JP5594833B2 - 分光分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、分光分析装置に関するものである。

従来から、例えば、ＦＴ−ＩＲ（Fourier Transform Infrared Spectroscopy）等、マイケルソン干渉計を用いた分光分析装置が知られている。特許文献１の分光分析装置では、マイケルソン干渉計において、光源から出射した光を分岐させて固定鏡と可動鏡とでそれぞれ反射させた後に、これらの反射光を互いに合波させて干渉光を生成する。

この分光分析装置では、試料を透過した干渉光を検出器で受光し、受光した干渉光を光電変換した後にフーリエ変換することで、試料に吸収された光の波長及び吸収量を検出する。この分光分析装置では、こうして検出された光の波長及び吸収量に基づいて、試料の原子・分子構造や量等を特定するようにしている。

特開平１０―１７６９５２号公報

特許文献１に記載の分光分析装置の干渉計では、光を空間内において伝送させているため、光を安定して伝送することができない場合があり、このような場合には干渉光を安定して形成することができない。したがって、こうした干渉計を用いて分光分析を行うと、測定対象物の分析精度が低下する。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、干渉光を安定して形成することができる干渉計を有する分光分析装置を提供することにある。

上記課題を解決すべく、請求項１に記載の発明は、広帯域光を出射する光源と、前記光源からの光を伝送する光ファイバと、前記光ファイバにより伝送された光を分岐させる分岐用ファイバカプラと、前記分岐された各光をそれぞれ反射させる固定鏡及び可動鏡と、前記各鏡で反射した各反射光を互いに合波して干渉光を生成する干渉光用ファイバカプラと、前記生成された干渉光を測定光として、測定対象物透過後又は反射後の前記測定光の強度を検出する測定光検出手段と、前記各鏡で反射した各反射光を互いに合波して参照光を生成する参照光用ファイバカプラと、前記参照光の強度を検出する参照光検出手段と、前記測定光検出手段による検出結果と前記参照光検出手段による検出結果とを比較する比較手段とを備え、前記光源から前記光が干渉光として合波されるまでの光路に存在するファイバカプラは、前記光源からの光がクロスポートを同一回数ずつ通過し、且つストレートポートを同一回数ずつ通過するように接続されており、前記光源から前記光が参照光として合波されるまでの光路に存在するファイバカプラは、前記光源からの光がクロスポートを同一回数ずつ通過し、且つストレートポートを同一回数ずつ通過するように接続されている。

上記構成の分光分析装置では、光ファイバを用いて光を伝送させるため、干渉光を生成するための光を安定して伝送させることができる。
また、上記構成では、光ファイバを用いて干渉計を構成するため、光を固定鏡及び可動鏡へと分岐させる手段として、ファイバカプラが用いられるとともに、各鏡で反射した光を合波させる手段としてファイバカプラが用いられる。ファイバカプラでは、図４に示すように、光ファイバＦを通じてファイバカプラＦＣに流入した光が、光が流入したコアＣＯと連続しているコアＣＯを有するストレートポート側の光ファイバＦと、コアＣＯがクラッドＣＬを介して接続されているクロスポート側の光ファイバＦとに分岐して流れる。

ここで、ファイバカプラによっては、クロスポート側とストレートポート側における光の分岐比率が異なる場合がある。そのため、こうしたファイバカプラを用いると、固定鏡及び可動鏡のそれぞれで反射した各反射光が伝送される経路によっては、合波される２つの反射光の強度が異なることがある。このような場合、２つの光の干渉バランスが崩れて干渉光を適切に生成することができない。そのため、例えば、こうして生成された干渉光を試料に入射させて試料の分析を行う場合には、その分析精度が低下する。特に、試料の定量分析を行う場合には、試料の吸収量を精密に検出する必要があるため、試料に入射する干渉光を適切に生成することができないと、分析精度が低下するといった問題が深刻となる。

そこで、上記構成では、光源からの光が合波されるまでに、ファイバカプラのクロスポートを同一回数ずつ通過し、且つストレートポートを同一回数ずつ通過するようにしている。これにより、干渉光用ファイバカプラで合波される２つの光の強度が互いに等しくなるため、合波される光の干渉バランスが保たれ、干渉光を適切に生成することができる。
また、適切に生成された干渉光を測定光とし、この測定光の測定対象物透過後又は反射後の測定光の強度を検出する。したがって、検出された測定光の強度に基づいて測定対象物の分析を行うことにより、測定対象物の分析精度を向上させることができる。
そして、参照光用ファイバカプラで合波される２つの光の強度が互いに等しくなるため、合波される２つの光の干渉バランスが保たれ、干渉光を適切に生成することができる。比較手段は、こうして生成された参照光と測定対象物透過後又は反射後の測定光との比較を行うため、測定対象物透過後又は反射後の測定光の量をより適切に検出することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記各反射光が前記干渉光用ファイバカプラで互いに同位相で合波されるように、前記各反射光の位相を調整する干渉光用の位相調整手段を備える。

上記構成によれば、干渉光用ファイバカプラで合波される２つの光は、互いに強度が等しいことに加えて、位相が等しい。したがって、より適切に干渉し合った干渉光を生成することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記各反射光が前記参照光用ファイバカプラで互いに逆位相で合波されるように、前記各反射光の位相を調整する参照光用の位相調整手段を備える。

上記構成によれば、逆位相の光が参照光用ファイバカプラで合波されるため、光が伝送される際に生じるノイズに相当する波形を有する参照光を得ることができる。したがって、測定対象物透過後又は反射後の測定光とノイズを示す光との比較が行われることで、測定光の検出結果からノイズを除去することができる。

本発明によれば、光ファイバにより光を安定して伝送させることができるとともに、強度が等しい２つの光を合波させて干渉光を生成することができるため、干渉光を適切に生成することができる。

