JP2000088649A - フーリエ変換分光用干渉計 - Google Patents
フーリエ変換分光用干渉計Info
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Abstract
なフーリエ変換分光用干渉計を提供する。 【解決手段】 入射光を平行にするコリメータレンズ3
と、ビームを二つに分ける光分割鏡5と、2枚の平行な
合わせ鏡で構成された、固定した光路長を保つ固定反射
鏡7,8と、2枚の合わせ鏡で構成され光路長を変化さ
せるため一方の鏡が移動可能である可動反射鏡9,10
と、垂直反射用鏡11,12と、二つのビームを合わせ
るコリメータレンズ15と、検出器16から構成され、
可動反射鏡9,10の位置に対する光強度の変化である
インターフェログラムを得て、コンピュータでフーリエ
変換することによりスペクトル分布を求める。
Description
フーリエ変換分光用干渉計に関するものである。
あるいは光通信の波長モニタリングなどに適した、フー
リエ変換分光用干渉計に関するものである。
リエ変換分光器を用い、この検出結果より、試料分析
や、光通信波長モニタリングを行ってきた。
版」(田隅三生編著 東京化学同人ISBN4−807
9−0391−8)に掲載されているフーリエ変換分光
用干渉計の原理図面である。フーリエ変換分光法におい
ては、一つの光源Sから発せられた光を半透鏡BS1に
よって参照光路と可変光路に分岐した後、参照光路の光
は固定鏡M1で反射し、可変光路の光は可動鏡M2に反
射させてそれぞれ再び半透鏡BS1に戻して干渉させて
レンズL2によって検出器D上に集光する。
よって可変光路の光路長を変化させながら、検出器Dに
おける光強度を測定する。この光路長に依存する光強度
の変化をインターフェログラムと呼び、このインターフ
ェログラムをフーリエ変換することによって、入射光の
スペクトルが得られる。
路長差の最大値が大きいほど高くなり、光路長差M2は
可動鏡の最大移動距離で決まる。よって、可動鏡移動距
離が大きいほど高分解能が得られる。この関係をフーリ
エ変換分光で通常用いられる量である波数(波長の逆
数)を用いて表す。
長差、Δxは可動鏡の最大移動距離である。
長距離移動させる機構が必要である。
NSTRUMENTS社 MIR8000 MODUL
AR IR FOURIER SPECTROMETE
R(カタログ))を図9に示す。図9において、BS2
は光分割鏡、FIXは固定鏡、MOVは可動鏡である。
この光分割鏡BS2に関して対称に固定鏡FIXと可動
鏡MOVが配置され、可動鏡MOVの直線移動によって
光路長差に変化を生じさせている。また、可動鏡MOV
を長距離移動させるための駆動装置ACTと光分割鏡B
S2の微調整を行うXY調整ノブXY−ADJが備えら
れている。
鏡、可動鏡、半透鏡または光分割鏡等をそれぞれ個別に
製作、設置する必要があり、設置後にレーザー等を光源
として光学系に光を通し、光軸の微調整を行う必要があ
る。
構成の干渉計では、波数分解能を高くするためには可動
鏡の移動距離を長く採らざるを得ず、大きな可動鏡駆動
装置が必要であり、小型化が困難であるという欠点があ
った。
素子をそれぞれ個別に製作後、光学定盤等に実装し、さ
らに光軸の微調整をする必要があるが、そのような方法
を採ると、制作時間及びコストがかかるという問題点が
あった。
み、平面反射鏡に至る光路中に合わせ鏡の構造を用いる
ことによって長い光路長差を維持しながら、干渉計をコ
ンパクトに構成し、さらにリソグラフィー技術で結晶基
板を加工することによって前述の光学系を製作し、光学
素子の個別製作と光軸の微調整を不要とした安価なフー
リエ変換分光用干渉計を提供することにある。
めに、本発明に係る第1の形態は、光源からの入射光を
平行光にするコリメータレンズと、前記平行光を参照光
路と可変光路に分割する光分割鏡と、前記参照光路中に
