JP2012026748A - 分光用計測プローブ及び分光計測システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で高感度な分光用計測プローブ及び分光計測システムを提供する。
【解決手段】分光計測システム１は、第１中空部１００を有し、試料に赤外光を照射する第１中空導光路１０と、第１中空導光路１０と並列に配置され、試料内に染み出し反射、若しくは散乱した赤外光を受光し、当該赤外光を伝搬する第２中空部２００を有する第２中空導光路２０と、第１中空導光路１０の一端と第１中空導光路１０の一端に並列に配置されている第２中空導光路２０の一端とに装着されるプリズム３０とを備え、プリズム３０が、第１中空部１００と第２中空部２００とを封止する封止面３００と、第１中空導光路１０から出射された赤外光を反射する第１反射面３０５と、第１反射面３０５で反射された赤外光を第２中空導光路２０に導光させる第２反射面３１０とを有する。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、分光用計測プローブ及び分光計測システムに関する。特に、本発明は、食品、化学物質、生体細胞、環境ガス等の赤外分光分析に用いる分光用計測プローブ及び分光計測システムに関する。

タンパク質、脂肪酸、アルコール、糖、色素等の食品、化学物質の分析、生体細胞を構成する分子状態の把握、化学反応過程のモニタリング、環境汚染又は地球温暖化ガスの濃度の分析等に、赤外吸収スペクトルを利用した分析である赤外分光分析法が用いられている。赤外分光分析法を実現する装置として、干渉計を用いたフーリエ変換赤外（ＦＴＩＲ）分光光度計、回折格子を用いた分散型分光光度計がある。これらの計測器により赤外光を特定の試料に照射し、その試料を透過した光、又は試料から反射若しくは散乱した光をＭＣＴ（Ｍｅｒｃｕｒｙ Ｃａｄｍｉｕｍ Ｔｅｌｌｕｒｉｕｍ）等の検出器で受光することにより赤外吸収スペクトルを測定し、その吸収特性から定量的な分析ができる。

従来、光源からの赤外光を試料に照射するプローブとして、中空構造の導光路を用いた中空ファイババンドルが知られている（例えば、特許文献１参照。）。当該中空ファイババンドルは、被測定物に照射光を照射し、被測定物からの反射光及び散乱光を検出することができる。

特開２００８−２０９１６０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の中空ファイババンドルにおいては、被測定物に垂直に照射光を照射しているので、被測定物からの反射光及び散乱光は、被測定物の略真上に伝搬する。したがって、検出用の中空ファイバに向かう光の量が少なく、反射光及び散乱光を検出光として十分に検出することができない場合がある。したがって、測定感度の向上にはまだ工夫の余地がある。

したがって、本発明の目的は、簡易な構成で高感度な分光用計測プローブ及び分光計測システムを提供することにある。

本発明は、上記課題を解決することを目的として、赤外光を伝搬する第１中空部を有し、所定の試料に赤外光を照射する第１中空導光路と、第１中空導光路と並列に配置され、試料内に染み出し反射、若しくは散乱した赤外光を受光し、当該赤外光を伝搬する第２中空部を有する第２中空導光路と、第１中空導光路の一端と、第１中空導光路の一端に並列に配置されている第２中空導光路の一端とに装着されるプリズムとを備え、プリズムが、第１中空部と第２中空部とを封止する封止面と、第１中空導光路から出射された赤外光を反射する第１反射面と、第１反射面で反射された赤外光を第２中空導光路に導光させる第２反射面とを有する分光用計測プローブが提供される。

また、上記分光用計測プローブにおいて、第１反射面により反射される赤外光の光軸と、第１中空導光路及び第２中空導光路が配列される方向とが平行になる配置に、第１中空導光路及び第２中空導光路とプリズムとが配置されることが好ましい。

また、上記分光用計測プローブにおいて、第１中空導光路及び第２中空導光路が、金属管と、金属管の内面に設けられ、赤外領域で透明な誘電体層とを有することもできる。

また、上記分光用計測プローブにおいて、第１反射面が、第１中空導光路から出射される赤外光の光軸と４５度の角度をなし、第２反射面が、第１反射面で反射される赤外光の光軸と４５度の角度をなしてもよい。

また、本発明は、上記課題を解決することを目的として、赤外光を伝搬する第１中空部を有し、所定の試料に赤外光を照射する第１中空導光路と、第１中空導光路と並列に配置され、試料において透過した赤外光を受光し、当該赤外光を伝搬する第２中空部を有する第２中空導光路と、第１中空導光路の一端と、第１中空導光路の一端に並列に配置されている第２中空導光路の一端とに装着され、第１中空部と第２中空部とを封止する平板ウインドウと、試料が搭載されるステージとを備え、ステージが、第１中空導光路から出射された赤外光を反射する第１反射面と、第１反射面で反射された赤外光を第２中空導光路に導光させる第２反射面とを有する分光計測システムが提供される。

