JP2014035224A - 分光光度計 - Google Patents

Abstract

【課題】 １つの分光器と複数の測定プローブを備えた分光光度計の構成を簡素化して小型化し、さらに複数点の測定のリアルタイム性を向上させる。
【解決手段】 複数の測定プローブ３，４の光導入用光ファイバ３１ａ，４１ａに、光源１からの光を光スイッチ５を介して選択的に光を導く一方、各光導出用光ファイバ３１ｂ，４１ｂの各ファイバ端は、所定の位置関係のもとに分光器２の分散素子２１に対向するように臨ませて各測定プローブ３，４からの測定光を導き、測定プローブの選択は光スイッチ５の切り替えのみで行うとともに、分散素子２１に対する光導出用光ファイバ３１ｂ，４１ｂのファイバ端の位置の相違に基づく分散後の光の光センサアレイ２２へのスペクトルの結像位置のずれは、あらかじめ記憶している上記の位置の相違に基づく情報を用いて補正することで、測定光の切り替えを不要として装置構成の簡素化とリアルタイム性の向上を実現する。
【選択図】図１

Description

本発明は複数の測定プローブを有する分光光度計に関し、特に、複数点をリアルタイムでモニタするのに適した分光光度計に関する。

例えば製造工程でのオンライン測定等において、分光光度計を用いて複数の場所の測定を行う場合、複数台の分光光度計を用意して各測定場所にそれぞれ分光光度計を配置して測定を行う方法（例えば特許文献１参照）と、複数の測定プローブを光ファイバを主体とする光学系を介して１台の分光光度計に接続し、その光学系を順次切り替える方法（例えば特許文献２参照）とがある。

以上の方法のうち、後者の１台の分光光度計と複数の測定プローブを接続する方法は、前者の各測定場所ごとに分光光度計を設置する方法に比して、測定点における装置構成の小型化やコスト面で有利であり、その構成例を図７に示す。

この図７の例では、光源６１と分光器６２、およびこれらを制御する制御ユニット６３をそれぞれ１個ずつと、複数箇所のサンプルを測定するための複数の測定プローブ６４，６５と、光源６１からの光を各測定プローブ６４または６５に向けて選択的に導入し、かつ、各測定プローブ６４または６５からの測定光を選択的に分光器６２に導くように切り替わる光マルチプレクサ６６、および制御ユニット６３と光マルチプレクサ６６を制御するパーソナルコンピュータ６７によって構成されている。

各測定プローブ６４，６５は、光マルチプレクサ６６に対して光導入用および光導出用の光ファイバ６４１ａ，６４１ｂまたは６５１ａ，６５１ｂによって接続され、光マルチプレクサ６６と光源６１とは光ファイバ６１１で接続され、さらに、光マルチプレクサ６６と分光器６２とは光ファイバ６２１によって接続されている。

各測定プローブ６４，６５は、光マルチプレクサ６６を介して光源６１からの光をサンプルに照射し、その測定光（透過光もしくは反射光）は、光マルチプレクサ６６を介して分光器６２に導入される。光マルチプレクサ６６は、光源６１からの光が一方の測定プローブ６４に導入されている状態では、その測定プローブ６４からの測定光が分光器６２に導入されるように動作し、分光器６２では導入された測定光を分光して検出器で受光し、測定プローブ６４の配設位置でのデータとして取得する。その測定が終了した時点で光マルチプレクサ６６が切り替わり、他方の測定プローブ６５に光源６１からの光を導入し、その測定プローブ６５のからの測定光を分光器６２に導く。

以上の構成から明らかなように、この例における分光光度計は、サンプルを透過または反射した後の光を分光器に入射させる後分光構成であり、この後分光構成とすることで、波長スキャンを行うことなく一度に広域スペクトルの測定が可能となるという利点がある。この後分光構成では、測定光を波長ごとに空間的に分散させる分散素子と、その分散素子により分散された光を結像させるフォトダイオードアレイ等の光センサアレイとからなる分光器が用いられる。

