(57)【要約】      （修正有）【課題】精度の高いスペクトル測定を短時間で行うことができる光学顕微鏡を提供すること。【解決手段】本発明の第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１３と、対物レンズ２１と、光ビームをＸ方向に走査するＸ走査装置１３と、Ｙ走査装置１３から試料２２までの光路中に配置され、試料２２に入射された光ビームのうち、異なる波長となって試料２２から対物レンズ２１側に出射する出射光とレーザ光源１０から試料２２に入射する光ビームとを分離するビームスプリッタ１７と、Ｙ方向に対応する方向に沿って配置された入射スリット３０を有し、入射スリット３０を通過した出射光を波長に応じて空間的に分散させる分光器３１と、分光器３１で分散させた出射光を検出する検出器３２とを備えるものである。【選択図】  図１
2007179002.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、異なる波長となって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光ビームとを分離するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタ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を備える光学顕微鏡。
【請求項２】
前記第１の走査手段によって走査された光ビームに対して設けられた絞りをさらに備え、
前記光ビームの第１の方向における走査速度が一定となる範囲で、前記絞りが前記光ビームを制限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】
前記絞りの光ビームが入射する側の入射面が光軸に対して傾いて配置され、前記絞りの入射面で反射した光を吸収するダンパが設けられている請求項２に記載の光学顕微鏡。
【請求項４】
前記第２の走査手段が駆動ステージであり、
前記駆動ステージの上に前記試料を載置し、当該駆動ステージを駆動することによって第２の方向に走査する請求項１乃至３のいずれかに記載の光学顕微鏡。
【請求項５】
前記２次元アレイ検出器の露光時間が前記第１の走査手段の走査周期の整数倍であることを特徴とすることを請求項１乃至４のいずれかに記載の光学顕微鏡。
【請求項６】
前記対物レンズの焦点位置を光軸に沿って変化させる焦点位置変化手段がさらに設けられている請求項１乃至５のいずれかに記載の光学顕微鏡。
【請求項７】
前記第１の走査手段によって前記試料上での焦点を５ｍｍ／ｓｅｃ以上で走査させることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の光学顕微鏡。
【請求項８】
前記入射スリットの前記光ビームが入射する側の入射面が光軸に対して傾いて配置され、前記入射スリットの入射面で反射した光を吸収するダンパが設けられている請求項１乃至６のいずれかに記載の光学顕微鏡。
【請求項９】
前記ビームスプリッタがダイクロイックミラーであり、
前記光ビームの前記ダイクロイックミラーに対する入射角度が１２°以下である請求項１乃至８のいずれかに記載の光学顕微鏡。
【請求項１０】
前記ビームスプリッタと前記入射スリットとの間に配置され、所定のカットオフ波長を有する２つのフィルタと、
前記２つのフィルタの光軸に対する角度を変化させるフィルタ駆動装置とをさらに備え、
前記２つのフィルタを通過した出射光が前記入射スリットに通過し、
前記フィルタ駆動装置が、前記２つのフィルタが前記光軸に垂直な平面に対して対称になるよう、当該２つのフィルタを駆動する請求項１乃至８のいずれかに記載の光学顕微鏡。
【請求項１１】
前記レーザ光源と前記ビームスプリッタの間に、前記試料上における前記光ビームのスポットを前記第１の方向に延ばす光学素子が設けられている請求項１乃至１０のいずれかに記載の光学顕微鏡。
【請求項１２】
前記ビームスプリッタと前記対物レンズとの間に、前記光ビームを集光するレンズが配置され、
前記レンズによって前記光ビームが集光される位置が、減圧状態となっているか、あるいは、前記レンズによって前記レーザ光が集光される位置に前記試料からの出射光の波長域と異なる波長域の光を出射する物質が配置されている請求項１乃至１１のいずれかに記載の光学顕微鏡。
【請求項１３】
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、異なる波長となって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を集光して、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、
前記分光器で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、スペクトルを測定するスペクトル測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学顕微鏡及びスペクトル測定方法に関し、特に詳しくは試料に照射するレーザ光と異なる波長の光を検出する光学顕微鏡及びスペクトル測定方法に関する。
【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を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。
【特許文献１】特開２００２−１４０４３号公報
【特許文献２】特開２００３−３４４７７６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】
【０００４】
しかしながら、非特許文献１のラマン顕微鏡では、シリンドリカルレンズを用いてレーザ光をライン状の光に変換しているため、試料を均一に照明することができないという問題があった。すなわち、レーザビームのビーム断面に沿った強度は、通常、ガウス関数に近いため、中心強度が強く、中心から離れるほど弱くなる分布をしている。このレーザ光をライン状の一様な強度を持った光ビームに変換することは困難である。さらに、スペックルノイズが生じてしまい、精度よく観察することができないという問題があった。すなわち、コヒーレンスの高いレーザによって照明する場合、光路に存在する塵などによって光が散乱される。この散乱光によって、照明部分に干渉による照明のムラ（スペックルノイズ）が発生する。このように、従来のラマン顕微鏡では、精度の高い測定を行うことが困難であるという問題点があった。
【０００５】
このように従来のラマン顕微鏡では、測定時間を短縮しようとした場合、精度よく測定を行う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、精度の高い測定を短時間で行うことができる光学顕微鏡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】
【０００６】
