JP3544869B2 - Fourier transform spectroscopy interferometer - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、小型にして安価なフーリエ変換分光用干渉計に関するものである。
【０００２】
更に詳述すると、本発明は、試料の分析、あるいは光通信の波長モニタリングなどに適した、フーリエ変換分光用干渉計に関するものである。
【０００３】
【従来の技術】
従来、光のスペクトルを得るためにフーリエ変換分光器を用い、この検出結果より、試料分析や、光通信波長モニタリングを行ってきた。
【０００４】
図８は、「ＦＴ−ＩＲの基礎と実際 第二版」（田隅三生編著 東京化学同人ＩＳＢＮ４−８０７９−０３９１−８）に掲載されているフーリエ変換分光用干渉計の原理図面である。フーリエ変換分光法においては、一つの光源Ｓから発せられた光を半透鏡ＢＳ１によって参照光路と可変光路に分岐した後、参照光路の光は固定鏡Ｍ１で反射し、可変光路の光は可動鏡Ｍ２に反射させてそれぞれ再び半透鏡ＢＳ１に戻して干渉させてレンズＬ２によって検出器Ｄ上に集光する。
【０００５】
スペクトル測定の際は可動鏡Ｍ２の移動によって可変光路の光路長を変化させながら、検出器Ｄにおける光強度を測定する。この光路長に依存する光強度の変化をインターフェログラムと呼び、このインターフェログラムをフーリエ変換することによって、入射光のスペクトルが得られる。
【０００６】
フーリエ変換分光法においては、分解能は光路長差の最大値が大きいほど高くなり、光路長差は可動鏡Ｍ２の最大移動距離で決まる。よって、可動鏡移動距離が大きいほど高分解能が得られる。この関係をフーリエ変換分光で通常用いられる量である波数（波長の逆数）を用いて表す。
【０００７】
【数１】Δｋ＝１／ΔＬ＝１／２Δｘ・・・（１）
ここで、ｋは波数、Δｋは波数分解能、ΔＬは最大光路長差、Δｘは可動鏡の最大移動距離である。
【０００８】
よって、高分解能を得るためには可動鏡を長距離移動させる機構が必要である。
【０００９】
より具体的な干渉計の例（ＯＲＩＥＬ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ社 ＭＩＲ８０００ ＭＯＤＵＬＡＲ ＩＲ ＦＯＵＲＩＥＲ ＳＰＥＣＴＲＯＭＥＴＥＲ（カタログ））を図９に示す。図９において、ＢＳ２は光分割鏡、ＦＩＸは固定鏡、ＭＯＶは可動鏡である。この光分割鏡ＢＳ２に関して対称に固定鏡ＦＩＸと可動鏡ＭＯＶが配置され、可動鏡ＭＯＶの直線移動によって光路長差に変化を生じさせている。また、可動鏡ＭＯＶを長距離移動させるための駆動装置ＡＣＴと光分割鏡ＢＳ２の微調整を行うＸＹ調整ノブＸＹ−ＡＤＪが備えられている。
【００１０】
このような干渉計を作製するためには固定鏡、可動鏡、半透鏡または光分割鏡等をそれぞれ個別に製作、設置する必要があり、設置後にレーザー等を光源として光学系に光を通し、光軸の微調整を行う必要がある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような構成の干渉計では、波数分解能を高くするためには可動鏡の移動距離を長く採らざるを得ず、大きな可動鏡駆動装置が必要であり、小型化が困難であるという欠点があった。
【００１２】
また、光分割鏡、固定鏡、可動鏡等の光学素子をそれぞれ個別に製作後、光学定盤等に実装し、さらに光軸の微調整をする必要があるが、そのような方法を採ると、制作時間及びコストがかかるという問題点があった。
【００１３】
よって本発明の目的は、このような点に鑑み、平面反射鏡に至る光路中に合わせ鏡の構造を用いることによって長い光路長差を維持しながら、干渉計をコンパクトに構成し、さらにリソグラフィー技術で結晶基板を加工することによって前述の光学系を製作し、光学素子の個別製作と光軸の微調整を不要とした安価なフーリエ変換分光用干渉計を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明に係る第１の形態は、光源からの入射光を平行光にするコリメータレンズと、前記平行光を参照光路と可変光路に分割する光分割鏡と、前記参照光路に入射した光を反射して前記光分割鏡へ戻す参照光路側反射手段と、前記可変光路中に入射した光を反射して前記光分割鏡へ戻す可変光路側反射手段と、前記参照光路側反射手段からの反射光と前記可変光路側反射手段からの反射光が前記光分割鏡を通して入射される集光レンズと、前記集光レンズの焦点に置かれ、前記光分割鏡からの光を受光する受光手段とを備えたフーリエ変換分光用干渉計であって、前記参照光路側反射手段および前記可変光路側反射手段は、それぞれ固定反射鏡と可動反射鏡とを有し、前記参照光路側反射手段および前記可変光路側反射手段におけるそれぞれの前記可動反射鏡を並進移動させ、その移動位置に対する光の強度を測定してフーリエ変換を行うことによりスペクトルを得るに際し、前記参照光路側反射手段および前記可変光路側反射手段におけるそれぞれの前記固定反射鏡と前記可動反射鏡として互いに平行な合わせ鏡を用いることにより光を複数回往復させ、前記並進移動した距離の複数倍の光路長走査を実現し、波数分解能を高めたものである（請求項１）。
【００１５】
本発明の第２の形態は、光源からの入射光を平行光にするコリメータレンズと、前記平行光の光路を分割する光分割鏡と、前記分割された光路のうち一方の光路中に設置され、第１の固定反射鏡と第１の可動反射鏡とを有し、前記光分割鏡からの光を受けて反射する第１の反射手段と、前記分割された光路のうち他方の光路中に設置され、第２の固定反射鏡と第２の可動反射鏡とを有し、前記光分割鏡からの光を受けて反射する第２の反射手段と、前記第１の反射手段および前記第２の反射手段からの反射光を前記光分割鏡を通して入射する集光レンズと、前記集光レンズの焦点に置かれ、前記光分割鏡からの光を受光する受光手段とを備え、前記第１の可動反射鏡および前記第２の可動反射鏡を並進移動させて、その移動位置に対する光の強度を測定してそのフーリエ変換を行うことによりスペクトルを得るフーリエ変換分光用干渉計であって、前記第１の固定反射鏡と前記第１の可動反射鏡との組み合わせ、および前記第２の固定反射鏡と前記第２の可動反射鏡との組み合わせとして、互いに平行な合わせ鏡を用いることによって光を複数回往復させ、前記第１の可動反射鏡または前記第２の可動反射鏡の並進移動距離の複数倍の光路長走査を実現し、かつ前記第１の可動反射鏡および前記第２の可動反射鏡を同時に駆動することにより、鏡移動によって生ずる光路差を前記並進移動距離の複数倍のさらに２倍に長くして高い波数分解能を実現したものである（請求項２）。
