光熱変換測定装置
【課題】試料中における光熱効果による特性変化を、簡易な構成により高感度かつ高精度（低ノイズ）で測定できる光熱変換測定装置を提供する
【解決手段】モータ３によって回転フィルタ２を回転駆動することにより、励起光源１から出力される励起光Ｂ３の経路に、２つの光フィルタ部２ａ、２ｂのいずれを位置させるかを所定周期で切り替える切替型光フィルタ部Ｚと、試料５を透過した前記測定光Ｂ１に参照光Ｂ２を干渉させその干渉光の強度を検出する光検出器２０と、光検出器２０から取得した干渉光強度の信号（測定光Ｂ１の検出信号）から、切替型光フィルタ部Ｚによる光フィルタ部２ａ、２ｂの切り替え周期と同周期成分を抽出する前記信号処理装置２１とを備える。
【解決手段】モータ３によって回転フィルタ２を回転駆動することにより、励起光源１から出力される励起光Ｂ３の経路に、２つの光フィルタ部２ａ、２ｂのいずれを位置させるかを所定周期で切り替える切替型光フィルタ部Ｚと、試料５を透過した前記測定光Ｂ１に参照光Ｂ２を干渉させその干渉光の強度を検出する光検出器２０と、光検出器２０から取得した干渉光強度の信号（測定光Ｂ１の検出信号）から、切替型光フィルタ部Ｚによる光フィルタ部２ａ、２ｂの切り替え周期と同周期成分を抽出する前記信号処理装置２１とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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。一方、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。この熱レンズ法による分析装置では、試料に照射した検出光（測定光）を集光するとともにピンホールに通過させ、そのピンホールを通過後の検出光の光強度を検出することにより、励起光が照射された試料の発熱による屈折率変化を検出光の集光状態の変化として検出するものである。
【０００３】
一方、特許文献２には、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位相変化として捉え、これを光干渉法を用いて測定する技術が示されている。
これにより、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かつ高感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、特許文献１及び特許文献２には、周期的に強度変調した励起光を用い、測定光（検出光）を励起光の強度変調周期と同周期成分について測定することにより、Ｓ／Ｎ比向上を図ることが示されている。
【特許文献１】特開平１０−２３２２１０号公報
【特許文献２】特開２００４−３０１５２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、試料の吸収分光特性を評価する場合、励起光の光源として白色光源が用いられるが、一般的に、白色光源は発光部分が広いため、その光を高精度で集光して試料に照射させることが難しい。
しかしながら、特許文献１に示される前記熱レンズ法による測定では、熱レンズ効果を発生させるために励起光を高精度で集光して試料に照射させる必要があり、白色光源を用いることができない。このため、波長帯が特定されるレーザ発振器を光源として用いざるを得ず、試料の吸収分光特性を評価できないという問題点があった。
さらに、特許文献１に示される前記熱レンズ法による測定では、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があった。
また、特許文献１及び特許文献２のいずれにおいても、測定光及び励起光の光路中に、試料を収容するセルやそのセルに試料とともに収容される溶媒等、励起光によって加熱されて屈折率変化が生じる物質（以下、外乱物質という）が存在する場合、これが外乱となってＳ／Ｎ比を悪化させるという問題点があった。
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、試料中における光熱効果による特性変化を、簡易な構成により高感度かつ高精度（低ノイズ）で測定できる光熱変換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】
【０００５】
上記目的を達成するために本発明は、所定の試料に励起光を照射し、その試料の光熱効果により生じる特性変化を、その試料に照射されこれを透過した測定光に基づいて測定するために用いる光熱変換測定装置に適用されるものであり、以下の（１）〜（３）の構成要素を具備するものである。
（１）前記励起光を出力する光源から前記試料に到達するまでの前記励起光の経路に、フィルタ特性が異なる複数種類の光フィルタを所定周期で順次切り替えて位置させる切替型光フィルタ手段。
（２）前記励起光により励起された前記試料を透過した前記測定光を検出する測定光検出手段。
（３）前記測定光検出手段の検出信号から前記切替型光フィルタ手段による光フィルタの切替周期と同周期成分を抽出する同周期成分抽出手段。
ここで、前記切替型光フィルタにより、前記励起光の経路に位置する光フィルタの切り替えが行われると、前記試料に照射される前記励起光の分光強度分布が周期的に切り替わることになる。
また、同周期成分抽出手段により得られる抽出信号は、前記試料の光熱効果により生じる特性変化を表す信号となる。
【０００６】
以上に示した構成を備える光熱変換測定装置において、光フィルタの切り替えによって分光強度分布の異なる複数種類の前記励起光が照射されたときに、その各々の照射状態において、概ね、測定対象とする物質（以下、測定対象物質という）以外の前記外乱物質の光の吸収量に差が生じないように、複数種類の光フィルタのフィルタ特性を予め設定しておく。
例えば、前記試料が、所定の測定対象物質が溶媒に溶かされた液体試料である場合、当該光熱変換測定装置によりその溶媒のみを前記試料として測定したときに、前記同周期成分抽出手段により抽出される前記複数種類の光フィルタ各々に対応する信号相互の状態（信号の位相、或いは強度等）がほぼ同一となるように、前記切替型光フィルタ手段における前記複数種類の光フィルタのフィルタ特性が予め設定されているものとする。
そうすると、試料に照射される前記励起光の分光強度分布の変化に応じて、同周期成分抽出手段により得られる信号が変化するが、この信号の変化は、概ね、前記励起光の波長分布の違いによって生じる前記測定対象物質の光熱効果の変化のみに起因するものとなる。このため、前記外乱物質の温度変化に起因する励起光測定信号のダイナミックレンジ（測定範囲）の飽和をほとんど考慮せずに、信号処理系の測定感度（検出感度）を上げること（増幅ゲインを上げる等）ができる。その結果、前記測定光の検出の際に、前記外乱物質の温度変化（屈折率変化）によるＳ／Ｎ比の悪化を招くことを防止できる。
しかも、フィルタ特性が異なる複数種類の光フィルタを設けるだけで、比較的消費電力が大きい励起光の光源を複数設ける必要がなく、装置の消費電力低減につながる。
【０００７】
ここで、前記切替型光フィルタ手段の具体的な構成の例としては、各々異なる領域に各々異なるフィルタ特性を有する複数種類の光フィルタが形成されたフィルタ部材と、そのフィルタ部材を回転駆動することにより前記励起光の経路に位置する前記光フィルタを所定周期で切り替えるフィルタ部材駆動手段とを備えたものが考えられる。これにより、前記切替型光フィルタ手段をごく簡易な構成で実現できる。
また、前記切替型光フィルタ手段の他の具体的構成例としては、前記励起光の経路に配置され、複数種類のフィルタ特性を所定周期で切り替える液晶フィルタにより構成されるものも考えられる。
