JP7226243B2 - フーリエ分光分析装置 - Google Patents

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Description

本発明は、フーリエ分光分析装置に関する。
フーリエ分光分析装置は、干渉光（インターフェログラム）を試料に照射し、試料を介した光（反射光又は透過光）を受光し、得られた受光信号に対してフーリエ変換処理を行って試料を介した光のスペクトル（例えば、波数スペクトル）を求めることで、試料の分析を行う装置である。このようなフーリエ分光分析装置の分析対象である試料は、基本的に、光学特性の時間変化が無いもの（或いは、変化が少ないもの）であることが前提となる。
以下の特許文献１には、光学特性の時間変動が生ずる試料であっても、高い分析精度を実現することが可能なフーリエ分光分析装置が開示されている。具体的に、以下の特許文献１に開示されたフーリエ分光分析装置では、試料を介した光に含まれる、スペクトルを求める波長帯域である第１波長帯域の波長成分と、第１波長帯域とは異なる第２波長帯域の波長成分とを受光し、第２波長帯域の波長成分に含まれる雑音を用いて、第１波長帯域の波長成分の雑音を除去している。
特開２０１９－５２９９４号公報
ところで、フーリエ分光分析装置では、試料を介した光を受光して得られる受光信号のＳ／Ｎ比（信号対雑音比）が低いと、分析精度が低下する可能性が考えられる。これは、上述した特許文献１に開示されたフーリエ分光分析装置でも同様である。このため、フーリエ分光分析装置において、高いＳ／Ｎ比の受光信号を得るためには、試料の分析に用いられる光を極力無駄にすることなく有効活用することが重要である。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、分析に用いられる光を無駄なく有効活用することで、高い分析精度を実現することが可能なフーリエ分光分析装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の一態様によるフーリエ分光分析装置は、干渉光であるインターフェログラム（Ｌ２）を分析対象である試料（ＳＰ）に照射し、試料を介した光（Ｌ３）を受光して得られる受光信号に対してフーリエ変換処理を行って、前記試料を介した光のスペクトルを求めるフーリエ分光分析装置（１）において、前記スペクトルを求める波長帯域である分析波長帯域の波長成分を含む光（Ｌ０）を射出する光源（１０）と、前記光源から射出される光から、前記インターフェログラムとして、強度分布が互いに反転している第１インターフェログラム（Ｌ１１）と第２インターフェログラム（Ｌ１２）とを得る干渉計（２０）と、前記第１インターフェログラムと前記第２インターフェログラムとを合波して前記試料に照射する合波光学系（３０）と、前記試料を介した光に含まれる前記第１インターフェログラム（Ｌ４１）と前記第２インターフェログラム（Ｌ４２）とを分波する分波光学系（４０）と、分波された前記第１インターフェログラムを受光して得られる第１受光信号（Ｓ１）と、分波された前記第２インターフェログラムを受光して得られる第２受光信号（Ｓ２）とを出力する受光部（５０）と、前記第１受光信号及び前記第２受光信号を用いて、前記分析波長帯域の波長成分の、雑音を除去したスペクトルを求める処理を行う信号処理装置（６０）と、を備える。
また、本発明の一態様によるフーリエ分光分析装置は、前記信号処理装置が、前記第１受光信号と前記第２受光信号との差を得ることで雑音を除去する雑音除去部（６１）と、前記雑音除去部によって得られた前記差を示す信号に対してフーリエ変換処理を行って、前記分析波長帯域の波長成分のスペクトルを求めるフーリエ変換部（６２）と、を備える。
また、本発明の一態様によるフーリエ分光分析装置は、前記合波光学系が、前側焦点面の異なる位置に入射する前記第１インターフェログラム及び前記第２インターフェログラムを、前記試料の予め規定された照射領域（Ａ１）に照射する第１レンズ（ＬＳ１）を備え、前記分波光学系が、前記試料を介した光に含まれる前記第１インターフェログラム及び前記第２インターフェログラムを、後側焦点面の異なる位置（ＦＰ１、ＦＰ２）に集光させる第２レンズ（ＬＳ２）を備える。
また、本発明の一態様によるフーリエ分光分析装置は、前記合波光学系が、前記干渉計で得られた前記第１インターフェログラムのうちの第１偏光状態の前記第１インターフェログラムと、前記干渉計で得られた前記第２インターフェログラムのうちの前記第１偏光状態とは異なる第２偏光状態の前記第２インターフェログラムとを合波する偏光合波素子（３１）を備え、前記分波光学系が、前記試料を介した光に含まれる前記第１インターフェログラム及び前記第２インターフェログラムをその偏光状態に応じて分波する偏光分波素子（４１）を備える。
また、本発明の一態様によるフーリエ分光分析装置は、前記合波光学系が、前記干渉計で得られた前記第１インターフェログラムを前記第１偏光状態にする第１偏光子（３２）と、前記干渉計で得られた前記第２インターフェログラムを前記第２偏光状態にする第２偏光子（３３）と、を備える。
