JP6885233B2 - フーリエ変換赤外分光光度計 - Google Patents

Description

本発明はフーリエ変換赤外分光光度計（FTIR: Fourier Transform Infrared Spectrometer）に関する。

フーリエ変換赤外分光法では、ビームスプリッタ、固定鏡、及び移動鏡を含むマイケルソン型干渉計等の干渉計が用いられる。干渉計では、移動鏡の位置を移動して固定鏡により反射される光と移動鏡により反射される光に光路長差を付与することにより、該光路長差に応じて異なる位相で干渉した光を得ることができる。試料に含まれる測定対象化合物の吸収波長を含む波長幅を有する赤外光を干渉計に導入して干渉光を生成し、試料に照射して透過光を測定するという動作を、移動鏡を順次移動させて行うことにより、移動鏡の移動距離に対する透過光強度の変化を示すインターフェログラムが得られる（図１）。このインターフェログラムをフーリエ変換することにより、縦軸を強度、横軸を波数とするパワースペクトルが得られる（例えば特許文献１〜３）。

図２に、従来用いられているフーリエ変換赤外分光光度計の要部構成を示す。フーリエ変換赤外分光光度計１００は大別して、気密室１０１内に配置された干渉部と、気密室１０１外に配置される測定部で構成される。干渉部は、光源１０２、集光鏡１０３、コリメータ鏡１０４、ビームスプリッタ１０５、固定鏡１０６、移動鏡１０７を備えている。また、測定部は、放物面鏡１１２、試料室１１３、楕円面鏡１１５、及び検出器１１６を備えており、試料室１１３内に試料１１４が配置される。

光源１０２から出射された赤外光は、集光鏡１０３、コリメータ鏡１０４を介してビームスプリッタ１０５に照射され、ビームスプリッタ１０５により固定鏡１０６及び移動鏡１０７に向かう二方向に分割される。固定鏡１０６及び移動鏡１０７でそれぞれ反射した赤外光はビームスプリッタ１０５に戻って合流し、気密室１０１の窓１０８から出射して放物面鏡１１２に向かう。放物面鏡１１２で集光された光は試料室１１３内の試料１１４に照射される。試料１１４を通過した光は楕円面鏡１１５により検出器１１６の検出面に集光され検出される。移動鏡１０７を前後（図２の矢印Ｍの方向）に往復動させると、固定鏡１０６で反射される赤外光の光路と移動鏡１０７で反射される赤外光の光路長に差が生じ、該光路長差に応じて異なる位相で干渉した赤外干渉光が生成される。試料１１４を通過した赤外干渉光は検出器１１６で検出される。

検出器１１６としては、例えば焦電素子と接合型電界効果トランジスタを有する焦電検出器が用いられる。焦電素子は、赤外光の入射光量に応じた電荷を生成して電流を発生させる。接合型電界効果トランジスタのゲートには焦電素子が接続され、またソースには抵抗が接続されている。赤外光が入射すると、焦電素子が接続されたゲートの電圧が変化してソースから流出する電流量が変化し、ソースに接続された抵抗の両端の電位差が変化する。この電位差を検出することにより赤外光の入射光量に応じた電圧値が得られる。赤外光が照射されていないときにはドレインからゲートへの漏れ電流と焦電素子の抵抗に相当する電圧がゲートに印加されており、前記抵抗の両端にはオフセット電圧が発生している。焦電検出器では、このオフセット電圧からの変動が正負の電圧値として出力される（図３に実線で示す波形）。図１に示すインターフェログラムと区別するため、以下では図３に示す波形を「減算波形」と呼ぶ。

特開2012-7964号公報 特開2002-22536号公報 特開2003-14543号公報 特開2007-205793号公報

フーリエ変換赤外分光光度計では、移動鏡１０７がある特定の位置にあるときに、該移動鏡１０７で反射された赤外光と固定鏡１０６で反射される光の光路長が一致する。この状態においては、全ての波長で、ビームスプリッタ１０５で合流した両反射光の位相が一致して強めあい、最も高強度の赤外光が検出される。これに対応する、インターフェログラム上のピークはセンターバーストと呼ばれる（図１参照）。このセンターバーストは、図３に実線で示す減算波形の正電圧側に現れる最大ピークに対応する。移動鏡１０７が前記特定の位置からずれると両反射光に光路長差が生じ、波長毎に異なる位相差で両反射光が干渉するようになるため、検出される赤外光の強度が波打つように変化する。

しかし、実際の測定では、ビームスプリッタ１０５として用いられる、表面にGe等の薄膜を蒸着した1対の窓材を赤外光が通過する際の屈折率が波長によって異なり、また該1対の窓材の厚さも厳密に均一ではない。そのため、全ての波長の赤外光について両反射光の位相が同時に揃わず、逆に前記両反射光の位相差がπとなり光が弱めあう波長が多くなって最大のピークが下向きに現れる（つまり負電圧側に最大ピークが現れる）場合がある。同じ装置でも試料を入れた際には、どこの波長を強く吸収するかによって正電圧側に最大ピークが現れたり、負電圧側に最大ピークが現れたりする。試料の無い状態では一定である。装置ごとの最大ピークの高さや正負はある程度事前に予測することが可能であるが、正電圧のピークと負電圧のピークのいずれが現れるかを事前に予測することはできない。

