(57)【要約】      （修正有）【課題】分光器によってスペクトルを測定可能であるとともに、試料を高速かつ高分解能で撮像することができる光学顕微鏡、及び観察方法を提供する。【解決手段】第１の態様にかかる光学顕微鏡１００は、レーザ光源１０と、光ビームをＹ方向に走査するＹ走査装置４０と、対物レンズ２３と、光ビームをＸ方向に走査するＸ走査装置２０と、スペクトルを測定するための分光器３１と、ラインＣＣＤカメラ５０が設けられている。そして、分光器３１に向かう第１の光路５１と、ラインＣＣＤカメラ５０に向かう光路５２とを切換える切換えミラー２７が挿脱可能に設けられている。【選択図】図１
2010054368.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源と、
前記レーザ光源からの光ビームを偏向させて第１の方向に走査する第１の走査手段と、
前記第１の走査手段により走査された光ビームを集光して試料に入射させる対物レンズと、
前記第１の走査手段によって走査された光ビームと前記試料との相対位置を移動させて第２の方向に走査する第２の走査手段と、
前記第１の走査手段から前記試料までの光路中に配置され、前記試料に入射された光ビームのうち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入射光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が集光されて入射する入射側に前記第１の方向に対応する方向に沿って配置された入射スリットを有し、前記入射スリットを通過した前記出射光を波長に応じて空間的に分散させる分光器と、
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、
前記試料と共役な位置に配置され、前記第１の方向に対応する方向に沿って配列された受光素子を有する光検出器と、
前記光分岐手段で分離された出射光が、前記分光器に向かうか、前記光検出器に向かうかを切換える切換手段と、を備える光学顕微鏡。
【請求項２】
前記光分岐手段が、波長に応じて光を分岐する第１のビームスプリッタと、波長に関わらず光を分岐する第２のビームスプリッタとを有し、
前記第１のビームスプリッタと第２のビームスプリッタとが排他的に使用され、
前記出射光が前記分光器に向かう場合は、前記第１のビームスプリッタで前記入射光と前記出射光とを分離し、
前記出射光が前記光検出器に向かう場合において、前記光検出器で前記試料の反射像を撮像するため、前記第２のビームスプリッタで前記入射光と前記出射光とを分離することを特徴とする請求項１に記載の光学顕微鏡。
【請求項３】
前記第１のビームスプリッタを光路中に挿入した状態で、前記試料で発生する蛍光を前記光検出器で検出する請求項２に記載の光学顕微鏡。
【請求項４】
前記第１の走査手段が、前記２次元アレイ光検出器の露光時間で前記光ビームを１回以上走査する低速スキャナーと、
前記低速スキャナーよりも高速に前記光ビームを走査する高速スキャナーと、を備え、
前記出射光が前記光検出器に向かう場合において、前記試料上の所定の位置を観察するため、前記低速スキャナーで前記入射光を位置決めする請求項１、２、又は３に記載の光学顕微鏡。
【請求項５】
前記光分岐手段が、波長に応じて光を透過又は反射するエッジフィルタを有しており、
前記光ビームの前記エッジフィルタに対する入射角度が１２°以下である請求項１乃至４のいずれかに記載の光学顕微鏡。
【請求項６】
レーザ光源からの光ビームを偏向させて第１の方向に走査し、
前記第１の方向に走査された光ビームを集光して試料に入射させ、
前記第１の方向に走査された光ビームと前記試料との相対位置を移動させて第２の方向に走査し、
前記試料に入射された光ビームのうち、前記試料から前記対物レンズ側に出射する出射光が、前記第１の方向にデスキャンされる前に、前記出射光と前記レーザ光源から前記試料に入射する入射光とを分離し、
前記入射光から分離された出射光が第１の光路及び第２の光路の一方を伝播するように、光路を切換え、
前記出射光が第１の光路を伝播する場合は、前記第１の方向に対応する方向に沿って配置された入射スリットに入射させ、
前記入射スリットを通過した前記出射光を波長に応じて空間的に分散させ、
前記分散された出射光を、前記入射スリットの方向及び前記出射光が分散される方向に沿って受光素子が配列された２次元アレイ光検出器によって検出して、スペクトルを測定し、
前記出射光が第２の光路を伝播する場合は、前記試料と共役な位置に配置され、前記第１の方向に対応する方向に沿って設けられた受光素子を有する光検出器で検出する、観察方法。
【請求項７】
前記入射光と出射光とを分離する時において、波長に応じて光を分岐する第１のビームスプリッタと、波長によらず光を分岐する第２のビームスプリッタとを排他的に使用し、
前記出射光が第１の光路を伝播する場合は、前記第１のビームスプリッタで前記入射光と前記出射光とを分離し、
前記出射光が第２の光路を伝播する場合において、前記光検出器で反射像を撮像するため、前記第２のビームスプリッタで前記入射光と前記出射光とを分離することを特徴とする請求項６に記載の観察方法。
【請求項８】
前記出射光が第２の光路を伝播する場合において、前記第１のビームスプリッタで前記入射光と前記出射光とを分離して、前記試料で発生する蛍光を前記光検出器で検出する請求項７に記載の観察方法。
【請求項９】
前記２次元アレイ光検出器の露光時間で前記光ビームを１回以上走査する低速スキャナーと、前記低速スキャナーよりも高速で前記光ビームを走査する高速スキャナーと、が設けられ、
前記出射光が前記光検出器に向かう場合において、前記試料上の所定の位置を観察するため、前記低速スキャナーで前記入射光を位置決めする請求項６、７、又は８に記載の観察方法。
【請求項１０】
波長に応じて光を透過又は反射するエッジフィルタを光路中に挿入することによって、前記光ビームと前記出射光とを分離し、
前記光ビームの前記エッジフィルタに対する入射角度が１２°以下である請求項６乃至９のいずれか１項に記載の観察方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学顕微鏡及び観察方法に関し、特に詳しくは、スペクトルを測定するための分光器を備える光学顕微鏡及び観察方法に関する。
【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）。このラマン顕微鏡では、試料にレーザ光を集光して照射している。そして、試料からのラマン散乱光を分光器で分光することにより、ラマンスペクトルを測定することができる。さらに、これらのラマン顕微鏡では、試料を移動させて測定することにより、特定の波長におけるラマン散乱光強度の空間分布を測定することができる。また、測定時間を短縮するため、シリンドリカルレンズにより試料をライン状に照明して、ＣＣＤカメラにより検出するラマン顕微鏡も開示されている（非特許文献１）。このラマン顕微鏡では、ライン状に照明しているため一度に広い領域を照射することができ、測定時間を短縮することができる。しかしながら、シリンドリカルレンズを用いて光をライン状にした場合、均一に光を照射することが困難であり、周辺領域が暗くなってしまう。
【０００４】
さらに、レーザ光を偏向させて、走査する光学顕微鏡が開示されている（特許文献３）。この文献では、Ｘ方向の走査装置、及びＹ方向の走査装置を設けている。そして、分光器に設けられたカメラの露光時間よりもＹ走査装置の走査周期を短くしている（段落００４２）。これにより、カメラの１フレームでライン状の領域におけるラマンスペクトルを測定することができる。
