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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024121186
(43)【公開日】2024-09-06
(54)【発明の名称】光学デバイスおよび分光装置
(51)【国際特許分類】
G01J 3/45 20060101AFI20240830BHJP
【ＦＩ】
G01J3/45
【審査請求】未請求
【請求項の数】11
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023028147
(22)【出願日】2023-02-27
(71)【出願人】
【識別番号】000002369
【氏名又は名称】セイコーエプソン株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100179475
【弁理士】
【氏名又は名称】仲井 智至
(74)【代理人】
【識別番号】100216253
【弁理士】
【氏名又は名称】松岡 宏紀
(74)【代理人】
【識別番号】100225901
【弁理士】
【氏名又は名称】今村 真之
(72)【発明者】
【氏名】山田 耕平
(72)【発明者】
【氏名】▲高▼砂 祥一
【テーマコード（参考）】
2G020
【Ｆターム（参考）】
2G020CA01
2G020CA04
2G020CA12
2G020CB23
2G020CC22
2G020CC26
2G020CC47
2G020CC55
2G020CD04
2G020CD16
2G020CD24
2G020CD35
2G020CD36
2G020CD37
(57)【要約】
【課題】光学系の省スペース化および低消費電力化が図られている光学デバイス、および、小型化および低消費電力化が図られている分光装置を提供すること。
【解決手段】入射光学系、分析光学系、および、測長光学系、を備える光学デバイスであって、入射光学系は、レーザー光源と、レーザー光を分割する入射光分割素子と、を備え、分析光学系は、第１分割光を分割した後、混合する第１光分割素子と、移動かつ反射させることにより、一方の前記第１分割光に第１変調信号を付加する第１ミラーと、第２ミラーと、試料由来信号および第１変調信号を含む第１分割光を受光する第１受光素子と、を備え、測長光学系は、第２分割光を分割した後、混合する第２光分割素子と、一方の第２分割光を第２光分割素子に帰還させる光帰還部と、第１ミラーで生成された変位信号を含む第２分割光を受光する第２受光素子と、を備えることを特徴とする光学デバイス。
【選択図】図１
【解決手段】入射光学系、分析光学系、および、測長光学系、を備える光学デバイスであって、入射光学系は、レーザー光源と、レーザー光を分割する入射光分割素子と、を備え、分析光学系は、第１分割光を分割した後、混合する第１光分割素子と、移動かつ反射させることにより、一方の前記第１分割光に第１変調信号を付加する第１ミラーと、第２ミラーと、試料由来信号および第１変調信号を含む第１分割光を受光する第１受光素子と、を備え、測長光学系は、第２分割光を分割した後、混合する第２光分割素子と、一方の第２分割光を第２光分割素子に帰還させる光帰還部と、第１ミラーで生成された変位信号を含む第２分割光を受光する第２受光素子と、を備えることを特徴とする光学デバイス。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
入射光学系、分析光学系、および、測長光学系、を備える光学デバイスであって、
前記入射光学系は、
レーザー光を射出するレーザー光源と、
前記レーザー光を第１分割光および第２分割光に分割する入射光分割素子と、
を備え、
前記分析光学系は、
前記第１分割光を一方および他方に分割した後、一方の前記第１分割光および他方の前記第１分割光を混合する第１光分割素子と、
一方の前記第１分割光の入射方向に移動し、かつ、一方の前記第１分割光を反射させることにより、一方の前記第１分割光に第１変調信号を付加する第１ミラーと、
他方の前記第１分割光を反射させる第２ミラーと、
前記第１分割光と試料との作用により生成された試料由来信号、および、前記第１変調信号、を含む前記第１分割光を受光し、第１受光信号を出力する第１受光素子と、
を備え、
前記測長光学系は、
前記第２分割光を一方および他方に分割した後、一方の前記第２分割光および他方の前記第２分割光を混合する第２光分割素子と、
前記第２光分割素子から射出された一方の前記第２分割光を前記第２光分割素子に帰還させる光帰還部と、
他方の前記第２分割光が前記第１ミラーで反射して生成された変位信号を含む前記第２分割光を受光し、第２受光信号を出力する第２受光素子と、
を備えることを特徴とする光学デバイス。
前記入射光学系は、
レーザー光を射出するレーザー光源と、
前記レーザー光を第１分割光および第２分割光に分割する入射光分割素子と、
を備え、
前記分析光学系は、
前記第１分割光を一方および他方に分割した後、一方の前記第１分割光および他方の前記第１分割光を混合する第１光分割素子と、
一方の前記第１分割光の入射方向に移動し、かつ、一方の前記第１分割光を反射させることにより、一方の前記第１分割光に第１変調信号を付加する第１ミラーと、
他方の前記第１分割光を反射させる第２ミラーと、
前記第１分割光と試料との作用により生成された試料由来信号、および、前記第１変調信号、を含む前記第１分割光を受光し、第１受光信号を出力する第１受光素子と、
を備え、
前記測長光学系は、
前記第２分割光を一方および他方に分割した後、一方の前記第２分割光および他方の前記第２分割光を混合する第２光分割素子と、
前記第２光分割素子から射出された一方の前記第２分割光を前記第２光分割素子に帰還させる光帰還部と、
他方の前記第２分割光が前記第１ミラーで反射して生成された変位信号を含む前記第２分割光を受光し、第２受光信号を出力する第２受光素子と、
を備えることを特徴とする光学デバイス。
【請求項2】
前記光帰還部は、一方の前記第２分割光を前記第２光分割素子に向けて反射させる光反射器を有する請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項3】
前記光帰還部は、駆動信号により駆動され、一方の前記第２分割光に第２変調信号を付加する光変調器を有する請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項4】
前記光変調器は、前記駆動信号により振動する振動素子を備え、振動する前記振動素子で一方の前記第２分割光を反射させることにより、一方の前記第２分割光に前記第２変調信号を付加する請求項３に記載の光学デバイス。
【請求項5】
前記振動素子は、水晶振動子、シリコン振動子またはセラミック振動子である請求項４に記載の光学デバイス。
【請求項6】
前記第１分割光の波長を変換する波長変換素子を備える請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光学デバイス。
【請求項7】
前記第１分割光を一方および他方に分割した後、前記波長変換素子で波長が変換された一方の前記第１分割光と、他方の前記第１分割光と、を合成する光合成部を備える請求項６に記載の光学デバイス。
【請求項8】
回転することにより、前記第１分割光の偏光比を変化させる回転位相差板を備える請求項７に記載の光学デバイス。
【請求項9】
前記レーザー光源は、半導体レーザー素子である請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光学デバイス。
【請求項10】
請求項１に記載の光学デバイスと、
基準信号を出力する信号生成部と、
前記基準信号に基づいて、前記第２受光信号に演算を行うことにより、前記第１ミラーの位置を示す移動ミラー位置信号を生成する移動ミラー位置演算部と、
前記第１受光信号および前記移動ミラー位置信号に基づいて、前記第１ミラーの各位置における前記第１受光信号の強度を表す波形を生成する光強度演算部と、
前記波形にフーリエ変換を行い、スペクトル情報を取得するフーリエ変換部と、
を備えることを特徴とする分光装置。
基準信号を出力する信号生成部と、
前記基準信号に基づいて、前記第２受光信号に演算を行うことにより、前記第１ミラーの位置を示す移動ミラー位置信号を生成する移動ミラー位置演算部と、
前記第１受光信号および前記移動ミラー位置信号に基づいて、前記第１ミラーの各位置における前記第１受光信号の強度を表す波形を生成する光強度演算部と、
前記波形にフーリエ変換を行い、スペクトル情報を取得するフーリエ変換部と、
を備えることを特徴とする分光装置。
【請求項11】
前記光帰還部は、一方の前記第２分割光に第２変調信号を付加する光変調器を有し、
前記光変調器は、駆動信号により振動する振動素子を備え、振動する前記振動素子で一方の前記第２分割光を反射させることにより、一方の前記第２分割光に前記第２変調信号を付加するように構成されており、
前記信号生成部は、前記振動素子を信号源として動作する発振回路を備え、前記基準信号および前記駆動信号を出力する請求項１０に記載の分光装置。
前記光変調器は、駆動信号により振動する振動素子を備え、振動する前記振動素子で一方の前記第２分割光を反射させることにより、一方の前記第２分割光に前記第２変調信号を付加するように構成されており、
前記信号生成部は、前記振動素子を信号源として動作する発振回路を備え、前記基準信号および前記駆動信号を出力する請求項１０に記載の分光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、光学デバイスおよび分光装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
特許文献１には、試料が放射または吸収する光のスペクトル情報を取得し、それに基づいて試料中の成分等を分析する分光分析に用いられる光学デバイスが開示されている。この光学デバイスは、ミラーユニットと、ビームスプリッターユニットと、第１光検出器と、第２光源と、第２光検出器と、を備えている。ミラーユニットは、所定方向に移動する可動ミラーと、位置が固定された固定ミラーと、を含んでいる。このような光学デバイスでは、ビームスプリッターユニット、可動ミラーおよび固定ミラーによって、測定光およびレーザー光がそれぞれ入射される干渉光学系が構成される。
【0003】
第１光源から測定対象を介して入射した測定光は、ビームスプリッターユニットにおいて分割される。分割された測定光の一部は、可動ミラーで反射されてビームスプリッターユニットに戻る。分割された測定光の残部は、固定ミラーで反射されてビームスプリッターユニットに戻る。ビームスプリッターユニットに戻った測定光の一部および残部は、干渉光として第１光検出器によって検出される。
【0004】
一方、第２光源から射出されたレーザー光は、ビームスプリッターにおいて分割される。分割されたレーザー光の一部は、可動ミラーで反射されてビームスプリッターユニットに戻る。分割されたレーザー光の残部は、固定ミラーで反射されてビームスプリッターユニットに戻る。ビームスプリッターユニットに戻ったレーザー光の一部および残部は、干渉光として第２光検出器によって検出される。
【0005】
このような光学デバイスでは、レーザー光の干渉光の検出結果に基づいて、可動ミラーの位置の計測が可能になる。そして、可動ミラーの位置の計測結果および測定光の干渉光の検出結果に基づいて、測定対象についての分光分析が可能になる。具体的には、可動ミラーの各位置における測定光の強度を求めることにより、インターフェログラムと呼ばれる波形が得られる。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り、測定対象についてのスペクトル情報を求めることができる。したがって、特許文献１に記載の光学デバイスは、ＦＴＩＲ（フーリエ変換型赤外分光分析器）に用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開２０２０－１２９１１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
特許文献１に記載の光学デバイスで分光分析器を構成する場合、測定光（分析光）を射出する第１光源と、レーザー光（測長光）を射出する第２光源と、を用いる必要がある。このため、２つの光源に必要なスペースおよび電力を確保する必要があり、また、構造も複雑になる。その結果、分光分析器の大型化、高消費電力化および高コスト化を招いている。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明の適用例に係る光学デバイスは、
入射光学系、分析光学系、および、測長光学系、を備える光学デバイスであって、
前記入射光学系は、
レーザー光を射出するレーザー光源と、
前記レーザー光を第１分割光および第２分割光に分割する入射光分割素子と、
を備え、
前記分析光学系は、
前記第１分割光を一方および他方に分割した後、一方の前記第１分割光および他方の前記第１分割光を混合する第１光分割素子と、
一方の前記第１分割光の入射方向に移動し、かつ、一方の前記第１分割光を反射させることにより、一方の前記第１分割光に第１変調信号を付加する第１ミラーと、
他方の前記第１分割光を反射させる第２ミラーと、
前記第１分割光と試料との作用により生成された試料由来信号、および、前記第１変調信号、を含む前記第１分割光を受光し、第１受光信号を出力する第１受光素子と、
を備え、
前記測長光学系は、
前記第２分割光を一方および他方に分割した後、一方の前記第２分割光および他方の前記第２分割光を混合する第２光分割素子と、
前記第２光分割素子から射出された一方の前記第２分割光を前記第２光分割素子に帰還させる光帰還部と、
他方の前記第２分割光が前記第１ミラーで反射して生成された変位信号を含む前記第２分割光を受光し、第２受光信号を出力する第２受光素子と、
を備える。
入射光学系、分析光学系、および、測長光学系、を備える光学デバイスであって、
前記入射光学系は、
レーザー光を射出するレーザー光源と、
