(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの光を試料に照射するための光照射用光ファイバと、
上記光照射用光ファイバからの光を平行光線として試料に照射するための球レンズと、
試料が充填されるチャンバと、
試料を通過した光線を受光して近赤外線分析装置の検出部に導くための受光用光ファイバと、
試料を通過した光線を上記受光用光ファイバへ集束するための球レンズとを備え、
上記球レンズの直径が１〜１０ｍｍである上記近赤外線分析装置に使用される試料セルの製造方法であって、
光照射用光ファイバと受光用光ファイバとを同軸上で隔離するように基板上に配置する工程と、
上記基板上の光照射用光ファイバと受光用光ファイバとの間の所定位置に互いに交差する溝を形成する工程と、
上記溝の交差点に球レンズを配置させる工程とを含むことを特徴とする近赤外線分析装置用試料セルの製造方法。
【請求項２】
上記互いに交差する溝が直交することを特徴とする請求項１に記載の試料セルの製造方法。
【請求項３】
上記基板上の溝の深さが、球レンズの中心位置に対して調整されていることを特徴とする請求項１または２に記載の試料セルの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、近赤外線分析装置用の試料セル及びその製造方法に関し、さらに詳細には、小型で可搬性に優れた近赤外線分析装置用の試料セル及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近赤外線分析法は、湿式化学分析のように大量の化学薬品を必要としないため分析コストが低く、操作に熟練を要さず迅速に分析ができ、しかも同一試料を反復して使用できる等の利点があるため、農産物や食品の成分分析、食品の製造工程の品質管理、ガソリンのオクタン価や繊維や紙における木質の含有量の計測等に広く利用されている。また、近赤外線分析法はオンライン計測が可能であり、オンライン用の近赤外線分析装置として、エヌ  アイ  アール  システムズ（ＮＩＲ  ＳＹＳＴＥＭＳ）社やブラウン  ウント  ルエッベ（ＢＲＡＮ  ＵＮＤ  ＬＵＥＢＢＥ）  社製の装置が市販されている。
【０００３】
かかるオンライン用の近赤外線分析装置は、波長範囲が４００〜２５００ｎｍ程度の光源を含む光学系、光学系を制御する制御系、光学系と光ファイバで接続された試料セル、試料セルからの光線をフォトダイオード等の受光素子で検出する検出部とから主に構成されており、分光方式として回折格子や音響光学素子を用いた連続スキャン方式が採用されている。
【０００４】
試料セルの構成として、例えば、特表平４−５０５５１３号公報の図９には、光学系からの光を試料に伝送するための光ファイバ、光ファイバからの光を平行光線にする球レンズ、試料が流動する分析領域、試料からの光線を検出部に伝送する受光用光ファイバ及び試料からの光線を受光用光ファイバへ集束するための球レンズから構成された試料セルが開示されている。ここで用いられている球レンズは、平行光線を得るために所定の位置に配置するだけでよく、従来用いられていた対物レンズに比べてレンズ間の配列調整を行う必要がないことから光学的な調整が容易であり、しかも安価であるという利点がある。特表平４−５０５５１３号公報に開示された試料セルは、直径１ｍｍの光ファイバ及び直径２５．４ｍｍの球レンズを用い、分析領域の光路長は０．１０〜１００ｍｍとされており、球レンズは試料セルのハウジング中でリテーナにより固定されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近赤外線分析装置に使用される試料セルの大きさは、オンライン分析用に用いたり、可搬性を考慮したときは一層小型であることが好ましい。特に、取り扱いに注意を要する石油やガソリン等の試料を分析する場合には、セルは近赤外線分析装置の電気系や装置自体から隔離されていることが望ましい。しかしながら、上記のような球レンズを使用した試料セルを小型化しようとすると、球レンズを光ファイバと試料に対して所望の光学位置に配置するために一層高精度の位置合わせ技術が必要となる。
【０００６】
