JP3639655B2 - 差動光路干渉計及びこの差動光路干渉計を用いたフーリエ変換分光器 - Google Patents
差動光路干渉計及びこの差動光路干渉計を用いたフーリエ変換分光器 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願の発明は、二光束の光路差による干渉現象を利用して光学測定を行う差動光路干渉計に関し、特にこのような干渉計を使用したフーリエ変換分光器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
二光束の光路差による干渉現象を利用して光学測定を行う差動光路干渉計は、フーリエ変換分光器や膜厚計等の用途に盛んに使用されている。
このうち、フーリエ変換分光器は、二光束の光路差を連続して変化させて得られる干渉曲線が、干渉計に入射する光束のスペクトルをフーリエ変換したものに等しいことを利用するものである。フーリエ変換分光器は、測定された干渉曲線を逆フーリエ変換することによりスペクトルを算出するが、近年におけるコンピュータ技術の大幅な進歩に伴い、短時間にかつ高分解能で分光測定できる技術として注目されるようになってきた。
【０００３】
図５は、このようなフーリエ変換分光器に使用される従来の差動光路干渉計の一例の主要部の概略構成図である。
図５に示す差動光路干渉計は、二つのプリズム１１，１２を図のように配置して構成されたものである。二つのプリズム１１，１２は、断面がホームベース状の短い棒状のものであり、その底面を互いに平行に向かい合わせて配置されている。二つのプリズム１１，１２の頂角はいずれも１２０度となっている。そして、二つのプリズムのうちの一方が固定プリズム１１であり、他方が可動プリズム１２になっている。
【０００４】
図５に示す従来例では、被測定光束は可動プリズム１２の一方の斜面から入射するようになっている。そして、可動プリズム１２の底面と向かい合わせた固定プリズム１１の底面には、半透反射膜１３が形成されている。従って、一方の斜面から可動プリズム１２に入射した被測定光束は、可動プリズム１２の底面を透過して固定プリズム１１の底面に達し、その一部が底面の半透反射膜１３に反射するとともに他の一部が半透反射膜１３を透過するようになっている。
可動プリズム１２の他方の斜面には、反射膜１２１が形成されている。従って、上記半透反射膜１３に反射した被測定光束（以下、反射光束）は、可動プリズム１２に再度入射し、可動プリズム１２の他方の斜面の反射膜１２１に反射して半透反射膜１３に向けて戻るよう構成されている。
【０００５】
一方、上記半透反射膜１３を透過した被測定光束（以下、透過光束）は、固定プリズム１１に入射して固定プリズム１１の一方の斜面に達する。この斜面には、可動プリズム１２の他方の斜面と同様、反射膜１１１が形成されており、透過光束は、この斜面の反射膜１１１で反射して半透反射膜１３に向けて戻るよう構成されている。
【０００６】
このようにして半透反射膜１３に向けて戻る反射光束と透過光束は、半透反射膜１３によって合成されて干渉光を発生するよう構成されている。即ち、反射光束の一部は半透反射膜１３を透過して固定プリズム１１中を進行し、透過光束の一部は半透反射膜１３で反射して同様に固定プリズム１１中の進行する。これらの光束は合成されて干渉光を発生する。この干渉光は、固定プリズム１１の他方の斜面から出射し、出射した干渉光の光路上に配置された不図示の検出素子によってその強度が測定されるようになっている。
【０００７】
上述のような光学系が差動光路干渉計として機能するためには、透過光束と反射光束との光路差を連続的に変えることが必要である。これは、可動プリズム１２を図５に示すように平行移動させることにより達成される。
即ち、可動プリズム１２には、不図示の移動機構が付設されており、可動プリズム１２の底面と固定プリズム１１の底面との平行を保ちながら、可動プリズム１２を平行移動させるようになっている。可動プリズム１２が平行移動すると、半透反射膜１３の光路上の点から可動プリズム１２の斜面の反射膜１２１までの距離が変化する。従って、反射光束の光路はこの分だけ変化する（短くなる）。一方、透過光束の光路は、固定プリズム１１の斜面の反射膜１１１の位置が一定なので変化しない。この結果、反射光束の光路と透過光束の光路との間に差異が生じ、可動プリズム１２の平行移動によってこの差異が連続的に変化することになる。
【０００８】
図６は、従来の差動光路干渉計の他の例の主要部の概略構成図である。
図６に示す差動光路干渉計は、被測定光束の分割及び合成を行う半透反射鏡２１と、半透反射鏡２１の４５度斜め下方の両側に半透反射鏡２１の表面（以下、基準面）に平行に向かい合わせて設けた第一第二の平面鏡２２，２３と、第一第二の平面鏡２２，２３の下方であって基準面と同一平面上に位置し光路に垂直な回転軸の回りに回転可能に配置された透光板２４と、透光板２４を透過した光束が垂直に入射する姿勢で設けられた第三第四の平面鏡２５，２６とから主に構成されている。
【０００９】
図６に示す差動光路干渉計では、被測定光束は、基準面に対して斜め４５度上方から半透反射鏡２１に入射するよう構成される。半透反射鏡２１に入射した被測定光束は一部が半透反射鏡２１に反射して第一の平面鏡２２に達し（以下、この光束を反射光束と称す）、他の一部は半透反射鏡２１を透過して第二の平面鏡２３に達する（以下、この光束を透過光束と称す）。
【００１０】
反射光束は、第一の平面鏡２２にほぼ４５度の入射角で入射して反射し、透光板２４に向かう。そして透光板２４を透過した後、第三の平面鏡２５に達する。そして、ほぼ０度の入射角で第三の平面鏡２５に入射して反射した後、元の光路を戻って再び透光板２４を透過した後、第一の平面鏡２２を経由して半透反射鏡２１に達する。一方、透過光束は、同様に第二の平面鏡２３にほぼ４５度の入射角で入射して反射し、透光板２４に向かう。そして、透光板２４を透過した後、第四の平面鏡２６に達し、ほぼ０度の入射角で第四の平面鏡２６に入射して反射した後、元の光路を戻って再び透光板２４を透過し、第二の平面鏡２３を経由して半透反射鏡２１に達する。
【００１１】
このようにして半透反射鏡２１に戻ってきた反射光束及び透過光束は、半透反射鏡２１で合成されて干渉光を発生させる。即ち、半透反射鏡２１を透過した反射光束の一部と半透反射鏡２１に反射した透過光束の一部とは合成されて被測定光束の入射方向とはほぼ９０度異なるほぼ４５度斜め上方に向けて出射される。そして、この出射光束の光路上に配置された不図示の検出素子によってその干渉光の強度が測定される。
【００１２】
ここで、図６に示すように透光板２４を所定角度回転させると、反射光束及び透過光束双方の透光板２４への入射角が変化する。例えば、図６に点線で示す姿勢になるように透光板２４を回転させると、実線で示す姿勢の場合に比べ、反射光束の入射角は大きくなり透過光束の入射角は小さくなる。この結果、大きな入射角で入射する反射光束の透光板２４中の伝搬経路は長くなり、小さな入射角で入射する透過光束の透光板２４中の伝搬経路は短くなる。これによって、反射光束の全体の光路長は、透過光束の全体の光路長に比べて長くなって光路差が生ずる。このため、透光板２４を所定角度範囲内で連続的に回転させることによって、反射光束と透過光束の光路差を所定範囲で連続的に変化させることが可能となる。
【００１３】
図７は、従来の差動光路干渉計の更に別の例の主要部の概略構成図である。
図７に示す従来の差動光路干渉計は、入射する被測定光束の光軸に対して４５度傾けて配置された半透反射鏡３１と、半透反射鏡３１に入射した被測定光束のうち半透反射鏡３１で反射した一部の光束（以下、反射光束）を反射させて再び半透反射鏡３１に戻るよう配置された第一の屋根型反射鏡３２及び第一の平面鏡３３と、半透反射鏡３１に入射した被測定光束のうち半透反射鏡３１を透過した他の一部の光束（以下、透過光束）を反射させて再び半透反射鏡３１に戻るよう配置された第二の屋根型反射鏡３４及び第二の平面鏡３５と、第一第二の屋根型反射鏡３２，３４を一体に保持した保持枠３６を回転させて第一第二の屋根型反射鏡３２，３４を一体に所定角度回転させる不図示の回転機構とから主に構成されている。
【００１４】
この例の第一の屋根型反射鏡３２は二つの斜面（反射面）がほぼ９０度を成すように構成され、その一方の反射面（以下、入射側反射面）が反射光束の光軸上にほぼ４５度の角度になるよう配置されている。そして、第一の平面鏡３３は、第一の屋根型反射鏡３２の他方の反射面（以下、出射側反射面）に反射した反射光束の光軸上に当該光軸に対してほぼ垂直な姿勢で配置されている。また、第二の屋根型反射鏡３４も同様であり、二つの反射面がほぼ９０度を成すように構成されるとともに、入射側反射面が透過光束の光軸上にほぼ４５度で配置されている。そして、第二の平面鏡３５は、第二の屋根型反射鏡３４の他方の反射面に反射した透過光束の光軸上に当該光軸に対してほぼ垂直な姿勢で配置されている。
【００１５】
上記構成に係る図７の差動光路干渉計においては、被測定光束は、半透反射鏡３１に入射して反射光束と透過光束とに分割される。反射光束は、第一の屋根型反射鏡３２、第一の平面鏡３３、第一の屋根型反射鏡３２の順に反射して半透反射鏡３１に戻り、透過光束は、第二の屋根型反射鏡３４、第二の平面鏡３５、第二の屋根型反射鏡３４の順に反射して半透反射鏡３１に戻る。そして、反射光束と透過光束とは、半透反射鏡３１の部分で合成されて干渉光を生ずる。即ち、半透反射鏡３１を透過した反射光束の一部と半透反射鏡３１に反射した透過光束の一部とが重ね合わされ、干渉計への入射光路とはほぼ９０度異なった光路上に干渉光が進行する。そして、この干渉光の光路上に配置された不図示の検出素子によって、その干渉光の強度が測定される。
【００１６】
この際、不図示の回転機構によって、光軸に垂直な回転軸３７の回りに第一第二の屋根型反射鏡３２，３４を回転させると、各々の屋根型反射鏡３２，３４の出射側反射面と対応する第一第二の平面鏡３３，３５との距離とが変化して光路差が生ずる。即ち、例えば、第一の屋根型反射鏡３２の出射側反射面が第一の平面鏡３３から遠ざかり、第二の屋根型反射鏡３４の出射側反射面が第二の平面鏡３５に近づく向きに保持枠３６が回転すると、反射光束の光路長は長くなり透過光束の光路長は短くなって光路差が生ずる。
【００１７】
上述したような差動光路干渉計を利用して被測定光束のスペクトルを求める場合、光路長の連続的変化に対応して干渉光の強度変化を測定し、逆フーリエ変換を行ってスペクトルを得る。
光路差を変化させて得た干渉光の強度変化（以下、これを干渉曲線と呼ぶ）と、光路差との間には、以下の式１の関係があることが知られている。
【式１】
この式１において、Ｄは光路差、Ｐ（Ｄ）は干渉曲線、νは被測定光束の波数を示す。そして、この式１中のＢ（ν）は被測定光束の分光強度を示している。この式１のような形の式は、非周期関数に対するフーリエ積分としてよく知られた式であり、逆フーリエ変換を行うことによってＢ（ν）を求めることが可能である。
即ち、
【式２】
からＢ（ν）が求められる。
従って、上述した差動光路干渉計において、反射光束と透過光束の光路差を連続的に変化させ（以下、これを掃引と呼ぶ）ながら干渉光の強度変化（干渉曲線）を測定し、その結果からコンピュータ等を使用して上記式２に従いスペクトルＢ（ν）を求める。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
上記フーリエ変換分光器に使用されるような差動光路干渉計では、一般的に次のような点が要請されている。
まず第一に、掃引の過程で被測定光束の波面が不安定にならないこと、即ち波面安定度が高いことが要請されている。
次に、フーリエ変換分光における波数分解能が掃引の最大長（以下、掃引長）に比例することから、必要な波数分解能が得られるよう充分な光路差の変化量があることも要請されている。
【００１９】
さらに、フーリエ変換分光におけるＳＮ比が測定時間の１／２乗に比例することが知られており、ＳＮ比を小さくする観点から、光路差の変化速度を速くして短時間に測定が終了するようにすることが要請されている。
このような技術的要請に基づいて上記従来の各差動光路干渉計を評価してみると、それぞれ以下のような問題を抱えている。
【００２０】
まず、図５に示す従来の差動光路干渉計では、二つのプリズムの底面の平行度が波面安定度に与える影響が大きい。必要な波面安定度を得るためには、二つのプリズムの底面の平行度を被測定光束の波長の１００分の１程度に維持しなければならず、非常に技術的に困難性が伴う。
【００２１】
また、図６に示す従来の差動光路干渉計では、透光板への入射角の変化による光路変化を利用しているため、大きな掃引長を取ることが難しい。この構成では、透光板への４５°の入射角のうち、４５°±１５°の範囲でしか実質的に光路長の変化は生じず、結局、透光板の１８０度の回転角のうち、約３０度だけしか有効でないという欠点がある。例えば屈折率１．５の透光板を使用した場合、掃引長は（透光板の厚さ）×０．１７６×４で表されるが、近紫外から可視光域の光を波数分解能１ｃｍ-1の測定を行う場合、必要な掃引長を得るためには１４ｍｍもの厚さの透光板が必要になってしまう。さらに、回転に伴って透光板中の光束の伝搬経路が変化するので、必要な波面安定度を得るため透光板の面精度や媒質の光学的一様性を極めて高く維持する必要があり、簡易な構成によっては必要な波面安定度が保てないという問題がある。
【００２２】