【特許文献１】特開２００２−１４０４３号公報
【特許文献２】特開２００３−３４４７７６号公報
【特許文献３】特開２００７−１７９００２号公報
【非特許文献１】ＣＨＡＲＬＥＮＥ  Ａ．ＤＲＵＭＭ、他１名「Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃ  Ｒａｍａｎ  Ｌｉｎｅ−Ｉｍａｇｉｎｇ  Ｗｉｔｈ  Ｐｒｉｎｃｉｐａｌ  Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ  Ａｎａｌｙｓｉｓ」  ＡＰＰＬＩＥＤ  ＳＰＥＣＴＲＯＳＣＯＰＹ、１９９５年、４９巻、第９号、ｐ．１３３１−１３３７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のように、特許文献３や非特許文献１では、ラマンスペクトルを測定するために、分光器を用いている。ところで、上記のようなラマン顕微鏡において、ラマンスペクトルの情報とともに、分光しない試料の情報を取得したいという要求がある。例えば、試料で反射した反射光によって試料を観察したいという要求がある。あるいは、試料で発生した蛍光を用いて観察を行いたいという要求がある。このような観察を行う場合、高速かつ高分解能で試料を撮像することが好ましい。
【０００６】
しかしながら、上記のラマン顕微鏡では、分光器を通して反射光を分光器用カメラで撮像することになるため、以下に示す問題点がある。分光器用のカメラは、低雑音であることが要求されるため、読み出し速度が遅くなってしまう。すなわち、分光器用カメラでは、高速で撮像することが困難になってしまう。また、分光器を通すことで、収差が発生してしまう。特に、ツェルニターナ型の分光器では、凹面鏡を用いているため、収差が大きい。収差がある場合、反射光による画像がぼけてしまう。このような場合、高分解能での撮像することが困難になってしまう。上記のように、スペクトルを測定するための分光器を用いた光学顕微鏡では、試料を、高速かつ高分解能で撮像することができないという問題点がある。
【０００７】
このように従来の光学顕微鏡では、スペクトルを測定するための分光器を用いた構成では、試料を高速かつ高分解能で撮像することが困難である問題点があった。
本発明は上述の問題点に鑑みてなされたものであり、スペクトルを測定するための分光器を用いた構成であっても、試料を高速かつ高分解能で撮像することができる光学顕微鏡、及び観察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】
【０００８】
本発明の第１の態様にかかる光学顕微鏡は、レーザ光源と、前記レーザ光源からの光ビームを偏向させて第１の方向に走査する第１の走査手段と、前記第１の走査手段により走査された光ビームを集光して試料に入射させる対物レンズと、前記第１の走査手段によって走査された光ビームと前記試料との相対位置を移動させて第２の方向に走査する第２の走査手段と、前記第１の走査手段から前記試料までの光路中に配置され、前記試料に入射された光ビームのうち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入射光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が集光されて入射する入射側に前記第１の方向に対応する方向に沿って配置された入射スリットを有し、前記入射スリットを通過した前記出射光を波長に応じて空間的に分散させる分光器と、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、前記試料と共役な位置に配置され、前記第１の方向に対応する方向に沿って配列された受光素子を有する光検出器と、前記光分岐手段で分離された出射光が、前記分光器に向かうか、前記光検出器に向かうかを切換える切換手段と、を備えるものである。これにより、分光器によってスペクトルを測定可能な構成であっても、コンフォーカル光学系を介しての試料を撮像することができる。また、分光器用の２次元アレイ光検出器と異なる光検出器によって試料を撮像している。よって、試料を高速かつ高分解能で撮像することができる。
【０００９】
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、前記光分岐手段が、波長に応じて光を分岐する第１のビームスプリッタと、波長に関わらず光を分岐する第２のビームスプリッタとを有し、前記第１のビームスプリッタと第２のビームスプリッタとが排他的に使用され、前記出射光が前記分光器に向かう場合は、前記第１のビームスプリッタで前記入射光と前記出射光とを分離し、前記出射光が前記光検出器に向かう場合において、前記光検出器で前記試料の反射像を撮像するため、前記第２のビームスプリッタで前記入射光と前記出射光とを分離す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、出射光を光検出器又は２次元アレイ光検出器まで効率よく伝播させることができる。
【００１０】
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、前記第１のビームスプリッタを光路中に挿入した状態で、前記試料で発生する蛍光を前記光検出器で検出するものである。これにより、試料で発生した蛍光による蛍光像を撮像することができる。
【００１１】
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、前記第１の走査手段が、前記２次元アレイ光検出器の露光時間で前記光ビームを１回以上走査する低速スキャナーと、前記低速スキャナーよりも高速に前記光ビームを走査する高速スキャナーと、を備え、前記出射光が前記光検出器に向かう場合において、前記試料上の所定の位置を観察するため、前記低速スキャナーで前記入射光を位置決めするものである。これにより、正確に位置決めすることができ、所定の位置における試料の時間変化を観察することができる。
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、前記光分岐手段が、波長に応じて光を透過又は反射するエッジフィルタを有しており、前記光ビームの前記エッジフィルタに対する入射角度が１２°以下であるものである。これにより、出射光と入射光とを確実に分離することができる。
【００１２】
本発明の第６の態様にかかる観察方法は、レーザ光源からの光ビームを偏向させて第１の方向に走査し、前記第１の方向に走査された光ビームを集光して試料に入射させ、前記第１の方向に走査された光ビームと前記試料との相対位置を移動させて第２の方向に走査し、前記試料に入射された光ビームのうち、前記試料から前記対物レンズ側に出射する出射光が、前記第１の方向にデスキャンされる前に、前記出射光と前記レーザ光源から前記試料に入射する入射光とを分離し、前記入射光から分離された出射光が第１の光路及び第２の光路の一方を伝播するように、光路を切換え、前記出射光が第１の光路を伝播する場合は、前記第１の方向に対応する方向に沿って配置された入射スリットに入射させ、前記入射スリットを通過した前記出射光を波長に応じて空間的に分散させ、前記分散された出射光を、前記入射スリットの方向及び前記出射光が分散される方向に沿って受光素子が配列された２次元アレイ光検出器によって検出して、スペクトルを測定し、前記出射光が第２の光路を伝播する場合は、前記試料と共役な位置に配置され、前記第１の方向に対応する方向に沿って設けられた受光素子を有する光検出器で検出する、ものである。これにより、分光器によってスペクトルを測定可能な構成であっても、コンフォーカル光学系を介しての試料を撮像することができる。また、分光器用の２次元アレイ光検出器と異なる光検出器によって試料を撮像している。よって、試料を高速かつ高分解能で撮像することができる。
