JP4294566B2 - 全反射吸収測定用プリズムを用いた全反射吸収測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、全反射吸収測定用プリズムを用いた全反射吸収測定方法に関するものである。

従来より、高分子厚膜、塗膜等の透過法を適用することが難しい試料の分光分析方法として、全反射吸収測定法（Attenuated Total Reflection；以下「ＡＴＲ法」という。）が用いられてきた。
試料に入射光として例えば赤外光を入射させると、ある波長の光が選択的に吸収を受ける。試料表面を近接場光として透過した赤外光の強さを、波数に対して記録することにより赤外吸収スペクトルが得られる。このようなＡＴＲ法は、図７に示すように、全反射を達成するために屈折率の大きな三角形断面を有するＡＴＲプリズム（全反射吸収測定用プリズム）１００を用い、試料１０１をＡＴＲプリズム１００の底面に密着させ、側面から赤外光１０３を入射させることにより行う。
また、図８に示すように、ＡＴＲ法では、一般に、断面が台形とされたＡＴＲプリズム１０２が用いられており、その上面および／または下面に試料１０１を密着させ、側面から赤外線１０３を照射して測定を行っていた。このような台形断面のＡＴＲプリズム１０２を用いることにより、入射光を多重反射させることができるので、Ｓ／Ｎ比を向上させることができるという利点がある。

特開２００３−１４９１４２号公報

しかし、三角形や台形の断面形状を有するＡＴＲプリズム１００，１０２を用いると、集光点に収差が生じ、エネルギー損失が避けられないという問題がある。

このような収差やエネルギー損失の問題を解消する方法として、図９に示すような半球形のＡＴＲプリズム１０４を用いることが考えられる。しかし、半球形のＡＴＲプリズム１０４では、全反射を達成するための入射角θを所定以上確保する必要があり、装置の大型化を招いていた。つまり、入射角θを確保するために、入射光および出射光の位置をＡＴＲプリズム１０４の側方（図において左右方向）に配置せざるを得ず、装置を側方に拡大せざるを得なくなっていた。

また、試料１０１をＡＴＲプリズム１００，１０２，１０４に密着させるため、ＡＴＲプリズム１００，１０２，１０４に傷をつけたり汚してしまうという問題があった。このように試料１０１をＡＴＲプリズム１００，１０２，１０４に密着させると、試料１０１を交換するたびにＡＴＲプリズム１００，１０２，１０４の洗浄が必要となり、ＡＴＲプリズム１００，１０２，１０４表面の劣化が進行する。ＡＴＲプリズム１００表面の劣化は、全反射光束強度を減衰させ、測光強度を低下させる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、収差がなく（又は極めて小さく）入射角が小さい全反射吸収測定用プリズムを用いた全反射吸収測定方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、試料の交換によるＡＴＲプリズム表面の劣化を防止する全反射吸収測定用プリズムを用いた全反射吸収測定方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、コンパクトな全反射吸収測定装置が実現可能な全反射吸収測定方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の全反射吸収測定用プリズムを用いた全反射吸収測定方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる全反射吸収測定方法に用いられる全反射吸収測定用プリズムは、入射光が照射される超半球形状の球面部の少なくとも一部分と、前記入射光の焦点が形成される超半球形状の平面部の少なくとも一部分とを有し、前記焦点に、試料が設置されることを特徴とする。

超半球形状のプリズムを採用することとしたので、三角形や台形の断面形状を有するプリズム（図７，８参照）に比べて、収差のない（又は極めて小さい）光学系を実現することができる。
超半球形状の平面部に入射光の焦点を形成し、ここに試料を設置させることとしたので、半球形プリズム（図９参照）に比べて、可及的に小さくした焦点面積を利用することができ、精度の高い測定が実現される。
超半球形状の球面部に光を入射させることとしたので、半球形プリズム（図９参照）に比べて、入射角および出射角を小さくできる。これにより、装置をコンパクトにすることができる。