また、図７に示す従来例では二つの屋根型反射鏡を保持した保持枠を回転させているため、慣性モーメントを小さくすることが難しいという欠点がある。このため、高速回転による測定時間の短縮化が困難であり、ＳＮ比を充分小さくすることができないという問題がある。例えば、波数分解能１ｃｍ-1で光路幅１５ｍｍの光束のフーリエ分光測定を行う場合の設計例では、回転揺動の最大角度は３．４１°となり、慣性モーメントは１０４２×１０-7Ｋｇｒ・ｍ2 となる。この回転揺動を２ミリ秒の周期で行う場合に必要な駆動電力は、４４０Ｗもの大きさになってしまう。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本願の請求項１記載の発明は、被測定光束が入射する位置に配置され入射する被測定光束を分割する分割用半透反射鏡と、分割用半透反射鏡に反射した被測定光束が進行する第一の光路に沿って配置された第一の光学系と、分割用半透反射鏡を透過した被測定光束が進行する第二の光路に沿って配置された第二の光学系と、第一第二の各々の光路に沿って進行してきた各々の被測定光束が入射する位置に配置され入射する各々の被測定光束を合成する合成用半透反射鏡とを有し、第一第二の光路に光路差を与えて干渉光強度を変化させるための光路差発生手段を具備した差動光路干渉計において、
前記第一の光学系は、第一の光路に沿って配置された奇数個の回転平面鏡又は奇数個の回転可能な平面反射部分を含むとともに、前記第二の光学系は、第二の光路に沿って配置された奇数個の回転平面鏡又は奇数個の回転可能な平面反射部分を含んでおり、この結果、干渉光を発生させる二つの光束はこの奇数個の回転平面鏡又は奇数個の回転可能な平面反射部分における反射と前記分割用半透反射鏡又は前記合成用半透反射鏡における反射とで偶数回反射するよう構成され、さらに、光路差発生手段は、第一の光学系における前記奇数個の回転平面鏡又は奇数個の回転可能な平面反射部分と、第二の光学系における前記奇数個の回転平面鏡又は奇数個の回転可能な平面反射部分と、前記分割用半透反射鏡及び前記合成用半透反射鏡とを一体に所定角度回転させて第一の光路と第二の光路との間に光路差を発生させるものであるという構成を有する。
同様に上記課題を解決するため、請求項２記載の発明は、被測定光束が入射する位置に配置され入射する被測定光束を分割する分割用半透反射鏡と、分割用半透反射鏡に反射した被測定光束が進行する第一の光路に沿って配置された第一の光学系と、分割用半透反射鏡を透過した被測定光束が進行する第二の光路に沿って配置された第二の光学系と、第一第二の各々の光路に沿って進行してきた各々の被測定光束が入射する位置に配置され入射する各々の被測定光束を合成する合成用半透反射鏡とを有し、第一第二の光路に光路差を与えて干渉光強度を変化させるための光路差発生手段を具備した差動光路干渉計において、
前記第一の光学系は、第一の光路に沿って配置された偶数個の回転平面鏡又は偶数個の回転可能な平面反射部分を含むとともに、前記第二の光学系は、第二の光路に沿って配置された偶数個の回転平面鏡又は偶数個の回転可能な平面反射部分を含んでおり、前記光路差発生手段は、第一の光学系における前記偶数個の回転平面鏡又は偶数個の回転可能な平面反射部分と、第二の光学系における前記偶数個の回転平面鏡又は偶数個の回転可能な平面反射部分とを一体に所定角度回転させて第一の光路と第二の光路との間に光路差を発生させるものであり、
前記光路差発生手段により一体に回転する偶数個の回転平面鏡又は偶数個の回転可能な平面反射部分は、すべて同一平面上に位置しているという構成を有する。
同様に上記課題を解決するため、請求項３記載の発明は、上記請求項２の構成において、前記光路差発生手段により一体に回転する偶数個の回転平面鏡又は偶数個の回転可能な平面反射部分が位置する同一平面上に当該回転軸の軸線が位置しているという構成を有する。
同様に上記課題を解決するため、請求項４記載の発明は、上記請求項１，２，又は３の構成において、分割用半透反射鏡と合成用半透反射鏡は、一つの半透反射鏡によって兼用されている。
同様に上記課題を解決するため、請求項５記載の発明は、請求項１，２，３，又は４の構成において、第一の光学系及び第二の光学系は、固定して配置された屋根型反射鏡を含み、この屋根型反射鏡は、その稜線が前記光路差発生手段の回転軸の軸線に対して平行になるよう配置されている。
同様に上記課題を解決するため、請求項６載の発明は、請求項１，２，３，４，又は５記載の差動光路干渉計を有し、この差動光路干渉計の出力波形をフーリエ変換してスペクトル測定するフーリエ変換部を備えたフーリエ変換分光器であるという構成を有する。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の実施の形態について説明する。
図１は、本願発明の第一の実施形態に係る差動光路干渉計及びその差動光路干渉計を使用したフーリエ変換分光器の概略構成を示す平面図である。
図１に示す差動光路干渉計は、請求項１及び請求項３の発明に対応した実施形態に係るものであり、被測定光束の分割及び合成を行う半透反射鏡４１と、半透反射鏡４１に反射した被測定光束が進行する第一の光路に沿って配置された第一の光学系４２と、半透反射鏡４１を透過した被測定光束が進行する第二の光路に沿って配置された第二の光学系４３と、第一第二の光路に光路差を与えて干渉光を発生させるための光路差発生手段４４とを具備している。
【００２５】
この実施形態の差動光路干渉計は、分割用と合成用とを兼用した半透反射鏡４１と、第一の光学系４２を構成する第一の回転平面鏡４２１と、第二の光学系４３を構成する第二の回転平面鏡４３１とを保持体４５で一体に保持し、この保持体４５を所定角度回転させる機構によって光路差発生手段４４が構成されている点が特徴点となっている。
【００２６】
まず、保持体４５は、全体が偏平な板状であり、ガラス又は樹脂等の透光性の部材で形成されている。この保持体４５は、図１に示すように、両端部において徐々に厚さが薄くなって断面二等辺三角形状に形成されている。そして、この断面二等辺三角形状となった一方の端部の両側面には、第一第二の回転平面鏡４２１，４３１が配設されている。この二つの回転平面鏡４２１，４３１は、保持体４５の表面にアルミニウムの反射鏡を貼り付けたりアルミニウム蒸着膜を形成すること等で構成されている。
【００２７】
上記保持体４５は、回転機構よりなる光路差発生手段４４により回転可能となっている。光路差発生手段４４は、保持体４５の重心部分を通り鉛直な姿勢の回転軸４４１と、この回転軸４４１を連結して回転させるモータ等のアクチュエータ４４２とから構成されている。
回転軸４４１は、保持体４５の幅方向の長さの中心位置に配置されており、この位置で保持体４５に厚さ方向に対して垂直に貫通して保持体４５に連結されている。アクチュエータ４４２は、Ｇｅｎｅｒａｌ Ｓｃａｎｎｉｎｇ社製「ガルバノスキャナー」Ｇ１２０ＤＴ等で構成され、±１．５度程度の範囲で回転可能となっている。この際の±１．５度の回転即ち振動の振動数は３０ヘルツ程度である。
【００２８】
半透反射鏡４１は、保持体４５の内部に配置されている。半透反射鏡４１は、ビームスプリッタとも呼ばれるものであり、例えば１／２の光を透過し他の１／２の光を反射するよう構成された光学素子である。具体的には、図１に示す保持体４５を二枚の対称な板材を向かい合わせて接合することにより構成するようにし、その間に半透反射板や半透反射膜を挟み込むようにすることにより構成される。半透反射膜の場合には、一方の側の表面に蒸着等の方法により形成される場合が多い。
このような半透反射鏡４１は、前述した回転平面鏡４２１，４３１が配設された端部と回転軸４４１の貫通部分との間の位置に配設されている。この実施形態では、紙面斜め下方から被測定光束が入射するよう構成されており、保持体４５中を透過して半透反射鏡４１に達し、一部の光束がこれに反射し（以下、反射光束）他の一部の光束が透過する（以下、透過光束）ようになっている。
【００２９】
次に、上記反射光束及び透過光束の光路である第一の光路及び第二の光路上にそれぞれ設けられた第一の光学系４２及び第二の光学系４３は、前述した第一第二の回転平面鏡４２１，４３１と、この第一第二の回転平面鏡４２１，４３１に反射光束及び透過光束がそれぞれ到達するよう光束を折り曲げる第一第二の屋根型反射鏡４２２，４３２とからそれぞれ構成されている。即ち、第一の光学系４２は、第一の屋根型反射鏡４２２と第一の回転平面鏡４２１とから構成され、第二の光学系４３は、第二の屋根型反射鏡４３２と第二の回転平面鏡４３１とから構成されている。
【００３０】
屋根型反射鏡４２２，４３２は、前述した図７の従来例でも使用されているが、二枚の平面鏡でほぼ９０度の角度の屋根状のものを構成したものであり、コーナーキューブと同等の作用を有するものである。即ち、出射光の光軸が入射光の光軸と平行になるようにして光を折り返す光学素子である。尚、第一第二の屋根型反射鏡４２２，４３２の稜線は、いずれも回転軸４４１の軸線に平行な状態となっている。
【００３１】
図１に示すように、第一の屋根型反射鏡４２２の一方の反射面には、半透反射鏡４１に反射した反射光束の光軸が４５度の角度で交差している。そして、他方の反射面から出射する反射光束の光軸は、第一の回転平面鏡４２１に対してほぼ９０度の角度で交差している。従って、半透反射鏡４１に反射した反射光束は、第一の屋根型反射鏡４２２に反射して第一の回転平面鏡４２１に向かい、第一の回転平面鏡４２１に反射して同じ光路を戻って半透反射鏡４１に達するよう構成されている。
【００３２】
一方、第二の光学系４３も同様であり、透過光束は第二の屋根型反射鏡４３２で折り返されて第二の回転平面鏡４３１に向かい、第二の回転平面鏡４３１に反射して同じ光路を戻って半透反射鏡４１に達するよう構成されている。
そして、半透反射鏡４１に戻ってきた反射光束の一部が半透反射鏡４１を透過し、半透反射鏡４１に戻ってきた透過光束の一部が半透反射鏡４１に反射する。これによって、反射光束と透過光束とが合成され、干渉光が生ずるようになっている。図１の実施形態では、紙面上の斜め左下方から被測定光束が入射し、斜め右下方に出射する光束によって上記干渉光が生ずるようになっている。尚、上記第一第二の屋根型反射鏡４２２，４３２は、支持アーム４６に支持されて固定されている。
【００３３】
さて、図１に示す差動光路干渉計において、光路差発生手段４４を駆動して保持体４５を図に示すように所定角度回転させると、反射光束と透過光束との間に光路が生じ、それが連続的に変化する。
即ち、例えば保持体４５を時計回りに所定角度回転させると、保持体４５に保持された第一第二の回転平面鏡４２１，４３１及び半透反射鏡４１は、時計回りに所定角度回転して変位した位置となる。
【００３４】
一方、第一第二の屋根型反射鏡４２２，４３２は固定されており、従って、この変位した状態では、当初の状態と比べると、第一の屋根型反射鏡４２２と第一の回転平面鏡４２１との距離は広がり、第二の屋根型反射鏡４３２と第二の回転平面鏡４３１との距離は縮まる。第一の屋根型反射鏡４２２と半透反射鏡４１との距離及び第二の屋根型反射鏡４３２と半透反射鏡４１との距離も同様である。この結果、反射光束の光路は長くなり、透過光束の光路は短くなる。そして、保持体４５の回転角度を少しずつ連続的に大きくすることにより、この光路差は徐々に大きくなり、光路差の増大の過程で干渉光の強度が変化して前述した干渉曲線が得られることになる。
【００３５】
さて、上記構成に係る本実施形態の差動光路干渉計では、上述の通り、固定された屋根型反射鏡４２２，４３２に対して回転平面鏡４２１，４３１等を回転させる構成によって光路差を変化させているが、この構成は、波面安定度を確保する上で好適な構成になっている。この点を以下に詳説する。
図２は、図１の差動光路干渉計において確保される波面安定度について説明した図である。この図２は、一つの屋根型反射鏡ＡＢＣとこれと対向する回転可能な回転平面鏡ＤＥとを使用した構成において、回転平面鏡ＤＥを回転させても出射光束の波面が変わらないことを示している。
【００３６】
即ち、図２において、点Ｐを発した入射光束は回転平面鏡ＤＥ上の点Ｑで反射して屋根型反射鏡ＡＢＣに達し、屋根型反射鏡ＡＢＣ上の点Ｒ及び点Ｓで反射して再び回転平面鏡ＤＥに戻る。そして、回転平面鏡ＤＥ上の点Ｔで反射して点Ｕに達する。
ここで、入射側の点Ｐから出射側の点Ｕに至る光路は、反射鏡群及び入射側の点Ｐに対して、回転平面鏡ＤＥ、屋根型反射鏡第１反射面ＢＣ、屋根型反射鏡第２反射面ＡＢ、回転平面鏡ＤＥと次々に鏡像を作り、入射側の点Ｐの最終鏡像Ｐ4 からＱ4 に向かって引いた直線をＵまで延ばし、Ｕから逆順に鏡像を作れば得られる。
【００３７】
即ち、まず回転平面鏡ＤＥによる屋根型反射鏡ＡＢＣの鏡像はＡ1 Ｂ1 Ｃ1 となり、入射側の点Ｐの回転平面鏡ＤＥによる鏡像はＰ1 となる。そして、屋根型反射鏡第２反射面ＡＢの鏡像Ａ1 Ｂ1 によるＡ1 Ｂ1 Ｃ1 の鏡像はＡ1 Ｂ1 Ｃ2 となり、鏡像Ａ1 Ｂ1 によるＰ1 の鏡像はＰ2 となり、鏡像Ａ1 Ｂ1 による回転平面鏡ＤＥの鏡像はＤＥ2 となる。そして、屋根型反射鏡第１反射面ＢＣの鏡像Ｂ1 Ｃ2 による鏡像はＡ3 Ｂ1 Ｃ2 となり、Ｐ2 の鏡像Ｂ1 Ｃ2 による鏡像はＰ3 となり、鏡像Ｂ1 Ｃ2 による回転平面鏡ＤＥ2 の鏡像はＤ3 Ｅ2 となる。さらに、回転平面鏡ＤＥの鏡像Ｄ3 Ｅ2 によるＡ3 Ｂ1 Ｃ2 の鏡像はＡ4 Ｂ4 Ｃ4 となり、鏡像Ｄ3 Ｅ2 によるＰ3 の鏡像はＰ4 となる。そして、入射側の点Ｐの最終鏡像Ｐ4 からＱ4 に向かって引いた直線をＵまで延ばし、Ｐ4 Ｕを得る。さらに、Ｕが入射側の点であるとしてＵから逆順に鏡像を作れば、ＰＱＲＳＴＵの光路が得られる。
【００３８】
