JP2001281056A

JP2001281056A - 干渉計及び分光器

Info

Publication number: JP2001281056A
Application number: JP2000094656A
Authority: JP
Inventors: Shunichi Miyazaki; 俊一宮崎; Yoshikazu Yanagawa; 美和柳川; Takahito Kishi; 卓人岸
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2000-03-30
Filing date: 2000-03-30
Publication date: 2001-10-10

Abstract

(57)【要約】【課題】コンパクトで光学設計が容易になりコストの
削減を図ることができる干渉計及び分光器を提供する。【解決手段】複屈折素子７は、２つの複屈折結晶７
ａ，７ｂが頂角αで接合され、かつ、複屈折結晶７ａの
入射面７ｃに対して光学軸が傾斜角εで傾斜している変
形２枚組ウォラストンプリズムである。複屈折結晶７ａ
に入射した光線は、この複屈折結晶７ａの光学軸が傾斜
角εだけ傾斜しているために、異常光線と常光線との２
つの光線に分岐される。そして、複屈折結晶７１ｂに入
射する２つの光線は、複屈折結晶７１ａと複屈折結晶７
１ｂとの間の屈折面で屈折する。その結果、複屈折結晶
７２ａから出射する２つの光線を検出器３上に結像させ
ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、２つの複屈折結
晶から構成された複屈折素子によって光源からの光を干
渉させる干渉計及び干渉光のスペクトルを測定する分光
器に関する。

【０００２】

【従来の技術】図３は、従来のマルチチャンネル分光
器（従来例１）を概略的に示す構成図である。図３に示
すマルチチャンネル分光器（マルチチャンネル回折格
子）１０１は、光源からの光が通過するスリット１０２
と、このスリット１０２を通過した光を波長毎のスペク
トルに分割する凹面回折格子１０３と、この凹面回折格
子１０３が反射した光をマルチチャンネル検出器（ＰＤ
Ａ）１０４上に結像させる結像レンズ１０５とを備えて
いる。このマルチチャンネル分光器１０１は、マルチチ
ャンネル検出器１０４の各検出素子１０４ａ上に各波長
毎のスペクトルＳを分散させる。

【０００３】図４は、従来のマルチチャンネル分光器
（従来例２）を概略的に示す構成図である。図４に示す
マルチチャンネル分光器２０１は、光源２０２と、この
光源からの光を平行光にするコリメータレンズ２０３
と、このコリメータレンズ２０３を透過した光が入射す
る偏光子２０４と、この偏光子２０４を通過した光が入
射するウォラストンプリズム２０５と、このウォラスト
ンプリズム２０５によって分岐された光が入射する偏光
子２０６と、この偏光子２０６を通過した光をマルチチ
ャンネル検出器２０７上に結像させる結像レンズ２０８
とを備えている。

【０００４】ウォラストンプリズム２０５は、光学軸方
向が互いに垂直な２つの方解石などの複屈折結晶２０５
ａ，２０５ｂを貼り合わせた偏光プリズムである。ウォ
ラストンプリズム２０５は、入射面が光学軸（図中矢印
方向）に対して平行な複屈折結晶２０５ａと、この複屈
折結晶２０５ａの光学軸に対して光学軸が直交する複屈
折結晶２０５ｂとから構成されている。ウォラストンプ
リズム２０５は、入射面に対して垂直に入射する光を所
定の分岐角で分岐させる。このマルチチャンネル分光器
２０１は、結像レンズ２０８によってマルチチャンネル
検出器２０７上に形成されたインターフェログラムを、
高速フーリエ変換（以下、ＦＦＴという）により波数対
吸光度の関係に変換する。

【０００５】図５は、従来のマルチチャンネル分光器
（従来例３）を概略的に示す構成図である。図５に示す
マルチチャンネル分光器３０１は、偏光子３０１と、こ
の偏光子３０１を通過した光が入射する変形３枚組ウォ
ラストンプリズム３０２と、この変形３枚組ウォラスト
ンプリズム３０２によって分岐された光が入射する偏光
子３０３と、マルチチャンネル検出器３０４とを備えて
いる。

