JP2005024333A

JP2005024333A - 分光光度計を用いた発光スペクトル測定方法及び装置

Info

Publication number: JP2005024333A
Application number: JP2003188174A
Authority: JP
Inventors: Hironori Yamauchi; 弘規山内
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2003-06-30
Filing date: 2003-06-30
Publication date: 2005-01-27

Abstract

【課題】面倒である外部標準光源の測定を行うことなく、充分な精度で以て測定対象の発光体の発光スペクトルを得る。
【解決手段】分光光度計に元々内蔵されているＷＩ光源を用い、このＷＩ光源のエネルギスペクトルＥｉｎｓｔ（λ）を測定する一方（Ｓ１）、そのＷＩ光源の色温度データをプランクの分布式に適用し理論的なスペクトルＥｐ（λ）を求める（Ｓ２）。測定によって得られたエネルギスペクトルＥｉｎｓｔ（λ）と理論的なスペクトルＥｐ（λ）とから近似的な装置関数Ｔ（λ）を求め記憶させておく（Ｓ３）。測定対象である発光体からの放出光を光ファイバを介して又は直接的に分光器に導入して見かけのエネルギスペクトルＥ１（λ）を測定したならば（Ｓ４）、記憶してある装置関数Ｔ（λ）を用いて補正し、真の発光スペクトルＥｔ（λ）を算出する（Ｓ５）。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、通常、試料の透過率や吸光度などを測定するために利用される分光光度計を利用して発光体の発光スペクトルを測定するための発光スペクトル測定方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
各種ランプ、ＬＥＤなど、自己発光又は蛍光発光を生じる物体（本明細書ではこれらを総称して発光体と呼ぶ）から放出される光の波長スペクトル分布（つまり発光スペクトル）を測定するための専用の装置が、従来より知られている（例えば、非特許文献１など参照）。
【０００３】
一方、通常は試料の透過率、吸光度、反射率などを測定するために用いられる紫外可視分光光度計を利用して、発光体の発光スペクトルを測定することも行われている（例えば特許文献１など参照）。図４は分光光度計を利用して発光測定を行う場合の概略構成を示す図である。
【０００４】
分光光度計の測光部は、図４（Ａ）に示すように、内蔵光源１１、分光器１２、及び検出器１３を含む。内蔵光源１１は、一般的にはタングステンハロゲンランプや重水素ランプなどである。こうした内蔵光源１１からの放出光のうち、特定の波長のみを有する単色光が分光器１２により取り出され、試料Ｐに照射される。試料Ｐを透過する際にその試料Ｐに特有の吸収を受けた光が検出器１３に到達し、その光強度に応じた信号が検出される。基本的には、試料Ｐの有無に応じた光強度の差異が試料Ｐによる吸収に対応したものとなるから、これによって試料Ｐの吸光度を算出することができる。
【０００５】
こうした分光光度計を用いて発光スペクトルを測定したい場合、図４（Ｂ）に示すように、測定対象である発光体Ｌからの放射光は、光ファイバ１８を通して分光器１２に導入され、その分光器１２で取り出される光の波長を走査することで、見かけの発光スペクトルＥ１（λ）が測定される。この見かけの発光スペクトルＥ１（λ）は、真の発光スペクトルＥｔ（λ）に、分光器１２や検出器１３の特性、更には光ファイバ１８の特性など（これらを総称して「装置関数Ｔ（λ）」と呼ぶ）が乗じられたものである。
【０００６】