【００１６】
本発明の第３の形態は、上記第１の形態として記載したフーリエ変換分光用干渉計において、前記参照光路側反射手段が有する固定反射鏡および前記可変光路側反射手段が有する固定反射鏡に、固体基板材料の加工によりモノリシックに形成した互いに平行な２枚の板の組み合わせを用いることによって、光軸調整を不要とし、大量生産可能にして安価に提供可能としたものである（請求項３）。
【００１７】
本発明の第４の形態は、上記第２の形態として記載したフーリエ変換分光用干渉計において、前記第１の固定反射鏡および前記第２の固定反射鏡に、固体基板材料の加工によりモノリシックに形成した互いに平行な２枚の板の組み合わせを用いることによって、光軸調整を不要とし、大量生産可能にして安価に提供可能としたものである（請求項４）。
【００１８】
本発明の第５の形態は、上記第１ないし第４の形態として記載したフーリエ変換分光用干渉計において、前記可動反射鏡の移動方向を固定するためのガイドを固体基板材料の加工によりモノリシックに形成してミラー移動の際のぶれをなくしたものである（請求項５）。
【００１９】
本発明の第６の形態は、上記第３，４，５の形態として記載したフーリエ変換分光用干渉計において、コリメータレンズ，光分割鏡，反射合わせ鏡，集光レンズ等の光学素子の方向を固定するためのガイドを固体基板材料の加工によりモノリシックに形成したものである（請求項６）。
【００２０】
本発明の第７の形態は、上記第３，４，５，６の形態として記載したフーリエ変換分光用干渉計において、固体基板材料の加工により平板を形成し、光分割鏡として用いることによって、光分割鏡本体をモノリシックに作製して実装の手間を省いたものである（請求項７）。
【００２１】
本発明の第８の形態は、上記第３，４，５，６，７の形態として記載したフーリエ変換分光用干渉計において、固体基板材料としてシリコン（１１０）基板を用いたものである（請求項８）。
【００２２】
上述した構成を有する本発明では、反射鏡として２枚の合わせ鏡を用いることによって、従来の干渉計に比較して同じ光路長差を保ちながら鏡の移動距離を短くすることができ、結果として、高い波数分解能を維持しながら、干渉計全体を小型化することが可能になる。
【００２３】
さらに本発明では、光分割鏡、反射合わせ鏡等をリソグラフィーによって半導体基板上に形成し、基板材料加工によって作製することを特徴としている。基板上には、リソグラフィー及びエッチング技術によって基板に垂直な平面構造を形成する。このとき、異方性エッチングにより平面構造を形成した場合には、面同士の平行性が非常に高いため、光軸調整が不要となる。
【００２４】
かかる本発明と従来の技術とは、光学素子を一括して作製できるので安価である点、ならびに、光学調整が不要である点が異なっている。
【００２５】
すなわち、本発明に係るフーリエ変換分光用干渉計では、入射した光は可動合わせ鏡及び固定合わせ鏡の間を複数回往復するために、一方の鏡を移動させることにより光路長の変化は鏡自体の移動距離の複数倍となる。よって、高分解能を得るための可動鏡移動距離は少なくて済む。また、可動鏡を長距離移動させるための大きな駆動装置が不要となる。
【００２６】
本発明は、かかる作用を利用して干渉計構造の高分解能化かつ小型化を可能にする。また、リソグラフィー技術でこの構造を製作した場合には、光軸調整不要かつ大量生産が可能となり、安価になる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００２８】
図１は、本発明を適用したモノリシックフーリエ変換分光用干渉計を示す構成図である。
【００２９】
図１において、１はシリコン（１１０）基板、２はタングステンランプ等の白色光源、３は光源からの光を平行光にするためのコリメータレンズ、４は試料として用いるガスセル、５は光分割鏡、６は光分割鏡支持部、７，８は合わせ鏡用固定平面鏡、９，１０は合わせ鏡用可動平面鏡、１１，１２は垂直反射用平面鏡、１３は可動平面鏡駆動機構、１４は可動平面鏡移動ガイド、１５は集光レンズ、１６は光検出器である。
【００３０】
上記のフーリエ変換分光用干渉計を動作させるには、まず白色光源２からの光をコリメータレンズ３によって平行光としてガスセル４を通過させ、光分割鏡５に入射する。入射光は光分割鏡５で二分割され、一方は合わせ鏡用固定鏡７に向かって反射し、他方も合わせ鏡用固定鏡８に向かって反射する。光はそれぞれ合わせ鏡用固定鏡７，８と合わせ鏡用可動鏡９，１０間で複数回反射された後、垂直反射鏡１１と１２で進行方向を反転される。さらに、両方の光はそれぞれ合わせ鏡用固定鏡７，８と合わせ鏡用可動鏡９，１０間で逆方向に進行しながら複数回反射された後、光分割鏡５において再び合波される。集光レンズ１５はこの合波された光を光検出器１６上に集光する。
【００３１】
ここで、可動鏡駆動機構１３によって合わせ鏡用可動鏡９，１０を移動させると、合わせ鏡用固定鏡７と合わせ鏡用可動鏡９間で複数回反射された光線の光路長と、合わせ鏡用固定鏡８と合わせ鏡用可動鏡１０間で複数回反射された光線の光路長の間に光路差が生じる。合わせ鏡用可動鏡９，１０の移動によって光路長を変化させながら、光検出器１６からの信号を測定し、インターフェログラムを得る。
【００３２】
入射した光のスペクトルは、このインターフェログラムをフーリエ変換することによって得られる。このとき、光分割鏡５の方向は光分割鏡支持部６の平面性により一定の方向を向いており、ぶれを生じない。また、合わせ鏡用可動鏡９，１０の移動方向は可動鏡移動ガイド１４の平面性により一定に保たれてぶれを生じない。
【００３３】
このように、光分割鏡５から入射した光は合わせ鏡用可動鏡９，１０及び合わせ鏡用固定鏡７，８の間を複数回往復することにより、光路長差が生じる。
【００３４】
図２は、光路長変化の説明図である。図２において、１７ａ，１７ｂはそれぞれ光分割鏡からの光線、１８ａ（実線），１８ｂ（実線）は可動合わせ鏡移動前の光路、１９ａ（破線），１９ｂ（破線）は可動合わせ鏡移動後の光路である。図２に示されるように、可動合わせ鏡位置が変化するにしたがって光路も変化する。
