TW201712318A - 光學特性測量系統以及光學特性測量系統之校正方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種光學特性測量系統，能夠以比較短的時間設定完成，且能夠提高檢出感度。光學特性測量系統，包括第1測量裝置。第1測量裝置包括：第1檢出元件，配置於框體內；第1冷卻部，至少部分地接合第1檢出元件，用以冷卻第1檢出元件；以及抑制機構，用以抑制在框體內的第1檢出元件的周圍產生的溫度變化。

Description

光學特性測量系統以及光學特性測量系統之校正方法
本發明係有關於一種能夠測量光學特性的光學特性測量系統及光學特性測量系統的校正方法。
為了評價含有光增感物質的材料或試藥的特性，會有想測量這些物質所發出的微弱的光的需求。例如，專利文獻特開平09-159604號公報揭露單態氧測量裝置，即使是含有在紫外光頻帶到可見光頻帶間的任意波長具有光吸收性特性的光增感物質的試料、或者是對光直接或間接地不穩定，只能夠入手少量的試料，都能夠測量。
又，專利文獻特開平09-292281號公報、國際公開2010/084566號及特開2011-196735號公報揭露了一種測量量子效率的測量裝置及測量方法，量子效率顯示含有發螢光物質的材料所吸收的光量子量與從試料產生的螢光的光量子量的比。
專利文獻特開平09-159604號公報所揭露的單態氧測量裝置為了提高檢出感度，使用了液態氮冷卻型鍺檢出器。藉由使用液態氮等來冷卻檢出元件，能夠使檢出元件穩定化，擴大檢出動態範圍。另一方面，為了以液態氮冷卻檢出元 件，包括預冷等在內，到實際能夠使用的狀態為止需要數小時的準備，因此不太實用。
因此希望實現一種光學特性測量系統，能夠以比較短的時間設定完成，且能夠提高檢出感度。
根據本發明的一個觀點，提出一種光性測量系統，包括一第1測量裝置。第1測量裝置包括：一第1檢出元件，配置於一框體內；一第1冷卻部，至少部分地接合第1檢出元件，用以冷卻第1檢出元件；以及一抑制機構，用以抑制在框體內的第1檢出元件的周圍產生的溫度變化。
較佳的是，該抑制機構包括：一第2冷卻部，至少部分地接合框體，用以將框體內的熱放出至框體的外部。
較佳的是，該抑制機構包括：一隔熱機構，配置於框體的周圍，用以抑制框體的周圍的熱侵入框體內。
較佳的是，光學特性測量系統更包括：一第2測量裝置。第1測量裝置更包括：一第1繞射光柵，對應第1檢出元件配置，用以將第1波長範圍的光導引至第1檢出元件。第2測量裝置包括：一第2檢出元件，配置於一框體內；以及一第2繞射光柵，對應第2檢出元件配置，用以將第2波長範圍的光導引至第2檢出元件。第1檢測裝置的第1檢出元件比起第2測量裝置的第2檢出元件，檢出感度更高。
較佳的是，光學特性測量系統更包括：一分歧光纖，將來自測量對象的光分歧，分別導入第1測量裝置及第2測量裝置
較佳的是，第1測量裝置具有檢測出近紅外光頻帶的波長成分的感度。第2測量裝置具有檢測出紫外光頻帶到可見光頻帶的範圍內至少一部分的波長成分的感度。
根據本發明的另一個觀點，提出一種光學特性測量系統的校正方法，光學特性測量系統包括：一第1測量裝置；以及檢出感度比第1測量裝置低的一第2測量裝置。光學特性測量系統的校正方法包括：依照一第1配置條件，配置預先定出能量值的光源以及第2測量裝置，根據第2測量裝置接收到來自光源的光後得到的輸出值，決定出第2測量裝置的能量校正係數；依照一第2配置條件，配置光源以及第2測量裝置，根據第2測量裝置接收到來自光源的光後得到的輸出值、以及第2測量裝置的能量校正係數，決定出對應第2設置條件的光源的能量的換算值；以及依照第2設置條件，配置光源及第1測量裝置，根據第1測量裝置接收到來自光源的光後得到的輸出值、對應第2設置條件的光源的能量的換算值，決定出第1測量裝置的能量校正係數。
根據本發明的實施型態，提供一種光學特性測量系統，能夠以比較短的時間設定完成，且能夠提高檢出感度。
又，根據本發明得實施型態，提供一種光學特性測量系統的校正方法，光學特性測量系統包括：第1測量裝置；以及檢出感度比第1測量裝置低的第2測量裝置。
本發明的上述及其他的目的、特徵、觀點及優點能夠從與圖式相關聯的以下有關於本發明的詳細說明中了解。
1、1A‧‧‧光學特性測量系統
2‧‧‧系統本體
4‧‧‧光源
5、7、71、72‧‧‧光纖
6‧‧‧積分器
50‧‧‧投光光學系統
52‧‧‧集光透鏡
61‧‧‧半球部
61a‧‧‧半擴散反射層
62‧‧‧平面鏡
62a‧‧‧光擴散反射層
63‧‧‧試料保持器
64‧‧‧投光窗
65、66‧‧‧試料窗
67‧‧‧觀測窗
68‧‧‧光取出部
69‧‧‧標準反射構件
73‧‧‧分歧部
100、100A‧‧‧測量裝置
102‧‧‧框體
104‧‧‧光學狹縫
106‧‧‧凹面繞射光柵
108‧‧‧檢出元件
