JP5722094B2

JP5722094B2 - 円二色性測定装置及び円二色性測定方法

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Publication number: JP5722094B2
Application number: JP2011067514A
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Inventors: 保幸荒木; 健彦和田; 和田　明生; 明生和田
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Filing date: 2011-03-25
Publication date: 2015-05-20
Anticipated expiration: 2031-03-25
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Description

本発明は円二色性（ＣｉｒｃｕｌａｒＤｉｃｈｒｏｉｓｍ、略してＣＤ）測定の感度向上と確からしさの向上をもたらす測定方法及び装置の改良に関する。円二色性測定装置は、紫外・可視・近赤外領域で、主として電子遷移に関わる円二色性（ＥＣＤと呼ばれる）を測定する装置と、赤外領域で、主として振動遷移に関わる円二色性（振動円二色性：ＶＣＤと呼ばれる）を測定する装置とがあり、本発明では両装置を対象とする。

ＣＤ測定は、分子の立体的な構造を直接解析できる、ほとんど唯一の分光学的手法として広く用いられている。その初期には生理活性を有する天然有機化合物の絶対構造の決定や、錯化合物などの立体化学の研究に重用され、その後生化学分野において、たんぱく質をはじめとする生体高分子の高次構造の解析に応用されるようになった。生体高分子の熱的安定性の測定、酵素反応の反応過程の解析などに極めて有用な手段となっている。また、薬学・製薬の分野においても、分子不斉と薬効の把握による副作用の低減や、薬剤に配合された酵素などの活性の管理などに重用されている。また、ＶＣＤ測定は、測定で得られるスペクトルと分子構造から計算で予測されるスペクトルの比較性が良いことから、医薬や生理活性物質の構造解析に応用が拡がりつつある。

ＣＤに限らず、装置の高感度化は、あらゆる分析・計測装置で永遠の課題であり、より少ない試料量でより確かな測定結果が得られるよう改良・改善に努力が払われ、今日の姿がある。特に、生体関連の研究分野では、解析しようとする生体成分の試料を潤沢な量確保できることは稀で、極限られた微量の試料しか用意できないのが普通である。しかも近年、研究が高度化し、対象となる成分が微量となり、装置の高感度化への要求はますます切実になってきている。この要求に応えるために、装置・システム上の改良・改善に努力が払われているが、実態として、光量を増すとか、光のスループットを上げるとか、信号の利用効率を上げるといったオーソドックスな改善手段は、ほとんど施し尽くされた状態に到達しており、その延長線上で高騰する感度への要求を満たすことは最早困難な状況にある。

（ＣＤ測定装置の共通の課題）
基本に戻って、ＣＤ測定における高感度化のネックとなっている要因を考えると、ＣＤが吸光度の１/１００から１/１０００程度という微小な値であることが挙げられる。ＣＤは、左円偏光に対する吸光度（Ａ_l）と右円偏光に対する吸光度（Ａ_r）の差（ΔＡ＝Ａ_l−Ａ_r）として定義されている。ところがその差は小さく、大きな分子の場合でも吸光度の１/１００、通常は１/１０００くらいしかないのが普通である。この事実は、単純な見積では、ＣＤ測定は吸光光度法の１/１００から１/１０００程度の感度しか期待できないことを意味している。それでも現在のＣＤ測定装置では、偏光変調法とロックイン増幅法を組み合わせることによって、この単純な期待値より１０倍程度の感度向上が達成されているが、吸光度の１/１００から１/１０００の差を検出していることには変わりない。

この考察は、ＣＤ測定を高感度化するためのブレークスルーの手段を示唆している。吸光度の１/１０００の差を検出するということは、１０００と９９９の差を測定することであり、これを１００と９９、あるいは１０と９の差として測定するように測定方法を改良できれば、検出感度は単純計算で１０倍、１００倍向上すると期待できる。そして従来の偏光変調ＣＤ測定装置では達成できない高速ＣＤ時間変化測定において、上記の測定原理を用いて、検出感度の向上が図られている。

発明者はこの原理を、高速ＣＤ時間変化測定のためではなく、従来タイプの偏光変調ＣＤ測定装置に適用すべく工夫し、本発明に至ったのである。まず、上述したＣＤ測定装置の共通課題について、ＥＣＤ、高速ＣＤ、ＶＣＤの測定装置の順に説明する。ＥＣＤ測定装置の先行技術として、特開２００１−１３３３９９号公報（特許文献１）を、また、ＶＣＤ測定装置の先行技術として、特開２００５−４３１００号公報（特許文献２）をそれぞれ挙げることができる。なお、高速ＣＤ測定装置の技術については、特願２０１０−１９０５１４号に詳しく説明されている。

（従来のＥＣＤ測定装置の概要）
最初に、従来のＥＣＤ測定法について説明する。その光学系は図５、図６に示すようなものである。光源ランプ１０を出た光を、分光器１１で単色光に分光し、偏光子１２でＹ-Ｚ平面に偏光面を有する直線偏光にして位相変調子（ＰＥＭ）１３に通す。このＰＥＭは、ピエゾ効果を利用した素子で、その軸が入射する直線偏光の偏光面と４５°の角度で交わるように設置されている。入射する直線偏光は、±４５°方向の２つの直線偏光の和と表すことができるが、これらがこのＰＥＭを透過するとき位相差を与えられ、変調周波数ｆ（市販の装置では５０ｋＨｚ）で決まる周期で左／右に交替する円偏光となる。但しこの表現は、理解を助けるためのもので、正確でない。正確には、加わる位相差δ＝δ_０・ｓｉｎ２πｆｔによって偏光状態が周期的に変わる。その変調の強さ、つまり変調振幅δ_０は、１次のベッセル関数J₁（δ_０）が最大値となるδ_０＝１．８４に設定される。これは従来装置において、ＣＤを反映する交流成分が最大となる最適値である。位相差δが、δ=π／２＝１．５７のとき円偏光になるから、位相差が最大となるδ＝±δ_０のところでは、直線偏光が円偏光を通り越して長短が入れ替わった楕円偏光まで変調されることになる。

