JP2017181049A - 全反射吸収スペクトル測定用光学器具、および、測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトに構成でき、かつ、試料の密着状態を確実に可視観察できるように構成されたＡＴＲ光学器具を提供すること。
【解決手段】試料と密着させるダイヤモンドプリズム４の試料面６に赤外光を集光させ、試料面６からの全反射光の吸収スペクトルを測定するためのＡＴＲ光学器具１０であって、赤外光を導光して臨界角θｃ以上の入射角で試料面６に内側から集光させる入射側の楕円面鏡２０と、試料面６からの全反射光を集光する出射側の楕円面鏡２２と、入射側および出射側の楕円面鏡２０，２２と同軸に照明光を導光するダイクロイックミラー１８，２４と、試料の密着状態を観察するために試料面６からの可視光を集光するＺｎＳレンズ４０と、を備え、ダイクロイックミラー１８，２４は、照明光が可視光の臨界角θｃ’未満の入射角で試料面６に集光されるように、照明光を楕円面鏡２０，２２に導光させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は全反射吸収スペクトル測定装置に関し、特に、該測定装置用のＡＴＲ結晶を内蔵した光学器具の改良に関する。

全反射測定法（ＡＴＲ）とは、試料とプリズム（ＡＴＲ結晶とも呼ぶ。）との密着面で赤外光が全反射する際に、試料の表層部に光が若干浸透し吸収されて反射することを利用したもので、その全反射光から試料表層部の吸収スペクトルを測定する方法である。例えば、高分子膜や半導体などの表面分析や、水溶液など著しく赤外光を吸収する試料の分析などで、ＡＴＲ法が広く用いられている。

ＡＴＲ法では、例えばプリズムの上から試料を裏返しに置くなど、試料とプリズムとが密着状態になるため、全反射が生じる密着領域を可視光で観察して、試料のどの部位を実際に測定しているのかを可視観察画像で把握したいというニーズがあった。可視観察とスペクトル測定とが同時に可能であれば、さらに良い。

特許文献１には、可視光ではなくて赤外光を使ったものであるが、目視観察用の光学系を備えたＡＴＲ用のプリズム保持台９０が示されている。プリズム保持台９０は、図５に示すように、筐体９１に支持された赤外光透過性のプリズム９２と、スペクトル測定用の赤外光ＩＲを光源からプリズム９２に入射させる平面鏡９３と、プリズムの密着面９４での全反射光をスペクトル測定用の検出器９５側に出射させる平面鏡９６とを備えている。また、試料観察用のハーフミラー９７がプリズムの密着面９４に垂直な方向に設けられている。図５には、試料台上の試料がプリズム９２に密着した状態を示す。この状態で、ハーフミラー９７は、観察用光源から観察用の赤外光をプリズムの密着面９４に向けて反射させるとともに、密着面９４からの反射光を試料観察用の撮像素子９８に向けて透過させる。すなわち、プリズム９２の真上から観察用赤外光を照明光として照射し、プリズムの密着面９４からの反射光に基づいて試料の状態をモニターなどで観察する。

特開平５−１０８７２号公報

しかし、図５の従来の試料観察用の光学構成では、第一に、ＡＴＲ結晶の真上というスペース的に制約の多い箇所に、照明光と反射光を分離するためのハーフミラーを配置しなければならない。第二に、観察用の照明光のほとんどは、ＡＴＲ結晶の密着面を正反射して、その正反射光が受光素子（図５中の符号９８）に入ってしまうから、密着面自体の情報が受光素子に与えられ、本来、観察したい試料自体の情報が判別しにくい状態になってしまう。ＡＴＲ結晶の大きさにも制限があり、試料観察のためにＡＴＲ結晶を大きくすることも難しい。

本発明は前記事情に鑑みなされたものであり、コンパクトに構成でき、かつ、試料の密着状態を確実に可視観察できるように構成された全反射吸収スペクトル測定用光学器具、および、全反射吸収スペクトル測定装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明に係る全反射吸収スペクトル測定用の光学器具は、試料と密着させるＡＴＲ結晶の試料面に赤外光を集光させ、該試料面からの全反射光の吸収スペクトルを測定する際に用いる光学器具であり、
赤外光を導光して当該赤外光の少なくとも一部を臨界角θｃ以上の入射角θで前記試料面に内側から集光する入射側の赤外集光手段と、
前記試料面からの全反射光を集光する出射側の赤外集光手段と、
前記入射側および前記出射側の赤外集光手段の少なくとも一方の赤外集光手段の光軸と同軸に可視光を導光する照明導光手段と、
試料の密着状態を観察するために前記試料面からの可視光を集光する可視集光手段と
を備え、
前記照明導光手段は、少なくとも該可視光の一部が可視光の臨界角θｃ’未満の入射角θ’で前記試料面に集光されるように、該可視光を前記赤外集光手段に導光することを特徴とする。

