JPS6183502A - 電磁放射線の広域スペクトルから狭い波長帯域を分離するろ過方法とフイルタ装置 - 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】 発明の分野 本発明は、一般に、電磁放射線の所定の周波数を選択し
及び／又は遮断するために用いるフィルタに関する。

本発明は、また、帯電粒子が、選択された溶剤中で順序
づけられた分散を形成する結晶コロイド状材料にも関す
る。

技術的問題の説明 種々の溶剤中のポリスチレンの球のコロイド状溶液が、
紫外線、可視線及び赤外線の波長に匹敵しうる格子間隔
を有する結晶構造体を形成しうる、ということが文献中
に認められる。これらのポリスチレン球の結晶の粒子間
間隔、格子パラメータ及び相転移を確認する目的で、こ
れらポリスチレン球の結晶を検査するためにブラッグ散
乱（Ｂｒａｇｇｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）技術が用いら
れてきた。然しなから、このような研究は、調査の目的
でなされたもので、一般に、広い散乱ピークと比較的に
穏当なレベルの減衰を生じた。この結果は、調査の目的
のためには有用であったが、然し結晶コロイド状構造体
に対する何らの実際的応用をも示唆しなかった。

入射する放射線の広域スペクトルから選択された波長の
狭い帯域を濾過して除去しうるが、他方、隣接する波長
の伝達を可能とすることが、種々の異なる試みにおいて
望ましい。この目的のために入手しうる高スペクトル純
度の商業的モノクロメータは、一般に、複数の格子とプ
リズムを用いている。然しなから、このような装置は、
極めて複雑で、嵩高く且つ高価で、例えば２ｏ、　ｏ　
ｏ　ｏドルを越えるコストであり、一般に、伝達される
べき隣接する波長の相当部分を減衰させる効果を有する
。

同様な結果を生ずるもう１つの装置は、ヴエルモント、
ブラットルボロのオメガオプティカルインコーホレーテ
ッド（Ｏｍｅｇａ　０ｐｔｉｃａｌ、Ｉｎｃ、）により
Ｒａｍａｎ　Ｎｏｔｃｈ　Ｆｉｌｔｅｒとして市販され
ている。この装置は、良好に平行にされた放射線ビーム
を第１誘電体の帯域フィルタへ通すことにより作用し、
濾過されるべき特定の狭い波長帯域のある割合が伝達さ
れ、他方、隣接する波長が反射される。反射されたビー
ムは、第２と第３と第４の誘電体の帯域フィルタへ向け
られ、各フィルタは、特定の狭い波長帯域の追加の部分
を“外へ伝達Ｑｒａｎｓ−ｍｉｔｔｉｎｇ　ｏｕｔ）　
”する。この装置は、特定の用途には有用であるけれど
も、比較的に複雑であり、異なる波長の範囲に対して作
用しうるように調和させることができず、また、装置に
対し正確な角度で入射する−よく平行にされた放射線ビ
ームと共に使用するためには、装置の正しい機能が制限
される。

非常に効率的に波長を選択的に濾過して除去することが
可能で、所望の波長を有意な程度に減衰させず、ある範
囲の異なる波長を濾過するために調和させることができ
、単純で軽量で且つ比較的に安価な装置をもつことが有
利である。

衾吸至旦叉 本発明は、入射する放射線の広域スペクトルから狭い帯
域の波長を選択的且つ効率的に濾過するが、隣接する波
長を高度に伝達する、単純且つ比較的に安価な狭い帯域
の放射線フィルタを提供する。例えば、本発明に従って
、４０Ａの広い波長帯域の９９．９９％以上を濾過して
除去し、他方、残りの波長の強さの９０％以上を伝達す
るフィルタを作ることができる。

本発明は、一対の実質的に平坦で且つ平行の外側表面を
備えた結晶コロイド状構造体を有する。

この結晶コロイド状構造体は、高い拒絶率、例えば９９
％より大きい拒絶率で狭い波長帯域をブラッグ散乱（Ｂ
ｒａｇｇ　ｄｔｆｒａｃｔｉｏｎ　）させるのに十分な
格子間隔と秩序の度合とを有する。結晶コロイド状構造
体は、適当な溶剤中の帯電したポリスチレンの球から形
成されるのが好ましく、好ましい一実施態様において、
平坦で且つ平行の外側表面の間に約１ｆ１未満の厚さを
有するのがよい。

本発明のフィルタ装置は、濾過されるべき放射線の広域
スペクトルと結晶コロイド状構造体の平坦且つ平行の面
との間の入射角度を調節することにより調和させること
ができる。濾過装置は、結晶コロイド状構造体内の格子
間隔の勾配を生じさせ且つ球の濃度を変えることによっ
ても調和させることができる。

本発明のフィルタ装置は、機械的に単純で且つ高度に効
率的なモノクロメータの基礎を形成しうると共に、選択
された試料の材料のラマンスペクトル及び／又は発光ス
ペクトルを調査するための改良されたシステムにおいて
も応用を見出すことができる。更に、新規な多数波長の
原子の吸収又は発光の分光器が、本発明のフィルタ装置
を利用して提供される。

好ましい　施態様のｉ′明 第１図と第２図を参照すると、本発明の特徴を画いたフ
ィルタ装置１０が示されている。フィルタ装置１０は、
ある量の結晶コロイド状構造体１６を収容するための室
１４を有するセル１２を含んでいる。第２図に最もよく
見られるように、セル１２．は、一対の部材１８と２０
から形成されるのが好都合であり、部材１８と２０は少
くともそれらの周囲表面のまわりで一緒に固定され、部
材１８と２０の一方又は両方が、室１４を形成する内面
凹所の領域を有する。結晶コロイド状構造体１６を形成
する材料を室１４へ供給するのに用いるための入口２２
を設けるのが好都合である。

