(57)【要約】材料を検出するための分析器または分光光度計であって、強度が変えられる１つの放射線源と、スペクトル応答が変えられる１つの検出器とを有する分析器または分光光度計が記載されている。この場合、強度およびスペクトル応答を変化させることによりサンプルを分析することができる。強度を変化させ、また、スペクトル応答を変化させるための様々な方法が記載されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプル中の材料を検出するための分析器または分光光度計であって、
少なくとも前記サンプルに放射線を方向付けるようになっている放射線源であり、前記サンプルに入射しまたは前記サンプルによって反射される放射線が変えられる前記放射線源と、
少なくとも前記サンプルによって反射された放射線を検出するための検出器であり、スペクトル応答を変えることができるとともに、入射してくる放射線および前記スペクトル応答によって出力が決まる前記検出器と、
前記出力を受けるとともに、前記放射線源の強度を変化させ、前記検出器のスペクトル応答を変化させ、前記変化に伴う前記出力に基づいて前記サンプルの特性を決定するように構成されあるいはプログラムされたコントローラまたはプロセッサと、
を備える分析器または分光光度計。
【請求項２】
サンプル中の材料を検出するための分析器または分光光度計であって、
前記サンプルに放射線を方向付けるための手段と、
前記サンプルに入射しあるいは前記サンプルによって反射される放射線を変えるための手段と、
少なくとも前記サンプルによって反射された放射線を検出するための手段と、
前記反射されて検出された放射線を表わす可変スペクトル応答出力を供給するための手段と、
前記変化に伴う前記出力に基づいて前記サンプルの特性を決定するための手段と、
を備える分析器または分光光度計。
【請求項３】
サンプル中の材料を検出するための方法であって、
前記サンプルに放射線を方向付けるステップと、
前記サンプルに入射しあるいは前記サンプルによって反射される放射線を変えるステップと、
少なくとも前記サンプルによって反射された放射線を検出するステップと、
前記検出された放射線を表わす可変スペクトル応答出力を供給するステップと、
前記変化に伴う前記出力に基づいて前記サンプルの特性を決定するステップと、
を含む方法。
【請求項４】
前記サンプルに方向付けられる放射線が、前記放射線源に供給される電圧または電流を変化させることによって変えられる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の分析器、分光光度計、または方法。
【請求項５】
前記サンプルに方向付けられる放射線が、前記放射線源と前記サンプルとの間の伝送経路を変化させることによって変えられる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の分析器、分光光度計、または方法。
【請求項６】
前記伝送経路が、前記サンプルへと方向付けられる放射線が通り抜ける開口のサイズを変えることにより変化される、請求項５に記載の分析器、分光光度計、または方法。
【請求項７】
前記開口のサイズが、前記サンプルへと方向付けられる放射線が通り抜ける様々なサイズの開口を有するホイールを回転させることにより変えられる、請求項６に記載の分析器、分光光度計、または方法。
【請求項８】
前記サンプルに方向付けられる放射線が、前記放射線源がＯＮに切換えられる際の強度変化によりあるいは前記放射線源のパルス発生により変えられる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の分析器、分光光度計、または方法。
【請求項９】
前記サンプルによって反射された放射線がフォトダイオードによって検出され、前記ダイオード内の空乏領域の幅を変化させることにより前記出力のスペクトル応答が変えられる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の分析器、分光光度計、または方法。
【請求項１０】
前記ダイオード内の空乏領域の幅が、前記ダイオードの両端間に印加される逆電圧を変えることにより変化され、それに伴う電流が前記出力となる、請求項９に記載の分析器、分光光度計、または方法。
【請求項１１】
前記検出器からの前記出力信号が、前記コントローラに供給される前に増幅されてデジタル化される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の分析器、分光光度計、または方法。
【請求項１２】
前記コントローラがマイクロプロセッサである、請求項１１に記載の分析器、分光光度計、または方法。
【請求項１３】
前記検出器がフォトダイオード検出器である、請求項１１に記載の分析器、分光光度計、または方法。
【請求項１４】
前記放射線源が発光ダイオードである、請求項１１に記載の分析器、分光光度計、または方法。
【請求項１５】
前記放射線源がタングステンフィラメントランプである、請求項１１に記載の分析器、分光光度計、または方法。
【請求項１６】
前記放射線源がガス放電ランプである、請求項１１に記載の分析器、分光光度計、または方法。
【請求項１７】
サンプル中の材料を検出するための分析器または分光光度計であって、
少なくとも前記サンプルに放射線を方向付けるようになっている放射線源と、
少なくとも前記サンプルによって反射された放射線を表わす出力を供給するように構成された検出器と、
前記放射線源と前記サンプルまたは前記検出器との間に設けられた放射線のための可変伝送経路と、
前記出力を受けて前記伝送経路を操作するとともに、前記放射線源から前記サンプルに反射した放射線を測定し、前記放射線源から直接にくる放射線を測定し、前記伝送経路の変化に伴う前記出力に基づいて前記サンプルの特性を決定するように構成されあるいはプログラムされたコントローラまたはプロセッサと、
を備える分析器または分光光度計。
【請求項１８】
サンプル中の材料を検出するための分析器または分光光度計であって、
前記サンプルに放射線を方向付けるための手段と、
少なくとも前記サンプルによって反射された放射線を検出するための手段と、
少なくとも前記放射線源から直接にくる放射線を検出するための手段と、
前記放射線源から直接にくる放射線に対する前記反射された放射線に基づいて前記サンプルの特性を決定するための手段と、
を備える分析器または分光光度計。
【請求項１９】
サンプル中の材料を検出するための方法であって、
前記サンプルに放射線を方向付けるステップと、
少なくとも前記サンプルによって反射された放射線を検出するステップと、
