JP2708602B2 - パルス光源を用いたフーリエ変換分光法 - Google Patents

パルス光源を用いたフーリエ変換分光法

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、干渉計を用いてインタフェログラムを取り
出しフーリエ変換して試料の分析スペクトルを得るパル
ス光源を用いたフーリエ変換分光法に関する。
〔従来の技術〕 第3図はフーリエ変換光分光法の従来例を説明するた
めの図、第4図は第3図に示す回路の信号波形を示す図
である。
マイケルソン干渉計で代表されるラピッドスキャン方
式のフーリエ変換光分光法では、第3図に示すように半
透鏡2、固定鏡3、移動鏡4からなる二光束干渉計、光
源1′、及び検知器5が用いられる。そして、二光束干
渉計の半透鏡2で光源1′からの光を2光束に分け、一
方を固定鏡3側に、他方を定速移動する移動鏡4側に導
き、検知器5でそれらの光路差によるインタフェログラ
ム(第4図(b))を検知している。このインタフェロ
グラムは、AD変換器8で第2図(c)に示すような干渉
計により作られる周期tのトリガ信号を用いて同図
(d)に示すようにサンプリングされ、それが、CPU9で
フーリエ変換され分析スペクトルが得られる。なお、こ
こで試料は直接関係しないので省略する。
〔発明が解決しようとする課題〕
上記ラピッドスキャン方式のフーリエ変換光分光法で
は、光源の強度が一定で時間的に連続な光を条件として
きた。すなわち、光源1′は、第2図(a)に示すよう
に強度が一定の時間的に連続な光を放出するものであ
り、干渉計に入射した光は、移動鏡4が一定速度で移動
することで光の波数に比例した周波数に変調され、検知
器に受光されるようになっている。
そのため、使用する光源が制約され、また、光が連続
照射されることから、試料としても対象が連続照射に影
響されないものに限られてしまうという問題がある。
本発明は、上記の課題を解決するものであって、光源
及び測定対象を広げることができるパルス光源を用いた
フーリエ変換分光法を提供することを目的とするもので
ある。
〔課題を解決するための手段〕
そのために本発明は、干渉計を用いてインタフェログ
ラムを取り出しフーリエ変換して試料の分析スペクトル
を得るフーリエ変換分光法においれ、光源としてパルス
光源を用い、サンプリング周期より短い周期のパルス光
を放射して検知器出力から低周波成分のインタフェログ
ラムを取り出しサンプリングしてフーリエ変換すること
により、試料の分析スペクトルを得ることを特徴とする
ものである。
〔作用〕
本発明のパルス光源を用いたフーリエ変換分光法で
は、光源としてパルス光源を用い、サンプリング周期よ
り短い周期のパルス光を放射するので、検知器出力から
ローパスフィルタを通すことにより低周波成分のインタ
フェログラムを取り出すことができ、それをAD変換器で
従来と同様にサンプリングしてフーリエ変換することに
より試料の分析スペクトルを得ることができる。
〔実施例〕
以下、図面を参照しつつ実施例を説明する。
第1図ば本発明に係るパルス光源を用いたフーリエ変
換分光法の1実施例を説明するめの図、第2図は第1図
における主要部の信号波形を示す図である。図中、1は
周期パルス光源、2は半透鏡、3は固定鏡、4は移動
鏡、5は検知器、6はアンプ、7はローパスフィルタ、
8はAD変換器を示す。
周期パルス光源1は、強度の等しい周期t′のパルス
光を放射するものであり、周期t′は、第2図(a)、
(d)に示すようにサンプリング則より干渉計で作られ
るトリガの周期tよりも短いものである。したがって、
干渉計の出力、すなわち検知器5の出力は、第2図
(b)に示すように従来のインタフェログラムを周期
t′でサンプリングした形になる。ローパスフィルタ7
は、第2図(c)に示すような検知器5の出力の包絡線
であるインタフェログラムを得るものである。このよう
に周期パルス光源1とローパスフィルタ7を組み合わせ
ることによりAD変換器8では、従来と同様に第2図
(d)に示す周期tのトリガ信号でインタフェログラム
を第2図(e)に示すようにサンプリングすることがで
き、これをフーリエ変換することにより目的とする分析
スペクトルを得ることができる。
なお、周期パルス光源としては、SOR(Synchrotron O
rbital Radiation)光源やパルスレーザ励起ラマン試料
等を用いてもよい。また、光源の強度が変動する場合に
は、その強度をモニタして検知器出力を規格化すればよ
い。
次に、本発明の応用例について説明する。
第5図は時分解分光法の従来例を説明するための図で
ある。
サンプルに電気やレーザその他の手段により周期的に
刺激を与え、その刺激から復帰する過程において、サン
プルの反応状態を測定しようという要求は、例えば液晶
の特性の評価、その他のいろいろな分野にあり、測定方
法として、FT-IR(フーリエ変換赤外分光光度計)を用
いた時分解分光法がある。この方法は、ラピッドスキュ
ン干渉計を用いるものと、ステップスキャン干渉計を用
いるものに分類でき、広い波数域を高いSN比で測定でき
