JPH04204334A - 二光束干渉計 - 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） 本発明はフーリエ変換型赤外分光光度計（ＦＴＩＲ）な
どに用いられる三光束干渉計に関するものである。

（従来の技術） フーリエ変換型赤外分光光度計の三光束干渉計としては
、２枚の平面鏡とビームスプリッタで構成されるマイケ
ルソン干渉計が用いられる。２枚の平面鏡は一方が固定
鏡、他方が移動鏡であり、移動鏡は連続摺動がなされる
。

このような三光束干渉計は、環境温度の変化や振動など
に特に敏感である。そこで、干渉条件を安定化させる１
つの手段としてレーザ光を利用したダイナミックアライ
メント法が採用されている。

しかし、ダイナミックアライメント法は装置が複雑にな
る欠点がある。

振動に対して強い光学系として、ミラーの代わりにコー
ナーキューブを用いる方式がある。コーナーキューブを
用いた三光束干渉計としては、マイケルソン干渉計の移
動鏡としてコーナーキューブを用い、そのコーナーキュ
ーブをメカニカルベアリングで支持して前後方向に摺動
させるようにしたものがある。

コーナーキューブを用いた他の三光束干渉計としては、
２つのコーナーキューブが斜め方向に対向するようにそ
れぞれを金属製支持棒に取りつけ、それらのコーナーキ
ューブを対向させた状態で平面内で往復方向に回転させ
るようにしたものがある。

第１３図に２つのコーナーキューブを用いた干渉計を示
す。コーナーキューブ８０と８２とが斜め方向に対向し
て配置され、それらの前方にビームスプリッタ８４とコ
ンペンセイター８６が配置されている。光源としてのＨ
ｅ　−Ｎ　ｅレーザ８８からのビームはビームスプリッ
タ８４で二分され。

ビームスプリッタ８４からの透過光と反射光はそれぞれ
コーナーキューブ８０と８２で反射して再びビームスプ
リッタ８４に入射し、干渉信号となって検出器９０で受
光されて検出される。

コーナーキューブ８０と８２は一方が移動篇、他方が固
定鏡である干渉計もあるし、コーナーキューブ８０と８
２が一点鎖線で示されるように金属製支持棒８１で一体
化され、支持棒８１が矢印８３のように往復方向に移動
する干渉計もある。

第１３図の干渉計の干渉信号は、第１４図に示されるよ
うに０．６３２８μｍごとに同位相を繰り返す干渉信号
を与える。このような干渉計がＦＴＩＲに用いられると
きは、その摺動速度の安定化は干渉信号の決まった位相
（例えば負から正になるゼロクロス点のみ又はそれと正
から負になるゼロクロス点も加えたもの）ごとに基準速
度に対応するクロック信号と比較されることによって行
なわれる。

（発明が解決しようとする課題） 第１３図のような干渉計で、−次干渉信号の同位相のゼ
ロクロス位置でサンプリングを行なう場合には、遅い摺
動速度のときにはキャリア周波数を与える干渉信号が低
周波信号となるので安定性が悪い。

もし、遅い摺動速度のときでも干渉信号の周波数を高め
るために、干渉信号の一周期に２回ある正から負に変化
するゼロクロス位置と負から正に変化するゼロクロス位
置の両ゼロクロス位置でサンプリングを行なうようにす
れば、近赤外領域での測定精度が悪くなる。

本発明はＦＴＩＲなどを低速で摺動させるときにも安定
したサンプリングを行なうことができる三光束干渉計を
提供することを目的とするものである。

本発明はまた、近赤外領域の測定を安定して行なえると
ともに、中赤外領域の測定ではオーバーサンプリングに
ならない三光束干渉計を提供することを目的とするもの
である。

本発明はまた、コーナーキューブの絶対位置を検出する
ことのできるクアドラチュアコントロールも行なうこと
のできる二光束干渉計を提供することを目的とするもの
である。

