JP2006138767A - 微分スペクトル測定装置及び測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 光源のスペクトルの影響を低減して高精度な微分スペクトルを得ることができる微分スペクトル測定装置及び測定方法を提供する。
【解決手段】 光源から出射され、測定対象により光吸収を受けた光のスペクトルの変化を測定する微分スペクトル測定装置において、光Ｌを複数の光路に分岐させる光分岐手段１２と、分岐された各光がそれぞれ照射され、各光を反射し、所定の波長バンドごとに分光する回折格子１３と、回折格子１３で分光された各光を反射させる複数の光反射偏向手段１４と、少なくとも一つの光反射偏向手段１４に設けられ、光反射偏向手段１４の反射面を回転駆動させる駆動手段１５と、反射された各光の波長バンドごとのスペクトルを交互に検出し、光の微分スペクトルを出力するアレイ光検出器１８とを備えた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光の強度変化から微分スペクトルを測定する微分スペクトル測定装置と測定方法に関するものである。

ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）アクチュエータを有する回折格子を用いた分光器がある。

図７に示すように、分光器７０は、レンズやミラー、フィルタ等の光学素子７４と、回折格子７３と、スリット７６、検出器７７、信号処理装置７８及び変調器７９とを備える。回折格子７３は、基板７１上に多数のプレート７２が直線状に配置されてなる。プレート７２は静電アクチュエータで上下に動かすことができ、プレート７２を動かすことで、回折格子７３に入射した光の波長を掃引できる。分光した光は、スリット７６を通過して検出器７７で検出され、信号処理装置７８において処理される。このとき、回折格子７３と検出器７７には変調器７９が接続されているので、波長多重光（白色光）は回折格子７３によって分光され、その各光信号を変調することができる（特許文献１参照）。

米国特許第５９０５５７１号明細書

ところで、図８は、従来の分析装置においてＳＯ₃ ガス中を透過させたサンプル光の吸収スペクトルを表したものであり、図９は波長２３０ｎｍにおける受光強度をＳＯ₃ ガスの濃度毎にプロットした検量線である。

ガスの吸収スペクトルは、吸収したガスの種類によって吸収波長バンドが異なり、吸収濃度によって受光強度が異なる。

しかし、図９に示すように、受光強度を測定し、ガス濃度を算出する際、受光強度の変化率に対してガス濃度変化率が大きく、受光強度の誤差によりガス濃度が大きく変化してしまう。また、光源より出射される光の強度によっても受光強度は変化してしてしまい、測定誤差の要因となる。

そこで、図１０に示すように、図８の吸光スペクトルを波長で一次微分し、微分スペクトルでガスの濃度を算出することで、光強度の変動や大きさに関係なく、波長間の変化分からガス濃度を求めている。したがって、受光強度の変動や大きさに関係なく正確なガス濃度を測定することができるが、ガス濃度がゼロ（光源からの出射光を直接検出）の場合でも、微分スペクトルが波長によって相応の値をもつ。例えば、図１１に示す波長２３０ｎｍの検量線において、ガス濃度がゼロのとき、一次微分値が１１２となっている。これは、ガス濃度がゼロのとき、微分値がゼロではないので、分解能が小さくなったり、受光強度による誤差を大きくする原因となる。

すなわち、従来の分光器で測定される光では、光源より出射される光のスペクトルが検出されるスペクトルの形状に反映されており、それにより算出される微分スペクトルは、光源より出射された光のスペクトル変化の影響による誤差を含んでいるという問題点がある。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、光源のスペクトルの影響を低減して高精度な微分スペクトルを得ることができる微分スペクトル測定装置と測定方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、光源から出射され、測定対象により光吸収を受けた光のスペクトルの変化を測定する微分スペクトル測定装置において、
上記光を複数の光路に分岐させる光分岐手段と、
分岐された各光がそれぞれ照射され、各光を反射し、所定の波長バンドごとに分光する回折格子と、
回折格子で分光された各光を反射させる複数の光反射偏向手段と、
少なくとも一つの光反射偏向手段に設けられ、光反射偏向手段の反射面を回転駆動させる駆動手段と、
反射された各光の波長バンドごとのスペクトルを交互に検出し、光の微分スペクトルを出力するアレイ光検出器と
を備える微分スペクトル測定装置である。

請求項２の発明は、光源から出射され、測定対象により光吸収を受けた光のスペクトルの変化を測定する微分スペクトル測定装置において、
上記光を複数の光路に分岐させる光分岐手段と、
分岐された各光がそれぞれ照射され、各光を反射し、所定の波長バンドごとに分光する回折格子と、
回折格子で分光された各光を反射させる複数の光反射偏向手段と、
少なくとも一つの光反射偏向手段に設けられ、光反射偏向手段の反射面を回転駆動させる駆動手段と、
光の波長バンドごとのスペクトルに、予め作製しておいた検量線となるスペクトルと同じ重みの重み付けを行うべく、上記光反射偏向手段での分光された光の反射率の制御を波長バンドごとに行う演算手段と、
反射された各光を集光する集光手段と、
集光された各光の光量の総和を交互に検出する光検出器
とを備える微分スペクトル測定装置である。

請求項３の発明は、上記駆動手段が、所定の波長バンドごとに分光された光の光路面に対して水平方向に上記光反射偏向手段を回転駆動可能とする請求項１または２記載の微分スペクトル測定装置である。

請求項４の発明は、上記駆動手段が、所定の波長バンドごとに分光された光の光路面に対して垂直方向に上記光反射偏向手段を回転駆動可能とする請求項１または２記載の微分スペクトル測定装置である。

請求項５の発明は、上記駆動手段が、所定の波長バンドごとに分光された光の光路面に対して水平方向かつ垂直方向に上記光反射偏向手段を回転駆動可能とする請求項１または２記載の微分スペクトル測定装置である。

