(57)【要約】【課題】  計測する出力光のダイナミックレンジが大きい場合でも被測定試料の光吸収係数を決定することができる吸収計測装置を提供すること。【解決手段】  本発明に係る吸収計測装置１は、測定光７０を出力する光源１０と、それぞれの反射面が０より大きな角度を有して対向して配置された第１の鏡２１と第２の鏡２２とを有し、測定光７０を入射して多重反射を経て複数箇所から出力する共振器２０と、第１の出力光７１を検出して第１の検出信号を出力する第１の検出手段３０と、第１の検出手段３０より感度が高く、第１の出力光３０よりも共振器２０内における反射回数の多い第２の出力光７２を検出して第２の検出信号を出力する第２の検出手段４０と、第１の検出信号と第２の検出信号とに基づいて第１の鏡２１と第２の鏡２２との間に入れられた被測定試料の光吸収係数を決定する決定手段５０とを備えることを特徴とする。【選択図】  図１
2006226727.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定光を出力する光源と、
各々入射した前記測定光の一部を反射し残部を透過させる第１の鏡と第２の鏡とを有し、前記第１の鏡と前記第２の鏡との反射面が０より大きな角度を有して対向するように配置され、前記測定光を前記第１の鏡へ入射して前記第１の鏡を透過して前記共振器内において多重反射を繰返して前記第１の鏡と前記第２の鏡とのいずれか一方を透過して複数箇所からそれぞれ出力光として出力する共振器と、
前記共振器が出力する第１の出力光を検出して第１の検出信号を出力する第１の検出手段と、
前記第１の検出手段より感度が高く、前記第１の出力光よりも前記共振器内における反射回数の多い第２の出力光を検出して第２の検出信号を出力する第２の検出手段と、
前記第１の検出信号と前記第２の検出信号とに基づいて前記第１の鏡と前記第２の鏡との間に入れられた被測定試料の光吸収係数を決定する決定手段と
を備えることを特徴とする吸収計測装置。
【請求項２】
前記第１の検出手段は、検出する前記第１の出力光を減衰して第１の減衰光を出力する第１の減衰手段と、前記第１の減衰手段が出力する前記第１の減衰光を検出する第１の減衰光検出手段と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の吸収計測装置。
【請求項３】
前記第１の減衰光検出手段と前記第２の検出手段とが同じ感度特性を示すことを特徴とする請求項２に記載の吸収計測装置。
【請求項４】
前記第２の検出手段より感度が高く、前記第２の出力光よりも前記共振器内における反射回数の多い第３の出力光を検出して第３の検出信号を出力する第３の検出手段を備え、
前記第２の検出手段が、検出する前記第２の出力光を前記第１の減衰手段の減衰率よりも低い減衰率で減衰して第２の減衰光を出力する第２の減衰手段と、前記第２の減衰手段が出力する前記第２の減衰光を検出する第２の減衰光検出手段と、を有し、
前記第１の検出手段と前記第２の検出手段との間の前記第１の鏡に沿った距離と前記第１の検出手段と前記第３の検出手段との間の前記第１の鏡に沿った距離との比が、前記第２の減衰手段の減衰率の対数をとった値と前記第１の減衰手段の減衰率の対数をとった値との比と同等であり、
前記決定手段が、前記第１の検出信号と前記第２の検出信号と前記第３の検出信号とに基づいて前記光吸収係数を決定することを特徴とした請求項２又は３に記載の吸収計測装置。
【請求項５】
前記第１の検出手段がフォトダイオードであり、前記第２の検出手段がアバランシェフォトダイオードであることを特徴とする請求項１に記載の吸収計測装置。
【請求項６】
前記第１の検出手段が光電管であり、前記第２の検出手段が光電子増倍管であることを特徴とする請求項１に記載の吸収計測装置。
【請求項７】
測定光を出力する光源と、
各々入射した前記測定光の一部を反射し残部を透過させる第１の鏡と第２の鏡とを有し、前記第１の鏡と前記第２の鏡との反射面が０より大きな角度を有して対向するように配置され、前記測定光を前記第１の鏡へ入射して前記第１の鏡を透過して前記共振器内において多重反射を繰返して前記第１の鏡と前記第２の鏡とのいずれか一方を透過して複数箇所からそれぞれ出力光として出力する共振器と、
前記共振器内において反射回数の少ない前記出力光を入射する側から反射回数の多い前記出力光を入射する側へ減衰率が指数関数的に減少する減衰率分布を持ち、入射した前記出力光を当該入射した位置に応じて減衰して減衰光として出力する減衰手段と、
当該減衰して出力された第１の減衰光を検出して第１の検出信号を出力する第１の減衰光検出手段と、
前記第１の減衰光よりも前記共振器内における反射回数が多く、前記減衰手段によって減衰された第２の減衰光を検出して第２の検出信号を出力する第２の減衰光検出手段と、
前記第１の検出信号と前記第２の検出信号とに基づいて前記第１の鏡と前記第２の鏡との間に入れられた被測定試料の光吸収係数を決定する決定手段と
を備えることを特徴とする吸収計測装置。
【請求項８】
前記第１の鏡と前記第２の鏡との反射面が成す角度を変更する角度可変手段を備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の吸収計測装置。
【請求項９】
複数の前記検出手段のうち少なくとも一つの検出手段の位置を変更する位置変更手段を備えることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の吸収計測装置。
【請求項１０】
前記第１の鏡と前記第２の鏡との間の距離を変更する距離変更手段を備えることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の吸収計測装置。
【請求項１１】
前記決定手段が、複数の前記検出手段がそれぞれ出力した前記検出信号を差動計測する差動計測装置を備え、当該差動計測の結果を用いて光吸収係数を決定することを特徴とした請求項１〜１０のいずれか１項に記載の吸収計測装置。
【請求項１２】
複数の前記検出手段によってそれぞれ出力される検出信号が同じになるように、前記出力光の前記共振器内での反射回数を制御する制御手段を備えることを特徴とする請求項８〜１１のいずれか１項に記載の吸収計測装置。
【請求項１３】
前記出力光をそれぞれの前記検出手段に集光するレンズを備えることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の吸収計測装置。
【請求項１４】
前記検出手段の受光面の面積は、前記出力光の前記受光面の位置での断面積と同等であることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の吸収計測装置。
【請求項１５】
所定周波数で前記測定光を強度変調する変調手段と、
前記検出信号の少なくとも一つの信号を入力し、入力した前記信号のうち前記所定周波数の信号成分のレベルを出力するロックイン増幅器と
を備えることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の吸収計測装置。
【請求項１６】
前記角度を計測する角度計測手段を備えることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１項に記載の吸収計測装置。
【請求項１７】
前記決定手段は、前記角度に基づいて前記複数の検出手段がそれぞれ検出する出力光の前記共振器内での反射回数を演算し、当該演算結果を用いて前記光吸収係数を決定することを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１項に記載の吸収計測装置。
【請求項１８】
前記決定手段が決定した前記光吸収係数を表示する表示手段を備えることを特徴とする請求項１〜１７のいずれか１項に記載の吸収計測装置。
【請求項１９】
前記第１の鏡と前記第２の鏡との間に前記被測定試料を導入する試料セルを備えることを特徴とする請求項１〜１８のいずれか１項に記載の吸収計測装置。
【請求項２０】
