなわち、受光面３２ａでのスポット５０が、Ｙ方向に拡がる。しかしながら、領域Ａがある一定の幅（ここではＮピクセル）を持っている。従って、ピンホール４２ａを通過した出射光は、受光面３２ａ上で領域Ａからはみ出すことはない。換言すると、ピンホール４２ａを通過した出射光が隣の領域Ｂに入射しない。ピンホール４２ａを通過した出射光を検出する場合、領域Ａに含まれる幅Ｎピクセル分の信号を合算して読み出す。これにより、ピンホール４２ａを通過した出射光のラマンスペクトルを得ることができる。
【００５４】
同様に、ピンホール４２ｂを通過した出射光は、受光面３２ａ上で領域Ｂからはみ出すことはない。すなわち、ピンホール４２ｂを通過した出射光は、受光面３２ａ上で領域Ａや領域Ｃに入射しない。従って、ピンホール４２ｂを通過した出射光は、受光面３２ａ上において、他のピンホールを通過した出射光から、分離して検出される。他のピンホールも同様であるため、隣り合ったピンホール４２からの出射光は異なる帯状領域に入射する。
【００５５】
なお、ピンホール４２の間隔は、帯状領域が重ならないように設定する。すなわち、非点収差やピンホールの大きさに応じて、ピンホール間隔を決定すればよい。このようにすることで、隣接するピンホール４２からの出射光が、受光面において重なるのを防ぐことができる。
【００５６】
本実施の形態において、レーザ光を高速にＹ走査することで、試料２２のライン状の領域を照明している。そして、１回の露光で、ライン状の領域における複数の測定領域が一度に測定される。さらに、本実施の形態では、Ｙ走査装置１３とは異なる走査装置が、Ｙ方向において、レーザ光のスポットと試料２２と相対的に移動させる。例えば、ステージ２３を別の走査装置として用いている。
ここで、試料２２における光スポットの動作を図４に示す。図４（ａ）は、１回の測定で測定される測定領域を示す図である。図４（ｂ）は次の１回の測定で測定される測定領域を示す図である。図４（ｃ）は複数回の測定で測定される測定領域をまとめて示す図である。なお、測定領域とは、ピンホールアレイ３０上のピンホール４２に投影される試料２２上の領域である。従って、測定領域からの出射光が、ピンホール４２を通過して、分光測定される。
【００５７】
図４（ａ）に示すような走査幅でＹ走査装置１３によるＹ走査を行った場合、測定領域５１ａ〜測定領域５１ｆの測定を行うことができる。測定領域５１ａ〜測定領域５１ｆは、Ｙ方向に沿って点在している。すなわち、測定領域５１ａ〜測定領域５１ｆは、一定の間隔を隔てて、配列されている。測定領域５１ａ〜測定領域５１ｆは、ピンホール４２に対応する領域である。具体的には、測定領域５１ａで発生したラマン散乱光は、図３で示したピンホール４２ａを通過する。同様に、測定領域５１ｂを通過したラマン散乱光は、ピンホール４２ｂを通過する。従って、１ラインのＹ走査を行った場合、点在する測定領域５１ａ〜測定領域５１ｆの測定しか行うことができない。換言すると、Ｙ走査装置１３による走査では、測定領域５１ａ〜測定領域５１ｆの以外箇所からの出射光は、ピンホール４２を通過することができない。Ｙ走査装置１３によって走査させたとしても、測定領域５１ａ〜測定領域５１ｆの間の箇所からの出射光は、ピンホール４２の間に入射して、遮光板４０で遮光される。
【００５８】
そこで、ステージ２３が、Ｙ方向において、レーザ光のスポットと試料２２と相対的に移動させる。図４（ａ）において、ステージ２３が試料２２を矢印方向（＋Ｙ方向）に、１測定領域分だけずらすと、測定領域５１ａ〜５１ｆが相対移動して、図４（ｂ）に示すようになる。なお、図４（ｂ）において、点線で示す丸は、図４（ａ）における測定領域を示している。このように、１測定領域分だけ、測定領域５１ａ〜測定領域５１ｆをずらすことで、試料２２の別の箇所を測定することができる。すなわち、図４（ｂ）に示す照明状態で照明すると、図４（ａ）に示す照明状態では測定されていなかった箇所を測定することができる。ステージ２３を駆動することで、別の箇所を測定することができる。
【００５９】
このようにしてＹ走査装置１３とは別の走査装置で、試料２２上における光スポットとの位置を変化させる。そして、スポットを測定領域ずつ移動していく。こうすることで、図４（ｃ）に示すように、ライン領域５２を測定することができる。具体的には、Ｙ走査装置１３が１ライン分のＹ走査をして、測定を行う。その後、別の走査装置によって、試料２２の測定領域を１測定領域分、Ｙ方向に移動させる。これを繰り返すことで、複数の測定領域５１の集合によって、ライン領域５２全体を測定することができる。すなわち、スポット状の測定領域５１の測定を複数回行うことによって、１ライン分の測定を行うことができる。もちろん、ステージによるＹ走査は、１測定領域分でなくても良い。