請求項６の発明は、光源から出射され、測定対象により光吸収を受けた光のスペクトルの変化を測定する微分スペクトル測定装置において、
上記光を複数の光路に分岐させる光分岐手段と、
分岐された複数の光の少なくとも一つの光路を調節する偏向手段と、
分岐された各光がそれぞれ照射され、各光を反射し、所定の波長バンドごとに分光する回折格子と、
回折格子で分光された各光を反射させる複数の光反射偏向手段と、
反射された各光の波長バンドごとのスペクトルを交互に検出し、光の微分スペクトルを出力するアレイ光検出器と
を備える微分スペクトル測定装置である。

請求項７の発明は、光源から出射され、測定対象により光吸収を受けた光のスペクトルの変化を測定する微分スペクトル測定装置において、
上記光を複数の光路に分岐させる光分岐手段と、
分岐された複数の光の少なくとも一つの光路を調節する偏向手段と、
分岐された各光がそれぞれ照射され、各光を反射し、所定の波長バンドごとに分光する回折格子と、
回折格子で分光された各光を反射させる複数の光反射偏向手段と、
光の波長バンドごとのスペクトルに、予め作製しておいた検量線となるスペクトルと同じ重みの重み付けを行うべく、上記光反射偏向手段での分光された光の反射率の制御を波長バンドごとに行う演算手段と、
反射された各光を集光する集光手段と、
集光された各光の光量の総和を交互に検出する光検出器と
を備える微分スペクトル測定装置である。

請求項８の発明は、上記偏向手段を、上記回折格子の後段に設けた請求項６または７記載の微分スペクトル測定装置である。

請求項９の発明は、上記偏向手段を、上記回折格子の前段に設けた請求項６または７記載の微分スペクトル測定装置である。

請求項１０の発明は、上記偏向手段が、偏向手段を回転駆動させる駆動手段を有する請求項６から８いずれかに記載の微分スペクトル測定装置である。

請求項１１の発明は、上記偏向手段がプリズムである請求項６から１０いずれかに記載の微分スペクトル測定装置である。

請求項１２の発明は、光源から出射され、測定対象により光吸収を受けた光のスペクトルの変化を測定する微分スペクトル測定方法において、
光源から出射され、測定対象により光吸収を受けた光を複数の光路に分岐して伝搬させ、
分岐された各光を所定の波長バンドごとに分光し、
所定の波長バンドごとに分光された各光を、光反射手段でそれぞれ光反射させる際、ある光反射手段の光反射面と、残りの光反射手段の光反射面とに角度差を持たせた状態で光反射させ、
ある光反射手段で反射された所定波長の光と、残りの光反射手段で反射された上記所定波長の光とは異なる波長の光とを、同じ光検出素子で交互に検出し、複数の波長の光の光強度の差を出力する微分スペクトル測定方法である。

請求項１３の発明は、光源から出射され、測定対象により光吸収を受けた光のスペクトルの変化を測定する微分スペクトル測定方法において、
光源から出射され、測定対象により光吸収を受けた光を複数の光路に分岐して伝搬させ、
分岐された各光を所定の波長バンドごとに分光し、
所定の波長バンド毎に分光された各光の少なくとも一つを、偏向手段を介して通過させて光路を変え、
光路がそれぞれ異なる各光を光反射手段でそれぞれ光反射させ、
ある光反射手段で反射された所定波長の光と、残りの光反射手段で反射された上記所定波長の光とは異なる波長の光とを、同じ光検出素子で交互に検出し、複数の波長の光の光強度の差を出力する微分スペクトル測定方法である。

請求項１４の発明は、光源から出射され、測定対象により光吸収を受けた光のスペクトルの変化を測定する微分スペクトル測定方法において、
光源から出射され、測定対象により光吸収を受けた光を複数の光路に分岐して伝搬させ、
分岐された各光の少なくとも一つを、偏向手段を介して通過させて光路を変え、
光路がそれぞれ異なる各光を所定の波長バンド毎に分光し、
その分光された各光を光反射手段でそれぞれ光反射させ、
ある光反射手段で反射された所定波長の光と、残りの光反射手段で反射された上記所定波長の光とは異なる波長の光とを、同じ光検出素子で交互に検出し、複数の波長の光の光強度の差を出力する微分スペクトル測定方法である。

請求項１５の発明は、各光反射手段で光反射させる際、各光を所定の波長バンド毎に掃引、変調する請求項１２から１４いずれかに記載の微分スペクトル測定方法である。

請求項１６の発明は、光源から出射された光を直接導入し、複数の光路に分岐して伝搬させ、
分岐された各光を所定の波長バンド毎に分光し、
所定の波長バンドごとに分光された各光を、光反射手段でそれぞれ光反射させる際、ある光反射手段の光反射面と、残りの光反射手段の光反射面とに角度差を持たせた状態で光反射させ、
ある光反射手段で反射された所定波長の光強度と、残りの光反射手段で反射された上記所定波長の光とは異なる波長の光強度を、光検出素子で交互に検出する際、光検出素子の出力が０になるように、上記光反射手段を調整する請求項１２または１５記載の微分スペクトル測定方法である。

請求項１７の発明は、光源から出射された光を直接導入し、複数の光路に分岐して伝搬させ、
分岐された各光を所定の波長バンド毎に分光し、
所定の波長バンド毎に分光された各光の少なくとも一つを、偏向手段を介して通過させて光路を変え、
光路がそれぞれ異なる各光を光反射手段でそれぞれ光反射させ、
ある光反射手段で反射された所定波長の光強度と、残りの光反射手段で反射された上記所定波長の光とは異なる波長の光強度を、光検出素子で交互に検出する際、光検出素子の出力が０になるように、上記光反射手段を調整する請求項１３または１５に記載の微分スペクトル測定方法である。

請求項１８の発明は、光源から出射された光を直接導入し、複数の光路に分岐して伝搬させ、
分岐された各光の少なくとも一つを、偏向手段を介して通過させて光路を変え、
光路がそれぞれ異なる各光を所定の波長バンド毎に分光し、
その分光された各光を光反射手段でそれぞれ光反射させ、
ある光反射手段で反射された所定波長の光強度と、残りの光反射手段で反射された上記所定波長の光とは異なる波長の光強度を、光検出素子で交互に検出する際、光検出素子の出力が０になるように、上記光反射手段を調整する請求項１４または１５記載の微分スペクトル測定方法である。

