JPS59164926A - 干渉分光計 - 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】 本発明は干渉分光計に関する。

干渉分光計は当業界で知られている。特に少くとも一方
の光路が可動の反射エレメントを有するようにした２つ
−の独立した光路を形成するためビームスプリッタを使
用した型式のマイクルソン干渉計を用いたものが広く使
用さむている。反射エレメントに所望の運動をさせその
位置を空間内において定めることがそのような計器に伴
う主要な課題である。

近代の干渉分光計は、可動の反射エレメントが運動する
際に数えられるべき「光線のしま」を生じせしめるよう
干渉計内のレーザーからのコヒーレント放射線を使用す
る。しかしながら、この基本的方法によれば、可動の反
射エレメントの位置は明らかにされず、その運動量のみ
が明らかにされる。ある測定ではこれで十分であるが、
その他の場合にはそれ以上のことを明らかにする必要が
ある。

計器の感度は、ある測定を反覆することにより改善でき
る。しかしながら、測定の反覆にはある基準合せが必要
である。このことは「白色光」方法として知られている
方法により達成されこの方法は、干渉計の腕が等しい時
に最大信号があるという事実に基いている。この方法は
有用であるが、い（つかの理由により完全に満足なもの
ではない。

その理由のひとつは、一方が「白色光」信号を生じ他方
が解析スペクトルを生じるという物理的に別個の干渉計
を必要とするという事実である。２つの干渉計を、それ
らの間に位置的誤差がないように結合することは困難で
ある。もうひとつの理由は、運動中の反射エレメントが
方向を変える時に光線はカウンタに計数ロスが生じると
いう事実である。従って、各測定の初めに基準合せを行
う必要があり、しかも２方向走査が不可能になるのであ
る。更にまた、「白色光」システムは高度の機械的精度
を必要とし、それがため、コストは高（なり、測定走査
の開始にあたり単一の点を選択するという実用的要件を
生じる。選択した点は性能を低下させる妥協点である。

本発明は、干渉分光計の干渉計内における可動の反射エ
レメントの位置と運動方向とを決定するための用途を特
に与えられたレーザーを用いて絶７対位置を感知するこ
とのできる干渉分光計を提供することを目的とする。本
発明によれば、走査を何回も繰返しても位置基準を同一
に維持でき、位置基準合せシステムすなわちゲージシス
テムはスペクトルを生じせしめる干渉計に組み込むこと
ができる。どの部分も走査することのできる干渉写真内
の任意の点に測定開始の「目じるし」をセットできると
ともに２方向走査を可能とする２方向基準合せが行なわ
れる。更にまた、本発明により与えられる基準目しるし
の数は「白色光」システムの場合の２倍であり１、スペ
クトル範囲の２倍にわたって同期サンプリングができる
よってなる。

本発明はマイケルソン干渉計を使用する型式の干渉分光
計に適用できる。本明細書において説明されるマイケル
ソンまたはマイケルソン干渉計は、第１および第２の干
渉路を形成するためのビームスプリッタを使用しており
、これら干渉路の少くとも１つにはこの干渉路の光学的
長さを変えるだめの可動の反射エレメントが設けられて
いる。

典型的には反射エレメントは以下に鏡と呼称する平面部
材である。しかしながら、コーナー立方体（コーナーリ
フレクタ）または他の型式の逆反射鏡の如き他の反射エ
レメントも本発明の範囲内で使用できる。特に、本発明
は可動の鏡の位置の測定に関し改良された干渉分光計を
提供するものである。

従来技術の典型的な干渉分光計は解析放射線源と、該放
射線に作用し且ビームスプリッタおよび少（ども１つの
可動の鏡を含んでいるマイケルソン型干渉計と、可動の
鏡の位置を測定するシステムとを含んでいる。本発明の
改良点された干渉分光計は、ビームスプリッタと可動の
鏡とを有する解析放射線光路を含み解析放射線光路内に
おける可動の鏡部分の位置と運動方向とを示す信号を生
じる直角位相識別手段を含んでいる。直角位相識別手段
の光路は、可動の鏡を設けた解析放射線光路と同軸にで
きる。このようにして、直角位相識別手段により測定し
た鏡の位置は、解析放射線が当たる鏡の部分の平均位置
となる。あるいはまた、鏡の６゛つの部分の位置を決定
して鏡の平面を画定、することができる。このことから
、解析放射線ビーム内の鏡の部分の平均位置を決定でき
る。この最後の場合において、決定した位置の１つは解
析放射線ビームと同軸の位置とすることができる。

