JPH04348257A - 赤外線全反射吸収測定装置および結晶体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、赤外線を用いた試料表
面の局所分析あるいは線分析、面分析に利用し得る赤外
線全反射吸収測定装置および結晶体に関する。

【０００２】

【従来の技術】

（背景）相対屈折率（その物の屈折率を空気の屈折率で
割ったもの。以後、単に「屈折率」という。）の高い結
晶体と屈折率の低い被測定用試料を密着させ、この界面
に結晶体側から赤外光を臨界角以上の角度で入射すると
、界面で赤外光はある深さだけ試料側に入り込んでから
全反射するため、試料に赤外線を吸収する性質がある場
合には、その吸収の強さに応じて全反射光の強度が落ち
る。この全反射光を分光し検出することによって、試料
固有の赤外線全反射スペクトルが観測される。赤外線全
反射吸収測定装置は、このようなスペクトルを解析する
ことによって、試料の表面から数μｍ層の化学組成に関
する情報を得るものであり、比較的屈折率の低い高分子
材料（ゴム、塗膜、プラスチック等）の表面分析に広く
利用されている。

【０００３】（従来技術）従来の赤外線全反射吸収測定
装置の代表的なものに、図１７に示す多重全反射方式の
赤外線全反射吸収測定装置がある。この装置は、赤外光
を集光鏡１によって全反射用の結晶体２における入射面
３上に集光して入射させ、結晶体２の内部で多重全反射
させる過程で結晶体２の全反射面４に密着させた被測定
用の試料５と結晶体２との界面で複数回の赤外線全反射
を行わせて表面分析感度の向上を図り、次いで出射面６
から出射された赤外光を対物鏡７を介して図示省略の検
出器へ送り込むものである。

【０００４】一方、従来の赤外線全反射吸収測定装置に
は図１６（１）〜（３）に示すように断面形状が平行四
辺形、台形等の全反射用結晶体が用いられている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】

（従来技術の問題点）ところで、近年における試料のミ
クロ分析の要求は厳しく、例えば試料面上の１０μｍオ
ーダーの微小エリアの表面分析が求められるようになっ
て来ている。

【０００６】しかし、上記の多重全反射方式の赤外線全
反射吸収測定装置では、結晶体の入射面に集光した赤外
光が結晶体内部で発散すること、試料面上に赤外光を効
率的に収束させ難いこと等から、測定しようとする微小
エリアにおける光量利用率を高め難いため、１００μｍ
オーダーの微小試料の分析が限界である。そして、仮に
スリットによって特定の１０μｍオーダーの試料面エリ
アからの赤外光を選別しても、光量利用率不足に基づく
当該試料面エリアの赤外光強度の不足から有効な赤外線
全反射スペクトルを得ることができず、、その試料面エ
リアの分析を行うことができない。

【０００７】次に、上記したミクロ分析の要求に伴い、
例えば帯状の試料面エリアについて１０μｍオーダーの
微小エリア毎に分けた線分析を行いたいという要求も出
てくるが、従来の赤外線全反射吸収測定装置は前記のよ
うに分析能力の面でこのような要求に対応できないこと
のほか、多重全反射方式がもともと複数回の赤外光全反
射に対応した複数の試料面エリアの平均的分析値を得る
ものであるため、本質的に上記の線分析の要求とは相容
れない。

【０００８】更に、一定の広さの試料面エリアについて
１０μｍオーダーの微小エリア毎に分けた面分析の要求
も出てくるが、線分析の場合と同じ理由から、従来の赤
外線全反射吸収測定装置はこのような要求にも対応する
ことができない。

【０００９】また、従来の多重全反射式赤外線全反射吸
収測定装置では、最も強い赤外線情報を得るために、対
物鏡の焦点を結晶体の出射面に合わせておくのが通常で
ある。従って対物鏡により特定の測定点を目視観察しな
がら点分析、線分析、面分析を行うことはできず、対物
鏡による目視観察機能を付与しても、実質的に意味がな
かった。

【００１０】また、従来の全反射用結晶体では、図１６
中に破線で示すように入射光と出射光との光軸にズレを
生ずる。従って、集光鏡１と対物鏡７とを同一軸線上に
配置できない（図１７参照）ため、従来多用されている
集光鏡と対物鏡とを同一軸線上に配置した集光光学系を
有する赤外顕微鏡を利用できないという不便がある。

【００１１】（第一の課題）そこで本願発明の第一の課
題は、対物鏡による目視観察のもとで１０μｍオーダー
の微小エリアの表面分析が可能な赤外線全反射吸収測定
装置を提供することである。

【００１２】（第二の課題）本願発明の第二の課題は、
対物鏡による目視観察のもとで試料面における１０μｍ
オーダーの微小エリア毎に分けた線分析を容易に行うこ
とができる赤外線全反射吸収測定装置を提供することで
ある。

【００１３】（第三の課題）本願発明の第三の課題は、
対物鏡による目視観察のもとで試料面における１０μｍ
オーダーの微小エリア毎に分けた面分析を行うことがで
きる赤外線全反射吸収測定装置を提供することである。

【００１４】（第四の課題）本願発明の第四の課題は、
従来多用されている集光鏡と対物鏡とを同一軸線上に配
置した集光光学系を有する赤外顕微鏡を簡易に利用して
赤外線全反射吸収測定装置を構成し得るような全反射用
の結晶体を提供することである。

【００１５】（第五の課題）本願発明の第五の課題は、
上記の結晶体を上記の微小エリアの分析が可能な赤外線
全反射吸収測定装置に適用することにより、前記第一〜
第四の全ての課題に対応できる赤外線全反射吸収測定装
置を提供することである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】

