JP2008089338A - 分光分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数の検出器で検出波長範囲全体を分担することでより該検出波長範囲全体に亘って連続するスペクトルを検出する分光分析装置を提供する。
【解決手段】 分光分析装置(200)は、分光器(230)と、複数の検出器(240a〜240c、250a〜250b)と、該複数の検出器の少なくともいずれかに対応して設けられた方向変更器(260a、260b)を備える。分光器は、入射光を複数の波長成分に分離する。複数の検出器は、分光器からそれぞれの受光面（241a〜241c、251a〜251b）の中心までの光路長が一致するよう配置されている。方向変更器は、分光器から対応する検出器に向かう波長成分の光路上に配置され、該波長成分の伝搬方向を変更するよう機能する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、広い波長範囲に亘って連続するスペクトルを有する光の分光分析に適用可能な分光分析装置に関するものである。

一般に、分光分析装置は、試料に含まれる元素の定性分析や定量分析を行うために利用される。例えば、特許文献１に開示された分光分析装置は、試料から発光した光を分光するための回折格子と、特定波長成分ごとに用意された複数の検出器を備える。また、特許文献２に開示された分光分析装置には、光の入射位置に対応するよう複数のアノードが設けられたマルチアノード型の電子増倍管が適用されている。このようなマルチアノード型の電子増倍管を直線状に配置することにより８〜１６チャネル程度の出力が得られるため、連続するスペクトルの検出が可能である。すなわち、このマルチアノード型の電子増倍管は、各チャネルに対応して複数の電子増倍管を有するのと同等の機能を有し、例えばアノードが直線状に配置されることによりラインセンサとして機能し得る。
特開２００１−１５９６１０号公報 ＷＯ２００３／００４９８２号パンフレット

発明者は上述の従来技術を検討した結果、以下のような課題を発見した。すなわち、より広い波長範囲に亘って連続するスペクトルを検出する場合、上記幅広い光（例えば分光された光：スペクトル）を検出する場合、上記特許文献２に開示された分光分析装置の検出器（マルチアノード型の電子増倍管）と同等の検出器を複数並べて配置する必要がある。

なお、図５（ａ）及び５（ｂ）は、従来技術の課題を説明するために発明者が新たに用意した比較例に係る分光分析装置１００の構成を示す図である。図５（ａ）に示されたように、この比較例に係る分光分析装置１００は、試料からの発光又は蛍光をコリメートするコリメートレンズ１１０と、スリット１２１を有する遮光板１２０、スリット１２１を通過した光束に含まれる波長成分をそれぞれ固有の角度で反射することにより分離する回折格子１３０と、検出範囲を複数波長範囲に分割してそれぞれ分担する複数の検出器１４０ａ〜１４０ｄを備える。図５（ｂ）は、回折格子１３０から複数の検出器１４０ａ〜１４０ｄに向かう方向、すなわち、図５（ａ）中の矢印Ｓ１で示された方向から見た複数の検出器１４０ａ〜１４０ｄを示す図である。これら複数の検出器１４０ａ〜１４０ｄは、それぞれ受光面１４１ａ〜１４１ｄを有しており、これら複数の検出器１４０ａ〜１４０ｄは、受光面１４１ａ〜１４１ｄが基準平面Ｐ１に直行するよう配置されている。なお、受光面１４１ａ〜１４１ｄのそれぞれは、第１チャネルＣＨ１〜第８チャネルＣＨ８用に８分割されている。

しかしながら、複数の検出器１４０ａ〜１４０ｄのそれぞれには、受光面１４１ａ〜１４１ｄの周辺に不感応領域が存在するため、これら複数の検出器１４０ａ〜１４０ｄにより検出されるスペクトルは、図５（ｃ）に示されたように、感応領域Ａと不感応領域Ｂとが交互に出現する形状になり、結果として、図５（ａ）及び５（ｂ）に示された比較例に係る分光分析装置では連続したスペクトルの検出ができないという課題があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、広い波長範囲に亘って連続するスペクトルの検出を可能にするための構造を備えた分光分析装置を提供することを目的としている。

