JP2017133832A - 光計測用チャンバ及び光計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大型化することなく光の発生効率及び検出効率を向上できる光計測用チャンバ及び光計測装置を提供すること。
【解決手段】チャンバ１０は、内面１２ａにより筒状の空間Ｓを規定する空間形成部１２と、内面１２ａを覆う反射部１３と、空間Ｓの一端側及び他端側にそれぞれ設けられた窓部１４及び光反射部１５と、空間Ｓのうち窓部１４及び光反射部１５によって区切られた領域Ｒに試料を導入する導入部１６と、領域Ｒから試料を排出する排出部１７と、を備え、空間Ｓは方向Ａに沿って配列された第１空間Ｓ１と第２空間Ｓ２とを含み、方向Ａと交差する断面において、第１空間Ｓ１を規定する内面１２ａにより形成される開口の面積は、一端側から他端側に向けて小さくなり、第１空間Ｓ１を規定する内面１２ａと方向Ａとが成す角度αは、第２空間Ｓ２を規定する内面１２ａと方向Ａとが成す角度βよりも大きい。
【選択図】図２

Description

本発明は、光計測用チャンバ及び光計測装置に関する。

試料を導入する導入口と試料を排出する排出口とを有するチャンバを備え、チャンバ内において試料に励起光を照射することにより、ラマン光（ラマン散乱光）等の光を発生させ、発生した光を光検出器において検出する光計測装置がある（例えば、特許文献１〜５）。このような光計測装置では、光の発生効率を向上するために、共振器状のキャビティ構造を用いて励起光の光路長を長くしている。

例えば、特許文献１には、焦点を挟むように配置された２枚の凹面鏡によって構成されたキャビティを有するチャンバを備える光分析器が記載されている。この光分析器では、一方の凹面鏡の端部近傍からレーザ光を照射すると、レーザ光は凹面鏡間を数十回往復して、キャビティから抜ける。この間、凹面鏡の焦点においてラマン光を発生し、そのうちの一部をレンズによって光検出器に導いている。

米国特許出願公開第２０１１／０２１８４３１号明細書 特開平７−２８４６０８号公報 特許第３２６８９６６号公報 特開２０１２−２２０３２４号公報 特開平１０−５８５５８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の構造では、レーザ光の光路長を長くするためには、大きい凹面鏡を用いる必要があり、チャンバ及び光計測装置が大型化してしまう。また、ラマン光はキャビティ内の各所で発生しているものの、焦点付近で発生した光のうちレンズ方向に出射した光を検出しているので、光の検出効率が低くなるおそれがある。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、大型化することなく光の発生効率及び検出効率を向上できる光計測用チャンバ及び光計測装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面に係る光計測用チャンバは、励起光と試料とを相互作用させることにより光を発生するための光計測用チャンバである。この光計測用チャンバは、一方向に延びる筒状の空間が形成された空間形成部と、空間形成部の空間を規定する内面を覆う反射部と、空間の一方向における一端側に設けられた窓部と、空間の一方向における他端側に設けられた光反射部と、空間のうち、窓部及び光反射部によって区切られた領域に試料を導入する導入部と、領域から試料を排出する排出部と、を備える。空間は、一方向に沿って配列された第１空間と第２空間とを含み、一方向と交差する断面において、第１空間を規定する内面により形成される開口の面積は、一端側から他端側に向けて小さくなり、第１空間を規定する内面と一方向とが成す第１角度は、第２空間を規定する内面と一方向とが成す第２角度よりも大きい。

この光計測用チャンバでは、空間の一端から励起光が一方向に対して所定の角度で入射すると、励起光は第１空間において反射部によって反射を繰り返しながら、第２空間に入射する。この第１空間における反射ごとに、励起光の進行方向と一方向とが成す角度は、第１空間を規定する内面と一方向とが成す第１角度の２倍ずつ増加する。このため、励起光は、一方向に対して所定の角度よりも大きい角度で第２空間に入射する。そして、励起光は第２空間において反射部によって反射を繰り返しながら、空間の他端側に向かい、光反射部によって反射されて、空間の一端側に向かい、第１空間に再び入射する。そして、励起光は第１空間において反射部によって反射を繰り返しながら、空間の一端から出射する。

このように、光計測用チャンバによれば、第１空間において励起光の進行方向と一方向との成す角度が増加することにより、第２空間での励起光の反射回数が増加するので、第２空間における励起光の光路長が長くなる。これにより、窓部及び光反射部によって区切られた領域において、励起光と試料とが相互作用する機会が増加する。その結果、光計測用チャンバを大型化することなく、光の発生効率を向上することが可能となる。