そこで装置関数Ｔ（λ）を求めるために、図４（Ｃ）に示すようにして、発光体Ｌの代わりに、真の発光スペクトルＲｔ（λ）が既知である標準光源（通常はこれもタングステンハロゲンランプ）ＳＬの発光スペクトルＲｍ（λ）を測定する。真の発光スペクトルＲｔ（λ）はその標準光源ＳＬの供給元が保証するデータに含まれるものである。この測定された発光スペクトルＲｍ（λ）と真の発光スペクトルＲｔ（λ）とから装置関数Ｔ（λ）を算出することができ、それから、発光体Ｌの真の発光スペクトルＥｔ（λ）を求めることができる。すなわち、
Ｅｔ（λ）＝Ｅ１（λ）／Ｔ（λ）＝Ｅ１（λ）／（Ｒｍ（λ）／Ｒｔ（λ））
である。
【０００７】
上記のような発光測定を精度良く行うためには、標準光源ＳＬを定期的に校正する必要があるが、それには手間が掛かるとともにコストも掛かる。また、一般に標準光源ＳＬとしては、波長や光強度の正確性がかなり高いものが必要とされるため、それ自体も高価である。さらにまた、標準光源ＳＬの発光スペクトルを測定するときには、その標準光源ＳＬの校正時と同様の測定条件となるように標準光源ＳＬと光ファイバ１８との位置関係を定めねばならず、実際の測定時の作業も面倒である。すなわち、外部の標準光源ＳＬを使用すれば装置関数Ｔ（λ）を精度よく算出して真の発光スペクトルＥｔ（λ）も精度よく求まるが、それには大きなコストと面倒な作業が必要になる。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１１−０６１３９１号公報
【非特許文献１】
“オーシャンオプティクス社製ファイバーマルチチャンネル分光システム”、［Ｏｎｌｉｎｅ］、株式会社理経、［平成１５年６月２０日検索］、インターネット〈ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｒｉｋｅｉ．ｃｏ．ｊｐ／ｄｂｄａｔａ／ｐｐｄｆ／９２ｏｒ８３８３．ｐｄｆ〉
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
測定しようとする発光体Ｌの種類やその測定の目的などによっては、必ずしも上記のように標準光源ＳＬを実際に測定することで補正処理を実行しなければならないほどの高い精度を必要としない場合もある。そうした場合には、標準光源ＳＬの測定といった面倒な作業は省略したいが、それによって測定対象である発光体Ｌの発光スペクトルの測定精度が大きく損なわれるのも望ましくない。
【００１０】
本発明はこのような点に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、発光体の発光スペクトルを、分光光度計を利用して簡便に、且つ一般的な用途には充分な精度で以て測定することができる発光スペクトル測定方法及び装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために成された第１の発明は、タングステンハロゲンランプである内蔵光源、分光器、及び光検出器を含む測光部を具備する分光光度計を用い、発光体の発光スペクトルを測定する方法であって、
ａ）前記測光部において前記内蔵光源のエネルギスペクトルＥｉｎｓｔ（λ）を測定する内蔵光源測定ステップと、
ｂ）波長と放射強度との関係を表す理論式に前記内蔵光源の色温度を適用することで理論的なスペクトルＥｐ（λ）を算出する理論値算出ステップと、
ｃ）測定対象である発光体からの放出光を前記分光器に導入し、該発光体のエネルギスペクトルＥ１（λ）を測定する発光体測定ステップと、
ｄ）前記内蔵光源のエネルギスペクトルＥｉｎｓｔ（λ）と前記理論的なスペクトルＥｐ（λ）とに基づいて算出した近似的な装置関数Ｔ（λ）を用いて前記発光体のエネルギスペクトルＥ１（λ）を補正し、該発光体の発光スペクトルＥｔ（λ）を算出する装置関数補正処理ステップと、
を有することを特徴としている。
【００１２】
また上記課題を解決するために成された第２の発明は、タングステンハロゲンランプである内蔵光源、分光器、及び光検出器を含む測光部を具備する分光光度計を用い、発光体の発光スペクトルを測定する発光スペクトル測定装置において、
