JPH04369467A - 光熱レンズ分析装置 - 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、光熱レンズ効果を用い
た吸光分析装置に関し、特に焦点誤差検出光学系を用い
た小型で高感度の光熱レンズ分析装置を実現するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】光吸収に伴う熱的現象を利用し吸収の小
さい物質を分析する分析装置があり、その一つが光熱レ
ンズ分析装置である。この光熱レンズ分析装置は、光熱
レンズ効果を利用したものであり、レ−ザ光を試料に集
光照射すると光吸収により試料の局所的な温度上昇が起
り、それに伴って試料の屈折率が変化する。多くの物質
では屈折率は温度上昇により小さくなるため、凹レンズ
が生じたかのような光学効果が起り、光は発散するもの
である。

【０００３】図５はこのような光熱レンズ効果を用いた
光熱レンズ分析装置の従来例を示す構成図である。図５
において、半導体レ−ザ２１の出射光を第１のレンズ２
２，チョッパ−２３，第２のレンズ２４を通して、試料
２６の入ったセル２５に入射する。試料２６に吸収され
たレ−ザ光は熱に変換され、試料２６に温度分布を生じ
る。このため、試料２６は光熱レンズ効果を持ち、レ−
ザ光の光束が変化する。十分離れた位置に設置されたピ
ンホ−ル２７を通して、フォトダイオ−ド２８でレ−ザ
光の中心光強度を検出する。光熱レンズ効果は試料濃度
に比例するので、検出信号から試料濃度を測定すること
ができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術に示す光熱レンズ分析装置において、微小な光熱
レンズ効果を検出するためには、フォトダイオ−ド２８
の位置をセル２５から十分に離す必要があるため、光路
長が長くなり、装置が大型となった。また、ピンホ−ル
２７を用いているため、光利用効率が小さく、高感度化
が難しかった。

【０００５】本発明は上記従来技術の課題を踏まえて成
されたものであり、小型で、光利用効率が大きく高感度
な光熱レンズ分析装置を提供することを目的としたもの
である。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明の構成は、半導体レ−ザと、この半導体レ−ザ
の出射光を集光する第１のレンズと、このレンズにより
集光された光を２つに分岐するビ−ムスプリッタと、分
岐された一方の光を受光するフォトダイオ−ドと、分岐
された他方の光を集束する第２のレンズと、このレンズ
により集束された光の焦点位置に設置されたミラ−と、
このミラ−からの反射光が前記ビ−ムスプリッタにより
反射されて導かれる焦点誤差検出光学系とで構成される
分析ヘッドと、前記分析ヘッドの第２のレンズとミラ−
間に設置された試料とこの試料を充填するためのセルと
、前記分析ヘッドの半導体レ−ザを駆動するための半導
体レ−ザ駆動回路と、前記分析ヘッドのフォトダイオ−
ドの電流出力を電圧に変換する電流／電圧変換回路と、
前記分析ヘッドの焦点誤差検出光学系の出力に対して対
角和差の演算を行い焦点誤差信号を出力する対角和差演
算回路と、この対角和差演算回路の出力を前記電流／電
圧変換回路の出力で除算する割算回路とを備えた構成と
したことを特徴とするものである。また、半導体レ−ザ
と、この半導体レ−ザの出射光を集光する第１のレンズ
と、このレンズにより集光された光を２つに分岐するビ
−ムスプリッタと、分岐された一方の光を受光するフォ
トダイオ−ドと、分岐された他方の光を集束する第２の
レンズと、このレンズにより集束された光の焦点位置に
設置されたミラ−と、このミラ−からの反射光が前記ビ
−ムスプリッタにより反射されて導かれる焦点誤差検出
光学系とで構成される分析ヘッドと、前記分析ヘッドの
第２のレンズとミラ−間に設置された試料とこの試料を
充填するためのセルと、前記分析ヘッドの半導体レ−ザ
を駆動するための半導体レ−ザ駆動回路と、前記分析ヘ
ッドのフォトダイオ−ドの電流出力を電圧に変換する電
流／電圧変換回路と、前記分析ヘッドの焦点誤差検出光
学系の出力に対して対角和差の演算を行い焦点誤差信号
を出力する対角和差演算回路と、前記分析ヘッドの焦点
誤差検出光学系の出力に対して和の演算を行い和信号を
出力する和演算回路と、前記対角和差演算回路の出力を
前記和演算回路の出力で除算する第１の割算回路と、こ
の第１の割算回路の出力を前記電流／電圧変換回路の出
力で除算する第２の割算回路とを備えた構成としたこと
を特徴とするものである。さらに、半導体レ−ザと、こ
の半導体レ−ザの出射光を集光する第１のレンズと、こ
のレンズにより集光された光を２つに分岐するビ−ムス
プリッタと、分岐された一方の光を集束する第２のレン
ズと、このレンズにより集束された光の焦点位置に設置
されたミラ−と、このミラ−からの反射光が前記ビ−ム
スプリッタにより反射されて導かれる焦点誤差検出光学
系とで構成される分析ヘッドと、前記分析ヘッドの第２
のレンズとミラ−間に設置された試料とこの試料を充填
するためのセルと、前記分析ヘッドの半導体レ−ザを駆
動するための半導体レ−ザ駆動回路と、前記分析ヘッド
の焦点誤差検出光学系の出力に対して対角和差の演算を
行い焦点誤差信号を出力する対角和差演算回路と、前記
分析ヘッドの焦点誤差検出光学系の出力に対して和の演
算を行い和信号を出力する和演算回路と、前記対角和差
演算回路の出力を前記和演算回路の出力で除算する割算
回路とを備えた構成としたことを特徴とするものである
。

