JPH083448B2 - マイケルソン干渉計用可動鏡ユニット及びこれを用いた一体型顕微フーリエ赤外分光光度計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はマイケルソン干渉計に用いられる可動鏡ユニ
ット、及び、これを用いたフーリエ赤外分光光度計と赤
外顕微鏡とを一体化した一体型顕微鏡フーリエ赤外分光
光度計に関する。

［従来の技術］ 第６図は可動ダブルコーナキューブミラーを用いたマ
イケルソン干渉計を示す（特開昭63−175734号）。

赤外光源10から放射された光はコリメータ12で平行化
され、ビームスプリッタ14で２分割され、その一方の光
束が固定鏡16、ダブルコーナキューブミラー20の一方の
コーナキューブミラー20、固定鏡16で順次反射されてビ
ームスプリッタ14へ戻され、他方の光束が固定鏡18、ダ
ブルコーナキューブミラー20の他方のコーナキューブミ
ラー20b、固定鏡18で順次反射されてビームスプリッタ1
4へ戻され、戻された両光束がビームスプリッタ14で合
波干渉して外部へ出射される。

ダブルコーナキューブミラー20は、コーナキューブミ
ラー20aと20bとが互いに背中合わせに連結されて、スラ
イダに搭載されており、このスライダはガイドに案内さ
れて固定鏡16と固定鏡18とを結ぶ直線方向（図示Ｘ方
向）に駆動装置で往復駆動される。スライダとガイドの
間には摺動抵抗を小さくするためのベアリングが介在し
ている。

ここで、干渉計にとって重要な安定性及び再現性は干
渉計の前記スライダとガイドとの間の摺動部に大きく影
響される。ダブルコーナキューブミラー20を常に安定し
て走査する為には、この摺動部の摺動抵抗が常に一定で
あること及び摺動部にガタがないことが要求される。

しかし、摺動部のクリアランスを大きくすれば摺動抵
抗は減少するが、ガタが増大してダブルコーナキューブ
ミラー20が横ぶれを起こし安定性が悪化する。また、摺
動部のクリアランスを小さくすればガタが減少するが摺
動抵抗が大きくかつ不均一となり、走査速度を安定させ
ることができなくなって再現性が悪化する。

一方、顕微フーリエ赤外分光法による測定では、従
来、フーリエ赤外分光光度計のケース上に赤外顕微鏡を
搭載し、フーリエ赤外分光光度計から出射される干渉光
束を赤外顕微鏡の集光鏡に導き、赤外顕微鏡から出射さ
れる光束をフーリエ赤外分光光度計の検出器へ導いてい
た。

しかし、使用の際にフーリエ赤外分光光度計と赤外顕
微鏡との間の光学的な調整を行わなければならず、フー
リエ赤外分光光度計から赤外顕微鏡を取り外すとその後
両者を結合する際には再度光学的な調整が必要になり不
便であった。

そこで、フーリエ赤外分光光度計と赤外顕微鏡とを一
体化しようとすると、フーリエ赤外分光光度計は第６図
に示す干渉計の構成から明らかなように平面的に広がっ
た構成であるのに対し、赤外顕微鏡は垂直方向に延びた
構成であるので、全体として大型になり、小型化ができ
ないという問題点があった。このため、両者を一体化し
たものは市販されていない。

振子柱の一端を軸受で回転自在に支持し、該振子柱の
他部に、マイケルソン干渉計用可動鏡としての逆反射鏡
を固定し、励振磁石で該振子柱を振動させる構成のもの
が提案されているが（特開昭56−129826号公報）、軸受
で該振子柱を支持しているので、上記問題が生ずる。す
なわち、軸受摺動部のクリアランスを大きくすれば摺動
抵抗は減少するが、ガタが増大して逆反射鏡が横ぶれを
起こし安定性が悪化する。また、軸受摺動部のクリアラ
ンスを小さくすればガタが減少するが摺動抵抗が大きく
かつ不均一となり、逆反射鏡の走査速度を安定に保つこ
とができなくなって再現性が悪化する。

［発明が解決しようとする課題］ 上記従来の問題点に鑑み、本発明の第１目的は、可動
鏡を安定かつ再現性良く走査させることができるマイケ
ルソン干渉計用可動鏡ユニットを提供することにある。