また、前記測定光検出手段としては、特許文献２に示されるように、前記試料を透過した前記測定光に所定の参照光を干渉させその干渉光の強度を検出する光干渉手段を具備するものであればなお好適である。
このように、試料の光熱効果による屈折率変化を、前記測定光の位相変化として捉えて光干渉法（相対的な光学手法）により検出することにより、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かつ高感度で試料を分析することが可能となる。
また、前記測定光検出手段が、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備え、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透過した後の前記測定光を検出するものであれば好適である。
これにより、前記試料のわずかな屈折率変化でも、測定信号の状態が大きく変化することになり、前記試料の光熱効果により生じる特性変化（屈折率変化）を、高精度かつ高感度で測定することが可能となる。しかも、そのような高感度の測定をごく簡易な構成により実現できる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、励起光の光路上における光フィルタを周期的に切り替えることにより、それぞれ分光強度分布が異なる複数種類の励起光が周期的に切り替えられて試料に照射され、その切替周期と同期した測定光の検出信号が抽出される。このため、複数種類の光フィルタ各々のフィルタ特性を予め適切に設定しておくことにより、励起光による前記外乱物質の温度変化に起因する検出信号の変化が除去される。その結果、前記外乱物質の温度変化（屈折率変化）によるＳ／Ｎ比の悪化を招くことを防止でき、測定対象物質の光熱効果による特性変化を、簡易な構成により高感度かつ高精度（低ノイズ）で測定できる。
また、前記測定光の検出を、前記試料を透過した前記測定光に所定の参照光を干渉させその干渉光の強度を検出する光干渉法に基づき行えば、相対的な光学手法により測定光が検出されるので、安定的に、高精度かつ高感度で試料を分析することが可能となる。
また、前記測定光を試料の両側で多重反射させ、前記試料を複数回透過した後の前記測定光を検出することにより、試料のわずかな屈折率変化でも前記測定光の状態が大きく変化することになる。その結果、前記試料の光熱効果により生じる特性変化（屈折率変化）を、高精度かつ高感度で測定することが可能となる。しかも、そのような高感度の測定をごく簡易な構成により実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明し、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は本発明の第１実施形態に係る光熱変換測定装置Ｘ１の概略構成図、図２は光熱変換測定装置Ｘ１が備える２つの光フィルタ部の特性グラフを模式的に表した図、図３は本発明の第２実施形態に係る光熱変換測定装置Ｘ２の構成の一部を表す概略図、図４は光熱変換装置Ｘ１が備える回転フィルタの構成の例を表す図である。
【００１０】
本発明の実施形態に係る光熱変換測定装置Ｘ１、Ｘ２は、所定の試料に励起光を照射し、その試料の光熱効果により生じる特性変化を、同じくその試料の励起部に照射されこれを透過した測定光に基づいて測定するために用いる測定装置である。
＜第１実施形態＞
まず、図１に示す概略構成図を用いて、本発明の第１実施形態に係る光熱変換測定装置Ｘ１について説明する。
光熱変換測定装置Ｘ１は、励起光源１と、回転フィルタ２及びモータ３を備えた切替型光フィルタ部Ｚとを備え、この切替型光フィルタ部Ｚから順次切り替えて出力される２種類の励起光Ｂ３ａ、Ｂ３ｂが試料５に照射される。以下、便宜上、回転フィルタ２を通過する前の励起光Ｂ３を元励起光、回転フィルタ２を通過後の２種類の励起光Ｂ３ａ、Ｂ３ｂをパス後励起光と称する。
ここで、励起光源１は、ほぼ白色光に相当する分光強度分布を有するビーム状の元励起光Ｂ３を出力する光源であり、例えば、ハロゲンランプ等の白色光源により構成されている。
【００１１】
また、切替型光フィルタ部Ｚを構成する回転フィルタ２は、励起光源１から試料５に到達するまでの励起光の経路（即ち、元励起光Ｂ３の経路）に配置され、各々異なる領域に各々異なるフィルタ特性を有する２つの光フィルタ部２ａ、２ｂが形成された部材（フィルタ部材の一例）である。
この光フィルタ部２ａ、２ｂは、例えば、ラス材に着色イオンや金属元素、化合物等が添加されることによって着色された色ガラスフィルタにより構成されたものが考えられる。この場合、添加物質の量や混合比によって分光特性（光フィルタ特性）を調整できる。
その他、光フィルタ部２ａ、２ｂが、屈折率の異なる誘電体が積層された干渉フィルタにより構成されたものも考えられる。この場合、誘電体の屈折率や層厚（膜厚）を調整することによって分光特性を調整できる。
図２は、２つの光フィルタ部２ａ、２ｂのフィルタ特性（分光透過特性）を表すグラフを模式的に示したものである。グラフの横軸は透過する光の波長を表し、縦軸は各波長の光の透過率を表す。このように、２つの光フィルタ部２ａ、２ｂのフィルタ特性が異なることにより、一方の光フィルタ部２ａを通過後のパス後励起光Ｂ３ａと、他方の光フィルタ部２ｂを通過後のパス後励起光Ｂ３ｂとは、各々分光強度分布が異なる。
図１に示す回転フィルタ２は、円盤状（円形の板状）に形成され、その中心が回転中心２ｏとなっており、その回転中心２ｏを通る線を中心線として左右両側に、一方の光フィルタ部２と他方の光フィルタ部２ａとが各々形成されている。ここで、回転フィルタ２は、その回転中心２ｏが、励起光源１から出力される励起光Ｂ３の光路から所定間隔を隔てた位置となるように配置されている。そして、回転フィルタ２が回転中心２ｏを軸として回転することにより、光フィルタ部２ａ、２ｂのいずれが元励起光Ｂ３の経路（光路）に位置するかが切り替わる。
モータ３は、回転フィルタ２の回転中心２ｏに設けられた回転軸に連結されており、回転フィルタ２を回転中心２ｏの回りに一定速度で回転駆動する（フィルタ部材駆動手段の一例）。
このように、切替型光フィルタ部Ｚは、モータ３によって回転フィルタ２を回転駆動することにより、励起光源１から出力される励起光Ｂ３の経路に、２つの光フィルタ部２ａ、２ｂのいずれを位置させるかを所定周期で切り替えるものである。
回転フィルタ２を通過したパス後励起光Ｂ３ａ、Ｂ３ｂは、ミラー１８によって反射され、さらにレンズ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。
また、切替型光フィルタ部Ｚの作用により、試料５に照射される励起光は、その分光強度分布が周期的に切り替わることになる。
【００１２】
さらに、光熱変換測定装置Ｘ１は、レーザ光源７、各種光学機器、光検出器２０及び信号処理装置２１等も備えている。ここで、信号処理装置２１は、例えば光強度信号の入力インターフェースを備えた計算機により構成され、そのプロセッサが、その記憶部に予め記憶された所定のプログラムを実行することにより後述する各種の処理を行う。
レーザ光源７は、試料５の屈折率変化を測定するための測定光と、これに干渉させる参照光との両方の光源として兼用されるものである。
このレーザ光源７（例えば、出力１mWのＨｅ−Ｎｅレーザ））から出力されたレーザ光は、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９（以下、ＰＢＳという）によって互いに直交する２偏波（Ｂ１、Ｂ２）に分光される。以降、その一方Ｂ１が測定光として、他方Ｂ２が参照光として機能する。
各偏波Ｂ１、Ｂ２は、音響光学変調機（ＡＯＭ）１０、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で反射されてＰＢＳ１４に導かれる。これら直交する２偏波Ｂ１、Ｂ２の周波数差ｆbは、例えば、３０MHz等とする。