ａ）前記内蔵光源からの放出光と、前記測光部の内部又は外部に置かれた測定対象である発光体からの放出光とを選択的に前記分光器に導入するための光路切替手段と、
ｂ）前記光路切替手段により前記内蔵光源からの放出光を分光器に導入した状態で、その内蔵光源のエネルギスペクトルＥｉｎｓｔ（λ）を測定する内蔵光源測定実行手段と、
ｃ）波長と放射強度との関係を表す理論式に前記内蔵光源の色温度を適用することで算出された理論的なスペクトルＥｐ（λ）と、前記内蔵光源のエネルギスペクトルＥｉｎｓｔ（λ）と、に基づいて近似的な装置関数Ｔ（λ）を算出して、これを記憶しておく装置関数記憶手段と、
ｄ）前記光路切替手段により前記発光体からの放出光を前記分光器に導入した状態で、該発光体のエネルギスペクトルＥ１（λ）を測定する発光体測定実行手段と、
ｅ）前記装置関数記憶手段に記憶されている装置関数Ｔ（λ）を用いて前記エネルギスペクトルＥ１（λ）を補正し、発光体の発光スペクトルＥｔ（λ）を算出する装置関数補正演算手段と、
を備えることを特徴としている。
【００１３】
なお、「波長と放射強度との関係を表す理論式」とは典型的にはプランクの分布式であるが、それ以外の理論式でもよい。
【００１４】
【発明の実施の形態、及び効果】
第１及び第２の発明に係る分光光度計を用いた発光スペクトル測定方法及び装置では、装置関数を求めるために外部の標準光源を使用せず、その代わりに分光光度計に内蔵光源としてもともと備えられているタングステンハロゲンランプを利用する。但し、こうしたランプは外部標準光源とは異なり、その真の波長スペクトルのデータが供給元から提供されないのが一般的である。そこで、提供される色温度データを基に、例えばプランクの分布式等の理論式に基づいて、理論的な発光スペクトルＥｐ（λ）を計算し、その発光スペクトルＥｐ（λ）と、実際に測光部により測定した内蔵光源のエネルギスペクトルＥｉｎｓｔ（λ）とから装置関数Ｔ（λ）を近似的に求める。
【００１５】
このときの装置関数Ｔ（λ）は、外部に標準光源を置いて（通常、標準光源は大形であるため測光部の試料室内には入らない）厳密に測定を行うことによって求まるものに比べると精度が落ちるものの、特に高精度な測定が必要である場合を除けば実用的に問題がない程度の精度で以て、発光体の発光スペクトルＥｔ（λ）を算出することができる。したがって、第１及び第２の発明に係る発光スペクトル測定方法及び装置によれば、外部に標準光源を置いてその測定を行うような面倒な作業を行う必要がなくなり、手軽に且つ充分な精度で以て測定対象の発光体の発光スペクトルを得ることができる。
【００１６】
なお、内蔵光源の発光スペクトルを測定する際の光路には、測光部の外部から分光器に光を導入するための光ファイバ等の光導波路を含まないため、上記のようにして求められた装置関数Ｔ（λ）には、この光導波路の特性は含まない。そこで、測定対象である発光体からの放出光を測定する際にも光導波路を介さない、つまり測光部の内部に発光体を置いた状態でそのエネルギスペクトルＥ１（λ）を測定すれば、装置関数Ｔ（λ）での補正がより正確に行えることとなり、発光体の真の発光スペクトルＥｔ（λ）の算出精度も一層向上する。
【００１７】
【実施例】
以下、本発明に係る発光スペクトル測定方法を実現する装置の一実施例について、図面を参照して説明する。図１は本実施例による発光スペクトル測定装置の全体構成を示す概略図、図３は本装置における基本的な測定の手順を示す概念図である。
【００１８】
測光部１０には、タングステンハロゲン（ＷＩ）ランプである内蔵光源１１、分光器１２、検出器１３、試料室１４のほか、分光器１２に向かう光を選択するための、駆動源１６により回転駆動される反射鏡１５と、試料室１４内に設置され、外部から光を導入するための光ファイバ１８の位置決めの機能を有する光ファイバ装着アタッチメント１７とを含む。検出器１３による検出出力は信号処理部２０に入力されており、この信号処理部２０は、エネルギスペクトル取得部２１、装置関数計算部２２、装置関数記憶部２３、補正演算部２４等を機能として含む。また、信号処理部２０には液晶ディスプレイ等の表示部２５が接続されており、算出された発光スペクトル等が表示部２５の画面上に表示される。さらに、制御部３０は測光部１０及び信号処理部２０の動作を統括的に制御する。
