JP7435784B2 - 分光装置、分光測定装置および分光方法 - Google Patents
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Description
本発明は、高速動作および小型化可能な分光装置および方法に関する。
分光装置は、蛍光スペクトル計測装置、蛍光顕微鏡や吸光光度計などに用いられており、材料分析や環境測定などに適用されている。例えば、蛍光スペクトル計測装置は、試料に紫外光などを照射した試料から放出される光を分光して、光の波長と光強度の相関を計測する。
分光装置は、流体中の物質の蛍光計測では高速動作、オンサイトで使用するために小型化が求められており、例えば、特許文献１に、分光装置の小型化に関する技術が開示されている。
特許文献１に開示される分光装置は、波長を分散させる回折格子と、反射鏡が複数配置され、複雑な構成と機械的な駆動部を必要とする。また、動作速度は駆動部に依存するので、動作速度を改善するためには、より大きな駆動部が必要である。このことが、装置の筐体の小型化を制限する。
このように、従来の分光装置では、高速動作かつ小型化することが困難であるという問題があった。
上述したような課題を解決するために、本発明に係る分光装置は、光線を分光する分光装置であって、前記光線を波長分散させる第１の光学素子と、前記波長分散される光線を集光させる第２の光学素子と、透過型であり、電気光学効果を有し、前記集光される光線の軌道を変化させる光偏向器と、前記光偏向器に電圧を印加する駆動電源と、前記軌道が変化した光線を所定の位置で検知する受光器と前記電圧から前記検知された光線の波長を導出する演算部とを備え、前記第２の光学素子が、可変焦点レンズであって、前記集光される光線の前記光偏向器への入射角度を増加させ、波長分解能を向上させることを特徴とする。
また、本発明に係る分光方法は、 電気光学効果を有する透過型の光偏向器を用いて、光線を分光する分光方法であって、前記光線を波長分散させるステップと、前記波長分散される光線を集光させるステップと、前記光偏向器に電圧を印加させて前記集光される光線の軌道を変化させるステップと、前記軌道が変化した光線を所定の位置で検知するステップと、前記電圧から前記検知される光線の波長を導出するステップとを備え、前記集光される光線の前記光偏向器への入射角度を増加させ、波長分解能を向上させることを特徴とする。
本発明によれば、高速動作および小型化可能な分光装置、分光測定装置および方法を提供できる。
＜第１の実施の形態＞
本発明の第１の実施の形態に係る分光装置および分光測定装置について図１～４を参照して説明する。
本発明の第１の実施の形態に係る分光装置および分光測定装置について図１～４を参照して説明する。
＜分光測定装置および分光装置の構成＞
図１に、第１の実施の形態に係る分光測定装置１０の構成を示す。分光測定装置１０は、光源１１と、分光装置１０１とを備える。分光装置１０１は、光学素子（以下、「第１の光学素子」という。）１２と、光学素子（以下、「第２の光学素子」という。）１３と、光偏向器１４と、駆動電源１５と、受光器１６と、ピンホール１７と演算部１８とを備える。
図１に、第１の実施の形態に係る分光測定装置１０の構成を示す。分光測定装置１０は、光源１１と、分光装置１０１とを備える。分光装置１０１は、光学素子（以下、「第１の光学素子」という。）１２と、光学素子（以下、「第２の光学素子」という。）１３と、光偏向器１４と、駆動電源１５と、受光器１６と、ピンホール１７と演算部１８とを備える。
光源１１は、波長が４００ｎｍ～４４０ｎｍの紫外光２を放出して、試料１に照射する。
第１の光学素子１２は、透過型で波長分散を有し、例えば、プリズム、回折格子等である。第１の光学素子１２には、試料１から放出される蛍光などの光線３が入射する。
第２の光学素子１３は、第１の光学素子１２で波長分散された光を集光し、透過型で波長分散を有さず、例えば、レンズである。
光偏向器１４は、透過型であり、第２の１３により集光され入射口６より入射される光線５を制御して、光線５の軌跡を変化させる。駆動電源１５は、光偏向器１４を駆動する。
受光器１６は、光偏向器１４を透過した光を、ピンホール１７を介して検知する。
演算部１８は、駆動電源１５の電圧より入射光の波長を導出して、波長の印加電圧依存性を取得する。また、波長の印加電圧依存性と受光器１６の検出強度に基づき、分光スペクトルを取得する。
記憶部１９は、演算部１８が取得する波長の印加電圧依存性を記憶する。また、測定データを記憶することもできる。
本実施の形態では、透過型の光偏向器１４に、電気光学効果を有するニオブ酸タンタル酸カリウム（ＫＴａ１－ｘＮｂｘＯ３、以下、「ＫＴＮ」という。）を用いる。電気光学効果は電圧を印加すると物質の屈折率が変化する現象である。
