JPH03504643A - 偏光干渉計 - 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】 偏光干渉計 本発明は請求の範囲第１項の上位概念による偏光干渉計及びその使用方法に関す る。 最も重要でかつもつきも使用される干渉計はその多くの変形を伴うマイケルソン の干渉計である。大抵単色光源の光はビームスプリッタの半透鏡面で２つの光束 に分解される。２つの鏡での反射の後ビームスプリンタは両光を再び１つの光束 に統合する。 この統合は干渉縞を生じさせ、その湾曲又はずれは両部分光束の間の光学的路程 のずれ量である。 公知の干渉計は多くの役割、例えば、光のスペクトル分布の測定、光速度の測定 、光学的板、レンズ及び全対物レンズの誤差の測定、長さ及び長さの差の直接測 定、脈理及び流れの測定のために使用される。 しかし公知の干渉計は次のような欠点を有する。 即チ、スペクトル分布の測定のために干渉計は通常の方法で中赤外までの光に対 してのみ使用され、短波長の光に対しては高い装置コストが費やされなければな らないこと、使用される光学的構成部分の平面度は非常に高くなければならない こと、二光線干渉計において可動ミラーの精密な案内が必要であることである。 ここでは本発明は補助を提供せんとする０本発明は、従来の装置に対して、偏光 干渉針のスペクトル範囲を公知のマイケルソン装置と等しいコストで１００倍増 大させ、そして本発明の１５１１ｊとする一光線干渉計によって丈夫で、変形に 対して敏感でない構成の偏光干渉計を創造することを課題とする。 本発明は設定された課題を請求の範囲第１項の特徴を有する偏光干渉計によって 解決する。 本発明によって得られる利点は、全体として公知でかつマイケルソン干渉計のた めに利用される、固定したミラーに対して動くものの移動長の測定を行う本発明 による偏光干渉計のために測定可能なスペクトル範囲が少なくとも１００倍だけ 拡大される。その他本発明による偏光干渉針に使用される光学的構成部分には精 度及び平面度に関して多かれ少なかれ高い要求が設定されなければならない、二 光線干渉計とは異なり本発明による偏光干渉計では同一の光線の２つの相互に垂 直に偏光された部分が干渉する、このことは、幾何学的な結像誤差（例えば機械 的な振動又は欠陥のある駆動及び案内によって）がある場合でも空間的に横の干 渉が完全に得られるという利点を有する、そのわけは雨漏光成分は同一の個所で 結像されるからである。このことは特にインクフェログラムの撮影の高速化を可 能にする。 本発明による偏光干渉計は既に述べた用途の他にその周囲の影響に対する機械的 な不敏悪性及び短い測定時間のために、特に実験室及び工業的運転におけるルー チンアナリシスのため好適であり、例えば近赤外波長範囲におけるスペクトルの 撮影によってニトロペンゾールの同−性及び可能な汚れの存在が迅速かつ許容可 能に判断される。 本発明による偏光干渉計の他の好適な使用は近赤外光線及び可視光線範囲におけ るスペクトル分析針としての用途である。 同様に機能原理を説明する本発明の種々の実施例が図面に示されており、次に詳 しく説明する。 第１図は２つの偏光要素を備えた本発明による偏光干渉針の構成を示す。 第２図は１つの偏光要素のみを備えた本発明による偏光干渉針の構成を示す 第３図は本発明による偏光干渉針の構成を示し、その際単色光源の干渉によって 移動長Ｘが直接該構成によって測定されることができる。 第４図は本発明による偏光干渉針の構成を示し、その際移動長Ｘは装置内及び装 置外方の単色光線の干渉によって測定される。 第５図は本発明による偏光干渉計の構成を示し、その際移動長Ｘは装置の外方で 二光線によるマイケルソン干渉針によって測定される。 第１図に示す構成は本発明による偏光干渉計の最も簡単な実施形態を示す、光源 １の光はコリメータ２を通って平行光線に変わる。光は第１の偏光器３によって 直線偏光にされる。その後光は３つの複屈折要素４．５．６から成る光学系を進 む、補償板４と称される要素はその光軸を有し、光軸に対して他の両複屈折要素 ５．６を光線に対して垂直な平面内で９０°回転させる。