特開 2024-3439 ラマン赤外複合顕微装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024003439

(43)【公開日】2024-01-15

(54)【発明の名称】ラマン赤外複合顕微装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 21/06 20060101AFI20240105BHJP

   G01N 21/65 20060101ALI20240105BHJP

   G01N 21/35 20140101ALI20240105BHJP

   G02B 21/18 20060101ALI20240105BHJP

   G02B 21/36 20060101ALI20240105BHJP

【ＦＩ】

G02B21/06

G01N21/65

G01N21/35

G02B21/18

G02B21/36

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022102576

(22)【出願日】2022-06-27

(71)【出願人】

【識別番号】000001993

【氏名又は名称】株式会社島津製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】勝谷 郁也

(72)【発明者】

【氏名】篠山 智生

(72)【発明者】

【氏名】田尾 知世

(72)【発明者】

【氏名】太田黒 敦彦

(72)【発明者】

【氏名】渋谷 龍太

(72)【発明者】

【氏名】福田 久人

【テーマコード（参考）】

2G043

2G059

2H052

【Ｆターム（参考）】

2G043AA01

2G043EA03

2G043EA13

2G043EA14

2G043FA01

2G043FA02

2G043FA06

2G043GA02

2G043GA04

2G043GA06

2G043GA08

2G043GB18

2G043GB21

2G043HA01

2G043HA02

2G043HA03

2G043HA09

2G043KA01

2G043KA02

2G043KA09

2G043LA01

2G043LA03

2G043MA16

2G059AA01

2G059AA05

2G059EE01

2G059EE02

2G059EE03

2G059EE12

2G059FF01

2G059FF03

2G059GG01

2G059GG03

2G059HH01

2G059HH02

2G059JJ11

2G059JJ13

2G059JJ14

2G059KK01

2G059KK04

2G059PP10

2H052AA00

2H052AB01

2H052AB06

2H052AB25

2H052AC04

2H052AC05

2H052AC13

2H052AC14

2H052AC18

2H052AC27

2H052AC34

2H052AF07

2H052AF14

(57)【要約】

【課題】小型化が可能なラマン赤外複合顕微装置を提供する。
【解決手段】ラマン赤外複合顕微装置（１００）は、レーザ光Ｌ３を発生させる第１光源（１１）と、赤外光（Ｌ２）を発生させる第２光源（１２）と、可視光（Ｌ３）を発生させる第３光源（１３）と、第１光学系（３７）とを備える。第１光学系は、第１光学系に達した可視光を、レーザ光が照射されることにより試料から発生したラマン光を用いてラマン分析が行われる際と試料を透過した赤外光を用いて第１赤外分析が行われる際とで異なる方向に向かわせる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザ光を発生させる第１光源と、
赤外光を発生させる第２光源と、
可視光を発生させる第３光源と、
第１光学系とを備え、
前記第１光学系は、前記第１光学系に達した前記可視光を、前記レーザ光が照射されることにより試料から発生したラマン光を用いてラマン分析が行われる際と前記試料を透過した前記赤外光を用いて第１赤外分析が行われる際とで異なる方向に向かわせる、ラマン赤外複合顕微装置。

【請求項2】

前記第１光学系は、前記第１光学系に達した前記可視光を、前記ラマン分析が行われる際と前記試料において反射された前記赤外光を用いて第２赤外分析が行われる際とで同一の方向に向かわせる、請求項１に記載のラマン赤外複合顕微装置。

【請求項3】

第１可視カメラと、
第２可視カメラとをさらに備え、
前記ラマン分析が行われる際、前記可視光は、前記試料において反射された上で前記第１可視カメラに入射し、
前記第１赤外分析が行われる際、前記可視光は、前記試料を透過した上で前記第２可視カメラに入射する、請求項２に記載のラマン赤外複合顕微装置。

