JP2004301520A - 光熱変換測定装置及びその方法 - Google Patents

Abstract

【課題】試料の光熱効果による特性変化を，安定的に高精度で測定でき，さらに，消費電力の増加や高コスト化，Ｓ／Ｎ比の低下，測定時間の長時間化を防止しながら高感度で測定できること。
【解決手段】試料５の光熱効果による屈折率変化を，試料を通過（透過）させた測定光Ｐ１における励起光の照射による位相変化を光干渉法を用いて測定することによって，即ち，参照光（Ｐ２）と測定光（Ｐ１）との位相差によって測定する。励起光はチョッパ２によって周期的に強度変調した光を用い，信号処理装置２１によってその強度変調周期と同周期成分の位相変化を測定してＳ／Ｎ比を向上させる。さらに，測定光を反射ミラー６で試料に往復通過させることにより，高感度で試料の屈折率変化を測定する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，試料の含有物質等を分析する際に用いられ，励起光を試料に照射したときの光熱効果により試料に生じる屈折率変化に基づく特性変化を測定する光熱変換測定装置及びその方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
各種試料の含有物質等の分析において，分析感度の向上は，試薬の量の低減や試料の濃縮処理の簡素化，分析の効率化及び低コスト化を図る上で重要である。
ところで，試料に励起光を照射すると，その照射部は励起光を吸収することにより発熱し，これを光熱効果という。この発熱を測定することを光熱変換測定という。
従来，この光熱変換測定による試料の高感度分析法として，光熱効果により試料に形成される熱レンズ効果を用いた手法（以下，熱レンズ法という）が知られている。
熱レンズ法による分析装置（光熱変換分光分析装置）は，例えば，特許文献１に示されている。
図４は，特許文献１に示される熱レンズ法による試料の分析装置の構成図である（特許文献１の図１を引用）。
図４に示されるように，励起光源１０からの励起光Ａは，チョッパ１１で断続光に変換（即ち，周期的に強度変調）され，ビームエクスパンダ１２，位置制御ミラー３１，２２，レンズ３４及び顕微鏡３５を介して試料４０に照射される。これにより，試料４０は励起光を吸収して発熱し，その屈折率が変化する。
この屈折率の変化は，検出光源２０からの検出光Ｂ（測定光）により検出される。
検出光源２０からの検出光Ｂは，ビームエクスパンダ２２を介して励起光Ａと同軸経路となって位置制御ミラー３１，３２で反射し，さらにレンズ３４，顕微鏡３５を介して試料４０に照射される。そして，試料４０を通過した検出光Ｂは，集光レンズ５０により集光され，開口部５１Ａ（ピンホール）を通過して検出器５３により受光され，その光強度が検出される。ここで，試料４０の屈折率変化により検出光Ｂの試料４０中の集光状態が変化するため，ピンホールを通過して得られる検出光の強度は，試料の屈折率の変化（即ち，試料の含有物質等に応じた光吸収量）に応じて変化する。この検出光Ｂの強度変化を測定することにより，試料の屈折率の変化を測定でき，その測定結果により試料の含有物質の量等を評価することができる。
特許文献１では，検出光Ｂの強度変化を高いＳ／Ｎ比（信号対雑音比）で検出するために，ロックインアンプ６１によって励起光Ａのチョッパによる断続周波数成分（強度変調周期の周波数成分）のみを検出している。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１０−２３２２１０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，前記熱レンズ法による試料の分析は，試料の発熱による屈折率変化を，測定光（検出光）の集光状態変化による光強度（検出信号の強度）の変化によって検出するものであり，この光強度（検出信号強度）の変化は，試料の屈折率変化だけでなく，検出器５３（光電変換手段）の受光位置や測定光の強度及びその強度分布等にも依存する。このため，再現性良く（安定的に）試料を分析（屈折率変化を測定）することが難しいという問題点があった。
