JP5494667B2 - Interference optical system and spectroscope equipped with the same - Google Patents
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Description
本発明は、マイケルソン干渉計を構成する干渉光学系と、その干渉光学系を備えた分光器とに関するものである。 The present invention relates to an interference optical system constituting a Michelson interferometer, and a spectroscope equipped with the interference optical system.
図9は、従来の分光器の干渉計部分の概略の構成を示している。この光学系では、光源101からの光は、コリメート光学系102の反射面で反射されて平行光に変換された後、BS(ビームスプリッタ)103に入射し、そこで2光束に分離される。分離された各々の光束は、それぞれ可動鏡104および固定鏡105にて反射された後、再度BS103に入射して合成され、干渉光として出射される。上記の干渉光は、集光光学系106の複数の反射面で反射され、集光しながら検出器107に導かれる。
FIG. 9 shows a schematic configuration of an interferometer portion of a conventional spectroscope. In this optical system, light from the
ここで、コリメート光学系102からBS103を透過して可動鏡104に向かう光の光路を第1の光路L1とし、固定鏡105からBS103を透過して集光光学系106(特に最初の反射面)に向かう光の光路を第2の光路L2としたとき、特許文献1の光学系では、光源101が第1の光路L1に対して固定鏡105側に位置し、かつ、検出器107が第2の光路L2に対して可動鏡104側に位置している。特許文献1の分光器は、固定鏡および可動鏡がBSの光分離面に対して同じ側に位置するようにBSを配置している点で、図9とは若干異なる構成であるが、基本的な動作は図9の構成と同じである。
Here, the optical path of the light transmitted from the collimating
一方、特許文献2の光学系は、光源101が第1の光路L1に対して固定鏡105とは反対側に位置し、かつ、検出器107が第2の光路L2に対して可動鏡104側に位置している光学系と等価とみなせる光学系である。特許文献2の光学系は、光学部材の配置が図9および特許文献1とは若干異なっているが、基本的な動作は図9および特許文献1と同じである。なお、以下での説明の便宜上、特許文献2の光学系について説明する場合でも、図9と同等の機能を有する部材には、同一の部材番号を付記して説明する。
On the other hand, in the optical system of
ところで、入射光がBSを透過または反射する際にP偏光とS偏光とに分離してしまうと、固定鏡および可動鏡にて反射されて再度BSに戻ってきたときに2つの光が干渉しなくなる。特に、赤外光を用いる場合には、光分離面の法線に対して極力小さい角度で赤外光をBSに入射させないと、上記の偏光分離が起こることが知られている。このような偏光分離の問題は、BSの光分離膜の膜設計を工夫しても、原理的に解決することは難しい。したがって、複雑な膜設計のBSを用いることなく上記の偏光分離を抑えて、高い干渉性を実現するためには、光源からの光をBSの光分離面の法線に対して45°よりも小さい角度で入射させる構成とすることが望ましい。 By the way, if incident light is separated into P-polarized light and S-polarized light when transmitted or reflected through the BS, the two lights interfere when reflected by the fixed mirror and the movable mirror and return to the BS again. Disappear. In particular, when infrared light is used, it is known that the above-described polarization separation occurs unless the infrared light is incident on the BS at an angle as small as possible with respect to the normal line of the light separation surface. Such a problem of polarization separation is difficult to solve in principle even if the film design of the light separation film of the BS is devised. Therefore, in order to suppress the polarization separation without using a BS having a complicated film design and realize high coherence, the light from the light source is more than 45 ° with respect to the normal of the light separation surface of the BS. It is desirable to adopt a configuration that allows incidence at a small angle.
