JP2006189392A - Absorption measuring apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、キャビティリングダウン分光法を用いた吸収計測装置に関するものである。 The present invention relates to an absorption measurement apparatus using cavity ring-down spectroscopy.
被測定試料の光吸収係数を取得する手法として、吸収分光法の一つであるキャビティリングダウン分光法(CRDS)が知られている。CRDSは、一対の鏡の間に被測定試料を導入した共振器を用いる。共振器へ入射した測定光は、多重反射を繰返して、鏡面を透過する成分と被測定試料によって吸収される成分とによって減衰する。CRDSは、共振器で減衰する光強度を解析することにより、被測定試料の光吸収係数を取得する手法である。CRDSを行う装置の構成には、いくつかの種類がある。 As a technique for obtaining the light absorption coefficient of a sample to be measured, cavity ring-down spectroscopy (CRDS), which is one of absorption spectroscopy, is known. CRDS uses a resonator in which a sample to be measured is introduced between a pair of mirrors. The measurement light incident on the resonator repeats multiple reflections and is attenuated by a component that passes through the mirror surface and a component that is absorbed by the sample to be measured. CRDS is a technique for acquiring the light absorption coefficient of a sample to be measured by analyzing the light intensity attenuated by a resonator. There are several types of configurations of apparatuses that perform CRDS.
例えば、下記非特許文献1にはウォークオフ型CRDSについて記載されている。ウォークオフ型CRDSでは、共振器への測定光の入射角の大きさが0より大きい。共振器へ入射した測定光は、鏡面の複数箇所で反射を繰返し、反射した箇所からはそれぞれ透過光が共振器の外に出力される。共振器から出力される出力光の光強度を解析すると、パルス列の減衰曲線が得られる。その減衰曲線により被測定試料の光吸収係数が得られる。下記非特許文献1においては、出力光の検出を1台の1次元または2次元の光検出器で行っている。
CRDSでは減衰する光強度を解析する。ウォークオフ型CRDSにおいても同様に減衰する光強度を解析する。上記非特許文献1において用いた光検出器のダイナミックレンジが不十分であると、測定可能な最大値より高い強度の出力光または測定可能な最小値より低い強度の出力光に対応するパルス列の減衰曲線を得ることができない。ダイナミックレンジとは、最大値と最小値の比である。従来、特に、高い強度の出力光は、検出器の素子が光学的な飽和を起こし、対応する減衰曲線を得ることができない場合があった。高い強度の出力光または低い強度の出力光に対応する減衰曲線が得られないと、十分な精度の光吸収係数を決定することができない。よって、上記非特許文献1における光検出器の測定可能なダイナミックレンジは、計測に必要な共振器から出力される出力光の光強度のダイナミックレンジよりも大きい必要がある。一方、ダイナミックレンジが大きい光検出器は、大型化、高価格化を招くので問題がある。
In CRDS, the light intensity that attenuates is analyzed. Similarly, in the walk-off type CRDS, the light intensity attenuated is analyzed. When the dynamic range of the photodetector used in Non-Patent
本発明は、上記問題を解消する為になされたものであり、計測する出力光のダイナミックレンジが大きい場合であっても被測定試料の光吸収係数を決定することができる吸収計測装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and provides an absorption measurement apparatus capable of determining the light absorption coefficient of a sample to be measured even when the dynamic range of output light to be measured is large. For the purpose.
上記目的を達成するために、本発明に係る吸収計測装置は、各々入射した光の一部を反射し残部を透過させる第1の鏡と第2の鏡とを有し、第1の鏡と第2の鏡とが互いに対向するように配置された共振器と、測定光を出力し、共振器への測定光の入射角が0より大きな角度を有するように測定光を第1の鏡へ入射させる光源と、共振器の外部から第1の鏡へ入射して第1の鏡を透過して共振器内に入り多重反射を繰返して第1の鏡と第2の鏡とのいずれか一方を透過して複数箇所からそれぞれ出力される出力光のうち第1の出力光を検出して第1の検出信号を出力する第1の検出手段と、第1の検出手段より感度が高く、第1の出力光よりも共振器内における反射回数の多い第2の出力光を検出して第2の検出信号を出力する第2の検出手段と、第1の検出信号と第2の検出信号とに基づいて第1の鏡と第2の鏡の間に入れられた被測定試料の光吸収係数を決定する決定手段とを備えることを特徴とする。 In order to achieve the above object, an absorption measurement apparatus according to the present invention includes a first mirror and a second mirror that each reflect a part of incident light and transmit the remaining part, and the first mirror, The resonator arranged so that the second mirror faces each other, and the measurement light are output to the first mirror so that the incident angle of the measurement light to the resonator has an angle greater than zero. Either a light source to be incident on the first mirror from the outside of the resonator, pass through the first mirror, enter the resonator, repeat multiple reflection, and either the first mirror or the second mirror First detection means for detecting the first output light and outputting the first detection signal out of the output lights respectively transmitted from the plurality of locations through the light, and the first detection means has a higher sensitivity than the first detection means, A second detector for detecting the second output light having a higher number of reflections in the resonator than the first output light and outputting a second detection signal; And a determining means for determining the light absorption coefficient of the sample to be measured placed between the first mirror and the second mirror based on the first detection signal and the second detection signal. And
このように、第1の検出手段によって第1の出力光を検出し、第2の検出手段によって第2の出力光を検出するので、第1の検出手段と第2の検出手段とにおける検出可能な光強度の測定範囲と検出素子の感度とを、それぞれ検出する光の強度に合わせて選択することができる。更に、第1の検出器より感度の高い第2の検出器によって第1の出力光よりも共振器内における反射回数の多い第2の出力光を検出するので、第1の出力光よりも強度が低い第2の出力光を第2の検出器によって検出することができる。 Thus, since the first output light is detected by the first detection means and the second output light is detected by the second detection means, detection by the first detection means and the second detection means is possible. The measurement range of the light intensity and the sensitivity of the detection element can be selected according to the intensity of the light to be detected. Further, since the second output light having a higher number of reflections in the resonator than the first output light is detected by the second detector having higher sensitivity than the first detector, the intensity is higher than that of the first output light. The second output light having a low value can be detected by the second detector.
