JPH0450639A - 光学式試料分析装置 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、試料の特性を決定するための簡易な構造から
なる光学式試料分析装置に関するものである。

（従来の技術） 各種の気体、液体さらには固体試料の特性またはその経
時変化を光学的に測定する方法として、分光分析装置が
実用化されている。この装置の主たるものは、光源から
放射された光を試料に投射し、試料からの透過光或いは
反射光を分光して検出し、試料の光吸収特性を測定する
ことを基本原理としている。このような分析装置は、光
が空気中を進行するため散乱等による光の減衰が大きく
、感度を上げるために大きな光源を必要としたり、回折
格子、プリズム又はフィルタ等の分光器を必要とし、多
種類の特性を同時に感度良く測定できるようにするため
には、構造が複雑化したり大型化し、現場で簡易に測定
することができない。

ところで、近年光ファイバを用いた光学式測定器が種々
提案されており、特に、第１の光ファイバに入射させた
入射光を光分岐結合器で第２の光ファイバに伝播させ、
これを被測定物に投射し、この反射光を前記第２の光フ
ァイバに入射させ、この光を前記光分岐結合器で第３の
光ファイバに伝播させ、この光量を測定することにより
、非測定物の特性を測定する方法が提案されている（特
開昭５４−８９６８０号）。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記方法は単に光を分岐させて測定する
ものであるため、試料の単一の特性、例えば、試料中の
１成分のみしか測定できず、複数の特性、例えば、吸収
波長域のことなる試料中の２以上の成分を同時に測定す
る等の複数の波長域を有する光を用い、その光学的な変
化を測定して試料の複数の特性を決定できないという問
題点を有していた。

本発明はかかる問題を解決したもので、本発明の目的は
簡単な構造で、試料の複数の特性が簡便に測定できる光
学的測定装置を提供することにある。

また、他の目的としては、一つの試料特性について複数
波長域で測定でき、測定の信軌性を畜めることかできる
光学的測定装置を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明の光学式試料分析装置は、光を放射する光源系と
、光ファイバからなる光伝播系と、光を試料に接触させ
る光接触系と、当該光伝播系を伝播する光から特定の波
長域の光を選択的に分波する波長選択性分波器を有する
分波光学系と、分波された光を受光する光検出系と、前
記光検出系の出力信号に基づいて試料の特性を決定する
信号処理系とを具えるものである。

本発明では、光を試料に照射することによりその光が試
料との間で相互作用を生じ、その試料の特性に応じて、
照射された光が変化するような気体、液体及び固体等の
種々の形態の試料を測定の対象とすることができる。す
なわち、本発明は、試料に光を照射し、この光が試料に
より、吸収、反射、散乱或いは偏光され、又は蛍光を発
し或いはラマン散乱光を発する場合、これらの光の吸収
、反射、散乱の量、或いは蛍光やラマン散乱光の波長及
び強度を測定することにより、その試料の特性を決定す
るものである。ここにいう試料の特性とは、試料全体と
しての物理的、化学的な性質以外に試料中に含まれる各
成分の物理的、化学的性質或いは成分の同定や含有量等
をも含むものである。

本発明の装置のもっとも一般的な使用は、試料の、或い
は試料中の成分の定性及び定量であり、測定に用いる光
の波長を適宜選定することにより種々の物質の定性さら
には定量を行うことができる。

この本発明で使用される光は、測定対象の試料の特性に
応じた波長のもの、−ｉには、紫外、可視、近赤外及び
赤外領域の波長の光のいずれか、或いはこれらの波長混
合した光から適宜選定される。

上記本発明に云う光を放射する光源系とは、白色光、単
色光のいずれを放射するものでもよいが、単色光を用い
る場合は、ラマン散乱法や蛍光分光法による測定の場合
を除いて、異なる複数の波長域の光を合波して用いなけ
れば試料の複数の特性を測定でき−ない。ラマン散乱法
や蛍光分光法の場合は、単色光を照射しても試料の複数
の特性により異なった波長の光が放出されるため単色光
を放射する光源系でも充分である。

