JP3341928B2 - 二色性分散計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、円二色性分散計や直線
二色性分散計等と称される二色性分散計に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来の円二色性分散計は、光源から出射
された光を、偏光子を介して直線偏光にするとともに、
その直線偏光を光弾性変調器で左回り或いは右回りの円
偏光に変調し、それら各円偏光を交互に試料に照射す
る。すると、試料の特性に応じて左右の円偏光による吸
光度が違うため、試料を透過した透過光の強度は円偏光
の方向によって異なる。そこで、係る各透過光の強度を
受光素子（検出器）で検出するとともに、その後段の信
号処理回路にて係る強度の差を算出するようになってい
る。これにより試料の内部構造などの特性を調べるよう
にしている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、左右の円偏
光あるいは変調の途中段階での左右の楕円偏光に対して
作用が異なる光学素子（偏光子，光弾性変調器，検出器
等）があると、ベースラインのシフトが起き、また測定
値の直線性が悪くなる。特に、試料の配向、試料セルの
窓の歪、検出器の窓の歪が大きく影響する。また、光学
素子の温度変化により、光学的歪が変わり、偏光に対す
るその作用が変化し、安定度が悪くなる。これは、光学
素子の歪に起因する複屈折が温度により変わり、透過偏
光の偏光状態を変えてしまうためである。光学素子の屈
折率が偏光の方位で異なるとその素子により光束の曲が
り方が異なり、偏光の方位により検出器の受光面上での
光束が当たる位置がずれ、受光面の位置による感度むら
のため、検出器の出力信号が変わってしまい、偽の円二
色性が検出さる。さらに、複屈折は偏光の状態そのもの
を変える作用があり、これは直接的に円二色性の測定誤
差を生ずる原因となる。さらにまた、微量の試料に対す
る測定を行うためには、高感度にする必要があり、係る
場合には、上記した各種の問題がより顕著に現れ、精度
の向上のネックとなっていた。

【０００４】本発明は、上記した背景に鑑みてなされた
もので、その目的とするところは、円（直線）二色性を
測定するために偏光状態を変えたときの装置の光学素子
の不完全さに起因する測定の誤差を軽減することがで
き、感度の向上を図ることのできる二色性分散計を提供
することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明に係る二色性分散計では、無偏光状態の
光を試料に照射する光照射手段と、前記試料からの透過
光あるいは反射光の偏光成分を位相変調する光変調手段
と、前記光変調手段で変調された光の直線偏光成分を抽
出する手段と、前記直線偏光成分を抽出する手段にて抽
出された光を受光する手段と、その受光する手段で受光
された光成分に基づいて、前記試料にて吸収された光成
分を検出することにより前記試料の特性を計測する信号
処理手段とを備えた。

【０００６】

【作用】光照射手段を用いて、試料に対して無偏光状態
の光を照射する。この照射された無偏光は、同一エネル
ギー量の左回りの円偏光と右回りの円偏光を合成したも
のとみなせるため、試料が一方（例えば左回りの円偏
光）をよく吸収する性質を有している場合には、試料か
ら出射される透過光或いは反射光は、右回りの円偏光が
強い偏光成分となる。よって、係る偏光成分を検出する
ことにより、試料の特性を調べることができる。また上
述のごとく、試料に対しては無偏光の光が照射されるた
め、たとえ試料の配向、試料セルの窓の歪、検出器の窓
の歪があったとしても、測定結果に悪影響を与えない。

【０００７】

【実施例】以下本発明に係る二色性分散計について添付
図面を参照にして詳述する。図１には本発明の一実施例
である円二色性分散計の概略光学系図を示している。同
図に示すように、本例では、光照射手段たるキセノンラ
ンプ等の無偏光状態の光を出射する光源１からの出射光
をレンズ２で集光して平行光束にした後、偏光解消板３
を介して試料４に照射するようにしている。ここで、レ
ンズ２と試料４との間に偏光解消板３を配置したのは、
光源１から出射する出射光自身に僅かな偏光成分が含ま
れていたり、レンズ２を透過する際（特に、中心から離
れた周縁を通過する光）に偏光成分が生じることがある
ので、係る偏光成分を除去して無偏光の光を試料４に照
射することにより高精度な測定を行えるようにしたため
である。したがって、要求される精度や、その他の条件
によっては必ずしも必要ではない。

