專利名稱：干涉儀以及傅立葉變換分光分析裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及邁克耳孫(Michelson)型干涉儀和具備該干涉儀的傅立葉變換分光分析裝置。
背景技術：
在FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy)所利用的邁克耳孫雙光束干涉儀中，采用了利用光束分光器(beam splitter)將從光源發出的紅外光向固定鏡以及移動鏡的2個方向分割，并將由該固定鏡以及移動鏡分別反射回來的光通過上述光束分光器合成為一個光路這一構成。若使移動鏡前后(沿入射光的光軸方向)移動，則由于分割后的雙光束的光路差發生變化，所以合成得到的光成為光的強度根據該移動鏡的移動量發生變化的干涉光(干涉圖(interferogram))。通過對該干涉圖進行采樣,并進行AD變換以及傅立葉變換，能夠求出入射光的光譜分布，根據該光譜分布能夠求出每一個波數(I /波長)的干涉光的強度。由于上述的干涉圖通過移動鏡與固定鏡的相位差、即移動鏡的反射光與固定鏡的反射光的光路差的函數來表示，所以當求取測定干涉光的強度時，需要一直監視移動鏡的位置。鑒于此，通常與射出紅外光的光源獨立地使用He - Ne激光等參照光源來監視移動鏡的位置。具體而言，利用光束分光器對從參照光源射出的參照光進行分離并導向移動鏡以及固定鏡，利用光束分光器將由移動鏡以及固定鏡反射的各光合成，將其作為參照干涉光導向位置檢測用的參照光檢測器。由于參照干涉光的強度根據移動鏡的位置而變化，所以通過利用參照光檢測器檢測參照干涉光的強度變化，能夠求出移動鏡的位置。然而，由于上述的光束分光器以規定的分支比(例如50:50)將入射光分離成2個光束，所以當由光束分光器分離并入射到固定鏡的參照光在被固定鏡反射后，再次入射到光束分光器時，入射光的一部分被向參照光檢測器的方向反射，但剩余的光透過光束分光器，成為返回到參照光源側的返回光。如果返回光入射到參照光源，則會引起諧波共振而導致激光的振蕩不穩定，來自參照光檢測器的輸出波形會因跳模(mode hop)現象而變化，結果，無法求出移動鏡的位置。關于該點，例如專利文獻I中在參照光源的光出射側配置了對入射光束的擴展角進行放大的透鏡。在該構成中，返回到參照光源的光的量因放大透鏡而減少，由此可降低諧波共振的影響，提高移動鏡的位置檢測精度。專利文獻1:日本特開平2 - 253103號公報(參照第3頁右上欄第14行 第17行，第5頁左下欄第14行 第20行)不過，在專利文獻I中使用了 He - Ne激光作為參照光源。He — Ne激光的體型較大，為了維持波長的穩定性而難以小型化。即，在如專利文獻I那樣使用He - Ne激光作為參照光源的構成中，裝置本身大型化。并且，由于為了減少返回光的量，需要在參照光源的光出射側配置放大透鏡，所以與不使用放大透鏡的構成相比，部件個數增多。由于溫度、針對沖擊振動的靈敏度按各部件而不同，所以部件個數的增多容易在光學系統整體上產生誤差。因此，希望在不使用放大透鏡的情況下(即在利用準直光的同時)避免返回光入射到參照光源的結構。

發明內容
