JP2017227512A

JP2017227512A - 偏光測定装置

Info

Publication number: JP2017227512A
Application number: JP2016122947A
Authority: JP
Inventors: 悠佑長井; Yusuke Nagai
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2016-06-21
Filing date: 2016-06-21
Publication date: 2017-12-28

Abstract

【課題】低コストで高速且つ精度の高い測定を行うことができる偏光測定装置を提供する。
【解決手段】偏光測定装置１０は、偏光方向が互いに異なる2つの直線偏光を生成する2つの半導体偏光光源（第１半導体偏光光源１１１及び第２半導体偏光光源１１２）と、前記2つの半導体偏光光源で発生される直線偏光を時分割で試料に入射する時分割部１３と、試料を透過した光が通過する位置に置かれた、前記2つの直線偏光の偏光方向とは異なる偏光方向を有する検光子から成る検光部１５とを備える。ファラデー素子やウオラストンプリズム、ロシヨンプリズム等の高価な光学素子を使用しないため低コストであり、半導体光源を用いることにより高速で測定を行うことができ、且つ2つの光源を用いることで光量を十分多くできるため高精度の測定を行うことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体、気体、固体試料の偏光特性を測定する偏光測定装置に関する。

試料の偏光特性の一つに、その試料を透過する直線偏光の偏光面の回転（旋光）がある。そのような特性（旋光度）を測定するための偏光測定装置の最も基本的な構成は図４(a)に示すようなものである。光源９１から出た光は偏光子９２により直線偏光とされ、ファラデー素子９３でその偏光方向が回転される（変調される）。その光は、旋光度を測定したい試料で満たされた（あるいは試料が流れている）フローセル９４（固体試料の場合は試料そのもの）及び検光子９５を順に透過し、受光部９７で受光される。検光子９５の偏光面をサーボモータ９６等で回転し、受光部９７での受光強度が最大となる角度位置と試料を通過する前のファラデー素子による変調角度位置、及び偏光が試料を通過する距離に基いて、試料の旋光度が検出される。

この偏光測定では、通常、ファラデー素子９３により互いに直交する偏光面を持つ2種の偏光を生成し、それぞれ試料を透過させて各偏光の回転角（旋光角）を決定する。これにより、試料中での偏光の回転方向も正しく検出することができるようになる。

このような偏光測定装置の構成では、試料を透過した2種の偏光の旋光角を測定するために、出射側において検光子９５をサーボモータ９６で回転させ、検光子を透過する光の量が最大となる角度を求める。しかし、このような可動部を含む機構は、摩耗等により長期間の使用が難しい。また、高速で組成が変化する試料や高速で変化する現象に追随することが難しい。

そこで、特許文献１では、図４(b)に示すように、検光子９５Ａとしてウオラストンプリズムやロシヨンプリズム等の直交する2つの偏光を生成する光学素子を用いた偏光測定装置を提案している。

特公平6-72807号公報特公昭63-42212号公報

上記従来の偏光測定装置ではいずれにせよ、入射側において2種の偏光を生成するために高価なファラデー素子９３が必要となる。また、特許文献１で用いているウオラストンプリズムやロシヨンプリズム等の光学素子も高価であり、いずれにせよ、安価な偏光測定装置を構成することが難しかった。さらに、特許文献１の偏光測定装置では検出側において1つの光束から2方向の偏光を取り出すために各偏光の強度が低く、精度の高い測定を行うことが難しい。

本発明が解決しようとする課題は、低コストで高速且つ精度の高い測定を行うことができる偏光測定装置を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明に係る偏光測定装置は、
a) 偏光方向が互いに異なる2つの直線偏光を生成する2つの半導体偏光光源と、
b) 前記2つの半導体偏光光源で発生される直線偏光を時分割で試料に入射する時分割部と、
c) 試料を透過した光が通過する位置に置かれた、前記2つの直線偏光の偏光方向とは異なる偏光方向を有する検光子から成る検光部と
を備えることを特徴とする。

ここで、2つの半導体偏光光源が生成する2つの直線偏光の偏光方向は、互いに90度異なるものとしておくことが望ましい。そして、検光子の偏光方向は、それら2つの直線偏光の偏光方向と45度異なるものとしておくことが望ましい。

本発明に係る偏光測定装置の2つの半導体偏光光源は、2個の半導体レーザー（LD）であってもよいし、発光ダイオード（LED）、スーパールミネッセントダイオード（SLD）等の非偏光を発光する半導体光源2個のそれぞれに、互いに異なる偏光面を生成する偏光子を設けたものであってもよい。いずれにせよ、半導体光源であることにより、後述の光源自体の発光時間制御を行う場合、2つの直線偏光の切り替えを高速（〜数百Hz程度)で行うことができる。