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、異なる波長となって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光ビームとを分離するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタ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せた出射光を検出する２次元アレイ光検出器とを備えるものである。これにより、精度の高いスペクトル測定を短時間で行うことができる。
【０００７】
本発明の第２の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡において、前記第１の走査手段によって走査された光ビームに対して設けられた絞りをさらに備え、前記光ビームの第１の方向における走査速度が一定となる範囲で、前記絞りが前記光ビームを制限することを特徴とするものである。これにより、均一に照明することができ、より精度の高い測定を行うことができる。
【０００８】
本発明の第３の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡において、前記絞りの光ビームが入射する側の入射面が光軸に対して傾いて配置され、前記絞りの入射面で反射した光を吸収するダンパが設けられているものである。これにより、絞りで散乱された迷光が検出器に入射するのを防ぐことができ、より精度の高い測定を行うことができる。
【０００９】
本発明の第４の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡において、前記第２の走査手段が駆動ステージであり、前記駆動ステージの上に前記試料を載置し、当該駆動ステージを駆動することによって第２の方向に走査するものである。これにより、装置構成を簡易なものとすることができる。
【００１０】
本発明の第５の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡において、前記２次元アレイ検出器の露光時間が前記第１の走査手段の走査周期の整数倍であることを特徴とすることをものである。これにより、照明量を均一にすることができ、より精度の高い測定を行うことができる。
【００１１】
本発明の第６の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡において、前記対物レンズの焦点位置を光軸に沿って変化させる焦点位置変化手段がさらに設けられているものである。これにより、３次元領域のスペクトル測定が可能になる。
【００１２】
本発明の第７の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡において、前記第１の走査手段によって前記試料上での焦点を５ｍｍ／ｓｅｃ以上で走査させることを特徴とするものである。これにより、試料の損傷を防ぐことができる。
【００１３】
本発明の第８の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡において、前記入射スリットの前記光ビームが入射する側の入射面が光軸に対して傾いて配置され、前記入射スリットの入射面で反射した光を吸収するダンパが設けられているものである。これにより、入射スリットで散乱された迷光が検出器に入射するのを防ぐことができ、より精度の高い測定を行うことができる。
【００１４】
本発明の第９の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡において、前記ビームスプリッタがダイクロイックミラーであり、前記光ビームの前記ダイクロイックミラー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、ダイクロイックミラーの特性を向上することができ、より精度の高い測定を行うことができる。
【００１５】
本発明の第１０の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡において、前記ビームスプリッタと前記入射スリットとの間に配置され、所定のカットオフ波長を有する２つのフィルタと、前記２つのフィルタの光軸に対する角度を変化させるフィルタ駆動装置とをさらに備え、前記２つのフィルタを通過した出射光が前記入射スリットに通過し、前記フィルタ駆動装置が、前記２つのフィルタが前記光軸に垂直な平面に対して対称になるよう、当該２つのフィルタを駆動するものである。これにより、フィルタのカットオフ波長を調整した場合でも、入射スリット上に出射光が集光されるため、より精度の高い測定を行うことができる。
【００１６】
本発明の第１１の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡において、前記レーザ光源と前記ビームスプリッタの間に、前記試料上における前記光ビームのスポットを前記第１の方向に延ばす光学素子が設けられているものである。これにより、試料に対するダメージを防ぐことができる。
【００１７】
本発明の第１２の態様にかかる光学顕微鏡は、上記の光学顕微鏡において、前記ビームスプリッタと前記対物レンズとの間に、前記光ビームを集光するレンズが配置され、前記レンズによって前記光ビームが集光される位置が、減圧状態となっているか、あるいは、前記レンズによって前記レーザ光が集光される位置に前記試料からの出射光の波長域と異なる波長域の光を出射する物質が配置されているものである。これにより、より精度の高い測定を行うことができる。
【００１８】
本発明の第１３の態様にかかるスペクトル測定方法は、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、異なる波長となって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を集光して、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、前記分光器で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、スペクトルを測定するものである。これにより、精度の高いスペクトル測定の測定時間を短縮することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、精度の高い測定を短時間で行うことができる光学顕微鏡及びスペクトル測定方法を提供することことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
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。
【００２１】