【００１３】
参照光となる前記偏波Ｂ１は、ＰＢＳ１４を通過（透過）して偏光板１９に向かう。
これに対し、測定光となる他方の前記偏波Ｂ１は、ＰＢＳ１４を透過し、１／４波長板１７、ミラー１８及び前記レンズ４を通過して、試料５における前記励起光Ｂ３ａ、Ｂ３ｂの照射部（即ち、励起部）に、その励起光Ｂ３ａ、Ｂ３ｂとほぼ同方向から照射されるよう構成されている。
なお、図１に示す例に限らず、励起光Ｂ３ａ、Ｂ３ｂ及び測定光Ｂ１を各々異なる方向から試料５に照射し、試料５中において、励起光Ｂ３ａ、Ｂ３ｂと測定光Ｂ１とが比較的大きな角度で交差するよう構成してもよい。
さらに、試料５に入射した測定光Ｂ１は、試料５を通過し、試料５の裏面側（測定光Ｂ１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、前記ミラー１８、前記１／４波長板１７を通過して前記ＰＢＳ１４へ戻る。
ここで、測定光Ｂ１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ＰＢＳ１４に反射して前記偏波Ｂ２（参照光）とともに前記偏光板１９に向かう。
前記偏光板１９では、測定光Ｂ１と、これと光周波数が異なる参照光Ｂ２とが干渉し、その干渉光Ｂ１＋Ｂ２の光強度が光検出器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、信号処理装置２１に入力及び記憶され、この信号処理装置２１において測定光Ｂ１の位相変化の演算処理（光干渉法による位相変化の測定）がなされる。
このように、光熱変換測定装置Ｘ１は、試料５に照射されこれを透過した測定光Ｂ１と、参照光Ｂ２とを前記偏光板１９の方向へ光学系機器により導き、前記偏光板１９により測定光Ｂ１と参照光Ｂ２の干渉光を形成させ、その干渉光強度を前記光検出器２０で検出することによって光干渉法により測定光Ｂ１を検出する各機器を備える（測定光検出手段及び光干渉手段の一例）。
ここで、試料５は、石英ガラス等の透明容器であるセル１５に収容されており、場合によっては、セル１５内に所定の溶媒に測定対象物質が溶解された液体試料として収容されている。従って、測定光Ｂ１及び励起光Ｂ３ａ、Ｂ３ｂは、測定対象物質に照射されるとともに、それ以外の測定の外乱要因となる物質（セル１５や場合によっては溶媒）も通過（透過）することになる。
【００１４】
前述したように、本光熱変換測定装置Ｘ１を用いた測定では、切替型光フィルタ部Ｚにより、試料５には相互に分光強度分布が異なる２種類のパス後励起光Ｂ３ａ、Ｂ３ｂが周期的に切り替えられて照射される。
そして、前記信号処理装置２１は、光検出器２０から取得した干渉光強度の信号（測定光Ｂ１の検出信号の一例）から、切替型光フィルタ部Ｚによる光フィルタ部２ａ、２ｂの切り替え周期と同周期成分を抽出し（同周期成分抽出手段の一例）、その抽出信号に基づいて、試料５の光熱効果により生じる特性変化（屈折率変化）を測定する。この信号処理装置２１における信号の抽出処理を、以下、同周期成分抽出処理という。この同周期成分抽出処理は、例えば、ＦＭ復調処理等である。
ここで、信号処理装置２１で取得される干渉光強度Ｓ１は、次の（１）式で表される。
Ｓ１＝Ｃ１＋Ｃ２・ｃｏｓ（２π・ｆb・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は測定光Ｂ１と参照光Ｂ２との光路長差による位相差、ｆbは測定光Ｂ１と参照光Ｂ２との間の周波数差である。（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。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。
ところで、パス後励起光Ｂ３ａ及びＢ３ｂ各々を照射時の干渉光の振幅（強度変化）を各々Ｋａ、Ｋｂとすると、測定光Ｂ１と参照光Ｂ２との光路長差による位相差φは、励起光Ｂ３ａによる状態変化と、励起光Ｂ３ｂによる状態変化との重ね合わせを表す次の（２）式で表される。
φ＝Ｋａ・ｓｉｎ（ωｔ）−Ｋｂ・ｓｉｎ（ωｔ） …（２）
【００１５】
ここで、試料５が、所定の測定対象物質が溶媒に溶かされた液体試料である場合を考える。
この場合、光熱変換測定装置Ｘ１により測定対象物質を含まない前記溶媒のみを試料として測定したときに、信号処理装置２１の前記同周期成分抽出処理により抽出される両信号（２つの光フィルタ部２ａ、２ｂ各々に対応する信号）の振幅Ｋａ、Ｋｂがほぼ同一（Ｋａ≒Ｋｂ）となるように、切替型光フィルタ部Ｚにおける２つの光フィルタ部２ａ、２ｂのフィルタ特性を予め設定しておく。即ち、一方の光フィルタ部２ａによりフィルタリングした後の励起光Ｂ３ａを照射したときの溶媒の吸熱量と、他方の光フィルタ部２ｂによりフィルタリングした後の励起光Ｂ３ｂを照射したときの溶媒の吸熱量とが、ほぼ等しくなるように２つの光フィルタ部２ａ、２ｂのフィルタ特性を予め設定しておく。
これにより、φ≒０とすることができる。そうすると、測定対象物質が溶かされた液体試料５が存在する状態においては、Ｋａ＞Ｋｂ若しくはＫａ＜Ｋｂとなるため、液体試料５の励起状態の変化に起因する位相差信号が検出されることになる。
同様に、試料５が固体試料である場合、光熱変換測定装置Ｘ１により、その固体試料が存在しない状態で測定したときに、信号処理装置２１の前記同周期成分抽出処理により抽出される両信号（２つの光フィルタ部２ａ、２ｂ各々に対応する信号）の振幅Ｋａ、Ｋｂがほぼ同一（Ｋａ≒Ｋｂ）となるように、切替型光フィルタ部Ｚにおける２つの光フィルタ部２ａ、２ｂのフィルタ特性を予め設定しておけばよい。
このように、分光強度分布が異なる２種類のパス後励起光Ｂ３ａ、Ｂ３ｂを周期的に切り替えて試料５に照射し、測定信号について、励起光の切り替え周囲と同周期成分を抽出することにより、測定対象物質以外の外乱物質（セル１５や溶媒等）の発熱の影響を除去でき、Ｓ／Ｎ比が向上する。さらに、励起光の切り替え周波数の成分を有しないノイズの影響が除去されるため、さらにＳ／Ｎ比が向上する。
【００１６】
また、当該光熱変換測定装置Ｘ１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ことが考えられる。この場合、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ことができる。例えば、そのような含有物の量の特定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Ｂ１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、測定光Ｂ１と参照光Ｂ２との位相の相対評価（位相差）によって測定できる。その結果、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。
また、光熱変換測定装置Ｘ１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Ｂ１を反射させることにより、試料５に往復通過させた後の測定光Ｂ１に参照光Ｂ２を干渉させて光干渉測定を行うため、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。
【００１７】
以上示した実施形態では、光フィルタを切り替える構成として、複数種類の光フィルタが形成された部材である回転フィルタ２を回転駆動させる構成を示したが、これに限るものではない。
例えば、液晶パネルにおける複数の異なる領域（以下、フィルタ領域という）各々に、光フィルタ特性（分光透過特性）が異なるフィルタが配置された液晶フィルタを用いることも考えられる。
