KR102152050B1 - 광학 특성 측정 시스템 - Google Patents

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Abstract

비교적 짧은 시간에 셋업할 수 있고, 또한 검출 감도를 높일 수 있는 광학 특성 측정 시스템이 제공된다. 광학 특성 측정 시스템은, 제1 측정 장치를 포함하고 있다. 제1 측정 장치는, 하우징 내에 배치된 제1 검출 소자와, 제1 검출 소자에 적어도 부분적으로 접합되며, 검출 소자를 냉각하기 위한 제1 냉각부와, 하우징 내의 검출 소자의 주위에 발생하는 온도 변화를 억제하기 위한 억제 기구를 포함한다.

Description

광학 특성 측정 시스템 {OPTICAL CHARACTERISTIC MEASUREMENT SYSTEM}
본 기술은, 광학 특성을 측정할 수 있는 광학 특성 측정 시스템, 및 광학 특성 측정 시스템의 교정 방법에 관한 것이다.
광 증감 물질을 포함하는 재료 또는 시약의 특성을 평가하기 위해, 그들 물질이 발하는 미약한 광을 측정하고자 하는 요구가 있다. 예를 들어, 일본 특허 공개 평09-159604호 공보는, 자외 영역 내지 가시 영역까지의 임의의 파장에 광 흡수 특성을 가지는 광 증감 물질을 포함하는 시료나, 광에 대하여 직접적 및 간접적으로 불안정하여, 소량밖에 입수할 수 없는 시료여도, 측정 가능한 일중항 산소 측정 장치를 개시한다.
또한, 일본 특허 공개 평09-292281호 공보, 국제 공개 제2010/084566호 및, 일본 특허 공개 제2011-196735호 공보는, 형광 발광하는 물질을 포함하는 시료가 흡수한 광량자량과, 시료로부터 발생한 형광의 광량자량의 비를 나타내는 양자 효율을 측정하는 측정 장치 및 측정 방법을 개시한다.
일본 특허 공개 평09-159604호 공보에 개시되는 일중항 산소 측정 장치는, 검출 감도를 높이기 위해, 액체 질소 냉각형 게르마늄 검출기를 사용하고 있다. 액체 질소 등을 사용하여 검출 소자를 냉각함으로써, 검출 소자가 안정화되어, 검출 다이내믹 레인지를 확대할 수 있다. 한편, 액체 질소로 검출 소자를 냉각하기 위해서는, 예냉 등도 포함하여, 실제로 사용할 수 있는 상태가 될 때까지 수시간의 준비를 필요로 하기 때문에, 실용적이지 않다.
비교적 짧은 시간에 셋업할 수 있고, 또한 검출 감도를 높일 수 있는 광학 특성 측정 시스템의 실현이 요망되고 있다.
본 발명의 어떤 국면에 따르면, 제1 측정 장치를 구비하는 광학 특성 측정 시스템이 제공된다. 제1 측정 장치는, 하우징 내에 배치된 제1 검출 소자와, 제1 검출 소자에 적어도 부분적으로 접합되며, 제1 검출 소자를 냉각하기 위한 제1 냉각부와, 하우징 내의 제1 검출 소자의 주위에 발생하는 온도 변화를 억제하기 위한 억제 기구를 포함한다.
바람직하게는, 억제 기구는, 하우징과 적어도 부분적으로 접합되며, 하우징 내의 열을 하우징의 외부로 방출하기 위한 제2 냉각부를 포함한다.
바람직하게는, 억제 기구는, 하우징의 주위에 배치되며, 하우징의 주위로부터 하우징 내로의 열 침입을 억제하기 위한 단열 기구를 포함한다.
바람직하게는, 광학 특성 측정 시스템은, 제2 측정 장치를 더 포함한다. 제1 측정 장치는, 제1 검출 소자에 대응지어 배치되고, 제1 파장 범위의 광을 제1 검출 소자로 유도하도록 구성된 제1 회절 격자를 더 포함한다. 제2 측정 장치는, 하우징 내에 배치된 제2 검출 소자와, 제2 검출 소자에 대응지어 배치되고, 제2 파장 범위의 광을 제2 검출 소자로 유도하도록 구성된 제2 회절 격자를 포함한다. 제1 측정 장치의 제1 검출 소자는, 제2 측정 장치의 제2 검출 소자에 비교하여, 검출 감도가 보다 높아지도록 구성되어 있다.
바람직하게는, 광학 특성 측정 시스템은, 측정 대상으로부터의 광을 분기하고, 제1 및 제2 측정 장치로 각각 유도하는 분기 파이버를 더 포함한다.
바람직하게는, 제1 측정 장치는, 근적외 영역의 파장 성분에 검출 감도를 갖도록 구성되어 있다. 제2 측정 장치는, 자외 영역 내지 가시 영역의 범위에 포함되는 적어도 일부의 파장 성분에 검출 감도를 갖도록 구성되어 있다.
본 발명의 다른 국면에 따르면, 제1 측정 장치와, 제1 측정 장치보다 검출 감도가 낮아지도록 구성되어 있는 제2 측정 장치를 구비하는 광학 특성 측정 시스템의 교정 방법이 제공된다. 광학 특성 측정 시스템의 교정 방법은, 제1 설치 조건에 따라, 미리 에너지값이 매겨진 광원과 제2 측정 장치를 배치하고, 광원으로부터의 광을 제2 측정 장치에서 수광하여 얻어지는 출력값에 기초하여, 제2 측정 장치의 에너지 교정 계수를 결정하는 스텝과, 제2 설치 조건에 따라, 광원과 제2 측정 장치를 배치하고, 광원으로부터의 광을 제2 측정 장치에서 수광하여 얻어지는 출력값과, 제2 측정 장치의 에너지 교정 계수에 기초하여, 제2 설치 조건에 대응하는 광원의 에너지 환산값을 결정하는 스텝과, 제2 설치 조건에 따라, 광원과 제1 측정 장치를 배치하고, 광원으로부터의 광을 제1 측정 장치에서 수광하여 얻어지는 출력값과, 제2 설치 조건에 대응하는 광원의 에너지의 환산값에 기초하여, 제1 측정 장치의 에너지 교정 계수를 결정하는 스텝을 포함한다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 비교적 짧은 시간에 셋업할 수 있고, 또한 검출 감도를 높일 수 있는 광학 특성 측정 시스템이 제공된다.
또한, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 제1 측정 장치와, 제1 측정 장치보다 검출 감도가 낮아지도록 구성되어 있는 제2 측정 장치를 포함하는 광학 특성 측정 시스템의 교정 방법이 제공된다.
본 발명의 상기 및 다른 목적, 특징, 국면 및 이점은, 첨부의 도면과 관련하여 이해되는 본 발명에 따른 다음의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
도 1은 본 실시 형태에 따른 광학 특성 측정 장치를 포함하는 광학 특성 측정 시스템의 구성예를 도시하는 모식도이다.
도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시하는 광학 특성 측정 시스템을 사용한 광학 특성의 측정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 1에 도시하는 광학 특성 측정 시스템을 구성하는 데이터 처리 장치의 장치 구성을 도시하는 모식도이다.
도 4는 도 1에 도시하는 광학 특성 측정 시스템을 구성하는 측정 장치의 장치 구성을 도시하는 모식도이다.
도 5는 도 4에 도시하는 측정 장치의 온도 드리프트의 영향을 평가한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6은 양자 효율의 측정에 적합한 광학 특성 측정 시스템의 장치 구성의 주요부를 도시하는 모식도이다.
