JPS6228622A - 近赤外分光光度計のシヤツタ - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は近赤外ダブルビーム分光光度計に係り、特に熱
輻射による測光値の変動を少なくして測光正確さを向上
させるに好適な近赤外分光光度計に関する。

〔発明の背景〕

近赤外分光光度計の光検知器は波長１μｍから２．５μ
ｍの範囲で感度を有する。一方、室温（約３００’Ｋ）
での物質は波長９．６ｐｍ　をピークとする熱輻射を放
射するが、２．５μｍ以下の近赤外域では波長が短くな
るに従い急激に輻射強度が減少する。例えば最大強度の
９．６μｍにおける輻射熱強度を１とすると２．５μｍ
は６Ｘ１０−”、２μｍは１．５Ｘ１０−ｓ、１．５μ
ｍは２．３　ｘ　１０−”、　１μｍでは２．ｌＸ１０
−”となる。

従って室温においては検知器が感知する輻射強度は長波
長側の強度が圧倒的に強いことがわかる。

ところで、分光光度計の系全体が同一温度にある場合（
熱平衡の状態）には検知器自体も室温であり、従って検
知器は周囲の輻射熱を検知することはない。しかし分光
光度計内部には回転鏡用のモータなどの発熱体があり、
測定中にはモータのボディ温度は８０℃以上に達する。

このため光路中に入る反射鏡やしや先板の温度が上昇し
、室温より１０℃程度の高温になることがある。

いま・室温が３００°にであるとすると１０℃の温度上
昇に対し波長２．５μｍの輻射強度は１・８倍、波長２
μｍでは２倍に上昇する。近赤外分光光度計の分光感度
が１μｍ〜２．５μｍの範囲で一定であると仮定すると
、前述した如く室温附近での温度上昇に対しては長波長
の２．５μｍ近辺の輻射強度の上昇が大きい。

以上のことより■分光光度計の内部温度上昇により輻射
エネルギーの強度分布が変る、■長波長側の輻射エネル
ギーの増減分が短波長側の増減分より圧倒的に大きい。

の２点がわかる。

これまでは分光光度計自体の固有の特性について述べた
が、分光光度計は本来試料の透過率、反射率、吸光度を
求めるものである。

いま、被測定物の温度が室温である場合で、短波長側で
完全不透明、長波長側で透明な場合を仮定してみる。こ
のような特性を持つ試料としてはシリコン単結晶があげ
られ、その透過スペクトルを第１図に示す。

このサンプルに対し短波長側（例として１μｍ）にて透
過率を測定しようとした場合、分光光度計の分光器から
出射した単色光（１μｍ）試料によって完全に吸収され
る。しかし試料前の光路にある光学素子から放射される
熱輻射の内、長波長側め輻射光は試料を透過する。従っ
て分光光度計内部の温度が上昇すると、温度上昇分はそ
のまま検知器で検出される。

このことは、本来透過率が０％Ｔであるべき試料の測定
結果が浮き上がり、測定正確さを狂わせることとなる。

以上の内容を従来例をとりあげて具体的に説明する。

第２図において光源１から出射した白色光は分光器２の
入射スリット３に入射し１分散子４によって分散された
あと出射スリット５から単色光となって出射する。単色
光は回転反射鏡６および反射鏡７により試料光路（Ｌ、
）と対照光路（Ｌ＊　）に別けられ、被測定試料８およ
び対照側ブランク試料９を透過したあと、反射鏡１０お
よび回転反射鏡１１により光検知器１２に入射し、試料
光路（Ｌ８）を通った光信号は電気信号電工、に、対照
光路（Ｌ＠）を通った光信号は電気信号電工。

に変換される。

光検知器１２はそれ自体に暗電流信号Ｉ−があり、更に
分光光度計の各部からの散乱、輻射光による浮き上がり
分工、があるが、Ｉ、＋Ｉ、の値は１、、Ｉ、に対し数
％に達することがあり、また測定条件によって変動する
ための測定中常時検知しておく必要がある。そのため回
転反射鏡６または回転反射鏡１１に光しゃ所用のマスク
１３をとりつけ１回転反射鏡が１回転するたびにＩ、＋
Ｉ。

を実測している０通常は回転反射鏡の１周期は３０ｍ５
ｅｃ程度であり、分光光度計の温度上昇速度（通常は０
．１℃／分）に比べ十分に速い。

検知器１２の出力信号の内、光束が試料側にあるときの
電気信号量（一般的には光電流）をＳ。

対照側にあるときをＲ１光しゃ所用マスクによりじゃ光
されたときを２とすると、タイムチャートは第３図に示
すようになる。

分光光度計では（ｓ−ｚ）／　（Ｒ−Ｚ）を演算し、そ
の結果が測光値（透過度）になる、第２図および第３図
は分光光度計の内部温度が同一温度で平衝状態にある理
想的な場合においてのみ成り立つ。

