JP6351893B1 - 位相差制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 本発明はCD分散計に利用できる位相差制御装置の応答性改善技術に関する。【解決手段】位相差制御装置は光源12からの光を直線偏光の測定光と直線偏光の参照光に分割する分割偏光器14と、分光測定に対応するように測定光と参照光に位相差を与えるPEM16と、PEM16に変調電圧を供給するPEMドライバー18と、参照光をフィードバック信号として入力すると共にPEMドライバー18へ変調制御量信号を出力するPEM制御回路24と、さらに分割偏光器14の光の波長を監視して波長変化を波長信号として入力するCPU回路26を備え、CPU回路26は波長信号をフィードフォワード信号に変換し、フィードフォワード信号はPEM制御回路24へ出力され、PEM制御回路24はフィードバック信号およびフィードフォワード信号による演算処理をしてPEMドライバー18に変調制御量信号を出力する。【選択図】 図1

Description

本発明は、光弾性変調器(PEM)を備えた各種分散計等に用いられる位相差制御装置、特に円二色性分散計(CD)や直線二色性分散計(LD)に利用できる位相差制御装置の応答性改善技術に関する。
従来から、光弾性変調器(Photoelastic Modulator:PEM)は様々な分光測定に利用されている。一般的にPEMは複屈折を利用して入射偏光を位相変調するための素子として知られている。そしてPEMを使った偏光測定は非常に高感度なものであり、例えばPEMへの入射光に波長変化等が生じるとPEMの位相変調動作にも大きな影響を及ぼしてしまう。つまり、PEMへの入射光の波長変化等によって分光測定における測定結果に大きな影響を及ぼしてしまう恐れがある。
そこで特許文献1には、位相差制御装置に光弾性変調子制御回路を備え、検出された参照光束における角周波数2ωの交流成分の振幅と直流成分の大きさとの比が一定になるような制御をすることで光弾性変調子に入射する光の波長や光弾性変調子等の温度変化が生じても、光弾性変調子により与えられる位相差を一定に保持することができる技術が開示されている。
特開平5−10821
しかしながら、特許文献1のような構成を位相差制御装置に利用することで光弾性変調子の環境変化(入射光の波長変化等)には対応できるようになるが、このような構成では制御の応答性に限界があるため(光弾性変調子において変化が生じたことを信号として取り込む制御であるため必ずその変化の影響を受けてしまう)、実際にはスペクトルデータを取得する際にはステップスキャンのみしか対応できなかった。つまり、例えば円二色性分散計などの連続スキャンが必須である分光測定器等にはこのような技術では適応できない問題があった。
本発明は上記従来技術の課題に鑑みて行われたものであって、その目的は、光弾性変調器において入射光の波長変化等が生じても安定した位相差制御が実現できるとともに、位相差制御の応答性を改善して連続スキャンにも対応できる位相差制御装置および方法を提供することである。
上記課題を解決するために、本発明に係る位相差制御装置は、
試料を分光測定する分光測定器に利用される位相差制御装置であって、
当該位相差制御装置は、光源からの入射光を直線偏光の測定光および直線偏光の参照光に分割する分割偏光器と、前記分光測定に対応するように前記測定光および参照光に位相差を与える位相変調動作を行うPEMと、該PEMに位相変調動作をさせるための変調電圧を供給するPEMドライバーと、前記参照光をフィードバック信号として入力するとともに前記PEMドライバーへ変調制御量信号を出力するPEM制御回路と、を備え、
さらに、前記分割偏光器における光の波長を監視してその波長変化を波長信号として入力するCPU回路を備え、
前記CPU回路は前記波長信号をフィードフォワード信号に変換し、該フィードフォワード信号は前記PEM制御回路へ出力され、
前記PEM制御回路は、前記フィードバック信号およびフィードフォワード信号による演算処理をして前記PEMドライバーに変調制御量信号を出力することを特徴とする。
また、本発明に係る位相差制御装置は、
前記CPU回路は、該CPU回路内部にあらかじめ作成された出力指令テーブルによりフィードフォワード信号を算出することを特徴とする。
また、本発明に係る位相差制御装置は、
当該位相差制御装置は、PEMの温度が変化しても測定光および参照光に与えられる位相差が一定となるような変調電圧をPEMドライバーからPEMへ供給するための温度補償回路を備えており、
前記温度補償回路は、PEMの温度を検出するための温度検出手段で検出された検出値を入力して温度補償動作を行うことを特徴とする。
また、本発明に係る位相差制御装置は、
前記PEMドライバーは少なくとも一部に前記温度補償回路を含んで構成されており、該温度補償回路は温度補償型水晶発振器を含んで構成されていることを特徴とする。