また、本発明に係る吸収計測装置は、共振器への測定光の入射角を変更する角度可変手段を備えることが望ましい。このように角度可変手段によって共振器への測定光の入射角を変更するので、一つの被測定試料に対して複数の入射角における光吸収係数の計測を行うことができ、より精度よく光吸収係数を決定することができる。 Moreover, it is desirable that the absorption measuring apparatus according to the present invention includes an angle varying means for changing the incident angle of the measuring light to the resonator. Since the incident angle of the measurement light to the resonator is changed by the angle variable means in this way, the light absorption coefficient at a plurality of incident angles can be measured for a single sample to be measured, and the light absorption can be performed more accurately. A coefficient can be determined.
また、本発明に係る吸収計測装置は、共振器への測定光の入射角を制御する角度制御手段を備えることが望ましい。このように第1の検出信号と第2の検出信号とがほぼ同じ値になるように入射角を制御することにより、光吸収係数は、入射角に依存して決定される。第1の検出信号と第2の検出信号とが異なる値をとる場合には、光吸収係数は、入射角に加えて第1の検出信号と第2の検出信号との比に依存して決定される。このことから、角度制御手段が第1の検出信号と第2の検出信号とがほぼ同じになるように共振器への測定光の入射角を変更すれば、光吸収係数を決定する際に第1の検出信号と第2の検出信号との比を考慮する必要がなくなる。よって、光吸収係数をより簡易に決定することができる。 In addition, the absorption measurement apparatus according to the present invention preferably includes angle control means for controlling the incident angle of the measurement light to the resonator. Thus, by controlling the incident angle so that the first detection signal and the second detection signal have substantially the same value, the light absorption coefficient is determined depending on the incident angle. When the first detection signal and the second detection signal have different values, the light absorption coefficient is determined depending on the ratio between the first detection signal and the second detection signal in addition to the incident angle. Is done. Therefore, if the angle control means changes the incident angle of the measurement light to the resonator so that the first detection signal and the second detection signal are substantially the same, the first light absorption coefficient is determined when the light absorption coefficient is determined. There is no need to consider the ratio between the first detection signal and the second detection signal. Therefore, the light absorption coefficient can be determined more easily.
また、本発明に係る吸収計測装置は、第1の鏡と第2の鏡との間の距離を変更する距離可変手段を備えることが望ましい。このように、第1の鏡と第2の鏡との間の距離を変更することによって、変化した距離に応じて第1の出力光の光強度と第2の出力光の光強度とがそれぞれ変化する。従って、第1の検出信号と第2の検出信号との比が変化する。このことから、第1の鏡と第2の鏡との間の距離を変更して、第1の検出信号と第2の検出信号との比が所望の値となるように調整することができる。 Moreover, it is desirable that the absorption measurement apparatus according to the present invention includes a distance variable unit that changes a distance between the first mirror and the second mirror. Thus, by changing the distance between the first mirror and the second mirror, the light intensity of the first output light and the light intensity of the second output light are respectively changed according to the changed distance. Change. Accordingly, the ratio between the first detection signal and the second detection signal changes. From this, the distance between the first mirror and the second mirror can be changed and adjusted so that the ratio between the first detection signal and the second detection signal becomes a desired value. .
