JP5120873B2 - 分光計測装置及び分光計測方法 - Google Patents
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Description
特定の生体成分を標識する蛍光物質としては、例えば量子ドットや緑色蛍光タンパク質(GFP:Green Florescent Protein)が用いられている。量子ドットは、その粒径に応じて異なる色の蛍光を発する数十ナノ程度の極微小粒子である。そこで、粒径の揃った1ないし複数種類の量子ドットを作り、特定の生体成分に化学的に結合させれば、量子ドットが発する蛍光の空間的な分布を観察することにより特定の生体成分の空間的な分布を間接的に計測することができる。
波長分散型分光法は、測定試料を透過した光、或いは測定試料面で反射した光(以下、物体光という)を回折格子に照射したときに、当該物体光の波長に応じて回折角が異なる原理を利用した分光法である。
平石次郎編「フーリエ変換赤外分光法」学会出版センター, 1985年11月
また、測定試料が光学的に透明体の場合、深さ方向の測定領域を限定して分光を行うことはできない。そのため、例えば3次元の分光吸収率分布などは計測できなかった。
a) 被測定物の各測定点から多様な方向に向かって発せられた多波長の光が入射する分割光学系と、
b) 前記分割光学系を透過した多波長の光をほぼ同一点に導き干渉像を形成する結像光学系と、
c) 前記干渉像の光強度を検出する検出部と、
d) 前記分割光学系から前記結像光学系に向かう多波長の光の一部と残りの多波長の光の相対的な光学光路長差を伸縮する光路長差伸縮手段と、
e) 前記光路長差伸縮手段によって光学光路長差を伸縮させることにより前記検出部で検出される光強度変化に基づき、前記被測定物の各測定点のインターフェログラムを求め、このインターフェログラムをフーリエ変換することによりスペクトルを取得する処理部と、
を備えることを特徴とする。
a) 被測定物の各測定点から多様な方向に向かって発せられた多波長の光を第1反射部と第2反射部とに分割して導く分割光学系と、
b) 前記第1及び第2反射部によって反射された多波長の光をほぼ同一点に導き干渉像を形成する結像光学系と、
c) 前記第1及び第2反射部を相対的に移動させることにより前記分割光学系から前記第1反射部を経て前記結像光学系に向かう多波長の光と前記分割光学系から前記第2反射部を経て前記結像光学系に向かう多波長の光の光学光路長差を伸縮する光路長差伸縮手段と、
d) 前記干渉像の光強度を検出する検出部と、
e) 前記光路長差伸縮手段によって光学光路長差を伸縮させることにより前記検出部で検出される光強度変化に基づき、前記被測定物の各測定点のインターフェログラムを求め、このインターフェログラムをフーリエ変換することによりスペクトルを取得する処理部と、
を備えることを特徴とする。
a) 被測定物の各測定点から多様な方向に向かって発せられた多波長の光を分割光学系によって位相固定光線群と位相可変光線群に分割し、
b) 前記位相可変光線群の光学光路長差を伸縮させつつ前記位相可変光線群と前記位相固定光線群を結像光学系によってほぼ同一点に導いて干渉像を形成させ、
a) 前記干渉像の光強度変化に基づき前記被測定物の各測定点のインターフェログラムを求め、このインターフェログラムをフーリエ変換することによりスペクトルを取得することを特徴とする。
本発明では、分割光学系を透過してきた光線の全てを分析に用いることができるため、極めて光の利用効率が高く、微弱光計測に適している。
また、本発明は結像光学系を用いていることから、検出部として1次元の検出デバイスを用いれば高感度な1次元分光計測が可能となり、2次元の検出デバイスを用いれば高感度な2次元の分光計測が可能となる。
焦点深度はλ/NA2に比例して光学的に決定されることから、超解像技術を用いて高NA光学システムを用いれば深さ方向の空間的な分解能も容易に向上させることができる。
