JP3590068B2 - 干渉計 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１に記載された特徴を有する改良型のマイケルソン形干渉計に関する。
従来技術及び本発明を具体化した干渉計の構造は、以下の図面にさらに詳細に示される。図面において、
図１は、従来技術としての古典的なマイケルソン干渉計の構造を示す図、
図２は、従来技術としてのパーキンエルマーシステム2000ダイナスキャン（商標）干渉計の構造を示す図、
図３は、従来技術としての改良型の揺動干渉計の構造を示す図、
図４は、本発明の一実施形態による干渉計の構造を示す図、
図５は、図４の干渉計の断面を鉛直面に沿って示す図、
図６は、軸の詳細を示す図、
図７〜図12は、本発明を具体化する干渉計の変形例を示す図、である。
最も簡単な干渉計は、図１に略示されるマイケルソン平面鏡干渉計である。この干渉計の主要構成要素は、ビームスプリッタ、固定鏡及び可動鏡である。光ビームがビームスプリッタに当たると、その一部が透過して固定鏡から再びビームスプリッタに向けて反射され、そこから例えば光電池や人の眼からなるレシーバに向けて反射される。光ビームの一部は、ビームスプリッタから可動鏡に向けて反射され、そこから再びビームスプリッタ及びさらにレシーバに向けて反射される。固定鏡及び可動鏡からレシーバに入射するこれらビームは干渉を起こす。両鏡からビームスプリッタへの距離が厳密に等しい場合、これら距離は使用光の同数の波長を含む。稼動鏡が矢印で示すようにビームスプリッタに対し接近又は離反する方向へ移動すると、レシーバは半波長の距離に干渉極大点を記録することができる。
干渉計は例えば、極めて高精度の距離測定、様々な面の不規則性の測定、及び電磁放射線の波長又は波長群（スペクトル群）の測定に使用される。
分光測定法は、干渉計の最大の適用分野である。この適用では、可動鏡がそれ自体を傾けることなく高精度に移動できることが重要である。最大許容傾斜角度は、等式β≦λ/8Dに従わなければならない。ここでＤは鏡の直径、λは波長である。この課題を解決するために、例えば固定鏡及び可動鏡としてコーナーキューブ鏡（cube corner mirror）を使用することが試行されてきた。他の可能性は、可動又は固定鏡を継続的に調整して干渉計の調節を維持するいわゆるダイナミックアライメント方式を採用することである。しかしコーナーキューブ鏡の使用は、それらの側方移動という新たな課題を引き起こす。さらに、コーナーキューブ鏡は高価であり、特にUV範囲で精度が不足する。ダイナミックアライメント方式は、機械的振動によって生じる擾乱に非常に感応し易い。しかも直線経路は、移動方向の成分を常に含む外乱に対し機械的に極めて敏感である。
パーキンエルマーダイナスキャン（商標）2000（Perkin Elmer Dynascan^TM2000）装置は、その構造を図２に示すが、古典的なマイケルソン干渉計を改良したものである。ビームスプリッタと光ビームを反射する鏡PP1及びPP2とは、相対的に移動不能に配置される。ビームスプリッタからのビームの光路差は、２対の鏡HP及びHP′によって得られる。これら対の鏡は、＋で表示された軸の周りを矢印で示すように回転可能な剛性マウント上に設置される。このいわゆる揺動式干渉計が有する利点は、複数の鏡がそれら自体はマウントに対し直線状に移動する必要が無いことである。しかしこの装置の課題は、複雑な構造、及び特に分光計での使用を制限するその崇高さにある。
米国特許第4,915,502号は、構造を図３に示す改良型の揺動式干渉計を開示する。この干渉計は原則として、ビームスプリッタからの両ビームS1及びS2が同一の対の鏡HPを通過する点で、上記したパーキンエルマーダイナスキャン（商標）2000装置と異なっている。したがって装置の寸法は、パーキンエルマーの解決策よりも縮小されている。この解決策では、光路差は、一対の鏡の「通廊」を延長して両ビームが一対の鏡HPの間を個々の時間で通過できるようにすることにより延長可能である。