ところで被測定試料は必ずしも分光光度計の温度（一般
的には室温）とは一致した温度ではない。

測定の目的によっては試料の温度を高温に保つことさえ
ある。この場合試料自体あるいは試料保持機構が周囲温
度より高温になっており、熱輻射は平衝状態よりも大と
なる。前述したとおり室温附近での温度上昇に対しては
２．５μｍ近辺の熱輻射がきわめて強く、且１０℃の温
度上昇に対し２．５μｍの波長の輻射強度は１．８倍に
なる。

近赤外分光光度計の熱検知器は２．５μｍに対しても感
度を有するため、試料が発する熱輻射ＬＨを検知し電気
信号量Ｉｈに変換する。第２図に示す光学系の場合には
、検知器の出力タイムチャートは第４図に示すとおりで
、試料からの熱輻射は試料側信号Ｓにのみ加算される６
従って、例えば被測定試料が完全不透明体で、分光器２
から出射した単色光を完全に吸収したとしても、検知器
はＳ信号として工、を出力し、みかけ上０％Ｔが浮き上
がる。

次に、試料自体は室温と同一の場合について考察する１
分光光度計の電源が投入されてから１時間経過すると、
回転反射鏡用のモータのボディ温度は８０℃程度になり
、従って回転反射鏡および光しゃ断用マスクは室温より
１０℃程度温度上昇する。しかし、反射鏡自体は通常ガ
ラス製で、しかも表面にはアルミニウムの蒸着がほどこ
されている。ガラスやアルミニウムは放射能 （Ｅｍｉｓｓｉｂｉｔｙ　）が非常に小さく０．１　以
下である。

従って熱輻射量は小さい。一方光しゃ断用マスクは黒色
塗料又は渡合を行っており放射能は黒体に近く１と考え
てよい。

更に分光器の分散子から試料部に至るまでの光学系で光
路中に入る部品としては各種反射鏡、レンズ、光学部品
保持台、出射スリットがあるがいずれもモータとは接触
しておらず、温度上昇は無視し得る。

以上より、分光光度計の内部部品で温度上昇による影響
が一番大きいものが光しゃ断用マスクである。以下に光
しゃ断用マスクの影響についてのべる。

いま被測定試料の透過スペクトルが第１図に示す如く１
μｍにてＯ％Ｔ、２．５μｍにて８０％Ｔ近辺であった
とする。（例えばＳｉウェハーなど）。

また光しゃ断用マスクの温度が室温（３００’にとする
）に対し１０’Ｃ高温（３１０°Ｋ）になったと仮定す
る。分光光度計の波長を１μｍに設定すると、光束が試
料側にあるときの電気信号量Ｓは Ｓ＝Ｉ、＋Ｉ、＋１．．　　　　　　　　　　・・・（
１）光束が対照側にあるときの電気信号量ＲはＲ＝Ｉ、
＋Ｉ、＋Ｉ、、　　　　　　　　　　・・・（２）光束
が光しゃ断用マスクによりしゃ断されるときの電気信号
量Ｚは Ｚ＝Ｉ、＋１．、　　　　　　　　　　　　　　　・・
・（３）となる。ここにＩ、、、１．、．１．、は熱輻
射による検知器の電気信号量で、光束が試料側のときに
Ｉ　ｘｍ、対照側のときにＩ　ｓｒ、光しゃ断マスクが
入ったときをＩ−とする。

前述したように反射鏡のＥ＋＋＋１ｓｓｉｂｉｔｙは非
常に小、さいので、Ｉ、、＜＜Ｉ、＋Ｉａ、１．．＜＜
Ｉ、＋Ｌとなり（１）、（２）式は Ｓ＝Ｉ、＋１．　　　　　　　　　　　　　・・・（４
）Ｒ＝Ｉ、＋Ｉ、　　　　　　　　　　　　　・・・（
５）となる。一方光しゃ断マスクのＥｍｉｓｓｉｂｉｔ
ｙは１に近いため、■８．を無視することはできない。

なぜならば被測定試料は第１図に示すような透過スペク
トルを持つので、光しゃ断マスクの放射する輻射エネル
ギーの内の大半を占める２、５μｍ近辺の輻射光は試料
を透過する。一方分光器の波長は１μｍにあると仮定し
たが、このとき１．＝Ｏとなり Ｓ＝Ｉ□　　　　　　　　　　　　　　　・・・（６）
となる。すなわち、Ｚ＞Ｓとなり、透過度（Ｓ−Ｚ）／
　（Ｒ−Ｚ）の演算結果は負の値というきわめて異常な
結果になる。実験結果によれば一２％Ｔを示すこともあ
る。