ここで、ＡＴＲ結晶の試料面での臨界角は光の波長にも依存するため、本発明では赤外光の臨界角θｃと可視光の臨界角θｃ’とを区別する。また、赤外光および可視光の光軸を一致させるが、赤外光の入射角θの範囲は、可視光の入射角θ’の範囲と同じではないため、入射角の符号（θ、θ’）を区別している。

また、前記照明導光手段は、前記赤外集光手段により集光される赤外光の光束断面のうち、前記試料面への入射角θを小さくする側のほぼ半分の断面を通過するように、可視光を前記赤外集光手段に導光することが好ましい。あるいは、前記照明導光手段は、前記赤外集光手段により集光される赤外光の光束断面のうち、前記試料面への入射角θ’を小さくする側へ偏った一部断面を通過するように、可視光を前記赤外集光手段に導光することが好ましい。

また、前記可視集光手段は、前記試料面に垂直な光軸に沿って可視光を集光することが好ましい。この場合、前記可視集光手段は、前記ＡＴＲ結晶とは独立して保持された可視光用の集光レンズを有し、該可視光用の集光レンズは、前記ＡＴＲ結晶に密着して設けられ、前記ＡＴＲ結晶と同等の耐圧性を有し、かつ、無色透明であることが好ましい。なお、耐圧性とは、ＡＴＲ結晶の試料面に試料を押し付ける際に、ＡＴＲ結晶に加わる押圧力に対する耐圧性を指す。

また、前記入射側および前記出射側の赤外集光手段は、楕円面鏡からなることが好ましい。また、前記照明導光手段は、前記赤外集光手段の光軸に接続される可視光の光軸を形成するとともに、該可視光の光軸上に可視光の光束断面の一部を遮光するマスクが設けられていることが好ましい。

また、前記目的を達成するため、本発明に係る全反射吸収スペクトル測定装置は、試料と密着するＡＴＲ結晶の試料面に赤外光の少なくとも一部を当該赤外光の臨界角θｃ以上の入射角θで集光させ、該試料面からの全反射光の吸収スペクトルを測定する装置であり、
前記試料面に集光させる赤外光を出射する赤外光出射手段と、
前記赤外光出射手段からの赤外光を導光して該赤外光を臨界角θｃ以上の入射角θで前記試料面に内側から集光する入射側の赤外集光手段と、
前記試料面からの全反射光を集光する出射側の赤外集光手段と、
前記赤外集光手段からの全反射光を検出する光検出手段と、
前記入射側および前記出射側の赤外集光手段の少なくとも一方の赤外集光手段の光軸と同軸に可視光を導光する照明導光手段と、
試料の密着状態を観察するために前記試料面からの可視光を集光する可視集光手段とを備え、
前記照明導光手段は、少なくとも可視光の一部が該可視光の臨界角θｃ’未満の入射角θ’で前記試料面に集光されるように、該可視光を前記赤外集光手段に導光することを特徴とする。

以上の構成からなる本発明の光学器具および測定装置によれば、
（１）照明導光手段が、測定用の赤外光またはその全反射光の光軸と「同軸に」、観察用の可視光を赤外集光手段へ導光する。この赤外光の光軸と同軸に集光される観察用の可視光、つまり照明光は、試料面に対して、所定の角度以上の斜め入射となるから、ＡＴＲ結晶の試料面の垂直方向にある観察用光路にはＡＴＲ結晶の試料面を正反射した照明光は進入しない。従来、照明の正反射光は照明ムラの原因になっていたので、本発明によれば、照明の正反射光による照明ムラを抑制できる。

しかも、照明導光手段によって、赤外集光手段は、照明光の少なくとも一部を「該可視光の臨界角θｃ’未満」の入射角θ’で試料面に集光するので、試料面において照明光がすべて全反射してしまうことも無い。つまり、照明光の少なくとも一部は、試料面で屈折して試料側へ進行する。そして、可視集光手段が、試料自体の情報を有した拡散反射光を集めることで、試料の密着情報を確実に観察することができる。

