JPS63249027A - 分光光度計 - 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〉 この発明は分光光度計に関し、さらに詳細にいえば、試
料からの光を分光させて受光素子により受光し、受光素
子からの出力信号に基いて試料の光学的特性を測定する
分光光度計に関する。

〈従来の技術〉 従来から試料の光学的特性を測定するために分光光度計
が使用されている。

そして、従来から使用されている分光光度計としては、
第９図に示すように、光源（ｌ′）からの光を試料（２
′）に照射し、試料（２′）からの反射光、或は透過光
等を分光光学系（３′）に導いて波長に対応する成分に
分光させ、各波長に対応する成分を受光素子（４′）に
より受光させるようにしている。

さらに、上記受光素子（４′）からの出力信号をサンプ
ルホールド回路（５′）によりサンプリングし、Ａ／Ｄ
コンバータ（Ｂ′）によりディジタルデータに変換し、
ＲＡ　Ｍ　（７’）に格納するようにしている。

したがって、試料（２′）として例えば白色標準試料を
使用することにより、光源（１′）の特性、分光光学系
（３′）の特性、および受光素子（４′）の特性等に起
因してばらついているディジタルデータ（以下、リファ
レンスデータと称する）をＲＡ　Ｍ　（７’）に格納す
ることができ、逆に、光学的特性を測定すべき試料を使
用することにより、試料事態の光学的特性に起因するば
らつきの他に、上記各種特性に起因するばらつきが重畳
されたディジタルデータ（以下、サンプルデータと称す
る）をＲＡ　Ｍ　（７’）に格納することができる。

したがって、上記ＲＡ　Ｍ　（７’）からリファレンス
データ、およびサンプルデータを読出して算術演算ユニ
ット（８′）により両データ同士の比を算出し、必要に
応じて算術演算ユニットによりピークサーチ、ピークデ
ータのディジタルデータへの変換等を行なった後、マイ
クロコンピュータ（９′）に供給することにより、光源
（ｌ′）の特性、分光光学系（３′）の特性、および受
光素子（４′）の特性等の影響を排除し、色データの算
出、膜厚データの算出等を行なうことができる。

そして、上記算術演算ユニット（８′）としては、対数
ダイオードを利用したアナログ除算器、アナログ乗算器
で構成すること、或は、ディジタル的に時系列処理する
ためにマイクロコンピュータ、および数値プロセッサ等
で構成することが採用されている。

〈発明が解決しようとする問題点〉 上記の構成の分光光度計においては、サンプルデータ毎
にリファレンスデータとの除算を行なうことが必要であ
り、全体として処理時間が長くかかるという問題がある
。

さらに詳細に説明すると、対数ダイオードを利用したア
ナログ除算器、アナログ乗算器で算術演算ユニット（８
′）を構成した場合には、周波数特性が数百Ｈ２程度と
遅いので、処理速度を高めることができないのみならず
、温度ドリフトが比較的大きく、しかも演算精度が比較
的悪い（通常、約１％程度）ので、高精度での光学的特
性の測定を行なうことができないのである。

また、ディジタル的に時系列処理するためにマイクロコ
ンピュータ、および数値プロセッサ等で算術演算ユニッ
ト（Ｂ′）を構成した場合には、演算精度を高くするこ
とができるのであるが、処理データの数が多く、しかも
サンプルデータとリファレンスデータとの除算を行なう
場合には、除算動作事態にかなりの時間がかかるのであ
るから、全体としての処理速度を余り高めることができ
ないのである。具体的には、１６ビツトのＣＰＵ、およ
び数値プロセッサを使用して、５１２個の１２とットデ
ータに対してリファレンスデータとの除算を行なわせ、
さらにピークサーチ処理、およびスムージング処理を行
なわせると、全体として約２秒の時間がかかるのである
。