この発明に係る分光分析装置は、分光器と、検出範囲を複数の波長範囲に分割してそれぞれ分担する複数の検出器と、該複数の検出器のうち１又はそれ以上の検出器それぞれに対応して設けられた方向変更器とを備える。上記分光器は、入射光を１又はそれ以上の波長成分に分離する。上記検出器それぞれは、分光器からそれぞれの受光面の中心までの光路長が一致するよう配置されている。上記方向変更器のそれぞれは、分光器から対応する検出器に向かう波長成分の光路上に配置され、該波長成分の伝搬方向を変更するよう機能する。このように、１又はそれ以上の任意の検出器に対応して方向変更器が設けられることにより、検出器それぞれの配置を個別に変更することが可能になる。この場合、分光器により分離された全波長成分がいずれの検出器の不感応領域にも到達しないよう、全検出器の位置調節が可能になる。したがって、１つの検出器で対応可能な波長範囲以上のより広い波長範囲に亘って連続するスペクトルを有する光の分光分析であっても、分光器により分離された全波長成分がいずれかの検出器における受光面に到達し得る。

なお、この発明に係る分光分析装置において、上記分光器は、入射光に含まれる波長成分ごとに固有の角度で反射する反射型回折格子を含むのが好ましい。当該分光分析装置全体の小型化が可能になるからである。また、上記検出器のそれぞれは、レンズ光学系により構成することも可能であるが、光の入射位置に対応した複数のアノードが設けられたマルチアノード型光電子増倍管を含むのが好ましい。この場合、当該分光分析装置全体の小型化に加え、検出器の１つ１つがラインセンサとして機能し得るため、広範囲に亘って連続するスペクトルを効率的に検出することができる。

分光器により分離された全波長成分がいずれの検出器の不感応領域にも到達しない検出器の配置としては、種々の態様が考えられる。例えば第１実施形態として、上記複数の検出器のうち１又はそれ以上の検出器は、受光面が所定の基準平面に対して直交するよう配置される一方、残りの検出器は、受光面が該基準平面に一致するよう配置されてもよい。この場合、上記方向変更器は、分光器から残りの検出装置それぞれに向かう波長成分の光路上にそれぞれ配置されることになる。

上述の第１実施形態において、上記方向変更器のそれぞれは、内部を伝搬する光の伝搬方向を変更するプリズム構造体を含むのが好ましい。また、上記方向変更器のそれぞれは、方向変更器のそれぞれは、反射鏡を含んでもよい。いずれの場合であっても、当該分光分析装置全体の小型化を可能にするため、方向変更器のそれぞれは、対応する残りの検出器の受光面を覆った状態で対応する該残りの検出器に固定されるのが好ましい。

一方、第２実施形態として、複数の検出器のそれぞれは、受光面が所定の基準平面に一致するよう配置されてもよい。この場合、上記方向変更器は、分光器から複数の検出装置それぞれに向かう波長成分の光路上にそれぞれ配置される。

上述の第２実施形態において、上記方向変更器のそれぞれは、内部を伝搬する光の光路長が互いに異なる第1プリズム構造体及び第２プリズム構造体のいずれかを含んでもよい。この場合、複数の検出器のそれぞれは、分光器により分離された波長成分の光路を基準平面に投影したときの線分の長さが異なる第１及び第２グループのいずれかにクラス分けできるよう配置される。そして、分光器から複数の検出装置のうち第１グループに属する検出器それぞれに向かう波長成分の光路上に第1プリズム構造体に相当する方向変更器がそれぞれ配置される一方、分光器から複数の検出装置のうち第２グループに属する検出器それぞれに向かう波長成分の光路上に第２プリズム構造体に相当する方向変更器がそれぞれ配置される。

この第２実施形態においても、当該分光分析装置全体の小型化を可能にするため、第１プリズム構造体に相当する方向変更器のそれぞれは、第１グループに属する検出器の受光面を覆った状態で該検出器に固定される一方、第２プリズム構造体に相当する方向変更器のそれぞれは、第２グループに属する検出器の受光面を覆った状態で該検出器に固定されるのが好ましい。

さらに、この第２実施形態において、上記方向変更器のうち少なくともいずれかは、反射鏡を含んでもよい。この場合も、反射鏡に相当する方向変更器のそれぞれが、第１及び第２グループのいずれかに属する検出器の受光面を覆った状態で該検出器に固定されることにより、当該分光分析装置全体の小型化を可能にする。

以上のようにこの発明に係る分光分析装置によれば、資料からの発光や蛍光などの微弱光の分光分析のみならず、１つの検出器では対応しきれない程度の広い波長範囲に亘って連続するスペクトルを有する光の分光分析をも可能になる。

以下、この発明に係る分光分析装置の各実施形態を、図１〜図４を用いて詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一部位、同一要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。

