(57)【要約】  【課題】  特性の異なる複数の検出器素子を使用した複数の測定が必要な場合に行われていた、デュワー全体の交換または光路切り替え手段の追加を含む複数デュワーの同時使用などで生ずる測定の煩雑化、装置の複雑化、装置の大型化を改善し測定効率を向上する。  【解決手段】  １個のデュワー１２Ａに、それぞれ光学特性の異なるＰ検出器素子１３ＰおよびＳ検出器素子１３Ｓの２個の検出器素子を装着するとともに、連動して往復動する機構を備えたアパーチャ９および３次元ステージ６を設け、アパーチャ９および３次元ステージ６を往復動させてＰ検出器素子１３ＰおよびＳ検出器素子１３Ｓのいずれかの検出器素子を選択使用する。【選択図】          図２
2006258522.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
往復動可能に設けられたステージに試料を載置するとともに、試料への赤外光照射を案内するアパーチャも往復動可能に設けて、赤外光を試料に照射し、試料からの赤外光を半導体検出器の検出器素子に入射し試料の測定を行う赤外顕微鏡において、ステージとアパーチャの往復動を連動させる機構を設けるとともに検出器素子を複数種設け、かつこのいずれかの検出器素子を選択できる機構を設けたことを特徴とする赤外顕微鏡。
【請求項２】
複数種の検出器素子のうち少なくとも１個がその検出器が感度を有する波長以外の領域で透明であることを特徴とする請求項１記載の赤外顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は赤外線波長領域の光により試料の顕微分光を行う赤外顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外顕微鏡は赤外線波長領域で顕微分光を行う装置で、微小測定試料の分光に適するように赤外光束を微小面積に集光させるように設計されている。通常の倍率は２０〜３０倍であるが、近年、フーリエ変換赤外分光器（以下、ＦＴＩＲと記す）の高感度化に伴い、ＦＴＩＲと赤外顕微鏡を組み合わせた１０μｍ程度の空間分解能を有する顕微システムが実用化されている。（たとえば特許文献１参照）。赤外顕微鏡は室温、常圧で非破壊分析が出来るので、測定可能な試料の範囲は広く、材料中の異物・欠陥、複合材料の組成・構造・結晶化度、分子や結晶の異方性、生物組織、微粒子などの研究に使用されている。以下にその基本原理を示す。
【０００３】
ＦＴＩＲ内のマイケルソン干渉計からの赤外光が赤外顕微鏡に導かれる。前記赤外光は反射鏡・半透明鏡・プリズムなどで構成される前段光学系および凹面鏡を用いたコンデンサを介してその光路を制御されるとともに約１ｍｍに集束され、測定試料（以下、試料と略記する）を照射し、試料の透過光が凹面鏡を用いた反射対物鏡を介して取り出され、且つ集束される。試料以外から発生する迷光をカットし試料を透過した光のみを検出するため、反射対物鏡後方の結像部に絞り（以下、アパーチャと記す）が置かれ、アパーチャを通過した光は反射鏡・半透明鏡・プリズムなどで構成される後段光学系でその光路を制御され再び集束され、アパーチャの共焦点位置にある微小面積の検出器素子を照射し電気信号に変換され、さらにフーリエ変換されて赤外スペクトルになる。
【０００４】
検出器素子としては半導体検出器（たとえばＭＣＴ検出器、ＩｎＧａＡｓ結晶など）が使用されるが、半導体検出器は一般に高感度測定のため測定時に低温に保つ必要であるので、液体窒素などの冷却剤または冷媒を内蔵した魔法瓶などの冷却装置（以下、デュワーと記す）の表面の一部に低温面を設け、低温面に密着した検出器ホルダに検出器素子を取り付けて検出器素子を低温に保ち使用する。なお、検出器素子を照射する赤外光としては試料の透過光のみならず、試料表面からの反射光を使用することもある。
【０００５】
この場合は前記マイケルソン干渉計からの赤外光をアパーチャと反射対物鏡の中間に設けた半透明鏡によりアパーチャ方向から前記反射対物鏡を介して試料表面に導き、試料表面からの反射光を再び反射対物鏡および半透明鏡を介して結像部にあるアパーチャに入射させる。アパーチャ以下の光路は透過光測定の場合と同じである。さらに、光路および試料像の視認のために、一般に赤外顕微鏡の光路の入口にマイケルソン干渉計からの赤外光と同一の光路が得られるように調整された可視光源が備えられ、赤外光と切り替えて使用することが行われている。この場合の試料像の視認はアパーチャの後方に設けた光路変更用ミラーを移動し、検出器素子に向かっていた光の方向を変更して光学顕微鏡または、光学顕微鏡を介してＣＣＤスクリーンなどに導くことによって行われる。
