特開 2023-122334 光学測定システム、及び光学測定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023122334

(43)【公開日】2023-09-01

(54)【発明の名称】光学測定システム、及び光学測定方法

(51)【国際特許分類】

   G01J 4/04 20060101AFI20230825BHJP

【ＦＩ】

G01J4/04 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022025984

(22)【出願日】2022-02-22

【新規性喪失の例外の表示】新規性喪失の例外適用申請有り

【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）令和２年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、戦略的創造研究推進事業チーム型研究（ＣＲＥＳＴ）、研究領域「独創的原理に基づく革新的光科学技術の創成」における、研究課題「円偏光発光材料の開発に向けた革新的基盤技術の創成」に関する研究題目「革新的円偏光発光デバイスの創成」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】504203572

【氏名又は名称】国立大学法人茨城大学

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】西川 浩之

(72)【発明者】

【氏名】金坂 青葉

(72)【発明者】

【氏名】田内 大喜

(57)【要約】

【課題】電場ベクトルが互いに逆方向に回転する左円偏光と右円偏光の同時測定を、簡単な構成で、高感度かつ正確に行う。
【解決手段】光学測定システムは、円偏光を測定する光学系と、前記光学系を制御する制御系と、を備え、前記光学系は、空間的に分離された２つの光路で互いに逆方向の左円偏光と右円偏光を同時に測定し、前記制御系は、前記左円偏光と前記右円偏光の測定結果を補正関数で補正して出力し、前記補正関数は、無偏光の光を用いて前記２つの光路で測定された基準値に基づいて前記２つの光路の間の特性ばらつきを補償する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

円偏光を測定する光学系と、
前記光学系を制御する制御系と、
を備え、
前記光学系は、空間的に分離された２つの光路で互いに逆方向の左円偏光と右円偏光を同時に測定し、
前記制御系は、前記左円偏光と前記右円偏光の測定結果を補正関数で補正して出力し、
前記補正関数は、無偏光の光を用いて前記２つの光路で測定された基準値に基づいて前記２つの光路の間の特性ばらつきを補償する、
光学測定システム。

【請求項2】

前記光学系は、偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタの一方の出力側で前記左円偏光の成分を検出する第１検出デバイスと、前記偏光ビームスプリッタの他方の出力側で前記右円偏光の成分を検出する第２検出デバイスと、を含み、
前記補正関数は、前記偏光ビームスプリッタの透過率及び反射率の波長依存性の相違と、前記第１検出デバイスと前記第２検出デバイスの特性ばらつきとを補償する、
請求項１に記載の光学測定システム。

【請求項3】

前記第１検出デバイスは、複数波長で前記左円偏光のスペクトルを検出する第１のマルチチャネル分光器であり、
前記第２検出デバイスは、前記複数波長で前記右円偏光のスペクトルを検出する第２のマルチチャネル分光器であり、
前記補正関数は、前記第１のマルチチャネル分光器と前記第２のマルチチャネル分光器の装置特性のばらつきを補償する、
請求項２に記載の光学測定システム。

【請求項4】

前記制御系は、情報処理装置と、前記情報処理装置に接続されたファンクションジェネレータと、を含み、
前記情報処理装置は、前記第１検出デバイスと前記第２検出デバイスで同時測定を行わせるコマンド信号を前記ファンクションジェネレータに出力し、
前記ファンクションジェネレータは、前記コマンド信号にしたがって、測定開始のトリガ信号を前記第１検出デバイスと前記第２検出デバイスに出力する、
請求項２または３に記載の光学測定システム。

【請求項5】

前記光学系は、
試料と前記偏光ビームスプリッタの間に設けられる１／４波長板と、
前記偏光ビームスプリッタと前記第１検出デバイスの間に配置される第１偏光子と、
前記偏光ビームスプリッタと前記第２検出デバイスの間に配置される第２偏光子と、
をさらに含む請求項２から４のいずれか１項に記載の光学測定システム。

【請求項6】

前記制御系は、前記試料に電圧を印加する電圧計を含み、
前記第１検出デバイスは、前記試料からのエレクトロルミネッセンスに含まれる前記左円偏光を検出し、前記第２検出デバイスは、前記エレクトロルミネッセンスに含まれる前記右円偏光を検出する、
請求項５に記載の光学測定システム。

