JPWO2013179572A1 - フーリエ変換型分光計およびフーリエ変換型分光方法 - Google Patents
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Abstract
本発明にかかるフーリエ変換型分光計およびフーリエ変換型分光方法は、干渉計の2個の光路間に光路差を生じさせる光路差形成光学素子における振幅の変動周期に基づく時間で、前記干渉計によって所定光のインターフェログラムが連続的に複数個測定され、これら複数のインターフェログラムに基づいて、スペクトルが求められる。このため、このようなフーリエ変換型分光計および該方法は、前記うねりを生じるような共振周波数に近い周波数の外部振動が加わった場合でも、より正確な測定結果を得ることができる。
Description
本発明は、フーリエ変換型分光計およびフーリエ変換型分光方法に関し、特に、干渉計の光路差形成光学素子として、光軸方向に往復振動する移動鏡を用いたフーリエ変換型分光計およびフーリエ変換型分光方法に関する。
分光計は、測定対象の被測定光における各波長(各波数)の成分(光強度)を表すスペクトルを測定する装置である。この分光計の1つに、干渉計で被測定光の干渉光を測定し、この測定結果をフーリエ変換することによって被測定光のスペクトルを求めるフーリエ変換型分光計がある。
このフーリエ変換型分光計では、前記干渉計の出力は、前記被測定光に含まれる複数の波長の光が前記干渉計によって一括で干渉された合成波形であり、インターフェログラムと呼ばれ、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、被測定光のスペクトルが求められる。このインターフェログラムは、所定の範囲で1または複数の急峻なピークを持つと共に残余の範囲では略ゼロレベルとなるプロファイルとなり、この1または複数の急峻なピークのうちの中央のピークは、センターバーストと呼ばれる。
このようなフーリエ変換型分光計の前記干渉計は、所定光が入射され前記所定光の入射位置から干渉位置までの間に2個の光路を形成する複数の光学素子を備えて構成され、前記複数の光学素子には、光軸方向に移動することによって前記2個の光路間に光路差を生じさせる光路差形成光学素子が含まれている。この光路差形成光学素子として、一定速度で走査範囲を光軸方向に沿って走査する移動鏡が挙げられる。しかしながら、このような移動鏡には、通常、移動鏡の駆動にガスベアリングやボイスコイルモータが用いられるために、干渉計が比較的大型化してしまう。このため、より小型化を図るために、例えば、特許文献1および特許文献2に開示の平行移動機構を利用した移動鏡が提案されている。
この特許文献1および特許文献2に開示の平行移動機構の移動鏡は、互いに対向して配置される第1および第2板バネと、前記第1および第2板バネの間であってその両端部にそれぞれ配置され、第1および第2板バネのそれぞれに連結される第1および第2支持体と、前記第1板バネの一方端の表面上に設けられ、前記第1および第2板バネの一方を曲げ変形させることにより前記第1および第2支持体の一方を前記第1および第2板バネの対向方向に平行移動させる圧電素子とを備えて構成されており、前記第1板バネの他方端の表面上には、光を反射する鏡面領域が設けられている。このような構成の平行移動機構の移動鏡は、前記圧電素子が伸張すると、前記第1板バネが上に凸となるように変形し、この結果、鏡面領域が対向方向の下方に変位する一方、前記圧電素子が縮小すると、前記第1板バネが下に凸となるように変形し、この結果、鏡面領域が対向方向の上方に変位する。そして、この平行移動機構の移動鏡は、大きな変位量を得るために共振によって前記変位を繰り返している。
ところで、前記特許文献1および特許文献2に開示の平行移動機構の移動鏡は、共振によって振動しているため、この平行移動機構の移動鏡の外部から振動が該平行移動機構の移動鏡に加わった場合、この外部振動の周波数が平行移動機構の移動鏡における共振周波数に近いと、平行移動機構の移動鏡における振幅にいわゆるうねりが生じてしまう。このため、平行移動機構の移動鏡における振幅が変化してしまう一方、共振駆動により一往復にかかる時間は変化しないため、移動鏡の移動速度が変化してしまうことになる。この結果、被測定光の干渉計による干渉光を受光処理する電気回路、特に増幅器の周波数特性の影響によってインターフェログラムの振幅が変調されてしまい、インターフェログラムのフーリエ変換によって得られるスペクトルの振幅も変わってしまう。すなわち、分光結果のスペクトル強度に誤差が生じてしまう。
本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、その目的は、前記うねりを生じるような共振周波数に近い周波数の外部振動が加わった場合でも、より正確な測定結果を得ることができるフーリエ変換型分光計およびフーリエ変換型分光方法を提供することである。
本発明にかかるフーリエ変換型分光計およびフーリエ変換型分光方法は、干渉計の2個の光路間に光路差を生じさせる光路差形成光学素子における振幅の変動周期に基づく時間で、前記干渉計によって所定光のインターフェログラムが連続的に複数個測定され、これら複数のインターフェログラムに基づいて、スペクトルが求められる。このため、このようなフーリエ変換型分光計および該方法は、前記うねりを生じるような共振周波数に近い周波数の外部振動が加わった場合でも、より正確な測定結果を得ることができる。
上記並びにその他の本発明の目的、特徴及び利点は、以下の詳細な記載と添付図面から明らかになるであろう。
以下、本発明にかかる実施の一形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、適宜、その説明を省略する。
図1は、実施形態におけるフーリエ変換型分光計の構成を示すブロック図である。図2は、実施形態のフーリエ変換型分光計における主に干渉計の構成を示す図である。図3は、実施形態のフーリエ変換分光計における受光処理部20の構成を示すブロック図である。図4は、一例として、実施形態のフーリエ変換型分光計におけるレーザ光の干渉波形を示す図である。図4の横軸は、光路差であり、その縦軸は、干渉波形の強度である。図5は、実施形態のフーリエ変換型分光計の干渉計における移動鏡の構成を示す斜視図である。図6は、実施形態のフーリエ変換分光計における移動鏡の往復振動の様子を示す断面図である。図6Aは、矢符で示す図面下方に変位する場合の様子を示し、図6Bは、矢符で示す図面上方に変位する場合の様子を示す。そして、図6Cは、移動鏡115の一方端部における往復振動の様子を示す。
実施形態におけるフーリエ変換型分光計(以下、「FT型分光計」と略記する。)Dは、被測定光のスペクトルを測定する装置であって、前記被測定光を干渉計で測定し、この測定した被測定光の干渉光の波形(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被測定光のスペクトルを求める装置である。そして、本実施形態のFT型分光計Dでは、SN比を改善し、良好な精度の結果を得るために、前記被測定光のスペクトルを求めるためにフーリエ変換される変換対象には、前記干渉計で生成された前記被測定光のインターフェログラムを複数積算することによって得られた積算インターフェログラムが用いられる。このようなFT型分光計Dは、例えば、図1ないし図6に示すように、測定対象の物体である試料SMに測定光を照射するための測定光光源部50と、試料SMで反射した測定光の反射光が被測定光として入射され、前記被測定光の干渉光を射出する干渉計11と、干渉計11で得られた被測定光の干渉光を受光して光電変換することによって被測定光の干渉光の波形に関する電気信号(被測定光の干渉光における光強度変化を表す電気信号)を出力する受光処理部20と、前記受光処理部20で測定データをサンプリングするサンプリングタイミングを生成するタイミング発生部30と、制御演算部41と、入力部42と、出力部43とを備えている。
測定光光源部50は、測定光を所定のジオメトリで試料SMへ照射する装置であり、例えば、測定光光源51(図2参照)およびその周辺回路を備えて構成される。測定光光源51は、測定光を放射してこの測定光を例えば45:0度のジオメトリで試料SMへ照射する装置である。測定光は、試料SMにおけるその反射光のスペクトルを測定するために用いられ、予め設定された所定の波長帯で連続スペクトルを持つ光である。このような測定光光源51には、本実施形態では、例えばハロゲンランプが用いられる。
本実施形態のFT型分光計Dでは、測定光光源51から照射された測定光は、図2に示すように、45度の入射角で試料SMの表面(測定面SF)に入射し、試料SMで反射され、この反射された測定光の反射光は、0度の方向から測定される。すなわち、測定面の法線方向(0度)に反射した反射光の成分が被測定光として干渉計11に入射される。このように本実施形態のFT型分光計Dは、試料SMで反射した測定光の反射光を被測定光とする反射型である。