【０００６】
以下、図５（Ａ）によって従来の赤外顕微鏡の構造と作動を説明する。ＦＴＩＲ１から出射された赤外光の光束Ｌは切り替えミラー２で反射され、反射鏡・半透明鏡・プリズムなどで構成される前段光学系３、ミラー４、凹面鏡を用いたコンデンサ５を介して集束され、３次元ステージ６上の試料７の約１ｍｍの領域を照射する。３次元ステージ６は試料７をＸＹＺ３方向に粗動および微動することのできる構造を有している。試料７を透過した光束Ｌは反射対物鏡８を介して図の上方に取り出され、アパーチャ９の位置で焦点を結ぶ。
【０００７】
更に光束Ｌは切り替えミラー１０で反射され、反射鏡・半透明鏡・プリズムなどで構成される後段光学系１１で集束されてアパーチャ９の共焦点位置に置かれている検出器素子１３上に試料像を結像する。検出器素子１３はデュワー１２で冷却されている。なお１２Ｗは検出器素子１３の保護のため設けられている側壁である。検出器素子１３で得られた試料７の電気信号をフーリエ変換することにより赤外スペクトルが得られる。
【０００８】
以上の説明は試料７の透過光を分析する場合についてのものであるが、前段光学系３の中で光路を変更し、切り替えミラー２からの光を反射対物鏡８とアパーチャ９の中間に導き、半透明ミラー（図示せず）により反射対物鏡８を介して試料７表面に入射させ、試料７からの反射光を再度反射対物鏡８を介してアパーチャ９に入射させ試料７の反射光を検出器素子１３に結像させることにより、反射光分析を行うことも可能である。反射光分析においても本発明に関与するアパーチャ９以後の光束Ｌの進路は透過光分析の場合と同一であるので、反射光分析についてはこれ以上の記載を割愛する。
【０００９】
ＦＴＩＲ１からの光束Ｌは赤外光であり視認ができないので、光路および結像状態の視認のため可視光源１４が備えられている。可視光源１４からの可視光は集光レンズ１５でＦＴＩＲ１からの赤外光と同等の形状に成形され、切り替えミラー２を光路から移動することによって前段光学系３の方向に進行するので、必要に応じて光路および結像状態の確認が可能となる。また切り替えミラー１０を光路から移動し、アパーチャ９から進行してきた可視光を光学顕微鏡ＯＰまたは光学顕微鏡ＯＰを介してＣＣＤスクリーン（図示せず）などに導くことによって、試料７の光学顕微像を視認または記録することができる。
【００１０】
図５（Ｂ）および（Ｃ）はそれぞれ、アパーチャ９の位置および検出器素子１３の位置における、アパーチャ部全結像範囲１６、アパーチャ開口１７、試料像中心１８および、検出器部全結像範囲１６Ａ、検出器素子１３、アパーチャ開口像１７Ａ、検出器部試料像中心１８Ａの相互位置関係を模式的に示している。アパーチャ部全結像範囲１６および検出器部全結像範囲１６Ａはアパーチャ９の位置および検出器素子１３の位置における３次元ステージ位置の像の結像範囲の限界を示しており、その大きさおよび位置はコンデンサ５、反射対物鏡８の位置と倍率関係により定まっており、この範囲にある試料７の像がアパーチャ９およびその共焦点にある検出器素子１３の位置で結像可能である。試料像中心１８および検出器部試料像中心１８Ａは試料７の分光目標箇所の中心位置を模式的に示しており、３次元ステージ６の移動によって希望する試料像中心１８をアパーチャ開口１７したがってアパーチャ開口像１７Ａの中央に選択することができる。アパーチャ開口１７の大きさは通常、アパーチャ開口像１７Ａの大きさが検出器素子１３より少し小さくなるように選択される。
【００１１】
【特許文献１】特開２０００−１２１５５３号公報（第１−６頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従来の赤外顕微鏡の構造および作動は以上のとおりであるが、この構造では複数の検出器素子１３の使用に問題がある。一般に、ある特定の検出器素子１３は波長領域や感度などのすべてを同時には満足しない。一例としてＭＣＴ検出器には波長領域の広いものは感度が低いという特性があるので、測定対象とする波長領域、求める感度に応じて異なる特性範囲を持つ数種類の検出器素子１３を交換または切り替えて使用する必要があった。
【００１３】
