JP2006300661A - 干渉計,フーリエ分光装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】
解析光源1から出射された光(解析光)を少なくとも二つの光路に分割するビームスプリッタ3と,上記ビームスプリッタ3により分割された一方の光をその入射方向へ反射させる固定鏡5と,他方の光をその入射方向へ反射させる移動鏡4とを有する干渉計A1に,上記解析光源1から出射された光を上記固定鏡5の反射面5a及び/又は上記移動鏡4の反射面4aの面上又はその近傍で焦点を結ぶように集光する集光レンズ6を設ける。これにより,上記固定鏡5や移動鏡4の調整精度等に起因して生じる光路長差を軽減することができ,その結果,生成される干渉光の干渉効率の低下が軽減する。
【選択図】図1
Description
上記フーリエ分光装置に用いられる干渉計としては,例えば特許文献1に記載の二光束干渉計が挙げられる。このような二光束干渉計としては,ジャマン干渉計,マイケルソン干渉計,レイリー干渉計などが周知である。
図6に示すように,上記フーリエ分光装置Yは,マイケルソン干渉計Bと,該マイケルソン干渉計Bで生成された干渉光を試料20(被検体)の所定の点(試料20の測定点)で結像(集光)させる対物レンズ12と,上記試料20を透過した発散状の透過干渉光を平行光に変換するコリメータレンズ13と,平行化された透過干渉光の強度を検出する検出器14(透過干渉光検出手段の一例)と,上記検出器14で検出された透過干渉光を所定のタイミングでサンプリングし,その測定値であるインターフェログラムをフーリエ変換することにより上記透過干渉光に応じたスペクトル情報を取得する解析機能を有するコンピュータ16とを備えて概略構成されている。
また,上記マイケルソン干渉計Bは,解析光源1,コリメータレンズ2,ビームスプリッタ3(光分割手段,光重合手段の一例),移動鏡4(第2の反射手段,移動反射手段の一例),固定鏡5(第1の反射手段,固定反射手段の一例),ピエゾ駆動装置15を備えて構成される。
このように構成された上記マイケルソン干渉計Bにおいては,上記解析光源1から比較的波長の長い赤外光(波長1μm以上)などの解析光が生成されて出射されると,その解析光は上記コリメータレンズ2で平行光L1に平行化された後,該平行光L1が上記ビームスプリッタ3に入射される。
上記ビームスプリッタ3に入射した平行光L1は,該ビームスプリッタ3により二つの光路に分割され,そのうちの一つの平行光L21が図6中の矢印P方向に移動制御される移動鏡4へ反射され,他の平行光L22は上記ビームスプリッタ3を透過して固定鏡5へ導かれる。
上記移動鏡4では上記平行光L21がその入射方向に向けて反射されるが,上記ピエゾ駆動装置15の移動制御によって上記移動鏡4は矢印P方向に移動しているため,反射平行光L31の光路長(位相)は上記移動に伴い変化する。一方,上記固定鏡5では上記平行光L22がその入射方向に向けて反射されるが,固定鏡5は固定されているためその光路長に変化は生じない。
上記移動鏡4及び上記固定鏡5で反射した反射平行光L31,L32は上記ビームスプリッタ3に再び入射して,該ビームスプリッタ3により重ね合わされて干渉光L4となって出力される。
しかしながら,上記各構成要素の反射面の傾きや平面精度等を高精度に調整したとしてもそれには限界があり,ある程度の干渉効率の低下或いはビジビリティ(干渉光の明瞭度を表す指標)の低下を許容せざるを得ない。
このような干渉効率の低下は,フーリエ分光装置において測定されるインターフェログラムやスペクトル情報などにも影響を与えるため好ましくない。
また,解析光として比較的波長の長い赤外光を用いた場合は,上記光路長差は上記赤外光の波長に較べて微小であるため,上記干渉効率が大きく低下することはない。しかしながら,上記赤外光よりも格段に波長の短い可視光(波長400〜700nm)や紫外光(波長200〜400nm)のような短波長領域の光を解析光として用いた場合は,上記光路長差は短波長領域の光の波長に対して相対的に大きくなる。そのため,光路長差が与える影響は大きくなって,上記干渉効率が大きく低下することになり,問題である。