前記共振器内で多重反射する前記測定光の光路と平行な主面と、前記主面と０度より大きく９０度より小さな角度を成す第１の側面と、前記第１の側面と対向して前記主面と前記第１の側面との間の角度と同程度の角度を成す第２の側面と、を有して、前記共振器内に配置されたダブプリズムを備え、
前記共振器内に入射した前記測定光が、前記第１の側面と前記第２の側面とのいずれか一方からダブプリズムへ入射して前記主面において全反射し入射した前記側面と対向する側面から出射して前記共振器内で多重反射を繰り返すと共に前記主面において全反射を繰返し、
前記被測定試料が、前記主面上の前記測定光が全反射する範囲を含んだ位置に設置されることを特徴とする請求項１〜１８のいずれか１項に記載の吸収計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、キャビティリングダウン分光法を用いた吸収計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
被測定試料の光吸収係数を取得する手法として、吸収分光法の一つであるキャビティリングダウン分光法（ＣＲＤＳ）が知られている。ＣＲＤＳは、一対の鏡の間に被測定試料を導入した共振器を用いる。共振器へ入射した測定光は、多重反射を繰返して、鏡面を透過する成分と被測定試料によって吸収される成分とによって減衰する。ＣＲＤＳは、共振器で減衰する光強度を解析することにより、被測定試料の光吸収係数を取得する手法である。ＣＲＤＳを行う装置の構成には、いくつかの種類がある。
【０００３】
例えば、下記非特許文献１にはウォークオフ型ＣＲＤＳについて記載されている。ウォークオフ型ＣＲＤＳでは、共振器への測定光の入射角の大きさが０より大きい。共振器へ入射した測定光は、鏡面の複数箇所で反射を繰返し、反射した箇所からはそれぞれ透過光が共振器の外に出力される。共振器から出力される出力光の光強度を解析すると、パルス列の減衰曲線が得られる。その減衰曲線により被測定試料の光吸収係数が得られる。下記非特許文献１においては、出力光の検出を１台の１次元または２次元の光検出器で行っている。
【非特許文献１】H．a．RYPKEMA，他2名，MOLECULAR  PHYSICS，2004年，VOL．102，No．14−15，pp．1501−1508
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＣＲＤＳでは減衰する光強度を解析する。ウォークオフ型ＣＲＤＳにおいても同様に減衰する光強度を解析する。上記非特許文献１において用いた光検出器のダイナミックレンジが不十分であると、測定可能な最大値より高い強度の出力光または測定可能な最小値より低い強度の出力光に対応するパルス列の減衰曲線を得ることができない。ダイナミックレンジとは、最大値と最小値の比である。従来、特に、高い強度の出力光は、検出器の素子が光学的な飽和を起こし、対応する減衰曲線を得ることができない場合があった。高い強度の出力光または低い強度の出力光に対応する減衰曲線が得られないと、十分な精度の光吸収係数を決定することができない。よって、上記非特許文献１における光検出器の測定可能なダイナミックレンジは、計測に必要な共振器から出力される出力光の光強度のダイナミックレンジよりも大きい必要がある。一方、ダイナミックレンジが大きい光検出器は、大型化、高価格化を招くので問題がある。
【０００５】
本発明は、上記問題を解消する為になされたものであり、計測する出力光のダイナミックレンジが大きい場合であっても被測定試料の光吸収係数を決定することができる吸収計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の吸収計測装置は、（１）測定光を出力する光源と、（２）各々入射した測定光の一部を反射し残部を透過させる第１の鏡と第２の鏡とを有し、第１の鏡と第２の鏡との反射面が０より大きな角度を有して対向するように配置され、測定光を第１の鏡へ入射して第１の鏡を透過して共振器内において多重反射を繰返して第１の鏡と第２の鏡とのいずれか一方を透過して複数箇所からそれぞれ出力光として出力する共振器と、（３）共振器が出力する第１の出力光を検出して第１の検出信号を出力する第１の検出手段と、（４）第１の検出手段より感度が高く、第１の出力光よりも共振器内における反射回数の多い第２の出力光を検出して第２の検出信号を出力する第２の検出手段と、（５）第１の検出信号と第２の検出信号とに基づいて第１の鏡と第２の鏡との間に入れられた被測定試料の光吸収係数を決定する決定手段とを備えることを特徴とする。
【０００７】
このように、第１の鏡と第２の鏡との反射面が０より大きな角度を有して対向するように配置されているので、測定光の共振器への入射角を任意に設定できる。つまり、測定光を第１の鏡の反射面へ垂直に入射させることが可能となる。また、第１の検出手段によって第１の出力光を検出し、第２の検出手段によって第２の出力光を検出するので、第１の検出手段と第２の検出手段とにおける検出範囲を、それぞれ検出する光の強度に合わせて選択することができる。よって、出力光のダイナミックレンジが大きい場合であっても、第１の検出手段と第２の検出手段とは、それぞれの出力光の光強度に応じた第１の検出信号と第２の検出信号とを出力することが可能となる。従って、出力光のダイナミックレンジが大きい場合であっても、第１の検出信号と第２の検出信号とに基づいて被測定試料の光吸収係数を決定することが可能となる。
【０００８】
本発明の吸収計測装置では、第１の検出手段は、検出する第１の出力光を減衰して第１の減衰光を出力する第１の減衰手段と、第１の減衰手段が出力する第１の減衰光を検出する第１の減衰光検出手段と、を備えることも好ましい。
【０００９】
この構成によれば、減衰光検出手段によって測定可能な光強度の最大値が第１の出力光の光強度よりも小さい場合であっても、第１の減衰手段が第１の出力光を減衰して第１の減衰光を出力する。よって、第１の減衰光検出手段は、第１の出力光よりも光強度の小さい第１の減衰光を検出して第１の検出信号を出力することが可能となる。
【００１０】
本発明の吸収計測装置では、第１の減衰光検出手段と第２の検出手段とが同じ感度特性を示すことも好ましい。このような構成にすることによって、第１の減衰光検出手段が出力する第１の検出信号と第２の検出手段が出力する第２の検出信号に基づいて光吸収係数を決定する際に、第１の減衰光検出手段と第２の検出手段との感度特性の違いを考慮する必要が無くなる。従って、より簡易に光吸収係数を決定することができる。
【００１１】
本発明の吸収計測装置は、（１）第２の検出手段より感度が高く、第２の出力光よりも共振器内における反射回数の多い第３の出力光を検出して第３の検出信号を出力する第３の検出手段を備え、（２）第２の検出手段が、検出する第２の出力光を第１の減衰手段の減衰率よりも低い減衰率で減衰して第２の減衰光を出力する第２の減衰手段と、第２の減衰手段が出力する第２の減衰光を検出する第２の減衰光検出手段と、を有し、（３）第１の検出手段と第２の検出手段との間の第１の鏡に沿った距離と第１の検出手段と第３の検出手段との間の第１の鏡に沿った距離との比が、第２の減衰手段の減衰率の対数をとった値と第１の減衰手段の減衰率の対数をとった値との比と同等であり、（４）決定手段が、第１の検出信号と第２の検出信号と第３の検出信号とに基づいて光吸収係数を決定することも好ましい。
【００１２】
本発明の吸収計測装置では、第２又は第３の検出手段の検出する出力光の共振器内での反射回数が第１の出力光と比較して多いほど、その第２又は第３の検出手段と第１の検出手段との間の第１の鏡に沿った距離が長くなる。また、出力光は、共振器内での反射回数が多いほど光強度が指数関数的に小さくなる。従って、第１の検出手段と第２の検出手段との間の第１の鏡に沿った距離と第１の検出手段と第３の検出手段との間の第１の鏡に沿った距離との比が、第２の減衰手段の減衰率の対数をとった値と第１の減衰手段の減衰率の対数をとった値との比と同等であることによって、出力光の光強度が指数関数的に大きいほど、指数関数的に大きく減衰されてから検出されることとなる。よって、第１〜第３の検出手段の検出範囲が同程度である場合でも、第１〜第３の出力光を第１〜第３の検出手段によってそれぞれ検出することが可能となる。また、決定手段が、第１〜第３の検出信号に基づいて光吸収係数を決定するので、より精度よく光吸収係数を決定することができる。
