JP6583525B2 - 顕微分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、試料の微小な測定領域から発せられた光を収集して楕円凹面鏡により光検出器に集光し、分析を行う顕微分析装置に関し、特に赤外顕微鏡に関する。

顕微分析装置は、試料表面の微小な測定領域の分析に用いられる。顕微分析装置の１つである赤外顕微鏡では、試料に赤外光を照射し、その透過赤外光又は反射赤外光のスペクトルを得ることにより試料を分析する（例えば特許文献１）。

従来用いられている赤外顕微鏡の一つである透過型赤外顕微鏡の要部構成を図１に示す。赤外光源１０１から照射され試料１０２を透過した赤外光（測定光）は、中央に貫通孔が設けられた凹面鏡１０３及び凸面鏡１０４の組からなるカセグレン鏡１０５によりアパーチャ板の小径の開口（アパーチャ）１０６に集光される。該アパーチャ１０６を通過した測定光は再び広がりながら進み、可視光を透過させ赤外光を反射するハーフミラー（ホットミラーとも呼ばれる）１０７により反射され、続いて楕円凹面鏡１０８により赤外検出器１０９に再び集光される。赤外検出器１０９では測定光を波長分離して測定する。

楕円凹面鏡１０８は、入射する測定光の光軸と反射した測定光の光軸を含む面内において、アパーチャ１０６と赤外検出器１０９内部の集光位置を焦点とする楕円弧状の断面を有する。また、面外では、両焦点を結ぶ直線の回りに該弧を回転した回転楕円体面となっている。これにより楕円凹面鏡１０８は、一方の焦点（アパーチャ１０６）から広がった光を他方の焦点（赤外検出器１０９の内部）に集光させる。一般に、集光光学素子には、（１）透過する波長帯域が広く、かつその範囲内に吸収が大きい波長帯域がないこと、（２）屈折率が大きすぎないこと、（３）加工しやすく製造が容易な材料からなること、（４）安価であること、及び（５）耐環境性が良好であること、が求められるが、赤外光の波長帯域においてこれら全てを満たすレンズがないことから、赤外光の集光には楕円凹面鏡が用いられることが多い。なお、試料１０２の上方に設けられた結像レンズ１１０及び撮像部１１１は、図示しない可視光源から試料１０２の表面に可視光を照射してその状態を確認するために用いられる。

特開平７−６３９９４号公報

図２はハーフミラー１０７から赤外検出器１０９に至る測定光の光路の拡大図である。赤外顕微鏡において測定領域外からの赤外光が赤外検出器１０９に入射すると測定の精度が低下する。そのため、図２に示すように、赤外検出器１０９の入射面には円筒状の貫通孔（コールドアパーチャ）１０９aが設けられた遮蔽板（コールドアパーチャ板）が設けられており、そのコールドアパーチャ１０９ａに入射した光のみを赤外検出器１０９内部に入射させ、測定領域外からの光を遮断するようになっている。

上述のとおり、アパーチャ１０６を通過した測定光は広がりつつ進み、楕円凹面鏡１０８で反射され、赤外検出器１０９内部に集光される。このとき、楕円凹面鏡１０８により反射された測定光の光束はほぼ円錐状となって赤外検出器１０９内部に集光されるが、正確にはその主軸（光軸）に関して歪んだ円錐状（以下、「変形円錐状」と呼ぶ。）になる。具体的には、図２に示す紙面において、測定光の光軸（錐体の頂点を通る鉛直線）に対して左側の端部を通る測定光線の角度をθa、右側の端部を通る測定光線の角度をθbとしたとき、θb＞θaとなる非対称な形状の断面を有している。

上述のとおり、コールドアパーチャ１０９aは円筒状であり、その入射側端面は円形である。そのため、全ての測定光束を受光部に入射させようとすると、図３(a)に示すように光軸の左方側から測定領域外の光も受光部に入射してしまう。また、測定領域外の光を遮断しようとすると、図３(b)に示すように測定光の一部も遮断されてしまうという問題があった。

