特開 2024-168496 干渉計

(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】P2024168496

(43)【公開日】2024-12-05

(54)【発明の名称】干渉計

(51)【国際特許分類】

   G01J 3/06 20060101AFI20241128BHJP

   G01J 3/45 20060101ALI20241128BHJP

【ＦＩ】

G01J3/06

G01J3/45

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023085219

(22)【出願日】2023-05-24

(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】松本 哲郎

【テーマコード（参考）】

2G020

【Ｆターム（参考）】

2G020CA12

2G020CB23

2G020CC22

2G020CC55

2G020CC65

2G020CD16

2G020CD35

2G020CD41

2G020CD60

(57)【要約】

【課題】移動ミラーの位置を精度よく計測することができ、かつ、小型化および低消費電力化が図られている干渉計を提供すること。
【解決手段】分析部および測長部を備える干渉計であって、分析部は、分析光を反射させる移動ミラー、および、分析光を受光する第１受光素子を有し、試料に対する分析光の照射および分析光の干渉により、試料の分析に供される分析光学系と、ミラー駆動信号に基づいて移動ミラーを駆動するミラー駆動部と、を備え、測長部は、レーザー光源、振動素子を用いてレーザー光の周波数を変調し、変調成分を付加する光変調器、および、レーザー光が移動ミラーに照射されることによって生成される測長成分および変調成分を含むレーザー光を受光し、第２受光信号を出力する第２受光素子を有し、レーザー光の干渉により、移動ミラーの位置の検出に供される測長光学系、を備え、振動素子は、ミラー駆動信号の信号源である干渉計。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

分析部および測長部を備える干渉計であって、
前記分析部は、
分析光を反射させる移動ミラー、および、前記分析光を受光し、第１受光信号を出力する第１受光素子を有し、試料に対する前記分析光の照射および前記分析光の干渉により、前記試料の分析に供される分析光学系と、
ミラー駆動信号に基づいて前記移動ミラーを駆動するミラー駆動部と、
を備え、
前記測長部は、
レーザー光を射出するレーザー光源、振動素子を用いて前記レーザー光の周波数を変調し、変調成分を付加する光変調器、および、前記レーザー光が前記移動ミラーに照射されることによって生成される測長成分および前記変調成分を含む前記レーザー光を受光し、第２受光信号を出力する第２受光素子を有し、前記レーザー光の干渉により、前記移動ミラーの位置の検出に供される測長光学系、
を備え、
前記振動素子は、前記ミラー駆動信号の信号源であることを特徴とする干渉計。

【請求項2】

前記振動素子を信号源として周期信号を生成する周期信号生成部をさらに備え、
前記ミラー駆動部は、前記周期信号の周波数を調整し、前記ミラー駆動信号を生成するミラー駆動信号生成部を有する請求項１に記載の干渉計。

【請求項3】

前記ミラー駆動信号生成部は、前記周期信号の周波数を調整し、タイミング信号を生成する請求項２に記載の干渉計。

【請求項4】

前記測長部は、前記周期信号および前記第２受光信号に基づいて、前記測長成分を復調する復調処理部を有する請求項２または３に記載の干渉計。

【請求項5】

前記ミラー駆動部は、
ステッピングモーターと、
前記ステッピングモーターの回転出力で前記移動ミラーを移動させる動力変換部と、
を有し、
前記ミラー駆動信号生成部は、
前記周期信号の周波数を調整して、所定の周波数のパルス信号を出力する周波数調整部と、
前記パルス信号に基づいて前記ミラー駆動信号を生成するモーター制御部と、
を有する請求項２または３に記載の干渉計。

【請求項6】

前記ミラー駆動部は、
直流モーターと、
前記直流モーターの回転出力で前記移動ミラーを移動させる動力変換部と、
を有し、
前記ミラー駆動信号生成部は、
前記周期信号の周波数を調整して、所定の周波数のパルス信号を出力する周波数調整部と、
前記パルス信号の周波数を直流電圧に変換するＦ／Ｖ変換部と、
を有する請求項２または３に記載の干渉計。

