JPH01282434A - Fourier spectroscope - Google Patents
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
[産業上の利用分野コ
本発明は赤外または可視域のフーリエ分光器に係り、特
に、広波数域にわたるスペクトルのうちある限定された
範囲のスペクトルデータを高速かつ精度よく抽出するフ
ーリエ分光器に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Field of Application] The present invention relates to an infrared or visible Fourier spectrometer, and in particular, the present invention relates to a Fourier spectrometer in the infrared or visible range. Concerning the Fourier spectrometer that extracts well.
し従来の技術1
フーリエ分光法では、インターフェログラムデータにF
FT (高速フーリエ変換)を施して、もとのスペクト
ルデータを復元する。ここで、N点のインターフェログ
ラムデータは、N点のスペクトルデータに変換される。Conventional technology 1: In Fourier spectroscopy, interferogram data is
FT (fast Fourier transform) is applied to restore the original spectral data. Here, the N-point interferogram data is converted into N-point spectral data.
[発明が解決しようとする課題]
しかし、波数分解能を向上させようとすると、あるいは
観測波数範囲を広げようとすると、Nの値が大きくなる
。特に可視域では、データ点数が非常に大きくなってし
まう。[Problems to be Solved by the Invention] However, when trying to improve the wave number resolution or expanding the observed wave number range, the value of N increases. Especially in the visible range, the number of data points becomes extremely large.
このデータ点数の増大により2つの問題点が生ずる。1
つはデータ点数の増大によるPFTの計算時間の増加で
あり、もう1つはインターフェログラムデータを取得す
る際のA/D変換器のダイナミックレンジの増大である
。This increase in the number of data points causes two problems. 1
One is an increase in PFT calculation time due to an increase in the number of data points, and the other is an increase in the dynamic range of the A/D converter when acquiring interferogram data.
連続スペクトルの場合には、インターフェログラムは大
きなセンターバーストを生じ、復元されたスペクトルの
測定精度を向上させるためには該精度に応じてA/D変
換器のビット数を増加させなければならない。ひいては
、A/D変換器の価格、変換速度、データ1点当たりの
ワード長が大きくなり、全体的なデータ処理速度にも影
響を及ぼす。In the case of continuous spectra, the interferogram will have a large center burst, and the number of bits of the A/D converter must be increased accordingly to improve the measurement accuracy of the reconstructed spectrum. As a result, the price of the A/D converter, the conversion speed, and the word length per data point increase, which also affects the overall data processing speed.
フーリエ干渉計の使用法の形態として、復元したスペク
トル波形全体を利用して定性分析を行うことも確かに多
いが、広範囲のスペクトルデータのうちの特定領域のみ
の情報で足りる場合も多い。While it is true that the Fourier interferometer is often used to perform qualitative analysis using the entire reconstructed spectral waveform, there are also many cases where information about only a specific region of a wide range of spectral data is sufficient.
特に半導体中の不純物分析などに代表される定量分析で
はそうである。またFTラマンなどの測定の場合もこれ
に当てはまる。このような場合でも従来は全データ点数
のFFTを行ってスペクトルの復元を行わなければなら
ず、既述のFFTの計算時間の増大及びA/D変換器の
ダイナミックレンジの増大の問題点が生じていた。This is especially true in quantitative analysis, such as the analysis of impurities in semiconductors. This also applies to measurements such as FT Raman. Conventionally, even in such cases, it is necessary to perform FFT on all data points to restore the spectrum, resulting in the aforementioned problems of increased FFT calculation time and increased dynamic range of the A/D converter. was.
データ点数低減手法としてはブレ・フィルタリング法が
ある。A blur filtering method is a method for reducing the number of data points.
ブレ・フィルタリング法では、全波数域0〜σNの試料
光のうち帯域σN〜σNのみのスペクトルを得たいとす
ると、I/(2σN)以下の間隔でインターフェログラ
ムデータをサンプリングし、帯域σ1〜σNのフィルタ
に対応したインターフェログラム面上の5ine関数と
のコンポリューンヨン演算を行った後、さらに、この演
算結果のデータをサンプリングする(間引く)必要があ
る。したがって、計算時間をあまり短縮化することがで
きない。In the blur filtering method, if you want to obtain the spectrum of only the band σN to σN out of the sample light in the entire wavenumber range 0 to σN, interferogram data is sampled at an interval of I/(2σN) or less, and the spectrum of the band σ1 to σN is obtained. After performing a convolution operation with a 5ine function on the interferogram surface corresponding to the filter of σN, it is necessary to further sample (thin out) the data resulting from this operation. Therefore, calculation time cannot be reduced much.
