JP4476433B2

JP4476433B2 - 分光測定装置

Info

Publication number: JP4476433B2
Application number: JP2000141566A
Authority: JP
Inventors: 啓介小林
Original assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 2000-05-15
Filing date: 2000-05-15
Publication date: 2010-06-09
Anticipated expiration: 2020-05-15
Also published as: JP2001324383A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、分光器に関するものであり、特に、分光器に係る光軸の位置合わせを簡便且つ正確に行なうことができる分光器及び補助光源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図８（１）は、従来から利用されている分光測定装置の全体構成を示す模式図である。この分光測定装置では、励起用レーザ１９からレーザを発射し、ミラー２２にて反射させ、例えば半導体試料２４上のレーザスポット３２に照射してルミネセンス光を発生させ、分光器２に該光を入射させる。
【０００３】
分光器２に入射した光は、所定の処理を施されて外部に出てくる。出てきた該光は、別の集光レンズ２８により集光されて検出器３０に到り、その検出器３０にて所定の測定（検出）作業が行なわれる。
【０００４】
図７に、上記の分光測定装置を構成する従来例の分光器２の模式図を示す。この分光器２では、試料２４から得られた入射光４が入射側スリット６を通過して分光器２内に入る。
【０００５】
入射側スリット６を通過した入射光４は、平面鏡８と凹面鏡１０で反射し、回折格子１２で分散し、凹面鏡１４及び平面鏡１６で反射し、出射側スリット２０を通過し、出射光１８となって分光器２の外部に到る。
【０００６】
上記の従来例の分光測定装置や分光器２を使用して分光測定を行なう場合、分光対象試料２４からの光を分光器スリット（入射側スリット６及び出射側スリット２０）に導き、更に光軸を調整するまでの準備手続きを、予め行なう必要がある。そのため、従来、準備作業として、実際に励起用レーザ１９などから光線を発生させ、それにより分光対象試料２４から光を発生させて、その光をレンズ系２６、２８、入射側スリット６、分光器２、出射側スリット２０及び検出器３０に与え、それら部位の相互の位置を調整しつつ、両スリット６、２０及び検出器３０上にて適宜焦点を結んでいるかを目視により判断していた。
【０００７】
しかし、上記のような方法では、分光対象試料２４から発する光が可視領域外光線である場合、即ち赤外光線や紫外光線である場合は、目視判断不可能である。そこで、従来、上述と同様に光を発生させて検出器３０で信号強度を測り、その信号強度を手掛かりにして手探りで調整する、という手順を採用していた。
【０００８】
一方、特開平６−８８７４９号には、上記の課題を解決するための発明が開示されている。この公報で開示されている１つの実施形態は、スリットと指向性の弱い調整用光源とを上下に配置し、治具を上下に動かして、スリット若しくは調整用光源の何れかを光路に挿入する構成を採用している。別の実施形態は、スリット（を含むユニット）を取り外しそこに指向性の弱い調整用光源を挿入する構成を採用している。いずれにせよ、これらの実施形態では、準備作業として、スリットのあるべき位置に（指向性の弱い）調整用光源３６（、３８）を配置し（図８（２））、調整用光源３６（、３８）から発した光を集光レンズ２６（、２８）を介し分光対象試料２４又は検出器３０にスポット３４（、４０）を形成させ、その（それらの）スポット３４（、４０）が焦点（結像位置）となるように、レンズ系２６、２８、試料２４及び検出器３０の夫々の相対位置を調整する必要がある。
【０００９】