前記レーザー光を第１分割光および第２分割光に分割する入射光分割素子と、
を備え、
前記分析光学系は、
前記第１分割光を一方および他方に分割した後、一方の前記第１分割光および他方の前記第１分割光を混合する第１光分割素子と、
一方の前記第１分割光の入射方向に移動し、かつ、一方の前記第１分割光を反射させることにより、一方の前記第１分割光に第１変調信号を付加する第１ミラーと、
他方の前記第１分割光を反射させる第２ミラーと、
前記第１分割光と試料との作用により生成された試料由来信号、および、前記第１変調信号、を含む前記第１分割光を受光し、第１受光信号を出力する第１受光素子と、
を備え、
前記測長光学系は、
前記第２分割光を一方および他方に分割した後、一方の前記第２分割光および他方の前記第２分割光を混合する第２光分割素子と、
前記第２光分割素子から射出された一方の前記第２分割光を前記第２光分割素子に帰還させる光帰還部と、
他方の前記第２分割光が前記第１ミラーで反射して生成された変位信号を含む前記第２分割光を受光し、第２受光信号を出力する第２受光素子と、
を備える。
【0009】
本発明の適用例に係る分光装置は、
本発明の適用例に係る光学デバイスと、
基準信号を出力する信号生成部と、
前記基準信号に基づいて、前記第２受光信号に演算を行うことにより、前記第１ミラーの位置を示す移動ミラー位置信号を生成する移動ミラー位置演算部と、
前記第１受光信号および前記移動ミラー位置信号に基づいて、前記第１ミラーの各位置における前記第１受光信号の強度を表す波形を生成する光強度演算部と、
前記波形にフーリエ変換を行い、スペクトル情報を取得するフーリエ変換部と、
を備える。
本発明の適用例に係る光学デバイスと、
基準信号を出力する信号生成部と、
前記基準信号に基づいて、前記第２受光信号に演算を行うことにより、前記第１ミラーの位置を示す移動ミラー位置信号を生成する移動ミラー位置演算部と、
前記第１受光信号および前記移動ミラー位置信号に基づいて、前記第１ミラーの各位置における前記第１受光信号の強度を表す波形を生成する光強度演算部と、
前記波形にフーリエ変換を行い、スペクトル情報を取得するフーリエ変換部と、
を備える。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】第１実施形態に係る分光装置を示す概略構成図である。
【図4】インターフェログラムＦ（ｘ）の一例を示す図である。
【図6】第１実施形態の第１変形例に係る分光装置を示す概略構成図である。
【図7】第１実施形態の第２変形例に係る分光装置を示す概略構成図である。
【図8】第２実施形態に係る分光装置を示す概略構成図である。
【図11】分析光として波長４００ｎｍの光（可視光）を用いた場合の、移動ミラーの位置の計測誤差とスペクトルパターンにおける分光波数の誤差（分光波数精度）および分光波長の誤差（分光波長精度）との関係を示すグラフである。
【図12】分析光として波長２００ｎｍの光（紫外線）を用いた場合の、移動ミラーの位置の計測誤差とスペクトルパターンにおける分光波数の誤差（分光波数精度）および分光波長の誤差（分光波長精度）との関係を示すグラフである。
【図13】移動ミラーの位置の計測間隔とスペクトルパターンにおける最大計測波数および最小計測波長との関係を示すグラフである。
【図14】第３実施形態に係る分光装置を示す概略構成図である。
【図18】第３実施形態の第１変形例に係る分光装置が備える分析光学系、測長光学系、信号生成部および演算装置の各主要部を示す模式図である。
【図19】第３実施形態の第２変形例に係る分光装置が備える分析光学系、測長光学系、信号生成部および演算装置の各主要部を示す模式図である。
【図21】光変調器からの出力信号を取得する回路の一例を示す図である。
【図22】第３実施形態の第３変形例に係る分光装置が備える分析光学系、測長光学系、信号生成部および演算装置の各主要部を示す模式図である。
【図24】第４実施形態に係る分光装置を示す概略構成図である。
【図25】蛍光体が波長４０５ｎｍの光で励起され、４５０～６５０ｎｍの波長を持つ蛍光を発するときの、励起スペクトルＥＸ１および発光スペクトルＬＵ１の例である。
【図26】第４実施形態の第１変形例に係る分光装置を示す概略構成図である。
【図27】蛍光体が波長４０５ｎｍの光で励起され、５００～７００ｎｍ超の波長を持つ蛍光を発するときの、励起スペクトルＥＸ１および発光スペクトルＬＵ２の例である。
【図28】第４実施形態の第２変形例に係る分光装置を示す概略構成図である。
【図30】第４実施形態の第３変形例に係る分光装置を示す概略構成図である。
【図31】第４実施形態の第４変形例に係る分光装置を示す概略構成図である。
【図33】第４実施形態の第５変形例に係る分光装置を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、本発明の光学デバイスおよび分光装置を添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
【0012】
【0013】
図１に示す分光装置１００では、レーザー光を被検体である試料９に照射し、試料９から放射された光をマイケルソン型干渉光学系に入射させる、そして、マイケルソン型干渉光学系で得られる干渉光の強度変化を検出することにより、インターフェログラムを取得する。取得したインターフェログラムをフーリエ変換することにより、試料９に由来する情報を含むスペクトルパターンが得られる。レーザー光の波長を選択することにより、図１に示す分光装置１００は、例えば試料９に対するフーリエ型ラマン分光分析、フーリエ型蛍光分光分析のようなレーザー励起分光分析に適用可能である。
【0014】
分光装置１００は、光学デバイス１と、信号生成部８と、演算装置７と、を備える。
このうち、光学デバイス１は、図１に示すように、入射光学系５、分析光学系３、および、測長光学系４を備える。
このうち、光学デバイス１は、図１に示すように、入射光学系５、分析光学系３、および、測長光学系４を備える。
【0015】
入射光学系５は、レーザー光源５１から射出される射出光Ｌ０（レーザー光）を、分析光Ｌ１（第１分割光）および測長光Ｌ２（第２分割光）の２つに分割する。図１に示す入射光学系５では、分析光Ｌ１を試料９に入射させ、試料９から放射された分析光Ｌ１を分析光学系３に入射させる。また、入射光学系５は、測長光Ｌ２を測長光学系４に入射させる。
【0016】
分析光学系３では、分析光Ｌ１から試料９に由来する試料由来信号を取り出せるように、分析光Ｌ１の光路長を変化させながら、分析光Ｌ１の分割および合成を行い、干渉を生じさせる。
測長光学系４では、測長光Ｌ２を用いて、分析光Ｌ１の光路長の変化を測定する。
測長光学系４では、測長光Ｌ２を用いて、分析光Ｌ１の光路長の変化を測定する。
【0017】
信号生成部８は、演算装置７に向けて基準信号Ｓｓを出力する機能を有する。演算装置７は、分析光学系３から出力された干渉光の強度を表す信号および測長光学系４から出力された光路長の変化を表す信号に基づいて、光路長に対する干渉光の強度を表す波形、すなわち前述したインターフェログラムを求める機能を有する。また、演算装置７は、インターフェログラムにフーリエ変換を行い、試料９に由来する情報を含むスペクトルパターンを取得する機能を有する。
【0018】
１．１．光学デバイス
まず、第１実施形態に係る光学デバイス１について説明する。
まず、第１実施形態に係る光学デバイス１について説明する。
【0019】
光学デバイス１は、前述したように、入射光学系５、分析光学系３、および、測長光学系４を備える。
【0020】
１．１．１．入射光学系
入射光学系５は、レーザー光源５１、バンドパスフィルター５２、ビームスプリッター５３１（入射光分割素子）、ビームスプリッター５４、集光レンズ５５および減光フィルター５６を備える。なお、入射光学系５は、上記の光学要素の一部が省略されていてもよいし、上記以外の光学要素を備えていてもよいし、上記の光学要素が同等の機能を有する他の光学要素で置換されていてもよい。
入射光学系５は、レーザー光源５１、バンドパスフィルター５２、ビームスプリッター５３１（入射光分割素子）、ビームスプリッター５４、集光レンズ５５および減光フィルター５６を備える。なお、入射光学系５は、上記の光学要素の一部が省略されていてもよいし、上記以外の光学要素を備えていてもよいし、上記の光学要素が同等の機能を有する他の光学要素で置換されていてもよい。
【0021】
レーザー光源５１は、ラマン分光や蛍光分光等の目的に応じて適宜選択されるが、スペクトル線幅の狭い光を射出する光源が好ましく用いられる。レーザー光源５１としては、例えば、Ｈｅ－Ｎｅレーザー、Ａｒレーザーのようなガスレーザー、ＤＦＢ－ＬＤ（Distributed FeedBack - Laser Diode：分布帰還型レーザーダイオード）、ＦＢＧ－ＬＤ（Fiber Bragg Grating - Laser Diode：ファイバーブラッググレーティング付きレーザーダイオード）、ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser：垂直共振器面発光レーザーダイオード）、ＦＰ－ＬＤ（Fabry-Perot Laser Diode：ファブリーペロー型半導体レーザーダイオード）のような半導体レーザー素子、ＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）のような結晶レーザー等が挙げられる。
【0022】
レーザー光源５１は、特に半導体レーザー素子であるのが好ましい。これにより、光学デバイス１および分光装置１００の小型化および軽量化を図ることができる。
【0023】
バンドパスフィルター５２は、レーザー光源５１から射出される射出光Ｌ０（レーザー光）を、余分な波長の光をカットして透過させる。バンドパスフィルター５２を透過した射出光Ｌ０は、ビームスプリッター５３１で、分析光Ｌ１（第１分割光）と測長光Ｌ２（第２分割光）の２つのレーザー光に分割される。ビームスプリッター５３１には、例えば、無偏光ビームスプリッターが用いられるが、偏光ビームスプリッターが用いられてもよい。この場合、必要な波長板を適宜追加すればよい。
【0024】
分析光Ｌ１は、ビームスプリッター５４を透過し、集光レンズ５５で集光されて、試料９に照射される。試料９から放射された分析光Ｌ１は、分析光Ｌ１と試料９との作用により生成された試料由来信号を含んでいる。試料９から放射された分析光Ｌ１は、集光レンズ５５を経て、ビームスプリッター５４で反射され、減光フィルター５６を通過する。このとき、ラマン散乱光や蛍光等の試料由来信号が選択的に透過する。つまり、試料９に照射される分析光Ｌ１の波長を「第１波長」とするとき、減光フィルター５６は、第１波長の光を選択的に減衰させる。これにより、試料由来信号のＳ／Ｎ比（信号対雑音比）を高めることができ、分光分析をより精度よく行うことができる。減光フィルター５６としては、例えば、光学濃度（ＯＤ値）が６．０以上のノッチフィルター、ロングパスフィルター等が挙げられる。減光フィルター５６を通過した分析光Ｌ１は、分析光学系３に入射される。
【0025】
ビームスプリッター５４には、例えば、無偏光ビームスプリッターが用いられるが、偏光ビームスプリッターが用いられてもよい。この場合、必要な波長板を適宜追加すればよい。
測長光Ｌ２は、ビームスプリッター５３１で反射され、測長光学系４に入射される。
測長光Ｌ２は、ビームスプリッター５３１で反射され、測長光学系４に入射される。
【0026】
１．１．２．分析光学系
分析光学系３は、マイケルソン型干渉光学系であり、ビームスプリッター３２（第１光分割素子）、移動ミラー３３、固定ミラー３４、集光レンズ３５、および、第１受光素子３６を備える。なお、分析光学系３は、上記の光学要素の一部が省略されていてもよいし、上記以外の光学要素を備えていてもよいし、上記の光学要素が同等の機能を有する他の光学要素で置換されていてもよい。
分析光学系３は、マイケルソン型干渉光学系であり、ビームスプリッター３２（第１光分割素子）、移動ミラー３３、固定ミラー３４、集光レンズ３５、および、第１受光素子３６を備える。なお、分析光学系３は、上記の光学要素の一部が省略されていてもよいし、上記以外の光学要素を備えていてもよいし、上記の光学要素が同等の機能を有する他の光学要素で置換されていてもよい。
【0027】
ビームスプリッター３２は、分析光Ｌ１を２つの分析光Ｌ１ａ、Ｌ１ｂに分割する無偏光ビームスプリッターである。具体的には、ビームスプリッター３２は、分析光Ｌ１の一部を分析光Ｌ１ａとして移動ミラー３３に向けて反射させ、分析光Ｌ１の他部を分析光Ｌ１ｂとして固定ミラー３４に向けて透過させることにより、分析光Ｌ１を２つに分割する機能を有する。
【0028】
ビームスプリッター３２の種類としては、例えば、図１に示すプリズム型素子（キューブ型素子）の他、プレート型素子、積層型素子等が挙げられる。プレート型のビームスプリッター３２を用いた場合には、分析光Ｌ１ａと分析光Ｌ１ｂとで波長分散が生じるので、必要に応じて、ビームスプリッター３２と固定ミラー３４との間に、波長分散補償板を配置するようにしてもよい。波長分散補償板は、硝材の光路長差による波長分散を補償する光学要素である。本実施形態では、ビームスプリッター３２としてプリズム型素子が用いられているので、この波長分散補償板は不要である。プリズム型素子は、プリズム同士の間に光学薄膜が挟まれた形態の素子である。また、積層型素子は、２枚の透明平板の間に光学薄膜が挟まれた形態の素子である。積層型素子でも、プリズム型素子と同様、波長分散補償板を不要にできる。また、プリズム型素子や積層型素子では、光学薄膜が露出しないので、ビームスプリッター３２の長期信頼性を高めることができる。
【0029】
また、ビームスプリッター３２は、移動ミラー３３で反射された分析光Ｌ１ａを第１受光素子３６に向けて透過させ、固定ミラー３４で反射された分析光Ｌ１ｂを第１受光素子３６に向けて反射させる。したがって、ビームスプリッター３２は、分割された分析光Ｌ１ａ、Ｌ１ｂを混合する機能を有する。
【0030】