また，測定感度を高めるためには，励起光の強度を増大させる，或いは試料通過後の測定光を通過させるピンホールの径を小さくする必要があるが，励起光強度の増大化は消費電力の増加，高コスト化を招き，ピンホールの小口径化は検出器での受光光量が減少によるＳ／Ｎ比の低下や測定時間の長時間化を招くという問題点もあった。
従って，本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり，その目的とするところは，試料の光熱効果による特性変化を，安定的に高精度で測定でき，さらに，消費電力の増加や高コスト化，Ｓ／Ｎ比の低下，測定時間の長時間化を防止しながら高感度で測定できる光熱変換測定装置及びその方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は，励起光が照射された試料の光熱効果により生じる前記試料の特性変化を測定する光熱変換測定装置であって，前記試料に所定の測定光を照射する測定光照射手段と，前記測定光の照射部に前記励起光を照射することによる前記試料を通過後の前記測定光の位相変化を光干渉法により測定する位相変化測定手段と，を具備してなることを特徴とする光熱変換測定装置として構成されるものである。
このように，試料の光熱効果による屈折率変化（試料の温度上昇により生じる屈折率変化）を，試料を通過（透過）させた測定光における励起光の照射による位相変化を光干渉法を用いて測定することによって，即ち，参照光と測定光との位相差を測定することによって検出すれば，例えば装置ごとに光検出器（光電変換手段）の位置や測定光の強度及びその強度分布等が異なっても，測定中に変化さえしなければ，これらに依存することなく再現性高く（安定的に），しかも光学的に高精度で試料の屈折率変化（特性変化）を測定することが可能となる。これにより，高精度で試料を分析することが可能となる。
【０００６】
また，前記試料の前記測定光の照射面の反対面側に設けられた裏面側光反射手段を具備し，前記位相変化測定手段が，前記測定光が前記裏面側光反射手段に反射して前記前記試料を往復通過した後の前記測定光の位相変化を測定するものや，前記試料の前記測定光の照射面の反対面側に設けられた裏面側光反射手段と，前記試料の前記励起光の照射面側に設けられた表面側光反射手段と，を具備し，前記位相変化測定手段が，前記測定光が前記裏面側光反射手段と前記表面側光反射手段との間で多重反射して前記試料を通過した後の前記測定光の位相変化を測定するもの等が考えられる。
これらにより，測定光が試料の励起部分を複数回通過するので，励起光の出力増大やＳ／Ｎ比の低下を伴うことなく，高感度で屈折率変化を測定することが可能となる。
【０００７】
また，前記励起光が周期的に強度変調された光であり，前記位相変化測定手段が，前記測定光の位相変化を前記励起光の強度変調周期と同周期成分について測定するものが考えられる。
この場合，前記励起光の強度変調と同周期で試料の屈折率が変化するので，前記励起光の周波数成分を有しないノイズの影響を除去しつつ試料の屈折率変化のみを測定できる。これにより，前記位相変化の測定のＳ／Ｎ比が向上する。
【０００８】
また，前記励起光が波長ごとに異なる周期で強度変調された光の多重光であり，前記位相変化測定手段が，前記測定光の位相変化を前記励起光の各波長の強度変調周期と同周期成分それぞれについて測定するものが考えられる。
光熱効果による測定光の屈折率変化は，励起光の波長によっても異なり，試料の含有物質の種類によって各波長の励起光に対する光熱効果及び光熱効果による試料の屈折率変化も異なる。
