分光光度计的制作方法

1.本发明涉及具备红外光源的分光光度计，更具体而言，涉及该红外光源的控制。


背景技术：

2.以往，已知有具备红外光源的分光光度计。例如，美国专利第7119904号说明书中公开了具备输出与从红外光源射出的光的量对应的信号的光检测器的傅里叶变换红外(ftir：fourier transform infrared)分光光度计。在该分光光度计中，基于从光检测器输出的电压与目标电压的电压差，对红外光源进行反馈控制，以使从红外光源射出的光的量在目标光量中恒定。


技术实现要素：

3.在专利文献1所公开的分光光度计中，为了控制包含移动镜的干涉仪，激光被射出至干涉仪。通过干涉仪内的该激光的多重反射或散射，该激光的一部分可到达光检测器。此外，光检测器的构成要素的物性通常具有温度特性。即使从红外光源射出的红外光的量相同，该激光及该温度特性也会成为干扰，从光检测器输出的电压可能变化。因此，来自红外光源的出射光的量与目标光量的实际的光量差可能偏离与从接受了该光的光检测器输出的电压和目标电压的电压差对应的光量差。其结果为，通过基于该电压差的反馈控制，可能难以使来自红外光源的出射光的量接近目标光量。
4.本发明是为了解决这样的技术问题而完成的，其目的在于，在具备红外光源的分光光度计中，使该红外光源的光量控制的精度提高。
5.本发明的分光光度计具备红外光源、干涉仪、第1检测器和监视器部。红外光源射出包含红外波长区域的光的出射光。干涉仪基于所输入的该出射光生成干涉光。第1检测器检测基于从干涉仪输出并透过试样或反射到试样的干涉光而生成的光。监视器部监视红外光源的输出。监视器部具备第2检测器和光量控制部。第2检测器输出与出射光的量对应的信号。光量控制部能够以基于该信号控制红外光源使该量接近目标光量的方式进行动作。红外光源射出第1波长区域的光以及与第1波长区域不同的第2波长区域的光。第2检测器具备第1光检测元件和第2光检测元件。第1光检测元件将与第1波长区域的光对应的第1电压输出至光量控制部。第2光检测元件将与第2波长区域的光对应的第2电压输出至光量控制部。
6.本发明的上述以及其他目的、特征、方面及优点将通过与附图关联来理解的本发明相关的以下详细说明阐明。
附图说明
7.图1是作为实施方式的分光光度计的一例的ftir的概略构成图。
8.图2是从红外光源射出的辐射光的光谱。
9.图3是示出比较例的光检测器及光量控制部的构成的图。
10.图4是示出实施方式的光检测器及光量控制部的构成的图。
11.图5是示出图4的光检测器中包含的光检测元件的灵敏度波长区域的光谱。
12.图6是示出实施方式的变形例1的光检测器的构成的图。
13.图7是示出实施方式的变形例2的光检测器的构成的图。
具体实施方式
14.以下，参照附图对实施方式进行详细说明。另外，以下对图中的相同或相当的部分标注相同的附图标记，原则上不重复其说明。此外，以下，将傅里叶变换红外分光光度计简称为ftir。
15.图1是作为实施方式的分光光度计的一例的ftir100的概略构成图。在图1中，x轴、y轴及z轴相互正交。
16.如图1所示，ftir100具备：红外光源10、监视器部1、准直镜21、反射镜22、23、干涉仪3、试样室4、光检测器5(第1检测器)、激光光源6(单色光源)、光检测器60、反射镜61、62、63。
17.红外光源10射出包含红外波长区域的光(红外光)的出射光。监视器部1包含光检测器11(第2检测器)和光量控制部12。监视器部1监视红外光源10的输出。
18.干涉仪3基于从红外光源10输入的出射光生成红外干涉光。干涉仪3例如是迈克尔逊型干涉仪，包含移动镜31、分束器(半反射镜)32和固定镜33。移动镜31具有驱动机构，可在x轴方向上直线移动。固定镜33构成为可以与z轴平行的旋转轴为中心旋转，并以追随移动镜31的移动的方式控制旋转角度。
19.在试样室4内配置有试样40。在ftir100中，从红外光源10射出的红外光被引导至干涉仪3，来自干涉仪3的红外干涉光经由试样40被引导至光检测器5。光检测器5检测基于透过了试样40的红外干涉光而生成的光。ftir100也可以构成为由光检测器5检测基于反射到试样40的红外干涉光而生成的光。