本発明によれば、高精度な微分スペクトルが得られるといった優れた効果を発揮する。

以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１は本発明に係る微分スペクトル測定装置の好適な第１の実施の形態を示した概略図である。

図１に示すように、微分スペクトル測定装置（以下、測定装置）１０は、筐体１１内に、光伝搬方向上流側から順に光分岐手段１２，回折格子１３，光反射手段１４，アパチャ１６，屈折手段１７、アレイ光検出器１８を備える。

測定装置１０は、測定対象に光を透過或いは反射させ、測定装置１０に導入される光Ｌを出射する光源を有しており、例えば測定装置１０の外部に設けられる。光源から出射される光としては、広帯域のスペクトルを有する光であればよく、特に限定するものではない。光源としては、装置コストが安価なランプが好ましいが、ＬＥＤやレーザ発振手段を用いてもよい。

測定装置１０には、測定装置１０に光Ｌを導入する光ガイド部材１９を接続してもよい。光ガイド部材１９は、光源より出射し、測定対象とする試料によって光吸収を受けた光Ｌを測定装置１０に導入する部材である。光ガイド部材１９としては、慣用の光ファイバ等が適用される。

光分岐手段１２は、測定装置１０に導入された光Ｌを複数の光路に分岐させるものである。本実施の形態では光分岐手段１２としてハーフミラーを光Ｌの光路中に設け、光Ｌを、ハーフミラー１２を透過する光Ｌ１と、ハーフミラー１２で反射する光Ｌ２の２つの光路に分岐させるようにした。ハーフミラー１２の図中下側には２つの光路を平行にするためのミラー２１が設けられている。光分岐手段１２として、光ガイド部材１９に接続して導波路型の光カプラを設けてもよい。

回折格子１３には、光分岐手段１２により２つの光路に分けられた光Ｌ１，Ｌ２が照射され、反射される。反射された各光Ｌ１，Ｌ２は、所定の波長バンドごとに分光される。

光反射手段１４は、回折格子１３で分光された各光Ｌ１，Ｌ２が照射され、反射、好ましくは反射、偏向する部材である。光反射手段１４は、分岐された光路の数と同じ数だけ設けられる。本実施の形態では、光反射手段１４を、光Ｌ１，Ｌ２を別々に反射させるべく２つ（図１中では１４ａ，１４ｂの２つ）設けた。

この光反射手段（光反射偏向手段）１４は、例えばミラー部材、好ましくは分光された各光Ｌ１，Ｌ２を所定の波長バンドごとに掃引、変調するプログラマブル回折格子とされる。また、プログラマブル回折格子が、ＭＥＭＳアクチュエータを有することがより好ましい。

さらに、光反射偏向手段１４には、光反射偏向手段１４の反射面を回転駆動させる駆動手段１５が設けられる。本実施の形態では、駆動手段１５は光反射偏向手段１４と別体に設けられる本体部１５ａと、光反射偏向手段１４に設けられるアクチュエータ（図示せず）とで構成され、本体部１５ａとアクチュエータは電気的に接続されている。駆動手段１５は、光反射偏向手段１４の少なくとも反射面を駆動させるものであればよいが、光反射偏向手段１４全体を駆動させてもよい。駆動手段１５は、光Ｌ１（またはＬ２）が分光された各光の光路からなる光路面に対して水平方向に、換言すれば回折格子１３による光の回折方向に水平に光反射偏向手段１４を回転駆動させる。

本実施の形態の特徴は図中上側に配設された光反射偏向手段１４ａと図中下側に配設された光反射偏向手段１４ｂの角度を異ならせ、回折格子１３でそれぞれ分光された光Ｌ１、Ｌ２の同じ波長の光が、光反射偏向手段１４ａ，１４ｂでそれぞれ別々の角度で反射されるようにすることにあり、駆動装置１５で、光反射偏向手段１４ａの角度を調節することができる。

また、駆動手段１５を２つの光反射偏向手段１４ａ，１４ｂに接続し、光反射偏向手段１４ａ，１４ｂを両方とも回転駆動可能としてもよい。測定装置１０において、各部材の配置に応じて、光反射偏向手段１４を光Ｌ１（Ｌ２）の分光された光の光路面に垂直に回転駆動させるよう駆動手段１５を設けてもよい。さらには、光反射偏向手段１４を分光された光の光路面に水平かつ垂直に回転駆動可能とする駆動手段１５を設けてもよい。

アパチャ１６は、偏向された各光Ｌ１，Ｌ２の通過／断遮を行う遮光絞りである。偏向された各光Ｌ１，Ｌ２が、遮断体１６ａに照射されると伝搬遮断となる。また、偏向された各光Ｌ１，Ｌ２が、隣接する遮断体１６ａ間の開口部に向けて照射されると通過となる。遮断体１６ａの形状は、特に限定するものではなく、矩形状の他に、円形状であってもよい。開口部は、遮断体１６ａ自体に設けた溝（スリット）であってもよい。

屈折手段１７（例えば、プルーフプリズム）には、アパチャ１６を通過した各光Ｌ１，Ｌ２が照射され、各光Ｌ１，Ｌ２の波長バンドごとのスペクトルが、アレイ光検出器１８に達するように屈折させる。屈折手段１７としては、アパチャ１６を通過した各光Ｌ１，Ｌ２を、アレイ検出素子１８の位置に屈折させることができるものであれば特に限定するものではなく、プリズムの他に、円筒レンズ（シリンドリカルレンズ）などが挙げられる。

アレイ光検出器１８は、プリズム１７によって屈折された各光Ｌ１、Ｌ２を検出し、光Ｌ１及び光Ｌ２の光強度の差を出力する光検出素子を複数アレイ状に配置されてなるものである。アレイ光検出器１８には、演算手段（図示せず）が電気的に接続されており、アレイ光検出器１８の出力に基づいて、演算手段が測定対象の測定値（例えば、ガス濃度）の演算を行う。