左右の円偏光は、試料部１４に入射する。試料部１４にはＣＤを有する試料が入っており、左右の円偏光が試料を透過すると、左と右で異なった大きさの吸収を受け、それ以降の光は、このＣＤに依存する強度変動を含むことになる。ＣＤ装置では検出器（市販の装置では光電子増倍管、略してＰＭＴ）１５で検出した光強度を電気信号に変えているが、これは式（１）で表現される。

ここでＩ_l、Ｉ_rは左と右の円偏光の透過光強度である。この電気信号はＤＣアンプおよびＡＣアンプへ送られる。ＤＣアンプでは、電気信号を増幅し、そこから直流成分（ＤＣ）、即ち（Ｉ_l＋Ｉ_r)／２が取得される。また、ＡＣアンプで増幅された電気信号は、さらにロックインアンプへ送られる。ＡＣアンプおよびロックインアンプにより、変調周波数ｆに同期した周波数の交流成分（ＡＣ）、即ち（Ｉ_l−Ｉ_r)・J_１(δ_０)が取得される。そしてＡＣをＤＣで割ったものから円二色性ΔＡを式（２）で算出している。

（従来のＥＣＤ測定装置のＳ／Ｎ比改善の問題）
最初に述べたように、一般に円二色性は非常に小さいものであり、大きな分子でもΔＡ／Ａで高々１０^−２、通常は１０^−３から１０^−４であるのが普通である。そうすると、上述の従来のＥＣＤ測定装置の計測では、非常に大きな直流成分に極僅かに重畳する交流成分を抽出することになり、大きな直流成分に由来する比較的大きな信号ゆらぎが支配的となっていた。このことは、さらに高いＳ／Ｎで交流成分を抽出してＣＤの測定感度を上げることを難しくする大きな要因となっていた。

（高速ＣＤ時間変化測定装置の概要）
高速ＣＤ時間変化測定装置は、高速ＣＤ時間変化測定を可能にするために、従来の偏光変調ＣＤ測定装置が改良された装置で、その基本となる構成を図７に示す。白色光の光源側から順番に、偏光子３１、位相子３２、試料部３４、検光子３５、分光器３６および検出器３７が光軸上に並ぶ。白色光は偏光子３１によってＸ-Ｚ平面に偏光面を有する直線偏光にされる。直線偏光は位相子３２を透過する。この位相子３２の進相軸はＸ軸から微小角度θだけ傾いている。また、位相子３２として、適切に小さな位相差δを有するものを選ぶ。その結果、位相子３２を通った後の光は、Ｘ方向の偏光成分のみではなく、Ｙ方向の偏光成分も僅かに持つ偏光、つまり、直線偏光に近く極めて扁平率の大きい楕円偏光になっている。この楕円偏光が試料を透過すると、試料のＣＤにより、扁平率が変化する。この変化した楕円偏光が、先の偏光子３１とクロスニコルの位置に設置した検光子３５を透過する。検光子３５によって楕円偏光からＹ軸方向の偏光成分だけが取り出される。取り出された偏光成分を分光器３６に通して単色化し、その偏光強度を検出器３７で検出している。このときの測定結果をＩ₊(λ)とする。単一波長だけのデータを取得するほか、分光器３６で波長に分光したあとアレイ検出器で波長ごとの複数のデータを同時に取得することで、ＣＤスペクトルを効率的に得るシステムとしてもよい。

次に、位相子３２を位相子駆動機構３３によって逆に回転して角度を−θとして同様の測定を行う。このときの測定結果をＩ_-(λ)とする。円二色性ΔＡは、このＩ₊(λ)、Ｉ_-(λ)とδから、式（３）に従って計算している。

（高速ＣＤ時間変化測定装置の問題）
従来の偏光変調ＣＤ測定装置では、偏光変調の速さによって、ＣＤ測定における時間分解の限界が決まってしまう。これに対し、上述の高速ＣＤ時間変化測定装置では位相差の変調を行わず、一定の位相差を有する位相子３２を用いて、その進相軸を偏光面に対して±θの角度に合わせる。このようにして左右の円偏光に偏った状態を個々に作り、それぞれの状態で高速時間変化測定を行い、式（３）の演算によって時間変化に伴った左右の円偏光に対する吸光度の差（円二色性ΔＡ）を求めるものであった。その効果として、感度の向上が得られていた。

しかし、時間変化を追わないで定常状態における円二色性を測定する場合や、時間変化を追うとしても、従来の偏光変調ＣＤ測定装置における偏光変調の速さの限界以内での時間変化で十分であり、感度の向上だけを期待する場合には、本システムをそのまま用いるだけでは満足できる測定結果が得られない。本システムでは、位相子３２を機械的に動かすことで左右の円偏光に関わる偏光状態を作り出しているから、位相子３２を動かすための機械部の精度が厳密でないと、そこの偏りが測定値に誤差を与えてしまう。また、位相子３２を片方に設定して測定し、次に他方に動かして測定するという手順では、両測定値の間の時間的な差を、いくら高速化してもサブ秒より短くすることは困難で、この時間の違いが左右の吸光度の差をとったときの誤差の原因となり得た。