特表２００３−５３２８８８号公報 特開平７−３２５０３２号公報

ところで、製造工程等におけるオンライン測定により複数点での分光分析データを得る場合、各測定点にそれぞれ個別の分光光度計を設置する特許文献１等に記載の方法では、前記したように測定点での装置の小型化を実現することは困難であるばかりでなく、コストも高くなるという問題がある。

一方、単一の分光器に複数の測定プローブからの測定光を、光マルチプレクサを介して選択的に導く従来の方法は、測定点における装置構成の小型化やコストの点で有利であるが、光マルチプレクサにより光源からの光を１つの測定プローブに導くと同時に、その測定プローブからの測定光を１つの分光器に導くために、光マルチプレクサとして比較的精密で複雑な機械的構成を持つものを使用する必要があり、装置の小型化を阻害するという問題がある。また、切り替え動作も遅く、複数点の測定のリアルタイム性に欠けるシステムとなってしまうという問題もある。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、１つの分光器と複数の測定プローブを備えた分光光度計で、比較的簡単な構成のもとに複数点の測定のリアルタイム性が高く、しかも装置の小型化を実現することのできる分光光度計の提供をその課題としている。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の分光光度計は、複数の測定プローブと１つの分光器を備えた分光光度計であって、上記複数の測定プローブはそれぞれ、試料に対する照射光を導入するための光導入用光ファイバと、試料を反射もしくは透過した測定光を導出するための光導出用光ファイバを有し、これらの各測定プローブの各光導入用光ファイバには、１つの光源からの光が光スイッチを介して順次導入され、上記分光器は分散素子とその分散素子により分散された光が入射する光センサアレイを含み、上記各測定プローブの各光導出用光ファイバは、上記分散素子に対してファイバ端を向けた状態で所定の位置関係で相互に固定されているとともに、上記光センサアレイの出力を、上記分散素子に対する上記各光導出用光ファイバのファイバ端の位置の相違に基づいて、あらかじめ記憶している情報を用いて補正する補正演算手段を備えていることによって特徴づけられる。

また、同じ課題を解決するため、請求項２に係る発明の分光光度計は、複数の測定プローブと１つの分光器を備えた分光光度計であって、上記複数の測定プローブはそれぞれ、試料に対する照射光を導入するための光導入用光ファイバと、試料を反射もしくは透過した測定光を導出するための光導出用光ファイバを有し、これらの各測定プローブの各光導入用光ファイバには、当該各光導入用光ファイバごとに設けられた光源からの光が導入され、これらの各光源は、順次オン／オフされて上記各光導入用光ファイバのいずれか１つにのみ光が順次導入され、上記分光器は分散素子とその分散素子により分散された光が入射する光センサアレイを含み、上記各測定プローブの各光導出用光ファイバは、上記分散素子に対してファイバ端を向けた状態で所定の位置関係で相互に固定されているとともに、上記光センサアレイの出力を、上記分散素子に対する上記各光導出用光ファイバのファイバ端の位置の相違に基づいて、あらかじめ記憶している情報を用いて補正する補正演算手段を備えていることによって特徴づけられる。

さらに同じ課題を解決するため、請求項３に係る発明の分光光度計は、複数の測定プローブと１つの分光器を備えた分光光度計であって、上記複数の測定プローブはそれぞれ、試料に対する照射光を導入するための光導入用光ファイバと、試料を反射もしくは透過した測定光を導出するための光導出用光ファイバを有し、これらの各測定プローブの各光導入用光ファイバには光源からの光が導入され、上記分光器は分散素子とその分散素子により分散された光が入射する光センサアレイを含み、上記各測定プローブの各光導出用光ファイバは、上記分散素子に対してファイバ端を向けた状態で所定の位置関係で相互に固定されているとともに、上記光センサアレイの出力を、上記分散素子に対する上記各光導出用光ファイバのファイバ端の位置の相違に基づいてあらかじめ記憶している情報を用いて補正する補正演算手段を備え、上記各測定プローブの光導入用光ファイバもしくは光導出用光ファイバには、光を遮断するシャッタが設けられ、これらの各測定プローブのうち、いずれか１つの測定プローブからの光のみが上記分光器に順次入射するよう、上記各シャッタが駆動制御されることによって特徴づけられる。

