JPS61137044A - 光散乱計測装置 - 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、光散乱を利用して物体表面及び物体内の物性
を解析する装置に関し、特に、その散乱光を分子振動エ
ネルギーに変換して測定する光散乱計測装置に関する。 ［従来の技術］ 従来、光散乱を利用して物体表面及び物体内の物性を解
析する装置としては、第３図に示すように被検物体１に
光２を照射し、散乱光３を開口角の大きなレンズ４を通
し、更に配光による影響をミルさせるために積分球５を
介して、光検出器（例えば、フォトマル、ビンフォト等
）の感光面６に導いていた。しかし、この場合、散乱角
が開口角よりも大きいと、はみ出した散乱成分はレンズ
に入射することができず、測定が不可能であった。その
はみ出した散乱成分を検出するために被検物体近傍に透
過型の拡散面を置き、その背後に光検出器を置く手法も
工夫されたが、拡散板の特性、光検出器の設置方法など
の問題があり、高精度、高感度の測定は困難であった。 ［発明が解決しようとする問題点］ 本発明は、上記に鑑みて、従来型の光散乱測定では困難
とされていた散乱角の大きな光散乱成分も含めて高精度
、高感度に測定することを解決すべき問題点とするもの
である。 ［問題点を解決するための手段］ 本発明において、問題点を解決するために講じられた手
段は、被検物体に断続的な光を照射する断続光照射手段
と、その照射光により被検物体の物性に従って該物体の
表面から断続的に出射される散乱光を吸収し、分子振動
エネルギーに変換する感光媒体と、該媒体中に生じた断
続的なエネルギー信号を検出するエネルギー信号検出手
段と、そのエネルギー信号を前記断続光照射手段からの
参照信号により周波数同期検波する分子振動計測手段と
を備えることを特徴とする。 第１図は゛、本発明による光散乱計測装置の基本構成図
である。第１図において被検物体１に断続的な光２を照
射すると、被検物体内の光による散乱光３が被検物体表
面より種々の出射角で断続的に出射される。これらの散
乱光３は感光媒体７に照射される。感光媒体７は光吸収
物質から構成されており、照射された光エネルギーは吸
収されて断続的な分子振動エネルギー信号８となり、エ
ネルギー信号検出手段９へ導かれる。任意の入射角に対
して光信号は分子振動エネルギー信号へ変換されるので
、感光媒体７の大きさ及び位置を適当に設定することに
より、散乱角の大きな場合も容易に検出することができ
る。 断続光照射手段としては公知の光源とチョッパが使用さ
れ、感光媒体としては被測定散乱光の波長に対して大な
る吸収特性を持ち、かつ熱伝導性の良い光吸収物質が好
ましく、例えば、カーボン及びカーボンを主体とした混
合物を用いれば、広範囲の波長域をカバーすることがで
きる。あらかじめ光吸収物質の分波吸収特性を測定して
おくことにより、出力信号の補正を行い、波長ごとの感
度ムラを補正することができる。光吸収物質の表面形状
としては、散乱光の波長よりやや大きめの凹凸をつけて
おくことにより、完全拡散性を向上させ、散乱角の影響
を除去できるばかりでなく、吸収効率を上げることがで
きる。エネルギー信号検出手段は媒体中に生じる分子振
動エネルギー信号に対応するものが使用される０例えば
、音波に対してはマイクロホン等であり、熱Ｊこ対して
は熱電対等である６分子振動計測手段としては、ローフ
インアンプが使用される。 被検物体とし工は、固体に限らず、液体でもよく、また
液体表面上に照射光を当てることによって、液面上単分
子いわゆるＬＢ膜（ラングミュア・プロジェット膜）の
展開状況、吸着分子界面近傍の液体中の微粒子の評価に
も応用できる。 ［作　用］ 第１図において、エネルギー信号検出手段は媒体中に生
じる分子振動エルネギ−信号に対応するものが使用され
ると述べたが、その分子振動エネルギー信号の形態は光
音響効果によって、下記の如く変遷して行く。 第２図は、光音響効果の基本原理図である。第２図にお