図８（２）は、調整用光源３６、３８をスリットのあるべき位置に配置して該光源３６、３８から発光させ、その（それらの）発光を利用して、レンズ系２６、２８、試料２４及び検出器３０の夫々の相対位置を調整した分光測定装置の様子を示す。それら部位の相対位置の調整の後、スリット６、２０をあるべき位置に再び配置して、分光測定が行なわれる（図８（１））。
【００１０】
上述の発明（特開平６−８８７４９号）の実施形態において、調整用光源３６（、３８）に例えば赤色ダイオードを利用することにより、分光対象試料２４または検出器３０に形成されるスポット３４、４０が、常に見やすいものとなり、従って、全体の位置調整作業が容易になる。しかし、図７に示すように、分光器２の特に光路に係る構成は非常に厳密さを要求するものである。従って、分光器２に対するスリット（入射側スリット６、出射側スリット２０）の配置位置は、他の部位に対して相対的に固定されていることが好ましい。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、スリット（入射側スリット６、出射側スリット２０）の配置位置を、分光器２の他の諸部位に対して相対的に固定したままで、レンズ系２６、２８、分光対象試料２４、検出器３０及び分光器２の夫々の、アラインメントを容易に且つ正確に行なう、簡潔な光軸調整補助装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の目的を達成するためになされたものである。本発明に係る請求項１に記載の分光測定装置は、分光測定の対象となる試料から得られた光を分光し検出して上記試料の特性を得る分光測定装置である。上記分光測定装置は、
上記試料からの光を案内する入射光学系と、
上記入射光学系から与えられた光を分光する分光器と、
上記分光器で分光された光を案内する出射光学系と、
上記出射光学系から与えられた光を検出する検出器とを有し、
上記入射光学系は、
入射側集光レンズと、
上記分光器の近傍に配置され且つ少なくとも一つのスリットを有する光整形部材と、
上記分光器と上記光整形部材との間に配置された補助光源と、
上記補助光源から出射された光を、上記スリットに結像し且つ上記入射側集光レンズを介して上記試料に焦点を結ぶ補助光学系と、
上記補助光源と補助光学系とを、上記入射光学系から上記分光器に与えられる光の光路から退避した第１の位置と上記光路上に進出した第２の位置との間で移動可能に且つ第１の位置と第２の位置に固定可能に保持するホルダとを有し、
上記分光測定装置はまた、上記試料を保持すると共に上記補助光源から出射された光が上記試料に結像されるように上記試料を移動させ得る支持部を有することを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る請求項２記載の分光測定装置は、分光測定の対象となる試料から得られた光を分光し検出して上記試料の特性を得る分光測定装置である。上記分光測定装置は、
上記試料からの光を案内する入射光学系と、
上記入射光学系から与えられた光を分光する分光器と、
上記分光器で分光された光を案内する出射光学系と、
上記出射光学系から与えられた光を検出する検出器とを有し、
上記出射光学系は、
出射側集光レンズと、
上記分光器の近傍に配置され且つ少なくとも一つのスリットを有する光成形部材と、
上記分光器と上記光整形部材との間に配置された補助光源と、
上記補助光源から出射された光を、上記スリットに結像し且つ上記出射側集光レンズを介して上記検出器に焦点を結ぶ補助光学系と、
上記補助光源と補助光学系とを、上記分光器から上記出射光学系に与えられる光の光路から退避した第１の位置と上記光路上に進出した第２の位置との間で移動可能に且つ第１の位置と第２の位置に固定可能に保持するホルダとを有し、
上記分光測定装置はまた、上記検出器を保持すると共に上記補助光源から出射された光が上記検出器に結像されるように上記検出器を移動させ得る支持部を有することを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ、本発明に係る好適な実施形態を説明する。
【００１５】