少なくとも前記放射線源から直接にくる放射線を検出するステップと、
前記放射線源から直接にくる放射線に対する前記反射された放射線に基づいて前記サンプルの特性を決定するステップと、
を含む方法。
【請求項２０】
前記放射線が、サンプル経路に沿って前記サンプルに反射するとともに、基準経路に沿って前記検出器へと直接に伝えられる、請求項１７〜１９のいずれか一項に記載の分析器、分光光度計、または方法。
【請求項２１】
少なくとも３つのサイクルモード、すなわち、
前記放射線が前記基準経路を通っている第１のモードと、
前記放射線が前記サンプル経路を通っている第２のモードと、
前記放射線が遮断されている第３のモードと、
を有する遮断部材を備える、請求項２０に記載の分析器、分光光度計、または方法。
【請求項２２】
前記遮断部材が中心軸を中心に回転できる、請求項２１に記載の分析器、分光光度計、または方法。
【請求項２３】
前記第１のモード中、前記サンプル経路を通る前記放射線の強度が変えられる、請求項２２に記載の分析器、分光光度計、または方法。
【請求項２４】
様々なサイズの開口を環状経路を成す状態で前記遮断部材に貫通して設けることにより前記強度が変えられる、請求項２３に記載の分析器、分光光度計、または方法。
【請求項２５】
前記遮断部材が、前記遮断部材の位置を検出する１つまたは複数のセンサとインデックスを含む、請求項２４に記載の分析器、分光光度計、または方法。
【請求項２６】
添付図面を参照し且つ参照図面に示された本明細書中の実施形態のいずれか１つに実質的に記載された分析器。
【請求項２７】
添付図面を参照し且つ参照図面に示された本明細書中の実施形態のいずれか１つに実質的に記載された分光光度計。
【請求項２８】
本明細書中の実施形態のいずれか１つに実質的に記載されたサンプルを分析する方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の分野】
【０００１】
本発明は、試験サンプル中の材料のスペクトル吸収を分析するためのシステムに関し、特に、検出装置を使用するタイプのシステムの改良に関する。
【発明の背景】
【０００２】
最も簡単な分光器は、入射可視光を、人間の眼で観察できる複数のスペクトル線に分割する。更に複雑な分析において、例えば分光化学分析においては、検査用の物質が加熱され、それにより、この物質が放射線を発する。物質の各成分が特徴的な放射線を発し、これを識別手段として使用することができる。放射線は、回折格子またはプリズムを通り抜けることにより、その成分波長に分けられる。その後、検出器を使用して、スペクトルの詳細が観察されあるいは記録される。また、スペクトル線の波長および強度を測定するための計器を使用することができる。更に詳細な分析を行なうことができるように、結果（スペクトログラフ）を永久的に記録してもよい。そのスペクトルと周知の純粋な物質のスペクトルとを比較することにより、成分を識別することができ、また、定量的分析を用いてその組成比を決定することができる。これにより、極めての感度が高い化学物質の分析方法が提供される。現在、実験室では、通常、自動分光法が使用されている。
【０００３】
溶液中の材料の濃度の測定に現在使用されている殆どの実験装置は、本質的に、比較的複雑である。その複雑度は、少なくとも部分的に、いくつかの欠点に起因している。すなわち、第１に、これらの装置は比較的高価である。第２に、これらの装置は、多くの場合、プリズムや散乱格子を使用するため比較的精巧であり、また、一般に現場や通常の製造処理環境内での使用に適していない。また、第３に、これらの装置は、一般に、目的が特有であり、多くの場合、他の用途に簡単に適合できない。
【０００４】
用語「材料」は、その最も広い意味で使用されており、固体に限定されず、液体や気体を含む。また、用語「溶液」も気相を含むように解釈されなければならない。
【０００５】
国際公開公報第９６／３１７６４号は、流体中の粒子を定量的に測定するための方法および装置を開示している。この装置は、１つまたは複数の発光体と、発光体の出力に対して感度が高い１つまたは複数の光検出器とを備える。発光体と検出器との間にある複数の信号経路からデータが収集される。このデータは、その後、流体サンプル中の様々な流体粒子に関する周知のデータと比較することにより評価される。
【０００６】
米国特許第４，１５８，５０５号は、広帯域光源と、サンプル光および基準光のために設けられた経路と、サンプル光および基準光を暗期をもって散在させて散乱格子に交互に入射させることによりフォトダイオードのリニアな配列に伝えるチョッパホイールとから構成される分光光度計について記載している。
【０００７】
米国特許第３，９５５，０８２号は、様々な波長を測定するためのシングル光検出器について記載している。シングル光検出器は複数の検出部によって構成されており、各検出部は、帯域幅を変えることができるとともに、逆バイアス電圧を変えることによって制御される。
【０００８】
米国特許第５，５３７，３４３号は、１つのエミッタ検出器と回転チョッパとから構成される分光光度計について記載している。回転チョッパは、常に検出器に入射される波長を選択するためにフィルタを含有する。各明細書に記載された発明の全ては、前述した一般的な欠点の多くを有する。
【発明の概要】
【０００９】
したがって、本発明の目的は、従来技術における前述した欠点を解消するのに役立つとともに、少なくとも有用な選択を産業界に与えることができる分光光度計を提供することである。
【００１０】
したがって、第１の態様において、本発明は、サンプル中の材料を検出するための分析器または分光光度計であって、
少なくとも上記サンプルに放射線を方向付けるようになっている放射線源であり、上記サンプルに入射しあるいは上記サンプルによって反射される放射線が変えられる放射線源と、
少なくとも上記サンプルによって反射された放射線を検出するための検出器であり、スペクトル応答を変えることができるとともに、入射してくる放射線および上記スペクトル応答によって出力が決まる検出器と、
上記出力を受けるとともに、上記放射線源の強度を変化させ、上記検出器のスペクトル応答を変化させ、上記変化に伴う上記出力に基づいて上記サンプルの特性を決定するように構成されあるいはプログラムされたコントローラまたはプロセッサと、
を備える分析器または分光光度計を提供する。
【００１１】
第２の態様において、本発明は、サンプル中の材料を検出するための分析器または分光光度計であって、
上記サンプルに放射線を方向付けるための手段と、
上記サンプルに入射しあるいは上記サンプルによって反射される放射線を変えるための手段と、