回転平面鏡ＤＥが回転してＤ’Ｅ’となったときも同様である。即ち、回転平面鏡Ｄ’Ｅ’による屋根型反射鏡ＡＢＣの鏡像はＡ1 ’Ｂ1 ’Ｃ1 ’となり、入射側の点Ｐの鏡像はＰ1 ’となる。屋根型反射鏡第２反射面ＡＢの鏡像Ａ1 ’Ｂ1 ’による、Ａ1 ’Ｂ1 ’Ｃ1 ’の鏡像はＡ1 ’Ｂ1 ’Ｃ2 ’となり、Ｐ1 ’の鏡像はＰ2 ’となり、回転平面鏡Ｄ’Ｅ’の鏡像はＤ2 ’Ｅ2 ’となる。屋根型反射鏡第１反射面ＢＣの鏡像Ｂ1 ’Ｃ2 ’による、Ａ1 ’Ｂ1 ’Ｃ2 ’の鏡像はＡ3 ’Ｂ1 ’Ｃ2 ’となり、Ｐ2 ’の鏡像はＰ3 となり、回転平面鏡Ｄ2 ’Ｅ2 ’の鏡像はＤ3 ’Ｅ2 ’となる。回転平面鏡ＤＥの鏡像Ｄ3 ’Ｅ2 ’による、Ａ3 ’Ｂ1 ’Ｃ2 ’の鏡像はＡ4 ’Ｂ4 ’Ｃ4 ’となり、Ｐ3 ’の鏡像はＰ4 ’となる。そして、入射側の点Ｐの最終鏡像Ｐ4 ’からＱ4 ’に向かって引いた直線をＵ’まで延ばし、Ｐ4 ’Ｕ’を得る。さらに、Ｕ’が入射側の点であるとしてＵ’から逆順に鏡像を作れば、ＰＱ’Ｒ’Ｓ’Ｔ’Ｕ’の光路が得られる。
【００３９】
ここで、図２に示す如く、屋根型反射鏡ＡＢＣの回転平面鏡Ｄ’Ｅ’による鏡像において、屋根型反射鏡第２反射面ＡＢの鏡像Ａ１ ’Ｂ１ ’上の反射点における反射面と入射光路のなす角をα、当該反射の入射角の二倍をδ、反射面と出射光路のなす角をαとするとともに、屋根型反射鏡第１反射面ＢＣの鏡像Ｂ１ ’Ｃ１ ’上の反射点における反射面と入射光路のなす角β、当該反射の入射角の二倍をγ、反射面と出射光路のなす角をβとし、さらに、屋根型反射鏡の頂角φ、屋根型反射鏡への入射光路と屋根型反射鏡からの出射光路とが交わる角をθとすると、これらの角の間には、以下のような関係があることが分かる。
γ＋δ＋２α＋２β＝４π……（１）
γ＋δ＋θ ＝２π……（２）
φ＋α＋β＝２π……（３）
そして、上記各式を使い、２×（３）−（１）＋（２）を行うと、
２φ＋θ ＝２π……（４）
の関係が得られる。φは一定であるから、上記式（４）は、回転平面鏡ＤＥの回転にかかわらずθが一定であることを示している。このことは、図２に示す通り、回転平面鏡ＤＥが回転した場合、出射光束の光路がＴＵからＴ’Ｕ’に平行移動することを意味しており、従って、固定された屋根型反射鏡ＡＢＣと回転平面鏡ＤＥからなる光学系では、回転平面鏡ＤＥを回転させた場合でも出射角は不変であり平面波の波面が維持されることを意味している。
【００４０】
このような本実施形態の作用効果は、回転平面鏡に入射光束が二回反射することから生じるものであることが容易に理解できよう。つまり、一回のみの反射では出射角は回転の角度分だけ変化したままであり、波面維持の効果は生じない。しかし、その出射光束を屋根型反射鏡等で戻してもう一度その回転平面鏡に反射させてやると、回転前の出射角に戻るのである。
【００４１】
このような作用効果は、回転可能な回転平面鏡に「二回反射する」というよりも、一般的に表現すれば「偶数回反射する」ことによって生じるものである。つまり、回転可能な一つの回転平面鏡に偶数回反射させるか、又は一体に回転可能な複数の回転平面鏡に偶数回させることによって、上記波面維持の効果が得られる。さらに、当業者であれば容易に理解できるように、この場合の複数の回転平面鏡の各々の反射面は、同一平面上に存在していなくともよい。要は、偶数個の回転平面鏡又は回転可能な平面反射部分が存在し、その回転平面鏡又は回転可能な平面反射部分が常に同じ角度で同じ向きに回転するようになっていれば良いのである。またさらに、偶数個の回転平面鏡又は回転可能な平面反射部分は、半透反射鏡であっても等価なことが理解されよう。つまり、例えば回転可能な半透反射鏡に一回反射し、回転平面鏡又は回転可能な平面反射部分に奇数回反射する構成であっても、上述と同様に波面維持の効果が得られる。これは、正に図１の実施形態に相当している。
【００４２】
また、上述した波面維持の作用効果は、屋根型反射鏡を使用して光束を回転平面鏡に戻す場合に限定されるものではないことは、容易に理解される。即ち、単なる平面鏡を使用して光束を戻してもよい、コーナーキューブを用いてもよい。つまり、回転可能な偶数個の平面鏡又平面反射部分に光束を到達させることが可能な光学素子であれば、どのようなものでもよい。従って、例えば放物面鏡を使用して平面波を球面波に変換してさらにコリメータレンズを使用して平面波に戻すような光学系であっても、充分使用可能である。
【００４３】
次に、図１に示す差動光路干渉計は、フーリエ変換分光器に使用されており、このフーリエ変換分光器は、出射光束の光路上に配置された検出器４７と、差動光路干渉計の出力波形をフーリエ変換してスペクトル測定するフーリエ変換部４８と、フーリエ変換部４８の演算結果を表示するＣＲＴディスプレイ等の表示部４９を備えている。
検出器４７としては、例えば光電子倍増管やフォトダイオードのような半導体受光素子等が採用される。この検出器４７は、上述のように回転平面鏡４２１，４３１の回転に伴って出射光束の光路が平行移動した場合でも出射光束を充分受光可能なように充分な大きさの受光面を有している。
【００４４】
フーリエ変換部４８は、差動光路干渉計の出力波形をデジタル化するＡ／Ｄ変換器を含むサンプリング手段、サンプリングされたデータから逆フーリエ変換を含む所定の演算を行って被測定光束のスペクトルを求める演算手段等を有している。
【００４５】
次に、上述のような差動光路干渉計及びフーリエ変換分光器の動作について説明する。
まず、図１に示すように入射光束を入射させながら、保持体４５を少しずつ回転させ、出射光束の光路上に干渉光を前述の通り発生させる。干渉光の強度変化は、検出器４７によって検出される。そして、検出器４７の検出結果がフーリエ変換部４８に送られ、前述した式に従った逆フーリエ変換が行われて分光スペクトルが得られる。得られた分光スペクトルは、表示部４９に表示される。図１に示す実施形態で、例えば保持体４５を±１．２度の角度振幅で回転させると、１ｃｍ−１程度の分解能で分光スペクトルの測定が可能である。
【００４６】
次に、本願発明の第二の実施形態について説明する。
図３は、本願発明の第二の実施形態に係る差動光路干渉計の概略構成を示す平面図である。図３に示す差動光路干渉計は、請求項２及び請求項３の発明に対応した実施形態に係るものであり、第一の実施形態と同様に、被測定光束の分割及び合成を行う半透反射鏡５１と、半透反射鏡５１に反射した被測定光束が進行する第一の光路に沿って配置された第一の光学系５２と、半透反射鏡５１を透過した被測定光束が進行する第二の光路に沿って配置された第二の光学系５３と、第一第二の光路に光路差を与えて干渉光を発生させるための光路差発生手段５４とを具備している。
【００４７】
そして、この実施形態では、第一の光学系５２及び第二の光学系５３が、第一の光路及び第二の光路のそれぞれに沿って配置された偶数個の回転可能な平面反射部分を含み、光路差発生手段５４が、この偶数個の回転可能な平面反射部分を一体に所定角度回転させて第一の光路と第二の光路との間に光路差を発生させるものであることが特徴点になっている。
【００４８】
この実施形態においても、第一の実施形態と同様、分割用と合成用とを兼用した半透反射鏡５１を用いている。そして、第一の光学系５２は、半透反射鏡５１に反射した光束が入射する第一の屋根型反射鏡５２１と、第一の屋根型反射鏡５２１の反射面に対向して配置された第一の回転平面鏡５２２と、第一の屋根型反射鏡５２１に延設された第一の折り返し用平面鏡５２３とから構成されている。また、第二の光学系５３は、半透反射鏡５１を透過した光束が入射する第二の屋根型反射鏡５３１と、第二の屋根型反射鏡５３１の反射面に対向して配置された第二の回転平面鏡５３２と、第二の屋根型反射鏡５３１に延設された第二の折り返し用平面鏡５３３とから構成されている。
【００４９】
図３に示すように、第一の屋根型反射鏡５２１及び第一の折り返し用平面鏡５２３の組と第二の屋根型反射鏡５３１と第二の折り返し用平面鏡５３３の組とは、半透反射鏡５１を中心にして線対称状に配置されている。
まず、中央に配置された半透反射鏡５１は、断面台形状の対称な第一第二の二つのプリズム５１１，５１２によって挟み込まれるように配置されている。具体的には、いずれか一方のプリズム５１１，５１２の表面に半透反射膜を形成したり、半透反射板を二つのプリズム５１１，５１２によって挟持したりすることによって、半透反射鏡５１は配置される。
【００５０】
この二つのプリズム５１１，５１２の外側には、断面略Ｖ字状の第一第二の鏡台５２４，５３４がそれぞれ設けられている。各々の鏡台５２４，５３４のＶ字の内面は、図３に示すように第一第二の屋根型反射鏡５２１，５３１を構成している。具体的には、当該内面に反射膜を形成したり、反射鏡を貼り付けしたりすることで屋根型反射鏡５２１，５３１が構成されている。尚、この第一第二の屋根型反射鏡５２１，５３１の頂角は６０度であり、双方の反射面が６０度の角度で交差している。
【００５１】
また、上記第一第二の鏡台５２４，５３４は、屋根型反射鏡５２１，５３１が構成された部分の外側に延長された部分を有し、この部分の表面に第一第二の折り返し用平面鏡５２３，５３３をそれぞれ保持している。
一方、第一第二の光学系５２，５３をそれぞれ構成する偶数個の回転可能な平面反射部分は、本実施形態では、第一第二の二つの回転平面鏡５２２，５３２によってそれぞれ構成されている。即ち、第一の回転平面鏡５２２によって第一第二の回転可能な平面反射部分が構成され、第二の回転平面鏡５３２によって第三第四の回転可能な平面反射部分が構成されている。
【００５２】
上記第一第二の回転平面鏡５２２，５３２は、その反射面が図３に示すように同一の平面上に位置するよう配置され、保持体５５によって一体に保持されている。保持体５５は、透光性の材料から構成された偏平な板状の部材であり、内部に上記第一第二の回転平面鏡５２２，５３２を保持している。
保持体５５は、その重心位置を通る回転軸５６によって回転可能に支持されている。この回転軸５６の軸線は、第一第二の二つの回転平面鏡５２２，５３２の反射面と同一平面上に位置し、二つの回転平面鏡５２２，５２３の間の丁度真ん中の位置に位置している。と同時に、図３から分かるように、回転軸５６の軸線は、半透反射鏡５１と同一平面上に位置している。つまり、半透反射鏡５１の属する平面と第一第二の回転平面鏡５３２の属する平面とが交差してできる線上に回転軸５６の軸線が位置している。そして、回転軸５６は、光路差発生手段５４を構成する前述したＧｅｎｅｒａｌ Ｓｃａｎｎｉｎｇ社製「ガルバノスキャナー」Ｇ１２０ＤＴ等のアクチュエータ５４１の出力軸に連結されている。尚、回転軸５６の軸線と第一第二の屋根型反射鏡５２１，５３１のそれぞれの稜線とは平行な状態となっている。また、保持体５５は、例えば±１．５度程度の角度範囲で回転可能となっている。
【００５３】
図３において、被測定光束は、紙面上の斜め右上から第一のプリズム５１１を透過して半透反射鏡５１に入射する。入射した被測定光束の一部は半透反射鏡５１に反射し（以下、反射光束）、他の一部の光束は半透反射鏡５１を透過する（以下、透過光束）。
反射光束は、第一のプリズム５１１を透過して第一の回転平面鏡５２２の第一の平面反射部分に達する。反射光束は、第一の平面反射部分に反射して第一の屋根型反射鏡５２１に向かい、第一の屋根型反射鏡５２１の二つの反射面に順次反射して、第一の回転平面鏡５２２の第二の平面反射部分に達する。そして、第二の平面反射部分に反射して第一の折り返し用平面鏡５２３に達し、これに反射して同じ光路を戻って再び半透反射鏡５１に達する。
【００５４】
一方、透過光束は、第二のプリズム５１２を透過して第二の回転平面鏡５３２の第三の平面反射部分に達する。透過光束は、第三の平面反射部分に反射して第二の屋根型反射鏡５３１に向かい、第二の屋根型反射鏡５３１の二つの反射面に順次反射して、第二の回転平面鏡５３２の第四の平面反射部分に達する。そして、第四の平面反射部分に反射して第二の折り返し用平面鏡５３３に達し、これに反射して同じ光路を戻って再び半透反射鏡５１に達する。
このようにして半透反射鏡５１に戻った反射光束及び透過光束は、半透反射鏡５１によって合成されて干渉光を発生させる。即ち、半透反射鏡５１を透過した反射光束の一部と半透反射鏡５１に反射した透過光束の一部が、図３に示す出射方向で重ね合わされ、干渉光が生じる。
【００５５】
ここで、この第二の実施形態においても、回転軸５６の回りに保持体５５を所定角度回転させると、反射光束が進む第一の光路と透過光束が進む第二の光路との間に光路差が発生し、これが連続的に変化する。即ち、例えば、保持体５５を時計回りの向きに所定角度回転させると、第一第二の平面反射部分が第一の屋根型反射鏡５２１に近づく一方で、第三第四の平面反射部分は第二の屋根型反射鏡５３１から遠ざかる。このため、反射光束の光路は短くなり、透過光束の光路は長くなる。そして、回転角度を大きくすればするほどこの光路差は大きくなる。このようにして、光路差を連続的に変化させながら、干渉光の強度変化を測定することで、前述したフーリエ変換分光を行うことが可能となる。
【００５６】
そして、第二の実施形態では、入射光束に対しては第一第二の平面反射部分が、出射光束に対しては第三第四の平面反射部分がそれぞれ割り当てられて偶数回反射するように構成されているとともに、それら平面反射部分が一体に回転するようになっている。従って、この第二の実施形態においても、第一の実施形態と同様、保持体５５が回転した場合でも出射光束の光路は平行移動するのみであって出射角は変化せず、従って出射光束の波面は安定して維持されている。
尚、この第二の実施形態の差動光路干渉計を使用してフーリエ変換分光器を構成する場合も、前述の第一の実施形態と同様であり、出射光束の光路上に検出器を配置し、この検出器の検出結果をフーリエ変換部で変換するようにする。
【００５７】
次に、本願発明の第三の実施形態について説明する。