【００１３】
本発明の第７の態様にかかる観察方法は、上記の観察方法であって、前記入射光と出射光とを分離する時において、波長に応じて光を分岐する第１のビームスプリッタと、波長によらず光を分岐する第２のビームスプリッタとを排他的に使用し、前記出射光が第１の光路を伝播する場合は、前記第１のビームスプリッタで前記入射光と前記出射光とを分離し、前記出射光が第２の光路を伝播する場合において、前記光検出器で反射像を撮像するため、前記第２のビームスプリッタで前記入射光と前記出射光とを分離す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、出射光を光検出器又は２次元アレイ光検出器まで効率よく伝播させることができる。
【００１４】
本発明の第８の態様にかかる観察方法は、上記の観察方法であって、前記出射光が第２の光路を伝播する場合において、前記第１のビームスプリッタで前記入射光と前記出射光とを分離して、前記試料で発生する蛍光を前記光検出器で検出するものである。これにより、試料で発生した蛍光による蛍光像を撮像することができる。
【００１５】
本発明の第９の態様にかかる観察方法は、上記の観察方法であって、前記２次元アレイ光検出器の露光時間で前記光ビームを１回以上走査する低速スキャナーと、前記低速スキャナーよりも高速で前記光ビームを走査する高速スキャナーと、が設けられ、前記出射光が前記光検出器に向かう場合において、前記試料上の所定の位置を観察するため、前記低速スキャナーで前記入射光を位置決めするものである。これにより、正確に位置決めすることができ、所定の位置における試料の時間変化を観察することができる。
波長に応じて光を透過又は反射するエッジフィルタを光路中に挿入することによって、前記光ビームと前記出射光とを分離し、本発明の第１０の態様にかかる観察方法は、上記の観察方法であって、前記光ビームの前記エッジフィルタに対する入射角度が１２°以下であるものである。これにより、出射光と入射光とを確実に分離することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、スペクトルを測定するための分光器を用いた構成であっても、試料を高速かつ高分解能で撮像することができる光学顕微鏡、及び観察方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
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。
【００１８】
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２４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とレーザラインフィルタ１２、Ｙ走査装置４０、リレーレンズ１４、リレーレンズ１５、リレーレンズ１７、リレーレンズ１８、エッジフィルタ１９、Ｘ走査装置２０、リレーレンズ２１、チューブレンズ２２、対物レンズ２３、ハーフミラー２５、結像レンズ２６、切換えミラー２７、分光器３１、ラインＣＣＤカメラ５０、ステージ６０と、を有している。
【００１９】
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２４に入射させ、試料２４からのラマン散乱光を分光器３１で検出する。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。さらに、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。さらに、光学顕微鏡１００は、コンフォーカル光学系を介して反射像を撮像するために、ラインＣＣＤカメラ５０が設けられている。すなわち、試料２４を反射した反射光は、ラインコンフォーカル光学系を介して検出される。ラマン散乱光のスペクトル測定を行うための光学系と、反射像を撮像するための光学系とを切換えることができる。ラマン散乱光のスペクトル測定を行うための光学系と、反射像を撮像するための光学系とは、一部の光路が共通しており、切換えミラー２７によって、切換が行われる。
【００２０】
光学顕微鏡１００の全体構成について説明する。まず、ラマンスペクトルを測定するときの照明光学系について説明する。照明光学系では、レーザ光源１０は、励起光となるレーザ光を出射する。レーザ光源１０は、所定のレーザ波長の光を出射する。レーザ光源１０は、例えば、赤色や緑色の単色光を出射する。レーザ光源１０には、例えば、スペクトラフィジックス社製Ｍｉｌｌｅｎｎｉａを用いることができる。このレーザ光源１０はレーザ波長５３２ｎｍ、線幅０．２４ｎｍ、最大出力が１０ＷのＮｄ／ＹＶＯ４レーザである。レーザ光源１０はこのレーザ波長を有するレーザ光を出射する。
【００２１】
レーザ光は、ビームエキスパンダ１１で拡大される。すなわち、ビームエキスパンダ１１は、レーザ光のスポットが所定の大きさとなるように、ビーム径を拡大する。この後、レーザ光は、レーザラインフィルタ１２に入射する。レーザラインフィルタ１２は、レーザ波長以外の光を遮光する。これにより、ノイズとなる迷光を低減することができる。そして、レーザ光は、レーザラインフィルタ１２を通過して、高速スキャナ１３に入射する。
【００２２】
高速スキャナ１３は、低速スキャナ１６とともに、Ｙ走査装置４０を構成する。すなわち、Ｙ走査装置４０は、高速スキャナ１３と低速スキャナ１６とを含んでいる。Ｙ走査装置４０は、レーザ光をＹ方向に偏向して、走査する。Ｙ走査装置４０は、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２４上で光ビームの入射位置がＹ方向に沿って変化する。例えば、高速スキャナ１３は、共振型ガルバノミラーであり、約８ｋＨｚでレーザ光を走査する。具体的には、ガルバノミラーの反射面の角度が変化することで、レーザ光の方向が変わる。低速スキャナ１６は、サーボガルバノミラーであり、高速スキャナ１３よりも低速で動作する。これにより、レーザ光が走査される。なお、高速スキャナ１３、及び低速スキャナ１６はレーザ光をＹ方向に走査する。なお、Ｙ走査装置４０の動作については後述する。
【００２３】
高速スキャナ１３と低速スキャナ１６の間には、リレーレンズ１４、１５が設けられている。リレーレンズ１４、１５は、レーザ光を屈折して、像をリレーする。なお、リレーレンズ１４とリレーレンズ１５との間には、絞りが設けられていてもよい。低速スキャナ１６で反射されたレーザ光は、リレーレンズ１７、１８に入射する。リレーレンズ１７，１８は、レーザ光を屈折して、像をリレーする。そして、リレーレンズ１８からのレーザ光は、エッジフィルタ１９に入射する。
【００２４】
エッジフィルタ１９は、波長に応じて光を反射又は透過する。すなわち、エッジフィルタ１９は、波長に応じた透過率、及び反射率を有している。具体的には、エッジフィルタ１９は、レーザ波長の光を反射して、レーザ波長よりも波長の長い光を透過する。これにより、効率よく、ラマン散乱光を測定することができる。すなわち、励起光となるレーザ光のほとんどは、エッジフィルタ１９で反射して、試料２４の方向に向かう。一方、レーザ光よりも長い波長を有するラマン散乱光のほとんどは、エッジフィルタ１９を透過して、分光器３１の方向に向かう。ここでは、Ｓｅｍｒｏｃｋ社製のエッジフィルタ１９を用いている。