【００１９】
なお、信号処理部２０及び制御部３０の少なくとも一部の機能は、例えば汎用のパーソナルコンピュータにインストールされた制御・処理プログラムを実行することで具現化することができる。
【００２０】
次に、図３に従って、発光スペクトルの測定の手順を説明する。
まず、測定対象の発光体の測定に先立って、装置関数Ｔ（λ）を算出しておく。そのためには、まず内蔵光源１１のエネルギスペクトルＥｉｎｓｔ（λ）を測定する（ステップＳ１）。具体的には、駆動源１６により、内蔵光源１１から放出された光が分光器１２に導入されるように反射鏡１５を設定する。この状態で内蔵光源１１を点灯させ、分光器１２で取り出す波長を所定範囲内で順次走査する。エネルギスペクトル取得部２１は、その波長走査に伴って検出器１３で得られる検出出力を順次処理することにより、内蔵光源１１のエネルギスペクトルＥｉｎｓｔ（λ）を得る。
【００２１】
一方、内蔵光源１１の供給元（製造メーカ等）から提供される色温度データをプランクの分布式に適用し、理論的なスペクトルＥｐ（λ）を求める（ステップＳ２）。プランクの分布式は、次式で与えられる。
Ｍｅλ（λ、Ｔ）＝（Ｃ_１／λ^５）・（１／（ｅ^ｃ２／ ^λ・Ｔ−１））
ここで、Ｍｅλ（λ、Ｔ）：半球面分光放射発散度［Ｗ・ｍ^−２・μｍ^−１］
λ：波長［ｍ］
Ｔ：色温度［Ｋ］
Ｃ１：２πｈｃ^２＝３．７４１８×１０^−１６［Ｗ・ｍ^２］
Ｃ２：ｈｃ／ｋ＝１．４３８８×１０^−２［ｍ・Ｋ］
ｈ：プランク定数＝６．６２６１９×１０^−２７［ｅｒｇ・ｓ］
ｃ：光速度＝２．９９７９２５×１０^８［ｍ・ｓ^−１］
ｋ：ボルツマン定数＝１．３８０６２２×１０^−１６［ｅｒｇ・Ｋ^−１］
【００２２】
上記理論的なスペクトルＥｐ（λ）は装置関数計算部２２で計算させてもよいし、或いは外部で計算して信号処理部２０に入力するようにしてもよい。いずれにしても、装置関数計算部２２では、測定によって得られたエネルギスペクトルＥｉｎｓｔ（λ）と理論的なスペクトルＥｐ（λ）とに基づいて、次式から近似的に装置関数Ｔ（λ）を計算する（ステップＳ３）。
Ｔ（λ）＝Ｅｉｎｓｔ（λ）／Ｅｐ（λ）
そして、この装置関数Ｔ（λ）を装置関数記憶部２３に記憶させておく。
【００２３】
なお、分光器１２や検出器１３等の経時的な変化に応じて、上記装置関数Ｔ（λ）は変化するから、上記のような装置関数Ｔ（λ）の算出作業は適宜の頻度（例えば１週間に１回、１ヶ月に１回など）で行っておくとよい。
【００２４】
上記装置関数Ｔ（λ）が既に求まっているとき、実際の発光体Ｌ１のエネルギスペクトルＥ１（λ）を測定する（ステップＳ４）。具体的には、駆動源１６により、発光体Ｌ１から放出された光が通過する光ファイバ１８の光出射端から出る光が分光器１２に導入されるように反射鏡１５を設定する。この状態で分光器１２から取り出す波長を所定範囲内で順次走査する。エネルギスペクトル取得部２１は、その波長走査に伴って検出器１３で得られる検出出力を順次処理することにより、発光体Ｌ１の見かけのエネルギスペクトルＥ１（λ）を得る。補正演算部２４はこの測定によって得られたエネルギスペクトルＥ１（λ）と装置関数記憶部２３から読み出した装置関数Ｔ（λ）とから、次式により真の発光スペクトルＥｔ（λ）を算出する（ステップＳ５）。
Ｅｔ（λ）＝Ｅ１（λ）／Ｔ（λ）
【００２５】
これにより、装置関数Ｔ（λ）、つまり主として分光器１２や検出器１３の特性が補正された、発光体Ｌ１の真の発光スペクトル（厳密には真の発光スペクトルに近い値）Ｅｔ（λ）が求まる。
【００２６】