上記光源としては、通常の分光分析装置に用いられてい
る熱輻射体、水銀灯、クセノンランプ、水素放電管、固
体レーザー、気体レーザー、半導体レーザー等、測定に
用いる光の波長を放出する光源を選定して使用する。光
源系はこれらの光源から放射された光が直接或いは所望
によりフィルターを介して光伝播系である光ファイバに
導入されるように構成するとよい。尚、複数の単色光を
合波して用いる場合は、複数の光源からの光ファイバを
合波器を介して光伝播系の光ファイバに結合することに
より構成すると良い。この合波器としては後述するカプ
ラが合波の機能を具えているため、これを合波器として
用いることが軽量小型化の上から好ましい。

光伝播系に用いられる光ファイバは、一般の光通信に使
用されているもので充分あるが、波長により散乱損失及
び吸収損失等の特性が多少異なるため、例えば、紫外光
、可視光及び近赤外光を用いる場合は石英ファイバを、
赤外光の場合はフッ化物ガラスファイバやフッ化ジルコ
ニウムファイバ等を用いると搬送する光のロスが少なく
て、測定感度を上げることができ、特に好ましい。

尚、この伝播系は、光源から光及び後述する試料と接触
後の光の両方を伝播するものであり、同一の光ファイバ
を用いて光源からの光も試料接触後の光をも伝播するよ
うな双方向伝播でも、光源からの光と試料接触後の光を
別々に伝播させるような一方向伝播方式としても良い。

光接触系は光源から伝播されてきた光を試料と接触させ
、試料との間で光を相互作用させ、この作用後の光を取
り出す系である。これは、前記伝播系の光ファイバの先
端を試料中に浸漬することでも充分である。すなわち、
光ファイバの先端を試料に浸漬し、光源からの光を試料
中に投光し、試料と接触し、相互作用を受けた試料を前
記同一の先端から受光して、伝播系で伝播させるように
したり、光源からの光を−の光ファイバの先端から試料
中に投光し、それと直線上に他の光ファイバの先端がく
るようにして、試料からの光を受光するようにしても良
い。この前者の場合、光ファイバの先端の前方にミラー
を設け、光ファイバの先端部から投光された光が試料を
介してミラーで反射され、これが光ファイバの先端で受
光できるようにするとより高感度の測定が可能となる。

また、他の試料接触系としては、光ファイバの一部のク
ラッド部及びコア部を細くしてテーパー状に形成して、
この廻りに試料接触部を設けたものでもよい。これは、
前記テーパ部でエバーネタセント光が生成し、このエバ
ーネタセント光を試料と接触させて相互作用を行わせ、
この相互作用後のエバーネタセント光を光ファイバにそ
のまま取り込む方法である。この方法は光ファイバを切
断しないため、光が光ファイバから全く外へでてしまう
ことがなくて光のロスが極めて少な（高感度での測定が
可能であり、また光軸を合わせる必要がなく装置の組み
立てが極めて容易となり好ましい。

分波光学系は、上記光伝播系を伝播する光から特定の波
長域の光を選択的に分波する波長選択性分波器から成る
ものである。すなわち、この波長選択性分波器は、複数
の波長を伝播している光ファイバから特定の波長域の光
を分波する機能を有するものであり、例えば、ファイバ
及び／又は導波路から構成される波長選択性を有するカ
プラを用いると、これ自体、構造が簡単で小型であり、
装置自体を軽量小型化できるため特に好ましい。

このカプラは光ファイバ及び／又は導波路をエハーネン
セント結合することによって作成されるもので、この結
合面の度合を調整することにより分波する光の波長を任
意に選定できる。光ファイバを用いた分波機能を有する
カプラはシングルモード分波合波器（Ｗ　Ｄ　Ｍ　；　
Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　Ｍｕｌｔｉ
ｐｌｅｘｅｒ）として市販されており、これを用いると
簡便である。この分波器は、光伝播系の任意の位置に設
けられ、その個数は試料の測定対象の特性数に応じて、
また信転性の向上を考慮して設けられる。

