JP3753812B2

JP3753812B2 - Rotating interferometer

Info

Publication number: JP3753812B2
Application number: JP30011596A
Authority: JP
Inventors: 博横田
Original assignee: Kurashiki Spinning Co Ltd
Current assignee: Kurashiki Spinning Co Ltd
Priority date: 1996-11-12
Filing date: 1996-11-12
Publication date: 2006-03-08
Anticipated expiration: 2016-11-12
Also published as: JPH10142056A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ビームスプリッタと一方の固定反射鏡との間に配置された位相回転板を回転させることにより光路差を変化させてインタフェログラムをつくり、該インタフェログラムをフーリエ逆変換することにより原光光線のスペクトルを算出するようにした回転型干渉計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
スペクトルを測定すべき原光光線を直接的には分光せずにその干渉現象を利用してインタフェログラムをつくり、該インタフェログラムをフーリエ逆変換することにより原光光線のスペクトルを算出するようにしたフーリエ変換分光装置は従来より知られている。かかるフーリエ変換分光装置においては、基本的には、原光光線を、ビームスプリッタにより第１の反射鏡に向かう第１の光束と第２の反射鏡に向かう第２の光束とに分け、何らかの方法で両光束の光路差を変化させながら該両光束を再び結合させて干渉光を生じさせ、該干渉光の強度（振幅）を所定の光路差間隔で繰り返し測定してインタフェログラムデータ（このインタフェログラムデータは、測定すべき原光光線の周波数スペクトルを光学的にフーリエ変換したものである。）をつくり、このインタフェログラムデータをコンピュータ等を用いてフーリエ逆変換して原光光線のスペクトルを求めるようにしている。そして、かかるフーリエ変換分光装置は、プリズム分光器あるいは回折格子分光器などといった分散型分光装置に比べて、測定効率が極めて高く、高感度でかつ高精度のスペクトル測定を行うことができるといった利点がある。
【０００３】
そして、従来のフーリエ変換分光装置においては、普通、２つの反射鏡のうちのいずれか一方を、光束の進行方向に所定の速度で直線的に移動させることによって、第１の光束と第２の光束との光路差を変化させるようにしている。具体的には、このようなフーリエ変換分光装置においては、例えば次のような手順で光路差が変化させられるようになっている。
【０００４】
すなわち、図９に示すように、かかるタイプのフーリエ変換分光装置（マイケルソン型干渉計）においては、光源１０１から出た原光光線Ｒが平行光束にコリメートされた後、ビームスプリッタ１０２によって第１光束Ｒ₁と第２光束Ｒ₂とに分けられる。そして、第１光束Ｒ₁は、固定鏡１０３で反射された後、同じ光路を通って再びビームスプリッタ１０２に戻される。他方、第２光束Ｒ₂は、可動鏡１０４で反射された後、同じ光路を通って再びビームスプリッタ１０２に戻される。ビームスプリッタ１０２に戻された反射後の両光束Ｒ₁、Ｒ₂は、相合成されて光強度検出器１０５に入射される。ここで、第１光束Ｒ₁と第２光束Ｒ₂との光路差は、可動鏡１０４をａ方向又はｂ方向すなわち第２光束Ｒ₂の進行方向に直線的に移動させることにより変化させられる。
【０００５】
このフーリエ変換分光装置においては、可動鏡１０４を直線的に移動させることにより光路差が変化させられるようになっているが、この直線的な移動に際して可動鏡１０４が若干でもふれると、このふれが直接測定結果に影響を与えるので、可動鏡１０４の駆動機構の製作には極めて精度の高い加工が必要とされる。しかしながら、全くふれのない状態で可動鏡１０４を直線的に移動させることが可能な駆動機構を製作するのは、現実の機械加工の精度に鑑みれば非常にむずかしいといった問題がある。
【０００６】
そこで、可動鏡を直線的に移動させる代わりに、この可動鏡を固定鏡とした上で該固定鏡とビームスプリッタとの間に、回転軸まわりに自在に回転（又は回動）することができる、ないしは回転角を自在に調整することができる位相回転板を配設し、該位相回転板とこれを通過する光束との間の角度を変化させて光路差を変化させるようにした回転型干渉計（回転型フーリエ変換分光装置）が提案されている（例えば、特開昭５８−７２７号公報、特公昭４８−１０１０２号公報参照）。そして、かかる従来の回転型干渉計では、普通、光束の進行方向に垂直な方向に伸びる回転軸まわりに位相回転板が回転させられ、これにより光束の位相回転板への入射角が変化させられ、これに伴って該光束の光路長が変化させられるようになっている。なお、特開昭５８−７２７号公報に開示された回転型干渉計では、ビームスプリッタと固定鏡との間に２つ（１対）の位相回転板が設けられている。
【０００７】
かかる回転型干渉計においては、位相回転板の両受光面は平行でなければならないが、この平行度の誤差は、前記の可動鏡の直線的な移動により光路差を変化させるタイプのフーリエ変換分光装置における可動鏡のふれに起因する誤差に相当する。ここで、位相回転板は、ガラスあるいは結晶材質で形成されており、その平行度は該位相回転板の回転運動により変化することはない。したがって、回転型干渉計には、可動鏡を直線的に移動させて（走査して）光路差を変化させるタイプのフーリエ変換分光装置に比べて、格段に駆動機構のずれ等による誤差を受けにくいといった利点がある。また、一般に駆動機構においては、平行運動よりも回転運動の方が機構的に扱いやすいことから、該駆動機構にそれほど高い加工精度が要求されないといった利点もある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図８に、かかる従来の回転型干渉計（回転型フーリエ変換分光装置）における、回転軸回転角ωの変化に対する光路差の変化特性を示す。なお、かかる従来の回転型干渉計においては、基本的には、位相回転板を透過する光束の進行方向と位相回転板の受光面の法線とがなす角で定義される受光面傾斜角θは、回転軸回転角ωと等しくなる。
図８から明らかなとおり、回転軸回転角ωが０°〜９０°の範囲内（以下、これを「第１位相領域」という）にあるときには光路差は単調増加し、９０°〜１８０°の範囲内（以下、これを「第２位相領域」という）にあるときには光路差は単調減少し、１８０°〜２７０°の範囲内（以下、これを「第３位相領域」という）にあるときには光路差は単調増加し、２７０°〜３６０°（０°）の範囲内（以下、これを「第４位相領域」という）にあるときには光路差は単調減少する。なお、第３位相領域における光路差の変化特性は第１位相領域におけるそれとほぼ同一であり、第４位相領域における光路差の変化特性は第２位相領域におけるそれとほぼ同一である。また、第２位相領域における光路差の変化特性は第１位相領域におけるそれと、θ＝９０°に関してほぼ対称であり、第４位相領域における光路差の変化特性は第３位相領域におけるそれと、θ＝２７０°に関してほぼ対称である。
【０００９】
そして、一般に、光路差が単調増加又は単調減少する際に１回の光路走査が行われるので、かかる従来の回転型干渉計においては、理論的には、位相回転板が３６０°回転する間に、第１〜第４位相領域でそれぞれ光路走査を行うことができ、したがって４回の光路走査を行うことができることになる。しかしながら、実際には、位相回転板の受光面の平行度には微妙なずれが伴われるので、この４回の光路走査は完全に同一条件であるとはいえず、これらの光路走査によって得られる各インタフェログラムデータは共通なもの（共通処理が可能なもの）とはいえない。このため、完全に同一条件の光路走査によって得られるインタフェログラムデータを累積してスペクトルを算出しようとすれば、位相回転板を連続的に回転させつつ、第１〜第４位相領域のうちのいずれか１つの位相領域における光路走査で得られたインタフェログラムデータのみを採用し、その他の３つの位相領域における光路走査で得られたインタフェログラムデータは廃棄するといった対応をとるか、あるいは位相回転板を第１位相領域（０°≦ω≦９０°）又はその一部領域内で往復回転運動（回動）させてインタフェログラムデータを採取するといった対応をとることになる。
【００１０】
ここで、前者の対応をとる場合は、位相回転板の回転動作の１／４のみが有効に利用されるだけであり、その他の３／４の回転動作は無駄となる。したがって、インタフェログラムデータを累積して用いる場合等において、単位時間内に多数のインタフェログラムデータを採取しようとするときには、インタフェログラムデータ採取の効率ひいてはスペクトル算出の効率が悪くなるといった問題が生じる。さらに、回転軸回転角ωが０°又は１８０°になるとき（光束の位相回転板への入射角が０°のとき）には位相回転板の受光面の反射光がビームスプリッタを介して干渉光強度検出器に入力され、回転軸回転角ωが９０°又は２７０°になるとき（光束の位相回転板への入射角が９０°のとき）には位相回転板のエッジ面の反射光がビームスプリッタを介して干渉光強度検出器に入力され、したがって該干渉光強度検出器に、異常な強度を伴った周期的な光線が入力されることになり、これにより誤差が生じてインタフェログラムデータの精度が悪くなるといった問題が生じる。
【００１１】
他方、後者の対応をとる場合は、位相回転板の運動が、往復回転（回動）運動すなわち回転方向が変わるときに角運動量が変化するような運動になるので、位相回転板の運動エネルギーも周期的に変化する。このため、位相回転板の運動エネルギーと、該エネルギを供給するエネルギ供給機構との間に、エネルギの周期的な流れが生じ、かかるエネルギの流れは振動エネルギあるいは熱エネルギとして散逸されることになり、このような振動あるいは熱によって測定誤差が引き起こされるといった問題が生じる。
【００１２】
さらに、従来の回転型干渉計においては、次のようなもうひとつの重要な問題がある。すなわち、図８から明らかなとおり、回転軸回転角ωと光路差とは直線的な関係にはない。他方、位相回転板をモータ等で回転させる場合は、駆動機構が簡素でありコストが低減されるといったことから、位相回転板を一定の角速度で回転させるのが普通である。かくして、位相回転板が一定の角速度で回転させられる場合は、回転軸回転角ωの値に応じて光路差の変化率が変化することになる。つまり、光路差は、回転軸回転角ωの変化に対して、ひいては時間に対して、曲線的に変化することになる。したがって、一定の光路差間隔で干渉光の強度を測定してインタフェログラムをつくる場合、干渉光強度を測定する時間間隔は時々刻々変化する。他方、干渉光の強度を検出する干渉光強度検出器及びその電気回路の周波数特性はフラットではないので、このように干渉光強度を測定する時間間隔が変化すると、干渉光強度の検出値に誤差が生じやすくなる。このため、インタフェログラムデータを逆フーリエ変換して算出されたスペクトルにゴーストが現れるなどといった誤差が惹起されることになる。
【００１３】
本発明は、上記従来の問題を解決するためになされたものであって、インタフェログラムデータ採取の効率ひいてはスペクトル算出の効率を高めることができ、位相回転板の受光面あるいはエッジ面の反射光がビームスプリッタを介して干渉光強度検出器に入力されるのを防止することができ、さらには光路差が回転軸回転角ωに対して実質的に直線的に変化する状態でインタフェログラムデータを得ることができる回転型干渉計を提供することを解決すべき課題とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためになされた本発明の第１の態様は、スペクトルを測定すべき原光光線を、第１の反射鏡に向かう第１の光束と第２の反射鏡に向かう第２の光束とに分ける一方、第１の反射鏡で反射された第１の光束と第２の反射鏡で反射された第２の光束とを受け入れて該両光束を同一方向に進ませつつ相互に干渉させて干渉光を生じさせるビームスプリッタと、上記干渉光の強度を測定する干渉光強度測定手段と、ビームスプリッタと第１の反射鏡との間に配置され、第１の光束を屈折させて透過させる材料で形成され、回転軸まわりに回転し、その回転角に応じて第１の光束の入射角を変化させて第１の光束の光路長を変化させる位相回転板と、第１の光束と第２の光束との光路差を測定する光路差測定手段と、干渉光強度測定手段によって測定された干渉光の強度と、光路差測定手段によって測定された光路差とに基づいてインタフェログラムをつくり、該インタフェログラムをフーリエ逆変換することにより原光光線のスペクトルを算出するスペクトル算出手段とが設けられている回転型干渉計であって、位相回転板の回転軸の軸線と位相回転板の受光面の法線とがなす角で定義される回転軸取付角φが、０°より大きく９０°より小さい範囲内の値に設定される一方、位相回転板の回転軸の軸線と第１の光束の進行方向とがなす角で定義される回転軸配置角ψが９０°に設定されていることを特徴とするものである。