図１は、本発明に係る第１の実施形態を説明するための、分光器２’の全体構成を示す模式図例である。図７の従来例の分光器２と比較すると明白なように、これら両者の構成は、略類似の構成である。よって、両分光器において、同一又は類似の部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００１６】
図７の従来例の分光器２と図１の本発明に係る分光器２’との差異は、図１の分光器２’において、第１の補助光源ユニット５０と第２の補助光源ユニット５２とが新たに配置され得るように構成されていることである。入射光４の進行方向に向かって眺めると、第１の補助光源ユニット５０は入射側スリット６の直後に配置されることが可能であり、第２の補助光源ユニット５２は出射側スリット５２の直前に配置されることが可能である。
【００１７】
補助光源ユニット５０、５２に関し、上記において「第１の」と「第２の」との形容を付したが、両者は全く同一構造でも構わない。補助光源ユニット５０の構成の例を図２に示す。
【００１８】
図２では、補助光源ユニット５０の１つの実施形態に関する簡略な（１）平面図、（２）正面図、（３）側断面図、（４）背面図を示す。図３においても、図２の補助光源ユニット５０に関する（１）平面図、（２）正面図、（３）側断面図、（４）背面図を示すのであるが、後で説明するように、図３の補助光源ユニット５０においては、光源レンズユニットホルダ５４が光路５６を遮らないように、光源レンズユニットホルダ５４が上に引き上げられてねじ５８によりクランプ（固定保持）されている。一方、図２の補助光源ユニット５０においては、（これも後で説明するが、）光源レンズユニットホルダ５４を構成する補助レンズ６０及び補助光源６２が光路５６上にくるように、光源レンズユニットホルダ５４が下に引き下げられてねじ５８によりクランプ（固定保持）されている。
【００１９】
更に、後でも説明するが、補助光源ユニット５０の正面６４（（２）正面図、参照。）が、スリット（入射側スリット６、出射側スリット２０）と対向し、補助光源ユニット５０の背面６６（（４）背面図、参照。）が、分光器２’本体と対向する。
【００２０】
図２により、補助光源ユニット５０の構成を説明する。補助光源ユニット５０の外装は、２つの大小の略直方体型の筐体６８、７０を組み合わせた補助光源ボックス７２により構成される。補助光源ボックス７２は、正面６４（図２（２）参照）から背面６６（図２（４）参照）を貫いて、円筒形孔７４及びその円筒形孔７４と連続する柱形孔７６（以下、２つの孔部７４、７６を併せて、腹部孔７８と称する。）が、開けられている。更に、補助光源ボックス７２は、上端部８０からその腹部孔７８へと貫いて、縦方向に挿入口８２が開けられている。この挿入口８２は概略直方体形であり、光源レンズユニットホルダ５４が挿入される。
【００２１】
光源レンズユニットホルダ５４の概略の形態例が図４に示される。光源レンズユニットホルダ５４は、上部の直方体形部８４と下部の光源レンズユニット８６とから構成される。この直方体形部８４が上記の（補助光源ボックス７２の）挿入口８２に挿入される。この直方体形部８４の断面と上記の挿入口８２の断面とは、略同じ形状であるため、直方体形部８４即ち光源レンズユニットホルダ５４は、平面方向（前後左右方向）の動きを挿入口８２に完全に拘束されつつ、上下方向にのみ位置を変え得る。挿入口８２及び光源レンズユニットホルダ５４上部の形状は上記のような直方体形でなくてもよく、例えば、円筒形及び円柱形であってもよい。要するに光源レンズユニットホルダ５４が、挿入口８２に平面方向の動きを略完全に拘束され、かつ上下方向にのみ移動可能であるような構成であればよい。
【００２２】
補助光源ボックス７２の上部の筐体６８には、ねじ５８及びそのねじ穴８８が備わり、このねじ穴８８は側部から挿入口８２まで貫通する。従って、光源レンズユニットホルダ５４は、このねじ５８を緩めると上下移動可能になり、このねじ５８を締めると位置が固定される。
【００２３】
また、直方体形部８４が挿入口８２に挿入された後、直方体形部８４の上端には、例えばナット（等）の留め部９０が固定される。この留め部９０の端部９２が、補助光源ボックス７２の上部筐体６８の頂面部８０と対向するため、光源レンズユニット８６の下方への移動には限界（下限）がある。図２は、光源レンズユニット８６が下限にあるときの、補助光源ユニット５０の形態を示すものでもある。