20.另外，ftir100具备接收来自光检测器5、60的信号进行分析，并且进行ftir100的统一控制的未图示的控制装置。光量控制部12也可以形成为该控制装置的一部分。
21.红外光源10例如是碳硅光源，是利用了来自高温的红外元件的黑体辐射的热光源。红外元件例如通过在sic或sin等陶瓷中埋入电热线而成形。通过电流流过红外元件，红外元件被加热到1000k～1500k，包含红外光的辐射光(出射光)从红外元件产生并从红外光源10射出。由温度t的红外元件产生的波长λ的光的强度(辐射光谱)b(λ，t)由以下的式(1)所示的普朗克辐射公式表示。另外，在式(1)中，h是普朗克常数，c是光速，k是玻尔兹曼常数。
22.[数1]
[0023][0024]
图2是从红外光源10射出的辐射光的光谱。在图2中，曲线c11表示温度t1下的辐射光谱b(λ，t1)。曲线c12表示温度t2(＜t1)下的辐射光谱b(λ，t2)。曲线c13表示温度t3(＜t2)下的辐射光谱b(λ，t3)。如图2所示，辐射光谱b(λ，t1)～b(λ，t3)分别在红外区域(0.78μm～1000μm)所包含的2μm～3μm的波长区域具有强度的峰(最大值)。
[0025]
另外，也可以根据用于分析的红外光的波长区域来切换红外光源。例如，也可以在该波长区域为近红外区域(0.78μm～2μm)的情况下，红外光源被切换为卤素光源，在该波长区域为中红外区域(2μm～4μm)及远红外区域(4μm～1000μm)的情况下，红外光源被切换为陶瓷光源。
[0026]
再次参照图1，光检测器11接受从红外光源10射出的辐射光，将与该辐射光的量对应的信号输出至光量控制部12。光量控制部12可基于该信号进行动作，以使从红外光源10射出的辐射光的量接近目标光量的方式对红外光源10进行反馈控制。
[0027]
作为从红外光源10扩散的光束而射出的红外光被准直镜21转换为平行的光束(准直光)并被引导至分束器32。也可以是从红外光源10射出的红外光被收敛之后，经由光圈被引导至准直镜21。
[0028]
被引导至分束器32的红外光被分束器32分割为朝向移动镜31的红外光和朝向固定镜33的红外光。通过由来自移动镜31的反射光和来自固定镜33的反射光在分束器32中进行干涉，从干涉仪3输出红外干涉光。红外干涉光的强度(振幅)根据移动镜31的移动而变化。
[0029]
激光光源6射出用于控制干涉仪3的hene激光(单色光)。hene激光的波长为632.8nm。从激光光源6射出的hene激光在通过了反射镜61之后，被反射镜62、63反射而被引导至分束器32。被引导至分束器32的hene激光被分束器32分割为朝向移动镜31的hene激光和朝向固定镜33的hene激光。通过由来自移动镜31的反射光和来自固定镜33的反射光在分束器32中进行干涉产生激光干涉光。来自分束器32的激光干涉光被反射镜63、62、61引导至光检测器60。在移动镜31以恒定速度移动的情况下，激光干涉光的强度被检测为恒定频率的正弦波的激光干涉条纹信号。基于该干涉条纹信号控制移动镜31的位置及速度、以及固定镜33的角度。另外，从激光光源6射出的单色光不限定于hene激光。
[0030]
从干涉仪3输出的红外干涉光被反射镜22收敛至试样40。通过了试样40的红外干涉光被反射镜23收敛至光检测器5。基于由光检测器5检测出的红外干涉光的强度信号，制作干涉图。在干涉图中，通常，红外干涉光的强度被设为纵轴，来自移动镜31的反射光与来自固定镜33的反射光的光程差被设为横轴。在干涉图中，在光程差为0的情况下会产生红外干涉光的强度的峰。通过对干涉图进行傅里叶变换，生成以强度为纵轴、以波数(或波长)为横轴的功率谱。通过将对试样40照射红外干涉光时得到的功率谱除以在没有试样40的状态下得到的背景的功率谱，可得到试样40的反射率光谱或透过率光谱。根据这些光谱，可得到试样40中特有的峰信息。
[0031]
接着，为了对在ftir100中的红外光源10的反馈控制中要解决的技术问题进行说明，使用图3对监视器部1的比较例进行说明。
[0032]