しかし従来の構造では、特性の異なる検出器素子１３、たとえば波長感度領域が狭いが高感度の検出器素子１３および、低感度であるが波長感度領域が広い検出器素子１３の両者を用いた測定の手順が煩雑になり、測定効率が低下していた。すなわち従来の構造ではデュワー１２に装着される検出器素子１３は１個であり、現在装着されている検出器素子１３とは異なる特性範囲の測定のためには、デュワー１２を別の特性を持つ検出器素子１３を装着したデュワー１２に交換するか、または特性の異なる検出器素子１３を各１個ずつ装着した複数のデュワー１２を装置に同時に取り付け且つアパーチャ９以後の光路にミラーなどの光学素子を追加し光路を切り替えることにより複数のデュワー１２から１個を選択するかのいずれかの方法を実施しなければならない。
【００１４】
デュワー１２全体の交換は煩雑であり、また複数のデュワー１２を使用する場合は複数のデュワー１２を設置するとともに光路の切り替え手段を追加しなければならないため装置が複雑化し大型化するので、いずれの場合も測定効率は大きく低下する。もし３種類以上の測定が必要な場合は、困難はますます増大する。本発明はこのような問題を解決する手段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】
【００１５】
本発明が提供する赤外線顕微鏡は上記課題を解決するために、往復動可能に設けられたステージに試料を載置するとともに、試料への赤外光照射を案内するアパーチャも往復動可能に設けて、赤外光を試料に照射し、試料からの赤外光を半導体検出器の検出器素子に入射し試料の測定を行う赤外顕微鏡において、ステージとアパーチャの往復動を連動させる機構を設けるとともに検出器素子を複数種設け、かつこのいずれかの検出器素子を選択できる機構を設ける。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の効果として、ステージとアパーチャの往復動を連動させる機構を設けるとともに検出器素子を複数種設け、かつこのいずれかの検出器素子を選択できる機構を設けることにより、特性の異なる検出器素子による測定を行うため検出器素子を１個装着した冷却装置（デュワー）の全体を交換したり、特性の異なる検出器素子を各１個ずつ装着した複数の冷却装置（デュワー）を同時に配設し且つアパーチャ以後の光路にミラーなどの光学素子を追加し光路を切り替えたりすることなく、特性の異なる検出器素子による複数の測定を簡単に行うことが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明が提供する赤外顕微鏡はつぎのような特徴を有している。第１の特徴はステージとアパーチャの往復動を連動させる機構を設けるように構成された点である。第２の特徴は検出器素子を複数種設け、かつこのいずれかの検出器素子を選択できる機構を設けるように構成された点である。したがって最良の形態の基本的な構成は、ステージとアパーチャの往復動を連動させる機構と、検出器素子を複数種設けかついずれかの検出器素子を選択できる機構とを具備する赤外顕微鏡である。
【実施例１】
【００１８】
以下図示例に従って説明する。図１および図２は本発明の第１の実施例の構成図である。図１および図２において図５と同一符号の部品の構造および作動は図５と同一である。図１はデュワーの構成の一例である。図１（Ａ）はデュワー１２Ａの正面図、（Ｂ）は側面図である。検出器ホルダ２１には異なった波長吸収特性を有する２個の検出器素子、Ｐ検出器素子１３ＰおよびＳ検出器素子１３Ｓが装着され、デュワー１２Ａで冷却されている。検出器ホルダ２１は断熱および霜の付着防止のため、測定波長に対して透明な窓板２２および窓板側壁２３で覆われている。
【００１９】
図２は試料７およびアパーチャ９を連動して往復動させる構造を説明する図である。図２（Ａ）は試料７およびアパーチャ９を連動して往復動させる構造の概念図を示す。また図２（Ｂ）および（Ｃ）はそれぞれアパーチャ９と、検出器素子面Ｄにおける結像状態を示す。実際は図５の反射対物鏡８や途中の光学系の倍率に従って拡大／縮小関係にある。図２（Ｂ）に示すアパーチャ開口１７Ｐは図２（Ｃ）に示すＰ検出器素子１３Ｐでのアパーチャ開口像１７ＰＡに、図２（Ｂ）に示すアパーチャ開口１７Ｓは図２（Ｃ）に示すＳ検出器素子１３Ｓ位置でのアパーチャ開口像１７ＳＡにそれぞれ対応する。