【００１３】
本発明の吸収計測装置では、第１の検出手段がフォトダイオードであり、第２の検出手段がアバランシェフォトダイオードであることも好ましい。この構成によれば、第１の出力光をフォトダイオードで検出し、第１の出力光よりも光強度の弱い第２の出力光をフォトダイオードより感度が高いアバランシェフォトダイオードで検出することができる。
【００１４】
本発明の吸収計測装置では、第１の検出手段が光電管であり、第２の検出手段が光電子増倍管であることも好ましい。この構成によれば、第１の出力光を光電管で検出し、第１の出力光よりも光強度の弱い第２の出力光を光電管より感度が高い光電子増倍管で検出することができる。
【００１５】
本発明の吸収計測装置は、（１）測定光を出力する光源と、（２）各々入射した測定光の一部を反射し残部を透過させる第１の鏡と第２の鏡とを有し、第１の鏡と第２の鏡との反射面が０より大きな角度を有して対向するように配置され、測定光を第１の鏡へ入射して第１の鏡を透過して共振器内において多重反射を繰返して第１の鏡と第２の鏡とのいずれか一方を透過して複数箇所からそれぞれ出力光として出力する共振器と、（３）共振器内において反射回数の少ない出力光を入射する側から反射回数の多い出力光を入射する側へ減衰率が指数関数的に減少する減衰率分布を持ち、入射した出力光を入射した位置に応じて減衰して減衰光として出力する減衰手段と、（４）減衰して出力された第１の減衰光を検出して第１の検出信号を出力する第１の減衰光検出手段と、（５）第１の減衰光よりも共振器内における反射回数が多く、減衰手段によって減衰された第２の減衰光を検出して第２の検出信号を出力する第２の減衰光検出手段と、（６）第１の検出信号と第２の検出信号とに基づいて第１の鏡と第２の鏡との間に入れられた被測定試料の光吸収係数を決定する決定手段とを備えることを特徴とする。
【００１６】
第１の出力光は第２の出力光よりも共振器内での反射回数が少ないので、第１の出力光の光強度は、第２の出力光の光強度よりも指数関数的に大きい。減衰手段が、共振器内において反射回数の少ない出力光を入射する側から反射回数の多い出力光を入射する側へ減衰率が指数関数的に減少する減衰率分布を持っているので、第１の出力光は、減衰手段によって第２の出力光が減衰される減衰率よりも指数関数的に大きい減衰率で減衰される。従って、第１の減衰光検出手段と第２の減衰光検出手段との検出範囲が同程度であっても、第１の出力光を減衰した第１の減衰光を第１の減衰光検出手段によって検出することができる。更に、第２の出力光を減衰した第２の減衰光を第２の減衰光検出手段によって検出することが可能となる。
【００１７】
本発明の吸収計測装置では、第１の鏡と第２の鏡との反射面が成す角度を変更する角度可変手段を備えることも好ましい。
【００１８】
このように、角度を変更することによって、複数の角度で計測を行うことが可能となる。従って、より精度よく光吸収係数を決定することができる。更に、角度を変更することによって、共振器からの出力光の共振器内における反射回数を変更して、上記の検出手段が検出する光の強度を調整することができる。また、それぞれ出力される検出信号の値が同程度となるように調整することも可能となる。
【００１９】
本発明の吸収計測装置では、複数の検出手段のうち少なくとも一つの検出手段の位置を変更する位置変更手段を備えることも好ましい。
【００２０】
このように、少なくとも一つの検出手段の位置を変更することによって、複数の条件で計測を行うことが可能となるので、より精度よく光吸収係数を決定することができる。更に、位置を変更することによって、共振器からの出力光の共振器内における反射回数を変更して、上記の複数の検出手段が検出する光の強度を調整することができる。また、それぞれ出力される検出信号の値が同程度となるように調整することも可能となる。
【００２１】
本発明の吸収計測装置では、第１の鏡と第２の鏡との間の距離を変更する距離変更手段を備えることも好ましい。
【００２２】
このように、第１の鏡と第２の鏡との間の距離を変更することによって、複数の条件で計測を行うことが可能となるので、より精度よく光吸収係数を決定することができる。更に、位置を変更することによって、共振器からの出力光の共振器内における反射回数を変更して、上記の複数の検出手段が検出する光の強度を調整することができる。また、それぞれ出力される検出信号の値が同程度となるように調整することも可能となる。
【００２３】
本発明の吸収計測装置では、決定手段が、複数の検出手段がそれぞれ出力した検出信号を差動計測する差動計測装置を備え、当該差動計測の結果を用いて光吸収係数を決定することも好ましい。このように、差動計測を行い、その結果を用いて光吸収係数を決定するので、より精度よく光吸収係数を決定することができる。
【００２４】
本発明の吸収計測装置では、複数の検出手段によってそれぞれ出力される検出信号がほぼ同じになるように、出力光の共振器内での反射回数を制御する制御手段を備えることも好ましい。
【００２５】
このような制御を行うことによって、光吸収係数を決定する際に、上記の複数の検出手段によってそれぞれ出力される検出信号同士の比を１として用いることができる。従って、より簡易に光吸収係数を決定することが可能となる。
【００２６】
本発明の吸収計測装置では、出力光をそれぞれの検出手段に集光するレンズを備えることも好ましい。このように、出力光をそれぞれの検出手段に集光するので、検出位置で隣合う出力光同士が重なることを防止して、より精度よく出力光の強度を検出することが可能となる。
【００２７】
本発明の吸収計測装置では、検出手段の受光面の面積は、出力光の受光面の位置での断面積と同等であることも好ましい。このような構成とすることによって、検出手段が検出すべき出力光の隣の出力光まで受光することを防止して、より精度よく出力光の強度を検出することが可能となる。
【００２８】
本発明の吸収計測装置では、所定周波数で測定光を強度変調する変調手段と、検出信号の少なくとも一つの信号を入力し、入力した信号のうち所定周波数の信号成分のレベルを出力するロックイン増幅器とを備えることも好ましい。
【００２９】
検出信号は、測定光に対する出力光の検出信号とノイズとを含むが、変調手段が測定光を所定周波数で強度変調するので、所定周波数の信号が出力光の検出信号であることが判断できる。ロックイン増幅器が、少なくとも１つの検出信号において、所定周波数の信号成分のレベルを出力するので、所定周波数以外の周波数のノイズを除去することができる。よって、より精度よく光吸収係数を決定できる。
【００３０】
本発明の吸収計測装置では、上記角度を計測する角度計測手段を備えることも好ましい。角度を計測するので、角度に依存する光吸収係数をより精度よく決定することが可能となる。
【００３１】
本発明の吸収計測装置では、決定手段は、上記角度に基づいて複数の検出手段がそれぞれ検出する出力光の共振器内での反射回数を演算し、演算結果を用いて光吸収係数を決定することも好ましい。
【００３２】
このように上記角度に応じて反射回数を演算するので、反射回数に依存する光吸収係数の決定を複数の角度においてより簡易に行うことができる。
【００３３】
本発明の吸収計測装置では、決定手段が決定した光吸収係数を表示する表示手段を備えることも好ましい。このような構成にすることによって、光吸収係数を表示することが可能となる。
【００３４】
本発明の吸収計測装置では、第１の鏡と第２の鏡との間に被測定試料を導入する試料セルを備えることも好ましい。
【００３５】
このように試料セルを備えることによって、被測定試料を簡易に第１の鏡と第２の鏡の間に導入することができる。
【００３６】