本發明為了解決上述問題點而提出，其目的在于，提供能夠通過不使用He - Ne激光作為參照光源的小型構成，并且在不使用放大透鏡的情況下除去向參照光源返回的返回光，由此可基于參照光檢測器的檢測結果穩定地進行移動鏡的位置檢測的干涉儀，以及具備該干涉儀的傅立葉變換分光分析裝置。本發明的干涉儀具備:測定光學系統，其利用光束分光器將測定光分離并導向移動鏡以及固定鏡，通過上述光束分光器將被上述移動鏡以及上述固定鏡反射的各光疊加，將疊加而得到的測定干涉光導向測定光檢測器；和參照光學系統，其利用上述光束分光器將來自參照光源的參照光分離并導向上述移動鏡以及上述固定鏡，通過上述光束分光器將被上述移動鏡以及上述固定鏡反射的各光疊加，將疊加而得到的參照干涉光導向參照光檢測器；所干涉儀一邊基于上述參照光檢測器的檢測結果來檢測上述移動鏡的位置，一邊對上述測定干涉光進行計測，其中，上述參照光源由半導體激光器、或者將從上述半導體激光器射出的激光經由波導或者光纖射出的激光源構成，上述參照光學系統具有將從上述參照光源射出的激光變換成準直光的參照光用準直光學系統，上述準直光相對上述固定鏡傾斜入射。根據本發明，參照光源由比He - Ne激光器小型的半導體激光器或激光源構成，由于在使用準直光學系統的情況下，也能使用小型的準直光學系統，所以可實現小型的干涉儀。另外，由于上述的準直光相對固定鏡傾斜入射，所以即使被固定鏡反射的參照光經由光束分光器返回到參照光源側，也能防止該返回光入射到參照光源的情況。因此，能夠在不像以往那樣使用放大透鏡的情況下，避免直接使用準直光而使得參照光源中的激光的振蕩變得不穩定的情況，可基于參照光檢測器的檢測結果穩定地進行移動鏡的位置檢測。


圖1是示意性地表示本發明的一個實施方式的傅立葉變換分光分析裝置的概略構成的說明圖。圖2是表示上述傅立葉變換分光分析裝置中應用的干涉儀的參照光檢測器的概略構成的俯視圖。圖3是表示基于上述參照光檢測器的檢測結果而輸出的相位信號的說明圖。圖4是示意性地表示上述傅立葉變換分光分析裝置的其他構成的說明圖。圖5 (a)是示意性地表示參照光的光軸與測定光的光軸交叉時的上述兩光軸所成的角度的說明圖，(b)是示意性地表示參照光的光軸與測定光的光軸不交叉時的上述兩光軸所成的角度的說明圖。圖6是表示對使用了特定波長的光作為測定光時的測定干涉光進行傅立葉變換后的光譜的說明圖。
具體實施例方式若基于附圖對本發明的一個實施方式進行說明，則如以下所述。〔裝置的構成〕圖1是示意性地表示本實施方式的傅立葉變換分光分析裝置的概略構成的說明圖。該裝置構成為具有干涉儀1、運算部2以及輸出部3。干涉儀I由雙光路分支型邁克耳孫干涉儀構成，其詳細說明將后述。運算部2對從干涉儀I輸出的信號進行采樣、A / D變換以及傅立葉變換，生成測定光所包含的波長的光譜、即表示每個波數(I /波長)的光的強度的光譜。輸出部3輸出(例如顯示)由運算部2生成的光譜。以下，對干涉儀I的詳細情況進行說明。干涉儀I具有測定光學系統10、參照光學系統20以及修正部30。以下，按順序進行說明。測定光學系統10具備測定用光源11、測定光用準直光學系統12、折返鏡M、BS(光束分光器)13、補償板14、固定鏡15、移動鏡16、聚光光學系統17、測定光檢測器18以及驅動機構19。此外，固定鏡15與移動鏡16相對BS13的位置關系也可以相反。測定用光源11例如通過由射出含有多個波長的近紅外光或者紅外光作為測定光的光源11a、和與光源Ila結合的光纖Ilb形成的光纖結合光學系統構成。此外，測定用光源11也可以僅由光源Ila構成。測定光用準直光學系統12是將從測定用光源11射出的測定光變換成準直光并導向BS13的光學系統，例如由準直透鏡構成。這里，準直光除了完全的平行光之外，還包括近似平行光(一些收斂光、散射光)的概念。即，這里的準直是指通過準直光學系統將來自光源的光經由BS以及固定鏡或者移動鏡導向傳感器，并不限于向無限遠的準直。由于容易作為平面波進行處理，所以希望例如在Im以上遠方進行準直。為了將干涉儀I緊湊構成，折返鏡M的設置目的在于使測定光用準直光學系統12與BS13之間的光路彎轉。