JP2014215152A - 積分球、および、反射光の測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】形状に特徴のある試料について妥当な反射測定値を得ることができ、かつ、高い再現性を有する積分球を提供すること。【解決手段】積分球１０は、測定光を上部の窓１ａから受入れて、下部の窓１ｂの下に設置された試料Ｓに当てて、試料表面の反射光を球状内壁面で拡散反射させて、球状内壁面の一部に設けられた検出用窓１ｃから光強度を検出する。すなわち、球状の内部空間を有する積分球本体１と、上部窓の上に設置される集光レンズ２と、試料Ｓを下部窓の下に設置する試料皿３と、照射光を集光レンズ２の上側に導いて該集光レンズ２を上側から照射する導光光学系５とを備える。さらに、集光レンズ２を保持するレンズケース６と、上部窓の上でのレンズケース６の位置又は姿勢を変化させる調整手段７とを備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、試料水平置き積分球に関する。また、この試料水平置き積分球を使って固体試料などの反射光を測定する方法に関する。

試料水平置き積分球
分光光度計の構造的な制約から、通常、分光光度計の試料室に供給される照射光は水平に設けられている。試料室に設置される付属品（アクセサリー）としての積分球も、側部の窓から照射光を取り込む方式のものが一般的であった。

しかし、近年、分光光度計の照射光は水平のままとし、その照射光を鉛直方向にする導光路を積分球に設けて、積分球の上部の窓に向けて光を鉛直下方に照射する方式のものが開発された。球体内壁面の下部窓の下に試料皿を設置して、上部窓から鉛直下方に入ってくる測定光を試料皿の試料に照射する。そうすると、試料表面の反射光は球体内壁面によって拡散反射して、反射光の強度が積分球に設けられた検出器によって検出される。積分球の下部窓の下に試料皿を設置するだけで、反射率測定の準備が整う。このような機能から、以下、「試料水平置き積分球」と呼ぶ。例えば、特許文献１の図３には、円二色性測定装置に設置された積分球が開示されている。

この試料水平置き積分球を使えば、粉体など一定の形状を有しない試料の測定において、従来のように専用セルに入れた試料をセル壁材越しに照射する必要も無くなり、試料皿に入れた試料を直接照射することができる。従って、セル壁材の反射の影響を受けない試料の反射光を簡単な方法で測定することができる。また、水平に置かないとこぼれてしまうような、牛乳やオイルなどの液状試料についても、同様のことが言える。

特開２００４−３２５３３６号公報

しかし、近年、試料の反射率の測定結果に対する再現性の向上や、異常値発生の抑制といった要望が強くなってきている。上述の試料水平置き積分球においても、対象とする試料によっては、再現性が低下したり、異常値が多く発生したりする場合がある。発明者らは、特に、真珠など形状に特徴のある試料については、単純に試料皿に置いて上方から測定光を照射するだけでは、測定値が異常値になったり、再現性が低かったり、と満足できる分析結果が得られないことが多い点に気付いた。本発明は、形状に特徴のある試料について妥当な反射測定値を得ることができ、かつ、高い再現性を有する、積分球およびこれを用いた試料の反射光測定方法を提供することを目的とする。

発明者らは、球形など試料が形状的な特徴を有する場合は、球体内の上部窓に設けた集光レンズを使って測定光を集光させることと、集光された測定光のスポット位置が試料表面の所望の位置となるようにスポット位置を調整することが重要であると考えた。つまり、試料が形状に特徴を有する場合は、測定光が意図しない方向に反射して、積分球内で十分に拡散反射されないまま、積分球内の検出窓に入ってしまうということが、再現性の低下は異常値の発生原因ではないかと考えた。そこで、上部窓に集光レンズを設けて、その集光レンズの位置または姿勢を調整できるようにした。

すなわち、本発明に係る積分球は、測定光を上部の窓から受入れて、下部の窓の下に設置された試料に当てて、試料表面の反射光を球状内壁面で拡散反射させて、球状内壁面の一部に設けられた検出用窓から光強度を検出するものであって、
球状の内部空間を有する積分球本体と、
前記積分球本体の上部窓の上に設置される集光レンズと、
試料を前記積分球本体の下部窓の下に設置する試料皿と、
照射光を前記集光レンズの上側に導いて該集光レンズを上側から照射する導光手段と、
を備え、さらに、
前記集光レンズを保持するレンズケースと、
前記上部窓の上での前記レンズケースの位置又は姿勢を変化させる調整手段と、
を備えることを特徴とする。

