JPH08338763A - ダイクロイックマイケルソンミラーを有する２帯域フーリエ変換分光計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、２つのスペクトル帯域を処理する
高い信号対雑音比を有するフーリエ変換分光計を得るこ
とを目的とする。 【解決手段】 入射光を第１のビーム16と第２のビーム
18に分割するビームスプリッタ12と、第１のビームを反
射する固定された第１の平面ミラー20と、ミラー平面に
垂直に移動可能で第２のビーム18をビームスプリッタに
向けて反射する第２の平面ミラー22と、ビームスプリッ
タ12と第１の平面ミラー20との間に挿入された固定され
た第１の二色ミラ−26と、ミラー平面に垂直に移動可能
にビームスプリッタ12と第２の平面ミラー22との間に挿
入された第２の二色ミラー30とを具備し、２の平面ミラ
ー22と第２の二色ミラー30はそれぞれ異なった距離だけ
移動され、異なったスペクトル分解能で２つのスペクト
ル帯域の放射を処理することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は干渉計およびフーリ
エ変換分光計、特に一般的なフーリエ変換分光計で２つ
のスペクトル帯域を与える方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】大気の垂直温度および湿度プロフィール
は下方向を観察し大気から来るスペクトル放射を測定す
る大気音響器を含んだスペース装置から決定されること
ができる。欧州気象衛星（ＥＵＭＥＴＳＡＴ）連合の資
金援助による研究中に開発された干渉計熱音響器（ＩＴ
Ｓ）のような大気音響器はスペクトル放射を測定するた
めマイケルソンフーリエ変換分光計を使用する（ＥＵＭ
ＥＴＳＡＴは欧州気象衛星を動作し、米国の国際海洋お
よび大気監視またはＮＯＡＡと類似する１６国の連合で
ある）。

【０００３】通常のマイケルソンフーリエ変換分光計
（ＦＴＳ）は２つのミラーを使用し、その一方は固定さ
れ、他方は運動する。ＦＴＳはビームスプリッタと、位
置を固定している第１の平面ミラーと、その平面に垂直
な方向で移動されることができる第２の平面ミラーとを
具備している。ビームスプリッタは入射光を２つのビー
ム、即ち第１のビームと第２のビームへ分割する。第１
のビームは第１のミラーから反射され、第２のビームは
第２のミラーから反射される。第１のビームと第２のビ
ームは反射後、ビームスプリッタで再結合され干渉す
る。ビームスプリッタを透過した第１のビームと、ビー
ムスプリッタから反射された第２のビームは第３のビー
ムを形成するように再結合される。第３のビームは第２
の平面ミラーが入射光についてスペクトル情報を獲得す
るように移動されるとき処理される。

【０００４】通常のＦＴＳに２つのスペクトル帯域を与
えるため、（１）多数の干渉計を設けるか、（２）単一
の干渉計の開口を共有するか、（３）単一の干渉計の出
力をビーム分割することが必要である。多数の干渉計を
設けることを含んでいる第１の方法では、２つの完全な
システムの寸法と大きさは特に衛星用では不都合であ
る。単一の干渉計の開口の共有を必要とする第２の方法
では、減少された集収領域により効率が失われる。単一
の干渉計の出力ビームが分割される第３の方法では、信
号対雑音比が単一の干渉計の滞留時間（後述する）が両
者の帯域で最適ではないために低下する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従って、それぞれ異な
ったスペクトル分解能を有する２つのスペクトル帯域を
単一のＦＴＳ構造を使用して適切に処理するための手段
が必要であり、それによって滞留時間と信号対雑音比が
両方の帯域で最適にされる。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明によると、２つの
二色ミラーおよび二色ビームスプリッタが２つのスペク
トル帯域を適合するように通常のマイケルソンフーリエ
変換分光計に導入される。通常のマイケルソンフーリエ
変換分光計は入来光を２つのビームへ分割するビームス
プリッタと、位置が固定されている第１の平面ミラー
と、ミラーの平面に垂直方向で移動することができる第
２の平面ミラ−とを具備している。本発明はそれぞれ２
つのミラーを１対のミラーと置換し、その１つは二色ミ
ラーである。本発明の方法はビームスプリッタと第１の
平面ミラーの間に位置が固定されている第１の二色ミラ
ーを挿入し、ビームスプリッタと第２の平面ミラーの間
にミラー平面に垂直な方向で移動されることができる第
２の二色ミラーを挿入することを特徴とする。第１の二
色ミラーと第２の二色ミラ−は長い波長の放射を透過
し、短い波長の放射を反射する。二色ビームスプリッタ
はまた２つのスペクトル帯域を分離するように干渉計構
造中に挿入される。