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２２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、Ｙ走査装置１３と、レンズ１４と、絞り１５と、レンズ１６と、ビームスプリッタ１７と、Ｘ走査ミラー１８と、レンズ１９と、レンズ２０と、対物レンズ２１と、ステージ２３と、レンズ２４と、分光器３１と、検出器３２と、ステージ駆動装置４０と、処理装置５０とを備えている。また分光器３１は入射側に入射スリット３０を備えている。
【００２２】
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２２に入射させ、試料２２からのラマン散乱光を検出器３２で検出する。さらに、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。
【００２３】
まず、光学顕微鏡１００の全体構成について図１を参照して説明する。レーザ光源１０は単色のレーザ光を出射する。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。
【００２４】
レーザ光源１０からの光ビームはビームエキスパンダ１１によって拡大され、Ｙ走査装置１３に入射する。Ｙ走査装置１３は、例えば、音響光学素子や、ガルバノミラーであり、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２２上で光ビームの入射位置がＹ方向に沿って変化する。すなわち、Ｙ走査装置１３は、光ビームをＹ方向に走査する。なお、Ｙ走査装置１３での偏向角は、処理装置５０からの電気信号によって制御される。Ｙ走査装置１３で偏向された光ビームはレンズ１４で屈折され、絞り１５に入射する。なお、レンズ１４は絞り１５の面上に光ビームを集光する。絞り１５は、例えば円状の開口を有し、外側の光ビームを遮光する。すなわち、開口から外れた光ビームの通過を制限する。
【００２５】
絞り１５を透過した光ビームは、レンズ１６で屈折され、ビームスプリッタ１７に入射する。ビームスプリッタ１７は、例えば、ダイクロイックミラーであり、レーザ波長の光を試料２２の方向に反射する。ダイクロイックミラーとしては、Ｓｅｍｒｏｃｋ社製のエッジフィルタを用いることができる。ビームスプリッタ１７により反射された光は、Ｘ走査ミラー１８に入射する。Ｘ走査ミラー１８は、例えば、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走査ミラー１８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２２上で、試料２２上で光ビームの入射位置がＸ方向に沿って変化する。これにより、光ビームをＸ方向に走査することができる。なお、Ｘ走査ミラー１８での偏向角は、処理装置５０からの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走査ミラー１８及びＹ走査装置１３によってＸＹ方向に走査することにより、試料２２上において２次元領域を走査することができる。
【００２６】
Ｘ走査ミラー１８によって走査された光ビームは、レンズ１９、及びレンズ２０で屈折され、対物レンズ２１に入射する。対物レンズ２１は、光ビームを集光して、試料２２上を入射する。すなわち、対物レンズ２１は、試料２２上に光ビームを集光して、試料２２を照明する。これにより、試料２２のスポット状の領域が照明される。対物レンズ２１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】
試料２２に入射した入射光の一部はラマン散乱される。試料２２に入射した入射光のうち、ラマン散乱により対物レンズ２１側に出射した光を出射光とする。すなわち、ラマン散乱光のうち、対物レンズ２１に入射したものを出射光とする。ラマン散乱された出射光は入射光とは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２２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２２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２２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２２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、特定の物質の３次元空間分布の測定も可能となる。具体的には、試料２２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。
【００２８】
なお、試料２２はステージ２３の上に載置されている。ステージ２３は、例えば、ＸＹＺステージである。このステージ２３はステージ駆動装置４０によって、駆動される。ステージ駆動装置４０がステージ２３をＸＹ方向に駆動することによって、試料２２の任意の位置を照明することができる。また、ステージ駆動装置４０がステージをＺ方向に駆動することによって、対物レンズ２１と試料２２との距離を変化させることができる。従って、対物レンズ２１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。本発明にかかる光学顕微鏡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２２の断層画像を撮像することができる。試料２２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。処理装置５０はステージ駆動装置４０に対して制御信号を入力し、ステージ２３の駆動を制御する。
【００２９】
ステージ２３上に載置された試料２２でラマン散乱され、対物レンズ２１に入射した出射光は、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２１により屈折され、レンズ２０及びレンズ１９で屈折されて、Ｘ走査ミラー１８に入射する。Ｘ走査ミラー１８は、入射した出射光をビームスプリッタ１７の方向に反射する。このとき、出射光は、Ｘ走査ミラー１８によってデスキャンされる。すなわち、出射光は、Ｘ走査ミラー１８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走査ミラー１８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２２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。
【００３０】