このように、正電圧と負電圧のいずれの最大ピークが現れるかを事前に予測することはできないため、いずれが現れた場合でもA/D変換器の入力レンジ内に収まるように増幅器での増幅率が設定される。しかし、実際の測定では正電圧側と負電圧側のいずれか一方にのみ最大ピークが現れるため、図３に実線で示す減算波形のように正電圧側に最大ピークが現れた場合は負電圧側の入力レンジの多くが使用されず、破線で示す減算波形のように負電圧側に最大ピークが現れた場合は正電圧側の入力レンジの多くが使用されないため、A/D変換器の入力レンジの一部が無駄になるという問題があった。

本発明が解決しようとする課題は、正電圧の最大ピークと負電圧の最大ピークのいずれが現れる場合でもA/D変換器の入力レンジを有効に使用することができるフーリエ変換赤外分光光度計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フーリエ変換赤外分光光度計の第１の態様は、
a) 分析対象化合物の吸収波長を含む波長幅を有する赤外光を発生する光源と、
b) 固定鏡及び移動鏡を含み、前記赤外光から干渉光を生成する干渉計と、
c) 前記干渉光の強度に応じた大きさの電圧を生成し、該電圧から予め決められた大きさの電圧を差し引いた電圧を出力する検出器と、
d) 入力された電圧の極性を反転させて出力する極性反転部と、
e) 入力された電圧に予め決められた大きさのバイアス電圧を加算するバイアス電圧加算部と、
f) 入力された電圧を予め決められた倍率で増幅する増幅部と、
g) 入力された電圧をデジタル信号に変換するA/D変換部と、
h) 前記検出器から出力される電圧を、前記バイアス電圧加算部及び前記増幅部で順に処理する第１信号処理を実行する第１信号処理部と、
i) 前記検出器から出力される電圧を、前記極性反転部、前記バイアス電圧加算部、及び前記増幅部により順に処理する第２信号処理を実行する第２信号処理実行部と、
j) 前記第１信号処理後の電圧及び前記第２信号処理後の電圧を前記A/D変換部に入力し、該第１信号処理後の電圧及び該第２信号処理後の電圧がそれぞれ前記A/D変換部の入力レンジ内であるかを判定する判定部と、
k) 前記判定部による判定の結果に基づき、実測定時に前記検出器から出力される電圧を前記第１信号処理と前記第２信号処理のいずれにより処理するかを決定する信号処理決定部と
を備え、
前記第１信号処理又は第２信号処理によって前記検出器からの出力電圧の波形が正電圧側と負電圧側に等分に広がる波形に変換されるように前記バイアス電圧の大きさが定められていることを特徴とする。

前記検出器は例えば焦電検出器であり、該焦電検出器では、干渉光の強度に応じた大きさの電圧が生成され、該電圧から予め決められた大きさの直流電圧（オフセット電圧）を差し引いた電圧が出力される。検出器としては焦電検出器のほか、干渉光の強度に応じた大きさの電圧からその直流成分を差し引いた電圧を出力するものを用いることもできる。例えば、量子型検出器であるMCT検出器やInGaAs検出器などを用いることができる。この直流成分はフーリエ変換後の吸収スペクトルを構成する周波数成分の情報を含まない成分に相当し、これには、例えば光源から発せられた赤外光を干渉させずに検出したときに生成される電圧値を用いることができる。あるいは、光源から発せられる赤外光の強度と、干渉計等に含まれる各光学部品による光吸収の大きさに基づく計算値を用いてもよい。
前記判定部による判定は、A/D変換部からの出力信号が飽和信号であるか否かを確認することにより行うことができる。
フーリエ変換赤外分光光度計では、減算波形の最大ピークが正電圧側と負電圧側のいずれに現れるかを予測することは困難であるが、そのピーク高さ（絶対値）はほぼ一定である。従って、前記バイアス電圧の大きさや前記予め決められた倍率は、予備実験や過去の測定の結果から決定することができる。

上記第１の態様のフーリエ変換赤外分光光度計では、検出器から出力された電圧にバイアス電圧を加算して増幅する第１信号処理と、検出器から出力された電圧の極性を反転させ、バイアス電圧を加算して増幅する第２信号処理とを行い、両処理後の電圧がA/D変換部の入力レンジ内であるかを判定する。例えば、最大ピークが正電圧側に現れており前記バイアス電圧が負の値である場合、図４(a)に示すように、第１信号処理ではバイアス電圧の加算によって電圧信号が負方向にシフトされ、減算波形の最大ピークの高さが低く（絶対値が小さく）なった後に増幅器で増幅される。このように、バイアス電圧の加算によって最大ピークの高さの絶対値を小さくするように電圧信号がシフトされると、増幅後の電圧信号はA/D変換器の入力レンジ内に収まる。一方、極性を反転させる第２信号処理では、図４(b)に示すように、バイアス電圧の加算により最大ピークの高さがさらに高く（絶対値が大きく）なり、その後に増幅器で増幅されるため、該増幅後の電圧信号はA/D変換器の入力レンジを外れて飽和信号が出力される。従って、この場合には、信号処理決定部により第１信号処理が実測定時の処理方法として決定される。逆に、減算波形の最大ピークが負電圧側である場合には、第１信号処理の場合に増幅後の電圧信号がA/D変換器の入力レンジを外れ、第２信号処理の場合に増幅後の電圧信号がA/D変換器の入力レンジ内に収まり、第２信号処理が実測定時の処理方法として決定される。このように、第１の態様のフーリエ変換赤外分光光度計では、実測定時に、最大ピークの高さを低くする方向に減算波形全体をシフトさせ、正電圧側又は負電圧側に偏在する波形を両方に等分に広がる波形に変換したあとに電圧信号を増幅する処理が行われるため、A/D変換器の正電圧側と負電圧側の両方の入力レンジを有効に用いることができる。

