JPS6331730B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は概括的にはサンプルの光学的性質を分
光学的に測定および分析する機器の分野に関す
る。この種の機器は、現在、サンプルの成分を比
色分析および定量分析するために工業上および農
業上の用途に用いられている。さらにこの種の機
器は診断の目的でサンプルがスペクトル分析され
る医療分野への応用も発展しつつある。

〔従来の技術〕

現在使用されている農業的な応用の例は、穀粒
又は大豆中の油、蛋白質、水分の含量を正確に定
める機器である。蛋白質測定用のキエルダール法
のような従来からの分析実験技術は、極めて正確
であるが、専門技術をもつ化学者のサービスが必
要である。しかもその結果は即座にまたは迅速に
は役立たない。農産物のバイヤーは購入する各種
の農産物の湿分、蛋白質、油の百分率を正確で迅
速に決定することについて益々関心を示してい
る。例えば小麦の輸出市場では保証された蛋白質
含有量に基づく販売が広く導入されている。この
競争的な圧力によつて田舎の穀物倉庫から輸出終
着駅までの商品取扱者の、穀粒及び他の農産物を
蛋白質の百分率で、可能であれば油脂及び水分の
百分率で迅速正確に区分することへの要求が益々
増大している。農産物の非破壊試験の分野で最近
の科学的発見を組合せ且つ改良した万能で然も低
廉で、進歩した装置の需要が非常に増えて来てい
る。商品取扱者にできるだけ有用であるために
は、この種の機器はオペレータの熟練を高度に要
求するものであつてはならないし、測定結果に対
し科学に基づいた特殊な知識を要するものであつ
てはならない。

最近の発達によつて商品取扱者の上記の要求の
あるものを充足しうる機器が提供されている。米
国特許第3861788号（本出願の出願人に譲渡され
ている）にDonald R.Websterによつて開示され
た光学分析器は、各種の波長でサンプルの反射光
学濃度を比較して有機物質中の各種の成分の百分
率を計る自動試験機を提供している。この装置は
回転可能なパドルホイール（外車）の形で接合さ
れた、スペクトル帯域幅の狭い複数の光学フイル
ターを具え、各フイルターは試料とスペクトル幅
が広い光源間の入射光路を別々に掃引できるよう
に位置している。フイルターホイールが回るに従
つて、各フイルターを透過した光のスペクトル帯
は光路に対するフイルターの角度が変化すると共
に漸進的にシフトする。フイルターホイールの形
状は、各フイルターの端から不透明な翼が延びて
いて試料への光の通路を周期的に遮断する。試料
からの反射光の強さを検出するために複数の光検
出器が置かれている。之等の光検出器の出力は、
フイルターホイールの回転に対し所定の時刻にサ
ンプルされて一定の波長において反射された光強
度を示す値を与える。電子回路が、このデータを
用いて試料サンプルの水分、蛋白質、油の含有量
に相当する三つの光学濃度差を計算する。この光
学濃度差の値は自動的に三つの一次方程式に代入
され、この方程式が解かれて試料の油、水分、蛋
白質含量の三つのパーセンテージを示す表示が得
られる。新規な試料が試験に供される毎に、該米
国特許第3861788号に記載されている機器は、標
準のサンプル、望ましくはテフロン（商標名）に
よつて自動的に較正される。光検出器の出力は、
その光検出器が照射されているときの出力から光
が遮断されている期間の電流レベルを差引く動作
をする特殊回路で増幅される。

関連した、しかしそれ以前の機器は米国特許第
3765755号に「光学的内部特性分析器」の名称で
Eugene Ｒ GanssleおよびDonald R.Webster
によつて開示され、これも本出願の出願人に譲渡
されている。それにおいては、試料サンプルは複
数の狭いスペクトル帯域の干渉フイルターを持つ
連続的に回転している円盤で順次にフイルターさ
れた光で照射される。試料を通過した、又は試料
で反射された光を受けるように置かれた数個の光
検出器の合成出力は、対数増幅器を通つた後に選
択的にサンプリングされ、２つのとびとびの波長
における読みが得られ、次にその読みは差動増幅
器で比較されて所望の測定量を得る。米国特許第
3765775号に記載した光学系は意図された目的に
対しては満足のものであるが、種々の波長におけ
る測定の機能は円盤がもつているフイルターの数
に当然、制限される。従つて二つの近接したフイ
ルターの波長の中間の波長で読取ることは出来な
い。この制限は、上記米国特許第3861788号のフ
イルターホイールの構造で幾分緩和される。

例えば肉の油脂含量を決定する他の近頃の先行
の光学的技術は米国政府所有の米国特許第
3877818号にGeorge F.ButtonおよびKarl H.
Norrisによつて開示されている。この技術はメ
リーランド州グリーンベルトの米国農務省農業研
究所で開発されたもので、肉のサンプルが白熱電
源からの赤外線に曝される。赤外線は肉サンプル
を通過して又は肉サンプルから反射されて、傾斜
鏡（光学系の光軸に対して傾斜した鏡）に到り、
該傾斜鏡によつて肉中を透過した光又は肉から反
射された光は入射角を変化させながら平面の干渉
フイルターを通過させる。傾斜鏡を振動（往復運
動）させてフイルターの入射角を変えると、それ
に対応して赤外領域の狭いスペクトル帯域で、フ
イルターを通過する放射線の波長が変化する。光
検出器はフイルターを通過した光を受けて電気信
号を発し、この信号はサンプルの油脂量を読出す
ように処理される。

