JPH10510365A

JPH10510365A - 赤外微量分光計付属装置

Info

Publication number: JPH10510365A
Application number: JP8527015A
Authority: JP
Inventors: レフナー，ジョン，エイ．; ウイルボーグ，ウィリアム，ティー．
Original assignee: スペクトラ−テック，インコーポレーテッド
Priority date: 1995-03-06
Filing date: 1996-03-06
Publication date: 1998-10-06
Also published as: DE19681285T1; US5581085A; WO1996027784A1; GB2313665A; GB9718771D0

Abstract

(57)【要約】この発明は、外部又は内部反射分光計法に、一体化ビデオ顕微鏡法による顕微鏡的試料の可視放射エネルギー観察を組合せた、固体又は液体の顕微鏡的試料の赤外分光分析又は放射分析用の装置と方法である。これは、屈折性、拡散性、反射吸収（屈曲）又は内部反射分光計法における顕微鏡的試料の化学分析用フーリエ変換赤外分光計の付属装置である。この装置は、全反射の無限遠修正光学システムに、一体化した専用のビデオ観察システムを結合している。拡大光学部品は、放射エネルギーの平行ビームを試料上に集束し、反射エネルギーを収集し、（適当な光学部品を介して）スペクトル分析用検出器手段にそのエネルギーを与えるようにデザインされた全反射光学部品である。変形されたシュワッツチャイルドの全反射対物レンズも一体化ビデオ画像システムにより検出される顕微鏡的試料の拡大画像を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】赤外微量分光計付属装置発明の背景この発明は一般的に微量分析の分野に関し、特にフーリエ変換赤外微量分光計法の分野、殊に赤外微量分光計法の反射技術に関する。スペクトルの赤外領域の放射エネルギーを用いる分光分析は、化学分析の主要な技術である。市販の赤外微量分光計の導入以来、試料領域を可視光顕微鏡で見ること、およびスペクトル測定用の視野を限定して顕微鏡の分析領域を定めること、の両方ができるという利点は、非常に価値があると証明されてきた。ドナルドダブリュスティング（Donald W.Sting）とロバートジーメターシュミッツ（Robert G.Messers-c hmidt）の米国特許第４，８７７，７４７号に開示されている赤外微量分光計システムは、適用範囲を常に拡大しながら使用されてきた。それらは、微量汚染物質を検出および特定するため、包装材料のような多層合成構造を分析するため、微小電子部品を分析するため、重合体材料における位相分布を確立するため、鉱物の含有物を特定するためなどに用いられてきた。これらの顕微鏡システムは、試料をナノグラムからピコグラムの重量範囲で分析する。サンプリング面積は１００×１００マイクロメータ（μｍ）から１０× １０μｍの範囲である。その目標は、最小可能サンプリング面積を分析することである。この発明は、大抵の微量分析が肉眼で見える試料上で実行されるという認識に基づいてている。これらの試料に対する現在の顕微鏡システムは、費用がかかりすぎる上、分析者にとって複雑すぎる。この発明の無限遠修正微量分光計付属装置は、無限遠修正光学を用いて遠隔視域開口のないシステムを構成し、ビデオ顕微鏡法用の一体化ビデオ画像システムを組入れる。このシステムは、微量分析における要求を満たし、システムコストを低減すると共に、分析者にとってより使い易いものである。スティングとメサーシュミッツの特許に開示されている顕微鏡は、赤外微量分光計法の標準の形態となってきた。これは、伝達および反射の両能力と遠隔画像平面マスクの必要性を定着させた。今では、すべての市販の顕微鏡は、遠隔画像平面マスクを用いて試料領域を限定している。微量分光光学用の真の赤外顕微鏡システムの本来の要求は、伝達測定および／又は反射測定を実行できるということである。伝達赤外分光計法は、スペクトルデータを修正するための本来のモードであった。しかしながら、反射測定のための試料準備に要求されるものが最小であるため、反射技術は伝達技術を越える利点を有している。反射技術は試料の分析を非常に低価格にする。反射のみの微量分光計システムもまた、コストと微量サンプリング付属装置の複雑さを著しく低減する。伝達と反射測定の両方をさせる微量分光計システムでは、２つの光学システムが必要とされてきた。一方のシステムは試料に放射エネルギーを伝達して反射した放射エネルギーを収集し、他方のシステムは伝達した放射エネルギーを試料を介して導くことが要求される。伝達と反射の２つの機能は光学的なデザインを著しく複雑にする。