Ｘ走査ミラー１８によって、反射された出射光は、ビームスプリッタ１７に入射する。ビームスプリッタ１７は、例えば、ダイクロイックミラーであり、試料２２からの出射光と、レーザ光源１０から試料２２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、ビームスプリッタ１７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２２からの出射光がビームスプリッタ１７を透過することによって、試料２２からの出射光の光軸が、レーザ光源１０から試料２２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２２からの出射光を、レーザ光源１０から試料２２に入射する入射光から分離することができる。
【００３１】
さらに、ダイクロイックミラーであるビームスプリッタ１７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２２からのレーリー散乱光は、ビームスプリッタ１７で反射され、ラマン散乱光は、ビームスプリッタ１７を透過する。すなわち、ダイクロイックミラーをビームスプリッタ１７として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ビームスプリッタ１７で反射され、試料２２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、ダイクロイックミラーの反射特性は、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、ビームスプリッタ１７は、試料２２とＹ走査装置１３との間に配置されている。従って、ビームスプリッタ１７は、Ｙ走査装置１３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。
【００３２】
ビームスプリッタ１７を透過した出射光は、レンズ２４で屈折されて分光器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、レンズ２４は入射スリット３０上に出射光を集光している。すなわち、レンズ２４は、入射スリット３０上に試料２２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２２上におけるＹ走査装置１３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。
【００３３】
レンズ２４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２２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１３の走査方向とを一致させる。出射光は、Ｙ走査装置１３によってデスキャンされずに、ビームスプリッタ１７に入射しているため、Ｙ走査装置１３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２２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２２とは互いに共役な関係となるよう配置される。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。すなわち、絞り１５と試料２２面上とが互いに共役な関係となるように配置され、試料２２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１５が設けられたＸＹ平面及び試料２２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２２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検出器３２側に透過させる。レーザ光源１０から試料２２までの照明光学系及び試料２２から検出器３２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２３をＺ方向に移動することにより、試料２２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。
【００３４】
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。分光器３１は、回折格子（グレーティング）やプリズムなどの分光素子を備えており、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。反射型回折格子を用いた分光器３１の場合、さらに入射スリット３０からの光を分光素子までに導く凹面ミラーと分光素子によって分光された光を検出器３２まで導く凹面ミラーなどの光学系が設けられている。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検出器３２に入射する。検出器３２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、検出器３２は画素がアレイ状に配置された２次元ＣＣＤカメラなどの２次元アレイ光検出器である。
【００３５】
検出器３２には、例えば、冷却ＣＣＤを用いることができる。具体的には、検出器３２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、検出器３２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。検出器３２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、検出器３２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。検出器３２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。
【００３６】
検出器３２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５０に出力する。処理装置５０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、検出器３２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５０は、Ｙ走査装置１３及びＸ走査ミラー１８の走査や、ステージ２３の駆動を制御している。ここで、検出器３２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、検出器３２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。
【００３７】
Ｙ走査装置１３による走査と、検出器３２の画素との関係について図２を用いて詳細に説明する。図２（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２（ｂ）は、検出器３２における受光面を模式的に示す図である。図２（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方向における検出器３２の受光面に対応した長さを有している。
【００３８】