图3是示出比较例的监视器部9的构成的图。图3的红外光源10与图1所示的红外光源10对应。如图3所示，监视器部9包含光检测器91和光量控制部92。红外光源10包含壳体101和红外元件102。在壳体101的侧面形成有开口部103。红外元件102被收容于壳体101。通过从光量控制部92对红外元件102供给电力，红外元件102发热，从红外元件102产生包含红外光的辐射光。该辐射光从开口部103被射出。
[0033]
光检测器91包含光检测元件911和信号处理部910。光检测元件911对来自红外光源10的出射光的特定的波长区域具有感光灵敏度。光检测元件911经由信号处理部910对光
量控制部92输出与该波长区域(灵敏度波长区域)所包含的光对应的电压v。作为光检测元件911，例如，可以例举在近红外区域具有感光灵敏度的ingaas型的光电二极管、在可见区域(380nm～780nm)具有感光灵敏度的sipin型的光电二极管、或者颜色传感器。信号处理部910对来自光检测元件911的信号进行规定的处理(例如ad(analog-to-digital)转换)从而输出与电压v对应的信号。
[0034]
光量控制部92包含具有增益g的差分放大部922和光源驱动部123。差分放大部922将电压v与目标电压v0的电压差δvd放大来对光源驱动部123输出信号δgd(＝g
·
δvd)。光源驱动部123以使电压差δvd成为0的方式对红外光源10供给电力。光源驱动部123例如包含da转换器、差分放大器、电压-电流转换电路、电流检测电阻和反馈电路。电压-电流转换电路包含晶体管或mosfet(metal-oxide-semiconductor field effect transistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)。也可以代替电压-电流转换电路而使用pwm(pulse width modulation：脉冲宽度调制)调制电路及电桥电路。反馈电路将由电流检测电阻检测出的电流的电压负反馈到差分放大器。差分放大部922例如通过固件或fpga(field programmable gate array：现场可编程门阵列)来实现。
[0035]
若将光检测元件911的温度系数设为δβ，将光检测器91的温度与基准温度(例如ftir100起动时的光检测器91的温度)的温度差设为δta，将与来自红外光源10的出射光的量与目标光量的差对应的电压差设为δv，则电压v如以下的式(2)那样表示。
[0036]
[数2]
[0037]
v＝v0 δv v0·
δv
·
δβ
·
δt
a (2)
[0038]
使用光检测器91的温度稳定在ta的恒温环境下的电压v的测量值v
ta
和光检测器91的温度稳定在tb(＝ta δt
a0
)的恒温环境下的电压v的测量值v
tb
，温度系数δβ如以下的式(3)那样表示。
[0039]
[数3]
[0040][0041]
目标电压v0是作为与来自红外光源10的出射光的目标光量对应的电压，通过理论分析以及实机实验而预先确定的值。目标电压v0被确定为红外元件102的温度t达到1000k～1500k的范围的某个温度。目标电压v0可以由用户从这样预先确定的多个值中选择，也可以由用户进行变更。在目标电压v0的附近的电压v中，目标电压v0与温度t的关系被表示为如以下的式(4)那样的线性式。
[0042]
[数4]
[0043]
t＝p
·
v q (4)
[0044]
在式(4)中，系数p及常数项q分别是由ftir100中的光检测器91与红外光源10的位置关系等确定的ftir100所固有的装置常数。系数p及常数项q是光检测器91以及红外光源10的周围的温度在恒定的恒温环境中被预先测量的已知的值。
[0045]
根据式(2)，电压v与目标电压v0的单纯的电压差δvd(＝v-v0)如以下的式(5)那样表示。
[0046]
[数5]
[0047]
δvd＝δv v0·
δv
·
δβ
·
δt
a (5)
[0048]
根据式(5)，在电压差δvd中，除了电压差δv以外，还包含来自光检测元件911的温度特性的值。由于电压差δvd与电压差δv不同，因此通过基于电压差δvd的反馈控制难以使来自红外光源10的出射光的量接近目标光量。为了使红外光源10的光量控制的精度提高，需要基于电压差δv进行反馈控制。为了根据式(2)求出电压差δv，需要求出温度差δta。但是，由于供ftir100运转的实际的环境不是恒温环境，因此难以实时地获取光检测器91的温度差δta。在温度差δta未知的情况下，无法根据式(2)计算电压差δv。
