JPH0363723B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は輻射線吸収スペクトル分析を応用し
た走査型顕微鏡に関するものである。

従来の顕微鏡においては主に被検体（試料）に
可視光を照射し、その透過光または反射光をレン
ズ系で結像させて、２次元的な形態を観察するも
のである。従来の顕微鏡においても染色や位相差
法やその他の方法によつて試料の質的な観察をあ
る程度行なうことができるが、それはあくまでも
形態的な観察に準ずるものである。

ところで物質における分子の振動のエネルギー
状態は分子内の原子同志の原子間距離や原子価
角、質量、結合力によつて固有な値を持つてお
り、分子のエネルギー状態が振動数νの光を吸収
して、hν（ｈ…プランク定数）のエネルギー差を
持つた他の固有なエネルギー状態へ離散的に遷移
する。この現象を利用して分子、原子の定性分析
を行なうのが例えば赤外線吸収スペクトル分析法
であり、現在最も広くかつ活発に応用されてい
る。ところが従来の赤外分析法は、試料に比較的
太い赤外ビームを照射し、スペクトルの吸収を見
るため、例えば焼結体や多結晶体または層状合金
またはIC用の半導体薄膜等のように種々な成分
が混然一体となつているものは、それぞれの成分
の吸収スペクトルの効果が重畳されてしまい、ど
のような組成分が混在するかは、ある程度判定可
能であるが、どのような状態で分布、又は配置さ
れているかは判定不可能である。

本発明の目的は、試料に照射する輻射線例えば
赤外ビームを凹面反射鏡で収束させ、試料上を２
次元的に走査を行ないながら吸収スペクトル効果
を検出し、その波長に対応した色彩の画像として
表示することにより、上記の欠点を解決し構成物
質の定性分析及び定量分析そして形態観察が同時
に可能な走査型分光分析顕微鏡を提供しようとす
るものである。

本発明の走査型分光分析顕微鏡は、輻射線発生
手段と、この発生手段から発生した輻射線を試料
上で相対的に２次元走査させる手段と、走査素点
毎に試料から得られる輻射線吸収スペクトルを検
出し電気信号に変換する光電変換手段と、この光
電変換手段から出力される信号に上記輻射線吸収
スペクトルに対応した色情報を付加しカラー表示
信号を形成する手段と、このカラー表示信号に基
づいてカラー画像を表示する表示手段とからなる
ことを特徴とするものである。

以下、本発明を図面に基づいて詳細に説明す
る。

第１図は本発明の原理的な構成図である。１は
輻射線例えば赤外線発生部で後記の実施例で示す
ように輻射線発生源を含みそれからの輻射線を収
束させるための反射型対物レンズ等で構成されて
いる。試料２を通つて吸収を受けた輻射線は分光
器３で分光された後、検出器４で検出され、走査
素点単位に時系列の電気信号に変換される。そし
て試料２を走査部５で２次元に走査しながら以上
の検出を繰り返し行なう。

ところで、上述の検出器４により検出される走
査素点毎の時系列信号は走査素点位置すなわち検
出位置ｘ，ｙと吸収スペクトルの振幅と波長の４
次元の情報からなつているため、テレビジヨンモ
ニタ上で画像表示する際は吸収スペクトルの波長
に対する次元は波長に対応して色調を変えたカラ
ーで表示する。そのために検出器４で検出した信
号は増幅部６で増幅した後、カラー表示変換部７
でカラー表示に適した信号に変換する。そして、
つぎにスキヤンコンバータ部８でテレビジヨン走
査方式によるカラーテレビジヨン信号に変換して
カラーテレビジヨンモニタ９により表示する。表
示方法の詳細については第５図及び第６図を用い
て後述する。

第２図に本発明の実施例の構成の一例をブロツ
ク線図で示す。同図において１０は赤外線用の光
源である。その赤外線用光源１０からの赤外線
は、平面鏡１１と１２及びコリメータ鏡１３，１
４によつて対照光束１５と試料光束１６に分けら
れて平行光となり、その試料光束１６は反射型対
物レンズ１７によつて試料１８上に収束し、試料
１８を透過する時に試料独自のスペクトル吸収を
受けて下方に対向する反射型対物レンズ１９にて
集光され、平行光束２０になおされて平面鏡２１
によりチヨツパ２２に導かれる。一方対照光束１
５は試料光束１６の試料保持用シエル２３による
吸収分を補正するための補正用シエル２４を通つ
た後、平面鏡２５を介してチヨツパ２２に導かれ
る。チヨツピングの比率は光源の発光スペクトル
の変動に充分追従する比率としてある。チヨツピ
ングされた光束は凸面鏡２６を介して回析格子２
７に導かれ、分光される。分光されたスペクトル
はアレイ型検出器２８によつて光電変換される。
このアレイ型検出器２８をゲート発振回路２９か
らのクロツク信号により前記試料の走査速度を十
分無視できる高速で駆動して光電変換出力を読み
出せば、第３図に示した如く各走査素点（走査位
置）における吸収スペクトルの波形に対応した時
系列信号を順次得ることができる。すなわち、第
３図において、T₁の期間の信号はアレイ型検出
器２８で読み出された試料の吸収スペクトルに対
応した前記時系列信号でありT₂の期間の信号は、
チヨツピングによつて挿入された赤外線用光源１
０の発光スペクトルに対応する信号である。また
T₃の期間はアレイ型検出器２８によつて読み出
す間の休み時間に相当する。なお、この実施例で
は、構成を簡単に図示するため分光手段に凹面の
回析格子を使用しているが、光学系を組み合わせ
て平面回析格子を用いるようにしてもよいことは
勿論である。