また、本発明の一態様によるフーリエ分光分析装置は、前記合波光学系が、前記偏光合波素子を介した前記第２偏光状態の前記第１インターフェログラム及び前記第１偏光状態の前記第２インターフェログラムを前記試料に向かわせる第１偏向素子（Ｍ１）を備え、前記分波光学系が、前記第１偏向素子で反射されて前記試料を介した光を前記偏光分波素子に向かわせる第２偏向素子（Ｍ２）を備える。
また、本発明の一態様によるフーリエ分光分析装置は、前記干渉計が、前記光源から射出された光を第１分岐光（Ｌ０１）と第２分岐光（Ｌ０２）とに分岐するとともに、互いに異なる光路を介した前記第１分岐光と前記第２分岐光とを干渉させて前記第１インターフェログラムと前記第２インターフェログラムとを得るハーフミラー（２１）と、前記ハーフミラーで分岐された前記第１分岐光を反射して前記ハーフミラーに入射させる固定ミラー（２２）と、前記第２分岐光の光路に沿って往復運動可能に構成され、前記ハーフミラーで分岐された前記第２分岐光を反射して前記ハーフミラーに入射させる移動ミラー（２３）と、前記第１インターフェログラムを外部に出力する第１出力部（ＰＴ１）と、前記第２インターフェログラムを外部に出力する第２出力部（ＰＴ２）と、を備える。
本発明によれば、分析に用いられる光を無駄なく有効活用することで、高い分析精度を実現することが可能である、という効果がある。
本発明の一実施形態によるフーリエ分光分析装置の要部構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態によるフーリエ分光分析装置が備える干渉計の構成例を示す図である。 本発明の一実施形態によるフーリエ分光分析装置が備える合波光学系及び分波光学系の第１構成例を示す図である。 本発明の一実施形態によるフーリエ分光分析装置が備える合波光学系及び分波光学系の第２構成例を示す図である。 本発明の一実施形態によるフーリエ分光分析装置が備える合波光学系及び分波光学系の第３構成例を示す図である。 本発明の一実施形態によるフーリエ分光分析装置が備える合波光学系及び分波光学系の第４構成例を示す図である。 本発明の一実施形態によるフーリエ分光分析装置が備える信号処理装置の構成例を示すブロック図である。 本発明の一実施形態において受光信号に重畳されている雑音が除去される原理を説明するための図である。
以下、図面を参照して本発明の実施形態によるフーリエ分光分析装置について詳細に説明する。
〔概要〕
本発明の実施形態は、分析に用いられる光を無駄なく有効活用することで、高い分析精度を実現するものである。具体的には、分析に用いられる光を無駄なく有効活用することで、高いＳ／Ｎ比の受光信号を得ることにより、高い分析精度を実現するものである。本発明の実施形態は、試料が光学特性の時間変動が生ずるものであっても、分析に用いられる光を無駄なく有効活用することで、高い分析精度を実現するものである。
フーリエ分光分析装置は、試料に照射するインターフェログラムを得るために干渉計を備える。このような干渉計として、例えばハーフミラー、固定ミラー、及び移動ミラーを備えるマイケルソン干渉計を用いることができる。この干渉計は、光源から射出された光をハーフミラーで固定ミラーに向かう第１分岐光と移動ミラーに向かう第２分岐光とに分岐し、固定ミラーで反射された第１分岐光と移動ミラーで反射された第２分岐光とをハーフミラーで干渉させることにより、試料に照射するインターフェログラムを得る。
ところで、フーリエ分光分析装置では、干渉計に設けられた移動ミラーによって光路長差（上述した第１分岐光の光路長と第２分岐光の光路長との差）の変化を生じさせることで変調光であるインターフェログラムを得ている。このため、フーリエ分光分析装置の分析対象である試料は、基本的に、光学特性の時間変化が無いものであるか、或いは光学特性の時間変化があったとしても、その変化の速度が、干渉計に設けられた移動ミラーの移動速度に比べて十分遅いものであることが前提となる。
しかしながら、フーリエ分光分析装置を種々の分野で用いようとした場合には、光学特性が上記の移動ミラーの移動速度に対して比較的速く変化する試料が分析対象になることが考えられる。例えば、工業プロセスや化学プロセスにおいては、粒子が浮遊している流体（粉体の場合もあり得る）、表面に凹凸のある光散乱面が形成されている移動体、攪拌容器内で攪拌されている懸濁した流動性のある試料等がフーリエ分光分析装置の分析対象となることが考えられる。
このような光学特性が比較的速く変化する試料をフーリエ分光分析装置で分析しようとすると、試料を介したインターフェログラムは、試料の光学特性の時間変化に応じた変動が生じたものになる。言い換えると、試料を介したインターフェログラムは、いわば試料の光学特性の時間変化に応じた変調がなされたものになる。これにより、試料を介したインターフェログラムは、低周波数成分が多く含まれる雑音（いわゆる「色つき雑音」）が重畳されたものとなる。インターフェログラムに重畳された雑音は、フーリエ変換処理を行っても雑音として現れるため、分析精度が低下してしまう。
また、フーリエ分光分析装置では、試料を介した光を受光して得られる受光信号のＳ／Ｎ比が低いと、分析精度が低下する可能性が考えられる。これは、光学特性の時間変動が生ずる試料を分析する場合も同様である。このため、フーリエ分光分析装置において、高いＳ／Ｎ比の受光信号を得るためには、試料の分析に用いられる光を極力無駄にすることなく有効活用することが重要である。