また、上記分光計測システムにおいて、第１反射面により反射される赤外光の光軸と、第１中空導光路及び第２中空導光路が配列される方向とが平行になる配置に、第１中空導光路及び第２中空導光路とステージとが配置されることが好ましい。

また、上記分光計測システムにおいて、第１中空導光路及び第２中空導光路が、金属管と、金属管の内面に設けられ、赤外領域で透明な誘電体層とを有することもできる。

また、上記分光計測システムにおいて、第１反射面が、第１中空導光路から出射される赤外光の光軸と４５度の角度をなし、第２反射面が、第１反射面で反射される赤外光の光軸と４５度の角度をなしてもよい。

本発明に係る分光用計測プローブ及び分光計測システムによれば、簡易な構成で高感度な分光用計測プローブ及び分光計測システムを提供できる。

本発明の第１の実施の形態に係る分光計測システムの概要図である。 図１ＡのＡ−Ａ線における第１の実施の形態に係る分光用計測プローブの断面図である。 第１の実施の形態に係る分光用計測プローブの先端の概要図である。 本発明の第２の実施の形態に係る分光計測システムの概要図である。 第２の実施の形態に係る分光用計測プローブの先端の概要図である。

［第１の実施の形態］
図１Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る分光計測システムの概要を示し、図１Ｂは、図１ＡのＡ−Ａ線における第１の実施の形態に係る分光用計測プローブの断面の概要を示す。更に、図１Ｃは、第１の実施の形態に係る分光用計測プローブの先端の概要を示す。

図１Ａ及び図１Ｂに示すように、第１の実施の形態に係る分光計測システム１は、赤外光（例えば、０．７μｍ以上１ｍｍ以下の波長の赤外光）を伝搬する第１中空部１００を有する照射用中空導光路としての第１中空導光路１０と、赤外光を伝搬する第２中空部２００を有する検出用中空導光路としての第２中空導光路２０と、第１中空導光路１０の一端と第２中空導光路２０の一端とに装着されるプリズム３０とを備える。更に、分光計測システム１は、赤外光を発する光源４０と、光源４０が発する赤外光を分光すると共に第１中空導光路１０に当該赤外光を導入する分光器５０と、第２中空導光路２０を伝搬する赤外光を検出する検出器６０とを備える。

分光計測システム１は、試料台７０上に置かれた試料８０に赤外光を照射して試料８０の特性を測定することができる。なお、第１中空導光路１０と、第２中空導光路２０と、プリズム３０とを有するユニットを、第１の実施の形態では分光用計測プローブという。また、本実施の形態においては、赤外光は、２μｍ以上３００μｍ以下程度の波長を有する光である。当該波長領域においては、通信用、産業用として広く用いられている石英系の光ファイバが透明性を失い、損失が高くなるので、中空構造の導光路による光の伝送が有利である。

（第１中空導光路１０及び第２中空導光路２０）
第１中空導光路１０は、所定の試料に光源４０からの赤外光を照射する。また、第２中空導光路２０は、第１中空導光路１０と並列に配置され、試料８０内に染み出し反射、若しくは散乱した赤外光を受光する。第１中空導光路１０及び第２中空導光路２０は、例えば、内径が０．７５ｍｍであり、外径が１．２ｍｍの金属管と、金属管の内面に設けられ、赤外領域で透明な誘電体層とを有して構成される。一例として、第１中空導光路１０及び第２中空導光路２０は、金属管としてのステンレス管と、当該ステンレス管の内面にクラッドとして設けられ、銀からなる銀（Ａｇ）層と、銀層の表面がヨウ素化されることにより形成されるヨウ化銀からなるヨウ化銀層とを有して構成される。ヨウ化銀は、赤外光の波長領域では透明な誘電体である。このような金属管の内側に誘電体からなる薄膜を内装した中空構造の導光路は、赤外光を低損失で伝送することができる。

また、第１中空導光路１０及び第２中空導光路２０として金属管を主な構成要素として用いることにより、第１中空導光路１０及び第２中空導光路２０の途中の部分を容易に湾曲させることができる。これにより、光源４０側に第１中空導光路１０の一端を固定させると共に、第１中空導光路１０と分離させて第２中空導光路２０の一端を検出器６０側に容易に固定することができる。そして、金属管は形状が変形された後、変形された後の形状を保持することができるので、外部からの振動等に起因する赤外光の伝搬損失の変動を抑制でき、安定した分光分析の実施ができる。