時分割部は、前記2個の半導体偏光光源の発光時間（時刻）を制御してもよいし、それらを連続的に発光させておき、それぞれに設けたシャッターを開閉することにより時分割制御を行ってもよい。装置を簡素化することができる点、及び切り替えを高速で行うことができる点において、半導体偏光光源の発光時間を制御することが望ましい。シャッターを用いる場合において高速性を重視するならば、電子制御可能な液晶シャッターや電気光学素子シャッターを使用することが望ましい。

本発明に係る偏光測定装置はさらに、回転方向が異なる2つの円偏光を生成する2つの半導体円偏光光源を有し、前記時分割部が、前記2つの半導体偏光光源で発生される直線偏光及び前記2つの半導体円偏光光源で発生される円偏光を時分割で試料に入射するという構成を取ることができる。この構成により、旋光度と共に、左円偏光と右円偏光が受ける試料への吸光度の相違（円二色性）を測定することができる。

本発明に係る偏光測定装置では、サーボモータのような機械的可動部を含まないため、長時間の使用が可能であり、また、半導体光源を用いることにより高速で変化する現象を測定することができる。そして、ファラデー素子やウオラストンプリズム、ロシヨンプリズム等の高価な光学素子を使用しないため、測定装置全体を安価に構成することができる。さらに、2つの光源を用いるため、十分な光量で測定を行うことができ、高精度・高感度の測定を行うことができる。

本発明に係る偏光測定装置の第１実施形態を示す概略構成図。第１実施形態の偏光測定装置における第１半導体偏光光源及び第２半導体偏光光源が発光する時間（時刻）の例を示すグラフ。本発明に係る偏光測定装置の第２実施形態を示す概略構成図。従来の偏光測定装置を示す概略構成図。

図１〜図３を用いて、本発明に係る偏光測定装置の実施形態を説明する。

(1) 第１実施形態
図１は、本発明に係る偏光測定装置の第１実施形態の概略構成図である。本実施形態の偏光測定装置１０は、第１半導体偏光光源１１１及び第２半導体偏光光源１１２の2つの半導体偏光光源を有する。本実施形態では、第１半導体偏光光源１１１には、非偏光を発光する第１LED１１１１と、該第１LED１１１１から出射する非偏光の光路上に設けられた第１偏光子１１１２を組み合わせたものを用いる。同様に、第２半導体偏光光源１１２には、第２LED１１２１と、該第２LED１１２１から出射する非偏光の光路上に設けられた第２偏光子１１２２を組み合わせたものを用いる。第１偏光子１１１２と第２偏光子１１２２は、互いに異なる偏光面を生成するように配置されている。本実施形態では第１偏光子１１１２の偏光方向と第２偏光子１１２２の偏光方向が90度異なるようにしたが、この角度は90度以外であってもよい。なお、LEDの代わりにSLDを用いてもよい。また、LEDやSLD等の非偏光の半導体光源と偏光子を組み合わせる代わりに、偏光を生成するLDを用いてもよい。

第１半導体偏光光源１１１及び第２半導体偏光光源１１２には、それら2つの半導体偏光光源で発生される直線偏光を時分割で後述の試料に入射するように制御する制御装置から成る時分割部１３が接続されている。時分割部１３は、本実施形態では第１LED１１１１及び第２LED１１２１に電流を供給する時間（時刻）によって第１半導体偏光光源１１１及び第２半導体偏光光源１１２が点灯する時間（時刻）を制御するものを用いる。その代わりに、第１LED１１１１と第１偏光子１１１２の間又は第１偏光子１１１２の後段、及び第２LED１１２１と第２偏光子１１２２の間又は第２偏光子１１２２の後段にシャッターを設け、時分割部１３が該シャッターを開閉する時間（時刻）を制御するようにしてもよい。

第１半導体偏光光源１１１からの偏光と第２半導体偏光光源１１２の偏光が入射する位置には、試料が収容される試料セル１４が設けられている。試料セル１４は、液体又は気体の試料が流れるフローセルでもよいし、それら試料を貯留するセルでもよい。また、試料セル１４の代わりに、固体の試料を保持する試料ホルダを用いてもよい。