도 7은 본 실시 형태에 따른 측정 장치를 사용한 측정 방법의 수순을 나타내는 흐름도이다.
도 8a 및 도 8b는 도 6에 도시하는 광학 특성 측정 시스템을 사용하여 용매 중의 풀러렌(C60)으로부터 일중항 산소를 발생시켰을 때의 측정 결과예를 도시하는 도면이다.
도 9는 본 실시 형태에 따른 광학 특성 측정 시스템에 대하여 교정을 행하기 위한 수순을 도시하는 흐름도이다.
도 10a 내지 도 10c는, 본 실시 형태에 따른 광학 특성 측정 시스템에 대하여 교정을 행하기 위한 수순을 설명하기 위한 모식도이다.
본 발명의 실시 형태에 대해서, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 또한, 도면 중의 동일 또는 상당 부분에 대해서는, 동일 부호를 붙이고 그 설명은 반복하지 않는다.
<A. 시스템 구성예>
먼저, 본 실시 형태에 따른 광학 특성 측정 장치(이하, 「측정 장치」라고도 약칭함)를 포함하는 광학 특성 측정 시스템(1)에 대하여 설명한다. 도 1은 본 실시 형태에 따른 광학 특성 측정 장치를 포함하는 광학 특성 측정 시스템(1)의 구성예를 도시하는 모식도이다.
도 1을 참조하여, 광학 특성 측정 시스템(1)은, 광원(4)과, 적분기(6)와, 측정 장치(100)를 수납하는 시스템 본체(2), 및, 데이터 처리 장치(200)를 포함한다. 도 1에는, 광원(4), 적분기(6) 및 측정 장치(100)가 하나의 하우징에 수납된 구성예를 도시하지만, 이것에 한정되지 않고, 일부의 컴포넌트를 별도 장치로서 구성해도 된다. 이 경우에는, 하나 또는 복수의 측정 장치(100)만으로 광학 특성 측정 시스템을 구성하기도 한다.
도 1에 도시하는 광학 특성 측정 시스템(1)은, 다양한 광학 특성을 측정할 수 있다. 광학 특성으로서는, 예를 들어 전체 광속량, 조도(또는, 분광 방사 조도), 휘도(또는, 분광 방사 휘도), 광도, 색 연색(색도 좌표, 자극 순도, 상관 색온도, 연색성), 흡수율, 투과율, 반사율, 발광 스펙트럼(및, 피크 파장, 반파값), 여기 스펙트럼, 외부 양자 효율(또는, 외부 양자 수율), 내부 양자 효율(또는, 내부 양자 수율) 등을 포함한다.
이하의 설명에서는, 주로, 형광 발광하는 물질을 포함하는 시료에 대하여, 소정 파장의 여기광(전형적으로는, 자외 영역 내지 가시 영역의 광)을 조사하고, 당해 시료로부터 발생하는 형광(전형적으로는, 근적외 영역 내지 적외 영역의 광)을 검출하는 경우에 대하여 예시한다. 이 경우, 측정 대상의 광학 특성은, 전형적으로는, 시료로부터 발생하는 형광의 스펙트럼 및 양자 효율을 포함한다.
광원(4)은, 시료에 조사하는 여기광을 발생한다. 광원(4)으로서는, 예를 들어 크세논 방전 램프(Xe 램프), 레이저 다이오드, 백색 LED(Light Emitting Diode) 등이 사용된다. 시료의 양자 효율을 측정하는 경우에는, 여기광으로서, 시료의 특성에 따른 단일 파장을 갖는 단색광을 사용하는 것이 바람직하다. 발생하는 여기광이 파장 대역에 확장을 가지는 경우(예를 들어, 크세논 방전 램프 등의 백색광원을 채용한 경우)에는, 목적으로 하는 단색광을 선택하기 위한 파장 대역 투과 필터를 설치해도 된다.
광학 특성 측정 시스템(1)은, 적분기(6)로서 반구형의 적분구를 채용한다. 적분기(6)로서는, 전구형인 것을 사용해도 된다. 반구형의 적분구를 채용함으로써, 측정 정밀도를 높일 수 있음과 함께, 시료의 착탈을 보다 용이하게 행할 수 있다.
도 2a에는, 분체 시료 또는 고체 시료를 측정하는 경우의 측정 방법의 일례를 도시하고, 도 2b에는, 용액 시료를 측정하는 경우의 측정 방법의 일례를 도시한다.
도 2a를 참조하여, 적분기(6)는, 그 내부에 반구형의 적분 공간을 형성한다. 보다 구체적으로는, 적분기(6)는, 반구부(61)와, 반구부(61)의 실질적인 곡률 중심을 통과하고, 또한 반구부(61)의 개구부를 막도록 배치된 원판형의 평면 미러(62)를 포함한다. 반구부(61)의 내면(내벽)에 광 확산 반사층(61a)을 갖는다. 광 확산 반사층(61a)은, 전형적으로는 황산 바륨 또는 PTFE(polytetrafluoroethylene) 등의 광 확산 재료를 도포 또는 뿜어 칠함으로써 형성된다. 평면 미러(62)는, 반구부(61)의 내면측에 경면 반사(정반사 및 확산 반사)되는 광 확산 반사층(62a)을 갖는다. 평면 미러(62)의 광 확산 반사층(62a)이 반구부(61)의 내부를 향하여 배치됨으로써, 반구부(61)에 관한 허상이 생성된다. 반구부(61)의 내부에 정의되는 공간(실상)과, 평면 미러(62)에 의해 생성되는 허상을 조합하면, 전구형(全球型)의 적분기를 사용한 경우와 실질적으로 동일한 조도 분포를 얻을 수 있다.
분체 시료 또는 고체 시료인 시료 SMP1은, 반구부(61)의 정점을 포함하는 영역에 형성된 시료 창(65)에 장착된다. 시료 SMP1은, 그 형광 발광하는 물질이 반구부(61)의 내부에 노출되도록, 시료 창(65)에 장착된다.
광원(4)이 발생시킨 여기광은, 광 파이버(5)를 전반하여, 투광 광학계(50)를 통하여, 적분기(6)의 내부에 배치된 시료 SMP1에 조사된다. 투광 광학계(50)는, 집광 렌즈(52)를 포함하고 있고, 광원(4)으로부터의 여기광을 시료 SMP1에 집광한다. 평면 미러(62)에는, 여기광을 적분기(6)의 내부로 유도하기 위한 투광창(64)이 형성되어 있다.
시료 SMP1이 여기광을 받아서 발생시키는 광(전형적으로는, 형광)은, 적분기(6) 내부에서 반복 반사됨으로써, 적분기(6)의 내면에 나타나는 조도는 균일화된다.
평면 미러(62)에는, 적분기(6)의 내면의 조도를 관측하기 위한 관측창(67)이 형성되어 있고, 관측창(67)에 대응지어서 광취출부(68)가 설치되어 있다. 광취출부(68)에는, 측정 장치(100)와 광학적으로 접속되어 있는 광 파이버(7)의 단부가 접속되어 있다. 즉, 적분기(6)의 내면(관측창(67)에서 본 시야 범위에 상당)의 조도에 따른 강도를 가지는 광이 측정 장치(100)로 입사한다. 측정 장치(100)는, 광 파이버(7)를 통하여 관측되는 광으로부터, 시료 SMP1 등의 광학 특성을 측정한다.
도 2a에 도시하는 바와 같이, 유저는, 반구부(61)의 정점(도면에서는 최하부)에 설치된 시료 창(65)에 시료 SMP1을 장착하기만 하면 되므로, 복수의 시료 SMP1을 측정할 필요가 있는 경우에도, 시료의 장착 및 교환 작업을 간소화할 수 있다.
