JPS603609B2 - Interferometry spectrometer - Google Patents
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- G01J3/45—Interferometric spectrometry
- G01J3/453—Interferometric spectrometry by correlation of the amplitudes
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Description
【発明の詳細な説明】
本発明は干渉分光装置に関し、特にマィケルソン型干渉
計を用いた分光装置において極めて安価な周波数分析装
置を備えた干渉分光装置に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to an interferometric spectroscopic apparatus, and more particularly to an interferometric spectroscopic apparatus using a Michelson type interferometer and equipped with an extremely inexpensive frequency analyzer.
近年環境汚染等の問題の深刻さが認識され、大気中の特
定ガスの濃度の測定が種々の装置によって行なわれるよ
うになった。In recent years, the seriousness of problems such as environmental pollution has been recognized, and various devices have come to be used to measure the concentration of specific gases in the atmosphere.
例えば赤外線分光装置を使用してガス分析を行うことも
その一つの方法であり、そのような場合、大気中の徴量
ガスの濃度の測定に適した分光器としては高感度の検出
が可能であるものが望ましい。このような分光器の一つ
として、入射する光を分散させることなく分光し得るこ
とから極めて明るい分光器であるマィケルソン干渉計型
分光器がある。しかしながらマイケルソン干渉計型分光
器においては、分光器の操作の結果直接得られる光量に
対応した信号は、エネルギーの陽関数として強度を表わ
してはいないので、これをフーリエ逆変換しなければな
らない。従ってマィケルソン干渉計型分光器を使用した
干渉分光装置においては、光検出器よりの信号をフーリ
エ逆変換するための手段を備えている。従釆の干渉分光
装置はこのフーリエ逆変換するための手段として小型コ
ンピューターを用いており、そのため装置価格が極めて
高くなる。ところで例えば公害測定のためのガス分析に
おいては、有害ない〈つかの特定ガスのみが測定の主な
る対象であるため、測定試料を通過する際に吸収を受け
た赤外光源光のうち、いくつかの特定ガスの主要な吸収
波長における光強度を知ることができれば定量分析に使
用でき、必ずしも全ての波長にわたる強度を測定するこ
とは必要でない。本発明はこのような点に鑑み従来の装
置の欠点を除去しようとするもので、極めて安価で簡単
な干渉分光装置を提供するもので、以下図面に基づき本
発明の一実施例を詳述する。第1図は一実施例装置の概
略図であり、図面において1は分光すべき光を発生する
被分光光源であり、該光源よりの光2はしンズ3に入射
して平行光東され、該平行光東光に対して450の角度
に配置されたビームスプリツタ−4に入射する。For example, one method is to perform gas analysis using an infrared spectrometer, and in such cases, a spectrometer suitable for measuring the concentration of characteristic gases in the atmosphere is capable of highly sensitive detection. Something is desirable. One such spectrometer is a Michelson interferometer type spectrometer, which is an extremely bright spectrometer because it can separate incident light into spectra without dispersing it. However, in a Michelson interferometer type spectrometer, the signal corresponding to the amount of light directly obtained as a result of the operation of the spectrometer does not represent intensity as an explicit function of energy, and therefore must be inversely Fourier transformed. Therefore, an interferometric spectrometer using a Michelson interferometer type spectrometer is provided with means for inversely Fourier transforming the signal from the photodetector. The conventional interferometry spectrometer uses a small computer as a means for performing this inverse Fourier transform, which makes the device extremely expensive. For example, in gas analysis for pollution measurement, the main target of measurement is only a few specific harmful gases, so some of the infrared light source light that is absorbed when passing through the measurement sample is If the light intensity at the main absorption wavelength of a specific gas can be known, it can be used for quantitative analysis, and it is not necessarily necessary to measure the intensity over all wavelengths. In view of these points, the present invention aims to eliminate the drawbacks of conventional devices, and provides an extremely inexpensive and simple interference spectroscopy device.One embodiment of the present invention will be described in detail below based on the drawings. . FIG. 1 is a schematic diagram of an embodiment of the apparatus. In the drawing, reference numeral 1 indicates a light source to be separated that generates light to be separated, and light 2 from the light source enters a lens 3 and is parallelized. The parallel light enters a beam splitter 4 arranged at an angle of 450 with respect to Toko.