なお、この例では、被測定光は、試料SMで反射した測定光の反射光であるが、測定光を照射することによって試料SMから再放射(例えば蛍光発光等)される光であってもよく、また、測定光が照射されることなく、試料SMで自発光した光であってもよい。反射型のFT型分光計Dは、反射光だけでなく、このような再放射の光や、自発光の光も測定可能である。また、FT型分光計Dは、試料を透過した測定光を測定する透過型であってもよく、被測定光は、試料を透過した測定光であってもよい。
干渉計11は、被測定光が入射され、この入射された被測定光を2個の第1および第2被測定光に分岐し、これら分岐した第1および第2被測定光のそれぞれを、互いに異なる2個の経路である第1および第2光路のそれぞれに進行(伝播)させ、再び合流させるものであり、この分岐点(分岐位置)から合流点(合流位置、干渉位置)までの間に第1および第2光路間に光路差があると、前記合流の際に位相差が生じているため、前記合流によって光に濃淡を生じるものである。干渉計11は、例えばマッハツェンダー干渉計等の種々のタイプの第1および第2光路を備える干渉計を利用することができるが、本実施形態では、図2に示すように、マイケルソン干渉計によって構成されている。
より具体的には、図2に示すように、干渉計11は、複数の光学素子として半透鏡(ハーフミラー)112、固定鏡114、および、光反射面が光軸方向に移動する移動鏡115を備え、固定鏡114と移動鏡115とは、各鏡面の各法線が互いに直交するようにそれぞれ配置され、半透鏡112は、その法線が前記固定鏡114および移動鏡115における各法線の直交点を通り、これら各法線に対し45度の角度で交差するように配置される。この干渉計11において、干渉計11に入射された被測定光は、半透鏡112で2個の第1および第2被測定光に分岐する。この分岐した一方の第1被測定光は、半透鏡112で反射されて固定鏡114に入射する。この第1被測定光は、固定鏡114で反射し、来た光路を逆に辿って再び半透鏡112に戻る。一方、この分岐した他方の第2被測定光は、半透鏡112を通過して移動鏡115に入射する。この第2被測定光は、移動鏡115で反射し、来た光路を逆に辿って再び半透鏡112に戻る。これら固定鏡114で反射された第1被測定光および移動鏡115で反射された第2被測定光は、半透鏡112で互いに合流して干渉する。このような構成のマイケルソン干渉計11では、被測定光は、移動鏡115の鏡面における法線方向に沿って干渉計11へ入射され、被測定光の干渉光は、固定鏡114の鏡面における法線方向に沿って干渉計11から射出される。
そして、本実施形態では、干渉計11は、被測定光を半透鏡112で2個の第1および第2被測定光に分岐する場合において、半透鏡112で反射した半透鏡112の反射側に配置される位相補償板113をさらに備えている。すなわち、本実施形態では、半透鏡112で反射した第1被測定光は、位相補償板113を介して固定鏡114へ入射され、固定鏡114で反射された第1被測定光は、位相補償板113を介して再び半透鏡112へ入射される。位相補償板113は、第1被測定光の半透鏡112の透過回数と第2被測定光の半透鏡112の透過回数の相違から生じる第1被測定光と第2被測定光との位相差を無くして前記位相差を補償するものである。
したがって、本実施形態では、第1被測定光は、このような被測定光の入射位置から、半透鏡112、位相補償板113、固定鏡114および位相補償板113をこの順に介して半透鏡112に再び至る第1光路を辿る。第2被測定光は、このような被測定光の入射位置から、半透鏡112および移動鏡115をこの順に介して半透鏡112に再び至る第2光路を辿る。FT型分光計Dの干渉計11では、移動鏡115によって生じる光路差に起因する光の強弱が生じる。
また、本実施形態では、被測定光を平行光で半透鏡112へ入射させるために、試料面SFと半透鏡112との間の適宜な位置に、入射光学系として例えばコリメータレンズ111が配置され、半透鏡112で第1および第2被測定光を合流して干渉させることによって生じた被測定光の干渉光を集光して第1受光部21へ入射させるために、半透鏡112と第1受光部21との間の適宜な位置に、射出光学系として例えば集光レンズ116がさらに配置されている。
ここで、干渉計11の移動鏡115について、さらに説明する。本実施形態では、移動鏡115には、光路差形成光学素子の一例であり、共振振動を用いることによって2個の第1および第2光路間に光路差を生じさせる光学素子が用いられている。移動鏡115は、被測定光のインターフェログラムを複数生成するために、光軸方向に2回以上往復する。
このような移動鏡115には、例えば、前記特許文献1および特許文献2に開示の平行移動機構の移動鏡が利用可能である。より具体的には、この移動鏡115は、図5に示すように、互いに対向して平行配置される第1および第2板バネ151、152と、前記第1および第2板バネ151、152の間における一方端部に、前記第1および第2板バネ151、152に連結されて配置される第1支持体153と、前記第1および第2板バネ151、152の間における、前記第1支持体153から離間した他方端部に、前記第1および第2板バネ151、152に連結されて配置される第2支持体154と、第1板バネ151の他方端部における上面上に配置された圧電素子155と、第1板バネ151の一方端部における上面上に形成された鏡面領域156とを備えている。すなわち、圧電素子155は、第1板バネ151における第2支持体154の上方で、かつ、第2支持体154とは反対側の表面上に配置されている。鏡面領域156は、第1板バネ151における第1支持体153の上方で、かつ、第2支持体154とは反対側の表面(主外面)上に配置されている。圧電素子155は、圧電材料である例えばPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)等の圧電体155aを一対の電極155b、155cで狭持した構造である(図5参照)。鏡面領域156は、鏡を貼着したり、例えばアルミニウム等の金属の薄膜を形成したりすることによって形成される。移動鏡115は、例えばMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術によって製造される。
このような構造の移動鏡115では、図6Aに示すように、圧電素子155が伸張すると、第1板バネ151が上に凸となるように変形し、この結果、鏡面領域156が、第1および第2板バネ151、152に関する対向方向の下方に変位する一方、圧電素子155が縮小すると、図6Bに示すように、第1板バネ151が、下に凸となるように変形し、この結果、鏡面領域16が前記対向方向の上方に変位する。そして、この移動鏡115は、大きな変位量を得るために共振によって前記変位を繰り返し、光軸方向に沿って往復振動している。より具体的には、往復移動に歪みがない場合には、移動鏡15は、変位量が0(ゼロ)となる原点位置X0(振動振幅の中心位置)と、その原点位置X0からの変位量が最大となる位置Xmとの間で、時間経過とともに略正弦波状に変位し、固有振動数で一定の周期でかつ正確に振動する。
このように移動鏡115は、互いに対向して平行配置される第1および第2板バネ151、152から成る平行板バネ構造により構成された駆動部と、第1および第2板バネ151、152の一方の主外面上に形成された反射面となる鏡面156とを備える。光路差は、前記駆動部の上述の共振駆動により、前記反射面が光軸に沿って平行に移動することによって生じる。
図1に戻って、受光処理部20は、例えば、図3に示すように、第1受光部21と、増幅部22と、ハイパスフィルタ(High Pass Filter)23と、ローパスフィルタ(Low Pass Filter)24と、アナログ−ディジタル変換部(以下、「AD変換部」と呼称する。)25とを備えている。
第1受光部21は、干渉計11で得られた被測定光の干渉光を受光して光電変換することによって、被測定光の干渉光における光強度に応じた電気信号を出力する回路である。本実施形態のFT型分光計Dは、例えば、波長1200nm以上の赤外域の光、より具体的には、波長1200nm以上から2500nm以下までの赤外域の光を測定対象とする仕様であるために、第1受光部21は、このような赤外域の光を受光可能な例えばInGaAsフォトダイオードおよびその周辺回路を備えて構成される赤外線センサ等である。第1受光部21は、受光結果を増幅部22へ出力する。
増幅部22は、第1受光部21の出力(増幅結果)を予め設定された所定の増幅率で増幅する回路であり、例えばオペアンプなどの増幅器とその周辺回路を備えて構成される。増幅部22は、その増幅結果をハイパスフィルタ23へ出力する。
ハイパスフィルタ23は、所定の遮断周波数以上の周波数の信号を通過させ、低域のノイズをカットするための回路であり、濾波結果をローパスフィルタ24へ出力する。ローパスフィルタ24は、所定の遮断周波数以下の周波数の信号を通過させ、高域のノイズをカットするための回路であり、濾波結果をAD変換部25へ出力する。これらハイパスフィルタ23およびローパスフィルタ24は、ノイズをカットするために、所望の周波数帯域のみを通過させるバンドパスフィルタを構成している。
