JP3034383B2 - 顕微全反射減衰測定光学系 - Google Patents
顕微全反射減衰測定光学系Info
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Description
【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、顕微全反射減衰測定光
学系に関し、特に、微小な試料の測定位置を明瞭に視差
なく観察して位置決めできる顕微全反射減衰測定光学系
に関する。
学系に関し、特に、微小な試料の測定位置を明瞭に視差
なく観察して位置決めできる顕微全反射減衰測定光学系
に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、試料に屈折率の大きい半球プリズ
ム、三角プリズム、多重反射平行平面板等の全反射面を
密着させ、全反射光が試料の界面付近の不均一性により
敏感に減衰を受けることを利用して、透過法では測定が
困難な高分子膜、塗膜、紙等の表面の分光測定等を行う
全反射減衰測定法(以下、ATR測定と言う。)が知ら
れている。
ム、三角プリズム、多重反射平行平面板等の全反射面を
密着させ、全反射光が試料の界面付近の不均一性により
敏感に減衰を受けることを利用して、透過法では測定が
困難な高分子膜、塗膜、紙等の表面の分光測定等を行う
全反射減衰測定法(以下、ATR測定と言う。)が知ら
れている。
【0003】微小な試料のATR測定を行う場合、測定
は通常赤外光により行う。その際、実際に測定を行う試
料の位置を可視光による試料観察によって正確に決定を
しないればならない。そのためには、従来、例えば米国
特許第5093580号に記載されているように、レン
ズ状のATR結晶を試料から離して、補助レンズと対物
レンズを通して試料を観察し、ATR結晶に対する試料
位置を決め、次に、ATR結晶を試料に密着し、その
後、ATR測定の入射角と反射角位置で可視照明光を入
射させ、測定試料面を観察する。
は通常赤外光により行う。その際、実際に測定を行う試
料の位置を可視光による試料観察によって正確に決定を
しないればならない。そのためには、従来、例えば米国
特許第5093580号に記載されているように、レン
ズ状のATR結晶を試料から離して、補助レンズと対物
レンズを通して試料を観察し、ATR結晶に対する試料
位置を決め、次に、ATR結晶を試料に密着し、その
後、ATR測定の入射角と反射角位置で可視照明光を入
射させ、測定試料面を観察する。
【0004】また、試料に密着して全反射を行わせるA
TR結晶として、図4に示すような特殊形状のプリズム
Pを用い、試料Sに密着する面AにスケールBを配置
し、プリズムPの測定照明光入射面Cとは別の面Dを通
してスケールBが重畳した試料Sを観察しながら、スケ
ールBの目盛りによって測定位置を確認するものが知ら
れている。
TR結晶として、図4に示すような特殊形状のプリズム
Pを用い、試料Sに密着する面AにスケールBを配置
し、プリズムPの測定照明光入射面Cとは別の面Dを通
してスケールBが重畳した試料Sを観察しながら、スケ
ールBの目盛りによって測定位置を確認するものが知ら
れている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ところで、従来、半球
プリズムのようなATR結晶として、赤外域で透明で高
屈折率のシリコン、ゲルマニウム、セレン化亜鉛等が用
いられている。しかしながら、シリコン、ゲルマニウム
は可視域で不透明なため、可視光による試料観察が不可
能であるので、可視光観察による測定位置の確認ができ
ない。これに対して、セレン化亜鉛は可視域で透明なた
め、可視光による試料観察により測定位置を特定できる
が、可視域での屈折率変動が大きすぎ、可視光による試
料観察の際に大きく色収差が発生し、試料の測定位置を
明瞭に観察することが困難である。
プリズムのようなATR結晶として、赤外域で透明で高
屈折率のシリコン、ゲルマニウム、セレン化亜鉛等が用
いられている。しかしながら、シリコン、ゲルマニウム
は可視域で不透明なため、可視光による試料観察が不可
能であるので、可視光観察による測定位置の確認ができ
ない。これに対して、セレン化亜鉛は可視域で透明なた
め、可視光による試料観察により測定位置を特定できる
が、可視域での屈折率変動が大きすぎ、可視光による試
