JPS63304137A - 赤外分光分析器用試料セル - 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】 （イ）技術分野 この発明は、光ファイバを用いた赤外分光分析器用試料
セルに関する。

赤外分光分析器は、従来、第４図に示すような構成のも
のが用いられた。これは、単光束格子分光器である。

筐体４０の中に光源部分４１と、検出装置４２とが設け
られる。これらの中間に試料セル４７が置かれている。

試料セル４７の中には液体又は気体或は固体の試料４８
が充填されている。

赤外分光分析器であるから、赤外光を発する光源４２が
設けられる。赤外の白色光源である。赤外光がミラー４
４で反射され凹形ミラー４５で反射され集光される。

集光された赤外光が窓４６を通って、試料セル４７へ入
る。試料セル４７で吸収され、検出装置４２の窓４９に
透過光が入る。

透過光は、絞り５０を経て凹面ミラー６０によって平行
光となり、回折格子６１で波長ごとに分光される。この
光が凹面ミラー６０で再び反射され集光されて、ミラー
６２で反射される。これがさらにミラー６３で反射され
、凹面ミラー６４で集光反射され、検出器６５へ入射す
る。ある波長の光に対する透過光の強度が分る。

回折格子６１の角度を変える事によって検出器６５へ入
る光の波長が変わる。

ある波長の範囲で試料を入れた時の透過光の強度スペク
トルを測定し、同じ範囲で試料のない時の尤の強度スペ
クトルを測定する。前者を後者で割ると、波長ごとの透
過率が分る。こうして試料の透過率が分る。吸収係数を
求める事もできる。

このように、ミラーを多用するのは、赤外光の広い波長
範囲にわたって吸収の少い材料がなかったからである。

ミラーであれば、波長依存性が殆んどない光学系を構築
する事ができる。

しかしながら、第４図の赤外分光分析器は、ミラーを多
用しているので、光学系の間での軸合わせが極めて難し
い。また外部振動の影響を受けやすいという弱点がある
。これを避けるため大型の除震台に載せて使用しなけれ
ばならない。

このように、従来の赤外分光分析器は、構造が複雑であ
って、操作性が悪いという欠点があった。

（イ）従来技術 本発明者は、そこで、第５図、第６図に示すような光フ
ァイバを用いた赤外分光分析器を発明した。第５図は単
光束分光分析器である。第６図は三光束分光分析器であ
る。

第５図に於て、光源部分θと、試料セルΣとが、第１光
フアイバＧ１によって結合されている。試料セルΣと検
出装置Ｆとが、第２光フアイバＧ２によって結合されて
いる。

光ファイバＧ１の両端は、光フアイバコネクタ３１．３
２となっており、光源部分θ、試料セルΣに対して着脱
自在である。光源部分θの中には、赤外の連続スペクト
ル光を発生する赤外光源が収容されている。白色赤外光
が光ファイバＧ１を通って試料セルΣに入り、透過光が
光ファイバＧ２を通って検出装置Ｆに入る。

検出装置Ｗの中には、回折格子や検出器が収容されてい
る。

このように光ファイバＧ１、Ｇ２を用いて赤外光を導く
ようにすると、光軸合わせか、極めて簡単になる。光源
部分、試料セル、検出装置を空間的に分離する事ができ
る。各部分を小さい構造体とする事ができる。ミラーな
どの光学系を少くする事ができる。このため、除震台な
どが不要である。

操作性も優れている。

このような構造が可能になったのは、赤外光をよく通す
光ファイバが製造可能になったからである。

赤外光を通す光ファイバとして、現在。

（１）　　銀ハライド結晶質ファイバ ＡｇＢｒ　１ｋｇＣｌ　、　ＡｇＩ又はこれらの混晶（
１１）　　タリウムハライド結晶質ファイバＴｄＢｒ　
　Ｔ＃Ｃ６、Ｔｌ又ハコレラノ混晶（ｉｉｉ）　　アル
カリハライド結晶質ファイバＣｓｌ　　ＣｓＢｒなどの
結晶又は混晶ＧＶ）　　カルコゲナイドガラスファイバ
などが製造され使用されている。

