JP2002504229A

JP2002504229A - 範囲が拡大された干渉屈折計

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Publication number: JP2002504229A
Application number: JP50310699A
Authority: JP
Inventors: トゥレイノフ，スティーブン・ピィ; フィリップス，デイビッド・ティ; ジャニック，ゲイリー・アール; シェパード，ダグラス・ダブリュ
Original assignee: ワイアット・テクノロジー・コーポレイション
Priority date: 1997-06-06
Filing date: 1998-06-08
Publication date: 2002-02-05
Also published as: US6128080A; WO1998055847A2; AU7830898A; CA2293369A1; WO1998055847A3; EP1017981A2

Abstract

(57)【要約】従来技術による、その動的範囲が比較的狭い屈折率範囲に限られているいわゆる偏光型の干渉屈折計に対して、その動作範囲がほとんど限定されない干渉屈折率検出器を開示する。試料（７）と対照セル（６）との間の屈折率差の測定は、結合されたビームの偏光平面が回転した角度を測定することによって達成される。従来の装置においては、この角度は、前記結合されたビームの対照成分および試料成分の間の二分の一波長の移動に対応するラジアンにほぼ限定されている。ここに開示する、範囲が拡大された装置によれば、この角度は多数回の回転にわたって正確に追跡かつ測定することが可能である。この回転の追跡は、３つのうちいずれかの実施例によって達成される。その内、好ましい実施例においては、液晶遅延器（１４）が使用される。３つすべての実施例は、回転角の正弦および余弦の両方の測定を可能にするので、４象限の逆正接を計算することによって直接、回転角を算出することが可能である。

Description

【発明の詳細な説明】範囲が拡大された干渉屈折計発明の背景および必要性示差屈折計は、重合体、医薬および食品を含む広範囲の化合物のクロマトグラフィ分析のための検出器として、広く使用されている。10^-6g/mlから10^-8g/mlの溶質の濃度が一般に検出される。示差屈折計は、試料と対照溶液との屈折率の差に比例する信号を生成する。対照標準は通常、純粋溶媒である。非常に小さい溶質濃度dcを限度として、試料の屈折率dnの変化は、dn/dcと規定される。この値は、溶解した化合物および溶媒の双方に依存するが、これは、計器の屈折率変化を瞬時の溶質濃度に関連付けるために判定されねばならない。特定の化合物および溶媒について特定の波長におけるdn/dcの値が一旦わかれば、屈折計は絶対濃度検出器として使用が可能となる。計器の応答がΔnであれば、純粋溶媒の応答 Δcを上回る溶質の濃度変化は、単に、Δc＝Δn/(dn/dc)+O(Δn²)によって関連付けられる。過去２０年間、クロマトグラフィ分析の間にモル質量を測定するのに、光散乱を使用することに多大な関心が寄せられてきた。1974年に、OuanoおよびKayeによって、屈折率検出器および光散乱検出器が最初にオンラインのクロマトグラフィ分離と組合せて使用された（J.Poly.Sci.A-1，volume 12，page 1152）。小さい散乱角へと散乱した光の量は、モル質量に濃度を乗じた積に正比例する。したがって、光散乱信号を濃度信号によって除することによって、各溶出画分のモル質量を判定することができる。屈折率の増分dn/dcが光散乱の等式内にも現われるため、光散乱測定の際には同じ波長で測定が行なわれねばならない。クロマトグラフィ検出器として機能するのに十分な感度を有しかつ、好都合な実験時濃度およびＨＰＬＣ分離に関連する非常に低い濃度の両方でdn/dcを測定するために十分に広い範囲を有する、正確な屈折計が常に必要とされている。しかし残念なことに、逆相クロマトグラフィにおいては、溶媒勾配自身の屈折率変化によって、示差屈折率検出器はしばしば、計測不能となってしまう。多くの種類のＨＰＬＣ分離においては、間隔をおかれたピーク間の濃度変化が非常に大きいため、いくつかのピークについては屈折率応答がＲＩ検出器を飽和してしまい、またあるピークについては、応答が小さすぎて検出ができない場合がある。したがって、感度が高くかつ動的範囲が広い屈折計が必要とされる。大半の屈折計においては、動的範囲は感度を犠牲にして高められるかまたはその逆が行なわれている。市販されている既存の屈折計の大半は、スネルの屈折法則に直接基づいている。 n₁sin(θ₁)=n₂sin(θ₂) (1) これは、屈折率がn₁およびn₂である２つの材料の屈折率を、それら材料間の界面に当たる光ビームの屈折に関連付けるものである。通常の計器設計においては、試料でプリズムを形成して光ビームを偏向させ、また、対照材料の逆プリズムを使用してそれを屈折させて戻すようにする。これにより、ビームの正味の偏向は、試料材料の存在を示すことになる。別の種類の屈折計は、対照流体の液体・ガラス界面から反射されるビームに対する、試料セルの液体・ガラス界面から反射される光の強度を測定するものである。このような界面ではフレネルの反射法則に基づいて、入射ビームは通常、ほぼ臨界角で界面に当たるよう配向される。反射ビームは、そこで、２要素光検出器の表面に集束されて、後の増幅および記録に使用される。このような屈折計の線形範囲もまた、比較的限定されている。強度をベースとする屈折率検出器も利用可能であるが、偏向をベースとするものがやはり、最も一般的である。干渉屈折計は、屈折率変化を測定するのに理想的な装置であると長い間考えられてきている。この干渉計は、試料セルおよび対照セル内の長さの等しい光ビームの光学的移相を比較するものである。ラジアンで示される位相差は、φであり、φは以下の式で表わされる。 