CN114599948A - 傅里叶分光分析装置 - Google Patents

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中村幸弘
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Abstract

傅里叶分光分析装置具备：光源；干涉仪，从光源射出的光中得到强度分布相互反转的第一干涉图、第二干涉图；合波光学系统，将第一干涉图、第二干涉图合波而向试样照射；分波光学系统，将经由试样的光所包含的第一干涉图、第二干涉图进行分波；受光部，输出接收被分波的第一干涉图而得到的第一受光信号和接收被分波的第二干涉图而得到的第二受光信号；以及信号处理装置，进行使用第一受光信号、第二受光信号，求得分析波段的波长成分的、除去了噪声的光谱的处理。

Description

傅里叶分光分析装置
技术领域
本发明涉及傅里叶分光分析装置。
本申请基于2019年10月29日在日本提出申请的日本特愿2019-196080要求优先权，并将其内容援引于此。
背景技术
傅里叶分光分析装置向试样照射干涉光(即，干涉图(interferogram))，接收经由试样的光(即，反射光或透过光)，对得到的受光信号进行傅里叶变换处理，求得经由试样的光的光谱(例如，波谱)。由此，傅里叶分光分析装置进行试样的分析。作为这样的傅里叶分光分析装置的分析对象的试样基本上以没有光学特性的时间变化的试样(或者变化少的试样)为前提。
在以下的专利文献1中，公开了即使产生光学特性的时间变动的试样，也能够实现高分析精度的傅里叶分光分析装置。具体而言，以下的专利文献1所公开的傅里叶分光分析装置接收经由试样的光所包含的、作为求得光谱的波段的第一波段的波长成分和与第一波段不同的第二波段的波长成分。而且，专利文献1所公开的傅里叶分光分析装置使用第二波段的波长成分中包含的噪声，除去第一波段的波长成分的噪声。
先行技术文献
非专利文献
专利文献1：日本特开2019-52994号公报
发明内容
本申请要解决的问题
然而，在傅里叶分光分析装置中，如果接收经由试样的光而得到的受光信号的S/N比(即，信噪比)低，则分析精度有可能降低。这在上述的专利文献1所公开的傅里叶分光分析装置中也是同样的。因此，在傅里叶分光分析装置中，为了得到高S/N比的受光信号，尽可能不浪费地有效利用在试样的分析中使用的光是重要的。
本发明的几个方式鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供不浪费地有效利用用于分析的光从而能够实现高分析精度的傅里叶分光分析装置。
用于解决课题的手段
[1]为了解决上述课题，本发明一方式的傅里叶分光分析装置(1)具备：光源(10)，射出包含分析波段的波长成分的光(L0)，所述分析波段的波长成分是求得经由作为分析对象的试样(SP)的光的光谱的波段；干涉仪(20)，从所述光源被射出的光中得到强度分布相互反转的第一干涉图(L11)和第二干涉图(L12)，作为干涉光即干涉图(L2)；合波光学系统(30)，将所述第一干涉图与所述第二干涉图合波并照射到所述试样；分波光学系统(40)，将经由所述试样的光(L3)所包含的所述第一干涉图(L41)与所述第二干涉图(L42)进行分波；受光部(50)，输出接收被分波的所述第一干扰图而得到的第一受光信号(S1)和接收被分波的所述第二干扰图而得到的第二受光信号(S2)；以及信号处理装置(60)，使用所述第一受光信号和所述第二受光信号进行求得所述分析波段的波长成分的、除去了噪声的光谱的处理。
[2]并且，本发明一方式的傅里叶分光分析装置中，所述信号处理装置具备：噪声去除部(61)，通过获得所述第一受光信号与所述第二受光信号之差，从而去除噪声；以及傅里叶变换部(62)，对表示由所述噪声去除部获得的所述差的信号进行傅里叶变换处理，求得所述分析波段的波长成分的光谱。
[3]并且，本发明一方式的傅里叶分光分析装置中，所述合波光学系统具备第一透镜(LS1)，所述第一透镜将入射到前侧焦点面的不同位置的所述第一干涉图及所述第二干涉图照射到所述试样的预先规定的照射区域(A1)，所述分波光学系统具备第二透镜(LS2)，所述第二透镜使经由所述试样的光所包含的所述第一干涉图及所述第二干涉图聚光于后侧焦点面的不同位置(FP1、FP2)。
[4]并且，本发明一方式的傅里叶分光分析装置中，所述合波光学系统具备偏振光合波元件(31)，所述偏振光合波元件将由所述干涉仪得到的所述第一干涉图中的第一偏振光状态的所述第一干涉图、和由所述干涉仪得到的所述第二干涉图中的与所述第一偏振光状态不同的第二偏振光状态的所述第二干涉图进行合波，所述分波光学系统具备偏振光分波元件(41)，所述偏振光分波元件对经由所述试样的光所包含的所述第一干涉图以及所述第二干涉图根据该偏振光状态来进行分波。
