CN101517384A - 紫外线检测装置和紫外线防护效果评价装置 - Google Patents

紫外线检测装置和紫外线防护效果评价装置 Download PDF

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Abstract

一种紫外线检测装置(10)，从至少包含紫外线的光线中检测出透过测量样品(15)或者从测量样品(15)反射的紫外线，所述紫外线检测装置(10)的特征在于，具有：分光单元(19)，从所述光线进行紫外线分光；光检测单元(20)，检测出由所述分光单元(19)分光的紫外线，并由只对紫外线进行检测的In、Ga、N、Al、O以及Cs等中选择的元素构成的光电面构成。

Description

紫外线检测装置和紫外线防护效果评价装置
技术领域
本发明涉及一种紫外线检测装置和紫外线防护效果评价装置。
背景技术
人体的作为对紫外线的反应的红斑或黑化，常被认为是仅由紫外线照射而引起的现象，但是，实际上，除了紫外线之外，也可以被认为是由可视光线和红外线的同时照射而引起的更复杂的免疫现象。从此意义上来说，在防止紫外线对人体伤害的防晒商品的开发中，在除了紫外线之外还包含可视光和红外线的光的照射下，能够仅对紫外线进行高灵敏度检测的装置必不可少。
但是，直到现在，即使在可视光线和红外线的照射下，只分离紫外线的影响并对其进行评价的紫外线检测装置作为产品也不存在。所以，在现有的紫外线检测装置中一般采用如下方法，即：使用紫外线透过滤光器对氙气灯等的白色发光体发出的光线进行滤光使可视光减衰，将减衰了可视光后的光线照射至测量样品，然后，通过分光器对该测量样品反射或透过该测量样品的光线进行分光，排除检测中的可视光的影响。
例如，有一种装置(例如，参考日本发明专利文献“特许第3337832号”)，其通过测量透过防晒商品的紫外线的强度，来计算常被用作为紫外线防护效果指标的in vitro SPF(在人体外测定的防晒系数)预测值。但是，在现有的装置中，由于波长分辨率不良、或者、因信号增幅率低而引起的检测灵敏度低等的原因，紫外线的检测率低，不能很灵敏地检测出微弱的紫外线。
另外，在如上所述的紫外线检测装置中，还使用了对紫外线以外的光线也具有灵敏度的硅光二极管(silicon photo diode)检测器、光电子增倍管以及CCD相机等的光检测器。所以，为了仅对紫外线的影响进行评价，通过将紫外线透过滤光器进行各种组合来使用，以仅对紫外线进行提取的试验也在进行中。
但是，仅让紫外线波段透过而不让紫外线以外的波长的光透过的、如上所述的紫外线滤光器，存在着能满足严格的实用性的数量少的问题。
另外，由于紫外线的照射，测量样品及其周围的原材料等发生萤光或磷光，所以，在对紫外线以外的光线也具有灵敏度的现有的光检测器中，也存在着在测量的数值中可能混入那些萤光或磷光的散射成分的问题。
发明内容
本发明是鉴于上述问题而提出的，其目的在于，提供一种能够仅对紫外线进行高灵敏度检测的紫外线检测装置和紫外线防护效果评价装置。
为了实现上述课题，在本发明中，以下述各单元为特征。
本发明的紫外线检测装置是一种从至少含有紫外线的光线中检测出透过测量样品或从测量样品反射的紫外线的紫外线检测装置，其具有：分光单元，从所述光线进行紫外线分光；光检测单元，检测出由所述分光单元分光的紫外线，并由只对紫外线进行检测的In、Ga、N、Al、O以及Cs等中选出的元素构成的光电面构成。
本发明的紫外线防护效果评价装置通过使用所述紫外线检测装置计算出测量样品的in vitro SPF(在人体外测定的防晒系数)预测值以及in vivo SPF(在人体上测定的防晒系数)值。
根据本发明，其效果在于能够仅对紫外线进行高灵敏度的检测。
附图概述
图1是本发明第一实施例的紫外线检测装置构成图。
图2是第一实施例的滤光器的特性图。
图3是第一实施例的分光器的衍射光栅的灵敏度特性图。
图4是第一实施例的InGaN光电面的分光灵敏度特性图。