他の２つの複屈折要素 は反対の側面に沿って相互に移動可能に配設されていて、直方体に補完される２ つの光学的楔５．６である。この両横５．６の光軸の平行光線に対して垂直な平 面内への投影は一致しかつ上記の角度により補償板４に向けられる０両光学的楔 ５．６の相互に反対方向を向いた側は光線に垂直でありかつ相互に向かい合った 側は相互に平行に配設されている。 両ｅＪ６の一方はその斜辺の方向（矢印方向）に移動され、それぞれ光線の全路 程は３つの複屈折要素４．５．６内で連続的に調整可能である。楔５の移動のた めの可能な構成はステップモータによって駆動される一定のピッチの図示しない スピンドルから成る。スピンドルは往復台の固定部分に喫の斜辺の方向に固定さ れ、ナンドは可動部分に固定されている。ステップモータが一定の周波数と位相 をもつ交流で駆動されると、インクフェログラムはこれと同期して操作される（ 迅速走査法）、光線はその後第２の偏光器７を通る。補償板４を通る光路長が両 光学的喫５．６を通る全光路長と正確に等しい長さであると、複屈折によって生 じる常光線に対する異常光線の遅れ又は進みが正確に相殺されかっこのことは、 雨漏光器３．７の次に想定される垂直の偏光軸線に対して第１図に示す構成の充 電検出器８には光は入らない。 この点に関して大きな光学的楔６の移動が測定されるかつ大きな光学的＋１６が 長さＸだけ移動されると、複屈折要素４．５．６における他方の光線に対する一 方の光線の前記遅れによって異常光線と常光線との干渉が生じる。相応した干渉 縞Ｓ　（ｘ）は５（ｘ）＝１　／２Ｊ：ｄαＩｔ（σ）ηｅ　　（σ）　　（１ −ｃｏｓ（２πΔｎ・ｓｉｎασＸ））　　　　　　　（１）によって与えられ 、そのｆｌｉｔ（σ）は光源のスペクトルモしてσはＣ■当たりの測定された波 数を波数・ｃａｔ−’で表す。 η。（σ）は検出器８のスペクトル感度、Δｎｍ　ｎ。 −ｎＯは異常光線の屈折率ｎ、と常光線の屈折率ｎ。 の差そしてαは第１図による模角度を示す、インクフェログラムＳ　（ｘ）は分 割された、等間隔の楔変位Δχのためにデジタル化され、変位ΔＸはスピンドル の所定の回転によって得られる。離散型フーリエ変換によって得られるスペクト ルは次の式によって最小の波長に対して計算されることができる。 λｅｉｎ・２ΔｎΔｘ　ｓｉｎ　α　　〔２〕走査理論に従って、もしも光源が 充分な強度をもつ場合、検出器が光を検出するまで行われる。もしも通常のマイ ケルソン干渉計の可動ミラーが各場合に長さΔＸだけ変位されると、走査理論は λ５ｉｌｌ＝２Δｘ　　　　　　　　　　　　〔３〕で特定される。 α＝３００かつΔｎ・〜１０４の水晶模に対して、公式％式％ このことは水晶模に対しては一一定の段差距離ΔＸで一公知のマイケルソン装置 よりも波長範囲で２００分の−のスペクトルを測定することができる。 第２図において１．２及び４．５．６で表わされるユニットは第１図同様な意味 を有する。コリメータを通った後、光線は偏光方向Ｐに偏光させる偏光ビームス プリンタユニットを通る。その後光線は複屈折要素４．５及び６を通る。可動楔 の後に光線に対して垂直に光を反射させるミラー１４がある。光線は要素４．５ 及び６を通って反対方向に戻る。それからビームスブリ７タユニツト３によって 反射されて検出器８に向かい、同時に前記の方向Ｐに対して垂直の偏光方向に直 線偏光される。検出器８によって測定された光の強度は変位真の長さが２ｘによ って置換される公式〔１〕によって与えられる。 第３図には１〜８で示されたユニットが第１図のものと同一の意味を有する。変 位Ｘの長さ又は分割した段距離ΔＸの測定はこの実施例において追加の構成によ って行われる。この１つは第３図によれば波長λが測定されるべきスペクトル領 域の最小の波長よりも小さい光線を発する単色光源９から成る。 光線はビームスブリフタユニット１０によって反射され、その結果第１図に示す ように描かれた測定光線を平行にしつつ、装置を反対方向に進み最終的にしよ更 にビームスプリッタユニット１１を経て光線の波長のみを通すが測定されるべき スペクトル領域の波長は通さないフィルタを通って検出器１３に達する。 