AD変換部25は、これら増幅部22、ハイパスフィルタ23およびローパスフィルタ24を介して入力された第1受光部21の出力をアナログ信号からディジタル信号へ変換(AD変換)する回路である。このAD変換のタイミング(サンプリングタイミング)は、後述のゼロクロス検出部37から入力されたゼロクロスタイミングで実行される。AD変換部25は、その変換結果のディジタル信号を制御演算部41へ出力する。
また、タイミング発生部30は、例えば、位置測定用光源31と、第2受光部36と、ゼロクロス検出部37とを備えている。そして、タイミング発生部30は、この位置測定用光源31から放射されたレーザ光の干渉光を干渉計11で得るために、図2に示すように、コリメータレンズ32と、光合波器33と、光分波器34と、集光レンズ35とをさらに備えている。
位置測定用光源31は、単色レーザ光を放射する光源装置であり、例えば波長680nmの赤色レーザ光を発光する半導体レーザを備える。図2において、コリメータレンズ32および光合波器33は、位置測定用光源31から放射されたレーザ光を平行光で干渉計11へ入射させるための入射光学系である。光合波器33は、例えばレーザ光を反射するとともに被測定光を透過するダイクロイックミラー等であり、その法線が移動鏡115の法線(光軸)に対し45度で交差するように、コリメータレンズ111と半透鏡112との間に配置される。コリメータレンズ32は、例えば両凸のレンズであり、このように配置された光合波器33に対し45度の入射角で位置測定用光源31から放射されたレーザ光が入射されるように、適宜な位置に配置される。そして、光分波器34および集光レンズ35は、干渉計11で生じた前記レーザ光の干渉光を干渉計11から取り出すための射出光学系である。光分波器34は、例えばレーザ光の干渉光を反射するとともに被測定光の干渉光を透過するダイクロイックミラー等であり、その法線が固定鏡114の法線(光軸)に対し45度で交差するように、半透鏡112と集光レンズ116との間に配置される。集光レンズ35は、例えば両凸のレンズであり、このように配置された光分波器34において45度の射出角で射出されるレーザ光の干渉光を集光して第2受光部36へ入射させる。
このようにコリメータレンズ32、光合波器33、光分波器34および集光レンズ35の各光学素子が配置されると、位置測定用光源31から放射された単色のレーザ光は、コリメータレンズ32で平行光とされ、その光路が光合波器33のダイクロイックミラー33で約90度曲げられて、干渉計11の光軸(移動鏡115の鏡面における法線方向)に沿って進行するようになる。したがって、このレーザ光は、被測定光と同様に、干渉計11内を進行し、干渉計11でその干渉光を生じさせる。そして、このレーザ光の干渉光は、光分波器34のダイクロイックミラー34で約90度曲げられて、干渉計11から外部に取り出され、集光レンズ35で集光されて第2受光部36で受光される。
図1に戻って、第2受光部36は、干渉計11で得られたレーザ光の干渉光を受光して光電変換することによって、レーザ光の干渉光の光強度に応じた電気信号を出力する回路である。第2受光部36は、例えばシリコンフォトダイオード(SPD)およびその周辺回路を備えて構成される受光センサ等である。第2受光部36は、レーザ光の干渉光の光強度に応じた電気信号をゼロクロス検出部37へ出力する。
ゼロクロス検出部37は、第2受光部36から入力された、レーザ光の干渉光の光強度に応じた電気信号がゼロとなるタイミング(ゼロクロスタイミング)を検出する回路である。ゼロクロスタイミングは、前記電気信号が所定のゼロとなる時間軸上の位置である。干渉計11の移動鏡115が光軸方向に移動している場合に、半透鏡112から固定鏡114を介して再び半透鏡に戻ったレーザ光の位相に対し、半透鏡112から移動鏡115を介して再び半透鏡に戻ったレーザ光の位相がずれるので、レーザ光の干渉光は、その移動量に応じて正弦波状に強弱する。そして、干渉計11の移動鏡115がレーザ光の波長の1/2の長さだけ移動すると、半透鏡112から移動鏡115を介して再び半透鏡に戻ったレーザ光の位相は、この移動の前後において、2πずれる。このため、レーザ光の干渉光は、例えば、図4に示すように、移動鏡115の移動に従って正弦波状に強弱を繰り返すことになる。ゼロクロス検出部37は、この正弦波状に強弱を繰り返す前記電気信号のゼロクロスを検出している。ゼロクロス検出部37は、この検出したゼロクロスのタイミングをAD変換部23へ出力し、AD変換部23は、このゼロクロスのタイミングで、第1受光部21から入力された、被測定光の干渉光の光強度に応じた電気信号をサンプリングしてAD変換する。
移動鏡動作検出部200は、移動鏡115の振幅を求めるために移動鏡115の1回の走査を検出するべく、移動鏡115の動きを検出するセンサー装置である。図2に示す例では、移動鏡動作検出部200は、検出センサーとしてフォトリフレクターを備えている。このフォトリフレクターは、移動鏡115の裏面に光を照射する発光素子と、移動鏡115の裏面で反射した光を受光する受光素子とを備え、移動鏡115の動きに従って変化する反射光の光量を検出することによって移動鏡115の動きを検出するものであり、このフォトリフレクターは、移動鏡115の動きに同期した信号を出力する。このため、フォトリフレクターの出力の1周期が移動鏡115の1往復に相当し、フォトリフレクターの出力から、移動鏡115の1回の走査が検出される。
図1に戻って、制御演算部41は、被測定光のスペクトルを求めるべく、FT型分光計Dの各部を当該各部の機能に応じてそれぞれ制御するものである。制御演算部41は、例えば、CPU(Central Processing Unit)、このCPUによって実行される種々のプログラムやその実行に必要なデータ等を予め記憶するROM(Read Only Memory)やEEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)等の不揮発性記憶素子、このCPUのいわゆるワーキングメモリとなるRAM(Random Access Memory)等の揮発性記憶素子およびその周辺回路等を備えたマイクロコンピュータによって構成される。なお、制御演算部41は、AD変換部23から出力されるデータ等を記憶するために、例えばハードディスク等の比較的大容量の記憶装置をさらに備えてもよい。そして、制御演算部41には、プログラムを実行することによって、機能的に、サンプリングデータ記憶部411、センターバースト位置算出部412、積算インターフェログラム算出部413、スペクトル算出部414、移動鏡振幅記憶部415および振幅変動算出部416が構成される。
サンプリングデータ記憶部411は、AD変換部23から出力された、被測定光の干渉光に関する測定データを記憶するものである。この測定データは、上述したように、被測定光の干渉光における光強度に応じた電気信号を、ゼロクロス検出部37で検出したゼロクロスのタイミングで、AD変換部23によってサンプリングすることによって得られる。
センターバースト位置算出部412は、サンプリングデータ記憶部411に記憶された測定データから、公知の常套手法によってセンターバーストの位置を求めるものである。
積算インターフェログラム算出部413は、被測定光を連続的に複数回測定することによって得られた複数のインターフェログラムを、センターバースト位置算出部412によって求められた各センターバースト位置で位置合わせを行いつつ、積算することによって積算インターフェログラムを求めるものである。
スペクトル算出部414は、積算インターフェログラム算出部413でインターフェログラムを複数積算することによって得られた積算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スペクトルを求めるものである。
移動鏡振幅記憶部415および振幅変動算出部416については、後述する。
入力部42は、例えば、試料SMの測定開始を指示するコマンド等の各種コマンド、および、例えば測定対象の試料SMにおける識別子の入力やフーリエ変換の際に用いられる窓関数の選択入力等のスペクトルを測定する上で必要な各種データをFT型分光計Dに入力する機器であり、例えば、キーボードやマウス等である。出力部43は、入力部42から入力されたコマンドやデータ、および、FT型分光計Dによって測定された被測定光のスペクトルを出力する機器であり、例えばCRTディスプレイ、LCD、有機ELディスプレイおよびプラズマディスプレイ等の表示装置やプリンタ等の印刷装置等である。