出射光はレンズ２４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３５が形成されている。ここで、Ｙ走査装置１３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３５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３５ａ、スポット３５ｂ・・・スポット３５ｎと順次移動していく。
【００３９】
図２（ｂ）には、検出器３２の受光面に設けられた画素３３が示されている。この画素３３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、検出器３２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。画素３３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２（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画素３３を画素３３ａとする。さらに、画素３３ａの隣、すなわち、上から２列目の画素３３を画素３３ｂとし、最下列の画素３３を画素３３ｎとする。
【００４０】
ここで、図２（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３５ａに入射しているとき、出射光は、最上列の画素３３ａ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、最上列の画素３３ａ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、最上列の画素３３ａ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、最上列の各画素３３ａ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検出器３２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。
【００４１】
Ｙ走査装置１３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を通過した光が検出器３２の上から２列目の画素３３ｂ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列目の画素３３ｂ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画素の縦方向は、Ｙ走査装置１３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。
【００４２】
ここで、検出器３２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１３の走査周期を露光時間よりも短くして、検出器３２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、検出器３２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１３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３５ａからスポット３５ｎまで移動する。従って、試料２２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。すなわち、試料２２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、検出器３２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、検出器３２の画素３３がａ〜ｎ列まであるため、試料２２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。
【００４３】
このように、２次元アレイ状に画素が配列された検出器３２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２２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２２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、正確に測定を短時間で行うことができる。
【００４４】
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走査ミラー１８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２２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走査ミラー１８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２２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２３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２３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。
【００４５】
また、Ｙ走査装置１３の走査速度が一定とならない領域を絞り１５によって遮光することが好ましい。これにより、ライン状の領域を均一にすることができる。これについて、図３を用いて説明する。図３（ａ）は、照明位置の変化を示す図であり、横軸が時間、縦軸が試料２２上における照明位置を示している。図３（ｂ）は、絞り１５の構成を模式的に示す側面断面図である。図３（ａ）に示すように、時間が経過するとともに、偏向角が変化していき、照明位置が＋Ｙ方向に移動していく。そして、Ｙ走査装置１３の走査範囲の一端になると、走査方向が＋Ｙ方向から−Ｙ方向に変わる。すなわち、Ｙ走査装置１３の走査範囲の端まで走査されると、走査方向が１８０°反転する。その後、照明位置は時間とともに−Ｙ方向に変化していき、走査範囲の他端になると、走査方向が−Ｙ方向から＋Ｙ方向に反転する。Ｙ走査装置１３は、これを繰り返して、照明位置をＹ方向に走査していく。
【００４６】
ここで、走査範囲の端部を除いた領域では、照明位置が時間とともにリニアに変化する。すなわち、図３のＡ〜Ｂの範囲では走査速度が一定となる。走査範囲がＡ及びＢの外側になる領域では、走査方向が反転するため、走査速度が一定にならない。したがって、絞り１５では、走査速度が一定で、照明位置がリニアに変化する範囲の光ビームを通過させるようにする。そして、絞り１５によって走査速度が一定でない範囲の光ビームを制限する。これにより、試料２２での照明位置がリニアに変化するため、均一に照明することができる。絞り１５の構成は、Ｙ走査装置１３の特性に応じて変化させればよい。すなわち、Ｙ走査装置１３の走査速度が一定になる領域のみの光が絞り１５を透過するように設定すればよい。換言すると絞り１５の開口部は図３（ａ）に示されているＡ及びＢの位置に対応すればよい。走査速度が一定でない範囲での光ビームの通過が絞り１５によって制限される。これにより、試料２２上での照明量を一定にすることができる。すなわち、試料２２の位置に応じた照明量のばらつきを低減することができる。よって、正確にラマンスペクトルの測定を行うことができる。