本発明の吸収計測装置は、共振器内で多重反射する測定光の光路と平行な主面と、主面と０度より大きく９０度より小さな角度を成す第１の側面と、第１の側面と対向して主面と第１の側面との間の角度と同程度の角度を成す第２の側面と、を有して、共振器内に配置されたダブプリズムを備え、共振器内に入射した測定光が、第１の側面と第２の側面とのいずれか一方からダブプリズムへ入射して主面において全反射し入射した側面と対向する側面から出射して共振器内で多重反射を繰返すと共に主面において全反射を繰返し、被測定試料が、主面上の測定光が全反射する範囲を含んだ位置に設置されることも好ましい。
【００３７】
このようにダブプリズムの主面上で測定光が全反射する位置に被測定試料を設置することによって、被測定試料による測定光のエバネッセント光の吸収を計測することができる。この計測結果によって光吸収係数を決定することができる。エバネッセント光は、全反射した面から波長程度の領域に染み出すので、大きさが例えば高分子程度の被測定試料の光吸収係数を決定することが可能となる。
【発明の効果】
【００３８】
本発明によれば、計測する出力光のダイナミックレンジが大きい場合であっても被測定試料の光吸収係数を決定することができる吸収計測装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下、添付図面を参照して発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００４０】
まず、第１の実施形態に係る吸収計測装置の構成について説明する。図１は、第１の実施形態に係る吸収計測装置１の構成図である。吸収計測装置１は、光源１０と、共振器２０と、第１の検出手段３０と、第２の検出手段４０と、決定装置５０（決定手段）と、表示装置６０（表示手段）とを備える。
【００４１】
光源１０は、測定光を出力する。測定光は、パルス光であってもよいし、連続光であってもよい。図１においては、測定光としてパルス光である測定パルス光７０の波形を示す。図１の測定パルス光７０の波形において、横軸は時刻を表している。光源１０は、例えば、半導体レーザーである。光源１０は、他に、量子カスケードレーザー、ＹＡＧレーザー、チタンサファイヤレーザーなども用いることが可能である。
【００４２】
共振器２０は、各々入射した測定光の一部を反射し残部を透過させる第１の鏡２１と第２の鏡２２とを備える。第１の鏡２１と第２の鏡２２との反射面は、０より大きな角度θを有して対向するように配置される。共振器２０は、測定光を第１の鏡２１へ入射して第１の鏡２１を透過して共振器２０内において多重反射を繰返して第１の鏡２１と第２の鏡２２とのいずれか一方を透過して複数箇所からそれぞれ出力光として出力する。
【００４３】
共振器２０は、第１の鏡２１と第２の鏡２２との間に配置された被測定試料を導入する直方体形状の試料セル２３を備える。被測定試料は、液体または気体である。被測定試料は、例えば、生体試料や環境物質などである。被測定試料は、供給源（図示せず）からポンプ（図示せず）によって試料セル２３に導入される。
【００４４】
測定パルス光７０は、共振器２０の外部から第１の鏡２１へ任意の入射角度にて入射して第１の鏡２１を透過して共振器２０内に入り、第２の鏡２２を透過して共振器２０から出力される。測定パルス光７０の第１の鏡２１への入射角度は、例えば９０度である。測定パルス光７０は、共振器２０内で多重反射を繰り返して被測定試料中を透過するので、測定パルス光７０の光強度は被測定試料の光吸収特性に応じて減衰する。共振器２０内の複数箇所で反射を繰返した測定パルス光７０は、反射した複数箇所から透過光が共振器２０の外に出力光として出力される。
【００４５】
共振器２０内で２ｎ回の反射を得て第２の鏡２２から出力される出力光Ｐｎは、パルス列の減衰曲線７３となる。図１に示すパルス列の減衰曲線７３において、縦軸は位置を示す。出力光Ｐｎの光強度Ｉ（ｎ）は式１のように表される。ただし説明の為に、式１では、試料セル２３における測定パルス光７０の反射、屈折、吸収に関わる係数を省略している。
【数１】
2006226727.tif 000003
ここで、Ｉ０は測定パルス光７０が共振器２０への入射するときの光強度、Ｒ１は第１の鏡２１の反射率、Ｒ２は第２の鏡２２の反射率、ａは被測定試料の光吸収係数、Ｌｔは、測定パルス光７０の被測定試料中の透過距離である。
【００４６】
第１の検出手段３０と第２の検出手段４０は、第２の鏡２２を透過して共振器２０から出力される出力光のうち、第２の鏡２２の所定の２つの位置からそれぞれ出力される第１の出力光７１と第２の出力光７２とを検出する。図１に示す第１の出力光７１と第２の出力光７２との波形において、縦軸は、空間位置を示す。第１の検出手段３０は、第１の出力光７１の光路上に配置されている。第２の検出手段４０は、第２の出力光７２の光路上に配置されている。
【００４７】
第１の検出手段３０は、第１の出力光７１を検出して第１の検出信号を出力する。第１の出力光７１とは、共振器２０から出力される出力光のうち第２の出力光７２よりも強度の強い出力光である。第１の検出信号とは、第１の出力光７１の光強度に応じて第１の検出手段３０から決定装置５０へ出力される信号である。第１の検出手段３０は、第１の減衰器３１（減衰手段）と、第１の検出器３２（第１の減衰光検出手段）とを備える。また、第１の減衰器３１と第１の検出器３２との間には、第１のアパーチャ３３が配置されている。
【００４８】
第１の減衰器３１は、第１の出力光７１を減衰率Ｎｄで減衰して第１の減衰光として第１の検出器３２へ出力する。第１のアパーチャ３３は、第１の減衰器３１と第１の検出器３２との間の第１の出力光７１の光路上に配置され、第１の出力光７１のみを通す。第１のアパーチャ３３は、第２の鏡２２における第１の出力光７１の出力位置周辺から出力される第１の出力光７１以外の出力光を遮る。
【００４９】
第１の検出器３２は、第１の減衰器３１により減衰され、第１のアパーチャ３３を通過した第１の減衰光を検出して、検出した光の強度に応じた第１の検出信号を決定装置５０へ出力する。第１の検出器３２は、例えば光電管である。
【００５０】
第２の検出手段４０は、第１の出力光７１よりも共振器２０内での反射回数が多い第２の出力光７２を検出して第２の検出信号を出力する。第２の検出信号とは、第２の出力光７２の光強度に応じて第２の検出手段４０から決定装置５０へ出力される信号である。第２の出力光７２は、第１の出力光７１よりも共振器２０内での反射回数が多いので第１の出力光７１よりも光強度が弱い。第２の出力光７２は、第１の出力光７１よりも強度が弱いが、第２の検出手段４０は、第１の検出手段３０よりも感度が高いので検出することができる。また、第２の検出手段４０は、第２の検出器４２と第２のアパーチャ４３とを備える。
【００５１】
第２のアパーチャ４３は、第２の検出器４２と共振器２０との間の第２の出力光７２の光路上に配置され、第２の出力光７２のみを通す。第２のアパーチャ４３は、第２の鏡２２における第２の出力光７２の出力位置周辺から出力される第２の出力光７２以外の出力光を遮る。
【００５２】
第２の検出器４２は、第２のアパーチャ４３を通過した第２の出力光７２を検出して、検出した光の強度に応じた第２の検出信号を決定装置５０へ出力する。第２の検出器４２の感度特性は、第１の検出器３２と同じである。第２の検出器４２は、例えば、第１の検出器３２と同じ感度特性を持つ光電管である。
【００５３】
決定装置５０は、第１の検出信号と第２の検出信号とに基づいて被測定試料の光吸収係数ａを決定する。決定装置５０は、差動増幅器５１と、解析装置５２と、濃度決定装置５４とを備える。
【００５４】
差動増幅器５１は、入力された第１の検出信号と第２の検出信号とを差動計測して、第１の減衰光の光強度と第２の出力光７２の光強度Ｉ２との光強度比ΔＩを示す光強度比信号を解析装置５２へ出力する。光強度比ΔＩを用いると、第１の出力光７１の光強度Ｉ１と第２の出力光７２の光強度Ｉ２との比は次のように表すことができる。
【数２】
2006226727.tif 000004
【００５５】
解析装置５２は、差動増幅器５１による差動計測の結果に基づいて被測定試料の光吸収係数ａを決定する。解析装置５２は、演算回路によって算出された第１の出力光７１と第２の出力光７２との被測定試料中の透過距離の差ΔＬ及び共振器２０内の反射回数の差２Δｎと、光強度比ΔＩと、に基づいて、格納された係数ルックアップテーブル５３を参照することによって光吸収係数ａを決定する。