分光装置１０１において、光偏向器１４を透過する光線５が光偏向器１４内で屈折率変調を受けて偏向され、光線５の軌道が変化して、受光器１６に導かれる。その結果、所定の位置に固定された、簡易な構成の受光器１６に光線５を導くことができる。
したがって、光偏向器１４にＫＴＮを用いる本実施の形態の構成を用いれば、多数の光学素子や機械的な機構を必要とせず、波長分散されて集光された光線５を、波長ごとに受光器で検知できる。
このように、本実施の形態に係る分光測定装置１０および分光装置１０１は、光偏向器１４にＫＴＮを用いることにより、小型化、高速化できる。詳細な動作原理は以下に示す。
＜分光測定装置および分光装置の動作＞
図２に、本実施の形態に係る分光装置１０１における光偏向器１４と受光器１６との周囲の構成を示す。図３に、本実施の形態に係る分光方法のフローチャート図を示す。
図２に、本実施の形態に係る分光装置１０１における光偏向器１４と受光器１６との周囲の構成を示す。図３に、本実施の形態に係る分光方法のフローチャート図を示す。
光偏向器１４と受光器１６は、水平面と平行に、光偏向器１４の出射口と受光器１６の入射口（受光窓）が略同一の光軸７上になるように配置される。したがって、試料からの蛍光３が第１の光学素子１２、第２の光学素子１３を透過して光線５として光偏向器１４に入射する角度θ’８は、水平方向に対する入射角度となる。
以下、「略同一」とは完全同一を含み、僅かな差異がある場合、例えば、光軸７から２°～３°程度の差異や０．２～０．３ｍｍ程度の差異がある場合を含む。このような差異を含む場合には、この差異が測定誤差に繋がる。したがって、「略同一」は、測定誤差が許容される範囲において、光軸７から差異がある場合を含む。
初めに、光源１１から紫外光２を計測対象（試料）１に照射する。試料１は紫外光２を吸収し、蛍光３を放出する。
次に、蛍光３を、分光装置１０１、すなわち波長分散を有する第１の光学素子１２に入射させる（ステップ２１）。蛍光３は、第１の光学素子１２を透過して、波長分散され、光線４として出射する。
ここで、光線４において、波長に依存して出射角が異なる。その結果、光線４は波長ごとに、第２の光学素子１３の異なる位置に入射する。
次に、第２の光学素子１３において、波長ごと異なる位置に入射する光線４は、第２の光学素子１３を透過して、集光され、光線５として光偏向器１４に入射する。その結果、光線５は波長ごとに異なる入射角度θ’８で光偏向器１４に入射する。
ここで、光線５は、光偏向器１４の入射口６より入射して、光軸（ｚ軸）７上の焦点９に集光される。焦点９は光偏向器１４の内部に位置する。
光偏向器１４に入射する光線５は、光軸（ｚ軸）７に対して角度θ´８で入射する。上述の通り、入射角度θ´８は光線５の波長によって異なる。すなわち、入射角度θ´８は光線５の波長に依存する。光偏向器１４に電圧を印加しない場合、光線５の軌道はほとんど変化せず、受光器１６に導かれない。
次に、光偏向器１４に駆動電源１５により電圧を印加する。電圧の印加により、光線２は軌道を変化させ出射する角度が変化する（ステップ２２）。
光偏向器１４には、ＫＴＮを用いる。ＫＴＮは電気光学効果を有し、電圧を印加するとＫＴＮの屈折率が変化する。
ここで、ＫＴＮは印加電圧の二乗に比例して屈折率が変化するＫｅｒｒ効果（カー効果）を示す。特にＫＴＮは、比誘電率が大きいためカー効果が大きい（Koichiro Nakamura, Jun Miyazu, Yuzo Sasaki, Tadayuki Imai, Masahiro Sasaura, and Kazuo Fujiura,“Space-charge-controlled electro-optic effect: Optical beam deflection by electro-optic effect and space-charge-controlled electrical conduction”, J. Appl. Phys. 104, 013105 (2008)）。
したがって、以下の式（１）に示すように、ＫＴＮ光偏向器１４に入射した光線５を光軸（ｚ軸）７に対して角度θで出射させることができ、角度θは印加電圧の二乗に比例して変化する。換言すれば、角度θ’８で入射する光線５を光軸（ｚ軸）７方向に出射できる。
ここで、Ｌは光偏向器１４の光軸（ｚ軸）の方向の長さ、Δｎ（ｘ）は光軸（ｚ軸）と直交かつ紙面に平行なｘ軸に沿った屈折率変化量である。また、ｎはＫＴＮの屈折率、ｓiｊは電気光学係数、ｄは図２におけるｘ軸方向の長さ（すなわち、ＫＴＮ結晶の厚さ）、Ｅ０はＫＴＮ結晶内に空間電荷効果が生じないときの電界であり印加電圧に依存する。