110‧‧‧基部
111、130‧‧‧電子冷卻元件
112‧‧‧冷卻片
113‧‧‧接合層
114、134‧‧‧冷卻控制器
116‧‧‧連接構件
120‧‧‧隔熱材
132‧‧‧放熱片
136‧‧‧冷卻循環泵
138、139‧‧‧冷卻路徑
150‧‧‧標準燈
152、154‧‧‧遮光單元
156‧‧‧減光濾鏡
200‧‧‧資料處理裝置
202‧‧‧CPU
204‧‧‧主記憶體
206‧‧‧硬碟
208‧‧‧測量程式
210‧‧‧CD-ROM驅動器
212‧‧‧CD-ROM
214‧‧‧網路介面
216‧‧‧顯示器
218‧‧‧輸入部
220‧‧‧匯流排
第1圖係顯示含有本實施型態的光學特性測量裝置的光學特性測量系統的架構例。
第2A圖及第2B圖係用以說明使用第1圖所示的光學特性測量系統的光學特性測量方法。
第3圖係顯示構成第1圖所示的光學特性測量系統的資料處理裝置的裝置架構的概要圖。
第4圖係顯示構成第1圖所示的光學特性測量系統的測量裝置的裝置架構的概要圖。
第5圖係顯示評價第4圖所示的測量裝置的溫度漂移的影響的結果。
第6圖係顯示適合量測量子效率的光學特性測量系統的裝置架構的主要部分的概要圖。
第7圖係顯示使用本實施型態的測量裝置的測量方法的步驟的流程圖。
第8A圖及第8B圖係顯示使用第6圖所示的光學特性測量系統從溶媒中的富勒烯(C60)中產生單態氧時的測量結果例。
第9圖係顯示對本實施型態的光學特性測量系統進行校正的步驟的流程圖。
第10A圖~第10C圖係用來說明對本實施型態的光學特性測量系統進行校正的步驟的概要圖。
本發明的實施型態，將參照圖式來詳細說明。另外，圖式中相同或相當的部分會附上相同的符號而不重複說明。
<A.系統架構例>
首先，說明包括本實施型態的光學特性測量裝置(以下也會略稱為「測量裝置」)的光學特性測量系統1。第1圖係顯示含有本實施型態的光學特性測量裝置的光學特性測量系統1的架構例。
參照第1圖，光學特性測量系統1包括：光源4、積分器6、收納測量裝置100的系統本體2、以及資料處理裝置200。第1圖中，顯示了光源4、積分器6、及測量裝置100收納於一個框體內的構成例，但並不限定於此，一部分的元件也可以作為其他裝置來架構。在這個情況下，也可能僅以1或複數的測量裝置100來構成光學特性測量系統。
第1圖所示的光學特性測量系統1能夠測量各種光學特性。光學特性例如全光束量、照度(或分光放射照度)、亮度(或分光放射亮度)、光度、色演色(色度座標、刺激純度、相關色溫、演色性)、吸收率、透過率、反射率、發光頻譜(及峰值波長、半波值)、激發頻譜、外部量子效率(或外部量子產率)、內部量子效率(或內部量子產率)等。
以下的說明中，例子主要是對於含有發螢光的物質的試料照射既定波長的激發光(典型來說是紫外光頻帶~可見光頻帶的光)，再檢測從該試料發出的螢光(典型來說是近紅外光頻帶~紅外光頻帶的光)的情況。在這個情況下，測量對象的光學特性典型來說包括從試料產生的螢光頻譜及量子效率。
光源4產生照射試料的激發光。光源4例如使用氙放電燈(Xe燈)、雷射二極體、白色LED(Light Emitting Diode) 等。測量試料的量子效率的情況下，激發光使用因應試料的特性的具有單一波長的單色光為佳。產生的激發光具有廣的波長帶域的情況下(例如採用氙放電等的白色光源的情況下)，也可以設置波長帶域透過濾光片，用來選擇目的的單色光。
光學特性測量系統1採用半球型的積分球來作為積分器6。積分器6也能夠使用全球型。藉由採用半球型的積分球，能夠提高測量精度，同時能夠更容易地進行試料的裝卸。
第2A圖顯示測量粉狀試料或固體試料的情況的測量方法的一例，第2B圖顯示測量熔液試料的情況的測量方法的一例。
參照第2A圖，積分器6在其內部形成半球型的積分空間。更具體來說，積分器6是由半球部61、以及通過半球部61的實質曲率中心且覆蓋半球部61的開口部配置而成的圓板狀的平面鏡62所組成。半球部61的內面(內壁)具有光擴散反射層61a。光擴散反射層61a典型來說是由藉由塗布會吹附硫酸鋇或PTFE(polytetrafluoroethylene)等的光擴散材料而形成。平面鏡62具有對半球部61的內面側做鏡面反射(正反射及擴散反射)的光擴散反射層62a。平面鏡62的光擴散反射層62a朝向半球部61的內部配置，藉此產生半球部61的虛像。組合定義於半球部61的內部的空間(實像)與平面鏡62產生的虛像的話，能夠獲得與使用全球型積分器的情況下相同的照度分布。
粉狀試料或固體試料的試料SMP1安裝於試料窗65，試料窗65形成在含有半球部61的頂點的領域。試料SMP1安裝於試料窗65時，會讓其發出螢光的物質露出至半球部61 的內部。
光源4產生的激發光在光纖5內傳遞，通過投光光學系統50，照射配置在積分器6的內部的試料SMP1。投光光學系統50包括集光透鏡52，將來自光源4的激發光集中到試料SMP1。平面鏡62形成有用來將激發光導引到積分器6的內部的投光窗64。
