JPH0227226A - フーリエ変換分光器のデータ処理方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、フーリエ変換分光器のデータ処理方式に関
する。

〔従来の技術〕

まず第１１図に従来におけるフーリエ変換分光器の一例
として、フーリエ変換赤外分光器の一般構成を示す０図
において光源１から出た赤外光は、コリメート鏡２で平
行な赤外光束３となって赤外ビームスブリフタ４に入射
する。一方、赤外光束３は赤外ビームスブリフタ４で二
光線束に分かれ、その一方は固定反射鏡５で、他方は可
動反射Ｗ１６で反射し、赤外ビームスプリッタ４で再結
合して干渉し、コンデンサ鏡７に進む、この例では固定
反射鏡５と可動反射鏡６にコーナキヱープ境を用いてい
るが、平面鏡で構成する場合もある。可動反射鏡６は推
進装置８で赤外光束３の光軸と平行に所定の速度で往復
し、これによって任意の光路差δで赤外光束３を干渉さ
せる。

また、前記分光器にはレーザ干渉計が一猪に組み込まれ
ており、ここで前記光路差δの変化はレーザ発振器９か
ら出たレーザ光１０の干渉によってレーザの波長を１単
位として測定される。

すなわち、レーザ光１０は赤外ビームスブリフタ４と同
一平面内に設けられた可視ビームスプリッタ１１で二光
線束に分かれ、固定反射鏡５と可動反射［６でそれぞれ
反射して可視ビームスプリッタ１２で再結合して干渉し
、レーザ検出器１３で検出される。赤外光はコンデンサ
鏡７より試料１４に照射し、その透過光を集光鏡１５に
より集光した上で光検出器である赤外検出器１６で光電
変換をする。

一方、レーザ検出器１３で検出したレーザ干渉信号１７
および赤外検出器１６で検出した赤外干渉信号１８は、
それぞれＡ／Ｄ変換ボード１９に人力され、Ａ／Ｄ変換
ボード１９では赤外干渉信号１８を、２値化処理したレ
ーザ干渉信号により取り込んでサンプリングし、Ａ／Ｄ
変換した上でコンビエータ２０にディジタル赤外干渉信
号２１として転送する。またコンピュータ２０は、所定
の手順でデータ処理してスペクトル解析する。なお２２
はコンピュータ２０の入出力装置である。

次に、第１２図にＡ／Ｄ変換ボード１９の従来構成を示
す、赤外干渉信号１８は増幅器２３で増幅した後、サン
プルホールド回路２４でサンプルホールドされる。ここ
でサンプルホールドのタイミングを決めるのはレーザ干
渉信号１７であり、該レーザ干渉信号１７は増幅器２５
で増幅した後に、低周波カットフィルタ２６で直流分を
除き、コンパレータ２７で２（直化する。この２値化レ
一ザ干渉信号２８のタイミングでフィリップフロップ２
９がサンプルホールトイ号３０をサンプルホールド回路
２４に出力し、赤外干渉信号１８をホールドする．また
ホールドされた信号レベルをＡ／Ｄ変換器３１がディジ
タルデータ３２に変換し、インターフェース回路３３か
らディジタルデータ３２を順次時系列でディジタル赤外
干渉信号２１としてコンビエータ２０に伝送する．一方
、Ａ／Ｄ変換器３１は、Ａ／Ｄ変換が終わるとリセット
信号３４をフィリップフロップ２９に出力し、ホールド
状態を解除する。

なお、前記した第１２図の回路のタイミングチャートを
示すと第１３図のごとくであり、サンプルホールド信号
３０はレーザ干渉信号１７の１波長λに対応している。

次に、従来におけるコンピュータ２０のデータ処理のフ
ローチャートを第１４図に示す．すなわちコンピュータ
２０ハデイジタル赤外干渉信号２１を読込み、フーリエ
解析してパワースペクトルを計算する．ここでディジタ
ル赤外干渉信号２１について、波数をνで表わし、パワ
ースペクトルをＰ（ν）光路差を６、ディジタル赤外干
渉データをｒ（δ）とすると、スペクトルＰ（ν）は、 Ｐ（ν）−　（Ｆｓ−’（ｆ（δ）））　＋　（Ｆｃ−
’（ｒ（δ））〕寞で表わされる．なお、Ｆｓ−’はフ
ーリエｓｉｎ逆変１負、Ｆｃ−’はフーリＩＣｏｓ逆変
換を示している。