少なくとも上記サンプルによって反射された放射線を検出するための手段と、
上記反射されて検出された放射線を表わす可変スペクトル応答出力を供給するための手段と、
上記変化に伴う上記出力に基づいて上記サンプルの特性を決定するための手段と、
を備える分析器または分光光度計を提供する。
【００１２】
第３の態様において、本発明は、サンプル中の材料を検出するための方法において、
上記サンプルに放射線を方向付けるステップと、
上記サンプルに入射しあるいは上記サンプルによって反射される放射線を変えるステップと、
少なくとも上記サンプルによって反射された放射線を検出するステップと、
上記検出された放射線を表わす可変スペクトル応答出力を供給するステップと、
上記変化に伴う上記出力に基づいて上記サンプルの特性を決定するステップと、
を含む方法を提供する。
【００１３】
上記構成において、上記サンプルに方向付けられる放射線は、上記放射線源に供給される電圧または電流を変化させることによって変えられる。
【００１４】
また、上記サンプルに方向付けられる放射線は、上記放射線源と上記サンプルとの間の伝送経路を変化させることによって変えられる。
【００１５】
上記伝送経路は、上記サンプルへと方向付けられる放射線が通り抜ける開口のサイズを変えることにより変化される。
【００１６】
上記開口のサイズは、上記サンプルへと方向付けられる放射線が通り抜ける様々なサイズの開口を有するホイールを回転させることにより変えられる。
【００１７】
上記サンプルに方向付けられる放射線は、上記放射線源がＯＮに切換えられる際の強度変化によりまたは上記放射線源のパルス発生により変えられる。
【００１８】
また、上記サンプルによって反射された放射線がフォトダイオードによって検出され、上記ダイオード内の空乏領域の幅を変化させることにより上記出力のスペクトル応答が変えられる。
【００１９】
上記ダイオード内の空乏領域の幅は、上記ダイオードの両端間に印加される逆電圧を変えることにより変化され、それに伴う電流が上記出力となる。
【００２０】
上記検出器からの上記出力信号は、上記コントローラに供給される前に増幅されてデジタル化される。
【００２１】
上記コントローラはマイクロプロセッサである。
【００２２】
上記検出器はフォトダイオード検出器である。
【００２３】
上記放射線源は発光ダイオードである。
【００２４】
上記放射線源はタングステンフィラメントランプである。
【００２５】
上記放射線源はガス放電ランプである。
【００２６】
第４の態様において、本発明は、サンプル中の材料を検出するための分析器または分光光度計において、
少なくとも上記サンプルに放射線を方向付けるようになっている放射線源と、
少なくとも上記サンプルによって反射された放射線を表わす出力を供給するように構成された検出器と、
上記放射線源と上記サンプルまたは上記検出器との間に設けられた放射線のための可変伝送経路と、
上記出力を受けて上記伝送経路を操作するとともに、上記放射線源から上記サンプルに反射した放射線を測定し、上記放射線源から直接にくる放射線を測定し、上記伝送経路の変化に伴う上記出力に基づいて上記サンプルの特性を決定するように構成されあるいはプログラムされたコントローラまたはプロセッサと、
を備える分析器または分光光度計を提供する。
【００２７】
第５の態様において、本発明は、サンプル中の材料を検出するための分析器または分光光度計において、
上記サンプルに放射線を方向付けるための手段と、
少なくとも上記サンプルによって反射された放射線を検出するための手段と、
少なくとも上記放射線源から直接にくる放射線を検出するための手段と、
上記放射線源から直接にくる放射線に対する上記反射された放射線に基づいて上記サンプルの特性を決定するための手段と、
を備える分析器または分光光度計を提供する。
【００２８】
第６の態様において、本発明は、サンプル中の材料を検出するための方法において、
上記サンプルに放射線を方向付けるステップと、
少なくとも上記サンプルによって反射された放射線を検出するステップと、
少なくとも上記放射線源から直接にくる放射線を検出するステップと、
上記放射線源から直接にくる放射線に対する上記反射された放射線に基づいて上記サンプルの特性を決定するステップと、
を含む方法を提供する。
【００２９】
上記構成において、上記放射線は、サンプル経路に沿って上記サンプルに反射するとともに、基準経路に沿って上記検出器へと直接に伝えられる。
【００３０】
また、少なくとも３つのサイクルモード、すなわち、
上記放射線が上記基準経路を通っている第１のモードと、
上記放射線が上記サンプル経路を通っている第２のモードと、
上記放射線が遮断されている第３のモードと、
を有する遮断部材が設けられる。
【００３１】
上記遮断部材は中心軸を中心に回転できる。
【００３２】
上記第１のモード中、上記サンプル経路を通る上記放射線の強度が変えられる。
【００３３】
様々なサイズの開口を環状経路を成す状態で上記遮断部材に貫通して設けることにより上記強度が変えられる。
【００３４】
上記遮断部材は、上記遮断部材の位置を検出する１つまたは複数のセンサとインデックスを含む。
【００３５】
本発明に関連する当業者であれば、添付の請求項に規定された本発明の範囲から逸脱することなく、本発明の構成および広く異なる実施形態や用途に多くの変更を加えることができる。本開示内容および説明は、単なる例示であり、本発明を何ら限定しようとするものではない。
【００３６】
本発明は、前述した構成を内在するとともに、以下に示す実施例の構成が考えられる。
【００３７】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
【詳細な説明】
【００３８】
本発明の一実施形態は、サンプルの材料サイズ、密度、スペクトル応答の定性的測定および定量的測定を行なうための分光光度計に関するものである。特に、分光光度計はサンプルの反射率を読み取る。代替の実施形態において、分光光度計はサンプルの吸光度を読み取る。本発明の装置の一実施形態は、少なくとも１つのエミッタと少なくとも１つの検出器とから構成されている。エミッタは、１つの発光体であってもよく、またはあたかも１つの発光体のように機能する複数の発光体の列から構成されてもよい。検出器は、用途に合った周波数のスペクトルを測定できる標準的なタイプのフォトダイオードであってもよい。エミッタおよび検出器は、マイクロプロセッサによって制御されてもよくおよび／または外部ＰＣに接続される。
【００３９】