本発明の実施形態では、強度分布が互いに反転している第１インターフェログラムと第２インターフェログラムとを得る干渉計と、第１インターフェログラムと第２インターフェログラムとを合波して試料に照射する合波光学系と、試料を介した光に含まれる第１インターフェログラムと第２インターフェログラムとを分波する分波光学系とを備えている。そして、分波された第１インターフェログラムを受光して得られる第１受光信号と、分波された第２インターフェログラムを受光して得られる第２受光信号とを用いて、スペクトルを求める波長帯域である分析波長帯域の波長成分の、雑音を除去したスペクトルを求めるようにしている。これにより、分析に用いられる光を無駄なく有効活用することで、高い分析精度を実現することが可能である。
〔実施形態〕
〈フーリエ分光分析装置の要部構成〉
図１は、本発明の一実施形態によるフーリエ分光分析装置の要部構成を示すブロック図である。図１に示す通り、本実施形態によるフーリエ分光分析装置１は、光源１０、干渉計２０、合波光学系３０、分波光学系４０、受光部５０、及び信号処理装置６０を備える。このようなフーリエ分光分析装置１は、複数の波長成分が含まれる光（インターフェログラムＬ２）を試料ＳＰに照射し、試料ＳＰを介した光Ｌ３を受光し、得られた受光信号Ｓ１，Ｓ２に対してフーリエ変換処理を行って試料ＳＰを介した光Ｌ３のスペクトル（例えば、波数スペクトル）を求めることで、試料ＳＰの分析を行う。
上記の試料ＳＰは、任意のもので良いが、本実施形態では、その光学特性が時間的に変化するものであるとする。例えば、工業プロセスや化学プロセスにおける、粒子が浮遊している流体（粉体の場合もあり得る）、表面に凹凸のある光散乱面が形成されている移動体、攪拌容器内で攪拌されている懸濁した流動性のある試料等である。尚、上記の試料ＳＰを介した光Ｌ３としては、試料ＳＰで反射された反射光と試料ＳＰを透過した透過光とが挙げられるが、本実施形態では、試料ＳＰを透過した透過光であるとする。
光源１０は、複数の波長成分が含まれる光Ｌ０を射出する光源である。この光源１０としては、試料ＳＰの光学特性に応じて任意の光源を用いることができる。例えば、ハロゲンランプ等の波長帯域幅の広い光源や、ＬＤ（Laser Diode）やＬＥＤ（Light Emitting Diode）等の半導体発光素子を備えるものを用いることができる。尚、本実施形態では、光源１０として、ハロゲンランプを用いるものとする。ハロゲンランプの波長帯域幅は、例えば波長３５０～４５００［ｎｍ］程度の範囲である。
干渉計２０は、光源１０から射出された光Ｌ０を干渉させて、試料ＳＰに照射する光（干渉光：インターフェログラム）を得るためのものである。ここで、本実施形態の干渉計２０は、上記のインターフェログラムとして、強度分布が互いに反転しているインターフェログラムＬ１１（第１インターフェログラム）とインターフェログラムＬ１２（第２インターフェログラム）とを得る。このようなインターフェログラムＬ１１，Ｌ１２を得るのは、試料ＳＰの分析に用いられる光を無駄なく有効活用することで、高い分析精度を実現するためである。尚、干渉計２０の詳細については後述する。
合波光学系３０は、干渉計２０で得られたインターフェログラムＬ１１，Ｌ１２を合波し、インターフェログラムＬ２として試料ＳＰに照射する。干渉計２０で得られたインターフェログラムＬ１１，Ｌ１２を合波光学系３０によって合波するのは、インターフェログラムＬ１１，Ｌ１２が試料ＳＰの同じ領域（或いは、ほぼ同じ領域）に照射されるようするためである。このように照射されることによって、インターフェログラムＬ１１，Ｌ１２は、同様の変調（試料ＳＰの光学特性の時間変化に応じた変調）がなされることとなる。尚、合波光学系３０の詳細については後述する。
分波光学系４０は、試料ＳＰを介した光（インターフェログラムＬ２の透過光）Ｌ３に含まれるインターフェログラムＬ４１とインターフェログラムＬ４２とを分離する。ここで、試料ＳＰを介した光Ｌ３は、試料ＳＰの光学特性に応じた吸収がなされ、且つ試料ＳＰの光学特性の時間変化に応じた変調がなされたインターフェログラムＬ２である。このため、インターフェログラムＬ４１は、試料ＳＰの光学特性に応じた吸収がなされ、且つ試料ＳＰの光学特性の時間変化に応じた変調がなされたインターフェログラムＬ１１である。インターフェログラムＬ４２は、試料ＳＰの光学特性に応じた吸収がなされ、且つ試料ＳＰの光学特性の時間変化に応じた変調がなされたインターフェログラムＬ１２である。尚、分波光学系４０の詳細については後述する。
受光部５０は、分波光学系４０で分波されたインターフェログラムＬ４１，Ｌ４２を受光して、受光信号Ｓ１（第１受光信号）及び受光信号Ｓ２（第２受光信号）をそれぞれ出力する。受光部５０は、例えば、分波されたインターフェログラムＬ４１を受光して受光信号Ｓ１を出力する検出器（図示省略）と、分波されたインターフェログラムＬ４２を受光して受光信号Ｓ２を出力する検出器（図示省略）とを備える。
受光部５０が備える検出器は、予め規定された分析対象になっている波長帯域（分析波長帯域）の波長成分を受光可能なものが用いられる。例えば、分析波長帯域は、１～２．５［μｍ］程度である、尚、フーリエ分光分析装置１の設計時において、分析波長帯域を任意の波長帯域にすることが可能である。