読込まれたディジタルデータはＳＮ比を改善するために
所定回数だけ積算した上で、スペクトルの計算，表示を
行う。−触にＳＮ比の改善は積算回数の平方根に比例す
るので、積算回数が増加すると、測定時間の割にＳＮ比
の改善に効果がなく、試料や装置の時間的な安定性１温
度変化等が問題となるために積算回数は適正回数に制限
されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで昨今では、各種ハイテク産業の分野の発展によ
り、微量なサンプル、あるいは薄膜，表面状態の分析、
試料の過渡現像分析など、より難しい条件での分析能力
が強く求められる幅間にあり、前記フーリエ変換分光器
による測定時間の短縮，データの高速処理化がこの分野
における重要な課題となっている。

ところで、データの測定時間を短くするのに考えられる
最も簡単な方法は、第１１図に示した可動反射鏡６の推
進装置８の移動速度を上げ、可動反射鏡６の単位時間当
たりのスキャン回数を増すことである．しかしながら可
動反射鏡６の移動速度を上げると、赤外干渉信号１８の
周波数がこれに比例して上がるため、赤外検出器１６の
応答速度が追随できずに検出感度が低下する．この様子
を第１５図に示すと、まず第１５図（４）は可動反射鏡
６の移動速度をある値とした時のレーザ干渉信号１７、
山）図はその時の赤外干渉信号１Ｂを表わしている．ま
た（０１図は可動反射鏡６の移動速度をｔａｔ図の２倍
に高めた時のレーザ干渉信号１７、（ｄ１図は（Ｃ）図
に対応した赤外干渉信号１８を示し、山）図とｔｄ１図
を比べると、明らかに後者の方の感度が低下している。

なお、実際には周波数が上がると、単位帯域幅当たりの
ノイズも減少するが、Ｎ　ＥＤ　　（Ｎｏｉｓｅ　ｌ！
ｑｕｌｖａｌｅｎｔｐｏｗｅｒ）が上がってＳＮ比は逆
に悪くなる。

一方、赤外検出器１６として最も多く使用されている焦
電型検出器は実用最大周波数が５　ＫＨｚ程度である。

これに対して、Ａ／Ｄ変換器はＩ　ＫＨｚ程度の変換ス
ピードの市販品が容易に人手できる。

したがって、測定時間は主として赤外検出器１６の応答
速度によって制限を受ける。しかして測定時間の短縮化
は前述の通りこの分野での一つの大きな課題であり、そ
の解決が強く望まれている。

本発明は上記の点にかんがみてなされたものであり、従
来のように可動反射鏡の移動速度を上げることなく、高
速サンプリングを可能にしたフーリエ変換分光器のデー
タ処理方式を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために、本発明のフーリエ変換分光
器のデータ処理方式においては、レーザ干渉信号のｌ／
ｎ波長間隔で干渉信号をサンプリングし、かつサンプリ
ングされた干渉信号をｎ個おきにｎ個のデータに分離し
てフーリエ変換した上で、各データを加算するようにし
たものである。

〔作用〕

上記において、レーザ干渉計の光学系、およびＡ／Ｄ変
換ボードにより、レーザ干渉信号からレーザの波長の１
／ｎ（ｎは整数）のサンプリング間隔をもつサンプルホ
ー・ルド信号を発生させ、かつこのサンプルホールド信
号を基準に光検出器から出力される干渉信号の測定デー
タをサンプリングさせることにより、１回のスキャンで
従来のｎ倍の量の測定データが収得される。またこの測
定データを所定回数だけ積電したものを（Ａｋ）（ｋは
１から所定数まで）として、（Ａｋ）をｎ個のデータに
分け、それぞれを独立の測定データとしてフーリエ変換
して独立したｎ個の赤外スペクトルを求め、さらに赤外
スペクトルを加算する。これにより検出器のＳＥＰを上
げず、また波数精度に悪影響を及ぼすことな〈従来と同
じ測定時間でｎ倍速度でデータサンプリングが行える。