（第１実施形態）
まず、この発明に係る分光分析装置の第１実施形態について、図１及び図２を用いて説明する。図１（ａ）は、この発明に係る分光分析装置の第１実施形態の構成を示す斜視図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）中の矢印Ｓ３で示された方向から見た検出器の配置を示す平面図であり、図１（ｃ）は、図１（ａ）中の矢印Ｓ４で示された方向から見た検出器の配置を示す側面図である。また、図２（ａ）は、図１（ａ）中の矢印Ｓ２で示された方向から見た検出器の配置を示す正面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示された検出器の配置に対応して示された検出スペクトルである。

この第１実施形態に係る分光分析装置２００は、上述の比較例と同様に、コリメートレンズ２１０、スリット２２１を有する遮光板２２０、分光器としての回折格子２３０、それぞれ受光面２４１ａ〜２４１ｃ、２５１ａ〜２５１ｂを有する複数の検出器２４０ａ〜２４０ｃ、２５０ａ〜２５０ｂを備える。ただし、この第１実施形態では、検出器２５０ａ、２５０ｂそれぞれに向かう波長成分の伝搬方向を変更する方向変更器としてプリズム構造体２６０ａ、２６０ｂをさらに備えることにより、検出器２４０ａ〜２４０ｃ、２５０ａ〜２５０ｂが、回折格子２３０により分離された全波長成分が検出器２４０ａ〜２４０ｃ、２５０ａ〜２５０ｂそれぞれの不感応領域に到達し得ないよう配置されている。

このように、方向変更器としてのプリズム構造体２６０ａ、２６０ｂのそれぞれは、回折格子２３０から対応する検出器２５０ａ、２５０ｂに向かう波長成分の光路上に配置され、該波長成分の伝搬方向を変更するよう機能する。そのため、１つの検出器で対応可能な波長範囲以上のより広い波長範囲に亘って連続するスペクトルを有する光の分光分析であっても、回折格子２３０により分離された全波長成分がいずれかの検出器２４０ａ〜２４０ｃ、２５０ａ〜２５０ｂにおける受光面２４１ａ〜２４１ｃ、２５１ａ〜２５１ｂに到達し得る。

すなわち、回折格子２３０により分離された全波長成分がいずれの不感応領域にも到達しない検出器２４０ａ〜２４０ｃ、２５０ａ〜２５０ｂの配置として、まずこの第１実施形態では、図１（ｂ）に示されたように、検出器２４０ａ〜２４０ｃを第１グループに分類する一方、検出器２５０ａ〜２５０ｂを第２グループに分類している。これら第１及び第２グループは、回折格子２３０により分離された波長成分それぞれの光路を基準平面Ｐ２（図１（ｃ）参照）に投影したときの線分の長さが異なるグループであって、この第１実施形態では、第１グループの方が投影された線分が第２グループよりも長くなっている。

ここで、第２グループに属する検出器２５０ａ、２５０ｂに、それぞれの受光面２５１ａ、２５１ｂを覆った状態でプリズム構造体２６０ａ、２６０ｂが固定されることにより、検出器２４０ａ〜２４０ｃ、２５０ａ〜２５０ｂは、図１（ｃ）に示されたように配置される。すなわち、第１グループに属する検出器２４０ａ〜２４０ｃは、それぞれの受光面２４１ａ〜２４１ｃが基準平面Ｐ２に対して直交するよう配置される一方、第２グループに属する検出器２５０ａ、２５０ｂは、それぞれ受光面２５１ａ、２５１ｂが該基準平面Ｐ２に一致するよう配置される。このように第２グループに属する検出器２５０ａ、２５０ｂにプリズム構造体２６０ａ、２６０ｂが適用されることにより、基準平面Ｐ２上に投影された光路の線分長が異なっても、回折格子２３０から各受光面の中心に向かう波長成分の光路長を一致させることができる。

このとき、検出器２４０ａ〜２４０ｃ、２５０ａ〜２５０ｂは、図２（ａ）に示されたように、回折格子２３０により分離された全波長成分がいずれかの受光面２４１ａ〜２４１ｃ、２５１ａ〜２５１ｂに到達し得る。したがって、この第１実施形態に係る分光分析装置２００により、図２（ｂ）に示されたような検出範囲全体に亘って連続するスペクトルが検出される。

