JP5521992B2 - 干渉計およびそれを備えた分光器 - Google Patents

Description

本発明は、マイケルソン型の干渉計と、その干渉計を備えた分光器とに関するものである。

マイケルソン型の干渉計を用いたフーリエ変換分光分析装置（以下、分光器と称する）では、光源からの入射光をビームスプリッタ（以下、ＢＳとも称する）で２光束に分離し、各光束をそれぞれ移動鏡および反射鏡で反射させて光路を折り返し、再度ＢＳに入射させて合成し、干渉させる。移動鏡の位置が変化すると、移動鏡で反射される光束と固定鏡で反射される光束とで光路差が生じ、入射光のうちで特定波長の光が干渉する。したがって、移動鏡の位置を変化させながら、干渉光の強度変化を光検出器で検出し、光検出器からの出力信号をフーリエ変換することにより、各波長ごとの強度を検知することができ、これによって入射光の分光分析を行うことができる。

ところで、マイケルソン型の干渉計では、上記のＢＳとして、反射透過膜を２つの透明基材で挟んだキューブ型のＢＳを用いれば、反射透過膜によって２つに分離された各光束は、ＢＳの透明基材を同じ回数だけ透過した後、干渉するので、２光束でＢＳに起因する光路差はつかない。この場合、分光分析を行うにあたって、移動鏡の位置変化による２光束の光路差の変動だけを考えればよい。

しかし、上記したキューブ型のＢＳは、コストが高く、体積も大きく、重い。このため、干渉計を小型で構成する場合には、透明基板（平行平板）の片面に反射透過膜をコーティングした平板型のＢＳが用いられる場合が多い。図６は、平板型のＢＳ１０１を用いた従来の干渉計の構成を模式的に示している。なお、平板型のＢＳ１０１を用いる構成は、例えば特許文献１にも開示されている。

平板型のＢＳ１０１を用いた場合、入射光がＢＳ１０１の透明基板１０１ａを透過し、反射透過膜１０１ｂによって２光束に分離される。このうち、一方の光束は、透明基板１０１ａを透過した後、固定鏡１０３で反射され、再度透明基板１０１ａを透過して反射透過膜１０１ｂに入射するのに対して、他方の光束は、移動鏡１０２で反射された後、反射透過膜１０１ｂに入射する。つまり、ＢＳ１０１で分離されて再度合成されるまでに、固定鏡１０３側の光束は透明基板１０１ａを２回透過するのに対して、移動鏡１０２側の光束は透明基板１０１ａを透過しない。したがって、平板型のＢＳ１０１を用いた構成では、ＢＳ１０１で分離された２光束の間で、透明基板１０１ａを透過する回数が異なることに起因する光路差が生ずる。

そこで、透明基板１０１ａに相当する平板ガラスを補償板として光路中に配置することにより、ＢＳ１０１に起因する２光束の光路差を補償する方法がある。図７は、平板型のＢＳ１０１に補償板１０４を接合した従来の干渉計の構成を模式的に示している。補償板１０４は、ＢＳ１０１の透明基板１０１ａと同じ材質、同じ厚さで構成されている。また、図８は、ＢＳ１０１とは独立して補償板１０４を光路中に配置した従来の干渉計の構成を模式的に示している。なお、補償板１０４を独立して配置した構成は、例えば特許文献２にも開示されている。なお、図７および図８では、説明の理解をしやすくするため、移動鏡１０２と固定鏡１０３との位置関係を図６とは逆にしている。

図７および図８のように、補償板１０４を光路中に設けることにより、移動鏡１０２側の光束と固定鏡１０３側の光束とで、材質の同じ部材（透明基板１０１ａ、補償板１０４）を透過する回数および光路長が同じになるので、ＢＳ１０１に起因する光路差を補償することができる。

特開昭６１−２２７２３７号公報 特開平８−３６１０５号公報

ところが、図７および図８の構成では、補償板１０４という独立した光学部品をＢＳ１０１に接合するか、光路中に独立して配置する必要がある。このため、２光束の光路差の補償にあたって光学部品の部品点数が増大し、干渉計の大型化を招くとともに、干渉計の組み立てが複雑化する。

また、例えば移動鏡と固定鏡とのうちのどちらかを、移動鏡の静止状態で光路差ゼロとなる位置に設定することにより、平板型のＢＳを用いることによって生ずる上記の光路差を、補償板を用いなくても補償することができる。

しかし、光源が大きさを持つ光学系では、ＢＳに入射する光として、軸上光線のみならず軸外光線が存在するので、このような軸外光線の影響をさらに考慮する必要がある。すなわち、光源が大きさを持つ光学系では、どのようなコリメータを使っても、ＢＳを透過する際に軸上光線に対して軸外光線が傾いて入射し、軸上光線と軸外光線とで光路差が生じてしまう。軸上光線と軸外光線との光路差が補償されていないと、移動鏡が移動するにつれて干渉性能の低下が起こる。しかも、以下の理由により、移動鏡が静止状態の位置からＢＳ側に移動する場合と、ＢＳとは反対側に移動する場合とで、干渉性能の低下が不均衡に起こる。

すなわち、コリメータは正のパワーを持っているため、軸外光はマイナスの波面収差を持つ。このため、ＢＳの反射透過膜で反射されて平行平板（透明基板）を通る側の光路長を短くすると、波面収差がプラス方向に変動し、干渉性が悪くなって性能低下が著しくなる。逆に、上記光路長を長くすると、波面収差はマイナスに変動するが、反射透過膜で反射されて平行平板を通る側では、反射透過膜を透過する側に比べて、元々波面収差が少しプラスになっているため、干渉性の低下は少ない。したがって、例えば、反射透過膜で反射されて平行平板を通る側に移動鏡があり、ＢＳの反射透過膜を透過する側に固定鏡がある場合には、移動鏡がＢＳに近づくにつれて干渉性能が著しく低下し、ＢＳから遠ざかる方向では干渉性能の低下は少ない。また、ＢＳに対する移動鏡と固定鏡との位置関係が上記とは逆の場合には、移動鏡がＢＳから遠ざかるにつれて干渉性能が著しく低下し、ＢＳに近づく方向では干渉性能の低下は少ない。