【００５６】
解析装置５２が備える演算回路は、第１の鏡２１と第２の鏡２２とが成す角度θと、第１の鏡２１と第２の鏡２２と第１の検出手段３０と第２の検出手段４０との配置位置と、に基づいて、第１の出力光７１と第２の出力光７２との共振器２０内での反射回数を演算する。更に、第１の出力光７１と第２の出力光７２との共振器２０内での反射回数の差２Δｎと、透過距離の差ΔＬと、を算出する。角度θは、予め測定することによって取得可能な値である。透過距離の差ΔＬは、後述するように第１の出力光７１と第２の出力光７２とのそれぞれの透過距離Ｌｔを算出することによって求められる。
【００５７】
係数ルックアップテーブル５３とは、透過距離の差ΔＬ及び反射回数の差２Δｎに対して、光強度比ΔIと光吸収係数ａとを関連付けて解析装置５２に格納したテーブルである。
【００５８】
上記のように光吸収係数ａを一義的に決定する原理について説明する。第１の出力光７１の光強度Ｉ１と第２の出力光７２の光強度Ｉ２との比は式１より次のように表すことができる。
【数３】
2006226727.tif 000005
式２と式３より光吸収係数ａは次のように表すことができる。
【数４】
2006226727.tif 000006
【００５９】
上記式４において、第１の鏡２１の反射率Ｒ１と、第２の鏡２２の反射率Ｒ２と、第１の減衰器３１の減衰率Ｎｄは予め測定することにより値を知ることができる。
【００６０】
透過距離の差ΔＬと反射回数の差２Δｎとは、第１の鏡２１と第２の鏡との成す角度θと、第１の鏡２１と第２の鏡２２と第１の検出手段３０と第２の検出手段４０との配置位置と、に基づいて、後述するように幾何学的に算出することができる。角度θと、第１の鏡２１と第２の鏡２２と第１の検出手段３０と第２の検出手段４０との配置位置は、予め測定することができる。
【００６１】
従って、光強度比ΔＩを測定することによって、式４用いて光吸収係数ａは一義的に決定することができる。このことは、具体的には、被測定試料として一酸化炭素を用いて、波長が９μｍ程度の測定パルス光７０にて計測した結果、１つの減衰曲線を得ることによって光吸収係数ａが一義的に決定できることでも証明される。
【００６２】
従って、吸収計測装置１において、透過距離の差ΔＬと反射回数の差２Δｎと光強度比ΔＩとに対して光吸収係数ａを予め算出することによって、上述の係数ルックアップテーブル５３を予め作成することができる。
【００６３】
よって、解析装置５２によって、算出した透過距離の差ΔＬ及び反射回数の差２Δｎと測定した光強度比ΔＩとを用いて、係数ルックアップテーブル５３を参照することにより、光吸収係数ａを一義的に決定することができる。
【００６４】
このように、係数ルックアップテーブル５３を用いることにより、式４の演算処理を行うことなく、第１の検出手段と第２の検出手段とによる２点程度の計測によって光吸収係数ａをリアルタイムで決定することができる。解析装置５２は、決定した光吸収係数ａを示す信号を濃度決定装置５４へ出力する。
【００６５】
濃度決定装置５４は、解析装置５２から出力される光吸収係数ａを示す信号に基づいて被測定試料の濃度を決定する。濃度決定装置５４は、格納された濃度ルックアップテーブル５５を用いて被測定試料の濃度を決定する。濃度ルックアップテーブル５５は、測定パルス光７０の波長に対して、光吸収係数ａと被測定試料の濃度とを関連づけたテーブルである。濃度ルックアップテーブル５５を参照することにより、得られた光吸収係数ａに対応する被測定試料の濃度を決定することができる。濃度決定装置５４は、決定した濃度を示す信号を表示装置６０に出力する。
【００６６】
表示装置６０は、濃度決定装置５４が出力した濃度を示す信号に基づいて被測定試料の濃度を表示する。
【００６７】
次に、吸収計測装置１の動作を説明する。まず共振器２０の試料セル２３へ被測定試料を導入した状態で、光源１０によって測定パルス光７０が共振器２０へ入射する。第１の鏡２１を透過した測定パルス光７０は、被測定試料によって強度を減衰しながら、第１の鏡２１と第２の鏡２２の間を多重反射する。共振器２０に入射した測定パルス光７０のうち第２の鏡２２を透過して共振器２０から出力した第１の出力光７１は、第１の減衰器３１によって減衰されて第１の減衰光として出力される。第１の減衰光のうち第１のアパーチャ３３を通った光は、第１の検出器３２によって検出され、第１の減衰光の光強度を示す第１の検出信号が差動増幅器５１へ出力される。また、第２の鏡２２を透過して共振器２０から出力した第２の出力光７２のうち第２のアパーチャ４３を通った光は、第２の検出器４２によって検出され、第２の出力光７２の光強度を示す第２の検出信号が差動増幅器５１へ出力される。
【００６８】
差動増幅器５１によって、第１の減衰光の光強度と第２の出力光７２の光強度との光強度比ΔＩを示す光強度比信号が解析装置５２へ出力される。解析装置５２によって、光強度比信号と係数ルックアップテーブル５３とを用いて被測定試料の光吸収係数ａが決定され、光吸収係数ａを示す信号が濃度決定装置５４へ出力される。濃度決定装置５４によって、光吸収係数ａを示す信号と濃度ルックアップテーブル５５とを用いて被測定試料の濃度が決定され、その濃度を示す信号が表示装置６０へ出力される。表示装置６０によって、濃度を示す信号に基づいて被測定試料の濃度が表示される。
【００６９】
引き続いて、出力光の被測定試料中の透過距離Ｌｔの幾何学的な算出方法について説明する。
【００７０】
例えば、測定パルス光７０を透過する試料セル２３の内壁面の幅ｄが一定の場合、透過距離Ｌｔは、試料セル２３の幅ｄとそれぞれの反射角度θｎとを用いて求めることができる。反射角度θｎは、共振器２０内での反射回数がｎ回目の測定パルス光７０の第１の鏡２１又は第２の鏡２２における反射角度である。反射角度θｎは、第１の鏡２１と第２の鏡２２との成す角度がθなので、共振器２０内の反射回数が１回増加するとθだけ増加する。
【００７１】
また、例えば、被測定試料が共振器２０に含まれる第１の鏡２１と第２の鏡２２との間に満たされている場合、次のように透過距離Ｌｔを求めることができる。図２は、透過距離Ｌｔの算出方法を説明するための図である。説明のために、ＸＹＺ直交座標系を設定する。共振器２０内の測定パルス光７０の光路を含む面をＸＹ平面と平行な面とする。更に、第１の鏡２１の反射面をＹＺ平面とすると、第２の鏡２２はＹＺ平面からＸＹ平面において反時計周りに角度θで傾いた面ｙ＝Ｂｘ＋Ｃで表される。説明を簡単にするために、ＸＹ平面で考えると、第１の鏡２１をＹ軸と平行な直線Ｍ１で表し、第２の鏡２２は直線Ｍ２：ｙ＝Ｂｘ＋Ｃで表すことができる。
【００７２】
第１の鏡２１へ垂直に入射した測定パルス光７０の光路は、Ｘ軸と平行な直線ｋ０で表すことができる。従って、第１の鏡２１から入射して第２の鏡２２に到達するまでの測定パルス光７０の透過距離Ｌ０は、上記ＸＹ平面において直線ｋ０の直線Ｍ１との交点から直線Ｍ２との交点までの距離である。
【００７３】
共振器２０内で１回目の反射を経た測定パルス光７０は、直線ｋ０と直線Ｍ２との交点を通り、直線ｋ０から反時計回りに角度２θ傾いた直線ｋ１で表される。共振器２０内で１回目の反射を経てから第１の鏡２１に再び到達するまでの測定パルス光７０の透過距離Ｌ１は、直線ｋ１の直線Ｍ２との交点から直線Ｍ１との交点までの距離である。
【００７４】
共振器２０内で２回目の反射を経た測定パルス光７０は、直線ｋ１と直線Ｍ１との交点を通り、直線ｋ１から時計回りに４θ傾いた直線ｋ２で表される。共振器２０内で２回目の反射を経てから第２の鏡２１に再び到達するまでの測定パルス光７０の透過距離Ｌ２は、直線ｋ２の直線Ｍ１との交点から直線Ｍ２との交点までの距離である。
【００７５】
このようにして、次々に、ｎ回目の反射を経てからｎ回目の反射面と対向する鏡までの透過距離Ｌｎを求めると、出力光Ｐｎの透過距離Ｌｔは、透過距離Ｌ０からＬ２ｎまでの和として求めることができる。
【００７６】