いて、光音響効果は４つのプロセスから成り、物質が光
を吸収することにより、エネルギーが物質中を伝播する
状態をしめす、プロセスＡは、断続的に変調される入射
光ビーム３が吸収物質に当って吸収される過程を示す、
プロセスＢは、このエネルギーが無放射緩和過程により
断続的な熱となり、物質中を熱波として伝播する過程を
示す。プロセスＣは、物質表面に達した熱波が物質に接
する気体を断続的に熱し、音波を発生する場合を示し、
プロセスＤは、物質を伝わる熱波が弾性波に変換され、
試料Ｍ内を伝播する場合を示す０本発明は、上記のプロ
セスのいずれかの段階から、分子振動エネルギーの所望
の形態を選択して、エネルギー信号検出手段により所要
の信号を検出しようとするもので、音響的反応を示す現
象である光音響手段や１表面の温度分布等を利用して高
感度に検出することができるのである。 本発明の解析の対象となる散乱としては、散乱光が波長
シフトの伴わないいわゆる弾性散乱と、波長シフトの伴
えラマン散乱、プリルアン散乱などの非弾性散乱とがあ
る０弾性および非弾性散乱光を共に用いる解析としては
、例えば、所定の径に絞った光を透明結晶体に照射し、
そのすべての散乱光を情報源とする方法を挙げることが
できる。この場合の散乱光にはすべての波長成分の光が
含まれており、被検物体表面及び内部の屈折率変動や微
粒子の存在を知見する方法として簡便である。 非弾性散乱による解析については、例えばレーザー光に
代表されるような単色の光を利用して生じるラマン散乱
（あるいはレーザーラマン分光）を解析すれば、被検物
体内部の微小部分における分子構造論的な情報を得るこ
とができる０例えば、格子振動の変化に起因する散乱光
周波数、変化により相転移の解析、特に、被検物体の温
度を変えて本発明の解析法を用いることにより、相転移
の局所的変化に関して種々の情報を得ることができる。 更に、プリルアン散乱によるものでは、被検物体内のフ
ォノンと照射光との相互作用による波長シフトを伴った
散乱光を情報源とするので、これを分光して解析すれば
、例えば結晶試料の相転移、高分子物質のガラス転移の
解析に効果的である。 ［実施例］ 以下、本発明を、実施例と図面によって詳細に説明する
。 第４図は、本発明を実施した光散乱計測装置の一例を示
す構成図で、エネルギー信号は前記プロセスＣにより発
生する音波であり、エネルギー信号検出手段はマイクロ
ホンである実施例である。 第４図において、光散乱計測装置を構成する断続光照射
手段としては公知の光源とチョッパ１０が使用され、感
光媒体はマイクロホンセル１１の感光面７で、エネルギ
ー信号検出手段はマイクロホン１２である。該チョッパ
１０により断続された照射光ビーム２は、レンズ１３に
より被検物体１に導かれ、その散乱光３はマイクロホン
セル１１の感光面７に吸収され、密閉されたマイクロホ
ンセル１１内の気体１４を断続的に熱して、音波を発生
する。この音波はマイクロホンセル１１に付けられたマ
イクロホン１２により検出され、このマイクロホン１２
からの信号が分子振動計測手段であるロックインアンプ
１５に送られ、測定光ビーム２を断続するチョッパＩＯ
からの参照信号に基づいて周波数同期検波され、その結
果がレコーダ１６に出力される。 このようにして検出された光音響信号の強度は、光吸収
物質に照射される散乱光強度に比例することが理−論的
にも確認されている。従って、散乱光強度を定量的に計
測することができる。 なお、入射光強度をモニターし、照射光強度変動を除去
すれば、計測は一層安定する。また、被検物体の光照射
位置を移動させることにより、光散乱分布を計測するこ
ともできる。被検物体への光照射は、第４図の方向だけ
でなく、任意の方向から照射してもよい。 第５図及び第６図は、本実施例における感光媒体を示す
構造図である。第５図においては、密閉されたマイクロ
ホンセル１１の入射光の部分を、光を吸収しない防音効