るため、従来から広く利用されている。
FT-IRのインタフェログラムは、その測定中において
サンプルの透過率等の特性は一定でなければならないと
いう条件があり、サンプルの特性が変わってしまうと、
それをフーリエ変換した場合、本来の情報と違う情報が
出てしまう。また、時分解分光法において、与える刺激
の周期は、反応が終わってしまう時間より一般に長いこ
とが条件である。そして、周期的な刺激を与える場合、
移動鏡の移動と無関係に刺激を与えると、その整合を採
ることが必要になる。そこで、従来は、干渉計の持つ基
準信号に同期して刺激を与えるようにしている。
ラビットスキャン干渉計を用いるものでは、上記のよ
うに干渉計の持つ基準信号に同期して刺激を与えるイン
タフェログラムを採ることから、対象の反応周期の長さ
によって、次の3つの場合に分けることができる。
刺激に対する応答が非常に遅い場合 すなわち測定対象の反応又はそれに類する状態の変化
の周期τが第5図(a)に示すように移動鏡のスキャン
時間T(干渉計で得られるインタフェログラム全体を1
回測定する時間)より長い(τ>T)場合 刺激に対する応答が比較的遅い場合 すなわち、測定対象の反応又はそれに類する状態の変
化の周期τが第5図(b)に示すようにインタフェログ
ラムを形成する点群の各点を測定する時間間隔(サンプ
リング間隔)tより長い(t<τ<T)の場合 刺激に対する応答が非常に速い場合 すなわち、第5図(c)に示すようにτ<tの場合 例えば上記の場合には、移動鏡のスキャン時間Tよ
り対象の反応周期τが長いので、第5図(a)に示すよ
うに移動鏡のスキュンを遅くすると、与えた刺激の或る
遅れのところでインタフェログラムが取れてしまうの
で、これをフーリエ変換することによって目的とする或
る状態のスペクトルを得ることができる。
しかし、の場合には、反応時間が短くなっているの
で、第5図(b)に示すように複数回のスキャンを行っ
て1回目の干渉計のスキャン、2回目の干渉計のスキャ
ン、……で刺激を与えるタイミングを干渉計の持つ基準
信号の周期tずつずらして測定を行い、各スキャンで同
じ遅延時間のデータ、、……を識別編集してインタ
フェログラムにすることによって或る状態のスペクトル
を取り出すことになる。
そして、の場合には、サンプリング周期tに反応周
期τが入ってしまうので、第5図(c)に示すように干
渉計の基準信号に同期させて繰り返し刺激を与え、一定
の遅延時間Δτで測定を行い、同じ遅延時間のデータを
編集してインタフェログラムにすることによって或る状
態のスペクトルを取り出すことになる。
しかし、特に上記の場合には、干渉計の持つ基準信
号との同期が必要であると共に、非常に速い測定が必要
である。例えばサンプリング周期tが100μSで100点の
測定を行おうとすると、1μSの時間で測定を繰り返す
ことになり、移動鏡の1回のスキャンで非常に大容量の
データを取り込み処理しなければならなくなる。しか
も、測定後に各データを識別して同じ遅延時間のデータ
を編集しなければならない。そうすると、FT-IRとして
は、高速のサンプリング機構やデータ編集機能等、従来
備えていない機能を付加しなければならなくなる。
また、反応周期がサンプリング時期より短くなると、
反応終了後、次のサンプリングまで無駄時間が生じ、測
定効率が悪くなるという問題がある。
さらに、上記の例の場合には、干渉計の持つ基準信号
と同期して刺激を与えているが、このような同期をとる
ことが難しく、自然に周期的な刺激が励起されるものの
場合には、上記の方法では測定ができないという問題が
ある。
そこで、本発明のパルス光源を用いたフーリエ変換分
光法を用いると、次のようにして上記の問題を解決する
ことができる。
第6図は本発明を適用した時分解分光測定装置の1実
施例構成を示す図、第7図は第6図に示す時分解分光測
定装置の動作を説明するための波形図である。図中、11
はパルス光源、12は干渉計、13は試料、14は検知器、15
はタイマ、16は可変型遅延回路、17は光源用電源、18は
刺激発生器、19はプリアンプ、20はローパスフィルタ、
21はメインアンプ、22はAD変換器、23はCPUを示す。
第6図において、試料13は、反応が刺激に対して繰り
返し同じ応答を示し、第7図(c)に示すように反応周
期τの測定対象であり、反応周期τがインタフェログラ
ムの各点のサンプリング間隔tより短いものである。タ
イム15は、第7図(b)に示すように第7図(a)に示
す干渉計12の持つ基準信号とは非同期で反応周期τより
長い周期t′のクロック信号を発生するものである。刺
激発生器18は、タイマ15で生成されたクロック信号に基
づいて試料13に第7図(b)に示すようなトリガ(刺
激)を与えるものであり、このトリガは、干渉計12の持
つ基準信号とは非同期となる。可変型遅延回路16は、タ
イマ15のクロック信号から一定時間Δτ′だけ遅延した
トリガを生成するものであり、光源用電源17は、このト
リガにより第7図(d)に示すようなタイミングでパル
ス光源11を駆動するものである。