引き続いて、吸収計測装置１における効果について説明する。吸収計測装置１では、第１の鏡２１と第２の鏡２２との反射面が０より大きな角度を有して対向するように配置されているので、測定パルス光７０の共振器２０への入射角を任意に設定できる。つまり、測定パルス光７０を第１の鏡の反射面へ垂直に入射させることが可能となる。
【００７７】
また、吸収計測装置１では、第１の検出手段３０において、第１の減衰器３１によって光強度の強い第１の出力光７１を減衰してから第１の検出器３２で検出する。よって、第１の検出器３２の測定可能な最大値が第１の出力光７１の光強度より小さくても、第１の出力光７１の光強度に合わせて第１の減衰器３１の減衰率を選ぶことによって、光強度の強い第１の出力光７１を検出することができる。更に、吸収計測装置１では、第１の検出器３２の測定範囲に依存しない第２の検出器４２によって、光強度の弱い第２の出力光７２を検出する。よって、第２の検出器４２は、第２の出力光７２の光強度に合わせて選ぶことができる。従って、吸収計測装置１において、計測する出力光のダイナミックレンジが大きくても被測定試料の光吸収係数ａを決定できる。
【００７８】
より具体的に、吸収計測装置１に含まれる第１の検出手段３０と第２の検出手段４０との構成による効果を説明する。従来のウォークオフ型ＣＲＤＳにおいては、出力光の検出に１台のＣＣＤカメラを用いている。このＣＣＤカメラは、１枚の画像における測定可能なダイナミックレンジが３桁程度である。上記実施形態において、例えば、第１の検出手段３０において、減衰率Ｎｄが１０−３の第１の減衰器３１と、ダイナミックレンジが３桁程度の第１の検出器３２とを備え、第２の検出器４２の測定範囲が第１の検出器３２と同じである場合について説明する。第１の減衰器３１の減衰率Ｎｄが１０−３なので、第１の検出手段３０の測定範囲は、第１の検出器３２の測定範囲の１０３倍にシフトして、測定範囲の最大値は１０３倍となる。よって、第１の検出手段３０で検出する最大値と第２の検出手段４０で検出する最小値との比が６桁程度となる。
【００７９】
更に上記実施形態において、例えば、第１の検出手段３０が、減衰率Ｎｄが１０−６の第１の減衰器３１と、ダイナミックレンジが３桁程度の第１の検出器３２とを備え、第２の検出器４２の測定範囲が第１の検出器３２と同じである場合について説明する。第１の減衰器３１の減衰率Ｎｄが１０−６なので、第１の検出手段３０の測定範囲は、第１の検出器３２の測定範囲の１０６倍にシフトして、測定範囲の最大値は１０６倍となる。よって、第１の検出手段３０で検出する最大値と第２の検出手段４０で検出する最小値との比が９桁程度となる。このように、第１の減衰器３１の減衰率Ｎｄと、第１の検出器３２と第２の検出器４２とのダイナミックレンジとの組合せにより、吸収計測装置１において検出可能な最大値と最小値の比を所望の値に設定することができる。
【００８０】
上記第１の実施形態において、以下のような工夫を施すことも好ましい。
【００８１】
上記第１の実施形態において、測定光として連続光を用いる場合は、時間コヒーレンスによって空間的に干渉縞が発生する。よって、干渉縞を発生させないように、吸収計測装置１に微小振動を与えることも好ましい。
【００８２】
上記第１の実施形態において、第１の検出器３２と第２の検出器４２は、例えば光電管であるとしたが、フォトダイオードでもよい。
【００８３】
上記第１の実施形態において、演算回路によって反射回数の差２Δｎを幾何学的に算出したが、パルス光を共振器２０に入射し、第１の検出信号と第２の検出信号が差動増幅器５１に到達する時間差によって反射回数の差２Δｎを求めてもよい。
【００８４】
上記第１の実施形態において、吸収計測装置１は、共振器２０と第１及び第２の検出手段３０、４０との間に集光レンズを備えることも好ましい。図３は、第１の実施形態に係る吸収計測装置に含まれる集光レンズについて説明するための図である。集光レンズ８１は、第１の出力光７１と第２の出力光７２とをそれぞれ第１の検出手段３０と第２の検出手段４０とに集光するレンズである。
【００８５】
測定パルス光７０は、平行光である。従って、共振器２０から出力される出力光は、それぞれが平行光である。一方で複数の出力光は互いに平行ではないので、集光レンズ８１によって、出力光はそれぞれ別々の検出手段に集光することができる。このように、出力光をそれぞれの検出手段に集光するので、検出位置で隣合う出力光同士が重なることを防止して、より精度よく出力光の強度を検出することが可能となる。
【００８６】
上記第１の実施形態において、第１の検出手段３０と第２の検出手段４０との受光面の面積は、検出する光の受光面の位置での断面積と同等であることも好ましい。このような構成とすることによって、それぞれの検出手段が検出すべき出力光の隣の出力光まで受光することを防止して、より精度よく出力光の強度を検出することが可能となる。
【００８７】
上記第１の実施形態において、吸収計測装置１は、第１の鏡２１と第２の鏡２２とが成す角度θを計測する角度計測装置（角度計測手段）を備えることも好ましい。図４は、第１の実施形態に係る吸収計測装置に含まれる角度計測装置の構成を説明するための図である。
【００８８】
角度計測装置８２は、角度計測用光源８３とレンズ８４と位置検出器８５とを備える。角度計測用光源８３は、第２の鏡２２の反射面へ角度測定光を出力する半導体レーザである。レンズ８４は、角度計測用光源８３が出力した角度測定光を平行光にする。位置検出器８５は、レンズ８４を透過して第２の鏡２２によって反射した角度測定光を入射して入射位置を測定する。第２の鏡２２の角度が変化すると、位置検出器８５における入射位置が変化するので、その入射位置の変化から第１の鏡２１と第２の鏡２２とが成す角度θを求めることができる。
【００８９】
角度θを上記のように計測することによって、角度に依存する光吸収係数をより精度よく決定することが可能となる。角度計測装置８２では、第２の鏡２２と位置検出器８５との間に更に鏡を設置してもよい。角度測定光の反射回数が多いほど、角度θの変化に対する位置検出器８５における入射位置の変化が大きくなるので、より精度よく角度θを計測することが可能となる。
【００９０】
上記第１の実施形態において、吸収計測装置１は、所定周波数で測定パルス光７０を強度変調する変調器（変調手段）と、第１の検出信号と第２の検出信号と検出信号をそれぞれ入力し、入力した検出信号のうち所定周波数の信号成分のレベルを出力する第１のロックイン増幅器と第２のロックイン増幅器とを備えることも好ましい。
【００９１】
変調器は、所定周波数で測定パルス光７０を強度変調する。変調器は、光源１０と第１のロックイン増幅器と第２のロックイン増幅器とへ、所定周波数で時間的に強度が変化する同期信号を出力する。光源１０は、変調器が出力する同期信号に基づいて、所定周波数で強度変調された測定パルス光７０を出力する。
【００９２】
第１のロックイン増幅器は、第１の検出信号を入力し、その入力した信号のうち同期信号に基づく所定周波数の信号成分のレベルを出力する。第２のロックイン増幅器は、第２の検出信号を入力し、その入力した信号のうち同期信号に基づく所定周波数の信号成分のレベルを出力する。
【００９３】
検出信号は、測定パルス光７０に対する出力光の検出信号とノイズとを含むが、変調器が測定パルス光７０を所定周波数で強度変調するので、所定周波数の信号が出力光の検出信号であることが判断できる。従って、第１および第２のロックイン増幅器によって、所定周波数以外の周波数のノイズを除去することができる。よって、より精度よく光吸収係数ａを決定できる。
【００９４】
上記第１の実施形態において、第１の減衰器３１は、減衰率Ｎｄを可変できる構成となっていることが好ましい。第１の減衰器３１は、例えば、光が透過する箇所によって透過率が異なるフィルターを備えている。そのような第１の減衰器３１を用いることによって、第１の出力光７１の光強度や第１の検出器３２のダイナミックレンジに応じて第１の減衰器３１を移動して減衰率を最適化することができる。
【００９５】
続いて、本発明に係る第２の実施形態から第６の実施形態について説明する。
