JPH05500562A - ファブリー・ペロ分光分析のための方法および装置 - 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】 ファプリー・ベロ分光分析のための方法および装置 本発明は、請求の範囲１の上位概念に記載のファプリー・ベロ分光分析のための 方法および該方法にもとづいて作動する請求の範囲５の上位概念に記載のスペク トロメータに関する。

プロセスおよび環境工学においては、気体および液体を測定するための分光分析 による方法はますます重要になってきた。それに応じて多くの測定方法が開発さ れた、そのなかでも本願発明においては、近赤外線（波長約１ｔＬｍ〜３μｍ） における液体分光分析に適した方法に重点が置かれるべきである。

以下に、液体分光分析のための若干の公知方法およびこれらの方法にもとづき作 動するスペクトロメータを詳細に取り上げる。

近赤外線における液体分光分析のための古典的方法は、格子モノクロメータを使 用したビームの分光分析である。この場合には、ビームスベクトルの記録は一般 に分散格子の回転により行い、その際、比較的に経費のかかる機械的に精密な作 動が必要である。このことは、測定を粗野な工業的環境内で行う場合は、特に障 害となる。そのようなプロセスに使用する場合には、機械的に作動する部材を完 全に省き、かつ簡単で丈夫な装置を使用することが所望される。この種の使用可 能なプロセススペクトロメータは“高性能（旧ｇｈ−Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　 ）　’の価格範曙に数えられるべきである。従って、粗野な工業的環境内で作動 すべきである、簡単で丈夫でかつ廉価なスペクトロメータのためには、前記の方 法は該当しない。

もう１つの近赤外線領域での液体分光分析法は、干渉フィルタを使用した放射線 の分光にもとづく。多成分分光分析に関しては、刊行物″Ａｕｔｏｍａｔｉｓｉ ｅｒｕｎｇｓ−ｔｅｃｈｎｉｓｃｈｅ　Ｐｒａｘｉｓ　ａｔｐ″３２　（１９９ ０年）３３８〜３４２頁から、回転絞り板に配置された、最高１４個の異なる干 渉フィルタを光路内に旋回投入できる装置が公知である。

該方法においても、スペクトル記録のために機械的に作動する部材を使用するこ とが欠点である。もう１つの欠点は、全部のスペクトルを完全に利用できないこ とである。この種の市販のプロセススペクトロメータも同様に、高性能の価格範 曙に数えられる。粗野な工業的環境内で作動すべきである、簡単で丈夫でかつ廉 価なスペクトロメータのためには、前記方法は該当しない。

スペクトルを記録するもう１つの装置は、欧州特許公開第０ｒ８０４４９号明細 書に記載されている。この場合には、光音響半結晶でビームを分散させる。引き 続き、分散したビームを光検出装置に結像させる。

該装置は、確かに作動部材を使用しないが、光音響結晶を製造するために比較的 経費がかかり、かつコスト高であるという欠点を有する。しかも、赤外線スペク トル領域で使用する際には、検出器アレイはきわめてコスト高である。従って、 前記装置は、簡単で廉価なプロセススペクトロメータとしては該当しない。

西独国特許出願公開第３５２５４９０号明細書に記載の多成分プロセス分析系も 、同様に検出器アレイを使用して作動する。この場合には、確かに光の分散は簡 単な分散光学系を使用して行うが、検出器アレイに関して上記の欠点が当てはま る。

近赤外線領域での液体分析のもう１つの可能性は、フーリエ変換赤外線法である 。

西独国特許出願公開１！３５４２１６１号明細書には、マイケルソンタイプの２ 光束型干渉計が記載されており、該干渉計においては、可動ミラーを使用して、 未知の分析すべき測定光線のインターフェログラムを作成し、検出器内で電気信 号に変換する。引き続くフーリエ変換により、ビームスベクトルを得る。

前記装置は、インターフェログラムを作成するために、比較的に高価な精密なミ ラー駆動装置を必要とすることが欠点である。従って、上記の干渉計は、プロセ スに使用するための簡単で丈夫でかつ廉価なスペクトロメータとしては該当しな い。

米国特許第４５２５０６７号明細書には、線状ビーム発生器の高解像力分光分析 のための方法および該方法にもとづき作動するファプリー・ベロスペクトロメー タが記載されている。該方法では、二重のファプリー・ベロ装置を使用する。第 １のファプリー・ベロ・フィルタの光学的層厚は固定値に調整するが、一方、ｔ Ｊ２のファプリー・ベロ・フィルタの光学的層厚は、波長の１／４に等しい、第 １のファプリー・ベロ・フィルタの光学的層厚の値だけ変化させる。