従って,本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり,その目的とするところは,干渉計の構成要素の反射面の傾きや平面精度の調整誤差による干渉効率の低下,ビジビリティの低下を軽減することが可能な干渉計及び該干渉計を用いたフーリエ分光装置を提供することにある。
ここで,上記第1の反射手段としては,所定位置に固定された固定鏡が考えられ,上記第2の反射手段としては,光の入射方向へ移動可能に制御された移動鏡が考えられる。
このように構成されるため,例えば上記固定鏡或いは移動鏡の反射面の傾きや平面精度配設位置の調整精度が多少悪くても,上記固定鏡又は移動鏡には点又は点に近い小径範囲で光が照射され反射されるため,解析光の平面の各領域での光路長差が上記調整精度に起因して生じることがほとんどなくなる。これにより,生成される干渉光の干渉効率及びビジビリティの低下が軽減される。
この場合,上記集光手段は,上記光源と上記光分割手段との間に設けられていることが好ましい。これにより,一つの集光手段で上記固定鏡及び移動鏡に集光された光を照射することができる。
また,上記平行光変換手段は,上記干渉光の光路上であって,上記光分割手段を基準にして上記集光手段と対称な位置に設ける。これにより,光源から照射された光強度と同程度の強度の干渉光を生成することが可能となる。
このようなS/N比の低下を防止するため,本発明では,上記光重合手段により生成された発散する干渉光又は上記平行光変換手段によって平行光に変換された干渉光を絞る干渉光絞り手段を更に設けている。
ここで,上記干渉光絞り手段は,上記平行光変換手段よりも上記干渉光の進行方向側に設けられていることが好ましい。一旦平行光に変換された干渉光を絞るほうが絞込みを容易に行うことができる。
なお,本発明の干渉計は,光源から波長1μm未満の光を含む光を出射する場合に好適である。
上記フーリエ分光装置でスペクトル情報を取得する手法は種々考えられるが,例えば,その一形態として,上記解析用干渉光が被検体に照射されることで該被検体を透過した透過干渉光の強度を検出する透過干渉光検出手段を備え,上記透過干渉光検出手段により検出された上記透過干渉光の強度に基づいて上記スペクトル情報を取得するものが考えられる。
また,上記解析用干渉光が照射されることで発熱した被検体にプローブ用レーザ光を照射するプローブ用レーザ光照射手段と,上記プローブ用レーザ光照射手段により照射され上記被検体を透過した透過レーザ光或いは上記被検体で反射した反射レーザ光を検出するプローブ用レーザ光検出手段とを備え,上記位相検出手段により検出された透過レーザ光或いは反射レーザ光の位相変化に基づいて上記スペクトル情報を取得するものであってもよい。
もちろん,上記各手段(透過干渉光検出手段,プローブ用レーザ光照射手段,位相検出手段)をすべて備えたフーリエ分光装置において複数の手法でスペクトル情報を取得するものも本発明の一形態である。
ここに,図1は本発明の実施の形態に係るマイケルソン干渉計A1を備えたフーリエ分光装置Xの概略構成を示す概略構成図,図2は本発明の実施例に係るマイケルソン干渉計A2を備えたフーリエ分光装置Xの概略構成を示す概略構成図,図3は本発明の実施例に係るマイケルソン干渉計A3を備えたフーリエ分光装置Xの概略構成を示す概略構成図,図4及び図5は干渉光の干渉状態を示す模式図,図6は従来のマイケルソン干渉計Bを備えたフーリエ分光装置Yの概略構成を示す概略構成図である。
なお,このように構成されたフーリエ分光装置は言うまでもなく一例であって,他の種々の形態のフーリエ分光装置にも本発明を適用することが可能である。
