(57)【要約】【課題】凹凸のある試料のＡＴＲ測定を可能にしつつ、光学部材を切り替えることなく測定部位を観察可能にすること。【解決手段】試料（Ｔ）に接触する試料接触面（２１）と、測定光（２ａ）が入射される入射面（２３）と、試料（Ｔ）面からの全反射光が出射される出射面（２４）と、入射面（２３）から入射された測定光（２ａ）を試料接触面（２１）に向けて反射する反射面（２２）と、試料（Ｔ）の測定部位（Ｔ１）と対向して配置されて試料（Ｔ）における測定部位（Ｔ１）を観察する観察光（２６ｄ）が出射される観察面（２６）と、を備えたことを特徴とするＡＴＲ測定用の光学部材（１３）。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料に接触する試料接触面と、
前記試料を測定する測定光が入射される入射面と、
前記試料接触面からの全反射光が出射される出射面と、
前記入射面から入射された測定光を前記試料接触面に向けて反射する反射面と、
前記試料の測定部位と対向して配置され、且つ、前記入射面と前記出射面との間に配置され、前記試料における測定対象部位を観察する観察光が出射される観察面と、
を備えたことを特徴とするＡＴＲ測定用の光学部材。
【請求項２】
外方に向けて凸状に湾曲する形状の前記試料接触面、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載のＡＴＲ測定用の光学部材。
【請求項３】
前記試料接触面に対して並行する前記観察面と、
前記観察面に対して傾斜する前記入射面と、
前記観察面に対して傾斜するとともに、前記観察面を中心として前記入射面とは逆方向に傾斜する前記出射面と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載のＡＴＲ測定用の光学部材。
【請求項４】
試料を測定する測定光を出力する光源と、
前記試料に接触して配置された請求項１ないし３のいずれかに記載のＡＴＲ測定用の光学部材と、
前記試料接触面からの全反射光に基づいて、前記試料の分析を行う分析手段と、
を備えたことを特徴とする分析装置。
【請求項５】
前記ＡＴＲ測定用の光学部材の入射面に対応して配置され、前記試料接触面において前記測定光を集光する集光部材と、
前記ＡＴＲ測定用の光学部材の出射面に対応して配置され、出射される反射光を結像する結像部材と、
を備えたことを特徴とする請求項４に記載の分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料から全反射した測定光に基づいて分析するＡＴＲ（全反射吸収：Attenuated Total Reflection）測定を行う際に使用される光学部材および前記光学部材を使用する分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
全反射吸収（ＡＴＲ：Attenuated Total Reflection）測定法は、測定対象物（試料）に押し当てた高屈折率を有するＡＴＲ結晶（光学部材）に赤外光を全反射条件で入射させた時におきる赤外光の試料へのもぐりこみにより、赤外光が試料により吸収されることを利用した方式である。
試料はＡＴＲ結晶に密着させることができれば、固体、液体、気体等によらず広い範囲の物質が測定可能である。しかし、面に凹凸がある試料などはＡＴＲ結晶への密着が困難であるため測定が不可能な場合がある。
【０００３】
ＡＴＲ測定法に関する非特許文献１の第４章には、Ｆｉｇ．５（１０１頁）にＡＴＲ測定に用いるもっとも一般的な単光路ＡＴＲ結晶が示されている。また、非特許文献１のＦｉｇ．７（１０４頁），Ｆｉｇ．８（１０４頁）には、往復光路のＡＴＲ結晶が示されている。さらに、非特許文献１のＦｉｇ．１３（ｂ）（１１１頁）には２重往復光路のＡＴＲ結晶が示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｎ．Ｊ．Ｈａｒｒｉｃｋ著、“Internal Reflection Spectroscopy”、Harrick Scientific Corporation (Third Printing: 1987)、p.101−p.111