図１を参照すると、本発明の発光体１は、用途に合ったスペクトル放射線を生成する。これは、電磁スペクトルの可視領域および赤外領域を含む広範囲の周波数にわたっていてもよく、あるいは狭い範囲にわたる狭周波数帯信号であってもよい。発光ダイオード、ガス放電ランプ、タングステンフィラメントランプ等の安価なエミッタが例として挙げられる。検出器９は、例えば入射光信号を検出するためのフォトダイオードであってもよい。
【００４０】
エミッタ１および検出器９は共に、コントローラモジュール３、例えばマイクロプロセッサによって制御される。マイクロプロセッサ３は、以下の２つのことを達成するためのソフトフェア、制御アルゴリズム、またはコンポーネントロジックを含む。
i）サンプルによって反射された光の強度の変動
ii）検出器のスペクトル応答の変動
【００４１】
［放射線源］
上記２つの両方を行なう方法は多く存在するが、簡略的に、ここではいくつかの例だけについて説明する。例えば、マイクロプロセッサ３は、電流供給２を変化させることによりエミッタ１から放射される光の強度を制御することができる。検出器９の動作は、電圧または逆バイアス１０の供給を変化させることにより制御される。検出器９によって生成される任意の信号は、マイクロプロセッサ３によって処理される前に、増幅されてデジタル形式に変換される。
【００４２】
他の実施形態において、エミッタ１からの光は、図２ｃに示される検出器９に入射する前に、別個の経路へと分割される。この操作は、ビームスプリッタまたはチョッピングホイール５と呼ばれる装置によって行なわれる。チョッピングホイール５の回転は、検出器９が常に１つの信号だけを検出するようにマイクロプロセッサ３により制御されてもよい。一般に、チョッピングホイール５は、１つの信号が通過して検出器９に入射することを許容する間、他の信号の経路を遮る。この実施形態において可能な３つの信号は、基準信号、サンプル信号、暗信号（信号無し）である。
【００４３】
図２ａは本発明のビーム分割装置３０を示す。ビーム分割装置３０はいくつかの要素から構成されており、これらの要素は、光源３２と、チョッピングホイール３３と、光を方向付けるための経路４０，４２，４４と、検出器３５と、試験用サンプル３１とを含む。試験用サンプルは一般に試験管３１によって収容される。試験管３１は２つの全く異なる部分３１ａ，３１ｂから構成されている。この試験管３１の下側部分３１ｂは、少量のサンプルを検査できるように上側部分３１ａよりも直径が小さい。あるいは、標準的な試験管が使用されてもよく、この試験管はその全長にわたって一定の直径を有する。サンプルを収容する試験管３１は、測定のために分光光度計内の保持キャビティ５０内に挿入される。
【００４４】
図２ｂは、光源３２から経路４４に沿ってチョッパホイール３３へと向かう光の反射角度を示す。反射角度は略９０度であり、そのため、経路４０に沿って進む反射光は検出器３５に対して垂直になる。これにより、回折歪みを最小限に抑えつつ、最適な情報を光検出器３５に送ることができる。
【００４５】
図２ｃを参照すると、チョッパホイールは、円形タイプのバレルから構成されており、ホイールの１つの部分が略平坦３４である。この平坦部３４の深さは、光伝送経路４０，４２，４４の直径によって決定される。ホイール３３の平坦部３４の深さは、光伝送経路４０，４２，４４の直径と略同じである。あるいは、平坦部３４は、チョッパホイール３３の回転中心と円形縁部との間の略半分にまで達している。
【００４６】
チョッパホイール３３が完全に１回転すると、検出器３５から３つの信号のうちの任意の１つが生じる。これらの３つの信号は、基準信号と、サンプル信号と、暗信号とを含む。基準信号は、チョッパホイール３３上の点３３ａが垂直軸から略＋１０度となる時の信号である。検出器３５で与えられる情報は、光源３２から直接に入ってくる。サンプル信号は、チョッパホイール３３上の点３３ｂが垂直軸から略−１０度となる時に検出される。検出器３５におけるこの情報は、サンプルからの反射によってもたらされる放射線から構成されている。検出器３５に光が入射しない他の任意の時間は、暗電流として既知である。暗電流は、それが分光光度計の較正のための情報を与えるため重要である。この情報は、一般に、検出器３５の温度ドリフトおよび対応するエレクトロニクスに関係している。
【００４７】
分光光度計の物理的構造の代替の実施形態が図３ａ〜図３ｃに示されている。図３ａを参照すると、光がサンプル５０に反射する際に光源５１と検出器５５とが成す角度は約４５°である。チョッピングホイール５６は、光信号が検出器５５に入射する際に影響を与える。図３ｃにおいて、チョッピングホイール５３は、３つの部分、すなわち、ホール部分６２と、ミラー部分６０と、ブラック部分６１とに分割されている。ホール部分６２は、信号がサンプル５０に反射することを許容するとともに、信号が検出器５５によって検出されることを許容する。ミラー部分６０は信号を検出器５５に向けて反射する。これにより、基準読み取りが行なわれる。ブラック部分６１は、検出器５５へ向けた光信号の伝送を停止し、それにより、暗電流の読み取りを行なうことができる。この代替の実施形態において、チョッピングホイール５３はサンプル５０の一方側へ逸れている。これにより、チョッピングホイール５３の常に１つの部分を通じて信号光の伝送を行なうことができ、そのため、チョッピングホイール５３の制御が簡単になる。
【００４８】
図６および図７に示される更なる改良において、チョッパホイール６００は、２つの機能、すなわち、第１に、サンプルに反射される光源の強度を変える機能と、検出器への直接的な経路を断続的に形成する機能とを果たすことができる。この実施形態は、モータ６０２によって駆動され且つ様々な直径を有する多くの開口７０４が設けられたホイール６００を含む。開口７０４は、光源６０６からの放射線をサンプル６０８に反射させて検出器６１０へと向けることができる。これらの開口は、サイズが変わらない検出器６１０の前方にある開口７０５とよく調和する。また、ホイール６００は、切り欠き７１４を除いて光源から直接に検出器へと向かう光を遮断する軸方向リム６１２を含む。切り欠き７１４は、光源と検出器との間の直接的な経路を断続的に許容するとともに、較正の目的でサンプルをブロックする。また、外周７１６には多数の開口があり、ベース６２０には２つのセンサ７１８があり、これにより、マイクロプロセッサはホイールの位置を計算することができ、それにより、エミッタから受けられた信号と共に光の強度を記録することができる。動作部分は挿入体６２２によりベース６２０内に保持される。サンプル６０８はスプリング６２４により所定の位置に保持される。
【００４９】