近年半導体を中心とする新素材の光技術利用が急激に発
展しているが、これらの分野では低い透過度を精密に計
測することが必要とされる。このような目的において、
分光光度計自体が数％にも及ぶ０％Ｔの変動があったの
では技術の向上は望めない、Ｏ％Ｔの変動が起きる原因
には■被測定試料が高温になり熱輻射が大きくなる。■
光しゃ断マスクが高温になり熱輻射が大きくなる。の２
点がある。

〔発明の目的〕

本発明の目的は分光光度計の内部温度上昇による測定値
誤差の発生を最小限にして、正確さの高い近赤外分光光
度計の測光方式を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は光源と分散子の間に光束をしゃ断するシャッタ
を設け、分散子から試料までの間には温度上昇による熱
輻射強度が少ない光学素子を配置し、更に試料と検知器
の間には移動機構を置かない配置をすることにより、■
分光光度計の温度上昇によるＯ％Ｔの変動を少なくし、
■試料自体の輻射熱による０％Ｔの変動を除外するもの
である。

〔発明の実施例〕

以下１本発明の一実施例を第５図により説明する。出射
スリット５から出射した単色光は回転反射鏡６、反射ｆ
ｉ７，１４．１５により試料光束と対照光束に別けられ
、被測定試料８および対照側ブランク試料９を透過した
あと、反射鏡１６゜１７．１８．１９により光検知器１
２で受光される。回転反射鏡６には光しゃ断マスク１３
がもうけられている。

試料８，９と光検知器１２の間には測定中移動する反射
鏡はない。このため、被測定試料８が周囲の温度（室温
）に比べ高温に保たれている場合には、被測定試料８が
放射する輻射熱線は定常的に光検知器Ｊ２に照射してお
り、Ｓ、Ｒ，Ｚのいずれに対しても均等に影響する。す
なわち被測定試料８からの輻射熱の影響は（Ｓ−Ｚ）／
（Ｒ−Ｚ）の演算を行うことにより消去される。

また、被測定試料８の温度が変動しても、回転反射鏡に
よる光断続周期が十分早ければ、Ｓ、Ｒ。

寥を検出する１周期間では一定と見なすことができる。

例えば第５図で採用した光学梁の場合、Ｓ、Ｒ。

Ｚの１周期は１５ｍ５ｅｃである。一方被測定試料８の
温度変動は０．１℃／秒程度であり、１周期間での温度
変化は０．００１５℃となり、輻射熱の変動は無視し得
る。

第５図はブランク（Ｐｌａｎｃｋ）の黒体輻射の波長特
性を示す、黒体の温度がＴ″Ｋ、波長１国のときの黒体
の表面１（！ｌ”　から立体角πラジアンに放射する輻
射エネルギーＪは次式で求められる。

ｃ、＝５．９５５Ｘ　１０−”ｗａｔｔ−ａｍ”ｃ　、
　＝　１．４３２ａ＊　１１ｇｒａｄ３００°Ｋ（２７
℃）　と３１０”　Ｋ　（３７℃）のときのＪを１μｍ
、１．５μｍ、２μｍ、２．５μｍの範囲で算出した結
果を第１表に示している。

第１表において、ＡＪは各波長におけるＪ３１゜・Ｊ　
３００・の差を示している。

第１表 第１表より２．５μｍでのエネルギー変動量がきわめて
大であることがわかるが、被測定試料８の透過スペクト
ルは第１図に示すような場合が多く、試料による２、５
μｍ近辺の輻射エネルギーの吸収は期待できない。すな
わち、光しゃ断用マスクから放射される輻射熱の影響は
最小限にする必要がある。

第５図において光しゃ断用マスク１３は光源１と分散子
４の間に置かれている。回転反射鏡６はＥｍｉｓｓｉｂ
ｉｔｙの低いガラスの表面に、更にＥ＋５ｉｓｓｉｂｉ
ｔｙの低い（０，０１以下）アルミニウムを蒸着してあ
り、回転反射鏡の円周は８ｏＩｍ、形状は９０″ピツチ
の扇形をした２枚の反射鏡でできている。光しゃ断用マ
スク１３は厚さ０．５ｍｍ゛の薄い鋼板を用い、４５°
ピツチの扇形をした４枚の回転マスクである。

回転反射鏡６および光しゃ断用マスク１３はともに４極
のリアクションシンクロナスモータ２０゜２１により回
転するが、２個のモータ２０，２１に供給する交流電源
は同一の商用電源（５０又は６０Ｈｚ）を用いる。使用
するシンクロナスモータの極性と光しゃ断用マスク１３
の扇形マスクの枚数が同一であれば、通電のタイミング
の如何を問わず電源位相に対して羽根の位相は常に一定
であることは特許出願昭４８’−００１１５４号に示さ
れた実験結果から公知である。回転反射鏡６の旋形鏡の
枚数はモータの極性の１／２であるため、通電のタイミ
ングによっては試料側光束Ｓと対照側光束Ｒのタイミン
グが反転する。この場合、回転反射鏡６の位相を知るた
めにフォトカプラ２２をとりつけておくことによりＳ、
Ｒ，Ｚの全てのタイミングを検知することができる。