次に、本実施の形態に係る微分スペクトル測定装置１０を用いた測定方法を添付図面に基づいて説明する。

本実施の形態では測定対象ガス（ＳＯ₃ ガス）の充填されたガスセル内に光を透過させ、透過した光Ｌを測定装置１０に導入して微分スペクトルを求める方法について説明する。

測定対象ガスが充填されたセルの一端側から入射光Ｉ０を入射させることで、入射光Ｉ０が吸光され、出射光Ｉ１としてガスセルから出射される。

ガスの吸収スペクトルは、吸収したガスの種類によって吸収波長バンドが異なり、吸収濃度によって受光強度が異なる。この時、入射光Ｉ０と出射光Ｉ１との間には、
Ｉ１（λ）＝Ｉ０（λ）×Ｔ（λ）
ここで、Ｔ（λ）は透過率
の関係が成り立つ。この関係を利用して、波長バンドに依存して光Ｌの透過率が異なることから、出射光Ｉ１の波長バンド間の光強度差（変化率）から吸収濃度を求めることができる。

測定対象ガス中を透過して光ガイド部材１９より測定装置１０に入射した光Ｌは、光分岐手段１２により２つの経路に分岐される。ハーフミラー１２を透過した光Ｌ１は、回折格子１３に入射し、ハーフミラー１２で反射した光Ｌ２はミラー２１で反射して光Ｌ１と略平行に回折格子１３に入射する。

光Ｌ１は、試料の種類に依存した波長バンドの光強度が減衰されており、固定された回折格子１３で反射される。同様に、光Ｌ２もまた、固定された回折格子１３で反射される。この時、光Ｌ１と光Ｌ２は、回折格子１３の別々の位置（図１中では上段と下段）で反射されるので、互いに干渉されることはない。回折格子１３によって、光は波長バンドごとのスペクトルに分光される。

分光された光Ｌ１と光Ｌ２は、それぞれ上下二段に配置された２つの光反射偏向手段（MEMS（Micro Electro Mechanical System）アクチュエータを有するプログラマブル回折格子（以下、MEMS型プログラマブル回折格子と記す））１４ａ，１４ｂで反射、偏向される。MEMS型プログラマブル回折格子１４ａ，１４ｂにおける各MEMSアクチュエータ（以下、MEMS１，MEMS２と記す）に到達した各光Ｌ１，Ｌ２は、所定の角度範囲で高速で反射、偏向され、交互にアパチャ１６へと向かう。この反射、偏向によって、各光Ｌ１，Ｌ２の光強度が調整される。

例えば、図２（ａ）に示すように、MEMS１（又はMEMS２）は、基板２１上に静止電極２２ａ…２２ｎ（図２（ａ）中では２２ａのみ図示）が設けられ、各静止電極２２ａ…２２ｎと離間して可動反射素子である移動電極２３ａ…２３ｎ（図２（ａ）中では２３ａのみ図示）を設けたものである。各移動電極２３ａ…２３ｎは、各静止電極２２ａ…２２ｎに対して当接、離間自在（図２（ａ）中では上下方向移動自在）に設けられる。また、各移動電極２３ａ…２３ｎは、基板２１に設けられる脚部２４ａ，２４ｂと、電極本体部（ミラー部）２５と、一端が脚部２４ａ，２４ｂに固定して設けられ、他端が電極本体部２５を吊設するフレキシブル接続部２６ａ，２６ｂとを有している。フレキシブル接続部２６ａ，２６ｂの厚さＤ１は、電極本体部２５の厚さＤ２よりも薄く形成しておくことで、フレキシブル接続部２６ａ，２６ｂは自在に屈曲される。電極本体部２５は剛直で、屈曲しない。各静止電極２２ａ…２２ｎは、それぞれが制御手段（例えば、コンピュータ（図示せず））の各アドレスに独立して接続されている。

各静止電極２２ａ…２２ｎと各移動電極２３ａ…２３ｎ間の電圧（電位差）を、制御手段によりそれぞれ制御することで、各移動電極２３ａ…２３ｎを独立させて駆動させることができる。その結果、各静止電極２２ａ…２２ｎと各移動電極２３ａ…２３ｎ間の離間距離Ｈ１…Ｈｎ（図２（ａ）中ではＨ１のみ図示）を、それぞれ無段階に自在に調節することができる。電圧と離間距離Ｈ１…Ｈｎとの関係は予め検量線を作成しておき、この検量線に基づいて、離間距離Ｈ１…Ｈｎを調節する。このように、静止電極と移動電極の各離間距離Ｈ１…Ｈｎを、それぞれ無段階に自在に調節することで、アパチャ１６を通過する光の強度を波長バンドごとに調節することができる。また、MEMS１，MEMS２の各移動電極２３ａ…２３ｎの制御は、高速で、かつ、制御手段によって同期させて交互に行われる。

具体的には、図２（ｂ）に示すように、全ての移動電極２３ａ…２３ｎを動かして、静止電極２２ａ…２２ｎに当接させることで（全ＯＦＦ時）、アパチャ１６において、所定の波長バンドの光（図２（ｂ）中では光２９ａ〜２９ｃ）が全て遮断される。また、図２（ｃ）に示すように、全ての移動電極２３ａ…２３ｎを静止電極２２ａ…２２ｎと離間させたままとすることで（全ＯＮ時）、所定の波長バンドの光（図２（ｃ）中では光２９ａ〜２９ｃ）がアパチャ１６間を通過する。また、図２（ｄ）に示すように、移動電極２３ａ…２３ｎの一部を静止電極２２ａ…２２ｎと当接又は近接させ、残部の移動電極２３ａ…２３ｎを動かさず、離間させたままとすることで（光強度調整時）、離間又は近接させた静止電極と対応したある波長バンドの光（図２（ｄ）中では光２９ｂ，２９ｃ）だけが、光強度を調整されてアパチャ１６を通過する。当接させた静止電極と対応したある波長バンドの光（図２（ｄ）中では光２９ａ）は、アパチャ１６で遮断される。