〔発明が解決しようとする問題点〕

これら、および他の従来技術の光学的分析器
は、分光分析のために用いられる特殊の光学的エ
レメントおよび光学系によつてその測定値の精度
が制限される。種々の農産物は非常に正確な含有
量の分析を必要とするため、成分含有量を更に精
密に測定するために更に高い性能を有する光学機
器の需要が増大している。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の機器は比色定量および成分分析用の両
方に用いられるよう設計されていて、高速度計測
においてより高い精度を達成し、従来技術の高速
計測系を用いた場合よりも更に暗いサンプルの分
析をすることができる新規の光学系を備えること
によつて上記従来技術の光学分析器を改良したも
のである。本発明の機器では、高速度で振動する
凹面ホログラフイツク回折格子を用いて、該格子
によつて波長を変化させて生ずる単色光の高速掃
査が行われる。凹面回折格子では格子の線はホロ
グラムの技法で作られる。凹面ホログラフイツク
格子は市場で入手でき、米国ニユージヤシー州、
メツチエンのJ.―Ｙ回折格子会社で市販されて得
られる。凹面格子を用いることは平面状格子を用
いるより好ましい。その理由は平面格子において
は三個以上の光学素子が必要とされるのに対し、
凹面格子においては単一の光学素子を使用すれば
よい場合があるからである。その結果校正段階で
のアライメントが単純化され精密な機構をもつ光
学台の費用が低減する。凹面ホログラフイツク格
子を用いると、例えば或る場合Ｆ／１よりも低い
Ｆ数で光学系の設計が可能である。高性能の平面
格子系は通常Ｆ／４及びそれ以上に限定される。
低い光学的Ｆ数によつて多量の光エネルギーが光
学系を通過することができ、それによつて本発明
は従来の光学分析器で可能であつたよりもさらに
暗いサンプルの分析をすることができる。更に、
ホログラフイツク格子はゴーストがなく溝付格子
に比して迷光のレベルが低い。本発明の光学系で
用いるホログラフイツク格子の他の利点は、高い
エネルギーの光束が維持されている間に極めて高
い格子密度によつて高い分解能を得ることができ
ることである。ホログラフイツク格子の他の利点
は非点収差に対しては補正されており、球面収差
とコマ収差も少なくなつていることである。

本発明のホログラフイツク格子は新規のカム駆
動装置で極めて高速度で振動される。カム駆動は
二個の同一形状の共役なカムを用いて両方向に格
子を確実に回転させる。各カムは、格子の回転方
向の位置が変化すると格子出力が線型に変化する
ように、形が選定されている。カムはまた、別の
回折格子が同じカム駆動で別の波長範囲に対して
も用いられるような形になつている。

凹面ホログラフイツク格子を用いることによ
り、入射スリツトを通して該回折格子方向に進行
する光線は、入射スリツトと回折格子を通つて画
かれる円周上に焦点を結ぶスペクトル成分に分散
される。これらのスペクトル成分が焦点を結ぶ円
周は、ローランド円として知られている。出射ス
リツトは、格子が振動して、波長範囲を走査する
とき、格子によつて分散されるそれぞれのスペク
トル成分が最もよくフオーカスし、収差が最も少
くなるための最適の位置に置かれる。

ホログラフイツク格子は高速度で振動させられ
るので、高速走査技術を用いることによつて、本
発明は、多くの周期にわたる平均によりノイズを
除去することを可能にする。更に詳しく述べれ
ば、本発明の光学系では、格子は毎分約300サイ
クルで振動しこれは、１サイクル当り２回走査す
るときは、毎秒10回の走査である。各走査の終り
には、ドリフト補正（ゼロ点補正）のため暗周期
が設けられている。暗周期は180゜の間隔をおいて
配置された２個のダークセグメント（不透過部
分）を有するフイルターホイールによつて与えら
れる。フイルターホイールは格子のカム駆動に同
期され、その結果それぞれのダークセグメント
が、振動サイクルの一方の最端位置における格子
の向きに対応する。出力は暗周期の間、光検出器
で測定されて所要のドリフト補正を行なう。

本発明のサンプル分析用光学装置は入射スリツ
トの所で偏光子を用いて入射スリツトを通つて格
子を照射する光を偏らせる。偏光子は偏光軸が変
りうるよう90゜まで回転されることができる。