更なる他の改良においては、光源が非常に短い時間にわたって強度を変化させると、エミッタの強度変化を達成することができる。例えばフィラメントが最初にＯＮされると、放射される光の量は、直ちにその最大値にはならず、フィラメントのタイプおよび周囲の温度によって決まる限られた時間を要して増大する。生成される光の強度およびその結果として検出器により受けられる信号の両方を検出するためには、様々な方法を使用する必要がある。例えば、生成される光の強度を高分解能で検出することができ、フィラメントの両端間の電圧は、生成される放射線の強度変化の何らかの表示を与えなければならない。あるいは、光源がパルスを発してもよい。
【００５０】
［放射線検出器］
本発明の検出器３５は、一般に、ｐｎ接合またはｐ−ｉ−ｎフォトダイオードタイプである。ｐ−ｉ−ｎ接合フォトダイオードは、入射放射線の高分解能エンコーディング（コード化）が必要とされる場合、例えば光源がＯＮされまたはパルスを発する際に強度が変化する場合に必要となる高速応答を行なう。図４ａおよび図４ｂを参照すると、光検出器３５は逆バイアスでＤＣ電源６８と接続されており、特に、マイナス端子がダイオード３５のｐ側６５に接続されるとともに、プラス端子がダイオード３５のｎ側６７に接続されている。
【００５１】
ここで、本発明に関連する検出器３５の動作について説明する。光の光子が検出器３５によって吸収されると、光子は、電子を励起させるとともに、一対の荷電粒子と１つの電子と正孔とを生じる。ここで、正孔とは、ダイオード半導体格子中において単に電子が存在しない部分である。荷電粒子が分離して反対方向に移動すると、電流が半導体中を流れる。検出器３５は、その電極で電流または電圧として測定できる光子が誘導した荷電粒子を集める。
【００５２】
過剰の電子を生じさせるため、ｎ型半導体材料６７にはシリコンまたはゲルマニウムがドーピングされていてもよい。これに対し、ｐ型材料６５は過剰の正孔または電子欠損を有する。これらの２つの材料が接触する領域はｐｎ接合部と呼ばれる。ｐｎ接合部では、この相違により濃度勾配が形成され、この濃度勾配により、電子がｐ層へと拡散するとともに、正孔がｎ層へと拡散する。この拡散により、一般に内部バイアスと称される反対の電位が生じる。荷電粒子はこの領域に存在することができず、したがって、この領域は空乏領域と呼ばれる。
【００５３】
本発明の検出器３５において、光は、薄いｐ型層を介して装置に入る。吸収によって光強度が磁場侵入長と共に急激に低下する。空乏領域の近傍に吸収された任意の光子は、直ちに分離され且つ装置に固有の内部バイアスによりｐｎ接合を横切って押し流される荷電粒子を生じる。空乏領域の外側で形成される荷電粒子は無作為に移動し、それらの多くは、最終的に空乏領域に入り、ｐｎ接合を横切って急速に押し流される。荷電粒子の一部は、再び結合して、空乏領域に達することなく消失する。ｐｎ接合を横切るこのような荷電粒子の移動は、電気的な釣り合いを乱すとともに、検出器の電極で検出される僅かな光電流を生じさせる。生じた電流または電圧は、検出器３５に入射する光の強度に比例する。
【００５４】
図５ａは、信号における様々な強度７１に対する一般的な検出器３５の応答７２を示す。図から分かるように、光源の強度７１の変化は、検出器３５の帯域幅または全応答７３に影響を与える。特に光源の強度７１を高レベル９１まで高めることにより、特定の時間に測定できる波長７３の範囲が減少する。光源の強度７１を低レベル９０まで下げると、測定できる波長７３の範囲が大きくなるが、それは最大で検出器の最大帯域幅応答７２までである。
【００５５】
光源１の強度７１を高めることにより、検出器の量子効率が高められる。量子効率は、光子における入射光強度に対する電子における光電流（あるいは、異なる波長に対する光検出器の感度）の比率として規定される。
【００５６】
図４ａを参照すると、短い波長８０の光が短い距離を検出器３５の構造中へと入っている。すなわち、光は、ダイオードの表面の表面に近くで相互に作用する。図４ｂを参照すると、長い波長８１の光が更に深くまで検出器３５の構造中へと入っている。あるいは、極端な場合、検出器３５は長い波長８１を完全に透過させるようになる。短い波長８０の光は高エネルギの光子から構成されており、一方、長い波長８１は低エネルギの光子を含有する。検出器３５は、吸収された光子が十分なエネルギを有しまたはｐｎ接合を横切ることができる程度にまで達すると、その電極で電流または電圧だけを生じる。この効果は「カットオフ波長」と呼ばれる。
【００５７】
カットオフよりも波長が短く且つｐｎ接合に近接する光子は、電流または電圧を生じさせる。カットオフよりも長い波長の光子は電流または電圧を生じさせない。
【００５８】
カットオフ波長を制御するためには、空乏領域６６の厚さを制御することが望ましい。この層６６を拡張させるための１つの方法例は、外部電気バイアス（電圧）６８を加えることである。外部電気バイアス６８を加えることにより、ｐ型領域６５およびｎ型領域６７の厚さが減少し、それにより、荷電粒子形成時における長い波長８１の効率が減少する。これらの層の厚さは、外部電気バイアス６８の大きさによって直接制御される。外部電気バイアス６８の大きさが大きくなればなるほど、荷電粒子が形成される領域６５，６７が薄くなり、カットオフ波長が短くなる。理想的には、マイクロプロセッサ３によって電圧６８の制御が行なわれる。当業者は、検出器のスペクトル応答を変える他の方法を分かっている。
【００５９】
図５ｂは、検出器３５の制御に役立つように外部バイアス変数６８を組み入れた状態を示す。外部バイアス変数６８は、検出器３５に印加される外部電圧６８の大きさである。前述したように、電圧６８を変えると、荷電粒子が形成される領域６５，６７の厚さが変化し、検出器３５の応答帯域幅をもたらす。具体的には、外部電圧供給６８を増大させることにより、ダイオードの上側の帯域幅応答が減少する（９３）。外部電圧６８の制御はマイクロプロセッサ３によって行なわれてもよい。検出器３５に印加される電圧６８は段階的に変化されてもよい。あるいは、外部電圧６８は連続的に変化される。
【００６０】
マイクロプロセッサ３による光源強度７１の制御と検出器３５に印加される外部電圧６８の制御とを組み合わせることにより、サンプル信号からの個々の成分を決定することができる。実際には、外部電圧６８の段階的変化毎に、多くの様々な強度７１が光源１から放射される。選択されるカットオフバンド７０毎に、新たな範囲の検出可能なスペクトルが観察される。バンドスイープ（帯域掃引）（バイアス電圧に起因する）および強度スイープ（強度掃引）（光源に起因する）により、検査中、データポイントの組み合わされたセットが装置の全スペクトルにわたって配置される。このように、検査中に全てのスペクトルの特徴付けが可能である。