【請求項7】

前記光学系は、前記試料を光励起する光源をさらに含み、
前記第１検出デバイスは、前記試料からのフォトルミネッセンスに含まれる前記左円偏光を検出し、前記第２検出デバイスは、前記フォトルミネッセンスに含まれる前記右円偏光を検出する、
請求項５に記載の光学測定システム。

【請求項8】

請求項１から７のいずれか１項に記載の光学測定装置を用いた光学測定方法であって、
無偏光の光を用いて前記２つの光路のそれぞれで測定された基準値に基づいて、前記２つの光路の特性ばらつきを補償する前記補正関数を決定し、
前記光学系に試料を設置し、前記２つの光路で、前記試料から出射された円偏光に含まれる前記左円偏光と前記右円偏光を測定し、
情報処理装置で、前記左円偏光と前記右円偏光の少なくとも一方の測定値を前記補正関数で補正し、補正後の測定値を出力する、
光学測定方法。

【請求項9】

偏光ビームスプリッタの一方の出力側で前記左円偏光の成分を検出し、前記偏光ビームスプリッタの他方の出力側で前記右円偏光の成分を検出し、
前記偏光ビームスプリッタの透過率及び反射率の波長依存性の相違と、前記第１検出デバイスと前記第２検出デバイスの特性ばらつきとを補償する補正関数を用いて、検出された前記左円偏光の成分と前記右円偏光の成分の少なくとも一方を補正する、
請求項８に記載の光学測定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、光学測定システム、及び光学測定方法に関し、特に、左右円偏光の同時測定を高精度に行う光学測定に関する。

【背景技術】

【0002】

次世代の光情報通信技術やバイオイメージング技術への応用の観点から、円偏光を発光する化合物または円偏光発光デバイスの開発研究は、今後ますます盛んになると考えられる。それに伴い、溶液、固体、薄膜等の多様な形態の試料からの円偏光発光を、高感度、かつ簡便、安価に測定する装置またはシステムへの需要も増大すると考えられる。

【0003】

円偏光測定の最も簡単な形態は、試料からの光励起による円偏光発光または円偏光発光デバイスからの電流励起による円偏光発光を、１／４波長板で直交する直線偏光に変換し、直交した直線偏光を、偏光子を手動またはモータで回転させることによって、偏光子の透過光として個別に検出する構成である。一方で、光弾性変調器とロックインアンプを用いた高価な測定装置（日本分光株式会社製の円偏光ルミネッセンス測定システムＣＰＬ－３００）も市販されている。これらの構成または装置では、偏光子の回転方向や、光弾性変調器に印加される電圧の極性を変えることで、左円偏光と右円偏光を交互に検出する。測定対象の光を偏光ビームスプリッタで左円偏光と右円偏光に分離して、同時に検出する構成が知られている（たとえば、特許文献１、及び２参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１２－７８２００号公報

【特許文献2】特開２００４－３４０８３３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

左円偏光と右円偏光を交互に検出する構成では、時間の経過による発光強度の低下や揺らぎに起因して、右円偏光と左円偏光の強度差に測定方法に起因する人為的な誤差が生じる。そのため、右円偏光と左円偏光の同時検出が望ましい。特許文献１では、光路内に含まれる光学素子の特性ばらつきについて何ら考慮されていない。特許文献２では、３つの偏光ビームスプリッタを組み合わせて偏光分離部を構成し、試料のない状態で２つの検出器の出力が同じになるように定数を乗算することで、偏光ビームスプリッタの組み合わせの影響を補償している。どのようにして定数を決定するかについては開示されていない。

【0006】

特許文献２は、試料で吸収された左右円偏光の強度差を検出する円二色性の測定を目的としており、試料に吸収されず透過した光を検出する。一方、円偏光発光の測定では左右円偏光の強度差が非常に小さいため、光源からの励起光が検出器に入らないようにしなければならない。そのため特許文献２の装置構成では円偏光発光の測定には対応できない。特に、有機物の試料では、円偏光発光に含まれる左円偏光と右円偏光の割合が５０：５０に近く、左右円偏光の強度差が非常に小さい。