【０００７】第２の平面ミラーとビームスプリッタ間の
光路差と、第２の二色ミラーとビームスプリッタ間の光
路差を変化するため異なった量だけ第２の平面ミラーと
第２の二色ミラ−を移動することにより、２つのスペク
トル帯域は異なったスペクトル分解能で処理されること
ができる。第２の平面ミラーと第２の二色ミラ−はそれ
ぞれ同一の時間内に適切な距離を移動するので、滞留時
間と信号対雑音比は両者の帯域で最適にされる。

【０００８】２つの別々の光学系と２つの別々の検出器
は、二色ビームスプリッタにより分離される長い波長の
放射と短い波長の放射を感知するために使用されること
ができる。さらに、第２の平面ミラーと第２の二色ミラ
−は異なった速度で移動するので、容易に分離されるこ
とができる干渉図の異なった電気的周波数が発生され
る。このことは残留する帯域外干渉図信号が除去される
ことを可能にする。

【０００９】本発明により使用される方法は一般的なＦ
ＴＳに２つのスペクトル帯域を与える従来の方法よりも
以下の理由で優れている。

【００１０】１．十分に有効な開口を有する単一の干渉
計が使用される。 ２．２つの移動ミラー（第２の平面ミラーおよび第２の
二色ミラ−）が同一時間内に２つの所望な分解能に対応
した距離を移動するので、滞留時間は両者の帯域で最適
にされる。 ３．二色ミラーと二色ビームスプリッタに関連する光損
失は共有された開口に関するこれらの損失よりも非常に
低い。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の他の目的、特徴、利点は
後述の詳細な説明と添付図面を考慮して明白になるであ
ろう。同一の参照符号は図面を通じて同一特性を表して
いる。本発明を実施するため発明者により現在行われて
いる最良モードを示した本発明の特定の実施例を詳細に
参照する。

【００１２】本発明は、平面ミラーを有する通常のマイ
ケルソンフーリエ変換分光計を基礎とする。マイケルソ
ンフーリエ変換分光計はマイケルソン干渉計に基づいて
いる。

【００１３】図１を参照すると、マイケルソン干渉計の
干渉計構造10は、２つのビーム、即ち第１のビーム16と
第２のビーム18へ入射光14を分離するビームスプリッタ
12と、基準ミラー20と、反射表面22とを具備している。
第１のビーム16は基準ミラー20から反射され、第２のビ
ーム18は反射表面22から反射される。第１のビーム16と
第２のビーム18は、反射ミラー20と反射表面22からの反
射後、それぞれビームスプリッタ12において再結合し干
渉する。ビームスプリッタ12を透過した第１のビーム16
と、ビームスプリッタから反射される第２のビーム18は
第３のビーム24を形成するように再結合する。

【００１４】（分光計ではない干渉計は干渉測定装置お
よび平坦度または波頭の正確度を測定する装置のような
測定装置に区分される。干渉測定装置と、同時に２波長
で動作することにより一度に２つの測定を行う装置には
幾つか有効性がある。） マイケルソンフーリエ変換分光計では、基準ミラー20と
反射表面22は２つのミラーと置換され、一方は固定され
他方は移動する。本発明の特定の実施例では、第１の平
面ミラー20は基準ミラーへ言換えられ、第２の平面ミラ
ー22は反射表面と言換えられる。第１の平面ミラー20は
位置が固定され、第２の平面ミラー22はその平面に垂直
な方向で移動されることができる。

【００１５】本発明の特徴は各２つの平面ミラー（第１
の平面ミラー20および第２の平面ミラー22）と、ビーム
スプリッタ12との間に二色ミラーを付加することと２つ
の平面ミラーが移動される態様にある。

【００１６】再度図１を参照すると、本発明の２帯域の
フーリエ変換分光計の概略図が示されている。照準され
た入射光14は左から干渉計構造10（または干渉計）に入
り、ビームスプリッタ12へ入射する。ビームスプリッタ
12は入射光14を２つのビーム、即ちビームスプリッタか
ら反射される第１のビーム16と、それを透過する第２の
ビーム18に分割する。第１のビーム16は位置を固定され
ている第１の二色ミラー26に伝播する。短い波長の放射
は第１の二色ミラー26から反射される。ビーム28で示さ
れている長い波長の放射は第１の二色ミラー26を通過
し、位置が固定されている第１の平面ミラー20へ伝播す
る。ビーム28で示されている長い波長の放射は第１の平
面ミラー20から反射され、再度第１の二色ミラー26を通
過する。長い波長の放射成分と短い波長の放射成分はビ
ームスプリッタ12へ戻される。