【０００８】さらに、試料４を通過した光束の進路上に
所定の周波数ｆ（発振器５ａの発振周波数）で位相変調
（sin 変調）させる光変調手段たる光弾性変調器５，直
線偏光成分を抽出する手段たる検光子６，レンズ７を、
その順に配置し、さらにそのレンズ７の焦点位置に分光
器８の入射スリットを配置している。そしてその分光器
８の出力側に検出器９を配置している。なお、本例で
は、上記分光器８並びに検出器９で受光する手段を構成
している。そして、本例では、上記検出器９を光電子増
倍管から構成し、この検出器９で検出した光を後段の信
号処理装置１０に送るようになっている。

【０００９】この信号処理装置１０は、図２に示すよう
に、検出器９より出力した電気信号を前置増幅器Ａ１に
てインピーダンス変換し、その前置増幅器Ａ１の出力を
直流増幅器Ａ２に接続し、そこにおいてその出力の直流
成分を増幅して検出器駆動制御部１１に与え、その検出
器駆動制御部１１にて検出器９を構成する光電子増倍管
の陰極電圧がコントロールされ、出力信号の直流成分が
一定になるようにフィードバック制御されている。

【００１０】また、上記前置増幅器Ａ１の出力は、コン
デンサＣを介して交流増幅器Ａ３にも入力されるように
なっている。そして、光弾性変調器５の変調周波数ｆ
［Ｈｚ］の交流成分は、交流増幅器Ａ４で増幅されＰＳ
Ｄで同期整流され、低周波増幅器Ａ５で直流増幅された
後、記録計Ｒで記録される。なお、係る信号処理装置１
０の構成は、従来のものと同様であるため、その詳細な
説明を省略する。

【００１１】次に、上記構成の作用について説明する。
まず、光源１から出射されレンズ２，偏光解消板３を介
して得られた無偏光状態の平行光束を試料４に照射す
る。ここで試料４への照射光に着目すると無偏光状態で
あるので、同一エネルギー強度の右回りの円偏光と、左
回りの円偏光を合成したものととらえることができる。
したがって、仮に試料４が左回りの円偏光をよく吸収す
る性質を有している場合には、試料４から出射される透
過光は、右回りの円偏光が強い偏光成分となる。そし
て、係る透過光は、従来の円二色性分散計における方向
の異なる円偏光を交互に照射した時の透過光の強度差と
等価のものとみなせる。

【００１２】よって、係る偏光成分を有する透過光を光
弾性変調器５にて位相変調するとともに次段の検光子６
に入射させる。すると、そこにおいて直線偏光成分のみ
が通過することになる。そしてその後はその直線偏光が
レンズ７を介して分光器８に入射されてそこにおいて単
色光にされ、それを検出器９で電気信号に変換され、さ
らに信号処理装置１０にて上記電気信号に対して上記し
た所定の演算処理等を施して、試料４の特性を検出す
る。

【００１３】そして、本例では上記したごとく、試料４
に対しては無偏光の光が照射されるため、たとえ試料４
の配向、試料セルの窓の歪、検出器の窓の歪があったと
しても、測定結果に悪影響を与えない。また、検光子６
以降の光は、直線偏光であるため、その後の分光器８，
検出器９での偏光による感度差の影響も受けない。よっ
て、測定誤差が可及的に抑制され、感度の向上を図るこ
とができる。さらに、同一試料に対して一回の光照射で
二色性の計測が行えるため、例えば液体クロマトグラフ
ィ等の試料が流れている（移動している）ようなものに
対しての測定も可能となり、より高精度な測定が行え
る。

【００１４】ここで、上記した動作原理についての解析
結果について説明する。まず偏光を４個のパラメータを
もつストークスベクトルで表現し、偏光素子等の光学素
子や試料を、入射偏光のストークスベクトルを射出偏光
のストークスベクトルに変換する素子と考えて４×４の
行列、すなわちミュラー行列で表し、各素子および試料
のミュラー行列の積を求めることにより、検出器に入射
する光強度を求める。

【００１５】つまり、偏光子をミュラ−行列で表すとと
もに、その他の光学素子も直線位相子、部分位相子とし
てミュラー行列で表現し、さらに円二色性をもつ試料を
同様にミュラー行列で表現し、光検出器に入射する偏光
のストークスベクトルを求める。そのため、入射光のス
トークスベクトルと試料、各光学素子を表す各ミュラー
行列の積を求めて、これを光検出器で検出される偏光の
ストークスベクトルとする。なおここで光弾性変調器を
ｆ［Ｈｚ］で変調したとき、変調器はその変調成分をも
つ直線位相子のミュラー行列と同じになる。