従って，前記構成によれば，１回の測定によって複数波長の測定光についての試料の屈折率変化を測定できるので，複数の異なる波長の励起光をそれぞれ照射して測定する場合に比べ，時間や手間の面で効率的な測定が可能となる。
【０００９】
また，前記位相変化測定手段が，前記測定光と該測定光とは光周波数が異なる所定の参照光との干渉光の強度を光電変換する光電変換手段と，前記光電変換手段により得られた前記干渉光の強度信号に基づいて前記測定光の位相変化を算出する位相変化算出手段と，を具備するものが考えられる。
このようにして得られる電気信号（干渉光の強度信号）は，光周波数が電気信号に変換された信号となり，その位相成分は，ＦＭ復調等により抽出できる。この抽出された位相成分には，試料の発熱による屈折率変化の信号が含まれる。また，参照光と測定光との位相変化を測定するので，光検出器（光電変換手段）の位置や測定光の強度及びその強度分布等に依存することなく再現性高く（安定的に），しかも光学的に高精度で試料の屈折率変化を測定することが可能となる。
【００１０】
また，本発明は，前記光熱変換測定装置を用いた測定に相当する光熱変換測定方法として捉えたものであってもよい。
即ち，励起光が照射された試料の光熱効果により生じる前記試料の特性変化を測定する光熱変換測定方法において，前記試料に所定の測定光を照射するとともに，前記測定光の照射部に前記励起光を照射することによる前記試料を通過後の前記測定光の位相変化を光干渉法により測定してなることを特徴とする光熱変換測定方法である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下添付図面を参照しながら，本発明の実施の形態及び実施例について説明し，本発明の理解に供する。尚，以下の実施の形態及び実施例は，本発明を具体化した一例であって，本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
ここに，図１は本発明の実施の形態に係る光熱変換測定装置Ｘの概略構成図，図２は本発明の実施例に係る光熱変換測定装置における測定光を試料の表面と裏面との間で多重反射させる構成の概略断面図，図３は本発明の実施例に係る光熱変換測定装置におけるフーリエ分光を用いた励起光出力部の概略構成図，図４は従来の光熱変換測定装置（光熱変換分光分析装置）の概略構成図である。
【００１２】
以下，図１を用いて，本発明の実施の形態に係る光熱変換測定装置Ｘについて説明する。
所定の励起光源１（例えば，波長５３３ｎｍ，出力１００ｍＷのレーザ（ＹＡＧ倍波））から出力された励起光は，チョッパ２により所定周期の断続光（断続周波数：ｆ）に変換（周期的に強度変調）され，これがダイクロイックミラー３により反射されて，レンズ４を通過して試料５に照射される。これにより，試料５が励起光を吸収して発熱し（光熱効果），その温度変化（上昇）によって試料５の屈折率が変化する。
一方，試料５の屈折率変化を測定するための測定光を出力するレーザ光源７（例えば，出力１ｍＷのＨｅ−Ｎｅレーザ），前記測定光照射手段の一例）から出力された測定光は，１／２波長板８で偏波面が調節され，さらに偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ９）によって互いに直交する２偏波（Ｐ１，Ｐ２）に分光される。
各偏波Ｐ１，Ｐ２は，音響光学変調機（ＡＯＭ１０，１１）によって光周波数がシフト（周波数変換）され，ミラー１２，１３で反射された後，ＰＢＳ１４によて合成される。これら直交する２偏波Ｐ１，Ｐ２の周波数差ｆ_ｂは，例えば，３０ＭＨｚ等とする。
合成された測定光の一方の前記偏波Ｐ２は，ＰＢＳ１５を通過（透過）してミラー１８に反射することにより再度ＰＢＳ１５に戻る。ここで，ＰＢＳ１５に戻ってきた前記偏波Ｐ２は，ＰＢＳ１５とミラー１８との間に配置された１／４波長板１６を往復通過することによってその偏波面が９０°回転しているため，今度はＰＢＳ１５に反射して光検出器２０の方向へ向かう。
【００１３】