試料SMP1受到激發光而產生的光(典型來說就是螢光)會在積分器6的內部重複反射，使得積分器6的內面所呈現的照度均一化。
平面鏡62形成有觀測窗67，用來觀測積分器6的內面的照度。對應觀測窗67設置有光取出部68。光取出部68連接了與測量裝置100光學連接的光纖7的端部。也就是說，具有對應到積分器6的內面(相當於從觀測窗67觀看的視野範圍)的照度的強度的光入射測量裝置100。測量裝置100從通過光纖7所觀測到的光中測量出試料SMP1等的光學特性。
如第2A圖所示，使用者只需要在半球部61的頂點(圖面的最下部)設置的試料窗65安裝上試料SMP1即可，因此即使需要測量複數的試料SMP1的情況下，也能夠使試料的安裝及交換作業簡單化。
參照第2B圖，測量溶液試料的試料SMP2的情況下，會將試料保持器63安裝於形成在平面鏡62的中心部的試料窗66，將試料SMP2配置在試料保持器63內。此時，形成於包含半球部61的頂點的領域的試料窗65會安裝上標準反射構件69。
投光光學系統50會對應著試料窗66而配置到試料保持器63的長度方向的延長位置，投光光學系統50將來自光源4的激發光通過試料保持器63的內部照射到試料SMP2。試料SMP2受到激發光而產生的光(典型來說就是螢光)會在積分器6的內部重複反射，使得積分器6的內面所呈現的照度均一化。測量裝置100使用與第2A圖相同的方法，從通過光纖7所觀測到的光中測量試料SMP2等的光學特性。
第2B圖所示的使用狀態中，投光窗64(未圖示：參照第2A圖)也會安裝要標準反射構件。
因為試料的材質或特性等的不同，也會有產生再激發螢光的情況。再激發螢光是指被試料表面反射的激發光在積分器6內擴散反射後，再次入射試料，並且再次發光的現象。光學特性測量系統1中，能過對這種再激發螢光所帶來的誤差進行修正。
再次參照第1圖，測量裝置100接收通過光纖7所觀測到的光，輸出測量結果(頻譜等)。資料處理裝置200處理來自測量裝置100的測量結果，算出試料的光學特性。測量裝置100的詳細內容將在之後說明。
資料處理裝置200典型來說是由通用的電腦來實現。第3圖係顯示構成第1圖所示的光學特性測量系統的資料處理裝置200的裝置架構。資料處理裝置200包括：CPU(Central Processing Unit)202，執行含有作業系統(OS：Operating System)的各種程式；主記憶體204，暫時儲存CPU202執行程式所需要的資料；硬碟206，非揮發性地儲存 CPU202所執行的測量程式208。構成測量裝置100的各元件透過匯流排220以可彼此通信的方式連接。
硬碟206預先儲存有用來實現本實施型態的測量方法的測量程式208。這個測量程式208藉由CD-ROM(Compact Disk-Read Only Memory)驅動器210，從儲存媒體的一例，如CD-ROM212等讀取出來。也就是說，用來實現本實施型態的測量方法的測量程式208會儲存於CD-ROM212等的儲存媒體等來流通。或者是，也可以透過網路來發布測量程式208。在這個情況下，測量程式208透過資料處理裝置200的網路介面214而被接收，儲存於硬碟206內。
顯示器216對使用者顯示測量結果等。輸入部218典型來說包括鍵盤或滑鼠等，受理使用者的操作。
另外，上述的機能的一部分或全部也可由專用的硬體電路來實現。又，也可以將資料處理裝置200作為系統本體2的一部分組合進系統本體2。
<B.新課題的發現>
假定將具有紫外光頻帶或可見光頻帶的波長成分的激發光照射試料，再測量該試料產生的發光的情形等。這樣的測量中，試料產生的光是具有從近紅外光頻帶到紅光外頻帶的波長成分的極微弱的光的情況相當多。又，因為試料的不同，也會有光的壽命短，只能確保極短的測量時間的情形。
因此，使用盡可能地提高檢出感度的測量裝置為佳。如先前技術，有一種藉由使用液態氮等來冷卻檢出元件，提高檢出感度的方法，但確有需要長時間設置，且處理並不容 易的問題。
因此，不需要液態氮等的特別冷卻，利用在常溫下能夠使用的檢出元件來實現測量裝置，能夠提高測量的便利性。這種在常溫下使用的檢出元件為了避免溫度造成的外在干擾，會具有將檢出元件本體的溫度維持一定的功能。
本案發明人們發現新的問題，也就是為了檢測出極微弱的光而提高檢出元件的檢出增益的話，就算檢出元件本體的溫度維持一定，也會受到測量裝置的周圍溫度的影響。根據本案發明人們努力的研究，得到了這樣的結論：伴隨著測量裝置的周圍溫度的變化，測量裝置內部也產生溫度變化，提高增益的檢出元件會捕捉到該溫度變化所產生的輻射熱變化，結果即使測量對象的光的強度沒有變化，測量結果中也會產生該影響帶來的誤差。因此，本案發明人們發明了測量裝置100，除了檢出元件本身之外，新採用了不會受到測量裝置內部產生的溫度變化所帶來的影響，也就是輻射熱帶來的影響的功能。 根據本實施型態的測量裝置100，即使測量裝置100的周圍溫度變化，也能夠穩定地測量。
