JPH02253103A - 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】 （産業上の利用分野） 本発明はレーザからの入射光束を二分するビームスプリ
ッタと、その二分されたそれぞれの光をビームスプリッ
タに戻す可動鏡及び固定鏡を備えた三光束干渉計に関す
るものである。

三光束干渉計は、例えばフーリエ変換分光光度計やフー
リエ変換赤外分光光度計において、データ収集の起動や
移動鏡の摺動速度の安定化のために主干渉計に対するコ
ントロール干渉計として利用されている。

（従来の技術） 三光束干渉計では、干渉条件を最適化する手法として、
ダイナミックアライメント（ｄｙｎａｍｉｃａｌｉｇｎ
ｍｅｎｔ）と称される手法が用いられている（例えば米
国特許第４０５３２３１号公報参照）。

第８図はダイナミックアライメントの概略を示している
。

レーザｌＯＯからの光がレンズその他の光学系１０２に
よって複数のレーザ光束とされてビームスプリッタ１０
４の複数の場所に入射して分割され、移動鏡］０６と固
定鏡１０８でそれぞれ反射した光がビームスプリッタ１
０４に戻って会合し、検出器１１．０に入射する。検出
器１１０は複数に分割されたフォＩ〜ダイオードや複数
の受光素子が配置された検出器である。固定鏡１０８は
電歪素子１１２ａ、１１２ｂによって法線方向が調整で
きるようになっている。検出器１１０の各位置の受光素
子Ｒ，Ｈ，Ｖからの光電流の位相が異なれば、それらの
位相が同一になるように電歪素子１１２ａ、１１２ｂに
印加する電圧が変えられて固定鏡１０８の法線方向が調
整される。

また移動鏡１０６の位置を検出するために、クアドラチ
ュアコントロール（ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ　ｃｏｎｔｒ
ｏｌ、）と称される手法も用いられている。

第９図はその一例を表わすものである。

ビームスプリッタ１０４と固定鏡１０８の間にλ／８板
が設けられている。ビームスプリッタ１０４で会合した
干渉信号をＰ波とＳ波に分離するために偏光ビームスプ
リッタ１１６が設けられ、それぞれの偏光成分はそれぞ
れの検出器１１８　ａ　。

１１８ｂで検出される。このとき、移動鏡１０６の摺動
方向がビームスプリンタ１０４から離れる方向であれば
、検出器１１８ｂの検出信号の位相が検出器１１８ａの
検出４８号の位相より９０度進み、逆に移動鏡１０６の
摺動方向がビームスプリッタ１０４に近づく方向であれ
ば、検出器１１８ｂの検出信号の位相が検出器１１８ａ
の検出信号の位相より９０度遅れる。その結果、面検出
器１１８ａ、１１８ｂの検出信号の位相関係と波数とか
ら移動鏡１０６の位置を検出することができる。

（発明が解決しようとする課題） ダイナミックアライメン１−における複数の受光素子か
らの干渉信号を用いてクアドラチュアコントロールを行
なうことはできない。また、グア１〜ラチユアコントロ
ールの２個の検出器の検出信号からダイナミックアライ
メントを行なうこともできない。

本発明はダイナミックアライメントとクアドラチュアコ
ンＩ・ロールの両方の機能を備えた二光束干渉計を提供
することを目的とするものである。

（課題を解決するための手段） 本発明では可動鏡と固定鏡のいずれか一方とビームスプ
リッタとの間に移相板を設け、ビームスプリッタで会合
した光の干渉光を分割する偏光ビームスプリッタを設け
、偏光ビームスプリッタで分割された偏光成分を検出す
る検出器の少なくとも一方を複素子分割型にする。その
複素子分割型にされた検出器で検出される複数の干渉信
号の位相関係からダイナミックアライメントを行なう。

複素子分割型とした検出器の各受光素子の検出信号を加
算して平均的な位相関係の干渉信号とし、面検出器の検
出信号によってクアドラチュアコントロールを行なう。

（作用） ビームスプリッタを透過し又は反射したレーザビームの
うち、位相板を透過してビームスプリッタに戻ってきた
レーザビー１１は円偏光又は楕円偏光となる。位相板を
透過しないでビームスプリッタに戻ってきたレーザビー
ムは直線偏光のままで＝４ ある。ビームスプリッタで会合したレーザビームの干渉
光を偏光ビームスプリッタで各偏光成分に分割すると、
それぞれの偏光成分の間では干渉信号の位相が異なって
いる。