【００３５】
図２の左側には、円内に一部を拡大した図を示す。１８ａ（実線）は可動合わせ鏡が原点位置にある場合の光路を示し、１８ｂ（破線）は可動合わせ鏡がある距離移動した後の光路を示している。これは可動合わせ鏡に片道で３回反射され、往復で６回反射される場合の例である。
【００３６】
可動合わせ鏡が移動したことにより一回の反射についてＢＣ間とＣＤ間を合わせた距離に相当する光路長が新たに得られ、この長さは２Δｄ／ｃｏｓθである。３回反射すると、その３倍である３×２Δｄ／ｃｏｓθが得られる。
【００３７】
一方、可動合わせ鏡上での反射位置変化はＢＤ間の距離に相当し、これは２Δｄｔａｎθであり、３回反射した場合の可動合わせ鏡上での反射位置変化はＡＤ間の距離に相当し、これは２Δｄｔａｎθの３倍である。反射位置が移動したことにより失った距離はＡＥに相当し、これは３×２Δｄｔａｎθ・ｓｉｎθである。
【００３８】
この関係を往復で２ｎ回反射した場合に拡張すると、
【００３９】
【数２】
ΔＬＡ ＝２ｎ（２Δｄ／ｃｏｓθ−２Δｄｔａｎθ・ｓｉｎθ）＝４ｎΔｄｃｏｓθ・・・（２）
ここで、ΔＬＡ は光路Ａにおける光路長の変化、ｎは片道における可動合わせ鏡に反射された回数、Δｄは合わせ鏡位置変化、θは鏡面への入射角度である。
【００４０】
一方、光路Ｂ側での移動鏡では、可動鏡の移動によって光路が短くなるために符号が逆転し、
【００４１】
【数３】
ΔＬＢ ＝−４ｎΔｄｃｏｓθ・・・（３）
となるため、全体の光路差ΔＬは光路Ａと光路Ｂの変化を合わせて、
【００４２】
【数４】
ΔＬ＝ΔＬＡ −ΔＬＢ ＝８ｎΔｄｃｏｓθ・・・（４）
となる。
【００４３】
また、可動合わせ鏡の面方向と可動合わせ鏡の移動方向とは、結晶の面方位で決まる一定の傾きがあるため、合わせ鏡間隔変化Δｄと可動鏡の並進移動距離Δｘの間には次の関係がある。
【００４４】
【数５】
Δｄ＝Δｘｓｉｎφ・・・（５）
ここで、φは鏡面と、並進移動方向平面間の角度である。
【００４５】
式（１），式（４），式（５）を併せて、可動鏡の最大移動距離と波数分解能の関係は次のように表される。
【００４６】
【数６】
Δｋ＝１／ΔＬＭＡＸ ＝１／（８ｎΔｘＭＡＸ ｃｏｓθ・ｓｉｎφ）・・・（６）
ここで、ΔＬＭＡＸ は最大光路差、ΔｘＭＡＸ は可動合わせ鏡の最大移動距離、ｎは可動鏡に反射された回数、θは鏡面への入射角度である。
【００４７】
本実施の形態における具体的なパラメータは、ｎ＝３、Δｘ＝１６６μｍ、θ＝４５度、φ＝７１．１度である。この場合、ΔＬＭＡＸ は２．６ｍｍとなり、波数分解能は３．８ｃｍ−１となる。
【００４８】
図３は、本実施の形態による干渉計を用いてインターフェログラムを得た例を示す。ここで、光線は大気中を通過させている。１６６μｍのスパンを４０ｍｍステップで並進させ４０９６点のデータを得たが、ここでは、原点付近で得られた２０００点のデータのみを示す。また、図４に、このインターフェログラムをフーリエ変換して得られた大気の透過スペクトルの例を示す。
【００４９】
図５は、本実施の形態における光分割鏡支持部を説明する図である。光分割鏡支持部はシリコン基板の異方性エッチングによりモノリシックに作製したため、光分割鏡５と合わせ鏡用固定鏡７および８の方向との違いを常に一定に保つことができ、また、光分割鏡５と合わせ鏡用固定鏡７および８の方向と一致させることができる。このことにより、光分割鏡５の方向が限定され、ぶれを無くして実装における位置合わせの手間を省くことができる。
【００５０】
図６は、本実施の形態における可動鏡移動ガイド１４を説明する図である。可動鏡移動ガイド１４は、シリコン基板の異方性エッチングによりモノリシックに作製してあるため、合わせ鏡用可動鏡の移動方向は結晶面と一致する方向に限定され、さらにガイド間のずれも無く、滑らかに合わせ鏡用可動鏡９，１０を移動することができる。
【００５１】
図７は、本実施の形態における基板材料を用いた光分割鏡２０を説明する図である。基板材料のシリコン基板の異方性エッチングによりモノリシックに作製したため、合わせ鏡用固定鏡７および８の方向との違いを常に一定に保つことができ、または、合わせ鏡用固定鏡７および８の方向と一致させることができる。結晶面方位の方向性をうまく利用することにより、方向が限定され、ぶれを無くして実装における位置合わせの手間を省くことができる。
【００５２】
なお、上述した本実施の形態の説明は、説明及び例示を目的として特定の実施例を示したに過ぎない。従って、本発明はその本質から逸脱せずに多くの変更、変形をなし得ることは当業者には明らかである。
【００５３】
例えば、光源はファイバー付き光源に置き替えることもできる。また、可動鏡駆動機構の設置場所は、合わせ鏡用可動鏡を駆動できる場所であればどこでもよい。さらに、本実施の形態では、ガスセル中の空気を試料として用いたが、本発明の適用先は試料が流体または固体であるかを問わない。
【００５４】
また、本実施の形態では、光分割鏡に入射する角度は４５度としているが、これは任意の角度でよい。さらに本実施の形態では、２つの合わせ鏡用可動鏡は連結されているが、２つの合わせ鏡用可動鏡をそれぞれに独立に動かしてもよい。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、フーリエ変換分光用干渉計を構成するにあたり、平行な合わせ鏡を用いて波数分解能を高めると共に、小型化を達成している。また、モノリシックに構成して、光学素子の光軸調整の手間を省き、大量生産可能とし、安価なフーリエ変換分光用干渉計を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる干渉計の一実施の形態を示す構成図である。
【図２】本実施の形態による干渉計の一部である合わせ鏡用可動鏡と合わせ鏡用固定鏡による光路長変化量に関する構成図である。
【図３】本実施の形態による干渉計によって得られたインターフェログラムを示す図である。
【図４】本実施の形態による干渉計によって得られた大気の透過スペクトルを示す図である。
【図５】本実施の形態による干渉計の一部である光分割鏡支持部に関する構成図である。
【図６】本実施の形態による干渉計の一部である可動鏡移動ガイドに関する構成図である。
【図７】本実施の形態による干渉計の一部である基板材料を用いた光分割鏡に関する構成図である。