[5]并且，本发明一方式的傅里叶分光分析装置中，所述合波光学系统具备：第一偏振光器(32)，将由所述干涉仪得到的所述第一干涉图设为所述第一偏振光状态；以及第二偏振光器(33)，将由所述干涉仪得到的所述第二干涉图设为所述第二偏振光状态。
[6]并且，本发明一方式的傅里叶分光分析装置中，所述合波光学系统具备第一偏转元件(M1)，所述第一偏转元件使经由所述偏振光合波元件的所述第二偏振光状态的所述第一干涉图以及所述第一偏振光状态的所述第二干涉图朝向所述试样，所述分波光学系统具备第二偏转元件(M2)，所述第二偏转元件使由所述第一偏转元件反射并经过所述样品的光朝向所述偏振光分波元件。
[7]并且，本发明一方式的傅里叶分光分析装置中，所述干涉仪具备：半透半反镜(21)，将从所述光源射出的光分支成第一分支光(L01)和第二分支光(L02)，并且使经由互不相同的光路的所述第一分支光和所述第二分支光干涉而获得所述第一干涉图和所述第二干涉图；固定镜(22)，反射由所述半透半反镜分支的所述第一分支光并使其入射到所述半透半反镜；移动镜(23)，构成为能够沿所述第二分支光的光路往复运动，对由所述半透半反镜分支的所述第二分支光进行反射并使其入射到所述半透半反镜；第一输出部(PT1)，向外部输出所述第一干涉图；以及第二输出部(PT2)，向外部输出所述第二干涉图。
[8]并且，本发明一方式的傅里叶分光分析装置中，所述光源是波段宽度为350[nm]～4500[nm]的卤素灯。
[9]并且，本发明一方式的傅里叶分光分析装置中，所述受光部具备能接收1[μm]～2.5[μm]的波长成分的检测器。
[10]并且，本发明一方式的傅里叶分光分析装置中，所述第一干涉图以及所述第二干涉图入射到所述第一透镜的前侧焦点面的不同位置。
[11]并且，本发明一方式的傅里叶分光分析装置中，所述第一透镜是傅里叶变换透镜或远心的透镜。
[12]并且，本发明一方式的傅里叶分光分析装置中，所述第二透镜是傅里叶变换透镜或远心的透镜。
[13]并且，本发明一方式的傅里叶分光分析装置中，所述第一偏振光状态是p偏振光，所述第二偏振光状态是s偏振光。
[14]并且，本发明一方式的傅里叶分光分析装置中，所述偏振光合波元件使所述第一偏振光器成为所述第一偏振光状态的所述第一干涉图透过，使所述第二偏振光器成为所述第二偏振光状态的所述第二干涉图反射。
[15]并且，本发明一方式的傅里叶分光分析装置中，所述偏振光分波元件使经由所述试样的光所包含的所述第一偏振光状态的光透过，使经由所述试样的光所包含的所述第二偏振光状态的光反射。
[16]并且，本发明一方式的傅里叶分光分析装置中，所述偏振光合波元件使所述第一干涉图的所述第一偏振光状态成分透过，使所述第一干涉图的所述第二偏振光状态成分反射，并且使所述第二干涉图的所述第一偏振光状态成分透过，使所述第二干涉图的所述第二偏振光状态成分反射。
[17]并且，本发明一方式的傅里叶分光分析装置中，所述偏振光合波元件向所述试样照射透过的所述第一干涉图的所述第一偏光状态成分、和反射的所述第二干涉图的所述第二偏光状态成分。
[18]并且，本发明一方式的傅里叶分光分析装置中，所述第一偏转元件及所述第二偏转元件是反射镜。
[19]并且，本发明一方式的傅里叶分光分析装置中，所述偏振光合波元件将反射的所述第一干涉图的所述第二偏振光状态成分和透过的所述第二干涉图的所述第一偏振光状态成分向所述第一偏转元件射出。
[20]并且，本发明一方式的傅里叶分光分析装置中，
所述信号处理装置通过进行从所述第一受光信号减去所述第二受光信号的处理，除去重叠于所述第一受光信号和所述第二受光信号的噪声。
发明效果
根据本发明的一个方式，具有通过不浪费地有效利用用于分析的光而能够实现高分析精度的效果。
附图说明
图1是表示本发明的一实施方式的傅里叶分光分析装置的主要部分结构的框图。
图2是表示本发明的一实施方式的傅里叶分光分析装置所具备的干涉仪的结构例的图。
图3是表示本发明的一实施方式的傅里叶分光分析装置所具备的合波光学系统以及分波光学系统的第一结构例的图。
图4是表示本发明的一实施方式的傅里叶分光分析装置所具备的合波光学系统以及分波光学系统的第二结构例的图。
图5是表示本发明的一实施方式的傅里叶分光分析装置所具备的合波光学系统以及分波光学系统的第三结构例的图。
图6是表示本发明的一实施方式的傅里叶分光分析装置所具备的合波光学系统以及分波光学系统的第四结构例的图。
图7是表示本发明的一实施方式的傅里叶分光分析装置所具备的信号处理装置的结构例的框图。
图8A是用于说明本发明的一实施方式中去除被重叠于受光信号的噪声的原理的第一图。
图8B是用于说明本发明的一实施方式中去除被重叠于受光信号的噪声的原理的第二图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的实施方式的傅里叶分光分析装置进行详细说明。
[概要]
