(57)【要約】高効率な真空紫外円偏光二色性分光器が提供される。該分光器は、研究所用途または、シンクロトロン放射施設でのビームラインへの統合integrationに適している。一実施形態では、円偏光二色性分光機器が提供される。該機器は、多重波長の光について円偏光二色性データが同時に取得できるように構成される。該機器は、真空紫外波長領域の少なくとも一部で動作するように構成してもよい。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円偏光二色性分光機器であって、
複数の波長の光からなる多波長光ビームを発生する光源と、
サンプル設置のための円偏光二色性分光機器の領域であって、ここから多波長光ビームへのサンプルの露出によって円偏光二色性測定が得られる領域と、
多波長光ビームと光学的に結合し、多波長光ビームの２つの直交した偏光成分間に位相差を導入する補償器と、
多波長光ビームと光学的に結合し、多波長光ビームの直線偏光成分を選択する光学素子と、
多波長光ビームと光学的に結合し、サンプルの円偏光二色性測定を提供する検出器とを備え、
該機器は円偏光二色性測定を多波長について同時に提供できる、円偏光二色性分光機器。
【請求項２】
機器の光学経路が、多波長光ビームへのサンプルの露出後に、多波長光ビームが補償器および光学素子を通過できるように構成される請求項１記載の円偏光二色性分光機器。
【請求項３】
機器の光学経路が、多波長光ビームへのサンプルの露出前に、多波長光ビームが補償器および光学素子を通過できるように構成される請求項１記載の円偏光二色性分光機器。
【請求項４】
補償器は、円偏光成分を多波長光ビームに提供する請求項１記載の円偏光二色性分光機器。
【請求項５】
補償器または光学素子の少なくとも１つが回転可能である請求項４記載の円偏光二色性分光機器。
【請求項６】
円偏光二色性スペクトルおよび直線偏光二色性スペクトルが、検出された強度信号から抽出される請求項５記載の円偏光二色性分光機器。
【請求項７】
補償器は回転可能である請求項５記載の円偏光二色性分光機器。
【請求項８】
円偏光二色性スペクトルは、検出された強度信号のＤＣ成分および２ω成分から抽出され（ωは、補償器回転の角周波数）、直線偏光二色性スペクトルは、検出された強度信号のＤＣ成分および４ω成分から抽出される請求項７記載の円偏光二色性分光機器。
【請求項９】
補償器または光学素子の少なくとも１つが回転可能である請求項１記載の円偏光二色性分光機器。
【請求項１０】
円偏光二色性スペクトルおよび直線偏光二色性スペクトルが、回転依存の強度信号から抽出される請求項９記載の円偏光二色性分光機器。
【請求項１１】
補償器は回転可能である請求項９記載の円偏光二色性分光機器。
【請求項１２】
円偏光二色性スペクトルは、検出された強度信号のＤＣ成分および２ω成分から抽出され（ωは、補償器回転の角周波数）、直線偏光二色性スペクトルは、検出された強度信号のＤＣ成分および４ω成分から抽出される請求項１１記載の円偏光二色性分光機器。
【請求項１３】
サンプルは、タンパク溶液である請求項１記載の円偏光二色性分光機器。
【請求項１４】
システムは、タンパク溶液の円偏光二色性のスペクトルを測定するように構成され、
システムはさらに、円偏光二色性スペクトルを解析してタンパク質の二次構造を取得するように構成される請求項１３記載の円偏光二色性分光機器。
【請求項１５】
多波長光ビームと結合したデポラライザをさらに備える請求項１記載の円偏光二色性分光機器。
【請求項１６】
第２補償器および第２光学素子をさらに備え、
第２光学素子は、多波長光ビームの直線偏光成分を選択する、請求項１記載の円偏光二色性分光機器。
【請求項１７】
二色性測定を実施する方法であって、
二色性測定は、円偏光二色性測定、直線偏光二色性測定、または円偏光二色性測定および直線偏光二色性測定の両方であり、
多波長からなる光ビームを発生すること、
測定サンプルを前記光ビームで露出し、光ビームをサンプルに通過させること、
サンプルから出射した出射光ビームの直交偏光成分間で位相差を誘発させること、
出射光ビームの偏光成分を選択すること、
偏光成分出力光ビームの強度を複数波長で検出すること、
複数波長の各々について、偏光成分出力光ビームの強度から二色性測定を抽出すること、を含む方法。
【請求項１８】
二色性測定は、円偏光二色性測定である請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
二色性測定は、直線偏光二色性測定である請求項１７記載の方法。
【請求項２０】
二色性測定は、円偏光二色性測定および直線偏光二色性測定の両方である請求項１７記載の方法。
【請求項２１】
直交偏光成分間の位相差は、光学補償器の使用によって誘発される請求項１７記載の方法。
【請求項２２】
光学補償器は、測定中に回転して、時間依存および波長依存の強度データを発生する請求項２１記載の方法。
【請求項２３】
円偏光二色性スペクトルは、検出された強度信号のＤＣ成分および２ω成分から抽出され（ωは、補償器回転の角周波数）、直線偏光二色性スペクトルは、検出された強度信号のＤＣ成分および４ω成分から抽出される請求項２２記載の方法。
【請求項２４】
サンプルは、タンパク溶液である請求項１７記載の方法。
【請求項２５】
円偏光二色性スペクトルを解析して、タンパク質の二次構造に関するデータを取得すること、をさらに含む請求項２４記載の方法。
【請求項２６】
偏光成分は、検光子／偏光子の使用によって選択される請求項１７記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、偏光分光法の分野に関するものであり、詳細には、円偏光二色性（ＣＤ）測定が真空紫外（ＶＵＶ）で行える手段を提供する。一実施形態では、高効率な研究所スケールのＶＵＶ  ＣＤ分光器が提供される。ここで使用するように、真空紫外（ＶＵＶ）光は、一般に、約１９０ｎｍおよびそれ未満の波長である光の波長を含む。
【背景技術】
【０００２】
光が光学的に活性な（例えば、キラル(chiral)）分子の溶液を通過する場合、左円偏光成分および右円偏光成分が異なる速度で溶液を横断し、異なる程度で溶液に吸収される。異なる伝搬速度は、旋光度（ＯＲ）の効果を導くものであり、これは、旋光分散（ＯＲＤ）を経由した偏光面の回転を測定することによって調査できる。吸収帯の近傍において、円偏光二色性（ＣＤ）分光法は、物質による左円偏光光および右円偏光光の差分吸収を測定する。両方の方法は、光学活性分子を含む溶液の性質を特徴付けるために上手く用いられている。固有のキラリティーに感度を有することに加えて、ＯＲＤおよびＣＤは、複雑な分子の種々の立体構造にも感度を有する。その結果、ＣＤ分光法の最も多くの用途の一つは、可溶性タンパク質の二次構造の研究であった。
【０００３】
旋光および円偏光二色性は、同じ根本的な要因を有し、クラマース・クローニッヒ積分を介して相互に関係している。円複屈折（ＣＢ）を２倍の旋光として定義すると、複素数の一般的な円リターデーションが下記のように定義できる。
【０００４】
【数１】
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式（１）
【０００５】
但し、ＣＢおよびＣＤは、波長の関数である。式（１）の形態およびそれが従うクラマース・クローニッヒ関係式は、材料の（等方性）光学分散、ｎ−ｉｋ（ｎは材料の屈折率、ｋは減衰係数）からなじみがある。ｎおよびｋがクラマース・クローニッヒ関係式に従うことは、屈折率の波長依存性が材料の吸収によって決定されることを意味し、その逆も同様である。同様に、ＣＢおよびＣＤがクラマース・クローニッヒ積分を介して関連していることは、全ての波長またはエネルギーに渡って一方についての完全な知識が他方を決定することを意味する。
【０００６】
しかしながら、実用的な実験は有限の波長範囲に渡って生じ、ＯＲＤおよびＣＤ分光法は、調査した波長範囲に応じて異なる利点を有する。ＯＲＤスペクトルは、その効果の原因となる吸収帯から遠く離れて決定でき、一方、ＣＤスペクトルは、その吸収帯を直接に調査し、それ自体、より高感度であり、スペクトル的に「コンパクト」と考えられる。
【０００７】
ＯＲＤ分光法において、所定の吸収帯に関連した情報は、典型的には大きなエネルギー範囲に渡って広がっている。その結果、所定の波長範囲でのＯＲＤスペクトルは、複数の吸収帯からの関与のオーバーラップを含んでいる。これに対してＣＤ分光法では、単一の吸収帯に起因した情報はより小さなエネルギー範囲内に局在しており、その結果、測定された特徴間のオーバーラップがかなり少なくなる。吸収領域が実験的にアクセス可能である場合、ＣＤ分光法は、測定対象の物質の光学活性の根本的な「要因」をより直接に調査することから、典型的には好ましい手法である。
【０００８】