【請求項4】

前記第２赤外分析が行われる際、前記可視光は、前記試料において反射された上で前記第２可視カメラに入射する、請求項３に記載のラマン赤外複合顕微装置。

【請求項5】

第２光学系をさらに備え、
前記第２光学系は、前記ラマン分析が行われる際に前記試料において反射された前記可視光を反射させて前記第１可視カメラに入射させるとともに、前記第２赤外分析が行われる際に前記試料において反射された前記可視光を通過させて前記第２可視カメラに入射させる、請求項４に記載のラマン赤外複合顕微装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、ラマン赤外複合顕微装置に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば国際公開第２０２０／０７５５４８号（特許文献１）には、顕微分光装置が記載されている。特許文献１に記載の顕微分光装置は、ラマン分析及び赤外分析の双方を行うことが可能になっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】国際公開第２０２０／０７５５４８号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ラマン分析及び赤外分析が行われている際に、可視光により試料の状態を観察できることが好ましい。しかしながら、このような観察を行うために、ラマン分析が行われる際に用いられる可視光源及び赤外分析が行われる際に用いられる可視光源の双方が組み込まれると、装置が大型化してしまう。

【0005】

本開示は、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたものである。より具体的には、本開示は、小型化が可能なラマン赤外複合顕微装置を提供するものである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示のラマン赤外複合顕微装置は、レーザ光を発生させる第１光源と、赤外光を発生させる第２光源と、可視光を発生させる第３光源と、第１光学系とを備える。第１光学系は、第１光学系に達した可視光を、レーザ光が照射されることにより試料から発生したラマン光を用いてラマン分析が行われる際と試料を透過した赤外光を用いて第１赤外分析が行われる際とで異なる方向に向かわせる。

【発明の効果】

【0007】

本開示のラマン赤外複合顕微装置によると、小型化が可能である。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】ラマン赤外複合顕微装置１００の模式図である。

【図2】ラマン赤外複合顕微装置１００を用いて行われるラマン分析を説明する模式図である。

【図3】ラマン赤外複合顕微装置１００を用いて行われる第１赤外分析を説明する模式図である。

【図4】対物ミラー３５Ｂの模式図である。

【図5】対物ミラー４１の模式図である。

【図6】赤外光Ｌ２が対物ミラー４１、試料Ｓ及び対物ミラー３５Ｂを通過する際の模式図である。

【図7】ラマン赤外複合顕微装置１００を用いて行われる第２赤外分析を説明する模式図である。

【図8】赤外光Ｌ２が対物ミラー３５Ｂを通過する際の模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

本開示の実施形態の詳細を、図面を参照しながら説明する。以下の図面では、同一又は相当する部分に同一の参照記号を付し、重複する説明は繰り返さないものとする。実施形態に係るラマン赤外複合顕微装置を、ラマン赤外複合顕微装置１００とする。

【0010】

（ラマン赤外複合顕微装置１００の構成）
以下に、ラマン赤外複合顕微装置１００の構成を説明する。

【0011】

図１は、ラマン赤外複合顕微装置１００の模式図である。図１に示されているように、ラマン赤外複合顕微装置１００は、第１光源１１と、第２光源１２と、第３光源１３とを有している。第１光源１１は、レーザ光Ｌ１を発生させる光源である。第２光源１２は、赤外光Ｌ２を発生させる光源である。第３光源１３は、可視光Ｌ３を発生させる光源である。

【0012】

ラマン赤外複合顕微装置１００は、第１可視カメラ２１と、第２可視カメラ２２とをさらに有している。第１可視カメラ２１及び第２可視カメラ２２は、可視光による撮影が可能なカメラである。ラマン赤外複合顕微装置１００は、ビームスプリッタ３１と、ビームスプリッタ３２と、切り替えビームスプリッタ３３と、エッジミラー３４と、対物レンズ３５Ａとをさらに有している。

【0013】

ラマン赤外複合顕微装置１００は、ビームスプリッタ３６と、切り替えミラー３７と、ミラー３８と、ミラー３９と、ミラー４０と、対物ミラー４１と、ビームスプリッタ４２とをさらに有している。ラマン赤外複合顕微装置１００は、分光器５１と、赤外検出器５２とをさらに有している。