固定され、前記光分割鏡からの光を受けて反射する固定
反射鏡と、前記可変光路中に固定され、前記光分割鏡か
らの光を受けて反射する可動反射鏡と、前記固定反射鏡
からの反射光と前記可動反射鏡からの反射光が前記光分
割鏡を通して入射される集光レンズと、前記集光レンズ
の焦点に置かれ、前記光分割鏡からの光を受光する受光
手段とを有し、前記可動反射鏡を並進移動させて、その
位置に対する光の強度を測定してそのフーリエ変換を行
うことによりスペクトルを得るフーリエ変換分光用干渉
計であって、前記固定反射鏡と前記可動反射鏡として互
いに平行な合わせ鏡を用いることによって光を複数回往
復させ、鏡の並進移動距離の複数倍の光路長走査を実現
し、波数分解能を高めたものである(請求項1)。
を平行光にするコリメータレンズと、前記平行光の光路
を分割する光分割鏡と、前記分割された光路のうち一方
の光路中に設置され、前記光分割鏡からの光を受けて反
射する第1の反射鏡と、前記分割された光路のうち他方
の光路中に設置され、前記光分割鏡からの光を受けて反
射する第2の反射鏡と、前記第1および前記第2の反射
鏡からの反射光を前記光分割鏡を通して入射する集光レ
ンズと、前記集光レンズの焦点に置かれ、前記光分割鏡
からの光を受光する受光手段とを有し、可動反射鏡を並
進移動させて、その位置に対する光の強度を測定してそ
のフーリエ変換を行うことによりスペクトルを得るフー
リエ変換分光用干渉計であって、前記第1および前記第
2の反射鏡に互いに平行な合わせ鏡を用いることによっ
て光を複数回往復させ、前記可動反射鏡の並進移動距離
の複数倍の光路長走査を実現し、かつ前記第1および前
記第2の反射鏡のうち一つを共通にして同時に駆動する
ことにより、鏡移動によって生ずる光路差を並進移動距
離の複数倍のさらに2倍に長くして高い波数分解能を実
現したものである(請求項2)。
して記載したフーリエ変換分光用干渉計において、前記
第1および前記第2の反射鏡に、固体基板材料の加工に
よりモノリシックに形成した互いに平行な2枚の板の組
み合わせを用いることによって、光軸調整を不要とし、
大量生産可能にして安価に提供可能としたものである
(請求項3)。
して記載したフーリエ変換分光用干渉計において、前記
第1および前記第2の反射鏡に、固体基板材料の加工に
よりモノリシックに形成した互いに平行な2枚の板の組
み合わせを用いることによって、光軸調整を不要とし、
大量生産可能にして安価に提供可能としたものである
(請求項4)。
4の形態として記載したフーリエ変換分光用干渉計にお
いて、前記第1および前記第2の反射鏡の移動方向を固
定するためのガイドを固体基板材料の加工によりモノリ
シックに形成してミラー移動の際のぶれをなくしたもの
である(請求項5)。
の形態として記載したフーリエ変換分光用干渉計におい
て、コリメータレンズ,光分割鏡,反射合わせ鏡,集光
レンズ等の光学素子の方向を固定するためのガイドを固
体基板材料の加工によりモノリシックに形成したもので
ある(請求項6)。
5,6の形態として記載したフーリエ変換分光用干渉計
において、固体基板材料の加工により平板を形成し、光
分割鏡として用いることによって、光分割鏡本体をモノ
リシックに作製して実装の手間を省いたものである(請
求項7)。
5,6,7の形態として記載したフーリエ変換分光用干
渉計において、固体基板材料としてシリコン(110)
基板を用いたものである(請求項8)。
として2枚の合わせ鏡を用いることによって、従来の干
渉計に比較して同じ光路長差を保ちながら鏡の移動距離
を短くすることができ、結果として、高い波数分解能を
維持しながら、干渉計全体を小型化することが可能にな
る。
鏡等をリソグラフィーによって半導体基板上に形成し、
基板材料加工によって作製することを特徴としている。
基板上には、リソグラフィー及びエッチング技術によっ
て基板に垂直な平面構造を形成する。このとき、異方性