도 2b를 참조하여, 용액 시료인 시료 SMP2를 측정하는 경우에는, 평면 미러(62)의 중심부에 형성된 시료 창(66)에 시료 홀더(63)가 장착되고, 시료 홀더(63) 내에 시료 SMP2가 배치된다. 이때, 반구부(61)의 정점을 포함하는 영역에 형성된 시료 창(65)에는, 표준 반사 부재(69)가 장착된다.
투광 광학계(50)는, 시료 홀더(63)를 길이 방향으로 연장한 위치에, 시료 창(66)에 대응지어서 배치된다. 투광 광학계(50)는, 광원(4)으로부터의 여기광을 시료 홀더(63)의 내부를 통하여 시료 SMP2에 조사한다. 시료 SMP2가 여기광을 받아서 발생시키는 광(전형적으로는, 형광)은, 적분기(6) 내부에서 반복 반사됨으로써, 적분기(6)의 내면에 나타나는 조도는 균일화된다. 측정 장치(100)는, 도 2a와 마찬가지의 방법으로, 광 파이버(7)를 통하여 관측되는 광으로부터, 시료 SMP2 등의 광학 특성을 측정한다.
도 2b에 도시하는 사용 상태에 있어서, 투광창(64)(도시하지 않음: 도 2a 참조)에도 표준 반사 부재가 장착된다.
시료의 재질 또는 특성 등에 따라서는, 재여기 형광 발광이 발생하는 경우가 있다. 재여기 형광 발광이란, 시료 표면에서 반사된 여기광이 적분기(6) 내에서 확산 반사된 후, 다시 시료에 입사됨으로써, 거듭 발광을 발생시키는 현상이다. 광학 특성 측정 시스템(1)에서는, 이러한 재여기 형광 발광에 의한 오차를 보정하는 것도 가능하다.
다시 도 1을 참조하여, 측정 장치(100)는, 광 파이버(7)를 통하여 관측되는 광을 수광하고, 측정 결과(스펙트럼 등)를 출력한다. 데이터 처리 장치(200)는, 측정 장치(100)로부터의 측정 결과를 처리함으로써, 시료의 광학 특성을 산출한다. 측정 장치(100)의 상세에 대해서는 후술한다.
데이터 처리 장치(200)는, 전형적으로는 범용적인 컴퓨터에 의해 실현된다. 도 3은 도 1에 도시하는 광학 특성 측정 시스템(1)을 구성하는 데이터 처리 장치(200)의 장치 구성을 도시하는 모식도이다. 데이터 처리 장치(200)는, 오퍼레이팅 시스템(OS: Operating System)을 포함하는 각종 프로그램을 실행하는 CPU(Central Processing Unit)(202)와, CPU(202)에서의 프로그램의 실행에 필요한 데이터를 일시적으로 기억하는 주 메모리(204)와, CPU(202)에서 실행되는 측정 프로그램(208)을 불휘발적으로 저장하는 하드 디스크(206)를 포함한다. 측정 장치(100)를 구성하는 각 컴포넌트는, 버스(220)를 통하여 서로 통신 가능하게 접속되어 있다.
하드 디스크(206)에는, 본 실시 형태에 따르는 측정 방법을 실현하기 위한 측정 프로그램(208)이 미리 저장되어 있다. 이러한 측정 프로그램(208)은, CD-ROM(Compact Disk-Read Only Memory) 드라이브(210)에 의해, 기록 매체의 일례인 CD-ROM(212) 등으로부터 판독된다. 즉, 본 실시 형태에 따른 측정 방법을 실현하기 위한 측정 프로그램(208)은, CD-ROM(212) 등의 기록 매체 등에 저장되어 유통된다. 또는, 네트워크를 통하여 측정 프로그램(208)을 배신해도 된다. 이러한 경우, 측정 프로그램(208)은, 데이터 처리 장치(200)의 네트워크 인터페이스(214)를 통하여 수신되어, 하드 디스크(206)에 저장된다.
디스플레이(216)는, 측정 결과 등을 유저에게 표시한다. 입력부(218)는, 전형적으로는 키보드나 마우스 등을 포함하고, 유저의 조작을 접수한다.
또한, 상술한 기능의 일부 또는 전부를 전용의 하드웨어 회로로 실현해도 된다. 또한, 데이터 처리 장치(200)를 시스템 본체(2)의 일부로서 내장해도 된다.
<B. 새로운 과제의 발견>
자외 영역 또는 가시 영역의 파장 성분을 갖는 여기광을 시료에 조사하여, 당해 시료가 발생시키는 발광을 측정하는 경우 등을 상정한다. 이러한 측정에 있어서, 시료가 발생시키는 광은, 근적외 영역 내지 적외 영역의 파장 성분을 갖는 매우 미약한 것이 되는 경우가 많다. 또한, 시료에 따라서는, 수명이 짧아, 약간의 측정 시간밖에 확보할 수 없는 것도 있다.
그로 인해, 검출 감도를 가능한 한 높인 측정 장치를 사용하는 것이 바람직하다. 선행 기술과 같이, 액체 질소 등을 사용하여 검출 소자를 냉각함으로써, 검출 감도를 높이는 방법도 알려져 있지만, 셋업에 장시간을 필요로 하고, 또한 취급이 용이하지 않다는 과제가 있다.
따라서, 액체 질소 등의 특별한 냉각을 하는 일 없이, 상온에서 사용 가능한 검출 소자를 사용하여 측정 장치를 실현하는 것이, 측정의 편리성을 높이게 된다. 이러한 상온에서 사용되는 검출 소자에는, 온도에 따른 외란을 피하기 위해, 검출 소자 자체의 온도를 일정하게 유지하는 기능이 설치되어 있다.
본원 발명자들은, 매우 미약한 광을 검출하기 위해, 검출 소자의 검출 게인을 높여 가면, 검출 소자 자체의 온도가 일정하게 유지되고 있음에도 불구하고, 측정 장치의 주위 온도의 영향을 받는다는 새로운 과제를 알아내었다. 본원 발명자들의 예의 연구에 의하면, 측정 장치의 주위 온도가 변화함에 수반하여, 측정 장치 내부에도 온도 변화가 발생하고, 게인을 높인 검출 소자는, 그 온도 변화에 의한 복사열의 변화도 인식해 버려, 그 결과, 측정 대상의 광 강도가 변화하지 않았음에도 불구하고, 측정 결과에는, 그 영향에 의한 오차를 발생시킨다는 결론에 도달하였다. 따라서, 본원 발명자들은, 검출 소자 자체에 추가하여, 측정 장치 내부에서 발생하는 온도 변화의 영향, 즉 복사열에 의한 영향을 발생시키지 않는 기능을 새롭게 채용한, 측정 장치(100)를 발명하였다. 본 실시 형태에 따른 측정 장치(100)에 의하면, 측정 장치(100)의 주위 온도가 변화되었다고 하더라도, 안정된 측정이 가능하다.
<C. 측정 장치(100)의 구성예>
이어서, 본 실시 형태에 따른 측정 장치(100)의 구성예에 대하여 설명한다.
도 4는 도 1에 도시하는 광학 특성 측정 시스템(1)을 구성하는 측정 장치(100)의 장치 구성을 도시하는 모식도이다. 도 4를 참조하여, 측정 장치(100)는, 분광 수광기이며, 광학 슬릿(104)과, 오목면 회절 격자(106)와, 검출 소자(108)를 포함한다. 이 컴포넌트는, 하우징(102)의 내부에 배치된다.
