JPH04236334A - 微弱信号用分光器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は赤外領域における微弱放
射光の分光分析に用いられる微弱信号用分光器に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】図５は従来の分光器の一例を示す構成図
である。被測定体からの入射光１（放射光）は凹面の反
射面を有する集光ミラー２によって反射ならびに集光さ
れ、その出射光路上には出射光を平行光にするコリメー
トミラー３が配設され、その途中の集光ミラー２による
集光位置にはピンホール４を有するピンホール板５が配
設され、その直前には、モータ７を駆動源とする光チョ
ッパ６が設けられている。光チョッパ６は、円板の外周
縁の円周方向に一定間隔にスリットを設けたもので、そ
の中心にモータ７の回転軸が取り付けられている。

【０００３】コリメートミラー３の出射光路上には、グ
レーティング８（回折格子）が配設され、その出射光路
上には、集光ミラー９が設けられ、その集光位置に光検
出器１０が配設されている。光検出器１０には光電変換
素子が用いられるが、赤外線領域の微弱の分光分析を行
うためには高感度のＩｎＳｂ、ＨｇＣｄＴｅなどの半導
体素子を用いるのが好ましい。

【０００４】図６は光検出器１０の詳細を示す斜視図で
ある。例えば、ＨｇＣｄＴｅによる光検出器１０の光検
出素子１２はパッケージ１１内に配設され、その検出部
に対向する部分には窓１３（開口）が形成されている。 検出位置には、同一仕様の複数の光検出素子１２が一方
向に整列配置され、グレーティング８によって分光され
た複数の出射光をそれぞれ受光できるように構成されて
いる。

【０００５】図５の構成にあっては、集光ミラー２を介
して入射された放射光が光チョッパ６により断続され、
そのスリットを通過した光はピンホール板５のピンホー
ル４によって外乱光が除去される。ピンホール４を通過
した放射光はコリメートミラー３によって平行光にされ
、グレーティング８に照射される。グレーティング８は
、入射光の全幅を波長毎に分散させて反射し、これを集
光ミラー９へ出射させる。集光ミラー９はグレーティン
グ８により分光した光を光検出器１０へ集光する。なお
、以上の説明では、光検出器１０が複数の光検出素子１
２からなるものとしたが、光検出素子１２が１個のみと
することもでき、その場合には、グレーティング８を回
動させ、放射光の波長が順次光検出素子１２に集光され
るようにする。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記した従来
技術にあっては、周囲温度による影響を受け、分光後の
放射束測定精度を高めることができなかった。また、出
力信号も分光後の光を測定するため、たいへん弱いもの
であった。本発明の目的は、周囲温度の影響を受けるこ
となく、精度及び出力信号の向上を図ることのできる微
弱信号用分光器を提供することにある。

【０００７】

【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、測定対象からの放射光を一点に集光させ
る集光光学系と、その集光点にピンホールが位置するよ
うに配設されたピンホール板と、前記集光光学系からの
光を前記ピンホールへ断続的に入射させる光チョッパと
、前記ピンホールからの光を分光するグレーティングと
、該グレーティングからの光を光電変換する光検出器と
を備えた微弱信号用分光器において、前記光チョッパに
対向する面の前記ピンホールの周囲に設けられる凹面鏡
と、前記光チョッパの前記凹面鏡に対向する面に設けら
れる鏡面とを設け、かつ周囲温度による出力値の変動を
防止するために、光検出器を一定温度に保持する恒温手
段を設けている。また、測定精度を向上させるために、
凹面鏡の近傍に測温素子を装着し、その測温値に基づい
て前記光検出器の出力値を補正することもできる。

【０００８】

【作用】上記した手段によれば、測定対象からの放射光
は光チョッパによって、ピンホールを断続的に通過して
光検出器に到達するが、一方光検出器面自体からの放射
光は光学系を戻って集光光学系からの光の遮光時に光チ
ョッパの裏面の鏡面に到達し反射される。さらに凹面鏡
で反射され、再度光チョッパの裏面で反射されて光検出
器へ戻される。この時、光検出器面自体からの放射光が
周囲温度の影響を受けないように光検出器を一定温度に
保持する。したがって、光検出器面自体からの放射光が
光チョッパによって反射され効率的に光検出器へ戻され
、その一定温度に保持された光検出器面自体からの一定
の放射光のみが参照光源として用いられるので、高精度
かつ高感度に測定が行えると共に、周囲温度による出力
変動を招くこともない。

