JPS61137048A - 光散乱計測装置 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、光散乱を利用して物体表面及び物体内の物性
を解析する装置に関し、特に、その散乱光を熱エネルギ
ーに変換して測定する装置に関すス　− ［従来の技術］ 従来、光散乱を利用して物体表面及び物体内の物性を解
析する装置としては、第３図に示すように被検物体ｌに
光２を照射し、散乱光３を開口角の大きなレンズ４を通
し、更に配光による影響を減少させるために積分球５を
介して、光検出器（例えば、フォトマル、ビンフォト等
）の感光面６に導いていた。しかし、この場合、散乱角
が開　−口角よりも大きいと、はみ出した散乱成分はレ
ンズに入射することができず、測定が不可能であった。

そのはみ出した散乱成分を検出するために被検物体近傍
に透過型の拡散面を置き、その背後に光検出器を置く手
法も工夫されたが、拡散板の特性、光検出器の設置方法
などの問題があり、高精度、高感度の測定は困難であっ
た。

［発明が解決しようとする問題点］ 本発明は、上記に鑑みて、従来型の光散乱測定では困難
とされていた散乱角の大きな光散乱成分も含めて高精度
、高感度に測定することを解決すべき問題点とするもの
である。

［問題点を解決するための手段］ 本発明において１問題点を解決するために講じられた手
段は、被検物体に断続的な光を照射する断続光照射手段
と、その照射光により被検物体の物性に従って該物体の
表面から断続的に出射される散乱光を吸収し、熱エネル
ギーに変換する光−熱変換媒体と、その熱エネルギーに
より発生する弾性波を、圧電変換により電気信号として
検出する弾性波検出手段と、その電気信号から前記熱エ
ネルギーの量を計測する熱変化計測手段とを備えること
を特徴とする。

断続光照射手段としては公知の光源とチョッパが使用さ
れ、光−熱変換媒体としては被測定散乱光の波長に対し
て大なる吸収特性を持ち、かつ熱伝導性の良い光吸収物
質が好ましく、例えば、カーボン及びカーボンを主体と
した混合物を用いれば、広範囲の波長域をカバーするこ
とができる。あらかじめ光吸収物質の分波吸収特性を測
定しておくことにより、出力信号の補正を行い、波長ご
との感度ムラを補正することができる。光吸収物質の表
面形状としては、散乱光の波長よりやや大きめの凹凸を
つけておくことにより、完全拡散性を向上させ、散乱角
の影響を除去できるばかりでなく、吸収効率を上げるこ
とができる。

被検物体としては、固体に限らず、液体でもよく、また
液体表面上に照射光を当てることによって、液面上単分
子いわゆるＬＢ膜（ラングミュア・プロジェット膜）の
展開状況、吸着分子界面近傍の液体中の微粒子の評価に
も応用できる。

［作　用］ 第４図は、本発明による光散乱計測装置の基本構成図で
ある。第４図において、被検物体ｌに断続的な光２を照
射すると、被検物体内の光にょφ散乱光３が被検物体表
面より種々の出射角で断続的に出射される。これらの散
乱光３は、光吸収物質７に照射されると、吸収されて断
続的なエネルギー信号８となり、エネルギー信号検出手
段９へ導かれる。光吸収物質７は、任意の入射角に対し
て光エネルギーを熱エネルギー等へ変換可能なので、光
吸収物質７の大きさ、及び位置を適当に設定すれば、散
乱角の大きな場合にも容易に検出することができる。こ
のようにして得られた断続的なエネルギー信号は、音響
的反応を示す現象である光音響効果等を利用して高感度
に検出することができる。

第５図は、光音響効果の基本原理図である。第５図にお
いて、光音響効果は４つのプロセスから成り、物質が光
を吸収することにより、エネルギーが物質中を伝播する
状態をしめす、プロセスＡは、断続的に変調される入射
光ビーム３が吸収物質に当って吸収される過程を示す。

