JPS58727A - フ−リエ変換分光装置 - 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】 本発明は、フーリエ変換分光装置に関するものである。

ツーＩＪ　工変換分光装置は、測定しようとする光束を
ビームスプリッタにより二つの光束に分割し、両者の光
路差を変化させながら再び結合させ、その光の振幅を光
路差又は時間ドメインで測定しくこのデータは測定しよ
うとする光の周波数スペクトルを光学的にフーリエ変換
したものでインターフェログラムという。）、これをコ
ンピュータでフーリエ逆変換してスペクトルを求めるも
ので、分散型分光装置に比して非分散測光であり、測光
効率が極めて高く、高感度、高精度のスペクトル測定が
行なえる。

第１図はマイケルソン型干渉計を用いたフーリエ変換分
光装置を示している。この装置によれば、光源１からの
光りは平行光束としてビームスプリッタ２で二つの光束
り、とＬ２とに分割されて、一方の光束り、は固定ミラ
ー３を反射した後同じ光路を通シ再びビームスプリッタ
２に戻り、また他方の光束Ｌ２は可動ミラー４を反射し
た後同じ光路を通シ再びビームスプリッタ３に戻る。ビ
ームスプリッタ３に戻った光束り、　、　Ｌ２は、ここ
でそれぞれが二分割されて、一方は光源１方向に行き迷
光となるが、もう一方は和合成されて検出器５に入射す
る。光束り、とＬ２の光路差は、可動ミラー４を第１図
に示す矢印ａ。

ｂ方向に移動させることにより得る。

上記装置は可動ミラー４を移動させて直接光路差を作成
しているが、この移動に際し、可動ミラー４が若干でも
ふれると、このふれが直接測定結果に影響を与えるので
、可動ミラー４の移動機構は極めて精度の高い加工に必
要とする。

しかし、全くふれのない状態で可動ミラーを移動させる
ことは機械加工精度の点から難かしく、このため可動ミ
ラー４がふれても余り影舎のない遠赤外、赤外域のよう
な長波長域を測定対象−にしている。

本発明者は、現在用いる機械的、光学的工作精度でも高
精度の光路差が作成できて、遠赤外、赤外域は勿論、近
赤外から紫外域を測定対象とすることができる分光装置
について鋭意研究を行なった結果、可動ミラーを移動さ
せる代わりに、この可動ミラーを固定ミラーとし、かつ
この固定ミラーとビームスプリッタとの間に開き角度が
調整自在な１対の回転位相板を装備して、同回転位相板
の開き角度を変えることにより高精度に光路差が作成で
きることを見い出し、さらに上述の光学系でレーザー光
を使用して前記光路差を測定すると高精度の測定ができ
ることを見い出して、本発明をなすに至った。

すなわち、本発明は、ビームスプリッタで二つに分けら
れた光束のそれぞれの光路に１同光束を再びビームスプ
リッタに反射させる第１の固定ミラーと第２の固定ミラ
ーを配置し、これら第１．第２の固定ミラーのうちいず
れか一方の固定ミラーとビームスプリッタとの間の光路
に、開き角度を変えて光路長さを変化させる１対の回転
位相板を配置したことを特徴とし、また被検光束の光路
と高さを異にして前記ビームスプリッタに入射するレー
ザー光の光路に、同レーザー光を複数の光束に分ける光
フアイバー束を配置し、また前記第１．第２の固定ミラ
ーを反射してビームスプリッタにもどり同ビームスプリ
ッタで再び結合されるレーザー光の光路に同レーザー光
の干渉強度を検出するアレー検知器を配置したことを特
徴としている。

以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

第２図は本発明のフーリエ変換分光装置を示し、図中符
号６は本発明の特徴部分である光干渉機構部である。２
２は光干渉機構部６で干渉された被検光束Ａの干渉強度
を測定す・る検出器、３３は同じく光干渉機構部６で干
渉されたＨｅ　−Ｎｅレーザー光Ｂの干渉強度を測定す
るダイオードアレー検知器である。７ａは検出器２２の
検出信号をデジタル変換するＡ／Ｄ変換器、７ｂはダイ
オードアレー検知器６３の検出信号をデジタル変換する
Ａ／Ｄ変換器である。８はインターフェログラム採取制
御用のマイクロコンピュータ、９はインターフェログラ
ムを逆フーリエ変換するミニコンピユータである。