本発明はまた、２個のコーナーキューブを備えた二光束
干渉計で、組立て調整を容易にし、温度変化や振動など
の外乱に対して安定した二光束干渉計を提供することを
目的とするものである。

（課題を解決するための手段） 本発明では、２つのコーナーキューブが斜め方向に対向
して配置され、これらの２つのコーナーキューブの前方
には入射光の一部を反射させて一方のコーナーキューブ
に導き入射光の残部を透過させて他方のコーナーキュー
ブに導くとともに。

両コーナーキューブからの反射光を干渉させるビームス
プリッタが設けられており、前記２つのコーナーキュー
ブの少なくとも一方とビームスプリッタとの距離が変化
させられる干渉計と、この干渉計から出射する一次干渉
光を再びこの干渉計に戻す平面鏡とを備え、前記干渉計
から出射する二次干渉光を測距信号とする。

二次干渉光だけでなく一次干渉光も取り出すことができ
るようにするためには、上記の平面鏡に代えてハーフミ
ラ−を配置し、そのハーフミラ−からの透過光から一次
干渉光を取り出すようにすればよい。

また、クアドラチュアコントロールの機能を実゛現する
ためには、ビームスプリッタからいずれかのコーナーキ
ューブに至る光路上に１／８波長板を配置し、前記干渉
計から出射する一次干渉光又は二次干渉光の出射光路上
に偏光ビームスプリッタを配置して、この偏光ビームス
プリッタで分割されたＰ波とＳ波を測距信号とすればよ
い。

２つのコーナーキューブを用いた干渉計は、マイケルソ
ン干渉計を構成して移動鏡側のコーナーキューブをメカ
ニカルベアリングで支持して摺動させるものでもよく、
２つのコーナーキューブを金属製支持棒に取りつけて２
つのコーナーキューブを斜め方向に対向させた状態で平
面内で往復方向に回転させるようにしたものでもよい０
組立て調整を容易にし、温度変化や振動などの外乱に対
して安定した干渉計とするためには、２つのコーナーキ
ューブを１又は２の鏡面が共通の平面となるように一体
的に構成すればよい。

（作用） 干渉計から出射する一次干渉光を平面鏡で反射させて再
びその干渉計に戻すと、二次干渉光が得られる。二次干
渉光では一次干渉光の２倍の周波数の信号を得ることが
でき、干渉計が低速で摺動する場合にも安定したサンプ
リングを行なうことができる。

一次干渉光を干渉計に戻す平面鏡に代えてハーフミラ−
を配置すれば、そのハーフミラ−からの反射光は二次干
渉光となり、一方、ハーフミラ−を透過した光は一次干
渉光として受光される。

いずれかのコーナーキューブとビームスプリッタの間の
光路上に１／８波長板を配置すると、二次干渉光の光路
に配置された偏光ビームスプリッタによってＰ波とＳ波
に分割された干渉光が得られるので、この２つの干渉信
号を用いると１つの干渉信号の２倍の周波数の信号を作
成することができ、また、そのＰ波とＳ波の位相関係と
波数とからクアドラチュアコントロール技法によりコー
ナーキューブの絶対位置を検出することができる。

（実施例） 第１図は第１の実施例を表わす。

４．８はそれぞれ斜め方向に対向した２つのコーナーキ
ューブであり、１つの鏡面６を共通にして一体的に構成
され、２連コーナーキユーブ２を構成している。コーナ
ーキューブ４，８の前方にはビームスプリッタ２６とコ
ンペンセイター２８が設けられており、２連コーナーキ
ユーブ２は共通鏡面６の背面側の接続棒１６によって往
復方向に回転させられる。この干渉計は後で第５図から
第８図を用いて具体的に説明する。

光源としてはＨｅ−Ｎｅレーザ６０が用いられており、
レーザビーム６２が干渉計に入射する。

この干渉計から出射した一次干渉光の光路上には平面鏡
６６が配置されている。平面鏡６６で反射された干渉光
は再びこの干渉計に入射し、二次干渉光となって干渉計
から出射する。