φ=2π(n₁-n₂)L/λ (2) 式中、Ｌはセルの長さであり、λは真空における光の波長である。この測定値は、屈折率の差の一次関数であって、較正定数は、どのような溶媒の屈折率についても同じである。干渉屈折計は、対照材料および試料材料に対応する別々の経路を通り抜けてきた２つのビームの干渉に基づく信号を生成する。これらの組合せられるビーム間の対比が顕著であるかぎり、干渉計は、概して範囲が拡大された測定可能な屈折率に対応する、一連の縞を提示する。このような多重経路長に関連する広い動作範囲および干渉測定に固有の高感度のために、干渉屈折計は、偏向方法の欠点の多くを克服するよう開発されてきている。実際の干渉屈折計は、「偏光干渉計」または「波形シアリング干渉計」である。この装置は、いくつかの文献においては「スミスの偏光干渉計」と称され、これは、1970年代にスウェーデンのBiofoc ABによって最初に市販された。1980年代に、それはスウェーデンの企業Tecatorによって開発され、Optilabの商標の下、販売された。そのフロー・セル・デザイン（flow cell design）のいくつかの要素は、Silverbageの米国特許番号第４，２２９，１０５号に説明されている。 1992年頃から、この計器は、カリフォルニア州サンタ・バーバラ（Santa Barbar a，CA）のワイアット・テクノロジー・コーポレイション（Wyatt Technology Co rporation）によって製造されており、同社はその設計をさらに改良している。以下の説明においては、スミスの偏光干渉計に基づく示差屈折計を、「Optilab 」と称する。 Optilab示差屈折計は、タングステン光源を使用する。このタングステン光源のコリメートされたビームは、ウォラストンプリズムの光学軸に対して４５度で直線偏光され、ウォラストンプリズムがそれを２つの直交する直線偏光ビームに分割する。分岐するこれらのビームは、レンズによって平行にされる。垂直偏光ビームは試料セルを通過し、一方、水平偏光ビームは平行な対照セルを通過する。通過後ビームは、別のレンズおよび第２のウォラストンプリズムによって再び結合される。四分の一波遅延器がその後使用されて、直線偏光した成分の各々が円偏光へと変換される。垂直偏光ビームは、時計回りの円偏光となり、水平偏光ビームは、時計と反対回りの円偏光になる。互いに反対回りの円形波の結果としての重ね合せが、楕円偏光ビームの生成を助ける。理想的には、短軸はゼロでビームは直線偏光される。実際には、四分の一波長板の移動（shift）は厳密に90 °ではなく、楕円の長軸の回転が測定される。この軸の角度は、当初の45°の直線偏光ビームに対して、試料セルと対照セルとの間の差によって導かれる移相の半分、すなわち、 θ=φ/2 (3) で回転する。式中、θは長軸偏光の角度であって、φは式（２）によって与えられる。この注目すべき結果は、干渉計の光学的移相が、偏光における物理的に測定可能な角度を生成することを意味する。Optilabの計器において、楕円偏光ビームは、偏光分析器および狭幅の干渉計フィルタを通されて、シリコンフォトダイオード検出器上に伝達される。理想的な直線偏光の場合、分析器の角度をゼロとすれば、結果として得られる信号強度Ｉは、以下の式のように正弦状に変化する。 I=I₀cos²θ=¹/₂I₀[1+cosφ] (4) 対照強度の尺度I₀は、分析器を物理的に回転させて、最大強度値と最小強度値を測定することによって構築することができる。信号の最も線形の部分は、ほぼI＝¹/₂I₀であって、このときcos(φ)=0である。信号強度の軸を_《I₀まで移動させ、分析器を回転させることによって位相軸を 90°変化させることで、移動した位相角はφ'=φ+π/2となる。移動後の強度をI_s =2I-I₀と規定すると、φ'の小さい値について以下が得られる。 I_s=I₀sinφ'=I₀φ'+O(φ'³) (5) Optilabは、その感度の限界において、屈折率差に比例する線形信号を提供する。ただし、感度は、セル長さＬ、真空における光学的波長λ、および偏光分析器を回転させることによる簡単な強度の正規化によって判定されて、I₀が判定される。最近のモデルである「Wyatt Optilab-DSP」は、マイクロプロセッサを使用して式（５）の逆正弦を計算して、線形範囲をわずかに拡大している。このマイクロプロセッサは偏光分析器の動きも制御する。 Optilabの製造業者は、異なる長さＬを有するいくつかのセルを提供することによって、非常に高感度のクロマトグラフィ測定および広範囲のdn/dc測定の双方の必要を満たしている。通常、dn/dcの測定は、長さが0.2mmのセルで行なわれ、クロマトグラフィ測定は、長さ1mmまたは10mmのセルを使用する。これらのセルは高くつき、その変更の際には再測定が必要となる。カリフォルニア州サンタバーバラのワイアット・テクノロジー・コーポレイションによって製造されるDAWN-DSPマルチアングル光散乱光度計等の、光散乱計器において使用されるレーザに対応する波長は、690nm、633nm、514nm、および 488nmを含む。他の波長は、内部の干渉フィルタおよび四分の一波長板を所望の波長へと変更して、それにしたがって光学機器を調整することによって、容易に作り出すことが可能である。まっすぐなOptilab信号を、起こり得る多くの縞を通じて辿ることができ、それが移動する間に逆正弦を計算することができると仮定すれば、その信号を使用して屈折率の非常に大きな変化を測定することが可能である。この方法は、屈折率信号のピークにおいて不明瞭である。なぜなら、信号の勾配が逆転したことを確かに示すものがないためである。テネシー大学（University of Tennessee）のVan Hook等の幾人かの研究者たちは、この不明瞭さを解決するために光の異なる波長で複数の計器を使用している。詳細は、Z．Naturforschung，Volume 44A ，pages 371 to 375(1989)に掲載されたM.SmithおよびW.A.VanHookによる論文に示されている。