この点、図9の光学系では、光源101が第1の光路L1に対して固定鏡105側に位置しており、検出器107が第2の光路L2に対して可動鏡104側に位置しているため、BS103に対して入射角が45°よりも小さくなるように、第1の光路L1に対して第2の光路L2を傾斜させようとしても、第1の光路L1および第2の光路L2の光路長によっては、光源101および検出器107が固定鏡105および可動鏡104とそれぞれ干渉したり、第1の光路L1および第2の光路L2の光束が検出器107および光源101でそれぞれけられるおそれがある。このため、BS103に対して45°よりも小さくなる入射角を実現することが困難となる。
In this regard, in the optical system of FIG. 9, the
また、マイケルソン干渉計においては、例えば可動鏡の駆動機構やBSの位置調整機構を設ける必要がある。しかし、図9の光学系では、第1の光路L1に対して第2の光路L2を傾斜させることが上記の理由によって困難であるため、上記の駆動機構等を設けるための広い空間を確保するためには、腕の長さ、すなわち、BS103と可動鏡104、BS103と固定鏡105との距離を長く確保しなければならない。その結果、光学系が大型化する。
In the Michelson interferometer, for example, it is necessary to provide a drive mechanism for a movable mirror and a position adjustment mechanism for the BS. However, in the optical system of FIG. 9, since it is difficult for the above reasons to incline the second optical path L2 with respect to the first optical path L1, a wide space for providing the drive mechanism and the like is ensured. For this purpose, the length of the arm, that is, the distance between the
一方、特許文献2の光学系は、検出器107が第2の光路L2に対して可動鏡104側に位置している点で図9および特許文献1の光学系と共通しているが、光源101を第1の光路L1に対して固定鏡105とは反対側に位置させるとともに、BS103から検出器107に至る光路を複数の反射面で折り曲げ、上記光路を長く確保することにより、光束が光学部材でけられるのを回避しながら、BS103に対して45°よりも小さい入射角を実現している。しかし、BS103から検出器107に至る光路を長く確保する必要があるため、光学系自体の大型化を回避することができない。さらに、第1の光路L1と第2の光路L2とがクロスすることによって形成される、BS103の周囲の4つの空間の別々の空間に、光源101および検出器107が配置される構成となるため、配置空間の有効利用ができず、光学系をコンパクトに構成することができない。
On the other hand, the optical system of
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、小型の構成で、BSに対する入射角を小さくして高い干渉性を実現できるとともに、可動鏡の駆動機構やBSの位置調整機構の配置スペースを容易に確保でき、また、BSの周囲の配置空間を有効利用してコンパクト化が可能な干渉光学系と、その干渉光学系を備えた分光器とを提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to achieve a high coherence by reducing the incident angle with respect to the BS with a small configuration, as well as a movable mirror driving mechanism and a BS. An interference optical system that can easily secure an arrangement space for the position adjustment mechanism of the optical system and that can be made compact by effectively using the arrangement space around the BS, and a spectrometer equipped with the interference optical system It is in.
本発明の干渉光学系は、光源と、前記光源から出射された光を分離して可動鏡および固定鏡に導くとともに、前記可動鏡および前記固定鏡にて反射された各光を合成して出射するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタにて合成されて出射された光を検出する検出器とを備えた干渉光学系であって、前記光源からの光を平行光に変換して前記ビームスプリッタに導くコリメート光学系と、前記ビームスプリッタにて合成されて出射された光を集光して前記検出器に導く集光光学系とをさらに備え、前記コリメート光学系および前記集光光学系は、偏芯された反射光学系でそれぞれ構成されているとともに、前記ビームスプリッタの中心を通り、かつ、前記可動鏡および前記固定鏡の間を通る面に対してほぼ線対称に配置されており、前記可動鏡および前記固定鏡のうち、一方を第1のミラーとし、他方を第2のミラーとすると、前記光源および前記検出器はともに、前記コリメート光学系から前記ビームスプリッタを透過して前記第1のミラーに向かう光の光路に対して前記第2のミラーとは反対側で、かつ、前記第2のミラーから前記ビームスプリッタを透過して前記集光光学系に向かう光の光路に対して前記第1のミラーとは反対側に配置されていることを特徴としている。 The interference optical system of the present invention separates the light emitted from the light source and the light source and guides it to the movable mirror and the fixed mirror, and combines and emits each light reflected by the movable mirror and the fixed mirror. An interference optical system comprising: a beam splitter that detects the light emitted from the beam splitter, and converts the light from the light source into parallel light that is guided to the beam splitter. A collimating optical system; and a condensing optical system that condenses the light emitted by combining with the beam splitter and guides it to the detector, and the collimating optical system and the condensing optical system are eccentric. Each of the reflection optical systems, and is disposed substantially symmetrically with respect to a plane passing through the center of the beam splitter and passing between the movable mirror and the fixed mirror, When one of the moving mirror and the fixed mirror is a first mirror and the other is a second mirror, both the light source and the detector pass through the beam splitter from the collimating optical system and pass through the first beam splitter. The light path to the mirror is opposite to the second mirror, and the light path from the second mirror through the beam splitter to the condensing optical system is the light path. It is characterized by being arranged on the opposite side to the first mirror.
本発明の干渉光学系では、前記コリメート光学系から前記ビームスプリッタに入射する光の入射角は、前記ビームスプリッタの光分離面の法線に対して45°よりも小さいことが望ましい。 In the interference optical system of the present invention, it is desirable that an incident angle of light incident on the beam splitter from the collimating optical system is smaller than 45 ° with respect to a normal line of the light separation surface of the beam splitter.