【００２４】
光源レンズユニット８６には、補助光源（例えば発光ダイオード）６２と、補助レンズ６０とが備わる。図２（３）において、線５６は、補助光源ユニット５０を分光器２’に対する所定の位置に設置したときの、入射光４又は出射光１８の光路を示す。一方、補助光源６２と補助レンズ６０により形成される光路を「補助光路」９４と称するとする。光源レンズユニット８６が下限位置にあるとき、
・光路５６と補助光路９４とが一致し、且つ、
・補助光源６２から発し補助レンズ６０を介した光（補助光）がスリット（入射スリット６、出射スリット２０）にて結像するように、
補助光源６２と補助レンズ６０との相互の位置が決定されている。
【００２５】
後で説明するが、光源レンズユニット８６からの光は、スリットを通過する際に、そのスリットが新たな点光源となるため、補助光源６２と補助レンズ６０との相互の位置関係、及びそれらと光路５６との位置関係においては、あまり厳密な精度は必要ではない。
【００２６】
図４に示すように、補助光源６２は、例えばケーブル９６により外部の電源９８に接続されている。よって、必要に応じて、補助光源６２から光を発することができる。
【００２７】
次に、図１、図２及び図５（２）を参照しながら、分光測定前の入射光路５６の光軸合わせの手順について説明する。
【００２８】
光源レンズユニットホルダ５４を下限位置まで下ろし、補助光路９４を入射光路５６に合わせる。この位置で光源レンズユニットホルダ５４をねじ５８により固定する。補助光源（発光ダイオードなど）６２から光（補助光）を入射側スリット６に向けて発するため電源９８から電流を流す。補助光源６２を発し補助レンズ６０を介した光は、入射側スリット６を新たな光源としてその入射側スリット６から発する。集光レンズ２６及び分光対象試料２４の相対的な位置を適宜調整することにより、入射側スリット６から発した補助光は、その集光レンズ２６により分光対象試料２４上に焦点３４を結ぶ。この様子を示したのが、図５（２）の下半分である。この分光対象試料２４上の焦点３４にレーザが入射されるように励起用レーザ１９を調整することで、入射光路の光軸合わせの手順は終了する。分光対象試料２４がＬＤ（ＬａｓｅｒＤｉｏｄｅ；レーザダイオード）やＬＥＤ（ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ；発光ダイオード）である場合には、発光位置はそれら素子の構造により決まっているので、その位置にスポット（焦点３４）をあわせればよい。
【００２９】
なお、図示しないが、例えば図５（２）の分光対象試料２４の位置を調整するための支持部が、該分光対象試料２４を支持している。
【００３０】
出射光路の光軸合わせの手順も、略同様である。第２の補助光源ユニット５２において、光源レンズユニットホルダ５４を下限位置まで下ろし、補助光路９４を出射光路に合わせ、固定する。補助光源６２から補助光を出射側スリット２０に向けて発するため電源９８から電流を流す。補助光源６２を発し補助レンズ６０を介した光は、出射側スリット２０を新たな光源としてその出射側スリット２０から発する。集光レンズ２８及び検出器３０の相対的な位置を適宜調整することにより、出射側スリット２０から発した補助光は、その集光レンズ２８により検出器３０上に焦点４０を結ぶ。この様子を示したのが、図５（２）の上半分である。
【００３１】
図５（２）の検出器３０においても、位置を調整するための支持部（図示せず）が、該検出部３０を支持している。
【００３２】
実際の分光測定について簡単に説明する。実際の分光測定を行うときには、第１の補助光源ユニット５０及び第２の補助光源ユニット５２において、光源レンズユニット８６が光路５６を遮らないように、光源レンズユニットホルダ５４を引き上げて固定する。補助光源ユニット５０のこの状態を、図３に示している。
【００３３】