【００２５】
エッジフィルタ１９で反射されたレーザ光は、Ｘ走査装置２０に入射する。Ｘ走査装置２０は、例えばサーボ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走査装置２０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。これにより、試料２４上で光ビームの入射位置がＸ方向に沿って変化する。試料２４上で、光ビームをＸ方向に走査することができる。なお、Ｘ走査装置２０での偏向角は、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走査装置２０及びＹ走査装置４０によってＸＹ方向に走査することにより、試料２４上において２次元領域を走査することができる。
【００２６】
そして、Ｘ走査装置２０で反射されたレーザ光は、リレーレンズ２１、チューブレンズ２２で屈折され、対物レンズ２３に入射する。対物レンズ２３は、光ビームを集光して、試料２４上を入射させる。すなわち、対物レンズ２３は、試料２４上に光ビームを集光して、試料２４照明する。これにより、試料２４のスポット状の領域が照明される。対物レンズ２３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。
【００２７】
対物レンズ２３は、レーザ光を集光して、試料２４に入射させる。このとき、Ｘ走査装置２０、及びＹ走査装置４０によって、レーザ光がＸＹ方向に走査されている。すなわち、試料２４上におけるレーザ光の入射位置が、Ｘ走査装置２０、及びＹ走査装置４０の動作に応じて変化している。これにより、試料２４上において２次元領域を走査することができる。
【００２８】
対物レンズ２３から試料２４に入射した入射光は、試料２４で反射される。また、試料２４に入射した入射光の一部はラマン散乱される。試料２４に入射した入射光のうち、対物レンズ２３側に出射した光を出射光とする。すなわち、試料２４から対物レンズ２３側に向かう光を出射光と称する。この出射光には、レーザ波長と同じ波長のレイリー散乱光、及びレーザ波長と異なる波長のラマン散乱光が含まれている。さらに、試料２４が蛍光物質を含む場合、出射光に蛍光が含まれている。
【００２９】
ラマン散乱された出射光は、入射光と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２４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２４を構成する物質の振動数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２４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２４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２４を生体細胞とした場合、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。
【００３０】
なお、試料２４はステージ６０の上に載置されている。ステージ６０は、例えば、ＸＹＺステージである。このステージ６０は可動ステージであり、試料２４の任意の位置を照明することができる。また、ステージ６０をＺ方向に駆動することによって、対物レンズ２３と試料２４との距離を変化させることができる。従って、対物レンズ２３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。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２４の断層画像を撮像することができる。試料２４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。
【００３１】
次に、試料２４からの出射光を検出するための光学系について説明する。ステージ６０上に載置された試料２４からの出射光は、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２３により屈折され、チューブレンズ２２及びリレーレンズ２１で屈折されて、Ｘ走査装置２０に入射する。Ｘ走査装置２０は、入射した出射光をエッジフィルタ１９の方向に反射する。このとき、出射光は、Ｘ走査装置２０によってデスキャンされる。すなわち、Ｘ走査装置２０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走査装置２０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２４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。
【００３２】
Ｘ走査装置２０によって、反射された出射光は、エッジフィルタ１９に入射する。エッジフィルタ１９は、試料２４からの出射光と、レーザ光源１０から試料２４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、エッジフィルタ１９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２４からの出射光がエッジフィルタ１９を透過することによって、試料２４からの出射光の光軸が、レーザ光源１０から試料２４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２４からの出射光を、レーザ光源１０から試料２４に入射する入射光から分離することができる。このように、エッジフィルタ１９は、入射光と出射光とを分岐する光分岐手段を構成する。
【００３３】
光分岐手段として用いるエッジフィルタ１９は、波長に応じて光を透過又は反射する。エッジフィルタ１９に対する光ビームの入射角度を小さくすることが好ましい。ここで、光ビームの入射角度は、光ビームの主光線とエッジフィルタ１９の反射面の垂線との間の角度である。エッジフィルタ１９の反射面に対するリレーレンズ１８からの光ビームの入射角度を、例えば１２°以下とすることが好ましく、さらに、入射角度を１０°とすることがより好ましい。このように、エッジフィルタ１９に対して垂直方向に近い方向から光ビームを入射させる。また、リレーレンズ１８と光路が重ならないように入射角度を８°以上とすることが好ましいが、設計によっては、８°以下とすることも可能である。これにより、エッジフィルタ１９の特性を向上させることができ、レーリー散乱光とラマン散乱光と確実に分離することができる。すなわち、エッジフィルタ１９のレーリー散乱光に対する反射率及び、エッジフィルタ１９のラマン散乱光に対する透過率を向上することができる。したがって、レーリー散乱光とラマン散乱光との波長の差に基づいて、レーリー散乱光とラマン散乱光とを確実に分離することができる。もちろん、本発明にかかる光学顕微鏡において、光ビームのエッジフィルタ１９に対する入射角度は、上記の値に限定されるものではない。
【００３４】
