JP4131248B2 - 分光光度計 - Google Patents

Description

本発明は分光光度計に関し、更に詳しくは、分光光度計の試料室の内部に設置されて各種の分光測定を行うための付属装置に関する。

分光測定では、拡散反射測定法、全反射測定法（ＡＴＲ法）、高感度反射測定法などの各種の測定法が利用されている。そのため、従来の分光光度計では、こうした各種の測定法に対応するように設計された個別の付属装置（アタッチメント）を試料室内にセットして測定を行うようにしていた。このため、ユーザは測定法の種類の数だけ付属装置を用意しなければならず、コスト的な負担が大きかった。こうした問題を解決するための装置として、特許文献１に記載の分光光度計が知られている。

図６はこの従来の赤外分光光度計における付属装置１の構成図、図７は各種測定を行う場合のパラボラ鏡６、１１と試料ホルダ１０との位置関係を示す図である。この付属装置１は、赤外光を集光又は平行光化するパラボラ鏡２、４、６、１１、１５と、赤外光の角度を変える平面鏡３、５、１４、１６と、平面鏡５とパラボラ鏡６の位置を変更する可動部７と、パラボラ鏡６の角度を変更する回転つまみ８と、平面鏡１４とパラボラ鏡１１の位置を変更する可動部１２と、パラボラ鏡１１の角度を変更する回転つまみ１３と、を備えており、パラボラ鏡６と１１との間に試料ホルダ１０が配置され、試料ホルダ１０からの透過赤外光又は反射赤外光が最終的に楕円面鏡１７により赤外検出器１８に集光されるように構成されている。

図示しない干渉計からの赤外光はパラボラ鏡２で集光され、平面鏡３で方向を変えてパラボラ鏡４に入射し、ここで平行光に変換される。平行光となった赤外光は平面鏡５で方向を変えられ、パラボラ鏡６により試料ホルダ１０に集光される。試料ホルダ１０に保持される試料を通過した赤外光はパラボラ鏡１１に達し、再び平行光に変換されて平面鏡１４で方向を変えられる。さらにパラボラ鏡１５で集光された赤外光は平面鏡１６で方向を変えられて楕円面鏡１７に送られ、楕円面鏡１７により赤外検出器１８に集光される。

透過測定の場合には、図７（ａ）に示すように、パラボラ鏡６、１１、試料ホルダ１０は直線上に配置される。高感度反射測定を行う場合には、大きな入射角で試料に赤外光を入射する必要がある。このときには、図７（ｂ）に示すように、可動部７、１２により、平面鏡５とパラボラ鏡６及び平面鏡１４とパラボラ鏡１１を、透過測定の場合よりも互いに近づけ、さらに回転つまみ８、１３によりパラボラ鏡６、１１を斜め下向きに回転させる。これによって、パラボラ鏡６によって集光される赤外光は斜め下向きに反射され、この焦点位置に配置された試料ホルダ１０に保持される試料に当たって反射されてパラボラ鏡１１に向かう。

拡散反射測定の場合には、上記高感度反射測定時よりも試料への赤外光の入射角を小さくする必要がある。そこで、図７（ｃ）に示すように、可動部７、１２により平面鏡５とパラボラ鏡６及び平面鏡１４とパラボラ鏡１１をさらに一層近づけ、パラボラ鏡６、１１をさらに斜め下向きに回転させる。また、１回反射全反射吸収測定（ＡＴＲ法）の場合には、図７（ｄ）に示すように、パラボラ鏡６、１１を斜め上向きに回転させ、パラボラ鏡６によって半球形のプリズム１９に赤外光を集光する。プリズム１９に入った光は内面反射してプリズム１９から出てパラボラ鏡１１へと向かう。プリズム１９の内面反射面に試料を押し当てることで、その試料表面の赤外全反射吸収スペクトルを測定することができる。

このように、上記従来の付属装置１を用いれば、可動部７、１２による移動と、回転つまみ８、１３の回転、及び試料ホルダの設置位置に応じて、様々な測定法による測定を達成することができる。