分光された各光Ｌ１，Ｌ２は、波長によって回折角が異なるので、分光された各波長バンドの光はMEMSの各ミラー部にそれぞれ異なる角度で入反射する。MEMS１とMEMS２とが平行に上下に揃って配置されていれば、同じ波長バンドの光は同じ角度で光反射手段１４を出射する。

本実施の形態では、駆動手段１５により光反射偏向手段（MEMS１）１４ａの反射面を回折方向に水平に駆動させてMEMS１の角度を調節し、MEMS１とMEMS２の反射面に角度差をもたせて配置する。具体的には、上側のMEMS１で反射する波長バンドの光と、下側のMEMS２で反射する波長バンドの光とで、異なる波長バンドの光が同じ反射角で出射するようにする。

さらに、MEMS１とMEMS２において、隣接するミラー部で反射する波長の光が同じ反射角で出射されるのが好ましい。すなわち、MEMS１の一つのミラー部２３ｎで反射した波長バンドの光は、MEMS２では、そのミラー部２３ｎに隣接したミラー部２３ｎ＋１で反射されるのが好ましい。具体的には、MEMS１のミラー部２３ａで反射した光と、MEMS２のミラー部２３ｂで反射した光がアレイ光検出器１８中の同じ光検出素子に集光される向きに、MEMS１のミラー部２３ｂで反射した光と、MEMS２のミラー部２３ｃで反射した光が同じ光検出素子に集光される向きになるようにMEMS１の反射面の角度が調節される。

アパチャ１６を通過した各光Ｌ１，Ｌ２は、屈折手段１７に照射される。屈折手段１７に入射した各光Ｌ１，Ｌ２は、それぞれ屈折させられ、波長バンドごとのスペクトルがアレイ光検出器１８に達するように出射される。

屈折手段１７を通過した各光Ｌ１，Ｌ２は、図１に示したように、アレイ光検出器１８で受光される。アレイ光検出器１８は、水平に配置された光検出素子を有しており、各光検出素子で各波長バンドごとのスペクトルがそれぞれ受光される。各光検出素子で、プリズム１７によって屈折された各光Ｌ１，Ｌ２の各光強度が交互に検出され、光Ｌ１と光Ｌ２の各波長バンド間ごとの光強度の差がそれぞれＡＣ出力される。図１中では、アレイ光検出器１８から出力δＩが出力される。

最後に、出力δＩと、予め既知であるガス濃度の検量線とからガスセル内のガス濃度が測定される。

このとき、出力δＩとして一つの光検出素子から出力される光強度差は光Ｌ１と光Ｌ２とで波長の異なる光の強度差である。

詳細には、アレイ光検出器１８中のある光検出素子では、光Ｌ１の波長λ１の光強度と、光Ｌ２の波長λ２の光強度の差が出力され、それに隣接する光検出素子では、光Ｌ１の波長λ２の光強度と光Ｌ２の波長λ３の光強度との差が出力される。光Ｌ１と光Ｌ２は試料を透過した光Ｌが光分岐手段１２によって分岐された同じ光であり、各光検出素子から出力される光強度差は、試料を透過した光Ｌの波長間の光強度差を表している。

本実施の形態では、測定対象ガスを透過した光Ｌを測定装置１０に導入する前に、光源より出射した光を直接測定装置１０へ導入し、上述のようにMEMS１の向きを調整した後、アレイ光検出器１８から出力される光強度差が０となるようにMEMS１，MEMS２のミラー部２３をそれぞれ調整した。

この後、測定対象ガスを透過した光Ｌを測定装置１０に導入して測定した波長−光強度分布（微分スペクトル）を図３に示す。図３において、分布線３０，３１，３２，３３、３４，３５はそれぞれガス濃度が０，１０，２０，３０，４０，５０ｐｐｍの微分スペクトルを示している。

図３に示すように、測定される光Ｌの吸収濃度が０ｐｐｍのときはどの波長バンドにおいても一次微分値が０を示している。これは、光源から直接測定装置１０に導入された光の微分スペクトルの波長依存性を無依存化していることになる。そのため、例えば図４に示すように、波長２３０ｎｍにおける一次微分値と濃度の関係を示す検量線は、ゼロを通る直線で表される正比例の関係を有する。

図４を濃度測定の検量線とし、未知の濃度のガスを収容したセルを通過した光の微分スペクトルを検出し、その微分スペクトルにおけるガス吸収のある波長バンドの一次微分値と、図４の検量線からセル内のガスの濃度を求めることができる。

一般に光源のスペクトルが小さくなると、その微分スペクトルも小さくなってくる。図１１に示した検量線のように光吸収のないときに一次微分値がある（検量線が嵩上げされている）と、検出される光の光強度が小さくなったときに微分値も小さくなり、誤差の影響が大きくなってしまう。

本実施の形態の微分スペクトル測定方法では、測定対象ガスの濃度が０の時の一次微分値を常に０としているので、受光強度の大きさや光源のスペクトルの変化に影響されない。よって、受光感度による誤差の影響を受けない精度の高い微分スペクトルを得ることができ、これにより正確なガス濃度を算出することができる。

特に、本実施の形態の微分スペクトル測定方法では、光源より出射される光のスペクトルを無依存化できるので、複雑なスペクトルを有するランプ等を光源として用いる際により効果を発揮する。

また、溶媒中に溶けた溶質の種類や濃度を計測する装置としても用いることができる。この際、溶媒によって光強度が変化する影響を除去でき、測定対象である溶質による吸収の差分のみが強調されて微分スペクトルが出力されるので、高感度の計測をすることができる。

本実施の形態の微分スペクトル測定装置は、説明してきたガス濃度測定装置等の測定光透過型の測定装置や、コンクリートにランプ光を入射し、その反射光を測定してコンクリートの劣化部分を診断するコンクリート劣化診断装置等の測定光反射型の測定装置に広く用いることができる。