【0007】

本発明は、電場ベクトルが互いに逆方向に回転する左円偏光と右円偏光の同時測定を、簡単な構成で、高感度かつ正確に行う光学測定システムと光学測定方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

一つの実施形態において、光学測定システムは、円偏光を測定する光学系と、前記光学系を制御する制御系と、を備え、
前記光学系は、空間的に分離された２つの光路で互いに逆方向の左円偏光と右円偏光を同時に測定し、
前記制御系は、前記左円偏光と前記右円偏光の測定結果を補正関数で補正して出力し、
前記補正関数は、無偏光の光を用いて前記２つの光路で測定された基準値に基づいて前記２つの光路の間の特性ばらつきを補償する。

【発明の効果】

【0009】

電場ベクトルが互いに逆方向に回転する左円偏光と右円偏光の同時測定を、簡単な構成で、高感度かつ正確に行う光学測定システムと光学測定方法が実現される。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】左右円偏光の同時測定の必要性を示す図である。

【図2】左右円偏光の同時測定の必要性を示す図である。

【図3】実施例の光学測定システムの模式図である。

【図4】図３の光学測定システムの変形例の模式図である。

【図5】測定データの補正方法を示す図である。

【図6】実施形態の光学測定の効果確認に用いる試料の化学構造と、その円偏光スペクトルを示す図（Chem. Commun., 55, 14115 (2019)から引用）である。

【図7】図６の試料のフォトルミネッセンス（ＰＬ）スペクトルである。

【図8】実施形態の光学測定システムで測定した光学異性Ｅｕ錯体（Λ-体）の補正前と補正後のスペクトルである。

【図9】実施形態の光学測定システムで測定した光学異性Ｅｕ錯体（Δ-体）の補正前と補正後のスペクトルである。

【図10】光学測定方法のフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

実施形態の光学測定システムと光学測定方法を詳細に説明する前に、図１と図２を参照して、左右円偏光の同時測定の必要性を説明する。図１の（Ａ）は、発明者らが作製した試料である有機発光ダイオード（organic light emitting diode：ＯＬＥＤ）の発光特性を示す。横軸は時間（ｍｓ）、縦軸は輝度（Ｃｄ／ｍ^２）である。試料は、２つの電極の間に有機発光層を配置し、有機発光層とアノードの間に正孔注入層を挿入した簡単な構成である。有機発光層として、図１の（Ｂ）の構造のキラルＢＰＰ、すなわち（Ｒ，Ｒ）－ＢＰＰと、その鏡像異性体である（Ｓ，Ｓ）－ＢＰＰを用いている。

【0012】

図１のクロスマークはデータ点、破線はフィッティングラインである。左円偏光の強度（Ｉ_Ｌ）と右円偏光の強度（Ｉ_Ｒ）を交互に測定すると、発光の経時劣化によって、得られる強度が徐々に低下する。発光強度が劣化する状況で、右円偏光と左円偏光の測定に時間差があると、正しく強度差を求めることができない。

【0013】

図２の（Ａ）は、均一な溶液サンプルからの左円偏光と右円偏光の測定のイメージ図、（Ｂ）は作製した薄膜デバイスからの左円偏光と右円偏光の測定のイメージ図である。実線は左円偏光の強度、破線は右円偏光の強度を示す。点線は、光弾性変調器に印加される正弦波信号である。均一な溶液サンプルでは、左円偏光と右円偏光の測定に時間差があっても、測定対象の偏光強度は比較的一定であり、その強度差も安定している。しかし、有機薄膜デバイスからの円偏光発光の強度はゆらぎが大きく、平均値からの逸脱が大きい。高速な測定であっても、測定の時間差によって左円偏光と右偏光の強度差のばらつきが大きくなり、測定誤差となる。

【0014】

実施形態では、微小な発光から左円偏光と右円偏光を同時に、かつ、感度良く正確に測定することのできる光学測定技術を提案する。これを実現するために、試料からの円偏光発光に含まれる左円偏光と右円偏光を空間的に分離して、左円偏光と右円偏光を同時測定し、左円偏光と右円偏光の測定結果を補正関数で補正して出力する。補正関数は、無偏光の光を用いて空間的に分離された２つの光路であらかじめ測定された基準値に基づいて決定され、２つの光路の間の特性ばらつきを補償する。以下の記載で、同じ構成要素には同一の符号を付けて、重複する説明を省略する場合がある。

