JP3878685B2

JP3878685B2 - 干渉計および干渉計の位置合わせ方法

Info

Publication number: JP3878685B2
Application number: JP04647796A
Authority: JP
Inventors: ジョンカトラーデイヴィッド
Original assignee: パーキン−エルマーリミテッド
Priority date: 1995-03-03
Filing date: 1996-03-04
Publication date: 2007-02-07
Anticipated expiration: 2016-03-04
Also published as: EP0731334B1; JPH08334308A; DE69515021D1; DE69515021T2; US5825491A; EP0731334A1

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本願発明は干渉計、特に分割ビーム型の干渉計に関する。本願発明は特に、前記干渉計の位置合わせに関する。
【０００２】
【従来の技術】
干渉計としてはマイケルソン型が知られている。この型の干渉計においては、適当な光源からの放射光が、通常この放射光の光路上におよそ４５゜の角度で置かれたビームスプリッタに向けられる。ビームスプリッタは入射ビームを２つのビームに形成し、これらビームは実質的に等しい光路長を持つ光路に沿って進行する。それぞれの光路には放射光を反射するためのミラーがあり、それによって放射光はビームスプリッタへ戻され、そこでビームは再び重ね合わされて適当な検出器へと進む。
【０００３】
そのような干渉計では、多くの場合それぞれの光路長間に差をもたらす手段が光路の１つに設けられており、それぞれの光路を進行する放射光が、再び重ね合わせられるまでにお互いにわずかに異なる距離を進行するようになっている。これは例えば、ミラーの１つを並進可能、あるいは回転式の平行ミラー対を用いる場合には回転可能にすることにより達成できる。
【０００４】
検出器が受け取る信号は導入した光路差の関数として変化し、干渉写真を生ずる。干渉写真は例えば、分光光度計とともにフーリエ分光法において用いられる。このような構成の詳細は本願を理解する上で不可欠とは思われないためここでは省略するが、一例として米国特許４６８４２５５を挙げておく。
【０００５】
上記のような構成を持つ干渉計では、ミラーの位置ずれにより２つの分割ビームがビームスプリッタ上の正しい位置、角度で重なり合わなくなるという問題がある。これは、数時間の間にわたって徐々に起こる機械的および熱の影響によるものである。
【０００６】
従来の干渉計では、操作者に位置合わせ操作手段を付与し、例えばミラーを傾ける等の適当な調節を行うことが公知である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、干渉計の改善された位置合わせ方法および改善された位置合わせ方法を適用した干渉計を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の干渉計についての課題は、本願発明の請求項１により、干渉計において、到来する放射ビームを分割して、第１の部分が第１の光路に沿って伝搬し、第２の部分が第２の光路に沿って伝搬するように配設したビームスプリッタと、上記の放射の第１の部分を上記ビームスプリッタに向かって反射して戻すリフレクタと、上記の放射の第２の部分を上記ビームスプリッタに向かって反射して戻す可調節リフレクタとを有しており、ここでこの可調節リフレクタは、上記の入射ビームに対して垂直な少なくとも２つの方向パスにて調節可能であり、さらに上記の干渉計は、上記の第１および第２の光路間の光路差を変化させるための手段と、上記のビームスプリッタからの合成されたビームを受光する検出器と、上記の可調節リフレクタを周期的に調節する制御手段とを有しており、この制御手段により、上記の可調節リフレクタが段階的に移動されて、上記の少なくとも第１の垂直な方向パスにて複数の位置および上記の少なくとも第２の垂直な方向パスにて複数の位置をとり、ここで少なくとも上記の第１の垂直な方向パスの複数の位置には上記可調節リフレクタの少なくとも１つの位置ずれの位置が含まれ、少なくとも上記の第２の垂直な方向パスの複数の位置には上記可調節リフレクタの少なくとも１つの位置ずれの位置が含まれており、上記干渉計はさらに、上記の各位置にてスペクトルを記録し処理することによってこされらのスペクトルから一連の数を得る制御手段を有しており、ここでこれらの数を組み合わさせることにより、干渉計を正しく位置合わせするために必要とされる、上記の可調節リフレクタの調節量を示すデータを得られ、さらにこの制御手段により、これらのデータから計算された最終位置に前記の可調節リフレクタを移動することを特徴とする干渉計を構成することによって解決される。また上記の干渉計の操作方法についての課題は、本願発明の請求項８により、上記の構成を有する干渉計の操作方法において、可調節リフレクタを段階的に移動させて、上記の少なくとも第１の垂直な方向パスにて複数の位置および上記の少なくとも第２の垂直な方向パスにおける複数の位置をとらせ、これらの各位置においてスペクトルを記録し処理することによってこれらスペクトルから一連の数を得、これらの数を組み合わせることにより、干渉計を正しく位置合わせするために必要とされる、可調節リフレクタの調節量を示すデータを得て、さらに、これらのデータから計算された最終位置に上記の可調節リフレクタを移動することを特徴とする、干渉計の操作方法によって解決される。
【０００９】
本願発明による干渉計は、上記の可調節リフレクタを前記の垂直な方向パスにおいて移動することにより、って当該の可調節リフレクタを傾ける手段を具備することができる。上記の光路差を変化させる手段は、回転式ミラー対により構成することができる。干渉計はマイケルソン型とすることができる。本願発明の１つの態様においては、制御手段によって得られる数はI_０，０ _, I_ｐ，０, I_ｍ，０, I_０，ｐ, I_０，ｍのように表すことができる。ここでＩ _０，０は、上記の可調節リフレクタの初期位置において制御手段によって得られる数であり、Ｉ _ｐ，０は、上記の第１の垂直な方向パスに沿って初期位置からΔＮだけ移動した第２の位置において制御手段によって得られる数であり、Ｉ _ｍ，０は、第１の垂直な方向パスに沿って第２の位置から−２ΔＮだけ移動した第３の位置において制御手段によって得られる数であり、Ｉ _０，ｐは、上記の第２の垂直な方向パスに沿って初期位置からΔＮだけ移動した第４の位置において制御手段によって得られる数であり、またＩ _０，ｍは、第２の垂直な方向パスに沿って第 4 の位置から−２ΔＮだけ移動した第５の位置にて制御手段によって得られる数である。これらの数を以下の式
【００１０】
【数３】