プロセスＢは、このエネルギーが無放射緩和過程により
断続的な熱となり、物質中を熱波として伝播する過程を
示す。プロセスＣは、物質表面に達した熱波が物質に接
する気体を断続的に熱し、音波を発生する場合を示し、
プロセスＤは、物質を伝わる熱波が弾性波に変換され、
例えば試料Ｍ内を伝播する場合を示す。本発明は、上記
のプロセスＤの段階における弾性波を検出しようとする
もので、エネルギー信号検出手段としては圧電素子を備
えた弾性波検出手段を使用するものである。

本発明の解析の対象となる散乱としては、散乱光が波長
シフトの伴わないいわゆる弾性散乱と、波長シフトの伴
えラマン散乱、プリルアン散乱などの非弾性散乱とがあ
る０弾性および非弾性散乱光を共に用いる解析としては
、例えば、所定の径に絞った光を透明結晶体に照射し、
そのすべての散乱光を情報源とする方法を挙げることが
できる。この場合の散乱光にはすべての波長成分の光が
含まれており、被検物体表面及び内部の屈折率変動や微
粒子の存在を知見する方法として簡便である。

非弾性散乱による解析については、例えばレーザー光に
代表されるような単色の光を利用して生じるラマン散乱
（あるいはし°−ザーラマン分光）を解析すれば、被検
物体内部の微小部分における分子構造論的な情報を得る
ことができる。例えば、格子振動の変化に起因する散乱
光周波数変化により相転移の解析、特に、被検物体の温
度を変えて本発明の解析法を用いることにより、相、転
移の局所的変化に関して種々の情報を得ることができる
。

更に、プリルアン散乱によるものでは、被検物体内のフ
ォノンと照射光との相互作用による波長シフトを伴った
散乱光を情報源とするので、これを分光して解析すれば
、例えば結晶試料の相転移、高分子物質のガラス転移の
解析に効果的である。

［実施例］ 以下、本発明を、実施例と図面によって詳細に説明する
。

第１図は本発明を実施した光散乱計測装置の好適な一例
を示す構成図で、前記プロセスＤにより発生する弾性波
を圧電素子で検出する実施例である。第１図において、
光散乱計測装置は、断続光照射手段として公知の光源と
チョッパ１０が使用され、光−熱変換媒体は前記光吸収
物質７で形成され、光吸収物質７中の熱エネルギーによ
って生じた弾性波を圧電素子により電気信号に変換して
検出する弾性波検出手段１１と、その電気信号から熱エ
ネルギー量を演算する熱変化計測手段としてのロックイ
ンアンプ１２とが備えられている。前記チゴッ゛ハ１０
により断続された照射光ビーム２は、レンズ１３により
被検物体ｌに導かれ、その散乱光３は光吸収物質７で吸
収されて弾性波に変換され、弾性波検出手段１１で検出
される。この弾性波検出手段１１から−の電気信号はロ
ックインアンプ１２に送られ、測定光ど−ム２を断続す
るチョッパ１０からの参照信号に基づいて周波数同期検
波され、その結果がレコーダ１４に出力される。このよ
うにして検出された圧電信号の強度は、吸収物質に照射
される散乱光強度に比例することが理論的にも確認され
ている。従って、散乱光強度を定量的に計測することが
できる。

なお、入射光強度をモニターし、照射光強度変動を除去
すれば、計測は一層安定する。また、被検物体の光照射
位置を移動させることにより、光散乱分布を計測するこ
ともできる。被検物体への光照射は、第１図の方向だけ
でなく、任意の方向から照射してもよい。

第２図は１本実施例における弾性波検出手段の一例を示
す構造図である。第２図においては、光吸収物質７で吸
収された光は熱エネルギーに変換され、その熱エネルギ
ーによって生じた弾性波が圧電素子１５により検出され
る。なお、均一に伝わりやすくするために後板１Ｇが光
吸収物質７と圧電素子１５との間に挿入されている。ま
た、この後板１６と光吸収物質７とを一体化し、圧電素
子１５は着脱可能とすれば、特性の異なった光吸収物質
で測定する際に便利である。

第６図は、光吸収率が各物質ごとに異なることを示すグ
ラフである。第４図の基本構成図において示された光吸
収物質７の波長特性を、第６図に示されている波長λが
異なるものを用いれば、それぞれ対応する波長の散乱光
強度を計測することができ、非弾性散乱の測定が可能に
なる。