本发明的实施方式涉及通过不浪费地有效利用用于分析的光来实现高的分析精度。具体而言，通过将用于分析的光不浪费地有效利用，从而得到高S/N比的受光信号，从而实现高的分析精度。在本发明的实施方式中，即使试样产生光学特性的时间变动，也能够通过不浪费地有效利用用于分析的光来实现高的分析精度。
傅里叶分光分析装置为了获得向试样照射的干涉图(干涉图案)而具备干涉仪。作为这样的干涉仪，例如能够使用具备半透半反镜、固定反射镜以及移动反射镜的迈克尔逊干涉仪。该干涉仪将从光源射出的光通过半透半反镜分支成朝向固定镜的第一分支光和朝向移动镜的第二分支光，通过半透半反镜使由固定镜反射的第一分支光和由移动镜反射的第二分支光干涉，从而得到向试料照射的干涉图。
然而，在傅里叶分光分析装置中，通过利用设置于干涉仪的移动镜而产生光路长差(即，上述第一分支光的光路长度与第二分支光的光路长度之差)的变化，从而得到作为调制光的干涉图。因此，作为傅里叶分光分析装置的分析对象的试样基本上没有光学特性的时间变化，或者即使存在光学特性的时间变化，也以其变化的速度与设置于干涉仪的移动镜的移动速度相比足够慢为前提。
但是，在欲将傅里叶分光分析装置用于各种领域的情况下，可以考虑光学特性相对于上述移动镜的移动速度比较快地变化的样品成为分析对象。例如，在工业工艺、化学工艺中，可以考虑粒子浮游的流体(也有可能是粉体)、表面形成有具有凹凸的光散射面的移动体、在搅拌容器内搅拌的悬浮的具有流动性的试样等作为傅里叶分光分析装置的分析对象。
如果想要通过傅里叶分光分析装置分析这种光学特性比较快地变化的试样，则经由试样的干涉图产生了与试样的光学特性的时间变化相应的变动。换言之，经由试样的干涉图可以说是进行了与试样的光学特性的时间变化相应的调制的图。由此，经由试样的干涉图重叠了含有较多低频成分的噪声(所谓的“带色噪声”)。由于重叠于干涉图的噪声即使进行傅里叶变换处理也作为噪声出现，所以导致分析精度降低。
另外，在傅里叶分光分析装置中，如果接收经由试样的光而得到的受光信号的S/N比低，则分析精度有可能降低。这在分析光学特性的时间变动产生的试样的情况下也是同样的。因此，在傅里叶分光分析装置中，为了得到高S/N比的受光信号，尽可能不浪费地有效利用在试样的分析中使用的光是重要的。
在本发明的实施方式中，具备：干涉仪，得到强度分布相互反转的第一干涉图与第二干涉图；合波光学系统，将第一干涉图与第二干涉图合波并照射到试样上；以及分波光学系统，将经由试样的光所包含的第一干涉图与第二干涉图分波。并且，使用接收被分波的第一干涉图而得到的第一受光信号和接收被分波的第二干涉图而得到的第二受光信号，求得作为求得光谱的波段的分析波段的波长成分的、除去了噪声的光谱。由此，能够不浪费地有效利用用于分析的光，从而实现高的分析精度。
[实施方式]
<傅里叶分光分析装置的主要部分结构>
图1是表示本发明的一实施方式的傅里叶分光分析装置1的主要部分结构的框图。如图1所示，本实施方式的傅里叶分光分析装置1具备光源10、干涉仪20、合波光学系统30、分波光学系统40、受光部50以及信号处理装置60。这样的傅里叶分光分析装置1对试料SP照射包含多个波长成分的光(即，干涉图L2)，接收经由试料SP的光L3，对得到的受光信号S1、S2进行傅里叶变换处理，求得经由试料SP的光L3的光谱(例如，波谱)，由此进行试料SP的分析。
上述的试料SP可以是任意的试料，但在本实施方式中，使用其光学特性在时间上变化的试料。例如，在工业工艺、化学工艺中，是粒子悬浮的流体(也有可以是粉体)、表面形成有具有凹凸的光散射面的移动体、在搅拌容器内搅拌的悬浮的具有流动性的试样等。此外，作为经由上述的试样SP的光L3，可以列举由试样SP反射的反射光和透过试样SP的透过光，但在本实施方式中，光L3是透过试样SP的透过光。
光源10射出包含多个波长成分的光L0。作为该光源10，能够根据试样SP的光学特性使用任意的光源。例如，能够使用具备卤素灯等波段宽度宽的光源、LD(Laser Diode：激光二极管)、LED(Light Emitting Diode：发光二极管)等半导体发光元件的光源。此外，在本实施方式中，作为光源10使用卤素灯。卤素灯的波段宽度例如为波长350[nm]～4500[nm]左右的范围。
干涉仪20使从光源10射出的光L0干涉，得到向试料SP照射的光(即，干涉光：干涉图)。在此，本实施方式的干涉仪20得到强度分布相互反转的干涉图L11(即第一干涉图)和干涉图L12(即第二干涉图)，作为上述干涉图。得到这样的干涉图L11、L12是为了不浪费地有效利用用于试样SP的分析的光来实现高的分析精度。此外，关于干涉仪20的详情，将在后面说明。
合波光学系统30对由干涉仪20得到的干涉图L11、L12进行合波，并作为干涉图L2对试料SP进行照射。通过合波光学系统30对由干涉仪20得到的干涉图L11、L12进行合波是为了使干涉图L11、L12照射到试料SP的相同区域(或大致相同的区域)。通过这样进行照射，干涉图L11、L12进行同样的调制(即，与试料SP的光学特性的时间变化相应的调制)。此外，关于合波光学系统30的详细情况将在后面说明。