本発明の一実施形態にかかる分光分析装置を示す模式図。 実施形態に係るファイバカプラにおける各波長での分岐比率を示すグラフ。 （ａ）及び（ｂ）は、測定光の波形図であり、（ｃ）は参照光の波形図。 ファイバカプラを示す断面図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図１〜図３を参照して説明する。図１に、本実施形態に係る分光分析装置を示す。本実施形態に係る分光分析装置１０は、マイケル干渉計を用いた分光分析装置であり、試料測定部２２に含まれる試料の量を検出する定量分析を行うものである。

分光分析装置１０は、光源１１と、光源１１から出射された光を集束光とする光源レンズ１２を備えている。光源１１は、白色ＬＥＤであり、広帯域光を出射する。分光分析装置１０では、光源１１から出射される光が複数の光ファイバＦ１〜Ｆ２８を通じて伝送される。

分光分析装置１０では、光源１１から出射された光が光源レンズ１２を通じて第１光ファイバＦ１に流入するように構成されている。第１光ファイバＦ１は、第２光ファイバＦ２と第１ファイバカプラＦＣ１で結合されており、第３光ファイバＦ３及び第４光ファイバＦ４に分岐されている。第１ファイバカプラＦＣ１では、第１光ファイバＦ１のストレートポート（以下、単にストレートという）側で且つ第２光ファイバＦ２のクロス（以下、単にクロスという）ポート側に第３光ファイバＦ３が接続され、第１光ファイバＦ１のクロス側で第２光ファイバＦ２のストレート側に第４光ファイバＦ４が接続されている。第１ファイアカプラＦＣ１は、後記するように、光源１１から出射される光を可動鏡１４及び固定鏡１６へ入射させるべく分岐させるものであり、分岐用ファイバカプラを構成している。

第２光ファイバＦ２において、第１ファイバカプラＦＣ１と接続される側と反対側の端部は、光の反射防止処理が施されている。なお、後記する第６、第１０、第１１、第１６、第２１、第２５の各光ファイバＦ６，Ｆ１０，Ｆ１１，Ｆ１６，Ｆ２１，Ｆ２５においても、一方の端部がファイバカプラ等と接続されておらず、この端部では光の反射防止処理が施されている。

第１ファイバカプラＦＣ１では、コアが連続している第１光ファイバＦ１及び第３光ファイバＦ３と、第２光ファイバＦ２及び第４光ファイバＦ４との間がエバネッセント結合されており、本実施形態では、以下に説明する全てのファイバカプラＦＣ２〜ＦＣ７が、光ファイバをエバネッセント結合している。

図２に示すように、光ファイバをエバネッセント結合するファイバカプラでは、光ファイバを通じてファイバカプラに流入した光が、ストレート側の光ファイバとクロス側の光ファイバとに分岐される際に、波長毎に異なる分岐比率で分岐される。具体的には、このようなファイバカプラでは、光ファイバを通じてファイバカプラに流入した光がクロス側の光ファイバよりもストレート側の光ファイバに多く流れる。また、ストレート側の光ファイバに分岐される光の分岐比率は、短波長側よりも長波長側のほうが高い。また、ファイバカプラでは、流入した光がストレート側の光ファイバに分岐される場合には位相が維持され、クロス側の光ファイバに分岐される場合には、位相がπ／２進む。

第３光ファイバＦ３は、第５光ファイバＦ５と、第２ファイバカプラＦＣ２で結合されており、第６光ファイバＦ６及び第７光ファイバＦ７に分岐されている。第２ファイバカプラＦＣ２では、第３光ファイバＦ３のストレート側で且つ第５光ファイバＦ５のクロス側に第６光ファイバＦ６が接続され、第３光ファイバＦ３のクロス側で第５光ファイバＦ５のストレート側に第７光ファイバＦ７が接続されている。

第７光ファイバＦ７から流出した光は、可動側レンズ１３を通じて可動鏡１４に入射することで、可動鏡１４で反射されるように構成されている。可動鏡１４は、図示しない駆動機構によって、図１の破線矢印に示す方向に往復動可能に構成されている。

第４光ファイバＦ４は、第８光ファイバＦ８と、第３ファイバカプラＦＣ３で結合されており、第９光ファイバＦ９及び第１０光ファイバＦ１０に分岐されている。第３ファイバカプラＦＣ３では、第４光ファイバＦ４のストレート側で且つ第８光ファイバＦ８のクロス側に第９光ファイバＦ９が接続され、第４光ファイバＦ４のクロス側で第８光ファイバＦ８のストレート側に第１０光ファイバＦ１０が接続されている。

第９光ファイバＦ９から流出した光は、固定側レンズ１５を通じて固定鏡１６に入射することで、固定鏡１６で反射されるように構成されている。固定鏡１６は、移動不能である。

第５光ファイバＦ５は、第２ファイバカプラＦＣ２に接続される側と反対側の端部が、第１１光ファイバＦ１１と第４ファイバカプラＦＣ４で結合されており、第１２光ファイバＦ１２及び第１３光ファイバＦ１３に分岐されている。第４ファイバカプラＦＣ４では、第５光ファイバＦ５のストレート側で且つ第１１光ファイバＦ１１のクロス側に第１２光ファイバＦ１２が接続され、第５光ファイバＦ５のクロス側で第１１光ファイバＦ１１のストレート側に第１３光ファイバＦ１３が接続されている。

第１２光ファイバＦ１２は、第１位相調整器Ｐ１を介して第１４光ファイバＦ１４に接続されている。第１位相調整器Ｐ１及び後記する第２〜第４の各位相調整器Ｐ２〜Ｐ４は、流入する光の位相を調整するものであり、第１位相調整器Ｐ１は、流入する光の位相を維持するように構成されている。また、第１３光ファイバＦ１３は、第２位相調整器Ｐ２を介して第１５光ファイバＦ１５に接続されている。第２位相調整器Ｐ２は、流入する光の位相をπ進ませるように構成されている。