エッチングにより平面構造を形成した場合には、面同士
の平行性が非常に高いため、光軸調整が不要となる。
を一括して作製できるので安価である点、ならびに、光
学調整が不要である点が異なっている。
用干渉計では、入射した光は可動合わせ鏡及び固定合わ
せ鏡の間を複数回往復するために、一方の鏡を移動させ
ることにより光路長の変化は鏡自体の移動距離の複数倍
となる。よって、高分解能を得るための可動鏡移動距離
は少なくて済む。また、可動鏡を長距離移動させるため
の大きな駆動装置が不要となる。
造の高分解能化かつ小型化を可能にする。また、リソグ
ラフィー技術でこの構造を製作した場合には、光軸調整
不要かつ大量生産が可能となり、安価になる。
施の形態を詳細に説明する。
ーリエ変換分光用干渉計を示す構成図である。
板、2はタングステンランプ等の白色光源、3は光源か
らの光を平行光にするためのコリメータレンズ、4は試
料として用いるガスセル、5は光分割鏡、6は光分割鏡
支持部、7,8は合わせ鏡用固定平面鏡、9,10は合
わせ鏡用可動平面鏡、11,12は垂直反射用平面鏡、
13は可動平面鏡駆動機構、14は可動平面鏡移動ガイ
ド、15は集光レンズ、16は光検出器である。
せるには、まず白色光源2からの光をコリメータレンズ
3によって平行光としてガスセル4を通過させ、光分割
鏡5に入射する。入射光は光分割鏡5で二分割され、一
方は合わせ鏡用固定鏡7に向かって反射し、他方も合わ
せ鏡用固定鏡8に向かって反射する。光はそれぞれ合わ
せ鏡用固定鏡7,8と合わせ鏡用可動鏡9,10間で複
数回反射された後、垂直反射鏡11と12で進行方向を
反転される。さらに、両方の光はそれぞれ合わせ鏡用固
定鏡7,8と合わせ鏡用可動鏡9,10間で逆方向に進
行しながら複数回反射された後、光分割鏡5において再
び合波される。集光レンズ15はこの合波された光を光
検出器16上に集光する。
せ鏡用可動鏡9,10を移動させると、合わせ鏡用固定
鏡7と合わせ鏡用可動鏡9間で複数回反射された光線の
光路長と、合わせ鏡用固定鏡8と合わせ鏡用可動鏡10
間で複数回反射された光線の光路長の間に光路差が生じ
る。合わせ鏡用可動鏡10の移動によって光路長を変化
させながら、光検出器16からの信号を測定し、インタ
ーフェログラムを得る。
フェログラムをフーリエ変換することによって得られ
る。このとき、光分割鏡5の方向は光分割鏡支持部6の
平面性により一定の方向を向いており、ぶれを生じな
い。また、合わせ鏡用可動鏡9,10の移動方向は可動
鏡移動ガイド14の平面性により一定に保たれてぶれを
生じない。
鏡及び合わせ鏡用固定鏡の間を複数回往復する。
において、17a,17bはそれぞれ光分割鏡からの光
線、18a(実線),18b(実線)は可動合わせ鏡移
動前の光路、19a(破線),19b(破線)は可動合
わせ鏡移動後の光路である。図2に示されるように、可
動合わせ鏡位置が変化するにしたがって光路も変化す
る。
を示す。18a(実線)は可動合わせ鏡が原点位置にあ
る場合の光路を示し、18b(破線)は可動合わせ鏡が
ある距離移動した後の光路を示している。これは可動合
わせ鏡に片道で3回反射され、往復で6回反射される場
合の例である。
反射についてBC間とCD間を合わせた距離に相当する
光路長が新たに得られ、この長さは2Δd/cosθで
ある。3回反射すると、その3倍である3×2Δd/c
osθが得られる。
BD間の距離に相当し、これは2Δdtanθであり、
3回反射した場合の可動合わせ鏡上での反射位置変化は
AD間の距離に相当し、これは2Δdtanθの3倍で
ある。反射位置が移動したことにより失った距離はAE
に相当し、これは3×2Δdtanθ・sinθであ
る。
張すると、
道における可動合わせ鏡に反射された回数、Δdは合わ
せ鏡位置変化、θは鏡面への入射角度である。
移動によって光路が短くなるために符号が逆転し、
を合わせて、
鏡の移動方向とは、結晶の面方位で決まる一定の傾きが
