JPH11132951A - 光学的濃度測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光源に変動が生じたような場合であっても、
変動する光学情報を、光軸を中心とする測定空間に均等
に含むようにして、測定光の同質性を確保する。 【解決手段】 干渉フィルターＦ1に結像した光束を、
コリメータレンズＬ1で平行光とし、該平行光を光学マ
スクＭで、２つの分割平行光束に分割する。該平行光に
は光源Ｏからの光学情報が均等に含まれる。第１の分割
平行光束中には参照セルＣ1が、第２の分割平行光束中
には試料セルＣ2が置かれる。各セル透過光は結像レン
ズＬ3で受光器Ｒに結像される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、赤外線光学系に参
照セルと試料セルの２つのセルを備え、各セルを透過す
る赤外線測定光のセル透過光強度の比から試料の濃度を
算出する光学的濃度測定装置に関し、詳しくは、光源か
らの測定光を１つのコリメータレンズで平行測定光と
し、その平行測定光を２つの分割平行光束に分割して、
第１光束を参照セルに、第２光束を試料セルにそれぞれ
透過させるダブルビーム光学系タイプの光学的濃度測定
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の光学的濃度測定装置には種々の
タイプのものが従来より提供されている。これらのタイ
プは、測定光の光路又は光束に関して分類され、シング
ルビーム光学系を用いるタイプのものと、ダブルビーム
光学系を用いるものに大別される。前者のタイプは、古
くより一般的に普及しているものであって、光源から受
光器に至る１つの光束中にセルが位置しており、予め、
セル内に純水（基準液）を入れて、純水を透過する測定
光の透過光量を受光器から検出しておく一方、次いで、
セル内の純水を試料と入れ替えて、試料を透過する測定
光の透過光量を受光器から検出し、両透過光量の比から
試料の濃度を算出するものである。

【０００３】上記シングルビーム光学系タイプの装置
は、単一の光路又は光束を使用するので、セル内の試料
濃度以外は、参照セル測定時と試料セル測定時とで、光
学的に同一であるという利点がある。しかし、この種の
光学測定装置では、長期的にその同一性を保証するため
には、定期的にブランク校正（０校正）する必要があ
り、その際に試料と純水とを入れ替える手間を要し、そ
のため、測定効率が悪いという問題がある。また、それ
らの入れ替えのための装置や構成が必須となるので、装
置コストが高くなるという問題もある。さらには、ブラ
ンク校正時、試料を純水に入れ替えする際、セル内に少
しでも試料が残っていると、ブランク校正精度の信頼性
が損なわれる。

【０００４】シングルビーム光学系タイプの装置におい
て、シリンダ型可変長セルと呼ばれているセルを用いた
ものがある(特開平2-102025号公報参照)。このシリンダ
型可変長セルは、ピストンの位置を変更して試料を入れ
るシリンダ空間厚みを参照セル長と試料セル長とに変更
できるようにしたものである。このものは、ブランク校
正時に純水を必要としないという利点があるが、ピスト
ンの位置を高精度で長期間に亘って位置決めすることは
極めて困難であり、実用化するには至っていない。

【０００５】一方、ダブルビーム光学系タイプの装置
は、シングルビーム光学系タイプの上記欠点を解消しよ
うとするものであって、純水を用いたブランク校正を不
要にしている。

【０００６】このダブルビーム光学系タイプの装置の１
つは、１つの光源から発せられる測定光を最初から２つ
の光路又は光束に直接分岐し、第１の光束中に参照セル
を、第２の光束中に試料セルを置き、両セル内には同一
の試料を入れるようにし、各セル透過光を１つの受光器
に受光するようにしたものである(特開平3-223654号公
報参照)。この装置は、ブランク校正に純水を必要とし
ないという利点と、両セルが固定的であって可動部を有
しないという利点を有する。しかし、光源が同一である
としても、２つの部分光（光束）を光源から直接的に分
岐しているので、２つの分岐光路又は分岐光束の同質性
が全く保障されない。したがって、光源の経時的変化や
光源自体の変更の際には、検量線をその都度作成しなけ
ればならない。周知のように、検量線の作成は多大な時
間と労力を要する大変な作業である。