【０００６】変形３枚組ウォラストンプリズム３０２
は、３つの方解石などの複屈折結晶３０２ａ，３０２
ｂ，３０２ｂを貼り合わせた偏光プリズムである。変形
３枚組ウォラストンプリズム３０２は、光学軸（図中矢
印方向）に対して入射面が垂直な複屈折結晶３０２ａ
と、この複屈折結晶３０２ａの光学軸に対して光学軸
（図中矢印方向）が傾斜した複屈折結晶３０２ｂと、複
屈折結晶３０２ａの光学軸に対して光学軸が直交した複
屈折結晶３０２ｃとから構成されている。変形３枚組ウ
ォラストンプリズム３０２は、入射光線を所定の分岐角
で分岐させるとともに、マルチチャンネル検出器３０４
上にインターフェログラムを形成して、ＦＦＴにより波
数対吸光度の関係に変換する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】図３に示すマルチチャ
ンネル分光器（従来例１）１０１は、光源からの光量が
スリット１０２により制限されるために光の利用効率が
低く、マルチチャンネル検出器１０４に到達する光量が
低下してＳ／Ｎが低下するという問題があった。このた
めに、スリット１０２を使用しないで光の利用効率を向
上させるフーリエ変換型マルチチャンネル分光器（ＭＣ
ＦＴ）が検討された。

【０００８】図４に示すマルチチャンネル分光器（従来
例２）２０１は、図３に示すようなスリット１０２を使
用しないフーリエ変換型マルチチャンネル分光器であ
る。このマルチチャンネル分光器２０１は、ウォラスト
ンプリズム２０５から分岐された２つの光線を結像レン
ズ２０８によって、マルチチャンネル検出器２０７上に
インターフェログラムを空間的に結像させている。しか
し、結像レンズ２０８の収差の影響によって焦点が一定
ではなく、本来のマルチチャンネル検出器２０７の検出
素子数で決定される分解能を得ることができないという
問題があった。特に、マルチチャンネル検出器２０７の
検出素子数が多くなったり、一つの検出素子の大きさが
小さくなるほど、収差による影響が大きかった。

【０００９】図５に示すマルチチャンネル分光器（従来
例３）３０１は、図４に示す結像レンズ２０８を使用し
ないフーリエ変換型マルチチャンネル分光器である。変
形３枚組ウォラストンプリズム３０２は、複屈折結晶自
体がレンズの結像機能を備えているために、結像レンズ
２０８の収差による影響を解決することができる。しか
し、マルチチャンネル検出器３０４上に干渉縞を形成す
るために、頂角や結晶の厚さなどの多くのパラメータを
調整する必要があり、光学設計が難しいという問題があ
った。また、楔構造を備えた３枚の複屈折結晶板を使用
するために、加工が難しく材料費がかかるという問題が
あった。

【００１０】この発明の課題は、コンパクトで光学設計
が容易になりコストの削減を図ることができる干渉計及
び分光器を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明は、以下のよう
な解決手段により、前記課題を解決する。なお、この発
明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、これ
に限定するものではない。請求項１の発明は、２つの複
屈折結晶（７ａ，７ｂ）により構成された複屈折素子
（７）によって、光源（４）からの光を干渉させる干渉
計であって、前記複屈折素子は、この複屈折素子からの
出射光線が結像するように、前記２つの複屈折結晶（７
ａ，７ｂ）が所定の頂角（α）で接合され、かつ、光源
側の複屈折結晶（７ａ）の入射面（７ｃ）に対してこの
複屈折結晶の光学軸が所定の傾斜角（ε）で傾斜してい
ることを特徴とする干渉計（２）である。

【００１２】請求項２の発明は、請求項１に記載の干渉
計において、前記複屈折素子は、変形２枚組ウォラスト
ンプリズムであることを特徴とする干渉計である。

【００１３】請求項３の発明は、請求項１又は請求項２
に記載の干渉計において、前記複屈折素子は、前記頂角
（α）、前記傾斜角（ε）又は前記複屈折結晶の厚さ
（ｔ）のうち少なくとも一つのパラメータを変えること
によって焦点距離が変化することを特徴とする干渉計で
ある。