【図８】従来から知られているマイケルソン干渉計の構成図である。
【図９】従来から知られているフーリエ変換分光用干渉計の一例を示す図である。
【符号の説明】
１ シリコン（１１０）基板
２ 白色光源
３ コリメータレンズ
４ ガスセル
５ 光分割鏡
６ 光分割鏡支持部
７ 合わせ鏡用固定鏡
８ 合わせ鏡用固定鏡
９ 合わせ鏡用可動鏡
１０ 合わせ鏡用可動鏡
１１ 垂直反射用鏡
１２ 垂直反射用鏡
１３ 可動鏡駆動機構
１４ 可動鏡移動ガイド
１５ 集光レンズ
１６ 光検出器
１７ 光分割鏡からの光線
１８ 可動合わせ鏡移動前の光路
１９ 可動合わせ鏡移動後の光路
２０ 固体基板材料で形成した光分割鏡[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a compact and inexpensive Fourier transform spectroscopic interferometer.
[0002]
More specifically, the present invention relates to an interferometer for Fourier transform spectroscopy, which is suitable for analyzing a sample or monitoring the wavelength of optical communication.
[0003]
[Prior art]
Conventionally, a Fourier transform spectrometer has been used to obtain a light spectrum, and sample analysis and optical communication wavelength monitoring have been performed based on the detection results.
[0004]
FIG. 8 is a principle drawing of a Fourier transform spectroscopy interferometer described in “Basic and Actual FT-IR Second Edition” (edited by Mitsuo Tasumi, Tokyo Chemical Dojin ISBN4-8079-0391-8). In Fourier transform spectroscopy, light emitted from one light source S is split into a reference optical path and a variable optical path by a semi-transmissive mirror BS1, then the light in the reference optical path is reflected by a fixed mirror M1, and the light in the variable optical path is a movable mirror. The light is reflected by M2 and returned to the semi-transparent mirror BS1 again to cause interference, and is condensed on the detector D by the lens L2.
[0005]
At the time of spectrum measurement, the light intensity at the detector D is measured while changing the optical path length of the variable optical path by moving the movable mirror M2. The change in light intensity depending on the optical path length is called an interferogram, and the spectrum of the incident light is obtained by Fourier-transforming the interferogram.
[0006]
In Fourier transform spectroscopy, the resolution becomes higher the larger the maximum value of the optical path length difference, the optical path length difference is determined by the maximum moving distance of the movable mirror M2. Therefore, the higher the moving distance of the movable mirror, the higher the resolution can be obtained. This relationship is expressed using a wave number (reciprocal of wavelength), which is an amount usually used in Fourier transform spectroscopy.
[0007]
## EQU1 ## Δk = 1 / ΔL = 1 / 2Δx (1)
Here, k is the wave number, Δk is the wave number resolution, ΔL is the maximum optical path length difference, and Δx is the maximum moving distance of the movable mirror.
[0008]
Therefore, in order to obtain high resolution, a mechanism for moving the movable mirror over a long distance is required.
