JPH0634439A

JPH0634439A - 高分解能分光装置

Info

Publication number: JPH0634439A
Application number: JP21240992A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Iwata; 哲郎岩田
Original assignee: Jasco Corp
Current assignee: Jasco Corp
Priority date: 1992-07-17
Filing date: 1992-07-17
Publication date: 1994-02-08

Abstract

(57)【要約】【目的】高分解能で、かつ測定可能領域が広く、しか
も装置，制御等が簡単な高分解能分光装置を提供するこ
と。【構成】ファブリーペロー干渉計５の出射側にフーリ
エ分光器８を配置している。そして、そのファブリーペ
ロー干渉計の自由スペクトル領域とフーリエ分光器８の
分解波数とが等しくなるように調整されている。この状
態で自由スペクトル領域をｎ分割し、それぞれに対して
掃引して得られたｎ回分のスペクトルデータをメモリ１
８に一時格納し、ｎ回分の掃引が終了したなら、全スペ
クトルデータを演算部１９に送り、そこにおいて合成し
出力するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高分解能分光装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術とその問題点】従来の高分解能分光装置と
しては、例えばファブリーペロー（以下、「ＦＰ」と称
する）干渉計を用いたものがある。これは分解能が１０
⁶程度と非常に高いが、測定可能なレンジ幅である自由
スペクトル領域（以下、「ＦＳＲ」と称する）が非常に
狭く、広範囲な波長領域での測定はできない。

【０００３】これを改良するものとして、例えば「分光
研究第３４巻第２号（１９８５）」の第９６頁以降
に示された「ＦＰ干渉計とダブルモノクロメータの同期
掃引による高分解能分光システム」がある。この装置
は、その題名からも明らかなように、ＦＰ干渉計の出射
側にダブルモノクロメータを配置する。そして、周知の
ようにＦＰ干渉計の分光特性は図６（Ａ）に示すごとく
周期的構造をもっているため、ダブルモノクロメータの
透過ピークを同図（Ｂ）に示すようにＦＰ干渉計のピー
クの１つの一致させる。これにより、ダブルモノクロメ
ータを透過するとＦＰ干渉計のピークのうち上記透過ピ
ーク以外のピークは除去される。そしてこれら２つの分
光器の透過ピークを互いに一致させたまま両者を同じ速
さで同期掃引する。これにより同図（Ｃ）に示すよう
に、周期構造のない鋭い分光特性が得られる。そして、
掃引方法を鋸状のように工夫することにより、高分解能
かつ広い波長範囲での測定が可能となる。

【０００４】しかし、上記の例では、実際には同期をと
ることが非常に煩雑で、しかも掃引が一定でないため、
その同期制御の煩雑さはより顕著なものとなる。よっ
て、制御を非常に高精度に行わざるを得ず、仮に係る分
光装置が製造できたとしても、その組立精度や各部品間
の位置合わせ精度などに非常に高精度なものを要求され
るので、その作業が煩雑でかつ高価なものとなり、その
結果、実用に供し得ないものとなる。

【０００５】また、フーリエ分光器のみでこのような高
分解能を得ようとすると、フーリエ分光器の波数（波
長）分解は光路差の逆数に比例するため、干渉計の可動
鏡の走査を１ｍ以上にもわたって安定に行なわなければ
ならず、システムが複雑かつ大型化し、しかも高価なも
のとなる。また、現時点ではＦＰ干渉計で得られる分解
能は、フーリエ分光器では達成できていない。また仮に
達成できたとしても、実質的に受光立体角が小さくなる
ため、あまり明るくならない。回折格子分光器では、も
ちろんこのような分解能には遠く及ばず、仮に達成でき
たとしても非常に大型化しかつ非常に暗くなる。

【０００６】本発明は、上記した背景に鑑みてなされた
もので、その目的とするところは、高分解能で、かつ測
定可能領域が広く、しかも装置，制御等が簡単かつ小型
で明るい高分解能分光装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明に係る高分解能分光装置では、ファブリ
ーペロー干渉計と、そのファブリーペロー干渉計の出射
側に配置されたフーリエ分光器とを備えるとともに、そ
のフーリエ分光器の波数或いは波長分解は、前記ファブ
リーペロー干渉計の自由スペクトル領域と略等しく設定
され、さらに、前記自由スペクトル領域をｎ分割して掃
引し、それぞれの位置で得られたｎ回分のフーリエ分光
器によるスペクトル測定結果を記憶する手段と、その記
憶する手段に格納されたｎ回分の測定結果を合成し出力
する手段とを備えた。