上記のようにパルス光源11が第7図(d)に示すタイ
ミングで駆動されるため、検知器14には、同図(e)に
示すように櫛状の信号が得られる。つまり、繰り返しの
刺激に対し、その刺激よりある遅延時間でゲートをかけ
刺激に対して一定の遅延時間の信号のみをサンプリング
したのと同じになり、櫛状のインタフェログラムが得ら
れる。ローパスフィルタ20は、この検知器14の出力から
得られる高調波を除去して第7図(f)に示すような包
絡線を得るために用いるものであり、この結果、櫛状の
インタフェログラムは、ローパスフィルタ20により通常
のアナログ信号に変換される。
上記の構成によれば、試料13が変化しないときの検知
器14の出力は、 F(x)=∫B(σ)(1+cos2πσx)dσ(σ;波
数=1/λ) ……(1) となるが、試料13に刺激を与えられると、一定の遅れΔ
τ′でゲートされたときの検知器16の出力は、等間隔に
サンプリングするので、デルタ関数を等間隔にしたコム
関数Шt′を含み、 F′(x)=∫B′(σ,Δτ′)Шt′(t−Δ
τ′)(1+cos2πσx)dσ ……(2) となる。ここで、干渉計の移動鏡の速度をvとすると、
x=2vtであるが、周期的に与える刺激が移動鏡との移
動と非同期であるので移送関係はない。上記(2)式の
(1+cos2πσx)において、cos2πσxのかかってい
る項だけがスペクトルに変換できるので、この項のみを
抜き出すと、その出力は、 F″(x)=Шt′(t−Δτ′)∫B′(σ,Δ
τ′)cos2πσxdσ となる。そこで、この信号をローパスフィルタ20に通し
たときに得られる出力を見るため、 Шt′(t−Δτ′) をtでフーリエ変換すると、 となり、同じくコム関数になる。しかも、サンプリング
した間隔の逆数の間隔で出る。したがって、ローパスフ
ィルタ20を通すと、 F″(x)=1/t′∫B′(σ,Δτ′)cos2πσxdσ ……(4) となり、これが出力として得られる。この(4)式を上
記の(1)式と比較すると、F″(x)の式は、刺激を
与えてからΔτ′だけ遅延した時の試料の状態のインタ
フェログラムを得たことを示している。したがって、信
号の持つ波形帯域で決まるサンプリング間隔でAD変換す
ればよい。
上記の例では、タイマで発生したクロック信号を用い
て刺激発生器を制御すると共に、可変型遅延回路で時間
Δτ′だけ遅延させてパルス光源を駆動するように構成
したが、自己発振で周期t′のパルス光を放射する光
源、例えばモードロックパルスレーザを用いた場合に
は、光源をモニタし、それからt′−Δτ′遅延して刺
激を出すように構成してもよい。
上記のようにパルス光源を用いると、ローパスフィル
タを用いるとにより従来と同様のシステムで時分解分光
測定を行うことができる。
なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものでは
なく、種々の変形が可能である。例えば上記の実施例で
は、時分解分光測定法に本発明を適用したが、他のフー
リエ変換光分光法にも同様に適用することができる。
〔発明の効果〕
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、光
源にパルス光源を利用するので、SOR光源やパルスレー
ザ励起ラマン試料等を光源として利用することができ
る。しかも、測定対象に光を照射する時間を短くし照射
する光量を少なくすることができるので、光照射により
影響を受ける測定対象や連続照射等が好ましくない測定
対象に対してもフーリエ変換分光法を適用することがで
き、応用対象が広がる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係るパルス光源を用いたフーリエ変換
分光法の1実施例を説明するための図、第2図は第1図
における主要部の信号波形を示す図、第3図はフーリエ
変換光分光法の従来例を説明するための図、第4図は第
3図に示す回路の信号波形を示す図、第5図は時分解分
光法の従来例を説明するための図、第6図は本発明を適
用した時分解分光測定装置の1実施例構成を示す図、第
7図は第6図に示す時分解分光測定装置の動作を説明す
るための波形図である。 1……周期パルス光源、2……半透鏡、3……固定鏡、
4……移動鏡、5……検知器、6……アンプ、7……ロ
ーパスフィルタ、8……AD変換器。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】干渉計を用いてインタフェログラムを取り
    出しフーリエ変換して試料の分析スペクトルを得るフー
    リエ変換分光法において、光源としてパルス光源を用
    い、サンプリング周期より短い周期のパルス光を放射し
    て検知器出力から低周波成分のインタフェログラムを取
    り出しサンプリングしてフーリエ変換することにより、
    試料の分析スペクトルを得ることを特徴とするパルス光
    源を用いたフーリエ変換分光法。
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