移動ミラー３３は、ビームスプリッター３２に対して分析光Ｌ１ａの入射方向に移動し、かつ、分析光Ｌ１ａを反射させる鏡である。移動ミラー３３で反射した分析光Ｌ１ａは、移動ミラー３３の位置に応じた変位信号を含む。したがって、移動ミラー３３は、分析光Ｌ１ａに第１変調信号を付加する。
【0031】
移動ミラー３３を移動させる図示しない移動機構としては、特に限定されないが、例えば、１軸リニアステージ、ピエゾ駆動装置、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いたマイクロアクチュエーター等が挙げられる。このうち、１軸リニアステージは、例えば、ボイスコイルモーター（ＶＣＭ）またはボールねじ駆動部とリニアガイド機構とを備えることで、移動ミラー３３の移動において良好な並進性を実現することができる。
【0032】
固定ミラー３４は、ビームスプリッター３２に対して位置が固定され、分析光Ｌ１ｂを反射させる鏡である。固定ミラー３４で反射した分析光Ｌ１ｂは、ビームスプリッター３２で分析光Ｌ１ａと混合され、干渉光として第１受光素子３６で受光される。分析光学系３では、移動ミラー３３の位置に応じて、分析光Ｌ１ａの光路と、分析光Ｌ１ｂの光路と、の間に光路差が生じる。このため、干渉光の干渉状態は、移動ミラー３３の位置に応じて変化する。
【0033】
移動ミラー３３および固定ミラー３４は、それぞれ平板ミラーであってもよいし、コーナーキューブミラーであってもよい。各ミラーの反射面には、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇのような金属を用いたメタルコート、誘電体多層膜等が成膜されていてもよい。また、移動ミラー３３について、「分析光の入射方向に移動」は、分析光の入射方向の成分を含む方向に移動することを含む。したがって、移動ミラー３３は、入射方向に対して斜めに傾いた方向（非平行な方向）に移動してもよい。その場合、演算装置７は、移動ミラー３３が分析光の入射方向に対して斜めに傾いた影響を除去する機能を有していればよい。さらに、固定ミラー３４も移動するように構成されていてもよい。その場合、演算装置７は、固定ミラー３４が移動した影響を除去する機能を有していればよい。
【0034】
集光レンズ３５は、干渉光、すなわち混合された分析光Ｌ１ａ、Ｌ１ｂを第１受光素子３６に集光させる。
【0035】
第１受光素子３６は、干渉光を受光し、その強度を取得する。そして、強度の時間変化を示す信号を第１受光信号Ｆ（ｔ）として出力する。この第１受光信号Ｆ（ｔ）は、分析光Ｌ１と試料９との相互作用により生成された試料由来信号と、前述した第１変調信号と、を含む信号である。試料由来信号とは、例えば、分析光Ｌ１が試料９に作用したとき、試料９による特定波長の光吸収等が挙げられる。第１変調信号は、移動ミラー３３の移動に伴って分析光Ｌ１ａに付加される位相の変化である。
【0036】
第１受光素子３６としては、例えば、フォトダイオード、フォトトランジスター等が挙げられる。このうち、フォトダイオードとしては、例えば、ＩｎＧａＡｓ系フォトダイオード、Ｓｉ系フォトダイオード、アバランシェ型フォトダイオード等が挙げられる。
【0037】
１．１．３．測長光学系
測長光学系４は、マイケルソン型干渉光学系であり、第２光分割素子４２、光帰還部４３、および、第２受光素子４５を備える。なお、測長光学系４は、上記の光学要素の一部が省略されていてもよいし、上記以外の光学要素を備えていてもよいし、上記の光学要素が同等の機能を有する他の光学要素で置換されていてもよい。
測長光学系４は、マイケルソン型干渉光学系であり、第２光分割素子４２、光帰還部４３、および、第２受光素子４５を備える。なお、測長光学系４は、上記の光学要素の一部が省略されていてもよいし、上記以外の光学要素を備えていてもよいし、上記の光学要素が同等の機能を有する他の光学要素で置換されていてもよい。
【0038】
第２光分割素子４２は、ビームスプリッター４２２、１／２波長板４６、１／４波長板４７、１／４波長板４８、および、検光子４９を備える。
【0039】
ビームスプリッター４２２は、Ｐ偏光を透過させ、Ｓ偏光を反射させる偏光ビームスプリッターである。１／２波長板４６は、その透過軸が、測長光Ｌ２の偏光軸に対して回転した状態で配置されている。これにより、測長光Ｌ２は、１／２波長板４６を通過することにより、Ｐ偏光とＳ偏光とを含む直線偏光になり、ビームスプリッター４２２でＰ偏光とＳ偏光の２つに分割される。Ｐ偏光である測長光Ｌ２ａは、１／４波長板４８で円偏光に変換され、光帰還部４３に入射する。光帰還部４３は、測長光Ｌ２ａを反射させることにより、ビームスプリッター４２２に帰還させる。このとき、測長光Ｌ２ａは、１／４波長板４８でＳ偏光に変換される。一方、Ｓ偏光である測長光Ｌ２ｂは、１／４波長板４７で円偏光に変換され、移動ミラー３３に入射する。移動ミラー３３は、測長光Ｌ２ｂを反射させる。これにより、移動ミラー３３は、測長光Ｌ２ｂに移動ミラー３３の位置に応じた変位信号を付加する。移動ミラー３３で反射した測長光Ｌ２ｂは、ビームスプリッター４２２に戻る。このとき、測長光Ｌ２ｂは、１／４波長板４７でＰ偏光に変換される。なお、図１に示す測長光学系４は、前述した分析光学系３において分析光Ｌ１ａが入射する移動ミラー３３の面とは異なる面に、測長光Ｌ２ｂが入射するように構成されている。
【0040】
また、ビームスプリッター４２２は、光帰還部４３から帰還した測長光Ｌ２ａを第２受光素子４５に向けて反射させ、移動ミラー３３で反射された測長光Ｌ２ｂを第２受光素子４５に向けて透過させる。したがって、ビームスプリッター４２２は、分割された測長光Ｌ２ａ、Ｌ２ｂを混合する機能を有する。混合された測長光Ｌ２ａ、Ｌ２ｂは、検光子４９を透過し、第２受光素子４５に入射する。
【0041】
なお、ビームスプリッター４２２には、偏光ビームスプリッターに代えて無偏光ビームスプリッターを用いるようにしてもよい。この場合、波長板等が不要となるため、部品点数の削減による光学デバイス１の小型化を図ることができる。
【0042】
光帰還部４３は、光反射器４４２を備え、ビームスプリッター４２２を透過して入射された光を反射させ、ビームスプリッター４２２に帰還させる。光反射器４４２は、例えばミラーで構成される。これにより、光帰還部４３の構成を簡素化でき、光学デバイス１の小型化に寄与できる。
【0043】
第２受光素子４５は、混合された測長光Ｌ２ａ、Ｌ２ｂを干渉光として受光し、その強度を取得する。そして、強度の時間変化を示す信号を第２受光信号Ｓ２として出力する。この第２受光信号Ｓ２は、移動ミラー３３の変位信号を含む信号である。変位信号は、移動ミラー３３の位置に応じて測長光Ｌ２ｂに付加される位相の変化である。
【0044】
第２受光素子４５としては、例えば、フォトダイオード、フォトトランジスター等が挙げられる。
【0045】
以上、入射光学系５、分析光学系３および測長光学系４について説明したが、これらが備える各光学要素のうち、光を入射させる必要がある光学要素については、反射防止処理が施されているのが好ましい。これにより、第１受光信号Ｆ（ｔ）および第２受光信号Ｓ２のＳ／Ｎ比を高めることができる。
【0046】
また、上述した分析光学系３および測長光学系４では、いずれも、入射光学系５が備える１つのレーザー光源５１から射出された射出光Ｌ０が光干渉に用いられている。このため、２つの光源を用いる必要がなく、光学系の省スペース化、低消費電力化および構造の簡素化を図ることができる。したがって、上記の光学デバイス１によれば、小型で消費電力が少なく、かつ低コストの分光装置１００を実現することができる。
【0047】
【0048】
図２に示す信号生成部８は、周期信号を生成し、基準信号Ｓｓとして出力する。信号生成部８としては、例えば、ファンクションジェネレーター、シグナルジェネレーター、数値制御型信号発生器等が挙げられる。演算装置７では、基準信号Ｓｓに基づいて移動ミラー３３の位置を示す移動ミラー位置信号Ｘ（ｔ）を生成する。
【0049】
１．３．演算装置
図１および図２に示す演算装置７は、移動ミラー位置演算部７２、光強度演算部７４、および、フーリエ変換部７６を有する。これらの機能部が発揮する機能は、例えば、プロセッサー、メモリー、外部インターフェース、入力部、表示部等を備えるハードウェアによって実現される。具体的には、メモリーに格納されているプログラムをプロセッサーが読み出し、実行することによって実現される。なお、これらの構成要素は、外部バスによって互いに通信可能になっている。
図１および図２に示す演算装置７は、移動ミラー位置演算部７２、光強度演算部７４、および、フーリエ変換部７６を有する。これらの機能部が発揮する機能は、例えば、プロセッサー、メモリー、外部インターフェース、入力部、表示部等を備えるハードウェアによって実現される。具体的には、メモリーに格納されているプログラムをプロセッサーが読み出し、実行することによって実現される。なお、これらの構成要素は、外部バスによって互いに通信可能になっている。
【0050】
プロセッサーとしては、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）等が挙げられる。なお、これらのプロセッサーがソフトウェアを実行する方式に代えて、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等が上述した機能を実現する方式を採用するようにしてもよい。
【0051】
メモリーとしては、例えば、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）、ＲＯＭ（Read-Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等が挙げられる。
【0052】
外部インターフェースとしては、例えば、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）等のデジタル入出力ポート、イーサネット（登録商標）ポート等が挙げられる。
【0053】
入力部としては、例えば、キーボード、マウス、タッチパネル、タッチパッド等の各種入力装置が挙げられる。表示部としては、例えば、液晶ディスプレイパネル、有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイパネル等が挙げられる。なお、入力部および表示部は、必要に応じて設けられればよく、省略されていてもよい。
【0054】
１．３．１．移動ミラー位置演算部
移動ミラー位置演算部７２は、信号生成部８から出力された基準信号Ｓｓに基づいて、移動ミラー３３の変位信号を含む第２受光信号Ｓ２に対して演算を行う。これにより、移動ミラー３３の位置を示す移動ミラー位置信号Ｘ（ｔ）を生成する。移動ミラー３３が移動すると、それに伴って測長光学系４における干渉光の強度が変化する。この場合、第２受光信号Ｓ２は、例えば、干渉条件に応じて振幅が所定の周期で変化する信号となる。第２受光信号Ｓ２の振幅の変化から、移動ミラー３３の変位を算出することができ、移動ミラー位置信号Ｘ（ｔ）が求められる。
移動ミラー位置演算部７２は、信号生成部８から出力された基準信号Ｓｓに基づいて、移動ミラー３３の変位信号を含む第２受光信号Ｓ２に対して演算を行う。これにより、移動ミラー３３の位置を示す移動ミラー位置信号Ｘ（ｔ）を生成する。移動ミラー３３が移動すると、それに伴って測長光学系４における干渉光の強度が変化する。この場合、第２受光信号Ｓ２は、例えば、干渉条件に応じて振幅が所定の周期で変化する信号となる。第２受光信号Ｓ２の振幅の変化から、移動ミラー３３の変位を算出することができ、移動ミラー位置信号Ｘ（ｔ）が求められる。
【0055】
１．３．２．光強度演算部
光強度演算部７４は、第１受光信号Ｆ（ｔ）および移動ミラー位置信号Ｘ（ｔ）に基づいて、移動ミラー３３の位置に対する干渉光の強度を表す波形（インターフェログラムＦ（ｘ））を生成する。
光強度演算部７４は、第１受光信号Ｆ（ｔ）および移動ミラー位置信号Ｘ（ｔ）に基づいて、移動ミラー３３の位置に対する干渉光の強度を表す波形（インターフェログラムＦ（ｘ））を生成する。
【0056】
第１受光信号Ｆ（ｔ）は、前述したように、試料由来信号および第１変調信号を含んでいる。光強度演算部７４では、移動ミラー位置信号Ｘ（ｔ）に基づいて、第１受光信号Ｆ（ｔ）の強度を抽出する。そして、光強度演算部７４は、移動ミラー位置信号Ｘ（ｔ）から求められる移動ミラー３３の位置と第１受光信号Ｆ（ｔ）の強度とにより、インターフェログラムＦ（ｘ）を生成する。なお、インターフェログラムＦ（ｘ）は、分析光学系３における移動ミラー３３での反射光と固定ミラー３４での反射光との光路差と、第１受光素子３６で受光される干渉光の強度（第１受光信号Ｆ（ｔ）の強度）と、の関数で表される。
【0057】
図３は、図１に示す光学デバイス１で取得される第１受光信号Ｆ（ｔ）および第２受光信号Ｓ２の一例を示す図である。図３の横軸は、時刻であり、縦軸は、第１受光素子３６に入射する干渉光の強度または第２受光素子４５に入射する干渉光の強度である。
【0058】
図４は、インターフェログラムＦ（ｘ）の一例を示す図である。図４の横軸は、分析光学系３の光路差であり、縦軸は、干渉光の強度である。なお、分析光学系３の光路差とは、ビームスプリッター３２と移動ミラー３３との光路長およびビームスプリッター３２と固定ミラー３４との光路長の差であり、図４では、光路差ゼロを横軸の原点としている。
【0059】
図５は、図３に示す第２受光信号Ｓ２の部分拡大図である。図５に示す第２受光信号Ｓ２は、所定の周期で振動する信号であり、振幅が最大になる点が特徴点ＦＰとなる。光強度演算部７４は、この特徴点ＦＰの時刻で、第１受光信号Ｆ（ｔ）の強度を抽出することにより、移動ミラー３３の位置と第１受光信号Ｆ（ｔ）の強度とを関係づけることができる。これにより、インターフェログラムＦ（ｘ）のデジタルデータを取得することができる。
【0060】
１．３．３．フーリエ変換部
フーリエ変換部７６は、インターフェログラムＦ（ｘ）にフーリエ変換を行う。これにより、試料９に固有のスペクトルパターンを取得する。
フーリエ変換部７６は、インターフェログラムＦ（ｘ）にフーリエ変換を行う。これにより、試料９に固有のスペクトルパターンを取得する。