このような光ファイバが存在するので、第５図第６図の
ような赤外分光分析器が可能になったわけである。

第６図は、三光束分光分析器であり、第３光フアイバＧ
３が追加されている。ここに参照光が通される。光源部
分θには分波器２９があって、赤外光を２つの光束に分
けている。試料を通るべき測定光と、参照光に分けるの
である。

検出装置Ｆにはセクタ一部３０があり、測定光と参照光
とを、ともに受光し、強度を検出する。

検出器がひとつである場合は、交互に測定光と参照光と
を測定する。

こうして、測定光と参照光の強度を同時に知る事ができ
るので、各波長ごとに試料の透過率を求める事ができる
。

このような、光ファイバを用いた赤外分光分析器は、本
出願人による特願昭６２−３３０１０号（Ｓ、６２．２
．１６出願）に提案されている。

このような光フアイバ赤外分光分析器に於て、試料セル
Σとしては、第７図、第８図に示すものが用いられた。

第７図は、円筒形の試料セルΣとなっている。

端面に対応して窓５．５が設けられる。窓５．５を囲ん
でコネクタ４．４が設けられている。赤外光ファイバ１
と、これを囲む保護層２とから入射光用赤外光ファイバ
Ｇ１が構成されている。これの先端に、円錐形のスリー
ブ３が固着されている。

検出用赤外光ファイバＱも同様である。光ファイバ１と
、これを囲む保護層２とよりなり先端にスリーブ３が固
着しである。

Ｇ１から赤外光が試料セルΣの中へ入る。ここで、赤外
光の一部が試料によって吸収される。散乱されるものも
ある。透過した一部の赤外光が６２に達し、検出装置Ｖ
に導かれる。

第７図は対向形のものである。第８図は平行形のものを
示している。

Ｇｌから入射した光の一部は試料によって吸収され散乱
される。のこりは反射層Ｒで反射されて、再び試料の中
を通りＧ２に入る。

（つ）従来技術の問題点 第７図、第８図の試料セルは、円筒形又は直方体形状で
あって、単純な形状である。製作しやすい、という利点
がある。

しかし、これらの構造に於ては、たとえ散乱や吸収がな
くても、入射光用ファイバＧ１から出た光の全てが検出
用ファイバＧ２に入るわけではない。

Ｇ２に入る光の贋が少いので、効率が悪いという問題が
あった。

つまり、第７図のものでは、Ｇ１から軸方向に直進した
光だけが６２に入る。第８図のものでは、Ｇ１と６２の
三等分面と反射層Ｒの交点で反射した光のみが６２に入
る事ができる。

大部分の光は試料セルの壁面に吸収されてしまう事にな
る。

このようなわけで、Ｇ２に入る光の量が少くなるのであ
る。

００　　　目　　　　　的 試料セル内に於て、試料の作用によって生ずる光量の変
化を効率よく検出できるようにした試料セルを提供する
事が本発明の目的である。

（イ）構　成 従来の試料セルは、Ｇ１から出た光のうち限定された成
る狭い範囲に向う光のみが、Ｇ２へ到達する事ができる
ようになっていた。

本発明は、より広い範囲へ出射された光もＧ２へ到達で
き、測定に寄与できるようにする。このために、試料セ
ルの内面を凹面ミラーとし、焦点にｃｙ、、Ｇ２の先端
を位置させる。

試料セルの内面をミラーとする、という事は、内面に当
った光を殆んど反射できるようにする、という事である
。金、銀、銅、アルミニウムなどな高反射率金属材料の
薄膜を試料セルの内面にコーティングする。