この場合、複数に分岐された前記元励起光Ｂ３の各経路に、液晶パネルの前記フィルタ領域を配置し、液晶パネルが各フィルタの配置領域を順次１つずつ光を遮断する状態から光を透過させる状態へ周期的に切り替わるように、この液晶パネルを所定の制御手段で制御することにより、複数種類のフィルタ特性を所定周期で切り替えるよう構成すればよい（切替型光フィルタ手段の一例）。
このような構成によっても、光フィルタの切り替えを実現できる。
また、図１に示した回転フィルタ２は、円盤状（板状）の部材のほぼ全面に渡って複数種類の光フィルタ部２ａ、２ｂが１つずつ形成されたものであった。しかしながら、これに限るものでなく、例えば、図４（ａ）に示すように、円盤状の部材の面の一部の領域に複数種類の光フィルタ部２ａ、２ｂが形成された回転フィルタ２’や、図４（ｂ）に示すように、円盤状の部材の面に複数種類の光フィルタ部２ａ、２ｂが各々複数形成された回転フィルタ２”等も考えられる。なお、回転フィルタ２’及び２”において、光フィルタ部２ａ、２ｂ以外の領域は、前記元励起光Ｂ３を遮断する領域である。
【００１８】
また、図１及び図４に示した回転フィルタ２、２’、２”は、２種類のフィルタ部が設けられたものであるが、３種類以上のフィルタ部が設けられたものも考えられる。
例えば、３種類の光フィルタ部２ａ、２ｂ、２ｃが設けられた回転フィルタを使用する場合を考える。この場合、３種類の光フィルタ部各々によりフィルタリングした後の励起光Ｂ３ａを照射したときの溶媒の吸熱量各々がほぼ等しくなるように、３種類の光フィルタ部２ａ、２ｂ、２ｃのフィルタ特性を予め設定しておく。
ここで、光フィルタ部２ａを通過後の励起光Ｂ３ａのみを吸収して発熱する測定対象物質Ａａと、光フィルタ部２ｂを通過後の励起光Ｂ３ａのみを吸収して発熱する測定対象物質Ａｂと、光フィルタ部２ｃを通過後の励起光Ｂ３ａのみを吸収して発熱する測定対象物質Ａｃとが溶媒に溶解された試料５を測定したとする。
そうすると、光熱変換測定装置Ｘ１により、３種類の光フィルタ部２ａ、２ｂ、２ｃの切替周期と同期した測定光の検出信号（干渉光強度の信号）が抽出され、その抽出信号から、３種類の測定対象物質Ａａ、Ａｂ、Ａｃの含有量などを評価（同定）することができる。
【００１９】
次に、図３に示す概略図を用いて、本発明の第２実施形態に係る光熱変換測定装置Ｘ２について説明する。この光熱変換測定装置Ｘ２は、前述の光熱変換測定装置Ｘ１よりも、さらに測定感度が向上する構成を備える。なお、図３には、光熱変換測定装置Ｘ２において、試料５の両側に配置されるミラーにより測定光Ｂ１を多重反射させる部分の構成のみを示すが、図３に示す以外の部分は、前述した光熱変換測定装置Ｘ１と同じ構成を備えている。
図３に示すように、光熱変換測定装置Ｘ２は、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配置された高反射ミラー６ａ、６ｂ（前記表面側光反射手段と前記裏面側光反射手段の一例）を備えている。これにより、測定光Ｂ１は、試料５を複数回にわたって往復通過しながら、それら高反射ミラー６ａ、６ｂの間で多重反射する。なお、励起光Ｂ３ａ、Ｂ３ｂは、一方の高反射ミラー６ａの一部に設けられた開口６ａｈを通じて試料５に照射される。
さらに、光熱変換測定装置Ｘ２は、一方の高反射ミラー（図３では、測定光Ｂ１入射側の高反射ミラー６ａ）の位置（変位量）の調節を行うミラー変位機構５０と、そのミラー変位機構５の動作を制御する変位制御装置５１とを備えている。図３に示すように、ミラー変位機構５０は、高反射ミラー６ａの支持位置を測定光Ｂ１の光軸方向に変位させる。
そして、変位制御装置５１により、多重反射した測定光の位相を同期させるように２つの高反射ミラー６ａ、６ｂの間隔を微調整する。
これにより、測定光Ｂ１は、高反射ミラー６ａ、６ｂ相互間で多重反射しながら、その一部が試料５の表面側の高反射ミラー６ａを透過して前記光検出器２０の方向へ向かう。従って、前記光検出器２０には、参照光Ｂ２と試料５を多重通過した光が重畳された測定光Ｂ１との干渉光が入力されるため、より高感度での位相差の測定（即ち、屈折率変化の測定）が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
本発明は、光熱変換測定に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る光熱変換測定装置Ｘ１の概略構成図。
【図２】光熱変換測定装置Ｘ１が備える２つの光フィルタ部の特性グラフを模式的に表した図。
【図３】本発明の第２実施形態に係る光熱変換測定装置Ｘ２の構成の一部を表す概略図。
【図４】光熱変換装置Ｘ１が備える回転フィルタの構成の例を表す図。
【符号の説明】
【００２２】
Ｘ１、Ｘ２…光熱変換測定装置
Ｚ…切替型光フィルタ部
１…励起光源
２…回転フィルタ
３…モータ
４…レンズ
５…試料
６…反射ミラー
６ａ、６ｂ…高反射ミラー
７…レーザ光源
８…１／２波長板
９、１４…偏光ビームスプリッタ
１０、１１…音響光学変調機
１５…セル
１７…１／４波長板
１９…偏光板
２０…光検出器
２１…信号処理装置
５０…ミラー変位機構
５１…変位制御装置
【技術分野】
【０００１】
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に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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。一方、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。この熱レンズ法による分析装置では、試料に照射した検出光（測定光）を集光するとともにピンホールに通過させ、そのピンホールを通過後の検出光の光強度を検出することにより、励起光が照射された試料の発熱による屈折率変化を検出光の集光状態の変化として検出するものである。
【０００３】
一方、特許文献２には、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位相変化として捉え、これを光干渉法を用いて測定する技術が示されている。
これにより、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かつ高感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、特許文献１及び特許文献２には、周期的に強度変調した励起光を用い、測定光（検出光）を励起光の強度変調周期と同周期成分について測定することにより、Ｓ／Ｎ比向上を図ることが示されている。
【特許文献１】特開平１０−２３２２１０号公報
【特許文献２】特開２００４−３０１５２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、試料の吸収分光特性を評価する場合、励起光の光源として白色光源が用いられるが、一般的に、白色光源は発光部分が広いため、その光を高精度で集光して試料に照射させることが難しい。
しかしながら、特許文献１に示される前記熱レンズ法による測定では、熱レンズ効果を発生させるために励起光を高精度で集光して試料に照射させる必要があり、白色光源を用いることができない。このため、波長帯が特定されるレーザ発振器を光源として用いざるを得ず、試料の吸収分光特性を評価できないという問題点があった。
さらに、特許文献１に示される前記熱レンズ法による測定では、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があった。
