JP5480055B2

JP5480055B2 - 拡散反射測定装置

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Publication number: JP5480055B2
Application number: JP2010171024A
Authority: JP
Inventors: 正博井原; 博志黒川; 園子梅村; 勝衣川; 純二谷村
Original assignee: Shimadzu Corp; Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Shimadzu Corp; Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-07-29
Filing date: 2010-07-29
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2030-07-29
Also published as: JP2012032240A

Description

本発明は、例えば紫外可視分光光度計やフーリエ変換赤外分光光度計、又はラマン分光光度計といった分光光度計の試料室に組み込まれて、又は着脱自在に装着されて使用される拡散反射測定装置に関する。

光の反射には正反射（鏡面反射）と拡散反射とがあり、反射光に含まれる正反射成分と拡散反射成分の割合は、物体（試料）の材質や表面状態によって変化する。また、反射光の強度分布は、拡散反射成分と正反射成分の割合に依存しており、正反射成分が多い場合には正反射方向の反射光強度が高くなり、拡散反射成分が多い場合には全方位に亘ってほぼ均一な強度分布となる。

拡散反射測定では、試料に光を照射して該試料からの反射光を捕集し、これを検出器で検出することにより、試料の特性や状態が測定される。

上記のような拡散反射測定では、試料からの反射光を捕集して検出器に導くための光捕集手段として、光ファイバや積分球、ミラーなどを用いるのが一般的である。

例えば、特許文献１には光捕集手段として光ファイバを用いるものが記載されている。この装置では、照射側光ファイバと受光側光ファイバが各々の先端を被測定物に近接させた状態で配置され、照射側光ファイバによって測定対象物に光を照射すると共に、該測定対象物からの反射光を受光側光ファイバで受光して検出器に導く構成となっている。

また、特許文献２には、光捕集手段として積分球を用いる装置が記載されている。この装置では、積分球の開口部に密着させた試料に光を照射し、該試料からの反射光を積分球で捕集して検出器で検出するものとなっている。

また、特許文献３に記載の装置には、光捕集手段としてミラーを用いるものが記載されている。この装置では、図９に示すように、ミラー５０１、５０２を介して照射用ミラー５０３に導かれた光が、該照射用ミラー５０３で集光されて試料５１０に照射される。そして、試料５１０で拡散反射された光の一部が捕集用ミラー５０４によって捕集され、ミラー５０５、５０６を介して検出器に送られる。なお、一般的に粉体でない固体試料では、反射光のうち拡散反射成分よりも正反射成分が強く、正反射方向に強い強度分布を持つ傾向がある。従って、光捕集手段としてミラーを用いる装置では、こうした試料からの反射光を効率的に測定するため、正反射方向に反射光を捕集するためのミラー面が配置される。

特開2002-131229号公報（図1）特開2004-325336号公報（図1）実開昭62-160353号公報（図4）

上記のように光ファイバによって反射光を捕集する装置の場合、光ファイバを構成する素材によって測定に使用できる波長が限定される。また、光ファイバへの光の結合ロスが生じると共に、拡散反射光の集光ロスが比較的大きくなるため測定感度が低下するという問題もある。

また、積分球を用いる装置の場合、上記のように試料を積分球に密着させて不要な光を遮る必要がある。しかしながら、拡散反射測定装置を生産ライン等に組み込んで該ライン上の製品を連続的に検査するような場合には、試料（製品）はライン上を連続的に流れ、且つ試料の形状や厚みが異なることが多いため、積分球に試料を密着させるのは困難である。

また、図９のように、ミラーによって反射光の捕集（及び試料への光の照射）を行う構成では、試料に対する光の入射角が大きいと、測定結果が試料の上下位置変化の影響を受けやすくなるため、上記のようなライン上での測定（インライン測定）には不適当となる。一方、入射角を小さくすれば、試料の上下位置変化による影響を低減できるが、照射用ミラーと捕集用ミラーが隣接することとなるため、ミラーのサイズが制限され、広い捕集角（捕集可能な反射光の角度範囲）を確保するのが困難となる。

本発明は上記の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、広い捕集角を確保しつつ試料への光の入射角を小さくすることのできる拡散反射測定装置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に係る拡散反射測定装置は、
試料に光を照射し、該試料で拡散反射した光を検出器に導入するための拡散反射測定装置であって、
a)光源からの光を集光して試料に照射する照射用光学素子と、
b)前記試料で反射した光を捕集して検出器に送る捕集用ミラーと、
c)該捕集用ミラーに形成された貫通孔と、
を有し、
前記照射用光学素子によって集光された光が、前記貫通孔を通過して試料に照射され、前記試料に照射される光の光軸が該試料の被測定面の法線に対して傾斜するように前記照射用光学素子及び捕集用ミラーが配置されていることを特徴としている。