米国特許第4,915,502号に記載された解決策は、従来技術の揺動式干渉計に改良を加えたものであるが、この装置が明らかな欠点を有する。干渉計の不精密さの主要因は、圧力及び温度の変化によりマウントが変形してその一縁が他縁よりも引っ張られたり圧縮されたりすること、或いはマウントに捩じり力が加わってマウントの両面が反対方向に捩じれることにある。上記した米国特許の解決策では、いずれもマウント上に支持されるビームスプリッタと再帰反射鏡組体（独立した２個の平面鏡PP1及びPP2からなる）とが、互いに離隔して配置される。そのために、マウントに作用する同一の微小な力が、測定の相当な擾乱を引き起こす。
本発明の目的は、上記課題を排除して、コンパクトで安定した構造と、例えば温度により生じ得るマウントの変化に影響されない測定精度とを有した改良型の揺動式干渉計を得ることにある。
本発明による干渉計の特徴は、請求項１に明示される。
図４の干渉計は、光源からのビームを独立した２つのビームに分割するビームスプリッタ10を備える。２つのビームとはすなわち、ビームスプリッタを透過したビームS1と、ビームスプリッタにより反射されたビームS2とである。この装置はさらに、光ビームS1、S2を再帰反射するための１つの平面鏡11と、ビームS1、S2を反射するための２つの平面鏡からなる一対の鏡12、13とを備える。さらにこの装置は、角度を成して配置された平面鏡14′及び14″からなる第２の一対の鏡を備える。それら一対の鏡12、13及び14′、14″は、軸Ａの周りに回転可能に配置された剛性構造体15内に取付けられる。ビームスプリッタは、マウント上に支持された本体20に取付けられ、軸Ａが本体を通って延びる。軸Ａは、実在の物体か、又はその延長部分のいずれかを示すことができる。この構造を図５にさらに明瞭に示す。対を成す鏡12、13及び14′、14″は、図５では省略される。ビームS1及びS2は、線で示すように、対を成す鏡12、13及び14′、14″を介してジグザグに再帰反射鏡へ背後から到達し、それらビームが再帰反射鏡から反射されてビームスプリッタへ同一経路に沿って戻る。再帰反射鏡11がビームスプリッタに近接配置されるので、再帰反射鏡11も本体20に取付けることができる。この解決策により、長い光差路を達成できるようになり、それと同時に、ビームスプリッタから再帰反射鏡に至り、そしてビームスプリッタへ戻るビームの進行に、起こり得るマウントの変形がいかなる影響も及ぼさないような、極めて安定的な構造を達成できるようになる。所望によりこの装置は、回転動作を達成するための回転機構を備えることができるが、或いは各対の鏡を手動で回転させることもできる。
光差路の変更は、対を成す鏡12、13及び14′、14″の回転台15を軸Ａの周りで回転させることにより行われる。それにより、ビームS1の光路が延長され、他のビームS2の光路が短縮される。図５に示すように、ビームスプリッタ10は本体20に取付けられ、本体20は干渉計のマウント30に支持される。再帰反射鏡11は同様に本体20に取付けられる。剛性構造体15は、対を成す鏡12、13及び14′、14″（図示せず）を取付けた回転台である。したがって、マウントの起こり得る変形は、装置の作動にいかなる影響も及ぼさない。この解決策によれば、独立したマウントは必ずしも干渉計に必要ではなく、干渉計を例えば分光計のような装置のさらに大形の組体のマウントに直接に取付けることができる。
図６は軸の詳細を示す。
図７及び図８は図４の変形例を示す。
図９は本発明の第２実施形態を示す。これは一対のみの回転鏡12、13を備える。再帰反射鏡11は、対を成す鏡12、13の位置に対してビームスプリッタの反対側に設置される。この解決策でも同様に、再帰反射鏡11をビームスプリッタ10と同一の本体20に取付けることができる。
