JP2008128654A - マイケルソン干渉計 - Google Patents

Abstract

【課題】移動鏡が高速で往復運動する際の振動を抑制し、装置の振動による測定精度の低下を回避する。
【解決手段】反射鏡６１とこれに釣り合う重量を有するボイスコイルモータ６２のムービングコイル６３とをパンタグラフ構造体６５で連結する。ムービングコイル６３に駆動電流を流すことで往復運動のための駆動力を与えると、パンタグラフ構造体６５を介して反射鏡６１はムービングコイル６３と反対方向で同じ距離だけ移動する。そのため、両者のバランスにより可動部全体の重心位置は殆ど変化せず、これにより振動の発生を軽減することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、フーリエ変換赤外分光光度計などの光学装置に広く利用されるマイケルソン干渉計に関する。

フーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴＩＲ）、赤外顕微鏡などの光学装置において、インタフェログラムを生成するためにマイケルソン干渉計が利用されている（例えば特許文献１など参照）。マイケルソン干渉計では、入射した光束をハーフミラー等の光分割手段により２つの光束に分割して異なる光路に送り、２つに分かれた光束をそれぞれ異なる反射鏡で反射させて元の光路を逆戻りさせて上記ハーフミラーにより合成する。２つの反射鏡の一方の位置を固定し、他方の反射鏡を光軸に沿って周期的に移動させると２つの光束の光路長の差が変化するため、ハーフミラーで合成された光は周期的に振幅が変化する干渉波、即ち、インタフェログラムとなる。

ＦＴＩＲなどの光学装置では、マイケルソン干渉計において移動鏡を多数回往復運動させ、その際に得られたデータを積算することでデータの精度を高めている。そのため、データの取得時間を短縮するためには、移動鏡を高速で往復運動させる必要がある。ＦＴＩＲなどに使用される一般的なマイケルソン干渉計においては、移動鏡を数ｍｍ〜数ｃｍ程度のストロークで１秒間に数十回程度往復運動させるようにしている。このように移動鏡が往復運動するとその反動による振動が発生し、その振動が装置の一部又は全体に波及するおそれがある。そうした振動は、例えば光軸を狂わせたり、干渉波形の乱れを生じさせたりして、測定そのものができなかったり、或いは測定できたとしても精度が低下したりするといった問題を引き起こす場合がある。

こうした振動の影響を軽減するには、移動鏡自体をできるだけ軽量化するとともに、装置全体の重量を増して移動鏡の振動が装置に伝わりにくくすることが考えられる。しかしながら、移動鏡の軽量化には限界があり、一方、装置の重量を増すと装置が大型化し、可搬性が悪くなるという問題が起こる。

特開２００２−２２５３６号公報

本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、移動鏡の高速の往復運動に伴う振動の発生を軽減し、精度や安定性の高い測定を行うことができるマイケルソン干渉計を提供することにある。

上記課題を解決するために成された本発明は、入射光を２つに分割し、その一方の光を位置が固定された第１反射鏡で反射させるとともに、他方の光を光路長が変化するように移動する第２反射鏡で反射させ、両反射光を合一することで干渉光を発生させるマイケルソン干渉計において、
a)前記第２反射鏡を往復運動させるための駆動力を発生する駆動力発生手段と、
b)前記駆動力により前記第２反射鏡が移動するに伴って該第２反射鏡の重量に対応した重量を有する調整部材を該反射鏡と反対方向に移動させることで、該反射鏡及び前記調整部材を含む可動体の重心位置の移動を抑制する重心位置安定化手段と、
を備えることを特徴としている。

第２反射鏡（移動鏡）が往復運動する際に振動が発生する主な原因は、第２反射鏡を含む可動体の重心が移動することにある。そこで、本発明に係るマイケルソン干渉計では、第２反射鏡の重量に対応した重量を有する調整部材を該反射鏡と反対方向に移動させることで、第２反射鏡を含む可動体の重心位置が移動しないようにする。