〔実施例〕

以下に本発明をフーリエ変換赤外分光器に適用した二つ
の実施例につき、その詳細を述べる。

実施例１： 第１図は本発明のデータ処理方式のフローチャート、第
２図は第１図におけるディジタル赤外干渉信号を得るた
めのＡ／Ｄ変換ボード１９ａを示し、第１２図に対応す
る同一部品には同じ符号が付しである。まず第２図にお
いて第１２ＵｇＪと異なるのは、入力信号の立上がりで
セットされるフィリップフロップ２９の他に、入力信号
の立下がりでセントされるフィリップフロップ３５が設
けられている点にある。フィリップフロップ２９と３５
の出力信号はＯＲ回路３６で合成し、１つのサンプルホ
ールド信号３０としてサンプルホールド回路２４および
Ａ／Ｄ変換器３１に人力される。これにより第１１図に
おけるレーザ干渉計で計測した光路差δがレーザ波長λ
の１／２波長間隔でサンプリングされ、赤外干渉信号の
ディジタルデータ量が２倍になる。なお第１図によるデ
ータサンプリングのタイミングチャートを第３図に示す
。

ところで、ここで問題となるのがサンプルホールド信号
３０の１７２波長間隔の精度である。赤外干渉信号１８
をフーリエ変換して赤外スペクトルを求める際に、赤外
干渉信号１８は一定光路差間隔Δδで収得された離散デ
ータであるため、サンプリングの定理により１度に測定
できる波数域が制限される。すなわち、測定波数域をＯ
〜ν１１．とすると、Ｗ、、、−Ｌ／ＺΔδとなる。こ
の式は計算された赤外スペクトルの横軸の精度を示す式
でもある。

すなわちΔδが１％変われば、ν１．ヨが１％ずれるこ
とになる。市販の分光器ではレーザ発振器９にＨｅｒｅ
レーザを使い、波数精度としては±０．０１ｅｌｌ−’
を保障している。サンプリング間隔でいうと、約±１０
−４％の精度であり、レーザ光１０の波長の精度により
保障できる。

ところが第３図で示したサンプルホールド信号３０で保
障されているサンプル間隔は、図示におけるサンプルパ
ルス３７の立上がりの１つおきの間隔であり、一般に隣
り同士のサンプルホールドパルス３７の間隔（λ／２）
は保障されない。

すなわち、第２図におけるコンパレータ２７は、一般に
ノイズによるチャタリングを防ぐためにしきい（１３Ｂ
（第３図）に対してヒステリシス電圧を設定している。

このため第３図のサンプルホールド信号３０について、
１つおきのサンプルパルス３７の間隔λは常に同じ条件
で２値化されるため精度が保障されるが、隣り同士のサ
ンプルパルス３７の間隔λ／２は保障されない、さらに
このλ／２の間隔は低周波カントフィルタ２６の性能や
、２値化レベル、レーザパワーの変動によっても左右さ
れるため一般に十分な精度が出ない、このようにλ／２
の間隔の精度が十分保障されないため、２倍の量になっ
たデータを一括してフーリエ変潰した場合に、赤外スペ
クトルの横軸の波数精度が悪くなる。

かかる点はこの発明により、レーザ光１０の波長の１７
２間隔でサンプリングし、所定回数積算されたディジタ
ル赤外干渉信号２１を１つおきの２つのデータに分け、
さらにそれぞれのデータを独立的にフーリエ変換した上
で、各データを加算することで解決している。その分離
されたデータを第４図に示す、第４図（ａｌは第１図に
おけるフィリップフロップ２９の出力によってサンプリ
ングされた第１のディジタル赤外干渉信号を示し、第４
図（ｂｌは第１図フィリップフロップ３５の出力によっ
てサンプリングされた第２のディジタル赤外干渉信号を
示す、　ｆａｔ、　（ｂ）図とも同一の信号を位相の異
なるサンプリング信号によってサンプリングしたもので
あるから、そのパワー赤外スペクトルあるいはスペクト
ルが実関数になるように位相補正した赤外スペクトルは
同一のものである。またｆ８）、（ｂ）図ともサンプリ
ング間隔はレーザの１波長で保障されているので、所定
の積算回数の測定を２回行ったのと同じ結果となる。ま
た、この２つのスペクトルを加算することにより、従来
の測定時間の半分で測定が終了することになる。