（従来のＶＣＤ測定装置の概要）
従来のＶＣＤ測定装置も、本発明によって改良しようとする対象である。従来のＶＣＤ測定装置の基本となる構成を図８に示す。

赤外光源４０から発せられた白色光を、干渉計４１によって干渉光にする。偏光子４２は、干渉光から直線偏光を取り出し、次いでＰＥＭ４３で位相変調される。それを試料部４４に入射して、試料を透過した光の強度を検出器４５で検出する。検出した信号はプリアンプ４７で増幅され、そこから抽出されたＤＣ成分はそのままデータ処理装置４９へ送られる。また、プリアンプ４７で増幅された信号はロックインアンプ４８へも送られ、ロックインアンプ４８がＰＥＭ４３の変調周波数に同期した信号を用いてＡＣ成分を抽出してデータ処理装置４９へ送る。ＤＣ成分およびＡＣ成分はデータ処理装置４９で干渉計４１の移動鏡位置に同期した時系列の信号として取り込まれる。さらにＡＣ／ＤＣの値が演算される。この値はＣＤに関係する信号列ではあるが、ＣＤそのものではなく、ＣＤの情報を含むインターフェログラムである。これをデータ処理用のＰＣに送り、そこでフーリエ変換を施してＣＤスペクトルを得ている。

（従来のＶＣＤ測定装置の問題）
以上のＶＣＤ測定装置では、干渉計を通したインターフェログラムを計測に使っている。そこには全波長λ（波数）の光が含まれているので、位相変調の振幅δ_０を波長λ毎に適切な大きさに調節することは不可能である。そのため、中心波長を適切に選択し、そこで感度が最適になるように変調振幅δ_０を決めることになる。ところが、ＶＣＤ測定の測定波数範囲（測定波長範囲）は、６００ｃｍ^−１（１６μｍ）から５０００ｃｍ^−１（２μｍ）に亘る。その結果、ある波長の光については位相差が過大となって感度がなくなる不感帯が生じ、さらにその先では信号が逆転することも起こってしまう。逆転するのは負の係数を掛けて対処することができるとは言え、感度がなくなる不感帯については対処不能であり、位相差の変調振幅δ_０を変えて測定をやり直すしかなかった。

この事情を、１２５０ｃｍ^−１（８μｍ）を中心波数と定め、ここで変調振幅δ₀が最適となるように定め、他の波数での変調振幅δ_０とＣＤの感度（効率）を与えるＪ₁（δ_０）を見積もってみる。最適変調振幅δ_０は１次のベッセル関数の極値を与えるδ_０＝１．８４ということになる。また各波数における変調振幅はδ_０＝２π・Δｎ・ｄ／λであり、ＰＥＭの厚さｄ、誘起される最大の屈折率差Δｎ、そして波長λで決まる。Δｎは波長（波数）に依存するが、Δｎを一定とみなして感度Ｊ₁（δ_０）を計算すると、次表のようになる。

中心波数（１２５０ｃｍ^−１）の近傍でも、波数によって感度が変るので、これを係数として補正しなければならなくなる。しかし２６０４ｃｍ^−１は感度が零となる不感帯になり、それより高い波数帯では信号が逆転し、さらに４７６２ｃｍ^−１も不感帯となる。さらに高い波数帯では信号の符号は正転するものの、感度は１／６程度と非常に低くなってしまう。実質的には、この条件で正常に測定できるのは２０００ｃｍ^−１までくらいであり、それより高波数領域を測定するには、その領域の適切な波数を中心波数に設定しなおし、変調振幅δ_０の最適化をやり直すことになる。このように中心波数を一つ設定するだけでは、測定波数領域に不感帯や信号の符号の反転する波数域が生じてしまい、一度に測定可能な波数領域が限定されてしまう。

さらにＶＣＤ測定装置の場合も、電子遷移ＣＤ測定装置と同様、大きな吸収に含まれる左右円偏光に対する吸光度の僅かな差を検出しており、その比が電子遷移に較べるとさらに１/１０程度しかなく、感度向上を図る上での、より大きな壁となっている。

特開２００１−１３３３９９号公報特開２００５−４３１００号公報

本発明は、高速ＣＤ時間変化測定装置において達成された技術をベースとする。すなわち、直線偏光に小さな位相差δを与えて扁平率が極めて大きい楕円偏光とし、その長軸方向に直交する方向に検光子をおいて、短軸方向の成分だけを検出することにより、バックグランドに相当する大きな長軸方向の成分を除く。これによって、ＣＤを直接反映する信号だけが優先的に取り出されて、感度の向上を実現するという技術である。そして、本発明の目的は、上記の技術を、従来のＥＣＤ測定装置およびＶＣＤ測定装置に適用して、これらの測定感度の向上を果たすことであり、特に、従来のＶＣＤ測定装置に適用することで、感度の向上だけでなく、測定波長範囲を限定しなければならないという問題をも解決し、振動分光が関与する全波長領域を一度に感度良く測定できる装置およびその測定方法を提供することにある。

本発明の円二色性測定装置は、以下の楕円偏光変調手段、偏光強度測定手段および演算手段を備えることを特徴とする。ここで楕円偏光変調手段は、前記位相差（δ）の変調振幅（δ _０）が、１／１０ラジアン以下とする。楕円偏光変調手段は、直線偏光の互いに直交する２つの偏光成分間の位相差（δ）を変調して、長軸方向の一致する扁平率の大きい左右の楕円偏光を交互に形成する。偏光強度測定手段は、被測定試料を透過した前記左右の楕円偏光から短軸方向の偏光成分を取り出して、該偏光成分の強度変化を測定する。演算手段は、前記強度変化の直流成分（ＤＣ）、および、前記位相差の変調に同期する前記強度変化の交流成分（ＡＣ）をそれぞれ抽出して、該交流成分および該直流成分の比（ＡＣ／ＤＣ）に前記位相差の変調振幅（δ_０）を掛けた値を算出して、被測定試料の円二色性を取得する。