なお、屈折率を比較すると赤外光よりも可視光の方が大きく、試料面での全反射条件が入射光の波長にも依存することを利用して、本発明では可視光からなる照明光と赤外光の光軸を一致させ、かつ、試料面に対して照明光が全て全反射することがないような条件で入射させている。赤外集光手段は、赤外光および照明光のビームスポットを試料面の同じ位置に形成するから、赤外光と照射光とが同軸であっても、照射光の光束断面を適切な形状に設定したり、断面形状を適宜調整したりすることで、上記のように赤外光の光軸を使って照明光の少なくとも一部を全反射しない角度でＡＴＲ結晶に入射させることができる。また、入射側および出射側の赤外集光手段の両方において、照明光を同軸に導光する照明導光手段を設ければ、観察視野内を隈なく均一に照明することができる。

（２）赤外光またはその全反射光の光軸と「同軸に」、観察用の照明光を赤外集光手段へ導光するから、ＡＴＲ結晶に照明光を照射するための専用の光路を形成しなくて済み、ＡＴＲ結晶および光学系をコンパクト化することができる。

（３）ＡＴＲ結晶の試料面に垂直に該試料面からの観察用の可視光の光軸を形成し、この光軸上に可視光用の集光レンズ（例えば、ＺｎＳ）を設けた。観察用の照明光が測定用の赤外光と同軸であり、斜め照射タイプの照明導光手段が設けられているので、可視光用の集光レンズについては、ＡＴＲ結晶からの集光機能に適したものを用いることができる。つまり、ＡＴＲ結晶と同等の耐圧性を有し、かつ、無色透明の集光レンズを用いて、これをＡＴＲ結晶に密着して支持させているから、ＡＴＲ結晶と一体のレンズのように構成することができ、広い視野範囲と高い色再現性とを実現することができる。

ここで、耐圧性とは、ＡＴＲ結晶の試料面に試料を押し付ける際に、ＡＴＲ結晶に加わる押圧力に対する耐圧性を指す。集光レンズが柔らかい場合、試料をＡＴＲ結晶に密着させる際の押圧力によって、ＡＴＲ結晶が可視光用の集光レンズに食い込んでしまうという耐圧の問題があった。本発明では、ＡＴＲ結晶と同等の耐圧性を有する集光レンズを用いるので、このような耐圧の問題を回避することができ、ＡＴＲ結晶に押圧力を加えて試料を密着させても、鮮明な観察画像を得ることができる。

以上のように本発明によれば、ＡＴＲ結晶を内蔵する全反射吸収スペクトル測定用の光学器具をコンパクトに構成でき、かつ、この光学器具を用いれば試料の密着部位およびその密着状態を確実に観察することができ、測定データの信頼性が向上する。同様に、全反射吸収スペクトル測定装置をコンパクトに構成でき、かつ、この測定装置を用いれば試料の密着部位およびその密着状態を確実に観察することができる。

第一実施形態に係るＡＴＲ光学器具の概略構成図である。 前記ＡＴＲ光学器具の要部を拡大した図である。 前記ＡＴＲ光学器具を含む全反射測定装置の概略構成図である。 第二実施形態に係るＡＴＲ光学器具の概略構成図である。 従来のＡＴＲプリズム保持台の概略構成図である。

以下、図面に基づき本発明の好適な実施形態について説明する。
第一実施形態
図１に、本発明の光学器具の第一実施形態に係るＡＴＲ光学器具１０の概略構成を示す。また、図２に、ＡＴＲ光学器具１０の要部を拡大して示す。ＡＴＲ光学器具１０は、例えばフーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴＩＲ）の試料室などに配置され、ＡＴＲ機能を発揮するための付属品であり、筐体にダイヤモンドプリズムや、赤外光の光路形成のためのミラーやレンズなどを支持して所定の光学系を構成する。

図１、２に示すように、ＡＴＲ光学器具１０には、観察カメラ２に向かう試料からの可視光の観察光学系の光軸がプリズム４の試料面６に垂直方向に形成され、この観察光学系の光軸を中心に、赤外光の入射光学系および全反射光の出射光学系が左右対称に形成されている。