本発明に限定しないけれども、第１図と第２図に示す実
施態様において、室１４は、実質的に平坦で且つ互に実
質的に平行の対向する表面２４と２６を有する。好まし
くは、対向する表面２４と２６は、約１０マイクロメー
タと約ＩＣ１１との間の距離だけ離間され、最も好まし
くは１１鵬未満離間される。以下に詳述するように、表
面２４と２６との間の間隔を制御することにより、フィ
ルタ装置１０の濾過特性を変えることができる。

本発明に限定しないけれども、セル１２は、その中に導
入される材料からイオンを吸着する効果をもたない材料
から形成されるのが好ましい。何故ならば、結晶コロイ
ド状構造体１６の形成は、その格子構造体を形成する帯
電粒子の間の電気的相互作用に左右されるためである。

石英、プレキシガラスのようなプラスチック材料及び被
覆されたガラスが、セル１２を形成するために用いられ
て成功した。

フィルタ装置１０は、卓備された流体を人口２２を通し
てセル１２の室１４の中へ導入することにより形成され
る。室１４の中へ導入された流体は、後述する予定の適
当な温度条件下で結晶コロイド状構造体１６を形成する
。室１４内に形成された結晶コロイド状構造体１６の格
子の秩序と間隔は、その上へ入射する電磁放射線の選択
された波長帯域をブラッグ散乱させるのに役立ち、それ
によって、その波長帯域をそれが存在するより広い波長
スペクトルから効果的に濾過する。

室１４の中へ導入される流体は、一般に、溶液中に秩序
のある分散を形成しうるある量の選択された材料を含存
する溶剤からなる。本発明に限定しないけれども、溶剤
は、実質的に水性でよ（、又はベンゼン、エチレングリ
コール、ジオキサン、メタノール、アセトニトリル、Ｄ
ＭＳＯ、ベンジルアルコール又は類似の材料でよい。

溶剤中の選択される材料は、一般にある量の電気的に帯
電した粒子であり、好ましくはある量のポリスチレンの
球であるが、本発明は、球形又はポリスチレンの使用に
限定されるものとは思われない。溶剤中に秩序のある分
散を形成しうるいかなる材料も、本発明の実施に適用を
見出すことができる。

本発明の実施に有用な好ましいポリスチレン球は、結果
として生ずる格子の中に最適の程度の秩序付けを実現し
うるように、実質的に均一な大きさと電荷とを有する。

以下に詳述するように、格子構造体内の秩序付けが高い
程、フィルタ装置１０で濾過されうる波長帯域が狭い。

約０．０１μｍ〜約１．０１１ｍの範囲内の球の直径が
、本発明において用いられ、与えられた試料中の直径の
均一性が平均の５％の範囲内に維持されるのがよい。適
当なポリスチレン球の見本は、インディアナ、インディ
アナポリスのＤｏｗ　Ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃｓから入手
可能である。

結晶コロイド状構造体の調製 球の直径の指示値が０．１０９μｍで、標準偏差が０．
００２７μｍであるポリスチレンの球が、Ｄｏｗ　Ｄｉ
ａｇｎｏｓｔｉｃｓから商業的に入手することができる
。この球は、混合されたベッドイオン交換樹脂を含む２
重に蒸留された水の浴に対する透析により、電解液と表
面活性剤との不純物から清ンｐにされる。透析の後１．
材料は、分析用等級ＡＧ５０１×８混合へソド樹脂とし
てＢｉｏ−Ｒａｄから人手しうるイオン交換樹脂の上に
約１０％重量の懸濁液として蓄えられるのがよい。イオ
ン交換樹脂は、Ｊ　、　Ｃｏ１１ｏｉｄ　Ｉｎｔ、　Ｓ
ｃｔ、、　１９６８．２８．３３６−３３７においてヴ
アンデルホフ（Ｖａｎｄｅｒｈｏｆｆ）等により教示さ
れた手順を通じて、使用前に清浄にされるべきである。

ポリスチレン球の懸濁液は、次に、脱イオンされ且つ２
重に蒸留された水で希釈され、セル１２の中に置かれる
。セル１２は、その中の試料が結晶化することを可能と
するため室温の水浴内にシールされて置かれ、好ましく
は一定温度で且つ混乱状態のない環境中に置かれる。

結晶コロイド状構造体１６がセル１２の中で形成される
とき、結晶構造体の幾何学的な秩序化（ｏｒｄｅｒｉｎ
ｇ）が、表面２４と２６に隣接する表面２４と２６に関
して明らかに始まり、そこから室１４の中心部分へ延び
る。結晶の形成工程をこのように表面から始める代りに
、セル１２内の選択された位置へ僅かな量の熱交換樹脂
を導入することにより、その選択された位置で形成を開
始することができ、その位置の周りに核の生成が始まり
うろことが決定された。秩序化の度合の増大は、このよ
うな技術を通して実現することができる。

結晶の形成は、セル１２の外観が不透明（不明瞭）から
透明（明瞭）　（ｉｒｒｉｄｅｓｃｅｎｃｅ）へ変化す
ることにより証明される。

結晶コロイド状構造体１６がセル１２の中で形成された
後、結晶コロイド状構造体１６の完全な状態に悪影響を
及ぼすことなく、セル１２を合理的に処理し且つ輸送す
ることができる。結晶コロイド状構造体１６は、もしも
高温度を受けると非結晶の構造体へ′溶ける”ことがあ
るが、結晶コロイド状構造体１６の格子間隔は、結晶構
造体を°溶かす（ｍｅ　ｌ　ｔ）”温度以下の温度上昇
によっても影響されうる。同様に、格子間隔は、セル上
への電場の印加によっても変える（そして制御する）こ
とができる。何故ならば、格子構造体は、ポリスチレン
球の間の電気的発撥力により大きく存在するためである
。結晶コロイド状構造体１６によりブラッグ散乱される
波長は、その格子間隔に直接に関連するので、本発明に
よるフィルタ装置１０は、温度を制御することにより及
び／又はフィルタ装置１０上に作用する外部電場を制御
することにより、特定の波長帯域に対し“調和可能（ｔ
ｕｎａｂｌｅ）”である。上昇したレベルにおいて、外
部電場は、結晶コロイド状構造体をフィルタ装置として
役立たない非結晶の構造体へ“溶かす（ｍｅｌｔ）　　
”ことができる。この方法で、所望により、本発明のフ
ィルタ装置をオンとオフに切替えることができる。

