JP7006494B2

JP7006494B2 - フーリエ変換型分光光度計

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Publication number: JP7006494B2
Application number: JP2018088776A
Authority: JP
Inventors: 大二郎加藤
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2018-05-02
Filing date: 2018-05-02
Publication date: 2022-01-24
Anticipated expiration: 2038-05-02
Also published as: JP2019194550A

Description

本発明は、干渉光を検出器で検出し、ＡＤコンバータによりＡＤ変換された検出信号に基づいて、フーリエ変換を用いた演算を行うフーリエ変換型分光光度計に関するものである。

フーリエ変換型分光光度計には、検出器からの検出信号をＡＤ変換するためのＡＤコンバータが備えられている（例えば、下記特許文献１参照）。ＡＤコンバータによる検出信号のＡＤ変換は、フリンジ信号に同期して開始されることが望ましい。フリンジ信号は、干渉計で生成される干渉光の干渉縞信号であり、干渉計の制御を行う際のタイミングの基準となる。

ＡＤコンバータとしては、逐次比較型ＡＤコンバータ、ΔΣ型ＡＤコンバータ等が知られている。ΔΣ型ＡＤコンバータを用いて検出信号をＡＤ変換すれば、逐次比較型ＡＤコンバータを用いる場合よりもノイズの影響を小さくすることができるため、より精度の高い測定を行うためにはΔΣ型ＡＤコンバータを用いることが好ましい。

図３Ａは、逐次比較型ＡＤコンバータを用いて検出信号をＡＤ変換する際のタイミングについて説明するための図である。図３Ｂは、ΔΣ型ＡＤコンバータを用いて検出信号をＡＤ変換する際のタイミングについて説明するための図である。

逐次比較型ＡＤコンバータを用いて検出信号をＡＤ変換する際には、図３Ａに示すように、フリンジ信号に基づいて一定周期で検出信号がサンプリングされ、サンプリングされた検出信号（信号強度）に対してＡＤ変換が行われる。すなわち、逐次比較型ＡＤコンバータを用いた場合、フリンジ信号に同期してＡＤ変換を開始させることができる。

一方、ΔΣ型ＡＤコンバータを用いて検出信号をＡＤ変換する際には、図３Ｂに示すように、ΔΣ型ＡＤコンバータに備えられたマスタークロックに基づいてサンプリングが行われる。マスタークロックは、フリンジ信号よりも短い一定周期でクロック信号を発生している。

ΔΣ型ＡＤコンバータを用いた場合も、フリンジ信号に基づいてサンプリングが行われるが、フリンジ信号の入力直後におけるマスタークロックのクロック信号に同期してサンプリングが開始される。すなわち、ΔΣ型ＡＤコンバータを用いた場合、マスタークロックのクロック信号に同期してＡＤ変換が開始されるため、ＡＤ変換の開始タイミングがフリンジ信号に対して一定のタイミングにならない。

特開昭６３－２６９０２５号公報

上記のように、ΔΣ型ＡＤコンバータを用いて検出信号をＡＤ変換する場合には、マスタークロックのクロック信号に同期して検出信号がサンプリングされ、サンプリングされた検出信号に対してＡＤ変換が行われる。そのため、フリンジ信号とＡＤ変換の開始タイミングが一定にならない事に起因して、測定結果にノイズ（いわゆるジッターノイズ）が発生し、Ｓ／Ｎ比が低下するという問題があった。このような問題は、ΔΣ型ＡＤコンバータに限らず、検出器からの検出信号を固有の周期でＡＤ変換するＡＤコンバータであれば、ΔΣ型ＡＤコンバータ以外のＡＤコンバータにおいても同様に生じる可能性がある。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、検出器からの検出信号を固有の周期でＡＤ変換するＡＤコンバータを用いた場合であっても、ジッターノイズを低減することができるフーリエ変換型分光光度計を提供することを目的とする。

（１）本発明に係るフーリエ変換型分光光度計は、干渉計と、検出器と、ＡＤコンバータと、信号入力部と、演算部とを備える。前記干渉計は、干渉光を生成する。前記検出器は、前記干渉計により生成された干渉光を検出する。前記ＡＤコンバータは、前記検出器からの検出信号を固有の第１周期でＡＤ変換する。前記信号入力部は、前記干渉計の制御に用いられるフリンジ信号の発生に基づくＡＤ変換開始信号と、前記ＡＤ変換開始信号と同期したクロック信号を生成し、前記ＡＤコンバータに入力する。前記演算部は、前記ＡＤコンバータによりＡＤ変換された検出信号に基づいて、フーリエ変換を用いた演算を行う。