本発明は更に光学系の最適要件に適合するよう
に光源の形状と大きさを変更する新規な技術を供
する。広いスペクトル帯域の光を発生するために
白色光源を必要とするこの光学装置は、一般に典
型的な場合としてタングステンフイラメントを含
む白熱電球を用いる。市販の電球のフイラメント
の形状と寸法は限られていて、通常は光学系の最
適要件を満すには不適当である。したがつて本発
明においては、実際のフイラメントの上またはそ
の下に、フイラメントの像ができるような、光源
に対する位置に、反射器を設けることにより、フ
イラメントの長さは実質的に２倍になり、その結
果「長く延びた」フイラメント光源の像によつて
入射スリツト全体を完全に照射することができ
る。本発明の他の実施例では、円形の光源に近似
するため、正方形の形をした光源を作るようにフ
イラメントの像がフイラメント自体の隣にできる
位置に反射器が置かれる。

フイラメントを長くするため、上記のように光
学系を変更することにより、本発明におけるスリ
ツト光学の縦横比を最適にすることができる。入
射スリツトの高さの、幅に対する比の代表的な数
値は約5.5であるので、上記の光学的な変更によ
つてフイラメントの高さと幅に対する比を同じ
5.5の割合に近付け、それによつてスリツト全体
を光源の光で完全に照射することができる。ま
た、ほぼ円光源を生ずる他の光学的変更によつて
サンプルに白色光を投射するための理想的光源の
形が得られる。

光源の形を変更する両種の技術は、反射器が反
射器を通る垂直軸に対して傾斜することができ、
かつ、光源の光軸と共通な軸の周りを回転するこ
とができるように製作された単一の構造によつて
達成される。垂直軸の周りの反射器の傾斜と光軸
の周りの反射器の回転位置を正確に調節すると、
フイラメントの像はフイラメントの有効長を倍に
する位置か、または四角に拡げる位置かの何れか
に位置することができる。

本発明のサンプル分析用光学装置には、光が通
過する球面レンズの高さの像を格子上につくるた
めに入射スリツトのところに第１の円筒レンズを
用いている光学レンズ系の一実施例における独特
の配置がある。このように配置することによつて
確実に、光源の照射の格子面上における鉛直方向
の寸法を、格子の高さに対応させることができ
る。次に、出射スリツトの幅の虚像を格子上に結
ばせるため、第２の円筒レンズが出射スリツトの
所に設けられている。このようにすることによつ
て、格子上に結像する出射スリツトの幅と格子の
高さは格子の振動と関係なく一定であるので、格
子は、その振動に関係なく、形とサイズが一定の
単色光像をサンプルに投射する。

一定大さの単色光の像の投影は上記の実施例に
おいてレンズを追加し更に前記単色光の実像が投
影される点に可変口径の絞りを設けることにより
完成される。絞り口径のサイズを変えることでサ
ンプルに投影される照射の量とサイズが調節され
る。

本発明の実施例には光検出器が設けられてい
て、サンプル内を透過した光か、またはサンプル
で反射した光かを、どちらか好ましい方の応用に
従つて検出する。又本発明はサンプル内を透過
し、またはサンプルで反射された光を有効に集め
る光フアイバーを具えることによつて改変された
出力検出装置を備えている。光フアイバーの出力
は、サンプルのスペクトル分析のため光検出器に
集光される。

本発明のサンプル分析用光学装置には、サンプ
ルに単色光ではなくて白色光を投影するため既に
述べたほぼ円形の光源を用いる、他の光学的装置
がある。この例ではサンプルは光学系の入力側に
置かれ、サンプルからの反射光又はサンプル内透
過光は、例えば円形に配列した多数の光フアイバ
ーで集められる。この光フアイバーアレイの他端
は直線状に配列されてそれによつて光フアイバー
の末端が入射スリツトを形成する。光は光フアイ
バー中を内部反射で確実に伝達されてこのように
作られた入射スリツトを完全に満す。この光フア
イバーアレイの光学的パラメータは、各光フアイ
バーが、サンプルで反射され又はサンプルを透過
した光の光円錐（それは、格子の受光角と角度が
等しい）を受光するように選ばれる。したがつ
て、光フアイバーアレイによつて伝送され、光フ
アイバーの直線状に配列した端部から出射する光
は、その光フアイバーアレイによつて受光されて
伝送されたすべての光によつて、格子の鉛直方向
の長さが完全に満される角度で、振動している格
子上に投影する。この改良された設計により、サ
ンプル内を透過した光強度又はサンプルで反射さ
れた光強度を、回折格子型モノクロメータによつ
て、最適に利用することができる。この実施例の
格子は、前記のように極めて高速度で振動され、
出射スリツトの位置で光のスペクトル分散をす
る。出射スリツトを通るスペクトル光はサンプル
のスペクトル分析用光検出器で検出される。

本発明の他の目的及び利点は添付図面に就いて
考案された具体例の次記詳細な記載を参照して理
解される。

（実施例） 第１図の概略図において、光学系のある要素の
間隔は解り易くするため誇張して示されている。
第１図に示すようにタングステンフイラメント電
球の光源１は広帯域スペクトルの白色光を発光す
る。タングステンフイラメントからの光は、球面
レンズ２で集められ入射スリツト４に像を結ぶ。
円筒レンズ３によつて、参照番号５で示されてい
る凹面ホログラフイツク格子の適当な範囲の照射
が行われる。レンズ３はスリツト４から間隔をお
いて示されてはいるが、実際にはスリツト４に直
ぐ近接して置かれている。