これに対し，合成された測定光の他方の前記偏波Ｐ１は，ＰＢＳ１５に反射して，１／４波長板１７，前記ダイクロイックミラー３及び前記レンズ４を通過して試料５のに入射する。前記励起光は，前記偏波Ｐ１（測定光）の入射部（照射部）に照射されるよう構成されている。
さらに，試料５に入射した前記偏波Ｐ１は，試料５を通過し，試料５の裏面側（測定光（偏波Ｐ１）の照射面の反対面側）に設けられた反射ミラー６で反射し，再び試料５を通過（即ち，往復通過）して，前記レンズ４，前記ダイクロイックミラー３，前記１／４波長板１７を通過して前記ＰＢＳ１５へ戻る。ここで，前記偏波Ｐ１は，前記１／４波長板１７を往復通過することによってその偏波面が９０°回転しているため，今度はＰＢＳ１５を通過して前記偏波Ｐ２と合流し，前記光検出器２０の方向へ向かう。
前記ＰＢＳ１５と前記光検出器２０との間には偏光板１９が配置され，この偏光板１９において前記偏波Ｐ１と，該偏波Ｐ１と光周波数が異なる前記偏波Ｐ２とが，それぞれ観測光（測定光）と参照光として干渉し，その干渉光の光強度が前記光検出器２０（光電変換手段）によって電気信号（以下，この電気信号の信号値を干渉光強度という）に変換される。この電気信号（即ち，干渉光強度）は，計算機等の信号処理装置２１に入力及び記憶され，該信号処理装置２１において前記偏波Ｐ１（測定光）の位相変化の演算処理（即ち，光干渉法による位相変化の測定）がなされる。即ち，前記偏波Ｐ１，Ｐ２を各々所定の方向へ導く光学系機器及び前記偏波Ｐ１，Ｐ２（測定光と参照光）の干渉光を形成させる前記偏光板１９，並びに前記光検出器２０と前記信号処理装置２１とが，前記位相変化測定手段の一例を構成する。
【００１４】
ここで，干渉光強度Ｓ１は，次の（１）式で表される。
Ｓ１＝Ｃ１＋Ｃ２・ｃｏｓ（２π・ｆ_ｂ・ｔ＋φ） …（１）
Ｃ１，Ｃ２はＰＢＳ等の光学系や試料５の透過率により定まる定数，φは前記偏Ｐ１，Ｐ２の光路長差による位相差，ｆ_ｂは２偏波Ｐ１，Ｐ２の周波数差である。（１）式より，前記干渉光強度Ｓ１の変化（前記励起光を照射しない或いはその光強度が小さいときとその光強度が大きいときとの差）から，前記位相差φの変化が求まることがわかる。前記信号処理装置２１は，（１）式に基づいて前記位相差φの変化を算出する。
また，試料５の中の励起光を吸収する所定の含有物質の量に応じて吸熱量（発熱量）が変わり，該発熱量に応じて屈折率が変わり，該屈折率に応じて前記位相差φ（試料５中の前記偏波Ｐ１の光路長）が変わる。即ち，前記含有物質の量が多いほど，前記励起光の変化に対する前記位相差φの変化（即ち，前記偏波Ｐ１の位相変化）が大きい。従って，前記位相差φを測定すれば，試料５の温度変化により生じる屈折率の変化が求まり，その結果，試料の含有物質の量（濃度）の分析が可能となる。
即ち，当該光熱変換測定装置Ｘを用いて，予め所定の含有物質の量（濃度）が既知である複数種類のサンプル試料について前記位相差φの変化を測定し，その結果とその含有物質の量との対応づけを前記信号処理装置２１にデータテーブルとして記憶しておく。そして，測定対象とする試料についての前記位相差φの測定結果を前記データテーブルに基づいて補間処理等を行う等によりその含有物質の量を特定する処理を前記信号処理装置２１により実行すればよい。
このように，試料５の光熱効果による屈折率変化を，試料５を通過（透過）させた測定光（前記偏波Ｐ１）における励起光の照射による位相変化を光干渉法を用いて測定することによって，即ち，参照光（前記偏波Ｐ２）と測定光（前記偏波Ｐ１）との位相の相対評価（位相差）によって測定するので，例えば装置ごとに光検出器２０の位置や測定光の強度及びその強度分布等が異なっても，測定中に変化さえしなければ，これらに依存することなく安定的に，しかも光学的に高精度で試料の屈折率変化を測定することが可能となる。
【００１５】