[0049]
于是，在ftir100中，使用从灵敏度波长区域相互不同的多个光电二极管分别输出的多个电压，联立以电压差δv及温度差δta为未知数的2个以上的二元一次方程式。由于能够通过使用2个二元一次方程式消去温度差δta，因此能够导出电压差δv。根据ftir100，由于能够进行基于与来自红外光源10的出射光的量与目标光量的差对应的电压差δv的反馈控制，因此能够使红外光源10的光量控制的精度提高。
[0050]
图4是示出实施方式的监视器部1的构成的图。在图4中，红外光源10及光源驱动部123与图3所示的红外光源10及光源驱动部123相同。
[0051]
如图4所示，光检测器11包含光检测元件111(第1光检测元件)、光检测元件112(第2光检测元件)、光检测元件113、光检测元件114(第3光检测元件)和信号处理部110。光量控制部12包含运算部121、具有增益g的放大部122和光源驱动部123。
[0052]
光检测元件111～114相对于图5所示的波长区域wb1(400nm～540nm)、波长区域wb2(450nm～630nm)、波长区域wb3(575nm～660nm)、波长区域wb4(785nm～885nm)分别具有感光灵敏度。另外，图5的曲线c1是来自与图2的曲线c11对应的红外光源10的出射光的光谱。
[0053]
参照图4及图5，光检测元件111将与包含于波长区域wb1的光对应的电压vb经由信号处理部110输出至运算部121。光检测元件112将与包含于波长区域wb2的光对应的电压vg经由信号处理部110输出至运算部121。光检测元件113将与包含于波长区域wb3的光对应的电压vr经由信号处理部110输出至运算部121。光检测元件114将与包含于波长区域wb4的光对应的电压v
ir
经由信号处理部110输出至运算部121。信号处理部110对来自光检测元件111～114的信号进行规定的处理(例如ad转换)从而将与电压vb、vg、vr、v
ir
对应的信号输出至运算部121。信号处理部110例如包含ad转换器。
[0054]
运算部121根据电压vb、vg、vr、v
ir
计算电压差δv，并将电压差δv输出至放大部122。放大部122将电压差δv放大并对光源驱动部123输出信号δg(＝g
·
δv)。光源驱动部123以电压差δv成为0的方式对红外光源10供给电力。
[0055]
运算部121及放大部122例如通过固件或fpga来实现。运算部121例如，包含由程序语言或硬件描述语言构建的减法器。放大部122例如，作为放大数字值的构成包含由程序语言或硬件描述语言构建的放大器。放大部122也可以包含将数字值转换为模拟值的da(digital-to-analog，数字-模拟)转换器、和将该模拟值放大的运算放大器。此外，在放大部122输出模拟值的情况下，光源驱动部123不需要包含da转换器。运算部121及放大部122也可以通过执行保存于存储器的程序的cpu(central processing unit：中央处理单元)等处理器来实现。以下，对由运算部121进行的电压差δv的导出过程进行说明。
[0056]
电压vb、vg、vr、v
ir
分别与式(2)所示的电压v同样地，如以下的(6)那样表示。
[0057]
[数6]
[0058][0059]
另外，式(6)是汇总了以下的式(7a)、(7b)、(7c)、(7d)的式。
[0060]
[数7]
[0061]vb
＝v
b0
δvb v
b0
·
δvb·
δβb·
δtaꢀꢀꢀꢀꢀ
(7a)
[0062]vg
＝v
g0
δvg v
g0
·
δvg·
δβg·
δtaꢀꢀꢀꢀꢀ
(7b)
[0063]vr
＝v
r0
δvr v
r0
·
δvr·
δβr·
δtaꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7c)
[0064]vir
＝v
ir0
δv
ir
v
ir0
·
δv
ir
·
δβ
ir
·
δtaꢀꢀꢀꢀ