可溶性タンパク質の場合、分子の二次構造が溶液の光学活性を生じさせ、異なるタイプの二次構造、例えば、αヘリックス、βシート、ポリプロリンＩＩヘリックス等は、ＣＤスペクトルにおいて明確な特徴を生じさせる。タンパク質ＣＤの原因となる電子帯は、大部分が紫外線に存在する。αヘリックス構造は、一般に、〜２２２，２０８，１９２，１７５，１６０および１４０ｎｍを中心とする帯域を含む。一方、βシート構造は、〜２１５，１９８，１７５および１６８ｎｍで弱い帯域を有する。βシート幾何形状の変動は、ＣＤスペクトルに更なる変更をもたらす。ポリプロリンＩＩヘリックスは、２２６ｎｍおよび２０６ｎｍ付近の帯域を観測し、以前に「無秩序」として特徴付けられたタンパク質と類似したスペクトルを生じさせる。全ての場合で他の帯域が存在してもよいが、観察及び／又は同定する必要がある。
【０００９】
紫外波長領域は、２つの別個の区分、即ち、〜１９０から４００ｎｍまでの近紫外領域と、１９０ｎｍ未満の「遠紫外」または真空紫外線（ＶＵＶ）領域とからなると考えられる。従来のＣＤ分光器は、下方約１９０ｎｍまでの動作に制限されている。ＣＤ研究をＶＵＶにまで拡張する主な動機は、より短波長に存在する追加の吸収帯の存在にある。これらの補足的な特徴の結果、ＶＵＶ  ＣＤスペクトルは、これらの長波長の部分に対して増加した情報内容を固有に保有している。従来のＣＤ機器は、しばしば、溶液中に存在するαヘリックス構造の量を決定することに限定されているが、ＶＵＶ  ＣＤシステムは、多数の二次成分割合を抽出することができる。さらに、これらの強力なシステムはまた、二次構造とは独立して、立体構造の変化、例えば、折り曲げ状態への洞察を提供できる。この情報の拡充は単に「より多くのデータがより優れている」という主張によるものでなく、改善された能力は、ＶＵＶに存在する追加の吸収帯の直接の結果であることに留意することが重要である。
【００１０】
ＶＵＶでの光学研究は、この領域における大部分の材料の固有吸収に起因して、実施することが困難である。この現象は、これらのエネルギーでの動作を促進するために、従来の長波長光学機器への簡単な拡張または変更を不可能にする。ＶＵＶにおける効率的な光学性能を達成するためには、それを行えるように機器を明示的に設計する必要がある。詳細には、従来の光学系は、大気条件下で動作するように設計されており、典型的には、より短波長での動作に必要な制御された環境がとりわけ不足している。ＶＵＶ放射は、酸素および水分の両方によって強く吸収される。従って、これらの種類は、ＶＵＶ光子が機器の光路を透過するのを可能にするために、充分に低レベルに維持する必要がある。単に非吸収性ガスでパージすることによってより短波長に到達する試みは、一般には悪い結果になる。さらに、近紫外または可視波長の動作に適した透過型光学要素は、決まったようにＶＵＶにおいて強く吸収する。その結果、代わりに反射型要素を採用する必要があり、設計の選択肢を大きく制限する。その結果、ＶＵＶ光学機器において高い光スループットを達成することが比較的困難である。
【００１１】
ジョンソンによる初期の仕事(文献：Johnson W.C. (1971 ). "A circular dichroism spectrometer for the vacuum ultraviolet". Rev. Sci. Instrum. 42(9): 1283-1286)を除いて、専用の高効率ＶＵＶ−ＣＤ機器の開発に向けた進歩は限定されていた。今日の商業的な卓上型システムは、近紫外およびより長波長で動作するように設計されている。これらのシステムの幾つかは、能力をＶＵＶにまで拡張するために、簡素化したパージ機能を提供する。しかしながら、実際には、貧弱なデータ品質が、これらの機器が約１８５ｎｍより上方の波長で動作するように制限している。
【００１２】
既存の最も有能なＶＵＶ  ＣＤシステムは、シンクロトロン放射（ＳＲ）ビームラインに統合されたものである。１９８０年代および１９９０年代のこうした機器の出現は、ＣＤデータ品質および情報内容の両方において驚異的な増強をもたらした。しかしながら、これらの改善は、主としてＳＲ光源の顕著な強度の結果であり、機器設計での根本的な進歩の結果ではなかった。これらの発展の結果、ＶＵＶ−ＣＤ分光法での関心がかなり成長し、幾つかの新しいビームラインの試運転およびこの技法のための多数の応用の識別をもたらした。ＳＲ−ＣＤシステムは強力であるが、不利な点が明白であり、即ち、シンクロトロン施設が莫大で非常に高価であり、アクセス性を大幅に制限している。
【００１３】
その結果、シンクロトロン放射を必要しない、高効率で高いスループットの研究所スケールのＶＵＶ  ＣＤ分光器の発展に大きな利点が存在することになろう。こうした機器がタンパク質の高いスループットの構造調査を幅広く利用可能とし、構造プロテオミクス(proteomics)での発見を加速する新しい機会を作ることになる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本開示は、光学分光の分野に関する。一実施形態では、研究所使用またはシンクロトロン放射施設でのビームラインとの統合に適した、高効率で卓上型のＶＵＶ  ＣＤ分光器が提供される。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
一実施形態では、円偏光二色性分光機器が提供される。この機器は、複数の波長の光からなる多波長光ビームを発生する光源と、サンプル設置のための円偏光二色性分光機器の領域であって、ここから多波長光ビームへのサンプルの露出によって円偏光二色性測定が得られる領域と、多波長光ビームと光学的に結合し、円偏光成分を多波長光ビームに提供する補償器と、多波長光ビームと光学的に結合し、多波長光ビームの直線偏光成分を選択する光学素子と、多波長光ビームと光学的に結合し、サンプルの円偏光二色性測定を提供する検出器とを備えてもよく、該機器は、円偏光二色性測定を多波長について同時に提供できる。
【００１６】
更なる実施形態において、円偏光二色性分光機器は、多波長光ビームへのサンプルの露出後に、多波長光ビームが補償器および第１光学素子を通過できるように構成された、機器の光学経路を有してもよい。他の実施形態において、円偏光二色性分光機器は、多波長光ビームへのサンプルの露出前に、多波長光ビームが補償器および第１光学素子を通過できるように構成された、機器の光学経路を有してもよい。
【００１７】
他の実施形態において、ＣＤデータが多波長について同時に取得できるように構成されたＣＤ分光機器が提供される。該機器は、ＶＵＶ波長領域の少なくとも一部で動作するように構成してもよい。
【００１８】
さらに他の実施形態において、直線偏光的または円偏光的に異方性のあるサンプルからの測定データが数学的表現を用いて解析され、ＣＤ信号を決定できるように構成されたＣＤ機器が提供される。
【００１９】
さらに他の実施形態において、単一の直線偏光子／検光子および単一の補償器を採用するように構成され、前記偏光子／検光子または補償器の少なくとも１つが回転するように構成されたＣＤ機器が提供される。
【００２０】
さらに他の実施形態において、偏光子／検光子および補償器を採用するように構成されたＣＤ機器が提供される。該機器は、直線偏光異方性効果を欠如した円偏光異方性のサンプルを測定する場合、前記偏光子／検光子および補償器のアライメントを相互に及び／又はサンプルに対して必要としないように構成される。
【００２１】
さらに他の実施形態において、サンプル中に存在する全部で３つのタイプの光学異方性（円偏光、直線偏光ｘｙ、直線偏光±４５°）に対して感度を提供するように構成された光学機器が提供される。該機器は、単一の偏光子／検光子を採用するように構成される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
本概念およびその利点のより完全な理解が、添付図面と関連した下記説明を参照することによって得られる。図面において同様な参照番号は同様の特徴を示す。しかしながら、添付図面は、本発明の例示の実施形態だけを示し、よって、その範囲の制限と解すべきでなく、本発明では、他の等しい有効な実施形態を認定できることに留意すべきである。
【００２３】
【図１】（先行技術）従来のＣＤ分光器の概略図。
【図２】補償器および検光子の前に光がサンプルに出会うように構成された実施形態の概略図。
【図３】分光器−検出器の更なる詳細を伴う実施形態の概略図。この実施形態は、補償器および検光子の前に光がサンプルに出会うように構成される。
【図４】偏光子および補償器の後に光がサンプルに出会うように構成された他の実施形態の概略図。
【図５】ビーム経路に挿入またはビーム経路から除去できるように構成可能な偏光子、検光子、補償器を備えた多用途の実施形態の概略図。
【図６】図２の実施形態の詳細図。
【図７】図５の実施形態の詳細図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