第８光ファイバＦ８は、第３ファイバカプラＦＣ３に接続する側と反対側の端部が、第１６光ファイバＦ１６と第５ファイバカプラＦＣ５で結合されており、第１７光ファイバＦ１７及び第１８光ファイバＦ１８に分岐されている。第５ファイバカプラＦＣ５では、第８光ファイバＦ８のストレート側で且つ第１６光ファイバＦ１６のクロス側に第１７光ファイバＦ１７が接続され、第８光ファイバＦ８のクロス側で第１６光ファイバＦ１６のストレート側に第１８光ファイバＦ１８が接続されている。

第１７光ファイバＦ１７は、第３位相調整器Ｐ３を介して第１９光ファイバＦ１９に接続されている。第３位相調整器Ｐ３は、流入する光の位相を維持するように構成されている。また、第１８光ファイバＦ１８は、第４位相調整器Ｐ４を介して第２０光ファイバＦ２０に接続されている。第４位相調整器Ｐ４は、流入する光の位相を維持するように構成されている。

第１４光ファイバＦ１４と第１９光ファイバＦ１９とは、第６ファイバカプラＦＣ６で結合されており、第２１光ファイバＦ２１と第２２光ファイバＦ２２とに分岐されている。第６ファイバカプラＦＣ６では、第１４光ファイバＦ１４のストレート側で且つ第１９光ファイバＦ１９のクロス側に第２１光ファイバＦ２１が接続され、第１４光ファイバＦ１４のクロス側で第１９光ファイバＦ１９のストレート側に第２２光ファイバＦ２２が接続されている。第６ファイバカプラＦＣ６では、後記するように、可動鏡１４で反射した反射光と、固定鏡１６で反射した反射光とが合波されて干渉し合い測定光としての干渉光が生成される。したがって、本実施形態では、第６ファイバカプラＦＣ６が、干渉光用ファイバカプラを構成している。

第２２光ファイバＦ２２において、第６ファイバカプラＦＣ６と反対側には、第１測定光レンズ２１、試料測定部２２、及び第２測定光レンズ２３が順に接続されている。第１測定光レンズ２１は、入射する光を試料測定部２２の試料上で集束させるためのものである。なお、第１測定光レンズ２１として、リレーレンズを用いるようにしてもよい。試料測定部２２内には測定対象物となる試料が収容されている。第２測定光レンズ２３は、入射する光を集光するためのものである。

第２測定光レンズ２３は、第２３光ファイバＦ２３を介して測定光量調整部２４に接続され、測定光量調整部２４は、第２４光ファイバＦ２４を介して検出器３０に接続されている。測定光量調整部２４は、表面の曲率が部位毎に異なる１対のレンズを備えており、一対のレンズが対面し合う領域を変更することで、第２３光ファイバＦ２３から流出した光の量を調整して、検出器３０に流入する光の量を調整するものである。なお、測定光量調整部２４としては、コリメートレンズやグリーレンズなどを用いることができる。

第１５光ファイバＦ１５と第２０光ファイバＦ２０とは、第７ファイバカプラＦＣ７で結合されており、第２５光ファイバＦ２５と第２６光ファイバＦ２６とに分岐されている。第７ファイバカプラＦＣ７では、第１５光ファイバＦ１５のストレート側で且つ第２０光ファイバＦ２０のクロス側に第２５光ファイバＦ２５が接続され、第１５光ファイバＦ１５のクロス側で第２０光ファイバＦ２０のストレート側に第２６光ファイバＦ２６が接続されている。第７ファイバカプラＦＣ７では、後記するように、可動鏡１４で反射した反射光と、固定鏡１６で反射した反射光とが合波されて干渉し合い参照光が生成される。したがって、本実施形態では、第７ファイバカプラＦＣ７が、参照光用ファイバカプラを構成している。

第２６光ファイバＦ２６において、第７ファイバカプラＦＣ７と反対側には、第１参照光レンズ２５、光路長調整部２６、及び第２参照光レンズ２７が順に接続されている。第１参照光レンズ２５は、入射する光を平行光とするためのものである。第２参照光レンズ２７は、入射する光を集光するためのものである。

光路長調整部２６は、測定光と参照光との伝播時間を一致させるためのものである。すなわち、試料測定部２２に収容される試料に応じて、測定光が試料測定部２２を伝播する時間が異なるため、分光分析装置１０が検出する試料に応じて、光路長調整部２６により参照光の伝播時間を調整する。

光路長調整部２６は、詳細には、第１〜第４の４個の反射鏡２６ａ〜２６ｄを備えており、第１反射鏡２６ａに入射した光が、第１反射鏡２６ａで反射し、第２反射鏡２６ｂ、第３反射鏡２６ｃ及び第４反射鏡２６ｄを順に反射するように構成されている。また、第２反射鏡２６ｂと第３反射鏡２６ｃとは図１の破線矢印に示す方向に変位可能に構成されている。これにより、第１反射鏡２６ａから第２反射鏡２６ｂまでの距離及び第３反射鏡２６ｃから第４反射鏡２６ｄまでの距離が変化することで、光路長調整部２６における参照光の光路長が調整可能である。これにより、第２６光ファイバＦ２６から流出した参照光が、第１参照光レンズ２５で平行光となり、光路長調整部２６で光路長調整されて、第２参照光レンズ２７に入射し、第２参照光レンズ２７で集光される。

第２参照光レンズ２７は、第２７光ファイバＦ２７を介して参照光量調整部２８に接続され、参照光量調整部２８は、第２８光ファイバＦ２８を介して検出器３０に接続されている。参照光量調整部２８は、測定光量調整部２４と同様の原理により、検出器３０に流入する光の参照光の量を調整するものである。