在折返鏡M與BS13之間的光路中(尤其在后述的光路合成鏡23與BS13之間的光路中)配置有用于限制測定光的光束直徑的光闌Al。BS13是將入射光、即從測定用光源11射出的光分離成兩束光而分別導向固定鏡15以及移動鏡16，并且將被固定鏡15以及移動鏡16反射的各光疊加，作為測定干涉光射出的器件，例如由分支比為50:50的半透半反鏡構成。補償板14是用于對BS13的厚度所對應的光路長、以及因光從BS13透過時的折射引起的光路位移(shift)進行修正的基板。此外，根據干涉儀I的組裝方式不同，也可以不需要補償板14。聚光光學系統17是對由BS13合成并射出的光進行聚光而導向測定光檢測器18的光學系統，例如由聚焦透鏡構成。測定光檢測器18接收從BS13經由聚光光學系統17入射的測定干涉光，來檢測干涉圖(干涉圖案)。驅動機構19是使移動鏡16沿光軸方向平行移動(并進)，以使由固定鏡15反射的光的光路與由移動鏡16反射的光的光路之差(光路長之差)發生變化的移動機構，例如由使用了 VCM (音圈馬達)的電磁式驅動機構構成。此外，驅動機構19也可以由平行板簧式的驅動機構構成。在上述的構成中，從測定用光源11射出的測定光在被測定光用準直光學系統12變換成準直光后，被折返鏡M反射而入射到BS13，基于BS13的透過以及反射被分離成2個光束。分離出的一方光束被移動鏡16反射，另一方光束被固定鏡15反射,分別從原光路返回而在BS13處重疊，在作為測定透過了干涉光補償板14之后，向試樣(未圖示)照射。此時，在通過驅動機構19使移動鏡16連續移動的同時，對試樣照射光，當從BS13到各鏡(移動鏡16、固定鏡15)的光路長之差為波長的整數倍時，重疊后的光的強度最大。另一方面，在因移動鏡16的移動而使得2個光路長產生差時，重疊后的光的強度發生變化。透過了試樣的光被聚光光學系統17聚光而入射到測定光檢測器18，在這里被作為干涉圖而檢測出。即，在圖1中，測定光在用點劃線表示的光路中行進。在運算部2中，通過對來自測定光檢測器18的檢測信號(干涉圖)采樣，并進行A /D變換以及傅立葉變換，來生成表示每個波數的光的強度的光譜。上述的光譜由輸出部3輸出(例如顯示)，基于該光譜，能夠分析試樣的特性(材料、構造、成分量等)。接下來，對參照光學系統20以及修正部30進行說明。參照光學系統20與上述的測定光學系統10共有一部分構成，除了上述的BS13、補償板14、固定鏡15、移動鏡16之外，還具有參照光源21、參照光用準直光學系統22、光路合成鏡23、光路分離鏡24以及參照光檢測器25。參照光源21是用于檢測移動鏡16的位置、或生成由運算部2采樣的定時信號的光源，通過由半導體激光器所形成的光源21a、和與光源21a結合的光纖21b形成的光纖結合光學系統構成。即，參照光源21由將從半導體激光器射出的激光經由光纖或者波導射出的激光源構成。上述的半導體激光器例如發出紅色光，只要發出比測定光(近紅外光、紅外光)的最短波長短的波長的激光即可。此外，參照光源21也可以僅通過由半導體激光器形成的光源21a構成。參照光用準直光學系統22是將從參照光源21射出的參照光(激光)變換成準直光并導向BS13的光學系統，例如由準直透鏡構成。在參照光用準直光學系統22的光出射側配置有光闌A2，來限制準直光的光束直徑。此外，也可以通過在構成參照光用準直光學系統22的透鏡的光出射側的面，將射出準直光的部分以外涂黑，來使參照光用準直光學系統22具有光闌A2的功能。光路合成鏡23是通過使來自測定用光源11的光透過、使來自參照光源21的光反射，而將這些光的光路合成的光束組合器。