专利名称：干涉仪以及傅立叶变换分光分析装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及迈克耳孙(Michelson)型干涉仪和具备该干涉仪的傅立叶变换分光分析装置。
背景技术：
在FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy)所利用的迈克耳孙双光束干涉仪中，采用了利用光束分光器(beam splitter)将从光源发出的红外光向固定镜以及移动镜的2个方向分割，并将由该固定镜以及移动镜分别反射回来的光通过上述光束分光器合成为一个光路这一构成。若使移动镜前后(沿入射光的光轴方向)移动，则由于分割后的双光束的光路差发生变化，所以合成得到的光成为光的强度根据该移动镜的移动量发生变化的干涉光(干涉图(interferogram))。通过对该干涉图进行采样,并进行AD变换以及傅立叶变换，能够求出入射光的光谱分布，根据该光谱分布能够求出每一个波数(I /波长)的干涉光的强度。由于上述的干涉图通过移动镜与固定镜的相位差、即移动镜的反射光与固定镜的反射光的光路差的函数来表示，所以当求取测定干涉光的强度时，需要一直监视移动镜的位置。鉴于此，通常与射出红外光的光源独立地使用He - Ne激光等参照光源来监视移动镜的位置。具体而言，利用光束分光器对从参照光源射出的参照光进行分离并导向移动镜以及固定镜，利用光束分光器将由移动镜以及固定镜反射的各光合成，将其作为参照干涉光导向位置检测用的参照光检测器。由于参照干涉光的强度根据移动镜的位置而变化，所以通过利用参照光检测器检测参照干涉光的强度变化，能够求出移动镜的位置。然而，由于上述的光束分光器以规定的分支比(例如50:50)将入射光分离成2个光束，所以当由光束分光器分离并入射到固定镜的参照光在被固定镜反射后，再次入射到光束分光器时，入射光的一部分被向参照光检测器的方向反射，但剩余的光透过光束分光器，成为返回到参照光源侧的返回光。如果返回光入射到参照光源，则会引起谐波共振而导致激光的振荡不稳定，来自参照光检测器的输出波形会因跳模(mode hop)现象而变化，结果，无法求出移动镜的位置。关于该点，例如专利文献I中在参照光源的光出射侧配置了对入射光束的扩展角进行放大的透镜。在该构成中，返回到参照光源的光的量因放大透镜而减少，由此可降低谐波共振的影响，提高移动镜的位置检测精度。专利文献1:日本特开平2 - 253103号公报(参照第3页右上栏第14行 第17行，第5页左下栏第14行 第20行)不过，在专利文献I中使用了 He - Ne激光作为参照光源。He — Ne激光的体型较大，为了维持波长的稳定性而难以小型化。即，在如专利文献I那样使用He - Ne激光作为参照光源的构成中，装置本身大型化。并且，由于为了减少返回光的量，需要在参照光源的光出射侧配置放大透镜，所以与不使用放大透镜的构成相比，部件个数增多。由于温度、针对冲击振动的灵敏度按各部件而不同，所以部件个数的增多容易在光学系统整体上产生误差。因此，希望在不使用放大透镜的情况下(即在利用准直光的同时)避免返回光入射到参照光源的结构。
发明内容