Optilabを使用して単一の波長で大きな屈折率変化を測定するために鍵となるのは、既存のビームの偏光の回転角を、多数の回転にわたって測定することのできる機能を有することである。もちろん、これは多種の干渉計器において公知の問題であり、公知の解決策は、「矩象（quadrature）」信号、すなわち、正弦に付随する余弦を使用して、方向の不明瞭さを解決するものである。理想的には、我々は、高感度のクロマトグラフィ検出および、低感度のdn/dc測定の両方に使用することができ、かつ、可動相の溶媒の屈折率がクロマトグラフィ分離の間に広範囲にわたって変化する場合に勾配逆相クロマトグラフィにも使用することができる、10mmセル等の単一の高感度セルからなる、Optilab型の屈折計を求めている。このような「範囲が拡大されたOptilab」は、単一の計器において、クロマトグラフィ検出、勾配クロマトグラフィ検出およびdn/dc測定の需要を満たすことができよう。先行技術 1990年に、PhillipsおよびBorchard（European Polymer Journal，Volume 26 ，pages 1289-1294）は、注入された試料が濃度のプラトー（concentration pla teau）を有する場合に、Optilab計器で非常に大きい位相変化およびそれに伴う屈折率の差を測定する手段を発見した、と考えた。彼らの文献は、Optilab 干渉計の要素について少し混乱している（彼らは、入射ビームの偏光、分析器、および干渉フィルタの正しい位置に言及していない）が、彼らは、以下の式の関係から屈折率の差を計算することができるように、そのプラトーが屈折率信号のピークから十分離れた位置にある例を選択している。 Δn=(i+α/360°)λ/L (7) 式中、ｉはプラトーに達する前の縞の数、λは干渉フィルタの真空での波長、α はプラトーに対応する、最後の縞の外側の増分を示す。著者は、αが最小値と最大値の間にあるか否かについてはトレースの外観から判断する必要があることを指摘している。この方法は、試料の、プラトーが作られるぐらい十分に大きい屈折率差を測定するのに使用することができたとしても、この技術は、クロマトグラフィ分離に続く、瞬時の屈折率変化を監視するのに使用することはできない。このことは、逆相クロマトグラフィにおける溶媒の増加する屈折率特性についてとくに当てはまる。実際、Phillips等の方法は、単一のプラトーが得られて試料が測定の前に細分されない場合に限って成功する。やはり我々は、任意に変化する屈折率という一般的な例において、式（７）におけるαおよびｉを明確に測定する必要性を認識する。最も近似の先行技術は、Frot、Beauducel、GonzalezおよびCouillardによる、米国特許番号第５，４８３，４４４号による最近の発明である。これは、ポッケルス・セルおよび、再結合される２つのビームシステムの干渉を辿りかつそれら２つの経路間の位相差を追跡する手段によって、１つの経路を位相変調することによって、屈折率の不明瞭さを克服するものである。彼らは、入射レーザビームを２つのコヒーレントな成分へと分割するウォラストンまたは同様のビーム分割装置を含む、Optilab構造と同様のフロントエンドをまず使用する。ウォラストン光学軸に対してほぼ45°偏光した平面偏光レーザビームは、ウォラストンに入る前にポッケルスセルを通過する。ポッケルスセルは好適に配向されて、それにより、入射レーザビームの２つの直交する成分のうち１つを、ウォラストンに入る前に変調する。したがって各ビームは、その一方が変調されているにもかかわらず、同じ強度を有する。二分の一波長板によって、それらビームの一方の偏光は90°回転される。この結果、２つのビームは同じ偏光を有し、簡単な態様で互いに干渉しあう。結合されたビームを遮断するこの単一の検出器は、一方ビームの位相の変調が重ね合せられた、２つのビームの位相差に単に応答する。Al lingtonの米国特許番号第４，２８９，４０３号の教示にしたがって、光学経路の差は、ポッケルスセルによってビームの一方にかけられる変調に対する、検出器における移相を測定することで求めることができる。この構造における主要な問題は、再結合する２つのビームの非対称性である。これは、それらのうち一方に配置される二分の一波長板による。二分の一波長板は、それがその中に横たわるビームから、いくらかの光を取除き得る。また、各ビームは、一方が二分の一波長回転器を備えるために、異なった経路長を有する。最後に、ポッケルスセルの移相は、温度でドリフトする。一方のビームのみがポッケルスセルを通過するため、このドリフトを相殺する簡単な方法は存在しない。Optilab設計の主要な利点は、２つの経路が対称であることである。これにより、温度や圧力等の可能な環境の影響をより均一に制御することが可能となる。Frot等は、この対称性の必要を強調しているが、彼ら自身の発明が非対称な経路を含むという事実を無視している。 Frot等は、その設計の目的が彼らの目的と同様でありかつ圧電変調器を使用していた、Couillardの米国特許番号第４，７８７，７４６号による干渉装置の早期の型が、それほど安定していないことを指摘している。というのも、後者は加熱によってドリフトする可能性があり、また結果として、時間の経過に伴って測定値がドリフトするおそれがあるためである。彼らは、圧電駆動式ミラーの機械的な動きを、おそらくは予測できずかつ補償されない熱源であるとしている。さらに、Couillardの装置は２つの検出器を使用しており、その各々が較正されねばならない。対照液体に対する液体の屈折率値を測定するために干渉を利用する取り組みに関する引例は、他にも多く存在するが、それらは、上に引用した米国特許の中で引例として挙げられている。発明の簡単な説明本発明の好ましい実施例は、再結合されたビームの偏光の長軸平面の回転を多数サイクルにわたって追跡するという本質的な概念を、吸収の存在下ばかりでなく、レーザ光源の特徴的な不安定性を許容しながら実行する。