多くの市販の干渉分光計において、ビームスプリッタは
所望の解析放射線如何により選択される。

前述した直角位相識別手段は解析放射線と共通なビーム
スプリッタを使用するので、異なる解析放射線に対しビ
ームスプリッタを変えると直角位相識別手段による基準
を失うことになる。この場合に、本発明ではビームスプ
リッタとは独立であり直角位相識別手段の最初の条件を
定めることのできる可動の鏡の位置を示す最初の基準を
与えることができる。本発明の１つの好ましい具体例で
は、最初の基準は別の直角位相識別システムにより定め
る。実際に、この別の直角位相識別システムは、解析放
射線と共通のビームスプリッタを使用する第１の直角位
相識別システムと併せて用いられ、それらの位置表示間
の相違について裁定を下すために適当なシステムが使用
される。

距離を測定するための直角位相識別システムは当業界に
知られている。そのようなシステムの１例は１９６８年
１１月５日付で許可された米国特許第５．４０９．５７
５号に開示されている。この特許には「測定干渉システ
Ａ　（Ｇａｕｇｉｎｇ　Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ
Ｓｙｓｔｅｍ）」称する発明が記載され、本願明細書で
も参照されている。

第１図には当業界に知られている干渉分光計内に使用さ
れるマイケルソン型の干渉計が示しである。解析放射線
を平行にして干渉計の方へ指向させろための光学的エレ
メントを含む解析放射線が符号１０で示しである。干渉
計を通る解析放射線の通路は１本の線１１で示してあり
、この線１１のまわりの円１２は、解析放射線の平行ビ
ームがある直径寸法を有しているという事実を表わして
いる。これらの型式の多くの市販されている計器では、
平行にした放射ビームは約５．１　ｃｍまたはそれより
大きい程度の直径を有することができる。

解析放射線は線１１上を矢印で示した方向をたどりビー
ムスプリッタ１６に向かう。このビームスプリッタ１６
は、ビームがスプリッタ１ろから固定の＠１５の方う及
び鏡１５からスプリッタ１３の方へ進む第１の通路と、
スプリッタ１６から可動の鏡１７の方へ及び鏡１７から
スプリッタ１６の方へ進む第２の通路とにビームを分割
する。可動の鏡１７の運動方向は矢印１８で示してあり
、鏡１７を支持しそれに運動を与える機構は総体的に符
号１９で示しである。鏡１５．１７から反射された解析
放射線はビームスプリッタ１６により再び合体され、線
２０に沿って干渉針を出る。線２０に沿うビームの広が
りもまた、円１２で示しである。線２０に沿う解析放射
線は公知の方法で且つ公知の目的のために試料室に向け
られる。

第２図には第１図のビームスプリッタ１６、固定の鏡１
５および可動の鏡１７が本発明に応用して示しである。

レーザー２５の出力は反射エレメント２６によりビーム
スブリック１６に向けられる。ビームスプリッタ１６は
レーザー２５の出力′を２つに分ける。ひとつは可動の
鏡１７側の通路に沿い、他方は固定の鏡１５側の通路に
沿うように分ける。鏡１５．１７により反射されたレー
ザー放射線はビームスプリッタ１６により再び合体され
て通路２６ａに沿い、検出器２８にまで進む。

円２９は、円１２で示した解析放射ビームの径の大キさ
に相対的なレーザービームの径の大きさを示す。

典型的なビームスプリッタは線形２色性である。

ビームスプリッタの２色性の影響は、適当なレーザーを
選択しそれを当業界で知られて（・る方法で適当に配向
することにより「無効」にできる。しかしながら、干渉
計の１つの通路に遅延板を位置づけることによりレーザ
ー出力の１つの偏光に遅延が誘起される。第２図の具体
例では、遅延板は所望の遅延を生じるようその厚味を選
択して符号２７で示しである。検出器２８は合体した偏
光ビームを分離する偏光ビームスプリッタと各偏光用の
検出器とを含んでいる。

