JP2009121990A - 分光測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】使用する光検出器の数を増やしつつ積分球の開口率を抑え、良好なＳ／Ｎ比を確保する。
【解決手段】積分球１０に設けた共通の出射窓１６の外側に、波長特性の相違する複数の光検出器２２、２４、２６を搭載したテーブル２０を移動可能に設ける。測定対象の波長に応じて、出射窓１６からの出射光が当たる位置に、その波長に対応した光検出器２２、２４又は２６の光検出面が来るようにテーブル２０を移動させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、測光部に積分球を用いた分光測定装置に関し、さらに詳しくは、複数の光検出器を利用した分光測定装置に関する。

試料による拡散反射光を効率良く収集して検出するために、積分球を利用した分光測定装置が従来より知られている。こうした分光測定装置に用いられる光検出器は十分な検出感度が得られる波長範囲が限られているため、広い波長範囲に亘る測定を行いたい場合には単一の光検出器で全ての波長を検出することは不可能である。そこで、積分球を利用した分光測定装置では、従来より、積分球に形成した複数の出射窓に、検出波長範囲が相違する光検出器をそれぞれ取り付け、その複数の光検出器による検出信号を切り換えて出力する構成のものが知られている（特許文献１参照）。

光検出器としては一般に、紫外及び可視領域（短波長領域）では光電子増倍管が利用され、近赤外領域（長波長領域）ではPbS（硫化鉛）検出器が利用されることが多い。さらにまた、上記２つの検出器に加え、近赤外領域でより高感度のInGaAs（インジウムガリウム砒素）検出器が併用される場合もある（特許文献２参照）。

ところが、上記のように各光検出器に対応して出射窓を設けた場合、次のような問題がある。
（１）光検出器の数を増やすために積分球に設ける出射窓の数も増やすと、積分球の開口率が上がってしまう。積分球では、開口率が大きいほど光量の損失が大きく、ノイズが増加するためにS/Nの点で不利である。また、各種の測定規格において測定の正確性を確保するために積分球の開口率が規定されている場合もあり（例えばJIS K7105-1981 5.5.2 節では４％以下に規定、JIS K7136-2000 5.5 節では３％以下に規定など）、その場合には出射窓の数を増やすことが困難である。

（２）測定（サンプル）光と参照（リファレンス）光とを利用するダブルビーム方式の分光光度測定装置では、図６に示すように、積分球１０に対し、測定光Lsと参照光Lrとを異なる方向から照射する構成が一般的である。典型的な図６の例では、互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ軸の３軸の交点を中心とする積分球１０にあって、Ｘ軸上とＹ軸上とにそれぞれ１つずつ入射窓１２、１４が設けられ、測定光LsがＸ軸に沿って、参照光LrがＹ軸に沿って積分球１０の内部空間に入射する。測定光Lsと参照光Lrとの両方に対し位置関係の対称性が確保できる出射窓の位置は、Ｚ軸上の２つの出射窓１６、１８の位置のみである。したがって、光検出器が２個である場合、出射窓１６、１８の外側にそれら光検出器を設置すればよい。

しかしながら、さらに光検出器の数を増やそうとした場合、測定光Lsと参照光Lrとの両方に対し位置関係の対称性が確保できる位置はほかに存在しないため、その位置関係の対称性が確保できない位置に出射窓を設けざるを得ない（例えば特許文献２の図３参照）。この場合、入射窓１２、１４から入射した光が出射窓から出射するまでの光の経路等の条件が出射窓１６、１８とは同一ではないために、光の損失量等が相違し、異なる光検出器による検出信号を切り換える際に段差が発生するおそれがある。

（３）また、可変角絶対反射測定などのために積分球検出器を可動式とした構成では、ベースライン設定のための測光時と試料についての測光時とでは、積分球の位置が相違するために、入射光束の方向を完全に一致させるのが難しい。また、例えば薄膜試料などの裏面反射まで含む測定や、レンズなどの屈折性のある試料、散乱性のある試料の測定などにおいても、ベースライン設定のための測光時と試料についての測光時とで入射光束の方向が相違する。積分球では、こうした入射光束の方向の相違や入射光束の拡がりの影響を軽減することができるものの、出射窓の位置によってはその影響が無視できない場合がある。

特開2002-62189号公報 特開2006-23284号公報

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、使用する光検出器の数を増やす場合であっても出射窓の数を抑えることにより、積分球の開口率を抑制し、高い精度での測定が行える位置に出射窓を設けることができる分光測定装置を提供することである。