さらに、エッジフィルタ１９は、レーザ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、試料２４からのレーリー散乱光は、エッジフィルタ１９で反射され、ラマン散乱光は、エッジフィルタ１９を透過する。すなわち、エッジフィルタ１９を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エッジフィルタ１９で反射され、試料２４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、エッジフィルタ１９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、エッジフィルタ１９は、Ｙ走査装置４０から試料２４までの間に配置されている。従って、エッジフィルタ１９は、Ｙ走査装置４０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。
【００３５】
エッジフィルタ１９を透過した出射光は、結像レンズ２６に入射する。結像レンズ２６は、試料２４の像を入射スリット３０またはラインＣＣＤカメラ５０上に結像する。さらに、結像レンズ２６で屈折された出射光は、切換えミラー２７で反射して、分光器３１の入射側に設けられた入射スリット３０に入射する。このとき、結像レンズ２６は入射スリット３０上に出射光を集光している。すなわち、結像レンズ２６は、入射スリット３０上に試料２４照明された領域の拡大像を結像している。入射スリット３０には、ライン状の開口部が設けられている。この開口部は、Ｙ方向に対応する方向に沿って設けられている。すなわち、入射スリット３０の開口部は試料２４上におけるＹ走査装置４０の走査方向（Ｙ方向）に対応する方向に沿って設けられている。
【００３６】
結像レンズ２６は出射光を屈折させて、入射スリット３０上に結像する。ここで、試料２４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、入射スリット３０上において出射光はスポット状に集光される。入射スリット３０の開口部の方向とＹ走査装置２０の走査方向とを一致させる。出射光は、Ｙ走査装置２０によってデスキャンされずに、エッジフィルタ１９に入射している。このため、Ｙ走査装置２０で走査すると、入射スリット３０上で光ビームのスポット位置が入射スリット３０のライン状の開口部の方向に移動する。試料２４上でＹ方向に走査された光が入射スリット３０の開口部に結像するように配置する。換言すると入射スリット３０と試料２４とは互いに共役な関係となるよう配置される。
【００３７】
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。例えば、絞り（不図示）と試料２４面上とが互いに共役な関係となるように配置され、試料２４面上と入射スリット３０とが互いに共役な関係となるように配置されている。絞りが設けられたＸＹ平面及び試料２４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２４から散乱して出射した出射光は入射スリット３０上でスポット状に集光される。入射スリット３０はＹ方向に沿った開口部を有しており、この開口部に入射した出射光のみを分光器３１の２次元検出器に透過させる。レーザ光源１０から試料２４までの照明光学系及び試料２４からアレイ光検出器３６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６０をＺ方向に移動することにより、試料２４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。
【００３８】
この入射スリット３０を通過した出射光は、分光器３１の本体に入射する。この分光器３１について、図２を用いて説明する。図２は、分光器３１の構成に示す図である。ここでは、ツェルニターナ型の分光器３１を示している。分光器３１には、入射スリット３０、ミラー３２、凹面鏡３３、グレーティング３４、凹面鏡３５、及びアレイ光検出器３６が設けられている。
【００３９】
入射スリット３０は、分光器３１の入射側に配置されている。また、入射スリットは、Ｙ方向に沿って配置されている。入射スリット３０を通過して出射光は、ミラー３２、凹面鏡３３で反射され、グレーティング３４に入射する。グレーティング３４は、入射スリット３０から入射した光をその波長に応じて空間的に分散させる。ここでは、グレーティング３４として、反射型回折格子を用いている。そして、グレーティング３４は、入射スリット３０の方向と垂直な方向に、出射光を分散させる。そして、グレーティング３４で分散した光は、凹面鏡３５で反射されて、アレイ光検出器３６に入射する。
【００４０】
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によって入射スリット３０の方向と垂直な方向に分散される。すなわち、分光器３１は、入射スリット３０のライン状の開口部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アレイ光検出器３６に入射する。アレイ光検出器３６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、アレイ光検出器３６は画素がアレイ状に配置されたＣＣＤカメラなどの２次元アレイ光検出器である。
【００４１】
アレイ光検出器３６には、例えば、冷却ＣＣＤを用いることができる。具体的には、アレイ光検出器３６として、プリンストン・インスツルメンツ社製１０２４×２５６画素の電子冷却ＣＣＤ（−２５℃）を用いることができる。また、アレイ光検出器３６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。アレイ光検出器３６の画素は、入射スリット３０に対応する方向に沿って配置されている。したがって、アレイ光検出器３６の画素の一方の配列方向は入射スリット３０の方向と一致し、他方の配列方向は、分光器３１の分散方向と一致する。アレイ光検出器３６の入射スリット３０の方向に対応する方向がＹ方向となり、入射スリット３０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。
【００４２】
アレイ光検出器３６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７１に出力する。処理装置７１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、アレイ光検出器３６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７１は、Ｙ走査装置４０及びＸ走査装置２０の走査や、ステージ６０の駆動を制御している。ここで、アレイ光検出器３６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、アレイ光検出器３６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。
【００４３】
Ｙ走査装置４０による走査と、アレイ光検出器３６の受光画素との関係について図３を用いて詳細に説明する。図３（ａ）は、入射スリット３０の入射面における光ビームのスポット形状を模式的に示す図である。図３（ｂ）は、アレイ光検出器３６における受光面を模式的に示す図である。図３（ａ）に示すように、入射スリット３０には、Ｙ方向に沿って開口部３０ａが設けられている。開口部３０ａは、Ｙ方向におけるアレイ光検出器３６の受光面に対応した長さを有している。
【００４４】