また、本発明に係るフーリエ変換赤外分光光度計の第２の態様は、
a) 分析対象化合物の吸収波長を含む波長幅を有する赤外光を発生する光源と、
b) 固定鏡及び移動鏡を含み、前記赤外光から干渉光を生成する干渉計と、
c) 前記干渉光の強度に応じた大きさの電圧を生成し、該電圧から予め決められた大きさの電圧を差し引いた電圧を出力する検出器と、
d) 入力された電圧に予め決められた、絶対値が同じである正のバイアス電圧又は負のバイアス電圧を加算するバイアス電圧加算部と、
e) 入力された電圧を予め決められた倍率で増幅する増幅部と、
f) 入力された電圧をデジタル信号に変換するA/D変換部と、
g) 前記検出器から出力される電圧に前記正のバイアス電圧を加算して前記予め決められた倍率で増幅する第３信号処理を実行する第３信号処理実行部と、
h) 前記検出器から出力される電圧に前記負のバイアス電圧を加算して前記予め決められた倍率で増幅する第４信号処理を実行する第４信号処理実行部と、
i) 前記第３信号処理後の電圧及び前記第４信号処理後の電圧を前記A/D変換部に入力し、該第３信号処理後の電圧及び該第４信号処理後の電圧がそれぞれA/D変換部の入力レンジ内であるかを判定する判定部と、
j) 前記判定部による判定の結果に基づき、実測定時に前記検出器から出力される電圧を前記第３信号処理と前記第４信号処理のいずれにより処理するかを決定する信号処理決定部と
を備え、
前記第３信号処理又は第４信号処理によって前記検出器からの出力電圧の波形が正電圧側と負電圧側に等分に広がる波形に変換されるように前記バイアス電圧の絶対値が定められていることを特徴とする。

上記第２の態様のフーリエ変換赤外分光光度計では、正電圧側に最大ピークが現れている場合には前記第４信号処理により、また負電圧側に最大ピークが現れている場合には前記第３信号処理により、そのピーク高さを低くするように減算波形全体がシフトされ、正電圧側又は負電圧側に偏在する波形が両方に等分に広がる波形に変換される。従って、上記第１の態様のフーリエ変換赤外分光光度計と同様に、A/D変換器の正電圧側と負電圧側の両方の入力レンジを有効に用いることができる。

さらに、本発明に係るフーリエ変換赤外分光光度計の第３の態様は、
a) 分析対象化合物の吸収波長を含む波長幅を有する赤外光を発生する光源と、
b) 固定鏡及び移動鏡を含み、前記赤外光から干渉光を生成する干渉計と、
c) 前記干渉光の強度に応じた大きさの電圧を生成し、該電圧から予め決められた大きさの電圧を差し引いた電圧を出力する検出器と、
d) 前記検出器からの出力電圧に含まれる、該出力電圧の波形を正電圧側と負電圧側に等分に広がる波形に変換するように予め決められた周波数以上の成分を通過させるハイパスフィルタと、
e) 前記ハイパスフィルタからの出力電圧を予め決められた倍率で増幅する増幅部と、
f) 前記増幅部からの出力電圧をデジタル信号に変換するA/D変換部と
を備えることを特徴とする。

第３の態様のフーリエ変換赤外分光光度計では、ハイパスフィルタを用いて検出器から出力される電圧のうち、予め決められた周波数以上の成分を通過させる。ハイパスフィルタは微分回路としても知られている（例えば特許文献４）。第３の態様のフーリエ変換赤外分光光度計では、ハイパスフィルタを用いて前記予め決められた周波数を、減算波形に含まれる主な周波数に近い値に設定することにより、正電圧側又は負電圧側に偏在する波形を微分処理して両方向にほぼ等分に広がる波形に変換する。従って、A/D変換器の正電圧側と負電圧側の両方の入力レンジを有効に用いることができる。

本発明に係る第１から第３の態様のフーリエ変換赤外分光光度計を用いることにより、正電圧の最大ピークと負電圧の最大ピークのいずれが現れる場合でもA/D変換器の入力レンジを有効に使用することができる。

フーリエ変換赤外分光光度計で得られるインターフェログラムの一例。 従来のフーリエ変換赤外分光光度計の要部構成図。 従来のフーリエ変換赤外分光光度計における減算波形とA/D変換器の入力レンジの関係を説明する図。 本発明に係るフーリエ変換赤外分光光度計の第１の態様における信号処理を模式的に示す図。 実施例１〜３のフーリエ変換赤外分光光度計に共通の構成を説明する図。 実施例１のフーリエ変換赤外分光光度計において用いられる信号処理部及び制御／処理部の構成を説明する図。 実施例１のフーリエ変換赤外分光光度計における信号処理の流れを説明する図。 実施例２のフーリエ変換赤外分光光度計において用いられる信号処理部及び制御／処理部の構成を説明する図。 実施例２のフーリエ変換赤外分光光度計における信号処理の流れを説明する図。 実施例３のフーリエ変換赤外分光光度計において用いられる信号処理部及び制御／処理部の構成を説明する図。 実施例３のフーリエ変換赤外分光光度計における信号処理の流れを説明する図。 1kHz正弦波の正側半波に対して1kHzのハイパスフィルタを入れた場合のシミュレーション波形。