上記課題を解決するために成された第１発明は、光を内部空間に導入するための入射窓と該内部空間から光を取り出すための少なくとも１つの出射窓を有する積分球を測光部に用いた分光測定装置において、
a)複数の光検出器と、
b)前記出射窓からの出射光が当たる位置に前記複数の光検出器の１つを選択的に移動させる移動手段と、
を、前記積分球の外側に備えることを特徴としている。

また上記課題を解決するために成された第２発明は、光を内部空間に導入するための入射窓と該内部空間から光を取り出すための少なくとも１つの出射窓を有する積分球を測光部に用いた分光測定装置において、
a)複数の光検出器と、
b)前記出射窓からの出射光が当たる位置に入射端が配置された光案内手段と、
c)前記光案内手段の出射端からの出射光が当たる位置に前記複数の光検出器の１つが選択的に位置するように、該光案内手段の出射端を移動させる移動手段と、
を、前記積分球の外側に備えることを特徴としている。

第２発明に係る分光測定装置において、光案内手段は例えば光ファイバとすることができる。

第１及び第２発明において、複数の光検出器は波長特性が相違する、つまりそれぞれ検出可能な波長帯域が相違するものとすることができる。具体的に例示すると、主として紫外・可視領域の検出を担う光電子増倍管検出器と、主として近赤外線領域の検出を担うPbS検出器との２つを用いるか、これにさらにその間の波長領域を担うInGaAs検出器を追加することができる。もちろん、それ以外の光検出器を追加する又は代替することもできる。

第１及び第２発明において、移動手段は駆動源としてのモータを含み、測定対象の波長領域に対応して適宜の光検出器に光が導入されるように上記モータの動作を制御する制御手段を備える構成とすることができる。

第１発明に係る分光測定装置では、例えば広い波長範囲に亘る測定を行う際に、その波長範囲内で測定対象である波長帯域に応じて、移動手段により、該波長帯域に対応した光検出器を出射窓からの出射光が当たる位置に移動させる。一方、第２発明に係る分光測定装置では、例えば広い波長範囲に亘る測定を行う際に、その波長範囲内で測定対象である波長帯域に応じて、移動手段により、該波長帯域に対応した光検出器に出射光が導入されるように光案内手段の出射端を移動させる。いずれにしても、出射窓を共通に利用して、光検出器の数を任意に増やすことができる。

第１及び第２発明に係る分光測定装置によれば、複数の光検出器に対する出射窓が共通化されるため、出射窓の数を増やさずに光検出器の数を増やすことができる。これにより、積分球の開口率を抑えることができ、それによって検出信号の良好なS/N比を確保することができる。また、光検出器の種類を増やして狭い波長帯域毎に最適な光検出器を利用することが可能となる。

また、３以上の光検出器を設ける場合でも、測定光と参照光との両方に対し位置関係が対称となる位置に設けた出射窓から光を導出して光検出器に導入することが容易になる。それにより、複数の光検出器による検出信号を切り換える際にも信号に段差が生じにくく、測定の正確性の向上に寄与する。また、出射窓の数が例えば１つであれば、測定光と参照光との両方に対し位置関係が対称となる位置が積分球上で広がるため、光学的な設計の自由度が広がり、測光系の小形化などにも有利である。

また、例えば可変角絶対反射測定における薄膜試料の裏面反射測定を行う場合に、測定光の入射光束は直線状に広がった状態となるが、その一次元的な広がり方向と入射光束の光軸方向との両方に直交する軸上の２個所に設けた出射窓では、入射光束の広がりの影響は同一となる。そこで、この２個所の少なくともいずれか一方を複数の光検出器に対する共通の出射窓とすることで、３以上の光検出器を使用する場合でも、それら光検出器による検出信号を切り換える際の信号段差の発生を回避できる。

以下、本発明に係る分光測定装置の実施例を図面を参照して説明する。
［第１実施例］
図１は第１実施例の分光測定装置における積分球検出部１の概略斜視図、図２はこの積分球検出部１の要部の電気系構成図である。

この積分球検出部１において、積分球１０には、図６で説明したＸ軸上及びＹ軸上で、Ｘ−Ｙ平面上で互いに９０°の角度位置に入射窓１２、１４が開口している。そして、入射窓１２を通してＸ軸に沿って測定光Lsが、他方、入射窓１４を通してＹ軸に沿って参照光Lrが、それぞれ積分球１０の内部空間に導入されるように構成されている。Ｘ軸及びＹ軸に直交するＺ軸上に唯一の出射窓１６が設けられている。上述のように、この出射窓１６の位置は、測定光Ls、参照光Lrの両方に対し位置関係が対称になる位置である。