第２図に示したシステムは、検出器２８に関係した適当
なカウンタを使用して鏡１５に相対的な鏡１７の位置と
運動方向とを定めるのに位相識別を利用できる直角シス
テムである。たとえば、もし遅延板２７が％波長板・で
あれば、検出器２８内の２つの検出器からの出力は互い
に約９０’変位した正弦波となる。鏡１７が一方向に運
動すると、一方の検出器の出力は他方の検出器の出力よ
り遅れるが、反対方向に運動中は、前記一方の検出器の
出力は前記他方の検出器の出力に先行する。これらの出
力信号と位相関係とを利用して運動方向を識別しまた２
方向カウンタを利用して可動の鏡１７の位置を示す計数
を保持できることが当業者には理解できょう。

第２図の基準合せシステムすなわち測定システムは、第
１図の分析放射線システムに重ね合せると、互い６てほ
ぼ同軸な第２図のレーザービームと第１図）％析ヒーム
とを有することになる。このようにして、検出器２８か
らの出力信号は、解析放射ビーム内での鏡１７の位置と
運動方向とを示す。すなわち、鏡１７が平面であるとす
ると、解析ビームの幾何学的中心は解析ビームが当る鏡
の部分の「平均」位置にある。従って、鏡１７の「傾斜
」は鏡上の解析ビームの幾何学的中心の位置を測定する
ことにより補正される。このことは同軸システムにより
行なわれる。

解析放射ビームに対してレーザービームの大キさが小さ
くても解析計器の感度にあまり影響を及ぼさない。検出
器２８と反射エレメント２６とは、計器の干渉計部分へ
のレーザー放射線を大きく制限するように形づけ、一方
では解析放射線は検出器２８と反射エレメント２６とを
「ぐるりとまわる」ようにすることができる。遅延板２
７は干渉計のいづれの通路に位置づけしてもよく、任意
所望の方法で支持される。図示した具体例では、遅延板
２７は接着により鏡１５に直接取り付けられ、支持構造
体を要しないので解析ビームも妨害されない。

所望の解析放射線を得るためにはビームスプリッタを変
える必要を生じることがある。第２図の直角位相識別シ
ステムは計器の解析放射線用のものと共通のビームスプ
リッタを使用するので、ビ−ムスプリツタを変更すると
第２図に示した直角位相識別システムにおいて基準を失
うことになる。

第２図の直角位相識別システムの変形例と共にこの問題
を克服するビームスプリッタの形状が第６図に示してあ
り、第６図ではビームスプリッタはそれぞれ符号６０．
６１で示した２つのビームスプリッタで構成されている
。ビームスプリッタ６０は第１図および第２図のビーム
スプリッタ１６に対応しこれらの図に示した解析放射線
およびレーザー放射線用の共通のビームスプリッタであ
る。

ビームスプリッタ６つは計器内に固定され、ビームスプ
リッタ６０を取出して別のものに取替える際に動かない
。従って、ビームスプリッタ６１は、複式すなわち冗長
直角位相識別システムにおいて安定した基準を定めるた
めに使用できる。このこと、よ第６図い示しぇ如＜ＫＬ
−Ｃ行う工とがアき、″゛第６図の場合にはレーザー２
５の出力はビームスプリンタ３２により一部分が反射エ
レメント６６に直接向けられ他の部分が反射エレメント
３５を経て反射エレメント６４に向けられるよう２部分
に分岐される。反射エレメント３．６から矢印３６の方
向に反射されたレーザー放射線は第２図に示したレーザ
ー放射線に直接対応し、他方、反射エレメント６４から
矢印６７の方向に反射されたレーザー放射線はビームス
プリッタ６１に向けられ、第２図の干渉器の２つの通路
に入る。この場合に、鏡１７は第４図に符号４０で示し
た如き形状にしてもよい。解析通路内にある鏡４０の部
分は破線４１で示してあり、矢印６６の方向のレーザー
放射線と鏡４０との間の相互作用帯域は、帯域４１と同
軸Ｋ　して符号４２で示しである。すなわち、矢印６６
（第６図）の方向に向けたレーザー放射線は、分割され
、鏡４０を含む干渉計の通路内に向けられた後、鏡４０
に符号４２で示し、た帯域で当る７、矢印６７の方向に
向けたレーザー放射線の一部分はビームスプリッタ６１
により鏡４０に符号４６で示した個所で由るよう向けら
れる。干渉計の「固定」した通路用の鏡の配置が、第５
図に第２の鏡４６と共通に支持された第１の鏡４５を含
んだものとして示しである。鏡４５は破線４７で示した
解析放射線の通路内に遅延板２７を支持している。鏡４
５上のレーザー放射線が当るイ商所は符号４８で示しで
ある。