＜ＡＴＲ結晶としてのダイヤモンドプリズム＞
筐体（不図示）にはダイヤモンドプリズム４が、そのプリズムの試料面６が図面上方の試料側に露出するように保持されている。プリズム４には、図２に示すように試料に密着させる試料面６、該試料面６と所定角度をなす赤外入射面８および赤外出射面１２、並びに、試料面６と平行な可視光出射面１４が加工されている。赤外入射面８には、試料面６にて全反射する角度（赤外光の臨界角θｃ以上）で、外部から赤外光が入射する。図２では、赤外光の光軸が、赤外入射面８に垂直に交わり、試料面６に対しては臨界角θｃで入射するように、光学系が調整されている。同時に、この赤外光の光軸と同軸となるように第一方向からの照明光が入射する。
なお、本実施形態では、必ずしも赤外光の全てが臨界角θｃ以上の入射角である必要は無く、赤外光の一部が全反射しない角度で試料面６に入射しても構わない。

赤外出射面１２は、試料面６からの赤外光の全反射光を外部に出射するとともに、この赤外光の光軸と同軸である第二方向からの照明光の照射を受ける。可視光出射面１４は、試料の密着状態の情報を有する可視光を、試料面６に垂直な方向に出射する。
プリズム４は、ダイヤモンドに限られず、可視光および赤外光に対し透明性の高い材料を用いればよい。例えば、ＺｎＳ（硫化亜鉛）やＫＲＳ−５（臭沃化タリウム）などでもよい。また、試料の色情報が正確でなくてもよい場合は、可視光の長波長側のみ透過する有色のＫＲＳ−５（臭沃化タリウム）やＺｎＳｅ（セレン化亜鉛）を用いてもよい。

なお、ＡＴＲ結晶の形状については、上記の赤外入射面８、赤外出射面１２および可視光出射面が共通の半球面で形成された半球体状の結晶を用いてもよい。また、本実施形態では１回反射型のＡＴＲ結晶を例示するが、２回反射など多重反射型のＡＴＲ結晶についても本発明を適用することができる。

＜入射側の赤外集光手段としての楕円面鏡＞
赤外光の入射光学系は、外部の赤外光源から供給される赤外光をプリズム６に集光させるために設けられ、図の左方から導光される赤外光ＩＲを反射する平面鏡１６、平面鏡１６からの赤外光を反射するダイクロイックミラー１８、ダイクロイックミラー１８からの赤外光を反射する楕円面鏡２０から構成される。

楕円面鏡２０は、一方の焦点位置にダイクロイックミラー１８の鏡面が配置され、他方の焦点位置にプリズムの試料面６が配置される。本実施形態では、赤外光源側からの赤外光ＩＲがダイクロイックミラー１８に集光され、楕円面鏡２０によって試料面６に低倍率で集光される。後述の出射側の楕円面鏡２２とともに、いわゆるマクロ測定用の光学器具１０を構成している。例えば、４倍前後の倍率の楕円面鏡２０，２２を用いた場合、ダイクロイックミラー１８，２４の鏡面に形成されるビープスポットの１／４倍前後のビームスポットが試料面６に形成される。

入射側の楕円面鏡２０の鏡面は、観察光学系の光軸を中心に、後述の出射側の楕円面鏡２２の鏡面と軸対称に形成され、互いに対向して配置されている。本実施形態では、入射側および出射側の２つの楕円面鏡２０，２２を観察光学系の光軸の周りに配置したが、光軸周りを一周する全周タイプの楕円面鏡を用いてもよい。

＜出射側の赤外集光手段としての楕円面鏡＞
一方、全反射光の出射光学系は、観察光学系の光軸を中心に上記の入射光学系と左右対称に配置された楕円面鏡２２、ダイクロイックミラー２４および平面鏡２６から構成される。すなわち、出射側の楕円面鏡２２は、一方の焦点位置にプリズムの試料面６が配置され、他方の焦点位置に出射側のダイクロイックミラー２４の鏡面が配置され、試料面６からの赤外光の全反射光ＴＲを集光して、出射側のダイクロイックミラー２４に向けて反射する。ダイクロイックミラー２４は、楕円面鏡２２からの全反射光を出射側の平面鏡２６に反射する。平面鏡２６は、ダイクロイックミラー２４からの全反射光を図の右方に配置された光検出器側へ反射する。このようにして、出射光学系は、プリズム４からの全反射光ＴＲを外部の光検出器側へ出射する。