ここでは典型的な装置である赤外顕微鏡を例に挙げて説明したが、赤外光に限らず、試料の測定領域から発せられる光をアパーチャに集光し、該アパーチャを通過した光を楕円凹面鏡により再び光検出器に集光する構成を有する装置全てにおいて上記同様の問題があった。

本発明が解決しようとする課題は、試料の測定領域から発せられる測定光を楕円凹面鏡により光検出器に集光する顕微分析装置において、測定領域外からの光を光検出器に入射させることなく、より多くの測定光を光検出器に入射させることである。

上記課題を解決するために成された本発明に係る顕微分析装置は、
a) 測定領域の試料から発せられる測定光を第１集光点に集光する集光光学系と、
b) 前記第１集光点に位置する開口を有するアパーチャ板と、
c) 前記開口を通過した測定光を反射して第２集光点に集光する楕円凹面鏡と、
d) 前記第２集光点の前に配置され、該位置における測定光の光束の横断面の形状に合致する形状の端面を有する貫通孔が形成された遮蔽板と、
e) 前記第２集光点に設けられた光検出器と
を備えることを特徴とする。

前記集光光学系には、例えばカセグレン鏡を用いることができる。
また、前記楕円凹面鏡は、前記第１集光点と前記第２集光点を２つの焦点とする回転楕円体面を有する凹面鏡である。

前記楕円凹面鏡により反射された測定光の光束は、主軸（光軸）に関して歪んだ円錐状（変形円錐状）になる。こうした測定光の光束の横断面の形状に合致する形状の端面を有する貫通孔が形成された遮蔽板は、例えば、従来用いられているような円筒状の貫通孔が形成された遮蔽板を前記横断面が円形となるように配置したものとすることができる。この場合には、従来用いられている光検出器および遮蔽板の配置のみを変更すればよく、安価に構成することができる。

また、上記遮蔽板は、従来同様に測定光の光束の光軸に垂直に配置され、前記横断面の形状に合致した形状の入射側端面を有する貫通孔を形成した遮蔽板とすることができる。この場合には、従来同様の配置のままで、測定領域外からの光を入射させることなく、従来よりも多くの測定光を入射させることができる。

本発明に係る顕微分析装置では、変形円錐状の測定光束の横断面と貫通孔の入射側端面の形状が合致するため、測定領域外からの光を光検出器に入射させることなく、より多くの測定光を光検出器に入射させることができる。

本発明に係る顕微分析装置を用いることにより、測定領域外からの光を光検出器に入射させることなく、より多くの測定光を光検出器に入射させることができる。

赤外顕微鏡の要部構成図。 従来の赤外顕微鏡における、ハーフミラーから赤外検出器に至る測定光の光路の拡大図。 従来の赤外顕微鏡において測定領域外の光が赤外検出器に入射したり、測定光の一部が遮蔽板により遮断されたりする状況を示す図。 本発明に係る顕微分析装置の一実施例である赤外顕微鏡の要部構成図。 本実施例の赤外顕微鏡における測定光の光路の一部を拡大した図。 本実施例の赤外顕微鏡における赤外検出器の配置とコールドアパーチャの形状を説明する図。 変形例の赤外顕微鏡における赤外検出器の配置とコールドアパーチャの形状を説明する図。

本発明に係る顕微分析装置の一実施例である赤外顕微鏡について、以下、図４〜図６を参照して説明する。図４は本実施例の赤外顕微鏡の要部構成図である。

本実施例の赤外顕微鏡では、試料２からの透過光と反射光のいずれも測定可能な構成を有している。透過光を測定する場合には、ＳｉＣやＳｉＮなどのセラミックス光源である透過測定用赤外光源１aからミラー２０を介して試料２の下方から赤外光を照射する。試料２を透過した赤外光（透過測定光）は、中央に貫通孔が設けられた凹面鏡３及び凸面鏡４の組からなるカセグレン鏡５によりアパーチャ板の小径の開口（アパーチャ）６の第１集光点に集光される。該アパーチャ６を通過した測定光は再び広がりながら進み、可視光を透過させ赤外光を反射するハーフミラー（ホットミラー）７により反射され、続いて楕円凹面鏡８により赤外検出器９の内部の第２集光点に再び集光される。