本発明に係るフーリエ変換赤外分光光度計に関する3つの実施例について、以下、図面を参照して説明する。

図５は、3つの実施例のフーリエ変換赤外分光光度計に共通する要部構成図である。フーリエ変換赤外分光光度計には、インターフェログラムを得るための主干渉計と、移動鏡の摺動速度を制御したり主干渉計の検出器で得られる信号をサンプリングするタイミング信号を生成したりするためのコントロール干渉計とが設けられている。主干渉計は、光源１１、集光鏡１２、コリメータ鏡１３、ビームスプリッタ１４、固定鏡１５、移動鏡１６を含み、スペクトル測定を行うための干渉赤外光を発生させる。光源１１から出射された赤外光は、集光鏡１２、コリメータ鏡１３を介してビームスプリッタ１４に照射され、ここで固定鏡１５及び移動鏡１６の二方向に向かう光に分割される。固定鏡１５及び移動鏡１６にてそれぞれ反射した光はビームスプリッタ１４によって再び合一され、放物面鏡２１へ向かう光路に送られる。このとき、移動鏡１６は移動鏡駆動部１６ａにより前後（図５中の矢印Ｍの方向）に往復駆動されているため、合一された光は時間的に強度が変動する干渉光となる。放物面鏡２１にて集光された光は試料室２２内に照射され、試料室２２に配置された試料２３を通過した光は楕円面鏡２４により検出器２５へ集光される。

一方、コントロール干渉計は、レーザ光源１７、ミラー１８、（前記の）ビームスプリッタ１４、（前記の）固定鏡１５、（前記の）移動鏡１６を含み、干渉縞信号を得るためのレーザ干渉光を発生させる。レーザ光源１７から出射された光はミラー１８を介してビームスプリッタ１４に照射され、上記赤外光と同様に干渉光となって放物面鏡２１の方向に向かう。このレーザ干渉光は非常に小さな径の光束となって進行し、放物面鏡２１に至る光路の途中に挿入されたミラー１９により反射されて検出器２０に導入される。

主干渉計及びコントロール干渉計を構成する光学部品は気密室１０内に配置されており、気密室１０内は湿度がコントロールされている。これは、主として、潮解性を有するKBrを基板とするビームスプリッタ１４等の光学素子を保護するためである。

検出器２０の受光信号、つまり干渉縞信号は信号生成部２９に入力され、ここで赤外干渉光に対する受光信号をサンプリングするためのパルス信号が生成される。また、このレーザ光干渉縞信号は移動鏡１６の摺動制御を行うためにも利用される。

試料室２２内に配置された試料２３を通過した干渉光は、楕円面鏡２４により集光され検出器２５で検出される。本実施例の検出器２５は焦電素子と接合型電界効果トランジスタを有する焦電検出器であり、赤外光の強度に応じて焦電素子で生成された量の電荷に対応する電圧と接合型電界効果トランジスタのオフセット電圧との差に相当する正負の電圧が出力される。

検出器２５で得られた受光信号には、信号処理部２６（３６、４６）において後述する実施例にそれぞれ特有の処理が施され、A/D変換器２７でデジタル信号に変換されて制御／処理部３０（４０、５０）に送られる。制御／処理部３０（４０、５０）では、所定のデータ処理を実行した後にフーリエ変換演算を行って吸収スペクトルを作成する。

制御／処理部３０（４０、５０）は記憶部３１を備えた専用の制御／処理装置とすることもできるが、一般的には、その実体は専用の制御／処理ソフトウエアをインストールしたパーソナルコンピュータであって、各種の入力操作を行うためのキーボードやポインティングデバイス（マウスなど）による入力部６０や測定結果等を表示する液晶ディスプレイ等の表示部７０が接続されている。

図６に実施例１のフーリエ変換赤外分光光度計において用いられる信号処理部２６と制御／処理部３０の構成を示す。実施例１の信号処理部２６は、入力された電圧の極性を反転させて出力する極性反転部２６１と、入力された電圧に予め決められた大きさのバイアス電圧を加算するバイアス電圧加算部２６２と、入力された電圧を予め決められた倍率で増幅する増幅器２６３とを備えている。なお、極性反転部２６１、バイアス電圧加算部２６２、及び増幅器２６３の実体はそれぞれ電気回路であり、従来知られた各種の電気回路の組み合わせにより後述する各部の機能が実現される。制御／処理部３０は、記憶部３１のほか、機能ブロックとして判定部３２と信号処理決定部３３を備えている。これらの機能ブロックは、例えば制御／処理部３０として用いられるコンピュータにインストールされた所定のプログラムを実行することにより具現化される。

実施例１のフーリエ変換赤外分光光度計では、実試料の測定前に、その測定時に使用する信号処理の方法を決定するための予備測定を行う。この予備測定は、例えば入力部６０を通じた使用者からの指示に基づき、制御／処理部３０がフーリエ変換赤外分光光度計の各部を動作させることにより行われる。あるいは、フーリエ変換赤外分光光度計の電源が投入された時や、前回の実試料の測定後、予め決められた時間以上の時間が経過している場合に、制御／処理部３０が自動的に予備測定を行うようにしてもよい。

