JPH07111379B2 - 単色光源二光束干渉計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はレーザからの入射光束を二分するビームスプリ
ッタと、その二分されたそれぞれの光を前記ビームスプ
リッタに戻す可動鏡及び固定鏡を備えた干渉計に関する
ものである。

このような干渉計は、例えばフーリエ変換型赤外分光光
度計において、データ収集の起動や移動鏡の摺動速度の
安定化のために主干渉計に対するコントロール干渉計と
して利用されている。

（従来の技術） 第２図にHe−Neレーザを光源とする干渉計を示す。

２は光源としてのHe−Neレーザであり、レーザ２からの
入射光はビームスプリッタ（半透鏡）４に45度の角度で
入射する。ビームスプリッタ４では入射光は透過光と反
射光に二分され、透過光は可動鏡６によって反射されて
再びビームスプリッタ４に戻され、反射光は固定鏡８で
反射されて再びビームスプリッタ４に戻される。透過光
と反射光はビームスプリッタ４で合一して検出器10によ
って検出される。12は検出器10の検出信号を増幅する増
幅器である。

可動鏡６を定速で移動させた場合、検出器10で検出され
る干渉信号は、第３図に示されるようにレーザ光の波長
と摺動速度できまる正弦波状になる。

二光束干渉計では干渉条件を一定にするためにダイナミ
ックアライメントと呼ばれる方式があり、可動鏡又は固
定鏡の方位を調整している。

第４図にダイナミックアライメント機構の一例を示す
（米国特許第4053231号公報参照）。

レーザ２からのレーザ光が光学系14によって複数のレー
ザ光束とされてビームスプリッタ４の複数の場所に照射
される。可動鏡６はアクチュエータ16によって矢印17方
向に移動させられる。固定鏡８は圧電アクチュエータ18
X,18Yとバネ20で支持され、方位が調整されるようにな
っている。

検出器は複数個が配置され、検出器22Xと22Rを結ぶ方向
と22Yと22Rを結ぶ方向が直交している。24はアクチュエ
ータ18X,18Yを制御する回路である。

ビームスプリッタ４の複数の場所に照射された各場所か
らのレーザ干渉光を個々の検出器22X,22Y,22Rで受光
し、各レーザ干渉信号の相対位相を揃えるように組まれ
たフィードバック信号を用いてアクチュエータ18X,18を
駆動し、固定鏡８の法線方向を制御する。

（発明が解決しようとする問題点） 第２図に示されるようにレーザ２からの入射光がビーム
スプリッタ４に45度の入射角で入射する干渉計において
は、可動鏡６の法線方向、固定鏡８の法線方向及びビー
ムスプリッタ４の向きが正確に調整された場合には、干
渉信号の一部が再びレーザ２の共振器に戻り、現在まさ
に放出されようとしているレーザ光束の一部に重畳され
て再び干渉計に入射する。その結果、検出器10で受光さ
れる干渉信号には第５図に示されるように可動鏡６の摺
動速度とレーザ波長にて決まる本来の干渉信号の周波数
とともに、そのハーモニックスが観察される。そして、
フーリエ変換型赤外分光光度計においてはデータ収集の
サンプリング間隔が一定しなくなる問題がある。

また、第４図のダイナミックアライメント機構で、光学
系14が複数のレーザ光束を得るために半透鏡を用いて光
束を分割する方式のものである場合には、その半透鏡の
配置が問題になる。光学系14がレーザ光を平行光束とし
てその一部を利用する方式のものである場合には、信号
強度又は信号のS/N比が問題となる。

そして、光学系14が上記のいずれの場合であってもビー
ムスプリッタ４の基板の裏面反射光による干渉信号への
外乱は避けられない。そのため、各検出器22X,22Y,22R
の検出信号の相対位相精度が悪化し、正しく干渉条件を
補正することが困難になる。

そこで、ビームスプリッタ４の一部に遮光板を挿入して
基板反射光が検出器22X,22Y,22Rに入射しないようにす
る方式が提案されている（米国特許第4345838号公報参
照）。

しかしながら、遮光板を挿入することにより赤外光の一
部も遮光されて光量が減少し、信号のS/N比が劣化する
問題が発生する。

また、上記の引用例（米国特許第4345838号公報）に記
載されている制御系は非常に複雑であり、メンテナンス
性が悪いという問題もある。

本発明は干渉計からレーザ共振器に戻る干渉信号を少な
くしてハーモニックスの影響を小さくすることのできる
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、ダイナミックアライメント方式の二光束
干渉計に適用される場合には、ビームスプリッタの基板
裏面からの反射光の影響を除き、比較的簡単な系で良い
安定性を得ることをも目的とするものである。