【０００９】また、凹面鏡の近傍に設けられた測温素子
は、周囲温度に応じて凹面鏡から生じる熱放射を補正す
るための信号を出力する。したがって、光検出器の出力
を測温素子の出力によって補正することにより、凹面鏡
自体からの放射による誤差分を無くし、測定精度を向上
させることができる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
ながら説明する。図１は本発明による低温用分光器の一
実施例を示す構成図である。なお、図１においては、図
５と同一であるものには同一引用数字を用いている。し
たがって、これらについて以下においては重複する説明
を省略する。

【００１１】本実施例の光学系が図５の構成と異なると
ころは、光学系全体の大きさを小さくまとめるため、平
板の反射ミラー１４を集光ミラー２とコリメートミラー
３の間で、かつ光チョッパ６の前段に設けるようにした
ことである。また、光検出器１７を水平に配設し、その
構成は基本的に図５の光検出器１０と同一であるが、後
記するように温度補償を図った構成にしている。なお、
１５は黒体炉であって、例えば、５０℃に保持した電気
炉であり、この位置から１ｍの距離のところに集光ミラ
ー２が配設されている。

【００１２】さらに、光チョッパ６に対向する側のピン
ホール４の周囲には凹面鏡１６が形成されている。この
凹面鏡１６は、金メッキ、銀メッキなどにより放射率が
ε＜０．１（すなわち、照射された光の９割以上が反射
される状態）に仕上げられている。さらに、光チョッパ
６の凹面鏡１６に対向する面は、ε＜０．１の鏡面的反
射面が形成され光検出器面自体からの放射光を光チョッ
パ６と凹面鏡１６による多重反射によってピンホール４
へ反射できるようにされている。

【００１３】図２は本発明による光検出器１７の詳細を
示す断面図である。図６と同様に複数の光検出素子１２
がパッケージ１１内に配設され、その窓１３には、光学
系からの放射光を入光可能にし、かつパッケージ１１を
真空状態に密封するためにサファイヤガラス１８が埋め
込まれている。さらに窓１３の内側には、内面が鏡面仕
上げにされた円錐筒状のガイド部１９が設けられ、その
下端は光検出素子１２に近接している。ガイド部１９は
、光検出素子１２に向かって内径を小さくしている。

【００１４】さらに、パッケージ１１の内面は無光沢の
黒色に塗装され、疑似黒体炉として機能するようにして
いる。光検出素子１２の性能を最大限に発揮させるため
には低温度に保持する必要がある。そこで、光検出素子
１２の背面には冷却部材２０（例えば、電子冷却素子）
が配設されている。また、必要に応じてパッケージ１１
の背面（冷却部材２０の背面）に放熱板あるいは空冷装
置、水冷装置などの冷却手段２１を設けることもできる
。

【００１５】以上の構成において、黒体炉１５からの放
射光は集光ミラー２及び反射ミラー１４によりピンホー
ル４内に集光されるが、その直前で光チョッパ６によっ
て放射光１が断続される。集光点では、ピンホール４に
よって外乱放射光の遮断が行われ、ピンホール４を通過
した放射光はコリメートミラー３によって平行光にされ
、グレーティング８によって分光された光が集光ミラー
９によって光検出器１７内の光検出素子１２の検出面に
導かれる。

【００１６】ここで、測定対象からの放射束が光チョッ
パ６によって遮断された時には、光検出器２０自体から
の放射束が光チョッパ６及びピンホール４上の凹面鏡１
６により、図３のように反射され、これが光検出器１７
の光検出素子１２に照射される。光検出器１７には、他
からの放射束の照射が無いため、光検出器１７には、測
定対象からの放射束と一定温度の低温（例えば、−６０
℃）に保たれた光検出器１７自体からの放射束が、光チ
ョッパ６の回転に応じて交互に照射され、参照光源など
による比較を行うことなく放射光の分光強度測定を行う
ことができる。

【００１７】このように、光検出器１７が一定温度に保
たれていることにより、光検出器１７自体からの放射光
を安定させて、凹面鏡１６によって光検出器１７自体か
らの放射光を再度光検出器１７へ戻しているため、周囲
温度の影響を排除することができ、光検出器１７による
検出出力に変動を生じさせることがない。また、光検出
器１７の出力が高くなり、これに応じて検出精度を向上
させることができる。