したがって、連続的に試料が供給される場合における各
試料の光学的特性の測定を行なわせようとすれば、試料
の供給を２秒以上の時間間隔で行なうことが必要になる
。この結果、例えば、製造ラインにおいて光学的特性の
測定を行なうようにすれば、製品の製造サイクルを２秒
以上毎に１個とすることが必要になり、ＡＪＩＪ定所要
侍所要時間て製品の製造速度を制限されてしまうことに
なるという問題がある。また、長尺製品の製造を行なう
場合であれば、長尺製品が搬送されている途中において
必要な測定を全て終了させなければならないので、製造
速度を遅くしなければならないことになるという問題が
ある。

〈発明の目的〉 この発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、
測定精度を高く維持することができるとともに、所要時
間を短縮することができる分光光度計を提供することを
目的としている。

〈問題点を解決するための手段〉 上記の目的を達成するための、この発明の分光光度計は
、試料が標帛試料である場合における受光素子からの出
力信号に対応するデータを格納する記憶手段と、記憶手
段に格納されているデータに基いて受光素子からの出力
信号のレベル調整を行なうレベル調整手段と、レベル調
整手段からの出力信号を入力として必要な演算処理を行
なう演算処理手段とを具備するものである。

但し、上記レベル調整手段としては、記憶手段に格納さ
れているデータに基いてゲインを制御されるものであっ
てもよく、或は、記憶手段に格納されているディジタル
データに対応する定数での乗算を行なうものであっても
よい。そして、前者の場合において、レベル調整手段が
、ラダー抵抗ネットワーク、演算増幅器、および記憶手
段に格納されているディジタルデータに基いて切替制御
されるアナログスイッチから構成されていることが好ま
しい。

また、上記レベル調整手段からの出力信号が、ピークサ
ーチ手段を通して演算処理手段に供給されるものであっ
てもよく、或は、スムージング手段を通して演算処理手
段に供給されるものであってもよい。そして、前者の場
合において、ピークサーチ手段が、微分回路、およびゼ
ロクロス検出回路から構成されていることが好ましく、
上記後者の場合において、スムージング手段が、少なく
とも１段のバターワース型ローパスフィルタであること
が好ましい。

く作用〉 以上の構成の分光光度計であれば、分光光学系により分
光させられた試料からの光を受光素子により受光し、受
光素子により生成される電気信号に基いて試料の光学的
７Ｉｌ１１定を行なう場合において、先ず、試料を標準
試料とした場合における受光素子からの出力信号に対応
するデータを記憶手段に格納しておく。次いで、実際に
光学的特性を測定すべき試料に対応する受光素子からの
出力信号をレベル調整手段に供給することにより、上記
記憶手段に格納されているデータに基いてレベル調整を
行ない、光源、分光光学系、受光素子等による影響を排
除した状態のデータを得ることができる。

したがって、このデータを演算処理手段に供給して必要
な演算処理を行なわせることにより、色、膜厚等の光学
的特性の測定を行なうことができる。

そして、上記レベル調整手段が、記憶手段に格納されて
いるデータに基いてゲインを制御されるものである場合
には、制御されたゲインに基いてレベル調整を行なうこ
とができ、この場合において、レベル調整手段が、ラダ
ー抵抗ネットワーク、演算増幅器、および記憶手段に格
納されているディジタルデータに基いて切替制御される
アナログスイッチから構成されていれば、アナログスイ
ッチの切替制御のみによって簡単にゲインの制御を行な
うことができ、所要時間を大幅に短縮することができる
。また、上記レベル調整手段が、記憶手段に格納されて
いるディジタルデータに対応する定数での乗算を行なう
ものである場合にも、」二足定数の乗算を行なうことに
よりレベル調整を行なうことができる。