変位Ｘについての検出信号の関数Ｄ　（ｘ）は、波数の単色光源に類似して、公 式〔１〕に従って計算される。 ＩＬ　（σ）□　Ｉｏ　　δ（σ−σｏ　）　　　　　　　　（５）公式 ％式％（６） 信号Ｓ　（ｘ）の分割したかつ等間隔の走査は、Δｘ富１　／（２Δ１−ｓｉｎ 　ασ。）　　　　　〔９〕による段距離に相応するｓｉｎ”ＢＸの最大傾斜の 各点で実施される。 第３図による構成は単色光が第１ビームスプリツタユニツト１１によって第１偏 光要素３の前で測定光線に導入され、かつ第２ビームスプリンタ１０を通って分 けられかつ充電検出器に向けられるという方法で変形されることができる。 第４図に示す実施例において、長さの測定は再び波長λ。の光９の単色光線によ って実施される。このものは図１５によって２つに分けられる。これらの光線の １つはミラー１７に向かい、ミラーは光線をビームスプリンタユニット１８に向 かって反射し、そしてビームスブリフタユニット１８を通った後、最後に検出器 １３に達する。他のものはミラー１６によって反射され、それから複屈折要素４ ．５．６を通りそしてビームスプリンタユニット１８を経て検出器１３に達する 。相応する検出器信号のため公式〔６〕〜〔８〕が使用されることができ、この 場合屈折の差Δｎは公式〔８〕中のｎ−１によって置換され、ｎｏはここでは異 常光線の屈折率であり、そして単色光９は図平面に対して垂直の偏光方向に直線 偏光されそしてこの方向は２つの模５．６の光軸の方向と同一である。相応した 段距離は次の式による。 ΔＸ・１　／　（２（ｎ　、−１）ｓｉｎασ。）　　　　　　（１０）Δｎ・ 〜１０−　”及びｎ、・〜１．５の水晶について段距離は公式〔９〕の場合の５ ０分の−であり、従って公式〔２〕によれば、測定可能なスペクトル分布範囲は ５０倍広い。 第５図に示す実施例において、長さの測定はマイケルソン干渉計９．１３．１９ ．２０及び２１の路程によって作られる干渉の波長λ。の単色光線によって実施 され、可動ミラー２１は可動楔６に固定されている。 ΔＸについて ΔＸ・１／（２σ。’）　　　　　　　　　　　（１１）であり、ΔＸは公式〔 １０〕に比してファクタ４だけスペクトル分布領域の拡大に相当する。 第１図〜第５図による全ての実施例において使用される光電検出器８は例えば鉛 亜硫酸塩セル又はシリコン発光ダイオードから成る。光電検出器８で発生する電 流は増幅されかつアナログ／デジタル変換器（図示しない）によって次のプロセ スに供給されることができるニューメリカルインタフエログラムに変換される。 　ＦＦＴ　（高速フーリエ変換）によって最終的に評価できるスペクトル分布が 得られる。 国際調査報告 国際調査報告 一□−１−・−−一一一噛一呻１ｗ　ｐｗｙｍ−−Ｈ＝　＋＋ｗ−−−−−閂− １一つ蛸。 ｆｆ’１ｍ＋＋ｗ＋−嘲噌ψ智−−菅ｗぐ一一１―−−１ｍｎｗｒｚ書ｗａｍＩ ’ｍｍ１ｌｆｆ＋ｒｒｒｌＩＦ＆＋＠２［］１０２／９０〜−ｍＰｗｗｗｌ’１ ｋｍｍＭ＋＋＋ｙｍ−１ｍ＋＋ｗｗ９−菅噂−ｍｍｇＦ＋Ｍｌ＃＋１ｗ−一臂＋ ＩＷｆｉｍ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．光源（１）と、平行光線を発生させるコリメータ（２）と、平行光線を偏光 させる第１の偏光要素（３）と、偏光された平行光線に対して垂直である少なく とも２つの平面平行な側面を備えた複屈折要素（４、５、６）と、複屈折要素（ ４、５、６）から出る光を偏光させる第２の偏光要素（７）と光電検出器（８） とを備えた偏光干渉計において、複屈折要素（４、５、６）は相対する側面に沿 って相互に移動可能に配設されており、矩形を補完する２つの光学的楔（５、６ ）と補償板として使用される平面平行な複屈折板（４）とから成り、補償板（４ ）の光軸は両楔（５、６）の光軸に対して光線に対して垂直な平面内において最 終的角度だけ回動され、両楔（５、６）の光軸は一致し、そして両偏光器（３、 ７）の光軸は垂直又は相互に平行に位置しかつ複屈折要素（４、５、６）の両楔 （５、６）の軸線に対して平行には向けられていないことを特徴とする前記偏光 干渉計。 ２．