JPH02291930A - マイケルソン干渉計 - 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） 本発明は、被測定光のスペクトルを測定するマイケルソ
ン干渉計に関するものである。

（従来の技術） 第２図は従来のマイケルソン干渉計を示すもので、図中
、１は光源、２はビームスブリツタ、３は１／４波長板
、４．５は全反射プリズム（以下、単にプリズムと称す
。）、６は偏光ビームスプリッタ、７，８．９は光検出
器である。

Ｈｅ−Ｎｅレーザ等の光Ｒ１より出射された光（以下、
参照光と称す。）１０は図示しない偏光板を介して直線
偏光され、ビームスプリッタ２により二分される。二分
された参照光１０の一方は１／４波長板３にて円偏光さ
れてプリズム４に入射し、また、他方はそのままプリズ
ム５に入射し、それぞれ全反射されてビームスプリッタ
２で再び合波される。合波された参照光１０は偏光ビー
ムスブリッタ６に入射し、ここで二分されてそれぞれ光
検出器７及び８に受光される。

この時、光検出器７及び８の出力はＶ。Ｓｉｎφ及びＶ
。Ｃｏｓφとなる。なお、ここてφ−２πＸ／λであり
、λは参照光１０の波長（ここでは０．０３２８μｍ）
、ｘはビームスブリッタ２よりプリズム４を経て再びビ
ームスブリッタ２へ戻る光の光路と、ビームスブリッタ
２よりプリズム５を経て再びビームスブリッタ２へ戻る
光の光路との長さの差である。従って、前記光検出器７
及び８の出力より光路差Ｘを求めることができる。

一方、被ｎＪ定光１１は参照光１０と平行にビームスブ
リッタ２に入射され、前記同様に二分されプリズム４及
び５で全反射されて再び合波され、光検出器９にて受光
される。この際、プリズム４又は５がビームスブリッタ
２よりの光の入射方向あるいはビームスブリッタ２への
光の出射方向（以下、ビーム方向と称す。）に移動する
と、光検出器って受光される彼ｔＩｌｊ定光１１にはイ
ンタフエロダラムが発生する。

なお、インターフエログラムとは光をビームスブリツタ
で二分し再び合波した際、二分された光の一方に光学的
遅延を与えた時に干渉強度内に生じる干渉縞のことであ
る。

プリズム４又は５の移動に対する被測定光１１のインタ
ーフエログラムは下Ｓ己のよう１こなる。

Ｒ　（　ｒ）　−　ｆ　Ｇ　（　Ｌｌ）　Ｃｏｓ２ｇｙ
ｔｄν−−−−−・（１）なお、ここでＧ（ν）は被測
定光のスペクトル、νは周波数、τ一ｘ／ｃ（ｃは光速
度）である。

前述したように光路差Ｘは光検出器７及び８の出力より
求めることができるから、前記（１）式において光検出
器９により測定される被測定光１１のインターフエログ
ラムＲ（τ）を逆フーリエ変換することによってスペク
トルＧ（ν）を求めることができる。

ところで、光検出器９の出力にはインターフエログラム
の外、いろいろな雑音成分が含まれている。この雑音成
分を取除く、即ちＳ／Ｎ比を向上するには光検出器９の
出力をバンド幅の狭いバンドバスフィルタに通せば良い
が、あまりバンド幅を狭くするとインターフエログラム
の値自体に影響を及ぼしてしまう。

プリズム４又は５が一定の速度ｖ１例えばｖ　−１００
０μｍ　／　ｓｅｅで移動した場合、被測定光１１の中
心波長がλ−０．８μｍとすると、２Ｖ／λ一２．５　
ｋＨｚの中心周波数を有するインターフェログラムが生
じる。これをインターフェログラムの値自体に影響を与
えることなく帯域制限するには少なくともバンド幅２．
５ｋＨｚのローバスフィルタを使用しなければならなか
った。

従って、バンドバスフィルタのバンド幅を狭くすること
によってＳ／Ｎ比を向上させるにはプリズム４又は５の
移動速度を遅くする必要が生じてくる。例えば、速度ｙ
　ｍ　５μｍ／ｓｅｅとすれば、発生するインターフエ
ログラムの中心周波数は２ｖ／λ−１２．５Ｈ　ｚとな
り、２桁以上狭いバンド幅のバンドバスフィルタの使用
が可能となる。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、前述したような１０Ｈｚ付近の低周波に
なると１／ｆ雑音や各種の低周波雑音によって逆に雑音
が増加し、Ｓ／Ｎ比の向上は望めなかった。このため、
前述したマイケルソン干渉計では微弱な被ｎ１定光のス
ペクトルを測定することが困難であるという問題点があ
った。