内部反射微量分光計法は、特に厚手の材料を解析する能力において、伝達技術と外部反射微量分光計法の両方に対しある種の利点を提供する。ドナルドダブリュスティング（Donald W.Sting）とジョンエイレフナー（John A.Reffn er）の米国特許第５，２００，６０９号に示された（減衰全反射微量分光計法又は微量ＡＴＲとして知られた）内部反射微量分光計法の導入により、反射微量分光計法は、その重要性がより増大した。この発明の以前では、視覚能力を有するすべての微量サンプリング付属装置は写真用カメラ又はビデオカメラを付設することを選択する従来の顕微鏡光学部品を（対物レンズ、接眼レンズおよび直視ヘッドの形で）使用してきた。しかしながら、これらの付属装置は、接眼レンズや目視ヘッドが都合の良い位置に設置されるように、追加の光学エレメントを必要とした。写真用又はビデオカメラを付設するため用意も、付属装置の価格に加えられた。同じ能力を発揮するために初期の付属装置に必要とされた多数の光学エレメントや他の部品を除去することによって、この発明は、単純になり、付属装置のコストを低減する。赤外分光計法によって分析される試料のほとんどは、サイズが１マイクログラム（μｇ）以上である。マイクログラムの材料は一般にほとんど眼で見えないが、赤外分光計法により分析されるほとんどの試料は肉眼で認められる。この発明によれば、これらのマイクログラムサイズの試料は、ほとんど、又は全く試料の調製をすることなしに内部又は外部反射によって容易に分析される。微量試料とは一般に固体又は液体材料の０．０５〜５０マイクログラムのサンプル又は大きな標品の一部を意味する。この無限遠修正微量サンプリング付属装置においては、分析される試料の面積は、検出器エレメントのサイズ、検出器の光学特性、光源のサイズ、光源の光学特性および対物レンズの光学特性によって決定される。市販のフーリエ変換分光計のベンチは、最少寸法が数ミリメートルの放射エネルギー源を備える。市販のＦＴ−ＩＲ分光計の光源の光学特性は、通常、対物レンズの焦点距離よりも大きい焦点距離を有するので、試料上の光源の画像が一般に試料上における検出器の投影サイズよりもはるかに大きい。通常、この発明では、放射エネルギーで分析される試料のサイズを決定するのは検出器サイズと関連光学部品である。これは、この発明の無限遠修正光学システムの独特の特徴である。すべての市販の赤外微量分光計システムにおいては、視域開口はサンプリング面積のサイズを限定するために用いられる。この発明では、検出器および光源が（関連光学部品と共に）サンプリング面積を限定する。この無限遠修正システムは、現在利用できる微量分光計付属装置システムに比較して、さらに単純化されるが、これは、光源からの平行放射エネルギーと試料から反射され対物レンズで再び平行にされる放射エネルギーが光路に沿った多くの位置のいずれにおいても設置される平面ミラーにより光路に沿って導かれるからである。平面ミラーの使用と、構造上および製造上の考察に基づいてこれらのミラーの位置を選択する自由度は、現在の装置のデザインを指図する光学的な考察に代って、この発明による付属装置を低価格にし、堅牢にする。この発明の目的は、（ａ）一体化ビデオシステムによる視覚試験、（ｂ）外部反射スペクトル分析、および（ｃ）内部反射スペクトル分析、を行わせる赤外微量分光計付属装置を提供することである。他の目的は、無限遠修正反射対物レンズを用いて放射エネルギーを顕微鏡領域に導く手段を提供することと、一体化ビデオシステムによって試料を拡大画像で可視化することである。さらに他の目的は、顕微鏡試料を見るために用いるのと同じ対物レンズによる顕微鏡試料の赤外反射分光計法用の単純化したシステムを提供することである。内部反射エレメントは光路内へ挿入され内部反射スペクトル測定を行う。さらに他の目的は、対物レンズの光学的デザインにより、入射放射線の角度を制御する必要性を減ずる内部反射エレメントを提供することである。この発明のさらに他の目的は、内部反射エレメントに対する試料の接触を検出する単純化されたシステムを提供することである。この発明の他の目的は、次の説明から明らかになるが、この説明は、この発明を実施および使用することをいずれの当業者に対しても可能にするために提供されるものであり、この発明を実施する発明者により企図されたベストモードを説明している。ここに定義される発明の一般的な原理を超えることなく、ここに開示される特定の実施態様に対する種々の変形は、当業者にとって明らかになるであろう。図面の簡単な説明図１は、一体化ビデオ顕微鏡法による、放射エネルギーの伝達と無限遠修正反射微量分光計付属装置の概略図を有し、この発明を具体化する斜視図である。図２は、図１に示す装置の処理の内部反射および外部反射モードにおける放射エネルギーの伝達を示す、図１と同じ視点から見た概略図である。