料観察の際に大きく色収差が発生し、試料の測定位置を
明瞭に観察することが困難である。
【0006】本発明はこのような状況に鑑みてなされた
ものであり、その目的は、ATR結晶として半球プリズ
ムを用いる微小試料の顕微ATR測定において、半球プ
リズムの構成を特定することにより、試料の測定位置を
明瞭に視差なく観察して位置決め可能にすることであ
る。
ものであり、その目的は、ATR結晶として半球プリズ
ムを用いる微小試料の顕微ATR測定において、半球プ
リズムの構成を特定することにより、試料の測定位置を
明瞭に視差なく観察して位置決め可能にすることであ
る。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の顕微全反射減衰測定光学系は、半球プリズムの平面
を試料表面に密着して、その平面での全反射光の減衰に
より微小試料の全反射減衰特性を測定する顕微全反射減
衰測定用の光学系において、半球プリズムの球面を通し
てその平面に密着した試料表面を拡大投影する対物レン
ズが配置され、半球プリズムの半径が2〜10mmの範
囲にあり、半球プリズムを構成する材料の波長400n
mから800nmの屈折率をn′とし、その中心値をn
0 ′とするとき、 0.95≦n′/n0 ′≦1.05 ・・・(1) を満たし、波長2.5μmから10μmの屈折率をnと
し、その中心値をn0 とするとき、 0.98≦n/n0 ≦1.02 ・・・(2) を満たし、かつ、 |(n0 ′−n0 )/(n0 ′+n0 )|≦0.05 ・・・(3) を満足することを特徴とするものである。
明の顕微全反射減衰測定光学系は、半球プリズムの平面
を試料表面に密着して、その平面での全反射光の減衰に
より微小試料の全反射減衰特性を測定する顕微全反射減
衰測定用の光学系において、半球プリズムの球面を通し
てその平面に密着した試料表面を拡大投影する対物レン
ズが配置され、半球プリズムの半径が2〜10mmの範
囲にあり、半球プリズムを構成する材料の波長400n
mから800nmの屈折率をn′とし、その中心値をn
0 ′とするとき、 0.95≦n′/n0 ′≦1.05 ・・・(1) を満たし、波長2.5μmから10μmの屈折率をnと
し、その中心値をn0 とするとき、 0.98≦n/n0 ≦1.02 ・・・(2) を満たし、かつ、 |(n0 ′−n0 )/(n0 ′+n0 )|≦0.05 ・・・(3) を満足することを特徴とするものである。
【0008】この場合、前記条件(1)〜(3)を満足
する材料として、例えば、硫化亜鉛があげられる。
する材料として、例えば、硫化亜鉛があげられる。
【0009】
【作用】本発明においては、半球プリズムを構成する材
料が条件(1)〜(3)を満足するので、試料表面の可
視域での観察像に色収差があまり発生せず、試料を明瞭
に観察することができ、また、赤外測定域での色収差が
小さく、正確な全反射減衰特性が測定でき、さらに、可
視域で特定した試料の測定位置が実際の赤外域での測定
位置と一致することになり、正確に位置を特定して測定
することが可能になる。
料が条件(1)〜(3)を満足するので、試料表面の可
視域での観察像に色収差があまり発生せず、試料を明瞭
に観察することができ、また、赤外測定域での色収差が
小さく、正確な全反射減衰特性が測定でき、さらに、可
視域で特定した試料の測定位置が実際の赤外域での測定
位置と一致することになり、正確に位置を特定して測定
することが可能になる。
【0010】
【実施例】以下、本発明のATR測定光学系の実施例に
ついて説明する。図1は、本発明に基づくATR測定光
学系の1実施例の光路図であり、ATR結晶として可視
域、赤外域両方で透明な高屈折率材料からなる半球プリ
ズム1を用い、これを試料Sに密着した状態で固定し
て、同じ対物レンズ2で拡大して可視域で観察し、赤外
域で測定を行うものである。すなわち、顕微鏡光学系の
光軸aに対して試料Sを斜めに配置し、この試料Sの面
に半球プリズム1を押しつける。そして、半球プリズム
1を経て出てくる試料Sからの光は、この場合、カセグ
レン対物レンズ2を経てマスク3位置に結像し、マスク
3で測定位置が限定され、ハーフミラー又は切り換えミ
ラー4により2つの光路に分けられ、可視域の観察光は
接眼鏡6で拡大され、試料Sの測定位置が観察される。
また、赤外域の測定光は光検知器5により光電変換さ