Optilabの原型は、10nm幅の狭幅フィルタを利用して、ほぼ単色の光を生成していた。このため、縞は、２０個の縞にわたってそのコントラストおよび振幅が約1/2失われる結果となった。レーザは、はるかに狭いスペクトル幅の、より明るい光を好都合に供給する。レーザ光源を使用すれば、縞の振幅は、１００を超える縞にわたって本質的に一定となるため、本発明にはレーザ光源が好ましい。しかしながら、屈折率変化の予測される範囲がそれほど大きくない場合には、白熱または他の連続光源を干渉フィルタとともに使用する従来の方法もやはり実際的である。好ましい方法は、電気的に変化させることのできる液晶遅延板を使用して結合された光ビームの長軸の偏光角を回転させるものである。したがって、偏光分析器は固定され、ビームの偏光角が回転される。遅延を電気的に走査することにより、最大強度点および最小強度点を見つけることができ、強度Ｉ₀が測定される。この方法によって、正弦信号および余弦信号に対応する遅延器の駆動電圧を特定することが可能となる。そこで、可動部分を必要とせずに単一の検出器を使用するのみで、正弦から余弦へ、余弦から正弦へと、迅速に切り換えることが可能となる。正弦値および余弦値が与えられれば、４象限の逆正接 arctan[sinφ,cosφ]=φ (8) を使用して、偏光角および正しい象限を計算することも可能であるが、実際の判定は、本発明の後述の詳細な説明から容易に明らかとなるように、４つまたはそれ以上の角度で最適に測定を行なうことによって、改善することが可能である。これによれば、導出される位相角の精度が増すばかりでなく、吸収およびレーザパワーのドリフトの影響が予測されかつ修正される。しかし、測定に、より多くの角度が含まれるにつれて、必要とされる測定時間は応じて増す。また、液晶の遅延は、各測定電圧について測定されねばならない。本発明は、さらなるセルを必要とせずに、ユーザが高感度のクロマトグラフィ検出および低感度のdn/dc測定の両方を行なえるようにする。その大きな動的範囲により、主要成分がより大量に存在する場合にも、痕跡の残余（trace residu es）の測定が容易になるであろう。広範囲の屈折率にわたって高感度を提供することによって、逆相クロマトグラフィ分析における２つの移動相成分間の勾配によって引起される滑らかに変化するベースラインの存在下で、低レベルの試料材料の検出が可能となる。非常に高い割合で屈折率が変化する異常な間隔の間は、単一の位相角を監視して単に縞を数えることが可能であり、変化の割合が十分に遅くなったら、多相測定方法に戻ることが可能である。この他に、スプリットビームおよび回転偏光器をそれぞれ使用する、本発明の２つの実現例が存在する。図面の簡単な説明図１は、装置の動作範囲を拡大させる働きをする、点線の要素１４によって示される液晶遅延器を有する、原型のOptilabを示す図である。図２は、測定値の詳細を示す、測定信号の位相図である。図３は、溶出試料上に重ね合せられた逆相勾配の、測定された屈折率を示す、溶出クロマトグラフである。図４は、勾配上に重ね合せられた溶出種を示す、図４の囲み部分の拡大図である。図５は、バックグラウンド／勾配信号がそれから取除かれた、図４のクロマトグラフである。図６は、全体の強度の変化に影響される、２つの強度測定値の関係を示す図である。図７は、偏光軸の回転を追跡するためのスプリットビーム構成を示す図である。図８は、偏光軸の回転を追跡するための回転分析器の構成を示す図である。発明の詳細な説明標準的なOptilab干渉屈折計基本的なOptilab干渉屈折計の分析は、その製造業者であるワイアット・テクノロジー・コーポレイションによって計器とともに提供されるOptilabの説明書に十分に網羅されている。図１を参照して、Optilab構造の基本要素が示される。コリメートされた入射光ビーム１は、ウォラストンプリズム２の速い軸に対して 45°の角度で偏光され、ウォラストンプリズム２は、伝達されたビームを、等しい強度の２つの直交する偏光ビーム３および４へと分割する。これらの分岐ビームはその後、レンズ要素５によって平行となるよう屈折され、対照セル６および試料セル７を通される。試料セルを通過するビームは垂直偏光され、一方、対照セルを通過するビームは水平偏光される。セルを出ると、２つの平行なビームは屈折されて、第２のレンズ要素９によって第２のウォラストンプリズム８で集束する。結合されたビームはその後、四分の一波長板１０を通されて、そこから出たビームは分析器１１を通る。従来のOptilab設計では光源として一般的に白熱電球を使用しているが、その場合のように光源が単色でないときには、干渉フィルタ１２が分析器の後段に置かれて、測定が行なわれるべき特定の波長が選択される。ビームはその後、高利得フォトダイオードまたは光電子増倍管等の検出手段１３に送られる。当然、２つのレンズ要素の位置は、波長が変化するにしたがって変えられねばならないであろう。分析器は通常、偏光の入射平面の入射45° 角に対して角度φ₀に設定される。ここで、式（２）から、干渉計が、以下の式によってその長軸の偏光角が２つのアームの光学的経路の差ｄに関連付けられる、楕円偏光のビームを生成することを思い起こされたい。 θ=πd/λ=π(n₁-n₂)L/λ=πΔnL/λ (9) 式中、λは真空における光の波長、Δnは２つのアーム間の屈折率差、Ｌはセルの長さである。屈折率のOptilabの測定は、θ'=θ−θ₀を測定するものである。ここでθ₀は、測定が行なわれる前の、出口分析器と光ビームの偏光の長軸との間の角度である。理想的には、θ₀=θであるが、製造および光学的構成要素の不完全さのためにこれは通常はゼロとはならない。標準的なOptilabにおいては、 θ₀は出口分析器を回転させることによって、計器の最も大きな応答範囲を保証するよう調整される。というのも、θ'自体が−π/2からπ/2まで変化し得るためである。本発明においては、出口分析器は固定され、θ₀は単に、データが実行かつ減じられる前に測定される。