JP2006502399A - 色収差無発生型且つ吸収低減型の光収集システムで、特に光学的分光分析に適応させたシステム - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光収集システムに関するものであり、特に光学的分光分析に適用可能である。
更に詳しくは、本発明は、光路領域における、異なる技術特性を有するミラーの組み合わせに関する。
これらのミラーは、光源からの光を収集してその光を光検出装置に送る光学システムを形成する特定システムにおいて相互に関連付けられ、この光検出装置は、少なくとも光学的分光分析の分野において、及び場合によっては他の光学的適用分野において使用可能である。
図1に、光源4と光検出システム6との間に設置した光収集システム2を概略的に示す。光検出装置6には、そこを貫通する光入口スリット8がある。光路を符号10で示す。
現今用いられている光収集システムは、
− 入射光の性質、即ち入射光を構成する放射光の波長、
− 光源と光検出装置との間の距離、及び
− 光源及び光検出装置の寸法及び形状
に依存している。
大きさが数mmから数10mmであり、光検出装置からの距離が数mmから幾10cmである多色光源に適合させた光学システムが種々存在する。
例えば、入口スリットと称する長さ数mm、幅数μmの小さなスリットを通してのみ光が光検出装置を貫通できるような光検出装置に対しては、既存の光伝送及び収集システムは、平行面、或いは平凸又は両凸収束レンズを有する1つのプレート、及び、2つの平凸集束レンズの組のいずれか一方から構成される。
図3に、両凸集束レンズ26から構成される光収集システムの場合の光路24を示す。
図4に、2つの平凸集束レンズ30,32からなる組から構成される光収集システムの場合の光路28を示す。
1)これらの光収集システムは光の伝送を最適化しない。光学要素(平行面を有するプレート又はレンズ)が放射光を、放射光の波長に応じて吸収する。
この吸収は、場合によっては無視できる程度であり、特に可視光が例えばフッ化マグネシウムレンズを通過する場合には無視できる。この吸収は遠紫外線(200nm未満の波長に対応)の放射光で大きくなることが多い。
例えば、波長120nmの放射光の場合、厚さ1.4mmのフッ化マグネシウムレンズによって入射光束の約80%が吸収される。同様に、800nmよりも高い波長(赤外線の範囲)でも吸収が大きい。
この現象は、光収集システムを構成する材料の屈折率が入射光の波長の関数として変化することによる。フッ化マグネシウム製のレンズ34を通過する多色光についての長手方向の色収差の形成を例えば図5に示す。
図5は、結果として入口スリットに生じる部分的閉鎖を示す。
波長に応じて集束点が異なる位置に生じるというこの問題は、観測波長の範囲が広い場合に特に重大で、波長の関数としての光検出装置の感度に差異を誘発する。
つまり、集束レンズからなる既知の光収集システムは、光束増幅の必要性を部分的には満足するが、この増幅を多色光の全ての波長について同時に最大化することができない。
1つ以上の多色光源、特にスペクトルが1つ以上の紫外線成分を含むような1つ以上の光源を検討することも必要である。更に、このような光源から放射された光をこの光が収集され光検出装置上に集束された後に検出することも必要である。
しかし、既知の光収集システムは、光源から光検出装置までのその光路上での紫外線放射光の吸収を最小にし、同時に光束を一点で色収差発生なしに増幅し且つ検討中の光源以外の光源からの紫外線が光検出装置に受光されることを防止するような手段を備えていない。
この目的は、光吸収の問題及び色収差の問題を解決し、同時に1つ以上の光源と1つ以上の光検出装置との間で(全ての性質及び波長の)光束を増幅する必要性を満足するような光学システムを提供することである。
少なくとも2つのミラー、すなわち第1のミラーと第2のミラーを備え、
