JPH07119564B2 - 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ビームスプリッ
タに戻す可動鏡及び固定鏡を備えた二光束干渉計に関す
るものである。

二光束干渉計は、例えばフーリエ変換分光光度計やフー
リエ変換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） 二光束干渉計では、干渉条件を最適化する手法として、
ダイナミックアライメント（dynamic alignment）と称
される手法が用いられている（例えば米国特許第405323
1号公報参照）。

第８図はダイナミックアライメントの概略を示してい
る。

レーザ100からの光がレンズその他の光学系102によって
複数のレーザ光束とされてビームスプリッタ104の複数
の場所に入射して分割され、移動鏡106と固定鏡108でそ
れぞれ反射した光がビームスプリッタ104に戻って会合
し、検出器110に入射する。検出器110は複数に分割され
たフォトダイオードや複数の受光素子が配置された検出
器である。固定鏡108は電歪素子112a,112bによって法線
方向が調整できるようになっている。検出器110の各位
置の受光素子R,H,Vからの光電流の位相が異なれば、そ
れらの位相が同一になるように電歪素子112a,112bに印
加する電圧が変えられて固定鏡108の法線方向が調整さ
れる。

また移動鏡106の位置を検出するために、クアドラチュ
アコントロール（quadrature control）と称される手法
も用いられている。

第９図はその一例を表わすものである。

ビームスプリッタ104と固定鏡108の間にλ/8板が設けら
れている。ビームスプリッタ104で会合した干渉信号を
Ｐ波とＳ波に分離するために偏光ビームスプリッタ116
が設けられ、それぞれの偏光成分はそれぞれの検出器11
8a,118bで検出される。このとき、移動鏡106の摺動方向
がビームスプリッタ104から離れる方向であれば、検出
器118bの検出信号の位相が検出器118aの検出信号の位相
より90度進み、逆に移動鏡106の摺動方向がビームスプ
リッタ104に近づく方向であれば、検出器118bの検出信
号の位相が検出器118aの検出信号の位相より90度遅れ
る。その結果、両検出器118a,118bの検出信号の位相関
係と波数とから移動鏡106の位置を検出することができ
る。

（発明が解決しようとする課題） ダイナミックアライメントにおける複数の受光素子から
の干渉信号を用いてクアドラチュアコントロールを行な
うことはできない。また、クアドラチュアコントロール
の２個の検出器の検出信号からダイナミックアライメン
トを行なうこともできない。

本発明はダイナミックアライメントとクアドラチュアコ
ントロールの両方の機能を備え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） 本発明は直線偏光レーザからの入射光束を二分するビー
ムスプリッタ、その二分されたそれぞれの光をビームス
プリッタに戻す移動鏡及び固定鏡、移動鏡と固定鏡のい
ずれか一方とビームスプリッタとの間に設けられた位相
板、ビームスプリッタで会合した光の干渉光を二分する
偏光ビームスプリッタ、偏光ビームスプリッタで二分さ
れた各偏光成分をそれぞれ受光するための、少なくとも
一方は複素子分割型である２個の検出器、一方の検出器
で、かつ、複素子分割型である検出器が検出する複数の
干渉信号の位相関係を一定にするように移動鏡又は固定
鏡の法線方向を調整する手段、並びに複素子分割型検出
器については各素子が検出した複数の干渉信号を加算し
て単一の干渉信号とした後の、両検出器の単一の干渉信
号の位相関係から移動鏡の進行方向を検出し、いずれか
の検出器の単一の干渉信号の波数から移動鏡が進んだ距
離を検出することにより移動鏡の位置を検出する手段を
備えたフーリエ変換型分光光度計の二光束干渉計であ
る。

（作用） ビームスプリッタを透過し又は反射したレーザビームの
うち、位相板を透過してビームスプリッタに戻ってきた
レーザビームは円偏光又は楕円偏光となる。位相板を透
過しないでビームスプリッタに戻ってきたレーザビーム
は直線偏光のままである。ビームスプリッタで会合した
レーザビームの干渉光を偏光ビームスプリッタで各偏光
成分に分割すると、それぞれの偏光成分の間では干渉信
号の位相が異なっている。