例えば,マイケルソン干渉計A1から出力された干渉光が照射されることで発熱した試料20にレーザ光(プローブ用レーザ光に相当)を照射させ,これにより上記試料20を透過した透過レーザ光或いは上記試料20の表面で反射した反射レーザ光をフォトダイオード(PD)などの受光素子或いはCCD等を有する検出器(プローブ用レーザ光検出手段の一例)で検出し,検出されたレーザ光をコンピュータ16で解析することにより,上記レーザ光の位相の変化を検出して,該変化に応じたスペクトル情報を取得するよう構成されたフーリエ分光装置や,固定鏡5の反射面に被検体となる試料を配置させ,或いは固定鏡5として試料を配置させて,上記スペクトル情報を取得するように構成されたフーリエ分光装置にも本発明を適用することができる。
以下に,上記フーリエ分光装置X及びマイケルソン干渉計A1の概略構成について説明する。なお,本実施の形態及び実施例では,干渉計の一例としてマイケルソン干渉計A1を用いた例について説明するが,これは単なる一例であって,例えば,ジャマン干渉計やレイリー干渉計などの干渉計(二光束干渉計)や多光束干渉計にも本発明は適用可能である。
上記フーリエ分光装置Xは,図1に示すように,所定の干渉光を生成するマイケルソン干渉計A1と,該マイケルソン干渉計A1で生成され出力された干渉光を収束して試料20の所定の測定点に集光する対物レンズ12と,試料20を透過した発散状の干渉光を平行光に変換するコリメータレンズ13と,該コリメータレンズ13により変換された透過干渉光を検出する検出器14(透過干渉光検出手段の一例)と,検出器14で検出された透過干渉光に応じたスペクトル情報を解析するコンピュータ16とを備えて構成される。
上記コンピュータ16には図示しない表示装置や入力装置が接続されており,モニタリングした光強度変化(干渉縞)を上記表示装置に表示出力したり,入力装置から入力された信号を受信するように構成されている。
解析光源1は,例えば白色光を生成して,この生成された白色光を解析光として出射する光源である。従来では,上記解析光源1として,比較的波長の長い赤外光を出射する光源が用いられていたが,本マイケルソン干渉計A1では,後述するように,集光レンズ6により解析光が集光されることで光路長差(位相差)が改善されるため,可視光や紫外光などの波長1μm未満の短波長領域の光を含む白色光を解析光として用いることができる。もちろん,従来同様に波長が1μm以上の赤外光を含む白色光を解析光として用いることも可能である。
この集光レンズ6は,上記コリメータレンズ2の平行光進行方向側であって,ビームスプリッタ3の手前側に配置されている。即ち,上記集光レンズ6が,上記解析光源1とビームスプリッタ3との間に設けられている。
上記マイケルソン干渉計A1には上記集光レンズ6が設けられているため,上記集光レンズ6を透過して固定鏡5へ進んだ光を該固定鏡5の反射面5a上の一点(焦点)で結像させることができる。また,上記集光レンズ6を透過して後述のビームスプリッタ3で反射されて移動鏡4へ進んだ光を該移動鏡4の反射面4a上の一点(焦点)或いはその近傍で結像させることができる。
また,上記ビームスプリッタ3は,移動鏡4及び固定鏡5からの反射光を重ね合わせて干渉光を生成するものでもある。
本マイケルソン干渉計A1では,上記の如く,入射光の分割と反射光の重合(合成)とを一つのビームスプリッタ3で担っているが,上記分割及び重合を別々の構成要素で実現する形態であってもかまわない。
上記固定鏡5は,上記解析光源1,上記コリメータレンズ2,上記集光レンズ6及び上記ビームスプリッタ3を結ぶ直線の延長線上に配置され,上記固定鏡5と上記集光レンズ6との間に上記ビームスプリッタ3が位置するように固定配置されている。
上記移動鏡4は,上記ビームスプリッタ3で反射した光を略垂直に入射する位置に配置されている。この移動鏡4は上記固定鏡5とは異なり,光の入射方向(図1の矢印P方向)へ移動自在に配設されており,干渉光を生成するために,周知のピエゾ駆動装置15で移動制御される。
上記解析光源1から出射された解析光はコリメータレンズ2により平行光に変換された後に,集光レンズ6によって集光される。
上記集光レンズ6によって集光された光は,上記ビームスプリッタ3により分割されて,一方は移動鏡4に向けて反射され,他方は反射されずに上記ビームスプリッタ3を透過して固定鏡5へ向かって直進する。