このような構成によれば、フリンジ信号に基づいて信号入力部から入力されるクロック信号を用いてＡＤコンバータを動作させることにより、ＡＤコンバータにおけるＡＤ変換の開始タイミングをずらすことができる。これにより、フリンジ信号とＡＤ変換の開始タイミングとの時間差を毎回同じ程度にすることができるため、検出器からの検出信号を固有の周期（第１周期）でＡＤ変換するＡＤコンバータを用いた場合であっても、フリンジ信号に同期してＡＤ変換を開始することができ、ジッターノイズを低減することができる。

（２）前記信号入力部は、前記ＡＤ変換開始信号が発生した時点と、実際にＡＤ変換が開始される時点の間の時間が常に一定になるように、前記クロック信号を生成してもよい。この場合、前記信号入力部は、前記第１周期よりも短い第２周期であるマスタークロックを有していてもよい。前記信号入力部は、前記フリンジ信号に基づいて前記ＡＤ変換開始信号を生成するとともに、前記ＡＤコンバータに入力するクロック信号を、前記ＡＤ変換開始信号の発生した時点に対して前記第２周期で所定のクロック数だけ遅延させることにより、前記ＡＤコンバータにおけるＡＤ変換の開始タイミングを制御してもよい。

このような構成によれば、信号入力部のマスタークロックを用いて、ＡＤコンバータにＡＤ変換を開始させることができる。マスタークロックは第１周期よりも短い第２周期であり、ＡＤコンバータに入力するクロック信号を、ＡＤ変換開始信号の発生した時点に対して第２周期で所定のクロック数だけ遅延させることにより、ＡＤコンバータにおけるＡＤ変換の開始タイミングが制御されるため、フリンジ信号とＡＤ変換の開始タイミングとの時間差を確実に毎回同じ程度にすることができる。

（３）前記フーリエ変換型分光光度計は、切替部をさらに備えていてもよい。前記切替部は、前記ＡＤコンバータが内部に持つ固有のマスタークロックで動作する状態、又は、前記ＡＤコンバータが前記信号入力部から入力されるクロック信号に基づいて動作する状態のいずれかに切り替える。

このような構成によれば、ＡＤコンバータが内部に持つ固有のマスタークロックに基づくタイミング、又は、信号入力部から入力されるクロック信号に基づくタイミングのいずれかに切り替えて、ＡＤ変換を開始させることができる。これにより、ＡＤ変換を開始させるタイミングを必要に応じて適切に設定することができる。

（４）前記ＡＤコンバータは、ΔΣ型ＡＤコンバータであってもよい。

このような構成によれば、ΔΣ型ＡＤコンバータが用いられたフーリエ変換型分光光度計において、ジッターノイズを低減することができる。

本発明によれば、フリンジ信号とＡＤ変換の開始タイミングとの時間差を毎回同じ程度にすることができるため、検出器からの検出信号を固有の周期（第１周期）でＡＤ変換するＡＤコンバータを用いた場合であっても、フリンジ信号に同期してＡＤ変換を開始することができ、ジッターノイズを低減することができる。

本発明の一実施形態に係るフーリエ変換型分光光度計の構成例を示したブロック図である。ＰＬＤから入力されるクロック信号に基づいてＡＤコンバータがＡＤ変換を開始するタイミングについて説明するためのタイミングチャートの一例である。逐次比較型ＡＤコンバータを用いて検出信号をＡＤ変換する際のタイミングについて説明するための図である。 ΔΣ型ＡＤコンバータを用いて検出信号をＡＤ変換する際のタイミングについて説明するための図である。

１．フーリエ変換型分光光度計の構成
図１は、本発明の一実施形態に係るフーリエ変換型分光光度計の構成例を示したブロック図である。このフーリエ変換型分光光度計には、干渉計１、検出器２、ＡＤコンバータ３、ＰＬＤ（Programmable Logic Device）４、ＣＰＵ（Central Processing Unit）５及びＰＣ（Personal Computer）６などが備えられている。

干渉計１は、光源、固定鏡、移動鏡及びハーフミラー（いずれも図示せず）を有するマイケルソン干渉計からなり、光源からの光を固定鏡及び移動鏡でそれぞれ反射させて干渉させることにより干渉光を生成する。光源からは、例えば赤外光が照射される。この種の干渉計１の構成は周知であるため、詳細な説明を省略する。