本发明为了解决上述问题点而提出，其目的在于，提供能够通过不使用He - Ne激光作为参照光源的小型构成，并且在不使用放大透镜的情况下除去向参照光源返回的返回光，由此可基于参照光检测器的检测结果稳定地进行移动镜的位置检测的干涉仪，以及具备该干涉仪的傅立叶变换分光分析装置。本发明的干涉仪具备:测定光学系统，其利用光束分光器将测定光分离并导向移动镜以及固定镜，通过上述光束分光器将被上述移动镜以及上述固定镜反射的各光叠加，将叠加而得到的测定干涉光导向测定光检测器；和参照光学系统，其利用上述光束分光器将来自参照光源的参照光分离并导向上述移动镜以及上述固定镜，通过上述光束分光器将被上述移动镜以及上述固定镜反射的各光叠加，将叠加而得到的参照干涉光导向参照光检测器；所干涉仪一边基于上述参照光检测器的检测结果来检测上述移动镜的位置，一边对上述测定干涉光进行计测，其中，上述参照光源由半导体激光器、或者将从上述半导体激光器射出的激光经由波导或者光纤射出的激光源构成，上述参照光学系统具有将从上述参照光源射出的激光变换成准直光的参照光用准直光学系统，上述准直光相对上述固定镜倾斜入射。根据本发明，参照光源由比He - Ne激光器小型的半导体激光器或激光源构成，由于在使用准直光学系统的情况下，也能使用小型的准直光学系统，所以可实现小型的干涉仪。另外，由于上述的准直光相对固定镜倾斜入射，所以即使被固定镜反射的参照光经由光束分光器返回到参照光源侧，也能防止该返回光入射到参照光源的情况。因此，能够在不像以往那样使用放大透镜的情况下，避免直接使用准直光而使得参照光源中的激光的振荡变得不稳定的情况，可基于参照光检测器的检测结果稳定地进行移动镜的位置检测。
图1是示意性地表示本发明的一个实施方式的傅立叶变换分光分析装置的概略构成的说明图。图2是表示上述傅立叶变换分光分析装置中应用的干涉仪的参照光检测器的概略构成的俯视图。图3是表示基于上述参照光检测器的检测结果而输出的相位信号的说明图。图4是示意性地表示上述傅立叶变换分光分析装置的其他构成的说明图。图5 (a)是示意性地表示参照光的光轴与测定光的光轴交叉时的上述两光轴所成的角度的说明图，(b)是示意性地表示参照光的光轴与测定光的光轴不交叉时的上述两光轴所成的角度的说明图。图6是表示对使用了特定波长的光作为测定光时的测定干涉光进行傅立叶变换后的光谱的说明图。
具体实施例方式若基于附图对本发明的一个实施方式进行说明，则如以下所述。〔装置的构成〕图1是示意性地表示本实施方式的傅立叶变换分光分析装置的概略构成的说明图。该装置构成为具有干涉仪1、运算部2以及输出部3。干涉仪I由双光路分支型迈克耳孙干涉仪构成，其详细说明将后述。运算部2对从干涉仪I输出的信号进行采样、A / D变换以及傅立叶变换，生成测定光所包含的波长的光谱、即表示每个波数(I /波长)的光的强度的光谱。输出部3输出(例如显示)由运算部2生成的光谱。以下，对干涉仪I的详细情况进行说明。干涉仪I具有测定光学系统10、参照光学系统20以及修正部30。以下，按顺序进行说明。测定光学系统10具备测定用光源11、测定光用准直光学系统12、折返镜M、BS(光束分光器)13、补偿板14、固定镜15、移动镜16、聚光光学系统17、测定光检测器18以及驱动机构19。此外，固定镜15与移动镜16相对BS13的位置关系也可以相反。测定用光源11例如通过由射出含有多个波长的近红外光或者红外光作为测定光的光源11a、和与光源Ila结合的光纤Ilb形成的光纤结合光学系统构成。此外，测定用光源11也可以仅由光源Ila构成。测定光用准直光学系统12是将从测定用光源11射出的测定光变换成准直光并导向BS13的光学系统，例如由准直透镜构成。这里，准直光除了完全的平行光之外，还包括近似平行光(一些收敛光、散射光)的概念。即，这里的准直是指通过准直光学系统将来自光源的光经由BS以及固定镜或者移动镜导向传感器，并不限于向无限远的准直。由于容易作为平面波进行处理，所以希望例如在Im以上远方进行准直。为了将干涉仪I紧凑构成，折返镜M的设置目的在于使测定光用准直光学系统12与BS13之间的光路弯转。