（着眼点）本願発明者は、最新の赤外光検出器における
感度と、試料面上で収束させ得る赤外光の強度とを実験
的に厳しく見極めた結果、赤外線全反射吸収測定におい
て、赤外光の利用率を有効に高めることにより、唯一回
の全反射にて１０μｍオーダーの微小エリアの表面分析
を有効に行う赤外線全反射吸収測定装置を設計可能であ
り、またこのことから、多重全反射方式に基づく前記の
欠点、例えば対物鏡による目視観察機能を活用できない
点等も解消し得る可能性があることを見出した。

【００１７】（第一の課題の解決手段）上記第一の課題
を解決するための本願第一発明（請求項１に記載の発明
）の構成は、以下の（イ）〜（ニ）の要素を含み、且つ
、赤外光の集光点が（ハ）の結晶体の全反射面上に位置
するようにその光路長が設定されている赤外線全反射吸
収測定装置である。 （イ）赤外光を集光する集光鏡 （ロ）被測定用試料を保持する試料保持部（ハ）前記試
料保持部に載置され、集光鏡からの赤外光が入射する入
射面と、前記被測定用試料を当接させて赤外光の全反射
測定を一回だけ行うための全反射面と、赤外光が最終的
に出射する出射面とを有する結晶体（ニ）出射面より出
射した赤外光を選別するスリット（ホ）前記結晶体の出
射面に対向して配置され、全反射面に当接させた前記被
測定用試料の測定点に焦点を合わせ得る対物鏡

【００１８】（第二の課題の解決手段）上記第二の課題
を解決するための本願第二発明（請求項２に記載の発明
）の構成は、前記第一発明において、（ハ）の結晶体が
、その入射面、全反射面および出射面を柱軸に平行な平
面として形成した柱状体であって出射光軸に対する直角
方向を指向して設けられ、且つ、（ロ）の試料保持部が
少なくとも結晶体の柱軸方向に沿って結晶体を平行移動
させ得る駆動機構を有する赤外線全反射吸収測定装置で
ある。

【００１９】（第三の課題の解決手段）上記第三の課題
を解決するための本願第三発明（請求項３に記載の発明
）の構成は、前記第一発明において、（ハ）の結晶体が
、前記入射面、全反射面および出射面を柱軸に平行な平
面として形成した柱状体であって出射光軸に対する直角
方向を指向して設けられ、且つ（ロ）の試料保持部が前
記結晶体を３次元方向へ任意に平行移動させ得る駆動機
構を有し、更にこの駆動機構は、結晶体が柱軸方向と異
なる方向へ平行移動する際の測定点の焦点からのズレを
予測演算する手段と、次いでこの予測値に基づき前記ズ
レを解消するに必要な出射光軸線沿いの修正移動量を演
算する手段と、これらの演算結果に従って駆動機構を駆
動させる制御手段とからなる制御システムを備えている
赤外線全反射吸収測定装置である。

【００２０】（第四の課題の解決手段）上記第四の課題
を解決するための本願第四発明（請求項４に記載の発明
）の構成は、赤外線全反射吸収測定装置において被測定
用試料を保持する試料保持部に載置される結晶体であっ
て、集光鏡からの赤外光が入射する入射面と、前記被測
定用試料を当接させて赤外光の全反射測定を行うための
全反射面と、入射光の方向を変更する少なくとも３個の
反射面（前記全反射面を含む）と、赤外光が最終的に出
射する出射面とを有し、前記入射光の光軸と出射光の光
軸とが一致するように各反射面の相互の角度が構成され
ている結晶体である。

【００２１】（第五の課題の解決手段）上記第五の課題
を解決するための本願第五発明（請求項５に記載の発明
）の構成は、前記第一発明〜第三発明のいずれかに記載
された赤外線全反射吸収測定装置のうち、集光鏡と対物
鏡が同一軸線上に配置された赤外線全反射吸収測定装置
であって、該装置中に用いられている結晶体が、前記第
四発明における結晶体のうち、その入射面、全反射面お
よび出射面を柱軸に平行な平面として形成した柱状体で
あって出射光軸に対する直角方向を指向して設けられて
いる赤外線全反射吸収測定装置である。

【００２２】

【作用】

（第一発明の作用）第一発明においては、集光鏡を経た
赤外光を結晶体の入射面から結晶体内に入射させ、これ
を被測定用試料を当接した全反射面上で集光して一回だ
け全反射させる。しかる後、出射面から出射する赤外光
のうち試料面上の測定点から全反射される出射光のみを
スリットにより選別して取り出し、これによって被測定
用試料面の赤外線全反射吸収スペクトルの測定を行う。 また、本発明の方式では対物鏡の焦点を最も強い赤外線
情報が得られる点、即ち試料面上の測定点に合わせてお
くことが合理的であり、従ってかかる対物鏡によってそ
のまま試料面の目視観察を並行して行うことができる。

【００２３】出射面から出射する赤外光のうち試料面の
１０μｍオーダーの測定点から全反射される出射光のみ
をスリットにより選別して取り出しても、試料面に対す
る多重全反射を行わないために結晶体内部での赤外光の
発散が少ない点、全反射面上に赤外光を集光させる点等
から試料面の単位面積当たりの光量利用率が高いため、
現在の赤外光検出器のレベルでも赤外線全反射吸収スペ
クトルの測定を有効に行い得る。

【００２４】（第二発明の作用）第二発明において、被
測定用試料を当接させた結晶体をその柱軸方向へ平行移
動させることにより、移動方向に沿って、１０μｍオー
ダーの極微小エリア毎に分けた線分析が行われる。この
際、結晶体内部における赤外光の光路長および結晶体の
全反射面の相対的な位置は全く変化しないため、赤外光
の集光点は常に結晶体の全反射面上に位置する。即ち、
結晶体を柱軸方向へ平行移動しても全反射条件が一定で
あるため、精度の良い線分析が達成される。線分析に当
たり、対物鏡による試料面の観察を並行して行うと良い
。