試料セル１４内の（又は試料ホルダに保持された）試料を透過した偏光が入射する位置には、検光子から成る検光部１５が設けられている。本実施形態では、検光部１５の検光子は、その偏光方向が第１偏光子１１１２の偏光方向及び第２偏光子１１２２の偏光方向のいずれとも異なるように配置されている。本実施形態では、検光部１５の検光子の偏光方向は、第１偏光子１１１２の偏光方向と45度、第２偏光子１１２２の偏光方向と45度異なる角度としたが、それ以外の角度であってもよい。

検光部１５を通過した偏光が入射する位置には、検出器１７が設けられている。検出器１７は、従来の偏光測定装置で使用されているものと同様である。

その他、偏光測定装置１０は、検出器１７が出力する、検出した偏光の強度を示すアナログ信号をデジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換器１８や、得られた強度のデジタルデータに基づいて後述のデータ処理を行うデータ処理部１９を有する。

次に、図２を参照しつつ、偏光測定装置１０の動作を説明する。第１半導体偏光光源１１１及び第２半導体偏光光源１１２は時分割部１３によって、図２のグラフに示すように点灯時間（時刻）が制御されることにより、第１半導体偏光光源１１１と第２半導体偏光光源１１２が同じ時間長ずつ交互に繰り返し点灯（すなわち、一方が点灯している間は、他方は消灯）する。これにより、試料セル１４内の試料では、偏光面が異なる2つの直線偏光が交互に通過し、その際に試料の特性に応じた角度（旋光度α）だけ偏光方向が回転（旋光）する。試料を透過して旋光した光は、検光部１５の検光子の偏光方向の角度βにより定まる強度で検光部１５の検光子を通過し、その強度が検出器１７において時分割で検出される。

以下、第１半導体偏光光源１１１で発生した直線偏光が試料を通過して得られた検出光の強度I₁と、第２半導体偏光光源１１２からで発生した直線偏光が試料を通過して得られた検出光の強度I₂から、試料の旋光度αを求める方法を説明する。

1個の光源（第１半導体偏光光源１１１と第２半導体偏光光源１１２のいずれか）から角度θの直線偏光が旋光度αの試料を透過し、偏光方向の角度がβである検光子から成る検光部１５を通過したとき、検出器１７で検出される光の強度I_θは、角度αの回転行列を用いて以下の(1)式で表される。

ここでeは単位行列、I₀は強度の比例係数である。第１半導体偏光光源１１１の直線偏光の角度θ₁、強度I₁及び角度βの数値を代入した数式と、第２半導体偏光光源１１２の直線偏光の角度θ₂、強度I₂及び角度βの数値を代入した数式を求め、それら2つの数式から旋光度α（及び比例係数I₀）が求められる。

本実施形態のように検光子の偏光方向が角度θ₁と45度、角度θ₂と45度異なる、すなわち角度βが45度である場合には、(1)式は

となる。本実施形態では角度θ₁=0度、角度θ₂=90度であることから、

となる。これら式(3)及び(4)より、強度I₁と強度I₂の比(I₂/I₁)を取ると、

となる。従って、旋光度αは、強度比(I₂/I₁)を用いて

と表される。この(6)式に、実験で得られる強度比(I₂/I₁)を代入すれば、試料の旋光度αを求めることができる。

図２に示すように、強度I₁(n)及びI₂(n)（n=1, 2, 3…）がI₁(1), I₂(1), I₁(2), I₂(2)…のように交互に得られることから、強度比(I₂/I₁)及びそれから得られる角度αは、I₁(1)とI₂(1)のようにnの値が等しい1組のI₁(n)とI₂(n)が得られる度に求めることができる（図２中の例１）。あるいは、強度比(I₂/I₁)及びそれから得られる旋光度αは、I₁(n)とI₂(n)のいずれかの値が得られる度に、得られたI₁(n)と直近のI₂(n-1)、又は得られたI₂(n)と直近のI₁(n-1)の組から求めてもよい（例２）。いずれにせよ、旋光度αが時間の経過に従って繰り返し取得されるため、この実験により旋光度αの経時変化が得られる。この旋光度αの経時変化は、試料の経時変化を表している。上記の例１よりも例２の方が、旋光度αの経時変化を短い（半分の）時間間隔で得ることができる。