予備測定では、移動鏡１６の位置を移動させつつ、検出器２５に入射する赤外干渉光の強度を順次、測定する。この予備測定は2度行われ、最初の測定時には第１信号処理が、2度目の測定時には第２信号処理が施される。

最初の予備測定時に行う第１信号処理では、検出器２５から出力され極性反転部２６１に入力される電圧の極性を反転させず、そのままバイアス電圧加算部２６２に入力する。あるいは、極性反転部２６１の手前に配設された信号経路の切り換えスイッチを用いて極性反転部２６１に電圧を入力せず、直接バイアス電圧加算部２６２に入力するようにしてもよい。バイアス電圧加算部２６２では、順次入力される電圧に予め決められたバイアス電圧を加算して出力する。バイアス電圧が加算された電圧は、増幅器２６３により予め決められた倍率に増幅され出力される。増幅器２６３から出力された電圧はA/D変換器２７でデジタル信号に変換され制御／処理部３０内の記憶部３１に保存される。

2度目の予備測定時に行う第２信号処理では、検出器２５から出力され極性反転部２６１に入力された電圧の極性を反転させてバイアス電圧加算部２６２に入力する。バイアス電圧加算部２６２では、順次入力される極性反転後の電圧に予め決められたバイアス電圧を加算して出力する。バイアス電圧が加算された電圧は、増幅器２６３より予め決められた倍率に増幅され出力される。増幅器２６３から出力された電圧はA/D変換器２７でデジタル信号に変換され制御／処理部３０内の記憶部３１に保存される。このように、第１信号処理と第２信号処理は、検出器２５からの出力電圧の極性を反転させるか否かという点で異なる。

図７に、模式的な減算波形を用いて具体的な信号処理の一例を示す。図７では、実施例１における信号処理の特徴についての理解を容易にするために波形を簡素化しているが、実際の測定で得られる減算波形はより複雑である。後述の実施例２及び３において説明に使用する波形についても同様である。ここでは、検出器２５から、最大ピークの電圧の絶対値が4V、該最大ピークの極性と反対側の最大出力電圧の絶対値が1Vである減算波形が出力される場合を想定し、バイアス電圧を-1.5V、増幅率を2倍としている。また、A/D変換器２７の入力レンジは-5V〜+5Vである。フーリエ変換赤外分光光度計で取得されるインターフェログラム（図１）において上向きに最大ピークが現れるか下向きに最大ピークが現れるか（言い換えると、図３のような減算波形において正電圧側に最大ピークが現れるか負電圧側に最大ピークが現れるか）を事前に予測することはできないが、その最大ピークの大きさ（電圧の絶対値）はほぼ一定であるため、事前に減算波形を構成する電圧の範囲を想定しておくことができる。従って、その電圧範囲とA/D変換器２７の入力レンジに基づいて、バイアス電圧の大きさ及び増幅率を決めておくことができる。

減算波形の最大ピークが正電圧側に現れる（即ち減算波形の出力電圧範囲が-1V〜+4Vである）場合、第１信号処理では図７(a)に示すように減算波形が処理される。その結果、増幅器２６３から出力される電圧の範囲は-5V〜+5Vとなり、A/D変換器２７の入力レンジ内に収まる。一方、第２信号処理では図７(b)に示すように減算波形が処理される。その結果、増幅器２６３から出力される電圧の範囲が-11V〜-1Vとなり、A/D変換器２７の入力レンジから外れる。このような電圧が入力されると、A/D変換器２７からは飽和信号が出力され記憶部３１に保存されるため、判定部３２は、記憶部３１に保存された信号が飽和しているか否かを確認することにより、第１信号処理後の出力電圧と第２信号処理後の出力電圧のそれぞれがA/D変換器２７の入力レンジ内に収まっているかを判定することができる。判定部３２による判定後、信号処理決定部３３は、第１信号処理と第２信号処理のうち、処理後の電圧がA/D変換器２７の入力レンジ内に収まる方を実測定時に使用する信号処理方法として決定する。

ここでは、減算波形の最大ピークが正電圧側に現れる例を説明したが、負電圧側に現れる場合も同様に処理され、信号処理決定部３３は、第２信号処理を実測定時の信号処理方法として決定する。また、ここではバイアス電圧を負電圧としたがバイアス電圧を正電圧とすることもできる。

図８に実施例２のフーリエ変換赤外分光光度計において用いられる信号処理部３６及び制御／処理部４０の構成を示す。実施例２の信号処理部３６は、入力された電圧に絶対値が同じである正のバイアス電圧又は負のバイアス電圧を加算するバイアス電圧加算部３６２と、入力された電圧を予め決められた倍率で増幅する増幅器３６３とを備えている。バイアス電圧加算部３６２、及び増幅器３６３の実体はそれぞれ電気回路であり、従来知られた各種の電気回路の組み合わせにより後述する各部の機能が実現される。制御／処理部４０も、実施例１の制御／処理部３０と同様に、記憶部３１のほか、機能ブロックとして判定部４２と信号処理決定部４３を備えている。これらの機能ブロックは、例えば制御／処理部４０として用いられるコンピュータにインストールされた所定のプログラムを実行することにより具現化される。