【００１４】請求項４の発明は、干渉光のスペクトルを
測定する分光器であって、請求項１から請求項３までの
いずれか１項に記載の干渉計と、前記干渉計が発生する
干渉光を検出する検出器（３）とを含む分光器（１）で
ある。

【００１５】請求項５の発明は、請求項４に記載の分光
器において、前記検出器は、ＩｎＧａＡｓ検出器である
ことを特徴とする分光器である。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
の実施形態について詳しく説明する。図１は、この発明
の実施形態に係る分光器を概略的に示す構成図である。
図１に示す分光器１は、干渉光のスペクトルを測定する
フーリエ変換型マルチチャンネル分光器である。分光器
１は、干渉計２及び検出器３を備えており、検出器３上
に形成されたインターフェログラムをＦＦＴによって波
数対吸光度の関係に変換して、サンプルなどの成分や状
態を分析する。

【００１７】干渉計２は、２つの複屈折結晶７ａ，７ｂ
から構成された複屈折素子７によって、光源３からの光
を干渉させて干渉光を発生させる偏光２光束干渉計であ
る。干渉計２は、光を照射する光源４と、この光源４か
らの光を平行な光線束にするコリメータレンズ５と、こ
のコリメータレンズ５を透過した光が入射する偏光子６
と、この偏光子６を通過した光が入射する複屈折素子７
と、この複屈折素子７によって分岐された光が入射する
偏光子８とを備えている。

【００１８】複屈折素子７は、この複屈折素子７からの
出射光線が結像するように、２つの複屈折結晶７ａ，７
ｂにより構成された素子である。複屈折素子７は、２つ
の複屈折結晶７ａ，７ｂが所定の頂角（楔角）αで接合
され、かつ、光源側の複屈折結晶７ａの入射面７ｃに対
してこの複屈折結晶７ａの光学軸が所定の傾斜角εで傾
斜している変形２枚組ウォラストンプリズムである。複
屈折結晶７ａは、その入射面７ｃが光学軸に対して傾斜
角εだけ傾斜するように研磨されており、複屈折結晶７
ｂは、入射面７ｃに対して光学軸が垂直な方向（図中紙
面に対して垂直）になるように研磨されている。

【００１９】図２は、この発明の実施形態に係る分光器
の複屈折素子による光線追跡を説明するための図であ
る。図２（Ａ）は、この発明の実施形態に係る分光器の
複屈折素子７を示す。図２（Ｂ）は、入射面７１ｃが光
学軸に対して傾斜して研磨された複屈折結晶７１ａと、
入射面７１ｃに対して光学軸が平行（紙面に対して垂
直）に研磨された複屈折結晶７１ｂとを、頂角ゼロ度で
貼り合わせた複屈折素子７１を示す。図２（Ｃ）は、入
射面７２ｃが光学軸に対して平行に研磨された複屈折結
晶７２ａと、この複屈折結晶７２ａの光学軸に対して光
学軸が直交するように研磨された複屈折結晶７２ｂと
を、頂角αで貼り合わせた複屈折素子７２を示す。

【００２０】図２（Ａ）に示すように、複屈折結晶７ａ
の入射面７ｃに対して垂直に入射した光線は、この入射
面７ａに対して光学軸が傾斜角εだけ傾斜している。こ
のために、複屈折結晶７ａに入射した光線は、非等方性
の速度を持つ異常光線（以下、ｅ光という）と、進行速
度が進行方向によらない等方性の常光線（以下、ｏ光と
いう）との２つの光線に分岐される。ここで、ｅ光とｏ
光との間の分岐角（開き角）ｒ₀ は、光学軸の傾斜角ε
の大きさによって変化する。

【００２１】図２（Ｂ）に示す複屈折素子７１のように
頂角αがゼロ度であると、複屈折結晶７１ａによって分
岐されて複屈折結晶７１ｂに入射するｅ光及びｏ光は、
距離ｄだけ離れた平行な光線となり、複屈折結晶７１ｂ
から出射しても結像しない。ここで、距離ｄは、入射面
７１ｃに対する光学軸の傾斜角εの大きさによって変化
する。