さらに、窓部及び光反射部によって区切られた領域において、光はあらゆる方向に向かって発生するが、空間の一端側に向かって発生した光は空間の一端から出射し、空間の他端側に向かって発生した光は、光反射部によって反射されて、空間の一端から出射する。このようにして、領域において発生した光は空間の一端側に配向され、第１空間を通って空間の一端から出射する。このとき、第１空間では、光は反射部によって反射されるごとに、光の進行方向と一方向とが成す角度は、第１角度の２倍ずつ減少する。このため、光計測用チャンバから出射する光は、領域において生成されたときと比較して、その進行方向と一方向とが成す角度が小さくなり得るので、光の配向性が向上し、光の検出効率を向上することが可能となる。

第１空間はテーパー状の空間であってもよく、第２空間は円筒状の空間であってもよい。この場合でも、第１空間において励起光の進行方向と一方向との成す角度が増加することにより、第２空間での励起光の反射回数が増加するので、第２空間における励起光の光路長が長くなる。これにより、窓部及び光反射部によって区切られた領域において、励起光と試料とが相互作用する機会が増加する。その結果、光計測用チャンバを大型化することなく、光の発生効率を向上することが可能となる。また、光計測用チャンバから出射する光は、領域において生成されたときと比較して、その進行方向と一方向とが成す角度が小さくなり得るので、光の配向性が向上し、光の検出効率を向上することが可能となる。

窓部は、第１空間に設けられてもよい。この場合、窓部における反射率が小さくなるように、励起光を所定の角度で入射したとしても、第１空間において反射部によって励起光が反射されることにより、励起光の進行方向と一方向との成す角度が増加する。このため、第２空間での励起光の反射回数が増加するので、第２空間における励起光の光路長が長くなる。つまり、窓部における励起光の反射を低減しつつ、第２空間における励起光の光路長を長くできるので、光計測用チャンバにおける光の発生効率のさらなる向上が可能となる。

導入部は窓部側に設けられ、排出部は光反射部側に設けられてもよい。励起光は、窓部側において光量が大きいので、導入部を窓部側に設けることにより、励起光の光量が大きい領域において、試料の拡散を抑えることができ、光の発生効率のさらなる向上が可能となる。

導入部は、励起光と相互作用させることによりラマン光を発生する試料を導入してもよい。この場合、光計測用チャンバを大型化することなく、ラマン光の発生効率及び検出効率を向上できる。

導入部は、励起光と相互作用させることにより蛍光を発生する試料を導入してもよい。この場合、光計測用チャンバを大型化することなく、蛍光の発生効率及び検出効率を向上できる。

本発明の他側面に係る光計測装置は、上述の光計測用チャンバと、光計測用チャンバの空間に一端側から励起光を供給する励起光供給装置と、光計測用チャンバにおいて発生した光のうち、一端側から出射した光を検出する光検出器と、を備える。

この光計測装置によれば、上述の光計測用チャンバを備えることにより、光計測装置を大型化することなく、光の発生効率を向上することが可能となる。また、上述の光計測用チャンバを備えることにより、光の配向性が向上するので、光検出器による光の検出効率を向上することが可能となる。

励起光供給装置は、光計測用チャンバの光反射部によって反射された励起光が、光検出器とは異なる方向に出射するように設定された入射角で、励起光を空間に供給してもよい。この場合、光検出器によって励起光が検出されることを防止し、光計測用チャンバにおいて発生した光の検出精度の向上が可能となる。

励起光供給装置は、励起光が窓部に対してブリュースター角で入射するように設定された入射角で励起光を空間に供給してもよい。この場合、窓部における励起光の透過率を向上することができ、窓部及び光反射部によって区切られた領域に供給される励起光の光量の減少を抑えることが可能となる。このため、光計測用チャンバにおける光の発生効率のさらなる向上が可能となる。

本発明によれば、大型化することなく光の発生効率及び検出効率を向上できる。

一実施形態に係る光計測用チャンバを備える光計測装置を概略的に示す図である。 図１の光計測用チャンバを概略的に示す断面図である。 図２の光計測用チャンバにおける光路の一例を示す図である。 図１の光計測用チャンバの第２空間Ｓ２での励起光の強度分布の一例を示す図である。 比較例の光計測用チャンバを概略的に示す断面図である。 図１の光計測用チャンバの一変形例を概略的に示す断面図である。 図６の光計測用チャンバにおける光路の一例を示す図である。 図１の光計測用チャンバの他の変形例を概略的に示す断面図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態が詳細に説明される。図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号が用いられ、重複する説明は省略される。