第1のミラーは光源によって放射された光を収集すること及び収集された光を第2のミラー上に集束することが可能であり、第2のミラーは第1のミラーから受けた光を光検出装置上に集束することが可能であり、このシステムが増幅型且つ収差無発生型であり、そして低吸収型(吸収低減型)、特に紫外線について低吸収型であることと、
このシステムには、
− 全ての光、特に紫外線放射光に対して透明であって、内部に光源、光検出装置、及び前記ミラーが配置されるようなチャンバ、及び
− このチャンバ内に真空を生成するか、又はこのチャンバ内に紫外線放射光に対して透明であるガスを充填する手段
が設けられていることとを特徴とする光収集システムである。
光検出装置は入口スリットを備えても備えなくてもよい。
第1及び第2のミラーのこれらそれぞれの焦点は一致してもよいし、別個であってもよい。
この第1の特定実施形態の場合、第1のミラーに中央穿孔部を設け、これによって第2のミラーによって集束された光が光検出装置へ向けて通過することを可能にできる。
第1及び第2のミラーの各々は、球面ミラー、放物面ミラー、及び楕円面ミラーの中から選択できる。
第1及び第2のミラーの各々を、金属性又は化学性の堆積物によって覆ってもよい。
本光検出装置は、入口スリットを有する光学的分光分析装置とすることができ、この場合第2のミラーは、第1のミラーから受けた光を入口スリット上に集束するように設計される。
この光源によって放射された光は1つ以上の紫外線成分を含む場合がある。
この光源は、発光放電灯でもよい。
この金属性又は化学性の堆積物は、この堆積物が形成されるミラーを機械的又は化学的侵害の危険から保護し、放射光の吸収を最小にすることを意図している。
この装置は通常、光入口スリット(簡単には、入口スリット)を有し、この場合第2のミラーが受信した光をこの入口スリット上に集束する。本発明の好適な適用例においては、この装置は実際にこのようなスリットを有する光学的発光分光計である。
第1及び第2のミラーは集束型であり、これにより光束の増幅が可能になる。
更に、レンズの代わりに第1及び第2のミラーを用いることにより、上記の光吸収問題が解決される。
ここで用いられる第1のミラーは、望ましくは球面、放物面、又は楕円面のミラーである。第2のミラーも同様である。
2つのミラーを互いにオフセットして設置し、軸から外れた設定とした場合(図8の実施例の場合)には、第1のミラーを穿孔する必要はない。
図6に概略的に示す本発明の光学システム50は、光源52と光検出装置54との間に設置されている。光検出装置54の入口スリットを符号56で示す。
このシステム50の第1のミラー58は凹面であり、他方第2のミラー60は凸面である。光源52によって放射された光62が第1のミラー58によって採集され、同じ第1のミラー58によってミラー60に集束され、次にこのミラー60がこの光をスリット56上に集束する。
本システム50の光軸の符号をX1とする。ミラー58は、ミラー60よりもはるかに大きく、ミラー60と装置54との間に配置されており、ミラー60によってスリット56上に集束される光が通過する穿孔部64を有していることがわかる。
更に、ミラー58及び60は例えば球面型であり、光軸X1と一致する同一の軸を有し、ミラーのそれぞれの焦点F1及びF2はこの光軸X1上にある。ミラー58及び60の焦点距離をそれぞれ、d1及びd2とする。ここで、d1はd2より大きい。焦点F1及びF2は図6の例では別個であるが、他の実施例では一致することもある。
本システム66の第1のミラー74は凹面であり、他方本システムの第2のミラー76は凸面である。光源68によって放射された光78がミラー74によって採集され、同じ第1のミラー74によってミラー76に集束され、次にこのミラー76がこの光をスリット72上に集束する。
本システム66の光軸の符号をX2とする。ミラー74は第2のミラー76よりもはるかに大きく、ミラー76と装置70との間に配置されており、ミラー76によって入口スリット72上に集束される光が通過する穿孔部80を有していることがわかる。