【0015】

＜光学測定システム＞
図３は、実施形態の光学測定システム１Ａの模式図である。光学測定システム１Ａは、光学系１０Ａと、制御系２０Ａを有する。光学系１０Ａは、１／４波長板１２と、偏光ビームスプリッタ１３と、偏光ビームスプリッタ１３の一方の出力ポート側に配置される第１のマルチチャネル分光器１９－１と、偏光ビームスプリッタ１３の他方の出力ポート側に配置される第２のマルチチャネル分光器１９－２とを有する。第１のマルチチャネル分光器１９－１と第２のマルチチャネル分光器１９－２は、互いに逆向きの左円偏光と右円偏光をそれぞれ検出する検出デバイスの一例である。

【0016】

偏光ビームスプリッタ１３と第１のマルチチャネル分光器１９－１の間に、第１偏光子１５と、第１レンズ１７の少なくとも一方が挿入されてもよい。偏光ビームスプリッタ１３と第２のマルチチャネル分光器１９－２の間に、第２偏光子１６と、第２レンズ１８の少なくとも一方が挿入されてもよい。第１偏光子１５と第２偏光子１６を用いることで、迷光として入り込んだ他方の円偏光の影響を排除し、空間的に分離されたそれぞれの偏光の純度を高めることができる。第１レンズ１７と第２レンズ１８は、対物レンズ、集光レンズ等の光学素子であり、分離された偏光を、対応する第１のマルチチャネル分光器１９－１と第２のマルチチャネル分光器１９－２に効率よく導く。

【0017】

試料台１１に置かれた試料３０Ａに電圧が印加されると、円偏光発光が得られる。試料３０Ａはたとえば、図１の輝度測定で用いたＯＬＥＤと同じ構成の有機薄膜デバイスである。試料３０Ａからの円偏光発光には、左円偏光ＣＰＬ１と右円偏光ＣＰＬ２が含まれている。左円偏光ＣＰＬ１と右円偏光ＣＰＬ２は、それぞれ１／４波長板１２を通過することでπ／２の位相回転が与えられて、直線偏光ＬＰＬ１とＬＰＬ２に変換される。１／４波長板１２として雲母板を使用してもよい。雲母板は３６０°回転可能であり、試料３０Ａを回転させなくても簡単な操作で光軸を合わせることができる。

【0018】

偏光ビームスプリッタ１３は、偏波面が互いに直交する直線偏光ＬＰＬ１とＬＰＬ２を空間的に分離する。偏光ビームスプリッタ１３は、たとえば縦偏波であるＳ波（ＳＰＬ）を反射し、水平偏波であるＰ波（ＰＰＬ）を透過する。偏光ビームスプリッタ１３を透過したＰ波は、第１偏光子１５によって偏光純度が高められ、第１レンズ１７で集光されて第１のマルチチャネル分光器１９－１に入射する。偏光ビームスプリッタ１３で反射されたＳ波は、第２偏光子１６によって偏光純度が高められ、第２レンズ１８で集光されて、第２のマルチチャネル分光器１９－２に入射する。

【0019】

一般的に、有機薄膜試料からの円偏光発光の場合、左円偏光と右円偏光の強度差が小さい。微小な強度差を検出するには、光学部品での光損失を最小限に押さえ、かつ、偏光の光軸を正確に合わせることが望ましい。この理由で、光学系１０Ａでは単一の偏光ビームスプリッタ１３を用いて、光損失を抑制する。単一の偏光ビームスプリッタ１３を用いることは、透過と反射の特性ばらつきの累積を抑制する点でも有利である。１／４波長板１２と、第１偏光子１５、及び第２偏光子１６のそれぞれに自動回転ステージを組み込んでもよい。自動回転ステージを組み込むことで、偏光の光軸を０．００５°の精度で合わせることができる。

【0020】

第１のマルチチャネル分光器１９－１と第２のマルチチャネル分光器１９－２は、制御系２０Ａによって同期制御され、所定の波長範囲にわたって、左円偏光成分と右円偏光成分を同時に検出する。第１のマルチチャネル分光器１９－１と第２のマルチチャネル分光器１９－２の露光時間、アベレージング回数、連続測定回数等は、適宜設定可能である。