また、特許文献１及び特許文献２のいずれにおいても、測定光及び励起光の光路中に、試料を収容するセルやそのセルに試料とともに収容される溶媒等、励起光によって加熱されて屈折率変化が生じる物質（以下、外乱物質という）が存在する場合、これが外乱となってＳ／Ｎ比を悪化させるという問題点があった。
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、試料中における光熱効果による特性変化を、簡易な構成により高感度かつ高精度（低ノイズ）で測定できる光熱変換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】
【０００５】
上記目的を達成するために本発明は、所定の試料に励起光を照射し、その試料の光熱効果により生じる特性変化を、その試料に照射されこれを透過した測定光に基づいて測定するために用いる光熱変換測定装置に適用されるものであり、以下の（１）〜（３）の構成要素を具備するものである。
（１）前記励起光を出力する光源から前記試料に到達するまでの前記励起光の経路に、フィルタ特性が異なる複数種類の光フィルタを所定周期で順次切り替えて位置させる切替型光フィルタ手段。
（２）前記励起光により励起された前記試料を透過した前記測定光を検出する測定光検出手段。
（３）前記測定光検出手段の検出信号から前記切替型光フィルタ手段による光フィルタの切替周期と同周期成分を抽出する同周期成分抽出手段。
ここで、前記切替型光フィルタにより、前記励起光の経路に位置する光フィルタの切り替えが行われると、前記試料に照射される前記励起光の分光強度分布が周期的に切り替わることになる。
また、同周期成分抽出手段により得られる抽出信号は、前記試料の光熱効果により生じる特性変化を表す信号となる。
【０００６】
以上に示した構成を備える光熱変換測定装置において、光フィルタの切り替えによって分光強度分布の異なる複数種類の前記励起光が照射されたときに、その各々の照射状態において、概ね、測定対象とする物質（以下、測定対象物質という）以外の前記外乱物質の光の吸収量に差が生じないように、複数種類の光フィルタのフィルタ特性を予め設定しておく。
例えば、前記試料が、所定の測定対象物質が溶媒に溶かされた液体試料である場合、当該光熱変換測定装置によりその溶媒のみを前記試料として測定したときに、前記同周期成分抽出手段により抽出される前記複数種類の光フィルタ各々に対応する信号相互の状態（信号の位相、或いは強度等）がほぼ同一となるように、前記切替型光フィルタ手段における前記複数種類の光フィルタのフィルタ特性が予め設定されているものとする。
そうすると、試料に照射される前記励起光の分光強度分布の変化に応じて、同周期成分抽出手段により得られる信号が変化するが、この信号の変化は、概ね、前記励起光の波長分布の違いによって生じる前記測定対象物質の光熱効果の変化のみに起因するものとなる。このため、前記外乱物質の温度変化に起因する励起光測定信号のダイナミックレンジ（測定範囲）の飽和をほとんど考慮せずに、信号処理系の測定感度（検出感度）を上げること（増幅ゲインを上げる等）ができる。その結果、前記測定光の検出の際に、前記外乱物質の温度変化（屈折率変化）によるＳ／Ｎ比の悪化を招くことを防止できる。
しかも、フィルタ特性が異なる複数種類の光フィルタを設けるだけで、比較的消費電力が大きい励起光の光源を複数設ける必要がなく、装置の消費電力低減につながる。
【０００７】
ここで、前記切替型光フィルタ手段の具体的な構成の例としては、各々異なる領域に各々異なるフィルタ特性を有する複数種類の光フィルタが形成されたフィルタ部材と、そのフィルタ部材を回転駆動することにより前記励起光の経路に位置する前記光フィルタを所定周期で切り替えるフィルタ部材駆動手段とを備えたものが考えられる。これにより、前記切替型光フィルタ手段をごく簡易な構成で実現できる。
また、前記切替型光フィルタ手段の他の具体的構成例としては、前記励起光の経路に配置され、複数種類のフィルタ特性を所定周期で切り替える液晶フィルタにより構成されるものも考えられる。
また、前記測定光検出手段としては、特許文献２に示されるように、前記試料を透過した前記測定光に所定の参照光を干渉させその干渉光の強度を検出する光干渉手段を具備するものであればなお好適である。
このように、試料の光熱効果による屈折率変化を、前記測定光の位相変化として捉えて光干渉法（相対的な光学手法）により検出することにより、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かつ高感度で試料を分析することが可能となる。
また、前記測定光検出手段が、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備え、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透過した後の前記測定光を検出するものであれば好適である。
これにより、前記試料のわずかな屈折率変化でも、測定信号の状態が大きく変化することになり、前記試料の光熱効果により生じる特性変化（屈折率変化）を、高精度かつ高感度で測定することが可能となる。しかも、そのような高感度の測定をごく簡易な構成により実現できる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、励起光の光路上における光フィルタを周期的に切り替えることにより、それぞれ分光強度分布が異なる複数種類の励起光が周期的に切り替えられて試料に照射され、その切替周期と同期した測定光の検出信号が抽出される。このため、複数種類の光フィルタ各々のフィルタ特性を予め適切に設定しておくことにより、励起光による前記外乱物質の温度変化に起因する検出信号の変化が除去される。その結果、前記外乱物質の温度変化（屈折率変化）によるＳ／Ｎ比の悪化を招くことを防止でき、測定対象物質の光熱効果による特性変化を、簡易な構成により高感度かつ高精度（低ノイズ）で測定できる。
また、前記測定光の検出を、前記試料を透過した前記測定光に所定の参照光を干渉させその干渉光の強度を検出する光干渉法に基づき行えば、相対的な光学手法により測定光が検出されるので、安定的に、高精度かつ高感度で試料を分析することが可能となる。
また、前記測定光を試料の両側で多重反射させ、前記試料を複数回透過した後の前記測定光を検出することにより、試料のわずかな屈折率変化でも前記測定光の状態が大きく変化することになる。その結果、前記試料の光熱効果により生じる特性変化（屈折率変化）を、高精度かつ高感度で測定することが可能となる。しかも、そのような高感度の測定をごく簡易な構成により実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明し、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は本発明の第１実施形態に係る光熱変換測定装置Ｘ１の概略構成図、図２は光熱変換測定装置Ｘ１が備える２つの光フィルタ部の特性グラフを模式的に表した図、図３は本発明の第２実施形態に係る光熱変換測定装置Ｘ２の構成の一部を表す概略図、図４は光熱変換装置Ｘ１が備える回転フィルタの構成の例を表す図である。
【００１０】
本発明の実施形態に係る光熱変換測定装置Ｘ１、Ｘ２は、所定の試料に励起光を照射し、その試料の光熱効果により生じる特性変化を、同じくその試料の励起部に照射されこれを透過した測定光に基づいて測定するために用いる測定装置である。
＜第１実施形態＞
まず、図１に示す概略構成図を用いて、本発明の第１実施形態に係る光熱変換測定装置Ｘ１について説明する。
光熱変換測定装置Ｘ１は、励起光源１と、回転フィルタ２及びモータ３を備えた切替型光フィルタ部Ｚとを備え、この切替型光フィルタ部Ｚから順次切り替えて出力される２種類の励起光Ｂ３ａ、Ｂ３ｂが試料５に照射される。以下、便宜上、回転フィルタ２を通過する前の励起光Ｂ３を元励起光、回転フィルタ２を通過後の２種類の励起光Ｂ３ａ、Ｂ３ｂをパス後励起光と称する。