【0061】
得られたスペクトルパターンには、分析光Ｌ１が試料９に作用して生成された試料由来信号が反映されている。このため、上記のような光学デバイス１を備える分光装置１００によれば、スペクトルパターンに基づいて、試料９の特性、例えば材料、構造、成分量等を分析することができる。
【0062】
【0063】
【0064】
図６に示す測長光学系４は、前記第１実施形態の構成に加え、ミラー４７２、４７４を有する。ミラー４７２、４７４は、１／４波長板４７と移動ミラー３３との間に設けられている。そして、ミラー４７２、４７４は、１／４波長板４７と移動ミラー３３とを結ぶ光路の延在方向を変更している。これにより、図６に示す測長光学系４は、前述した分析光学系３において分析光Ｌ１ａが入射する移動ミラー３３の面と同じ面に、測長光Ｌ２ｂが入射するように構成されている。これにより、分析光Ｌ１ａおよび測長光Ｌ２ｂが、物理的に近い位置に入射することになる。その結果、第１受光信号Ｆ（ｔ）が含む移動ミラー３３の位置情報と、移動ミラー位置信号Ｘ（ｔ）が含む移動ミラー３３の位置情報と、の一致性をより高めることができる。これにより、最終的に得られるスペクトルパターンにおいて、波数軸の精度をより高めることができる。また、この場合、移動ミラー３３の片面のみに光反射機能を持たせればよいので、移動ミラー３３の構成を簡素化できる。
【0065】
また、この構成では、ビームスプリッター４２２から光反射器４４２までの物理的距離と、ビームスプリッター４２２から移動ミラー３３までの物理的距離と、を一致させやすくなる。これにより、移動ミラー３３の位置をさらに精度よく求めることができる。
以上のような第１変形例においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。
以上のような第１変形例においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。
【0066】
【0067】
【0068】
図７に示す入射光学系５は、前記第１実施形態の構成に加え、ミラー５０２、５０４を有するとともに、ビームスプリッター５３１が省略されている。ミラー５０２、５０４は、ビームスプリッター５４と測長光学系４との間に設けられている。また、ビームスプリッター５４は、射出光Ｌ０を、分析光Ｌ１（第１分割光）と測長光Ｌ２（第２分割光）の２つのレーザー光に分割する。測長光Ｌ２は、ミラー５０２、５０４を介して、測長光学系４に入射される。このような構成によれば、ビームスプリッター５３１を省略できるため、入射光学系５の部品点数を減らすことができ、小型化および低コスト化を図ることができる。
【0069】
４．第２実施形態
次に、第２実施形態に係る光学デバイスおよび分光装置について説明する。
次に、第２実施形態に係る光学デバイスおよび分光装置について説明する。
【0070】
【0071】
以下、第２実施形態について説明するが、以下の説明では、第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。
【0072】
【0073】
図８に示す第２光分割素子４２は、第１実施形態の構成に加え、ビームスプリッター４２４および１／４波長板４８２を備える。つまり、図８に示す第２光分割素子４２は、２つのビームスプリッター４２２、４２４を備える。ビームスプリッター４２２で分割された測長光Ｌ２ａは、光帰還部４３を経て、ビームスプリッター４２４に帰還し、ビームスプリッター４２４で反射され、第２受光素子４５に入射する。また、ビームスプリッター４２２で分割された測長光Ｌ２ｂは、移動ミラー３３で反射した後、再びビームスプリッター４２２を経て、ビームスプリッター４２４を透過し、第２受光素子４５に入射する。
【0074】
図８に示す光帰還部４３は、光反射器４４２に代えて、ミラー４５１、４５２および光変調器４４４を備えている。ミラー４５１、４５２は、ビームスプリッター４２２とビームスプリッター４２４とを結ぶ光路を形成する。この光路上に光変調器４４４が設けられている。
【0075】
図８に示す光変調器４４４は、音響光学変調器４４５（Acousto-Optics Modulator：ＡＯＭ）を有する。音響光学変調器４４５は、光弾性効果により媒体中に周期的な屈折率変化を生じさせ、透過光の周波数をシフトさせる。なお、音響光学変調器４４５は、電気光学変調器（Electro-Optic Modulator：ＥＯＭ）に代替可能である。光変調器４４４は、測長光Ｌ２ａに対して第２変調信号を重畳させる。第２変調信号は、測長光Ｌ２ａが音響光学変調器４４５を透過することに伴って生じる周波数の変化である。
【0076】
図８に示す信号生成部８は、駆動信号Ｓｄを生成する機能を有する。音響光学変調器４４５は、駆動信号Ｓｄにより駆動される。駆動信号Ｓｄを適宜設定することにより、音響光学変調器４４５における第２変調信号の重畳を制御することができる。
【0077】
図８に示す移動ミラー位置演算部７２は、光ヘテロダイン干渉法により、移動ミラー３３の位置を特定し、その結果に基づいて、移動ミラー位置信号Ｘ（ｔ）を生成する。具体的には、測長光学系４が光変調器４４４を備えることにより、測長光Ｌ２ａに第２変調信号を付加することができる。そうすると、測長光Ｌ２ａ、Ｌ２ｂを干渉させたとき、得られた干渉光から移動ミラー３３の位置に対応する位相情報をより高い精度で取得することができる。そして、演算装置７において位相情報から移動ミラー３３の位置が高精度に求められる。光ヘテロダイン干渉法によれば、位相情報を取り出すとき、外乱の影響、特にノイズとなる周波数の迷光の影響を受けにくく、高いロバスト性が与えられる。
【0078】
図９に示す移動ミラー位置演算部７２は、前処理部７２２、復調処理部７２４、および、移動ミラー位置信号出力部７２６を有する。前処理部７２２および復調処理部７２４には、例えば、特開２０２２－３８１５６号公報に開示されている前処理部および復調部が適用できる。
【0079】
前処理部７２２は、基準信号Ｓｓに基づいて第２受光信号Ｓ２に前処理を行う。復調処理部７２４は、前処理部７２２から出力された前処理済み信号から、基準信号Ｓｓに基づいて移動ミラー３３の位置に応じた変位信号を復調する。
【0080】
移動ミラー位置信号出力部７２６は、復調処理部７２４が復調した移動ミラー３３の変位信号に基づいて、移動ミラー位置信号Ｘ（ｔ）を生成し、出力する。この方法で求めた移動ミラー位置信号Ｘ（ｔ）は、時刻ごとに変化する移動ミラー３３の位置を表す信号となる。第２受光信号Ｓ２が含む移動ミラー３３の変位信号は、測長光Ｌ２ｂの波長よりも十分に狭い間隔で移動ミラー３３の変位を捉えている。例えば、測長光Ｌ２ｂの波長が数１００ｎｍである場合、変位信号が示す移動ミラー３３の位置分解能としては１０ｎｍ未満が達成可能になる。これに対し、第１実施形態では、測長光Ｌ２ｂの波長の１／４が位置分解能の限界である。このため、光強度演算部７４では、第１実施形態に比べてより細かな間隔で、インターフェログラムＦ（ｘ）を生成することができる。
【0081】
図１０は、図８に示す光学デバイス１で取得される第１受光信号Ｆ（ｔ）および移動ミラー位置信号Ｘ（ｔ）の一例を示す図である。図１０の横軸は、時刻であり、縦軸は、第１受光素子３６に入射する干渉光の強度または移動ミラー３３の位置である。
【0082】
図１０に示す移動ミラー位置信号Ｘ（ｔ）は、移動ミラー３３の位置の変化を、連続的に検出可能な信号になっており、高い位置分解能を実現できている。このため、それに基づいてインターフェログラムＦ（ｘ）を生成することで、よりデータ点数の多いインターフェログラムＦ（ｘ）が得られる。データ点数の多さは、インターフェログラムＦ（ｘ）のサンプリング間隔が短く、精度が高いことを意味する。したがって、このようにして得られたインターフェログラムＦ（ｘ）を用いることで、最終的に、高い分解能のスペクトルパターンを取得することができる。
【0083】
また、サンプリング間隔を短くできることで、より波長の短い（より波数の大きい）射出光Ｌ０を用いても、十分なデータ点数を持つインターフェログラムＦ（ｘ）を得ることができる。これにより、より広い波長範囲（広い波数範囲）のスペクトルパターン、すなわち、より広帯域のスペクトルパターンを取得することができる。
【0084】
また、測長光学系４におけるビームスプリッター４２２と光変調器４４４との物理的距離と、ビームスプリッター４２２と移動ミラー３３との物理的距離と、の差をゼロに近づけることにより、移動ミラー位置信号Ｘ（ｔ）の精度をより高めることができる。
【0085】
測長光学系４で移動ミラー３３の位置を計測するとき、計測誤差Δｄは、下記式（Ｉ）で表される。
【0086】
【数1】
【0087】
上記式（Ｉ）において、物理的距離の差ＷＤをゼロに近づけることにより、計測誤差Δｄにおいてノイズ成分となり得る右辺第２項および第３項を小さくすることができる。これにより、計測誤差Δｄが小さくなるため、移動ミラー位置信号Ｘ（ｔ）の精度をより高めることができる。
【0088】
具体的には、測長光学系４におけるビームスプリッター４２２と光変調器４４４との光路長をＬｒｅｆとし、ビームスプリッター４２２と移動ミラー３３との光路長をＬｓとするとき、｜Ｌｓ－Ｌｒｅｆ｜≦１００ｍｍであることが好ましい。これにより、上記式（Ｉ）の物理的距離の差ＷＤを十分に小さくすることができ、１ｎｍオーダーまたはそれ以下の計測誤差Δｄを達成することができる。
【0089】
一方、移動ミラー３３が往復移動するときの移動距離（振幅）をＬｍとしたとき、この移動距離Ｌｍを踏まえると、｜Ｌｓ－Ｌｒｅｆ｜≦Ｌｍ／２であるのが好ましい。これにより、移動ミラー３３の移動距離Ｌｍを考慮しながら、計測誤差Δｄを特に小さくすることができる。
【0090】
また、前述した｜Ｌｓ－Ｌｒｅｆ｜≦１００ｍｍを踏まえると、移動ミラー３３の移動距離Ｌｍの最大値は、２００ｍｍと考えることもできる。したがって、移動ミラー３３の移動距離Ｌｍは、２００ｍｍ以下であることが好ましい。これにより、移動ミラー３３の計測誤差Δｄを特に小さくすることができる。
【0091】
図１１は、分析光Ｌ１として波長４００ｎｍの光（可視光）を用いた場合の、移動ミラー３３の位置の計測誤差δＬとスペクトルパターンにおける分光波数の誤差（分光波数精度）および分光波長の誤差（分光波長精度）との関係を示すグラフである。図１２は、分析光Ｌ１として波長２００ｎｍの光（紫外線）を用いた場合の、移動ミラー３３の位置の計測誤差δＬとスペクトルパターンにおける分光波数の誤差（分光波数精度）または分光波長の誤差（分光波長精度）との関係を示すグラフである。なお、図１１および図１２に示す例では、移動ミラー３３の移動距離Ｌを１ｍｍとし、その計測誤差をδＬとしている。
【0092】
一般的には、移動ミラー３３の移動距離Ｌを長くすることで波数分解能Δνを高めることができる。例えば、移動距離Ｌが１ｍｍであるとき、従来の方法でインターフェログラムをサンプリングして得られたスペクトルパターンから計算される波数分解能Δνは、５ｃｍ－１となる。
【0093】
図１１および図１２に示す例では、移動ミラー３３の移動距離Ｌを１ｍｍとしたときの、計測誤差δＬと分光波数精度δνまたは分光波長精度δλとの関係を示している。図１１では、例えば計測誤差δＬが１００ｎｍであるとき、分光波数精度δνは約２．５ｃｍ－１となり、分光波長精度δλは約０．０４ｎｍとなることを示している。また、図１２では、例えば計測誤差δＬが１００ｎｍであるとき、分光波数精度δνは約５．０ｃｍ－１となり、分光波長精度δλは約０．０２ｎｍとなることを示している。１００ｎｍという計測誤差δＬは、本実施形態に係る光学デバイス１を用いることで、容易に達成できる。そうすると、図１１および図１２の結果から、分析光Ｌ１としてより短波長の光を用いても、前述した波数分解能Δνやそこから計算される波長分解能に比べて、少なくとも同等程度の分光波数精度δνおよび分光波長精度δλが得られることがわかる。よって、本実施形態に係る光学デバイス１を用いて計測誤差δＬを小さくすることにより、分析光Ｌ１の波長によらず、換言すれば、様々な波長の分析光Ｌ１を用いても、分光波数精度δνおよび分光波長精度δλを維持または向上させることができる。
【0094】
図１３は、移動ミラー３３の位置の計測間隔Δｘとスペクトルパターンにおける最大計測波数および最小計測波長との関係を示すグラフである。図１３に示すように、計測間隔Δｘが小さいほど、最大計測波数は大きく、最小計測波長が短くなる。したがって、計測間隔Δｘを小さくすることにより、より広い波数範囲（波長範囲）のスペクトルパターンを取得することができるようになる。なお、安定した計測間隔Δｘを実現するためには、計測誤差Δｄが計測間隔Δｘの１／１０以下であることが好ましい。そうすると、前述した１ｎｍオーダーの計測誤差Δｄは、図１３に照らすと、計測間隔Δｘ＝１０ｎｍを実現可能な計測精度であるといえる。
以上のような第２実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。
以上のような第２実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。
【0095】
５．第３実施形態
次に、第３実施形態に係る光学デバイスおよび分光装置について説明する。
次に、第３実施形態に係る光学デバイスおよび分光装置について説明する。
【0096】
【0097】
以下、第３実施形態について説明するが、以下の説明では、第２実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。
【0098】
【0099】
図１４に示す光変調器４４４は、振動素子４４６を有する。振動素子４４６は、駆動信号Ｓｄにより振動する。振動素子４４６としては、例えば、水晶振動子、シリコン振動子、セラミック振動子、ピエゾ素子等が挙げられる。このうち、振動素子４４６は、水晶振動子、シリコン振動子またはセラミック振動子であるのが好ましい。これらの振動子は、その他の振動子、例えばピエゾ素子等とは異なり、機械共振現象を利用した振動子であるため、Ｑ値が高く、固有振動数の安定化を容易に図ることができる。