検出器３０は、測定光と参照光の強度を検出して比較するものである。検出器３０は、測定光検出手段としての測定光電変換部３１と、参照光検出手段としての参照光電変換部３２と、比較手段としての比較部３３とを備えている。測定光電変換部３１は、測定光を受光して電気信号（電圧値）に変換するものであり、参照光電変換部３２は、参照光を受光して電気信号（電圧値）に変換するものである。比較部３３は、各光電変換部３１，３２が出力する電気信号が入力され、この電気信号を演算処理することで、測定光と参照光とを比較し、その比較結果を出力する。

検出器３０は、アナログーデジタル変換器３４を介してパーソナルコンピュータ３５に接続されている。アナログーデジタル変換器３４は、比較部３３が出力したアナログ信号をデジタル信号に変換し、パーソナルコンピュータ３５に出力する。パーソナルコンピュータ３５には、予め元素データ及びその吸収スペクトルのデータが格納されている。パーソナルコンピュータ３５は、表示画面を備えており、入力されるデジタル信号をフーリエ変換して、予め格納されているデータと比較することで、試料測定部２２の試料に吸収された測定光の波長及び量から試料を特定するとともに試料の量を導出し、その結果を表示画面に表示する。

次に、分光分析装置１０の動作について説明する。分光分析装置１０では、光源１１から出射される光が以下のように伝送されることで、試料の定量分析が行われる。光源１１から出射された光は、第１光ファイバＦ１を流れて、第１ファイバカプラＦＣ１で、第３光ファイバＦ３と第４光ファイバＦ４とに分岐して流れる。

第１ファイバカプラＦＣ１において、第３光ファイバＦ３に分岐した光は、第２ファイバカプラＦＣ２で第６光ファイバＦ６と第７光ファイバＦ７とに分岐して流れる。第７光ファイバＦ７を流れた光は、可動側レンズ１３で平行光となり、可動鏡１４に入射して反射する。なお、以下では、光源１１から出射して可動鏡１４で反射した光を可動反射光という。また、可動鏡１４は、試料の定量分析中に図１の矢印に示す方向に変位する。可動反射光は、可動鏡１４で反射した後、可動側レンズ１３で集光されて再び第７光ファイバＦ７へと流入し、第２ファイバカプラＦＣ２を介して第５光ファイバＦ５へ流れる。

第５光ファイバＦ５を流れた可動反射光は、第４ファイバカプラＦＣ４において第１２光ファイバＦ１２と第１３光ファイバＦ１３とに分岐して流れる。第１２光ファイバＦ１２に分岐した可動反射光は、第１位相調整器Ｐ１を介して第１４光ファイバＦ１４へ流れる。一方、第１３光ファイバＦ１３に分岐した可動反射光は、第２位相調整器Ｐ２を介して第１５光ファイバＦ１５へ流れる。

第１ファイバカプラＦＣ１において、第４光ファイバＦ４に分岐した光は、第３ファイバカプラＦＣ３で第９光ファイバＦ９と第１０光ファイバＦ１０とに分岐して流れる。第９光ファイバＦ９を流れた光は、固定側レンズ１５で平行光となり、固定鏡１６に入射して反射する。なお、以下では、光源１１から出射して固定鏡１６で反射した光を固定反射光という。固定反射光は、固定側レンズ１５で集光されて第９光ファイバＦ９に流入する。そして、固定反射光は、第３ファイバカプラＦＣ３において第８光ファイバＦ８へと流れる。

第８光ファイバＦ８を流れた固定反射光は、第５ファイバカプラＦＣ５において第１７光ファイバＦ１７と第１８光ファイバＦ１８とに分岐して流れる。第１７光ファイバＦ１７に分岐した固定反射光は、第３位相調整器Ｐ３を介して第１９光ファイバＦ１９へ流れる。一方、第１８光ファイバＦ１８に分岐した固定反射光は、第４位相調整器Ｐ４を介して第２０光ファイバＦ２０へ流れる。

第１４光ファイバＦ１４を流れる可動反射光と、第１９光ファイバＦ１９を流れる固定反射光とは、第６ファイバカプラＦＣ６を介して第２２光ファイバＦ２２に流入する。これにより、第２２光ファイバＦ２２に流入する可動反射光と固定反射光とが合波されて干渉光が生成され、この干渉光が測定光となる。

ここで、第２２光ファイバＦ２２に流入する可動反射光は、光源１１から第６光ファイバＦ６までの各ファイバカプラＦＣ１，ＦＣ２，ＦＣ４，ＦＣ６において、表１に示す態様で分岐される。また、この分岐態様によって、光源１１から出射される光に対して、位相が表１に示すように変化している。

表１に示すように、可動反射光では、第１光ファイバＦ１から第１ファイバカプラＦＣ１においてストレート側の第３光ファイバＦ３へ流れ、第２ファイバカプラＦＣ２でクロス側の第７光ファイバＦ７へと流れる。そして、可動鏡１４で反射した後には、第２ファイバカプラＦＣ２でストレート側の第５光ファイバＦ５へ流れ、第４ファイバカプラＦＣ４でストレート側の第１２光ファイバＦ１２へと流れる。そして、第６ファイバカプラＦＣ６において、クロス側の第２２光ファイバＦ２２へと流れる。したがって、第２２光ファイバＦ２２に流入する可動反射光は、通過する各ファイバカプラＦＣ１，ＦＣ２，ＦＣ４，ＦＣ６において、ストレート側へ３回、クロス側へ２回分岐している。

また、光がファイバカプラのクロス側に分岐される際には、位相がπ／２進み、可動鏡で反射する際には、位相がπ進む。したがって、表１に示すように、可動反射光は、第３光ファイバＦ３を流れる光が第２ファイバカプラＦＣ２からクロス側の第７光ファイバＦ７へ流れる際に、位相がπ／２進み、可動鏡１４で反射する際に、位相がさらにπ進んで、光源１１から出射される光に対して位相が３π／２進んだ状態となる。そして、第４ファイバカプラＦＣ４及び第１位相調整器Ｐ１では、位相が維持され、第６ファイバカプラＦＣ６で第２２光ファイバＦ２２へ流入する際に、位相がπ／２進んで２πとなり、光源１１から出射される光と同位相（位相差「０」）となる。