(2) 第２実施形態
図３を用いて、本発明に係る偏光測定装置の第２実施形態を説明する。第２実施形態の偏光測定装置２０は、旋光度αと共に円二色性の測定を行う装置である。偏光測定装置２０は、第１実施形態の偏光測定装置１０における第１半導体偏光光源１１１又は第２半導体偏光光源１１２と同じ光源を有すると共に、左円偏光半導体光源２１Ｌ及び右円偏光半導体光源２１Ｒを有する。左円偏光半導体光源２１Ｌは、非偏光を発光する第３LED２１Ｌ１と、非偏光を左円偏光に変換する左円偏光子２１Ｌ２を組み合わせたものである。同様に、右円偏光半導体光源２１Ｒは、第４LED２１Ｒ１と右円偏光子２１Ｒ２を組み合わせたものである。これら左円偏光半導体光源２１Ｌ及び右円偏光半導体光源２１Ｒは、それら光源からの光が試料セル１４に入射する位置に配置されている。

時分割部２３は、旋光度αと円二色性の双方を測定する場合には、第１半導体偏光光源１１１のみ発光、第２半導体偏光光源１１２のみ発光、左円偏光半導体光源２１Ｌ及び右円偏光半導体光源２１Ｒが同時に発光、という3種の発光状態を順に繰り返すよう、これらの光源を制御する。第１半導体偏光光源１１１と第２半導体偏光光源１１２は同じ時間長ずつ発光するが、それらの発光時間と左円偏光半導体光源２１Ｌ及び右円偏光半導体光源２１Ｒの発光時間が同じである必要はない。一方、旋光度αのみを測定する場合には第１半導体偏光光源１１１と第２半導体偏光光源１１２のみを時間長ずつ発光させ、円二色性のみを測定する場合には左円偏光半導体光源２１Ｌ及び右円偏光半導体光源２１Ｒのみを同時発光させる。

偏光測定装置２０のその他の構成要素は、第１実施形態の偏光測定装置１０のものと同様であるため、第１実施形態の場合と同じ符号を用い、詳細な説明を省略する。

第２実施形態の偏光測定装置２０では、時分割部２３の制御により第１半導体偏光光源１１１又は第２半導体偏光光源１１２が発光している時に検出器１７で検出される強度からは、第１実施形態の偏光測定装置１０と同様の方法により、旋光度αが得られる。一方、左円偏光半導体光源２１Ｌ又は右円偏光半導体光源２１Ｒが発光している時に検出器１７で検出される強度からは、左円偏光の吸光度A_Lと右円偏光の吸光度A_Rの差である円二色性ΔA（=A_L-A_R）が得られる。このように旋光度αと円二色性ΔAの双方を測定することは、特許文献２に記載の装置でも可能であるが、当該装置では光学的偏光変調器及び該光学的偏光変調器の駆動回路を用いているため、構成が複雑となり且つコストを要する。それに対して第２実施形態の偏光測定装置２０は、光源として4個のLED及び4個の偏光子を用いる必要があるが、これらが簡素且つ安価であるため、装置全体の構成が簡素且つ安価となる。

１０、２０…偏光測定装置
１１１…第１半導体偏光光源
１１１１…第１LED
１１１２…第１偏光子
１１２…第２半導体偏光光源
１１２１…第２LED
１１２２…第２偏光子
１３、２３…時分割部
１４…試料セル
１５…検光部
１７…検出器
１８…Ａ／Ｄ変換器
１９…データ処理部
２１Ｌ…左円偏光半導体光源
２１Ｌ１…第３LED
２１Ｌ２…左円偏光子
２１Ｒ…右円偏光半導体光源
２１Ｒ１…第４LED
２１Ｒ２…右円偏光子
２３…時分割部
９１…光源
９２…偏光子
９３…ファラデー素子
９４…フローセル
９５、９５Ａ…検光子
９６…サーボモータ
９７…受光部

Claims

a) 偏光方向が互いに異なる2つの直線偏光を生成する2つの半導体偏光光源と、
b) 前記2つの半導体偏光光源で発生される直線偏光を時分割で試料に入射する時分割部と、
c) 試料を透過した光が通過する位置に置かれた、前記2つの直線偏光の偏光方向とは異なる偏光方向を有する検光子から成る検光部と
を備えることを特徴とする偏光測定装置。
前記2つの直線偏光の偏光方向が互いに90度異なることを特徴とする請求項１に記載の偏光測定装置。
前記検光子の偏光方向が前記2つの直線偏光の偏光方向と45度異なることを特徴とする請求項２に記載の偏光測定装置。
前記時分割部が、前記2個の半導体偏光光源の発光時間を制御するものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の偏光測定装置。
回転方向が異なる2つの円偏光を生成する2つの半導体円偏光光源を有し、
前記時分割部が、前記2つの半導体偏光光源で発生される直線偏光及び前記2つの半導体円偏光光源で発生される円偏光を時分割で試料に入射する
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の偏光測定装置。