【００１１】
に従って組み合わせることができ、ここでΔ_１，Δ_２は位置合わせに必要な可調節リフレクタの移動量である。可調節リフレクタは制御手段により制御される２つのモータで調節することができる。上記の等式による場合、入射ビーム方向に対して直交方向に移動することによって可調節リフレクタは傾けることができなければならない。
【００１２】
本願発明による位置合わせ法の顕著な特徴は制御手段により個別の数が発生され、それらが位置合わせ基準の評価に用いられるということである。
【００１３】
【実施例】
以下に、本願発明を付随の図面を参照しながら単なる例示として説明する。
【００１４】
図１に示す干渉計は略図である。干渉計を構成する様々な要素は当業者には明らかであり、この図は当該技術において公知である各要素の動作の詳細を伝えようとするものではない。図１は本願発明の主題である位置合わせ技術を例示するためのものであり、当業者であれば公知の干渉計においてこの技術を実施するに十分なものであると察せられる。図１において、可視光またはそれに近い、例えば赤外線の放射源（１０）により放射ビームが出され、ミラー（Ｍ１)およびビームスプリッタ（１２）へと向けられる。入射ビームはビームスプリッタにより２つの部分ビームに分割され、一方はミラー（Ｍ２，Ｍ３）を介して可調節リフレクタ（Ｍ６）へと進み、もう一方はミラー（Ｍ４，Ｍ５）を介してリフレクタ（Ｍ７）へと進む。ミラーＭ２／Ｍ３とＭ４／Ｍ５とは回転平行対を形成し、それによって部分ビーム間の光路長を変化させることができる。リフレクタ（Ｍ７）は固定ミラーであり、一方、可調節リフレクタ（Ｍ６）は、可動ミラーである。可調節リフレクタ（Ｍ６）は２つのモータのうち１つあるいは両方により、入射ビームに対して直交方向に動かして傾けることができる。これらのモータは制御ユニット（１８）により制御される。それぞれのビームはリフレクタ（Ｍ６，Ｍ７）により反射され入射経路を通ってビームスプリッタへと戻り、そこで重ね合わされた後、ミラー（Ｍ８）を介して検出器（２０）へ到達する。
【００１５】
干渉計を使用すると通常、検出器（２０）において干渉写真が得られることが当業者には明らかである。その場合、ビームスプリッタ（１２）により作られる部分ビーム間の光路差を、例えば平行対Ｍ２／Ｍ３およびＭ４／Ｍ５を回転させることにより変化させるのが一般的である。干渉写真は例えばIR-FT分光法においてIR分光測光器とともに用いることができる。そうした方法の詳細はここでは触れないが、たとえば米国特許４６８４２５５に詳述されている。
【００１６】
干渉計の動作において、ミラー、特にリフレクタ（Ｍ６，Ｍ７）が正しく位置決めされていることが非常に重要である。なぜなら、もしこれが正しくないと、ビームスプリッタ（１２）へ戻るビームが正しく重なり合わないからである。干渉計の動作中に起こる位置ずれは機械的および熱による影響によるものであり、この位置ずれは何時間にもわたって徐々に現れてくる。
【００１７】
本構成において、制御手段（１８）は随時自動的に位置合わせ法を実行するよう構成された処理機能を具備する。この方法において傾斜可能な可調節リフレクタ（Ｍ６）は、特に入射ビームに対して直交する２つの方向パスにおいて微少量傾けられ、単一ビームスペクトルが可調節リフレクタの様々な角度において検知器（２０）により記録される。スペクトルの１つは可調節リフレクタ（Ｍ６）の初期位置において得られる。
【００１８】
こうして得られたスペクトルには関数f(υ￣)が掛け合わされる。この関数は、波長により位置ずれに対する感度が異なることを考慮するためのものである。スペクトルはまた、ある特定の波長における読み取り値の信頼性を考慮するための関数g(υ￣)ならびに標準となる単一ビームスペクトルによって除算される。そうして得られたそれぞれのスペクトルを合計して単一の数を得るが、本位置決め技術において５つのこうした数を得る。すなわち、I_０，０, I_ｐ，０, I_ｍ，０, I_０，ｐ, I_０，ｍである。
【００１９】
これらの数を以下のように組み合わせ、必要とされる位置決め基準を求める。
【００２０】
【数４】