【0021】

制御系２０Ａは、電圧計２１と、ファンクションジェネレータ２２と、情報処理装置２３とを含む。情報処理装置２３は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、スマートフォン、タブレット端末等である。情報処理装置２３は、ケーブルまたはワイヤレスで電圧計２１とファンクションジェネレータ２２に接続されて、電圧計２１とファンクションジェネレータ２２の動作を制御する。

【0022】

電圧計２１は、たとえば直流電圧・電流発生機能付きデジタルボルトメータである。電圧計２１は、試料３０Ａに所定の定電圧を印加し、電流値を読み出す。電圧印加により、試料３０Ａからエレクトロルミネッセンスが得られる。ファンクションジェネレータ２２は、情報処理装置２３から分光測定のトリガコマンドを受信すると、同時検出のトリガ信号を生成して、第１のマルチチャネル分光器１９－１と第２のマルチチャネル分光器１９－２に送信する。トリガ信号はたとえば、４．０Ｖ、２マイクロ秒のマルチチャネル同期パルス信号である。

【0023】

第１のマルチチャネル分光器１９－１と第２のマルチチャネル分光器１９－２はそれぞれ、ファンクションジェネレータ２２からの同期パルス信号に同期して、対応する円偏光成分の受光強度を多波長で測定する。測定結果は情報処理装置２３に送られる。後述するように、情報処理装置２３は、偏光ビームスプリッタ１３の反射率及び透過率と、第１のマルチチャネル分光器１９－１及び第２のマルチチャネル分光器１９－２の装置特性とを考慮して、補正関数α（λ）で測定データを補正する。

【0024】

図４は、図３のシステムの変形例としての光学測定システム１Ｂの模式図である。光学測定システム１Ｂは、光学系１０Ｂと、制御系２０Ｂを有する。光学系１０Ｂは、１／４波長板１２、偏光ビームスプリッタ１３、第１のマルチチャネル分光器１９－１、及び第２のマルチチャネル分光器１９－２に加えて、光源１４を有する。図３の光学系１０Ａと同様に、偏光ビームスプリッタ１３と第１のマルチチャネル分光器１９－１の間に、第１偏光子１５と第１レンズ１７の少なくとも一方を挿入してもよい。偏光ビームスプリッタ１３と第２のマルチチャネル分光器１９－２の間に、第２偏光子１６と第２レンズ１８の少なくとも一方を挿入してもよい。１／４波長板１２と、第１偏光子１５、及び第２偏光子１６のそれぞれに自動回転ステージを組み込んで、偏光の光軸を高精度に合わせてもよい。

【0025】

光源１４は、試料３０Ｂの励起用の光源である。試料３０Ｂは、たとえば有機薄膜または溶液試料であり、光源１４により光励起されて、円偏光を発光する。光源１４を用いることで、試料３０ＢのＰＬスペクトル測定が可能である。試料の３０Ｂの有機発光層に（Ｒ，Ｒ）－ＢＰＰと（Ｓ，Ｓ）－ＢＰＰが用いられる場合、光源１４の励起波長は、ＢＰＰの最大吸収波長である５００ｎｍである。円偏光の発光に影響しない位置に、励起波長に応じたフィルタを挿入して、励起光の測定光学系への影響を抑制してもよい。

【0026】

制御系２０Ｂは、ファンクションジェネレータ２２と、情報処理装置２３とを含む。情報処理装置２３は、光源１４に接続されて、励起光の出力タイミングや、光源パワーを制御してもよい。情報処理装置２３は、ファンクションジェネレータ２２にも接続され、ファンクションジェネレータ２２にマルチチャネル同時検出用のトリガ信号を生成、出力させるコマンドを出力する。

【0027】

第１のマルチチャネル分光器１９－１と第２のマルチチャネル分光器１９－２は、ファンクションジェネレータ２２からのトリガ信号のタイミングで、対応する円偏光成分の強度を同時に検出する。検出結果は、情報処理装置２３に送られる。情報処理装置２３は、偏光ビームスプリッタ１３の反射率及び透過率と、第１のマルチチャネル分光器１９－１及び第２のマルチチャネル分光器１９－２の装置特性を考慮して、補正関数α（λ）で測定データを補正する。