【請求項7】

前記移動ミラーの移動速度をｖとし、前記レーザー光の波長をλとし、前記光変調器による前記レーザー光の変調周波数をｆｍとするとき、前記ミラー駆動部は、前記移動速度ｖが下記式（３）を満たすように前記移動ミラーを駆動する請求項１または２に記載の干渉計。
ｖ＜（ｆｍ／４）λ （３）

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、干渉計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モジュールが開示されている。この光学モジュールは、ミラーユニットと、ビームスプリッターユニットと、光入射部と、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。このような光学モジュールでは、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、光入射部を経て、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ユニット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】

このような光学モジュールでは、レーザー光の干渉光の検出結果に基づいて、可動ミラーの位置を計測する。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に記載の光学モジュールは、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】国際公開第２０１９／００９４０４号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

特許文献１に記載の光学モジュールでは、静電アクチュエーターとして機能する駆動部により、可動ミラーが駆動される。駆動部には、外部から入力された周期的な電気信号が付与され、可動ミラーはその共振周波数によって往復動するようになっている。

【0008】

一方、フーリエ変換型分光分析器では、分析精度の向上を求める観点から、可動ミラーの位置をより高精度に計測することが求められている。そこで、光ヘテロダイン干渉法を用いて可動ミラーの位置を計測することが検討されている。その場合、光変調器を用いてレーザー光の周波数を変調する必要があることから、光変調器に入力するための電気信号を発生させる信号源が必要になる。そうすると、可動ミラーを駆動するための電気信号発生装置と、光変調器を駆動するための電気信号発生装置が、それぞれ必要になり、光学モジュールを用いた干渉計の大型化および消費電力の増大が懸念される。

【0009】

そこで、移動ミラーの位置を精度よく計測することができ、かつ、小型化および低消費電力化が図られている干渉計の実現が課題となっている。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明の適用例に係る干渉計は、
分析部および測長部を備える干渉計であって、
前記分析部は、
分析光を反射させる移動ミラー、および、前記分析光を受光し、第１受光信号を出力する第１受光素子を有し、試料に対する前記分析光の照射および前記分析光の干渉により、前記試料の分析に供される分析光学系と、
ミラー駆動信号に基づいて前記移動ミラーを駆動するミラー駆動部と、
を備え、
前記測長部は、
レーザー光を射出するレーザー光源、振動素子を用いて前記レーザー光の周波数を変調し、変調成分を付加する光変調器、および、前記レーザー光が前記移動ミラーに照射されることによって生成される測長成分および前記変調成分を含む前記レーザー光を受光し、第２受光信号を出力する第２受光素子を有し、前記レーザー光の干渉により、前記移動ミラーの位置の検出に供される測長光学系、
を備え、
前記振動素子は、前記ミラー駆動信号の信号源である。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】第１実施形態に係る干渉計としての分光装置を示す概略構成図である。

【図2】図１の分析部、測長部、周期信号生成部および演算部の各主要部を示す概略構成図である。

【図3】図１に示す振動素子の構成例を示す斜視図である。

【図4】図１に示す振動素子の他の構成例を示す斜視図である。

【図5】図２のミラー駆動部の機能を示す機能ブロック図である。

【図6】図１に示す分光装置で取得される第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7】インターフェログラムＦ（ｘ）の一例を示す図である。

【図8】試料に分光分析を行って得られるスペクトルパターンＳＰ０の一例である。

【図9】前処理部で演算処理される信号ＰＡＳＳ１、ＰＡＳＳ２の各帯域を模式的に示す図である。

【図10】第２実施形態に係る干渉計としての分光装置が備えるミラー駆動部の機能を示す機能ブロック図である。

【図11】第３実施形態に係る干渉計としての形状測定装置を示す概略構成図である。

【図12】図１１の分析部、測長部、周期信号生成部および演算部の各主要部を示す概略構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の干渉計を添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
１．第１実施形態
まず、第１実施形態に係る干渉計について説明する。

【0013】

図１は、第１実施形態に係る干渉計としての分光装置１００を示す概略構成図である。図２は、図１の分析部３００、測長部４００、周期信号生成部６および演算部７の各主要部を示す概略構成図である。

