JP3805787B2 - 干渉計及びフーリエ変換分光計 - Google Patents

Description

発明の技術分野
本発明は、入射ビームから第１及び第２のビームを形成するビームスプリッタと、第１及び第２のビームを夫々受光し且つこれら第１及び第２のビームを再びビームスプリッタに向けて反射する第１及び第２の反射器とを備えた干渉計に関する。
また、本発明は、フーリエ変換分光計にも関係している。
発明の技術背景
マイケルソン干渉計は、必須の構成要件として、ビームスプリッタと第１及び第２のミラーとを備えており、一般的な干渉計の一例となっている。このようなマイケルソン干渉計において、ビームスプリッタに入射した入射ビームは、その一部のビームがビームスプリッタから反射して第１のミラー方向に進み、残りのビームがビームスプリッタを透過して第２のミラー方向に進む。第１及び第２のミラーは、夫々のビームを再びビームスプリッタ方向へ反射するように構成されており、これら第１及び第２のミラーによって再びビームスプリッタへ反射された夫々のビームは、ビームスプリッタによって単一ビームに重ね合わされ、検出器に照射される。この場合、ビームスプリッタと対応する各ミラーとの間の距離変化に応じて、上記夫々のビームの間に、整った又は壊れた干渉が生じる。そして、このような干渉は、検出器の補助素子に記録することが可能である。
例えば、マイケルソン型の干渉計は、広帯域光源からの光のスペクトルを決定するために、フーリエ変換分光計に用いることが可能である。一般的なフーリエ変換分光計では、ビームスプリッタから直線上に離間して配置された１つのミラーを走査ミラーとして機能させることによって、検出器上の干渉パターンを連続的に変化させている。このような方法において、インターフェログラムを検出器によって記録することが可能である。そして、フーリエ変換することによって、入射光のスペクトルを決定することができる。
一般的な干渉計の不利な点としては、使用上適当な干渉パターンを得る場合、光学部品を互いに正確に位置決めしなければならない点にある。
マイケルソン干渉計において、ビームスプリッタは、入射ビームの入射角度が４５°になるように配置されている。更に、第１及び第２のミラーは、直交しており、ビームスプリッタにより分割された第１及び第２のビームは、第１及び第２のミラーに対して垂直に照射される。例えばビームが垂直に照射されない状態に１つのミラーが変位されていた場合、干渉パターンの縞密度は、大きくなる。そして、このような変位がかなり大きくなっている場合には、密度が極めて高くなるため、縞を観察することができなくなる。
フーリエ変換分光計では、走査ミラーが線形状に変位している間、光学部品を正確に位置決めさせておく必要がある。
このような変位状態において要求される高い位置決め精度を低く抑えるためには、既知の方法によって走査ミラーの代わりに再帰反射器を配置させることが好ましい。しかしながら、再帰反射器は、高価であると共に、製品自体に生じ得る種々の角度誤差、或いは、温度変化やエージング（枯化）等に起因した種々の角度誤差を補正することが不可能である。
光学部品の正確な位置決め状態を維持するためには、上記２つのビームを再びビームスプリッタに反射し且つ回転自在の素子例えば回転式エタロンによってその１つのビームの光路長を変化させるように固定されたミラーを用いることが知られている。文献ＥＰ０４９１４３５に開示された干渉計は、互いに平行に対向した２つのミラーを備えており、これらミラーは、その１つの固定ミラーまでの光路長を変化させるように、回転するようになっている。しかしながら、このような技術には、以下のような不利な点が存在する。即ち、夫々のビームが固定ミラーの面を横切って進む関係上、その技術について極めて高い質を要求される。更に、光路長は、僅かな範囲でしか変化させることができない。