次に、本発明の特徴部分である光干渉機構６の光学系の
一例を第３図を参照して説明する。

図中符号１０はビームスプリッタで、補償板１０ａと半
透過ミラー１０ｂとから構成されている。

１１は半透過ミラー１０ｂを透過した光束の光路に配置
される第１の固定ミラー、１２は半透過ミラー１０ｂを
反射した光束の光路に配置される第２の固定ミラーであ
る。第１の固定ミラー１１とビームスプリッタ１０との
間の光路長と第２の固定ミラー１２とビームスプリッタ
１０との間の光路長は同じ長さに設定されている。

ビームスプリッタ１０と第２の固定ミラー１２の間の光
路には、水晶等の旬財慣からなる１対の回転位相板１４
ａ　、　１４ｔ）が配置されている。１対の回転位相板
１４ａ　、　１４ｂはその一端を支点として回動可能で
、両者の間の開き角度２θが調整できるようになってい
る。この開き角度２θにより光の屈折の度合が変化して
、ビームスプリッタ１０と第２の固定ミラー１２の間の
光路長さが変えられる。換言すれば、ビームスプリッタ
１０と第１の固定ミラー１１との間の光路とビームスプ
リッタ１０と第２の固定ミラー１２との間の光路に光路
差を作成することができる。回転位相板１４ａ　、　１
４ｂは回転制御部１４（第２図参照）からの制御信号で
連続回転あるいは間欠回転させられる。なお、１対の回
転位相板１４ａ。

１４ｂは等しい角度θで互いに接近あるいは離反するよ
うに回動させられるので、光路長が変化しても第２の固
定ミラー１２の入射９反射部は常に同じ場所となり、ミ
ラー面の製作誤差による影響を受けずに高精度の測定が
行な゛える。

また、ビームスプリッタ１０と第１の固定ミラー１１の
間の光路には１対の回転位相板１４ａ　、　１４ｂと同
じ厚さで同じ単結晶からなる屈折率の補償用の１対の固
定位相板ｊ５ａ　、　１５ｂが設けられている。

被検光束Ａは、ミラー１６、パラボラミラー１７を反射
して平行光束になり上記ビームスプリッタ１０に入射す
る。入射した被検光束Ａはビームスプリッタ１０で、半
透過ミラー１０ａを透過する光束と反射する光束に分け
られ、半透過ミラー１０ａを透過する光束は上記固定位
相板１５ａ　、　１５ｂを透過して第１の固定ミラー１
１に入射し反射されて再び同じ光路を通ってビームスプ
リッタ１０にもどり、また半透過ミラー１０ａを反射す
る光束は上記回転位相板１４ａ　、　１４ｂを透過して
第２の固定ミラー１２に入射し反射されて再び同じ光路
を通ってビームスプリッタ１０にもどる。ビームスプリ
ッタ１０にもどった光束はまた二つに分ｓＨれて一方は
パラボラミラー１７方向に行き迷光となるが、もう一方
は和合成されてパラボラミラー１８、ミラー１９で反射
され、スリット２０、レンズ２１を通って検出器２２に
入射される。検出器２２は、入射する光の波長域におい
て使い分けられ、例えば、可視、紫外領域では光電子増
倍管が使用され、赤外域ではＰｂ、８．　Ｊｎ　ｓｂ等
の光電溝セルが使用される。

一方、Ｈｅ−Ｎｅレーザー光Ｂは、レンズ２５で拡散さ
れた後、光フアイバー束２６（光ファイバーを２０本程
度束にしたもの）に入射して２０本程度の光軸が互いに
平行な発散光束となり、レンズ２７でコリメートしてミ
ラー２８、ミラー２９を反射して上記被検光束Ａと高さ
レベルを異にして同じ光路より上記ビームスプリッタ１
０に入射する。入射したＨｅ　−Ｎｅレーザー光Ｂは、
上述の被検光束Ａの場合と同様に二つの光束に分けられ
、第１の固定ミラー１１、第２の固定ミラー１２に反射
されて再びビームスプリンタ１０にもどる。ビームスプ
リッタ１０にもどつ７’ｃ　Ｈｅ　−Ｎｅレーザー光Ｂ
は、また二つに分割されて一方はミラー２９方向に行き
迷光となるが、゛もう一方は和合成されて被検光束Ａと
高さレベルを異にして同じ光路を通りミラー３０、ミラ
ー３１を反射してレンズ３２を通シダイオードアレー検
知器６３に入射する。

本発明では、１対の回転位相板１４ａ　、　１４ｂを互
いに接近あるいは離反さる方向に回転駆動させることに
よシ、回転位相板１４ａ　、　１４ｂ間の開き角度２θ
を変え、これによりビームスプリッタ１０と第１の固定
ミラー１１との間の光路とビームスプリッタ１０と第２
の固定ミラー１７との間の光路に光路差を作成する。こ
の光路差により、検出器２２で検出する被検光束Ａの振
幅（光強度）が変化する。すなわち、光路差がＯのとき
振幅は最大となり、光路差が増えるに従って減少する。