5は往復運動鏡9にわずかな変動速度のむらがある場合
にも正確な分光測定が可能になるよう設けられた参照光
となる単色光を発生するヘリウムネオンレーザーの如き
参照光源であり、該参照光源よりの単色光6もしンズ7
によって平行光東にされた後、前記ビームスプリッター
4に入射する。Reference numeral 5 denotes a reference light source such as a helium neon laser that generates a monochromatic light serving as a reference light, which is provided to enable accurate spectroscopic measurements even when the reciprocating mirror 9 has slight variations in speed. Monochromatic light from a light source 6 and lenses 7
After the light is made into parallel light, it enters the beam splitter 4.
8は前記光東と平行な鏡面を有する固定鏡であり、9は
該固定鏡の鏡面に垂直な鏡面を有する往復運動鏡である
。8 is a fixed mirror having a mirror surface parallel to the light beam, and 9 is a reciprocating mirror having a mirror surface perpendicular to the mirror surface of the fixed mirror.
該往復運動鏡の一端は例えばボイスコイルと永久磁石と
よりなるところのラウドスピーカーに用いられている如
き公知の駆動機構10によって往復運動し得るようにさ
れている。該往復運動のうち往運動は一定速度で行なわ
れるようにされている。ビームスプリッター4によって
反射された参照光源5よりの光を検出するため光検出器
11が設けられている。12は該ビームスプリッタ−4
によって反射された光を光検出器11に集光するための
集光レンズである。One end of the reciprocating mirror is adapted to be reciprocated by a known drive mechanism 10, such as that used in loudspeakers, for example, consisting of a voice coil and a permanent magnet. Among the reciprocating movements, the forward movement is performed at a constant speed. A photodetector 11 is provided to detect the light from the reference light source 5 reflected by the beam splitter 4 . 12 is the beam splitter 4
This is a condensing lens for condensing the light reflected by the photodetector 11.
前記光検出器11の出力端は増幅器13を介してデジタ
ル処理に適したトランジスタートランジスタロジック信
号に変換するための波形整形回路に接続されており、該
波形整形回路14の出力信号は該回路14よりの出力信
号の周波数を予め指定した設定値に応じてずこ分周した
りN倍‘こ逓倍するためのフェーズロックループ回路1
5に供給されている。ここでN′およびNは測定ごとに
その都度選ばれる整数である。該フェーズロックループ
回路15の出力信号は前記フェーズロックループ回路1
5よりの出力信号の位相を変えるための移相器16に供
給されている。前記光検出器11に対応してビームスプ
リッター4によって反射された被分析光源1よりの光を
検出するための第2の光検出器17が配置されている。
18は前記ビームスプリッター4によって反射された被
分析光源1よりの光を前記光検出器17に集光するため
の集光レンズである。The output end of the photodetector 11 is connected via an amplifier 13 to a waveform shaping circuit for converting it into a transistor logic signal suitable for digital processing, and the output signal of the waveform shaping circuit 14 is output from the circuit 14. A phase-locked loop circuit 1 for dividing the frequency of an output signal by a factor of N or multiplying it by a factor of N according to a predetermined setting value.
5. Here N' and N are integers chosen for each measurement. The output signal of the phase-locked loop circuit 15 is the output signal of the phase-locked loop circuit 1.
5 is supplied to a phase shifter 16 for changing the phase of the output signal. A second photodetector 17 is arranged corresponding to the photodetector 11 to detect the light from the light source 1 to be analyzed that is reflected by the beam splitter 4.
18 is a condensing lens for condensing the light from the light source 1 to be analyzed reflected by the beam splitter 4 onto the photodetector 17.
光検出器17の出力端は増幅器19を介して前記移相器
16よりの参照信号が供給されている位相検出器2川こ
供給されている。該位相検出器20の出力信号は低域フ
ィルター21を介して記録計22に供給されている。上
述した種々の回路における信号処理は全て、往復運動鏡
9が定速度で運動している期間のみ有効におこなわれる
ようになっている。上述した如き構成の装置において例
えば被分光光源1として試料ガスを通過した第2図aに
示す如きスペクトルを有する赤外分光装置の光源光を選
ぶものとする。The output terminal of the photodetector 17 is supplied via an amplifier 19 to two phase detectors to which a reference signal from the phase shifter 16 is supplied. The output signal of the phase detector 20 is supplied to a recorder 22 via a low-pass filter 21. All of the signal processing in the various circuits described above is performed effectively only while the reciprocating mirror 9 is moving at a constant speed. In the apparatus configured as described above, for example, as the light source 1 to be analyzed, the light source light of an infrared spectrometer having a spectrum as shown in FIG. 2a, which has passed through the sample gas, is selected.