ここで、波長により異なる角度で光偏向器１４に入射する光線５の軌道を変化させる際に、ＫＴＮの屈折率ｎが光線５の波長に依存することを考慮する必要がある。
次に、電圧を変化させると、光線５の軌道が変化して、光軸方向の軌道になり、ｚ軸上に設置したピンホール１７を通過して、受光器１６に光線５が導入される。したがって、電圧を変化させて受光強度を測定すると、図４に示すようにスペクトル３１が観測される（ステップ２３）。
ここで、図４における横軸（ｘ軸）の波長を、光変調器に印加する電圧より導出する（ステップ２４）。例えば、予め入射光の波長の印加電圧依存性を取得することにより、波長を印加電圧より導出できる。
例えば、所定の波長の光を分光装置１０１に入射して受光器１６で検知するときの印加電圧を測定し、入射光の波長を変化させて印加電圧を測定することにより、入射光の波長の印加電圧依存性を取得できる。
予め取得された入射光の波長の印加電圧依存性は記憶され、測定時に印加電圧と照合される。その結果、印加電圧より波長が導出される。
ここで、ＫＴＮ光偏向器１４は２００ｋＨｚの交流電圧に追従して、偏向角を変化させることができるため、角度を高速（０．０１ミリ秒程度）で計測することができる。
また、分光装置１０１では、光偏向器１４により光線５を受光器１６に導入できるので、受光器１６は小型でよい。
また、受光器１６の受光窓は、ピンホール１７の直径で決定される。ピンホール１７の直径は、計測する波長領域に応じて変更すればよい。例えば、計測する波長領域を４００ｎｍ～１０００ｎｍとする場合は、ピンホール１７の直径は１０μｍ程度でよい。
このように、本実施の形態に係る分光装置１０１によれば、光学素子の回転機構を必要とせず、小型の光偏向器１４と受光器１６を用いるので、分光装置１０１を小型化でき、分光測定装置１０における光源から受光器までを１００ｍｍ～１５０ｍｍ程度に小型化できる。
以上のように、本実施の形態に係る分光測定装置１０および分光装置１０１によれば、簡易な構成により高速で分光でき、装置の小型化が可能になる。
＜第２の実施の形態＞
本発明の第２の実施の形態に係る分光測定装置および分光装置について図５～図６を参照して説明する。
本発明の第２の実施の形態に係る分光測定装置および分光装置について図５～図６を参照して説明する。
図５に、本実施の形態に係る分光測定装置４０および分光装置４０１の概略図を示す。分光装置４０１は、第１の実施の形態に係る分光装置１０１と略同様の構成を有し、光偏向器１４の入射口の前方（入射光の光源側）に可変焦点レンズ４１を備える。
分光装置４０１では、可変焦点レンズ４１により、焦点９の位置を変化させて、波長分解能を変えることができる。
図６に、本実施の形態に係る分光装置４０１の動作を説明するために、光偏向器１４における光線５の焦点９の位置を示す。
分光装置４０１において、測定波長領域λ１～λ２に対応する入射角度θ１～θ２が小さいほど、単位波長に相当する入射角度（単位入射角度、｜λ２－λ１｜／｜θ２－θ１｜）が小さくなるので、単位入射角度が入射角度を検出できる精度より小さくなると、波長分解能が低下する。
一方、測定波長領域λ１～λ２に対応する入射角度θ１～θ２が大きいほど、単位波長に相当する入射角度が大きくなるので、波長分解能は向上する。
例えば、図６に示すように、広い波長領域λ１～λ２に対して焦点９の位置を９ａとして測定する場合、入射角度はθａ１～θａ２である。一方、焦点９の位置を９ｂとすれば、入射角度はθｂ１～θｂ２と増加するので、波長分解能が向上する。
このように、分光装置４０１では、測定時間を考慮して、測定波長領域などの測定条件に応じて、可変焦点レンズ４１により焦点９の位置を変化させて波長分解能を決めることができる。
分光装置４０１では、測定波長領域などの測定条件に応じて、焦点位置を変化させることにより、波長分解能を最大で２０％程度改善できる。
本実施の形態に係る分光測定装置４０および分光装置４０１によれば、簡易な構成により高速で分光でき、装置の小型化が可能になるともに、波長分解能を変化させることができる。
＜第１の実施例＞
本発明の実施の形態に係る分光装置を用いる蛍光スペクトル計測の例を第１の実施例として説明する。
本発明の実施の形態に係る分光装置を用いる蛍光スペクトル計測の例を第１の実施例として説明する。
本実施例において、測定対象（試料）は個体、液体、気体のいずれでもよい。Ｎ個の試料は、それぞれ異なる状態（個体、液体、気体）で、異なる成分（例えば、異なる蛍光物質を含むなど）を有し、それぞれ独立に保持され、光軸に垂直な面に静止して配置される。
これらの試料について、本実施例に係る蛍光スペクトル計測装置を用いて、光偏向器を２００ｋＨｚで動作させて、これらの試料について分光測定を行う。その結果、試料１個に対して０．０１秒で蛍光スペクトルを測定できる。