電場は、結晶コロイド状構造体の形成過程の間に有用で
ありうることも判定された。例えば、約１００ボルト未
満の交流の電場が、結晶コロイド状構造体１６の形成中
にセル１２の面に垂直に加えられ、より大きい安定性と
改良された濾過特性とを有するより高度に秩序化された
結晶構造体を生じた。更に、僅かな量の清浄材料（例え
ば、硫酸ドデシルナトリウム）の添加が、結晶コロイド
状構造体１６の秩序化を改善しうる、ということが決定
された。

選択された溶剤の材料の中のポリスチレン球の濃度は、
発生される結晶コロイド状構造体の格子間隔に直接の影
響を有する。試料の与えられた全体積に対し、ポリスチ
レン球の濃度が増大するにつれて、結晶コロイド状構造
体内の格子間隔が小さくなる。本発明に限定しないけれ
ども、格子の高度の秩序化は、約０．９％と約５％との
間のポリスチレン球濃度で達成しうろことが決定された
。

そして、同様な秩序化が０．０１％と１０％との間の球
濃度で達成しうろことが期待される。

本発明によりブラッグ散乱される狭い波長帯域の幅は、
結晶コロイド状構造体１６内のポリスチレン球の秩序化
の程度と、球の直径と、球の屈折率と溶剤の屈折率との
間の差との関数であると信じられる。最も狭い帯域幅は
、一般に、最も高度に秩序化されたシステムにおいて生
ずる。秩序化の程度は、試料の厚さ、即ち、壁部材１８
と２０の内側表面の間の間隔により影響される。余りに
も薄すぎる、例えば約５０μｍ未満、の試料は、濾過さ
れる狭い波長帯域の幅を最小にするには余にも僅かすぎ
る球の層を有することがある。同様に、厚い、例えば２
１１１１より厚い試料においては、球の秩序化が減少し
、それに応じて、ブラッグ散乱される波長帯域の幅が増
大する。

帯域幅は、選択される溶剤の屈折率によっても影響され
、比較的に厚い（例えば２．０１重厚）高度に秩序化さ
れた試料にあっては、帯域幅を最少にするために、その
中に形成される結晶コロイド状構造体の屈折率に近い屈
折率を有する溶剤を選択するのが望ましい。このような
技術の使用を通じて、約ＩＡ未満の帯域幅を達成するこ
とができる。

この適用において、約１　ｃｍまでの厚さを有する試料
が有用であることが証明された。

実施例 ここで説明する結晶コロイド状構造体１６は、高い拒絶
率で比較的に狭い波長帯域をブラッグ散乱させるフィル
タ装置１０に有用な１つの実施例である。

ポリスチレン球の分散が、上述の方法で準備され２重に
蒸留された水で約３．０％の濃度に希釈された。

試料は、約４　Ｑｎｘ　４０鶴Ｘ　Ｏ，４ｔｍの室寸法
を有するプレキシガラスセル１２の中にシールされ、そ
の中で形成された結晶コロイド状構造体５が、曇った外
観から透明な（明瞭な）外観への変化により証明された
。

セル１２は、ラマン分光学装置における狭い帯域の波長
の拒絶フィルタとして利用され、４８８０Ａに中心を置
く５０Ａの広い波長の最大値において光の約９９．９９
％をブラッグ散乱させるが、他方、隣接する波長の光の
約９０％を通すことが決定された。

狭い帯域フィルタとしてのフィルタ装置１０の有用性は
、本発明前に同様な目的で用いられていた非常に複雑且
つ高価なモノクロメータよりも有効であることが証明さ
れたという限りにおいて、全く予期されなかったことで
ある。先行技術のモノクロメータは、選択された狭い波
長帯域の類似の割合を濾過し除去することができるけれ
ども、残りの波長の大きい割合をも濾過し除去するのが
普通であった。

フィルタの作用 第３図、第４図及び第５図を参照すると、フィルタ装置
ＩＯの作用が、電磁放射線の入射角度の関数として示さ
れている。第３図において、電磁放射線のビーム３０は
、θ１の角度でフィルタ装置１０上へ入射し、伝達され
たビーム３２は、実質的に等しい角度θ１でフィルタ装
置１０を離れ、狭い波長帯域のビーム３４が、角度θ２
でフィルタ装置１０からブラッグ散乱される。この方法
で、ビーム３４がビーム３０から効果的に濾過され、ビ
ーム３４の波長がブラッグ散乱式を満足させる。

ｎλ＝２ｄｓｉｎ　θ１ ここに、ｄ−結晶コロイド状構造体内の格子間隔、ｎ＝
整数である。

第５図の曲線Ａは、本発明によるフィルタ装置１０によ
りブラッグ散乱された波長帯域が極めて狭く、例えば幅
が５０Ａであることを示している。

第４図において、電磁放射線のビーム４０は、第３図の
角度θ１より小さい角度θ、でフィルタ装置１０上へ入
射している。伝達されたビーム４２は、実質的に等しい
角度θ、でフィルタ装置１０を離れ、狭い波長帯域のビ
ーム４４が、角度θ４でフィルタ装置１０からブラッグ
散乱される。