【0014】

＜ラマン分析＞
図２は、ラマン赤外複合顕微装置１００を用いて行われるラマン分析を説明する模式図である。図２に示されているように、ラマン分析が行われる際、レーザ光Ｌ１は、ビームスプリッタ３１において反射される。ビームスプリッタ３１において反射されたレーザ光Ｌ１は、ビームスプリッタ３２を通過した上で、切り替えビームスプリッタ３３において反射される。切り替えビームスプリッタ３３において反射されたレーザ光Ｌ１は、エッジミラー３４において反射された上で、対物レンズ３５Ａを通過して試料Ｓに集光される。対物レンズ３５Ａは、一般的な構成の対物レンズでよい。

【0015】

試料Ｓにレーザ光Ｌ１が照射されることにより、ラマン光Ｌ４が発生する。ラマン光Ｌ４は、対物レンズ３５Ａを通過する。対物レンズ３５Ａを通過したラマン光Ｌ４は、エッジミラー３４において反射される。エッジミラー３４で反射されたラマン光Ｌ４は、切り替えビームスプリッタ３３において反射される。切り替えビームスプリッタ３３において反射されたラマン光Ｌ４は、ビームスプリッタ３２及びビームスプリッタ３１を通過して分光器５１に入射される。分光器５１において、ラマン光Ｌ４を用いてラマン分析が行われる。

【0016】

ラマン分析が行われる際、可視光Ｌ３は、ビームスプリッタ３６において反射される。ビームスプリッタ３６において反射された可視光Ｌ３は、切り替えミラー３７において反射される。切り替えミラー３７において反射された可視光Ｌ３は、ミラー３８において反射される。ミラー３８において反射された可視光Ｌ３は、切り替えビームスプリッタ３３を通過した上で、エッジミラー３４において反射される。エッジミラー３４で反射された可視光Ｌ３は、対物レンズ３５Ａを通過して試料Ｓに照射される。

【0017】

試料Ｓにおいて反射された可視光Ｌ３は、対物レンズ３５Ａを通過した上でエッジミラー３４において反射される。エッジミラー３４において反射された可視光Ｌ３は、切り替えビームスプリッタ３３において反射される。切り替えビームスプリッタ３３において反射された可視光Ｌ３は、ビームスプリッタ３２において反射された上で、第１可視カメラ２１に入射される。これにより、ラマン分析が行われる際の試料Ｓが観察される。

【0018】

＜第１赤外分析＞
図３は、ラマン赤外複合顕微装置１００を用いて行われる第１赤外分析を説明する模式図である。図３に示されているように、第１赤外分析が行われる際、赤外光Ｌ２は、ビームスプリッタ３６を通過した上で、切り替えミラー３７において反射される。切り替えミラー３７は、ラマン分析が行われる際と異なる方向を向いている。そのため、切り替えミラー３７において反射された赤外光Ｌ２は、ラマン分析が行われる際に切り替えミラー３７において反射された可視光Ｌ３と異なる方向に向かう。切り替えミラー３７において反射された赤外光Ｌ２は、ミラー３９において反射される。ミラー３９において反射された赤外光Ｌ２は、ミラー４０において反射される。ミラー４０において反射された赤外光Ｌ２は、対物ミラー４１、試料Ｓ及び対物ミラー３５Ｂを通過する。なお、第１赤外分析が行われる際、エッジミラー３４は挿入されていない。また、第１赤外分析が行われる際、対物レンズ３５Ａに代えて、対物ミラー３５Ｂが用いられる。図示されていないが、対物レンズ３５Ａ及び対物ミラー３５Ｂはレボルバに取り付けられており、当該レボルバを回転させることにより対物レンズ３５Ａ及び対物ミラー３５Ｂの切り換えが行われる。