【0100】
また、振動素子４４６を有する光変調器４４４は、ＡＯＭやＥＯＭを有する光変調器に比べて、体積や重量を大きく削減することができる。このため、光学デバイス１の小型化、軽量化および低消費電力化を図ることができる。
【0101】
なお、光変調器４４４としては、例えば、特開２０２２－３８１５６号公報に開示されている光変調器が挙げられる。この公報には、振動素子として水晶ＡＴ振動子が挙げられている。また、振動素子４４６には、ＳＣカット水晶振動子、音叉型水晶振動子、水晶表面弾性波素子等が用いられてもよい。
【0102】
シリコン振動子は、単結晶シリコン基板からＭＥＭＳ技術を用いて製造される単結晶シリコン片と、圧電膜と、を備える振動子である。ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）は、微小電気機械システムのことである。単結晶シリコン片の形状としては、例えば、２脚音叉型、３脚音叉型等の片持ち梁形状、両持ち梁形状等が挙げられる。シリコン振動子の発振周波数は、例えば１ｋＨｚから数１００ＭＨｚ程度である。
【0103】
セラミック振動子は、圧電セラミックスを焼き固めて製造される圧電セラミック片と、電極と、を備える振動子である。圧電セラミックスとしては、例えば、チタン酸ジルコニウム酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸バリウム（ＢＴＯ）等が挙げられる。セラミック振動子の発振周波数は、例えば数１００ｋＨｚから数１０ＭＨｚ程度である。
【0104】
図１４および図１５に示す信号生成部８は、発振回路８１を備えている。発振回路８１は、振動素子４４６を信号源として動作し、精度の高い周期信号を生成する。図１４および図１５に示す信号生成部８では、発振回路８１で生成された周期信号を、駆動信号Ｓｄおよび基準信号Ｓｓとして出力する。これにより、駆動信号Ｓｄおよび基準信号Ｓｓは、外乱を受けた場合、互いに同じ影響を受けることになる。そうすると、駆動信号Ｓｄにより駆動された光変調器４４４を介して付加される第２変調信号、および、基準信号Ｓｓも、互いに同じ影響を受ける。このため、第２変調信号を含む第２受光信号Ｓ２および基準信号Ｓｓが、演算装置７における演算に供されたとき、演算の過程で、双方が含む外乱の影響を互いに相殺または低減させることができる。その結果、演算装置７では、外乱を受けても、移動ミラー３３の位置を精度よく求めることができる。また、分光装置１００の小型化、軽量化、低消費電力化を図ることができる。
【0105】
【0106】
図１６に示す振動素子４４６は、板形状の振動片４３１と、振動片４３１に設けられた回折格子４３４と、を備えている。
【0107】
振動片４３１は、電位を加えることにより、面に沿う方向に歪むように振動するモードを繰り返す材料で構成されている。図１６に示す振動片４３１は、ＭＨｚ帯の高周波領域で、振動方向４３６に沿って厚みすべり振動する水晶ＡＴ振動子である。また、振動片４３１の表面には、回折格子４３４が設けられている。回折格子４３４は、振動方向４３６と交差する成分を持つ溝４３２、すなわち、振動方向４３６と交差する方向に延在する直線状の複数の溝４３２を有している。
【0108】
振動片４３１は、互いに表裏の関係を有する表面４３１１および裏面４３１２を有している。表面４３１１には、回折格子４３４が配置されている。また、表面４３１１には、振動片４３１に電位を加えるためのパッド４３３が設けられている。一方、裏面４３１２にも、振動片４３１に電位を加えるためのパッド４３５が設けられている。
【0109】
振動片４３１の大きさは、例えば、長辺が０．５０ｍｍ以上１０．０ｍｍ以下程度とされる。また、振動片４３１の厚さは、例えば、０．１０ｍｍ以上２．０ｍｍ以下程度とされる。一例として、振動片４３１の形状は、１辺が１．６ｍｍの正方形とされ、その厚さは０．３５ｍｍとされる。
【0110】
回折格子４３４の大きさは、例えば、長辺が０．２０ｍｍ以上３．０ｍｍ以下程度とされる。また、回折格子４３４の厚さは、例えば、０．００３ｍｍ以上０．５ｍｍ以下程度とされる。
【0111】
本実施形態では、振動片４３１が厚みすべり振動するが、この振動は、図１６に振動方向４３６として示すように、面内振動であることから、振動片４３１単体の表面に対して垂直に光を入射しても、光変調はできない。そこで、振動素子４４６では、振動片４３１に回折格子４３４を設けることにより、光変調を可能にしている。
【0112】
図１６に示す回折格子４３４は、一例としてブレーズド回折格子である。ブレーズド回折格子とは、回折格子の断面形状が階段状になっているものをいう。なお、回折格子４３４の形状は、これに限定されない。
【0113】
図１７は、図１４に示す振動素子４４６の他の構成例を示す斜視図である。なお、図１７では、互いに直交する３つの軸として、Ａ軸、Ｂ軸およびＣ軸を設定し、矢印で示している。矢印の先端側を「プラス」とし、矢印の基端側を「マイナス」とする。また、例えば、Ａ軸のプラス側およびマイナス側の両方向を「Ａ軸方向」という。Ｂ軸方向およびＣ軸方向もそれぞれ同様である。
【0114】
図１７に示す振動素子４４６は、音叉型水晶振動子である。図１７に示す振動素子４４６は、基部４０１と、第１振動腕４０２および第２振動腕４０３とを有する振動基板を有する。このような音叉型水晶振動子は、製造技術が確立されているため、容易に入手可能であり、かつ、発振も安定している。このため、音叉型水晶振動子は、振動素子４４６として好適である。また、振動素子４４６は、振動基板に設けられた、電極４０４、４０５および光反射面４０６を有する。
【0115】
基部４０１は、Ａ軸に沿って延在する部位である。第１振動腕４０２は、基部４０１のＡ軸マイナス側の端部からＢ軸プラス側に向かって延びる部位である。第２振動腕４０３は、基部４０１のＡ軸プラス側の端部からＢ軸プラス側に向かって延びる部位である。
【0116】
電極４０４は、第１振動腕４０２および第２振動腕４０３のうち、Ａ－Ｂ面と平行な側面に設けられている導電膜である。なお、図１７には図示していないが、電極４０４は、互いに対向する側面にそれぞれ設けられ、互いに極性が異なるように電圧が印加されることで、第１振動腕４０２を駆動する。
【0117】
電極４０５は、第１振動腕４０２および第２振動腕４０３のうち、Ａ－Ｂ面と交差する側面に設けられている導電膜である。なお、図１７には図示していないが、電極４０５も、互いに対向する側面にそれぞれ設けられ、互いに極性が異なるように電圧が印加されることで、第２振動腕４０３を駆動する。
【0118】
光反射面４０６は、第１振動腕４０２および第２振動腕４０３のうち、Ａ－Ｂ面と交差する側面に設定され、測長光Ｌ２ａを反射する機能を有する。側面とは、第１振動腕４０２および第２振動腕４０３の延在方向に沿って広がる面のことを指す。図１７に示す光反射面４０６は、第１振動腕４０２の側面のうち、特に、電極４０５の表面に設定されている。第１振動腕４０２に設けられた電極４０５は、光反射面４０６としての機能も有している。なお、電極４０５とは別に、図示しない光反射膜を設けるようにしてもよい。
【0119】
音叉型水晶振動子には、水晶基板から切り出された水晶片を用いる。音叉型水晶振動子の製造に用いられる水晶基板としては、例えば、水晶Ｚカット平板等が挙げられる。図１７には、Ａ軸と平行なＸ軸、Ｂ軸と平行なＹ’軸、Ｃ軸と平行なＺ’軸を設定している。水晶Ｚカット平板は、例えば、Ｘ軸が電気軸、Ｙ’軸が機械軸、Ｚ’軸が光軸となるように、水晶の単結晶から切り出された基板である。具体的には、Ｘ軸、Ｙ’軸およびＺ’軸からなる直交座標系において、Ｘ軸まわりに、Ｘ軸およびＹ’軸からなるＸ－Ｙ’平面を反時計方向に約１°から５°傾けた主面を持つ基板が、水晶の単結晶から切り出され、水晶基板として好ましく用いられる。そして、このような水晶基板をエッチングすることにより、図１７に示す振動素子４４６に用いられる水晶片が得られる。エッチングは、ウェットエッチングであっても、ドライエッチングであってもよい。
【0120】
一方、光反射面４０６を、電極４０４の表面に設定してもよい。この場合、音叉型水晶振動子が面外振動するように、例えば、面外振動するスプリアスを励振するように、各電極に印加する信号を調整すればよい。
【0121】
６．第３実施形態の第１変形例
次に、第３実施形態の第１変形例に係る光学デバイスおよび分光装置について説明する。
次に、第３実施形態の第１変形例に係る光学デバイスおよび分光装置について説明する。
【0122】
図１８は、第３実施形態の第１変形例に係る分光装置１００が備える分析光学系３、測長光学系４、信号生成部８および演算装置７の各主要部を示す模式図である。
【0123】
【0124】
図１８に示す信号生成部８は、ファンクションジェネレーター８２を備える。ファンクションジェネレーター８２は、高精度な波形、すなわち高安定で低ジッターの信号を出力する信号発生器である。したがって、図１８に示す信号生成部８は、より高精度の駆動信号Ｓｄおよび基準信号Ｓｓを出力することができ、最終的に、演算装置７において移動ミラー３３の位置をより精度よく求めることができる。なお、ファンクションジェネレーター８２は、シグナルジェネレーターであってもよい。
以上のような第１変形例においても、第３実施形態と同様の効果が得られる。
以上のような第１変形例においても、第３実施形態と同様の効果が得られる。
【0125】
７．第３実施形態の第２変形例
次に、第３実施形態の第２変形例に係る分光装置について説明する。
次に、第３実施形態の第２変形例に係る分光装置について説明する。
【0126】
図１９は、第３実施形態の第２変形例に係る分光装置１００が備える分析光学系３、測長光学系４、信号生成部８および演算装置７の各主要部を示す模式図である。
【0127】
【0128】
【0129】
７．１．信号生成部
まず、図１９に示す信号生成部８について説明する。
まず、図１９に示す信号生成部８について説明する。
【0130】
７．１．１．信号生成部の構成
電圧制御発振器８３は、ＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator）であり、入力される電圧信号に基づいて、出力される周期信号の周波数を制御する機能を有する。これにより、電圧制御発振器８３は、目的とする周波数の基準信号Ｓｓを生成し、増幅器８４および演算装置７に向けて出力する。なお、電圧制御発振器８３は、出力される周期信号の周波数を調整可能な発振器であれば、ＶＣＯに限定されない。
電圧制御発振器８３は、ＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator）であり、入力される電圧信号に基づいて、出力される周期信号の周波数を制御する機能を有する。これにより、電圧制御発振器８３は、目的とする周波数の基準信号Ｓｓを生成し、増幅器８４および演算装置７に向けて出力する。なお、電圧制御発振器８３は、出力される周期信号の周波数を調整可能な発振器であれば、ＶＣＯに限定されない。
【0131】
増幅器８４は、入力される制御信号に基づいて、出力される周期信号の振幅を制御する機能を有する。これにより、増幅器８４は、入力される基準信号Ｓｓを増幅し、目的とする振幅の駆動信号Ｓｄを生成し、光変調器４４４に向けて出力する。
【0132】
補正処理部８５には、図１９に示すように、電圧制御発振器８３から出力された基準信号Ｓｓ、および、光変調器４４４の駆動に対応して出力される出力信号Ｓｍが入力される。また、補正処理部８５は、電圧制御発振器８３に向けて周波数制御信号Ｓｆ１（補正信号）を出力する。さらに、補正処理部８５は、増幅器８４に向けて増幅率制御信号Ｓａｍ（補正信号）を出力する。
【0133】
補正処理部８５は、例えばＦＰＧＡ等に実装され、光変調器４４４の近傍に配置されることが好ましい。これにより、光変調器４４４と補正処理部８５との物理的距離を短くすることができ、例えば電磁ノイズの影響による出力信号ＳｍのＳ／Ｎ比の低下を抑制することができる。
【0134】
図２０は、図１９に示す模式図のうち、補正処理部８５について詳細に示す図である。
光変調器４４４からの出力信号Ｓｍは、図２０に示すオフセット除去部８５１に入力される。オフセット除去部８５１は、ＤＣ（直流）成分を除去し、ＡＣ（交流）成分を取り出す機能を有する。オフセット除去部８５１を経た出力信号Ｓｍは、補正処理部８５に入力される。
光変調器４４４からの出力信号Ｓｍは、図２０に示すオフセット除去部８５１に入力される。オフセット除去部８５１は、ＤＣ（直流）成分を除去し、ＡＣ（交流）成分を取り出す機能を有する。オフセット除去部８５１を経た出力信号Ｓｍは、補正処理部８５に入力される。
【0135】
電圧制御発振器８３からの基準信号Ｓｓは、図２０に示すオフセット除去部８５２に入力される。オフセット除去部８５２は、ＤＣ（直流）成分を除去し、ＡＣ（交流）成分を取り出す機能を有する。オフセット除去部８５２を経た基準信号Ｓｓは、補正処理部８５および直交信号発生部７２３に入力される。
【0136】
図２０に示す補正処理部８５は、絶対値演算器８５３と、乗算器８５４と、乗算器８５５と、ローパスフィルター８５６と、ローパスフィルター８５７と、振幅ゲイン設定部８５８と、周波数設定部８５９と、を備えている。
【0137】
絶対値演算器８５３は、オフセット除去部８５１を通過した出力信号Ｓｍの絶対値を算出する。
【0138】
乗算器８５４、８５５は、２つの入力信号の積に比例した信号を出力する回路である。このうち、乗算器８５４では、２つの入力信号がいずれも出力信号Ｓｍである。このため、乗算器８５４は、出力信号Ｓｍの２乗に比例した信号を出力する。一方、乗算器８５５では、２つの入力信号が、出力信号Ｓｍおよび基準信号Ｓｓである。このため、乗算器８５５は、出力信号Ｓｍと基準信号Ｓｓの積に比例した信号を出力する。
【0139】
乗算器８５４、８５５は、例えば、ギルバートセルのような素子を用いてもよいし、入力される２つの信号をオペアンプ等で対数変換した後、加減算を行い、その後、逆対数変換を行う回路であってもよい。
【0140】