(7d)
[0065]
以下，如式(7a)～(7d)那样，除下标以外为相同形式的多个式如式(6)那样汇总呈现。
[0066]
在式(6)中，电压v
b0
、v
g0
、v
r0
、v
ir0
是与来自红外光源10的出射光的目标光量对应的光检测元件111～114各自的目标电压。电压差δvb、δvg、δvr、δv
ir
是与来自红外光源10的出射光的量和目标光量的差对应的光检测元件111～114各自的电压差。温度系数δβb、δβg、δβr、δβ
ir
是光检测元件111～114各自的温度系数。温度差δta与式(2)的温度差δta相同。
[0067]
目标电压v
b0
、v
g0
、v
r0
、v
iro
使用光检测元件111～114各自的频带增益χb、χg、χr、χ
ir
及目标电压v0，如以下的式(8)那样表示。
[0068]
[数8]
[0069][0070]
另外，电压差δvb、δvg、δvr、δv
ir
也使用频带增益χb、χg、χr、χ
ir
及电压差δv，如以下的式(9)那样表示。
[0071]
[数9]
[0072][0073]
在目标电压v
b0
、v
g0
、v
r0
、v
ir0
各自的附近的电压vb、vg、vr、v
ir
中，频带增益χb、χg、χr、χ
ir
是恒定的、且被预先计算。
[0074]
温度系数δβb、δβg、δβr、δβ
ir
与式(3)同样地，如以下的式(10)那样表示。
[0075]
[数10]
[0076][0077]
在式(10)中，电压v
b＿ta
、v
g＿ta
、v
r＿ta
、v
ir＿ta
是光检测器11的温度稳定在ta的恒温环境下的电压vb、vg、vr、v
ir
各自的测量值。电压v
b_tb
、v
g_tb
、v
r_tb
、v
ir_tb
是光检测器11的温度稳定在tb的恒温环境下的电压vb、vg、vr、v
ir
各自的测量值。
[0078]
在目标电压v
b0
、v
g0
、v
r0
、v
ir0
各自的附近的电压vb、vg、vr、v
ir
中，电压vb、vg、vr、v
ir
与红外元件102的温度t的关系与式(4)同样地被表示为如以下的式(11)那样的线性式。
[0079]
[数11]
[0080][0081]
在式(11)中，系数pb、pg、pr、p
ir
及常数项qb、qg、qr、q
ir
分别是由ftir100中的光检测器11与红外光源10的位置关系等确定的ftir100所固有的装置常数。系数pb、pg、pr、p
ir
及常数项qb、qg、qr、q
ir
是在光检测器11及红外光源10的周围的温度恒定的恒温环境中预先测量的已知的值。
[0082]
在代入了式(8)、(9)的式(7a)～(7d)中，未知数为电压差δv及温度差δta。即，式(7a)～(7d)分别是二元一次方程式。使用从公式(7a)～(7d)中选择的2个二元一次方程式，消去温度差δta，导出电压差δv。
[0083]
在此，通过来自干涉仪3内的激光光源6的hene激光的多重反射或散射，该hene激光的一部分可到达光检测器11。hene激光的波长(632.8nm)包含于光检测元件113的波长区域wb3(575nm～660nm)。因此，到达光检测器11的hene激光成为在电压差δv的计算中使精度降低的干扰。于是，运算部121不使用与光检测元件113相关的式(7c)来计算电压差δv。由于从电压差δv的导出过程中排除了作为干扰的hene激光的影响，因此能够进一步使红外光源10的光量控制的精度提高。
[0084]
从式(7a)(第1二元一次方程式)及式(7b)(第2二元一次方程式)导出的电压差δv、从式(7b)及式(7d)(第3二元一次方程式)导出的电压差δv、以及从式(7d)及式(7a)导出的电压差δv分别如以下的式(12)、(13)、(14)那样表示。
[0085]
[数12]
[0086]
[0087][0088][0089]
运算部121将式(12)～(14)的任一个的电压差δv输出至放大部122。为了使电压差δv的精度提高，也可以将式(12)～(14)的3个电压差δv的平均电压差输出至放大部122。
[0090]
在实施方式中，对光检测器包含4个光检测元件的情况进行了说明。但光检测器所包含的光检测元件的数量只要是2以上即可，并不限定于4。