次に、本実施形態の動作について説明する。図7は、実施形態のフーリエ変換型分光計において、一例として、実測した被測定光の干渉光の波形(インターフェログラム)を示す図である。図7の横軸は、第1光路と第2光路との間の光路差xであり、その縦軸は、インターフェログラムの振幅Fm(x)である。図8は、インターフェログラムと窓関数との関係を示す図である。図8の横軸は、第1光路と第2光路との間の光路差xであり、その縦軸は、振幅である。実線は、インターフェログラムであり、破線は、窓関数である。
このような構成のFT型分光計Dでは、測定対象の試料SMの測定を行う場合、まず、試料SMがFT型分光計Dにセットされ、測定が開始される。測定が開始されると、測定光光源51は、測定光を放射し、試料SMへ例えば45度の入射角で測定光を照射する。そして、試料SMで反射した測定光の反射光が被測定光として0度方向から測定され、干渉計11に入射される。
この干渉計11に入射された被測定光は、干渉計11で被測定光の干渉光となって受光処理部20の第1受光部21で受光される。より具体的には、被測定光は、コリメータレンズ111で平行光とされ、光合波器33を介して半透鏡112で反射および透過することで第1および第2被測定光に分岐される。半透鏡112で反射することによって分岐した第1被測定光は、位相補償板113を介して固定鏡114へ入射し、固定鏡114で反射し、来た光路を逆に辿って再び半透鏡112に戻る。一方、半透鏡112を通過することによって分岐した第2被測定光は、移動鏡115へ入射し、移動鏡115で反射し、来た光路を逆に辿って再び半透鏡112に戻る。これら固定鏡114で反射された第1被測定光および移動鏡115で反射された第2被測定光は、半透鏡112で互いに合流して干渉する。この被測定光の干渉光は、干渉計11から第1受光部21へ射出される。第1受光部21は、この入射された被測定光の干渉光を光電変換し、前記被測定光の干渉光における光強度に応じた電気信号を増幅部22へ出力する。増幅部22は、所定の増幅率で前記被測定光の干渉光に応じた前記電気信号を増幅し、AD変換部23へ出力する。
一方、FT型分光計Dは、位置測定用光源31から放射された単色のレーザ光も取り込む。このレーザ光は、光合波器33を介して干渉計11に入射され、上述と同様に干渉計11で干渉し、レーザ光の干渉光となって光分波器34を介して第2受光部36で受光される。第2受光部36は、この入射されたレーザ光の干渉光を光電変換し、前記レーザ光の干渉光における光強度に応じた電気信号をゼロクロス検出部37へ出力する。ゼロクロス検出部37は、前記レーザ光の干渉光に応じた前記電気信号がゼロとなるタイミングをゼロクロスタイミングとして検出し、このゼロクロスタイミングをサンプリングタイミング(AD変換タイミング)としてAD変換部23へ出力する。
このような被測定光およびレーザ光がそれぞれ干渉計11に取り込まれている間に、干渉計11の移動鏡115は、共振振動によって制御演算部41の制御に従って光軸方向に沿って移動されている。
AD変換部23は、増幅部22から出力された、前記被測定光の干渉光における光強度に応じた電気信号を、ゼロクロス検出部37から入力されたゼロクロスタイミングでサンプリングしてアナログ信号からディジタル信号へAD変換し、このAD変換したディジタル信号の前記電気信号を制御演算部41へ出力する。
このように動作することによって、被測定光のインターフェログラムにおける測定データがAD変換部23から制御演算部41へ出力され、この測定データがサンプリングデータ記憶部411に記憶される。このように測定される被測定光のインターフェログラムの一例が図7に示されている。そして、SN比を改善し、良好な精度の結果を得るために、このような被測定光のインターフェログラムが移動鏡115の往復に合わせて連続的に複数回、同様に、測定され、これら各インターフェログラムの各測定データがサンプリングデータ記憶部411にそれぞれ記憶される。移動鏡115が1往復すると、1回の走査が終了し、往路および復路のそれぞれで1個ずつのインターフェログラムの測定データが得られる。つまり、1個のインターフェログラムは、一方端の最大振幅位置から振動中心(光路差0)を経て他方端の最大振幅位置までのデータである。
次に、センターバースト位置算出部412は、サンプリングデータ記憶部411に記憶された各インターフェログラムの各測定データのそれぞれについて、被測定光のインターフェログラムにおけるセンターバーストの位置を求める。
次に、積算インターフェログラム算出部413は、複数回測定することによって得られた、被測定光の複数のインターフェログラムを、往路および復路のそれぞれで、センターバースト位置算出部412によって求められた各センターバースト位置で位置合わせを行いつつ、積算することによって、被測定光に対する積算インターフェログラムを求める。
次に、スペクトル算出部414は、積算インターフェログラム算出部413によって求められた前記往路および復路のそれぞれでの積算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、被測定光のスペクトルを求める。そして、スペクトル算出部414は、これら往路および復路のそれぞれに対して求めたスペクトルの平均を求めることによって、測定結果として出力部43に出力される最終的な被測定光のスペクトルを求める。
このスペクトルの算出について、より具体的に説明すると、まず、m回目の測定でのインターフェログラムFm(xi)は、光路差をxiとし、波数をνjとし、波数νjのスペクトル振幅をB(νj)とし、光路差0の位置をX0とし、波数νjの光路差0の位置における位相をφ(νj)とする場合に、式1で表される。なお、mは、m番目の測定による測定結果であることを表す。
したがって、積算インターフェログラムF(xi)は、式2で表される。
このように積算インターフェログラムが積算インターフェログラム算出部413で求められると、スペクトル算出部414は、積算インターフェログラムを例えば高速フーリエ変換(FFT)することによって被測定光のスペクトルを求める。
より具体的には、高速フーリエ変換する場合には、サイドローブの発生を低減するために、図8に示すように、光路差0(センターバーストの位置)を中心に左右対称な窓関数Awindow(xi)が掛け合わされてから(式3)、高速フーリエ変換が行われ、被測定光のスペクトルの振幅|Bwindow(νj)|が求められる(式4)。
上記窓関数Awindow(xi)は、適宜な種々の関数を挙げることができるが、例えば、式5−1ないし式5−3で表される関数である。式5−1は、Hanning Window(ハニング窓)関数と呼ばれ、式5−2は、Hamming Window(ハミング窓)関数と呼ばれ、式5−3は、Blackman Window(ブラックマン窓)関数と呼ばれる。
上述のように、スペクトルが求められると、制御演算部41は、この求めたスペクトルを出力部43へ出力する。
ここで、このような被測定光のスペクトルの測定において、上述したように、移動鏡115の共振周波数に近い周波数の外部振動がFT型分光計Dに加わると、いわゆるうねりが生じ、受光処理部20の増幅部22が周波数特性を持つために、スペクトルに誤差が生じる。
図9は、実施形態のフーリエ変換型分光計における受光処理部の増幅部の周波数特性を示す図である。図9Aは、全体図であり、図9Bは、その一部拡大図である。図9Aおよび図9Bの横軸は、kHz単位で表す周波数であり、その縦軸は、増幅率(ゲイン)である。図10は、受光処理部における増幅部の周波数特性とインターフェログラムに含まれる信号の周波数帯域との関係を示す模式図である。図10の横軸は、周波数であり、その縦軸は、増幅率(ゲイン)である。図11は、干渉計における移動鏡の各振幅とその振幅での各インターフェログラムに基づいて得られるスペクトルの強度比との関係を示す図である。図12は、移動鏡の振幅が5500(1回のインターフェログラムの測定(1回の走査)におけるサンプリング回数、以下同じ)である場合を中心に、その前後の振幅で測定したスペクトルを平均したスペクトルの強度比を示す図である。図11および図12の各横軸は、nm単位で表す波長であり、その各縦軸は、移動鏡の振幅が5500である場合のスペクトルに対する各振幅のスペクトル比(始動鏡の振幅が5500である場合のスペクトルで各振幅でのスペクトルを規格化したもの)である。
より具体的には、増幅部22は、図9に示すように、その増幅率が周波数0(ゼロ)から周波数の増加に従って徐々に低下し(図9B参照)、その後、より急激に低下する周波数特性を持っている。