【００１５】
この回転型干渉計においては、回転軸回転角ωがどのような値であっても、位相回転板の受光面の法線と第１の光束の進行方向とがなす角で定義される受光面傾斜角θが０°又は１８０°になることがないので、換言すれば第１の光束の位相回転板への入射角（以下、これを「光束入射角」という）が０°にはならないので、位相回転板の受光面の反射光がビームスプリッタを介して干渉光強度測定手段に入力されることがない。したがって、該反射光に起因して干渉光強度測定手段に異常な強度を伴った周期的な光線が入力されるといった従来の回転型干渉計の場合のような不具合が生じない。このため、インタフェログラムの測定精度が高められる。
【００１６】
ここで、いかなる場合においても受光面傾斜角θが０°又は１８０°にはならない（光束入射角が０°にはならない）理由は、およそ次のとおりである。すなわち、受光面傾斜角θは、一般に、次の式１に示すとおり、回転軸回転角ωと回転軸取付角φと回転軸配置角ψとによって一義的に決定される。
【数１】
θ＝cos^-1（sinφ・sinψ・cosω＋cosφ・cosψ）…………………式１
そして、この回転型干渉計においては、ψ＝９０°であるので、θ＝cos^-1（sinφ・cosω）となる。また、０°＜φ＜９０°であるので、０＜sinφ＜１である。他方、−１≦cosω≦１であるので、結局−１＜sinφ・cosω＜１となる。よって、sinφ・cosωが１又は−１となることはないので、cos^-1（sinφ・cosω）すなわちθが０°又は１８０°となることはない。
【００１７】
本発明の第２の態様は、上記の第１の態様にかかる回転型干渉計において、上記回転軸取付角φが、０°より大きく９０°より小さい範囲内の値には設定されずに、９０°に設定され、かつ、上記回転軸配置角ψが、９０°には設定されずに、０°より大きく９０°より小さい範囲内の値に設定されていることを特徴とするものである。この場合も、基本的には上記第１の態様にかかる回転型干渉計の場合と同様の作用及び効果を奏する。けだし、この場合は、φ＝９０°であるので、式１によりθ＝cos^-1（sinψ・cosω）となるが、０°＜ψ＜９０°すなわち０＜sinψ＜１であるので、結局−１＜sinψ・cosω＜１となり、cos^-1（sinψ・cosω）すなわちθが０°又は１８０°となることはないからである。
【００１８】
また、本発明の第３の態様は、上記の第１の態様にかかる回転型干渉計において、回転軸配置角ψが、９０°には設定されず、０°より大きく（９０°−φ）より小さい範囲内の値に設定されていることを特徴とするものである。なお、この回転型干渉計においては、回転軸取付角φと回転軸配置角ψとが、互いに異なる値に設定されるのが好ましい。
【００１９】
この回転型干渉計においては、回転軸回転角ωが０°から１８０°までの範囲内（以下、これを「第１回転角領域」という）にあるときにはωの増加に伴って受光面傾斜角θが０°より大きく９０°より小さい範囲内で単調増加し、他方回転軸回転角ωが１８０°から３６０°までの範囲内（以下、これを「第２回転角領域」という）にあるときにはωの増加に伴って受光面傾斜角θが上記範囲内で単調減少する。したがって、第１回転角領域ではωの増加に伴って光路差が単調増加し、第２回転角領域ではωの増加に伴って光路差が単調減少する。
【００２０】
かくして、この回転型干渉計では、理論的には、位相回転板が３６０°回転する間に、第１〜第２回転角領域でそれぞれ光路走査を行うことができ、したがって２回の光路走査を行うことができることになる。しかしながら、実際には完全に同一条件で光路走査を行って共通なインタフェログラムデータを得るために、位相回転板を連続的に回転させつつ、第１〜第２回転角領域のうちのいずれか一方における光路走査で得られたインタフェログラムデータのみを採用し、他方の回転角領域における光路走査で得られたインタフェログラムデータは廃棄することになるので、結局位相回転板の回転動作の１／２が有効に利用されることになる。前記したとおり、従来の回転型干渉計においては、位相回転板の回転動作の１／４のみが有効に利用されるだけであり、その他の３／４の回転動作は無駄となっていたのであるから、本発明にかかるこの回転型干渉計では、単位時間内に採取することができるインタフェログラムデータの量は従来のほぼ２倍となり、インタフェログラムデータ採取の効率ひいてはスペクトル算出の効率が大幅に高められる。
【００２１】
ここで、受光面傾斜角θないしは光路差が、第１回転角領域（０°≦ω≦１８０°）では単調増加し、第２回転角領域（１８０°≦ω≦３６０°）では単調減少する理由はおよそ次のとおりである。
すなわち、前記の式１に示すように、θ＝cos^-1（sinφ・sinψ・cosω＋cosφ・cosψ）であるが、φ及びψは定数であるので、sinφ・sinψ及びcosφ・cosψは定数である。したがって、sinφ・sinψ・cosω＋cosφ・cosψは、簡潔にあらわせば、Ａ・cosω＋Ｂ（Ａ、Ｂは定数）の形の三角関数であり、基本的には、第１回転角領域ではωの増加に伴って単調減少し、第２回転角領域ではωの増加に伴って単調増加する。
そして、ψ＋φ＜９０°であるので、sinφ・sinψ・cosω＋cosφ・cosψは、ωのいかんにかかわらず、０よりも大きい値となる。けだし、cosωの最小値は−１（ω＝１８０°の場合）であるが、この場合は、sinφ・sinψ・cosω＋cosφ・cosψ＝−sinφ・sinψ＋cosφ・cosψ＝cos（φ＋ψ）となり、ここでφ＋ψ＜９０°であるので、結局cos（φ＋ψ）＞０となるからである。
つまり、第１回転角領域では、sinφ・sinψ・cosω＋cosφ・cosψが正の値の範囲内で単調減少するので、cos^-1（sinφ・sinψ・cosω＋cosφ・cosψ）すなわちθは単調増加することになる。他方、第２回転角領域では、sinφ・sinψ・cosω＋cosφ・cosψが正の値の範囲内で単調増加するので、cos^-1（sinφ・sinψ・cosω＋cosφ・cosψ）すなわちθは単調減少することになる。
【００２２】
また、この回転型干渉計においては、回転軸回転角ωがどのような値であっても、受光面傾斜角θ（光束入射角）が９０°になることはない。換言すれば、位相回転板のエッジ面が第１の光束の進行方向と垂直にならない。このため、位相回転板のエッジ面の反射光がビームスプリッタを介して干渉光強度測定手段に入力されることがない。したがって、該反射光に起因して干渉光強度測定手段に異常な強度を伴った周期的な光線が入力されるといった従来の回転型干渉計の場合のような不具合が発生せず、インタフェログラムの測定精度が高められる。
【００２３】
なお、受光面傾斜角θが９０°にならない理由は、およそ次のとおりである。すなわち、前記したとおり、sinφ・sinψ・cosω＋cosφ・cosψの最小値は０より大きく、したがって０になることはないので、cos^-1（sinφ・sinψ・cosω＋cosφ・cosψ）すなわちθが９０°になることはありえない。
【００２４】
この回転型干渉計において、回転軸取付角φと回転軸配置角ψとが、好ましく互いに異なる値に設定されている場合は、回転軸回転角ωがどのような値であっても、受光面傾斜角θ（光束入射角）が０°となることはない。換言すれば、位相回転板の受光面が第１の光束の進行方向と垂直にならない。したがって、位相回転板の受光面の反射光がビームスプリッタを介して干渉光強度測定手段に入力されることがない。このため、干渉光強度測定手段に異常な強度を伴った周期的な光線が入力されるといった現象が完全に防止され、インタフェログラムの測定精度が一層高められる。
【００２５】
なお、受光面傾斜角θが０°にならない理由は、およそ次のとおりである。すなわち、sinφ・sinψ・cosω＋cosφ・cosψは、ωの値のいかんにかかわらず１より小さい値となる。けだし、cosωの最大値は１（ω＝０°又は３６０°のとき）であるが、この場合、θ＝cos^-1（sinφ・sinψ＋cosφ・cosψ）＝cos^-1［cos（φ−ψ）］となり、したがってcos（φ−ψ）＝１の場合すなわちφ＝ψの場合にのみθ＝０°となりうるが、φ≠ψであるので、θ＝０°となることはありえない。
【００２６】
上記の各回転型干渉計においては、位相回転板が一定の角速度で回転している場合であって、受光面傾斜角θが０°から９０°までの範囲内にあるときに、第１の光束の光路長を回転軸回転角ωで２次微分して得られる２次微分値（すなわち、光路長を時間で２次微分して得られる２次微分値）が、インタフェログラムがつくられる回転軸回転角ωの範囲内では実質的に０となるように、回転軸取付角φと回転軸配置角ψとが設定されているのが好ましい。この場合、上記２次微分値が完全に０となる回転軸回転角ωが、インタフェログラムのセンターバーストに対応するように、回転軸取付角φと回転軸配置角ψとが設定されるのがさらに好ましい。このようにすれば、光路差が回転軸回転角ωすなわち時間に対して実質的に直線的に変化する状態でインタフェログラムデータを得ることができる。つまり、位相回転板が一定速度で回転運動しているときに、時間に関する変化率が一定である光路差変化が得られ、インタフェログラムデータの測定精度が向上する。
【００２７】
上記回転型干渉計においては、受光面傾斜角θが、ビームスプリッタの受光面の法線と第１の光束の進行方向とがなす角で定義されるビームスプリッタ傾斜角と一致するときに、上記２次微分値が完全に０となるように、回転軸取付角φと回転軸配置角ψとが設定されているのが一層好ましい。なお、ビームスプリッタ傾斜角は、一般に４５°とされる。したがって、この場合は、受光面傾斜角θが４５°のときに、上記２次微分値が０になるようにし、かつインタフェログラムのセンターバーストをこの点に一致させることになる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付の図面を参照しつつ具体的に説明する。
図１は、本発明にかかる回転型干渉計（回転型フーリエ変換分光器）の構成を示す模式図である。図１に示すように、この回転型干渉計においては、赤外光源１から放射された原光光線Ｅが、アパーチャ２を通過しさらに第１レンズ３を透過した後、第１反射ミラー４により反射されてその進行方向を９０°変えられ、ピンホール５に集光される。さらに、この原光光線Ｅは、第２レンズ６によりコリメートされてビームスプリッタ７に入射され、このビームスプリッタ７によって、第１光束Ｅ₁及び第２光束Ｅ₂の２つの光束に分割される。ここで、第１光束Ｅ₁は、位相回転板装置８の位相回転板２１を透過して第１固定鏡９に向かい、この第１固定鏡９によって反射された後、再び位相回転板２１を透過してビームスプリッタ７に入射される。他方、第２光束Ｅ₂は、第２固定鏡１０に向かい、この第２固定鏡１０で反射された後、再びビームスプリッタ７に入射される。
【００２９】
そして、それぞれ第１固定鏡９と第２固定鏡１０とによって反射されてビームスプリッタ７に再入射された第１光束Ｅ₁と第２光束Ｅ₂とは、該ビームスプリッタ７によって同一方向に向けられ、両光束Ｅ₁、Ｅ₂は再結合されて互いに干渉しあい干渉光Ｅ₃となる。この干渉光Ｅ₃は、第３レンズ１１を透過した後、第２反射ミラー１２によって反射されてその進行方向を変えられ、サンプル１３に集光される。このサンプル１３を透過した干渉光Ｅ₃は、第４レンズ１４によって焦電型の光センサ１５に集光される。なお、光センサ１５は、これに入射された干渉光Ｅ₃の強度に対応する電気信号を出力する。
【００３０】