本発明の第２の目的は、この可動鏡ユニットを用いて
小形化した一体型顕微フーリエ赤外分光光度計を提供す
ることにある。

［課題を解決するための手段及びその作用効果］ この第１の目的は、振子柱の一端部が支持部材に支持
され、該振子柱の他部に、該振子柱へ向けて該振子柱の
振動方向かつ互いに反対方向から入射される２光束の各
々を入射方向と逆方向へ反射させる２個のコーナキュー
ブミラーが固着され、電磁力又は静電気力により非接触
で該振子柱が該振動方向に振動されるマイケルソン干渉
計用可動鏡ユニットにおいて、該振子柱の該一端部と該
支持部材とが第１及び第２の板ばねの各々を介して連結
され、該第１の板ばねと該第２の板ばねとが互いに離間
して交差しており、互いに離間して配置された該第１の
板ばねの数と該第２の板ばねの数の和が３以上であり、
該振子柱を該振動方向へ振動させたときの、該振子柱の
中立位置から該振動方向の一方側へのばね定数と該振子
柱の中立位置から該振動方向の該一方側と反対側へのば
ね定数とが互いに等しくなるように、該板ばねの形状及
び数が定められていることを特徴とするマイケルソン干
渉計用可動鏡ユニットにより達成される。

本発明では、振子柱のこのような支持構造により、摺
動部がなく、かつ、ねじれ剛性に対する振動方向の剛性
を小さくできるので、可動鏡を安定かつ再現性良く走査
させることができる。

ここで、上記可動鏡ユニットは垂直方向に延びている
ので水平方向の占有面積が従来よりも狭くなる。一方、
赤外顕微鏡は、対物鏡の焦点距離を長くして倍率を大き
くする必要があるため垂直方向に延びている。

したがって、本発明の第２の目的は、赤外光源と、上
記可動鏡ユニットを備え該赤外光源からの放射光が入射
されるマイケルソン干渉計と、該マイケルソン干渉計の
横に配置され該干渉計の出射光が導かれてサンプルに収
束される赤外顕微鏡と、該マイケルソン干渉計の上部に
配置され該赤外顕微鏡からの出射光強度を検出する光検
出器と、を一体化した一体型顕微フーリエ赤外分光光度
計により達成される。

［実施例］ 以下、図面に基づいて本発明の一実施例を説明する。

（１）マイケルソン干渉計用可動鏡ユニット 第１図は第６図に示すマイケルソン干渉計のダブルコ
ーナキューブミラー20の移動機構を改良した可動鏡ユニ
ット21を示す。

コーナキューブミラー20a及び20bは背中合わせにして
ミラーベース22の斜面に固着されている。一体となった
コーナキューブミラー20a、20b及びミラーベース22は、
第2B図に示す如く、振子柱24の下端部に形成された逆Ｕ
字状切欠部24aに嵌入されてミラーベース22の側面が切
欠部24aの側面に固着されている。

振子柱24の上端部は、クロス板ばね26を介して支持柱
28の下端部に連結されている。

すなわち、第2A図及び第2B図に示す如く、四角柱形の
振子柱24の上端部及び四角柱形の支持柱28の下端部はそ
れぞれ向かい合う一対の側部が斜めに切除されて、振子
柱24に斜面24a、24bが形成され、支持柱28に斜面28a、2
8bが形成されている。この斜面24aに板ばね26a、26cの
一端部がねじ30で螺着され、斜面28bに板ばね26a、26c
の他端部がねじ30で螺着されている。また、この板ばね
26a、26cとクロスするように、斜面24bに板ばね26b、26
dの一端部がねじ30で螺着され、斜面28aに板ばね26b、2
6dの他端部がねじ30で螺着されている。振子柱24が垂下
して静止している状態では、各板ばね26a〜26dは水平面
に対し45度傾斜している。また、板ばね26aと26bとがク
ロスして１組のクロス板ばねを構成し、板ばね26cと26d
とがクロスしてもう１組のクロス板ばねを構成してい
る。振子柱24を安定かつ再現性良く第2A図横方向へ振動
させるためには、一般に最低２組のクロス板ばねを必要
とする。ただし、板ばね26bの幅を板ばね26a、26cの幅
の約２倍にすれば板ばね26dを除いた３枚の板ばねでク
ロス板ばねを構成してもよい。