【００２５】（第三発明の作用）第三発明において、被
測定用試料を当接させた結晶体をその柱軸方向へ平行移
動させるときには、前記第二発明と同じ作用が起こる。 また、結晶体の平行移動が柱軸に対する直角方向への移
動量を含むときには、対物鏡及び集光鏡の開口数並びに
結晶体の屈折率に応じて測定点からの焦点のズレが起こ
るが、移動予定値を指令された制御システムがこのズレ
を予測演算し、次いでズレの解消に必要な出射光軸沿い
の修正移動量を演算して、演算結果に従い測定点からの
焦点のズレが起こらないように結晶体を移動させるべく
、駆動機構を駆動させる。上記の修正移動は出射光軸沿
いのものであるため、測定点のズレを伴わない。これに
よって、試料面の自動面分析が可能になる。また、面分
析に当たり対物鏡の焦点が常に測定点に合致しているの
で　　、対物鏡による試料面の観察を並行して行うと良
い。

【００２６】（第四発明の作用）第四発明において、赤
外入射光は、特定の角度の関係をもって構成された少な
くとも３個の反射面（被測定用試料を当接させた全反射
面を含む。）で最低限３回反射されることにより入射光
と同軸上で出射される。

【００２７】（第五発明の作用）第五発明においては、
第一発明〜第四発明の特徴を全て備えているので、上記
第一発明〜第四発明の全ての作用を行う。

【００２８】

【発明の効果】

（第一発明の効果）第一発明によれば、試料面における
１０μｍオーダーの微小エリアの表面分析を、対物鏡に
よる目視観察のもとに行うことができる。

【００２９】（第二発明の効果）第二発明によれば、被
測定用試料を当接した結晶体をその柱軸方向に沿って移
動させるという簡単な操作により、試料面における１０
μｍオーダーの微小エリア毎に分けた線分析を対物鏡に
よる目視観察のもとに行うことができる。

【００３０】（第三発明の効果）第三発明によれば、被
測定用試料の試料面における測定点からの対物鏡焦点の
ズレを伴うことなく、試料面における１０μｍオーダー
の微小エリア毎に分けた線分析および面分析を対物鏡に
よる目視観察のもとに行うことができる。

【００３１】（第四発明の効果）第四発明に係る結晶体
を用いるだけで入射光と出射光との光軸の一致が確保さ
れるので、従来多用されている集光鏡と対物鏡とを同一
軸線上に配置した集光光学系を有する赤外顕微鏡をその
まま利用して、赤外線全反射吸収測定装置を構成するこ
とができる。

【００３２】（第五発明の効果）第五発明によれば、上
記第一発明〜第四発明の全ての効果を同時に得ることが
できる。

【００３３】

〔実施態様１〕

（実施態様１の構成）本実施態様は、前記第四発明の一
実施態様である。図１（ａ）〜（ｄ）に入射光の光軸と
出射光の光軸とが一致するように構成された柱状の結晶
体の例を示す。図１（ｃ）は柱軸方向から見た形状が５
角柱のものを示し、同図の破線の矢印で赤外光の光路を
示すように、入射面と、被測定用試料を当接させる全反
射面を含んだ３個の反射面と、出射面とを有している。 反射面の一つには光反射用処理膜１１が形成されている
。次に図１（ｄ）は柱軸方向から見た形状が６角柱のも
のを示し、同図の破線の矢印で赤外光の進行方向を示す
ように、入射面と、被測定用試料を当接させる全反射面
を含んだ４個の反射面と、出射面とを有している。また
図１（ｃ）および図１（ｄ）における図中の数字は結晶
体の各辺の長さの比率を示す。図１（ｃ）および図１（
ｄ）における入射面、反射面および出射面はいずれも柱
軸に平行な平面として形成されている。これらの結晶体
では、破線の光路に示すように入射光は結晶体内部で３
回および４回反射を繰り返し、入射光と同じ光軸上で出
射する。なお、図１（ｃ）または図１（ｄ）において、
各反射面のうちいずれを試料を当接させる全反射面とし
て用いるかは、赤外線全反射吸収測定装置の全体構成と
の関係等に応じて、任意に選択できる。

【００３４】更に、入射光と出射光が同軸上にある光学
系に、その内部における反射回数が４回である任意の形
状を有する結晶を配置した場合の一般式を示す。図１（
ａ）には結晶体の入射面８と出射面１３が互いに平行で
あり、かつ入射光の光軸に対して垂直に配置した場合の
光路を示す。ここで、結晶体内部における各反射面を入
射面側から反射面９，１０，１１および１２とし、それ
ぞれの反射面における入射光と反射光のなす角度をα、
β、γ、δとすると、結晶の形状は以下の式を満足する
結晶体内部の４つの反射面および入、出射面から構成さ
れる。

【００３５】α＋δ＝β＋γ　　　　　　・・・（１）
但し、α、β、γおよびδの中で少なくとも一つの角度
は臨界角の２倍以上であり、全反射条件を満たす。一方
、図１（ｂ）のように、結晶体の入射面８と出射面１３
が互いに平行ではなく、入射光の光軸に対して任意の傾
きを有する場合は、（１）式の左辺を入・出射面におけ
る入射角と屈折角の項で補正することによって、（２）
式のように表すことができる。即ち、この場合の結晶の
形状は、入・出射面における入・出射角と結晶体の屈折
率を規定すれば、（２）式を満足する結晶体内部の４つ
の反射面によって決まる。

【００３６】 　　　　　　　　　　（α±θＩ　）＋（δ±θＥ　）
＝β＋γ　　　　　　・・・（２）但し、ここで θＩ　＝θＩｉ−θＩｒ θＥ　＝θＥｒ−θＥｉ θＩｉ：入射面８への入射角 θＩｒ：入射面８からの屈折角 θＥｒ：出射面１３からの屈折角 θＥｉ：出射面１３への入射角 である。

【００３７】また、（２）式、左辺のカッコ内の項は、
第１反射光の光軸および第３反射光の光軸と入・出射軸
のなす角度をそれぞれθａ　およびθｂ　とすると、α
＞θａ　のとき、（α−θＩ　） α＜θａ　のとき、（α＋θＩ　） δ＞θｂ　のとき、（δ−θＥ　） δ＜θｂ　のとき、（δ＋θＥ　） である。