（プリズム３０）
プリズム３０は、第１中空導光路１０の一端と、第１中空導光路１０の一端に並列に配置されている第２中空導光路２０の一端とに装着される。より具体的に、プリズム３０は、第１中空部１００と第２中空部２００とを封止する封止面３００と、第１中空導光路１０から出射される赤外光の光軸と４５度の角度をなしており、出射された赤外光を反射する第１反射面３０５と、第１反射面３０５で反射される赤外光の光軸と４５度の角度をなしており、反射された赤外光を第２中空導光路２０の第２中空部２００に導光させる第２反射面３１０とを有する。ここで、第１反射面３０５により反射される赤外光の光軸と、第１中空導光路１０及び第２中空導光路２０が配列される方向とが平行になる配置に、第１中空導光路１０及び第２中空導光路２０とプリズム３０とが配置される。

また、プリズム３０は、赤外領域で透明であり、屈折率が大きな材料から構成することが好ましい。例えば、プリズム３０は、ゲルマニウム、セレン化亜鉛、又はダイヤモンドから構成することができる。

図１Ｃを参照し、分光用計測プローブの機能をより詳細に説明する。まず、プリズム３０の封止面３００により、第１中空導光路１０の一端、及び第２中空導光路２０の一端は封止されている。そして、第１反射面３０５及び他の第２反射面３１０はそれぞれ、第１中空導光路１０の光軸及び第２中空導光路２０の光軸に対して４５度の角度を有して形成される。図１Ｃの（ａ）に示すように、第１中空導光路１０の一端から出射した赤外光（すなわち、照射光）は、プリズム３０の第１反射面３０５と第２反射面３１０とで２回反射する。この際、各々の反射面で反射される赤外光は試料８０内にエバネッセント光として染み出し吸収を受ける。

各反射点の中心は、図１Ｃの（ｂ）に示すように第１中空導光路１０の光軸と、第２中空導光路２０の光軸とに一致する。これにより、照射光は、効率よく第２中空導光路２０に受光される。また、図１Ｃの（ｂ）に示すように、第１中空導光路１０の一端から出射する赤外光は第１反射面３０５において他の第２反射面３１０に向けて反射され、第２反射面３１０において当該赤外光は第２中空導光路２０の一端に導光される。この場合において第１反射面３０５において反射される赤外光の進行方向は、第１中空導光路１０と第２中空導光路２０とが配置される方向、すなわち、第１中空導光路１０の断面中心から第２中空導光路２０の断面中心に向かう方向に平行な方向である（つまり、図１Ｃの（ｂ）のＢの方向）。これにより、第１中空導光路１０から出射された赤外光は、第１反射面３０５において、第１中空導光路１０の一端に向かう方向とは９０度折り曲がった方向に反射されることになる。

なお、第１の実施の形態においてプリズム３０は、断面が三角形である。しかしながら、第１の実施の形態の変形例においては、プリズム３０は、封止面３００と、第１反射面３０５と、第２反射面３１０とを少なくとも有していれば良く、例えば、台形状の断面を有して構成することもできる。

プリズム３０の第１反射面３０５及び第２反射面３１０に被測定物である試料８０が接触すると、第１中空導光路１０から出射された赤外光が第１反射面３０５で反射するときに、赤外光の一部がエバネッセント光として試料８０内に染み出し、特定の波長において吸収を受ける。これにより、試料８０の赤外吸収特性を容易に高精度で計測できる。

ここで、第１中空部１００及び第２中空部２００内に異物が侵入し、第１中空部１００及び第２中空部２００が汚染されることを抑制する必要がある。また、プリズム３０は、第１中空導光路１０から出射する照射光を被測定物である試料８０に接触している面（つまり、第１反射面３０５及び第２反射面３１０）において反射させ、検出光として第２中空導光路２０に導光するだけでなく、第１中空導光路１０の第１中空部１００、及び第２中空導光路２０の第２中空部２００を封止する機能も有する。これにより、プリズム３０に接触している試料８０が第１中空部１００及び第２中空部２００内に侵入することを防止できる。

なお、本実施の形態に係る分光計測システム１は、固体状、液体状、又は気体状の試料８０を被測定物にすることができる。また、分光用計測プローブの先端が微小なプローブ構造であるので、試料８０が微量であっても測定することができ、また、特別な容器に試料８０を入れることも要さない。