図４は、本願発明の第三の実施形態に係る差動光路干渉計の概略構成を示す平面図である。図４に示す差動光路干渉計は、図３に示すものと同様、請求項２及び請求項３の発明に対応した実施形態に係るものであり、被測定光束の分割及び合成を行う半透反射鏡６１と、半透反射鏡６１に反射した被測定光束が進行する第一の光路に沿って配置された第一の光学系６２と、半透反射鏡６１を透過した被測定光束が進行する第二の光路に沿って配置された第二の光学系６３と、第一第二の光路に光路差を与えて干渉光を発生させるための光路差発生手段６６とを具備している。
【００５８】
そして、この第三の実施形態では、第一の光学系６２及び第二の光学系６３が、第一の光路及び第二の光路のそれぞれに沿って配置された偶数個の回転平面鏡６４，６５を含み、光路差発生手段６６が、この偶数個の回転平面鏡６４，６５を一体に所定角度回転させて第一の光路と第二の光路との間に光路差を発生させるものであることが特徴点になっている。
【００５９】
この実施形態においても、第一の実施形態と同様、分割用と合成用とを兼用した半透反射鏡６１を用いている。図４に示すように、断面ホームベース状の一対のプリズム６１１，６１２を向かい合わせて配置されており、半透反射鏡６１はその間に挟み込まれることにより配置されている。前述した各実施形態と同様、半透反射鏡６１は、いずれか一方のプリズム６１１，６１２の表面に形成た半透反射膜の場合もあるし、一対のプリズム６１１，６１２で挟持した半透反射板の場合もある。
【００６０】
上記半透反射鏡６１の下側には、図４に示す通り、回転可能な二つの回転平面鏡６４，６５が上下に配置されている。上側の回転平面鏡（以下、第一回転平面鏡）６４と下側の回転平面鏡（以下、第二回転平面鏡）６５は、同一平面上に配置されており、その左右の面の双方で反射を行うよう構成されている。これら回転平面鏡６４，６５は、いずれも透光性の材料で形成された板状の一対の鏡台６４１，６５１によって挟持されて配置されている。そして、それぞれの鏡台を繋ぐ保持アーム６７が設けられており、この保持アーム６７には回転軸６８が取り付けられている。さらに、この回転軸６８には、光路差発生手段６６を構成するアクチュエータ６６１の出力軸が連結されている。これによって、紙面に垂直な回転軸６８の回りに保持アーム６７が回転し、この結果、第一第二の回転平面鏡６５，６５が一体に回転するようになっている。尚、保持アーム６７は、例えば±１．５度程度の角度範囲で回転可能となっている。
【００６１】
上記第一第二の回転平面鏡６４，６５の両側には、断面概略Ｕ字状の内面を有する光学枠体６９が配置されている。光学枠体６９の内面は、図４に示すように半透反射鏡６１の属する平面（以下、中心面）に対して対称である。この内面は、上側から順に、第一第二の平面鏡６８１，６８２、第一第二の屋根型反射鏡６８３，６８４、第三第四の平面鏡６８５，６８６、第五第六の平面鏡６８７，６８８がそれぞれ中心面を挟んで対称に対向している。
尚、このような光学枠体６９は、所定の樹脂を使用した射出成形等の方法により容易に製作でき、上記各平面鏡や屋根型反射鏡は、製作した保持枠体の内面にアルミニウム等の反射率の高い金属の蒸着膜を施したり、金属泊や金属板を貼り付けたりすることで容易に製作できる。尚、第一第二の屋根型反射鏡６８３，６８４の頂角は６０度であり、その稜線は回転軸６８の軸線に対して平行な状態となっている。
【００６２】
図４に示すように、出射光束の光路と透過光束の光路とは、回転軸６８の軸線上の付近で交差している。そして、第一の平面鏡６８１、第一の回転平面鏡６４の右側面、第一の屋根型反射鏡６８３、第四の平面鏡６８６、第二の回転平面鏡６５の左側面及び第六の平面鏡６８８が第一の光学系６２を構成しており、第二の平面鏡６８２、第一の回転平面鏡６４の左側面、第二の屋根型反射鏡６８４、第三の平面鏡６８５、第二の回転平面鏡６５の右側面及び第五の平面鏡６８７が第二の光学系６３を構成している。
【００６３】
上記構成の差動光路干渉計の動作について、以下の説明する。図４に示す通り、入射光束は、紙面上斜め右上から入射するとして説明する。
入射光束は、半透反射鏡６１に入射して反射光束と透過光束に分割される。反射光束は、第一の平面鏡６８１、第一の回転平面鏡６４の右側面、第一の屋根型反射鏡６８３、第四の平面鏡６８６、第二の回転平面鏡６５の左側面の順に反射して第六の平面鏡６８８に達する。第六の平面鏡６８８は、図４示す通り、光路に対して垂直に配置されているので、第六の平面鏡６８８に達した反射光束はそのまま同じ光路を逆向きに戻る。そして、第二の回転平面鏡６５の左側面、第四の平面鏡６８６、第一の屋根型反射鏡６８３、第一の回転平面鏡６４の右側面、第一の平面鏡６８１の順に反射して再び半透反射鏡６１に達する。
【００６４】
透過光束の進行は、上記反射光束のものを中心面に対して対称にしただけのものである。即ち、半透反射鏡６１を透過した透過光束は、第二の平面鏡６８２、第一の回転平面鏡６４の左側面、第二の屋根型反射鏡６８４、第三の平面鏡６８５、第二の回転平面鏡６５の右側面の順に反射して第五の平面鏡６８７に達し、第五の平面鏡６８７によって折り返されて同じ光路を逆向きに戻って半透反射鏡６１に達する。
これら反射光束及び透過光束は、紙面斜め左上方に向けての出射光束の光路上で重ね合わされ、干渉光が発生する。
【００６５】
ここで、回転機構が駆動されて回転軸６５の回りに保持アーム６７が回転すると、第一第二の回転平面鏡６４，６５が一体に回転する。例えば時計回りの向きに所定角度回転したとすると、第一の平面鏡６８１及び第一の屋根型反射鏡６８３と第一の回転平面鏡６４との距離が長くなる一方で、第二の平面鏡６８２及び第二の屋根型反射鏡６８４と第一の回転平面鏡６４との距離が短くなる。そして、第四の平面鏡６８６及び第六の平面鏡６８８と第二の回転反射鏡６５との距離が長くなる一方で、第三の平面鏡６８５及び第五の平面鏡６８７と第二の回転反射鏡６５との距離が短くなる。
【００６６】
この結果、第一の光学系６２の光路は長くなる一方で、第二の光学系６３の光路は短くなる。このため、反射光束の光路と透過光束の光路との間に光路差が生じ、上述のように出射光路上で両光束が重ね合わされた際の干渉光の発生状況が変化する。そして、上記保持アーム６７の回転角度を少しずつ連続的に変化させることで、干渉光の強度が連続的に変化することになる。そして、前述した各実施形態の場合と同様、出射光路上に配置した検出器の検出結果を元に逆フーリエ変換を行うことで、入射光束のスペクトルが得られることになる。
【００６７】
ここで、この第三の実施形態でも、出射光束及び透過光束は、一体に回転可能な複数の回転平面鏡６４，６５に偶数回反射するよう構成されている。即ち、反射光束も透過光束も、第一の回転平面鏡６４に二回、第二回転平面鏡６５に二回反射するよう構成されている。従って、前述の各実施形態と同様、回転平面鏡６４，６５の回転にかかわらず、出射光束の出射角は一定であり波面が安定に維持されている。
【００６８】
上述した各実施形態の差動光路干渉計は、図７に示す従来例のように屋根型反射鏡を回転させるのではなく、回転平面鏡を回転させる構成を有している。従って、慣性モーメントを小さくすることが容易であり、高速回転によって測定時間を短縮化してＳＮ比を充分小さくすることができる。例えば、前述の第一の実施形態では、また、回転平面鏡を使用しつつも、図６に示すような入射角の変化によって光路差を発生させるものではなく、対向する光学素子との距離を回転平面鏡の回転によって変化させて光路差を得ているので、従来に比べて格段に大きな掃引長を得ることができる。
【００６９】
【実施例】
以下、上記各実施形態に属する実施例について説明する。
まず、第一の実施形態に属するものとしては、以下のような実施例が考えられる。
波数分解能：１ｃｍ-1
光路幅：１５ｍｍ
半透反射鏡への入射角：２０°（回転角０°の場合）
回転平面鏡の中心から回転軸の軸線までの距離：３２ｍｍ
最大回転角度：±１．１９°
回転時の光軸の最大横ズレ量：±３．９ｍｍ
保持体の全長：１１０ｍｍ
上記実施例における慣性モーメントは１９８．３ｃｍ2 ｇｒとなり、±１．１９°の一周期の回転振動を２ミリ秒の間に行う場合に必要な駆動電力は１３．５Ｗとなる。前述した図７の従来例における慣性モーメントが１０４２×１０-7Ｋｇｒ・ｍ2 であり、４４０Ｗもの駆動電力が必要であったことから考えると、かなりの改善が図れれていることが分かる。
【００７０】
また、第二の実施形態に属するものとしては、以下のような実施例が考えられる。
波数分解能：１ｃｍ-1
光路幅：１５ｍｍ
半透反射鏡への入射角：３０°
回転平面鏡の中心から回転軸の軸線までの距離：３５ｍｍ
最大回転角度：±１．１８°
回転時の光軸の最大横ズレ量：±５．４ｍｍ（折り返し用反射鏡上の値）
保持体の全長：１３２ｍｍ
上記実施例における慣性モーメントは２６７．８ｃｍ2 ｇｒとなり、±１．１８°の一周期の回転揺動を２ミリ秒の間に行う場合に必要な駆動電力は１７．９Ｗとなる。従って、この実施例においても、従来例に比較するとかなりの改善が図れることが分かる。
【００７１】
さらに、第三の実施形態に属するものとしては、以下のような実施例が考えられる。
波数分解能：１ｃｍ-1
光路幅：１５ｍｍ
半透反射鏡への入射角：３０°
回転平面鏡の中心から回転軸の軸線までの距離：３０ｍｍ
最大回転角度：±０．６９°
回転時の光軸の最大横ズレ量：±２．０ｍｍ（第五第六の反射鏡上の値）
保持アームの全長：１３２ｍｍ
上記実施例における慣性モーメントは１１８．０ｃｍ2 ｇｒとなり、±０．６９°の一周期の回転揺動を２ミリ秒の間に行う場合に必要な駆動電力は僅かに２．７Ｗとなる。従って、この実施例では、図７に示す従来例に比較すると、さらに格段の改善が図られることが分かる。
【００７２】
上述した各実施形態の構成において、屋根型反射鏡の使用は必ずしも必須条件ではなく、単なる平面鏡やコーナーキューブ、その他の光学素子に置き換えることが可能である。また、各実施形態の差動干渉計については、フーリエ変換分光器への応用のみが説明されたが、この他、薄膜作成の際の膜厚計等の用途にも応用することができる。
【００７３】
【発明の効果】
以上説明した通り、請求項１，２，３又は５の差動光路干渉計によれば、慣性モーメントを小さくできるため高速回転が可能になり、測定時間の短縮化によって測定のＳＮ比を向上させることできる。また、大きな掃引長が得られるとともに波面の安定度も高い。
また、請求項４の差動光路干渉計によれば、上記効果に加え、分割用半透反射鏡と合成用半透反射鏡が一つの半透反射鏡によって兼用されているので、部品点数の減少によってコストが低減でき、構造の簡略化も達成できる。
さらに、請求項６のフーリエ変換分光器によれば、上記請求項１，２，３，４又は５の効果を得て、フーリエ変換分光を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の第一の実施形態に係る差動光路干渉計及びその差動光路干渉計を使用したフーリエ変換干渉計の概略構成を示す平面図である。
【図２】図１の差動光路干渉計において確保される波面安定度について説明した図である。
【図３】本願発明の第二の実施形態に係る差動光路干渉計の概略構成を示す平面図である。
【図４】本願発明の第三の実施形態に係る差動光路干渉計の概略構成を示す平面図である。
【図５】フーリエ変換分光器に使用される従来の差動光路干渉計の一例の主要部の概略構成図である。
【図６】従来の差動光路干渉計の他の例の主要部の概略構成図である。
【図７】従来の差動光路干渉計のさらに別の例の主要部の概略構成図である。
【符号の説明】
４１ 半透反射鏡
４２ 第一の光学系
４２１ 第一の回転平面鏡
４２２ 第一の屋根型反射鏡
４３ 第二の光学系
４３１ 第二の回転平面鏡
４３２ 第二の屋根型反射鏡
４４ 光路差発生手段
５１ 半透反射鏡
５２ 第一の光学系
５２１ 第一の屋根型反射鏡
５２２ 第一の回転平面鏡
５３ 第二の光学系
５３１ 第二の屋根型反射鏡
５３２ 第二の回転平面鏡
５４ 光路差発生手段
６１ 半透反射鏡
６２ 第一の光学系
６３ 第二の光学系
６４ 第一の回転平面鏡
６５ 第二の回転平面鏡
６６ 光路差発生手段
６８３ 第一の屋根型反射鏡
６８４ 第二の屋根型反射鏡
【発明の属する技術分野】
本願の発明は、二光束の光路差による干渉現象を利用して光学測定を行う差動光路干渉計に関し、特にこのような干渉計を使用したフーリエ変換分光器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
二光束の光路差による干渉現象を利用して光学測定を行う差動光路干渉計は、フーリエ変換分光器や膜厚計等の用途に盛んに使用されている。
このうち、フーリエ変換分光器は、二光束の光路差を連続して変化させて得られる干渉曲線が、干渉計に入射する光束のスペクトルをフーリエ変換したものに等しいことを利用するものである。フーリエ変換分光器は、測定された干渉曲線を逆フーリエ変換することによりスペクトルを算出するが、近年におけるコンピュータ技術の大幅な進歩に伴い、短時間にかつ高分解能で分光測定できる技術として注目されるようになってきた。
【０００３】
図５は、このようなフーリエ変換分光器に使用される従来の差動光路干渉計の一例の主要部の概略構成図である。
図５に示す差動光路干渉計は、二つのプリズム１１，１２を図のように配置して構成されたものである。二つのプリズム１１，１２は、断面がホームベース状の短い棒状のものであり、その底面を互いに平行に向かい合わせて配置されている。二つのプリズム１１，１２の頂角はいずれも１２０度となっている。そして、二つのプリズムのうちの一方が固定プリズム１１であり、他方が可動プリズム１２になっている。
【０００４】