凹面ミラーとするという事は、凹面による反射が集光作
用を持っている事を利用するという事である。

単に凹面にするのではなく、その焦点に、ファイバＧ１
、Ｇ２の先端を位置させる。

こうすると、反射光の多くを、Ｇ２に集める事ができる
。

凹面ミラーにも、いくつかの種類がある。凹球面もこれ
に含まれる。この他の二次曲面が構成するミラーも利用
できる。

第１図は本発明の一例に係る試料セルの縦断面図である
。

試料セルΣは、半球よりなる凹面鏡６．６を、円筒形の
胴部７で結合した形状をしている。内壁面は高反射率の
表面となっている。金、銀、アルミニウム、銅などを蒸
着することにより、高反射率面とする事ができる。

さらに、おのおのの光ファイバの先端Ｓ％Ｔを凹面鏡６
．６の焦点Ｆ１、Ｆ２に合致させている。

凹面鏡６．６の凹面の中心を０１．０２とする。これら
を中心とし半径Ｒの半球面がある。壁面中央から、ｆ＝
Ｒ／２の位置が、凹面鏡の焦点Ｆ１、Ｆ２である。

それぞれの光ファイバＧ１、Ｇ２の先端を、試料セルの
中へ入れて、焦点Ｆ１、Ｆ２に合致させてもよい。

しかし、こうすると、光ファイバを試料セルから着脱す
るのが難しくなる。

そこで、ここに示す例では、試料セルΣの内部には補助
ファイバ９．９を設けている。これらの先端Ｓ、Ｔが、
Ｆｌ　、Ｆ２に合致するようにしである。

試料セルΣの中心軸線上には、ファイバの通し穴８があ
り、ここにコネクタ４が取付けられている。スリーブ３
がコネクタ４へ挿入できるようになっている。

光ファイバＧｌ、Ｇ２の先端にはスリーブ３．３が固着
しである。スリーブ３．３をコネクタ４へ差込むことに
より、試料セルΣに、ファイバＧ１、Ｇ２を取付ける事
ができる。

第２図は、本発明の第２番目の構成例を示している。試
料セルΣの全体が回転楕円体となっている。内面は高反
射率のミラー面となっている。回転楕円体の長軸にそっ
て光ファイバＧｌ、Ｇ２が対向するように設けられる。

Ｇ１の先端の発光端Ｓ、Ｇ２の先端の受光端Ｔが、回転
楕円体の焦点Ｆ、、Ｆ２にある。

回転楕円体であるから、いずれかの焦点Ｆ、、Ｆ２から
出た光は、内面で１回反射された後、相手の焦点に集光
する。

つまり、発光端Ｓから出た光は、壁面で１回反射して、
全て受光端Ｔに至る。受光端Ｔで検出用光ファイバＧ２
に入る。

壁面の形状が正確であって、散乱がなければ、Ｓから出
た光は全てＴに到達する。

実際には、壁面形状に誤差がある。試料による赤外光の
散乱もある。散乱といっても、光の方向はあまり変化し
ない事が多い。このような僅かな誤差を伴う光線は、Ｔ
に到達しないかも知れない。

しかしこの光は、さらに２回反射されると、再びＴの近
傍に至る。こうして、結局かなりの割合の入射光が受光
端Ｔに至る事になる。

第３図は本発明の第３の例を示す縦断面図である。

同じように回転楕円体の試料セルΣである。ただし、光
ファイバＧ１、Ｇ２を平行にしている。Ｆｌ、Ｆ２にＳ
、Ｔが合致しているが、ファイバは、平行に試料セルΣ
の中へ挿入されている。これは、第８図の従来例に対応
する配置である。

この他に、図示していないが、第１図の改良として次の
ものがある。すなわち、凹面鏡６．６を凹球面ではなく
開放物面とするものである。こうすると、凹面鏡で反射
された光が、軸に平行な平行光となる。