<C.測量裝置100的架構例>
接著，說明本實施型態的測量裝置100的架構例。
第4圖係顯示構成第1圖所示的光學特性測量系統的測量裝置100的裝置架構的概要圖。參照第4圖，測量裝置100是分光收光器，包括光學狹縫104、凹面繞射光柵106、檢出元件108。這些元件配置於框體102的內部。
框體102的一部分設置有連接構件116，安裝了光 纖7的端部。藉由連接構件116，光纖7的開口端的光軸會重疊到光學狹縫104的中心軸的位置。從積分器6取出的光(以下也稱為「測量光」)在光纖7內傳遞，通過測量裝置100的光學狹縫104。測量光被光學狹縫104調整了剖面徑長後入射凹面繞射光柵106。
藉由測量光入射凹面繞射光柵106，包含於測量光內的各個波長成分會光學地分離。也就是，測量光會被凹面繞射光柵106繞射，包含於測量光內的各個波長成分會因應其波長的長度而朝向不同的方向前進。各個波長成分會入射光學上位置配合凹面繞射光柵106設置的檢出元件108。凹面繞射光柵106對應檢出元件108配置，能將既定波長範圍(本架構例中是近紅外光頻帶~紅外光頻帶)的光導引到檢出元件108。
檢出元件108採用了將彼此獨立的複數檢出面排列配置的陣列感測器。檢出元件108也可以採用CCD(Charge-Coupled Device)影像感測器。構成檢出元件108的檢出面的數目及長度會因應凹面繞射光柵106的繞射特性及成為檢出對象的波長帶寬來設計。為陣列感測器的檢出元件108會對每個既定的波長帶寬檢出測量光的強度頻譜。
檢出元件108具有至少部分地接合到檢出元件108以冷卻檢出元件108的自我冷卻機能。檢出元件108是自我冷卻型的檢出元件，藉由降低熱雜訊、暗電流，來提高檢出度且提高訊噪音(S/N，Signal to Noise)比。具體來說，檢出元件108包括具有冷卻機能的基部110。基部110的內部實裝了用來冷卻檢出元件108的機能。典型來說，基部110的內部也可 以採用帕爾帖元件等的電子冷卻元件111。
基部110的與檢出元件108相反的一側會透過接合層113與冷卻片112接合。在檢出元件108所產生的一部分的熱會被基部110內部的電子冷卻元件111吸收，另一部分會透過基部110及接合層113，從冷卻片112排出至測量裝置100的外部。
基部110的電子冷卻元件111會被冷卻控制器114控制電流值等。冷卻控制器114根據來自未圖示的溫度感測器等的檢出值，控制電流值等，使檢出元件108維持在既定的溫度。
本實施型態的測量裝置100除了檢出元件108的自我冷卻機能外，還具有不對檢出元件108帶來輻射熱的變化的影響的機能。也就是說，測量裝置100具有用來抑制框體102內的檢出元件108的周圍產生溫度變化的機能及架構。第4圖所示的架構例中，顯示了將框體102的內部空間的溫度維持在一定值的調溫機能、以及減低熱侵入框體102內的隔熱機能組合在一起的例子。
調溫機能能夠藉由與框體102部分地接合，將框體102內的熱放出至框體102的外部的冷卻機構來實現。更具體來說，調溫機能包括配置於框體102的側面的電子冷卻元件130、與電子冷卻元件130接合的放熱片132。電子冷卻元件130由帕爾帖元件等組成，被冷卻控制器134控制電流值等。
放熱片132的內部形成有冷媒(典型來說是水或氟利昂等)流過的流路(未圖示)。放熱片132通過冷媒路徑138、139連結到冷媒循環泵136。冷媒循環泵136按照冷媒路徑138、放熱片132、冷媒路徑139的順序使冷媒循環。藉由冷媒 循環泵136的運轉，框體102內部的一部分的熱會從放熱片132放出至外部，且在放熱片132與冷媒熱交換，從冷媒循環泵136運作的循環路徑上放出至外部。也就是說，放熱片132及冷媒循環泵136會促進電子冷卻元件130對框體102內部的冷卻。
調溫機能雖以例子說明了藉由冷媒循環泵136使冷媒在與放熱片132之間循環的架構的例子，但也可以取代放熱片132，與檢出元件108的自我冷卻機能同樣地，採用具有冷卻風扇的架構。
隔熱機能能夠藉由配置於框體102的周圍，用來抑制熱從框體102的周圍侵入框體102內的構造來實現。更具體來說，隔熱機能會配置隔熱材120於框體102的外周。隔熱材120能夠使用任意的材料，但例如可以使用玻璃棉及岩棉等的纖維類的隔熱材。或者是，也可以使用聚氨酯發泡材及聚苯乙烯發泡材等的發泡類的隔熱材。藉由配置這樣的隔熱材120於框體102的外周，能夠減低熱從周圍侵入框體102的內部。
如上述，本實施型態的測量裝置100具有抑制檢出元件108的周圍產生溫度變化而不帶來輻射熱變化的影響的機能及架構。如果可以抑制檢出元件108的周圍產生的溫度變化的話，不限定於第4圖的架構例，也可以採用其他任意的架構。
