(57)【要約】【課題】光あるいは電磁波を用いる分光分析装置において、液体状の試料はガラス等の材料で作られたセルに挟み込んで計測されており、セル材料の分光情報が混入するだけでなく、セルによる多重干渉効果も信号にノイズとして重畳し、真の分光情報を計測する妨げとなっていた。【解決手段】光あるいは電磁波を利用する分光装置において、セルを用いることなく、液体試料を直接薄膜状にするノズルを用いることと、そのノズルの欠点である干渉性を取り除くための音波または超音波振動子による干渉効果除去機能を有する液膜化装置により、ノイズの少ない分光信号を計測できる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を板状の均一な薄膜にし、板状の部分を光あるいは電磁波を通過させて、その液体の物性を評価する装置において、通過する光あるいは電磁波に対する干渉効果を液膜表面に表面波を生じさせることで取り除くことを特徴とする、液体状試料薄膜化装置。
【請求項２】
音波並びに超音波振動子と液体を薄膜化する装置とを一体化した構造で、薄膜表面に音波または超音波振動による表面波を生じさせる、請求項１に記載の液体試料薄膜化装置。
【請求項３】
音波並びに超音波振動子と液体を薄膜化する装置とを一体化しない構造で、音波並びに超音波振動子から発する空間媒体の振動を介して、薄膜表面に音波または超音波振動による表面波を生じさせる、請求項１に記載の液体状試料薄膜化装置。
【請求項４】
液体薄膜の表面に発生する表面波の波長や強度を、付随する音波並びに超音波振動装置から制御することを特長とする、請求項１から請求項３に記載の液体状試料薄膜化装置。
【請求項５】
光あるいは電磁波を用いる分光装置において、液体状の試料を被計測物とする際、その試料を通過する光あるいは電磁波が試料を通過する際に発生する干渉効果を削除するための機能を有する請求項１から請求項４に記載の液体状試料薄膜化装置を具備した分光分析装置。
【請求項６】
請求項５に記載の分光装置において、テラヘルツ波を用いる分光装置に使われる液体試料薄膜化装置において、装置が作り出す液体の厚さが、50ミクロン以下であり、入射したテラヘルツ波が計測に十分な強度で透過することを特徴とする液体状試料の厚さを制御できる機能を有する請求項１から請求項４に記載の液体状試料薄膜化装置を具備した分光分析装置。
【請求項７】
請求項６に記載の装置において、テラヘルツ波の波長と液体状試料の厚さが同じになることで生じる干渉フィルター効果を回避する目的で、テラヘルツ波の波長と液膜の厚さが一致しないような膜厚制御機能を有する請求項１から請求項４に記載の液体状試料薄膜化装置を具備した分光分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分光分析装置において、液体状の試料を計測する際に発生する干渉効果に起因するノイズを取り除くことを目的とした、干渉信号防止機能を有する液体状試料薄膜化装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光あるいは電磁波を利用した分光分析手法において、利用可能な波長あるいは周波数領域が拡大している。従来から行われている赤外分光よりも、さらに長波長の電磁波を使うことにより、分子間の振動周波数や分子内の振動周波数に共鳴する現象を観測することが可能となった。
【０００３】
光あるいは電磁波を用いる分光分析手法において、測定対象となる物質の状態は、固体状、液体状、気体状など、さまざまな形態が存在する。液体状試料の計測では、通常、溶液セルと呼ばれる容器に液体状試料を挟みこみ、溶液セルの外部から照射した電磁波、例えば赤外線やテラヘルツ波の透過波を計測している。通常、溶液の濃度など測定対象の状態に応じて、溶液セルの厚さをいろいろ変えて計測されている。透過率が低く、試料を通過してきたテラヘルツ波の信号が弱くなるような液体状試料では、数十ミクロン程度のスペーサーをガラス板等で挟んで、薄い溶液セルを構成し、計測が行われる。このスペーサーの厚さを種々用意することが計測の手段として一般的に利用されている。
【特許文献１】特開２００７−０８３３６４
【特許文献２】特開平９−２７５２３５
【特許文献３】実開平２−１２９７５５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
測定対象が水溶液の場合、テラヘルツ波領域における水の吸収度が大きいため、溶液セルを通過したテラヘルツ波は相当に減衰する。その結果、水溶液試料のテラヘルツ波領域での計測は一般的にノイズが多く、SN比が悪いとされている。