ここで、前記調整手段は、前記レンズケースの位置又は姿勢を自動調整することが好ましい。
或いは、前記調整手段は、前記積分球本体の上面と前記レンズケースの間に介在する磁石であることが好ましい。
また、本発明の積分球は、前記試料皿内の試料表面を撮像する撮像手段を備えることが好ましい。

一方、本発明に係る試料の反射光を測定する方法は、以下の積分球を使用する。すなわち、測定光を上部の窓から受入れて、下部の窓の下に設置された試料に当てて、試料表面の反射光を球状内壁面で拡散反射させて、球状内壁面の一部に設けられた検出用窓から光強度を検出する積分球を用いる。そして、
試料皿に試料を入れて積分球本体の下部窓の下に設置する工程と、
照射光を積分球本体の上部窓に設けた集光レンズの上側に導く工程と、
前記集光レンズに照射光を上方から入射させる工程と、
前記上部窓からの目視、または、前記上部窓を通して撮像された画像によって、試料表面上での測定光のスポット位置を確認して前記集光レンズの位置又は姿勢を調整する工程と、
試料表面の反射光を球状内壁面で拡散反射させて前記検出器で検出する工程と、
を含むことを特徴とする。

形状に特徴がある試料（真珠など）の反射スペルトルを、水平置き積分球を使って測定する際、本発明の積分球の便利さがより一層認識される。すなわち、本発明の構成によれば、積分球本体の下部窓の下に試料皿を設置するとともに、上部窓の上に集光レンズを設置して、上部窓の上での集光レンズの位置又は姿勢を変化させる調整手段を設けたので、集光レンズにより形成される測定光のスポット位置を、試料表面における所望の位置に合わせることができる。

さらに、本発明の構成によれば、積分球は、集光レンズよりも上方に測定光を導いて、集光レンズに測定光を鉛直下向きに照射する導光手段を備えている。例えば、積分球に供給される測定光の光路が水平である場合、導光手段は、測定光の光路を一度鉛直上向きに変えて、積分球本体の上方まで導き、再び水平方向に変えて、集光レンズの真上まで導く。そこから、測定光を集光レンズに向けて鉛直下向きに変える。このような導光手段の構成においては、集光レンズの上には測定光の光路を水平から鉛直下向きに変更するミラーが配置されることになる。そうすると、調整手段を使って測定光のスポット位置を試料表面の所望の位置に合わせる際、積分球本体の上部窓から試料表面を目視しながら容易に集光レンズの位置などを調整できる。或いは、積分球本体の上部窓を通して球状内を撮像する撮像手段によって、試料表面を観察しながら容易に集光レンズの位置などを調整できる。このようにして、測定光のスポット位置を試料表面の所望の位置に確実に合わせることができるので、形状に特徴のある試料について異常値の発生が抑制され、測定値の再現性が向上する。

第１実施形態に係る積分球の全体構成を正面から見た縦断面図である。 前記積分球を含むアクセサリーの構成を正面から見た縦断面図である。 前記積分球の試料皿のスライド着脱装置を示す縦断面図である。 前記積分球のレンズケースを積分球本体に固定する磁石を示す図である。 第２実施形態に係る積分球の全体構成を正面から見た縦断面図である。

第１実施形態
以下、本発明に係る試料水平置き積分球の各実施形態について図面に基づいて説明する。図１は、第１実施形態の積分球１０の全体構成図である。反射光測定の対象は、球状試料（真珠）Ｓである。積分球の主な構成要素は、積分球本体１と、集光レンズ２と、試料皿３と、検出器４と、導光光学系（導光手段）５である。

積分球本体１は、球状の内部空間を有する箱であり、その上部には入射用の窓（上部窓１ａ）、下部に試料もしくは標準白板用の窓（下部窓１ｂ）、側部の２箇所に検出器用の窓（検出用窓１ｃ）がそれぞれ形成されている。

集光レンズ２は、レンズケース６に保持されている。そして、集光レンズ２が積分球本体の上部窓１ａを覆うように、レンズケース６が積分球本体の上方に配置されている。ここで、積分球本体の下部窓の位置付近に焦点を結ぶレンズが採用される。レンズケース６は、調整手段７によって、積分球本体の上面を水平方向（Ｘ−Ｙ方向）に移動自在に保持されている。つまり、調整手段７が、集光レンズ２の位置をＸ−Ｙ方向に微調整できる。調整手段７は、Ｘ軸およびＹ軸の位置を微調整するのみでなく、集光レンズ２のＸ軸周りの回転位置、Ｙ軸周りの回転位置についても微調整できることがよい。つまり、調整手段７は、集光レンズ２の位置および姿勢を微調整できることが好ましい。さらには、調整手段７が、集光レンズの鉛直方向（Ｚ方向）の位置も微調整できることがよい。

