JPS6061632A - 二光束干渉計 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、フーリエ変換分光測定器に用いられる三光束
干渉計に係り、特に、従来のこの種の干渉計に採用され
ている半透明鏡を用いないで、フレーネル鏡まだはビレ
の分割レンズ等を用いて一つの光束を２分することによ
り、鏡による吸収損失及びレンズ表面の反射損失以外に
光エネルギーの損失がなく、入射光の大部分を検知器受
光面に到達させることを図った三光束干渉計に関するも
のである。

〔発明の背景〕

光の分光測定には、プリズムや回折格子を用いた分散型
分光器と、これとは別に、三光束干渉計を用いたフーリ
エ変換分光測定器とが採用される。

後者は被測定光束を二つに分けて可干渉二光束を作り、
両者の間に光路差を与えて合成しその干渉縞の強度分布
即ちインターフェログラムを測定し、これをフーリエ変
換して被測定光のスペクトルを得るもので、主に赤外及
び遠赤外分光光度計として採用されている。

従来、フーリエ変換分光測定器に用いられている三光束
干渉計は、はとんどがマイケルソン干渉計かその変形で
あり、被測定光束を半透明鏡面をもつビームスプリッタ
−で二分し、この二分した光束を合成する方式を採用し
ている。この分割と合成は、半透明鏡による透過と反射
を用いているから、光束を分割し合成することによって
、検知器に到達する被測定光は、少なくとも半減される
。

しかし、ラマン散乱光、螢光その他微弱な光のスペクト
ル測定においては被測定光を極力損失なしに測光するこ
とが望捷しく、これに対処できる明るい三光束干渉計が
要望される。

〔発明の目的〕

本発明は、上記要望に答えるべくなされたもので、半透
明鏡を用いないで、一つの光束を互いに可干渉の二つの
平行光束に分け、両光束を小さい傾き角で交叉させて干
渉縞を生じさせることにより、光強度を強くすることが
できると同時に高速測定を可能とする、小形、安価な三
光束干渉計を提供することを目的とするものである。

〔発明の概要〕

本発明の特徴は、上記目的を達成するだめに、被測定光
束を互いに干渉可能な二つの平行光束に分は両光束の間
に光路差を与える光学系として、（イ）一定の傾角で交
わる二つの反射平面鏡からなり入射光束を二方向に反射
するフレーネル鏡と、レンズ又は凹面鏡により拡散光束
を平行光束にするコリメータとの組合せ、あるいは（ロ
）レンズを光軸に平行にかつ光軸からＣだけ離れた面で
切断したレンズ片と同じく光軸から−ｅだけ離れた面で
切断したレンズ片とを互の光軸が平行になるように並べ
た組合せレンズ、あるいは（ハ）入射される拡散光束を
平行光束にするコリメータと、この平行光束を上下二つ
の平行光束に分ける、上部平面鏡と下部平面鏡とからな
り両鏡面が一定の傾角をもって交わる交叉平面鏡との組
合せ、のいずれかを備え、かつ、上記（イ）又は（ロ）
により生じた三光束干渉縞を光検知器の受光面上に結像
する結像光学系、捷だは上記（ハ）により生じた二つの
平行光束を光検知器の受光面上で交叉合成して三光束干
渉縞を作る結像光学系と、この受光面上の干渉縞像の光
強度分布を干渉位相別に測光する光検知器とを備えた構
成とするにある。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を図面により説明する。

第１図に示す実施例は前記した（イ）の構成を備えだ組
合せ光学系により三光束干渉縞を作る例である。光源１
（記号Ｑ）から放射された拡散光が被測定光である。光
源Ｑからの拡散光束がフレーネル鏡２で反射されて互に
傾いた二つの光束に分れる。二つの反射光束はフレーネ
ル鏡２による光源Ｑの鏡像、ＱＡとＱＢ、から放射され
たと同様な光路な進む。フレーネル鏡２は二つの平面鏡
から成る。二つの平面鏡の各鏡面は図面と直交し、図示
のＹＹ　（図面と直交する平面）と夫々θの傾きをもち
、光軸と直角な交線な形成する。この交線と入射光束光
軸とが交わる。