検出器が単素子検出器の場合はその検出信号、検出素子
が複素子分割型である場合は各分割された受光素子の検
出信号を加算した平均的な位相関係の検出信号を用い、
面検出器の検出信号により移動鏡の進む方向と進んだ距
離を検出して移動鏡の位置が検出される（クアドラチュ
アコントロール）。

２個の検出器のうち少なくとも一方は複素子分割型であ
るので、複素子分割型検出器の複数の受光素子が検出し
た干渉信号の位相関係を一定にするように、可動鏡又は
固定鏡に設けられた電歪素子などの調整機構を通じて法
線方向が調整される（ダイナミックアライメント）。

（実施例） 第１図は本発明をフーリエ変換赤外分光光度計のコント
ロール干渉計に適用した実施例を表わしている。

２はビームスプリッタ及びコンペンセータ（以下単にビ
ームスプリッタという）、４は固定鏡、６は移動鏡であ
り、ビームスプリッタ２は固定鏡４の法線方向及び移動
鏡６の法線方向に対して４５度の傾きをもって配置され
ている。

固定鏡４は固定鏡支持ブロック８に搭載され、固定鏡支
持ブロック８にはまたピエゾアクチュエータ１０ａ、１
０ｂが搭載され、ピエゾアクチュエータ１０ａ、１０ｂ
の印加電圧を変えることにより固定鏡４の法線方向を変
化させることができる。１２ａ、１２ｂはピエゾアクチ
ュエータ１０ａ、１０ｂに電圧を印加するパワーアンプ
である。

移動鏡６は摺動機構１４に支持され、摺動機構１４はリ
ニアモータ１６によって移動鏡６をビームスプリッタ２
に近づく方向と遠ざかる方向に移動させることができる
。１８はリニアモータ１６に電流を流すパワーアンプ、
２０はパワーアンプ１８を介してリニアモータ１６を制
御する摺動コントローラである。

ビームスプリッタ２、固定鏡４及び移動鏡６とともに主
干渉計を構成して赤外分光測定系とするために、赤外光
源２２が設けられ、光源２２からの赤外線は集光鏡２４
、アパーチャ２６、コリメータミラー２８を経てビーム
スプリッタ２に入射され、この干渉計で変調される。変
調光はミラー３０、集光鏡３２から試料室３４を通過し
た後、楕円面鏡３６を経て赤外検出器３８で受光されて
電気信号に変換される。４０は検出器３８の検出信号を
増幅するプリアンプ、４２はフィルタ、４４はオートゲ
インアンプ、４６はサンプルホールドアンプ、４８はサ
ンプリングされた信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ
コンバータである。

コントロール干渉計を構成するために、光源としてＨｅ
　−Ｎ　ｅレーザ５０が設けられている。５２はレーザ
５０からのレーザビームの広がり角を広げる凹レンズ又
は凸レンズ、５４はレンズ５２を経たレーザビームをビ
ームスプリッタ２に入射させるハーフミラ−である。ビ
ームスプリッタ２で反射され、固定鏡４で反射されて再
びビームスプリッタ２に戻るレーザビームを直線偏光か
ら円偏光に変えるために、ビームスプリッタ２と固定鏡
４の間にλ／８板５６が設けられている。λ／８板５６
は、その偏光軸が入射レーザビームの偏波面から４５度
傾くように設置されている。この干渉計で変調され、ハ
ーフミラ−５８で反射された干渉光をＰ波とＳ波の各偏
光成分に分割するために偏光ビームスプリッタ６０が設
けられている。

６２は偏光ビームスプリッタ６０を透過した一方の偏光
成分を受光する検出器としての四分割フォトダイオード
であり、６４は偏光ビームスプリッタ６０で反射された
他方の偏光成分を受光する検出器としての四分割フォト
ダイオードであるトフォトダイオード６２．６４は、第
２図に示されるように、それぞれ４個の受光素子Ｒ，Ｒ
’、Ｈ。

■に分割されている。フォトダイオード６２，６４は各
受光素子間の相対的なオフセット電圧やバイアス電圧を
除去するために、それぞれ単一の半導体チップに形成さ
れている。フォトダイオード６２の各受光素子はプリア
ンプ６６に接続され、フォトダイオード６４の各受光素
子はプリアンプ６８に接続されている。