【００３８】以上、結晶体内部で４回反射する場合を例
にとり、結晶体内部に入射した入射光が同軸上で３６０
°の方向に出射する条件を理論的に説明したが、３回反
射および５回反射以上の場合についても同様に求めるこ
とができる。なお、以上の結晶体の入射面と反射面は、
それぞれの面における光の反射損失を抑えるために、入
射光と反射光の光軸に対して垂直な面であることが望ま
しい。更に、このような結晶体の形状は、結晶体内部で
容易に全反射条件が得られ、かつ結晶体の製作が容易で
あるような単純な構造が望ましく、このため結晶体の入
射面と第一反射面および出射面と最終反射面のなす角度
が３０°から６０°であり、しかも結晶体内部における
反射面はできるだけ少ないことが望ましい。

【００３９】（実施態様１の作用）次に、結晶体内部で
４回反射し、そのうちの最終反射面を全反射面とする場
合の作用を図１（ａ）に基づいて説明すると、入射面を
通して結晶体内部に入射した赤外光は、まず第一反射面
において反射角α／２で反射し、反射光は結晶体内部を
伝播して、更に第二反射面において反射角β／２で反射
する。次いでこの赤外光は第三反射面において反射角γ
／２で反射をし、最終反射面に達する。最終反射面に入
射する赤外光は入射角３０〜６０°の全反射条件を満た
しており、反射角δ／２で全反射する。また、全反射し
た赤外光は入射光と光軸が一致し、結晶体内部へ入射し
た入射光に対して３６０°の方向へ出射する。このとき
、試料の被測定面を最終反射面の全反射面に密着させる
ことにより、赤外線全反射吸収測定が可能となる。

【００４０】（実施態様１の効果）本実施態様の結晶体
を用いれば、結晶体に入射した赤外光を、その光軸と同
じ軸上で出射させることができる。このため、従来多用
されている集光鏡と対物鏡とを同一軸線上に配置した集
光光学系を有する赤外顕微鏡をそのまま利用して、赤外
線全反射吸収測定装置を構成することができる。

【００４１】〔実施態様２〕 （実施態様２の構成）本実施態様は、前記第四発明の結
晶体を前記第一発明に適用した場合の一実施態様である
。上記実施態様１の結晶体を用いて構成した赤外線全反
射吸収測定装置の例を図２、図３（ａ）、図３（ｂ）に
示す。結晶体１４は前記した図１（ｄ）に示したもので
あり、略「く」の字形に屈曲した断面形状を持つ六角形
の柱状体である。結晶体１４は入射面８、第１反射面９
、最終反射面１２および出射面１３を備え、最終反射面
１２には試料押さえ１５によって被測定用の試料１６が
当接されている。

【００４２】かかる結晶体１４をホルダー（図示省略）
に取りつけ、赤外顕微鏡に配置したものを図３（ａ）、
図３（ｂ）に示す。ホルダーに取りつけた結晶体１４が
試料保持部を構成する試料台１７（３次元ステージ）上
に配置され、その上部には対物鏡１８が、また下部には
集光鏡１９が同一軸線上に設けられている。対物鏡１８
の焦点は最終反射面１２に合わせてあり、また結晶体１
４の各辺の長さは、赤外顕微鏡に取りつけた際に、集光
鏡の集光点と対物鏡の焦点が一致するよう調整されてい
る。試料台１７は固定式のものでも良く、あるいは配置
した結晶体の柱軸方向〔図３（ａ）または図３（ｂ）に
おける奥行き方向〕に沿って可動のものや、任意の３次
元方向へ可動のものでも良い。また、赤外顕微鏡には可
動のスリット２０が付属していて、試料面上の被測定部
から反射する光のみを赤外顕微鏡に付属した検出器に送
り込むことができるようになっている。なお、図示は省
略するが、集光鏡１９に対しては、切替え用の可動の反
射鏡を介して、赤外光又は可視光のいずれかを任意に照
射できるようになっている。

【００４３】（実施態様２の作用）結晶体１４の全反射
面のいずれかの一面（本実施態様では最終反射面１２）
に試料１６を密着させ、入射面８に集光鏡１９から赤外
光を照射する。入射光は図２に示すように結晶体１４内
部で反射して、最終反射面１２上で集光され、ある深さ
だけ試料側に入り込んでから全反射する。この全反射光
をスリットで選別することにより試料１６における１０
μｍオーダーの微小エリアの赤外線全反射吸収スペクト
ルが測定される。このスペクトルを解析することによっ
て試料面の微小エリアの分析が行われる。

【００４４】本実施態様において、試料台１７を駆動さ
せて結晶体１４を平行移動させることにより試料面の赤
外線全反射吸収スペクトルを連続的に測定し、試料面上
の線分析、面分析を行うこともできる。線分析を結晶体
１４の柱軸方向沿いに行う場合には、対物鏡１８の焦点
が測定点からズレない。その他の方向への線分析や面分
析を行う場合には、対物鏡１８の焦点が測定点からズレ
るので、このズレの修正のために試料台１７の移動を適
宜調整する。また、この調整移動に伴い、必要な場合に
は、対物鏡１８の焦点も調整する。対物鏡１８による試
料面の観察を並行して行えば、線分析や面分析のための
試料１６の移動をより迅速、正確に行うことができる。 なお、この観察において、試料１６の結晶体１４に対す
る密着性が良く、且つ試料１６の可視光に対する吸収係
数が高い程、鮮明な像が観察される。