実施例２のフーリエ変換赤外分光光度計でも、実試料の測定前に、その測定時に使用する信号処理の方法を決定するための予備測定を行う。この予備測定は、例えば入力部６０を通じた使用者からの指示に基づき、制御／処理部４０がフーリエ変換赤外分光光度計の各部を動作させることにより行われる。あるいは、フーリエ変換赤外分光光度計の電源が投入された時や、前回の実試料の測定後、予め決められた時間以上の時間が経過している場合に、制御／処理部４０が自動的に予備測定を行うようにしてもよい。

予備測定では、移動鏡１６の位置を移動させつつ、検出器２５に入射する赤外干渉光の強度を順次、測定する。この予備測定は2度行われ、最初の測定時には第３信号処理が、2度目の測定時には第４信号処理が施される。

最初の予備測定時に行う第３信号処理では、バイアス電圧加算部３６２が、検出器２５から順次出力される電圧に正のバイアス電圧を加算して出力する。正のバイアス電圧が加算された電圧は、増幅器３６３において予め決められた倍率で増幅され出力される。増幅器３６３から出力された電圧はA/D変換器２７でデジタル信号に変換され制御／処理部４０内の記憶部３１に保存される。

2度目の予備測定時に行う第４信号処理では、バイアス電圧加算部３６２が、検出器２５から順次出力される電圧に、前記正のバイアス電圧と絶対値が同じである負のバイアス電圧を加算して出力する。負のバイアス電圧が加算された電圧は、増幅器３６３において予め決められた倍率で増幅され出力される。増幅器３６３から出力された電圧はA/D変換器２７でデジタル信号に変換され制御／処理部４０内の記憶部３１に保存される。つまり、第３信号処理と第４信号処理では、バイアス電圧加算部３６２において検出器２５からの出力電圧に加算するバイアス電圧の極性が異なる。

図９に、模式的な減算波形を用いた具体的な信号処理の一例を示す。ここでも、図７と同様に、検出器２５から最大ピークの電圧の絶対値が4V、該最大ピークの極性と反対側の最大出力電圧の絶対値が1Vである減算波形が出力される場合を想定し、バイアス電圧を±1.5V、増幅率を2倍としている。また、A/D変換器の入力レンジは-5V〜+5Vである。実施例１において説明したように、減算波形において正電圧側に最大ピークが現れるか負電圧側に最大ピークが現れるかを事前に予測することはできないが、その最大ピークの大きさ（電圧の絶対値）はほぼ一定であるため、事前に減算波形を構成する電圧の範囲を想定し、これとA/D変換器２７の入力レンジに基づいて、バイアス電圧の大きさ（絶対値）を決めておくことができる。

減算波形の最大ピークが正電圧側に現れる（即ち減算波形の出力電圧範囲が-1V〜+4Vである）場合、上述の第３信号処理では図９(a)に示すように減算波形が処理される。その結果、増幅器３６３から出力される電圧の範囲は+1V〜+11Vとなり、A/D変換器２７の入力レンジから外れる。一方、第４信号処理では図９(b)に示すように減算波形が処理される。その結果、増幅器３６３から出力される電圧の範囲が-5V〜+5Vとなり、A/D変換器２７の入力レンジ内に収まる。判定部４２は、記憶部３１に保存された信号が飽和しているか否かを確認することにより、第３信号処理後の出力電圧と第４信号処理後の出力電圧のそれぞれがA/D変換器２７の入力レンジ内に収まっているかを判定することができる。判定部４２による判定後、信号処理決定部４３は、第３信号処理と第４信号処理のうち、処理後の電圧がA/D変換器２７の入力レンジ内に収まる方を実測定時に使用する信号処理方法として決定する。

ここでも、減算波形の最大ピークが正電圧側に現れる例を説明したが、負電圧側に現れる場合も同様に処理され、信号処理決定部４３は、第３信号処理を実測定時の信号処理方法として決定する。

図１０に実施例３のフーリエ変換赤外分光光度計において用いられる信号処理部４６及び制御／処理部５０の構成を示す。実施例３の信号処理部４６は、入力された電圧信号のうち所定の周波数以上の成分の信号のみを通過させるハイパスフィルタ（HPF）４６４と、入力された電圧を予め決められた倍率で増幅する増幅器４６３とを備えている。ハイパスフィルタ４６４、及び増幅器４６３の実体はそれぞれ電気回路であり、従来知られた各種の電気回路の組み合わせにより後述する各部の機能が実現される。制御／処理部５０は、実施例１の制御／処理部３０や実施例２の制御／処理部４０と同様に記憶部３１は備えているが、判定部や信号処理決定部は備えていない。

実施例３のフーリエ変換赤外分光光度計では実施例１及び２と異なり、予備測定を行わない。従って、例えば装置の電源を投入し、光路調整等を行ったあと、そのまま実測定を行うことができる。もちろん、ハイパスフィルタ４６４を通過させる周波数の範囲、増幅率、あるいはA/D変換器のレンジを決定するために必要であれば、予備測定を行っても構わない。

図１１に、模式的な減算波形を用いた具体的な信号処理の一例を示す。ここでも、図７及び図９と同様に、検出器２５から最大ピークの電圧の絶対値が4V、該最大ピークの極性と反対側の最大出力電圧の絶対値が1Vである減算波形が出力される場合を想定し、増幅率を2倍としている。また、A/D変換器の入力レンジは-5V〜+5Vである。