また、本発明の全反射吸収測定方法に用いられる全反射吸収測定用プリズムは、前記超半球形状の球面部の少なくとも一部分を形成する球面部材と、前記超半球形状の平面部の少なくとも一部分を形成する試料側部材と、を備えていることを特徴とする。

超半球形状の平面部の少なくとも一部分を形成する部材を試料側部材として、超半球形状の球面部の少なくとも一部を形成する球面部材と異なる部材を用いることとしたので、試料が設置される部材を試料側部材に限定することができる。これにより、試料を取り替えることによって試料側部材に傷や汚れが生じたとしても、球面部材にはその影響が一切生じないことになる。したがって、球面部材として多く流通し安価に入手可能な半球形プリズムを採用することもでき、さらに試料側部材を安価な材料や形状で構成すれば、全体としてのコストを下げることができる。また、試料を設置した試料側部材を測定前に多数用意しておくことにより、多種多様の試料に対する測定時間を格段に短縮することができる。
なお、試料側部材と入射側部材との接続は、光学研磨した接触面を互いに当接させることによって行うことが好ましい。また、接触面間に境界面の影響を減少させる粘性物質（例えば、シリコングリースなど）を介在させることとしても良い。

また、本発明の全反射吸収測定方法に用いられる全反射吸収測定用プリズムは、前記試料側部材が板状とされていることを特徴とする。

試料側部材を板状としたので、試料側部材を安価に構成できる。これにより、コストを下げることができる。

本発明の全反射吸収測定方法を行う全反射吸収測定装置は、光源と、該光源から出射された光を絞る絞り手段と、該絞り手段からの光が入射される前記全反射吸収測定用プリズムと、該全反射吸収プリズムから出射された出射光を測定する測定手段と、を備えていることを特徴とする。

本発明の全反射吸収測定方法に用いられる全反射吸収測定用プリズムを採用することにより、入射角を小さくできるので、コンパクトな全反射吸収測定装置を提供することができる。

本発明によれば、収差がなく（又は極めて小さく）入射角が小さい全反射吸収測定用プリズムを用いた全反射吸収測定方法を提供することができる。
また、本発明は、試料の交換によるＡＴＲプリズム表面の劣化を防止する全反射吸収測定用プリズムを用いた全反射吸収測定方法を提供することができる。
また、超半球形状の全反射吸収測定用プリズムを用いることにより、コンパクトな全反射吸収測定装置が実現可能な全反射吸収測定方法を提供することができる。

以下に、本発明の参考例について、図面を参照して説明する。
図１には、本発明の参考例としての超半球形状のＡＴＲプリズム（全反射吸収測定用プリズム）１を用いた光学系が示されている。図において、ＡＴＲプリズム１の仮想焦点Ｏ１を通る対称面Ｌに対して、図において右方が入射光学系３、左方が出射光学系４となっている。入射光学系３及び出射光学系４は、対称面Ｌに対して対称となるように配置されている。なお、同図では、図７〜９に対して上下位置が反転していることに注意されたい。

ＡＴＲプリズム１は、超半球形状とされており、図において下方の球面部１ａと、図において上方の平面部１ｂとを有している。球面部１ａには、入射光が照射される入射面と、この入射面の対称面Ｌに対する対称位置に出射光が出射する出射面とが設けられている。平面部１ｂには、その中心に仮想焦点Ｏ１が形成されており、この位置に測定対象となる試料が配置される。
図２には、ＡＴＲプリズム１を拡大した断面が示されている。
球面部１ａは、半球よりも全球に近い（即ち半球よりも球面部が延長された）形状とされた超半球となっている。同図において球の中心Ｏが示されていることから、超半球形状であることが理解できる。
ＡＴＲプリズム１の平面部１ｂに形成される仮想焦点Ｏ１は、超半球の半径をｒ、入射光の波長における屈折率をｎとした場合、ＡＴＲプリズム１の頂部（図において左端）１ｃから平面部１ｂまでの距離をｒ＋ｒ／ｎとすることにより、平面部１ｂの底面に設定される。このとき、焦点Ｏ２は、頂部１ｃからｎｒ＋ｒの距離に位置する。
このように、超半球形状のＡＴＲプリズム１を用いることにより、半球形プリズム（図９参照）に比べてｒ／ｎだけ頂部１ｃからの距離を長くとれるので、入射角θを小さくできる。また、半球プリズムに比べて仮想焦点Ｏ１までの光路長を長くとれるので、焦点面積を小さくできる。

