顕微ラマン分光システムの詳細
岡山大学

惑星物質研究所
神崎正美
http://www.misasa.okayama-u.ac.jp/~masami/pukiwiki/
HDカメラに変更後
2019年秋

20191014

レーザー付近
レーザーから出た光は、レーザーラインフィルターを透過、NDフィルターを透過する。回転NDフィルターは濃度が円周上で変化しており、サーボモーターで２つの位置（最大透過、最大吸収）にPCから制御する。

488 nm レーザー
Coherent Sapphire SF

488 nm レーザー サーボモーターに取り付けた
ラインフィルター
回転NDフィルター

ミラー

Thorlabのポスト

NDフィルターの後銀ミラー２つを使って、レーザーを高い位置へ上げている。

キネマテッィクマウンドにのった銀ミラー
レンズ

ピンホール

ここ光学
部品なし

ビームスプリッター

レンズ

キネマテッィクマウンドにのった銀ミラー

反射率の高さを考えて、銀ミラーを使っている。

２つのミラーの後方
ミラーの後はビームエキスパンダー部分になるが、あまり拡大していない。理由は拡大しても対物レンズのアイリスが大きくないので、ビームがはみ出るからである。現状はビームのクリーンアップに使っている。後方の２つはXY方向の微調整ができる。

レンズ
移動できる

ピンホールレンズ

対物レンズの付近
この例では、ダイヤモンドアンビルセル
高圧装置が試料位置に置かれている。対ビーム
スプリッター

物レンズは、ミツトヨの可視ー近赤外用の長作動距離対物レンズ（20倍で20mm）を使用している。ミツトヨレンズのネジはソーラボのSM1ネジと全く同じではないが、問題なくネジ込める。
この場合、普通のビームスプリッターが微調整できるマウントに乗って、黒い四長作動距離対物レンズ角の箱に固定されている。ネジで角度等を調整できる。このビームスプリッターは、Semrockのラマン用のダイクロイックビームスプリッターと交換できる。ただ、100-250 cm-1の領域が測定難しくな試料部（ダイヤモンドアンビルセル）るが、強度は約３倍あがる。Ondaxのフィルターを使う場合は、ビームスプリッター自体を取り外し、右横のケージ用ロッド部分に小型ミラーが乗ったキネ
マテックマウントを取り付ける。

試料ステージ部分
普段は手動のXYZステージを使ってい試料部分る。他にも電動のXYステージも利用できる。そちらはマッピング用に使う。
中にミラーがあり、光を上に反射

ファイバー光源から導入

ダイヤモンドアンビルセル等の実験では透過光源が必要となる。そのため、XYZステージの上に、透過光源用のミラーが取り付けてある。ファイバー光源からの光を右側から導入している。黒いチューブの中にレンズがあり、光を試料

シグマ光機の手動XYZステージ部分に集光するようにしている。この部分はソーラボのキューブだが、ちょっと取り付けに困るので、キューブを一部削っている。

用途や試料高さにより下部のアルミ板部交換可能なアルミ板（高さ調整する）分を交換可能である。Z軸でカバーできない場合は、板を交換する。

対物レンズの上側
無限光学系なので、対物レンズ後方はビームがコリメートされている。ここにフィルターや光源を挿入できる。この場合は、まずASEフィルターがあり、これはOndaxフィルターの場合に使う。5度程度傾ける必要があるので、傾きが調整できるマウントに乗っている。Ondaxでない場合も益はあっても（レーザー波長付近を吸収する）特に害はないので、そのままにしている。その後ろに落射光を導入するためのビームスプリッターがある。このビームスプリッターはPCからの指令で光路から外すことができる。

校正用にネオンランプをビームスプリッターの左側に置いている。校正時はラネオン
ランプ

ペリクルビーム
スプリッター

ンプを点灯して、ビームス落射光源導入プリッターを光路に入れる。ネオンランプはビームスプリッターで上側に送られる。試料側とは無関係。

Ondax ASEフィルター

ペリクルビームスプリッ

ケージをここで固定しているターを使う。ペリクルは非常に薄いもので、光路から出し入れしても光軸がずれビームスプリッターない利点があるが、取り扱いは難しい。

結像レンズ部分（ビームスプリッターの直上）
ミツトヨは結像レンズを焦点距離f=200としている。残念ながらミツトヨ純正の結像レンズはソーラボの30 mmケージにそのままでは入らない。ハウジングを削る加工が必要。難しい場合は、エドモンドなどで売っているf=200のアクロマートレンズを使ってもいいと思う。