具体的には、駆動力発生手段としてボイスコイルモータが使用されている場合、そのボイスコイルモータの可動部、つまりムービングコイル又はムービングマグネットを調整部材として利用することができる。この可動部と第２反射鏡とを直線上で互いに反対方向に移動させるために、第２反射鏡とボイスコイルモータの可動部とを連結するパンタグラフ構造体を用いることができる。また、第２反射鏡とボイスコイルモータの可動部とを連結するラックアンドピニオン構造体を用いてもよい。

上記のようなパンタグラフ構造体やラックアンドピニオン構造体を用いると、ボイスコイルモータの可動部が第２反射鏡に近付く方向に移動するとき第２反射鏡も可動部に近付くように移動し、ボイスコイルモータの可動部が第２反射鏡から離れる方向に移動するとき第２反射鏡も可動部から離れるように移動する。これによって、可動部及び第２反射鏡にそれぞれ作用する慣性力は打ち消し合い、可動体全体の重心をほぼ同じ位置に保つことができる。また、上記のような態様では、第２反射鏡の移動と調整部材の移動とが同一の駆動力発生手段による駆動力により行え、構造も簡単であるためコスト増加が少なくて済む。

なお、本発明の別の態様として、上記重心位置安定化手段は、重錘と、第２反射鏡の移動に応じて前記重錘をそれと逆方向に移動させる補助駆動手段とを含む構成とすることもできる。

本発明に係るマイケルソン干渉計によれば、干渉波形を発生するために第２反射鏡（移動鏡）が往復運動した場合でも振動の発生は軽減され、その振動の伝播によってマイケルソン干渉計やこれを搭載している光学装置（例えばＦＴＩＲなど）が振動するのを抑制することができる。それにより、マイケルソン干渉計の干渉波形の乱れが解消され、測定の精度向上を図ることができるとともに再現性が向上する等、測定の安定性を高めることができる。また、振動を抑制するために光学装置などの重量を不必要に増す必要がなくなるので、装置の小形、軽量化にも有利である。

まず本発明に係るマイケルソン干渉計を利用する光学装置の一例として、フーリエ変換赤外分光光度計の構成を図４により簡単に説明する。

図４において、マイケルソン干渉計の主干渉計は、赤外光源１、集光鏡２、コリメータ鏡３、ビームスプリッタ４、固定鏡５、移動鏡ユニット６などから構成され、スペクトル測定を行うための干渉赤外光を発生させる。即ち、赤外光源１から出射された光は、集光鏡２、コリメータ鏡３を介して平行光としてビームスプリッタ４に照射され、ここで固定鏡５に向かう光路Ｌ１と移動鏡ユニット６に向かう光路Ｌ２の二方向に分割される。固定鏡５及び移動鏡ユニット６の反射鏡６１にてそれぞれ反射した光はそれぞれの光路を戻ってビームスプリッタ４によって合成され、放物面鏡１１へ向かう光路Ｌ３に送られる。このとき、反射鏡６１は前後（図４中の矢印の方向）に往復運動しているため、合成された光は時間的に振幅が変動する干渉光（インタフェログラム）となる。放物面鏡１１にて集光された光は試料１２に照射され、試料１２を通過した光は楕円面鏡１３により光検出器１４へ集光される。

一方、マイケルソン干渉計のコントロール干渉計は、レーザ光源７、ミラー８、ビームスプリッタ４、固定鏡５、移動鏡ユニット６などから構成され、干渉縞信号を得るためのレーザ干渉光を発生させる。即ち、レーザ光源７から出射された光はミラー８を介してビームスプリッタ４に照射され、上記赤外光と同様に干渉光となって放物面鏡１１へ向かう光路Ｌ３へ送られる。このレーザ干渉光は非常に小さな径の光束となって進行するため、光路Ｌ３中に挿入された微小ミラー９により反射されて光検出器１０に導入される。図示しないが、光検出器１０の受光信号つまりレーザ光干渉縞信号からパルス信号が生成され、このパルス信号の発生タイミングに同期して、光検出器１４で受光された赤外干渉光がサンプリングされデジタルデータに変換される。データを高速で取得するためには、移動鏡ユニット６において反射鏡６１を高い精度で以て高速に往復運動させる必要がある。