また、本発明に係る吸収計測装置は、所定周波数で測定光を強度変調する変調手段と、第1の検出信号と第2の検出信号との少なくともいずれか一方の信号を入力し、その入力した信号のうち所定周波数の信号成分のレベルを出力するロックイン増幅器とを備えることが望ましい。第1の検出信号と第2の検出信号は、測定光に対する出力光の信号とノイズとを含むが、変調手段が測定光を所定周波数で強度変調するので、所定周波数の信号が出力光の信号であることが判断できる。ロックイン増幅器が、第1の検出信号と第2の検出信号のいずれか一方の検出信号のうち所定周波数の信号成分のレベルを出力するので、所定周波数以外の周波数のノイズを除去することができる。よって、より精度よく光吸収係数を決定できる。 In addition, the absorption measurement apparatus according to the present invention inputs the modulation means for intensity-modulating the measurement light at a predetermined frequency, and at least one of the first detection signal and the second detection signal, and inputs the signal. It is desirable to provide a lock-in amplifier that outputs a level of a signal component of a predetermined frequency among the signals. The first detection signal and the second detection signal include an output light signal and noise with respect to the measurement light, but since the modulation means intensity-modulates the measurement light at a predetermined frequency, the signal at the predetermined frequency is a signal of the output light. Can be determined. Since the lock-in amplifier outputs the level of the signal component of the predetermined frequency among the detection signals of one of the first detection signal and the second detection signal, noise of frequencies other than the predetermined frequency can be removed. . Therefore, the light absorption coefficient can be determined with higher accuracy.
また、本発明に係る吸収計測装置は、第1の鏡と第2の鏡との間に被測定試料を導入する試料セルを備えることが望ましい。このように試料セルを備えることによって、被測定試料を簡易に第1の鏡と第2の鏡の間に導入することができる。 In addition, the absorption measurement apparatus according to the present invention preferably includes a sample cell for introducing the sample to be measured between the first mirror and the second mirror. By providing the sample cell in this way, the sample to be measured can be easily introduced between the first mirror and the second mirror.
また、本発明に係る吸収計測装置において、第1の検出手段は、測定する第1の出力光を減衰して減衰光を出力する減衰手段と、減衰手段が出力する減衰光を検出する減衰光検出手段とを備えることが望ましい。この構成によれば、減衰光検出手段の測定可能な最大値が第1の出力光の光強度よりも小さくても、減衰手段が第1の出力光を減衰するので、減衰光検出手段が第1の出力光を検出することができる。 In the absorption measurement apparatus according to the present invention, the first detection means includes an attenuation means for attenuating the first output light to be measured and outputting the attenuated light, and an attenuated light for detecting the attenuated light output from the attenuation means. It is desirable to provide a detection means. According to this configuration, even if the maximum measurable value of the attenuated light detection means is smaller than the light intensity of the first output light, the attenuation means attenuates the first output light. 1 output light can be detected.
また、減衰光検出手段と第2の検出手段とが同じ感度特性を示すことが望ましい。このような構成にすることによって、減衰光検出手段が出力する第1の検出信号と第2の検出手段が出力する第2の検出信号に基づいて光吸収係数を決定する際に、減衰光検出手段と第2の検出手段との感度特性の違いを考慮する必要が無くなる。 Further, it is desirable that the attenuated light detection means and the second detection means exhibit the same sensitivity characteristics. With this configuration, when the light absorption coefficient is determined based on the first detection signal output from the attenuated light detection means and the second detection signal output from the second detection means, attenuated light detection is performed. There is no need to consider the difference in sensitivity characteristics between the means and the second detection means.
また、本発明に係る吸収計測装置において、第1の検出手段がフォトダイオードであり、第2の検出手段がアバランシェフォトダイオードであってもよい。よって、第1の出力光71をフォトダイオードで検出し、第1の出力光71よりも光強度の弱い第2の出力光72をフォトダイオードより感度が高いアバランシェフォトダイオードで検出することができる。
In the absorption measurement apparatus according to the present invention, the first detection means may be a photodiode, and the second detection means may be an avalanche photodiode. Therefore, the
また、本発明に係る吸収計測装置において、第1の検出手段が光電管であり、第2の検出手段が光電子増倍管であってもよい。よって、第1の出力光を光電管で検出し、第1の出力光よりも光強度の弱い第2の出力光を光電管より感度が高い光電子増倍管で検出することができる。 In the absorption measurement apparatus according to the present invention, the first detection means may be a phototube and the second detection means may be a photomultiplier tube. Therefore, the first output light can be detected by the phototube, and the second output light having a light intensity lower than that of the first output light can be detected by the photomultiplier tube having higher sensitivity than the phototube.
本発明によれば、計測する出力光のダイナミックレンジが大きい場合であっても被測定試料の光吸収係数を決定することができる吸収計測装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, even if it is a case where the dynamic range of the output light to measure is large, the absorption measuring device which can determine the light absorption coefficient of a to-be-measured sample can be provided.
以下、添付図面を参照して発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 The best mode for carrying out the invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
本実施形態に係る吸収計測装置は、ウォークオフ型CRDSを利用して被測定試料の光吸収係数を取得するものである。また、本実施形態に係る吸収計測装置は、取得した光吸収係数を利用して被測定試料の濃度を決定する。 The absorption measurement apparatus according to the present embodiment acquires a light absorption coefficient of a sample to be measured using a walk-off type CRDS. In addition, the absorption measurement apparatus according to the present embodiment determines the concentration of the sample to be measured using the acquired light absorption coefficient.
