JPH07198488A - フーリエ変換分光光度計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 二連コーナキューブを利用して小型化を図り
つつ、受光面積の小さいレーザ検出器で分解能が高いス
ペクトル測定を可能とする 【構成】 二連コーナキューブ１６及びビームスプリッ
タ１４を用いて構成される二光束干渉計から出射してレ
ーザ検出器２０へ向かう光路中に単凸レンズ２２を設
け、その単凸レンズ２２の焦点位置にレーザ検出器２０
を配置する。これにより、光路差を大きくしても受光面
積の小さいレーザ検出器２０を使用できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、二光束干渉計によって
得られる干渉光を使用するフーリエ変換形分光光度計に
関する。

【０００２】

【従来の技術】フーリエ変換形赤外分光光度計では二光
束干渉計が用いられる。二光束干渉計は、光路差が時間
的に変化する二つの光束を合わせることによって干渉光
を生成するものである。フーリエ変換形赤外分光光度計
は、二光束干渉計に赤外光を入射して干渉赤外光を得、
この干渉赤外光を試料に照射して試料からの透過光又は
反射光を検出する。そして透過光又は反射光のスペクト
ルを求めるために、この検出信号を用いて数値計算によ
り離散的フーリエ変換を行なう。したがって、この変換
の際に干渉計における光路差の一定間隔毎に検出信号を
サンプリングすることが要求される。これに対し、従来
は、Ｈｅ-Ｎｅレーザ等のガスレーザを用いて光路差の
変化を検出し、この検出結果に基づいて光路差の変化速
度（単位時間当たりの光路差の変化量）が一定となるよ
うに干渉計を制御していた。光路差の変化速度を一定に
すると、一定の時間間隔でサンプリングすることによ
り、光路差の一定の間隔毎に検出信号の値が得られる。

【０００３】図４は、マイケルソン形の二光束干渉計に
おける光路差の変化を検出する部分の構成を示す図であ
る。この二光束干渉計は、ビームスプリッタ６０、固定
鏡５６、及び移動鏡５４を備えた構成となっており、干
渉赤外光を生成するために入射される赤外光とともにレ
ーザ源５２からレーザ光がこの干渉計に入射される。こ
のレーザ光は、赤外光と同一の光路を経て干渉計から出
射される。すなわち、干渉計に入射されたレーザ光は、
まず、ビームスプリッタ６０で二つの光束に分割され、
一方の光束は固定鏡５６により、他方の光束は移動鏡５
４により、それぞれ反射される。反射された両光束はビ
ームスプリッタ６０で再び一つの光束となって干渉計か
ら出射していく。マイケルソン形干渉計では移動鏡５４
が直線状に往復運動する構成となっており、これにより
二つの光束の光路差が変化し、干渉により出射レーザ光
の強度が光路差に対して正弦波状に変化する。出射レー
ザ光の強度はレーザ検出器５８で検出され、この検出信
号の強度変化の周波数が一定になるように移動鏡５４の
往復運動が制御される。これにより光路差の変化速度が
一定に保持される。