第１図に示す如く、支持柱28の上面は上蓋31の下面中
央に固着されている。この上蓋31の周部は、振子柱24の
振動により支持柱28が微動しないように、強固な四角筒
32の上端面に螺着されている。振子柱24の振動方向に相
当する四角筒32の一対の対向面には、コーナキューブミ
ラー20a、20bに対応して光束通過用の孔32a、32bが形成
されている。孔32aを通りコーナキューブミラー20aへ入
射した光束は入射方向と逆方向へ反射され、同様に、孔
32bを通りコーナキューブミラー20bへ入射した光束はそ
の入射方向と逆方向へ反射される。

四角筒32は下端面はサブベースプレート34上に螺着さ
れ、四角筒32内のサブベースプレート34上にはブラケッ
ト36を介してＣ字状のヨーク38が固着され、このヨーク
38の中央部に円柱状のマグネット38aがその中心線をサ
ブベースプレート34に平行にして固着されている。一
方、ミラーベース22に下面には逆Ｌ字状のブラケット40
を介し円筒状ボイスコイル42がその軸方向を振子柱24の
振動方向に一致させて固着されている。このボイスコイ
ル42内にはマグネット38aの中央突出部が同心に挿入さ
れている。

したがって、ボイスコイル42に交流電流を流すと、ボ
イスコイル42とマグネット38との間に働く電磁力により
振子柱24がクロス板ばね26の交点近傍を中心として第１
図左右方向に振動する。

本実施例では従来使用されていた摺動部の代わりにク
ロス板ばね26を用いているので、ダブルコーナキューブ
ミラー20の走査が安定し、かつ再現性が向上する。

また、振子柱24が縦長であり、しかも駆動装置を振子
柱24の下方に設けているので、可動鏡ユニット21の水平
面上の占有面積を従来よりも大幅に狭くすることができ
る。

振子柱24の具体的寸法は、長さ100mm、振動方向の幅2
0mm、振動方向に垂直な方向の幅55mmである。また、板
ばね26a〜26dの具体的寸法は10mm×25mmである。さら
に、分光光度計の分解能はダブルコーナキューブミラー
20の走査距離に比例するが、顕微フーリエ赤外分光法で
の測定で要求される分解能は４〜8cm^-1程度であり、ダ
ブルコーナキューブミラー20を約1mm走査すれば充分で
ある。したがって、上記寸法ではダブルコーナキューブ
ミラー20はほぼ直線上を走査する。

なお、一般に振子の始点には回転軸受が用いられる
が、その摺動部においてクリアランスが存在するので、
クロス板ばね26の代わりに回転軸受を用いた場合には上
述の問題点が生ずる。また、回転軸受の代わりにピボッ
ト軸受を用いることも考えられるが、回転軸受と同じく
摺動部材が存在するため、長期間安定に振子を振動させ
ることができない。さらに、クロス板ばね26の代わり
に、板ばねを振子柱24と支持柱28の一対の側面に平行に
取り付けて試験を行ったところ、振動の安定性が不充分
で実行できなかった。

（２）一体型顕微フーリエ赤外分光光度計 第３図は、上記可動鏡ユニット21を備えたフーリエ赤
外分光光度計46と、赤外顕微鏡48とをコンパクトに一体
化した顕微フーリエ赤外分光光度計を示す。

可動鏡ユニット21は垂直方向に延びているので水平方
向の占有面積が従来よりも狭くなる。一方、赤外顕微鏡
48は、対物鏡82の焦点距離を長くして倍率を大きくする
必要があるため垂直方向に延びている。このような性質
を考慮して、一体型顕微フーリエ赤外分光光度計をコン
パクトに構成している。

フーリエ赤外分光光度計46は第３図右半分に配置さ
れ、赤外顕微鏡48は第３図左半分に配置されている。蓋
以外を鋳物により一体成形したハウジング50の第３図右
半分は、水平方向のベースプレート50a及び50bにより仕
切られて下室52、中室54及び上室56が形成されている。

この下室52には反射鏡58が配置され、中室54には干渉
計部60、反射鏡62及び64が配置されている。

干渉計部60は、Ｌ字状の取付板66に、第４図及び第５
図に示す如く配置されている。干渉計部60は、第６図と
基本的に同一構成のマイケルソン干渉計と、このマイケ
ルソン干渉計を共用するサンプリング信号生成系と、可
視光源とを備えている。