【００４５】（実施態様２の効果）被測定用試料におけ
る１０μｍオーダーの微小エリアの赤外線全反射吸収ス
ペクトルを測定することができる。赤外線全反射吸収測
定装置によって得られる情報は、化学結合の伸縮振動、
変角振動に基づく赤外線の吸収スペクトルであり、これ
によって表面層の化学組成や成分の化学変化を特定でき
、表面の経時変化や劣化を解析できる。また、線分析、
面分析によって試料表面の部位毎の化学組成や成分の化
学変化の違いを分析できるので、部位による経時変化や
劣化の受け方の違い、あるいは影響の受け方の違いを分
析して、製品や素材の開発、改良の有効な手段として応
用できる。

【００４６】〔実施態様３〕 （実施態様３の構成）本実施態様は、前記第一発明にお
いて、集光鏡と対物鏡とを同一軸線上に配置しなくても
良い場合の２，３の実施態様に関する。これらの説明に
おいて、対物鏡１８、集光鏡１９、試料台１７について
は前記実施態様２の場合と同様なので詳しい説明を省略
する。

【００４７】図４（ａ）〜（ｃ）に示す実施態様におい
ては、断面形状が平行四辺形を示す柱状の結晶体１４ａ
，１４ｂ，１４ｃをそれぞれ用いる。各結晶体１４ａ，
１４ｂ，１４ｃはそれぞれ１個の入射面８ａ，８ｂ，８
ｃ、１個の第１反射面１０ａ，１０ｂ，１０ｃ、１個の
最終反射面１２ａ，１２ｂ，１２ｃおよび１個の出射面
１３ａ，１３ｂ，１３ｃを備えている。図に略示する集
光鏡および対物鏡はそれぞれ矢印で示す光路上、即ち平
行であるが互いにずれた軸線上に配置されている。被測
定用試料１６は図示のように最終反射面１２ａ，１２ｂ
，１２ｃに当接する場合のほか、第一反射面１０ａ，１
０ｂ，１０ｃに当接して測定することもできる。各結晶
体１４ａ，１４ｂ，１４ｃの断面形状の平行四辺形にお
ける内角のうち鋭角の角度は各反射面１０ａ，１０ｂ，
１０ｃ、１２ａ，１２ｂ，１２ｃにおける入射角度と反
射角度に相当し、全反射条件を満たす上では、図４（ａ
）に示す３０°〜図４（ｃ）に示す６０°の範囲で任意
の角度のものを利用できるが、図４（ｂ）に示す４５°
前後のものが望ましい。

【００４８】図５（ａ）に示す実施態様においては、断
面形状が直角三角形を示す柱状の結晶体１４ｄを用いる
。この結晶体１４ｄは１個の入射面８ｄ、１個の全反射
面１２ｄおよび１個の出射面１３ｄを備えている。結晶
体１４ｄの形状に対応して、図に略示する集光鏡および
対物鏡は互いに直角をなす軸線上に配置されている。 試料１６は全反射面１２ｄに当接して測定に供される。

【００４９】図５（ｂ）に示す実施態様においては、断
面形状が直角三角形を示す柱状の前記結晶体１４ｄを用
いると共に、その全反射面１２ｄと平行に、赤外光反射
用の平面鏡２１を配置しており、且つ平面鏡２１は適当
な連結手段（図示省略）によって結晶体１４ｄと一体に
構成されている。従って、この平面鏡２１は実質的に前
記結晶体１４ｂにおける第一反射面１０ｂに相当し、本
実施態様は前記した図４（ｂ）の実施態様と実質的に等
しい。

【００５０】（実施態様３の作用）本実施態様の作用は
前記実施態様２のものと基本的に同様である。但し、結
晶体内部における反射回数が１回または２回だけである
点、入射光軸と反射光軸がずれている点が異なる。面分
析や一定の方向への線分析を行う場合における反射面上
からの集光点のズレ、このズレの修正のためにする試料
台１７の調整移動、この調整移動に伴う対物鏡１８の焦
点調整の必要性についても実施態様２の場合と同様であ
る。

【００５１】（実施態様３の効果）本実施態様の効果は
、前記実施態様２の効果と基本的に同様である。なお、
比較的簡単な断面形状の柱状結晶体を用いて、全反射条
件（赤外光の入射角度）を変化させることなく試料面上
の任意の部位へ赤外光を導くことができるという利点が
ある。

【００５２】〔実施態様４〕 （実施態様４の構成）本実施態様は、第三発明の一実施
態様である。前記実施態様２の赤外線全反射吸収測定装
置における試料台１７の駆動機構に次の制御システムを
付加し、線分析あるいは面分析において試料台１７の移
動の調整を自動化することができる。実施態様３の赤外
線全反射吸収測定装置に対しても、詳しくは述べないが
、同様に適用できる。このシステムは、結晶体１４を任
意の方向へ平行移動させた際の測定点からの対物鏡１８
の焦点のズレを予測演算し、次いでこの予測値に基づき
前記ズレを解消するに必要な出射光軸沿いの修正移動量
を演算し、これらの演算結果に従って駆動機構を駆動さ
せるものである。

【００５３】上記制御システムは具体的には、例えば、
測定点を移動し、移動後の測定点に焦点を合わせて行う
赤外線全反射吸収測定において、柱状結晶体の屈折率と
全反射面で反射した光束の空気中における出射開口角（
結晶から出射する光束の対物鏡に張る角度）とから前記
光束の前記結晶体中における出射開口角を演算する第１
の演算手段と、全反射面における法線と該全反射面にお
ける全反射光の出射光軸とのなす角度を記憶する第１の
記憶手段と、前記全反射光の出射光軸方向をｚ軸方向、
該ｚ軸方向に直交する前記結晶体の柱軸方向をｙ軸方向
、該ｙ軸方向および前記ｚ軸方向に直交する方向をｘ軸
方向とした時の移動前の測定点から移動後の測定点まで
のベクトルのｘ成分を記憶する第２の記憶手段と、前記
空気中および結晶体中における出射開口角および前記ベ
クトルのｘ成分に基づき前記結晶体を前記ｚ軸方向に移
動させる距離を演算する第２の演算手段と、前記ベクト
ルのｘ成分およびｚ軸方向の移動に基づき試料保持部の
駆動を制御する手段とからなる。