【０００８】

【作用】ＦＰ干渉計のＦＳＲをｎ分割し、それぞれにつ
いてステップ掃引する。すると１回目の位置では、測定
対象となるスペクトルデータ上の、ＦＳＲのステップ幅
ごとのデータがＦＰ干渉計から出射され、その出射され
たスペクトルデータがフーリエ分光器を介して取り出さ
れ、それを記憶する手段に一時格納する。次いで、２回
目の位置では、上記１回目の位置で得られたデータから
（ＦＳＲ／ｎ）分だけずれた位置のＦＳＲのステップ幅
ごとのスペクトルデータが得られるため、やはりそれを
フーリエ分光器を介して取り出すとともに記憶する手段
に格納する。そして、以後係る処理をｎ回目まで行う。
すると、記憶する手段には、ｎ種分のスペクトルデータ
が格納されることになり、ｎ回の掃引処理が終了したな
ら、記憶したすべてのデータを合成する。これにより合
成して得られたスペクトルデータは、測定対象となる元
のスペクトルデータを（ＦＳＲ／ｎ）のステップ幅の分
解能で検出して得られたものとなり、測定すべき元のス
ペクトルの高分解のスペクトルが作成される。そして、
分解能はＦＰ干渉計で決定される高分解能が得られ、か
つ、その測定領域はフーリエ分光器で決定される広い波
長（波数）領域となる。

【０００９】

【実施例】以下本発明に係る高分解能分光装置について
添付図面を参照にして詳述する。図１は本発明に係る装
置の第１実施例を示している。同図に示すように、被測
定対象の光源１から出射された光が、収束レンズ２，ア
パーチャー３並びにコリメートレンズ４を介して平行光
束にされた後、ＦＰ干渉計５に光軸に平行に入射される
ようになっている。そして、本例では、ＦＰ干渉計５と
して、高い面精度と高い反射率をもつ２枚の半透明鏡
（エタロン対）６ａ，６ｂを互いに平行になるように配
置したものを用い、一方の平面鏡６ｂにスキャンドライ
バー７を接続し、両平面鏡６ａ，６ｂ間の距離ｄを調整
できるようになっている。なお、このスキャンドライバ
ー７は、ピエゾ素子から構成される。

【００１０】また、このＦＰ干渉計５の出射側には、フ
ーリエ分光器８を設置している。このフーリエ分光器８
自体は従来のものと基本的に同様であり、ビームスプリ
ッタ９の直交する２方向に固定鏡１０と可動鏡１１を設
置している。そして、この可動鏡１１は、ドライバ１２
によりビームスプリッタ９に対して前後進移動するよう
になっている。

【００１１】そして、このドライバ１２並びに上記した
スキャンドライバ７は、それぞれコントローラ１３に接
続されており、コントローラ１３からの制御信号により
可動鏡１１並びに平面鏡６ｂを所定距離だけ移動させる
ようになっている。

【００１２】さらに、固定鏡１０並びに可動鏡１１にて
反射して戻ってきた光がビームスプリッタ９で合成され
て出射される位置に収光レンズ１４が配置され、さらに
その収光レンズ１４の焦点距離上に検出器１５が配置さ
れ、その検出器で検出したデータが信号処理部１６に入
射され、そこにおいてフーリエ変換等の所定の演算処理
が行われるようになっている。

【００１３】そして、その様にして算出された検出デー
タが、コントローラ１３を介してコンピュータ１７内の
記憶手段たるメモリ１８に格納するようになっている。

【００１４】さらに、上記コンピュータ１７内には、メ
モリ１８内に格納した検出データを合成する演算部１９
も備えている。また、上記ＦＰ干渉計５のＦＳＲとフー
リエ分光器８の分解波数とが等しくなるように調節・設
定されている。すなわち、フーリエ分光器８の分解波数
は、可動鏡１１の移動距離をｓ［ｃｍ］とすると、矩形
のアボダイゼーション関数を使用した場合、（１／２ｓ）［ｃｍ-1］となるため、１／２ｓ＝ＦＳＲと設定する。

【００１５】次に、上記した装置の作用について説明す
るが、その説明に先立ちＦＰ干渉計の透過特性について
説明する。まず、透過率特性ＴF は、干渉計（一対の半
透明鏡６ａ，６ｂ（エタロン））５を構成する半透明鏡
の透過度（強度）をＴ、反射度をＲとすると、ＴF ＝Ｔ²／（（１−Ｒ）²＋４Ｒsin ²δ）となる。

【００１６】ここでδは、下記式で与えられる。

【００１７】

【数１】δ＝（π／λ）２ｎｄcos ｉ−φ 但し、ｎ：エタロン間のスペーサ物質の屈折率ｄ：エタロン間隔ｉ：入射角 φ：エタロン内部での反射による振幅の位相変化 λ：波長これより、δ＝ｍπのとき明るくなる。ここでｍは正の
整数であり干渉の次数を与える。よって、２ｎｄcos ｉ＝（ｍ＋（φ／π））λ が成り立つ。