検出器が単素子検出器の場合はその検出信号、検出素子
が複素子分割型である場合は各分割された受光素子の検
出信号を加算した単一の検出信号を用い、両検出器の単
一の検出信号により移動鏡の進む方向と進んだ距離を検
出して移動鏡の位置が検出される（クアドラチュアコン
トロール）。

２個の検出器のうち少なくとも一方は複素子分割型であ
るので、複素子分割型検出器の複数の受光素子が検出し
た干渉信号の位相関係を一定にするように、移動鏡又は
固定鏡に設けられた電歪素子などの調整機構を通じて法
線方向が調整される（ダイナミックアライメント）。

（実施例） 第１図は本発明をフーリエ変換赤外分光光度計のコント
ロール干渉計に適用した実施例を表わしている。

２はビームスプリッタ及びコンペンセータ（以下単にビ
ームスプリッタという）、４は固定鏡、６は移動鏡であ
り、ビームスプリッタ２は固定鏡４の法線方向及び移動
鏡６の法線方向に対して45度の傾きをもって配置されて
いる。

固定鏡４は固定鏡支持ブロック８に搭載され、固定鏡支
持ブロック８にはまたピエゾアクチュエータ10a,10bが
搭載され、ピエゾアクチュエータ10a,10bの印加電圧を
変えることにより固定鏡４の法線方向を変化させること
ができる。12a,12bはピエゾアクチュエータ10a,10bに電
圧を印加するパワーアンプである。

移動鏡６は摺動機構14に支持され、摺動機構14はリニア
モータ16によって移動鏡６をビームスプリッタ２に近づ
く方向と遠ざかる方向に移動させることができる。18は
リニアモータ16に電流を流すパワーアンプ、20はパワー
アンプ18を介してリニアモータ16を制御する摺動コント
ローラである。

ビームスプリッタ２、固定鏡４及び移動鏡６とともに主
干渉計を構成して赤外分光測定系とするために、赤外光
源22が設けられ、光源22からの赤外線は集光鏡24、アパ
ーチャ26、コリメータミラー28を経てビームスプリッタ
２に入射され、この干渉計で変調される。変調光はミラ
ー30、集光鏡32から試料室34を通過した後、楕円面鏡36
を経て赤外検出器38で受光されて電気信号に変換され
る。40は検出器38の検出信号を増幅するプリアンプ、42
はフィルタ、44はオートゲインアンプ、46はサンプルホ
ールドアンプ、48はサンプリングされた信号をデジタル
信号に変換するA/Dコンバータである。

コントロール干渉計を構成するために、光源としてHe−
Neレーザ50が設けられている。52はレーザ50からのレー
ザビームの広がり角を広げる凹レンズ又は凸レンズ、54
はレンズ52を経たレーザビームをビームスプリッタ２に
入射させるハーフミラーである。ビームスプリッタ２で
反射され、固定鏡４で反射されて再びビームスプリッタ
２に戻るレーザビームを直線偏光から円偏光に変えるた
めに、ビームスプリッタ２と固定鏡４の間にλ/8板56が
設けられている。λ/8板56は、その偏光軸が入射レーザ
ビームの偏波面から45度傾くように設置されている。こ
の干渉計で変調され、ハーフミラー58で反射された干渉
光をＰ波とＳ波の角偏光成分に分割するために偏光ビー
ムスプリッタ60が設けられている。

62は偏光ビームスプリッタ60を透過した一方の偏光成分
を受光する検出器としての四分割フォトダイオードであ
り、64は偏光ビームスプリッタ60で反射された他方の偏
光成分を受光する検出器としての四分割フォトダイオー
ドである。フォトダイオード62,64は、第２図に示され
るように、それぞれ４個の受光素子R,R′,H,Vに分割さ
れている。フォトダイオード62,64は各受光素子間の相
対的なオフセット電圧やバイアス電圧を除去するため
に、それぞれ単一の半導体チップに形成されている。フ
ォトダイオード62の各受光素子はプリアンプ66に接続さ
れ、フォトダイオード64の各受光素子はプリアンプ68に
接続されている。