まず、本実施形態に係る吸収計測装置の構成について説明する。図1は、本実施形態に係る吸収計測装置1の構成図である。吸収計測装置1は、光源10と、共振器20と、第1の検出手段30と、第2の検出手段40と、決定装置50(決定手段)と、表示装置60とを備える。
First, the configuration of the absorption measurement apparatus according to the present embodiment will be described. FIG. 1 is a configuration diagram of an
共振器20は、各々入射した光の一部を反射し残部を透過させる第1の鏡21と第2の鏡22とを備える。第1の鏡21と第2の鏡22は、互いに対向するように配置される。また、第1の鏡21と第2の鏡22とが平行に配置されていることが好ましい。共振器20は、第1の鏡21と第2の鏡22との間に配置された、被測定試料を導入する直方体形状の試料セル23を備える。被測定試料は、液体または気体である。被測定試料は、供給源(図示せず)からポンプ(図示せず)によって試料セル23に導入される。
The
光源10は、測定光を出力し、共振器20への測定光の入射角が0より大きな角度を有するように測定光を第1の鏡21へ入射させる。測定光は、パルス光であってもよいし、連続光であってもよい。図1においては、測定光としてパルス光である測定パルス光70を示す。図1の測定パルス光70において、横軸は時間を表している。光源10は、半導体レーザー、量子カスケードレーザー、チタンサファイヤレーザーなどを用いることが可能である。
The
測定パルス光70は、共振器20の外部から第1の鏡21へ入射して第1の鏡21を透過して共振器20内に入り、第2の鏡22を透過して共振器20から出力される。測定パルス光70は、共振器20内で多重反射を繰り返して被測定試料中を透過するので、測定パルス光70の光強度は被測定試料の光吸収特性に応じて減衰する。また、測定パルス光70が共振器20内の複数箇所で反射を起こし、反射した複数箇所から透過光が共振器20の外に出力される。
The
第2の鏡22から出力される出力光のうち共振器20内で2n回の反射を経て出力される出力光Lnは、パルス列の減衰曲線73となる。図1に示すパルス列の減衰曲線73において、縦軸は出力光の出力位置の空間距離を示す。出力光Lnの光強度I(n)は式1のように表される。ただし説明の為に、式1では、試料セル23における測定パルス光70の反射、屈折、吸収に関わる係数を省略している。
図1に戻って、第1の検出手段30と第2の検出手段40は、第2の鏡22を透過して共振器20から出力される出力光のうち、第2の鏡22面上の所定の2つの位置からそれぞれ出力される第1の出力光71と第2の出力光72とを検出する。図1に示す第1の出力光71と第2の出力光72とにおいて、縦軸は、空間距離を示す。第1の検出手段30は、第1の出力光71の光路上に配置されている。第2の検出手段40は、第2の出力光72の光路上に配置されている。
Returning to FIG. 1, the first detection means 30 and the second detection means 40 are on the surface of the
第1の検出手段30は、第1の出力光71を検出して第1の検出信号を出力する。第1の出力光71とは、共振器20から出力される出力光のうち第2の出力光72よりも強度の強い出力光である。第1の検出信号とは、第1の出力光71の光強度に応じて第1の検出手段30から決定装置50へ出力される信号である。第1の検出手段30は、光減衰器31(減衰手段)と、第1の検出器32(減衰光検出手段)とを備える。また、光減衰器31と第1の検出器32との間には、第1のアパーチャ33が配置されている。
The first detection means 30 detects the
光減衰器31は、第1の出力光71を減衰率Ndで減衰して第1の検出器32へ出力する。光減衰器31は、減衰率Ndを可変できる構成となっていることが好ましい。光減衰器31は、例えば、光が透過する箇所によって透過率が異なるフィルターを備えている。そのような光減衰器31を用いることによって、第1の出力光71の光強度や第1の検出器32のダイナミックレンジに応じて光減衰器31を移動して減衰率を最適化することができる。
The
第1のアパーチャ33は、光減衰器31と第1の検出器32との間の第1の出力光71の光路上に配置され、第1の出力光71のみを通す。第1のアパーチャ33は、第2の鏡22における第1の出力光71の出力位置周辺から出力される第1の出力光71以外の出力光を遮る。
The
第1の検出器32は、光減衰器31により減衰され、第1のアパーチャ33を通過した減衰光を検出して、検出した光の強度に応じた第1の検出信号を決定装置50へ出力する。第1の検出器32は、例えば光電管である。
The
第2の検出手段40は、第1の出力光71よりも共振器20内での反射回数が多い第2の出力光72を検出して第2の検出信号を出力する。第2の出力光72は、第1の出力光71よりも共振器20内での反射回数が多いので第1の出力光71よりも光強度が弱い。第2の出力光72は、第1の出力光71よりも強度が弱いが、第2の検出手段40は、第1の検出手段30よりも感度が高いので検出することができる。上述の第2の検出信号とは、第2の出力光72の光強度に応じて第2の検出手段40から決定装置50へ出力される信号である。そして、第2の検出手段40は、第2の検出器41と第2のアパーチャ42とを備える。