【０００７】したがって、参照セルの測定と試料セルの
測定の両測定に使用する光路又は光束の同質性を確保す
ることが測定精度を高めるために絶対的に必要である。

【０００８】上記課題を幾分解決したと思われるダブル
ビーム光学系タイプの装置の他の従来例として、特開平
5-332933号公報に開示された装置を挙げることができ
る。この装置の要部を図１に略図で示している。この装
置は、１つの赤外線光源Ｏと、光源Ｏからの光の一部を
取り出すシャッターＳと、２つのアパチャーＭ1,Ｍ2を
有するマスクＭと、１つのコリメータレンズＬ2と、参
照セルＣ1および試料セルＣ2と、１つの干渉フィルター
(図示せず)と、１つの結像レンズ(図示せず)と、１つの
受光器(図示せず)とを含む光学系を備えている。この光
学系では、光源Ｏから発せられた赤外線は、その前方の
シャッターＳの開口Ｓ1の領域に絞られる。図において
は、開口Ｓ1は上方位置にある。図においては、その開
口Ｓ1を通過した赤外線の光束は、さらに、マスクの第
１アパチャーＭ1を通過し、その通過光束がコリメータ
レンズＬ2で平行光束とされて参照セルＣ1を透過する。
一方、シャッターの開口が不図示の下方位置に来たとき
には、光源Ｏからの赤外線は、マスクの第２アパチャー
Ｍ2を通過し、その通過光束はコリメータレンズＬ2で平
行光束とされて試料セルＣ2を透過する(それ以降の透過
光の処理についての詳細説明は省略する)。

【０００９】図１に示した装置は、少なくとも同一の光
学部品を用いて光源Ｏの前方に向けて発射した１つの光
束の分割平行光束を参照セル透過光および試料セル透過
光として使用しているので、両分割平行光束の同質性は
かなり保障されていると考えられる。しかし、超高精度
の測定を望むならば、この装置でも、両分割平行光束の
同質性は不十分である。その理由を図１に基づいて説明
する。

【００１０】一般には、同一の光源を用いておれば、光
源の発光強度変動に対しては２光束でその変動も同一に
現れると考えられている。しかし、厳密には光源は光学
系の入射瞳径に対して一定の面積を有しているので、そ
の面積を構成する各発光点からの発光の強度等の光学情
報は各発光点毎に相違していることを考慮して光学系を
構成しないと、測定精度の向上は望めない。

【００１１】図１に示された光源Ｏは発光体としてのフ
ィラメントＯ1を含んでいる。図１(I)では、一定の面積
を有するこのフィラメントＯ1の中心と、２つのアパチ
ャーＭ1,Ｍ2の対象中心点とがともに光軸Ｐ上にある。
この構成において、フィラメント中心Ｏ2の点から発せ
られた測定光は、マスクアパチャーＭ1,Ｍ2により絞ら
れかつコリメータレンズＬ2を透過して、光軸対象の分
割平行光束Ｂ1,Ｂ2となる。つまり、セルＣのある測定
空間では、光束Ｂ1,Ｂ2は同質の測定光であるというこ
とができる。一方、フィラメント端Ｏ3から発せられた
測定光は同様にして分割平行光束Ｄ1,Ｄ2となる。図か
ら明らかなように、光束Ｄ1,Ｄ2は光軸対象にはならず
に偏りを生じる。つまり、光学マスクに関して、一対の
アパチャーが光軸対象であれば十分であるという単純な
発想だけで配置すると、２つの分割平行光束Ｄ1,Ｄ2は
測定空間、すなわちセルＣ1,Ｃ2の光軸非対象のエリア
を、通過することになる。

【００１２】さらなる問題は、光源自体が交換された場
合にフィラメントの位置が変動することから生じる。図
１(II)は、フィラメント位置が、図１(I)の状態から変
動した状態を示している。図１(II)では、フィラメント
端Ｏ4が光軸中心に位置する場合を示している。この場
合、他端側のフィラメント端Ｏ3は光軸中心より大きく
変位するので、マスクアパチャーＭ2で絞られた光束Ｄ
1,Ｄ2も、測定空間ではさらに大きく光軸より変位する
ことになる。そうすれば、極端な場合は、試料セルＣ2
を透過する光束中にはフィラメント端Ｏ3の光学情報を
ほとんど含まないこともあり得る。

【００１３】したがって、光源の交換時には、２光束の
光学情報の質が全く異なってしまうため、交換前の光学
情報に基づいて検量された濃度と吸光度との関係は使用
不可となり、ひいては交換した新しい光源で再度検量線
を作成し直す必要があったのである。

