JP2008514945A - コヒーレンス分光分析装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、分光計の分野に関する。より詳細には、本発明は、分光検出において有用なラインからバックグラウンド・ノイズを区別するための分光計に関する。本発明は、少なくとも２つの不平衡なアームと少なくとも１つのエアー・ウェッジとを含む少なくとも１つの波面分割干渉計と、干渉フリンジを画像化するための装置と、前記フリンジの画像センサと、前記センサから導き出される信号を処理するための手段とを備えることを特徴とする分光的装置に関する。また本発明は、このような装置の組み合わせであって、各干渉計のアームに付随する不平衡がすべて異なっているものに関する。

Description

本発明は、分光計の分野に関する。
より詳細には、本発明は、分光検出において有用なラインからバックグラウンド・ノイズを区別するための分光計に関する。

本発明が解決する問題の１つは、プラズマが生成する蛍光を検出する分野において見出すことができる。実際、材料は、それが固体、液体、または気体の形態のどれであろうと、レーザ・パルスまたは任意の他の励起システムによって励起された後は、プラズマ（自由電子、イオン、原子、および分子の混合物）に変換され得る。材料の励起が十分に大きい場合には、良く知られた他の物理現象が起こり始める。たとえばカスケード・イオン化および自由電子間の衝突である。前記効果によって、生成されるプラズマの温度が増加する。その結果、移動電子の制動放射（逆制動放射効果）によって、白色光がプラズマから放出される。したがって原子およびイオンの放射性脱励起を解析することによって、プラズマの組成を、プラズマから放出される光のスペクトル解析を介して追跡することができる。

蛍光の検出および収集は、従来技術に基づいて、光ファイバをプラズマのプルームのレベルに配置した状態で行なわれる。したがって分光計は、エシュレット回折グレーティング、調整可能な入口スリット、および球面ミラーに基づいた光学的デザインに基づいており、物点および像点をＣＣＤカメラ上で共役させることができる。そして読み取りソフトウェアによって、装置に入る光のスペクトルを表示することができ、これは、光の時間的コヒーレンスまたは空間的コヒーレンスとは関係なく行なわれる。そのため、インコヒーレントな光（たとえば制動放射によって放出される）によって、測定値が歪められ、決定に不正確さが生じる場合がある。インコヒーレントな白色光からの放出スペクトルを「区別する」前記方法は、満足のいくものではない。

従来技術の複数の文献において、干渉分光法による分光方法が開示されている。たとえばカナダ国出願ＣＡ２３０２９９４号明細書である。しかし前記文献のどれにおいても、インコヒーレントな白色光の問題に対する解決は試みられていない。

従来技術ではこれまでに、「オプティクスおよびフォトニックス・ニュース（Optics and Photonics News ）」ジャーナル（２００４年１月）に公開されたＮＡＳＡからの論文が知られている。前記論文では、マイケルソン干渉計のミラーを回折グレーティングに取り替えることによって変更したものに基づくフーリエ変換分光計が、記載されている。このような分光計では、加速に対する堅固性は高まるが、原子線を検出するための白色光ノイズの問題は考慮されていない。

本発明の目的は、従来技術の欠点を、時間的コヒーレンス分光分析装置を提案することによって改善することである。

そうするために、本発明は、少なくとも２つの不平衡なアームと少なくとも１つのエアー・ウェッジとを備える少なくとも１つの波面分割干渉計と、干渉フリンジを画像化するための装置と、前記フリンジの画像センサと、前記センサから導き出される信号を処理するための手段とを含むことを特徴とする分光分析装置に関するという点で、その最も広い意味において注目すべきものである。

なお一般的に、インコヒーレントな光をコヒーレントな光から分離することができるような分光計は、「コヒーレンス分光計」（１５）と呼ばれることに注意されたい。
干渉計のアーム間に不平衡を導入することによって、時間的コヒーレンスを考慮することができ、したがってインコヒーレントな白色光によって導入されるノイズを取り除くことができる。

用途によっては、大きなスペクトル分解能が必要であることに注意されたい。コヒーレンス分光計の場合、ＣＣＤの画素数および光学部品の寸法が原因で、十分なスペクトル分解能を得ることができない。そこで本発明による複数のコヒーレンス分光計の特定の組み合わせによって、分解能を高めることができる。

