(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
分光分析器において、
入射光を内面で吸収させることにより入射光の入射角を限定する微小穴により形成される光学ホーンと、
この光学ホーンを通過した入射光のうち特定波長成分を透過させる分散素子と、
この分散素子の出力光を検出する光検出器と
を備えこれらを一体化してマイクロ化したことを特徴とするマイクロ分光分析器。
【請求項２】
特許請求の範囲請求項１記載のマイクロ分光分析器を複数個一体化してアレー状に配列したことを特徴とするマイクロ分光分析器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、分光分析器に関し、特に光学系と光検出器を一体化しマイクロ化した分光分析器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の分光分析器の構成方法としては分散型分光法やフーリエ変換赤外分光法等が用いられている。
【０００３】
図６及び図７はこのような従来の分散型分光法及びフーリエ変換赤外分析法の一例を示す構成図である。
【０００４】
図６（Ａ）において１は光源、２は回折格子、３はスリット、４は試料、５は光検出器である。光源１の出力光は回折格子２に入射され分光されてスリット３に出力される。スリット３は特定波長の出力光を選択して試料４を介して光検出器５に入射する。
【０００５】
この結果、回折格子２を回転等させて試料４に入射する出力光の波長を走査することにより、図６（Ｂ）に示すような特性曲線図を得ることができる。
【０００６】
一方、図７（Ａ）において１，４及び５は図６（Ａ）と同一符号を付してあり、６は固定鏡、７は可動鏡、８はビームスプリッタである。また、６，７及び８はマイケルソン型干渉計５０を構成している。
【０００７】
光源１の出力光はビームスプリッタ８に入射されその偏向方向によって、固定鏡６及び可動鏡７に分割される。固定鏡６及び可動鏡７で反射された光は再びビームスプリッタ８に入射され干渉光となる。そして、この干渉光は試料４を介して光検出器５に入射される。
【０００８】
この結果、可動鏡７を移動させ光検出器５で得られた出力をフーリエ変換することにより、図７（Ｂ）に示すような特性曲線図を得ることができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述の分光方法を用いて分光分析器のマイクロ化を考えた場合、回折格子２やマイケルソン型干渉計５０等の構成素子をマイクロ化する必要がある。
【００１０】
但し、単純にマイクロ化しても構成素子の作製精度や各構成素子を組み立てる場合の組立精度を高精度にしなければならないと言った問題点があった。また、レンズをマイクロ化することによって、利用できる光量が減少してＳ／Ｎが悪化する等の問題点があった。
【００１１】
さらに、回折格子２や可動鏡７等の可動部をマイクロ化した場合に安定動作を確保することは困難であると言った問題点があった。
従って本発明が解決しようとする課題は、高精度の作製精度や組立精度が必要なく可動部のないマイクロ分光分析器を実現することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
このような課題を達成するために、本発明の第１では、
分光分析器において、
入射光を内面で吸収させることにより入射光の入射角を限定する微小穴により形成される光学ホーンと、
この光学ホーンを通過した入射光のうち特定波長成分を透過させる分散素子と、
この分散素子の出力光を検出する光検出器と
を備えこれらを一体化してマイクロ化したことを特徴とするものである。
【００１３】
本発明の第２では、
第１の発明のマイクロ分光分析器を複数個一体化してアレー状に配列したことを特徴とするものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係るマイクロ分光分析器の一実施例を示す構成断面図である。
【００１５】
図１において９ａ，９ｂ及び９ｃはアレイ化された光学ホーン、１０ａ，１０ｂ及び１０ｃは分光フィルタ等の分散素子、１１ａ，１１ｂ及び１１ｃは光検出器、１００は入射光、１０１ａ，１０１ｂ及び１０１ｃは光検出器１１ａ，１１ｂ及び１１ｃの出力信号である。
【００１６】
光学ホーン９ａ〜９ｃは入射光１００の入射角を限定するための微小穴が形成されたもので、前記微小穴の内口径が大きい方から入射光１００が入射される。
【００１７】
前記微小穴の他方には分散素子１０ａ〜１０ｃがそれぞれ設けられる。また、分散素子１０ａ〜１０ｃからの透過光が光検出器１１ａ〜１１ｃにそれぞれ入射される。
【００１８】
ここで、図１に示す実施例の動作を説明する。光学ホーン９ａ〜９ｃを通過した入射光１００は分散素子１０ａ〜１０ｃにそれぞれ入射される。
【００１９】
分散素子１０ａ〜１０ｃはそれぞれ異なった波長選択特性を有するので、分散素子１０ａ〜１０ｃを透過してくる光は選択された前記波長成分となる。
【００２０】
光検出器１１ａ〜１１ｃで検出され出力される出力信号１０１ａ〜１０１ｃはそれぞれ分散素子１０ａ〜１０ｃで選択された波長に対する光強度信号となる。
【００２１】
従って、それぞれの選択波長に対応した光強度信号をまとめて処理することにより、スペクトル・パターンを得ることができる。
【００２２】
例えば、アレー化されたｎ個の光学ホーンに中心波長の異なるｎ枚の分散素子及びｎ個の光検出器が設けられている場合を考えるとマイクロ分光分析器を構成する各々の分散素子の透過特性は図２に示すようになる。
【００２３】
そして、想定波長帯が”λ０”〜”λｍ”の場合に分解能は、
(λｍ−λ０)／ｎ      （１）
で表わされるので、波長が”２μｍ”〜”１０μｍ”の波長帯域でアレイ数が”２０×２０＝４００”の場合、分解能は”Δλ＝２０ｎｍ”になる。
【００２４】
また、ｎ個の光検出器のｎ個の出力信号を処理することにより、スペクトル・パターンを得ることができる。
