JP2024017359A - 光学デバイスおよび分光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザー光の波長よりも十分に短い間隔で波長範囲の広い測定光の強度をサンプリングすることを可能にする光学デバイス、および、高い分解能でより広帯域のスペクトル情報を取得できる分光装置を提供すること。【解決手段】第１光学系と第２光学系とを備え、第１光学系は、第１光源から射出される測定光を分割、混合する第１光分割素子と、一方の測定光の入射方向に移動し、かつ、反射させることにより、第１変調信号を付加する第１ミラーと、他方の測定光を反射させる第２ミラーと、試料由来信号および第１変調信号を含む測定光を受光し、第１受光信号を出力する第１受光素子と、を備え、第２光学系は、レーザー光を射出する第２光源と、レーザー光に第２変調信号を付加する光変調器と、第１ミラーでの反射により生成された変位信号および第２変調信号を含むレーザー光を受光し、第２受光信号を出力する第２受光素子と、を備える光学デバイス。【選択図】図１

Description

本発明は、光学デバイスおよび分光装置に関するものである。

特許文献１には、試料が放射または吸収する光のスペクトル情報を取得し、それに基づいて試料中の成分等を分析する分光分析に用いられる光学デバイスが開示されている。この光学デバイスは、ミラーユニットと、ビームスプリッターユニットと、第１光検出器と、第２光源と、第２光検出器と、を備えている。ミラーユニットは、所定方向に移動する可動ミラーと、位置が固定された固定ミラーと、を含んでいる。このような光学デバイスでは、ビームスプリッターユニット、可動ミラーおよび固定ミラーによって、測定光およびレーザー光がそれぞれ入射される干渉光学系が構成される。

第１光源から測定対象を介して入射した測定光は、ビームスプリッターユニットにおいて分割される。分割された測定光の一部は、可動ミラーで反射されてビームスプリッターユニットに戻る。分割された測定光の残部は、固定ミラーで反射されてビームスプリッターユニットに戻る。ビームスプリッターユニットに戻った測定光の一部および残部は、干渉光として第１光検出器によって検出される。

一方、第２光源から出射されたレーザー光は、ビームスプリッターにおいて分割される。分割されたレーザー光の一部は、可動ミラーで反射されてビームスプリッターユニットに戻る。分割されたレーザー光の残部は、固定ミラーで反射されてビームスプリッターユニットに戻る。ビームスプリッターユニットに戻ったレーザー光の一部および残部は、干渉光として第２光検出器によって検出される。

このような光学デバイスでは、レーザー光の干渉光の検出結果に基づいて、可動ミラーの位置の計測が可能になる。そして、可動ミラーの位置の計測結果および測定光の干渉光の検出結果に基づいて、測定対象についての分光分析が可能になる。具体的には、可動ミラーの各位置における測定光の強度を求めることにより、インターフェログラムと呼ばれる波形が得られる。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り、測定対象についてのスペクトル情報を求めることができる。

特開２０２０－１２９１１６号公報

特許文献１に記載の光学デバイスでは、可動ミラーの位置は、レーザー光の干渉光の強度変化に基づいて捉えることができる。具体的には、レーザー光の干渉光の強度が最大値または最小値のような特徴点をとるとき、その特徴点に基づいて可動ミラーの位置を特定する。

しかしながら、特徴点の間隔は、レーザー光の波長に依存するという制約を伴い、最小の間隔は波長の１／４である。このため、レーザー光の強度変化をトリガーとした場合、測定光の強度を十分に短い間隔でサンプリングすることが困難である。測定光の強度のサンプリング間隔を短くできない場合、インターフェログラムの分解能を十分に高めることができない。その結果、フーリエ変換後のスペクトル情報の分解能を十分に高めることができないという課題がある。

また、測定光の強度のサンプリング間隔は、スペクトル情報を取得可能な波数や波長の範囲に影響する。このため、短波長の測定光への対応といった測定光の広帯域化を十分に図ることができないという課題もある。

本発明の適用例に係る光学デバイスは、
第１光学系と、第２光学系と、を備える光学デバイスであって、
前記第１光学系は、
第１光源から射出される測定光を一方および他方に分割した後、一方の前記測定光および他方の前記測定光を混合する第１光分割素子と、
前記第１光分割素子に対して一方の前記測定光の入射方向に移動し、かつ、一方の前記測定光を反射させることにより、一方の前記測定光に第１変調信号を付加する第１ミラーと、
他方の前記測定光を反射させる第２ミラーと、
前記測定光と試料との作用により生成された試料由来信号、および、前記第１変調信号、を含む前記測定光を受光し、第１受光信号を出力する第１受光素子と、
を備え、
前記第２光学系は、
レーザー光を射出する第２光源と、
駆動信号により駆動され、前記レーザー光に第２変調信号を付加する光変調器と、
前記第１ミラーでの反射により生成された変位信号、および、前記第２変調信号を含む前記レーザー光を受光し、第２受光信号を出力する第２受光素子と、
を備える。

本発明の適用例に係る分光装置は、
本発明の適用例に係る光学デバイスと、
前記駆動信号および基準信号を出力する信号生成部と、
前記基準信号に基づいて、前記第２受光信号に演算を行うことにより、前記第１ミラーの位置を示す移動ミラー位置信号を生成する移動ミラー位置演算部と、
前記第１受光信号および前記移動ミラー位置信号に基づいて、前記第１ミラーの各位置における前記第１受光信号の強度を表す波形を生成する測定光強度演算部と、
前記波形にフーリエ変換を行い、スペクトル情報を取得するフーリエ変換部と、
を備える。

第１実施形態に係る分光装置の概略構成を示す概略構成図である。 図１の第１光学系、第２光学系、信号生成部および演算装置の各主要部を示す模式図である。 第１受光信号Ｆ（ｔ）および移動ミラー位置信号Ｘ（ｔ）の一例を示す図である。 インターフェログラムＦ（ｘ）の一例を示す図である。 測定光として波長４００ｎｍの光（可視光）を用いた場合の、移動ミラーの位置の計測誤差とスペクトル情報における分光波数の誤差（分光波数精度）および分光波長の誤差（分光波長精度）との関係を示すグラフである。 測定光として波長２００ｎｍの光（紫外線）を用いた場合の、移動ミラーの位置の計測誤差とスペクトル情報における分光波数の誤差（分光波数精度）および分光波長の誤差（分光波長精度）との関係を示すグラフである。 移動ミラーの計測間隔とスペクトル情報における最大計測波数または最小計測波長との関係を示すグラフである。 第１実施形態の第１変形例に係る分光装置の概略構成を示す概略構成図である。 第１実施形態の第２変形例に係る分光装置の概略構成を示す概略構成図である。 第１実施形態の第３変形例に係る分光装置の概略構成を示す概略構成図である。 第１実施形態の第４変形例に係る分光装置の概略構成を示す概略構成図である。 第１実施形態の第５変形例に係る分光装置が備える第１光学系、第２光学系、信号生成部および演算装置の各主要部を示す模式図である。 第１実施形態の第６変形例に係る分光装置が備える第１光学系、第２光学系、信号生成部および演算装置の各主要部を示す模式図である。 図１３に示す模式図のうち、補正処理部について詳細に示す図である。 光変調器からの出力信号を取得する回路の一例を示す図である。 第１実施形態の第７変形例に係る分光装置が備える第１光学系、第２光学系、信号生成部および演算装置の各主要部を示す模式図である。 図１６に示す模式図のうち、信号生成部について詳細に示す図である。 第２実施形態に係る分光装置の概略構成を示す概略構成図である。

以下、本発明の光学デバイスおよび分光装置を添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。

１．第１実施形態
まず、第１実施形態に係る光学デバイスおよび分光装置について説明する。

図１は、第１実施形態に係る分光装置１００の概略構成を示す概略構成図である。
図１に示す分光装置１００では、入射された測定光Ｌ１を被検体である試料９に照射させ、試料９から放射された測定光Ｌ１をマイケルソン型干渉光学系に通し、得られた干渉光の強度変化を検出することにより、インターフェログラムを取得する。取得したインターフェログラムをフーリエ変換することにより、スペクトル情報を取得する。測定光Ｌ１の波長を選択することにより、図１に示す分光装置１００は、例えば試料９に対する赤外分光分析、可視光分光分析、紫外分光分析等に適用可能である。

分光装置１００は、光学デバイス１と、信号生成部８と、演算装置７と、を備える。
光学デバイス１には、試料９に照射され、放射された測定光Ｌ１が、入射光学系５を介して入射する。図１に示す光学デバイス１は、干渉光の強度を取得する第１光学系３と、レーザー干渉法により、第１光学系３が備える移動ミラー３３（第１ミラー）の位置を計測する第２光学系４と、を備える。図１に示す光学デバイス１では、測定光Ｌ１を２つの光束に分けた後、一方を移動ミラー３３で反射させ、他方を第１光学系３が備える固定ミラー３４（第２ミラー）で反射させる。そして、反射光を再び混合させ、得られた干渉光の強度を取得する。

信号生成部８は、第２光学系４が備える光変調器４３に向けて駆動信号Ｓｄを出力する機能、および、演算装置７に向けて基準信号Ｓｓを出力する機能を有する。

演算装置７は、第１光学系３から出力された干渉光の強度を表す信号および第２光学系４から出力された移動ミラー３３の位置を表す信号に基づいて、移動ミラー３３の各位置における干渉光の強度を表す波形、すなわちインターフェログラムを求める機能、および、波形にフーリエ変換を行い、スペクトル情報を取得する機能を有する。

また、分光装置１００は、入射光学系５を備える。入射光学系５は、測定光Ｌ１を試料９に照射する機能、および、試料９から放射された測定光Ｌ１を光学デバイス１に入射させる機能を有する。
以下、分光装置１００の各部の構成について順次説明する。

１．１．入射光学系
図１に示す入射光学系５は、第１光源５１および光ファイバー５２、５３を備える。
第１光源５１は、例えば白色光、すなわち幅広い波長の光が集まった光を測定光Ｌ１として射出する光源である。測定光Ｌ１の波長域、つまり第１光源５１の種類は、試料９に対して行う分光分析の目的に応じて適宜選択される。赤外分光分析を行う場合には、第１光源５１としては、例えば、ハロゲンランプ、赤外ランプ、タングステンランプ等が挙げられる。可視光分光分析を行う場合には、第１光源５１としては、例えば、ハロゲンランプ等が挙げられる。紫外分光分析を行う場合には、第１光源５１としては、例えば、重水素ランプ、ＵＶ－ＬＥＤ（紫外線発光ダイオード）等が挙げられる。

なお、測定光Ｌ１の波長として１００ｎｍ以上７６０ｎｍ未満を選択することにより、紫外分光分析または可視光分光分析を行い得る分光装置１００を実現することができる。また、測定光Ｌ１の波長として７６０ｎｍ以上２０μｍ以下を選択することにより、赤外分光分析または近赤外分光分析を行い得る分光装置１００を実現することができる。さらに、測定光Ｌ１の波長として３０μｍ以上３ｍｍ以下を選択することにより、テラヘルツ波分光分析を行い得る分光装置１００を実現することができる。