図１は、一実施形態に係る光計測用チャンバを備える光計測装置を概略的に示す図である。図１に示されるように、光計測装置１は、チャンバ１０と、励起光供給装置２１と、励起光吸収装置２２と、集光レンズ２３と、光学フィルタ２４と、光検出器２５と、電源２６と、アンプ２７と、導入管２８と、排出管２９と、を備える。光計測装置１は、チャンバ１０に試料を供給して励起光ＥＬを照射することにより、チャンバ１０において発生した光ＲＬを計測するための装置である。

チャンバ１０は、励起光ＥＬと試料とを相互作用させることにより光ＲＬを発生するための光計測用チャンバである。チャンバ１０には、面１１ａから方向Ａ（一方向）に延びる空間Ｓが設けられており、面１１ａには空間Ｓの開放端である開口１１ｅが形成されている。チャンバ１０の詳細は後述する。

励起光供給装置２１は、チャンバ１０の空間Ｓに面１１ａ側（一端側）からレーザ光等の励起光ＥＬを供給する装置である。励起光供給装置２１は、チャンバ１０の面１１ａに対向して設けられる。励起光吸収装置２２は、チャンバ１０から出射した励起光ＥＬを吸収するための装置であり、例えば、レーザストップ素子である。励起光吸収装置２２は、チャンバ１０の面１１ａに対向して設けられる。光計測装置１では、励起光ＥＬが励起光供給装置２１に戻らないように設定されているので、励起光吸収装置２２は、例えば、空間Ｓの軸ＡＸ（図２参照）に対して励起光供給装置２１の反対側に配置される。

集光レンズ２３は、チャンバ１０から出射した光ＲＬを光検出器２５に導くためのレンズである。集光レンズ２３は、チャンバ１０の開口１１ｅに対向して設けられ、例えば、チャンバ１０の面１１ａから５０ｍｍの位置に配置される。集光レンズ２３のｆ値は、例えば２５ｍｍであり、集光レンズ２３の直径は、例えば１インチである。光学フィルタ２４は、光検出器２５に特定の光を検出させるために、特定の波長域の光を透過するフィルタである。光学フィルタ２４は、集光レンズ２３と光検出器２５との間に設けられる。

光検出器２５は、チャンバ１０において発生した光ＲＬのうち、面１１ａ側から出射した光ＲＬを検出する装置であり、例えば、光電子増倍管（ＰＭＴ）である。光検出器２５は、検出した光ＲＬの強度に応じて電流を出力する。電源２６は、光検出器２５を動作させるための高圧電源である。アンプ２７は、光検出器２５から出力された電流を電圧に変換するアンプである。

導入管２８は、チャンバ１０に接続され、チャンバ１０に試料を導入するための管である。導入管２８には、試料の導入量を調節するための流量調節機構３０（例えば、レギュレータ等）が設けられている。排出管２９は、チャンバ１０に接続され、チャンバ１０から試料を排出するための管である。

このような光計測装置１では、チャンバ１０の空間Ｓに、導入管２８によってガス、液体または生物サンプル等の試料が供給され、励起光供給装置２１からチャンバ１０の面１１ａの開口１１ｅに向かって励起光ＥＬが照射される。そして、励起光ＥＬは、チャンバ１０内の空間Ｓを往復してチャンバ１０の開口１１ｅから出射し、励起光吸収装置２２で吸収される。励起光ＥＬが空間Ｓを往復する間に、励起光ＥＬと試料とがチャンバ１０において相互作用することにより、例えば、ラマン光または蛍光等の光ＲＬが発生し、発生した光ＲＬの一部は開口１１ｅからチャンバ１０の外部に出射する。そして、チャンバ１０から出射した光ＲＬは、集光レンズ２３によって集光され、光学フィルタ２４を介して光検出器２５に導かれて検出される。

次に、チャンバ１０を詳細に説明する。図２は、チャンバ１０を概略的に示す方向Ａに沿った断面図である。図２に示されるように、チャンバ１０は、本体部１１と、空間形成部１２と、反射部１３と、窓部１４と、光反射部１５と、導入部１６と、排出部１７と、を備える。

本体部１１は、方向Ａに延びる箱型形状を呈し、例えばＳＵＳ材で加工したものの内面にアルミニウム蒸着を行って構成されている。本体部１１は、面１１ａ、面１１ｂ、面１１ｃ及び面１１ｄを有する。面１１ａ及び面１１ｂは、方向Ａと交差する面であり、面１１ｃ及び面１１ｄは、面１１ａ及び面１１ｂと交差する面である。なお、説明の便宜上、面１１ａが設けられている方向を「前」、面１１ｂが設けられている方向を「後」とすることがある。