【００１８】図４は本発明の他の実施例を示す構成図で
ある。本実施例は、図１の実施例に測温素子２２（例え
ば、白金抵抗体）を凹面鏡１６の直近に取り付け、凹面
鏡１６の温度補償を行うようにしたものである。したが
って、測温素子２２以外の構成については、図１と同一
であるので、ここでは重複する説明を省略する。

【００１９】凹面鏡１６の反射率は１００％が理想であ
るが、現実には９０％程度であり、凹面鏡１６は周囲温
度と同じ温度にある。これにより、理想的には無いはず
の放射が凹面鏡１６から生じ、これが光チョッパ６の鏡
面で反射して光検出器１７へ入射する。周囲温度の変化
に伴う、凹面鏡１６の温度変化分による放射は、光検出
器１７の検出値の変動となって現れる。そこで、凹面鏡
１６の温度を測温素子２２によって検出し、この測定値
に応じて光検出器１７の検出値を補正する。このような
補正により、例えば、測温素子２２を有しない場合には
光検出器１７の出力値に１〜２％の変動が見られるが、
測温素子２２を設けて補正した場合には１％以下にする
ことが可能になる。なお、前記実施例においては、分光
手段としてグレーティングを用いたが、これに代えてプ
リズムを用いることもできる。

【００２０】

【発明の効果】本発明は上記の通り構成されているので
、次に記載する効果を奏する。請求項１の微弱信号用分
光器においては、測定対象からの放射光を一点に集光さ
せる集光光学系と、その集光点にピンホールが位置する
ように配設されたピンホール板と、前記集光光学系から
の光を前記ピンホールへ断続的に入射させる光チョッパ
と、前記ピンホールからの光を分光するグレーティング
と、該グレーティングからの光を光電変換する光検出器
とを備えた微弱信号用分光器において、前記光チョッパ
に対向する面の前記ピンホールの周囲に設けられる凹面
鏡と、前記光チョッパの前記凹面鏡に対向する面に設け
られる鏡面とを設け、さらに光検出器を一定温度に保持
する恒温手段を設けたので、高精度かつ高感度に測定が
行えると共に、周囲温度による出力変動を招くこともな
い。請求項２の微弱信号用分光器においては、凹面鏡の
近傍に測温素子を装着し、その測温値に基づいて前記光
検出器の出力値を補正するようにしたので、光検出器の
出力を補正できるようになり、凹面鏡自体からの放射に
よる誤差分を無くし、測定精度を向上させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による微弱信号用分光器の一実施例を示
す構成図である。

【図２】本発明による光検出器の詳細構成を示す断面図
である。

【図３】本発明による凹面鏡の反射動作を示す説明図で
ある。

【図４】本発明による微弱信号用分光器の他の実施例を
示す構成図である。

【図５】従来の分光器を示す構成図である。

【図６】図５に示す光検出器の詳細を示す断面図である
。

【符号の説明】

２　　　　集光ミラー ３　　　　コリメートミラー ４　　　　ピンホール ５　　　　ピンホール板 ６　　　　光チョッパ ７　　　　モータ ８　　　　グレーティング ９　　　　集光ミラー １１　　　　パッケージ １２　　　　光検出素子 １４　　　　反射ミラー １５　　　　黒体炉 １６　　　　凹面鏡 １７　　　　光検出器 ２０　　　　冷却部材 ２１　　　　冷却手段

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　測定対象からの放射光を一点に集光さ
   せる集光光学系と、その集光点にピンホールが位置する
   ように配設されたピンホール板と、前記集光光学系から
   の光を前記ピンホールへ断続的に入射させる光チョッパ
   と、前記ピンホールからの光を分光する分光素子と、該
   分光素子からの光を光電変換する光検出器とを備えた微
   弱信号用分光器において、前記光チョッパに対向する面
   の前記ピンホールの周囲に設けられる凹面鏡と、前記光
   チョッパの前記凹面鏡に対向する面に設けられる鏡面と
   を具備し、前記光検出器を一定温度に保持する恒温手段
   を設けたことを特徴とする微弱信号用分光器。
2. 【請求項２】　　請求項１の凹面鏡の近傍に測温素子を
   装着し、その測温値に基づいて前記光検出器の出力値を
   補正することを特徴とする請求項１の微弱信号用分光器
   。