果のある物質で隔壁１７に形成し、その内側に光吸収物
質７を配置している。第６図においては、熱拡散長ルが
大きな物質で形成された隔壁１７の光入射側に光吸収物
質７を配置し、光吸収物質７で発生した熱を隔壁１７が
伝えて、セル内の気体を断続的に熱する構成をとってい
る。これらの隔壁の厚みとしては、熱拡散長ル以下であ
ることが好ましい。 熱拡散長用は、該物質の熱伝導率α

【Ｃｌ２１Ｓ】と断
続周波数ｆ　［Ｈｚ］で与えられ、ル　＝　（α／π　
ｆ）’（ｃ膳］ と演算されるので、銀（α＝１．７）を用い、ｆ　＝　
５０Ｈｚとすれば、ｇ＝ｌ（ｍｍｌとなる。 第７図は、本発明を実施した・光散乱計測装置の別な一
例を示す構成図で、エネルギー信号は前記プロセスＤに
より発生する弾性波であり、エネルギー信号検出手段は
圧電検出手段である実施例である。第７図において、光
散乱計測装置を構成する断続光照射手段としては公知の
光源とチョッパ１０が使用され、光感光媒体は吸収物質
７で形成されている。エネルギー信号検出手段は圧電素
子１８である。該チョッパｌＯにより断続された照射光
ビーム２は、レンズ１３により被検物体ｌに導かれ、そ
の散乱光３は光吸収物質７で吸収され、断続的な分子振
動となり、圧電素子１８へ伝わる過程で弾性エネルギー
に変換され、圧電素子１８で検出される。この圧電素子
１８からの信号はロックインアンプ１５に送られ、・測
定ビー゛ム２を断続′するチョッパ１０からの参照信号
に基づいて周波数同期検波され、その結果がレコーダ１
６に出力される。 このようにして検出された圧電信号の強度は、光吸収物
質に照射される散乱光強度に比例することが理論的にも
確認されている。従って、散乱光強度を定量的に計測す
ることができる。 第８図は、本実施例におけるエネルギー信号検出手段の
一例を示す構造図である。第８図においては、光吸収物
質７で吸収された光が断続的な分子振動となり、これが
弾性エネルギーに変換され、圧電素子１８により検出さ
れる。なお、均一に伝わりやすくするために後板１３が
光吸収物質７と圧電素子１８との間に挿入されている。 また、この後板１８と光吸収物質７とを一体化し、圧電
素子１８は着脱可能とすれば、特性の異なった光吸収物
質で測定する際に便利である。 第９図は、本発明を実施した光散乱計測装置の別な一例
を示す構成図で、エネルギー信号は前記プロセスＢによ
り発生した光吸収物質表面の温度変化を直接熱電対を用
いて検出する実施例である。第９図において、光散乱計
測装置を構成する断続光照射手段としては公知の光源と
チョッーパ１０が使用され、感光媒体は光吸収物質７で
形成され、エネルギー信号検出手段２０は熱電対から成
る。該チョッパｌＯにより断続された照射光ビーム２は
レンズ１３により被検物体ｌに導かれ、その散乱光３は
光吸収物質７で吸収され、断続的な熱となり、熱電対か
らなるエネルギー信号検出手段２０で電気信号に変換さ
れる。このエネルギー信号検出手段２０からの信号はロ
ックインアンプ１５に送られ、測定光ビーム２を断続す
るチオツバ１０からの参照信号に基づいて周波数同期検
波され、その結果はレコーダ１Ｂに出力される。このよ
うにして検出された熱電気信号の強度は、光吸収物質に
照射される散乱光強度に比例することが理論的にも確認
されている。従って、散乱光強度を定量的に計測するこ
とができる。 第１θ図及び第１１図は、本実施例におけるエネルギー
信号検出手段の一例を示す構造図である。第１０図にお
いては、光吸収物質７により発生した熱を熱伝導体２１
を介して熱電対２３ａで検出し、一方で、参照用熱電導
体２２における温度を別の熱電対２３ｂで検出し、両者
の差信号を検出信号処理部２４で求め、ロックインアン
プ１５へ信号を送る構造を示している。第１１図におい
ては、光吸収物質７の所定箇所にそれぞれ熱電対を並べ
、熱分布を同時に測定可能としたもので、散乱力の各配
光角に応じた強度分布を求めることができる。 第１２図は本発明を実施ルた光散乱計測装置の別な一例