光ファイバー５２は、第１光源５１から射出された測定光Ｌ１を導き、試料９に向けて照射する。光ファイバー５３は、試料９から放射された測定光Ｌ１を受光し、光学デバイス１に導く。光ファイバー５２、５３の構成材料は、測定光Ｌ１の波長域に応じて適宜選択される。なお、本明細書における「測定光」は、第１光源５１から射出された光、第１光源５１から射出された光が試料９に照射され、試料９との作用によって放射された光、または、分割された測定光同士の干渉光、を指す。このうち、試料９から放射された光としては、例えば、試料９に照射された後、試料９での吸収を経た反射光または透過光、試料９に照射され、ラマン散乱によって試料９から放射されたラマン散乱光、試料９に照射され、試料９から放射された蛍光等が挙げられる。

以上、入射光学系５について説明したが、試料９の配置は図１に示す配置に限定されず、後述するように、例えば第１光学系３が備えるビームスプリッターと第１受光素子との間であってもよい。また、入射光学系５の構成は、上記の構成に限定されず、例えば光ファイバー５２、５３が他の光学要素で置き換えられていてもよい。さらに、入射光学系５の全体または一部が、後述する光学デバイス１に含まれていてもよい。

１．２．光学デバイス
図１に示す光学デバイス１は、第１光学系３および第２光学系４を備える。

１．２．１．第１光学系
図１に示す第１光学系３は、マイケルソン型干渉光学系であり、コリメートレンズ３１、ビームスプリッター３２（第１光分割素子）、移動ミラー３３、固定ミラー３４、集光レンズ３５、および、第１受光素子３６を備える。なお、コリメートレンズ３１および集光レンズ３５は、必要に応じて設けられればよく、省略されていてもよい。また、第１光学系３は、上記以外の光学要素を備えていてもよいし、上記の光学要素が同等の機能を有する他の光学要素で置換されていてもよい。

コリメートレンズ３１は、入射光学系５から入射される測定光Ｌ１を平行光に変換する。

ビームスプリッター３２は、測定光Ｌ１を２つの測定光Ｌ１ａ、Ｌ１ｂに分割する非偏光型のビームスプリッターである。具体的には、ビームスプリッター３２は、測定光Ｌ１の一部を測定光Ｌ１ａとして移動ミラー３３に向けて反射させ、測定光Ｌ１の他部を測定光Ｌ１ｂとして固定ミラー３４に向けて透過させることにより、測定光Ｌ１を２つに分割する。

ビームスプリッター３２の種類としては、例えば、図１に示すプリズム型素子（キューブ型素子）の他、プレート型素子、積層型素子等が挙げられる。プレート型のビームスプリッター３２を用いた場合には、測定光Ｌ１ａと測定光Ｌ１ｂとで波長分散が生じるので、必要に応じて、ビームスプリッター３２と固定ミラー３４との間に、波長分散補償板を配置するようにしてもよい。波長分散補償板は、硝材の光路長差による波長分散を補償する光学要素である。本実施形態では、ビームスプリッター３２としてプリズム型素子が用いられているので、この波長分散補償板は不要である。プリズム型素子は、プリズム同士の間に光学薄膜が挟まれた形態の素子である。また、積層型素子は、２枚の透明平板の間に光学薄膜が挟まれた形態の素子である。積層型素子でも、プリズム型素子と同様、波長分散補償板を不要にできる。また、プリズム型素子や積層型素子では、光学薄膜が露出しないので、ビームスプリッター３２の長期信頼性を高めることができる。

また、ビームスプリッター３２は、移動ミラー３３で反射された測定光Ｌ１ａを第１受光素子３６に向けて透過させ、固定ミラー３４で反射された測定光Ｌ１ｂを第１受光素子３６に向けて反射させる。したがって、ビームスプリッター３２は、分割された測定光Ｌ１ａ、Ｌ１ｂを混合する機能を有する。

移動ミラー３３は、ビームスプリッター３２に対して測定光Ｌ１ａの入射方向に移動し、かつ、測定光Ｌ１ａを反射させる鏡である。移動ミラー３３で反射した測定光Ｌ１ａは、移動ミラー３３の位置に応じた変位信号を含む。したがって、移動ミラー３３は、測定光Ｌ１ａに第１変調信号を付加する。

移動ミラー３３を移動させる図示しない移動機構としては、特に限定されないが、例えば、１軸リニアステージ、ピエゾ駆動装置、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いたマイクロアクチュエーター等が挙げられる。このうち、１軸リニアステージは、例えば、ボイスコイルモーター（ＶＣＭ）またはボールねじ駆動部とリニアガイド機構とを備えることで、移動ミラー３３の移動において良好な並進性を実現することができる。

固定ミラー３４は、ビームスプリッター３２に対して位置が固定され、測定光Ｌ１ｂを反射させる鏡である。固定ミラー３４で反射した測定光Ｌ１ｂは、ビームスプリッター３２で測定光Ｌ１ａと混合され、干渉光として第１受光素子３６に受光される。第１光学系３では、移動ミラー３３の位置に応じて、測定光Ｌ１ａの光路と、測定光Ｌ１ｂの光路と、の間に光路差が生じる。このため、干渉光の干渉状態は、移動ミラー３３の位置に応じて変化する。

なお、移動ミラー３３および固定ミラー３４は、それぞれ平板ミラーであってもよいし、コーナーキューブミラーであってもよい。各ミラーの反射面には、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇのような金属を用いたメタルコート、誘電体多層膜等が成膜されていてもよい。また、移動ミラー３３について、「測定光の入射方向に移動」は、測定光の入射方向の成分を含む方向に移動することを含む。したがって、移動ミラー３３は、入射方向に対して斜めに傾いた方向（非平行な方向）に移動してもよい。その場合、演算装置７は、移動ミラー３３が測定光の入射方向に対して斜めに傾いた影響を除去する機能を有していればよい。さらに、固定ミラー３４も移動するように構成されていてもよい。その場合、演算装置７は、固定ミラー３４が移動した影響を除去する機能を有していればよい。

集光レンズ３５は、干渉光、すなわち混合された測定光Ｌ１ａ、Ｌ１ｂを第１受光素子３６に集光させる。

第１受光素子３６は、干渉光を受光し、その強度を取得する。そして、強度に応じた信号を第１受光信号Ｆ（ｔ）として出力する。この第１受光信号Ｆ（ｔ）は、測定光Ｌ１と試料９との相互作用により生成された試料由来信号と、前述した第１変調信号と、を含む信号である。試料由来信号とは、試料９との相互作用で特定の波長の光が吸収等されたとき、それを示す第１受光信号Ｆ（ｔ）の波形変化のことをいう。第１変調信号とは、移動ミラー３３の移動に伴って生じる第１受光信号Ｆ（ｔ）の波形変化のことをいう。

第１受光素子３６としては、例えば、フォトダイオード、フォトトランジスター等が挙げられる。このうち、フォトダイオードとしては、例えば、ＩｎＧａＡｓ系フォトダイオード、Ｓｉ系フォトダイオード、アバランシェ型フォトダイオード等が挙げられる。

１．２．２．第２光学系
図１に示す第２光学系４は、マイケルソン型干渉光学系であり、第２光源４２、光変調器４３、ビームスプリッター４４（第２光分割素子）、第２受光素子４５、１／２波長板４６、１／４波長板４７、１／４波長板４８、および、検光子４９を備える。なお、第２光学系４は、上記以外の光学要素、例えばコリメートレンズ、集光レンズ、アパーチャー等を備えていてもよい。また、上記光学要素が同等の機能を有する他の光学要素で置換されていてもよい。

第２光源４２は、可干渉性を有するレーザー光Ｌ２を射出する光源である。第２光源４２としては、例えば、Ｈｅ－Ｎｅレーザーのようなガスレーザー、ＤＦＢ－ＬＤ（Distributed FeedBack - Laser Diode：分布帰還型レーザーダイオード）、ＦＢＧ－ＬＤ（Fiber Bragg Grating付き Laser Diode：ファイバーブラッググレーティング付きレーザーダイオード）、ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser：垂直共振器面発光レーザーダイオード）、ＦＰ－ＬＤ（Fabry-Perot Laser Diode：ファブリーペロー型半導体レーザーダイオード）のような半導体レーザー素子等が挙げられる。

第２光源４２は、特に半導体レーザー素子であるのが好ましい。これにより、第２光源４２を特に小型化することが可能になり、光学デバイス１の小型化および軽量化を図ることができる。

光変調器４３は、周波数シフター型の光変調器であり、駆動信号により振動する振動素子３０を備える。光変調器４３については後述する。

ビームスプリッター４４は、Ｐ偏光を透過させ、Ｓ偏光を反射させる偏光型ビームスプリッターである。レーザー光Ｌ２は、１／２波長板４６を通過することにより、Ｐ偏光とＳ偏光とを含む直線偏光になり、ビームスプリッター４４でＰ偏光とＳ偏光の２つに分割される。Ｓ偏光であるレーザー光Ｌ２ａは、１／４波長板４８で円偏光に変換され、光変調器４３に入射する。光変調器４３は、レーザー光Ｌ２ａを反射させることにより、周波数をシフトさせる。これにより、光変調器４３は、レーザー光Ｌ２ａに第２変調信号を付加する。光変調器４３で反射したレーザー光Ｌ２ａは、ビームスプリッター４４に戻る。このとき、レーザー光Ｌ２ａは、１／４波長板４８でＰ偏光に変換される。Ｐ偏光であるレーザー光Ｌ２ｂは、１／４波長板４７で円偏光に変換され、移動ミラー３３に入射する。移動ミラー３３は、レーザー光Ｌ２ｂを反射させる。これにより、移動ミラー３３は、レーザー光Ｌ２ｂに移動ミラー３３の位置に応じた変位信号を付加する。移動ミラー３３で反射したレーザー光Ｌ２ｂは、ビームスプリッター４４に戻る。このとき、レーザー光Ｌ２ｂは、１／４波長板４７でＳ偏光に変換される。

また、ビームスプリッター４４は、光変調器４３で反射されたレーザー光Ｌ２ａを第２受光素子４５に向けて透過させ、移動ミラー３３で反射されたレーザー光Ｌ２ｂを第２受光素子４５に向けて反射させる。したがって、ビームスプリッター４４は、分割されたレーザー光Ｌ２ａ、Ｌ２ｂを混合する機能を有する。混合されたレーザー光Ｌ２ａ、Ｌ２ｂは、検光子４９を透過し、第２受光素子４５に入射する。

光変調器４３が備える振動素子３０としては、例えば、水晶振動子、シリコン振動子、セラミック振動子、ピエゾ素子等が挙げられる。このうち、振動素子３０は、水晶振動子、シリコン振動子またはセラミック振動子であるのが好ましい。これらの振動子は、その他の振動子、例えばピエゾ素子等とは異なり、共振現象を利用した振動子であるため、Ｑ値が高く、固有振動数の安定化を容易に図ることができる。

また、振動素子３０を備える光変調器４３は、従来の光変調器に比べて、体積や重量を大きく削減することができる。このため、光学デバイス１の小型化、軽量化および低消費電力化を図ることができる。

なお、光変調器４３としては、例えば、特開２０２２－３８１５６号公報に開示されている光変調器が挙げられる。この公報には、振動素子３０として水晶ＡＴ振動子が挙げられている。また、振動素子３０には、ＳＣカット水晶振動子、音叉型水晶振動子、水晶表面弾性波素子等が用いられてもよい。