在本實施方式中，按照參照光傾斜入射到固定鏡15的方式配置了光路合成鏡23。因此，測定光的光路與參照光的光路不會完全同軸。其中，針對參照光傾斜入射到固定鏡15的詳細內容將后述。光路分離鏡24是通過使從測定用光源11射出并經由BS13入射的光透過，使從參照光源21射出并經由BS13入射的光反射，來將這些光的光路分離的光束分光器。參照光檢測器25是對從參照光源21射出并經由BS13入射到光路分離鏡24，在此被反射的光(參照干涉光)進行檢測的檢測器，例如由響應速度比CCD快的4分割傳感器構成。在光路分離鏡24與參照光檢測器25之間的光路中配置有光闌A3，通過該光闌A3來限制向參照光檢測器25入射的參照干涉光的光束直徑。接下來，對修正部30進行說明。修正部30基于參照光檢測器25對參照干涉光的檢測結果，檢測移動鏡16的反射光與固定鏡15的反射光的相對傾斜的誤差(傾斜誤差、2個光路間的傾斜)，并且通過使移動鏡16或者固定鏡15傾斜來進行傾斜誤差的修正(傾斜修正)。在由驅動機構19對移動鏡16驅動時，如果移動鏡19的并進性失衡，則測定干涉光的干涉強度(對比度)因上述傾斜誤差而降低。因此，通過利用修正部30使移動鏡16或者固定鏡15傾斜，來修正上述的傾斜誤差，能夠避免測定干涉光的干涉強度降低。這里，在本實施方式中，通過光路合成鏡23的上述配置，使得測定光側以及參照光側的光軸不完全同軸，但由于是接近于同軸的配置，所以(I)按測定用光源11、BS13、移動鏡16、BS13、測定光檢測器18的順序行進的光與按測定用光源11、BS13、固定鏡15、BS13、測定光檢測器18的順序行進的光的傾斜誤差(也稱為“第I傾斜誤差”)、和(2)按參照光源21、BS13、移動鏡16、BS13、參照光檢測器25的順序行進的光與按參照光源21、BS13、固定鏡15、BS13、參照光檢測器25的順序行進的光之間的傾斜誤差(也稱為“第2傾斜誤差”)大致接近。因此，修正部30通過基于來自參照光檢測器25的參照干涉光的受光信號，來檢測第2傾斜誤差并進行修正，能夠修正第I傾斜誤差。這樣的修正部30具體構成為具有信號處理部31、光路修正機構32以及控制部33。控制部33例如由CPU構成，基于信號處理部31的檢測結果來控制光路修正機構32。信號處理部31基于由參照光檢測器25檢測出的參照干涉光的強度，來檢測傾斜誤差。例如，如圖2所示，將參照光檢測器25的4個受光區域(4分割傳感器的各元件)按逆時針設為El E4，參照光的光點(spot)D位于整個受光區域的中心。當將在受光區域E1、E2檢測出的光的強度之和設為Al，將在受光區域E3、E4檢測出的光的強度之和設為A2時，若得到圖3所示的信號作為表示強度Al、A2相對時間經過的變化的相位信號，則能夠基于這些信號來檢測傾斜誤差(尤其是一方的光相對另一方的光的相對傾斜方向以及傾斜量)。該例中，在受光區域El、E2與受光區域E3、E4排列的方向(圖2中為上下方向)產生了與相位差Λ對應的角度的傾斜誤差。其中，圖3的縱軸的強度用相對值表示。此外，在相位信號的頻率慢(低)的情況下，也能夠不根據相位比較而根據強度比來檢測2個光路間的光的傾斜。另外，信號處理部31還作為基于由參照光檢測器25檢測出的參照干涉光的強度來檢測移動鏡16的位置，并且生成對采樣的定時進行表示的脈沖信號的信號生成部發揮功能。在參照光檢測器25中，由于參照干涉光的強度根據移動鏡16的位置(光路差)整體上在明與暗之間變化，所以信號處理部31能夠基于該強度變化來檢測移動鏡16的位置。運算部2與上述脈沖信號的采樣定時同步地對來自測定光檢測器18的檢測信號(干涉圖)進行采樣，并變換成數字數據。