【０００７】

【作用】本発明によれば、半導体レ−ザの集束光により
試料に生じた光熱レンズ効果による焦点位置の変化を焦
点誤差検出光学系により検出する構成としているため、
分析ヘッドを小型にでき、また、光利用効率を向上でき
るため、高感度な吸光分析を行える。

【０００８】

【実施例】以下、本発明を図面に基づいて説明する。図
１は本発明の光熱レンズ分析装置の第１の実施例を示す
構成図である。図１において、１は分析ヘッドであり、
この分析ヘッド１は、半導体レ−ザ１１，半導体レ−ザ
１１の出射光を集光し平行光にするコリメ−トレンズ１
２，平行光とされたレ−ザ光を２つに分岐するビ−ムス
プリッタ１３，分岐された一方の光を受光するレ−ザ光
パワ−モニタ用のフォトダイオ−ド１４，分岐された他
方の光を集束する対物レンズ１５，対物レンズ１５の集
束光の焦点位置に配置されたミラ−１６，ミラ−１６か
らの反射光がビ−ムスプリッタ１３により反射されて導
かれる焦点誤差検出光学系１７で構成される。なお、焦
点誤差検出光学系１７は、例えば、図１では非点収差法
による検出系を示しており、集光用のレンズ１７１と非
点収差を与える円筒レンズ１７２と受光用の４分割フォ
トダイオ−ド１７３から成る。２は透明なガラスで製作
されたセル、３は分析を行う試料であり、セル２中に充
填されており、分析ヘッド１の対物レンズ１５とミラ−
１６の間に配置されている。４は半導体レ−ザ駆動回路
であり、分析ヘッド１の半導体レ−ザ１１を駆動し、出
射光パワ−を変調する。５は電流／電圧変換回路であり
、分析ヘッド１のフォトダイオ−ド１４の電流出力を電
圧（ＶＲ　）に変換する。６は対角和差演算回路であり
、分析ヘッド１の焦点誤差検出光学系１７の４分割フォ
トダイオ−ド１７３の出力信号が入力され、対角和差の
演算を行い、焦点誤差信号（Ｖｍ　）を出力する。７は
割算回路であり、焦点誤差信号（Ｖｍ　）を電流／電圧
変換回路の出力（ＶＲ　）で除算し、その演算信号（Ｖ
ｏ　＝Ｖｍ　／ＶＲ　）を出力する。