したがって、以下の説明においては、θ₀が常にわかっているので、θ'をθにより置換するものとする。先に延べたように、光学機器が不完全なために、分析器に入射するビームは完全な直線偏光ではない。それはわずかに楕円偏光しており、したがって、光検出器１３に入射する強度は、最大強度および最小強度をI_maxおよびI_minとして、以下の式で表わすことができる。式中、I₀は干渉計の出力の平均強度、I₀＝(I_max+I_min)/2であり、C_r＝(I_max−I_m _in )/(I_max+I_min)は、計器のいわゆる対比の割合である。Optilabのマイクロプロセッサは、先の式を反転して、式（９）からΔnを求める。すぐにわかる２つの問題が存在する。最も顕著なのは、この式が-π/4からπ/ 4の間の角度しか判定できないことである。単一の測定値から、角度の象限を判定することはできない。このことは、角度の測定を１つの縞以下に制限する。実際に、Optilabは、その角度範囲を最大140°に制限している。第２の問題は、逆余弦の引数が±１にほぼ等しくなると、感度がゼロとなることである。これは、強度がほぼI_maxまたはI_minとなったときに起きる。このことは、光検出器の強度の測定における誤差を判定するために、この等式における誤差伝播を分析することによって、量的に理解することができよう。光検出器アセンブリは、なんらかの固有の強度変動σ_iを有する。誤差伝播に関する標準的な公式から、その確率的誤差がσ_iであるｉ個の測定値に依存する、数量f(x₁,...,x_i)における誤差が、以下の式から計算され得ることがわかる。ここで、多数の変数と同様に確率的誤差を有する多数の項が存在する。唯一変動する変数が強度であるため、以下の式の角度測定において誤差が生じてしまう。したがって、θ〜0または¹のとき、σ₀→∞である。感度が下がる問題は、式（１２）における簡単な余弦よりもより多くの情報があれば解決することが可能である。以上の検討の結果、基礎的なOptilab計器の範囲を拡大することに向けられる本発明の基礎が形成される。範囲が拡大された実現例：液晶遅延器範囲が拡大された計器は、強度の正弦および余弦の両方を測定することによって、光の偏光角を測定する。これは、結合ビームの光経路内の、第２のウォラストンプリズム８と四分の一波長板１０との間に配置される、Meadowlark Optics ，Inc.によって製造される種類の液晶遅延器１４によって、達成される。液晶遅延器の配置は、図１において点線の要素１４によって示される。その速い軸は、セルの試料側を通過する光の垂直偏光軸と整列される。遅い軸はもちろん、対照側の水平偏光軸に整列される。なお、液品遅延器は、入射する平面偏光の光源と第１のウォラストンプリズム２との間に、同じ配向で位置付けることも可能である。２kHzの振幅変調された方形波電圧に応答して、この液晶は、速い軸と遅い軸との間で遅延を変化させる。これにより、セルの２つの側の間にさらなる経路差が生み出される。この遅延と方形波の振幅との関係は、非常に非線形ではあるが、０電圧が印加された場合の最大遅延から、最大電圧（ピーク間でほぼ40V）がかけられた場合の最小遅延まで、単調に低減する。この液晶遅延器の非線形応答のために、該遅延器を制御するのに補償型の非線形デジタルアナログ変換器を使用することが有益である。遅延器の較正中、ちょうどλ/4の遅延差を与える２つの電圧が発見される。これら２つの状態の遅延をそれぞれ、r₁およびr₂＝r₁+λ/4とする。ビームが四分の一波長板を通った後、光は以下の長軸の角度で楕円偏光される。ここで、θ₁＝θ+θ_rであり、θは測定しようとしている偏光角、θ_rは液晶によって導かれる一定の付加的な回転である。２つの状態の強度測定値は以下の通りである。 I₁/I₀=1+C_rcos(2θ₁) I₂/I₀=1+C_rcos(2θ₁+π/2) (17) =1-C_rsin(2θ₁) ここで、これらの２つの測定値を使用して、対比の割合および(I₀が一定であると仮定した)偏光角の両方を、以下のように計算することができる。これらの式が、正弦および余弦の両方の符号を保持することに留意されたい。したがって、偏光角の大きさおよび象限に関する情報を保持する４象限の逆正接、すなわち、を行なうことによって角度を判定することが可能となる。ただし、θ₁は対比の割合に対して独立である。第２行が第１行から続くのは、逆正接が２つの引数の割合にのみ依存するためである。重要な点は、この式が、−π/2からπ/2までの最大範囲内に存在する偏光角を与えることである。対比の割合もまた、式（１８）から、両方の式を二乗してそれらを加えて以下を求めることによって、明確に計算することが可能である。要約すれば、各測定につき、ΔnおよびC_rの両方を計算することができる。対比の割合は、光学機器の整列、光学的構成要素の質、セル内のビームの吸収、セルのサイズ、および、対照セルと試料セルとの間の温度差に依存する。光学機器は、測定の過程において変化することはないので、C_rから試料の光学的吸収を求めることも可能である。図２ａは、較正ステップにおける、分析器の軸１５と入射ビームの偏光面１６との位置関係を示す。較正後、遅延器は図２ｂに示すように２つのビーム偏光 S₁およびS₂を生成する。ここで、結合されるビーム偏光は、ゼロ遅延に対応して S₁に沿って位置するか、または、45°の遅延に対応してS₂に沿って位置する。遅延されたビーム偏光と遅延されないビーム偏光との間の角度分離は、図示されるように45°であり、偏光S₁およびS₂は、それらからそれぞれ22.5°である分析器の軸の上方および下方に、対称に位置する。図２ｃは、結合ビームの偏光の長軸平面S₁が、分析器の軸に対して角度θにあって、遅延ビームS₂がS₁に対して45° の角度にある、一般的な例における２つのビームを示す。縞の追跡もちろん、角度θ₁の測定は、nが整数であるとき、2nπの程度までやはり不明瞭である。