そして、本発明に係る位相差制御方法は、
少なくとも光源と分割偏光器とPEMとPEMドライバーとPEM制御回路を備える分光測定器において前記PEMの位相差を制御する位相差制御方法であって、
前記PEMドライバーからPEMへ位相変調動作を行うための変調電圧を供給し、前記分割偏光器により光源からの入射光を直線偏光の測定光および直線偏光の参照光に分割し、
得られた測定光および参照光は前記PEMにより分光測定に対応するように位相差が与えられ、前記PEM制御回路には前記位相差が与えられた参照光がフィードバック信号として入力されるとともに前記PEMドライバーへ変調制御量信号を出力してフィードバック制御ループを構成する工程と、
前記分割偏光器における光の波長を監視してその波長変化を波長信号として入力するCPU回路を前記分光測定器に構成し、該CPU回路によって前記波長信号はフィードフォワード信号に変換され、該フィードフォワード信号が前記PEM制御回路へ出力される工程と、を含み、
前記PEM制御回路は、前記フィードバック信号およびフィードフォワード信号を利用して前記PEMドライバーへ変調制御量信号を出力することを特徴とする。
本発明によれば位相差制御装置にPEM制御回路を備えてフィードバック制御ループを構成するとともに、さらにCPU回路を備えてPEMへの入射光の波長変化(分割偏光器における光の波長変化)を監視することでフィードフォワード信号を一定条件で算出し、該フィードフォワード信号およびフィードバック信号をPEM制御回路で演算処理して変調制御量信号を算出する。そして、この変調制御量信号を利用してPEMドライバーを制御することで、従来よりも応答性が改善され、且つ、入射光の波長変化等が生じても安定した位相差制御が実現できる効果を奏する。その結果、位相差制御の応答性が改善されるので、例えばステップスキャンのみならず連続スキャンにも対応した位相差制御装置および方法が実現できるようになった。
本発明の実施形態に係る位相差制御装置が適用されたCD分散計の概略構成図を示す。 本発明の位相差制御装置が適用されたCD分散計における変形例の概略構成図を示す。 本実施形態の温度補償回路に利用できる回路の一例を示す。
以下、本発明の位相差制御装置について図面を用いて説明するが、本発明の趣旨を越えない限り何ら以下の例に限定されるものではない。
図1に本発明の実施形態に係る分光測定器として円二色性分散計(CD分散計)の概略構成図を示す。図1におけるCD分散計10は、本発明の位相差制御装置を適用して構成されている。同図に示すCD分散計10は、試料20に光を照射する光源12と、光源12からの光を単色光に分光するとともに入射した光を測定光と参照光の偏光(直線偏光)に分割する分割偏光器14と、分割偏光器14からの直線偏光に位相差を与えるための位相変調動作をするPEM16と、PEM16が位相変調動作をするために変調電圧を供給するPEMドライバー18と、試料20を透過した測定光を検出する検出回路22と、を備えている。さらに本実施形態のCD分散計10は、本発明の位相差制御装置を構成するためのPEM制御回路24およびCPU回路26を備えている。
光源12からの光は分割偏光器14で単色光に分光され、該単色光はさらに直線偏光された測定光と同じく直線偏光された参照光とに分割される。本実施形態における分割偏光器14は、モノクロメータとローションプリズムなどを含んで構成されている。また本実施形態では、光源12からの光を直線偏光にするためのモノクロメータと、直線偏光された光を分割するためのローションプリズムとを分けて構成しても良い。分割偏光器14によって直線偏光された光(測定光および参照光)は、どちらの光もPEM16へと到達する。この時、PEM16にはPEMドライバー18から変調電圧が供給されており、測定光および参照光はPEM16を透過する際に各種測定に応じた所定の位相差が与えられ、左右に交替する円偏光となる。そして、この左右の円偏光のうち測定光は試料20へ入射する。
試料20はCD(円二色性)を有する測定対象であり、左右の円偏光(測定光)が試料20を透過すると、左と右で異なった大きさの吸収を受け、CDに依存する強度変動を含む光として検出回路22で検出される。そして、検出回路22で各種アンプ等を利用して一定の処理が施されることで測定結果としてCD値が出力され、その後に例えばスペクトル解析装置やパーソナルコンピュータを利用してスペクトルの解析等が行われる。
ここで、検出回路22におけるCD値の検出プロセスについて説明する。検出回路22は、PMT検出器28、感度調整HT36、ロックインアンプ40および複数の各種アンプ(プリアンプ30、DCアンプ32、オペアンプ34、検出アンプ38)で構成されている。試料20を透過した測定光はPMT検出器28によってCD電圧に変換され、該CD電圧はプリアンプ30によってその電圧値が増幅される。このCD電圧は非常に微弱な電圧信号であるため、検出回路22内部で各種アンプによって増幅される。