また、それぞれの試料からの蛍光は、波長分散され、異なる角度で光偏向器に入射するので、配置された試料の位置を把握しておけば、試料ごとに蛍光スペクトルを区別して測定することができる。
このように、Ｎ個の試料について一括で分光測定でき、Ｎ個に対して、０．０１×Ｎ秒間程度で測定できる。例えば、１００個の試料について、１秒間で測定できる。
本実施例に係る蛍光スペクトル計測装置によれば、従来装置のように機械的な駆動部を必要としないので、高速での分光測定が可能である。
＜第２の実施例＞
本発明の実施の形態に係る分光装置を用いる蛍光スペクトル計測の第２の実施例を説明する。
本発明の実施の形態に係る分光装置を用いる蛍光スペクトル計測の第２の実施例を説明する。
本実施例において、測定対象（試料）は個体、液体、気体のいずれでもよい。Ｎ個の試料は、それぞれ異なる状態（個体、液体、気体）で、異なる成分（例えば、異なる蛍光物質を含むなど）を有し、それぞれ独立に保持され、光軸に垂直な面において一定速度で移動する。例えば、本実施例に係る蛍光スペクトル計測装置を固定して、複数の試料をベルトコンベアーなど搬送機に載せて移動させ、次々に測定する。
これらの試料について、本実施例に係る蛍光スペクトル計測装置を用いて、光偏向器を２００ｋＨｚで動作させて、これらの試料について分光測定を行う。その結果、試料１個に対して０．０１秒で蛍光スペクトルを測定できる。
そこで、試料を、０．０１秒間隔で測定装置下を通過させれば、Ｎ個に対して、０．０１×Ｎ秒間程度で測定できる。例えば、１００個の試料について、１秒間で測定できる。
本実施例に係る蛍光スペクトル計測装置によれば、従来装置のように機械的な駆動部を必要としないので、高速での分光測定が可能である。
また、本発明の実施の形態に係る分光装置は、機械的な駆動部を必要としないので、装置全体を光源から受光器まで１５０ｍｍ程度に小型化でき、オンサイトでの測定やモバイル環境での測定に適用できる。
本発明に係る実施の形態では、光偏向器にＫＴＮを用いる例を示したが、これに限らない。電気光学効果であるＫｅｒｒ効果（カー効果）を有する物質として、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３：ＢＴ）、タンタル酸カリウム（ＫＴａＯ３：ＫＴ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３：ＳＴ）を用いても略同様の効果を奏する。
また、本発明に係る実施の形態における光偏向器には、ＫＴＮに限らず、電気光学効果を有する物質であればよく、印加電圧に比例して屈折率が変化するＰｏｃｋｅｌ‘ｓ効果（ポッケルス効果）を有する物質を用いても略同様の効果を奏する。ポッケルス効果を有する物質として、ニオブ酸リチウム（ＬiＮｂＯ３、以下、「ＬＮ」という。）を用いてもよく、チタン酸ジルコニア酸ランタン鉛（(Ｐｂ１－ｘＬａｘ)(Ｚｒｙ Ｔｉ1－ｙ) １－ｘ／４Ｏ３：ＰＬＺＴ）を用いてもよい。
また、本発明に係る実施の形態における光偏向器には、ＬＮ等を用いた音響光学素子でも略同様の効果が得られる。
また、本発明に係る実施の形態における波長分散させる光学素子には、透過型の光学素子を用いる例を示したが、反射型の回折格子など反射型の光学素子を用いてもよい。
また、本発明に係る実施の形態における集光させる光学素子には、透過型の光学素子を用いる例を示したが、集光ミラーなど反射型の光学素子を用いてもよい。
また、本発明に係る実施の形態では、測定対象（試料）を透過させた光を分光する例を示したが、測定対象（試料）に反射させた光を分光してもよい。
また、本発明に係る実施の形態では、分光装置を用いて蛍光スペクトルを取得する例を示したが、蛍光スペクトルだけでなく吸収光や反射光のスペクトルを取得することもできる。
また、本発明に係る実施の形態では、分光装置と光源を備える分光測定装置の例を示したが、分光装置だけを用いることもできる。太陽光などの自然光が測定対象に反射する光を分光することもでき、この場合は光源を要さない。
また、本発明に係る実施の形態では、光偏向器と受光器、複数の光偏向器を、水平方向と平行な略同一の光軸上に配置する例を示したが、これに限らない。水平方向と平行でなく所定の角度ψをなす光軸上に配置してもよい。この場合、水平方向からの角度の差分ψを考慮して角度を算出すればよい。
また、光偏向器と受光器は、略同一光軸上に配置されなくてもよい。この場合は、光偏向器と受光器との配置における光軸からの差分を考慮して角度を算出すればよい。光偏向器は出射した光線が受光器に入射できる範囲で配置されればよい。
本発明の実施の形態では、分光装置の構成、方法などにおいて、各構成部の構造、寸法、材料等の一例を示したが、これに限らない。本発明に係る分光装置および方法の機能を発揮し効果を奏するものであればよい。