在折返镜M与BS13之间的光路中(尤其在后述的光路合成镜23与BS13之间的光路中)配置有用于限制测定光的光束直径的光阑Al。BS13是将入射光、即从测定用光源11射出的光分离成两束光而分别导向固定镜15以及移动镜16，并且将被固定镜15以及移动镜16反射的各光叠加，作为测定干涉光射出的器件，例如由分支比为50:50的半透半反镜构成。补偿板14是用于对BS13的厚度所对应的光路长、以及因光从BS13透过时的折射引起的光路位移(shift)进行修正的基板。此外，根据干涉仪I的组装方式不同，也可以不需要补偿板14。聚光光学系统17是对由BS13合成并射出的光进行聚光而导向测定光检测器18的光学系统，例如由聚焦透镜构成。测定光检测器18接收从BS13经由聚光光学系统17入射的测定干涉光，来检测干涉图(干涉图案)。驱动机构19是使移动镜16沿光轴方向平行移动(并进)，以使由固定镜15反射的光的光路与由移动镜16反射的光的光路之差(光路长之差)发生变化的移动机构，例如由使用了 VCM (音圈马达)的电磁式驱动机构构成。此外，驱动机构19也可以由平行板簧式的驱动机构构成。在上述的构成中，从测定用光源11射出的测定光在被测定光用准直光学系统12变换成准直光后，被折返镜M反射而入射到BS13，基于BS13的透过以及反射被分离成2个光束。分离出的一方光束被移动镜16反射，另一方光束被固定镜15反射,分别从原光路返回而在BS13处重叠，在作为测定透过了干涉光补偿板14之后，向试样(未图示)照射。此时，在通过驱动机构19使移动镜16连续移动的同时，对试样照射光，当从BS13到各镜(移动镜16、固定镜15)的光路长之差为波长的整数倍时，重叠后的光的强度最大。另一方面，在因移动镜16的移动而使得2个光路长产生差时，重叠后的光的强度发生变化。透过了试样的光被聚光光学系统17聚光而入射到测定光检测器18，在这里被作为干涉图而检测出。即，在图1中，测定光在用点划线表示的光路中行进。在运算部2中，通过对来自测定光检测器18的检测信号(干涉图)采样，并进行A /D变换以及傅立叶变换，来生成表示每个波数的光的强度的光谱。上述的光谱由输出部3输出(例如显示)，基于该光谱，能够分析试样的特性(材料、构造、成分量等)。接下来，对参照光学系统20以及修正部30进行说明。参照光学系统20与上述的测定光学系统10共有一部分构成，除了上述的BS13、补偿板14、固定镜15、移动镜16之外，还具有参照光源21、参照光用准直光学系统22、光路合成镜23、光路分离镜24以及参照光检测器25。参照光源21是用于检测移动镜16的位置、或生成由运算部2采样的定时信号的光源，通过由半导体激光器所形成的光源21a、和与光源21a结合的光纤21b形成的光纤结合光学系统构成。即，参照光源21由将从半导体激光器射出的激光经由光纤或者波导射出的激光源构成。上述的半导体激光器例如发出红色光，只要发出比测定光(近红外光、红外光)的最短波长短的波长的激光即可。此外，参照光源21也可以仅通过由半导体激光器形成的光源21a构成。参照光用准直光学系统22是将从参照光源21射出的参照光(激光)变换成准直光并导向BS13的光学系统，例如由准直透镜构成。在参照光用准直光学系统22的光出射侧配置有光阑A2，来限制准直光的光束直径。此外，也可以通过在构成参照光用准直光学系统22的透镜的光出射侧的面，将射出准直光的部分以外涂黑，来使参照光用准直光学系统22具有光阑A2的功能。光路合成镜23是通过使来自测定用光源11的光透过、使来自参照光源21的光反射，而将这些光的光路合成的光束组合器。