（問題点を解決するための手段） 本発明の単色光源二光束干渉系では、レーザの共振器と
ビームスプリッタの間にレンズを設けてレーザからの入
射光束の広がり角を拡大する。そして、この入射光束の
広がり角の拡大によりレーザ発振波長が見かけ上変化す
るので、その変化を補正する。

（実施例） 第１図は一実施例を表わす。

本実施例は第２図の干渉計において、レーザ２の共振器
とビームスプリッタ４の間に凸レンズ30を設けてレーザ
２からビームスプリッタ４に入射する入射光束の広がり
角を拡大したものである。凸レンズ30は凹レンズに置き
換えてもよい。

ビームスプリッタ４はレーザ２からの入射光束の光軸に
対して45度をなしており、可動鏡６及び固定鏡８もそれ
ぞれの法線方向がビームスプリッタ４に対して45度をな
している。可動鏡６は例えばフーリエ変換型赤外分光光
度計においては、主干渉計の摺動をモニタする必要から
主干渉計の可動鏡を兼用している。

第１図に示されるように、レンズ30の影響によってレー
ザ２からの入射光32が記号34で示されるように広がり角
が拡大され、斜め入射する光束の部分が生じる。斜め入
射角をδとすると、移動鏡６の摺動速度ｖによって生じ
る干渉信号の周波数ｆδは、レーザ光波長がλのとき ｆδ＝λ・ｖ・（1/cosδ） ……（１） となる。このことは、波長λ/cosδのレーザ光が干渉計
に入射したときと同じ振舞いを示し、レーザ干渉信号を
用いてスペクトルの波長関係をサンプリング定理により
決定するフーリエ変換型赤外分光光度計においては、ス
ペクトルが全体的に波長シフトを生じる結果となる。

実際の波長シフトは（１）式をδで積分した値である。
すなわち、第６図に示されるようにTEM00モードのレー
ザの強度分布である二次元正規分布と（１）式をかけ、
さらに体積積分した値になる。すなわち λ・ｖ・（1/cosδ）・Ｉ（x,y）ｄδｄΩ ……（２） となるが、この値はレンズ30とレーザ２の距離、検出器
10の面積及びレンズ30から検出器10までの距離で一義的
に決定されるので、結果は単に真のレーザ波長λに係数
Ｐのかかった値となり、データ収集の結果などに事実上
寄与することはない。このようなレーザ波長λの見かけ
の変化はコンピュータにより補正しうる。

レーザとしてHe−Neレーザ（波長λ＝632.8nm）、レン
ズ30として焦点距離ｆ＝70mmの凸レンズを使用し、レン
ズ30から可動鏡６又は固定鏡８までの距離を400mmとし
たとき、ビームスプリッタ４でのレーザ干渉光が再びレ
ーザ共振器に戻る量はレンズ30を設けなかった場合の約
1/200となる。

そして、レーザ共振器に戻ったレーザ干渉光のうちの一
部のみが新たに射出されるレーザ光束に含まれるので、
結果的には戻り光の影響は無視することができ、検出器
10によって検出される干渉信号はハーモニックスが重畳
しない第７図に示されるような正弦波状のものとなる。

なお、このときの係数Ｐは約1.008であり、検出器10上
の干渉光のスポットの直径は約5.6mmとなる。

第８図はダイナミックアライメント機構を備えたフーリ
エ変換型赤外分光光度計に本発明を適用した実施例を表
わす。

ビームスプリッタ４、可動鏡６及び固定鏡８からなる干
渉計に対し、レーザ２からのレーザ光がミラー37を経て
ビームスプリッタ４に導かれている。レーザ２とミラー
37の間の光軸上にはレーザ光を発散させる目的で凸レン
ズ30（凹レンズでもよい）が設けられている。

この干渉計からのレーザ光の干渉光はミラー39を経て多
分割検出器の一例としての四分割フォトダイオード36に
導かれている。

この干渉計はまた、赤外分光光度計の主干渉計も兼ねて
いる。38は主干渉計を構成する赤外光源、40はコリメー
ト光学系、42は赤外検出器、44は結像光学系である。

四分割フォトダイオード36は単一の半導体チップに構成
されている。四分割フォトダイオード36の各部の検出信
号の位相差から後で説明される第９図のフィードバック
系によって固定鏡８の法線方法を制御する。