さらに、上記レベル調整手段からの出力信号が、ピーク
サーチ手段を通して演算処理手段に供給されるものであ
る場合には、分光分布における光強度ピークに対応する
波長を検出して演算処理手段に供給することができ、こ
の場合において、ピークサーチ手段が、微分回路、およ
びゼロクロス検出回路から構成されている場合には、微
分回路によりピーク値が零レベルに変換されるので、ゼ
ロクロス検出回路により零レベルを検出することにより
簡単にピークサーチを行なうことができる。

また、上記レベル調整手段からの出力信号が、スムージ
ング手段を通して演算処理手段に供給されるものである
場合には、高調波ノイズ等を除去して演算処理手段に供
給することができ、この場合において、スムージング手
段が、少なくとも１段のバターワース型ローパスフィル
タ、である場合には、段数に対応して高調波ノイズ等の
除去効果を高めることができる。

〈実施例〉 以下、実施例を示す添付図面によって詳細に説明する。

第１図はこの発明の分光光度計の一実施例を示す概略図
であり、光源（１）からの光をオプティカルファイバ（
１１）を通して試料（１２）に照射し、試料（１２）か
らの反射光をオプティカルファイバ（１１）を通して分
光光学系（１３）に導き、分光光学系（１３）により分
光させられた光を受光素子としてのフォトダイオードア
レイ（１４）に導くようにしている。そして、フォトダ
イオードアレイ（Ｉ４）から出力される信号を、所定の
タイミング信号に基いて制御されるサンプルホールド回
路（１５）に供給し、同一タイミングにおける信号を所
定時間（次のタイミング信号がサンプルホールド回路に
供給されるまでの間）だけ保持するようにしている。

上記サンプルホールド回路（１５）から出力されるホー
ルドデータは、Ａ／Ｄコンバータ（１６）、レベル調整
手段としての４象限乗算型回路■に供給されている。上
記Ａ’／Ｄコンバータ（１６）から出力されるディジタ
ルデータは、図示しない書込み制御装置の制御下におい
てＲＡ　Ｍ　（１７）に格納され、ＲＡ　Ｍ　（１７）
に格納されたディジタルデータを図示しない読出し制御
装置の制御下において読出して、上記４象限乗算型回路
（２）に供給される。即ち、４象限乗算型回路（２りに
は、ＲＡ　Ｍ　（１７）に格納されていたディジタルデ
ータ、およびサンプルホールド回路（１５）から出力さ
れるホールドデータが供給され、必要なレベル調整処理
が行゛なわれる。そして、必要なレベル処理が行なわれ
て４象限乗算型回路（２）から出力される信号は、ビー
′クサーチ回路（３）を介して演算処理手段としてのマ
イクロコンピュータ（４）に供給され、必要な演算処理
が施される。

さらに詳細に説明すると、上記ＲＡ　Ｍ　（１７）に対
するディジタルデータ格納のタイミングは、図示しない
操作スイッチ等が操作されたタイミングに基いて設定さ
れるようにしておき、少なくとも基準試料に対応するデ
ータを格納することができるようにしている。

上記４象限乗算型回路（２）は、第２図に示すように、
演算増幅器（２１）の反転入力端子に対して入力抵抗（
２２）を介してアナログ入力信号を供給しているととも
に、非反転入力端子に所定の基準信号を供給している。

そして、演算増幅器（２１）の出力端子をラダー抵抗ネ
ットワーク（２３）の直列抵抗端子に接続している。ま
た、ラダー抵抗ネットワーク（２３）の並列抵抗にそれ
ぞれアナログスイッチ（２４）の切替端子を接続し、各
アナログスイッチ（２４）の一方の端子を演算増幅器（
２１）の反転入力端子に接続し、他方の端子を信号出力
端子と接続している。

尚、上記直列抵抗、および入力抵抗は、並列抵抗の１／
２の抵抗値に設定されている。そして、直列抵抗の端部
に接続された並列抵抗に対しては、アナログスイッチの
接続が省略されている。