Ｘ−Ｙ平面に平行に延展するテーブル２０上には、第１乃至第３なる３つの光検出器２２、２４、２６が取り付けられている。テーブル２０は、駆動機構３４によりＸ軸方向に所定範囲で移動可能となっており、図１に示した状態では、第１光検出器２２の検出面（受光面）がちょうどＺ軸上に位置している。つまり、この状態では出射窓１６を通して積分球１０内部空間から出射する光の殆どが第１光検出器２２の検出面に当たる。テーブル２０の移動により、第２光検出器２４の検出面、又は第３光検出器２６の検出面を選択的に出射窓１６からの出射光の当たる個所に位置させることができる。

例えば、第１乃至第３光検出器２２、２４、２６として、光電子増倍管、PbS検出器、InGaAs検出器を利用することができるが、それ以外の光検出器であってもよい。この３つの光検出器２２、２４、２６の検出信号はそれぞれアンプ３６により増幅され、切替スイッチ３８により切り換えられて、１系統の出力信号として図示しない信号処理部へと送られる。なお、各検出信号をＡ／Ｄ変換器でデジタル信号に変換した後に切り換える構成とする等、構成上の適宜の変更が可能である。

駆動機構３４は例えばギア、ラック・ピニオンなどの動力伝達機構や減速機構を含み、モータ３２の回転駆動力を直線運動に変換してテーブル２０を上述のように移動させる。モータ３２は分光測定装置全体の分析動作を司る制御部３０により制御される。いま、ここでは、紫外領域から近赤外領域までの広い波長領域λ1〜λ4に亘る測定に対応しているものとし、第１光検出器２２は波長領域λ1〜λ2の検出を、第２光検出器２４は波長領域λ2〜λ3の検出を、第３光検出器２６は波長領域λ3〜λ4の検出をそれぞれ担うものとする。

制御部３０は、上記波長領域λ1〜λ4に亘る測定を行う際に、まずモータ３２に決まった制御信号（例えばモータ３２がステッピングモータである場合には決まった数の駆動パルス）を送出する。これに応じてモータ３２が作動し、駆動機構３４を介してテーブル２０が移動し、第１光検出器２２が出射窓１６の直下に来る。その状態で図示しない分光器での波長走査を行いながらλ1〜λ2の波長領域の分光測定を実行する。このとき、切替スイッチ３８は第１光検出器２２による検出信号を選択して出力する。

そして、波長λ2に達すると、制御部３０は再びモータ３２に所定の制御信号を送出し、これに応じてモータ３２が作動し、駆動機構３４を介してテーブル２０が移動し、第２光検出器２４が出射窓１６の直下に来る。その状態で波長走査を行いながらλ2〜λ3の波長領域の分光測定を実行する。このとき、切替スイッチ３８は第２光検出器２４による検出信号を選択して出力する。

波長λ3に達すると、制御部３０は再びモータ３２に所定の制御信号を送出し、これに応じてモータ３２が作動し、駆動機構３４を介してテーブル２０が移動し、第３光検出器２６が出射窓１６の直下に来る。その状態で波長走査を行いながらλ3〜λ4の波長領域の分光測定を実行する。このとき、切替スイッチ３８は第３光検出器２６による検出信号を選択して出力する。そして、波長λ4に達したならば測定を終了する。もちろん、短波長→長波長だけでなく、逆に長波長→短波長への波長走査を行ってもよい。

また、上記のような波長走査を行いながらの測定ではなく、或る１つの波長における測定を行う場合には、その測定波長λaが設定されると制御部３０は、その波長λaを測定するのに適した光検出器を判断し、その光検出器が出射窓１６の直下に来るようにモータ３２を制御する。共通の出射窓１６からの出射光を検出するから、いずれの光検出器２２、２４、２６により検出を行う場合でも、積分球１０内部空間において入射窓１２、１４から出射窓１６に達するまでの光の経路等の条件は同一になる。そのため、検出信号を切り換える際の信号段差が発生しない。

なお、上記説明では、テーブル２０を直線的に移動させることで３つの光検出器２２、２４、２６の切換えを行ったが、移動形態はこれに限るものではなく、例えば円盤状のテーブルを回動させることで複数の光検出器を切り換える等、適宜の変形が可能である。

［第２実施例］
図３は第２実施例の分光測定装置における積分球検出部１の概略斜視図、図４はこの積分球検出部１の要部の電気系構成図である。第１実施例の構成と同一又は相当する構成要素には同一の符号を付して詳しい説明を略す。