【０００９】このような構成において、その動作を図１
および図２に示す動作波形図を用いて説明する。図１お
よび図２において、半導体レ−ザ１１の出射光は、コリ
メ−トレンズ１２により集光されて平行光束となり、ビ
−ムスプリッタ１３に入射され、２つに分岐される。一
方は、ビ−ムスプリッタ１３で反射され、フォトダイオ
−ド１４に入射される。入射光は光電変換され、その電
流出力は電流／電圧変換回路５に入力される。入力され
た電流出力は、光パワ−のモニタ信号（ＶＲ　）に変換
される。他方は、ビ−ムスプリッタ１３を透過して、対
物レンズ１５により集束光となり、セル２に充填された
試料３に入射される。試料３のレ−ザ光照射部周辺は、
光吸収により温度が上昇し、光軸を中心に同心円状の温
度分布を生じる。一般に、試料の屈折率は負の温度分布
を有しており、温度が高い部分の屈折率は小さくなり、
試料に屈折率分布を生じる。これは、光熱レンズ効果に
より、試料のレ−ザ光の照射部分には、凹レンズが生じ
たことに相当する。試料３を透過した光は、ミラ−１６
に入射されるが、このミラ−１６は、予め標準試料を用
いた時に、集束光の焦点位置に合致するように配置して
あるため、試料３の凹レンズ効果により、集束光の焦点
位置が変化する。ミラ−１６からの反射光は、再び対物
レンズ１５により集光され、ビ−ムスプリッタ１３で反
射されて、焦点誤差検出光学系１７に入射される。焦点
誤差検出光学系１７では、集光レンズ１７１により集光
されて、円筒レンズ１７２に入射される。入射された光
は、円筒レンズ１７２のｘ，ｙ方向の合焦位置に設置さ
れた４分割フォトダイオ−ド１７３に円形像を結ぶ。こ
の円形像は、試料３からの出射光の焦点位置の変化に対
応して、円形から縦長楕円や横長楕円の像に変化する。 この像が、４分割フォトダイオ−ド１７３を構成する各
素子にてそれぞれ検出され、レ−ザ光の焦点位置に対応
した電気信号に変換され、対角和差演算回路６に出力さ
れる。この電気信号の対角和の差をとることにより、試
料３からの出射光の焦点位置の変化に対応した焦点誤差
信号（Ｖｍ　）が得られ、割算回路７に入力される。割
算回路７では、焦点誤差信号（Ｖｍ　）が光パワ−モニ
タ信号（ＶＲ　）で除算され、半導体レ−ザ１１の出射
光のパワ−変動の影響が除去される。

【００１０】ここで、図２に示すように、試料３で吸収
される光パワ−は、試料濃度（イ図）に対応している。 試料温度（ロ図）と試料屈折率（ハ図）の変化は、吸収
された光パワ−に対応しており、光熱レンズ効果による
焦点位置変化（ニ図：Ｖｍ　）もこれに対応して変化す
る。したがって、割算回路７の出力信号（ホ図：Ｖｏ　
＝Ｖｍ　／ＶＲ　）は、試料濃度（イ図）に対応した大
きさであり、割算回路７の出力信号（Ｖｏ　）から試料
濃度を分析することができる。

【００１１】図３は本発明の光熱レンズ分析装置の第２
の実施例を示す構成図である。なお、図３において図１
と同一要素には同一符号を付して重複する説明は省略す
る。図３において、６１は対角和差演算回路であり、分
析ヘッド１の焦点誤差検出光学系１７の４分割フォトダ
イオ−ド１７３の出力信号が入力され、対角和差の演算
を行い、焦点誤差信号（ＶＦＥ）を出力する。６２は和
演算回路であり、４分割フォトダイオ−ド１７３の出力
信号が入力され、和演算を行い、和信号（Ｖｓ）を出力
する。６３は第１の割算回路であり、焦点誤差信号（Ｖ
ＦＥ）を和信号（Ｖｓ　）で除算し、その演算信号（Ｖ
ｍ　＝ＶＦＥ／Ｖｓ　）を出力する。７は第２の割算回
路であり、第１の割算回路６３の出力信号（Ｖｍ　）を
電流／電圧変換回路５の出力（ＶＲ　）で除算し、その
演算信号（Ｖｏ　＝Ｖｍ　／ＶＲ　）を出力する。