一方のコーナーキューブ、例えばコーナーキューブ４と
ビームスプリッタ２６の間にレーザ光が互いに逆方向に
２回通過する位置に１／８波長板６４が配置されている
。

干渉計から出射した二次干渉光の光路上には受光器の前
に偏光ビームスプリッタ６８が配置され、偏光ビームス
プリッタ６８でＰ波とＳ波に分離された干渉光をそれぞ
れ独立して検出するために、検出器としてＰＩＮフォト
ダイオード７０．７２が配置されている。

第１図の実施例では、検出＠Ｔｏ、？２からは第２図に
示されるＡ′相、Ｂ′相の干渉信号がそれぞれ得られる
。これらの干渉信号は互いに位相がほぼ９０度異なった
２種類の二次干渉信号となる。

それぞれの二次干渉信号は、速度安定化キャリアに利用
する場合は、それぞれ単独でも一次干渉信号の２倍の周
波数を得ることができる。

また、Ａ′相とＢ′相の２つの干渉信号をともに利用す
ればさらに２倍の周波数、つまり一次干渉信号の４倍の
周波数を得ることができる。この場合、Ｈｅ−Ｎｅレー
ザを用いているので、一方の二次干渉信号をＡ／Ｄコン
バータのトリガー信号として用いたときは１５８０２〜
Ｑｃｍ−’のスペクトルを正確に回復できることを意味
している。

また、Ａ′相とＢ′相の２つの干渉信号から現在の摺動
位置を認識できるクアドラチュアコントロールを実施す
ることもできる。

第１図の実施例で、もしＰ波とＳ波に分離しないで二次
干渉信号のみを利用する場合には、１／８波長板６４と
偏向ビームスプリッタ６８を省略し、１個の検出器で二
次干渉光を受光するようにすればよい。

第３図は第２の実施例を表わす。

第１図と比較すると、−・次干渉光を干渉計に戻す平面
鏡６６に代えてハーフミラ−７４が配置されている。ハ
ーフミラ−７４を透過した一次干渉光を受光するために
、その透過光光路上に検出器としてＰＩＮフォトダイオ
ード７６が配置されている。

第３図の実施例によれば、第４図に示されるように、二
次干渉光は偏光ビームスプリッタ６８でＰ波とＳ波に分
割されてそれぞれ検出器７０，７２でＡ′相、Ｂ′相と
して検出され、ハーフミラ−７４を透過した一次干渉光
は検出器７６でＣ相として検出される。Ａ′相とＢ”相
の干渉信号はそれぞれ単独では光路差がＱ、３１６４μ
ｍの干渉信号であり、測定波数１５８０２〜Ｏｃｍ−”
の近赤外域の測定に適し、Ｃ相の干渉信号は光路差が０
゜６３２８ｐｍで、測定波数が７９０１〜０ｃｍ−１の
スペクトルを回復することができ、このＣ相の干渉信号
をは４０００〜４００ｃｍ”１の波数の中赤外領域の測
定に好都合である。

もし、二次干渉信号で中赤外領域の測定を行なおうとす
れば、例えばＡ’相のみをトリガー信号として利用して
負から正に変化する瞬間ごとにＡ／Ｄコンバータを起動
する構成をとるものとすれば、サンプリング定理より１
５８０２〜Ｏｃｍ“１−のスペクトルを回復することに
なるので、メモリ容量と演算時間ともに不経済になる。

そのため、もしＡ′相の信号のゼロクロス位置を２回に
１回の割でトリガー信号として取り込めば７９０１〜０
ｃｍ−１のスペクトルを回復できて好都合であるが、そ
の際二次干渉信号の隣り合う同位相点のいずれが採用さ
れるかは一連の測定ごとに任意に変わる。つまり、量子
化され、メモリに格納された赤外インターフェログラム
が一連の測定ごとに変化する可能性を有する。このこと
はＧＣ／ＦＴＩＲやＧＰＣ／ＦＴＩＲなど、クロマト装
置とＦＴＩＲを組み合わせたときのインターフェログラ
ムの時間変化から赤外クロマト信号を直接表示させるグ
ラム−シュミット演算を正確に行なうことができない結
果を与える。