一方、第２２光ファイバＦ２２に流入する固定反射光は、光源１１から第６光ファイバＦ６までの各ファイバカプラＦＣ１，ＦＣ３，ＦＣ５，ＦＣ６において、表２に示す態様で分岐される。また、この分岐態様によって、光源１１から出射される光に対して、位相が表２に示すように変化している。

表２に示すように、固定反射光では、光源から出射された光が第１光ファイバＦ１から第１ファイバカプラＦＣ１でクロス側の第４光ファイバＦ４へ流れ、第３ファイバカプラＦＣ３でストレート側の第９光ファイバＦ９へ流れる。そして、固定鏡１６で反射した後には、第３ファイバカプラＦＣ３でクロス側の第８光ファイバＦ８へと流れ、第５ファイバカプラＦＣ５でストレート側の第１７光ファイバＦ１７へと流れ、第６ファイバカプラＦＣ６において、ストレート側の第２２光ファイバＦ２２へと流れる。したがって、固定鏡１６で反射する光は、通過する各ファイバカプラＦＣ１，ＦＣ３，ＦＣ５，ＦＣ６において、ストレート側へ３回、クロス側へ２回分岐している。

また、表２に示すように、固定反射光は、第１光ファイバＦ１を流れる光が、第１ファイバカプラＦＣ１からクロス側の第４光ファイバＦ４へ流れる際に、位相がπ／２進む。そして、第３ファイバカプラＦＣ３を通過する際には位相が維持され、固定鏡１６で反射する際に、位相がπ進んで、光源１１から出射される光に対して位相が３π／２進んだ状態となる。そして、第３ファイバカプラＦＣ３においてクロス側の第８光ファイバＦ８に流入するため、位相がπ／２進み２πとなり、光源１１から出射される光と同位相（位相差「０」）となる。この光は、第５ファイバカプラＦＣ５及び第３位相調整器Ｐ３で位相が維持され、さらに第６ファイバカプラＦＣ６でストレート側の第２２光ファイバＦ２２に流入するため、位相が維持される。

以上のように、第２２光ファイバＦ２２に流入する可動反射光と固定反射光とは、ファイバカプラのストレート側に３回、クロス側に２回分岐されている。したがって、第６ファイバカプラＦＣ６において第２２光ファイバＦ２２に流入して合波される２つの光は、ファイバカプラＦＣ１〜ＦＣ６においてストレート側に分岐される回数が同じであり、ファイバカプラＦＣ１〜ＦＣ６のクロス側に分岐される回数が同じである。これにより、各ファイバカプラＦＣ１〜ＦＣ６では、ストレート側とクロス側とに分岐される光の分岐比率が波長毎に異なっているものの、第２２光ファイバＦ２２に流入する可動反射光と固定反射光の波長毎の光の強度を等しくすることができる。したがって、第６ファイバカプラＦＣ６では、波長毎の強度が等しい２つの光を合波することができるため、測定光としての干渉光を適切に生成することができる。

また、第２２光ファイバＦ２２に流入する可動反射光と固定反射光とは、ともに光源１１から出射される光と同位相であるため、互いに位相が等しい。したがって、同位相の光が合波して測定光が生成されるため、測定光としての干渉光を適切に生成することができる。なお、本実施形態では、ファイバカプラＦＣ１〜ＦＣ６及び第１及び第３の各位相調整器Ｐ１，Ｐ３により第２２光ファイバＦ２２に流入する可動反射光と固定反射光とが同位相に調整される。したがって、ファイバカプラＦＣ１〜ＦＣ６及び第１及び第３の各位相調整器Ｐ１，Ｐ３が、測定光（干渉光）用の位相調整手段を構成する。

第１５光ファイバＦ１５を流れる可動反射光と、第２０光ファイバＦ２０を流れる固定反射光とは、第７ファイバカプラＦＣ７を介して第２６光ファイバＦ２６に流入する。これにより、第２６光ファイバＦ２６に流入する可動反射光と固定反射光とが合波されて干渉光が生成され、この干渉光が参照光となる。

ここで、第２６光ファイバＦ２６に流入する可動反射光は、光源１１から第７光ファイバＦ７までの各ファイバカプラＦＣ１，ＦＣ２，ＦＣ４，ＦＣ７において、表３に示す態様で分岐される。また、この分岐態様によって、光源１１から出射される光に対して、位相が表３に示すように変化している。

表３に示すように、第２６光ファイバＦ２６に流入する可動反射光は、可動鏡１４で反射して第２ファイバカプラＦＣ２を通過するまでは、表１と同様の経路を通過する。そして、第５光ファイバＦ５から第４ファイバカプラＦＣ４でクロス側の第１３光ファイバＦ１３へと流れ、第７ファイバカプラＦＣ７において、クロス側の第２６光ファイバＦ２６へと流れる。したがって、第２６光ファイバＦ２６に流入する可動反射光は、通過する各ファイバカプラＦＣ１，ＦＣ２，ＦＣ４，ＦＣ７において、ストレート側へ２回、クロス側へ３回分岐している。

また、表３に示すように、第２６光ファイバＦ２６に流入する可動反射光は、可動鏡１４で反射して第２ファイバカプラＦＣ２を通過するまでは、表１に示す態様と同様に位相が変化する。そして、第４ファイバカプラＦＣ４でクロス側の第１３光ファイバＦ１３に流入するため、位相がπ／２進んで、光源１１から出射される光と同位相（位相差「０」）となる。そして、第２位相調整器Ｐ２では、位相がπ進み、第７ファイバカプラＦＣ７でクロス側の第２６光ファイバＦ２６へ流入する際に、位相がπ／２進むため、光源１１から出射される光に対して位相が３π／２進んだ状態となる。