在本实施方式中，按照参照光倾斜入射到固定镜15的方式配置了光路合成镜23。因此，测定光的光路与参照光的光路不会完全同轴。其中，针对参照光倾斜入射到固定镜15的详细内容将后述。光路分离镜24是通过使从测定用光源11射出并经由BS13入射的光透过，使从参照光源21射出并经由BS13入射的光反射，来将这些光的光路分离的光束分光器。参照光检测器25是对从参照光源21射出并经由BS13入射到光路分离镜24，在此被反射的光(参照干涉光)进行检测的检测器，例如由响应速度比CCD快的4分割传感器构成。在光路分离镜24与参照光检测器25之间的光路中配置有光阑A3，通过该光阑A3来限制向参照光检测器25入射的参照干涉光的光束直径。接下来，对修正部30进行说明。修正部30基于参照光检测器25对参照干涉光的检测结果，检测移动镜16的反射光与固定镜15的反射光的相对倾斜的误差(倾斜误差、2个光路间的倾斜)，并且通过使移动镜16或者固定镜15倾斜来进行倾斜误差的修正(倾斜修正)。在由驱动机构19对移动镜16驱动时，如果移动镜19的并进性失衡，则测定干涉光的干涉强度(对比度)因上述倾斜误差而降低。因此，通过利用修正部30使移动镜16或者固定镜15倾斜，来修正上述的倾斜误差，能够避免测定干涉光的干涉强度降低。这里，在本实施方式中，通过光路合成镜23的上述配置，使得测定光侧以及参照光侧的光轴不完全同轴，但由于是接近于同轴的配置，所以(I)按测定用光源11、BS13、移动镜16、BS13、测定光检测器18的顺序行进的光与按测定用光源11、BS13、固定镜15、BS13、测定光检测器18的顺序行进的光的倾斜误差(也称为“第I倾斜误差”)、和(2)按参照光源21、BS13、移动镜16、BS13、参照光检测器25的顺序行进的光与按参照光源21、BS13、固定镜15、BS13、参照光检测器25的顺序行进的光之间的倾斜误差(也称为“第2倾斜误差”)大致接近。因此，修正部30通过基于来自参照光检测器25的参照干涉光的受光信号，来检测第2倾斜误差并进行修正，能够修正第I倾斜误差。这样的修正部30具体构成为具有信号处理部31、光路修正机构32以及控制部33。控制部33例如由CPU构成，基于信号处理部31的检测结果来控制光路修正机构32。信号处理部31基于由参照光检测器25检测出的参照干涉光的强度，来检测倾斜误差。例如，如图2所示，将参照光检测器25的4个受光区域(4分割传感器的各元件)按逆时针设为El E4，参照光的光点(spot)D位于整个受光区域的中心。当将在受光区域E1、E2检测出的光的强度之和设为Al，将在受光区域E3、E4检测出的光的强度之和设为A2时，若得到图3所示的信号作为表示强度Al、A2相对时间经过的变化的相位信号，则能够基于这些信号来检测倾斜误差(尤其是一方的光相对另一方的光的相对倾斜方向以及倾斜量)。该例中，在受光区域El、E2与受光区域E3、E4排列的方向(图2中为上下方向)产生了与相位差Λ对应的角度的倾斜误差。其中，图3的纵轴的强度用相对值表示。此外，在相位信号的频率慢(低)的情况下，也能够不根据相位比较而根据强度比来检测2个光路间的光的倾斜。另外，信号处理部31还作为基于由参照光检测器25检测出的参照干涉光的强度来检测移动镜16的位置，并且生成对采样的定时进行表示的脉冲信号的信号生成部发挥功能。在参照光检测器25中，由于参照干涉光的强度根据移动镜16的位置(光路差)整体上在明与暗之间变化，所以信号处理部31能够基于该强度变化来检测移动镜16的位置。运算部2与上述脉冲信号的采样定时同步地对来自测定光检测器18的检测信号(干涉图)进行采样，并变换成数字数据。