前記照射用光学素子は、典型的には光源からの光を反射及び集光する集光ミラーであるが、照射用光学素子としてレンズを使用し、光源からの光を該レンズで集光して試料に照射する構成としてもよい。

上記構成から成る本発明の拡散反射装置によれば、光源からの光を捕集用ミラーに設けた貫通孔を通じて試料に照射する構成としたことにより、試料に対する照射光の入射角を小さくしても捕集用ミラーと照射用光学素子が接触することがない。そのため、捕集用ミラーのサイズを小さくすることなく（即ち広い捕集角を確保しつつ）試料に対する照射光の入射角を小さくすることが可能となる。

一般に試料からの反射光は正反射方向に大きな強度分布を持つため、捕集用ミラーは、この正反射方向周辺の光を効率よく捕集できるようにすることが好ましい。

仮に、照射光を試料の被測定面に対して垂直に入射させた場合（即ち入射角θ＝０°とした場合）、試料からの反射光のうちの正反射成分は照射光と同一の経路を逆に辿って貫通孔に入射してしまい、捕集用ミラーで捕集されないこととなる。これに対し、上記のように、照射光を試料の被測定面の法線に対して傾斜させた場合（即ち入射角θ≠０°の場合）、正反射成分は、試料面の法線を挟んで照射光とは反対の側に出射する。このため、該正反射成分を貫通孔に入射させることなく効率よく捕集することができる。

更に、本発明に係る拡散反射装置は、前記貫通孔を、捕集用ミラーのミラー面の中心から、該捕集用ミラーによる光の出射方向へ偏倚した位置に開口させたものとすることが望ましい。

これにより、捕集用ミラーのミラー中心に開口部を設けた場合に比べて、拡散反射光の捕集角を大きくすることができ且つ正反射方向周辺の光を捕集用ミラーによって効率よく捕集することが可能となる。

以上で説明したように、本発明に係る拡散反射装置によれば、広い捕集角を確保しつつ試料への光の入射角を小さくことが可能となる。試料に対する光の入射角を小さくすれば、試料の上下位置変動が測定結果に及ぼす影響を低減できる。そのため、本発明に係る拡散反射装置によれば、インライン測定においても高精度の測定を行うことが可能となる。

本発明の第１の実施例に係る拡散反射測定装置を含む分光光度計の概略構成図。同実施例における照射用ミラー及び捕集用ミラーの拡大図。貫通孔の形成位置による反射光の捕集効率の違いを説明する図であり、（ａ）は貫通孔をミラー中心から偏倚した位置に開口させた場合を示し、（ｂ）は貫通孔をミラー中心に開口させた場合を示す。試料の上下位置変化による反射光の変位を示す図であり、（ａ）は本発明の装置を、（ｂ）は従来の装置を示す。本発明の第２の実施例を示す概略構成図。本発明の第３の実施例を示す概略構成図。本発明の第４の実施例を示す概略構成図。本発明の第５の実施例を示す概略構成図。従来の拡散反射測定装置の構成を示す模式図。

以下、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明する。

［実施例１］
図１は、本発明の一実施例による拡散反射測定装置を含んだ分光光度計の概略構成図である。この分光光度計において、光源１１から放射された光は、光源用ミラー１２で反射されて分光部１３に送られ、該分光部１３に設けられたグレーティング等で分光される。なお、分光部１３は、プリズムや音響光学素子等による分光を行うものとしてもよい。分光部１３で分光され短波長化された光は照射用ミラー２０（本発明における照射用光学素子に相当）に入射し、該照射用ミラー２０で集光されて試料４０に照射される。そして、試料４０で拡散反射した光の一部が捕集用ミラー３０によって捕集されて検出部１４に導入される。検出部１４は、光検出器と該光検出器からの検出信号を受けてスペクトル作成等の所定の信号処理を行う処理装置とを含んで構成されており、検出部１４に導入された光は前記の光検出器によって検出され、その強度が測定される。