【００１４】今ひとつの問題として、この種の分光装置
に用いる干渉フィルターの透過特性の場所ムラがある。
特定の波長を選択的に透過させる分光フィルターとして
干渉フィルターは簡便で、一般的によく用いられるが、
その分光スペクトル特性は干渉フィルターによって必ず
しも均一ではない。これは多層蒸着膜の製造プロセスに
かかわる問題で、同じ製造プロセスで作られた複数の干
渉フィルターの分光スペクトル特性でさえ、ピーク波長
や半値幅にはばらつきが生じる。引いては、１枚のフィ
ルター内部においてさえも、厳密にはフィルターのどこ
を通過したかによってその分光透過スペクトルは必ずし
も一致しない。

【００１５】従来のシングルビーム光学系では光束が単
一であるため、干渉フィルターのこのような場所ムラは
試料測定時と参照測定時に同様に含まれていて、このよ
うな問題は生じなかったが、光束を分離する場合には、
両光路で分光スペクトルに相違が生じると測定結果に致
命的な誤差をもたらすので、いかにしてこの分光スペル
トルの場所ムラを両光束に均等に含ませることができる
かが重要な課題となる。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明の
解決すべき技術的課題は、この種の光学的濃度測定装置
において、光源に変動が生じたような場合であっても、
変動する光学情報を、光軸を中心とする測定空間に均等
に含むようにして、測定光の同質性を確保することにあ
る。

【００１７】さらに今ひとつの解決すべき技術的課題
は、分光フィルターに用いる干渉フィルターの分光透過
スペクトルに場所ムラがあった場合にでも、その透過ス
ペクトルのムラを、光軸を中心とする測定空間に均等に
含むようにして、測定光の同質性を確保することにあ
る。

【００１８】

【課題を解決するための・手段・作用・効果】上記課題
を解決するために、本発明によれば、以下の構成の光学
的濃度測定装置が提供される。

【００１９】すなわち、この光学的濃度測定装置は、１
つの赤外線光源から発する測定光を干渉フィルターを透
過させて特定の波長を選択し、選択波長の測定光を参照
手段および試料セルに選択的に透過させて、該透過光を
受光器で検出することにより、試料セル内の試料の濃度
を測定する基本構成を有している。上記光源から発せら
れる測定光は、第１結像レンズにより上記光学フィルタ
ー上に結像するように構成する。そして、干渉フィルタ
ーで選択された特定波長の測定光の光束を平行な測定光
とするために、１つのコリメータレンズを有している。
平行にされた測定光の光束は光学マスクにより２つの分
割平行光束に分割して前方に取り出される。この光学マ
スクは、通常、平板状であって、上記各分割平行光束を
形成する光軸対象の２つの並列アパチャーを有してい
る。２つの分割平行光束は、光学シャッターで選択され
て、選択された方の光束が前方のセルに送られる。

【００２０】上記参照手段は、第１の分割平行光束の光
路中に置かれ、上記試料セルは、第２の分割平行光束の
光路中に置かれる。参照手段および試料セルを透過した
各分割平行光束は、１つの第２結像レンズにより上記受
光器に結像される。

【００２１】本発明の上記構成においては、光学シャッ
ターで選択的に両分割平行光束を受光器に導き、参照手
段透過光量と試料セル透過光量とから試料の濃度を算出
する。

【００２２】上記構成によれば、光源の光は、結像レン
ズによって分光フィルター上に像を結んだ後、コリメー
タレンズに入射し、該コリメータレンズで平行光とされ
る。そして、その後に、コリメータレンズで平行にされ
た測定光の光束が光学マスクで２つの分割平行光束に分
割される。したがって、光源の光学情報、つまり光源の
各発光点から出射されかつ波長選択された光線はコリメ
ータレンズを通じて、各分割平行光束に均等に含まれる
ことになる。つまり、光源の発光点の変化情報及び使用
干渉フィルターの透過特性の場所ムラを両光束中に同等
に含むことができ、その結果、従来は補正不可能であっ
た光源の位置変動について、試料測定による一点校正で
演算式を補正すれば、それだけで、精度のよい測定が可
能となり、光源の交換毎に検量線を作り直すような手間
は不要となる。

【００２３】また、両光束の分光スペクトルが一致して
いるため、光源光量変化等濃度以外の変動要因を参照光
路と測定光路で完全にキャンセルすることができる。

【００２４】上記構成において、上記参照手段は、通常
は参照セルで構成する。この場合、上記参照セルと試料
セルは、従来のセルと同様に、それぞれ独立したセルと
し、参照セルには純水を、試料セルには試料を入れるよ
うにすることも、あるいは、参照セルと試料セルの両者
に試料を入れるようにすることも可能である。しかし、
好ましくは、セル長を異にしかつ互いに連通した２つの
チャンバーを有する１つのセルハウジングから構成し、
上記セル長の短いチャンバーの部分を参照セルとする一
方、セル長の長いチャンバーの部分を試料セルとする。
この構成においては、いずれのチャンバーにも試料が同
時的に区分けなく導入される。参照セルの透過光量と試
料セルの透過光量は、そのセル長の長さの相違から生じ
る。