第５図の曲″ａＢを参照すると、フィルタ装置１０によ
り濾過される狭い波長帯域の中心波長は、ブラッグ散乱
式により決定されるように、入射角度により左右される
。従って、本発明のフィルタ装置１０は、フィルタ装置
１０と入射する電磁放射線との間の方向付けを制御し適
当に調節することにより、異なる波長帯域の範囲を濾過
するように′調和可能（ｔｕｎａｂｌｅ）”であること
が理解されよう。この方法で、単一のフィルタ装置１０
が、２０００人の間隔にわたり、例えば、約４０００人
から約６０００人までに中心を置く波長帯域に対し有用
であることが判明した。

更に、例えばセル１２の頂部から底部へ連続的範囲の格
子間隔を有する結晶コロイド状構造体１６を形成しうろ
ことが確認された。この方法で、フィルタ装置１０の異
なるセグメントを使用し、入射する電磁放射線のビーム
から異なる波長帯域をブラッグ散乱させ、それによって
本発明のフィルタ装置１０の“調和可能（ｔｕｎａｂｌ
ｅ）　”特性を更に高めることができる。濃度の勾配と
それに対応する格子間隔の勾配とは、均一に離間された
格子構造体の一端へ過大な量の溶剤を導入することによ
り形成されることができ、溶剤が部分的に試料の中へ拡
散し、次いで重合技術等により不均一な状態を“凍結（
ｆｒｅｅｚｉｎｇ）”させる。１００％だけ異なる格子
間隔の範囲が、この方法でセル１２の中で生した。

本発明によるフィルタ装置は、与えられたフィルタ装置
１０内に生ずる格子間隔に依存して、赤外線領域から紫
外線領域の近くまで（例えば約３００ｎ＋）作用しうろ
ことが知られている。

然しなから、本発明は、このような波長範囲に限定され
ないことが確認されており、現在調査されている格子間
隔より大きい及び小さい格子間隔を有する結晶コロイド
状構造体に対し、異なる格子を生ずる球と溶剤との適当
な選択により、容易に予見可能である。

引き続き第３図と第４図を参照して説明する。

ここでの説明の大部分は、電磁放射線のビームから指定
された狭い波長帯域を濾過して除去するフィルタ装置１
０の能力に向けられたけれども“濾過された（ｆ　ｉ　
１　ｔｅｒｅｄ）″狭い波長帯域を保存して利用すると
いう状況に対しても適用可能であることが理解されるべ
きである。例えば、レーザ通信又は範囲を見出す用途に
おいて、情報を含むレーザの周波数を背景の照明から分
離することが必要なことがある。本発明によるフィルタ
装置１０は、所望のレーザ波長帯域を保護された検知点
へ“反射（ｒ６４１ｅｃｔ）”させ、他方、残余の波長
スペクト・ルが直接にフィルタを通過することを可能と
するために利用されることができる。

第６図〜第８図を参照して説明する。そこには、本発明
による新規なスリットなしのモノクロメータ４８が示さ
れており、このモノクロメータ４８は、強さ■（λ）を
有する入射する放射線５２の平行にされたビームの源５
０と、フィルタ部材５４と、検知器５６とを有する。第
８図に最もよく示されているように、フィルタ部材５４
は、外側表面６０を有する外側セル５８と、その中の内
側の室６２とを有するのが好ましく、内側の室６２は、
実質的に平行で且つ平坦な対面する表面６４と６６とを
有し、この表面６４と６６に沿って、結晶コロイド状構
造体が前述の方法で形成される。外側表面６０は、後述
する理由で、表面６４と６６に対し非平行関係にあるの
が好ましい。

第６図に示すように、モノクロメータ４８の要素は、源
５０からの放射線５２が表面６４の方向と角度θ１をな
すようにフィルタ部材５４上へ入射するように配向され
るのが好ましく、検知器５６が、表面６４と等しく且つ
反対の角度θ１をなすように配向されるのが好ましい。

第３図と第４弱を参照して上述したように、放射線５２
内の特定の波長λ１がフィルタ部材５４内の格子間隔で
ブラッグ散乱条件を満足させ、波長λ１のビーム６８を
強さＩ（λＩ）で検知器５６の方へ散乱させる。第８図
において、入射する放射線５２のある部分Ｉ　　（Ｒ）
が、フィルタ部材５４の外側表面６０で反射される。然
しなから、外側表面６０を、入射する放射線に対し表面
６４と異なる角度。

関係に配向することにより、表面６０からの反射はθ、
′と異なる角度０８′で出て行き、それによって検知器
５６が■（λ１）とＩ（Ｒ）との組合せよりもむしろ■
（λ１）を検知することを保証する。

その上、Ｉ（Ｒ）を最少にするために、外側表面６０を
反射防止塗装で被覆するのが好ましく、これらの塗装の
多くは技術分野において知られている。更に、セル５８
を形成する材料の屈折率をセル内の結晶コロイド状構造
体と一致する屈折率とし、それによってセル５日と構造
体との間の界面からの反射を最少にするのが望ましい。

第７図に最もよく示されているように、本発明のモノク
ロメータ４８は、入射する放射線５２の方向に関してフ
ィルタ部材５４と検知器５６とを同時に且つ協働的に回
転させることにより、入射する放射線５２内の異なる波
長の各々の強さを求めるように設計されるのが好都合で
ある。より詳しく言えば、フィルタ部材５４を角度０２
′に対し角度φを通して回転させるとき、異なる波長が
、ブラッグ散乱条件を満足させ、角度θ２′でフィルタ
部材５４から散乱されることが第７図から理解されよう
。検知器５６は、そのとき、強さＩ（λ２）を検知する
位置にあるように角度２φを通して回転されるのがよい
。このようにして、フィルタ部材５４と検知器５６とが
、角φと２φとを通して夫々回転されるとき、モノクロ
メータ４８は、■（λ）内の異なる波長間隔の強さを走
査することができる。この装置は、他の商業的に入手し
うるモノクロメータに比して大きい利点を有する。何故
ならば、制限する孔とスリットとを用いることにより検
知器に対する処理量を実質的に減少させるこのようなモ
ノクロメータとは異なり、本発明のモノクロメータ４８
は、入射する放射線５２の全強度を利用し、波長の選択
に対するより大きい効率を示し、それによって、弱い放
射線源を分析すべき場合の用途においては特に、より大
きい感度を与える。