赤外検出器９は、高感度なＭＣＴ（Mercury Cadmium Telluride）検出器であり、後述のコールドアパーチャ板とともに液体窒素で冷却されている。楕円凹面鏡８は、アパーチャ６内の透過測定光の集光点と、赤外検出器９内の透過測定光の集光点を焦点とする回転楕円面を有する凹面鏡である。赤外検出器９では測定光を波長分離して測定する。

反射光を測定する場合には、上記同様のセラミックス光源である反射測定用赤外光源１bからハーフミラー２１及びカセグレン鏡５を介して試料２の上方から赤外光を照射する。試料２の表面で反射した赤外光（反射測定光）も、上記同様にアパーチャ６の第１集光点に集光され、ハーフミラー７及び楕円凹面鏡８によりそれぞれ反射され赤外検出器９の内部の第２集光点に集光される。
試料２の上方に設けられた結像レンズ１０及び撮像部１１は、図示しない可視光源から試料２の表面に可視光を照射してその状態を確認するために用いられる。

図５は、本実施例の赤外顕微鏡におけるハーフミラー７から赤外検出器９に至る（透過又は反射）測定光の光路の拡大図である。本実施例の赤外検出器９の入射面にも図２と同様に円筒形の貫通孔（コールドアパーチャ）９aが形成された遮蔽板（コールドアパーチャ板）が設けられている。

図３により説明したとおり、楕円凹面鏡８で反射された測定光の光束は、その光軸Ｃに関して歪んだ円錐状（変形円錐状）となる。この変形円錐は、図５の紙面の面内において、光軸Ｃに対して左側の端部を通る測定光線の角度をθa、右側の端部を通る測定光線の角度をθbとしたとき、θb＞θaとなる非対称な形状の断面を有している。なお、本実施例ではθb＞θaであるが、各部の配置によってはθb＜θaの場合もあり得る。

本実施例では、図６(a)に示すように、赤外検出器９のコールドアパーチャ板は、該アパーチャ板が上記変形円錐状の光束を横断する面が貫通孔の入射側端面の形状（即ち円形。図６(b)参照）と略同一になるような角度に傾けられている。具体的には、図６(a)の紙面の面内において、赤外検出器９の視野の中心軸Ｐが光軸Ｃに対して角度θc=(θb-θa）/2傾けられており、該中心軸に対して光軸Ｃに対して左側の端部を通る測定光線の角度と右側の端部を通る測定光線の角度が等しくなるように配置されている。

このように、本実施例の赤外顕微鏡では、従来同様に円筒状のコールドアパーチャ９aが形成されたコールドアパーチャ板を有する赤外検出器９を用いて、該アパーチャ板による変形円錐状の測定光束の横断面を、コールドアパーチャ９aの入射側端面と合致させている。そのため、全ての測定光を赤外検出器９に入射させることができる。また、測定領域外の光をコールドアパーチャ板で確実に遮断することができるため、こうした光が赤外検出器９に入射する心配もない。従って、高いＳ／Ｎ比で試料を分析することができる。

次に、変形例の赤外顕微鏡について図７を参照して説明する。この赤外顕微鏡の各構成要素は上記実施例と同じであるため各部の図示及び説明を省略し、上記実施例と異なる点についてのみ説明する。

変形例の赤外顕微鏡では、図７(a)に示すように赤外検出器９'の検出面の法線（＝コールドアパーチャ板の法線）と測定光の光軸Ｃが一致するように赤外検出器９’（及びコールドアパーチャ板）が配置される。また、図７(b)に示すように、コールドアパーチャ板が変形円錐状の測定光束を横断する横断面と略同一の形状となるような入射側端面を有するコールドアパーチャ９a’が形成されている。