本発明は、本発明の一実施形態の記述（以下において単に説明としてなされる）を用いて、添付図面を参照して、より良好に理解される。
図１Ａに例示するように、本発明による分光計は、たとえば、インコヒーレントな白色光ノイズを含むラインを検出するための光ファイバ（１）およびミラー・コリメータ（２）の出力側で使用する。

たとえば、エアー・ウェッジを有するマイケルソン干渉計を用いる。
これには、既知の方法で、ビーム・スプリッタ（４）および補償板（５）、わずかに傾いた円筒型ミラー（７）、および傾いていない円筒型ミラー（６）が含まれている。

本発明においては、任意の干渉分光法装置を使用することが、円筒型ミラーのアームに不平衡を導入できるものであれば可能であることを理解されたい。詳細には、当業者は、マッハ・ツェンダ装置を用いることができても良い。

より具体的には、マイケルソンの場合には、前述した要素の特性は以下のようになる。
ビーム・スプリッタ（４）は、非常に大きなスペクトル幅において５０／５０ビーム・スプリッタである。これは、１μｍ超において２００ｎｍを（５０％±５％）で透過させることができる金属型減光フィルタに対して使用される金属プロセスを用いることによって可能であることに、注意されたい。

ビーム・スプリッタ（４）および補償板（５）は、ビームの空間品質を損なう（干渉フリンジと干渉することになる）ことがないように、表面品質が非常に良好である。
ビーム・スプリッタおよび補償板の厚みは、可能な限り薄くして（たとえばミリメートルのオーダー）、それらを横断するビームのずれが波長に応じて変動することを抑えるようになっている。

マイケルソンの２つのアームは、（円筒型ミラー（６）−ビーム・スプリッタ）および（円筒型ミラー（７）−ビーム・スプリッタ）のセグメントからなるが、これらは不平衡である。すなわち前記２つのセグメントの長さは、等しくない。この結果、２つのアームから放出される光線間に非ゼロの動作の差異が生じる。したがって、使用するマイケルソンは、波面分割器である。

前記動作の差異によって、任意のインコヒーレントな光干渉（たとえば制動放射効果によって放出されるもの）を取り除くことができる。実際、干渉計の２つのアーム間の遅延に由来する光線間の動作の差異は、インコヒーレントに放出する２つの供給源をシミュレートするものである。すなわち、前記供給源は干渉しない。

前記不平衡は、干渉を劣化させることなくコヒーレンスのレベルを測定に適合させられるように、調整可能である。
ミラー（７）をほぼ０．２度だけ傾けて、干渉する２つのビーム間にエアー・ウェッジを形成する。こうして、平行な干渉フリンジが、大きいＣＣＤ検出器（９）上で得られて表示される。

ＣＣＤセンサは、一方向（たとえば８，０００画素のライン）に従って選択しても良く、フリンジ間の表現は、一方でフリンジの画像を形成するために一方向に設けられた円筒型のダブレット・レンズ（８）と、ラインに従ってビームをフォーカスするために他方向に設けられた円筒型ミラー（６）および（７）とを用いて、得られる。

そしてＣＣＤセンサ上で得られるイメージに、蛍光スペクトル（より一般的にはラインの組）を再生するための数学的プロセスを施す。当業者であれば、フーリエ変換分光法の分野におけるこのようなアルゴリズムを知っている。前記アルゴリズムでは、放出スペクトルの組成を決定するために、得られた干渉フリンジのサイズおよびコントラストを用いる。

またＣＣＤセンサの品質は、受信したインコヒーレントの白色光によって飽和状態となることがないように重要であることに注意されたい。分光計を用いて得られる典型的なスペクトル分解能は、６，０００画素のセンサを用いたときに１，０００のオーダーである。

したがって本発明による分光計の出力側において、センサが飽和状態でなければ、分析される材料の組成を決定することができる。
最後に、次のことを述べておくのは望ましいと思われる。すなわち、前述した装置を用いてインコヒーレントな光を除去することによって、検出がはるかに容易になるが、その理由は、インコヒーレントな白色光はすべて、ゼロ周波数ピークに含まれるからである。したがってゼロ周波数ピークを、周波数処理することによって取り除く。

図１Ｂに示すのは、本発明の一実施形態として、ＣＣＤセンサ（９）内でのビームのフォーカシングを可能にする円筒型ミラー（６）および（７）を、円筒型のレンズ（８’）において取り替えたものである。すなわち、ミラー（６）および（７）の代わりに、傾いていない平面ミラー（１２）と傾いている平面ミラー（１３）とを配置している。