フイルタ３ａと円筒レンズ３の間の光路には、
直線的に光を偏らせるため偏光子３ｂが設けられ
ている。偏光子は光軸の周りを90゜回転し、それ
によつて偏光軸を変えることができる。偏光子に
よつてサンプルを偏光で照射することが可能にな
り、偏光軸がサンプルの成分を最も正確に決定す
るために実験的選定されるような、成分分析の応
用に有用である。

本発明の新規な光源の光学系は、第２図に更に
明瞭にされている。第２図で反射子６は、タング
ステンフイラメント光源１のフイラメント１ａに
関して、フイラメント１ａの像１ｂがフイラメン
ト１ａの直ぐ上に形成され、それによつてタング
ステンフイラメントの長さを実質的に二倍にする
ような位置に置かれている。この光学的な変形
は、本願の光学系で重要である。それは、市販の
タングステンフイラメントランプは、モノクロメ
ータの光学系に普通に用いられるスリツト４のよ
うに入射スリツトの高さ対幅の比に相当する、高
さ対幅の比のフイラメントを有していないからで
ある。反射子６によつてフイラメント１ａの長さ
を実質的に二倍にすることによつて、入射スリツ
ト４の縦横比にほぼ対応する直線型フイラメント
の光源が得られる。球面レンズ２は、入射スリツ
ト４にフイラメントと隣接するフイラメント像と
の像を作り、それによつて入射スリツト４の全面
積が完全に照射される。円筒レンズ３の彎曲軸は
水平で、このレンズは球面レンズ２の鉛直寸法を
格子５上にフオーカスさせ、格子面上における照
射の鉛直寸法を格子の高さに対応するようにさせ
る役をする。赤外線を除去する赤外線フイルタ３
ａが迷光と迷光源から発する不必要な熱エネルギ
ーを減らすために設けられている。又サンプルの
赤外分析のため光学系の格子及び他の要素が選択
される場合には、赤外照射線を通過させるため
に、赤外線フイルタ３ａに代るフイルタを用いる
ことができる。

第３図の断面図は、フイラメントの像を所望位
置に形成するよう反射鏡６の位置を調節するため
の反射鏡の取付機構である。第３図に図示されて
いるように、光源１は管４１内に取付けられ、該
管４１にはレンズ２が管４１の中心線と光軸を一
直線にそろえて取付けられている。レンズ２は実
際にはスリーブ４３内に取付けられ、該スリーブ
は管４１中を軸方向に滑動することができて、レ
ンズ２の焦点を正しく調節するため、レンズの軸
方向位置を調節することができるようになつてい
る。反射鏡６は支持部材４５に取付けられ、該支
持部材は中空で円い支持部材４７にピボツトでさ
さえられている。又支持部材４５はそのピボツト
軸がレンズ２の光軸と垂直で反射鏡の表面の中央
部と一直線になるように位置した軸４９上で支持
部材４７に対してピボツト支えされている。止め
ねじ５１が支持部材４７の背壁にねじ込まれてい
て、軸４９から間隔をおいて置かれた支持部材４
５の裏面と係合している。圧縮ばね５３が支持部
材４５の裏面と支持部材４７の背壁の間にあつ
て、止めねじ５１の反対側で軸４９から間隔をお
いた支持部材４５の背壁と係合している。止めね
じ５１が進むと、支持部材４５をピボツト回転さ
せ、反射鏡６を軸４９上でばね５３の圧力に抗し
てピボツト回転させる。それで止めねじ５１を調
節して支持部材４７に対する反射鏡６の傾斜位置
が調節される。支持部材４７は円筒表面５５を形
成し、該円筒表面は管４１の外側の円筒面と係合
し、支持部材４７は管４１に対して、レンズ２の
光軸の周りに回転が可能である。

フイラメントの像を、第２図に図示されている
ように、フイラメント自体と一直線上に位置させ
るために、第３図に図示されている機構を用いる
ためには、支持部材４７に対する反射鏡６の傾斜
位置が止めねじで調節される。この調節によつ
て、フイラメント１ａの像１ｂはフイラメント１
ａから選ばれた距離に位置し、反射鏡が軸４９を
軸としてピボツト回転すると、その距離も変る。
反射鏡６がピボツト回転して像１ｂがフイラメン
ト１ａから間隔をとると、管４１の周りに支持部
材４７が回転することによつて像１ｂが像１ａの
周りに回転する。それで支持部材４７に対する反
射鏡６の傾斜位置と、管４１と光源１に対する支
持部材４７の回転位置を組合せて調節すると、フ
イラメントの像１ｂを第２図に示す位置に移動さ
せることができ、その位置では像１ｂは、フイラ
メント１ａと一直線に並び、かつフイラメント１
ａから連続して延びる程度に距たつている。フイ
ラメントの像が光源を正方形にする位置に置かれ
るという本発明の他の例についても第３図に図示
されている機構が用いられる。これについては後
に詳記する。