この構成によれば、楕円偏光変調手段が、直線偏光を円偏光になるまで変調しないで、直線偏光を扁平率の大きい楕円偏光の状態まで変調する。よって、直線偏光から扁平率の大きい左回りと右回りの楕円偏光が交互に形成される。さらに、偏光強度測定手段が、試料を透過した左右の楕円偏光の光束を全て検出するのではなくて、左右の楕円偏光のうちの短軸方向の偏光成分だけを取り出して、その偏光成分の光束を検出し、変調に応じた偏光成分の強度変化を測定する。このようにすれば、ＣＤを直接反映する信号だけを優先的に取り出すことができる。よって、円二色性測定の感度向上と確からしさの向上を実現できる。なお、所望の円二色性を得るには、測定された強度変化からＤＣ成分とＡＣ成分を抽出して、その比（ＡＣ／ＤＣ）に変調振幅（δ_０）を掛ける演算を行えばよい。

また、本発明の円二色性測定装置は、以下の干渉手段、楕円偏光変調手段、偏光強度測定手段および演算手段を備えることを特徴とする。干渉手段は、光源からの赤外光を固定鏡および移動鏡に向かうように２分割し、かつ、前記固定鏡および前記移動鏡からの反射光を合成して、光路差（Ｄ）の変化に応じた干渉光を形成する。ここで楕円偏光変調手段は、前記位相差（δ）の変調振幅（δ _０）が、１／１０ラジアン以下とする。楕円偏光変調手段は、前記干渉光から直線偏光を取り出して、前記光路差（Ｄ）の変化よりも大きい変調周波数（ｆ）で、前記直線偏光の互いに直交する２つの偏光成分間の位相差（δ）を変調して、長軸方向の一致する扁平率の大きい左右の楕円偏光を交互に形成する。偏光強度測定手段は、被測定試料を透過した前記左右の楕円偏光から短軸方向の偏光成分を取り出して、該偏光成分の強度変化を測定する。演算手段は、前記強度変化の直流成分（ＤＣ）、および、前記位相差の変調に同期する前記強度変化の交流成分（ＡＣ）をそれぞれ抽出し、該交流成分および該直流成分の比（ＡＣ／ＤＣ）を縦軸、前記光路差（Ｄ）を横軸とするインターフェログラムにフーリエ変換を施し、フーリエ変換後の値に前記位相差の変調振幅（δ_０）を掛けた値を算出して、被測定試料の円二色性を取得する。

この構成では、楕円偏光変調手段に入射する測定光は、干渉光である。なお、単色光が干渉計に通された場合には、その干渉光は光路差に応じたサインカーブを描く。しかし、赤外吸収の測定では、測定光は所定の波長領域の連続光であり、その干渉光は単色光が描くサインカーブの重ね合わせとなる。このような波形をインターフェログラムと呼ぶ。本発明の構成によれば、楕円偏光変調手段が、インターフェログラムを描く干渉光から直線偏光を取り出して、前述の発明と同様に、直線偏光を円偏光になるまで変調しないで、扁平率の大きい楕円偏光の状態まで変調する。よって、インターフェログラムの状態の左右の楕円偏光が交互に形成されることになる。また、前述の発明と同様に、偏光強度測定手段が、試料を透過した左右の楕円偏光の光束を全て検出するのではなくて、左右の楕円偏光のうちの短軸方向の偏光成分だけを取り出して、その偏光成分の光束を検出し、変調に応じた偏光成分の強度変化を測定する。ここで測定される偏光成分もインターフェログラムの状態であるので、所望の円二色性を得るには、測定された強度変化からＤＣ成分とＡＣ成分を抽出して、その比（ＡＣ／ＤＣ）にフーリエ変換を施せばよい。そして、変換後の値に変調振幅（δ_０）を掛ける演算を行えばよい。従って、前述の発明と同様に、感度の向上が得られる。さらに、測定波長領域で、不感あるいは符号の反転が生じず、測定波長領域が楕円変調手段の変調振幅を設定する中心波長から限られた領域に限定されずに済む。従って、全波長領域を一度に感度良く測定することができる。

また、楕円偏光変調手段は、入射光から直線偏光を取り出す偏光子、および、前記直線偏光を変調して左右の楕円偏光を形成する位相変調子を含む。また、偏光強度測定手段は、被測定試料を透過した前記左右の楕円偏光のうちの短軸方向の直線偏光を透過する検光子、および、この透過した直線偏光の強度を検出する検出器を含む。そして、本発明では、検光子は、偏光子に対して直交ニコルに設置されていることが好ましい。
この構成によれば、偏光子と検光子とが直交ニコルの関係にあるので、検光子が左右の楕円偏光の短軸方向の偏光成分を正確に透過させることができる。

また、本発明は、所定の測定波長領域の円二色性スペクトルを取得する円二色性測定装置であって、楕円偏光変調手段の位相差（δ）の変調振幅（δ_０）は、測定波長領域の全領域で１／１０ラジアン以下であることが好ましい。
この構成によれば、従来のＥＣＤ測定法での変調振幅がδ_０＝１．８４ラジアンであることと比べると、変調振幅が極微小となる。よって、位相差の小さく変調精度の高い位相変調子を採用できる。