なお、大きさを持たない光源（点光源）は、実際には存在しない。点光源として扱えるくらい十分に小さな光源を使用することは可能であるが、干渉計を小型化した上に分光器としての精度を十分確保するためには、明るい光源が必要となる。大きさが小さいまま明るい光源というのは実際にはほとんど存在せず、明るくなるほど光源が大きくなってしまうのが通常である。なお、光源が干渉計の外部に位置している場合でも、ＢＳに入射する光が軸上光線のみならず軸外光線を有している限り、事情は同じである。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、平板型のＢＳを用いたときの２光束の光路差の補償を、光学部品の部品点数を増大させることなく行うことができ、これによって、小型で組み立てが容易な構成を実現できるとともに、軸外光線に起因する干渉性能の大幅な低下を回避して、干渉性能を補償することができる干渉計と、その干渉計を備えた分光器とを提供することにある。

本発明の干渉計は、入射光を２光束に分離するビームスプリッタと、移動鏡および固定鏡と、前記移動鏡を並進駆動する駆動機構とを備え、前記ビームスプリッタで分離された各光束を、前記移動鏡および前記固定鏡で反射させ、前記移動鏡を並進させながら前記ビームスプリッタで合成して干渉させる干渉計であって、前記ビームスプリッタは、透明基板の片面が反射透過面である平板型のビームスプリッタであり、前記移動鏡は、静止状態において、前記移動鏡で反射された光束と前記固定鏡で反射された光束との光路差がゼロとなる第１の位置に対して、前記ビームスプリッタの前記反射透過面で分離される２光束のうち、前記移動鏡または前記固定鏡を介して再度前記反射透過面に入射するまでに前記透明基板を透過する側の光束の光路長が、他方の光束の光路長よりも相対的に長くなる第２の位置にあり、前記駆動機構は、前記第２の位置に対して前記ビームスプリッタ側とその反対側とで移動量が対称となるように前記移動鏡を移動させることによって、前記第１の位置に対して前記ビームスプリッタ側とその反対側とで前記移動鏡の移動量を非対称にさせることを特徴としている。

移動鏡の移動量が第１の位置に対して非対称であることから、第１の位置は移動鏡の移動範囲に含まれており、移動鏡は必ず第１の位置を通る。第１の位置では、２光束（移動鏡および固定鏡で反射される各光束）の光路差がゼロとなるため、この第１の位置を基準に２光束の光路差（移動鏡の位置）を考えることにより、平板型のＢＳに起因する２光束の光路差を補償することができる。つまり、平板型のＢＳに起因する２光束の光路差の補償を、光学部品の部品点数を増大させることなく（従来のような補償板を用いることなく）行うことができ、小型で組み立てが容易な干渉計を実現することができる。

また、移動鏡の移動量が第１の位置に対して非対称であるので、入射光が軸上光線に対して傾いた軸外光線を有している場合でも（入射光がある大きさを持つ光源から出射された光であっても）、軸上光線と軸外光線との光路差に起因して干渉性能が大きく低下する範囲を避けるように移動鏡を移動させることができる。これにより、軸外光線に起因する干渉性能の大幅な低下を回避することができる。つまり、上記構成によれば、平板型のＢＳに起因する２光束の光路差の補償と、入射光が軸外光線を有している場合の干渉性能の補償とを両方行うことができる。

また、駆動機構は、第２の位置に対して移動鏡の移動量を対称にすることによって、第１の位置に対する非対称な移動量を実現するので、移動鏡自体を第１の位置に対して非対称に駆動する特殊な駆動機構を用いなくても済む。さらに、例えば、第１の位置に対して移動鏡の移動量を対称にして、その移動範囲に含まれる、干渉性能が大きく低下する範囲を使用しない（その範囲内に移動鏡が位置する場合の干渉結果を無視する）方法もあるが、この方法では、本発明のように第２の位置に対して移動鏡の移動量を対称にする場合よりも、移動鏡の全体の移動範囲が大きくなるため、駆動機構を大型化する必要がある。言い換えれば、本発明のように、第２の位置に対して移動鏡の移動量を対称にすることによって、第１の位置に対する非対称な移動量を実現することにより、駆動機構を大型化することなく、上記の光路差の補償および干渉性能の補償を行うことができ、この点でも、小型の干渉計を実現することができる。

本発明の干渉計は、前記ビームスプリッタから出射される干渉光を受光してその検知信号を出力する光検出器をさらに備え、前記ビームスプリッタと前記固定鏡との距離をＬ１とし、前記ビームスプリッタと静止状態における前記移動鏡との距離をＬ２とし、前記移動鏡の移動方向において、距離Ｌ１と距離Ｌ２とが物理的に等しくなるような前記移動鏡の位置を、第３の位置とすると、前記第２の位置は、前記第１の位置よりも前記第３の位置に近いことが望ましい。