あるため、合わせ鏡間隔変化Δdと可動鏡の並進移動距
離Δxの間には次の関係がある。
る。
可動鏡の最大移動距離と波数分解能の関係は次のように
表される。
鏡の最大移動距離、nは可動鏡に反射された回数、θは
鏡面への入射角度である。
は、n=3、Δx=166μm、θ=45度、φ=7
1.1度である。この場合、ΔLMAX は2.6mmとな
り、波数分解能は3.8cm-1となる。
てインターフェログラムを得た例を示す。ここで、光線
は大気中を通過させている。166μmのスパンを40
mmステップで並進させ4096点のデータを得たが、
ここでは、原点付近で得られた2000点のデータのみ
を示す。また、図4に、このインターフェログラムをフ
ーリエ変換して得られた大気の透過スペクトルの例を示
す。
持部を説明する図である。光分割鏡支持部はシリコン基
板の異方性エッチングによりモノリシックに作製したた
め、光分割鏡5と合わせ鏡用固定鏡7および8の方向と
の違いを常に一定に保つことができ、また、光分割鏡5
と合わせ鏡用固定鏡7および8の方向と一致させること
ができる。このことにより、光分割鏡5の方向が限定さ
れ、ぶれを無くして実装における位置合わせの手間を省
くことができる。
ガイド14を説明する図である。可動鏡移動ガイド14
は、シリコン基板の異方性エッチングによりモノリシッ
クに作製してあるため、合わせ鏡用可動鏡の移動方向は
結晶面と一致する方向に限定され、さらにガイド間のず
れも無く、滑らかに合わせ鏡用可動鏡9,10を移動す
ることができる。
用いた光分割鏡20を説明する図である。基板材料のシ
リコン基板の異方性エッチングによりモノリシックに作
製したため、合わせ鏡用固定鏡7および8の方向との違
いを常に一定に保つことができ、または、合わせ鏡用固
定鏡7および8の方向と一致させることができる。結晶
面方位の方向性をうまく利用することにより、方向が限
定され、ぶれを無くして実装における位置合わせの手間
を省くことができる。
明及び例示を目的として特定の実施例を示したに過ぎな
い。従って、本発明はその本質から逸脱せずに多くの変
更、変形をなし得ることは当業者には明らかである。
替えることもできる。また、可動鏡駆動機構の設置場所
は、合わせ鏡用可動鏡を駆動できる場所であればどこで
もよい。さらに、本実施の形態では、ガスセル中の空気
を試料として用いたが、本発明の適用先は試料が流体ま
たは固体であるかを問わない。
する角度は45度としているが、これは任意の角度でよ
い。さらに本実施の形態では、2つの合わせ鏡用可動鏡
は連結されているが、2つの合わせ鏡用可動鏡をそれぞ
れに独立に動かしてもよい。
ーリエ変換分光用干渉計を構成するにあたり、平行な合
わせ鏡を用いて波数分解能を高めると共に、小型化を達
成している。また、モノリシックに構成して、光学素子
の光軸調整の手間を省き、大量生産可能とし、安価なフ
ーリエ変換分光用干渉計を実現することができる。
成図である。
鏡用可動鏡と合わせ鏡用固定鏡による光路長変化量に関
する構成図である。
ンターフェログラムを示す図である。
気の透過スペクトルを示す図である。
鏡支持部に関する構成図である。
移動ガイドに関する構成図である。
料を用いた光分割鏡に関する構成図である。
成図である。
計の一例を示す図である。
Claims (8)
- 【請求項1】 光源からの入射光を平行光にするコリメ
ータレンズと、 前記平行光を参照光路と可変光路に分割する光分割鏡
と、 前記参照光路中に固定され、前記光分割鏡からの光を受
けて反射する固定反射鏡と、 前記可変光路中に固定され、前記光分割鏡からの光を受
けて反射する可動反射鏡と、 前記固定反射鏡からの反射光と前記可動反射鏡からの反
射光が前記光分割鏡を通して入射される集光レンズと、 前記集光レンズの焦点に置かれ、前記光分割鏡からの光
を受光する受光手段とを有し、 前記可動反射鏡を並進移動させて、その位置に対する光
