JPS63218827A - 光スペクトル検出装置 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、干渉計光学系と音響光学的光変調器による実
時間（リアルタイム）相関器とを組合せて、該干渉計光
学系によって発生した被測定光の干渉縞の間隔を相関演
算によってリアルタイムに検出し、高速度で該被測定光
のスペクトルを検出する光スペクトル検出装置に関する
ものである。

（従来の技術） 光の波長スペクトルを検出する装置としては、光プリズ
ムや回折格子などの光分散素子を使用するものと、干渉
針により空間的に波長もしくは単位長さ当たりの波数を
測定し、その測定したデータにフーリエ変換などの数式
処理を施して光スペクトルを得るものとがある。

前者の光分散素子を使用する装置は、複雑なデータ処理
を必要とせず、また光学系も容易に実現可能であるため
、多くの実用装置が製作され、今日の光スペクトル検出
装置の主流を成している。

一方、後者の干渉形による装置は、光学系の機械精度を
高く維持する必要があり、また、数式処理に複雑な計算
が必要ではあるが、被測定光の利用効率が高く、測定精
度も時間をかければ非常に高い精度が期待できるため、
主として近赤外〜赤外領域の分光測定に使用されてきた
。

しかしながら、最近の計算機の発達により、高度の計算
処理が容易に実現可能となり、一般的な使用に供せられ
る干渉形光スペクトル検出装置も出始めてきている。

（発明が解決しようとする問題点） このような干渉形光スペクトル検出装置による測光動作
は、干渉形を構成する光学部品のうち、主に反射鏡を光
軸方向に移動して干渉光の光路差を変化させ、その変化
に応じて出力される干渉計の出力光を光電変換し、さら
に、その変換された電気信号を高速フーリエ変換（Ｆ　
Ｆ　’ｒ’　：　Ｆａｓｔ　Ｆｏｕ−ｒｉｅｒ　Ｔｒａ
ｎｓｆｏｒｍ　）処理するものであるが、測光動作中の
反射鏡の移動は、特に光軸に対する垂直精度が要求され
、垂直精度を保ちながら高速で移動を行うことは大変能
しい技術を要する。

また、重さ数１０グラムの反射鏡を機械的に高速に動か
ずことにも限度があり、数１０ｍ５以上の高速走査は望
めない。

（問題点を解決するための手段） 本発明はかかる問題点を解決するためになされたもので
、従来まで行われていた、干渉計の光路差を変化させて
干渉光の輝度と光路差の関係（インクフェログラム）よ
り光スペクトルを計算する方法を改め、干渉針を構成す
る複数の反射鏡のうちの１枚を光軸に垂直な面から僅か
に傾け、これによって生ずる一方向に揃った干渉縞の間
隔を高速に測定して光スペクトルの検出を行う方法を創
作した。通常、干渉針による干渉縞は被測定光の波長変
化及び、振動などによる干渉計自身の光路長変化により
常に動いており、さらにまた、高速で干渉縞の測定を行
う必要があるため、本発明ではこのような不安定な干渉
縞の間隔計測に音響光学的相関器の原理を用いている。

音響光学的相関器は、ｆｌＩＪえば、同一出願人・同一
発明者による特許発明「光学的画像とテレビ画像との画
像相関装置」　（特公昭６０−３４３１６号、特許第１
３２４９１７号）などにも示されているように、干渉縞
のような光学的画像と、たとえばテレビ画像などを構成
するような電気信号との相互相関演算が空間並列処理に
より実時間で実現できる装置であり、これによって、干
渉縞の間隔（空間周波数）を高速に精度よく検出するこ
とが可能となった。

（実施例） 以下、本発明について図示した一実施例に基づき詳細に
説明する。

第１図は、本発明の光スペクトル検出装置の一実施例に
ついての構成を示す。本実施例の構成はマイケルソン形
光干渉計を用いた光学装置１と音響光学的相関器部２及
びスペクトル表示部３より成る。光学装置１はマイケル
ソン形にこだわる必要はなく、被測定光４の波長成分に
応じた干渉縞が出力される方式のものなら何であっても
使用できる。ただし、音響光学的相関器との組合せを考
えると、光干渉計の出力光パターンがすだれ状の一次元
格子となるようなものが良く、この点、マイケルソン形
の光干渉針では２枚の反射鏡５．６のうちの１枚を光軸
に対する垂直面より僅かに傾ける（回転させる）ことに
よって良好な格子縞を得ることができ、本装置には最も
通した方式であると考えられる。