典型的な先行技術の円偏光二色性（ＣＤ）分光機器１００を図１に示す。光源１０２は、モノクロメータ１０４によって波長が調整され、図面の紙面に対して４５°に配向した直線偏光子１０６を通過する。続いて、直線偏光光は、光弾性(photo-elastic)変調器（ＰＥＭ）１０８を通過する。ＰＥＭは、本質的には歪みプレート補償器であり、歪み条件が±４分の１波長条件の間で振動（例えば、５０ｋＨｚ）して、直線偏光光を交流の左円偏光光および右円偏光光に変換する。続いて、円偏光光は、サンプルセル１１０を通過し、光電子増倍管（ＰＭ）１１２によって検出される。ＰＭ検出器は、しばしばロックイン増幅器（不図示）との組合せで用いられる。検出器／増幅器からの出力は、典型的には適切な表現を用いて解析され、サンプルの円偏光二色性を推測する。
【００２５】
図１の先行技術の構成の１つの顕著な短所は、それが本質的に走査機器であることである。その結果、モノクロメータは、定義によれば、単一周波数の装置であるため、ＰＭは、エネルギーに関係なく、強度に対して感度を有する単一素子検出器であり、ＰＥＭの４分の１波長条件は各波長について調整する必要がある。その結果、個々の波長についてのデータは、同時ではなく連続的に収集する必要がある。
【００２６】
ＣＤ分光機器設計を目指すステップが、Ｌｅｗｉｓ（文献：Lewis, J.W., Tilton, R.F., Einterz, CM., Milder, S.J., Kuntz, I.D., Kliger, D.S. (1985). "New technique for measuring circular dichroism changes on a nanosecond time scale.  Application to (Cabonmonoxy)myoglobin and (Carbonmonoxy)hemoglobin." J. Phys. Chem. 89: 289-294. ）によって提案されている。この機器は、広帯域光源を併用して、偏光子−補償器−検光子（ＰＣＡ）透過型エリプソメータ構成を採用している。動作の際、初期の偏光子軸は、水平に０°で配向している。この機器は２つの測定値を生成し、１つは４５°の高速補償器軸の場合であり、もう１つは−４５°の場合であり、左楕円偏光光および右楕円偏光光をもたらす。得られた信号は、サンプルＣＤおよび補償器位相シフトに依存する。補償器位相シフトが既知である限り、近似のＣＤ信号が抽出できる。この設計の利点は、補償器位相シフト条件を各波長について調整する必要がないことである。
【００２７】
しかし、残念ながら、Ｌｅｗｉｓの機器は、モノクロメータおよびＰＭ検出器を組み込んでいるため、波長走査が必要になる。さらに、システムの光学的構成は、かなり複雑であり、近似のサンプルＣＤを提供できるだけであり、存在すると思われるＣＢ効果に対処していないと考えられる。Ｃｈｅ（文献：Che D., Goldbeck, R.A., McCauley, S.W., Kliger, D.S. (1994). Optical analysis of an ellipsometric technique for time-resolved magnetic circular dichroism spectroscopy." J. Phys. Chem. 98: 3601-3611 )によって提供されたこの設計の拡張が、サンプルの円偏光複屈折性を打ち消す光学ローテータを追加する。しかしながら、この目的を達成するためには、ローテータの位置は各波長について調整する必要がある。
【００２８】
Ｃｈｅのシステムは、ＣＤ信号への円偏光複屈折性の関与を説明できるが、採用した少なくとも４つの透過型素子（即ち、偏光子、検光子、補償器、ローテータ）に起因して、動作が本質的に複雑である。実際、これらの先行技術の設計の各々において、測定の最も簡単なものを実施するためであっても、軸を相互に整列させる必要がある幾つかの光学コンポーネントが存在する。透過型素子の多さは、サンプル／システムの結合問題を生じさせ、データ解析の努力を曖昧にする。
【００２９】
先行技術のＣＤシステムの更なる不具合が、特に、短い波長においてこれらの光学的に非効率性に関する。真空紫外（ＶＵＶ）での動作に関して、光学スループットがしばしば透過型システム素子での吸収によって制限される。従来のＶＵＶ偏光子／検光子は、例えば、これらの相当な厚さの結果としてあまりにも非効率である。従って、多数の透過型コンポーネントを採用したシステムは、一般に、短波長において貧弱な効率を示す。
【００３０】
ＣＢおよびＣＤに加えて、一般の異方性サンプルが、光学面（ＬＢ１とＬＤ１）及び／又は４５°面（ＬＢ２とＬＤ２）に関して直線複屈折性及び／又は二色性を示すこともある。直線複屈折性ペアは、円偏光異方性によるものと類似したクラマース・クローニッヒ関係式にそれぞれ従う。直線偏光効果だけがサンプル中に存在する場合、直線偏光二色性及び／又は複屈折性を測定することが望ましいであろう。一般に、サンプルが、特に時間依存のプロセスに関して、全部で３つの複屈折性／二色性ペアの効果を示すことがある。これらの場合、円偏光効果に加えて直線偏光効果を決定することが望ましいであろう。他のケースでは、円偏光二色性を測定することが望ましいであろうが、直線偏光異方性効果の存在によって生ずる最小の誤差を伴う。
【００３１】
図１に示す先行技術のシステムの更なる不具合が、直線±４５°異方性効果に対する感度の欠如である。基本的に、このシステムは、ＣＤ及び／又は直線偏光異方性成分（Ｘ／Ｙ  ＬＤ）の１つにのみ感度がある。さらに、ＣＤおよびＬＤは、変調器周波数の倍数を単位とした無限級数展開に依存する信号から抽出する必要がある。測定機器は、高次の高調波によって不当に影響されることなく、関連した最低周波数を抽出する必要がある。そうでなければ、より高い周波数を無視する必要があり、これは、ＣＤ及び／又はＬＤの抽出が純粋のＣＤまたはＬＤ異方性サンプルについてほぼ等しいことを意味する。
【００３２】
要約すると、先行技術のＣＤ機器は、多数の短所、例えば、これらに限定されないが、単一波長動作、多数の透過型素子を組み込んだ複雑な設計、退屈なアライメント要求、貧弱なＶＵＶ光学効率、サンプル／システム結合の複雑さ、不正確な解析能力、特定形態の光学異方性に対する感度の欠如等に悩まされる。
【００３３】
その結果、これらの制限の幾つか（全部でなければ）を克服する、機器の発展において多大な利益が存在するであろう。前記機器が、真に従来の走査システムよりも短い走査時間、より高速な測定、より高いスループットを提供する分光器であれば、有益であろう。前記システムが、より少ない透過型素子を組み込んで、動作、較正、アライメントがより容易になるとともに、全ての形態の光学異方性に対する感度を提供すれば、さらに望ましいであろう。前記システムがＶＵＶにおいて光学的に効率的であり、シンクロトロン放射光源の使用なしで、高品質のＶＵＶ  ＣＤスペクトルを収集するために使用できれば、さらに有益であろう。
【００３４】
これらの望ましい特徴を具体化した機器２００の概略図を図２と図３に示す。このシステムは、広帯域光源２０２と、続いてサンプル２０４と、補償器２０６（一実施形態では、測定中に連続的に回転する）と、検光子２０８（光の偏光を変化できる機構でもよい）と、最後に分光器−検出器２１０とで構成される。補償器は、円偏光成分をビーム中に付与する。分光器−検出器（図３でより詳細に示す）は、分散／回折素子３０２およびマルチエレメントアレイ検出器３０４、例えば、フォトダイオードアレイ（ＰＤＡ）または電荷結合素子（ＣＣＤ）など、の両方で構成される。光学システムからの広帯域光源２０２は、分散／回折素子によって空間的に分離され、種々の波長の光が検出器アレイを種々の場所で照射する。電子回路３０６は、アレイ位置に対する電気信号、強度、またはフォトンカウントをコンピュータへ報告する。図１の先行技術の構成とは対照的に、図３のＣＤシステムは、真に分光器であり、波長走査を必要としない。
【００３５】
動作の際、補償器は、固定した周波数で回転してもよい。検出した信号は、補償器の回転角の関数として強度からなり、これはフーリエ解析が可能であり、サンプルパラメータを抽出する。検出した信号の内容を決定する好ましい手段が、ミュラー計算法(Mueller Calculus)を用いて光学システムの解析を実施することである。サンプルを含む各光学素子が、入射光の偏光状態を表現する４つの要素からなる入力ストークスベクトルを変換する４×４行列によって表現される。ストークスベクトルの要素は、合計光強度Ｓ０、水平軸（図２と図３のｘ軸）および垂直軸に沿って偏光した強度の差Ｓ１、水平面に対して±４５°に沿って偏光した強度の差Ｓ２、右円偏光光および左円偏光光の強度の差Ｓ３からなる。水平偏光光についてのストークスベクトルは、（Ｓ０，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）Ｔ＝（１，１，０，０）Ｔであり、一方、左円偏光光のものは（１，０，０，−１）Ｔである。