干渉計１により生成された干渉光は、試料Ｓに照射され、試料Ｓからの透過光又は反射光が検出器２で検出されることにより、検出器２からＡＤコンバータ３に検出信号が入力される。また、干渉計１からの干渉光の一部に基づいて、フリンジ信号生成部７によりフリンジ信号が生成され、そのフリンジ信号がＰＬＤ４に入力される。フリンジ信号は、干渉計１で生成される干渉光の干渉縞信号であり、このフリンジ信号を用いて干渉計１（移動鏡など）の制御が行われる。

ＡＤコンバータ３は、検出器２から入力される検出信号をＡＤ変換する。本実施形態におけるＡＤコンバータ３は、内部に固有のマスタークロック３１を有するΔΣ型ＡＤコンバータである。このマスタークロック３１は、固有の周期（第１周期）で動作する。ＡＤコンバータ３は、マスタークロック３１に基づいてＡＤ変換を開始することにより、上記第１周期でＡＤ変換を行うことができる。本実施形態において、マスタークロック３１の周波数は、例えば１６ＭＨｚである。

ＰＬＤ４は、プログラミングにより任意の機能を実現することができるデバイスであり、本実施形態では上記機能の１つとしてマスタークロック４１を有している。このマスタークロック４１は、固有の周期（第２周期）で動作する。ＰＬＤ４のマスタークロック４１の周期（第２周期）は、ＡＤコンバータ３のマスタークロック３１の周期（第１周期）よりも短い。本実施形態において、マスタークロック４１の周波数は、例えば１２８ＭＨｚである。マスタークロック４１の周波数は、マスタークロック３１の周波数の整数倍であることが好ましく、本実施形態では８倍となっている。

ＰＬＤ４は、フリンジ信号の発生に基づくＡＤ変換開始信号と、このＡＤ変換開始信号と同期したクロック信号を生成し、ＡＤコンバータ３に入力する信号入力部を構成している。このＰＬＤ４から入力されるＡＤ変換開始信号及びクロック信号を用いて、ＡＤコンバータ３にＡＤ変換を開始させることができる。すなわち、ＡＤコンバータ３は、その内部に備えられたマスタークロック３１を用いることなく、ＰＬＤ４から入力されるＡＤ変換開始信号及びクロック信号に基づいてＡＤ変換を開始することができる。

ＰＬＤ４は、ＣＰＵ５に接続されている。ＡＤコンバータ３によりＡＤ変換された検出信号は、ＰＬＤ４を介してＣＰＵ５に入力され、当該ＣＰＵ５からＰＣ６へと出力される。ＰＣ６は、プログラムを実行することにより、演算部６１及び切替部６２などの各種機能部として機能する。

演算部６１は、ＡＤコンバータ３からの検出信号に基づいて、フーリエ変換を用いた演算を行う。試料Ｓに対して干渉計１から干渉光を照射して測定を行った場合には、演算部６１による演算の結果が、試料Ｓの測定結果を表すスペクトルとして表示部（図示せず）に表示される。

ＡＤコンバータ３は、ＡＤコンバータ３が内部に持つ固有のマスタークロック３１で動作する状態（第１の状態）、又は、ＰＬＤ４から入力されるクロック信号に基づいて動作する状態（第２の状態）のいずれかに切り替えることができる。切替部６２は、ユーザの操作に基づいてＡＤコンバータ３を第１の状態又は第２の状態に切り替える処理を行う。

２．ＡＤ変換のタイミング
図２は、ＰＬＤ４から入力されるクロック信号に基づいてＡＤコンバータ３がＡＤ変換を開始するタイミングについて説明するためのタイミングチャートの一例である。図２では、ＡＤコンバータ３が上記第２の状態のときのＡＤ変換の開始タイミングの一例について説明する。

図２Ａに示すように、ＰＬＤ４に備えられたマスタークロック４１は、ＡＤコンバータ３のマスタークロック３１の周期（第１周期）よりも短い第２周期で動作する。すなわち、マスタークロック４１は、立ち上がりと立ち下がりを上記第２周期で交互に繰り返す。

ＰＬＤ４は、所定の周期で入力されるフリンジ信号に基づいて、ＡＤ変換開始信号を生成する。また、ＰＬＤ４は、ＡＤ変換開始信号に同期したクロック信号を生成する。フリンジ信号が入力された場合には、図２Ｂに示すように、その直後のマスタークロック４１の立ち上がりのタイミングＴ１と同期してＡＤ変換開始信号が立ち上がる。ただし、マスタークロック４１の立ち上がりではなく、立ち下がりと同期させてＡＤ変換開始信号が生成されてもよい。