【００２２】一方、図２（Ｃ）に示す複屈折素子７２の
ように頂角αであると、複屈折結晶７１ｂに入射するｅ
光及びｏ光は、複屈折結晶７１ａと複屈折結晶７１ｂと
の間の屈折面で屈折する。例えば、ｅ光及びｏ光が距離
ｄだけ離れた平行な光線となって複屈折結晶７２ａから
複屈折結晶７２ｂに入射角αで入射すると、ｅ光は屈折
角α−ｒeで屈折し、ｏ光は屈折角ｒｏ−αで屈折す
る。その結果、複屈折結晶７２ａから出射する出射光線
が結像する。

【００２３】ここで、複屈折素子７の焦点距離は、頂角
α、傾斜角ε又は結晶中心軸Ｚ上における複屈折結晶７
ａ，７ｂの厚さｔのうち少なくとも一つのパラメータを
変えることによって変化する。例えば、頂角αを大きく
すると焦点距離が短くなり、頂角αを小さくすると焦点
距離が長くなる。同様に、傾斜角εを小さくすると焦点
距離が短くなり、傾斜角εを大きくすると焦点距離が長
くなる。また、複屈折結晶７ｂから出射する２つの光の
光路差及び焦点距離は、厚さｔによって変化する。例え
ば、厚さｔを厚くすると光路差及び焦点距離が長くな
り、厚さｔを薄くすると光路差及び焦点距離が短くな
る。

【００２４】このように、図２（Ａ）に示す複屈折素子
７は、図２（Ｂ）に示す複屈折素子７１の機能と、図２
（Ｃ）に示す複屈折素子７２の機能とを加え合わせたよ
うな素子である。このために、図２（Ａ）に示す複屈折
素子７は、複屈折結晶７ａの光学軸の傾斜角ε及び頂角
αを調整することで、複屈折結晶７ｂから出射する光線
を結像させることができる。その結果、図２（Ａ）に示
すように、複屈折結晶７ｂから出射する２つの光の光路
差がゼロの位置で、光量が最も強くなるスペクトルＳが
得られる。

【００２５】図１に示す検出器３は、干渉計２が発生す
る干渉光を検出するマルチチャンネル検出器である。検
出器３は、図１に示すように、複数の検出素子３ａから
構成されており、干渉計２が発生する干渉光をスペクト
ルデータに変換する。検出器３は、干渉計２が発生する
干渉縞と検出面３ｂとが一致するように傾斜して配置さ
れている。この実施形態では、例えば、近赤外領域
（０．９〜２．５μｍ）において屈折率が高く透過率が
ある方解石によって複屈折素子７を構成するとともに、
近赤外領域において感度が高いインジウムガリウム砒素
（ＩｎＧａＡｓ）検出器を用いて近赤外分光器を構成す
ることが好ましい。

【００２６】この発明の実施形態に係る分光器には、以
下に記載するような効果がある。（１）この実施形態では、２つの複屈折結晶７ａ，７
ｂが頂角αで接合され、かつ、複屈折結晶７ａの入射面
７ｃに対して光学軸が傾斜角εで傾斜した複屈折素子７
によって、光源７からの光を干渉させる。このために、
複屈折素子７自体にレンズの結像機能を持たせて、複屈
折素子７からの出射光線を結像させることができる。そ
の結果、図４に示すマルチチャンネル分光器（従来例
２）のように結像レンズ２０８による収差の影響がなく
なるために、使用するマルチチャンネル検出器の全検出
素子内に干渉縞を形成することができる。また、図３に
示すマルチチャンネル分光器（従来例１）のようにスリ
ット１０２による光量の低下を抑えることができるため
に、同じ分解能を有するマルチチャンネル回折格子に比
べて光学スループットが大きくなって、Ｓ／Ｎを大きく
することができる。

【００２７】（２）この実施形態では、変形２枚組ウ
ォラストンプリズムによって複屈折素子７を構成してい
る。このために、図５に示すマルチチャンネル分光器
（従来例３）の変形３枚組ウォラストンプリズムに比べ
て製造コストが下がり、従来例１のマルチチャンネル回
折格子と同程度のコストにすることができる。また、従
来例３では、２つの頂角、光学軸の傾斜角及び結晶の厚
さという４つのパラメータにより光学設計をする必要が
あるが、この実施形態では、１つの頂角α、傾斜角ε及
び厚さｔの３つのパラメータで足りるために光学設計が
容易になる。