例如，第4圖顯示了組合以電子冷卻元件130為主的調溫機能以及以隔熱材120為主的隔熱機能的架構例，但也可以僅採用其中任一者。
作為其他的架構例，也可以取代隔熱材120，設置真空層於框體102的外周側或內周側，來減低來自周圍的熱侵 入。或者是，也可以使受到溫度控制的冷媒(典型來說是乾燥空氣及氮氣)循環於框體102的周圍，藉此將框體102的內部的溫度維持在一定值。
另外，上述複數的機能中，也可以適當選擇2個以上的機能加以組合。本實施型態的測量裝置100根據如上述的本案發明人的新的見解，控制檢出元件108所配置的框體102的內部的溫度使其穩定化，藉此能夠減低輻射熱對檢出元件108的影響，提高檢出感度，且提高S/N比。
除了用來抑制框體102內的檢出元件108的周圍產生溫度變化的機能及架構，藉由在檢出元件108的檢出面中對沒有用於測量的領域進行遮罩處理，能夠提高暗輸出的穩定性。
<D.改善效果>
接著，說明第4圖所示的測量裝置100的溫度漂移的改善效果。第5圖係顯示評價第4圖所示的測量裝置100的溫度漂移的結果。第5圖是將第4圖所示的測量裝置100、以及不具有第4圖所示的調溫機能(電子冷卻元件130、放熱片132、冷卻控制器134、冷卻循環泵136)及隔熱機能(隔熱材120)的測量裝置(比較例)，分別配置於恆溫槽內，評價兩者在周圍溫度變化的情況下的輸出值變化的結果。
第5圖所示的「周圍溫度」顯示恆溫槽的溫度變化。具體來說是10℃~30℃的範圍，每兩小時階段地變化5℃。
比較例的測量裝置會分為將檢出元件的檢出感度設定為標準值(第5圖的(1)標準感度(比較例))，與將檢出元件的檢出感度設定較高(第5圖的(2)高感度(比較 例))的兩種類來量測。另一方面，第4圖所示的測量裝置100會使用將檢出元件的檢出感度設定較高的狀態來測量(第5圖的(3)高感度(實施型態))。
在任一個情況下，顯示遮斷測量光的入射的狀態下的暗修正後的輸出值。各輸出值是將曝光時間設定為20秒的拍攝重複進行4次的累加值。第5圖所示的測量結果是暗修正後的輸出值，這個值越小越好。
如第5圖所示，即使是比較例的測量裝置，使用標準感度的情況下雖然受到周圍溫度變化的影響較小，但一旦檢出感度提高，就會受到周圍溫度變化的影響，即使在同樣的測量條件下，也會有輸出值的變動。
相對於此，本實施型態的測量裝置100實施減低熱從周圍侵入框體102的內部的侵入的對策，因此儘管將檢出感度設定較高，受到周圍溫度變化的影響仍然比較小。結果，比起將比較例的測量裝置使用於標準感度的情況下，能夠更加減小雜訊的影響。
<E.適合量子效率的測量的架構>
接著，說明適合量子效率的測量的架構例。例如，測量含有發螢光的物質的試料的量子效率的情況下，必須對試料照射具有紫外光頻帶或可見光頻帶的波長成分的激發光，測量該被照射的激發光，同時測量該試料產生的具有近紅外光頻帶或紅外光頻帶的波長成分的螢光。一般來說，產生的螢光相較於激發光來說極為微弱。又，試料的壽命短，僅能夠確保極短的測量時間。
在這個情況下，可以採用組合主要用來測量激發光的第1測量裝置及主要用來測量螢光的第2測量裝置的架構。以下，以例子說明適合測量發出螢光的物質的量子效率的裝置架構。
第6圖顯示適合量子效率的測量的光學特性測量系統1A的裝置架構的主要部分的概要圖。參照第6圖，光學特性測量系統1A包括主要用來測量激發光的測量裝置100A及主要用來測量螢光的測量裝置100。
光學特性測量系統1A包括使來自測量對象的光分歧，分別導引至測量裝置100及測量裝置100A的光纖。也就是說，連接到積分器6的光取出部68的光纖7在分歧部73分成連接到測量裝置100A的光纖71以及連接到測量裝置100的光纖72。也就是說，通過光纖7觀測到的光分成兩部分，分別入射到測量裝置100及測量裝置100A。
測量裝置100A主要用來測量激發光，被設計成檢出範圍在紫外光頻帶~可見光頻帶。另一方面，測量裝置100主要用來檢測螢光，被設計成檢出範圍在近紅外光頻帶~紅外光頻帶。也就是說，測量裝置100構成具有主要檢出近紅外光頻帶或紅外光頻帶的波長成分的感度，測量裝置100A構成具有檢出紫外光頻帶到可見光頻帶的範圍內至少一部分波長成分的感度。
測量裝置100的裝置架構與上述第4圖所示的裝置架構相同。另一方面，測量裝置100A的裝置架構也可以採用與上述第4圖所示的相同的裝置架構，但在測量激發光的情況下，成為檢測對象的光的強度高，因此並不一定需要設計第4圖所示 的調溫機能(電子冷卻元件130、放熱片132、冷卻控制器134、冷卻循環泵136)及隔熱機能。第6圖所示的光學特性測量系統1A中，採用省略了調溫機能及隔熱機能的測量裝置100A。