ゆ）作　用 第１図の試料セルは、凹球面ミラーの集光作用を利用し
てＳからＴへの光の伝搬の効率を高めている。

Ｓから出た光は、凹面鏡６で反射され、軸に平行な平行
光となる。これが受光側の凹面鏡６で再び反射されて、
Ｇ２の受光端Ｔに至る。

そうすると、ＳからＴへ伝搬する光の量が増加する。Ｓ
からＴへ軸に沿って直進した光と、凹面鏡で２回反射さ
れた光がＴに至る。

凹面鏡での反射が平行光になる、というのは、近軸光線
のみについていえる事である。凹面鏡６．６を開放物面
とすれば、凹面鏡での全ての反射光を平行光にできる。

であるから、凹面鏡６．６を凹球面ではなく開放物面と
すれば、より一層効率が上る。

ただし、上しこ説明したものは、Ｓから後方に出射した
光が、入射ファイバ側の凹面鏡で反射される、という場
合を対象としている。また受光端でも、ファイバの後方
から光が入射する、という事になっている。

可視光用のコア・クラッド構造の光ファインぐであれば
狭い開口角に含まれる光でなければ入射できない。赤外
ファイバは、このような条件が緩和されており、後方か
らでもファイバの中へ入る事ができる。エア・クラッド
（空気がクラッドになっている）である事が多く、屈折
率差が大きいため、開口角が広い、という事もある。ま
た赤外光ファイバでは、ファイバ中の散乱が多いという
事もある。

しかし、赤外光ファイバであっても、後方へ出る光は僅
かであるし、後方から入射できる光も僅かである。

光ファイバの前方から出る光を、他の光ファイバの前方
へ集めたという場合は、第１図の試料セルを次のように
変更する。

第１図で　５Ｕ＝ｆ　、ＴＷ＝ｆ　　としていた。

これをやめて、対向する凹面鏡の焦点にファイバ端を位
置させるようにする。

つまり、発光端ＳがＦ２に合致し、ＴがＦｌに合致する
ようにする。　５Ｗ＝ｆ、ＵＴ＝ｆとするのである。

こうすると、Ｓから出た光は、対向する右の凹面鏡Ｗに
当たり、左向きの平行光となる。これが左の凹面鏡Ｕに
当たり、Ｔ−Ｆｌ　に収束する事になる。

このような事は、曲率半径Ｒを大きくすれば可能になる
。凹面鏡６は半球ではなく、球の一部とすればよい。ま
た、この時胴部の内面は高反射率でなくてもよい。

凹面鏡を凹放物面鏡とすれば一層効果的である。

第１図の例は、２回反射光がＳからＴへと伝搬するもの
であった。

第２図、第３図は１回反射光がＳからＴへと伝搬するも
のである。回転楕円体ミラーであるからこれは当然の事
である。

１回反射光を効率よく受光するためには、第３図のよう
な構成の方が優れている。ただし、この図は離心率の大
きい楕円を描いている。これは説明の便宜のためにすぎ
ない。実際には、離心率の小さい楕円の方がよい。

（１）　　効　　　果 赤外分光分析器用の試料セルに於て、入射光用赤外光フ
ァイバＧｌから試料セルに入った光の大部分を検出用赤
外光ファイバＧ２によって取り出すルができる。

これは、試料セルに試料を入れた時の透過光の強さにつ
いてもいえる事である。つまり、入射光のうち有効に使
える光量を増す事になる。

従って、吸収のピークも、より鋭く検出する事ができる
。感度の高い赤外分光分析器を与たる事ができる。

（り）実施例 Ｎ２ガスを主体とし１、　ａｔ９１；のＣ０２ガス、０
．２　ａｔ％のＮＨＩｌガスを混合した混合ガスについ
て赤外分光分析を行なった。

赤外光ファイバはＫＨ２−５、ＡｇＢｒ１用いた。ファ
イバ径は１．０ｍ鰻である。

試料セルとしては、本発明の例として、第１図に示すも
のを用いた。従来例としては、第７図に示すものを用い
た。寸法はほぼ同様である。第６図に示す二光束分光分
析器を使った。