シリコン振動子は、単結晶シリコン基板からＭＥＭＳ技術を用いて製造される単結晶シリコン片と、圧電膜と、を備える振動子である。ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）は、微小電気機械システムのことである。単結晶シリコン片の形状としては、例えば、２脚音叉型、３脚音叉型等の片持ち梁形状、両持ち梁形状等が挙げられる。シリコン振動子の発振周波数は、例えば１ｋＨｚから数１００ＭＨｚ程度である。

セラミック振動子は、圧電セラミックスを焼き固めて製造される圧電セラミック片と、電極と、を備える振動子である。圧電セラミックスとしては、例えば、チタン酸ジルコニウム酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸バリウム（ＢＴＯ）等が挙げられる。セラミック振動子の発振周波数は、例えば数１００ｋＨｚから数１０ＭＨｚ程度である。

第２受光素子４５は、混合されたレーザー光Ｌ２ａ、Ｌ２ｂを干渉レーザー光として受光し、その強度を取得する。そして、強度に応じた信号を第２受光信号Ｓ２として出力する。この第２受光信号Ｓ２は、移動ミラー３３の変位信号と、前述した第２変調信号と、を含む信号である。変位信号とは、移動ミラー３３の位置に応じて第２受光信号Ｓ２に付加される波形変化のことをいう。第２変調信号とは、光変調器４３が備える振動素子３０の振動等に伴って生じる第２受光信号Ｓ２の波形変化のことをいう。

第２受光素子４５としては、例えば、フォトダイオード、フォトトランジスター等が挙げられる。

なお、第２光学系４は、上記の構成に限定されない。例えば、第２光学系４は、分割された一方のレーザー光が第２受光素子に入射し、他方のレーザー光が光変調器および移動ミラーを介して、第２受光素子に入射するように構成されていてもよい。また、振動素子３０に付属した回折格子や反射膜等でレーザー光Ｌ２を反射させてもよいが、本明細書ではこのような場合も「振動素子３０での反射」に含む。

以上、第１光学系３および第２光学系４について説明したが、これらが備える各光学要素のうち、光を入射させる必要がある光学要素については、反射防止処理が施されているのが好ましい。これにより、第１受光信号Ｆ（ｔ）および第２受光信号Ｓ２のＳ／Ｎ比（信号対雑音比）を高めることができる。

１．３．信号生成部
図１に示す信号生成部８は、光変調器４３に入力される駆動信号Ｓｄ、および、演算装置７に入力される基準信号Ｓｓを出力する。

図２は、図１の第１光学系３、第２光学系４、信号生成部８および演算装置７の各主要部を示す模式図である。

本実施形態では、図２に示すように、信号生成部８が発振回路８１を備えている。発振回路８１は、振動素子３０を信号源として動作し、精度の高い周期信号を生成する。分光装置１００では、発振回路８１で生成された周期信号を、駆動信号Ｓｄおよび基準信号Ｓｓとして出力する。これにより、駆動信号Ｓｄおよび基準信号Ｓｓは、外乱を受けた場合、互いに同じ影響を受けることになる。そうすると、駆動信号Ｓｄにより駆動された光変調器４３を介して付加される第２変調信号、および、基準信号Ｓｓも、互いに同じ影響を受ける。このため、変位信号および基準信号Ｓｓが、演算装置７における演算に供されたとき、演算の過程で、双方が含む外乱の影響を互いに相殺または低減させることができる。その結果、演算装置７では、外乱を受けても、移動ミラー３３の位置を精度よく求めることができる。

発振回路８１としては、例えば、特開２０２２－３８１５６号公報に開示されている発振回路が挙げられる。

１．４．演算装置
図１および図２に示す演算装置７は、移動ミラー位置演算部７２、測定光強度演算部７４、および、フーリエ変換部７６を有する。これらの機能部が発揮する機能は、例えば、プロセッサー、メモリー、外部インターフェース、入力部、表示部等を備えるハードウェアによって実現される。具体的には、メモリーに格納されているプログラムをプロセッサーが読み出し、実行することによって実現される。なお、これらの構成要素は、内部バスによって互いに通信可能になっている。

プロセッサーとしては、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）等が挙げられる。なお、これらのプロセッサーがソフトウェアを実行する方式に代えて、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等が上述した機能を実現する方式を採用するようにしてもよい。

メモリーとしては、例えば、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）、ＲＯＭ（Read-Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等が挙げられる。

外部インターフェースとしては、例えば、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）等のデジタル入出力ポート、イーサネット（登録商標）ポート等が挙げられる。

入力部としては、例えば、キーボード、マウス、タッチパネル、タッチパッド等の各種入力装置が挙げられる。表示部としては、例えば、液晶ディスプレイパネル、有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイパネル等が挙げられる。

なお、外部インターフェース、入力部および表示部は、必要に応じて設けられればよく、省略されていてもよい。

１．４．１．移動ミラー位置演算部
移動ミラー位置演算部７２は、信号生成部８から出力された基準信号Ｓｓに基づいて、第２受光信号Ｓ２に演算を行う。これにより、移動ミラー３３の位置を示す移動ミラー位置信号Ｘ（ｔ）を生成する。つまり、移動ミラー位置演算部７２は、レーザー干渉計の技術により、移動ミラー３３の位置を特定し、その結果に基づいて、移動ミラー位置信号Ｘ（ｔ）を生成する。具体的には、周波数がわずかに異なる２つの光（レーザー光Ｌ２ａ、Ｌ２ｂ）を干渉させ、干渉光から位相情報を取り出すことにより、移動ミラー３３の位置を算出する。このような方法を光ヘテロダイン干渉法という。光ヘテロダイン干渉法によれば、干渉光の位相情報から移動ミラー３３の位置を特定するとき、外乱の影響、特にノイズとなる周波数の迷光の影響を受けにくく、光学デバイス１に高いロバスト性が与えられる。

図２に示す移動ミラー位置演算部７２は、前処理部７２２、復調処理部７２４、および、移動ミラー位置信号出力部７２６を有する。前処理部７２２および復調処理部７２４には、例えば、特開２０２２－３８１５６号公報に開示されている前処理部および復調部が適用できる。

前処理部７２２は、基準信号Ｓｓに基づいて第２受光信号Ｓ２に前処理を行う。復調処理部７２４は、前処理部７２２から出力された前処理済み信号Ｓ（ｔ）から、基準信号Ｓｓに基づいて移動ミラー３３の位置に応じた変位信号を復調する。

移動ミラー位置信号出力部７２６は、復調処理部７２４が復調した移動ミラー３３の変位信号に基づいて、移動ミラー位置信号Ｘ（ｔ）を生成し、出力する。移動ミラー３３は、測定光Ｌ１ａの入射方向に沿って例えば往復移動するため、移動ミラー位置信号Ｘ（ｔ）は、時刻ごとに変化する移動ミラー３３の位置を表す信号となる。第２受光信号Ｓ２が含む移動ミラー３３の変位信号は、レーザー光Ｌ２の波長よりも十分に狭い間隔で移動ミラー３３の変位を捉えている。具体的には、レーザー光Ｌ２の波長が例えば数１００ｎｍであっても、変位信号が示す移動ミラー３３の位置分解能として１０ｎｍ未満が達成可能である。このため、後述する測定光強度演算部７４でも、従来に比べてより細かな間隔で、波形を生成することができる。

１．４．２．測定光強度演算部
測定光強度演算部７４は、第１受光信号Ｆ（ｔ）および移動ミラー位置信号Ｘ（ｔ）に基づいて、移動ミラー３３の位置に対する干渉光の強度を表す波形（インターフェログラムＦ（ｘ））を生成する。

第１受光信号Ｆ（ｔ）は、時刻ごとに第１受光素子３６に入射する干渉光の強度を表す信号である。また、第１受光信号Ｆ（ｔ）は、前述したように、試料由来信号および第１変調信号を含んでいる。第１変調信号は、前述したように、移動ミラー３３の移動が反映された波形変化であるため、測定光強度演算部７４では、この第１変調信号と、第２光学系４から取得した移動ミラー位置信号Ｘ（ｔ）と、を関係づけることにより、試料由来信号が反映された波形を取り出す。具体的には、測定光強度演算部７４では、第１受光信号Ｆ（ｔ）の時刻と、移動ミラー位置信号Ｘ（ｔ）の時刻と、を揃える。そして、測定光強度演算部７４は、同時刻における移動ミラー３３の位置と第１受光信号Ｆ（ｔ）の強度とにより、インターフェログラムＦ（ｘ）を生成する。

図３は、第１受光信号Ｆ（ｔ）および移動ミラー位置信号Ｘ（ｔ）の一例を示す図である。図３の横軸は、時刻であり、縦軸は、第１受光素子３６に入射する干渉光の強度または移動ミラー３３の位置である。

図４は、インターフェログラムＦ（ｘ）の一例を示す図である。図４の横軸は、移動ミラー３３の位置から求めた第１光学系３内の光路差であり、縦軸は、測定光Ｌ１ａ、Ｌ１ｂの干渉光の強度である。なお、第１光学系３内の光路差とは、ビームスプリッター３２と移動ミラー３３との光路長およびビームスプリッター３２と固定ミラー３４との光路長の差であり、図４では、光路差ゼロを横軸の原点としている。

前述したように、本実施形態では、移動ミラー３３の位置を示す移動ミラー位置信号Ｘ（ｔ）を高い精度（高い位置分解能）で取得できる。このため、それに基づいてインターフェログラムＦ（ｘ）を生成することにより、データ点数の多いインターフェログラムＦ（ｘ）が得られる。データ点数の多さは、インターフェログラムＦ（ｘ）のサンプリング間隔が短く、精度が高いことを意味する。したがって、このようにして得られたインターフェログラムＦ（ｘ）を用いることで、最終的に、高い分解能のスペクトル情報を取得することができる。

また、サンプリング間隔を短くできることで、より波長の短い（より波数の大きい）測定光Ｌ１を用いても、十分なデータ点数を持つインターフェログラムＦ（ｘ）を得ることができる。これにより、より広い波長範囲（広い波数範囲）のスペクトル情報、すなわち、より広帯域のスペクトル情報を取得することができる。

１．４．３．フーリエ変換部
フーリエ変換部７６は、インターフェログラムＦ（ｘ）にフーリエ変換を行う。これにより、スペクトル情報を取得する。

以上のように、本実施形態では、十分に短い光路差間隔で、インターフェログラムＦ（ｘ）のデジタルデータを取得することができる。これにより、インターフェログラムＦ（ｘ）のデータ点数を十分に多くすることができる。そして、インターフェログラムＦ（ｘ）にフーリエ変換を行うことで、より波長の短い（より波数の大きい）測定光Ｌ１を用いた場合でも、波数分解能または波長分解能が十分に高いスペクトル情報を取得することができる。

得られたスペクトル情報には、測定光が試料９に作用して生成された高精度の試料由来信号が反映されている。このため、スペクトル情報に基づいて、試料９の特性を精度よく分析することができる。つまり、精度の高い分光分析を可能にする分光装置１００を実現することができる。

１．４．４．移動ミラー位置の計測精度と分光波数精度および分光波長精度との関係
上述したように、本実施形態では、移動ミラー位置信号Ｘ（ｔ）を高い精度で取得できるので、波数分解能または波長分解能が十分に高いスペクトル情報を取得することができる。

特に、第２光学系４におけるビームスプリッター４４と光変調器４３との物理的距離と、ビームスプリッター４４と移動ミラー３３との物理的距離と、の差をゼロに近づけることにより、移動ミラー位置信号Ｘ（ｔ）の精度をより高めることができる。