［第１実施例］
次に、本発明の一実施例であるマイケルソン干渉計において、特徴的な構成である移動鏡ユニット６の構成と動作とを図１により説明する。図１はこの移動鏡ユニット６の構成を示す概略図である。

移動鏡ユニット６は、赤外光を反射する反射鏡６１と、駆動力発生手段としてのボイスコイルモータ６２と、ボイスコイルモータ６２のムービングコイル６３と反射鏡６１とを連結するパンタグラフ構造体６５と、を含む。反射鏡６１は図示しないリニアガイドに沿ってボイスコイルモータ６２による直線的な移動方向にのみ移動するように規制されている。ボイスコイルモータ６２は、内部にインナヨーク（鉄）が設けられた筒形状のコイルボビンの周囲にコイルが巻回されたムービングコイル６３を可動部とし、図示しないアウタヨーク（鉄）の内側にはマグネット６４を固定部として有する。ここでは、ムービングコイル６３の重量が反射鏡６１の重量と同じになるように調整されている。なお、ボイスコイルモータ６２はムービングコイル型でなくムービングマグネット型としてもよい。

パンタグラフ構造体６５は複数のリンクが連結部において旋回可能に連結されたものであるが、中央のリンクの中心点（Ｘ軸状の交差点）は、位置が固定された軸６５１により回転自在に保持される。そのため、後述するようにパンタグラフ構造体６５の右端に伸縮するように力が加わったときに、中央のリンクの中心点の位置は変わらず、パンタグラフ構造体６５は軸６５１を中心に左右対称に伸縮運動する。

ムービングコイル６３に所定の駆動電流が供給されると、ムービングコイル６３はマグネット６４の内部で所定ストロークで往復運動する。この駆動力がパンタグラフ構造体６５を介して反射鏡６１に伝播されるが、上述するようにパンタグラフ構造体６５は伸縮運動するから、図１（ｂ）に示すように、ムービングコイル６３が反射鏡６１に近付く方向に移動する際には、反射鏡６１はムービングコイル６３に近付く方向に移動する。両者の移動距離は等しく、上述のようにムービングコイル６３と反射鏡６１とは同一重量となっているため、両者がそれぞれ移動する際の慣性力はほぼ打ち消され、重心位置は軸６５１付近で殆ど変化しない。一方、ムービングコイル６３が反射鏡６１から離れる方向に移動する際には、反射鏡６１もムービングコイル６３から離れる方向に移動する。その移動距離も同じであるから、やはり両者がそれぞれ移動する際の慣性力は打ち消され、重心位置は軸６５１付近で殆ど変化しない。

以上のようにボイスコイルモータ６２の駆動力により反射鏡６１が往復運動する際に、反射鏡６１やムービングコイル６３を含む可動体の重心位置は殆ど変化しないため、その往復運動に伴う振動は小さくて済む。それによって、移動鏡ユニット６やこれを搭載したマイケルソン干渉計、さらにはＦＴＩＲ全体の振動も抑制することができる。

［第２実施例］
図２は本発明の他の実施例（第２実施例）によるマイケルソン干渉計における移動鏡ユニット６の概略構成図である。この第２実施例では、上記第１実施例のマイケルソン干渉計におけるパンタグラフ構造体の代わりに、ラックピニオン構造体６６が設けられている。即ち、反射鏡６１とムービングコイル６３の両方にそれぞれラックギア６６１、６６２が設けられ、そのラックギア６６１、６６２の間にそれらに歯合する２個のピニオンギア６６３が介在している。２個のピニオンギア６６３はそれぞれ、位置が固定された軸６６４により回転自在に軸支されており、ムービングコイル６３や反射鏡６１が移動しても、ピニオンギア６６３は回動するだけで位置は変化しない。この構成によっても、上記第１実施例と同様に、ムービングコイル６３と反射鏡６１とは直線上を互いに反対の方向に移動するから、重心位置は殆ど変化せず、第１実施例と同様の作用・効果を奏する。