フレーネル鏡２で部分された光束は夫々コリメートレン
ズ又はコリメート鏡６（実施例ではコリメートレンズ）
によって平行光束となる。この二つの平行光束が光軸Ｚ
と夫々φの傾き角をなす。

この二つの平行光束は２φの角で交叉し、ＸＸ平面の位
置に三光束平面波干渉縞を生ずる。５は結像レンズ又は
・結像凹面鏡（実施例では結像レンズ）であり、例えば
ＸＸ平面から結像レンズ焦点距離ｆ２の二倍の位置に配
置して、ＸＸ平面に生じた干渉縞の一対一の像を、結像
レンズ５から２ｆ２の距離に配置した光検知器乙の受光
面上に結像する。

光検知器６としてはダイオードアレイ検知器又はビデオ
管、マルチチャンネルトロン等が用いられ受光面上の干
渉縞の光強度分布、即ち干渉縞ごとの各光強度とその位
置を同時に測定する。

この状態で光検知器乙の受光面上に結像される干渉縞全
体の横幅と高さは、コリメートレンズ３を通った二つの
平行光束の各々の幅と高さに対応する。この干渉縞像の
高さ、即ち図面に直角な縦幅、を例えばダイオードアレ
イ検知器の縦幅に相当するように縮小させて測光感度を
高めるため光路中に凹面円筒レンズ４を挿入する。この
凹面円筒レンズ４と結像レンズ５０組合せよりなる結像
系の総合的焦点距離が図の面内でＣ２、図の面に直角な
面内で２ｆ２に々るようにする。

以上の構成において、光検知器乙の受光面に作られる干
渉縞の中心即ち光軸上の点Ｓ′からＷの距離にある点Ｐ
′において干渉する二光路ＱＡＰＰ′とＱＢＰＰ′との
間の光路差γカは ｒＶｗ＝　’ｌ　ｗ　−ｓｉｎφ　−＝　（１）によっ
て表わされる。波長λの単色光によって作られる干渉縞
の明線間隔ΔＷは λ ・・・・・（２） ２ｓｉｎφ で表わされる。角度φが大きくなると、干渉縞の縞間隔
ΔＷが小さくなる。干渉する平行光束と光軸Ｚとの間の
角φはフレーネル鏡２の交叉傾き角θと次の関係にある
。

（１−ｔａｎφ＝　ｋ　−ｔａｎ　２０　・・・・・・
（ろ）ただし、ｆｌはコリメートレンズ（又はコリメー
ト鏡）３の焦点距離であり、１（は光源Ｑからフレーネ
ル鏡交線に至る距離の光軸方向成分である。

具体的な数値例を挙げると、素子間隔が１５μｍ、横幅
（”　２ＷｍａＸ　）が２６ｍｍのダイオードアレイ検
知器を光検知器６として用い、最大分解能のフーリエ変
換スペクトルを得るための条件として、波長λ−５ＱＱ
ｎｒｎの単色光の干渉縞の縞間隔Δｗ＝＝１５μＩ１１
の場合には、Ｃ１−５ｋにとると角度０とφは、ｆ７＝
２．３８２度、φ−０，９５５度となる。ただしｒ　１
　＝　１９５　ｍｍ、　１（＝６９ｍｍ、Ｆ／比＝２Ｗ
ｍａｘ／に＝３．７５である。

第１図に戻り、結像レンズ５と光検知器６との間の光路
途中に配置された破線部分について述べる。これは、よ
り高い分解能、またはより高い感度、または二つの異る
スペクトル領域の光の三光束干渉縞測定を可能にしよう
とするものである。