格子５は先に述べた型式の凹面ホログラム格子
で、第１１図を参照して後記するカム駆動機構で
第１図の矢印で大体示されたように両方向に高速
度で振動される。格子５の振動はフイルタホイー
ル７の、軸の回りの回転と同期され、その同期比
は第１図に格子５からフイルタホイール７へ概括
的に破線で示されている。

ホログラフイツク格子５は入射スリツト４を通
して格子上に結像している白色光を、スペクトル
成分に分散して出射スリツト８の位置でフオーカ
スさせる。又サンプルの赤外分析が意図される時
には赤外線を分散させるホログラフイツク格子が
用いられる。

円筒レンズ９の弯曲軸は、その弯曲軸が水平で
ある円筒レンズ３とは異なり、鉛直であつて、円
筒レンズ９によつて出射スリツト８の幅の虚像が
格子５上にできる。格子５上に像を作つた出射ス
リツト８の虚像の幅と格子の高さは、格子の振動
に拘らず一定であるので、格子で分散された光に
よる、サンプルへの一定サイズの照射は、たとえ
格子が振動していても効果的に達成される。格子
５の振動は、波長を変えるけれど、サンプル上の
照射の大きさや形状を変えない。

一定寸法の単色光を投影することは、この実施
例の独特な出力光学系を含み第１図に示されてい
る付加的なレンズ及び鏡で達成される。円筒レン
ズ９によつて格子５上に出射スリツト８の幅の像
ができるので、格子の高さと出射スリツトの幅の
虚像との合成形状をもつ像物体は格子５の位置に
形成される。フイルタホイール７を光束が通過し
た後、光束は鏡１０で球面レンズ１１に反射され
る。球面レンズ１１はスリツトの幅と格子の高さ
との合成（前記像物体）の実像を、可変口径の絞
り１２の位置に形成する。スリツトの幅は一定
で、格子の高さが一定であるので、絞りアパーチ
ヤー１２に作られたこの実像は一定サイズのもの
である。もし、仮に円筒レンズ９がなければ、絞
り孔１２に作られる像の幅は、格子がその回転角
度を変えると、変化することになろう。絞りアパ
ーチヤー１２の開き（Ｆ―数）のサイズを変える
ことによつて、サンプル１５を照射するために絞
り孔１２の位置で上述したように作られた実像か
らの照射の量及び大さが制御される。絞り１２の
位置で作られた像よりの照射は、次に、鏡１３で
球面レンズ１４に反射され、該レンズは絞り１２
の位置で作られた像を写して、支持板１６に置か
れているサンプル１５にその像を結ばせる。絞り
１２における像は一定サイズのものであるので、
サンプル上の像も一定のサイズである。サンプル
１５から拡散的に反射された光は、次に、スペク
トル分析用の光検出器１７によつて検出される。

第４図は第１図の実施例の変形を説明する図
で、サンプル１５は、単色光がサンプルを透過す
るように置かれている。絞り１２からの照射光
は、鏡１３で反射され、球面レンズ１４によつ
て、サンプル１５を経て拡散白色反射体１８上に
像を結ぶ。サンプル１５を透過した放射は白色反
射体１８で反射され、続いてサンプルをスペクト
ル分析するため、光検出器１７で検出される。あ
るいはまた、サンプル１５は、第１図の可変口径
絞り１２に近付けて置かれてもよく、その結果、
絞りアパーチヤー１２を通過し、サンプル１５を
透過した照射光が、続いて光検出器１７によつて
検出される。

第１図のフイルタホイール７は、格子５の振動
と同期するようモータで駆動される。第７図を参
照すると、フイルタホイール７の平面図が図示さ
れている。フイルタホイール７は180゜間隔をおい
て配置された二個のダーク（不透過）セグメント
７ａとこの二個のダークセグメント間に亘る二個
の円形切片７ｂを具えている。各円形セグメント
は狭い帯域幅のフイルタで、フイルタホイール７
の頂部に近い各セグメントはフイルタホイールの
底部に近い部分より長い波長を通すように直線的
に変る波長透過帯域を有する。フイルタホイール
７はフイルタの片側が、不透過又はダークセグメ
ント７ａの中央を通る直線について、他の側の鏡
像であるように造られる。

格子５が一回完全に振動する毎にフイルタホイ
ール７は、その軸の周りを360゜回転し、且つ格子
の振動サイクルにおける格子の対応する各最端の
位置で、出射スリツト８を通る光を遮断又は閉塞
するように各ダークセグメント７ａの位置を定め
て配置されている。光学系の出力は之等のダーク
期間に光検出器１７で測定され、必要なドリフト
補正がされる。フイルタホイール７は迷光を制限
ばかりでなく、一次光の半波長の二次光を除去す
る。例えばもし光が出射スリツトを800ナノメー
タの波長で透過されていると、400ナノメータで
透過される光もある筈である。フイルタホイール
７は又この光を除去する役をもする。