図１に示すように、入射光学系３は、対称面Ｌ近傍に配置された第１平面鏡５と、第１平面鏡５で折り返された光を絞る曲面鏡（絞り手段）７と、曲面鏡７からの光を折り返してＡＴＲプリズム１へと導く第２平面鏡９とを備えている。
出射光学系４は、ＡＴＲプリズム１からの出射光を折り返す第３平面鏡１１と、第３平面鏡１１からの光を絞る第２曲面鏡１２と、第２曲面鏡１２からの光を折り返して図示しない検出器（測定手段）へと導く第４平面鏡１４とを備えている。
第１平面鏡５と第４平面鏡１４、第２平面鏡９と第３平面鏡１１、第１曲面鏡７と第２曲面鏡１２は、それぞれ、対称面Ｌに対して対称に配置されている。

上記構成により、図示しない光源から発せられた入射光である赤外光（遠赤外、中赤外、及び近赤外を含む。波長は０．０１〜１３０ＴＨｚ）２は、右方から入射され、対称面Ｌ側に配置された第１平面鏡５で反射し、第１曲面鏡７へと導かれる。曲面鏡７で反射し絞られた赤外光２は、第２平面鏡９で反射し、ＡＴＲプリズム１へと導かれる。
ＡＴＲプリズム１に入射した赤外光２は、ＡＴＲプリズム１の平面部１ｂの仮想焦点Ｏ１で全反射した後に、ＡＴＲプリズム１外へと出射される。ＡＴＲプリズム１から出射された出射光は、第３平面鏡１１、第２曲面鏡１２、第４平面鏡１４で反射した後、図示しない検出器へと導かれる。
ＡＴＲプリズム１では、図３に示すように、平面部１ｂの仮想焦点Ｏ１に配置された試料１０に、この仮想焦点Ｏ１で全反射する赤外光の近接光が導かれ、近接光の吸収が行われる。

本参考例によれば、以下の効果を奏する。
超半球形状のＡＴＲプリズム１を用いることとしたので、収差のない（又は極めて小さい）光学系を実現することができる。
超半球形状の平面部１ｂに入射光の仮想焦点Ｏ１を形成し、ここに試料を設置させることとしたので、可及的に小さくした焦点面積を利用することができ、精度の高い測定が実現される。
また、超半球形状の球面部１ａに光を入射させることとしたので、半球形プリズムに比べて、入射角および出射角を小さくできる。これにより、装置をコンパクトにすることができる。つまり、入射角および出射角を小さくできるので、入射光学系３及び出射光学系４を対称面Ｌに寄せて配置することができ、装置の横方向の大きさを小さくできる（図１参照）。

なお、ＡＴＲプリズム１として、次のような形状を採用してもよい。
図４に示すように、球面部１ａとして、平端部１ｄを有するようにその頂部が切り落とされた形状としてもよい。つまり、入射光および出射光が通過する面のみが球面とされていれば良い。
また、球面部１ａの下部に、平面部１ｂとして二面幅を有するように、例えば、６角形状の保持部１ｅを設けてもよい。この二面幅を有する保持部１ｅにより、ＡＴＲプリズム１の取り扱いが容易になる。
なお、同図では、図１に対して上下位置が反転していることに注意されたい。