第２光学系４で移動ミラー３３の位置を計測するとき、計測誤差Δｄは、下記式（Ｉ）で表される。

上記式（Ｉ）において、物理的距離の差ＷＤをゼロに近づけることにより、計測誤差Δｄにおいてノイズ成分となり得る右辺第２項および第３項を小さくすることができる。これにより、計測誤差Δｄが小さくなるため、移動ミラー位置信号Ｘ（ｔ）の精度をより高めることができる。

具体的には、第２光学系４におけるビームスプリッター４４と光変調器４３との光路長をＬｒｅｆとし、ビームスプリッター４４と移動ミラー３３との光路長をＬｓとするとき、｜Ｌｓ－Ｌｒｅｆ｜≦１００ｍｍであることが好ましい。これにより、上記式（Ｉ）の物理的距離の差ＷＤを十分に小さくすることができ、１ｎｍオーダーまたはそれ以下の計測誤差Δｄを達成することができる。

一方、移動ミラー３３が往復移動するときの移動距離（振幅）をＬｍとしたとき、この移動距離Ｌｍを踏まえると、｜Ｌｓ－Ｌｒｅｆ｜≦Ｌｍ／２であるのが好ましい。これにより、移動ミラー３３の移動距離Ｌｍを考慮しながら、計測誤差Δｄを特に小さくすることができる。

また、前述した｜Ｌｓ－Ｌｒｅｆ｜≦１００ｍｍを踏まえると、移動ミラー３３の移動距離Ｌｍの最大値は、２００ｍｍと考えることもできる。したがって、移動ミラー３３の移動距離Ｌｍは、２００ｍｍ以下であることが好ましい。これにより、移動ミラー３３の計測誤差Δｄを特に小さくすることができる。

図５は、測定光Ｌ１として波長４００ｎｍの光（可視光）を用いた場合の、移動ミラー３３の位置の計測誤差δＬとスペクトル情報における分光波数の誤差（分光波数精度）または分光波長の誤差（分光波長精度）との関係を示すグラフである。図６は、測定光Ｌ１として波長２００ｎｍの光（紫外線）を用いた場合の、移動ミラー３３の位置の計測誤差δＬとスペクトル情報における分光波数の誤差（分光波数精度）または分光波長の誤差（分光波長精度）との関係を示すグラフである。なお、図５および図６に示す例では、移動ミラー３３の移動距離Ｌを１ｍｍとし、その計測誤差をδＬとしている。

一般的には、移動ミラー３３の移動距離Ｌを長くすることで波数分解能Δνを高めることができる。例えば、移動距離Ｌが１ｍｍであるとき、従来の方法でインターフェログラムをサンプリングして得られたスペクトル情報から計算される波数分解能Δνは、５ｃｍ^－１となる。

図５および図６に示す例では、移動ミラー３３の移動距離Ｌを１ｍｍとしたときの、計測誤差δＬと分光波数精度δνまたは分光波長精度δλとの関係を示している。図５では、例えば計測誤差δＬが１００ｎｍであるとき、分光波数精度δνは約２．５ｃｍ^－１となり、分光波長精度δλは約０．０４ｎｍとなることを示している。また、図６では、例えば計測誤差δＬが１００ｎｍであるとき、分光波数精度δνは約５．０ｃｍ^－１となり、分光波長精度δλは約０．０２ｎｍとなることを示している。１００ｎｍという計測誤差δＬは、本実施形態に係る光学デバイス１を用いることで、容易に達成できる。そうすると、図５および図６の結果から、測定光Ｌ１としてより短波長の光を用いても、前述した波数分解能Δνやそこから計算される波長分解能に比べて、少なくとも同等程度の分光波数精度δνおよび分光波長精度δλが得られることがわかる。よって、本実施形態に係る光学デバイス１を用いて計測誤差δＬを小さくすることにより、測定光Ｌ１の波長によらず、換言すれば、波長範囲の広い測定光Ｌ１を用いても、分光波数精度δνおよび分光波長精度δλを維持または向上させることができる。

１．４．５．移動ミラー位置の計測間隔と最大計測波数および最小計測波長との関係
図７は、移動ミラー３３の位置の計測間隔Δｘとスペクトル情報における最大計測波数または最小計測波長との関係を示すグラフである。図７に示すように、計測間隔Δｘが小さいほど、最大計測波数は大きく、最小計測波長が短くなる。したがって、計測間隔Δｘを小さくすることにより、より広い波数範囲（波長範囲）のスペクトル情報（広帯域のスペクトル情報）を取得することができるようになる。なお、安定した計測間隔Δｘを実現するためには、計測誤差Δｄが計測間隔Δｘの１／１０以下であることが好ましい。そうすると、前述した１ｎｍオーダーの計測誤差Δｄは、図７において計測間隔Δｘ＝１０ｎｍを実現可能な計測精度であるといえる。

２．第１実施形態の第１変形例
次に、第１実施形態の第１変形例に係る光学デバイスおよび分光装置について説明する。

図８は、第１実施形態の第１変形例に係る分光装置１００の概略構成を示す概略構成図である。

図８に示す分光装置１００は、光学デバイス１および入射光学系５の構成が異なること以外、図１に示す分光装置１００と同様である。

図８に示す入射光学系５は、試料９を介さない経路で測定光Ｌ１を光学デバイス１に導くよう構成されている。具体的には、図８に示す入射光学系５は、第１光源５１、集光レンズ５４、アパーチャー５５、曲面ミラー５６およびカットフィルター５７を備える。

集光レンズ５４は、第１光源５１から射出される測定光Ｌ１を集光し、その集光位置でアパーチャー５５を通過させる。曲面ミラー５６は、発散光を平行光に変換しながら光路を切り替える。カットフィルター５７は、目的とする波長域以外の光をカットするフィルターである。

図８に示す光学デバイス１は、ビームスプリッター３２と第１受光素子３６との間に試料９が設けられるように構成されている。つまり、図８に示す光学デバイス１は、ビームスプリッター３２で混合された測定光Ｌ１ａ、Ｌ１ｂが試料９を透過し、集光レンズ３５を介して第１受光素子３６に入射するように構成されている。
以上のような第１変形例においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。

３．第１実施形態の第２変形例
次に、第１実施形態の第２変形例に係る光学デバイスおよび分光装置について説明する。

図９は、第１実施形態の第２変形例に係る分光装置１００の概略構成を示す概略構成図である。

図９に示す分光装置１００は、光学デバイス１および入射光学系５の構成が異なること、および、試料９に対するラマン分光分析、蛍光分光分析等に適用可能な形態であること以外、図１に示す分光装置１００と同様である。

図９に示す入射光学系５は、第１光源５１、バンドパスフィルター６１、１／２波長板６２、ビームスプリッター６３、１／４波長板６４、集光レンズ６５および減光フィルター６６を備える。

図９に示す第１光源５１は、ラマン分光や蛍光分光等の目的に応じて適宜選択される。例えばラマン分光の場合、スペクトル線幅の狭い光を測定光Ｌ１として射出する光源が用いられる。また、蛍光分光の場合、試料９の種類に応じて、最適な光源が用いられる。ラマン分光の場合には、第１光源５１として、例えば、Ｈｅ－Ｎｅレーザー、Ａｒレーザーのようなガスレーザー、ＤＦＢ－ＬＤ、ＦＢＧ－ＬＤ、ＶＣＳＥＬ、ＦＰ－ＬＤのような半導体レーザー素子、固体レーザー等が用いられる。蛍光分光の場合には、第１光源５１として、例えば、キセノンランプ、水銀灯等が用いられる。なお、図９では、第１光源５１がレーザー光源である場合の入射光学系５を図示している。

バンドパスフィルター６１は、第１光源５１から出射される余分な波長の光をカットし、測定光Ｌ１として透過させる。１／２波長板６２を通過した測定光Ｌ１は、Ｐ偏光とＳ偏光とを含む直線偏光になり、偏光ビームスプリッターであるビームスプリッター６３でＰ偏光とＳ偏光の２つに分割される。Ｐ偏光である測定光Ｌ１は、１／４波長板６４で円偏光に変換され、集光レンズ６５を経て試料９に入射する。試料９から放射された測定光Ｌ１は、ラマン散乱光や蛍光等とともに、集光レンズ６５を経て１／４波長板６４でＳ偏光に変換され、ビームスプリッター６３で反射される。そして、測定光Ｌ１は、減光フィルター６６を通過するとき、そのほとんどが選択的に減光され、測定光Ｌ１とともに伝搬するラマン散乱光や蛍光等が選択的に透過する。つまり、測定光Ｌ１の波長を「第１波長」とするとき、減光フィルター６６は、第１波長の光を減衰させ、試料由来信号を含む光を通過させる。これにより、試料由来信号を含む光の強度が微弱である場合でも、第２受光素子４５において高いＳ／Ｎ比の第２受光信号を出力させることができる。このような減光フィルター６６としては、例えば、光学濃度（ＯＤ値）が６．０以上のノッチフィルター、ラマンロングパスフィルター等が挙げられる。

また、図９に示す光学デバイス１が備える第１受光素子３６には、特にアバランシェ型フォトダイオードが好ましく用いられる。これにより、ラマン散乱光や蛍光等をより適切に受光することができる。
以上のような第２変形例においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。

４．第１実施形態の第３変形例
次に、第１実施形態の第３変形例に係る光学デバイスおよび分光装置について説明する。

図１０は、第１実施形態の第３変形例に係る分光装置１００の概略構成を示す概略構成図である。

図１０に示す分光装置１００は、光学デバイス１および入射光学系５の構成が異なること以外、図９に示す分光装置１００と同様である。

図１０に示す入射光学系５は、第１光源５１、バンドパスフィルター６１、反射ミラー６７ａ、６７ｂ、ノッチフィルター６８、集光レンズ６５および減光フィルター６６を備える。

第１光源５１から射出された測定光Ｌ１は、バンドパスフィルター６１を透過、反射ミラー６７ａで反射され、ノッチフィルター６８に入射する。ノッチフィルター６８は、例えば光学濃度６．０以上を有し、測定光Ｌ１を選択的に反射する機能を有する。ノッチフィルター６８で反射された測定光Ｌ１は、集光レンズ６５を経て試料９に入射する。試料９で反射した測定光Ｌ１は、集光レンズ６５を経た後、ノッチフィルター６８で選択的に反射される。一方、測定光Ｌ１とともに伝搬するラマン散乱光や蛍光等は、ノッチフィルター６８を透過するようになっている。ノッチフィルター６８を透過したこれらの光は、反射ミラー６７ｂで反射され、減光フィルター６６を通過して光学デバイス１に入射される。この場合、減光フィルター６６としては、ラマンロングパスフィルターが用いられる。

また、図１０に示す光学デバイス１では、ビームスプリッター３２として無偏光型ビームスプリッターを用いる。図１０に示す入射光学系５では、測定光Ｌ１としてレーザー光が用いられる場合があり、その場合には、第１光学系３の構成を上記のようにすることで、適切な干渉光を得ることができる。
以上のような第３変形例においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。