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
（従来技術の問題点）
図７は従来の往復光路のＡＴＲ結晶の説明図である。
図８は従来の２重往復光路のＡＴＲ結晶の説明図である。
非特許文献１に記載された往復光路（図７）と２重往復光路（図８）のＡＴＲ結晶０１，０１１の形状は、測定光０２を入射、出射する側の逆の端面（終端面）が光学的に自由なため、この面を試料接触面０３にして試料を密着させることが可能である。そして、図７に示すようにＡＴＲ結晶０１の形状を細くして終端面（試料接触面）０３の面積を小さくすることで凹凸のある試料の凹部の測定が可能になる。
【０００６】
ここで、ＡＴＲ測定は赤外光の吸収で測定を行っており、ＡＴＲ測定の測定部位は、試料を利用者が実際に目で見た（観察した）測定部位とは異なる。したがって、ＡＴＲ測定の結果のみでは、試料のどこを測定しているのか、利用者が目で観察して確認しにくい。したがって、ＡＴＲ測定の測定対象の部位がどこであるか、どのような状態であるかをカメラ等で観察できるようにすることが求められている。このとき、ＡＴＲ結晶を交換するといった光学系の切り替えを行うと、切り替え作業時に測定対象の部位がずれてしまう恐れがあり、好ましくない。なお、観察は、観察用のカメラに赤外対応のものを使用する場合には、観察光は必ずしも可視光である必要はない。このとき、ＡＴＲ結晶も測定光に透明である必要があるが、可視光に透明である必要はない。
【０００７】
そして、図７に示すＡＴＲ結晶０１では、ＡＴＲ測定を行いながら、試料の測定対象部位０４をカメラ等で観察することはできない。
図８に示すＡＴＲ結晶０１１では、試料接触面０３に対向する対向面０６を有するが、対向面０６において２か所の測定対象部位０４が対向しておらず、この形態では、カメラ等で試料の測定部位を観察することは困難である。すなわち、図８に示すＡＴＲ結晶０１１では、そもそも、測定対象部位０４（全反射位置）が２か所存在しており、ＡＴＲ測定の結果は２か所の結果が重畳されたものとなる。したがって、カメラ等で観察をしたとしても、ＡＴＲ測定の測定対象部位０４を特定できない問題が存在する。
【０００８】
本発明は、凹凸のある試料のＡＴＲ測定を可能にしつつ、光学部材を切り替えることなく測定部位を観察可能にすることを技術的課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記技術的課題を解決するために、請求項１に記載の発明のＡＴＲ測定用の光学部材は、
試料に接触する試料接触面と、
前記試料を測定する測定光が入射される入射面と、
前記試料接触面からの全反射光が出射される出射面と、
前記入射面から入射された測定光を前記試料接触面に向けて反射する反射面と、
前記試料の測定部位と対向して配置され、且つ、前記入射面と前記出射面との間に配置され、前記試料における測定対象部位を観察する観察光が出射される観察面と、
を備えたことを特徴とする。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のＡＴＲ測定用の光学部材において、
外方に向けて凸状に湾曲する形状の前記試料接触面、
を備えたことを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のＡＴＲ測定用の光学部材において、
前記試料接触面に対して並行する前記観察面と、
前記観察面に対して傾斜する前記入射面と、
前記観察面に対して傾斜するとともに、前記観察面を中心として前記入射面とは逆方向に傾斜する前記出射面と、
を備えたことを特徴とする。
【００１２】
前記技術的課題を解決するために、請求項４に記載の発明の分析装置は、
試料を測定する測定光を出力する光源と、
前記試料に接触して配置された請求項１ないし３のいずれかに記載のＡＴＲ測定用の光学部材と、