【０００４】一方、本願出願人は、二連コーナキューブ
を回動させることにより光路差を発生させる二光束干渉
計を提案している（特開平４−１９０１２４号、特開平
４−２０４３３４号）。この二光束干渉計は、平面鏡を
往復運動させることによって光路差を発生させる上記の
マイケルソン形干渉計に比べると、装置を小型化できる
という特長を有している。図３は、このような二連コー
ナキューブを利用した二光束干渉計における光路差の変
化を検出する部分の構成を示す図である。図３におい
て、二連コーナキューブ１６とビームスプリッタ１４と
によって二光束干渉計が構成される。ただし、図３では
レーザ光の光路をわかりやすくするために平面的に描か
れているが、実際の二連コーナキューブ１６の二つのコ
ーナ部１６ａ、１６ｂは、それぞれ、互いに直交する三
つの平面によって構成されている。図３に示すように、
ビームスプリッタ１４を挟んでＨｅ-Ｎｅレーザ等のレ
ーザ源１２とフォトダイオード等のレーザ検出器１８と
が配置されており、干渉赤外光を生成するために入射さ
れる赤外光とともにレーザ源１２からレーザ光が干渉計
に入射され、赤外光と同一の光路を経て干渉計から出射
される。すなわち、入射レーザ光は、まず、ビームスプ
リッタ１４で反射する光束（以下「反射光束」という）
とビームスプリッタ１４を透過する光束（以下「透過光
束」という）とに分かれる。この反射光束及び透過光束
の前方には二連コーナキューブ１６が設けられており、
この二連コーナキューブ１６は、その一方のコーナ部１
６ａに反射光束が入射し、他方のコーナ部１６ｂに透過
光束が入射するように、二つのコーナ部１６ａ、１６ｂ
がビームスプリッタ１４の面を挟む位置に置かれてい
る。そして、二連コーナキューブ１６は、所定の回転軸
Ａを中心として回動できるように構成されている。

【０００５】二連コーナキューブ１６の一方のコーナ部
１６ａで反射した反射光束の一部はビームスプリッタ１
４を透過し、他方のコーナ部１６ｂで反射した透過光束
の一部はビームスプリッタ１４で反射し、これらは一つ
の光束となってレーザ検出器１８へ向かう。このように
してレーザ検出器１８へ向かう反射光束及び透過光束の
光路長（レーザ源１２からレーザ検出器１８までの光路
長）は、二連コーナキューブ１６を回動させることによ
って変化し、それに伴い、両者の光路差も変化する。こ
れにより、レーザ検出器１８から出力される検出信号が
光路差に対して正弦波状に変化する。この検出信号の強
度変化の周波数が一定になるように二連コーナキューブ
１６の回転が制御される。これにより光路差の変化速度
が一定に保持される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】フーリエ変換形分光光
度計によって測定されるスペクトルの分解能は、干渉計
における光路差の最大値（走査長）に依存し、光路差の
最大値が大きくなるとスペクトルの分解能が高くなる
（光路差の最大値の逆数が分解能を波数で表わした値と
なる）。一方、上記の二連コーナキューブを利用した二
光束干渉計を使用すると、装置の小型化が可能となる
が、マイケルソン形の二光束干渉計（図４参照）と異な
り、レーザ検出器１８へ向かうレーザ光が光路差の変化
によって横方向に移動する（ただし、方向は一定であ
る）。すなわち、レーザ光は、光路差が０の場合は図３
において実線で示された光路を通るが、二連コーナキュ
ーブ１６を傾けて光路差を発生させると、点線で示され
た光路を通り、レーザ検出器１８へ向かうレーザ光が横
方向に移動する。この移動距離は、光路差が大きくなる
にしたがって大きくなる。したがって、高い分解能でス
ペクトルを測定しようとすると、大きな受光面を有する
レーザ検出器が必要となる。例えば、フーリエ変換後の
スペクトルの要求分解能を0.25cm^-1とすれば、必要な光
路差は4cmとなる。二連コーナキューブ１６の２個の頂
点間の距離が88.0mmであるとすると、4cmの光路差を生
成させるためには二連コーナキューブ１６を±8.7度回
転させなければならず、この場合、レーザ光の光軸は横
方向に2.2mm移動する。すなわち、この場合、横方向に
2.2mm以上という大きな受光面を有するレーザ検出器が
必要となる。

【０００７】しかし、受光面が大きなレーザ検出器を使
用すると、スペクトル測定における分解能は高くなる
が、検出信号の応答が遅くなり、Ｓ／Ｎ比が低下する等
の問題が生じる。これに対し本願出願人は、前述の特開
平４−２０４３３４号において、レーザ光を各コーナキ
ューブで反射させた後に平面鏡で反射させることによ
り、二連コーナキューブから出射するレーザ光が二連コ
ーナキューブの回転角に拘らず同一の光軸を通るように
した構成を開示している。ところが、この構成では装置
が複雑化するため、コストの上昇を招くことになる。特
に、中赤外領域のみを測定対象とするフーリエ変換形分
光光度計においては、コスト面からこのような構成を採
用することはできない。