５．第１実施形態の第４変形例
次に、第１実施形態の第４変形例に係る光学デバイスおよび分光装置について説明する。

図１１は、第１実施形態の第４変形例に係る分光装置１００の概略構成を示す概略構成図である。

図１１に示す分光装置１００は、光学デバイス１および入射光学系５の構成が異なること以外、図１０に示す分光装置１００と同様である。

図１１に示す入射光学系５は、第１光源５１、バンドパスフィルター６１、貫通孔付き非軸放物面ミラー６９および減光フィルター６６を備える。

第１光源５１から射出された測定光Ｌ１は、バンドパスフィルター６１を透過し、貫通孔付き非軸放物面ミラー６９を通過して試料９に入射する。試料９から放射された測定光Ｌ１は、貫通孔付き非軸放物面ミラー６９でコリメートされるとともに反射され、減光フィルター６６を通過して光学デバイス１に入射される。

以上のような第４変形例においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。
なお、以上の第１実施形態およびその変形例において、光学デバイス１が入射光学系５を備えていてもよい。

６．第１実施形態の第５変形例
次に、第１実施形態の第５変形例に係る分光装置について説明する。
図１２は、第１実施形態の第５変形例に係る分光装置１００が備える第１光学系３、第２光学系４、信号生成部８および演算装置７の各主要部を示す模式図である。

図１２に示す分光装置１００は、信号生成部８の構成が異なること以外、図２に示す分光装置１００と同様である。

図１２に示す信号生成部８は、ファンクションジェネレーター８２を備える。ファンクションジェネレーター８２は、高精度な波形、すなわち高安定で低ジッターの信号を出力する信号発生器である。したがって、図１２に示す信号生成部８は、より高精度の駆動信号Ｓｄおよび基準信号Ｓｓを出力することができ、最終的に、演算装置７において移動ミラー３３の位置をより精度よく求めることができる。なお、ファンクションジェネレーター８２は、シグナルジェネレーターと呼ばれる信号発生器であってもよい。
以上のような第５変形例においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。

７．第１実施形態の第６変形例
次に、第１実施形態の第６変形例に係る分光装置について説明する。

図１３は、第１実施形態の第６変形例に係る分光装置１００が備える第１光学系３、第２光学系４、信号生成部８および演算装置７の各主要部を示す模式図である。

図１３に示す分光装置１００は、信号生成部８および演算装置７の構成が異なること以外、図２に示す分光装置１００と同様である。

本変形例では、図１３に示すように、信号生成部８が、電圧制御発振器８３、増幅器８４および補正処理部８５を備える。また、演算装置７は、移動ミラー位置演算部７２、測定光強度演算部７４およびフーリエ変換部７６を有する。さらに、移動ミラー位置演算部７２は、前処理部７２２、直交信号発生部７２３、復調処理部７２４、および、移動ミラー位置信号出力部７２６を有する。

７．１．信号生成部
まず、図１３に示す信号生成部８について説明する。

７．１．１．信号生成部の構成
電圧制御発振器８３は、ＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator）であり、入力される電圧信号に基づいて、出力される周期信号の周波数を制御する機能を有する。これにより、電圧制御発振器８３は、目的とする周波数の基準信号Ｓｓを生成し、増幅器８４および演算装置７に向けて出力する。なお、電圧制御発振器８３は、出力される周期信号の周波数を調整可能な発振器であれば、ＶＣＯに限定されない。

増幅器８４は、入力される制御信号に基づいて、出力される周期信号の振幅を制御する機能を有する。これにより、増幅器８４は、入力される基準信号Ｓｓを増幅し、目的とする振幅の駆動信号Ｓｄを生成し、光変調器４３に向けて出力する。

補正処理部８５には、図１３に示すように、電圧制御発振器８３から出力された基準信号Ｓｓ、および、光変調器４３の駆動に対応して出力される出力信号Ｓｍが入力される。また、補正処理部８５は、電圧制御発振器８３に向けて周波数制御信号Ｓｆ１（補正信号）を出力する。さらに、補正処理部８５は、増幅器８４に向けて増幅率制御信号Ｓａｍ（補正信号）を出力する。

補正処理部８５は、例えばＦＰＧＡ等に実装され、光変調器４３の近傍に配置されることが好ましい。これにより、光変調器４３と補正処理部８５との物理的距離を短くすることができ、例えば電磁ノイズの影響による出力信号ＳｍのＳ／Ｎ比の低下を抑制することができる。

図１４は、図１３に示す模式図のうち、補正処理部８５について詳細に示す図である。
光変調器４３からの出力信号Ｓｍは、図１４に示すオフセット除去部８５１に入力される。オフセット除去部８５１は、ＤＣ（直流）成分を除去し、ＡＣ（交流）成分を取り出す機能を有する。オフセット除去部８５１を経た出力信号Ｓｍは、補正処理部８５に入力される。

電圧制御発振器８３からの基準信号Ｓｓは、図１４に示すオフセット除去部８５２に入力される。オフセット除去部８５２は、ＤＣ（直流）成分を除去し、ＡＣ（交流）成分を取り出す機能を有する。オフセット除去部８５２を経た基準信号Ｓｓは、補正処理部８５および直交信号発生部７２３に入力される。

図１４に示す補正処理部８５は、絶対値演算器８５３と、乗算器８５４と、乗算器８５５と、ローパスフィルター８５６と、ローパスフィルター８５７と、振幅ゲイン設定部８５８と、周波数設定部８５９と、を備えている。

絶対値演算器８５３は、オフセット除去部８５１を通過した出力信号Ｓｍの絶対値を算出する。

乗算器８５４、８５５は、２つの入力信号の積に比例した信号を出力する回路である。このうち、乗算器８５４では、２つの入力信号がいずれも出力信号Ｓｍである。このため、乗算器８５４は、出力信号Ｓｍの２乗に比例した信号を出力する。一方、乗算器８５５では、２つの入力信号が、出力信号Ｓｍおよび基準信号Ｓｓである。このため、乗算器８５５は、出力信号Ｓｍと基準信号Ｓｓの積に比例した信号を出力する。

乗算器８５４、８５５は、例えば、ギルバートセルのような素子を用いてもよいし、入力される２つの信号をオペアンプ等で対数変換した後、加減算を行い、その後、逆対数変換を行う回路であってもよい。

ローパスフィルター８５６、８５７は、入力信号について高域の周波数帯の信号をカットするフィルターである。ローパスフィルター８５６、８５７の透過周波数帯域は、駆動信号Ｓｄの周波数の２倍以上を除去できる帯域であればよく、駆動信号Ｓｄの周波数以上を除去できる帯域であるのが好ましい。

乗算器８５４から出力され、ローパスフィルター８５６を通過した信号は、後述するように、出力信号Ｓｍの振幅に対応した値を持つ信号となる。振幅ゲイン設定部８５８は、この信号に基づいて、駆動信号Ｓｄに設定されるべき振幅（目標振幅）を求める機能を有する。そして、振幅ゲイン設定部８５８は、駆動信号Ｓｄの振幅が目標振幅になるように、信号生成部８の増幅器８４に設定すべきゲイン（増幅率）の制御を行う。制御ロジックとしては、例えば、ＰＩ制御やＰＩＤ制御のようなフィードバック制御が挙げられる。振幅ゲイン設定部８５８は、設定すべきゲインに対応する増幅率制御信号Ｓａｍを増幅器８４に向けて出力する。

増幅器８４では、増幅率制御信号Ｓａｍに基づいて、駆動信号Ｓｄの振幅を増幅する。これにより、駆動信号Ｓｄの振幅が補正される。

乗算器８５５から出力され、ローパスフィルター８５７を経て周波数設定部８５９に入力される信号は、後述するように、出力信号Ｓｍと基準信号Ｓｓとの位相差に対応した値を持つ信号となる。ここで、出力信号Ｓｍの位相は、駆動信号Ｓｄの位相に対応している。また、駆動信号Ｓｄの位相は、基準信号Ｓｓの位相に対応している。そこで、周波数設定部８５９は、基準信号Ｓｓに設定されるべき周波数（目標周波数）を求める機能を有する。そして、周波数設定部８５９は、基準信号Ｓｓの周波数が目標周波数になるように、信号生成部８の電圧制御発振器８３に設定すべき電圧の制御を行う。制御ロジックとしては、例えば、ＰＩ制御やＰＩＤ制御のようなフィードバック制御が挙げられる。周波数設定部８５９は、設定すべき周波数に対応する周波数制御信号Ｓｆ１を電圧制御発振器８３に向けて出力する。

電圧制御発振器８３では、周波数制御信号Ｓｆ１に対応する周波数の基準信号Ｓｓを発生させる。これにより、基準信号Ｓｓの周波数が補正される。また、これにより、駆動信号Ｓｄの周波数も補正される。

７．１．２．光変調器からの出力信号の取得
図１５は、光変調器４３からの出力信号Ｓｍを取得する回路の一例を示す図である。

出力信号Ｓｍは、光変調器４３が備える振動素子３０に流れる電流を検出して得られる信号であってもよく、振動素子３０に印加される電圧を検出して得られる信号であってもよい。例えば、振動素子３０に流れる電流を検出して得られる信号を出力信号Ｓｍとする場合、図１５に示すように、振動素子３０に流れる電流値を、電流シャントモニター３９を用いて検出する。図１５に示す電流シャントモニター３９は、シャント抵抗３９１およびオペアンプ３９２を備え、振動素子３０に流れる電流値を電圧値に変換して検出する。これにより、電圧信号である出力信号Ｓｍが得られる。得られた出力信号Ｓｍは、デジタル信号に変換され、補正処理部８５に向けて出力される。

なお、振動素子３０に流れる電流を検出する方法としては、上記の方法以外に、ホール素子を用いる方法、電流路にコイルを巻いて起電力を検出する方法等が挙げられる。

７．１．３．補正処理
次に、補正処理部８５における補正処理について説明する。補正処理とは、補正処理部８５から出力される補正信号に基づいて、電圧制御発振器８３および増幅器８４の設定値を変更し、駆動信号Ｓｄおよび基準信号Ｓｓを補正することをいう。

光変調器４３からの出力信号Ｓｍが例えば電圧信号である場合、オフセット除去部８５１を通過する前の出力信号Ｓｍは、下記式（ＩＩ）で表される。

上記式（ＩＩ）において、Ｖ_ＱＯＭは、出力信号Ｓｍの電圧値である。また、Ａ_ｍは、出力信号Ｓｍの振幅に対応する係数であり、α_ｍ１は、出力信号Ｓｍの基準信号Ｓｓに対する位相差であり、－π／２＜α_ｍ１＜π／２を満たす。さらに、Ｏ_ＱＯＭは、出力信号ＳｍのＤＣ成分である。

そうすると、オフセット除去部８５１を通過した後の出力信号Ｓｍは、下記式（ＩＩ－１）で表される。

一方、オフセット除去部８５２を通過する前の基準信号Ｓｓは、下記式（ＩＩＩ）で表される。

上記式（ＩＩＩ）において、Ｖ_ＯＳＣは、基準信号Ｓｓの電圧値である。また、ｖ_ＯＳＣは、基準信号Ｓｓの振幅に対応する係数であり、Ｏ_ＯＳＣは、基準信号ＳｓのＤＣ成分である。

そうすると、オフセット除去部８５２を通過した後の基準信号Ｓｓは、下記式（ＩＩＩ－１）で表される。

オフセット除去部８５１を通過した出力信号Ｓｍは、２つに分割される。そして、一方の出力信号Ｓｍは、絶対値演算器８５３を経た後、乗算器８５４で２乗された結果、下記式（ＩＩ－２）で表される。