すなわち図２（Ｂ）において３次元ステージ６を移動させて試料像中心１８Ｐ（試料７の中心像）を試料像中心１８Ｓに移動させるとともに、アパーチャ９を移動させアパーチャ開口１７Ｐをアパーチャ開口１７Ｓに移動させることで、検出器素子面Ｄにおいて検出器部試料像中心１８ＰＡを検出器部試料像中心１８ＳＡに、またアパーチャ開口像１７ＰＡをアパーチャ開口像１７ＳＡに移動させ、Ｐ検出器素子１３ＰからＳ検出器素子１３Ｓへの入射切り替えが達成できることになる。但し、図２（Ａ）では試料７およびアパーチャ９を２個の検出器素子の間隔と同一距離だけ同一方向に移動しているが、本図は基本原理を示したものであり、実際にはＰ検出器素子１３Ｐ面またはＳ検出器素子１３Ｓ面での試料７の像の倍率および３次元ステージ６から各検出器素子までの光学系の構成により、試料７およびアパーチャ９の移動方向および移動距離は影響を受けるから、実際の装置では試料７およびアパーチャ９それぞれに、装置の構成で決まる方向および距離の連動往復動が必要である。
【実施例２】
【００２０】
図３は本発明の第２の実施例である。図３において図１または図５と同一符号の部品の構造および作動は図１または図５と同一である。図３（Ａ）はデュワー１２Ｂの正面図、（Ｂ）は側面図である。本実施例では２個の検出器素子、Ｐ検出器素子１３ＰおよびＳ検出器素子１３Ｓが光束Ｌの進行方向に重ねられ、デュワー１２Ｂの側面に配設された検出器ホルダ２１Ａに装着されている。デュワー１２Ｂの構造は、検出器ホルダ２１Ａの取り付け部分以外は図１のデュワー１２Ａと同一である。
【００２１】
本実施例ではＰ検出器素子１３Ｐで吸収された赤外光はＳ検出器素子１３Ｓには到達しないので、装着に当たってはこのことを理解しておかなければならない。たとえばＰ検出器素子１３ＰおよびＳ検出器素子１３Ｓの吸収強度αと波長λの関係が図４に示されるグラフのようなものであるとすると、入射光のうち、波長Ｈから波長Ｉの区間の光の一部はＰ検出器素子１３Ｐで吸収されるので、Ｓ検出器素子１３Ｓには到達しない。したがってＳ検出器素子１３Ｓは本来、波長Ｈから波長Ｊの範囲の光をすべて吸収するが、本実施例の場合はハッチングされた三角形の範囲の光が吸収できなくなる。しかしこの場合も波長Ｉから波長Ｊまでの光はＳ検出器素子１３Ｓでそのまま吸収されるので、Ｐ検出器素子１３Ｐとは異なった光情報を得ることができる。
【００２２】
本発明は上記の実施例に限定されるものではなく、さらに種々の変形実施例を挙げることができる。たとえば実施例１において２個の検出器素子は図の上下方向（縦方向）に配置することも可能である。また実施例１および実施例２において検出器素子数を必要によって３個以上としても良い。本発明はこれらをすべて包含する。また前記各実施例ではいずれも冷却手段をデュワーを例として説明しているが、冷却手段としてはペルチェ冷却、スターリング冷却など任意のものを使用できる。また冷却手段を要しない場合も本発明を適用することが可能であり、本発明は冷却手段には限定されない。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明は赤外線波長領域の光により試料の顕微分光を行う赤外顕微鏡に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】は本発明の第１の実施例のデュワー部構造図である。
【図２】は本発明の第１の実施例の検出器素子切り替え機構である。
【図３】は本発明の第２の実施例のデュワー部構造図である。
【図４】は検出器素子の吸収強度と波長の関係の例を示す図である。
【図５】は従来の赤外線顕微鏡の全体の構成図である。
【符号の説明】
【００２５】
１  ＦＴＩＲ
２  切り替えミラー
３  前段光学系
４  ミラー
５  コンデンサ
６  ３次元ステージ
７  試料
８  反射対物鏡
９  アパーチャ
１０  切り替えミラー
１１  後段光学系
１２、１２Ａ、１２Ｂ  デュワー
１２Ｗ  側壁
１３  検出器素子
１３Ｐ  Ｐ検出器素子
１３Ｓ  Ｓ検出器素子
１４  可視光源
１５  集光レンズ
１６  アパーチャ部全結像範囲
１６Ａ  検出器部全結像範囲
１７、１７Ｐ、１７Ｓ  アパーチャ開口
１７Ａ、１７ＰＡ、１７ＳＡ  アパーチャ開口像
１８、１８Ｐ、１８Ｓ  試料像中心
１８Ａ、１８ＰＡ、１８ＳＡ  検出器部試料像中心
２１、２１Ａ  検出器ホルダ
２２  窓板
２３  窓板側壁
Ｌ  光束
【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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