本実施例において、レーザ光束はレンズ30によって拡大
される。レーザ光束をビームスプリッタ４の面上で直径
4mm程度、検出器36上で直径6mm程度の大きさにすること
は極めて容易であり、検出器36として単一素子にモール
ドされた多分割検出器を用いる。

さらに広い干渉計で利用するために、レーザ光束をビー
ムスプリッタ４の面上で直径60mm程度に拡大すれば、90
度配置の干渉計で2000mm²程度となるが、その内の13mm²
程度のレーザ光束を用いるので位相信号の精度が悪化す
るが、固定鏡法線方向のずれ角の約１秒がレーザ干渉信
号の位相誤差約２度に対応し、充分に制御可能である。

レンズ30によってレーザ光束が発散するため、ビームス
プリッタ４の基板裏面の反射光の干渉光のビジビリティ
が非常に悪くなるとともに、干渉計からレーザ発振器２
に戻る光量が極めて小さくなるため、レーザ発振強度の
安定性が増し、干渉計にハーモニクスが重畳することも
なくなる。

第９図に第８図の実施例のフィードバック系を示す。

フォトダイオード36の四分割された領域のうち対角線方
向にあるＨ部分とＶ部分の検出信号、及び残りの領域の
うちの一方のＲ部分の検出信号がそれぞれ増幅器52H、5
2V、52Rに入力されて増幅される。54Hはフォトダイオー
ド36のＨ領域の検出信号Ｈ信号と、フォトダイオード36
のＲ領域の検出信号Ｒ信号との位相差を求める増幅器で
あり、54Vはフォトダイオード36のＶ領域の検出信号Ｖ
信号と、フォトダイオード20のＲ領域の検出信号Ｒ信号
との位相差を求める増幅器である。56H,56V,56Rはそれ
ぞれ各位相差信号、Ｒ信号を電圧に変換するローパスフ
ィルタである。58HはＨ領域の位相差電圧と基準となる
Ｒ信号電圧との差を求める差動増幅器、58VはＶ領域の
位相差電圧と基準となるＲ信号電圧との差を求める差動
増幅器である。差動増幅器58H,58Vの出力信号a,bはそれ
ぞれディスクリミネータ60H,60Vを経てCPUシステムに取
り込まれた後、D/Aコンバータ62H,62Vを経て出力され、
増幅器64H,64Vで増幅された後、電力増幅器66H,66Vでそ
れぞれアクチュエータ18H,18Vを駆動する電流値に増幅
されて固定鏡のアクチュエータ18H,18Vに導かれる。

一方、移動鏡６の摺動は安定化される必要があるので、
フォトダイオード36のＲ領域からの干渉信号が周波数−
電圧変換器70にて周波数に比例した電圧信号に変換され
た後、差動増幅器71である決った周波数に対応する電圧
と比較され、別途CPUからD/Aコンバータ72を経てバイア
ス電圧を発生させるための電圧が加算され、電力増幅器
73を経て移動鏡６を駆動するリニアモータ74に印加され
る。

次に、本実施例の動作について説明する。

干渉計が正しく調整されているときは、第10図（Ａ），
（Ｂ）に示されるように四分割フォトダイオード36の中
心が光束70の中心に正しく置かれることになり、フォト
ダイオード36からの干渉信号は４個の領域で全て同一の
位相になる。これに対して、干渉計が歪んでいる場合に
は、第11図（Ａ），（Ｂ）に示されるようにフォトダイ
オード36で検出される干渉信号は４個の領域で互いに位
相が異なって検出される。8aは傾いた固定鏡、70aは固
定鏡8aによる光束である。

簡単のために、一次元モデルを考えると、干渉計を構成
する可動鏡６と固定鏡８のうちの一方の鏡の法線方向が
基準となる方向から１秒ずれた際に、波長632.8nmのHe
−Neレーザを光源とする干渉信号を４分割フォトダイオ
ード36の各領域で互いに約数度（この値は光束の径に依
存する）変化させる系を構成することは容易である。