第２図は、干渉針を構成している反射鏡の回転角θと被
測定光の波長λとによって、出力光パターンの格子縞の
間隔が決定される様子を示した図である。

マイケルソン形干渉計では、被測定光（４）はレンズ７
．８及び入射スリット９の働きで良好な平行光線となっ
て干渉光学系部に導かれる。

干渉光学系部の最も基本的な構成は第２図に示すように
、はぼ垂直に交わるような面内に位置する２枚の反射鏡
５．６と、この２枚の反射鏡と互いに４５度の角度を有
するように配置されたハーフミラ−１０（ビームスプリ
７タとも呼ばれる）より成る。

通常の干渉針では、この２枚の反射鏡５．６は直角に交
わる面内に高精度に配置され、その結果各反射鏡で反射
し前記ハーフミラ−１０で合成された被測定光の波面は
その平行度が良好に保たれたものとなり、出射光パター
ンに格子縞は生じない。ずなわら、反射鏡５．６で反射
した光は光路差による位相差は有するものの、前記ハー
フミラ−１０で合成された後の光波面内ではこの位相差
が一定であるため、出射光パターンには位相干渉による
二次元的な光強度分布は見られず、前記光路差による位
相差によりパターン全体の光強度が変化するのみである
。

一方、第２図に示すように、２枚の反射鏡５゜６のうち
、どちらか１枚あるいは両方をわずかに傾け（同図では
反射鏡５のみを角度θ傾けた）で配置すると、この傾き
角θと同じ角度で２つの反射鏡よりの光の波面が交差す
るので、位相干渉が生じ、同位相が重なった部分に強い
光強度が現われ逆位相の部分が暗くなるといった平面波
干渉の典型的なパターンである格子縞１１が現われる。

この格子縞の方向は、反射鏡５の回転軸の方向と空間的
に平行である。ゆえに前記２枚の反射鏡５．６のうちの
どちらか１枚を回転させれば、すだれ状の格子縞が現わ
れ、２枚を各々異なる回転軸で回転させれば二次元格子
のような出射光パターンが得られる。本発明では、後述
のように音響光学的相関器部に入力できる光パターンの
形状がすだれ状の格子であることに限られるため、反射
鏡の回転はどちらか一方のみを行う、この格子縞の間隔
ｄと被測定光の波長λ、反射鏡の回転角θには第２図（
ｂ）に示すような簡単な幾何学的関係があり、該間隔ｄ
は、 ｄ−λ／　ｓ　ｉ　ｎθ　　　　　−一−−［１１で表
される。たとえば、波長６０００人程度０赤色光に対し
、回転角θ＝ｏ、ｉ　”に設定した干渉光学系を用いる
と、格子縞の間隔ｄは約３５０μｍ程度になる。もちろ
ん、この格子縞の出射光パターンを拡大光学系に導入し
て格子縞の形状を拡大することば容易であり、簡単に目
視したり、写真撮影したりすることができるパターンと
なり得る。

次に本発明の大きな特徴とも言える光学パターンと超音
波パターンとのリアルタイム相関処理について説明する
。

この相関処理方式については、前述の特許発明（発明の
名称；光学的画像とテレビ画像との画像相関装置「特許
第１３２４９１７号」）にも詳細に述べられているが、
本発明はその一部を応用して第１図に示すように音響光
学的相関器部２に利用したものであり、ここに再度要点
を記する。

第３図に従来の光学的相関器の構成図を示す。

光源にレーザー１２を用い、その光束をレンズで拡大し
た後、透過形の光学パターン１３を通過させ、音響光学
的光変調器１４に入射する。音響光　゛学的光変調器１
４は第４図（ａ）に示すような構成をなし、対向する２
つの光透過窓１５ａ、１５ｂと、ここを通過する先の進
行方向にほぼ直角に超音波を発射するための超音波振動
子１６が配置された容器状の形態で、その内部には超音
波伝Ｉ股媒質１７が充瞑されている。

また、第４図（ｂ）に示した上面図のように、前記超音
波振動子１６の対向面に超音波の不要反射を防ぐための
超音波吸収部材１８が、前記超音波振動子１６に電気信
号を供給するための信号入力端子１９が備えられている
。

機能的には、前記超音波伝搬媒質１７中を伝！般してい
る超音波を前記光透過窓１５ａ、１５ｂを通過した光線
が横切ることにより、光の波面に超音波による位相変化
が生ずるもので、一種の光位相変調器である。また、前
記超音波振動子１６は固有の振動数で正弦波振動させて
使用することが多く、この場合は光学的な正弦波位相格
子として働く。本発明でも後述するように、正弦波位相
格子として働かせ、かつ、振動数を掃引変化させて格子
定数（格子間隔）の連続可変な位相格子として使用して
いる。

さて、第３図に戻り、前記光学パターン１３と前記音響
光学的光変調Ｗ１４とを通過して空間的に光強度及び位
相変調を受けた光は、収束用レンズ２０によって空間フ
ィルタ２１の面上に収束され、回折像を生ずる。前述の
ごとく音響光学的光変調器１４の内部に発生している超
音波信号が特定周波数の正弦波パターン信号であれば、
この回折像は光軸を中心として距離αだけ離れた対称の
２点に顕著な輝点となって生ずる。これらを±１次の回
折輝点と呼び、前記距離αは次式で与えられる。