【００４７】
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２２上で照明光が入射する位置を同じにする。あるいは、検出器３２露光とＹ走査装置１３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、検出器３２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。
【００４８】
さらに、Ｙ走査装置１３によって、試料上の焦点を、試料における熱の拡散よりも速く動かすことで、熱による試料２２の損傷を防ぐことができる。すなわち、試料２２が生体などの場合、レーザ光の照射によって試料が損傷してしまうという問題がある。この問題は、レーザ光強度を高くすると、より顕著に表れる。具体的には、Ｙ走査装置１３によるＹ方向の走査を５０Ｈｚとし、１回の走査による試料２２上での走査範囲を５０μｍとする。すなわち、走査速度を５ｍｍ／ｓｅｃ以上とする。これにより、レーザの照射で生じる熱によって、試料が損傷するのを防ぐことができる。もちろん、走査速度は上記の値に限られるものではなく、試料の種類に応じて好適な走査速度を用いることができる。
【００４９】
次に、絞り１５の好適な形状について図４を用いて説明する。図４は、絞り１５の構成を示す側面断面図である。絞り１５は、遮光板１５ａとダンパ１５ｂとから構成されている。遮光板１５ａの断面は図４に示すように、ハの字型形状となっており、中央に開口が設けられている。すなわち、遮光板１５ａの光ビームが入射する側の面が光軸に対して傾いて配置されている。さらに、遮光板１５ａは、光ビームが入射面で光軸から離れる方向に散乱反射されるような傾斜角度で配置されている。従って、絞り１５ａが設けられている平面で光軸から離れた位置を伝播する光は遮光板１５ａに入射する。遮光板１５ａに入射した光は、遮光板１５ａで外側に散乱反射されダンパ１５ｂに入射する。ダンパ１５ｂは光を吸収する材質から構成され、遮光板１５ａで散乱反射した光を吸収する。もちろん、遮光板１５ａが光を吸収する材質で構成されていてもよい。
【００５０】
絞り１５を図４に示すような形状とすることによって、絞り１５によるレーザの散乱光が検出器３２まで到達するのを防ぐことができる。すなわち、ラマン分光においては、微弱な光を測定するため、絞り１５でのレーザの散乱光が検出器３２まで到達して問題となる場合がある。絞り１５での散乱光が検出器３２で検出されてしまうと、ノイズが発生し、測定を正確に行うことができなくなってしまう。しかしながら、図４に示すように、絞り１５の形状をハの字型形状とすることによって、散乱光が光軸から離れる方向に反射される。そして、光が散乱反射される方向にダンパ１５ｂを配置することで、散乱光を吸収することができる。従って、絞り１５の開口の外側に入射した光が検出器３２に入射するのを防ぐことができ、ノイズの問題を解決することができる。これにより、より正確にラマンスペクトルを測定することができる。
【００５１】
なお、上記の絞り１５の構成を入射スリット３０に適用してもよい。すなわち、図４に示す構成と同様に、入射スリット３０の開口部３０ａ周辺の入射側の面をハの字形状としてもよい。入射スリット３０の入射面を、光軸に対して傾斜させる。このとき、入射面が光を光軸から離れる方向に散乱反射するよう傾斜角度を設定する。そして、絞り１５と同様に、光が散乱反射される方向にダンパを配置する。これにより、入射スリット３０の開口部３０ａの外側に入射した光が検出器３２に入射するのを防ぐことができる。したがって、ノイズの発生を防ぐことができ、より正確に測定を行うことができる。
【００５２】
また、ビームスプリッタ１７として用いるダイクロイックミラーへの光の入射角度は小さくすることが好ましい。これについて図５を用いて説明する。図５は、光学顕微鏡１００の一部の構成を模式的に示す図であり、具体的には、レンズ１６、ビームスプリッタ１７、Ｘ走査ミラー１８、レンズ２４、入射スリット３０、分光器３１及び検出器３２の構成を示している。図５に示すように、レンズ１６からの光ビームのダイクロイックミラーの反射面に対する入射角度θを小さくしている。ここで、光ビームの入射角度θは、光ビームの主光線とビームスプリッタの反射面の垂線との間の角度である。ダイクロイックミラーの反射面に対するレンズ１６からの光ビームの入射角度θは、例えば１２°以下とすることが好ましく、さらに、入射角度θを１０°とすることがより好ましい。また、レンズ１６と光路が重ならないように入射角度θ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、ダイクロイックミラー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、ダイクロイックミラーのレーリー散乱光に対する反射率及び、ダイクロイックミラー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、光ビームのダイクロイックミラーに対する入射角度θは、上記の値に限定されるものではない。
【００５３】
なお、上記の説明では、ビームスプリッタ１７としてダイクロイックミラーを用いたが、これに限定されるものではない。例えば、ビームスプリッタ１７としてハーフミラーを用いることができる。ハーフミラーは入射した光の略半分を透過させ、もう半分を反射させる。あるいは、ビームスプリッタ１７として、入射した光のうち一定の割合の光を透過させ、一定の割合を反射させるビームスプリッタを用いてもよい。すなわち、所定の透過率と所定の反射率とを有するものを用いてもよい。なお、ビームスプリッタ１７としてハーフミラーを用いた場合、検出器３２にレーリー散乱光が入射されるのを防ぐため、ダイクロイックフィルターやエッジフィルタを設けることが好ましい。すなわち、カットオフ波長がレーザ波長よりも長くなるフィルタを用いて、レーザ波長の光を遮光し、レーザ波長よりも長い波長の光を透過することが好ましい。フィルタは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。これにより、レーリー散乱光とラマン散乱光とを分離することができる。フィルタは入射スリット３０とビームスプリッタ１７との間に配置することが好ましい。すなわち、ビームスプリッタ１７で分離された出射光をフィルタに入射させ、ラマン散乱光とレーリー散乱光を分離する。さらに、フィルタは、入射スリット３０の近傍に配置することが好ましい。これにより、入射スリット３０にレーザ散乱光が迷光として入射するのを防ぐことができる。