【００６０】
そして、ライン領域５２の測定が終了したら、Ｘ走査ミラー１８がＸ走査をする。ここでは、１ラインの幅だけ、レーザ光のスポットをずらす。Ｘ走査ミラー１８は、試料２２からビームスプリッタ１７までの光路中に配置されている。このため、出射光がデスキャンされる。Ｘ走査ミラー１８による走査により、試料２２上で、レーザ光のスポットがずれたとしても、ピンホールアレイ３０でのスポット位置は変化しない。すなわち、Ｘ走査ミラー１８による走査位置によらず、出射光は、ピンホールアレイ３０のアレイ部４１に入射する。よって、Ｘ走査ミラー１８に走査によって、隣のラインを照明することができる。もちろん、Ｘ走査ミラー１８ではなくステージ２３によって、Ｘ走査を行っても良い。
【００６１】
なお、上記の説明では、ステージ２３によって、測定領域をＹ方向にずらしたが、別のスキャナで、ずらしてもよい。例えば、ビームスプリッタ１７とＸ走査ミラー１８の間に、Ｙ走査装置１３とは異なるＹ走査装置を配置しても良い。この構成については、実施の形態２で説明する。また、試料２２上での測定間隔（図４（ａ）においては測定領域５１ａ〜５１ｆの間隔）が、測定目的に対して十分小さい場合、Ｙ走査装置１３以外の走査手段による走査は不要である。
【００６２】
次に、ピンホールアレイ３０のピンホール４２のサイズを可変とする構成に付いて説明する。例えば、試料２２からの出射光が弱い場合、ピンホール４２のサイズを大きくする。こうすることで、検出器３２での検出光量を増やすことができる。このとき、アレイ部４１の幅と直交する方向、すなわちＸ方向に、ピンホール４２を拡げる。すなわち、図５に示すように、例えば、ピンホール４２をＸ方向が長手方向である長穴とする。これにより、ピンホール４２を通過した出射光が受光面３２ａ上において、重なったり、隣のピンホール同士が連結されてしまったりするのを防ぐことができる。
【００６３】
ピンホール４２のサイズを調整するための構成について、図６〜図８を用いて説明する。図６〜図８は、それぞれピンホール４２のサイズ調整を行うための構成を示す平面図である。まず、図６に示す第１の構成では、第１プレート４５と第２プレート４６とが、ピンホールアレイ３０を構成している。ここで、第１プレート４５は、櫛歯状の遮光板であり、Ｘ方向に沿った透過パターン４８を有している。透過パターン４８は、Ｘ方向を長手方向とする長方形である。透過パターン４８の数が、ピンホールアレイ３０のピンホール４２の数に対応する。第２プレート４６は、矩形状の遮光板である。第１プレート４５と第２プレート４６は略同じ外形サイズを有している。
【００６４】
そして、図６（ａ）に示す状態から、第２プレート４６を矢印の方向に移動させる。これにより、図６（ｂ）に示すように、第１プレート４５が第２プレート４６と重なり合う。すると、透過パターン４８の一部が、第２プレート４６によって遮光される。従って、第２プレート４６と重ならない部分の透過パターン４８によって、アレイ部４１が形成される。そして、第１プレート４５と第２プレート４６の相対位置をＸ方向に変化させると、アレイ部４１の幅を変えることができる。すなわち、第１プレート４５、及び第２プレート４６の一方、又は両方を移動させると、第２プレート４６が透過パターン４８を覆う面積が変化する。第１プレート４５と第２プレート４６の両方を動かすことによって、開口の中心位置が変わらないようにすることが望ましい。第２プレート４６が透過パターン４８を覆う面積が変化することにより、アレイ部４１の幅を変えることができ、分光器３１に入射する出射光のスポットサイズを変えることができる。よって、測定に十分な光量を得ることができる。
【００６５】
図７に、ピンホール４２のサイズ調整を行うための第２の構成を示す。図７では、第１プレート４５と、第２プレート４６と、第３プレート４７とが、ピンホールアレイ３０を構成している。第１プレート４５は、ストライプ状の透過パターン４８を有する遮光板である。透過パターン４８は、Ｘ方向を長手方向とする長方形である。第２プレート４６と第３プレート４７は、矩形状の遮光板である。そして、図７（ａ）に示すように、第２プレート４６と第３プレート４７を第１プレート４５の両側に配置する。第２プレート４６と第３プレート４７は、幅可変スリットとして機能する。第２プレート４６と第３プレート４７の間隔を近づけると、図７（ｂ）に示すようになる。第２プレート４６と第３プレート４７の間隔に応じて、第２プレート４６と第３プレート４７が透過パターン４８を覆う面積が変化する。これにより、アレイ部４１の幅を変えることができ、分光器３１に入射する出射光のスポットサイズを変えることができる。よって、測定に十分な光量を得ることができる。なお、第２の構成において、図６に示した第１の構成のように、櫛歯型の遮光板からなる第１プレート４５を用いてもよい。