前記の第１反射ミラー４の中央部には、該第１反射ミラー４を貫通する第１穴部１６が形成されている。そして、レーザ光源１７からＨe−Ｎeレーザ光線Ｂが放射され、このレーザ光線Ｂは、第１穴部１６を通過した後、原光光線Ｅの光束のほぼ中央部を該原光光線Ｅと同一方向に進む。このレーザ光線Ｂは、ピンホール５と第２レンズ６とを通過した後、ビームスプリッタ７に入射され、該ビームスプリッタ７によって第１レーザ光線Ｂ₁と第２レーザ光線Ｂ₂とに分割される。ここで、第１レーザ光線Ｂ₁は、位相回転板２１を透過して第１固定鏡９に向かい、この第１固定鏡９によって反射され、再び位相回転板２１を透過してビームスプリッタ７に入射される。他方、第２レーザ光線Ｂ₂は、第２固定鏡１０に向かい、この第２固定鏡１０で反射された後、再びビームスプリッタ７に入射される。
【００３１】
そして、それぞれ第１固定鏡９と第２固定鏡１０とによって反射されてビームスプリッタ７に再入射された第１レーザ光線Ｂ₁と第２レーザ光線Ｂ₂とは、該ビームスプリッタ７によって同一方向に向けられ、両レーザ光線Ｂ₁、Ｂ₂は再結合されて互いに干渉しあい干渉レーザ光Ｂ₃となる。この干渉レーザ光Ｂ₃は、第３レンズ１１を透過して第２反射ミラー１２に向かい、第２反射ミラー１２の中央部に該第２反射ミラー１２を貫通して形成された第２穴部１８を通過してレーザ光センサ１９（シリコンフォトダイオード）に入射される。なお、レーザ光センサ１９は、これに入射された干渉レーザ光Ｂ₃の強度に対応する電気信号を出力する。
【００３２】
ビームスプリッタ７と第１固定鏡９との間に配置された位相回転板装置８は、その位相回転板２１を回転軸Ｌ₃（図２参照）まわりに一定の角速度で回転させ、回転軸回転角ω（図２参照）に応じて第１光束Ｅ₁の光路長を変化させ、これによって第１光束Ｅ₁と第２光束Ｅ₂の光路差を変化させるようになっている。
そして、この回転型干渉計は、従来の回転型干渉計の場合とほぼ同様に、光センサ１５によって検出された干渉光Ｅ₃の強度と、レーザ光センサ１９によって検出された干渉レーザ光Ｂ₃の強度から得られる第１光束Ｅ₁と第２光束Ｅ₂との間の光路差とに基づいてインタフェログラムをつくり、該インタフェログラムをフーリエ逆変換することによりスペクトルを算出するようになっている。
【００３３】
図２に示すように、第１光束Ｅ₁の光路長を左右する位相回転板２１の配置状態ないしは姿勢は、基本的には、回転軸Ｌ₃の回転位相角である回転軸回転角ωと、回転軸Ｌ₃と位相回転板受光面法線Ｌ₂とがなす角である回転軸取付角φと、回転軸Ｌ₃と第１光束Ｅ₁の進行方向とがなす角である回転軸配置角ψと、位相回転板受光面法線Ｌ₂と第１光束Ｅ₁の進行方向とがなす角である受光面傾斜角θとによって特徴づけられる。
ここで、位相回転板２１は、両受光面が平行となるように形成された、所定の厚みを有する平行平面基板であり、その材質はＣａＦ₂である。また、ビームスプリッタ７の材質及び厚みは、位相回転板２１のそれらと同一とされ、さらに図１中での位置関係においてビームスプリッタ７の第１固定鏡９側の受光面にアルミ蒸着が施され、これによりビームスプリッタ７がビームスプリット機能を備えるようになっている。
【００３４】
以下、位相回転板装置８の具体的な構造を説明する。図３は、位相回転板装置８の機械構造を示す図である。
図３に示すように、この位相回転板装置８には、リング状のベアリング２２が設けられ、このベアリング２２の外輪部は取付部材２３を介してベース２４（基部）に固定されている。他方、ベアリング２２の内輪部は、位相回転板２１を保持している略円柱形の位相回転板保持部材２９の外周部に固定されている。つまり、位相回転板保持部材２９は、ベアリング２２を介して、取付部材２３ひいてはベース２４に取り付けられ、回転軸Ｌ₃まわりに自在に回転できるようになっている。
【００３５】
さらに、位相回転板保持部材２９の外周部には第１プーリ２５が取り付けられ、他方ベース２４に固定されたモータ２６の駆動軸には第２プーリ２７が取り付けられている。そして、第１プーリ２５と第２プーリ２７とにはベルト２８が巻きかけられている。つまり、モータ２６によって位相回転板保持部材２９が回転軸Ｌ₃まわりに一定の角速度で回転させられ、ひいては位相回転板２１が回転軸Ｌ₃まわりに一定の角速度で回転させられるようになっている。ここで、位相回転板２１は、その受光面法線Ｌ₂が回転軸Ｌ₃に対して角度φ（回転軸取付角）だけ傾斜するようにして位相回転板保持部材２９内に配置されている。
なお、位相回転板保持部材２９ひいては位相回転板２１の回転速度は、例えば５Ｈｚに設定される。
【００３６】
以下、第１光束Ｅ₁の光路長ないしは光路差を左右する、位相回転板装置８ないしは位相回転板２１の回転軸取付角φ及び回転軸配置角ψ等の設定方法について説明する。
（１）回転軸取付角φ及び回転軸配置角ψは、いずれも０°より大きい値に設定しなければならない。けだし、回転軸取付角φ又は回転軸配置角ψが０°の場合は、回転軸回転角ωの変化に対して第１光束Ｅ₁の光路長が変化しないからである。その理由はおよそ次のとおりである。
すなわち、前記の式１において、φ＝０°とすれば、θ＝cos^-1（cosψ）となるが、cosψは一定であるので、受光面傾斜角θすなわち第１光束Ｅ₁の位相回転板２１に対する入射角が、回転軸回転角ωの値のいかんにかかわらず一定となるからである。また、ψ＝０°の場合も、θ＝cos^-1（cosφ）となるので、同様である。
【００３７】
（２）回転角取付角φが、０°より大きく９０°より小さい場合においては、回転軸配置角ψは９０°に設定されてもよい。この場合は、回転軸回転角ωがどのような値であっても、受光面傾斜角θが０°又は１８０°になることがないので、換言すれば第１光束Ｅ₁の位相回転板２１への入射角（以下、これを「第１光束入射角」という）が０°にはならないので、位相回転板２１の受光面の反射光がビームスプリッタ７を介して光センサ１５に入力されることがない。したがって、該反射光に起因して光センサ１５に異常な強度を伴った周期的な光線が入力されるといった不具合が生じない。このため、インタフェログラムの測定精度が高められる。なお、いかなる場合においても受光面傾斜角θが０°又は１８０°にはならない（光束入射角が０°にはならない）理由は、前記の段落［００１６］で説明したとおりである。
【００３８】
（３）回転角配置角ψが、０°より大きく９０°より小さい場合においては、回転軸取付角φは９０°に設定されてもよい。この場合も、回転軸回転角ωがどのような値であっても、受光面傾斜角θが０°又は１８０°になることがないので、位相回転板２１の受光面の反射光がビームスプリッタ７を介して光センサ１５に入力されることがなくなり、インタフェログラムの測定精度が高められる。なお、いかなる場合においても受光面傾斜角θが０°又は１８０°にはならない理由は、前記の段落［００１７］で説明したとおりである。
【００３９】
（４）回転角取付角φが、０°より大きく９０°より小さい場合においては、回転軸配置角ψは、０°より大きく（９０°−φ）より小さい範囲内の値に設定されてもよい。なお、回転軸取付角φと回転軸配置角ψとは、互いに異なる値に設定されるのが好ましい。この場合は、回転軸回転角ωが０°から１８０°までの範囲内にある第１回転角領域では、ωの増加に伴って受光面傾斜角θが０°より大きく９０°より小さい範囲内で単調増加し、他方回転軸回転角ωが１８０°から３６０°までの範囲内にある第２回転角領域では、ωの増加に伴って受光面傾斜角θが上記範囲内で単調減少する。したがって、第１回転角領域ではωの増加に伴って光路長が単調増加し、第２回転角領域ではωの増加に伴って光路長が単調減少する。
かくして、この場合は、理論的には、位相回転板２１が３６０°回転する間に、第１〜第２回転角領域でそれぞれ光路走査を行うことができる。しかしながら、実際には完全に同一条件で光路走査を行って共通なインタフェログラムデータを得るために、第１〜第２回転角領域のうちのいずれか一方における光路走査で得られたインタフェログラムデータのみを採用し、他方の回転角領域における光路走査で得られたインタフェログラムデータは廃棄することになる。この場合は、位相回転板２１の回転動作の１／２が有効に利用されることになり、回転動作の１／４のみが有効に利用されるに過ぎない従来の回転型干渉計に比べて、単位時間内に採取することができるインタフェログラムデータの量はほぼ２倍となり、インタフェログラムデータ採取の効率ひいてはスペクトル算出の効率が大幅に高められる。
なお、受光面傾斜角θないしは光路差が、第１回転角領域では単調増加し、第２回転角領域では単調減少する理由は、前記の段落［００２１］で説明したとおりである。
【００４０】
また、この場合は、回転軸回転角ωがどのような値であっても、受光面傾斜角θ（光束入射角）が９０°になることはない。換言すれば、位相回転板２１のエッジ面が第１光束Ｅ₁の進行方向と垂直にならない。このため、位相回転板２１のエッジ面の反射光がビームスプリッタ７を介して光センサ１５に入力されることがない。したがって、該反射光に起因して光センサ１５に異常な強度を伴った周期的な光線が入力されるといった不具合が発生せず、インタフェログラムの測定精度が高められる。
なお、受光面傾斜角θが９０°にならない理由は、前記の段落［００２３］で説明したとおりである。
【００４１】
ここで、回転軸取付角φと回転軸配置角ψとが、好ましく互いに異なる値に設定されている場合は、回転軸回転角ωがどのような値であっても、受光面傾斜角θ（光束入射角）が０°となることはない。換言すれば、位相回転板２１の受光面が第１光束Ｅ₁の進行方向と垂直にならない。したがって、位相回転板２１の受光面の反射光がビームスプリッタ７を介して光センサ１５に入力されることがない。このため、光センサ１５に異常な強度を伴った周期的な光線が入力されるといった現象が完全に防止され、インタフェログラムの測定精度が一層高められる。
なお、受光面傾斜角θが０°にならない理由は、前記の段落［００２５］で説明したとおりである。
【００４２】
（５）回転軸取付角φと回転軸配置角ψとは、位相回転板２１が一定の角速度で回転している場合において、受光面傾斜角θが０°から９０°までの範囲内にあるときに、第１光束Ｅ₁の光路長（光路差）を回転軸回転角ωで２次微分して得られる２次微分値、すなわち光路長（光路差）を時間で２次微分して得られる２次微分値が、インタフェログラムがつくられる回転軸回転角ωの範囲内では実質的に０となるように設定されるのが好ましい。なお、上記２次微分値が完全に０となる回転軸回転角ωが、インタフェログラムのセンターバーストに対応するように、回転軸取付角φと回転軸配置角ψとが設定されるのがさらに好ましい。このようにすれば、光路長（光路差）が回転軸回転角ωすなわち時間に対して実質的に直線的に変化する状態でインタフェログラムデータを得ることができる。つまり、位相回転板２１が一定の角速度で回転運動しているときに、時間に関する変化率が一定である光路長（光路差）変化が得られ、インタフェログラムデータの測定精度が向上する。
【００４３】
（６）回転軸取付角φと回転軸配置角ψとは、受光面傾斜角θが、ビームスプリッタ７の受光面の法線と第１光束Ｅ₁の進行方向とがなす角であるビームスプリッタ傾斜角と一致するときに、上記２次微分値が完全に０となるように設定されるのが一層好ましい。なお、ビームスプリッタ傾斜角は、一般に４５°とされる。したがって、この場合は、受光面傾斜角θが４５°のときに、上記２次微分値が０になるようにし、かつインタフェログラムのセンターバーストをこの点に一致させることになる。
【００４４】
以下、回転軸取付角φ及び回転軸配置角ψを所定の好ましい値に設定して受光面傾斜角θ、第１光束Ｅ₁の光路長（光路差）及び該光路長（光路差）の２次微分値の変化特性を求めた結果について説明する。なお、ここでは、第１光束Ｅ₁の光路長は、所定の基準値（回転軸回転角ωを０°とした場合における第１光束Ｅ₁の光路長）に対する差（光路差）であらわされている。
【００４５】
図４は、受光面傾斜角θすなわち位相回転板２１の受光面法線軸と光束方向軸のなす角をＹ軸にとり、回転軸回転角ωをＸ軸にとってつくられたグラフであり、θのωに対する関係ないしは変化特性を示している。この例では、回転角取付角φは３５°に設定され、回転軸配置角ψは２２°に設定されている。なお、受光面傾斜角θと、回転軸回転角ωと、回転軸取付角φと、回転軸配置角ψとの間に成立する一般的な関係は、前記の式１に示すとおりである。