光路修正机构32通过基于由信号处理部31检测出的倾斜误差而使移动镜16或者固定镜15倾斜，来对被移动镜16或者固定镜15反射的光的光路进行修正。在本实施方式中，光路修正机构32如图1所示，构成为具有:前端与固定镜15的背面(与反射面相反侧的面)连结并沿光轴方向伸缩的多个(至少3个)压电元件32a、和对这些压电元件32a施加电压来使压电元件32a伸缩的驱动部32b。通过基于信号处理部31的检测结果，对向各压电元件32a施加的电压进行控制，使各压电元件32a沿光轴方向伸缩，能够使固定镜15的倾斜(固定镜15的反射光的光路)变化，由此可以修正倾斜误差。在上述的构成中，从参照光源21射出的光在被参照光用准直光学系统22变换成准直光后，被光路合成镜23反射而入射到BS13，在此分离成2个光束。由BS13分离后的一方的光束被移动镜16反射，另一方的光束被固定镜15反射,分别从原来的光路返回而在BS13重叠，并透过补偿板14入射到光路分离镜24，在此被反射而入射到参照光检测器25。即，在图1中，参照光在用实线表示的光路中行进。修正部30的信号处理部31如上述那样，基于由参照光检测器25检测出的参照干涉光的强度来检测倾斜误差，按照控制部33的控制使光路修正机构32调整固定镜15的姿势(相对BS13的角度)，来对固定镜15的反射光的光路进行修正。通过进行反复对倾斜修正的检测和对反射光的光路的修正(倾斜修正)的反馈控制，最终能够使倾斜误差无限接近于零。图4是示意性地表示傅立叶变换分光分析装置的另一构成的说明图。如该图所示，修正部30的光路修正机构32可以基于由信号处理部31检测出的倾斜误差，来修正被移动镜16反射的光的光路。该情况下，通过将各压电元件32a的前端与移动镜16的背面连结，利用驱动部32b使各压电元件32a伸缩，来使移动镜16的倾斜变化，能够修正被移动镜16反射的光的光路。此时，移动镜16的驱动机构19只要与驱动部32b的背面(与各压电元件32a相反侧)连结即可。〔各参数〕表I 表4表不了本实施方式的干涉仪I中的各参数的值。以下，参照表I 表4对本实施方式的干涉仪I进一步加以说明。此外，以下在没有特别说明的情况下，若记载为准直光，则是指参照光的准直光。[表 I]
权利要求
1.一种干涉仪，具有: 测定光学系统，其利用光束分光器将测定光分离并导向移动镜以及固定镜，通过上述光束分光器将被上述移动镜以及上述固定镜反射的各光叠加，将叠加而得到的测定干涉光导向测定光检测器；和 参照光学系统，其利用上述光束分光器将来自参照光源的参照光分离并导向上述移动镜以及上述固定镜，通过上述光束分光器将被上述移动镜以及上述固定镜反射的各光叠力口，将叠加而得到的参照干涉光导向参照光检测器； 上述干涉仪一边基于上述参照光检测器的检测结果来检测上述移动镜的位置，一边对上述测定干涉光进行计测， 上述干涉仪的特征在于， 上述参照光源由半导体激光器、或者将从上述半导体激光器射出的激光经由波导或者光纤射出的激光源构成， 上述参照光学系统具有将从上述参照光源射出的激光变换成准直光的参照光用准直光学系统， 上述准直光相对上述固定镜倾斜入射。
2.根据权利要求1所述的干涉仪，其特征在于， 还具备修正部，该修正部基于上述参照光检测器的检测结果来检测上述移动镜的反射光与上述固定镜的反射光的相对倾斜误差，并且通过使上述移动镜或者上述固定镜倾斜来修正上述误差， 上述准直光相对上述固定镜的入射角比能够通过上述修正部倾斜的上述移动镜或者上述固定镜的倾斜角的最大值大。