また、第７図に示すように、光吸収物質７に散乱光が吸
収される手前にフィルタ１７を配置し、散乱光の測定波
長域を制御しても同様の計測が可能になる。フィルタと
して偏光フィルタを用いれば、散乱光の偏光特性を得る
ことも可能になる。

第８図は、光吸収物質７の後方に反射板１８を配置する
ことによって、吸収層の実効的厚みを局に減少すること
により、高感度、高精度光散乱計測を可能にした例であ
る。

第９図は、光吸収物質を層構造にして、各層ごとに分光
吸収特性の異なった物質７ａ〜７ｃを配置した実施例で
あり、このように配置することにより各波長の信号を同
時に測定することが可能になる。即ち、各層において、
異なった波長特性を有する光エネルギーがそれぞれ異な
った波長の弾性波に変換され、弾性波検出手段１１へ伝
わって行くが、その時、各層から弾性波検出手段１１ま
での距離に対応した位相遅れが生じる。そこで、周波数
同期検波して散乱光の信号を得る際に、対応する位相ず
れごとに検出すれば、各層からの信号を分離することが
できる。

第１０図は、本発明を液面上単分子膜による光散乱に適
用した実施例である。第１０図において、照射光２は液
体１８の液面下から入射し、液体界面で全反射する角度
で入射させである。全反射界面上では、光エネルギーは
、エバネッセント波として液面上単分子膜２０へ伝わり
、光散乱３が生じる。

液面上に配置した光吸収物質７及びエネルギー信号検出
手段９で、前記各方法に基づいて検出することにより、
この単分子膜２０及び吸着物質７による光散乱特性を検
出することができる。

第１１図は、ＬＢ成膜膜装置における液面下の光散乱特
性を評価する実施例である。液体１９中の散乱因子２１
による散乱光を測定することにより、単分子展開液の状
態を検知することができ、この情報をもとに成膜制御も
可能となる。

なお、照射光ビーム径を必要に応じて絞り、被検物体内
における散乱光相互間の影響を取り除き、照射光束を被
検物体内の所定面に沿って走査させることによって、各
部情報をパターン化することもできる。そして、こうし
て得られる電気信号及び走査信号を計算機処理し、ディ
スプレイ表示することによって、微視的情報をパターン
化してとらえることができる。

［発明の効果］ 以上説明したとおり、本発明によれば、従来は計測が困
難とされていた散乱角の大きな光散乱成分を含め、弾性
散乱及び非弾性散乱の光散乱を、高感度かつ高精度に測
定できる。その為、被検物体内の屈折事変−動や微粒子
の存在を検知することができるばかりでなく、分子構造
論的な情報を得ることができ、また、ＬＢ成膜膜装置に
応用することも可能になって、物性の解析にきわめて大
きな貢献をするものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の構成図、第２図は実施例の弾
性波検出手段の縦断面図、第３図は従来例の構成図、第
４図は本発明の構成図、第５図は光音響効果の原理図、
第６図は光−熱変換媒体の吸収特性図、第７図〜第１１
図は各媒体及び検出手段の縦断面図である。 １・・・被検物体、２・・・照射光ビーム、３・・・散
乱光、７・・・光−熱変換媒体、８・・・熱エネルギー
、　１０・・・断続光照射手段、１１・・・弾性波検出
手段、１２・・・熱変化計測手段、１４・・・レコーダ
、１５・・・圧電素子、１７・・・フィルタ、１９・・
・液体。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）被検物体に断続的な光を照射する断続光照射手段と
   、その照射光により被検物体の物性に従って該物体の表
   面から断続的に出射される散乱光を吸収し、熱エネルギ
   ーに変換する光−熱変換媒体と、その熱エネルギーによ
   り発生する弾性波を、圧電変換により電気信号として検
   出する弾性波検出手段と、その電気信号から前記熱エネ
   ルギーの量を計測する熱変化計測手段とを備えることを
   特徴とする光散乱計測装置。