その後、ローパスフィルター８５６を通過することにより、上記式（ＩＩ－２）の右辺第１項のみが取り出される。これにより、ローパスフィルター８５６を通過した後の出力信号Ｓｍは、下記式（ＩＩ－３）で表される。

上記式（ＩＩ－３）で表されるように、振幅ゲイン設定部８５８に入力される入力信号Ｖ_ＱＯＭ ^２は、時間変化がない信号となる。そこで、振幅ゲイン設定部８５８では、上記式（ＩＩ－３）で表される出力信号Ｓｍについて、目標とする係数Ａ_ｍを上記式（ＩＩ－３）に代入した値を制御目標値としてフィードバック制御を行う。そして、制御目標値に対応する増幅率制御信号Ｓａｍを信号生成部８の増幅器８４に向けて出力する。これにより、増幅器８４における振幅のゲインを変化させ、駆動信号Ｓｄの振幅を目標とする振幅に補正することができる。

２つに分割された他方の出力信号Ｓｍには、乗算器８５５で基準信号Ｓｓが乗算される。これにより、乗算器８５５から出力される信号は、下記式（ＩＶ）で表される。

その後、ローパスフィルター８５７を通過することにより、上記式（ＩＶ）の右辺第１項のみが取り出される。これにより、ローパスフィルター８５７を通過した後の出力信号Ｓｍは、下記式（ＩＶ－２）で表される。

上記式（ＩＶ－２）で表されるように、周波数設定部８５９に入力される入力信号Ｖ_ＱＯＭ・Ｖ_ＯＳＣは、右辺に係数Ａｍ、係数ｖ_ＯＳＣおよび位相差α_ｍ１を含む信号である。このうち、係数ｖ_ＯＳＣは、既知である。一方、係数Ａ_ｍは、０＜Ａ_ｍを満たし、上記のように目標とする係数Ａ_ｍに収束するように制御される。このため、入力信号Ｖ_ＱＯＭ・Ｖ_ＯＳＣも、時間変化がない信号となる。そこで、周波数設定部８５９では、例えば、目標とする位相差α_ｍ１を上記式（ＩＶ－２）に代入した値を制御目標値としてフィードバック制御を行う。そして、制御目標値に対応する周波数制御信号Ｓｆ１を信号生成部８の電圧制御発振器８３に向けて出力する。これにより、電圧制御発振器８３から出力される基準信号Ｓｓの周波数を変化させ、基準信号Ｓｓの周波数を目標とする周波数に補正することができる。また、駆動信号Ｓｄの周波数も目標とする周波数に補正することができる。

なお、目標とする位相差α_ｍ１は、例えば、機械的共振周波数で振動する振動素子３０において、駆動信号Ｓｄと出力信号Ｓｍとの位相差の関係に基づいて決定できる。具体的には、このような振動素子３０では、入力される駆動信号Ｓｄに対し、出力信号Ｓｍの位相が約９０［ｄｅｇ］遅れることが知られている。また、出力信号Ｓｍが補正処理部８５に入力されるまでの過程では、位相遅延δ［ｄｅｇ］が発生する場合がある。これらを考慮すると、目標とする位相差α_ｍ１は、例えば９０＋δ［ｄｅｇ］とできる。位相遅延δは、実験やシミュレーションにより求めることができる。

なお、温度変化等が生じると、機械的共振周波数が変化するとともに、振動素子３０の入力された電力を振動に変換する効率が変化する場合がある。この変換効率が変化すると、振動素子３０の振動の振幅が変化することになる。そこで、補正処理では、まず、基準信号Ｓｓの周波数および駆動信号Ｓｄの周波数の補正を優先して行う。その後、必要に応じて、駆動信号Ｓｄの振幅を補正する。このような順序で補正処理を実行することにより、前述した周波数と振幅をそれぞれ目的とする値に効率よく制御することができる。

また、上述した周波数設定部８５９での制御を踏まえると、振幅ゲイン設定部８５８に入力される信号の制御を、周波数設定部８５９に入力される信号の制御よりも早く収束させることが望ましい。これにより、周波数設定部８５９における目標制御値の不安定化が抑制されるため、補正処理が不安定になるのを抑制することができる。

なお、振幅ゲイン設定部８５８および周波数設定部８５９は、それぞれ、例えばＰＩＤ制御のようなフィードバック制御動作を行うようにオペアンプ等を組み合わせて構築される。この場合、振幅ゲイン設定部８５８に入力される信号の制御を、周波数設定部８５９に入力される信号の制御よりも早く収束させるためには、振幅ゲイン設定部８５８の動作における制御ループの開ループ伝達関数の交差周波数を、周波数設定部８５９の動作における制御ループの開ループ伝達関数の交差周波数よりも高く設定しておけばよい。

以上のような補正処理を行うことにより、次のような効果が得られる。
振動素子３０の機械的共振周波数が、周囲の温度変化、重力変化、振動、ノイズ等、外乱の影響を受けて変化した場合、振動素子３０の振動の周波数や振幅が変化し、変調信号のＳ／Ｎ比が低下する。これにより、移動ミラー３３の変位信号の復調精度が低下するという問題があった。

これに対し、上記のような補正処理を行うことにより、温度変化等の外乱が加わった場合でも、振動素子３０の振動の周波数および振幅をそれぞれ一定に維持することができる。つまり、温度変化等の外乱が加わった場合でも、振動素子３０の振動の周波数や振幅が変化しないように補正することができる。これにより、第２変調信号のＳ／Ｎ比の低下を抑制することができる。その結果、温度変化等の外乱が加わった場合でも、演算装置７における前処理や復調処理の精度を高めることができ、移動ミラー３３の位置の計測誤差Δｄを抑制することができる。

また、発振回路による駆動とは異なり、温度変化等の外乱が加わって機械的共振周波数が変化した場合でも、駆動信号Ｓｄの周波数を追従させることができるので、振動素子３０の機械的共振周波数の近傍で振動素子３０を駆動し続けることができる。これにより、振動素子３０の駆動効率が高まるため、光学デバイス１の低消費電力化を図ることができる。

７．２．演算装置
次に、図１３に示す演算装置７について説明する。
図１３に示す演算装置７は、移動ミラー位置演算部７２、測定光強度演算部７４およびフーリエ変換部７６を有する。さらに、移動ミラー位置演算部７２は、前処理部７２２、直交信号発生部７２３、復調処理部７２４、および、移動ミラー位置信号出力部７２６を有する。

直交信号発生部７２３は、信号生成部８から出力された基準信号Ｓｓおよび前処理部７２２から出力された信号に基づいて、互いに直交する波形である余弦波信号および正弦波信号を生成する機能を有する。なお、以下の説明では、余弦波信号および正弦波信号を併せて直交信号ともいう。また、生成した直交信号は、復調処理部７２４において復調処理に用いられる。さらに、余弦波信号は、前処理部７２２にフィードバックされ、前処理部７２２から出力される信号の位相を調整する。これにより、位相のずれに伴う復調処理の精度低下が抑制され、移動ミラー３３の位置の計測誤差Δｄを抑制することができる。

なお、直交信号発生部７２３は、必要に応じて設けられればよく、省略されていてもよい。その場合、基準信号Ｓｓおよびその位相をπ／２だけシフトさせた信号を、直交信号として用いればよい。

８．第１実施形態の第７変形例
次に、第１実施形態の第７変形例に係る分光装置について説明する。
図１６は、第１実施形態の第７変形例に係る分光装置が備える第１光学系３、第２光学系４、信号生成部８および演算装置７の各主要部を示す模式図である。図１７は、図１６に示す模式図のうち、信号生成部８について詳細に示す図である。

図１６に示す分光装置１００は、信号生成部８の構成が異なること以外、図２に示す分光装置１００と同様である。

本変形例では、図１６に示すように、信号生成部８が、数値制御発振器８６、増幅器８４および補正処理部８５を備える。このうち、補正処理部８５は、図１７に示すように、乗算器８７１、８７２と、ローパスフィルター８７３と、ローパスフィルター８７４と、振幅位相演算部８７５と、周波数設定部８７６と、振幅ゲイン設定部８７７と、を備える。

８．１．信号生成部
図１７に示す信号生成部８について説明する。
数値制御発振器８６は、正弦波や余弦波の１周期分の数値を収容したＲＯＭテーブルから、規則的なクロック間隔で加算されるアドレスのデータを読み出すことにより、正弦波や余弦波等の周期信号を発生させる。これにより、数値制御発振器８６は、目的とする周波数の基準信号Ｓｓを高精度に生成し、ＤＡＣ８９に向けて出力する。ＤＡＣ８９は、デジタル－アナログ変換器であり、入力されたデジタルの基準信号Ｓｓに基づいて、アナログの基準信号Ｓｓを生成する。

数値制御発振器８６は、累積加算器８６１と、絶対値演算器８６５と、ローパスフィルター８６６と、位相量設定部８６７と、加算器８６２と、第１周期信号発生器８６３と、第２周期信号発生器８６４と、を備える。

累積加算器８６１は、補正処理部８５の周波数設定部８７６から出力された周波数制御信号Ｓｆ２を累積加算する。周波数制御信号Ｓｆ２は、後述するが、基準信号Ｓｓに設定されるべき周波数に対応する、単位時間ステップあたりの位相進み量である。累積加算器８６１では、この位相進み量を累積して加算し、累積加算値を算出する。得られた累積加算値を第１周期信号発生器８６３に向けて出力する。

第１周期信号発生器８６３は、正弦波および余弦波の１周期分の数値を収容したＲＯＭ（Read Only Memory）を含む。第１周期信号発生器８６３では、累積加算値に該当するアドレスの数値が読み出される。これにより、周波数制御信号Ｓｆ２に応じた周波数の正弦波信号および余弦波信号を発生させることができる。余弦波信号は、基準信号ＳｓとしてＤＡＣ８９および補正処理部８５の乗算器８７１に向けてそれぞれ出力される。正弦波信号は、基準信号Ｓｓ’として補正処理部８５の乗算器８７２に向けて出力される。

絶対値演算器８６５は、前処理部７２２から出力された前処理済み信号Ｓ（ｔ）の絶対値を算出する。算出結果は、ローパスフィルター８６６を介して位相量設定部８６７に入力される。

位相量設定部８６７では、前述したように、加算器８６２で累積加算値に加算すべき位相量ａを設定する。加算器８６２では、累積加算値と位相量ａとの和を算出する。得られた累積加算値と位相量ａとの和を第２周期信号発生器８６４に向けて出力する。

第２周期信号発生器８６４は、正弦波および余弦波の１周期分の数値を収容したＲＯＭ（Read Only Memory）を含む。第２周期信号発生器８６４では、累積加算値と位相量ａとの和に該当するアドレスの数値が読み出される。これにより、周波数制御信号Ｓｆ２に応じた周波数で、位相量ａの位相オフセットが加わった正弦波信号ｓｉｎ（θ_ｍ（ｔ））および余弦波信号ｃｏｓ（θ_ｍ（ｔ））を発生させることができる。余弦波信号ｃｏｓ（θ_ｍ（ｔ））は、前処理部７２２および後述する復調処理部７２４に向けて出力され、正弦波信号ｓｉｎ（θ_ｍ（ｔ））は、復調処理部７２４に向けて出力される。

