JPS6366424A - ルミネセンス分光測定装置 - 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ルミネセンス分光
測定装置に関する。

（従来の技術） この種のルミネセンス分光凍り窓装置において、分光す
べきルミネセンス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。特に、半
導体結晶の微弱な光ルミネセンスは、近赤外領域におい
て波長差が１１０００ｎ以上にわたるような広い波長範
囲で微弱なスペクトルが現れ、かつ、この波長範囲では
光電子増倍管のようなすぐれた感度をもつ光検出器は利
用できず、どうしても感度の数段劣る硫化鉛やゲルマニ
ウム等の光検出器を使用せねばならない。したがって、
このスペクトルを測定するに当たって、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１ｍの光学配置上開口角を大きくと
れない。

さらに、試料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
の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なうことも
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
リソトヘルミネセンスを集光させるに当たって、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ルミネセンス分光測定装置を提供
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ルミネセンス分
光測定装置は、モノクロメータと、モノクロメータの入
射スリットとルミネセンスを発する試料との間に配置し
てルミネセンスを入射スリットに集める凸レンズ系とを
有するルミネセンス分光測定装置において、凸レンズ系
をその光軸に沿って移動可能とし、ルミネセンスのうち
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） 以下、図面等を参照して本発明をさらに詳しく説明する
。

第１図は、本発明の一実施例を通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。この分光螢光光度計は、キセノンランプ１から試料
２に至る分光照射装置と、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、後者の螢光分光測定装置に適
用されている。なお、本発明のルミネセンス分光測定装
置なる用語は、螢光分光；判定装置と、燐光分光測定装
置と、さらにラマン分光測定装置も包含するものとする
。

第１図において、試料２から増幅器４に至る螢光分光測
定装置は、凸レンズ系５と、螢光用モノクロメータ６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７に入力しである
。凸レンズ系５は３枚のレンズを組み合わせて構成しで
あるが、そのうちの２枚のレンズ８，９は移動装置１０
に取り付けてあり、残りの一枚のレンズ１１は固定状態
となっている。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１２と、ステッピングモー
タ１２に接続した送りネジ１３と、送りネジ１３にかみ
あわせた移動ステージ１４とから成る°。そして、移動
ステージ１４をレンズ８゜９に固定する。送りネジ１３
は凸レンズ系５の光軸と平行に配置してあり、凸レンズ
系５のレンズ８．９はその光軸に沿って移動可能となる
。

モノクロメータ６は、入射スリット１５と、コリメータ
ミラー１６と、平面回折格子１７と、カメラミラー１８
と、平面反射ミラー１９とから成る。光検出器３の前に
は出射スリット（図示せず）を設けても良い。モノクロ
メータ６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２
０によって回転移動できて、モノクロメータ６の出射光
の波長を調整できるようになっている。

キセノンランプ１から試料２に至る分光照射装置は本発
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。この分光照射装置は、ランプハウス２１と
、第１の凸レンズ系２２と、励起用モノクロメータ２３
と、第２の凸レンズ系２４とを直列に配置して構成しで
ある。第１の凸レンズ系２２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２２全体は第１
の移動装置２５に取り付けである。第２の凸レンズ系２
４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２４全体は第２の移動装置２６に取
り付けである。第１の移動装置２５と第２の移動装置２
６の構成は上述の移動装置１０の構成と同様である。し
たがって、第１の凸レンズ系２２と第２の凸レンズ２４
は、それらの光軸に沿ってそれぞれ移動可能となってい
る。

次に、第１図に示す分光螢光光度計の動作を説明する。

試料ハウジング２７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、モノクロメータ２３
の回折格子２８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２３の出射波長との関
係はあらかじめ求めてお（。本実施例では、キーボード
２９で所望の波長をコンピュータ７に入力すれば、回折
格子２８が所定の回転角度位置となるようにモータ３６
が作動する。このとき、第１の凸レンズ系２２が自動的
にその光軸に沿って移動し、モノクロメータ２３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７からの信号によって、第１の
移動装置２５のステッピングモータ３０が回転し、所定
の距離だけ移動ステージ３１が移動し、その結果として
第１の凸レンズ系２２が移動するのである。モノクロメ
ータ２３の出射波長と、第１の凸レンズ系２２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７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２４についても、第１の凸レンズ系２
２と同様に、モノクロメータ２３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３２に反射して、第１の凸レンズ系２２のレ
ンズに入射する。第１の凸レンズ系２２を通過した光は
、モノクロメータ２３の入射スリット３３に集まる。こ
のとき、モノクロメーク２３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３３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２２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
ータ２３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３３の前後で結像するために、その一部しか
入射スリット３３を通過しないであろう。