分波光学系统40将经由试料SP的光(即，干涉图L2的透射光)L3中包含的干涉图L41和干涉图L42分离。在此，经由试料SP的光L3是进行与试料SP的光学特性相应的吸收、且进行了与试料SP的光学特性的时间变化相应的调制的干涉图L2。因此，干涉图L41为进行与试料SP的光学特性相应的吸收、且进行了与试料SP的光学特性的时间变化相应的调制的干涉图L11。干涉图L42是进行与试料SP的光学特性相应的吸收、且进行了与试料SP的光学特性的时间变化相应的调制的干涉图L12。此外，关于分波光学系统40的详情，将在后面说明。
受光部50接收通过分波光学系统40被分波的干涉图L41、L42，分别输出受光信号S1(也称为第一受光信号)和受光信号S2(也称为第二受光信号)。受光部50例如具备：接收被分波的干涉图L41而输出受光信号S1的检测器(省略图示)；以及接收被分波的干涉图L42而输出受光信号S2的检测器(省略图示)。
作为受光部50所具备的检测器，使用能够接收预先规定的成为分析对象的波段(即，分析波段)的波长成分的检测器。例如，检测器的分析波段为1[μm]～2.5[μm]左右。此外，在傅里叶分光分析装置1的设计时，能够将检测器的分析波段设为任意的波段。
信号处理装置60进行使用从受光部50输出的受光信号S1、S2求得除去了由试样SP的光学特性的时间变化引起的噪声的光谱的处理。信号处理装置60向外部输出表示通过以上的处理求得的光谱的信号，或者使未图示的显示装置(例如，液晶显示装置)显示。另外，在后面详细说明信号处理装置60。
<干涉仪的构成例>
图2是表示本发明的一实施方式的傅里叶分光分析装置1(参照图1)所具备的干涉仪20的构成例的图。干涉仪20是具备半透半反镜21、固定反射镜22以及移动反射镜23、输出端口PT1(也称为第一输出部)、输出端口PT2(也称为第二输出部)的迈克尔逊干涉仪。此外，干涉仪20不限于迈克尔逊干涉仪，可以使用任意的干涉仪。
半透半反镜21将从光源10射出的光L0分支成朝向固定镜22的分支光L01和朝向移动镜23的分支光L02。半透半反镜21例如以1：1的强度比对从光源10射出的光L0进行分支。另外，半透半反镜21使由固定镜22反射的分支光L01与由移动镜23反射的分支光L02干涉，得到干涉图L11和干涉图L12。
固定镜22以其反射面朝向半透半反镜21的状态被配置在分支光L01的光路上。固定反射镜22使由半透半反镜21分支的分支光L01在与其光路正交的方向上移动规定量而向半透半反镜21反射。作为固定反射镜22，例如能够使用二面角反射镜等反光镜。
移动反射镜23以其反射面朝向半透半反镜21的状态被配置在分支光L02的光路上。移动反射镜23使由半透半反镜21分支的分支光L02在与其光路正交的方向上移动规定量(即，与固定反射镜22的偏移量相同的量)并向半透半反镜21反射。作为移动反射镜23，与固定反射镜22同样地，例如能够使用二面角反射器等反光镜。移动反射镜23构成为通过未图示的驱动机构能够沿着分支光L02的光路往复运动。移动镜23的往复运动速度例如设定为每秒5次左右。
在此，通过移动反射镜23往复运动，从光源10射出的光L0所包含的波长成分分别以不同的频率进行强度调制。例如，波长相对较短的波长成分以比波长相对较长的波长成分高的频率进行强度调制。由干涉仪20得到的干涉图L11、L12是这样的以不同的频率被强度调制的波长成分重叠而成的。
另外，干涉图L11、L12是使分支光L01、L02干涉而得到的。因此，从能量保存定律可知，干涉图L11、L12的强度分布相互翻转。即，若使干涉图L11的强度分布反转，则成为干涉图L12的强度分布。另外，若使干涉图L12的强度分布反转，则成为干涉图L11的强度分布。
输出端口PT1是用于向外部输出干涉图L11的端口。该输出端口PT1构成为能够连接光纤(即，光纤FB1)。在输出端口PT1连接光纤FB1的情况下，从输出端口PT1输出的干涉图L11被光纤FB1引导。
输出端口PT2是用于将干涉图L12输出到外部的端口。该输出端口PT2与输出端口PT2同样地构成为可连接光纤(即，光纤FB2)。在输出端口PT2连接光纤FB2的情况下，从输出端口PT2输出的干涉图L12被光纤FB2引导。
<合波光学系统和分波光学系统的第一结构例>
图3是表示本发明的一实施方式的傅里叶分光分析装置1(参照图1)所具备的合波光学系统30以及分波光学系统40的第一结构例的图。如图3所示，第一结构例的合波光学系统30具备透镜LS1(也称为第一透镜)。第一结构例的合波光学系统30在空间上对由光纤FB1、FB2引导的干涉图L11、L12进行合波并向试样SP的预先规定的照射区域A1照射。第一结构例的分波光学系统40具备透镜LS2(也称为第二透镜)。第一结构例的分波光学系统40在空间上分波经由试料SP的照射区域A1的光L3。