この状態で、励起用レーザ１９から光線を試料２４に照射し、その反射光を集光レンズ２６を介して入射側スリット６を通過させて分光器本体２’内に取り込む。この入射光を分光器２’内の適切な分光手段により分散させ（図１参照）、その分散光を分光器２から出射して出射側スリット２０、集光レンズ２８を通過させて、検出器３０に到らせる。この様子が、図１及び図５（１）により、示される。
【００３４】
次に、本発明に係る第２の実施形態について説明する。図６は、本発明に係る第２の実施形態を説明するための、分光器２”の全体構成を示す模式図例（但し、平面図）である。図１の第１の実施形態の分光器２’と比較すると明白なように、これら両者の構成は、略同様である。但し、図６の第２の実施形態では、入射側スリット６及び出射側スリット２０と分光器本体２”との間に、補助光源ユニット５０、５２が設置されていない。入射側の平面鏡８の直後に、及び出射側の平面鏡１６の直前に、それら補助光源ユニット５０’、５２’が設置される構成になっている。このような補助光源ユニット５０’、５２’と分光器２”本体との構成も、本発明の範囲内であり、この構成によっても、上記の第１の実施形態と同じ効果が得られる。
【００３５】
本発明に関して、２つの想定され得る実施形態を説明したが、勿論、上記の２つの実施形態に限定されるものではない。補助光源と補助レンズとが一体となった光源レンズユニットを用意し、分光測定前の入射光路又は出射光路の光軸合わせの際にのみ、その光源レンズユニットをスリット（入射側スリット、出射側スリット）の内側（即ち、分光器本体側）に設置し、光源レンズユニットの発光によりスリットを光源としてスリットの外側に対して、即ち分光対象試料又は検出部対して、補助光を発し得る形態であればよい。従って、例えば、既存の分光器において大きな改造を行なうことなしに、上述のような補助光源ユニットをアラインメント治具として付加することも可能である。
【００３６】
本発明に関しどのような実施形態を採るにせよ次の事象は明白である。即ち、光軸合わせにおいて、光源レンズユニットからの光がスリットを通過する際、そのスリットが新たな点光源となる。従って、
▲１▼．補助光源と補助レンズとの相互の位置関係、及びそれらと光路との位置関係においては、あまり厳密な精度を考慮する必要がないが、形成される光軸に係る夫々の部材は厳密な精度をもって配置され得る。
▲２▼．また、分光器に対しスリットを動かすことがないため、非常に厳密さを要求される分光器の光路に係る構成は、同一の厳密さを保持し得る。
【００３７】
【発明の効果】
本発明を利用することにより、次のような効果が得られる。
【００３８】
スリットの配置位置を、分光器の様々な部位に対して相対的に固定したままで、集光レンズ、分光対象試料、検出器及び分光器の夫々の、アラインメントを容易に且つ正確に行なうことができる。
【００３９】
しかも、利用する装置（光軸調整補助装置）は、非常に簡潔なものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１の実施形態を説明するための、分光器の全体構成を示す模式図である。
【図２】本発明に係る補助光源ユニットの図である。
【図３】本発明に係る補助光源ユニットの図である。
【図４】光源レンズユニットホルダと電源の関係を示す模式図である。
【図５】本発明に係る分光器を含む、試料の分光測定の様子を示す模式図である。
【図６】本発明に係る第２の実施形態を説明するための、分光器の全体構成を示す模式図である。
【図７】従来例の分光器の全体構成を示す模式図である。
【図８】従来例の分光器を含む、試料の分光測定の様子を示す模式図である。
【符号の説明】
２、２’、２”・・・分光器、６・・・入射側スリット、２０・・・出射側スリット、２４・・・分光対象試料、２６・・・入射側集光レンズ、２８・・・出射側集光レンズ、３０・・・検出器、５０・・・補助光源ユニット、５４・・・光源レンズユニットホルダ、５６・・・光路、５８・・・ねじ、６０・・・補助レンズ、６２・・・補助光源、７８・・・腹部孔、８２・・・挿入口、８６・・・光源レンズユニット、９４・・・補助光路、９８・・・電源

Claims

分光測定の対象となる試料から得られた光を分光し検出して上記試料の特性を得る分光測定装置において、
上記分光測定装置は、
上記試料からの光を案内する入射光学系と、