図２に示すのは、本発明の一実施形態として、ビーム・スプリッタおよび補償板をまとめて単一の要素（４’）にしたものである。
図３に例示するように、コヒーレンス分光計として、特にコンパクトな形態のものを提案する。前記使用モードに従って、光ビームの分割および再結合が、接着剤で付けた石英ガラス・プリズム（１１ａ）および（１１ｂ）の内部で行なわれ、その結果、干渉分光法のシステムの安定性が補強される。平面ミラー（１２）および（１３）によって、本発明で必要とされるアームの不平衡およびエアー・ウェッジが導入され、また円筒型のレンズ（８）および（８’）によって、干渉フリンジを画像化することと、干渉フリンジをたとえばＣＣＤカメラ（９）上に捕捉するためのライン上にフォーカスすることとが可能になる。したがってフリンジのスペクトル解析を行なうことによって、スペクトルの取得が、インコヒーレントな光によって妨げられることなく可能となる。

図４に示すのは、石英ガラス・プリズムのレベルにおいてフリンジ間とビームの二重分割とを検出するために、おそらく２つのＣＣＤセンサを用いる本発明の他の１つの使用モードである。

図５に例示するのは、本発明の一実施形態として、マッハ・ツェンダ干渉計を用いた場合である。前記タイプの干渉計では、干渉計の２つのアーム間の動作の差異を、ミラー１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，および１３Ｄを導入することによって得ている。したがってビーム・スプリッタ４”が、センサ９のレベルにおいて干渉を観察するためのエアー・ウェッジの役割を担っている。

前述の実施形態は単に一例として挙げていること、および本発明の他の多くの産業化可能な使用モードが、エアー・ウェッジに関連する少なくとも２つの不平衡なアームを形成するために可能であることを、理解されたい。

最後に、次のことに注意されたい。前記分光学装置は特に、熱運動によりインコヒーレントな白色光を生成する逆制動放射効果を生じさせる蛍光検出において使用することができる。

前記の場合、装置を、図１Ａの場合と同様に、蛍光を運ぶことができる光ファイバ（１）の出力側において、ミラー・コリメータ（２）の後に取り付ける。
測定機器の分解能を向上させるために、本発明の第２の態様により、複数の時間的コヒーレンス分光計たとえば前述したものを組み合わせることもできる。

実際、コヒーレンス分光計たとえば前述したものを用いた場合には、干渉図形のうち、ＣＣＤセンサ上に記録される干渉フリンジに対応する一部分のみを取得できるだけである。したがって、遅延が異なる複数の分光計を慎重に選択して組み合わせることによって、干渉図形の複数の部分を取得することができ、また機器の分解能を、希望する程度に高めることができる。

図６に例示するように、本発明による分光計は、たとえばプラズマ発光（１０）のレベルに配置される分割可能な光ファイバ（１’）から構成される。プラズマ発光（１０）は、互いに異なるアーム間の光学的な軌跡の不平衡調整を伴う複数のコヒーレンス分光計（１５）を同時に照射する。

たとえば、小さい不平衡用のエアー・ウェッジを有するマイケルソン干渉計、大きな不平衡用の干渉計、およびマッハ・ツェンダを用いる。
実際、アーム長の大きな不平衡によって、干渉フリンジの画像化に対して被写界深度が制限されることに起因する問題が、マイケルソン干渉計において生じる場合がある。