本発明は、上記問題点に鑑み、波数分解能を低下させる
ことなく計算時間を短縮できかつA/D変換器の必要と
するダイナミックレンジを狭くすることができるフーリ
エ分光器を堤供することにある。SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above problems, it is an object of the present invention to provide a Fourier spectrometer that can shorten calculation time without reducing wave number resolution and narrow the dynamic range required by an A/D converter.
〔課題を解決するための手段]
この目的を達成するために、本発明に係るフーリエ分光
器では、試料光のインターフェログラムを取得する干渉
計と、該干渉計の光路に配置され、最大波数σNの試料
光のうちσ*−(1+ I /m )σ。[Means for Solving the Problems] In order to achieve this object, the Fourier spectrometer according to the present invention includes an interferometer that acquires an interferogram of sample light, and an interferometer that is arranged in the optical path of the interferometer and that σ*−(1+I/m)σ out of the sample light of σN.
(mは正の整数)なる目的とする波数域(σ1〜σN)
の光を透過させる光学的バンドパスフィルタと、該干渉
計により得られたインターフェログラムデータを、h°
≦1 /[2(σN−σN))なる間隔h゛でサンプリ
ングするサンプリング手段と、サンプリングされた該イ
ンターフェログラムデータについてフーリエ変換を行う
ことによりスペクトルデータを得るフーリエ変換手段と
、を備えている。(m is a positive integer) desired wave number range (σ1 to σN)
The interferogram data obtained by the interferometer and the optical bandpass filter that transmits the light of h°
≦1 / [2 (σN - σN)) sampling means for sampling at an interval h', and Fourier transform means for obtaining spectral data by performing Fourier transform on the sampled interferogram data. .
[実施例コ (1)一実施例 図面に基づいて本発明の一実施例を説明する。[Example code] (1) One example An embodiment of the present invention will be described based on the drawings.
第1図は本発明の一実施例に係るフーリエ分光器の要部
構成を示す。FIG. 1 shows the main part configuration of a Fourier spectrometer according to an embodiment of the present invention.
本実施例では簡単化のために、試料光のスペクトルS(
σ)は第2図(a)に示す如く、直線状ベースラインに
2本の輝線があるとする。また、この2本の輝線のみに
興味があり、全波数域O〜σにのうちこの2本の輝線を
含む波数域σ1〜σNのスペクトルのみを得たいとする
。In this example, for the sake of simplicity, the spectrum S(
σ) is assumed to have two bright lines on a linear baseline as shown in FIG. 2(a). Further, suppose that we are interested only in these two emission lines and want to obtain only the spectrum in the wave number range σ1 to σN that includes these two emission lines out of the entire wave number range O to σ.
第1図に示す如く、本実施例では通常のマイケルソン干
渉計10に連続波長可変干渉フィルタ12を設置した場
合を示す。As shown in FIG. 1, this embodiment shows a case in which a continuously variable wavelength interference filter 12 is installed in an ordinary Michelson interferometer 10.
マイケルソン干渉計10は移動鏡を走査することにより
試料光のインターフェログラムを時間的に取得するため
のものであって、アパーチャ14と、アパーチャ14か
らの試料光を平行化するコリメートレンズ16と、コリ
メートレンズ16からの光束を2分割するビームスプリ
ッタ18と、分割された光束の一方を反射して逆進させ
る固定鏡20と、分割された光束の他方を反射して逆進
させる移動1m!22と、ビームスプリブタ18で合波
された干渉光を結像させる結像レンズ24と、その結像
位置に配置され光強度を検出する光検出器26とからな
る。The Michelson interferometer 10 is for temporally acquiring an interferogram of sample light by scanning a movable mirror, and includes an aperture 14 and a collimating lens 16 that collimates the sample light from the aperture 14. , a beam splitter 18 that splits the light beam from the collimating lens 16 into two, a fixed mirror 20 that reflects one of the split light beams and moves it backwards, and a moving 1m that reflects the other of the split light beams and moves it backwards! 22, an imaging lens 24 that images the interference light combined by the beam splitter 18, and a photodetector 26 that is placed at the imaging position and detects the light intensity.