本発明のＣＤ測定装置の基本的な構成を示す図である。本発明の第１実施形態のＥＣＤ測定装置の光路図である。前記ＥＣＤ測定装置の全体構成図である。本発明の第２実施形態のＶＣＤ測定装置の全体構成図である。従来のＣＤ測定装置の基本的な構成を示す図である。従来のＣＤの検出原理に係る光学系の概略図である。高速ＣＤ時間変化測定装置の光学系の概略図である。従来のＶＣＤ測定装置の概略図である。

本発明の円二色性測定装置の基本的な構成について図１を用いて説明する。測定光学系は偏光子５０１、位相変調子（ＰＥＭ）５０２、試料部５０３、検光子（アナライザ）５０４、検出器５０５からなり、この順に測定光５００の光軸上に配置されている。

偏光子５０１は、測定光５００からＹ−Ｚ平面に偏光面を有する直線偏光を取り出すように配置されている。ＰＥＭ５０２はその主軸をＸ方向から４５°傾けた状態で配置されている。従来のＥＣＤ測定装置では、ＰＥＭは、各測定波長において１次のベッセル関数が最大値となるδ_０＝１．８４（ラジアン）の変調振幅を与えるようなプログラムによって駆動される。しかし、本発明では全波長領域でそれよりはるかに小さいδ_０＝０．１（ラジアン）、至適には０．０１（ラジアン）となるよう、ＰＥＭの駆動電力をコントロールする。なお、δ_０は位相変調をδ＝δ_０ｓｉｎ２πｆｔと表したときの変調振幅を示し、予め標準試料を用いた測定によって得られ、記憶されている。

直線偏光はＰＥＭ５０２により位相差を変調される。具体的には、直線偏光の互いに直交する２つの偏光成分間の位相差（δ）がＰＥＭ５０２により変調される。そして、長軸方向（Ｙ方向）の一致する扁平率の大きい左右の楕円偏光が交互に形成される。
検光子５０４は、試料部５０３の後段に偏光子５０１とクロスニコルとなるように設けられている。この検光子５０４により、試料部５０３の試料を透過した左右の楕円偏光から、短軸方向（Ｘ方向）の偏光成分が取り出される。そして、検出器５０５は、短軸方向の偏光成分の強度変化を測定する。

データ処理系は、プリアンプ５０６、ロックインアンプ５０８、ＤＣアンプ５０７、ＰＥＭドライバ５０９、Ａ／Ｄコンバータ５１０およびデータ処理装置５１１から構成されている。

検出器５０５で検出された光強度信号は、プリアンプ５０６で増幅された後、その直流成分と交流成分とが別々に増幅される。ロックインアンプ５０８は、ＰＥＭ５０２の駆動周波数と同期する信号をＰＥＭドライバ５０９から受けて、駆動周波数と同じ周波数成分である交流成分信号（ＡＣ）を光強度信号から抽出する。ＤＣアンプ５０７は、光強度信号から直流成分信号（ＤＣ）を抽出する。直流成分信号と交流成分信号は、適当なＡ／Ｄコンバータ５１０で数値化されて、データ処理装置５１１に取り込まれる。データ処理装置５１１においては、ＣＤ値（ΔＡ）は、式（４）に従って算出される。すなわち、交流成分および直流成分の比（ＡＣ／ＤＣ）に位相差の変調振幅δ_０を掛けた値を算出して、被測定試料の円二色性を取得する。

［第１実施形態］
図２は本実施形態のＥＣＤ測定装置の具体的な測定光学系の構成を示す光路図である。測定光学系は、光源室、分光器室、位相変調室、試料室および検出室に大別される。光源室には、光源ランプ６００および集光鏡６０１が配置され、分光器室へ測定光を供給する。

分光器室には、第１プリズム系および第２プリズム系の各光学素子からなる分光器６０２が形成され、光源からの測定光を２つの結晶石英のプリズム６０４、６０６を分光素子として単色化する。第１プリズム系は、スリット６０３、コリメータ鏡６０５および第１プリズム６０４からなり、光源室からの測定光を所定の波長領域の光に分光する。また、第２プリズム系も同様に、スリット６０３、コリメータ鏡６０５および第２プリズム６０６からなる。従来のシステムでは、第２プリズム６０６を偏光子としても働かせているが、これを踏襲することは好適である。すなわち、第１プリズム系からの測定光を所定の単色光に分光するとともに、直線偏光にする。直線偏光はレンズ６０７で集光され、位相変調室に送られる。

位相変調室には、ＰＥＭ６０８およびシャッター６０９が配置されている。分光器６０２からの直線偏光は、ＰＥＭ６０８で０．０１ラジアン程度の小さな位相変調を加えられ、扁平率が大きく直線偏光に近い左右の楕円偏光となる。左右の楕円偏光は、位相差の変調周波数に応じて交互に形成され、シャッター６０９を通って、試料室に送られる。

左右の楕円偏光は試料部６１０を透過した後、検出室に送られる。検出室には本発明で特徴的な検光子６１１および検出器６１２が配置されている。左右の楕円偏光を検光子６１１に通して楕円の短軸成分である直線偏光成分を取り出し、その強度を検出器６１２で検出する。

なお、偏光子として機能する第２プリズム６０６および出射スリット６０３は、測定光から取り出す偏光が紙面に平行な直線偏光となるように配置されている。一方、検光子６１１は、楕円偏光から紙面に垂直な偏光成分だけを取り出すよう配置されている。