光検出系は、上記分波器により分波された光を受光する
光検出器よりなり、この場合の光検出器としては、例え
ば、シリコンディテクター、ＧａＡｓＰフォトダイオー
ド、ＣｄＳ光導電素子、フォトンドラッグ素子、焦電型
素子等を用いることができる。

上記検出系の出力信号に基づいて試料の特性を決定する
信号処理系は、検出器で検出された光量に応じて出力さ
れる信号を処理するための信号処理回路を有するもので
、検出された光の波長及び光量とから、あらかじめ定め
られた波長及び光量と試料の特性との関係に基づいて、
試料の特性値或いはその変量値として表示装置等へ出力
する。

この信号処理系には必要に応じて演算回路、メモリ回路
等が設けられる。

本発明では、以上のような各系は、少な（とも上記光源
系からの光を上記光伝播系にて伝播させ、前記光を上記
光接触系で試料と接触させ、この接触後の光を上記伝播
系で伝播させ、上記分波光学系で前記伝播する光から特
定波長域の光を選択的に分波し、前記分波された光を上
記光検出系で受光し、前記光検出系からの出力信号を上
記信号処理系で処理して、試料の特性を決定するように
構成される。

（実施例） 第１図は本発明による光学式試料分析装置の一例の構成
を示す線図であり、第２図はエバーネッセント光と試料
との接触部を拡大した試料容器３０部部分面図である。

本例では潤滑油の分光吸光特性及び光散乱特性を同時分
析する例について説明する。潤滑油は、一般にその使用
に伴い酸化が進行し有機酸が生成されその生成量は除々
に増大することが見出されている。また、混入水分量も
その使用に伴って増大し、さらに金属粉やススの混入量
も増大することが知られている。従って、潤滑油に含ま
れる有機酸、水分、金属粉、スス等の懸濁物を同時定量
分析できれば、潤滑油の劣化の進行状態を正確に把握で
き、その交換時期を正確に判断できる。このため、本例
では、試料からの透過光の分光吸収特性から有機酸及び
水分の量を検出し、試料からの散乱光に基づいて金属粉
及びスス等の懸濁物の混入量を求める場合について説明
する。

光源１から所定の波長光を含む光を放射する。

この光源１としてはキセノンランプのような白色光源又
は赤外線を放出するセラミック光源を用いることができ
、例えば分析すべき試料中に含まれる特定成分の吸収波
長光を含む光を放射する光源を適宜選択して用いる。光
源１から放出された放射光は光ファイバ２を経て送出さ
れ、光接触系である試料容器３内で試料と相互作用を生
じる。この試料容器３は、第２図にその拡大図を示した
ように、試料中を光ファイバ２が貫通するように構成さ
れ、この中で光ファイバの一部がテーパ状を呈するよう
に細く絞られている。この場合、テーパはその度合が大
きければ大きいほど、すなわち、細く絞られた外径が小
さければ小さいほど、エハー不ツセント光が大きくなる
ため測定感度を上げることができるが、光ファイバの強
度が低下するため、このテーパの度合は目的に応じて適
宜選定する。光ファイバ２を伝播してきた光源１からの
光の一部は、この子−バ部においてエバーネッセント光
として光ファイバの外側に漏れる。このエハーネッセン
ト光がその周りの試料と相互作用を起こし、特定の波長
の光が吸収されたり、散乱されたり、或いは蛍光やラマ
ン散乱光を発したりする。このような吸光、散乱された
後の光或いは蛍光やラマン散乱光が再度光フアイバ２内
に入り、分波光学系４へと伝播される。