【００５４】さらに上記制御システムは、例えば、上記
の構成に記載した移動前の測定点から移動後の測定点ま
でのベクトルのｙ成分（結晶体１４の柱軸方向の成分）
を記憶する第３の記憶手段を付加した構成としても良い
。

【００５５】（実施態様４の作用）前記図２に示した結
晶体１４を用いて図６に示すようにｘ−ｚ面上で測定点
をずらして試料表面の赤外線全反射吸収測定を行う場合
を考える。結晶体１４を矢印２２方向へ平行移動させる
ことにより試料１６における測定点をずらすと、赤外光
の結晶体への入射位置も変わるため、移動前の光束２３
が移動後は光束２４で示す位置へ移り、集光鏡の集光点
（対物鏡の焦点）が全反射面１２に合わなくなる。この
ズレは結晶体１４をｚ軸方向へ必要な距離だけ平行移動
させることにより解消させることができる。

【００５６】このズレを解消するため、第１の演算手段
は結晶体の屈折率と全反射面で反射した光束の空気中に
おける出射開口角とを用いた演算を行い前記光束の結晶
体内における出射開口角を求め、これを第２の演算手段
へ出力する。また、第１の記憶手段は試料測定用の全反
射面における法線と該全反射面における全反射光の出射
光軸とのなす角度（反射角）を記憶しており、これを第
２の演算手段へ出力する。さらに、第２の記憶手段は移
動前の測定点から移動後の測定点までのベクトルのｘ成
分を記憶しており、これを第２の演算手段へ出力する。 第２の演算手段ではこれら３つの値を用いて演算を行い
、移動後の測定点に集光鏡の集光点（対物鏡の焦点）を
一致させるために必要なｚ軸方向の移動距離を求め、試
料保持部の駆動を制御する手段へ出力する。

【００５７】上記の第３の記憶手段を付加した構成とし
た場合、この記憶手段がｙ軸方向の移動距離を記憶して
、試料保持部の駆動を制御する手段へ出力する。

【００５８】（実施態様４の効果）本実施態様４によれ
ば、測定点を結晶体の柱軸方向以外の方向へずらせた時
の集光鏡の集光点（対物鏡の焦点）のズレを試料保持部
の移動によって自動的に解消することができる。よって
、前記実施態様２の項の、線分析を結晶体１４の柱軸方
向沿いに行う場合と併せ、赤外線全反射吸収による試料
面上の任意の方向への線分析や、これら線分析の組み合
わせとしての試料面上の任意のエリアの面分析を簡易、
迅速に行うことができる。

【００５９】〔実施態様５〕本実施態様は、第一発明〜
第五発明における反射用結晶体の材料や赤外光の光路長
の設計等に関する。

【００６０】結晶体は、これに入射した赤外光の光量の
減少を防ぐため、被測定用試料を当接しない反射面をア
ルミニウムや金等の表面処理膜（例えば前記光反射用処
理膜１１）で被覆しても良い。これによって反射面にお
ける反射率の低下を防止でき、結晶外への赤外光の散逸
が抑えられるため、光束の利用率を高めることができる
。

【００６１】結晶体の材料としては、赤外線を透過し、
且つ屈折率が２以上のもの、例えば一般的に赤外線全反
射吸収測定用に用いられるセレン化亜鉛、ＫＲＳ−５、
ゲルマニウム、シリコン等を利用できるが、試料の肉眼
による観察を可能にするため、可視光に対する透過性が
良好なセレン化亜鉛やＫＲＳ−５が特に望ましい。

【００６２】赤外光が全反射面上で集光するような光路
長の設定は、屈折率を指標とする結晶体構成材料の選択
、結晶体の形状やサイズの設定、入射開口角（入射する
光束の集光鏡に張る角度）と出射開口角の設定、結晶体
と集光鏡および対物鏡の相対位置の設定等の種々のファ
クターを適当に組み合わせることで、任意に行うことが
できる。その一例として、結晶体の断面形状が平行四辺
形でその鋭角が４５°であり、また入射開口角と出射開
口角が各々６０°で該結晶体の光軸方向の厚さと屈折率
が各々６ｍｍと２．４である場合、結晶体内部における
その適切な光路長を求めると１６．３ｍｍとなる。

【００６３】〔実施例１〕本実施例では、セレン化亜鉛
から成り、前記図２に示した断面形状を持つ結晶体を用
いた。この断面形状において、中央の屈曲部の屈曲角を
９０°、結晶の縦方向の全長を６ｍｍ、底辺および頂辺
の長さを５．１５ｍｍ、柱軸方向の長さを１５ｍｍとし
た。かかる結晶体を図示省略のホルダーに取りつけて前
記図３に示すように赤外顕微鏡の光学系に配置し、且つ
図示の通りに被測定用試料を全反射面に当接させた状態
に保持して、この全反射面に対物鏡の焦点を合わせた。 なお、本実施例における入射開口角と出射開口角は各々
６０°であり、全反射面上に集光鏡の集光点と対物鏡の
焦点とが位置するように結晶体内部での光路長が設定さ
れている。

【００６４】上記の被測定用試料として、厚さ１２μｍ
のポリフッ化ビニリデンフィルムの断面を使用し、断面
側を結晶体に密着させて１０μｍ角の視野から反射する
赤外光の赤外全反射吸収スペクトルを測定した。測定結
果を図７に示すが、前記の１２μｍ幅の切片について明
瞭な赤外全反射吸収スペクトルが測定されており、１０
μｍオーダーの極微小エリアの測定が十分に可能である
ことを示している。