これは単に、計器が測定しているのがどの縞であるかが、この測定からわからないためである。幸いなことに、これは、角度が２つの連続する測定の間で１つの縞の1/2を超えて変化することはないと仮定すれば、測定値のシーケンスから容易に判定することができる。角度測定値のシーケンスをθ₁と示す。以下の式のように仮定すれば回転を含む角度を追跡することが可能である。これは、回転数をw=φ/2π=θ/π と規定することによって最もよく説明される。ただし、θは、測定開始からの偏光角の角度変化の合計である。回転数の整数部分は、観察される縞の数である。回転数は、角度の測定値のシーケンスから、以下の式によって計算することが可能である。この式は少し説明を要する。θ_i+1/πの項は、(-1/2，1/2)の範囲内の現時点における画分の回転数を計算する。式(θ_i+1/π−w_imodl)modlは、現時点における画分の回転数と先に蓄積された値との差である。この差は、(-1/2,1/2)の範囲に限定される。3/2を加えることによって、(1,2)の範囲内で差＋3/2が得られる。最後の法（modulus）を行なうことによって、範囲(0,1)内で差＋1/2が与えられる。最後の1/2を減じることによって、(-1/2,1/2)の範囲内の差が得られる。その後、この差がw_iに加えられる。w_i+1の最終値は、θ_i+1/πと同じ画分を有するよう保証される。機械的に以下が得られる。 w_i+1modl=θ_i+1/πmodl (23) これは、式（２２）の両辺の法（module）を取ることによってわかる。この、幾分回旋状の形の理由は、これが、連続する測定値間の差が小さい場合にも、数値的切捨て誤差の影響を受けないためである。各中間値を正確に表わすのに必要とされるビット数は、常に、最終結果に必要とされるビット数よりも少ない。角度の関数ではない誤差本発明の測定技術の顕著な利点は、測定に関連する誤差がもはや発散しないことである。これは、以下のように明確に計算することができる。この式はθから独立している！測定誤差は、原型のOptilabの場合とは違って、角度の関数として変化することはない。データ図３は、逆相クロマトグラフィでの試料溶出における、範囲が拡大された計器の屈折率出力を、時間対比で表わしたグラフ図である。水およびアセチルニトリルの線形勾配によって溶出が行なわれた。実際の試料ピークは識別するのが難しい。図３の点線で囲んだ部分を拡大して図４を得る。図４においては、溶出のピークがはっきりわかる。バックグラウンド勾配を引くことによって、図５に示す最終結果が得られる。安定性多くの光源には安定化手段が設けられているか、さもなければ、後に測定されるすべての強度に対して基準が設けられるように監視されているが、強度にドリフトが生じそれが補償されない場合または検出器および／もしくはその関連の電子機器がドリフトした場合には、その性能に影響をおよぼしかねず、かつその読取り値に誤差を与えかねない、信号アーティファクトが発生することがある。光源の強度、または等価的に、検出回路が、本発明の測定時間に比較して遅いドリフトを被るものと仮定する。特に、計器の較正とデータ収集との間に数時間または数日が経過するものとする。この場合、式（１８）の計算によって、誤差が蓄積されてしまう。この誤差の影響を最もよく理解する方法は、I₀がドリフトする際のI₁対I₂の関係を作図することであろう。式（１７）から、測定値の対(I₁,I₂ )が、半径がI₀C_rによって与えられかつI₀を中心とする円上に位置せねばならないことは明らかである。強度が低くなると、この円は縮んで、その中心が原点に近づく。これを図６に概略的に図示する。強度の変化の関数としての角度における誤差は、以下のように計算することができる。式中、ΔI₀は、較正と測定との間の、照射強度の変化である。誤差は、ドリフトの後に、測定値がより小さな円上に位置するようにされるにもかかわらず、もともとの円の中心を原点として使用することによって角度を計算することから生じる。強度ドリフトの補償測定値の誤差は、時間の関数としての強度の独立した測定値を得ることができれば減じることが可能である。しかしながら、強度の明らかな変化がフォトダイオードセンサのドリフトによるものである場合には、真の照射強度を知るだけでは十分ではない。しかし、そのような測定値がない場合でも、液晶上で異なる遅延を有する分析器強度の３つ（またはそれ以上）の測定値から、強度を求めることが可能である。λ/4だけ変化する遅延を生成する４つの別個の電圧を有するように遅延器が較正されている場合には、公式は特に簡単になる。液晶が以下の遅延を生成するよう、これらの電圧をV_nと称する。 r_n=r(V_n)=r₁+(n-1)λ/4 (26) これら４つの遅延状態において測定される強度をI_nで表わす。式（１２）から、以下が得られる。これは、個々の値について以下のように書くこともできる。したがって、強度I₀の現時点の値を以下のように求めることができる。これら３つの式は原則的に等価であるが、最後の平均において最もよくノイズが減じられる。同様に、角度の正弦および余弦は、以下のような対称的な形で書くことができる。また、θ₁は、以下の簡単な式によって計算される。 θ₁=arctan(I₄-I₂,I₁-I₃)/2 (31) 明らかに、このアルゴリズムは、任意の数の遅延状態に対して生成することが可能である。経時変化する信号の修正式（３１）は、強度または検出器のドリフトが遅い場合における、本発明の好ましい実施例である。しかしながら、屈折率勾配が測定中に存在する場合には常に、別の誤差源が存在する。角度の各測定は、上述のように２つ（またはそれ以上）の強度測定から算出される。これらの測定は、逐次行なわれる。経時で屈折率が変化する試料を測定する場合には、２つの測定の間に屈折率が変化して、試料セル内の屈折率変化の割合に依存する誤差が生まれてしまう。２つ、または４つの強度値を収集する間にこの屈折率変化が起きれば、結果としての誤差は大きなものになる。例示の目的で、２点の測定を考える。