図10に示す構造では、一対の鏡12、13が鏡14に取付けられ、鏡12、13、14がそれら鏡間に90゜の角度を有した均質回転構造を形成する。再起反射鏡は２個の平面鏡11′、11″からなり、それら平面鏡の反射面が互いに270゜の角度を成す。この解決策でも、再帰反射鏡組体11′、11″をビームスプリッタ10と同一の本体20に取付けることができる。
図11及び図12はさらに他の実施形態を示す。図11の解決策では、再帰反射鏡11はビームスプリッタ10に対して鏡12、13の通廊の反対側の端部に設置される。それによりこの解決策では、ビームスプリッタ10と再帰反射鏡11とを同一の本体20に取付けることができない。しかし、回転平面鏡12、13が平行でないので、コンパクトな構造を達成できる。図12の解決策では、装置はさらに、光路差を延長するための他の一対の鏡14′、14″を備える。平面鏡12、13、14′、14″は、いずれも同一の剛性構造体15に連結される。
上記した図４〜図12の実施形態の全てに共通して、特定の光路差に対し、前述した公知の揺動干渉計に比べて、相当にコンパクトで安定した装置構造が達成される。
もちろん干渉計に、光源やレシーバのような必須の追加構成要素を組み込むことができる。
適用されるビームは、マイクロ波からUV波までのあらゆる電磁ビームであることができる。
本発明の様々な実施形態を添付の請求の範囲の記載内で変更し得ることは、当業者に明らかであろう。

Claims (9)

1. ビームスプリッタ（10）と、ビーム（S1、S2）を再帰反射するための鏡（11）と、該ビーム（S1、S2）を反射するための２個の平面鏡からなる少なくとも一対の鏡（12、13）とを具備し、該対の鏡（12、13）が、軸（Ａ）の周りで回転するように配置された剛性構造体（15）に取付けられてなる干渉計において、前記ビームスプリッタ（10）が、マウントに支持された本体（20）に取付けられ、前記軸（Ａ）が該本体（20）を通って延びることを特徴とする干渉計。
2. 前記再帰反射鏡（11）が前記本体（20）に取付けられることを特徴とする請求項１に記載の干渉計。
3. 前記再帰反射鏡（11）が均質な平面鏡であることを特徴とする請求項１又は２に記載の干渉計。
4. 前記剛性構造体（15）に取付けられる他の鏡（14又は14′、14″）をさらに具備し、該他の鏡が、１個の平面鏡（14）であるか、又は互いに角度を成す２個の平面鏡（14′、14″）からなることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の干渉計。
5. 前記平面鏡（14′、14″）が均質な部材を構成することを特徴とする請求項４に記載の干渉計。
6. 前記第１の対の鏡（12、13）が、前記第２の鏡（14）又は前記対の鏡（14′、14″）と共に、均質な部材を構成することを特徴とする請求項４に記載の干渉計。
7. 前記再帰反射鏡（11）と前記ビームスプリッタ（10）とが、前記対の鏡（12、13）によって形成される通廊の異なる端部に設置されるとともに、前記マウントに個別に支持されてなり、前記対の鏡の鏡（12、13）が互いに角度を成し、前記再帰反射鏡（11）が均質の平面鏡であることを特徴とする請求項１に記載の干渉計。
8. 前記剛性構造体（15）に取付けられた第２の対の鏡（14′、14″）をさらに具備することを特徴とする請求項７に記載の干渉計。
9. 前記対の鏡（12、13）によって形成される前記構造体（15）の回転を達成するための機構と、光源と、レシーバとのうちの１つ以上の構成要素をさらに具備する請求項１〜８のいずれか１項に記載の干渉計。

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