【００６６】
図８に示す第３の構成では、様々な大きさの透過パターン４８が形成されている。サイズの違う透過パターン４８を多数設ける。アレイ部４１を形成するため、Ｙ方向の１列には、同じ大きさの透過パターン４８を配置する。また、Ｙ方向を長手方向とするスリットとなる透過パターン４８ａを用意している。さらに、Ｙ方向に単一のピンホールしかない透過パターン４８ｂを用意している。加えて、透過パターン４８、透過パターン４８ａ、透過パターン４８ｂのそれぞれには、幅の異なるものを３種類用意している。
【００６７】
このように、１枚の第１プレート４５に、Ｘ方向の幅が異なる透過パターン４８、４８ａ、４８ｂを形成する。第１プレート４５をＸ方向に移動させると、スリット、ピンホールの幅を段階的に変えることができる。分光器３１に入射する出射光のスポットサイズを変えることができる。これにより、測定に十分な光量を得ることができる。また、第３の構成において、単一のピンホールとなる透過パターン４８を用いることで、Ｙ走査装置１３を止めて、試料２２の１点を測定する場合に、空間分解能を向上することができる。スリットとなる透過パターン４８を用いることで、測定時間を短縮することができる。さらに、単一のピンホール、スリット、ピンホールアレイを切り替えて、測定することも可能である。
また、幅の異なる透過パターン４８をＹ方向に並べ、第１プレート４５をＹ方向に移動させることで、幅を変えてもよい。この構成とすると、幅を変えるための第１プレートの移動量は大きくなるが、切り替えによって開口位置がＸ方向にずれてしまい、測定波長の誤差となってしまうことを防ぐことができる。
【００６８】
上記の第１〜第３の構成では、Ｙ方向におけるピンホール４２のサイズを一定としたまま、Ｘ方向のサイズを変えることができる。なお、第１〜第３の構成で示した第１プレート４５は、例えば、リソグラフィー法を用いて製作することができる。具体的には、ガラス基板等の透明基板に、クロムなどの遮光膜を形成する。そして、リソグラフィー法で、遮光膜をパターニングする。これにより、所定の形状のパターンを形成することができる。あるいは金属薄板をレーザ加工やエッチング加工、電鋳加工することなどによって製作することも可能である。
【００６９】
本実施の形態では、スリットではなく、ピンホールアレイ３０を用いた共焦点光学系を採用している。このため、空間分解能を向上することができる。検出器３２の受光面３２ａにおいて、ピンホール４２を通過した出射光が互いに重ならないように、複数のピンホール４２を形成することが好ましい。具体的には、複数のピンホールからの信号が重ならないような幅に設定する。実際にはピンホールからの信号は有限の大きさとならないので、例えば、幅Ｎピクセル内に１つのピンホールからの信号の９０％以上が含まれるように、幅を設定することが好ましい
これにより、分光器３１の光学系に非点収差があり、ピンホール４２を通過した出射光が拡がる場合でも、高い分解能での測定が可能となる。すなわち、分光器３１の光学系の非点収差の影響を低減することができ、分解能を向上することができる。複数のスポットからの出射光を一度に測定できるため、測定時間を短縮することができる。また、ピンホールアレイ３０のピンホールの大きさを調整可能としてもよい。こうすることで、測定に十分な光量を得ることができる。また、ピンホール４２の大きさは、必要な分解能と、測定に必要な光量に応じて決定すればよい。また、Ｘ走査ミラー１８よりもレーザ光源１０側に配置されたＹ走査装置１３の他に、別のＹ走査手段を設ける。こうすることで、ライン領域５２全体を測定することができる。
【００７０】