【００２１】
上記の等式Δ_１・Δ_２はモータ（１４、１６）による可調節リフレクタ（Ｍ６）の傾斜量を表し、ΔＮは干渉計に位置ずれ生じさせるためのモータの動作量である。
【００２２】
これらの数を組み合わせる別のやり方を以下に示す。
【００２３】
【数５】

【００２４】
上記の等式は以下の条件に基づいている。
【００２５】
１）位置ずれを生じさせるためにモータ（１４）及び（１６）は同量だけ動かす。
【００２６】
２）これらモータは直交方向に動作させる。
【００２７】
３）位置ずれは動作量に対して２次関数的に変化するものとする。
【００２８】
制御手段（１８）がこの位置合わせ操作を自動的に所定の間隔で実行する。よって、装置を位置合わせするために操作者の手を煩わせる必要がない。関数f(υ￣)は単一ビームスペクトルを波長に依存して重み付けするための関数である。
【００２９】
【数６】

【００３０】
そのような関数の一例として
【００３１】
【数７】

【００３２】
がある。
【００３３】
この関数により、波長が短く（高υ￣）なるにつれて装置の位置ずれに対する感度が高くなるという点が考慮される。このことはυ￣に対するf(υ￣)を図示した図３に示されている。大気等の干渉のため信頼できない縦座標目盛り（図３の陰影を付した部分ー）におけるスペクトル領域に関しては、関数を零に設定して影響を最小限にすることもできる。
【００３４】
関数g(υ￣)は単一ビームスペクトルをその変数（または基準偏差）に関して重み付けを取り除くためのものである。この関数が図示された形（図４参照）をとるのは単一ビームは概して高υ￣においては低エネルギすなわち高い不安定性を有するからである。関数の具体的な形は器具により異なるが、基本的には同一である。
【００３５】
図２は位置合わせを実行する際に制御手段（１８）が経る各ステップを示している。
【００３６】
第１ステップに引き続いて、単一ビームスペクトルを記録し、関数f(υ￣)を乗じ、そして関数g(υ￣)で除する。そうして得られた結果は重み付け関数として記憶され単一ビームと掛け合わされ合計されて数I_０，０を得る。スペクトルを表すデータが複素数を含むことが明らかであろう。合計の出し方は色々ある。位相補正されたスペクトルを使えば個々の数の虚数部を能率的に消去することができる。実数部と虚数部を別々に合計、すなわち複素スペクトルを補正しないで合計する方法もある。次のステップではモータ（１４）に対してΔＮだけ動くよう指示する。そして新たな単一ビームスペクトルが記録され、重み付け関数と掛け合わされ、合計された後、数I_ｐ０を得る。次のステップにおいてモータ（１４）に対して−２ΔＮだけ動くよう指示し、さらに別のスペクトルが記録され重み付け関数と掛け合わされ、合計された後数I_ｍ０を得る。次のステップでモータ（１４）をΔＮ、モータ（１６）をΔＮだけそれぞれ動かし、あらたに単一ビームスペクトルを記録し、重み付け関数と掛け合わせ、合計して数I_０ｐを得る。そしてモータ（１６）は−２ΔＮだけ動くよう指示され、新たなビームスペクトルが記録され重み付け関数と掛け合わされて、合計されてI_０ｍを得る。そしてモータ（１４）にΔＮだけ動くよう指示した後、制御手段が上記の等式に従ってΔ_１・Δ_２を計算する。最後に制御手段（１８）はモータ（１４）に対してΔ_１、モータ（１６）に対してΔ_２だけ動くよう指示し可調節リフレクタの位置合わせを行う。