ダイナミックアライメントを行なうために、一方のフォ
トダイオード62（64でもよい）の４個の受光素子のうち
の基準になる受光素子Ｒと、それに横方向に隣接する受
光素子Ｈ、縦方向に隣接する受光素子Ｖの検出信号がそ
れぞれプリアンプ66から波形整形器70を経て位相比較処
理ユニット72に入力されている。波形整形器70は入力信
号をパルス列に変える。位相比較処理ユニット72からの
出力はパワーアンプ12a,12bに送られている。

クアドラチュアコントロールを行なうために、フォトダ
イオード62の４つの受光素子の検出信号がプリアンプ66
を経て電流加算アンプ74に入力され、フォトダイオード
64の４つの受光素子の検出信号がプリアンプ68を経て電
流加算アンプ76に入力されている。78,80は入力信号を
パルス列に変える波形整形器であり、82は波形整形され
た２個のパルス信号を入力するアップ／ダウン・カウン
タである。アップ／ダウン・カウンタ82は両入力信号の
位相関係からアップ／ダウンのモードを定めるととも
に、入力信号のパルス数を計数し、CPUバスライン84へ
送出する。

フォトダイオード62の４つの受光素子の信号が加算され
て波形整形されたものはまた、摺動コントローラ20とサ
ンプルホールドアンプ46、A/Dコンバータ48へも送られ
る。

CPUバスライン84にはMPU86、プログラム格納メモリ88、
データ格納メモリ90、外部記憶装置92、CRT94、プロッ
タ96及びオートゲインアンプ44、A/Dコンバータ48、ア
ップ／ダウン・カウンタ82が接続されている。

次に、本実施例の動作について説明する。

（ａ）コントロール干渉計の動作 偏光ビームスプリッタ60で分割された互いに位相の異な
るレーザフリンジは、それぞれ四分割フォトダイオード
62,64で受光され、それぞれのフォトダイオード62,64の
４つの受光素子の検出信号は加算されて波形整形され、
パルス信号となってアップ／ダウン・カウンタ82の２個
の入力a,bとして取り込まれる。アップ／ダウン・カウ
ンタ82ではアップ／ダウンのモードを両入力信号の位相
関係から求める。すなわち、移動鏡６がビームスプリッ
タ２から離れる方向であれば第３図（Ａ）に示されるよ
うに、加算された一方の検出信号boは他方の検出信号ao
に対して位相が90度進み、逆に移動鏡６がビームスプリ
ッタ２に近づく方向であれば，（Ｂ）のように検出信号
boはaoに対して位相が90度遅れるからである。また、ア
ップ／ダウン・カウンタ82で計数される入力信号のパル
ス数は、移動鏡６の位置に依存した信号となる。アップ
／ダウン・カウンタ82の出力信号はバスライン84を介し
てMPU86に取り込まれ、赤外分光測定のインターフェロ
グラムの積分を行なう際の信号として用いられる。

摺動コントローラ20は、加算され整形された四分割フォ
トダイオード62の検出信号の周波数が一定になるよう
に、パワーアンプ18を介してリニアモータ16に印加する
電圧を制御する。

四分割フォトダイオード62の検出出力が加算され整形さ
れたものはまた、サンプルホールドアンプ46のホールド
信号としても、A/Dコンバータ48の変換スタート信号と
しても用いられる。

干渉計の干渉条件の良いときは第４図（Ａ）に示される
ように、四分割フォトダイオード62の基準の受光素子Ｒ
の検出信号ｒと他の受光素子Ｈの検出信号ｈ（又は受光
素子Ｖの検出信号ｖ）の位相が一致しているが、悪いと
きは同図（Ｂ）に示されるようにそれらの位相がずれて
いる。そこで、ダイナミックアライメントを行なうため
に、四分割フォトダイオード62の３個の受光素子R,H,V
の検出信号は、増幅された波形整形されて位相比較処理
ユニット72に入力され、位相比較処理ユニット72におい
て縦方向ずれ電圧、横方向ずれ電圧の形で出力され、パ
ワーアンプ12a,12bを介してピエゾアクチュエータ10a,1
0bの印加電圧を変えることにより、四分割フォトダイオ
ード62の各受光素子の検出信号の位相が一致するよう
に、干渉計の干渉条件を安定させる。