本発明は前記問題点に鑑み、微弱な波瀾定光のスペクト
ルを測定し得るマイケルソン干渉社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） 本発明では前記目的を達成するため、ビームスプリッタ
と一対の反射鏡又は全反射プリズムよりなる分波・合波
光学系に被測定光を可干渉性の良い参照光とともに入射
し、前記一対の反射鏡又は全反射プリズムのいずれか一
方をビーム方向に移動させ、この際、前記分波・合波光
学系より出η・Ｉされる被測定光の干渉縞を同時に出射
される参照光とともに．４Ｉｌｊ定するマイケルソン干
渉計において、一対の反射鏡又は全反射プリズムのいず
れか一方を所定の周波数ｆでビーム方向に微小に変位さ
せる駆動手段と、分波・合波光学系より出射される芸照
光の受光信号中より周波数ｆ及び２ｆ成分を抽出し、そ
の位相関係より前記反射鏡又は全反射プリズムの移動量
を求める移動量検出手段と、分波・合波光学系より出射
される披ΔＰＩ定光の受光信号に周波数ｆの交流信号を
混合し、これより干渉縞の中心周波数付近以下の成分を
抽出する干渉出力検出手段とを設けたマイケルソン干渉
計と、該マイケルソン干渉計において一定の移動量毎に
干渉出力をサンプリングし、これを記憶し信号処理する
処理手段を備えたマイケルソン干渉計とを提案する。

（作　用） 本発明によれば、駆動手段により一対の反射鏡又は全反
射プリズムの一方が周波数ｆでビーム方向に微小に変位
すると、分波・合波光学系における光路長が周波数ｆで
微小に変位することになり、これによって参照光及び被
測定光には周波数ｆの位相変調が加えられる。該位相変
調が加えられた参照光の受信信号は移動量検出手段によ
りそのうちの周波数ｆ及び２ｆ成分が抽出され、さらに
これらの位相関係より反射鏡又は全反射プリズムの移動
量が求められる。また、位相変調が加えられた被測定光
の受信信号は干渉出力検出手段により周波数ｆの交流信
号と混合され、さらにそのうちの干渉縞の中心周波数付
近以下の成分が抽出されて干渉出力のみが出力される。

また、本発明によれば、処理手段により干渉出力が反射
鏡又は全反射プリズムの一定の移動量毎にサンプリング
され記憶され、さらに信号処理されて被測定光のスペク
トル等が求められる。

（実施例） 第１図は本発明のマイケルソン干渉計の一実施例を示す
もので、図中、従来例と同一構成部分は同一符号をもっ
て表わす。即ち、１は光源、２はビームスブリツタ、４
．５は全反射プリズム（以下、単にプリズムと称す。）
、８．９は光検出器、１０は参照光、１１は被測定光、
１２は振動装置、１３は交流信号源、１４．１５はロッ
クインアンプ、１６はトリガ回路、１７はミキサ、１８
は波形記憶回路（メモリ）、１つはコンピュータである
。

プリズム４は振動装置１２により所定の周波数ｆ１ここ
では１　　ｋＨｚでビーム方向に振動させられる如くな
っている。また、プリズム５は図示しない駆動装置によ
りビーム方向に速度ｖ−５μｍ／　ｓｅｅで移動させら
れる如くなっている。光検出器８の出力はロツクインア
ンプ１４．１５に送出され、また、光検出器９の出力は
ミキサ１７に送出される。

振動装置１２は、例えばスビーカのようなコイルとマグ
ネットを備えたもので、交流信号源１３より供給される
交流信号に従ってプリズム４を一方向、ここではビーム
方向に振動する。交流信号源１３は前記周波数ｆの交流
信号を振動装１１２、ロツクインアンプ１４．１５及び
ミキサ１７に送出する（但し、ロックインアンプ１４．
１５に送出する信号は互いに位相が９０″異なっている
ものとする。）。ロックインアンプ１４．１５の出力は
トリガ回路１６に送出され、また、トリガ回路１６の出
力トリガバルスはメモリ１８に送出される如くなってい
る。ミキサ１７は後述するローバスフィルタを内蔵して
おり、その出力はメモリ１８に送出され、また、メモリ
１８の内容はコンピュータ１９により読取られ、処理さ
れる如くなっている。