尚、第2図aにおいてイは例えば波長^,にある亜硫酸
ガスの主要な吸収ピークであり、口は波長入2にある二
酸化窒素ガスの主要な吸収ピークである。参照光6のス
ペクトルは第2図bに示されるようなものである。この
ような波長分布を有する被分光光源1よりの光2の一部
2aは前記ビームスプリッター4で反射された後、固定
鏡8によって反射され更にビームスプリッタ−4を透過
する。又被分光光源1よりの光2の一部2bはビームス
プリッター4を透過して往復運動鏡9によって反射され
た後ビームスプリッタ−4に反射されて前記光2aと同
一光路上を進み該光2aと干渉を起こす。全く同様に参
照光源5よりの光6もビームスプリッタ−4に反射され
た後固定鏡8に反射される成分6aと、往復運動鏡9に
反射された後ビームスプリッタ−4に反射される成分6
bとが同一光路上を進み干渉を起こす。駆動機構10を
駆動せしめて往復運動鏡9を一定速度Vで往運動せしめ
る。その結果周知のように光検出器17には、フーリエ
逆変換すると第2図aに示す如きスペクトルになるよう
な第3図aに示す如き信号が得られ、光検出器11には
、フーリエ逆変換すると第2図bに示す如きスペクトル
になるような第3図bに示す如き周波数チ(ただし入は
参照光源の波長)の信号が得られる。該検出器11より
の信号は増幅器13に供給されて増幅された後、波形整
形回路14に供給されて波形整形され第4図aに示す如
き信号となる。いま例えば波長入,における被分光光源
1よりの光の強度を求める場歌は*畔.になるような整
数N,とN,′との組みを見つけ、フェーズロックルー
プ回路15において波形整形回路14の出力信号の周波
数が器闇こなる仇談回路15を設定する。In FIG. 2a, for example, ``A'' is the main absorption peak of sulfur dioxide gas at wavelength ^, and ``A'' is the main absorption peak of nitrogen dioxide gas at wavelength 2. The spectrum of the reference beam 6 is as shown in FIG. 2b. A portion 2a of the light 2 from the light source 1 to be separated having such a wavelength distribution is reflected by the beam splitter 4, then reflected by the fixed mirror 8, and further transmitted through the beam splitter 4. A portion 2b of the light 2 from the light source 1 to be separated passes through the beam splitter 4, is reflected by the reciprocating mirror 9, is reflected by the beam splitter 4, and travels on the same optical path as the light 2a. cause interference. In exactly the same way, light 6 from the reference light source 5 also has a component 6a that is reflected by the beam splitter 4 and then reflected by the fixed mirror 8, and a component 6 that is reflected by the reciprocating mirror 9 and then reflected by the beam splitter 4.
b travels on the same optical path and causes interference. The drive mechanism 10 is driven to cause the reciprocating mirror 9 to move forward at a constant speed V. As a result, as is well known, the photodetector 17 receives a signal as shown in FIG. 3a, which has a spectrum as shown in FIG. When converted, a signal having a frequency as shown in FIG. 3b (wherein is the wavelength of the reference light source) whose spectrum is shown in FIG. 2b is obtained. The signal from the detector 11 is supplied to an amplifier 13 and amplified, and then supplied to a waveform shaping circuit 14 where the signal is shaped into a signal as shown in FIG. 4a. For example, to find the intensity of the light from the light source 1 to be spectralized at the wavelength input, the song is *畔. Find a set of integers N, and N,' such that
その結果フェーズロックループ回路15の出力信号は第
4図bに示す如きものとなる。該出力信号は移相器16
を経て位相検出器2川こ供給される。位相検出器201
こは第3図aに示した如き信号が供給されており、該信
号は第4図bに示した移相器16より供給されている信
号に基づいて位相検出器20において検出される。該検
出された信号は低域フィルター21において高周波成分
をセットされ直流出力として記録計22に記録される。
そこで移相器16により適当に位相を変えれば記録計2
2に記録される直流信号の信号値が増減する。該信号値
を観察しつつ該記録値が最大になるように移相器16に
よる移相量を調整すれば、位相検出器20に供給されて
くる信号に含まれる波長入,に対応した周波数を有する
信号成分の位相と、移相器16から供給され同一周波数
を有する参照信号の位相とが一致し、記録計22には第
4図cに示すような第2図aにおいて波長入,における
光強度1,に対応する出力が記録される。同様に同図に
おいて波長入2における光強度12に対応する出力を得
るため服に粋21こなるよぅな整数N2とN2′との組
みを見つけ、フェーズロックループ回路15におし、て
波形離職14の出旭号の周波数が器倍になるように設定
する。As a result, the output signal of the phase-locked loop circuit 15 becomes as shown in FIG. 4b. The output signal is passed through the phase shifter 16
Two phase detectors are supplied via the phase detector. Phase detector 201
This is supplied with a signal as shown in FIG. 3a, which is detected by the phase detector 20 based on the signal provided by the phase shifter 16 shown in FIG. 4b. The detected signal has a high frequency component set in a low-pass filter 21 and is recorded on a recorder 22 as a DC output.