図３および図４は、内部反射および外部反射分光試験をそれぞれ示す部分断面側面図である。図５は、図１の付属装置がビデオ観察又は試料試験に用いられるときの可視放射エネルギーの伝達を示す、図１と同じ視点から見た概略図である。図６は、同じ工程の部分断面側面図である。図７ａは、ビデオ観察と試験を、内部反射および外部反射スペクトル分析を行うための対物レンズの断面図である。図７ｂは図７ａの底面図である。図８は図７に示す対物レンズの端部を、その下に設置された内部反射エレメント又はＩＲＥと共に示す拡大断面図である。図９は、図１の付属装置用の試料設置アセンブリィの斜視図である。図１０ａと図１０ｂは、図８に示す配置アセンブリィに搭載され、試料が内部反射分光計法用に適正に設置されたときを表示するセンサープレートの上面および底面図である。詳細な説明図１は、この発明の原理を具体化した無限遠修正微量サンプリング反射率付属装置を示す。この付属装置は、フーリエ変換赤外分光計用に設計されているので、可視試験を外部反射および内部反射分光分析と同様に、単純、迅速および正確に行うことができる。拡大された画像を可視化するために、この付属装置は、可視放射線源を有し、その可視放射線は照明手段を提供する一連のレンズ、ミラーおよびビームスプリッタを介して平行にされて試料へ導かれる。試料から反射された可視放射エネルギーは、対物レンズによって集光されると共に平行にされ、その後、ビームスプリッタを通過し、可視放射エネルギーの集光ビームはビデオ検出手段に導かれる。レンズ手段は、ビデオカメラの活性表面へ可視放射エネルギーを集束する。ビデオカメラに記録された電子画像はモニタへ中継されるか、又はコンピュータシステムへビデオ入力される。好ましい実施態様では、ビデオ画像はコンピュータへのビデオ入力端子に与えられ、ディジタル化された画像が、生のビデオを見るために、蓄積するために、ビデオ画質を向上させるために、あるいは、顕微鏡的試料のビデオ画像を記録するために形成される。一体化ビデオシステムは、無限遠修正対物レンズと結合し、この赤外微量分光計付属装置の設計を著しく単純化する。放射線を対物レンズに導く可視放射エネルギービームスプリッタと赤外放射エネルギーミラーは、可動支持体に搭載され、ビーム路の内外へシフトできる。内部および外部反射分光分析のために、付属装置のベース１１がハウジング１２を支持し、その中には赤外放射エネルギー検出器１４が設置されている。アームアセンブリィ１６が、ハウジング１２に搭載され前方へ延出している。試料支持兼位置決めアセンブリィ１８はアーム１６の前端でベース１１上に搭載される。フーリエ変換赤外分光計からの平行赤外ビーム５０（ここで使用されるように、“平行にされる(collimated)”という言葉は分光計技術において慣例であるように実質的に又は近似的に平行にされることを意味するということが理解されるべきである）は開口５１を介してアクセサリィに入射する。一般に、ほぼ平行なビームを形成するどのような分光計システムでも、ニコレット・マグナ・モデル５５０、７５０又は８５０、ビオラッド・モデルＦＴＳ−４０およびパーキン・エルマー・モデル１６００、２０００およびパラゴンを含み、放射エネルギー源として使用される。図２に最もよく見られ、図７と図８に詳細に示され、図８でも示されるように、平行ビーム５０は一連の平坦又は平面ミラー２０、２２及び２４により、対物レンズ３０を介して試料１００へ導かれる。平行ビーム５０はミラー２０によりミラー２２へ平行ビーム５２として反射される。平行ビーム５２はミラー２２により、ミラー２４へ平行ビーム５４として反射される。平行ビーム５４はミラー２４により平行ビーム５６として対物レンズ３０へ反射される。図７ａに示すように、対物レンズ３０は凸面反射エレメント３２と凹面反射エレメント３４を備え、それらは、試料１００が配置された平面に集束ビームを形成するような表面と間隔を有し、その平面は図８のライン１０１で示されている。対物レンズ３０は放射エネルギーの円錐を形成しなければならず、その放射エネルギーの試料への入射面、つまり、内部反射エレメント即ちＩＲＥ３５（図８に最もよく示されている）と試料１００との間の光学インターフェイスにおいて表面の法線と入射する放射線とがなす角は、約１０度と約５０度との間の角であり、さらに一般的には２０度と４５度との間の角であるが、光学インターフェイス用臨界角度を超えている。図８に示すように、マスク３６はＩＲＥ３５の上に設置され、放射線のＩＲＥ上の入射角がＩＲＥ材料の最小値より大きくなるように保証することができる。これによって対物レンズには、より広い範囲でＩＲＥ材料を使用できる。マスクはアルミニウム又は金のような金属の不透明層を蒸着することにより付設することができる。