一方、第２６光ファイバＦ２６に流入する固定反射光は、光源１１から第７光ファイバＦ７までの各ファイバカプラＦＣ１，ＦＣ３，ＦＣ５，ＦＣ７において、表４に示す態様で分岐される。また、この分岐態様によって、光源１１から出射される光に対して、位相が表４に示すように変化している。

表４に示すように、第２６光ファイバＦ２６に流入する固定反射光は、固定鏡１６で反射して第３ファイバカプラＦＣ３を通過するまでは、表２と同様の経路を通過する。そして、第８光ファイバＦ８から第５ファイバカプラＦＣ５でクロス側の第１８光ファイバＦ１８へと流れ、第７ファイバカプラＦＣ７において、ストレート側の第２６光ファイバＦ２６へと流れる。したがって、固定鏡１６で反射する光は、通過する各ファイバカプラＦＣ１，ＦＣ３，ＦＣ５，ＦＣ７において、ストレート側へ２回、クロス側へ３回分岐している。

また、表４に示すように、第２６光ファイバＦ２６に流入する固定反射光は、固定鏡１６で反射して第３ファイバカプラＦＣ３を通過するまでは、表２に示す態様と同様に位相が変化する。この光は、第５ファイバカプラＦＣ５でクロス側の第１８光ファイバＦ１８に流れるため、位相がπ／２進み、光源１１から出射される光に対して位相がπ／２進んだ状態となる。そして、第４位相調整器Ｐ４で位相が維持され、さらに第７ファイバカプラＦＣ７でストレート側の第２６光ファイバＦ２６に流入するため、位相が維持される。

以上のように、第２６光ファイバＦ２６に流入する可動反射光と固定反射光とは、ファイバカプラのストレート側に２回、クロス側に３回分岐されている。したがって、第７ファイバカプラＦＣ７において第２６光ファイバＦ２６に流入して互いに干渉し合う２つの光は、ファイバカプラＦＣ１〜ＦＣ５，ＦＣ７においてストレート側に分岐される回数が同じであり、ファイバカプラＦＣ１〜ＦＣ５，ＦＣ７のクロス側に分岐される回数が同じである。これにより、各ファイバカプラＦＣ１〜ＦＣ５，ＦＣ７では、ストレート側とクロス側とに分岐される光の分岐比率が波長毎に異なっているものの、第２６光ファイバＦ２６に流入する可動反射光と固定反射光の波長毎の光の強度を等しくすることができる。したがって、参照光としての干渉光を適切に生成することができる。

また、第２６光ファイバＦ２６に流入する可動反射光は、光源１１から出射される光に対して位相が３π／２進んでおり、固定反射光は、光源１１から出射される光に対して位相がπ／２進んでいるため、逆位相である。したがって、第２６光ファイバＦ２６に流入する２つの光は、互いに波長毎の強度が等しく逆位相であるため、これらの光が合波されると、その大部分が打ち消され、打ち消されずに残存した光の波形は、光が伝送される際に生じるノイズが反映されたものとなる。したがって、第２６光ファイバＦ２６に流入する光は、ノイズに相当する参照光となる。なお、本実施形態では、ファイバカプラＦＣ１〜ＦＣ５，ＦＣ７及び第２及び第４の各位相調整器Ｐ２，Ｐ４により第２６光ファイバＦ２６に流入する可動反射光と固定反射光とが逆位相に調整される。したがって、ファイバカプラＦＣ１〜ＦＣ５，ＦＣ７及び第２及び第４の各位相調整器Ｐ２，Ｐ４が参照光用の位相調整手段を構成する。

以上のようにして生成された測定光は、第２２光ファイバＦ２２を流れ、第１測定光レンズ２１で平行光となり、試料測定部２２を透過する。測定光の一部は、試料測定部２２を流れる際に、試料測定部２２内の試料に吸収される。測定光のうち、試料に吸収される光の波長は、その試料の特性に応じて変化し、吸収量は試料の量に応じて変化する。測定光は試料測定部２２を透過した後に、第２測定光レンズ２３で集光されて第２３光ファイバＦ２３に流入する。第２３光ファイバＦ２３から流出した光は、測定光量調整部２４によって適宜光量調整され、第２４光ファイバＦ２４を介して検出器３０の測定光電変換部３１に受光される。

また、参照光は、第２６光ファイバＦ２６を流れ、第１参照光レンズ２５で平行光となり、光路長調整部２６で光路調整される。なお、光路長調整部２６では、参照光が４つの反射鏡２６ａ〜２６ｄにより４回反射するため位相は維持される。

参照光は、光路長調整部２６の第４反射鏡２６ｄで反射した後、第２参照光レンズ２７で集光されて第２７光ファイバＦ２７に流入する。第２７光ファイバＦ２７から流出した参照光は、参照光量調整部２８で適宜光量調整され、第２８光ファイバＦ２８を介して検出器３０の参照光電変換部３２に受光される。

検出器３０では、測定光電変換部３１で測定光が電気信号（電圧値）に変換され、参照光電変換部３２で参照光が電気信号（電圧値）に変換される。図３の（ａ）は、試料測定部２２に試料がない場合（試料の量が「０」である場合）に、測定光を光電変換した場合の電気信号を示す波形図である。なお、可動鏡１４が変位して所定位置となったときに干渉光が生成され、図３の（ａ）及び図３（ｂ）の波形図において、出力電圧が相対的に大きくなる時間は、可動鏡１４が干渉波を生成する所定位置に達した時間を示している。

図３（ｂ）は、試料測定部２２内に試料が収容されている場合（試料の量が「０」でない場合）の測定光の波形図である。このように、試料測定部２２内に試料が収容されている場合には、その試料の吸収特性に応じて、試料測定部２２透過後の測定光の強度が小さくなる。