を示す構成図で、エネルギー信号は前記プロセスＢの段
階で発生した光吸収物質からの輻射熱波による表面近傍
の屈折率変化を光ビームの偏向として検出する実施例で
ある。第１２図において、光散乱計測装置を構成する断
続光照射手段としては公知の光源とチョッパ１０が使用
され、感光媒体は光吸収物質７で形成され、エネルギー
信号検出手段は光熱偏向検出手段２５である。該チョッ
パ１０により断続された照射光ビーム２は、レンズ１３
により、被検物体１に導かれ、その散乱光３は光吸収物
質７で吸収され、断続的な熱となり、光吸収物質表面近
傍の屈折率を変化させて、その領域の光の通過方向を偏
向させ、光熱偏向検出手段２５で電気信号に変換される
。この光熱偏向検出手段２５からの電気信号はロックイ
ンアンプ１５に送られ、測定光ビーム２を断続するチョ
ッパｉｏからの参照信号に基づいて周波数同期検波され
、その結果がレコーダ１Ｂに出力される。このようにし
て検出された光熱偏向信号の強度は、吸収物質に照射さ
れる散乱光強度の増大とともに増加し、その関係も理論
的に確認されている。従って、散乱光強度を定量的に計
測することができる。 ＄１３図は、本実施例における光熱偏向検出手段の一例
を示す構造図である。第１３図においては。 散乱光は、透明な平板２８を透過し、その平板２Ｂ表面
上に存在する光吸収物質７により吸収され、断続的な熱
を発生する。この熱により光吸収物質表面近傍の屈折率
が変化し、その領域を通過するプローブ用光ビーム２７
は、その方向が断続的に変化する。このプローブ用光ビ
ーム２７は、レーザー等の指向性がよく、ビーム径が小
さいものが好ましく、図中では、光源２８から発射し、
ミラー２９により屈折させられて光吸収物質近傍を通過
するように配置されている。このプローブ用光ビーム２
７の偏向による位置ずれをポジションセンサ３０で検出
し、電気信号に変換し、ロックインアンプ１５へ送るこ
とにより散乱光強度が計測される。 第１４図は、光熱偏向検出手段の別な一例を示す構造図
である。第１４図においては、光吸収物質７の表面上プ
ローブ用光ビーム２７をマトリクス状に通過させ、それ
ぞれの位置における偏向量を対応するポジションセンサ
３０で検出したもので、吸収物質面上の温度分布、すな
わち散乱光の配光分布を得ることができる。プローブ用
光ビーム２７は。 回動ミラー等を利用して走査してもよいし、また、各対
応する位置にそれぞれ別の光源を設定し、一度に測定し
てもよい。 なお、光ビームを偏向させる領域に、温度変化に対する
屈折率変化の大きな物質を満たすことによって、わずか
な温度変化で大きな屈折率変化を有する加熱領域が形成
され、光ビームの進路を大きく変化させることができ、
高感度な測定ができる。 第１５図は、本発明を実施した光散乱計測装置の別な一
例を示す構成図で、エネルギー信号は前記プロセスＢの
段階で発生した光吸収物質表面の温度変化による輻射熱
波を赤外線検出器で検出する実施例である。第１５図に
おいて、光散乱計測装置を構成する断続光照射手段とし
ては公知の光源とチ１ツバ１０が使用され、感光媒体は
光吸収物質７で形成され、エネルギー信号検出手段３１
は赤外線検出器が使用される。該チョッパ１０により断
続された照射光ビーム２は、レンズ１３によって、被検
物体ｌに導かれ、その散乱光３は光吸収物質７で吸収さ
れ、断続的な輻射熱となり、赤外線検出器で電気信号に
変換される。この赤外線検出器からの電気信号はロック
インアンプ１５に送られ、測定光ビーム２を断続するチ
ョッパ１０からの参照信号に基づいて周波数同期検波さ
れ、その結果がレコーダ１６に出力される。このように
して検出された熱輻射信号の強度は、吸収物質に照射さ
れる散乱光強度の増大と共に増加し、その関係も理論的
に確認されている。従って、散乱光強度を定量的に計測
することができる。 第１８図は、上記実施例におけるエネルギー信号検出手
段の一例を示す構造図である。第１８図において、散乱