【００１７】類似のプロセスが第２のビーム18で生じ
る。第２のビーム18は第２の二色ミラー30へ伝播し、こ
れはミラー平面に垂直な方向に移動されることができ
る。短い波長の放射は第２の二色ミラー30から反射され
る。ビーム32で示される長い波長の放射は第２の二色ミ
ラー30を通過し、ミラー平面に垂直方向で移動すること
ができる第２の平面ミラ−22へ伝播する。ビーム32で示
されている長い波長の放射は第２の平面ミラー22から反
射され、再度第２の二色ミラー30を通過する。長い波長
の放射成分と短い波長の放射成分はビームスプリッタ12
へ戻される。第１のビーム16と第２のビーム18を含んだ
プロセスは、第２の二色ミラー30と第２の平面ミラー22
の両者が独立してこれらのミラー平面に垂直な方向で移
動されることができる点を除いて同一である。

【００１８】第２の二色ミラー30と第２の平面ミラー22
から反射された後、第２のビーム18からの放射はビーム
スプリッタ12において第１のビーム16から到着した放射
と相互作用する。干渉はビームスプリッタ被覆34の表面
に沿って生じ、これは２つの等しい厚さの光学材料の間
に挟まれており、それによって光路は干渉計10の各腕で
同一である。ビームスプリッタの材料が問題の波長帯域
に渡って分散を有するならば、等しい厚さのビームスプ
リッタ衣料の間にビームスプリッタ被覆34を挟むことは
特に重要である。そこを透過する第１のビーム16と、ビ
ームスプリッタ12から反射される第２のビーム18の両者
を含む結果的な放射は第３のビーム24を形成する。第３
のビーム24は２つのスペクトル帯域を分離する長波通過
二色ビームスプリッタ36に伝播する。別々の光学システ
ム、即ち長い波長帯域用の光学系38と、短い波長帯域用
の光学系40は長い波長帯域と短い波長帯域に対応して放
射を２つの分離した検出器、即ち長い波長帯域用に最適
化された検出器42と短い波長帯域用に最適化された検出
器44へ焦点を結ぶ。

【００１９】第２の二色ミラー30が移動されるとき、第
２の二色ミラーとビームスプリッタ12間の光路差は第１
の二色ミラー26とビームスプリッタ間の光路差に関して
変化する。光路差が等しいとき（即ちゼロの光路差）最
大の構成的干渉が生じ、干渉計10に入る短い波長放射は
同位相で付加され、それによって最大の信号を発生す
る。

【００２０】第２の平面ミラー22が移動されるとき、第
２の平面ミラーとビームスプリッタ12間の光路差は第１
の平面ミラー20とビームスプリッタ間の光路差に関して
変化する。光路差が等しいとき（即ちゼロの光路差）最
大の構成的干渉が生じ、干渉計10に入る長い波長放射は
同位相で加算され、それによって最大の信号を発生す
る。

【００２１】それぞれ移動するミラー、即ち第２の二色
ミラー30と第２の平面ミラー22がそれぞれゼロの光路差
（ＺＰＤ）位置から離されるように移動するとき、干渉
は特徴的な干渉図検出器出力を発生する。この検出器出
力信号は入射光14についてのスペクトル情報を与えるた
め解析されることができる。ＦＴＳのスペクトル分解能
は各移動ミラー、即ち第２の二色ミラ−30と第２の平面
ミラー22がＺＰＤから離れるように移動される距離に反
比例する。

【００２２】本発明の特徴は、第２の二色性ミラー30と
第２の平面ミラー22を異なった量だけ移動することによ
り、２つのスペクトル帯域が処理され、それぞれ異なっ
たスペクトル分解能を有することである。第２の二色ミ
ラー30と第２の平面ミラー22が異なった距離を移動され
るが同時間の移動であるならば、滞留時間は両者の帯域
で最適にされる。本発明のこの特徴は、滞留時間が検出
器出力の各サンプルが平均にされることができる時間間
隔に対応するので、信号対雑音比が臨界的であるシステ
ム応用で重要である。本質的に、滞留時間中、スペクト
ルの各スペクトル成分を表す周波数成分が付加される。
周波数成分は逆フーリエ変換プロセス期間中に付加され
る。