経済的な理由のため、およびそれがミラーをメッキする光学製造業によって広く使用されているため、アルミニウムが好ましい。ミラー２２は、図１および図２に示すように、平行ビームの中において遠隔開口ビームスプリッタとして機能する。開口ビームスプリッタは、この微量分光計付属装置の光学デザインにおいて重要なエレメントである。それは、放射線源からの放射エネルギーが対物レンズの開口の半分に導かれるように機能する。対物レンズ３０は、そのエネルギーを試料上の無限遠修正対物システムの開口の半分に入射させる。試料から反射した放射線は、その放射線を再び平行にする対物レンズの開口の他の半分を介して戻る。内部反射分析において、入射放射線は内部反射エレメント３５上に注がれる。内部反射エレメントは外部反射分析およびビデオ観察中には除去され、入射放射線は試料１００上に直接注がれる。図示された対物レンズ３０は屈折率を変化させるＩＲＥを収容できる。ＩＲＥ３５と試料１００との間のインターフェースに達する放射線の角円錐の制限は、対物レンズ３０の開口数とＩＲＥそれ自身上のマスク３６（図８）とによって制御される。ＩＲＥ３５は固定具３８に搭載され、固定具３８は順にスライド４０に搭載され、スライド４０は、スライド支持部４１により、図７ａの平面に垂直な動作に耐えるように支持される。スライド支持部４１は対物レンズのハウジング３１に固定される。スライド４０と固定具３８は、内部反射エレメント３５の中心と高さを調整する機構を含んでいる。外部反射測定のために、スライド４０と固定具３８とＩＲＥ３５は、放射エネルギー路から除去され、放射エネルギーを試料１００上の平面１０１で集束させる。スライド４０とＩＲＥ３５は、図６に示す視覚モードと図４に示す外部反射モードの両方のために放射エネルギー路から除去される。ＩＲＥ３５は、固定具３８およびスライド４０は固定ファスナー４２によりぴったりと固定されるが、固定ファスナー４２はＶノッチ４４の中へ延出し、それによってＩＲＥ３５、固定具３８およびスライド４０を適所に固定するチップ４３を有するバネ負荷片であることかできる。ＩＲＥ３５は対物レンズ２５の焦点に一方向にスライド４０とスライド支持部４１を介して位置合わせされる。ＩＲＥ３５は対物レンズ３０の焦点に他の方向に、ノッチ４６の中へ延出する釘４５を介して位置合せされる。その好ましい実施態様においては、試料は赤外分光測定に先だって一体ビデオシステムを介して観察される。所望の試料領域を視野内に置いた後に、ＩＲＥは光路内へ移動される。試料１００のＩＲＥ３５による接触は、図１０ａと図１０ｂで１１０として全体的に示される電子センサーアセンブリィにより検出される。電子センサー１１０は一対の抵抗力センサ１１２、１１４を備える。スライド１１６は、その上に試料１００が設置されるが、センサ１１２と１１４上に位置する。これらのセンサーはリード線１１７を介して電子回路に接続され、その電子回路はセンサ１１２、１１４により検出された力の変化に反応する。この電子手段は、オペレータに初期接触が完了したことを警告する。この警告は、好ましくは、サンプル１００とＩＲＥ３５とが接触したときに発する検出器の光によって行われる。試料がＩＲＥに対してさらに押圧された場合には、ある力に達して、他の光によって発生される警告のような第２の警告が作動するまで、接触センサの警告は、その光によって発し続けられる。好ましくは、力検出抵抗器１１２、１１４は、スライド１２０と試料１００の下に設置される。これは最も単純な構成であり、センサーアセンブリィによってスライドと試料に加えられる力は、試料とＩＲＥ間の良好な接触を保証するために役立つ。２つのセンサにより印加される力と、試料による反作用力との三角網は積極的な接触を保証する。電子センサーアセンブリィ１１０は、試料支持部と位置決めアセンブリィ１８の中の調整可能プラットホーム１１８上に設置され、図９にさらに詳細に示されている。プラットホーム１１８は、試料を解析用の所望領域に設置するために移動させたり、迅速なくり返し分析を行うために、１つの試料から他の試料へ位置を変えたりする有効で便利な手段を提供する。ノブ１２０はＺ軸に沿う粗調整を与える。第２ノブ１２２は、ノブ１２０と同軸で、同方向の微調整を与える。ノブ１２４と１２６は、プラットホーム１１８と試料１００によるそれぞれＸおよびＹ方向への正確な移動を与える。内部反射率エレメントは、とくに、Ｇｅ−Ａｓ−Ｓｅガラス（例えば、テキサス州ガーランドのアモルファス・マテリアル，インコーポレーテッド所有の商標“ＡＭＴＩＲ”で販売されているＧｅ−Ａｓ−Ｓｅガラス）、砒素改質セレニウムガラス（ＳｅＡｓ）、硫化カドミウム（Ｃｄｓ）、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、アンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ）、ＫＲＳ−５、臭化サリウム−ヨー化サリウム（ＴｌＢｒ−ＴｌＩ）、シリコン（Ｓｉ）、臭化銀（ＡｇＢｒ）、塩化銀（ＡｇＣｌ）、臭化サリウム（ＴｒＢｒ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、ダイヤモンド、および酸化ジルコニウムから形成できる。