次に、前記装置の動作について説明する。

光Ｍｌより出射された参照光１０はビームスプリッタ２
により二分され、それぞれプリズム４及び５に入射し、
反射される。ここで、プリズム４で反射された参照光１
０は該プリズム４の振動により（４ｉνｏ　／　ｃ　）
Δｘｃｏｓ２ｘｌｌ　　（但し、νｏは参照光１０の周
波数、ΔＸはプリズム４における振動の変位の最大値で
ある。）の位相変調を受ける。この参照光１０はビーム
スブリッタ２によりプリズム５からの光と合波され、光
検出器８にて受光されるが、その出力は下記のようにな
る。

１−Ｉｏ　　ｆｌ＋ｃｏｓ（φｏ　Ｃｏｓ２ｘｆｌ　＋
　ψ）　）なお、ここでφ。−４１ν。Δｘ　／　ｃ　
，ψ−２ｘν。

ｘ／ｃてある。前記（２）式をベッセル関数で展開する
とｆ成分は下記のようになる。

■＋−　　２１ｏＪ＋　　（φｏ）Ｓｉｎψ　Ｃｏｓ２
ｘｌｌ・・・・・　（３） Ｖ２−２１ｏ　　Ｊ２　　（φｏ）Ｃｏｓψ　Ｃｏｓ４
ｓｆｌなお、Ｊ１とＪ２は一次のベッセル関数である。

従って、光検出器８の出力をロックインアンプ１４．１
５で同期検波することにより、Ｓｉｎψ，Ｃｏｓψに比
例した出力が得られる。これらの信号はトリガ回路１６
に入力されるが、該トリが回路１６は、例えばそのゼロ
クロスポイントを検出し、これに基づいて光路差Ｘがλ
／４だけ変化（増加又は減少）する毎にトリガパルスを
発生し、これをメモリ１８に送出する。

一方、被測定光１１も従来例の場合と同様にビームスブ
リッタ２により二分され、それぞれプリズム４及び５に
入射し、反射される。ここで、プリズム４で反射された
彼ａ＋＋＋定光１１は参照光１０と同様の位相変調を受
ける。このため、ビームスブリッタ２によりプリズム５
からの光と合波された時に発生し、光検出器って険出さ
れるインターフエログラムは下記のようになる。

Ｒ（τ）　−ｆＧ　（ν） Ｃｏｓ　（２ｘｙｒ＋φｏ　　（ν／νｏ）　　Ｃｏｓ
２ｇｌｌｌ・・・・・・　（５） なお、ここでは位相変調（　４ｔｙΔＩ／Ｃ）　　Ｃｏ
ｓ２ｘｆｌ　−φ０　（ν／νｏ）Ｃｏｓ２ｇＮである
ことを用いている。

前述したインターフエログラムはミキサ１７にて交流信
号ＣＯＳ２１１１との積がとられる。一方、Ｃｏｓｆ２
ｘντ＋φ０　（ν／νｏ　）　　Ｃｏｓ２ｘｆｌｌ＝
ＣｏｓＣ２ｘν丁）Ｃｏｓ（φ０　（ν／ν０）Ｃｏｓ
２ｘｌｌ）　−　Ｓｉｎ２ｘｙｒ　Ｓｉｎ　（φ０（　
ν／　！／　Ｏ　）　　Ｃｏｓ２ｇｆｌｌ　　　　　−
・・・＝　　（６）であり、 Ｃｏｓ　　ｆφ０　（ν／νｏ　　）　　Ｃｏｓ２ｓｌ
ｌｌＣｏｓ　　ｆ２ｇ　（２ｎ）Ｉｔｌ　　　　　　　
　　−　　（７）Ｓｉｎ　　（φｏ　　（ν／　νｏ　
　）　　Ｃｏｓ２ｘｆｌｌ−２　Σ　Ｊ　　２ｎ＋＋　
　（φ０　ν／ν。）Ｃｏｓ　　（２ｇ　　（２＋＋ｌ
）Ｉｌｌ　　　　　　　　−−　　（８）となる。従っ
て、Ｃｏｓ（２ｚｖτ＋φ０　（ν／ν。）Ｃｏｓ２ｇ
ｆｌｌ　　とＣｏｓ２ｚｆｔとの積のうち、周波数ｆ，
２ｆ　・・・・・・ｎｆ成分を除去するローパスフィル
タをミキサ１７に内蔵すると、その出力は（７）式及び
（８）式より−２Ｊ１　（φｏ　’ν／　νｏ　）　　
Ｓ！ｎ２ｘｙｔとなる。即ち、ミキサ１７より出力され
る検波後のインターフエログラムは Ｒ　Ｃｒ）　　−ｆＧ　（ν）　Ｊｌ　　（φｏν／ν
ｏ）Ｓ１ｎ２ｘντ　　　　　　　　・・・・・・　（
９）に比例する。