この分波光学系４は光ファイバ２に結合した波長選択性
分波器５．５’　、５″及び分波された光ファイバ６′
に結合した波長選択性分波器５″′とで構成されている
。これら波長選択性分波器は、光ファイバを伝播する試
料と相互作用を生じた光から特定の波長域の光だけを選
択的に分波する作用を果たし、波長選択性ファイバカブ
ラで構成することができる。これら波長選択性ファイバ
カブラは、それぞれ１本の光ファイハロ、６’　、６−
６″′を有し、それらの一端側を試料と相互作用を生じ
た光が伝播する光ファイバ２．６′に光結合し、その結
合度合と結合長を適切に規定することにより所望の波長
光だけを選択的に分波することができる。そして、それ
ぞれ分波された波長光は、光ファイバ６．６’　、６“
、６′″を伝播するから、それら光ファイバの出射端に
それぞれ光検出器７７′、７″、７′″、７″″を配置
することにより、分波された波長光の強度を検出するこ
とができる。

二のように、波長選択性分波器としてファイバカブラを
用いれば、分波した光を分波器自身により任意の位置ま
で伝播させることができ、この結果、光学系の設計の自
由度を確保することができる。

分析すべき特性成分である水分は、１．３９μ閑及び１
．８９μｍの波長域において特有の吸収ピークを有し、
有機酸は１．４４μｍの波長域において特有の吸収ピー
クを有している。従って、第１分波器５は１．３９μｍ
以下の特定の波長域の光だけを分波するファイバカブラ
が、第２分波器５′は１．３９μｍ及び１．４４μｍの
波長光を分波し第３分波器５″は１．８９μｍの波長光
を、また第４分波器５″″は１．４４μｍの波長光をそ
れぞれ分波するファイバカブラが用いられている。各光
検出器７〜７″″は同一基板８上に配置され、これら光
検出器７〜７′″″の出力信号を増幅器９〜９″′″で
それぞれ増幅し、Ａ／Ｄ変換した後処理回路１０にそれ
ぞれ供給する。

一方、光源１から放射される光の強度が変動すると分析
誤差が生じてしまうため、フィードバックループを形成
して光源への印加電圧を常時一定に維持することが好ま
しく、このため、本例では、光源１から放射した光が伝
播する光ファイバ２に第５分波器１１を結合している。

そして、第５分波器を光ファイバ１２を経て第６の光検
出器１３に光結合し、その出力信号を増幅器１４で増幅
し、Ａ／Ｄ変換した後処理回路１０に供給する。処理回
路１０は第６光検出器１３からの出力が常時一定になる
ように光源駆動信号を発生し、この駆動信号を光源駆動
回路１５に供給し、この光源駆動回路１５から光源１に
駆動電力を供給する。この結果、光源１を含むフィード
バックループが形成され、光源から常時一定エネルギー
の光を放出させることができる。

次に、分析操作について説明する。まず、試料容器３に
潤滑油を入れない状態で光源１を駆動して光を投射し光
受光用の光検出器７〜７−及び投射光受光用の光検出器
１３からの出力信号を処理回路１０に取込み、それぞれ
処理回路１０内に設けたメモリに記憶する。これら記憶
した値は、各測定光路における光学系の基準値とする。

次に、試料分析操作を行う。分析に際し、分析されるべ
き潤滑油を試料容器３に入れる。そして、分波後を受光
する第１〜第５光検出器７．７’　。

７“、７″″、７″″の出力信号を処理回路１０に取り
込む。まず、第１及び第５光検出器７，７″″の出力値
は試料により光吸収を受けない波長であり試料の散乱に
よるデータを示すものとして取り扱い、光検出器７．７
”の出力値を、メモリに記憶されている懸濁物量と出力
値との関係に基づいて試料の懸濁物量を算出し表示装置
１６に表示する。この場合、散乱光量は、波長とも一定
の関係を有しているため、この関係を利用し、２波長域
で測定することにより散乱光量を正確に求めることがで
き、これにより、懸濁物量をより正確に求めることがで
きる。