実施例３のフーリエ変換赤外分光光度計では、ハイパスフィルタ４６４を用いて、検出器から出力される電圧のうち予め決められた周波数以上の成分を通過させる。ここでいう予め決められた周波数は減算波形（あるいはインターフェログラム）に含まれる主な周波数に近い値とすればよい。この値は光源の発光スペクトルにおいて強度が大きい波長や、干渉計等の光学系の構成に依存する。減算波形に含まれる主な周波数は、移動鏡１６の速度と赤外光の波長によって決まる。赤外光の波長は、試料に含まれる測定対象化合物により吸収される光の波長であり、光源１１には、その波長における発光強度が大きいものが用いられる。例えば、移動鏡１６の速度が2.8mm/s、測定波長（に対応する波数）を2000cm-1である場合、周波数f=2×2.8(mm/s)×2,000(cm-1)=1,120Hzとなり、1kHz付近の周波数が支配的になることから、ハイパスフィルタ４６４のカットオフ周波数を1kHz近傍に設定すればよい。

ハイパスフィルタ４６４は微分回路としても知られており、実施例３のフーリエ変換赤外分光光度計では、ハイパスフィルタ４６４を通過させることで減算波形が微分処理され、該微分処理後の波形が増幅器４６３で増幅されA/D変換器２７でデジタル信号に変換される。

一般的な分析装置では信号周波数はノイズ周波数よりも小さいことが多く、従って測定信号の周波数帯域でフィルタを用いることは少ない。一方、フーリエ変換赤外分光では測定により取得したデータをフーリエ変換するため、信号周波数とノイズ周波数の帯域がほぼ同じになることから、測定信号の主な周波数帯域の近傍においてハイパスフィルタを使用する。例えば1kHzの測定信号に対して1kHzのハイパスフィルタを使用すると測定信号とノイズの両方が1/√2に減少するが、これと同時に正電圧側又は負電圧側に偏在している最大ピークの波形がそれら両方に等分に（対称に）広がる波形へと変換され、A/D変換器２７の入力レンジを変えることなく増幅器４６３における増幅率を2倍にすることができる。図１２に、1kHz正弦波の正側半波に対し、1kHzのハイパスフィルタを入れた場合のシミュレーション波形を示す。

上記実施例１〜３のいずれにおいても、正電圧側又は負電圧側に偏在する減算波形が、それぞれの実施例に特有の信号処理によって正電圧側と負電圧側の両方に（ほぼ）等分に広がる波形に変換される。そのため、従来のように、A/D変換器の入力レンジにおいて、正電圧側と負電圧側のうち、減算波形の最大ピークが現れない側の入力レンジの多くが使用されず無駄になることがない。つまり、A/D変換器の入力レンジ全体を有効に利用し、そのビット数を最大限活用し、高い分解能で測定データを取得することができる。

ここで、従来のフーリエ変換赤外分光光度計、実施例１と２のフーリエ変換赤外分光光度計、及び実施例３のフーリエ変換赤外分光光度計において得られる測定信号のS/N比を比較する。計算の前提条件としてそれぞれの信号処理部に入力される時点でのS/Nを1とした。また、上記実施例１〜３と同様に、信号処理部に入力される減算波形の形状は最大ピークのピーク電圧の絶対値を4V（即ち+4V又は-4V）とし、またA/D変換器の入力レンジを-5V〜+5Vとした。

従来のフーリエ変換赤外分光光度計では、正電圧側と負電圧側のいずれに最大ピーク（絶対値4V）が現れた場合でもA/D変換器の入力レンジ（-5V〜+5V）の範囲内に収まるように、増幅器での増幅率が1.25倍に設定される。一方、実施例１及び２では増幅器２６３（３６３）における信号の増幅率が2倍に設定される。また、実施例３ではハイパスフィルタ４６４を通過した時点で信号とノイズの両方が1/√2（=0.71）倍され、増幅器４６３で2倍に増幅される。これらに基づきそれぞれで得られるA/D変換後のS/N比を計算したものを下表に示す。

上表におけるVn(AD)はA/D変換器に特有のノイズであり、これは従来、実施例１及び２、実施例３のフーリエ変換赤外分光光度計のいずれにおいても同じである。従って、上表から実施例１及び２、実施例３、従来のフーリエ変換赤外分光光度計の順にA/D変換後のS/N比が高くなることが分かる。このように、実施例１及び２のフーリエ変換赤外分光光度計を用いると実施例３のフーリエ変換赤外分光光度計よりも高いS/N比の測定データが得られる。一方、実施例１及び２のフーリエ変換赤外分光光度計では、極性変換やバイアス電圧を加算するための回路を設計し追加する必要があるが、実施例３のフーリエ変換赤外分光光度計では従来用いられているハイパスフィルタをそのまま用いるのみでよく、従って実施例１及び２に比べて容易に構成できるという利点がある。また、実施例３のフーリエ変換赤外分光光度計では実試料の測定前に予備測定を行って信号処理方法を決定する必要がないため、測定に係る手順も簡素化できる。

上記実施例は一例であって、本発明の主旨に沿って適宜に変更することができる。上記実施例１〜３に共通の構成として図５に示したフーリエ変換赤外分光光度計の構成は一例であり、上記実施例１〜３において説明した信号処理方法は同様にフーリエ変換赤外分光を実行可能な各種装置において用いることができる。
上記実施例１及び２では、移動鏡１６を移動させつつ第１（第３）信号処理を行って減算波形を取得し、その後、再び移動鏡１６を移動させつつ第２（第４）信号処理を行って減算波形を取得したが、同じ移動鏡１６の位置で第１（第３）信号処理と第２（第４）信号処理を行うという処理を移動鏡１６の位置を順次、移動させて行うようにしても良い。