空間形成部１２は、方向Ａに延びる筒状の空間Ｓが形成された部分である。空間Ｓは、方向Ａに沿った軸ＡＸを軸とした筒状の内面１２ａによって規定されており、本体部１１の面１１ａにおいて開口１１ｅを成している。空間Ｓは、方向Ａに沿って順に配列された第１空間Ｓ１及び第２空間Ｓ２を含んでいる。第１空間Ｓ１は軸ＡＸを軸としたテーパー状の空間であり、第２空間Ｓ２は軸ＡＸを軸とした円筒状の空間である。ここで、テーパー状とは略テーパーの形状を含み、円筒状とは略円筒の形状を含む。第１空間Ｓ１は、面１１ａから面１１ｂに向かって進むにつれ、軸ＡＸ（方向Ａ）と交差する断面における直径が小さくなり、第２空間Ｓ２に連なっている。つまり、方向Ａと交差する断面において、第１空間Ｓ１を規定する内面１２ａにより形成される開口の面積は、前側（一端側）から後側（他端側）に向けて小さくなっている。このため、第１空間Ｓ１では、開口１１ｅの面積が最も大きく、第２空間Ｓ２との接続部における軸ＡＸと直交する断面の面積が最も小さい。

第１空間Ｓ１の方向Ａに沿った長さＬ１は例えば１１ｍｍ程度であり、第１空間Ｓ１の面１１ａにおける直径Ｄ１（つまり、開口１１ｅの直径）は例えば３ｍｍ程度であり、第１空間Ｓ１の第２空間Ｓ２との接続部における直径は例えば１ｍｍ程度である。第２空間Ｓ２の方向Ａに沿った長さＬ２は例えば５ｍｍ程度であり、第２空間Ｓ２の直径Ｄ２は例えば１ｍｍ程度である。チャンバ１０の方向Ａに沿った断面において、第１空間Ｓ１を規定する内面１２ａと方向Ａとが成す角度α（第１角度）、つまりテーパー角は、第２空間Ｓ２を規定する内面１２ａと方向Ａとが成す角度β（第２角度）よりも大きい。角度αは例えば５度程度であり、角度βは例えば０度程度である。用途毎にチャンバ１０の最適な大きさが異なるため、上記は一例である。

反射部１３は、光を反射する鏡面であり、例えば、アルミニウムによって構成されており、その上にＭｇＦ_２等の保護膜がコートされている。反射部１３は、空間形成部１２の空間Ｓを規定する内面１２ａを覆うように設けられている。窓部１４は、励起光及びチャンバ１０において発生した光を透過する光学窓であり、例えば、光学ガラス等によって構成されている。窓部１４は、空間Ｓの前側に設けられ、前側において空間Ｓを閉塞している。窓部１４は、例えば、第１空間Ｓ１に位置している。光反射部１５は、光を反射するミラーであり、例えば、アルミニウムによって構成されている。光反射部１５は、空間Ｓの後側に設けられており、空間Ｓの他端を閉塞している。

導入部１６は、空間Ｓのうち、窓部１４及び光反射部１５によって区切られた領域Ｒに試料を導入するための部分である。導入部１６は、面１１ｃから面１１ｄに向かって空間Ｓの領域Ｒまで延びる貫通孔であり、例えば、領域Ｒの窓部１４側に設けられている。導入部１６は、導入管２８に接続されており、例えば、励起光と相互作用させることによりラマン光または蛍光を発生するための試料を導入する。排出部１７は、領域Ｒから試料を排出するための部分である。排出部１７は、面１１ｃから面１１ｄに向かって空間Ｓの領域Ｒまで延びる貫通孔であり、例えば、領域Ｒの光反射部１５側に設けられている。排出部１７は、排出管２９に接続されており、排出管２９を介して領域Ｒ内の試料を排出する。

次に、チャンバ１０における光路について説明する。図３は、チャンバ１０における光路の一例を示す図である。図４は、第２空間Ｓ２での励起光ＥＬの強度分布の一例を示す図である。図３に示されるように、導入部１６によって試料ＳＰが領域Ｒに導入され、排出部１７によって試料ＳＰが領域Ｒから排出される。これにより、試料ＳＰは次々とチャンバ１０の領域Ｒ内を流れる。導入される試料ＳＰとしては、例えば、ラマン光を発生させるためのガス、蛍光を発生させるための液体（蛍光標識試料）が挙げられる。この状態で、チャンバ１０の外部から励起光ＥＬが入射する。