なお、光源側から供給される赤外光ＩＲについては、分散型分光光度計の赤外光を用いることもできるが、ＦＴＩＲのように二光束干渉計による赤外光の干渉波を用いるのが好ましい。
ここで、本発明に特徴的な入射側と出射側の照明系、および、試料の密着状態を観察するための観察光学系について説明する。

＜照明導光手段としてのダイクロイックミラー＞
前述の入射光学系および出射光学系を構成するダイクロイックミラー１８，２４は、赤外光を反射し、可視光を透過する特性を有し、本発明の照明導光手段の役目も担う。入射側のダイクロイックミラー１８から楕円面鏡２０への赤外光の光軸の延長上に、ＬＥＤ光源２８およびコリメートレンズ３０からなる入射側の照明系が形成される。ＬＥＤ光源２８からの照明光Ｌ１は、図中に平行線のハッチングを付けて示すが、コリメートレンズ３０で平行光に近い光束にされ、ダイクロイックミラー１８を透過して楕円面鏡２０で反射し、プリズムの試料面６に集光する。ダイクロイックミラー１８によって、入射側の楕円面鏡２０への赤外光ＩＲの光軸に対し、可視光からなる照明光Ｌ１が同軸で合流される。なお、ダイクロイックミラー１８としては、プリズム状のものを含み、代わりに、偏光ビームスプリッターを利用してもよい。

ダイクロイックミラー１８のＬＥＤ光源側の表面には、照明光Ｌ１の光束断面の一部を遮光するマスク３２が設けられる。マスク３２で覆われる領域は、マスク３２の無い部分を通過した照明光Ｌ１が楕円面鏡２０によって試料面６に集光される際に、照明光Ｌ１の少なくとも一部が可視光の臨界角θｃ’未満の入射角θ’で試料面６に集光されるように、設定される。図１、２では、楕円面鏡２０により集光される赤外光ＩＲの光束断面のうち、試料面への入射角θ’を小さくする側のほぼ半分の断面を照明光Ｌ１が通過するように、マスク３２の領域が設定されている。あるいは、楕円面鏡２０により集光される赤外光ＩＲの光束断面のうち、試料面６への入射角θ’を小さくする側へ偏った一部断面を照明光Ｌ１が通過するように、マスク３２の領域を設定してもよい。

同様に、出射側の照明系が、出射側の楕円面鏡２２へ照明光Ｌ２を全反射光ＴＲの光軸と同軸に供給する。すなわち、入射側と同様に、出射側の楕円面鏡２２からダイクロイックミラー２４への全反射光ＴＲの光軸の延長上に、ＬＥＤ光源３４およびコリメートレンズ３６からなる出射側の照明系が形成される。また、ダイクロイックミラー２４のＬＥＤ光源側の表面には、照明光Ｌ２の光束断面の一部を遮光するマスク３８が設けられる。

なお、マスク３２，３８については、ダイクロイックミラー１８，２４の表面に設けるものに限らず、ダイクロイックミラー１８，２４とコリメートレンズ３０，３６間の光路上に配置する遮光板でもよい。また、赤外光を透過して可視光を遮光する可視光フィルターを、ダイクロイックミラー１８，２４の楕円面鏡２０，２２側の表面に貼ってもよいし、ダイクロイックミラー１８，２４と楕円面鏡２０，２２間の光路上に配置してもよい。

＜観察光学系＞
試料の密着状態を観察するための観察光学系は、ダイヤモンドプリズム４の可視光出射面１４から出射される可視光を集光するための硫化亜鉛（ＺｎＳ）レンズ４０と、ＺｎＳレンズ４０により集光された可視光ＶＬを平行光にして試料面６に直交する方向へ導光する一対のレンズ４２，４４と、一対のレンズ４２，４４によって導光された可視光ＶＬを撮像する観察カメラ２とからなる。