上記のようにしてＰＬＤ４においてＡＤ変換開始信号が生成された後、ＰＬＤ４からＡＤコンバータ３に入力されるクロック信号（入力クロック信号）が立ち下がったときに、ＡＤコンバータ３がＡＤ変換を開始する。入力クロック信号は、マスタークロック４１に同期したタイミングで生成される。ただし、入力クロック信号の立ち下がりではなく、立ち上がりのときにＡＤ変換が開始されてもよい。

入力クロック信号は、ＡＤコンバータ３のマスタークロック３１の周期（第１周期）と同一の周期でＡＤコンバータ３に入力され、ＡＤコンバータ３のマスタークロックとして動作するが、ＰＬＤ４が内部で生成する信号であるため、ＰＬＤ４において立ち上がり又は立ち下がりのタイミングを任意にずらすことができる。入力クロック信号の立ち上がり又は立ち下がりのいずれか一方のタイミングをずらした場合であっても、その後の立ち上がり及び立ち下がりのタイミングはずらされず、入力クロック信号の周期は上記第１周期のまま維持される。

本実施形態では、ＡＤ変換開始信号の立ち上がりのタイミングに応じて、入力クロック信号の立ち下がりのタイミングが必要に応じて遅延される。すなわち、ＰＬＤ４は、ＡＤ変換開始信号の発生した時点に対して上記第２周期で所定のクロック数だけ遅延させた入力クロック信号をＡＤコンバータ３に入力する。

この例では、マスタークロック４１の周波数が、マスタークロック３１の周波数の８倍であるため、ＡＤ変換開始信号の発生した時点に対する入力クロック信号の遅延タイミング（遅延させない場合も含む。）は、８パターンとなる。言い換えれば、ＡＤ変換開始信号の発生した時点に対して入力クロック信号を遅延させるクロック数（遅延させない場合も含む。）は、０～７のいずれかである。

図２Ｃに示すパターン１のように、入力クロック信号の立ち下がりのタイミングが、ＡＤ変換開始信号（図２Ｂ参照）の立ち上がりのタイミングＴ１の直後のマスタークロック４１（図２Ａ参照）に同期するタイミングＴ２である場合には、入力クロック信号を遅延させる必要がない。これに対して、入力クロック信号の立ち下がりのタイミングが、ＡＤ変換開始信号（図２Ｂ参照）の立ち上がりのタイミングＴ１の直後のマスタークロック４１（図２Ａ参照）に同期するタイミングＴ２でない場合には、１～７のいずれかのクロック数だけ入力クロック信号が遅延されることにより、タイミングＴ２に合わせられる。

例えば、図２Ｄに示すパターン２のように、入力クロック信号の立ち下がりのタイミングが、ＡＤ変換開始信号（図２Ｂ参照）の立ち上がりのタイミングＴ１と同じタイミングである場合、ＡＤ変換開始信号が完全に立ち上がる前に入力クロック信号が立ち下がるため、この入力クロック信号の立ち下がりのタイミングではＡＤコンバータ３におけるＡＤ変換が開始されない。この場合、入力クロック信号を遅延させなければ、入力クロック信号の次の立ち下がりのタイミングＴ３までＡＤコンバータ３におけるＡＤ変換が開始されず、これがジッターノイズの原因となる。

そこで、本実施形態では、図２Ｄに示すパターン２のような場合に、ＡＤ変換開始信号に対して入力クロック信号を１クロックだけ遅延させる。これにより、図２Ｄに破線で示すように、入力クロック信号の立ち下がりのタイミングが、タイミングＴ２に合わせられる。図２Ｄのパターン（パターン２）以外の場合にも、適切なクロック数だけ入力クロック信号が遅延されることにより、入力クロック信号の立ち下がりのタイミングが常にタイミングＴ２に合わせられる。このように、ＰＬＤ４は、ＡＤ変換開始信号が発生した時点と、実際にＡＤ変換が開始される時点の間の時間が常に一定になるように、入力クロック信号を生成する。

フリンジ信号に対する入力クロック信号の時間差が一定であれば、ジッターノイズが低減する。したがって、上記のように入力クロック信号の立ち下がりのタイミングを常にタイミングＴ２に合わせれば、ジッターノイズを効果的に低減することができる。