なお、この第１実施形態では、方向変更器としてプリズム構造体２６０ａ、２６０ｂが適用されたが、反射鏡が適用されても同様の効果が得られる。

（第２実施形態）
次に、この発明に係る分光分析装置の第２実施形態を、図３及び図４を用いて説明する。図３（ａ）は、この発明に係る分光分析装置の第２実施形態の構成を示す斜視図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）中の矢印Ｓ６で示された方向から見た検出器の配置を示す平面図である。また、図４（ａ）は、図３（ａ）中の矢印Ｓ５で示された方向から見た検出器の配置を示す正面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）に示された検出器の配置に対応して示された検出スペクトルである。

この第２実施形態に係る分光分析装置３００は、第１実施形態と同様に、リメートレンズ３１０、スリット３２１を有する遮光板３２０、分光器としての回折格子３３０、それぞれ受光面３４１ａ〜３４１ｃ、３５１ａ〜３５１ｂを有する複数の検出器３４０ａ〜３４０ｃ、３５０ａ〜３５０ｂを備える。しかしながら、この第２実施形態は、複数の検出器３４０ａ〜３４０ｃ、３５０ａ〜３５０ｂが、受光面３４１ａ〜３４１ｃ、３５１ａ〜３５１ｂを基準平面Ｐ３（図３（ｂ）参照）に一致させるよう配置された点で、第１実施形態と異なる。

さらに、この第２実施形態でも、第１実施形態と同様に、検出器３４０ａ〜３４０ｃを第１グループに分類する一方、検出器３５０ａ〜３５０ｂを第２グループに分類している。これら第１及び第２グループは、回折格子２３０により分離された波長成分それぞれの光路を基準平面Ｐ２（図１（ｃ）参照）に投影したときの線分の長さが異なるグループであって、この第２実施形態では、第１グループの方が投影された線分が第２グループよりも長くなっている。

ここで、投影された線分長の差に起因した各波長成分の光路長の差を調節するため、この第２実施形態では、第１グループに属する検出器３４０ａ〜３４０ｃに、それぞれの受光面３４１ａ〜３４１ｃを覆った状態で第１プリズム構造体３４２ａ〜３４２ｃが固定される。一方、第２グループに属する検出器３５０ａ、３５０ｂには、それぞれの受光面３５１ａ、３５１ｂを覆った状態で第２プリズム構造体３５２ａ、３５２ｂが固定される。なお、第１プリズム構造体３４２ａ〜３４２ｃと第２プリズム構造体３５２ａ、３５２ｂは、内部を伝搬する光の光路長が互いに異なるプリズム構造体である。この第２実施形態では、回折格子３３０により近い第２グループに属する検出器３５０ａ、３５０ｂに固定される第２プリズム構造体３５２ａ、３５２ｂの伝搬距離を長く設定することにより、基準平面Ｐ３上に投影された光路の線分長が異なっても、回折格子３３０から各受光面の中心に向かう波長成分の光路長を一致させることができる。

このとき、検出器３４０ａ〜３４０ｃ、３５０ａ〜３５０ｂは、図３（ｂ）に示されたように配置される。すなわち、第１グループに属する検出器３４０ａ〜３４０ｃと、第２グループに属する検出器３５０ａ、３５０ｂのいずれも、それぞれの受光面３４１ａ〜３４１ｃ、３５１ａ〜２５１ｂが基準平面Ｐ３一致するよう配置される。

以上の構成により、検出器３４０ａ〜３４０ｃ、３５０ａ〜３５０ｂは、図４（ａ）に示されたように、回折格子３３０により分離された全波長成分がいずれかの受光面３４１ａ〜３４１ｃ、３５１ａ〜３５１ｂに到達し得る。したがって、この第２実施形態に係る分光分析装置３００によっても、図４（ｂ）に示されたような検出範囲全体に亘って連続するスペクトルが検出される。

なお、この第２実施形態でも、方向変更器として第１プリズム構造体３４２ａ〜３４２ｃ及び第２プリズム構造体３５２ａ、３５２ｂが適用されたが、反射鏡が適用されても同様の効果が得られる。

この発明に係る分光分析装置の第１実施形態の構成を示す図である。 第１実施形態に係る分光分析装置における検出器の配置を示す図及び検出されたスペクトルである。 この発明に係る分光分析装置の第２実施形態の構成を示す図である。 第２実施形態に係る分光分析装置における検出器の配置を示す図及び検出されたスペクトルである。 比較例に係る分光分析装置の構造を示す図及び検出されたスペクトルである。