本実施形態では、ＺｎＳレンズ４０および一対のレンズ４２，４４が、本発明の可視集光手段に該当するとともに、ＺｎＳレンズ４０が本発明の可視光用の集光レンズに該当する。ＺｎＳレンズ４０、一対のレンズ４２，４４および観察カメラ２からなる観察光学系は、試料面６に垂直な可視光ＶＬの光軸を形成し、その光軸に沿って可視光ＶＬを集光・導光・撮像する。ＺｎＳレンズ４０は、プリズム４とは独立して筐体に保持されている。また、レンズ４０は、プリズム４に密着して設けられ、ダイヤモンドプリズム４と同等の耐圧性を有し、かつ、無色透明である。図２のＺｎＳレンズ４０の形状は一例に過ぎない。この例でレンズ４０は、上部にプリズム４の可視光出射面１４との密着面を有し、底部に凸面を有し、また、試料面上の点を頂点とする円錐状の胴体部を有する。つまり、２つの楕円面鏡２０，２２が集光する赤外光ＩＲおよび全反射光ＴＲの光路と重ならないように、かつ、試料部位の広範囲を集光できるようにレンズ４０の形状が定められている。このような観察光学系によって、試料面６と密着する試料からの光は、プリズム４およびＺｎＳレンズ４０によって集光され、更に一対のレンズ４２，４４に導光され、観察カメラ２に入射される。ここで、ダイヤモンドプリズム４とＺｎＳレンズ４０の組合せであれば、両者の屈折率も近く、一体のレンズとして扱える。比較例として集光レンズにセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）レンズを用いた場合、結晶が黄色であって観察画像のための色情報に欠けることがあり、また、ダイヤモンドプリズム４よりも柔らかいため、試料を密着させる際の耐圧性の問題もある。ＺｎＳレンズ４０を設けなくても観察は可能であるが、ダイヤモンドプリズム４とＺｎＳレンズ４０の組合せによれば、視野範囲が広がり、色再現性および耐圧性に優れた観察光学系を構成できる。集光レンズとしてはＺｎＳレンズ４０に限らず、ＡＴＲ結晶と同等の耐圧性を有し、無色透明のものであれば他の材質の集光レンズを採用できる。屈折率１．８以上の例えばサファイアガラス、(株)オハラ製Ｌ-ＢＢＨ１、(株)住田光学ガラス製Ｋ-ＰＳＦｎ２１４のような、無色透明の高屈折率ガラスを用いてもよい。

＜全反射吸収スペクトル測定装置＞
図３に本実施形態のＡＴＲ光学器具１０を用いた全反射吸収スペクトル測定装置１００の概略構成を示す。全反射吸収スペクトル測定装置１００は、ＦＴＩＲや分散型の分光光度計をベースに、上述の光学器具１０との組合せによって構成される。図３の例では、測定装置１００の中央部の試料台５０（または試料室）にＡＴＲ光学器具１０が載置され、光学器具１０へは測定用の赤外光ＩＲが入射光学系から供給され、光学器具１０からの全反射光ＴＲが出射光学系へ導光されるようになっている。赤外光の入射光学系は、赤外光源５２、干渉計５４および集光レンズ５６を含み、干渉計５４からの赤外光ＩＲの干渉波を集光して光学器具１０へ水平方向に供給する。赤外光ＩＲの干渉波の一部は、ＡＴＲ光学器具１０のダイヤモンドプリズム４に密着する試料Ｓの表層部によって吸収され、残りの赤外光は全反射光ＴＲとして光学器具１０から出射される。全反射光ＴＲの出射光学系は、集光レンズ５８、光検出器６０および信号処理器６２を含み、光学器具１０から水平方向に出射される全反射光ＴＲを検出してフーリエ変換処理によりスペクトルデータを算出する。

＜本実施形態の効果＞
（１）入射側のダイクロイックミラー１８が、測定用の赤外光ＩＲと同軸で照明光Ｌ１を楕円面鏡２０へ導光するので、試料面６を正反射した照明光が観察用光路に進入せず、照明ムラが抑制される。しかも、楕円面鏡２０が、照明光Ｌ１を可視光の臨界角θｃ’未満の入射角でプリズムの試料面６に集光させるので、照明光ｌ１が試料面６で全反射することも抑制される。そうすると、照明光Ｌ１はプリズムの試料面６で屈折して試料側へも進行し、試料Ｓにて拡散反射する。出射側のダイクロイックミラー２４と楕円面鏡２２による照明光Ｌ２の照射についても、入射側と同様になる。照明光Ｌ１，Ｌ２によって生じる試料Ｓからの光は、ダイヤモンドプリズム４およびＺｎＳレンズ４０で集光されるから、試料Ｓの密着状態の情報を有した拡散反射光を観察することができる。

