JP6330900B2 - 分光測定装置及び積分球 - Google Patents

Description

本発明は、分光測定装置等で用いる積分球及びそれを用いた分光測定装置に関する。特に、複数の検出器を使用して分光測定を行う場合に好適に用いることができる積分球、及びそのような積分球を備えた分光測定装置に関する。

試料から反射される又は試料を透過した光が拡散光である場合、分光測定装置で測定する際には、それらの試料からの光をできるだけ多く検出器に導入するために、積分球が用いられる。積分球には光入射窓及び光検出窓が形成されており、試料からの光は光入射窓より積分球内に導入される。積分球の内面は高い反射率を有する反射面となっており、積分球内に入射した光は、該積分球の内面で反射した後（一部は直接）、最終的に光検出窓を通して検出器に入射する。また、試料への光照射を積分球を介して行う場合は、積分球には光導入窓も形成され、外部の光源からの光は光導入窓から導入されて試料に照射される。

広い波長範囲にわたる分光測定を行う場合には、通常、波長感度特性が異なる複数種類の検出器が用いられる。従来、そのような検出器として、紫外線及び可視光に対して高い感度を有するPMT検出器と、近赤外線に対して高い感度を有するPbS検出器の２種類の検出器が用いられていた。

光導入窓を有する積分球１において２種類の検出器を使用する場合の、光導入窓２、光入射窓３、及び２つの光検出窓１０、１１と検出器１０a、１１aの配置を図１及び図２に示す。図１に示すように、積分球１には光入射窓３が形成されている。積分球１の中心と光入射窓３を結ぶ直線をX軸とし、積分球１の中心を通りX軸に垂直な任意の１本の直線をZ軸とすると、積分球１とZ軸との交点（以下、この交点を「極点」という。）に光検出窓１０、１１が形成され、それらの外側に検出器１０a、１１aが配置されている。積分球１の中心を通りX軸及びZ軸に垂直な軸をY軸とすると、光導入窓２はX-Y平面上であってX軸と積分球１との交点からややずれた、積分球１の中心を挟んで光入射窓３と反対側の位置に配置される。これは、試料４の表面から光入射窓３を通じて積分球１内部に入射した反射光の直接反射光（鏡面反射光）が光導入窓２から出射しない（逃げない）ようにするためである。

光源から光導入窓２を通して積分球１に入射した光は、光入射窓３から試料表面に照射される。該試料特有の波長で吸収を受けた反射光は光入射窓３から積分球１に入射し、積分球１内面で反射した後（一部は直接）、光検出窓を通して検出器に入射する。反射光の強度は反射角度によって変化し、その強度分布は、X-Y平面を挟んで対称なcos分布で表される。２つの極点に配置された２種類の検出器１０a、１１aはX-Y平面を挟んで対称な検出視野を有するため、これら検出器１０a、１１aの検出面には、拡散反射光の強度分布が同等である検出視野から光が入射する。従って、入射光の波長を順次変化させて拡散反射光を測定する際に、波長感度特性を考慮して検出器１０a、１１aを切り替えても検出結果の差（測定段差）は生じない。

特開2006-23284号公報

図３(a)に、PMT検出器及びPbS検出器の波長感度特性を示す。この図から分かるように、PMT検出器とPbS検出器を切り替える波長領域である900nm前後の波長の光に対しては、いずれの検出器も感度が低い。そこで、この波長領域の光に対して高い感度を有するInGaAs検出器を加えた３種類の検出器を併用することが提案されている（特許文献１）。これにより、図３(b)に示すように、150nm〜3000nmという広い波長領域の光を高感度で検出することができる。

３種類の検出器１０a、１１a、１２aを併用する場合、２種類の検出器１０a、１１aは上記極点に配置することができるが、残り１種類の検出器１２aは極点以外の位置に配置しなければならない。例えば図４に示すように、極点から試料４が配置されている側にずれた位置に光検出窓１３を形成して第３の検出器１２aを配置すると、該検出器１２aの検出視野における拡散反射光の強度分布は、他の２種類の検出器１０a、１１aの検出視野における強度分布と同等ではなくなる。つまり、第３の検出器１２aの検出面には、他の２種類の検出器１０a、１１aと異なる強度分布を有する検出視野から光が入射することになる。そのため、測定に用いる検出器を第１の検出器１０aあるいは第２の検出器１１aから第３の検出器１２aに切り替えると測定段差が生じてしまう。

本発明が解決しようとする課題は、試料から発せられる光を積分球を介して複数の検出器により検出する際に生じる測定段差を軽減することができる積分球及び分光測定装置を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明に係る分光測定装置用積分球は、
a) 試料から発せられる光を入射させる光入射窓、第１光検出窓、及び第２光検出窓を有する積分球本体と、
b) 前記第１光検出窓の外側に配置された第１検出器装着部と、
c) 前記第２光検出窓の外側に、装着される検出器の検出視野が、前記第１検出器装着部に装着される検出器の検出視野と一致するように配置された第２検出器装着部と
を備えることを特徴とする。