本発明は、分光器に導く各測定プローブからの測定光を、従来のように順次切り替えることなく、各測定プローブの光導出用光ファイバのファイバ端を分光器の分散素子に対向して所定の位置関係で固定する一方、測定点の切り替えは、各測定プローブに対する光源からの光の導入／非導入のみによって行うことで課題を解決しようとするものである。そして、各光導出用ファイバ端の分散素子に対する位置の相違に起因する光センサアレイ上へのスペクトルの結像位置のずれは、あらかじめ記憶している情報を用いた演算によって補正する。

すなわち、各測定プローブからの測定光を分光器に導く光導出用光ファイバの各ファイバ端を、分光器の分散素子に向けて所定の位置関係のもとに固定し、各測定プローブのうち１つの測定プローブに対してのみ光が導入されるようにすることで、分散素子に対しては１つの測定プローブからの測定光のみが照射されることになり、分光器の前段で各測定プローブからの測定光を切り替える必要がなくなり、その分、装置構成の簡素化と小型化を実現できる。このような構成において、分散素子に入射する測定光の光軸が各測定プローブごとに相違したものとなり、分散素子からのスペクトルの光センサアレイへの結像位置がずれることになる。このずれは、各測定プローブごとにその光導出用ファイバ端の位置に基づく情報、例えば光センサアレイの各素子と波長との関係の表など、を用いて演算により補正することで実質的に排除され、得られるスペクトルに影響を与えることがない。

そして、各測定プローブへの光の導入は、単一の光源を光スイッチを用いて切り替える（請求項１）か、あるいは各測定プローブごとに設けた光源のオン／オフにより行う（請求項２）か、あるいは各測定プローブの光導入用光ファイバもしくは光導出用光ファイバに光を遮断するシャッタ（具体的には、例えば光を通過／遮断する光スイッチ）を設けて、いずれか１つの測定プローブからの光が順次分光器に到達するようにシャッタを制御する（請求項３）ことで、従来のように機械的に動作する光マルチプレクサを不要とし、この点においても装置構成の小型化を実現でき、しかも、切り替え時間は数ｍｓｅｃ〜数十ｍｓｅｃと、光マルチプレクサを用いる場合に比して大幅に短縮化することができる。

本発明によれば、複数の測定プローブから測定光を導出するための光導出用光ファイバの各ファイバ端を、単一の分光器の分散素子に向けて所定の位置関係のもとに固定し、各測定プローブへの光の導入のみを切り替えることで各測定点の切り替えを行うとともに、各測定プローブの光導出用光ファイバのファイバ端の分散素子に対する位置の相違に基づく分光器の光センサアレイへのスペクトルの結像位置のずれは、あらかじめ記憶している情報を用いた情報により補正することで解消するように構成しているので、装置構成の簡素化と小型化、さらには各測定点でのデータのリアルタイム性を達成することができる。

本発明の実施形態の全体構成図。 本発明の実施形態における分光器近傍の模式的構成図（Ａ）と、そのＢ−Ｂ矢視図（Ｂ）。 本発明の実施形態において用いられる反射光を測定光とする測定プローブの構造例（Ａ）と、透過光を測定光とする測定プローブの構造例（Ｂ）を示す模式図。 本発明の実施形態におけるパーソナルコンピュータにあらかじめ記憶されている測定プローブごとの素子−波長変換表の一例の説明図。 本発明の実施形態の動作を表すフローチャート。 本発明の他の実施形態の全体構成図。 複数の測定プローブと単一の分光器を用いた従来の分光光度計の構成図。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の実施の形態の全体構成図で、図２はその分光器２の近傍の構成を示す模式図（Ａ）とそのＢ−Ｂ矢視図（Ｂ）である。