[0009]
FIG. 9 shows an example of a more specific interferometer (MIR8000 MODULAR IR FOURIER SPECTROMETER (catalog) manufactured by ORIEL INSTRUMENTS). In FIG. 9, BS2 is a light splitting mirror, FIX is a fixed mirror, and MOV is a movable mirror. The fixed mirror FIX and the movable mirror MOV are arranged symmetrically with respect to the light splitting mirror BS2, and a change in the optical path length is caused by the linear movement of the movable mirror MOV. Further, a drive device ACT for moving the movable mirror MOV over a long distance and an XY adjustment knob XY-ADJ for finely adjusting the light splitting mirror BS2 are provided.
[0010]
In order to manufacture such an interferometer, it is necessary to separately manufacture and install a fixed mirror, a movable mirror, a semi-transmissive mirror, a light splitting mirror, and the like.After installation, light is passed through an optical system using a laser or the like as a light source, Fine adjustment of the optical axis is required.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the interferometer having such a configuration, in order to increase the wavenumber resolution, the moving distance of the movable mirror must be long, a large movable mirror driving device is required, and downsizing is difficult. was there.
[0012]
In addition, it is necessary to individually manufacture optical elements such as a light splitting mirror, a fixed mirror, and a movable mirror, and then mount the optical elements on an optical surface plate and the like, and further fine-tune the optical axis. However, there is a problem that production time and cost are required.
[0013]
In view of the above, an object of the present invention is to provide a compact interferometer while maintaining a long optical path length difference by using a structure of a focusing mirror in the optical path leading to a plane reflecting mirror, and to further improve the lithography technology. An object of the present invention is to provide an inexpensive Fourier-transform spectroscopy interferometer in which the above-described optical system is manufactured by processing a crystal substrate by using the method described above.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a first mode according to the present invention is a collimator lens that converts incident light from a light source into parallel light, a light splitting mirror that splits the parallel light into a reference light path and a variable light path, a reference light path side reflection means for returning to the light splitting mirror reflects the light incident on the reference light path, and a variable light path side reflecting means reflect back the light incident on the variable optical path to the light splitting mirror, the A condensing lens in which the reflected light from the reference light path side reflecting means and the reflected light from the variable light path side reflecting means enter through the light splitting mirror, and are placed at the focal point of the condensing lens, and a Fourier transform spectrometer interferometer having a light receiving means for receiving light, the reference light path side reflecting means and said variable optical path side reflection means have respective fixed reflector and a movable reflector, the reference Optical path side reflection means and the variable light Each of the movable reflector on the side reflection means is translating, and when the obtained spectra by performing Fourier transformation of the intensity of light is measured with respect to the moving position, the reference light path side reflecting means and said variable several times back and forth more light to be used parallel combined mirror each other of the fixed reflecting mirror in the light path side reflecting means and as the movable reflective mirror, to achieve a multiple of the optical path length scanning distance above translates, The wave number resolution is improved (claim 1).
[0015]
According to a second aspect of the present invention, there is provided a collimator lens that converts incident light from a light source into parallel light, a light splitting mirror that splits an optical path of the parallel light, and a light splitting mirror that is installed in one of the split optical paths. A first reflecting means having a first fixed reflecting mirror and a first movable reflecting mirror , receiving and reflecting light from the light splitting mirror, and a first reflecting means in the other one of the split light paths. is installed, and a second fixed reflector and a second movable reflecting mirror, a second reflection means for reflecting receiving light from the light splitting mirror, the first reflecting means and the second a condenser lens for the reflected light from the reflecting means of the incident through the light splitting mirror, placed at the focal point of the condenser lens, and a light receiving means for receiving light from the light splitting mirror, the first the movable reflector and the second movable reflecting mirror by translation, of the light with respect to its moving position A Fourier transform spectrometer interferometer to obtain a spectrum by degrees measured performing a Fourier transform, a combination of the first fixed reflection mirror and said first movable reflecting mirror, and the second fixed As a combination of a reflecting mirror and the second movable reflecting mirror , light is reciprocated a plurality of times by using parallel mirrors, and a translation distance of the first movable reflecting mirror or the second movable reflecting mirror. to realize the optical path length scanning of a multiple of, and by simultaneously driving the first movable reflector and the second movable reflector, further an optical path difference caused by the mirror movement of a multiple of the translation distance It is twice as long to achieve high wavenumber resolution (claim 2).
[0016]
According to a third aspect of the present invention, in the interferometer for Fourier transform spectroscopy described as the first aspect, the fixed reflecting mirror of the reference light path side reflecting means and the fixed reflecting mirror of the variable light path side reflecting means have By using a combination of two parallel plates that are monolithically formed by processing a solid substrate material, adjustment of the optical axis is not required, mass production is possible, and it can be provided at low cost. .
[0017]
According to a fourth aspect of the present invention, in the interferometer for Fourier transform spectroscopy described as the second aspect, the first fixed reflecting mirror and the second fixed reflecting mirror are monolithically formed by processing a solid substrate material. By using a combination of the two plates formed in parallel with each other, it is not necessary to adjust the optical axis, and it is possible to mass-produce and provide at low cost.
[0018]
According to a fifth aspect of the present invention, in the Fourier transform spectroscopic interferometer described as the first to fourth aspects, a guide for fixing the moving direction of the movable reflecting mirror is monolithically formed by processing a solid substrate material. It is formed to eliminate blurring when the mirror is moved.
[0019]
According to a sixth aspect of the present invention, in the Fourier transform spectroscopy interferometer described as the third, fourth, or fifth aspect, the directions of optical elements such as a collimator lens, a light splitting mirror, a reflection combining mirror, and a condenser lens are changed. The guide for fixing is monolithically formed by processing a solid substrate material.
[0020]
According to a seventh aspect of the present invention, in the interferometer for Fourier transform spectroscopy described as the third, fourth, fifth and sixth aspects, a flat plate is formed by processing a solid substrate material and used as a light splitting mirror. The light splitting mirror main body is manufactured in a monolithic manner to save the time and effort of mounting (claim 7).