하우징(102)의 일부에는, 광 파이버(7)의 단부를 장착하는 접속 부재(116)가 설치되어 있다. 접속 부재(116)에 의해, 광 파이버(7)의 개구 단부의 광축은, 광학 슬릿(104)의 중심축에 위치 정렬되어 있다. 적분기(6)로부터 취출된 광(이하, 「측정광」이라고도 칭함)은, 광 파이버(7)를 전반하여 측정 장치(100)의 광학 슬릿(104)을 통과한다. 측정광은, 광학 슬릿(104)으로 단면 직경이 조정된 다음, 오목면 회절 격자(106)에 입사된다.
측정광이 오목면 회절 격자(106)에 입사됨으로써, 측정광에 포함되는 각각의 파장 성분이 광학적으로 분리된다. 즉, 측정광이 오목면 회절 격자(106)에 의해 회절됨으로써, 측정광에 포함되는 각 파장 성분은, 그 파장의 길이에 따른 상이한 방향으로 진행하게 된다. 각각의 파장 성분은, 오목면 회절 격자(106)에 대하여 광학적으로 위치 정렬된 검출 소자(108)에 입사된다. 오목면 회절 격자(106)는, 검출 소자(108)에 대응지어 배치되고, 소정의 파장 범위(본 구성예에서는, 근적외 영역 내지 적외 영역)의 광을 검출 소자(108)로 유도하도록 구성되어 있다.
검출 소자(108)는, 서로 독립된 검출면을 복수 배열하여 배치한 어레이 센서가 채용되어 있다. 검출 소자(108)로서는, CCD(Charge-Coupled Device) 이미지 센서를 채용해도 된다. 검출 소자(108)를 구성하는 검출면의 수 및 길이는, 오목면 회절 격자(106)의 회절 특성 및 검출 대상이 되는 파장 폭에 따라서 설계되어 있다. 어레이 센서인 검출 소자(108)는, 측정광의 강도 스펙트럼을 소정 파장 폭마다 검출한다.
검출 소자(108)는, 검출 소자(108)에 적어도 부분적으로 접합되고, 검출 소자(108)를 냉각하는 자기 냉각 기능을 갖고 있다. 검출 소자(108)는, 자기 냉각형의 검출 소자이며, 열잡음을 저감하고, 암전류(다크 전류)를 저감시킴으로써, 검출 감도를 높임과 함께, S/N(Signal to Noise) 비를 향상시키도록 구성되어 있다. 구체적으로는, 검출 소자(108)는, 냉각 기능을 갖는 기초부(110)를 갖고 있다. 기초부(110)의 내부에는, 검출 소자(108)를 냉각하기 위한 기능이 실장되어 있다. 전형적으로는, 기초부(110)의 내부에는, 펠체 소자 등의 전자 냉각 소자(111)가 채용되어도 된다.
기초부(110)의 검출 소자(108)와는 반대측에는, 접합층(113)을 개재하여 냉각 핀(112)이 접합되어 있다. 검출 소자(108)에서 발생한 열의 일부는, 기초부(110) 내부의 전자 냉각 소자(111)에서 흡수됨과 함께, 다른 일부는, 기초부(110) 및 접합층(113)을 통하여, 냉각 핀(112)으로부터 측정 장치(100)의 외부로 방출된다.
기초부(110)의 전자 냉각 소자(111)는, 냉각 컨트롤러(114)에 의해 전류값 등이 제어된다. 냉각 컨트롤러(114)는, 도시하지 않은 온도 센서 등으로부터의 검출값에 기초하여, 검출 소자(108)가 미리 정해진 온도로 유지되도록, 전류값 등을 제어한다.
본 실시 형태에 따른 측정 장치(100)는, 검출 소자(108) 자체의 냉각 기능에 더하여, 검출 소자(108)에 대하여 복사열의 변화에 의한 영향을 끼치지 않는 기능이 실장된다. 즉, 측정 장치(100)는, 하우징(102) 내의 검출 소자(108)의 주위에 발생하는 온도 변화를 억제하기 위한 기능 및 구성을 갖고 있다. 도 4에 도시하는 구성예에 있어서는, 하우징(102)의 내부 공간의 온도를 일정하게 유지하기 위한 온도 조절 기능과, 하우징(102)으로의 열침입을 저감하기 위한 단열 기능을 조합한 예를 도시한다.
온도 조절 기능은, 하우징(102)과 적어도 부분적으로 접합하여, 하우징(102) 내의 열을 하우징(102)의 외부로 방출하는 냉각 기구에 의해 실현된다. 보다 구체적으로는, 온도 조절 기능은, 하우징(102)의 측면에 배치된 전자 냉각 소자(130)와, 전자 냉각 소자(130)에 접합된 방열 플레이트(132)를 포함한다. 전자 냉각 소자(130)는 펠체 소자 등을 포함하고, 냉각 컨트롤러(134)에 의해 전류값 등이 제어된다.
방열 플레이트(132)의 내부에는, 냉매(전형적으로는, 물 또는 프레온 등)가 흐르는 유로(도시 생략)가 형성되어 있다. 방열 플레이트(132)는, 냉매 경로(138, 139)를 통하여 냉매 순환 펌프(136)와 연결되어 있다. 냉매 순환 펌프(136)는, 냉매 경로(138), 방열 플레이트(132), 냉매 경로(139)의 순서로 냉매를 순환시킨다. 냉매 순환 펌프(136)의 운전에 의해, 하우징(102)의 내부에 있는 열의 일부는, 방열 플레이트(132)로부터 외부로 방출됨과 함께, 방열 플레이트(132)에 있어서 냉매와 열교환되어, 냉매 순환 펌프(136)에 의한 순환 경로 상에 있어서 외부로 방출된다. 즉, 방열 플레이트(132) 및 냉매 순환 펌프(136)는, 전자 냉각 소자(130)에 의한 하우징(102) 내부의 냉각을 촉진한다.
온도 조절 기능으로서는, 냉매 순환 펌프(136)에 의해 방열 플레이트(132)와의 사이에서 냉매를 순환시키는 구성을 예시했지만, 방열 플레이트(132) 대신에, 검출 소자(108)의 자기 냉각 기능과 마찬가지로, 냉각 핀을 사용하는 구성을 채용해도 된다.
단열 기능은, 하우징(102)의 주위에 배치되고, 하우징(102)의 주위로부터 하우징(102) 내로의 열침입을 억제하기 위한 구조에 의해 실현된다. 보다 구체적으로는, 단열 기능으로서, 하우징(102)의 외주에 단열재(120)가 배치되어 있다. 단열재(120)로서는, 임의의 재질인 것을 사용할 수 있지만, 예를 들어 그라스울 및 락울 등의 섬유계의 단열재를 사용해도 된다. 또는, 우레탄 폼 및 폴리스티렌 폼 등의 발포계의 단열재를 사용해도 된다. 이러한 단열재(120)를 하우징(102)의 외주에 배치함으로써, 주위로부터 하우징(102)의 내부로의 열침입을 저감할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 측정 장치(100)는, 검출 소자(108)의 주위에 발생하는 온도 변화를 억제함으로써, 복사열의 변화에 의한 영향을 주지 않는 기능 및 구성을 갖고 있다. 검출 소자(108)의 주위에 발생하는 온도 변화를 억제하는 것이라면, 도 4에 도시하는 구성예에 한정되지 않고, 어떠한 것을 채용해도 된다.