前記試料接触面からの全反射光に基づいて、前記試料の分析を行う分析手段と、
を備えたことを特徴とする。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の分析装置において、
前記ＡＴＲ測定用の光学部材の入射面に対応して配置され、前記試料接触面において前記測定光を集光する集光部材と、
前記ＡＴＲ測定用の光学部材の出射面に対応して配置され、出射される反射光を結像する結像部材と、
を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１，４に記載の発明によれば、入射された測定光を反射する反射面と測定部位に対向する観察面とを有することで、凹凸のある試料のＡＴＲ測定を可能にしつつ、光学部材を切り替えることなく測定部位を観察可能にすることができる。
請求項２に記載の発明によれば、凸状に湾曲する試料接触面を有しない場合に比べて、試料と試料接触面とをしっかりと接触させやすくすることができる。
請求項３に記載の発明によれば、両側に傾斜する入射面と出射面に対して、測定部位を観察面の中央部に設定することが容易にできる。
請求項５に記載の発明によれば、集光部材や結像部材を有しない場合に比べて、微小な部位で高感度の測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は本発明の実施例１の分析装置の全体説明図である。
【図２】図２は実施例１の光学部材の説明図であり、図２Ａは光学部材の正面図、図２Ｂは斜視図、図２Ｃは平面図である。
【図３】図３は実施例２の光学部材の説明図であり、実施例１の図２Ａに対応する図である。
【図４】図４は実施例３の光学部材の説明図であり、図４Ａは実施例３の光学部材の説明図、図４Ｂは実施例３の変更例の光学部材の説明図である。
【図５】図５は実施例４の分析装置の要部説明図である。
【図６】図６は実施例４の変更例の説明図である。
【図７】図７は従来の往復光路のＡＴＲ結晶の説明図である。
【図８】図８は従来の２重往復光路のＡＴＲ結晶の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
次に図面を参照しながら、本発明の実施の形態の具体例である実施例を説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
なお、以下の図面を使用した説明において、理解の容易のために説明に必要な部材以外の図示は適宜省略されている。
【実施例１】
【００１７】
図１は本発明の実施例１の分析装置の全体説明図である。
図１において、実施例１の分析装置１は、光源２を有する。光源２からは、赤外光が干渉計で干渉光となった測定光２ａが出力される。光源２の右方には、測定光２ａを、測定部３に入射させる入射光学系４が配置されている。
測定部３は、反射鏡１１と、光学支持部の一例としての結晶ホルダ１２と、結晶ホルダ１２に支持された光学部材の一例としてのＡＴＲ結晶１３とを有する。測定部３に入射された測定光２ａは、反射鏡１１で反射され、ＡＴＲ結晶１３に入射される。
【００１８】
ＡＴＲ結晶１３には、測定対象試料Ｔが試料ホルダＨの図示しない加圧部材により押し付けられた状態で接触している。ＡＴＲ結晶１３に入射された測定光２ａは測定対象試料Ｔと接する面で全反射し、出力する。ＡＴＲ結晶１３で全反射された測定光２ａは、反射鏡１１で反射されて、測定部３の右側上方の出射光学系１６に入射される。出射光学系１６の右方には検出器１７が配置されている。検出器１７は、出射光学系１６で反射された全反射光を含む測定光２ａを受光する。
また、ＡＴＲ結晶１３の上方には、測定対象試料Ｔを観察する観察部材の一例としてのビデオカメラ１８が配置されている。
【００１９】