图5是本发明第二实施例的紫外线检测装置构成图。
图6是本发明的第三实施例的紫外线检测装置构成图。
主要符号说明
10、30、50紫外线检测装置
11、31、51光源
12、52滤光器
13、33、53第一光纤
14、34、54照射口
15、55测量样品
16、56测量样品基板
17、37、57检测口
18、38、58第二光纤
19、39、59分光器
20、40、60光检测器
21、41、61计算机
29、49、69积分球
32第1滤光器
35测量样品以及/或者测量生物体
43断续照射用快门
62锁定增幅器
63光断续器
本发明的最佳实施方式
以下参考附图说明本发明的最佳实施方式。
[第一实施例]
图1是本发明第一实施例的紫外线检测装置构成图。
参考图1，紫外线检测装置10是将测量样品15作为样品时的装置，其由光源11、滤光器12、第一光纤13、照射口14、测量样品基板16、积分球29、检测口17、第二光纤18、分光器19、光检测器20以及电信号处理/分析装置(计算机21)构成。
光源11在第一实施例中最好使用包含紫外线、可视光线以及红外线的白色光源即氙气灯，但是，并不限定于此。另外，白色光源即氙气灯也可以作为模拟太阳光线来使用。
滤光器12位于来自光源12的光的行进方向近旁，是用于修正光源11发出的光线的紫外线光谱的滤光器。
图2是第一实施例的滤光器的特性图。
参考图2，横轴表示波长(nm)，纵轴表示光线的透过率(％)。现有的滤波器，例如SCHOTT公司产的UG11等，如图中黑色圆点所示，具有仅对紫外线进行提取的波长特性。与此相对的，第一实施例的滤光器12，例如SCHOTT公司产的WG320等，如图中白色圆点所示，其特征在于，是比紫外线的波长还长的光线也可以透过的滤光器。
现有的滤光器可通过将各种原材料混入玻璃母材中而得到，以呈现如图中黑色圆点所示的波长特性，但是，第一实施例的滤光器由仅调整了组成的透明玻璃构成。所以，通过使用第一实施例的滤光器12，可以降低紫外线检测装置10整体的制造成本。
再参考图1，第一光纤13位于来自滤光器12的光的行进方向近旁，将透过滤光器12的光线导向照射口14。
上述光线从照射口14照射，照射口14和检测口17以预定的间隔被固定，承载了测量样品15的测量样品基板16被固定于离开照射口14一定距离的位置。如果按光的行进顺序表示，是以照射口14、测量样品15、测量样品基板16以及积分球29的顺序被配置的。
测量样品基板16是承载测量样品15的样品台，最好由不吸收紫外线的原材料构成。
积分球29接收透过测量样品15和测量样品基板16的光线，对光线进行集光，并进行空间积分使其均匀。积分球29可以被省略。
检测口17接收由积分球29处理为均匀后的光线，并将光线导向下述第二光纤18。
第二光纤18位于来自检测口17的光的行进方向近旁。将被检测口17接收的光线导向分光器19。
分光器19是将来自第二光纤18的光线在紫外线波段即200至400nm的范围内按1nm间隔进行分光的分光单元。由分光器19分光的上述紫外线照射至下述光检测器20。
第一实施例的分光器19调整对紫外线的灵敏度特性，特别地，通过使用在200至400nm的紫外线波段灵敏度特性优良的衍射光栅，实现了高灵敏度的分光性能。具体地，可选用岛津制作所生产的凹面衍射光栅(型号10-015)等，但是，并不限于这些。
图3是第一实施例的分光器的衍射光栅的灵敏度特性图。
参考图3，横轴表示波长(nm)，纵轴表示衍射效率(相对值)。
第一实施例的分光器19即凹面衍射光栅的灵敏度特性在200至400nm的紫外线波段内具有高灵敏度，特别地，200至400nm范围的衍射效率(相对值)为0.5以上。从此特点可知，其非常适于作为第一实施例的分光器19的衍射光栅来使用。
光检测器20通过光传感器检测出由分光器19分光后的紫外线，并将各波长的光线的强度变换为电流或电压信号。该电流或电压信号被送至由电配线连接的计算机21。