【００３６】
光学要素ミュラー行列が、入力ストークスベクトルを、出力ストークスベクトルによって表現される他の状態に変換する。初期の入力ベクトルは、通常、完全無偏光の光、または（１，０，０，０）Ｔからなると推定される。各ミュラー行列が、入力光に出会う順番に適用され、追加の偏光成分を誘起し、そして、光学パラメータ、例えば、偏光子効率、補償器の位相シフト角度などで結合する効果を有する。検出器での（正規化）出力は、最後のストークスベクトルのＳ０要素である。
【００３７】
標準的な光学素子のミュラー行列は、偏光解析法の教科書（例えば、Fujiwara, H. (2007). "Spectroscopic Ellipsometry: Principles and Applications." John Wiley & Sons Ltd.）で見つけられる。複数タイプの異方性を示すサンプルについてのミュラー行列は、文献（Che et al. 1994, Schellman, J., Jensen, H.P. (1987). Optical spectroscopy of oriented molecules." Chem. Rev. 87: 1359-1399）で見つけられる。上記で定義されたストークスベクトルの要素は、Ｆｕｊｉｗａｒａ(Fujiwara 2007)およびＣｈｅ(Che et al. 1994)と一致していることに留意する。Ｓｃｈｅｌｌｍａｎ(Schellman et al. 1987)は異なる順序付けを用いており、Ｓ３はｘ／ｙ偏光（光学面に対して）に対応し、Ｓ１は±４５°偏光に対応し、Ｓ２は円偏光光に対応する。いずれの定義でもよいが、ミュラー行列の要素は、ストークスの順序付けと一致しなければならない。本開示は、ＦｕｊｉｗａｒａおよびＣｈｅと一致した順序付けを使用しており、Ｓｃｈｅｌｌｍａｎからミュラー行列要素への参照は、この慣習と一致するように再配列される。
【００３８】
一般のサンプルが全部で６つの異方性効果を示すことがあるが、幾つかの共通したケースは、これらのパラメータのより少ない部分セットを含む。サンプルが充分に緩和し均質な溶液からなる場合で、サンプル溶液に対する外部摂動が導入されていない場合、直線偏光異方性は消失する傾向があり、円偏光異方性効果ＣＢおよびＣＤだけを残す。同じミュラー行列は、下記によって与えられる。
【００３９】
【数２】
2014522986.tif 000004
式（２）
【００４０】
但し、Ａは、平均吸光度である。垂直偏光子／検光子のためのミュラー行列は、下記によって与えられる。
【００４１】
【数３】
2014522986.tif 000005
式（３）
【００４２】
角度βの高速軸を持つ位相シフトδの補償器のための行列は、下記のものである。
【００４３】
【数４】
2014522986.tif 000006
式（４）
【００４４】
式（４）は、ＭＣ（β，δ）＝Ｒ（−β）ＭＣ（０，δ）Ｒ（β）に従って、水平高速軸を持つ補償器のためのミュラー行列に角度βの回転行列を適用することによって容易に導出できる。
【００４５】
入力ストークスベクトルＳｉ（１，０，０，０）Ｔを用いてスタートすると、図３の実施形態のための出力ベクトルは、下記から計算される。
【００４６】
【数５】
2014522986.tif 000007
式（５）
【００４７】
正規化した検出器強度は、下記に示すＳｆの要素Ｓ０によって与えられる。
【００４８】
【数６】
2014522986.tif 000008
【００４９】
但し、一定の角周波数ωで回転される補償器ではβ＝ωｔである。そして、
【００５０】
【数７】
2014522986.tif 000009
式（６）
【００５１】
ＡＣ成分およびＤＣ成分は、時間依存の信号から抽出でき（例えば、フーリエ解析を用いて）、これらの比率は下記のようになる。
【００５２】
【数８】
2014522986.tif 000010
式（７）
【００５３】
式（７）は、ＣＤについて解く。これは、補償器設計または較正手順から既知であれば、一意的に決定される。最新のコンピュータ／プログラミング言語を用いた場合、一般には必須ではないが、全体吸収の１０−３−１０−５である典型的なＣＤ値では、近似式ｃｏｓｈＣＤ≒１，ｓｉｎｈＣＤ≒ｔａｎｈＣＤ≒ＣＤも使用できる。アレイ検出器を用いた典型的な測定では、測定は、種々の波長に対応してアレイ画素／素子の各々について、式（６）のような強度信号（およびＡ１／Ａ０での値）からなる。測定の結果は、ＣＤ対波長のスペクトルである。各波長についてδの近似値は、式（７）で用いられる。
【００５４】
直線偏光効果だけがサンプル中に存在する場合、第２の特別なケースが生ずる。この場合、サンプルミュラー行列は、下記によって与えられる。
【００５５】
【数９】
2014522986.tif 000011
式（８）
【００５６】
但し、サンプルが、ｘ方向（水平研究室軸）に沿って整列した複屈折の高速軸と一軸性である場合。今度は、正規化した検出強度は、下記によって与えられる。
【００５７】
【数１０】
2014522986.tif 000012
但し
2014522986.tif 000013
式（９）
【００５８】
ＡＣ信号は前回の２倍の周波数であり、ＡＣ成分とＤＣ成分の比率は下記のようになる。
【００５９】
【数１１】
2014522986.tif 000014
式（１０）
【００６０】
ＬＤが小さい場合、式（１０）は、式（１０Ａ）に示すように、分母からｃｏｓｈ（ＬＤ）を因数分解することによってｔａｎｈ（ＬＤ）について直接に解くことができる。  
【００６１】
【数１２】
2014522986.tif 000015
式（１０Ａ）
【００６２】
図３の検光子がｘ軸に対して±４５°で配向した場合、少し便利な関係式セットが得られる。±４５°配向の検光子ミュラー行列は下記のようになる。
【００６３】
【数１３】
2014522986.tif 000016
式（１１）
【００６４】
４５°検光子および角周波数ωで回転される補償器では、検出器での正規化強度は下記のようになる。
【００６５】
【数１４】
2014522986.tif 000017
但し
2014522986.tif 000018
式（１２）
【００６６】
円偏光効果だけを示すサンプル（式（２））では、ＡＣ信号とＤＣ信号の比率は再び下記のようになる。
【００６７】
【数１５】
2014522986.tif 000019
式（１３）
【００６８】
直線偏光効果だけを示すサンプル（式（８））では、正規化強度は下記のようになる。
【００６９】
【数１６】
2014522986.tif 000020
但し
2014522986.tif 000021
2014522986.tif 000022
式（１４）
【００７０】
ＡＣ信号とＤＣ信号の比率は下記のようになる。
【００７１】
【数１７】
2014522986.tif 000023
式（１５）
【００７２】
図３に示す実施形態を用いて、サンプルが円偏光異方性（ＣＢとＣＤ）だけを示す場合、測定の結果は式（７）である。直線偏光異方性だけが存在する場合、測定の結果は式（１０）である。検光子もｘ軸から４５°に回転させることができ、その結果、円偏光異方性について式（１３）および直線偏光異方性について式（１５）が得られる。いずれの場合も、補償器の位相シフトδが既知であれば、ＣＤ信号が検出信号のＤＣ成分および２ω成分から抽出されるとともに、ＬＤがＤＣ成分および４ω成分から抽出される。
【００７３】
補償器は、測定中に連続的に回転しているため、光学面の配向は、検光子軸によって全体的に決定され、ｘ軸とのアライメントに対応した水平偏光およびｙ軸に対応した垂直偏光を伴う。従って、直線偏光異方性を測定する場合、サンプルの高速軸は、サンプルまたは検光子を回転させることによって、光軸ｘに対応して配向させることができる。検光子軸がサンプル高速軸から９０°で整列した場合、式（７）および式（１０）が得られる。検光子軸がサンプル高速軸から４５°で配向した場合、式（１３）および式（１５）が得られる。式（７）および式（１３）が同一であることは、サンプル中に円偏光異方性だけが存在する場合、検光子の配向は問題にならないことに起因している。式（１０）および式（１５）の比較は、検光子をサンプルの直線偏光複屈折高速軸に対して４５°に配向させることにより、直線偏光二色性について解くのに少し便利な関係が得られることを示す。他の検光子配向も動作することに留意する。特に、水平または−４５°の検光子配向は、上述したものから少し変形した式を用いて、サンプルについて同様な情報が得られるようになる。
【００７４】
円偏光異方性だけを示すサンプルの場合、先行技術に対する本手法の利点は、整列させる必要がある光学部品軸がないことである。理由は、補償器が連続的に回転しており、その結果が検光子軸から独立しているからである（式（７）および式（１３））。しかしながら、信号の解析は、補償器高速軸と検光子軸との間の初期角度に関連した追加の位相φを考慮する必要がある。この場合、出力ストークスベクトルは、下記から決定される。