ここで本発明によるサンプリングデータの処理は第１図
のフローチャートで示すように実行される。第１図にお
いて、ディジタルデータを所定回数積算するステップま
では第１４図の従来例と同じであるが、その後にデータ
を２つに分離し、それぞれのスペクトルを計算後、加算
するようにしている。

実施例２： 第５図はデータ処理手順を表わすフローチャート、第６
図、第７図はレーザ干渉計の光学系、およびその光学素
子の光軸に対する配置図、第８図はＡ／Ｄｉ換ボード１
９ｂの構成図を示すもので第１１図、第１２図と同一部
材には同じ符号が付しである。

まず第６図において、第１１図に示した従来例の光学系
との相異点は、レーザ干渉計の片側の光路にλ／４Ｆｉ
３９が挿入されていること、干渉後のレーザビームを２
つの可視ビームスプリッタ１２−１１２−２により３本
に分けてそれぞれをレーザ検出器１３４、１３−２．１
３−３で検出すること、およびレーザ検出器１３−１．
１３−２．１３−３の手前には検光子４０−１　、４０
−２゜４０−３が配置されていることである。またレー
ザ発振器９　（第１１図）としては直線偏光のレーザ光
を出力するものを用いている。また、可動反射鏡６（第
１１図）からの反射レーザ光１０−１はほとんど直線偏
光のまま反射される。これに対し固定反射鏡５　（第１
１図）からの反射レーザ光１０−２は、はぼ円偏光とな
るようにλ／４板３９の光学軸を設定する。

なお可視ビームスプリッタ１２−１．１２−２は光のパ
ワーのみを２分割し、使用レーザの波長に対して位相特
性や偏光特性のない無位相無偏光ビームスプリフタを使
用する。ここで前記した反射レーザ光１０−１と１０−
２を検光子４０４．４０−２．４０−３で検光し、かつ
検光子の配置を第７図に示した主要光学素子の光軸に対
する相対的な配置のように調整することにより、任意の
位相でレーザ干渉信号１７−１．１７−２１７−３を取
りだすことができる。なお第７図でレーザの進む方向は
紙面と垂直なＺ方向である。

ここで第６図に示した光学素子の配置における検光子４
０−１に付いて、その方向角をφ＋ｒａｄ、　　レーザ
干渉計の光路差をδ、光の角周波数をωとし、かつレー
ザ光は完全なコヒーレント光であるとして、レーザ検出
器１３−１の出力１７−１は次式で表される。なお式中
のＡは光学系、検出器に固存な常数である。

上記（１）式〇〇内における第１項は直線偏光の寄与分
であり、第２項は円偏光による寄与分である。なお式の
上に付したバーは時間的な平均値を意味している。

ここで（１）弐を変形すると、 λ ｃｏｓ　（ωｔ　−−“ｃｏｓ　（ωＬ＋φ１）λ −・−・・−−一−−−・　　　　　（２）となる、す
なわち（２）式において、光路差δに対するレーザ検出
器１３〜１の出力１７−１は式中の第１項のバイアス分
に第２項の交流分が重なり合った形となり、かつ位相は
渣光子４０−１の方向角φ１で設定される。したがって
各検光子４０−１．４０−２．４０−３の方向角φ１〜
φコをあらかじめ第７図のように設定することにより、
λ／３ずつ位相のずれたレーザ干渉信号１７−１　、１
７−２．１７−３を発生させることができる。