強度のサンプルは、I₁(t) 、I₂(t+Δt)、I₁(t+2Δt)、I₂(t+3Δt)等で逐次取られる。誤差の修正は、Δtの最初の順で、各増分間隔Δt、2Δt、・・・等に関する観察を時間対称化することによって行なうことが可能である。９）の２点の公式である。当業者には明らかであるように、式（３２）は、式（３１）の４点の結果を対称化するように同様に拡張することもできる。高速の縞計算 Δn/Δtまたは等価的に、Δθ/Δtが変化する割合を、１つの縞の1/2以上が試料間で変化する程度にまで増加させると、上述の追跡アルゴリズムでは正確に縞を数えることができなくなるであろう。しかし、可変遅延器が単一の状態に固定されていれば、発振信号の強度を高速で監視することが可能となり、したがって、縞を数えることができるようになる。ただし、方向の逆転は検出することはできない。これにより、既存のOptilabでも、縞が速く動く場合にも縞を辿ることが可能となる。拡大されたOptilabは、大きなパルスの立上りエッジ等のように屈折率が速く変化してその正確な測定が困難な場合に、これを「高速縞計算」モードとして使用する。この方法における問題点は、信号の方向の急速な逆転を検出することができないことである。しかしながら、実際的なクロマトグラフィ応用においては、この縞計算方法はピークの急勾配上で使用されて、変化の割合がピークの頂上付近で遅くなると、完全な分析に戻るようにされる。発明の他の実施例本発明の好ましい実施例は、楕円偏光ビームの長軸の回転を辿るのに液晶遅延器を使用するが、これを達成することのできるさらに２つの実現例がある。これら２つの実現例、すなわち、スプリットビーム構造および回転分析器を、以下に簡単に説明する。スプリットビーム図７は、現われる結合ビームの回転を辿るためのスプリットビームの実現例の構成を示す。再結合されたビームが第２のウォラストンプリズム８から現われると、これは、部分的に銀の鏡、プリズムまたはペリクル手段１７によって、ほぼ等しい強度を有する２つのビーム１８および１９へと分割される。各ビームはその後、自身の四分の一波長板２０および２１、偏光分析器２２および２３、ならびに、検出器２４および２５をそれぞれ通過する。これら２つの分析器は、出力信号における90度の位相に対応して、互いに対して45度の物理的角度に設定される。分析器は、液晶遅延器構成について上述したように、最大強度および最小強度を判定するように最初に回転されてもよい。またこれに代えて、傾斜板またはオフセットレンズ等の位相走査のための別の手段を使用して強度を正規化することも可能である。動作において、１つのビームが正弦（2θ₁）信号を生成し、他方が余弦（2θ₁）信号を生成する。このような構成は、各検出器／分析器の対について別個の較正を必要とするが、それら信号を、間に時間遅延を介在させることなく、同時に測定することが可能であり、したがって、液晶の実現例における時間遅延および追跡速度の限界に関連する問題を緩和することができる。液晶の実現例において使用されたのと同様の態様で、回転角θ₁は以下のように４象限の逆正接から計算される。式中、その測定された強度I₁がsin(2θ₁)に対応する第１のビームについては、I₁₀ =(I_max1+I_min1)/2であり、その測定された強度I₂がcos(2θ₁)に対応する第２のビームについては、I₂₀=(I_max2+I_min2)/2である。バックグラウンド信号を減じるステップを含む、その後の分析は、先に説明した液晶の場合の手順と全く同じである。このスプリットビームの実現例は、それが２つの検出器および分析器を有するために、どちらかの検出器の感度が経時で変化すればドリフトの問題が生じ得る。しかし、そのような問題は、そのような信号処理の分野における当業者には明らかであるように、たとえば、２つの検出器の平均出力信号の割合I₁₀/I₂₀ を連続的に監視することによって、緩和することができる。回転偏光分析器出力ビームの回転を追跡する別の実現例を図８に示す。Optilab屈折計の偏光分析器を、たとえば600rpmの一定速度で回転する、中空のシャフトモニタ２６上に装着することができる。指示手段２７は、分析器の基準角を表示するのに使用することができ、たとえば、分析器およびホール効果検出器とともに回転する小さな磁石であり得る。これにより、角度は時間に比例して増加する。検出手段によって検出される波２８は、オシロスコープで観察されるか、または好ましくは、基準としてインデックス２９を使用して、コンピュータ手段によってデジタル化して分析することも可能である。600rpmの回転速度は、20Hzの正弦波を生成する。この正弦波は、試料の屈折率が変化するにつれて位相が変化する。試料の屈折率が増すと、波は時間的に進み、屈折率が下がると波は時間的に遅れる。種々の方法を使用して位相を測定することが可能であるが、これらは、位相ロックループ、ゼロ交差検出器およびタイマ、高速デジタル回旋等を含む。上述の発明については、干渉計の分野における当業者には明らかな、多くの変形が考えられる。たとえば、上述のいずれの実施例における光学経路も、それ自体折り返され得る。それにより、ウォラストンプリズムおよびレンズの一方をなくすことができ、またその場合には経路長が２倍になるので、計器の感度を同時に倍増することが可能である。このような実施例は、試料による光学的回転を補償する。なぜなら、反射ビームが、逆向きに回転するためである。明らかに、ここに説明した教示に有効にしたがって、任意の対照角に対する光ビームの長軸の回転の測定を使用して、試料の屈折率の対応する変化を量的に判定することのできる、他の手段も存在する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＧＷ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者フィリップス，デイビッド・ティアメリカ合衆国、92651 カリフォルニア州、ラグナ・ビーチ、フォレスト・アベニュ、384、スウィート・13 (72)発明者ジャニック，ゲイリー・アールアメリカ合衆国、93105 カリフォルニア州、パロ・アルト、サン・アントニオ・ロード、765、ナンバー・77 (72)発明者シェパード，ダグラス・ダブリュアメリカ合衆国、93105 カリフォルニア州、サンタ・バーバラ、メドウラーク・レーン、4417