【００２５】上記セルによれば、１つのセルを２つのチ
ャンバーで参照セルと試料セルとに区分けしているだけ
であって互いに独立分離したセルではなく、かつ、各セ
ルは２つの近軸の分割平行光束が透過する位置関係にあ
って、両セルは限りなく接近している。そして、各チャ
ンバー内には試料が同時的に注入されかつ同時的に排出
される。したがって、両チャンバー内の試料濃度は限り
なく同一であることが保障される。また、セルを上記の
ように１つの部材からなるセルで構成すれば、上記光学
系では、光源から受光器に至る測定光又は２つの分割平
行光束は同一光学部材内を透過することになるので、参
照セルチャンバー内と試料セルチャンバー内の試料の濃
度以外の光学物質の吸光特性は、検出される参照セル透
過光と試料セル透過光とでは、実質的に同一であるの
で、高い測定精度が得られる。

【００２６】上記１つのセルにおいてセル長を異ならせ
る手法としては、同一厚みのセルハウジング内に、例え
ばガラス等の屈折率調整ブロックを内蔵することが簡便
である。すなわち、上記第１分割平行光束が透過する第
１部分に、試料と屈折率が近似しかつ試料と吸光特性が
異なる光屈折率調整ブロックを内蔵し、セルの第１部分
を他の第２部分より該光屈折率調整ブロックの厚み分だ
けセル長を短くする。この構成によれば、セルの第１部
分と第２部分を透過する光(すなわち参照セル透過光と
試料セル透過光)は、いずれも実質的に同一の屈折をし
て結像レンズを経て受光器に至るので、レンズ系の収差
に起因する結像点のズレが増幅するという問題が生じに
くく、測定精度が向上する。

【００２７】なお、参照手段は、上記セルに代えて、純
水と屈折率が近似しかつ試料測定波長を透過する光学的
に安定な媒体、例えばガラスブロック、特に石英ガラス
ブロックや雰囲気空気自体で構成してもよい。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施形態につい
て図２〜図６に従って具体的に説明する。

【００２９】図２は、本発明の１実施形態に係る光学的
濃度測定装置の光学系を示している。図２において、Ｏ
は赤外線光源である。光源Ｏで発せられた測定光は測定
エリアを経て赤外線センサー、すなわち受光器Ｒに至
る。光源Ｏから受光器Ｒの中心を結ぶ線を光軸として、
光学レンズＬ1,Ｌ2,Ｌ3が順に配置されているととも
に、その他の光学部材が光軸沿いに配置されている。光
源Ｏからの測定光は結線レンズＬ1に至り、該レンズに
より光学的フィルター(干渉フィルター)Ｆに結像され
る。このフィルターは、回転板Ｆ2に所定枚数の干渉フ
ィルター本体Ｆ1を有してなる。この干渉フィルター本
体Ｆ1は、測定すべき試料の成分に応じて透過、吸光さ
れる特定波長のみを選択するもので、予定されている数
種の試料に応じた吸光特性を有する枚数を回転板Ｆ2に
設けている。回転板Ｆ2は回転軸Ｆ3を中心として回転可
能であって、選択されるフィルター本体Ｆ1に光源Ｏ
が、レンズＬ1で結像される焦点に位置合わせされる。

【００３０】フィルター本体Ｆ1を透過した測定光は再
び拡散しながらコリメータレンズＬ2に至る。コリメー
タレンズＬ2は、フィルターＦの前方、焦点距離ｆの位
置に位置している。従って、このレンズＬ2に入射した
光束は平行光束として前方に送られる。

【００３１】レンズＬ2の直前には光学マスクＭを配置
している。マスクの正面図を図５に示している。マスク
Ｍはその中心(光軸に一致している)から直径方向等距離
のところに一対のアパチャーＭ1,Ｍ2を備えている。第
１アパチャーＭ1は参照光束を形成するための絞りであ
り、第２アパチャーＭ2は試料光束を形成するための絞
りである。つまり、コリメータレンズＬ2で形成され
る、該レンズ径に対応する平行光束は、各アパチャーＭ
1,Ｍ2により、小さな２つの分割平行光束に分割される
のである。