連続波長可変干渉フィルタ12は、結像レンズ24と光
検出器26との間の光路に配置されている。連続波長可
変干渉フィルタ12は円板状であり、周方向に沿って透
過波長が連続的または段階的に変化するようになってい
る。この連続波長可変干渉フィルタ12の光路上部分の
透過帯域は、コントロールユニット28からの駆動ノ(
ルスにより該円板が回転されて連続的に変化する。The continuously variable wavelength interference filter 12 is arranged in the optical path between the imaging lens 24 and the photodetector 26. The continuously variable wavelength interference filter 12 has a disk shape, and the transmitted wavelength changes continuously or stepwise along the circumferential direction. The transmission band of the optical path portion of the continuously variable wavelength interference filter 12 is determined by the drive control from the control unit 28.
The disk is rotated by the lugs and changes continuously.
光検出器26の出力信号はアンプ30により増幅され、
A/D変換器32によりデジタル変換される。The output signal of the photodetector 26 is amplified by an amplifier 30,
Digital conversion is performed by an A/D converter 32.
コントロールユニット28は、駆動パルスを連続波長可
変干渉フィルタ12に供給して干渉光の透過域を設定器
37により設定された波数透過域σ1〜σNにし、また
、駆動パルスを移動鏡駆動装置33へ供給して移動鏡2
2を1ステツプづつ直線移動させる。ここでσ1、σN
は
σN= (t + l /m)σ1(mは正の整数)を
満たすように設定される。The control unit 28 supplies the drive pulse to the continuously variable wavelength interference filter 12 to set the transmission range of the interference light to the wave number transmission range σ1 to σN set by the setting device 37, and also supplies the drive pulse to the movable mirror drive device 33. Supply and move mirror 2
2 in a straight line one step at a time. Here σ1, σN
is set to satisfy σN=(t+l/m)σ1 (m is a positive integer).
さらに、コントロールユニット28は、A/D変換器3
2に対し次の条件を満たす間隔(干渉計10での2光束
の光路差の変化分)h゛で変換信号を供給してインター
フェログラムデータのサンプリング及びデジタル変換を
行わせる。Furthermore, the control unit 28 controls the A/D converter 3
2, a conversion signal is supplied at an interval h' that satisfies the following condition (the amount of change in the optical path difference between the two light beams in the interferometer 10), and the interferogram data is sampled and digitally converted.
h≦!/(σN+σN)
h’=1/(2(σN−σ+))= h nnは正の整
数
A/D変換器32から順次得られたデータはインターフ
ェログラムメモリ34に書き込まれ、インターフェログ
ラムメモリ34内には離散化した両側インターフェログ
ラムが作成される。h≦! /(σN+σN) h'=1/(2(σN-σ+))=h nn is a positive integer The data sequentially obtained from the A/D converter 32 is written to the interferogram memory 34, and A discretized two-sided interferogram is created in 34.
第2図(b)は連続波長可変干渉フィルタ!2のモデル
化された透過特性F(σ)を示し、(c)はS(σ)と
櫛関数(shah関数)utwh(σ)とのコンボリュ
ーションS(σ)OLLII7h(σ)を示し、(d)
はフィルタ関数F(σ)と櫛関数出1.h(σ)とのコ
ンボリューションF (σ)eta +zh((F )
を示し、(e)は(c)と(d)の積
(S (7F )@1LLIBh(ff ))(F (
cr )Oul+zh(σ))ヲ示t。Figure 2(b) is a continuously variable wavelength interference filter! (c) shows the convolution S(σ) of S(σ) with the comb function (shah function) utwh(σ), and (c) shows the modeled transmission characteristic F(σ) of 2. d)
is the filter function F(σ) and the comb function E1. Convolution with h(σ) F (σ)eta +zh((F )
, and (e) is the product of (c) and (d) (S (7F ) @ 1LLIBh (ff )) (F (
cr )Oul+zh(σ)) is shown.