作为合波光学系统30的透镜LS1，例如能够使用傅里叶变换透镜、物体侧远心的透镜、其他透镜。透镜LS1例如以在前侧焦点面的不同位置配置光纤FB1、FB2的端部、在后侧焦点面配置试料SP的方式设置。由此，能够将入射到透镜LS1的前侧焦点面的不同位置的干涉图L11、L12照射到试样SP的照射区域A1。
作为分波光学系统40的透镜LS2，例如能够使用傅里叶变换透镜、图像侧远心的透镜、其他透镜。透镜LS2设置为例如在前侧焦点面配置有试样SP，在后侧焦点面内的不同位置FP1、FP2配置受光部50的检测器(省略图示)。由此，能够使经由试样SP的照射区域A1的光L3中包含的干涉L41、L42聚光于后侧焦点面的不同位置FP1、FP2。
<合波光学系统和分波光学系统的第二结构例>
图4是表示本发明的一实施方式的傅里叶分光分析装置1(参照图1)所具备的合波光学系统30以及分波光学系统40的第二构成例的图。如图4所示，第二结构例的合波光学系统30具备偏振光分束器31(也称为偏振光合波元件)、偏振光器32(也称为第一偏振光器)、以及偏振光器33(也称为第二偏振光器)。第二结构例的合波光学系统30使由光纤FB1、FB2引导的干涉图L11、L12的偏振光状态互不相同而进行合波。第二结构例的分波光学系统40具备偏振光分束器41(也称为偏振光分波元件)。第二结构例的分波光学系统40根据偏振光状态对经由试料SP的光L3进行分波。
偏振光分束器31被配置在光纤FB1的端部与试料SP之间。偏振光分束器31使入射的p偏振光(也称为第一偏振光状态)的光透过，使入射的s偏振光(也称为第二偏振光状态)的光反射。此外，在图4中，将p偏振光图示为平行于纸面的偏振光，将s偏振光图示为垂直于纸面的偏振光。另外，在图4中，为了容易理解，将与干涉图L11相关联的偏光成分和与干涉图L12相关联的偏光成分作为不同的标记。
偏振光器32被配置在光纤FB1的端部与偏振光分束器31之间。偏振光器32使从光纤FB1射出的干涉图L11成为p偏振光。偏振光器33被配置在光纤FB2的端部与偏振光分束器31之间。偏振光器33使从光纤FB2射出的干涉图L12成为s偏光。
从光纤FB1射出的干涉图L11通过偏振光器32而被成为p偏振光，从光纤FB2射出的干涉图L12通过偏振光器33而被成为s偏振光。p偏振光的干涉图L11透过偏振光分束器31而朝向试料SP前进。s偏振光的干涉图L12被偏振光分束器31反射而朝向试料SP前进。这样，对p偏振光的干涉图L11和s偏振光的干涉图L12进行了合波的干涉图L2被照射到试料SP。
偏振光分束器41被配置在试料SP与受光部50(图4中省略图示)之间。偏振光分束器41根据其偏振光状态对经由试料SP的光L3进行分波。具体而言，偏振光分束器41使光L3中包含的p偏振光的干涉图L41透过，使光L3中包含的s偏振光的干涉图L42反射。这样，光L3中包含的干涉图L41和干涉图L42被分波。
<合波光学系统和分波光学系统的第三结构例>
图5是表示本发明的一实施方式的傅里叶分光分析装置1(参照图1)所具备的合波光学系统30以及分波光学系统40的第三构成例的图。如图5所示，第三结构例的合波光学系统30省略了图4所示的合波光学系统30的偏振光器32、33。第三结构例的分波光学系统40是与图4所示的分波光学系统40相同的结构。因此，省略分波光学系统40的说明。
当从光纤FB1射出的干涉图L11入射到偏振光分束器31时，p偏振光成分透过偏振光分束器31而朝向试料SP前进，s偏振光成分被偏振光分束器31反射。当从光纤FB2射出的干涉图L12入射到偏振光分束器31时，s偏振光成分被偏振光分束器31反射而朝向试料SP前进，p偏振光成分透过偏振光分束器31。
这样，对干涉图L11的p偏振光成分与干涉图L12的s偏振光成分合波而成的干涉图L2被照射到试料SP。
在此基础上，在第三结构例中，得到干涉图L11的s偏振光成分和干涉图L12的p偏振光成分合波而成的干涉图L2a。该干涉图L2a由于未被照射到试料SP，因此在试料SP的解析中不被使用。
<合波光学系统和分波光学系统的第四构成例>
图6是表示本发明的一实施方式的傅里叶分光分析装置1(参照图1)所具备的合波光学系统30以及分波光学系统40的第四构成例的图。如图6所示，第四结构例的合波光学系统30是在图5所示的合波光学系统30中追加反射镜M1(也称为第一偏转元件)而得到的。第四结构例的分波光学系统40是在图4、图5所示的分波光学系统40中追加反射镜M2(也称为第二偏转元件)而得到的。
反射镜M1反射由偏振光分束器31获得的干涉图L2a(即，干涉图L11的s偏振光成分与干涉图L12的p偏振光成分合波而成的干涉图)，使其朝向试料SP。优选干涉图L2a向试料SP照射的位置极力接近干涉图L2向试料SP照射的位置。这是因为干涉图L2、L2a根据试料SP的光学特性的时间变化，尽量同样地被进行调制。反射镜M1只要能够反射干涉图L2a使其朝向试料SP，则可以使用任意的反射镜。