ローパスフィルター８５６、８５７は、入力信号について高域の周波数帯の信号をカットするフィルターである。ローパスフィルター８５６、８５７の透過周波数帯域は、駆動信号Ｓｄの周波数の２倍以上を除去できる帯域であればよく、駆動信号Ｓｄの周波数以上を除去できる帯域であるのが好ましい。
【0141】
乗算器８５４から出力され、ローパスフィルター８５６を通過した信号は、後述するように、出力信号Ｓｍの振幅に対応した値を持つ信号となる。振幅ゲイン設定部８５８は、この信号に基づいて、駆動信号Ｓｄに設定されるべき振幅（目標振幅）を求める機能を有する。そして、振幅ゲイン設定部８５８は、駆動信号Ｓｄの振幅が目標振幅になるように、信号生成部８の増幅器８４に設定すべきゲイン（増幅率）の制御を行う。制御ロジックとしては、例えば、ＰＩ制御やＰＩＤ制御のようなフィードバック制御が挙げられる。振幅ゲイン設定部８５８は、設定すべきゲインに対応する増幅率制御信号Ｓａｍを増幅器８４に向けて出力する。
【0142】
増幅器８４では、増幅率制御信号Ｓａｍに基づいて、駆動信号Ｓｄの振幅を増幅する。これにより、駆動信号Ｓｄの振幅が補正される。
【0143】
乗算器８５５から出力され、ローパスフィルター８５７を経て周波数設定部８５９に入力される信号は、後述するように、出力信号Ｓｍと基準信号Ｓｓとの位相差に対応した値を持つ信号となる。ここで、出力信号Ｓｍの位相は、駆動信号Ｓｄの位相に対応している。また、駆動信号Ｓｄの位相は、基準信号Ｓｓの位相に対応している。そこで、周波数設定部８５９は、基準信号Ｓｓに設定されるべき周波数（目標周波数）を求める機能を有する。そして、周波数設定部８５９は、基準信号Ｓｓの周波数が目標周波数になるように、信号生成部８の電圧制御発振器８３に設定すべき電圧の制御を行う。制御ロジックとしては、例えば、ＰＩ制御やＰＩＤ制御のようなフィードバック制御が挙げられる。周波数設定部８５９は、設定すべき周波数に対応する周波数制御信号Ｓｆ１を電圧制御発振器８３に向けて出力する。
【0144】
電圧制御発振器８３では、周波数制御信号Ｓｆ１に対応する周波数の基準信号Ｓｓを発生させる。これにより、基準信号Ｓｓの周波数が補正される。また、これにより、駆動信号Ｓｄの周波数も補正される。
【0145】
７．１．２．光変調器からの出力信号の取得
図２１は、光変調器４４４からの出力信号Ｓｍを取得する回路の一例を示す図である。
図２１は、光変調器４４４からの出力信号Ｓｍを取得する回路の一例を示す図である。
【0146】
出力信号Ｓｍは、光変調器４４４が備える振動素子４４６に流れる電流を検出して得られる信号であってもよく、振動素子４４６に印加される電圧を検出して得られる信号であってもよい。例えば、振動素子４４６に流れる電流を検出して得られる信号を出力信号Ｓｍとする場合、図２１に示すように、振動素子４４６に流れる電流値を、電流シャントモニター４３９を用いて検出する。図２１に示す電流シャントモニター４３９は、シャント抵抗４３９１およびオペアンプ４３９２を備え、振動素子４４６に流れる電流値を電圧値に変換して検出する。これにより、電圧信号である出力信号Ｓｍが得られる。得られた出力信号Ｓｍは、デジタル信号に変換され、補正処理部８５に向けて出力される。
【0147】
なお、振動素子４４６に流れる電流を検出する方法としては、上記の方法以外に、ホール素子を用いる方法、電流路にコイルを巻いて起電力を検出する方法等が挙げられる。
【0148】
７．１．３．補正処理
次に、補正処理部８５における補正処理について説明する。補正処理とは、補正処理部８５から出力される補正信号に基づいて、電圧制御発振器８３および増幅器８４の設定値を変更し、駆動信号Ｓｄおよび基準信号Ｓｓを補正することをいう。
次に、補正処理部８５における補正処理について説明する。補正処理とは、補正処理部８５から出力される補正信号に基づいて、電圧制御発振器８３および増幅器８４の設定値を変更し、駆動信号Ｓｄおよび基準信号Ｓｓを補正することをいう。
【0149】
光変調器４４４からの出力信号Ｓｍが例えば電圧信号である場合、オフセット除去部８５１を通過する前の出力信号Ｓｍは、下記式（ＩＩ）で表される。
【0150】
【数2】
【0151】
上記式（ＩＩ）において、ＶＱＯＭは、出力信号Ｓｍの電圧値である。また、Ａｍは、出力信号Ｓｍの振幅に対応する係数であり、αｍ１は、出力信号Ｓｍの基準信号Ｓｓに対する位相差であり、－π／２＜αｍ１＜π／２を満たす。さらに、ＯＱＯＭは、出力信号ＳｍのＤＣ成分である。
【0152】
そうすると、オフセット除去部８５１を通過した後の出力信号Ｓｍは、下記式（ＩＩ－１）で表される。
【0153】
【数3】
【0154】
一方、オフセット除去部８５２を通過する前の基準信号Ｓｓは、下記式（ＩＩＩ）で表される。
【0155】
【数4】
【0156】
上記式（ＩＩＩ）において、ＶＯＳＣは、基準信号Ｓｓの電圧値である。また、ｖＯＳＣは、基準信号Ｓｓの振幅に対応する係数であり、ＯＯＳＣは、基準信号ＳｓのＤＣ成分である。
【0157】
そうすると、オフセット除去部８５２を通過した後の基準信号Ｓｓは、下記式（ＩＩＩ－１）で表される。
【0158】
【数5】
【0159】
オフセット除去部８５１を通過した出力信号Ｓｍは、２つに分割される。そして、一方の出力信号Ｓｍは、絶対値演算器８５３を経た後、乗算器８５４で２乗された結果、下記式（ＩＩ－２）で表される。
【0160】
【数6】
【0161】
その後、ローパスフィルター８５６を通過することにより、上記式（ＩＩ－２）の右辺第１項のみが取り出される。これにより、ローパスフィルター８５６を通過した後の出力信号Ｓｍは、下記式（ＩＩ－３）で表される。
【0162】
【数7】
【0163】
上記式（ＩＩ－３）で表されるように、振幅ゲイン設定部８５８に入力される入力信号ＶＱＯＭ
２は、時間変化がない信号となる。そこで、振幅ゲイン設定部８５８では、上記式（ＩＩ－３）で表される出力信号Ｓｍについて、目標とする係数Ａｍを上記式（ＩＩ－３）に代入した値を制御目標値としてフィードバック制御を行う。そして、制御目標値に対応する増幅率制御信号Ｓａｍを信号生成部８の増幅器８４に向けて出力する。これにより、増幅器８４における振幅のゲインを変化させ、駆動信号Ｓｄの振幅を目標とする振幅に補正することができる。
【0164】
２つに分割された他方の出力信号Ｓｍには、乗算器８５５で基準信号Ｓｓが乗算される。これにより、乗算器８５５から出力される信号は、下記式（ＩＶ）で表される。
【0165】
【数8】
【0166】
その後、ローパスフィルター８５７を通過することにより、上記式（ＩＶ）の右辺第１項のみが取り出される。これにより、ローパスフィルター８５７を通過した後の出力信号Ｓｍは、下記式（ＩＶ－２）で表される。
【0167】
【数9】
【0168】
上記式（ＩＶ－２）で表されるように、周波数設定部８５９に入力される入力信号ＶＱＯＭ・ＶＯＳＣは、右辺に係数Ａｍ、係数ｖＯＳＣおよび位相差αｍ１を含む信号である。このうち、係数ｖＯＳＣは、既知である。一方、係数Ａｍは、０＜Ａｍを満たし、上記のように目標とする係数Ａｍに収束するように制御される。このため、入力信号ＶＱＯＭ・ＶＯＳＣも、時間変化がない信号となる。そこで、周波数設定部８５９では、例えば、目標とする位相差αｍ１を上記式（ＩＶ－２）に代入した値を制御目標値としてフィードバック制御を行う。そして、制御目標値に対応する周波数制御信号Ｓｆ１を信号生成部８の電圧制御発振器８３に向けて出力する。これにより、電圧制御発振器８３から出力される基準信号Ｓｓの周波数を変化させ、基準信号Ｓｓの周波数を目標とする周波数に補正することができる。また、駆動信号Ｓｄの周波数も目標とする周波数に補正することができる。
【0169】
なお、目標とする位相差αｍ１は、例えば、機械的共振周波数で振動する振動素子４４６において、駆動信号Ｓｄと出力信号Ｓｍとの位相差の関係に基づいて決定できる。具体的には、このような振動素子４４６では、入力される駆動信号Ｓｄに対し、出力信号Ｓｍの位相が約９０［ｄｅｇ］遅れることが知られている。また、出力信号Ｓｍが補正処理部８５に入力されるまでの過程では、位相遅延δ［ｄｅｇ］が発生する場合がある。これらを考慮すると、目標とする位相差αｍ１は、例えば９０＋δ［ｄｅｇ］とできる。位相遅延δは、実験やシミュレーションにより求めることができる。
【0170】
なお、温度変化等が生じると、機械的共振周波数が変化するとともに、振動素子４４６に入力された電力を振動に変換する効率が変化する場合がある。この変換効率が変化すると、振動素子４４６の振動の振幅が変化することになる。そこで、補正処理では、まず、基準信号Ｓｓの周波数および駆動信号Ｓｄの周波数の補正を優先して行う。その後、必要に応じて、駆動信号Ｓｄの振幅を補正する。このような順序で補正処理を実行することにより、前述した周波数と振幅をそれぞれ目的とする値に効率よく制御することができる。
【0171】
また、上述した周波数設定部８５９での制御を踏まえると、振幅ゲイン設定部８５８に入力される信号の制御を、周波数設定部８５９に入力される信号の制御よりも早く収束させることが望ましい。これにより、周波数設定部８５９における目標制御値の不安定化が抑制されるため、補正処理が不安定になるのを抑制することができる。
【0172】
なお、振幅ゲイン設定部８５８および周波数設定部８５９は、それぞれ、例えばＰＩＤ制御のようなフィードバック制御動作を行うようにオペアンプ等を組み合わせて構築される。この場合、振幅ゲイン設定部８５８に入力される信号の制御を、周波数設定部８５９に入力される信号の制御よりも早く収束させるためには、振幅ゲイン設定部８５８の動作における制御ループの開ループ伝達関数の交差周波数を、周波数設定部８５９の動作における制御ループの開ループ伝達関数の交差周波数よりも高く設定しておけばよい。
【0173】
以上のような補正処理を行うことにより、次のような効果が得られる。
振動素子４４６の機械的共振周波数が、周囲の温度変化、重力変化、振動、ノイズ等、外乱の影響を受けて変化した場合、振動素子４４６の振動の周波数や振幅が変化し、第２変調信号のＳ／Ｎ比が低下する。これにより、移動ミラー３３の変位信号の復調精度が低下するおそれがある。
振動素子４４６の機械的共振周波数が、周囲の温度変化、重力変化、振動、ノイズ等、外乱の影響を受けて変化した場合、振動素子４４６の振動の周波数や振幅が変化し、第２変調信号のＳ／Ｎ比が低下する。これにより、移動ミラー３３の変位信号の復調精度が低下するおそれがある。
【0174】
これに対し、上記のような補正処理を行うことにより、温度変化等の外乱が加わった場合でも、振動素子４４６の振動の周波数および振幅をそれぞれ一定に維持することができる。つまり、温度変化等の外乱が加わった場合でも、振動素子４４６の振動の周波数や振幅が変化しないように補正することができる。これにより、第２変調信号のＳ／Ｎ比の低下を抑制することができる。その結果、温度変化等の外乱が加わった場合でも、演算装置７における前処理や復調処理の精度を高めることができ、移動ミラー３３の位置の計測誤差Δｄを抑制することができる。
【0175】
また、発振回路による駆動とは異なり、温度変化等の外乱が加わって機械的共振周波数が変化した場合でも、駆動信号Ｓｄの周波数を追従させることができるので、振動素子４４６の機械的共振周波数の近傍で振動素子４４６を駆動し続けることができる。これにより、振動素子４４６の駆動効率が高まるため、光学デバイス１の低消費電力化を図ることができる。
【0176】
７．２．演算装置
次に、図１９に示す演算装置７について説明する。
次に、図１９に示す演算装置７について説明する。
【0177】
図１９に示す演算装置７は、移動ミラー位置演算部７２、光強度演算部７４およびフーリエ変換部７６を有する。さらに、移動ミラー位置演算部７２は、前処理部７２２、直交信号発生部７２３、復調処理部７２４、および、移動ミラー位置信号出力部７２６を有する。
【0178】
直交信号発生部７２３は、信号生成部８から出力された基準信号Ｓｓおよび前処理部７２２から出力された信号に基づいて、互いに直交する波形である余弦波信号および正弦波信号を生成する機能を有する。なお、以下の説明では、余弦波信号および正弦波信号を併せて直交信号ともいう。また、生成した直交信号は、復調処理部７２４において復調処理に用いられる。さらに、余弦波信号は、前処理部７２２にフィードバックされ、前処理部７２２から出力される信号の位相を調整する。これにより、位相のずれに伴う復調処理の精度低下が抑制され、移動ミラー３３の位置の計測誤差Δｄを抑制することができる。
【0179】
なお、直交信号発生部７２３は、必要に応じて設けられればよく、省略されていてもよい。その場合、基準信号Ｓｓおよびその位相をπ／２だけシフトさせた信号を、直交信号として用いればよい。
【0180】
８．第３実施形態の第３変形例
次に、第３実施形態の第３変形例に係る分光装置について説明する。
次に、第３実施形態の第３変形例に係る分光装置について説明する。
【0181】
図２２は、第３実施形態の第３変形例に係る分光装置が備える分析光学系３、測長光学系４、信号生成部８および演算装置７の各主要部を示す模式図である。図２３は、図２２に示す模式図のうち、信号生成部８について詳細に示す図である。
【0182】
【0183】
図２２に示す信号生成部８は、数値制御発振器８６、増幅器８４および補正処理部８５を備える。このうち、補正処理部８５は、図２３に示すように、乗算器８７１、８７２と、ローパスフィルター８７３と、ローパスフィルター８７４と、振幅位相演算部８７５と、周波数設定部８７６と、振幅ゲイン設定部８７７と、を備える。
【0184】
８．１．信号生成部
図２３に示す信号生成部８について説明する。
図２３に示す信号生成部８について説明する。
【0185】
数値制御発振器８６は、正弦波や余弦波の１周期分の数値を収容したＲＯＭテーブルから、規則的なクロック間隔で加算されるアドレスのデータを読み出すことにより、正弦波や余弦波等の周期信号を発生させる。これにより、数値制御発振器８６は、目的とする周波数の基準信号Ｓｓを高精度に生成し、ＤＡＣ８９に向けて出力する。ＤＡＣ８９は、デジタル－アナログ変換器であり、入力されたデジタルの基準信号Ｓｓに基づいて、アナログの基準信号Ｓｓを生成する。