一方、試料の１８の吸収スペクトルを検出する
位置の移動は、試料保持用シエル２３をＸ走査部
３０を構成する加振器およびｙ走査部３１を構成
するパルスモータによつて二次元的に移動させる
ことにより行ない、これにより試料１８が試料光
束１６の収束光によつて二次元的に走査されるよ
うに構成してある。またｘ走査部３０から走査基
準信号を位置検出部３２に供給し、ここでｘ方向
の所定の各走査素点の位置を表わすデイジタルコ
ード化した位置信号を発生させるとともに、前記
走査基準信号に関連したタイミングの信号をコン
トロールゲート発生部３３に供給して、前記チヨ
ツパー２２を駆動するためのパルスモータ３４の
制御信号、前記ゲート発振回路２９の制御信号、
前記チヨツパー２２のチヨツピングにより第３図
のT₃の期間に挿入される光源１０の発光スペク
トルに対応する信号を抜き出すための制御信号お
よびｙ走査部を構成するパルスモータを制御する
ための制御信号のそれぞれ発生させている。な
お、３５はパルスモータ３４の駆動をチヨツパー
２２に伝達するためのギヤーボツクスである。

一方、アレイ型検出器で検出された各走査素点
の吸収スペクトル波形に対応した時系列信号は、
雑音指数のすぐれた対数ビデオ増幅器３６で増幅
される。ここで対数ビデオ増幅器３６を用いた理
由を説明すると、吸収スペクトルの振幅は試料の
種類及び厚さおよび組成分によつて大きく変わ
る。これに対処して増幅器のダイナミツクレンジ
内に増幅を保持するために試料１８の厚さをその
都度保持用シエル２３から外して研磨やスライス
によりいちいち調整していたのでは手間がかか
る。故にダイナミツクレンジの広い対数増幅器を
用いて増幅した後に必要な信号が存在するレンジ
を利得調整回路３７とダイナミツクレンジ調整回
路３８により取り出すようにしている。（対数増
幅された信号のせまい範囲を取り出せばリニア増
幅したものと同じことになる。）これらの処理を
受けた信号はAD変換回路３９でデイジタル信号
に変換された後、選択回路４０において前記位置
検出部３２から導かれた位置信号によりチヨツパ
ー２２で第３図のT₂の期間に適当な周期で挿入
されている光源１０の発光スペクトルに対応した
波形の信号部分を選択して取り出し、ラインメモ
リ（シリアルダイナミツクメモリ）４１に記憶す
る。そしてこの信号により試料１８の吸収スペク
トル信号に対応する各時系列信号（第３図のT₁
の期間の信号）を除算回路４２で割算することに
より赤外線用光源１０の波長に対する出力の平坦
性を補正する。この除算回路４２の出力は、次の
加算回路４３において、前記位置検出部３１で検
出され、そしてデイジタルコード化された位置信
号をその位置信号に対応する試料位置における検
出スペクトル信号の時系列信号の直前の休み時間
の部分、例えば第３図のａで示した時系列信号の
位置信号についてはその直前のｂで示した部分に
挿入した後、磁気デイスク記録部４４に一担記録
する。

磁気デイスク記録部４４から読み出された信号
は位置信号分離回路４５によつて位置信号を分離
した後、この位置信号によつてRGBフイルタ関
数発生回路４６から第４図ｂにＲ，Ｇ，Ｂで示し
たように同期発生させられたＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ
（青）用のフイルタ関数信号を各別に乗算器４７，
４８，４９に導いて、その各乗算器４７，４８，
４９に加えられる第４図ａに示した吸収スペクト
ル波形に対応した時系列信号Ｓと掛け合わせる。
これにより時系列信号ＳにＲ，Ｇ，Ｂそれぞれの
色情報が付加された３色の色信号成分が形成され
る。なお、この第４図ｂに示したRGBのフイル
タ関数信号の発生のタイミングt_Oと発生の時間幅
T_Oを可変することにより吸収スペクトルのどこ
の波長範囲をカラーに対応させて表示するかを可
変設定することができる。

