(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反射スペクトル測定装置において、
（ａ）楕円面鏡と、
（ｂ）光源と、
（ｃ）前記楕円面鏡内に配置した試料と、
（ｄ）前記楕円面鏡内に配置した光検出器と、
（ｅ）該光検出器に接続されるコンピュータとを具備し、
（ｆ）前記試料を前記楕円面鏡の一方の焦点に配置し、前記光検出器を前記楕円面鏡の他方の焦点に配置するとともに、前記試料に入射する光の入射角度を可変にする駆動機構とを具備することを特徴とする反射スペクトル測定装置。
【請求項２】
請求項１記載の反射スペクトル測定装置において、前記楕円面鏡に光源を固定し、該楕円面鏡を回転駆動機構で駆動可能にすることを特徴とする反射スペクトル測定装置。
【請求項３】
請求項１記載の反射スペクトル測定装置において、前記光検出器の検出角度を可変にするステージ及び調整装置とを具備することを特徴とする反射スペクトル測定装置。
【請求項４】
請求項１記載の反射スペクトル測定装置において、前記楕円面鏡に溝を形成し、前記光源を可動に配置することを特徴とする反射スペクトル測定装置。
【請求項５】
請求項１記載の反射スペクトル測定装置において、前記楕円鏡の内面を金属メッキした鏡とすることを特徴とする反射スペクトル測定装置。
【請求項６】
請求項１記載の反射スペクトル測定装置において、前記楕円鏡の一部に光源からの光を通す開口を有することを特徴とする反射スペクトル測定装置。
【請求項７】
請求項１記載の反射スペクトル測定装置において、前記試料にマスクをかけ、同一試料表面から反射した光だけを検出することを特徴とする反射スペクトル測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料の分光分析、表面計測等に用いる反射スペクトル測定装置に係り、特に、遺跡、考古学的遺産等の貴重な試料等を非破壊的に測定する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に分光スペクトルの反射測定では、試料の表面の粗さ、平滑程度によって多かれ少なかれ鏡面反射光と拡散反射光が混入してしまう。つまり、鏡面反射光の影響によって微分形状のスペクトルが拡散反射光によるスペクトルと任意の割合で混じり合ってしまい、得られたスペクトルの形状が歪んでしまうといった問題があった。即ち、被測定物の表面粗度に、測定値そのものが支配され、誤差を大きくしてしまう要素を含んでいた。そこで、従来は、試料の表面を加工して拡散反射光を支配的にして測定する方法が採られていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、試料の表面を加工して拡散反射光を支配的にして測定する場合には、試料の表面の加工を行う必要があるため、非破壊測定を行うことにはならないといった問題があった。
【０００４】
本発明は、上記問題点を除去し、試料の表面の加工を行うことなく、非破壊測定を行うことができる反射スペクトル測定装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕反射スペクトル測定装置において、楕円面鏡と、光源と、前記楕円面鏡内に配置した試料と、前記楕円面鏡内に配置した光検出器と、この光検出器に接続されるコンピュータとを具備し、前記試料を前記楕円面鏡の一方の焦点に配置し、前記光検出器を前記楕円面鏡の他方の焦点に配置するとともに、前記試料に入射する光の入射角度を可変にする駆動機構とを具備するようにしたものである。
【０００６】
〔２〕上記〔１〕記載の反射スペクトル測定装置において、前記楕円面鏡に光源を固定し、この楕円面鏡を回転駆動機構で駆動可能にするようにしたものである。
【０００７】
〔３〕上記〔１〕記載の反射スペクトル測定装置において、前記光検出器の検出角度を可変にするステージ及び調整装置とを具備するようにしたものである。
【０００８】
〔４〕上記〔１〕記載の反射スペクトル測定装置において、前記楕円面鏡に溝を形成し、前記光源を可動に配置するようにしたものである。
【０００９】
〔５〕上記〔１〕記載の反射スペクトル測定装置において、前記楕円鏡の内面を金属メッキした鏡とするようにしたものである。
【００１０】
〔６〕上記〔１〕記載の反射スペクトル測定装置において、前記楕円鏡の一部に光源からの光を通す開口を有するようにしたものである。
【００１１】
〔７〕上記〔１〕記載の反射スペクトル測定装置において、前記試料にマスクをかけ、同一試料表面から反射した光だけを検出するようにしたものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１３】
図１は本発明の第１実施例を示す反射スペクトル測定装置の模式図、図２はその反射スペクトル測定装置の試料への赤外光の入射状態を示す模式図である。
【００１４】