ここに説明するタイプのモノクロメータは、蛍光発光測
定、ラマン分光学及び種々のポンプ・プローブ技術に応
用を見出す。ポンプ・プローブ技術は、光化学的過渡吸
収の研究を含み、この研究　゛においては、特定の波長
のポンプビームが試料を励起し、他の１つの波長のプロ
ーブビームが、吸収の変化を監視するために用いられる
。もう１つの例は、ポンプビームが試料中に熱格子を生
じさせ、第２の波長のプローブビームが格子から散乱さ
れる所の、熱格子実験中に生ずる。散乱された強さの大
きさと一時的挙動は、試料の吸収と熱の拡散とに関する
情報を夫々与える。本発明によるモノクロメータは、通
過させるべきスペクトル領域を選択すること及びポンプ
波長を拒絶することのような両方の環境において応用を
見出す。このことは、プローブビームの強さが、ポンプ
ビームから散乱される光の強さに比較して弱い場合、又
は信号の強さが、励起ビームの強さに比較して強い場合
の光学的実験において特に然りである。何故ならば、本
モノクロメータは、この用途に現在使用されている２重
（１０％処理量）と３重（３％処理量）のモノクロメー
タよりも、実質的に大きい、所望波長の処理量信号（９
０％）を与えるためである。

実施例 ポリプロピレン遠心顕微鏡管が、ラマン測定用の試料と
して用いられた。励起源として５ｐｅｃｔｒａ−Ｐｈｙ
ｓｉｃｓのモデル１６４Ａｒレーザを用い、波長分散用
として５０００Ａのろう付けされ線引きされた格子をも
つ５ｐｅｘｌ　４０１の２重モノクロメータを用いるこ
とにより、ラマンスペクトルが測定された。９０°の散
乱光が、光子計数累算器を用いて集められて測定され、
ＲＣＡＣ３１０３４Ａ−０２の冷却された光電子倍増管
を用いて検出された。ＤＥＣＭＩＮＣｌ　１マイクロコ
ンピユータが、ステッピングモータに境界を接し、モノ
クロメータを走査し、データを蓄えた。

第９Ａ図は、０．５３Ｗの電力で５１４５Ａの周波数で
励起された、多数の低周波数態様で高度に散乱する材料
とポリプロピレンとのラマンスペクトルを示している。

このスペクトルの低周波数領域における高い“レイリー
ウィング（ＲａｙｌｅｉｇｈＷｉｎｇ）”の尾は、１７
１ｃｍ−’で低周波数ピークを妨げ、２５４ｃｍ−’で
低周波数ピークの測定と干渉する。この装置における２
重モノクロ″メータの拒絶効率は、弾性的に散乱したレ
ーザ光線を全部拒絶するには不十分である。レーザ光線
を効率的に拒絶し、低周波数のラマン拒絶における干渉
を避けるためには、３重のモノクロメータ又はホログラ
フ格子が必要とされる。２００ＣＩ１１−’における強
くて鋭いピークは、格子ゴーストによるもので、レーザ
プラズマ線によるものでないように思われる。

何故ならば、レーザビーム内へのスパイク干渉フィルタ
（５１４５Ａ）の導入が、このピークの著しい減衰を生
じさせなかったためである。

本発明の拒絶フィルタを利用するポリプロピレンのラマ
ンスペクトルが第９Ｂ図に示されている。

これは、０．６２Ｗの電力で５１４５Ａの周波数のレー
ザで励起したものである（９Ａと同じ尺度でプロットさ
れているが、明瞭のため片寄りさせたスペクトルである
）。フィルタが、ラマン分光装置の集光レンズと映像レ
ンズとの間に、レーザ波長を拒絶するように正しい角度
で置かれた。フィルタの導入の後、集光と映像の光学の
再位置決めは行なわれなかった。フィルタは、“レイリ
ー散乱光（Ｒａｙｌｅｉｇｈ　５ｃａｔｔｅｒｅｄ　ｌ
ｉｇｈｔ）″を選択的に減衰させるので、低周波数のラ
マンピークが、スペクトル内に明瞭に見えるようになっ
た。２００ＣＩ１１−’で観察された格子ゴーストもま
た減衰した。フィルタの空気・プレキシガラスの界面に
おける反射による高周波数モード（６００ｃｍ−’）の
減衰は、１０％未満にすべきである。然しなから、第９
Ｂ図に示すスペクトルは、高周波数のピークが約２０％
だけ減衰されたことを示しているが、その原因は多分、
集められた散乱光の像と入ロスリフトとが、フィルタ内
での屈折によりモノクロメータの方へ変位したことによ
るものである。散乱光をモノクロメータの入ロスリフト
を通して正しく映像化するために、集光光学系の僅かな
再位置決めにより、高周波数のラマンピークの強さを増
大させるのがよい。伝達スペクトルから計算される、こ
のフィルタに対する低周波数ピークの減衰は、１００ｃ
ｍ−’で約９０％、２００ＣＩ１１−’で約７４％とす
べきである。

ラマンスペクトルの研究に対するこのフィルタの有用性
は、このようにして、高度に散乱する試料について証明
された。もしもこのフィルタが、レイリー拒絶プレフィ
ルタとして用いられたならば、ラマン測定のためには単
に、単純な高分散の単一のモノクロメータ又は分光器を
必要とするにすぎない。このことは、ラマンスペクトル
を測定するために必要とされる費用と時間の両方の著し
い節約を意味する。何故ならば、必要とされるモノクロ
メータの複雑さの減少と、フィルタ・単一モノクロメー
タの組合せの処理効率の増大との故である。例えば、フ
ィルタと単一モノクロメータに対する処理量は、２重モ
ノクロメータの特徴的１０％効率と３重モノクロメータ
の約３％効率に比較して、約３０％である。