一方,上記移動鏡4へ反射された光は上記移動鏡4の反射面4aで反射され,その後,ビームスプリッタ3を透過して固定鏡5からの反射光と重合される。このとき,上記移動鏡4はピエゾ駆動装置により移動走査されているため,上記移動鏡4へ反射された光は必ずしもその反射面4a上の一点で結像するとは限らないが,上記移動鏡4の移動量にもよるが,上記反射面4aの近傍で結像することになる。このように,少なくとも上記反射面4aの近傍で光が結像するため,反射面4a上では狭小範囲で光が照射される。そのため,この場合も,上記固定鏡5からの反射光ほどではないにしても,反射した光の平面の各領域における光路長が上記反射面4aの傾きの調整精度や平面精度にそれほど影響を受けないため,従来のような大きな光路長差(位相差)が生じることはない。
このような2つの反射光が上記ビームスプリッタ3で合成されるため,高い干渉効率及びビジビリティを有する安定した干渉光が生成される。なお,生成された干渉光は試料20が配置された方向へ出力される。
上記実施の形態におけるマイケルソン干渉計A1で生成された干渉光は,発散状であるため,ビームスプリッタ3と対物レンズ12或いは試料20との距離が大きいほど上記対物レンズ12或いは上記試料20に到達する干渉光の光量が低下することになる。
そこで,本マイケルソン干渉計A2には,上記マイケルソン干渉計A1(図1)の各構成要素に加えて,上記ビームスプリッタ3により生成された発散する干渉光を平行光に変換するコリメータレンズ7(平行光変換手段の一例)を設けている。このコリメータレンズ7は,上記干渉光が上記コリメータレンズ2で平行化されたときの平行光と略同程度の広がりとなるように,上記干渉光の光路上であって,上記ビームスプリッタ3を基準にして上記集光レンズ6と対称な位置に設けられてなる。
より具体的には,上記ビームスプリッタ3と試料20との間であって,上記ビームスプリッタ3から上記集光レンズ6までの距離と同距離の位置に上記コリメータレンズ7が配置されている。
このように平行化されることにより,上記対物レンズ12から干渉光が逸れることもないため,上記試料20上に照射される干渉光の光量の低下が防止される。
上記マイケルソン干渉計A1で生成された干渉光は,上記移動鏡4は矢印P(図1参照)の方向に移動走査されているため,上記移動鏡4の位置によって干渉光の干渉範囲が異なる。
例えば,固定鏡5よりもビームスプリッタ3に近い位置に移動鏡4が移動したときは,図4(b)に示すように,上記移動鏡4に入射した光は該移動鏡4の反射面4aで反射した後に焦点T1を結び,その後発散しながらビームスプリッタ3に戻る。そのため,固定鏡5から反射した反射光(図4(a)参照)と上記移動鏡4からの反射光とが重合して生成される干渉光は図4(c)に示すように,一部分(網掛け部分)しか干渉しないことになる。このような干渉部分以外の非干渉光H1は,検出器14で検出される干渉光の強度信号のS/N比を低下させる要因となる。
また,固定鏡5よりもビームスプリッタ3から遠い位置に移動鏡4が移動したときは,図5(b)に示すように,上記移動鏡4に入射した光は該移動鏡4の反射面4aに到達する前に焦点T2を結び,その後発散しながら反射面4aに照射されて反射してからビームスプリッタ3に戻る。そのため,固定鏡5から反射した反射光(図5(a)参照)と上記移動鏡4からの反射光とが重合して生成される干渉光は図5(c)に示すように,固定鏡5から反射した反射光全域が干渉部分となるが,上記移動鏡4からの反射光の一部の非干渉光H2が存在するため,この場合も干渉光の強度信号のS/N比が低下することになる。
このようなS/N比の低下は,上述のマイケルソン干渉計A2においても同様に生じる。
そこで,本マイケルソン干渉計A3には,上記マイケルソン干渉計A2(図2)の各構成要素に加えて,上記ビームスプリッタ3で生成され上記コリメータレンズ7によって平行光に変換された干渉光を絞るアパーチャ8(干渉光絞り手段の一例)を設けることとした。これにより,上記非干渉光H1,H2を遮蔽して除去することが可能となる。
なお,この実施例では,上記マイケルソン干渉計A2において,上記コリメータレンズ7よりも干渉光(平行光)の進行方向側にアパーチャ8を設ける構成を例示説明しているが,もちろん,マイケルソン干渉計A1にも上記アパーチャ8を適用することが可能である。