以下、本発明を分光計測装置である分光断層像計測装置に適用した具体的な実施例について説明する。
前記対物レンズ12は、レンズ駆動機構13によって光軸方向に移動可能に構成されている。レンズ駆動機構13は、対物レンズ12の合焦位置を走査するためのもので、例えばピエゾ素子により構成することができる。
なお、以下の説明では、位相シフター14に到達した光束のうち固定ミラー部15の反射面に到達して反射される光束を固定光線群、可動ミラー部16の反射面に到達して反射される光束を可動光線群ともいう。
まず、蛍光や散乱光など初期位相が必ずしも揃っていない光線群が、対物レンズ12と結像レンズ22を経て検出部24の結像面で位相が揃った波として1つの点に集光し、輝点像(干渉像)を形成する光学モデルに基づいて説明する。
まず、測定波長が単一波長の光の場合の光路長差と干渉光強度との関係について図7(a)〜(c)を参照しながら説明する。図7において、横軸は可動ミラー部の移動に伴う固定光線群と可動光線群間の相対的な光路長差を示し、縦軸は、検出部の一つの画素における結像強度を示している。
従って、可動ミラー部16を図3(a)から(b)を経て(c)の状態へと移動させて光路長差を順次変化させていくと、2光束間の干渉現象による結像強度は周期的に変化することになる。この結像強度変化の周期は、図7(a)〜(c)に示すように、波長が長い光の場合は長く、波長が短い光の場合は短くなる。
被測定物Sから発せられる0次回折光と高次回折光は、対物レンズ12の後ろ側焦点であるフーリエ変換面において空間的に最も分離できる。そこで、被測定物Sが回折光を生じる場合は、図5に示すように、固定ミラー部15及び可動ミラー部16の反射面をフーリエ変換面に配置する。これにより、それぞれの回折光成分を容易に分離して結像レンズ22に照射することができる。
例えば、ある特定の空間周波数の明暗縞からなる模様を有する被測定物Sからは、その明暗縞の直交方向に±1次回折光を生じる。図4(b)は、このような最も基本的な回折光の可動ミラー部16及び固定ミラー部15の反射面における照射分布の例を示している。
第2ガラス板32は、大小2枚の断面台形状の板状部材32a,32bから構成されている。大小の板状部材32a、32bの傾斜面は同一の傾き(角度)を有している。大きい板状部材32aはスライド機構34によって矢印B方向にスライド可能となっており、スライドさせることにより第2ガラス板32の厚み寸法が連続的に変化する。
具体的には、実線で示す位置に板状部材32aがあるときは第2ガラス板32の厚み寸法は第1ガラス板30の厚み寸法と等しいため、固定光線群P1と可動光線群P2の光学光路長は等しくなる。これに対して、一点鎖線で示す位置に板状部材32aがあるときの第2ガラス板32の厚み寸法は第1ガラス板30の厚み寸法よりも小さいため、可動光線群P2の光学光路長は固定光線群P1の光学光路長よりも短くなる。一方、二点鎖線で示す位置に板状部材32aがあるときの第2ガラス板32の厚み寸法は第1ガラス板30の厚み寸法よりも大きいため、可動光線群P2の光学光路長は固定光線群P1の光学光路長よりも長くなる。
位相シフター14を構成する可動ミラー部16は円柱である必要はなく、角柱など製造の容易な形状に加工すればよい。
上記した実施例では固定ミラー部15の中央に可動ミラー部16を配置したが、例えば図11及び図12に示すように長方形の板状の固定ミラー部15及び可動ミラー部16を左右或いは上下に配置しても良い。鮮明な干渉強度変化を得るには、固定光線群と可動光線群の光量が同等に揃っていることが望ましい。上記構成によれば、固定光線群と可動光線群の光量を容易に同等に揃えることができる。
物体光の光束の分割数は2つに限らない。3つ以上の光線群間の干渉光強度変化を計測できる光学系を用いた場合は、物体光の光束を3つ以上の光線群に分割することができる。