第１０図を参照して説明する。本発明の非常に有用なも
う１つの用途が、原子の吸収又は放出の分光器として、
第１０図に概略的に示されている。

原子吸収方式の作用において、源７０が、強さ■（λ）
の平行（−直線）にされた放射線７２のビームを選択さ
れた試料７４の方へ該試料を通して放出するように位置
決めされ、試料の成分が求められる。試料７４は、試料
の材料の原子成分に依存して放射線７２から特徴を示す
狭い波長の線を吸収し、出力ビーム７６が、試料の材料
から一連の又は積重ねのフィルタ要素７８．８０．８２
の方へ向けられる。本発明に限定しないけれども、出力
ビーム７６は、フィルタ要素７８．８０．８２へ通過す
る前に、焦点集中弧形ミラー８６内のオリフィス８４を
通して導かれるのが好都合である。第１０図から理解し
ろるように、フィルタ要素７８．８０．８２は、ビーム
７６に関して異なる角度位置に方向づけられ、各フィル
タ要素が、ビーム７６から異なる狭い波長帯域をブラッ
グ散乱させ、該要素の上に入射するビーム７６の残余の
実質的に全部を通す。フィルタ要素７８を参照して説明
すると、選択された狭い波長帯域λと強さ■（λ、）の
ビーム８８が、弧形ミラー８６のセグメントの方へ散乱
され、そこから焦点に集められ、多チヤンネル検知器１
００上の不連続の受入れ点の方へ向けられる。

■（λＩ）以外のビーム７６の実質的に全部が、フィル
タ要素７８を通してフィルタ要素８０へ通り、そこで波
長λ２と強さ■（λ１）の異なる選択された狭い波長帯
域９０が、弧形ミラー８６の方へブラッグ散乱され、そ
こから多チヤンネル検知器１００上の異なる不連続受入
れ点へ向けられる。上述したように、各フィルタ要素を
通る損失は、表面上に公知の反射防止塗装を利用するこ
とにより、及びセル部材の屈折率とセル部材の中に入っ
ている結晶コロイド状構造体の屈折率とを一敗させるこ
とにより、最少にされるのがよい。更に、散乱される狭
い波長帯域の幅は、溶剤の屈折率と、結晶コロイド状構
造体内のポリスチレン（又は他の）球の屈折率とを一致
させることにより制御することができる。

フィルタ要素８２は、フィルタ要素７８．８０と同じ方
法で機能し、試料７４内の異なる元素の存在（又は不存
在）を指示する非常に多数の特性的波長線の強さの同時
的測定を可能とするために利用しうる連続する一連のフ
ィルタ要素の代表であるように意図されている。５０個
又はそれ以上の要素を便利に積重ねることができ、該要
素から散乱されたビームが、多チヤンネル検知器１００
の不連続の受入れ点上へ焦点集中され、それによって従
来知られていない迅速且つ比較的安価な原子分析用器具
を利用しうるようにすること、が意図されている。

弧形ミラー８６は、球面又は非球面の何れでもよく、実
際、本発明の意図から離れることなく、多チヤンネル検
知器１００の方へ焦点集中させ且つ向けるための適当な
レンズ系と便利に取替えられることができる。

同様に、本発明の分光器は、光による加熱又は励起など
により試料７４を励起することにより、及び試料から放
出された放射線を平行にしてフィルタ要素７８〜８２の
方へ向けることにより、放出方式の作用において便利に
利用することができる。この実施態様において、多チヤ
ンネル検知器１００上にある受入れ点と同数の多くの元
素放出線を同時に測定することができ、放出波長の強さ
が、試料７４中に特定の元素の濃度を指示する。

最後に、結晶コロイド状構造体中に実質的に平行で且つ
非平坦の外側表面を有するか、又は二者択一的に、該構
造体中に非平行で平坦な外側表面を有する、フィルタ装
置１０を形成することは本発明の範囲内にある。従って
、本発明は、ここに説明した特定の実施態様と用途によ
り限定されることを意図していない。むしろ、特許請求
の範囲を参照しなければならない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の特徴を組み込んだ狭い帯域フィルタ
の斜視図である。 第２図は、第１図の２−２線に沿う図である。 第３図は、本発明の狭帯域フィルタの濾過機能を示す概
略図である。 第４図は、第３図に類イ以の概略図で、異なる入射角度
における濾過機能を示す。 第５図は、第３図及び第４図において濾過された狭い波
長帯域を示すスペクトルである。 第６図は、本発明による新規なスリットなしモノクロメ
ータの概略図である。 第７図は、本発明による新規なスリットなしモノクロメ
ータの第２概略図で、その波長走査能力を示す。 第８図は、第６図と第７図のフィルタ装置の拡大詳細図
である。 第９図は、ラマン分光学におけるこれらのフィルタの応
用のグラフ表示である。 第１０図は、本発明のフィルタ装置を利用する新規な原
子吸収又は放出の分光器の概略図である。 １０・・・フィルタ装置、１２・・・セル、１４・・・
室、１６・・・結晶コロイド状構造体、２４．２６・・
・対向する表面、６０・・・外側表面 図面のｒ’Ｄ占（内ンに亥更なし） ＦＩＧ、５　　　　　ゝ− 手続補正書（方式） ３補正をする者 事件との関係　　出願人 名称（氏名）ユニヴアーンティ　オブ　ビッソバーグ４
、代理人