その一方で、移動鏡115は、共振駆動されるため、駆動周波数は、一定である。よって、移動鏡115が共振駆動されている間では、移動鏡115が振動によって1往復にかかる時間は、振幅によらず一定である。このため、移動鏡115にうねりが生じ、振幅が変動すると、移動鏡115の速度が変わり、インターフェログラムに含まれる信号の周波数帯域が変動する。例えば、外部振動が無くうねりが生じていない場合に共振している移動鏡115の振幅を目標振幅とすると、図10に示すように、外部振動によってうねりが生じて前記目標振幅より小さな振幅で共振している移動鏡115によって得られるインターフェログラムに含まれる信号の周波数帯域BNsは、移動鏡115の速度が遅くなるため、前記目標振幅で共振している移動鏡115によって得られるインターフェログラム(以下、「目標振幅のインターフェログラム」と略記する。)に含まれる信号の周波数帯域BN0より、低周波側に変動する。一方、外部振動によってうねりが生じて前記目標振幅より大きな振幅で共振している移動鏡115によって得られるインターフェログラムに含まれる信号の周波数帯域BNwは、移動鏡115の速度が速くなるため、前記目標振幅のインターフェログラムに含まれる信号の周波数帯域BN0より、高周波側に変動する。
このように周波数帯域BNが変動すると、増幅部22における増幅率の周波数特性により、図10に示すように、前記目標振幅より小さな振幅で共振している移動鏡115によって得られるインターフェログラムに含まれる信号は、前記目標振幅のインターフェログラムに含まれる信号の増幅率より、大きな増幅率で増幅されることになる。一方、前記目標振幅より大きな振幅で共振している移動鏡115によって得られるインターフェログラムに含まれる信号は、前記目標振幅のインターフェログラムに含まれる信号の増幅率より、小さな増幅率で増幅されることになる。
このように、うねりによって移動鏡115の振幅が変動すると、インターフェログラムに含まれる信号を増幅部22で増幅する際の増幅率が変動する。この結果、インターフェログラムのフーリエ変換によって求められるスペクトルの強度が変わってしまい、スペクトルに誤差が生じることになる。
なお、インターフェログラムに含まれる信号とは、インターフェログラムのフーリエ変換によって被測定光のスペクトルとして取り出される信号である。
そこで、前記目標振幅のインターフェログラムからフーリエ変換によって求められるスペクトル(以下、「基準スペクトル」と略記する。)を基準として、目標振幅の前後の大きさの振幅で共振している移動鏡115によって得られるインターフェログラムからフーリエ変換によって求められるスペクトルがシミュレート(数値実験)された。例えば、目標振幅がカウント値5500である場合に、振幅がカウント値4000、4500、5000、6000、6500、7000である場合の各インターフェログラムからフーリエ変換によって各スペクトルが数値計算された。その比が図11に示されている。なお、前記カウント値を長さに換算するためには、(カウント値)×(位置測定用光源31の波長;680nm)/4)の式が用いられ、例えばカウント値5500は、0.935mmである。
図11において、「4000」の実線は、基準スペクトルB5500(λ)に対する振幅4000のスペクトルB4000(λ)の比r0(λ)であり、「4500」の実線は、基準スペクトルB5500(λ)に対する振幅4500のスペクトルB4500(λ)の比r1(λ)であり、「5000」の実線は、基準スペクトルB5500(λ)に対する振幅5000のスペクトルB5000(λ)の比r2(λ)であり、「5500」の実線は、基準スペクトルB5500(λ)に対する振幅5500のスペクトルB5500(λ)(すなわち基準スペクトル)の比r3(λ)であり、「6000」の実線は、基準スペクトルB5500(λ)に対する振幅6000のスペクトルB6000(λ)の比r4(λ)であり、「6500」の実線は、基準スペクトルB5500(λ)に対する振幅6500のスペクトルB6500(λ)の比r5(λ)であり、そして、「7000」の実線は、基準スペクトルB5500(λ)に対する振幅7000のスペクトルB7000(λ)の比r6(λ)である。これら各比r0(λ)〜r6(λ)の各式が以下に纏めて示されている。
図11から分かるように、比r0(λ)ないし比r6(λ)は、比r3(λ)を中心に略対称に上下に分かれている。すなわち、比r0(λ)ないし比r2(λ)は、比r3(λ)より大きく、一方、比r4(λ)ないし比r6(λ)は、比r3(λ)より小さい。
このことより、目標振幅を中心に前後の振幅でのスペクトルが平均され、この平均されたスペクトルと、基準スペクトルとの関係がシミュレートされ、その結果が図12に示されている。
図12において、「5000」の実線は、基準スペクトルの平均<r0(λ)>、すなわち、比r3(λ)そのものであり、「5000−6000」の実線は、振幅5000でのスペクトルと目標振幅5500でのスペクトルと振幅6000でのスペクトルとの平均<r1(λ)>であり、「4500−6500」の実線は、振幅4500でのスペクトルと振幅5000でのスペクトルと目標振幅5500のスペクトルと振幅6000でのスペクトルと振幅6500でのスペクトルとの平均<r2(λ)>であり、そして、「4000−7000」の実線は、振幅4000でのスペクトルと振幅4500でのスペクトルと振幅5000でのスペクトルと目標振幅5500のスペクトルと振幅6000でのスペクトルと振幅6500でのスペクトルと振幅7000でのスペクトルとの平均<r3(λ)>である。
すなわち、平均<r0(λ)>は、目標振幅でのスペクトル(基準スペクトル)と目標振幅を中心に前後の各0個の振幅での各スペクトルとの平均であり(言い換えれば、上記のように、比r3(λ)そのもの)、平均<r1(λ)>は、目標振幅でのスペクトル(基準スペクトル)と目標振幅を中心に前後の各1個の振幅での各スペクトルとの平均であり、平均<r2(λ)>は、目標振幅でのスペクトル(基準スペクトル)と目標振幅を中心に前後の各2個の振幅での各スペクトルとの平均であり、そして、平均<r3(λ)>は、目標振幅でのスペクトル(基準スペクトル)と目標振幅を中心に前後の各3個の振幅での各スペクトルとの平均である。これら各平均<r0(λ)>〜<r3(λ)>の各式が以下に纏めて示されている。
この図12を見ると分かるように、目標振幅でのスペクトルに、移動鏡115の目標振幅を中心にその前後の振幅でのスペクトルを加算して平均することによって、この平均結果のスペクトルは、目標振幅でのスペクトルに近づき、スペクトル強度の再現性が向上している。
このため、上述の本実施形態のFT型分光計Dでは、連続的に複数個測定されるインターフェログラムの測定時間(総測定時間、総走査時間)は、移動鏡115の振幅変動周期の整数倍となるように、設定されている。すなわち、連続的に複数個測定されるインターフェログラムの測定時間が移動鏡115の振幅変動周期の整数倍ではない場合には、連続的に複数個測定されるインターフェログラムの測定時間の設定に応じて、積算インターフェログラムを求める際に、移動鏡115の振幅が大きな場合のインターフェログラムが積算インターフェログラムに多く含まれることになったり、逆に、移動鏡115の振幅が小さな場合のインターフェログラムが積算インターフェログラムに多く含まれることになったりする。つまり、インターフェログラムの測定時間がうねりの大きな時点で終わっている場合には、積算インターフェログラムを求める際に、相対的に小さな増幅率で増幅されるインターフェログラムを多く含んで積算されることになり、その積算インターフェログラムをフーリエ変換によって求めたスペクトルの強度は、真の値よりも小さな値になる。一方、インターフェログラムの測定時間がうねりの小さな時点で終わっている場合には、積算インターフェログラムを求める際に、相対的に大きな増幅率で増幅されるインターフェログラムを多く含んで積算されることになり、その積算インターフェログラムをフーリエ変換によって求めたスペクトルの強度は、真の値よりも大きな値になる。そこで、上述のように、インターフェログラムの測定時間が移動鏡115の振幅変動周期の整数倍に設定されると、積算インターフェログラムを求める際に、うねりの大きな時点で測定されたインターフェログラムとうねりの小さな時点で測定されたインターフェログラムとを略均等に含むことになるから、互いに打ち消すように働き、図12で説明したように、この積算インターフェログラムは、外部振動等のノイズの影響を低減した、真の結果により近い積算インターフェログラムになっている。したがって、このような積算インターフェログラムをフーリエ変換によって求めたスペクトルの強度は、より真の値に近い値となり、その測定精度が向上し、その再現性が向上する。
より具体的には、制御演算部41は、図1に示すように、移動鏡振幅記憶部415と、振幅変動算出部416とを備え、振幅変動算出部416は、振幅変動周期の整数倍の時間で、干渉計11によって被測定光のインターフェログラムを連続的に複数個測定することによって得られた複数のインターフェログラムの測定データをサンプリングデータ記憶部411に記憶させる。
例えば、ユーザーによって設定される測定時間をTmeasとし、移動鏡115の走査周期(=共振駆動周波数の逆数)をTscanとすると、移動鏡115の振幅に変動がない場合には、デフォルトRepeatNum0として、(Tmeas/Tscan)回数の往路および復路のそれぞれでインターフェログラムが測定されて、記憶され、これらインターフェログラムを積算インターフェログラム算出部413は、往路および復路のそれぞれで個別に積算する。測定時間は、所望の積算回数に応じて適宜に設定される。そして、移動鏡115の振幅に変動がある場合には、インターフェログラムの測定回数RepeatNumは、移動鏡115の振幅変動周期△Iの整数倍であって、前記デフォルトの回数以上に設定され、次式FCによって表される。