【００２３】２つのスペクトル帯域を有する一般的なＦ
ＴＳでは、正確なミラー変位が達成されたとき低スペク
トル分解能帯域でデータを採取することを停止する必要
がある。低分解能の帯域におけるデータ獲得の停止は検
出器出力が平均化されることができる有効な滞留時間を
短くする。特に、低スペクトル帯域の滞留時間を最適に
する本発明で考察された気象応用は、信号対雑音比の２
つの改良要素を結果として生じる。

【００２４】本発明の応用では、２つのスペクトル帯域
のスペクトル分解能は４の要素で異なっている。従っ
て、低分解能のミラー（この応用では第２の二色ミラー
30）は４つの小さい変位の要素と、他の移動ミラー、即
ち第２の平面ミラー22よりも低速度の４つの要素を有す
る。

【００２５】２つの二色ミラー、即ち第１の二色ミラー
26と第２の二色ミラー30は短い波長放射の高い反射率と
長い波長の放射のための高い透過を有し、これはそれぞ
れ９５％の範囲内である。従って、残りの５％の帯域外
の影響は可成の疑似信号を発生する。しかしながら、残
りの５％の帯域外信号は電子フィルタ処理により本発明
で除去されることができる。検出器（42と44）で発生さ
れる電気的周波数はミラーの速度と放射の周波数の積に
等しい。第２の二色ミラー30と第２の平面ミラー22の間
の速度における４つの要素は容易にフィルタ処理される
ことができる電気的周波数を発生する。これは本発明の
主要な特徴である。

【００２６】同一分解能であるが異なった波長を有する
２つの測定を行うことが所望されることもある。本発明
は異なった波長における２つの測定が同一分解能を有し
て行われる場合を可能にする。この場合、ミラー、即ち
第２の二色ミラー30と第２の平面ミラー22が同一の滞留
時間で動作するので、残りの５％の帯域外信号は問題を
提示する。しかしながら、同一分解能で動作する理由が
あるならば、ミラー、即ち第２の二色ミラー30、第２の
平面ミラー22は同一距離を移動されるが、異なった期間
にわたり、従って、簡単にフィルタ処理されることがで
きる異なった周波数を発生する。

【００２７】ここで説明されている２つのスペクトル帯
域を処理するフーリエ変換分光計は、例えば衛星の大気
音響器で使用できることが予期されている。本発明は従
来の設計、即ち共有の開口を有する単一の干渉計を使用
し二色ビームスプリッタを使用しない干渉計熱音響器
（ＩＴＳ）に置換して使用されることができる。前述の
説明は本発明の典型的な応用である。他の変形は提案さ
れた本発明の原理を変更することなく行われよう。

【００２８】本発明の好ましい実施例についての前述の
説明を例示および説明の目的で行った。本発明を開示さ
れた形態に厳密に正確に限定されることは目的ではな
い。ここで説明されているフーリエ変換分光計に２つの
スペクトル地域を与える方法はフーリエ変換分光計に限
定されるものではなく、マイケルソン干渉計に基づいた
他の装置で使用可能である。本発明は干渉計測定装置お
よび、平坦度または波頭の正確度を測定し、２つの波長
で同時に動作することにより一度に２つの測定を行う装
置に有効である。明白に、多数の変形および変更が当業
者に明白であろう。本発明の原理とその実施応用を最良
に説明するために実施例を選択し説明し、それによって
当業者が種々の実施例について本発明を理解し、種々の
変形が実行される特定の使用法に適したものと理解する
ことを可能にする。本発明の技術的範囲は特許請求の範
囲の記載によってのみ限定されるべきものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】２帯域フーリエ変換分光計の概略図。