この発明の好ましい実施態様であれば、内部反射率エレメントとしてシリコンが使用されるであろう。ＩＲＥは、好ましくは、１−３ｍｍの直径を有するが、より大きいか又はより小さい曲率半径を用いることかできる。試料１００から反射した放射線は、ＩＲＥ３５を逆方向に対物レンズ３０へ通過し、対物レンズ３０はこの放射線を平行反射ビーム６０としてミラー２４へ反射する。対物レンズ３０は無限遠修正される。換言すれば、ミラーレンズエレメント３２と３４の曲率およびそれらの間隔は、レンズの焦点特性がほぼ平行なビームを一点の焦点に導く特性になるように調整される。逆に、試料平面で照明されるいずれの点であっても、対物レンズ３０から出射する放射エネルギーのほぼ平行なビームを生成するであろう。この無限遠修正されるデザインは、放射エネルギー分光法と可視放射エネルギー結像の両方に著しく単純で廉価なシステムを提供するが、これは対物レンズへ、および対物レンズから検出器へ、放射線を導く種々の光学エレメントの配置における制限、およびこれらのエレメントを以前の付属装置で配置しなければならない場合の精度が、著しく減少するからである。対物レンズで集光された反射放射線は平行にされて入射放射線に平行な光路中を戻る。ミラー２４は平行反射ビーム６０を、平行反射ビーム６２として、ミラー２２へ反射する。反射ビーム６２はミラー２４からミラー２２へ光路の上半分に沿って走り、ミラー２６に衝突する。反射光路の物理的変位のため、この放射線はビームスプリッタのミラーに衝突することなく、（その代りに）検出手段へ通過する。従って、開口の半分が放射エネルギーを受入れ、試料が完全なミラーであれば、この放射線のすべては検出器へ通過するであろう。ここで、開口分割ビームスプリッタ２２であれば、５０％の効率を達成するであろう。これは、ビームスプリッタの初期のデザイン（屈折ビームスプリッタ又は反射ビームスプリッタとして知られる）よりも少なくとも２倍大きい。というのは、ビーム５０、５２、５４、５６、６０、６２および６８は平行（又はほぼ平行）であり、開口分割ビームスプリッタ２２（およびミラー２０、２４、２６と２８）は広範囲の場所に設置してもよいからである。位置は重要ではない。ミラー２０と２２間、ミラー２２と２４間、ミラー２４と対物レンズ３０間、ミラー２４と２６間、およびミラー２６と２８間の距離は重要でなく、その結果、それらの位置決めに融通性を与え、この発明のシステムのコストを減少させる。さらに、これは光学系のデザインを単純化し、コストを低減させ、付属装置の使い勝手を改良する。対物レンズは平行放射用に適正にデザインされているので、反射ビーム６２はほぼ平行になり、ミラー２２を越えてミラー２６へ進む。ミラー２６からビームは平行反射ビーム６８としてミラー２８へ反射される。ミラー２８は検出器１４にビームを導く集束手段であり、検出器１４は反射ビーム６８における放射線強度に対応する電気信号を生成する。検出器手段によって生成された電気信号は、その後、フーリエ変換分析用分光計に送られる。検出器１４は、概略的に図示されているが、０．２５ｍｍの検出器エレメントサイズを有する標準の市販のニコレットＭＣＴＡ検出器である。この検出器は好ましいが、それだけに限定されるものではない。より小さいエレメントサイズを有し、検出の異なるタイプの赤外放射エネルギー検出器（ボロメータ（bollomet er）および／又は光伝導タイプの検出器）のような他の検出器が利用可能である。水銀カドミウムテルル化物（ＭＣＴ）検出器は光起電力検出器である。検出器エレメントの形態は無限遠修正システムの非常に重要な点であるが、それは分折する試料領域のサイズの決定に重要な役割を演ずるからである。これが重要な点であるという理由は、この発明で認識されるものが、放射線源サイズと検出器サイズが試料領域を定義するものとして用いられてもよいということである。放射線源の光学的特性、対物レンズ、および検出器の光学的特性は、所望サイズのサンプリング面積が得られるように選択される。これは、特定の最小試料面用の光学的形態を決定でき（分析者がより使用し易いシステムを作成し、）そして、全ての現行の微量分光計システムに用いられている調整可能開口システムのコストに比べて、システムのコストを低減させることを意味する。図５と図６は、この発明の付属装置の視覚モードを示す。ランプ７０は可視放射エネルギー７２のエネルギー源であり、可視放射エネルギー７２は屈折レンズエレメント２１を通過する。