さらに、上記アナログスイッチ（２４）は、ディジタル
データに基いて切替状態が制御されるようにしてあり、
具体的には、上記ＲＡ　Ｍ　（１７）に格納されている
ディジタルデータを入力として、図示しない制御回路に
より各アナログスイッチ（２４）の切替状態が制御され
、アナログ入力信号に対して所定のゲインを与えた状態
のアナログ信号を出力することができる。尚、上記４象
限乗算型回路（２）としては、周波数特性を数ＭＨｚ以
上、温度ドリフトを２　ｐｐｍ／’Ｃ以下、演算精度を
０．０２４％以下（但し、フルスケールＩＯＶの場合。

更に条件としてＡ／Ｄコンバータ（１６）は、１２ビツ
ト型を使用し、４象限乗算型回路（２）のアナログスイ
ッチ（２４）を１２個とした場合とする。このとき、１
６ビツト型のＡ／Ｄコンバータ（１６）を用いることに
よりアナログスイッチ（２４）を１６個とすれば演算精
度は０．００１５％以下とできる。）とすることができ
る。

上記ピークサーチ回路（３）は、第４図に示すように、
コンデンサ（３１）、および抵抗（３２）により微分回
路（３３）を構成しているとともに、微分回路（３３）
からの出力信号を、反転入力端子にｏＶの基準信号が供
給されているアナログコンパレータ（３４）の非反転入
力端子に供給している。

したがって、第５図に示すアナログ信号が供給された場
合に、微分回路（３３）により微分して、極値に対応す
る出力信号がゼロレベルとなるように信号変換を施し、
ＯＶの基準信号が供給されているアナログコンパレータ
（３４）　（ゼロクロスディテクタとして機能するコン
パレータ）により、ゼロクロス、即ち、極値に対応する
信号を出力することができる。

上記の構成の分光光学系の動作は次のとおりである。

最初に、試料（１２）として標準白色試料をセットし、
光源（１）からの白色光をオプティカルファイバ（１１
）を通して標準白色試料に照射し、標準白色試料からの
反射光をオプティカルファイバ（１１）により分光光学
系（１３）に導き、分光光をフォトダイオードアレイ（
１４）により受光させて各波長毎の受光光強度に対応す
る信号を出力する。

そして、上記フォトダイオードアレイ（１４）からの出
力信号は、所定のタイミングにおいてサンプルホールド
回路（１５）により同時にサンプリングされ、Ａ／Ｄコ
ンバータ（１６）によりディジタルデータに変換した後
、ＲＡ　Ｍ　（１７）の所定領域に格納する。

即ち、光Ｒ（１）、オプティカルファイバ（１１）、分
光光学系（１３）、およびフォトダイオードアレイ（１
４）の光学特性を受けた状態における所定数ビットのデ
ィジタルデータがＲＡ　Ｍ　（１７）に格納される。

その後は、上記標準白色試料に代えて測定対象試料をセ
ットし、同一の光Ｒ（１）からの出力光により照射し、
分光させて、フォトダイオードアレイ（Ｉ４）により各
波長毎の光強度に対応するアナログ信号を生成する。こ
のアナログ信号は４象限乗算型回路（２）に供給され、
以下のようにして所定のゲインに基いてレベル調整°が
行なわれる。即ち、上記４象限乗算型回路０）を構成す
るアナログスイッチ（２４）は、上記ＲＡ　Ｍ　（１７
）に格納されている所定数ビットのディジタルデータの
各ビットに対応して０Ｎ−ＯＦＦ状態が切替制御され、
ラダー抵抗ネットワーク（２３〉の並列接続抵抗が選択
的に接続された状態になるので、演算増幅器（２１）’
に対するフィードバック抵抗値が変化させられ、各アナ
ログスイッチ（２４）の切替状態に対応するゲインでレ
ベル調整が行なわれたアナログ信号を出力することがで
きる。さらに詳細に説明すれば、標準白色試料に白色光
を照射し、反射光を分光させてフォトダイオードアレイ
（１４）により受光させた場合における出力信号が、第
３図に示すように、各フォトダイオード毎に異なる状態
であれば、ａｌｌＪ定対象試料からの反射光を分光させ
てフォトダイオードアレイ（１４）に受光させても、真
の光学特性を測定したこことにはならない。しかし、上
記４象限乗算型回路（２）は、標準白色試料がらの反射
光に基いて、即゛ち、ＲＡＭ（１７）に格納されている
ディジタルデータに基いてゲインが自動的に設定され、
設定ゲインに基いてレベル調整を行なうことにより、標
準白色試料からの反射光を受光した場合における出力信
号が全フォトダイオードに対して同一レベルになるよう
にすることができる。