それにより、検査すべきビーム線を最大値と最小値の間で変化させることができ 、しかも光の強度と解像力との積の向上が達成される。

前記方法は、狭く限定されたスペクトル領域における個々の光線の高解像力分光 分析にのみ適しているにすぎず、但し比較的幅の広いスペクトル領域における全 部の液体スペクトルの記録には適さないという欠点を有する。

本発明の課題は、プロセス適用のため、特に赤外線スペクトル領域におけ、る液 体スペクトルまたはガス状物質のスペクトルを記録することが可能である、コン パクトなスペクトロメータを用いたファプリー・ベロ分光分析のための方法およ び装置を提供することであった。該スペクトロメータは、光学系のための高価な 機械的調整装置を使用せずに構成されるべきである。

前記課題は、請求の範囲ｌの特徴部分に記載した方法および請求の範囲５の特ｉ ！！１部分に記載した干渉計装置ｆごより解決される。

前記方法Ｌｌ：、Ｍ赤外線放射領域（約１ｆＩｍ−３μｍ）における液本分析の ｌ−めには、比較的低いスペクトル解像力が必要であるにｔぎないとい′）考察 から出発する。該スベグトル領域では、比較的広幅でかつ弱く構造化された、液 体のオーバートーンおよび結合振動帯域が存在する。

従って、約２０〜４０の解像力でスペクトルを記録すれば十分である。解像力と は、波長と、測定技術的になお正確に認識することができる波長差との商と解さ れるべきである。解像力値２０〜４０は、波長差約５０〜１１００ｎに相当する 。多成分分析を行うためには、すでに比較的に少ないデータポイント（たとえば ２０のポイント：約１１００ｎの波長差に相当する）で十分である。

複光束干渉でなく、マルチ光束干渉を基礎とする干渉計による測定法を提案する 。このことは、機械的に作動する部分を使用せずに透過特性を調整可能であるフ ァプリー・ベロ・フィルタ装置により達成される。

第１図、第２図および第３図により、マイケルソン干渉計およびファプリー・ベ ロ・フィルタの構造を説明する。

第１図は、まずマイケルソン干渉計の原理を示す。

光源りから出発する広幅のビームはビームスプリッタ特表平５−５００５６２　 （３） １°に達し、該ビームスプリッタは、ビ・−ムの一部を透過し１、他の部分を反 射載る。従って、２つの干Ｓ　Ｍ＋　７−ムが生じる。それぞれの７−ムｌ：、 ミラーＭ＋またはＭ２が配属されでおり、こわらのミラーはビームを再びビーム スプリッタに反射しＣ戻す、ミラーＭ２は可動に配置されているので、所属の干 渉計アームの長さは可変である。

２つの部分ビームは再びビームスプリンタＴで再結合し、１つの特性化された干 渉スペクト・ルが生じる。

再結合したビームは、検査すべき物質混合物を有するセルＫを透過し、検出器り に至り、該検出器はビームを電気信号に変換する。

測定過程で、ミラーＭ２を、両者の干渉計アームが同じ距離を有する地点から、 両者のアームが所定の差を有する地点まで動かす。ミラーの運動過程で検出器に 記録されるインターフェログラムを、評価装置Ｅ内でフーリエ変換によりビーム スベクトルに変換する。

干渉計アームの距離の差がゼロである場合には、インターフェログラムにおいて いわゆるセンターバーストが起きる、すなわち全波長がこのアーム位置で最大に 高まる。両者のアーム間の長さの最大差（最大ミラーストローク）は、鉄系のス ペクトル解像力に比例する。

第２図に示されたファプリー・ベロ・フィルタは、２つの平行平面の、部分的透 過性のミラーＲ，ｌおよびＲ２からなり、これらは光透過性の基板Ｓの上に施さ れ、かつ空気層を包囲している。光源りから入射するそれぞれのビームは、ミラ ー面での何回もの反射により、一定の位相差を持った多数の平行ビームＰに分割 され、該ビームは、図示されていない光学的検出器により１つの平面で一緒にな り、所望の干渉現象を生じる。

平行平面に制限された層での干渉の強度分布を示す公知のエアリ−の方程式に相 当して、光学的層厚の変化（ミラー間隔と、ミラー間の物質の屈折率との積）に より波長を調整できる。

第３図には、例として、波数に関するミラーの反射率約３０％および光学的検出 器３８０μｍを有するファプリー・ベロ・フィルタの透過スペクトルを示す。

２つの干渉最大間の間隔Ａを自由スペクトル領域と称する。この間隔は両者のミ ラーＲ１とＲ２の間隔に反比例している。

ファプリー・ベロ・フィルタのスペクトル解像力のための重要なパラメータは、 ２つの干渉最大間の間隔Ａと干渉最大の半値幅（第３図では間隔Ｈ）との比とし て定義される“フィネス１である。フィネスはミラーの反射率により調整できる 、この場合高い反射率は高いフィネスを生じる。

