JPH1010039A - ビームスプリッタ及び該ビームスプリッタを用いた吸光度測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 複雑な設計作業や大がかりな製造工程を要す
ることなく、所望の分岐比を達成することのできるビー
ムスプリッタ及びこれを用いた吸光度測定装置を提供す
る。 【解決手段】 石英ガラス１の一面側に、部分的かつ略
均一に分散するように蒸着によって形成された複数のア
ルミニウム膜２を備えたビームスプリッタ、及びこのビ
ームスプリッタを用いて第１及び第２の測定セルに光源
からの光を分割して導入する吸光度測定装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ビームスプリッ
タ、詳しくは、低コストで所望の分岐比を達成できるビ
ームスプリッタと、そのビームスプリッタを用いた吸光
度測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】吸光度測定装置においては、試料の分析
にあたり、通常複数の測定セルにおける光透過率の比較
が行われる。この場合、同一光源からの光でも放射され
る方向により光強度が相違する等の事情を考慮して、あ
る方向に放射された光を分割することが行われている。

【０００３】例えば図８に示すオゾン計の例では、紫外
線ランプＬからの入射光Ｉ0の一部Ｉ11を透明石英ガラ
スからなるビームスプリッタＭ１で反射して測定セルＢ
に照射し、ビームスプリッタＭ１を透過した光Ｉ12の一
部Ｉ13を同様に透明石英ガラスからなるビームスプリッ
タＭ２で反射して測定セルＡに照射している。両測定セ
ルにはそれぞれ試料ガスが導入されるが、いずれか一方
の測定セルに導入される試料ガスは、オゾン分解器を経
由している。そこで、両測定セルにおける透過率の比較
により、試料中のオゾン濃度が求められる。

【０００４】ここで、透明石英ガラスからなるビームス
プリッタによる反射と透過の割合は、主に、空気と石英
ガラスの屈折率の差と光の入射角に依存し、入射角４５
°の場合、入射光の約８％が反射される。すなわち、反
射光Ｉ1は入射光Ｉ0の約８％、反射光Ｉ2は入射光Ｉ0の
約７．４％の強度となる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前述のよう
に、ビームスプリッタとして透明石英ガラスを使用した
場合は、入射光Ｉ0の１０％にも満たない光で測定を行
うこととなり、感度不足のため精密な測定を行うに当た
り限界があった。

【０００６】一方、様々な反射率のビームスプリッタが
市販されており、例えば反射率５０％、つまり、分岐比
が１：１程度のものを前述のオゾン計に使用すれば感度
の向上が期待できるが、非常に高価であり、コスト面か
ら採用が困難であった。

【０００７】反射率５０％程度のビームスプリッタが高
価である理由は、特定の波長及び入射角に対して所望の
反射率を得ることが設計上も製作上も煩雑な作業を要す
ることにある。すなわち、屈折率の異なるある媒質から
他の媒質に光線が入射されるとき、光線はその表面で一
部が反射し一部が透過するが、反射と透過の割合は前述
のように主に両媒質の屈折率の差と入射角に依存する。
ところが、石英ガラス、低膨張ガラス等、光学的に使用
できる数種の基板だけでは、限られた値の屈折率、ひい
ては限られた反射率しか望むことができない。そのた
め、基板上に様々な屈折率の異なる材質の膜を多数重ね
て、時には１００層以上重ねてコーティングすることが
行われる。

【０００８】このような多層コーティングにより得られ
る反射率の計算は非常に複雑であり、所望の反射率とす
るためにはどのような材質のものを、どのぐらいの厚さ
で、どのような順番で、積層したらよいかは、光学部品
メーカーのノウハウとも言えるものであった。

【０００９】また、前記のように設計されたビームスプ
リッタを製作する際には、通常蒸着によりコーティング
が行われるが、各コーティング層の厚み（通常数十〜数
百ｎｍ程度）をコントロールするために、モニター用の
光線ビームを蒸着釜の内部のモニター用基板に入射し、
この基板で反射された光を検出して蒸着過程をモニター
するのが一般的である。