本発明は、蛍光体の発する蛍光スペクトル、物質等の光吸収スペクトル等の測定に適用することができる。
１０ 分光装置
１１ 光源
１２ 第１の光学素子
１３ 第２の光学素子
１４ 光偏向器
１５ 駆動電源
１６ 受光器
１７ ピンホール
１８ 演算部
１９ 記憶部
１１ 光源
１２ 第１の光学素子
１３ 第２の光学素子
１４ 光偏向器
１５ 駆動電源
１６ 受光器
１７ ピンホール
１８ 演算部
１９ 記憶部
Claims (5)
- 光線を分光する分光装置であって、
前記光線を波長分散させる第１の光学素子と、
前記波長分散される光線を集光させる第２の光学素子と、
透過型であり、電気光学効果を有し、前記集光される光線の軌道を変化させる光偏向器と、
前記光偏向器に電圧を印加する駆動電源と、
前記軌道が変化した光線を所定の位置で検知する受光器と
前記電圧から前記検知された光線の波長を導出する演算部と
を備え、
前記第２の光学素子が、可変焦点レンズであって、前記集光される光線の前記光偏向器への入射角度を増加させ、波長分解能を向上させること
を特徴とする分光装置。 - 予め測定された前記波長の電圧依存性を記憶する記憶部を備え、
前記演算部が、前記電圧と、前記波長の電圧依存性とを照合して、前記検知された光線の波長を導出することを特徴とする請求項１に記載の分光装置。 - 前記光偏向器に、ニオブ酸タンタル酸カリウムを用いること
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の分光装置。 - 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の分光装置と、
光源と
を備える分光測定装置。 - 電気光学効果を有する透過型の光偏向器を用いて、光線を分光する分光方法であって、
前記光線を波長分散させるステップと、
前記波長分散される光線を集光させるステップと、
前記光偏向器に電圧を印加させて前記集光される光線の軌道を変化させるステップと、
前記軌道が変化した光線を所定の位置で検知するステップと、
前記電圧から前記検知される光線の波長を導出するステップと
を備え、
前記集光される光線の前記光偏向器への入射角度を増加させ、波長分解能を向上させること
を特徴とする分光方法。
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|---|---|---|---|
| PCT/JP2020/027470 WO2022013963A1 (ja) | 2020-07-15 | 2020-07-15 | 分光装置、分光測定装置および分光方法 |
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| US20080010019A1 (en) | 2006-07-06 | 2008-01-10 | Thomas Richard A | High speed spectrum analyzer |
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| JP2016188841A (ja) | 2015-03-30 | 2016-11-04 | 株式会社東京精密 | 非接触形状測定装置及び走査レンズ収差補正方法 |
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-
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- 2020-07-15 WO PCT/JP2020/027470 patent/WO2022013963A1/ja active Application Filing
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Takashi SAKAMOTO et al.，"Reduction of beam-divergence fluctuation for KTN optical beam deflector"，Applied Physics Express，2020年05月28日，Vol. 13，No. 6，062007 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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| US20230266164A1 (en) | 2023-08-24 |
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