この図において、１は回転楕円面鏡、２はその回転楕円面鏡１に固定される赤外光を射出する赤外光源、３は回転楕円面鏡１の焦点位置に配設した試料、４は回転楕円面鏡１の焦点位置に配設した光検出器、５は回転楕円面鏡１の回転駆動機構、６は光検出器４に接続されるコンピュータ、７は光検出器搭載ステージ、８はその光検出器搭載ステージの調整装置である。
【００１５】
この図に示すように、試料３と光検出器４とは回転楕円面鏡１のそれぞれの焦点位置に配置されており、回転楕円面鏡１の回転駆動機構５（例えば、圧電素子による微小駆動機構）の駆動により、赤外光源２の位置が移動し、セットされた試料３への入射角度を可変にすることができる。
【００１６】
また、光検出器４の検出角度を光検出器搭載ステージ７の調整装置８により調整することにより、的確な光検出角度を得ることができる。
【００１７】
このように本発明によれば、試料３への入射角度及び光検出器への光検出角度を可変にして測定することにより、拡散反射成分を連続的に変化させることが可能となり、コンパクトで高品質の反射スペクトル測定装置を構成することができる。
【００１８】
また、回転楕円面鏡１を用いて、試料３を一方の焦点位置に、光検出器４を他方の焦点位置に設置することにより、集光率を極大にすることができる。
【００１９】
更に、これに加えて回転楕円面鏡１の内面を、例えば、金メッキした鏡とすることにより、スペクトルのバックグラウンドを小さくして、より高い品質の拡散反射成分スペクトルの推定が可能となる。また、金メッキに代えて、Ａｌメッキとするようにしてもよい。
【００２０】
以下、その試料の反射スペクトルの測定方法について、図３のフローチャート及び図４から図１１までの各測定過程におけるスペクトル図を参照しながら説明する。図４〜図１１において、横軸は波数４０００ｃｍ-1〜４００ｃｍ-1の３６００ｃｍ-1を約２ｃｍ-1毎に１８６９点に分割したものである。また、図４，図７，図９，図１０，図１１において、縦軸は吸光度、横軸は波数を示し、図５，図６，図８において、縦軸は吸光度の積分値（任意単位）、横軸は波数を示している。
【００２１】
（１）まず、試料であるポリスチレン板を固定して、そのポリスチレン板の表面に赤外光を入射角度を変えて入射させる。このようにして入射光の透過深さを変えることにより、拡散光の割合を変化させて一連のスペクトルを測定する（ステップＳ１）。その状態が図４に示される。即ち、拡散鏡面の成分比のわずかに異なる一連のスペクトルを測定する。
【００２２】
（２）次に、その一連のスペクトルの積分処理を行う（ステップＳ２）。その状態の一例が図５に示される。即ち、反射スペクトルの積分変換結果を得ることができる。その積分処理はコンピュータ（測定装置）６で行う。なお、前記積分処理は複数回積分することにより行うこともできる。
【００２３】
（３）次に、吸収スペクトル候補データＡか、鏡面反射スペクトル候補データＢかを判別する（ステップＳ３）。その判別処理はコンピュータ（測定装置）６で行う。
【００２４】
（４）次に、ステップＳ３において、吸収スペクトル候補データＡと判別された場合、反射スペクトルが積分処理された複数のものから吸収スペクトル候補データＡを分離する（ステップＳ４）。その一例が図６に示される。この分離処理もコンピュータ（測定装置）６で行う。
【００２５】
（５）次に、ステップＳ４で得られた吸収スペクトル候補データＡの微分処理を行う（ステップＳ５）。その状態の一例が図７に示される。即ち、反射スペクトルのうち、いわゆる、吸収スペクトルを得ることができる。この微分処理もコンピュータ（測定装置）６で行う。
【００２６】
（６）ステップＳ３において、鏡面反射スペクトル候補データＢと判別された場合、反射スペクトルが積分処理された複数のものから鏡面反射スペクトル候補データＢを分離する（ステップＳ６）。その一例が図８に示される。この分離処理もコンピュータ（測定装置）６で行う。なお、分離のアルゴリズムは、ＭＣＲ（Ｍｕｌｔｉ  Ｃｕｒｖｅ  Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ：Ｔｏｕｌｅｒ  ｅｔ．ａｌ  Ａｍａｌ．Ｃｈｅｍ．１９９４，６６，３３３７）やＳＣＡ（Ｓｐｅｃｔｒａｌ  Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ  Ａｎａｌｙｓｉｓ：Ｋａｗａｔａ  ｅｔ．ａｌ  Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ  １９８７，４，２１０１）を用いることができるが、そのアルゴリズム自体は本発明の特徴ではないので説明は省略する。
【００２７】
（７）次に、ステップＳ６で得られた鏡面反射スペクトル候補データＢの微分処理を行う（ステップＳ７）。その状態の一例が図９に示される。即ち、反射スペクトルの鏡面反射スペクトルを得ることができる。この微分処理もコンピュータ（測定装置）６で行う。なお、この微分処理は、前記積分回数と同じ回数だけ行う。
【００２８】
また、上記データの処理方法として、積分処理と微分処理を行ったが、これに限定されるものではなく、非負変換をもって足りる。