また、図３（ｃ）は、参照光を示す電気信号（電圧値）であり、光が伝送される際に生じるノイズが反映された波形となっている。
検出器３０の比較部３３は、これらの電気信号を比較することで、比較結果として、測定光からノイズを除去した光の強度を示す電気信号を出力する。比較部３３は、詳細には、測定光の強度を示す出力電圧値から参照光の強度を示す出力電圧値を補正した値を減算することで、測定光からノイズを除去した光の強度を示す電気信号を出力する。なお、参照光を補正する値としては、測定光と参照光とを生成するための各固定反射光と各可動反射光との波長毎の強度の差異を補正するための値が用いられる。すなわち、本実施形態では、測定光を生成する固定反射光と可動反射光とは、ファイバカプラＦＣ１〜ＦＣ６のクロス側に２回、ストレート側に３回分岐しているのに対し、参照光を生成する固定反射光と各可動反射光とは、ファイバカプラＦＣ１〜ＦＣ５，ＦＣ７のクロス側に３回、ストレート側に２回分岐している。したがって、測定光と参照光とを生成するための各固定反射光と各可動反射光との波長毎の強度が異なっているため、こうした差異を補正するための補正値が用いられる。

検出器３０の比較部３３が出力した信号は、アナログーデジタル変換器３４を通じてデジタル信号に変換され、パーソナルコンピュータ３５に出力される。これにより、パーソナルコンピュータ３５は、入力された電気信号をフーリエ変換して、試料測定部２２の試料に吸収された光の波長及び量、並びに試料測定部２２の試料とその量を導出し、その導出結果を、表示画面に表示する。

なお、分光分析装置１０では、試料の定量分析に先だって、図３（ａ）に示した試料測定部２２に試料がない状態における測定光の強度を検出する処理が行われ、この結果が予めパーソナルコンピュータ３５に記憶されている。したがって、パーソナルコンピュータ３５は、試料測定部２２に試料がない場合における測定光の強度と、試料測定部２２に試料が収容されている場合の測定光の強度と比較する演算処理を行うことで、より正確に試料に吸収された測定光の量を導出する。そして、この導出結果に基づいて、試料測定部２２の試料に吸収された光の波長及び量、並びに試料測定部２２の試料とその量を表示する。

以上詳述したように、本実施形態によれば以下の作用効果を奏することができる。
（１）分光分析装置１０では、光源１１から出射される光を光ファイバＦ１〜Ｆ２８によって伝送し、光を第１ファイバカプラＦＣ１で分岐させた後に固定鏡１６及び可動鏡１４でそれぞれ反射させ、第６ファイバカプラＦＣ６で合波して測定光としての干渉光を生成する。このように、光ファイバＦ１〜Ｆ２８によって光を伝送するため、干渉光を生成するための光を安定して伝送させることができる。

また、分光分析装置１０では、第１ファイバカプラＦＣ１以降で第６ファイバカプラＦＣ６までに存在する各ファイバカプラＦＣ１〜ＦＣ６において、固定反射光及び可動反射光は、ともにクロス側に２回ずつ分岐し、ストレート側に３回ずつ分岐している。これにより、第６ファイバカプラＦＣ６で第２２光ファイバＦ２２に流入して合波される２つの光において、波長毎の光の強度を互いに等しくすることができるため、合波される２つの光の干渉バランスが保たれ、測定光としての干渉光を適切に生成させることができる。したがって、干渉光を試料測定部２２に透過させた後の光の強度を検出し、この強度に基づいて試料測定部２２の試料を分析することにより、試料の分析精度を向上させることができる。

（２）分光分析装置１０では、固定反射光及び可動反射光が第６ファイバカプラＦＣ６で第２２光ファイバＦ２２に流入する際に同位相で合波されるように、ファイバカプラＦＣ１〜ＦＣ６及び第１及び第３の各位相調整器Ｐ１，Ｐ３で位相調整される。したがって、測定光として、より適切に干渉し合った干渉光を生成することができる。

（３）分光分析装置１０は、固定鏡１６及び可動鏡１４で反射した光を第７ファイバカプラＦＣ７で合波して参照光を生成する。そして、参照光を生成する固定反射光及び可動反射光は、第１ファイバカプラＦＣ１以降で第７ファイバカプラＦＣ７までに存在する各ファイバカプラＦＣ１〜ＦＣ５，ＦＣ７において、ともにクロス側に３回ずつ分岐し、ストレート側に２回ずつ分岐している。これにより、参照光を生成する固定反射光と可動反射光との波長毎の光の強度を互いに等しくすることができるため、合波される光の干渉バランスが保たれ、参照光としての干渉光を適切に生成することができる。そして、比較部３３が、こうして生成された参照光と試料測定部２２透過後の測定光との強度を比較するため、試料測定部２２透過後の測定光の量をより適切に検出することができる。

（４）分光分析装置１０では、固定反射光及び可動反射光が第７ファイバカプラＦＣ７で第２６光ファイバＦ２６に流入する際に逆位相で合波されるように、ファイバカプラＦＣ１〜ＦＣ５，ＦＣ７及び第２及び第４の各位相調整器Ｐ２，Ｐ４で位相調整される。したがって、参照光として、光が伝送される際に生じるノイズに相当する波形を有する光を得ることができ、測定光の検出結果からノイズ成分を除去することができる。

（その他の実施形態）
・上記実施形態では、第１〜第６の各ファイバカプラＦＣ１〜ＦＣ６と、第１及び第３の各位相調整器Ｐ１，Ｐ２で測定光用の位相調整手段を構成し、第１〜第７の各ファイバカプラＦＣ１〜ＦＣ５，ＦＣ７と、第２及び第４の各位相調整器Ｐ２，Ｐ４で参照光用の位相調整手段を構成している。しかしながら、位相調整手段は、ファイバカプラのみで構成するようにしてもよい。