【００６１】
試験サンプルの材料のスペクトル吸収を分析するプロセスには、多数の想定される実施形態が存在する。一実施形態において、信号、例えば基準信号は、チョッパホイール３３を介して検出器３５へと伝えられる。制御モジュール、一般的にはマイクロプロセッサ３は、検出器３５に供給され且つ空乏領域６６の幅を制御する電圧を選択し、これにより、検出器３５の感度が良い所定の帯域幅を選択する。その後、マイクロプロセッサ３は、光源１に供給される電圧を変化させることにより、広帯域光信号の強度を変化させる。検出器３５は、それに伴う信号をマイクロプロセッサ３に送る。その後、このデータは、検査が終了するまでマイクロプロセッサに記憶される。検出器３５に供給される電圧レベルの変化は検出帯域幅を選択する。このプロセスは、予め選択された全ての帯域幅で測定が行なわれるまで繰り返される。次の光信号、例えばサンプル経路からの光信号においても再びプロセス全体が繰り返される。
【００６２】
本発明の他の実施形態において、１つの信号、例えば基準信号は、チョッピングホイールを介して検出器へと伝えられる。マイクロプロセッサは、検出器の感度が良い所定の帯域幅を選択する。これは、検出器に供給される電圧レベルを選択することにより行なわれる。その後、マイクロプロセッサ３は、光源に供給される電圧レベルを変えることにより、光信号の強度を変化させる。検出器は、それに伴う信号を生成する。この信号はマイクロプロセッサに送信される。その後、チョッパホイールは、回転して基準信号を遮り、次の信号、例えばサンプル信号を伝えることができるようにする。この場合も同様に、マイクロプロセッサが光源の強度を変化させ、測定された値がマイクロプロセッサに記憶される。チョッパホイールが再び回転すると、暗区間が存在する。これは暗電流として既知である。検出器に入射する光は無いが、固有の電流がフォトダイオードのｐｎ接合を横切って流れる。この電流レベルは、測定されるとともに、エレクトロニクスの任意の温度ドリフトを較正するためにマイクロプロセッサによって使用される。
【００６３】
検出器からの出力信号は電圧の形態を成している。これらは検出器の端子から測定される。これらの信号は、検出器の表面に入射する光を表わしている。出力信号は小さく、また、これらの信号は、ダイオードを通じて流れる電流の大きさに比例する。その結果、光が検出される。これらの信号は、非常に小さく、マイクロプロセッサ３によって正確に検出できるような形態ではない。そのため、これらの信号は出力回路６によって修正される。この出力回路６は、２つの部分、すなわち、増幅部分７と変換部分８とから構成される。増幅部分７はオペアンプ回路から構成される。この回路によって与えられる増幅率は使用される構成要素に依存しており、したがって、それに応じて増幅率が増大されてもよくあるいは減少されてもよい。あるいは、他のタイプの増幅部分７が同様にして使用されてもよい。信号が増幅されると、信号はアナログ信号からデジタル信号へ変換される。これは、専用のアナログ・デジタル変換回路８によって行なわれ、あるいはマイクロプロセッサ３内に組み込まれたアナログ・デジタル変換器によって行なわれてもよい。この時点で、検出器からの出力信号は、マイクロプロセッサ３が識別して使用することができる形態を成す。
【００６４】
検出器がその表面に入射する光を連続的に測定している時、検出器からの信号がマイクロプロセッサ３に対して連続的に供給される。マイクロプロセッサ３は、連続的に供給される信号から個々に信号を取得し、これらの信号をそのメモリ内に記憶する。
【００６５】
検出器の出力は、サンプル中における材料の存在を反映している。試験が終了すると、マイクロプロセッサ３は、測定された値をそのメモリ内に配列状態で記憶する。
【００６６】
［データ解析］
これらの測定値のその後の評価は、多くの方法によって行なうことができる。サンプル中における材料の存在を示す値を得るための最良の方法を決定するために、いくつかの試験および実験に頼ってもよい。しかしながら、簡単に使用できるように、殆どの実施形態は、受信されて測定された値と収集されあるいは記憶されたデータとを比較することに頼る。このデータは、最初のセットアップデータをユーザがその後に収集しなくても済むように、マイクロプロセッサ３内に予めプログラムされた値であってもよい。この記憶されたデータは、分析されるサンプルのタイプに特有の値から構成されていてもよいが、殆どの実施形態においては、基準信号を使用して精度をチェックしおよび／または装置を調整する定期較正を行なうことが考えられる。較正情報は、マイクロプロセッサ３内に記憶され、あるいは外部処理手段によって実行されるソフトウェアに記憶される。ソフトウェアの使用にあっては、装置の性能を変更するためにソフトウェアを更新できる自由度があってもよい。また、較正データは、新たな較正が実行される時はいつでも更新される。
【００６７】
複数の回帰法を用いて全ての較正データを処理した後、較正因子およびインターセプトまたは自由因子が得られる。この式を合計すると、一般に、全較正データアレーにおける８個の場所が得られる。これらの８個の読み取り値は、最良の測定値を与えた場所に関連している。
【００６８】
アレー内の所定の位置で読み取る個々のサンプルにその回帰係数因子を乗じて自由因子を加えると、以下の式に示されるように、スペクトル応答、材料サイズ、密度が得られる。
【数１】
2005539217.tif 000003
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の全体構造のブロック図を示す。
【図２ａ】本発明のスペクトル分析装置の断面図を示す。
【図２ｂ】検査されるサンプルによる反射角度の断面図を示す。
【図２ｃ】ビーム分割装置のチョッパホイールの断面図を示す。
【図３ａ】スペクトル分析装置の代替の実施形態の断面図を示す。
【図３ｂ】スペクトル分析装置の代替の実施形態の平断面図を示す。
【図３ｃ】スペクトル分析装置の代替の実施形態のチョッピングホイールの断面図を示す。
【図４ａ】短い波長の光子が光検出器に入る状態を示す。
【図４ｂ】長い波長の光子が光検出器に入る状態を示す。
【図５ａ】光源の強度を変えることによる一般的な光検出器の応答を示す。
【図５ｂ】光検出器の両端間の逆電圧を変えることによる一般的な光検出器の応答を示す。
【図５ｃ】光強度および逆電圧の両方を変えることによる一般的な光検出器の応答を示す。
【図６】代替のチョッピングホイールの断面図である。