ビームスプリンタ６１により干渉計の固定の通路内に矢
印６７の方向に向けられるレーザー放射物の部分は鏡４
６に符号４９で示した個所で当る。

第５図に示した形状にすると、反射面を鏡４５の帯域か
ら変位させずに遅延板２７を鏡４５に取り付け、＠４５
を回わすことにより遅延板２７をレーザー放射線に相対
的に整列すなわち配向させることができる。第４図に示
した単一の鏡の構造にすると、２つの可動の鏡を設けた
ことにより生じることのある位置的誤差を改善すること
ができる。

ある場合には、解析放射線またはこの放射線が必要とす
るビームスプリッタの性質により、ビームスプリッタと
共通にレーザー直角位相識別システムを使用することが
制限されることがある。この場合には、分析放射線用の
ビームスプリッタとして作用する周囲個所を有し且つ特
にレーザービームスプリンタとして機能するようにした
領域をビームスプリッタに設げることができる。そのよ
うな領域は第６図に符号５０で示しである。もちろん、
ビームスプリッタに関連して適当な処理回路を含む別個
の直角位相識別システムを形成するため、第２図に符号
２８で示した如き別個の検出器がレーザー放射線には必
要である。

以上の説明に照して本発明を種々変形および変更するこ
とができる。たとえば、第６図の変形具体例で示された
直角位相識別システムを２つ使用し、矢印６７の方向の
レーザー放射線に関する直角位相識別システムを介して
、第１の測定機能を与えるところの矢印６６の方向のレ
ーザー放射線に関する直角位相識別システムへと最初の
基準を与えることができる。あるいはまた、２つの直角
位相識別システムを使用し、それらの間に相違がある場
合に適当な方策を講するようにしてもよい。

もちろん、第２の直角位相識別システムを使用する以外
の方法で最初の基準を定めることができる。

更に別の変形例として、解析放射線の通路内における可
動の鏡部分の平均位置を、鏡の６個所の位置を定めて解
析放射線通路に相対的に平均位置を定めることにより定
めることができる。ひとつまたはそれ以上の数のレーザ
ー放射線路が解析放射線通路内にあってもよく、また、
すべてのレーザー放射線通路が解析放射線通路外にあっ
ても良い。

６つのレーザー放射線通路の１つは解析放射線通路と同
軸で良い。第４のレーザー放射線通路を設けて第６図に
符号６１で示した如き別個のビームスプリッタと共働さ
せ、他の６つのレーザー放射線通路はそれぞれ別の直角
位相識別システムを形成してビームスプリッタを共通と
するようにしてもよい。そのようなシステムの具体例が
第７図に示してあり、このシステムではビームスプリッ
タ５１ないし５３と反射エレメント５４ないし５７とを
含んでいる。ビームスプリッタ５６およヒ反射エレメン
ト５４．５５からのレーザー放射線は解析放射線用の共
通のビームスプリッタを有する個別の直角位相識別シス
テム内で使用してもよく、また、反射エレメント５６か
らのレーザー放射線に基く直角位相識別システムは別個
のビームスプリッタを使用してもよい。複数の直角位相
識別システムを使用する場合には、複数のレーザーを使
用することもできる。しかしながら、当業界で良く知ら
れた理由により、１つのレーザーと１つのビームスプリ
ッタとを使用することが好ましい。

【図面の簡単な説明】

第１図は平坦反射面を設けたマイケルソン型干渉計を使
用する従来技術の干渉分光計の干渉計部分を示す図。第
２図は第１図に示した従来技術の光学システム内に直角
位相識別システムを組み込んで示す図。第６図ないし第
５図は第１図に示した従来技術の光学システムの光学エ
レメントのうち本発明の実施例に特に使用するエレメン
トの好ましい具体例を示す図。第６図と第７図とは第２
図の具体例の一部分の変形例を示す図である。 １０・・・解析放射線源　１６・・・ビームスプリッタ
１４．１６・・・第１および第２の光路１７・・・可動
反射手段。 第１頁の続き ０発　明　者　デーピッド・ニス・カルハウンアメリカ
合衆国つィスコンシン 州５３７０３マデイソン・ラットレ ッジ・ストリート１１１５