また、１列にピンホール４２が並んだピンホールアレイ３０を用いることで、簡便な構成で光の通過を制限することができる。例えば、非特許文献２のように格子状のピンホールアレイ及びファイババンドルを用いる構成では、格子状のファイババンドルをライン状に並び変える必要がある。ピンホールアレイ３０を用いる構成では、ファイババンドルの並べ替えなどの作業を省略することができる。ピンホールアレイ３０が、ビームスプリッタ１７から分光器３１までの光路中に配置されている。すなわち、レーザ光源１０からの光が直接ピンホールアレイ３０に入射せずに、ビームスプリッタ１７で分離されたラマン散乱光がピンホールアレイ３０に入射する。これにより、ピンホールアレイ３０から散乱された照明光が分光器３１に入射するのを防ぐことができる。
さらに、特許文献１に記載されているように、シリンドリカルレンズ等によって、Ｙ方向に光を広げた後、Ｙ走査装置１３によって走査してもよい。あるいは、特開２００６−２５８９９０号公報に記載されているように、シリンドリカルレンズによって、Ｙ方向に光を拡げて、試料２３のライン状の領域を照明しても良い。例えば、１枚のシリンドリカルレンズで、ライン状のフォーカスを絞り１５の面に形成する。そして、ライン状の光を試料２２に投影する。このように、ライン状の光に変換する手段を設けることで、Ｙ走査装置１３を省略することが可能となる。非特許文献２のようにマイクロレンズアレイを使用するマルチフォーカス照明の構成に比べると、Ｙ走査装置１３あるいはシリンドリカルレンズによるライン照明の構成は、より調整が簡単である。
【００７１】
実施の形態２．
本実施の形態にかかる光学顕微鏡、及び分光測定方法について、図９を用いて説明する。本実施の形態では、実施の形態１で示したステージ２３によるＹ走査の代わりに、ガルバノミラー等のＹ走査ミラーを用いている。本実施の形態では、Ｙ走査ミラーを、Ｘ走査ミラーに近接させて配置している。
【００７２】
本発明の実施の形態にかかる光学顕微鏡について図９を用いて説明する。図１は本実施の形態にかかる光学顕微鏡１００の光学系の構成を模式的に示す図である。光学顕微鏡１００は、試料１２４を観察するための構成として、レーザ光源１１０と、ビームエキスパンダ１１１とレーザラインフィルタ１１２、Ｙ走査装置１４０、リレーレンズ１１４、リレーレンズ１１５、リレーレンズ１１７、リレーレンズ１１８、エッジフィルタ１１９、Ｘ走査装置１２０、リレーレンズ１２１、チューブレンズ１２２、対物レンズ１２３、結像レンズ１２６、ミラー１２７、分光器１３１、ステージ１６０と、を有している。Ｙ走査装置１４０は、高速スキャナ１１３と低速スキャナ１１６とを含んでいる。高速スキャナ１１３と低速スキャナ１１６は、ガルバノミラー等の走査ミラーであり、光ビームを偏向する。
【００７３】
レーザ光源１１０、ビームエキスパンダ１１１、高速スキャナ１１３、リレーレンズ１１７、リレーレンズ１１８、エッジフィルタ１１９、Ｘ走査装置１２０、リレーレンズ１２１、チューブレンズ１２２、対物レンズ１２３、ステージ１６０、結像レンズ１２６は、それぞれ実施の形態１で示した、レーザ光源１０、ビームエキスパンダ１１、レンズ１４、レンズ１６、ビームスプリッタ１７、Ｘ走査ミラー１８、レンズ１９、レンズ２０、対物レンズ２１、ステージ２３、レンズ２４と同様であるため説明を省略する。また、他の基本的構成についても、特開２０１０−５４３６８号公報の図５と同様であるため説明を省略する。
【００７４】
本実施の形態では、分光器１３１がピンホールアレイ１３０を有している。ピンホールアレイ１３０は、実施の形態１で示したピンホールアレイ３０と同様のものである。高速スキャナ１１３は、実施の形態１のＹ走査装置１３と同様に、ライン領域を照明する。本実施の形態では、さらに、Ｘ走査装置１２０とエッジフィルタ１１９の間に、低速スキャナ１１６が配置されている。低速スキャナ１１６は、実施の形態１で示したステージ２３の代わりに、Ｙ走査を行う。これにより、レーザ光とその出射光が、Ｙ方向に走査される。低速スキャナ１１６は、出射光をデスキャンしている。これにより、ライン領域全体を照明することができる。よって、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【００７５】
実施の形態３．
実施の形態１、２では、Ｙ走査装置１３又は高速スキャナ１１３の走査によって、スポットを走査している。このとき、ライン領域の等間隔の点が測定される。すなわち、ステージ２３や、低速スキャナ１１６を走査しない限り、測定領域の間の領域は、照明されているが、測定されない。そのため、照明光の大部分が有効に利用されないことがある。また、同じ品質のデータを得るために、試料に照射される光の光量が増加する。このため、光に照射によっては、試料が受けるダメージが増えてしまう。
【００７６】