図５に示す従来例では、被測定光束は可動プリズム１２の一方の斜面から入射するようになっている。そして、可動プリズム１２の底面と向かい合わせた固定プリズム１１の底面には、半透反射膜１３が形成されている。従って、一方の斜面から可動プリズム１２に入射した被測定光束は、可動プリズム１２の底面を透過して固定プリズム１１の底面に達し、その一部が底面の半透反射膜１３に反射するとともに他の一部が半透反射膜１３を透過するようになっている。
可動プリズム１２の他方の斜面には、反射膜１２１が形成されている。従って、上記半透反射膜１３に反射した被測定光束（以下、反射光束）は、可動プリズム１２に再度入射し、可動プリズム１２の他方の斜面の反射膜１２１に反射して半透反射膜１３に向けて戻るよう構成されている。
【０００５】
一方、上記半透反射膜１３を透過した被測定光束（以下、透過光束）は、固定プリズム１１に入射して固定プリズム１１の一方の斜面に達する。この斜面には、可動プリズム１２の他方の斜面と同様、反射膜１１１が形成されており、透過光束は、この斜面の反射膜１１１で反射して半透反射膜１３に向けて戻るよう構成されている。
【０００６】
このようにして半透反射膜１３に向けて戻る反射光束と透過光束は、半透反射膜１３によって合成されて干渉光を発生するよう構成されている。即ち、反射光束の一部は半透反射膜１３を透過して固定プリズム１１中を進行し、透過光束の一部は半透反射膜１３で反射して同様に固定プリズム１１中の進行する。これらの光束は合成されて干渉光を発生する。この干渉光は、固定プリズム１１の他方の斜面から出射し、出射した干渉光の光路上に配置された不図示の検出素子によってその強度が測定されるようになっている。
【０００７】
上述のような光学系が差動光路干渉計として機能するためには、透過光束と反射光束との光路差を連続的に変えることが必要である。これは、可動プリズム１２を図５に示すように平行移動させることにより達成される。
即ち、可動プリズム１２には、不図示の移動機構が付設されており、可動プリズム１２の底面と固定プリズム１１の底面との平行を保ちながら、可動プリズム１２を平行移動させるようになっている。可動プリズム１２が平行移動すると、半透反射膜１３の光路上の点から可動プリズム１２の斜面の反射膜１２１までの距離が変化する。従って、反射光束の光路はこの分だけ変化する（短くなる）。一方、透過光束の光路は、固定プリズム１１の斜面の反射膜１１１の位置が一定なので変化しない。この結果、反射光束の光路と透過光束の光路との間に差異が生じ、可動プリズム１２の平行移動によってこの差異が連続的に変化することになる。
【０００８】
図６は、従来の差動光路干渉計の他の例の主要部の概略構成図である。
図６に示す差動光路干渉計は、被測定光束の分割及び合成を行う半透反射鏡２１と、半透反射鏡２１の４５度斜め下方の両側に半透反射鏡２１の表面（以下、基準面）に平行に向かい合わせて設けた第一第二の平面鏡２２，２３と、第一第二の平面鏡２２，２３の下方であって基準面と同一平面上に位置し光路に垂直な回転軸の回りに回転可能に配置された透光板２４と、透光板２４を透過した光束が垂直に入射する姿勢で設けられた第三第四の平面鏡２５，２６とから主に構成されている。
【０００９】
図６に示す差動光路干渉計では、被測定光束は、基準面に対して斜め４５度上方から半透反射鏡２１に入射するよう構成される。半透反射鏡２１に入射した被測定光束は一部が半透反射鏡２１に反射して第一の平面鏡２２に達し（以下、この光束を反射光束と称す）、他の一部は半透反射鏡２１を透過して第二の平面鏡２３に達する（以下、この光束を透過光束と称す）。
【００１０】
反射光束は、第一の平面鏡２２にほぼ４５度の入射角で入射して反射し、透光板２４に向かう。そして透光板２４を透過した後、第三の平面鏡２５に達する。そして、ほぼ０度の入射角で第三の平面鏡２５に入射して反射した後、元の光路を戻って再び透光板２４を透過した後、第一の平面鏡２２を経由して半透反射鏡２１に達する。一方、透過光束は、同様に第二の平面鏡２３にほぼ４５度の入射角で入射して反射し、透光板２４に向かう。そして、透光板２４を透過した後、第四の平面鏡２６に達し、ほぼ０度の入射角で第四の平面鏡２６に入射して反射した後、元の光路を戻って再び透光板２４を透過し、第二の平面鏡２３を経由して半透反射鏡２１に達する。
【００１１】
このようにして半透反射鏡２１に戻ってきた反射光束及び透過光束は、半透反射鏡２１で合成されて干渉光を発生させる。即ち、半透反射鏡２１を透過した反射光束の一部と半透反射鏡２１に反射した透過光束の一部とは合成されて被測定光束の入射方向とはほぼ９０度異なるほぼ４５度斜め上方に向けて出射される。そして、この出射光束の光路上に配置された不図示の検出素子によってその干渉光の強度が測定される。
【００１２】
ここで、図６に示すように透光板２４を所定角度回転させると、反射光束及び透過光束双方の透光板２４への入射角が変化する。例えば、図６に点線で示す姿勢になるように透光板２４を回転させると、実線で示す姿勢の場合に比べ、反射光束の入射角は大きくなり透過光束の入射角は小さくなる。この結果、大きな入射角で入射する反射光束の透光板２４中の伝搬経路は長くなり、小さな入射角で入射する透過光束の透光板２４中の伝搬経路は短くなる。これによって、反射光束の全体の光路長は、透過光束の全体の光路長に比べて長くなって光路差が生ずる。このため、透光板２４を所定角度範囲内で連続的に回転させることによって、反射光束と透過光束の光路差を所定範囲で連続的に変化させることが可能となる。
【００１３】
図７は、従来の差動光路干渉計の更に別の例の主要部の概略構成図である。
図７に示す従来の差動光路干渉計は、入射する被測定光束の光軸に対して４５度傾けて配置された半透反射鏡３１と、半透反射鏡３１に入射した被測定光束のうち半透反射鏡３１で反射した一部の光束（以下、反射光束）を反射させて再び半透反射鏡３１に戻るよう配置された第一の屋根型反射鏡３２及び第一の平面鏡３３と、半透反射鏡３１に入射した被測定光束のうち半透反射鏡３１を透過した他の一部の光束（以下、透過光束）を反射させて再び半透反射鏡３１に戻るよう配置された第二の屋根型反射鏡３４及び第二の平面鏡３５と、第一第二の屋根型反射鏡３２，３４を一体に保持した保持枠３６を回転させて第一第二の屋根型反射鏡３２，３４を一体に所定角度回転させる不図示の回転機構とから主に構成されている。
【００１４】
この例の第一の屋根型反射鏡３２は二つの斜面（反射面）がほぼ９０度を成すように構成され、その一方の反射面（以下、入射側反射面）が反射光束の光軸上にほぼ４５度の角度になるよう配置されている。そして、第一の平面鏡３３は、第一の屋根型反射鏡３２の他方の反射面（以下、出射側反射面）に反射した反射光束の光軸上に当該光軸に対してほぼ垂直な姿勢で配置されている。また、第二の屋根型反射鏡３４も同様であり、二つの反射面がほぼ９０度を成すように構成されるとともに、入射側反射面が透過光束の光軸上にほぼ４５度で配置されている。そして、第二の平面鏡３５は、第二の屋根型反射鏡３４の他方の反射面に反射した透過光束の光軸上に当該光軸に対してほぼ垂直な姿勢で配置されている。
【００１５】
上記構成に係る図７の差動光路干渉計においては、被測定光束は、半透反射鏡３１に入射して反射光束と透過光束とに分割される。反射光束は、第一の屋根型反射鏡３２、第一の平面鏡３３、第一の屋根型反射鏡３２の順に反射して半透反射鏡３１に戻り、透過光束は、第二の屋根型反射鏡３４、第二の平面鏡３５、第二の屋根型反射鏡３４の順に反射して半透反射鏡３１に戻る。そして、反射光束と透過光束とは、半透反射鏡３１の部分で合成されて干渉光を生ずる。即ち、半透反射鏡３１を透過した反射光束の一部と半透反射鏡３１に反射した透過光束の一部とが重ね合わされ、干渉計への入射光路とはほぼ９０度異なった光路上に干渉光が進行する。そして、この干渉光の光路上に配置された不図示の検出素子によって、その干渉光の強度が測定される。
【００１６】
この際、不図示の回転機構によって、光軸に垂直な回転軸３７の回りに第一第二の屋根型反射鏡３２，３４を回転させると、各々の屋根型反射鏡３２，３４の出射側反射面と対応する第一第二の平面鏡３３，３５との距離とが変化して光路差が生ずる。即ち、例えば、第一の屋根型反射鏡３２の出射側反射面が第一の平面鏡３３から遠ざかり、第二の屋根型反射鏡３４の出射側反射面が第二の平面鏡３５に近づく向きに保持枠３６が回転すると、反射光束の光路長は長くなり透過光束の光路長は短くなって光路差が生ずる。
【００１７】
上述したような差動光路干渉計を利用して被測定光束のスペクトルを求める場合、光路長の連続的変化に対応して干渉光の強度変化を測定し、逆フーリエ変換を行ってスペクトルを得る。
光路差を変化させて得た干渉光の強度変化（以下、これを干渉曲線と呼ぶ）と、光路差との間には、以下の式１の関係があることが知られている。
【式１】
即ち、
【式２】
従って、上述した差動光路干渉計において、反射光束と透過光束の光路差を連続的に変化させ（以下、これを掃引と呼ぶ）ながら干渉光の強度変化（干渉曲線）を測定し、その結果からコンピュータ等を使用して上記式２に従いスペクトルＢ（ν）を求める。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
上記フーリエ変換分光器に使用されるような差動光路干渉計では、一般的に次のような点が要請されている。
まず第一に、掃引の過程で被測定光束の波面が不安定にならないこと、即ち波面安定度が高いことが要請されている。
次に、フーリエ変換分光における波数分解能が掃引の最大長（以下、掃引長）に比例することから、必要な波数分解能が得られるよう充分な光路差の変化量があることも要請されている。
【００１９】
さらに、フーリエ変換分光におけるＳＮ比が測定時間の１／２乗に比例することが知られており、ＳＮ比を小さくする観点から、光路差の変化速度を速くして短時間に測定が終了するようにすることが要請されている。
このような技術的要請に基づいて上記従来の各差動光路干渉計を評価してみると、それぞれ以下のような問題を抱えている。
【００２０】
まず、図５に示す従来の差動光路干渉計では、二つのプリズムの底面の平行度が波面安定度に与える影響が大きい。必要な波面安定度を得るためには、二つのプリズムの底面の平行度を被測定光束の波長の１００分の１程度に維持しなければならず、非常に技術的に困難性が伴う。
【００２１】
また、図６に示す従来の差動光路干渉計では、透光板への入射角の変化による光路変化を利用しているため、大きな掃引長を取ることが難しい。この構成では、透光板への４５°の入射角のうち、４５°±１５°の範囲でしか実質的に光路長の変化は生じず、結局、透光板の１８０度の回転角のうち、約３０度だけしか有効でないという欠点がある。例えば屈折率１．５の透光板を使用した場合、掃引長は（透光板の厚さ）×０．１７６×４で表されるが、近紫外から可視光域の光を波数分解能１ｃｍ-1の測定を行う場合、必要な掃引長を得るためには１４ｍｍもの厚さの透光板が必要になってしまう。さらに、回転に伴って透光板中の光束の伝搬経路が変化するので、必要な波面安定度を得るため透光板の面精度や媒質の光学的一様性を極めて高く維持する必要があり、簡易な構成によっては必要な波面安定度が保てないという問題がある。
【００２２】
また、図７に示す従来例では二つの屋根型反射鏡を保持した保持枠を回転させているため、慣性モーメントを小さくすることが難しいという欠点がある。このため、高速回転による測定時間の短縮化が困難であり、ＳＮ比を充分小さくすることができないという問題がある。例えば、波数分解能１ｃｍ-1で光路幅１５ｍｍの光束のフーリエ分光測定を行う場合の設計例では、回転揺動の最大角度は３．４１°となり、慣性モーメントは１０４２×１０-7Ｋｇｒ・ｍ2 となる。この回転揺動を２ミリ秒の周期で行う場合に必要な駆動電力は、４４０Ｗもの大きさになってしまう。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本願の請求項１記載の発明は、被測定光束が入射する位置に配置され入射する被測定光束を分割する分割用半透反射鏡と、分割用半透反射鏡に反射した被測定光束が進行する第一の光路に沿って配置された第一の光学系と、分割用半透反射鏡を透過した被測定光束が進行する第二の光路に沿って配置された第二の光学系と、第一第二の各々の光路に沿って進行してきた各々の被測定光束が入射する位置に配置され入射する各々の被測定光束を合成する合成用半透反射鏡とを有し、第一第二の光路に光路差を与えて干渉光強度を変化させるための光路差発生手段を具備した差動光路干渉計において、
前記第一の光学系は、第一の光路に沿って配置された奇数個の回転平面鏡又は奇数個の回転可能な平面反射部分を含むとともに、前記第二の光学系は、第二の光路に沿って配置された奇数個の回転平面鏡又は奇数個の回転可能な平面反射部分を含んでおり、この結果、干渉光を発生させる二つの光束はこの奇数個の回転平面鏡又は奇数個の回転可能な平面反射部分における反射と前記分割用半透反射鏡又は前記合成用半透反射鏡における反射とで偶数回反射するよう構成され、さらに、光路差発生手段は、第一の光学系における前記奇数個の回転平面鏡又は奇数個の回転可能な平面反射部分と、第二の光学系における前記奇数個の回転平面鏡又は奇数個の回転可能な平面反射部分と、前記分割用半透反射鏡及び前記合成用半透反射鏡とを一体に所定角度回転させて第一の光路と第二の光路との間に光路差を発生させるものであるという構成を有する。
同様に上記課題を解決するため、請求項２記載の発明は、被測定光束が入射する位置に配置され入射する被測定光束を分割する分割用半透反射鏡と、分割用半透反射鏡に反射した被測定光束が進行する第一の光路に沿って配置された第一の光学系と、分割用半透反射鏡を透過した被測定光束が進行する第二の光路に沿って配置された第二の光学系と、第一第二の各々の光路に沿って進行してきた各々の被測定光束が入射する位置に配置され入射する各々の被測定光束を合成する合成用半透反射鏡とを有し、第一第二の光路に光路差を与えて干渉光強度を変化させるための光路差発生手段を具備した差動光路干渉計において、