【００１２】このような構成において、光熱レンズ効果
による焦点誤差信号の変化量（対角和差演算回路６１か
ら出力される焦点誤差信号ＶＦＥ）の全光量（和演算回
路６２から出力される和信号Ｖｓ　）に対する割合Ｖｍ
　は、試料濃度ｃと試料入射レ−ザパワ−に比例する。 つまり、

【数１】 ただし、ｃ：試料濃度 ｐ：試料入射レ−ザパワ−（＝ＶＲ　）となり、第１の
割算回路６３の出力信号である。したがって、試料濃度
ｃは、

【数２】 となり、焦点誤差出力信号ＶＦＥを和信号Ｖｓ　と電流
電圧変換回路５の出力ＶＲ　で除算した演算出力Ｖｏ　
に比例する。この第２の割算回路７の出力信号Ｖｏ　か
ら試料濃度を分析することができる。

【００１３】図４は本発明の光熱レンズ分析装置の第３
の実施例を示す構成図である。なお、図４において図３
と同一要素には同一符号を付して重複する説明は省略す
る。図４と図３との相違点は、図３装置におけるビ−ム
スプリッタ１３および第２の割算回路７を削除した構成
とした点である。この場合、出力信号Ｖｏ　は、割算回
路６３から出力されるＶｍ　、つまり、Ｖｏ　＝Ｖｍ　
＝ＶＦＥ／Ｖｓ　となり、前記数１で表されるが、この
数１において、ｐは半導体レ−ザ駆動回路４により、一
定に制御されるため、割算回路６３から出力される出力
信号Ｖｏ　は、試料濃度ｃに比例した値となる。

【００１４】なお、上記実施例において、反射用のミラ
−１６を削除し、試料３の透過光を直接焦点誤差検出光
学系１７に入射させる構成としても良く、同様の効果を
得られると共に、装置構成を簡単にできる。

【００１５】また、上記実施例において、焦点誤差検出
光学系１７の構成は、非点収差法に限るものではなく、
臨界角法、ナイフエッジ法、ウエッジプリズム法、ビ−
ムサイズ法などを用いても良い。

【００１６】

【発明の効果】以上、実施例と共に具体的に説明したよ
うに、本発明によれば、半導体レ−ザの集束光により試
料に生じた光熱レンズ効果による焦点位置の変化を焦点
誤差検出光学系により検出する構成としている。したが
って、分析ヘッドを小型にでき、また、光利用効率が大
きくなるので、高感度に分析できる。更に、検出信号を
半導体レ−ザの光パワ−モニタ信号で除算して出力信号
とする構成としたために、半導体レ−ザの光パワ−変動
の影響を受けない。また、焦点誤差信号を和信号とレ−
ザパワ−に比例した信号で除算する構成とすることによ
り、試料濃度は光熱レンズ効果による焦点誤差信号変化
量の和信号に対する割合に比例し、レ−ザパワ−に反比
例するので、出力信号は試料濃度に比例した量を測定で
きるなどの効果を有する光熱レンズ分析装置を実現でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光熱レンズ分析装置の第１の実施例を
示す構成図である。

【図２】図１装置の動作を説明するための動作波形図で
ある。

【図３】本発明の光熱レンズ分析装置の第２の実施例を
示す構成図である。

【図４】本発明の光熱レンズ分析装置の第３の実施例を
示す構成図である。

【図５】従来の光熱レンズ分析装置の一例を示す構成図
である。

【符号の説明】

１　　分析ヘッド ２　　セル ３　　試料 ４　　半導体レ−ザ駆動回路 ５　　電流／電圧変換回路 ６、６１　　対角和差演算回路 ７、６３　　割算回路 １１　　半導体レ−ザ １２　　コリメ−トレンズ １３　　ビ−ムスプリッタ １４　　フォトダイオ−ド １５　　対物レンズ １６　　ミラ− １７　　焦点誤差検出光学系 ６２　　和演算回路 １７１　　レンズ １７２　　円筒レンズ １７３　　４分割フォトダイオ−ド