そこで、本実施の形態では、照明系を変更している。具体的にはマイクロレンズアレイを用いて、マルチビームを形成している。この構成について、図１０〜図１２を用いて説明する。図１０では、図１に示した構成の、Ｙ走査装置１３、レンズ１４の代わりに、シリンドリカルレンズ６２、６３と、マイクロレンズアレイ６０が使用されている。図１１は、マイクロレンズアレイ６０の構成を示す斜視図である。図１２は、マイクロレンズアレイ６０によって、複数のスポット照明が形成される様子を示す図である。なお、光学顕微鏡１００の基本的構成については、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。
【００７７】
シリンドリカルレンズ６２、６３は、レーザ光をライン状の平行光に変換する。一対のシリンドリカルレンズ６２、６３は、紙面と垂直なＹ方向に拡がったライン状の平行光７０を形成する（図１２参照）。ライン状の平行光７０は、光軸と平行に伝播して、マイクロレンズアレイ６０に入射する。マイクロレンズアレイ６０は、図１１に示すように、Ｙ方向に配列された複数のレンズ６１を有している。マイクロレンズアレイ６０の各レンズ６１は、入射したレーザ光を集光する。マイクロレンズアレイ６０の複数のレンズ６１は、絞り１５の置かれる位置に複数のスポット照明７１ａ〜７１ｆを形成する（図１２参照）。これにより、複数のスポットを形成するためのマルチビームを生成することができる。これらのスポット照明７１ａ〜７１ｆが、レンズ１６、レンズ１９、レンズ２０、対物レンズ２１によって、試料２２に投影される。従って、試料２２上における複数のスポットを同時に照明することができる。
【００７８】
そして、試料２２上でのスポット照明の間隔を、ピンホールアレイ３０によって形成される測定領域５１ａ〜５１ｆの間隔と一致させる。これにより、レーザ光が入射した箇所からの出射光が、ピンホールアレイ３０のピンホール４２を通過する。例えば、マイクロレンズアレイ６０が形成したスポット照明が試料２２に入射すると、照明光７１ａが投影された試料２２の領域からの出射光が、ピンホール４２ａに入射する。他のスポット７１ｂ〜７１ｆについても、それぞれピンホール４２を通過する。よって、ピンホールアレイ３０による複数の測定領域５１ａ〜５１ｆを同時に照明することができる。
【００７９】
マイクロレンズアレイ６０による複数の照明スポットを、ピンホールアレイ３０の測定領域と一致させている。これにより、レーザ光を有効に利用することができる。さらに、測定されない部分に光が照射されなくなるため試料２２のダメージを低減することができる。さらに、光を効率よく利用することができる。また、実施の形態１と同様に、スポット状の領域を照明している。そして、スポット状の領域からの出射光が、ピンホールアレイ３０を介して検出される。従って、共焦点光学系を介して、測定が行われる。これにより、スリットによる共焦点効果のみを使用している従来構成に比べて、Ｙ方向、及びＺ方向の空間分解能を向上することができる。
【００８０】
なお、シリンドリカルレンズ６２、６３の代わりに、アナモフィックプリズムを用いて、ライン状の平行光７０を形成しても良い。このように、一対のシリンドリカルレンズ６２，６３、又はアナモフィックプリズムを用いることで、レンズ６１が並んだ方向に、ビームを拡げることができる。また、１列に並んだ複数のスポット照明を形成する素子として、回折光学素子とレンズの組み合わせを用いても良い。すなわち、試料２２上において、複数のスポットを形成するマルチビーム形成手段は特に限定されるものではない。
【００８１】
上記の光学顕微鏡によって、ラマンスペクトルを測定することができる。なお、上述の説明では、ラマン散乱光を分光測定する光学顕微鏡１００について説明したが、本発明はこれに限られるものでない。入射光のレーザ波長と異なる波長で試料から出射する出射光を検出する分光測定装置であればよい。例えば、励起光によって励起される蛍光を検出する分光測定装置や、赤外吸収を検出する分光測定装置であってもよい。これらの分光測定装置でも、短時間で、スペクトルの測定を行うことができる。
【符号の説明】
【００８２】
１０ レーザ光源
１１ ビームエキスパンダ
１３ Ｙ走査装置
１４ レンズ
１５ 絞り
１６ レンズ
１７ ビームスプリッタ
１８ Ｘ走査ミラー
１９ レンズ
２０ レンズ
２１ 対物レンズ
２２ 試料
２３ ステージ
２４ レンズ
２５ 絞り
２６ レンズ
２７ フィルタ
２８ フィルタ
２９ フィルタ駆動装置
３０ ピンホールアレイ
３１ 分光器
３２ 検出器
３２ａ 受光面