サンプリング信号生成系は次のように構成されてい
る。すなわち、取付板６の側面66bにHe−Neレーザ１及
び反射鏡２が固設されており、He−Neレーザ１から放射
されたレーザービームが反射鏡２でマイケルソン干渉計
側へ偏向される。一方、底板66a上には、ビームスプリ
ッタ14により小形でビームスプリッタ14の下部高さに反
射鏡３が立設されており、このレーザビームは反射鏡３
でビームスプリッタ14の下部側へ偏向され、ビームスプ
リッタ14へ入射角45゜で入射し、その後上述の赤外光束
と同様の光路を通る。ただし、レーザビームは赤外光束
よりも横断面積が充分狭く、かつ、赤外光束がビームス
プリッタ14の中央部を通るのに対しレーザビームはビー
ムスプリッタ14の下部を通るので、分割されたレーザー
ビームの２光束が反射鏡16、18及びダブルコーナキュー
ブミラー20で反射されてビームスプリッタ14へ戻される
位置はビームスプリッタ14の上部となる。この位置で合
波干渉したレーザービームはビームスプリッタ14を透過
し、ビームスプリッタ14に平行に立設された反射鏡４の
上部でホトダイオード５側に偏向され、ホトダイオード
５によりその光強度が光電変換される。この反射鏡４は
中央部には楕円開口4aが形成されており、赤外干渉光は
この楕円開口を通過する。

また、上記可視光源は、豆ランプと、豆ランプ６の発
散光を平行化するコリメータ７とからなり、コリメータ
７からの可視光束は反射鏡４に平行に立設された切換鏡
８により第５図左方に偏向される。切換鏡８はロータリ
ソレノイドにより光路中または光路外に切換移動され
る。

取付板66の側板66bには、赤外光源10が収容されたケ
ース68が螺着されている。なお、He−Neレーザ１及び反
射鏡２を被うカバーは図示省略している。

以上のような構成により、干渉計部60と赤外光源10と
を一体としてハウジング50から取り出し、光学的調整を
行うことが可能となっている。

取付板66は、底板66aがベースプレート50aに螺着さ
れ、側板66bがハウジング50の側面に螺着されている。

第３図に示す如く、中室54の上方の上室56には、楕円
面鏡70及び光検出器72が配置されている。この光検出器
72は、真空壁72aを有する冷却室72b内に液化N₂ガスが注
入されてMCT検出素子が温度77Kに冷却される。

なお、可視鏡ユニット等の制御装置、データ処理装
置、表示装置及び記録計はハウジング50に一体化されて
おらず、別体となっている。

赤外顕微鏡48は公知の構成であり、77は反射鏡、78は
カセグレン型集光鏡、80はサンプルが載せられたカバー
グラス、82はカセグレン対物鏡、84は紙面垂直方向へ移
動して光路から退却可能な切換鏡、86は開度を調節可能
なアパーチャ、88は反射鏡、90は紙面垂直方向へ移動し
てから光路から退却可能な切換鏡、92は接眼鏡、94は不
図示のテレビカメラに接続される鏡胴である。

次に、上記の如く構成された一体型顕微フーリエ赤外
分光光度計の動作を説明する。

赤外光は目視できないため、測定前において可視光で
サンプルを観察する。すなわち、豆ランプ６を点灯し、
切換鏡８を第４図及び第５図に示す如く光路中に置き、
切換鏡90を光路中に移動させ、可視光を反射鏡62で下方
へ反射させる。さらに、透過観察の場合には、切換鏡62
を第３図に示す状態としかつ切換鏡84を光路外に移動さ
せ、反射観察の場合には切換鏡62を第３図に示す状態か
ら90゜回転させかつ切換鏡84を光路中に移動させる。

透過観察の場合には、可視光は切換鏡８、62、反射鏡
58、77でこの順に反射され、カセグレン型集光鏡78によ
りカバーグラス80上のサンプルに収束され、次いでカセ
グレン型対物鏡82でアパーチャ86の開口位置に収束さ
れ、次いで反射鏡88、切換鏡90で反射されて接眼レンズ
92及びテレビカメラに導かれ観察される。この観察によ
り、カセグレン型集光鏡78の高さ、サンプルの測定位置
及びアパーチャ86の開度を調整しておく。

反射観察の場合には、可視光は切換鏡８、62、反射鏡
64、切換鏡84でこの順に反射され、カセグレン型対物鏡
82の第３図右半分でサンプルに干渉光が収束され、その
反射光がカセグレン型対物鏡82の第３図左半分でアパー
チャ86の開口位置に収束される。他の点は上記透過観察
の場合と同一である。