次に、本発明の第２の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

本発明の第２の好適一実施の形態に係るスペクトル測定装置の斜視概略図を図５に示す。尚、図１と同様の部材には同じ符号を付しており、これらの部材については説明を省略する。

図５に示すように、本実施の形態に係るスペクトル測定装置５０の基本的な構成は、図１に示した微分スペクトル測定装置１０と同じである。本実施の形態の測定装置５０が、前実施の形態の測定装置１０と異なる点は、２つの光反射手段１４ａ，１４ｂを平行に固定して配置し、光Ｌ１の光路上（図中上側の光路）において回折格子１３と光反射偏向手段１４ａとの間に偏向手段５３を設けた点である。

偏向手段５３としては、光路を偏向することができるものであれば特に限定されず、本実施の形態ではプラスチック等で形成されたプリズムを用いた。

偏向手段５３には、分光された光の光路の偏向角を調節するために、偏向手段５３を回転駆動させる駆動手段を設けてもよい。

本実施の形態では偏向手段５３を回折格子１３より後段の光路上に、詳細には回折格子１３と光反射偏向手段１４ａとの間に配置したが、回折格子１３の前段（上流）の光路上に偏向手段５３を配設してもよい。或いは光反射偏向手段１４ａより後（下流）の光路上に配設してもよい。

測定装置５０では、分光された光Ｌ１の光路がプリズム５３により変化させられているので、光Ｌ１は、分光された光Ｌ２と異なる光路（角度）でMEMS１，２にそれぞれ入射する。よって、MEMS１，MEMS２において、上下に揃うミラー部２３では異なる波長の光が入反射し、アレイ光検出器１８の一つの光検出素子では交互に異なる波長の光が検出される。

本実施の形態の微分スペクトル装置５０においても、前実施の形態と同様な作用効果が得られる。

次に、本発明の第３の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

本発明の第３のの好適一実施の形態に係るスペクトル測定装置の斜視概略図を図６に示す。尚、図１と同様の部材には同じ符号を付しており、これらの部材については説明を省略する。

図６に示すように、本実施の形態に係るスペクトル測定装置６０の基本的な構成は、図１に示した微分スペクトル測定装置１０と同じである。本実施の形態の測定装置６０が、前実施の形態の測定装置１０と異なる点は、アパチャ１６と屈折手段１７との間に第２回折格子（集光手段）６１を設け、検出手段として光検出器６２を設け、各MEMS型プログラマブル回折格子１４ａ，１４ｂに制御演算手段６３を接続した点である。

第２回折格子６１としては、回折格子１３と同じものが使用可能である。回折格子６１により、各波長バンドごとのスペクトルに分光された各光Ｌ１，Ｌ２が、単一光に集光される。また、集光手段として、第２回折格子６１の代わりに積分球を用いてもよい。

光検出器６２としては、アレイ型の光検出器である必要はなく、シングル型の光検出器で十分である。

制御演算手段６３は、各MEMS型プログラマブル回折格子１４ａ，１４ｂの制御手段としての機能と、図１に示したアレイ光検出器１８に接続された演算手段としての機能を併せ持つものである。制御手段としての機能部と演算手段としての機能部は、一体に設けてもよく、又はそれぞれ別体に設けてもよい。

次に、本実施の形態に係る微分スペクトル測定装置６０を用いた微分スペクトルの測定方法を添付図面に基づいて説明する。

本実施の形態に係る測定装置６０を用いた測定方法は、基本的に前実施の形態に係る測定装置１０を用いた微分スペクトル測定方法と同じであるが、光Ｌの一次微分値から濃度を演算する手法が異なる。

図６に示したように、先ず、試料を通過した光Ｌは、ハーフミラー１２で２つの光路に分岐され、固定された回折格子１３に入射し、反射される。回折格子１３によって、光Ｌ１，Ｌ２は波長バンドごとのスペクトルに分光される。

分光された光Ｌ１，Ｌ２は、上下二段に配置された２つのMEMS型プログラマブル回折格子１４ａ，１４ｂで反射、偏向される。MEMS型プログラマブル回折格子１４ａ，１４ｂにおけるMEMS１，MEMS２に到達した各光Ｌ１，Ｌ２は、所定の角度範囲で高速で反射、偏向される。

予め作成しておいた濃度算出用のスペクトルｂ（重みスペクトルや、回帰ベクトルなど）と光検出器６２からの出力δIとの積を、全ての波長バンドで計算し、その総和を求めることで、分析対象ガスのガス濃度ｙが求まる。濃度算出用のスペクトルｂは、測定対象ガスの種類ごとに、演算装置のメモリに記憶、保存されている。濃度ｙは以下の（１）式で表される。

ｙ＝δＩ（δλ）・ｂ
＝δＩ（δλ₁）ｂ₁＋δＩ（δλ₂）ｂ₂＋…
…＋δＩ（δλ_n）ｂ_n （１）
MEMS１，MEMS２における反射、偏向は、（１）式の演算結果に基づいてなされる。即ち、光反射偏向手段１４であるMEMSで、（１）式の演算を光学的に行う。具体的には、MEMS１で反射した光の波長λと、それに対応したMEMS２で反射した光の波長λ２との光強度差δＩ（δλ）（一次微分値）が、濃度参照用のスペクトルｂと同じ割合となるように、MEMS１及びMEMS２の各移動電極２３ａ…２３ｎを調節して光の反射率を制御し、分光された光Ｌ１，Ｌ２を、各波長バンドごとに反射率を変えて反射、偏向させる。言い換えると、MEMS１，MEMS２において、分光された光Ｌ１と光Ｌ２の反射率の制御を波長バンドごとに行って、光Ｌ１，Ｌ２の波長バンド間ごとの微分スペクトルに、予め作製しておいた濃度算出用スペクトルｂと同じ重みの重み付けを行い、この状態で分光された光Ｌ１，Ｌ２を反射、偏向させる。