[0021]
According to an eighth aspect of the present invention, in the interferometer for Fourier transform spectroscopy described as the third, fourth, fifth, sixth and seventh aspects, a silicon (110) substrate is used as a solid substrate material. Item 8).
[0022]
In the present invention having the above-described configuration, by using two combining mirrors as the reflecting mirror, the moving distance of the mirror can be shortened while maintaining the same optical path length difference as compared with the conventional interferometer. In addition, it is possible to reduce the size of the entire interferometer while maintaining a high wavenumber resolution.
[0023]
Further, the present invention is characterized in that a light splitting mirror, a reflecting mirror and the like are formed on a semiconductor substrate by lithography, and are manufactured by substrate material processing. A planar structure perpendicular to the substrate is formed on the substrate by lithography and etching techniques. At this time, when the planar structure is formed by anisotropic etching, the parallelism between the surfaces is extremely high, so that the optical axis adjustment becomes unnecessary.
[0024]
The present invention and the conventional technique are different in that the optical element can be manufactured at once, so that it is inexpensive, and that optical adjustment is not required.
[0025]
That is, in the Fourier-transform spectroscopy interferometer according to the present invention, since the incident light reciprocates between the movable aligning mirror and the fixed aligning mirror a plurality of times, the optical path length is changed by moving one of the mirrors. Multiple times the moving distance of Therefore, the moving distance of the movable mirror for obtaining high resolution can be reduced. Further, a large driving device for moving the movable mirror over a long distance is not required.
[0026]
The present invention makes it possible to increase the resolution and reduce the size of the interferometer structure using such an action. Further, when this structure is manufactured by lithography technology, optical axis adjustment is unnecessary, mass production becomes possible, and the cost is reduced.
[0027]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0028]
FIG. 1 is a configuration diagram showing a monolithic Fourier transform spectroscopic interferometer to which the present invention is applied.
[0029]
In FIG. 1, 1 is a silicon (110) substrate, 2 is a white light source such as a tungsten lamp, 3 is a collimator lens for converting light from the light source into parallel light, 4 is a gas cell used as a sample, 5 is a light splitting mirror, 6 is a beam splitting mirror support, 7 and 8 are fixed plane mirrors for a combined mirror, 9 and 10 are movable plane mirrors for a combined mirror, 11 and 12 are plane mirrors for vertical reflection, 13 is a movable plane mirror driving mechanism, and 14 is a movable plane mirror moving guide. , 15 is a condenser lens and 16 is a photodetector.
[0030]
In order to operate the above-described Fourier transform spectroscopic interferometer, first, light from the
[0031]
Here, when the movable mirror driving mirrors 9 and 10 are moved by the movable
[0032]
The spectrum of the incident light is obtained by Fourier-transforming the interferogram. At this time, the direction of the
[0033]
As described above, the light incident from the
[0034]
FIG. 2 is an explanatory diagram of a change in the optical path length. In FIG. 2,
[0035]
On the left side of FIG. 2, a diagram in which a part is enlarged in a circle is shown. 18a (solid line) shows the optical path when the movable aligning mirror is at the origin position, and 18b (dashed line) shows the optical path after the movable aligning mirror has moved a certain distance. This is an example of a case where the light is reflected by the movable mirror three times in one way and six times in both directions.
[0036]
Due to the movement of the movable aligning mirror, a new optical path length corresponding to the combined distance between BC and CD for one reflection is obtained, and this length is 2Δd / cos θ. When reflected three times, 3 × 2Δd / cos θ, which is three times as large, is obtained.
[0037]
On the other hand, the change in the reflection position on the movable mirror is equivalent to the distance between BDs, which is 2Δdtanθ, and the change in the reflection position on the movable mirror when reflected three times is equivalent to the distance between ADs. This is three times 2Δdtanθ. The distance lost due to the movement of the reflection position corresponds to AE, which is 3 × 2Δdtanθ · sinθ.
[0038]
Extending this relationship to 2n round-trip reflections,
[0039]
(Equation 2)
ΔL A = 2n (2Δd / cos θ−2Δdtan θ · sin θ) = 4nΔdcos θ (2)
Here, [Delta] L A change in optical path length in the optical path A, n is the number of times that has been reflected on the movable alignment mirror in one way, [Delta] d is the combined mirror position changes, theta is the angle of incidence on the mirror surface.
[0040]
On the other hand, in the movable mirror on the optical path B side, the sign is reversed because the optical path is shortened by the movement of the movable mirror,
[0041]
[Equation 3]
ΔL B = −4nΔdcos θ (3)
Therefore, the total optical path difference ΔL is obtained by adding the changes of the optical path A and the optical path B,
[0042]
(Equation 4)
ΔL = ΔL A -ΔL B = 8nΔdcosθ ··· (4)
It becomes.
[0043]
Further, since the plane direction of the movable mirror and the moving direction of the movable mirror have a constant inclination determined by the plane orientation of the crystal, the distance between the mirror mirror change Δd and the translation distance Δx of the movable mirror is as follows. Have a relationship.
[0044]
(Equation 5)
Δd = Δxsinφ (5)
Here, φ is the angle between the mirror surface and the translation plane.
[0045]
Together with Expressions (1), (4), and (5), the relationship between the maximum moving distance of the movable mirror and the wave number resolution is expressed as follows.
[0046]
(Equation 6)
Δk = 1 / ΔL MAX = 1 / (8nΔx MAX cos θ · sin φ) (6)
Here, ΔL MAX is the maximum optical path difference, Δx MAX is the maximum moving distance of the movable mirror, n is the number of times of reflection by the movable mirror, and θ is the angle of incidence on the mirror surface.
[0047]
Specific parameters in the present embodiment are n = 3, Δx = 166 μm, θ = 45 degrees, and φ = 71.1 degrees. In this case, ΔL MAX is 2.6 mm, and the wave number resolution is 3.8 cm −1 .