【００３２】マスクＭの直前にはシャッターＳを配置し
ている。このシャッターの正面図を同図５に示してい
る。このシャッターは、回転中心Ｓ3に対しての直径方
向反対側非対象位置に、第１開口Ｓ1,Ｓ2を有してい
る。図は、マスクの第１アパチャーＭ1とシャッターの
第１開口Ｓ1とが一致する一方、マスクの第２アパチャ
ーＭ2がシャッターで閉じられた状態を示している。シ
ャッターの第２開口Ｓ2がマスクの第２アパチャーＭ2に
一致したときは、第２アパチャーＭ2からの光束が前方
に送られる一方、第１アパチャーＭ1はシャッターで閉
じられる。

【００３３】シャッターＳの前方の測定エリアにはセル
Ｃを配置している。このセルは、参照セルＣ1と試料セ
ルＣ2とを１つのセルハウジングで一体に形成したもの
であって、その中心(光軸と一致している)の片側に参照
セルＣ1を構成し、その他側に試料セルＣ2を構成してい
る。各セルＣ1,Ｃ2を構成するチャンバーは互いに連通
し、両チャンバー内には同一の試料(液)が導入されるよ
うにしている。参照セルＣ1のセル長はｂ1、試料セルＣ
2のセル長はｂ2であり、後者は前者より十分大きな寸法
に構成している。マスクの第１アパチャーＭ1を通過し
た参照光束は参照セルＣ1を透過する一方、マスクの第
２アパチャーＭ2を通過した試料光束は試料セルＣ2を透
過する。

【００３４】セルＣの前方には前記結像レンズＬ3を配
置し、その前方焦点距離ｆの位置には前記受光器Ｒを配
置している。従って、それぞれ平行光束である参照光束
および試料光束は、受光器Ｒ上に結像する。

【００３５】図１に図解した従来例と比較すれば、本実
施形態では、コリメータレンズＬ₂で平行光束とする前
に参照光束と試料光束との分割するのではなく、コリメ
ータレンズで平行光束とした後に参照光束と試料光束と
に分割している点に大きな特徴があることが分かる。こ
の構成の作用について図３および図４に従って詳細に以
下説明する。

【００３６】説明の最初に、ランバートベールの法則に
より導かれる測定光と濃度との関係を説明する。その関
係は次式(1),(2),(3)のように表される。

【００３７】 Ib＝I1×exp(-a × b1× c) × exp(-an × bn) × γ --- (1) Is＝I2×exp(-a × b2× c) × exp(-an × bn) × γ --- (2) 上式において、 I，Ｉ₁，Ｉ₂ --- 光源が発する光量 Ib --- 参照セル透過後に受光器が受光する光量 Is --- 試料セル透過後に受光器が受光する光量 a --- 吸光係数 b --- セル長(セル厚み) c --- 濃度 an --- 測定光学系における測定成分以外の物質の吸光
係数(例えば、セル,フィルターやレンズの材質の吸光係
数、それらに付着する汚れの吸光係数） bn --- 測定光学系における測定成分以外の物質の厚み γ --- 検出強度の変動(受光器の感度変化や光量変化) 上式(1),(2)より、濃度 c は次式で求められる。

【００３８】 c＝ - ln ((Is / Ib) × (I1 /I2)) / (a × (b2 - b1)) --- (3) 図４(I),(II)は、光源の各点から発せられてマスクＭの
アパチャーＭ1,Ｍ2に入射する光束の立体角の変動、つ
まり光線束(単位光線の束)の変動、を示している。(I),
(II)はフィラメントＯ1の一端Ｏ3が光軸線上にある状態
を示している。(I)はフィラメント端Ｏ3からの光束の立
体角を図解し、(II)はフィラメント端Ｏ4からの光束の
立体角を図解している。なお、図４は、図２および図３
と比較において、結像レンズＬ１、干渉フィルタＦ１、
およびコリメータレンズＬ2を省略している。(I)に示す
ように、光軸上の発光点Ｏ3から発する光束Ｅ1(アパチ
ャーＭ1に入射する光束)とＥ2（アパチャーＭ2に入射す
る光束）の各立体角β1とβ2は互いに等しい。一方、(I
I)に示すように、光軸から離れた発光点Ｏ4から発する
光束Ｅ3とＥ4の各立体角β1とβ2とは当然に異なること
になる。光源のフィラメントはこのような位置を異にす
る発光点の集合と考えることができるので、結局、図２
について考えると、参照光束と試料光束とは光強度等の
点において厳密には一致しないことになる。つまり、上
記 I1 と I2 とは必ずしも一致しないことを意味してい
る。