因應測量裝置100與測量裝置100A之間的檢出範圍不同，測量裝置100的凹面繞射光柵106的構成會將既定的波長範圍(本架構例中是近紅外光頻帶~紅外光頻帶)的光導引到檢出元件108。另一方面，測量裝置100A的凹面繞射光柵106的構成會將不同波長範圍(本架構例中是紫外光頻帶~可見光頻帶)的光導引到檢出元件108。
又，測量裝置100的檢出元件108比較起測量裝置100A的檢出元件108，檢出感度會設定比較高。換言之，測量裝置100A比測量裝置100的檢出感度低。
根據第6圖所示的光學特性測量系統1A，能夠平行地測量2個測量裝置，因此能夠同時測量從紫外光頻帶~近紅外光頻帶(或紅外光頻帶)為止的頻譜。例如，作為以1台的測量裝置測量從紫外光頻帶到近紅外光頻帶(或紅外光頻帶)為止的頻譜的機能，有一種將繞射光柵機械性依序旋轉來依序變化檢出對象的波長(也就是波長掃描)的裝置，然而採用這種機能的情況下，要將目的的頻譜的測量結束為止需要花上比較長的時間。又，測量紫外光頻帶及可見光頻帶結束，移動到測量近紅外光頻帶或紅外光頻帶時，也需要機械的切換動作，形成測量上不穩定的因子。
對此，第6圖所示的光學特性測量系統1A具有能夠一次測量紫外光頻帶到可見光頻帶的波長的陣列感測器(測量 裝置100A的檢出元件108)與能夠一側測量近紅外光頻帶到紅外光頻帶的波長的陣列感測器(測量裝置100的檢出元件108)。採用這樣的架構，不需要掃描波長，就能夠同時且短時間測量廣範圍的波長帶的頻譜。又，用來測量發光強度高的激發光的測量裝置100A，以及用來測量發光強度低的螢光的測量裝置100之間，使檢出元件108的檢出感度分別最佳化，就能夠實現以高精度測量量子效率的合理且經濟的光學特性測量系統1A。
<F.測量方法>
接著，說明使用第4圖所示的測量裝置100的測量方法。如第6圖所示的光學特性測量系統1A，使用測量裝置100及測量裝置100A的情況下也能夠用相同的步驟來測量。
第7圖係顯示使用本實施型態的測量裝置100的測量方法的步驟的流程圖。參照第7圖，首先，啟動光學特性測量系統的各組件的電源進行熱機(步驟S100)。具體來說，熱機包括構成測量裝置100的檢出元件108的自我冷卻機能的穩定化、測量裝置100的框體102內的溫度穩定化、光源4的穩定化等。
使用者將配置對照組於積分器6內，使來自光源4的激發光直接照射對照組(步驟S102)。粉體試料或固體試料的情況下，標準反射構件69(參照第2B圖)成為對照組，溶液試料的情況下，將僅溶媒封入與封入試料的容器相同款式的容器內成為對照組。測量裝置100測量激發光照射對照組時的光(步驟S104)。這個測量值是顯示試料的測量時所產生的光吸收等的影響的值，被當作修正值使用。
接著，使用者配置試料於積分器6內，使來自光源4的激發光直接照射試料(步驟S106)。測量裝置接受激發光並測量從試料產生的光(步驟S108)。此時，測量裝置100除了測量試料產生的光外，還測量透過試料的激發光、以及/或者被試料反射的激發光。
接著，使用者進行用以修正再激發螢光的設定(步驟S110)。測量裝置100接收激發光並測量從試料產生的光(步驟S112)。作為用以修正再激發螢光的設定，粉狀試料或固狀試料的情況下，會配置試料於不會被來自光源4的激發光直接照射的位置，並測量在積分器6內反射的激發光照射到試料時所產生的光。又，溶液試料的情況下，取下安裝於積分器6的試料窗65的標準反射構件69，在透過試料的激發光不在積分器6內反射的狀態下進行測量。
最終，資料處理裝置200使用步驟S104中測量裝置100測量的結果、步驟S108中測量裝置100測量的結果、步驟S112中測量裝置100測量的結果，算出試料的光學特性質(例如量子效率等)(步驟S114)。
<G.測量結果例>
接著，顯示使用第6圖所示的光學特性測量系統1A來測量試料的結果的一例。第8A圖及第8B圖係顯示使用第6圖所示的光學特性測量系統1A從溶媒中的富勒烯(C60)中產生單態氧時的測量結果例。第8A圖作為比較例，顯示使用將檢出元件的檢出感度設為標準的測量裝置的例子，第8B圖顯示採用第4圖所示的架構，並且使用將檢出元件的檢出感度 設定較高的測量裝置的例子。
更具體來說，對存在於氘化苯(C6D6)的溶媒中的富勒烯照射激發光，產生單態氧。第8圖顯示測量在生成單態氧的過程中所產生的螢光的頻譜的結果的一例。產生激發光的光源4會使用532nm的雷射光源(輸出功率20mW)。
如第8A圖所示，在檢出元件的檢出感度設定為標準的狀態下，無法測量產生的螢光的頻譜，但如第8B圖所示，在檢出元件的檢出感度設定為高的狀態下，就能夠測量產生的螢光的頻譜。
又，使用第6圖所示的光學特性測量系統1A來測量溶媒中的富勒烯的內部量子效率。另外，也進行再激發螢光的修正。為了檢討測量的穩定性，會對同一試料在3天內重複地進行測量(測量為1天一次，合計進行3次)。結果顯示如下。
第一天：0.061%；第2天：0.062%；第3天：0.062%。根據這個量子效率的量測結果可知，即使是量子效率極小的試料，也能夠安定地檢測。