換言すれば、二つに分けられた被検光束Ａの位相差を関
数として干渉縞が生じる。

ま□た、本発明では、上述のように作成した光路差で被
検光束Ａの干渉縞を生じさせ、この干渉縞を各位相差（
これは光路差に比例する。）毎に測定してインタフェロ
グラムを得るが、この位相差を正確に求めるために、被
検光束Ａと同じ光学系にＨｅ　−Ｎｅレーザー光Ｂを高
さレベルを異にして入射して同Ｈｅ　−Ｎｅレーザー光
Ｂの干渉縞を生じさせ、同干渉縞をダイオードアレー検
知器３３で測定する。以下、これを詳細に説明する。

すなわち、検出器２２の検出出力をＪとすると、次式の
ように表わすことができる。

ここで、Ｉ（Ｘ）はλ。を中心波長とする被検出光の強
度スペクトル分布である。

ｋｏ＝２π／λ、 ｋ＝ｋｏ−１−ｘ、　　−ａ＜：ｘ（ｘ三光束干渉の位
相差（中心縞の）は次式で与えられる。

Ｌ−ｋ（、＝−’−２ｄ　（Ｓ／ｎ２−ｓｉｎ２θ−Ｃ
Ｏ３θ−ｎ＋１’ｌ　　（２’λ０ 但し ｄ：位相板の厚さ ｎ：位相板の屈折率 θ：回転位相板の回転角 回転位相板ｊ４ａ　、　１４ｂの回転角θを変えて光路
差を作成すると、上記（１）式のＪの値、すなわち光路
差の変化に応じたＪの変化、いわゆるインターフェログ
ラムが得うレル。

光路差は、ダイオードアレー検知器３６で測定されたＨ
ｅ　−Ｎｅレーザー光Ｂの干渉縞の強度分布から求める
。（第４図Ａ、Ｂ参照）。

すなわち、第４図Ｂの横軸は検知器中心を０として、各
素子に端から０．１，２，３．・・・・・・、Ｎと番号
をつけ、その間隔をｐとすると、ｉ番目の素子の０から
の距離ｒ、は次式で表わされる。

ｒ、＝ｉｐ−Ｗｏ、　　（ｗ。＝−）（素子有効長））
　　（３）同図Ｂの縦軸に各素子の出力信号の大きさＪ
ｉをとる。

第４図囚から判る通りｒまたはｒ、は次式で与えられる
。

ｔａｎφ＝−０，６０１，（４） ダイオードアレー検知器３３の各点に入般する干渉光の
光路差Ｌφは第５図の原理図から判るように次式で書き
表わされる。

Ｌφ＝２ｄ（ｖ’ｎ２　、Ｈ２（θ十φ）−■（θ十φ
）−矧神φ）（５）φ二〇（中心フリンジ）ではＬφ＝
Ｌになる。

（５）式を書き直すと、 （６）式右辺のＬφがレーザー光波長λ□の整数倍であ
るとし、干渉縞の強度極大を検出する位置ｒｋが検知器
中心０からｒｋの距離にあるとすると（但しｋは検知器
上０から数えてに番目の強度と書けるから、ｒｋを精密
に測定し、整数ｊを数えると、θｋが求まる。このθｋ
をｋについて平均すると正しい７：θが得られる。

得られた７ｉ含（２）式に代入すると干渉縞中心におけ
る光路差りが求められる。

例えば次の装置定数を用いると、 λｔ　＝　６３２．８２ｎｍ ｄ　＝　１０ｍ　＝　１０１０７ ｎ　　＝　　１．４５７ （６）、及び（２）式は次のようになる。

Ｌ＝２・ＩＯ’ｎｍ（Ｖ／２１２２８５ｉｎ２０−ｖ’
１−ｓｉｎ２σ−０，４５７）ｓｉｎφにの測り方（第
４図の）参照）アレー検知器３３のｉ番目の素子の出力
信号を５１とすると、信号値０の素子から次の信号０の
素子まで重心平均を求める。

ｊのかぞえ方： 回転位相板１４ａ　、　１４ｂを回すとθからθ二〇を
通って士の方向に変化する。先づ次の方法でθ＝０の位
置を検出する。

アレー検知器３３上で検出される全ての強度極（６ 太線の位置、ｒｋを加算して次式を満足するときがｌ＝
ｏである。

（２ ６＝ｏからθ゛の変化に伴らてアレー検知器３６中心素
子（ｒ＝ｏ）の出力信号、Ｊｏ、が０→極太→０と変化
するサイクル数をかぞえる。このサイクル数をｊｃと書
くと検知器上に番目の極大のｊは次式で与えられる。