入射スリット３３を通過した光は、平面回折格子２８に
達し、回折格子２８で回折した光のうち所望の波長の光
だけが自製スリット３４に現れる。

出射スリット３４を通過した出射光は、第２の凸レンズ
系２４に入射する。そして、第２の凸レンズ系２４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２４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６の回折格子１７を調整しておく。このとき
、凸レンズ系５のレンズ８，９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５に入射し、これを通
過した光はモノクロメータ６の入射スリット１５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１５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５のレンズ８．９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１５を通過した螢光は、モノクロメータ６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７に入力される。コンピュータ７では、測定すべ
き波長の螢光の強度がディスプレイ３５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７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２９で設定波長を入力する。こ
れに応じて、コンピュータ７から、回折格子２８の駆動
モータ３６と、第１の移動装置２５のステッピングモー
タ３０と、第２の移動装置２６のステッピングモータ３
７とに信号が送られ、回折格子２８と、第１の凸レンズ
系２２と、第２の凸レンズ系２４とが、設定波長に適す
るように移動する。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２９で設定波長を入力
する。これに応じて、コンピュータ７から、回折格子１
７の駆動モータ２０と、移動装置１０のステッピングモ
ータ１２とに信号が送られ、回折格子１７と凸レンズ系
５のレンズ８．９とが、設定波長に適するように移動す
る。

螢光分光測定装置増幅器４の出力はコンピュータ７に入
力されてディスプレイ３５上に螢光強度が表示される。

なお、第１図では、本発明に係る螢光分光測定装置と、
分光照射装置とを組み合わせて、分光螢光光度計を構成
しであるが、螢光分光測定装置単独で、あるいは分光照
射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、特定の波長の螢光が入射スリット１５の位置
に結像できるように凸レンズ系５のレンズ８，９を光軸
方向に移動させた場合の、レンズの移動距離と波長との
関係を示したグラフである。

レンズの移動距離は、波長が９００ｎｍのときの位置を
基準とした。レンズが試料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６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０．８６゜焦点距離は５５ｍｍである。

モノクロメータ側から見た開口数は４．３であり、モノ
クロメータの開口数と一致させである。この場合、波長
が５００ｎｍから３０００ｎｍに変化するに連れて、レ
ンズは約１１．５ｍｍ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７に記憶させておく。

〔実験例〕

以下に示す第１表は、第１図に示す分光螢光光度計のう
ち、照射側（１〜２４）を除いた螢光分光測定側（凸レ
ンズ系５〜検出器３）の集光効率の改善比を示す。第１
表を求めたときの条件は次の通りでる。試料２の位置に
は、幅Ｑ、５ｍｍ、高さ２ｍｍの紙を入射光に対し４５
゛の角度に置いて、紙の反射光を螢光分光測定装置に入
射した。

照射用モノクロメータの入射スリット３３と出射スリッ
ト３４の幅は、それぞれＱ、２５ｍｍとした。

螢光用モノクロメータの入射スリット１５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５０
μｍとした。凸レンズ系５の諸元は、第２図の場合と同
じである。第１の凸レンズ系２２の光源側から見た開口
数は０．９６．焦点距離は４８ｍｍ、第２の凸レンズ系
２４の試料側から見た開口数は０．９６．焦点距離は７
５ｍｍであり、両者共モノクロメータ側から見た開口数
は４．３であってモノクロメータの開口数と一致させて
いる。

第１表における「集光系非同期」の意味は、螢光用モノ
クロメータ６のそれぞれの選択波長に対して、凸レンズ
系５のレンズ８，９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。

「集光系同期」の意味は、螢光用モノクロメータ６のそ
れぞれの選択波長に応じて、凸レンズ系５のレンズ８，
９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１表の数値は次のように読む。すなわち、励起用モノ
クロメータ２３の選択波長と螢光用モノクロメータ６の
選択波長をそれぞれ８００ｎｍとし、「集光系非同期」
の状態で光強度を測定する。

第１表 次に各モノクロメータは、そのままの状態で「集光系同
期」として波長８００ｎｍの光に対し、凸レンズ系）＜
最も効率良く集光するよう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４．７である
。すなわち、凸レンズ系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４．７倍改善されたのであ
る。

以下、同様に各モノクロメータの選択波長を１１０００
ｎ、１２００ｎｍに変えて「集光系非同期」と「集光系
同期」の状態で測定した光の強度比をみれば、１２００
ｎｍの場合には１１．９倍にも改善されることがわかる
。

（発明の効果） 以上説明したように本発明のルミネセンス分光測定装置
は、ルミネセンス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、ルミネセンスを発
する試料からモノクロメータの出口に至るまでの集光効
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
す図である。 第２図は、特定の波長の螢光が入射スリットの位置に結
像できるように凸レンズ系のレンズを光軸方向に移動さ
せた場合の、レンズの移動距離と波長との関係を示した
グラフである。 ２・・・試料 ５・・・凸レンズ ６・・・螢光用モノクロメータ １０・・・移動装置 １５・・・入射スリット

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. モノクロメータと、モノクロメータの入射スリットとル
   ミネセンスを発する試料との間に配置してルミネセンス
   を入射スリットに集める凸レンズ系とを有するルミネセ
   ンス分光測定装置において、凸レンズ系をその光軸に沿
   って移動可能とし、ルミネセンス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凸レンズ系を移動できる構成とした
   ことを特徴とするルミネセンス分光測定装置。