なお、第４図ａに示した吸収スペクトル波形信
号Ｓは、理解を助けるためアナログ波形で示して
いる。また、同図ｂのＲ、Ｇ、Ｂフイルタ関数信
号の波形（カツトオフ特性等）は、表示方法によ
つて変えることができるようになつている。

しかして、このように各走査素点における吸収
スペクトルに対応した時系列信号を、その吸収ス
ペクトルの波長に対応した３色の色信号成分に形
成して得た各色信号成分は、それぞれ積分器５
０，５１，５２およびサンプルホールド回路５
３，５４，５５に導き、切り換えスイツチ５６，
５７，５８を同時に切り換えることによつて、積
分器５０，５１，５２を経た信号、あるいは同一
のタイミングでサンプルホールドされた信号の何
れかの出力信号として取り出し、これを（赤）
Ｒ、（緑）Ｇ、（青）Ｂの各色信号としてスキヤン
コンバータ部５９に入力させ、このスキヤンコン
バータ部５９によりカラー表示信号を形成し、こ
の信号に基いて、カラーテレビジヨンモニタ６０
上にカラー画像を表示する。すなわち、カラーに
対応させた吸収スペクトルの波長領域の範囲全部
を混合色として表示する時は、切り換えスイツチ
５６，５７，５８を積分器５０，５１，５２側に
倒し、乗算器４７，４８，４９の出力の平均値を
RGBの信号として、スキヤンコンバータ部５９
内のフレームメモリに前記位置信号分離回路４５
で分離された位置信号に対応して記憶する。そし
てそのフレームメモリからテレビの走査に対応し
た走査方式と走査速度で読み出し、この読み出し
た映像信号にテレビジヨン同期信号、キヤラクタ
信号並びに第５図及び第６図を用いて後述する再
生画像の選択された位置のスペクトル波形に対応
した映像信号を加算した後、カラーテレビジヨン
モニタ６０上に表示する。

次に吸収スペクトルのうち、単一のスペクト
ル、すなわちそのスペクトルの波長に対応した特
定色によつて表示したい時は、切り換えスイツチ
５６，５７，５８をサンプルホールド回路５３，
５４，５５側に切り換え、位置信号分離回路４５
からの位置信号を基準にして、乗算器５０，５
１，５２の出力の表示したい特定波長位置に相当
するタイミングのサンプリングパルスを得、これ
により各乗算器５０，５１，５２の出力を同時に
サンプルホールドしてＲ、Ｇ、Ｂの各信号を得
る。このＲ、Ｇ、Ｂの各信号をスキヤンコンバー
タ部５９に導いてカラーテレビジヨン信号に変換
してカラーテレビジヨンモニタ６０上に表示す
る。このようにして表示した画像は、前記特定波
長位置におけるスペクトルに対応した特定色の一
色表示となり、特定波長位置におけるスペクトル
と大小に応じた明暗によつて表示された試料の二
次元像となる。

以上の実施例の構成においては、AD変換回路
３９以降のデイジタル回路をハードシステムで構
成したが、ミニコンピユータを用いて信号処理を
行なうようにしても何ら差し支えなく、さらに高
級な画像処理を行なう場合には、ミニコンピユー
タを用いることが不可欠となるものと考えられ
る。

次に第５図にカラーテレビジヨンモニタ上の表
示方法としての一実施例を示す。これらの表示の
ための信号処理はスキヤンコンバータ部５９内の
ビデオプロセス部にて処理される。まず第５図は
表示したい吸収スペクトルの範囲全部を混合色と
してカラーテレビジヨンモニタ６０上に表示した
時で、６１はそれによりカラー表示された試料の
二次元画像である。画面の右側には６２，６３で
示したように、パネル上のジヨイステイツクによ
り表示画像の選択された位置６４，６５における
例えば赤外吸収スペクトル波形をそれぞれ表示す
る。選択する位置６４，６５は当然ジヨイステイ
ツクにより画面上を自由に移動させることができ
る。

すなわち、ジヨイステイツクにより指定された
画面上の位置には表示マークが現われるようにな
つており、同時にその位置に対応する吸収スペク
トル波形をもつ時系列信号が、磁気デイスク記録
部４４からスキヤンコンバータ部５９内のビデオ
プロセス部に取り込まれて、カラーテレビジヨン
信号に重畳されるようになつている。