ここに、1.hは周期を示す。一般にスペクトル面上の
積、コンボリューションはそれぞれインターフェログラ
ム面上のコンボリューション、積に対応する。Here, 1. h indicates the period. In general, the product and convolution on the spectral surface correspond to the convolution and product on the interferogram surface, respectively.
上記間隔h(但し、等号が成立する場合)でサンプリン
グすれば、インターフェログラムメモリ34内には、(
a)をフーリエ変換した離散化インターフェログラムが
書き込まれるが、上記り。If sampling is performed at the above interval h (provided that the equal sign holds), the interferogram memory 34 will contain (
A discretized interferogram obtained by Fourier transforming a) is written, as described above.
でサンプリングすれば、インターフェログラムメモリ3
4内には、(f)をフーリエ変換した離散化インターフ
ェログラムが書き込まれる。If you sample with , interferogram memory 3
4, a discretized interferogram obtained by Fourier transforming (f) is written.
次に、インターフェログラムメモリ34内のデータに対
し、高速フーリエ変換器40はフーリエ変換を施して(
f)に示す波数域θ〜(σN−σl)のスペクトルを得
、これをスペクトル出力装置42へ供給する。スペクト
ル出力装置42からはこのスペクトルデータが視覚化さ
れて取り出される。Next, the fast Fourier transformer 40 performs Fourier transform on the data in the interferogram memory 34 (
A spectrum in the wave number range θ to (σN-σl) shown in f) is obtained and supplied to the spectrum output device 42. This spectral data is visualized and extracted from the spectral output device 42.
このようにして、従来、通常の測定では!/(2σN)
以下の間隔でサンプリングしなければならなかったイン
ターフェログラムデータを、1/(2(σN−σI))
以下の間隔でサンプリングすればよく、サンプリング間
隔を従来よりもσIl/(2(σN−σN))倍広くす
ることができ、したがって、演算時間の長い高速フーリ
エ変換器40へ供給すべきインターフェログラムデータ
の点数Nを、N(σN−σN)/σにに減少することが
でき、PFT演算時間を大幅に短縮化することができる
。In this way, conventional, normal measurements! /(2σN)
Interferogram data that had to be sampled at intervals of 1/(2(σN-σI))
It is only necessary to sample at the following intervals, and the sampling interval can be made wider by σIl/(2(σN-σN)) than in the past. Therefore, the interferogram to be supplied to the fast Fourier transformer 40, which requires a long calculation time. The number of data points N can be reduced to N(σN-σN)/σ, and the PFT calculation time can be significantly shortened.
また、連続波長可変干渉フィルタ12を通すことにより
、インターフェログラムのピークが両側へ分散するので
、A/D変換器32の必要なダイナミックレンジを、K
(σN−σN)/σ工倍に縮小することができる。ここ
にKはに≧1であり、試料光スペクトルが完全な白色光
の場合にはに=1である。Furthermore, by passing through the continuously variable wavelength interference filter 12, the peak of the interferogram is dispersed to both sides, so that the necessary dynamic range of the A/D converter 32 is
It can be reduced to (σN - σN)/σ engineering times. Here, K is ≧1, and when the sample light spectrum is completely white light, K=1.
さらに、該フィルタ12を通すことにより、第2図(a
)と(b)の積に対応したコンボリューション演算を行
う必要がなく、全計算時間を一層短縮することができる
。Furthermore, by passing the filter 12, as shown in FIG.
) and (b), and the total calculation time can be further shortened.
(2)拡張 なお、本発明には外にも種々の変形例が含まれる。(2) Expansion Note that the present invention includes various other modifications.
例えば、上記実施例では、光学的バンドパスフィルタと
して連続波長可変干渉フィルタ12を揚げたが、例えば
複数個の異なる透過波数域を有する干渉フィルタを用意
しておき、それらを目的波数域に応じて切り換えるよう
な構成にしてもよい。For example, in the above embodiment, the continuously variable wavelength interference filter 12 is used as the optical bandpass filter, but for example, a plurality of interference filters having different transmission wavenumber ranges may be prepared, and these may be adjusted according to the target wavenumber range. It may be configured to switch.