本発明の干渉光学系では、前記入射角は、前記ビームスプリッタの光分離面の法線に対して20°よりも大きいことが望ましい。 In the interference optical system according to the aspect of the invention, it is preferable that the incident angle is greater than 20 ° with respect to the normal line of the light separation surface of the beam splitter.
本発明の干渉光学系では、前記光源から前記検出器に向かう光束の中心光線が進行する軸上において、前記コリメート光学系および前記集光光学系の各反射面における入射光線と反射光線とのなす角度を偏芯角度とすると、前記コリメート光学系および前記集光光学系における前記偏芯角度は、20°以上45°以下であることが望ましい。 In the interference optical system of the present invention, the incident light beam and the reflected light beam on the respective reflecting surfaces of the collimating optical system and the condensing optical system are formed on the axis along which the central light beam of the light beam traveling from the light source toward the detector travels. When the angle is an eccentric angle, the eccentric angle in the collimating optical system and the condensing optical system is preferably 20 ° or more and 45 ° or less.
本発明の干渉光学系では、前記第1のミラーおよび前記第2のミラーは、前記ビームスプリッタの光分離面に対して互いに反対側に配置されていることが望ましい。 In the interference optical system according to the aspect of the invention, it is preferable that the first mirror and the second mirror are disposed on opposite sides of the light separation surface of the beam splitter.
本発明の干渉光学系では、前記コリメート光学系および前記集光光学系は、前記ビームスプリッタの光分離面に対して互いに反対側に配置されていることが望ましい。 In the interference optical system according to the aspect of the invention, it is preferable that the collimating optical system and the condensing optical system are arranged on opposite sides with respect to the light separation surface of the beam splitter.
本発明の分光器は、上述した本発明の干渉光学系と、前記干渉光学系から出力された信号に基づいてスペクトルを算出する演算部と、前記算出されたスペクトルを出力する出力部とを備えていることが望ましい。 The spectroscope of the present invention includes the above-described interference optical system of the present invention, a calculation unit that calculates a spectrum based on a signal output from the interference optical system, and an output unit that outputs the calculated spectrum. It is desirable that
本発明によれば、光源および検出器はともに、コリメート光学系からビームスプリッタ(BS)を透過して第1のミラー(例えば可動鏡)に向かう光の光路(第1の光路)に対して第2のミラー(例えば固定鏡)とは反対側で、かつ、第2のミラーからBSを透過して集光光学系に向かう光の光路(第2の光路)に対して第1のミラーとは反対側に配置されている。 According to the present invention, both the light source and the detector are compared with the optical path (first optical path) of the light transmitted from the collimating optical system through the beam splitter (BS) to the first mirror (for example, movable mirror). What is the first mirror relative to the optical path (second optical path) of light that is opposite to the second mirror (for example, a fixed mirror) and that passes through the BS from the second mirror and travels toward the condensing optical system? Located on the opposite side.
このような配置により、BSに対する入射角が小さくなるように第1の光路に対して第2の光路を傾けても、第1および第2の光路を進行する光束が光源および検出器によってけられることがなく、そのような不都合を回避するためにBSに対して入出射する光の光路を長く確保する必要もなくなる。したがって、小型の構成で、BSに対する入射角が45°よりも小さくなる光学配置を容易に実現することができ、これによって複雑な膜設計のBSを用いることなく、BSでの偏光分離を抑えて高い干渉性を実現することができる。また、第1の光路と第2の光路とがクロスすることによって形成される、BSの周囲の4つの空間のいずれかの空間に光源および検出器を両方とも配置することができ、配置空間を有効利用することができる。 With such an arrangement, even if the second optical path is tilted with respect to the first optical path so that the incident angle with respect to the BS becomes small, the light beam traveling in the first and second optical paths is broken by the light source and the detector. In order to avoid such inconvenience, it is not necessary to ensure a long optical path for light entering and exiting the BS. Accordingly, an optical arrangement in which the incident angle with respect to the BS is smaller than 45 ° can be easily realized with a small configuration, thereby suppressing polarization separation at the BS without using a BS having a complicated film design. High coherence can be realized. Further, both the light source and the detector can be arranged in any one of the four spaces around the BS formed by crossing the first optical path and the second optical path. It can be used effectively.