本発明の目的は、球レンズを用いた超小型の近赤外線分析装置用の試料セルを高精度に且つ安価に製造することにある。また、本発明の目的は、かかる試料セルを用いた近赤外線分析装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に従えば、近赤外線分析装置に使用される試料セルであって、光源からの光を試料に照射するための光照射用光ファイバと、上記光照射用光ファイバからの光を平行光線として試料に照射するための球レンズと、試料が充填されるチャンバと、試料を通過した光線を受光して上記近赤外線分析装置の検出部に導くための受光用光ファイバと、試料を通過した光線を上記受光用光ファイバへ集束するための球レンズとを備え、上記球レンズの直径が１〜１０ｍｍであることを特徴とする上記近赤外線分析装置用の試料セルが提供される。
【０００８】
本発明によれば、試料セルの光学系として直径が１〜１０ｍｍの超小型球レンズを採用したため、セル全体を小型化することができる。また、照射面積を小さくすることで試料の温度揺らぎの影響を少なくすることができる。
【０００９】
また、本発明の別の態様に従えば、本発明の試料セルを備えた近赤外線分析装置が提供される。試料セルが小型化され且つ可搬性に優れるために、それを備える近赤外線分析装置は化学プラントや食品製造の品質管理等の種々の用途に使用できるようになる。
【００１０】
さらに本発明の別の態様に従えば、本発明に従う試料セルの製造方法であって、光照射用光ファイバと受光用光ファイバとを同軸上で隔離するように基板上に配置する工程と、上記基板上の光照射用光ファイバと受光用光ファイバとの間の所定位置に互いに交差する溝を形成する工程と、上記溝の交差点に球レンズを配置させる工程とを含むことを特徴とする上記試料セルの製造方法が提供される。
【００１１】
本発明によれば、基板上に形成した交差する溝の交差点に球レンズを配置することとしたため、光ファイバに対して光学的な位置合わせを容易に且つ精度良く行うことができる。従って、試料セルの小型化に伴って極めて小さい球レンズが用いられても、球レンズを光ファイバ及び試料に対して高精度に配置させることが可能となる。球レンズの基板上での位置決めを一層容易にするために溝同士は互いに直交するのが好ましい。
【００１２】
さらに、本発明の別の態様に従えば、本発明の試料セルの製造方法であって、基板上の一方向に溝を形成する工程と、上記基板上に光ファイバ支持用の平板を重ね合わせる工程と、上記平板上に光ファイバ支持用溝を上記基板平面内で該光ファイバ支持用溝と上記一方向に形成された溝とが重なるように形成する工程と、光ファイバを上記平板の光ファイバ支持用溝に装填する工程と、上記基板上から上記平板を光ファイバとともに部分的に削取して上記基板上に球レンズが設置される領域を形成する工程と、上記球レンズが設置される領域上の所定位置に上記一方向に形成された溝とは別の溝を上記一方向に形成された溝と交差するように形成する工程と、上記一方向に形成された溝と上記別の溝との交差点に球レンズを配置する工程を含むことを特徴とする上記試料セルの製造方法が提供される。
【００１３】
本発明によれば、基板上に形成した溝の交差点に球レンズを配置することとしたため、球レンズの基板平面内での位置合わせを極めて容易に行うことができるとともに、光ファイバを平板で支持しているために、光ファイバの光軸と球レンズの中心との高さ方向の位置関係は平板の厚さ並びに光ファイバ支持用溝及び上記基板上の溝の深さを適宜選定することで可能になる。基板上での球レンズの位置合わせを一層容易にするために上記一方向に形成された溝と上記別の溝とは直交することが好ましい。また、上記平板に形成された光ファイバ支持用溝に光ファイバを装填した後に、平板上にさらに別の平板を重ねて光ファイバを確実に固定してもよい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明に従う微小光学系を用いた近赤外線分析装置の試料セルの製造方法について図面を参照しながら説明する。最初に、図１（ａ）  に示したように、寸法５０ｍｍ×５０ｍｍ、厚さ１ｍｍの平板状のＳｉ基板１を用意し、基板１上にダイシングソーを用いて幅０．４ｍｍ、深さ０．５ｍｍの横溝３を基板１を横断するように形成した。この横溝３は試料セルの光学系の光軸の基準線となる。