【0028】

＜測定データの補正＞
図５は、測定データの補正方法を示す図である。試料３０からの円偏光スペクトルを測定する構成を考える。試料３０からの円偏光発光に含まれる左円偏光の波長λでの強度をＩ_Ｌ（λ）、右円偏光の強度をＩ_Ｒ（λ）とする。

【0029】

波長λでの偏光ビームスプリッタ１３の透過率をＴ（λ）、反射率をＲ（λ）とする。第１のマルチチャネル分光器１９－１の装置関数をｆ（λ）、第２のマルチチャネル分光器１９－２の装置関数をｈ（λ）とする。第１のマルチチャネル分光器１９－１で得られた実測値をＩ'_Ｌ（λ）、第２のマルチチャネル分光器１９－２で得られた実測値をＩ'_Ｒ（λ）とする。

【0030】

実測値Ｉ'_Ｌ（λ）は、左円偏光の真の強度Ｉ_Ｌ（λ）と同じであるとは限らない。実測値Ｉ'_Ｒ（λ）も、右円偏光の真の強度Ｉ_Ｒ（λ）と同じであるとは限らない。さらには、実測値Ｉ'_Ｌ（λ）の真の強度Ｉ_Ｌ（λ）からのズレと、実測値Ｉ'_Ｒ（λ）の真の強度Ｉ_Ｒ（λ）からのズレも、同じとは限らない。第１のマルチチャネル分光器１９－１と第２のマルチチャネル分光器１９－２で用いられている検出器アレイの特性のばらつきや、偏光ビームスプリッタ１３の透過率と反射率に波長に依存した違いが存在するからである。

【0031】

波長λでの実測値Ｉ'（λ）と真の強度Ｉ（λ）との関係は、偏光ビームスプリッタ１３の透過及び反射特性と、装置特性を用いると、式（１）、（２）で表される。

【0032】

【数1】

装置関数ｆ（λ）とｈ（λ）は直接求めることはできない。偏光ビームスプリッタ１３の透過率Ｔ（λ）と反射率Ｒ（λ）は、仕様書に波長ごとの正確な透過率、反射率が記載されている場合はそれを用いてもよいが、装置関数ｆ（λ）とｈ（λ）が分からないので、ここでは、「Ｔ（λ）ｆ（λ）」と「Ｒ（λ）ｈ（λ）」をそれぞれ未知として扱う。

【0033】

実測データを補正するために、基準として、無偏光の実測値を用いる。すなわち、円偏光を発光する試料３０に替えて、無偏光光源を設置し、偏光ビームスプリッタ１３で分離された２つの光を、第１のマルチチャネル分光器１９－１と、第２のマルチチャネル分光器１９－２で検出する。波長λでの無偏光光源の強度をＩ_０（λ）とすると、理想的には、第１のマルチチャネル分光器１９－１に入射する光成分の強度Ｉ_Ｌ０（λ）と、第２のマルチチャネル分光器１９－２に入射する光成分の強度Ｉ_Ｒ０（λ）は等しくなる（Ｉ_Ｌ０（λ）＝Ｉ_Ｒ０（λ））。

【0034】

無偏光光源を用いたときの波長λでの実測値をそれぞれ、Ｉ'_Ｌ０（λ）とＩ'_Ｒ０（λ）とする。無偏光の実測値Ｉ'_Ｌ０（λ）と真の強度Ｉ_Ｌ０（λ）の関係、及び実測値Ｉ'_Ｒ０（λ）と真の強度Ｉ_Ｒ０（λ）の関係は、式（３）、（４）で表される。

【0035】

【数2】

この無偏光を用いた関係式（３）、（４）において、真の強度Ｉ_Ｌ０（λ）とＩ_Ｒ０（λ）が等しいことから、未知関数である「Ｔ（λ）ｆ（λ）」と「Ｒ（λ）ｈ（λ）」の比を、実測値Ｉ'_Ｌ０（λ）とＩ'_Ｒ０（λ）の比として求めることができる。一例として、Ｔ（λ）ｆ（λ）／Ｒ（λ）ｈ（λ）がＩ'_Ｌ０（λ）／Ｉ'_R０（λ）と求まり、その値を補正関数α（λ）とおけば、補正関数α（λ）は式（５）で表される。