また、BSに対する入射角が45°よりも小さくなる光学配置を実現できるので、BSに対して光源および検出器の配置空間とは反対側に広い空間を確保することができる。これにより、第1および第2の光路を必要以上に長く確保することなく、その空間に可動鏡の駆動機構およびBSの位置調整機構を両方とも配置することができ、これらの配置スペースを容易に確保できるとともに、BSの周囲の配置空間を有効利用することができる。したがって、上記した光源および検出器の配置空間の有効利用とも相まって、光学系をコンパクトに構成することができる。 Moreover, since an optical arrangement in which the incident angle with respect to the BS is smaller than 45 ° can be realized, a wide space can be secured on the opposite side of the BS from the arrangement space of the light source and the detector. Accordingly, both the drive mechanism of the movable mirror and the position adjustment mechanism of the BS can be arranged in the space without securing the first and second optical paths longer than necessary, and these arrangement spaces can be easily made. It can be ensured, and the arrangement space around the BS can be used effectively. Therefore, in combination with the effective use of the arrangement space for the light source and the detector, the optical system can be configured compactly.
本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。 An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(干渉光学系および分光器について)
図2は、本実施形態の分光器1の概略の構成を模式的に示す説明図である。分光器1は、フーリエ変換分光器であり、干渉光学系2と、演算部3と、出力部4とを有している。(About interference optics and spectrometers)
FIG. 2 is an explanatory diagram schematically showing a schematic configuration of the
干渉光学系2は、マイケルソン干渉計で構成されているが、その詳細については後述する。演算部3は、干渉光学系2から出力される信号をA/D変換およびフーリエ変換することにより、各波長(波数(=1/波長))の光の強度を示すスペクトルを生成する。出力部4は、演算部3にて生成されたスペクトルを出力(例えば表示)する。以下、干渉光学系2の詳細について説明する。
The interference
図1は、干渉光学系2の概略の構成を示すとともに、各光学部材の位置関係を示している。干渉光学系2は、光源11と、コリメータ光学系12と、BS(ビームスプリッタ)13と、可動鏡14と、固定鏡15と、集光光学系16と、検出器17と、駆動機構21とを備えている。なお、図2では、コリメータ光学系12および集光光学系16を透過型で示しているが、実際は、図1に示すように、コリメータ光学系12および集光光学系16は、偏芯された反射面を有する反射光学系で構成されているものとする。なお、可動鏡14と固定鏡15の位置は逆であってもよい。
FIG. 1 shows the schematic configuration of the interference
光源11は、例えば赤外光を出射する。コリメータ光学系12は、光源11からの光を平行光に変換してBS13に導く。BS13は、光源11から出射された光を2つの光に分離して、それぞれを可動鏡14および固定鏡15に導くとともに、可動鏡14および固定鏡15にて反射された各光を合成して出射するものであり、例えばハーフミラーで構成されている。なお、分離された2つの光の高精度な干渉を実現するため、光学系の組み立ての際には、図示しない調整機構によって、BS13の取り付け角度および位置が調整される。上記した可動鏡14および固定鏡15は、BS13の光分離面に対して互いに反対側に配置されている。集光光学系16は、BS13にて合成されて出射された光を集光して検出器17に導く。検出器17は、BS13から集光光学系16を介して入射する上記光を検出し、演算部3に出力する。
The
駆動機構21は、BS13と可動鏡14との間の光路長が変化するように可動鏡14を平行移動させる移動機構であり、例えば可動鏡14を支持した平行板ばねを圧電素子によって振動(共振)させることにより、可動鏡14を平行移動させる。なお、圧電素子の代わりにVCM(ボイスコイルモータ)を用いて可動鏡14を駆動してもよい。また、例えば静電アクチュエータを用いて駆動機構21を構成してもよい。
The