【００９６】
まず、第２の実施形態に係る吸収計測装置について説明する。図５は、第２の実施形態に係る吸収計測装置２の構成図である。吸収計測装置２は、吸収計測装置１の構成に加えて、角度可変装置２４（角度可変手段）と、角度制御装置２５とを備えている。
【００９７】
角度可変装置２４は、第１の鏡２１と第２の鏡２２との成す角度θを変更する。角度可変装置２４は、角度制御装置２５が出力する変更角度を指示する信号に基づいて、角度θを変更する。角度制御装置２５は、角度可変装置２４による角度θの変更を制御する。角度制御装置２５は、角度変更装置２４と解析装置５２へ角度θの変更を指示する信号を出力する。解析装置５２は、角度制御装置２５が出力した入射角θの変更を指示する信号に基づいて角度θを算出し、変更した角度θに基づいて光吸収係数ａを決定する。
【００９８】
角度θを変更することにより測定パルス光７０の被測定試料中を透過する空間位置を変えて多点で計測することができる。よって角度θと光強度比ΔＩとの関係を解析することによってより正確な被吸収係数ａを決定することができる。
【００９９】
上記第２の実施形態において、次のような方法で計測を行うことも好ましい。まず、吸収計測装置１の試料セル２３に、被測定試料を導入せずに、ブランク試料に対して測定を行う。このブランク計測の際に、光強度比ΔＩが１となるように角度θを調整する。つまり、第１の減衰光と第２の出力光７２との光強度が同程度になるように、角度θを調整する。続いて、被測定試料を試料セル２３へ導入して計測を行う。光吸収係数ａは、光強度比ΔＩの変化量に基づいて算出する。
【０１００】
このような計測を行うことによって、第１の鏡２１の反射率Ｒ１と第２の鏡２２の反射率Ｒ２を予め測定する必要がなくなる。更に、上記のブランク計測では光吸収係数ａが０の場合を測定して、それを基準とするので、より正確に測定することができる。
【０１０１】
上記第２の実施形態において、次のように計測を行うことも好ましい。被測定試料を試料セル２３に導入した状態で光強度比ΔＩの値が１になるように、角度θを調整する。つまり、第１の減衰光と第２の出力光７２との光強度が同程度になるように、角度θを調整する。光強度比ΔＩの値が１になったときの角度θを用いて光吸収係数ａを求めることができる。
【０１０２】
更に、上記吸収計測装置２は、第１の鏡２１の位置を移動する位置移動手段を備えることも好ましい。第１の鏡２１は、移動しやすいように可動台に乗せる。第１の鏡２１の位置を移動することによって、それぞれの出力光の被測定試料中の透過距離Ｌｔを変化させることができる。位置移動手段によって透過距離Ｌｔを変化させて第１の減衰光と第２の出力光７２との光強度が同程度になるようにより微小な調整をすることが可能となる。
【０１０３】
第３の実施形態に係る吸収計測装置について説明する。図６は、第３の実施形態に係る吸収計測装置３の構成図である。吸収計測装置３は、吸収計測装置１の構成に加えて、位置可変装置４４（位置可変手段）と、位置制御装置４５を備えている。
【０１０４】
位置可変装置４４は、第１の検出手段３０と第２の検出手段４０との間の距離を変更する装置である。位置可変装置４４は位置制御装置４５が出力した移動を指示する信号に基づいて第２の検出手段４０を移動する。第２の検出手段４０は、移動しやすいように可動台に乗せる。
【０１０５】
位置制御装置４５は、位置可変装置４４による第２の検出手段４０の移動を制御する。位置制御装置４５は、位置可変装置４４と解析装置５２へ、第２の検出手段４０の移動を指示する信号を出力する。
【０１０６】
解析装置５２は、位置制御装置４５が出力した移動を指示する信号に基づいて、第１の出力光７１の出力位置と第２の出力光７２の出力位置との間の距離を算出して、出力光の透過距離の差ΔＬと反射回数の差２Δｎとを算出する。
【０１０７】
第２の検出手段４０の位置を変化させることによって、第２の出力光７２の被測定試料中を透過する距離を変えて多点で計測することができる。よって、より正確な被吸収係数ａを決定することができる。さらに、検出手段が検出する出力光の出力位置と光強度比ΔＩとの関係を解析することによって被測定試料の空間分布を測定することができる。
【０１０８】
第４の実施形態に係る吸収計測装置について説明する。図７は、第４の実施形態に係る吸収計測装置４の構成図である。吸収計測装置４は、吸収計測装置２の構成に加えて、第３の検出手段９０と第２の差動増幅器５６とを備える。更に、吸収計測装置４では、吸収計測装置２における第２の検出手段４０を第２の検出手段４０４に置き換えている。
【０１０９】
第３の検出手段９０は、第２の検出手段４０より感度が高く、第２の出力光７２よりも共振器２０内における反射回数の多い第３の出力光７４を検出して第３の検出信号を出力する。第３の検出信号とは、第３の出力光７４の光強度に応じて第３の検出手段９０から決定装置５０へ出力される信号である。第３の出力光７４は、第２の出力光７２よりも共振器２０内での反射回数が多いので第２の出力光７２よりも光強度が弱い。第３の出力光７４は、第２の出力光７２よりも強度が弱いが、第３の検出手段９０は、第２の検出手段４０よりも感度が高いので検出することができる。第３の検出手段９０は、第３の検出器９２と第３のアパーチャ９３とを備える。
【０１１０】
第３のアパーチャ９３は、第３の検出器９２と共振器２０との間の第３の出力光７４の光路上に配置され、第３の出力光７４のみを通す。第３のアパーチャ９３は、第２の鏡２２における第３の出力光７４の出力位置周辺から出力される第３の出力光７４以外の出力光を遮る。
【０１１１】
第３の検出器９２は、第３のアパーチャ９３を通過した第３の出力光７４を検出して、検出した光の強度に応じた第３の検出信号を決定装置５０へ出力する。第３の検出器９２の感度特性は、第１の検出器３２と同じである。第３の検出器９２は、例えば、第１の検出器３２と同じ感度特性を持つ光電管である。
【０１１２】
第２の検出手段４０４は、第２の検出器４２（第２の減衰光検出手段）と第２のアパーチャ４３とに加えて、第２の減衰器４１を備える。第２の減衰器４１は、検出する第２の出力光７２を第１の減衰器３１の減衰率よりも低い減衰率で減衰して第２の減衰光を出力する。第２の検出器４２は、第２の減衰光を検出して第２の検出信号を出力する。
【０１１３】
第１の検出手段３０と第２の検出手段４０４との間の第１の鏡２１に沿った距離と第１の検出手段３０と第３の検出手段９０との間の第１の鏡２１に沿った距離との比は、第２の減衰器４１の減衰率の対数をとった値と第１の減衰器３１の減衰率の対数をとった値との比と同等である。
【０１１４】
第２の差動増幅器５６は、第２の検出信号と第３の検出信号を入力し、第２の出力光７２を減衰した減衰光の光強度Ｉ２と第３の出力光７４の光強度Ｉ３との第２の光強度比ΔＩ２を示す光強度比信号を解析装置５２へ出力する。決定装置５３は、光強度比ΔＩと第２の光強度比ΔＩ２とに基づいて光吸収係数ａを決定する。
【０１１５】
吸収計測装置４では、検出手段の検出する出力光の共振器２０内での反射回数が第１の出力光７１と比較して多いほど、その検出手段と第１の検出手段３０との間の第１の鏡２１に沿った距離が長くなる。また、出力光は、共振器２０内での反射回数が多いほど光強度が指数関数的に小さくなる。従って、第１の検出手段３０と第２の検出手段４０４との間の第１の鏡２１に沿った距離と第１の検出手段３０と第３の検出手段９０との間の第１の鏡２１に沿った距離との比が、第２の減衰手段３１の減衰率の対数をとった値と第１の減衰手段４１の減衰率の対数をとった値との比と同等であることによって、出力光の光強度が指数関数的に大きいほど、指数関数的に大きく減衰されてから検出されることとなる。よって、第１〜第３の検出手段３０、４０４、９０の検出範囲が同程度である場合でも、第１〜第３の出力光７１、７２、７４を第１〜第３の検出手段３０、４０４、９０によってそれぞれ検出することが可能となる。また、決定手段５３が、第１及び第２の検出信号に加えて第３の検出信号にも基づいて光吸収係数ａを決定するので、より精度よく光吸収係数ａを決定することができる。