【００２９】
なお、非負変換については、以下のような方法がある。
【００３０】
１．スペクトルの全領域にわたって、一定の定数を加える。
【００３１】
２．スペクトルの全領域にわたって、絶対値をとる。
【００３２】
３．スペクトルの全領域にわたって、積分する。
【００３３】
４．スペクトルの全領域にわたって、積分した後、一定の定数を加える（最小値を０以上の値とする）。
【００３４】
ここに、スペクトルの３回積分のグラフを図１０に示す。上記４の方法の一つとして３回積分のうち、最小の積分カーブａをその他の積分カーブから差し引いて成分分離した後、３回微分する方法もある。この方法であると、スペクトルの線形性を確認できる長所を有する。
【００３５】
図１１はポリスチレン板を溶解して作製したフィルムの真の吸収スペクトルと本発明により得た推定吸収スペクトルを示す図である。なお、曲線ｂも実際は曲線ａと同じレベルにあるが、重なってしまうので、曲線ｂは上方にシフトさせて表示されている。
【００３６】
図１１に見られるように、本発明の推定吸収スペクトルａは、ピーク強度の相対比率が、真の吸収スペクトルｂと多少異なるが、ピーク位置は一致しており、負のピークも無く、定性測定に耐え得る結果が得られている。
【００３７】
上記実施例では、光源の位置を可変にする場合について述べたが、光源は固定にし、試料の位置を可変にするようにしてもよい。
【００３８】
図１２は本発明の第２実施例を示す反射スペクトル測定装置の模式図である。
【００３９】
なお、上記した第１実施例と同じ構成の部分には同じ符号を付して、それらの説明は省略する。
【００４０】
この図において、１０は固定された楕円面鏡、１０Ａはこの楕円面鏡に形成された開口、１１は固定された光源であり、この光源１１は光源体１２、反射鏡１３からなる。１４は試料３の位置を可変にする試料ステージ、１５はその試料ステージ１４を駆動して試料の位置を設定する試料位置設定装置である。
【００４１】
この実施例においては、固定された光源１１からの光を、位置を可変に設定できる試料３に照射して、その反射を測定するようにしている。つまり、試料３のステージ１４は試料位置設定装置１５により設定されて、試料３の位置を可変に設定することができる。
【００４２】
図１３は本発明の第３実施例を示す反射スペクトル測定装置（その１）の構成図であり、図１３（ａ）はその反射スペクトル測定装置の平面図、図１３（ｂ）はその反射スペクトル測定装置の立面図である。
【００４３】
この実施例においては、上記した第２実施例の光源を楕円面鏡１０の長軸方向に可動するようにしている。すなわち、固定された楕円面鏡１０の長軸方向に溝（開口）２１を形成して、光源（図示なし）を駆動して試料（図示なし）への入射光の入射角度を可変にできるように構成している。なお、２２，２３は楕円面鏡１０の焦点を示している。
【００４４】
図１４は本発明の第３実施例を示す反射スペクトル測定装置（その２）の構成図であり、図１４（ａ）はその反射スペクトル測定装置の平面図、図１４（ｂ）はその反射スペクトル測定装置の立面図である。
【００４５】
この実施例においては、上記した第２実施例の光源を楕円面鏡１０の略短軸方向に可動にした構成にしている。すなわち、固定された楕円面鏡１０の略短軸方向に溝（開口）２４を形成して、光源（図示なし）を駆動にして試料（図示なし）への入射光の入射角度を可変にできるように構成している。なお、２２，２３は楕円面鏡１０の焦点を示している。
【００４６】
なお、更に、光源と試料を共に可動にすることも言うまでもなく実施可能である。
【００４７】
また、光源と試料の両者を固定し、反射鏡、レンズなどの光学系を可動にして試料に入射する光の入射角度を可変にするようにしてもよい。
【００４８】
更に、上記実施例において、試料表面の測定に際して、入射光束の入射角度を変化させると、照射面積が変化するので、それを回避するために試料にマスクをかけることが望ましい。
【００４９】
例えば、入射光束の入射角度を図１５（ａ）から、図１５（ｂ）へ変化させると、図１５（ａ）の場合は、入射光束３１の場合に、照射面積Ｓ1 の吸収スペクトルが含まれるのに対して、図１５（ｂ）の場合は、図１５（ａ）と同じ入射光束３１であっても、照射面積Ｓ1 よりは、より広い照射面積Ｓ2 の吸収スペクトル（拡散反射）が含まれることになる。
【００５０】
ここで、図１６に示すように、試料表面４１にマスク４２を設ける。このマスク４２は、入射光を全て吸収することが望ましいため、黒色塗料などを塗布する。
【００５１】
このマスク４２により、同一試料表面４１から反射した光だけを検出することができる。
【００５２】
なお、マスクの開口部は測定試料に応じて自由に作製すればよい。
【００５３】
本発明は、分光計測、分析化学、表面計測、表面改質、表面処理、遺跡、考古学、貴重な試料の非破壊的分析、保存、保管などの広汎な分野への適用が可能である。