位相シフター14の固定ミラー部15及び可動ミラー部16の反射面と光軸との角度は45度でなくても良い。但し、この場合は、光軸と可動ミラー部16の移動方向の角度誤差によって分光特性が劣化する可能性が大きい。これは、静電容量センサー付ピエゾステージの光軸方向への移動量が分光精度に重要な意味を持つからである。光軸方向への移動量が、可動光線群に与える位相シフト量となり、この位相シフト量が分光計測に必要なパラメータとなる。
また、測定対象となる光が紫外光や長波長光の場合には、反射型光学系により分割光学系、結像光学系を構成すると良い。
更に、実際の光学系では、調整誤差によって可動ミラー部の設置角度がずれる場合がある。この角度のずれ量が、分光特性上問題となる場合は、水銀ランプなど既知の輝線スペクトルを有する光源を用いて分光特性を計測するなどにより位相シフターと光軸との傾き量の校正を行うことができる。
12…対物レンズ
13…レンズ駆動機構
14…位相シフター
15…固定ミラー部
16…可動ミラー部
18…駆動ステージ
20…制御部
22…結像レンズ
24…検出部
30…第1ガラス板
32…第2ガラス板
40…光路長差伸縮用ガラス板
Claims (6)
- a) 被測定物の各測定点から多様な方向に向かって発せられた多波長の光が入射する分割光学系と、
b) 前記分割光学系を透過した多波長の光をほぼ同一点に導き干渉像を形成する結像光学系と、
c) 前記干渉像の光強度を検出する検出部と、
d) 前記分割光学系から前記結像光学系に向かう多波長の光の一部と残りの多波長の光の相対的な光学光路長差を伸縮する光路長差伸縮手段と、
e) 前記光路長差伸縮手段によって光学光路長差を伸縮させることにより前記検出部で検出される光強度変化に基づき、前記被測定物の各測定点のインターフェログラムを求め、このインターフェログラムをフーリエ変換することによりスペクトルを取得する処理部と、
を備えることを特徴とする分光計測装置。 - a) 被測定物の各測定点から多様な方向に向かって発せられた多波長の光を第1反射部と第2反射部とに分割して導く分割光学系と、
b) 前記第1及び第2反射部によって反射された多波長の光をほぼ同一点に導き干渉像を形成する結像光学系と、
c) 前記第1及び第2反射部を相対的に移動させることにより前記分割光学系から前記第1反射部を経て前記結像光学系に向かう多波長の光と前記分割光学系から前記第2反射部を経て前記結像光学系に向かう多波長の光の光学光路長差を伸縮する光路長差伸縮手段と、
d) 前記干渉像の光強度を検出する検出部と、
e) 前記光路長差伸縮手段によって光学光路長差を伸縮させることにより前記検出部で検出される光強度変化に基づき、前記被測定物の各測定点のインターフェログラムを求め、このインターフェログラムをフーリエ変換することによりスペクトルを取得する処理部と、
を備えることを特徴とする分光計測装置。 - 第1及び第2反射部の反射面は、それぞれ分割光学系を透過した多波長の光の光束の光軸に対して45°傾いた状態で配置されていることを特徴とする請求項2に記載の分光計測装置。
- 処理部は、被測定物のうち分割光学系の合焦位置に位置する測定点から発せられた多波長の光のスペクトルを求めることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の分光計測装置。
- 被測定物に対する分割光学系の合焦位置を相対的に変更する合焦位置変更手段を備えることを特徴とする請求項4に記載の分光計測装置。
- a) 被測定物の各測定点から多様な方向に向かって発せられた多波長の光を分割光学系によって位相固定光線群と位相可変光線群に分割し、
b) 前記位相可変光線群の光学光路長差を伸縮させつつ前記位相可変光線群と前記位相固定光線群を結像光学系によってほぼ同一点に導いて干渉像を形成させ、
c) 前記干渉像の光強度変化に基づき前記被測定物の各測定点のインターフェログラムを求め、このインターフェログラムをフーリエ変換することによりスペクトルを取得する分光計測方法。
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