上記の構成において、光源11から出射された光は、コリメータ光学系12での反射によって平行光に変換された後、BS13での透過および反射によって2光束に分離される。分離された一方の光束は可動鏡14で反射され、他方の光束は固定鏡15で反射され、それぞれ元の光路を逆戻りしてBS13で重ね合わせられ、干渉光として試料S(図2参照)に照射される。このとき、駆動機構21によって可動鏡14を連続的に移動させながら試料Sに光が照射されるが、BS13から各ミラー(可動鏡14、固定鏡15)までの光路長の差が波長の整数倍のときは、重ね合わされた光の強度は最大となる。一方、可動鏡14の移動によって2つの光路長に差が生じている場合には、重ね合わされた光の強度に変化が生じる。試料Sを透過した光は、集光光学系16の反射面で反射されて集光しながら検出器17に入射し、そこで時間的インターフェログラムとして検出される。
In the above configuration, the light emitted from the
干渉光学系2の検出器17から出力される信号は、演算部3にてA/D変換およびフーリエ変換され、スペクトルとして出力部4で出力される。したがって、このスペクトルに基づき、試料Sの特性(材料、構造、成分量など)を知ることができる。
The signal output from the
本実施形態では、上述したように、コリメート光学系12および集光光学系16は、反射光学系で構成されているので、これらを透過型の光学系(例えばレンズ)で構成する場合に比べて、波長に依存しない光学性能を確保できる。また、コリメート光学系12および集光光学系16が偏芯配置されているので、コリメート光学系12からBS13に入射する光束およびBS13から集光光学系16に入射する光束をけらないように、光源11および検出器17を配置することができる。
In the present embodiment, as described above, the collimating
また、図1に示すように、コリメート光学系12および集光光学系16は、BS13の光分離面に対して互いに反対側に配置されており、BS13の中心を通り、可動鏡14と固定鏡15との間を通る面Pに対してほぼ線対称に配置されている。これにより、偏芯によって発生する収差(例えば軸上コマ収差)を互いの光学系で相殺することができ、光学系全体として良好な光学性能を実現することができる。このことは、以下の図面を参照すればより明らかである。
Further, as shown in FIG. 1, the collimating
図3および図4は、光源11から検出器17までの光路を、BS13、可動鏡14および固定鏡15での光路の折り曲げを考慮せずに示したものであって、図3は、コリメート光学系12および集光光学系16をほぼ点対称に配置した光学系での光路を示し、図4は、コリメート光学系12および集光光学系16をほぼ線対称に配置した光学系での光路を示している。
3 and 4 show the optical path from the
図3に示した点対称の光学系では、軸上コマ収差がコリメート光学系12および集光光学系16で相殺されず、破線の拡大図で示すように、収差が悪化している。これに対して、図4で示した線対称の光学系では、軸上コマ収差がコリメート光学系12および集光光学系16で相殺されるため、破線の拡大図で示すように、良好な光学性能を実現することができる。このように、偏芯されたコリメート光学系12と集光光学系16とを1つの光学系内で使用する場合、点対称な配置よりも線対称な配置のほうが光学性能がよい。
In the point-symmetric optical system shown in FIG. 3, the axial coma is not canceled by the collimating
(光源および検出器の配置位置について)
次に、光源11および検出器17の配置位置について説明する。なお、以下での説明の便宜上、図1に示すように、コリメート光学系12からBS13を透過して可動鏡14(第1のミラー)に向かう光の光路を第1の光路L1とし、固定鏡15(第2のミラー)からBS13を透過して集光光学系16に向かう光の光路を第2の光路L2とする。なお、可動鏡14と固定鏡15との位置関係を逆にした場合は、固定鏡15が第1のミラーを構成し、可動鏡14が第2のミラーを構成する。(About the location of the light source and detector)
Next, the arrangement positions of the
本実施形態では、上記したように、可動鏡14および固定鏡15がBS13の光分離面に対して互いに反対側に配置されている構成において、光源11および検出器17はともに、第1の光路L1に対して第2のミラーとしての固定鏡15とは反対側で、かつ、第2の光路L2に対して第1のミラーとしての可動鏡14とは反対側に配置されている。この結果、光源11および検出器17は、第1の光路L1と第2の光路L2とが交差することによって分割形成される、BS13の周囲の4つの空間S1〜S4のうちの同一空間内に位置することになる。なお、図1において、空間S1〜S4は、BS13の周囲に反時計回りにこの順で位置しているものとし、光源11および検出器17が配置される同一の空間をS1とする。このような光源11および検出器17の配置により、以下の効果を得ることができる。
In the present embodiment, as described above, in the configuration in which the
まず、光源11がコリメート光学系12と固定鏡15との間(図1では空間S2)に位置しておらず、かつ、検出器17が集光光学系16と可動鏡14との間(図1では空間S4)に位置していないので、コリメート光学系12と固定鏡15とが近づく方向(集光光学系16と可動鏡14とが近づく方向)に、第1の光路L1に対して第2の光路L2を傾ける光学配置を容易に実現することが可能となる。しかも、このとき、光源11および検出器17は、空間S2・S4内に位置していないので、第1の光路L1に対して第2の光路L2を傾ける際に、光源11および検出器17が障害となることがない。つまり、第1の光路L1に対して第2の光路L2を傾けても、第1の光路L1および第2の光路L2の光束が光源11および検出器17によってけられることがない。これにより、光束がけられるのを回避するために、BS13に対して入出射する光の光路を長く確保する必要もない。