【００１０】しかも、このような微妙なコントロールを
行いながら、時には１００層以上を蒸着釜の真空を保持
したまま積層しなければならないので、製作設備も大が
かりとならざるを得なかった。

【００１１】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、複雑な設計作業や大がかりな製造工程を要すること
なく、所望の分岐比を達成することのできるビームスプ
リッタを提供することを目的とする。また、他の目的
は、所望の分岐比で光源からの光を分割することにより
高精度な測定が可能であり、しかも安価な吸光度測定装
置を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明は、透明基板と、該透明基板の一面側に部分的
に形成された複数の反射膜とを備え、前記反射膜は前記
透明基板の一面側に略均一に分散するように蒸着によっ
て形成されたことを特徴とするビームスプリッタを提供
する。

【００１３】すなわち、従来分析計の分野では、分岐し
た光で干渉像を作るフーリエ変換分光分析装置等が、ビ
ームスプリッタの代表的な用途として意識されてきた。
この場合、ビームスプリッタの同じ位置に入射した光を
分岐することが必要なため、ビームスプリッタ全体が如
何に均一に製作されているかが重要であった。そして、
このような観点から前述のように煩雑な過程を経た高価
なビームスプリッタが市販されていたものである。

【００１４】しかしながら、吸光度測定装置において
は、光量が全体として一定の比率で分けられればよいの
であって、ビームスプリッタ上のすべての位置において
完全に均一に分岐する必要はない。つまり、ビームスプ
リッタの全体を均一に製作する必要は必ずしもないので
ある。

【００１５】本発明は、この点に着目して、透明基板の
一面側に部分的に複数のを反射膜を形成したものであ
る。すなわち、入射光の大部分を透過させる透明基板の
一部分に、入射光の大部分の光を反射する反射膜を形成
し、残りの部分は反射膜を形成しないようにすれば、ビ
ームスプリッタ全体の分岐比は、反射膜が形成された領
域と形成されていない領域のそれぞれの分岐比を考慮し
て、各領域の面積比を調整することにより容易にコント
ロールできるものである。

【００１６】しかしながら、原則的には不均一なビーム
スプリッタで支障がないとはいえ、光源の揺らぎ等を考
慮すると、マクロ的には均一なものとする必要がある。
そこで、本発明では、反射膜を前記透明基板の一面側に
略均一に分散するように蒸着によって形成することとし
た。蒸着の場合、半導体製造等における技術を応用し
て、膜を形成する部分と形成しない部分を１ｍｍ以下の
オーダーで区分し、全体的に略均一に分散させることが
容易である。

【００１７】以下、本発明をさらに詳しく説明する。本
発明の透明基板としては、透明石英ガラス、低膨張ガラ
ス、フッ化カルシウム等が挙げられる。また、反射膜と
しては、銀、アルミニウム、金、銅等の金属膜や、酸化
セリウム等の誘電体膜等が挙げられる。透明基板や反射
膜の材質として、具体的に何を選択するかについては、
分岐すべき光の波長における各材質の反射率や透過率を
考慮して決定される。例えば、紫外光領域であれば、透
明基板に透明石英ガラス、反射膜にアルミニウム膜が使
用できる。

【００１８】反射膜を分散させる態様としては、ストラ
イブ状や、正方形状の反射膜を部分的に設ける方法や、
碁盤の目状に反射膜を形成する方法、又は、面積や形状
の異なる反射膜を散在させる方法等が考えられる。また
反射膜は略均一に分散させる。均一性は光源の揺らぎ等
があっても全体としての分岐比に影響を与えない程度と
する必要がある。

【００１９】反射膜を蒸着により略均一に分散させる方
法としては、基板の全面に蒸着した反射膜の一部をエッ
チングにより除去する方法、予め部分的にレジストをか
けておき、レジストのない部分に蒸着した反射膜のみが
最終的に残るようにする方法、メタルマスクを利用する
方法（いずれも後述）等、半導体製造において発達した
公知の方法を応用できる。