【００７５】
【数１８】
2014522986.tif 000024
式（１６）
【００７６】
但し、水平偏光子行列は下記のようになる。
【００７７】
【数１９】
2014522986.tif 000025
式（１７）
【００７８】
回転行列は下記のようになる。
【００７９】
【数２０】
2014522986.tif 000026
式（１８）
【００８０】
但し、φは、水平軸から測定される。正規化した検出器強度は下記のようになる。
【００８１】
【数２１】
2014522986.tif 000027
但し
2014522986.tif 000028
式（１９）
【００８２】
ＤＣ，ｃｏｓ２ωｔ，ｓｉｎ２ωｔの係数は抽出でき、下記のようになる。
【００８３】
【数２２】
2014522986.tif 000029
式（２０）
【００８４】
式（２０）は、ＣＤについて解くことができ、φは既知である必要がない。従って、初期の補償器軸は、検光子軸に対して整列している必要がない。さらに、単なる計算の便宜上、上記の導出において検光子軸は、研究室フレームに対して水平となるように選択した。最終結果の式（２０）は、研究室フレームに対する検光子配向に明らかに依存していない。円偏光異方性だけがサンプル中に存在する場合、何れか特定の面に対して整列させる必要がある光学軸がない。
【００８５】
サンプル異方性の大部分が円偏光または直線偏光である場合、式（７），式（１０），式（１３），式（１５）及び／又は（２０）は、サンプルＣＤおよびＬＤについての近似式として使用可能である。一実施形態では、４５°位置（サンプル直線軸に対して）にある検光子を用いて、補償器を角周波数ωで回転させて測定を行う。ＤＣ成分および２ω成分は、ＣＤを式（１３）から抽出するために使用でき、一方、ＬＤは、式（１５）を介してＤＣ成分および４ω成分から抽出できる。
【００８６】
円偏光および直線偏光異方性が両方とも相当な程度に存在する場合、近似式はより正確にできる。サンプル異方性について推測ていしない一般のサンプル行列が、下記によって表される。
【００８７】
【数２３】
2014522986.tif 000030
式（２１）
【００８８】
無偏光入力ＳｉＴ＝（１（１，０，０，０）Ｔの場合、サンプル後のストークスベクトルは、下記によって与えられる。
【００８９】
【数２４】
2014522986.tif 000031
式（２２）
【００９０】
基本的に、無偏光入力は、サンプルミュラー行列の第１列(column)に対して感度を有する。図３の実施形態において、光は、補償器（式（４））および検光子（垂直な検光子では式（３））を通過する。補償器を角周波数ω（β＝ωｔ）で回転させた場合に得られる信号は、下記のようになる。
【００９１】
【数２５】
2014522986.tif 000032
但し
2014522986.tif 000033
2014522986.tif 000034
式（２３）
【００９２】
係数は、フーリエ解析から抽出できる。
【００９３】
【数２６】
2014522986.tif 000035
式（２４）
【００９４】
Ａ２／Ａ０比率は、Ｍ１０／Ｍ００にのみ依存することから、Ｍ１０／Ｍ００について解くことができ、その結果は他の２つの比率で使用でき、これらはＭ３０／Ｍ００およびＭ２０／Ｍ００について解ける。従って、図３の構成は、補償器の位相シフトδが既知であれば、全部で３つの比率Ｍ１０／Ｍ００，Ｍ２０／Ｍ００，Ｍ３０／Ｍ００を測定するために使用できる。これに対して図１に示した先行技術ＣＤ分光器は、Ｍ０１／Ｍ００およびＭ０３／Ｍ００に対してのみ感度を有する。
【００９５】
一般の場合、６つの異方性成分（ＣＤ，ＣＢ，ＬＤ１，ＬＢ１，ＬＤ２，ＬＢ２）がサンプル中に共に生ずることがあり、３つのタイプの異方性（円偏光、直線偏光ｘｙ、直線偏光±４５°）から生ずる。複雑な事項は、異なるタイプの異方性の効果が可換でないことである。その結果、一般のサンプル行列の多くの表現が、級数展開として個々の行列要素を表す。
【００９６】
【数２７】
2014522986.tif 000036
式（２５）
【００９７】
実際には、行列要素は、２次または３次の項の後、切り捨てられる。２次までの項を式（２５）で明示している。
【００９８】
Ｍ００要素は、サンプルを通過した合計強度である。これは、透過率測定、または存在するサンプル有りの強度とサンプル無しの強度との比率によって得られる。しかし、この追加の測定は、円偏光または直線偏光の二色性を測定する場合、通常は必須ではない。残り要素の各々が、二色性の項の１つによって支配される。即ち、Ｍ１０についてはＬＤ１、Ｍ２０についてはＬＤ２、Ｍ３０についてはＣＤ。各要素はまた、誤差項として考えられる２次の項を有する。２つのタイプの異方性の存在は、第３タイプの信号に対する寄与をもたらす。そのため、例えば、両方のｘｙおよび±４５°の直線偏光異方性の存在は、Ｍ３０を介して見かけのＣＤ信号に寄与する。同様に、円偏光および±４５°の異方性の存在は、Ｍ１０を介して見かけのｘｙ直線偏光二色性への寄与をもたらす。
【００９９】
円偏光異方性および１つの直線偏光成分が存在する場合、検光子（またはサンプル）は、複屈折軸がｘ軸に対応するように配向できる（実際、図３においてサンプル複屈折および検光子軸が垂直検光子について直交する）。直線偏光異方性は、ＬＢ１，ＬＤ１およびＬＢ２＝ＬＤ２＝０に対応する。誤差項は、Ｍ１０およびＭ３０から消失し、円偏光または直線偏光の二色性は、式（２４）のＡ１／Ａ０およびＡ２／Ａ０から抽出できる。
【０１００】
ＬＤ＞＞ＣＤおよびＣＤ＜＜１という通常の場合、ミュラー行列の比率は、下記のように減少する。
【０１０１】
【数２８】
2014522986.tif 000037
式（２６）
2014522986.tif 000038
式（２７）
【０１０２】
サンプル異方性がこれらの条件に従う場合、式（２４）、式（２６）および式（２７）は、Ｍ００への円偏光異方性の寄与を無視することが可能であることを示唆し、式（２６）とともに式（２４）での第２比率を使用して、ｓｉｎ４ω成分からＬＤを抽出する。その結果は、２ω信号とともに使用し、式（２７）および式（２４）の第１比率を介して該ＣＤを抽出できる。
【０１０３】
両方ともＬＤ＜＜１およびＣＤ＜＜１である普通の場合、Ｍ００への両方の円偏光または直線偏光の異方性の寄与を無視することができ、（Ｍ１０／Ｍ００）≒−ＬＤ１および（Ｍ３０／Ｍ００）≒ＣＤが得られる。
【０１０４】
最後に、円偏光または直線偏光の効果だけが存在する場合、サンプル行列は、円偏光異方性について式（２）、または直線偏光異方性について式（８）によって表され、式（２３）および式（２４）の適用により、これらの特別な場合について上述したものと同じ式が得られることに留意する。特に、円偏光異方性だけでは、Ｍ３０／Ｍ００＝ｔａｎｈ（ＣＤ）、Ｍ１０／Ｍ００＝Ｍ２０／Ｍ００＝０が得られる。直線偏光異方性だけでは、Ｍ１０／Ｍ００）＝−ｔａｎｈ（ＬＤ）、Ｍ２０／Ｍ００＝Ｍ３０／Ｍ００＝０が得られる。
【０１０５】
検光子はまた、サンプル複屈折軸に対して４５°で配向でき、下記のような正規化出力が得られる。
【０１０６】
【数２９】
2014522986.tif 000039
但し
2014522986.tif 000040
式（２８）
【０１０７】
係数は、フーリエ解析によって抽出できる。
【０１０８】
【数３０】
2014522986.tif 000041
2014522986.tif 000042
式（２９）
【０１０９】
この場合、比率の分母は、Ｍ２０／Ｍ００項を含み、これは、円偏光異方性および単一の直線偏光異方性タイプ（ＬＤ２＝ＬＢ２＝０）の場合、誤差項ＣＤ・ＬＢ１−ＣＢ・ＬＤ１だけからなる。この構成は、誤差項が小さい場合に好都合になるが、とにかく誤差項は、Ａ２／Ａ０から決定できる。このときＣＤおよびＬＤ１は、Ａ１／Ａ０成分およびＡ３／Ａ０成分に含まれる。本実施形態での検光子はまた、出力の式に対して僅かな変更を用いて水平またはサンプル複屈折軸に対して４５°に配向できる。再び、式（２８）および式（２９）は、円偏光異方性だけまたは円偏光異方性だけを示すサンプルについて上述した式に減少する。
【０１１０】
本開示の代替の実施形態を図４に示す。この構成では、偏光子４０４および補償器２０６が、サンプル２０４の後ではなく、その前に配置されている。サンプル前方の偏光子および補償器を用いて測定を行うことにより、ミュラー行列の第１行(row)に対して感度が得られる（前述の第１列とは反対）。
【０１１１】
【数３１】
2014522986.tif 000043
式（３０）
【０１１２】
式（３０）および式（２５）の比較は、誤差項が、大きさが同じで符号が反対であることを示しており、サンプルのミュラー行列の第１行および第１列の両方を決定できる測定が誤差項を打ち消すために使用できる。例えば、Ｍ３０＋Ｍ０３＝２ｅ−Ａ・ＣＤなどである。サンプル行列の第１行および第１列の測定は、図４の構成を用いた別個の測定とともに、図３の構成を用いた測定を行うことによって達成できる。