画面右側に表示した吸収スペクトルに対応した
波形図６２，６３中、太い実線６６および６７で
画いた範囲が、カラー信号に変換されているカラ
ー画像表示しているスペクトル範囲を示すように
しており、スペクトルに対応して色を連続的に変
化し、かつ点滅表示するようになつている。その
カラー表示スペクトル範囲６６，６７は、前述し
たようにその位置と範囲において、任意に設定す
ることができる。表示画面の下方の範囲部分６８
は、日付、試料名、その他のキヤラクタを表示す
る部分である。第６図は吸収スペクトルのうち単
一のスペクトルをそのスペクトルに対応した特定
の一色で表示する場合の表示方法の一例図であ
る。６９，７０は第５図の例と同様にジヨイステ
イツクで選択された位置７１，７２の吸収スペク
トル波形である。そしてその波形上の輝点７３，
７４，７５，７６の４点はこれもまたパネル上の
ツマミでそれぞれ独自に可変設定できるようにな
つており、この４点の位置の吸収スペクトルのそ
れぞれ対応した各異なる特定色によつて、各別に
４つの画像７７，７８，７９，８０に分割し同一
画面を４分割して同時に表示するようにしたもの
である。そしてこの４個の輝点も判別しやすいよ
うに、その設定位置に対応した色で点滅するよう
に構成されている。

このように、この実施例によれば吸収スペクト
ルに対応した色彩で試料の各部を二次元的にカラ
ー表示することに併せて、画面上の選択位置にお
ける吸収スペクトルを同時に表示することによ
り、その選択位置の吸収スペクトルを感覚的にわ
かり易く表示することができる等の効果がある。

なお、上記の実施例においては、輻射線に赤外
線を用いた場合について説明したが、本発明はそ
れに限定されるものではなく、可視線、紫外線、
Ｘ線等を用いた分光分析顕微鏡としても容易に実
施することが可能である。

以上実施例に基いて説明したように、本発明に
よれば各種の輻射線による試料の形態観察が可能
であるばかりではなく、試料の二次元面における
各部の輻射線吸収スペクトルを二次元的にその吸
収スペクトル波長に対応した色で画像表示するも
のであるから、画像の色とその面積とを判断する
ことにより試料の定性分析及び定量分析をその画
像画面上で容易に行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の原理的な構成を示すブロツ
ク線図、第２図は、本発明の実施例の一例の構成
を示すブロツク線図、第３図は、アレイ型検出器
から読み出される時系列信号波形の一例図、第４
図は、吸収スペクトルと色信号の関係を説明する
ための波形図、第５図および第６図は、カラーテ
レビジヨンモニタ上のそれぞれ異なる表示例の説
明図である。 １……輻射線発生部、２，１８……試料、３…
…分光器、４……検出器、５……走査部、６……
増幅部、７……カラー表示変換部、８，５９……
スキヤンコンバータ部、９，６０……カラーテレ
ビジヨンモニタ、１０……赤外線用光源、１１，
１２，２１，２５……平面鏡、１３，１４……コ
リメータ鏡、１５……対照光束、１６……試料光
束、１７，１９……反射型対物レンズ、２０……
平行光束、２２……チヨツパ、２３……試料保持
用シエル、２４……補正用シエル、２６……凸面
鏡、２７……回析格子、２８……アレイ型検出
器、２９……ゲート発振回路、３０……ｘ走査
部、３１……ｙ走査部、３２……位置検出部、３
３……コントロールゲート発生部、３４……パル
スモータ、３５……ギヤーボツクス、３６……対
数ビデオ増幅器、３７……利得調整回路、３８…
…ダイナミツクレンジ調整回路、３９……AD変
換器、４０……選択回路、４１……ラインメモ
リ、４２……除算回路、４３……位置信号加算回
路、４４……磁気デイスク記録部、４５……位置
信号分離回路、４６……RGBフイルタ関数発生
回路、４７，４８，４９……乗算器、５０，５
１，５２……積分器、５３，５４，５５……サン
プルホールド回路、５６，５７，５８……切り換
えスイツチ、６１……試料のカラー表示画像、６
２，６３，８５，８６……吸収スペクトル波形、
６４，６５，８０，７９……選択位置、６６，６
７……カラー表示範囲、６８……キヤラクタ等表
示部、７２，７３，７４，７５……波形上の輝
点、７６，７７，７８，７９……吸収スペクトル
の特定の４点のスペクトルのよつて４分割された
各画像。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 輻射線発生手段と、この発生手段から発生し
   た輻射線を試料上で相対的に２次元走査させる手
   段と、走査素点毎に試料から得られる輻射線吸収
   スペクトルを検出し電気信号に変換する光電変換
   手段と、この光電変換手段から出力される信号に
   上記輻射線吸収スペクトルに対応した色情報を付
   加しカラー表示信号を形成する手段と、このカラ
   ー表示信号に基いてカラー画像を表示する表示手
   段とからなることを特徴とする走査型分光分析顕
   微鏡。