ＢＳに対する入射光が軸上光線のみならず、軸外光線を有している場合には、その軸外光線の影響により、Ｌ１＝Ｌ２となる移動鏡の第３の位置で、干渉光のコントラストが最も高くなることがわかっている。したがって、移動鏡の第２の位置を第３の位置に近づけることにより、微小な誤差の検知感度が高くなるため、組み立て時の固定鏡または移動鏡の位置調整が容易になる。つまり、固定鏡または移動鏡の少しの位置ずれでも、光検出器からの出力に基づいてコントラストの低下を検知することができるため、固定鏡または移動鏡の位置調整がしやすくなる。

本発明の干渉計において、前記駆動機構は、圧電素子の伸縮によって共振する平行板ばねで構成されていることが望ましい。

平行板ばねの共振によって移動鏡を並進させるので、圧電素子を駆動する際の駆動電圧が小さくても、移動鏡を大きく変位させることができる。

本発明の干渉計は、光源と、前記光源から出射される光を平行光に変換して前記ビームスプリッタに導くコリメート光学系とをさらに備えていてもよい。

通常、光源は、ある大きさの出射面を持っており、どのようなコリメート光学系を用いても、入射光を完全に平行光に変換することはできず、ＢＳに入射する軸上光線に対して軸外光線が傾き、これらの光線の間で光路差が生ずる。したがって、光源とコリメート光学系とを有する干渉計では、上記光路差に起因して、移動鏡の移動に伴う干渉性能の大きな低下が生じやすいため、上記した本発明の構成が非常に有効となる。

本発明の分光器は、上述した本発明の干渉計と、前記干渉計から出力される干渉光の検知信号に基づいて、波長ごとの光の強度を示すスペクトルを生成するスペクトル生成部とを備えている構成であってもよい。

本発明の干渉計によれば、従来のような補償板を設けなくても、平板型のＢＳを設けることによる光路差の補償ができ、また、軸外光線の影響による干渉性能の補償もできるので、そのような干渉計を備えた分光器では、波長ごとの光の強度を示すスペクトルに基づく分光分析を、小型、軽量の構成で精度よく行うことができる。

本発明によれば、２光束の光路差がゼロとなる第１の位置が移動鏡の移動範囲に含まれるように、駆動機構によって移動鏡を駆動することにより、第１の位置を基準に２光束の光路差を考えることができ、これによって、平板型のＢＳに起因する２光束の光路差を補償することができる。したがって、平板型のＢＳに起因する２光束の光路差の補償を、光学部品の部品点数を増大させることなく行うことができ、小型で組み立てが容易な干渉計を実現することができる。

また、移動鏡の移動量が第１の位置に対して非対称であるので、軸外光線に起因して干渉性能が大きく低下する範囲を避けるように移動鏡を移動させることができる。これにより、軸外光線に起因する干渉性能の大幅な低下を回避して、干渉性能を補償することができる。

また、第２の位置に対して移動鏡の移動量を対称にすることによって、第１の位置に対する非対称な移動量を実現することにより、駆動機構を大型化することなく、上記の光路差の補償および干渉性能の補償を行うことができ、この点でも、小型の干渉計を実現することができる。

本発明の実施の一形態に係る分光器の概略の構成を模式的に示す説明図である。 上記分光器の干渉計が備える駆動機構の概略の構成を示す説明図である。 上記干渉計の主要部の構成を拡大して示す説明図である。 上記干渉計の移動鏡の第１の位置に対する移動量と、第２の位置に対する移動量とを模式的に示す説明図である。 （ａ）は、上記干渉計における固定鏡側の光路およびその光路上に位置する光学部材を示しており、（ｂ）は、上記干渉計における上記移動鏡側の光路およびその光路上に位置する光学部材を示している。 平板型のＢＳを用いた従来の干渉計の構成を模式的に示す説明図である。 従来の干渉計の他の構成であって、平板型のＢＳに補償板を接合した構成を模式的に示す説明図である。 従来の干渉計のさらに他の構成であって、ＢＳとは独立して補償板を光路中に配置した構成を模式的に示す説明図である。

本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。

（干渉光学系および分光器について）
図１は、本実施形態の分光器の概略の構成を模式的に示す説明図である。分光器１は、フーリエ変換分光分析装置（ＦＴＩＲ；Fourier Transform Infrared Spectroscopy ）であり、干渉計２と、演算部３と、出力部４とを有している。

演算部３は、干渉計２から出力される信号（干渉光の検知信号）をＡ／Ｄ変換およびフーリエ変換することにより、各波長（波数（＝１／波長））の光の強度を示すスペクトルを生成するスペクトル生成部である。出力部４は、演算部３にて生成されたスペクトルを出力（例えば表示）する。

干渉計２は、マイケルソン型の干渉計で構成されており、光源１１と、コリメート光学系１２と、ＢＳ（ビームスプリッタ）１３と、移動鏡１４と、固定鏡１５と、光検出器１６と、駆動機構２１（図２参照）とを備えている。なお、ＢＳ１３と光検出器１６との間の光路中に集光光学系が配置されていてもよい。また、移動鏡１４と固定鏡１５の位置関係は、逆であってもよい。

光源１１は、例えば近赤外光（波長９００〜２６００ｎｍ）を出射する。コリメート光学系１２は、光源１１からの光を平行光に変換してＢＳ１３に導く光学系であり、例えば非球面単レンズで構成されている。なお、コリメート光学系１２は、色収差を少なくした複数レンズからなるコリメータで構成されてもよいし、回転楕円鏡を用いたコリメータで構成されてもよい。

ＢＳ１３は、光源１１からコリメート光学系１２を介して入射する光を２光束に分離し、それぞれを移動鏡１４および固定鏡１５に導くとともに、移動鏡１４および固定鏡１５にて反射された各光を合成し、干渉させるビームスプリッタである。このＢＳ１３は、平板型のビームスプリッタで構成されているが、その詳細については後述する。移動鏡１４および固定鏡１５は、ＢＳ１３で分離された各光束を反射させる反射鏡であり、移動鏡１４は駆動機構２１によって並進駆動され、固定鏡１５は固定されている。光検出器１６は、ＢＳ１３から出射される干渉光を受光して検出し、演算部３に出力する。