れ、フーリエ分光のときはフーリエ変換されて、分光分
析が行われる。
ついて説明する。図1は、本発明に基づくATR測定光
学系の1実施例の光路図であり、ATR結晶として可視
域、赤外域両方で透明な高屈折率材料からなる半球プリ
ズム1を用い、これを試料Sに密着した状態で固定し
て、同じ対物レンズ2で拡大して可視域で観察し、赤外
域で測定を行うものである。すなわち、顕微鏡光学系の
光軸aに対して試料Sを斜めに配置し、この試料Sの面
に半球プリズム1を押しつける。そして、半球プリズム
1を経て出てくる試料Sからの光は、この場合、カセグ
レン対物レンズ2を経てマスク3位置に結像し、マスク
3で測定位置が限定され、ハーフミラー又は切り換えミ
ラー4により2つの光路に分けられ、可視域の観察光は
接眼鏡6で拡大され、試料Sの測定位置が観察される。
また、赤外域の測定光は光検知器5により光電変換さ
れ、フーリエ分光のときはフーリエ変換されて、分光分
析が行われる。
【0011】さて、本発明において、ATR測定の原理
から、対物レンズ2に入射する測定光として、半球プリ
ズム1の臨界角θc (半球プリズム1の屈折率をn1 、
試料Sの屈折率をn2 とするとき、sinθc =n2 /
n1 となる。)より大きい角度β(図2参照。図2のN
は試料S面の法線を表す。)で試料S表面から出る光を
用いるようにし、また、対物レンズ2に入射する観測光
として、臨界角θc より小さい角度α(図2)で試料S
表面から出る光を用いるようにする。そのためには、図
1に示すように、測定光(二重矢符)は顕微鏡光学系の
光軸aの一方の側(図の場合、左側)のみをたどって対
物レンズ2に入射し、観察光(一重矢符)は光軸aの反
対側(図の場合、右側)の光路のみをたどって対物レン
ズ2に入射するようする。そして、このような角度関係
を満たし、かつ、正反射条件を満たすように、測定用照
明光8及び観察用照明光7の試料Sに対する入射方向を
設定すると共に、試料Sの光軸aに対する傾きを設定す
る。
から、対物レンズ2に入射する測定光として、半球プリ
ズム1の臨界角θc (半球プリズム1の屈折率をn1 、
試料Sの屈折率をn2 とするとき、sinθc =n2 /
n1 となる。)より大きい角度β(図2参照。図2のN
は試料S面の法線を表す。)で試料S表面から出る光を
用いるようにし、また、対物レンズ2に入射する観測光
として、臨界角θc より小さい角度α(図2)で試料S
表面から出る光を用いるようにする。そのためには、図
1に示すように、測定光(二重矢符)は顕微鏡光学系の
光軸aの一方の側(図の場合、左側)のみをたどって対
物レンズ2に入射し、観察光(一重矢符)は光軸aの反
対側(図の場合、右側)の光路のみをたどって対物レン
ズ2に入射するようする。そして、このような角度関係
を満たし、かつ、正反射条件を満たすように、測定用照
明光8及び観察用照明光7の試料Sに対する入射方向を
設定すると共に、試料Sの光軸aに対する傾きを設定す
る。
【0012】このようにATR測定光学系を配置したの
で、対物レンズ2及びマスク3を通して、接眼鏡6から
観察される試料Sの位置と、光検知器5で測定される試
料Sの位置との同一性は保証される(視差がない。)。
しかも、測定光のたどる光路は、ATR測定の全反射条
件を満足し、一方、観察光のたどる光路は、臨界角より
小さい角度で正反射条件を満たす角度で観察されるの
で、試料表面が明瞭に観察できることになるはずであ
る。
で、対物レンズ2及びマスク3を通して、接眼鏡6から
観察される試料Sの位置と、光検知器5で測定される試
料Sの位置との同一性は保証される(視差がない。)。
しかも、測定光のたどる光路は、ATR測定の全反射条
件を満足し、一方、観察光のたどる光路は、臨界角より
小さい角度で正反射条件を満たす角度で観察されるの
で、試料表面が明瞭に観察できることになるはずであ
る。
【0013】しかしながら、半球プリズム1として従来
のようにセレン化亜鉛を用いると、可視域での色収差が
大きすぎて、試料S面を観察しようとしてもこの色収差
のため試料Sの測定面が明瞭に観察できない。種々検討
の結果、半球プリズム1を構成する材料として、波長4
00nmから800nmの屈折率をn′とし、その中心
値をn0 ′とするとき、 0.95≦n′/n0 ′≦1.05 ・・・(1) を満たすものを用いることが、この色収差による像ぼけ
を避ける点から望ましいことが分かった。この条件