CD電圧は直流成分と交流成分を含むものであり、増幅されたCD電圧のうちの直流成分が選択的にDCアンプ32で増幅される。そして、増幅されたCD電圧(直流成分)はオペアンプ34を介して例えば1Vに対する差分があらかじめ定められた割合で増幅されて感度調整HT36に入力され、該感度調整HT36はこの直流成分の大きさ(電圧)が一定になるようにPMT検出器28の感度を調整する。
そしてこれらのプロセスによって安定したCD電圧は、検出アンプ38を介してロックインアンプ40に入力される。ロックインアンプ40にはPEMドライバー18から参照電圧が入力されており、該ロックインアンプ40によって検出されたCD値は所定の目的に応じてスペクトル解析が行われる。本実施形態におけるCD分散計10は概略以上のような流れでCD値を検出している。
位相差制御について
次に、本発明の実施形態に係るCD分散計10におけるPEM16の位相差制御について説明する。CD分散計10は安定した位相差制御を実現するためのPEM制御回路24を備えており、該PEM制御回路24はPEM16における参照光をフィードバック信号(図1のFB信号)として入力するとともにPEM制御回路24の内部で所定の条件により演算処理して変調制御量信号を算出している。
図1では図示を省略しているがPEM制御回路24へ入力される参照光は、例えばフォトマル等を利用して電圧信号に変換されてフィードバック信号としてPEM制御回路24へ入力される。そしてPEM制御回路24は、変調制御量信号をPEMドライバー18へ出力し、PEMドライバー18が変調制御量信号に応じた変調電圧をPEM16に供給することでフィードバック制御ループを構成している。
このようにPEMドライバー18およびPEM制御回路24によるフィードバック制御ループを利用してPEM16の位相差制御を行うことで、例えばPEM16における入射光の波長変化等(測定毎に波長を変化させる場合等)により目的とする位相変調量に対して実際の位相変調量がズレてしまうことがあっても、その位相変調量のズレに応じた変調電圧をPEMドライバー18からPEM16へ供給することができる。その結果、PEM16への入射光に波長変化が生じても上記フィードバック制御ループにより安定した位相差制御が実現できる。
そして、本実施形態のCD分散計10は上記フィードバック制御ループ(PEM16、PEMドライバー18、PEM制御回路24)とともに、さらにCPU回路26を備えることで位相差制御装置を構成している。CPU回路26は、例えばCPU(central processing unit)などを含んで構成されている。そして、本実施形態におけるCPU回路26は、分割偏光器14における光の波長を常に監視(モニタリング)している。
つまり、CPU回路26は分割偏光器14における光の波長(PEM16へ入射される入射光の波長)を常に監視し、その波長変化を波長信号として受け取っている。そして、CPU回路26に入力された波長信号は該CPU回路26の内部にあらかじめ用意されたテーブルや所定のアルゴリズムにより演算処理がされることでフィードフォワード信号に変換され、その後フィードフォワード信号(図1のFF信号)はPEM制御回路24へ出力される。
PEM制御回路24にはPEM16における参照光としてのフィードバック信号と、PEM16へ入射させる入射光の波長変化により算出されたフィードフォワード信号が入力されている。PEM制御回路24は、このフィードバック信号とフィードフォワード信号を演算処理することで変調制御量信号を算出し、該変調制御量信号をPEMドライバー18へと出力する。
フィードフォワード信号の算出
フィードフォワード信号は、上述のとおり波長信号(PEM16へ入射される入射光の波長変化)に対してあらかじめ用意されたテーブルを利用したり、あるいはアルゴリズムによる演算処理をすることで算出される。例えばCPU回路26の内部に各波長に対応した出力指令が示されている出力指令テーブルを利用してフィードフォワード信号を算出することができる。この場合、分光測定に利用するPEMごとに若干ではあるが特性が異なる可能性があるため、各PEMごとに異なる出力指令テーブルを用意しておくこともできる。
そして、CD最大値となる電圧値をあらかじめ算出しておくことで分光測定(位相差制御)に必要な出力指令テーブルを得ることができる。CD最大値となる電圧値を算出する方法として、例えばPEM電圧を指定したステップ毎に上げ、それぞれのPEM電圧に対するCD値データを取得し、そのデータのピーク位置をCD最大値とし、そのときの電圧値をV最大値とすることができる。