【００３７】
制御手段（１８）をプログラムすることにより位置合わせ操作を所定の間隔で開始させることができる。
【００３８】
明細書中において“υ￣”は
【００３９】
【数８】

【００４０】
を意味する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の位置合わせ機能を具備した干渉計の略図である。
【図２】位置合わせ操作中に図１の干渉計の制御手段により実行される各ステップを図示した系統線図である。
【図３】位置合わせ機能の操作中に適用することのできる重み付け関数を示したグラフである。
【図４】位置合わせ機能の操作中に適用することのできる重み付け関数を示したグラフである。
【符号の説明】
１０光源
１２ビームスプリッタ
１４、１６モータ
１８制御ユニット
２０検出器
Ｍ２〜Ｍ５ミラー
Ｍ６可調節リフレクタ
Ｍ７リフレクタ

Claims

干渉計において、
到来する放射ビームを分割して、第１の部分が第１の光路に沿って伝搬し、第２の部分が第２の光路に沿って伝搬するように配設したビームスプリッタと、
前記の放射の第１の部分を前記ビームスプリッタに向かって反射して戻すリフレクタと、
前記の放射の第２の部分を前記ビームスプリッタに向かって反射して戻す可調節リフレクタとを有しており、ここで当該の可調節リフレクタは、前記の入射ビームに対して垂直な少なくとも２つの方向パスにて調整可能であり、
さらに前記干渉計は、
前記の第１および第２の光路間の光路差を変化させるための手段と、
前記のビームスプリッタからの重ね合わされたビームを受光する検出器と、
前記の可調節リフレクタを周期的に調整する制御手段とを有しており、
該制御手段により、前記の可調節リフレクタが段階的に移動されて、少なくとも前記の第１の垂直な方向パスにて複数の位置および少なくとも前記の第２の垂直な方向パスにて複数の位置をとり、ここで少なくとも前記の第１の垂直な方向パスの複数の位置には前記可調節リフレクタの少なくとも１つの位置ずれの位置が含まれ、少なくとも前記の第２の垂直な方向パスの複数の位置には前記可調節リフレクタの少なくとも１つの位置ずれの位置が含まれており、
前記干渉計はさらに、前記の各位置にてスペクトルを記録し処理することによって当該スペクトルから一連の数を得る制御手段を有しており、ここで当該数を組み合わせることにより、干渉計を正しく位置合わせするために必要とされる、前記の可調節リフレクタの調節量を示すデータが得られ、
さらに当該制御手段により、当該データから計算された最終位置に前記の可調節リフレクタが移動されることを特徴とする
干渉計。
前記の可調節リフレクタを前記の垂直な方向パスにて移動することにより、当該の可調節リフレクタを傾ける手段を具備した、
請求項１記載の干渉計。
前記の光路差を変化させる手段は、回転式ミラー対を有する、
請求項１または２記載の干渉計。
前記干渉計はマイケルソン型である、
請求項１から３までのいずれか１項記載の干渉計。
前記の可調節リフレクタは、２つのモータのうちの１つまたは両方により調節可能である、
請求項１から４までのいずれか１項記載の干渉計。
前記の可調節リフレクタを移動して正しい位置合わせを得るための量（Δ _１，Δ _２）は、