（ｂ）赤外データ収集の動作 赤外光源22から射出されて干渉計で変調され、試料室34
を経て赤外検出器38で電気信号に変換された信号は、プ
リアンプ40からフィルタ42、オートゲインアンプ44を経
てサンプルホールドアンプ46でサンプリングされ、A/D
コンバータ48でデジタル信号に変換されてバスライン84
に取り込まれる。

移動鏡６の移動に伴なってインターフェログラムが生成
する。コントロール干渉計の干渉信号である信号ａを用
いてA/Dコンバータ48のA/D変換が起動される。クアドラ
チュアコントロールにより移動鏡６の現在位置がリアル
タイムで検出されており、この現在位置信号はアップ／
ダウン・カウンタ82により生成され、一連のインターフ
ェログラムのデータ収集開始点、終了点を知るために逐
次MPU86により認識され、移動鏡６の往復方向でデータ
収集が行なわれる。

第５図及び第６図により赤外分光測定を行なう動作を説
明する。

MPU86は摺動コントローラ20に対し、まず摺動方向の指
定を行ない、摺動コントローラ20から一定速度での摺動
を起動する（ステップS1）。MPU86はアップ／ダウン・
カウンタ82をモニタし続け、移動鏡６の現在位置がデー
タ収集に必要な点だけ進んだことを確認する（ステップ
S2）。このとき移動鏡６の位置は第６図のＢ点の位置を
越えている。この後、MPU86は逆方向摺動の指定を行な
い、摺動コントローラ20により一定速度での逆方向摺動
を起動する（ステップS3）。そして、アップ／ダウン・
カウンタ82を再度モニタする。アップ／ダウン・カウン
タ82により出力された点がデータ収集開始点（第６図
Ｃ）になる（ステップS4）と、MPU86はその点から連続
して必要なデータ数だけ繰り返してサンプリングし、A/
Dコンバータ48の値を読み、データ格納メモリ90に記憶
するか、又はすでにデータ格納メモリ90に記憶されてい
るインターフェログラムデータと加算する（ステップS5
〜S7）。データの加算はS/N比を改善するためである。
アップ／ダウン・カウンタ82が存在するため、移動鏡６
の同じ位置のデータどおしを正確に加算することが可能
になる。移動鏡６の同じ位置のデータどおしの加算はコ
ヒーレント・アディションと呼ばれ、フーリエ変換赤外
分光には必須の条件である。第６図で、Ｄ点はデータ収
集終了点、Ｅ点は次のサイクルのデータ収集開始点であ
る。

設定回数の加算が行なわれた後（ステップS8）、CPUの
プログラムに従ってフーリエ変換されて表示される（ス
テップS9,S11）。又は、すでに記憶されているフーリエ
変換されたリファレンスに対する比（透過率スペクト
ル）を計算した後に表示される（ステップS10,S11）。

第７図には各信号の時間変化を示す。

（Ａ）は移動鏡６の位置を表わし、（Ｂ）はリニアモー
タ16に印加される電圧を表わし、（Ｃ）はアップ／ダウ
ン・カウンタ82の出力値を表わし、（Ｄ）は収集された
インターフェログラムを表わしている。T0は移動鏡６の
折返し期間である。

第１図の実施例では全ての動作をMPU86によって制御し
ているが、データ収集にかかわる部分のみを独立のCPU
に組み、CRT94、外部記憶装置92などが接続されるCPUと
切り離してもよい。