従って、フィルタの達成可能なスペクトル解像力は、両者のミラーＲ１，Ｒ２の 反射率および層厚に依存する。高いスペクトル解像力のためには、反射率および ／または光学的層厚は大きくなければならない。

機械的に作動する部材を使用せずに調整するためには、電気光学的、音響光学的 、熱光学的方法および圧電法が該当する。

電気光学的および音響光学的方法においては、ミラーの間の物質の屈折率は電気 光学的および音響光学的効果により変化させる。

熱光学的方法においては、温度変化により、ミラー間隔（物質の厚さ）およびミ ラー間の物質の屈折率に影響を与える。

圧電法においては、ミラー間隔を直接調整する。

マイケルソン干渉計を調整可能なファプリー・ベロ・フィルタと比較すると、マ イケルソン干渉計の干渉計アームの長さの差ゼロはファプリー・ベロ・フィルタ のミラー間隔ゼロに相当する。しかしながら、ミラー間隔ゼロは、実際には原理 的な理由から達成できない。

この問題の解決は、前記方法において、２つの調整可能なファプリー・ベロ・フ ィルタからなる光学的直列接続（以下、二重−ＦＰと記載すｇ）により達成され る。二重−ＦＰの透過スペクトルは、両者の個々のフィルタの透過スペクトルの 重ね合わせである。

第４図は、例として、波数に依存した透過率を有する２つのファプリー・ベロ・ フィルタのスペクトルを示す。第１のファプリー・ベロ・フィルタの厚さは４０ ００１Ｌｍ（実線）および第２のファプリー・ベロ・フィルタの厚さは４４００ μｍ（点線）である、それにより、両者のファプリー・ベロ・フィルタの自由ス ペクトル領域は１０％異なり、従ってファプリー・ベロ・フィルタの透過スペク トルは、それぞれ１０の干渉最大後に初めて再び位相が一致する。

第５図は、２つのファプリー・ベロ・フィルタの透過スペクトルの重ね合わせを 示す。

形成される包絡線から、２つのフィルタの直列接続は、自由スペクトル領域が個 々のファプリー・ベロ・フィルタの元来の自由スペクトル領域より１０倍大きい １つのファプリー・ベロ・フィルタのように挙動することが認識される。従って 、二重−ＦＰは厚さ４００μｍのファプリー・ベロ・フィルタのように挙動する 。このことは、二重−ＦＰの有効厚さが両者のファプリー・ベロ・フィルタの層 厚の差に正確に等しいことを意味する。

層厚の差が減少するにつれて、二重−ＦＰの自由スペクトル領域はますます大き くなる。二重−ＦＦの有効厚さゼロに相当する層厚の差ゼロの場合、無限大の自 由スペクトル領域が生じる。この場合に、包絡線は消滅する、それというのも両 者のファプリー・ベロ・フィルタの透過スペクトルは正確に位相が一致するから である。従って、本来解像力を上昇するために提案した二重−ＦＰは、意想外に も、ゼロと所望の値との間の有効層厚を形成することができる１種のファプリー ・ベロである。

従って、本発明による方法は、高性能の解像力を有する二重−ＦＰの精密構造で はなく、むしろ小さい有効層厚にもとづき、きわめて低い解像力のファプリー・ ベロ・フィルタに相当する包絡線を利用する。

すでに述べたように、二重−ＦＰにより有効光学的層厚が厚さゼロを生じること に成功した。従って、マイケルソン干渉計に倣ったインターフェログラムの記録 は、もはや問題な〈実施できる。

明らかにするために、二重−ＦＰに最初に波長λの狭幅帯のビームを衝突させ、 かつ二重−ＦＦの透過関数を有効な光学的層厚の変化に依存して検出器りで記録 する。両者のファプリー・ベロ・フィルタを、今や正確に光学的に等しい層厚を 有する（二重−ＦＰの有効厚さゼロ）ようにｌｌＩ！する。フィルタ装置の透過 関数を記録するために、一方のファプリー・ベロ・フィルタの光学的層厚を変更 する。

第６図は、二重−ＦＰの有効厚さに依存したビーム束φの変化を示しており、こ れを以下に説明する。

ビーム束φの最初の最大は、有効厚さゼロにおいて生じる。最初の最小は、有効 厚さが値（λ）／（４申ｎ）をとる場合に生じ、この場合にｎは調整可能なファ プリー・ベロ・フィルタの２つのミラー間の物質の屈折率を表す。その次の最大 は、有効厚さくλ）／（２拳ｎ）において生じる。この場合に、両者のファプリ ー・ベロ・フィルタの干渉スペクトルは、正確に１つの干渉配置だけ互いにずれ ている。その次の最小は、有効厚さが値０．７５傘（λ）／ｎ等である場合に生 じる。従って、該関係はマイケルソン干渉計における関係と全く同じである。