・上記実施形態では、測定光と参照光とを別々のファイバカプラで生成するようにしているが、測定光と参照光とは同じファイバカプラで生成するようにしてもよい。
・上記実施形態では、光路長調整部２６で、測定光と参照光との伝播時間を一致させるように調整している。しかしながら、分光分析装置が特定の試料の定量分析を行うものであれば、試料測定部２２における光の伝播時間はほぼ一定であるため、このような場合には、光路長が可変に調整できる光路長調整部を設けることなく、参照光が流れる光路長を光ファイバの長さなどによって調整することで、参照光と測定光との伝播時間を一致させるようにしてもよい。

・上記実施形態では、測定光を生成するための固定反射光と可動反射光とは、ファイバカプラのクロス側に２回、ストレート側に３回分岐された後に合波されており、クロス側とストレート側とに分岐される回数が異なっている。しかしながら、固定反射光と可動反射光とが、ファイバカプラのクロス側とストレート側に分岐される回数が同じであってもよいし、クロス側に分岐される回数のほうが多くてもよい。参照光についても、同様に、ファイバカプラのクロス側とストレート側に分岐される回数が同じであってもよいし、ストレート側に分岐される回数のほうが多くてもよい。

・上記実施形態では、測定光を生成するための固定反射光と可動反射光とは、ファイバカプラのクロス側に２回、ストレート側に３回分岐された後に合波されており、参照光を生成するための固定反射光と可動反射光とは、ファイバカプラのクロス側に３回、ストレート側に２回分岐された後に合波されている。しかしながら、測定光及び参照光を生成するための固定反射光及び可動反射光とは、ファイバカプラのクロス側に分岐される回数及びストレート側に分岐される回数を一致させるようにしてもよい。これにより、測定光と参照光との比較処理において、分岐態様の差異を補正値で補正する処理が不要となる。

・上記実施形態では、固定反射光と可動反射光とを逆位相で合波することにより参照光を生成するようにしたが、固定反射光と可動反射光とを同位相で合波するようにしてもよい。これにより、参照光として、光源１１から出射される光の強度を反映した干渉光を生成することができる。したがって、測定対象物透過後又は反射後の測定光と参照光とを比較することで、測定対象物に吸収された光の波長及び強度を検出することができ、測定対象物に吸収された光の波長及び強度の検出にあたって、パーソナルコンピュータ３５により試料測定部２２に試料がない状態における測定光の強度を記憶させる必要がない。

・上記実施形態では、検出器が試料透過後の測定光を受光するようにしている。しかしながら、検出器は試料反射後の測定光を受光するようにしてもよい。
・上記実施形態では、干渉計を分光分析装置に適用したが、干渉計の可動鏡を変位させることで物体の距離を計測する装置に適用するようにしてもよい。

・上記実施形態に係るファイバカプラでは、分岐される光のクロス側とストレート側との分岐比率が異なり、且つその分岐比率は波長毎に異なっている。しかしながら、クロス側とストレート側との分岐比率が異なり、且つその分岐比率が各波長において同じであるファイバカプラを用いるようにしてもよい。

・上記実施形態では、光ファイバを流れる光を分岐させる手段として、ファイバカプラを用いるようにしている。しかしながら、光の伝送路が３ポートのみの場合には、ファイバカプラの代わりにサーキュレータを用いるようにしてもよい。

・上記各実施形態では、光がファイバカプラにおいてクロス側の光ファイバに伝送される際に、位相がπ／２進む構成であったが、位相を保持するファイバカプラを用いるようにしてもよい。また、光ファイバ及びサーキュレータにおいても、位相保持用のファイバ及びサーキュレータを用いるようにしてもよい。

Ｆ１〜Ｆ２８…光ファイバ、ＦＣ１〜ＦＣ７…ファイバカプラ、Ｐ１〜Ｐ４…位相調整器、１０…分光分析装置、１１…光源、１２…光源レンズ、１３…可動側レンズ、１４…可動鏡、１５…固定側レンズ、１６…固定鏡、２１…第１測定光レンズ、２２…試料測定部、２３…第２測定光レンズ、２４…測定光量調整部、２５…第１参照光レンズ、２６…光路長調整部、２７…第２参照光レンズ、２８…参照光量調整部、３０…検出器、３１…測定光電変換部、３２…参照光電変換部、３３…比較部、３４…アナログーデジタル変換器、３５…パーソナルコンピュータ。

Claims (3)

1. 広帯域光を出射する光源と、
   前記光源からの光を伝送する光ファイバと、
   前記光ファイバにより伝送された光を分岐させる分岐用ファイバカプラと、
   前記分岐された各光をそれぞれ反射させる固定鏡及び可動鏡と、
   前記各鏡で反射した各反射光を互いに合波して干渉光を生成する干渉光用ファイバカプラと、
   前記生成された干渉光を測定光として、測定対象物透過後又は反射後の前記測定光の強度を検出する測定光検出手段と、
   前記各鏡で反射した各反射光を互いに合波して参照光を生成する参照光用ファイバカプラと、
   前記参照光の強度を検出する参照光検出手段と、
   前記測定光検出手段による検出結果と前記参照光検出手段による検出結果とを比較する比較手段とを備え、
   前記光源から前記光が干渉光として合波されるまでの光路に存在するファイバカプラは、前記光源からの光がクロスポートを同一回数ずつ通過し、且つストレートポートを同一回数ずつ通過するように接続されており、
   前記光源から前記光が参照光として合波されるまでの光路に存在するファイバカプラは、前記光源からの光がクロスポートを同一回数ずつ通過し、且つストレートポートを同一回数ずつ通過するように接続されていることを特徴とする分光分析装置。
2. 前記各反射光が前記干渉光用ファイバカプラで互いに同位相で合波されるように、前記各反射光の位相を調整する干渉光用の位相調整手段を備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の分光分析装置。
3. 前記各反射光が前記参照光用ファイバカプラで互いに逆位相で合波されるように、前記各反射光の位相を調整する参照光用の位相調整手段を備える
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の分光分析装置。

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