［第２の実施の形態］
図２Ａは、本発明の第２の実施の形態に係る分光計測システムの概要を示し、図２Ｂは、第２の実施の形態に係る分光用計測プローブの先端の概要を示す。

第２の実施の形態に係る分光計測システム２は、第１の実施の形態に係る分光計測システム１とは、第１中空導光路１０の一端、及び第２中空導光路２０の一端に平板状のウインドウ３５が接続されると共に、試料８０が所定のステージ７５上に載置される点を除き、分光計測システム１と同様の構成及び機能を有する。したがって、相違点を除き詳細な説明は省略する。

分光計測システム１と同様に、分光計測システム２においても、第１中空導光路１０と第２中空導光路２０とは並列に配置される。そして、第１中空導光路１０の一端、及び第２中空導光路２０の一端には平板状のウインドウ３５が装着される。これにより、図２Ｂに示すように、第１中空部１００及び第２中空部２００が封止される。なお、平板状のウインドウ３５は、赤外領域で透明であり、例えば、ゲルマニウム、セレン化亜鉛、ダイヤモンド、フッ化カルシウム、又はサファイアから構成することができる。

また、被測定物としての試料８０は、第１中空導光路１０の光軸に対し、４５度の角度をなす第１反射面７５０と、第２中空導光路２０の光軸に対し、４５度の角度をなす他の第２反射面７５５とからなるＶ溝を有する試料ステージとしてのステージ７５上に置かれる。ステージ７５としては、例えば赤外光の反射率が比較的大きい金属材料、又は化学的に安定な金（Ａｕ）等からなる金属薄膜を第１反射面７５０及び第２反射面７５５の領域に設けたガラス基板を用いることができる。

そして、図２Ｂに示すように、第１中空導光路１０から出射される照射光は試料８０を透過し、第１反射面７５０及び第２反射面７５５において反射され、検出光として第２中空導光路２０に導光される。すなわち、照射光は、２回反射されることになる。ここで、第１反射面７５０及び第２反射面７５５はそれぞれ第１中空導光路１０の光軸と第２中空導光路２０の光軸とに対し４５度の角度をなし、その反射点の中心はそれぞれ第１中空導光路１０の光軸上、及び第２中空導光路２０の光軸上に一致する。これにより、試料８０に照射された照射光は、検出光として効率よく第２中空導光路２０に導光されることになる。

なお、試料８０は、ウインドウ３５と第１反射面７５０及び第２反射面７５５を有するステージ７５の間に挿入されている。これにより、第１中空導光路１０から出射した照射光が試料８０を透過すると、特定の波長の光が試料８０に吸収され、吸収されなかった波長の光が第２中空導光路２０に導光される。第２中空導光路２０によって受光された光、すなわち、検出光は、第２中空部２００を伝搬し、検出器６０において検出される。

［第１の実施の形態及び第２の実施の形態の変形例］
分光計測システム１及び分光計測システム２においては、第１中空導光路１０を伝搬して試料８０に照射される照射光は、分光器５０により分光されている。しかし、分光計測システム１及び分光計測システム２の変形例においては、干渉光を発生させてフーリエ変換により分光特性を得る構成、試料に広帯域光を照射し、検出器６０側で分光して吸収スペクトル特性を測定する構成、又は多波長若しくは狭帯域で波長可変の光源を用い、特定の波長における吸収損失を測定する構成にすることもできる。

（実施の形態の効果）
本発明の実施の形態に係る分光計測システム１及び２は、第１中空導光路１０及び第２中空導光路２０という２本の中空導光路を用いるだけであることから、照射光の損失が少なく、十分な光量の検出光を検出器６０に受光させることができる。これにより、分光計測システム１及び２は、測定感度を向上させることができる。また、分光計測システム１および２は、分析用計測プローブの先端を微小なプローブ構成にすることができるので、微小な試料又は微量な試料の分光計測をすることができる。更に、第１中空導光路１０及び第２中空導光路２０の主たる構成要素が機械的に強固な金属管であることから、第１中空導光路１０及び第２中空導光路２０に曲げ加工を施すことができる。これにより、分光計測システム１および２は、測定系の光軸調整が容易になると共に、衝撃、振動に強く、装置全体を強固、かつ、コンパクトに構成することができる。

また、分光計測システム１あるいは２においては、第１反射面３０５あるいは第１反射面７５０で反射された赤外光の光軸と、第１中空導光路１０及び第２中空導光路２０が配置されている向きとが平行であるので、第１反射面３０５あるいは第１反射面７５０および第２反射面３１０あるいは第２反射面７５５において反射された赤外光を効率よく第２中空導光路２０に導光させることができる。これにより、試料８０の諸特性について、高感度で計測できる。