第３図の実施例によれば、−次干渉信号であるＣ相の検
出信号を用い、第４図で矢印で示される同位相のゼロク
ロス点でＡ／Ｄコンバータを起動すれば、グラム−シュ
ミット演算を正確に実行することができる。

２つのコーナーキューブを備えた干渉計の好ましい一例
として１つの鏡面が共通の平面となるように構成された
ものを第５図から第８図に示す。

第５図はその干渉計を示す斜視図、第６図はその干渉計
のミラ一部分を駆動機構とともに示す一部断面の平面図
、第７図は第６図の左側面図、第８図は第６図の正面図
である。

この二光束干渉計は通常のマイケルソン干渉計とは異な
り、二連コーナーキューブ２を用いた干渉計である。

二連コーナーキューブ２は、都合５枚の切削加工平面鏡
により組み立てられている。平面鏡４ａ。

４ｂ、６により一方のコーナーキューブ４が構成され、
平面１８ａ、ｓｂ、６により他方のコーナーキューブ８
が構成されている。平面鏡６は両コーナーキューブ４，
８で共通である。

コーナーキューブ４，８においては隣合う面が直角をな
しており、直角からの組立て精度のずれ量は約２〜５秒
（角度）以内である。このような高精度に加工すること
は現在の技術では容易である。

一方のコーナーキューブ４の２つの鏡面４ａと４ｂによ
り形成される稜１０と、他方のコーナーキューブ８の２
つの鏡面８ａと８ｂにより作られる稜１２は互いに平行
であり、この２つの陵１０゜１２を含む平面１４内には
２つのコーナーキューブ４，８の共通鏡面６の裏面側に
接続棒１６がねじ止めされている。接続棒１６には、２
つの稜１０．１２を含む平面１４を一方向（この例では
水平方向）に保って回転できるように、回転ベアリング
１８が埋め込まれており、２個のコーナーキューブ４，
８はその平面１４を一方向に保ったままで自由に回転す
ることができる。

接続棒１６の他端にはりニアモータの可動部分２０がね
じ止めされており、その可動部分２０にはコイル２２が
巻かれている。可動部分２ｏはリニアモータのステータ
２４と組み合わされており、コイル２２に電流を流すこ
とによりステータ２４との間に生じるローレンツ力によ
り限られた範囲での往復運動を行ない、その往復運動は
回転ベアリング１８を支点として接続棒１６を第２図に
矢印で示されるように回転往復運動を生じさせる。

第５図に示されるように、二連コーナーキューブ４，８
の中央前方寄りには、干渉計を構成するために、ビーム
スプリッタ２６及びコンベンセータ２８が設置されてい
る。入射光線３０の一部はビームスプリッタ２６で反射
し、一方のコーナーキューブ４で反射して再びビームス
プリッタ２６に入射する。入射光線３０のうちビームス
プリッタ２６を透過した光線３４は他方のコーナーキュ
ーブ８で反射して再びビームスプリッタ２６に入射する
６両コーナーキューブ４，８からの反射光はビームスプ
リッタ２６で干渉光３６となる。

２つのコーナーキューブを備えた好ましい干渉計の他の
例として２つの鏡面が共通の平面となるように一体的に
構成されたもの例を第９図から第１２図に示す。第９図
はその干渉計を示す平面図、第１０図はその干渉計のミ
ラ一部分を示す平面図。

