赤外分光光度計の構造と原理

これより、赤外分光光度計の構造と原理を説明しましょう。赤外分光光度計には分光の方法の違いにより2つの形があります。

• 分散型赤外分光光度計
• フーリエ変換赤外分光光度計

歴史的には分散型の方が古いのですが、現在では分散型からＦＴ−ＩＲへと主流は移ってきています。しかし、赤外分光光度計を理解する上では両方を知っておくことが必要です。

1.分散型赤外分光光度計のしくみ

• 分光方法
  グレーティング（回折格子）を使って、各波長の光を空間的に分散させることにより分光します。（ハードウェアのみによる分光）

• 信号の流れ

1. 光源より出た光は試料室を通り、入射スリットで光束を細く、なるべく平行にされる。
2. グレーティングで波長ごとに空間分離される。
3. グレーティングの向きを走査することにより、出射スリットを通す光の波長を連続的に変化させ、これを検知器でとらえる。
4. (4)検知器からの出力信号をペンレコーダに伝え、スペクトル波形を書かせる。

2.ＦＴ−ＩＲのしくみ

• 分光方法
  干渉計によって得られる干渉光をデジタル信号化し、それをコンピュータでフーリエ変換することにより分光します。（ハードウェアとソフトウェアによる分光）

• 信号の流れ

1. 光源より出た光は干渉計を通り、干渉光となる。
2. 干渉光のまま試料室を通り、検知器でとらえられる。
3. 検知器からの出力信号をＡＤ（アナログ−デジタル）変換器でデジタル化した後、コンピュータへ送信する。
4. 送信されてきたデータをフーリエ変換し、得られたスペクトル波形をディスプレイに表示させる。

3.干渉計

干渉とは2つの波が重なったとき、強め合ったり打ち消し合ったりする現象のことです。干渉計は光に対してこの干渉を発生させる光学素子です。一般に、光源から出た光を複数の光路に分け、 両者間に光路差を作って再び合成することにより干渉を起こさせる構造を持っています。天体観測で星からの微弱な光を感度良く計測したり、 光学レンズや鏡の面精度の精密測定を行う目的で作られ、19世紀以来、様々なものが考案されてきました。ＦＴ−ＩＲではマイケルソン干渉計が最もよく使われています。

4.干渉計に入った光はどうなるの？

ＦＴ−ＩＲでよく用いられているマイケルソン干渉計を例に説明しましょう。この干渉計は半透鏡（ビームスプリッタ）と2枚の平面鏡で構成されており、平面鏡の１つは光軸と平行に移動する機構になっています。半透鏡は入射した光の一部を透過し、残りを反射して、光を2つに分割する役割を持った光学素子です。一方、平面鏡は単純に光を反射するだけです。

• 光の経路
  1. 光源より出た光は適当な光学系で平行光束にされ、半透鏡に導かれます。
  2. 半透鏡に入射した光は、透過光と反射光の2つの光束に分割されます。
  3. 両光束は平面鏡で折り返されて戻り、再び半透鏡で合成されます。

まず、波長λ（波数ν）の単色光（波長による強度分布を持たない単一波長の光）をこれに導入した場合を考えます。半透鏡から移動鏡Ｍ１までの距離をL1、同じく固定鏡M2までの距離をL2としたとき、L1＝L2（すなわちL1−L2＝０）の状態では分割された 2光束は同じ位相で合成されるので強め合って出力されますが、移動鏡Ｍ１が移動して（L1−L2）＝λ／2の状態になると逆位相で合成されるので 打ち消し合って出力される（強度が０になる）ことになります。

さらに移動鏡が動いていったとき、L1とL2の差が波長λの倍数になったところで強め合い、λ／2の倍数になったところで弱め合うことになります。

したがって、移動鏡Ｍ１を連続的に移動させて干渉計からの出力光を観測すると明暗の周期的な繰り返しとなります。光路差（L1−L2）を横軸にとってこれを グラフ化すると結局、次図Ａのように入射光の波長に従ったコサイン波になります。

次に、別な波長（波数）の光を加えて2つの単色光を導入した場合を考えます。移動鏡の連続走査により、各々の単色光はその波長に従って変調され、干渉計からの出力光は2つのコサイン波の和として観測されます（次図B）。

さらに多くの波長（波数）の光を導入しても、それぞれの波長（波数）成分ごとに変調された合成波が出力されることになり、 波長（波数）の連続した実際の光源からの光では光路差が大きくなるにつれて強度が減衰していくような出力波形が観測されます（次図C）。この波形をインターフェログラムと呼んでいます。

5.どのようにして分光されるの？

光路差をＸとしたとき、インターフェログラムＦ(Ｘ)は次式のような積分関数で表すことができます。

Ｂ(ν)は波数ごとの光の強度を表した、いわゆるスペクトルです。実はこの式がフーリエ変換の式に相当するもので、この計算を行う（インターフェログラムをフーリエ変換する）ことにより、 スペクトルが求められます。ＦＴ−ＩＲではコンピュータがこの計算を行います。

すなわち、コンピュータの計算によって分光を行うのです。