上記照射用ミラー２０と捕集用ミラー３０の拡大図を図２に示す。なお、照射用ミラー２０と捕集用ミラー３０は何れも凹面鏡から成る集光ミラーであり、両ミラーの焦点がほぼ一致するように配置される。これらのミラーは球面鏡としてもよいが、収差低減の観点から、いずれか一方又は両方を楕円面鏡、放物面鏡、双曲面鏡などの非球面鏡とすることが望ましい。図２に示すように、捕集用ミラー３０には、一端がミラー面３２に開口した貫通孔３１が形成されており、照射用ミラー２０で集光された光は該貫通孔３１を通って試料４０に照射される。本実施例の拡散反射測定装置では、このように捕集用ミラー３０に光を通すための貫通孔３１を設けたことにより、捕集用ミラー３０のサイズを小さくすることなく（即ち広い捕集角を確保しつつ）試料４０に対する光の入射角θを小さくすることが可能となる。

なお、試料４０からの反射光のうち正反射成分は、その出射角θ’が、照射光の入射角θと等しくなる（即ちθ＝θ’となる）。そのため、照射光を試料４０の被測定面に対して垂直に入射させた場合（即ち入射角θ＝０°とした場合）、正反射成分は照射光と同一の経路を逆に辿って貫通孔３１に入射してしまい捕集用ミラー３０で捕集できなくなる。そこで、本実施例の拡散反射装置では、照射光の中心軸１００が被測定面の法線３００と所定の角度を成すように（即ち入射角θ≠０°となるように）することが好ましい。これにより、図２に示すように、反射光の正反射成分２００は、試料面の法線３００を挟んで照射光１００と反対の側に出射するため、該正反射成分２００を捕集用ミラー３０によって効率よく捕集することができる。なお、このような構成を実現するため、貫通孔３１は捕集用ミラー３０の焦点方向に向かって傾斜した傾斜孔として形成することが望ましい。

更に、前記貫通孔３１は、捕集用ミラー３０のミラー面の中心から、該捕集用ミラー３０による光の出射方向（即ち図２中の左側）へ偏倚した位置に開口するように形成することが望ましい。図３に、貫通孔３１の開口部をミラー中心から偏倚させた場合（図３（ａ））と、貫通孔３１をミラー中心に開口させた場合（図３（ｂ））における拡散反射光の捕集角θｔ及び照射光と反射光の光路を示す。なお、ここでは簡略化のため、照射光はその中心軸１００のみを図示している。同図から明らかなように、貫通孔３１の開口部を図３（ａ）のように偏倚させることにより、ミラー中心に開口させた場合（図３（ｂ））に比べて、拡散反射光の捕集角θｔを大きくすることができ、且つ正反射成分２００や、その周辺の光を効率よく捕集することが可能となる。

本実施例の拡散反射測定装置によれば、上記のように試料４０への光の入射角θを小さくできるため、試料の上下位置変化による測定結果への影響を低減することができる。以下、この点について説明する。図４は、試料の上下位置変化による反射光の変位を示す図である。図４（ａ）は、入射角θが小さい場合を示しており、本実施例の装置に相当する。図４（ｂ）は入射角θが大きい場合を示しており、従来の装置に相当する。なお、ここでは試料の被測定面が照射用ミラー２０及び捕集用ミラー３０の焦点と同一の位置４１にある場合における被測定面からの反射光を２０１とし、被測定面が前記の位置４１よりも捕集用ミラー３０に近い位置４２にあるときの反射光を２０２、遠い位置４３にある時の反射光を２０３としている。また、図中では照射光はその中心軸のみを図示し、反射光はその正反射成分の中心軸のみを図示している。同図から明らかなように、入射角θが小さい場合（図４（ａ））の方が、入射角θが大きい場合（図４（ｂ））に比べて、被測定面の位置変化による反射光２０１、２０２、２０３の変位が小さいことが分かる。上述のようにインライン測定では、試料の被測定面の高さが試料毎に変化する場合が多いが、本発明の拡散反射測定装置によれば、こうした試料の上下位置変化による影響を抑えることができるため、インライン測定においても高精度な測定を実現することができる。

［実施例２］
また、本発明は、光源の発した光を試料に直接照射し、試料から反射した光を分光する後分光方式の装置にも適用可能である。図５に、本発明の拡散反射測定装置を後分光方式の分光光度計に適用した実施例を示す。この実施例において、光源１１から放射され光源用ミラー１２で反射された光は、照射用ミラー２０によって反射・集光され、上記実施例と同様に、捕集用ミラー３０に形成された貫通孔３１を通過して試料４０に照射される。試料４０からの反射光は捕集用ミラー３０で捕集されて検出部１４に送られる。検出部１４はモノクロメータやポリクロメータを含んでおり、検出部１４に入射した光は、グレーティング等の分光素子によって分光され、シングルチャンネル型検出器又はＰＤＡ（フォトダイオードアレイ）素子等のマルチチャンネル型の検出器によって検出される。