３５ ステージ駆動装置、
３６ 処理装置
４０ 遮光プレート
４１ アレイ部
４２ ピンホール
４５ 第１プレート
４６ 第２プレート
４７ 第３プレート
４８ 透過パターン
５０ スポット
５１ スポット
５１ａ〜５１ｅ スポット
５２ ライン領域
６０ マイクロレンズアレイ
６１ レンズ
７０ ライン状の平行光
７１ａ〜７１ｅ スポット
８１ スポット
８２ スポット
１００ 光学顕微鏡
１１０ レーザ光源
１１１ ビームエキスパンダ、
１１２ レーザラインフィルタ
１１３ 高速スキャナ
１１４ リレーレンズ
１１５ リレーレンズ
１１６ 低速スキャナ
１１７ リレーレンズ
１１８ リレーレンズ
１１９ エッジフィルタ
１２０ Ｘ走査装置
１２１ リレーレンズ
１２２ チューブレンズ
１２３ 対物レンズ
１２６ 結像レンズ
１２７ ミラー
１３１ 分光器
１４０ Ｙ走査装置
１６０ ステージ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源からの光ビームを集光して、試料に入射させる対物レンズと、
前記試料に対する光ビームの位置を相対移動させて、前記試料上における前記光ビームのスポット位置を走査する走査手段と、
前記試料に入射された光ビームのうち、異なる波長となって前記試料から前記対物レンズ側に出射する出射光と前記レーザ光源から前記試料に入射する光ビームとを分離する光分岐手段と、
前記光分岐手段により分離された出射光を波長に応じて空間的に分散させる分光器と、
アレイ状に配列された受光画素を有し、前記分光器で分散された出射光を検出する２次元アレイ光検出器と、
前記分光器の入射側に配置され、集光された出射光を前記分光器側に通過させる複数の光通過部が前記分光器の分散方向と直交する方向に沿って配列された光制限手段と、
を備える光学顕微鏡。
【請求項２】
前記２次元アレイ光検出器の受光面において、前記複数の光通過部を通過した出射光が重ならないように、複数の前記光通過部が形成されている請求項１に記載の光学顕微鏡。
【請求項３】
前記分散方向と平行な方向において、前記光通過部の大きさが、可変であることを特徴とする請求項１、又は２に記載の光学顕微鏡。
【請求項４】
複数の前記光通過部が、ピンホールが１列に並んだピンホールアレイによって形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学顕微鏡。
【請求項５】
複数の前記光通過部による測定領域を同時に照明するよう、前記試料に入射する光ビームのスポットを複数形成するマルチビーム形成手段をさらに備える請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学顕微鏡。
【請求項６】
前記マルチビーム形成手段が、複数の前記光ビームのスポットを１列に配列することを特徴とする請求項３に記載の光学顕微鏡。
【請求項７】
前記走査手段が、
前記光源から前記光分岐手段までの光路中に配置され、前記光制限手段における出射光の位置が前記光通過部の配列方向に変化するよう、前記光源からの光ビームを第１の方向に偏向させる第１の走査装置と、
前記光分岐手段から前記試料までの光路中に配置され、前記試料上における前記光ビームのスポット位置を、前記第１の方向と異なる第２の方向に走査する第２の走査装置と、
を備える請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光学顕微鏡。
【請求項８】
前記走査手段が、
前記試料に対する光ビームの位置を相対移動させて、前記試料上における前記光ビームのスポット位置を走査する第３の走査装置をさらに備え、
前記第３の走査装置の走査によって、前記光通過部の測定領域と前記光ビームのスポットとが前記試料上で前記第１の方向に移動することを特徴とする請求項７に記載の光学顕微鏡。
【請求項９】
前記光源からの光ビームをライン状の光に変換する光変換手段をさらに備え、
前記光通過部の配列方向に対応する方向に沿ったライン状の光が前記試料に入射している請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光学顕微鏡。
【請求項１０】
光源からの光ビームを集光して、試料に入射させ、
前記試料に対する光ビームの位置を相対移動させて、前記試料上における前記光ビームのスポット位置を走査し、
前記試料に入射された光ビームのうち、異なる波長となって前記試料から前記対物レンズ側に出射する出射光と前記レーザ光源から前記試料に入射する光ビームとを分離し、
