JPH0417367B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はビームスプリツターと二つの平面鏡を
有し、平面鏡の各々がビームスプリツターで二分
された光束の各光軸と互いに等しい傾き角をもつ
二光束干渉計に関するものである。

フーリエ変換分光光度計は測定すべき光のスペ
クトルの全波長の光を同時に測光する特長を有
し、元来時々刻々変化する光や移動する試料の測
定に適している。

しかしながら、従来のフーリエ変換分光光度計
に多く用いられているマイケルソン干渉計は、二
つの平面鏡の一方を精密な直線変位をさせて、干
渉光の光路差を変えて干渉縞の干渉次数走査を行
つている。

そのため、平面鏡を機械的に移動させる速度が
迅速な分光測光の制約となり、また、可視紫外光
のような波長の短い光を測る場合には平面鏡の直
線変位の精度、変位量の測定精度及びゼロ次干渉
位置の検出という難しい点をもつている。

そこで、本発明においては、入射コリメータ
ー、ビームスプリツター、平面反射鏡、作像光学
系、光検知器の全てを固定したまま二つの可干渉
な平行光束を光検知器の受光面上で交叉干渉さ
せ、その干渉縞をゼロ次から高次にわたつてその
位相別に分解して光電的掃引によつて迅速測光を
行うことを目的としたものであり、その光検知器
上に作られる干渉縞の位相を検知器上の縞の位置
から精密、かつ安定に読み出すことのできる二光
束干渉計を提供することを目的としたものであ
る。

即ち、本考案の二光束干渉計は、入射光コリメ
ータ、ビームスプリツター、そのビームスプリツ
ターによつて二分された二光束のおのおのの光軸
に対して互に等しい傾き角をもつ二つの平面反射
鏡及び平面反射鏡から反射された互に可干渉な二
光束のゼロ次から高次にわたる干渉縞を光検知器
の受光面上に結像する作像光学系ならびにゼロ次
から高次にわたる干渉縞の強度分布を干渉次数別
に分解して迅速測光する光検知器から構成され
る。

以下図面を参照して本発明の各実施例について
説明するが、まず、第１図に示す実施例１は、下
記の部分から構成される。

即ち、Ｑにある光源１からの入射光を平行光束
にするレンズ、または凹面鏡コリメータ２、また
は入射光を図中の水平面内において、平行光束、
鉛直面内でHH面、またはH′H′面に集束する非
球面レンズ系、または非点収差を利用した軸外し
凹面鏡等の入射光コリメータ２、同一寸法の直角
プリズムからなるビームスプリツター３、ビーム
スプリツター３で二分された光束を反射する二つ
の平面反射鏡５，６、二つの平面鏡５，６から反
射された二光束を交叉させて光検知器８の受光面
上に干渉縞を生ずるレンズ、または凹面鏡からな
る作像光学系７から構成されるが、この作像光学
系７は図に示す平面HH及びH′H′を光検知器８
の受光面上に結像するように配置される。

また、光検知器８はダイオードアレイ検知器、
イメージデセクター、マルチチヤンネルトロン、
ビジコン管等干渉縞の縞模様を識別測光する検知
器である。

凹面鏡コリメータ２の光軸上に位置するＱで示
す光源１から放射され、凹面鏡コリメータ２で平
行光束になつた光がビームスプリツター３に垂直
入射すると、入射平行光束は半透明鏡４に二分さ
れて、一部は半透明鏡４を透過して平面反射鏡５
に入射する。

そして、他の一部は半透明鏡４で反射されて入
射方向と直角に進み、平面反射鏡６に入射する。

直交する光軸Ｌに対して垂直な平面HH及び
H′H′を考えると、平面反射鏡５，６はそれぞれ
HH面、H′H′面とθの傾きをもつ。

平面反射鏡５，６がHH面、H′H′面と交叉す
る直線が図中のMr，Mt点に立つとし、と
AMtとの距離が等しくなるように配置する。

Ｑで示す光源１から放射されてＡ点を通る光線
は半透明鏡４で二分され、一部は平面反射鏡５の
Mtで反射され、再び半透明鏡４で反射されて作
像光学系７を通つて光検知器８の受光面P_A点に
至る。

他の一部の光線は、平面反射鏡６の点Mrで反
射され、半透明鏡４を通り作像光学系７を通つて
P_A点に達する。

即ち、P_A点は作像光学系７によつて作られた
Mr点とMt点の実像である。

距離ととが等しく、Mr，Mt点が互
に半透明鏡４に対する写像点になるように配置さ
れているときは、P_A点における光線_Aと
MtP_Aとは等しい光路長を持ち、P_A点における二
光線の干渉光路差はゼロである。