Therefore, if the phase is changed appropriately using the phase shifter 16, the recorder 2
The signal value of the DC signal recorded in 2 increases or decreases. By observing the signal value and adjusting the amount of phase shift by the phase shifter 16 so that the recorded value is maximized, the frequency corresponding to the wavelength included in the signal supplied to the phase detector 20 can be adjusted. The phase of the signal component that has the same frequency matches the phase of the reference signal that is supplied from the phase shifter 16 and has the same frequency, and the recorder 22 receives the light at the wavelength input in FIG. 2a as shown in FIG. 4c. The output corresponding to intensity 1, is recorded. Similarly, in the same figure, in order to obtain an output corresponding to a light intensity of 12 at wavelength input 2, we find a pair of integers N2 and N2' that looks stylish, put it in the phase-locked loop circuit 15, and change the waveform. Set the frequency of No. 14 to be multiplied by the frequency.
その結果フェーズロックループ回路15によって、波形
整形回路14の出力信号の周波数は例えば第4図dに示
すように鰐倍される。この場餅も移勝16は機相量を適
当に調整すれば、往復運動鏡9の一定速度の往運動の結
果生じた第3図aに示す如き信号に含まれている波長入
2に対応した周波数を有する成分が、移相器16より位
相検出器2川こおいてほぼ同一周波数で同一位相を有す
る参照信号に基づいて検出され、直流成分に種々の高調
波成分が重畳された信号が得られる。As a result, the frequency of the output signal of the waveform shaping circuit 14 is multiplied by the phase-locked loop circuit 15 as shown in FIG. 4d, for example. In this case, the mochi transfer 16 corresponds to the wavelength input 2 contained in the signal shown in FIG. A component having the same frequency is detected by the phase shifter 16 and two phase detectors based on a reference signal having almost the same frequency and the same phase, and a signal in which various harmonic components are superimposed on the DC component is detected. can get.
該信号は低域フィルター21において高調波成分をカッ
トされ記録計22には第4図eに示すような第2図aに
おいて波長入2における光強度12に対応する直流信号
成分が記録される。このような、光強度1,,12 に
対応した信号出力を得ることにより、大気中の特定ガス
の濃度を知ることができる。尚、波長オーダーの大きさ
でみると、往復運動鏡9の往復運動速度に速度むらが生
じるが、このような原因により生ずる作用は被分光光源
1よりの光と参照光源5よりの光に対して平等に加わる
ため、これがために測定に生ずる誤差は極めてわずかに
抑えられる。The harmonic components of the signal are cut off by a low-pass filter 21, and a DC signal component corresponding to the light intensity 12 at wavelength input 2 in FIG. 2a as shown in FIG. 4e is recorded on the recorder 22. By obtaining a signal output corresponding to such light intensities 1, 12, it is possible to know the concentration of a specific gas in the atmosphere. Incidentally, when viewed in terms of wavelength order, velocity unevenness occurs in the reciprocating speed of the reciprocating mirror 9, but the effect caused by such causes is that the light from the light source 1 to be separated and the light from the reference light source 5 Since the two components are added equally, the resulting errors in the measurement are kept to a very small extent.
尚、上述した実施例は本発明の一実施例に過ぎず、実際
には位相検出器20のダイナミックレンジをある程度以
下の値で済ませるため、或るし、はS/N比を良好にす
るため位相検出器20の前段に帯域フィルターを設け、
不要な周波数成分をあらかじめカットするようにしても
良い。The embodiment described above is only one embodiment of the present invention, and in reality, the dynamic range of the phase detector 20 may be kept below a certain level, or the S/N ratio may be improved. A bandpass filter is provided before the phase detector 20,
Unnecessary frequency components may be cut in advance.