近年，由于微弱光检测技术的发展，使用可提高检测灵敏度的光电子增倍管的情况增多。与现有的光二极管阵列(photo diode array)和CCD相比，即使在理论上，其检测灵敏度高也是很清楚的，但是，还需要根据检测光的波长范围来选定光电子增倍管的光电面的原材料。
作为第一实施例的光检测单元的光检测器20，特别地，通过使用在200至400nm的紫外线波段灵敏度特性优良的光电子增倍管，实现了高灵敏度的紫外线检测装置。具体地，使用具有由In、Ga、N、Al、O以及Cs等元素中选择的原材料构成的光电面的光电子增倍管。
图4是第一实施例的InGaN光电面的分光灵敏度特性图。
参考图4，横轴表示波长(nm)，纵轴表示量子效率(％)。第一实施例的光检测器20即光电子增倍管的InGaN光电面的分光灵敏度在160至400nm的紫外线波段具有高灵敏度，特别地，200nm至400nm范围的量子效率为0.1以上。另外，与400nm以上的长波长光线相比，紫外线波段的量子效率呈现了2至3位以上的高灵敏度。由此特点可知，其非常适于作为第一实施例的紫外线检测装置10的光检测器20。
对于光检测器20，尽管对使用了光电子增倍管的情况进行了说明，但由In、Ga、N、Al以及O等构成的半导体光检测器也同样可以作为光检测器20来使用。
再参考图1，计算机21接收来自光检测器20的数据，对该数据进行处理，将其处理为紫外线检测装置20的用户容易理解的形式，并可以将结果显示在画面上、将结果打印在记录纸上或者将结果保存在存储介质中。
在上述的从光源11至光检测器20的光学系统中，目前采用的是如上所述的使用了即使被紫外线照射也不发生萤光或磷光的石英系列原材料的高价材料，但是，在第一实施例中，因为检测器仅在紫外线波段具有灵敏度，所以，即使材料在可视光领域内发生萤光或磷光，其影响也不会出现在信号输出中。因此，紫外线检测装置10可以采用廉价的光学材料来构成，还可以降低该装置整体的制造成本。
根据第一实施例，本装置通过使用仅对紫外线具有灵敏度的检测器，从而可以在可视光下评价样品的有紫外线引起的影响。
另外，本装置还可以作为用于探求由紫外线在测量样品中诱发的现象是否可能受到可视光的影响而增强等的装置结构。
更进一步，如上所述，由于本装置作为用于构成其他装置的光学元件，即使存在与紫外线激发相伴的萤光或磷光，也难以对测量产生影响，所以，还可以将其作为构成其他装置的廉价光学元件。
[第二实施例]
图5是本发明第二实施例的紫外线检测装置构成图。
参照图5，紫外线检测装置30是将测量样品35作为样品时的装置，其由光源31、第一滤光器32、第二滤光器42、断续照射用快门43、第一光纤33、照射口34、积分球49、检测口37、第二光纤38、分光器39、光检测器40以及电信号处理/分析装置(计算机41)构成。
紫外线检测装置30是通过一边一直照射紫外线一边断续或连续地照射可视光来评价包含生物体样品的测量样品35的紫外线反射特性的装置。第一实施例的紫外线检测装置10是检测透过测量样品15的检查光线的装置，与此相对的，第二实施例的紫外线检测装置30是检测测量样品35上反射的检查光线的装置。由此特点可知，紫外线检测装置30是适于将实际生物体作为测量样品35来使用的装置。
光源31的构成与第一实施例的光源11相同。但是，从光源31发出的光线照射至下述第一滤光器32和第二滤光器42。
第一滤光器32位于来自光源31的光的行进方向近旁，是用于修正光源31发出的光线的紫外线光谱的滤光器，因为其构成与第一实施例的滤光器12相同，所以省略其详细说明。透过第一滤光器32的光线照射至下述断续照射用快门43。
断续照射用快门43是用于断续地遮断透过第一滤光器32的光线的快门。另外，快门可以一直处于开放状态，但也可以连续地使上述光线通过。透过断续照射用快门43的光线照射至第一光纤33。
第二滤光器42位于来自光源31的光的行进方向近旁，将光源31发出的光线处理成290至400nm波长的UVB和UVA的紫外线。作为第二滤光器42，最好使用WG320滤光器和UG11滤光器(都是SCHOTT公司生产的产品)，但是，并不限于这些。透过第二滤光器42的光线照射至第一光纤33。