First, the
したがって、小型の構成で、コリメート光学系12からBS13に入射する光の入射角θが45°よりも小さくなる光学配置を容易に実現することができ、複雑な膜設計のBS13を用いることなく、BS13での偏光分離を抑えて高い干渉性を実現することができる。
Therefore, an optical arrangement in which the incident angle θ of light incident on the
また、BS13に対する入射角が45°よりも小さくなる光学配置を実現できるので、BS13に対して、光源11および検出器17の配置空間である空間S1とは反対側に広い空間S3を確保することができる。これにより、第1の光路L1および第2の光路L2を必要以上に長く確保することなく、可動鏡14の駆動機構21やBS13の位置調整機構を効率よく(同一の広い空間S3に)配置することができる。したがって、可動鏡14の駆動機構21やBS13の位置調整機構を配置するために、干渉計の腕の長さ(BS13と可動鏡14、BS13と固定鏡15との距離)を長くする必要もない。
In addition, since an optical arrangement in which the incident angle with respect to the
また、光源11および検出器17の第1の光路L1および第2の光路L2に対する上述した位置関係により、光源11および検出器17を同一の空間S1に配置でき、また、上述のように可動鏡14の駆動機構21およびBS13の位置調整機構も同一の空間S3に配置できることから、BS13の周囲の配置空間を有効利用することができる。よって、全体として小型、コンパクトな光学配置を実現することができ、干渉光学系2ひいては分光器1を小型、コンパクトに構成することができる。
Further, the
(BSに対する入射角の範囲について)
上述した光源11および検出器17の配置により、本実施形態では、図1に示すように、コリメート光学系12からBS13に入射する光の入射角θは、BS13の光分離面の法線に対して45°よりも小さく、例えば30°となっている。このように、BS13に対する入射角θが45°よりも小さい場合、複雑な膜設計のBS13を用いることなく、BS13での偏光分離を抑えることができるのは、上述した通りである。(About the range of incident angles with respect to BS)
Due to the arrangement of the
ここで、マイケルソン干渉計では、BS13に対する入射角θが小さいほうが、光学性能的には良いが、入射角θが20°以下になると、可動鏡14と集光光学系16、固定鏡15とコリメート光学系12とを互いに干渉させずに配置するために、干渉計の腕の長さを長くする必要がある。干渉計の腕をあまり長くすると、同じ光束を分離しても干渉性が低下してしまい、好ましくない。
Here, in the Michelson interferometer, it is better in optical performance that the incident angle θ with respect to the
以上のことから、コリメート光学系12からBS13に入射する光の入射角θは、BS13の光分離面の法線に対して、20°よりも大きく、45°よりも小さいことが望ましいと言える。これにより、腕の長さを短くした小型の構成で、コントラストの高い干渉像を確実に得ることができる。
From the above, it can be said that the incident angle θ of light incident on the
(偏芯角度について)
本実施形態では、コリメート光学系12および集光光学系16における偏芯角度ψは、20°以上45°以下となっている。ここで、偏芯角度ψとは、光源11から検出器17に向かう光束の中心光線が進行する軸上において、コリメート光学系12および集光光学系16の各反射面における入射光線と反射光線とのなす角度(°)を指す。なお、図1に示すように、コリメート光学系12における偏芯角度をψ1(°)とし、集光光学系16における偏芯角度をψ2(°)とすると、20°≦ψ1≦45°、20°≦ψ2≦45°を満足するのであれば、ψ1=ψ2であってもよいし、ψ1≠ψ2であってもよい。なお、ψ1=ψ2の場合は、偏芯によって発生する収差をキャンセルしやすく、光学性能がより向上する。(About eccentric angle)
In the present embodiment, the eccentric angle ψ in the collimating
偏芯角度ψが20°よりも小さいと、光源11および検出器17が大きさを持ち、精度の高い干渉を実現すべくある程度の光束幅が必要な場合に、第1の光路L1を進行する光束が光源11によってけられたり、第2の光路L2を進行する光束が検出器17によってけられるのを回避することができない。
When the eccentric angle ψ is smaller than 20 °, the
ここで、図5は、光源11から検出器17までの光路を、BS13、可動鏡14および固定鏡15での光路の折り曲げを考慮せずに示したものであって、コリメート光学系12および集光光学系16における偏芯角度ψが17°のときの光学系での光路を示している。同図の光学系では、光源11および検出器17によって光束がけられていることがわかる。
Here, FIG. 5 shows the optical path from the
一方、図6〜8は、光源11から検出器17までの光路を、BS13、可動鏡14および固定鏡15での光路の折り曲げを考慮せずに示したものであって、コリメート光学系12および集光光学系16における偏芯角度ψが、それぞれ20°、30°、45°のときの光学系での光路を示している。これらの図面より、20°≦ψ≦45°の範囲内では、光源11および検出器17によって光束がけられるのを回避できることがわかる。