また、上記文献には、上述した原理を改良して、２つのビームの間の光路長の変化を大きくする技術例が示されている。また、例えば文献ＦＰ０３１４１０３及び文献ＵＳ５０６６９９０には、２重振子の夫々のアームに再帰反射器を備えた回転素子が示されている。このような２重振子を揺動させることによって、一方のビームの光路長が減少し、他方のビームの光路長が増加する。しかしながら、再帰反射器に関係する不利な点については、依然として解消されずに残されたままである。
また、文献ＵＳ５１５９４０５及び文献５１５０１７２には、平行に配置された２つの平行ミラーから成る回転素子が示されており、これら２つの平行ミラーの間において、２つのビームは、複数回反射することになる。この場合、２つのミラーが回転すると、一方のビームの光路長が長くなり、他方のビームの光路長が短くなる。しかしながら、各ミラーを横切って進む夫々のビームについての不利な点については、依然として解消されずに残されたままである。
発明の概要
本発明の目的は、走査光学部品の変位誤差に対して適当な許容範囲を有しており、夫々のビーム間の光路差が変化した際に各ビームが走査光学部品を横切って進むことの無いコンパクトな干渉計を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、コンパクトなフーリエ変換分光計を提供することにある。
このような目的は、添付の請求の範囲第８項に記載した特徴を有するフーリエ変換分光計のみならず、添付の請求の範囲第１項に記載した特徴を有する干渉計によって達成される。
本発明の干渉計は、光路差が変化するように、第１及び第２のビームを再びビームスプリッタに反射する反射器を線形状に変位させるという原理に基づいて構成されている。この方法において、全ての走査が行われている間、２つのビームは、検出器の同一点に照射される。この場合、２つの反射器が同時に線形状に変位するため、光路差の変化と夫々のミラーの変位との割合は、４対１となる。これは、干渉計のコンパクト化を維持させながら、なかなり大きな光路差を実現できることを意味している。また、本発明の干渉計は、ビームスプリッタと第１及び第２の反射器との間を進む第１及び第２のビームの光路内に第３及び第４の反射器を備えている。これら第３及び第４の反射器は、ビームスプリッタと同様に、直交して配置されている。具体的には、ビームスプリッタの垂直方向、第３及び第４の反射器の垂直方向は、直交している。この結果、本発明の干渉計は、３次元形状を成していることになる。また、第３及び第４の反射器は、第１及び第２の反射器の線形変位の種々の誤差を補正するようになっており、第３の反射器は、一方向の誤差を補正し、一方、第４の反射器は、一方向に直交する他方向の誤差を補正する。このような補正によれば、第１及び第２の反射器は、安定した状態で相互に連結されることになる。この結果、上記線形状の変位が不完全であったときには、２つの反射器上に同一の効果となって現われる。従って、本発明の干渉計によれば、上記の各ビームは、数回程度反射され、また、夫々のビームの光路も短くなるといった利点が実現される。
なお、本発明の実施の形態については、添付図面を参照して詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
第１図，第２図及び第３図は、本発明の第１の実施の形態に係る干渉計の構成を３つの異なる直交方向から投影して示す図である。
第４図は、本発明の第２の実施の形態に係る干渉計の構成を投影して示す図である。
第５図は、本発明の第３の実施の形態に係る干渉計の構成を投影して示す図である。
発明の実施の形態
第１図〜第３図には、本発明の第１の実施の形態に係る干渉計の構成が３次元投影して示されており、この干渉計は、ビームスプリッタＢＳと、第１〜第４の平面ミラーＭ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４とを備えている。