出射光は結像レンズ２６によって入射スリット３０に結像されているため、開口部３０ａには光ビームのスポット３８が形成されている。ここで、Ｙ走査装置４０を駆動して、光ビームを走査すると、入射スリット３０の入射面において、光ビームのスポット３８が入射スリット３０の開口部３０ａに沿って移動する。すなわち、入射スリット３０に入射面における光ビームの入射位置がスポット３８ａ、スポット３８ｂ、・・・、スポット３８ｎと順次移動していく。
【００４５】
図３（ｂ）には、アレイ光検出器３６の受光面に設けられた受光画素３７が示されている。この受光画素３７には、それぞれフォトダイオードなどの受光素子が形成されている。さらに、アレイ光検出器３６がＣＣＤカメラの場合、各画素には、電荷結合素子（ＣＣＤ）が形成されている。受光画素３７は、マトリクス状、すなわち、縦方向及び横方向に配列されている。例えば、横方向に１０２４画素、縦方向に２５６画素が設けられている。図３（ｂ）に示すように、マトリクス状に配列された画素のうち最上列の受光画素３７を受光画素３７ａとする。さらに、受光画素３７ａの隣、すなわち、上から２列目の受光画素３７を受光画素３７ｂとし、最下列の受光画素３７を受光画素３７ｎとする。
【００４６】
ここで、図３（ｂ）における縦方向（Ｙ方向）が、入射スリット３０の開口部３０ａに対応する方向となる。従って、光ビームがスポット３８ａに入射しているとき、出射光は、最上列の受光画素３７ａに入射する。このとき、出射光は、分光器３１で分光されているので、最上列の受光画素３７ａの横方向は、出射光の波長（λ）に対応する。すなわち、分光器３１は、入射スリット３０を通過した出射光を、入射スリット３０の開口部３０ａと垂直な方向に分散させている。従って、最上列の受光画素３７ａの一端には、長波長の出射光が入射し、他端には、短波長の出射光が入射する。すなわち、最上列の各受光画素３７ａには、異なる波長の出射光が入射する。このように、２次元アレイ状に画素が配列されたアレイ光検出器３６のＹ方向と直交する方向に、ラマン散乱光の分光情報を展開することができる。
【００４７】
Ｙ走査装置４０によって、入射光をＹ方向に走査し、入射スリット３０の開口部３０ａを通過した光がアレイ光検出器３６の上から２列目の受光画素３７ｂに入射するようにする。このとき、入射スリット３０における光ビームの入射位置は３５ｂとなる。また、試料上における照明位置がＹ方向に走査される。さらに、入射スリット３０を透過した出射光は、分光器３１によって分光されているため、２列目の受光画素３７ｂの横方向は、出射光の波長（λ）に対応する。このように、アレイ状に配列された受光画素の縦方向は、Ｙ走査装置４０の走査方向に対応し、横方向はラマン散乱光の波長に対応している。
【００４８】
ここで、アレイ光検出器３６が１フレーム撮像する間に、光ビームをＹ方向に１回以上走査する。すなわち、Ｙ走査装置４０の走査周期を露光時間よりも短くして、アレイ光検出器３６の１フレームの露光時間内で、Ｙ方向に１回以上走査する。これにより、アレイ光検出器３６の１フレームで、走査範囲に応じたライン状の領域のラマンスペクトルを測定することができる。すなわち、露光時間内に、Ｙ走査装置４０の走査領域の全体を走査させる。これにより、露光時間内に入射スリット３０上で、光ビームの入射位置がスポット３８ａからスポット３８ｎまで移動する。従って、試料２４上において、開口部３０ａに対応する領域全体に対してラマン散乱光のスペクトル測定を行うことができる。すなわち、１フレームで、入射スリット３０の開口部３０ａに対応する長さのライン状の領域を撮像することができる。試料２４上の複数の点からのラマンスペクトルを１回の露光で測定することができる。従って、アレイ光検出器３６のＣＣＤにおける電荷の転送回数及びＣＣＤからのデータの転送回数を減少し、測定時間を短縮することができる。よって、１フレームのデータ転送で複数の点のラマンスペクトルを測定することができる。各点毎にデータ転送等を行なう必要がなくなり、測定時間を短縮することができる。この場合、アレイ光検出器３６の受光画素３７がａ〜ｎ列まであるため、試料２４のｎ個の点でのラマンスペクトルを１回の露光で測定することができる。よって、測定時間を短縮することができる。よって、例えば、３次元の広い領域に対してラマンスペクトルを測定する場合でも、測定時間が長時間となるのを防ぐことができ、実用性を向上することができる。
【００４９】
このように、２次元アレイ状に受光画素が配列されたアレイ光検出器３６のＹ方向と直交する方向に、ラマン散乱光の分光情報を展開する。そして、試料２４における直線状の領域の分光情報を１度に取得する。従って、高速にラマンスペクトルを測定することができる。また、スポット光で照明しているため、均一に照明することができ、正確に測定を行うことができる。すなわち、スポット光で試料２４を照明しているため、スペックルノイズを防ぐことができる。さらに、スポット光を走査しているため、試料２４上の位置に応じた照明光輝度の変動を低減することができる。よって、正確な測定を短時間で行うことができる。
【００５０】
このようにして、ライン状の領域のラマンスペクトルの測定を行うことができる。そして、上記の１フレームの撮像が終了したら、Ｘ走査装置２０によってＸ方向に１照明領域分照明位置をずらす。そして、同様１フレームの撮像を行い、ライン状の領域のラマンスペクトルを測定する。これを繰り返し行なうことによって、試料２４上の２次元の領域のラマンスペクトルを測定することができる。このとき、対物レンズの照明領域毎にラマンスペクトルを測定することができるため、２次元ラマンスペクトルイメージを測定することができる。すなわち、Ｘ走査装置２０によってＸ方向に走査しているため、試料の各点におけるラマン分光測定が可能になる。すなわち、試料２４上の２次元領域におけるラマンスペクトルを測定することができる。さらに、ステージ６０をＸＹ方向に移動することにより、より広い領域のラマンスペクトルを測定することができる。また、ステージ６０をＺ方向に駆動して、焦点位置を光軸に沿って移動させることによって、３次元測定が可能になる。すなわち、２次元領域のスペクトル測定が終了したら、焦点位置をＺ方向にずらして、同様に２次元領域のラマンスペクトル測定を行う。これにより、ラマンスペクトルの３次元測定が可能になる。このように、Ｙ方向に走査することで、アレイ光検出器３６の露光時間内では、光がライン状となる。すなわち、アレイ光検出器３６の露光時間を考慮すると、試料２４がライン状に照明されていることになる。そして、ラインコンフォーカル（スリットコンフォーカル）光学系を介して、ラマン散乱光を検出する。
【００５１】
なお、露光時間における走査は整数回行うことが好ましい。すなわち、走査周期を露光時間の整数倍とすることが好ましい。ここで、１回の走査は、走査範囲の一端から他端までとする。例えば、露光時間内に、Ｙ方向の走査をｎ回（ｎは自然数）往復させ、露光の開始時と終了時において、試料２４上で照明光が入射する位置を同じにする。あるいは、アレイ光検出器３６の露光とＹ走査装置４０の走査とを同期させ、露光の開始と同時に走査範囲の一端から走査を開始して、走査範囲の他端又は一端となったら露光を終了するようにする。これにより、露光時間内において、ライン状の領域に照射される照明光の光量が均一になる。従って、アレイ光検出器３６の縦方向の画素列のそれぞれに対応する照明領域における照明量が均一になり、より正確にラマンスペクトルを測定することができる。具体的には、１回の露光時間で１００回以上走査を行う。さらに、１回の露光時間での走査回数を多くすることによって、光源の光強度の揺らぎによる影響を低減し、より均一に照明することができる。
【００５２】