[0091]
图6是示出实施方式的变形例1的光检测器11a的构成的图。光检测器11a的构成是从图4的光检测器11中去除了光检测元件113的构成。除此之外是相同的，不再重复说明。
[0092]
图7是示出实施方式的变形例2的光检测器11b的构成的图。光检测器11b的构成是从图4的光检测器11中去除了光检测元件112、113的构成。除此之外是相同的，不再重复说明。
[0093]
以上，根据实施方式及变形例1、2的分光光度计，能够在具备红外光源的分光光度计中，使该红外光源的光量控制的精度提高。
[0094]
[方案]
[0095]
本领域技术人员可以理解上述的例示性的实施方式是以下的方案的具体例。
[0096]
(第1项)一方案的分光光度计具备红外光源、干涉仪、第1检测器和监视器部。红外光源射出包含红外波长区域的光的出射光。干涉仪基于所输入的该出射光生成干涉光。第1检测器检测基于从干涉仪输出并透过试样或反射到试样的干涉光而生成的光。监视器部监视红外光源的输出。监视器部具备第2检测器和光量控制部。第2检测器输出与出射光的量对应的信号。光量控制部能够以基于该信号控制红外光源来使该量接近目标光量的方式进行动作。红外光源射出第1波长区域的光及与第1波长区域不同的第2波长区域的光。第2检测器具备第1光检测元件和第2光检测元件。第1光检测元件将与第1波长区域的光对应的第1电压输出至光量控制部。第2光检测元件将与第2波长区域的光对应的第2电压输出至光量控制部。
[0097]
根据第1项所述的分光光度计，通过将与第1波长区域的光对应的第1电压及与第2波长区域的光对应的第2电压从第2检测器输出至光量控制部，能够使红外光源的光量控制的精度提高。
[0098]
(第2项)在第1项所述的分光光度计中，第1电压及第2电压分别被表示为将与出射光的量和目标光量的差对应的电压差、以及将第2检测器的温度和基准温度的温度差分别设为未知数的第1二元一次方程式及第2二元一次方程式。第1二元一次方程式包含第1光检测元件的温度系数及第1光检测元件的频带增益。第2二元一次方程式包含第2光检测元件的温度系数及第2光检测元件的频带增益。光量控制部基于从第1二元一次方程式及第2二元一次方程式导出的电压差来控制红外光源。
[0099]
根据第2项所述的分光光度计，由于能够通过使用2个二元一次方程式消去温度差，因此能够导出电压差。其结果为，由于能够进行基于与来自红外光源的出射光的量和目标光量的差对应的电压差的反馈控制，因此能够使红外光源的光量控制的精度提高。
[0100]
(第3项)在第2项所述的分光光度计中，出射光包含与第1波长区域及第2波长区域分别不同的第3波长区域的光。第2检测器还包含第3光检测元件。第3光检测元件将与第3波长区域的光对应的第3电压输出至光量控制部。第3电压被表示为将电压差及温度差分别设为未知数的第3二元一次方程式。第3二元一次方程式包含第3光检测元件的温度系数及第3光检测元件的频带增益。光量控制部控制红外光源，使得从第1二元一次方程式及第2二元一次一次方程式导出的电压差、从第2二元一次方程式以及第3二元一次方程式导出的电压差、以及从第3二元一次方程式以及第1二元一次方程式导出的电压差的平均电压差接近0。
[0101]
根据第3项所述的分光光度计，由于基于多个电压差的平均电压差来控制红外光源，因此能够进一步使红外光源的光量控制的精度提高。
[0102]
(第4项)在第1项～第3项的任一项所述的分光光度计中，分光光度计还具备单色光源。单色光源射出用于控制干涉仪的单色光。第1波长区域及第2波长区域中的至少一方不包含单色光的波长。
[0103]
根据第4项所述的分光光度计，由于从电压差的导出过程中排除作为干扰的单色光的影响，因此能够使红外光源的光量控制的精度提高。
[0104]
另外，关于上述实施方式及变形例，包含在说明书内未提及的组合在内，从申请时就已预定在不产生不合适或矛盾的范围内，将实施方式中说明的构成适当组合。
[0105]
以上对本发明的实施方式进行了说明，但应该认为本次公开的实施方式在所有方面都是例示而不是限制性的。本发明的范围由权利要求书示出，意在包含与权利要求书等同的意思及范围内的所有变更。