第一光纤33位于来自第一滤光器32和第二滤光器42的光的行进方向近旁，将透过第一滤光器32和第二滤光器42的光线引导至照射口34。
将至此为止的构成总结一下可知，在断续照射用快门43开放的状态下，从照射口34照射紫外线、可视光线以及红外线。与此相对的，在断续照射用快门34断续地关闭的状态下，紫外线一直在照射，但是，可视光线和红外线仅在断续照射用快门43开放时断续地照射。
上述光线从照射口34照射至测量样品35。照射至测量样品35的光线如图中的A所示。从照射口34照射的光线A到达测量样品35后，被测量样品35吸收或透过测量样品35，但是，一部分在测量样品35上被反射。这些被反射的光线的一部分被积分球49接收。
关于积分球49、检测口37、第二光纤38、分光器39、光检测器40以及计算机41，因为其构成与第一实施例的积分球29、检测口17、第二光纤18、分光器19、光检测器20以及计算机21相同，所以，省略其详细说明。
根据第二实施例，在第一实施例的效果之上，因为本装置是检测测量样品上的反射光的紫外线检测装置，所以其可以进行将生物体的皮肤和不可破坏的物体表面等作为样品的测量。
另外，通过使用断续照射用快门，除了可以对测量样品进行紫外线照射外，还可以控制可视光线和红外线的照射的有无。因此，本装置可以进行对测量样品照射紫外线时的评价和对测量样品照射紫外线、可视光线以及红外线时的评价的比较。
[第三实施例]
图6是本发明的第三实施例的紫外线检测装置构成图。
参考图6，紫外线检测装置50是将测量样品55作为样品时的装置，其由光源51、滤光器52、光断续器63、第一光纤53、照射口54、测量样品基板56、积分球69、检测口57、第二光纤58、分光器59、光检测器60、电信号处理/分析装置(计算机61)以及锁定增幅器62构成。
光源51的构成与第一实施例的光源11相同，所以，省略其详细说明。
另外，滤光器52的构成也与第一实施例的滤光器12相同，所以，也省略其详细说明。但是，透过滤光器52的光线照射至光断续器63。
光断续器63是使透过滤光器52的光线断续地透过的快门，使上述光线进行脉冲照射。该脉冲照射的光线照射至第一光纤53。
另外，光断续器63与下述锁定增幅器62电性接线。从驱动电路62取得脉冲光和同步信号，同步分析来自下述光检测器60的信号。
关于第一光纤53、照射口54、测量样品基板56、积分球69、检测口57、第二光纤58、分光器59、光检测器60以及计算机61，因为其构成与第一实施例的第一光纤13、照射口14、测量样品基板16、积分球29、检测口17、第二光纤18、分光器19、光检测器20以及计算机21相同，所以省略其详细说明。
但是，计算机61与锁定增幅器62电性接线，接收来自光检测器60的信号被锁定增幅器62检测和处理后的数值。
锁定增幅器62与光检测器60、计算机61以及光断续器63电性接线。锁定增幅器62进行控制以使光断续器63发出的脉冲光和从光检测器60接收的信号同步。具体地，该同步控制使用锁定增幅器62中的位相检波电路使两个信号同步。
根据第三实施例，在第一实施例的效果之上，通过上述控制，可以通过光线的瞬时照射，对诸如由检查光线中含有的紫外线而导致高速劣化的测量样品55进行高速的性能评价。通过该方法，就可以在测量样品55劣化前完成测量。
另外，尽管测量样品的光线的照射的总时间相同，但是，通过任意改变脉冲照射时间的长短和脉冲照射间隔，可以缓和测量样品中的由脉冲光线引起的现象(紫外线引起的测量样品的光劣化等)。从一个脉冲照射开始至下一个脉冲照射到达为止，在诸如紫外线的影响变得更少的样品中，也可以进行上述缓和过程的评价。
[第四实施例]
第四实施例是使用第一、三实施例的紫外线检测装置10和紫外线检测装置50的、上述防晒商品的紫外线防护效果的评价方法。具体地，计算防晒商品的in vitro SPF预测值。