第12図は第９図のフイードバック系における制御信号を
表わしている。フォトダイオード36のそれぞれの領域で
検出される干渉信号R,H,Vはデューティ・サイクルが50
％であり、フォトダイオード36の各領域の検出信号を増
幅した後に波形整形をしてTTLレベルの信号としてい
る。位相差電圧は位相差が０の場合に2.5Vとなる。差動
増幅器58H,58Vによる位相誤差電圧を基にしてアクチュ
エータ18H,18Vを駆動する。第12図では左側と右側とで
フォトダイオード36のＨ領域とＶ領域で検出される干渉
信号の位相が逆になっている。

上記の実施例では干渉計としてマイケルソン干渉計を用
いているが、他の干渉計を用いることもできる。

第９図に示されるフィードバック制御系は、フォトダイ
オード36、増幅器52H,52V,52R、位相差増幅器54H,54V、
位相差／電圧変換器56H,56V,56R、差動増幅器58H,58V、
増幅器64H,64V及び電力増幅器66H,66Vなどを含んでいる
が、これらの各ステージでは同一ウエハを用いた単一チ
ップの半導体集積回路装置を用いる。これにより、相対
的なオフセット電圧やバイアス電圧を除去することがで
きる。

レーザ共振器とビームスプリッタ４の間の光軸上にレー
ザ光を発散させる目的で設けるレンズ30として、実施例
は凸レンズを用いているが、凹レンズや球レンズを用い
てもよい。例えば、球レンズを２個直列に配列した場合
にはレーザ光の発散角は小さい。そのように、レーザ光
の発散角が小さい場合には、ビームスプリッタからレー
ザ共振器方向へ戻る干渉光の光軸をレーザ共振器から出
射されるレーザ光の光軸に対して僅かに傾けておくこと
が望ましい。

（発明の効果） 本発明の単色光源二光束干渉計では、レーザの共振器と
ビームスプリッタの間にレーザからの入射光束の広がり
角を拡大するレンズを設け、この入射光束の広がり角の
拡大により生じるレーザ発振波長の見かけの変化を補正
するようにしたので、干渉計からレーザ共振器への戻り
光を確実に除去することができ、ハーモニックスの影響
が小さくなって可動鏡の位置精度が向上する。

また、光学系としては単にレンズを設けるだけであり、
殆んどコストの上昇を招かない。

また、本発明をダイナミックアライメント方式の干渉計
に適用すると、容易に安定性を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は一実施例を示す概略図、第２図は従来の単色光
源二光束干渉計を示す概略図、第３図は理想的な干渉信
号を示す波形図、第４図は従来のダイナミックアライメ
ント機構を示す斜視図、第５図はハーモニックスが重畳
した干渉信号を示す波形図、第６図はレーザの強度分布
を示す波形図、第７図は第１図の実施例で検出される干
渉信号を示す波形図、第８図はダイナミックアライメン
ト機構に本発明を適用した実施例を示す概略図、第９図
は第８図の実施例とフィードバック制御系を示す概略
図、第10図（Ａ）は第８図の実施例で干渉計が正しく調
整されている場合の動作を示す概略側面図、同図（Ｂ）
はその光束を示す平面図、第11図（Ａ）は第８図の実施
例で干渉計が歪んでいる場合の動作を示す概略側面図、
同図（Ｂ）はその光束を示す平面図、第12図は第９図の
フィードバック制御系の動作を示すタイミング図であ
る。 ２……レーザ、４……ビームスプリッタ、６……可動
鏡、８……固定鏡、30……凸レンズ、36……四分割フォ
トダイオード。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザからの入射光束を二分するビームス
   プリッタと、この二分されたそれぞれの光を前記ビーム
   スプリッタに戻す可動鏡及び固定鏡を備えた干渉計にお
   いて、前記レーザの共振器と前記ビームスプリッタの間
   にレンズを設け、この入射光束の広がり角の拡大により
   生じるレーザ発振波長の見かけの変化を補正する手段を
   設けたことを特徴とする単色光源二光束干渉計。
2. 【請求項２】ビームスプリッタで合一した光の干渉信号
   を受光する検出器として多分割検出器が用いられ、この
   多分割検出器の複数の検出信号の位相関係を一定にする
   ように可動鏡又は固定鏡の方位を調整するダイナミック
   アライメント機構を備えた特許請求の範囲第１項に記載
   の単色光源二光束干渉計。
3. 【請求項３】前記多分割検出器は単一素子にモールドさ
   れている特許請求の範囲第２項に記載の単色光源二光束
   干渉計。