ここで、励起光源１は、ほぼ白色光に相当する分光強度分布を有するビーム状の元励起光Ｂ３を出力する光源であり、例えば、ハロゲンランプ等の白色光源により構成されている。
【００１１】
また、切替型光フィルタ部Ｚを構成する回転フィルタ２は、励起光源１から試料５に到達するまでの励起光の経路（即ち、元励起光Ｂ３の経路）に配置され、各々異なる領域に各々異なるフィルタ特性を有する２つの光フィルタ部２ａ、２ｂが形成された部材（フィルタ部材の一例）である。
この光フィルタ部２ａ、２ｂは、例えば、ラス材に着色イオンや金属元素、化合物等が添加されることによって着色された色ガラスフィルタにより構成されたものが考えられる。この場合、添加物質の量や混合比によって分光特性（光フィルタ特性）を調整できる。
その他、光フィルタ部２ａ、２ｂが、屈折率の異なる誘電体が積層された干渉フィルタにより構成されたものも考えられる。この場合、誘電体の屈折率や層厚（膜厚）を調整することによって分光特性を調整できる。
図２は、２つの光フィルタ部２ａ、２ｂのフィルタ特性（分光透過特性）を表すグラフを模式的に示したものである。グラフの横軸は透過する光の波長を表し、縦軸は各波長の光の透過率を表す。このように、２つの光フィルタ部２ａ、２ｂのフィルタ特性が異なることにより、一方の光フィルタ部２ａを通過後のパス後励起光Ｂ３ａと、他方の光フィルタ部２ｂを通過後のパス後励起光Ｂ３ｂとは、各々分光強度分布が異なる。
図１に示す回転フィルタ２は、円盤状（円形の板状）に形成され、その中心が回転中心２ｏとなっており、その回転中心２ｏを通る線を中心線として左右両側に、一方の光フィルタ部２と他方の光フィルタ部２ａとが各々形成されている。ここで、回転フィルタ２は、その回転中心２ｏが、励起光源１から出力される励起光Ｂ３の光路から所定間隔を隔てた位置となるように配置されている。そして、回転フィルタ２が回転中心２ｏを軸として回転することにより、光フィルタ部２ａ、２ｂのいずれが元励起光Ｂ３の経路（光路）に位置するかが切り替わる。
モータ３は、回転フィルタ２の回転中心２ｏに設けられた回転軸に連結されており、回転フィルタ２を回転中心２ｏの回りに一定速度で回転駆動する（フィルタ部材駆動手段の一例）。
このように、切替型光フィルタ部Ｚは、モータ３によって回転フィルタ２を回転駆動することにより、励起光源１から出力される励起光Ｂ３の経路に、２つの光フィルタ部２ａ、２ｂのいずれを位置させるかを所定周期で切り替えるものである。
回転フィルタ２を通過したパス後励起光Ｂ３ａ、Ｂ３ｂは、ミラー１８によって反射され、さらにレンズ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。
また、切替型光フィルタ部Ｚの作用により、試料５に照射される励起光は、その分光強度分布が周期的に切り替わることになる。
【００１２】
さらに、光熱変換測定装置Ｘ１は、レーザ光源７、各種光学機器、光検出器２０及び信号処理装置２１等も備えている。ここで、信号処理装置２１は、例えば光強度信号の入力インターフェースを備えた計算機により構成され、そのプロセッサが、その記憶部に予め記憶された所定のプログラムを実行することにより後述する各種の処理を行う。
レーザ光源７は、試料５の屈折率変化を測定するための測定光と、これに干渉させる参照光との両方の光源として兼用されるものである。
このレーザ光源７（例えば、出力１mWのＨｅ−Ｎｅレーザ））から出力されたレーザ光は、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９（以下、ＰＢＳという）によって互いに直交する２偏波（Ｂ１、Ｂ２）に分光される。以降、その一方Ｂ１が測定光として、他方Ｂ２が参照光として機能する。
各偏波Ｂ１、Ｂ２は、音響光学変調機（ＡＯＭ）１０、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で反射されてＰＢＳ１４に導かれる。これら直交する２偏波Ｂ１、Ｂ２の周波数差ｆbは、例えば、３０MHz等とする。
【００１３】
参照光となる前記偏波Ｂ１は、ＰＢＳ１４を通過（透過）して偏光板１９に向かう。
これに対し、測定光となる他方の前記偏波Ｂ１は、ＰＢＳ１４を透過し、１／４波長板１７、ミラー１８及び前記レンズ４を通過して、試料５における前記励起光Ｂ３ａ、Ｂ３ｂの照射部（即ち、励起部）に、その励起光Ｂ３ａ、Ｂ３ｂとほぼ同方向から照射されるよう構成されている。
なお、図１に示す例に限らず、励起光Ｂ３ａ、Ｂ３ｂ及び測定光Ｂ１を各々異なる方向から試料５に照射し、試料５中において、励起光Ｂ３ａ、Ｂ３ｂと測定光Ｂ１とが比較的大きな角度で交差するよう構成してもよい。
さらに、試料５に入射した測定光Ｂ１は、試料５を通過し、試料５の裏面側（測定光Ｂ１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、前記ミラー１８、前記１／４波長板１７を通過して前記ＰＢＳ１４へ戻る。
ここで、測定光Ｂ１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ＰＢＳ１４に反射して前記偏波Ｂ２（参照光）とともに前記偏光板１９に向かう。
前記偏光板１９では、測定光Ｂ１と、これと光周波数が異なる参照光Ｂ２とが干渉し、その干渉光Ｂ１＋Ｂ２の光強度が光検出器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、信号処理装置２１に入力及び記憶され、この信号処理装置２１において測定光Ｂ１の位相変化の演算処理（光干渉法による位相変化の測定）がなされる。
このように、光熱変換測定装置Ｘ１は、試料５に照射されこれを透過した測定光Ｂ１と、参照光Ｂ２とを前記偏光板１９の方向へ光学系機器により導き、前記偏光板１９により測定光Ｂ１と参照光Ｂ２の干渉光を形成させ、その干渉光強度を前記光検出器２０で検出することによって光干渉法により測定光Ｂ１を検出する各機器を備える（測定光検出手段及び光干渉手段の一例）。
ここで、試料５は、石英ガラス等の透明容器であるセル１５に収容されており、場合によっては、セル１５内に所定の溶媒に測定対象物質が溶解された液体試料として収容されている。従って、測定光Ｂ１及び励起光Ｂ３ａ、Ｂ３ｂは、測定対象物質に照射されるとともに、それ以外の測定の外乱要因となる物質（セル１５や場合によっては溶媒）も通過（透過）することになる。
【００１４】
前述したように、本光熱変換測定装置Ｘ１を用いた測定では、切替型光フィルタ部Ｚにより、試料５には相互に分光強度分布が異なる２種類のパス後励起光Ｂ３ａ、Ｂ３ｂが周期的に切り替えられて照射される。
そして、前記信号処理装置２１は、光検出器２０から取得した干渉光強度の信号（測定光Ｂ１の検出信号の一例）から、切替型光フィルタ部Ｚによる光フィルタ部２ａ、２ｂの切り替え周期と同周期成分を抽出し（同周期成分抽出手段の一例）、その抽出信号に基づいて、試料５の光熱効果により生じる特性変化（屈折率変化）を測定する。この信号処理装置２１における信号の抽出処理を、以下、同周期成分抽出処理という。この同周期成分抽出処理は、例えば、ＦＭ復調処理等である。
ここで、信号処理装置２１で取得される干渉光強度Ｓ１は、次の（１）式で表される。
Ｓ１＝Ｃ１＋Ｃ２・ｃｏｓ（２π・ｆb・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は測定光Ｂ１と参照光Ｂ２との光路長差による位相差、ｆbは測定光Ｂ１と参照光Ｂ２との間の周波数差である。（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。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。