レンズエレメント２１からの屈折放射エネルギー７４は、平面ミラー２３によりレンズ２５を介してコリメートレンズ２７に反射され、コリメートレンズ２７は屈折放射エネルギー７４を平行にしてビームスプリッタ２９へ平行放射エネルギーのビームを導く。ビームスプリッタ２９は、可視放射エネルギービームスプリッタであり、視覚モードで見るための光路の中へ、そして内部反射および外部反射モードて分光測定するための光路の外へ移される。平行可視放射エネルギー７６のビームはビームスプリッタエレメント２９から対物レンズ３０を介して試料１００へ導かれる。視覚モードでは、ＩＲＥ３５は、図７と図８に示すように、試料１００に入射する光の光路の外へスライド４０によって移される。試料１００から反射する時、反射した可視放射エネルギーは、上述の内部反射モードでは赤外放射線であったが、対物レンズ３０によって再び平行にされる。再び平行になったビームはビームスプリッタ２９を通過し、ミラー２４がＩＲモードに設置されている場所へ進む。ミラー２４は、システムが視覚モードである時には、再び平行になった放射エネルギー７８のビーム７８の光路外へ移される。ビーム７８はレンズエレメント８８を介して進み、レンズエレメント８８は平行ビーム７８をビデオカメラエレメント８５の上に集束する。ビデオエレメント８５および関連する電子部品は、ビデオエレメント８５上の画像に対応する電子信号を生成する。画像に対応する電子信号は、ビデオモニタ又はコンピュータシステムのいずれかに伝送される。レンズ２１、２５、２７および８８は、いずれも、単独のレンズ又は複数の光学的に組合せたレンズによ構成できる。これらのレンズの相対的な位置は、ビームスプリッタ２９を介して導かれる平行ビーム７６に光源７０からの光７２が変換される範囲においてのみ重要である。他のレンズの特性や位置を補償のために変えるのであれば、追加のレンズを用いてもよいし、図５と図６に示す１つ以上のミラーとレンズを除去してもよい。可視放射エネルギーのビーム７６は平行であるため、レンズ２７とビームスプリッタ２９間の距離は広く変化でき、システムの構成要素の形態に対してさらに融通性を与える。レンズ８８の相対的な位置は、試料の画像に対応するビデオ信号が関連する電子部品によって生成されるような様式で、平行放射線１２８がビデオエレメント８５上に集束される範囲に対してのみ重要である。上述のように、ミラー２４と可視放射エネルギービームスプリッタ２９は、それらが放射エネルギーの光路の内外に移動され得るように設置される。好ましくは、図３、図４および図６に示すように、ミラー２４とビームスプリッタ２９は可動支持アセンブリィ１９に搭載され、アームアセンブリィ１６の内で往復運動できるように搭載される。可動支持アセンブリィは、図６に示すようにアームアセンブリィ１６の前方へ移動し、ビームスプリッタ２９は、平行放射エネルギーのビーム７６を対物レンズ３０へ導く。反射された放射線は、ビームスプリッタを通過し、光路の外へすでに移されたミラー２４のそばを通る。可動支持アセンブリィがアームアセンブリィ１６の後方へ移動する時、図３と図４に示すように、ビームスプリッタ２９は放射エネルギー路の外へ移動し、ミラー２４は内へ移動する。この位置において、ミラー２４は、放射エネルギーを対物レンズヘ導き、反射された放射線を分光分析用検出器１４へ導く。従って、可動支持アセンブリィは、ミラー２４およびビームスプリッタ２９と共に、視覚モードと分光分析モードとを切換えるための、迅速で、廉価で、正確な機構を提供する。この発明の無限遠修正画像システムは、微量分光計システムで現在用いられている光学システムに対して著しい利点を与えるものである。この発明の場合には、無限遠修正システムは平面ミラーを用いて放射エネルギーを赤外分光計から目標まで伝搬し、それによって、コストを低減し、システムの光学的デザインを単純化している。この単純化は、この微量サンプリング付属装置のコストを非常に低減させるものてある。一体化されたビデオシステムに結合して見るということは、さらにコストを低減する特徴である。内部および外部反射の両方のために、無限遠修正のエレメントに一体化ビデオ顕微鏡法を結合することは、これを新しいシステムにする。これは、微量分析に対する全性能と信頼性を高める安定で堅牢なデザインを提供する。また、この発明は、図４に示すように、放射エネルギービーム路からＩＲＥ３５を除去することによって、外部反射分光計法を分析者に行わせる。外部反射測定は、屈折反射、拡散反射、および反射吸収を含む。屈折反射は、材料の第１表面の反射である。それは、その反射をKramers-Kroenig変換により吸収スペクトルに変換することによって最もよく分析できる特有の吸収スペクトルを形成する。