図４から明らかなとおり、受光面傾斜角θは、回転軸回転角ωが０°から１８０°までの範囲内（第１回転角領域）では、ωの増加に伴っておよそ１２°から５７°まで単調増加し、他方回転軸回転角ωが１８０°から３６０°までの範囲内（第２回転角領域）ではωの増加に伴っておよそ５７°から１２°まで単調減少している。
【００４６】
図５は、第１光束Ｅ₁の光路長（光路差）をＹ軸にとり、回転軸回転角ωをＸ軸にとってつくられたグラフであり、光路長（光路差）のωに対する関係ないしは変化特性を示している。この例では、回転位相板２１の屈折率ｎは１.３３１（１１３０cm^-1）に設定され、その厚みｄは５mmに設定されている。なお、光路差Δと、位相回転板厚みｄと、位相回転板屈折率ｎと、空気の屈折率ｎ₀（＝１）との間には、次の式２で示すような関係が成り立つ。
【数２】
Δ＝２ｄ・［SQRT（ｎ²−sin²θ）−cosθ−ｎ＋ｎ₀］…………………式２図５から明らかなとおり、光路長（光路差）は、回転軸回転角ωが０°から１８０°までの範囲内では、ωの増加に伴っておよそ０.１mmから１.６mmまで単調増加し、他方回転軸回転角ωが１８０°から３６０°までの範囲内では、ωの増加に伴っておよそ１.６mmから０.１mmまで単調減少している。
【００４７】
図６は、第１光束Ｅ₁の光路長（光路差）の回転軸回転角ω（ひいては時間）に関する２次微分値をＹ軸にとり、回転軸回転角ωをＸ軸にとってつくられたグラフであり、上記２次微分値のω（ひいては時間）に対する関係ないしは変化特性を示している。
また、図７は、第１光束Ｅ₁の光路長（光路差）の回転軸回転角ω（ひいては時間）に関する２次微分値をＹ軸にとり、受光面傾斜角θをＸ軸にとってつくられたグラフであり、上記２次微分値のθに対する関係ないしは変化特性を示している。
【００４８】
この例では、回転軸取付角φと回転軸配置角ψとが、受光面傾斜角θが４５°のときに、光路長（光路差）のωに対する２次微分値が０になるように設定されている。この場合、回転軸取付角φは３５°となり、回転軸配置角ψは２２°となる。
上記２次微分値が０になる回転軸回転角ωでは、光路長（光路差）のωひいては時間に対する変化率が一定となる。つまり、この近辺の回転軸回転角領域では、光路差変化率がほぼ一定となるので、インタフェログラムのセンターバーストをこの付近に一致するように光学系を調整すれば、精度の高いインタフェログラム測定が可能になる。
【００４９】
このように、受光面傾斜角θが４５°のときに、光路長（光路差）のωに対する２次微分値が０になるように設定して、ここにセンターバーストを一致させる理由はおよそ次のとおりである。すなわち、ビームスプリッタ傾斜角が４５°に設定され、かつビームスプリッタ７の一方の受光面にアルミ蒸着が施されているので、受光面傾斜角θが４５°のときに、回転位相板２１が位相補正板の役目を有効に果たして、インタフェログラムの強度と左右対称性とを向上させるからである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる回転型干渉計（回転型フーリエ変換分光装置）のシステム構成を示す模式図である。
【図２】図１に示す回転型干渉計に用いられている位相回転板における各要素の位置関係を示す図である。
【図３】図１に示す回転型干渉計に用いられている位相回転板装置の機械構造を示す立面図である。
【図４】受光面傾斜角θの回転軸回転角ωに対する変化特性を示すグラフである。
【図５】第１光束の光路長（光路差）の回転軸回転角ωに対する変化特性を示すグラフである。
【図６】第１光束の光路長（光路差）の回転軸回転角ωに関する２次微分値の、回転軸回転角ωに対する変化特性を示すグラフである。
【図７】第１光束の光路長（光路差）の回転軸回転角ωに関する２次微分値の、受光面傾斜角θに対する変化特性を示すグラフである。
【図８】従来の回転型干渉計における、光路差の回転軸回転角ωに対する変化特性を示すグラフである。
【図９】移動鏡を直線的に移動させることにより光路差を変化させるようにした従来のフーリエ変換分光装置の模式図である。
【符号の説明】
１…赤外光源、２…アパーチャ、３…第１レンズ、４…第１反射ミラー、５…ピンホール、６…第２レンズ、７…ビームスプリッタ、８…位相回転板装置、９…第１固定鏡、１０…第２固定鏡、１１…第３レンズ、１２…第２反射ミラー、１３…サンプル、１４…第４レンズ、１５…光センサ、１６…第１穴部、１７…レーザ光源、１８…第２穴部、１９…レーザ光センサ、２１…位相回転板、２２…ベアリング、２３…取付部材、２４…ベース、２５…第１プーリ、２６…モータ、２７…第２プーリ、２８…ベルト、２９…位相回転板保持部材。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention creates an interferogram by changing the optical path difference by rotating a phase rotation plate arranged between the beam splitter and one fixed reflecting mirror, and inversely transforms the interferogram to the original light. The present invention relates to a rotary interferometer that calculates a light spectrum.
[0002]
[Prior art]
The interferogram is created by using the interference phenomenon instead of directly diffusing the original light beam whose spectrum is to be measured, and the spectrum of the original light beam is calculated by inverse Fourier transform of the interferogram. A Fourier transform spectroscopic device has been conventionally known. In such a Fourier transform spectroscopic device, basically, the original light beam is divided into a first light beam directed to the first reflecting mirror and a second light beam directed to the second reflecting mirror by a beam splitter, and some method is used. Then, while changing the optical path difference between the two light fluxes, the two light fluxes are combined again to generate interference light, and the intensity (amplitude) of the interference light is repeatedly measured at a predetermined optical path difference interval to obtain interferogram data (this interferogram) The data is obtained by optically Fourier transforming the frequency spectrum of the original light beam to be measured), and the interferogram data is subjected to Fourier inverse transform using a computer or the like to obtain the spectrum of the original light beam. I have to. Such a Fourier transform spectroscopic device has the advantage that the measurement efficiency is extremely high, and the spectral measurement can be performed with high sensitivity and high accuracy compared to a dispersion spectroscopic device such as a prism spectroscope or a diffraction grating spectroscope. is there.
[0003]
In the conventional Fourier transform spectroscopic device, usually, one of the two reflecting mirrors is linearly moved at a predetermined speed in the traveling direction of the light beam, so that the first light beam and the second light beam The optical path difference with the luminous flux is changed. Specifically, in such a Fourier transform spectroscopic device, for example, the optical path difference can be changed by the following procedure.
[0004]
That is, as shown in FIG. 9, in this type of Fourier transform spectrometer (Michelson interferometer), after the original light beam R emitted from the light source 101 is collimated into a parallel light beam, the first beam splitter 102 performs the first collimation. Luminous flux R ₁ And second light flux R ₂ And divided. And the first light flux R ₁ Is reflected by the fixed mirror 103 and then returned to the beam splitter 102 again through the same optical path. On the other hand, the second light flux R ₂ Is reflected by the movable mirror 104 and then returned to the beam splitter 102 again through the same optical path. Both reflected light beams R returned to the beam splitter 102 ₁ , R ₂ Are combined and incident on the light intensity detector 105. Here, the first light flux R ₁ And second light flux R ₂ Difference between the movable mirror 104 and the second light flux R. ₂ It can be changed by moving it linearly in the direction of travel.