の強度を測定してそのフーリエ変換を行うことによりス
ペクトルを得るフーリエ変換分光用干渉計であって、 前記固定反射鏡と前記可動反射鏡として互いに平行な合
わせ鏡を用いることによって光を複数回往復させ、鏡の
並進移動距離の複数倍の光路長走査を実現し、波数分解
能を高めたことを特徴とするフーリエ変換分光用干渉
計。 - 【請求項2】 光源からの入射光を平行光にするコリメ
ータレンズと、 前記平行光の光路を分割する光分割鏡と、 前記分割された光路のうち一方の光路中に設置され、前
記光分割鏡からの光を受けて反射する第1の反射鏡と、 前記分割された光路のうち他方の光路中に設置され、前
記光分割鏡からの光を受けて反射する第2の反射鏡と、 前記第1および前記第2の反射鏡からの反射光を前記光
分割鏡を通して入射する集光レンズと、 前記集光レンズの焦点に置かれ、前記光分割鏡からの光
を受光する受光手段とを有し、 可動反射鏡を並進移動させて、その位置に対する光の強
度を測定してそのフーリエ変換を行うことによりスペク
トルを得るフーリエ変換分光用干渉計であって、 前記第1および前記第2の反射鏡に互いに平行な合わせ
鏡を用いることによって光を複数回往復させ、前記可動
反射鏡の並進移動距離の複数倍の光路長走査を実現し、
かつ前記第1および前記第2の反射鏡のうち一つを共通
にして同時に駆動することにより、鏡移動によって生ず
る光路差を並進移動距離の複数倍のさらに2倍に長くし
て高い波数分解能を実現したことを特徴とするフーリエ
変換分光用干渉計。 - 【請求項3】 請求項1に記載のフーリエ変換分光用干
渉計において、 前記第1および前記第2の反射鏡に、固体基板材料の加
工によりモノリシックに形成した互いに平行な2枚の板
の組み合わせを用いることによって、光軸調整を不要と
し、大量生産可能にして安価に提供可能としたことを特
徴とするフーリエ変換分光用干渉計。 - 【請求項4】 請求項2に記載のフーリエ変換分光用干
渉計において、 前記第1および前記第2の反射鏡に、固体基板材料の加
工によりモノリシックに形成した互いに平行な2枚の板
の組み合わせを用いることによって、光軸調整を不要と
し、大量生産可能にして安価に提供可能としたことを特
徴とするフーリエ変換分光用干渉計。 - 【請求項5】 請求項1ないし4のいずれかに記載のフ
ーリエ変換分光用干渉計において、 前記第1および前記第2の反射鏡の移動方向を固定する
ためのガイドを固体基板材料の加工によりモノリシック
に形成してミラー移動の際のぶれをなくしたことを特徴
とするフーリエ変換分光用干渉計。 - 【請求項6】 請求項3,4,5のいずれかに記載のフ
ーリエ変換分光用干渉計において、 コリメータレンズ,光分割鏡,反射合わせ鏡,集光レン
ズ等の光学素子の方向を固定するためのガイドを固体基
板材料の加工によりモノリシックに形成したことを特徴
とするフーリエ変換分光用干渉計。 - 【請求項7】 請求項3,4,5,6のいずれかに記載
のフーリエ変換分光用干渉計において、 固体基板材料の加工により平板を形成し、光分割鏡とし
て用いることによって、光分割鏡本体をモノリシックに
作製して実装の手間を省いたことを特徴とするフーリエ
変換分光用干渉計。 - 【請求項8】 請求項3,4,5,6,7のいずれかに
記載のフーリエ変換分光用干渉計において、 固体基板材料としてシリコン(110)基板を用いたこ
とを特徴とするフーリエ変換分光用干渉計。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP26353498A JP3544869B2 (ja) | 1998-09-17 | 1998-09-17 | フーリエ変換分光用干渉計 |
Applications Claiming Priority (1)
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