【００２０】また、本発明は、同一光源からの光をビー
ムスプリッタで分割し、分割された光が第１の測定セル
を透過する率と第２の測定セルを透過する率とを比較し
て、第１又は／及び第２の測定セル内の試料を分析する
吸光度測定装置において、前記ビームスプリッタが、請
求項１記載のビームスプリッタであることを特徴とする
吸光度測定装置を提供する。

【００２１】すなわち、透明基板と、該透明基板の一面
側に部分的に形成された複数の反射膜とを備え、前記反
射膜は前記透明基板の一面側に略均一に分散するように
蒸着によって形成されたことを特徴とするビームスプリ
ッタを利用して光源からの光を分岐した上で各測定セル
に照射する。ここで、第１の測定セル及び第２の測定セ
ルのいずれか一方には、試料がそのままないしは発色反
応等の処理を施されて導入される。また、他方のセルに
は測定対象成分を含まない、例えばゼロガス、純水又は
試料から特定成分を除去した試料等が、そのままないし
は発色反応等の処理を施されて導入される。そして、各
測定セルにおける光の透過率の相違は、試料中の測定対
象成分に起因するものなので、各透過率の比較により試
料の分析が行われる。

【００２２】この場合、ビームスプリッタの分岐比を例
えば１：１のようにして、光源からの光を効率的に利用
することができるので、精度の高い測定を行うことがで
きる。また、前述のようにビームスプリッタを簡易かつ
安価に製作できるので、吸光度測定装置全体のコスト上
昇も抑制できる。

【００２３】

【発明の実施の形態】図１は本発明の実施形態例に係る
ビームスプリッタで、（Ａ）が部分平面図、（Ｂ）が部
分断面図である。本例のビームスプリッタは、石英ガラ
ス１よりなる透明基板の一面側に、アルミニウム膜２を
反射膜としてストライブ状に形成したものである。

【００２４】石英ガラス１の厚みは約１〜２ｍｍ、アル
ミニウム膜の厚みは数ミクロン程度である。ストライブ
の間隔α，βは各約０．５ｍｍであるが、マクロ的な均
一性が保てる範囲であれば特に限定はない。

【００２５】本ビームスプリッタに例えば入射角４５°
で光を照射すると、アルミニウム膜２が形成された領域
ではほぼ１００％の光が反射され、形成されていない領
域では８％の光が反射（９２％が透過）されるので、全
体の反射率は両領域の面積比から約５０％となる。

【００２６】図２は本発明の他の実施形態例に係るビー
ムスプリッタであるが、図１と共通箇所には同一の参照
符号を付してその説明を省略する。本例では、正方形状
のアルミニウム膜２を等間隔に設けている。アルミニウ
ム膜２の一辺の長さγは０．７ｍｍ、間隔δは０．３ｍ
ｍであるが、図１のストライブの間隔と同様、マクロ的
な均一性が保てる範囲であれば特に限定はない。本例の
入射角４５°における全体としての反射率も、各領域の
面積比から約５０％となる。

【００２７】なお、図１，２共に、角形のビームスプリ
ッタを想定した図面であるが、ビームスプリッタ全体の
形状に特に限定はなく、円形等であってもかまわないこ
とは言うまでもない。

【００２８】次に、反射膜を蒸着により略均一に分散さ
せる具体的方法について説明する。図３は、全面に蒸着
した反射膜の一部をエッチングにより除去する方法を各
段階毎に示した概念図である。