【００５４】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００５５】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００５６】
（Ａ）試料の表面の加工を行うことなく、非破壊測定を行うことができる。
【００５７】
（Ｂ）試料への入射角度を可変測定することにより、拡散反射成分を連続的に変化させることが可能であり、コンパクトで高品質な反射スペクトル測定装置を構成することができる。
【００５８】
（Ｃ）回転楕円面鏡を用いて、試料を一方の焦点位置に、光検出器を他方の焦点位置に設置することにより、集光率を極大にすることができる。
【００５９】
（Ｄ）更に、これに加えて回転楕円面鏡の内面を、例えば、金属メッキした鏡とすることにより、スペクトルのバックグラウンドを小さくして、より高い品質の拡散反射成分スペクトルの推定が可能となる。すなわち、反射スペクトルから、いわゆる透過吸収スペクトルの情報を得ることができ、物質表面の定性測定に有益な情報を提供することができる。
【００６０】
（Ｅ）試料にマスクをかけ、同一試料表面から反射した光だけを検出することにより、一定の照射面積の入射光束により正確な拡散反射を行わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１実施例を示す反射スペクトル測定装置の模式図である。
【図２】  本発明の第１実施例を示す反射スペクトル測定装置の試料への赤外光の入射状態を示す模式図である。
【図３】  本発明の第１実施例を示す反射スペクトル測定フローチャートである。
【図４】  本発明の第１実施例を示す反射スペクトル測定装置の光検出器で得られる一連の反射スペクトルを示す図である。
【図５】  本発明の第１実施例を示す反射スペクトル測定装置の光検出器で得られる一連の反射スペクトルの積分処理結果を示す図である。
【図６】  本発明の第１実施例を示す反射スペクトル測定装置の光検出器で得られる一連の反射スペクトルの積分処理結果のうち吸収スペクトル候補データの分離結果を示す図である。
【図７】  本発明の第１実施例を示す反射スペクトル測定装置の光検出器で得られる一連の反射スペクトルの積分処理結果のうち吸収スペクトル候補データを分離した後の微分処理結果を示す図である。
【図８】  本発明の第１実施例を示す反射スペクトル測定装置の光検出器で得られる一連の反射スペクトルの積分処理結果のうち鏡面反射スペクトル候補データの分離結果を示す図である。
【図９】  本発明の第１実施例を示す反射スペクトル測定装置の光検出器で得られる一連の反射スペクトルの積分処理結果のうち鏡面反射スペクトル候補データを分離した後の微分処理結果を示す図である。
【図１０】  非負変換の一例としてのスペクトルの３回積分のグラフを示す図である。
【図１１】  ポリスチレン板を溶解して作製したフィルムの真の吸収スペクトルと本発明により得た推定吸収スペクトルを示す図である。
【図１２】  本発明の第２実施例を示す反射スペクトル測定装置の模式図である。
【図１３】  本発明の第３実施例を示す反射スペクトル測定装置（その１）の構成図である。
【図１４】  本発明の第３実施例を示す反射スペクトル測定装置（その２）の構成図である。
【図１５】  試料の反射面の設定の説明図である。
【図１６】  本発明の実施例を示す試料の前処理としてのマスクの説明図である。
【符号の説明】
１    回転楕円面鏡
２    赤外光源
３    試料
４    光検出器
５    回転駆動機構
６    コンピュータ（測定装置）
７    光検出器搭載ステージ
８    光検出器搭載ステージの調整装置
１０    固定された楕円面鏡
１０Ａ    開口
１１    固定された光源
１２    光源体
１３    反射鏡
１４    試料ステージ
１５    試料位置設定装置
２１，２４    溝（開口）
２２，２３    焦点
３１    入射光束
４１    試料表面
４２    マスク
【図１】
0003688513.tif 000002
【図２】
0003688513.tif 000003
【図３】
0003688513.tif 000004
【図４】
0003688513.tif 000005
【図５】
0003688513.tif 000006
【図６】
0003688513.tif 000007
【図７】
0003688513.tif 000008
【図８】
0003688513.tif 000009
【図９】
0003688513.tif 000010
【図１０】
0003688513.tif 000011
【図１１】
0003688513.tif 000012
【図１２】
0003688513.tif 000013
【図１３】
0003688513.tif 000014
【図１４】
0003688513.tif 000015
【図１５】
0003688513.tif 000016
【図１６】
0003688513.tif 000017