【0186】
図２３に示す数値制御発振器８６は、累積加算器８６１と、絶対値演算器８６５と、ローパスフィルター８６６と、位相量設定部８６７と、加算器８６２と、第１周期信号発生器８６３と、第２周期信号発生器８６４と、を備える。
【0187】
累積加算器８６１は、補正処理部８５の周波数設定部８７６から出力された周波数制御信号Ｓｆ２を累積加算する。周波数制御信号Ｓｆ２は、後述するが、基準信号Ｓｓに設定されるべき周波数に対応する、単位時間ステップあたりの位相進み量である。累積加算器８６１では、この位相進み量を累積して加算し、累積加算値を算出する。得られた累積加算値を第１周期信号発生器８６３に向けて出力する。
【0188】
第１周期信号発生器８６３は、正弦波および余弦波の１周期分の数値を収容したＲＯＭ（Read Only Memory）を含む。第１周期信号発生器８６３では、累積加算値に該当するアドレスの数値が読み出される。これにより、周波数制御信号Ｓｆ２に応じた周波数の正弦波信号および余弦波信号を発生させることができる。余弦波信号は、基準信号ＳｓとしてＤＡＣ８９および補正処理部８５の乗算器８７１に向けてそれぞれ出力される。正弦波信号は、基準信号Ｓｓ’として補正処理部８５の乗算器８７２に向けて出力される。
【0189】
絶対値演算器８６５は、前処理部７２２から出力された前処理済み信号Ｓ（ｔ）の絶対値を算出する。算出結果は、ローパスフィルター８６６を介して位相量設定部８６７に入力される。
【0190】
位相量設定部８６７では、前述したように、加算器８６２で累積加算値に加算すべき位相量ａを設定する。加算器８６２では、累積加算値と位相量ａとの和を算出する。得られた累積加算値と位相量ａとの和を第２周期信号発生器８６４に向けて出力する。
【0191】
第２周期信号発生器８６４は、正弦波および余弦波の１周期分の数値を収容したＲＯＭ（Read Only Memory）から、累積加算値と位相量ａとの和に該当するアドレスの数値を読み出す。これにより、周波数制御信号Ｓｆ２に応じた周波数で、位相量ａの位相オフセットが加わった正弦波信号ｓｉｎ（θｍ（ｔ））および余弦波信号ｃｏｓ（θｍ（ｔ））を発生させることができる。余弦波信号ｃｏｓ（θｍ（ｔ））は、前処理部７２２および後述する復調処理部７２４に向けて出力され、正弦波信号ｓｉｎ（θｍ（ｔ））は、復調処理部７２４に向けて出力される。
【0192】
以上、数値制御発振器８６の構成例について説明したが、数値制御発振器８６の構成は、上記に限定されない。
【0193】
８．２．補正処理部
補正処理部８５には、図２２に示すように、光変調器４４４の駆動に対応して出力される出力信号Ｓｍが入力される。補正処理部８５では、直交検波により、出力信号Ｓｍと基準信号Ｓｓとの位相差、および、出力信号Ｓｍの振幅を取得する。
補正処理部８５には、図２２に示すように、光変調器４４４の駆動に対応して出力される出力信号Ｓｍが入力される。補正処理部８５では、直交検波により、出力信号Ｓｍと基準信号Ｓｓとの位相差、および、出力信号Ｓｍの振幅を取得する。
【0194】
また、補正処理部８５は、数値制御発振器８６に向けて周波数制御信号Ｓｆ２（補正信号）を出力する機能、および、増幅器８４に向けて増幅率制御信号Ｓａｍ（補正信号）を出力する機能を有する。
【0195】
光変調器４４４からの出力信号Ｓｍは、デジタル信号に変換された後、図２３に示すように、２つに分割される。そして、一方の出力信号Ｓｍは、乗算器８７１で基準信号Ｓｓと乗算される。乗算器８７１から出力された信号は、ローパスフィルター８７３を通過することにより、信号Ｉとして振幅位相演算部８７５に入力される。他方の出力信号Ｓｍは、乗算器８７２で基準信号Ｓｓ’と乗算される。乗算器８７２から出力された信号は、ローパスフィルター８７４を通過することにより、信号Ｑとして振幅位相演算部８７５に入力される。
【0196】
ローパスフィルター８７３およびローパスフィルター８７４の透過周波数帯域は、駆動信号Ｓｄの周波数以上を除去できる帯域であるのが好ましい。
【0197】
振幅位相演算部８７５は、ａｔａｎ（Ｑ／Ｉ）の演算を行い、出力信号Ｓｍの位相を算出する。振幅位相演算部８７５は、出力信号Ｓｍと基準信号Ｓｓとの位相差を周波数設定部８７６に向けて出力する。また、振幅位相演算部８７５は、（Ｉ２＋Ｑ２）１／２の演算を行い、出力信号Ｓｍの振幅を算出する。振幅位相演算部８７５は、算出した振幅を振幅ゲイン設定部８７７に向けて出力する。振幅位相演算部８７５には、例えば、復調回路であるＣＯＲＤＩＣ（COordinate Rotation DIgital Computer）が用いられるが、これに限定されない。
【0198】
周波数設定部８７６は、基準信号Ｓｓの目標周波数を求める機能を有する。そして、周波数設定部８７６は、基準信号Ｓｓの周波数が目標周波数になるように、周波数制御信号Ｓｆ２の制御を行い、数値制御発振器８６に向けて周波数制御信号Ｓｆ２を出力する。
【0199】
数値制御発振器８６では、周波数制御信号Ｓｆ２に基づいて、基準信号Ｓｓを発生させる。これにより、基準信号Ｓｓの周波数が補正される。
【0200】
振幅ゲイン設定部８７７は、駆動信号Ｓｄの目標振幅を求める機能を有する。そして、振幅ゲイン設定部８７７は、駆動信号Ｓｄの振幅が目標振幅になるように、増幅率制御信号Ｓａｍの制御を行い、増幅器８４に向けて増幅率制御信号Ｓａｍを出力する。
【0201】
増幅器８４では、増幅率制御信号Ｓａｍに基づいて、駆動信号Ｓｄの振幅を増幅する。これにより、駆動信号Ｓｄの振幅が補正される。
【0202】
以上のような補正処理を行うことにより、次のような効果が得られる。
温度変化等の外乱が加わった場合でも、振動素子４４６の機械的共振周波数や振動振幅の変化に駆動信号Ｓｄの周波数や振幅を追従させることができる。これにより、振動素子４４６の振動の周波数および振幅を一定に維持することができる。その結果、第２変調信号のＳ／Ｎ比の低下を抑制することができる。その結果、外乱が加わった場合でも、移動ミラー３３の位置の計測誤差Δｄを抑制することができる。
温度変化等の外乱が加わった場合でも、振動素子４４６の機械的共振周波数や振動振幅の変化に駆動信号Ｓｄの周波数や振幅を追従させることができる。これにより、振動素子４４６の振動の周波数および振幅を一定に維持することができる。その結果、第２変調信号のＳ／Ｎ比の低下を抑制することができる。その結果、外乱が加わった場合でも、移動ミラー３３の位置の計測誤差Δｄを抑制することができる。
【0203】
また、発振回路による駆動とは異なり、振動素子４４６の機械的共振周波数の近傍で振動素子４４６を駆動することができるので、光学デバイス１の低消費電力化を図ることができる。
【0204】
また、補正処理部８５では、直交検波により、出力信号Ｓｍと基準信号Ｓｓとの位相差、および、出力信号Ｓｍの振幅を取得する。直交検波によれば、位相差および振幅を瞬時に取得することができる。このため、補正処理をリアルタイムに行うことができる。
【0205】
また、数値制御発振器８６では、ＲＯＭテーブルから読み出した数値に基づいて周期信号を発生させることができる。このため、数値制御発振器８６では、ノイズ等の影響を受けることなく、高精度の基準信号Ｓｓ、Ｓｓ’、ならびに、高精度の余弦波信号ｃｏｓ（θｍ（ｔ））および正弦波信号ｓｉｎ（θｍ（ｔ））を出力することができる。これにより、演算装置７における前処理や復調処理の精度を特に高めることができる。
【0206】
【0207】
以下、第４実施形態について説明するが、以下の説明では、第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。
【0208】
【0209】
図２４に示すレーザー光源５１から射出された射出光Ｌ０は、ビームスプリッター５３１で分析光Ｌ１および測長光Ｌ２に分割される。測長光Ｌ２は、ビームスプリッター５３１を透過し、測長光学系４に入射される。分析光Ｌ１は、ビームスプリッター５３１で反射された後、集光レンズ５８１で集光されて、波長変換素子５７１に照射される。
【0210】
波長変換素子５７１としては、励起光の波長を変換して発光する素子であれば、特に限定されないものの、例えば、蛍光体が挙げられる。図２５は、蛍光体が波長４０５ｎｍの光で励起され、４５０～６５０ｎｍの波長を持つ蛍光を発するときの、励起スペクトルＥＸ１および発光スペクトルＬＵ１の例である。波長変換素子５７１からの蛍光は、入射時とは異なる波長の分析光Ｌ１として射出され、集光レンズ５８１、ビームスプリッター５３１、５４、集光レンズ５５を介して、試料９に照射される。これにより、レーザー光源５１を用いた場合でも、試料９に照射される分析光Ｌ１として、広帯域な光、いわゆる白色光を得ることができる。したがって、図２４に示す分光装置１００は、例えば試料９に対する反射分光分析、吸収分光分析、蛍光分光分析等に適用可能である。
以上のような第４実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。
以上のような第４実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。
【0211】
【0212】
【0213】
図２６に示すレーザー光源５１から射出された射出光Ｌ０は、ビームスプリッター５３１（入射光分割素子）で分析光Ｌ１および測長光Ｌ２に分割される。測長光Ｌ２は、ビームスプリッター５３１で反射され、ミラー５０６を介して測長光学系４に入射される。分析光Ｌ１は、ビームスプリッター５３１を透過した後、ビームスプリッター５３２に入射する。ビームスプリッター５３２では、分析光Ｌ１が２つに分割される。一方の分析光Ｌ１１は、集光レンズ５８１を介して波長変換素子５７１に照射され、他方の分析光Ｌ１２は、集光レンズ５８２を介して波長変換素子５７２に照射される。
【0214】
波長変換素子５７２にも、例えば、蛍光体が用いられる。図２７は、蛍光体が波長４０５ｎｍの光で励起され、５００～７００ｎｍ超の波長を持つ蛍光を発するときの、励起スペクトルＥＸ１および発光スペクトルＬＵ２の例である。前述した波長変換素子５７１と波長変換素子５７２とで、蛍光の波長域が異なる。このため、波長変換素子５７１からの蛍光である分析光Ｌ１１と、波長変換素子５７２からの蛍光である分析光Ｌ１２と、がビームスプリッター５３２で合成されると、第４実施形態よりもさらに広帯域な分析光Ｌ１が得られる。このとき、ビームスプリッター５３２は、光合成部として機能する。
【0215】
なお、波長変換素子５７２は、必要に応じて、波長を変換せずに反射する反射素子で代替されてもよい。反射素子は、鏡面反射させる素子であってもよいし、散乱させる素子であってもよい。
【0216】
【0217】
【0218】
回転位相差板５９は、ビームスプリッター５３１とビームスプリッター５３２との間に配置される。回転位相差板５９は、分析光Ｌ１が透過する１／２波長板であって、分析光Ｌ１の光路と平行な軸を回転軸として回転する。回転位相差板５９が回転すると、回転位相差板５９を透過した分析光Ｌ１に含まれるＰ偏光とＳ偏光の混合比（偏光比）が変化する。これにより、偏光ビームスプリッターであるビームスプリッター５３２で分析光Ｌ１を分析光Ｌ１１と分析光Ｌ１２とに分割するとき、分割比を任意に変化させることができる。その結果、ビームスプリッター５３２で分析光Ｌ１１と分析光Ｌ１２とを合成して分析光Ｌ１を得るとき、合成比を任意に変化させることができる。
【0219】
図２９は、図２５に示す発光スペクトルＬＵ１の蛍光と、図２７に示す発光スペクトルＬＵ２の蛍光とを、合成比を５段階に変えながら合成するとき、合成発光スペクトルＭＸの変化の例を比較した図である。図２９の最も上にある合成発光スペクトルＭＸでは、発光スペクトルＬＵ２の強度がほぼゼロである。このとき、回転位相差板５９の偏光軸はＳ偏光とほぼ平行である。これに対し、図２９の最も下にある合成発光スペクトルＭＸでは、発光スペクトルＬＵ１の強度がほぼゼロである。このとき、回転位相差板５９の偏光軸はＰ偏光とほぼ平行である。そして、これらの間に位置する合成発光スペクトルＭＸでは、発光スペクトルＬＵ１の強度と、発光スペクトルＬＵ２の強度と、の比が徐々に変化している。このとき、回転位相差板５９の偏光軸はＰ偏光とＳ偏光の両方に対して傾いており、回転位相差板５９の回転角は互いに異なっている。
【0220】
このように、回転位相差板５９を設けることで、任意の合成発光スペクトルＭＸを有する分析光Ｌ１を得ることができる。これにより、試料９の物性や分析の目的等に応じて、最適な分析光Ｌ１を作り出すことができる。
【0221】
【0222】
【0223】
図３０に示す入射光学系５は、ビームスプリッター５４、集光レンズ５５および減光フィルター５６に代えて、ミラー５０８を備えている。また、図３０に示す分析光学系３では、ビームスプリッター３２と集光レンズ３５との間に試料９が配置されている。このような構成によれば、試料９に分析光Ｌ１を照射し、照射面とは反対側から放出される光を、第１受光素子３６で受光することができる。したがって、透過法での分光分析が可能になる。また、図３０に示す波長変換素子５７１を適宜選択することにより、図３０に示す分光装置１００を、ＦＴ－ＩＲ（フーリエ型赤外分光分析）、ＦＴ－ＮＩＲ（フーリエ型近赤外分光分析）、ＦＴ－ＶＩＳ（フーリエ型可視分光分析）、ＦＴ－ＵＶ（フーリエ型紫外分光分析）、ＦＴ－ＴＨｚ（フーリエ型テラヘルツ分光分析）のような各種分光分析に適用可能となる。
【0224】
なお、試料９の位置は、図３０に示す位置に限定されず、例えば、ミラー５０８とビームスプリッター３２との間であってもよい。
【0225】
【0226】
【0227】
図３１に示す波長フィルター６０は、例えば、図２５に示す発光スペクトルＬＵ１に重なるとともに、その帯域よりも十分に狭いバンドパス特性を有する。透過波長帯域幅は、例えば１０ｎｍ以下とされる。図３２は、図２５に示す発光スペクトルＬＵ１と、波長フィルター６０の透過波長帯域ＢＡと、が重なっている様子、および、波長フィルター６０を透過した分析光Ｌ１のスペクトルＬＵ３、を示す図である。図３２に示すように、発光スペクトルＬＵ１を持つ蛍光から目的とする波長域（スペクトルＬＵ３）の光を選択的に透過させることができる。その結果、試料９の物性や分析の目的等に応じて、最適な分析光Ｌ１を作り出すことができる。