光路修正機構32通過基于由信號處理部31檢測出的傾斜誤差而使移動鏡16或者固定鏡15傾斜，來對被移動鏡16或者固定鏡15反射的光的光路進行修正。在本實施方式中，光路修正機構32如圖1所示，構成為具有:前端與固定鏡15的背面(與反射面相反側的面)連結并沿光軸方向伸縮的多個(至少3個)壓電元件32a、和對這些壓電元件32a施加電壓來使壓電元件32a伸縮的驅動部32b。通過基于信號處理部31的檢測結果，對向各壓電元件32a施加的電壓進行控制，使各壓電元件32a沿光軸方向伸縮，能夠使固定鏡15的傾斜(固定鏡15的反射光的光路)變化，由此可以修正傾斜誤差。在上述的構成中，從參照光源21射出的光在被參照光用準直光學系統22變換成準直光后，被光路合成鏡23反射而入射到BS13，在此分離成2個光束。由BS13分離后的一方的光束被移動鏡16反射，另一方的光束被固定鏡15反射,分別從原來的光路返回而在BS13重疊，并透過補償板14入射到光路分離鏡24，在此被反射而入射到參照光檢測器25。即，在圖1中，參照光在用實線表示的光路中行進。修正部30的信號處理部31如上述那樣，基于由參照光檢測器25檢測出的參照干涉光的強度來檢測傾斜誤差，按照控制部33的控制使光路修正機構32調整固定鏡15的姿勢(相對BS13的角度)，來對固定鏡15的反射光的光路進行修正。通過進行反復對傾斜修正的檢測和對反射光的光路的修正(傾斜修正)的反饋控制，最終能夠使傾斜誤差無限接近于零。圖4是示意性地表示傅立葉變換分光分析裝置的另一構成的說明圖。如該圖所示，修正部30的光路修正機構32可以基于由信號處理部31檢測出的傾斜誤差，來修正被移動鏡16反射的光的光路。該情況下，通過將各壓電元件32a的前端與移動鏡16的背面連結，利用驅動部32b使各壓電元件32a伸縮，來使移動鏡16的傾斜變化，能夠修正被移動鏡16反射的光的光路。此時，移動鏡16的驅動機構19只要與驅動部32b的背面(與各壓電元件32a相反側)連結即可。〔各參數〕表I 表4表不了本實施方式的干涉儀I中的各參數的值。以下，參照表I 表4對本實施方式的干涉儀I進一步加以說明。此外，以下在沒有特別說明的情況下，若記載為準直光，則是指參照光的準直光。[表 I]
權利要求
1.一種干涉儀，具有: 測定光學系統，其利用光束分光器將測定光分離并導向移動鏡以及固定鏡，通過上述光束分光器將被上述移動鏡以及上述固定鏡反射的各光疊加，將疊加而得到的測定干涉光導向測定光檢測器；和 參照光學系統，其利用上述光束分光器將來自參照光源的參照光分離并導向上述移動鏡以及上述固定鏡，通過上述光束分光器將被上述移動鏡以及上述固定鏡反射的各光疊力口，將疊加而得到的參照干涉光導向參照光檢測器； 上述干涉儀一邊基于上述參照光檢測器的檢測結果來檢測上述移動鏡的位置，一邊對上述測定干涉光進行計測， 上述干涉儀的特征在于， 上述參照光源由半導體激光器、或者將從上述半導體激光器射出的激光經由波導或者光纖射出的激光源構成， 上述參照光學系統具有將從上述參照光源射出的激光變換成準直光的參照光用準直光學系統， 上述準直光相對上述固定鏡傾斜入射。
2.根據權利要求1所述的干涉儀，其特征在于， 還具備修正部，該修正部基于上述參照光檢測器的檢測結果來檢測上述移動鏡的反射光與上述固定鏡的反射光的相對傾斜誤差，并且通過使上述移動鏡或者上述固定鏡傾斜來修正上述誤差， 上述準直光相對上述固定鏡的入射角比能夠通過上述修正部傾斜的上述移動鏡或者上述固定鏡的傾斜角的最大值大。
