JPS6366423A - 分光照射装置 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、モノクロメータを利用した分光照射装置に関
する。

（従来の技術） この種の分光照射装置において、分光すべき多色光を効
果的に集光してこれをモノクロメータの入射スリットに
入射する技術は、モノクロメータの出射強度を上げるた
めに重要な技術である。また、モノクロメータの出射光
を、例えば物質の励起のためにこれに照射するような場
合に、単位面積当りの照射光の強度をいかに向上させる
かは出射光の効果的な集光技術の如何にかかっている。

特に、レンズの素材の屈折率が急変する紫外領域では、
効率的な集光はきわめて重要である。

従来、モノクロメータの入射スリットの位置へ集光する
には次のような光学素子を利用している。

すなわち、（１）凹面鏡、（２）楕円面鏡または放物面
鏡、（３）凸レンズ（単レンズまたは複合レンズ）を利
用している。

（発明が解決しようとする問題点） これらの光学素子のうち、凹面鏡は、反射による集光な
ので、色収差が無くて良い。しかし、必ずある角度で反
射させて用いるので非点収差が避けられず集光効率は低
下する。また、実際の光学配置上関口角を大きくとれな
い。さらに、光源から入射スリットまでの光軸が一直線
でないので装置の構成上不便である。

楕円面鏡または放物面鏡は各種の収差に関しては問題が
少ない。しかし、やはり光軸が一直線でないので装置の
構成上不便である。そして高価である。

凸レンズは光軸が一直線となり使用に便利である。そし
て、開口角はかなり大きくとれて集光効率も上がる。し
かし、単レンズの場合、球面収差や色収差が大きい。球
面収差は、レンズの断面形状のベンディングおよび複数
レンズへの分割によりある程度補正が可能であるが、色
収差の問題が残る。広い波長領域をカバーするモノクロ
メータにあっては、ある特定波長で焦点を合わせても、
この特定波長から波長が遠く離れるほど入射スリット上
で焦点が合わなくなり、集光効率が低下する。この問題
を解決するため屈折率の異なる異種素材を組み合わせた
複合レンズ系を用いて色収差の補正を行うことも考えら
れる。この場合、素材によっては紫外線あるいは赤外線
を吸収遮断するので可視光領域でしか使えない。一般に
、普通のガラスは紫外線を通さない。紫外線を通す材質
は石英や螢石であり、これらの材質で複合レンズを作っ
た場合には色収差の補正はある程度可能である。しかし
、紫外から赤外にわたる広い波長領域で完全に色収差を
補正することは不可能である。

また、螢石は加工しにくく高価である。

したがって、本発明の目的は、モノクロメータの入射ス
リットへの集光およびモノクロメータの出射光の試料へ
の集光にあたって、配置に便利な凸レンズ系を利用でき
、しかも、色収差を完全に取り除くことのできる分光照
射装置を提供することにある。

（問題点を解決するための手段） 前記目的を達成するために本発明による分光照射装置は
、光源と、モノクロメータと、モノクロメータの入射ス
リットと光源との間に配置して光源の光を入射スリット
に集める光学系と、モノクロメータの出射スリットと試
料との間に配置してモノクロメータの出射光を試料上に
集める凸レンズ系を有する分光照射装置において、モノ
クロメータの出射光が試料の位置に結像できるように前
記凸レンズ系を光軸に沿って移動できる構成としたもの
である。

色構成は、光源と、モノクロメータと、モノクロメータ
の入射スリットと光源との間に配置して光源の光を入射
スリットに集める第１の凸レンズ系と、モノクロメータ
の出射スリットと試料との間に配置してモノクロメータ
の出射光を試料上に集める第２の凸レンズ系を有する分
光照射装置において、第１の凸レンズ系と第２の凸レン
ズ系をそれらの光軸に沿ってそれぞれ移動可能とし、光
源からの光のうちモノクロメータの出射波長と等しい波
長成分の光が入射スリットの位置に結像できるように第
１の凸レンズ系を移動できる構成とし、さらに、モノク
ロメータの出射光が試料の位置に結像できるように第２
の凸レンズ系を移動できる構成としたものである。