分析装置１には、データ処理装置の一例としてのパーソナルコンピュータＰＣが接続されている。パーソナルコンピュータＰＣは、分析装置１に対して測定を実行させるための制御信号を出力したり、分析装置１での測定データのデータ処理および分析結果の出力（画像表示）を行う。パーソナルコンピュータＰＣに組み込まれたソフトウェア（アプリケーションプログラム）の分析手段Ｃ１は、検出器１７で受光された測定光２ａに基づいて、試料Ｔのスペクトルを算出する。実施例１の分析手段Ｃ１は、一例として、従来公知のフーリエ変換赤外分光法（ＦＴ−ＩＲ：Fourier Transform Infrared spectroscopy）によりスペクトルを求める。
【００２０】
（ＡＴＲ結晶の説明）
図２は実施例１の光学部材の説明図であり、図２Ａは光学部材の正面図、図２Ｂは斜視図、図２Ｃは平面図である。
図２において、実施例１のＡＴＲ結晶１３は、下端に試料Ｔと接触する試料接触面２１を有する。実施例１の試料接触面２１は水平方向に沿って延びる平面状に形成されている。試料接触面２１の左右両側には、上方に延びる側面２２が形成されている。側面２２は、ＡＴＲ結晶１３の内部に入射された測定光２ａを反射する反射面２２を構成する。
【００２１】
左側の反射面２２の上端には、入射面２３が形成されている。実施例１の入射面２３は、試料接触面２１すなわち、水平に対して傾斜する平面状に形成されており、上方に行くにつれて右方に傾斜する面により構成されている。右側の反射面２２の上端には、出射面２４が形成されている。実施例１の出射面２４は、入射面２３とは逆側に傾斜する平面状に形成されている。すなわち、上方に行くにつれて左方に傾斜する面により構成されている。なお、入射面２３および出射面２４は、水平に対して４５°傾斜する面により構成されている。
入射面２３と出射面２４の上端には、水平方向に延びる観察面２６が形成されている。観察面２６は、試料接触面２１に対向して配置されており、測定光２ａが試料Ｔに照射される測定対象部位（測定対象位置）Ｔ１の上方に配置されている。
【００２２】
実施例１のＡＴＲ結晶１３には、図２Ｃに示すように、入射面２３の入射位置２３ａから測定光２ａが内部に入射される。なお、図２Ａにおいて、測定光２ａは中心光線で表示してある。
入射面２３から入射された測定光２ａは、右側の反射面２２で測定対象部位Ｔ１に向けて反射される。測定対象部位Ｔ１に照射された測定光２ａは、試料Ｔで全反射される。試料Ｔで全反射された測定光２ａは、左側の反射面２２で出射面２４に向けて反射され、出射面２４の出射位置２４ａからＡＴＲ結晶１３の外部に出射される。
このとき、測定対象部位Ｔ１は、ビデオカメラ１８で観察可能である。なお、図２Ｃに示すように、観察面２６の後側の照明位置２６ａから観察用の照明光２６ｂが内部に照射され、測定対象部位Ｔ１の上方の観察位置２６ｃから観察光２６ｄが出力されるように設定されている。
【００２３】
実施例１のＡＴＲ結晶１３では、一例として、観察面２６の幅をｂとした場合、側面２２の高さが図７に示す従来の構成に比べて、ｂ／２だけ高く形成されている。このように設定することで、入射面２３や出射面２４の中央を測定光２ａの中心線が通過する場合に、測定対象部位Ｔ１の位置が観察面２６の中央から下ろした垂直線上に来る。
なお、実施例１のＡＴＲ結晶１３は、赤外の測定光２ａや可視領域の照明光が透過可能な材料の一例としてのダイヤモンド（屈折率２．４）製のＡＴＲ結晶１３により構成されている。なお、材料は、照明光として使用する光の波長等に応じて任意に変更可能であり、例えば、ＺｎＳｅやＧｅ等、従来公知の任意の材料を使用可能である。
【００２４】
（実施例１の作用）
前記構成を備えた実施例１の分析装置１では、側面の反射面２２で測定光２ａを反射させることで、反射させない場合に比べて、ＡＴＲ結晶１３を上下方向に細長くすることができる。したがって、試料接触面２１の面積が小さくなり、凹凸のある試料Ｔの凹部のＡＴＲ測定もしやすくなる。また、実施例１の分析装置１では、測定対象部位Ｔ１に対向してＡＴＲ結晶１３の観察面２６が形成されており、測定対象部位Ｔ１をビデオカメラ１８で容易に観察可能である。したがって、ＡＴＲ結晶を切り替えることなく、測定対象部位Ｔ１をビデオカメラで観察しながら、ＡＴＲ測定を行うことができる。
【実施例２】
【００２５】