(1)の範囲を越えると、色収差のため試料面が明瞭に
観察できず、どの点を測定するか特定できなくなる。
のようにセレン化亜鉛を用いると、可視域での色収差が
大きすぎて、試料S面を観察しようとしてもこの色収差
のため試料Sの測定面が明瞭に観察できない。種々検討
の結果、半球プリズム1を構成する材料として、波長4
00nmから800nmの屈折率をn′とし、その中心
値をn0 ′とするとき、 0.95≦n′/n0 ′≦1.05 ・・・(1) を満たすものを用いることが、この色収差による像ぼけ
を避ける点から望ましいことが分かった。この条件
(1)の範囲を越えると、色収差のため試料面が明瞭に
観察できず、どの点を測定するか特定できなくなる。
【0014】ところで、可視域での色収差の問題を解決
しても、実際の赤外測定域での色収差があると、正確な
全反射減衰特性を測定することができない。測定波長域
は、通常2.5μmから10μm程度であり、この範囲
で±2%以上の測定試料位置誤差があると、正しい測定
ができない。したがって、波長2.5μmから10μm
の屈折率をnとし、その中心値をn0 とするとき、 0.98≦n/n0 ≦1.02 ・・・(2) を満たすことが必要である。
しても、実際の赤外測定域での色収差があると、正確な
全反射減衰特性を測定することができない。測定波長域
は、通常2.5μmから10μm程度であり、この範囲
で±2%以上の測定試料位置誤差があると、正しい測定
ができない。したがって、波長2.5μmから10μm
の屈折率をnとし、その中心値をn0 とするとき、 0.98≦n/n0 ≦1.02 ・・・(2) を満たすことが必要である。
【0015】また、例えば図1に示したような光学系を
用いて可視域で試料S位置を特定し、その位置が赤外域
測定位置と一致するには、少なくとも可視域での屈折率
と赤外域の屈折率差が10%以内にある必要があり、し
たがって、 |(n0 ′−n0 )/(n0 ′+n0 )|≦0.05 ・・・(3) を満足することが必要である。この範囲を越えると、可
視域の観察で微小試料Sの測定位置を決めても、赤外光
を用いたATR測定位置がその位置に必ずしも一致せ
ず、測定が不正確になってしまう。
用いて可視域で試料S位置を特定し、その位置が赤外域
測定位置と一致するには、少なくとも可視域での屈折率
と赤外域の屈折率差が10%以内にある必要があり、し
たがって、 |(n0 ′−n0 )/(n0 ′+n0 )|≦0.05 ・・・(3) を満足することが必要である。この範囲を越えると、可
視域の観察で微小試料Sの測定位置を決めても、赤外光
を用いたATR測定位置がその位置に必ずしも一致せ
ず、測定が不正確になってしまう。
【0016】なお、半球プリズム1の半径に関しては、
2〜10mmの範囲にあるのが望ましい。2mmより小
さいと、半球プリズム1の取り扱いが困難になり、試料
Sに押し付ける操作等が行い難くなる。また、半球プリ
ズム1の半径が10mmを越えると、吸収が大きくなり
すぎ、また、対物レンズ2の作動距離以上になるため、
顕微ATR測定ができなくなる。
2〜10mmの範囲にあるのが望ましい。2mmより小
さいと、半球プリズム1の取り扱いが困難になり、試料
Sに押し付ける操作等が行い難くなる。また、半球プリ
ズム1の半径が10mmを越えると、吸収が大きくなり
すぎ、また、対物レンズ2の作動距離以上になるため、
顕微ATR測定ができなくなる。
【0017】以上の条件(1)〜(3)を満たす具体的
な材料として、硫化亜鉛があげられる。硫化亜鉛のn′
は2.560〜2.324であり、nは2.259〜
2.198であるので、何れの条件も満足する。
な材料として、硫化亜鉛があげられる。硫化亜鉛のn′
は2.560〜2.324であり、nは2.259〜
2.198であるので、何れの条件も満足する。
【0018】ところで、図1の光学系において、観察及
び測定の際、他方の光路が開いていると、その光路を経
て入ってくる光がバックグラウンドとなり、観察し難く
なったり、測定精度が低下する。そこで、図3(a)に
示すように、観察の際には、開口10を有する遮光板1
1を対物レンズ2の前に挿入し、開口10を通って観察
光のみが対物レンズ2に入射するようにし、また、測定
の際は、図3(b)に示すように、遮光板11の開口1
0が測定光の光路に位置するように移動して、測定光の