即ち、ダイオードアレイより検知感度の高い光電子増倍
管で干渉縞を測光する場合、あるいは赤外線干渉縞を測
定する場合には、これ等のいずれかを補助検知器１１と
して用い、スリット１０又はピンホールを図示のように
設置する。さらに、結像レンズ５で作られる干渉縞像を
スリット１ｏの面上に結像させるだめの変向鏡９と、補
助光源７（記号Ｓ）と、この補助光源Ｓの結像レンズ８
とが夫々破線で示すように配置される。

このよう々補助検知器系を設置することにより角度φが
小さく、焦点距離ｆ２が比較的大きい、前記実施例で示
したような場合には、変向鏡９を回転させることによっ
て干渉縞の任意のＷの点の光強度を掃引測光することが
できる。一方、補助光源Ｓ、例えば発光ダイオード、か
ら発する光束が結像レンズ８によって集光され、これが
変向鏡９で反射されて、光検知器６を形成するダイオー
ドアレイ検知器の受光面上にＳの像Ｓ′を結ぶ。像Ｓ′
は変向鏡９の回転に伴なってダイオードアレイ受光面上
を走査移動する。このＳ′の位置は、スリット１０を通
過する干渉縞のＷの値と一対一に対応する。従って、既
知波長の単色光の干渉縞な変面鏡９の回転で掃引測光す
ると同時に、補助光源Ｓの像Ｓ′の位置を測定しておく
と、補助検知器１１で測光される被測定光の三光束干渉
縞のＷ値が、Ｓ′の位置測定値から正確に算定できる。

スリット１０の幅を小さくし、かつ像Ｓ′をダイオード
アレイ検知器の素子間隔より十分大きくして像Ｓ′のス
ポット位置を重心計等で算出すると、Ｗの値は十分高い
精度で測定できる。

第２図は、（己）式でｆｌとｋが等しい場合、即ちφ−
２θの場合の実施例であり、第１図と同一符号は第１図
の場合と同一部品を示している。光源Ｑから放射された
拡散光束が、コリメートレンズ２６と凸面円筒レンズ２
４とから成るコリメータ、又はコリメート凹面と凹面円
筒鏡との組合せから成るコリメータによって、図の面内
で平行な、図に直角な面内でＸＸ面で集束する光束とな
る。この光束がフレーネル鏡２によって二分され夫々光
軸Ｚとφの傾きをもち、ＸＸ面で交叉する。ＸＸ面で交
叉しだ三光束の干渉縞を結像レンズ５によって光検知器
６の受光面上に結像させる。干渉縞中心からＷの距離に
ある点Ｐ′の三光束光路差γいは（１）式と同じ値にな
り、その明線間隔は（２）式と同じ値に々る。補助検知
器系の構造及び機能は第１図実施例と同じである。

第２図実施例においてはφ＝２０の関係にあるから第１
図実施例で示した数値と同じ条件で干渉縞を測定するだ
めには、φ＝０．９５５度トし、２Ｗ１ｎａｘ−２６ｍ
ｍ　としてフレーネル鏡２の中心からＸＸ面までの距離
ｌが約７３．Ｑ　ｍ　ｍとなる。

第６図に示す実施例は、第１図及び第２図の実施例にお
けるフレーネル鏡とコリメータとを組合せた効果を、分
割レンズ又は分割凹面鏡によって生じさせようとするも
のである。第６図（ａ）は立面図、（ｂ）はそれを側面
方向から見た立面図である。光源Ｑから放射された拡散
光束が分割レンズ４２．４６を通りて二本の平行光束と
なる。分割レンズ４２．４６は夫々の光軸に平行にかつ
光軸から−ｅだけ離れだ面で切断したレンズ片４２と、
光軸から十〇だけ離れた面で切断したレンズ片４６とを
、互の光軸が平行になるように並べた組合せレンズであ
る。第６図実施例においては両レンズ片の焦点面が一致
するように配置しである。この焦点面にある光源Ｑから
出た光束のうち左半分のレンズ片４２を通った光束は丁
度Ｑの虚像ＱＡから放射された光束のように光軸とφの
傾きをなす平行光束となる。右半分のレンズ片４６を通
った光束は丁度Ｑの虚像ＱＢから放射された光束のよう
に光軸と一φの傾きをなす平行光束となる。両平行光束
が交叉する平面をＸＸとする。両平行光束が交叉してＸ
Ｘ面に作る平面波干渉縞を結像レンズ５によって光検知
器６の受光面上に結像する。