なお、照明光Ｌ１，Ｌ２の少なくとも一部が臨界角θｃ’未満の入射角になれば本実施形態の効果が得られるので、必ずしも照明光Ｌ１，Ｌ２の全てを臨界角θｃ’未満の入射角にする必要はない。

（２）入射側および出射側の楕円面鏡２０，２２の両方において、それぞれのダイクロイックミラー１８，２４が照明光Ｌ１，Ｌ２を同軸に導光するので、観察視野内を隈なく均一に照明することができる。

（３）赤外光ＩＲまたはその全反射光ＴＲの光軸と同軸に、観察用の照明光Ｌ１，Ｌ２を楕円面鏡２０，２２へ導光するから、ダイヤモンドプリズム４に照明光を照射するための専用の光路を形成しなくて済み、プリズム４および光学系をコンパクト化することができる。

（４）観察用光学系の光軸上に、プリズム４からの可視光ＶＬの集光機能に適したＺｎＳレンズ４０を設けることができる。すなわち、ダイヤモンドプリズム４と同等の耐圧性を有し、かつ、無色透明で、屈折率も同等であるＺｎＳレンズ４０を用いて、これをプリズム４に密着して支持させているから、プリズム４と一体のレンズのように構成することができ、広い視野範囲と高い色再現性とを実現することができる。

（５）マスク３２，３８を用いて照射光Ｌ１，Ｌ２の光束断面を適切な形状に設定したり、断面形状を適宜調整したりすることで、赤外光ＩＲの光軸と同軸であっても、照明光Ｌ１，Ｌ２を全反射しない角度でダイヤモンドプリズム４に入射させることができる。

第二実施形態
図４に第二実施形態のＡＴＲ光学器具１１０の概略構成を示す。共通する要素に共通の符号を付し、第一実施形態とは異なる構成のみを以下に説明する。

本実施形態のＡＴＲ光学器具１１０では、試料面１０６が下方を向くようにＡＴＲプリズム１０４が保持され、試料Ｓの上表層部にプリズム１０４が密着するように配置されている。また、第一実施形態の楕円面鏡に代えて、入射側の集光レンズ１２０によって、入射側のダイクロイックミラー１８からの赤外光ＩＲをプリズムの試料面１０６へ集光し、出射側の集光レンズ１２２によって、試料面１０６からの全反射光ＴＲを出射側のダイクロイックミラー２４へ集光する。試料面１０６からの観察用可視光は、プリズム１０４と一対のレンズ４２，４４によって集光され、観察カメラ２に入射する。

第二実施形態では、楕円面鏡を使わない形態であり、かつ、１箇所のＬＥＤ照明２８からの可視光の半分をミラー（マスク）１１２で分割してミラー１１６を介して入射側のダイクロイックミラー１８に導光し、残り半分の可視光をミラー１１４，１１８を介して出射側のダイクロイックミラー２４に導光するという可視光の分岐光学構成を有した形態である。

なお、赤外集光手段としての楕円面鏡の配置について、第一実施形態ではプリズム４を試料側から見た場合に、楕円面鏡２０，２２がプリズム４の周りの２箇所に対向して配置したが、プリズム４の周りの３箇所以上に配置しても構わない。例えば、プリズム周りの４５度おきに４枚の楕円面鏡を配置するならば、赤外光の入射用と全反射光の出射用の楕円面鏡が交互になるように配置する。このような楕円面鏡の配置において、ダイクロイックミラーによる照明光の同軸照射は、４つの楕円面鏡の内の少なくとも１つに設ければよい。

また、プリズムの試料面６に垂直に観察用光学系の光軸を形成したが、必ずしも垂直にする必要はなく、光軸が試料面６に対して斜め方向になっても構わない。ただし、本実施形態のように光軸を垂直に形成する方が、観察画像における試料部位の歪みも小さくなるので好ましい。

２ 観察カメラ
４，１０４ ダイヤモンドプリズム（ＡＴＲ結晶）
６，１０６ 試料面
８ 赤外入射面
１０ ＡＴＲ光学器具（全反射吸収スペクトル測定用の光学器具）
１２ 赤外出射面
１４ 可視光出射面
１６，２６ 平面鏡
１８，２４ ダイクロイックミラー（照明導光手段）
２０，２２ 楕円面鏡（赤外集光手段）
２８，３４ 照明用ＬＥＤ
３０，３６ コリメートレンズ
３２，３８ マスク
４０ ＺｎＳレンズ（可視集光手段）
４２，４４ 一対のレンズ（可視集光手段）
５０ 試料台
５２ 赤外光源（赤外光出射手段）
５４ 干渉計（赤外光出射手段）
５６，５８ 集光レンズ
６０ 光検出器
６２ 信号処理器
１００ 全反射吸収スペクトル測定装置
１２０，１２２ 集光レンズ（赤外集光手段）
Ｓ 試料
ＩＲ 赤外光
ＴＲ 全反射光
Ｌ１，Ｌ２ 照明光
θｃ 赤外光の臨界角
θｃ’ 可視光の臨界角