[0005]
In this Fourier transform spectroscopic device, the optical path difference can be changed by linearly moving the movable mirror 104. If the movable mirror 104 is touched even slightly during this linear movement, this deflection will occur. Since the measurement results are directly affected, extremely accurate processing is required for manufacturing the drive mechanism of the movable mirror 104. However, it is very difficult to manufacture a drive mechanism that can move the movable mirror 104 linearly without any contact in view of the accuracy of actual machining.
[0006]
Therefore, instead of moving the movable mirror linearly, the movable mirror can be a fixed mirror and can be freely rotated (or rotated) around the rotation axis between the fixed mirror and the beam splitter. Rotating interference in which a phase rotation plate whose rotation angle can be freely adjusted is provided, and an optical path difference is changed by changing an angle between the phase rotation plate and a light beam passing through the phase rotation plate. Meters (rotational Fourier transform spectrometers) have been proposed (see, for example, Japanese Patent Laid-Open Nos. 58-727 and 48-10102). In such a conventional rotary interferometer, the phase rotating plate is usually rotated around a rotation axis extending in a direction perpendicular to the traveling direction of the light beam, thereby changing the incident angle of the light beam on the phase rotating plate. Along with this, the optical path length of the luminous flux can be changed. In the rotary interferometer disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 58-727, two (one pair) phase rotating plates are provided between the beam splitter and the fixed mirror.
[0007]
In such a rotary interferometer, both light receiving surfaces of the phase rotating plate must be parallel, but this parallelism error is caused by the type of Fourier transform spectroscopy in which the optical path difference is changed by linear movement of the movable mirror. This corresponds to an error caused by the movement of the movable mirror in the apparatus. Here, the phase rotating plate is made of glass or a crystal material, and the parallelism thereof is not changed by the rotational movement of the phase rotating plate. Therefore, the rotary interferometer is much less susceptible to errors due to a shift in the driving mechanism or the like than a Fourier transform spectroscopic device that changes the optical path difference by moving (scanning) the movable mirror linearly. There are advantages such as. Further, in general, in a drive mechanism, rotational motion is easier to handle mechanically than parallel motion, and thus there is an advantage that the drive mechanism does not require so high machining accuracy.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
FIG. 8 shows the change characteristic of the optical path difference with respect to the change of the rotation axis rotation angle ω in such a conventional rotary interferometer (rotational Fourier transform spectrometer). In such a conventional rotary interferometer, basically, the light receiving surface inclination angle θ defined by the angle formed by the traveling direction of the light beam passing through the phase rotating plate and the normal line of the light receiving surface of the phase rotating plate. Is equal to the rotation axis rotation angle ω.
As is clear from FIG. 8, when the rotation axis rotation angle ω is in the range of 0 ° to 90 ° (hereinafter referred to as “first phase region”), the optical path difference increases monotonously and ranges from 90 ° to 180 °. The optical path difference monotonously decreases when it is within the range (hereinafter referred to as “second phase region”), and when it is within the range of 180 ° to 270 ° (hereinafter referred to as “third phase region”). The difference monotonously increases, and the optical path difference monotonously decreases when the difference is in the range of 270 ° to 360 ° (0 °) (hereinafter referred to as “fourth phase region”). The change characteristic of the optical path difference in the third phase region is substantially the same as that in the first phase region, and the change characteristic of the optical path difference in the fourth phase region is substantially the same as that in the second phase region. The change characteristic of the optical path difference in the second phase region is substantially symmetric with respect to θ = 90 ° with respect to that in the first phase region, and the change characteristic of the optical path difference in the fourth phase region is similar to that in the third phase region and θ = Nearly symmetric about 270 °.
[0009]
In general, when the optical path difference monotonously increases or decreases monotonously, one optical path scan is performed. Therefore, theoretically, in such a conventional rotary interferometer, while the phase rotation plate rotates 360 °. The optical path scanning can be performed in each of the first to fourth phase regions, and therefore four optical path scannings can be performed. However, in actuality, since the parallelism of the light receiving surface of the phase rotation plate is accompanied by a subtle shift, it cannot be said that these four optical path scans are completely under the same conditions, and are obtained by these optical path scans. Each interferogram data is not common (can be shared). For this reason, if the spectrum is calculated by accumulating interferogram data obtained by optical path scanning under completely identical conditions, any one of the first to fourth phase regions can be obtained while continuously rotating the phase rotation plate. Either adopt only the interferogram data obtained by the optical path scan in one phase region and discard the interferogram data obtained by the optical path scan in the other three phase regions, or use a phase rotation plate Interferogram data is collected by reciprocating rotational movement (turning) within the first phase region (0 ° ≦ ω ≦ 90 °) or a partial region thereof.
[0010]
Here, when taking the former correspondence, only 1/4 of the rotation operation of the phase rotation plate is effectively used, and the other 3/4 rotation operations are wasted. Therefore, when interferogram data is accumulated and used, when a large number of interferogram data are collected within a unit time, there arises a problem that the efficiency of interferogram data collection and the efficiency of spectrum calculation deteriorate. Further, when the rotation axis rotation angle ω becomes 0 ° or 180 ° (when the incident angle of the light beam on the phase rotation plate is 0 °), the reflected light of the light receiving surface of the phase rotation plate interferes with the beam splitter. When the rotation axis rotation angle ω is 90 ° or 270 ° (when the incident angle of the light beam on the phase rotation plate is 90 °), the reflected light from the edge surface of the phase rotation plate is input to the light intensity detector. The interference light intensity detector is input to the interference light intensity detector via the beam splitter. Therefore, a periodic light beam having an abnormal intensity is input to the interference light intensity detector, which causes an error and causes interferogram data. There arises a problem that the accuracy of the above becomes worse.
[0011]
On the other hand, in the latter case, the movement of the phase rotation plate is a reciprocating rotation (rotation) motion, that is, a motion in which the angular momentum changes when the rotation direction changes. Change periodically. For this reason, a periodic flow of energy occurs between the kinetic energy of the phase rotating plate and the energy supply mechanism that supplies the energy, and the energy flow is dissipated as vibration energy or heat energy. Such a vibration or heat causes a problem that a measurement error is caused.
[0012]
Furthermore, the conventional rotary interferometer has another important problem as follows. That is, as apparent from FIG. 8, the rotation axis rotation angle ω and the optical path difference are not in a linear relationship. On the other hand, when the phase rotating plate is rotated by a motor or the like, the phase rotating plate is usually rotated at a constant angular velocity because the driving mechanism is simple and the cost is reduced. Thus, when the phase rotation plate is rotated at a constant angular velocity, the rate of change of the optical path difference changes according to the value of the rotation axis rotation angle ω. That is, the optical path difference changes in a curved manner with respect to the change in the rotation axis rotation angle ω and consequently with respect to time. Therefore, when an interferogram is created by measuring the intensity of interference light at a constant optical path difference interval, the time interval for measuring the interference light intensity changes every moment. On the other hand, since the frequency characteristics of the interference light intensity detector that detects the intensity of the interference light and its electric circuit are not flat, if the time interval for measuring the interference light intensity changes in this way, an error occurs in the detected value of the interference light intensity. Is likely to occur. For this reason, an error such as a ghost appearing in the spectrum calculated by inverse Fourier transform of the interferogram data is caused.
[0013]
The present invention has been made in order to solve the above-described conventional problems, and can improve the efficiency of interferogram data collection and hence the spectrum calculation, and the reflected light on the light receiving surface or edge surface of the phase rotation plate can be increased. Interferogram data can be obtained in a state where the input to the interference light intensity detector via the beam splitter can be prevented and the optical path difference changes substantially linearly with respect to the rotation axis rotation angle ω. It is an object to be solved to provide a rotary interferometer that can be used.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
The first aspect of the present invention, which has been made to solve the above-described problems, is the second light beam directed to the first reflecting mirror and the second light beam directed to the second reflecting mirror. While the light beam is divided into light beams, the first light beam reflected by the first reflecting mirror and the second light beam reflected by the second reflecting mirror are received and interfered with each other while advancing both light beams in the same direction. A beam splitter for generating interference light, an interference light intensity measuring means for measuring the intensity of the interference light, and the beam splitter and the first reflecting mirror, Formed of a material that refracts and transmits the first luminous flux; Rotate around the rotation axis, depending on the rotation angle Changing the incident angle of the first beam A phase rotation plate that changes the optical path length of the first light beam, an optical path difference measuring unit that measures an optical path difference between the first light beam and the second light beam, and an interference light intensity measured by the interference light intensity measuring unit And a spectrum calculating means for generating an interferogram based on the optical path difference measured by the optical path difference measuring means and calculating a spectrum of the original light beam by inverse Fourier transforming the interferogram. In the interferometer, the rotation axis mounting angle φ defined by the angle formed by the axis of the rotation axis of the phase rotation plate and the normal line of the light receiving surface of the phase rotation plate is within a range greater than 0 ° and less than 90 °. On the other hand, the rotation axis arrangement angle ψ defined by the angle formed by the axis of the rotation axis of the phase rotation plate and the traveling direction of the first light beam is set to 90 °. It is.
[0015]
In this rotary interferometer, the light receiving surface defined by the angle formed by the normal of the light receiving surface of the phase rotating plate and the traveling direction of the first light flux, regardless of the rotation axis rotation angle ω. Since the tilt angle θ does not become 0 ° or 180 °, in other words, the incident angle of the first light beam to the phase rotation plate (hereinafter referred to as “light beam incident angle”) does not become 0 °. The reflected light from the light receiving surface of the phase rotation plate is not input to the interference light intensity measuring means via the beam splitter. Therefore, there is no problem as in the case of the conventional rotary interferometer in which periodic light beams with abnormal intensity are input to the interference light intensity measurement means due to the reflected light. For this reason, the measurement accuracy of the interferogram is improved.
[0016]
Here, the reason why the light receiving surface inclination angle θ does not become 0 ° or 180 ° in any case (the light beam incident angle does not become 0 °) is as follows. That is, the light receiving surface inclination angle θ is generally uniquely determined by the rotation shaft rotation angle ω, the rotation shaft mounting angle φ, and the rotation shaft arrangement angle ψ, as shown in the following Expression 1.
[Expression 1]
θ = cos ^-1 (Sinφ ・ sinψ ・ cosω + cosφ ・ cosψ) ……………… Equation 1
In this rotary interferometer, since ψ = 90 °, θ = cos ^-1 (Sinφ · cosω). Since 0 ° <φ <90 °, 0 <sinφ <1. On the other hand, since −1 ≦ cosω ≦ 1, −1 <sinφ · cosω <1. Therefore, since sinφ · cosω cannot be 1 or −1, cos ^-1 (Sinφ · cosω), that is, θ does not become 0 ° or 180 °.