On the other hand, FIGS. 6 to 8 show the optical path from the
また、偏芯角度ψが45°よりも大きいと、光源11および検出器17を近づけた配置とすることが困難となり、小型、コンパクトな光学系を実現することができない。加えて、光学的に収差が悪化する。つまり、偏芯によって発生する収差をコリメート光学系12および集光光学系16で相殺しきれなくなり、良好な光学性能を実現することができなくなる。光学性能が極端に悪くなると、干渉光学系2を分光器1に使用することができなくなる。
If the eccentric angle ψ is larger than 45 °, it is difficult to arrange the
したがって、コリメート光学系12および集光光学系16における偏芯角度を20°以上45°以下とすることにより、干渉光学系2の小型、コンパクトな構成で、精度の高い干渉を実現しながら、良好な光学性能を実現することができ、分光器1に好適な干渉光学系2を実現することができる。
Therefore, by setting the decentering angle in the collimating
(実施例について)
次に、上述した干渉光学系2の実施例について、実施例1〜3として説明する。実施例1〜3は、図6〜8の光学系に対応した数値実施例であり、そのコンストラクションデータは以下の通りである。(Examples)
Next, examples of the above-described interference
なお、以下のコンストラクションデータにおいて、Si(i=0、1、2、・・・)は物体側から数えてi番目の面を指す。具体的には、S0は光源11の発光面(OBJ;物体面)、S1はダミー面、S2はコリメート光学系12の反射面、S3は仮想絞り面(STO)、S4はBS13の光入射面、S5はBS13の光射出面、S6は集光光学系16の反射面、S7は検出器17の受光面、S8は像面(IMG)=S7面をそれぞれ指す。なお、図6〜図8では、S1面の図示を省略している。
In the following construction data, Si (i = 0, 1, 2,...) Indicates the i-th surface counted from the object side. Specifically, S0 is a light emitting surface (OBJ; object surface) of the
RDYは面Siの曲率半径(mm)を指し、THIはSi面とS(i+1)面との間の軸上面間隔(mm)を指す。RMDは面の特性を指し、REFLであれば反射面を、表記がない場合は屈折面を指す。GLAはガラス名を指し、表記がない場合は空気であることを指す。 RDY indicates the radius of curvature (mm) of the surface Si, and THI indicates the axial upper surface distance (mm) between the Si surface and the S (i + 1) surface. RMD indicates a surface characteristic. If it is REFL, it indicates a reflecting surface, and if there is no notation, it indicates a refracting surface. GLA indicates the glass name, and when there is no notation, it indicates air.
SPS XYPは、以下のXY多項式で表される非球面を指す。XY多項式は、光源11から検出器17に向かう光束の中心光線が進行する軸を光軸としたとき、その光軸方向をZ軸、メリディオナル断面内でZ軸に垂直な方向をY軸、サジタル断面内でZ軸に垂直な方向をX軸として、面頂点からの距離を以下のように表したものである。
ここで、zは面のローカルなZ軸方向の面頂点からの位置、Cは近軸の曲率で曲率半径の逆数(1/mm)、kは円錐定数、hはZ軸からの高さ(h2=x2+y2)、Σはnとmについて0次から∞次の総和、XnYmはXのn次、Yのm次の係数、である。なお、非球面データにおいて、E−n=×10-nを指す。SPS XYP indicates an aspheric surface represented by the following XY polynomial. In the XY polynomial, when the optical axis is the axis along which the central ray of the light beam traveling from the
Here, z is the position from the surface vertex in the local Z-axis direction of the surface, C is the paraxial curvature and the reciprocal of the radius of curvature (1 / mm), k is the conic constant, and h is the height from the Z-axis ( h 2 = x 2 + y 2 ), Σ is the sum of the 0th to ∞ orders for n and m, and XnYm is the nth order of X and the mth order coefficient of Y. In the aspheric data, E−n = × 10 −n is indicated.