【００２９】まず、石英ガラス１よりなる厚さ１〜２ｍ
ｍ程度の透明基板を用意し（Ｓ１１）、その一面全体に
反射膜であるアルミニウム膜２を蒸着する。（Ｓ１
２）。このとき、入射光がほぼ１００％反射するのに充
分な量、具体的には数ミクロン程度の厚みとなる量のア
ルミニウムを蒸着すればよいので、蒸着量の精密な制御
は不要である。そこで、例えば予め充分な量のアルミニ
ウムを用意しておき、全量蒸着させる等の手段をとるこ
とができる。次に、アルミニウム膜２の上にフォトレジ
ストをかける（Ｓ１３）。そして、フォトマスク４をか
けて紫外線を露光（Ｓ１４）した後に現像する（Ｓ１
５）。次に、露出したアルミニウム膜２をエッチング
（Ｓ１６）し、最後にフォトレジストを取り除く（Ｓ１
７）。これにより、紫外線を露光した部分にアルミニウ
ム膜が残り略均一に分散した反射膜が形成される。

【００３０】図４は、予め透過領域にレジストをかけて
おき、レジストのない部分に蒸着した反射膜のみが最終
的に残るようにする方法の概念図である。まず、図３と
同様に、石英ガラス１を用意し（Ｓ２２）、その一面全
体にフォトレジスト３をかける。次に、フォトマスク４
をかけて紫外線を露光（Ｓ２３）した後に現像する（Ｓ
２４）。そして、全体にアルミニウム膜２を数ミクロン
程度の厚みで蒸着する（Ｓ２５）。最後に、フォトレジ
スト３とその上のアルミニウム膜２を取り除くと（Ｓ２
６）、紫外線に露光しなかった部分にアルミニウム膜が
残り反射膜が形成される。

【００３１】図５は、メタルマスクを利用する方法の概
念図である。この場合用意した石英ガラス１（Ｓ３１）
に、メタルマスク５を乗せる（Ｓ３２）。そして、全体
にアルミニウム膜２を蒸着する（Ｓ３３）。最後に、メ
タルマスク５とその上のアルミニウム膜２を取り除くと
（Ｓ３４）、メタルマスク５により遮蔽されなかった部
分にアルミニウム膜が残り反射膜が形成される。

【００３２】次に、本発明に係る吸光度測定装置の実施
形態例について説明する。図６は、本発明に係る吸光度
測定装置の要部を示す構成図で、光源６、ビームスプリ
ッタ７、反射鏡８を備えている。

【００３３】本例の吸光度測定装置は、光源６からの入
射光Ｉ0の一部Ｉ1をビームスプリッタ７で反射して測定
セル１１に照射し、ビームスプリッタ７を透過した光Ｉ
2の全部又は一部のＩ3を反射鏡８で反射して測定セル１
２に照射するように構成されている。また、それぞれの
測定セルについて受光素子（図示せず）が備えられ、両
測定セルからの透過光が測定され、それぞれの透過率の
比較ができるようになっている。なお、ビームスプリッ
タ７は石英ガラスの一面側に複数のアルミニウム膜が略
均一に分散するように蒸着されたもので、アルミニウム
膜保護のため入射光Ｉ0は石英ガラス側からを照射され
るようになっている。

【００３４】ここで、両測定セルの一方には試料ガスが
導入され、他方の測定セルには前記試料ガスと前処理の
方法の異なる試料ガス又は参照ガスが導入される。そこ
で両測定セルにおける透過率の比較により、試料の分析
が行われる。

【００３５】本例の吸光度測定装置では、ビームスプリ
ッタ７の反射率を自由に選択できるので、例えば、反射
率が５０％のものを採用することができる。この場合、
反射鏡８の反射率が１００％とすると、光源６からの入
射光Ｉ0の全部が１：１の比率で分割され、両測定セル
には充分かつ均等な強度の光が入射することになるの
で、両測定セルにおける透過率の比較を精度良く行うこ
とができる。

【００３６】

【実施例】図７は本発明に係る吸光度測定装置をオゾン
計に応用した例である。図７において、図６に示した構
成部分と同一の構成部分には同一参照符号を付してその
説明を省略する。同図におけるオゾン計は、また受光素
子１３、１４と演算装置１５、フィルター１６、オゾン
分解器１７、三方弁３０、４０及びポンプ２１を備えて
いる。なお、光源６としては２５４ｎｍの輝線を強く出
す低圧水銀ランプが用いられる。