次に、本発明の実施形態について、図５を用いて説明する。
本実施形態は、上記参考例に対して、ＡＴＲプリズム１を二つの部材で構成している点で異なる。その他は同様なので、その説明は省略する。
ＡＴＲプリズム１は、球面部１ａを構成する球面部材１４と、平面部１ｂを構成するとともに試料１０が設置される試料側部材１５とを備えている。
球面部材１４には、中心Ｏをその底部に有する半球形状が採用されている。
試料側部材１５は、平板状とされており、廉価な形状を採用している。
球面部材１４と試料側部材１５とは、赤外光波長の１５分の１から２５分の１程度に光学研磨された状態で接触されている。なお、これらの間に境界面の影響を減少させる粘性物質（例えば、シリコングリースなど）を介在させることとしても良い。
これら球面部材１４と試料側部材１５とを組み合わせた状態で超半球形状のＡＴＲプリズム１が形成されるようになっており、したがって仮想焦点Ｏ１は試料側部材１５の底面に形成されている。

本実施形態のＡＴＲプリズム１によれば、試料１０を設置する試料側部材１５として、球面部材１４と異なる部材を用いることとしたので、試料１０が設置される部材を試料側部材１５に限定することができる。これにより、試料１０を取り替えることによって試料側部材１５に傷や汚れが生じたとしても、球面部材１４にはその影響が一切生じないことになる。
また、球面部材１４として多数流通し安価に入手可能な半球形プリズムを採用し、かつ試料側部材１５として安価な材料や形状（本実施形態では平板）を採用することにより、全体として装置のコストを下げることができる。
また、試料を設置した試料側部材１５を測定前に多数用意しておくことにより、多種多様の試料に対する測定時間を格段に短縮することができる。
なお、本発明の球面部材１４としては、本実施形態のような半球形に限定されるものではなく、あくまでも球面部を有し、試料側部材１５との組み合わせによって超半球形状のＡＴＲプリズム１を構成するものであればよい。

本実施形態の試料側部材として、測定対象が血液や油といった液体の場合には、図６に示すように、上部に凹所１７ａが形成された試料側部材１７を用いることとしても良い。
さらに、試料側部材１５，１７を球面部材１４に対して相対的に移動させることにより（図５の矢印Ａ参照）、連続的に測定する構成とする。

本発明の参考例にかかる光学系を示す図である。 本発明の参考例にかかる超半球形状のＡＴＲプリズムを示した断面図である。 本発明の参考例にかかるＡＴＲプリズムに試料を設置した状態を示した図である。 本発明の参考例にかかるＡＴＲプリズムの変形例を示した斜視図である。 本発明の実施形態にかかるＡＴＲプリズムを示した断面図である。 ＡＴＲプリズムの変形例を示した断面図である。 ＡＴＲ法の原理を示した断面図である。 台形のＡＴＲプリズムを使用した状態を示した断面図である。 半球のＡＴＲプリズムを使用した状態を示した断面図である。

１ ＡＴＲプリズム（全反射吸収測定用プリズム）
１ａ 球面部
１ｂ 平面部
１４ 球面部材
１５ 試料側部材

Claims (1)

1. 入射光が照射される超半球形状の球面部の少なくとも一部分と、前記入射光の焦点が形成される超半球形状の平面部の少なくとも一部分とを有し、
   前記焦点に、試料が設置され、
   前記超半球形状の球面部の少なくとも一部分を形成する球面部材と、
   前記超半球形状の平面部の少なくとも一部分を形成する試料側部材と、
   を備え、
   前記試料側部材は、板状とされ、
   前記入射光は、赤外光とされ、
   前記球面部材は、半球形状とされている全反射吸収用測定プリズムを用いた全反射吸収測定方法において、
   前記試料側部材は、前記球面部材に対して接触した状態で相対的に移動されることを特徴とする全反射吸収測定方法。

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