Claims

【特許請求の範囲】１．単色の楕円偏光ビームの長軸の回転の角度を追跡しかつ測定するための方法であって、前記方法は、ａ）その正面に平面偏光分析手段を有する検出器に対する、前記ビームの最大強度Ｉ_maxおよび最小強度Ｉ_minをそれぞれ測定するステップと、ｂ）前記分析手段に対してゼロの回転角を規定するステップと、ｃ）前記ビーム内にビームに直交するように液晶遅延器を挿入するステップと、ｄ）前記遅延器の、一方が遅延θ_rに対応し他方が遅延θ_r＋π/4に対応する、２つの状態を較正するステップと、ｅ）前記液晶遅延器を、前記状態の間で、前記遅延器が前記２つの遅延状態の間で切換わる間に前記楕円偏光ビームの前記長軸がπ/2を超えて回転することが確実にないようにするのに十分な周波数で、駆動するステップと、ｆ）前記液晶遅延器がθ₁およびθ₂の角度に対応する前記遅延状態の各々になるたびに、ビームの強度測定I₁およびI₂をそれぞれ行なうステップとを含み、ここで、 θ₁=θ+θ_r θ₂=θ+θ_r+π/4=θ₁+π/4 でありかつ、θは測定されるべき回転角であって、さらにｇ）４象限の逆正接の1/2から角度θ₁を計算するステップを含み、 θ₁=arctan(sinθ₁,cosθ₁)/2 =arctan(-2I₂/I₀+1,2I₁/I₀-1)/2 でありかつ、I₀は平均ビーム強度であって I₀=(I_max+I_min)/2 と規定され、さらにｈ）それから前記回転角 θ=θ₁-θ_r を判定するステップを含む、方法。２．前記楕円偏光ビームの半（semi）長軸に対する半短軸の割合がゼロであり、したがって前記ビームが平面偏光される、請求項１に記載の方法。３．ステップｄの２つの状態における遅延器較正は、各々がπ/4だけ異なる４つの状態で遅延器を較正して、角度 θ_n=θ+θ_r+(n-1)π/4，n=1から4 に対応する強度測定I₁、I₂、I₃およびI₄を行ない、かつ、４象限の逆正接から前記角度 θ₁=arctan(I₄-I₂,I₁-I₃)/2 を計算することによって置換される、請求項１に記載の方法。４．前記楕円偏光ビームは、Optilab型の干渉屈折計の四分の一波長板から発するビームである、請求項１または３に記載の方法。５．前記液晶遅延器は、前記干渉屈折計の第１のウォラストンプリズムの前に配置される、請求項４に記載の方法。６．前記楕円偏光ビームの光源はレーザである、請求項４に記載の方法。７．前記楕円偏光ビームの光源は、単一の波長を選択するよう干渉フィルタと組合せられる連続光源である、請求項４に記載の方法。８．角度θ₁は、前記液晶遅延器の２つの状態における測定間の時間間隔に対応する各時間増分Δ₁に対して、強度測定値をまず対称化することによって計算される、請求項１に記載の方法。９．角度θ₁は、前記液晶遅延器の４つの状態の各々における測定間の時間間隔に対応する時間増分をΔ_rとして、３Δ_rにあたる各時間増分に対して、強度測定値をまず対称化することによって計算される、請求項３に記載の方法。１０．一方が垂直に偏光しかつ他方が水平に偏光する、偏光の平面が互いに直交する２つの平行な単色平面偏光ビームの位相差を追跡しかつ測定するための方法であって、前記方法は、ａ）前記２つのビームを、その主要軸のうち一方が前記垂直偏光ビームの偏光の面に平行に横たわりかつ他方が前記水平偏光ビームの偏光の面に平行に横たわる、ウォラストンプリズムによって単一のビームへと結合するステップと、ｂ）前記結合されたビームを強度のほぼ等しい２つのビームに分割するステップと、ｃ）前記ビームの各々を、その軸が前記結合された２つのビームのうち一方の偏光面に対して４５°である対応の四分の一波長板を通過させて、楕円偏光する結合ビームを生成するのを助ける２つの反対方向に回転する円偏光ビームの重ね合せを作るステップと、ｄ）前記ビームの各々を、対応の検出器手段がそれに続く対応の回転可能な平面偏光分析器を通過させるステップと、ｅ）前記分析器を角度の全範囲にわたって回転させる間に、前記検出器の各々においてそれぞれ、最大強度I_maxおよび最小強度I_minを測定するステップと、ｆ）前記分析器手段の第１に対してゼロの回転角を規定するステップと、ｇ）前記第２の分析器の前記偏光軸を、前記第１の分析器の前記０°の配向に対して４５°の角度で回転させるステップと、ｈ）前記検出器の各々において、前記分析器の軸および前記楕円偏光ビームのそれぞれの対応する長軸の角度の間にそれぞれ対応する角度θ₁およびθ₂に対応して、ビーム強度測定I₁およびI₂をそれぞれ行なうステップとを含み、 θ₁=0 θ₂=θ+π/4=θ₁+π/4 でありかつ、θは測定されるべき回転角であり、さらにｉ）４象限の逆正接から角度θ₁ θ₁=arctan(sin2θ₁,cos2θ₁)/2 =arctan(-2I₂/I₀₂+1,2I₁/I₀₁-1)/2 を計算するステップを含み、式中、前記第１のビームの平均ビーム強度を示すI₀ ₁ は以下の式で規定され、 I₀₁=(I_max1+I_min1)/2 かつ、前記第２のビームの平均ビーム強度を示すI₀₂は以下の式で規定され、 I₀₂=(I_max2+I_min2)/2 さらにｊ）それから前記回転角θ₁＝θを判定するステップを含む、方法。１１．前記楕円偏光ビームの半長軸に対する半短軸の割合はゼロであって、したがって前記ビームは平面偏光される、請求項１０に記載の方法。１２．前記楕円偏光ビームは、Optilab型の干渉屈折計の四分の一波長板から発せられる光である、請求項１０に記載の方法。１３．前記楕円偏光ビームの光源はレーザである、請求項１０に記載の方法。１４．前記楕円偏光ビームの光源は、単一の波長を選択するよう干渉フィルタと組合せられる連続光源である、請求項１０に記載の方法。