屈折反射は、試料が滑らかな反射表面を有する時に好適である。拡散反射は、任意の角度で分散し、材料の一部を横切った光であり、その場合、放射エネルギーは試料によって吸収される。無限遠修正のSchwarzschild対物レンズは、対物レンズの集束開口の全角度に分散できる放射エネルギーの入射ビームを生成する。この光は、変換分析用の検出手段に伝達できる。拡散反射においては、試料は、一般的に非吸収マトリックス（KBr，KCl，又は硫黄のような）で分散される。薄めた試料は高品質の拡散反射スペクトルを生成する。反射吸収スペクトルは、金属反射体の表面に存在する、吸収材料の薄膜によって生成される。入射する放射エネルギーはその膜を通過して金属表面に達する。金属表面では、放射エネルギーは屈折的に反射されその薄膜を２回通過する。反射された放射線は対物レンズによって集光され、光学手段を介して検出器へ伝送される。放射エネルギーが試料を２回通過するので、外部反射分光計法のこの形式は、ダブルパス反射と呼ばれることかある。好ましい実施態様では、使用者は、外部および内部反射モードの両方において、試料のビデオ顕微鏡法による観察と放射赤外吸収スペクトル分析の両方を組合せることができるので、この発明は広い適用範囲を有するものである。ポリマー溶液の小滴をミラー表面上で蒸発させて、ポリマーの薄膜を反射吸収により分析することができる。少量の薬品を顕微鏡のスライドグラス上に設置し、薬物材料のＡＴＲスペクトルを生成する内部反射分光計法により分析してもよい。厚いポリマーのシートであれば、微量サンプリング付属装置のステージに直接設置し、内部反射分光計法により、試料準備なしで分析してもよい。粘性の高い液体の大きな溶滴は、屈折反射により分光計法的で分析してもよい。飲み物容器の保護コーティングは反射吸収分光計法により直接分析してもよい。薄層クロマトグラフ法によって分離された材料は、酸化ジルコニウムのプレート上で拡散反射分光計法により分析してもよい。当業者であれば、上述の特定の実施態様において、この発明の範囲内で多くの変形を作成できることは容易に理解するであろうが、それは、次の請求の範囲によって定義される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＧ０２Ｂ 21/36 Ｇ０２Ｂ 21/36 (72)発明者ウイルボーグ，ウィリアム，ティー. アメリカ合衆国コネチカット 06460 ミルホード、エーボン・ストリート 65、アパートメント２

Claims

【特許請求の範囲】１．平行赤外放射線の源と、遠隔開口ビームスプリッタへ前記赤外放射線を導く第１光学手段を設け、前記遠隔開口ビームスプリッタは、無限遠修正対物レンズの開口の半分を介して前記放射線を導くようにされており、前記レンズの焦点に試料を設置する手段を設け、それによって前記平行赤外放射線が前記試料上に集束され、前記試料から反射した放射線が前記無限遠修正対物レンズによって再び平行にされ、前記無限遠修正対物レンズと第１光学手段は、再び平行にされた放射線の強度に対応する電気信号を生成するようにしたスペクトル検出器へ再び平行にされた放射線を導くようにされており、可視放射エネルギー源と、前記エネルギーを平行にする手段と、平行にされたエネルギーを前記無限遠修正対物レンズに導く第２光学手段を設け、前記無限遠修正レンズは、前記光を試料上に集束し、前記試料からの反射光を再び平行にするようにされており、前記無限遠修正レンズと第２光学手段は、前記対物レンズからの平行にされた可視放射エネルギーを、ビデオセンサー上の画像に対応する電気信号を生成するようにしたビデオセンサーへ導くようにされている、内部反射分光計法用、外部反射分光計法用および試料のビデオ観察用である手段を有する分析付属装置。２．第１光学手段が第１光学エレメントと、第１光学エレメントを前記平行にされた赤外放射線路の外へ移動させる手段とを備え、第２光学手段が第２光学エレメントと、第２光学エレメントを前記可視放射エネルギー路の外へ移動させる手段とを備えた請求項１記載の分析付属装置。３．可動光学エレメント搭載部をさらに備え、第１光学エレメントと第２光学エレメントは可動光学エレメント搭載部に搭載され、前記搭載部が一方向の移動で、前記平行赤外放射線の光路の中へ第１光学エレメントを移動させると共に可視放射エネルギーの光路の外へ第２光学エレメントを移動させることができ、他の一方向の動きで前記赤外放射線の光路の外へ第１光学エレメントを移動させると共に可視放射エネルギーの光路の中へ第２光学エレメントを移動させることができるように設置されてなる請求項２記載の分析付属装置。４．第２光学エレメントが可視放射エネルギービームスプリッタである請求項３記載の分析付属装置。５．第１光学エレメントがミラーである請求項４記載の分析付属装置。６．