特開２００２−３７２４５６号公報

上記従来の付属装置の構成は非常にフレキシビリティが高く殆どの測定法を網羅しているものの、その反面、構造が複雑になるためコスト的に高くなる。また、光が鏡で反射される回数が多いので、光の損失が大きく感度を上げるのに不利である。実用的には、ここまで高いフレキシビリティが要求されない場合も多く、或る程度、測定法が限定されても、より低いコストで付属装置を入手したいという要望も強い。

本発明はこのような点に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、一般的に使用頻度の高い特定の測定法、具体的には拡散反射法、ＡＴＲ法、及びファイバ測定法に特化して、比較的簡単な構造とすることで低廉なコストであるような付属装置を備える分光光度計を提供することにある。

上記課題を解決するために成された本発明は、試料に測定光を照射し、該測定光に対する試料での透過光や反射光を検出する分光光度計において、
a)光照射部から所定位置に集光するように入射された測定光を反射する平面鏡、該平面鏡で方向を変えられた光の焦点位置と試料測定点とに共焦点を持ち、前記平面鏡で反射された測定光を該試料測定点に集光して照射する楕円面鏡、及び、該楕円面鏡をその入射光軸を中心として回転させる回転手段、を含む入射光学系と、
b)前記試料測定点を含む面に対し前記入射光学系と略鏡面対称に配置された、平面鏡、楕円面鏡、回転手段を含む出射光学系と、
を備え、前記入射光学系及び出射光学系の回転手段によりそれぞれ楕円面鏡を回転させることで、試料測定点の位置を変化させて異なる測定手法に対応させたことを特徴としている。

具体的な一実施態様として、前記入射光学系及び出射光学系を１つの付属装置として構成し、分光光度計において試料をセットするための試料室に必要に応じて前記付属装置を設置し、回転手段により入射側と出射側の楕円面鏡をそれぞれ回転させることで、複数の測定手法に対応させる構成とすると都合がよい。

本発明に係る分光光度計では、回転手段により両楕円面鏡を対称性を維持して回転してゆくと、楕円面鏡から共焦点までの距離は一定であるため、入射光学系にとっての試料測定点と出射光学系にとっての試料測定点とが一致する点が２つ存在する。この２つの状態では、その試料測定点に配置された試料に対して楕円面鏡で集光された測定光が所定角度で入射し、その入射角と同一の出射角で試料から出た反射光が出射光学系の楕円面鏡で集光されて後段の光路へと送られる。したがって、この状態において拡散反射測定を行うことができる。また、同様の光路で試料測定点に例えばプリズムを配置することでＡＴＲ測定も可能となる。さらにまた、楕円面鏡を回転させて、入射光学系にとっての試料測定点と出射光学系にとっての試料測定点とを離した位置とし、入射光学系から出た測定光を光ファイバに導入し、一方、光ファイバで案内されてきた反射光や透過光を出射光学系に入射することによって、光ファイバ測定が可能となる。

本発明に係る分光光度計では、光照射部から所定位置に集光するように入射された測定光を全く平行光化することなく、平面鏡、及び楕円面鏡を用いて試料測定点に集光しているので、光学系の構成を非常に簡素化でき、しかも、こうした簡単な構成でありながら、特に近赤外分光測定に利用価値の高い、拡散反射測定法、ＡＴＲ測定法、及びファイバ測定法の三種について測定を行うことができる。したがって、多くのユーザにとって利用価値の高い分光光度計や分光光度計用の付属装置を安価で提供することができる。また、本発明に係る分光光度計では、光路上に設けられた鏡の数が少ないので、光量の損失が少なく、従来に比べて高感度な測定を行うのに有利である。