第１及び第２の偏光要素（３、７）がそれぞれ直線偏光された光のための偏 光器から成る、請求の範囲１記載の偏光干渉計。 ３．第１の偏光要素（３）が偏光させるビームスプリッタから成り、複屈折要素 （４、５、６）の後方にミラー（１４）が配設されており、ミラーは複屈折要素 （４、５、６）から出る光線を反射して戻し、第２の偏光要素は偏光させるビー ムスプリッタ（３）と同一であり、そして複屈折要素（４、５、６）から出る反 射光は直線偏光されかつビームスプリッタ（３）の光源（１）と共役なアーム内 に配設されている光電検出器（８）上に導かれそして偏光させるビームスプリッ タ（３）の偏光装置は複屈折要素（４、５、６）の両楔（５、６）の軸線に対し て平行には向けられていない、請求の範囲１記載の偏光干渉計。 ４．補償板（４）の光軸が両楔（５、６）の光軸に対して光線に対して垂直の平 面内で９０°だけ回動されている請求の範囲１から３までのうちのいずれか−記 載の偏光干渉計。 ５．両偏光器（３、７）の光軸が複屈折要素（４、５、６）の両楔（５、６）の 軸線に対して４５°の角度を有する、請求の範囲１、２、又は４のうちのいずれ か−記載の偏光干渉計。 ６．偏光させるビームスプリッタ（３）の偏光方向が複屈折要素（４、５、６） の両楔（５、６）の軸線に対して４５°の角度を有する、請求の範囲３記載の偏 光干渉計。 ７．単色光（９）が第２の偏光要素（７）の後方で第１のビームスプリッタ（１ ０）によって反対方向において測定光に導入されかつ第２のビームスプリッタ（ １１）によって第１の偏光させる要素（３）の前で送出され、そして光電検出器 （１３）上に案内される、請求の範囲１から６までのうちのいずれか一記載の偏 光干渉計。 ８．単色光が第１の偏光要素（３）の前で第１のビームスプリッタ（１１）によ って測定光に導入されそして第２の偏光させる要素（７）の後に第２のビームス プリッタ（１０）によって送り出されそして光電検出器上に案内される、請求の 範囲１から６までのうちのいずれか一記載の偏光干渉計。 ９．光電検出器（１３）の前に単色光の波長の光学的帯域フィルタ（１２）が配 設されている、請求の範囲７又は８記載の偏光干渉計。 １０．平行な単色光（９）がビームスプリツタ（１５）で２つの光線に分割され 、その際第１の光は第１の偏光させる要素（３）と補償板（４）との間に配設さ れているミラー（１６）によって複屈折要素（４、５、６）の光路に導入されか つ第２の光はミラー（１７）によって複屈折要素（４、５、６）と第２の偏光さ せる要素（７）との間に配設されているビームスプリッタ（１８）に反射されそ して両反射された光はビームスプリッタ（１８）で再び統合されかつその後光路 から出されかつ検出器（１３）上に案内される、請求の範囲１から６までのうち のいずれか一記載の偏光干渉計。 １１．複屈折要素（４、５、６）の可動楔（６）がマイケルソン干渉計（９、１ ３、１９、２０、２１）の可動ミラー（２１）と固着されている、請求の範囲１ から６までのうちのいずれか一記載の偏光干渉計。 １２．複屈折要素（４、５、６）の可動楔（６）に楔（６）の縦移動ｘの測定の ための測定尺が付設されている、請求の範囲１から６までのうちのいずれか一記 載の偏光干渉計。 １３．複屈折要素（４、５、６）の可動楔（６）がモアレ法の使用により楔（６ ）の変位ｘを測定するための回折格子に使用される請求の範囲１から第６項まで のうちのいずれか一記載の偏光干渉計。 １４．第２偏光手段（７）に対して従って配設されている光電検出器（８）が鉛 亜硫酸塩セル又はシリコン発光ダイオードである、請求の範囲第１項から第６項 までのうちのいずれか一記載の偏光干渉計。 １５．光電検出器（８）内で発生した電流は電気回路で増幅されかつ、アナログ ／デジタル変換器によって、等しい距離変位点に相応する分割したニューメリカ ルインタフェログラムに変換される、請求の範囲第１項から第１４項までのうち のいずれか一記載の使用方法。 １６．ニューメリカルインタフェログラムがデジタル的にフィルタをかけられか つＦＦＴ（高速フーリエ変換）の後スペクトログラムとして現れる、請求の範囲 第１５項記載の使用方法。