次に、測定を行うため、豆ランプ６を消灯し、切換鏡
８及び90を光路外に移動させ、赤外光源10を点灯し、He
−Neレーザ１をオンにし、ボイスコイル42に交流電流を
流してダブルコーナキューブミラー20を振動させる。赤
外干渉光は反射鏡４の楕円開口4aを通過し、切換鏡62で
反射され、その後、上記可視光と同一光路を通って反射
鏡88で反射され、次いで楕円面鏡70で光検出器72に集光
投射されてその光強度が検出される。この光強度は、ホ
トダイオード５の出力を波形整形したパルスのタイミン
グで読み取られる。このパルスは、ダブルコーナキュー
ブミラー20がレーザ光の波長の1/4移動する毎に１個生
成される。

本実施例では、干渉計部60に可動鏡ユニット21を用い
て底板66aの面積を従来構成の場合よりも狭くし、干渉
計部60の上方に光検出器72を配置しているので、小型の
一体型顕微フーリエ赤外分光光度計を構成することがで
きる。

実際に試作した顕微フーリエ赤外分光光度計の寸法
は、ハウジング50の底面が奥域（第３図左右方向）400m
m×幅250mmでハウジング50の高さが700mmである。ま
た、ベース66の底板66aが奥域170mm×幅240mmで可動鏡
ユニット21の高さが250mmである。可動鏡ユニット21を
用いることにより従来構成のものを用いた場合よりも底
板66aの寸法を奥行及び幅を各々従来の約2/3に短くする
ことができた。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第５図は本発明の一実施例に係り、第１図は
マイケルソン干渉系用可動鏡ユニットの一部縦断面正面
図、 第2A図は交差した板ばねの配置を示す正面図、 第2B図は第2A図の側面図、 第３図は一体型顕微フーリエ赤外分光光度計の光学系の
配置を示す一部縦断面側面図、 第４図は第３図の干渉計部を拡大して示す一部縦断面側
面図、 第５図は第３図の干渉計部の光学系の配置を示す概略平
面図である。 第６図は従来の問題点の説明に供するマイケルソン干渉
計の光学系配置図である。 図中、 １はHe−Neレーザ ２、３、16、18、58、64、77、88は反射鏡 ４は楕円開口付反射鏡 ５はホトダイオード ６はタングステンランプ ８、62、84、90は切換鏡 10は赤外光源 14はビームスプリッタ 20はダブルコーナキューブミラー 20a、20bはコーナキューブミラー 21は可動鏡ユニット 24は振子柱 26はクロス板ばね 26a〜26dは板ばね 28は支持柱 32は四角筒 38aはマグネット 42はボイスコイル 46はフーリエ赤外分光光度計 48は赤外顕微鏡 50はハウジング 60は干渉計部 72は光検出器 78はカセグレン型集光鏡 80はサンプル 82はカセグレン型対物鏡 86はアパーチャ 92は接眼レンズ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】振子柱の一端部が支持部材に支持され、該
   振子柱の他部に、該振子柱へ向けて該振子柱の振動方向
   かつ互いに反対方向から入射される２光束の各々を入射
   方向と逆方向へ反射させる２個のコーナキューブミラー
   が固着され、電磁力又は静電気力により非接触で該振子
   柱が該振動方向に振動されるマイケルソン干渉計用可動
   鏡ユニットにおいて、 該振子柱の該一端部と該支持部材とが第１及び第２の板
   ばねの各々を介して連結され、該第１の板ばねと該第２
   の板ばねとが互いに離間して交差しており、互いに離間
   して配置された該第１の板ばねの数と該第２の板ばねの
   数の和が３以上であり、該振子柱を該振動方向へ振動さ
   せたときの、該振子柱の中立位置から該振動方向の一方
   側へのばね定数と該振子柱の中立位置から該振動方向の
   該一方側と反対側へのばね定数とが互いに等しくなるよ
   うに、該板ばねの形状及び数が定められていることを特
   徴とするマイケルソン干渉計用可動鏡ユニット。
2. 【請求項２】赤外光源と、 請求項１記載のマイケルソン干渉計用可動鏡ユニットを
   備え、赤外光源からの放射光が入射されるマイケルソン
   干渉計と、 該マイケルソン干渉計の横に配置され、該干渉計の出射
   光が導かれてサンプルに収束される赤外顕微鏡と、 該マイケルソン干渉計の上部に配置され、該赤外顕微鏡
   からの出射光強度を検出する光検出器と、 を一体化したことを特徴とする一体型顕微フーリエ赤外
   分光光度計。