反射镜M2反射经由试料SP的光L3a，使其朝向偏振光分束器41。在此，经由试料SP的光L3a是进行与试料SP的光学特性相应的吸收、且进行了与试料SP的光学特性的时间变化相应的调制的干涉图L2a。反射镜M2只要能够反射经由试料SP的光L3a而使其朝向偏振光分束器41，则能够使用任意的反射镜。
在第四结构例中，由偏振光分束器31获得的干涉图L2a被反射镜M1反射而照射到试样SP。然后，经由试料SP的光L3a被反射镜M2反射后，入射到偏振光分束器41。偏振光分束器41反射经由试料SP的光L3a中包含的s偏振光成分，使p偏振光成分透过，并分波为干涉图L41的成分和干涉图L42的成分。
<信号处理装置的构成例>
图7是表示本发明的一实施方式的傅里叶分光分析装置1(参照图1)所具备的信号处理装置60的结构例的框图。如图7所示，信号处理装置60具备：噪声去除部61，将受光信号S1、S2作为输入；以及傅里叶变换部62，将噪声去除部61的输出信号作为输入。
噪声除去部61使用受光信号S1、S2，除去重叠于受光信号S1、S2的噪声。具体而言，噪声除去部61通过得到受光信号S1与受光信号S2的差，除去重叠于受光信号S1、S2的噪声。例如，噪声除去部61通过进行从受光信号S1减去受光信号S2的处理，从而除去重叠于受光信号S1、S2的噪声。此外，如果能够去除重叠于受光信号S1、S2的噪声，则由噪声去除部61进行的处理是任意的处理即可，不限于从受光信号S1减去受光信号S2的处理。
傅里叶变换部62对从噪声去除部61输出的信号进行傅里叶变换处理，求得分析波段的波长成分的光谱。在此，从噪声除去部61输出的信号是除去了起因于样品SP的光学特性的时间变化的噪声的信号。因此，由傅里叶变换部62求得的分析波段的波长成分的光谱成为除去起因于试样SP的光学特性的时间变化的噪声的光谱。
<傅里叶分光分析装置的动作>
接着，对上述结构中的傅里叶分光分析装置的动作进行说明。以下，为了容易理解，设在傅里叶分光分析装置1中设置的合波光学系统30以及分波光学系统40是在图4中示出的系统。
当从光源10射出包含多个波长成分的光L0时，该光L0入射到干涉仪20。如图2所示，入射到干涉仪20的光L0通过半透半反镜21被分支为朝向固定反射镜22的分支光L01和朝向移动反射镜23的分支光L02。
通过半透半反镜21被分支的分支光L01在被固定反射镜22反射而偏移规定量后，向相反方向前进而入射到半透半反镜21。另外，通过半透半反镜21被分支的分支光L02在被移动反射镜23反射并偏移规定量后，向反方向前进而入射到半透半反镜21。当分支光L01、L02入射到半透半反镜21时进行干涉，由此得到干涉图L11、L12。
在此，由于设置在干涉仪20上的移动镜23进行往复运动，因此从光源10射出的光L0中包含的波长成分分别以不同的频率被进行强度调制。例如，波长相对较短的波长成分以比波长相对较长的波长成分高的频率被进行强度调制。以这样的不同频率被进行强度调制的波长成分重叠而成的干涉图L11、L12通过干涉仪20而得到。
通过干涉仪20得到的干涉图L11从输出端口PT1输出，通过光纤FB1被导向合波光学系统30。通过干涉仪20得到的干涉图L12从输出端口PT2输出，通过光纤FB2被导向合波光学系统30。于是，在合波光学系统30中，干涉图L11的p偏振光成分和干涉图L12的s偏振光成分通过合波光学系统30被合波，并作为干涉图L2被照射到试料SP。
当经由试样SP的光L3入射到分波光学系统40时，通过设置于分波光学系统40的偏振光分束器41，根据该偏振光状态进行分波。具体而言，包含在光L3中的p偏振光的干涉图L41透过偏振光分束器41，包含在光L3中的s偏振光的干涉图L42被偏振光分束器41反射而被分波。被分波的p偏振光的干涉图L41及s偏振光的干涉图L12入射到受光部50。
入射到受光部50的p偏振光的干涉图L41及s偏振光的干涉图L12被设置于受光部50的检测器(省略图示)接收。并且，从受光部50输出接收p偏光的干涉图L41而得到的受光信号S1、和接收s偏光的干涉图L12而得到的受光信号S2。从受光部50输出的受光信号S1、S2被输入至信号处理装置60(参照图7)。
当信号处理装置60被输入受光信号S1、S2时，噪声去除部61使用受光信号S1、S2去除重叠于受光信号S1、S2的噪声。例如，噪声去除部61进行从受光信号S1减去(减算)受光信号S2的处理，得到受光信号S1与受光信号S2之差，从而去除重叠于受光信号S1、S2的噪声。
图8A和图8B是用于说明本发明的一个实施方式中去除重叠于受光信号的噪声的原理的图。在此，受光信号S1、S2由于接收干涉图L41、L42而得到，因此使用干涉图来说明上述噪声被除去的原理。
图8Α是示意性地表示照射到试样SP的干涉图L11、L12的图。图8B是示意性地表示经由试料SP的光L3中包含的干涉图L41、L42的图。另外，在图8A、图8B中，以干涉仪20所具备的移动镜23的位移为横轴，以干涉图的强度为纵轴。