αｗλＦ／Ｄ＝λＦ　ｆ　／Ｖ　　−−−−（２）ここ
で、Ｄは超音波パターンの格子幅（格子定数）、λは光
の波長、Ｆは収束用レンズ２０の焦点距離、■は超音波
伝搬媒質の音速、ｆは超音波の時間周波数を表わす。よ
って、前述した（１１式で与えられる回折輝点の位置に
開口を有する空間フィルタ２１によって、この回折輝点
のみを検出し、光電変換器２２で電気信号に変換すれば
、前記光学パターン１３と前記超音波パターンによって
制御された光の強度信号が得られる。また、超音波の強
度が超音波伝搬媒質中にキャビテーションを生じさせな
い程度に小さい場合、超音波の振幅強度と前記回折輝点
の光強度とは比例関係にあることが知られている。ゆえ
に、この回折輝点の光強度信号は、超音波パターンが光
変調器内を音速■で移動していること、また、同−光束
内でのパターンの重ね合せ、ずなわら、同一光線が光学
パターンと超音波パターンの両方を通過する場合の光振
幅度変化は２つのパターンの光透過率の積で表されるこ
とを考えれば、前記光強度信号１　　（ｔ）は、光学パ
ターンの複素透過振幅Ｐ（χ）と超音波パターンの複素
振幅Ｕ（χ）を用いて次式で表わされる。

１　　（ｔ）　− この（３）式においてχ軸は超音波伝搬方向と等しく、
Ｗは光透過窓のχ方向開口長である。また、実際のＰ（
χ）、Ｕ（χ）は空間的には二次元的拡がりを有するパ
ターンであるが、信号としての意味はχ方向のみの、格
子状パターンである。

さらにまた、（Ｐ　（χ））２と（Ｕ　（χ））２によ
る自乗値相関演算となるのは、前記光電変換器２２が複
素振幅値を光量として検出する自乗特性による。

さて、上記（３）式によって、前記第３図の光学的相関
器により、光学パターン１３と音響光学的光変調器１４
内の超音波パターンとの相互相関演算が実現できること
となったが、相関演算は本質的に２つの信号波形の類似
度を求める演算であり、例えば、前記超音波パターンに
時間と共に周波数が直線変化する線形ＦＭ信号で振幅変
調した信号を用いれば、特定時刻の相関出力は、その時
刻における超音波パターンの包絡線が有する空間周波数
格子パターンと光学パターンとの相互相関演算となり、
この演算はあたかも光学パターンの空間周波数成分を超
音波の空間周波数パターンでフィルタリングしたと同様
に考えられるものとなる。

よって、時間軸に空間周波数をとって相互相関出力を表
示すれば、光学パターンの空間周波数成分のスペクトル
が得られる。このような線形ＦＭ信号を用いた空間周波
数スペクトル検出の方法は、同一出願人・同一発明者に
よる特許発明「発明の名称：画像空間周波数アナライザ
（特公昭６０−３４３１８号、特許第１３２４９２８号
）」に詳しく述べられている。

前記第３図の光学パターン１３は、拡大された平面波光
を部分的に強度変調させるものであり、平面波光自身が
光学パターンと同様の光強度分布を有するものであれば
、この光強度分布と音響光学的光変調器１４内の超音波
パターンとが相互相関演算を行うことは自明の理である
。前記第１図に示した実施例に戻り、マイケルソン形光
干渉計による光学装置１により発生した被測定光４の格
子縞を有する出射光パターンは、音響光学的相関器部２
に導かれ、音響光学的光変調器１４に入射する。出射光
パターンの入射方向及び格子縞の方向と超音波パターン
との関係は、前記第３図で述べたように、光束方向と超
音波進行方向とはほぼ垂直、光束及び超音波の格子縞は
同方向を向くように設定する。本実施例では、前記音響
光学的光度ｉ［３１４の光出射窓に収束用レンズ２０を
はめ込み、光透過窓と共用にして反射による光量減少及
び有害な反射像の発生を抑えている。収束用レンズ２０
で収束された前記出射光パターンは空間フィルタ２１の
面上に回折輝点を生ずる。この輝点位置は前記マイケル
ソン形光干渉計部内で、反射鏡５及び６により反射した
各々の光について僅かにずれを生じ“ζいる（同図では
誇張して示しである）が反射鏡５の回転角θ−０，１°
、前記収束用レンズ１９の焦点圧ｆｉｌ　３００龍で約
０．５１麿程度であり、直径０．５ｍｍ〜１　、　Ｏａ
ｍ程度のピンホールタイプの空間フィルタ２１で十分検
知可能なものである。前記音響光学的光変調器１４内の
超音波振動子１６に供給する電気信号は、線形ＦＭ信号
発生器２３で発生させた時間と共に周波数が直線的に変
化する信号により、ｉｊｆ記超音波振動子１６の共振周
波数正弦波を発する正弦波ｆｉ号発生器２４の正弦波信
号を、振幅変調器２５で振幅変調したものである。その
場合の振幅変国度は１００％前後が良好であり、また、
線形ＦＭ信号の代わりに、時間的に対数変化するＦＭ信
号や、特定の時間間隔で周波数の変化するホッピング周
波数信号等、測定に通した時間軸（表示装置では周波数
軸）を選定することもできる。