二重−ＦＰに広幅帯のビームを衝突させると、第７図に示したビーム束φの曲線 が得られる。この場合もマイケルソン干渉計と完全に゛頭領している。

調整可能なファプリー・ベロ・フィルタとしては、先願の西独国特許出願＄３８ １２３３４．７号、同第３９２３８３１．８号および同第３９２５６９２．８号 明細書すでに記載されるように、有利には、特性的干渉スペクトルが光学的層厚 に依存する、電気的または熱的に調整可能なファプリー・ベロ・フィルタが該当 する。ファプリー・ベロ・フィルタは、その都度の構成に応じて、電気光学的ま たは熱光学的に活性の物質からなるプレートまたは複屈折する液晶が充填された セルであってもよい。

第１のファプリー・ベロ・フィルタの光学的層厚は固定値に調整し、一方、第２ のファプリー・ベロ・フィルタの光学的層厚は、電気的または熱的に連続して所 定の値範囲内で変更する請求められるビームスベクトルは、検出器で得られたイ ンターフェログラムの数学的変換により得られる。その際、フーリエ変換を使用 するのが有利である。

次に、本発明の実施例を第８図により詳細に説明する。

光源りから到達する広幅帯のビームはチョッパーＣにより変調され、絞りＢに達 する。ｔｓ絞りで干渉計による評価範囲を、光軸の近くのビームの中央領域に限 定することができる。引き続き、電気光学的に活性のプレート、熱光学的に活性 のプレートまたは液晶を充填したセルからなる第１のファプリー・ベロ・フィル タＦ１に至る。

ファプリー・ベロ・フィルタＦ１は、制御ユニットＳＬにより電気的または熱的 に一定の光学的層厚に調・整する。フィルタＦ１の後方にファプリー・ベロ・フ ィルタＦ２が配置されており、その光学的層厚は制御ユニットＳ２により電気的 または熱的に連続的に変化させる。

熱光学的実施例の場合は、温度を検出するために、たとえば、ファプリー・ベロ ・フィルタの上に直装置いた薄層抵抗を使用することができる。

引き続き、光路内の、検査すべき物質混合物を有する測定区間Ｋに達する。該測 定区間には、たとえばセルであってもよい、測定区間の後ろに対物レンズＯが配 置されている。

最後に、ビームは検出器りにより捕捉され、かつ電気信号に変換される。評価装 置Ｅを使用して、信号評価（フーリエ変換）および物質混合物の個々の成分の濃 度の計算を行う。

Ｒ１Ｒ２ 波　数　［１７ｃｍ］ ＦＩＧ、３ 波　数［１７ｃｍ］ ＦＩＧ、、！。

波　数　［１７ｃｍ］ ＦＩＧ、５ 有効厚さ　［ｃｍコ ＦＩＧ、６ 有効厚さ［ｃｍコ ＦＩＧ、７ ＦＩＧ、８ 国際調査報告 ｍｋＰｃＴ／ＤＩ　９０１００７４） 国際調査報告

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. １．光路に、光源と、２つの、順次光を透過するファプリー・ペロ・干渉フィル タと、検査すべき物質混合物と、検出器とを有するスペクトロメータを使用する ファブリー・ベロ分光分析のための方法において、２つのファブリー・ベロ・フ ィルタを同じ値に調整することにより、光学的層厚がゼロであるファブリートベ ロ・フィルタに相当する透過曲線を形成し、インターフェログラムを記縁するた めに、第２のファブリー・ペロ・フィルタの透過率を、光学的に有効な層厚の変 化により連続的に変化させ、かつ検出器に受け取られたインターフェログラムを 数学的変換により波数の関数としてスペクトルに変換することを特徴とするファ ブリー・ベロ分光分析のための方法。
2. ２．２つのファブリー・ベロ・フィルタが熱光学的に変化可能のプレートとして 形成されている請求の範囲１記載の方法。
3. ３．２つのファプリー・べロ・フィルタが電気的に変化可能の液晶セルとして形 成されている請求の範囲１記載の方法。
4. ４．２つのファブリー・ベロ・フィルタが電気光学的に変化可能のプレートとし て形成されている請求の範囲１記載の方法。
5. ５．光源と、２つのミラーと、ビームスプリッタとを有する干渉計を使用して、 請求の範囲１記載の方法を実施する装置において、２つのミラー（Ｍ１，Ｍ２） およびスペクトロメータ（Ｔ）の代わりに２つのファブリー・ペロ・フィルタ（ Ｆ１，Ｆ２）を有する装置を使用し、これらのフィルタを、インターフェログラ ムを形成するために、請求の範囲１記載の方法により調整することを特徴とする 装置。（第１図、第８図）発明の詳細な説明