以上、数値制御発振器８６の構成例について説明したが、数値制御発振器８６の構成は、上記に限定されない。

８．２．補正処理部
補正処理部８５には、図１６に示すように、光変調器４３の駆動に対応して出力される出力信号Ｓｍが入力される。補正処理部８５では、直交検波により、出力信号Ｓｍと基準信号Ｓｓとの位相差、および、出力信号Ｓｍの振幅を取得する。

また、補正処理部８５は、数値制御発振器８６に向けて周波数制御信号Ｓｆ２（補正信号）を出力する機能、および、増幅器８４に向けて増幅率制御信号Ｓａｍ（補正信号）を出力する機能を有する。

光変調器４３からの出力信号Ｓｍは、デジタル信号に変換された後、図１７に示すように、２つに分割される。そして、一方の出力信号Ｓｍは、乗算器８７１で基準信号Ｓｓと乗算される。乗算器８７１から出力された信号は、ローパスフィルター８７３を通過することにより、信号Ｉとして振幅位相演算部８７５に入力される。他方の出力信号Ｓｍは、乗算器８７２で基準信号Ｓｓ’と乗算される。乗算器８７２から出力された信号は、ローパスフィルター８７４を通過することにより、信号Ｑとして振幅位相演算部８７５に入力される。

ローパスフィルター８７３およびローパスフィルター８７４の透過周波数帯域は、駆動信号Ｓｄの周波数以上を除去できる帯域であるのが好ましい。

振幅位相演算部８７５は、ａｔａｎ（Ｑ／Ｉ）の演算を行い、出力信号Ｓｍの位相を算出する。振幅位相演算部８７５は、出力信号Ｓｍと基準信号Ｓｓとの位相差を周波数設定部８７６に向けて出力する。また、振幅位相演算部８７５は、（Ｉ^２＋Ｑ^２）^１／２の演算を行い、出力信号Ｓｍの振幅を算出する。振幅位相演算部８７５は、算出した振幅を振幅ゲイン設定部８７７に向けて出力する。振幅位相演算部８７５には、例えば、復調回路であるＣＯＲＤＩＣ（COordinate Rotation DIgital Computer）が用いられるが、これに限定されない。

周波数設定部８７６は、基準信号Ｓｓの目標周波数を求める機能を有する。そして、周波数設定部８７６は、基準信号Ｓｓの周波数が目標周波数になるように、周波数制御信号Ｓｆ２の制御を行い、数値制御発振器８６に向けて周波数制御信号Ｓｆ２を出力する。

数値制御発振器８６では、周波数制御信号Ｓｆ２に基づいて、基準信号Ｓｓを発生させる。これにより、基準信号Ｓｓの周波数が補正される。

振幅ゲイン設定部８７７は、駆動信号Ｓｄの目標振幅を求める機能を有する。そして、振幅ゲイン設定部８７７は、駆動信号Ｓｄの振幅が目標振幅になるように、増幅率制御信号Ｓａｍの制御を行い、増幅器８４に向けて増幅率制御信号Ｓａｍを出力する。

増幅器８４では、増幅率制御信号Ｓａｍに基づいて、駆動信号Ｓｄの振幅を増幅する。これにより、駆動信号Ｓｄの振幅が補正される。

以上のような補正処理を行うことにより、次のような効果が得られる。
温度変化等の外乱が加わった場合でも、振動素子３０の機械的共振周波数や振動振幅の変化に駆動信号Ｓｄの周波数や振幅を追従させることができる。これにより、振動素子３０の振動の周波数および振幅を一定に維持することができる。その結果、第２変調信号のＳ／Ｎ比の低下を抑制することができる。その結果、外乱が加わった場合でも、移動ミラー３３の位置の計測誤差Δｄを抑制することができる。

また、発振回路による駆動とは異なり、振動素子３０の機械的共振周波数の近傍で振動素子３０を駆動することができるので、光学デバイス１の低消費電力化を図ることができる。

また、本実施形態では、補正処理部８５が、直交検波により、出力信号Ｓｍと基準信号Ｓｓとの位相差、および、出力信号Ｓｍの振幅を取得する。直交検波によれば、位相差および振幅を瞬時に取得することができる。このため、補正処理をリアルタイムに行うことができる。

また、本実施形態では、信号生成部８が数値制御発振器８６を有する。数値制御発振器８６によれば、ＲＯＭテーブルから読み出した数値に基づいて周期信号を発生させることができる。このため、数値制御発振器８６では、ノイズ等の影響を受けることなく、高精度の基準信号Ｓｓ、Ｓｓ’、ならびに、高精度の余弦波信号ｃｏｓ（θ_ｍ（ｔ））および正弦波信号ｓｉｎ（θ_ｍ（ｔ））を出力することができる。これにより、演算装置７における前処理や復調処理の精度を特に高めることができる。

９．第２実施形態
次に、第２実施形態に係る分光装置について説明する。
図１８は、第２実施形態に係る分光装置１００の概略構成を示す概略構成図である。
以下、第２実施形態について説明するが、以下の説明では、第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。

図１８に示す分光装置１００は、第２光学系４の構成が異なること以外、図１に示す分光装置１００と同様である。

図１８に示す第２光学系４は、マッハツェンダー型干渉光学系であり、第２光源４２、光変調器４３、ビームスプリッター４４（第２光分割素子）、第２受光素子４５、１／２波長板４６、１／４波長板４７、および、検光子４９を備える。また、第２光学系４は、さらに、ビームスプリッター４０１（第２光分割素子）、ミラー４０２、４０３、および、１／２波長板４０４を備える。

第２光源４２から射出されたレーザー光Ｌ２は、１／２波長板４６を通過した後、ビームスプリッター４０１でＰ偏光とＳ偏光の２つに分割される。

Ｓ偏光であるレーザー光Ｌ２ａは、ビームスプリッター４０１で反射され、ミラー４０２、光変調器４３、ミラー４０３および１／２波長板４０４を介して、Ｐ偏光としてビームスプリッター４４に入射する。光変調器４３は、図示しない音響光学変調器４３４（ＡＯＭ）を有する。音響光学変調器４３４をレーザー光Ｌ２ａが透過するとき、周波数がシフトする。これにより、光変調器４３は、レーザー光Ｌ２ａに第２変調信号を付加する。その後、レーザー光Ｌ２ａは、ビームスプリッター４４を透過し、検光子４９を介して第２受光素子４５に入射する。

Ｐ偏光であるレーザー光Ｌ２ｂは、ビームスプリッター４０１を透過し、ビームスプリッター４４に入射する。レーザー光Ｌ２ｂは、ビームスプリッター４４を透過し、１／４波長板４７を介して移動ミラー３３に入射する。移動ミラー３３は、レーザー光Ｌ２ｂを反射させることにより、周波数をシフトさせる。これにより、移動ミラー３３は、レーザー光Ｌ２ｂに移動ミラー３３の移動に由来する変位信号を付加する。移動ミラー３３で反射したレーザー光Ｌ２ｂは、その後、１／４波長板４７を通過し、Ｓ偏光としてビームスプリッター４４で反射され、検光子４９を介して第２受光素子４５に入射する。

このような第２実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。なお、音響光学変調器４３４に代えて、電気光学変調器（Ｅｌｅｃｔｒｏ－Ｏｐｔｉｃ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ：ＥＯＭ）を用いるようにしてもよい。

１０．各実施形態が奏する効果
以上のように、実施形態に係る光学デバイス１は、第１光学系３と、第２光学系４と、を備える。

第１光学系３は、ビームスプリッター３２（第１光分割素子）と、移動ミラー３３（第１ミラー）と、固定ミラー３４（第２ミラー）と、第１受光素子３６と、を備える。ビームスプリッター３２は、第１光源５１から射出される測定光Ｌ１を一方および他方に分割した後、一方の測定光Ｌ１ａおよび他方の測定光Ｌ１ｂを混合する。移動ミラー３３は、ビームスプリッター３２に対して一方の測定光Ｌ１ａの入射方向に移動し、かつ、一方の測定光Ｌ１ａを反射させることにより、一方の測定光Ｌ１ａに第１変調信号を付加する。固定ミラー３４は、他方の測定光Ｌ１ｂを反射させる。第１受光素子３６は、測定光と試料９との作用により生成された試料由来信号、および、第１変調信号、を含む測定光Ｌ１ａ、Ｌ１ｂを受光し、第１受光信号Ｆ（ｔ）を出力する。

第２光学系４は、第２光源４２と、光変調器４３と、第２受光素子４５と、を備える。第２光源４２は、レーザー光Ｌ２を射出する。光変調器４３は、駆動信号Ｓｄにより駆動され、レーザー光Ｌ２に第２変調信号を付加する。第２受光素子４５は、移動ミラー３３での反射により生成された変位信号、および、第２変調信号、を含むレーザー光Ｌ２ａ、Ｌ２ｂを受光し、第２受光信号Ｓ２を出力する。

このような構成によれば、レーザー干渉計の技術によって、レーザー光Ｌ２の波長よりも十分に狭い間隔で移動ミラー３３の位置を捉えることができる。このため、従来に比べてより短い間隔で第１受光信号Ｆ（ｔ）の強度をサンプリングすることができ、位置分解能の高いインターフェログラムＦ（ｘ）を生成可能な光学デバイス１が得られる。これにより、波数分解能または波長分解能の高いスペクトル情報を取得することができる。

また、移動ミラー３３の位置の計測間隔をより小さくすることができるので、スペクトル情報における最大計測波数をより大きく、最小計測波長をより短くすることができる。これにより、光学デバイス１は、より広帯域のスペクトル情報を取得可能な分光装置１００の実現に寄与することができる。

また、光学デバイス１では、光変調器４３が、振動素子３０を備えることが好ましい。振動素子３０は、駆動信号Ｓｄにより振動する素子である。そして、光変調器４３は、振動する振動素子３０でレーザー光Ｌ２ａを反射させることにより、第２変調信号を付加する。

このような構成によれば、光学デバイス１の小型化、軽量化および低消費電力化を図ることができる。このため、可搬性に優れる光学デバイス１および分光装置１００を実現することができる。

また、光学デバイス１では、振動素子３０が、水晶振動子、シリコン振動子またはセラミック振動子であることが好ましい。これらの振動子は、その他の振動子、例えばピエゾ素子等とは異なり、共振現象を利用した振動子であるため、Ｑ値が高く、固有振動数の安定化を容易に図ることができる。このため、第２変調信号のＳ／Ｎ比を高めることができる。

また、光学デバイス１では、移動ミラー３３（第１ミラー）の移動距離が、２００ｍｍ以下であることが好ましい。これにより、移動ミラー３３の計測誤差Δｄを特に小さくすることができる。その結果、より広帯域のインターフェログラムをより高い分解能で生成し得る光学デバイス１を実現することができる。

また、光学デバイス１では、第２光学系４が、ビームスプリッター４４（第２光分割素子）を備えることが好ましい。ビームスプリッター４４は、レーザー光Ｌ２を分割した後、分割されたレーザー光Ｌ２ａ、Ｌ２ｂを混合し、混合されたレーザー光Ｌ２ａ、Ｌ２ｂを第２受光素子４５に入射させる。そして、ビームスプリッター４４と光変調器４３との光路長をＬｒｅｆとし、ビームスプリッター４４と移動ミラー３３との光路長をＬｓとするとき、｜Ｌｓ－Ｌｒｅｆ｜≦１００ｍｍであることが好ましい。

これにより、移動ミラー３３の位置の計測誤差Δｄを１ｎｍオーダーまたはそれ以下に下げることができる。これにより、より広帯域のインターフェログラムをより高い分解能で生成し得る光学デバイス１を実現することができる。