次いで、図１（ｂ）  に示すように、基板１と同一の寸法であるが、同一平面上にコの字型のガラス部材５ａとコの字型のガラス部材５ａの内側に嵌合された正方形のガラス部材５ｂとから構成された組合せガラス板５を、基板１と同一寸法の基板にダイシングソーにより平行な同じ５０ｍｍの長さの２本の切り込みを入れ、切り込みを結ぶようにダイヤモンドペンで切り傷を付けてそれを割ることによって作製した。なお、ガラス部材５ａは必ずしもコの字型である必要はなく、図１（ｂ）中の点線で示したように基板１と同一寸法の基板からダイシングソーで切断して２つのガラス部材５ａとガラス部材５ｂとの３つのパーツに分けても構わない。正方形のガラス部材５ｂの裏面には５０〜６０℃に加熱すると容易に剥離する加工用ワックス（パラフィン系ワックス）を塗布し、コの字型のガラス部材５ａの裏面にはかかる温度で加熱しても剥離しない接着剤（紫外線硬化型接着剤、例えば、商品名  Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ  Ｃｕｒｉｎｇ  ＮＯＲＬＡＮＤ  ＯＰＴＩＣＡＬ  ＡＤＨＥＳＩＶＥ  ＃８１（ＮＯＲＬＡＮＤ  ＰＲＯＤＵＣＴＳＩＮＣ．製）やエポキシ系接着剤など）を塗布した。この接着剤が塗布された組合せガラス板５を、図１（ｂ）  に示すように、基板１に重ね合わせて接着する。次いで、図１（ｃ）  に示したようにガラス板５の上面に、幅１４４μｍ、深さ８９μｍのＶ型の光ファイバ支持用溝７を形成した。光ファイバ支持用溝７は、基板１の平面内で横溝３と完全に重なるように形成した。なお、このガラス板５の厚み及び光ファイバ支持用溝７の深さは、後に装着される球レンズの直径及び光ファイバの直径に応じて選定される。
【００１５】
次いで、図２（ａ）  に示すように、光ファイバ支持用溝７に、直径１２５μｍの市販の光ファイバ９を装填した後、基板１と同一寸法のガラス平板１１をガラス平板５上に接着剤で貼り合わせて光ファイバ９を確実に固定した。さらに、ダイシングソーを用いて基板１１をガラス基板５のコの字型のガラス部材５ａと正方形のガラス部材５ｂとの境界部に沿って切断した。この際、基板１までは切断しなかった。
【００１６】
その後、この組立体を約５０℃に加熱して、ガラス部材５ｂをガラス平板１１の切断部分とともに組立体から除去した。こうして図２（ｂ）  に示したような、壁面１２ａ，１２ｂ，１２ｃにより区画された内室１３を有する組立体を得た。この壁面のうち、対向する壁面１２ａ、１２ｂには、光ファイバの端部１４ａ、１４ｂが現れている。この後、内室１３の基板１の表面に残留する接着剤を除去した。
【００１７】
内室１３の底面である基板１上に、壁面１２ａ及び１２ｂからそれぞれ距離約１．０８ｍｍを隔てた位置に横溝３と直交する方向に、幅０．４ｍｍ、深さ０．５ｍｍの縦溝１５をそれぞれ形成した。縦溝１５が形成される位置は使用する球レンズの寸法等を考慮して決定され、一般に、光ファイバの端面に焦点が位置するように決定する。この縦溝１５は横溝３と必ずしも直交する必要はないが、基板平面上での球レンズの位置を容易に決定するために、一方の溝が基板上で定めたＸＹ座標系でＸ軸と平行になり、他方の溝がＹ軸と平行になるようにするのが好ましい。上記の場合、例えば、図１（ａ）  の横溝３に平行な方向をＸ方向としそれと直交する方向をＹ方向とし、基板１の中心を座標中心と定めることができる。最後に、図２（ｃ）  に示すように、横溝３と縦溝１５との交差点上にそれぞれメレスクリオ社から入手した直径２ｍｍのＬａＳＦ９  製の光ファイバカップリング用球レンズ１６を配置し、接着剤により基板１上に固着した。
【００１８】
球レンズ１６間の中心位置に、外寸５．２ｍｍ×５．２ｍｍ×１０ｍｍ、試料の光路長５ｍｍの石英製の試料チャンバ２０を配置した。こうして得られた近赤外線分析装置の試料セルの断面をその寸法と共に図３に示す。この試料セルは光源側の光ファイバ９ａの光軸と受光側の光ファイバ９ｂの光軸が同軸上にあり、これらの光ファイバの光軸が両方の球レンズ１６の中心を通っている。直径２ｍｍの球レンズの中心は、それぞれ、光ファイバ９ａ，９ｂの端部１４ａ，１４ｂから１．０８ｍｍの距離に位置している。
【００１９】