【００２８】（３）この実施形態では、頂角α、傾斜
角ε又は複屈折結晶７ａ，７ｂの厚さｔのうち少なくと
も一つのパラメータを変えることによって、複屈折素子
７の焦点距離を変化させることができる。その結果、こ
れらのパラメータを調整することで、焦点距離が短くな
り、検出器３を含む光学系全体の小型化と軽量化を図る
ことができる。

【００２９】この発明は、以上説明した実施形態に限定
するものではなく、種々の変形又は変更が可能であり、
これらもこの発明の範囲内である。例えば、この実施形
態では、変形２枚組ウォラストンプリズムを例に挙げて
説明したが、これ以外の複屈折素子であってもよい。ま
た、複屈折結晶７ａ，７ｂの厚さｔをそれぞれ異なる厚
さにしてもよい。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、この発明による
と、複屈折素子からの出射光線が結像するように、２つ
の複屈折結晶が所定の頂角で接合され、かつ、光源側の
複屈折結晶の光学軸が所定の傾斜角で傾斜しているの
で、コンパクトで光学設計が容易になりコストの削減を
図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施形態に係る分光器を概略的に示
す構成図である。

【図２】この発明の実施形態に係る分光器の複屈折素子
による光線追跡を説明するための図である。（Ａ）は、
この発明の実施形態に係る分光器の複屈折素子を示す。
（Ｂ）は、入射面が光学軸に対して傾斜して研磨された
複屈折結晶と、入射面に対して光学軸が平行に研磨され
た複屈折結晶とを、頂角ゼロ度で貼り合わせた複屈折素
子を示す。（Ｃ）は、入射面が光学軸に対して平行に研
磨された複屈折結晶と、この複屈折結晶の光学軸に対し
て光学軸が直交するように研磨された複屈折結晶とを、
所定の頂角で貼り合わせた複屈折素子を示す。

【図３】従来のマルチチャンネル分光器（従来例１）を
概略的に示す構成図である。

【図４】従来のマルチチャンネル分光器（従来例２）を
概略的に示す構成図である。

【図５】従来のマルチチャンネル分光器（従来例３）を
概略的に示す構成図である。

【符号の説明】

１分光器２干渉計３検出器４光源５コリメータレンズ６，８偏光子７複屈折素子７ａ，７ｂ複屈折結晶７ｃ入射面 α 頂角（楔角） ε 光学軸の傾斜角ｔ複屈折結晶の厚さ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2F064 AA15 CC01 FF00 GG13 GG33 GG49 HH03 HH05 JJ15 2G020 AA03 BA02 CA12 CB02 CC14 CC15 CC24 CC29 CC56 CC63 CD06 CD24 CD35

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２つの複屈折結晶により構成された複屈
折素子によって、光源からの光を干渉させる干渉計であ
って、前記複屈折素子は、この複屈折素子からの出射光線が結
像するように、前記２つの複屈折結晶が所定の頂角で接
合され、かつ、光源側の複屈折結晶の入射面に対してこ
の複屈折結晶の光学軸が所定の傾斜角で傾斜しているこ
と、を特徴とする干渉計。
【請求項２】請求項１に記載の干渉計において、前記複屈折素子は、変形２枚組ウォラストンプリズムで
あること、を特徴とする干渉計。
【請求項３】請求項１又は請求項２に記載の干渉計に
おいて、前記複屈折素子は、前記頂角、前記傾斜角又は前記複屈
折結晶の厚さのうち少なくとも一つのパラメータを変え
ることによって焦点距離が変化すること、を特徴とする干渉計。
【請求項４】干渉光のスペクトルを測定する分光器で
あって、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の干渉
計と、前記干渉計が発生する干渉光を検出する検出器と、を含む分光器。
【請求項５】請求項４に記載の分光器において、前記検出器は、ＩｎＧａＡｓ検出器であること、を特徴とする分光器。