励起光ＥＬは、軸ＡＸに対して角度θ_１で本体部１１の面１１ａ側からチャンバ１０の空間Ｓに入射する。角度θ_１は、この例では１６度である。そして、励起光ＥＬは、第１空間Ｓ１において反射部１３によって反射を繰り返しながら、窓部１４に向かう。この第１空間Ｓ１における反射部１３での反射ごとに、励起光ＥＬの進行方向と軸ＡＸとが成す角度は角度αの２倍ずつ増加する。そして、励起光ＥＬは、軸ＡＸに対して角度θ_２で窓部１４に入射する。角度θ_２は、角度θ_１より大きく、この例では５６度である。続いて、励起光ＥＬは、領域Ｒ内の第１空間Ｓ１においても反射部１３によって反射を繰り返し、励起光ＥＬの進行方向と軸ＡＸとが成す角度はさらに増加する。

そして、励起光ＥＬは軸ＡＸに対して角度θ_３で第２空間Ｓ２に入射する。角度θ_３は、角度θ_２より大きく、この例では８６度であり、８０度以上９０度未満であることが好ましい。なお、角度α及び角度θ_１は、励起光ＥＬが軸ＡＸに対して角度θ_３で第２空間Ｓ２に入射するように調整されている。続いて、励起光ＥＬは、第２空間Ｓ２において反射部１３によって反射を繰り返しながら、光反射部１５に向かう。そして、光反射部１５によって反射され、第２空間Ｓ２において反射部１３によって反射を繰り返しながら、窓部１４に向かう。ここで、第２空間Ｓ２では、励起光ＥＬは、角度θ_３で反射部１３に入射し、角度θ_３で反射される。つまり、第２空間Ｓ２は軸ＡＸを軸とした円筒状であるので、第２空間Ｓ２における反射部１３の反射では、励起光ＥＬの進行方向と軸ＡＸとが成す角度は角度θ_３を維持する。

続いて、励起光ＥＬは、領域Ｒ内の第１空間Ｓ１において反射部１３によって反射を繰り返す。この第１空間Ｓ１における反射部１３での反射ごとに、励起光ＥＬの進行方向と軸ＡＸとが成す角度は角度αの２倍ずつ減少する。そして、励起光ＥＬは窓部１４を透過し、さらに反射部１３による反射を繰り返しながら本体部１１の面１１ａに向かう。そして、励起光ＥＬは、面１１ａからチャンバ１０の外部に出射する。ここで、励起光ＥＬは、軸ＡＸに対して角度θ_１で出射するので、励起光ＥＬの入射方向とは異なる方向に出射するように、第１空間Ｓ１の方向Ａに沿った長さＬ１、第１空間Ｓ１を規定する内面１２ａと方向Ａとが成す角度α、開口１１ｅの直径Ｄ１、励起光ＥＬの軸ＡＸに対する角度θ_１が予め調整される。

このように励起光ＥＬがチャンバ１０内の空間Ｓにおいて反射を繰り返しながら往復する際に、領域Ｒにおいて励起光ＥＬと試料ＳＰとが相互作用することにより、励起光ＥＬの光路の各部で光ＲＬが発生する。図４に示されるように、励起光ＥＬがチャンバ１０内の空間Ｓにおいて反射を繰り返しながら進むにつれ、励起光ＥＬの光量（光パワー）は減少する。領域Ｒでは、励起光ＥＬの往路及び復路での光量の合計は、第２空間Ｓ２の前端から後端に向けて次第に減少するが、領域Ｒ全体において光ＲＬが発生し得る。また、領域Ｒで発生する光ＲＬは、全方向（立体角４π）に向かって発生し得る。

このうち、前方に向かって発生した光ＲＬは、反射部１３によって反射を繰り返しながら、窓部１４を透過して開口１１ｅから出射する。また、後方に向かって発生した光ＲＬは、反射部１３によって反射を繰り返しながら、光反射部１５に向かって進む。そして、この光ＲＬは、光反射部１５によって反射されて、反射部１３によって反射を繰り返しながら、窓部１４を透過して開口１１ｅから出射する。このようにして、光ＲＬは前方に配向される。

ここで、領域Ｒにおいて発生した光ＲＬは、第１空間Ｓ１を通ってチャンバ１０の外部に出射する。このとき、開口１１ｅに向かって進む光ＲＬが第１空間Ｓ１において反射部１３によって反射されるごとに、光ＲＬの進行方向と軸ＡＸとが成す角度は角度αの２倍ずつ減少する。このため、チャンバ１０から出射する光ＲＬは、領域Ｒにおいて生成されたときと比較して、その進行方向と軸ＡＸとが成す角度が小さくなり得るので、２πよりも小さい立体角でチャンバ１０から出射する。

以上詳述したとおり、チャンバ１０によれば、第１空間Ｓ１において励起光ＥＬの進行方向と方向Ａとの成す角度が増加することにより、第２空間Ｓ２での励起光ＥＬの反射回数が増加するので、第２空間Ｓ２における励起光ＥＬの光路長（励起光ＥＬと試料ＳＰとの相互作用長）が長くなる。これにより、窓部１４及び光反射部１５によって区切られた領域Ｒにおいて、励起光ＥＬと試料ＳＰとが相互作用する機会が増加する。その結果、チャンバ１０を大型化することなく、光ＲＬの発生効率を向上することが可能となる。