みが対物レンズ2に入射するようにするとよい。
び測定の際、他方の光路が開いていると、その光路を経
て入ってくる光がバックグラウンドとなり、観察し難く
なったり、測定精度が低下する。そこで、図3(a)に
示すように、観察の際には、開口10を有する遮光板1
1を対物レンズ2の前に挿入し、開口10を通って観察
光のみが対物レンズ2に入射するようにし、また、測定
の際は、図3(b)に示すように、遮光板11の開口1
0が測定光の光路に位置するように移動して、測定光の
みが対物レンズ2に入射するようにするとよい。
【0019】図1の実施例においては、対物レンズ2と
しはカセグレン対物レンズを用いているが、これに限定
されず、種々の公知の反射対物レンズ、屈折対物レンズ
を用いることができる。なお、条件(1)〜(3)を満
足する硫化亜鉛からなる半球プリズムは、図1の顕微A
TR測定光学系に限らず、公知の半球プリズムを用いる
ATR測定装置に適用できる。
しはカセグレン対物レンズを用いているが、これに限定
されず、種々の公知の反射対物レンズ、屈折対物レンズ
を用いることができる。なお、条件(1)〜(3)を満
足する硫化亜鉛からなる半球プリズムは、図1の顕微A
TR測定光学系に限らず、公知の半球プリズムを用いる
ATR測定装置に適用できる。
【0020】以上、本発明のATR測定光学系を実施例
に基づいて説明してきたが、本発明はこれら実施例に限
定されず種々の変形が可能である。
に基づいて説明してきたが、本発明はこれら実施例に限
定されず種々の変形が可能である。
【0021】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
のATR測定光学系によると、半球プリズムを構成する
材料が条件(1)〜(3)を満足するので、試料表面の
可視域での観察像に色収差があまり発生せず、試料を明
瞭に観察することができ、また、赤外測定域での色収差
が小さく、正確な全反射減衰特性が測定でき、さらに、
可視域で特定した試料の測定位置が実際の赤外域での測
定位置と一致することになり、正確に位置を特定して測
定することが可能になる。
のATR測定光学系によると、半球プリズムを構成する
材料が条件(1)〜(3)を満足するので、試料表面の
可視域での観察像に色収差があまり発生せず、試料を明
瞭に観察することができ、また、赤外測定域での色収差
が小さく、正確な全反射減衰特性が測定でき、さらに、
可視域で特定した試料の測定位置が実際の赤外域での測
定位置と一致することになり、正確に位置を特定して測
定することが可能になる。
【図1】本発明に基づくATR測定光学系の1実施例の
光路図である。
光路図である。
【図2】図1の試料近傍の拡大図である。
【図3】他の実施例の要部を示す光路図である。
【図4】従来例を説明するための図である。
S…試料 1…半球プリズム 2…対物レンズ 3…マスク 4…ハーフミラー又は切り換えミラー 5…光検知器 6…接眼鏡 7…観察用照明光 8…測定用照明光 10…開口 11…遮光板 a…光軸
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 服部裕允 東京都昭島市武蔵野3丁目1番2号日本 電子株式会社内 (72)発明者 寺嶋 博 東京都昭島市武蔵野3丁目1番2号日本 電子株式会社内 (56)参考文献 特開 平5−10872(JP,A) 特開 平4−116452(JP,A) 米国特許5093580(US,A) Moser W R,”A new FT−IR technique fo r the situ study o f the mechanism of solid state mater ials preparation s”,Mater Sci Res, 1985,VOL.19,PAGE.315−327 Debenham M,”Refra ctive indices of z inc sulfide in the 0.405−13 micro m wa velength range”,Ap pl Opt,1984,VOL.23,N O.14,PAGE.2238−2239 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 21/00 - 21/01 G01N 21/17 - 21/61 JICSTファイル(JOIS)
Claims (2)