第１１図はそのミラ一部分の正面図、第１２図は第１０
図の左側面図である。

４２は２連コーナーキユーブであり、都合４枚の切削加
工平面鏡により組み立てられている。平面鏡４５，４６
．４７により一方のコーナーキューブ４４が構成され、
平面＠４６．４７．４８により他方のコーナーキューブ
４９が構成されている。平面鏡４６と４７は両コーナー
キューブ４４゜４９で共通であり、互いに直交している
。平面鏡４５と４８はともに両共通平面１ｉ１４６，４
７と直交している。２つの共通平面鏡４６．４７により
形成される稜５０を含む上下方向の対称面５４内には２
つの平面鏡４６．４７の裏面側に接続棒５６が取りつけ
られている。接続棒５６が対称面５４を一方向（この例
では水平方向）に保って回転できるように、接続棒５６
には回転ベアリング５８が埋め込まれており、これが回
転中心となって２個のコーナーキューブ４４．４９はそ
の平面５４を一方向に保ったままで自由に回転すること
ができる。

接続棒５６の他端には第６図及び第７図に示されたのと
同じ回転駆動機構が設けられている。

２連コーナーキューブ４４．４９の中央前方寄りには、
第９図に示されるように、干渉計を構成するために、ビ
ームスプリッタ２６及びコンベンセイター２８が設置さ
れている。

第９図の実施例における干渉計の動作は、第５図の干渉
計の動作と同じである。

第５図の干渉計では二連のコーナーキューブ４゜８は５
枚の切削加工平面鏡が組み立てられて構成され、第９図
の干渉計では二連のコーナーキューブ４４．４９は４枚
の切削加工平面鏡が組み立てられて構成されているが、
１つの母材を切り出して一体型の二連コーナーキューブ
を製造することもできる。

これらの干渉計ではまた、２つのコーナーキューブの相
対する稜を含む平面又は２つの共通鏡面の稜を含む対称
面が水平面になるように設置しているが、それらの平面
は必ずしも水平状態に保つ必要はなく、垂直方向など他
の任意の方向であってもよい。

また、接続棒１６又は５６は相対する稜１ｏ。

１２を含む平面１４内又は稜５０を含む平面５４内に設
けられているが、接続棒１６はその平面１４又は５４と
平行な平面内に設けられていてもよい。

（発明の効果） 本発明では干渉計から出射する一次干渉光を平面鏡又は
ハーフミラ−で反射させて再びその干渉計に戻すので、
二次干渉光が得られる。二次干渉光では一次干渉光の２
倍の周波数の信号を得ることができるので、干渉計が低
速で摺動する場合にも安定した摺動速度を実現すること
ができ、正確にサンプリングを行なうことができ、正確
な近赤外スペクトルを回復することができる。

−次干渉光を干渉計に戻す平面鏡に代えてハーフミラ−
を配置すれば、そのハーフミラ−からの透過光は一次干
渉光として受光されるので、中赤外スペクトルを対象と
したクロマト結合装置のメモリ容量や演算時間の経済性
を劣化させずに良好なグラム−シュミット演算を実施す
ることができる。

いずれかのコーナーキューブとビームスプリッタの間の
光路に１／８波長板を配置し、−次干渉光又は二次干渉
光の出射光路に偏光ビームスプリッタを配置すれば、Ｐ
波とＳ波に分割された干渉光を得ることができるので、
この２つの干渉信号からさらに２倍の周波数の信号を作
成することができ、また、そのＰ波とＳ波の位相関係と
波数とからクアドラチュアコントロール技法によりコー
ナーキューブの絶対位置を検出することができる。

２つのコーナーキューブをそれぞれの１つの鏡面又は２
つの鏡面が共通になるように斜め方向に対向させて２組
のミラー群を一体的に構成し、その２つの相対する稜を
含む平面又は２つの共通鏡面を含む平面内で往復回転運
動をするようにすれば、１つの回転中心をもつ往復回転
運動を行なわせるだけであり、組立ての際の調整が極め
て簡単で、かつ容易であり、安価に製造することができ
る。二連コーナーキューブを同一材質で構成することが
できるので、温度変化に対して安定である。