【００３９】ところで、本実施形態によれば、一定の面
積を有する光源Ｏの測定光を先ず光学フィルターの干渉
フィルター本体Ｆ1に結像し、次に干渉フィルター本体
からの拡散光をコリメータレンズＬ1で平行光にし、そ
の後で、その平行光を２つの分割平行光束に分割してい
るので、光源の各発光点から発する光は干渉フィルター
Ｆ1の同一点を透過して測定空間に至ることになる。こ
れを、図１に対応した図３に従ってさらに詳細に説明す
る。なお、３図は、結像レンズＬ１、光学フィルターお
よびシャッターを省略して示しているが、実際には図示
の光源フィラメントが干渉フィルター上に重なっている
と考えると良い。図３(I)では、図１（Ｉ）の場合と同
様に、一定の面積を有するフィラメントＯ２の中心と、
２つのアパチャーＭ1,Ｍ2の対象中心点とがともに光軸
Ｐ上にある。この構成において、フィラメント中心Ｏ2
の点から発せられた測定光は、(干渉フィルターを透過
して)マスクアパチャーＭ1,Ｍ2により絞られかつコリメ
ータレンズＬ1を透過して、光軸対象の分割平行光束Ｂ
1,Ｂ2となる。つまり、セルＣのある測定空間では、光
束Ｂ1,Ｂ2は同質の測定光であるということができる。
一方、フィラメント端Ｏ3から発せられた測定光は同様
にして分割平行光束Ｄ1,Ｄ2となる。そして、この場合
は、図１(I)の場合と異なり、光束Ｄ1,Ｄ2は光束Ｂ1,Ｂ
2と重なって、光軸対象になる。つまり、光源に各発光
点Ｏ2,Ｏ3からの光は２つの分割平行光束内に均一に含
まれるのである。さらに、同様にして干渉フィルタの透
過位置の差によって生じる分光特性の違いも２つの分割
平行光束内に均一に含まれることがわかる。

【００４０】さらに、光源自体が交換されてフィラメン
トの位置が変動しても同様のことが言える。図１(II)に
対応する図３(II)では、フィラメント位置が、図３(I)
の状態から変動した状態を示している。図３(II)では、
フィラメント端Ｏ4が光軸中心に位置する場合を示して
いる。この場合、他端側のフィラメント端Ｏ3は光軸中
心より大きく変位するが、各発光点Ｏ3,Ｏ4からの光
は、コリメータレンズで平行光にされるため、発光点Ｏ
4からの光束Ｄ1,Ｄ2はそれぞれ発光点Ｏ3からの光束Ｂ
1,Ｂ2と一致し、図３(I)の場合と同様に、各発光点Ｏ3,
Ｏ4からの光は２つの分割平行光束内に均一に含まれる
ことになる。

【００４１】そうすれば、微少開口のアパチャーを有す
るマスクを想定し、光源の各発光点から発する光束につ
いて単位光束ΔIなるものを定義すると、その吸光量は
各分割光路で濃度に対して一義的に決定される。I1とI2
は単位光束ΔIがその光学系構成上何倍(何束)受光器に
到達したかということの結果に他ならないから、その結
果を単位光束あたりに正規化して濃度を求めてやれば、
I1とI2が結果的にどう変わろうと測定値から濃度を一義
的に求めることができるのである。

【００４２】次に、I1とI2の測定値から単位光束ΔIに
相当する光量で濃度を求める具体的操作について説明す
る。

【００４３】先ず、この光学的濃度測定装置を使用する
最初の時点から説明すると、その最初は当然にブランク
校正が必要である。したがって、濃度０の純水を測定セ
ルＣ(参照セルＣ1と試料セルＣ2)に充填し、Ib0 / Is0
を測定する。測定者には単位光束ΔIの透過強度は直接
知ることはできない。しかし、I1＝単位光束ΔI ×
α、I2＝ΔI × βと考えることができるので、I1/I2
は単位光束に換算すると、I1＝(α / β) × I2 を得
る。そうすれば、前記式 (3) は次のように置き換える
ことができる。

【００４４】 c＝ - ln ((Is / Ib) × (α / β)) / (a × (b2 - b1)) ---(3') そこで、c ＝ 0 となる Ib0, Is0 の測定値を(3')に代
入して、K＝α／βを求め、K が一定であるとして、K
を含んだ検量線を作ることができる。つまりこれは、基
準単位光束ΔIの各光路透過量ΔI1,ΔI2をそれぞれα
倍、β倍した光量の比から検量線を作成したことにな
り、濃度は透過光量 I1 と I2 の比から一義的に決定さ
れる。