駆動機構２１は、ＢＳ１３と移動鏡１４との間の光路長が変化するように移動鏡１４を平行移動させる機構である。図２は、駆動機構２１の概略の構成を示す説明図である。駆動機構２１は、２つの板ばね２２・２３を剛体２４・２５を介して平行に配置し、一方の板ばね２２上に形成した圧電素子２６の伸縮によって共振する平行板ばねで構成されている。移動鏡１４は、例えば板ばね２２上に形成されており、駆動機構２１による共振によって並進駆動される。例えば、水平方向に伸びるような電圧を圧電素子２６に印加することにより、板ばね２２・２３は同図の実線のように変形し、その結果、移動鏡１４は下方に（ＢＳ１３から遠ざかる方向に）変位する。一方、水平方向に縮むような電圧を圧電素子２６に印加することにより、板ばね２２・２３は同図の破線のように変形し、その結果、移動鏡１４は上方に（ＢＳ１３に近づく方向に）変位する。

このように、圧電素子２６の伸縮によって共振する平行板ばねで駆動機構２１を構成することにより、圧電素子２６を駆動する際の駆動電圧が小さくても、小型の構成で移動鏡１４を大きく変位させることができ、干渉計２の分解能を向上させる点で有利となる。

なお、駆動機構２１は、ＶＣＭ（ボイスコイルモータ）や静電アクチュエータを用いて、移動鏡１４を並進駆動する構成であってもよい。また、定常状態（静止状態）が移動ストロークの中点付近にある別の駆動方法（レールによる平行移動など）を用いてもよい。さらに、４本のばねを用いて移動鏡１４を共振させる構成であってもよい。

上記の構成において、光源１１から出射された光は、コリメート光学系１２によって平行光に変換された後、ＢＳ１３での透過および反射によって２光束に分離される。分離された一方の光束は移動鏡１４で反射され、他方の光束は固定鏡１５で反射され、それぞれ元の光路を逆戻りしてＢＳ１３で重ね合わせられ、干渉光として試料（図示せず）に照射される。このとき、駆動機構２１によって移動鏡１４を連続的に移動（並進）させながら試料に光が照射されるが、ＢＳ１３から各反射鏡（移動鏡１４、固定鏡１５）までの光路長の差が波長の整数倍のときは、重ね合わされた光の強度は最大となる。一方、移動鏡１４の移動によって２つの光路長に差が生じている場合には、重ね合わされた光の強度に変化が生じる。試料を透過した光は、光検出器１６に入射し、そこで時間的インターフェログラムとして検出される。

干渉計２の光検出器１６から出力される信号は、演算部３にてＡ／Ｄ変換およびフーリエ変換され、スペクトルとして出力部４で出力される。したがって、このスペクトルに基づき、試料の特性（材料、構造、成分量など）を知ることができる。また、試料を配置せず、光源１１から出射される光自体を分光分析の対象とすることもできる。また、干渉計２は、光源１１を内蔵している必要は必ずしもなく、光源１１は干渉計２の外部にあってよい。つまり、ＢＳ１３に入射する光は、干渉計２の内部の光源から入射する光であってもよいし、外部の光源から入射する光であってもよい。

（ＢＳの詳細について）
次に、上述したＢＳ１３の詳細について説明する。図３は、本実施形態の干渉計２の主要部の構成を拡大して示す説明図である。同図に示すように、ＢＳ１３は、平行平板である透明基板１３ａの片面に反射透過膜１３ｂを形成して構成されており、透明基板１３ａの片面が反射透過面となっている。

透明基板１３ａは、例えばガラス（ＢＫ７）で構成されているが、樹脂で構成されてもよい。反射透過膜１３ｂは、透明基板１３ａの移動鏡１４側の面に形成されており、入射光をほぼ５０：５０の割合で透過光と反射光とに分離する。ＢＳ１３は、光入射面（ＢＳ１３における反射透過膜１３ｂの形成面とは反対側の面）の法線と、光源１１（図１参照）から出射されてＢＳ１３に入射する光束の中心光線とのなす角度が例えば３０度となるように配置されているが、他の角度（例えば４５度）となるように配置されていてもよい。

なお、本実施形態では、ＢＳ１３の裏面に反射透過膜１３ｂを形成し、反射透過膜１３ｂを透過する光を移動鏡１４に導く構成としているが、ＢＳ１３の表面に反射透過膜１３ｂを形成し、反射透過膜１３ｂで反射される光を移動鏡１４に導く構成としてもよい。

（移動鏡の位置設定の詳細について）
次に、移動鏡１４の位置設定の詳細について説明する。なお、以下での説明の便宜上、図３に示すように、移動鏡１４で反射された光束と固定鏡１５で反射された光束との光路差がゼロとなるような移動鏡１４の位置を、第１の位置Ｐとする。そして、移動鏡１４の静止状態の位置であって、第１の位置Ｐに対してＢＳ１３側の位置を、第２の位置Ｑ_０とする。なお、この第２の位置Ｑ_０は、ＢＳ１３の反射透過面（反射透過膜１３ｂ）で分離される２光束のうち、透明基板１３ａを透過する側の光束（ここでは固定鏡１５側の光束）の光路長が、他方の光束（ここでは移動鏡１４側の光束）の光路長よりも相対的に長くなるような位置である。また、ＢＳ１３と固定鏡１５との距離をＬ１（ｍｍ）とし、ＢＳ１３と静止状態における移動鏡１４との距離をＬ２（ｍｍ）とし、移動鏡１４の移動方向において、距離Ｌ１と距離Ｌ２とが物理的に等しくなるような移動鏡１４の位置を、第３の位置Ｒとする。