３．作用効果
（１）本実施形態では、フリンジ信号に基づいてＰＬＤ４から入力されるクロック信号（入力クロック信号）を用いてＡＤコンバータ３を動作させることにより、ＡＤコンバータ３におけるＡＤ変換の開始タイミングをずらすことができる。これにより、フリンジ信号とＡＤ変換の開始タイミングとの時間差を毎回同じ程度にすることができるため、検出器２からの検出信号を固有の周期（第１周期）でＡＤ変換するＡＤコンバータ３を用いた場合であっても、フリンジ信号に同期してＡＤ変換を開始することができ、ジッターノイズを低減することができる。

（２）特に、本実施形態では、ＰＬＤ４のマスタークロック４１（図２Ａ参照）を用いて、ＡＤコンバータ３にＡＤ変換を開始させることができる。マスタークロック４１は、ＡＤコンバータ３のマスタークロック３１の周期（第１周期）よりも短い周期（第２周期）であり、ＡＤコンバータ３に入力するクロック信号を、ＡＤ変換開始信号（図２Ｂ参照）の発生した時点に対して第２周期で所定のクロック数だけ遅延させることにより（図２Ｄ参照）、ＡＤコンバータ３におけるＡＤ変換の開始タイミングが制御されるため、フリンジ信号とＡＤ変換の開始タイミングとの時間差を確実に毎回同じ程度にすることができる。

（３）また、本実施形態では、切替部６２の切り替えにより、ＡＤコンバータ３が内部に持つ固有のマスタークロック３１に基づくタイミング、又は、ＰＬＤ４から入力されるクロック信号に基づくタイミングのいずれかに切り替えて、ＡＤ変換を開始させることができる。これにより、ＡＤ変換を開始させるタイミングを必要に応じて適切に設定することができる。

（４）本実施形態では、ＡＤコンバータ３がΔΣ型ＡＤコンバータであるため、ΔΣ型ＡＤコンバータが用いられたフーリエ変換型分光光度計において、ジッターノイズを低減することができる。

４．変形例
ＡＤコンバータ３は、固有の周期（第１周期）でクロック信号を生成するものであれば、ΔΣ型とは異なるＡＤコンバータであってもよい。

また、本発明に係るフーリエ変換型分光光度計は、赤外光を用いて測定を行うフーリエ変換赤外分光光度計に限らず、赤外領域以外の波長領域の光を用いて測定を行うようなフーリエ変換型分光光度計であってもよい。

１干渉計
２検出器
３ＡＤコンバータ
４ＰＬＤ
５ＣＰＵ
６ＰＣ
３１マスタークロック
４１マスタークロック
６１演算部
６２切替部
Ｓ試料

Claims

干渉光を生成する干渉計と、
前記干渉計により生成された干渉光を検出する検出器と、
前記検出器からの検出信号を固有の第１周期でＡＤ変換するＡＤコンバータと、
前記干渉計の制御に用いられるフリンジ信号の発生に基づくＡＤ変換開始信号と、前記ＡＤ変換開始信号と同期したクロック信号を生成し、前記ＡＤコンバータに入力する信号入力部と、
前記ＡＤコンバータによりＡＤ変換された検出信号に基づいて、フーリエ変換を用いた演算を行う演算部とを備えたことを特徴とするフーリエ変換型分光光度計。
前記信号入力部は、前記ＡＤ変換開始信号が発生した時点と、実際にＡＤ変換が開始される時点の間の時間が常に一定になるように、前記クロック信号を生成することを特徴とする請求項１に記載のフーリエ変換型分光光度計。
前記信号入力部は、前記第１周期よりも短い第２周期であるマスタークロックを有し、前記フリンジ信号に基づいて前記ＡＤ変換開始信号を生成するとともに、前記ＡＤコンバータに入力するクロック信号を、前記ＡＤ変換開始信号の発生した時点に対して前記第２周期で所定のクロック数だけ遅延させることにより、前記ＡＤコンバータにおけるＡＤ変換の開始タイミングを制御することを特徴とする請求項２に記載のフーリエ変換型分光光度計。
前記ＡＤコンバータが内部に持つ固有のマスタークロックで動作する状態、又は、前記ＡＤコンバータが前記信号入力部から入力されるクロック信号に基づいて動作する状態のいずれかに切り替える切替部をさらに備えることを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載のフーリエ変換型分光光度計。
前記ＡＤコンバータは、ΔΣ型ＡＤコンバータであることを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載のフーリエ変換型分光光度計。