以下、本発明に係る分光光度計の一実施例について図面を参照して説明する。図５は本実施例である赤外分光光度計の概略構成図である。

光源２０から発した赤外光は例えばマイケルソン干渉計などの干渉計２１に導入され、ここで赤外干渉光が生成されて試料室２２に照射される。通常、試料室２２内の所定位置に配置された試料２５に赤外光は集光され、例えば試料２５を透過した光は楕円面鏡２３により赤外検出器２４に集光される。この試料室２２内に後述する付属装置３０が設置され、その付属装置３０により光路構成を変えることで拡散反射測定やＡＴＲ測定などが行えるようになっている。

図１はこの付属装置３０の一実施例を示す構成図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は左側面図、（ｃ）は上面図である。図２はこの付属装置３０で拡散反射測定を行う場合の光路図、図３はこの付属装置３０でＡＴＲ測定を行う場合の光路図、図４はこの付属装置３０で光ファイバ測定を行う場合の光路図である。但し、図面上で構成要素が重なって見にくくなる部分については適宜記載を省略している。

図１に示すように、この付属装置３０は、入射光学系として、赤外光の角度を変えるための平面鏡３１、３２と、赤外光を集束するための楕円面鏡３３と、該楕円面鏡３３を入射光軸Ｓを中心に回転させるための回転つまみ３４とを備える。また、出射光学系として、赤外光の角度を変えるための平面鏡３７、３８と、赤外光を集束するための楕円面鏡３５と、該楕円面鏡３５を上記入射光軸Ｓに相当する出射光軸Ｓ’を中心に回転させるための回転つまみ３６とを備える。

本発明における光照射部に相当する図示しない干渉計から到来する赤外光は、まず平面鏡３１で真上方向に向きを変えられる。平面鏡３１が存在しない場合、入射してきた赤外光の焦点はＰであるが、平面鏡３１で反射されたときの焦点はＡの位置となる。この赤外光はさらに平面鏡３１の直上に配置された平面鏡３２により前方へ向かうように反射される。この平面鏡３２の前方には、平面鏡３１で反射された光の光軸上の焦点位置Ａと試料位置Ｂ又はＢ’とを共焦点に持つ楕円面鏡３３が配置されており、光は楕円面鏡３３で反射されて試料位置に集光される。出射光学系はこの試料位置を中心に入射光学系と左右対称に配置されており、後述するように試料で反射された光は楕円面鏡３５及び平面鏡３７を経て、楕円面鏡３５の共焦点位置Ｃで一旦結像した後に、平面鏡３８で反射されて赤外検出器へ向かう光路に導かれる。

回転つまみ３４、３６により、入射側の楕円面鏡３３は入射光軸Ｓを中心に、出射側の楕円面鏡３５は出射光軸Ｓ’を中心に回転可能であって、この例では５０°の入射角で上向きでも下向きでも反射光学系が形成される。２つの楕円面鏡３３、３５を左右対称が維持された状態で回転すると、楕円面鏡３３、３５の一方の焦点位置Ａ、Ｃは固定されるが、他方の焦点位置は移動し、図１（ａ）に示す試料位置Ｂ又はＢ’の位置では２つの楕円面鏡３３、３５の焦点は一致する。上記説明から明らかなように、この付属装置３０では、赤外光はいずれの位置でも平行化されることはなく、試料位置Ｂ又はＢ’に焦点を結ぶように光路が形成されている。

次に、この付属装置３０を用いた測定法について説明する。まず、粉体の測定や特に少量の試料に対する拡散反射測定を行う場合には、図２に示すように、楕円面鏡３３、３５を斜め下向きに回転させ、上述した試料位置Ｂ’に焦点が来るようにする。そして、この試料位置Ｂ’に、容器に収容した試料４０を配置する。このとき、楕円面鏡３３で集光された赤外光は試料４０に所定の入射角で当たり、試料４０による反射光は楕円面鏡３５で集光されて後段へと送られる。