【図７】代替のチョッピングホイールの分解図である。
【図１】
2005539217.tif 000004
2005539217.tif 000005
2005539217.tif 000006
2005539217.tif 000007
2005539217.tif 000008
【図３ｃ】
2005539217.tif 000009
2005539217.tif 000010
【図５ａ】
2005539217.tif 000011
【図５ｂ】
2005539217.tif 000012
【図５ｃ】
2005539217.tif 000013
【図６】
2005539217.tif 000014
【図７】
2005539217.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成17年5月17日(2005.5.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプル中の材料を検出するための分析器または分光光度計であって、
少なくとも前記サンプルに放射線を方向付けるようになっている放射線源であり、前記サンプルに入射しまたは前記サンプルによって反射される放射線が変えられる前記放射線源と、
少なくとも前記サンプルによって反射された放射線を検出するための検出器であり、スペクトル応答を変えることができるとともに、入射してくる放射線および前記スペクトル応答によって出力が決まる前記検出器と、
前記出力を受けるとともに、前記放射線源の強度を変化させ、前記検出器のスペクトル応答を変化させ、前記変化に伴う前記出力に基づいて前記サンプルの特性を決定するように構成されあるいはプログラムされたコントローラまたはプロセッサと、
を備える分析器または分光光度計。
【請求項２】
サンプル中の材料を検出するための分析器または分光光度計であって、
前記サンプルに放射線を方向付けるための手段と、
前記サンプルに入射しあるいは前記サンプルによって反射される放射線を変えるための手段と、
少なくとも前記サンプルによって反射された放射線を検出するための手段と、
前記検出するための手段のスペクトル応答を変えるための手段と、
前記反射されて検出された放射線を表わす出力を供給するための手段と、
前記変化に伴う前記出力に基づいて前記サンプルの特性を決定するための手段と、
を備える分析器または分光光度計。
【請求項３】
サンプル中の材料を検出するための方法であって、
前記サンプルに放射線を方向付けるステップと、
前記サンプルに入射しあるいは前記サンプルによって反射される放射線を変えるステップと、
検出器を用いて、少なくとも前記サンプルによって反射された放射線を検出するステップと、
前記検出器のスペクトル応答を変えるステップと、
前記検出された放射線を表わす可変スペクトル応答出力を供給するステップと、
前記変化に伴う前記出力に基づいて前記サンプルの特性を決定するステップと、
を含む方法。
【請求項４】
前記サンプルに方向付けられる放射線が、前記放射線源に供給される電圧または電流を変化させることによって変えられる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の分析器、分光光度計、または方法。
【請求項５】
前記サンプルに方向付けられる放射線が、前記放射線源と前記サンプルとの間の伝送経路を変化させることによって変えられる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の分析器、分光光度計、または方法。
【請求項６】
前記伝送経路が、前記サンプルへと方向付けられる放射線が通り抜ける開口のサイズを変えることにより変化される、請求項５に記載の分析器、分光光度計、または方法。
【請求項７】
前記開口のサイズが、前記サンプルへと方向付けられる放射線が通り抜ける様々なサイズの開口を有するホイールを回転させることにより変えられる、請求項６に記載の分析器、分光光度計、または方法。
【請求項８】
前記サンプルに方向付けられる放射線が、前記放射線源がＯＮに切換えられる際の強度変化によりあるいは前記放射線源のパルス発生により変えられる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の分析器、分光光度計、または方法。
【請求項９】
前記サンプルによって反射された放射線がフォトダイオードによって検出され、前記ダイオード内の空乏領域の幅を変化させることにより前記出力のスペクトル応答が変えられる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の分析器、分光光度計、または方法。
【請求項１０】
前記ダイオード内の空乏領域の幅が、前記ダイオードの両端間に印加される逆電圧を変えることにより変化され、それに伴う電流が前記出力となる、請求項９に記載の分析器、分光光度計、または方法。
【請求項１１】
前記検出器からの前記出力信号が、前記コントローラに供給される前に増幅されてデジタル化される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の分析器、分光光度計、または方法。
【請求項１２】
前記コントローラがマイクロプロセッサである、請求項１１に記載の分析器、分光光度計、または方法。
【請求項１３】
前記検出器がフォトダイオード検出器である、請求項１１に記載の分析器、分光光度計、または方法。
【請求項１４】
前記放射線源が発光ダイオードである、請求項１１に記載の分析器、分光光度計、または方法。
【請求項１５】
前記放射線源がタングステンフィラメントランプである、請求項１１に記載の分析器、分光光度計、または方法。
【請求項１６】
前記放射線源がガス放電ランプである、請求項１１に記載の分析器、分光光度計、または方法。
【請求項１７】
サンプル中の材料を検出するための分析器または分光光度計であって、
少なくとも前記サンプルに放射線を方向付けるようになっている放射線源と、
少なくとも前記サンプルによって反射された放射線を表わす出力を供給するように構成された検出器と、
前記放射線源と前記サンプルまたは前記検出器との間に設けられた放射線のための可変伝送経路であり、少なくとも、前記サンプルに入射する放射線の強度を変えるよう構成されている前記可変伝送経路と、
前記出力を受けて前記伝送経路を操作するとともに、前記放射線源から前記サンプルに反射した放射線を測定し、前記放射線源から直接にくる放射線を測定し、前記伝送経路の変化に伴う前記出力に基づいて前記サンプルの特性を決定するように構成されあるいはプログラムされたコントローラまたはプロセッサと、