上記アパーチャ8としては種々のものを適用することができる。一般的なものであれば,板状の絶縁物の中央部に所定の径の開孔を形成したものが挙げられる。このようなアパーチャ8を用いる場合は,上記開孔は,上記試料20に照射される干渉範囲の最小径とすることが好ましい。
また,上記移動鏡4の移動位置により,上記試料20に照射される干渉範囲の大きさは異なることに鑑みれば,板状の絶縁物の中央部に伸縮自在の開口部を設け,上記移動鏡4の移動位置(ピエゾ駆動装置15やコンピュータ16からの上記移動鏡4の位置信号)に応じて伸縮するように上記開口部が制御されたアパーチャを用いることが好ましい形態である。
このよなアパーチャ8を用いることにより,干渉光の強度信号のS/N比の低下が防止される。
A1,A2,A3…マイケルソン干渉計
2…コリメータレンズ
3…ビームスプリッタ
4…移動鏡
5…固定鏡
6…集光レンズ
7…コリメータレンズ
8…アパーチャ
12…対物レンズ
13…コリメータレンズ
14…検出器
15…ピエゾ駆動装置
16…コンピュータ
20…試料
Claims (12)
- 光源から出射された光を少なくとも二つの光路に分割する光分割手段と,上記光分割手段により分割された一方の光をその入射方向へ反射させる第1の反射手段と,他方の光をその入射方向へ反射させる第2の反射手段と,上記第1の反射手段及び上記第2の反射手段からの反射光を重ね合わせて干渉光を生成する光重合手段と,を有する干渉計であって,
上記光源から出射された光を上記第1の反射手段及び/又は上記第2の反射手段の反射面上或いはその近傍で焦点を結ぶように集光させる集光手段を具備してなることを特徴とする干渉計。 - 上記光源から出射される光が平行光である請求項1に記載の干渉計。
- 上記集光手段が,上記光源と上記光分割手段との間に設けられてなる請求項1又は2に記載の干渉計。
- 上記光重合手段により生成された発散する干渉光を平行光に変換する平行光変換手段を更に具備してなる請求項1〜3のいずれかに記載の干渉計。
- 上記平行光変換手段が,上記干渉光の光路上であって,上記光分割手段を基準にして上記集光手段と対称な位置に設けられてなる請求項4に記載の干渉計。
- 上記光重合手段により生成された発散する干渉光又は上記平行光変換手段によって平行光に変換された干渉光を絞る干渉光絞り手段を更に具備してなる請求項1〜5のいずれかに記載の干渉計。
- 上記干渉光絞り手段が,上記平行光変換手段よりも上記干渉光の進行方向側に設けられてなる請求項6に記載の干渉計。
- 上記光源が,波長1μm未満の光を含む光を出射するものである請求項1〜7のいずれかに記載の干渉計。
- 上記第1の反射手段が所定位置に固定された固定鏡であり,上記第2の反射手段が光の入射方向へ移動可能に制御された移動鏡である請求項1〜8のいずれかに記載の干渉計。
- 上記請求項1〜9のいずれかに記載の干渉計を具備し,該干渉計で生成された干渉光を測定し,その測定値をフーリエ変換することにより上記干渉光に応じたスペクトル情報を取得するフーリエ分光装置。
- 上記干渉光が被検体に照射されることで該被検体を透過した透過干渉光の強度を検出する透過干渉光検出手段を備え,
上記透過干渉光検出手段により検出された上記透過干渉光の強度に基づいて上記スペクトル情報を取得する請求項10に記載のフーリエ分光装置。 - 上記干渉光が照射されることで発熱した被検体にプローブ用レーザ光を照射するプローブ用レーザ光照射手段と,
上記プローブ用レーザ光照射手段により照射され上記被検体を透過した透過レーザ光或いは上記被検体で反射した反射レーザ光を検出するプローブ用レーザ光検出手段とを備え,
上記プローブ用レーザ光検出手段により検出された透過レーザ光或いは反射レーザ光の位相変化に基づいて上記スペクトル情報を取得する請求項10又は11のいずれかに記載のフーリエ分光装置。
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