複数の干渉図形を取得することに基づいてスペクトルを得るための方法を、以下のように説明しても良い。
スペクトルを得るためのアルゴリズムは、フーリエ変換に基づいている。単一のコヒーレンス干渉図形を用いて得られる単純な干渉図形の場合、スペクトルの計算は、従来技術から良く知られており、単純なフーリエ変換の後に大きさを計算することによって行なわれる。２つのコヒーレンス分光計１５Ａ、１５Ｂを組み合わせた場合、得られる干渉図形は、ＳＣ（τ）およびＳＣ（２τ）であり、前記干渉図形は、不平衡τおよび２τの２つのコヒーレンス分光計にそれぞれ対応する。最初に、第１の干渉図形ＦＦＴ（ＳＣ（τ））の複素フーリエ変換、次に２つの干渉図形ＦＦＴ（ＳＣ（τ）＋ＳＣ（２τ））の和の複素フーリエ変換を、計算する。最終的に、２つのコヒーレンス干渉計を組み合わせることから導き出されるスペクトルが、前述のフーリエ変換を掛け合わせたものの大きさを計算することによって得られる。
ＡＢＳ［ＦＦＴ（ＳＣ（τ））＊ＦＦＴ（ＳＣ（τ）＋ＳＣ（２ｔ））］
Ｎ個のコヒーレンス分光計（１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ）の場合には、手順を繰り返して行なう。付加される各コヒーレンス分光計のアーム間の不平衡は、これまでの２倍である。こうして第３の干渉計の干渉図形は、ＳＣ（４τ）と書かれる。たとえば、３つのコヒーレンス分光計に対するスペクトルは、以下の式を用いて得られる。
ＡＢＳ［ＦＦＴ（ＳＣ（ｔ））＊ＦＦＴ（ＳＣ（ｔ）＋ＳＣ（２ｔ））＊ＦＦＴ（ＳＣ（τ）＋ＳＣ（２ｔ）＋ＳＣ（４τ））］
目安として、分光計を組み合わせた前記システムを、天文学で用いる開口合成と比較しても良い。この場合、分光計は種々の範囲の光学的な遅延をカバーするが、天文学では、望遠鏡ミラーは種々の空間開口をカバーする。

分光学的結果を改善するためには、複数のコヒーレンス分光計を組み合わせてでも、可能な限り多くの画素を伴うＣＣＤセンサを有することが好ましい。この結果、コヒーレンス分光計の数を抑えることもできる。

図７に示すのは、レーザ・ネオン・ヘリウムの１つのライン上に設けられたコヒーレンス分光計の数に応じて進展する分解能を示す１つの実験的な例である。図から分かるように、分解能は、分光計の数に応じてほとんど直線的に増加している。前記曲線は、１，０２４画素のみのＣＣＤセンサを用いて得られた。９個の分光計を伴う構成の場合、測定される線幅は、９ピコメートルのオーダーである。６，０００画素よりも大きいセンサを用いれば、７０，０００超に等しい分解能を実現することが、９個の代わりに５個のコヒーレンス分光計だけで可能となる。

本発明による分光計の一般的なダイアグラムを示す図。 本発明による分光計の第２の可能な実施形態を示す図。 本発明による分光計の第３の可能な実施形態を示す図。 圧縮した形態での本発明による分光計の一実施形態を示す図。 圧縮した形態での本発明による分光計の第２の実施形態を示す図。 マッハ・ツェンダの形態での本発明による分光計の１つの可能な実施形態を示す図。 ３つの分光計を組み合わせた一般的なダイアグラムを示す図。 ネオン・ヘリウム・レーザの１つのライン上に設けられたコヒーレンス分光計の数に応じて進展する分解能の１つの実験例を示す図。

Claims (9)

1. 少なくとも２つの不平衡なアームと少なくとも１つのエアー・ウェッジとを備える少なくとも１つの波面分割干渉計と、
   干渉フリンジを画像化するための装置と、
   前記フリンジの画像センサと、
   前記センサから導き出される信号を処理するための手段と、
   を含むことを特徴とする分光分析装置。
2. 少なくとも２つのアーム間の前記不平衡が調整可能であることを特徴とする請求項１に記載の分光分析装置。
3. 前記干渉計はマイケルソン・タイプであることを特徴とする請求項１に記載の分光分析装置。
4. 前記干渉計はマッハ・ツェンダ・タイプであることを特徴とする請求項１に記載の分光分析装置。
5. 信号を処理するための前記手段が、フーリエ変換による解析を用いることを特徴とする請求項１に記載の分光分析装置。
6. フリンジを画像化するための前記装置には、前記フリンジを画像化するための少なくとも１つの円筒型のダブレット・レンズが含まれることを特徴とする請求項１に記載の分光分析装置。
7. 前記画像センサはＣＣＤカメラであることを特徴とする請求項１に記載の分光分析装置。
8. 前記フリンジを前記センサにフォーカスするための手段をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の分光分析装置。
9. 複数の波面分割干渉計（１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ）であって、前記干渉計の各１つは２つの不平衡なアームと少なくとも１つのエアー・ウェッジとを備える、複数の波面分割干渉計と、
   干渉フリンジを画像化するための装置と、
   前記フリンジの画像センサと、
   前記センサから導き出される信号を処理するための手段と、
   を含み、２つのアーム間の不平衡は前記干渉計の各１つごとに異なっていることを特徴とする分光分析装置。

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