したがって、測定対象試料からの反射光強度に対応する
各フォトダイオードがらの出力信号を４象限乗算型回路
（２）に供給することにより、標準白色試料に対する分
光光強度分布を簡単に得ることができる。また、上記各
アナログスイッチ（２４）の状態切替制御は、ＲＡ　Ｍ
　（１７）に格納されている各フォトダイオードに対応
するディジタルデータに基いて簡単に行なわれるのであ
るから、マイクロコンピュータにより除算を行なう場合
と比較して、著しく高速に切替を行なうことができ、し
かも、切替の結果、直ちにレベル調整が施されたアナロ
グ信号を出力することができるので、フォトダイオード
アレイ（１４）が５１２個のフォトダイオードから構成
されている場合であっても、全体としてサブマイクロセ
コンドのオーダーで必要なレベル調整処理を行なうこと
ができる。

以上のようにしてレベル調整が行なわれた後の信号は、
例えば、測定対象試料として薄膜フィルムを使用した場
合には、第５図Ａに示すように、通常複数個のピークを
有するスペクトル特性（薄膜の干渉スペクトル）を示す
ことになる。

したがって、このスペクトル特性を示す信号を微分回路
（３３）に供給することにより、極値λｌ。

λ２等に対応する信号レベルが零となる微分波形を得る
ことができる（第５図Ｂ参照）ので、ゼロクロスディテ
クタとして機能するアナログコンパレータ（３４）に供
給することにより、簡単に上記極値λｌ、λ２等に対応
する分光波長を得ることができる。

その後は、得られた分光波長データをマイクロコンピュ
ータ（４）に供給することにより必要な演算処理を行な
わせ、測定対象試料の光学的特性の解析等を行なうこと
ができる。

第６図は他の実施例を示す概略図であり、上記実施例と
異なる点は、ピークサーチ回路口）に代えてスムージン
グ回路（５）を介挿した点のみであり、他の部分の構成
は同一である。

第７図は上記スムージング回路（５）の具体的な構成例
を示す電気回路図であり、１段だけの２次バターワース
型ローパスフィルタで構成している。

したがって、４象限乗算型回路（２）から出力される信
号波形が、第８図Ａに示すように、高調波のノイズ成分
を含んだ状態であっても、上記２次バターワース型ロー
パスフィルタを通すことにより高調波のノイズ成分を除
去し、第８図Ｂに示すように、ノイズの影響のないきれ
いな波形を得ることができる。

尚、上記ローパスフィルタの段数を増加させれば、ノイ
ズ遮断特性を向上させることができるのであるが、平坦
特性が低下するので、両特性の兼合いから段数を設定す
ればよい。

また、以上の再実施例の説明から明らかなように、ピー
クサーチ回路とスムージング回路とを同時に組込むこと
も可能であり、１データが１２ビツトであり、１データ
を２０μｓｅｃ毎に処理するようにすれば、５１２個の
データ全部に対する処理を約１０ｍ５ｅｃで終了させる
ことができ、フィルム等の製造ラインに組込むことによ
り、リアルタイムでのモニタリングを達成し、しかもモ
ニタリングポイントの密度を著しく向上させることがで
きる。