銀ミラー
ミツトヨの結像レンズ
f=200

ネオンランプ結像レンズ後
２つ目のペリクルビームスプリッターは、CCDカメラ用である。最近、TVカメラからHDカメラに変更した。HDMI出力があるので、これを液晶ディスプレイにつないで試料を観察できる。
USBでPCに接続も可能で、画像を取り込むことも可能。このビームスプリッターも出し入れ可能。測定時は光路から外す。この後にコンフォーカル用のピンホールがあり、さらにその後にコリメート用レンズがある。

Cマウント
HDカメラ
(HDMI出力)

コリメート
レンズ
f=100

コンフォーカル
ピンホール

ペリクル
ビーム
スプリッター

銀ミラー

ミツトヨの結像レンズ
f=200

ちょっと違った方向からHDカメラ

ピンホールはXY微調整可能である。また、マ
グネットベースに乗っているので、取り外しでき、精度良く戻すことができる。こういう部分は30 mmケージの中に入れることが難しい。
この場合はU字型のパーツを使って、ケージ外にしている。
コンフォーカル用
ピンホール位置

マグネットベース
調整用のXステージ

コリメートレンズの後コリメート用レンズの後にフィルター類が入る。Ondax用のキネマテックマウントが２個設置している。Ondaxフィルターを使う場合にはここにフィルターを取り付けて、角度を調整する。

Ondaxフィルター用の
キネマテックマウント

銀ミラー

f=100
コリメート用
アクロマートレンズ

入射スリット前
この例ではSemrockのラマンエッジフィルターをマウントしている。ここは元々偏光フィルターを置いていたので、回転マウントになっている。微妙にエッジ位置を変化させたいときは、Ondaxを入れているキネマテックマウントの方に取り付けて、回転を調整する。その後にdepolarizerがあり、最後に結像レンズでモノクロメーターの入射スリット位置にフォーカスさせる。

Semrock
ラマンエッジフィルター
depolarizer
入射スリット

f=100
アクロマティック
レンズ XY微調整

銀ミラー

出し入れ可能なペリクルビームスプリッター

ペリクル
ビームスプリッター部（CCD用）

ペリクル
ビームスプリッター部（落射光用）

このシステムでは、ビームスプリッターを光路から出し入れできる。これにより測定時は感度が高く、観察時ははっきりとみることができる。
ペリクルビームスプリッターはエアーシリンダーを使って、移動している。エアーシリンダー自体はPCから制御できる。なお、ペリクルは非常に薄いので、エアーブローは厳禁であり、取り扱いは注意を要する。
こんな面倒なことをしたくない場合は、90%透過10%反射のビームスプリッターを入れて、固定して運用する。その場合はラマン強度は２割ほど落ち、試料画像の明るさは1/3位に落ちる。普通これでも問題ないはず。

制御装置
上記の回転NDフィルター、光源のON/OFF, ビームスプリッターの出し入れをこのコントローラーで制御する。内部は単にPCからI/O制御させるボード（秋月電子）とリレーなどが入っている。PCにはUSBで繋がっている（実際にはUSB-Serialで変換して、PCにはSerialで繋がる）。制御ソフトはVisual Studioで作成している。測定ボタンをクリックすると自動的に回転NDフィルターを測定位置に回転、光源OFF, ビームスプリッターをアウト位置にしてくれる。

レーザー遮蔽
試料部は普通カバーしてないので、測定射側にも散乱したレーザー光が来る。測定時はレーザー保護用のメガネをつけている。また、ここに示す様なレーザー（この場合、488 nm）を吸収する特殊なアクリル板を加工して、衝立（表紙に出ている）や試料周りの散乱防止用に使っている。残念なことにこのアクリル板が結構高い。
また、光学系は十分にカバーされてないので、室内灯（蛍光灯）をつけていると、蛍光灯の水銀線が入ってくる。そのため、測定時は蛍光灯は切って、その代わりにLED照明をつけている。さらに液晶ディスプレイなどからも余計な輝線が出ていることがあるので、それらを覆ったりして、測定して影響がないことを確認しておく必要がある。
このシステムでは、488 nmの時にPCモニターから3200 cm-1付近に２つの輝線がでる。