[0048]
FIG. 3 shows an example of obtaining an interferogram using the interferometer according to the present embodiment. Here, the light beam passes through the atmosphere. The 166 μm span was translated in 40 mm steps to obtain 4096 points of data. Here, only 2000 points of data obtained near the origin are shown. FIG. 4 shows an example of an atmospheric transmission spectrum obtained by performing a Fourier transform on the interferogram.
[0049]
FIG. 5 is a diagram illustrating a light splitting mirror support according to the present embodiment. Since the light splitting mirror support is made monolithically by anisotropic etching of the silicon substrate, the difference between the direction of the
[0050]
FIG. 6 is a diagram illustrating the movable
[0051]
FIG. 7 is a diagram illustrating a
[0052]
The above description of the present embodiment merely shows specific examples for the purpose of explanation and illustration. Accordingly, it will be apparent to one skilled in the art that the present invention may have many changes and modifications without departing from the spirit thereof.
[0053]
For example, the light source can be replaced by a light source with a fiber. The movable mirror drive mechanism may be installed at any location as long as the movable mirror for the mirror can be driven. Further, in the present embodiment, the air in the gas cell is used as the sample, but the present invention is applicable regardless of whether the sample is a fluid or a solid.
[0054]
In the present embodiment, the angle of incidence on the light splitting mirror is 45 degrees, but this may be any angle. Further, in the present embodiment, the two movable mirrors for a combined mirror are connected, but the two movable mirrors for a combined mirror may be independently moved.
[0055]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in constructing the Fourier transform spectroscopic interferometer, the wave number resolution is increased by using parallel collimating mirrors, and the miniaturization is achieved. Further, it is possible to realize an inexpensive Fourier-transform spectroscopy interferometer that has a monolithic structure, eliminates the need for adjusting the optical axis of the optical element, enables mass production, and is inexpensive.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing an embodiment of an interferometer according to the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram regarding an optical path length change amount by a movable mirror for a combined mirror and a fixed mirror for a combined mirror, which are a part of the interferometer according to the present embodiment.
FIG. 3 is a diagram showing an interferogram obtained by the interferometer according to the present embodiment.
FIG. 4 is a diagram showing a transmission spectrum of the atmosphere obtained by the interferometer according to the present embodiment.
FIG. 5 is a configuration diagram relating to a light splitting mirror support part which is a part of the interferometer according to the present embodiment.
FIG. 6 is a configuration diagram relating to a movable mirror moving guide which is a part of the interferometer according to the present embodiment.
FIG. 7 is a configuration diagram relating to a light splitting mirror using a substrate material, which is a part of the interferometer according to the present embodiment.
FIG. 8 is a configuration diagram of a conventionally known Michelson interferometer.
FIG. 9 is a diagram showing an example of a conventionally known Fourier transform spectroscopic interferometer.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記平行光を参照光路と可変光路に分割する光分割鏡と、
前記参照光路に入射した光を反射して前記光分割鏡へ戻す参照光路側反射手段と、
前記可変光路中に入射した光を反射して前記光分割鏡へ戻す可変光路側反射手段と、
前記参照光路側反射手段からの反射光と前記可変光路側反射手段からの反射光が前記光分割鏡を通して入射される集光レンズと、
前記集光レンズの焦点に置かれ、前記光分割鏡からの光を受光する受光手段とを備えたフーリエ変換分光用干渉計であって、
前記参照光路側反射手段および前記可変光路側反射手段は、それぞれ固定反射鏡と可動反射鏡とを有し、
前記参照光路側反射手段および前記可変光路側反射手段におけるそれぞれの前記可動反射鏡を並進移動させ、その移動位置に対する光の強度を測定してフーリエ変換を行うことによりスペクトルを得るに際し、
前記参照光路側反射手段および前記可変光路側反射手段におけるそれぞれの前記固定反射鏡と前記可動反射鏡として互いに平行な合わせ鏡を用いることにより光を複数回往復させ、前記並進移動した距離の複数倍の光路長走査を実現し、波数分解能を高めたことを特徴とするフーリエ変換分光用干渉計。A collimator lens that converts incident light from the light source into parallel light,
An optical splitting mirror that splits the parallel light into a reference optical path and a variable optical path,
Reference light path side reflection means for reflecting light incident on the reference light path and returning to the light splitting mirror ,
Variable light path side reflection means for reflecting light incident on the variable light path and returning to the light splitting mirror ,
A condensing lens into which reflected light from the reference light path side reflecting means and reflected light from the variable light path side reflecting means are incident through the light splitting mirror,
A Fourier transform spectroscopic interferometer comprising: a light receiving unit that receives light from the light splitting mirror, which is placed at a focal point of the condenser lens,
The reference light path side reflection means and the variable light path side reflection means each have a fixed reflection mirror and a movable reflection mirror,
By translating each of the movable reflector in the reference beam path side reflecting means and said variable optical path side reflection means, Shi time in order to obtain a spectrum by performing a Fourier transform by measuring the intensity of the light with respect to its moving position ,
Several times back and forth more light to be used parallel combined mirror each other as with each of the fixed reflecting mirror movable reflecting mirror in the reference light path side reflecting means and said variable optical path side reflection means, a plurality of distances the translates An interferometer for Fourier transform spectroscopy characterized by realizing double optical path length scanning and increasing wave number resolution.