また、光学デバイス１では、測定光Ｌ１が第１波長の光であるとき、第１光学系３が、第１波長の光を減衰させる減光フィルター６６を備えることが好ましい。
これにより、第１波長の光が第２受光素子４５に入射することが抑制されるので、試料由来信号を含む光の強度が微弱である場合でも、第２受光素子４５において高いＳ／Ｎ比の第２受光信号を出力させることができる。

また、測定光Ｌ１の波長は、１００ｎｍ以上７６０ｎｍ未満であってもよい。この場合、光学デバイス１を、紫外分光分析または可視光分光分析を行い得る分光装置１００に用いることができる。

また、測定光Ｌ１の波長は、７６０ｎｍ以上２０μｍ以下であってもよい。この場合、光学デバイス１を、赤外分光分析または近赤外分光分析を行い得る分光装置１００に用いることができる。

また、第１光学系３は、第１光源５１をさらに備えていてもよい。これにより、前述した光学デバイス１と第１光源５１との接続作業が不要になるため、操作性および可搬性に優れる分光装置を実現することができる。

また、実施形態に係る分光装置１００は、実施形態に係る光学デバイス１と、信号生成部８と、移動ミラー位置演算部７２と、測定光強度演算部７４と、フーリエ変換部７６と、を備える。信号生成部８は、駆動信号Ｓｄおよび基準信号Ｓｓを出力する。移動ミラー位置演算部７２は、基準信号Ｓｓに基づいて、第２受光信号に演算を行うことにより、移動ミラー３３（第１ミラー）の位置を示す移動ミラー位置信号Ｘ（ｔ）を生成する。測定光強度演算部７４は、第１受光信号Ｆ（ｔ）および移動ミラー位置信号Ｘ（ｔ）に基づいて、移動ミラー３３の各位置における第１受光信号Ｆ（ｔ）の強度を表す波形（インターフェログラムＦ（ｘ））を生成する。フーリエ変換部７６は、インターフェログラムＦ（ｘ）にフーリエ変換を行い、スペクトル情報を取得する。

このような構成によれば、レーザー干渉計の技術により、レーザー光Ｌ２の波長よりも十分に狭い間隔で移動ミラー３３の位置を捉えることができる。このため、従来に比べてより短い間隔で第１受光信号Ｆ（ｔ）の強度をサンプリングすることができ、広帯域で分解能の高いインターフェログラムを生成することができる。これにより、広帯域で分解能の高いスペクトル情報を取得可能な分光装置１００を実現することができる。

また、分光装置１００では、光変調器４３が、振動素子３０を備えることが好ましい。振動素子３０は、駆動信号Ｓｄにより振動する素子である。光変調器４３が、振動する振動素子３０でレーザー光Ｌ２を反射させることにより、第２変調信号を付加するように構成されているとき、信号生成部８は、振動素子３０を信号源として動作する発振回路８１を備えていてもよい。

このような構成によれば、光学デバイス１の小型化、軽量化および低消費電力化を図ることができる。このため、可搬性に優れる分光装置１００を実現することができる。

また、分光装置１００では、発振回路８１で駆動信号Ｓｄおよび基準信号Ｓｓが生成されるため、これらの信号が外乱を受けた場合、互いに同じ影響を受けることになる。そうすると、駆動信号Ｓｄにより駆動された光変調器４３を介して付加される移動ミラー３３の位置に応じた変位信号、および、基準信号Ｓｓも、互いに同じ影響を受ける。このため、変位信号および基準信号Ｓｓが、演算装置７における演算に供されたとき、演算の過程で、双方が含む外乱の影響を互いに相殺または低減させることができる。その結果、演算装置７では、外乱を受けても、移動ミラー３３の位置を精度よく求めることができるので、より優れたロバスト性を有する分光装置１００を実現することができる。

以上、本発明の光学デバイスおよび分光装置を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明の光学デバイスおよび分光装置は、前記実施形態やその変形例に限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換されていてもよいし、他の任意の構成物が付加されていてもよい。例えば、本発明の分光装置は、第１光源、第２光源、信号生成部、演算装置等の動作を制御する制御装置を備えていてもよい。

また、本発明の光学デバイスおよび分光装置は、前記実施形態やその変形例のうち、２つ以上を含み合わせたものであってもよい。さらに、本発明の光学デバイスや分光装置が備える各機能部は、複数の要素に分割されていてもよく、複数の機能部が１つに統合されていてもよい。

また、前記各実施形態や変形例では、第１光学系がいわゆるマイケルソン型干渉光学系であるが、第１光学系は、他の方式の干渉光学系であってもよい。

さらに、試料の配置は、図示した配置に限定されない。試料由来信号は、試料と測定光との作用によって生成されるので、第１光学系のビームスプリッターよりも第１光源側、または、ビームスプリッターよりも第１受光素子側の、任意の位置に試料を配置することで、試料に対して測定光を作用させることができる。

１…光学デバイス、３…第１光学系、４…第２光学系、５…入射光学系、７…演算装置、８…信号生成部、９…試料、３０…振動素子、３１…コリメートレンズ、３２…ビームスプリッター、３３…移動ミラー、３４…固定ミラー、３５…集光レンズ、３６…第１受光素子、３９…電流シャントモニター、４２…第２光源、４３…光変調器、４４…ビームスプリッター、４５…第２受光素子、４６…１／２波長板、４７…１／４波長板、４８…１／４波長板、４９…検光子、５１…第１光源、５２…光ファイバー、５３…光ファイバー、５４…集光レンズ、５５…アパーチャー、５６…曲面ミラー、５７…カットフィルター、６１…バンドパスフィルター、６２…１／２波長板、６３…ビームスプリッター、６４…１／４波長板、６５…集光レンズ、６６…減光フィルター、６７ａ…反射ミラー、６７ｂ…反射ミラー、６８…ノッチフィルター、６９…貫通孔付き非軸放物面ミラー、７２…移動ミラー位置演算部、７４…測定光強度演算部、７６…フーリエ変換部、８１…発振回路、８２…ファンクションジェネレーター、８３…電圧制御発振器、８４…増幅器、８５…補正処理部、８６…数値制御発振器、８９…ＤＡＣ、１００…分光装置、３９１…シャント抵抗、３９２…オペアンプ、４０１…ビームスプリッター、４０２…ミラー、４０３…ミラー、４０４…１／２波長板、４３４…音響光学変調器、７２２…前処理部、７２３…直交信号発生部、７２４…復調処理部、７２６…移動ミラー位置信号出力部、８５１…オフセット除去部、８５２…オフセット除去部、８５３…絶対値演算器、８５４…乗算器、８５５…乗算器、８５６…ローパスフィルター、８５７…ローパスフィルター、８５８…振幅ゲイン設定部、８５９…周波数設定部、８６１…累積加算器、８６２…加算器、８６３…第１周期信号発生器、８６４…第２周期信号発生器、８６５…絶対値演算器、８６６…ローパスフィルター、８６７…位相量設定部、８７１…乗算器、８７２…乗算器、８７３…ローパスフィルター、８７４…ローパスフィルター、８７５…振幅位相演算部、８７６…周波数設定部、８７７…振幅ゲイン設定部、Ｉ…信号Ｉ、Ｌ１…測定光、Ｌ１ａ…測定光、Ｌ１ｂ…測定光、Ｌ２…レーザー光、Ｌ２ａ…レーザー光、Ｌ２ｂ…レーザー光、Ｆ（ｔ）…第１受光信号、Ｆ（ｘ）…インターフェログラム、Ｑ…信号Ｑ、Ｓ２…第２受光信号、Ｓａｍ…増幅率制御信号、Ｓｄ…駆動信号、Ｓｆ１…周波数制御信号、Ｓｆ２…周波数制御信号、Ｓｍ…出力信号、Ｓｓ…基準信号、Ｓｓ’…基準信号、Ｓ（ｔ）…前処理済み信号、Ｘ（ｔ）…移動ミラー位置信号

Claims (11)

1. 第１光学系と、第２光学系と、を備える光学デバイスであって、
   前記第１光学系は、
   第１光源から射出される測定光を一方および他方に分割した後、一方の前記測定光および他方の前記測定光を混合する第１光分割素子と、
   前記第１光分割素子に対して一方の前記測定光の入射方向に移動し、かつ、一方の前記測定光を反射させることにより、一方の前記測定光に第１変調信号を付加する第１ミラーと、
   他方の前記測定光を反射させる第２ミラーと、
   前記測定光と試料との作用により生成された試料由来信号、および、前記第１変調信号、を含む前記測定光を受光し、第１受光信号を出力する第１受光素子と、
   を備え、
   前記第２光学系は、
   レーザー光を射出する第２光源と、
   駆動信号により駆動され、前記レーザー光に第２変調信号を付加する光変調器と、
   前記第１ミラーでの反射により生成された変位信号、および、前記第２変調信号、を含む前記レーザー光を受光し、第２受光信号を出力する第２受光素子と、
   を備えることを特徴とする光学デバイス。
2. 前記光変調器は、前記駆動信号により振動する振動素子を備え、振動する前記振動素子で前記レーザー光を反射させることにより、前記第２変調信号を付加する請求項１に記載の光学デバイス。
3. 前記振動素子は、水晶振動子、シリコン振動子またはセラミック振動子である請求項２に記載の光学デバイス。
4. 前記第１ミラーの移動距離は、２００ｍｍ以下である請求項１または２に記載の光学デバイス。
5. 前記第２光学系は、前記レーザー光を分割した後、分割された前記レーザー光を混合し、混合された前記レーザー光を前記第２受光素子に入射させる第２光分割素子を備え、
   前記第２光分割素子と前記光変調器との光路長をＬｒｅｆとし、前記第２光分割素子と前記第１ミラーとの光路長をＬｓとするとき、｜Ｌｓ－Ｌｒｅｆ｜≦１００ｍｍである請求項１または２に記載の光学デバイス。
6. 前記測定光は、第１波長の光であり、
   前記第１光学系は、前記第１波長の光を減衰させる減光フィルターを備える請求項１または２に記載の光学デバイス。
7. 前記測定光の波長は、１００ｎｍ以上７６０ｎｍ未満である請求項１または２に記載の光学デバイス。
8. 前記測定光の波長は、７６０ｎｍ以上２０μｍ以下である請求項１または２に記載の光学デバイス。
9. 前記第１光学系は、前記第１光源をさらに備える請求項１または２に記載の光学デバイス。
10. 請求項１に記載の光学デバイスと、
    前記駆動信号および基準信号を出力する信号生成部と、
    前記基準信号に基づいて、前記第２受光信号に演算を行うことにより、前記第１ミラーの位置を示す移動ミラー位置信号を生成する移動ミラー位置演算部と、
    前記第１受光信号および前記移動ミラー位置信号に基づいて、前記第１ミラーの各位置における前記第１受光信号の強度を表す波形を生成する測定光強度演算部と、
    前記波形にフーリエ変換を行い、スペクトル情報を取得するフーリエ変換部と、
    を備えることを特徴とする分光装置。
11. 前記光変調器は、前記駆動信号により振動する振動素子を備え、振動する前記振動素子で前記レーザー光を反射させることにより、前記第２変調信号を付加するように構成されており、
    前記信号生成部は、前記振動素子を信号源として動作する発振回路を備える請求項１０に記載の分光装置。

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