１０…気密室
１１…光源
１２…集光鏡
１３…コリメータ鏡
１４…ビームスプリッタ
１５…固定鏡
１６…移動鏡
１６ａ…移動鏡駆動部
１７…レーザ光源
１８、１９…ミラー
２０…検出器
２１…放物面鏡
２２…試料室
２３…試料
２４…楕円面鏡
２５…検出器
２６、３６、４６…信号処理部
２６１…極性反転部
２６２、３６２…バイアス電圧加算部
２６３、３６３、４６３…増幅器
４６４…ハイパスフィルタ
２７…A/D変換器
２９…信号生成部
３０、４０、５０…制御／処理部
３１…記憶部
３２、４２…判定部
３３、４３…信号処理決定部
６０…入力部
７０…表示部

Claims (3)

1. a) 分析対象化合物の吸収波長を含む波長幅を有する赤外光を発生する光源と、
   b) 固定鏡及び移動鏡を含み、前記赤外光から干渉光を生成する干渉計と、
   c) 前記干渉光の強度に応じた大きさの電圧を生成し、該電圧から予め決められた大きさの電圧を差し引いた電圧を出力する検出器と、
   d) 前記検出器からの出力電圧に含まれる、該出力電圧の波形を正電圧側と負電圧側に等分に広がる波形に変換するように予め決められた周波数以上の成分を通過させるハイパスフィルタと、
   e) 前記ハイパスフィルタからの出力電圧を予め決められた倍率で増幅する増幅部と、
   f) 前記増幅部からの出力電圧をデジタル信号に変換するA/D変換部と
   を備えることを特徴とするフーリエ変換赤外分光光度計。
2. a) 分析対象化合物の吸収波長を含む波長幅を有する赤外光を発生する光源と、
   b) 固定鏡及び移動鏡を含み、前記赤外光から干渉光を生成する干渉計と、
   c) 前記干渉光の強度に応じた大きさの電圧を生成し、該電圧から予め決められた大きさの電圧を差し引いた電圧を出力する検出器と、
   d) 入力された電圧の極性を反転させて出力する極性反転部と、
   e) 入力された電圧に予め決められた大きさのバイアス電圧を加算するバイアス電圧加算部と、
   f) 入力された電圧を予め決められた倍率で増幅する増幅部と、
   g) 入力された電圧をデジタル信号に変換するA/D変換部と、
   h) 前記検出器から出力される電圧を、前記バイアス電圧加算部及び前記増幅部で順に処理する第１信号処理を実行する第１信号処理部と、
   i) 前記検出器から出力される電圧を、前記極性反転部、前記バイアス電圧加算部、及び前記増幅部により順に処理する第２信号処理を実行する第２信号処理実行部と、
   j) 前記第１信号処理後の電圧及び前記第２信号処理後の電圧を前記A/D変換部に入力し、該第１信号処理後の電圧及び該第２信号処理後の電圧がそれぞれ前記A/D変換部の入力レンジ内であるかを判定する判定部と、
   k) 前記判定部による判定の結果に基づき、実測定時に前記検出器から出力される電圧を前記第１信号処理と前記第２信号処理のいずれにより処理するかを決定する信号処理決定部と
   を備え、
   前記第１信号処理又は第２信号処理によって前記検出器からの出力電圧の波形が正電圧側と負電圧側に等分に広がる波形に変換されるように前記バイアス電圧の大きさが定められていることを特徴とするフーリエ変換赤外分光光度計。
3. a) 分析対象化合物の吸収波長を含む波長幅を有する赤外光を発生する光源と、
   b) 固定鏡及び移動鏡を含み、前記赤外光から干渉光を生成する干渉計と、
   c) 前記干渉光の強度に応じた大きさの電圧を生成し、該電圧から予め決められた大きさの電圧を差し引いた電圧を出力する検出器と、
   d) 入力された電圧に予め決められた、絶対値が同じである正のバイアス電圧又は負のバイアス電圧を加算するバイアス電圧加算部と、
   e) 入力された電圧を予め決められた倍率で増幅する増幅部と、
   f) 入力された電圧をデジタル信号に変換するA/D変換部と、
   g) 前記検出器から出力される電圧に前記正のバイアス電圧を加算して前記予め決められた倍率で増幅する第３信号処理を実行する第３信号処理実行部と、
   h) 前記検出器から出力される電圧に前記負のバイアス電圧を加算して前記予め決められた倍率で増幅する第４信号処理を実行する第４信号処理実行部と、
   i) 前記第３信号処理後の電圧及び前記第４信号処理後の電圧を前記A/D変換部に入力し、該第３信号処理後の電圧及び該第４信号処理後の電圧がそれぞれA/D変換部の入力レンジ内であるかを判定する判定部と、
   j) 前記判定部による判定の結果に基づき、実測定時に前記検出器から出力される電圧を前記第３信号処理と前記第４信号処理のいずれにより処理するかを決定する信号処理決定部と
   を備え、
   前記第３信号処理又は第４信号処理によって前記検出器からの出力電圧の波形が正電圧側と負電圧側に等分に広がる波形に変換されるように前記バイアス電圧の絶対値が定められていることを特徴とするフーリエ変換赤外分光光度計。

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