次に、反射光による反射像を撮像するための光学系について、図１を用いて説明する。反射像を撮像する場合、エッジフィルタ１９を光路上から取り除く。そして、エッジフィルタ１９が挿入されていた位置に、ハーフミラー２５を挿入する。すなわち、エッジフィルタ１９、及びハーフミラー２５を挿脱可能に設けて、いずれか一方のみを光路中に挿入するようにする。エッジフィルタ１９、及びハーフミラー２５は排他的に使用される。レーザ波長と同じ波長の反射光を検出する場合、ハーフミラー２５が使用され、ラマン散乱光を検出する場合、エッジフィルタ１９が使用される。さらに、レーザ波長と同じ波長の反射光を検出する場合、切換えミラー２７が光路上から取り除かれる。なお、これら以外の構成については、ラマン散乱光を検出する場合と同じであるため、説明を省略する。
【００５３】
リレーレンズ１８からのレーザ光は、ハーフミラー２５に入射する。ハーフミラー２５は、入射した光の一部を反射し、一部を透過する。ここでは、ハーフミラー２５に入射したレーザ光の半分がＸ走査装置２０の方向に反射される。そして、ラマン散乱光を検出する場合と同様に、レーザ光が試料２４に入射する。そして、試料２４からの出射光が同様に、Ｘ走査装置２０でデスキャンされて、ハーフミラー２５に入射する。ハーフミラー２５は、出射光の半分を結像レンズ２６の方向に透過する。なお、ハーフミラー２５は、波長によらず、透過率及び反射率が一定である。このため、ラマン散乱光の一部もハーフミラー２５を透過するが、ラマン散乱光は、反射光（レイリー散乱光）に比べて十分に弱いため、反射像の撮像には、問題ない。
【００５４】
そして、ハーフミラー２５を透過した出射光は、結像レンズ２６で屈折される。ラインＣＣＤカメラ５０の方向に向かう。このとき、切換えミラー２７が光路上から離脱している。このため、出射光が、分光器３１の方向に反射されずに、ラインＣＣＤカメラ５０の方向に向かう。結像レンズ２６が出射光をラインＣＣＤカメラ５０の受光面に結像している。ラインＣＣＤカメラ５０は、Ｙ方向に対応する方向に沿って配列された受光画素を有している。
【００５５】
さらに、Ｙ走査装置４０は、１フレーム撮像する間に、光ビームをＹ方向に１回以上走査する。すなわち、Ｙ走査装置４０の走査周期を露光時間よりも短くして、ラインＣＣＤカメラ５０の１フレームの露光時間内で、Ｙ方向に１回以上走査する。これにより、ラインＣＣＤカメラ５０の１フレームで、走査範囲に応じたライン状の領域のラマンスペクトルを測定することができる。すなわち、露光時間内に、Ｙ走査装置４０の走査領域の全体を走査する。したがって、反射光はラインコンフォーカル（スリットコンフォーカル）光学系を介して検出される。上記の１フレームの撮像が終了したら、Ｘ走査装置２０によってＸ方向に１照明領域分、照明位置をずらす。そして、同様に１フレームの撮像を行い、ライン状の領域の反射光を検出する。これを繰り返し行なうことによって、試料２４上の２次元領域の反射像を撮像することができる。なお、ラインＣＣＤカメラ５０での検出信号は、処理装置７１に出力される。そして、処理装置７１で処理が行われて、反射像となる。
【００５６】
ラインＣＣＤカメラ５０は、アレイ光検出器３６よりも露光時間が短くなっている。よって、高速に反射像を撮像することができる。すなわち、撮像時間を短縮することができる。さらに、分光器３１を介さずに、出射光がラインＣＣＤカメラ５０に入射する。よって、画像がぼけることがなくなり、高分解能での撮像が可能になる。よって、ラマンスペクトルを測定可能な光学顕微鏡１００でも、高速、かつ高分解能で、反射像を撮像することができる。また、Ｙ方向に高速に走査することで、ラインＣＣＤカメラ５０の露光時間内では、光がライン状となる。すなわち、ラインＣＣＤカメラ５０の露光時間を考慮すると、試料２４がライン状に照明されていることになる。
【００５７】
本実施の形態では、出射光の光路を切換える切換え手段として、切換えミラー２７が設けられている。切換えミラー２７は、出射光の光路中に挿脱可能に設けられている。切換えミラー２７が光路中に挿入されることで、出射光が反射されて、分光器３１の方向に向かう。一方、切換えミラー２７が光路中から取り除かれると、出射光が切換えミラー２７の挿入位置を直進して、ラインＣＣＤカメラ５０の方向に向かう。このように、切換えミラー２７を挿脱することで、ラマンスペクトル測定か、反射像の撮像かを切換えることができる。もちろん、切換えミラー２７を挿入時に、反射像を撮像してもよい。この場合、スペクトル測定時には、切換えミラー２７が光路から取り除かれる。切換えミラー２７を動作させることで、分光器３１による測定か、ラインＣＣＤカメラ５０による測定かを選択することができる。入射光から分離された出射光が分光器３１に向かう光路５１又はラインＣＣＤカメラ５０に向かう光路５２を伝播するように、切換えミラー２７が光路を切換える。なお、光路を切換える切換え手段は、切換えミラー２７に限られるものではない。例えば、光を屈折するプリズムなどであってもよい。
【００５８】
次に、Ｙ走査装置４０について説明する。本実施の形態では、Ｙ方向に走査するＹ走査装置４０として、高速スキャナ１３、及び低速スキャナ１６の２つが設けられている。そして、用途に応じて、一方のスキャナーを駆動する。例えば、分光器３１でスペクトル測定を行う場合、高速スキャナ１３を用いる。高速スキャナ１３は、例えば、共振型ガルバノミラーであり、例えば、８ｋＨｚの周波数で動作する。
【００５９】
低速スキャナ１６は、サーボ型ガルバノミラーであり、高速スキャナ１３よりも低い周波数で動作する。高速スキャナ１３は低速スキャナ１６よりも高速にレーザ光を走査する。なお、いずれか一方のスキャナで十分な場合は、一方のスキャナのみでＹ走査装置４０を構成してもよい。
【００６０】
例えば、ラマン散乱光を検出するラマンモードの場合、高速スキャナ１３を固定して、低速スキャナ１６を動作させる。すなわち、アレイ光検出器３６の露光時間がラインＣＣＤカメラ５０の露光時間よりも長いため、低速スキャナ１６による低速スキャンで十分となる。このとき、アレイ光検出器３６と低速スキャナ１６を同期させる。ラマンモードの場合、Ｘ走査装置２０も動作させる。このとき、光路上からは、ハーフミラー２５が取り除かれ、光路中にはエッジフィルタ１９が挿入されている。また、切換えミラー２７も光路中に挿入されている。これにより、分光器３１で分光測定が可能になる。なお、ラマンモードでは、高速スキャナ１３を動作させて、低速スキャナ１６を固定してもよい。
【００６１】
一方、ラインＣＣＤカメラ５０の露光時間は、アレイ光検出器３６の露光時間よりも短い。よって、レーザ光と同じ波長の反射光を検出する反射モードでは、高速スキャナ１３を動作させて、低速スキャナ１６を固定する。これにより、ラインＣＣＤカメラ５０の露光時間で、Ｙ方向に、レーザ光が１回以上走査される。反射モードの場合、Ｘ走査装置２０も動作させる。このとき、光路上からは、エッジフィルタ１９が取り除かれ、光路中にはハーフミラー２５が挿入されている。また、切換えミラー２７が光路上から取り除かれている。これにより、ラインＣＣＤカメラ５０で反射光検出が可能になる。ラインＣＣＤカメラ５０は、アレイ光検出器３６よりも露光時間が短いため、高速スキャナ１３で走査することが好ましい。
【００６２】