【００２５】
また、図３〜図５を用いてより詳細な説明をする。図３は光学ホーン９ａの作用を説明する説明図であり、９ａ，１０ａ及び１１ａは図１と同一符号を付してある。
【００２６】
光学ホーン９ａは図３中”θ”で示される立体角で入射されてくる入射光１００を限定する機能を有している。但し、分光フィルタ等の分散素子１０ａは入射角が大きくなると透過特性である中心波長が短波長側にシフトして半値幅が広がる特性があるので「θ＝５°」程度が良い。
【００２７】
また、図４及び図５は立体角と光量の関係を説明する説明図及び表である。発光平面は点光源の集合体と考え、任意の点から検出点Ｄに到達する光は立体角θ成分のみであると仮定する。
【００２８】
図４中の任意点Ｂにおける光量”Ｐｂ”は点光源の最大光量値を”Ｐｏ”、立体角を”θ”とすれば、
Ｐｂ＝Ｐｏ・cosθ      （２）
となる。
【００２９】
図４より任意点Ｂと検出点Ｄとの距離は”ｌ”であるので検出点Ｄに到達する光量”Ｐ”は
Ｐ＝Ｐｏ・cosθ／ｌ2      （３）
となる。
【００３０】
従って、発光面上の全ての点光源から検出点Ｄに到達する光量”Ｉ”は式（３）を「０〜θｍａｘ」、「０〜２π」の領域で面積分することにより、
Ｉ＝(２π・Ｐｏ・sinθmax)／ｌｏ      （４）
となる。但し、”ｌｏ”は中心点Ａと検出点Ｄとの間の距離である。
【００３１】
図５は式（４）を用いて検出点Ｄでの立体角θに対する光量”Ｉ”を計算した結果を示す表であり、”Ｐｏ”は一定値、”ｌｏ”は「１０ｍｍ」としている。図５から分かるように立体角θが大きくなると検出される光量が増加する。
【００３２】
一方、図３において光源までの距離”Ｌ”はマイクロ分光分析器の大きさと比較して十分小さいので、式（４）における分母を考慮しなくて良くなり、距離”Ｌ”が長くなるに伴い光源面積”Ｓ”が大きくなり光量が到達する点光源数が増加する。
【００３３】
即ち、距離”Ｌ”が長くなるほど光量が増加し、また、アレイ化した光学ホーンの視界がほぼ一致する、言い換えれば、近似的に同一位置で複数の選択波長に対する光強度信号を測定することが可能になる。
【００３４】
分散素子及び光検出器を一体化して作製する方法としては、従来の薄膜形成プロセスやマイクロマシン形成技術を用いることにより実現できる。
【００３５】
例えば、１ｍｍ×１ｍｍ×１ｍｍのサイズに４００個の素子を作製する場合は１つの光学ホーンは”φ５０μｍ”程度で良いので上記形成技術により容易に作製できることが分かる。
【００３６】
この結果、光学ホーン、分散素子及び光検出器を一体化して作製することにより、レンズ系が不要になり、高精度の作製精度や組立精度が必要なく、可動部もないマイクロ分光分析器が実現できる。
【００３７】
また、一体形成でマイクロ化されているため、分光特性を向上させるために温度制御をする場合であっても高精度の温度制御が可能になる。
【００３８】
さらに、マイクロ化することにより、従来の分光分析器では適用できなかったところにも応用が可能となる。例えば、分光分析器を細管等の狭い空間に直接挿入して分光分析する等の応用が可能になる。
【００３９】
なお、光検出器としては測定波長帯域に適合したものをマイクロ化する必要があり、検出原理としてはボロメータや焦電素子等の熱型若しくは半導体センサ等の量子型等から適宜選択すれば良い。
【００４０】
また、測定対象が無い場合の入射光の参照スペクトルパターン及び測定対象からの光のスペクトルパターンを比較することにより、測定対象の吸収のピークを得ることができる。このため、定性分析が可能になる。
【００４１】
また、光学ホーン９ａ等は立体角θで作製されているが、”θ＝０”の垂直な微小穴でも良い。これは、図３中の距離”Ｌ”と比較して光学ホーンが非常に小さいので微小穴の口径と深さによって決まる入射角により光路を限定できるためである。
【００４２】
また、光学ホーンの内面に立体角θより大きな入射角で入射される光を吸収するコーティングを設けたり、内面を凹凸にして散乱面としても良い。
【００４３】
測定対象に応じた波長帯を有する光学フィルタ等の分散素子と置換することにより、同一形状のマイクロ分光分析器で様々な応用が可能になる。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
光学ホーン、分散素子及び光検出器を一体化して作製することにより、レンズ系が不要になり、高精度の作製精度や組立精度が必要なく、可動部もないマイクロ分光分析器が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るマイクロ分光分析器の一実施例を示す構成断面図である。
【図２】分散素子の透過特性の一例を示す特性曲線図である。
【図３】光学ホーンの作用を説明する説明図である。
【図４】立体角と光量の関係を説明する説明図ある。
【図５】立体角と光量の関係を説明する表である。
【図６】従来の分散型分光法の一例を示す構成図である。
【図７】従来のフーリエ変換赤外分析法の一例を示す構成図である。
【符号の説明】
１  光源
２  回折格子
３  スリット
４  試料
５，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ  光検出器
６  固定鏡
７  可動鏡
８  ビームスプリタ
９ａ，９ｂ，９ｃ  光学ホーン
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ  分散素子
５０  マイケルソン型干渉計
１００  入射光
１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃ  出力信号
【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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