【００１６】このようにして求められた検出器で検出さ
れる偏光の強度のうち、変調成分を含まない直流成分並
びに変調成分と同じ周波数ｆ［Ｈｚ］をもつｆ［Ｈｚ］
成分を導いた。このような解析の結果ｆ［Ｈｚ］成分に
は円二色性の信号が含まれることが判明した。

【００１７】以下さらに詳細な結果を説明する。ミュラ
ー行列法では、光の偏光状態を表すストークスベクトル
と、光学素子を表すミュラー行列を用いる。ここで、ス
トークスベクトルは、光の強さやかたよりを表す４つの
パラメータを持ち、偏光単色に対して次のように表され
る。

【００１８】

【数１】 そして光源からの出射光の単色光成分は部分的に偏光し
ており円偏光成分はないと考えられるので、ストークス
ベクトルを用いると、次のように表される。

【００１９】

【数２】 さらに光学素子のミュラー行列は、それぞれ次のように
表される。すなわち、レンズは歪に起因する直線複屈折
をもつので、レンズ２の直線複屈折をＬＢ1 とし、レン
ズ７のそれをＬＢ2 とすると、レンズ２のミュラー行列
Ｌ１と、レンズ７のミュラー行列Ｌ２は、それぞれ）

【００２０】

【数３】 となる。またＹ軸方向にその光軸を持つ検光子のミュラ
ー行列Ａは、

【００２１】

【数４】 と表され、さらにＸ軸、およびＹ軸に対して４５゜方向
にその光軸を持つ光弾性変調器のミュラー行列Ｍは、下
記のようになる。

【００２２】

【数５】 ここで，ｔは時間、ωは光弾性変調器の変調の角速度、
δ0 は変調の振幅であり、δ0 sin ωｔの位相差δをＸ
軸およびＹ軸方向の偏光に与えるように光変調をしてい
ることを示す。さらにδ＝δ0 ｓｉｎωｔと定義し、ま
たαは、光弾性変調器の光学素子が持つ残留歪の量に起
因する位相のずれである。

【００２３】さらに検出器は、偏光に対して感度に差が
あるので部分検光子として扱うと、そのミュラー行列Ｄ
は、下記のようになる。但しＰX2、ＰY 2 はそれぞれＸ
軸、Ｙ軸方向の感度であり、ａはＸ軸に対する部分検光
子としての方位角である。

【００２４】

【数６】 同様に、分光器を部分偏光子として扱うと、そのミュラ
ー行列Ｍmonoは、下記のようになる。但しｂはＸ軸に対
する部分偏光としての方位角である。

【００２５】

【数７】 そして、円二色性をＣＤ、旋光度をＣＢとすると、ＣＤ
およびＣＢをもつ試料に対しては以下のようになる。

【００２６】

【数８】 また、直線二色性をＬＤ、直線複屈折をＬＢとし、ＬＤ
およびＬＢをもつ試料に対しては以下のようになる。

【００２７】

【数９】 一方、円二色性試料を入れた場合の検知器の受光面での
光の状態を示すベクトルＩd は次式の行列演算により得
られる。

【００２８】 Ｉd ＝Ｄ・Ｍmono・Ｌ2 ・Ａ・Ｍ・ＳCD・Ｌ1 ・Ｉ 実際に検出器で測定されるのは光の強度のみなのでそれ
を求めると、ωの周波数成分を求めればよく、

【００２９】

【数１０】 となる。そして一般にレンズの複屈折ＬＢＬ1 は小さい
ので、ＣＤが小さい時は測定に影響しないことがわか
る。またＣＤが小さいとき試料のＬＢの影響も小さい。
そして高感度測定では実用的にはＣＤ値は小さいものが
ほとんどであり、本発明の利用の目的はＣＤ値の小さな
ものを測定することである。

【００３０】また、２ωの周波数成分を求めると、Ｋ2
を定数として Ｉ（２ω）＝Ｋ2 ・ＬＤ・cos （２ω） から直線複屈折ＬＢ項の入らない式が得られ、ＬＤの測
定に試料のＬＢが関係しないことがわかる。