また、駆動機構２１による駆動によって、移動鏡１４がＢＳ１３から最も離れる位置を、位置Ｑ_１とし、移動鏡１４がＢＳ１３に最も近づく位置を、位置Ｑ_２とする。図４は、移動鏡１４の第１の位置Ｐに対する移動量と、第２の位置Ｑ_０に対する移動量とを模式的に示している。以下、「２光束」と記載したときは、特に断らない限り、移動鏡１４で反射された光束と固定鏡１５で反射された光束とを指すものとする。なお、仮に、移動鏡１４を静止状態で第１の位置Ｐに位置させて移動鏡１４を往復で駆動した場合に、第１の位置Ｐに対して位置Ｑ_２とは反対側の位置であって、第１の位置Ｐからの移動量が位置Ｑ_２までの移動量と同じ移動量となる位置を、位置Ｑ_３とする。

本実施形態では、上記のように、移動鏡１４は、静止状態において、第１の位置Ｐに対してＢＳ１３側の第２の位置Ｑ_０にある。そして、駆動機構２１は、第２の位置Ｑ_０に対してＢＳ１３側とその反対側とで移動量が対称となるように移動鏡１４を移動させることによって、第１の位置Ｐに対してＢＳ１３側とその反対側とで移動鏡１４の移動量を非対称にさせている。

移動鏡１４の移動量は、第１の位置Ｐに対して非対称であることから、第１の位置Ｐは移動鏡１４の移動範囲に含まれており、移動鏡１４は駆動機構２１の駆動によって第１の位置Ｐを必ず通過する。この第１の位置Ｐでは、２光束の光路差がゼロとなるため、分光分析を行う際は、第１の位置Ｐを基準にして２光束の光路差（移動鏡１４の位置）を考えれば、平板型のＢＳ１３に起因する２光束の光路差を補償することができる。なお、第１の位置Ｐでは、光検出器１６からの出力信号を演算部３にてフーリエ変換したときに、入射光に含まれる全ての波長について強度が最大となる、いわゆるセンターバーストが起こるため、第１の位置Ｐを検出することは容易である。

このように移動鏡１４の移動範囲に第１の位置Ｐが含まれるように、駆動機構２１によって移動鏡１４を並進駆動することにより、平板型のＢＳ１３に起因する２光束の光路差の補償を、従来のように補償板を用いることなく行うことができ、小型で組み立てが容易な干渉計２を実現することができる。

また、移動鏡１４の移動量が第１の位置Ｐに対して非対称であるので、光源１１がある大きさを持ち、ＢＳ１３への入射光が軸上光線に対して傾いた軸外光線を有している場合でも、軸上光線と軸外光線との光路差に起因して干渉性能が大きく低下する範囲を避けるように移動鏡１４を移動させることができる。つまり、図４では、位置Ｑ_１から位置Ｑ_３までの範囲で軸外光線に起因して干渉性能が大きく低下するが、この範囲を避けるように、移動鏡１４を移動させることができる。これにより、軸外光線に起因する干渉性能の大幅な低下を回避して、干渉性能を補償することができる。

つまり、本実施形態の干渉計２の構成によれば、上述した平板型のＢＳ１３に起因する２光束の光路差の補償と、光源１１が大きさを持つ場合の干渉性能の補償とを両方行うことができる。よって、そのような干渉計２を備えた分光器１では、小型、軽量の構成で分光分析を精度よく行うことができる。

また、本実施形態では、第１の位置Ｐに対して移動鏡１４の移動量を非対称にさせるにあたり、駆動機構２１は、第２の位置Ｑ_０に対して移動量が対称となるように移動鏡１４を移動させればよく、第１の位置Ｐを基準として移動鏡１４を非対称に駆動するような特殊な駆動機構を用いなくても済む。

また、本実施形態と同じ移動鏡１４の移動範囲での２光束の干渉を少なくとも実現するために、例えば、第１の位置Ｐに対して移動鏡１４の移動量を対称にするとともに、移動鏡１４の全体の移動範囲を位置Ｑ_２から位置Ｑ_３まで確保する一方、その移動範囲に含まれる、干渉性能が大きく低下する範囲（位置Ｑ_１から位置Ｑ_３までの範囲）での干渉結果を使用しない方法もある。しかし、この方法では、移動鏡１４を位置Ｑ_２から位置Ｑ_３まで移動させるだけの駆動能力を駆動機構２１が備えている必要がある。

これに対して、本実施形態では、駆動機構２１は、移動鏡１４を位置Ｑ_２から位置Ｑ_１まで移動させるだけの駆動能力を備えていれば足り、移動鏡１４の全体の移動範囲を上記の方法に比べて少なくすることができる。これにより、駆動機構２１を小型で構成することが可能となり、この点でも小型の干渉計２を実現することが可能となる。

また、通常、光源１１はある大きさの出射面を持っており、どのようなコリメート光学系１２を用いても、入射光を完全に平行光に変換することはできず、ＢＳ１３に入射する軸上光線に対して軸外光線が傾き、これらの光線の間で光路差が生ずる。したがって、光源１１とコリメート光学系１２とを有する干渉計２では、上記光路差に起因して、移動鏡１４の移動に伴う干渉性能の大きな低下が生じやすいため、上記した本実施形態の構成が非常に有効となる。

また、図３に示すように、本実施形態では、移動鏡１４の静止状態での第２の位置Ｑ_０は、第１の位置Ｐよりも第３の位置Ｒに近くなるように設定されている。これは、以下の理由による。