【０１１３】
図３と図４のシステムの更なる比較は、これらが両方とも極めて類似したサンプル情報に対して感度を有することを明らかにする。例えば、サンプル行列は式（２）によって与えられ、図４の実施形態により式（７）が得られる。しかしながら、検出光が可変偏光状態を有することから、使用する分光器−検出器のタイプに応じて、分光器−検出器の偏光効率は、事前の特性評価が必要になるであろう。図３の実施形態を用いた場合、信号の偏光状態は検光子によって固定されることから、信号は分光器−検出器の偏光効率に依存しない。従って、検出器の偏光感度が関心事項である場合、図３の実施形態は好ましいであろう。
【０１１４】
代替として、１つ又はそれ以上のデポラライザ(depolarizer)の導入によって、偏光依存性をシステムの光源側及び／又は検出側から排除してもよい。デポラライザを製作する１つの方法は、複屈折材料のウェッジ(wedge)を構築することである。デポラライザに入射する光が横断する材料の量はビーム経路によって変化し、これは、誘発される位相差がビーム直径によって変化することをも意味する。こうして出射したビームが効率的にランダムに偏光する。ＶＵＶでの動作では、複屈折ＭｇＦ２で構築されたウェッジデポラライザが採用できる。本発明の実施形態の何れもが、光源の直後及び／又は分光器−検出器の直前にデポラライザを組み込むことによって変更できる。
【０１１５】
全部で３つのタイプの異方性がサンプル中に存在する場合、他の光学素子を含む追加の測定を実施することが望ましいであろう。従って、開示した手法への更なる変更が、種々の光学部品を容易に挿入または除去する能力、特に、回転偏光子および回転補償器のいずれか又は両方を用いて、サンプルの前方および後方のいずれか又は両方にある回転補償器を用いて測定を実施する能力を含む。より複雑な検出信号および測定手順が得られるとともに、こうした手法がサンプルのミュラー行列の追加の要素を探査して、同時発生するより多くの異方性の決定を可能にする。
【０１１６】
極めて一般的な構成で、サンプルのミュラー行列の全ての成分を独立に取得できるものを図５の実施形態５００に示す。この二重回転補償器の構成において、２つの補償器５０２，５０４は、異なる周波数で同時に回転している。光学素子（偏光子４０４、検光子２０８、サンプル２０４、第１補償器５０２、第２補償器５０４）の各々が、測定されるサンプルに応じて、光学経路へ挿入または光学経路から除去できる。さらに、必要であれば、素子の各々が測定中に独立に回転できる。
【０１１７】
図５の実施形態は、初めの偏光子および補償器を除去し、動作中に残りの補償器を回転させることによって、図３の実施形態へ変換できる。図５の実施形態は、第２補償器を除去し、固定した偏光子および検光子を備え、回転する補償器の構成で動作させることによって、透過型回転補償器エリプソメータへ変換できる。代替として、図５の実施形態は、最後の偏光子および補償器を除去し、動作中に第１補償器を回転させることによって、図４の実施形態へ変換できる。こうして一実施形態において、図５の実施形態は、システムの選択可能な構成を可能にする除去可能な素子を有することができる。
【０１１８】
データ収集の際に含む及び／又は回転する部品の選択は、サンプル中に予想される異方性（直線偏光、円偏光または両方）のタイプに依存する。従って、他のタイプの異方性が存在しない場合、幾つかの実施形態がサンプルからＣＤ信号またはＬＤ信号を単に抽出することになる。直線偏光異方性がサンプル中に存在する場合、さらに他の実施形態がＣＤ信号を抽出することになる。こうした実施形態は、まだ平衡に到達していない、時間依存の解法の研究にとって特に有用である。さらに他の実施形態が、全部で６つの異方性成分（ＬＢ１，ＬＤ１，ＬＢ２，ＬＤ２，ＣＢ，ＣＤ）を任意のシステムから抽出することになる。
【０１１９】
上記解析（式（７）等）は、検出信号が所望のサンプル異方性情報を含むとともに、光学部品自体に依存する項を含むことがあることを示している。特に、色(chromatic)補償器を使用するためのトレードオフは、補償器の位相シフト条件が事前に既知である必要があることである。これは、較正手順により達成され、しばしばストレートスルーの構成（サンプルを除去）または既知の標準品を用いて行われる。特にストレートスルーの構成を用いて行う場合、較正手順は、基本的には光学素子自体の偏光解析評価である。補償器については、その結果は、誘発された位相シフトδ対波長のスペクトルである。これは、未知のサンプルを設置した後続の測定で使用できる（例えば、式（７））。
【０１２０】
補償器の位相シフトは、既知のＣＤ及び／又はＬＤスペクトルを有するサンプルまたは光学系の測定を用いて逆算できる。例えば、既知のＬＤを有する光学系が、サンプルの代わりに既知の光学系とともに、図３に示す実施形態を用いて測定できる。補償器の位相シフトは、どのように検光子軸を設定するかに応じて、式（１０）または式（１５）から抽出できる。この手順は、実際、ｃｏｓδを決定するが、各波長でのδの近似値は、通常、補償器設計の材料および厚さから既知であり、ｃｏｓδの値は、δまたはｓｉｎδを一義的に決定するのに充分である。代替として、既知のＣＤを有するサンプルまたは光学系が、ｓｉｎδを抽出するために使用できる。
【０１２１】
サンプル測定へのセル歪みの関与も、図３の実施形態を用いて決定できる。特に、空のサンプルセル（または別のもの）を測定する場合、４ω信号の存在は、直線偏光異方性の指標であるとともに、２ω信号の存在は円偏光異方性を示す。
【０１２２】
他の波長依存の光学的効果、例えば、偏光消光比は、較正手順により事前評価する必要があるであろう。エリプソメータで用いられる光学部品を特性評価するために何年も開発された多くの手順のうち適切なもの（例えば、文献：Fujiwara 2007; Lee J., Rovira, P. I., An, I., Collins, R.W. (2001) "Alignment and calibration of the MgF2 biplate compensator for applications in rotating-compensator multichannel ellipsometry." J. Opt. Soc. Am. A 18(8): 1980-1985; 文献：Collins R.W. (1990).  "Automatic rotating element ellipsometers: Calibration, operation, and real-time applications." Rev. Sci. Instrum. 61 (8): 2029-2062; 文献：de Nijs J.M.M., Holtslag, A.H.M, Hoeksta, A., and van Silfhout, A. (1988). "Calibration method for rotating- analyzer ellipsometers." J. Opt. Soc. Am. A 5(9): 1466-1471）が、光学部品の非理想的挙動を説明するために、本開示の手法に組み込み可能である。
【０１２３】
本開示における信号の式の多くは、理想的な偏光子および他の光学素子を仮定して導出したが、非理想的で充分に特性評価された偏光子（または素子）も使用できることに留意する。結局、較正手順が、偏光子およびサンプルセルのパラメータ、そして補償器のパラメータを決定するために使用できる。これらの手順は、これらの部品の各々についての個別の測定、またはこれらの全てを説明する単一の測定を含むであろう。
【０１２４】
図６は、図３に示す実施形態２００の詳細な概要を示す。システムの全体は、気密筐体６００の内部に位置する。隔離または共有するように構成してもよい少なくとも３つの区別された環境、即ち、光源モジュール６０２、サンプルモジュール６０４、検出器モジュール６０６が存在する。各モジュールが、入力ポートおよび出力ポート、そしてＶＵＶ動作を維持するのに必要な環境条件設定を促進するガス・マニホールド６１０を備えてもよい。
【０１２５】
環境条件設定が、典型的には、真空、パージ、または再充填の方法の幾つかの組合せの使用によって達成され、ＶＵＶ波長の透過を支援するように、吸収種（酸素及び／又は水分など）の濃度を低減及び／又は除去する。パージまたは再充填の手法が利用される状況では、高純度の非吸収性（少なくとも対象の波長領域に渡って）ガス、例えば、窒素、アルゴンまたはヘリウムなどが採用できる。
【０１２６】
ＶＵＶでの効率的な動作を促進するために、採用する全ての材料および方法がＶＵＶ動作にとって役立つことを確保するように前記機器の設計および製造の際に慎重な注意を払う必要がある。詳細には、ＶＵＶ光学表面が、水分などの吸収種および他の浮遊分子汚染物質（ＡＭＣ）に対して非常に敏感である。こうした種がシステム性能に悪影響を与え、それ自体、これらの蓄積を回避するように注意を払う必要がある。