【０００５】
また、溶液セルを用いた液体状試料の計測では、通過する電磁波は、液体状試料からの情報と、セル構成材質の情報との両方の情報を含んで検知する。
【０００６】
スペーサーを利用した溶液セルでは、セルギャップ50ミクロン程度の薄さが限界であり、液体相の厚さを薄くすることで、透過する信号強度を向上させる手法には限界がある。また、スペーサーをはさむ両側のガラス板等の特性も、通過させるテラヘルツ波に重畳するため、SN比の悪い信号に対して、セルの影響を取り除くような数学的処理も必要とされている。
【０００７】
さらに、セルの構造上、セルギャップを50ミクロン程度までしか薄くできないという欠点をもつ。この構造的な制限により、透過する電磁波の吸収が強すぎる場合などは、 厚さとして50ミクロンより薄い液体相にする必要もある場合、セル方式ではそれを実現できないなどの課題がある。
【０００８】
また、可干渉性のある電磁波がセルを透過する場合、セルの壁面由来の多重干渉に起因する情報が検知器に入り込みノイズとなるため、それを取り除くデーター処理が複雑となる欠点がある。特に、テラヘルツ波の波長と試料の厚さが同程度となる場合には、干渉効果が顕著となるため、それに起因するノイズは大きな課題となっている。例えば、1THzの波長は３００ミクロンであり、10THzの波長は１０ミクロンである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、テラヘルツ波を用いた分光装置において、液体状の試料を計測しようとする際に生じる液体試料の厚さの課題、および、液体試料をテラヘルツ波が通過する際に生じる干渉によるノイズの課題を以下の方法により解決する手段を提供する。
【００１０】
本発明によれば、液体状の試料に対して溶液セルを用いることなく、薄膜状に形成することができ、吸収率の高い液体、特に水溶液を試料として計測する場合には、薄膜状の液体の厚さを十分に薄くする事が可能となる。たとえば、50ミクロン以下にすれば、テラヘルツ波は液体の大きな吸収を受けながらも、検知器が十分なSN比で計測する強度をもって試料を透過することができる。
【００１１】
しかし、上記ノズルにより生じる液体状薄膜の表面が極めて平坦であるため、表面と裏面間の多重干渉が生じる。この多重干渉効果による影響は、溶液セルを用いる従来の計測手段の場合と同様に、計測信号にノイズとして重畳される。そこで、ノズル装置に音波並びに超音波振動発生装置等を取り付け、液体状薄膜の表面に音波または超音波の波を発生させることで、表面の平坦性を低下させ、通過するテラヘルツ波の干渉効果を取り除く。また、音波または超音波は、ノズルと分離した装置から、空間を通して液体膜に与える手法でも、同様に液体膜の表面に波を発生させ、同じく干渉効果を取り除く効果を得ることができる。
【００１２】
以上の手法により、試料の膜厚が数ミクロンから数百ミクロンの膜厚であっても、多重干渉効果によるノイズを取り除くことが可能となる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明による音波並びに超音波振動機能を具備した液体状薄膜発生装置を用いることにより、液体を対象としたテラヘルツ分光装置において、干渉による影響を回避した液体状薄膜を形成できることにより、従来から行われてきたガラス等を用いた容器セルを用いることなく、液体だけの特性を正確に計測することが可能となり、計測精度の向上、さらに計測時間の短縮などの改善が可能となり、レーザーを用いたテラヘルツ分光加工産業への効果は大きい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図を用いて本発明の詳細について、テラヘルツ分光装置において音波並びに超音波振動機能を具備した液体状薄膜発生装置の説明を、先ず、従来のノズルによる課題の説明を行い、次に、課題を解決したノズルとその適用例を示す。
【００１５】
図１に示すように、上記参考文献（１）で示されたノズルによる液膜は、液膜の表面と裏面で通過する電磁波、特に、テラヘルツ波領域と呼ばれる10ミクロンから300ミクロン程度の範囲で、干渉性を生じる。その結果、入射するテラヘルツビームがそのまま、進行方向に進むビームと、裏面により反射波が生じて、その反射波が表面で反射して再び裏面方向へ向かうビーム（第1経路の透過波）が発生する。
【００１６】
第1経路の透過波が発生する理由と同じ理由により、第2経路の透過波が発生し、表面と裏面の面精度が高いほど、同じ減少が繰り返され、結果的に第n経路の透過波まで重ねあわされたビームが液膜を通過した電磁波となる。