にしたがって組み合わされ、ここで
Ｉ _０，０は、前記の可調節リフレクタの初期位置にて前記制御手段によって得られる数であり、
Ｉ _ｐ，０は、前記の第１の垂直な方向パスに沿って初期位置からΔＮだけ移動した第２の位置にて前記制御手段によって得られる数であり、
Ｉ _ｍ，０は、前記の第１の垂直な方向パスに沿って前記の第２の位置から−２ΔＮだけ移動した第３の位置にて前記制御手段によって得られる数であり、
Ｉ _０，ｐは、前記の第 2 の垂直な方向パスに沿って初期位置からΔＮだけ移動した第 4 の位置にて前記制御手段によって得られる数であり、
Ｉ _０，ｍは、前記の第 2 の垂直な方向パスに沿って前記の第 4 の位置から−２ΔＮだけ移動した第 5 の位置にて前記制御手段によって得られる数である、
請求項１から５までのいずれか 1項記載の干渉計。
前記の処理には、スペクトルに重み付け関数を適用することが含まれる、
請求項１から６までのいずれか 1記載の干渉計。
干渉計の操作方法において、
該干渉計は、
到来する放射ビームを分割して、第１の部分が第１の光路に沿って伝搬し、第２の部分が第２の光路に沿って伝搬するように配設したビームスプリッタと、
前記の放射の第１の部分を前記ビームスプリッタに向かって反射して戻すリフレクタと、
前記の放射の第２の部分を前記ビームスプリッタに向かって反射して戻す可調節リフレクタとを有しており、ここで当該の可調節リフレクタは、前記の入射ビームに対して垂直な垂直な少なくとも２つの方向パスにて調節可能であり、
さらに前記干渉計は、
前記の第１および第２の光路間の光路差を変化させるための手段と、
前記のビームスプリッタからの重ね合わされたビームを受光する検出器と、
前記の可調節リフレクタを周期的に調節する制御手段とを有しており、
当該方法では、
前記の可調節リフレクタを段階的に移動させて、前記の少なくとも第１の垂直な方向パスにて複数の位置および前記の少なくとも第２の垂直な方向パスにおける複数の位置をとらせ、
前記の各位置にてスペクトルを記録し処理することによって当該スペクトルから一連の数を得、当該数を組み合わせることにより、干渉計を正しく位置合わせするために必要とされる前記の可調節リフレクタの調節量を示すデータを得て、
さらに当該データから計算された最終位置に前記の可調節リフレクタを移動することを特徴とする、
干渉計の操作方法。
前記の可調節リフレクタを移動して正しい位置合わせを得るための量（Δ_１，Δ_２）は、

にしたがって組み合わされ、ここで
Ｉ_０，０は、前記の可調節リフレクタの初期位置にて前記制御手段によって得られる数であり、
Ｉ_ｐ，０は、前記の第１の垂直な方向パスに沿って初期位置からΔＮだけ移動した第２の位置にて前記制御手段によって得られる数であり、
Ｉ_ｍ，０は、前記の第１の垂直な方向パスに沿って前記の第２の位置から−２ΔＮだけ移動した第３の位置にて前記制御手段によって得られる数であり、
Ｉ_０，ｐは、前記の第2の垂直な方向パスに沿って初期位置からΔＮだけ移動した第４の位置にて前記制御手段によって得られる数であり、
Ｉ_０，ｍは、前記の第2の垂直な方向パスに沿って前記の第4の位置から−２ΔＮだけ移動した第５の位置にて前記制御手段によって得られる数である、
請求項８に項記載の干渉計の操作方法。
前記の処理ステップには、記録されたスペクトルに重み付け関数を適用することを含む、
請求項８または９記載の干渉計の操作方法。