また、図５の構成において、光源１１をマイケルソン干渉計等を用いた干渉光源としてもよい。その場合、検出部１４は、捕集用ミラー３０で捕集された光を検出するための光検出器と、該光検出器からの出力信号にフーリエ変換等の所定の処理を施して反射光のスペクトル波形を作成する信号処理手段とを具備したものとする。

［実施例３］
図６に、本発明の更に別の実施例を示す。この実施例は、光源としてレーザー光源１５を使用するものである。該レーザー光源１５からのレーザー光は、光源用レンズ１６で成形され、照射用ミラー２０へと送られる。照射用ミラー２０によって反射・集光されたレーザー光は、上記実施例１と同様に、捕集用ミラー３０に形成された貫通孔３１を通過して試料４０に照射される。そして、試料４０からの反射光は捕集用ミラー３０で捕集されて検出部１４に送られ、検出部１４に設けられたモノクロメータやポリクロメータ等の分光手段によって分光・検出される。

［実施例４］
図７に、本発明に係る拡散反射測定装置をインライン測定に適用した例を示す。この例では、回転する搬送テーブル５０の上方に本発明に係る拡散反射装置が設けられている。供給部５１から搬送テーブル５０上に供給された試料４０は、搬送テーブル５０の回転に伴って、順次、拡散反射測定装置の下方に移動して測定され、その後、撤去部５２によって搬送テーブル５０上から撤去される。こうしたインライン測定では、試料４０毎の厚みの違いや搬送テーブル５０の振動により試料４０の被測定面の高さが変化するが、本発明の拡散反射装置によれば、光の入射角を小さくして試料４０の上下位置変化の影響を低減できるため、インライン測定においても高精度な測定を実現することができる。また、その結果、試料４０や搬送テーブル５０に求められる制約を小さくすることができる。なお、図７では、実施例１の装置を使用する例を示しているが、実施例２、３の装置についても同様にインライン測定に適用可能である。

［実施例５］
図１、２、５〜７では、照射用ミラー２０と捕集用ミラー３０のミラー面を被測定面の法線３００を挟んで反対の側に向けた構成を例示したが、これに限らず、図８に示すように、照射用ミラー２０と捕集用ミラー３０のミラー面を試料面の法線３００に対して同一の側に向けた構成としてもよい。このような構成によれば、光源１１と検出器１４を隣接させて配置することができるため、本発明の拡散反射測定装置を含んだ分光光度計全体を小型化することができる。従って、例えば、光源１１、分光部１３、照射用ミラー２０、捕集用ミラー３０、及び検出部１４を一つの筐体６０に収容することにより、ハンディータイプの分光光度計とすることも可能である。

以上、実施例を用いて本発明を実施するための形態について説明を行ったが、本発明は上記実施例に限定されるものでなく、本発明の趣旨の範囲で適宜変更が許容されるものである。例えば、上記の各実施例ではいずれも試料の上方から光を照射する構成としたが、これに限らず、試料の下方から光を照射する構成としてもよい。また、上記実施例では、本発明における照射用光学素子として照射用ミラー２０を用いる構成を示したが、該照射用ミラー２０に代えて集光レンズを設け、光源１１からの光を直接又は分光部１３を介して該集光レンズに送り、該集光レンズで集光された光を捕集用ミラー３０の貫通孔３１を通過させて試料４０に照射する構成としてもよい。

１１…光源
１２…光源用ミラー
１３…分光部
１４…検出部
１５…レーザー光源
１６…光源用レンズ
２０…照射用ミラー
３０…捕集用ミラー
３１…貫通孔
３２…ミラー面
４０…試料
１００…照射光
２００…正反射成分
３００…法線
４１、４２、４３…試料位置
２０１、２０２、２０３…反射光
５０…搬送テーブル
５０３…照射用ミラー
５０４…捕集用ミラー
５１０…試料

Claims

試料に光を照射し、該試料で拡散反射した光を検出器に導入するための拡散反射測定装置であって、
a)光源からの光を集光して試料に照射する照射用光学素子と、
b)前記試料で反射した光を捕集して検出器に送る捕集用ミラーと、
c)該捕集用ミラーに形成された貫通孔と、
を有し、
前記照射用光学素子によって集光された光が、前記貫通孔を通過して試料に照射され、前記試料に照射される光の光軸が該試料の被測定面の法線に対して傾斜するように前記照射用光学素子及び捕集用ミラーが配置されていることを特徴とする拡散反射測定装置。
前記貫通孔を、捕集用ミラーのミラー面の中心から、該捕集用ミラーによる光の出射方向へ偏倚した位置に開口させたことを特徴とする請求項１に記載の拡散反射測定装置。