また、分光計測システム１および２においては、第１中空導光路１０及び第２中空導光路２０を用いている。中空構造の導光路は、充実型の光ファイバより口径を大きくできるので、１本でも十分な光量の光を伝搬できる。また、中空導光路は、充実型の光ファイバと比較して、出射光の拡がり角を小さくできる。したがって、照射用中空導光路としての第１中空導光路１０から出射された光をプリズム３０または反射鏡により折り曲げて、検出用中空導光路としての第２中空導光路２０に導くためには、中空構造の導光路を用いる方が、充実型の光ファイバを用いる場合に比べ、有利である。

また、中空構造の導光路は、充実型の光ファイバと異なり、端面を研磨することを要さず、切断するだけで受光面を形成することができる。これにより、中空導光路の端面のリムにプリズム３０又はウインドウ３５を接触させて容易に接着することができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

１、２ 分光計測システム
１０ 第１中空導光路
２０ 第２中空導光路
３０ プリズム
３５ ウインドウ
４０ 光源
５０ 分光器
６０ 検出器
７０ 試料台
７５ ステージ
８０ 試料
１００ 第１中空部
２００ 第２中空部
３００ 封止面
３０５ 第１反射面
３１０ 第２反射面
７５０ 第１反射面
７５５ 第２反射面

Claims (8)

1. 赤外光を伝搬する第１中空部を有し、所定の試料に前記赤外光を照射する第１中空導光路と、
   前記第１中空導光路と並列に配置され、前記試料内に染み出し反射、若しくは散乱した前記赤外光を受光し、当該赤外光を伝搬する第２中空部を有する第２中空導光路と、
   前記第１中空導光路の一端と、前記第１中空導光路の一端に並列に配置されている前記第２中空導光路の一端とに装着されるプリズムと
   を備え、
   前記プリズムが、
   前記第１中空部と前記第２中空部とを封止する封止面と、
   前記第１中空導光路から出射された前記赤外光を反射する第１反射面と、
   前記第１反射面で反射された前記赤外光を前記第２中空導光路に導光させる第２反射面とを有する分光用計測プローブ。
2. 前記第１反射面により反射され、前記第２反射面に向かう前記赤外光の光軸と、前記第１中空導光路及び前記第２中空導光路が配列される方向とが平行になる配置に、前記第１中空導光路及び前記第２中空導光路と前記プリズムとが配置される請求項１に記載の分光用計測プローブ。
3. 前記第１中空導光路及び前記第２中空導光路が、金属管と、前記金属管の内面に設けられ、赤外領域で透明な誘電体層とを有する請求項１又は２に記載の分光用計測プローブ。
4. 前記第１反射面が、前記第１中空導光路から出射される前記赤外光の光軸と４５度の角度をなし、
   前記第２反射面が、前記第１反射面で反射される前記赤外光の光軸と４５度の角度をなす請求項１〜３のいずれか１項に記載の分光用計測プローブ。
5. 赤外光を伝搬する第１中空部を有し、所定の試料に前記赤外光を照射する第１中空導光路と、
   前記第１中空導光路と並列に配置され、前記試料を透過した前記赤外光を受光し、当該赤外光を伝搬する第２中空部を有する第２中空導光路と、
   前記第１中空導光路の一端と、前記第１中空導光路の一端に並列に配置されている前記第２中空導光路の一端とに装着され、前記第１中空部と前記第２中空部とを封止する平板ウインドウと、
   前記試料が搭載されるステージと、
   を備え、
   前記ステージが、
   前記第１中空導光路から出射された前記赤外光を反射する第１反射面と、
   前記第１反射面で反射された前記赤外光を前記第２中空導光路に導光させる第２反射面とを有する分光計測システム。
6. 前記第１反射面により反射され、前記第２反射面に向かう前記赤外光の光軸と、前記第１中空導光路及び前記第２中空導光路が配列される方向とが平行になる配置に、前記第１中空導光路及び前記第２中空導光路と前記ステージとが配置される請求項５に記載の分光計測システム。
7. 前記第１中空導光路及び前記第２中空導光路が、金属管と、前記金属管の内面に設けられ、赤外領域で透明な誘電体層とを有する請求項５又は６に記載の分光計測システム。
8. 前記第１反射面が、前記第１中空導光路から出射される前記赤外光の光軸と４５度の角度をなし、
   前記第２反射面が、前記第１反射面で反射される前記赤外光の光軸と４５度の角度をなす請求項５〜７のいずれか１項に記載の分光計測システム。

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