上記の窓は、貫通孔、あるいは測定対象である波長領域の光を透過させる材料から作製された窓のいずれでもよい。
本発明に係る積分球では、第１検出器装着部に装着される検出器と第２検出器装着部に装着される検出器が同じ検出視野を有する。従って、本発明に係る積分球を用いると、同等の強度分布を有する検出視野から２つの検出器に光が入射するため、それらの検出器を切り替える際に生じる測定段差を軽減することができる。

本発明に係る積分球において、前記第１検出器装着部及び／又は前記第２検出器装着部は、第１検出器装着部及び第２検出器装着部に装着される検出器の検出視野を一致させるために検出器の位置を調整する位置調整部を備えることが望ましい。

前記位置調整部は、第１検出器装着部に装着される検出器と第２検出器装着部に装着される検出器のうち、検出角が大きい方の検出器を積分球の外壁面から離して装着する機構や、検出角が小さい方の検出器を積分球の外壁面に近づけて装着する機構とすることができる。これにより、視野角の大きさが異なる２種類の検出器を用いる場合にも検出視野を一致させて測定段差を軽減することができる。

本発明では、上述の各態様の積分球の各検出器装着部に検出器が装着された分光測定装置を併せて提供する。検出器としては、例えば、PMT検出器、InGaAs検出器、及びPbS検出器を用いることができる。

本発明に係る積分球では、第１検出器装着部に装着される検出器と第２検出器装着部に装着される検出器が同じ検出視野を有する。従って、本発明に係る積分球を用いると、同等の強度分布を有する検出視野から２つの検出器に光が入射するため、それらの検出器を切り替える際に生じる測定段差を軽減することができる。

従来の積分球を備えた分光測定装置の要部構成図。 従来の積分球を備えた分光測定装置における検出器の配置について説明する図。 PMT検出器、PbS検出器、及びInGaAs検出器の波長感度特性を示す図。 従来の積分球を備えた分光測定装置における検出器の検出視野について説明する図。 本発明に係る積分球を備えた分光測定装置の一実施例の要部構成図。 本実施例の分光測定装置を用いた場合の測定段差を、従来の分光測定装置を用いた場合と比較した結果を示す図。 位置調整部を有する検出器装着部の一実施例について説明する図。 本発明に係る積分球の変形例について説明する図。

本発明に係る積分球を備えた分光測定装置の実施例について、以下、図５〜図８を参照して説明する。
図５に、本発明に係る積分球を備えた分光測定装置の一実施例の要部構成を示す。本実施例は、積分球外部の光源から発せられた光を光導入窓２を通して導入して試料４に照射し、試料４からの拡散反射光を検出する分光測定装置である。本実施例においても、既に述べたようにX軸、Y軸、及びZ軸を規定し、積分球とZ軸の交点を極点と呼ぶ。

本実施例の分光測定装置では、積分球には、光導入窓２、光入射窓３、及び３つの光検出窓１０、１１、１３が設けられている。これらの光検出窓には、それぞれ第１検出器装着部１０b、第２検出器装着部１３b、第３検出器装着部１１bが備えられている。光検出窓１０、１１は極点に設けられており、光検出窓１３は極点から試料４に近い側にずれた位置に設けられている。第１検出器１０a、第２検出器１３a、第３検出器１１aは、それぞれ、第１検出器装着部１０b、第２検出器装着部１３b、第３検出器装着部１１bに装着される。

本実施例の分光測定装置において特徴的な点は、各検出器装着部が、それぞれの装着部に装着される検出器の向きを自由に変更できる点である。本実施例の分光測定装置では、この特徴を活かし、第１検出器装着部に装着される第１検出器１０aの検出視野と第２検出器装着部１３bに装着される第２検出器１３aの検出視野を一致させている。本実施例では、第２検出器装着部１３bにおいてのみ、第２検出器１３aの向きを従来（図４）と異なる方向に変更して装着しているが、第１検出器装着部１０b及び第２検出器装着部１３bの両方において検出器の向きを変更して装着することによって、両装着部に装着される２つの検出器１０a、１３aの検出視野を一致させるようにしてもよい。なお、第３検出器装着部１１bに装着されている第３検出器１１aの検出視野は、図２を参照して上述したとおり、第１検出器１０aと同等の検出視野を有している。