ＡＴＲ測定を行う場合には、図３に示すように、楕円面鏡３３、３５を斜め上向きに回転させ、上述した試料位置Ｂに焦点が来るようにする。そして、この試料位置Ｂに全反射条件を満たす例えば半球状のプリズム１９を配置する。このとき、楕円面鏡３３で集光された赤外光はプリズム１９に入射し、プリズム１９に入った光は内面反射してプリズム１９から出て楕円面鏡３５へと向かう。このプリズム１９の内面反射面に試料を押し当てることで、その試料表面の赤外全反射吸収スペクトルを測定することができる。

もちろん、図３に示す光路構成で拡散反射測定を行うことも可能である。実用的には、大きな試料の一部や瓶、袋などにに収容された状態の試料を測定するには、このように試料位置Ｂに試料を配置したほうが都合がよいことが多い。また、同様に、図２に示す光路構成でＡＴＲ測定を行うことも可能である。

光ファイバ測定を行う場合には、図４に示すように、例えば楕円面鏡３３、３５を真上向きに回転させ、両楕円面鏡３３、３５の焦点位置を離す。そして、楕円面鏡３３側の焦点位置に光ファイバ５０の光導入口を設け、楕円面鏡３５側の焦点位置に光ファイバ５０の光導出口を設ける。光導入口から光ファイバ５０に入った赤外光はファイバプローブ５１を経由して再び光ファイバ５０によって導かれて光導出口から楕円面鏡３５に戻される。ファイバプローブ５１で試料の反射光や透過光を取得することで、この反射光や透過光の赤外スペクトルを測定することができる。なお、この場合、楕円面鏡３３、３５の焦点位置に光ファイバ５０の光導入口及び光導出口を設けさえすれば、楕円面鏡３３、３５の回転角度は任意である。

なお、本実施例では楕円面鏡の回転により試料位置を上下方向に切替え可能としたが、同様の機構を用いて左右方向に切替え可能とした構成とすることもできることは明らかである。

また、上記実施例は本発明の一実施例であって、本発明の趣旨の範囲で適宜に修正や変更を行えることは明らかである。例えば、上記実施例において付属装置とした光学系を分光光度計の一部に組み込んでもよい。

本発明の一実施例である分光光度計の付属装置の構成を示す正面図（ａ）、左側面図（ｂ）及び上面図（ｃ）。 本実施例による付属装置で拡散反射測定を行う場合の光路図。 本実施例による付属装置でＡＴＲ測定を行う場合の光路図。 本実施例による付属装置で光ファイバ測定を行う場合の光路図。 本実施例の分光光度計の概略構成図。 従来の赤外分光光度計における付属装置の構成図。 従来の付属装置で各種測定を行う場合のパラボラ鏡と試料ホルダとの位置関係を示す側面図。

符号の説明

１９…プリズム
２０…光源
２１…干渉計
２２…試料室
２３…楕円面鏡
２４…赤外検出器
３０…付属装置
３１、３２、３７、３８…平面鏡
３３、３５…楕円面鏡
３４、３６…回転つまみ
４０…試料
５０…光ファイバ
５１…ファイバプローブ

Claims (2)

1. 試料に測定光を照射し、該測定光に対する試料での透過光や反射光を検出する分光光度計において、
   a)光照射部から所定位置に集光するように入射された測定光を反射する平面鏡、該平面鏡で方向を変えられた光の焦点位置と試料測定点とに共焦点を持ち、前記平面鏡で反射された測定光を該試料測定点に集光して照射する楕円面鏡、及び、該楕円面鏡をその入射光軸を中心として回転させる回転手段、を含む入射光学系と、
   b)前記試料測定点を含む面に対し前記入射光学系と略鏡面対称に配置された、平面鏡、楕円面鏡、回転手段を含む出射光学系と、
   を備え、前記入射光学系及び出射光学系の回転手段によりそれぞれ楕円面鏡を回転させることで、試料測定点の位置を変化させて異なる測定手法に対応させたことを特徴とする分光光度計。
2. 前記入射光学系及び出射光学系を１つの付属装置として構成し、試料をセットするための試料室に必要に応じて前記付属装置を設置するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の分光光度計。

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