また、インターフェログラム作成用干渉計は各種タイプ
のもの、例えば空間的にインターフェログラムを形成し
てこれを取得するものを用いることができることは言う
までもない。It goes without saying that various types of interferometers for creating interferograms can be used, for example, those that spatially form an interferogram and obtain it.
[発明の効果]
以上説明した如く、本発明に係るフーリエ分光器によれ
ば、インターフェログラム取得用干渉計の光路に光学的
バンドパスフィルタを配置して、最大波数σNの試料光
のうちσ*= (1+ 1 /m )σ1(mは正の整
数)なる目的とする波数域(σN〜σN)の光を透過さ
せ、該干渉計により得られたインターフェログラムデー
タを、
h°≦1 /(2(σN−σN))なる間隔h°でサン
プリングし、サンプリングされた該インターフェログラ
ムデータについてフーリエ変換を行うので、インターフ
ェログラムデータのサンプリング点数を低減でき、しか
も上述の複雑なコンポリューシラン演算を行う必要がな
いので、計算時間を短縮できかつA/D変換器のダイナ
ミックレンジを縮小することができ、しかも波数分解能
を低下させることがないという優れた効果がある。[Effects of the Invention] As explained above, according to the Fourier spectrometer according to the present invention, an optical bandpass filter is disposed in the optical path of the interferometer for obtaining an interferogram, and σ of the sample light with the maximum wave number σN is *= (1+1/m)σ1 (m is a positive integer) Light in the target wave number range (σN to σN) is transmitted, and the interferogram data obtained by the interferometer is expressed as h°≦1 /(2(σN - σN)), and Fourier transform is performed on the sampled interferogram data, which reduces the number of sampling points of interferogram data and also reduces the complexity of the above-mentioned complicated composure. Since there is no need to perform a silane calculation, the calculation time can be shortened, the dynamic range of the A/D converter can be reduced, and there is an excellent effect that the wave number resolution is not degraded.
第1図及び第2図は本発明の一実施例に係り、第1図は
フーリエ分光器の要部ブロック図、第2図は作用説明に
供するスペクトル面上の波形図である。
図中、
10:マイケルソン干渉計
!2:連続波長可変干渉フィルタ
16:コリメートレンズ
18:ビームスプリッタ
20:固定鏡
22:移動鏡
24:結像レンズ
26:光検出器
34:インターフエログラムメモリ
40:高速フーリエ変換器
42ニスベクトル出力装置1 and 2 relate to one embodiment of the present invention, with FIG. 1 being a block diagram of the main parts of a Fourier spectrometer, and FIG. 2 being a waveform diagram on a spectral plane for explaining the operation. In the figure, 10: Michelson interferometer! 2: Continuously variable interference filter 16: Collimating lens 18: Beam splitter 20: Fixed mirror 22: Moving mirror 24: Imaging lens 26: Photodetector 34: Interferogram memory 40: Fast Fourier transformer 42 Varnish vector output device
Claims (1)
)と、 該干渉計の光路に配置され、最大波数σ_Nの試料光の
うちσ_2=(1+1/m)σ_1(mは正の整数)な
る目的とする波数域(σ_1〜σ_2)の光を透過させ
る光学的バンドパスフィルタ(12)と、該干渉計によ
り得られたインターフェログラムデータを、h’≦1/
{2(σ_2−σ_1)}なる間隔hでサンプリングす
るサンプリング手段(28)と、サンプリングされた該
インターフェログラムデータについてフーリエ変換を行
うことによりスペクトルデータを得るフーリエ変換手段
(40)と、を有することを特徴とするフーリエ分光器
。[Claims] An interferometer (10
), and is placed in the optical path of the interferometer, and transmits light in the target wave number range (σ_1 to σ_2) where σ_2 = (1 + 1/m) σ_1 (m is a positive integer) out of the sample light with the maximum wave number σ_N. The interferogram data obtained by the optical bandpass filter (12) and the interferometer are adjusted so that h'≦1/
It has a sampling means (28) that samples at an interval h of {2(σ_2-σ_1)}, and a Fourier transform means (40) that obtains spectral data by performing Fourier transform on the sampled interferogram data. A Fourier spectrometer characterized by:
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