第１及び第２の平面ミラーＭ１，Ｍ２は、平行且つ対向して配置されている。これら平面ミラーは、干渉計の走査ミラーとして構成されており、その端部には、ボールベアリング内に装着され且つ線形状に変位可能な摺動部材（図示しない）が設けられている。このような構成によれば、後述から明らかなように、完全な線形状の変位からある程度のずれた場合でも許容できるようになっている。
第３及び第４の平面ミラーＭ３，Ｍ４は、干渉計の補正ミラーとして構成されている。第３の平面ミラーＭ３は、ビームスプリッタＢＳと第１の平面ミラーＭ１との間の光路上に配置されており、同様に、第４の平面ミラーＭ４は、ビームスプリッタＢＳと第２の平面ミラーＭ２との間の光路上に配置されている。第３及び第４の平面ミラーＭ３と，Ｍ４と、ビームスプリッタＢＳとは、互いに直交している。
全ての図面に示す平面ミラーには、各平面ミラーの像相互の比較を容易にすると共に線形移動における不規則性を示すように、矢印が付加されている。
以下、本実施の形態の干渉計の動作について説明する。
光源（図示しない）からビームスプリッタＢＳに入射した入射ビームＢｉｎは、その一部がビームスプリッタＢＳから反射し、残りがビームスプリッタＢＳを透過する。このとき、ビームスプリッタＢＳは、入射ビームから第１のビームＢ１と第２のビームＢ２を形成することになる。
第１のビームＢ１は、第３の平面ミラーＭ３に照射され、この第３の平面ミラーＭ３から第１の平面ミラーＭ１に反射される。この後、第１のビームは、第３の平面ミラーＭ３を介してビームスプリッタＢＳに戻る。
第２のビームＢ２は、第４の平面ミラーＭ４に照射され、この第４の平面ミラーＭ４から第２の平面ミラーＭ２に反射される。この後、第２のビームは、第４の平面ミラーＭ４を介してビームスプリッタＢＳに戻る。
そして、第１及び第２のビームＢ１，Ｂ２は、ビームスプリッタＢＳによって重ね合わされて射出ビームＢｕｔとなる。
第１図及び第３図に示すように、ビームスプリッタＢＳは、第４の平面ミラーＭ４に映った第２の平面ミラーＭ２の像に第１の平面ミラーＭ１の像を重ね合わせる。この場合、Ｍ１′_ＢＳは、ビームスプリッタＢＳに映った第１の平面ミラーＭ１の像を示し、Ｍ２′_Ｍ４は、第４の平面ミラーＭ４に映った第２の平面ミラーＭ２の像を示す。
第１及び第２の平面ミラーＭ１，Ｍ２が装着されている摺動部材に僅かな位置決め誤差が有る場合、又は、摺動部材の位置が線形の変位状態に対して変化した場合、第１及び第２のビームＢ１，Ｂ２は、各平面ミラーに対して垂直方向に照射されない。このとき、第４の平面ミラーＭ４は、Ｙ−Ｚ平面内の種々のずれを補正することになり、また、第３の平面ミラーＭ３は、Ｘ−Ｙ平面内の種々のずれを補正することになる。
Ｚ−Ｙ平面内において、摺動部材を移動させることによって、第１の平面ミラーＭ１を第１図の矢印方向に変位させると、第２の平面ミラーＭ２は、Ｚ−Ｙ平面内を第１図の矢印方向に変位する。このとき、ミラー像Ｍ１′_ＢＳ及びＭ２′_Ｍ４は、共に、ミラー像内の矢印で示す方向に変位する。この結果、これらミラー像は、一致した状態を維持する。このように、ビームスプリッタＢＳによって互いに重ね合わされた２つのビームＢ１，Ｂ２は、角度誤差があったとしても、常に一致することになる。
第１及び第２の平面ミラーＭ１，Ｍ２がＸ−Ｙ平面内で変位した場合、ミラー像Ｍ１′_ＢＳ及びＭ２′_Ｍ４が一致し且つビームスプリッタＢＳから射出した第１及び第２のビームＢ１，Ｂ２が平行になるように、第３の平面ミラーＭ３は、同様に、その変位を補正する。
ビームスプリッタＢＳと第３及び第４の平面ミラーＭ３，Ｍ４とが直交し、第１及び第２の平面ミラーＭ１，Ｍ２が平行且つ対向配置されるといった要求に対応する構成は多数あるが、以下、その例を挙げる。
例 １
以下の例において、