また，本光熱変換測定装置Ｘでは，裏面側の前記反射ミラー６（前記裏面側光反射手段の一例）に測定光（偏波Ｐ１）を反射させることにより，測定光（偏波Ｐ１）を試料５に往復通過させるため，片道通過の場合の２倍の感度で前記位相差φの変化を測定できる。しかも，励起光の出力増大やＳ／Ｎ比の低下を伴わない。
さらに，前記励起光は周波数ｆで強度変調されているため，試料５の屈折率も周波数ｆで変化し，偏波Ｐ１の光路長も周波数ｆで変化し（偏波Ｐ２の光路長は一定），前記位相差φも周波数ｆで変化する。従って，前記位相差φの変化を，周波数ｆの成分（前記励起信号の強度変調周期と同周期成分）について測定（算出）すれば，周波数ｆの成分を有しないノイズの影響を除去しつつ試料５の屈折率変化のみを測定できる。
これにより，前記位相差φの測定のＳ／Ｎ比が向上する。
【００１６】
【実施例】
前記実施の形態では，前記測定光（前記偏波Ｐ１）を試料５に往復通過させることによって感度の向上を図るものであったが，前記測定光を試料５で多重通過させることによってさらなる感度向上を図ることも可能である。
図２は，測定光を試料の表面と裏面との間で多重反射させる構成の概略断面図である。
図２に示すように，試料５の表面側（前記測定光の照射面側）とその裏面側とのそれぞれに反射ミラー３１，３２（高反射ミラー，前記表面側光反射手段と前記裏面側光反射手段の一例）を配置し，前記測定光（前記偏波Ｐ１）を両反射ミラー３１，３２の間で多重反射させることができる。ここで，図２には，多重反射を模式的に示すため，便宜上，前記測定光が前記反射ミラー３１，３２に斜め入射しているように示しているが，実際は垂直入射させて入射光と反射光とが同軸となるようにする。これにより，前記測定光（前記偏波Ｐ１）は，両反射ミラー３１，３２間で多重反射しながら，その一部が試料５の前記表面側の反射ミラー３１を透過して前記光検出器２０の方向へ向かう。従って，前記検出器２０には，試料５を多重通過した前記測定光が重畳されて入力されるため，高感度での位相差測定，即ち，屈折率変化の測定が可能となる。
この場合，多重反射した測定光の位相を同期させるように両反射ミラー３１，３２の間隔を微調整するため，一方の反射ミラーの位置制御を行う駆動機構３０（ミラー駆動機構）を設けることが望ましい。
【００１７】
光熱効果による測定光の屈折率変化は，励起光の波長によっても異なり，試料の含有物質の種類によって各波長の励起光に対する光熱効果及び光熱効果による試料の屈折率変化も異なる。
従って，複数の異なる波長の励起光を照射し，そのそれぞれについて前記位相差φの変化を測定すれば，その分布から試料の含有物質の種類及び量を特定（評価）できる。しかしながら，励起光を異なる波長ごとに照射して測定を行うことは時間や手間の面で測定効率が悪い。
そこで，前記励起光を，波長ごとに異なる周期で強度変調された光の多重光とし，前記信号処理装置２１により，前記測定光の位相φの変化を，前記励起光の各波長の強度変調周期と同周期成分それぞれについて測定すれば，１回の測定によって複数波長の測定光についての試料の屈折率変化を測定でき，効率的な測定が可能となる。
このような励起光の光源（照射手段）としては，白色光源（例えば，タングステンランプ）の光を分光器で分光し，分光された光ごとに異なる周波数のチョッパ等を介して強度変調し，それらを集光（合流）した光を前記励起光するものが考えられる。
また，図３に示すように，白色光源４０の光をビームスプリッタ４１を２方向に分岐させ，それらを固定ミラー４２及び移動ミラー４３それぞれに反射さて再び前記ビームスプリッタ４１に戻して合流させ，これを励起光とする周知のフーリエ分光を用いた励起光出力部とすることも考えられる。
【００１８】
【発明の効果】
以上説明したように，本発明によれば，試料の光熱効果による屈折率変化を，試料を通過（透過）させた測定光における励起光の照射による位相変化を光干渉法を用いて測定することによって，即ち，参照光と測定光との位相差を測定するので，例えば装置ごとに光検出器（光電変換手段）の位置や測定光の強度及びその強度分布等が異なっても，測定中に変化さえしなければ，これらに依存することなく安定的に，しかも光学的に高精度で試料の屈折率変化を測定することが可能となる。