【0228】
なお、図３１に示す光学デバイス１は、バンドパス特性が互いに異なる複数の波長フィルター６０を備えていてもよい。そして、分析光Ｌ１の光路と重なる波長フィルター６０を切り替えられるようになっていてもよい。これにより、簡単な操作でバンドパス特性を切り替えることができる。
【0229】
【0230】
【0231】
図３３に示す入射光学系５は、ビームスプリッター５４、集光レンズ５５および減光フィルター５６に代えて、ミラー５０８を備えている。また、図３３に示す分析光学系３では、ビームスプリッター３２と集光レンズ３５との間に試料９が配置されている。このような構成によれば、試料９に分析光Ｌ１を照射し、照射面とは反対側から放出される光を、第１受光素子３６で受光することができる。したがって、透過法での分光分析が可能になる。また、図３３に示す波長変換素子５７１、５７２を適宜選択することにより、図３３に示す分光装置１００を、ＦＴ－ＩＲ、ＦＴ－ＮＩＲ、ＦＴ－ＶＩＳ、ＦＴ－ＵＶ、ＦＴ－ＴＨｚのような各種分光分析に適用可能となる。
【0232】
なお、試料９の位置は、図３３に示す位置に限定されず、例えば、ミラー５０８とビームスプリッター３２との間であってもよい。
【0233】
１２．前記実施形態が奏する効果
以上のように、前記実施形態に係る光学デバイス１は、入射光学系５、分析光学系３、および、測長光学系４、を備える。
以上のように、前記実施形態に係る光学デバイス１は、入射光学系５、分析光学系３、および、測長光学系４、を備える。
【0234】
入射光学系５は、レーザー光源５１と、入射光分割素子と、を備える。レーザー光源５１は、射出光Ｌ０（レーザー光）を射出する。入射光分割素子は、射出光Ｌ０を分析光Ｌ１（第１分割光）および測長光Ｌ２（第２分割光）に分割する。
【0235】
分析光学系３は、ビームスプリッター３２（第１光分割素子）と、移動ミラー３３（第１ミラー）と、固定ミラー３４（第２ミラー）と、第１受光素子３６と、を備える。ビームスプリッター３２は、分析光Ｌ１を一方（分析光Ｌ１ａ）および他方（分析光Ｌ１ｂ）に分割した後、分析光Ｌ１ａ（一方の第１分割光）および分析光Ｌ１ｂ（他方の第１分割光）を混合する。移動ミラー３３は、分析光Ｌ１ａの入射方向に移動し、かつ、分析光Ｌ１ａを反射させることにより、分析光Ｌ１ａに第１変調信号を付加する。固定ミラー３４は、分析光Ｌ１ｂを反射させる。第１受光素子３６は、分析光Ｌ１ａと試料９との作用により生成された試料由来信号、および、第１変調信号、を含む分析光Ｌ１ａ、Ｌ１ｂを受光し、第１受光信号Ｆ（ｔ）を出力する。
【0236】
測長光学系４は、第２光分割素子４２と、光帰還部４３と、第２受光素子４５と、を備える。第２光分割素子４２は、測長光Ｌ２を一方（測長光Ｌ２ａ）および他方（測長光Ｌ２ｂ）に分割した後、測長光Ｌ２ａ（一方の第２分割光）および測長光Ｌ２ｂ（他方の第２分割光）を混合する。光帰還部４３は、第２光分割素子４２から射出された測長光Ｌ２ａを第２光分割素子４２に帰還させる。第２受光素子４５は、測長光Ｌ２ｂが移動ミラー３３で反射して生成された変位信号を含む測長光Ｌ２ａ、Ｌ２ｂを受光し、第２受光信号Ｓ２を出力する。
【0237】
このような構成によれば、１つのレーザー光源５１から射出された射出光Ｌ０を、分析光学系３および測長光学系４でそれぞれ光干渉に用いることができる。このため、２つの光源を用いる必要がなく、光学系の省スペース化、低消費電力化および構造の簡素化を図ることができる。したがって、上記の光学デバイス１によれば、小型で消費電力が少ない分光装置１００を実現することができる。
【0238】
また、光帰還部４３は、測長光Ｌ２ａ（一方の第２分割光）を第２光分割素子４２に向けて反射させる光反射器４４２を有していてもよい。
【0239】
このような構成によれば、光帰還部４３の構成を簡素化でき、光学デバイス１の小型化に寄与できる。
【0240】
また、光帰還部４３は、駆動信号Ｓｄにより駆動され、測長光Ｌ２ａ（一方の第２分割光）に第２変調信号を付加する光変調器４４４を有していてもよい。
【0241】
このような構成によれば、測長光Ｌ２ａ、Ｌ２ｂを干渉させたとき、光ヘテロダイン干渉法により、移動ミラー３３の位置に対応する位相情報をより高い精度で取得することができる。そして、演算装置７において位相情報から移動ミラー３３の位置が高精度に求められる。その結果、より細かな間隔でインターフェログラムＦ（ｘ）を生成することができ、最終的に、高い分解能のスペクトルパターンを取得可能な分光装置１００を実現することができる。
【0242】
また、光変調器４４４は、駆動信号Ｓｄにより振動する振動素子４４６を備えていてもよい。光変調器４４４は、振動する振動素子４４６で測長光Ｌ２ａ（一方の第２分割光）を反射させることにより、測長光Ｌ２ａ（一方の第２分割光）に第２変調信号を付加する。
【0243】
このような構成によれば、ＡＯＭやＥＯＭを有する光変調器に比べて、光変調器４４４の体積や重量を大きく削減することができる。このため、光学デバイス１の小型化、軽量化および低消費電力化を図ることができる。
【0244】
また、振動素子４４６は、水晶振動子、シリコン振動子またはセラミック振動子であってもよい。
【0245】
これらの振動子は、その他の振動子、例えばピエゾ素子等とは異なり、機械共振現象を利用した振動子であるため、Ｑ値が高く、固有振動数の安定化を容易に図ることができる。このため、第２変調信号のＳ／Ｎ比を高めることができる。
【0246】
また、光学デバイス１は、分析光Ｌ１１（第１分割光）の波長を変換する波長変換素子５７１を備えていてもよい。
【0247】
このような構成によれば、試料９に照射される分析光Ｌ１として、広帯域な光、いわゆる白色光を得ることができる。これにより、例えば試料９に対する反射分光分析、吸収分光分析、蛍光分光分析等に適用可能な分光装置１００を実現することができる。
【0248】
また、光学デバイス１は、光合成部としてのビームスプリッター５３２を備えていてもよい。ビームスプリッター５３２は、分析光Ｌ１（第１分割光）を一方および他方に分割した後、波長変換素子５７１で波長が変換された分析光Ｌ１１（一方の第１分割光）と、分析光Ｌ１２（他方の第１分割光）と、を合成する。
【0249】
このような構成によれば、試料９に照射される分析光Ｌ１として、より広帯域な光を得ることができる。
【0250】
また、光学デバイス１は、回転位相差板５９を備えていてもよい。回転位相差板５９は、回転することにより、透過させる分析光Ｌ１（第１分割光）の偏光比を変化させることができる。これにより、光合成部として機能するビームスプリッター５３２で分析光Ｌ１１と分析光Ｌ１２とを合成するとき、合成比を任意に変化させることができる。
【0251】
また、レーザー光源５１は、半導体レーザー素子であるのが好ましい。
これにより、光学デバイス１および分光装置１００の小型化および軽量化を図ることができる。
これにより、光学デバイス１および分光装置１００の小型化および軽量化を図ることができる。
【0252】
前記実施形態に係る分光装置１００は、前記実施形態に係る光学デバイス１と、信号生成部８と、移動ミラー位置演算部７２と、光強度演算部７４と、フーリエ変換部７６と、を備える。
【0253】
信号生成部８は、基準信号Ｓｓを出力する。移動ミラー位置演算部７２は、基準信号Ｓｓに基づいて、第２受光信号Ｓ２に演算を行うことにより、移動ミラー３３（第１ミラー）の位置を示す移動ミラー位置信号Ｘ（ｔ）を生成する。光強度演算部７４は、第１受光信号Ｆ（ｔ）および移動ミラー位置信号Ｘ（ｔ）に基づいて、移動ミラー３３の各位置における第１受光信号Ｆ（ｔ）の強度を表す波形（インターフェログラムＦ（ｘ））を生成する。フーリエ変換部７６は、インターフェログラムＦ（ｘ）にフーリエ変換を行い、スペクトルパターン（スペクトル情報）を取得する。
【0254】
上記の光学デバイス１では、１つのレーザー光源５１から射出された射出光Ｌ０を、分析光学系３および測長光学系４でそれぞれ光干渉に用いることができる。このため、２つの光源を用いる必要がなく、光学系の省スペース化、低消費電力化および構造の簡素化を図ることができる。これにより、小型で消費電力が少ない分光装置１００が得られる。
【0255】
また、光帰還部４３は、測長光Ｌ２ａ（一方の第２分割光）に第２変調信号を付加する光変調器４４４を有していてもよい。そして、光変調器４４４は、駆動信号Ｓｄにより振動する振動素子４４６を備え、振動する振動素子４４６で測長光Ｌ２ａを反射させることにより、測長光Ｌ２ａに第２変調信号を付加するように構成されていてもよい。さらに、信号生成部８は、振動素子４４６を信号源として動作する発振回路８１を備え、基準信号Ｓｓおよび駆動信号Ｓｄを出力するように構成されていてもよい。
【0256】
このような構成によれば、第２変調信号を含む第２受光信号Ｓ２および基準信号Ｓｓが、演算装置７における演算に供されたとき、演算の過程で、双方が含む外乱の影響を互いに相殺または低減させることができる。その結果、演算装置７では、外乱を受けても、移動ミラー３３の位置を精度よく求めることができる。また、分光装置１００の小型化、軽量化、低消費電力化を図ることができる。
【0257】
以上、本発明の光学デバイスおよび分光装置を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明の光学デバイスおよび分光装置は、前記実施形態やその変形例に限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換されていてもよいし、他の任意の構成物が付加されていてもよい。
【0258】
また、本発明の光学デバイスおよび分光装置は、前記実施形態やその変形例のうち、２つ以上を含み合わせたものであってもよい。さらに、本発明の分光装置が備える各機能部は、複数の要素に分割されていてもよく、複数の機能部が１つに統合されていてもよい。
【0259】
また、前記実施形態やその変形例では、マイケルソン型干渉光学系が用いられているが、他の方式の干渉光学系が用いられていてもよい。
【0260】
さらに、試料の配置は、図示した配置に限定されない。試料由来信号は、試料に分析光を作用させることによって生成されるので、試料から射出する分析光が第１受光素子に入射する位置であれば、任意の位置に試料を配置すればよい。
【符号の説明】
【0261】
１…光学デバイス、３…分析光学系、４…測長光学系、５…入射光学系、７…演算装置、８…信号生成部、９…試料、３２…ビームスプリッター、３３…移動ミラー、３４…固定ミラー、３５…集光レンズ、３６…第１受光素子、４２…第２光分割素子、４３…光帰還部、４５…第２受光素子、４６…１／２波長板、４７…１／４波長板、４８…１／４波長板、４９…検光子、５１…レーザー光源、５２…バンドパスフィルター、５４…ビームスプリッター、５５…集光レンズ、５６…減光フィルター、５９…回転位相差板、６０…波長フィルター、７２…移動ミラー位置演算部、７４…光強度演算部、７６…フーリエ変換部、８１…発振回路、８２…ファンクションジェネレーター、８３…電圧制御発振器、８４…増幅器、８５…補正処理部、８６…数値制御発振器、８９…ＤＡＣ、１００…分光装置、４０１…基部、４０２…第１振動腕、４０３…第２振動腕、４０４…電極、４０５…電極、４０６…光反射面、４２２…ビームスプリッター、４２４…ビームスプリッター、４３１…振動片、４３２…溝、４３３…パッド、４３４…回折格子、４３５…パッド、４３６…振動方向、４３９…電流シャントモニター、４４２…光反射器、４４４…光変調器、４４５…音響光学変調器、４４６…振動素子、４５１…ミラー、４５２…ミラー、４７２…ミラー、４７４…ミラー、４８２…１／４波長板、５０２…ミラー、５０４…ミラー、５０６…ミラー、５０８…ミラー、５３１…ビームスプリッター、５３２…ビームスプリッター、５７１…波長変換素子、５７２…波長変換素子、５８１…集光レンズ、５８２…集光レンズ、７２２…前処理部、７２３…直交信号発生部、７２４…復調処理部、７２６…移動ミラー位置信号出力部、８５１…オフセット除去部、８５２…オフセット除去部、８５３…絶対値演算器、８５４…乗算器、８５５…乗算器、８５６…ローパスフィルター、８５７…ローパスフィルター、８５８…振幅ゲイン設定部、８５９…周波数設定部、８６１…累積加算器、８６２…加算器、８６３…第１周期信号発生器、８６４…第２周期信号発生器、８６５…絶対値演算器、８６６…ローパスフィルター、８６７…位相量設定部、８７１…乗算器、８７２…乗算器、８７３…ローパスフィルター、８７４…ローパスフィルター、８７５…振幅位相演算部、８７６…周波数設定部、８７７…振幅ゲイン設定部、４３１１…表面、４３１２…裏面、４３９１…シャント抵抗、４３９２…オペアンプ、ＢＡ…透過波長帯域、ＥＸ１…励起スペクトル、Ｆ（ｔ）…第１受光信号、Ｆ（ｘ）…インターフェログラム、ＦＰ…特徴点、Ｉ…信号、Ｌ…移動距離、Ｌ０…射出光、Ｌ１…分析光、Ｌ１１…分析光、Ｌ１２…分析光、Ｌ１ａ…分析光、Ｌ１ｂ…分析光、Ｌ２…測長光、Ｌ２ａ…測長光、Ｌ２ｂ…測長光、ＬＵ１…発光スペクトル、ＬＵ２…発光スペクトル、ＬＵ３…スペクトル、ＭＸ…合成発光スペクトル、Ｑ…信号、Ｓ（ｔ）…前処理済み信号、Ｓ２…第２受光信号、Ｓａｍ…増幅率制御信号、Ｓｄ…駆動信号、Ｓｆ１…周波数制御信号、Ｓｆ２…周波数制御信号、Ｓｍ…出力信号、Ｓｓ…基準信号、Ｓｓ’…基準信号、Ｘ（ｔ）…移動ミラー位置信号、ｃｏｓ（θｍ（ｔ））…余弦波信号、ｓｉｎ（θｍ（ｔ））…正弦波信号
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
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【図8】
【図9】
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【図29】
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【図31】
【図32】
【図33】