ここで、調整手段７は、ユーザーが集光レンズの微調整を遠隔操作できるように、電動機などの駆動部を内蔵するものが好ましいが、手動操作によるものでも構わない。

試料皿３は、下部窓１ｂの下に設置されると、該窓１ｂを塞ぐようになっている。皿内には球状試料Ｓを収容できる。試料皿３は、水平方向にスライド自在なスライド着脱装置（後述する図２参照。）によって、積分球本体１の下部から外部に引き出され、取り出し・他の試料皿との交換・下部窓の位置への再設置が容易にできるように構成されている。

導光光学系５は、外部からの測定光を集光レンズ２の上側に導いて、該集光レンズ２を上側から照射するように配置された複数の光学素子（５ａ〜５ｄ）から成る。本実施形態の積分球１０は、既存の紫外可視分光光度計などの分光測定装置と組み合わせて、試料Ｓの反射スペクトルの測定に有効に用いられる。例えば、積分球１０を、分光光度計の試料室に取り付ける場合を説明すると、分光光度計からの測定光（単色光）は、積分球本体１の側方から水平に供給されるのが一般的である。本実施形態の導光光学系５では、積分球本体１の側方に配置されたミラー５ｄが、測定光の向きを鉛直上向きに変える。その上方に配置されたミラー５ｃが測定光を再び水平方向に変える。そして、集光レンズ２の上方に配置されたミラー５ａが測定光を鉛直下向きに変える。また、２つのミラー（５ａ，５ｂ）間の光路上には、コリメータレンズ５ｂが配置され、分光光度計の光源からの測定光を平行光束にする。つまり、コリメータレンズ５ｂからの平行光は、ミラー５ａを反射した後、平行光のまま下方向に進んで、集光レンズ２を照射する。

集光レンズ２で集光される測定光は、上部窓１ａから球状内に進入して、下部窓１ｂに達し、試料皿の球状試料Ｓの表面を直接的に照射する。本実施形態では、集光レンズ２への測定光が平行光束であるから、球状試料Ｓの表面にてちょうど焦点を結ぶ。試料Ｓの表面を反射した光は、球状内壁面で拡散反射して、検出用窓１ｃに設けられた検出器４で光強度が検出される。

なお、導光光学系５の光学素子群は、図示しない支持部材によってそれぞれの位置や姿勢が定められている。光学素子群の支持部材は、積分球本体１とともに、図示しない専用ケースに固定されている。このため、分光光度計のアクセサリーとして本実施形態の積分球が扱い易い構成になっている。

図２は、積分球１０を含むアクセサリー２０の構成を正面から見た縦断面図である。アクセサリー２０は、断面Ｌ字形のトレイ部２２と、試料皿用のスライド着脱装置２４とを含んでいる。分光光度計に組み込む際に、トレイ部２２が試料室などに載置されるようになっている。

トレイ部２２の水平部材２２ａのほぼ中央位置に積分球１０が載置される。スライド着脱装置２４は、水平部材２２ａと平行に伸びる引き出し部２４ａと、その基端に設けられた取っ手２４ｂとを有する。長尺の引き出し部２４ａは、Ｌ字形のトレイ部２２の垂直部材２２ｂを貫通して設けられている。図２のように、スライド着脱装置２４を設置した状態では、引き出し部２４ａの取っ手２４ｂが垂直部材２２ｂを挟んで積分球１０とは反対側に位置し、引き出し部２４ｂの先端に載置された試料皿３が丁度、積分球本体の下部窓１ｂの下に位置する。

前述の積分球の導光光学系５のうち、集光レンズの上のミラー５ａについては、図２のように上下ストローク手段５ｅによって保持されて鉛直方向に移動自在になっているとよい。上下ストローク手段５ｅを使って、ミラー５ａを上端に退避させれば、集光レンズ２の交換および微調整を容易に行える。また、上端窓１ａから積分球内を観察し易くなり、メンテナンスなども容易になる。

積分球１０を使った反射光測定の手順について、図１〜３を用いて簡単に説明する。ここで、図３は、試料皿用のスライド着脱装置２４を示す正面図である。

まず、図２の取っ手２４ｂを抓んで、アクセサリー２０からスライド着脱装置２４のみを引き出す。そして、図３に示すように試料測定の際は、引き出し部２４ａの先端に球状試料Ｓを入れた試料皿３を載置する。ブランク測定の際は、標準白板Ｗを入れた試料皿３を載置する。そして、スライド着脱装置２４を垂直部材２２ｂの開口に挿入して、引き出し部２４ａを積分球本体１の下部窓の下までスライドさせる。このようにして、球状試料Ｓを積分球本体１の下部窓の下に設置することができる。