如图8所示，干涉图L11、L12处于强度分布相互反转的关系。即，具有如下关系：若使干涉图L11的强度分布反转，则成为干涉图L12的强度分布；若使干涉图L12的强度分布反转，则成为干涉图L11的强度分布。另外，由于干涉图L11、L12被照射到试料SP，因此起因于试料SP的光学特性的时间变化的噪声不重叠。
由于干涉图L41、L42是将经由试料SP的干涉图L11、L12分波而得到的，因此，与干涉图L11、L12同样地，大致处于强度分布相互反转的关系。在此，干涉图L41、L42在经由试料SP时，同样地受到试料SP的光学特性的时间变化的影响。因此，如图8B所示，在干涉图L41、L42上被重叠同样的噪声。
因此，例如，如果进行从受光信号S1(即，接收干涉图L41而得到的信号)减去受光信号S2(即，接收干涉图L42而得到的信号)的处理，则能够除去重叠于受光信号S1、S2的噪声。
此外，如果进行上述的处理，则被反转的受光信号S2(即，干涉图L42)和受光信号S1(即，干涉图L41)被加算。因此，对受光信号S1、S2进行减算而得到的受光信号的信号强度成为受光信号S1、S2的2倍。
如果以上的处理结束，则将对受光信号S1、S2进行减算而得到的受光信号从噪声去除部61输出至傅里叶变换部62。然后，对从噪声去除部61被输出的受光信号进行傅里叶变换处理，通过傅里叶变换部62进行求得分析波段的波长成分的光谱的处理。通过进行这样的处理，从而求得起因于试料SP的光学特性的时间变化的噪声被去除的光谱(即，分析波段的波长成分的光谱)。
如上所述，在本实施方式中，具备：干涉仪20，得到强度分布相互反转的干涉图L11、L12；合波光学系统30，对干涉图L11、L12进行合波而作为干涉图L2对试料SP进行照射；以及分波光学系统40，对经由试料SP的光L3中包含的干涉图L41、L42进行分波。并且，使用接收被分波的干涉图L41而得到的受光信号S1、和接收被分波的干涉图L42而得到的受光信号S2，求得作为求得光谱的波段的分析波段的波长成分的、去除了噪声的光谱。由此，能够不浪费地有效利用用于分析的光，从而实现高的分析精度。
在此，假设没有合波光学系统30以及分波光学系统40中的光的损失。在合波光学系统30以及分波光学系统40的结构为图3、图6所示的第一结构例、第四结构例的情况下，能够不使干涉图L11、L12的大部分浪费地有效利用。在合波光学系统30以及分波光学系统40的结构为图4、图5所示的第二结构例、第三结构例的情况下，干涉图L11、L12的一半左右被浪费。但是，在与现有的傅里叶分光分析装置相同程度以上，能够有效活用干涉图L11、L12。
这样，在本实施方式中，能够将用于试料SP的分析的光尽量不浪费地有效利用至与以往的傅里叶分光分析装置相同程度以上，能够提高受光信号S1、S2的S/N比。由此，能够实现高的分析精度。这在对产生光学特性的时间变动的样品SP进行分析时也是同样的。
以上，对本发明的实施方式的傅里叶分光分析装置进行了说明，但本发明不限于上述实施方式，在本发明的范围内能够自由地变更。例如，在上述实施方式中，说明了使用从受光部50输出的受光信号S1、S2直接由信号处理装置60进行处理的例子。然而，也可以将从受光部50被输出的受光信号S1、S2存储在存储器中，并在信号处理装置60中的处理之后进行。
附图标记说明
1傅里叶分光分析装置；10光源；20干涉仪；21半透半反镜；22固定镜；23移动镜；30合波光学系统；31偏振光分束器；32、33偏振光器；40分波光学系统；41偏振光分束器；50受光部；60信号处理装置；61噪声去除部；62傅里叶变换部；Al照射区域；FP1、FP2位置；L0光；L01、L02分支光；L2干涉图；L11、L12干涉图；L41、L42干涉图；LSI、LS2透镜；M1、M2反射镜；PT1、PT2输出端口；S1、S2受光信号；SP试样。

Claims (20)

1.一种傅里叶分光分析装置，具备：
光源，射出包含分析波段的波长成分的光，所述分析波段的波长成分是求得经由作为分析对象的试样的光的光谱的波段；
干涉仪，从所述光源被射出的光中得到强度分布相互反转的第一干涉图和第二干涉图，作为干涉光即干涉图；
合波光学系统，将所述第一干涉图与所述第二干涉图合波并照射到所述试样；
分波光学系统，将经由所述试样的光所包含的所述第一干涉图与所述第二干涉图进行分波；
受光部，输出接收被分波的所述第一干扰图而得到的第一受光信号和接收被分波的所述第二干扰图而得到的第二受光信号；以及
信号处理装置，使用所述第一受光信号和所述第二受光信号进行求得所述分析波段的波长成分的、除去了噪声的光谱的处理。
2.根据权利要求1所述的傅里叶分光分析装置，其中，
所述信号处理装置具备：
噪声去除部，通过获得所述第一受光信号与所述第二受光信号之差，从而去除噪声；以及
傅里叶变换部，对表示由所述噪声去除部获得的所述差的信号进行傅里叶变换处理，求得所述分析波段的波长成分的光谱。