- 【請求項1】 半球プリズムの平面を試料表面に密着し
て、その平面での全反射光の減衰により微小試料の全反
射減衰特性を測定する顕微全反射減衰測定用の光学系に
おいて、半球プリズムの球面を通してその平面に密着し
た試料表面を拡大投影する対物レンズが配置され、半球
プリズムの半径が2〜10mmの範囲にあり、半球プリ
ズムを構成する材料の波長400nmから800nmの
屈折率をn′とし、その中心値をn0 ′とするとき、 0.95≦n′/n0 ′≦1.05 ・・・(1) を満たし、波長2.5μmから10μmの屈折率をnと
し、その中心値をn0 とするとき、 0.98≦n/n0 ≦1.02 ・・・(2) を満たし、かつ、 |(n0 ′−n0 )/(n0 ′+n0 )|≦0.05 ・・・(3) を満足することを特徴とする顕微全反射減衰測定光学
系。 - 【請求項2】 前記半球プリズムが硫化亜鉛からなる請
求項1記載の顕微全反射減衰測定光学系。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18644992A JP3034383B2 (ja) | 1992-07-14 | 1992-07-14 | 顕微全反射減衰測定光学系 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18644992A JP3034383B2 (ja) | 1992-07-14 | 1992-07-14 | 顕微全反射減衰測定光学系 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0634527A JPH0634527A (ja) | 1994-02-08 |
| JP3034383B2 true JP3034383B2 (ja) | 2000-04-17 |
Family
ID=16188654
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP18644992A Expired - Fee Related JP3034383B2 (ja) | 1992-07-14 | 1992-07-14 | 顕微全反射減衰測定光学系 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3034383B2 (ja) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5093580A (en) | 1990-03-02 | 1992-03-03 | Spectra-Tech, Inc. | ATR objective and method for sample analyzation using an ATR crystal |
-
1992
- 1992-07-14 JP JP18644992A patent/JP3034383B2/ja not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5093580A (en) | 1990-03-02 | 1992-03-03 | Spectra-Tech, Inc. | ATR objective and method for sample analyzation using an ATR crystal |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Debenham M,"Refractive indices of zinc sulfide in the 0.405−13 micro m wavelength range",Appl Opt,1984,VOL.23,NO.14,PAGE.2238−2239 |
| Moser W R,"A new FT−IR technique for the situ study of the mechanism of solid state materials preparations",Mater Sci Res,1985,VOL.19,PAGE.315−327 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0634527A (ja) | 1994-02-08 |
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