更に、ミラー74及び76は例えば球面型であり、光軸X2と一致する同一の軸を有し、ミラーのそれぞれの焦点F3及びF4はこの同一軸X2上にある。ミラー74及び76の焦点距離をそれぞれ、d3及びd4とする。ここで、d3はd4より大きい。焦点F3及びF4は図7の例では別個であるが、他の実施例では一致することもある。
本システム80の第1のミラー88は、凹面であり、他方本システムの第2のミラー90は、凸面である。光源82によって放射された光92がミラー88によって採集され、同じミラー88によってミラー90に集束され、次にこのミラー90がこの光をスリット86上に集束する。
ミラー88はミラー90よりもはるかに大きいことがわかる。2つのミラー88及び90は、互いにオフセットされており、且つ光軸に関して軸から外れている。更に、ミラー88及び90は例えば球面型であり、ミラーのそれぞれの焦点は同一点Fにおいて一致する。ミラー88及び90の焦点距離をそれぞれ、d5及びd6とする。ここで、d5はd6より大きい。
上記の例(図6から図8)は、発光放電電池又は発光放電灯(光源を構成)から光学的波長分散分光計(光検出装置を構成)への光出力の収集を最適化するためにこれらの光収集システムが用いられる場合に適用できる。
この種類の光源は多色光を発生し、この多色光では光線は、光検出装置内へ貫入した後それら光線の波長に応じて分散する。
これらのミラーを用いることにより、光束を増幅すること、特に上に述べた吸収及び色収差の問題を解決することが可能になる。図9に示す符号94、96、98の集合体は、波長121.567nm、130.217nm、149.262nm、及び156.144nmの光に用いられる。これらの波長の光は、発光放電電池内での放射逆励起中に水素、酸素、窒素、及び炭素の各元素によってそれぞれ放射される光である。
光学システム98によって出力された光は、分光計96に加え、分光計106により処理することも可能である。
この場合、システム98から発起する光を分光計106のスリット110へ転送するために、適切な半透明ミラー108が設けられる。
− 光源から検出装置へ伝送される光束をこの光収集システムによって最大化(増幅)すること、
− 光学要素による光の吸収を最小化すること、及び
− 異なる波長を有する光線の全てを同一点に集束すること(無色収差(色消し))
が可能である。
本発明によるシステムは、既知のあらゆる光検出装置と共に使用可能である。
本発明によるシステムの用途は、放射光の紫外線範囲に限定されない。
本システムは、2つのミラーを有するシステムに限定されない(図10を参照)。
更に、本発明によるシステムは、球面、放物面、又は楕円面のミラーの使用に限定されない。
又、本発明によるシステムは、炭素、水素、酸素、及び窒素という元素の分光分析に限定されることがなく、あらゆる化学元素の分光分析に適用が可能である。
例えば、このような配置は、光検出装置を光源52と一線上に設置不可能なときに用いることができる。
検出装置54、70、及び84を用いて、多色光、特にスペクトルに1つ以上の紫外線成分が含まれる多色光を研究する場合を考える。この可能性は上記で、詳しくは光源が発光放電電池又は発光放電灯である場合に既に検討した。
本発明によれば、全ての光、特に紫外線放射光に対して透明なチャンバが設けられ、このチャンバの内部には、計測値が乱されないように光検出装置とミラーとが配置される。このチャンバ内に真空を生成するか、又はこの該チャンバ内に紫外線放射光に対して透明なガスを充填する手段も設けられる。
紫外線放射光を吸収する水蒸気又はジオキシゲン(dioxygen)等の全てのガスを除去できるようにこのチャンバ内に真空を生成するため、ポンピング手段116が設けられる。
図9及び図10にも、チャンバ114及びポンピング手段116が概略的に示されている。
このようなチャンバ114へのガス充填手段は、このガスをチャンバ内へ注入する手段118からなる。ガス入り口から離れた位置でチャンバ壁部に孔119を設けてガスの排出を可能にしている(その後、このガスは図示しない手段によってポンピングにより排出される)。結果として、チャンバ内をガスが循環することになる。