[0017]
According to a second aspect of the present invention, in the rotary interferometer according to the first aspect, the rotation shaft mounting angle φ is not set to a value within a range larger than 0 ° and smaller than 90 °. The rotation axis arrangement angle ψ is set to 90 ° and is not set to 90 °, but is set to a value within a range larger than 0 ° and smaller than 90 °. . In this case as well, the same operations and effects as those of the rotary interferometer according to the first aspect are basically obtained. However, in this case, since φ = 90 °, θ = cos according to Equation 1 ^-1 (Sinψ · cosω), but 0 ° <ψ <90 °, that is, 0 <sinψ <1, so that eventually −1 <sinψ · cosω <1 and cos ^-1 This is because (sinψ · cosω), that is, θ does not become 0 ° or 180 °.
[0018]
Further, according to a third aspect of the present invention, in the rotary interferometer according to the first aspect described above, the rotation axis arrangement angle ψ is not set to 90 ° but is larger than 0 ° (90 ° −φ). It is characterized by being set to a value within a smaller range. In this rotary interferometer, it is preferable that the rotation shaft mounting angle φ and the rotation shaft arrangement angle ψ are set to different values.
[0019]
In this rotary interferometer, when the rotation axis rotation angle ω is in the range from 0 ° to 180 ° (hereinafter referred to as “first rotation angle region”), the light receiving surface inclination angle increases with ω. When θ is monotonously increased within a range greater than 0 ° and smaller than 90 °, and the rotation axis rotation angle ω is within a range from 180 ° to 360 ° (hereinafter referred to as “second rotation angle region”). As ω increases, the light receiving surface inclination angle θ decreases monotonously within the above range. Therefore, in the first rotation angle region, the optical path difference monotonously increases as ω increases, and in the second rotation angle region, the optical path difference monotonously decreases as ω increases.
[0020]
Thus, in this rotary interferometer, theoretically, it is possible to perform optical path scanning in the first to second rotational angle regions while the phase rotation plate rotates 360 °, and therefore, two optical path scans are performed. Will be able to do. However, in actuality, in order to perform optical path scanning under completely the same conditions to obtain common interferogram data, any one of the first to second rotation angle regions while continuously rotating the phase rotation plate Only the interferogram data obtained by the optical path scanning in the above is adopted, and the interferogram data obtained by the optical path scanning in the other rotation angle region is discarded. It will be used effectively. As described above, in the conventional rotary interferometer, only 1/4 of the rotation operation of the phase rotation plate is effectively used, and the other 3/4 rotation operations are wasted. Therefore, in this rotary interferometer according to the present invention, the amount of interferogram data that can be collected within a unit time is almost twice that of the conventional interferogram data, and the efficiency of interferogram data collection and the efficiency of spectrum calculation are greatly improved. It is done.
[0021]
Here, the light receiving surface inclination angle θ or the optical path difference monotonously increases in the first rotation angle region (0 ° ≦ ω ≦ 180 °), and monotonously decreases in the second rotation angle region (180 ° ≦ ω ≦ 360 °). The reason is as follows.
That is, as shown in Equation 1 above, θ = cos ^-1 (Sinφ · sinψ · cosω + cosφ · cosψ), but since φ and ψ are constants, sinφ · sinψ and cosφ · cosψ are constants. Therefore, sinφ · sinψ · cosω + cosφ · cosψ is a trigonometric function in the form of A · cosω + B (A and B are constants), and basically, as ω increases in the first rotation angle region. Decreases monotonically and increases monotonically with increasing ω in the second rotation angle region.
Since ψ + φ <90 °, sinφ · sinψ · cosω + cosφ · cosψ is a value larger than 0 regardless of ω. However, the minimum value of cosω is −1 (when ω = 180 °). In this case, sinφ · sinψ · cosω + cosφ · cosψ = −sinφ · sinψ + cosφ · cosψ = cos (φ + ψ), where φ + ψ < This is because cos (φ + ψ)> 0 after all because it is 90 °.
That is, in the first rotation angle region, sinφ · sinψ · cosω + cosφ · cosψ decreases monotonously within a range of positive values. ^-1 (Sinφ · sinψ · cosω + cosφ · cosψ), that is, θ monotonously increases. On the other hand, in the second rotation angle region, sinφ · sinψ · cosω + cosφ · cosψ increases monotonically within a range of positive values. ^-1 (Sinφ · sinψ · cosω + cosφ · cosψ), that is, θ monotonously decreases.
[0022]
In this rotary interferometer, the light receiving surface inclination angle θ (light beam incident angle) does not become 90 ° regardless of the value of the rotation axis rotation angle ω. In other words, the edge surface of the phase rotation plate is not perpendicular to the traveling direction of the first light flux. For this reason, the reflected light from the edge surface of the phase rotation plate is not input to the interference light intensity measuring means via the beam splitter. Therefore, there is no problem as in the case of a conventional rotary interferometer in which a periodic light beam having an abnormal intensity is input to the interference light intensity measurement means due to the reflected light, and the interferogram Measurement accuracy is increased.
[0023]
The reason why the light receiving surface inclination angle θ does not become 90 ° is as follows. That is, as described above, since the minimum value of sinφ · sinψ · cosω + cosφ · cosψ is larger than 0, and therefore never becomes 0, cos ^-1 (Sinφ · sinψ · cosω + cosφ · cosψ), that is, θ cannot be 90 °.
[0024]
In this rotary interferometer, if the rotary shaft mounting angle φ and the rotary shaft arrangement angle ψ are preferably set to different values, the light receiving surface The inclination angle θ (light beam incident angle) never becomes 0 °. In other words, the light receiving surface of the phase rotation plate is not perpendicular to the traveling direction of the first light flux. Therefore, the reflected light from the light receiving surface of the phase rotation plate is not input to the interference light intensity measuring means via the beam splitter. For this reason, the phenomenon that a periodic light beam having an abnormal intensity is input to the interference light intensity measuring means is completely prevented, and the measurement accuracy of the interferogram is further improved.
[0025]
The reason why the light receiving surface inclination angle θ does not become 0 ° is as follows. That is, sinφ · sinψ · cosω + cosφ · cosψ becomes a value smaller than 1 regardless of the value of ω. However, the maximum value of cosω is 1 (when ω = 0 ° or 360 °), but in this case, θ = cos ^-1 (Sinφ · sinψ + cosφ · cosψ) = cos ^-1 [Cos (φ−ψ)], and therefore θ = 0 ° only when cos (φ−ψ) = 1, that is, φ = ψ, but since φ ≠ ψ, θ = 0 °. It can't be.
[0026]
In each of the rotary interferometers described above, when the phase rotating plate rotates at a constant angular velocity and the light receiving surface tilt angle θ is in the range from 0 ° to 90 °, the first The second order differential value obtained by second order differentiation of the optical path length of the light beam with the rotation axis rotation angle ω (that is, the second order differential value obtained by second order differentiation of the optical path length with time) is the rotation by which the interferogram is created. It is preferable that the rotation shaft mounting angle φ and the rotation shaft arrangement angle ψ are set so as to be substantially zero within the range of the shaft rotation angle ω. In this case, the rotation shaft mounting angle φ and the rotation shaft arrangement angle ψ are set so that the rotation shaft rotation angle ω at which the second-order differential value is completely zero corresponds to the center burst of the interferogram. Further preferred. In this way, it is possible to obtain interferogram data in a state where the optical path difference changes substantially linearly with respect to the rotation axis rotation angle ω, that is, time. That is, when the phase rotating plate is rotating at a constant speed, an optical path difference change with a constant change rate with respect to time is obtained, and the measurement accuracy of the interferogram data is improved.
[0027]
In the rotary interferometer, when the light receiving surface inclination angle θ coincides with the beam splitter inclination angle defined by the angle formed by the normal of the light receiving surface of the beam splitter and the traveling direction of the first light flux, More preferably, the rotation shaft mounting angle φ and the rotation shaft arrangement angle ψ are set so that the secondary differential value is completely zero. The beam splitter tilt angle is generally 45 °. Therefore, in this case, when the light receiving surface inclination angle θ is 45 °, the second-order differential value is set to 0, and the center burst of the interferogram is made to coincide with this point.
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a rotary interferometer (rotational Fourier transform spectrometer) according to the present invention. As shown in FIG. 1, in this rotary interferometer, the original light beam E emitted from the infrared light source 1 passes through the aperture 2 and further passes through the first lens 3, and then is reflected by the first reflecting mirror 4. The reflected light is reflected to change its traveling direction by 90 ° and is collected in the pinhole 5. Further, the original light beam E is collimated by the second lens 6 and is incident on the beam splitter 7. ₁ And second luminous flux E ₂ Are divided into two luminous fluxes. Here, the first light flux E ₁ Is transmitted through the phase rotating plate 21 of the phase rotating plate device 8 toward the first fixed mirror 9, reflected by the first fixed mirror 9, and then transmitted again through the phase rotating plate 21 and incident on the beam splitter 7. Is done. On the other hand, the second luminous flux E ₂ Is directed to the second fixed mirror 10, reflected by the second fixed mirror 10, and then incident on the beam splitter 7 again.
[0029]
Then, the first light flux E reflected by the first fixed mirror 9 and the second fixed mirror 10 and re-entered on the beam splitter 7, respectively. ₁ And second luminous flux E ₂ Are directed in the same direction by the beam splitter 7 and both luminous fluxes E ₁ , E ₂ Are recombined to interfere with each other and interfere light E _Three It becomes. This interference light E _Three After passing through the third lens 11, it is reflected by the second reflecting mirror 12, its traveling direction is changed, and is condensed on the sample 13. Interference light E transmitted through the sample 13 _Three Is condensed on the pyroelectric optical sensor 15 by the fourth lens 14. The optical sensor 15 receives the interference light E incident thereon. _Three An electrical signal corresponding to the intensity of the signal is output.
[0030]
A first hole 16 penetrating the first reflection mirror 4 is formed in the center of the first reflection mirror 4. Then, a He—Ne laser beam B is emitted from the laser light source 17, and after passing through the first hole portion 16, the laser beam B has substantially the same central portion of the light beam E as the original light beam E. Go in the direction. The laser beam B passes through the pinhole 5 and the second lens 6 and then enters the beam splitter 7, and the first laser beam B is incident on the beam splitter 7. ₁ And second laser beam B ₂ And divided. Here, the first laser beam B ₁ Passes through the phase rotation plate 21, travels toward the first fixed mirror 9, is reflected by the first fixed mirror 9, passes through the phase rotation plate 21 again, and enters the beam splitter 7. On the other hand, the second laser beam B ₂ Is directed to the second fixed mirror 10, reflected by the second fixed mirror 10, and then incident on the beam splitter 7 again.
[0031]
Then, the first laser beam B reflected by the first fixed mirror 9 and the second fixed mirror 10 and re-entered on the beam splitter 7, respectively. ₁ And second laser beam B ₂ Are directed in the same direction by the beam splitter 7 and both laser beams B ₁ , B ₂ Are recombined to interfere with each other and interfere with the laser beam B. _Three It becomes. This interference laser beam B _Three Is transmitted through the third lens 11 toward the second reflecting mirror 12 and passes through the second hole 18 formed through the second reflecting mirror 12 in the center of the second reflecting mirror 12 to pass through the laser. The light is incident on the optical sensor 19 (silicon photodiode). Note that the laser light sensor 19 has an interference laser beam B incident thereon. _Three An electrical signal corresponding to the intensity of the signal is output.