<H.校正方法>
第6圖所示的光學特性測量系統1A包括彼此檢出感度各異的2台的測量裝置100及100A。考慮到量子效率的量測等的話，必須使用相同的標準光源來進行能量校正。也就是說，2台的測量裝置之間，必須整合從測量值換算出來的能量的大小。另一方面，因為檢出感度不同，使用相同的標準光源對2台的測量裝置進行能量校正並不容易。因此，說明對構成本實施型態的光學特性測量系統1A的測量裝置100及100A 的校正方法的一例。
第9圖係顯示對本實施型態的光學特性測量系統1A進行校正的步驟的流程圖。第10A~10C圖是用來說明對本實施型態的光學特性測量系統1A進行校正的步驟的概要圖。
參照第9圖及第10A~10C圖，首先，對於要用於校正的標準燈150，使用預先校正好的上位的標準光源(國際標準可追溯光源)，以距離L1定出照度等的值(步驟S200)。標準燈150假設例如50W的光源。透過步驟S200，取得標準燈150的能量值。能量值典型來說是使用分光放射照度[μW．cm-2．nm-1]來定義。
接著，按照既定的設置條件，配置預先定出能量值的光源，即標準燈150，以及測量裝置100a。作為一例，如第10A圖所示，將標準燈150與測量裝置100A(標準感度)對齊光軸配置彼此距離L1(步驟S202)。為了減低從標準燈150產生的雜散光成分等的影響，會在標準燈150及測量裝置100A之間配置遮光板單元152.154。
根據以測量裝置100A接收來自標準燈150的光後所得到的輸出值，決定測量裝置100A的能量校正係數。也就是說，根據第10A圖所示的設置條件下的測量裝置100A的輸出值，計算出測量裝置100A的能量校正係數(步驟S204)。
能量校正係數是將測量裝置的輸出值(信號值)換算成能量的係數，與能量的關係式為：能量=暗修正後的輸出值(測量值-暗修正時的測量值)/能量校正係數。
在步驟S204中，將測量裝置100A的測量值I2減 去測量裝置100A的暗修正值(暗狀態輸出的測量值Id2)後的值，除以對標準燈150定出的能量值，算出能量校正係數。也就是說，測量裝置100A的能量校正係數k2=(I2-Id2)/(標準燈150的定出的能量值E1)。
接著，按照別的設置條件，配置光源的標準燈150及測量裝置100A。作為一例，如第10B圖所示，將標準燈15與測量裝置100A(標準感度)之間從距離L1靠近到距離L2，然後在標準燈150與測量裝置100A之間的光軸上配置減光濾鏡156(步驟S206)。減光濾鏡156能夠採用例如透過率1%(也就是減光成1/100)的濾鏡。另外，從距離L1靠近到距離L2是為了要減輕減光濾鏡156的減光比例，如果準備有更適合的減光濾鏡156的話，也可以不變更距離。。
根據測量裝置100A接收標準燈150的光所獲得的輸出值、測量裝置100A的能量校正係數，決定標準燈150對應現在的設置條件的能量換算值。也就是說，根據第10B圖所示的設置條件下的測量裝置100A的輸出值，計算出反應了減光濾鏡156及距離L2的標準燈150的能量的換算值(步驟S208)。具體來說，將測量裝置100A的測量值I2’減去測量裝置100A的暗修正值(暗狀態下輸出的測量值Id2)後的值，乘上步驟S204中算出的能量校正係數k2，計算出換算能量值E2。也就是說，換算能量值E2=(Id2’-Id2)×能量校正係數k2。
接著，按照別的設置條件，配置光源的標準燈150及測量裝置100。作為一例，在第10B圖所示的狀態下，維持遮光板單元152、154及減光濾鏡156的配置狀態，取代測量 裝置100A(標準感度)，配置測量裝置100(高感度)(參照第10C圖，步驟S210)。
根據以測量裝置100接收標準燈150的光後獲得的輸出值，以及對應第10B圖的設置條件的標準燈150的能量的換算值，決定測量裝置100的能量校正係數。也就是說，根據第10C圖所示的設置條件下的測量裝置100的輸出值，計算出測量裝置100的能量校正係數(步驟S212)。在步驟S212中，將測量裝置100的測量值I1減去測量值100的暗修正值(暗狀態下輸出的測量值Id1)後，再除以步驟S208中算出的換算能量值E2，算出能量校正係數。也就是說，測量裝置100的能量校正係數k1=(I1-Id1)/(標準燈150的換算能量值E2)。
藉由以上的步驟，能夠使用相同的標準光源，分別決定出測量裝置100及測量裝置100A的能量校正係數。
另外，也能夠因應測量裝置100(高感度)與測量裝置100A(標準感度)之間的感度差，來適當調整標準燈150的瓦數、距離L1與距離L2的差、減光濾鏡的特性等。
<I.優點>