第５図と第６図は夫々第１図と第４図のサンプ
ルと関連する光学系を更に変形したものである。
第５図では、例えば、第１図でのようにサンプル
１５によつて反射された光を直接受けるように光
検出器１７を位置決めする代りに、光フアイバー
２０が配設され、この反射光を集めて内部反射で
反射光を光検出器１７に伝達する。光フアイバー
は、各繊維束の端面２０ａが、サンプル１５によ
つて反射された照射光を集めるように円錐曲線上
にサンプル向かつて円形分布を形成する位置に位
置決めされるように、配置される。前記端面２０
ａは円錐の支持部材５５に取付けられ、該支持部
材はそれによつて反射された迷光の量を減らすた
め透明に作られている。第１図のように、鏡１３
は絞り１２の位置で作られた像の照射を反射し、
この像はレンズ１４によつてサンプル１５上にフ
オーカスされる。サンプルで反射された照射光
は、光フアイバーによつてその端面２０ａにおい
て集められて光フアイバーの反対端面２０ｂに伝
送される。端面２０ｂは円形を作るように平面に
配置される。端面２０ｂから出射した光は、次に
レンズ１９によつてスペクトル分析のため光検出
器１７上に集光される。光検出器は光フアイバー
の端面２０ｂで形成された円より実質的に小さ
い。レンズ１９は端面２０ｂから出射した光全部
を、光検出器のサイズに、そのサイズが対応する
光検出器上にスポツト状に集光される。

第６図には、第４図において既に図示されてい
るサンプル１５内を通過した放射の光検出に関し
同じような変形が示されている。単色光は、レン
ズ１４によりサンプル１５を通して白色拡散反射
体１８上に集光される。反射体１８で反射された
光は光フアイバー２０の端面２０ａに入る。この
光フアイバーは支持部材５５に円錐状に円周上に
分布して配置されており、前記反射された光は光
フアイバー２０で反対の端面に送られ、第５図に
ついて説明したように光検出器に投影して検出さ
れる。又サンプル１５は第１図の可変口径の絞り
１２に近接して置かれてもよく、その場合には、
絞り孔１２を通つてサンプル１５内を透過した照
射光は、光フアイバー２０で集められてこれを通
つて伝送された後に、引続いて光検出器１７で検
出される。

本発明の第２具体例の斜視図が第８図に示され
ている。タングステンフイラメント光源２１から
の広スペクトル帯域の白色照射光が図示の光学系
で投射されてサンプル２８に照射のスポツトを形
成する。第９図には新規な光源系がさらに明らか
に示され、同図ではフイラメント２１ａを具えて
いるタングステン光源２１が示されている。この
実施例では、サンプルが第１図に用いられている
単色光照射ではなく白色光で照射されるので、サ
ンプルに投影される照射の理想の形はスポツト光
又は円形光でなければならぬ。タングステンフイ
ラメントは通常円形に形成されないので、この目
標達成のため本実施例では、タングステンフイラ
メントの光源を光学的に修正することが意図され
ている。この目的のため、反射鏡２２は、第８図
に示されているように、フイラメント２１ａの像
２１ｂをフイラメント自体の側に形成するように
位置決めされている。このように形成された光源
は、正方形として形成され、正方形光源は直線状
フイラメントよりも更に円形の理想形に近似して
いる。正方形フイラメント光源はレンズ２４によ
つてレンズ２７上に像を結ぶ。後者のレンズ２７
は更に、絞り２５の位置における照射光の像をサ
ンプル上に投影する。可変口径絞り２５はレンズ
２４に近接して置かれ、サンプルに投影されてい
る照射のサイズ、したがつて照射量を制御する。
鏡２６は光源からの光照射をサンプルに向け上向
に折曲げるのに必要である。赤外線フイルタ２６
ａが迷光と迷光の光源によつて生ずる不必要な熱
エネルギーを除去するために設けられている。更
に格子及び光学系の他の成分がサンプルの赤外分
析のために選ばれる場合には、赤外線フイルタ２
６ａの代りに、赤外線を通過させるためのフイル
タを用いることができる。

上記のように二個のレンズ２４と２７を用いる
利点は、このように配置するとサンプル上にサイ
ズが可変のほぼ丸い光スポツトが生ずるというこ
とである。反射鏡２２の操作で、フイラメント自
体の隣にフイラメントの像を作ることにより、光
源の形がほぼ正方形に作られるため、レンズ２４
を通る照射光は実質的にレンズ２４全体を照射す
る。その結果、レンズ２７がレンズ２４に近接す
る絞りの像をサンプル２８にフオーカスすると、
サンプル上に殆んど均一な光の円が発生する。フ
イラメント２１ａと像２１ｂが正方形を作るよう
に像２１ｂの位置決めをするためには、第３図に
図示された同じ機構が用いられる。したがつて、
単一の製造部品が、サンプルが広帯域光で照射さ
れる実施例と、光が格子で分散された後サンプル
が狭い帯域光で照射される実施例の両方に役立
つ。