ＢＳ１３に対する入射光が軸上光線のみであれば、２光束の光路差が光学的にゼロとなる第１の位置Ｐで、干渉光のコントラストが一番高くなる。しかし、ＢＳ１３に対する入射光が軸上光線のみならず、軸外光線を有している場合には、その軸外光線の影響により、Ｌ１＝Ｌ２となるような移動鏡１４の第３の位置Ｒで、干渉光のコントラストが最も高くなることが実験的にわかっている。

そこで、移動鏡１４の移動中間点にあたる第２の位置Ｑ_０を、第３の位置Ｒに近づけることにより、干渉計２の組み立ての際の固定鏡１５または移動鏡１４の位置調整がしやすくなる。つまり、移動鏡１４の静止状態で干渉光のコントラストができるだけ高くなる位置を基準にして、固定鏡１５または移動鏡１４の位置調整を行うと、傾き誤差がわずかに生じたときでもコントラストの低下（光検出器１６からの出力低下）が大きくなり、微小な誤差の検知感度が高くなるため、組み立て時の固定鏡１５または移動鏡１４の位置調整が容易になる。

なお、入射光が複数の波長を含む場合、各波長ごとに、干渉光のコントラストが最も高くなる移動鏡の位置１４は異なるが、単一の波長を入射光として用いることで、上記の位置調整を行うことができる。すなわち、上記の位置調整を行う場合は、波長幅のある近赤外光ではなく、単一波長の光を光源１１から出射させることで、干渉光のコントラストの低下を検知でき、位置調整を行うことができる。

なお、以上では、ＢＳ１３の反射透過面で反射された光束が透明基板１３ａを透過する側に固定鏡１５を配置した例について説明したが、上記光束が透明基板１３ａを透過する側に移動鏡１４を配置した場合でも、上記と同様の効果を得ることができる。ただし、この場合、移動鏡１４の静止状態での第２の位置Ｑ_０は、ＢＳ１３の反射透過面で分離される２光束のうち、透明基板１３ａを透過する側の光束（ここでは移動鏡１４側の光束）の光路長が、他方の光束（ここでは固定鏡１５側の光束）の光路長よりも相対的に長くなる位置であるので、第１の位置Ｐに対してＢＳ１３とは反対側に位置することになる。

（実施例について）
次に、上述した干渉計２の実施例について説明する。実施例１は、図１の光学系に対応した数値実施例であり、そのコンストラクションデータは以下の通りである。なお、説明の理解をしやすくするために、固定鏡１５側の光路と移動鏡１４側の光路とで、コンストラクションデータを分けて記載する。図５（ａ）は、干渉計２における固定鏡１５側の光路およびその光路上に位置する光学部材を示しており、図５（ｂ）は、移動鏡１４側の光路およびその光路上に位置する光学部材を示している。

以下のコンストラクションデータにおいて、Ｓｉ（ｉ＝０、１、２、・・・）は物体側から数えてｉ番目の面を指す。

具体的には、固定鏡１５側の光路では、Ｓ０は光源１１の発光面、Ｓ１およびＳ２はコリメート光学系１２の光入射面および光出射面、Ｓ３は仮想絞り面（ＳＴＯ）、Ｓ４はＢＳ１３の透過面、Ｓ５はＢＳ１３の反射透過面、Ｓ６はＳ５と同じ面、Ｓ７はＳ４と同じ面、Ｓ８は固定鏡１５の反射面、Ｓ９はＳ７と同じ面、Ｓ１０はＳ５と同じ面、Ｓ１１は移動鏡１４側と光学距離を合わせるためのダミー面、Ｓ１２はＳ１３と同じ面、Ｓ１３は仮想干渉面をそれぞれ指す。なお、Ｓ１１は、Ｓ５から１ｍｍ離れた位置にＳ５と平行に位置している。

一方、移動鏡１４側の光路では、Ｓ０は光源１１の発光面、Ｓ１およびＳ２はコリメート光学系１２の光入射面および光出射面、Ｓ３は仮想絞り面（ＳＴＯ）、Ｓ４はＢＳ１３の透過面、Ｓ５はＢＳ１３の反射透過面、Ｓ６はＳ５と同じ面、Ｓ７は固定鏡１５側と面数を合わせるためのダミー面、Ｓ８は移動鏡１４の反射面、Ｓ９はＳ７と同じ面、Ｓ１０はＳ５と同じ面、Ｓ１１は固定鏡１５側と光学距離を合わせるためのダミー面、Ｓ１２はＳ１３と同じ面、Ｓ１３は仮想干渉面をそれぞれ指す。なお、Ｓ７およびＳ９は、両側が空気で機能を持たない面であり、Ｓ４と同じ位置にある。

なお、コンストラクションデータにおいて、特に部品名の表記をしていない面は、偏芯データを入力するためのダミー面である。

また、ＲＭＤは面の特性を指し、ＲＥＦＬであれば反射面を、表記がない場合は屈折面を指す。また、屈折率の記載がないところは空気であることを指す。曲率半径および軸上面間隔の単位はｍｍである。