次に第６図におけるＡ／Ｄ変換ボード１９ｂの構成を第
８図に示す、第８図において第１２図の従来例との相異
点は、レーザ検出器１３−１．１３−２．１３−３の数
の分だけレーザ干渉信号の横出側の回路が増えているこ
とである。すなわち、フィリップフロンプ２９−１．２
９−２．２９−３から出力される３つの位相のずれたサ
ンプルホールド信号はＯＲ回路４１−１．４１２によっ
て合成され、１つのサンプルホールド信号３０としてサ
ンプルホールド回路２４およびＡ／Ｄ変換器３１に入力
される。これにより、第１１図に示したレーザ干渉計で
計測した光路差δがレーザ波長の１７３波長間隔でサン
プリングされ、赤外干渉信号のディジタルデータ量は第
１２図と比べて３倍になる。またこの場合のタイミング
チャートを第９図に示す。

一方・図示実施例では、１波長を３つに分けて１回のス
キャンで従来の３倍の量のデータを収得できるように構
成した例を示したが、一般にｎ個のレーザ検出器を備え
た光学系とこれに対応するＡ／Ｄ変換ボードの回路を用
意すれば、従来のｎ倍の量のデータを１回のスキャンで
収得することができる。なおデータの収得量の上限はＡ
／Ｄ変換器３１の能力で決まる。なお第８図において、
リセット信号３４がＡ／Ｄ変換器３１から出力される前
にフィリノブフロンブ２９に再入力があってはならず、
したがって光学系回路数は、スキャンスピードの安定性
やλ／ｎ７１波長度も含めて多少の余裕をもたせて決め
る必要がある。

また、Ａ／Ｄ変換ボード１９に入力される赤外干渉信号
１８は、一定光路差間隔Δδで収得された離散データを
時系列的に並べた形のディジタル赤外干渉信号２１とし
てコンピュータ２０に転送されるが、この場合に実施例
１で述べたようにサンプリングの定理により１度に測定
できる波数域が制限され、第８図で示したサンプルホー
ルド信号３０で保障されているサンプル間隔はサンプル
パルス３７の立上がりの３つおきに対応した１波長λの
間隔である。

したがって、検光子４０−１　、４０−２．４０−３を
調整設定して得られるλ／３の間隔は高精度には保障さ
れない。

そこで、本発明では、レーザ光１０の波長の１７３７３
波長定して所定回数積算されたディジタル干渉信号２１
を、３つおきの３つのデータに分離し、さらにそれぞれ
のデータを独立的にフーリエ変換した上で、各データを
加電することで問題の解決を図っている。その分離され
たデータを第１０図に示すと、第１０図ｆａ＋は第６図
におけるレーザ検出器１３−１より出力するレーザ干渉
信号１７−１でサンプリングされた第１のデータを示し
、（ｂ）、［Ｃ１図はそれぞれレーザ干渉信号１７−２
．　ＩＴ−３によりサンプリングされた第２．第３のデ
ータを示している。ここで（ａｌ、　（ｂｌ、　（Ｃ）
図のデータは、同一の信号を位相の異なる精密な間隔を
もつサンプリング信号によってサンプリングしたもので
あるから、そのパワー赤外スペクトル１あるいはスペク
トルが実関数になるように位相補正した赤外スペクトル
に対してはまったく同じ赤外スペクトルとなる。つまり
（ａ）。

［ｂｌ、　ｔｃｔ図の各データのサンプリング間隔は、
ともにレーザの１波長で保障されているので、所定の積
算回数の測定を３回行ったのと同じ結果となる。

したがってこの３つのスペクトルを積算することにより
、従来の測定の１／３の時間で測定が終了することにな
る。なお、−ｍ的に表すと１回のスキャンでｎ倍のデー
タが収得でき、測定時間が１／ｎとなる。

次に前述したデータ処理の手順を第５図に示す。

なお、本実施例でのデータ分離数ｎは３であるが、それ
以上の数でも実施できることは前述の通りである。また
第５図において、ディジタルデータを所定回数積算する
までのステップは第１４図の従来例と同じであるが、そ
の後にデータをｎ個に分離し、それぞれのスペクトルを
計算して加算を行つている。