前記光ビームから分離された前記出射光を集光し、
前記集光された出射光を通過させる複数の光通過部が配列された光制限手段に入射させ、
前記光通過部を通過した出射光を、波長に応じて前記光通過部の配列方向と直交する方向に分散させ、
アレイ状に配列された受光画素を有する２次元アレイ光検出器で、分散された出射光を検出する分光測定方法。
【請求項１１】
前記２次元アレイ光検出器の受光面において、前記複数の光通過部を通過した出射光が重ならないように、複数の前記光通過部が形成されている請求項１０に記載の分光測定方法。
【請求項１２】
前記分散方向と平行な方向において、前記光通過部の大きさが、可変であることを特徴とする請求項１０、又は１１に記載の分光測定方法。
【請求項１３】
複数の前記光通過部が、ピンホールが１列に並んだピンホールアレイによって形成されていることを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の分光測定方法。
【請求項１４】
前記試料に入射する光ビームのスポットを複数形成して、複数の前記光通過部による測定領域を同時に照明する請求項１０乃至１３のいずれか１項に記載の分光測定方法。
【請求項１５】
前記試料上における複数の前記光ビームのスポットが１列に配列されていることを特徴とする請求項１４に記載の分光測定方法。
【請求項１６】
前記試料上のライン状の領域を測定するように、前記試料上の光ビームのスポット位置を第１の方向に走査して、
前記ライン状の領域に対する測定を行った後、前記試料上における前記光ビームのスポット位置を第２の方向に走査する請求項１０乃至１５のいずれか１項に記載の分光測定方法。
【請求項１７】
前記試料上の光ビームのスポット位置を第１の方向に走査する際において、
前記光源からの光ビームをデスキャンさせずに、第１の方向に偏向させた後、前記試料における前記光通過部の測定領域を前記第１の方向に移動させる請求項１６に記載の分光測定方法。
【請求項１８】
前記光源からの光ビームをライン状の光に変換し、
前記光通過部の配列方向に対応する方向に沿ったライン状の光が前記試料に入射している請求項１０乃至１３のいずれか１項に記載の分光測定方法。
【請求項１】
光源と、
前記光源からの光ビームを集光して、試料に入射させる対物レンズと、
前記試料に対する光ビームの位置を相対移動させて、前記試料上における前記光ビームのスポット位置を走査する走査手段と、
前記試料に入射された光ビームのうち、異なる波長となって前記試料から前記対物レンズ側に出射する出射光と前記レーザ光源から前記試料に入射する光ビームとを分離する光分岐手段と、
前記光分岐手段により分離された出射光を波長に応じて空間的に分散させる分光器と、
アレイ状に配列された受光画素を有し、前記分光器で分散された出射光を検出する２次元アレイ光検出器と、
前記分光器の入射側に配置され、集光された出射光を前記分光器側に通過させる複数の光通過部が前記分光器の分散方向と直交する方向に沿って配列された光制限手段と、
を備える光学顕微鏡。
【請求項２】
前記２次元アレイ光検出器の受光面において、前記複数の光通過部を通過した出射光が重ならないように、複数の前記光通過部が形成されている請求項１に記載の光学顕微鏡。
【請求項３】
前記分散方向と平行な方向において、前記光通過部の大きさが、可変であることを特徴とする請求項１、又は２に記載の光学顕微鏡。
【請求項４】
複数の前記光通過部が、ピンホールが１列に並んだピンホールアレイによって形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学顕微鏡。
【請求項５】
複数の前記光通過部による測定領域を同時に照明するよう、前記試料に入射する光ビームのスポットを複数形成するマルチビーム形成手段をさらに備える請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学顕微鏡。
【請求項６】
前記マルチビーム形成手段が、複数の前記光ビームのスポットを１列に配列することを特徴とする請求項３に記載の光学顕微鏡。
【請求項７】
前記走査手段が、
前記光源から前記光分岐手段までの光路中に配置され、前記光制限手段における出射光の位置が前記光通過部の配列方向に変化するよう、前記光源からの光ビームを第１の方向に偏向させる第１の走査装置と、
前記光分岐手段から前記試料までの光路中に配置され、前記試料上における前記光ビームのスポット位置を、前記第１の方向と異なる第２の方向に走査する第２の走査装置と、