尚、この発明は上記の実施例に限定されるものではなく
、例えば測定対象試料を透過した光を分光させる系に適
用することが可能である他、ピークサーチ回路、スムー
ジング回路を省略することが可能であり、さらに、４象
限乗算型回路以外のレベル調整装置を使用することも可
能である他、Ａ／Ｄコンバータ（１６）による変換動作
を標準白色試料からの対応する信号入力時にのみ行ない
、或は、測定対象試料からの対応する信号人力時にも行
なうことが可能であり、シングルビーム型およびダブル
ビーム型にも使用することが可能であり、その他、この
発明の要旨を変更しない範囲内において種々の設計変更
を施すことが可能である。

〈発明の効果〉 以上のようにこの発明は、標準試料からの光を分光させ
た分光光強度に対応する電気信号をレベル調整のための
基準データとして格納しておき、この基準データに基い
て、測定対象試料からの光を分光させた分光光強度に対
応する電気信号に対するレベル調整を行なわせるように
しているので、測定対象試料の分光測光を高速度で、か
つ高精度で行なわせることができるという特有の効果を
奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の分光光度計の一実施例を示す概略図
、 第２図は４象限乗算型回路の構成を示す電気回略図、 第３図は４象限乗算型回路によるレベル調整動作を説明
する図、 第４図はピークサーチ回路の構成を示す電気回路図、 第５図はピークサーチ回路の動作を説明する図、第６図
は他の実施例を示す概略図、 第７図はスムージング回路の構成を示す電気回路図、 第８図はスムージング回路の動作を説明する図、第９図
は従来例を示す概略図。 （２）・・・４象限乗算型回路、（３）・・・ピークサ
ーチ回路、（４）・・・マイクロコンピュータ、 （５）・・・スムージング回路、（１２）・・・試料、
（１３）・・・分光光学系、 （１４）・・・フォトダイオードアレイ、（１７）・・
・ＲＡＭ第４図 Ｌ）Ｖ 第５図 第６１図 第７図 第８図 （Ａ）（Ｂ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、分光光学系により分光させられた試料からの光を受
   光素子により受光し、受光素子により生成される電気信
   号に基いて試料の光学的測定を行なう分光光度計におい
   て、試料が標準試料である場合における受光素子からの
   出力信号に対応するデータを格納する記憶手段と、記憶
   手段に格納されているデータに基いて受光素子からの出
   力信号のレベル調整を行なうレベル調整手段と、レベル
   調整手段からの出力信号を入力として必要な演算処理を
   行なう演算処理手段とを具備することを特徴とする分光
   光度計。 ２、レベル調整手段が、記憶手段に格納されているデー
   タに基いてゲインを制御されるものである上記特許請求
   の範囲第１項記載の分光光度計。 ３、レベル調整手段が、ラダー抵抗ネットワーク、演算
   増幅器、および記憶手段に格納されているディジタルデ
   ータに基いて切替制御されるアナログスイッチから構成
   されている上記特許請求の範囲第２項記載の分光光度計
   。 ４、レベル調整手段が、記憶手段に格納されているディ
   ジタルデータに対応する定数での乗算を行なうものであ
   る上記特許請求の範囲第１項記載の分光光度計。 ５、レベル調整手段からの出力信号が、ピークサーチ手
   段を通して演算処理手段に供給される上記特許請求の範
   囲第１項記載の分光光度計。 ６、ピークサーチ手段が、微分回路、およびゼロクロス
   検出回路から構成されている上記特許請求の範囲第５項
   記載の分光光度計。 ７、レベル調整手段からの出力信号が、スムージング手
   段を通して演算処理手段に供給される上記特許請求の範
   囲第１項記載の分光光度計。 ８、スムージング手段が、少なくとも１段のバターワー
   ス型ローパスフィルタである上記特許請求の範囲第７項
   記載の分光光度計。