を備える分析器または分光光度計。
【請求項１８】
サンプル中の材料を検出するための分析器または分光光度計であって、
少なくとも前記サンプルに放射線を方向付けるための手段と、
前記サンプルに向けられた前記放射線の強度を変えるための手段と、
少なくとも前記サンプルによって反射された放射線を検出するための手段と、
少なくとも前記放射線源から直接にくる放射線を検出するための手段と、
前記強度の変更に関連して、前記放射線源から直接にくる放射線および前記反射された放射線に基づいて前記サンプルの特性を決定するための手段と、
を備える分析器または分光光度計。
【請求項１９】
サンプル中の材料を検出するための方法であって、
少なくとも前記サンプルに放射線を方向付けるステップと、
前記方向付けられた放射線の強度を変えるステップと、
少なくとも前記サンプルによって反射された放射線を検出するステップと、
少なくとも前記放射線源から直接にくる放射線を検出するステップと、
前記放射線源から直接にくる放射線に対する前記反射された放射線に基づいて前記サンプルの特性を決定するステップと、
を含む方法。
【請求項２０】
前記放射線が、サンプル経路に沿って前記サンプルに反射するとともに、基準経路に沿って前記検出器へと直接に伝えられる、請求項１７〜１９のいずれか一項に記載の分析器、分光光度計、または方法。
【請求項２１】
少なくとも３つのサイクルモード、すなわち、
前記放射線が前記基準経路を通っている第１のモードと、
前記放射線が前記サンプル経路を通っている第２のモードと、
前記放射線が遮断されている第３のモードと、
を有する遮断部材を備える、請求項２０に記載の分析器、分光光度計、または方法。
【請求項２２】
前記遮断部材が中心軸を中心に回転できる、請求項２１に記載の分析器、分光光度計、または方法。
【請求項２３】
前記第１のモード中、前記サンプル経路を通る前記放射線の強度が変えられる、請求項２２に記載の分析器、分光光度計、または方法。
【請求項２４】
様々なサイズの開口を環状経路を成す状態で前記遮断部材に貫通して設けることにより前記強度が変えられる、請求項２３に記載の分析器、分光光度計、または方法。
【請求項２５】
前記遮断部材が、前記遮断部材の位置を検出する１つまたは複数のセンサとインデックスを含む、請求項２４に記載の分析器、分光光度計、または方法。
【請求項２６】
添付図面を参照し且つ参照図面に示された本明細書中の実施形態のいずれか１つに実質的に記載された分析器。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
第２の態様において、本発明は、サンプル中の材料を検出するための分析器または分光光度計であって、
上記サンプルに放射線を方向付けるための手段と、
上記サンプルに入射しあるいは上記サンプルによって反射される放射線を変えるための手段と、
少なくとも上記サンプルによって反射された放射線を検出するための手段と、
上記放射線を検出するための手段のスペクトル応答を変えるための手段と、
上記反射されて検出された放射線を表わす出力を供給するための手段と、
上記変化に伴う上記出力に基づいて上記サンプルの特性を決定するための手段と、
を備える分析器または分光光度計を提供する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
第３の態様において、本発明は、サンプル中の材料を検出するための方法において、
上記サンプルに放射線を方向付けるステップと、
上記サンプルに入射しあるいは上記サンプルによって反射される放射線を変えるステップと、
検出器を用いて、少なくとも上記サンプルによって反射された放射線を検出するステップと、
上記検出器のスペクトル応答を変えるステップと、
上記検出された放射線を表わす可変スペクトル応答出力を供給するステップと、
上記変化に伴う上記出力に基づいて上記サンプルの特性を決定するステップと、
を含む方法を提供する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
第４の態様において、本発明は、サンプル中の材料を検出するための分析器または分光光度計において、
少なくとも上記サンプルに放射線を方向付けるようになっている放射線源と、
少なくとも上記サンプルによって反射された放射線を表わす出力を供給するように構成された検出器と、
上記放射線源と上記サンプルまたは上記検出器との間に設けられた放射線のための可変伝送経路であり、少なくとも、上記サンプルに入射する放射線の強度を変えるよう構成されている可変伝送経路と、
上記出力を受けて上記伝送経路を操作するとともに、上記放射線源から上記サンプルに反射した放射線を測定し、上記放射線源から直接にくる放射線を測定し、上記伝送経路の変化に伴う上記出力に基づいて上記サンプルの特性を決定するように構成されあるいはプログラムされたコントローラまたはプロセッサと、
を備える分析器または分光光度計を提供する。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
第５の態様において、本発明は、サンプル中の材料を検出するための分析器または分光光度計において、
少なくとも上記サンプルに放射線を方向付けるための手段と、
上記サンプルに向けられた上記放射線の強度を変えるための手段と、
少なくとも上記サンプルによって反射された放射線を検出するための手段と、
少なくとも上記放射線源から直接にくる放射線を検出するための手段と、
上記強度の変更に関連して、上記放射線源から直接にくる放射線および上記反射された放射線に基づいて上記サンプルの特性を決定するための手段と、
を備える分析器または分光光度計を提供する。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２８】
第６の態様において、本発明は、サンプル中の材料を検出するための方法において、
少なくとも上記サンプルに放射線を方向付けるステップと、
上記方向付けられた放射線の強度を変えるステップと、
少なくとも上記サンプルによって反射された放射線を検出するステップと、
少なくとも上記放射線源から直接にくる放射線を検出するステップと、
上記放射線源から直接にくる放射線に対する上記反射された放射線に基づいて上記サンプルの特性を決定するステップと、
を含む方法を提供する。
【国際調査報告】
2005539217.tif 000016
2005539217.tif 000017
2005539217.tif 000018
2005539217.tif 000019
2005539217.tif 000020