前記第一の光学系は、第一の光路に沿って配置された偶数個の回転平面鏡又は偶数個の回転可能な平面反射部分を含むとともに、前記第二の光学系は、第二の光路に沿って配置された偶数個の回転平面鏡又は偶数個の回転可能な平面反射部分を含んでおり、前記光路差発生手段は、第一の光学系における前記偶数個の回転平面鏡又は偶数個の回転可能な平面反射部分と、第二の光学系における前記偶数個の回転平面鏡又は偶数個の回転可能な平面反射部分とを一体に所定角度回転させて第一の光路と第二の光路との間に光路差を発生させるものであり、
前記光路差発生手段により一体に回転する偶数個の回転平面鏡又は偶数個の回転可能な平面反射部分は、すべて同一平面上に位置しているという構成を有する。
同様に上記課題を解決するため、請求項３記載の発明は、上記請求項２の構成において、前記光路差発生手段により一体に回転する偶数個の回転平面鏡又は偶数個の回転可能な平面反射部分が位置する同一平面上に当該回転軸の軸線が位置しているという構成を有する。
同様に上記課題を解決するため、請求項４記載の発明は、上記請求項１，２，又は３の構成において、分割用半透反射鏡と合成用半透反射鏡は、一つの半透反射鏡によって兼用されている。
同様に上記課題を解決するため、請求項５記載の発明は、請求項１，２，３，又は４の構成において、第一の光学系及び第二の光学系は、固定して配置された屋根型反射鏡を含み、この屋根型反射鏡は、その稜線が前記光路差発生手段の回転軸の軸線に対して平行になるよう配置されている。
同様に上記課題を解決するため、請求項６載の発明は、請求項１，２，３，４，又は５記載の差動光路干渉計を有し、この差動光路干渉計の出力波形をフーリエ変換してスペクトル測定するフーリエ変換部を備えたフーリエ変換分光器であるという構成を有する。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の実施の形態について説明する。
図１は、本願発明の第一の実施形態に係る差動光路干渉計及びその差動光路干渉計を使用したフーリエ変換分光器の概略構成を示す平面図である。
図１に示す差動光路干渉計は、請求項１及び請求項３の発明に対応した実施形態に係るものであり、被測定光束の分割及び合成を行う半透反射鏡４１と、半透反射鏡４１に反射した被測定光束が進行する第一の光路に沿って配置された第一の光学系４２と、半透反射鏡４１を透過した被測定光束が進行する第二の光路に沿って配置された第二の光学系４３と、第一第二の光路に光路差を与えて干渉光を発生させるための光路差発生手段４４とを具備している。
【００２５】
この実施形態の差動光路干渉計は、分割用と合成用とを兼用した半透反射鏡４１と、第一の光学系４２を構成する第一の回転平面鏡４２１と、第二の光学系４３を構成する第二の回転平面鏡４３１とを保持体４５で一体に保持し、この保持体４５を所定角度回転させる機構によって光路差発生手段４４が構成されている点が特徴点となっている。
【００２６】
まず、保持体４５は、全体が偏平な板状であり、ガラス又は樹脂等の透光性の部材で形成されている。この保持体４５は、図１に示すように、両端部において徐々に厚さが薄くなって断面二等辺三角形状に形成されている。そして、この断面二等辺三角形状となった一方の端部の両側面には、第一第二の回転平面鏡４２１，４３１が配設されている。この二つの回転平面鏡４２１，４３１は、保持体４５の表面にアルミニウムの反射鏡を貼り付けたりアルミニウム蒸着膜を形成すること等で構成されている。
【００２７】
上記保持体４５は、回転機構よりなる光路差発生手段４４により回転可能となっている。光路差発生手段４４は、保持体４５の重心部分を通り鉛直な姿勢の回転軸４４１と、この回転軸４４１を連結して回転させるモータ等のアクチュエータ４４２とから構成されている。
回転軸４４１は、保持体４５の幅方向の長さの中心位置に配置されており、この位置で保持体４５に厚さ方向に対して垂直に貫通して保持体４５に連結されている。アクチュエータ４４２は、Ｇｅｎｅｒａｌ Ｓｃａｎｎｉｎｇ社製「ガルバノスキャナー」Ｇ１２０ＤＴ等で構成され、±１．５度程度の範囲で回転可能となっている。この際の±１．５度の回転即ち振動の振動数は３０ヘルツ程度である。
【００２８】
半透反射鏡４１は、保持体４５の内部に配置されている。半透反射鏡４１は、ビームスプリッタとも呼ばれるものであり、例えば１／２の光を透過し他の１／２の光を反射するよう構成された光学素子である。具体的には、図１に示す保持体４５を二枚の対称な板材を向かい合わせて接合することにより構成するようにし、その間に半透反射板や半透反射膜を挟み込むようにすることにより構成される。半透反射膜の場合には、一方の側の表面に蒸着等の方法により形成される場合が多い。
このような半透反射鏡４１は、前述した回転平面鏡４２１，４３１が配設された端部と回転軸４４１の貫通部分との間の位置に配設されている。この実施形態では、紙面斜め下方から被測定光束が入射するよう構成されており、保持体４５中を透過して半透反射鏡４１に達し、一部の光束がこれに反射し（以下、反射光束）他の一部の光束が透過する（以下、透過光束）ようになっている。
【００２９】
次に、上記反射光束及び透過光束の光路である第一の光路及び第二の光路上にそれぞれ設けられた第一の光学系４２及び第二の光学系４３は、前述した第一第二の回転平面鏡４２１，４３１と、この第一第二の回転平面鏡４２１，４３１に反射光束及び透過光束がそれぞれ到達するよう光束を折り曲げる第一第二の屋根型反射鏡４２２，４３２とからそれぞれ構成されている。即ち、第一の光学系４２は、第一の屋根型反射鏡４２２と第一の回転平面鏡４２１とから構成され、第二の光学系４３は、第二の屋根型反射鏡４３２と第二の回転平面鏡４３１とから構成されている。
【００３０】
屋根型反射鏡４２２，４３２は、前述した図７の従来例でも使用されているが、二枚の平面鏡でほぼ９０度の角度の屋根状のものを構成したものであり、コーナーキューブと同等の作用を有するものである。即ち、出射光の光軸が入射光の光軸と平行になるようにして光を折り返す光学素子である。尚、第一第二の屋根型反射鏡４２２，４３２の稜線は、いずれも回転軸４４１の軸線に平行な状態となっている。
【００３１】
図１に示すように、第一の屋根型反射鏡４２２の一方の反射面には、半透反射鏡４１に反射した反射光束の光軸が４５度の角度で交差している。そして、他方の反射面から出射する反射光束の光軸は、第一の回転平面鏡４２１に対してほぼ９０度の角度で交差している。従って、半透反射鏡４１に反射した反射光束は、第一の屋根型反射鏡４２２に反射して第一の回転平面鏡４２１に向かい、第一の回転平面鏡４２１に反射して同じ光路を戻って半透反射鏡４１に達するよう構成されている。
【００３２】
一方、第二の光学系４３も同様であり、透過光束は第二の屋根型反射鏡４３２で折り返されて第二の回転平面鏡４３１に向かい、第二の回転平面鏡４３１に反射して同じ光路を戻って半透反射鏡４１に達するよう構成されている。
そして、半透反射鏡４１に戻ってきた反射光束の一部が半透反射鏡４１を透過し、半透反射鏡４１に戻ってきた透過光束の一部が半透反射鏡４１に反射する。これによって、反射光束と透過光束とが合成され、干渉光が生ずるようになっている。図１の実施形態では、紙面上の斜め左下方から被測定光束が入射し、斜め右下方に出射する光束によって上記干渉光が生ずるようになっている。尚、上記第一第二の屋根型反射鏡４２２，４３２は、支持アーム４６に支持されて固定されている。
【００３３】
さて、図１に示す差動光路干渉計において、光路差発生手段４４を駆動して保持体４５を図に示すように所定角度回転させると、反射光束と透過光束との間に光路が生じ、それが連続的に変化する。
即ち、例えば保持体４５を時計回りに所定角度回転させると、保持体４５に保持された第一第二の回転平面鏡４２１，４３１及び半透反射鏡４１は、時計回りに所定角度回転して変位した位置となる。
【００３４】
一方、第一第二の屋根型反射鏡４２２，４３２は固定されており、従って、この変位した状態では、当初の状態と比べると、第一の屋根型反射鏡４２２と第一の回転平面鏡４２１との距離は広がり、第二の屋根型反射鏡４３２と第二の回転平面鏡４３１との距離は縮まる。第一の屋根型反射鏡４２２と半透反射鏡４１との距離及び第二の屋根型反射鏡４３２と半透反射鏡４１との距離も同様である。この結果、反射光束の光路は長くなり、透過光束の光路は短くなる。そして、保持体４５の回転角度を少しずつ連続的に大きくすることにより、この光路差は徐々に大きくなり、光路差の増大の過程で干渉光の強度が変化して前述した干渉曲線が得られることになる。
【００３５】
さて、上記構成に係る本実施形態の差動光路干渉計では、上述の通り、固定された屋根型反射鏡４２２，４３２に対して回転平面鏡４２１，４３１等を回転させる構成によって光路差を変化させているが、この構成は、波面安定度を確保する上で好適な構成になっている。この点を以下に詳説する。
図２は、図１の差動光路干渉計において確保される波面安定度について説明した図である。この図２は、一つの屋根型反射鏡ＡＢＣとこれと対向する回転可能な回転平面鏡ＤＥとを使用した構成において、回転平面鏡ＤＥを回転させても出射光束の波面が変わらないことを示している。
【００３６】
即ち、図２において、点Ｐを発した入射光束は回転平面鏡ＤＥ上の点Ｑで反射して屋根型反射鏡ＡＢＣに達し、屋根型反射鏡ＡＢＣ上の点Ｒ及び点Ｓで反射して再び回転平面鏡ＤＥに戻る。そして、回転平面鏡ＤＥ上の点Ｔで反射して点Ｕに達する。
ここで、入射側の点Ｐから出射側の点Ｕに至る光路は、反射鏡群及び入射側の点Ｐに対して、回転平面鏡ＤＥ、屋根型反射鏡第１反射面ＢＣ、屋根型反射鏡第２反射面ＡＢ、回転平面鏡ＤＥと次々に鏡像を作り、入射側の点Ｐの最終鏡像Ｐ4 からＱ4 に向かって引いた直線をＵまで延ばし、Ｕから逆順に鏡像を作れば得られる。
【００３７】
即ち、まず回転平面鏡ＤＥによる屋根型反射鏡ＡＢＣの鏡像はＡ1 Ｂ1 Ｃ1 となり、入射側の点Ｐの回転平面鏡ＤＥによる鏡像はＰ1 となる。そして、屋根型反射鏡第２反射面ＡＢの鏡像Ａ1 Ｂ1 によるＡ1 Ｂ1 Ｃ1 の鏡像はＡ1 Ｂ1 Ｃ2 となり、鏡像Ａ1 Ｂ1 によるＰ1 の鏡像はＰ2 となり、鏡像Ａ1 Ｂ1 による回転平面鏡ＤＥの鏡像はＤＥ2 となる。そして、屋根型反射鏡第１反射面ＢＣの鏡像Ｂ1 Ｃ2 による鏡像はＡ3 Ｂ1 Ｃ2 となり、Ｐ2 の鏡像Ｂ1 Ｃ2 による鏡像はＰ3 となり、鏡像Ｂ1 Ｃ2 による回転平面鏡ＤＥ2 の鏡像はＤ3 Ｅ2 となる。さらに、回転平面鏡ＤＥの鏡像Ｄ3 Ｅ2 によるＡ3 Ｂ1 Ｃ2 の鏡像はＡ4 Ｂ4 Ｃ4 となり、鏡像Ｄ3 Ｅ2 によるＰ3 の鏡像はＰ4 となる。そして、入射側の点Ｐの最終鏡像Ｐ4 からＱ4 に向かって引いた直線をＵまで延ばし、Ｐ4 Ｕを得る。さらに、Ｕが入射側の点であるとしてＵから逆順に鏡像を作れば、ＰＱＲＳＴＵの光路が得られる。
【００３８】
回転平面鏡ＤＥが回転してＤ’Ｅ’となったときも同様である。即ち、回転平面鏡Ｄ’Ｅ’による屋根型反射鏡ＡＢＣの鏡像はＡ1 ’Ｂ1 ’Ｃ1 ’となり、入射側の点Ｐの鏡像はＰ1 ’となる。屋根型反射鏡第２反射面ＡＢの鏡像Ａ1 ’Ｂ1 ’による、Ａ1 ’Ｂ1 ’Ｃ1 ’の鏡像はＡ1 ’Ｂ1 ’Ｃ2 ’となり、Ｐ1 ’の鏡像はＰ2 ’となり、回転平面鏡Ｄ’Ｅ’の鏡像はＤ2 ’Ｅ2 ’となる。屋根型反射鏡第１反射面ＢＣの鏡像Ｂ1 ’Ｃ2 ’による、Ａ1 ’Ｂ1 ’Ｃ2 ’の鏡像はＡ3 ’Ｂ1 ’Ｃ2 ’となり、Ｐ2 ’の鏡像はＰ3 となり、回転平面鏡Ｄ2 ’Ｅ2 ’の鏡像はＤ3 ’Ｅ2 ’となる。回転平面鏡ＤＥの鏡像Ｄ3 ’Ｅ2 ’による、Ａ3 ’Ｂ1 ’Ｃ2 ’の鏡像はＡ4 ’Ｂ4 ’Ｃ4 ’となり、Ｐ3 ’の鏡像はＰ4 ’となる。そして、入射側の点Ｐの最終鏡像Ｐ4 ’からＱ4 ’に向かって引いた直線をＵ’まで延ばし、Ｐ4 ’Ｕ’を得る。さらに、Ｕ’が入射側の点であるとしてＵ’から逆順に鏡像を作れば、ＰＱ’Ｒ’Ｓ’Ｔ’Ｕ’の光路が得られる。
【００３９】
ここで、図２に示す如く、屋根型反射鏡ＡＢＣの回転平面鏡Ｄ’Ｅ’による鏡像において、屋根型反射鏡第２反射面ＡＢの鏡像Ａ１ ’Ｂ１ ’上の反射点における反射面と入射光路のなす角をα、当該反射の入射角の二倍をδ、反射面と出射光路のなす角をαとするとともに、屋根型反射鏡第１反射面ＢＣの鏡像Ｂ１ ’Ｃ１ ’上の反射点における反射面と入射光路のなす角β、当該反射の入射角の二倍をγ、反射面と出射光路のなす角をβとし、さらに、屋根型反射鏡の頂角φ、屋根型反射鏡への入射光路と屋根型反射鏡からの出射光路とが交わる角をθとすると、これらの角の間には、以下のような関係があることが分かる。
γ＋δ＋２α＋２β＝４π……（１）
γ＋δ＋θ ＝２π……（２）
φ＋α＋β＝２π……（３）
そして、上記各式を使い、２×（３）−（１）＋（２）を行うと、
２φ＋θ ＝２π……（４）
の関係が得られる。φは一定であるから、上記式（４）は、回転平面鏡ＤＥの回転にかかわらずθが一定であることを示している。このことは、図２に示す通り、回転平面鏡ＤＥが回転した場合、出射光束の光路がＴＵからＴ’Ｕ’に平行移動することを意味しており、従って、固定された屋根型反射鏡ＡＢＣと回転平面鏡ＤＥからなる光学系では、回転平面鏡ＤＥを回転させた場合でも出射角は不変であり平面波の波面が維持されることを意味している。
【００４０】