예를 들어, 도 4에는, 전자 냉각 소자(130)를 주로 하는 온도 조절 기능과, 단열재(120)를 주로 하는 단열 기능의 조합의 구성예를 나타내지만, 어느 한쪽의 기능만을 채용해도 된다.
다른 구성예로서, 단열재(120) 대신에, 하우징(102)의 외주측 또는 내주측에 진공층을 형성함으로써, 주위로부터의 열침입을 저감하도록 해도 된다. 또는, 온도 제어된 냉매(전형적으로는, 건조 공기 및 질소 등)를 하우징(102)의 주위에 순환시킴으로써, 하우징(102)의 내부 온도를 일정하게 유지하도록 해도 된다.
또한, 상술한 복수의 기능 중, 2개 이상의 기능을 적절히 조합해도 된다.
본 실시 형태에 따른 측정 장치(100)는, 상술한 바와 같은 본원 발명자들의 새로운 지견에 기초하여, 검출 소자(108)가 배치되는 하우징(102)의 내부 온도를 제어 및 안정화함으로써, 검출 소자(108)에 대한 복사열의 영향을 저감하고, 검출 감도를 높임과 함께, S/N 비를 향상시킬 수 있다.
하우징(102) 내의 검출 소자(108)의 주위에 발생하는 온도 변화를 억제하기 위한 기능 및 구성에 더하여, 검출 소자(108)의 검출면 중, 측정에 사용하지 않는 영역에 대하여 마스크 처리를 함으로써, 암 출력의 안정성을 향상시킬 수도 있다.
<D. 개선 효과>
이어서, 도 4에 도시하는 측정 장치(100)에서의 온도 드리프트의 개선 효과에 대하여 설명한다. 도 5는, 도 4에 도시하는 측정 장치(100)의 온도 드리프트의 영향을 평가한 결과를 도시하는 그래프이다. 도 5에는, 도 4에 도시하는 측정 장치(100)와, 도 4에 도시하는 온도 조절 기능(전자 냉각 소자(130), 방열 플레이트(132), 냉각 컨트롤러(134), 냉매 순환 펌프(136)) 및 단열 기능(단열재(120))이 존재하지 않는 측정 장치(비교예)에 대해서, 각각 항온조 내에 배치하여, 주위 온도를 변화시킨 경우의 출력값 변화를 평가한 결과이다.
도 5에 도시하는 「주위 온도」는, 항온조 내의 온도 변화를 나타낸다. 구체적으로는, 10℃ 내지 30℃의 범위에서, 2시간 마다 5℃씩 단계적으로 변화시켰다.
비교예의 측정 장치에 대해서는, 검출 소자의 검출 감도를 표준으로 한 것(도 5의 (1) 표준 감도(비교예))과, 검출 소자의 검출 감도를 높아지도록 설정한 것(도 5의 (2) 고감도(비교예))의 2종류에 대하여 측정하였다. 한편, 도 4에 도시하는 측정 장치(100)에 대해서는, 검출 소자의 검출 감도를 높아지도록 설정한 상태에서 측정했다(도 5의 (3) 고감도(실시 형태)).
어느 경우도, 측정광의 입사를 차단한 상태에서의, 다크 보정 후의 출력값을 나타낸다. 각 출력값은, 노광 시간을 20초로 한 촬상을 4회 반복한 적산값이다. 도 5에 도시하는 측정 결과는, 다크 보정 후의 출력값이며, 그 값이 작을수록 바람직하다.
도 5에 도시하는 바와 같이, 비교예의 측정 장치여도, 표준 감도로 사용하는 경우에는, 주위 온도의 변화에 따른 영향은 작지만, 검출 감도를 높이면, 주위 온도의 변화에 따른 영향을 받고, 동일한 측정 조건이어도, 그 출력값은 변동되는 것을 알 수 있다.
이에 반해, 본 실시 형태에 따른 측정 장치(100)는, 주위로부터 하우징(102)의 내부로의 열침입을 저감하는 대책을 실시하고 있으므로, 검출 감도를 높아지도록 설정하고 있음에도 불구하고, 주위 온도의 변화에 따른 영향은 작다. 그 결과, 비교예의 측정 장치를 표준 감도로 사용하는 경우보다도, 보다 노이즈의 영향이 작게 되어 있음을 알 수 있다.
<E. 양자 효율의 측정에 적합한 구성>
이어서, 양자 효율의 측정에 적합한 구성예에 대하여 설명한다. 예를 들어, 형광 발광하는 물질을 포함하는 시료의 양자 효율을 측정하는 경우에는, 자외 영역 또는 가시 영역의 파장 성분을 갖는 여기광을 시료에 조사함과 함께, 그 조사된 여기광을 측정하고, 아울러, 당해 시료가 발생시키는 근적외 영역 또는 적외 영역의 파장 성분을 갖는 형광을 측정할 필요가 있다. 일반적으로, 발생하는 형광은, 여기광에 비교하여 매우 미약하다. 또한, 시료의 수명이 짧아, 측정 시간을 조금밖에 확보할 수 없는 것도 있다.
이러한 경우에는, 주로 여기광을 측정하는 제1 측정 장치와, 주로 형광을 측정하는 제2 측정 장치를 조합한 구성을 채용해도 된다. 이하, 형광 발광하는 물질의 양자 효율을 측정하기에 적합한 장치 구성에 대하여 예시한다.
도 6은 양자 효율의 측정에 적합한 광학 특성 측정 시스템(1A)의 장치 구성의 주요부를 도시하는 모식도이다. 도 6을 참조하여, 광학 특성 측정 시스템(1A)은, 주로 여기광을 측정하기 위한 측정 장치(100A)와, 주로 형광을 측정하기 위한 측정 장치(100)를 포함한다.
광학 특성 측정 시스템(1A)은, 측정 대상으로부터의 광을 분기하여, 측정 장치(100) 및 측정 장치(100A)로 각각 유도하는 분기 파이버를 포함한다. 즉, 적분기(6)의 광취출부(68)에 접속된 광 파이버(7)는, 분기부(73)에서, 측정 장치(100A)에 접속되는 광 파이버(71)와, 측정 장치(100)에 접속되는 광 파이버(72)로 갈라진다. 즉, 광 파이버(7)를 통하여 관측되는 광은, 2개로 분리되어, 각각 측정 장치(100) 및 측정 장치(100A)에 입사된다.
측정 장치(100A)는, 주로 여기광을 측정하는 것이며, 검출 범위가 자외 영역 내지 가시 영역이 되도록 설계된다. 한편, 측정 장치(100)는, 주로 형광을 측정하기 위한 것이고, 검출 범위가 근적외 영역 내지 적외 영역이 되도록 설계된다. 즉, 측정 장치(100)는, 주로 근적외 영역 또는 적외 영역의 파장 성분에 검출 감도를 갖도록 구성되어 있고, 측정 장치(100A)는, 자외 영역 내지 가시 영역의 범위에 포함되는 적어도 일부의 파장 성분에 검출 감도를 갖도록 구성되어 있다.
측정 장치(100)의 장치 구성은, 상술한 도 4에 도시하는 장치 구성과 마찬가지이다. 한편, 측정 장치(100A)의 장치 구성에 대해서도, 상술한 도 4에 도시하는 것과 마찬가지의 장치 구성을 채용해도 되지만, 여기광을 측정하는 경우에는, 검출 대상이 되는 광의 강도가 높으므로, 도 4에 도시하는 온도 조절 기능(전자 냉각 소자(130), 방열 플레이트(132), 냉각 컨트롤러(134), 냉매 순환 펌프(136)) 및 단열 기능을 반드시 설치할 필요는 없다. 도 6에 도시하는 광학 특성 측정 시스템(1A)에 있어서는, 온도 조절 기능 및 단열 기능을 생략한 측정 장치(100A)를 채용하고 있다.