従つて、P_A点にゼロ次の干渉縞が位置し、ま
たＱで示す光源１から放射される任意光線は
半透明鏡４で二分された後、一方は平面反射鏡５
のMt′で反射され、他方は平面反射鏡６のMr′点
で反射される。

それぞれの反射光線は作像光学系７を通つて光
検知器８の受光面のP_B点で交叉し、このP_B点は
Mr′からの反射光線の延長線がHH平面と交る点
Q_Bの作像光学系７が作る実像に相当する。

そこで、_{A B}の間隔をｗと表すと、P_B点で交
叉する二光線′_Bと′_Bとの間の光路差
γ_B
は次式の値になる。

γ_B＝4wtanθ／１−tan²θ ……(1) Ｑで示す光源１から波長λの単色光が放射され
た時は光検知器８の受光面上に次式で表されるピ
ツチ間隔△ｗごとに強度極大の干渉縞が作られ
る。

即ち、△ｗ＝λ１−tan²θ／4tanθ ……(2) 上記(2)式から判るように、単色光によつて作ら
れる干渉縞のピーク間隔は等間隔になり、その間
隔△ｗは光の波長λに比例する。

従つて、レーザー光のようにバンドパスの小さ
い波長が判つている単色光を入射して、その干渉
縞を測定すれば、(1)式に従つてｗの値が光路差、
即ち干渉位相に容易に換算できる。

また、作像光学系７の配置を変えない限り一度
測定したｗの位相換算値は安定して使え、例へ
ば、素子間隔ｄ、素子数2048のダイオードアレイ
検知器の場合に△ｗ＝5dになるように傾角θを
セツトすると400次までの干渉縞が測定される。

即ち、分解能400のスペクトル測定ができるこ
とになる。

第１図に示す実施例１においては、平面反射鏡
５，６から反射された互いに干渉する二光束が光
軸Ｌに対して対称な±2θの傾角をもつてビームス
プリツター３に入射するから、ビームスプリツタ
ー３の屈折率による分散は干渉縞に影響を与えな
い。

第１図の実施例１において、二つの平面反射鏡
５，６は互に直角に配置され、θの値を変えても
常に二つの平面反射鏡５，６のなす角は直角であ
る。

従つて、二つの平面反射鏡５，６を直角にセツ
トした支持台を鉛直軸の周りに回転させて任意の
値のθをセツトすることができ、即ち、干渉縞の
位相間隔を変えることができる。

また、二平面反射鏡支持台を一つの光軸Ｌに平
行に僅か変位させると、ゼロ次干渉点P_Aが受光
面上を左右何れかに変位し、即ち、干渉縞全体が
移動する。

従つて、二平面鏡支持台の位置を調節して光検
知器８の受光面に任意の干渉次数範囲の干渉縞を
作ることができる。

次に、第２図及び第２図の−方向の断面図
である第３図に示す本発明の実施例２は、平面鏡
面が鉛直で互に90°の角をなす二つの平面反射鏡
の支持台が鉛直軸の周りに回転可能で、かつ回転
のベースが一つの光軸の方向に平行移動可能な支
持台構造の一例を略図で表わしている。

ｘ，ｙは干渉計の入射・出射光軸を表わしてお
り、Ｚは両光軸の交点を通りビームスプリツター
１１の半透明鏡面内にある鉛直線である。

ビームスプリツター１１を保持する取付枠１２
は支柱１７に対し傾き及びＺ軸の周りの回転調節
可能でビームスプリツター１１の半透明鏡面が正
しいＺ軸と一致し、かつｘ軸とｙ軸とのなす角
90°を二等分するように調節できる。

二つの平面反射鏡１３，１５の取付枠１４，１
６は夫々支持台１８に対して傾き及び鉛直線の周
りの回転調節ができるように取り付けられる。

平面反射鏡１３，１５はこの調節によつてその
鏡面が正しい鉛直線に平行で、かつ互に直角をな
すようにセツトされる。

二つの平面反射鏡１３，１５の支持台１８は、
摺動台１９の回転軸２５の周りにねじ送り２２に
よつて回転でき締ねじ２３で固定される。

摺動台１９は送りねじ２１によつてベース２０
に対しｙ軸に沿つて平行移動できる。

平面反射鏡１５の前に鏡面とほぼ平行に開閉シ
ヤツター２４が反射平面鏡１３，１５の支持台１
８に取り付けられる。

この開閉シヤツター２４は手動、または電動で
任意に開閉される。

以上の構造を備えることによつて二つの平面反
射鏡１３，１５の光軸に対する傾き角を容易に変
えることができ、それによつて第１図の光検知器
８の受光面上の干渉縞ピツチ間隔を容易に変える
ことができる。