符号の説明

２００、３００…分光分析装置、２３０、３３０…回折格子（分光器）、２４１ａ〜２４１ｃ、２５１ａ〜２５１ｂ、３４１ａ〜３４１ｃ、３５１ａ〜３５１ｂ…受光面、２６０ａ〜２６０ｂ、３４２ａ〜２４２ｃ、３５２ａ〜３５２ｂ…プリズム構造体（方向変換器）。

Claims (13)

1. 入射光を１又はそれ以上の波長成分に分離するための分光器と、
   検出波長範囲を複数の波長範囲に分割してそれぞれ分担する複数の検出器であって、分光器からそれぞれの受光面の中心までの光路長が一致するよう配置されている複数の検出器と、
   前記複数の検出器のうち１又はそれ以上の検出器それぞれに対応して設けられた方向変更器であって、分光器から対応する検出器に向かう波長成分の光路上にそれぞれ配置され、該波長成分の伝搬方向を変更するようそれぞれ機能する方向変更器を備えた分光分析装置において、
   前記複数の検出器は、前記方向変更器の機能を利用して、前記分光器により分離された全波長成分が該複数の検出器それぞれの不感応領域に到達し得ないよう配置されている分光分析装置。
2. 前記分光器は、入射光に含まれる波長成分ごとに固有の角度で反射する反射型回折格子を含むことを特徴とする請求項１記載の分光分析装置。
3. 前記複数の検出器のそれぞれは、光の入射位置に対応した複数のアノードが設けられたマルチアノード型光電子増倍管を含むことを特徴とする請求項１記載の分光分析装置。
4. 前記複数の検出器のうち１又はそれ以上の検出器は、受光面が所定の基準平面に対して直交するよう配置される一方、残りの検出器は、受光面が該基準平面に一致するよう配置されており、
   前記方向変更器は、前記分光器から前記残りの検出装置それぞれに向かう波長成分の光路上にそれぞれ配置されていることを特徴とする請求項１記載の分光分析装置。
5. 前記方向変更器のそれぞれは、内部を伝搬する光の伝搬方向を変更するプリズム構造体を含むことを特徴とする請求項４記載の分光分析装置。
6. 前記方向変更器のそれぞれは、対応する前記残りの検出器の受光面を覆った状態で対応する該残りの検出器に固定されていることを特徴とする請求項５記載の分光分析装置。
7. 前記方向変更器のそれぞれは、反射鏡を含むことを特徴とする請求項４記載の分光分析装置。
8. 前記方向変更器のそれぞれは、対応する前記残りの検出器の受光面を覆った状態で対応する該残りの検出器に固定されていることを特徴とする請求項７記載の分光分析装置。
9. 前記複数の検出器のそれぞれは、受光面が所定の基準平面に一致するよう配置されており、
   前記方向変更器は、前記分光器から前記複数の検出装置それぞれに向かう波長成分の光路上にそれぞれ配置されていることを特徴とする請求項１記載の分光分析装置。
10. 前記方向変更器のそれぞれは、内部を伝搬する光の光路長が互いに異なる第1プリズム構造体及び第２プリズム構造体のいずれかを含み、
    前記複数の検出器のそれぞれは、前記分光器により分離された波長成分の光路を前記基準平面に投影したときの線分の長さが異なる第１及び第２グループのいずれかにクラス分けできるよう配置され、
    前記分光器から前記複数の検出装置のうち前記第１グループに属する検出器それぞれに向かう波長成分の光路上に前記第1プリズム構造体に相当する前記方向変更器がそれぞれ配置される一方、前記分光器から前記複数の検出装置のうち前記第２グループに属する検出器それぞれに向かう波長成分の光路上に前記第２プリズム構造体に相当する前記方向変更器がそれぞれ配置されていることを特徴とする請求項９記載の分光分析装置。
11. 前記第１プリズム構造体に相当する前記方向変更器のそれぞれは、前記第１グループに属する検出器の受光面を覆った状態で該検出器に固定されており、
    前記第２プリズム構造体に相当する前記方向変更器のそれぞれは、前記第２グループに属する検出器の受光面を覆った状態で該検出器に固定されていることを特徴とする請求項１０記載の分光分析装置。
12. 前記方向変更器のうち少なくともいずれかは、反射鏡を含むことを特徴とする請求項９記載の分光分析装置。
13. 前記反射鏡に相当する前記方向変更器のそれぞれは、前記第１及び第２グループのいずれかに属する検出器の受光面を覆った状態で該検出器に固定されていることを特徴とする請求項１２記載の分光分析装置。

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