前記インターフエログラムにおけるビートの周波数は２
Ｖ／λ−１２．５Ｈ　ｚであるため、ミキサ１７に内蔵
するローバスフィルタのバンド幅は２０Ｈｚ程度とする
ことができる。従って、従来のマイケルソン干渉計に比
べて約２桁の狭帯域化を高い検波周波数領域（ここでは
１ｋＨｚ）で実現可能となった。

ミキサ１７で得られたインターフェログラムはトリガ回
路１６より出力されるトリガパルスに従ってメモリ１８
にサンプリング、即ち記憶され、さらにコンピュータ１
９で処理され、被測定光のスペクトルが求められる。

第３図は従来及び本発明の装置によるインターフエログ
ラムの測定結果の一例を示すもので、同図（ａ）は従来
の装置で測定した結果を示し、また、同図（ｂ）は同一
の被測定光を本発明の装置で測定した結果を示す。図面
より従来の装置に比べて本発明の装置では著し＜Ｓ／Ｎ
比が向上していることがわかる（なお、プリズムの移動
速度はそれぞれ１０００μｍ　／　ｓｅｅ　，　５　ｕ
　ｍ　／　ｓｅｅである）。

なお、実施例では全反射プリズムを用いて光を反射させ
たが、通常の反射鏡を用いても良い。

（発明の効果） 以上説明したように本発明によれば、分波・合波光学系
の一対の反射鏡又は全反射プリズムのいずれか一方に周
波数ｆでビーム方向の変位を与えて参照光及び被測定光
に位相変調を加え、該変調後の参照先の受光信号より移
動量を検出するとともに該変調後の被測定先の受信信号
に周波数ｆの交流信号を混合してこれより干渉縞の中心
周波数付近以下の成分を抽出するようになしたため、高
い周波数領域で狭帯域的に干渉出力を取出すことができ
、従って、Ｓ／Ｎ比の良い干渉縞を得ることかでき、微
弱な被〕１定光のスペクトルを検出することが可能とな
る。

また、一定の移動量毎に干渉出力をサンプリングし、こ
れを記憶し信号処理する手段を備えたものによれば、移
動量、即ち分波・合波光学系における光路差の変化に対
応した干渉出力値が直ちに得られ、これによって彼ＪＰ
ｊ定光のスペクトル等の測定を容易に行なうことができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のマイケルソン干渉計の一実施例を示す
構成図、第２図は従来のマイケルソン干渉計を示す構成
図、第３図（ａ）（ｂ）は従来及び本発明の装置による
インターフエログラムのＡｐｌ定結果の一例を示す図で
ある。 １・・・光源、２・・・ビームスプリッタ、４，５・・
・プリズム、８，９・・・光検出器、１０・・・２照光
、１１・・・′ｔ＆？１１１１定光、１２・・・振動装
置、１３・・・交流信号源、１４．１５・・・ロックイ
ンアンプ、１６・・・トリガ回路、１７・・・ミキサ、
１８・・・メモリ、１つ・・・コンピュータ。 特許出願人　日本電信電話株式会社

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ビームスプリッタと一対の反射鏡又は全反射プリ
   ズムよりなる分波・合波光学系に被測定光を可干渉性の
   良い参照光とともに入射し、前記一対の反射鏡又は全反
   射プリズムのいずれか一方をビーム方向に移動させ、こ
   の際、前記分波・合波光学系より出射される被測定光の
   干渉縞を同時に出射される参照光とともに測定するマイ
   ケルソン干渉計において、 一対の反射鏡又は全反射プリズムのいずれか一方を所定
   の周波数ｆでビーム方向に微小に変位させる駆動手段と
   、 分波・合波光学系より出射される参照光の受光信号中よ
   り周波数ｆ及び２ｆ成分を抽出し、その位相関係より前
   記反射鏡又は全反射プリズムの移動量を求める移動量検
   出手段と、 分波・合波光学系より出射される被測定光の受光信号に
   周波数ｆの交流信号を混合し、これより干渉縞の中心周
   波数付近以下の成分を抽出する干渉出力検出手段と を設けたことを特徴とするマイケルソン干渉計。
2. （２）一定の移動量毎に干渉出力をサンプリングし、こ
   れを記憶し信号処理する処理手段を備えたことを特徴と
   する請求項（１）記載のマイケルソン干渉計。