【0036】

【数3】

【0037】

無偏光の場合、理想状態では、２つに分割された光の実測値の比、すなわちα（λ）は１になるはずである。比率１からのずれは、偏光ビームスプリッタ１３の反射率及び透過率と、第１のマルチチャネル分光器１９－１及び第２のマルチチャネル分光器１９－２の装置関数を反映している。比率１からのズレを補うように補正関数α（λ）を決定する。

【0038】

有機物の試料の場合、左円偏光と右円偏光の強度比は、５０：５０からごくわずかにずれているが、その強度差は非常に小さい。左右円偏光の非対称性、すなわち円偏光の偏りを表す因子であるｇ値は
ｇ＝２×（Ｉ_Ｌ（λ）－Ｉ_R（λ））／（Ｉ_Ｌ（λ）＋Ｉ_R（λ））
と表される。ｇ値に式（１）、（２）を代入し、式（５）を用いると、式（６）となる。

【0039】

【数4】

この例では、補正関数α（λ）で右円偏光の実測値を補正しているが、１／α（λ）で左円偏光の実測値を補正してもよいし、右円偏光と左円偏光の双方を補正してそれらの平均をとってもよい。偏光ビームスプリッタ１３の反射率・透過率と、分光検出装置の装置関数を考慮した補正関数α（λ）で実測値を補正することで、２つの光路で同時測定される左円偏光と右円偏光の微小な強度差を精度よく求めることができる。

【0040】

＜効果確認＞
図６は、実施形態の光学測定の効果確認に用いるユウロピウム（Ｅｕ）錯体の標準物質（Ａ）と、その円偏光スペクトル（Ｂ）を示す。出典は、Chem. Commun., 55, 14115 (2019)である。Ｅｕ錯体は、左巻らせん構造体（Λ）と右巻らせん構造体（Δ）の鏡像異性体をもつ。図６の（Ｂ）に示すように、左巻らせん構造体の円偏光スペクトルと、右巻きらせん構造体の円偏光スペクトルは、強度ゼロのラインに対してほぼ対称形をなす。

【0041】

図６の標準物質の溶液試料を用いて、実施形態の光学測定システム１Ｂで円偏光スペクトルを測定する。図６のＥｕ錯体１８μＭを、ＭｅＯＨ－ＭｅＣＮ溶液に溶解させた溶液試料を準備する。励起用の光源１４として４０５ｎｍレーザを用い、８０ｍＷのパワーで出力する。露光時間は３０ミリ秒、積算回数は７２００回である。

【0042】

図７は、光学測定システム１Ｂで測定されたＰＬスペクトルである。横軸は波長、縦軸は、第１のマルチチャネル分光器１９－１と第２のマルチチャネル分光器１９－２で検出された左円偏光と右円偏光の実測値を、補正関数α（λ）で補正し、平均をとったものである。５８０～７２０ｎｍの波長域にわたって、右巻らせん構造体と左巻らせん構造体で、ほぼ同一のスペクトルが得られる。このＰＬスペクトル形状は、既報のスペクトル（Chem. Commun., 55, 14115 (2019)）とよく整合している。

【0043】

図８は、光学測定システム１Ｂで測定した左らせん構造体（Λ）の、補正前と補正後のスペクトルである。図８の（Ａ）は、補正関数α（λ）で補正する前のピーク波長近傍のスペクトル、（Ｂ）は補正後のピーク波長近傍のスペクトルである。

【0044】

α（λ）による補正前は、５８０～７２０ｎｍの全波長域にわたって、左円偏光（実線）のスペクトルと右円偏光（破線）のスペクトルのピーク波形の波長依存性にズレが生じている。これは、偏光ビームスプリッタ１３の透過率・反射率や、第１のマルチチャネル分光器１９－１と第２のマルチチャネル分光器１９－２の装置特性の違いに起因すると考えられる。

【0045】

無偏光光源を用いてあらかじめ求めた補正関数α（λ）で補正することで、測定波長の全領域にわたって、左円偏光と右円偏光のピーク波長が一致し、ピーク波長での強度差を正しく求めることができる。