次に、第３光検出器７′の出力値とメモリに記憶した検
量線データとから有機酸量を求める。この場合、第３光
検出器７′の出力値は散乱によるデータと有機酸の分光
吸収データの両方を含んでいるため、散乱の影響を除去
する必要がある。すなわち、第１及び第５光検出器の出
力値は光学系による減衰因子並びに散乱等によるデータ
だけを含んでいる。従って、第３光検出器７′の出力値
を、第１及び第５光検出器の出力値を用いて補正するこ
とにより、有機酸の含有量だけを表わす出力値が得られ
る。この出力値とメモリに記憶されている検量線データ
とに基づいて有機酸量を求める。この結果、分光吸収以
外の因子が除去され、キャリブレーション操作を行うこ
となく分光吸収による正確なデータを得ることができる
。さらに、第２及び第４の光検出器７′″″、７″の出
力値から同様な補正を行ない、試料中に含まれる水分量
を求めることができる。そして、求めた分析結果を表示
装置１６に表示する。このように構成すれば、散乱及び
分光吸収の分析項目についてリアルタイムで分析できる
。特に、１の分析項目が他の分析項目に及ぼす影響が補
正された分析結果が得られるので、分析精度を一層向上
させることができる。

さらに、試料容器３を、光結合器等を用いて、分波光学
系、信号処理系及び光源装置に対して着脱自在に接続す
る構成とすると、分析すべき試料に応じて容易に試料容
器を交換することができる。

また、分波光学系も光結合器を介して信号処理系及び試
料ステージに対して着脱自在に接続する構成すると、分
波光学系だけを交換することもでき、従って分析すべき
試料に応して分波光の波長域を簡単な作業で変更するこ
とができる。

第３図は光源装置の変形例を示す線図である。

本例では、単色光源を用いて複数の波長光を放出する光
源装置について説明する。波長λ、の波長光を放射する
第ル−ザ４０、波長λ２の波長光を放射する第２のレー
ザ４１、及び波長λ３の波長光を放射する第３のレーザ
４２を用い、各レーザから放射した光ビームをそれぞれ
集光光学系を経て光ファイバ４３．４４及び４５にそれ
ぞれ入射させる。光ファイバ４３及び４４の出射側を第
１光合波器４６に結合し、λ１＋λ２の波長光を出射さ
せる。このハ＋　λ２の波長光を光ファイバ４７を介し
て第２光合波器４８に入射させる。また光ファイバ４５
も第２光合波器４８に接続する。この結果、第２光合波
器４８からλ、＋　λ２＋λ３の波長光が出射すること
にになる。このように構成すれば、分析に必要な波長光
だけを試料に投射でき、光検出器に入射する光量を増大
することができる。面この場合、各光ファイバ４３〜４
５に第１図に示したような、ファイバカブラから成る分
波器を結合し、フィードバックループを設けることによ
り、各レーザ４０〜４２を安定して駆動させることがで
きる。

第４図は本発明による光学式試料分析装置の変形例を示
す線図である。光源装置５０からの光を集光レンズ５１
を経て伝播用の光ファイバ５２に放射する。光ファイバ
５２には、分波光学系を構成する３個の波長選択性ファ
イバカップラ５３．５４及び５５を順次結合する。そし
て光ファイバ５２の出射端を光結合器５６を介して、試
料容器５８内に装着する。この試料容器５８は、分析す
べき試料が入る穴５８ａが形成され、この穴の光ファイ
バ５２の出射端５７と対向する側の壁部表面にミラーを
とり付は反射面５８ｂとする。光源装置５０から出射し
た光は伝送用の光ファイバ５２を伝播し、３個の波長選
択性ファイバカップラ５３〜５５を通過し、光結合器５
６を経て分析すべき試料に投射される。この投射光は試
料中で、試料と相互作用をし、反射面５８ｂで反射し再
び光ファイバ５２の端面５７に入射する。従って、光フ
ァイバ５２は双方向の光を伝播することになる。

尚、光ファイバ５２の８射端に受光レンズ（集光レンズ
としても作用する）を配置して受光効率を増大させるこ
ともできる。光ファイバ５２で受光された光は再び元の
光路を戻り、光結合器５６を経て受渡光学系に入射する
。戻り光から３個の波長光λ４．λ２及びλ３が波長選
択性ファイバカップラ５３〜５５によりそれぞれ分波さ
れ、光検出器５９〜６１に入射する。これら光検出器の
出力を処理装置において信号処理することにより、各波
長光λ、。