ダイナミックアライメントを行なうために、方のフォト
ダイオード６２（６４でもよい）の４個の受光素子のう
ちの基準になる受光素子Ｒと、それに横方向に隣接する
受光素子Ｈ１縦方向に隣接する受光素子■の検出信号が
それぞれプリアンプ６６から波形整形器７０を経て位相
比較処理ユニット７２に入力されている。波形整形器７
０は入力信号をパルス列に変える。位相比較処理ユニッ
ト７２からの出力はパワーアンプ１２ａ、１２ｂに送ら
れている。

クアドラチュアコントロールを行なうために、フォトダ
イオード６２の４つの受光素子の検出４８号がプリアン
プ６６を経て電流加算アンプ７４に入力され、フォトダ
イオード６４の４つの受光素子の検出信号がプリアンプ
６８を経て電流加算アンプ７６に入力されている。７８
．８０は入力信号をパルス列に変える波形整形器であり
、８２は波形成形された２個のパルス信号を入力するア
ップ／ダウン・カウンタである。アップ／ダウン・カウ
ンタ８２は面入力信号の位相関係からアップ／ダウンの
モードを定めるとともに、入力信号のパルス数をＲＪ数
し、ＣＰＵパスライン８４へ送出する。

フォトダイオード６２の４つの受光素子の信号が加算さ
れて波形整形されたものはまた、摺動コン１〜ローラ２
０とサンプルホールドアンプ４６、Ａ／Ｄコンバータ４
８へも送られる。

ＣＰＵパスライン８４にはＭＰＵ８６、プログラム格納
メモリ８８、データ格納メモリ９０、外部記憶装置９２
、（、ＲＴ９４、プロッタ９６及びオートゲインアンプ
４４、Ａ／Ｄコンバータ４８゜アップ／ダウン・カウン
タ８２が接続されている。

次に、本実施例の動作について説明する。

（ａ）コン１−ロール干渉計の動作 偏光ビームスプリッタ６０で分割された互いに位相の異
なるレーザフリンジは、それぞれ四分割ツガ１ヘダイオ
ード６２．６４で受光され、それぞれのツガ１ヘダイオ
ード６２．６４の４つの受光素子の検出信号は加算され
て波形整形され、パルス信号となってアップ／ダウン・
カウンタ８２の２個の入力ａ、ｂとして取り込まれる。

アップ／ダウン・カウンタ８２ではアップ／ダウンのモ
ーｌ〜を面入力信号の位相関係から求める。すなわち、
移動鏡６がビームスプリッタ２から離れる方向であれば
第３図（Ａ、）に示されるように、加算された一方の検
出信号ｂＯは他方の検出信号ａＯに対して位相が９０度
進み、逆に移動鏡６がビームスプリッタ２に近づく方向
であれは、（Ｂ）のように検出信号ｂｏはａＯに対して
位相が９０度遅れるからである。また、アップ／ダウン
・カウンタ８２で計数される入力信号のパルス数は、移
動鏡６の位置に依存した信号となる。アップ／ダウン・
カウンタ８２の出力信号はパスライン８４を介してＭＰ
Ｕ８６に取り込まれ、赤外分光測定のインターフェロク
ラムの按分を行なう際の信号として用いられる。

摺動コントローラ２０は、加算され整形された四分割フ
ォトダイオ−１−６２の検出信号の周波数が一定になる
ように、パワーアンプ］８を介してリニアモータ１６に
印加する電圧を制御する。

四分割フォトダイオード６２の検出出力が加算され整形
されたものはまた、サンプルホールドアンプ４６のホー
ルド信号としても、Ａ／Ｄコンバータ４８の変換スター
ト信号としても用いられる。

干渉計の干渉条件の良いときは第４図（Ａ）に示される
ように、四分割ツガ１ヘダイオード６２の基準の受光素
子Ｒの検出信号ｒと他の受光素子Ｈの検出信号ｈ（又は
受光素子Ｖの検出信号Ｖ）の位相が一致しているが、悪
いときは同図（Ｂ）に示されるようにそれらの位相がず
れている。そこで、ダイナミソクアライメン１へを行な
うために、四分割ツガ１ヘダイオード６２の３個の受光
素子Ｒ２Ｈ，Ｖの検出信号は、増幅され波形整形さ九て
位相比較処理ユニット７２に入力され、位相比較処理ユ
ニソＩ〜７２において縦方向ずれ電圧、横方向ずれ電圧
の形で出力され、パワーアンプ１２ａ。