次に、分光光度計などの光源から積分球１０に測定光を供給する。測定光は導光光学系５のコリメートレンズ５ｂによって所定の平行光束にされ、集光レンズ２の上方からこれを照射する。そして、測定光は、集光レンズ２で集光され、積分球内部を鉛直下方に進行し、下部窓１ｂに設置された球状試料Ｓの表面を照射する。試料皿３の位置は、集光レンズ２の焦点位置に一致するため、測定光のスポット位置がほぼ試料表面に位置することになる。この際、ユーザーは、ミラー５ａの上方から集光レンズ２越しに積分球内を覗いて、試料表面の所望の位置にスポット位置が合うように、集光レンズ２の位置または姿勢を微調整することができる。例えば、調整手段７がレンズケース６をＸ軸およびＹ軸に移動自在に保持している場合、ユーザーは、試料上のスポット位置を目視しながら、調整手段７を手作業で動かしてスポット位置を微調整することができる。さらに、調整手段７がレンズケース６をＸ軸周りおよびＹ軸周りに回転自在にも保持している場合は、集光レンズの姿勢も変わるので、スポット位置の微調整がより容易となる。加えて、調整手段７がレンズケース６をＺ軸に移動自在に保持していれば、焦点距離の調整も可能となるので、より厳密にスポット位置の微調整を実行できる。

本実施形態では球状試料Ｓを測定対象としているため、測定光のスポット位置が球状試料Ｓの頂部になるように、調整手段７によって集光レンズ２を微調整する。

以上の手順によって、集光レンズ２からの測定光が、球状試料Ｓの表面の所望の位置を照射するので、その反射光が意図しない方向に集中して進行するようなことなく、球状内壁面によって拡散反射される。そして、拡散反射後の光強度が、検出器４で検出される。このようにして、試料の反射光測定が完了する。

なお、ブランク測定を行う際は、球状試料Ｓに代えて、標準白板Ｗを試料皿に入れて、前述と同様の測定を行なう。

本実施形態の積分球１０によれば、積分球本体の下部窓１ｂの下に試料皿３を設置して、上部窓１ａの上に集光レンズ２を設置して、上部窓１ａの上での集光レンズ２の位置又は姿勢を変化させる調整手段７を設けたので、集光レンズ２により形成される測定光のスポット位置を、真珠などの形状に特徴がある試料Ｓの表面において所望の位置に合わせることができる。

さらに、導光光学系５が、外部から水平方向に供給される測定光を集光レンズ２よりも上方まで導いて、更に、集光レンズ２に測定光を鉛直下向きに照射する。従って、集光レンズ２の上には測定光の光路を水平から鉛直下向きに変更するミラー５ａが配置されさえすればよい。そうすると、調整手段７を使って測定光のスポット位置を試料表面の所望の位置に合わせる際、積分球本体１の上部窓１ａから試料表面を目視しながら容易に集光レンズ２の位置や姿勢を調整することができる。

形状に特徴がある試料に対して測定光を照射するときに、試料表面にムラや傷などがあれば、その部分を反射した光が直接的に検出用の窓１ｃやその付近に集まってしまうことも起こり得る。また、試料表面の一部分が傾斜しているような場合にも、たまたまその傾斜面に当った光が、直接的に検出用の窓１ｃやその付近に集まってしまうことも起こり得る。そうすると、積分球の本来の機能を発揮できず、球体内の光を適正に平均化したものを検出することができなくなる。

本実施形態によれば、測定光のスポット位置を試料表面の所望の位置に確実に合わせることができるので、理想的な積分球の測定状態で反射光を「ならせる」ことができる。従って、真珠などの形状に特徴のある試料Ｓについて異常値の発生を抑制することができ、測定値の再現性が向上する。

ここで、形状に特徴のある試料には、真珠の他、ダイヤモンドなどの貴金属、砂などの粉状試料も含まれる。

なお、本実施形態の調整手段７として、磁石を利用したものを採用してもよい。図４に磁石７ａ、７ｂによる調整手段の一例を示す。積分球本体１とレンズケース６の間にシート状の磁石７ａ、７ｂを介在させて、レンズケース６を磁力で積分球本体１に固定する。積分球本体１の上面が磁石に付く磁性を有している場合は、シート状の磁石７ａ、７ｂをレンズケース６の下面に固定しておく。このようにすれば、レンズケース６のＸ−Ｙ方向を位置決めした後、容易に、集光レンズ２を固定することができる。また、磁石７ａと磁石７ｂのシート数に差を設ければ、集光レンズ２の姿勢も調整できる。