図３は本実施形態のＥＣＤ測定装置の全体構成図である。ここでは、検出器６１２で測定された強度信号の処理システムについて説明する。検出器６１２で検出された光の強度信号は、プリアンプ６１３で増幅され、ＡＣアンプおよびＤＣアンプにそれぞれ送られる。ＡＣアンプ６１８は、強度信号中の交流成分を増幅する。さらにロックインアンプ６１９は、増幅された交流成分信号から変調周波数と同じ周波数成分を抽出する。抽出された交流成分信号はＡ／Ｄコンバータ６２１で数値化されてデータ処理装置６２２に取り込まれる。

一方、ＤＣアンプ６２０は、強度信号中の直流成分を増幅する。増幅された直流成分信号は、Ａ／Ｄコンバータで数値化されデータ処理装置６２２に取り込まれる。また、ＤＣアンプ６２０からの直流成分の一部は、差動アンプ６１７に取り入れられ、１Ｖの基準電圧と比較される。そして、ＰＭＴＨＴＶ６１６は、直流成分の出力が基準電圧と同じ１Ｖになるように、検出器６１２であるＰＭＴの印加電圧をコントロールする。これにより、自動的に所望の信号レベルでＡＣ／ＤＣを演算することができる。

データ処理装置６２２の取り込んだ信号は、基本的にＡＣ／ＤＣであり、データ処理装置６２２において式（４）に示した係数（−δ_０／ｌｎ１０）を乗じられてＣＤデータとなる。

本実施形態では、ＰＥＭの駆動電力を、全波長領域で一定とするのが、システムの簡略化のためには好都合である。その結果として、変調振幅δ_０は波長によって変化するので、それを係数として補正する。そうしないで、全波長領域で変調振幅δ_０が一定になるようＰＥＭの駆動電力をプログラムすることも可能である。

（δ_０を実測で求める方法）
前述のように、ＣＤを算出するには光強度の検出信号から得られたＡＣ／ＤＣに変調の強度に関係する係数（変調振幅δ_０）を掛ける必要があり、予めこの変調振幅δ_０が分かっていなければならない。この発明のきっかけとなった先行の高速ＣＤ時間変化測定装置においても、図７に示したように位相子３２を機械的に動かして２つの偏光状態を作り出しており、ここでもその位相子３２の位相差が既知であるは必要であった。しかし、位相子３２はスタティックなものであって、エリプソメトリーなどのような既知の手段によって実測可能なものであった。ところが本発明では、この変調振幅δ_０は、図１のようにＰＥＭ５０２を構成する結晶に振動を与え、その振動からひずみを生じさせ、そのひずみが結晶に屈折率の異方性を生起し、それが直交する２つの直線偏光に位相差を与え、それが変調の強度となっているダイナミックなものである。従って、スタティックな位相差を測定するエリプソメトリーなどのような通常の手段によっては実測できない。このダイナミックな位相変調の強度（変調振幅δ_０）を、実測・確定する手段がなければ、本発明は成り立たない。この点も、先行技術と決定的に違うところである。

本発明のために、ダイナミックなＰＥＭ５０２の変調振幅δ_０を実測で求める方法を説明する。このための基準試料として、スタティックな複屈折性を有する素子を用いる。このような素子としては、結晶石英やサファイヤのような透明な１軸性の結晶板が適当である。その位相差は０．１ラジアン程度のものが適当である。そして、その位相差を、波長に対するスペクトルとして、エリプソメトリーなどで実測しておく。

こうして位相差が求まっている基準試料を、その軸をＸ軸に対して４５°傾けて、即ちＰＥＭの軸に一致させる方向にして試料部５０３に置く。この状態で本発明の測定を行うと、直流成分はＤＣ＝１／２（偏光子を通って直線偏光になったときの光の強度を１とする）、交流成分は式（５）となる。

Δは基準試料の位相差である。これが既知であるから、目的のＰＥＭの変調振幅δ_０を、式（６）で求めることができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係るＶＣＤ測定装置について説明する。
図４は、ＶＣＤ測定装置の全体構成図である。基本的な構成は、図１の光学系の構成と共通しているが、前述の第１実施形態では、測定光として分光計からの単色光を用いるのに対して、本実施形態では、測定光として干渉計からの干渉光を用いる点で相違する。

すなわち、赤外光源７００から出た光は干渉計７０２を通じてインターフェログラムを描く干渉光となる。干渉計７０２には、集光鏡７０１を反射した赤外光が供給される。干渉計７０２は、測定光を２つの光束に分割するビームスプリッタ７０６を有する。分割された一方の光束（ビームスプリッタの反射光）は固定鏡７０５を反射してビームスプリッタ７０６へ戻り、他方の光束（ビームスプリッタの透過光）は可動鏡７０７を反射して同様にビームスプリッタ７０６へ戻る。２つの光束はビームスプリッタ７０６で合成され干渉光となって出射される。干渉光は、可動鏡７０７の移動位置に応じた強度、すなわち、２つの光束の光路差（Ｄ）に応じた強度を有する干渉光として出射される。

なお、干渉光を偏光子７０８で直線偏光のインターフェログラムとして、ＰＥＭ７０９で位相変調を加え、試料部７１０に入射させることは、従来の振動ＣＤ測定装置と基本的に同じである。唯、ＰＥＭは、本発明の根幹に従って、全波数領域に亘って変調強度が０．１ラジアン以下、至適には０．０１ラジアンとなる状態で稼動させる。さらに本発明では、試料部７１０の後に新たに検光子７１１を取り付けている。検光子７１１を透過した光は集光レンズ７１２で検出器７１３に集光される。検光子７１１は、前段に設けられた偏光子７０８とクロスニコルの状態に設置されている。