この例は、１つの光源１および１つの分光器２に、２つの測定プローブ３，４を接続した例を示している。測定プローブ３，４は、それぞれ、光導入用光ファイバ３１ａ，４１ａと、光導出用光ファイバ３１ｂ，４１ｂを備えており、各光導入用光ファイバ３１ａ，４１ａは光スイッチ５に接続される一方、各光導出用光ファイバ３１ｂ，４１ｂは分光器２に接続されている。

光スイッチ５は光源１に対して光ファイバ１１で接続されており、この光スイッチ５の動作により、光源１からの光は測定プローブ３，４のいずれか一方の光導入用光ファイバ３１ａまたは４１ａに導入されるように交互に切り替えられる。

各測定プローブ３，４は、光導入用光ファイバ３１ａ，４１ａからの光を測定対象に照射し、測定対象を反射もしくは透過した光を測定光として光導出用光ファイバ３１ｂ，４１ｂを通じて分光器２に導くものであり、反射光を測定光とする場合には、図３（Ａ）に模式的に示すように、光導入用光ファイバ３１ａ（４１ａ）と光導出用光ファイバ３１ｂ（４１ｂ）が、いずれも測定対象Ｗに対して対向するように保持部材（図示略）によって相互に固定された構造のものが用いられる。また、透過光を測定光とする場合には、図３（Ｂ）に模式的に示すように、光導入用光ファイバ３１ａ（４１ａ）と光導出用光ファイバ３１ｂ（４１ｂ）が、測定対象Ｗを挟んで互いに対向するように保持部材（図示略）によって相互に固定された構造のものが用いられる。

光源１と光スイッチ５、および分光器２は制御ユニット６に接続されており、この制御ユニット６によって光源１と光スイッチ５が駆動制御されるとともに、分光器２からの出力が制御ユニット６に取り込まれる。また、この制御ユニット６はパーソナルコンピュータ７の制御下に置かれているとともに、このパーソナルコンピュータ７は、制御ユニット６を介して分光器２からの出力を取り込み、後述する補正演算を含むデータ処理を行う。なお、この補正演算処理は、パーソナルコンピュータ７で行うほか、制御ユニット６で処理することもできるが、以下ではパーソナルコンピュータ７でデータ処理をする例について説明する。

分光器２は、図２（Ａ）に示すように、分散素子としてのグレーティング２１と光センサアレイとしてのフォトダイオードアレイ２２によって構成されている。各測定プローブ３，４の光導出用光ファイバ３１ｂ，４１ｂは、それぞれのファイバ端をグレーティング２１に対向させた状態で、ファイバコネクタ８により互いに所定の位置関係のもとに分光器２に対して固定されている。各光導出用光ファイバ３１ｂ，４１ｂの位置関係は、フォトダイオードアレイ２２の素子の配列方向に並ぶように、つまり、各ファイバ端から出た光のグレーティング２１による反射光のフォトダイオードアレイ２２への結像位置が、当該フォトダイオードアレイ２２の素子の配列方向にずれる位置関係のもとに固定される。

各測定プローブ３，４の光導出用光ファイバ端の位置が上記のようにグレーティング２１に対して相違していると、図２に示すように各測定プローブ３，４からの測定光のグレーティング２１上への結像位置が互いに相違することになる。パーソナルコンピュータ７は、各測定プローブ３，４からの測定光の結像位置の相違に基づいて以下のように補正を行った上で、各測定プローブ３，４による測定データとして取得する。すなわち、各測定プローブ３，４ごとに、フォトダイオードアレイ２２の各素子と波長との関係を、例えば図４に示すような素子−波長変換表の形であらかじめ記憶しておき、測定プローブ３，４のいずれからの測定光かを認識して、該当する素子−波長変換表を用いて各素子の出力から波長ごとの強度データ、つまりスペクトルデータを演算により作成する。