図３は実施例２の光学部材の説明図であり、実施例１の図２Ａに対応する図である。
次に本発明の実施例２の説明をするが、この実施例２の説明において、前記実施例１の構成要素に対応する構成要素には同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。
この実施例２は下記の点で、前記実施例１と相違しているが、他の点では前記実施例１と同様に構成される。
図３において、実施例２のＡＴＲ結晶１３は、反射面２２の長さが、実施例１よりも長く形成されている。具体的には、実施例１では、測定光２ａが入射面２３から入射後、測定対象部位Ｔ１に照射されるまでに反射面２２で１回反射されていたのに対して、実施例２では２回反射されるように設定されている。
【００２６】
（実施例２の作用）
前記構成を備えた実施例２のＡＴＲ結晶１３では、実施例１の構成に比べて、さらに上下方向に細長くすることができる。したがって、さらに試料Ｔの凹部の測定をしやすくすることができる。
【実施例３】
【００２７】
図４は実施例３の光学部材の説明図であり、図４Ａは実施例３の光学部材の説明図、図４Ｂは実施例３の変更例の光学部材の説明図である。
次に本発明の実施例３の説明をするが、この実施例３の説明において、前記実施例１の構成要素に対応する構成要素には同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。
この実施例３は下記の点で、前記実施例１と相違しているが、他の点では前記実施例１と同様に構成される。
図４Ａにおいて、実施例３のＡＴＲ結晶１３は、試料接触面２１′が、下方（試料Ｔ側）に向けて凸状に湾曲する形状に形成されている。
【００２８】
（実施例３の作用）
前記構成を備えた実施例３のＡＴＲ結晶１３では、試料接触面２１′が凸状に湾曲しており、平面状の場合に比べて、測定対象位置Ｔ１において試料Ｔによりしっかりと接触させやすくなっている。
また、図４Ｂに示すように、反射面２２における反射回数を増やすことで、実施例２と同様に、凹部の測定もしやすくすることも可能である。
【実施例４】
【００２９】
図５は実施例４の分析装置の要部説明図である。
次に本発明の実施例４の説明をするが、この実施例４の説明において、前記実施例１の構成要素に対応する構成要素には同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。
この実施例４は下記の点で、前記実施例１と相違しているが、他の点では前記実施例１と同様に構成される。
図５において、実施例４の分析装置１では、入射面２３には、集光部材の一例としての集光板（平行板）３１が配置されている。集光板３１は、入射される測定光２ａを屈折させて、測定対象位置（測定対象部位）Ｔ１において集光するように（焦点となるように）設定されている。
また、出射面２４には、結像部材の一例としての結像板（平行板）３２が配置されている。結像板３２は、出射面２４から出射される光を検出器１７で結像するように設定されている。したがって、結像板３２は、設けることが望ましいが、必ずしも必要ではない。
【００３０】
（実施例４の作用）
前記構成を備えた実施例４の分析装置１では、入射される測定光２ａが測定対象位置Ｔ１で集光される。したがって、実施例１〜３に記載の場合に比べて、測定対象部位Ｔ１の範囲がより狭くなり、いわゆる、顕微ＡＴＲ測定（ミクロ測定）が可能になる。また、測定光２ａが結像板３２で検出器１７に集光されることで、集光されない場合に比べて、測定の強度、感度も向上する。したがって、試料Ｔの細部について、高感度な測定も可能になる。
【００３１】
なお、平行板３１，３２は、測定光２ａに対して透明である必要があるが、必ずしもＡＴＲ結晶１３と同じ屈折率を持つ材料である必要はない。同じ屈折率ｎの材料を用いた場合は、次の式を満たす厚みｔのものを用いる。なお、入射面２３から測定対象位置Ｔ１までの測定光２ａの光路長をＬとし、入射面２３から測定対象位置Ｔ１を通過する中心線３３までの光路長をＬ′とした場合、以下の式（１）から、式（２）が導出される。