【０１２７】
動作の際、広帯域ＶＵＶ光源２０２からの光が、光を平行化して短い経路長サンプルセル２０４に通過させる第１光学系６１２によって収集される。特別に充分に適合した光源が、投影ノーズ(nose)およびＭｇＦ２ウインドウを備えた、変更した重水素ランプである。ＶＵＶ光源の投影ノーズは、典型的には、適切な封止機構を備えた開口を通って気密筐体の中に突出している。こうして、関連したケーブル設置および光源用の電源が筐体の外部に留まる。
【０１２８】
ＶＵＶの広帯域用途では、色収差および吸収損失を回避するために、透過型光学系よりむしろ反射型が一般に採用される。幸いに、高品質の軸外(off-axis)トロイダル反射器が、複製手法を用いて今日では安価に製造できる。適切な薄膜でコートした場合（例えば、ＭｇＦ２コートのアルミニウム）、これらの素子は、ＶＵＶ光学システム設計に魅力的な選択肢を代表する。他の構成が確かに使用できるが、本発明の特に有用な実施形態が９０°軸外パラボラ反射器を組み込んでおり、光源からの光を収集する。この反射器は、光源からの光を平行化して、サンプルセルに仕向ける。
【０１２９】
サンプルセルは、サンプルモジュール内に収納され、その環境は、システムの残部から独立して制御できる。好ましくは、サンプルモジュールは、サンプルの各側に開閉可能で設定可能なゲートバルブ６０８を設置してもよい。開放している場合、サンプルモジュールでの環境はシステムの残部と共有され、光はサンプルセルを通過することが許容される。閉止している場合、サンプルモジュールでの環境はシステムの残部から隔離され、ガス・マニホールドを介して独立に構成でき、真空、再充填、パージの能力へのアクセスを提供する。こうして光源モジュールおよび検出器モジュールの環境を損なうことなく、サンプルをサンプルモジュールへ投入したり、そこから取り出すことが可能である。従って、新しいサンプルを投入する場合、サンプルモジュール内の環境は、ゲートバルブが開放して環境が共有される前に、充分な条件設定が可能である。
【０１３０】
代替として、サンプルモジュールは、サンプルモジュールの環境をシステムの残部と共有せずに、光がサンプルセルを通過できるようなＶＵＶ透明ウインドウを備えてもよい。サンプルモジュール内の環境を隔離するための手段を提供するが、この構成は、光学経路に追加の素子を導入する不具合を有する。これらの追加の素子は、システムの較正および動作を複雑にすることがあり、データ解析をより難しくする。
【０１３１】
短い経路長サンプルセルを出射した光は、ＶＵＶ補償器２０６を通過する。補償器は、回転ステージに搭載され、入射ビームの常光線成分および異常光線成分に付与される位相差が調整できるようになる。回転ステージは、真空適合ケーブルアセンブリを介して適切なコントローラおよびコンピュータと接続される。１つの好ましい実施形態では、補償器は、測定中に連続的に回転する。
【０１３２】
補償器を通過した光は、ＶＵＶ偏光子６１４に出会う。幾つかのＶＵＶ偏光子が市販されているが、特に充分に適合したバージョンが、本願と同日に同時出願した米国特許出願（名称 "Polarization Device For Vacuum Ultraviolet or Shorter Wavelengths", 出願番号第１３／１８４６０１号、２０１１年７月１８日提出）に記載されており、この開示は参照により全体としてここに明確に組み込まれる。偏光子６１４は、本実施形態ではプリズムペア６１６、集光光学系６１８、空間アパーチャ６２０で構成できる。動作の際、偏光検光子に入る平行光は、プリズムペアの前面に入射する。プリズムペアは、常光線および異常光線が直交した直線偏光状態に分割されるように慎重にカット、配置された２つのＭｇＦ２プリズムからなる。プリズムは、予想されるパワーレベルに応じて、光学的に接触し、あるいは小さな空隙で分離してもよい。第１プリズム（右側に描写）は、その入射面に対して垂直に整列した光軸を持つようにカットされ、一方、第２プリズム（左に描写）は、その出射面に対して平行に整列した光軸を持つようにカットされる。
【０１３３】
常光線ビームは、変化することなくペアを通過するが、異常光線ビームは、２つのプリズムの間の界面で僅かな角度偏差を受ける。プリズムペアは、プリズムペアの光軸周りに回転可能なステージの上に搭載される。回転ステージは、真空適合ケーブルアセンブリを介して適切なコントローラおよびコンピュータと接続される。常光線ビームは、プリズムペアの回転によって影響されないが、異常光線ビームは、ステージが回転すると、円形出射パターンを掃引する。
【０１３４】
直交偏光ビームは、プリズムペアを出射し、集光光学系によって収集され、空間アパーチャの上に集光する。常光線ビームは、空間アパーチャの開口の中心に位置して、上手く画定されたスポットとなって集光されるが、一方、異常光線ビームは、理想的に集光されず、アパーチャの固体部分のどこかに集光される。こうして異常光線ビームは阻止されるが、常光線ビームは通過して、分光検出システム６２２に入射する。
【０１３５】
集光光学系は、アルミニウム／ＭｇＦ２コーティングを持つ９０°軸外パラボラ反射器とすることができるが、他の角度（例えば、６０°または３０°）を持つ軸外反射器も、ここでおよびシステム全体の他の場所でも有用であることが明らかであることに留意する。実際、これらのより小さな角度を採用した光学系は、幾つかの状況では、現実により大きなアライメント許容誤差を提供するであろう。
【０１３６】
空間アパーチャを通過した光は、波長分散素子または波長回折素子６２４、この場合、収差補正された平面結像型回折格子(grating)に出会う。回折格子に入射した光は回折、集光され、離散波長がＶＵＶ感度の検出器６２６の表面上で空間的にそして同時に分解される。そのようにシステムは真に分光器である。好ましくは、検出器は、複数波長のデータを同時に測定できる、アレイ検出器の一形態でもよい。好ましい実施形態において、検出器は、各素子／画素の利得が個別に調整できるように構成可能なものでもよい。検出器は、真空適合ケーブルアセンブリの使用により、関連する制御電子回路およびコンピュータ６２８と接続される。明示していないが、システムは、迷光の影響を最小化するように必要なバッフルが設けられる。
【０１３７】
サンプル、バッファ、洗剤の全てがＶＵＶで強く吸収することから、サンプルセル設計に充分に配慮する必要がある。特に、ＶＵＶ動作が要望される場合、サンプルセルの経路長を最小化することが有益である。最近のＳＲ  ＣＤ調査は、研磨プロセスによって作成した２μｍ程度の短い経路長を持つＣａＦ２セルを採用した（文献：Wien F., Wallace, B.A. (2005). "Calcium Fluoride Micro Cells for Synchrotron Radiation Circular Dichroism Spectroscopy" Appl. Spectr. 59(9): 1 109-1113）。ＶＵＶのより短い側での測定に関しては、より短い経路長のセルが必要であろう。
【０１３８】
測定したＣＤ信号およびＬＤ信号は、サンプル濃度および、サンプルを横断する経路長（即ち、セル経路長）に依存する。モル円偏光二色性Δε±、またはモル直線偏光二色性Δεを知ることが望ましいであろう。これらの量が、サンプルを構成する材料にとってより固有であるためである。モル量は、下記の表現を用いて測定したＣＤ信号およびＬＤ信号から決定できる。
【０１３９】
【数３２】
2014522986.tif 000044
式（３１）
2014522986.tif 000045
式（３２）
【０１４０】
但し、ｃはモル濃度、ｌは媒体を横断した経路長である。
【０１４１】
その結果、最も有用なデータ解析が、サンプルセルの正確な経路長が既知及び／又は決定すべきであることを要求するであろう。＞１μｍオーダ等の厚さを持つセルでは、干渉フリンジ法（文献：Hennessey J. P. Jr., Johnson, W.C. Jr. (1982). "Experimental errors and their effect on analyzing circular dichroism spectra of proteins" Analytical Biochemistry 125: 177-188）が使用できる。代替として、セルは既知の吸光度の液体で充填でき、経路長は透過スペクトルから逆算できる（文献：Miles A. J., Wien, F., Lees, J.G., Rodger, A., Janes, R.W., Wallace, B.A. (2003). "Calibration and standardization of synchrotron radiation circular dichroism and conventional circular dichroism spectrophotometers." Spectroscopy 17: 653-661 ）。さらにより薄いセルでは、代替の方法が必要になろう。