また、試料２４の特定位置を観察する場合、低速スキャナ１６でレーザ光をその特定位置に照射する。そして、レーザ光の走査を停止して、照射位置をその位置で固定する。このとき、高速スキャナ１３の動作は停止している。これにより、特定の位置での像の変化を観察することができる。このように、位置決め精度が必要な場合、低速スキャナ１６のみを用いてレーザ光の照射位置を移動させる。すなわち、特定の位置を照明するため、低速スキャナ１６で位置決めする。これにより、レーザ光の照射位置が特定の位置で固定される。一方、高速スキャナ１３は、反射光の検出時に用いる。もちろん、１つのスキャナで十分な場合は、１つのスキャナのみでＹ方向に走査してもよい。このように、Ｙ方向に走査する走査手段として、低速スキャナ１６と高速スキャナ１３を設ける。そして、２つのスキャナを用途に応じて使い分ける。
【００６３】
さらに、この構成では、蛍光を検出することができる。蛍光を検出する蛍光モードの場合、高速スキャナ１３を動作させて、低速スキャナ１６を固定する。蛍光モードの場合、Ｘ走査装置２０も動作させる。このとき、光路上からは、ハーフミラー２５が取り除かれ、光路中にはエッジフィルタ１９が挿入されている。これにより、蛍光から励起光を分岐することができる。すなわち、レーザ波長と異なる波長の蛍光がエッジフィルタ１９を通過し、レーザ光がエッジフィルタ１９で反射される。また、切換えミラー２７が光路上から取り除かれている。これにより、ラインＣＣＤカメラ５０で蛍光像を取得することができる。このように、蛍光モード、反射モード、ラマンモードの切り替えを簡便に行うことができる。さらに、エッジフィルタ１９とハーフミラー２５を排他的に使用することで、別途、帯域フィルタ等を設ける必要がなくなる。よって、装置構成を簡便にすることができる。
【００６４】
本実施の形態では、入射光を高速に走査して、試料２４のＸＹ平面における任意のポイントのラマンスペクトルを測定している。このため、スペクトルの測定時間を短縮化することができる。すなわち、試料２４の広い領域におけるラマンスペクトルの測定を短時間で行うことができる。よって、試料２４の観察領域を広くした場合でも、長い測定時間が必要とならない。これにより、ラマンスペクトルの波長分解能を向上した場合や、より広い範囲のスペクトルを測定した場合でも、測定時間が長時間とならず、実用的な観察を行なうことができる。例えば、任意の波長（振動数）のラマン散乱光に着目した２次元像の観察や試料２４の特定の点におけるラマンスペクトルの測定を高い分解能で行なうことができる。
【００６５】
さらに、本実施の形態では、ラマン散乱光を集光するスリットコンフォーカル光学系として構成している。これにより、Ｚ方向の分解能を向上することができるため、ラマンスペクトルの３次元測定が可能になる。すなわち、対物レンズ２３と試料２４との距離を変化させ、試料２４上の焦点位置をＺ方向に走査することができる。これにより、ＸＹＺ方向の走査が可能となり、ラマンスペクトルを３次元空間分布の測定をすることができる。換言すると、立体的な試料２４の任意にポイントにおいて、ラマンスペクトルを測定することができる。このような、ラマンスペクトルの３次元空間分布を測定した場合でも、ライン状の領域を一度に測定することにより、測定時間を短縮することができる。よって、実用的な時間で測定を行うことができる。このように、上記の構成では、ＸＹＺ−λの４次元の測定を行うことができる。４次元測定を行うことにより、様々なスペクトル解析を行なうことができる。そして、解析結果を処理装置のディスプレイに表示させることにより、より高度な分析が可能になる。
【００６６】
さらに、反射光や蛍光を検出するめの光学系をスリットコンフォーカル光学系としている。よって、ステージ６０をＺ方向に移動させることで、任意の高さにおける反射像や蛍光像を取得することができる。これにより、断層画像を高速かつ高分解能で取得することができる。よって、３次元観察を容易に行うことができる。
【００６７】
なお、上記の説明では、アレイ光検出器３６、及びラインＣＣＤカメラ５０をＣＣＤカメラとして説明したが、これらはＣＣＤカメラに限られるものではない。すなわち、受光画素がマトリクス状に配列されている２次元光検出器を分光測定用に用いることができる。また、受光画素が１列に配列された１次元光検出器を反射光検出用に用いることができる。さらに、一定の露光時間だけ検出信号を積分して、出力する積分型の光検出器とする。
【００６８】
さらに、ラマン散乱光とレーザ光を分岐するビームスプリッタは、エッジフィルタ１９に限られるものではない。例えば、波長に応じて光を分岐するダイクロイックミラーをビームスプリッタとして用いてもよい。また、Ｘ走査装置２０はビームを偏向させるものに限られるものではなく、ステージ６０を駆動するものでもよい。なお、Ｙ走査装置４０の代わりにシリンドリカルレンズなどを用いてスリットコンフォーカル光学系を構成してもよい。すなわち、光をライン状にする光変換手段をＹ走査装置４０の代わりに用いる。そして、ライン状の光のスポットを試料２４上に形成すれば、スリットコンフォーカル光学系を構成することができる。さらに、光分岐手段として、ハーフミラー２５とエッジフィルタ１９を排他的に用いることが好ましい。
【００６９】
発明の実施の形態２．
本実施の形態にかかる光学顕微鏡１００について、図４を用いて説明する。図４は、本実施形態にかかる光学顕微鏡の光学系を示す図である。本実施の形態では、高速スキャナ１３と低速スキャナ１６との間に、リレーレンズ１４、１５が設けられていない。これ以外の構成については、実施の形態１と同様であるため、重複する部分については説明を省略する。このような構成によって、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【００７０】
発明の実施の形態３．
本実施の形態にかかる光学顕微鏡１００について、図５を用いて説明する。図５は、本実施形態にかかる光学顕微鏡の光学系を示す図である。本実施の形態では、低速スキャナ１６がエッジフィルタ１９とＸ走査装置２０との間に設けられている。すなわち、ハーフミラー２５又はエッジフィルタ１９からの入射光が低速スキャナ１６に入射する。これ以外の構成については、実施の形態４と同様であるため説明を省略する。このような構成であっても実施の形態１、２と同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる光学顕微鏡の構成を示す図である。
【図２】光学顕微鏡に用いられる分光器の構成を模式的に示す斜視図である。
【図３】入射スリットの入射面における光ビームのスポット形状、並びに、アレイ光検出器の受光面を模式的に示す図である。
【図４】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５】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。
【符号の説明】
【００７２】
１０  レーザ光源
１１  ビームエキスパンダ
１２  レーザラインフィルタ
１３  高速スキャナ
１４  リレーレンズ
１５  リレーレンズ
１６  低速スキャナ
１７  リレーレンズ
１８  リレーレンズ
１９  エッジフィルタ
２０  Ｘ走査装置
２１  リレーレンズ
２２  チューブレンズ
２３  対物レンズ
２４  試料
２５  ハーフミラー
２６  結像レンズ
２７  切換えミラー
３０  入射スリット
３１  分光器
３２  ミラー
３３  凹面鏡
３４  グレーティング
３５  凹面鏡
３６  ２次元ＣＣＤカメラ
３７  受光画素
４０  Ｙ走査装置
５０  ラインＣＣＤカメラ
６０  ステージ
７１  処理装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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