【００４５】さて次に、光源を交換し、そのため２つの
光路すなわち分割平行光束の透過光量が各々変化した場
合について考えてみる。このとき、新たな透過光束 I
1', I2' が、I1'＝α’× ΔI, I2'＝β’× ΔI にな
ったとする。この場合、測定信号強度 Ib', Is' をその
まま上記式(3')に適用するならば、その測定値は真値と
異なる。例えば、純水を測定しても濃度０にはならず、
これと異なる値の濃度が算出されることになる。

【００４６】ところで、I1 と I1' とが異なる値となる
理由は、透過光束量が異なることにあるのであって、単
位光束の受ける吸光特性、つまり、I1/α と、I1'/α'
の透過光量は同じである。したがって、そこで、この状
態で新たに、純水透過光量 Ib0', Is0' を測定し、前式
(1),(2),(3')に代入すると次式が得られる。

【００４７】 Ib0'＝ΔI × α' × exp(-a × b1 × c) × exp(-an
× bn) × γ ただし、c＝0 Is0'＝ΔI × β' × exp(-a × b2 × c) × exp(-an
× bn) × γ ただし、c＝0 c＝ - ln ((Is0' / Ib0') × (α' / β')) / (a × (b
2 -b1)) そして、上式から α'/β' が得られる。この状態での
K を K≡α'/β'と修正すれば、ここで検量線を新たに
作り直すことなく、先回作成した K を含んだ検量線を
用いて濃度を求めることができる。つまり、光源を交換
しても、その時点で純水校正さえ行えば、測定に影響を
及ぼさないようにできることを意味している。これは、
従来のダブルビーム光学系タイプの測定装置の重大な欠
点を克服できることである。

【００４８】さて、次に、セルＣについてさらに言及す
る。前記したように、本実施形態によれば、同一のセル
ハウジング内に、同一の試料を入れるタイプのセルを使
用しているので、参照チャンバーおよび試料チャンバー
に入れられる試料の濃度は当然同一である。問題は、参
照セルのセル長と試料セルのセル長が異なることによる
光の屈折率の相違に原因して生じる、受光器への結像の
ズレである。光路中の屈折率の差は光線の屈折量の差と
なり、結果的に受光器上で光線の到達する位置に相違を
生じる。受光器の検出感度およびその変動には、実際に
は無視できない場所ムラがあるので、それが、１つの測
定精度の阻害要因となる。ただし、この問題の大半は、
セルを平行光路中に置くことで軽減されるのであるが、
それでもこのズレは本実施例において、１０ｍｍのセル
長差で、測定波長１．５μｍ対しては０．２ｍｍ程度に
もなる。従って、実際に参照光路と測定光路とで受光器
上に集光されるスポットの場所が異なり、高精度を要求
する測定用途では長期的な参照精度が満足されない。こ
れは、光学系のレンズＯは透過光の収差を生じ、厳密に
は、コリメータレンズＬ2を透過した光には平行でない
成分を含んでいるためである。この収差は汎用レンズを
使用する限りは回避できない現象である。そこで、図６
に示したセルの変形例を提供する。

【００４９】図６(III)は平面図であって、図２のセル
の図法に対応している。(I)はその側面図、(II)はその
正面図である。このセルＣは、セルハウジングの上下に
試料供給口Ｃ3と試料排出口Ｃ4とを備えている。セルハ
ウジング内には試料(液)と同一又は近似する光屈折率を
有する屈折率調整ブロックＡを挿入している。つまり、
参照セルＣ1のセル長はｂ1、試料セルＣ2のセル長はｂ2
であるが、ハウジングの厚みは両者同一であり、＜セル
長ｂ2 − セル長ｂ1＞がブロックＡの厚みになってい
る。したがって、参照セルを透過した光束も試料セルを
透過した光束も、セルを通過したときに受ける光の屈折
は略同一である。

【００５０】通常の液体試料(例えば半導体洗浄液)は、
ほとんどが水(光屈折率：1.32)であるから、これに近い
物質としては、石英ガラス(光屈折率：1.45)を選ぶこと
ができる。また、他の例としては、試料が食料油(光屈
折率：1.52)であれば、ＢＫ７ガラス(光屈折率：1.51)
が適切である。尤も、これらのブロックは、試料の濃度
の対象成分と同一の吸光特性を持たないことが前提条件
である。上記石英ガラスを付加することで、先の実施例
の０．２ｍｍの結像ズレは具体的に０．０５ｍｍ以下に
低減され、実用上の問題は解消される。