측정 장치(100)와 측정 장치(100A) 사이의 검출 범위의 상이에 따라, 측정 장치(100)의 오목면 회절 격자(106)는, 소정의 파장 범위(본 구성예에서는, 근적외 영역 내지 적외 영역)의 광을 검출 소자(108)로 유도하도록 구성되어 있고, 한편, 측정 장치(100A)의 오목면 회절 격자(106)는, 상이한 파장 범위(본 구성예에서는, 자외 영역 내지 가시 영역)의 광을 검출 소자(108)로 유도하도록 구성되어 있다.
또한, 측정 장치(100)의 검출 소자(108)는, 측정 장치(100A)의 검출 소자(108)에 비교하여 검출 감도가 보다 높아지도록 설정되어 있다. 다시 말해, 측정 장치(100A)는, 측정 장치(100)보다 검출 감도가 낮아지도록 구성되어 있다.
도 6에 도시하는 광학 특성 측정 시스템(1A)에 의하면, 2개의 측정 장치가 병렬로 측정할 수 있으므로, 자외 영역 내지 근적외 영역(또는, 적외 영역)까지의 스펙트럼을 동시에 측정할 수 있다. 예를 들어, 1대의 측정 장치로 자외 영역 내지 근적외 영역(또는, 적외 영역)까지의 스펙트럼을 측정하기 위한 기능으로서는, 회절 격자를 기계적으로 순차 회전시켜서 검출 대상의 파장을 순차 변화시키는(즉, 파장을 소인(掃引)하는) 것이 알려져 있다. 그러나, 이러한 기능을 채용한 경우에는, 목적으로 하는 스펙트럼의 측정이 완료되는 데, 비교적 오랜 시간을 필요로 한다는 과제가 있다. 또한, 자외 영역 및 가시 영역의 측정이 완료되고, 근적외 영역 또는 적외 영역의 측정으로 이행할 때, 기계적인 전환 동작이 필요해져, 측정 상의 불안정 요인이 될 수 있다는 과제도 있다.
이에 반해, 도 6에 도시하는 광학 특성 측정 시스템(1A)은, 자외 영역 내지 가시 영역의 파장을 한번에 측정할 수 있는 어레이 센서(측정 장치(100A)의 검출 소자(108))와, 근적외 영역 내지 적외 영역의 파장을 한번에 측정할 수 있는 어레이 센서(측정 장치(100)의 검출 소자(108))를 갖고 있다. 이와 같은 구성을 채용함으로써, 파장을 소인하는 일 없이, 넓은 파장 영역의 스펙트럼을 동시에, 또한 단시간에 측정할 수 있다. 또한, 출발 광강도가 높은 여기광을 측정하기 위한 측정 장치(100A)와, 발광 강도가 낮은 형광을 측정하기 위한 측정 장치(100)의 사이에서, 검출 소자(108)의 검출 감도를 각각 최적화함으로써, 양자 효율을 고정밀도로 측정할 수 있는 합리적이며 또한 경제적인 광학 특성 측정 시스템(1A)을 실현할 수 있다.
<F. 측정 방법>
이어서, 도 4에 도시하는 측정 장치(100)를 사용한 측정 방법에 대하여 설명한다. 또한, 도 6에 도시하는 광학 특성 측정 시스템(1A)과 같이, 측정 장치(100) 및 측정 장치(100A)를 사용하는 경우도 마찬가지의 수순으로 측정을 행할 수 있다.
도 7은 본 실시 형태에 따른 측정 장치(100)를 사용한 측정 방법의 수순을 도시하는 흐름도이다. 도 7을 참조하여, 먼저, 유저는, 광학 특성 측정 시스템의 각 컴포넌트의 전원을 투입해서 에이징한다(스텝 S100). 구체적으로는, 에이징은, 측정 장치(100)를 구성하는 검출 소자(108)의 자기 냉각 기능의 안정화, 측정 장치(100)의 하우징(102) 내에 있어서의 온도의 안정화, 광원(4)의 안정화 등을 포함한다.
유저는, 광원(4)으로부터의 여기광이 레퍼런스에 직접 조사되도록, 적분기(6) 내에 레퍼런스를 배치한다(스텝 S102). 분체 시료 또는 고체 시료의 경우에는, 표준 반사 부재(69)(도 2b 참조)가 레퍼런스가 되고, 용액 시료의 경우에는, 시료가 봉입되는 용기와 동형의 용기에 용매만이 봉입된 것이 레퍼런스가 된다. 측정 장치(100)는, 레퍼런스에 여기광을 조사했을 때의 광을 측정한다(스텝 S104). 이 측정값은, 시료의 측정 시에 발생하는 광 흡수 등의 영향을 나타내는 값이며, 보정값으로서 사용된다.
계속해서, 유저는, 광원(4)으로부터의 여기광이 시료에 직접 조사되도록, 적분기(6) 내에 시료를 배치한다(스텝 S106). 측정 장치(100)는, 여기광을 받아서 시료로부터 발생하는 광을 측정한다(스텝 S108). 이때, 측정 장치(100)는, 시료로부터 발생하는 광에 더하여, 시료를 투과한 여기광, 및/또는, 시료에서 반사된 여기광을 측정하게 된다.
계속해서, 유저는, 재여기 형광 발광을 보정하기 위한 설정을 한다(스텝 S110). 측정 장치(100)는, 여기광을 받아서 시료로부터 발생하는 광을 측정한다(스텝 S112). 재여기 형광 발광을 보정하기 위한 설정으로서는, 분체 시료 또는 고체 시료의 경우에는, 광원(4)으로부터의 여기광이 직접 조사되지 않는 위치에 시료를 배치하고, 적분기(6) 내에서 반사된 여기광이 시료에 조사되었을 때 발생하는 광을 측정한다. 또한, 용액 시료의 경우에는, 적분기(6)의 시료 창(65)에 장착되어 있는 표준 반사 부재(69)를 제거하고, 시료를 투과한 여기광이 적분기(6) 내에 반사되지 않도록 한 상태에서 측정을 행한다.
최종적으로, 데이터 처리 장치(200)는, 스텝 S104에 있어서 측정 장치(100)가 측정한 결과와, 스텝 S108에 있어서 측정 장치(100)가 측정한 결과와, 스텝 S112에 있어서 측정 장치(100)가 측정한 결과를 사용하여, 시료의 광학 특성값(예를 들어, 양자 효율 등)을 산출한다(스텝 S114).
<G. 측정 결과예>
이어서, 도 6에 도시하는 광학 특성 측정 시스템(1A)을 사용하여 시료를 측정한 결과의 일례를 나타낸다. 도 8a 및 도 8b에는, 도 6에 도시하는 광학 특성 측정 시스템(1A)을 사용하여 용매 중의 풀러렌(C60)으로부터 일중항 산소를 발생시켰을 때의 측정 결과예를 나타낸다. 도 8a는, 비교예로서, 검출 소자의 검출 감도를 표준으로 한 측정 장치를 사용한 예를 나타내고, 도 8b는, 도 4에 도시하는 바와 같은 구성을 채용함과 함께, 검출 소자의 검출 감도를 높아지도록 설정한 측정 장치를 사용한 예를 나타낸다.