上記構成によれば、本発明の目的を完全に達成すること
ができる。

（実施例つ 以下、図面等を参照して本発明をさらに詳しへ説明する
。

第１図は、本発明の一実施例を適用した分光螢光光度計
の構成図であり、コンピュータ部分以外は平面構成を示
す図である。

この分光螢光光度計は、キセノンランプ１から試料２に
至る分光照射袋にと、試料２から光検出器３および増幅
器４に至る螢光分光測定装置とに大別される。そして、
本発明の一実施例は、前者の分光照射装置に適用されて
いる。なお、光検出器３は、光電子増倍管等を使用でき
るが、波長が１１０００ｎ以上の場合にはＰｂＳ光検出
素子。

Ｇｅ光検出素子が適している。

第１図において、分光照射装置は、ランプハウス５と、
第１の凸レンズ系６と、励起用モノクロメータ７と、第
２の凸レンズ系８とを直列に配置して構成しである。ラ
ンプハウス５の内部にはキセノンランプ１を配置し、そ
の背後には反射ミラー９を設けである。

第１の凸レンズ系６には３枚のレンズを組み合わせて固
定してあり、第１の凸レンズ系６全体は第１の移動装置
１０に取り付けである。第１の移動装置１０は、入力パ
ルス数に応じて回転するステッピングモータ１１と、ス
テッピングモータ１１に接続した送りネジ１２と、送り
ネジ１２にかみあわせた移動ステージ１３とから成る。

そして、移動ステージ１３を第１の凸レンズ系６に固定
する。送りネジ１２は第１の凸レンズ系６の光軸と平行
に配置してあり、第１の凸レンズ系６はその光軸に沿っ
て移動可能となる。もちろん、ランプハウス５や入射ス
リット１４などは固定状態にある。

モノクロメータ７は、入射スリット１４と、平面反射ミ
ラー１５と、コリメータミラー１６と、平面回折格子１
７と、カメラミラー１８と、平面反射ミラー１９と、出
射スリット２０とから成る。

モノクロメータ７のこれらの構成はよく知られたもので
あり、その詳しい説明は省略する。平面回折格子１７は
モータ２１によって回転移動できて、出射スリン１−２
０に現れる出射光の波長を調整できるようになっている
。

第２の凸レンズ系８は、やはり３枚のレンズを組み合わ
せて固定してあり、第２の凸レンズ系８全体は第２の移
動装置２２に取り付けである。第２の移動装置２２の構
成は上述の第１の移動装置１０の構成と同様である。し
たがって、第２の凸レンズ系８も、その先軸に沿って移
動可能となる。

試料２から増幅器４に至る螢光分光測定装置は本発明の
実施例を構成するものではないが、その構成を簡単に説
明する。この螢光分光測定装置は、凸レンズ系２３と、
螢光用モノクロメータ２４と、光検出器３と、増幅器４
とを直列に接続して構成してあり、増幅器４の出力はコ
ンピュータ２５に入力しである。凸レンズ系２３は３枚
のレンズを組み合わせて構成しているが、そのうちの２
枚のレンズ２６．２７は移動装置２８に取り付けてあり
、残りの１枚のレンズ２９は固定状態となっている。

次に、第１図に示す分光螢光光度計の動作を、分光照射
装置の動作を中心として説明する。試料ハウジング３０
の中の試料２に、所望の波長の単色光を照射しようとす
る場合、まず、回折格子１７の回転角度を所定の位置に
調整する。その回転角度位置とモノクロメータ７の出射
波長との関係はあらかじめ求めておく。本実施例では、
キーボード３１で所望の波長をコンピュータ２５に入力
すれば、回折格子１７が所定の回転角度位置となるよう
にモータ２１が作動する。このとき、第１の凸レンズ系
６が自動的にその光軸に沿って移動し、モノクロメータ
７の出射波長に通した位置で停止する。すなわち、コン
ピュータ２５からの信号によって、第１の移動装置１０
のステッピングモータ１１が回転し、所定の距離だけ移
動ステージ１３が移動し、その結果として第１の凸レン
ズ系６が移動するのである。モノクロメータ７の出射波
長と、第１の凸レンズ系６の光軸方向の最適位置との関
係は、あらかじめキャリブレーション作業によって求め
ておき、これをコンピュータ２５に記憶させておく。こ
のキャリブレーション作業については後述する。