前記対物レンズと前記試料との間に試料と接触するように内部反射エレメントを設置する手段をさらに備え、それによって、前記レンズにより前記試料上に集束された放射線が、内部反射エレメントを通過して試料に衝突し、試料から内部反射エレメントを介して前記レンズに反射され、前記レンズにより平行にされる請求項１記載の分析付属装置。７．可動支持部をさらに備え、内部反射エレメントが可動支持部に搭載され、それによって、内部反射エレメントは、外部反射スペクトル分析をするための前記レンズから試料への放射線の光路の外へ、移動させられる請求項６記載の分析付属装置。８．検出器に衝突する放射エネルギーの強度に対応する電気信号を生成するようにした検出器と、ほぼ平行な放射エネルギーの源と、反射凸面と反射凹面を有する無限遠修正対物レンズへ放射エネルギーのビームを導く第１光学手段を設け、前記凸面は、前記ビームを前記凹面へ反射するようにデザインおよび配置され、前記凸面と凹面は、前記平行ビームを１つの焦点に導くようにデザインおよび配置され、調査され、分析され又は調査分析される材料を実質的に前記焦点に支持する手段を設け、それによって、放射線が前記材料から反射され前記無限遠修正対物レンズによって再び平行にされ第１光学手段に導かれ、第１光学手段は再び平行にされた放射線を前記検出器に導くようにされており、可視放射エネルギーの源と、前記可視放射エネルギーをほぼ平行にする手段と、放射エネルギーのビームを前記対物レンズヘ導くと共に、前記レンズからの平行反射可視放射エネルギーをビデオセンサーへ導く第２光学手段を設けた、視覚能力を一体化した分光計。９．反射平行放射線を異なる場所へ導く手段を備えた請求項８記載の分光計。１０．反射ビームを導く前記手段が、少なくとも１つの移動可能に搭載された光学エレメントと、前記エレメントを前記反射ビームの内外へ移動させる手段を備えてなる請求項９記載の分光計。１１．内部反射エレメントと、内部反射分光写真分析のために試料が前記対物レンズの焦点に内部反射エレメントに接触して設置され、外部反射分光写真分析又は可視調査又は試験のために内部反射エレメントが前記焦点から離されるように、前記内部反射エレメントを移動可能に搭載する手段とをさらに備えてなる請求項１０記載の分光計。１２．調査又は分析又は調査分析される材料を支持する手段と、反射凸面と反射凹面を有する対物レンズへほぼ平行な放射エネルギーのビームを導く光学手段を設け、前記凸面は、前記ビームを前記凹面の方へ反射するようにデザインおよび配置され、前記凹面は、前記ビームを材料の方へ反射するようにデザインおよび配置され、前記凸面と前記凹面は、前記材料において焦点へ前記ビームを導くようにデザインおよび配置され、それによって放射線が材料から反射し、前記光学手段において導かれたほぼ平行な反射ビームとして、前記凹面と凸面によって再び集束される、分析器用付属装置。１３．内部反射エレメントと、前記試料を前記内部反射エレメントに対して押圧するようにした試料配置手段とをさらに備え、試料配置手段は試料が内部反射エレメントに対して押圧される力に対応する電気信号を生成するようにした力検出手段をさらに備える請求項１２記載の装置。１４．内部反射エレメントと、前記内部反射エレメントを設置する設置手段とを備え、前記設置手段は対物レンズから試料への放射線の光路の外へ前記内部反射エレメントを移動するようにしてなる請求項１３記載の装置。１５．前記反射ビームを分光計法分析用検出器手段へ導く手段を備えてなる請求項１３記載の装置。１６．反射ビームを導く前記手段が移動可能に搭載された光学エレメントと、前記エレメントを前記反射ビームの内外へ移動させる手段を備えてなる請求項１５記載の装置。１７．ほぼ平行な放射線のビームを受けて、ほぼ平行な放射線のビームを、ビデオセンサーの画像に対応する電気信号を生成するようにしたビデオセンサーに導く光学手段を備える請求項１２記載の装置。１８．反射ビームを導く前記手段が、移動可能に搭載された光学エレメントと、前記エレメントを前記反射ビームの内外へ移動させる手段とを備えてなる請求項１７記載の装置。１９．内部反射エレメントと、内部反射分光写真分析のために試料が前記対物レンズの焦点に内部反射エレメントに接触して設置され、外部反射分光写真分析又は可視調査又は試験のために内部反射エレメントが前記焦点から離されるように、前記内部反射エレメントを移動可能に搭載する手段とをさらに備えてなる請求項１２記載の装置。２０．赤外放射線に対して透明な材料で形成された本体を備え、その本体が、曲面と、前記曲面の一部に付着され前記材料を通過する入射放射線の角度範囲を限定する不透明材料とを有してなる内部反射エレメント。２１．不透明材料がアルミニウムである請求項２０記載の内部反射エレメント。２２．前記アルミニウムが蒸着によって本体に付着される請求項２１記載の内部反射エレメント。