また、フィードフォワード信号は、CPU回路26の内部にあらかじめ用意した所定のアルゴリズムにより算出することもできる。例えばPEM電圧を上げていき、CD値の差分(微分値)がマイナスになったら下げるとともに、その後に微分値がマイナスになったらPEM電圧を上げる。これを繰り返し行った収束点をCD最大値としてその時の電圧値をV最大値とすることができる。
さらに他の方法として、最急降下法やピーク検出などの最適化アルゴリズムを備えるプログラム等を実行することでフィードフォワード信号が算出できる。ここで最急降下法とは、ある関数の傾き(一階微分)のみからその関数の最小値を探索する勾配法のアルゴリズム、またはこれに類似した考え方によるアルゴリズムのことを言う。本実施形態では、最急降下法やピーク検出を利用して上記出力指令テーブルを作成しても良い。また、上述したような方法によって得られるV最大値を、測定装置の全波長域、全波長点で算出することによって各PEM毎の出力指令テーブルが得られるが、V最大値を算出する波長を限定し、以下のV−波長の関係を示す数式を使用して間を補完することで、出力指令テーブル算出の作業を効率化することもできる。
また、フィードフォワード信号の算出としてCD分散計等では上記数式におけるAを1.841ラジアンとしているが、例えばエリプソメータでは、上記数式におけるAを2.405ラジアンとすることで、CD値の最大値を算出することができる。同様に、例えば施光分散計(ORD)や直線二色性分散計(LD)では上記数式におけるAを3.05ラジアンとすることでCD値の最大値を算出することができる。本実施形態のCPU回路26におけるフィードフォワード信号の算出アルゴリズムは上記数式や方法によるアルゴリズムに限られず、CD値の最大値を算出できれば他のアルゴリズムや方法であっても構わない。
具体的には、出力指令テーブルにおけるCD最大値を算出するアルゴリズムは例えば、ガウスニュートン法、ニュートン法、PatternSearch法、Nelder−Mead法、遺伝的アルゴリズム、粒子群最適化、差分進化法、カッコーサーチ、ホタルアルゴリズムなどを利用することもできる。
このようにフィードバック制御ループに加えてさらにCPU回路26を備えて位相差制御装置を構成し、フィードバック信号およびフィードフォワード信号を利用して位相差制御を行うことで、入射光の波長変化が生じても安定した位相差制御が可能となり、且つ、従来よりも応答性の優れた位相差制御が実現できる。その結果、応答性が改善されることでステップスキャンのみならず連続スキャンにも対応できるようになるので、例えば連続スキャンが必須であるCD分散計やLD分散計等へ本発明の位相差制御装置を利用することができる。
<変形例>
PEMはその特性上、Q値が非常に高いためにわずかな温度変化が生じても発信周波数が大きく変動してしまい、測定結果に大きな影響を及ぼしてしまう可能性がある。そこで本変形例における位相差制御装置は、このような温度変化の影響にも対応できる回路構成を追加して構成されている。
図2には本発明の実施形態に係るCD分散計における変形例の概略構成図を示す。図2においても図1と同様に、CD分散計10は本発明の位相差制御装置を適用して構成されている。そして、図2のCD分散計10は基本的には図1に示されたCD分散計10と同じ構成であるが、本変形例ではPEM16における位相差制御の安定性をさらに向上させるために温度補償回路42を備えて構成されている。
温度補償回路42は、PEMドライバー18と一体として設けられており、例えばPEMドライバー18の内部回路と接続されることで一体として構成されている。また温度補償回路42は、例えばサーミスタや他の温度計などの温度検出手段(図2では図示を省略)をPEM16の傍へ配置し(またはPEM16に接触するように配置し)、該温度検出手段からの温度検出値(温度検出信号)が温度補償回路42に入力されることで位相差制御における温度補償動作を実現するものである。
温度補償回路42には、例えば図3(a)に示されるような直接型TCXO、あるいは図3(b)に示されるような間接型TCXOなどのTCXOタイプ(温度補償型水晶発振器)の回路を利用することができる。また、本変形例における温度補償回路42はTCXOタイプの回路構成に限られず、PEM16の温度補償動作を実現出来れば他の回路を利用しても良い。
位相差制御中において温度補償回路42には、前記温度検出手段で検出されたPEM16の周囲温度(またはPEM16自体の温度)が温度検出信号として入力される。温度検出信号が入力されると、その検出値に応じて温度補償回路42の抵抗値が変化するので、PEMドライバー18はPEM16の温度変化に応じた適正な変調電圧を供給することができる。
つまり、本変形例ではPEM制御回路24によりフィードバック信号およびフィードフォワード信号を利用してPEM16の位相差制御を行うとともに、同時にPEM16の温度を検出して温度補償回路42による制御も行うことで、従来よりも応答性が優れ、且つ、PEM(およびPEM周囲)における温度変化の影響が抑制された安定した位相差制御を実現することができる。