音響光学的相関器部２の光電変換器２２の出力信号は、
スペクトル表示部３のフィルタ回路２６に入力され、直
流成分及び測定には不要な高周波雑音が消去され、さら
に出力信号の包路線を検波し、スペクトル成分を検出す
るための検波回路２７を通って、ブラウン管等の受像器
２８の縦軸に表示される。この受像器２８の横軸を周波
数軸とするため、前記線形ＦＭ信号発生器２３の周波数
掃引を制御した掃引（Ｒ号発生器２９の掃引信号を横転
掃引信号として前記受像器２８に供給する。

前記スペクトル表示部３は、受像器２８による表示方法
が最も簡便かつ明解であると考えられるが、前記光電変
換器２２の出力をデジタル処理して記録、あるいは表示
する方法など、出力信号の処理には様々な方式が適用で
きる。

〔効果〕

以上、述べたように、本発明によれば、干渉形光スペク
トル検出装置の高感度、高精度を保持して音響光学的相
関器の高速動作による高速スペクトル検出能力を備えた
光スペクトル検出装面を実現させることが可能となった
。本装置では機械的に高速動作させる可動部が本質的に
存在しないため、高速動作が物理的に束縛されず、また
、機械的動作が装置内の他の光学系に振動等の悪影響を
与える心配も皆無である。また、光学系の構成は従来例
よりは複雑になるものの、全体の形状は従来例、特に分
散形の装置に較べ小形化することが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光スペクトル検出装置の一実施例を、
第２図（ａ）はマイケルソン形光干渉計光学系の構成と
反射鏡の回転によって生ずる干渉縞の発生を、第２図（
ｂ）は被測定被波長λと反射鏡の回転角θ及び格子縞の
間隔ｄの関係を、第３図は従来の音響光学的光変調器を
用いた光学的相関器の構成を、第４図（ａ）は音響光学
的光変調器の構成を、第４図（ｂ）、は音響光学的光変
調器の上面より見た構成をそれぞれ示す。 図において、■は干渉パターンを有する光束を出射する
光学装置、２は音響光学的相関器部、３はスペクトル表
示部、４は被測定光、５及び６は反射鏡、７及び８はレ
ンズ、９は入射スリット、１０ばハーフミラ−１１１は
格子縞、１２はレーザー、１３は光学パターン、１４は
音響光学的光変調器、１５ａ、１５ｂは光透過窓、１６
は超音波振動子、１７は超音波伝搬媒質、１８は超音波
吸収部材、１９は信号人力域１子、２０は収束用レンズ
、２１は空間フィルタ、２２は光電変換器、２３は線形
ＦＭ信号発生器、２４は正弦波信号発生器、２５は振幅
変調器、２６はフィルタ回路、２７は検波回路、２８は
受像器、２９は掃引信号発生器をそれぞれ示す。 特許出願人　　　　　アンリッ株式会社代理人　　弁理
士　　小　池　龍　太　部第２図 ８・・・レンズ ９・・・入射スリット １０・・・ハーフミラ− １１・・・格子縞 第３図 １４・・・音響光学的光変調器 ２０・・・収束用レンズ ２１・・・空間フィルタ ２２・・・光電変換器 ２４・・・正弦波信号発生器 ２５・・・振幅変１器

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 被測定光（４）を入射して、該被測定光（４）の波長に
   対応した格子間隔を有する二次元格子縞でなる干渉パタ
   ーンを有する光束を出射する光学装置（１）と； 該二次元格子縞の格子の向きと、超音波波面とを一致さ
   せ、かつ、該光束の進行方向と超音波の進行方向とが直
   交するように該光学装置（１）が出射する光束を受ける
   ように配置された音響光学的光変調器（１４）と； 該音響光学的光変調器（１４）で該超音波によって偏向
   された所定の光束を受ける光電変換器（２２）と； 該光電変換器（２２）の出力信号を表示するためのスペ
   クトル表示部（３）とを備えたことを特徴とする光スペ
   クトル検出装置。