信号処理装置６０は、受光部５０から出力される受光信号Ｓ１，Ｓ２を用いて、試料ＳＰの光学特性の時間的変化に起因する雑音を除去したスペクトルを求める処理を行う。信号処理装置６０は、以上の処理によって求められたスペクトルを示す信号を外部に出力し、或いは不図示の表示装置（例えば、液晶表示装置）に表示させる。尚、信号処理装置６０の詳細については後述する。
〈干渉計の構成例〉
図２は、本発明の一実施形態によるフーリエ分光分析装置が備える干渉計の構成例を示す図である。図２に示す干渉計２０は、ハーフミラー２１、固定ミラー２２、及び移動ミラー２３、出力ポートＰＴ１（第１出力部）、出力ポートＰＴ２（第２出力部）を備えるマイケルソン干渉計である。尚、干渉計２０は、マイケルソン干渉計に限られる訳ではなく、任意の干渉計を用いることができる点に注意されたい。
ハーフミラー２１は、光源１０から射出された光Ｌ０を、固定ミラー２２に向かう分岐光Ｌ０１と移動ミラー２３に向かう分岐光Ｌ０２とに分岐する。ハーフミラー２１は、光源１０から射出された光Ｌ０を、例えば１：１の強度比で分岐する。また、ハーフミラー２１は、固定ミラー２２で反射された分岐光Ｌ０１と、移動ミラー２３で反射された分岐光Ｌ０２とを干渉させて、インターフェログラムＬ１１とインターフェログラムＬ１２とを得る。
固定ミラー２２は、その反射面をハーフミラー２１に向けた状態で分岐光Ｌ０１の光路上に配置されている。固定ミラー２２は、ハーフミラー２１で分岐された分岐光Ｌ０１を、その光路に直交する方向に所定量だけシフトさせてハーフミラー２１に向けて反射させる。固定ミラー２２としては、例えば二面コーナーリフレクタ等のリトロリフレクタを用いることができる。
移動ミラー２３は、その反射面をハーフミラー２１に向けた状態で分岐光Ｌ０２の光路上に配置されている。移動ミラー２３は、ハーフミラー２１で分岐された分岐光Ｌ０２を、その光路に直交する方向に所定量（固定ミラー２２のシフト量と同じ量）だけシフトさせてハーフミラー２１に向けて反射させる。移動ミラー２３としては、固定ミラー２２と同様に、例えば二面コーナーリフレクタ等のリトロリフレクタを用いることができる。移動ミラー２３は、不図示の駆動機構により、分岐光Ｌ０２の光路に沿って往復運動が可能に構成されている。移動ミラー２３の往復運動速度は、例えば毎秒５回程度に設定されている。
ここで、移動ミラー２３が往復運動することによって、光源１０から射出された光Ｌ０に含まれる波長成分は、各々異なる周波数で強度変調されることになる。例えば、波長が相対的に短い波長成分は、波長が相対的に長い波長成分よりも高い周波数で強度変調されることになる。干渉計２０で得られるインターフェログラムＬ１１，Ｌ１２は、このような異なる周波数で強度変調された波長成分が重なったものである。
また、インターフェログラムＬ１１，Ｌ１２は、分岐光Ｌ０１，Ｌ０２を干渉させて得られるものである。このため、エネルギー保存則から、インターフェログラムＬ１１，Ｌ１２は、強度分布が互いに反転していることは明らかである。つまり、インターフェログラムＬ１１の強度分布を反転させるとインターフェログラムＬ１２の強度分布になり、インターフェログラムＬ１２の強度分布を反転させるとインターフェログラムＬ１１の強度分布になる。
出力ポートＰＴ１は、インターフェログラムＬ１１を外部に出力するためのポートである。この出力ポートＰＴ１は、光ファイバ（光ファイバＦＢ１）が接続可能に構成されている。出力ポートＰＴ１に光ファイバＦＢ１が接続されている場合には、出力ポートＰＴ１から出力されたインターフェログラムＬ１１は、光ファイバＦＢ１によって導かれる。
出力ポートＰＴ２は、インターフェログラムＬ１２を外部に出力するためのポートである。この出力ポートＰＴ２は、出力ポートＰＴ２と同様に光ファイバ（光ファイバＦＢ２）が接続可能に構成されている。出力ポートＰＴ２に光ファイバＦＢ２が接続されている場合には、出力ポートＰＴ２から出力されたインターフェログラムＬ１２は、光ファイバＦＢ２によって導かれる。
〈合波光学系及び分波光学系の第１構成例〉
図３は、本発明の一実施形態によるフーリエ分光分析装置が備える合波光学系及び分波光学系の第１構成例を示す図である。図３に示す通り、本構成例の合波光学系３０は、レンズＬＳ１（第１レンズ）を備えており、光ファイバＦＢ１，ＦＢ２によって導かれたインターフェログラムＬ１１，Ｌ１２を空間的に合波して試料ＳＰの予め規定された照射領域Ａ１に照射する。本構成例の分波光学系４０は、レンズＬＳ２（第２レンズ）を備えており、試料ＳＰの照射領域Ａ１を介した光Ｌ３を空間的に分波する。
合波光学系３０のレンズＬＳ１としては、例えば、フーリエ変換レンズ、物体側テレセントリックのレンズ、その他のレンズを用いることができる。レンズＬＳ１は、例えば、前側焦点面の異なる位置に光ファイバＦＢ１，ＦＢ２の端部が配置され、後側焦点面に試料ＳＰが配置されるよう設置される。これにより、レンズＬＳ１の前側焦点面の異なる位置に入射するインターフェログラムＬ１１，Ｌ１２を、試料ＳＰの照射領域Ａ１に照射することができる。
分波光学系４０のレンズＬＳ２としては、例えば、フーリエ変換レンズ、像側テレセントリックのレンズ、その他のレンズを用いることができる。レンズＬＳ２は、例えば、前側焦点面に試料ＳＰが配置され、後側焦点面内の異なる位置ＦＰ１，ＦＰ２に受光部５０の検出器（図示省略）が配置されるよう設置される。これにより、試料ＳＰの照射領域Ａ１を介した光Ｌ３に含まれるインターフェログラムＬ４１，Ｌ４２を、後側焦点面の異なる位置ＦＰ１，ＦＰ２集光させることができる。