全体の入力光学系は第１１図に略図で示され、
この図は第８図の一部の縦断面図である。上記光
学系によつて支持板３４の上に置かれてあるサン
プルに投影された円光又はスポツト光は、サンプ
ル２８によつて拡散的に反射される。反射された
照射は光フアイバーアレイ（光フアイバーの配列
体）２９の端面で集められる。この光フアイバー
アレイ２９は一方の端部が円錐曲線上に配置され
た多数の個々の光フアイバーから成り、サンプル
からの反射した照射を受けるようになつている。
光フアイバーの端は円錐部材５５に取付けられ、
該円錐部材は支持部材で反射された迷光量を減ら
すよう透明に作られている。他方の端部では、光
フアイバーアレイ２９の光フアイバーの端が直線
的に配列されて入射スリツト３０が形成されてい
る。サンプル２８で反射した光は、内部反射によ
つて光フアイバー内を有効に伝送されて、入射ス
リツト３０を完全に満す。光フアイバーアレイ２
９の光学パラメータは、各光フアイバーがサンプ
ル２８によつて反射された光の光円錐（この光円
錐は格子３１の受光円錐と角度が等しい）を受光
するように選定される。

再び第８図について、光フアイバーアレイ２９
によつて伝送され、光フアイバーアレイによつて
形成される直線状端面３０から出射された光は、
光フアイバーアレイ２９によつて受光され伝送さ
れたすべての光が格子３１を完全に満す角度で、
格子３１上に投射される。光フアイバーアレイ２
９を用いる、この改良された設計によつて、サン
プル２８によつて反射され、光フアイバーアレイ
２９を通して伝送された光の強度を格子３１によ
つて最適に使用することが可能になる。

この実施例の格子３１は第１図の実施例につい
て既に述べたように高速度で振動し、出射スリツ
ト３２の位置において、分散されたスペクトル光
の高速走査を提供する。出射スリツト３２を通る
単色光は、サンプルのスペクトル分析用の光検出
子３３で検出される。又サンプルの赤外分析が意
図されている場合には、赤外線を分散するホログ
ラフイツク格子が用いられる。

第７図のフイルタホイール７と同一構造のフイ
ルタホイール７が第８図の出射スリツト３２の直
ぐ後に置かれている。フイルタホイール７は、第
１図のフイルタホイール１と同一目的のために格
子３１の振動と同期される。

第８図の実施例は、第１０図に示されているよ
うに、サンプルを透過した光を検出するように変
形することができる。サンプル２８は、サンプル
２８を通して透過された光源のスポツトが、拡散
白色反射体３４ａによつて反射されるように配置
されている。反射光は、第８図について述べられ
ているように、光フアイバーアレイ２９の端面に
よつて集められて、内部反射により、アレイ２９
の個々の光フアイバーを通して入射スリツト３０
を形成する反対側の端に伝送される。動作は上記
第８図について記載されたのと全く同じである。

第１２図は、第１図の格子５又は第７図の格子
３１を非常に高速で振動させるためのカム駆動装
置を略図で示している。カム駆動装置は二個の同
一のハート形共役のカム３５，３６を用い、矢印
で示すように格子を両方向に駆動させる。カムの
形は格子の出力を格子の角度位置に対して直線的
に変え、更に、他の応用のために、異る格子を同
じカム駆動で用いることができるように選ばれて
いる。各々の共役カムは、第１２図に３５ａ，３
６ａとして画かれ、各カムと連動するカムフオロ
ワー（タペツト）を具えている。共役カム３５，
３６は高速モータ３７によつて歯車３８，３９を
介して駆動される。カムフオロワー３５ａ，３６
ａは、モータ３７により歯車３８，３９を介して
駆動されるピン４０により、カムがカム軸の周り
を廻転する時、夫々のハート形カム３５，３６の
側面に追随する。カムフオロワーが共役カムに追
随する時、カムフオロワーは格子を極めて高速に
振動させる。

第１３図と１４図は、振動サイクル中の格子の
両極端位置と共役カム並びにそのカムフオロワー
の夫々の位置を第１２図の上方から見た平面図の
略図である。第１３図では例えば格子は、カムフ
オロワー３６ａがカム３６の最大偏心距離にあ
り、一方カムフオロワー３５ａはカム３５の最小
の偏心距離にある状態に対応した、振動サイクル
中の１つの最端位置において示されている。第１
４図では格子の反対の最端状態が示され、それに
おいてはカムと之等のカムフオロワーに関し、反
対の関係が存在する。第１４図では、カムフオロ
ワー３５ａはカム３５の最大偏心距離にあり、一
方カムフオロワー３６ａはカム３６の最小偏心距
離にある。

上記のカム装置で振動中の格子の加速と減速は
カム面の中の一つがカムフオロワーを押圧する作
用によつて行われ、カムフオロワーのどちらも対
応するカム面との係合状態を保持するために、ば
ねを必要としない。その結果カム駆動はホログラ
フイツク格子を、例えば300サイクル／分という
極めて高速で振動させることができ、それによつ
て格子は出射スリツトを毎秒10回、高速で走査す
ることができる。この高速走査によつて本発明で
は、多数の振動サイクルにわたつて平均すること
によりノイズを除去することができる。