ｊ二±に＋ｊｃ　　　　　　　　　　・・・・・・・・
・　（９１上述の関係を利用してダイオードアレー検知
器３３の各素子の出力信号をマイクロコンピュータで演
算処理すると、回転位相板ｊ４ａ　、　１４ｂの回転に
よる光路差をＨｅ　７　Ｎｅレーザー光Ｂの波長の１／
Ｎ　（Ｎはダイオードアレー検知器３３の素子数）間隔
ごとに分けてインターフェログラムデータを正確に採取
制御できる。

すなわち、第１図に示すように、ダイオードアレー検知
器３３の各素子の出力信号をＡ／Ｄ変換器７ａでデジタ
ル信号に変換してマイクロコンピュータ８に送ると、マ
イクロコンピュータ８はこれにより検出器２２にサンプ
リング信号を出力する。検出器２２はこのサンプリング
信号を入力して被検光束Ａの振幅（光強度）信号をＡ／
Ｄ変換器７ｂでデジタル信号に変換してマイクロコンピ
ュータ８に出力する。マイクロコンピュータ８では入力
した検出器２２からのデジタル信号を演算処理し、イン
ターフェログラムをｉる。

以上説明したように本発明によれば、ミラーを直接移動
させずに、ミラーとビームスプリッタとの間に１対の回
転位相板を設けて、光路差を作成するようにしたので、
ミラーのプレが直接測定結果に影響を及ぼす問題がない
。

また、光路差は、レーザー光を使用し、このレーザー光
を光ファイバ束で複数本の発散光束にし、この発散光束
を被検光束と同じ光学系に入射して干渉縞を生じさせ、
これをアレー検知器で測定して求めるようにしたので、
精度よく測定が行なえる。

したがって、本発明によれば、測定可能波長帯域を赤外
から可視、紫外領域までひろげることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の装置の光学系の略解図、第２図は本発明
の装置全体のブロック図、第３図は本発明の装置の光干
渉機構部の光学系の略解同第４因囚はレーザー光とアレ
ー検知器の光学系を説明する説明図、第４図（８）はア
レー検知器で検知された干渉強度を説明するグラフ、第
５図はアレー検知器の各素子に入射するレーザー光の原
理図である。 Ａ・・・被検光束、Ｂ・・・レーザー光、１０・・・ビ
ームスプリッタ、１１・・・第１の固定ミラー、１２・
・・第２の固定ミラー、１４ａ　、　１４ｂ・・・回転
位相板、２２検出器、２６・・・光フアイバー束、３３
・・・アレー検知器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　ビームスプリッタで二つに分けられた光束のそれ
   ぞれの光路に、同光束を再びビームスプリッタに反射さ
   せる第１の固定ミラーと第２の固定ミラーを配置し、こ
   れら第１・、第２の固定ミラーのうち、いずれか一方の
   固定・、ミラーとビームスプリッタとの間の光路に、開
   き角度を変えて光路長さを変化させる１対の回転位相板
   を配置して、前記第１．第２の固定ミラーを反射して前
   記ビームスプリッタで再び結合された被検光束の振幅を
   前記回転位相板で作られた光路差毎に測定するように構
   成してなるフーリエ変換分光装置。 ２　ビームスプリッタで二つに分けられた光束のそれぞ
   れの光路に、同光束を再びビームスプリッタに反射させ
   る第１の固定ミラーと第２の固定ミラーを配置し、これ
   ら第１．第２の固定ミラーのうちいずれか一方の固定ミ
   ラーとビームスプリッタとの間の光路に、開き角度を変
   えて光路長さを変化させる１対の回転位相板を配置し、
   かつ被検光束の光路と高さを異にして前記ビームスプリ
   ッタに入射するレーザー光の光路に、同レーザー光を複
   数の光束に分ける光フアイバー束を配置し、また前記第
   １．第２の固定ミラーを反射してビームスプリッタにも
   どり同ビームスプリッタで再び結合されるレーザー光の
   光路に同レーザー光の干渉強度を検出するアレー検知器
   を配置して、前記１対の回転位相板で作られた光路差を
   前記アレー検出゛器で検出されたレーザー光の干渉強度
   より測定して、同光路差毎に、前記第１．第２の固定ミ
   ラーを反射して前記ビームスプリッタで再び結合された
   被検光束の振幅を測定するように構成してなるフーリエ
   変換分光装置。