【0019】

図４は、対物ミラー３５Ｂの模式図である。図４に示されるように、対物ミラー３５Ｂは、非球面ミラー３５ａと、球面ミラー３５ｂと、球面ミラー３５ｃとを有している。対物ミラー３５Ｂの光軸の方向を、第１方向ＤＲ１とする。第１方向ＤＲ１に直交している方向を、第２方向ＤＲ２とする。図４中では、第２方向ＤＲ２における非球面ミラー３５ａの中央位置Ｃ１が、点線で示されている。球面ミラー３５ｃは、中央位置Ｃ１に関して球面ミラー３５ｂと対称に配置されている。中央位置Ｃ１よりも第２方向ＤＲ２における一方側（球面ミラー３５ｂ側）にある非球面ミラー３５ａの部分を、第１部分３５ａａとする。中央位置Ｃ１よりも第２方向ＤＲ２における他方側（球面ミラー３５ｃ側）にある非球面ミラー３５ａの部分を、第２部分３５ａｂとする。

【0020】

図５は、対物ミラー４１の模式図である。図５に示されているように、対物ミラー４１は、非球面ミラー４１ａと、球面ミラー４１ｂと、球面ミラー４１ｃとを有している。対物ミラー４１の光軸の方向は、第１方向ＤＲ１に沿っている。図５中では、第２方向ＤＲ２における非球面ミラー４１ａの中央位置Ｃ２が、点線で示されている。球面ミラー４１ｃは、中央位置Ｃ２に関して、球面ミラー４１ｂと対称に配置されている。中央位置Ｃ２よりも第２方向ＤＲ２における一方側（球面ミラー４１ｂ側）にある非球面ミラー４１ａの部分を、第１部分４１ａａとする。中央位置Ｃ２よりも第２方向ＤＲ２における他方側（球面ミラー４１ｃ側）にある非球面ミラー４１ａの部分を、第２部分４１ａｂとする。

【0021】

図６は、赤外光Ｌ２が対物ミラー４１、試料Ｓ及び対物ミラー３５Ｂを通過する際の模式図である。図６に示されるように、対物ミラー４１に入射した赤外光Ｌ２の一部は、第１部分４１ａａにおいて反射されるとともに、球面ミラー４１ｂにおいてさらに反射される。対物ミラー４１に入射した赤外光Ｌ２の他の一部は、第２部分４１ａｂにおいて反射されるとともに、球面ミラー４１ｃにおいてさらに反射される。これにより、赤外光Ｌ２は、集光された上で試料Ｓを通過する。

【0022】

試料Ｓを通過した赤外光Ｌ２の一部は、球面ミラー３５ｂ及び第１部分３５ａａにおいて反射される。同様に、試料Ｓを通過した赤外光Ｌ２の他の一部は、球面ミラー３５ｃ及び第２部分３５ａｂにおいて反射される。これにより、試料Ｓを通過した赤外光Ｌ２が、対物ミラー３５Ｂを通過することにより、第１方向ＤＲ１に平行となる。

【0023】

図３に示されるように、対物ミラー４１、試料Ｓ及び対物ミラー３５Ｂを通過した赤外光Ｌ２は、ビームスプリッタ４２を通過して赤外検出器５２に入射される。赤外検出器５２において、試料Ｓを通過した赤外光Ｌ２を用いて第１赤外分析が行われる。

【0024】

第１赤外分析が行われる際、可視光Ｌ３は、ビームスプリッタ３６において、反射される。ビームスプリッタ３６において反射された可視光Ｌ３は、切り替えミラー３７において反射される。上記のとおり、第１赤外分析が行われている際には切り替えミラー３７がラマン分析が行われる際と異なる方向を向いているため、切り替えミラー３７において反射された可視光Ｌ３は、ラマン分析が行われる際に切り替えミラー３７において反射された可視光Ｌ３と異なる方向に向かう。切り替えミラー３７において反射された可視光Ｌ３は、ミラー３９において反射される。ミラー３９において反射された可視光Ｌ３は、ミラー４０において反射される。ミラー４０において反射された可視光Ｌ３は、対物ミラー４１、試料Ｓ及び対物ミラー３５Ｂを通過する（図３参照）。

【0025】

対物ミラー４１、試料Ｓ及び対物ミラー３５Ｂを通過した可視光Ｌ３は、ビームスプリッタ４２において反射された上で、第２可視カメラ２２に入射される。これにより、第１赤外分析が行われる際の試料Ｓが観察される。