Ｌ′＋ｔ＝（Ｌ＋ｔ）／ｎ  …式（１）
ｔ＝（Ｌ−ｎＬ′）／（ｎ−１）  …式（２）
仮に、平行板３１，３２の屈折率がｎ′の場合は、次の式（１′）、（２′）となる。
Ｌ′＋ｔ＝Ｌ／ｎ＋ｔ／ｎ′  …式（１′）
ｔ＝（Ｌ／ｎ−Ｌ′）／（１−１／ｎ′）  …式（２′）
【００３２】
（実施例４の変更例の説明）
図６は実施例４の変更例の説明図である。
図６において、平行板３１，３２に替えて、集光部材や結像部材の一例としてのレンズ３１′，３２′を使用することも可能である。
なお、レンズ３１′，３２′は、ＡＴＲ結晶１３の中心線３３上に集光する測定光２ａをＬ／ｎの位置に集光させる役割を有する。この時、用いるレンズ３１′と３２′の焦点距離ｆは次の式（３）、（４）を満たす必要がある。
１／ｆ＝−１／（Ｌ′＋ｔ）＋１／（Ｌ／ｎ＋ｔ）  …式（３）
ｆ＝（Ｌ′−Ｌ／ｎ）／［（Ｌ′＋ｔ）（Ｌ／ｎ＋ｔ）］  …式（４）
ここで、Ｌ′＜Ｌ／ｎによりｆ＜０であることがわかり、レンズ３１′と３２′は凹レンズであることが示されている。
凹レンズ３１′と３２′の材質は測定光２ａに透明である必要がある。また、出射面２４側の凹レンズ３２′は図４の場合と同様に、必ずしも必要ではない。
【００３３】
（変更例）
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内で、種々の変更を行うことが可能である。本発明の変更例（Ｈ01）〜（Ｈ06）を下記に例示する。
（Ｈ01）前記実施例において、図５の形態と図６の形態を組み合わせることも可能である。すなわち、入射面２３側に集光板３１を設置して、出射面２４側に凹レンズ３２′を設置したり、入射面２３側に凹レンズ３１′を設置し、出射面２４側に結像板３２を設置することも可能である。他にも、実施例２，３と実施例４とを組み合わせることも可能である。
【００３４】
（Ｈ02）前記実施例において、入射から測定対象位置まで反射面２２で反射する回数が１回または２回の構成を例示したがこれに限定されない。３回以上とすることも可能である。
（Ｈ03）前記実施例において、入射面２３や出射面２４の傾斜角は４５°を例示したが、これに限定されない。試料接触面２１での全反射条件が満足される範囲であれば、任意の角度に設定することが可能である。例えば、入射面２３への入射角を４９°とし、反射面（側面）２２への入射角は４１°とすることも可能である。なお、これに伴って、観察面２６の長さｂや平行板３１，３２の厚さｔ等が連動して変動する。
【００３５】
（Ｈ04）前記実施例において、入射面２３や出射面２４、観察面２６は平面状の構成とすることが望ましいが、図４の試料接触面２１′のように曲面状とすることも可能である。ただし、測定光２ａや観察光２６ｄが通過する範囲は図７の上端０６のように尖った位置とするとＡＴＲ測定や観察に悪影響が及ぶため不適である。
（Ｈ05）前記実施例において、ビデオカメラ１８を使用して、可視領域の照明光２６ｂを入射する構成を例示したが、これに限定されない。赤外線カメラ（暗視カメラ）を使用して赤外領域の照明光を入射する構成とする等、観察が可能な任意の波長領域の照明光を利用可能である。
【００３６】
（Ｈ06）前記実施例４において、集光板３１、結像板３２の位置が入射面２３、出射面２４に接する構成を例示したが、これに限定されない。集光板３１、結像板３２の一方または両方を、各面２３，２４から離れた位置に配置することも可能である。
【符号の説明】
【００３７】
１…分析装置、
２…光源、
２ａ…測定光、
１３…ＡＴＲ測定用の光学部材、
２１，２１′…試料接触面、
２２…反射面、
２３…入射面、
２４…出射面、
２６…観察面、
２６ｄ…観察光、
３１，３１′…集光部材、
３２，３２′…結像部材、
Ｃ１…分析手段、
Ｔ…試料、
Ｔ１…測定部位。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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