ところで、パス後励起光Ｂ３ａ及びＢ３ｂ各々を照射時の干渉光の振幅（強度変化）を各々Ｋａ、Ｋｂとすると、測定光Ｂ１と参照光Ｂ２との光路長差による位相差φは、励起光Ｂ３ａによる状態変化と、励起光Ｂ３ｂによる状態変化との重ね合わせを表す次の（２）式で表される。
φ＝Ｋａ・ｓｉｎ（ωｔ）−Ｋｂ・ｓｉｎ（ωｔ） …（２）
【００１５】
ここで、試料５が、所定の測定対象物質が溶媒に溶かされた液体試料である場合を考える。
この場合、光熱変換測定装置Ｘ１により測定対象物質を含まない前記溶媒のみを試料として測定したときに、信号処理装置２１の前記同周期成分抽出処理により抽出される両信号（２つの光フィルタ部２ａ、２ｂ各々に対応する信号）の振幅Ｋａ、Ｋｂがほぼ同一（Ｋａ≒Ｋｂ）となるように、切替型光フィルタ部Ｚにおける２つの光フィルタ部２ａ、２ｂのフィルタ特性を予め設定しておく。即ち、一方の光フィルタ部２ａによりフィルタリングした後の励起光Ｂ３ａを照射したときの溶媒の吸熱量と、他方の光フィルタ部２ｂによりフィルタリングした後の励起光Ｂ３ｂを照射したときの溶媒の吸熱量とが、ほぼ等しくなるように２つの光フィルタ部２ａ、２ｂのフィルタ特性を予め設定しておく。
これにより、φ≒０とすることができる。そうすると、測定対象物質が溶かされた液体試料５が存在する状態においては、Ｋａ＞Ｋｂ若しくはＫａ＜Ｋｂとなるため、液体試料５の励起状態の変化に起因する位相差信号が検出されることになる。
同様に、試料５が固体試料である場合、光熱変換測定装置Ｘ１により、その固体試料が存在しない状態で測定したときに、信号処理装置２１の前記同周期成分抽出処理により抽出される両信号（２つの光フィルタ部２ａ、２ｂ各々に対応する信号）の振幅Ｋａ、Ｋｂがほぼ同一（Ｋａ≒Ｋｂ）となるように、切替型光フィルタ部Ｚにおける２つの光フィルタ部２ａ、２ｂのフィルタ特性を予め設定しておけばよい。
このように、分光強度分布が異なる２種類のパス後励起光Ｂ３ａ、Ｂ３ｂを周期的に切り替えて試料５に照射し、測定信号について、励起光の切り替え周囲と同周期成分を抽出することにより、測定対象物質以外の外乱物質（セル１５や溶媒等）の発熱の影響を除去でき、Ｓ／Ｎ比が向上する。さらに、励起光の切り替え周波数の成分を有しないノイズの影響が除去されるため、さらにＳ／Ｎ比が向上する。
【００１６】
また、当該光熱変換測定装置Ｘ１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ことが考えられる。この場合、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ことができる。例えば、そのような含有物の量の特定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Ｂ１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、測定光Ｂ１と参照光Ｂ２との位相の相対評価（位相差）によって測定できる。その結果、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。
また、光熱変換測定装置Ｘ１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Ｂ１を反射させることにより、試料５に往復通過させた後の測定光Ｂ１に参照光Ｂ２を干渉させて光干渉測定を行うため、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。
【００１７】
以上示した実施形態では、光フィルタを切り替える構成として、複数種類の光フィルタが形成された部材である回転フィルタ２を回転駆動させる構成を示したが、これに限るものではない。
例えば、液晶パネルにおける複数の異なる領域（以下、フィルタ領域という）各々に、光フィルタ特性（分光透過特性）が異なるフィルタが配置された液晶フィルタを用いることも考えられる。
この場合、複数に分岐された前記元励起光Ｂ３の各経路に、液晶パネルの前記フィルタ領域を配置し、液晶パネルが各フィルタの配置領域を順次１つずつ光を遮断する状態から光を透過させる状態へ周期的に切り替わるように、この液晶パネルを所定の制御手段で制御することにより、複数種類のフィルタ特性を所定周期で切り替えるよう構成すればよい（切替型光フィルタ手段の一例）。
このような構成によっても、光フィルタの切り替えを実現できる。
また、図１に示した回転フィルタ２は、円盤状（板状）の部材のほぼ全面に渡って複数種類の光フィルタ部２ａ、２ｂが１つずつ形成されたものであった。しかしながら、これに限るものでなく、例えば、図４（ａ）に示すように、円盤状の部材の面の一部の領域に複数種類の光フィルタ部２ａ、２ｂが形成された回転フィルタ２’や、図４（ｂ）に示すように、円盤状の部材の面に複数種類の光フィルタ部２ａ、２ｂが各々複数形成された回転フィルタ２”等も考えられる。なお、回転フィルタ２’及び２”において、光フィルタ部２ａ、２ｂ以外の領域は、前記元励起光Ｂ３を遮断する領域である。
【００１８】
また、図１及び図４に示した回転フィルタ２、２’、２”は、２種類のフィルタ部が設けられたものであるが、３種類以上のフィルタ部が設けられたものも考えられる。
例えば、３種類の光フィルタ部２ａ、２ｂ、２ｃが設けられた回転フィルタを使用する場合を考える。この場合、３種類の光フィルタ部各々によりフィルタリングした後の励起光Ｂ３ａを照射したときの溶媒の吸熱量各々がほぼ等しくなるように、３種類の光フィルタ部２ａ、２ｂ、２ｃのフィルタ特性を予め設定しておく。
ここで、光フィルタ部２ａを通過後の励起光Ｂ３ａのみを吸収して発熱する測定対象物質Ａａと、光フィルタ部２ｂを通過後の励起光Ｂ３ａのみを吸収して発熱する測定対象物質Ａｂと、光フィルタ部２ｃを通過後の励起光Ｂ３ａのみを吸収して発熱する測定対象物質Ａｃとが溶媒に溶解された試料５を測定したとする。
そうすると、光熱変換測定装置Ｘ１により、３種類の光フィルタ部２ａ、２ｂ、２ｃの切替周期と同期した測定光の検出信号（干渉光強度の信号）が抽出され、その抽出信号から、３種類の測定対象物質Ａａ、Ａｂ、Ａｃの含有量などを評価（同定）することができる。
【００１９】
次に、図３に示す概略図を用いて、本発明の第２実施形態に係る光熱変換測定装置Ｘ２について説明する。この光熱変換測定装置Ｘ２は、前述の光熱変換測定装置Ｘ１よりも、さらに測定感度が向上する構成を備える。なお、図３には、光熱変換測定装置Ｘ２において、試料５の両側に配置されるミラーにより測定光Ｂ１を多重反射させる部分の構成のみを示すが、図３に示す以外の部分は、前述した光熱変換測定装置Ｘ１と同じ構成を備えている。
図３に示すように、光熱変換測定装置Ｘ２は、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配置された高反射ミラー６ａ、６ｂ（前記表面側光反射手段と前記裏面側光反射手段の一例）を備えている。これにより、測定光Ｂ１は、試料５を複数回にわたって往復通過しながら、それら高反射ミラー６ａ、６ｂの間で多重反射する。なお、励起光Ｂ３ａ、Ｂ３ｂは、一方の高反射ミラー６ａの一部に設けられた開口６ａｈを通じて試料５に照射される。
さらに、光熱変換測定装置Ｘ２は、一方の高反射ミラー（図３では、測定光Ｂ１入射側の高反射ミラー６ａ）の位置（変位量）の調節を行うミラー変位機構５０と、そのミラー変位機構５の動作を制御する変位制御装置５１とを備えている。図３に示すように、ミラー変位機構５０は、高反射ミラー６ａの支持位置を測定光Ｂ１の光軸方向に変位させる。
そして、変位制御装置５１により、多重反射した測定光の位相を同期させるように２つの高反射ミラー６ａ、６ｂの間隔を微調整する。