図１の構成では、発光体Ｌ１が測光部１の外部にあり、発光体Ｌ１からの放出光を光ファイバ１８により試料室１４の内部に導入するようにしているが、発光体Ｌ１の大きさが試料室１４内部に収まる程度に小さい場合には、図２に示すように試料室１４内部に発光体Ｌ２を収容し、発光体Ｌ２からの放出光を直接的に（つまり光ファイバ１８を介さずに）反射鏡１５に当てて分光器１２へと導入する構成とすることが好ましい。上述したように内蔵光源１１の放出光の測定光路には光ファイバ１８を含まないため、上記装置関数Ｔ（λ）は光ファイバ１８の特性を含まない。発光体Ｌ２を試料室１４内に収容すれば、この発光体Ｌ２の放出光の測定光路にも光ファイバ１８を含まないため、装置関数Ｔ（λ）による補正の正確性が一層向上する。なお、図２の構成では、発光体Ｌ２は外部から照射される励起光（レーザ光）を受け、蛍光などを放出するものとしているが、自己発光するものであってもよいことは当然である。
【００２７】
なお、上記実施例は一例であって、本発明の趣旨に沿った範囲で適宜変形や修正を行なうことができるのは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例による発光スペクトル測定装置の全体構成を示す概略図。
【図２】本発明の他の実施例による発光スペクトル測定装置の測光部の構成図。
【図３】本装置における基本的な測定の手順を示す概念図。
【図４】分光光度計を利用して発光測定を行う場合の従来の一般的な概略構成を示す図。
【符号の説明】
１…測光部
Ｌ１、Ｌ２…発光体
１０…測光部
１１…内蔵光源
１２…分光器
１３…検出器
１４…試料室
１５…反射鏡
１６…駆動源
１７…光ファイバ装着アタッチメント
１８…光ファイバ
２０…信号処理部
２１…エネルギスペクトル取得部
２２…装置関数計算部
２３…装置関数記憶部
２４…補正演算部
２５…表示部
３０…制御部

Claims

タングステンハロゲンランプである内蔵光源、分光器、及び光検出器を含む測光部を具備する分光光度計を用い、発光体の発光スペクトルを測定する方法であって、
ａ）前記測光部において前記内蔵光源のエネルギスペクトルＥｉｎｓｔ（λ）を測定する内蔵光源測定ステップと、
ｂ）波長と放射強度との関係を表す理論式に前記内蔵光源の色温度を適用することで理論的なスペクトルＥｐ（λ）を算出する理論値算出ステップと、
ｃ）測定対象である発光体からの放出光を前記分光器に導入し、該発光体のエネルギスペクトルＥ１（λ）を測定する発光体測定ステップと、
ｄ）前記内蔵光源のエネルギスペクトルＥｉｎｓｔ（λ）と前記理論的なスペクトルＥｐ（λ）とに基づいて算出した近似的な装置関数Ｔ（λ）を用いて前記発光体のエネルギスペクトルＥ１（λ）を補正し、該発光体の発光スペクトルＥｔ（λ）を算出する装置関数補正処理ステップと、
を有することを特徴とする発光スペクトル測定方法。
タングステンハロゲンランプである内蔵光源、分光器、及び光検出器を含む測光部を具備する分光光度計を用い、発光体の発光スペクトルを測定する発光スペクトル測定装置において、
ａ）前記内蔵光源からの放出光と、前記測光部の内部又は外部に置かれた測定対象である発光体からの放出光とを選択的に前記分光器に導入するための光路切替手段と、
ｂ）前記光路切替手段により前記内蔵光源からの放出光を分光器に導入した状態で、その内蔵光源のエネルギスペクトルＥｉｎｓｔ（λ）を測定する内蔵光源測定実行手段と、
ｃ）波長と放射強度との関係を表す理論式に前記内蔵光源の色温度を適用することで算出された理論的なスペクトルＥｐ（λ）と、前記内蔵光源のエネルギスペクトルＥｉｎｓｔ（λ）と、に基づいて近似的な装置関数Ｔ（λ）を算出して、これを記憶しておく装置関数記憶手段と、
ｄ）前記光路切替手段により前記発光体からの放出光を前記分光器に導入した状態で、該発光体のエネルギスペクトルＥ１（λ）を測定する発光体測定実行手段と、
ｅ）前記装置関数記憶手段に記憶されている装置関数Ｔ（λ）を用いて前記エネルギスペクトルＥ１（λ）を補正し、発光体の発光スペクトルＥｔ（λ）を算出する装置関数補正演算手段と、
を備えることを特徴とする発光スペクトル測定装置。