光は光吸収物質７により吸収され、断続れた熱を発生し
、熱伝導性のよい後板３２全体を断続的に温める。後板
表面からは、温められたために、その時の温度に対応す
る輻射熱波が断続的に変化する。これを、輻射赤外線を
透過する材質からなるレンズ３３により、赤外線検出器
３４の入射窓へ結像させて検出する。 第１７図に示すように、散乱光を透明な平板２Ｂを透過
させ、その平板表面上に存在する光吸収物質７により吸
収させ、その光吸収物質表面から輻射される熱輻射をレ
ンズ３３及び検出器３４を一体として、図中矢印３５で
示すように光吸収物質表面に沿って走査しながら検出す
れば、散乱光の配光分布に対応する情報を得ることがで
きる。 第１８図は、波長による光吸収率が各物質ごとに異なる
ことを示すグラフである。第１図の基本構成図において
示された光吸収物質７の波長特性を、第１８図に示すよ
うに異なったものを用いれば、それぞれ対応する波長の
散乱光強度を計測することができ、非弾性散乱の測定が
可能になる。 第１８図は、被検物体と感光媒体との間の散乱光経路に
フィルタを介設した構造図である。第１８図に示すよう
に、光吸収物質７に散乱光が吸収される手前にフィルタ
３Ｂを配置し、散乱光の測定波長域を制御しても同様の
計測が可能になる。フィルタとして偏光フィルタを用い
れば、散乱光の偏光特性を得ることも可能になる。 第２０図は、光吸収物質７の光吸収後面に反射板３７を
配置することによって、吸収層の実効的厚みを繕に減少
することにより、高感度、高精度光散乱計測を可能にし
た例である。 第２１図は、光吸収物質を層構造にして、各層ごとに分
光吸収特性の異なった物質７ａ〜７ｃを配置した実施例
であり、このように配置することにより各波長の信号を
同時に測定することが可能になる。即ち、各層において
、異なった波長特性を有する光エネルギーがそれぞれ分
子振動エネルギーに変換され、エネルギー信号検出手段
へ伝わって行くが、その時、各層からエネルギー信号検
出手段までの距離、に対応した位相遅れが生じる。そこ
で、周波数同期検波して散乱光の信号を得る際に、対応
する位相ずれごとに検出すれば、各層からの信号を分離
することができる。 第２２図は、本発明を液面上単分子膜による光散乱に適
用した実施例である。第２２図において、照射光２は液
面下から入射し、液体界面で全反射する角度で入射させ
である。全反射界面上では、光エネルギーは、エバネツ
セント波として液面上単分子膜３３及び吸着物質へ伝わ
り、これらにより光散乱３が生じる。液面上に配置した
エネルギー信号検出手段９で、前記各方法に基づいて検
出することにより、この単分子膜３９及び光吸着物質に
よる光散乱特性を検出することができる。 第２３図は、ＬＢ膜成膜装置における液面下の光散乱特
性を評価する実施例である。液体中の散乱因子４０によ
る散乱光を測定することにより、単分子展開液の状態を
検知することができ、この情報をもとに成膜制御も可能
となる。 なお、照射光ビーム径を必要に応じて絞り、被検物体内
における散乱光相互間の影響を取り除き、照射光束を被
検物体内の所定面に沿って走査させることによって、各
部情報をパターン化することもできる。そして、こうし
て得られる電気信号及び走査信号を計算機処理し、ディ
スプレイ表示することによって、微視的情報をパターン
化してとらえることができる。 ［発明の効果］ 以上説明したとおり、本発明によれば、従来は計測が困
難とされていた散乱角の大きな光散乱成分を含め、弾性
散乱及び非弾性散乱の光散乱を、高感度かつ高精度に測
定できる。その為、被検物体内の屈折率変動や微粒子の
存在を検知することができるばかりでなく、分子構造論
的な情報を得ることができ、また、ＬＢ膜成膜装置に応
用することも可能になって、物性の解析にきわめて大き
な貢献をするものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の構成図、第２図は光音響効果の原理図