第２の凸レンズ系８についても、第１の凸レンズ系６と
同様に、モノクロメ−タフの出射波長に合わせて自動的
にその光軸方向の位置が設定される。

キセノンランプ１から出た多色光は、直接に、あるいは
反射ミラー９に反射して、第１の凸レンズ系６のレンズ
に入射する。第１の凸レンズ系６を通過した光は、モノ
クロメ−タフの入射スリット１４に集まる。このとき、
モノクロメータ７の出射波長と等しい波長成分の光は、
確実に入射スリット１４の位置に結像する。というのは
、そうなるように第１の凸レンズ系６の光軸方向の位置
が設定されているからである。モノクロメ−タフの出射
波長から遠く離れた波長成分の光は、入射スリット１４
の前後で結像するために、その一部しか入射スリット１
４を通過しないであろう。

入射スリット１４を通過した光は、平面反射ミラー１５
とコリメータミラー１６とを経由して、平面回折格子１
７に達する。この回折格子１７で回折した光のうち所望
の波長の光だけが出射スリット２０に現れる。出射スリ
ット２０を通過した出射光は、第２の凸レンズ系８に入
射する。そして、第２の凸レンズ系８を通過した光は確
実に試料２上に結像する。というのは、出射光の波長に
合わせて第２の凸レンズ系８の光軸方向の位置が設定さ
れているからである。

所望の波長の単色光で試料２を励起すると螢光が発生す
る。この螢光は、ある波長領域にわたったスペクトルと
なる。このスペクトルの強度を各波長ごとに測定するの
が、試料２から増幅器４に至る螢光分光測定装置である
。測定すべき波長に合わせて、あらかじめ螢光用モノク
ロメータ２４の回折格子３２を調節しておく。このとき
、凸レンズ系２３のレンズ２６．２７の光軸方向の位置
も、測定すべき波長に合わせて自動的に設定される。こ
れらの動作およびそれに先立つキャリブレーションにつ
いては、既に述べた分光照射装置の場合と同様である。

試料から出た螢光は、凸レンズ系２３に入射し、これを
通過した光はモノクロメータ２４の入射スリット３３に
集まる。このとき、測定すべき波長と等しい波長成分の
螢光は、確実に入射スリット３３の位置に結像する。と
いうのは、そうなるように凸レンズ系２３のレンズ２６
．２７の光軸方向の位置が設定されているからである。

入射スリット３３を通過した螢光は、モノクロメータ２
４を通過し、測定すべき波長の螢光だけが光検出器３に
到達する。光検出器３の出力は、さらに増幅器４で増幅
されてコンピュータ２５に入力される。

コンピュータ２５では、測定すべき波長の螢光の強度が
ディスプレイ３４上に表示される。

以上のようにして、特定の波長の単色光で試料を励起し
た場合の、特定の波長の螢光強度を測定できる。続いて
、螢光分光測定装置の測定波長を順次変更して螢光強度
を測定していけば、螢光スペクトルが得られる。さらに
、分光照射装置の設定波長を変更して同様の測定を行え
ば、異なる波長の単色光で励起した場合の螢光スペクト
ルが得られる。

ここで、コンピュータ２５と分光螢光光度計との関係を
まとめると次のようになる。分光照射装置の波長を設定
する場合には、キーボード３１で設定波長を入力する。

これに応じて、コンピュータ２５から、回折格子１７の
駆動モータ２１と、第１の移動装置１０のステッピング
モータ１１と、第２の移動装置２２のステッピングモー
タ３５とに信号が送られ、回折格子１７と、第１の凸レ
ンズ系６と、第２の凸レンズ系８とが、設定波長に適す
るように移動する０次に、螢光分光測定装置の測定波長
を設定する場合にも、キーボード３１で設定波長を入力
する。これに応じて、コンピュータ２５から、回折格子
３２の駆動モータ３６と、移動装置２８のステッピング
モータ３７とに信号が送られ、回折格子３２と凸レンズ
系２３のレンズ２６．２７とが、設定波長に適するよう
に移動する。螢光分光測定装置の増幅器４の出力はコン
ピュータ２５に入力されてディスプレイ３４上に螢光強
度が表示される。

なお、第１図では、本発明に係る分光照射装置と、螢光
分光測定装置、とを組み合わせて、分光螢光光度針を構
成しであるが、分光照射装置単独で、あるいは螢光分光
測定装置以外の装置と組み合わせることによって、本発
明を分光螢光光度計以外の用途に利用することもできよ
う。