【0026】

＜第２赤外分析＞
図７は、ラマン赤外複合顕微装置１００を用いて行われる第２赤外分析を説明する模式図である。図７に示されているように、第２赤外分析が行われる際、赤外光Ｌ２は、ビームスプリッタ３６を通過した上で、切り替えミラー３７において反射される。切り替えミラー３７は、ラマン分析が行われる際と同一の方向を向いている。そのため、切り替えミラー３７において反射された赤外光Ｌ２は、ラマン分析が行われる際に切り替えミラー３７において反射された可視光Ｌ３と同一の方向に向かう。切り替えミラー３７において反射された赤外光Ｌ２は、ミラー３８において反射される。

【0027】

第２赤外分析が行われる際、切り替えビームスプリッタ３３は、ミラー３８とエッジミラー３４との間の光路上から除かれている。そのため、ミラー３８において反射された赤外光Ｌ２は、エッジミラー３４において反射される。第２赤外分析が行われる際、ラマン分析が行われる際と異なり、エッジミラー３４は部分的にしか挿入されていない。そのため、エッジミラー３４において反射された赤外光Ｌ２は、部分的に対物ミラー３５Ｂに入射される。

【0028】

第２赤外分析が行われる際には、第１赤外分析が行われる際と同様に、対物ミラー３５Ｂが用いられる。図８は、赤外光Ｌ２が対物ミラー３５Ｂを通過する際の模式図である。図８に示されているように、対物ミラー３５Ｂに入射した赤外光Ｌ２は、第１部分３５ａａにおいてのみ反射される。第１部分３５ａａにおいて反射された赤外光Ｌ２は、球面ミラー３５ｂにおいて反射され、試料Ｓ上に集光される。試料Ｓにおいて反射された赤外光Ｌ２は、球面ミラー３５ｃ及び第２部分３５ａｂにおいて反射される。

【0029】

図７に示されているように、第２部分３５ａｂにおいて反射された赤外光Ｌ２は、エッジミラー３４に遮られることなく、ビームスプリッタ４２を通過して赤外検出器５２に入射される。赤外検出器５２において、試料Ｓにおいて反射された赤外光Ｌ２を用いて第１赤外分析が行われる。

【0030】

第２赤外分析が行われる際、可視光Ｌ３は、ビームスプリッタ３６において、反射される。ビームスプリッタ３６において反射された可視光Ｌ３は、切り替えミラー３７において反射される。上記のとおり、第２赤外分析が行われている際には切り替えミラー３７がラマン分析が行われる際と同一の方向を向いているため、切り替えミラー３７において反射された可視光Ｌ３は、ラマン分析が行われる際に切り替えミラー３７において反射された可視光Ｌ３と同一の方向に向かう。切り替えミラー３７において反射された可視光Ｌ３は、ミラー３８において反射される。

【0031】

ミラー３８において反射された可視光Ｌ３は、エッジミラー３４において部分的に反射された上で、対物ミラー３５Ｂを通過して（図７参照）試料Ｓに照射される。試料Ｓにおいて反射された可視光Ｌ３は、エッジミラー３４で遮られることなく、ビームスプリッタ４２において反射された上で、第２可視カメラ２２に入射される。これにより、第２赤外分析が行われる際の試料Ｓが観察される。

【0032】

上記の例では切り替えミラー３７が用いられたが、切り替えミラー３７は、可視光Ｌ３をラマン分析が行われている際と第１赤外分析が行われている際とで異なる方向に向かわせるとともに、可視光Ｌ３をラマン分析が行われている際と第２赤外分析が行われている際とで同一の方向に向かわせる光学系の１例である。そのため、このような機能を達成できる光学系であれば、切り替えミラー３７に代えて用いることが可能である。上記の例ではエッジミラー３４が用いられたが、エッジミラー３４は、ラマン分析が行われている際に可視光Ｌ３を反射させて第１可視カメラ２１に入射させるとともに、第２赤外分析が行われている際に可視光Ｌ３を通過させる光学系の１例である。そのため、このような機能を達成できる光学系であれば、エッジミラー３４に代えて用いることが可能である。その他の光学系に関しても、同様の機能を有するものに代替することが可能である。