本實施型態的測量裝置100具有用以抑制框體102內的檢出元件108的周圍所產生的溫度變化的機能及架構。藉由採用這種機能及架構，即使提高檢出元件108的檢出感度，也能夠在減低測量雜訊的影響下進行測量。藉由使用這種測量裝置100，以具有紫外光頻帶或可見光頻帶的波長成分的激發光照射試料，也能夠穩定地測量該試料產生的極微弱的發光。
又，本實施型態的測量裝置100使用電子冷卻元 件，採用了分別冷卻檢出元件108本體及框體102的內部的方式，因此比較起使用液態氮等的冷卻方式，能夠大幅縮短包含熱機的測量時間。
根據本實施型態的光學特性測量系統1A，使用檢出範圍各自不同的測量裝置100及測量裝置100A，能夠同時測量來自測量對象的光。測量裝置100及測量裝置100A任一者都會使用陣列感測器(一個例子為CCD影像感測器)來作為檢出元件，一次取得複數的波長成分的強度。藉此，能夠高感度地測量跨過廣帶域的頻譜。同時，比起掃描波長的方式，能夠縮短測量時間。
又，將測量裝置100及測量裝置100A的檢出感度分別最佳化，藉此能夠部受到周圍環境變化的影響，重現性佳且穩定地測量極微弱的光。因此，能夠高精度地測量量子效率。藉由採用這種裝置架構，能夠檢測出例如生物體內的物質所產生的具有近紅外光頻帶的波長成分的螢光。又，也能夠應用於各種的材料開發。又，也能夠應用於合成人造光來使用的能量開發的領域。
透過上述的說明，本實施型態的光學特性測量裝置及光學特性測量系統的上述之外的優點變得相當清楚。
雖然已說明了本發明的實施型態，但本次揭露的實施型態在各個方面均為例示而非限制性，本發明的範圍將由申請專利範圍來表示，與申請專利範圍具有均等意義以及範圍內的所有的變更均包括在本發明當中。
7‧‧‧光纖
100‧‧‧測量裝置
102‧‧‧框體
104‧‧‧光學狹縫
106‧‧‧凹面繞射光柵
108‧‧‧檢出元件
110‧‧‧基部
111、130‧‧‧電子冷卻元件
112‧‧‧冷卻片
113‧‧‧接合層
114、134‧‧‧冷卻控制器
116‧‧‧連接構件
120‧‧‧隔熱材
132‧‧‧放熱片
136‧‧‧冷卻循環泵
138、139‧‧‧冷卻路徑

Claims (7)

  1. 一種光性測量系統，包括一第1測量裝置，其中：該第1測量裝置包括：一第1檢出元件，配置於一框體內；一第1冷卻部，至少部分地接合該第1檢出元件，用以冷卻該第1檢出元件；以及一抑制機構，用以抑制在該框體內的該第1檢出元件的周圍產生的溫度變化。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之光學特性測量系統，其中該抑制機構包括：一第2冷卻部，至少部分地接合該框體，用以將該框體內的熱放出至該框體的外部。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述之光學特性測量系統，其中該抑制機構包括：一隔熱機構，配置於該框體的周圍，用以抑制該框體的周圍的熱侵入該框體內。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之光學特性測量系統，更包括一第2測量裝置，其中該第1測量裝置更包括：一第1繞射光柵，對應該第1檢出元件配置，用以將第1波長範圍的光導引至該第1檢出元件，該第2測量裝置包括：一第2檢出元件，配置於一框體內；以及一第2繞射光柵，對應該第2檢出元件配置，用以將第2 波長範圍的光導引至該第2檢出元件，其中該第1檢測裝置的該第1檢出元件比起該第2測量裝置的該第2檢出元件，檢出感度更高。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之光學特性測量系統，更包括：一分歧光纖，將來自測量對象的光分歧，分別導入該第1測量裝置及該第2測量裝置。
  6. 如申請專利範圍第4項所樹脂光學特性測量系統，其中該第1測量裝置具有檢測出近紅外光頻帶的波長成分的感度，該第2測量裝置具有檢測出紫外光頻帶到可見光頻帶的範圍內至少一部分的波長成分的感度。
  7. 一種光學特性測量系統的校正方法，該光學特性測量系統包括一第1測量裝置；以及檢出感度比該第1測量裝置低的一第2測量裝置，其中該光學特性測量系統的校正方法包括：依照一第1配置條件，配置預先定出能量值的光源以及該第2測量裝置，根據該第2測量裝置接收到來自該光源的光後得到的輸出值，決定出該第2測量裝置的能量校正係數；依照一第2配置條件，配置該光源以及該第2測量裝置，根據該第2測量裝置接收到來自該光源的光後得到的輸出值、以及該第2測量裝置的能量校正係數，決定出對應該第2設置條件的該光源的能量的換算值；以及依照該第2設置條件，配置該光源及該第1測量裝置，根據該第1測量裝置接收到來自該光源的光後得到的輸出值、對應該第2設置條件的該光源的能量的換算值，決定出該第1測量裝置的能量校正係數。
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