干渉縞の中心からＷの距離にある点Ｐで干渉する三光束
の光路差をγいとすると、γッは（１）式で与えられる
。又、その明線間隔ΔＷは（２）式で与えられる。例と
して波長λ−５０００ｍの単色光で、ΔＷ＝１５μｌη
の干渉縞を幅Ｗｍａｘ−２６ｍｍにわたって測定しよう
とすると、φが０．９５５度で、分割レンズ４２．４３
からＸＸ平面に至る距離ｌがｌｌ−２Ｗ□、／　（２ｔ
ａｎφ）　−７８０ｍｍになる。第６図の４４は凸面円
筒レンズであり、これは分割レンズ４２．４３を通った
平行光束ｔＸＸ面で鉛直面内集束をさせるために配置さ
れているものである。なお、補助検知器１１、スリット
１０、変面鏡９、結像し／ズ８及び補助光源７の構造及
び機能は第１図実施例と同じである。第１図〜第６図実
施例を通じて、干渉縞のＷの値に対する光強度分布の測
定から、光強度Ｊ対位相２πγＷ／λのインターフェロ
グラムが得られ、これをフーリエ変換することによって
被測定光のスペクトルが得られる。

第４図に示す実施例は一つの平行光束を上下に二分し両
者の間に水平面内で２φの傾きを力え、検知器受光面上
で交叉合成して干渉縞を測定する例である。第４図（ａ
）は平面図、（ｂ）はこれを右側面方向から見だ図であ
る。光源Ｑから放射される拡散光束をコリメートレンズ
ろ捷たけコリメート凹面鏡で平行光束にする。この平行
光束が交叉平面鏡６５．６４で反射されて上下〔第４図
（・１）では図面左右方向、第４図（ｂ）でこの（ｂ）
図を含む面に対して上向きと下向き〕二つの平行光束に
分れる。交叉平面鏡６６．６４は入射面即ち入射光軸と
鏡面垂線を含む平面、第４図（ｂ）で光軸Ｚを含む、図
面に直交する平面、で上下に分れた平面鏡の組合せから
なる。上部平面鏡６３の鏡面は入射面に直角で第４図（
ａ）の光軸Ｚに直交する平面ＸＸと（α−θ）の傾きを
もつ。下部平面鏡６４の鏡面も入射面に直角であるが、
第４図（ａ）の上記ＸＸ平面とは（α十〇）の傾きをも
つ。従って上下二つの鏡面の平面は光軸Ｚに直角な交線
を有し互に２０の傾角をはさ′んでいる。この交線に入
射平行光束の光軸が直角に交る。上部平面鏡６６で反射
された平行光束は入射光軸に対しく２α＋φ）の角度方
向に伝播する。下部平面鏡６４で反射された平行光束は
入射光軸に対しく２α−φ）の角をなす方向に伝播する
。ただし、φと、前記θとの間には、反射の法則により
φ−２０の関係がある。

この水平面内で２φの傾きをもつ上下二つの平行光束を
結像レンズ６５又は凹面鏡に入射する。−例として交叉
平面鏡６３．６４の鏡面平面交線が結像レンズ６５の光
軸と直交し、かつ鏡面平面交線と結像レンズ６５間の距
離が結像レンズ６５の焦点距離ｆの二倍２ｆとなる位置
に、夫々を配置する。