The second detection means 40 detects the
第2のアパーチャ42は、第2の検出器41と共振器20との間の第2の出力光72の光路上に配置され、第2の出力光72のみを通す。第2のアパーチャ42は、第2の鏡22における第2の出力光72の出力位置周辺から出力される第2の出力光72以外の出力光を遮る。
The
第2の検出器41は、第2のアパーチャ42を通過した第2の出力光72を検出して、検出した光の強度に応じた第2の検出信号を決定装置50へ出力する。第2の検出器41の感度特性は、第1の検出器32と同じである。第2の検出器41は、例えば、第1の検出器32と同じ感度特性を持つ光電管である。
The
決定装置50は、第1の検出信号と第2の検出信号とに基づいて被測定試料の光吸収係数aを決定する。決定装置50は、差動増幅器51と、解析装置52と、濃度決定装置54とを備える。解析装置52には、係数ルックアップテーブル53が格納されている。濃度決定装置54には、濃度ルックアップテーブル55が格納されている。
The
差動増幅器51は、入力された第1の検出信号と第2の検出信号とに基づいて、第1の出力光71を減衰した減衰光の光強度I1と第2の出力光72の光強度I2との光強度比ΔIを示す光強度比信号を解析装置52へ出力する。光強度比ΔIを用いると、第1の出力光71の光強度I1と第2の出力光72の光強度I2との比は次のように表すことができる。
解析装置52は、光強度比信号と予め格納した係数ルックアップテーブル53とを用いて被測定試料の光吸収係数aを決定する。係数ルックアップテーブル53とは、共振器20への測定パルス光70の入射角θと光強度比ΔIと光吸収係数aとを関連付けて解析装置52に格納したテーブルである。つまり、入射角θが既知である場合に、ΔIの値を測定し、係数ルックアップテーブル53を参照することにより、光吸収係数aを決定することができる。解析装置52は、決定した光吸収係数aを示す信号を濃度決定装置54へ出力する。
The
解析装置52による光吸収係数aを決定する原理について説明する。第1の出力光71と第2の出力光72との共振器20内における反射回数の差を2Δn(>0)とする。第1の出力光71と第2の出力光72との被測定試料中の透過距離の差ΔLは2DΔnである。すると、第1の出力光71の光強度I1と第2の出力光72の光強度I2との比は式1より次のように表すことができる。
光強度比ΔIは、差動増幅器51から出力される光強度比信号の値である。入射角θは、予め測定することによって取得可能な値である。よって、入射角θと光強度比ΔIを測定し、係数ルックアップテーブル53を参照することにより、光吸収係数aを決定することができる。このように、係数ルックアップテーブル53を用いることにより、式5の演算処理を行うことなく、取得した光強度比ΔIと入射角θに対する光吸収係数aをリアルタイムで決定することができる。
The light intensity ratio ΔI is the value of the light intensity ratio signal output from the
図1に戻って、濃度決定装置54は、解析装置52から出力される光吸収係数aを示す信号と濃度ルックアップテーブル55とに基づいて被測定試料の濃度を決定する。濃度ルックアップテーブル55は、光吸収係数aと被測定試料の濃度とを関連づけて濃度決定装置に格納したテーブルである。濃度ルックアップテーブル55を参照することにより、得られた光吸収係数aに対応する被測定試料の濃度を決定することができる。濃度決定装置54は、決定した濃度を示す信号を表示装置60に出力する。
Returning to FIG. 1, the
表示装置60は、濃度決定装置54が出力した濃度を示す信号に基づいて被測定試料の濃度を表示する。
The
吸収計測装置1の動作を説明する。まず共振器20の試料セル23へ被測定試料を導入した状態で、光源10によって測定パルス光70が入射角θで共振器20へ入射する。第1の鏡21を透過した測定パルス光70は、被測定試料によって強度を減衰しながら、第1の鏡21と第2の鏡22の間を多重反射する。共振器20に入射した測定パルス光70のうち第2の鏡22を透過して共振器20から出力した第1の出力光71は、光減衰器31によって減衰されて減衰光として出力される。減衰光のうち第1のアパーチャ33を通った光は、第1の検出器32によって検出され、減衰光の光強度を示す第1の出力信号が差動増幅器51へ出力される。また、第2の鏡22を透過して共振器20から出力した第2の出力光72のうち第2のアパーチャ42を通った光は、第2の検出器41によって検出され、第2の出力光72の光強度を示す第2の出力信号が差動増幅器51へ出力される。
The operation of the
差動増幅器51によって、第1の出力信号と第2の出力信号とに基づいて、減衰光の光強度と第2の出力光72の光強度との光強度比ΔIを示す光強度比信号が解析装置52へ出力される。解析装置52によって、光強度比信号と係数ルックアップテーブル53とを用いて被測定試料の光吸収係数aが決定され、光吸収係数aを示す信号が濃度決定装置54へ出力される。濃度決定装置54によって、光吸収係数aを示す信号と濃度ルックアップテーブル55とを用いて被測定試料の濃度が決定され、その濃度を示す信号が表示装置60へ出力される。表示装置60によって、濃度を示す信号に基づいて被測定試料の濃度が表示される。
The