【００５４】
さらに、上記のフィルタを用いた場合、フィルタに対する光の入射角度を変えることによって、カットオフ波長を調整することができる。このフィルタの配置構成について図６を用いて説明する。図６は、光学顕微鏡１００の一部の構成を示す図であり、フィルタ周辺の構成を示している。また、図６はＹ方向に沿った断面図を示している。ここでは、図１に示すレンズ２４よりも入射スリット３０側の構成を配置している。すなわち、レンズ２４と入射スリット３０との間に、図６に示す絞り２５、レンズ２６及びフィルタ２７及びフィルタ２８を配置する。
【００５５】
ここで、フィルタ２７とフィルタ２８とは同じ特性を有するフィルタである。フィルタ２７、２８は例えば、円板状をしている。この２枚のフィルタ２７、２８をハの字型に配置する。すなわち、光軸に垂直な面に対して対称になるよう２枚のフィルタ２７，２８を配置する。さらに、フィルタ２７、２８に対する光の入射角度を調整するため、フィルタ２７、２８には、フィルタ駆動装置２９が接続されている。フィルタ駆動装置２９は、フィルタ２７、２８の入射面の角度を変化して、光の入射角度を調整する。これにより、カットオフ波長を調整することができる。これにより、レーザ波長に近い波長の光を検出したり、レーザ波長に近い波長の光を遮光したりすることができる。さらに、フィルタ駆動装置２９によるフィルタ２７、２８の駆動は、フィルタ２７とフィルタ２８が対称に配置されるよう連動している。すなわち、フィルタ駆動装置２９はフィルタ２７とフィルタ２８とが光軸に垂直に配置された状態から、フィルタ２７とフィルタ２８とを同じ角度だけ反対方向に駆動する。これにより、フィルタの傾斜角度を変化させた場合でも、フィルタでの屈折によって光軸がずれることなくなり、ラマン散乱光が入射スリット３０の開口部に入射する。従って、正確な測定を簡便に行うことができる。フィルタ駆動装置２９の駆動は処理装置５０からの電気信号によって制御される。もちろん、フィルタ２７及びフィルタ２８は同時に駆動させる必要がなく、一方のフィルタを駆動させてから、他方のフィルタの駆動を開始してもよい。
【００５６】
さらに光学顕微鏡１００では、出射光がデスキャンされずに検出されているため、Ｙ方向の走査位置に応じてフィルタ２７、２８に対する入射位置が変化する。すなわち、走査範囲の中心では、出射光がフィルタ２７，２８の中心近傍に入射し、走査範囲の端では、出射光がフィルタ２７、２８の中心から離れた箇所に入射する。この場合、走査位置に応じてフィルタ２７、２８に対する入射角度が変化すると、カットオフ波長が変化してしまう。すなわち、検出器３２の各画素でカットオフ波長が変化してしまう。この場合、例えば、レーザ波長に近い波長の光を検出すると、レーリー散乱光を十分にカットできないおそれがある。これを防ぐための構成について図６を参照して説明する。
【００５７】
図１に示したレンズ２４の後側には、図６に示すように絞り２５が設けられている。レンズ２４は絞り２５に出射光を集光して、像を形成している。絞り２５を通過した出射光は、レンズ２６に入射する。ここで、レンズ２６の焦点距離は、絞り２５とレンズ２６との間隔と等しくなっている。すなわち、絞り２５が配置された面から、レンズ２６の焦点距離だけ離れた面に、レンズ２６を配置する。この構成では、走査位置が変化した場合でも、主光線とフィルタのなす角度が一定になる。よって、走査位置に応じたカットオフ波長の変動を低減することができる。フィルタ２７，２８を光軸に対して傾けて配置した場合でも、カットオフ波長を均一にすることができる。
【００５８】
なお、上述の説明では、ラマン顕微鏡を備えた光学顕微鏡１００について説明したが、本発明はこれに限られるものでない。入射光のレーザ波長と異なる波長で試料から出射する出射光を検出する顕微鏡であればよい。例えば、励起光によって励起される蛍光を検出する顕微鏡や、赤外吸収を検出する顕微鏡であってもよい。これらの顕微鏡でも、短時間で、スペクトルの空間分布の測定を行うことができる。さらに、上記の光学顕微鏡１００では、Ｘ走査ミラー１８によってＸ方向に走査する構成としたが、これに限るものではない。例えば、ステージ２３の駆動によって、Ｘ方向に走査してもよい。また、検出器は、ＣＣＤカメラに限られるものではない。すなわち、検出器３２は、検出画素がアレイ状に配置され、所定の露光時間を有する蓄積型カメラであればよく、例えば、ＣＭＯＳイメージセンサを用いることができる。
【００５９】
本実施の形態では、入射光を高速に走査して、試料２２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２２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２２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２２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。
【００６０】
さらに、本実施の形態では、ラマン顕微鏡を集光する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２１の試料２２との距離を変化させ、試料２２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２２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。
【００６１】
発明の実施の形態２．
本実施の形態にかかる光学顕微鏡の構成について図７を用いて説明する。図７は、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。なお、本実施の形態にかかる光学顕微鏡は、実施の形態１にかかる光学顕微鏡に加えて、シリンドリカルレンズ５１が設けられている。このシリンドリカルレンズ５１は、レンズ１４の後に設けられている。なお、本実施の形態にかかる光学顕微鏡の基本的構成は、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。すなわち、シリンドリカルレンズ５１以外の構成については、実施の形態１と同様である。
【００６２】
図７に示すように、レンズ１４と絞り１５との間には、シリンドリカルレンズ５１が配置されている。シリンドリカルレンズ５１は凹レンズである。このシリンドリカルレンズ５１によって、凸レンズであるレンズ１４のＸ方向の屈折が打ち消される。従って、試料２２上では、レーザ光のビームスポットがＸ方向に延びて、楕円状になる。そして、Ｘ走査装置１３によってＸ方向に走査される。Ｘ方向に延びたスポットを有するレーザ光がＸ方向に走査され、試料２２に照射される。シリンドリカルレンズ５１によって延びる方向は、Ｘ走査装置１３の走査方向と一致している。すなわち、Ｘ走査装置１３は、シリンドリカルレンズ５１によって延びる方向に、レーザ光を走査する。
【００６３】