−〔キャリブレーションの実例〕 第２図は、特定の波長の光が入射スリット１４の位置に
結像できるように第１の凸レンズ系６を光軸方向に移動
させた場合の、レンズ系の移動距離と波長との関係を示
したグラフである。レンズ系の移動距離は、波長が８０
０ｎｍのときの位置を基準とした。レンズ系がキセノン
ランプ１の方向に移動する場合を負の移動距離、モノク
ロメ−タフの方向に移動する場合を正の移動距離としで
ある。使用したレンズ系の光源側から見た開口数は０．
９６．焦点距離は４８ｍｍである。モノクロメータ側か
ら見た開口数は４．３で、使用するモノクロメータの開
口数と一致させている。

この場合、波長が６３２．８ｎｍから１５００ｎｍに変
化するに連れて、レンズ系は約２．５　ｍ　ｍだけ移動
させる必要がある。第２図に示した関係はコンピュータ
２５に記憶させてお（。

第３図は、モノクロメ−タフの出射スリット２０を通過
する特定の波長の出射光が試料２上に結像できるように
第２の凸レンズ系８を光軸方向に移動させた場合の、レ
ンズ系の移動距離と波長との関係を示したグラフである
。レンズ系の移動距離は、波長が８００ｎｍのときの位
置を基準とした。レンズ系が試料２の方向に移動する場
合を負の移動距離、モノクロメータ７の方向に移動する
場合を正の移動距離としである。使用したレンズ系の試
料側から見た開口数は０．９６、焦点距離は７５ｍｍで
ある。モノクロメータ側から見た開口数は４．３で、モ
ノクロメータの開口数と一致させている。この場合、波
長が６３２．８ｎｍから１５ＱＱｎｍに変化するに連れ
て、レンズ系は約４ｍｍ移動させる必要がある。第３図
に示した関係も同様にコンピュータ２５に記憶させてお
く。

〔実験例〕

以下の第１表は、第２の凸レンズ系８を移動可能にした
°ことに伴う集光効率の改善比を示す。レンズ系の諸元
は第３図の場合と同じである。第１表の結果の測定方法
を説明する。まず、試料２の位置に、直径１ｍｍの開口
を設けた坂を配置する。

開口の背後には光検出器を設定する。そして、モノクロ
メータ７の選択波長を５００　ｎｍに設定する。同時に
第２の凸レンズ系８の光軸方向の位置も選択波長５００
　ｎｍに適するように移動する。

この状態でキセノンランプ１を点灯させ、光検出器の出
力を記録する。このときの出力は５　ｍ　ｖである。次
に、モノクロメータ７の選択波長を１１０００ｎに設定
する。この場合、まず、第２の凸レンズ系８は波長５０
０ｎｍに適する状態のままに固定しておいて、光検出器
の出力を測定する。このときの出力は１．２５ｍｖであ
る。次に、第２の凸レンズ系を波長１１０００ｎに適す
る状態にさせて、光検出器の出力を測定する。

このときの出力は２．２５　ｍ　ｖである。２．２５　
ｍ　ｖを１．２５ｍｖで割った値が１．８０である。す
なわち、第２の凸レンズ系８を波長１１０００ｎに適す
る状態に移動させることによって、光強度が１゜８倍に
なったわけであり、集光効率が改善された。

第１表における「レンズ系固定」の意味は、上述のよう
に、第２の凸レンズ系８を波長５０Ｑｎｍに適する状態
のままに固定しておくことである。

同様に、モノクロメータ７の選択波長を１６００ｎｍま
で順次変更して、各選択波長での集光効率の改善比を求
めることができる。

第２表は、第１図に示す分光螢光光度計の全体としての
集光効率の改善比を示す。第２表を求めたときの条件は
次の通りである。試料２の位置には、幅０．５ｍｍ、高
さ２ｍｍの紙を置いて、紙の反射光を螢光分光測定装置
に入射した。入射スリット１４と出射スリット２０の幅
は、それぞれ０゜２５ｍｍとした。入射スリット３３と
光検出器３の前の出射スリット（図示せず）の幅は、そ
れぞれ５０μｍとした。第１の凸レンズ系６の諸元と、
第２の凸レンズ系８の諸元は、第２図および第３図の場
合と同じである。凸レンズ系２３の試料側から見た開口
数は０．８６．焦点距離は６５ｍｍである。モノクロメ
ータ側から見た開口数は４．３で、モノクロメータの開
口数と一致させている。第２表における「照射側非同期
」の意味は、励起用モノクロメータ７のそれぞれの選択
波長に対して、第１の凸レンズ系６と第２の凸レンズ系
８とを、波長５００ｎｍに適する状態のままに固定して
おくことである。