さらに，測定光を光反射手段（ミラー等）で反射させるという簡易な構成によって，測定光を試料に往復通過或いは３回以上通過させることにより，励起光の出力増大（即ち，消費電力の増加や高コスト化）やＳ／Ｎ比の低下を招くことなく高感度で試料の屈折率変化を測定できる。
以上の結果，安定的かつ高感度な試料分析を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る光熱変換測定装置Ｘの概略構成図。
【図２】本発明の実施例に係る光熱変換測定装置における測定光を試料の表面と裏面との間で多重反射させる構成の概略断面図。
【図３】本発明の実施例に係る光熱変換測定装置におけるフーリエ分光を用いた励起光出力部の概略構成図。
【図４】従来の光熱変換測定装置（光熱変換分光分析装置）の概略構成図。
【符号の説明】
１…励起光源
２…チョッパ
３…ダイクロイックミラー
４…レンズ
５…試料
６，３２…反射ミラー（裏面側光反射手段）
７…レーザ光源（測定光照射手段）
１０，１１…音響光学変調機（ＡＯＭ）
２０…光検出器（光電変換手段）
２１…信号処理装置（位相変化測定手段）
３１…反射ミラー（表面側光反射手段）
Ｐ１…偏波（測定光）
Ｐ２…偏波（参照光）

Claims (7)

1. 励起光が照射された試料の光熱効果により生じる前記試料の特性変化を測定する光熱変換測定装置であって，
   前記試料に所定の測定光を照射する測定光照射手段と，
   前記測定光の照射部に前記励起光を照射することによる前記試料を通過後の前記測定光の位相変化を光干渉法により測定する位相変化測定手段と，
   を具備してなることを特徴とする光熱変換測定装置。
2. 前記試料の前記測定光の照射面の反対面側に設けられた裏面側光反射手段を具備し，
   前記位相変化測定手段が，前記測定光が前記裏面側光反射手段に反射して前記前記試料を往復通過した後の前記測定光の位相変化を測定してなる請求項１に記載の光熱変換測定装置。
3. 前記試料の前記測定光の照射面の反対面側に設けられた裏面側光反射手段と，
   前記試料の前記励起光の照射面側に設けられた表面側光反射手段と，を具備し，
   前記位相変化測定手段が，前記測定光が前記裏面側光反射手段と前記表面側光反射手段との間で多重反射して前記試料を通過した後の前記測定光の位相変化を測定してなる請求項１に記載の光熱変換測定装置。
4. 前記励起光が周期的に強度変調された光であり，
   前記位相変化測定手段が，前記測定光の位相変化を前記励起光の強度変調周期と同周期成分について測定してなる請求項１〜３のいずれかに記載の光熱変換測定装置。
5. 前記励起光が波長ごとに異なる周期で強度変調された光の多重光であり，
   前記位相変化測定手段が，前記測定光の位相変化を前記励起光の各波長の強度変調周期と同周期成分それぞれについて測定してなる請求項１〜３のいずれかに記載の光熱変換測定装置。
6. 前記位相変化測定手段が，
   前記測定光と該測定光とは光周波数が異なる所定の参照光との干渉光の強度を光電変換する光電変換手段と，
   前記光電変換手段により得られた前記干渉光の強度信号に基づいて前記測定光の位相変化を算出する位相変化算出手段と，
   を具備してなる請求項１〜５のいずれかに記載の光熱変換測定装置。
7. 励起光が照射された試料の光熱効果により生じる前記試料の特性変化を測定する光熱変換測定方法において，
   前記試料に所定の測定光を照射するとともに，
   前記測定光の照射部に前記励起光を照射することによる前記試料を通過後の前記測定光の位相変化を光干渉法により測定してなることを特徴とする光熱変換測定方法。

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