この変形例の赤外顕微鏡においても、上記実施例と同様に測定光束の横断面とコールドアパーチャ９a’の形状が合致するため、全ての測定光を赤外検出器９’に入射させるとともに、測定領域外の光をコールドアパーチャ板で確実に遮断することができる。従って、高いＳ／Ｎ比で試料を分析することができる。

なお、上記実施例及び変形例の楕円凹面鏡に代えて、カセグレン鏡５とは別のカセグレン鏡を用いれば、円錐状の測定光束を赤外検出器に入射させることができる。しかし、カセグレン鏡は高価であるため、２つのカセグレン鏡を使用すると赤外顕微鏡が高価なものになってしまう。即ち、上記実施例及び変形例の赤外顕微鏡には、２つのカセグレン鏡を用いた赤外顕微鏡よりも低コストに製造可能であるという利点もある。

上記実施例及び変形例はいずれも一例であって、本発明の趣旨に沿って適宜に変更することができる。図４の要部構成図に示した各部の配置は一例に過ぎず、適宜に構成を変更することができる。例えば、透過測定用赤外光源１aと反射測定用赤外光源１bを１つの赤外光源とし、ミラー等の光学素子を適宜に配置して試料の上下方向からそれぞれ赤外光を照射可能に構成することができる。また、上記実施例では、楕円凹面鏡８で反射された測定光の光軸Ｃが鉛直方向になるよう配置したが、該光軸が水平方向となる配置等とすることもできる。

さらに、上記実施例は赤外顕微鏡であるが、本発明は測定光が可視光や紫外光など、赤外光以外の波長帯域の測定光を楕円凹面鏡により光検出器の内部に集光する、種々の顕微分析装置において用いることができる。

１a…透過測定用赤外光源
１b…反射測定用赤外光源
２…試料
２０…ミラー
２１…ハーフミラー
３…凹面鏡
４…凸面鏡
５…カセグレン鏡
６…アパーチャ
７…ハーフミラー
８…楕円凹面鏡
９、９’…赤外検出器
９a、９a’…コールドアパーチャ
１０…結像レンズ
１１…撮像部

Claims (3)

1. a) 測定領域の試料から発せられる測定光を第１集光点に集光する集光光学系と、
   b) 前記第１集光点に位置する開口を有するアパーチャ板と、
   c) 前記開口を通過した測定光を反射して第２集光点に集光する楕円凹面鏡と、
   d) 前記第２集光点の前に配置され、該位置における測定光の光束の横断面の形状に合致する形状の断面を有する貫通孔が形成された遮蔽板と、
   e) 前記第２集光点に設けられた光検出器と
   を備え、
   前記遮蔽板が、前記試料から発せられ前記集光光学系により集光される光の中心線により規定される該測定光の光軸に垂直に配置されている
   ことを特徴とする顕微分析装置。
2. a) 測定領域の試料から発せられる測定光を第１集光点に集光する集光光学系と、
   b) 前記第１集光点に位置する開口を有するアパーチャ板と、
   c) 前記開口を通過した測定光を反射して第２集光点に集光する楕円凹面鏡と、
   d) 前記第２集光点の前に配置され、断面が真円である貫通孔が形成された遮蔽板と、
   e) 前記第２集光点に設けられた光検出器と
   を備え、
   前記試料から発せられ前記集光光学系により集光される光の中心線により該測定光の光軸が規定され、前記楕円凹面鏡に入射する前記測定光の光軸と該楕円凹面鏡により反射された該測定光の光軸を含む面内において、該楕円凹面鏡により反射された測定光のうち該光軸の一方の側で該光軸から最も離れた位置で該楕円凹面鏡により反射される光の進行方向と該光軸が成す角がθa、該光軸の他方の側で該光軸から最も離れた位置で該楕円凹面鏡により反射される光の進行方向と該光軸が成す角がθbと規定され、前記貫通孔の中心軸が前記光軸に対して|θb-θa|/2傾くように前記遮蔽板が配置されている
   ことを特徴とする顕微分析装置。
3. 前記測定光が赤外光であることを特徴とする請求項１に記載の顕微分析装置。

Images