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　半導体レ−ザと、この半導体レ−ザの
   出射光を集光する第１のレンズと、このレンズにより集
   光された光を２つに分岐するビ−ムスプリッタと、分岐
   された一方の光を受光するフォトダイオ−ドと、分岐さ
   れた他方の光を集束する第２のレンズと、このレンズに
   より集束された光の焦点位置に設置されたミラ−と、こ
   のミラ−からの反射光が前記ビ−ムスプリッタにより反
   射されて導かれる焦点誤差検出光学系とで構成される分
   析ヘッドと、前記分析ヘッドの第２のレンズとミラ−間
   に設置された試料とこの試料を充填するためのセルと、
   前記分析ヘッドの半導体レ−ザを駆動するための半導体
   レ−ザ駆動回路と、前記分析ヘッドのフォトダイオ−ド
   の電流出力を電圧に変換する電流／電圧変換回路と、前
   記分析ヘッドの焦点誤差検出光学系の出力に対して対角
   和差の演算を行い焦点誤差信号を出力する対角和差演算
   回路と、この対角和差演算回路の出力を前記電流／電圧
   変換回路の出力で除算する割算回路とを備えた構成とし
   たことを特徴とする光熱レンズ分析装置。
2. 【請求項２】　　半導体レ−ザと、この半導体レ−ザの
   出射光を集光する第１のレンズと、このレンズにより集
   光された光を２つに分岐するビ−ムスプリッタと、分岐
   された一方の光を受光するフォトダイオ−ドと、分岐さ
   れた他方の光を集束する第２のレンズと、このレンズに
   より集束された光の焦点位置に設置されたミラ−と、こ
   のミラ−からの反射光が前記ビ−ムスプリッタにより反
   射されて導かれる焦点誤差検出光学系とで構成される分
   析ヘッドと、前記分析ヘッドの第２のレンズとミラ−間
   に設置された試料とこの試料を充填するためのセルと、
   前記分析ヘッドの半導体レ−ザを駆動するための半導体
   レ−ザ駆動回路と、前記分析ヘッドのフォトダイオ−ド
   の電流出力を電圧に変換する電流／電圧変換回路と、前
   記分析ヘッドの焦点誤差検出光学系の出力に対して対角
   和差の演算を行い焦点誤差信号を出力する対角和差演算
   回路と、前記分析ヘッドの焦点誤差検出光学系の出力に
   対して和の演算を行い和信号を出力する和演算回路と、
   前記対角和差演算回路の出力を前記和演算回路の出力で
   除算する第１の割算回路と、この第１の割算回路の出力
   を前記電流／電圧変換回路の出力で除算する第２の割算
   回路とを備えた構成としたことを特徴とする光熱レンズ
   分析装置。
3. 【請求項３】　　半導体レ−ザと、この半導体レ−ザの
   出射光を集光する第１のレンズと、このレンズにより集
   光された光を２つに分岐するビ−ムスプリッタと、分岐
   された一方の光を集束する第２のレンズと、このレンズ
   により集束された光の焦点位置に設置されたミラ−と、
   このミラ−からの反射光が前記ビ−ムスプリッタにより
   反射されて導かれる焦点誤差検出光学系とで構成される
   分析ヘッドと、前記分析ヘッドの第２のレンズとミラ−
   間に設置された試料とこの試料を充填するためのセルと
   、前記分析ヘッドの半導体レ−ザを駆動するための半導
   体レ−ザ駆動回路と、前記分析ヘッドの焦点誤差検出光
   学系の出力に対して対角和差の演算を行い焦点誤差信号
   を出力する対角和差演算回路と、前記分析ヘッドの焦点
   誤差検出光学系の出力に対して和の演算を行い和信号を
   出力する和演算回路と、前記対角和差演算回路の出力を
   前記和演算回路の出力で除算する割算回路とを備えた構
   成としたことを特徴とする光熱レンズ分析装置。