〈合波光学系及び分波光学系の第２構成例〉
図４は、本発明の一実施形態によるフーリエ分光分析装置が備える合波光学系及び分波光学系の第２構成例を示す図である。図４に示す通り、本構成例の合波光学系３０は、偏光ビームスプリッタ３１（偏光合波素子）、偏光子３２（第１偏光子）、及び偏光子３３（第２偏光子）を備えており、光ファイバＦＢ１，ＦＢ２によって導かれたインターフェログラムＬ１１，Ｌ１２の偏光状態を互いに異ならせて合波する。本構成例の分波光学系４０は、偏光ビームスプリッタ４１（偏光分波素子）を備えており、試料ＳＰを介した光Ｌ３を、その偏光状態に応じて分波する。
偏光ビームスプリッタ３１は、光ファイバＦＢ１の端部と試料ＳＰとの間に配置され、入射するｐ偏光（第１偏光状態）の光を透過させ、入射するｓ偏光（第２偏光状態）の光を反射させる。尚、図４では、ｐ偏光を紙面に平行な偏光として図示しており、ｓ偏光を紙面に垂直な偏光として図示している。また、図４では、理解を容易にするために、インターフェログラムＬ１１に関連する偏光成分と、インターフェログラムＬ１２に関連する偏光成分とを異なる表記としている。
偏光子３２は、光ファイバＦＢ１の端部と偏光ビームスプリッタ３１との間に配置され、光ファイバＦＢ１から射出されるインターフェログラムＬ１１をｐ偏光にする。偏光子３３は、光ファイバＦＢ２の端部と偏光ビームスプリッタ３１との間に配置され、光ファイバＦＢ２から射出されるインターフェログラムＬ１２をｓ偏光にする。
光ファイバＦＢ１から射出されたインターフェログラムＬ１１は、偏光子３２によってｐ偏光にされ、光ファイバＦＢ２から射出されたインターフェログラムＬ１２は、偏光子３３によってｓ偏光にされる。ｐ偏光のインターフェログラムＬ１１は、偏光ビームスプリッタ３１を透過して試料ＳＰに向かって進む。ｓ偏光のインターフェログラムＬ１２は、偏光ビームスプリッタ３１で反射されて試料ＳＰに向かって進む。このようにして、ｐ偏光のインターフェログラムＬ１１とｓ偏光のインターフェログラムＬ１２とが合波されたインターフェログラムＬ２が、試料ＳＰに照射される。
偏光ビームスプリッタ４１は、試料ＳＰと受光部５０（図４では図示省略）との間に配置され、試料ＳＰを介した光Ｌ３を、その偏光状態に応じて分波する。具体的に、偏光ビームスプリッタ４１は、光Ｌ３に含まれるｐ偏光のインターフェログラムＬ４１を透過させ、光Ｌ３に含まれるｓ偏光のインターフェログラムＬ４２を反射させる。このようにして、光Ｌ３に含まれるインターフェログラムＬ４１とインターフェログラムＬ４２とが分波される。
〈合波光学系及び分波光学系の第３構成例〉
図５は、本発明の一実施形態によるフーリエ分光分析装置が備える合波光学系及び分波光学系の第３構成例を示す図である。図５に示す通り、本構成例の合波光学系３０は、図４に示す合波光学系３０の偏光子３２，３３を省略したものである。本構成例の分波光学系４０は、図４に示す分波光学系４０と同じ構成である。このため、分波光学系４０の説明は省略する。
光ファイバＦＢ１から射出されたインターフェログラムＬ１１が偏光ビームスプリッタ３１に入射すると、ｐ偏光成分が偏光ビームスプリッタ３１を透過して試料ＳＰに向かって進み、ｓ偏光成分が偏光ビームスプリッタ３１で反射される。光ファイバＦＢ２から射出されたインターフェログラムＬ１２が偏光ビームスプリッタ３１に入射すると、ｓ偏光成分が偏光ビームスプリッタ３１で反射されて試料ＳＰに向かって進み、ｐ偏光成分が偏光ビームスプリッタ３１を透過する。
このようにして、インターフェログラムＬ１１のｐ偏光成分とインターフェログラムＬ１２のｓ偏光成分とが合波されたインターフェログラムＬ２が、試料ＳＰに照射される。加えて、本構成例では、インターフェログラムＬ１１のｓ偏光成分とインターフェログラムＬ１２のｐ偏光成分とが合波されたインターフェログラムＬ２ａが得られる。このインターフェログラムＬ２ａは、試料ＳＰに照射されないことから、試料ＳＰの解析には用いられない。
〈合波光学系及び分波光学系の第４構成例〉
図６は、本発明の一実施形態によるフーリエ分光分析装置が備える合波光学系及び分波光学系の第４構成例を示す図である。図６に示す通り、本構成例の合波光学系３０は、図５に示す合波光学系３０に反射ミラーＭ１（第１偏向素子）を追加したものである。本構成例の分波光学系４０は、図４，図５に示す分波光学系４０に反射ミラーＭ２（第２偏向素子）を追加したものである。
反射ミラーＭ１は、偏光ビームスプリッタ３１で得られるインターフェログラムＬ２ａ（インターフェログラムＬ１１のｓ偏光成分とインターフェログラムＬ１２のｐ偏光成分とが合波されたインターフェログラム）を反射して試料ＳＰに向かわせる。インターフェログラムＬ２ａが試料ＳＰに照射される位置は、インターフェログラムＬ２が試料ＳＰに照射される位置に極力近いことが望ましい。これは、インターフェログラムＬ２，Ｌ２ａが、試料ＳＰの光学特性の時間変化によって、極力同じように変調されるようにするためである。反射ミラーＭ１は、インターフェログラムＬ２ａを反射して試料ＳＰに向かわせることができるのであれば、任意のものを用いることができる。