以上の本発明の実施の形態の動作手順を表すフローチャートを図５に示す。以下の動作説明では、測定プローブ３を第１の測定プローブ３と称し、それに対応する素子−波長変換表を「素子−波長変換表１」と称するとともに、測定プローブ４を第２の測定プローブ４と称し、それ対応する素子−波長変換表を「素子−波長変換表２」と称する。

さて、測定を開始すると、分光器２のフォトダイオードアレイ２２の各素子出力を取り込むとともに（ＳＴ１）、その時点における光スイッチ５の状態を判別し（ＳＴ２）、光スイッチ５が光源１からの光を第１の測定プローブ３側に導いている状態であれば、フォトダイオードアレイ２２の出力から、「素子−波長換算表１」を用いてスペクトルデータを作成する（ＳＴ３）。一方、ＳＴ２において光スイッチ５が光源１からの光を第２の測定プローブ４に導いている状態であると判別すると、フォトダイオードアレイ２２の出力から、「素子−波長換算表２」用いてスペクトルデータを作成する（ＳＴ４）。その後、光スイッチ５を切り替え（ＳＴ５）、ＳＴ１へ戻って上記の動作を繰り返す。

以上の実施の形態によると、光路の切り替えは光源１からの光路のみでよいため、動作速度の速い１つの光スイッチ５を用いることができる結果、装置構成の簡素化と小型化、および２箇所の測定点のデータ相互のリアルタイム性の向上を実現することができる。

ここで、以上の実施の形態においては、光スイッチ５を用いて光源１からの光を測定プローブ３，４のいずれかに導入するように切り替えることで、測定点の切り替えを行ったが、各測定プローブ３，４ごとに光源を設け、その各光源を順次オン／オフするように構成することもできる。

すなわち、各測定プローブ３，４の光導入用光ファイバ３１ａ，４１ａのファイバ端のそれぞれに向けて個別に光源を配置し、これらの光源のうちのいずれか１つの光源のみがオン状態となるように各光源をオン／オフすることで、測定点の切り替えを行ってもよい。この複数の光源のオン／オフにより測定点を切り替える構成によっても、先の例と同等の作用効果を達成することができる。

さらに、本発明においては、測定点の切り替えに、各測定プローブの光導入用光ファイバもしくは光導出用光ファイバに、光を遮断するシャッタ、例えば通過する光をオン／オフ（通過／遮断）するいわゆる１×１等と称される光スイッチ等を設け、これらを制御していずれか１つの測定プローブからの光のみが分光器に順次入射するようにしてもよい。その光学的構成例を図６に模式図で示す。この図６の例では、１つの光源１からの光を複数の光ファイバ１１１，１１２によって分割し、それぞれの光ファイバ１１１，１１２を各測定プローブの光導入用光ファイバ３１ａ，４１ａに対してオン／オフタイプ（１×１タイプ）の光スイッチ５１，５２を介在させて接続している。そして、これらの光スイッチ５１，５２を、いずれか１つの光導入用光ファイバ３１ａ，４１ａにのみ光が導入されるように制御する。各測定プローブ３，４の光導出用光ファイバ３１ｂ，４１ｂと分光器２との関係は先の例と全く同じである。このような構成によっても、測定点が迅速に切り替えられ、先の例と同等の作用効果を奏することができる。

ここで、以上のようなオン／オフタイプの光スイッチ５１，５２を用いる場合、上記のように各測定プローブ３，４の光導入用光ファイバ３１ａ，４１ａへの光をオン／オフするほか、各測定プローブ３，４の光導出用光ファイバ３１ｂ，４１ｂを通る光をオン／オフすることもできる。すなわち、各測定プローブ３，４には光源１からの光を常時導入し、各測定プローブ３，４において試料を透過もしくは反射した光を、分光器２の前段でオン／オフし、いずれか一方の測定プローブ３または４のからの光のみを順次分光器へ導いても、上記と同等の作用効果を奏することができる。