まず１００％Ｎ２の場合の透過率を測定した。この測定
結果を第９図のライン１に示す。第９図に於て、横軸が
波長、縦軸は透過率■である。

１００％Ｎ２の場合　λ−１４μｍまで透過率はほぼ一
定である。

つぎに、前記の混合ガスについて、従来例のセル、本発
明のセルを用いて透過率の測定を行なった。

ライン２が従来例のセルを使ったものである。

ライン３が本発明のセルを使ったものである。

４．４．ｚｚｍと７．４μｍに、混合ガスの成分の吸収
ピークが出現している。しかし、従来例の吸収ピークは
弱い。本発明の吸収ピークの方が大きく明瞭である。

すなわち、本発明のセルを用いる事によって、混合ガス
の成分をより感度よく検知できる、という事である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る試料セルの縦断面図。 第２図は本発明の他の実施例に係る試料セルの縦断面図
。 第３図は本発明の第３の実施例に係る試料セルの横断面
図。 第４図はミラーを組合わせた従来例に係る赤外分光分析
器の横断面図。 第５図は本発明者が先に創作した光ファイバを用いた単
光束赤外分光分析器の平面図。 第６図は本発明者が先に創作した光ファイバを用いた二
光束赤外分光分析器の平面図。 第７図は従来例に係る対向形試料セルの断面図。 第８図は従来例に係る平行形試料セルの断面図。 ｍ　９　図ハＮ７　ｊｆ　ス中に、ＣＯ２ガス１　ａｔ
％、ＮＨ３ガス０．２　ａｔ％を混合させた混合ガスの
赤外分光分析測定結果を示すグラフ。ライン１は１００
％Ｎ２ガスの場合、ライン２は従来例の試料セルを用い
た場合、ライン３は本発明の試料セルを用いた場合であ
る。 １・・・・・・赤外光ファイバ ２・・・・・保護層 ３・・・・・・スリーブ ４・−・コネクタ ５・・・・・窓 ６・・・・凹面鏡 ７・・・・・胴部 Ｓ・・・・・発光端 Ｔ・・・・・受光端 Σ・・・・・試料セル Ｇ１・・・・・・入射光用赤外光ファイバＧ２・・・・
・検出用赤外光ファイバ θ・・・・・・光源部分 Ｐ・・・・・・検出装置 発　　明　　者　　　高　　　橋　　　謙　　　−特許
出願人　　住友電気工業株式会社 ：凛巖１巴； 第　　　２　　　図 第　　　３　　　図 第　　　　　　　　４　　　　　　　　図単ＩＩＩ譬分
光分析器 ４２轟１装置 第　　　　　　　５　　　　　　　間 第　　　　　６　　　　　図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）白色の赤外光を発する光源を有する光源部分Θと
   、内部空間に試料を収容でき赤外光を通しうる試料セル
   Σと、赤外光の強度を波長ごとに検出できる検出装置Ψ
   と、光源部分Θと試料セルΣとを結合する入射光用赤外
   光ファイバＧ＿１と、試料セルΣと検出装置Ψとを結合
   する検出用赤外光ファイバＧ＿２とを含む赤外分光分析
   器の試料セルであつて、高反射率の内面を有する凹面鏡
   ６が形成されており、凹面鏡６の焦点Ｆ＿１、Ｆ＿２の
   位置に前記赤外光ファイバＧ＿１、Ｇ＿２の発光端Ｓ、
   受光端Ｔを合致させた事を特徴とする赤外分光分析器用
   試料セル。
2. （２）内面が、金、銀、銅、アルミニウム又はこれらの
   合金によつてコーティングされている事を特徴とする特
   許請求の範囲第（１）項記載の赤外分光分析器用試料セ
   ル。