フロントページの続き (72)発明者 レイモンド・ダブリュ・メッツ アメリカ合衆国、カリフォルニア州 91720、コロナ、アドーブ・アベニュー 2157

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１のスペクトル帯域の放射と第２のス
   ペクトル帯域の放射とを含む２つのスペクトル帯域を干
   渉計に与える方法において、 前記干渉計はビームスプリッタと、基準ミラーと、反射
   表面とを具備し、前記ビームスプリッタは、入射光を第
   １のビームと、第２のビームへ分割し、分割された前記
   第１のビームは前記基準ミラーで反射され、第２のビー
   ムは前記反射表面で反射され、前記基準ミラーおよび前
   記反射表面から反射された前記第１および第２のビーム
   は前記ビームスプリッタで再結合され、干渉して第３の
   ビームを形成し、 前記ビームスプリッタと前記基準ミラーとの間に第１の
   スペクトル帯域の放射を透過し、第２のスペクトル帯域
   の放射を反射する第１の二色ミラーを挿入することを特
   徴とする２つのスペクトル帯域を干渉計に与える方法。
2. 【請求項２】 第１のスペクトル帯域の放射と第２のス
   ペクトル帯域の放射とを含む２つのスペクトル帯域を処
   理するフーリエ変換分光計において、（ａ）入射光を第
   １のビームと第２のビームに分割するビームスプリッタ
   と、（ｂ）前記第１のビームが反射される位置に固定さ
   れている第１の平面ミラーと、（ｃ）ミラーの平面に垂
   直方向で移動することが可能であり、前記第２のビーム
   をビームスプリッタに向けて反射する第２の平面ミラー
   とを具備し、前記第１のビームと前記第２のビームは前
   記ビームスプリッタで再結合され、干渉して前記第３の
   ビームを形成し、さらに、（ｄ）前記ビームスプリッタ
   と前記第１の平面ミラーとの間の位置に固定されている
   第１の二色ミラ−と、（ｅ）ミラー平面に垂直方向で移
   動することが可能であり、前記ビームスプリッタと前記
   第２の平面ミラーとの間に位置され第２の二色ミラーと
   を具備し、 前記第２の平面ミラーと前記第２の二色ミラーは前記第
   ２の平面ミラーと前記ビームスプリッタ間の光路差と、
   前記第２の二色ミラーと前記ビームスプリッタ間の光路
   差とを変化するように異なった量だけ移動され、異なっ
   たスペクトル分解能で、前記第１のスペクトル帯域の放
   射と前記第２のスペクトル帯域の放射を処理することを
   特徴とするフーリエ変換分光計。
3. 【請求項３】 前記第１の二色ミラーと前記第２の二色
   ミラーが長い波長の放射を透過し短い波長の放射を反射
   する請求項２記載のフーリエ変換分光計。
4. 【請求項４】 前記第１の二色ミラーと前記第２の二色
   ミラーが９５％の範囲内の短い波長の放射に対する高い
   反射率と、９５％の範囲内の長い波長の放射に対する高
   い透過率を有している請求項３記載のフーリエ変換分光
   計。
5. 【請求項５】 前記第３のビームにおける前記第１のス
   ペクトル帯域の放射と前記第２のスペクトル帯域の放射
   を分離する二色ビームスプリッタをさらに具備している
   フーリエ変換分光計。
6. 【請求項６】 前記第１のスペクトル帯域の放射と前記
   第２のスペクトル帯域の放射を感知する２つの分離した
   光学系および２つの分離した検出器を具備している請求
   項５記載のフーリエ変換分光計。
7. 【請求項７】（ａ）位置に固定されている第１の二色ミ
   ラ−をスプリッタと第１の平面ミラーとの間に挿入し、
   （ｂ）ミラーの平面に垂直な方向で移動されることがで
   きる第２の二色ミラーをビームスプリッタと第２の平面
   ミラーとの間に挿入し、（ｃ）前記第２の平面ミラーと
   前記第２の二色ミラーを、前記第２の平面ミラーと前記
   ビームスプリッタ間の光路差と、前記第２の二色ミラー
   と前記ビームスプリッタ間の光路差を変化するために異
   なった量だけ移動し、それによって異なったスペクトル
   分解能で前記第１のスペクトル帯域の放射と前記第２の
   スペクトル帯域の放射とを処理する請求項２記載の前記
   フーリエ変換分光計において２つのスペクトル帯域を与
   える方法。
8. 【請求項８】 前記第２の二色ミラーは滞留時間を最適
   にするため同一時間の期間中に異なった量で移動される
   請求項７記載の方法。
9. 【請求項９】 前記第２の二色ミラーは前記第２の平面
   ミラーが移動されるよりも４つの要素だけ低い速度で移
   動される請求項８記載の方法。
10. 【請求項１０】 前記第２の平面ミラーと第２の二色ミ
    ラーは異なった速度で移動され、それによって前記２つ
    の分離した検出器で異なった電気的周波数を発生し、前
    記異なった電気的周波数は残りの帯域外信号を減少する
    ように容易に分離される請求項８記載の方法。