【０００８】そこで本発明では、二連コーナキューブを
利用した二光束干渉計を用いることによって小型化を図
りつつ、装置の複雑化を招くことなく、受光面積の小さ
いレーザ検出器で分解能が高いスペクトル測定を可能と
するフーリエ変換形分光光度計を提供することを目的と
する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に成された本発明では、二連コーナキューブを回動させ
ることにより二つの光束の光路差を変えて干渉光を生成
する二光束干渉計を用いたフーリエ変換分光光度計であ
って、干渉光を生成するために二光束干渉計に入射され
る光とともにレーザ光を入射し、二光束干渉計から出射
されるレーザ光を検出手段によって検出して、検出手段
から出力される検出信号に基づいて二連コーナキューブ
の回動を制御するフーリエ変換形分光光度計において、
二光束干渉計から出射されたレーザ光が前記検出手段に
到達するまでの光路中に集光レンズ系を備えた構成とし
ている。

【００１０】

【作用】試料に照射する干渉光を生成するために二光束
干渉計に光を入射する際に、その光とともにレーザ光が
入射される。二光束干渉計に入射されたレーザ光は、前
記干渉光を生成するために入射された光と同一の光路を
経て出射される。すなわちレーザ光は、二光束干渉計内
において二つの光束に分割され、各光束は異なる光路を
経て再び一つの光束となって二光束干渉計から出射され
る。二光束干渉計におけるこれらの光路長の差（光路
差）は、干渉光を生成するために二連コーナキューブの
回動によって変えられる。二光束干渉計から出射される
レーザ光は、集光レンズ系を通過した後、検出手段に向
かって進む。

【００１１】二光束干渉計から出射されるレーザ光は、
二連コーナキューブで反射したレーザ光であるため、二
連コーナキューブの前記回動によって移動する。しか
し、そのレーザ光は、出射方向が一定であるため、集光
レンズ系を通過した後に、常に同一の点（焦点）を通過
する。したがって、この点又はその近傍に検出手段が置
かれるように集光レンズ系と検出手段との位置関係を設
定する。これにより、検出手段の受光面積が小さくて
も、また、前記光路差が大きくなっても、二光束干渉計
から出射されるレーザ光は常に検出手段で検出される。

【００１２】なお、ここにいう集光レンズ系には、単凸
レンズ等のように平行光線を焦点に集光させるレンズ系
の他、大きな断面の平行光線を集光して極小断面の平行
光線とするレンズ系も含まれる。

【００１３】

【実施例】図１は、本発明の一実施例である中赤外領域
用のフーリエ変換形分光光度計の要部の構成を示す図で
ある。本フーリエ変換形分光光度計による分析において
試料に照射される赤外光は、二連コーナキューブを回動
させることによって光路差を発生させる二光束干渉計に
よって得られる。二連コーナキューブの回動は光路差の
変化速度が一定となるように制御され、このためにレー
ザ光を利用して光路差の変化が検出される。図１は、レ
ーザ光を利用して光路差の変化を検出する部分の構成を
示しており、従来例における図３に対応する。本実施例
が図３に示した従来例と異なるのは、二光束干渉計（二
連コーナキューブ１６及びビームスプリッタ１４から構
成される）から出射したレーザ光がレーザ検出器２０へ
到達するまでの光路中に単凸レンズ２２が設けられてい
る点である。この単凸レンズ２２は、レーザ検出器２０
から焦点距離だけ離れた位置に置かれている。単凸レン
ズ２２が設けられている点以外については、図３に示し
た従来例と同様であるため説明を省略する。