第１表 第２表 「測定側非同期」の意味は、螢光用モノクロメータ２４
のそれぞれの選択波長に対して、凸レンズ系２３のレン
ズ２６．２７を、波長５００　ｎｍに適する状態のまま
に固定しておくことである。「測定側同期」の意味は、
螢光用モノクロメータ２４のそれぞれの選択波長に応じ
て、凸レンズ系２３のレンズ２６．２７を、それらの選
択波長に適するように移動することである。

第２表の数値は次のように読む。すなわち、励起用モノ
クロメ−タフの選択波長と螢光用モノクロメータ２４の
選択波長をそれぞれ８００ｎｍとし、「照射側非同期」
かつ「測定側同期」の状態で、光強度を測定する。次に
、各モノクロメータはそのままの状態で、照射側と測定
側のすべてのレンズ系を最適状態（「照射側同期」かつ
「測定側同期」）にして、光強度を測定する。後者の光
強度を前者の光強度で割った数値が２．５である。

すなわち、照射側を非同期状態から同期状態にすること
によって、集光効率が２．５倍改善されたのである。さ
らに例を述べれば、各モノクロメータの選択波長を１６
００ｎｍとした場合、照射側と測定側を、共に、非同期
状態から同期状態にすることによって、集光効率は２２
倍改善されるのである。

（変形例） なお、ランプハウス５の内部にはキセノンランプの代わ
りにハロゲンランプを使うこともできる。

ハロゲンランプを使用するときは、第１の凸レンズ系は
使用せず、固定の反射ミラーを用いている。これはキセ
ノンのような発光点の小さいものではなく、フィラメン
ト面積が大きいので入射スリット開口部分をカバーして
充分あまりがあり、色収差によるボケにあまり神経質に
ならなくてよいからである。出射側（サンプル照射側）
には、もちろん第２の凸レンズ系を用いている。

（発明の効果） 以上説明したように本発明の分光照射装置は、光源から
の光のうちモノクロメータの出射波長と等しい波長成分
の光が入射スリットの位置に結像できるように第１の凸
レンズ系を移動できる構成とし、さらに、モノクロメー
タの出射光が試料の位置に結像できるように第２の凸レ
ンズ系を移動できる構成としたので、凸レンズ系の色収
差を取り除くことができて、光源から試料に至るまでの
、モノクロメータの出射波長に対する集光効率が改善さ
れるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を適用した分光螢光光度計
の構成図であり、コンピュータ部分以外は平面構成を示
す図、 第２図は、特定の波長の光がモノクロメータの入射スリ
ットの位置に結像できるように第１の凸レンズ系を光軸
方向に移動させた場合の、レンズ系の移動距離と波長と
の関係を示したグラフ、第３図は、モノクロメータの出
射スリットを通過する特定の波長の出射光が試料上に結
像できるように第２の凸レンズ系を光軸方向に移動させ
た場合の、レンズ系の移動距離と波長との関係を示した
グラフである。 １・・・キセノンランプ ２・・・試料 ６・・・第１の凸レンズ系 ７・・・励起用モノクロメータ ８・・・第２の凸レンズ系 １０．２２・・・移動装置 １４・・・入射スリット ２０・・・出射スリット

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）光源と、モノクロメータと、モノクロメータの入
   射スリットと光源との間に配置して光源の光を入射スリ
   ットに集める光学系と、モノクロメータの出射スリット
   と試料との間に配置してモノクロメータの出射光を試料
   上に集める凸レンズ系を有する分光照射装置において、
   モノクロメータの出射光が試料の位置に結像できるよう
   に前記凸レンズ系を光軸に沿って移動できる構成とした
   ことを特徴とする分光照射装置。
2. （２）光源と、モノクロメータと、モノクロメータの入
   射スリットと光源との間に配置して光源の光を入射スリ
   ットに集める第１の凸レンズ系と、モノクロメータの出
   射スリットと試料との間に配置してモノクロメータの出
   射光を試料上に集める第２の凸レンズ系を有する分光照
   射装置において、第１の凸レンズ系と第２の凸レンズ系
   をそれらの光軸に沿ってそれぞれ移動可能とし、光源か
   らの光のうちモノクロメータの出射波長と等しい波長成
   分の光が入射スリットの位置に結像できるように第１の
   凸レンズ系を移動できる構成とし、さらに、モノクロメ
   ータの出射光が試料の位置に結像できるように第２の凸
   レンズ系を移動できる構成としたことを特徴とする分光
   照射装置。