また、領域Ｒにおいて、光ＲＬはあらゆる方向に向かって発生するが、空間Ｓの前方に向かって発生した光は開口１１ｅから出射し、空間Ｓの後方に向かって発生した光ＲＬは、光反射部１５によって反射されて、開口１１ｅから出射する。このようにして、領域Ｒにおいて発生した光ＲＬは空間Ｓの前方に配向される。このとき、第１空間Ｓ１では、光ＲＬが反射部１３によって反射されるごとに、光ＲＬの進行方向と軸ＡＸとが成す角度は、角度αの２倍ずつ減少する。このため、チャンバ１０から出射する光ＲＬは、領域Ｒにおいて生成されたときと比較して、その進行方向と軸ＡＸとが成す角度が小さくなり得るので、光ＲＬの配向性が向上し、光ＲＬの検出効率を向上することが可能となる。

また、窓部１４は、第１空間Ｓ１に設けられている。このため、窓部１４における反射率が小さくなるように、励起光ＥＬを軸ＡＸに対して角度θ_２で窓部１４に入射したとしても、領域Ｒ内の第１空間Ｓ１の反射部１３によって励起光ＥＬが反射されることにより、励起光ＥＬの進行方向と軸ＡＸとの成す角度が増加する。これにより、励起光ＥＬは、軸ＡＸに対して角度θ_２よりも大きい角度θ_３で第２空間Ｓ２に入射することができ、励起光ＥＬが軸ＡＸに対して角度θ_２で第２空間Ｓ２に入射した場合よりも、第２空間Ｓ２における励起光ＥＬの光路長が長くなる。つまり、窓部１４における励起光ＥＬの反射を低減しつつ、第２空間Ｓ２における励起光ＥＬの光路長を長くできるので、チャンバ１０における光ＲＬの発生効率のさらなる向上が可能となる。

導入部１６は窓部１４側に設けられ、排出部１７は光反射部１５側に設けられている。励起光ＥＬは、窓部１４側において光量が大きい。このため、導入部１６を窓部１４側に設けることにより、励起光ＥＬの光量が大きい領域において、試料ＳＰの拡散を抑えることができ、光ＲＬの発生効率のさらなる向上が可能となる。

また、励起光供給装置２１は、チャンバ１０の光反射部１５によって反射された励起光ＥＬが、光検出器２５とは異なる方向に出射するように設定された入射角θ_１で、励起光ＥＬを空間Ｓに供給する。このため、光検出器２５によって励起光ＥＬが検出されることを防止し、光ＲＬの検出精度の向上が可能となる。

また、励起光供給装置２１は、励起光ＥＬが窓部１４に対してブリュースター角で入射するように設定された入射角θ_１で励起光ＥＬを空間Ｓに供給してもよい。この場合、窓部１４における励起光ＥＬの透過率を向上することができ、領域Ｒに供給される励起光ＥＬの光量の減少を抑えることが可能となる。このため、光ＲＬの発生効率のさらなる向上が可能となる。

（実施例）
以下、実施例及び比較例に基づいて本発明がより具体的に説明されるが、本発明は以下の実施例に限定されない。

（実施例１）
実施例１の光計測用チャンバは、第１空間Ｓ１の方向Ａに沿った長さＬ１を１１ｍｍ、第２空間Ｓ２の方向Ａに沿った長さＬ２を５ｍｍ、第１空間Ｓ１の面１１ａにおける直径Ｄ１を３ｍｍ、第２空間Ｓ２の直径Ｄ２を１ｍｍ、第１空間Ｓ１を規定する内面１２ａと方向Ａとが成す角度αを５度、第２空間Ｓ２を規定する内面１２ａと方向Ａとが成す角度βを０度とした。反射部１３及び光反射部１５の反射率を９７％とした（図２参照）。

（比較例１）
比較例１の光計測用チャンバは、特許文献１に記載の構造である。検出光学系で最大のＮＡである０．４５のレンズを用いた。レンズの直径は７５ｍｍ、焦点距離７５ｍｍとした。

（比較例２）
図５は、比較例２の光計測用チャンバを概略的に示す断面図である。図５に示されるように、比較例２のチャンバ１００は、円筒状の本体部１１１と、本体部１１１の内面を覆うように設けられた反射部１１３と、本体部１１１の一端を閉塞するように設けられた窓部１１４と、本体部１１１の他端を閉塞するように設けられた光反射部１１５と、を備える。本体部１１１の長さを５ｍｍ、本体部１１１の内径を１ｍｍとした。反射部１１３及び光反射部１１５の反射率を９７％とした。