【０１１６】
上記第４の実施形態において、次のように計測を行うことも好ましい。光強度比ΔＩと第２の光強度比ΔＩ２との値が１になるように、角度θを調整する。つまり、第１の減衰光と第２の減衰光と第３の出力光との光強度が同程度になるように、角度θを調整する。光強度比ΔＩと第２の光強度比ΔＩ２との値が１となる角度θに基づいて光吸収係数ａを求めることができる。
【０１１７】
第５の実施形態に係る吸収計測装置について説明する。図８は、第５の実施形態に係る吸収計測装置５の構成図である。吸収計測装置５は、吸収計測装置２の第１の検出手段３０を第１の検出手段３０５に置き換えた装置である。更に、吸収計測装置５は、減衰器３１５（減衰手段）を備える。
【０１１８】
第１の検出手段３０５は、上述の第１の検出器３２（第１の減衰光検出手段）と第１のアパーチャ３３とを備える。第２の検出手段４０は、吸収計測装置２と同様に、第２の検出器４０（第２の減衰光検出手段）と第２のアパーチャ４３とを備える。
【０１１９】
減衰器３１５は、入射した出力光を入射した位置に応じて減衰して減衰光として出力する。第１の出力光７１を第１の減衰光として出力し、第２の出力光７２を第２の減衰光として出力する。減衰器３１５は、共振器内において反射回数の少ない出力光を入射する側から反射回数の多い出力光を入射する側へ減衰率が指数関数的に減少する減衰率分布を有する。
【０１２０】
第１の出力光７１の光強度は、第２の出力光７２の光強度よりも指数関数的に大きいが、上記の構成によれば、第１の出力光７１は、減衰器３１５によって第２の出力光７２が減衰される減衰率よりも指数関数的に大きい減衰率で減衰される。従って、第１の検出器３０５と第２の光検器４０との検出範囲が同程度であっても、第１の減衰光を第１の検出器３０５によって検出し、第２の減衰光を第２の光検器４０によって検出することが可能となる。
【０１２１】
上記第５の実施形態において、次のように計測を行うことも好ましい。光強度比ΔＩが１になるように、角度θを調整する。つまり、第１の減衰光と第２の減衰光との光強度が同程度になるように、角度θを調整する。光強度比ΔＩが１になったときの第１の出力光７１と第２の出力光７２とが減衰されたそれぞれの減衰率と、角度θと、を用いて光吸収係数ａを決定することができる。
【０１２２】
第６の実施形態に係る吸収計測装置について説明する。図９は、第６の実施形態に係る吸収計測装置６の構成図である。吸収計測装置６は、吸収計測装置１における第１の検出手段３０と第２の検出手段４０とをそれぞれ第１の検出手段３０６と第２の検出手段４０６とに置き換えた装置である。第１の検出手段３０６は、第１の検出器３２６と第１のアパーチャ３３とを備える。第２の検出手段４０６は、第２の検出器４２６と第２のアパーチャ４３とを備える。第１の検出器３２６がフォトダイオードであり、且つ、第２の検出器４２６がアバランシェフォトダイオードである。
【０１２３】
第６の実施形態において、第１の出力光７１をフォトダイオードで検出し、第１の出力光７１よりも光強度の弱い第２の出力光７２をフォトダイオードより感度が高いアバランシェフォトダイオードで検出することができる。
【０１２４】
第６の実施形態において、第１の検出器３２６が光電管であり、且つ、第２の検出器４２６が光電子増倍管であってもよい。この場合、第１の出力光７１を光電管で検出し、第１の出力光７１よりも光強度の弱い第２の出力光７２を光電管より感度が高い光電子増倍管で検出することができる。
【０１２５】
上記第１〜第６の実施形態において、試料セル２３を用いて被測定試料を共振器２０内に配置したが、ダブプリズムを用いて被測定試料を共振器２０内に配置してもよい。図１０は、本発明に係る実施形態においてダブプリズムを用いた変形例について説明するための図である。説明のためにＸＹＺ直行座標系を設定する。複数の出力光を含む面をＸＹ平面と平行な面とし、測定パルス光７０が光源１０から出力される方向を＋Ｘ軸方向とする。図９は、共振器２０を−Ｙ方向から見た図である。
【０１２６】
ダブプリズム２６は、共振器２０内で多重反射する測定パルス光７０の光路と平行な主面２６ａと、主面２６ａと０度より大きく９０度より小さな角度を成す第１の側面２６ｂと、第１の側面２６ｂと対向して主面２６ａと第１の側面２６ｂとの間の角度と同程度の角度を成す第２の側面２６ｃと、を有する。主面２６ａは、ＸＹ平面と平行な面である。
【０１２７】
共振器２０内に入射した測定パルス光７０は、第１の側面２６ｂと第２の側面２６ｃとのいずれか一方からダブプリズム２６へ入射して主面２６ａにおいて全反射し入射した側面と対向する側面から出射して共振器２０内で多重反射を繰返すと共に主面において全反射を繰返す。
【０１２８】
被測定試料は、主面２６ａ上の測定パルス光７０が全反射する範囲を含んだ位置に設置される。
【０１２９】
ダブプリズム２６の主面２６ａで測定パルス光７０が全反射すると、主面２６ａの被測定試料が設置されている側にエバネッセント光が染み出す。染み出したエバネッセント光は、被測定試料によって光を吸収されるために減衰する。従って、共振器２０から出力される出力光も被測定試料のエバネッセント光の吸収によって減衰されている。
【０１３０】
よって、第１〜６の実施形態について上述したように出力光の光強度を計測することによって、被測定試料による測定光のエバネッセント光の吸収を計測して、光吸収係数を決定することができる。エバネッセント光は、全反射した面から波長程度の領域に染み出すので、大きさが例えば高分子程度の被測定試料の光吸収係数を決定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０１３１】
【図１】第１の実施形態に係る吸収計測装置の構成図である。
【図２】透過距離Ｌｔの算出方法を説明するための図である。
【図３】第１の実施形態に係る吸収計測装置に含まれる集光レンズについて説明するための図である。
【図４】第１の実施形態に係る吸収計測装置に含まれる角度計測装置の構成を説明するための図である。
【図５】第２の実施形態に係る吸収計測装置の構成図である。
【図６】第３の実施形態に係る吸収計測装置の構成図である。
【図７】第４の実施形態に係る吸収計測装置の構成図である。
【図８】第５の実施形態に係る吸収計測装置の構成図である。
【図９】第６の実施形態に係る吸収計測装置の構成図である。
【図１０】本発明に係る実施形態においてダブプリズムを用いた変形例について説明するための図である。
【符号の説明】
【０１３２】
１０…光源、２０…共振器、２１…第１の鏡、２２…第２の鏡、２３…試料セル、２４…角度可変装置、２５…角度制御装置、２６…ダブプリズム、２７…被測定試料、３０…第１の検出手段、３１…第１の減衰器、３２…第１の検出器、３３…第１のアパーチャ、４０…第２の検出手段、４１…広域減衰器、４２…第２の検出器、４３…第２のアパーチャ、４４…位置可変装置、４５…位置制御装置、５０…決定装置、５１…差動増幅器、５２…解析装置、５３…係数ルックアップテーブル、５４…濃度決定装置、５５…濃度ルックアップテーブル、６０…表示装置、７０…測定パルス光、７１…第１の出力光、７２…第２の出力光、７３…減衰曲線、７４…第２の出力光、７５…第３の出力光、８１…集光レンズ、８２…角度計測装置、８３…角度計測用光源、８４…角度計測用レンズ、８５…位置検出器、９０…第２の検出手段、９１…第２の減衰器、９２…第２の検出器、９３…第２のアパーチャ、９５…第３の検出手段、９７…第３の検出器、９８…第３のアパーチャ。
【図１】
2006226727.tif 000007
【図２】
2006226727.tif 000008
【図３】
2006226727.tif 000009
【図４】
2006226727.tif 000010
【図５】
2006226727.tif 000011
【図６】
2006226727.tif 000012
【図７】
2006226727.tif 000013
【図８】
2006226727.tif 000014
【図９】
2006226727.tif 000015
【図１０】
2006226727.tif 000016