ＡＳＰは、以下のＸＹ多項式で表される非球面のデータを指す。ＸＹ多項式は、光源１１から光検出器１６に向かう光束の中心光線が進行する軸を光軸としたとき、その光軸方向をＺ軸、メリディオナル断面内でＺ軸に垂直な方向をＹ軸、サジタル断面内でＺ軸に垂直な方向をＸ軸として、面頂点からの距離を以下のように表したものである。
ｚ＝（Ｃ＊ｈ^２）／［１＋｛１−（１＋ｋ）＊Ｃ^２＊ｈ^２｝^１／２］
＋Ａ＊ｈ^４＋Ｂ＊ｈ^６＋Ｃ＊ｈ^８＋Ｄ＊ｈ^１０
ここで、ｚは面のローカルなＺ軸方向の面頂点からの位置、Ｃは近軸の曲率で曲率半径の逆数（１／ｍｍ）、ｋは円錐定数、ｈはＺ軸からの高さ（ｈ^２＝ｘ^２＋ｙ^２）、Ａは４次の非球面係数、Ｂは６次の非球面係数、Ｃは８次の非球面係数、Ｄは１０次の非球面係数である。なお、非球面データにおいて、Ｅ−ｎ＝×１０^−ｎを指す。

また、ＸＤＥはＸ方向の平行偏芯、ＹＤＥはＹ方向の平行偏芯、ＺＤＥはＺ方向の平行偏芯の各量（ｍｍ）をそれぞれ指し、ＡＤＥはＸ軸周りの回転、ＢＤＥはＹ軸周りの回転、ＣＤＥはＺ軸周りの回転の角度（°）をそれぞれ指す。ＧＬＢ ＧｉはＳｉ面を基準とするグローバル偏芯（表記がなければローカルな偏芯）であることを指す。回転中心の座標は、入射光束の中央位置を原点としたときの位置である。なお、ＢＳ１３は、Ｘ軸周りに回転するものとする。

また、図５（ａ）（ｂ）において、最初の光線は、左から右に向かって進行し（＋Ｚ軸方向）、反射面があれば光線は右から左に向かって進むものとする（計算の便宜上、角度が付いていても同じように考える）。そして、軸上面間隔および屈折率は、光線が左から右に進むときにはプラスとし、右から左に進むときにはマイナスとする。光線が右から左に進むとき、再び反射面があれば光線は左から右に進み、軸上面間隔および屈折率はプラスとなる。

したがって、例えば、固定鏡側光路においては、Ｓ５は反射面であるので、これ以降の軸上面間隔および屈折率はマイナスとなる。また、Ｓ８も反射面（固定鏡１５）なので、これ以降の軸上面間隔および屈折率は再びプラスとなる。また、移動鏡側光路においては、Ｓ５は透過面となるので、これ以降の軸上面間隔および屈折率はプラスのままである。Ｓ８は反射面（移動鏡１４）であるため、これ以降の軸上面間隔および屈折率はマイナスとなる。Ｓ１０は反射面となるので、これ以降の軸上面間隔および屈折率は再びプラスとなる。

波長９００ｎｍにおけるＢＫ７＿ＳＣＨＯＴＴの屈折率は１．５０８９９７である。また、実施例１では、光源１１からの光は、ＢＳ１３に対して入射角３０°で入射しているものとする。

＜実施例１＞
[固定鏡側光路]
曲率半径 軸上面間隔 RMD 屈折率

S0 INFINITY 7.389570

S1 93.21306 3.324607 1.508997
（コリメータ光入射面）
ASP:
K: 0.000000
A:-0.265511E-02 B:0.206250E-03 C:-0.232303E-04 D:0.000000E+00

S2 -4.99769 27.857015
（コリメータ光出射面）
ASP:
K: 0.000000
A:-0.443198E-03 B:0.436195E-04 C:-0.195884E-05 D:-0.170634E-06

S3 INFINITY 0.000000
（ＳＴＯ）

S4 INFINITY 1.154701 1.508997
（ＢＳ透過面）
XDE: 0.000000 YDE: 0.000000 ZDE: -1.154701 GLB G3
ADE: 30.000000 BDE: 0.000000 CDE: 0.000000

S5 INFINITY 0.000000 REFL -1.508997
（ＢＳ反射透過面）
XDE: 0.000000 YDE: 0.000000 ZDE: 0.000000 GLB G3
ADE: 30.000000 BDE: 0.000000 CDE: 0.000000

S6 INFINITY -1.000000 -1.508997
（S5と一致）

S7 INFINITY -9.000000
（S4と一致）

S8 INFINITY 9.000000
（固定鏡反射面）
XDE: 0.000000 YDE: -8.660254 ZDE: -5.000000 GLB G3
ADE: 60.000000 BDE: 0.000000 CDE: 0.000000

S9 INFINITY 1.000000 1.508997
（S7と一致）
XDE: 0.000000 YDE: 0.000000 ZDE: 0.000000 GLB G7
ADE: 0.000000 BDE: 0.000000 CDE: 0.000000

S10 INFINITY 1.000000
（S5と一致）
XDE: 0.000000 YDE: 0.000000 ZDE: 0.000000 GLB G5
ADE: 0.000000 BDE: 0.000000 CDE: 0.000000

S11 INFINITY 9.000000

S12 INFINITY 0.000000
（S13と一致）
XDE: 0.000000 YDE: 8.660254 ZDE: 5.000000 GLB G3
ADE: 60.000000 BDE: 0.000000 CDE: 0.000000

S13 INFINITY 0.000000
（仮想干渉面）

[移動鏡側光路]
曲率半径 軸上面間隔 RMD 屈折率

S0 INFINITY 7.389570

S1 93.21306 3.324607 1.508997
（コリメータ光入射面）
ASP:
K: 0.000000
A:-0.265511E-02 B:0.206250E-03 C:-0.232303E-04 D:0.000000E+00

S2 -4.99769 27.857015
（コリメータ光出射面）
ASP:
K: 0.000000
A:-0.443198E-03 B:0.436195E-04 C:-0.195884E-05 D:-0.170634E-06