また、摺動台１９の変位によつて光検知器８の
受光面上に作られるゼロ次干渉縞の位置を変える
ことができると共に、光検知器８の受光面上に任
意の干渉次数範囲の高次干渉縞を作ることができ
る。

この任意の高次干渉縞の各干渉次数は既知波長
のバンドパスの小さい単色光を入射して先づゼロ
次干渉縞を光検知器８上に作つてその位置を読み
出す。

次いで、摺動台１９を移動させながらゼロ次干
渉縞のあつた位置及びその他の指定された位置に
現れる干渉縞ピークを計数すれば、最終的にセツ
トされた干渉縞の干渉次数をあらかじめ測定する
ことができる。

摺動台１９を移動させる間にｙ軸に対する平行
度の誤差があれば干渉縞のピツチ間隔の変化とな
つて現れるが、これは光検知器８で干渉縞全体を
測定すれば検出できる。

この平行度誤差は最終的に二つの平面反射鏡１
３，１５の支持台１８を回転させて修正すること
ができる。

上記の開閉シヤツター２４を備えた目的は次の
点にある。

即ち、二つの平行光束が光検知器８の受光面に
作る干渉縞模様はそれぞれの光束がもつている光
強度分布をベースラインとしてそのベースライン
同志の干渉縞強度分布をとる。

一般にこのベースラインは平坦でなく、曲線分
布を示し時には凹凸を示す。

また、光検知器８の受光面における測光感度の
不均一性、即ちロカリテイがあるときは干渉縞強
度分布測定の誤差となる。

以上の測光値誤差及びベースラインの影響は測
定すべき光のスペクトルの強度分布に含まれてい
るものではない。

従つて、この誤差を含んだ干渉縞強度分布測定
をフーリエ変換すると誤つたスペクトルが得られ
る。

ベースラインの曲りや光検知器８の感度不均一
性を補正して平坦なベースラインに乗つた干渉縞
強度分布値をフーリエ変換することが望ましい。

正しく光学調整された二光束干渉計においては
互に干渉する二つの光束は互に近似的に等しい強
度と等しい強度分布をもつ。

その一方の光束を遮蔽し、他方の光束のみ光検
知器８に入射することによつて測定すべき光の光
束強度分布を測定することができる。

この測光値にはまた光検知器８自体の感度不均
一性が含まれている。

測光された単光束光強度分布値を用いて、開閉
シヤツター２４を開いて測光される干渉縞光強度
分布の測光値をベースライン補正する。

このベースライン補正した干渉縞の値をフーリ
エ変換する。

あらかじめ、また繰返し交互に測られたベース
ラインの値を用いて干渉縞測光値をベースライン
補正する作業はコンピユーターにとつて容易であ
るが、以上の操作を行う目的で開閉シヤツター２
４を設けたものである。

第４図に示す本発明の実施例３は単色光干渉縞
ピーク間隔を変える必要がなく、かつ、そのゼロ
次干渉縞の現れる位置を変える必要のないある程
度限定された分光測光に適した簡単な構造で安定
度の高い二光束干渉計である。

入射光束の光軸をｘ軸、出射光束の光軸をｙ軸
と表し、ビームスプリツター３３の半透明鏡面３
４がｘ軸及びｙ軸に直交する図示されていないＺ
軸を含みｘとｙのなす角を二等分する。

半透明鏡３４面と平面反射鏡６面（Mr，Mr′）
とのなす角φは（45°−θ）、半透明鏡３４面と平
面反射鏡５面（Mt，Mt）とのなす角ψは（45°
＋θ）である。

従つて、二つの平面反射鏡５，６面は互に直交
している。

入射光軸Ｌ上の凹面鏡コリメータ３２の焦点の
Ｑに位置する光源３１から放射された光をレン
ズ、凹面鏡コリメータ２によつて平行光束に直し
てビームスプリツター３３に垂直入射する。

この光束のＡ点を通る光線が半透明鏡３４で二
分され、一部は半透明鏡３４を透過して平面反射
鏡５面のMt点に当り、他の一部は半透明鏡３４
面で反射されてｙ軸方向に進み平面反射鏡６面の
Mr点に当るととの距離が等しいものと
し、即ちMrとMtの半透明鏡３４面に対する写像
点であるとする。