反射ミラーＭ２は、試料ＳＰを介した光Ｌ３ａを反射して偏光ビームスプリッタ４１に向かわせる。ここで、試料ＳＰを介した光Ｌ３ａは、試料ＳＰの光学特性に応じた吸収がなされ、且つ試料ＳＰの光学特性の時間変化に応じた変調がなされたインターフェログラムＬ２ａである。反射ミラーＭ２は、試料ＳＰを介した光Ｌ３ａを反射して偏光ビームスプリッタ４１に向かわせることができるのであれば、任意のものを用いることができる。
本構成例では、偏光ビームスプリッタ３１で得られたインターフェログラムＬ２ａが、反射ミラーＭ１で反射されて試料ＳＰに照射される。そして、試料ＳＰを介した光Ｌ３ａが反射ミラーＭ２で反射された後に、偏光ビームスプリッタ４１に入射する。偏光ビームスプリッタ４１は、試料ＳＰを介した光Ｌ３ａに含まれるｓ偏光成分を反射し、ｐ偏光成分を透過させ、インターフェログラムＬ４１の成分とインターフェログラムＬ４２の成分とに分波する。
〈信号処理装置の構成例〉
図７は、本発明の一実施形態によるフーリエ分光分析装置が備える信号処理装置の構成例を示すブロック図である。図７に示す通り、本構成例の信号処理装置６０は、受光信号Ｓ１，Ｓ２を入力とする雑音除去部６１と、雑音除去部６１の出力信号を入力とするフーリエ変換部６２とを備える。
雑音除去部６１は、受光信号Ｓ１，Ｓ２を用いて、受光信号Ｓ１，Ｓ２に重畳されている雑音を除去する処理を行う。具体的に、雑音除去部６１は、受光信号Ｓ１と受光信号Ｓ２との差を得ることで、受光信号Ｓ１，Ｓ２に重畳されている雑音を除去する。例えば、受光信号Ｓ１から受光信号Ｓ２を減算する処理を行うことで、受光信号Ｓ１，Ｓ２に重畳されている雑音を除去する。尚、受光信号Ｓ１，Ｓ２に重畳されている雑音を除去できるのであれば、雑音除去部６１で行われる処理は任意の処理で良く、受光信号Ｓ１から受光信号Ｓ２を減算する処理に限らない。
フーリエ変換部６２は、雑音除去部６１から出力される信号に対してフーリエ変換処理を行って、分析波長帯域の波長成分のスペクトルを求める。ここで、雑音除去部６１から出力される信号は、試料ＳＰの光学特性の時間的変化に起因する雑音が除去された信号である。このため、フーリエ変換部６２で求められる分析波長帯域の波長成分のスペクトルは、試料ＳＰの光学特性の時間的変化に起因する雑音が除去されたものとなる。
〈フーリエ分光分析装置の動作〉
次に、上記構成におけるフーリエ分光分析装置の動作について説明する。以下では、理解を容易にするために、フーリエ分光分析装置１に設けられる合波光学系３０及び分波光学系４０が図４に示すものであるとする。
光源１０から複数の波長成分が含まれる光Ｌ０が射出されると、その光Ｌ０は干渉計２０に入射する。干渉計２０に入射した光Ｌ０は、図２に示す通り、ハーフミラー２１によって、固定ミラー２２に向かう分岐光Ｌ０１と移動ミラー２３に向かう分岐光Ｌ０２とに分岐される。
ハーフミラー２１によって分岐された分岐光Ｌ０１は、固定ミラー２２によって反射されて所定量だけシフトされた後に、逆向きに進んでハーフミラー２１に入射する。また、ハーフミラー２１によって分岐された分岐光Ｌ０２は、移動ミラー２３によって反射されて所定量だけシフトされた後に、逆向きに進んでハーフミラー２１に入射する。分岐光Ｌ０１，Ｌ０２がハーフミラー２１に入射すると干渉し、これによりインターフェログラムＬ１１，Ｌ１２が得られる。
ここで、干渉計２０に設けられた移動ミラー２３は往復運動していることから、光源１０から射出された光Ｌ０に含まれる波長成分は、各々異なる周波数で強度変調されることになる。例えば、波長が相対的に短い波長成分は、波長が相対的に長い波長成分よりも高い周波数で強度変調されることになる。このような異なる周波数で強度変調された波長成分が重なったインターフェログラムＬ１１，Ｌ１２が干渉計２０で得られる。
干渉計２０で得られたインターフェログラムＬ１１は、出力ポートＰＴ１から出力され、光ファイバＦＢ１によって合波光学系３０に導かれる。干渉計２０で得られたインターフェログラムＬ１２は、出力ポートＰＴ２から出力され、光ファイバＦＢ２によって合波光学系３０に導かれる。すると、合波光学系３０において、インターフェログラムＬ１１のｐ偏光成分とインターフェログラムＬ１２のｓ偏光成分とが合波光学系３０によって合波され、インターフェログラムＬ２として試料ＳＰに照射される。
試料ＳＰを介した光Ｌ３が分波光学系４０に入射すると、分波光学系４０に設けられた偏光ビームスプリッタ４１によって、その偏光状態に応じて分波される。具体的に、光Ｌ３に含まれるｐ偏光のインターフェログラムＬ４１が、偏光ビームスプリッタ４１を透過し、光Ｌ３に含まれるｓ偏光のインターフェログラムＬ４２が、偏光ビームスプリッタ４１によって反射されることで分波される。分波されたｐ偏光のインターフェログラムＬ４１及びｓ偏光のインターフェログラムＬ１２は、受光部５０に入射する。
受光部５０に入射したｐ偏光のインターフェログラムＬ４１及びｓ偏光のインターフェログラムＬ１２は、受光部５０に設けられた検出器（図示省略）で受光される。そして、受光部５０からは、ｐ偏光のインターフェログラムＬ４１を受光して得られた受光信号Ｓ１と、ｓ偏光のインターフェログラムＬ１２を受光して得られた受光信号Ｓ２とが出力される。受光部５０から出力された受光信号Ｓ１，Ｓ２は、信号処理装置６０（図７参照）に入力される。