在第一、三实施例的紫外线检测装置10、50中，在皮肤代替膜即测量样品基板16、56上涂敷作为测量样品15、55的防晒商品，将检查光照射在测量样品15、55上，由光检测器20、60检测透过测量样品15、55的检查光，通过分析该透过光的光谱可以计算出in vitro SPF预测值。具体地，可以将专利文献1公开的方法应用于第一、三实施例的紫外线检测装置10、50中。
另外，紫外线检测装置10、50如上所述其对紫外线的检测灵敏度非常高，因此，也可以准确地检测出透过呈现高SPF值的测量样品的透过光中的弱紫外线。
[第五实施例]
第五实施例是使用第二实施例的紫外线检测装置30的、上述防晒商品的紫外线防护效果的评价方法。具体地，计算防晒商品的in vivoSPF值。
在第二实施例的紫外线检测装置30中，在检测生物体35上涂敷作为测量样品的防晒商品，将检查光照射在检测生物体35上，由光检测器40检测测量样品反射的检查光，通过分析该反射光的光谱可以计算出in vivo SPF值。
以上对本发明的最佳实施例进行了详细叙述，但是，本发明并不限于上述特定的实施方式，在权利要求书记载的本发明的要点的范围内，可以进行各种各样的变形和变更。装置构成内的配置替换，例如分光器或光断续器的配置等，也并不限于上述实施例所述内容。
另外，在评价防晒商品的紫外线防护效果等时，有些装置会在290nm至400nm的波段内使用，但是，在本装置中，可以在200nm至400nm的波段内进行广泛的应用。
本国际申请主张2006年10月6日申请的日本专利发明申请2006-275374号的优先权，并在本国际申请内引用了2006-275374号的全部内容。

Claims (13)

1、一种紫外线检测装置，从至少包含紫外线的光线中检测出透过测量样品或者从测量样品反射的紫外线，所述紫外线检测装置的特征在于，具有：
分光单元，从所述光线进行紫外线分光；
光检测单元，检测出由所述分光单元分光的紫外线，并由只对紫外线进行检测的In、Ga、N、Al、O以及Cs中选择的元素构成的光电面构成。
2、根据权利要求1所述的紫外线检测装置，其特征在于，
所述光检测单元使用将灵敏度特性调整至紫外线的光电子增倍管。
3、根据权利要求2所述的紫外线检测装置，其特征在于，
所述光电子增倍管的量子效率在200至400nm的范围内为0.1以上。
4、根据权利要求1所述的紫外线检测装置，其特征在于，
在所述分光单元中，灵敏度特性被调整至紫外线，并且，波长分辨率为1nm以下。
5、根据权利要求4所述的紫外线检测装置，其特征在于，
在所述分光单元中，在200至400nm范围内，衍射光栅的衍射效率为0.5(相对值)以上。
6、根据权利要求1所述的紫外线检测装置，其特征在于，
对所述测量样品照射所述光线，检测出透过所述测量样品的紫外线。
7、根据权利要求1所述的紫外线检测装置，其特征在于，具有：
光断续器，对所述测量样品脉冲照射所述光线；
锁定增幅器，使所述光断续器和所述光检测单元的信号同步。
8、根据权利要求1所述的紫外线检测装置，其特征在于，
在由于所述光线的照射而导致紫外线的透过特性变化的所述测量样品中，照向所述测量样品的所述光线的照射的总时间相同，但是，所述光线的照射时间的长短和照射间隔是可变的。
9、根据权利要求1所述的紫外线检测装置，其特征在于，
对所述测量样品照射所述光线，检测出从所述测量样品反射的紫外线。
10、根据权利要求9所述的紫外线检测装置，其特征在于，
对所述测量样品进行紫外线的连续照射以及可视光的连续或断续照射。
11、根据权利要求1所述的紫外线检测装置，其特征在于，
发出所述光线的光源是疝气灯。
12、根据权利要求11所述的紫外线检测装置，其特征在于，
所述疝气灯被用作为模拟太阳光。
13、一种紫外线防护效果评价装置，其特征在于，
通过使用权利要求1所述的紫外线检测装置，计算出所述测量样品的in vitro SPF预测值和in vivo SPF值。
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