MtとMrで反射された光線は光軸ｙに対してそ
れぞれ±2θの傾きをもつてコンペンセーター３５
を通過し、作像光学系３６によつて集束されて光
検知器３７の受光面上の点P_Oで交叉して干渉す
る。

P_O点は作像光学系によつて作られたMt及びMr
点の実像に相当する。

上記のように＝の条件が満たされて
いるから点P_Oで干渉する二光線_Oと_O
との間の光路差はゼロである。

即ち、P_Oに作られる干渉縞はゼロ次の干渉縞
であり、点Ａ以外の任意の点Ｂを通る光線は半透
明鏡３４で二分された後、それぞれ平面反射鏡
５，６面のMt′点とMr′点とで反射される。

この二つの反射光線はｙ軸とそれぞれ±2θの傾
きをもつてコンペンセーター３５を通過し、作像
光学系３６によつて光検知器３７の受光面上の点
P_Wで交叉して干渉する。

点Ａより等距離にあるMt，Mr点を通り、光軸
ｙ及びｘにそれぞれ直角な平面HHとH′H′とを
考えて、Mr′点の反射光線の延長線とHH平面と
の交点をQ_Bと表すと、受光面上の点P_Wは作像光
学系３６によつて結像される交点Q_Bの実像にほ
かならない。

故に、_{O W}の距離をｗとし、ビームスプリツ
ター３３とコンペンセーター３５との屈折率を共
にｎ（λ）とすると、P_W点で交叉干渉する二光線
BMt′P_wと′_wとの間の光路差γ_P′は次式で表
される。

γ_P′＝4n（λ）ｗtanθ／１−tanθ ……(3) Ｑで示す光源３１からバンドパスの小さい波長
λの単色光を入射したときは光検知器３７の受光
面上に等間隔に強度極大のピークをもつ干渉縞が
作られる。

そのピーク間隔を△ｗと表すとその大きさが次
式で表される。

△ｗ＝λ１−tan²θ／4n（λ）tanθ ……(4) 上記(4)式から判るように、△ｗは光の波長λに
比例すると同時に、ビームスプリツター３３とコ
ンペンセーター３５の分散によつて変る。

従つて、この干渉縞の強度分布測定値をフーリ
エ変換して測定した光のスペクトルを求める場合
には、あらかじめ干渉縞強度分布測定値を既知屈
折率ｎ（λ）の値で測定波長範囲にわたる分散値
補正を行う必要がある。

第４図の実施例３の二光束干渉計においては、
一度単色光を入射して光検知器８の受光面にでき
る干渉縞の強度分布を測定すれば、P_Oの位置と
P_Oからの距離ｗの干渉位相換算値とが装置定数
として定められる。

光検知器８はダイオードアレイ検知器、イメー
ジデセクター、マルチチヤンネルトロン、ビジコ
ン管のように干渉縞の強度分布を干渉次数別に分
解測光できる検知器である。

従つて、本発明の二光束干渉計においては、そ
の構成する部品である入射コリメータ、ビームス
プリツター、平面反射鏡、作像光学系、光検知器
の全てを固定したまま二つの可干渉な平行光束を
光検知器の受光面上で交叉干渉させ、その干渉縞
をゼロ次から高次にわたつてその位相別に分解し
て光電的掃引によつて迅速測光を行なうことがで
き、更に、その光検知器上に作られる干渉縞の位
相は検知上の縞の位置から精密、かつ、安定に読
み出しうるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例１における二光束干渉
計の光学系統略図を示し、第２図は本発明の実施
例２における支持台構造の略図を示しており、第
３図は第２図の−方向の断面図を示し、そし
て第４図は本発明の実施例３における二光束干渉
計の光学系統略図を示している。 １，３１……光源、２，３２……凹面鏡コリメ
ータ、３，１１，３３……ビームスプリツター、
５，６，１３，１５……平面反射鏡、７，３６…
…作像光学系、８，３７……光検知器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 入射光コリメータ、ビームスプリツター、そ
   のビームスプリツターによつて二分された二光束
   のおのおのの光軸に対して互に等しい傾き角をも
   つ二つの平面反射鏡及び平面反射鏡から反射され
   た互に可干渉な二光束のゼロ次から高次にわたる
   干渉縞を光検知器の受光面上に結像する作像光学
   系ならびにゼロ次から高次にわたる干渉縞の強度
   分布を干渉次数別に分解して迅速測光する光検知
   器から構成されたことを特徴とする二光束干渉
   計。