上記のように、本実施例では第１検出器１０aと第２検出器１３aの検出視野を一致させたため、これらの検出器には同等の強度分布を有する検出視野から光が入射する。そのため、従来の分光測定装置において極点以外に配置された検出器を用いて試料からの光強度を測定する場合に比べて測定段差が軽減される。なお、本実施例では３つの検出器を用いたが、本発明に係る積分球では、検出器装着部を設ける位置が極点に限定されないため、使用する検出器の数を任意に変更することができる。

本実施例の分光測定装置を用いて、検出器を切り替える際の測定段差を確認し、従来の分光測定装置を用いた場合と比較した。いずれの分光測定装置でも、検出器の切替波長は830nm、1650nmとし、３種類の検出器（PMT検出器、InGaAs検出器、及びPbS検出器）を用いた。図６に示す結果から、本実施例の分光測定装置を用いると測定段差を大幅に軽減できることが分かる。

上記実施例では、視野角の大きさが同じ検出器を用いたが、検出角の大きさが異なる複数の検出器を用いることもできる。この場合には、複数の検出器の検出視野を一致させるために検出器の位置を調整する位置調整部を有する検出器装着部を用いる。位置調整部を有する検出器装着部１４bの一例を図７に示す。図７(a)に上記実施例と同様に検出器１４aを装着した場合の検出角の大きさ、図７(b)に検出器１４aを積分球の外壁面から遠ざけて装着した場合の検出角の大きさを示す。図７から分かるように、位置調整部を用い、検出器１４aを積分球の外壁面に近づけたり遠ざけたりすることによって、実効的な検出角の大きさを変更することができる。これにより、検出角の大きさが異なる複数種類の検出器を用いる場合でも、それらの検出視野を一致させることができる。

上記実施例はいずれも一例であって、本発明の趣旨に沿って適宜に変更することができる。
上記実施例では、各装着部が、該装着部に装着される検出器の向きを自由に変更できる（可動である）場合を例に挙げて説明したが、使用する複数の検出器が予め決まっている場合には、それらの検出視野が一致するような向きに検出器を固定して装着する検出器装着部としてもよい。
また、上記実施例では、少なくとも１つの検出器装着部を極点に備える構成としたが、必ずしも極点に検出器装着部を備えなくてもよい。例えば、図８に示すように検出器装着部１３b、１５bを備え、それらに検出器１３a、１５aを装着するようにしてもよい。
さらに、上記実施例は、積分球外部の光源から光導入窓から導入して試料に照射し、試料からの拡散反射光を検出する分光測定装置であるが、積分球外部の光源から試料に光を照射し、該試料を透過した光を積分球内部に取り込んで検出する分光測定装置や、積分球内部に光源を配置する分光測定装置等、種々の構成の分光測定装置において本発明に係る積分球を用いることができる。なお、分光測定装置の構成に応じて、適宜、光導入窓２を備えない積分球を用いる。

１…積分球
２…光導入窓
３…光入射窓
４…試料
１０、１１、１２、１３、１４、１５…光検出窓
１０a、１１a、１２a、１３a、１４a、１５a…検出器
１０b、１１b、１２b、１３b、１４b、１５b…検出器装着部

Claims (7)

1. a) 試料から発せられる光を内部に取り込むための光入射窓を有する積分球本体と、
   b) 前記積分球本体の中心において前記光入射窓と該中心を通る第１直線に直交する第２直線と前記積分球本体の２つの交点の一方に設けられた第１光検出窓の外側に取り付けられた第１検出器と、
   c) 前記２つの交点の他方に設けられた第２光検出窓の外側に取り付けられた第２検出器と、
   d) 前記積分球本体に設けられた第３光検出窓の外側に取り付けられた検出器であって、その検出面の法線が前記第１光検出窓又は前記第２光検出窓を通るように取り付けられた第３検出器と
   を備えることを特徴とする分光測定装置用積分球。
2. 前記第１検出器、前記第２検出器、及び前記第３検出器のうちの少なくとも１つが、当該検出器の取り付け位置を調整可能な位置調整部を備えることを特徴とする請求項１に記載の分光測定装置用積分球。
3. 前記第３検出器の検出面の法線が、前記第１光検出窓及び前記第２光検出窓のうち前記第３光検出窓からの距離がより大きい光検出窓を通ることを特徴とする請求項１又は２に記載の分光測定装置用積分球。
4. e) 前記光入射窓に対して前記積分球本体の中心を外れた光路で光を照射する光源
   を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の分光測定装置用積分球。
5. 前記積分球本体の中心と前記光路を含む面が前記第２直線に垂直であることを特徴とする請求項４に記載の分光測定装置用積分球。
6. 前記光源が前記積分球本体の外部に配置され、
   前記積分球本体に、該光源からの光を該積分球本体の内部に導入するための光導入窓を備える
   ことを特徴とする請求項４又は５に記載の分光測定装置用積分球。
7. 請求項１から６のいずれかに記載の分光測定装置用積分球を備えた分光測定装置。

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