【００５１】なお、簡便なセル構成としては、上記参照
セルＣ１に代えて、図７（I）に示すような石英ガラス
ブロックＣ′とするか、又は、図７（II）に示すよう
に、雰囲気空気Ｃ″自体とすることもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 ダブルビーム光学系タイプの従来装置の要部
説明図である。

【図２】 本発明の１実施形態に係る光学的濃度測定装
置の光学系を示す説明図である。

【図３】 図２の装置の作動説明図である。シャッター
およびコリメータレンズは省略して示している。

【図４】 光源からの光束の立体角を説明する説明図で
ある。

【図５】 光学マスクおよびシャッターの正面図であ
る。

【図６】 図２の装置で用いられるセルの変形例を示す
図である。

【図７】 （I），（II）はそれぞれ図２の装置で用い
られるセルの他の変形例を示す要部図である。

【符号の説明】

Ａ 屈折率調整ブロック Ｂ 光束 Ｃ セル Ｃ1 参照セル Ｃ2 試料セル Ｃ3 供給口 Ｃ4 排出口 Ｃ′ ガラスブロック Ｃ″ 空気 Ｄ 光束 Ｆ 光学フィルター回転ディスク Ｆ1 干渉フィルター本体 Ｆ2 回転板 Ｆ3 回転軸 Ｌ レンズ Ｌ1 第１結像レンズ Ｌ2 コリメータレンズ Ｌ3 第２結像レンズ Ｍ 光学マスク Ｍ1 アパチャー Ｍ2 アパチャー Ｏ 光源 Ｏ1 フィラメント Ｏ2 フィラメント中心 Ｏ3 フィラメント端 Ｐ 光軸 Ｒ 受光器 Ｓ シャッター Ｓ1 開口 Ｓ2 開口 Ｓ3 回転中心

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 １つの赤外線光源(Ｏ)から発する測定光
   を干渉フィルター(Ｆ1)を透過させて特定の波長を選択
   し、選択波長の測定光を参照手段(Ｃ1)および試料セル
   (Ｃ2)に選択的に透過させて、該透過光を１つの受光器
   (Ｒ)で検出することにより、試料セル内の試料の濃度を
   測定する光学的濃度測定装置にして、 上記光源（Ｏ）から発せられる測定光を上記干渉フィル
   ター（Ｆ１）上に結像する第１結像レンズ（Ｌ１）と、 干渉フィルターで選択された特定波長の測定光の光束を
   平行測定光にする１つのコリメータレンズ(Ｌ2)と、 平行測定光の光束を２つの分割平行光束に分割して取り
   出す光学マスク(Ｍ)と、 ２つの分割平行光束の何れか一方の通過を切り替える光
   学シャッター(Ｓ)と、 第１の分割平行光束の光路中に置かれる参照手段(Ｃ1)
   と、 第２の分割平行光束の光路中に置かれる試料セル(Ｃ2)
   と、 参照手段(Ｃ1)および試料セル(Ｃ2)を透過した各分割平
   行光束を受光器(Ｒ)に結像する１つの第２結像レンズ
   (Ｌ3)とを備えたことを特徴とする光学的濃度測定装
   置。
2. 【請求項２】 上記光学マスク(Ｍ)は平板状であって、
   上記各分割平行光束を形成する光軸対象の２つの並列ア
   パチャー(Ｍ1，Ｍ2)を有することを特徴とする請求項１
   記載の光学的濃度測定装置。
3. 【請求項３】 上記参照手段(Ｃ1)と試料セル(Ｃ2)は、
   セル長を異にしかつ互いに連通した２つのチャンバーを
   形成する１つのセルハウジングから構成され、上記セル
   長の短い第１チャンバーの部分を参照セル(Ｃ1)とする
   一方、セル長の長い第２チャンバー(Ｃ2)の部分を試料
   セルとしたことを特徴とする請求項１記載の光学的濃度
   測定装置。
4. 【請求項４】 上記１つのセル(Ｃ)は、上記第１分割平
   行光束が透過する第１部分に、試料と屈折率が近似しか
   つ試料と吸光特性が異なる光屈折率調整ブロックを内蔵
   し、セルの第１部分がセルの他の第２部分より該光屈折
   率調整ブロックの厚み分だけセル長が短くなったことを
   特徴とする請求項１記載の光学的濃度測定装置。
5. 【請求項５】 上記参照手段はガラスブロック（Ｃ’）
   であることを特徴とする請求項１記載の光学的濃度測定
   装置。
6. 【請求項６】 上記参照手段は雰囲気空気自体であるこ
   とを特徴とする請求項１記載の光学的濃度測定手段。