MEMS１，MEMS２において、所定の角度範囲で高速で反射、偏向された各光Ｌ１，Ｌ２は、交互にアパチャ１６へと向かう。アパチャ１６間を交互に通過した各光Ｌ１，Ｌ２は、第２回折格子６１で集光される。この集光によって、各光Ｌ１，Ｌ２の全波長バンド間の微分スペクトルがまとめられる（足し合わされる）。

その後、集光された各光Ｌ１，Ｌ２は、それぞれ屈折手段１７で屈折させられ、波長バンドごとのスペクトルが光検出器６２に達するように出射される。

屈折手段１７を通過した各光Ｌ１，Ｌ２は、交互に光検出器で受光される。光検出器６２でそれぞれ受光、検出されるのは、各光Ｌ１，Ｌ２の全波長バンドにおいて、各波長バンド間の光の変化の総和である。よって、検出器からの出力が、そのまま分析対象ガスの濃度に対応している。

本実施の形態に係る微分スペクトル測定装置６０では、前実施の形態に係る微分スペクトル測定装置１０のように、アレイ光検出器１８から多量のデータを演算手段に転送し、それらのデータを演算手段で演算する必要がないため、より高速度な測定が可能となる。

次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。

本実施の形態に係るスペクトル測定装置の基本的な構成は、図６に示した微分スペクトル測定装置６０と同じである。本実施の形態の測定装置が、前実施の形態の測定装置６０と異なる点は、２つの光反射手段１４ａ，１４ｂを平行に固定して配置し、光Ｌ１の光路上（図中上側の光路）において回折格子１３と光反射偏向手段１４ａとの間に偏向手段５３を設けた点である。

本実施の形態の測定装置では、分光された光Ｌ１の光路が偏向手段５３により変化させられているので、光Ｌ１は、分光された光Ｌ２と異なる光路（角度）でMEMS１，２入射する。よって、MEMS１，MEMS２において、上下に揃うミラー部２３で異なる波長の光がそれぞれ入射する。

本実施の形態の微分スペクトル測定装置及び測定方法においても前実施の形態と同様な作用効果が得られる。

本実施の形態の微分スペクトル測定装置を示す概略図である。 （ａ）は、光反射偏向手段の断面図である。（ｂ）は、可動回折素子が全てＯＦＦのときの光反射手段を示す概略断面図である。（ｃ）は、可動回折素子が全てＯＮのときの光反射手段を示す概略断面図である。（ｄ）は、波長毎に変調するときの光反射手段を示す概略断面図である。 図１の微分スペクトル測定装置で測定されたＳＯ₃ ガスの吸収スペクトルの一次微分スペクトルである。 図２の微分スペクトルにおける波長２３０ｎｍのときの一次微分値をガス濃度毎にプロットした検量線である。 第２の実施の形態の微分スペクトル測定装置を示す概略図である。 第３の実施の形態の微分スペクトル測定装置を示す概略図である。 従来の分光器を示す模式図である。 従来のマルチチャンネル分光器で測定されたＳＯ₃ ガスの吸収スペクトルを示す図である。 図８の吸収スペクトルにおける波長２３０ｎｍのときの受光強度をガス濃度毎にプロットした検量線である。 図８の吸収スペクトルを一次微分した微分スペクトルを示す図である。 図１０の微分スペクトルにおける波長２３０ｎｍのときの一次微分値をガス濃度毎にプロットした検量線である。

符号の説明

１０ 微分スペクトル測定装置
１２ 光分岐手段
１３ 回折格子
１４ 光反射偏向手段（光反射手段）
１５ 駆動手段
１６ アパチャ
１８ アレイ光検出器
５３ 偏向手段

Claims (18)