第１図と第８図の実施例において、フイルタホ
イール７の回転は勿論、上記したように第１２図
のカムと同期し、フイルタホイール７の毎回の回
転が格子の完全な一回の振動サイクルに相当す
る。更に前記のように、フイルタホイール７は、
格子とカム駆動が第１３図に示す位置にある時フ
イルタホイール７の一方のダークセグメント７ａ
が光路を遮閉するように、最初に配置されてい
る。フイルタホイール７の反対側のダークセグメ
ント７ａも、格子とカム駆動が第１４図に図示さ
れている位置にある時同じように光路を遮閉す
る。フイルタホイールの回転が格子振動と同期さ
れる正確な方法は図面に示されていないが、例え
ば第１２図のフイルタホイール駆動用のモータ３
７、歯車３８，３９と組合される付加の歯車によ
つて、当業技術者には容易に実施できる。

本発明は本発明の真髄又は本質的特性を逸脱し
ないで他の特定の型式で具現化することができ
る。従つてこの具体例は例示的であり、非限定的
と考察される。本発明の範囲の上記の記載ではな
く添付の特許請求の範囲に示される。特許請求の
範囲と同等な解釈及び範囲内の凡ゆる変更はその
内に包含されるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は振動するホログラム格子を用いる本発
明の具体例の略図的斜視図でサンプルで反射され
た単色光放射がスペクトル分析用に検出される。
第２図は第１図の光源装置を示す略図、第３図は
光学系の光源装置の一部取付を示す断面図、第４
図は第１図の変形例を略図としたものでサンプル
を透過した単色光放射がスペクトル分析用に検出
される。第５図は第１図の別の変形例を略とした
もので、サンプルで反射した単色光放射がフイル
タ装置で集められて光検出素子に送られる。第６
図はサンプルを透過した放射を集めるよう第５図
と同じように図示した略図である。第７図は本光
学系に用いられる分割フイルタを示す。第８図は
振動のホログラフイツク格子を用いる本発明の第
二具体例の斜視図で、サンプルから反射された白
色照射がフイルタで集光されスペクトル分析のた
め分散及び検出用の格子に伝送される。第９図は
第８図の光源入力装置を示す略図、第１０図は第
８図の変形例の略図で、光フアイバーがサンプル
を透過した照射を集光する。第１１図は第８図の
一部の平面略図で光源装置と第二具体例に用いら
れる光フアイバーを示す。第１２図は本発明に用
いるカム駆動構造を示す斜視図で、ホログラフイ
ツク格子を高速度で振動させる、第１３図と第１
４図は格子の振動中カムとカムフオロワーの二つ
の別位置を第１２図の上方から見た平面図の略図
である。 １……タングステンフイラメント光源、２……
球面レンズ、３……円筒レンズ、４……入射スリ
ツト、５……格子、６……反射子、７……フイル
タホイール、８……出射スリツト、９……円筒レ
ンズ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 入射する光放射を狭い帯域巾の成分に分散さ
   せるために作動させうる凹面回折格子と、前記回
   折格子を往復運動させる手段と、往復運動してい
   る格子に光放射を投射させる光学的手段と、前記
   光学的手段と格子間に置かれた入射スリツトと、
   前記格子で分散された光放射を受けるために置か
   れた出射スリツトと、前記出射スリツトを通過し
   た光放射を検出する光感知手段と、前記分散した
   光放射の通路に位置しその異る角度位置で異る波
   長を透過するフイルタをもつ少くとも１つの、光
   を透過するセグメントを有するホイールと、前記
   格子の往復運動と同期して前記ホイールを回転さ
   せる手段を有し、前記ホイールは光を透過しない
   ダークセグメントを備え、前記格子が一方の最端
   位置にあるときに出射スリツトを通つた光放射を
   遮断するように、前記ホイールを回転させる手段
   がダークセグメントを位置させるために、配置さ
   れているサンプル分析用光学装置。 ２ 前記格子を往復運動させる前記手段は、往復
   運動の両方の方向においてカム表面による駆動を
   前記格子に与える共役カムを備えている特許請求
   の範囲第１項に記載のサンプル分析用光学装置。 ３ 前記光学的手段は、フイラメントランプと、
   前記フイラメントランプのフイラメントと並んで
   それに近接して前記フイラメントランプの実像を
   生成する反射子手段と、前記入射スリツトの全面
   積に光を照射するために前記フイラメントとそれ
   に近接して並んでいる該フイラメントの像との合
   成像物体の像を前記入射スリツト上にフオーカス
   する手段を含んでいる特許請求の範囲第１項に記
   載のサンプル分析用光学装置。 ４ 前記出射スリツトの幅の虚像を前記格子上に
   生成するように該出射スリツトを通過する光路上
   に位置ぎめされた円筒レンズと、前記格子の位置
   における前記出射スリツトの幅の虚像と該格子の
   高さとの合成の実像を前記円筒レンズを通過する
   放射からフオーカスし、かつ該放射をサンプル上
   に投射する光学手段と、前記サンプルからの放射
   を検出する光感知手段をさらに有する、特許請求
   の範囲第１項に記載のサンプル分析用光学装置。