3.根據權利要求2所述的干涉儀，其特征在于， 上述修正部通過使上述移動鏡傾斜來修正上述移動鏡的反射光與上述固定鏡的反射光的相對傾斜誤差， 上述參照光的光軸與上述測定光的光軸所成的角度比能夠通過上述修正部傾斜的上述移動鏡的傾斜角的最大值大。
4.根據權利要求2所述的干涉儀，其特征在于， 上述修正部通過使上述固定鏡傾斜來修正上述移動鏡的反射光與上述固定鏡的反射光的相對傾斜誤差， 上述參照光的光軸與上述測定光的光軸所成的角度比能夠通過上述修正部傾斜的上述固定鏡的傾斜角的最大值大。
5.根據權利要求1所述的干涉儀，其特征在于， 上述準直光相對上述固定鏡的入射角是在向位于最遠離上述光束分光器的位置的上述移動鏡入射的上述測定光的光束內，上述準直光傾斜入射到上述移動鏡時的傾斜角的最大值以下的角度。
6.根據權利要求1所述的干涉儀，其特征在于， 上述測定光學系統具有將上述測定光變換成準直光的測定光用準直光學系統， 若將上述移動鏡位于最遠離上述光束分光器的位置時的、從上述測定光用準直光 學系統到上述移動鏡的上述位置的距離設為f，將被上述測定光用準直光學系統校準后的光的光束直徑設為e,則上述參照光學系統的準直光相對上述固定鏡的入射角小于與比值e / f對應的角度。
7.根據權利要求2所述的干涉儀，其特征在于， 上述修正部包括: 信號處理部，其基于上述參照光檢測器的檢測結果來檢測上述移動鏡的反射光與上述固定鏡的反射光的相對傾斜誤差； 光路修正機構，其通過使上述移動鏡或者上述固定鏡傾斜來修正被上述移動鏡或者上述固定鏡反射的光的光路；和 控制部，其基于由上述信號處理部檢測出的上述傾斜誤差來控制上述光路修正機構。
8.根據權利要求2所述的干涉儀，其特征在于， 上述參照光檢測器由分割傳感器構成， 上述修正部基于來自上述分割傳感器的各元件的輸出，來檢測上述測定光被上述移動鏡反射的反射光與被上述固定鏡反射的反射光的相對傾斜誤差。
9.根據權利要求2所述的干涉儀，其特征在于， 上述測定光學系統具有將上述測定光變換成準直光的測定光用準直光學系統， 被上述參照光用準直光學系統變換成準直光的參照光的光束直徑小于被上述測定光用準直光學系統變換成準直光的測定光的光束直徑。
10.一種傅立葉變換分光分析裝`置，其特征在于，具備: 權利要求1所述的干涉儀；和 運算部，其對通過上述干涉儀的上述測定光檢測器接收上述測定干涉光而得到的干涉圖進行采樣并實施傅立葉變換，來生成上述測定光中含有的波長的光譜。
11.根據權利要求10所述的傅立葉變換分光分析裝置，其特征在于， 上述干涉儀還具備信號生成部，其中，該信號生成部基于上述參照光學系統的上述參照光檢測器的檢測結果來生成表示對上述干涉圖進行采樣時的定時的信號， 上述運算部基于來自上述信號生成部的信號的定時對使用了上述特定波長的光作為上述測定光時的測定干涉光的干涉圖進行采樣并實施了傅立葉變換時得到了波長，并基于該波長與特定波長的偏離來對上述采樣的定時進行修正。
12.根據權利要求10所述的傅立葉變換分光分析裝置，其特征在于， 上述測定光是近紅外光或者紅外光， 上述參照光是紅色光。
全文摘要
干涉儀(1)基于參照光檢測器(25)的檢測結果來檢測移動鏡(16)的位置，并且對測定干涉光進行計測，參照光源(21)構成為包含由半導體激光器構成的光源(21a)。參照光學系統(20)具有將從參照光源(21)射出的激光變換成準直光的參照光用準直光學系統(22)，上述準直光相對固定鏡(15)傾斜入射。
文檔編號G01J3/45GK103201603SQ201180052338
公開日2013年7月10日 申請日期2011年9月6日 優先權日2010年10月28日
發明者平尾祐亮 申請人:柯尼卡美能達株式會社