一方、光しゃ新月マスク１３の設置場所は可能な限り光
束の狭い場所が望ましい。光束カットの立上り立下りと
光量利用効率の関係は、特許出願昭４７−５９７２５に
示される計算式により求めることができる。このため、
光しゃ新月マスク１３は入射スリット３の直前あるいは
直後に設置する。

したがって、本実施例によれば光しゃ新月マスク１３と
回転反射鏡６は常に一定の角度関係を保ち、あたかも回
転反射鏡の表面にマスクがあるごとく位相関係を持ち、
且、Ｒ４Ｚ−＋５−）Ｚの切換の際の立上り立下りも短
時間ですむ。

ところで光しゃ新月マスク１３は前述のとおり周囲温度
に比べて１０℃程度温度上昇するが、光しゃ新月マスク
１３の輻射熱は分光器２によって分散され、出射スリッ
ト５から出射する波長成分は分光器２の設定波長によっ
て選択される。また光源１にハロゲンランプを用いると
、光源１の輝度温度は３０００”　Ｋに達し、波長１μ
ｍにおけるＪは３．１５Ｘ１０’で３１０°にの場合と
は１０１１倍も違う。すなわち、光しゃ新月マスク１３
の配置が第５図に示すように入射スリット３の直前であ
る場合には入射スリット３の輻射熱は無視できる。

光検知器１２の出力信号Ｓ、Ｒ，Ｚはプリアンプ２３に
よりインピーダンス変換され、信号弁別器２４によりＳ
、Ｒ，Ｚの別々の信号としてとり出される。信号弁別器
２４にはフォトカプラ２２の信号がとりこまれる。Ｒ，
Ｓ、Ｚに弁別された信号は演算処理器２５により（Ｓ−
Ｚ）／　（Ｒ−Ｚ）を演算し測光値を得る。

第５図では４極のリアクションシンクロナスモータを用
い、光しゃ新月マスク１３の扇形マスクの枚数も４枚で
あったが、扇形マスクの形状がπ／　２　ｎ　（ｎ　＝
　１　、２　、・・・）ラジアン周期であり、回転反射
鏡６の形状がπ／ｎラジアンであれば本実施例と同一の
効果が得られることは、特許出願昭４８−００１１５４
から容易に類推できる。

更に光しゃ新月マスク１３と回転反射鏡６を歯車やタイ
ミングベルトで連結し、１個のモータで回転する方式は
容易に考えつくものであり本発明の本質的な変更ではな
い。

光しゃ新月マスク１３のかわりに往復振動式光しゃ断器
を用い、モータ又は電磁ソレノイドで振動させて光束を
しゃ断する方式も容易に考えつくものであり本発明の本
質的な変更ではない・〔発明の効果〕 本発明によれば、試料や光しゃ新月マスクが放射する熱
輻射による検知器出力の変動を除去し、近赤外領域にお
いて測定誤差の少ない高精度の分光測定が達成できる効
果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は近赤外域で測定誤差が大となる試料の透過スペ
クトルを示す図、第２図は近赤外分光光度計の光学系概
念図、第３図は第２図の光学系における検知器出力のタ
イムチャート、第４図は輻射熱の影響を受けた場合のタ
イムチャート、第５図は本発明の実施例を示す図である
。 １・・・光源、２・・・分光器、３・・・入射スリット
、４・・・分散子、５・・・出射スリット、６，１１・
・・回転反射鏡、７，１０，１４，１５，１６，１７，
１８゜１９・・・反射鏡、８・・・被測定試料、９・・
・対照側ブランク試料、１２・・・光検知器、１３・・
・光しゃ新月マスク、２０．２１・・・リアクションシ
ンクロナスモータ、２２・・・フォトカプラ、２３・・
・プリアンプ、２・′）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、波長１μｍから２５μｍの範囲で感度を有する光検
   知器と、光束を２方向に別ける移動式反射鏡を有し、被
   測定試料と光検知器の間に移動式反射鏡がない近赤外分
   光光度計において、光源と分散子の間に光束をしゃ断す
   るシャッタを設けたことを特徴とする近赤外分光光度計
   のシャッタ。 ２、特許請求の範囲第１項において、移動式反射鏡が回
   転反射鏡で、シャッタが回転体であることを特徴とする
   近赤外分光光度計のシャッタ。 ３、特許請求の範囲第２項において、回転シャッタの形
   状がπ／２ｎラジアン周期（ｎ＝１、２、・・・）の扇
   状であり、回転反射鏡の形状がπ／ｎラジアン周期の扇
   状であることを特徴とする近赤外分光光度計のシャッタ
   。