信号処理装置６０に受光信号Ｓ１，Ｓ２が入力されると、受光信号Ｓ１，Ｓ２を用いて、受光信号Ｓ１，Ｓ２に重畳されている雑音を除去する処理が、雑音除去部６１によって行われる。例えば、受光信号Ｓ１から受光信号Ｓ２を減算する処理を行って、受光信号Ｓ１と受光信号Ｓ２との差を得ることで、受光信号Ｓ１，Ｓ２に重畳されている雑音を除去する処理が雑音除去部６１で行われる。
図８は、本発明の一実施形態において受光信号に重畳されている雑音が除去される原理を説明するための図である。ここで、受光信号はＳ１，Ｓ２は、インターフェログラムＬ４１，Ｌ４２を受光して得られるものであるため、上記の雑音が除去される原理を、インターフェログラムを用いて説明する。
図８（ａ）は、試料ＳＰに照射されるインターフェログラムＬ１１，Ｌ１２を模式的に示す図であり、図８（ｂ）は、試料ＳＰを介した光Ｌ３に含まれるインターフェログラムＬ４１，Ｌ４２を模式的に示す図である。尚、図８（ａ），（ｂ）においては、干渉計２０が備える移動ミラー２３の変位を横軸にとり、インターフェログラムの強度を縦軸にとってある。
インターフェログラムＬ１１，Ｌ１２は、図８（ａ）に示す通り、強度分布が互いに反転した関係にある。つまり、インターフェログラムＬ１１の強度分布を反転させるとインターフェログラムＬ１２の強度分布になり、インターフェログラムＬ１２の強度分布を反転させるとインターフェログラムＬ１１の強度分布になる関係にある。また、インターフェログラムＬ１１，Ｌ１２は、試料ＳＰに照射されるものであるから、試料ＳＰの光学特性の時間的変化に起因する雑音は重畳されていない。
インターフェログラムＬ４１，Ｌ４２は、試料ＳＰを介したインターフェログラムＬ１１，Ｌ１２を分波して得られるものであるため、インターフェログラムＬ１１，Ｌ１２と同様に、概して、強度分布が互いに反転した関係にある。ここで、インターフェログラムＬ４１，Ｌ４２は、試料ＳＰを介する際に、試料ＳＰの光学特性の時間的変化の影響を同様に受けるため、インターフェログラムＬ４１，Ｌ４２には、図８（ｂ）に示す通り、同様のノイズが重畳されることとなる。
このため、例えば、受光信号Ｓ１（インターフェログラムＬ４１を受光して得られる信号）から、受光信号Ｓ２（インターフェログラムＬ４２を受光して得られる信号）を減算する処理を行えば、受光信号Ｓ１，Ｓ２に重畳されている雑音を除去することができる。尚、上記の処理を行うと、反転された受光信号Ｓ２（インターフェログラムＬ４２）と、受光信号Ｓ１（インターフェログラムＬ４１）とが加算されることになる。このため、受光信号Ｓ１，Ｓ２を減算して得られる受光信号の信号強度は、受光信号Ｓ１，Ｓ２の２倍になる。
以上の処理が終了すると、受光信号Ｓ１，Ｓ２を減算して得られる受光信号が、雑音除去部６１からフーリエ変換部６２に出力される。そして、雑音除去部６１から出力された受光信号に対してフーリエ変換処理を行って、分析波長帯域の波長成分のスペクトルを求める処理がフーリエ変換部６２で行われる。このような処理が行われることで、試料ＳＰの光学特性の時間的変化に起因する雑音が除去されたスペクトル（分析波長帯域の波長成分のスペクトル）が求められる。
以上の通り、本実施形態では、強度分布が互いに反転しているインターフェログラムＬ１１，Ｌ１２を得る干渉計２０と、インターフェログラムＬ１１，Ｌ１２を合波してインターフェログラムＬ２として試料ＳＰに照射する合波光学系３０と、試料ＳＰを介した光Ｌ３に含まれるインターフェログラムＬ４１，Ｌ４２を分波する分波光学系４０とを備えている。そして、分波されたインターフェログラムＬ４１を受光して得られる受光信号Ｓ１と、分波されたインターフェログラムＬ４２を受光して得られる受光信号Ｓ２とを用いて、スペクトルを求める波長帯域である分析波長帯域の波長成分の、雑音を除去したスペクトルを求めるようにしている。これにより、分析に用いられる光を無駄なく有効活用することで、高い分析精度を実現することが可能である。
ここで、合波光学系３０及び分波光学系４０における光の損失がないと仮定する。合波光学系３０及び分波光学系４０の構成が、図３，図６に示す第１，第４構成例である場合には、インターフェログラムＬ１１，Ｌ１２の殆どを無駄にすることなく有効活用することができる。合波光学系３０及び分波光学系４０の構成が、図４，図５に示す第２，第３構成例である場合には、インターフェログラムＬ１１，Ｌ１２の半分程度が無駄になってしまう。但し、従来のフーリエ分光分析装置と同程度以上には、インターフェログラムＬ１１，Ｌ１２を有効活用することができる。
このように、本実施形態では、従来のフーリエ分光分析装置と同程度以上に、試料ＳＰの分析に用いられる光を極力無駄にすることなく有効活用することができ、受光信号Ｓ１，Ｓ２のＳ／Ｎ比を高くすることができる。これにより、高い分析精度を実現することが可能である。これは、光学特性の時間変動が生ずる試料ＳＰを分析する場合でも同様である。
以上、本発明の実施形態によるフーリエ分光分析装置について説明したが、本発明は上記実施形態に制限されることなく、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば上述した実施形態では、受光部５０から出力された受光信号Ｓ１，Ｓ２を用いて直ちに信号処理装置６０が処理を行う例について説明した。しかしながら、受光部５０から出力される受光信号Ｓ１，Ｓ２をメモリに記憶しておき、信号処理装置６０での処理を後で行うようにしても良い。