また、振動などの外乱に対しても安定である。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１の実施例を示す平面図、第２図は同実施例
の検出信号を示す波形図、第３図は第２の実施例を示す
平面図、第４図は同実施例の検出信号を示す波形図、第
５図は干渉計の好ましい具体例を示す斜視図、第６図は
その干渉計のミラー部分を駆動機構とともに示す一部断
面の平面図。 第７図は第６図の左側面図、第８図は第６図の正面図、
第９図は干渉計の他の好ましい具体例を示す一認図、第
１０図はその干渉計のミラ一部分を示す平面図、第１１
図はそのミラ一部分の正面図。 第１２＠は第１０図の左側面図である。第１３図は従来
の干渉計を示す平面図、第１４図は１３図の干渉計の検
出信号を示す波形図である。 ２．４２・・・・・・二連コーナーキューブ、４，８゜
４４．４９・・・・・・コーナーキューブ、４ａ、４ｂ
。 ６．８ａ、８ｂ、４５，４６，４７．４８−コーナーキ
ューブを構成する平面鏡、１０．１２・・・・・・２つ
のコーナーキューブの対向する稜、１４・・・・・・２
つの対向する稜を含む平面、１６．５６・・・・・・支
持棒、１８，５８・・・・回転ベアリング、２０・・・
・・・リニアモータの可動部分、２４・・・・・リニア
モータのステータ、５０・・・・２つの共通鏡面ででき
る稜、５４・・・・・対称面、６４・・・・１／８波長
板、６６・・・・・・平面鏡、６８・・・・・偏向ビー
ムスプリッタ、７０’、７２．７６　　・・・フォトダ
イオード、７４・・・・・ハーフミラ−０ 特許出願人　株式会社島津製作所

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）２つのコーナーキューブが斜め方向に対向して配
   置され、これらの２つのコーナーキューブの前方には入
   射光の一部を反射させて一方のコーナーキューブに導き
   入射光の残部を透過させて他方のコーナーキューブに導
   くとともに、両コーナーキューブからの反射光を干渉さ
   せるビームスプリッタが設けられており、前記２つのコ
   ーナーキューブの少なくとも一方とビームスプリッタと
   の距離が変化させられる干渉計と、この干渉計から出射
   する一次干渉光を再びこの干渉計に戻す平面鏡とを備え
   、前記干渉計から出射する二次干渉光を測距信号とする
   二光束干渉計。
2. （２）２つのコーナーキューブが斜め方向に対向して配
   置され、これらの２つのコーナーキューブの前方には入
   射光の一部を反射させて一方のコーナーキューブに導き
   入射光の残部を透過させて他方のコーナーキューブに導
   くとともに、両コーナーキューブからの反射光を干渉さ
   せるビームスプリッタが設けられており、前記２つのコ
   ーナーキユーブの少なくとも一方とビームスプリッタと
   の距離が変化させられる干渉計と、この干渉計から出射
   する一次干渉光の一部を再びこの干渉計に戻すとともに
   、残部を透過させるハーフミラーとを備え、前記ハーフ
   ミラーを透過した一次干渉光及び／又は前記干渉計から
   出射する二次干渉光を測距信号とする二光束干渉計。
3. （３）前記干渉計でビームスプリッタからいずれかのコ
   ーナーキューブに至る光路上に１／８波長板を配置し、
   前記干渉計から出射する一次干渉光又は二次干渉光の出
   射光路上に偏光ビームスプリッタを配置して、この偏光
   ビームスプリッタで分割されたＰ波とＳ波を測距信号と
   する請求項１又は２に記載の二光束干渉計。
4. （４）干渉計の２つのコーナーキューブはそれぞれの１
   つ又は２つの鏡面が共通の平面となるように一体的に構
   成され、この一体化された２つのコーナーキユーブは２
   つのコーナーキューブの相対する稜を含む平面又は共用
   される２つの鏡面でできる稜を含む対称面を一方向に保
   った状態で往復方向に回転駆動される請求項１、２又は
   ３に記載の二光束干渉計。