보다 구체적으로는, 중수소화한 벤젠(C6D6)의 용매 중에 존재하는 풀러렌에 대하여, 여기광을 조사하여 일중항 산소를 발생시켰다. 도 8에는, 일중항 산소를 발생시키는 프로세스에 있어서 발생하는 형광의 스펙트럼을 측정한 결과의 일례를 도시한다. 여기광을 발생시키는 광원(4)으로서는, 532㎚의 레이저 광원(출력 20mW)을 사용하였다.
도 8a에 도시하는 바와 같이, 검출 소자의 검출 감도를 표준으로 한 상태에서는, 발생하는 형광의 스펙트럼을 측정하지 못했지만, 도 8b에 도시하는 바와 같이, 검출 소자의 검출 감도를 높인 상태에서는, 발생하는 형광의 스펙트럼을 측정할 수 있음을 알 수 있다.
또한, 도 6에 도시하는 광학 특성 측정 시스템(1A)을 사용하여, 용매 중의 풀러렌의 내부 양자 효율을 측정하였다. 또한, 재여기 형광 발광에 관한 보정도 행하고 있다. 측정의 안정성을 검토하기 위해, 동일한 시료에 대하여 3일간에 걸쳐 동일한 측정을 반복했다(측정은, 1일 1회, 합계 3회 행함). 그 결과를 이하에 나타낸다.
·1일째: 0.061％
·2일째: 0.062％
·3일째: 0.062％
이 양자 효율의 측정 결과에 따르면, 양자 효율이 매우 작은 시료여도, 안정되게 측정되었음을 알 수 있다.
<H. 교정 방법>
도 6에 도시하는 광학 특성 측정 시스템(1A)은, 각각 검출 감도가 상이한 2대의 측정 장치(100 및 100A)를 포함한다. 양자 효율의 측정 등을 생각하면, 동일한 표준 광원을 사용해서 에너지 교정을 행할 필요가 있다. 즉, 2대의 측정 장치의 사이에, 측정값으로부터 환산된 에너지의 크기를 정합시킬 필요가 있다. 한편, 검출 감도가 상이하기 때문에, 동일한 표준 광원을 사용하여, 2대의 측정 장치에 관한 에너지 교정을 행하는 것은 용이하지 않다. 따라서, 본 실시 형태에 따른 광학 특성 측정 시스템(1A)을 구성하는 측정 장치(100 및 100A)에 대한 교정 방법의 일례에 대하여 설명한다.
도 9는 본 실시 형태에 따른 광학 특성 측정 시스템(1A)에 대하여 교정을 행하기 위한 수순을 도시하는 흐름도이다. 도 10a 내지 도 10c는, 본 실시 형태에 따른 광학 특성 측정 시스템(1A)에 대하여 교정을 행하기 위한 수순을 설명하기 위한 모식도이다.
도 9 및 도 10a 내지 도 10c를 참조하여, 먼저, 교정에 사용하는 표준 램프(150)에 대하여, 미리 교정된 상위의 표준 광원(국제 표준 트레이서블 광원)을 사용하여, 거리 L1에서, 조도 등의 값 매김을 행한다(스텝 S200). 표준 램프(150)는, 예를 들어 50W의 광원인 것으로 한다. 스텝 S200에 의해, 표준 램프(150)에 관한 에너지값이 취득된다. 에너지값은, 전형적으로는, 분광 방사 조도[μW·㎝-2·㎚-1]를 사용하여 정의된다.
계속해서, 소정의 설치 조건에 따라, 미리 에너지값이 매겨진 광원인 표준 램프(150)와 측정 장치(100A)를 배치한다. 일례로서, 도 10a에 도시하는 바와 같이, 표준 램프(150)와 측정 장치(100A)(표준 감도)를, 광축을 맞추어 거리 L1만큼 이격하여 배치한다(스텝 S202). 표준 램프(150)로부터 발생하는 미광 성분 등의 영향을 저감하기 위해, 표준 램프(150)와 측정 장치(100A)의 사이에는, 차광판 유닛(152, 154)이 배치된다.
표준 램프(150)로부터의 광을 측정 장치(100A)에서 수광하여 얻어지는 출력값에 기초하여, 측정 장치(100A)의 에너지 교정 계수를 결정한다. 즉, 도 10a에 도시하는 설치 조건에서의 측정 장치(100A)로부터의 출력값에 기초하여, 측정 장치(100A)에 관한 에너지 교정 계수를 산출한다(스텝 S204).
에너지 교정 계수는, 측정 장치로부터의 출력값(시그널 값)을 에너지로 환산하는 계수이며, 에너지=다크 보정 후의 출력값(측정값-다크 보정 시의 측정값)/에너지 교정 계수의 관계에 있다.
스텝 S204에 있어서는, 측정 장치(100A)의 측정값 I2로부터 측정 장치(100A)의 다크 보정값(다크 상태에서 출력된 측정값 Id2)을 차감한 값을, 표준 램프(150)에 대하여 매겨진 에너지값으로 나눔으로써 산출된다. 즉, 측정 장치(100A)의 에너지 교정 계수 k2=(I2-Id2)/(표준 램프(150)의 매겨진 에너지값 E1)이 된다.
계속해서, 다른 설치 조건에 따라, 광원인 표준 램프(150)와 측정 장치(100A)를 배치한다. 일례로서, 도 10b에 도시하는 바와 같이, 표준 램프(150)와 측정 장치(100A)(표준 감도) 사이를 거리 L1로부터 거리 L2까지 가까이 한 다음, 표준 램프(150)와 측정 장치(100A) 사이의 광축 위에 감광 메쉬(156)를 배치한다(스텝 S206). 감광 메쉬(156)로서는, 예를 들어 투과율 1％(즉, 1/100로의 감광)인 것을 채용할 수 있다. 또한, 거리 L1로부터 거리 L2까지 가까이 한 것은, 감광 메쉬(156)의 감광 정도를 경감하기 위해서이며, 보다 적절한 감광 메쉬(156)를 준비할 수 있으면, 거리를 변경할 필요는 없다.
표준 램프(150)로부터의 광을 측정 장치(100A)에서 수광하여 얻어지는 출력값과, 측정 장치(100A)의 에너지 교정 계수에 기초하여, 현재의 설치 조건에 대응하는 표준 램프(150)의 에너지 환산값을 결정한다. 즉, 도 10b에 나타내는 설치 조건에서의 측정 장치(100A)로부터의 출력값에 기초하여, 감광 메쉬(156) 및 거리 L2를 반영한, 표준 램프(150)의 에너지 환산값을 산출한다(스텝 S208). 구체적으로는, 측정 장치(100A)의 측정값 I2'로부터 측정 장치(100A)의 다크 보정값(다크 상태에서 출력된 측정값 Id2)을 차감한 값에, 스텝 S204에 있어서 산출된 에너지 교정 계수 k2를 곱하여, 환산 에너지값 E2가 산출된다. 즉, 환산 에너지값 E2=(I2'-Id2)×에너지 교정 계수 k2가 된다.
계속해서, 당해 다른 설치 조건에 따라, 광원인 표준 램프(150)와 측정 장치(100)를 배치한다. 일례로서, 도 10b에 도시하는 상태에 있어서, 차광판 유닛(152, 154) 및 감광 메쉬(156)의 배치 상태를 유지한 채, 측정 장치(100A)(표준 감도) 대신에, 측정 장치(100)(고감도)를 배치한다(도 10c 참조)(스텝 S210).