[0032]
The phase rotation plate device 8 disposed between the beam splitter 7 and the first fixed mirror 9 has its phase rotation plate 21 as the rotation axis L. _Three (Refer to FIG. 2) Rotate at a constant angular velocity around the first light flux E according to the rotation axis rotation angle ω (see FIG. 2). ₁ The first light flux E is thereby changed. ₁ And second luminous flux E ₂ The optical path difference is changed.
This rotary interferometer is similar to the conventional rotary interferometer in that the interference light E detected by the optical sensor 15 is detected. _Three And the interference laser beam B detected by the laser beam sensor 19 _Three The first luminous flux E obtained from the intensity of ₁ And second luminous flux E ₂ An interferogram is created based on the optical path difference between and the spectrum, and the interferogram is inversely Fourier transformed to calculate the spectrum.
[0033]
As shown in FIG. 2, the first light flux E ₁ The arrangement state or posture of the phase rotation plate 21 that influences the optical path length of the rotation axis L is basically the rotation axis L. _Three And the rotation axis L and the rotation axis L. _Three And phase rotating plate light receiving surface normal L ₂ Rotating shaft mounting angle φ, which is the angle between _Three And the first luminous flux E ₁ Rotation axis arrangement angle ψ which is an angle formed by the traveling direction of phase and phase rotating plate light receiving surface normal L ₂ And the first luminous flux E ₁ It is characterized by the light receiving surface inclination angle θ which is an angle formed by the traveling direction of the light receiving surface.
Here, the phase rotation plate 21 is a parallel plane substrate having a predetermined thickness formed so that both light receiving surfaces are parallel to each other, and the material thereof is CaF. ₂ It is. The material and thickness of the beam splitter 7 are the same as those of the phase rotating plate 21, and aluminum deposition is performed on the light receiving surface of the beam splitter 7 on the first fixed mirror 9 side in the positional relationship in FIG. Thereby, the beam splitter 7 has a beam split function.
[0034]
Hereinafter, a specific structure of the phase rotation plate device 8 will be described. FIG. 3 is a diagram showing a mechanical structure of the phase rotation plate device 8.
As shown in FIG. 3, the phase rotating plate device 8 is provided with a ring-shaped bearing 22, and an outer ring portion of the bearing 22 is fixed to a base 24 (base) via an attachment member 23. On the other hand, the inner ring portion of the bearing 22 is fixed to the outer peripheral portion of a substantially cylindrical phase rotating plate holding member 29 holding the phase rotating plate 21. That is, the phase rotation plate holding member 29 is attached to the attachment member 23 and then the base 24 via the bearing 22, and the rotation axis L _Three It can be freely rotated around.
[0035]
Further, a first pulley 25 is attached to the outer peripheral portion of the phase rotation plate holding member 29, and a second pulley 27 is attached to the drive shaft of the motor 26 fixed to the other base 24. A belt 28 is wound around the first pulley 25 and the second pulley 27. That is, the motor 26 causes the phase rotation plate holding member 29 to move the rotation axis L. _Three The phase rotation plate 21 is rotated around the rotation axis L. _Three It can be rotated around at a constant angular velocity. Here, the phase rotation plate 21 has its light receiving surface normal L ₂ Is the rotation axis L _Three Is arranged in the phase rotating plate holding member 29 so as to be inclined by an angle φ (rotating shaft mounting angle).
The rotation speed of the phase rotation plate holding member 29 and thus the phase rotation plate 21 is set to 5 Hz, for example.
[0036]
Hereinafter, the first light flux E ₁ A method of setting the rotation axis mounting angle φ and the rotation axis arrangement angle ψ of the phase rotation plate device 8 or the phase rotation plate 21 that affects the optical path length or the optical path difference will be described.
(1) Both the rotation shaft mounting angle φ and the rotation shaft arrangement angle ψ must be set to values larger than 0 °. However, when the rotation shaft mounting angle φ or the rotation shaft arrangement angle ψ is 0 °, the first light flux E is applied to the change of the rotation shaft rotation angle ω. ₁ This is because the optical path length does not change. The reason is as follows.
That is, in the above equation 1, if φ = 0 °, θ = cos ^-1 (Cosψ), but cosψ is constant, so that the light receiving surface tilt angle θ, that is, the first light flux E ₁ This is because the incident angle with respect to the phase rotation plate 21 becomes constant regardless of the value of the rotation axis rotation angle ω. Also, when ψ = 0 °, θ = cos ^-1 Since (cosφ), the same applies.
[0037]
(2) When the rotation angle mounting angle φ is greater than 0 ° and smaller than 90 °, the rotation axis arrangement angle ψ may be set to 90 °. In this case, the light receiving surface inclination angle θ does not become 0 ° or 180 ° regardless of the value of the rotation axis rotation angle ω. In other words, the first light flux E ₁ The angle of incidence on the phase rotation plate 21 (hereinafter referred to as the “first beam incidence angle”) does not become 0 °, so that the reflected light of the light receiving surface of the phase rotation plate 21 passes through the beam splitter 7 to the optical sensor. 15 is not input. Therefore, there is no problem that a periodic light beam having an abnormal intensity is input to the optical sensor 15 due to the reflected light. For this reason, the measurement accuracy of the interferogram is improved. In any case, the reason why the light receiving surface inclination angle θ is not 0 ° or 180 ° (the light beam incident angle is not 0 °) is as described in the paragraph [0016] above.
[0038]
(3) When the rotation angle arrangement angle ψ is larger than 0 ° and smaller than 90 °, the rotation shaft mounting angle φ may be set to 90 °. Also in this case, the light receiving surface inclination angle θ does not become 0 ° or 180 ° regardless of the value of the rotation axis rotation angle ω, and thus the reflected light from the light receiving surface of the phase rotating plate 21 is reflected by the beam splitter. 7 is not input to the optical sensor 15, and the measurement accuracy of the interferogram is improved. The reason why the light receiving surface inclination angle θ does not become 0 ° or 180 ° in any case is as described in the paragraph [0017] above.
[0039]
(4) When the rotation angle mounting angle φ is larger than 0 ° and smaller than 90 °, the rotation axis arrangement angle ψ may be set to a value within a range larger than 0 ° and smaller than (90 ° −φ). Good. In addition, it is preferable that the rotation shaft attachment angle φ and the rotation shaft arrangement angle ψ are set to different values. In this case, in the first rotation angle region where the rotation axis rotation angle ω is in the range from 0 ° to 180 °, the light receiving surface inclination angle θ is greater than 0 ° and less than 90 ° as ω increases. In the second rotation angle region in which the rotation axis rotation angle ω is in the range from 180 ° to 360 °, the light receiving surface inclination angle θ decreases monotonously within the above range as ω increases. Therefore, in the first rotation angle region, the optical path length monotonously increases as ω increases, and in the second rotation angle region, the optical path length monotonously decreases as ω increases.
Thus, in this case, theoretically, it is possible to perform optical path scanning in the first to second rotation angle regions while the phase rotation plate 21 rotates 360 °. However, in actuality, only the interferogram data obtained by the optical path scanning in any one of the first to second rotation angle regions is used in order to obtain the common interferogram data by performing the optical path scanning under completely the same conditions. And interferogram data obtained by optical path scanning in the other rotation angle region is discarded. In this case, ½ of the rotation operation of the phase rotation plate 21 is effectively used, and only ¼ of the rotation operation is effectively used as compared with the conventional rotary interferometer. The amount of interferogram data that can be collected within a unit time is almost doubled, and the efficiency of interferogram data collection and, in turn, the efficiency of spectrum calculation are greatly increased.
The reason why the light receiving surface inclination angle θ or the optical path difference monotonously increases in the first rotation angle region and monotonously decreases in the second rotation angle region is as described in the paragraph [0021] above.
[0040]
In this case, the light receiving surface inclination angle θ (light beam incident angle) does not become 90 ° regardless of the value of the rotation axis rotation angle ω. In other words, the edge surface of the phase rotation plate 21 is the first light flux E. ₁ It is not perpendicular to the direction of travel. For this reason, the reflected light of the edge surface of the phase rotation plate 21 is not input to the optical sensor 15 via the beam splitter 7. Therefore, a problem that a periodic light beam having an abnormal intensity is input to the optical sensor 15 due to the reflected light does not occur, and the measurement accuracy of the interferogram is improved.
The reason why the light receiving surface inclination angle θ does not become 90 ° is as described in the paragraph [0023] above.
[0041]
Here, when the rotation shaft mounting angle φ and the rotation shaft arrangement angle ψ are preferably set to different values, the light receiving surface inclination angle θ ( (The incident angle of the light beam) is never 0 °. In other words, the light receiving surface of the phase rotation plate 21 is the first light flux E. ₁ It is not perpendicular to the direction of travel. Therefore, the reflected light from the light receiving surface of the phase rotation plate 21 is not input to the optical sensor 15 via the beam splitter 7. For this reason, the phenomenon that a periodic light beam with an abnormal intensity is input to the optical sensor 15 is completely prevented, and the measurement accuracy of the interferogram is further improved.
The reason why the light receiving surface inclination angle θ does not become 0 ° is as described in the paragraph [0025] above.
[0042]
(5) The rotation shaft mounting angle φ and the rotation shaft arrangement angle ψ are within the range where the light receiving surface inclination angle θ is from 0 ° to 90 ° when the phase rotation plate 21 rotates at a constant angular velocity. Sometimes the first luminous flux E ₁ The second-order differential value obtained by second-order differentiation of the optical path length (optical path difference) with respect to the rotation axis rotation angle ω, that is, the second-order differential value obtained by second-order differentiation of the optical path length (optical path difference) with respect to time. It is preferably set to be substantially 0 within the range of the rotation axis rotation angle ω in which the program is generated. The rotation shaft mounting angle φ and the rotation shaft arrangement angle ψ are further set so that the rotation shaft rotation angle ω at which the second-order differential value is completely zero corresponds to the center burst of the interferogram. preferable. In this way, interferogram data can be obtained in a state where the optical path length (optical path difference) changes substantially linearly with respect to the rotation axis rotation angle ω, that is, time. That is, when the phase rotating plate 21 is rotating at a constant angular velocity, an optical path length (optical path difference) change with a constant rate of change with respect to time is obtained, and measurement accuracy of interferogram data is improved.
[0043]
(6) The rotation axis mounting angle φ and the rotation axis arrangement angle ψ are such that the light receiving surface inclination angle θ is equal to the normal of the light receiving surface of the beam splitter 7 and the first light flux E. ₁ More preferably, the second-order differential value is set to be completely zero when it coincides with the beam splitter inclination angle, which is an angle formed by the traveling direction of. The beam splitter tilt angle is generally 45 °. Therefore, in this case, when the light receiving surface inclination angle θ is 45 °, the second-order differential value is set to 0, and the center burst of the interferogram is made to coincide with this point.