【００６５】〔実施例２〕図８に示すように、実施例１
と同じ結晶体１４を用い、同じ全反射面にアスベスト、
レジンおよびカシューダストからなる複合材の表面を被
測定用の試料１６として密着させて図の矢印方向への線
分析を行ない、順次１６０枚の赤外全反射吸収スペクト
ルの線図を得た。これよりアスベスト、レジンおよびカ
シューダストの各成分に固有の特性吸収帯を選び出し、
その吸収強度を測定位置に対してプロットした。その結
果を図９に示す。図中２５（点線のグラフ）はレジン、
２６（実線のグラフ）はアスベスト、２７（破線のグラ
フ）はカシューダストの試料面上での分布を示す。この
ように、複合材表面における各成分の分布状態を明瞭に
判別できた。

【００６６】〔実施例３〕実施例１と同じ結晶を用い、
同じ全反射面に赤インクの微粒子を塗布して赤外顕微鏡
にて目視観察した。観察面が４５°だけ傾いているため
該インク粒子の像は偏平化してはいたが、明瞭に観察で
き、そのままの状態でインク粒子の赤外全反射吸収スペ
クトルを測定できた。このように、対物鏡の焦点を全反
射面上に合わせることにより、極めて微小な対象を観察
しながら赤外全反射吸収スペクトルを測定することがで
きる。

【００６７】〔実施例４〕実施例１の赤外線全反射吸収
測定装置において、線分析、面分析を自動的に行うため
の駆動機構制御手段として、図１０に示す制御システム
を付加した。この制御システムは、屈折率ｎを記憶する
手段２８、全反射した光束の空気中における出射開口角
の半分の角度ｉを記憶する第１の記憶手段２９、試料面
における法線と出射光軸とのなす角度θを記憶する手段
３０、全反射した光束の結晶体内における出射開口角の
半分の角度ｒを演算する第１の演算手段３１、ｘ軸方向
への移動距離ｌｘを記憶する第２の記憶手段３２、ｚ軸
方向への移動距離ｌｚを演算する第２の演算手段３３、
試料保持部の制御手段３４、試料保持部の駆動用モータ
３５を含んでいる。なお、図１０でいうｘ，ｙ，ｚ軸方
向は、前記図６の場合と一致している。

【００６８】第２の演算手段３３で行うｚ方向への移動
距離ｌｚの計算は次のように行う。図１１に示すように
、赤外光の集光点と対物鏡の焦点とが全反射面１２上に
位置しつつ、測定点移動前の対物鏡への反射光束３６が
、測定点移動後の対物鏡への反射光束３７へ移行した場
合、測定点移動前後の出射面１３から対物鏡の空気中に
おける焦点までの距離をｌｚｂ１　，ｌｚａ１　、測定
点移動前後の出射面１３から対物鏡の結晶体中における
焦点までの距離をｌｚｂ２　，ｌｚａ２　とすると、移
動前の対物鏡の焦点を移動後の全反射面１２上の測定点
に合わせるためにはｌｚｂ１　−ｌｚａ１　＝ｌｚ　だ
け試料保持部をｚ軸方向へ移動させれば良い。

【００６９】そして、図１１の関係を式で示すと、ｌｚ
ａ１　・ｔａｎ　ｉ＝ｌｚａ２　・ｔａｎ　ｒ　　（３
）ｌｚｂ１　・ｔａｎ　ｉ＝ｌｚｂ２　・ｔａｎ　ｒ　
　（４）ｌｚｂ２　−ｌｚａ２　＝ｌｘ　・ｔａｎ　θ
　　（５）ｎ＝ｓｉｎ　ｉ／ｓｉｎ　ｒ　　　　　　　
　（６）

【００７０】求めたいｚ軸方向の移動距離ｌｚ
　＝ｌｚｂ１　−ｌｚａ１　に（３）式および（４）式
を代入すると、ｌｚ　＝（ｌｚｂ２　−ｌｚａ２　）・
ｔａｎ　ｒ／ｔａｎ　ｉこれに（５）式を代入して、 ｌｚ　＝ｌｘ　・ｔａｎ　θ・ｔａｎ　ｒ／ｔａｎｉｔ
ａｎ　ｒはｉが与えられれば（６）式から求まるので、
ｌｚ　はθ，ｉ，ｎが与えられれば決定できる。

【００７１】本実施例では空気中における出射開口角が
６０°の対物鏡、および屈折率２．４で全反射面におけ
る法線と出射光軸とのなす角度４５°の結晶体を用いた
ので、ｘ軸方向の測定点の移動距離ｌｘ　を１００μｍ
としたとき、演算によりｚ軸方向の測定点の移動距離ｌ
ｚ　として、３７μｍが求められた。この数値に基づき
試料保持部が駆動され、ｘ軸方向の線分析が行われた。

【００７２】〔実施例５〕上記実施例４における図１０
のシステムにｙ軸方向の移動距離ｌｙ　を記憶する第３
の記憶手段３８を付加した（図１２参照）。本システム
によって任意の方向の線分析、面分析が可能になった。 また、試料保持部の制御手段３４と試料保持部の駆動用
モータ３５との間にアクチュエータコントローラ３９を
配置し、さらに移動距離を感知する位置センサ４０を試
料保持部に設けている。アクチュエータコントローラ３
９は試料保持部の制御手段３４の指令に基づいて試料保
持部の駆動用モータ３５を駆動することができ、測定点
の移動距離を直接入力することによって駆動用モータ３
５を駆動することもできる。また、位置センサ４０の信
号を試料保持部の制御手段３４あるいはアクチュエータ
コントローラ３９にフィードバックすることによって試
料保持部の移動を正確に行っても良い。本実施例によれ
ば各測定点における焦点のズレが殆どない高精度の自動
システムを構成できる。