以上の各実施例は、特にフーリエ変換赤外分光器を例に
述べたが、本発明は赤外光にのみ限られるものではない
、また第１１図に示した反射鏡５゜６に平面鏡を採用し
て実施することもできる。なおこの場合にはレーザ光が
λ／４板を往復するため、λ／４板の代わりにλ／８板
を使用し、往復の光路でλ／４板と同じ効果が得られる
ように構成する必要がある。

また、図示の実施例ではレーザ発振器９は１′４である
が、複数基で構成することも可能であり、さらにレーザ
光を干渉計に入射する手前でビームスプリフタ等により
分割して構成することもできる。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明のフーリエ変換分光器のデー
タ処理方式では、レーザ干渉信号の１／ｎ波長間隔で干
渉信号をサンプリングし、かつサンプリングされた干渉
信号をｎ個おきにｎ個のデータに分離してフーリエ変換
した上で、各データを加算するようにしたので、次記の
効果を発する。

すなわち、レーザ干渉信号よりレーザ光の波長の１／＠
の間隔のサンプリング信号を作り、これを基準に光検出
器から出力される干渉信号をサンプリングすることで、
１回スキャンで従来のｎ倍の量の測定データが収得でき
る。さらにこの測定データからスペクトルを求める際に
、波数精度の保障されたｎ個のデータに分離した上でそ
れぞれのデータを独立的にフーリエ変換してスペクトル
を求め、さらにスペクトルにＩＲ換後に加算することに
より、従来と同じ測定時間でｎ倍の速度でデータ処理を
行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第４図は本発明の第１実施例、第５図ない
し第１０図は本発明の第２実施例、第１１図ないし第１
５図は従来例を示すものであり、第１図はデータ処理手
順のフローチャートを示す図、 第２図はＡ／Ｄ変換ボードのブロック図、第３図は第２
図の動作説明のタイミングチャートを示す図、 第４図は積算後に２つに分離されたディジタル赤外干渉
信号を示す図、 第５図はデータ処理手順のフローチャートを示す図、 第６図は主要光学素子の構成配置図、 第７図は第６図における光学素子の光軸に対する相対配
置図、 第８図はＡ／Ｄ変換ボードのブロック図、第９図は動作
説明のタイミングチャートを示す図、 第１０図は積算後に２つに分離されたディジタル赤外干
渉信号を示す図、 第１１図はフーリエ変換赤外分光器の全体構成図、第１
２図は従来におけるＡ／Ｄ変換ボードのブロック図・ 第１３図は第１２図の動作のタイミングチャートを示す
図、 第１４図はデータ処理手順のフローチャートを示す図、 第１５図はスキャンスピードに対するレーザ干渉信号と
赤外干渉信号との関係図である。各図において、 １：赤外光源、３：赤外光束、４：ビームスプリフタ、
５：固定反射鏡、６：可動反射鏡、９：レーザ光１．１
０；レーザ光、１０−１．１０−２　：　反射レーザ光
、１３．１３−１．１３−２．１３−ル−ザ墳出器、１
４：試料、１６：赤外検出器、１７．１７−１．１７−
２１７−３　：レーザ干渉信号、１８：赤外干渉信号、
１９１９ａ、１９ｂ　　：　Ａ　／　Ｄ変換ボード、２
０：コンピュータ、２１：ディジタル赤外干渉信号、３
０：サンプルホールド信号、４０−１．４０−２．４０
−３７検光子。 Ｎ） 第１ 第り図 Ｙ＠浮直Ｔ）岨 第７図 −〇 ＼ ｎ） ＼ 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）フーリエ変換分光器に光路差計測用のレーザ干渉計
   を組込み、該レーザ干渉計のレーザ干渉信号を２値化処
   理したサンプルホールド信号を基準に、光検出器から出
   力される干渉信号をサンプリングし、サンプリングされ
   た干渉信号のデータをスペクトル解析するフーリエ変換
   分光器のデータ処理方式であって、レーザ干渉信号の１
   ／ｎ波長間隔で干渉信号をサンプリングし、かつサンプ
   リングされた干渉信号をｎ個おきにｎ個のデータに分離
   してフーリエ変換した上で、各データを加算することを
   特徴とするフーリエ変換分光器のデータ処理方式。