표준 램프(150)로부터의 광을 측정 장치(100)에서 수광하여 얻어지는 출력값과, 도 10b의 설치 조건에 대응하는, 표준 램프(150)의 에너지 환산값에 기초하여, 측정 장치(100)의 에너지 교정 계수를 결정한다. 즉, 도 10c에 도시하는 설치 조건에서의 측정 장치(100)로부터의 출력값에 기초하여, 측정 장치(100)에 관한 에너지 교정 계수를 산출한다(스텝 S212). 스텝 S212에 있어서는, 측정 장치(100)의 측정값 I1로부터 측정 장치(100)의 다크 보정값(다크 상태에서 출력된 측정값 Id1)을 차감한 값을, 스텝 S208에 있어서 산출된 환산 에너지값 E2로 나눔으로써 산출된다. 즉, 측정 장치(100)의 에너지 교정 계수 k1=(I1-Id1)/(표준 램프(150)의 환산 에너지값 E2)이 된다.
이상의 수순에 의해, 동일한 표준 광원을 사용하여, 측정 장치(100) 및 측정 장치(100A) 각각에 관한 에너지 교정 계수를 결정할 수 있다.
또한, 측정 장치(100)(고감도)와 측정 장치(100A)(표준 감도) 사이의 감도 차에 따라, 표준 램프(150)의 와트 수, 거리 L1과 거리 L2의 차, 감광 메쉬의 특성 등을 적절히 조정하면 된다.
<I. 이점>
본 실시 형태에 따른 측정 장치(100)는, 하우징(102) 내의 검출 소자(108)의 주위에 발생하는 온도 변화를 억제하기 위한 기능 및 구성을 갖고 있다. 이러한 기능 및 구성을 채용함으로써, 검출 소자(108)의 검출 감도를 높였다고 하더라도, 측정 노이즈의 영향을 저감한 측정이 가능해진다. 이러한 측정 장치(100)를 사용함으로써, 예를 들어 자외 영역 또는 가시 영역의 파장 성분을 갖는 여기광을 시료에 조사하고, 당해 시료로부터 발생하는, 매우 미약한 발광에 대해서도 안정되게 측정할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 따른 측정 장치(100)는, 전자 냉각 소자를 사용하여, 검출 소자(108) 자체 및 하우징(102)의 내부를 각각 냉각하는 방식을 채용하고 있으므로, 액체 질소 등을 사용하여 냉각하는 방식에 비교하여, 에이징도 포함한 측정 시간을 대폭으로 단축할 수 있다.
본 실시 형태에 따른 광학 특성 측정 시스템(1A)에 의하면, 각각 검출 범위가 상이한 측정 장치(100) 및 측정 장치(100A)를 사용하여, 측정 대상으로부터의 광을 동시에 측정할 수 있다. 측정 장치(100) 및 측정 장치(100A)는, 모두 검출 소자로서 어레이 센서(일례로서, CCD 이미지 센서)를 사용하고 있어, 복수의 파장 성분의 강도를 한번에 취득할 수 있다. 이에 의해, 광대역에 걸친 스펙트럼을 고감도로 측정할 수 있다. 아울러, 파장을 소인하는 방식에 비교하여 측정 시간을 단축화할 수 있다.
또한, 측정 장치(100) 및 측정 장치(100A)에 대한 검출 감도를 각각 최적화함으로써, 매우 미약한 광을, 주위 환경의 변화에 영향받지 않고, 재현성 높고 안정되게 측정할 수 있다. 그로 인해, 고정밀도의 양자 효율의 측정이 가능하다. 이러한 장치 구성을 채용함으로써, 예를 들어 생체 내의 물질이 발생시키는 근적외 영역의 파장 성분을 갖는 형광을 검출할 수 있다. 또한, 각종 재료 개발에도 응용할 수 있다. 또한, 인공 광을 합성하여 이용하는 에너지 개발의 분야에 대한 응용도 가능하다.
상술한 설명에 의해, 본 실시 형태에 따른 광학 특성 측정 장치 및 광학 특성 측정 시스템에 관한 그 이외의 이점에 대해서는 밝혀질 것이다.
본 발명의 실시 형태에 대하여 설명했지만, 금회 개시된 실시 형태는 모든 점에서 예시이며 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는 청구범위에 의해 나타나고, 청구범위와 균등의 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
1, 1A: 광학 특성 측정 시스템
2: 시스템 본체
4: 광원
5, 7, 71, 72: 광 파이버
6: 적분기
50: 투광 광학계
52: 집광 렌즈
61: 반구부
61a: 광 확산 반사층
62: 평면 미러
62a: 광 확산 반사층
63: 시료 홀더
64: 투광창
65, 66: 시료 창
67: 관측창
68: 광취출부
69: 표준 반사 부재
73: 분기부
100, 100A: 측정 장치
102: 하우징
104: 광학 슬릿
106: 오목면 회절 격자
108: 검출 소자
110: 기초부
111, 130: 전자 냉각 소자
112: 냉각 핀
113: 접합층
114, 134: 냉각 컨트롤러
116: 접속 부재
120: 단열재
132: 방열 플레이트
136: 냉매 순환 펌프
138, 139: 냉매 경로
150: 표준 램프
152, 154: 차광판 유닛
156: 감광 메쉬
200: 데이터 처리 장치
202: CPU
204: 주 메모리
206: 하드 디스크
208: 측정 프로그램
210: CD-ROM 드라이브
212: CD-ROM
214: 네트워크 인터페이스
216: 디스플레이
218: 입력부
220: 버스

Claims (7)

  1. 광학 특성 측정 시스템이며,
    제1 측정 장치와,
    제2 측정 장치와,
    측정 대상으로부터의 광을 분기하고, 상기 제1 및 제2 측정 장치에 각각 유도하는 분기 파이버를 구비하고,
    상기 제1 측정 장치는,
    제1 하우징 내에 배치된 제1 검출 소자와,
    상기 제1 검출 소자에 대응지어 배치되고, 제1 파장 범위의 광을 상기 제1 검출 소자로 유도하도록 구성된 제1 회절 격자와,
    상기 제1 검출 소자에 적어도 부분적으로 접합되며, 상기 제1 검출 소자를 냉각하기 위한 제1 냉각부와,
    상기 제1 하우징 내의 상기 제1 검출 소자의 주위에 발생하는 온도 변화를 억제하기 위한 억제 기구를 구비하고,
    상기 제2 측정 장치는,
    제2 하우징 내에 배치된 제2 검출 소자와,
    상기 제2 검출 소자에 대응지어 배치되고, 제2 파장 범위의 광을 상기 제2 검출 소자로 유도하도록 구성된 제2 회절 격자를 구비하고,
    상기 제1 측정 장치의 상기 제1 검출 소자는, 상기 제2 측정 장치의 상기 제2 검출 소자에 비교하여, 검출 감도가 보다 높아지도록 구성되어 있는, 광학 특성 측정 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 억제 기구는, 상기 제1 하우징과 적어도 부분적으로 접합되며, 상기 제1 하우징 내의 열을 상기 제1 하우징의 외부로 방출하기 위한 제2 냉각부를 구비하는, 광학 특성 측정 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 억제 기구는, 상기 제1 하우징의 주위에 배치되며, 상기 제1 하우징의 주위로부터 상기 제1 하우징 내로의 열침입을 억제하기 위한 단열 기구를 구비하는, 광학 특성 측정 시스템.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 측정 장치는, 근적외 영역의 파장 성분에 검출 감도를 갖도록 구성되어 있고,
    상기 제2 측정 장치는, 자외 영역 내지 가시 영역의 범위에 포함되는 적어도 일부의 파장 성분에 검출 감도를 갖도록 구성되어 있는, 광학 특성 측정 시스템.
  7. 삭제
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