］、　２　ｂを介してピエゾアクチュエータ］、Ｏａ、
１０ｂの印加電圧を変えることにより、四分割フォ１〜
ダイオード６２の各受光素子の検出信号の位相が一致す
るように、干渉計の干渉条件を安定させる。

（ｂ）赤外データ収築の動作 赤外光源２２から射出されて干渉計で変調され、試料室
３４を経て赤外検出器３８で電気信号に変換された信号
は、プリアンプ４０からフィルタ４２、オートゲインア
ンプ４４を経てサンプルホールドアンプ４６でサンプリ
ングされ、Ａ／Ｄコンバータ４８でデジタル信号に変換
されてパスライン８４に取り込まれる。

移動鏡６の移動に伴なってインターフェログラムが生成
する。コントロール干渉側の干渉信号である信号ａを用
いてＡ／Ｄコンバータ４８のΔ／Ｄ変換が起動される。

クアドラチュアコンｌ−ロールにより移動鏡６の現在位
置がリアルタイムで検出されており、この現在位置信号
はアップ／ダウン・カウンタ８２により生成され、一連
のインターフェログラムのデータ収隼開始点、終了点を
知るために逐次ＭＰＵ８６により認識され、移動鏡６の
往復方向でデータ収集が行なわれる。

第５図及び第６図により赤外分光測定を行なう動作を説
明する。

ＭＰＵ８６は摺動コントローラ２０に対し、まず摺動方
向の指定を行ない、摺動コントローラ２０から一定速度
での摺動を起動する（ステップＳ１）。ＭＰＵ８６はア
ップ／ダウン・カウンタ８２をモニタし続け、移動鏡６
の現在位置がデータ収集に必要な点だけ進んだことを確
認する（ステップＳ２）。このとき移動鏡６の位置は第
６図のＢ点の位置を越えている。この後、ＭＰＵ８６は
逆方向摺動の指定を行ない、摺動コントローラ２０によ
り一定速度での逆方向摺動を起動する（ステップＳ３）
。そして、アップ／ダウン・カウンタ８２を再度モニタ
する。アップ／ダウン・カウンタ８２により出力された
点がデータ収集開始点（第６図Ｃ）になる（ステップＳ
　４．　）と、ＭＰＵ８６はその点から連続して必要な
データ数だけ繰り返してサンプリンタし、Ａ／Ｄコンバ
ータ４８の値を読み、データ格納メモリ９０に記憶する
か、又はすでにデータ格納メモリ９０に記憶されている
インターフェログラムデータと加算する（ステップ８５
〜Ｓ７）。データの加算はＳ／Ｎ比を改善するためであ
る。アップ／ダウン・カウンタ８２が存在するため、移
動鏡６の同じ位置のデータとおしを正確に加算すること
が可能になる。移動鏡６の同じ位置のデータどおしの加
算はコヒーレント・アディションと呼ばれ、フーリエ変
換赤外分光には必須の条件である。第６図で、Ｄ点はデ
ータ収集終了点、Ｅ点は次のサイクルのデータ収集開始
点である。

設定回数の加算が行なわれた後（ステップ３８）、ＣＰ
Ｕのプログラムに従ってフーリエ変換されて表示される
（ステップＳ９，５ｌｌ）。又は、すでに記憶されてい
るフーリエ変換されたリファレンスに対する比（透過率
スペクトル）を計算した後に表示される（ステップＳＩ
Ｏ，５ｌｌ）。

第７図には各信号の時間変化を示す。

（Ａ）は移動鏡６の位置を表わし、（Ｂ）はりニアモー
タ１６に印加される電圧を表わし、（Ｃ）はアップ／ダ
ウン・カウンタ８２の出力値を表わし、（Ｄ）は収集さ
れたインターフェログラムを表わしている。Ｔｏは移動
鏡６の折返し期間である。

第１図の実施例では全ての動作をＭＰＵ８６によって制
御しているが、データ収集にかかわる部分のみを独立の
ＣＰＵに組み、ＣＲＴ９４、外部記憶装置９２などが接
続されるＣＰＵと切り離してもよい。