【００３７】本例のオゾン計においては、以下に説明す
るようにオゾン分解器１７を通過しない試料ガスと通過
した試料ガスが、測定セル１１、１２に交互に切り替え
られて導入される。すなわち、三方弁３０の３１、３３
側が開放し、３２側が閉じているとき、三方弁４０では
４１、４３側が開放し、４２側が閉じている。この場合
測定セル１２には、フィルター１６を通過した試料ガス
が流路１９、三方弁３０を経由して直接導入される。ま
た、測定セル１１にはフィルター１６、オゾン分解器１
７、流路１８、三方弁４０を経由してオゾンが分解され
た試料ガスが導入される。

【００３８】次に、三方弁３０が切り替えられ、３２、
３３側が開放し、３１側が閉じているとき、三方弁４０
では４２、４３側が開放し、４１側が閉じている。この
場合測定セル１２には、フィルター１６、オゾン分解器
１７、流路１８、三方弁３０を経由してオゾンが分解さ
れた試料ガスが導入される。また、測定セル１１にはフ
ィルター１６を通過した試料ガスが流路２０、三方弁４
０を経由して直接導入される。

【００３９】このように、両測定セルには、その一方に
のみ予めオゾンが分解された試料が導入される。従っ
て、それぞれにおける透過率の相違は試料中のオゾン濃
度に対応するので、演算装置１５において受光素子１
３、１４の測定結果を利用して両透過率の比較を行うこ
とによりオゾン濃度の測定ができる。

【００４０】なお、流路を切り替えるのは、両測定セル
の光学的特性等の差異による影響を除くためである。流
路を切り替えてもその直後は測定セル内の試料が置き換
わっていないので、切替は、１０秒弱毎に行い、試料ガ
スが完全に置き換わったところで吸光度測定を行ってい
る。

【００４１】

【発明の効果】上述のように本発明に係るビームスプリ
ッタは、複雑な設計作業や大がかりな製造工程を要する
ことなく、所望の分岐比のものを簡易かつ安価に製作す
ることができる。また、本発明に係る吸光度測定装置は
所望の分岐比で光源からの光を分割することにより、光
源からの入射光を効率よく利用できるので高精度な測定
が可能であるとともに、安価に製作することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明ビームスプリッタの実施形態例を示す平
面図と断面図である。

【図２】本発明ビームスプリッタの他の実施形態例を示
す平面図と断面図である。

【図３】本発明ビームスプリッタの製作方法の一例を示
す概念図である。

【図４】本発明ビームスプリッタの製作方法の他の一例
を示す概念図である。

【図５】本発明ビームスプリッタの製作方法の他の一例
を示す概念図である。

【図６】本発明吸光度測定装置の実施形態例を示す構成
図である。

【図７】本発明吸光度測定装置の実施例を示す構成図で
ある。

【図８】従来の吸光度測定装置を示す構成図である。

【符号の説明】

１ 石英ガラス ２ アルミニウム膜 ６ 光源 ７ ビームスプリッタ ８ 反射鏡 １１ 測定セル １２ 測定セル

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 透明基板と、該透明基板の一面側に部分
   的に形成された複数の反射膜とを備え、前記反射膜は前
   記透明基板の一面側に略均一に分散するように蒸着によ
   って形成されたことを特徴とするビームスプリッタ。
2. 【請求項２】 同一光源からの光をビームスプリッタ
   で分割し、分割された光が第１の測定セルを透過する率
   と第２の測定セルを透過する率とを比較して、第１又は
   ／及び第２の測定セル内の試料を分析する吸光度測定装
   置において、前記ビームスプリッタが、請求項１記載の
   ビームスプリッタであることを特徴とする吸光度測定装
   置。