【００１４】本実施例においても従来と同様、光路差を
変化させるために二連コーナキューブ１６が回動し、こ
れに伴い、干渉計から出射してレーザ検出器２０へ向か
うレーザ光が移動する。しかし、従来と異なり単凸レン
ズ２２が設けられており、また、レーザ光の方向は一定
であるため、レーザ光は、移動しても単凸レンズ２２に
よって常に焦点距離だけ離れた同一の点（焦点）に向か
う。すなわち、光路差が０の場合は図１において実線で
示された光路を通り、二連コーナキューブ１６を所定角
度傾けて光路差を発生させた場合は点線で示された光路
を通るが、両光路は単凸レンズ２２を通過した後に共に
焦点へ向かう。この焦点にはレーザ検出器２０が配置さ
れている。したがって、図３に示した従来例のレーザ検
出器１８とは異なり、本実施例では受光面積の小さいレ
ーザ検出器２０が使用されている。このため、検出信号
の応答速度が速く、Ｓ／Ｎ比も大きい。また、二連コー
ナキューブ１６の回転角に拘らず常にレーザ光が１点
（レーザ検出器２０）に向かうため、二連コーナキュー
ブ１６の回動における回転角を大きくして光路差の最大
値（走査長）を大きくすることができる。これにより、
試料からの赤外光のスペクトルを高い分解能で測定する
ことができる。

【００１５】上記実施例や図３、図４に示した従来例で
は、二光束干渉計における光路差の変化を検出すること
ができるが、光路差自体を検出できないため、複数回測
定を行なう場合に同じ光路差の点で検出信号をサンプリ
ングすることはできない。そこでレーザ光のＰ波とＳ波
を利用して光路差を検出することにより、複数回測定を
行なっても常に同じ光路差の点で検出信号がサンプリン
グされるように制御する機構（「クアドラチャーコント
ロール」と呼ばれる）を導入すると、複数回の測定によ
って得られたデータをサンプリング点毎に足し合わせて
平均をとることにより、測定データにおけるノイズの影
響を除去することができる。

【００１６】上記のクアドラチャーコントロールを分光
光度計に組み込んだ場合、二連コーナキューブで反射し
た後のレーザ光に含まれるＰ波とＳ波とを分別して別個
に検出する必要があるため、通常、レーザ検出器の直前
に偏光ビームスプリッタが設けられ、レーザ光の光軸に
対して４５度の角度をなすように配置される。したがっ
て、二連コーナキューブを利用した従来の二光束干渉計
（図３参照）を用いた分光光度計にクアドラチャーコン
トロールを組み込んだ場合、偏光ビームスプリッタとし
て、二連コーナキューブ１６の回動に伴ってレーザ光軸
が移動する距離の√２倍の大きさのもの（レーザ検出器
の受光面よりも更に大きなもの）が必要となり、コスト
の上昇を招く。

【００１７】これに対し、上記実施例（図１参照）にお
いてクアドラチャーコントロールを組み込んだ場合に
は、図２に示すような構成となる。この場合、ビームス
プリッタ１４と二連コーナキューブ１６のコーナ部１６
ａとの間に設けられた波長板（λ／８板）により、コー
ナ部１６ａで反射してレーザ検出器へ向かうレーザ光の
Ｓ波がＰ波よりもλ／４（λはレーザ光の波長）だけ遅
れ、単凸レンズ２２とレーザ検出器との間に設けられた
偏光ビームスプリッタ２６により、Ｐ波とＳ波とが分別
される。そして、分別されたＰ波とＳ波を別個に検出す
るために、干渉計から出射するレーザ光の光軸上にＰ波
を検出する第１検出器２４Ｐが、偏光ビームスプリッタ
２６を通り前記光軸に垂直な直線上にＳ波を検出する第
２検出器２４Ｓが、それぞれ設けられ、かつ、両検出器
２４Ｐ、２４Ｓはともに単凸レンズ２２の焦点位置に配
置されている。これらの検出器２４Ｐ、２４Ｓにより検
出されたＰ波及びＳ波の強度は光路差に対して共に正弦
波状に変化するが、それらの正弦波にはλ／４の位相差
があるため、これを利用して光路差の変化が増加方向か
減少方向かが判別される。この判別結果に基づいてＰ波
又はＳ波のピークをＵＰ／ＤＯＷＮカウンタ（図示せ
ず）を用いてカウントすることにより、光路差が検出さ
れる。