一方、結像レンズ６５の光軸と直交し、かつレンズの後
方、焦点距離の二倍２ｆの位置に光検知器６を配置する
。光検知器乙の受光面の中心が図示のように光軸Ｚ上に
あるようにする。このような光学的配置とすることによ
り、第４図（ａ）のＸＸ平面が光検知器６の受光面上に
結像される。なお、結像レンズ６５の後に焦点距離が約
−２ｆの凹面円筒レンズ６６を、第４図（ｂ）に示すよ
うに鉛直面曲率にして配置する。結像レンズ６５と円筒
レンズ６６との組合せによって交叉平面鏡６６．６４で
上下二分された平行光束が光検知器乙の受光面上に交叉
合成される。この合成された光束のスポットは水平方向
に長く鉛直方向に極めて細いものになる。かつ合成され
た両平行光束は可干渉であり、光軸Ｚが光検知器受光面
　交る点Ｓ′から水平方向左右にずれるに伴って三光束
間の光路差が大きくなる。従って光検知器受光面上に合
成された二つの平行光束のスポットは平面波干渉縞とな
り、その縞の鉛直方向の高さは極めて小さい点状となる
。

鉛直方向には光路差が生じない。

光検知器受光面中心Ｓ′からＷの距離にある点Ｐ′にお
いて干渉する三光束の光路差をγいとするとγッは、第
４図（ａ）を参照して次式で表わされる。

ｒ、、　＝　ＡＢ　−ＰＢ　＋　Ａ’Ｐ　＝　２Ｗ　−
ｓｉｎφ　曲・（４）ただしφ＝２０である。また波長
λの単色光を入射したときの干渉縞の明線間隔ΔＷは次
式で与えられる。

λ ΔＷ−□　・・・・　（５） ２ｓｉｎφ 例えば波長λ−５００１ｍの単色光でΔＷ−１５μｍの
明線間隔を得るにはφ＝０．９５５度が適当である。

従って交叉平面鏡６６．６４の二千面の交叉角２θが０
．９５５度であればよい。

光検知器６は、ダイオードアレイ検知器、ビデオ管、マ
ルチチャンネルトロン等、画像検出可能なものであれば
いずれをも使用することができ、これらの検知器で干渉
縞のＷの値に対する光強度分布が測定される。そして、
最終的には、との干渉縞の光強度分布をフーリエ変換す
ることによって被測定光のスペクトルが得られる。