RepeatNum
=round(ceil(RepeatNum0/△I)×△I) ・・・(FC)
ここで、round(z)は、zを四捨五入する関数であり、ceil(z)は、zをzの直近の整数に切り上る関数である。
RepeatNum
=round(ceil(RepeatNum0/△I)×△I) ・・・(FC)
ここで、round(z)は、zを四捨五入する関数であり、ceil(z)は、zをzの直近の整数に切り上る関数である。
移動鏡振幅記憶部415は、連続的に実行される複数の走査(複数のインターフェログラムの測定)のそれぞれにおける移動鏡115の各振幅をそれぞれ記憶するものである。したがって、移動鏡振幅記憶部415は、1回の走査(移動鏡115の1往復、往路および復路でのインターフェログラムの測定)における移動鏡115の振幅を記憶する記憶領域を複数備えており、そして、本実施形態では、移動鏡振幅記憶部415は、例えば、図15に示すように、各走査における移動鏡115の各振幅を先頭アドレスの記憶領域から最終アドレスの記憶領域へ順に記憶し、最終アドレスの記憶領域に振幅を記憶すると、先頭アドレスの記憶領域に戻って再び先頭アドレスの記憶領域から最終アドレスの記憶領域へ順に記憶するサーキュラーバッファ回路である。このため、サーキュラーバッファ回路の移動鏡振幅記憶部415には、最新の振幅のデータから、サーキュラーバッファ回路のサイズ(記憶領域の個数)まで遡った過去の振幅のデータが記憶される。
振幅変動算出部416は、1回の走査における移動鏡115の振幅を求め、この求めた移動鏡115の振幅を移動鏡振幅記憶部415に記憶させ、そして、移動鏡振幅記憶部415に記憶された移動鏡115の前記振幅から、移動鏡115の振幅に変動が有るか否かを判定し、この判定の結果、移動鏡115の振幅に変動がある判定された場合には、前記振幅の変動周期を求めるものである。このように振幅変動算出部416は、振幅算出部および振幅変動周期算出部の一例であり、さらに、移動鏡115の振幅の変動の有無を判定する振幅変動判定部としても機能し、この振幅変動周期判定部の一例でもある。
この1回の走査における移動鏡115の振幅を検出し、この検出した移動鏡115の振幅を移動鏡振幅記憶部415に記憶させる動作は、例えば、走査終了後に、走査ごとに実行される。また、前記判定の結果、移動鏡115の振幅に変動があると判定されない場合には、前記振幅の変動周期は、求められない。この場合には、振幅変動算出部416は、ユーザーが設定した測定時間で、干渉計11によって被測定光のインターフェログラムを連続的に複数個測定することによって得られた複数のインターフェログラムの測定データをサンプリングデータ記憶部411に記憶させる。
より具体的には、移動鏡115の振幅の検出では、振幅変動算出部416は、移動鏡動作検出部200によって検出された移動鏡115の1回の走査における往路および復路の期間(移動鏡115の1往復の期間)に、AD変換部25から出力される測定データの個数(言い換えれば、ゼロクロス検出部37から出力されるゼロクロスタイミングの個数)をカウント(計数)し、このカウント値を移動鏡振幅記憶部415に記憶する。上述したように、移動鏡115は、共振駆動されているので、振幅が変動しても1往復にかかる時間は、同じ(一定)である。したがって、振幅変動算出部416は、走査ごとに、1回の走査における往路開始から復路終了までの時間の間にAD変換部25から出力される測定データの個数(ゼロクロス検出部37から出力されるゼロクロスタイミングの個数)をそれぞれカウント(計数)し、各カウント値をそれぞれ移動鏡振幅記憶部415に記憶する。そして、上述したように、サンプリングタイミングは、ゼロクロスタイミングであり、サンプリング間隔は、位置測定用光源31のレーザ光の波長で決まるので、(カウント値)×(位置測定用光源31の波長;680nm)/4)の前記式によって移動鏡115の振幅が実長で求められる。
また、移動鏡115の振幅変動の有無の判定では、より具体的には、移動鏡115の前記目標振幅をMirrorAmpTargetとした場合に、振幅変動算出部416は、前記検出した移動鏡115の振幅が、前記目標振幅MirrorAmpTargetを中心とした所定の範囲±△N内にあるか否かによって前記有無を判定する。前記検出した移動鏡115の振幅が、前記目標振幅MirrorAmpTargetを中心とした所定の範囲±△N内にある場合には、移動鏡115の振幅に変動はないと判定され、一方、前記検出した移動鏡115の振幅が、前記目標振幅MirrorAmpTargetを中心とした所定の範囲±△N内にない場合には、移動鏡115の振幅に変動があると判定される。言い換えれば、振幅変動算出部416は、前記検出した移動鏡115の振幅が、下限値の目標振幅MirrorAmpTarget−△N以上、上限値の目標振幅MirrorAmpTarget+△N以下であるか否かによって前記有無を判定する。前記検出した移動鏡115の振幅が、前記下限値以上であって前記上限値以下である場合には、移動鏡115の振幅に変動はないと判定され、一方、前記検出した移動鏡115の振幅が、前記下限値未満である場合、および、前記上限値を越えている場合のいずれかである場合には、移動鏡115の振幅に変動があると判定される。
なお、前記△Nは、FT型分光計Dの仕様により決定されるスペクトルの許容誤差に応じて適宜に設定され、例えば、目標振幅MirrorAmpTarget=5500(カウント値)である場合には、△N=100に設定されてよい。
そして、移動鏡115の振幅変動周期の検出では、より具体的には、次の第1態様または第2態様の算出方法によって、振幅変動算出部416は、移動鏡振幅記憶部415に記憶された移動鏡115の前記振幅から、その振幅変動の周期(うねりの周期)を求める。
図13は、移動鏡における振動周期の第1態様の算出方法を説明するための図である。図14は、移動鏡における振動周期の第2態様の算出方法を説明するための図である。図13および図14の各横軸は、移動鏡の走査回数であり、その各縦軸は、移動鏡の振幅である。
まず、第1態様の算出方法について説明する。移動鏡115の前記目標振幅がMirrorAmpTargetとされ、i回目の走査(測定)における移動鏡115の振幅がMirrorAmp(i)とされ、移動鏡振幅記憶部415の前記記憶領域の個数がImaxとされる。振幅変動算出部416は、振幅MirrorAmp(i)を最新のデータを示すi=0から最も過去のデータを示すi=Imax−1まで、順に、移動鏡振幅記憶部415の記憶領域を検索し、振幅変動算出部416は、最初に、目標振幅MirrorAmpTargetと交差する振幅MirrorAmp(i)を見つけ出す。例えば、図13に示すように、振幅変動算出部416は、目標振幅MirrorAmpTargetより小さい振幅の状態から、前記検索によって、最初に、目標振幅MirrorAmpTargetを越える振幅MirrorAmp(I1)を見つけ出す。振幅変動算出部416は、この最初に交差する位置をI01とする。振幅変動算出部416は、さらに、順に移動鏡振幅記憶部415の記憶領域を検索し、振幅変動算出部416は、次に最初の交差の仕方(最初の交差態様)と同じ仕方(同じ交差態様)で目標振幅MirrorAmpTargetと交差する振幅MirrorAmp(I2)を見つけ出す。すなわち、前記例では、振幅MirrorAmp(I1)は、目標振幅MirrorAmpTargetより小さい振幅の状態から、目標振幅MirrorAmpTargetを越える態様で交差したデータであったので、振幅変動算出部416は、次に、目標振幅MirrorAmpTargetより小さい振幅の状態から、目標振幅MirrorAmpTargetを越える振幅MirrorAmp(i)を振幅MirrorAmp(I2)として見つけ出す。振幅変動算出部416は、この次に交差する位置をI02とする。
この位置I01は、振幅MirrorAmp(I1−1)と振幅MirrorAmp(I1)との間にあり、直線補間の次式8−1によって求められる。同様に、この位置I02は、振幅MirrorAmp(I2−1)と振幅MirrorAmp(I2)との間にあり、直線補間の次式8−2によって求められる。
そして、振幅変動算出部416は、これら求めた位置I01および位置I02から、abs(I02−I01)として移動鏡115の振幅変動周期△Iを求める。なお、abs(x)は、xの絶対値を求める絶対値関数である。
なお、上述の図13に示す例では、目標振幅MirrorAmpTargetより小さい振幅の状態から、目標振幅MirrorAmpTargetを越える振幅MirrorAmp(i)が見つけられたが、逆に、目標振幅MirrorAmpTargetより大きい振幅の状態から、目標振幅MirrorAmpTargetを下回る振幅MirrorAmp(i)が見つけられてもよく、同様に、振幅変動周期が求められる。