3.根据权利要求1或2所述的傅里叶分光分析装置，其中，
所述合波光学系统具备第一透镜，所述第一透镜将入射到前侧焦点面的不同位置的所述第一干涉图及所述第二干涉图照射到所述试样的预先规定的照射区域，
所述分波光学系统具备第二透镜，所述第二透镜使经由所述试样的光所包含的所述第一干涉图及所述第二干涉图聚光于后侧焦点面的不同位置。
4.根据权利要求1或2所述的傅里叶分光分析装置，其中，
所述合波光学系统具备偏振光合波元件，所述偏振光合波元件将由所述干涉仪得到的所述第一干涉图中的第一偏振光状态的所述第一干涉图、和由所述干涉仪得到的所述第二干涉图中的与所述第一偏振光状态不同的第二偏振光状态的所述第二干涉图进行合波，
所述分波光学系统具备偏振光分波元件，所述偏振光分波元件对经由所述试样的光所包含的所述第一干涉图以及所述第二干涉图根据该偏振光状态来进行分波。
5.根据权利要求4所述的傅里叶分光分析装置，其中，
所述合波光学系统具备：
第一偏振光器，将由所述干涉仪得到的所述第一干涉图设为所述第一偏振光状态；以及
第二偏振光器，将由所述干涉仪得到的所述第二干涉图设为所述第二偏振光状态。
6.根据权利要求4所述的傅里叶分光分析装置，其中，
所述合波光学系统具备第一偏转元件，所述第一偏转元件使经由所述偏振光合波元件的所述第二偏振光状态的所述第一干涉图以及所述第一偏振光状态的所述第二干涉图朝向所述试样，
所述分波光学系统具备第二偏转元件，所述第二偏转元件使由所述第一偏转元件反射并经过所述样品的光朝向所述偏振光分波元件。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的傅里叶分光分析装置，其中，
所述干涉仪具备：
半透半反镜，将从所述光源射出的光分支成第一分支光和第二分支光，并且使经由互不相同的光路的所述第一分支光和所述第二分支光干涉而获得所述第一干涉图和所述第二干涉图；
固定镜，反射由所述半透半反镜分支的所述第一分支光并使其入射到所述半透半反镜；
移动镜，构成为能够沿所述第二分支光的光路往复运动，对由所述半透半反镜分支的所述第二分支光进行反射并使其入射到所述半透半反镜；
第一输出部，向外部输出所述第一干涉图；以及
第二输出部，向外部输出所述第二干涉图。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的傅里叶分光分析装置，其中，所述光源是波段宽度为350[nm]～4500[nm]的卤素灯。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的傅里叶分光分析装置，其中，所述受光部具备能接收1[μm]～2.5[μm]的波长成分的检测器。
10.根据权利要求3所述的傅里叶分光分析装置，其中，
所述第一干涉图以及所述第二干涉图入射到所述第一透镜的前侧焦点面的不同位置。
11.根据权利要求3所述的傅里叶分光分析装置，其中，
所述第一透镜是傅里叶变换透镜或远心的透镜。
12.根据权利要求3所述的傅里叶分光分析装置，其中，
所述第二透镜是傅里叶变换透镜或远心的透镜。
13.根据权利要求4所述的傅里叶分光分析装置，其中，
所述第一偏振光状态是p偏振光，
所述第二偏振光状态是s偏振光。
14.根据权利要求5所述的傅里叶分光分析装置，其中，
所述偏振光合波元件使所述第一偏振光器成为所述第一偏振光状态的所述第一干涉图透过，使所述第二偏振光器成为所述第二偏振光状态的所述第二干涉图反射。
15.根据权利要求4所述的傅里叶分光分析装置，其中，
所述偏振光分波元件使经由所述试样的光所包含的所述第一偏振光状态的光透过，使经由所述试样的光所包含的所述第二偏振光状态的光反射。
16.根据权利要求4所述的傅里叶分光分析装置，其中，
所述偏振光合波元件使所述第一干涉图的所述第一偏振光状态成分透过，使所述第一干涉图的所述第二偏振光状态成分反射，并且使所述第二干涉图的所述第一偏振光状态成分透过，使所述第二干涉图的所述第二偏振光状态成分反射。
17.根据权利要求16所述的傅里叶分光分析装置，其中，
所述偏振光合波元件向所述试样照射透过的所述第一干涉图的所述第一偏光状态成分、和反射的所述第二干涉图的所述第二偏光状态成分。
18.根据权利要求6所述的傅里叶分光分析装置，其中，
所述第一偏转元件及所述第二偏转元件是反射镜。
19.根据权利要求6所述的傅里叶分光分析装置，其中，
所述偏振光合波元件将反射的所述第一干涉图的所述第二偏振光状态成分和透过的所述第二干涉图的所述第一偏振光状态成分向所述第一偏转元件射出。
20.根据权利要求2所述的傅里叶分光分析装置，其中，
所述信号处理装置通过进行从所述第一受光信号减去所述第二受光信号的处理，除去重叠于所述第一受光信号和所述第二受光信号的噪声。
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