また、ダイナミックアライメント信号を生成する位相比
較処理ユニット７２、摺動コントローラ２０をＣＰＵの
プログラムによって実行するようにしてもよい。

第１図ではまた、レーザ５０からの入射光束の広がり角
を拡大するレンズ５２を設けているので、その入射光束
の広がり角＼の拡大により生じるレーザ発振波長の見か
けの変化を補正す、るようにすれば、干渉計からレーザ
共振器への戻り光を除去することができ、ハーモニック
スの影響が小さくなって移動鏡６の位置精度が向上する
利点がある。

しかしながら、レンズ５２に代えて、先に引用した米国
特許第４０５３２３１号などに示されているような複数
のレーザ光束とする光学系であってもよい。

検出器６２．６４としてはいずれも四分割フォトダイオ
ードを用いているが、実施例の場合、検出器６４に関し
ては単素子フォ１−ダイオードであってもよい。複素子
分割型検出器は実施例で示されたような単一の半導体チ
ップに形成されたものに限らない。

位相板としてλ／８板５６を用いているが、λ／４板や
λ／２板など他の位相板を用いてもよい。

位相板５６はまた、移動鏡６とビームスプリッタ２の間
に設けてもよい。

ダイナミックアライメントを行なう機構を移動鏡側に設
けてもよい。

（発明の効果） 本発明では、ビームスプリッタ、移動鏡及び固定鏡を備
えた干渉計に位相板と偏光ビームスプリンタをさらに備
え、偏光ビームスプリッタで分割された一方の干渉信号
は複素子分割型検出器で受光して各受光素子の位相関係
からダイナミックアライメントを行ない、複素子分割型
検出器の各受光素子の検出信号を加算して平均的な位相
関係の干渉信号とすることにより、偏光ビームスプリッ
タで分割された両干渉信号からクアドラチュアコン１〜
ロールを行なうようにしたので、干渉条件を常時同一に
保ちつつ、移動鏡の移動方向の双方向でデータ収集が可
能なフーリエ変換型の分光光度Ｈ１や赤外分光光度側を
実現できる。したがって、安定性を犠牲にせすに、高速
処理を行なうことが可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は一実施例を示す構成図、第２図は同実施例にお
ける偏光ビームスプリッタと検出器の部分を示す図、第
３図はクアドラチュアコン１ヘロールを説明するための
干渉信号を示す波形図、第４図はダイナミックアライメ
ン１−の動作を説明するための干渉信じ・の波形図、第
５図はデータ収集の動作を示すフローチャー１〜図、第
６図はアップ／ダウン・カウンタ値とデータ収集のタイ
ミングを示す図、第７図は各信号の時間関係を示す波形
図、第８図は従来のダイナミックアライメントを示す構
成図、第９図は従来のクアドラチュアコン１〜ロールを
示す構成図である。 ２・・・・ビームスプリッタ、４　・・固定鏡、６・・
移動鏡、１０ａ、１０ｂ　　・・ピエゾアクチュエータ
、１４・・・摺動機構、５０・・・・レーザ、５６・・
・λ／８板、６ｏ・・・偏光ビームスプリッタ、６２．
６４　　・・・四分割フォ１〜ダイオード、７２・・位
相比較処理ユニット、７４．．７６・・・・電流加算ア
ンプ、８２・・・・・・アップ／ダウン・カウンタ。 特許出願人　株式会社島津製作所

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）直線偏光レーザからの入射光束を二分するビーム
   スプリッタ、その二分されたそれぞれの光をビームスプ
   リッタに戻す可動鏡及び固定鏡、可動鏡と固定鏡のいず
   れか一方とビームスプリッタとの間に設けられた移相板
   、ビームスプリッタで会合した光の干渉光を二分する偏
   光ビームスプリッタ、偏光ビームスプリッタで二分され
   た各偏光成分をそれぞれ受光し、少なくとも一方は複素
   子分割型である２個の検出器、一方の検出器で、かつ、
   複素子分割型である検出器が検出する複数の干渉信号の
   位相関係を一定にするように可動鏡又は固定鏡の法線方
   向を調整する手段、並びに複素子分割型検出器が検出し
   た複数の干渉信号を加算して平均的な位相関係の干渉信
   号とした後、両検出器の検出信号から移動鏡の位置を検
   出する手段を備えた二光束干渉計。