この第２実施例における積分球検出部１では、第１乃至第３光検出器２２、２４、２６を搭載したテーブル２０の位置は積分球１０の位置に対して固定されている。出射窓１６からの出射光が当たる位置には本発明における光案内手段に相当する光ファイババンドル４０の入射端が固定されており、光ファイババンドル４０の出射端が駆動機構３４によりＸ軸方向に移動可能となっている。

図３は光ファイババンドル４０（４０Ａ）の出射端が第１光検出器２２の直上に移動された状態であり、出射窓１６からの出射光は光ファイババンドル４０を通って第１光検出器２２の検出面に導入される。また、図３中に符号４０Ｂで示す位置に光ファイババンドル４０の出射端を移動させれば第２光検出器２４の検出面に出射光が導入され、図３中に符号４０Ｃで示す位置に光ファイババンドル４０の出射端を移動させれば第３光検出器２６の検出面に出射光が導入される。これにより、第１実施例においてテーブル２０を移動させるのと同様の作用・効果を達成できる。

なお、第１及び第２実施例の構成では、測定時以外のときに、いずれの光検出器にも光が入射しない位置にテーブル２０又は光ファイババンドル４０を移動させることで、光検出器の検出面に外光が当たることを防止することができる。一般に、光検出器の検出面に特に過剰な光が入射するとその検出器の劣化やドリフトなどの原因となり易いが、上記のように外光が当たるのを防止することでそうした問題を軽減できる。

［第３実施例］
図５は第３実施例の分光測定装置における積分球検出部１の概略斜視図である。第１実施例の構成と同一又は相当する構成要素には同一の符号を付して詳しい説明を略す。

上記第１及び第２実施例の構成では、積分球１０に唯一で共通の出射窓１６を設けていたが、この第３実施例の構成では、出射窓１６と対向する位置、つまり図１及び図６におけるＺ軸上にもう１つの出射窓１８を設けている。そして、この出射窓１８に第２光検出器２４を固定的に取り付け、移動可能であるテーブル２０上には第１及び第３光検出器２２、２６の２つを設け、これらを切換え可能としている。

例えば通常の測定では第１及び第２光検出器２２、２４の２つを利用し、特殊な試料を測定する場合や高感度の測定を行いたい場合にのみ第３光検出器２６を利用するときなどにおいては、この構成によれば通常の測定時にテーブル２０の移動を行わずに済むので、波長切換えに時間が掛からずスループットを向上させることができる。

もちろん、第１及び第２実施例のいずれの構成においても第３実施例のように積分球１０に出射窓を複数設け、その１つに光検出器を固定的に取り付けることができる。

また、上記実施例は本発明の一例にすぎないから、本発明の趣旨の範囲で適宜変形、修正、追加を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは明らかである。

本発明に係る第１実施例の分光測定装置における積分球検出部の概略斜視図。 第１実施例における積分球検出部の要部の電気系構成図。 本発明に係る第２実施例の分光測定装置における積分球検出部の概略斜視図。 第２実施例における積分球検出部の要部の電気系構成図。 本発明に係る第３実施例の分光測定装置における積分球検出部の概略斜視図。 積分球検出部を用いた測定の原理説明図。

符号の説明

１…積分球検出部
１０…積分球
１２、１４…入射窓
１６、１８…出射窓
２０…テーブル
２２、２４、２６…光検出器
３０…制御部
３２…モータ
３４…駆動機構
３６…アンプ
３８…切替スイッチ
４０…光ファイババンドル

Claims (3)

1. 光を内部空間に導入するための入射窓と該内部空間から光を取り出すための少なくとも１つの出射窓を有する積分球を測光部に用いた分光測定装置において、
   a)複数の光検出器と、
   b)前記出射窓からの出射光が当たる位置に前記複数の光検出器の１つを選択的に移動させる移動手段と、
   を、前記積分球の外側に備えることを特徴とする分光測定装置。
2. 光を内部空間に導入するための入射窓と該内部空間から光を取り出すための少なくとも１つの出射窓を有する積分球を測光部に用いた分光測定装置において、
   a)複数の光検出器と、
   b)前記出射窓からの出射光が当たる位置に入射端が配置された光案内手段と、
   c)前記光案内手段の出射端からの出射光が当たる位置に前記複数の光検出器の１つが選択的に位置するように、該光案内手段の出射端を移動させる移動手段と、
   を、前記積分球の外側に備えることを特徴とする分光測定装置。
3. 請求項１又は２に記載の分光測定装置であって、前記複数の光検出器は波長特性の相違するものであることを特徴とする分光測定装置。

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