引き続き、上記実施形態における効果について説明する。吸収計測装置1では、第1の検出手段30において、光減衰器31によって光強度の強い第1の出力光71を減衰してから第1の検出器32で検出する。よって、第1の検出器32の測定可能な最大値が第1の出力光71の光強度より小さくても、第1の出力光71の光強度に合わせて光減衰器31の減衰率を選ぶので、光強度の強い第1の出力光71を検出することができる。更に、吸収計測装置1では、第1の検出器32の測定範囲に依存しない第2の検出器41によって、光強度の弱い第2の出力光72を検出する。よって、第2の検出器41は、第2の出力光72の光強度に合わせて選ぶことができる。従って、吸収計測装置1において、計測する出力光のダイナミックレンジが大きくても被測定試料の光吸収係数aを決定できる。
Next, effects of the above embodiment will be described. In the
具体的に、上記実施形態において、第1の検出手段30と第2の検出手段40との構成による効果を説明する。従来のウォークオフ型CRDSにおいては、出力光の検出に1台のCCDカメラを用いている。このCCDカメラは、1枚の画像における測定可能なダイナミックレンジが3桁程度である。上記実施形態において、例えば、第1の検出手段30において、減衰率Ndが10−3の光減衰器31と、ダイナミックレンジが3桁程度の第1の検出器32とを備え、第2の検出器41の測定範囲が第1の検出器32と同じである場合について説明する。光減衰器31の減衰率Ndが10−3なので、第1の検出手段30の測定範囲は、第1の検出器32の測定範囲の103倍にシフトして、測定範囲の最大値は103倍となる。よって、第1の検出手段30で検出する最大値と第2の検出手段40で検出する最小値との比が6桁程度となる。更に上記実施形態において、例えば、第1の検出手段30が、減衰率Ndが10−6の光減衰器31と、ダイナミックレンジが3桁程度の第1の検出器32とを備え、第2の検出器41の測定範囲が第1の検出器32と同じである場合について説明する。光減衰器31の減衰率Ndが10−6なので、第1の検出手段30の測定範囲は、第1の検出器32の測定範囲の106倍にシフトして、測定範囲の最大値は106倍となる。よって、第1の検出手段30で検出する最大値と第2の検出手段40で検出する最小値との比が9桁程度となる。よって、光減衰器31の減衰率Ndと、第1の検出器32と第2の検出器41とのダイナミックレンジとの組合せにより、吸収計測装置1において検出可能な最大値と最小値の比を所望の値に設定することができる。
Specifically, in the above embodiment, the effect of the configuration of the
上記実施形態において、以下のような工夫を施しても、上述した効果を得ることができる。 In the above-described embodiment, the above-described effects can be obtained even if the following measures are taken.
上記実施形態において、測定光として連続光を用いる場合は、時間コヒーレンスによって空間的に干渉縞が発生する。よって、干渉縞を発生させないように、吸収計測装置1に微小振動を与えてもよい。
In the above embodiment, when continuous light is used as measurement light, interference fringes are generated spatially due to temporal coherence. Therefore, minute vibrations may be given to the
上記実施形態において、第1の検出器32と第2の検出器41は、例えば光電管であるとしたが、フォトダイオードでもよい。
In the above embodiment, the
上記実施形態において、Δnを幾何学的に算出したが、パルス光を共振器20に入射し、第1の検出信号と第2の検出信号が差動増幅器51に到達する時間差によってΔnを求めてもよい。
In the above embodiment, Δn is calculated geometrically, but pulse light is incident on the
上記実施形態において、解析装置52によって、光強度比ΔIと入射角θとに加えて係数ルックアップテーブルを用いて光吸収係数aを決定した。係数ルックアップテーブルを用いずに、演算回路を用いて式5に示す演算を行うことにより光吸収係数aを算出してもよい。
In the above embodiment, the light absorption coefficient a is determined by the
上記実施例では、第1の鏡21の反射率R1と第2の鏡22の反射率R2は、予め測定することによって値を取得した。吸収計測装置1の測定セル23に、被測定試料を導入せずに、ブランク試料に対して測定を行うことによって、光吸収係数a=0の場合の測定を行うことができる。光吸収係数a=0の場合の光強度比ΔI0は、式5より次のようになる。
また、上記のようにブランク試料を測定時に光強度比ΔI0が1となるように、入射角θと、第1の出力光71の出力位置と第2の出力光72の出力位置との間の距離xとを調整してもよい。光強度比ΔI0が1のとき、式5より、光吸収係数aは次のように表される。
引き続き、上記実施形態の変形例である第2の実施形態から第6の実施形態について説明する。 Next, the second to sixth embodiments, which are modifications of the above embodiment, will be described.