検出器７１３の検出信号は、やはり従来のＶＣＤ測定装置と同様に、プリアンプ７１４で増幅された後、直流成分はそのままデータ処理装置７１８に取り込まれる。また、検出信号の交流成分はＰＥＭの変調周波数に同期させたロックインアンプ７１７によって抽出され、データ処理装置７１８に干渉計の移動鏡の位置に同期した時系列の信号として取り込まれる。データ処理装置７１８は、各成分からＡＣ／ＤＣの値を演算する。この演算結果はＣＤに関係する信号列ではあるが、ＣＤそのものではなく、インターフェログラムである。従って、これをデータ処理用のコントロールＰＣ７２０に送り、そこでフーリエ変換が施されて波長（波数ν）に対するスペクトルとなる。このスペクトルに、波数νのパラメータを有する変調振幅δ_０を掛けて、式（７）によりＣＤスペクトルを得ることができる。式中のＦ［］はフーリエ変換を表す。

［本発明の測定原理の正当性の証明］
次に、本発明のＣＤの測定原理が適正であることを、ジョーンズベクトル、ジョーンズ行列の手法を用いて説明する。図１の偏光子５０１を通過した後のＹ軸方向の直線偏光をジョーンズベクトルでＪ_１は式（８）のように表される。

さらに、変調位相差δ（＝δ₀ｓｉｎ２πｆｔ）を与えるＰＥＭ５０２、左右の円偏光に対してそれぞれ振幅透過率t_l，t_rの円二色性を示す試料、Ｘ軸方向の検光子の作用を示すジョーンズ行列Ｍ_ＰEM，Ｍ_Ｓ，Ｍ_Ａは、式（９）ように表される。

ＰＥＭ５０２、試料部５０３、検光子５０４を通過した後のジョーンズベクトルＪ_２は、Ｊ₁にこれらの行列を順に左から掛けたものとなり、式（１０）のようになる。

検出される信号強度は、この絶対値の２乗となり、それは式（１１）のようになる。

δは小さいのでsinδ＝δ、ｓｉｎ２δ＝２δと近似でき、t_lとt_rの差は小さいので、（t_l−t_r）²＝０と近似できる。式（１１）は次式（１２）となる。

位相差δの定義および（t_l−t_r）²＝０の近似式から、δ^２、t_l・t_rを示す式（１３）が導かれる。

上式（１３）の関係を代入すると、最終的に強度Ｉは式（１４）となる。

そうすると、直流成分ＤＣと変調周波数fと同じ周波数の交流成分ＡＣは、式（１５）となる。

よって、ＣＤ（ΔＡ）と光の強度Ｉの関係は、式（１６）で表される。

ここで、Ｉ、ΔＩは、式（１７）で表される。

従って、式（１６）は、式（１８）となって、前述の式（４）の正当性が照明された。

［変調振幅の実測方法の正当性の証明］
次に、位相差Δのスタティックな位相子を基準試料として使って、ＰＥＭの変調振幅δ_０を実測する方法の根拠を、ジョーンズベクトル、ジョーンズ行列の手法を用いて説明する。

図１において、スタティックな位相差Δを有する位相子をＸ軸に対して４５°の方向に傾けて基準試料として使ったときのジョーンズ行列Ｍ_stdは、式（１９）と表される。

これを式（１０）のＭ_Sに代えて計算すると、式（２０）、（２１）となる。

δは小さいのでｓｉｎ２δ＝２δ、ｃｏｓ２δ＝１−２δ^２と近似できて式（２２）となる。

前式（１３）と同様、式（２３）を代入すると、式（２４）が得られる。

従って、式（２５）となって、前述の式（６）の正当性が証明された。

（本発明のＣＤの検出感度について）
続いて本発明による方法が感度の点で従来法に優れることを説明する。そのために、従来の偏光変調ＣＤ測定装置と本発明による偏光変調ＣＤ測定装置で検出される直流信号および交流信号を比較する。簡単のために、偏光子を通って直線偏光になったときの光の強度を１．０として、信号強度の比較を行う。また簡単のために、試料の平均の吸光度を１．０、ΔＡ／Ａを１／１０００として比較を行う。

従来法による信号強度は式（１）で表されるものとなり、直流信号ＤＣは、ＤＣ＝（Ｉ_l＋Ｉ_r)／２、交流信号ＡＣは、ＡＣ＝（Ｉ_l−Ｉ_r)・J_１(δ_０)＝０．５８１９ｘ（Ｉ_l−Ｉ_r)である。これに対して、本発明による方法は式（１５）で表されるものとなり、こちらの変調振幅δ_０は至適の０．０１とする。

これらの条件に基づいて計算すると、表２のようになる。

この計算結果から、従来法では約１．３ｘ１０^-3の（ＡＣ／ＤＣ）を検知しなければならないのに対して、本発明では約３．７ｘ１０^-2の（ＡＣ／ＤＣ）を検知すればよく、約２７倍有利であることが明らかになった。

この関係は、振動円二色性測定装置でも全く同じであり、振動円二色性測定装置についても従来の方法に較べ、本発明の検出感度が約２７倍有利となる。

（本発明のＶＣＤの波数範囲の拡張について）
本発明による方法では、ＰＥＭの変調振幅δ_０を０．０１ラジアンにするのが至適である。波数１２５０ｃｍ^−１（波長で８μｍ）で、この変調振幅δ_０にすると、他の波数では表３のような変調振幅δ_０となる。振動円二色性測定がカバーするこれら全部の波数領域で、不感あるいは符号の反転が起きる変調振幅δ_０からは十分小さく、好適な感度が得られる条件で測定ができる。

即ち、従来の振動円二色性測定装置では、測定波数領域がＰＥＭの変調強度を設定する中心波数から限られた領域に限定されてしまっていたのが、本発明によってその限界が取り払われたことが判る。