【００１８】図２に示した上記構成によれば、単凸レン
ズ２２によってレーザ光軸の移動距離が十分に小さくな
った位置に偏光ビームスプリッタ２６を置くことができ
るため、偏光ビームスプリッタ２６として小面積のもの
を使用することができる。また、Ｐ波を検出する第１検
出器２４Ｐ及びＳ波を検出する第２検出器２４Ｓが、共
に単凸レンズ２２の焦点位置に配置されているため、光
路差の最大値を大きくしても、第１及び第２検出器２４
Ｐ、２４Ｓとして受光面積の小さいものを使用すること
ができる。したがって、クアドラチャーコントロールを
組み込んだ場合にも、受光面積の小さいレーザ検出器で
分解能が高いスペクトル測定が可能となる。

【００１９】なお、図１及び図２に示した上記実施例で
は、単凸レンズ２２を設けることによりレーザ検出器の
受光面積を小さくしていたが、単凸レンズ２２の代わり
に、複数のレンズによって平行光線を焦点に集光させる
レンズ系や、大きな断面の平行光線を集光させて極小断
面の平行光線とするレンズ系等、他の集光レンズ系を使
用しても同様の効果が得られる。

【００２０】

【発明の効果】本発明によれば、二連コーナキューブを
利用した二光束干渉計を用いることによって小型化を図
りつつ、レーザ検出器へ向かうレーザ光の光路中に集光
レンズ系を設けるという簡単な構成により、受光面積の
小さいレーザ検出器で分解能が高いスペクトル測定を行
なうことができる。小さい受光面積のレーザ検出器を使
用することにより、検出信号の応答速度が速くなり、検
出信号のＳ／Ｎ比も大きくなる。

【００２１】また、クアドラチャーコントロールを組み
込んだ場合にも、小さい面積の偏光ビームスプリッタを
使用することができるとともに、レーザ光のＰ波及びＳ
波を検出する両検出器とも受光面積が小さいものを使用
することができ、分解能が高いスペクトル測定が可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例であるフーリエ変換形分光
光度計の二光束干渉計における光路差を検出する部分の
構成を示す図。

【図２】 本発明の他の実施例であるフーリエ変換形分
光光度計の二光束干渉計における光路差を検出する部分
の構成を示す図。

【図３】 二連コーナキューブを利用した従来の二光束
干渉計における光路差を検出する部分の構成例を示す
図。

【図４】 マイケルソン形の二光束干渉計における光路
差を検出する部分の構成を示す図。

【符号の説明】

１２…レーザ源 １４…ビームスプリッタ １６…二連コーナキューブ ２０…レーザ検出器（検出手段） ２２…単凸レンズ（集光レンズ系） Ａ …回転軸

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 二連コーナキューブを回動させることに
   より二つの光束の光路差を変えて干渉光を生成する二光
   束干渉計を用いたフーリエ変換分光光度計であって、干
   渉光を生成するために二光束干渉計に入射される光とと
   もにレーザ光を入射し、二光束干渉計から出射されるレ
   ーザ光を検出手段によって検出して、検出手段から出力
   される検出信号に基づいて二連コーナキューブの回動を
   制御するフーリエ変換形分光光度計において、 二光束干渉計から出射されたレーザ光が前記検出手段に
   到達するまでの光路中に集光レンズ系を備えることを特
   徴とするフーリエ変換分光光度計。