そして本発明によれば、上述したとおりPEM制御回路24によってPEM16からのフィードバック信号を入力するとともに変調制御量信号をPEMドライバー18へ出力してフィードバック制御ループを構成する工程と、CPU回路26によって監視した分割偏光器14における光の波長変化に基づいたフィードフォワード信号をPEM制御回路24に出力する工程と、を行い、そしてPEM制御回路24がフィードバック信号およびフィードフォワード信号を利用した所定の演算処理をしてPEMドライバー18に変調制御量信号を出力することで、従来よりも応答性に優れ、且つ、PEM16への入射光の波長変化等の影響が少ない安定した位相差制御を可能とする位相差制御方法を実現することもできる。
さらに上記実施形態および変形例では、本発明に係る位相差制御装置および位相差制御方法をCD分散計に適用した場合について説明したが、例えばエリプソメータ、施光分散計(ORD)、直線二色性分散計(LD)等の他の分散計に適用しても同様の効果を得ることができる。
10 CD分散計(位相差制御装置)
12 光源
14 分割偏光器
16 PEM
18 PEMドライバー
20 試料
22 検出回路
24 PEM制御回路
26 CPU回路
28 PMT検出器
30 プリアンプ
32 DCアンプ
34 オペアンプ
36 感度調整HT
38 検出アンプ
40 ロックインアンプ
42 温度補償回路

Claims (5)

  1. 試料を分光測定する分光測定器に利用される位相差制御装置であって、
    当該位相差制御装置は、光源からの入射光を直線偏光の測定光および直線偏光の参照光に分割する分割偏光器と、前記分光測定に対応するように前記測定光および参照光に位相差を与える位相変調動作を行うPEMと、該PEMに位相変調動作をさせるための変調電圧を供給するPEMドライバーと、前記参照光をフィードバック信号として入力するとともに前記PEMドライバーへ変調制御量信号を出力するPEM制御回路と、を備え、
    さらに、前記分割偏光器における光の波長を監視してその波長変化を波長信号として入力するCPU回路を備え、
    前記CPU回路は前記波長信号をフィードフォワード信号に変換し、該フィードフォワード信号は前記PEM制御回路へ出力され、
    前記PEM制御回路は、前記フィードバック信号およびフィードフォワード信号による演算処理をして前記PEMドライバーに変調制御量信号を出力することを特徴とする位相差制御装置。
  2. 請求項1に記載の位相差制御装置であって、
    前記CPU回路は、該CPU回路内部にあらかじめ作成された出力指令テーブルによりフィードフォワード信号を算出することを特徴とする位相差制御装置。
  3. 請求項1および請求項2のいずれかに記載の位相差制御装置であって、
    当該位相差制御装置は、PEMの温度が変化しても測定光および参照光に与えられる位相差が一定となるような変調電圧をPEMドライバーからPEMへ供給するための温度補償回路を備えており、
    前記温度補償回路は、PEMの温度を検出するための温度検出手段で検出された検出値を入力して温度補償動作を行うことを特徴とする位相差制御装置。
  4. 請求項3に記載の位相差制御装置であって、
    前記PEMドライバーは少なくとも一部に前記温度補償回路を含んで構成されており、該温度補償回路は温度補償型水晶発振器を含んで構成されていることを特徴とする位相差制御装置。
  5. 少なくとも光源と分割偏光器とPEMとPEMドライバーとPEM制御回路を備える分光測定器において前記PEMの位相差を制御する位相差制御方法であって、
    前記PEMドライバーからPEMへ位相変調動作を行うための変調電圧を供給し、前記分割偏光器により光源からの入射光を直線偏光の測定光および直線偏光の参照光に分割し、
    得られた測定光および参照光は前記PEMにより分光測定に対応するように位相差が与えられ、前記PEM制御回路には前記位相差が与えられた参照光がフィードバック信号として入力されるとともに前記PEMドライバーへ変調制御量信号を出力してフィードバック制御ループを構成する工程と、
    前記分割偏光器における光の波長を監視してその波長変化を波長信号として入力するCPU回路を前記分光測定器に構成し、該CPU回路によって前記波長信号はフィードフォワード信号に変換され、該フィードフォワード信号が前記PEM制御回路へ出力される工程と、を含み、
    前記PEM制御回路は、前記フィードバック信号およびフィードフォワード信号を利用して前記PEMドライバーへ変調制御量信号を出力することを特徴とする位相差制御方法。
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