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）解析放射線源と、解析放射線を第１および第２の
   干渉計光路に沿った方向へ向けるためのビームスプリッ
   タ手段と該第１および第２の光路のうちの一方の光路に
   設けられて該一方の光路の長さを変えるための可動反射
   手段とを含み前記解析放射線に作用するマイクルソン型
   干渉計を形成する光学エレメントと、該可動反射手段の
   位置を測定するための測定手段とを備えた干渉分光計に
   おいて、前記測定手段が直角位相識別手段を含み、該直
   角位相識別手段が、前記一方の光路内における前記可動
   反射手段の位置および運動方向を示す信号を与えるため
   の、前記ビームスプリッタおよび前記可動反射手段を含
   むひとつの光路を有している干渉分光計。 （２）　　前記直角位相識別手段が、少くとも一部分が
   前記一方の光路とほぼ同軸である光路を有する手段を備
   えている特許請求の範囲第１項の干渉分光計 （３）前記測定手段が、前記ビームスプリッタとは独立
   して前記可動反射手段の位置および運動方向を示す信号
   を与えるための追加の手段を備えている特許請求の範囲
   第２項の干渉分光計。 （４）前記追加の手段が直角位相識別手段を含んでいる
   特許請求の範囲第６項の干渉分光計。 （５）前記測定手段が、前記ビームスプリッタとは独立
   して前記可動反射手段の位置を示す最初の基準を与える
   だめの追加の手段を備えている特許請求の範囲第２項の
   干渉分光計。 （６）前記追加の手段が直角位相識別手段を含んでいる
   特許請求の範囲第５項の干渉分光計。 （７）前記直角位相識別手段が、前記一方の光路内の前
   記可動反射手段の外側に該可動反射手段の位置および運
   動方向を示す信号を与えるための手段を備えている特許
   請求の範囲第１項の干渉分光計。 （８）前記直角位相識別手段が、少（とも一部分が前−
   己一方の光路とほぼ同軸である光路を有する手段を備え
   ている特許請求の範囲第７項の干渉分光計。 （９）前記測定手段が、前記ビームスオリツタとは独立
   して前記可動反射手段の位置および運動方向を示す信号
   を与えるための追加の手段を備えている特許請求の範囲
   第８項の干渉分光計。 ００）前記追加の手段が直角位相識別手段を含んでいる
   特許請求の範囲第９項の干渉分光計・（１１）前記測定
   手段が、前記ビームスプリッタとは独立して前記可動反
   射手段の位置および運動方向を示す最初の基準を与える
   ための追加の手段を備えている特許請求の範囲第７項り
   干渉分光計。 （１２）前記追加の手段が直角位相識別手段を含んでい
   る特許請求の範囲第１１項の干渉分光計。 （１３）前記信号を与えるための手段が、前記可動反射
   手段の６．っの部分の位置および運動方向を示す信号を
   与える手段を備えている特許請求の範囲第７項の干渉分
   光計。 ０４）前記測定手段が、前記ビームスプリッタとは独立
   して前記可動反射手段の位置および運動方向を示す信号
   を与えるための追加の手段を備えている特許請求の範囲
   第１６項の干渉分光計。 （１５）前記追加′の手段が直角位相識別手段を含んで
   いる特許請求の範−第１４項の干渉分光計。 （１６）前記測定手段が、前記ビームスプリッタとは独
   立して前記可動反射手段の位置を示す最初の基準を与え
   るための追加の手段を備えている特許請求の範囲第１３
   項の干渉分光計。 （１７）　　前記追加の手段が直角位相識別手段を含ん
   でいる特許請求の範囲第１６項の干渉分光計。 （１８）前記可動反射手段の前記６つの部分が前記一方
   の光路の外側にある特許請求の範囲第１６項の干渉分光
   計。 （１９）前記測定手段が、前記ビームスプリッタとは独
   立して前記可動反射手段の位置を示す最初の基準を与え
   るための追加の手段を備えている特許請求の範囲第１８
   項の干渉分光計。 （２０）前記追加の手段が直角位相識別手段を含んでい
   る特許請求の範囲第１９項の干渉分光計。