を備える請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光学顕微鏡。
【請求項８】
前記走査手段が、
前記試料に対する光ビームの位置を相対移動させて、前記試料上における前記光ビームのスポット位置を走査する第３の走査装置をさらに備え、
前記第３の走査装置の走査によって、前記光通過部の測定領域と前記光ビームのスポットとが前記試料上で前記第１の方向に移動することを特徴とする請求項７に記載の光学顕微鏡。
【請求項９】
前記光源からの光ビームをライン状の光に変換する光変換手段をさらに備え、
前記光通過部の配列方向に対応する方向に沿ったライン状の光が前記試料に入射している請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光学顕微鏡。
【請求項１０】
光源からの光ビームを集光して、試料に入射させ、
前記試料に対する光ビームの位置を相対移動させて、前記試料上における前記光ビームのスポット位置を走査し、
前記試料に入射された光ビームのうち、異なる波長となって前記試料から前記対物レンズ側に出射する出射光と前記レーザ光源から前記試料に入射する光ビームとを分離し、
前記光ビームから分離された前記出射光を集光し、
前記集光された出射光を通過させる複数の光通過部が配列された光制限手段に入射させ、
前記光通過部を通過した出射光を、波長に応じて前記光通過部の配列方向と直交する方向に分散させ、
アレイ状に配列された受光画素を有する２次元アレイ光検出器で、分散された出射光を検出する分光測定方法。
【請求項１１】
前記２次元アレイ光検出器の受光面において、前記複数の光通過部を通過した出射光が重ならないように、複数の前記光通過部が形成されている請求項１０に記載の分光測定方法。
【請求項１２】
前記分散方向と平行な方向において、前記光通過部の大きさが、可変であることを特徴とする請求項１０、又は１１に記載の分光測定方法。
【請求項１３】
複数の前記光通過部が、ピンホールが１列に並んだピンホールアレイによって形成されていることを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の分光測定方法。
【請求項１４】
前記試料に入射する光ビームのスポットを複数形成して、複数の前記光通過部による測定領域を同時に照明する請求項１０乃至１３のいずれか１項に記載の分光測定方法。
【請求項１５】
前記試料上における複数の前記光ビームのスポットが１列に配列されていることを特徴とする請求項１４に記載の分光測定方法。
【請求項１６】
前記試料上のライン状の領域を測定するように、前記試料上の光ビームのスポット位置を第１の方向に走査して、
前記ライン状の領域に対する測定を行った後、前記試料上における前記光ビームのスポット位置を第２の方向に走査する請求項１０乃至１５のいずれか１項に記載の分光測定方法。
【請求項１７】
前記試料上の光ビームのスポット位置を第１の方向に走査する際において、
前記光源からの光ビームをデスキャンさせずに、第１の方向に偏向させた後、前記試料における前記光通過部の測定領域を前記第１の方向に移動させる請求項１６に記載の分光測定方法。
【請求項１８】
前記光源からの光ビームをライン状の光に変換し、
前記光通過部の配列方向に対応する方向に沿ったライン状の光が前記試料に入射している請求項１０乃至１３のいずれか１項に記載の分光測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−１８９８９１（Ｐ２０１２−１８９８９１Ａ）
【公開日】平成２４年１０月４日（２０１２．１０．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５４５３８（Ｐ２０１１−５４５３８）
【出願日】平成２３年３月１１日（２０１１．３．１１）
【出願人】（５０３１３８１３４）ナノフォトン株式会社 (19)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月４日（２０１２．１０．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月１１日（２０１１．３．１１）
【出願人】（５０３１３８１３４）ナノフォトン株式会社 (19)
【Ｆターム（参考）】
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