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、一対の実質的に平坦で且つ平行の外側表面を有する
   結晶コロイド状構造体を含み、前記結晶コロイド状構造
   体が、前記外側表面の間に格子構造体を有し、前記格子
   構造体が、２００Åの波長帯域の強さの約９０％以上を
   ブラッグ（Ｂｒａｇｇ）散乱させるが前記波長帯域に隣
   接する波長の約５０％以上を通すのに十分な秩序の度合
   と格子間隔とを有する、電磁放射線の広域スペクトルか
   ら狭い波長帯域を分離するためのフィルタ装置。 ２、前記外側表面が、１ｍｍ未満だけ離間されている、
   特許請求の範囲第１項に記載のフィルタ装置。 ３、前記外側表面が、０．５ｍｍ未満だけ離間されてい
   る、特許請求の範囲第１項に記載のフィルタ装置。 ４、前記外側表面が、３０マイクロメータ未満だけ離間
   されている特許請求の範囲第１項に記載のフィルタ装置
   。 ５、前記結晶コロイド状構造体を収容するためのセル装
   置を更に含み、前記セル装置が、前記結晶コロイド状構
   造体の前記外側表面に隣接する実質的に透明の壁部材を
   有し、前記壁部材が、隣接するイオンを実質的に吸着し
   ない材料から形成されている、特許請求の範囲第１項に
   記載のフィルタ装置。 ６、前記結晶コロイド状構造体が、選択された溶剤中の
   帯電粒子の分散液からなる、特許請求の範囲第５項に記
   載のフィルタ装置。 ７、前記粒子が、１．０マイクロメータ未満の平均直径
   を有するポリスチレンの球からなり、前記選択された溶
   剤が、水溶液、ベンゼン、エチレングリコール、メタノ
   ール、アセトニトリル、ジオキサン、ベンジルアルコー
   ル及びＤＭＳＯからなる群から選択される、特許請求の
   範囲第６項に記載のフィルタ装置。 ８、前記選択された溶剤中の前記ポリスチレンの球の濃
   度が、約０．０１％と約１０％との間にある、特許請求
   の範囲第７項に記載のフィルタ装置。 ９、前記結晶コロイド状構造体の前記外側表面と前記広
   域スペクトルとの間の入射角度を調節して前記波長帯域
   内に含まれる波長を調節するための装置を更に含む、特
   許請求の範囲第８項に記載のフィルタ装置。 １０、前記フィルタ装置の異なる部分が、前記広域スペ
   クトルの異なる波長帯域をブラッグ散乱させるように、
   前記外側表面の間の格子間隔が、前記外側表面に沿って
   一端から他端へ変化している、特許請求の範囲第９項に
   記載のフィルタ装置。 １１、前記波長帯域の幅が１００Å未満である、特許請
   求の範囲第１項に記載のフィルタ装置。 １２、前記波長帯域の幅が５０Å未満である、特許請求
   の範囲第１項に記載のフィルタ装置。 １３、前記波長帯域の強さの約９９％以上がブラッグ散
   乱され、他方、前記狭い波長帯域に隣接する波長の約８
   ０％以上が前記結晶コロイド状構造体を通過させられる
   、特許請求の範囲第１項に記載のフィルタ装置。 １４、前記波長帯域の幅が５０Å未満であり、前記波長
   帯域の強さの約９９．９９％以上がブラッグ散乱される
   、特許請求の範囲第１項に記載のフィルタ装置。 １５、前記波長帯域の幅が５０Å未満であり、前記選択
   された溶剤の屈折率が、前記帯電粒子の屈折率の０．１
   以内にある、特許請求の範囲第６項に記載のフィルタ装
   置。 １６、前記壁部材の屈折率が、前記結晶コロイド状構造
   体の屈折率に実質的に類似している、特許請求の範囲第
   １５項に記載のフィルタ装置。 １７、前記壁部材の外側表面からの反射を最少にするた
   め、該外側表面の少くとも一部の上に反射防止塗装を有
   する、特許請求の範囲第１６項に記載のフィルタ装置。 １８、一対の実質的に平坦で且つ平行の外側表面を有す
   る結晶コロイド状構造体であって、前記結晶コロイド状
   構造体が前記外側表面の間に格子構造体を有し、前記格
   子構造体が、２００Åの波長帯域の強さの約９０％より
   多くをブラッグ散乱させるが前記波長帯域に隣接する波
   長の５０％より多くを通すのに十分な秩序の度合と格子
   間隔とを有する、結晶コロイド状構造体を形成する工程
   と； 電磁放射線の前記広域スペクトルをある入射角度で前記
   結晶コロイド状構造体の前記外側表面の１つの上へ向け
   、それによって前記波長帯域を、電磁放射線の前記広域
   スペクトルから散乱させる工程と； を含む、電磁放射線の広域スペクトルから狭い波長帯域
   を濾過する方法。 １９、前記形成工程が、選択された溶剤中のある量のポ
   リスチレンの球をセル装置の中へ導入する工程を含み、
   前記セル装置が、隣接するイオンを実質的に吸着しない
   実質的に透明の壁部材を有する、特許請求の範囲第１８
   項に記載の方法。 ２０、前記形成工程が、前記選択された溶剤中に約０．
   ０１％と約１０．０％との間の濃度の前記ポリスチレン
   の球を与えることを含む、特許請求の範囲第１９項に記
   載の方法。 ２１、前記形成工程が、水溶液、ベンゼン、エチレング
   リコール、メタノール、アセトニトリル、ジオキサン、
   ベンジルアルコール及びＤＭＳＯからなる群から前記溶
   剤を選択することを含む、特許請求の範囲第２０項に記
   載の方法。 ２２、前記形成工程が、前記導入工程の実施後、前記セ
   ル装置上に電場を加えることを含む、特許請求の範囲第
   ２１項に記載の方法。 ２３、前記形成工程が、前記導入工程を実施する前に、
   前記選択された溶剤の中へある量の清浄材料を加えるこ