５０１、７０８偏光子（楕円偏光変調手段）
５０２、６０８、７０９位相変調子（楕円偏光変調手段）
５０４、６１１、７１１検光子（偏光強度測定手段）
５０５、６１２、７１３検出器（偏光強度測定手段）
５０７、６２０ＤＣアンプ（演算手段）
５０８、６１９、７１７ロックインアンプ（演算手段）
５１１、６２２、７１８データ処理装置（演算手段）
７２０コントロールＰＣ（演算手段）
６０２分光計
６０６第２プリズム（偏光子）
７０２干渉計

Claims

直線偏光の互いに直交する２つの偏光成分間の位相差（δ）を変調して、長軸方向の一致する扁平率の大きい左右の楕円偏光を交互に形成する楕円偏光変調手段と、
被測定試料を透過した前記左右の楕円偏光から短軸方向の偏光成分を取り出して、該偏光成分の強度変化を測定する偏光強度測定手段と、
前記強度変化の直流成分（ＤＣ）、および、前記位相差の変調に同期する前記強度変化の交流成分（ＡＣ）をそれぞれ抽出して、該交流成分および該直流成分の比（ＡＣ／ＤＣ）に前記位相差の変調振幅（δ_０）を掛けた値を算出して、被測定試料の円二色性を取得する演算手段と、を備え、前記楕円偏光変調手段の位相差（δ）の変調振幅（δ _０）が、１／１０ラジアン以下であることを特徴とする円二色性測定装置。
光源からの赤外光を固定鏡および移動鏡に向かうように２分割し、かつ、前記固定鏡および前記移動鏡からの反射光を合成して、光路差（Ｄ）の変化に応じた干渉光を形成する干渉手段と、
前記干渉光から直線偏光を取り出して、前記光路差（Ｄ）の変化よりも大きい変調周波数（ｆ）で、前記直線偏光の互いに直交する２つの偏光成分間の位相差（δ）を変調して、長軸方向の一致する扁平率の大きい左右の楕円偏光を交互に形成する楕円偏光変調手段と、
被測定試料を透過した前記左右の楕円偏光から短軸方向の偏光成分を取り出して、該偏光成分の強度変化を測定する偏光強度測定手段と、
前記強度変化の直流成分（ＤＣ）、および、前記位相差の変調に同期する前記強度変化の交流成分（ＡＣ）をそれぞれ抽出し、該交流成分および該直流成分の比（ＡＣ／ＤＣ）を縦軸、前記光路差（Ｄ）を横軸とするインターフェログラムにフーリエ変換を施し、フーリエ変換後の値に前記位相差の変調振幅（δ_０）を掛けた値を算出して、被測定試料の円二色性を取得する演算手段と、を備え、前記楕円偏光変調手段の位相差（δ）の変調振幅（δ _０）が、１／１０ラジアン以下であることを特徴とする円二色性測定装置。
請求項１または２記載の測定装置において、
前記楕円偏光変調手段は、入射光から直線偏光を取り出す偏光子と、前記直線偏光を変調して左右の楕円偏光を形成する位相変調子と、を含み、
前記偏光強度測定手段は、被測定試料を透過した前記左右の楕円偏光のうちの短軸方向の直線偏光を透過する検光子と、この透過した直線偏光の強度を検出する検出器と、を含み、
前記検光子は、前記偏光子に対して直交ニコルに設置されていることを特徴とする円二色性測定装置。
請求項１から３のいずれかに記載の測定装置は、所定の測定波長領域の円二色性スペクトルを取得する測定装置であって、
前記楕円偏光変調手段の位相差（δ）の変調振幅（δ_０）は、前記測定波長領域の全領域で１／１０ラジアン以下であることを特徴とする円二色性測定装置。
直線偏光の互いに直交する２つの偏光成分間の位相差（δ）を変調して、長軸方向の一致する扁平率の大きい左右の楕円偏光を交互に形成する楕円偏光変調工程と、
被測定試料を透過した前記左右の楕円偏光から短軸方向の偏光成分を取り出して、該偏光成分の強度変化を測定する偏光強度測定工程と、
前記強度変化の直流成分（ＤＣ）、および、前記位相差の変調に同期する前記強度変化の交流成分（ＡＣ）をそれぞれ抽出して、該交流成分および該直流成分の比（ＡＣ／ＤＣ）に前記位相差の変調振幅（δ_０）を掛けた値を算出して、被測定試料の円二色性を取得する演算工程と、を備え、前記位相差（δ）の変調振幅（δ _０）が、１／１０ラジアン以下であることを特徴とする円二色性測定方法。
請求項５記載の測定方法において、
さらに、光源からの赤外光を固定鏡および移動鏡に向かうように２分割し、かつ、前記固定鏡および前記移動鏡からの反射光を合成して、光路差（Ｄ）の変化に応じた干渉光を形成する干渉光形成工程を備え、
前記楕円偏光変調工程では、前記干渉光から直線偏光を取り出して、前記光路差（Ｄ）の変化よりも大きい変調周波数（ｆ）で、前記直線偏光の互いに直交する２つの偏光成分間の位相差（δ）を変調し、
前記演算工程では、前記強度変化の直流成分（ＤＣ）、および、前記位相差の変調に同期する前記強度変化の交流成分（ＡＣ）をそれぞれ抽出して、該交流成分および該直流成分の比（ＡＣ／ＤＣ）を縦軸、前記光路差（Ｄ）を横軸とするインターフェログラムにフーリエ変換を施し、フーリエ変換後の値に前記位相差の変調振幅（δ_０）を掛けた値を算出して、被測定試料の円二色性を取得することを特徴とする円二色性測定方法。