[0044]
Hereinafter, the rotation axis mounting angle φ and the rotation axis arrangement angle ψ are set to predetermined preferable values, the light receiving surface inclination angle θ, the first light flux E ₁ The results of determining the change characteristics of the optical path length (optical path difference) and the second derivative of the optical path length (optical path difference) will be described. Here, the first light flux E ₁ Is a predetermined reference value (the first light flux E when the rotation axis rotation angle ω is 0 °). ₁ Is expressed as a difference (optical path difference).
[0045]
FIG. 4 is a graph created with the light-receiving surface tilt angle θ, that is, the angle formed between the normal axis of the light-receiving surface of the phase rotating plate 21 and the light beam direction axis as the Y-axis and the rotational axis rotation angle ω as the X-axis. It shows the relationship or change characteristics. In this example, the rotation angle mounting angle φ is set to 35 °, and the rotation axis arrangement angle ψ is set to 22 °. The general relationship established between the light receiving surface inclination angle θ, the rotation shaft rotation angle ω, the rotation shaft mounting angle φ, and the rotation shaft arrangement angle ψ is as shown in the above-described equation (1).
As is clear from FIG. 4, the light receiving surface inclination angle θ is approximately 12 ° to 57 ° as ω increases in the range where the rotation axis rotation angle ω is 0 ° to 180 ° (first rotation angle region). On the other hand, when the rotation axis rotation angle ω is in the range from 180 ° to 360 ° (second rotation angle region), it decreases monotonously from about 57 ° to 12 ° as ω increases.
[0046]
FIG. 5 shows the first light flux E ₁ Is a graph created by taking the optical path length (optical path difference) as the Y-axis and the rotation axis rotation angle ω as the X-axis, and shows the relationship or change characteristics of the optical path length (optical path difference) with respect to ω. In this example, the refractive index n of the rotary phase plate 21 is 1.331 (1130 cm). ^-1 ) And its thickness d is set to 5 mm. The optical path difference Δ, the phase rotation plate thickness d, the phase rotation plate refractive index n, and the air refractive index n ₀ (= 1), the following relationship is established.
[Expression 2]
Δ = 2d · [SQRT (n ² −sin ² θ) −cos θ−n + n ₀ ] As shown in FIG. 5, the optical path length (optical path difference) is approximately 0 as ω increases in the range of the rotation axis rotation angle ω from 0 ° to 180 °. While monotonically increasing from 0.1 mm to 1.6 mm, and within the range from 180 ° to 360 °, the rotation axis rotation angle ω decreases monotonically from about 1.6 mm to 0.1 mm as ω increases.
[0047]
FIG. 6 shows the first light flux E ₁ Is a graph obtained by taking the secondary differential value of the rotation path rotation angle ω (and hence time) of the optical path length (optical path difference) on the Y axis and the rotation axis rotation angle ω on the X axis. It shows the relationship or change characteristics with respect to (and thus time).
FIG. 7 shows the first light flux E. ₁ Is a graph created by taking the secondary differential value with respect to the rotation axis rotation angle ω (and thus time) of the optical path length (optical path difference) on the Y axis and the light receiving surface inclination angle θ on the X axis. It shows the relationship or change characteristics.
[0048]
In this example, the rotation shaft mounting angle φ and the rotation shaft arrangement angle ψ are set so that the second-order differential value with respect to ω of the optical path length (optical path difference) becomes 0 when the light receiving surface inclination angle θ is 45 °. Has been. In this case, the rotation shaft mounting angle φ is 35 °, and the rotation shaft arrangement angle ψ is 22 °.
At the rotation axis rotation angle ω at which the secondary differential value is 0, the change rate of the optical path length (optical path difference) with respect to ω and thus with respect to time is constant. In other words, the optical path difference change rate is almost constant in the rotation axis rotation angle region in the vicinity, so if the optical system is adjusted so that the center burst of the interferogram matches this vicinity, highly accurate interferogram measurement can be performed. It becomes possible.
[0049]
As described above, when the light receiving surface inclination angle θ is 45 °, the second order differential value with respect to ω of the optical path length (optical path difference) is set to 0, and the reason for matching the center burst here is approximately the following. It is as follows. That is, since the beam splitter tilt angle is set to 45 ° and one of the light receiving surfaces of the beam splitter 7 is subjected to aluminum vapor deposition, when the light receiving surface tilt angle θ is 45 °, the rotating phase plate 21 is in phase. This is because it effectively plays the role of a correction plate and improves the strength and left-right symmetry of the interferogram.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a system configuration of a rotary interferometer (rotational Fourier transform spectrometer) according to the present invention.
2 is a diagram showing the positional relationship of each element in a phase rotation plate used in the rotary interferometer shown in FIG.
FIG. 3 is an elevational view showing a mechanical structure of a phase rotation plate device used in the rotary interferometer shown in FIG. 1;
FIG. 4 is a graph showing a change characteristic of a light receiving surface inclination angle θ with respect to a rotation axis rotation angle ω.
FIG. 5 is a graph showing a change characteristic of the optical path length (optical path difference) of the first light flux with respect to the rotation axis rotation angle ω.
FIG. 6 is a graph showing a change characteristic of a secondary differential value of the optical path length (optical path difference) of the first light flux with respect to the rotation axis rotation angle ω with respect to the rotation axis rotation angle ω.
FIG. 7 is a graph showing a change characteristic of a second-order differential value of the optical path length (optical path difference) of the first light flux with respect to the rotation axis rotation angle ω with respect to the light receiving surface inclination angle θ.
FIG. 8 is a graph showing a change characteristic of an optical path difference with respect to a rotation axis rotation angle ω in a conventional rotary interferometer.
FIG. 9 is a schematic diagram of a conventional Fourier transform spectroscopic device in which an optical path difference is changed by linearly moving a movable mirror.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Infrared light source, 2 ... Aperture, 3 ... 1st lens, 4 ... 1st reflective mirror, 5 ... Pinhole, 6 ... 2nd lens, 7 ... Beam splitter, 8 ... Phase rotating plate apparatus, 9 ... 1st Fixed mirror, 10 ... 2nd fixed mirror, 11 ... 3rd lens, 12 ... 2nd reflective mirror, 13 ... Sample, 14 ... 4th lens, 15 ... Optical sensor, 16 ... 1st hole part, 17 ... Laser light source, DESCRIPTION OF SYMBOLS 18 ... 2nd hole part, 19 ... Laser beam sensor, 21 ... Phase rotating plate, 22 ... Bearing, 23 ... Mounting member, 24 ... Base, 25 ... 1st pulley, 26 ... Motor, 27 ... 2nd pulley, 28 ... Belt, 29 ... phase rotating plate holding member.

Claims

The original light beam whose spectrum is to be measured is divided into a first light beam traveling toward the first reflecting mirror and a second light beam traveling toward the second reflecting mirror, while the first light beam reflected by the first reflecting mirror is divided. A beam splitter that receives the light beam and the second light beam reflected by the second reflecting mirror, causes the light beams to travel in the same direction, and interferes with each other to generate interference light;
Interference light intensity measuring means for measuring the intensity of the interference light;
It is disposed between the beam splitter and the first reflecting mirror, is formed of a material that refracts and transmits the first light beam, rotates around the rotation axis, and corresponds to the rotation angle of the first light beam. A phase rotation plate that changes the optical path length of the first light flux by changing the incident angle ;
Optical path difference measuring means for measuring the optical path difference between the first light flux and the second light flux;
An interferogram is created based on the intensity of the interference light measured by the interference light intensity measuring means and the optical path difference measured by the optical path difference measuring means, and the spectrum of the original light beam is obtained by inverse Fourier transform of the interferogram. A rotational interferometer provided with a spectrum calculating means for calculating,
While the rotation axis mounting angle φ defined by the angle formed by the axis of the rotation axis of the phase rotation plate and the normal line of the light receiving surface of the phase rotation plate is set to a value within a range greater than 0 ° and less than 90 ° ,
A rotary interferometer, characterized in that a rotation axis arrangement angle ψ defined by an angle formed by an axis of a rotation axis of a phase rotation plate and a traveling direction of a first light beam is set to 90 °.

The rotating shaft mounting angle φ is not set to a value within a range larger than 0 ° and smaller than 90 °, but set to 90 °,
2. The rotation according to claim 1, wherein the rotation axis arrangement angle ψ is not set to 90 ° but is set to a value within a range larger than 0 ° and smaller than 90 °. Type interferometer.

The original light beam whose spectrum is to be measured is divided into a first light beam traveling toward the first reflecting mirror and a second light beam traveling toward the second reflecting mirror, while the first light beam reflected by the first reflecting mirror is reflected. A beam splitter that receives the light beam and the second light beam reflected by the second reflecting mirror, causes the light beams to travel in the same direction, and interferes with each other to generate interference light;
Interference light intensity measuring means for measuring the intensity of the interference light;
It is disposed between the beam splitter and the first reflecting mirror, is formed of a material that refracts and transmits the first light beam, rotates around the rotation axis, and corresponds to the rotation angle of the first light beam. A phase rotation plate that changes the optical path length of the first light flux by changing the incident angle;
Optical path difference measuring means for measuring an optical path difference between the first light flux and the second light flux;
An interferogram is created based on the interference light intensity measured by the interference light intensity measurement means and the optical path difference measured by the optical path difference measurement means, and the spectrum of the original light beam is obtained by performing Fourier inverse transform on the interferogram. A rotational interferometer provided with a spectrum calculating means for calculating,
While the rotation axis mounting angle φ defined by the angle formed by the axis of the rotation axis of the phase rotation plate and the normal line of the light receiving surface of the phase rotation plate is set to a value within a range greater than 0 ° and less than 90 ° ,
The rotation axis arrangement angle ψ defined by the angle formed by the axis of the rotation axis of the phase rotation plate and the traveling direction of the first light beam is set to a value within a range greater than 0 ° and less than (90 ° −φ). rotation type interferometer shall be the features that you are.

4. The rotary interferometer according to claim 3, wherein the rotary shaft mounting angle φ and the rotary shaft arrangement angle ψ are set to different values.

When the phase rotating plate rotates at a constant angular velocity, the light receiving surface tilt angle θ defined by the angle formed by the normal of the light receiving surface of the phase rotating plate and the traveling direction of the first light flux is 0 ° to 90 °. The second-order differential value obtained by second-order differentiation of the optical path length of the first light flux with the rotation axis rotation angle ω is within the range of the rotation axis rotation angle ω in which the interferogram is created. 5. The rotation according to claim 1, wherein the rotation shaft mounting angle φ and the rotation shaft arrangement angle ψ are set so that the rotation angle is substantially zero. Type interferometer.

The rotation axis mounting angle φ and the rotation axis arrangement angle ψ are set so that the rotation axis rotation angle ω at which the secondary differential value is completely zero corresponds to the center burst of the interferogram. The rotary interferometer according to claim 5.

When the light receiving surface inclination angle θ coincides with the beam splitter inclination angle defined by the angle formed by the normal of the light receiving surface of the beam splitter and the traveling direction of the first light beam, the second derivative is completely zero. The rotary interferometer according to claim 5 or 6, characterized in that a rotary shaft mounting angle φ and a rotary shaft arrangement angle ψ are set.