これを図8に概略的に示す。図8においては、チャンバはいくつかの部分から構成される。すなわち、2つのミラーを内蔵する主チャンバ120、及び光源82を内蔵し金属製ベロー124により主チャンバ120に接続されてシールされる補助チャンバ122である。更に、検出装置84がシールされたチャンバ126内に配置され、このチャンバは別の金属製ベロー128により主チャンバ120に接続され、シールされている。
このような「柔軟性」のチャンバは、図6、図7、図9、及び図10の実施例にも有利に用いることができる。
当然ながら、チャンバ間の接続は全て、光源から光検出装置までの光伝搬が阻害されないようになされる。
Claims (12)
- 少なくとも1つの光源(52、68、82、94、102)によって放射された光を収集し、該収集された光を少なくとも1つの光検出装置(54、70、84、96、106)上に集束する光収集システム(50、66、80)であって、
少なくとも2つのミラー、すなわち第1のミラーと第2のミラーを備え、該第1のミラー(58、74、88)は該光源によって放射された光を収集すること及び該収集された光を該第2のミラー上に集束することが可能であり、該第2のミラー(60、76、90)は該第1のミラーから受けた光を光検出装置上に集束することが可能であり、システムは増幅型且つ色収差無発生型であり、且つ低吸収型、特に紫外線について低吸収型であることと、
このシステムには、
− 全ての光、特に紫外線放射光に対して透明なチャンバであって、内部に前記光源、前記光検出装置、並びに前記第1及び第2のミラーが配置されるチャンバ、並びに
− 前記チャンバ内に真空を生成するか、又はチャンバ内に紫外線放射光に対して透明なガスを充填する手段が設けられていること
とを特徴とする光収集システム。 - 第1及び第2のミラー(58、60;74、76)が同一の軸(X1、X2)を有し、この同一の軸は該システムの光軸を形成し、第1及び第2のミラーのそれぞれの焦点(F1、F2;F3、F4)は該光軸上に位置する、請求項1に記載のシステム。
- 第1及び第2のミラーのそれぞれの焦点(F1、F2;F3、F4)が一致する、請求項2に記載のシステム。
- 第1及び第2のミラーの該それぞれの焦点(F1、F2;F3、F4)が別個である、請求項2に記載のシステム。
- 第1のミラーが中央穿孔部(64、80)を有することで、第2のミラーによって集束された光が該光検出装置へ向けて通過することが可能となる、請求項2ないし4のいずれか1項に記載のシステム。
- 第1及び第2のミラー(88、90)が互いに対してオフセットされ、少なくとも第1及び第2のミラーのうちの1つが軸から外れている、請求項1に記載のシステム。
- 該第1及び第2のミラー(58、74、88;60、76、90)の各々が、球面ミラー、放物面ミラー、及び楕円面ミラーの中から選択される、請求項1ないし6のいずれか1項に記載のシステム。
- 第1及び第2のミラー(58、74、88;60、76、90)の各々が、金属性又は化学性の堆積物によって覆われる、請求項1ないし7のいずれか1項に記載のシステム。
- 光検出装置が、入口スリット(56、72、86、110)を有し、第2のミラーが、第1のミラーから受けた光を該入口スリット上に集束するように設計される、請求項1ないし8のいずれか1項に記載のシステム。
- 光検出装置が、入口スリットを有する光学的分光分析装置(96)であり、第2のミラーが、第1のミラーから受けた光を該入口スリット上に集束するように設計される、請求項1ないし8のいずれか1項に記載のシステム。
- 光源によって放射された光が1つ以上の紫外線成分を含む、請求項1ないし10のいずれか1項に記載の光収集システム。
- 光源が発光放電灯である、請求項1ないし11のいずれか1項に記載の光収集システム。
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