次に、第2態様の算出方法について説明する。第1態様の算出方法は、振幅変動周期を直接的に求める算出方法であったが、第2態様の算出方法は、振幅変動周期の半分を求め、これを2倍することによって、振幅変動周期を求めるものである。このように算出することによって、移動鏡振幅記憶部415が同じ容量(移動鏡振幅記憶部415の前記記憶領域の個数が同じ)である場合に、第1態様の算出方法に較べて、第2態様の算出方法は、より長周期の振幅変動周期を検出することができる。すなわち、第2態様の算出方法は、第1態様の算出方法で算出可能な周期より2倍長い周期を持つ振幅変動周期を検出することができる。
この第2態様の算出方法では、振幅変動算出部416は、振幅MirrorAmp(i)を最新のデータを示すi=0から最も過去のデータを示すi=Imax−1まで、順に、移動鏡振幅記憶部415の記憶領域を検索し、振幅変動算出部416は、最初に、目標振幅MirrorAmpTargetと交差する振幅MirrorAmp(i)を見つけ出す。例えば、図14Aに示すように、振幅変動算出部416は、目標振幅MirrorAmpTargetより小さい振幅の状態から、前記検索によって、最初に、目標振幅MirrorAmpTargetを越える振幅MirrorAmp(I1)を見つけ出す。振幅変動算出部416は、この最初に交差する位置をI01とする。振幅変動算出部416は、さらに、順に移動鏡振幅記憶部415の記憶領域を検索し、振幅変動算出部416は、次に最初の交差の仕方(最初の交差態様)とは逆の仕方(逆の交差態様)で目標振幅MirrorAmpTargetと交差する振幅MirrorAmp(I2)を見つけ出す。すなわち、前記図14Aに示す例では、振幅MirrorAmp(I1)は、目標振幅MirrorAmpTargetより小さい振幅の状態から、目標振幅MirrorAmpTargetを越える態様で交差したデータであったので、振幅変動算出部416は、次に、目標振幅MirrorAmpTargetより大きい振幅の状態から、目標振幅MirrorAmpTargetを下回る振幅MirrorAmp(i)を振幅MirrorAmp(I2)として見つけ出す。振幅変動算出部416は、この次に交差する位置をI02とする。
また例えば、例えば、図14Bに示すように、振幅変動算出部416は、目標振幅MirrorAmpTargetより大きい振幅の状態から、前記検索によって、最初に、目標振幅MirrorAmpTargetを下回る振幅MirrorAmp(I2)を見つけ出す。振幅変動算出部416は、この最初に交差する位置をI02とする。振幅変動算出部416は、さらに、順に移動鏡振幅記憶部415の記憶領域を検索し、振幅変動算出部416は、次に最初の交差の仕方(最初の交差態様)とは逆の仕方(逆の交差態様)で目標振幅MirrorAmpTargetと交差する振幅MirrorAmp(I1)を見つけ出す。すなわち、この図14Bに示す例では、振幅MirrorAmp(I2)は、目標振幅MirrorAmpTargetより大きい振幅の状態から、目標振幅MirrorAmpTargetを下回る態様で交差したデータであったので、振幅変動算出部416は、次に、目標振幅MirrorAmpTargetより小さい振幅の状態から、目標振幅MirrorAmpTargetを越える振幅MirrorAmp(i)を振幅MirrorAmp(I1)として見つけ出す。振幅変動算出部416は、この次に交差する位置をI01とする。
この位置I01は、振幅MirrorAmp(I1−1)と振幅MirrorAmp(I1)との間にあり、直線補間の次式9−1によって求められる。同様に、この位置I02は、振幅MirrorAmp(I2−1)と振幅MirrorAmp(I2)との間にあり、直線補間の次式9−2によって求められる。
そして、振幅変動算出部416は、これら求めた位置I01および位置I02から、2×abs(I02−I01)として移動鏡115の振幅変動周期△Iを求める。
このような動作によって振幅変動算出部416は、移動鏡115の振幅変動周期を求めることができる。
このように本実施形態のFT型分光計Dおよびこれに実装されたFD型分光方法では、上述のように、連続的に複数個測定されるインターフェログラムの測定時間が移動鏡115の振幅の変動周期に基づく時間に設定されるので、移動鏡115の振幅の変動周期が考慮される。したがって、このようなFT型分光計Dおよび該方法は、前記うねりを生じるような共振周波数に近い周波数の外部振動が加わった場合でも、より正確な測定結果を得ることができる。
また、本実施形態のFT型分光計Dおよび該方法では、連続的に複数個測定されるインターフェログラムの測定時間が移動鏡115の振幅変動周期の整数倍の時間に設定されるので、インターフェロフラムを積算する場合に、移動鏡115の振幅が相対的に小さい場合に得られたインターフェログラムも、移動鏡115の振幅が相対的に大きい場合に得られたインターフェログラムも、略均等に、積算されたインターフェログラムに含まれる。したがって、このようなFT型分光計Dおよび該方法は、真のインターフェログラムにより近いインターフェログラムを得ることができ、より正確な測定結果を得ることができる。
また、本実施形態のFT型分光計Dおよび該方法では、移動鏡115の振幅に変動がないと判定された場合には、通常の演算処理でスペクトルが求められ、移動鏡115の振幅に変動があると判定された場合にのみ、連続的に複数個測定されるインターフェログラムの測定時間が前記振幅変動周期の整数倍の時間に設定される。したがって、このようなFT型分光計Dおよび該方法は、外部振動の影響を除去する必要の無い場合に、通常の測定では必要とされない、連続的に複数個測定されるインターフェログラムの測定時間を移動鏡115の振幅の変動周期に基づく時間に設定する等の外部振動の影響の除去処理を省略することができるから、全体として処理負荷の軽減や測定時間の短縮化を図ることができる。
なお、本実施形態では、ゼロクロス検出部37、移動鏡動作検出部200、移動鏡振幅記憶部415および振幅変動算出部416は、光路差形成光学素子の振幅の変動周期を検出する第1検出部(振幅変動周期検出部)の一例に相当し、ゼロクロス検出部37、移動鏡動作検出部200および振幅変動算出部416は、光路差形成光学素子の振幅を求める振幅算出部の一例に相当し、移動鏡振幅記憶部415は、振幅算出部で求めた振幅を記憶する振幅記憶部の一例に相当し、振幅変動算出部416は、振幅記憶部に記憶された振幅から、振幅の変動周期を求める振幅変動周期算出部の一例に相当している。
また、本実施形態では、受光処理部20、タイミング発生部30および制御演算部41のサンプリングデータ記憶部411は、第1検出部(振幅変動周期検出部)で検出した振幅の変動周期に基づく時間で、干渉計11によって所定光のインターフェログラムを連続的に複数個測定するインターフェログラム測定部の一例に相当し、センターバースト位置算出部412、積算インターフェログラム算出部413およびスペクトル算出部414は、前記インターフェログラム測定部で測定した複数のインターフェログラムに基づいて、フーリエ変換を用いてスペクトルを求めるスペクトル処理部の一例に相当している。
なお、本実施形態では、波長1200nm〜2500nmを測定するFT型分光計Dであるが、FT型分光計Dは、近赤外域の光を測定する装置であってもよく、また、FT型分光計Dは、赤外域の光を測定する装置であってもよく、また、FT型分光計Dは、近赤外域から赤外域までの光を測定する装置であってもよい。
本明細書は、上記のように様々な態様の技術を開示しているが、そのうち主な技術を以下に纏める。
一態様にかかるフーリエ変換型分光計は、所定光が入射され、前記所定光の入射位置から干渉位置までの間に2個の光路を形成する複数の光学素子を備え、前記複数の光学素子には、光軸方向に往復振動することによって前記2個の光路間に光路差を生じさせる光路差形成光学素子が含まれる干渉計と、前記光路差形成光学素子の振幅の変動周期を検出する第1検出部(例えば振幅変動周期検出部)と、前記第1検出部で検出した前記振幅の変動周期に基づく時間で、前記干渉計によって前記所定光のインターフェログラムを連続的に複数個測定するインターフェログラム測定部と、前記インターフェログラム測定部で測定した複数のインターフェログラムに基づいて、フーリエ変換を用いてスペクトルを求めるスペクトル処理部とを備える。
このようなフーリエ変換型分光計では、連続的に複数個測定されるインターフェログラムの測定時間が光路差形成光学素子の振幅の変動周期に基づく時間に設定されるので、光路差形成光学素子の振幅の変動周期が考慮される。したがって、このようなフーリエ変換型分光計は、前記うねりを生じるような共振周波数に近い周波数の外部振動が加わった場合でも、より正確な測定結果を得ることができる。