さらに、図６の例では、各光導入用光ファイバ３１ａ、４１ａに対して、１つの光源１からの光を光ファイバ１１１と１１２で分岐させて導入した例を示したが、本発明は、各光導入用光ファイバ３１ａ，４１ａごとに光源を設けてもよいことは勿論である。

また、以上の実施の形態においては、１つの分光器に対して２つの測定プローブを接続した例を示したが、測定プローブの数は２つに限らず任意の複数個とし得ることは勿論である。

１ 光源
１，１１１，１１２ 光ファイバ
２ 分光器
２１ グレーティング
２２ フォトダイオードアレイ
３，４ 測定プローブ
３１ａ，４１ａ 光導入用光ファイバ
３１ｂ，４１ｂ 光導出用光ファイバ
５ 光スイッチ
６ 制御ユニット
７ パーソナルコンピュータ
８ ファイバコネクタ
５１，５２ 光スイッチ（オン／オフタイプ）
Ｗ 測定対象

Claims (3)

1. 複数の測定プローブと１つの分光器を備えた分光光度計であって、
   上記複数の測定プローブはそれぞれ、試料に対する照射光を導入するための光導入用光ファイバと、試料を反射もしくは透過した測定光を導出するための光導出用光ファイバを有し、これらの各測定プローブの各光導入用光ファイバには、１つの光源からの光が光スイッチを介して順次導入され、上記分光器は分散素子とその分散素子により分散された光が入射する光センサアレイを含み、上記各測定プローブの各光導出用光ファイバは、上記分散素子に対してファイバ端を向けた状態で所定の位置関係で相互に固定されているとともに、上記光センサアレイの出力を、上記分散素子に対する上記各光導出用光ファイバのファイバ端の位置の相違に基づいてあらかじめ記憶している情報を用いて補正する補正演算手段を備えていることを特徴とする分光光度計。
2. 複数の測定プローブと１つの分光器を備えた分光光度計であって、
   上記複数の測定プローブはそれぞれ、試料に対する照射光を導入するための光導入用光ファイバと、試料を反射もしくは透過した測定光を導出するための光導出用光ファイバを有し、これらの各測定プローブの各光導入用光ファイバには、当該各光導入用光ファイバごとに設けられた光源からの光が導入され、これらの各光源は、順次オン／オフされて上記各光導入用光ファイバのいずれか１つにのみ光が順次導入され、上記分光器は分散素子とその分散素子により分散された光が入射する光センサアレイを含み、上記各測定プローブの各光導出用光ファイバは、上記分散素子に対してファイバ端を向けた状態で所定の位置関係で相互に固定されているとともに、上記光センサアレイの出力を、上記分散素子に対する上記各光導出用光ファイバのファイバ端の位置の相違に基づいてあらかじめ記憶している情報を用いて補正する補正演算手段を備えていることを特徴とする分光光度計。
3. 複数の測定プローブと１つの分光器を備えた分光光度計であって、
   上記複数の測定プローブはそれぞれ、試料に対する照射光を導入するための光導入用光ファイバと、試料を反射もしくは透過した測定光を導出するための光導出用光ファイバを有し、これらの各測定プローブの各光導入用光ファイバには光源からの光が導入され、上記分光器は分散素子とその分散素子により分散された光が入射する光センサアレイを含み、上記各測定プローブの各光導出用光ファイバは、上記分散素子に対してファイバ端を向けた状態で所定の位置関係で相互に固定されているとともに、上記光センサアレイの出力を、上記分散素子に対する上記各光導出用光ファイバのファイバ端の位置の相違に基づいてあらかじめ記憶している情報を用いて補正する補正演算手段を備え、
   上記各測定プローブの光導入用光ファイバもしくは光導出用光ファイバには、光を遮断するシャッタが設けられ、これらの各測定プローブのうち、いずれか１つの測定プローブからの光のみが上記分光器に順次入射するよう、上記各シャッタが駆動制御されることを特徴とする分光光度計。

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