λ２及びλ３の唆収特性が得られる。このように構成す
れば、１本の光ファイバを用いるだけで試料の特性を測
定でき、装置の構造を一層簡単化することができる。尚
、試料容器５８の面５８ｂを広い波長域に亘って光吸収
作用を有する面とするか或いは穴５８ａを広くして壁面
５８ｂでの反射をなくすることにより、散乱光を用いた
測定ができる。さらに光ファイバ５２の出射面５７と試
料との間に空間或いは他の物質を介在させ、水平又は垂
直以外の角度で光を照射して界面との間における反射光
を検出して、分波光学系で分波、分光分析することによ
り試料の屈折率の波長特性及び偏光特性を検出すること
ができる。

本発明は上述した実施例だけに限定されず、種々の変形
や変更が可能である。例えば、上述した実施例では、潤
滑油中に含まれる特定成分を定量分析する例を以て説明
したが、液体試料だけでなく固体材料や気体材料それ自
身或いはその中に含まれる特定成分を定量分析する場合
にも適用することができる。

（発明の効果） 以上説明した本発明の効果を要約すると以下の通りであ
る。

（１）光源からの波長を含む光を放射させ、この放射光
を光ファイバにより試料まで伝播させ、分析すべき試料
と相互作用をなした光を波長選択性分波器により試料自
身又はその中の特定成分により特有の作用を受けた光を
選択的に分波し、分波した光の強度を検出する構成とし
ているから、時間分割及び空間分割を必要とせず装置が
極めて簡単となり現場において簡単な操作で試料中の特
定成分を定量することができる。また、分波のため、フ
ィルターに比べ光量の減少がないため、高感度での測定
が可能となる。

さらに試料の１つの特性を複数の波長で検知することが
できるため、より正確に定量或いは定性を行うことがで
きる。

（２）波長選択性分波器として複数個のファイバ及び／
又は導波路から構成された波長選択性カブラを用いれば
、複数種類の波長光を分波することができる。この結果
、現場において試料自身又はその中に含まれる複数の特
定成分について定量或いは定性を行うことができる。し
かも、ファイバ及び／又は導波路から構成される波長選
択性カプラは、回折格子やフィルタと異なり分波した光
を任意の位置まで伝播させることができるので、光検出
器を任意の位置に配置でき、従って、設計の自由度が一
層増大する。

（３）また、光接触系を光ファイバの一部を細くテーパ
状に作成し、エバーネタセント光で試料の特性を測定す
るようにすると、光の損失がほとんど生じないため、極
めて高感度で測定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による光学式試料分析装置の一例の構成
を示す線図、 第２図は試料容器の部分断面図、 第３図は光源装置の変形例を示す線図、第４図は本発明
による光学式試料分析装置の変形例を示す線図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光を放射する光源系と、 光ファイバからなる光伝播系と、 光を試料に接触させる光接触系と、 当該光伝播系を伝播する光から特定の波長域の光を選択
   的に分波する波長選択性分波器を有する分波光学系と、 分波された光を受光する光検出系と、 前記光検出系の出力信号に基づいて試料の特性を決定す
   る信号処理系とを具え、 少なくとも上記光源系からの光を上記光伝播系にて伝播
   させ、前記光を上記光接触系で試料と接触させ、この接
   触後の光を上記伝播系で伝播させ、上記分波光学系で前
   記伝播する光から特定波長域の光を選択的に分波し、前
   記分波された光を上記光検出系で受光し、前記光検出系
   からの出力信号を上記信号処理系で処理して、試料の特
   性を決定する構成からなることを特徴とする光学式試料
   分析装置。 ２、上記分波光学系の波長選択性分波器がファイバ及び
   ／又は導波路から構成された波長選択性カプラからなる
   ことを特徴とする請求項１に記載の光学式試料分析装置
   。 ３、上記光を試料に接触させる光接触系が、光ファイバ
   の一部を細くテーパ状に作成したものであることを特徴
   とする請求項１に記載の光学式試料分析装置。