3.根据权利要求2所述的干涉仪，其特征在于， 上述修正部通过使上述移动镜倾斜来修正上述移动镜的反射光与上述固定镜的反射光的相对倾斜误差， 上述参照光的光轴与上述测定光的光轴所成的角度比能够通过上述修正部倾斜的上述移动镜的倾斜角的最大值大。
4.根据权利要求2所述的干涉仪，其特征在于， 上述修正部通过使上述固定镜倾斜来修正上述移动镜的反射光与上述固定镜的反射光的相对倾斜误差， 上述参照光的光轴与上述测定光的光轴所成的角度比能够通过上述修正部倾斜的上述固定镜的倾斜角的最大值大。
5.根据权利要求1所述的干涉仪，其特征在于， 上述准直光相对上述固定镜的入射角是在向位于最远离上述光束分光器的位置的上述移动镜入射的上述测定光的光束内，上述准直光倾斜入射到上述移动镜时的倾斜角的最大值以下的角度。
6.根据权利要求1所述的干涉仪，其特征在于， 上述测定光学系统具有将上述测定光变换成准直光的测定光用准直光学系统， 若将上述移动镜位于最远离上述光束分光器的位置时的、从上述测定光用准直光 学系统到上述移动镜的上述位置的距离设为f，将被上述测定光用准直光学系统校准后的光的光束直径设为e,则上述参照光学系统的准直光相对上述固定镜的入射角小于与比值e / f对应的角度。
7.根据权利要求2所述的干涉仪，其特征在于， 上述修正部包括: 信号处理部，其基于上述参照光检测器的检测结果来检测上述移动镜的反射光与上述固定镜的反射光的相对倾斜误差； 光路修正机构，其通过使上述移动镜或者上述固定镜倾斜来修正被上述移动镜或者上述固定镜反射的光的光路；和 控制部，其基于由上述信号处理部检测出的上述倾斜误差来控制上述光路修正机构。
8.根据权利要求2所述的干涉仪，其特征在于， 上述参照光检测器由分割传感器构成， 上述修正部基于来自上述分割传感器的各元件的输出，来检测上述测定光被上述移动镜反射的反射光与被上述固定镜反射的反射光的相对倾斜误差。
9.根据权利要求2所述的干涉仪，其特征在于， 上述测定光学系统具有将上述测定光变换成准直光的测定光用准直光学系统， 被上述参照光用准直光学系统变换成准直光的参照光的光束直径小于被上述测定光用准直光学系统变换成准直光的测定光的光束直径。
10.一种傅立叶变换分光分析装`置，其特征在于，具备: 权利要求1所述的干涉仪；和 运算部，其对通过上述干涉仪的上述测定光检测器接收上述测定干涉光而得到的干涉图进行采样并实施傅立叶变换，来生成上述测定光中含有的波长的光谱。
11.根据权利要求10所述的傅立叶变换分光分析装置，其特征在于， 上述干涉仪还具备信号生成部，其中，该信号生成部基于上述参照光学系统的上述参照光检测器的检测结果来生成表示对上述干涉图进行采样时的定时的信号， 上述运算部基于来自上述信号生成部的信号的定时对使用了上述特定波长的光作为上述测定光时的测定干涉光的干涉图进行采样并实施了傅立叶变换时得到了波长，并基于该波长与特定波长的偏离来对上述采样的定时进行修正。
12.根据权利要求10所述的傅立叶变换分光分析装置，其特征在于， 上述测定光是近红外光或者红外光， 上述参照光是红色光。
全文摘要
干涉仪(1)基于参照光检测器(25)的检测结果来检测移动镜(16)的位置，并且对测定干涉光进行计测，参照光源(21)构成为包含由半导体激光器构成的光源(21a)。参照光学系统(20)具有将从参照光源(21)射出的激光变换成准直光的参照光用准直光学系统(22)，上述准直光相对固定镜(15)倾斜入射。
文档编号G01J3/45GK103201603SQ201180052338
公开日2013年7月10日 申请日期2011年9月6日 优先权日2010年10月28日
发明者平尾祐亮 申请人:柯尼卡美能达株式会社