垂直方向成分を示す。

入射ビームＢｉｎは、

に沿って到達する。
射出ビームＢｕｔは、

に沿って射出される。
ビームスプリッタＢＳに入射する角度、第１及び第３の平面ミラーＭ１，Ｍ３に入射する角度は、ほぼ５５°であり、また、第２及び第４の平面ミラーＭ２，Ｍ４に入射する角度は、９０°である。
各ビームは、空間立方体の各対角線に平行となっている。
例 ２

入射ビームＢｉｎは、

に沿って到達する。
射出ビームＢｕｔは、

に沿って射出される。
ビームスプリッタＢＳに入射する角度は、ほぼ３５°であり、第１及び第３の平面ミラーＭ１，Ｍ３に入射する角度は、ほぼ６６°である。また、第２及び第４の平面ミラーＭ２，Ｍ４に入射する角度は、９０°である。
第４図には、本発明の第２の実施の形態に係る干渉計の構成が示されている。本実施の形態において、ビームスプリッタＢＳと４つの平面ミラーＭ１〜Ｍ４とが第１の実施の形態と同様である。しかしながら、本実施の形態には、更に、第５及び第６の平面ミラーＭ５，Ｍ６が設けられており、これら平面ミラーは、ビームスプリッタＢＳと平行に配置されている。第５の平面ミラーＭ５は、ビームスプリッタＢＳと第３の平面ミラーＭ３との間の第１のビームＢ１の光路上に配置されており、第６の平面ミラーＭ６は、ビームスプリッタＢＳと第４の平面ミラーＭ４との間の第２のビームＢ２の光路上に配置されている。
本実施の形態において、干渉計の更なるコンパクト化を実現することができるように、走査ミラーＭ１，Ｍ２は、第１の実施の形態よりも僅かに互いに接近して配置されている。しかしながら、本実施の形態では、第１の実施の形態よりも更に２つのミラーが必要となる。
第５図には、本発明の第３の実施の形態に係る干渉計の構成が示されており、第２の実施の形態と同様の構成を有しているが、第５の平面ミラーＭ５は、第１の平面ミラーＭ１と第３の平面ミラーＭ３との間の光路上に配置されており、第６の平面ミラーＭ６は、第２の平面ミラーＭ２と第４の平面ミラーＭ４との間の光路上に配置されている。
第２及び第３の実施の形態の動作は、第１の実施の形態と同様である。
本発明の干渉計の利点としては、フーリエ変換分光計に用いられる点であり、フーリエ変換分光計をコンパクトに且つ低価格に製造することが可能である。
なお、本発明は、上述した各実施の形態の構成に限定されることはなく、請求の範囲内において種々変更することが可能である。例えば、第１及び第２の平面ミラーＭ１，Ｍ２の代わりに、再帰反射器のような他の反射器を用いても良い。

Claims (8)

1. 入射ビーム（Ｂｉｎ）から第１及び第２のビーム（Ｂ１，Ｂ２）を形成するビームスプリッタ（ＢＳ）と、前記第１のビーム（Ｂ１）を受けてこのビームを前記ビームスプリッタ方向に反射する第１の反射器（Ｍ１）と、前記第２のビームを受けてこのビームを前記ビームスプリッタ方向に反射する第２の反射器（Ｍ２）と、を備えた干渉計であって、
   前記第１及び第２の反射器（Ｍ１，Ｍ２）は、前記第１のビームと前記第２のビームとの光路差を変化させるように、互いに一定状態に連結され且つ線形状に変位するように構成されており、
   更に、前記干渉計には、前記ビームスプリッタ（ＢＳ）と第１の反射器（Ｍ１）との間の第１のビーム（Ｂ１）の光路上に配置された第３の反射器（Ｍ３）と、ビームスプリッタ（ＢＳ）と第２の反射器（Ｍ２）との間の第２のビーム（Ｂ２）の光路上に配置された第４の反射器（Ｍ４）とが設けられており、
   ビームスプリッタ（ＢＳ）と、第３の反射器（Ｍ３）と、第４の反射器（Ｍ４）とは、互いに直交していることを特徴とする干渉計。
2. 前記第１のビーム（Ｂ１）の光路上には第５の反射器（Ｍ５）が、前記第２のビーム（Ｂ２）の光路上には、第６の反射器（Ｍ６）が、夫々配置されていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の干渉計。
3. 第５及び第６の反射器（Ｍ５，Ｍ６）は、ビームスプリッタ（ＢＳ）と夫々対応する第３及び第４の反射器（Ｍ３，Ｍ４）との間に配置されていることを特徴とする請求の範囲第２項に記載の干渉計。
4. 第５及び第６の反射器（Ｍ５，Ｍ６）は、第１及び第３の反射器（Ｍ１，Ｍ３）の間、及び、第２及び第４の反射器（Ｍ２，Ｍ４）の間に夫々配置されていることを特徴とする請求の範囲第２項に記載の干渉計。
5. 第３及び第４の反射器（Ｍ３，Ｍ４）は、平面ミラーであることを特徴とする請求の範囲第１項〜第４項のいずれか１に記載の干渉計。
6. 第１及び第２の反射器（Ｍ１，Ｍ２）は、平面ミラーであることを特徴とする請求の範囲第１項〜第５項のいずれか１に記載の干渉計。
7. 第５及び第６の反射器（Ｍ５，Ｍ６）は、平面ミラーであることを特徴とする請求の範囲第２項〜第６項のいずれか１に記載の干渉計。
8. 請求の範囲第１項〜第７項のいずれか１に記載の干渉計を備えたフーリエ変換分光計。

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