これにより、測定光Ｂ１は、高反射ミラー６ａ、６ｂ相互間で多重反射しながら、その一部が試料５の表面側の高反射ミラー６ａを透過して前記光検出器２０の方向へ向かう。従って、前記光検出器２０には、参照光Ｂ２と試料５を多重通過した光が重畳された測定光Ｂ１との干渉光が入力されるため、より高感度での位相差の測定（即ち、屈折率変化の測定）が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
本発明は、光熱変換測定に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る光熱変換測定装置Ｘ１の概略構成図。
【図２】光熱変換測定装置Ｘ１が備える２つの光フィルタ部の特性グラフを模式的に表した図。
【図３】本発明の第２実施形態に係る光熱変換測定装置Ｘ２の構成の一部を表す概略図。
【図４】光熱変換装置Ｘ１が備える回転フィルタの構成の例を表す図。
【符号の説明】
【００２２】
Ｘ１、Ｘ２…光熱変換測定装置
Ｚ…切替型光フィルタ部
１…励起光源
２…回転フィルタ
３…モータ
４…レンズ
５…試料
６…反射ミラー
６ａ、６ｂ…高反射ミラー
７…レーザ光源
８…１／２波長板
９、１４…偏光ビームスプリッタ
１０、１１…音響光学変調機
１５…セル
１７…１／４波長板
１９…偏光板
２０…光検出器
２１…信号処理装置
５０…ミラー変位機構
５１…変位制御装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の試料に励起光を照射し、該試料の光熱効果により生じる特性変化を、該試料に照射されこれを透過した測定光に基づいて測定するために用いる光熱変換測定装置であって、
前記励起光を出力する光源から前記試料に到達するまでの前記励起光の経路に光フィルタ特性が異なる複数種類の光フィルタを所定周期で順次切り替えて位置させる切替型光フィルタ手段と、
前記励起光により励起された前記試料を透過した前記測定光を検出する測定光検出手段と、
前記測定光検出手段の検出信号から前記切替型光フィルタ手段による光フィルタの切替周期と同周期成分を抽出する同周期成分抽出手段と、
を具備してなることを特徴とする光熱変換測定装置。
【請求項２】
前記試料が、所定の測定対象物質が溶媒に溶かされた液体試料である場合に、
当該光熱変換測定装置により前記溶媒のみを前記試料として測定したときに、前記同周期成分抽出手段により抽出される前記複数種類の光フィルタ各々に対応する信号相互の状態が略同一となるように、前記切替型光フィルタ手段における前記複数種類の光フィルタのフィルタ特性が予め設定されているものである請求項１に記載の光熱変換測定装置。
【請求項３】
前記切替型光フィルタ手段が、
各々異なる領域に各々異なるフィルタ特性を有する複数種類の光フィルタが形成されたフィルタ部材と、
前記フィルタ部材を回転駆動することにより前記励起光の経路に位置する前記光フィルタを所定周期で切り替えるフィルタ部材駆動手段と、
を具備してなる請求項１又は２のいずれかに記載の光熱変換測定装置。
【請求項４】
前記切替型光フィルタ手段が、
前記励起光の経路に配置され複数種類のフィルタ特性を所定周期で切り替える液晶フィルタを具備してなる請求項１又は２のいずれかに記載の光熱変換測定装置。
【請求項５】
前記測定光検出手段が、
前記試料を透過した前記測定光に所定の参照光を干渉させその干渉光の強度を検出する光干渉手段を具備してなる請求項１〜４のいずれかに記載の光熱変換測定装置。
【請求項６】
前記測定光検出手段が、
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、を備え、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透過した後の前記測定光を検出するものである請求項１〜５のいずれかに記載の光熱変換測定装置。
【請求項１】
所定の試料に励起光を照射し、該試料の光熱効果により生じる特性変化を、該試料に照射されこれを透過した測定光に基づいて測定するために用いる光熱変換測定装置であって、
前記励起光を出力する光源から前記試料に到達するまでの前記励起光の経路に光フィルタ特性が異なる複数種類の光フィルタを所定周期で順次切り替えて位置させる切替型光フィルタ手段と、
前記励起光により励起された前記試料を透過した前記測定光を検出する測定光検出手段と、
前記測定光検出手段の検出信号から前記切替型光フィルタ手段による光フィルタの切替周期と同周期成分を抽出する同周期成分抽出手段と、
を具備してなることを特徴とする光熱変換測定装置。
【請求項２】
前記試料が、所定の測定対象物質が溶媒に溶かされた液体試料である場合に、
当該光熱変換測定装置により前記溶媒のみを前記試料として測定したときに、前記同周期成分抽出手段により抽出される前記複数種類の光フィルタ各々に対応する信号相互の状態が略同一となるように、前記切替型光フィルタ手段における前記複数種類の光フィルタのフィルタ特性が予め設定されているものである請求項１に記載の光熱変換測定装置。
【請求項３】
前記切替型光フィルタ手段が、
各々異なる領域に各々異なるフィルタ特性を有する複数種類の光フィルタが形成されたフィルタ部材と、
前記フィルタ部材を回転駆動することにより前記励起光の経路に位置する前記光フィルタを所定周期で切り替えるフィルタ部材駆動手段と、
を具備してなる請求項１又は２のいずれかに記載の光熱変換測定装置。
【請求項４】
前記切替型光フィルタ手段が、
前記励起光の経路に配置され複数種類のフィルタ特性を所定周期で切り替える液晶フィルタを具備してなる請求項１又は２のいずれかに記載の光熱変換測定装置。
【請求項５】
前記測定光検出手段が、
前記試料を透過した前記測定光に所定の参照光を干渉させその干渉光の強度を検出する光干渉手段を具備してなる請求項１〜４のいずれかに記載の光熱変換測定装置。
【請求項６】
前記測定光検出手段が、
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、を備え、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透過した後の前記測定光を検出するものである請求項１〜５のいずれかに記載の光熱変換測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００７−２２５５５９（Ｐ２００７−２２５５５９Ａ）
【公開日】平成１９年９月６日（２００７．９．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−４９９７４（Ｐ２００６−４９９７４）
【出願日】平成１８年２月２７日（２００６．２．２７）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１５，１６年度，経済産業省，新エネルギー・産業技術総合開発機構「先進ナノバイオデバイスプロジェクト」委託研究，産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年９月６日（２００７．９．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年２月２７日（２００６．２．２７）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１５，１６年度，経済産業省，新エネルギー・産業技術総合開発機構「先進ナノバイオデバイスプロジェクト」委託研究，産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
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