【0046】

図９は、光学測定システム１Ｂで測定した右らせん構造体（Δ）の、補正前と補正後のスペクトルである。図９の（Ａ）は、補正関数α（λ）で補正する前のピーク波長近傍のスペクトル、（Ｂ）は補正後のピーク波長近傍のスペクトルである。

【0047】

α（λ）による補正前は、５８０～７２０ｎｍの全波長域にわたって、左円偏光（実線）のスペクトルと右円偏光（破線）のスペクトルのピーク波形の波長依存性にズレが生じている。

【0048】

得られた測定値を補正関数α（λ）で補正することで、測定波長の全領域にわたって、左円偏光と右円偏光のピーク波長が一致し、ピーク波長での強度差を正しく求めることができる。

【0049】

図１０は、実施形態の光学測定方法のフローチャートである。無偏光光源を用いて、空間的に分離された２つの光路の発光強度の特性によるばらつきを補償する補正関数α（λ）を決定する（Ｓ１１）。上述した光学系１０の例では、偏光ビームスプリッタ１３を透過し、第１のマルチチャネル分光器１９－１で受光される光路と、偏光ビームスプリッタ１３で反射されて第２のマルチチャネル分光器１９－２で受光される光路である。補正関数α（λ）は、たとえば、偏光ビームスプリッタ１３の透過率及び反射率と、第１のマルチチャネル分光器１９－１と第２のマルチチャネル分光器１９－２の装置関数（検出感度等）とを補償する。

【0050】

光学系１０（１０Ａまたは１０Ｂ）に試料を設置し、２つの光路で左円偏光成分と右円偏光成分の発光強度を同時に測定する（Ｓ１２）。次に、情報処理装置２３によって、補正関数α（λ）を用いて測定値を補正し（Ｓ１３）、補正後の測定値を出力する（Ｓ１４）。この測定方法により、簡単なシステム構成で、左円偏光と右円偏光の同時測定を高感度、かつ正確に行うことができる。

【0051】

実施形態の光学測定システム１Ａ、または１Ｂでは、円偏光の測定と同時に、試料３０からの発光の経時変化をモニタすることができる。一般に、発光強度が弱く、減衰が速い試料やデバイスからの円偏光発光の測定は難しいが、実施形態では、左右の円偏光を第１のマルチチャネル分光器１９－１と第２のマルチチャネル分光器１９－２で同時に検出するので、時間変動の影響を受けず、左円偏光と右円偏光を高感度で正確に測定可能である。試料３０からの発光の経時変化をモニタすることで、測定前後における試料３０の劣化状況も同時に計測が可能である。

【0052】

直線偏光子を回転する従来の方法や、光弾性変調器を使用した市販の測定装置では、数十分から１時間程度の測定時間がかかる。これに対し、実施形態の光学測定システム１Ａまたは１Ｂでは、数十秒から数十分の測定時間で、広い波長範囲で円偏光を精度良く測定することができる。きわめて簡単なシステム構成であり、市販されている円偏光測定装置と比較して、コストを１／５以下に抑えられる。

【0053】

従来の円偏光測定方法では測定が困難であった発光強度の時間変化や、化学反応にともなう発光の測定も可能である。また、近赤外領域に感度を持たせた偏光ビームスプリッタ及び検出器アレイを用いることで、近赤外領域の高精度の円偏光測定が可能になり、バイオイメージングへの応用が期待される。

【0054】

実施形態では検出デバイスとしてマルチチャネル分光器を用いたが、本発明の光学測定技術は、波長を掃引するタイプの検出器を用いた測定システムにも適用可能である。その場合も、あらかじめ無偏光光源を用いて２つの検出器間の装置特性のばらつきを推定し、補正関数を求めることができる。

【符号の説明】

【0055】

１Ａ、１Ｂ 光学測定システム
１０、１０Ａ、１０Ｂ 光学系
１３ 偏光ビームスプリッタ
１４ 光源
１５ 第１偏光子
１６ 第２偏光子
１７ 第１レンズ
１８ 第２レンズ
１９－１ 第１のマルチチャネル分光器（第１検出デバイス）
１９－２ 第２のマルチチャネル分光器（第２検出デバイス）
２０Ａ、２０Ｂ 制御系
２１ 電圧計
２２ ファンクションジェネレータ
２３ 情報処理装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】