実施例１、比較例１及び比較例２を用いてラマン光を発生させ、発生したラマン光を光検出器で検出した。

実施例１のチャンバ１０では、角度θ_１を１６度として励起光ＥＬをチャンバ１０に入射すると、励起光ＥＬは軸ＡＸに対して５６度（＝角度θ_２）で窓部１４に入射し、軸ＡＸに対して８６度（＝角度θ_３）で第２空間Ｓ２に入射した。このとき、角度θ_２はブリュースター角であるので、励起光ＥＬは窓部１４において反射されることなく窓部１４を１００％透過した。また、励起光ＥＬは、第２空間Ｓ２において、軸ＡＸに対して８６度で（つまり、内面１２ａに対して４度の入射角で）多重反射を行いながら第２空間Ｓ２を往復するので、第２空間Ｓ２における励起光ＥＬの反射回数は１００回であり、励起光ＥＬの実質的な光路長は１００ｍｍ程度であった。

上述のように反射を繰り返しながら励起光ＥＬが光反射部１５に到達したときの光量（励起光パワー）は２２％であった。図４に示されるように、励起光ＥＬの往路及び復路での光量の合計は、第２空間Ｓ２の前端から後端に向けて次第に減少するが、領域Ｒ全体にわたってラマン光が発生した。また、発生したラマン光が光検出器に到達する確率は、６３％であった。

比較例１のチャンバでは、励起光の観察領域は１ｍｍで、励起光は２０回ほど通過するので光路長は２０ｍｍであった。発生したラマン光の６％が光検出器によって検出された。

比較例２のチャンバ１００では、軸ＡＸに対して８５度で窓部１１４から励起光ＥＬをチャンバ１００に入射した。このとき、窓部１１４表面での反射率は６０％、透過率４０％であった。比較例２のチャンバ１００における励起光ＥＬの反射回数は１００回であり、励起光ＥＬの実質的な光路長は１００ｍｍ程度であった。

このように、比較例１のチャンバの光路長は２０ｍｍであったのに対し、実施例１のチャンバ１０の第２空間Ｓ２における光路長は１００ｍｍであった。このため、実施例１のチャンバ１０は、比較例１のチャンバに対して、ラマン光発生確率を５倍程度向上することができた。また、比較例１では、発生したラマン光の６％しか検出することができなかったが、実施例１では、発生したラマン光の６３％を検出した。このため、実施例１では、比較例１に対して、ラマン光の検出効率を１０倍程度向上することができた。

さらに、比較例１では、励起光ＥＬを複数回反射させるために、直径の大きなミラーを使用する必要がある。このため、チャンバのサイズは直径１０ｃｍ、長さ３５ｃｍ程度で、体積は２７００ｃｍ^３であった。一方、実施例１のチャンバ１０の体積は０．１ｃｍ^３以下であった。このため、比較例１では、微量のサンプルガスの計測が困難である上、光計測装置のサイズを小さくできない。一方、実施例１のチャンバ１０では、比較例１よりも、小型化が可能となり、用いる試料の量を減らすことができ、有効にラマン光を発生することができる。また、実施例１のチャンバ１０の体積が小さいので、試料が循環する時間も短く、計測の応答速度が高かった。

また、比較例２のチャンバ１００では、窓部１１４表面での反射率が大きくなり、ラマン光の発生効率が低下した。これに対し、実施例１のチャンバ１０では、励起光ＥＬが窓部１４に入射する角度θ_２がブリュースター角となるように、軸ＡＸに対して角度θ_１で本体部１１の面１１ａ側からチャンバ１０に入射することにより、窓部１４における励起光ＥＬの透過率を向上することができ、領域Ｒに供給される励起光ＥＬの光量の減少を抑えることができた。このため、チャンバ１０におけるラマン光の発生効率を向上することができた。

また、比較例２のチャンバ１００内で発生したラマン光は、実施例１のチャンバ１０と同様に前方に配向されるが、チャンバ１００から出射するラマン光は、立体角２πで出射した。このため、チャンバ１００から出射するラマン光を集光することが難しく、検出効率が低下した。一方、実施例１のチャンバ１０では、領域Ｒにおいて発生したラマン光は、第１空間Ｓ１において反射部１３によって反射されるたびに、ラマン光の進行方向と軸ＡＸとが成す角度は角度αの２倍（＝１０度）減少するので、２πよりも小さい立体角でチャンバ１０から出射した。このため、比較例２のチャンバ１００と比較して、より多くのラマン光が検出され、ラマン光の検出効率を向上できた。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、上記実施形態では、第１空間Ｓ１はテーパー状の空間であり、第２空間Ｓ２は円筒状の空間であるが、これに限られない。チャンバ１０の方向Ａに沿った断面において、第１空間Ｓ１を規定する内面１２ａと方向Ａとが成す角度αが、第２空間Ｓ２を規定する内面１２ａと方向Ａとが成す角度βよりも大きければよい。