［第３実施例］
図３は本発明のさらに他の実施例（第３実施例）によるマイケルソン干渉計における移動鏡ユニット６の概略構成図である。この第３実施例では、反射鏡６１やムービングコイル６３の移動方向に平行に延伸するスライド軸６７１に沿って移動自在に重錘６７２が設けられ、この重錘６７２を駆動するためにボイスコイルモータ６７３のムービングコイル６７４が付設されている。このムービングコイル６７４には、図示しないアウタロータの内側に取り付けられたマグネット６７５との間の磁気的作用により駆動力が発生する。重錘６７２の重量は反射鏡６１がムービングコイル６３と一体に移動したときに、それによる慣性を打ち消すのに適切なように定められている。

図３（ａ）に示すようにムービングコイル６３と反射鏡６１とが左方に移動したとき、ボイスコイルモータ６７３により重錘６７２は反対方向つまり右方に移動する。図３（ｂ）に示すようにムービングコイル６３と反射鏡６１とが逆に右方に移動したとき、ボイスコイルモータ６７３により重錘６７２は反対方向つまり左方に移動する。これにより、これら可動体全体の重心６７６の位置は殆ど移動しない。なお、この構成ではムービングコイルが２つになるが、ムービングコイル６３と６７４とは同期して互いに逆方向（但し移動距離は同じとは限らない）に移動するから、それらコイルに駆動電流を流す回路は必ずしも独立に設ける必要はなく共通化が可能である。

なお、上記実施例はいずれも一例であって、本発明の趣旨の範囲で適宜変更や修正を行なえることは明らかである。例えば、反射鏡は平面鏡を例に示しているが、コーナーキューブミラー等、他の公知の様々な反射手段を用いることもできる。

本発明の第１実施例であるマイケルソン干渉計における移動鏡ユニットの概略構成図。 本発明の第２実施例であるマイケルソン干渉計における移動鏡ユニットの概略構成図。 本発明の第３実施例であるマイケルソン干渉計における移動鏡ユニットの概略構成図。 本発明に係るマイケルソン干渉計を利用するフーリエ変換赤外分光光度計の概略光路構成図。

符号の説明

１…赤外光源
２…集光鏡
３…コリメータ鏡
４…ビームスプリッタ
５…固定鏡
６…移動鏡ユニット
６１…反射鏡
６２…ボイスコイルモータ
６３…ムービングコイル
６４…マグネット
６５…パンタグラフ構造体
６５１…軸
６６…ラックピニオン構造体
６６１、６６２…ラックギア
６６３…ピニオンギア
６６４…軸
６７１…スライド軸
６７２…重錘
６７３…ボイスコイルモータ
６７４…ムービングコイル
６７５…マグネット
６７６…重心

Claims (4)

1. 入射光を２つに分割し、その一方の光を位置が固定された第１反射鏡で反射させるとともに、他方の光を光路長が変化するように移動する第２反射鏡で反射させ、両反射光を合一することで干渉光を発生させるマイケルソン干渉計において、
   a)前記第２反射鏡を往復運動させるための駆動力を発生する駆動力発生手段と、
   b)前記駆動力により前記第２反射鏡が移動するに伴って該第２反射鏡の重量に対応した重量を有する調整部材を該反射鏡と反対方向に移動させることで、該反射鏡及び前記調整部材を含む可動体の重心位置の移動を抑制する重心位置安定化手段と、
   を備えることを特徴とするマイケルソン干渉計。
2. 前記駆動力発生手段はボイスコイルモータであり、前記重心位置安定化手段は、前記ボイスコイルモータの可動部と、前記第２反射鏡と前記ボイスコイルモータの可動部とを連結するパンタグラフ構造体と、を含むことを特徴とする請求項１に記載のマイケルソン干渉計。
3. 前記駆動力発生手段はボイスコイルモータであり、前記重心位置安定化手段は、前記ボイスコイルモータの可動部と、前記第２反射鏡と前記ボイスコイルモータの可動部とを連結するラックアンドピニオン構造体と、を含むことを特徴とする請求項１に記載のマイケルソン干渉計。
4. 前記重心位置安定化手段は、重錘と、前記第２反射鏡の移動に応じて前記重錘をそれと逆方向に移動させる補助駆動手段と、を含むことを特徴とする請求項１に記載のマイケルソン干渉計。

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