また、他の一態様では、上述のフーリエ変換型分光計において、前記インターフェログラム測定部は、前記第1検出部で検出した前記振幅の変動周期の整数倍の時間で、前記干渉計によって前記所定光のインターフェログラムを連続的に複数個測定する。
このようなフーリエ変換型分光計では、連続的に複数個測定されるインターフェログラムの測定時間が前記第1検出部で検出した前記振幅の変動周期に対する整数倍の時間に設定されるので、インターフェロフラムを積算する場合に、光路差形成光学素子の振幅が相対的に小さい場合に得られたインターフェログラムも、光路差形成光学素子の振幅が相対的に大きい場合に得られたインターフェログラムも、略均等に、積算されたインターフェログラムに含まれる。したがって、このようなフーリエ変換型分光計は、真のインターフェログラムにより近いインターフェログラムを得ることができ、より正確な測定結果を得ることができる。
また、他の一態様では、これら上述のフーリエ変換型分光計において、前記第1検出部の検出結果に基づいて、前記光路差形成光学素子の振幅の変動の有無を判定する振幅変動判定部をさらに備え、前記インターフェログラム測定部は、前記振幅変動判定部によって前記光路差形成光学素子の振幅の変動が有ると判定された場合にのみ、前記振幅変動周期の整数倍の時間で、前記干渉計によって前記所定光のインターフェログラムを連続的に複数個測定する。
このようなフーリエ変換型分光計では、光路差形成光学素子の振幅に変動がないと判定された場合には、通常の演算処理でスペクトルが求められ、光路差形成光学素子の振幅に変動があると判定された場合にのみ、連続的に複数個測定されるインターフェログラムの測定時間が前記第1検出部で検出した前記振幅の変動周期の整数倍の時間に設定される。したがって、このようなフーリエ変換分光計は、外部振動の影響を除去する必要の無い場合に、通常の測定では必要とされない、連続的に複数個測定されるインターフェログラムの測定時間を光路差形成光学素子の振幅の変動周期に基づく時間に設定する等の外部振動の影響の除去処理を省略することができるから、全体として処理負荷の軽減や測定時間の短縮化を図ることができる。
また、他の一態様では、これら上述のフーリエ変換型分光計において、前記第1検出部は、前記光路差形成光学素子の振幅を求める振幅算出部と、前記振幅算出部で求めた前記振幅を記憶する振幅記憶部と、前記振幅記憶部に記憶された前記振幅から、前記振幅の変動周期を求める振幅変動周期算出部とを備える。
この構成によれば、第1検出部が振幅算出部、振幅記憶部および振幅変動周期算出部で構成されたフーリエ変換型分光計が提供される。
また、他の一態様では、これら上述のフーリエ変換型分光計において、前記所定光は、測定対象として入射される近赤外域および/または赤外域の光である。
この構成によれば、近赤外域の光、赤外域の光および近赤外域から赤外域までの光のうちのいずれかの光を測定可能なフーリエ変換型分光計が提供される。
ここで、近赤外域は、波長700nm〜2500nmであり、赤外域は、波長2500nm〜4000nmである。また、Aおよび/またはBは、AおよびBのうちの少なくとも一方を意味する。
また、他の一態様では、これら上述のフーリエ変換型分光計において、前記光路差形成光学素子は、互いに対向して平行配置される第1および第2板バネから成る平行板バネ構造により構成された駆動部と、前記第1および第2板バネの一方の主外面上に形成された反射面とを備え、前記光路差は、前記駆動部の共振駆動により、前記反射面が光軸に沿って平行に移動することによって生じる。
これによれば、平行板バネ構造の駆動部を備えたフーリエ変換型分光計が提供される。
そして、他の一態様にかかるフーリエ変換型分光方法は、所定光を、前記所定光の入射位置から干渉位置までの間に2個の光路を形成する複数の光学素子を備え、前記複数の光学素子には、光軸方向に移動することによって前記2個の光路間に光路差を生じさせる光路差形成光学素子が含まれる干渉計に入射させる入射工程と、前記光路差形成光学素子の振幅の変動周期を検出する振幅変動周期検出工程と、前記振幅変動周期検出工程で検出した前記振幅の変動周期に基づく時間で、前記干渉計によって前記所定光のインターフェログラムを連続的に複数個測定するインターフェログラム測定工程と、前記インターフェログラム測定工程で測定したインターフェログラムに基づいて、フーリエ変換を用いてスペクトルを求めるスペクトル処理工程とを備える。
このようなフーリエ変換型分光方法では、連続的に複数個測定されるインターフェログラムの測定時間が光路差形成光学素子の振幅の変動周期に基づく時間で設定されるので、光路差形成光学素子の振幅の変動周期が考慮される。したがって、このようなフーリエ変換型分光方法は、前記うねりを生じるような共振周波数に近い周波数の外部振動が加わった場合でも、より正確な測定結果を得ることができる。
この出願は、2012年5月29日に出願された日本国特許出願特願2012−122224を基礎とするものであり、その内容は、本願に含まれるものである。
本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および/または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。したがって、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。
本発明によれば、フーリエ変換型分光計およびフーリエ変換型分光方法を提供することができる。
Claims (7)
- 所定光が入射され、前記所定光の入射位置から干渉位置までの間に2個の光路を形成する複数の光学素子を備え、前記複数の光学素子には、光軸方向に往復振動することによって前記2個の光路間に光路差を生じさせる光路差形成光学素子が含まれる干渉計と、
前記光路差形成光学素子の振幅の変動周期を検出する第1検出部と、
前記第1検出部で検出した前記振幅の変動周期に基づく時間で、前記干渉計によって前記所定光のインターフェログラムを連続的に複数個測定するインターフェログラム測定部と、
前記インターフェログラム測定部で測定した複数のインターフェログラムに基づいて、フーリエ変換を用いてスペクトルを求めるスペクトル処理部とを備えること
を特徴とするフーリエ変換型分光計。 - 前記インターフェログラム測定部は、前記第1検出部で検出した前記振幅の変動周期の整数倍の時間で、前記干渉計によって前記所定光のインターフェログラムを連続的に複数個測定すること
を特徴とする請求項1に記載のフーリエ変換型分光計。 - 前記第1検出部の検出結果に基づいて、前記光路差形成光学素子の振幅の変動の有無を判定する振幅変動判定部をさらに備え、
前記インターフェログラム測定部は、前記振幅変動判定部によって前記光路差形成光学素子の振幅の変動が有ると判定された場合にのみ、前記振幅変動周期の整数倍の時間で、前記干渉計によって前記所定光のインターフェログラムを連続的に複数個測定すること
を特徴とする請求項2に記載のフーリエ変換型分光計。 - 前記第1検出部は、
前記光路差形成光学素子の振幅を求める振幅算出部と、
前記振幅算出部で求めた前記振幅を記憶する振幅記憶部と、
前記振幅記憶部に記憶された前記振幅から、前記振幅の変動周期を求める振幅変動周期算出部とを備えること
を特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載のフーリエ変換型分光計。 - 前記所定光は、測定対象として入射される近赤外域および/または赤外域の光であること
を特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載のフーリエ変換型分光計。 - 前記光路差形成光学素子は、
互いに対向して平行配置される第1および第2板バネから成る平行板バネ構造により構成された駆動部と、
前記第1および第2板バネの一方の主外面上に形成された反射面とを備え、
前記光路差は、前記駆動部の共振駆動により、前記反射面が光軸に沿って平行に移動することによって生じること
を特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載のフーリエ変換型分光計。 - 所定光を、前記所定光の入射位置から干渉位置までの間に2個の光路を形成する複数の光学素子を備え、前記複数の光学素子には、光軸方向に移動することによって前記2個の光路間に光路差を生じさせる光路差形成光学素子が含まれる干渉計に入射させる入射工程と、
前記光路差形成光学素子の振幅の変動周期を検出する振幅変動周期検出工程と、
前記振幅変動周期検出工程で検出した前記振幅の変動周期に基づく時間で、前記干渉計によって前記所定光のインターフェログラムを連続的に複数個測定するインターフェログラム測定工程と、
前記インターフェログラム測定工程で測定したインターフェログラムに基づいて、フーリエ変換を用いてスペクトルを求めるスペクトル処理工程とを備えること
を特徴とするフーリエ変換型分光方法。
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