上記入射光学系から与えられた光を分光する分光器と、
上記分光器で分光された光を案内する出射光学系と、
上記出射光学系から与えられた光を検出する検出器とを有し、
上記入射光学系は、
入射側集光レンズと、
上記分光器の近傍に配置され且つ少なくとも一つのスリットを有する光整形部材と、
上記分光器と上記光整形部材との間に配置された補助光源と、
上記補助光源から出射された光を、上記スリットに結像し且つ上記入射側集光レンズを介して上記試料に焦点を結ぶ補助光学系と、
上記補助光源と補助光学系とを、上記入射光学系から上記分光器に与えられる光の光路から退避した第１の位置と上記光路上に進出した第２の位置との間で移動可能に且つ第１の位置と第２の位置に固定可能に保持するホルダとを有し、
上記分光測定装置はまた、上記試料を保持すると共に上記補助光源から出射された光が上記試料に結像されるように上記試料を移動させ得る支持部を有することを特徴とする分光測定装置。
分光測定の対象となる試料から得られた光を分光し検出して上記試料の特性を得る分光測定装置において、
上記分光測定装置は、
上記試料からの光を案内する入射光学系と、
上記入射光学系から与えられた光を分光する分光器と、
上記分光器で分光された光を案内する出射光学系と、
上記出射光学系から与えられた光を検出する検出器とを有し、
上記出射光学系は、
出射側集光レンズと、
上記分光器の近傍に配置され且つ少なくとも一つのスリットを有する光整形部材と、
上記分光器と上記光整形部材との間に配置された補助光源と、
上記補助光源から出射された光を、上記スリットに結像し且つ上記出射側集光レンズを介して上記検出器に焦点を結ぶ補助光学系と、
上記補助光源と補助光学系とを、上記分光器から上記出射光学系に与えられる光の光路から退避した第１の位置と上記光路上に進出した第２の位置との間で移動可能に且つ第１の位置と第２の位置に固定可能に保持するホルダとを有し、
上記分光測定装置はまた、上記検出器を保持すると共に上記補助光源から出射された光が上記検出器に結像されるように上記検出器を移動させ得る支持部を有する分光測定装置。
分光測定の対象となる試料から得られた光を分光し検出して上記試料の特性を得る分光測定装置において、
上記分光測定装置は、
上記試料からの光を案内する入射光学系と、
上記入射光学系から与えられた光を分光する分光器と、
上記分光器で分光された光を案内する出射光学系と、
上記出射光学系から与えられた光を検出する検出器とを有し、
上記入射光学系は、
入射側集光レンズと、
上記分光器の近傍に配置され且つ少なくとも一つの第１のスリットを有する第１の光整形部材と、
上記分光器と上記第１の光整形部材との間に配置された第１の補助光源と、
上記第１の補助光源から出射された光を、上記第１のスリットに結像し且つ上記入射側集光レンズを介して上記試料に焦点を結ぶ第１の補助光学系と、
上記第１の補助光源と上記第１の補助光学系とを、上記入射光学系から上記分光器に与えられる光に係る第１光路から退避した第１の位置と上記第１光路上に進出した第２の位置との間で移動可能に且つ第１の位置と第２の位置に固定可能に保持する第１のホルダとを有し、
上記出射光学系は、
出射側集光レンズと、
上記分光器の近傍に配置され且つ少なくとも一つの第２のスリットを有する第２の光整形部材と、
上記分光器と上記第２の光整形部材との間に配置された第２の補助光源と、
上記第２の補助光源から出射された光を、上記第２のスリットに結像し且つ上記出射側集光レンズを介して上記検出器に焦点を結ぶ第２の補助光学系と、
上記第２の補助光源と上記第２の補助光学系とを、上記分光器から上記出射光学系に与えられる光に係る第２光路から退避した第３の位置と上記第２光路上に進出した第４の位置との間で移動可能に且つ第３の位置と第４の位置に固定可能に保持する第２のホルダとを有し、
上記分光測定装置はまた、上記試料を保持すると共に上記第１の補助光源から出射された光が上記試料に結像されるように上記試料を移動させ得る第１の支持部と、
上記検出器を保持すると共に上記第２の補助光源から出射された光が上記検出器に結像されるように上記検出器を移動させ得る第２の支持部を有する分光測定装置。