第2の実施形態に係る吸収計測装置2について説明する。図2は、第2の実施形態に係る吸収計測装置2の構成図である。吸収計測装置2は、吸収計測装置1の構成に加えて、変調器12と、第1のロックイン増幅器34と、第2のロックイン増幅器43とを備える。また、光源10は、強度変調された測定パルス光70を出力する。
An absorption measurement apparatus 2 according to the second embodiment will be described. FIG. 2 is a configuration diagram of the absorption measurement apparatus 2 according to the second embodiment. In addition to the configuration of the
変調器12は、所定周波数で測定パルス光70を強度変調する。変調器12は、光源10と第1のロックイン増幅器34と第2のロックイン増幅器43とへ、所定周波数で時間的に強度が変化する同期信号を出力する。光源10は、変調器12が出力する同期信号に基づいて、所定周波数で強度変調された測定パルス光70を出力する。
The
第1のロックイン増幅器34は、第1の検出信号を入力し、その入力した信号のうち所定周波数の信号成分のレベルを出力する。第2のロックイン増幅器43は、第2の検出信号を入力し、その入力した信号のうち所定周波数の信号成分のレベルを出力する。第1のロックイン増幅器34と第2のロックイン増幅器43は、変調器12が出力する同期信号に基づいて、所定周波数の信号成分のレベルを出力する。第1のロックイン増幅器34と第2のロックイン増幅器43とを用いることによって、雑音を排除して高精度に光強度比ΔIを計測することができる。
The first lock-in
第3の実施形態に係る吸収計測装置3について説明する。図3は、第3の実施形態に係る吸収計測装置3の構成図である。吸収計測装置3は、吸収計測装置1の構成に加えて、位置可変装置44(位置可変手段)と、位置制御装置45を備えている。
An absorption measurement apparatus 3 according to the third embodiment will be described. FIG. 3 is a configuration diagram of the absorption measurement apparatus 3 according to the third embodiment. In addition to the configuration of the
位置可変装置44は、第1の検出手段30と第2の検出手段40との間の距離を変更する装置である。位置可変装置44は位置制御装置45が出力した移動を指示する信号に基づいて第2の検出手段40を移動する。位置制御装置45は、位置可変装置44による第2の検出手段40の移動を制御する。位置制御装置45は、位置可変装置44と解析装置52へ、第2の検出手段40の移動を指示する信号を出力する。解析装置52は、位置制御装置45が出力した移動を指示する信号に基づいて、第1の出力光71の出力位置と第2の出力光72の出力位置との間の距離xを算出する。
The position
第2の検出手段40の位置を変化させることによって、第2の出力光72の被測定試料中を透過する距離を変えて多点で計測することができる。よって、より正確な被吸収係数aを決定することができる。さらに、出力位置の間の距離xと光強度比ΔIとの関係を解析することによって被測定試料の空間分布を測定することができる。
By changing the position of the second detection means 40, the distance through which the
第4の実施形態に係る吸収計測装置4について説明する。図4は、第4の実施形態に係る吸収計測装置4の構成図である。吸収計測装置4は、吸収計測装置1の構成に加えて、角度可変装置24(角度可変手段)と、角度制御装置25とを備えている。
An
角度可変装置25は、共振器20への測定パルス光70の入射角θを変更する。角度可変装置24は、角度制御装置25が出力する変更角度を指示する信号に基づいて、共振器20の角度を変更することにより、共振器20への測定パルス光70の入射角θを変更する。角度制御装置25は、角度可変装置24による入射角θの変更を制御する。角度制御装置25は、角度変更装置24と解析装置52へ入射角θの変更を指示する信号を出力する。解析装置52は、角度制御装置25が出力した入射角θの変更を指示する信号に基づいて入射角θを算出する。
The
入射角θを変更することにより測定パルス光70の被測定試料中を透過する空間位置を変えて多点で計測することができる。よって入射角θと光強度比ΔIとの関係を解析することによってより正確な被吸収係数aを決定することができる。
By changing the incident angle θ, the spatial position of the
第5の実施形態に係る吸収計測装置5について説明する。図5は、第5の実施形態に係る吸収計測装置5の構成図である。吸収計測装置5は、吸収計測装置4の構成に加えて、波長可変装置11(波長可変手段)を備えている。また、差動増幅器51は、光強度比信号を角度制御装置25にも出力する。更に、角度制御装置25(角度制御手段)は、光強度比ΔIが1となるように、角度可変装置24を制御する。
An absorption measurement apparatus 5 according to the fifth embodiment will be described. FIG. 5 is a configuration diagram of the absorption measurement apparatus 5 according to the fifth embodiment. In addition to the configuration of the
角度制御装置25は、差動増幅器51が出力した光強度比信号に基づいて、光強度比ΔIが1となるように、角度可変装置24を制御する信号を出力する。よって、光強度比ΔIが1となるように共振器20の角度を変更して測定を行うバランス計測を行うことができる。光強度比ΔIが1のとき式5は次のようになる
また、波長可変装置11は、測定パルス光70の波長を変更する。波長可変装置11は、光源10と濃度決定装置54へ変更波長を指示する信号を出力する。波長可変装置11によって測定パルス光70の波長を変更して上述のバランス計測を多点で行うことができる。従って、より正確な光吸収係数aを決定することができる。この場合は、濃度ルックアップテーブル55において、測定パルス光70の波長と光吸収係数aと濃度とを関連付けて格納しておき、濃度決定装置54は、波長可変装置11が出力する変更波長を指示する信号と光吸収係数aに基づいて濃度を決定する。
In addition, the wavelength tunable device 11 changes the wavelength of the
第6の実施形態に係る吸収計測装置6について説明する。図6は、第6の実施形態に係る吸収計測装置6の構成図である。吸収計測装置6は、吸収計測装置1の構成に加えて距離可変装置26(距離可変手段)と距離制御装置27(距離制御装置)とを備える。更に、吸収計測装置6においては、第1の検出器32がフォトダイオードであり、且つ、第2の検出器41がアバランシェフォトダイオードである。または、第1の検出器32が光電管であり、且つ、第2の検出器41が光電子増倍管である。更に、差動増幅器51は、光強度比信号を距離制御装置27にも出力する。
An
距離可変装置26は、第1の鏡21と第2の鏡22との間の距離を変更する。距離可変装置26は、例えば第2の鏡22を載せることができる稼動台である。距離可変装置26は距離制御装置27が出力した移動を指示する信号に基づいて第2の鏡22の位置を変更する。
The distance