上述した説明から明らかなように、本発明によれば、フ
ーリエ逆変換するための小型コンピュータを用いること
なく、特定波長の光強度の測定が可能であるため、安価
な干渉分光装置が提供される。As is clear from the above description, according to the present invention, it is possible to measure the light intensity of a specific wavelength without using a small computer for inverse Fourier transform, and therefore an inexpensive interferometry device is provided. .
第1図は本発明の一実施例を示す概略図であり、第2図
は被分光光源1及び参照光源5より発生する光のスペク
トル波形を例示しており、第3図はフーリエ逆変換する
ことにより第2図に示した如きスペクトル波形に変換さ
れるところの光検出器の出力信号を示しており、第4図
は第1図に示した実施例装置の各構成要素の出力信号を
例示している。
1・・・・・・被分光光源、2・・・・・・被分光光源
光、3,7,12,18”””レンズ、4……ビームス
プリッタ−、5・・・・・・参照光源、6・・・・・・
参照光源光、8・・・・・・固定鏡、9・・・・・・往
復運動鏡、10・・・・・・駆動機構、11,17・・
・・・・光検出器、13,19・・・・・・増幅器、1
4・・・・・・波形整形回路、15…・・・フェーズロ
ックループ回路、16・・・・・・移相器、20・・・
・・・位相検出器、21・・・…低域フィルター、22
・…・・記録計。
2rl図
次2図
づ3図
劣.図Fig. 1 is a schematic diagram showing an embodiment of the present invention, Fig. 2 shows an example of the spectral waveform of light generated from the light source 1 to be analyzed and the reference light source 5, and Fig. 3 shows the inverse Fourier transform. 2 shows the output signal of the photodetector which is converted into the spectral waveform shown in FIG. 2, and FIG. 4 illustrates the output signal of each component of the embodiment device shown in FIG. are doing. 1... Light source to be separated, 2... Light source light to be separated, 3, 7, 12, 18""" lens, 4... Beam splitter, 5... See Light source, 6...
Reference light source light, 8... Fixed mirror, 9... Reciprocating mirror, 10... Drive mechanism, 11, 17...
...Photodetector, 13,19...Amplifier, 1
4... Waveform shaping circuit, 15... Phase locked loop circuit, 16... Phase shifter, 20...
... Phase detector, 21 ... Low-pass filter, 22
...Recorder. 2rl figure next 2 figures 3 figures inferior. figure
Claims (1)
計と、該マイケルソン干渉計の鏡面を定速度で平行移動
せしめる機構と、前記マイケルソン干渉計において干渉
した被分光光を検出するための第1の光検出器とを備え
た装置において、前記マイケルソン干渉計に単色光を投
射するための参照光源と、前記マイケルソン干渉計にお
いて干渉した参照光を検出するための第2の光検出器と
、該第2の光検出器の出力信号の周波数を任意の周波数
に変換するための周波数変換回路と、該周波数変換回路
の出力信号の位相を任意量だけ移相するための移相器と
、該移相器の出力信号を参照信号として前記第1の光検
出器の出力信号を位相検出するための回路と、該回路の
出力に基づく信号を記録又は表示するための手段を具備
することを特徴とする干渉分光装置。1. A Michelson interferometer onto which light from a light source to be separated is projected, a mechanism for moving the mirror surface of the Michelson interferometer in parallel at a constant speed, and a mechanism for detecting the interfered light to be separated in the Michelson interferometer. a first photodetector; a reference light source for projecting monochromatic light onto the Michelson interferometer; and a second photodetector for detecting the interfered reference light in the Michelson interferometer. a frequency conversion circuit for converting the frequency of the output signal of the second photodetector to an arbitrary frequency, and a phase shifter for shifting the phase of the output signal of the frequency conversion circuit by an arbitrary amount. and a circuit for detecting the phase of the output signal of the first photodetector using the output signal of the phase shifter as a reference signal, and means for recording or displaying a signal based on the output of the circuit. An interference spectrometer characterized by:
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Families Citing this family (1)
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1976
- 1976-02-28 JP JP2171676A patent/JPS603609B2/en not_active Expired
Also Published As
Publication number | Publication date |
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JPS52104981A (en) | 1977-09-02 |
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