また、ダイナミックアライメント信号を生成する位相比
較処理ユニット72、摺動コントローラ20をCPUのプログ
ラムによって実行するようにしてもよい。

第１図ではまた、レーザ50からの入射光束の広がり角を
拡大するレンズ52を設けているので、その入射光束の広
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すれば、干渉計からレーザ共振器へ
の戻り光を除去することができ、ハーモニックスの影響
が小さくなって移動鏡６の位置精度が向上する利点があ
る。しかしながら、レンズ52に代えて、先に引用した米
国特許第4053231号などに示されているような複数のレ
ーザ光束とする光学系であってもよい。

検出器62,64としてはいずれも四分割フォトダイオード
を用いているが、実施例の場合、検出器64に関しては単
素子フォトダイオードであってもよい。複素子分割型検
出器は実施例で示されたような単一の半導体チップに形
成されたものに限らない。

位相板としてλ/8板56を用いているが、λ/4板やλ/2板
など他の位相板を用いてもよい。

位相板56はまた、移動鏡６とビームスプリッタ２の間に
設けてもよい。

ダイナミックアライメントを行なう機構を移動鏡側に設
けてもよい。

（発明の効果） 本発明では、ビームスプリッタ、移動鏡及び固定鏡を備
えた干渉計に位相板と偏光ビームスプリッタをさらに備
え、偏光ビームスプリッタで分割された一方の干渉信号
は複素子分割型検出器で受光して各受光素子の位相関係
からダイナミックアライメントを行ない、複素子分割型
検出器の各受光素子の検出信号を加算して平均的な位相
関係の干渉信号とすることにより、偏光ビームスプリッ
タで分割された両干渉信号からクアドラチュアコントロ
ールを行なうようにしたので、干渉条件を常時同一に保
ちつつ、移動鏡の移動方向の双方向でデータ収集が可能
なフーリエ変換型の分光光度計や赤外分光光度計を実現
できる。したがって、安定性を犠牲にせずに、高速処理
を行なうことが可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は一実施例を示す構成図、第２図は同実施例にお
ける偏光ビームスプリッタと検出器の部分を示す図、第
３図はクアドラチュアコントロールを説明するための干
渉信号を示す波形図、第４図はダイナミックアライメン
トの動作を説明するための干渉信号の波形図、第５図は
データ収集の動作を示すフローチャート図、第６図はア
ップ／ダウン・カウンタ値とデータ収集のタイミングを
示す図、第７図は各信号の時間関係を示す波形図、第８
図は従来のダイナミックアライメントを示す構成図、第
９図は従来のクアドラチュアコントロールを示す構成図
である。 ２……ビームスプリッタ、４……固定鏡、６……移動
鏡、10a,10b……ピエゾアクチュエータ、14……摺動機
構、50……レーザ、56……λ/8板、60……偏光ビームス
プリッタ、62,64……四分割フォトダイオード、72……
位相比較処理ユニット、74,76……電流加算アンプ、82
……アップ／ダウン・カウンタ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】直線偏光レーザからの入射光束を二分する
   ビームスプリッタ、その二分されたそれぞれの光をビー
   ムスプリッタに戻す移動鏡及び固定鏡、移動鏡と固定鏡
   のいずれか一方とビームスプリッタとの間に設けられた
   位相板、ビームスプリッタで会合した光の干渉光を二分
   する偏光ビームスプリッタ、偏光ビームスプリッタで二
   分された各偏光成分をそれぞれ受光するための、少なく
   とも一方は複素子分割型である２個の検出器、一方の検
   出器で、かつ、複素子分割型である検出器が検出する複
   数の干渉信号の位相関係を一定にするように移動鏡又は
   固定鏡の法線方向を調整する手段、並びに複素子分割型
   検出器については各素子が検出した複数の干渉信号を加
   算して単一の干渉信号とした後の、両検出器の単一の干
   渉信号の位相関係から移動鏡の進行方向を検出し、いず
   れかの検出器の単一の干渉信号の波数から移動鏡が進ん
   だ距離を検出することにより移動鏡の位置を検出する手
   段を備えたフーリエ変換型分光光度計の二光束干渉計。