1. 光源から出射され、測定対象により光吸収を受けた光のスペクトルの変化を測定する微分スペクトル測定装置において、
   上記光を複数の光路に分岐させる光分岐手段と、
   分岐された各光がそれぞれ照射され、各光を反射し、所定の波長バンドごとに分光する回折格子と、
   回折格子で分光された各光を反射させる複数の光反射偏向手段と、
   少なくとも一つの光反射偏向手段に設けられ、光反射偏向手段の反射面を回転駆動させる駆動手段と、
   反射された各光の波長バンドごとのスペクトルを交互に検出し、光の微分スペクトルを出力するアレイ光検出器と
   を備えることを特徴とする微分スペクトル測定装置。
2. 光源から出射され、測定対象により光吸収を受けた光のスペクトルの変化を測定する微分スペクトル測定装置において、
   上記光を複数の光路に分岐させる光分岐手段と、
   分岐された各光がそれぞれ照射され、各光を反射し、所定の波長バンドごとに分光する回折格子と、
   回折格子で分光された各光を反射させる複数の光反射偏向手段と、
   少なくとも一つの光反射偏向手段に設けられ、光反射偏向手段の反射面を回転駆動させる駆動手段と、
   光の波長バンドごとのスペクトルに、予め作製しておいた検量線となるスペクトルと同じ重みの重み付けを行うべく、上記光反射偏向手段での分光された光の反射率の制御を波長バンドごとに行う演算手段と、
   反射された各光を集光する集光手段と、
   集光された各光の光量の総和を交互に検出する光検出器
   とを備えることを特徴とする微分スペクトル測定装置。
3. 上記駆動手段が、所定の波長バンドごとに分光された光の光路面に対して水平方向に上記反射面を回転駆動する請求項１または２記載の微分スペクトル測定装置。
4. 上記駆動手段が、所定の波長バンドごとに分光された光の光路面に対して垂直方向に上記反射面を回転駆動する請求項１または２記載の微分スペクトル測定装置。
5. 上記駆動手段が、所定の波長バンドごとに分光された光の光路面に対して水平方向かつ垂直方向に上記反射面を回転駆動する請求項１または２記載の微分スペクトル測定装置。
6. 光源から出射され、測定対象により光吸収を受けた光のスペクトルの変化を測定する微分スペクトル測定装置において、
   上記光を複数の光路に分岐させる光分岐手段と、
   分岐された複数の光の少なくとも一つの光路を調節する偏向手段と、
   分岐された各光がそれぞれ照射され、各光を反射し、所定の波長バンドごとに分光する回折格子と、
   回折格子で分光された各光を反射させる複数の光反射偏向手段と、
   反射された各光の波長バンドごとのスペクトルを交互に検出し、光の微分スペクトルを出力するアレイ光検出器と
   を備えることを特徴とする微分スペクトル測定装置。
7. 光源から出射され、測定対象により光吸収を受けた光のスペクトルの変化を測定する微分スペクトル測定装置において、
   上記光を複数の光路に分岐させる光分岐手段と、
   分岐された複数の光の少なくとも一つの光路を調節する偏向手段と、
   分岐された各光がそれぞれ照射され、各光を反射し、所定の波長バンドごとに分光する回折格子と、
   回折格子で分光された各光を反射させる複数の光反射偏向手段と、
   光の波長バンドごとのスペクトルに、予め作製しておいた検量線となるスペクトルと同じ重みの重み付けを行うべく、上記光反射偏向手段での分光された光の反射率の制御を波長バンドごとに行う演算手段と、
   反射された各光を集光する集光手段と、
   集光された各光の光量の総和を交互に検出する光検出器と
   を備えることを特徴とする微分スペクトル測定装置。
8. 上記偏向手段を、上記回折格子の後段に設けた請求項６または７記載の微分スペクトル測定装置。
9. 上記偏向手段を、上記回折格子の前段に設けた請求項６または７記載の微分スペクトル測定装置。
10. 上記偏向手段が、偏向手段を回転駆動させる駆動手段を有する請求項６から８いずれかに記載の微分スペクトル測定装置。
11. 上記偏向手段がプリズムである請求項６から１０いずれかに記載の微分スペクトル測定装置。
12. 光源から出射され、測定対象により光吸収を受けた光のスペクトルの変化を測定する微分スペクトル測定方法において、
    光源から出射され、測定対象により光吸収を受けた光を複数の光路に分岐して伝搬させ、
    分岐された各光を所定の波長バンドごとに分光し、
    所定の波長バンドごとに分光された各光を、光反射手段でそれぞれ光反射させる際、ある光反射手段の光反射面と、残りの光反射手段の光反射面とに角度差を持たせた状態で光反射させ、
    ある光反射手段で反射された所定波長の光と、残りの光反射手段で反射された上記所定波長の光とは異なる波長の光とを、同じ光検出素子で交互に検出し、複数の波長の光の光強度の差を出力することを特徴とする微分スペクトル測定方法。
13. 光源から出射され、測定対象により光吸収を受けた光のスペクトルの変化を測定する微分スペクトル測定方法において、
    光源から出射され、測定対象により光吸収を受けた光を複数の光路に分岐して伝搬させ、
    分岐された各光を所定の波長バンドごとに分光し、
    所定の波長バンド毎に分光された各光の少なくとも一つを、偏向手段を介して通過させて光路を変え、
    光路がそれぞれ異なる各光を光反射手段でそれぞれ光反射させ、
    ある光反射手段で反射された所定波長の光と、残りの光反射手段で反射された上記所定波長の光とは異なる波長の光とを、同じ光検出素子で交互に検出し、複数の波長の光の光強度の差を出力することを特徴とする微分スペクトル測定方法。
14. 光源から出射され、測定対象により光吸収を受けた光のスペクトルの変化を測定する微分スペクトル測定方法において、
    光源から出射され、測定対象により光吸収を受けた光を複数の光路に分岐して伝搬させ、
    分岐された各光の少なくとも一つを、偏向手段を介して通過させて光路を変え、
    光路がそれぞれ異なる各光を所定の波長バンド毎に分光し、
    その分光された各光を光反射手段でそれぞれ光反射させ、
    ある光反射手段で反射された所定波長の光と、残りの光反射手段で反射された上記所定波長の光とは異なる波長の光とを、同じ光検出素子で交互に検出し、複数の波長の光の光強度の差を出力することを特徴とする微分スペクトル測定方法。
15. 各光反射手段で光反射させる際、各光を所定の波長バンド毎に掃引、変調する請求項１２から１４いずれかに記載の微分スペクトル測定方法。
16. 光源から出射された光を直接導入し、複数の光路に分岐して伝搬させ、
    分岐された各光を所定の波長バンド毎に分光し、
    所定の波長バンドごとに分光された各光を、光反射手段でそれぞれ光反射させる際、ある光反射手段の光反射面と、残りの光反射手段の光反射面とに角度差を持たせた状態で光反射させ、
    ある光反射手段で反射された所定波長の光強度と、残りの光反射手段で反射された上記所定波長の光とは異なる波長の光強度を、光検出素子で交互に検出する際、光検出素子の出力が０になるように、上記光反射手段を調整する請求項１２または１５記載の微分スペクトル測定方法。
17. 光源から出射された光を直接導入し、複数の光路に分岐して伝搬させ、
    分岐された各光を所定の波長バンド毎に分光し、
    所定の波長バンド毎に分光された各光の少なくとも一つを、偏向手段を介して通過させて光路を変え、
    光路がそれぞれ異なる各光を光反射手段でそれぞれ光反射させ、
    ある光反射手段で反射された所定波長の光強度と、残りの光反射手段で反射された上記所定波長の光とは異なる波長の光強度を、光検出素子で交互に検出する際、光検出素子の出力が０になるように、上記光反射手段を調整する請求項１３または１５記載の微分スペクトル測定方法。
18. 光源から出射された光を直接導入し、複数の光路に分岐して伝搬させ、
    分岐された各光の少なくとも一つを、偏向手段を介して通過させて光路を変え、
    光路がそれぞれ異なる各光を所定の波長バンド毎に分光し、
    その分光された各光を光反射手段でそれぞれ光反射させ、
    ある光反射手段で反射された所定波長の光強度と、残りの光反射手段で反射された上記所定波長の光とは異なる波長の光強度を、光検出素子で交互に検出する際、光検出素子の出力が０になるように、上記光反射手段を調整する請求項１４または１５記載の微分スペクトル測定方法。
    

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