このような本実施形態の作用効果は、回転平面鏡に入射光束が二回反射することから生じるものであることが容易に理解できよう。つまり、一回のみの反射では出射角は回転の角度分だけ変化したままであり、波面維持の効果は生じない。しかし、その出射光束を屋根型反射鏡等で戻してもう一度その回転平面鏡に反射させてやると、回転前の出射角に戻るのである。
【００４１】
このような作用効果は、回転可能な回転平面鏡に「二回反射する」というよりも、一般的に表現すれば「偶数回反射する」ことによって生じるものである。つまり、回転可能な一つの回転平面鏡に偶数回反射させるか、又は一体に回転可能な複数の回転平面鏡に偶数回させることによって、上記波面維持の効果が得られる。さらに、当業者であれば容易に理解できるように、この場合の複数の回転平面鏡の各々の反射面は、同一平面上に存在していなくともよい。要は、偶数個の回転平面鏡又は回転可能な平面反射部分が存在し、その回転平面鏡又は回転可能な平面反射部分が常に同じ角度で同じ向きに回転するようになっていれば良いのである。またさらに、偶数個の回転平面鏡又は回転可能な平面反射部分は、半透反射鏡であっても等価なことが理解されよう。つまり、例えば回転可能な半透反射鏡に一回反射し、回転平面鏡又は回転可能な平面反射部分に奇数回反射する構成であっても、上述と同様に波面維持の効果が得られる。これは、正に図１の実施形態に相当している。
【００４２】
また、上述した波面維持の作用効果は、屋根型反射鏡を使用して光束を回転平面鏡に戻す場合に限定されるものではないことは、容易に理解される。即ち、単なる平面鏡を使用して光束を戻してもよい、コーナーキューブを用いてもよい。つまり、回転可能な偶数個の平面鏡又平面反射部分に光束を到達させることが可能な光学素子であれば、どのようなものでもよい。従って、例えば放物面鏡を使用して平面波を球面波に変換してさらにコリメータレンズを使用して平面波に戻すような光学系であっても、充分使用可能である。
【００４３】
次に、図１に示す差動光路干渉計は、フーリエ変換分光器に使用されており、このフーリエ変換分光器は、出射光束の光路上に配置された検出器４７と、差動光路干渉計の出力波形をフーリエ変換してスペクトル測定するフーリエ変換部４８と、フーリエ変換部４８の演算結果を表示するＣＲＴディスプレイ等の表示部４９を備えている。
検出器４７としては、例えば光電子倍増管やフォトダイオードのような半導体受光素子等が採用される。この検出器４７は、上述のように回転平面鏡４２１，４３１の回転に伴って出射光束の光路が平行移動した場合でも出射光束を充分受光可能なように充分な大きさの受光面を有している。
【００４４】
フーリエ変換部４８は、差動光路干渉計の出力波形をデジタル化するＡ／Ｄ変換器を含むサンプリング手段、サンプリングされたデータから逆フーリエ変換を含む所定の演算を行って被測定光束のスペクトルを求める演算手段等を有している。
【００４５】
次に、上述のような差動光路干渉計及びフーリエ変換分光器の動作について説明する。
まず、図１に示すように入射光束を入射させながら、保持体４５を少しずつ回転させ、出射光束の光路上に干渉光を前述の通り発生させる。干渉光の強度変化は、検出器４７によって検出される。そして、検出器４７の検出結果がフーリエ変換部４８に送られ、前述した式に従った逆フーリエ変換が行われて分光スペクトルが得られる。得られた分光スペクトルは、表示部４９に表示される。図１に示す実施形態で、例えば保持体４５を±１．２度の角度振幅で回転させると、１ｃｍ−１程度の分解能で分光スペクトルの測定が可能である。
【００４６】
次に、本願発明の第二の実施形態について説明する。
図３は、本願発明の第二の実施形態に係る差動光路干渉計の概略構成を示す平面図である。図３に示す差動光路干渉計は、請求項２及び請求項３の発明に対応した実施形態に係るものであり、第一の実施形態と同様に、被測定光束の分割及び合成を行う半透反射鏡５１と、半透反射鏡５１に反射した被測定光束が進行する第一の光路に沿って配置された第一の光学系５２と、半透反射鏡５１を透過した被測定光束が進行する第二の光路に沿って配置された第二の光学系５３と、第一第二の光路に光路差を与えて干渉光を発生させるための光路差発生手段５４とを具備している。
【００４７】
そして、この実施形態では、第一の光学系５２及び第二の光学系５３が、第一の光路及び第二の光路のそれぞれに沿って配置された偶数個の回転可能な平面反射部分を含み、光路差発生手段５４が、この偶数個の回転可能な平面反射部分を一体に所定角度回転させて第一の光路と第二の光路との間に光路差を発生させるものであることが特徴点になっている。
【００４８】
この実施形態においても、第一の実施形態と同様、分割用と合成用とを兼用した半透反射鏡５１を用いている。そして、第一の光学系５２は、半透反射鏡５１に反射した光束が入射する第一の屋根型反射鏡５２１と、第一の屋根型反射鏡５２１の反射面に対向して配置された第一の回転平面鏡５２２と、第一の屋根型反射鏡５２１に延設された第一の折り返し用平面鏡５２３とから構成されている。また、第二の光学系５３は、半透反射鏡５１を透過した光束が入射する第二の屋根型反射鏡５３１と、第二の屋根型反射鏡５３１の反射面に対向して配置された第二の回転平面鏡５３２と、第二の屋根型反射鏡５３１に延設された第二の折り返し用平面鏡５３３とから構成されている。
【００４９】
図３に示すように、第一の屋根型反射鏡５２１及び第一の折り返し用平面鏡５２３の組と第二の屋根型反射鏡５３１と第二の折り返し用平面鏡５３３の組とは、半透反射鏡５１を中心にして線対称状に配置されている。
まず、中央に配置された半透反射鏡５１は、断面台形状の対称な第一第二の二つのプリズム５１１，５１２によって挟み込まれるように配置されている。具体的には、いずれか一方のプリズム５１１，５１２の表面に半透反射膜を形成したり、半透反射板を二つのプリズム５１１，５１２によって挟持したりすることによって、半透反射鏡５１は配置される。
【００５０】
この二つのプリズム５１１，５１２の外側には、断面略Ｖ字状の第一第二の鏡台５２４，５３４がそれぞれ設けられている。各々の鏡台５２４，５３４のＶ字の内面は、図３に示すように第一第二の屋根型反射鏡５２１，５３１を構成している。具体的には、当該内面に反射膜を形成したり、反射鏡を貼り付けしたりすることで屋根型反射鏡５２１，５３１が構成されている。尚、この第一第二の屋根型反射鏡５２１，５３１の頂角は６０度であり、双方の反射面が６０度の角度で交差している。
【００５１】
また、上記第一第二の鏡台５２４，５３４は、屋根型反射鏡５２１，５３１が構成された部分の外側に延長された部分を有し、この部分の表面に第一第二の折り返し用平面鏡５２３，５３３をそれぞれ保持している。
一方、第一第二の光学系５２，５３をそれぞれ構成する偶数個の回転可能な平面反射部分は、本実施形態では、第一第二の二つの回転平面鏡５２２，５３２によってそれぞれ構成されている。即ち、第一の回転平面鏡５２２によって第一第二の回転可能な平面反射部分が構成され、第二の回転平面鏡５３２によって第三第四の回転可能な平面反射部分が構成されている。
【００５２】
上記第一第二の回転平面鏡５２２，５３２は、その反射面が図３に示すように同一の平面上に位置するよう配置され、保持体５５によって一体に保持されている。保持体５５は、透光性の材料から構成された偏平な板状の部材であり、内部に上記第一第二の回転平面鏡５２２，５３２を保持している。
保持体５５は、その重心位置を通る回転軸５６によって回転可能に支持されている。この回転軸５６の軸線は、第一第二の二つの回転平面鏡５２２，５３２の反射面と同一平面上に位置し、二つの回転平面鏡５２２，５２３の間の丁度真ん中の位置に位置している。と同時に、図３から分かるように、回転軸５６の軸線は、半透反射鏡５１と同一平面上に位置している。つまり、半透反射鏡５１の属する平面と第一第二の回転平面鏡５３２の属する平面とが交差してできる線上に回転軸５６の軸線が位置している。そして、回転軸５６は、光路差発生手段５４を構成する前述したＧｅｎｅｒａｌ Ｓｃａｎｎｉｎｇ社製「ガルバノスキャナー」Ｇ１２０ＤＴ等のアクチュエータ５４１の出力軸に連結されている。尚、回転軸５６の軸線と第一第二の屋根型反射鏡５２１，５３１のそれぞれの稜線とは平行な状態となっている。また、保持体５５は、例えば±１．５度程度の角度範囲で回転可能となっている。
【００５３】
図３において、被測定光束は、紙面上の斜め右上から第一のプリズム５１１を透過して半透反射鏡５１に入射する。入射した被測定光束の一部は半透反射鏡５１に反射し（以下、反射光束）、他の一部の光束は半透反射鏡５１を透過する（以下、透過光束）。
反射光束は、第一のプリズム５１１を透過して第一の回転平面鏡５２２の第一の平面反射部分に達する。反射光束は、第一の平面反射部分に反射して第一の屋根型反射鏡５２１に向かい、第一の屋根型反射鏡５２１の二つの反射面に順次反射して、第一の回転平面鏡５２２の第二の平面反射部分に達する。そして、第二の平面反射部分に反射して第一の折り返し用平面鏡５２３に達し、これに反射して同じ光路を戻って再び半透反射鏡５１に達する。
【００５４】
一方、透過光束は、第二のプリズム５１２を透過して第二の回転平面鏡５３２の第三の平面反射部分に達する。透過光束は、第三の平面反射部分に反射して第二の屋根型反射鏡５３１に向かい、第二の屋根型反射鏡５３１の二つの反射面に順次反射して、第二の回転平面鏡５３２の第四の平面反射部分に達する。そして、第四の平面反射部分に反射して第二の折り返し用平面鏡５３３に達し、これに反射して同じ光路を戻って再び半透反射鏡５１に達する。
このようにして半透反射鏡５１に戻った反射光束及び透過光束は、半透反射鏡５１によって合成されて干渉光を発生させる。即ち、半透反射鏡５１を透過した反射光束の一部と半透反射鏡５１に反射した透過光束の一部が、図３に示す出射方向で重ね合わされ、干渉光が生じる。
【００５５】
ここで、この第二の実施形態においても、回転軸５６の回りに保持体５５を所定角度回転させると、反射光束が進む第一の光路と透過光束が進む第二の光路との間に光路差が発生し、これが連続的に変化する。即ち、例えば、保持体５５を時計回りの向きに所定角度回転させると、第一第二の平面反射部分が第一の屋根型反射鏡５２１に近づく一方で、第三第四の平面反射部分は第二の屋根型反射鏡５３１から遠ざかる。このため、反射光束の光路は短くなり、透過光束の光路は長くなる。そして、回転角度を大きくすればするほどこの光路差は大きくなる。このようにして、光路差を連続的に変化させながら、干渉光の強度変化を測定することで、前述したフーリエ変換分光を行うことが可能となる。
【００５６】
そして、第二の実施形態では、入射光束に対しては第一第二の平面反射部分が、出射光束に対しては第三第四の平面反射部分がそれぞれ割り当てられて偶数回反射するように構成されているとともに、それら平面反射部分が一体に回転するようになっている。従って、この第二の実施形態においても、第一の実施形態と同様、保持体５５が回転した場合でも出射光束の光路は平行移動するのみであって出射角は変化せず、従って出射光束の波面は安定して維持されている。
尚、この第二の実施形態の差動光路干渉計を使用してフーリエ変換分光器を構成する場合も、前述の第一の実施形態と同様であり、出射光束の光路上に検出器を配置し、この検出器の検出結果をフーリエ変換部で変換するようにする。
【００５７】
次に、本願発明の第三の実施形態について説明する。
図４は、本願発明の第三の実施形態に係る差動光路干渉計の概略構成を示す平面図である。図４に示す差動光路干渉計は、図３に示すものと同様、請求項２及び請求項３の発明に対応した実施形態に係るものであり、被測定光束の分割及び合成を行う半透反射鏡６１と、半透反射鏡６１に反射した被測定光束が進行する第一の光路に沿って配置された第一の光学系６２と、半透反射鏡６１を透過した被測定光束が進行する第二の光路に沿って配置された第二の光学系６３と、第一第二の光路に光路差を与えて干渉光を発生させるための光路差発生手段６６とを具備している。
【００５８】
そして、この第三の実施形態では、第一の光学系６２及び第二の光学系６３が、第一の光路及び第二の光路のそれぞれに沿って配置された偶数個の回転平面鏡６４，６５を含み、光路差発生手段６６が、この偶数個の回転平面鏡６４，６５を一体に所定角度回転させて第一の光路と第二の光路との間に光路差を発生させるものであることが特徴点になっている。
【００５９】
この実施形態においても、第一の実施形態と同様、分割用と合成用とを兼用した半透反射鏡６１を用いている。図４に示すように、断面ホームベース状の一対のプリズム６１１，６１２を向かい合わせて配置されており、半透反射鏡６１はその間に挟み込まれることにより配置されている。前述した各実施形態と同様、半透反射鏡６１は、いずれか一方のプリズム６１１，６１２の表面に形成た半透反射膜の場合もあるし、一対のプリズム６１１，６１２で挟持した半透反射板の場合もある。
【００６０】
上記半透反射鏡６１の下側には、図４に示す通り、回転可能な二つの回転平面鏡６４，６５が上下に配置されている。上側の回転平面鏡（以下、第一回転平面鏡）６４と下側の回転平面鏡（以下、第二回転平面鏡）６５は、同一平面上に配置されており、その左右の面の双方で反射を行うよう構成されている。これら回転平面鏡６４，６５は、いずれも透光性の材料で形成された板状の一対の鏡台６４１，６５１によって挟持されて配置されている。そして、それぞれの鏡台を繋ぐ保持アーム６７が設けられており、この保持アーム６７には回転軸６８が取り付けられている。さらに、この回転軸６８には、光路差発生手段６６を構成するアクチュエータ６６１の出力軸が連結されている。これによって、紙面に垂直な回転軸６８の回りに保持アーム６７が回転し、この結果、第一第二の回転平面鏡６５，６５が一体に回転するようになっている。尚、保持アーム６７は、例えば±１．５度程度の角度範囲で回転可能となっている。