また、導入部１６は、領域Ｒの光反射部１５側に設けられ、排出部１７は、領域Ｒの窓部１４側に設けられてもよい。

また、図６に示されるように、図１のチャンバ１０よりも第１空間Ｓ１の長さＬ１を短くしてもよい。例えば、チャンバ１０の方向Ａに沿った長さＬを６ｍｍ程度としてもよい。この場合、チャンバ１０のさらなる小型化が可能となり、チャンバ１０の作製が容易化される。また、このチャンバ１０を備えた光計測装置１では、チャンバ１０が小型化されるので、集光レンズ２３の径を大型化することができる。

一方、図７に示されるように、図６のチャンバ１０では、図１のチャンバ１０と比較して、第１空間Ｓ１が短いので、光ＲＬが第１空間Ｓ１において反射部１３によって反射される機会が減少する。このため、チャンバ１０から出射する光ＲＬは、図１のチャンバ１０と比較して、その進行方向と軸ＡＸとが成す角度が大きくなり、配向性が低下する。また、軸ＡＸに対する角度が角度θ_１よりも大きい角度（例えば、ブリュースター角）でチャンバ１０に入射する必要がある。

さらに変形例として、図８に示されるように、図２のチャンバ１０において、窓部１４及び導入部１６を開口１１ｅの直後に配置する構成も考えられる。

１…光計測装置、１０…チャンバ、１１ｅ…開口、１２…空間形成部、１２ａ…内面、１３…反射部、１４…窓部、１５…光反射部、１６…導入部、１７…排出部、２１…励起光供給装置、２５…光検出器、Ａ…方向、ＡＸ…軸、ＥＬ…励起光、Ｒ…領域、ＲＬ…光、Ｓ…空間、Ｓ１…第１空間、Ｓ２…第２空間、ＳＰ…試料。

Claims (9)

1. 励起光と試料とを相互作用させることにより光を発生するための光計測用チャンバであって、
   一方向に延びる筒状の空間が形成された空間形成部と、
   前記空間形成部の前記空間を規定する内面を覆う反射部と、
   前記空間の前記一方向における一端側に設けられた窓部と、
   前記空間の前記一方向における他端側に設けられた光反射部と、
   前記空間のうち、前記窓部及び前記光反射部によって区切られた領域に試料を導入する導入部と、
   前記領域から前記試料を排出する排出部と、
   を備え、
   前記空間は、前記一方向に沿って配列された第１空間と第２空間とを含み、
   前記一方向と交差する断面において、前記第１空間を規定する内面により形成される開口の面積は、前記一端側から前記他端側に向けて小さくなり、
   前記第１空間を規定する内面と前記一方向とが成す第１角度は、前記第２空間を規定する内面と前記一方向とが成す第２角度よりも大きい、
   光計測用チャンバ。
2. 前記第１空間はテーパー状の空間であり、
   前記第２空間は円筒状の空間である、
   請求項１に記載の光計測用チャンバ。
3. 前記窓部は、前記第１空間に設けられる、
   請求項１または請求項２に記載の光計測用チャンバ。
4. 前記導入部は、前記窓部側に設けられ、
   前記排出部は、前記光反射部側に設けられる、
   請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の光計測用チャンバ。
5. 前記導入部は、励起光と相互作用させることによりラマン光を発生する試料を導入する、
   請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の光計測用チャンバ。
6. 前記導入部は、励起光と相互作用させることにより蛍光を発生する試料を導入する、
   請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の光計測用チャンバ。
7. 請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の光計測用チャンバと、
   前記光計測用チャンバの前記空間に前記一端側から励起光を供給する励起光供給装置と、
   前記光計測用チャンバにおいて発生した光のうち、前記一端側から出射した光を検出する光検出器と、
   を備える、
   光計測装置。
8. 前記励起光供給装置は、前記光計測用チャンバの前記光反射部によって反射された前記励起光が、前記光検出器とは異なる方向に出射するように設定された入射角で、前記励起光を前記空間に供給する、
   請求項７に記載の光計測装置。
9. 前記励起光供給装置は、前記励起光が前記窓部に対してブリュースター角で入射するように設定された入射角で前記励起光を前記空間に供給する、
   請求項７または請求項８に記載の光計測装置。

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