   とを含む、特許請求の範囲第２１項に記載の方法。 ２４、前記波長帯域の周波数を調節するため、電磁放射
   線の前記広域スペクトルの前記入射角度を調節する工程
   を更に含む、特許請求の範囲第１８項に記載の方法。 ２５、入射する放射線ビームの径路内に位置決めしうる
   散乱要素であって、前記散乱要素が、前記入射する放射
   線ビームの前記径路に対し第１所定角度で位置決めしう
   る一対の実質的に平坦で且つ平行の外側表面を有する結
   晶コロイド状構造体を含み、前記入射する放射線ビーム
   の狭い波長帯域を前記散乱要素から第２所定角度で散乱
   させるが、前記ビーム内の散乱されない波長の強さの５
   ０％より多くを前記結晶コロイド状構造体を通過させる
   、散乱要素と； 前記散乱された狭い波長帯域を受入れるように前記第２
   所定角度に沿って位置決めしうる検知器装置であって、
   前記検知器装置が、前記散乱された狭い波長帯域の強さ
   を測定するための装置を有する、検知器装置と； を含む、入射する放射線ビームの波長成分を測定するた
   めの装置。 ２６、前記第１所定角度を角度φだけ変えるため、前記
   入射する放射線ビームに関して前記結晶コロイド状構造
   体を回転させるための装置と；前記散乱要素により散乱
   された前記入射する放射線ビームの異なる狭い波長帯域
   を受入れるため、前記検知器装置を前記散乱要素に関し
   て前記第２所定角度から２φの角度の位置へ弧に沿って
   移動させるための装置と； を更に含む特許請求の範囲第２５項に記載の装置。 ２７、前記入射する放射線ビームの方向に関して１：２
   の割合で、前記結晶コロイド状構造体と前記検知器装置
   との相対的角運動を維持するように、前記回転させる装
   置と前記移動させる装置とを連結するための装置を更に
   含む、特許請求の範囲第２６項に記載の装置。 ２８、前記散乱要素が、前記結晶コロイド状構造体を収
   容するための透明のセル装置を含み、前記セル装置が外
   部表面を含み、前記入射する放射線ビームが、前記結晶
   コロイド状構造体の前記外側表面に非平行に前記外部表
   面上に入射し、前記セル装置が、前記セル装置と前記結
   晶コロイド状構造体との界面からの前記放射線ビームの
   反射を最少にするため、前記結晶コロイド状構造体の屈
   折率に類似の屈折率を有する材料から形成されている、
   特許請求の範囲第２５項に記載の装置。 ２９、前記結晶コロイド状構造体が、２００Åの波長帯
   域の強さの約９０％より多くをブラッグ散乱させるが、
   前記２００Åの波長帯域に隣接する波長の強さの約５０
   ％より多くを通過させるのに十分な秩序の度合と格子間
   隔とを有する、特許請求の範囲第２８項に記載の装置。 ３０、前記外側表面が１ｍｍ未満離間されている、特許
   請求の範囲第２９項に記載の装置。 ３１、前記結晶コロイド状構造体が、選択された溶剤中
   の帯電粒子の分散液からなる、特許請求の範囲第３０項
   に記載の装置。 ３２、前記入射する放射線ビームの前記径路内に直列に
   位置決めしうる複数の前記散乱要素であって、前記複数
   の散乱要素の少くとも若干が、異なる狭い波長帯域を異
   なる所定角度で散乱させるため前記ビームの前記径路に
   対し異なる所定角度で位置決めされている、複数の前記
   散乱要素と； 前記異なる狭い波長帯域を同時に受入れるように位置決
   めしうる複数の前記検知器装置であって、前記複数の検
   知器装置が、前記異なる狭い波長帯域の各々の強さを測
   定するための装置を有する、複数の検知器装置と； を更に含む特許請求の範囲第２５項に記載の装置。 ３３、前記異なる狭い波長帯域を前記複数の検知器装置
   へ集中させ且つ導くための装置を更に含む、特許請求の
   範囲第３２項に記載の装置。 ３４、前記集中させ且つ導く装置が、弧形のミラー部材
   を含み、分析されるべき材料の試料から放射され又は通
   過する放射線からの前記放射線ビームを平行にするため
   の装置を更に含む、特許請求の範囲第３３項に記載の装
   置。 ３５、選択された試料のラマンスペクトル及び／又は発
   光スペクトルを調査するためのシステムであって、前記
   システムが、前記選択された試料の方へ向けられた実質
   的に単一波長の平行にされた放射線の源と、光学的集光
   要素と、光学的映像化要素と、前記選択された試料から
   散乱又は放出された異なる波長の強さを測定するための
   装置と、を含むシステムにおいて： 前記集光要素と前記映像化要素との間に位置決めされた
   フィルタ装置を含み、前記フィルタ装置が、一対の実質
   的に平坦で且つ平行の外側表面と該外側表面の間の格子
   構造体とを有する結晶コロイド状構造体を含み、前記格
   子構造体が、その上に入射する放射線から狭い波長帯域
   の強さの９０％より多くをブラッグ散乱させるが前記狭
   い波長帯域内にない波長の強さの５０％より多くを通過
   させるのに十分な格子間隔と秩序とを有し、前記フィル
   タ装置が、前記フィルタ装置により散乱された前記狭い
   波長帯域の範囲内に前記源の波長を含むように、前記集
   光要素及び前記映像化要素に関して角度的に位置決めさ
   れている； ラマンスペクトル及び／又は発光スペクトルを調査する
   ためのシステム。 ３６、前記フィルタ装置が、前記結晶コロイド状構造体
   を収容するためのセル装置を含み、前記結晶コロイド状
   構造体が、前記外側表面の間に１ｃｍ未満の厚さを有す
   る、特許請求の範囲第３５項に記載のシステム。