Claims (8)

1. 試料と密着させるＡＴＲ結晶の試料面に赤外光を集光させ、該試料面からの全反射光の吸収スペクトルを測定する全反射吸収スペクトル測定用の光学器具であって、
   赤外光を導光して当該赤外光の少なくとも一部を臨界角θｃ以上の入射角で前記試料面に内側から集光する入射側の赤外集光手段と、
   前記試料面からの全反射光を集光する出射側の赤外集光手段と、
   前記入射側および前記出射側の赤外集光手段の少なくとも一方の赤外集光手段の光軸と同軸に可視光を導光する照明導光手段と、
   試料の密着状態を観察するために前記試料面からの可視光を集光する可視集光手段と
   を備え、
   前記照明導光手段は、少なくとも可視光の一部が該可視光の臨界角θｃ’未満の入射角で前記試料面に集光されるように、該可視光を前記赤外集光手段に導光することを特徴とする全反射吸収スペクトル測定用光学器具。
2. 請求項１記載の光学器具において、
   前記照明導光手段は、前記赤外集光手段により集光される赤外光の光束断面のうち、前記試料面への入射角を小さくする側のほぼ半分の断面を通過するように、可視光を前記赤外集光手段に導光することを特徴とする全反射吸収スペクトル測定用光学器具。
3. 請求項１または２記載の光学器具において、
   前記可視集光手段は、前記試料面に垂直な光軸に沿って可視光を集光することを特徴とする全反射吸収スペクトル測定用光学器具。
4. 請求項３記載の光学器具において、前記可視集光手段は、前記ＡＴＲ結晶とは独立して保持された可視光用の集光レンズを有し、該可視光用の集光レンズは、前記ＡＴＲ結晶に密着して設けられ、前記ＡＴＲ結晶と同等の耐圧性を有し、無色透明であることを特徴とする全反射吸収スペクトル測定用光学器具。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の光学器具において、前記入射側および前記出射側の赤外集光手段は、楕円面鏡からなることを特徴とする全反射吸収スペクトル測定用光学器具。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の光学器具において、
   前記照明導光手段は、前記赤外集光手段の光軸に接続される可視光の光軸を形成するとともに、該可視光の光軸上に可視光の光束断面の一部を遮光するマスクが設けられていることを特徴とする全反射吸収スペクトル測定用光学器具。
7. 請求項１から６のいずれかに記載の光学器具において、
   前記照明導光手段は、１つの照明光源からの可視光を分割して、一方を前記入射側の赤外集光手段に導光し、他方を前記出射側の赤外集光手段に導光する可視光の分岐光学構成を有することを特徴とする全反射吸収スペクトル測定用光学器具。
8. 試料と密着するＡＴＲ結晶の試料面に赤外光の少なくとも一部を当該赤外光の臨界角θｃ以上の入射角で集光させ、該試料面からの全反射光の吸収スペクトルを測定する全反射吸収スペクトル測定装置であって、
   前記試料面に集光させる赤外光を出射する赤外光出射手段と、
   前記赤外光出射手段からの赤外光を導光して該赤外光を臨界角θｃ以上の入射角で前記試料面に内側から集光する入射側の赤外集光手段と、
   前記試料面からの全反射光を集光する出射側の赤外集光手段と、
   前記赤外集光手段からの全反射光を検出する光検出手段と、
   前記入射側および前記出射側の赤外集光手段の少なくとも一方の赤外集光手段の光軸と同軸に可視光を導光する照明導光手段と、
   試料の密着状態を観察するために前記試料面からの可視光を集光する可視集光手段とを備え、
   前記照明導光手段は、少なくとも可視光の一部が該可視光の臨界角θｃ’未満の入射角で前記試料面に集光されるように、該可視光を前記赤外集光手段に導光することを特徴とする全反射吸収スペクトル測定装置。

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