【０１４２】
図７は、図５の多用途の実施形態５００のより詳細な概要を示す。このシステムもまた、光源モジュール６０２、サンプルモジュール６０４、検出器モジュール６０６で構成される。サンプルモジュールおよび検出器モジュールは、図６のより簡素な実施形態のものと類似して見えるが、光源モジュールはいくらかより複雑である。ＶＵＶ光源２０２およびコリメート光学系６１２に加えて、図７の多用途システムの光源モジュールはまた、ＶＵＶ偏光子４０４と補償器５０２を含む。
【０１４３】
動作の際、光源からの光は、第１光学系６１２によって収集され平行化される。平行光は、前述した新規な偏光子を通過する。図６の実施形態のように、偏光子を通過した光は、常光線成分および異常光線成分に分割される。常光線ビームは、第２光学系によって集光され、空間アパーチャの開口を通過する。反対に、異常光線ビームは、アパーチャ上のどこかに集光され阻止される。
【０１４４】
アパーチャを通過した光は、第３光学系７０２によって収集され、そして平行化し、第１ＶＵＶ補償器５０２に仕向ける。補償器および偏光子は、回転ステージおよび直線ステージに連結して搭載される。このように素子は、動作中に回転可能であり、あるいはビーム経路から全部が除去され、本質的にはシステムを図６のより簡素な構成に削減できる。
【０１４５】
補償器を通過した光は、より短い経路長のサンプルセル２０４を含むサンプルモジュール６０４を通過する。またサンプルモジュールは、サンプルの投入／取り出しの際、サンプルモジュールをシステムの残部から隔離できるように設定可能なゲートバルブ６０８が設けられる。
【０１４６】
サンプルチャンバを出射した光が、第２補償器５０４および偏光子２０８を通過する。補償器および偏光子は、前述したように機能し、回転ステージおよび直線ステージの両方が設けられる。こうして素子はビーム経路から除去可能であり、効率的に該システムを図４の類似した実施形態と等価なものにできる。
【０１４７】
その結果、図７の多用途の実施形態は、偏光子および補償器を単に追加したり、ビーム経路から除去することによって、図２、図４または図５の実施形態に変換できる。こうしてシステムは、特定のサンプルの測定を促進するために必要なように構成できる。複数形態の光学異方性のを示す複雑なサンプルに関しては、図７のシステムは、その正確な決定を促進するのに要求される必要な柔軟性を有する。一方、より少ない形態の異方性を示すサンプルを測定する場合、特定の素子を除去してもよく、これにより動作（即ち、データ取得、アライメント、較正、解析）を簡素化でき、特により短いＶＵＶ波長においてデータ品質を改善できる。
【０１４８】
図２、図３、図４または図６では明示していないが、これらの実施形態は、測定中及び／又は測定間に光学素子を追加及び／又は除去するための手段を設けてもよい。
【０１４９】
一般に、本開示の全ての実施形態は、システムの電子回路および機械部品を制御するコンピュータを組み込んでいる。機器制御は、メインソフトウエアプログラムによって支配され、使用者が命令を機器に発行できるユーザインタフェースを備える。機器モードおよび測定の「レシピ(recipe)」は使用者によって選択できるが、機器の詳細な動作（即ち、較正およびデータ収集）は、光学機器では典型的であるように、通常、ソフトウエアプログラムによって自動的に取り扱われる。測定信号からフーリエ係数および最終的にはＣＤを抽出するためのデータ解析（式（７）等）もまた、典型的にはソフトウエアプログラムによって実行される。
【０１５０】
ＣＤおよびＬＤスペクトルを提供する能力は、それ自体有用であるが、サンプルについてより多くの情報を決定するために、スペクトルをさらに解析することが望ましいであろう。例えば、タンパク溶液のＣＤスペクトルが、タンパク質の二次構造に関する情報を決定するためにしばしば解析される。タンパク質の二次構造は、通常、実験スペクトルを既知の二次構造のタンパク質について測定した基準セットのスペクトルと関連付けることによって推測される。ＣＤスペクトルは、各構造タイプの純粋なサンプルを表す成分基礎スペクトルと線形的に関連付けられると推測される。
【０１５１】
【数３３】
2014522986.tif 000046
式（３３）
【０１５２】
但し、Ｃλはタンパク質サンプルについて解析したスペクトル、Ｂｋλは二次構造ｋに対応した成分基礎スペクトル、ｆｋは二次構造ｋの分数重みである。解析したスペクトルは、直接測定したＣＤスペクトルとは反対に、通常はモルＣＤであり、これもサンプル濃度およびセル経路長に依存する。
【０１５３】
実際、成分スペクトルは、通常は実験的に決定されず、その代わりに既知の構造を有するより大きな基準セットのタンパク質から導出される。基準スペクトルを成分スペクトルと関連付けるために、幾つかの方法が開発されている。最も評判が良いものの３つは、ＳＥＬＣＯＮ３法（文献：Sreerema, N., Woody, R.W. (1993).  "A self-consistent method for the analysis of protein secondary structure from circular dichroism." Anal. Biochem. 209: 32-44; 文献：Sreerama, N., Woody, R.W. (2000). "Estimation of protein secondary structure from circular dichroism spectra: comparison of CONTIN, SELCON, and CDSSTR methods with an expanded reference set." Anal. Biochem. 287: 252-280)）、ＣＤＳＳＴＲ法（文献：Johnson , W.C. (1999). "Analyzing Protein CD for Accurate secondary Structures." Proteins: Str. Func. Genet. 35:307-312)）、およびＣＯＮＴＩＮ法（文献：Provencher S.W., Glockner, J. (1981 ). [Epsilon] stimation of globular protein secondary structure from circular dichroism." Biochemistry 20: 33- 37）である。
【０１５４】
データ解析のこれらの方法および他の方法は、メインコンピュータプログラムに統合でき、使用者は、本開示の手法を用いて得られたＣＤスペクトルをさらに解析することができる。解析パッケージは、上記の解析手法で用いられる基準タンパク質スペクトルデータベースの管理を含むことができる。データベースは、文献から、または公的に利用可能なデータベースから基準スペクトルを組み込むことができる。使用者は、既知の二次構造のサンプルを測定することによって、新しいデータベースを構築するために本開示の手法を使用できる。既存の基準セットが組み込まれているか否か、または新しいものが作成されるか否かに関わらず、未知の二次構造のタンパク質サンプルが本開示の手法を用いて測定可能であり、基準セットと対照して解析可能である。
【０１５５】
本開示の実施形態は、単独の研究室用途で採用される場合に有益であるが、他の実施形態が、本実施形態がシンクロトロン放射施設でのビームラインに統合された用途においても有益であることが判ることに留意する。この場合、１つ又はそれ以上の光学素子が追加またはシステムから除去できるであろう。例えば、１つ又はそれ以上のデポラライザを好ましい実施形態の何れにも追加してもよく、あるいは１つ又はそれ以上の偏光子を除去してもよい。
【０１５６】
本発明の更なる変更および代替の実施形態が、本説明の観点から当業者に明らかになるであろう。従って、本説明は、実例として考えられるだけであり、当業者に本発明を実施する方法を教示する目的のためである。ここで図示し説明した本発明の形態は、現在好ましい実施形態として採用されることと理解すべきである。等価な要素が、ここで図示し説明したものについて置換してもよく、本発明の特定の特徴が、他の特徴の使用から独立して利用してもよく、全ては、本発明のこの説明の利益を有した後、当業者にとって明らかになるであろう。
【図１】
2014522986.tif 000047
【図２】
2014522986.tif 000048
【図３】
2014522986.tif 000049
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2014522986.tif 000053
【国際調査報告】
2014522986.tif 000054