前記平行光の光路を分割する光分割鏡と、
前記分割された光路のうち一方の光路中に設置され、第１の固定反射鏡と第１の可動反射鏡とを有し、前記光分割鏡からの光を受けて反射する第１の反射手段と、
前記分割された光路のうち他方の光路中に設置され、第２の固定反射鏡と第２の可動反射鏡とを有し、前記光分割鏡からの光を受けて反射する第２の反射手段と、
前記第１の反射手段および前記第２の反射手段からの反射光を前記光分割鏡を通して入射する集光レンズと、
前記集光レンズの焦点に置かれ、前記光分割鏡からの光を受光する受光手段とを備え、
前記第１の可動反射鏡および前記第２の可動反射鏡を並進移動させて、その移動位置に対する光の強度を測定してそのフーリエ変換を行うことによりスペクトルを得るフーリエ変換分光用干渉計であって、
前記第１の固定反射鏡と前記第１の可動反射鏡との組み合わせ、および前記第２の固定反射鏡と前記第２の可動反射鏡との組み合わせとして、互いに平行な合わせ鏡を用いることによって光を複数回往復させ、前記第１の可動反射鏡または前記第２の可動反射鏡の並進移動距離の複数倍の光路長走査を実現し、かつ前記第１の可動反射鏡および前記第２の可動反射鏡を同時に駆動することにより、鏡移動によって生ずる光路差を前記並進移動距離の複数倍のさらに２倍に長くして高い波数分解能を実現したことを特徴とするフーリエ変換分光用干渉計。A collimator lens that converts incident light from the light source into parallel light,
A light splitting mirror that splits the optical path of the parallel light,
A first reflecting means disposed in one of the divided optical paths, having a first fixed reflecting mirror and a first movable reflecting mirror, and receiving and reflecting light from the light dividing mirror; When,
A second reflecting means which is provided in the other one of the divided optical paths and has a second fixed reflecting mirror and a second movable reflecting mirror, and receives and reflects light from the light dividing mirror; When,
A condenser lens for causing the reflected light from the first reflecting means and the second reflecting means to enter through the light splitting mirror;
Placed at the focal point of the condenser lens, and a light receiving means for receiving light from the light splitting mirror,
An interferometer for Fourier transform spectroscopy that obtains a spectrum by translating the first movable reflecting mirror and the second movable reflecting mirror, measuring the intensity of light at the moving position, and performing a Fourier transform thereof. hand,
As a combination of the first fixed reflecting mirror and the first movable reflecting mirror and a combination of the second fixed reflecting mirror and the second movable reflecting mirror , light is obtained by using parallel mirrors. Is reciprocated a plurality of times to realize an optical path length scanning multiple times the translation distance of the first movable reflecting mirror or the second movable reflecting mirror, and the first movable reflecting mirror and the second movable reflecting mirror An interferometer for Fourier transform spectroscopy, wherein a high wavenumber resolution is realized by simultaneously driving a reflecting mirror to increase an optical path difference caused by mirror movement to twice or more the multiple of the translation distance.
前記参照光路側反射手段が有する固定反射鏡および前記可変光路側反射手段が有する固定反射鏡に、固体基板材料の加工によりモノリシックに形成した互いに平行な２枚の板の組み合わせを用いることによって、光軸調整を不要とし、大量生産可能にして安価に提供可能としたことを特徴とするフーリエ変換分光用干渉計。The interferometer for Fourier transform spectroscopy according to claim 1,
By using a combination of two parallel plates that are monolithically formed by processing a solid substrate material, the fixed reflecting mirror of the reference light path side reflecting means and the fixed reflecting mirror of the variable light path side reflecting means are used. An interferometer for Fourier transform spectroscopy, which does not require axis adjustment, can be mass-produced, and can be provided at low cost.
前記第１の固定反射鏡および前記第２の固定反射鏡に、固体基板材料の加工によりモノリシックに形成した互いに平行な２枚の板の組み合わせを用いることによって、光軸調整を不要とし、大量生産可能にして安価に提供可能としたことを特徴とするフーリエ変換分光用干渉計。The interferometer for Fourier transform spectroscopy according to claim 2,
By using a combination of two parallel plates that are monolithically formed by processing a solid substrate material for the first fixed reflecting mirror and the second fixed reflecting mirror, optical axis adjustment is not required, and mass production is possible. An interferometer for Fourier transform spectroscopy, characterized in that it can be provided at low cost.
前記可動反射鏡の移動方向を固定するためのガイドを固体基板材料の加工によりモノリシックに形成してミラー移動の際のぶれをなくしたことを特徴とするフーリエ変換分光用干渉計。An interferometer for Fourier transform spectroscopy according to any one of claims 1 to 4,
An interferometer for Fourier transform spectroscopy, wherein a guide for fixing the moving direction of the movable reflecting mirror is monolithically formed by processing a solid substrate material to eliminate blurring when the mirror is moved.
コリメータレンズ，光分割鏡，反射合わせ鏡，集光レンズ等の光学素子の方向を固定するためのガイドを固体基板材料の加工によりモノリシックに形成したことを特徴とするフーリエ変換分光用干渉計。An interferometer for Fourier transform spectroscopy according to any one of claims 3, 4, and 5,
An interferometer for Fourier transform spectroscopy, wherein a guide for fixing the directions of optical elements such as a collimator lens, a light splitting mirror, a reflecting mirror, and a condenser lens is formed monolithically by processing a solid substrate material.
固体基板材料の加工により平板を形成し、光分割鏡として用いることによって、光分割鏡本体をモノリシックに作製して実装の手間を省いたことを特徴とするフーリエ変換分光用干渉計。An interferometer for Fourier transform spectroscopy according to any one of claims 3, 4, 5, and 6,
An interferometer for Fourier transform spectroscopy, characterized in that a flat plate is formed by processing a solid substrate material and is used as a light splitting mirror, so that the light splitting mirror main body is monolithically manufactured to save the time and effort of mounting.
固体基板材料としてシリコン（１１０）基板を用いたことを特徴とするフーリエ変換分光用干渉計。An interferometer for Fourier transform spectroscopy according to any one of claims 3, 4, 5, 6, and 7,
An interferometer for Fourier transform spectroscopy, wherein a silicon (110) substrate is used as a solid substrate material.
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