こうして得られた試料セル３０において、光源側の光ファイバ９ａを、通常の近赤外線分光装置に使用される白色光源、例えば、波長４００〜１８００ｎｍのハロゲンランプを備えた光学系に接続することができる。受光側の光ファイバ９ｂは、検出部として通常の近赤外線分析装置に使用される回折格子またはプリズムを備えた分光光度計、例えば、波長３５０〜１７５０ｎｍの光を分光可能なスペクトルアナライザ等に接続することができる。あるいは、赤外線分光光度計のように、光源である近赤外線を予め分光器で分光しながら光源側の光ファイバ９ａに入射させ、試料を透過した特定波長の光を受光側の光ファイバ９ｂを通じて検出器に導く構成としてもよい。
【００２０】
光源側の光ファイバ９ａを波長４００〜１８００ｎｍのハロゲンランプを備えた光学系に接続し、受光側の光ファイバ９ｂを波長３５０〜１７５０ｎｍの光を分光可能なスペクトルアナライザに接続することによって構成した近赤外線分光装置を用いて、試料チャンバ２０に濃度９７％以上の分光分析用のヘキサン溶液を充填してその近赤外線スペクトルを測定した。リファレンスとしてチャンバにこの波長で吸収の少ないＣＣｌ４  を充填したときの透過率のデータを用いた。また、リファレンスとしてチャンバをバイパスした光を用いてもよい。結果を図４に示す。このスペクトルは、種々の物質の標準的な近赤外線スペクトルを示す”ＴＨＥ  ＡＴＬＡＳ  ＯＦ  ＮＥＡＲ  ＩＮＦＲＡＲＥＤ  ＳＰＥＣＴＲＡ”のヘキサンの近赤外線スペクトルと同一であることが確認された。
【００２１】
上記試料セルの製造プロセスにおいて、縦溝１５を平板１１の切断後に形成したが、基板１上に横溝３と同時に形成してもよい。なお、この場合、壁面１２ａ、１２ｂを切断する際、縦溝１５との距離を、後工程で取りつける球レンズの焦点が光ファイバの端面に位置するように留意する。また、ガラス平板５上にガラス平板１１を重ね合わせたが、光ファイバ９をガラス平板５で確実に支持することができれば、ガラス平板１１を省略してもよい。また、基板１や平板５の材料は上記のものに限定されず、種々の材料を使用できる。
【００２２】
また、上記の試料セルでは、試料を充填する試料チャンバとして閉塞されたチャンバを用いたが、常時流動している試料を分析できるように、試料流入口と流出口を備えたチャンバを配置してもよい。このようなチャンバを用いることによって、各種の工場内の精製や製造プロセスのある試料をオンラインで監視することが可能になる。また、チャンバの光路長は分析試料の種類により適宜選択することができ、原油等の透過性の低い試料の場合には、光路長１ｍｍ程度のチャンバを用いるのが好ましい。
【００２３】
また、図５に示すように、球レンズ１６を石英ガラスなどで覆い保護するような構造とすることで、直接試料の中に試料セルを浸漬した状態で分析が可能となる。
【００２４】
【発明の効果】
本発明の近赤外線分析装置用の試料セルは、超小型で可搬性に優れるため試料セルのみを装置本体や他の設備から隔離することができ、ガソリンや石油等の取り扱いに注意を要する試料の分析の際に極めて有効である。また、その製造において市販の光ファイバ及び球レンズを用いることができるため、製造コストを低くすることができる。本発明の近赤外線分析装置用の試料セルの製造方法は、球レンズの直径が小さくなっても、球レンズを光ファイバに対して高精度に且つ容易に配置することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明に従う近赤外線分析装置用の試料セルの製造プロセスの概要を示す。
【図２】図２は、図１に示した近赤外線分析装置用の試料セルの製造プロセスに続くプロセスの概要を示す。
【図３】図３は、図１及び図２に示したプロセスにより製造された近赤外線分析装置用の試料セルの断面図を示す。
【図４】図４は、本発明の近赤外線分析装置用の試料セルを用いて測定されたヘキサンの近赤外線スペクトルである。
【図５】図５は、本発明に従う近赤外線分析装置用の試料セルの別の構成例を示す断面図である。
【符号の説明】
１  Ｓｉ基板
３  横溝
５  ガラス平板
７  光ファイバ支持用溝
９  光ファイバ
１１  ガラス平板
１２ａ，ｂ，ｃ  内室壁面
１３  内室
１４ａ，ｂ  光ファイバ端面
１５  縦溝
１６  球レンズ
２０  試料チャンバ
３０  試料セル
【図１】
0003621185.tif 000002
【図２】
0003621185.tif 000003
【図３】
0003621185.tif 000004
【図４】
0003621185.tif 000005
【図５】
0003621185.tif 000006