【００６１】
上記第一第二の回転平面鏡６４，６５の両側には、断面概略Ｕ字状の内面を有する光学枠体６９が配置されている。光学枠体６９の内面は、図４に示すように半透反射鏡６１の属する平面（以下、中心面）に対して対称である。この内面は、上側から順に、第一第二の平面鏡６８１，６８２、第一第二の屋根型反射鏡６８３，６８４、第三第四の平面鏡６８５，６８６、第五第六の平面鏡６８７，６８８がそれぞれ中心面を挟んで対称に対向している。
尚、このような光学枠体６９は、所定の樹脂を使用した射出成形等の方法により容易に製作でき、上記各平面鏡や屋根型反射鏡は、製作した保持枠体の内面にアルミニウム等の反射率の高い金属の蒸着膜を施したり、金属泊や金属板を貼り付けたりすることで容易に製作できる。尚、第一第二の屋根型反射鏡６８３，６８４の頂角は６０度であり、その稜線は回転軸６８の軸線に対して平行な状態となっている。
【００６２】
図４に示すように、出射光束の光路と透過光束の光路とは、回転軸６８の軸線上の付近で交差している。そして、第一の平面鏡６８１、第一の回転平面鏡６４の右側面、第一の屋根型反射鏡６８３、第四の平面鏡６８６、第二の回転平面鏡６５の左側面及び第六の平面鏡６８８が第一の光学系６２を構成しており、第二の平面鏡６８２、第一の回転平面鏡６４の左側面、第二の屋根型反射鏡６８４、第三の平面鏡６８５、第二の回転平面鏡６５の右側面及び第五の平面鏡６８７が第二の光学系６３を構成している。
【００６３】
上記構成の差動光路干渉計の動作について、以下の説明する。図４に示す通り、入射光束は、紙面上斜め右上から入射するとして説明する。
入射光束は、半透反射鏡６１に入射して反射光束と透過光束に分割される。反射光束は、第一の平面鏡６８１、第一の回転平面鏡６４の右側面、第一の屋根型反射鏡６８３、第四の平面鏡６８６、第二の回転平面鏡６５の左側面の順に反射して第六の平面鏡６８８に達する。第六の平面鏡６８８は、図４示す通り、光路に対して垂直に配置されているので、第六の平面鏡６８８に達した反射光束はそのまま同じ光路を逆向きに戻る。そして、第二の回転平面鏡６５の左側面、第四の平面鏡６８６、第一の屋根型反射鏡６８３、第一の回転平面鏡６４の右側面、第一の平面鏡６８１の順に反射して再び半透反射鏡６１に達する。
【００６４】
透過光束の進行は、上記反射光束のものを中心面に対して対称にしただけのものである。即ち、半透反射鏡６１を透過した透過光束は、第二の平面鏡６８２、第一の回転平面鏡６４の左側面、第二の屋根型反射鏡６８４、第三の平面鏡６８５、第二の回転平面鏡６５の右側面の順に反射して第五の平面鏡６８７に達し、第五の平面鏡６８７によって折り返されて同じ光路を逆向きに戻って半透反射鏡６１に達する。
これら反射光束及び透過光束は、紙面斜め左上方に向けての出射光束の光路上で重ね合わされ、干渉光が発生する。
【００６５】
ここで、回転機構が駆動されて回転軸６５の回りに保持アーム６７が回転すると、第一第二の回転平面鏡６４，６５が一体に回転する。例えば時計回りの向きに所定角度回転したとすると、第一の平面鏡６８１及び第一の屋根型反射鏡６８３と第一の回転平面鏡６４との距離が長くなる一方で、第二の平面鏡６８２及び第二の屋根型反射鏡６８４と第一の回転平面鏡６４との距離が短くなる。そして、第四の平面鏡６８６及び第六の平面鏡６８８と第二の回転反射鏡６５との距離が長くなる一方で、第三の平面鏡６８５及び第五の平面鏡６８７と第二の回転反射鏡６５との距離が短くなる。
【００６６】
この結果、第一の光学系６２の光路は長くなる一方で、第二の光学系６３の光路は短くなる。このため、反射光束の光路と透過光束の光路との間に光路差が生じ、上述のように出射光路上で両光束が重ね合わされた際の干渉光の発生状況が変化する。そして、上記保持アーム６７の回転角度を少しずつ連続的に変化させることで、干渉光の強度が連続的に変化することになる。そして、前述した各実施形態の場合と同様、出射光路上に配置した検出器の検出結果を元に逆フーリエ変換を行うことで、入射光束のスペクトルが得られることになる。
【００６７】
ここで、この第三の実施形態でも、出射光束及び透過光束は、一体に回転可能な複数の回転平面鏡６４，６５に偶数回反射するよう構成されている。即ち、反射光束も透過光束も、第一の回転平面鏡６４に二回、第二回転平面鏡６５に二回反射するよう構成されている。従って、前述の各実施形態と同様、回転平面鏡６４，６５の回転にかかわらず、出射光束の出射角は一定であり波面が安定に維持されている。
【００６８】
上述した各実施形態の差動光路干渉計は、図７に示す従来例のように屋根型反射鏡を回転させるのではなく、回転平面鏡を回転させる構成を有している。従って、慣性モーメントを小さくすることが容易であり、高速回転によって測定時間を短縮化してＳＮ比を充分小さくすることができる。例えば、前述の第一の実施形態では、また、回転平面鏡を使用しつつも、図６に示すような入射角の変化によって光路差を発生させるものではなく、対向する光学素子との距離を回転平面鏡の回転によって変化させて光路差を得ているので、従来に比べて格段に大きな掃引長を得ることができる。
【００６９】
【実施例】
以下、上記各実施形態に属する実施例について説明する。
まず、第一の実施形態に属するものとしては、以下のような実施例が考えられる。
波数分解能：１ｃｍ-1
光路幅：１５ｍｍ
半透反射鏡への入射角：２０°（回転角０°の場合）
回転平面鏡の中心から回転軸の軸線までの距離：３２ｍｍ
最大回転角度：±１．１９°
回転時の光軸の最大横ズレ量：±３．９ｍｍ
保持体の全長：１１０ｍｍ
上記実施例における慣性モーメントは１９８．３ｃｍ2 ｇｒとなり、±１．１９°の一周期の回転振動を２ミリ秒の間に行う場合に必要な駆動電力は１３．５Ｗとなる。前述した図７の従来例における慣性モーメントが１０４２×１０-7Ｋｇｒ・ｍ2 であり、４４０Ｗもの駆動電力が必要であったことから考えると、かなりの改善が図れれていることが分かる。
【００７０】
また、第二の実施形態に属するものとしては、以下のような実施例が考えられる。
波数分解能：１ｃｍ-1
光路幅：１５ｍｍ
半透反射鏡への入射角：３０°
回転平面鏡の中心から回転軸の軸線までの距離：３５ｍｍ
最大回転角度：±１．１８°
回転時の光軸の最大横ズレ量：±５．４ｍｍ（折り返し用反射鏡上の値）
保持体の全長：１３２ｍｍ
上記実施例における慣性モーメントは２６７．８ｃｍ2 ｇｒとなり、±１．１８°の一周期の回転揺動を２ミリ秒の間に行う場合に必要な駆動電力は１７．９Ｗとなる。従って、この実施例においても、従来例に比較するとかなりの改善が図れることが分かる。
【００７１】
さらに、第三の実施形態に属するものとしては、以下のような実施例が考えられる。
波数分解能：１ｃｍ-1
光路幅：１５ｍｍ
半透反射鏡への入射角：３０°
回転平面鏡の中心から回転軸の軸線までの距離：３０ｍｍ
最大回転角度：±０．６９°
回転時の光軸の最大横ズレ量：±２．０ｍｍ（第五第六の反射鏡上の値）
保持アームの全長：１３２ｍｍ
上記実施例における慣性モーメントは１１８．０ｃｍ2 ｇｒとなり、±０．６９°の一周期の回転揺動を２ミリ秒の間に行う場合に必要な駆動電力は僅かに２．７Ｗとなる。従って、この実施例では、図７に示す従来例に比較すると、さらに格段の改善が図られることが分かる。
【００７２】
上述した各実施形態の構成において、屋根型反射鏡の使用は必ずしも必須条件ではなく、単なる平面鏡やコーナーキューブ、その他の光学素子に置き換えることが可能である。また、各実施形態の差動干渉計については、フーリエ変換分光器への応用のみが説明されたが、この他、薄膜作成の際の膜厚計等の用途にも応用することができる。
【００７３】
【発明の効果】
以上説明した通り、請求項１，２，３又は５の差動光路干渉計によれば、慣性モーメントを小さくできるため高速回転が可能になり、測定時間の短縮化によって測定のＳＮ比を向上させることできる。また、大きな掃引長が得られるとともに波面の安定度も高い。
また、請求項４の差動光路干渉計によれば、上記効果に加え、分割用半透反射鏡と合成用半透反射鏡が一つの半透反射鏡によって兼用されているので、部品点数の減少によってコストが低減でき、構造の簡略化も達成できる。
さらに、請求項６のフーリエ変換分光器によれば、上記請求項１，２，３，４又は５の効果を得て、フーリエ変換分光を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の第一の実施形態に係る差動光路干渉計及びその差動光路干渉計を使用したフーリエ変換干渉計の概略構成を示す平面図である。
【図２】図１の差動光路干渉計において確保される波面安定度について説明した図である。
【図３】本願発明の第二の実施形態に係る差動光路干渉計の概略構成を示す平面図である。
【図４】本願発明の第三の実施形態に係る差動光路干渉計の概略構成を示す平面図である。
【図５】フーリエ変換分光器に使用される従来の差動光路干渉計の一例の主要部の概略構成図である。
【図６】従来の差動光路干渉計の他の例の主要部の概略構成図である。
【図７】従来の差動光路干渉計のさらに別の例の主要部の概略構成図である。
【符号の説明】
４１ 半透反射鏡
４２ 第一の光学系
４２１ 第一の回転平面鏡
４２２ 第一の屋根型反射鏡
４３ 第二の光学系
４３１ 第二の回転平面鏡
４３２ 第二の屋根型反射鏡
４４ 光路差発生手段
５１ 半透反射鏡
５２ 第一の光学系
５２１ 第一の屋根型反射鏡
５２２ 第一の回転平面鏡
５３ 第二の光学系
５３１ 第二の屋根型反射鏡
５３２ 第二の回転平面鏡
５４ 光路差発生手段
６１ 半透反射鏡
６２ 第一の光学系
６３ 第二の光学系
６４ 第一の回転平面鏡
６５ 第二の回転平面鏡
６６ 光路差発生手段
６８３ 第一の屋根型反射鏡
６８４ 第二の屋根型反射鏡
Claims (6)
- 被測定光束が入射する位置に配置され入射する被測定光束を分割する分割用半透反射鏡と、分割用半透反射鏡に反射した被測定光束が進行する第一の光路に沿って配置された第一の光学系と、分割用半透反射鏡を透過した被測定光束が進行する第二の光路に沿って配置された第二の光学系と、第一第二の各々の光路に沿って進行してきた各々の被測定光束が入射する位置に配置され入射する各々の被測定光束を合成する合成用半透反射鏡とを有し、第一第二の光路に光路差を与えて干渉光強度を変化させるための光路差発生手段を具備した差動光路干渉計において、
前記第一の光学系は、第一の光路に沿って配置された奇数個の回転平面鏡又は奇数個の回転可能な平面反射部分を含むとともに、前記第二の光学系は、第二の光路に沿って配置された奇数個の回転平面鏡又は奇数個の回転可能な平面反射部分を含んでおり、この結果、干渉光を発生させる二つの光束はこの奇数個の回転平面鏡又は奇数個の回転可能な平面反射部分における反射と前記分割用半透反射鏡又は前記合成用半透反射鏡における反射とで偶数回反射するよう構成され、さらに、光路差発生手段は、第一の光学系における前記奇数個の回転平面鏡又は奇数個の回転可能な平面反射部分と、第二の光学系における前記奇数個の回転平面鏡又は奇数個の回転可能な平面反射部分と、前記分割用半透反射鏡及び前記合成用半透反射鏡とを一体に所定角度回転させて第一の光路と第二の光路との間に光路差を発生させるものであることを特徴とする差動光路干渉計。 - 被測定光束が入射する位置に配置され入射する被測定光束を分割する分割用半透反射鏡と、分割用半透反射鏡に反射した被測定光束が進行する第一の光路に沿って配置された第一の光学系と、分割用半透反射鏡を透過した被測定光束が進行する第二の光路に沿って配置された第二の光学系と、第一第二の各々の光路に沿って進行してきた各々の被測定光束が入射する位置に配置され入射する各々の被測定光束を合成する合成用半透反射鏡とを有し、第一第二の光路に光路差を与えて干渉光強度を変化させるための光路差発生手段を具備した差動光路干渉計において、
前記第一の光学系は、第一の光路に沿って配置された偶数個の回転平面鏡又は偶数個の回転可能な平面反射部分を含むとともに、前記第二の光学系は、第二の光路に沿って配置された偶数個の回転平面鏡又は偶数個の回転可能な平面反射部分を含んでおり、前記光路差発生手段は、第一の光学系における前記偶数個の回転平面鏡又は偶数個の回転可能な平面反射部分と、第二の光学系における前記偶数個の回転平面鏡又は偶数個の回転可能な平面反射部分とを一体に所定角度回転させて第一の光路と第二の光路との間に光路差を発生させるものであり、
前記光路差発生手段により一体に回転する偶数個の回転平面鏡又は偶数個の回転可能な平面反射部分は、すべて同一平面上に位置していることを特徴とする差動光路干渉計。 - 前記光路差発生手段により一体に回転する偶数個の回転平面鏡又は偶数個の回転可能な平面反射部分が位置する同一平面上に当該回転軸の軸線が位置していることを特徴とする請求項２記載の差動光路干渉計。
- 前記分割用半透反射鏡と前記合成用半透反射鏡は、一つの半透反射鏡によって兼用されていることを特徴とする請求項１，２，又は３記載の差動光路干渉計。
- 前記第一の光学系及び第二の光学系は、固定して配置された屋根型反射鏡を含み、この屋根型反射鏡は、その稜線が前記光路差発生手段の回転軸の軸線に対して平行になるよう配置されていることを特徴とする請求項１，２，３，又は４記載の差動光路干渉計
- 請求項１，２，３，４，又は５記載の差動光路干渉計を有し、この差動光路干渉計の出力波形を逆フーリエ変換してスペクトル測定するフーリエ変換部を備えたことを特徴とするフーリエ変換分光器。
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