１ フーリエ分光分析装置
１０ 光源
２０ 干渉計
２１ ハーフミラー
２２ 固定ミラー
２３ 移動ミラー
３０ 合波光学系
３１ 偏光ビームスプリッタ
３２，３３ 偏光子
４０ 分波光学系
４１ 偏光ビームスプリッタ
５０ 受光部
６０ 信号処理装置
６１ 雑音除去部
６２ フーリエ変換部
Ａ１ 照射領域
ＦＰ１，ＦＰ２ 位置
Ｌ０ 光
Ｌ０１，Ｌ０２ 分岐光
Ｌ２ インターフェログラム
Ｌ１１，Ｌ１２ インターフェログラム
Ｌ４１，Ｌ４２ インターフェログラム
ＬＳ１，ＬＳ２ レンズ
Ｍ１，Ｍ２ 反射ミラー
ＰＴ１，ＰＴ２ 出力ポート
Ｓ１，Ｓ２ 受光信号
ＳＰ 試料

Claims (5)

  1. 干渉光であるインターフェログラムを分析対象である試料に照射し、試料を介した光を受光して得られる受光信号に対してフーリエ変換処理を行って、前記試料を介した光のスペクトルを求めるフーリエ分光分析装置において、
    前記スペクトルを求める波長帯域である分析波長帯域の波長成分を含む光を射出する光源と、
    前記光源から射出される光から、前記インターフェログラムとして、強度分布が互いに反転している第１インターフェログラムと第２インターフェログラムとを得る干渉計と、
    前記第１インターフェログラムと前記第２インターフェログラムとを合波して前記試料に照射する合波光学系と、
    前記試料を介した光に含まれる前記第１インターフェログラムと前記第２インターフェログラムとを分波する分波光学系と、
    分波された前記第１インターフェログラムを受光して得られる第１受光信号と、分波された前記第２インターフェログラムを受光して得られる第２受光信号とを出力する受光部と、
    前記第１受光信号及び前記第２受光信号を用いて、前記分析波長帯域の波長成分の、雑音を除去したスペクトルを求める処理を行う信号処理装置と、
    を備え、
    前記合波光学系は、前記干渉計で得られた前記第１インターフェログラムのうちの第１偏光状態の前記第１インターフェログラムと、前記干渉計で得られた前記第２インターフェログラムのうちの前記第１偏光状態とは異なる第２偏光状態の前記第２インターフェログラムとを合波する偏光合波素子を備え、
    前記分波光学系は、前記試料を介した光に含まれる前記第１インターフェログラム及び前記第２インターフェログラムをその偏光状態に応じて分波する偏光分波素子を備える、
    フーリエ分光分析装置。
  2. 前記信号処理装置は、前記第１受光信号と前記第２受光信号との差を得ることで雑音を除去する雑音除去部と、
    前記雑音除去部によって得られた前記差を示す信号に対してフーリエ変換処理を行って、前記分析波長帯域の波長成分のスペクトルを求めるフーリエ変換部と、
    を備える請求項１記載のフーリエ分光分析装置。
  3. 前記合波光学系は、前記干渉計で得られた前記第１インターフェログラムを前記第１偏光状態にする第１偏光子と、
    前記干渉計で得られた前記第２インターフェログラムを前記第２偏光状態にする第２偏光子と、
    を備える請求項１又は請求項２記載のフーリエ分光分析装置。
  4. 前記偏光合波素子は、前記第１偏光状態の光を透過させ、前記第２偏光状態の光を反射させる偏光ビームスプリッタであり、
    前記偏光ビームスプリッタは、前記干渉計で得られた前記第１インターフェログラムのうちの前記第１偏光状態の前記第１インターフェログラムを透過させ、前記干渉計で得られた前記第２インターフェログラムのうちの前記第２偏光状態の前記第２インターフェログラムを反射させて合波し、且つ、前記干渉計で得られた前記第１インターフェログラムのうちの前記第２偏光状態の前記第１インターフェログラムを反射させ、前記干渉計で得られた前記第２インターフェログラムのうちの前記第１偏光状態の前記第２インターフェログラムを透過させて合波し、
    前記合波光学系は、前記偏光ビームスプリッタで合波された前記第２偏光状態の前記第１インターフェログラム及び前記第１偏光状態の前記第２インターフェログラムを前記試料に向かわせる第１偏向素子を備え、
    前記分波光学系は、前記第１偏向素子で反射されて前記試料を介した光を前記偏光分波素子に向かわせる第２偏向素子を備える、
    請求項１又は請求項２記載のフーリエ分光分析装置。
  5. 前記干渉計は、前記光源から射出された光を第１分岐光と第２分岐光とに分岐するとともに、互いに異なる光路を介した前記第１分岐光と前記第２分岐光とを干渉させて前記第１インターフェログラムと前記第２インターフェログラムとを得るハーフミラーと、
    前記ハーフミラーで分岐された前記第１分岐光を反射して前記ハーフミラーに入射させる固定ミラーと、
    前記第２分岐光の光路に沿って往復運動可能に構成され、前記ハーフミラーで分岐された前記第２分岐光を反射して前記ハーフミラーに入射させる移動ミラーと、
    前記第１インターフェログラムを外部に出力する第１出力部と、
    前記第２インターフェログラムを外部に出力する第２出力部と、
    を備える請求項１から請求項４の何れか一項に記載のフーリエ分光分析装置。
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