第４図実施例の場合も、結像光学系６５．６６と光検知
器６との間の光路途中に、第１図〜第６図実施例に示し
だと同様の構造を備えた、補助光源Ｓ、結像レンズ８、
変面鏡９、スリット１０、補助検知器１１　より成る補
助検知器光学系を設けて、第１図〜第６図実施例の場合
と同様の機能を持たせることができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、（イ）反射鏡における吸収損失、レン
ズ表面における反射損失以外に光エネルギーの損失なし
に被測定光の大部分を光検知器の受光面上に到達させる
ことができ、干渉縞の強度を大幅に増大させることが可
能となる、（ロ）二つの平行光束が作る干渉縞であるか
ら単色光に関しては等間隔干渉縞になる、（ハ）光軸に
直角な光源の側方ひろがりの各点から放射される光束が
光軸」二の点光源から放射される光束と同じ干渉縞を検
知器受光面上に結像することになり、光源の側方ひろが
り幅に比例して干渉縞の強度が犬となる、（ニ）従来の
マイケルソン型三光束干渉計の場合の、二つの平面鏡の
一方を精密変位させて干渉光の光路差を変化させる方式
と異なり、全ての光学系を固定したまま二つの可干渉な
平行光束を作って光検知器の受光面上に干渉縞を生じさ
せる方式であることから、高速測定が可能となり、さら
に、干渉縞の位相は検知器受光面上の縞の位置から精密
、かつ安定に読み取ることができる、（ホ）従来のマイ
ケルソン型三光束干渉計に比べて装置が小形化でき、安
価に作製することができる、等の諸効果を発揮させるこ
とができ、さらに実施態様項の構成、即ち、ホトマルチ
プライヤ捷たは赤外線検知器等の補助検知器、変面鏡、
補助光源及びその結像系を備えた補助検知器系を光検知
器の入射光路（で並置することにより、干渉縞を掃引し
て測光し、、ダイオードアレイ検知器の分解能以上の高
分解能での測定、ダイオードアレイ検知器よシ高い測光
感度での測定、ダイオードアレイ検知器と異なる波長領
域での分光測定を可能にするという効果を生じさせるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は夫々本発明の実施例を示す光学系配
置図、第６図は本発明の他の実施例を示す光学系配置の
立面図で（ｂ）は（ａ）を側方かも見た図、第４図は本
発明のさらに他の実施例を示す光学系配置の平面図で（
ｂ）は（ａ）を仙方から見た図である。 符号の説明 １・・・光源　２・・・フレーネル鏡 ろ、２６・・コリメートレンズ ４．６６・・・凹面円筒レンズ ５．６５・・・結像レンズ　６・・・光検知器７・・・
補助光源　８・・・結像レノズ９・・・変面鏡　１０・
・・スリット １１・・・補助検知器 ２４．４４・・・凸面円筒レンズ ４２．４３・・・分割レンズ　６３．６４・・・交叉平
面鏡代理人弁理士　中村純之助 ３Ｉ′１図 ｔ′２齢 ′ＩｊＰ３　図 （Ｑ）　（ｂ） １’４　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）被測定光を可干渉の三光束に分は両光束間に光路
   差を与えて合成し、その干渉縞の強度分布を測定しフー
   リエ変換して被測定光のスペクトルを得る三光束干渉計
   において、（イ）一定の傾角で交る二つの反射平面鏡か
   ら成り入射光束を小さい傾きをもつｍ＝方向に分けるフ
   レーネル鏡と、拡散光束を平行光束にするコリメータと
   の組合せ、あるいは（ロ）レンズを光軸に平行にかつ光
   軸から一定寸法ｅだけ離れた面で切断したレンズ片と光
   軸から一〇だけ離れた面で切断したレンズ片とを互に光
   軸が平行になるように並べて成る組合せレンズ、のいず
   れかを備えて被測定光を可干渉の二平行光束に分け、か
   つ両光束を交叉合成して三光束干渉縞を生じさせ、生じ
   た干渉縞を光検知器の受光面上に結像させる結像光学系
   を備え、この受光面上の干渉縞像の光強度分布を上記光
   検知器により干渉位相別に測光することを特徴とする三
   光束干渉計。 （２）被測定光を可干渉の三光束に分は両光束間に光路
   差を与えて合成し、その干渉縞の強度分布を測定しフー
   リエ変換して被測定光のスペクトルを得る三光束干渉計
   において、被測定拡散光束を平行光束にするコリメータ
   と、この平行光束を三等分しこれらの分割光束を分割平
   面内で相互に一定の角度傾ける、上記分割平面に直角で
   かつ平行でない上下二つの平面鏡から成る交叉平面鏡と
   、この交叉平面鏡で三等分された平行光束を光検知器の
   受光面上で交叉合成して三光束干渉縞を作る結像光学系
   とを備え、この干渉縞の光強度分布を上記光検知器によ
   り干渉位相別に測光することを特徴とする三光束干渉計
   。 （５）特許請求の範囲第１項あるいは第２項に記載の三
   光束干渉計において、前記光検知器は、前記結像光学系
   との間の光路途中に、補助検知器とスリット、干渉縞像
   を上記スリットに投影しかつ投影位置を掃引する変向鏡
   、補助光源及びこの補助光源を前記光検知器受光面上に
   結像させて上記変向鏡の回転角読み出しを可能とする結
   像光学系、とかも成る補助検知器系を備えた光検知器で
   あることを特徴とする三光束干渉計。