【００３１】また試料のない場合の検出器受光面での光
の状態は次の行列式の演算で得られる。

【００３２】 Ｉb ＝Ｄ・Ｍmono・Ｌ2 ・Ａ・Ｍ・Ｌ1 ・Ｉ0 そして検出されるのは光強度のみなので、ωの周波数成
分を求めると、Ｋ1 を定数として、

【００３３】

【数１１】Ｉb （ω）＝Ｋ1 〔ＬＢL1・Ｓ1 −（ＬＢL
1’＋sin α）・Ｓ3 〕 この式から試料に照射する光に偏光成分がなければ、上
の式の値は零になる。すなわちベ−スラインのシフトは
なく、測定の直線性に影響を与えないことがわかる。偏
光成分がある場合は、偏光解消板を光路に入れて無偏光
状態にすることが効果的でありことがわかる。

【００３４】なお、本発明は、上記した実施例に限るこ
とはなく、例えば、試料が光照射により影響を受ける場
合はその影響を与える波長域の光をカットするフィルタ
を偏光解消板の前に挿入配置してもよく、また、試料が
照射される光の熱の影響をうける場合には、上記位置に
コールドミラーを配置してもよい。また、光変調手段と
しては、上記した光弾性変調器のかわりにポッケルセル
などの電気光学効果を利用した素子を使用することも可
能である。

【００３５】なおまた、検出器として光電子増倍管の代
わりにホトダイオードを使用してもよく、係る場合にお
ける信号処理装置の構成としては、ｆ［Ｈｚ］成分の出
力信号を増幅した増幅器Ａ５の出力信号強度を、直流増
幅器Ａ２の出力信号強度で割り算すればよい。そして割
り算はアナログ的な割り算回路を利用する方法、あるい
は信号電圧を一度デジタル変換してコンピュータで行う
方法がある。

【００３６】さらにまた、上記した実施例では、試料に
照射した光がその試料内を透過するものについて説明し
たが、試料にて反射してて得られた反射光に基づいて計
測するものでももちろんよい。そして、係る場合には、
試料の後段の配置が反射光の光路上に配置すればよい。

【００３７】なおまた、上記した各実施例では、円二色
性分散計について説明したが、本発明の原理を用いるこ
とにより直線二色性分散計についても適用できるのはも
ちろんである。

【００３８】

【発明の効果】以上のように、本発明に係る二色性分散
計では、試料に照射する光を無偏光状態（同一エネルギ
ー量の左回りの円偏光と右回りの円偏光を合成したもの
とみなせる）としたため、たとえ光学素子の不完全さ
や、試料の配向、試料セルの窓の歪、検出器の窓の歪等
があったとしても、測定結果に悪影響を与えないか、そ
の影響を可及的に減少できる。また、光を受光する手段
の手前側に直線偏光成分を抽出する手段とを配置したた
め、係る受光する手段さらには直線偏光が入射されるの
で、偏光による感度差の影響も受けない。よって、測定
誤差が可及的に抑制され、感度の向上を図ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る二色性分光計の好適な一実施例を
示す構成図である。

【図２】信号処理装置の回路構成を詳細に示した図であ
る。

【符号の説明】 １ 光源 ２ ミラー ３ 偏光解消板 ４ 試料 ５ 光弾性変調器 ６ 分光器 ７ ミラー ８ 分光器 ９ 検出器 １０ 信号処理装置

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 無偏光状態の光を試料に照射する光照射
   手段と、 前記試料からの透過光あるいは反射光の偏光成分を位相
   変調する光変調手段と、 前記光変調手段で変調された光の直線偏光成分を抽出す
   る手段と、 前記直線偏光成分を抽出する手段にて抽出された光を受
   光する手段と、 その受光する手段で受光された光成分に基づいて、前記
   試料にて吸収された光成分を検出することにより前記試
   料の特性を計測する信号処理手段とを備えた二色性分散
   計。
2. 【請求項２】 前記光照射手段の出力側の光路上に、偏
   光解消板を挿入配置してなる請求項１に記載の二色性分
   散計。
3. 【請求項３】 前記光照射手段の出力側の光路上に、特
   定の波長範囲の光をカットするためのフィルタ及びまた
   はコールドミラーを挿入配置してなる請求項１または２
   に記載の二色性分散計。