【００７３】〔実施例６〕本実施例では、セレン化亜鉛
から成り、図１３に示す平行四辺形の断面形状を持つ柱
状の結晶体４１を用いた。この断面形状において、鋭角
部の角度を４５°、結晶の縦方向の全長を６ｍｍ、底辺
および長辺の長さを１０．３ｍｍ、柱軸方向の長さを１
５ｍｍとした。かかる結晶体を図示省略のホルダーに取
りつけて前記図３に示した場合と同様に赤外顕微鏡の光
学系に配置した（図示省略）。なお、集光鏡の光軸は対
物鏡の光軸に対して１０．３ｍｍずらした。そして、こ
の全反射面に対物鏡の焦点を合わせた。なお、この光学
系における入射開口角と出射開口角は各々６０°であり
、全反射面上に集光鏡の集光点と対物鏡の焦点とが位置
するように設定しておいた。

【００７４】上記の試料１６として、直径５０μｍの赤
インクの微粒子を図１４に示すように結晶体４１の全反
射面に塗布した。この微粒子の１０μｍ角の視野から反
射する赤外線をスリットで絞って検出器に送り込み、赤
外全反射吸収スペクトルを測定した。測定結果を図１５
に示すが、明瞭な赤外全反射吸収スペクトルが測定され
ており、１０μｍオーダーの微小エリアの測定が十分に
可能であることを示している。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（ａ），図１（ｂ）は結晶体の形状を決め
るための反射角度の説明図、図１（ｃ）および図１（ｄ
）は結晶体の例示図である。

【図２】結晶体の使用状態を示す要部図である。

【図３】図３（ａ），図３（ｂ）は結晶体の使用状態を
示す全体図である。

【図４】図４（ａ）〜（ｃ）は結晶体の他の例示図であ
る。

【図５】図５（ａ），図５（ｂ）は断面形状が直角三角
形である柱状結晶体の使用状態を示す図である。

【図６】結晶体をｘ軸方向へ移動させた時の集光点のズ
レを示す図である。

【図７】実施例のポリフッ化ビニリデンの赤外線全反射
吸収スペクトル図である。

【図８】複合材を当接させた結晶体の斜視図である。

【図９】複合材の赤外線全反射吸収測定の結果を示す線
図である。

【図１０】制御システムを示すブロック図である。

【図１１】制御システム内で行われる演算を説明するた
めの図である。

【図１２】制御システムの他の例を示すブロック図であ
る。

【図１３】結晶体の使用状態を示す要部図である。

【図１４】被測定用試料としての赤インクを塗布した結
晶体の斜視図である。

【図１５】赤インクの微粒子の赤外線全反射吸収測定の
結果を示す線図である。

【図１６】図１６（１）〜（３）は従来の結晶体と、そ
の使用方法を示す図である。

【図１７】従来例における赤外線全反射吸収測定の方法
を示す図である。

【符号の説明】

８　　入射面 ９　　反射面 １０　　反射面 １１　　反射面 １２　　反射面 １３　　出射面 １４　　結晶体 １６　　試料 １７　　試料台 １８　　対物鏡 １９　　集光鏡 ２０　　スリット

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】　　以下の（イ）〜（ホ）の要素を含み、
   且つ、赤外光の集光点が（ハ）の結晶体の全反射面上に
   位置するようにその光路長が設定されていることを特徴
   とする赤外線全反射吸収測定装置。 （イ）赤外光を集光する集光鏡 （ロ）被測定用試料を保持する試料保持部（ハ）前記試
   料保持部に載置され、集光鏡からの赤外光が入射する入
   射面と、前記被測定用試料を当接させて赤外光の全反射
   測定を一回だけ行うための全反射面と、赤外光が最終的
   に出射する出射面とを有する結晶体（ニ）前記結晶体の
   出射面に対向して配置され、全反射面に当接させた前記
   被測定用試料の測定点に焦点を合わせ得る対物鏡 （ホ）出射面より出射した赤外光を選別するスリット【
   請求項２】　　前記（ハ）の結晶体が、前記入射面、全
   反射面および出射面を柱軸に平行な平面として形成した
   柱状体であって出射光軸に対する直角方向を指向して設
   けられ、且つ、前記（ロ）の試料保持部が少なくとも結
   晶体の柱軸方向に沿って結晶体を平行移動させ得る駆動
   機構を有することを特徴とする請求項１に記載の赤外線
   全反射吸収測定装置。 【請求項３】　　前記（ハ）の結晶体が、前記入射面、
   全反射面および出射面を柱軸に平行な平面として形成し
   た柱状体であって出射光軸に対する直角方向を指向して
   設けられ、且つ、前記（ロ）の試料保持部が前記（ハ）
   の結晶体を３次元方向へ任意に平行移動させ得る駆動機
   構を有し、更にこの駆動機構は、結晶体が柱軸方向と異
   なる方向へ平行移動する際の測定点の焦点からのズレを
   予測演算する手段と、次いでこの予測値に基づき前記ズ
   レを解消するに必要な出射光軸線沿いの修正移動量を演
   算する手段と、これらの演算結果に従って駆動機構を駆
   動させる制御手段とからなる制御システムを備えている
   ことを特徴とする請求項１に記載の赤外線全反射吸収測
   定装置。 【請求項４】　　赤外線全反射吸収測定装置において被
   測定用試料を保持する試料保持部に載置される結晶体で
   あって、集光鏡からの赤外光が入射する入射面と、前記
   被測定用試料を当接させて赤外光の全反射測定を行うた
   めの全反射面と、入射光の方向を変更する少なくとも３
   個の反射面（前記全反射面を含む）と、赤外光が最終的
   に出射する出射面とを有し、前記入射光の光軸と出射光
   の光軸とが一致するように各反射面の相互の角度が構成
   されていることを特徴とする結晶体。 【請求項５】　　請求項４に記載の結晶体が、前記入射
   面、全反射面および出射面を柱軸に平行な平面として形
   成した柱状体であって、請求項１〜３のいずれかに記載
   された赤外線全反射吸収測定装置のうち集光鏡と対物鏡
   が同一軸線上に配置された赤外線全反射吸収測定装置に
   おける前記結晶体として用いられていることを特徴とす
   る請求項１〜３に記載の赤外線全反射吸収測定装置。