第２実施形態
図５に第２実施形態の積分球１０ａの全体構成を示す。ここでは、調整手段７ｃは電動機によってレンズケース６の位置や姿勢を駆動できるようになっている。また、積分球１０ａには、ＣＣＤカメラなどの撮像手段８が設けられている。撮像手段８は、集光レンズ２の上側に設けられており、集光レンズ２を通して、上部窓１ａから積分球内を撮像する。撮像方向は、下部窓１ｃの試料表面を向いている。図５に、目視で積分球内を観察する場合の視線と合わせて、撮像手段８の撮像方向を示す。

なお、球状内壁面の一部に撮像用の窓を別途設けて、この窓に撮像手段８を内蔵してもよい。

撮像手段８からの画像信号は制御手段１２に入力される。制御手段１２は、画像信号に基づいてモニター１４に試料表面の拡大画像を表示させる。また、制御手段１２には、調整手段７ｃおよび入力装置１６が接続されている。制御手段１２は、入力装置１６から入力されたＸ軸方向の移動量やＹ軸周りの回転量に応じて、調整手段７ｃを駆動させるようになっている。

ＣＣＤカメラなどの撮像手段８が球状試料Ｓを撮像するので、ユーザーはモニター１４に拡大表示された試料表面の画像から、測定光のスポット位置を確実に所望の位置に微調整することができる。球状試料Ｓの表面のムラや傷などを容易に避けることも可能になり、適正な測定値が得られる。

なお、撮像手段８を設置する際、集光レンズ２の上にはミラー５ａが配置されさえすればよいので、撮像手段８の設置位置の自由度が比較的大きくなる。

本発明は、紫外可視分光光度計などの分光光度計において使用する積分球に適用できる。これに限られず、円二色性分散計や分光蛍光光度計などで用いる積分球にも適用できる。

１ ・・・積分球本体
２ ・・・集光レンズ
３ ・・・試料皿
４ ・・・検出器
５ ・・・導光光学系（導光手段）
５ｅ・・・上下ストローク手段（導光手段）
６ ・・・レンズケース
７ ・・・調整手段
７ａ，７ｂ・・・磁石（調整手段）
８ ・・・撮像手段
１０・・・積分球
１２・・・制御手段
１４・・・モニター
１６・・・入力装置
２０・・・アクセサリー
２２・・・トレイ
２４・・・スライド着脱装置

Claims (5)

1. 測定光を上部の窓から受入れて、下部の窓の下に設置された試料に当てて、試料表面の反射光を球状内壁面で拡散反射させて、球状内壁面の一部に設けられた検出用窓から光強度を検出する積分球であって、
   球状の内部空間を有する積分球本体と、
   前記積分球本体の上部窓の上に設置される集光レンズと、
   試料を前記積分球本体の下部窓の下に設置する試料皿と、
   照射光を前記集光レンズの上側に導いて該集光レンズを上側から照射する導光手段と、
   を備え、さらに、
   前記集光レンズを保持するレンズケースと、
   前記上部窓の上での前記レンズケースの位置又は姿勢を変化させる調整手段と、
   を備えることを特徴とする積分球。
2. 請求項１記載の積分球において、前記調整手段は、前記レンズケースの位置又は姿勢を自動調整することを特徴とする積分球。
3. 請求項１記載の積分球において、前記調整手段は、前記積分球本体の上面と前記レンズケースの間に介在する磁石であることを特徴とする積分球。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の積分球は、前記試料皿内の試料表面を撮像する撮像手段を備えることを特徴とする積分球。
5. 測定光を上部の窓から受入れて、下部の窓の下に設置された試料に当てて、試料表面の反射光を球状内壁面で拡散反射させて、球状内壁面の一部に設けられた検出用窓から光強度を検出する積分球を用いて、試料の反射光を測定する方法であって、
   試料皿に試料を入れて積分球本体の下部窓の下に設置する工程と、
   照射光を積分球本体の上部窓に設けた集光レンズの上側に導く工程と、
   前記集光レンズに照射光を上方から入射させる工程と、
   前記上部窓からの目視、または、前記上部窓を通して撮像された画像によって、試料表面上での測定光のスポット位置を確認して前記集光レンズの位置又は姿勢を調整する工程と、
   試料表面の反射光を球状内壁面で拡散反射させて前記検出器で検出する工程と、
   を含むことを特徴とする試料の反射光を測定する方法。

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