【００１８】そして、φは定数と仮定してφ＝０とお
き、さらに、上記したごとく本例ではエタロンに対して
真っ直ぐに光が入射されるため、ｉ＝０となる。よっ
て、それらφ並びにｉを上記式に代入すると、２ｎｄ＝ｍλ となる。したがってｎまたはｄを変化させると、一定の
ｍ（次数）に対しては、λが変化する。そして、本例で
は、スキャンドライバー７によりｄが変化し、ｎは空気
中で一定（ｎ＝１）であるため、２ｄ＝ｍλ となる。よって、ｄをある一定値に固定した場合、図２
に示すような特性となる。

【００１９】そして、本例ではＦＰ干渉計５のＦＳＲを
ｎ分割し、エタロン間隔をｄ１，ｄ２，…，ｄｎと変化
させてステップ掃引する。すると、例えば測定すべきス
ペクトルが図３（Ａ）に示すようになっているとする
と、同図（Ｂ）に示すように、所定のエタロン間隔ｄ１
にて１回目の測定を行うと、ＦＰ干渉計５の各透過率特
性のピーク値に対応する測定すべきスペクトルの部位
（図中黒丸）がフーリエ分光器８により測定・検出され
る（同図（Ｃ）参照）。そしてそのフーリエ分光器８で
検出されたスペクトルデータをメモリ１８に格納する。

【００２０】同様にエタロン間隔ｄ２にて２回目の測定
を行うことにより、測定すべきスペクトルのうち、黒三
角で示されたスペクトルデータがフーリエ分光器８によ
って読取られ、メモリ１８に格納される。以下順に、ｎ
回目まで測定を繰り返し行い、各エタロン間隔ｄｉ（ｉ
＝１〜ｎ）のＦＰ干渉計５の設定に対してフーリエ分光
器８で測定を行い、合計ｎ種のスペクトルデータをメモ
リ１８に格納する。

【００２１】この様にして、ｎ回の測定が終了したな
ら、メモリ１８に格納されたすべてのスペクトルデータ
を読み出すと共に、演算部１９にてそれらを合成（編
集）する。これにより、測定すべき元のスペクトルの高
分解のスペクトルが作成される（同図（Ｄ）参照）。そ
して、この例では、分解能はＦＰ干渉計で決定される高
分解能が得られ、かつ、その測定領域はフーリエ分光器
で決定される広い波長（波数）領域となる。

【００２２】なお、上記した実施例並びに変形例では、
ＦＰ干渉計として、一対の平面鏡から構成されたものに
ついて説明したが、本発明では、図３に示すように所定
の球面鏡対（コンフォーカルエタロン）からなる、コ
ンフォーカルＦＰ干渉計５′を用いるようにしても良
い。係る干渉計を用いると、光学系の調整が容易にな
る。

【００２３】なおまた、掃引は、上記したごとく距離ｄ
を変えるのではなく、エタロン間に高圧ガスを入れると
共に、そのガス圧を変化させることにより、屈折率を変
化させるようにしても良いのはもちろんである。

【００２４】

【発明の効果】以上のように、本発明に係る高分解能分
光装置では、分解能としてはＦＰ干渉計の有する高分解
能を発揮しつつ、測定可能な波長領域は、フーリエ分光
器で規定される広範囲の領域となり、高分解能分光装置
となる。しかも、ＦＰ干渉計の掃引の際にフーリエ分光
器側を同期させる必要がないため、各種制御計も簡単で
装置も簡略，小形化され、安価なものとなる。また、フ
ーリエ分光器単独で同様の高分解能を得ようとすると、
可動鏡の移動距離が非常に長くなり、装置が大型化する
とともに暗くなるが、本発明ではそれらの問題も解決さ
れる。

【００２５】そして、測定可能な領域は紫外領域から赤
外領域まであり、測定の汎用性が向上し、利用分野とし
ては、各種条件を適宜設定することにより、気体の吸収
測定，レーザのスペクトルプロフィル測定，赤外スペク
トル，ラマン散乱，ブリルアン散乱などの各種の測定が
可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る高分解能分光装置の好適な一実施
例を示すブロック構成図である。

【図２】ＦＰ干渉計の透過特性を示す図である。

【図３】作用を説明するための図である。

【図４】本発明に係る高分解能分光装置のさらに他の変
形例を示すブロック構成図である。

【図５】従来の高分解能分光装置の動作原理を説明する
ための図である。

【符号の説明】

５ＦＰ干渉計７スキャンドライバー８フーリエ分光器１４メモリ（記憶する手段）１５演算部（検出結果を合成し出力する手段）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ファブリーペロー干渉計と、そのファブリーペロー干渉計の出射側に配置されたフー
リエ分光器とを備えるとともに、そのフーリエ分光器の
波数或いは波長分解は、前記ファブリーペロー干渉計の
自由スペクトル領域と略等しく設定され、さらに、前記自由スペクトル領域をｎ分割して掃引し、
それぞれの位置で得られたｎ回分のフーリエ分光器によ
るスペクトル測定結果を記憶する手段と、その記憶する手段に格納されたｎ回分の測定結果を合成
し出力する手段とを備えた高分解能分光装置。