距離制御装置27は、差動増幅器51が出力した光強度比信号示す光強度比ΔIの値が1となるように、距離可変装置26の移動を指示する信号を距離可変装置26と解析装置52へ出力する。解析装置52は、距離制御装置27が出力した移動距離を指示する信号に基づいて第1の鏡21と第2の鏡22との間の距離Xを算出する。そして、この距離Xを用いて、解析装置52は、上述したように光吸収係数aを算出する。このように、光強度比ΔIが1となるように第1の鏡21と第2の鏡22との間の距離を変更することによって、光強度比ΔIをより正確に1にすることができる。
The
10・・・光源、11・・・波長可変装置、12・・・変調器、20・・・共振器、21・・・第1の鏡、22・・・第2の鏡、23・・・試料セル、24・・・角度可変装置、25・・・角度制御装置、26・・・距離可変装置、27・・・距離制御装置、30・・・第1の検出手段、31・・・光減衰器、32・・・第1の検出器、33・・・第1のアパーチャ、34・・・第1のロックイン増幅器、40・・・第2の検出手段、41・・・第2の検出器、42・・・第2のアパーチャ、43・・・第2のロックイン増幅器、44・・・位置可変装置、45・・・位置制御装置、50・・・決定装置、51・・・差動増幅器、52・・・解析装置、53・・・係数ルックアップテーブル、54・・・濃度決定装置、55・・・濃度ルックアップテーブル、60・・・表示装置、70・・・測定パルス光、71・・・第1の出力光、72・・・第2の出力光、73・・・減衰曲線
DESCRIPTION OF
Claims (11)
測定光を出力し、前記共振器への前記測定光の入射角が0より大きな角度を有するように前記測定光を前記第1の鏡へ入射させる光源と、
前記共振器の外部から前記第1の鏡へ入射して前記第1の鏡を透過して前記共振器内に入り多重反射を繰返して前記第1の鏡と前記第2の鏡とのいずれか一方を透過して複数箇所からそれぞれ出力される出力光のうち第1の出力光を検出して第1の検出信号を出力する第1の検出手段と、
前記第1の検出手段より感度が高く、前記第1の出力光よりも前記共振器内における反射回数の多い第2の出力光を検出して第2の検出信号を出力する第2の検出手段と、
前記第1の検出信号と前記第2の検出信号とに基づいて前記第1の鏡と前記第2の鏡との間に入れられた被測定試料の光吸収係数を決定する決定手段と
を備えることを特徴とする吸収計測装置。 Resonance having a first mirror and a second mirror that reflect a part of the incident light and transmit the remaining part, and the first mirror and the second mirror are arranged to face each other And
A light source that outputs measurement light and makes the measurement light incident on the first mirror so that an incident angle of the measurement light to the resonator has an angle greater than 0;
Either the first mirror or the second mirror is incident on the first mirror from outside the resonator, passes through the first mirror, enters the resonator, and repeats multiple reflections. First detection means for detecting the first output light among the output lights that are transmitted through one side and output from a plurality of locations, and output a first detection signal;
Second detection means for detecting second output light having higher sensitivity than the first detection means and having a higher number of reflections in the resonator than the first output light, and outputting a second detection signal. When,
Determining means for determining a light absorption coefficient of a sample to be measured placed between the first mirror and the second mirror based on the first detection signal and the second detection signal; Absorption measuring device characterized by that.
前記第1の検出信号と前記第2の検出信号との少なくともいずれか一方の信号を入力し、入力した前記信号のうち前記所定周波数の信号成分のレベルを出力するロックイン増幅器と
を備えることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の吸収計測装置。 Modulation means for intensity-modulating the measurement light at a predetermined frequency;
A lock-in amplifier that inputs at least one of the first detection signal and the second detection signal and outputs the level of the signal component of the predetermined frequency in the input signal. The absorption measurement apparatus according to any one of claims 1 to 5, wherein the absorption measurement apparatus is characterized.
前記減衰手段が出力する前記減衰光を検出する減衰光検出手段と
を備えることを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の吸収計測装置。 The first detection means attenuates the first output light to be measured and outputs attenuation light;
The absorption measurement apparatus according to claim 1, further comprising: attenuated light detection means that detects the attenuated light output from the attenuation means.
The absorption measuring apparatus according to any one of claims 1 to 7, wherein the first detection means is a phototube and the second detection means is a photomultiplier tube.
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