このように、Ｘ走査装置１３に加えてシリンドリカルレンズ５１を配置することによって、試料２２にダメージが加わるのを防ぐことができる。すなわち、シリンドリカルレンズ５１を用いてＸ方向にスポットを延ばすことによって、レーザ光の照射パワーの密度を低くすることができる。よって、試料２２に対するダメージを低減することができる。このような構成でも、Ｘ走査装置１３によってレーザ光をＸ方向に走査しているため、レーザ光強度の空間分布が平均化される。よって、精度の高い測定を行うことができる。さらに、レーザ光強度を高くすることができるため、測定時間をさらに短縮することができる。
【００６４】
なお、上記の説明ではシリンドリカルレンズ５１を凹レンズとしたが、凸レンズとすることも可能である。例えば、レンズ１４の換わりに、凸レンズのシリンドリカルレンズを配置してもよい。また、シリンドリカルレンズ５１が配置される箇所は、図７に示す位置に限られるものではない。例えば、シリンドリカルレンズ５１が配置される位置は、レーザ光源１０とビームスプリッタ１７の間であればよい。従って、Ｘ走査装置１３の後に限らず、Ｘ走査装置１３の前にシリンドリカルレンズ５１を配置してもよい。すなわち、シリンドリカルレンズ５１でＸ方向に延びたレーザ光をＸ走査装置１３で走査してもよい。ここで、シリンドリカルレンズ５１は絞り１５の前に配置することが好ましい。すなわち、シリンドリカルレンズ５１は、絞り１５とレーザ光源１０の間に配置する。そして、走査速度が一定とならない領域を絞り１５によって遮光する。これにより、試料２２に対してレーザ光を均一に照射することができ、精度の高い測定を行うことができる。さらに、レーザ光のビームスポットを延ばす光学素子は、シリンドリカルレンズに限られるものではない。例えば、パウエルレンズや、ホログラフィック素子などを用いることができる。
【００６５】
発明の実施の形態３．
本実施の形態にかかる光学顕微鏡の構成について図８を用いて説明する。図８は、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。なお、本実施の形態にかかる光学顕微鏡は、実施の形態１にかかる光学顕微鏡に加えて、容器６１が設けられている。この容器６１は、レンズ１９とレンズ２０の間に設けられている。なお、本実施の形態にかかる光学顕微鏡の基本的構成は、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。すなわち、容器６１以外の構成については、実施の形態１と同様である
【００６６】
この容器６１は、例えば、真空容器である。すなわち、容器６１内が真空状態となっている。そして、容器６１は、レンズ１９によってレーザ光が集光される位置に配置されている。すなわち、レンズ１９の結像面には容器６１が配置されている。容器６１の対向する部分にはウィンドウ６２、６３が取り付けられている。すなわち、容器６１のレーザ光が入射する入射側にはウィンドウ６２が設けられ、レーザ光が出射する出射側にはウィンドウ６３が設けられている。ウィンドウ６２，６２は、レーザ光、及びラマン散乱光を透過する透明部材であり、光路中に配置される。従って、容器６１を光路中に配置した場合でも、レーザ光、及びラマン散乱光はウィンドウ６２、６３を透過する。よって、ラマン散乱光を検出することができる。もちろん、容器６１全体を透明な材質としてもよい。
【００６７】
ここで、容器６１がない場合、レンズ１９の集光位置では、レーザ光のパワーの空間密度が高いため、空気中の分子によるラマン散乱光が発生する。例えば、酸素、又は窒素にレーザ光が照射されると、ラマン散乱光が出射される。従って、空気からのラマン散乱光が、光学系を伝播して、検出器３１によって検出されてしまう。この場合、空気からのラマン散乱光がノイズとなってしまう。しかしながら、本実施の形態に示すように、レンズ１９によってレーザ光が集光される位置を真空状態とすることによって、空気からのラマン散乱光の発生を防ぐことができる。このように、レーザ光のパワーの空間密度が高い位置を真空状態とすることにより、精度の高い測定が可能となる。
【００６８】
なお、上記の説明では、容器６１の内部を真空状態としたが、これに限られるものではない。例えば、容器６１中に、試料２２から出射されるラマン散乱光の波長域と異なる波長域のラマン散乱光を出射する物質を配置してもよい。この物質は、試料２２によって選択され、気体、液体、又は固体のいずれでもよい。すなわち、試料２２に応じて、空気以外の物質を集光位置に配置することができる。この物質にはレーザ光と試料２２からのラマン散乱光とを透過する透明部材を用いる。もちろん、レンズ１９の集光位置に固体を配置する場合は、容器６１は不要となる。なお、実施の形態２、及び実施の形態３の構成を組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【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】本発明の実施の形態１にかかる光学顕微鏡において、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、検出器の受光面を模式的に示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１にかかる光学顕微鏡において、照明位置の変化を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１にかかる光学顕微鏡に用いられる絞りの好適な構成を示す側面断面図である。
【図５】本発明の実施の形態１にかかる光学顕微鏡において用いられるダイクロイックミラー近傍の構成を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態１にかかる光学顕微鏡において用いられるフィルタ近傍の構成を示す側面図である。
【図７】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８】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】
【００７０】
１０  レーザ光源、１１  ビームエキスパンダ、１３  Ｙ走査装置、
１４  レンズ、１５  絞り、１６  レンズ、１７  ビームスプリッタ、
１８  Ｘ走査ミラー、１９  レンズ、２０  レンズ、２１  対物レンズ、２２  試料、
２３  ステージ、２４  レンズ、２５  絞り、２６  レンズ、２７  フィルタ、
２８  フィルタ、２９  フィルタ駆動装置、３０  入射スリット、３１  分光器、
３２  検出器、３３  画素、３５  スポット、４０  ステージ駆動装置、
５０  処理装置、５１  シリンドリカルレンズ、６１  容器、６２、ウィンドウ
６３  ウィンドウ
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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