【0033】

（ラマン赤外複合顕微装置１００の効果）
以下に、ラマン赤外複合顕微装置１００の効果を説明する。

【0034】

ラマン赤外複合顕微装置１００では、切り替えミラー３７が、可視光Ｌ３をラマン分析が行われている際と第１赤外分析が行われている際とで異なる方向に向かわせる。より具体的には、ラマン分析が行われる場合には、可視光Ｌ３をミラー３８に向かわせることにより、切り替えビームスプリッタ３３、エッジミラー３４、対物レンズ３５Ａ及びビームスプリッタ３２を用いて、可視光Ｌ３を第１可視カメラ２１に入射させることができる。

【0035】

他方で、第１赤外分析が行われる場合には、可視光Ｌ３をミラー３９に向かわせることにより、ミラー４０、対物ミラー４１、対物ミラー３５Ｂ及びビームスプリッタ４２を用いて、可視光Ｌ３を第２可視カメラ２２に入射させることができる。このようにして、ラマン赤外複合顕微装置１００では、ラマン分析を行う際と第１赤外分析と行う際とで第３光源１３を共用され、小型化が可能となる。

【0036】

ラマン赤外複合顕微装置１００では、エッジミラー３４の切り替えにより、ラマン分析が行われる際に可視光Ｌ３を第１可視カメラ２１に入射させるとともに、第２赤外分析が行われている際に可視光Ｌ３を第２可視カメラ２２に入射させることができる。より具体的には、ラマン分析が行われる場合、エッジミラー３４を挿入することにより、エッジミラー３４が試料Ｓに照射される前の可視光Ｌ３及び試料Ｓにおいて反射された可視光Ｌ３の双方を反射されるため、試料Ｓにおいて反射された可視光Ｌ３を切り替えビームスプリッタ３３及びビームスプリッタ３２を用いて可視光Ｌ３を第１可視カメラ２１に入射させることができる。

【0037】

他方で、第２赤外分析が行われる場合、エッジミラー３４を部分的に挿入することにより、試料Ｓに照射される前の可視光Ｌ３がエッジミラー３４において反射されるが、試料Ｓにおいて反射された可視光Ｌ３がエッジミラー３４において反射されないため、試料Ｓにおいて反射された可視光Ｌ３をビームスプリッタ４２を用いて可視光Ｌ３を第２可視カメラ２２に入射させることができる。このようにして、ラマン赤外複合顕微装置１００では、赤外分析に複数の分析モードがある場合でも、第３光源１３を共用でき、小型化が可能である。

【0038】

以上のように本発明の実施形態について説明を行ったが、上述の実施形態を様々に変形することも可能である。また、本発明の範囲は、上記の実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むことが意図される。

【符号の説明】

【0039】

１１ 第１光源、１２ 第２光源、１３ 第３光源、２１ 第１可視カメラ、２２ 第２可視カメラ、３１，３２ ビームスプリッタ、３３ 切り替えビームスプリッタ、３４ エッジミラー、３５Ａ 対物レンズ、３５Ｂ 対物ミラー、３５ａ 非球面ミラー、３５ａａ 第１部分、３５ａｂ 第２部分、３５ｂ，３５ｃ 球面ミラー、３６ ビームスプリッタ、３７ 切り替えミラー、３８，３９，４０ ミラー、４１ 対物ミラー、４１ａ 非球面ミラー、４１ａａ 第１部分、４１ａｂ 第２部分、４１ｂ，４１ｃ 球面ミラー、４２ ビームスプリッタ、５１ 分光器、５２ 赤外検出器、１００ ラマン赤外複合顕微装置、Ｃ１，Ｃ２ 中央位置、ＤＲ１ 第１方向、ＤＲ２ 第２方向、Ｌ１ レーザ光、Ｌ２ 赤外光、Ｌ３ 可視光、Ｌ４ ラマン光、Ｓ 試料。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】