S3 INFINITY 0.000000
（ＳＴＯ）

S4 INFINITY 1.154701 1.508997
（ＢＳ透過面）
XDE: 0.000000 YDE: 0.000000 ZDE: -1.154701 GLB G3
ADE: 30.000000 BDE: 0.000000 CDE: 0.000000

S5 INFINITY 0.000000 1.508997
（ＢＳ反射透過面）
XDE: 0.000000 YDE: 0.000000 ZDE: 0.000000 GLB G3
ADE: 30.000000 BDE: 0.000000 CDE: 0.000000

S6 INFINITY 1.000000
（S5と一致）

S7 INFINITY 9.000000

S8 INFINITY -9.000000
（移動鏡反射面）
XDE: 0.000000 YDE: 0.000000 ZDE: 10.557727 GLB G3
ADE: 0.000000 BDE: 0.000000 CDE: 0.000000

S9 INFINITY -1.000000
（S7と一致）
XDE: 0.000000 YDE: 0.000000 ZDE: 0.000000 GLB G7
ADE: 0.000000 BDE: 0.000000 CDE: 0.000000

S10 INFINITY 1.000000 REFL
（S5と一致）
XDE: 0.000000 YDE: 0.000000 ZDE: 0.000000 GLB G5
ADE: 0.000000 BDE: 0.000000 CDE: 0.000000

S11 INFINITY 9.000000

S12 INFINITY 0.000000
（S13と一致）
XDE: 0.000000 YDE: 8.660254 ZDE: 5.000000 GLB G3
ADE: 60.000000 BDE: 0.000000 CDE: 0.000000

S13 INFINITY 0.000000
（仮想絞り面）

[スペック]
光源の大きさ（直径） 0.3mm
入射瞳（ＳＴＯ）直径 2.62827mm
設計波長 900.00nm

表１は、移動鏡１４の位置に対する干渉光のコントラストの変化を示している。なお、コントラストは、最も干渉強度の高い状態を１とする相対値で示している。

移動鏡１４は、第１の位置Ｐを基準にして、ＢＳ１３に近づく側に２．５００２ｍｍ変位し（−２．５００２ｍｍ変位し）、ＢＳ１３から遠ざかる側に０．５００４ｍｍ変位する（＋０．５００４ｍｍ変位する）。このように、移動鏡１４の移動量は、第１の位置Ｐに対してＢＳ１３側とその反対側とで非対称であるが、移動鏡１４の両端の２か所の位置（最大変位の位置）でのコントラストはほぼ同じとなっている。

つまり、本実施形態のように、移動鏡１４の移動量を第１の位置Ｐに対して非対称とすることにより、干渉性能が大幅に低下する範囲（第１の位置Ｐから＋０．５００４〜＋１．５００３ｍｍの範囲）以外に移動鏡１４を位置させて２光束を干渉させることが可能となり、入射光が軸外光線を有している場合でも、干渉性能を補償することが可能となる。

本発明の干渉計は、例えばフーリエ変換分光分析装置に利用可能である。

１ 分光器
２ 干渉計
３ 演算部（スペクトル生成部）
１１ 光源
１２ コリメート光学系
１３ ＢＳ（ビームスプリッタ）
１３ａ 透明基板
１４ 移動鏡
１５ 固定鏡
１６ 光検出器
２１ 駆動機構

Claims (6)

1. 入射光を２光束に分離するビームスプリッタと、
   移動鏡および固定鏡と、
   前記移動鏡を並進駆動する駆動機構とを備え、前記ビームスプリッタで分離された各光束を、前記移動鏡および前記固定鏡で反射させ、前記移動鏡を並進させながら前記ビームスプリッタで合成して干渉させる干渉計であって、
   前記ビームスプリッタは、透明基板の片面が反射透過面である平板型のビームスプリッタであり、
   前記移動鏡は、静止状態において、前記移動鏡で反射された光束と前記固定鏡で反射された光束との光路差がゼロとなる第１の位置に対して、前記ビームスプリッタの前記反射透過面で分離される２光束のうち、前記移動鏡または前記固定鏡を介して再度前記反射透過面に入射するまでに前記透明基板を透過する側の光束の光路長が、他方の光束の光路長よりも相対的に長くなる第２の位置にあり、
   前記第１の位置は、前記移動鏡の往復の移動範囲に含まれており、
   前記駆動機構は、前記第２の位置に対して前記ビームスプリッタ側とその反対側とで移動量が対称となるように前記移動鏡を移動させることによって、前記第１の位置に対して前記ビームスプリッタ側とその反対側とで前記移動鏡の移動量を非対称にさせることを特徴とする干渉計。
2. 前記駆動機構は、前記移動鏡を共振によって並進駆動することを特徴とする請求項１に記載の干渉計。
3. 前記ビームスプリッタから出射される干渉光を受光してその検知信号を出力する光検出器をさらに備え、
   前記ビームスプリッタと前記固定鏡との距離をＬ１とし、前記ビームスプリッタと静止状態における前記移動鏡との距離をＬ２とし、前記移動鏡の移動方向において、距離Ｌ１と距離Ｌ２とが物理的に等しくなるような前記移動鏡の位置を、第３の位置とすると、
   前記第２の位置は、前記第１の位置よりも前記第３の位置に近いことを特徴とする請求項１または２に記載の干渉計。
4. 前記駆動機構は、圧電素子の伸縮によって共振する平行板ばねで構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の干渉計。
5. 光源と、
   前記光源から出射される光を平行光に変換して前記ビームスプリッタに導くコリメート光学系とをさらに備えていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の干渉計。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の干渉計と、
   前記干渉計から出力される干渉光の検知信号に基づいて、波長ごとの光の強度を示すスペクトルを生成するスペクトル生成部とを備えていることを特徴とする分光器。

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