、第３図は従来例の構成図、第４図、第７図、第９図、
第１２図及び第１５図は本発明の実施例の構成図、第５
図、第６図、第８図、第１θ図、第１１図、第１３図、
第１６図、第１７図及び第１９図〜第２３図は各実施例
のエネルギー信号検出手段の縦断面図、第１４図は光熱
偏向検出手段の構成図、第１８図は吸収物質の吸収特性
図である。 ■・・・被検物体、２・・・照射光ビーム、３・・・散
乱光、７・・・感光媒体。 ９　、２０．３１．３４・・・エネルギー信号検出手段
、１０・・・チョッパ、１１・・・マイクロホンセル、
１２・・・マイクロホン、１５・・・ロックインアンプ
、１６・・・レコーダ、１７・・・隔壁（熱伝承物質）
、１８・・・圧電素子、１８・・・後板、２３・・・熱
電対、２５・・・光熱偏向検出手段、 ３０・・・ポジションセンサ、 ３２・・・後板（熱伝承物質）、３４・・・赤外線検出
器、３Ｂ・・・フィルタ、３７・・・反射板、３８・・
・液体、３８・・・単分子膜、４０・・・散乱因子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）被検物体に断続的な光を照射する断続光照射手段と
   、その照射光により被検物体の物性に従って該物体の表
   面から断続的に出射される散乱光を吸収し、分子振動エ
   ネルギーに変換する感光媒体と、該媒体中に生じた断続
   的なエネルギー信号を検出するエネルギー信号検出手段
   と、そのエネルギー信号を前記断続光照射手段からの参
   照信号により周波数同期検波する分子振動計測手段とを
   備えることを特徴とする光散乱計測装置。 ２）エネルギー信号が音波であり、エネルギー信号検出
   手段が光音響検出手段であることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項に記載の光散乱計測装置。 ３）エネルギー信号が弾性波であり、エネルギー信号検
   出手段が圧電検出手段であることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項に記載の光散乱計測装置。 ４）エネルギー信号が伝導熱波であり、エネルギー信号
   検出手段が熱検出手段であることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項に記載の光散乱計測装置。 ５）エネルギー信号が輻射熱波であり、エネルギー信号
   検出手段がその輻射熱波により生じる光学的偏向の検出
   手段であることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記
   載の光散乱計測装置。 ６）エネルギー信号が輻射熱波であり、エネルギー信号
   検出手段が光熱輻射検出手段であることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項に記載の光散乱計測装置。 ７）感光媒体として分光吸収特性の異なる１種類以上の
   光吸収物質を重設することを特徴とする特許請求の範囲
   第１項に記載の光散乱計測装置。 ８）被検物体と感光媒体との間の散乱光経路に所定のフ
   ィルタを介設することを特徴とする特許請求の範囲第１
   項から第６項のいずれかに記載の光散乱計測装置。 ９）感光媒体の光吸収後面に反射物体を貼設することを
   特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の光散乱計測装
   置。 １０）感光媒体が層構造であり、それぞれの層に対応す
   るエネルギー信号の位相を検出する手段をエネルギー信
   号検出手段が備え、それらの位相ズレカラ散乱光の異な
   った分光特性を同時に計測する手段を分子振動計測手段
   が備えることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載
   の光散乱計測装置。