【００１７】
特許文献３に示したノズルは、液膜の厚さを均一にする点で優れているが、干渉によるノイズを発生することが課題であった。そこで、図2に示すように、ノズルの先端部分に超音波振動子を取り付けることにより、ノズルを構成する材料を通じて、ノズルが発生する液膜の表面に表面波を発生させる。
【００１８】
液膜の表面に音波または超音波による波が発生することにより、電磁波の波長に対しては、表面および裏面が平坦な面ではなくなることにより、図1で示す干渉が発生しなくなる。その結果、入射するテラヘルツビームは、液膜を多重反射することなく通過する。
【００１９】
液膜の流量はノズルの口径と液体の圧力により決まるため、液膜の厚さは時間的な平均では一定である。したがって、時間的に平均化して計測される信号には超音波により生成した液膜表面の波の影響は加わらない。
【００２０】
図2に示すような音波並びに超音波発生装置をノズル本体に取り付ける方法とは別に、液膜の近傍に音波並びに超音波発生装置を配置することにより、空間的な超音波振動を液膜表面に加えることにより、液膜表面に波を発生させ、干渉効果を取り除くことも可能である。
【００２１】
図3に液膜面の干渉効果を取り除いた液体状試料薄膜化装置を用いたテラヘルツ分光装置の一例を示す。被計測対象となる液体を収納する液体試料タンクから、配管を通じて、加圧ポンプにより液体試料を加圧し、さらに、配管系を通じて超音波振動子を具備した液体状試料を薄膜化するノズルを通過させる。
【００２２】
薄膜化した試料に、テラヘルツ波発生装置から発するテラヘルツビームを透過させる。透過したビームはテラヘルツ検知用半導体により電気信号に変換されパソコンを含む検出装置において数値データー化される。
【００２３】
ノズルから出た液体状試料は、液体収集タンクにより集められる。
【００２４】
図4にテラヘルツ時間分解分光システムに、液体状試料薄膜化装置を用いた場合の実施例を示す。この例では、テラヘルツ波の発生と、試料を通過または反射したテラヘルツ信号波の検出の両方にフェムト秒レーザーを用いる。それぞれのフェムト秒レーザーは時間的に同期させる必要があるため、1つのフェムト秒光源から発生したフェムト秒レーザーを二つの経路に分ける光学系を基本とする。
【００２５】
図4に示すように、フェムト秒レーザーから発生したレーザービームはビームスプリッターで2分割され、一方はテラヘルツ波の発生のために、可変光学遅延装置を経て、レンズにより、テラヘルツ発生半導体に集光される。
【００２６】
図4に示すように、被計測対象となる液体を収納する液体試料タンクから、配管を通じて、加圧ポンプにより液体試料を加圧し、さらに、配管系を通じて超音波振動子を具備した液体状試料を薄膜化するノズルを通過させる。ノズルからの液体は液体収集タンクにより回収される。
【００２７】
テラヘルツ波発生用半導体素子から発生したテラヘルツビームは、薄膜状になった試料を通過した後、テラヘルツ検出半導体に入射する。ここで、可変光学遅延装置で二つに分離したフェムト秒レーザーの光路長を調整することにより、試料の情報を含む信号の時間分解計測を実施する。テラヘルツ検出半導体で電気信号に変換された信号はパソコンを含む検出装置により数値データー化される。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明の活用例として、吸収が大きいという理由で、計測が困難とされている水を主成分とする液体状の試料の分析が実現するため、液体状飲料製品の製造ラインに組み込んだ、瞬時計測型の検査装置を作ることができ、食品の品質管理や食品の安全確保に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】既存の薄膜化ノズルによる干渉効果の課題を示す図。
【図２】干渉効果を取り除く機能を有する液体状試料薄膜化ノズルを示す図。
【図３】干渉効果を取り除く機能を有する液体状試料薄膜化装置を含むテラヘルツ波分光装置を示す図。
【図４】干渉効果を取り除く機能を有する液体状試料薄膜化装置を含むテラヘルツ波時間分解分光装置を示す図
【図１】
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【図２】
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【図３】
2011127950.tif 000005
【図４】
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