また、XDEはX方向の平行偏芯、YDEはY方向の平行偏芯、ZDEはZ方向の平行偏芯の各量(mm)をそれぞれ指し、ADEはX軸周りの回転、BDEはY軸周りの回転、CDEはZ軸周りの回転の角度(°)をそれぞれ指す。GLB GiはSi面を基準とするグローバル偏芯(表記がなければローカルな偏芯)であることを指す。波長900nmにおけるBK7_SCHOTTの屈折率は1.508997である。また、実施例1〜3では、全て、光源11からの光はBS13に対して入射角30°で入射しているものとする。
XDE is the X direction parallel eccentricity, YDE is the Y direction parallel eccentricity, ZDE is the Z direction parallel eccentricity (mm), ADE is the rotation around the X axis, and BDE is the Y axis. Rotation around, CDE refers to the angle of rotation (°) around the Z axis. GLB Gi indicates a global eccentricity based on the Si surface (local eccentricity if not indicated). The refractive index of BK7_SCHOTT at a wavelength of 900 nm is 1.508997. In Examples 1 to 3, it is assumed that the light from the
<実施例1> 偏芯角度20°
<Example 1> Eccentric angle 20 °
<実施例2> 偏芯角度30°
<Example 2> Eccentric angle 30 °
<実施例3> 偏芯角度45°
<Example 3> Eccentric angle 45 °
なお、コリメート光学系12および集光光学系16における各反射面は、上述した実施例のXY多項式で示される非球面に限定されるわけではない。光源11の大きさが小さいときには、回転放物面や軸対称非球面も上記の各反射面として使用することができる。なお、回転放物面の焦点から出た光束を収差無く平行光とすることができるのは、周知の事実である。
In addition, each reflecting surface in the collimating
本発明の干渉光学系は、例えばフーリエ変換分光器に利用可能である。 The interference optical system of the present invention can be used for, for example, a Fourier transform spectrometer.
1 分光器
2 干渉光学系
11 光源
12 コリメート光学系
13 BS(ビームスプリッタ)
14 可動鏡
15 固定鏡
16 集光光学系
17 検出器
L1 第1の光路
L2 第2の光路DESCRIPTION OF
14
Claims (7)
前記光源から出射された光を分離して可動鏡および固定鏡に導くとともに、前記可動鏡および前記固定鏡にて反射された各光を合成して出射するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタにて合成されて出射された光を検出する検出器とを備えた干渉光学系であって、
前記光源からの光を平行光に変換して前記ビームスプリッタに導くコリメート光学系と、
前記ビームスプリッタにて合成されて出射された光を集光して前記検出器に導く集光光学系とをさらに備え、
前記コリメート光学系および前記集光光学系は、受光する光の中央光線に対して少なくとも傾き偏芯された反射光学系でそれぞれ構成されているとともに、前記ビームスプリッタの厚み方向の中心を通り、かつ、前記可動鏡および前記固定鏡の間を通る面に対してほぼ線対称に配置されており、
前記可動鏡および前記固定鏡のうち、一方を第1のミラーとし、他方を第2のミラーとすると、
前記光源および前記検出器はともに、前記コリメート光学系から前記ビームスプリッタを透過して前記第1のミラーに向かう光の光路に対して前記第2のミラーとは反対側で、かつ、前記第2のミラーから前記ビームスプリッタを透過して前記集光光学系に向かう光の光路に対して前記第1のミラーとは反対側に配置されていることを特徴とする干渉光学系。 A light source;
A beam splitter that separates the light emitted from the light source and guides it to a movable mirror and a fixed mirror, and combines and emits each light reflected by the movable mirror and the fixed mirror;
An interference optical system comprising a detector for detecting light synthesized and emitted by the beam splitter,
A collimating optical system that converts light from the light source into parallel light and guides it to the beam splitter;
A condensing optical system for condensing the light synthesized and emitted by the beam splitter and guiding it to the detector;
The collimating optical system and the condensing optical system are each composed of a reflection optical system that is at least inclined and decentered with respect to a central ray of received light , passes through the center of the beam splitter in the thickness direction , and , Being arranged substantially line symmetrically with respect to a plane passing between the movable mirror and the fixed mirror,
Of the movable mirror and the fixed mirror, if one is a first mirror and the other is a second mirror,
The light source and the detector are both on the side opposite to the second mirror with respect to the optical path of light that passes through the beam splitter from the collimating optical system and travels toward the first mirror, and the second An interference optical system, wherein the interference optical system is disposed on a side opposite to the first mirror with respect to an optical path of light passing through the beam splitter from the mirror toward the condensing optical system.
前記コリメート光学系および前記集光光学系における前記偏芯角度は、20°以上45°以下であることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の干渉光学系。 On the axis along which the central light beam of the light beam traveling from the light source toward the detector travels, the angle formed by the incident light beam and the reflected light beam on each reflecting surface of the collimating optical system and the condensing optical system is an eccentric angle.
The eccentric angle in the collimating optical system and the light converging optical system, the interference optical system according to any one of claims 1 to 3, characterized in that at 20 ° to 45 °.
前記干渉光学系から出力された信号に基づいてスペクトルを算出する演算部と、
前記算出されたスペクトルを出力する出力部とを備えていることを特徴とする分光器。 The interference optical system according to any one of claims 1 to 6 ,
A calculation unit for calculating a spectrum based on a signal output from the interference optical system;
A spectrometer comprising: an output unit that outputs the calculated spectrum.
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