【0014】

１．１．分光装置の構成
図１に示す分光装置１００では、入射された分析光Ｌ１を被検体である試料９に照射させ、試料９から放射された分析光Ｌ１をマイケルソン型干渉光学系に通す。そして、移動ミラーを移動させて干渉光学系の内部の光路長を変化させながら、得られた干渉光の強度変化を検出し、その結果に対して演算を行うことにより、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。分析光Ｌ１の波長を選択することで、図１に示す分光装置１００は、例えば試料９に対する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）等に適用可能である。

【0015】

分光装置１００は、図２に示すように、分析光学系３およびミラー駆動部８を有する分析部３００、測長光学系４を有する測長部４００、周期信号生成部６、ならびに、演算部７、を備える。

【0016】

分析光学系３は、分析光Ｌ１を試料９に照射するとともに、分析光Ｌ１から試料９に由来する試料由来成分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の分割および混合を行い、干渉を生じさせる。測長光学系４では、レーザー光である測長光Ｌ２を用いて、分析光Ｌ１の光路長の変化を測定する。

【0017】

周期信号生成部６は、演算部７に向けて基準信号Ｓｓを出力する。演算部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。また、演算部７は、インターフェログラムにフーリエ変換を行い、スペクトルパターンを取得する。

【0018】

１．１．１．分析光学系
分析光学系３は、第１光源５１、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、分析光学系３では、これらの光学要素の一部が省略されていてもよいし、これら以外の光学要素を備えていてもよいし、これらの光学要素が他の光学要素で置換されていてもよい。

【0019】

第１光源５１は、例えば白色光、すなわち幅広い波長の光が集まった光を分析光Ｌ１として射出する光源である。分析光Ｌ１の波長域、つまり第１光源５１の種類は、試料９に対して行う分光分析の目的に応じて適宜選択される。赤外分光分析を行う場合には、第１光源５１としては、例えば、ハロゲンランプ、赤外ランプ、タングステンランプ等が挙げられる。可視光分光分析を行う場合には、第１光源５１としては、例えば、ハロゲンランプ等が挙げられる。紫外分光分析を行う場合には、第１光源５１としては、例えば、重水素ランプ、ＵＶ－ＬＥＤ（紫外線発光ダイオード）等が挙げられる。

【0020】

なお、分析光Ｌ１の波長として１００ｎｍ以上７６０ｎｍ未満を選択することにより、紫外分光分析または可視光分光分析を行い得る分光装置１００を実現することができる。また、分析光Ｌ１の波長として７６０ｎｍ以上２０μｍ以下を選択することにより、赤外分光分析または近赤外分光分析を行い得る分光装置１００を実現することができる。さらに、分析光Ｌ１の波長として３０μｍ以上３ｍｍ以下を選択することにより、テラヘルツ波分光分析を行い得る分光装置１００を実現することができる。

【0021】

なお、第１光源５１は、分光装置１００に含まれず、外部に設けられていてもよい。この場合、外部に設けられた第１光源５１から射出された分析光Ｌ１が、分光装置１００に導入されるようになっていればよい。一方、本実施形態のように、分光装置１００が第１光源５１を備えることにより、第１光源５１とビームスプリッター５４とのアライメント精度を特に高めることができ、アライメント不良に伴う分析光Ｌ１の損失を最小限に抑えることができる。

【0022】

また、第１光源５１は、レーザー光を射出するレーザー光源であってもよい。第１光源５１としてレーザー光源を用いることにより、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を実現可能な分光装置が得られる。なお、この場合、分析光学系３の構成を上記の構成から変更してもよい。この場合、レーザー光源としては、ラマン分光や蛍光分光に用いられる公知の光源が用いられる。

【0023】

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。

【0024】

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。

【0025】

集光レンズ５５は、分析光Ｌ１を集光させ、試料９に照射される分析光Ｌ１のスポットサイズを小さくする。これにより、局所分析が可能になる。局所分析が必要なければ、集光レンズ５５は省略されていてもよい。

【0026】

試料９から射出された分析光Ｌ１は、試料９との作用により生成された試料由来成分を含んでいる。試料由来成分としては、例えば、分析光Ｌ１が試料９に作用したときの、試料９による特定波長の光吸収、反射、散乱、発光等が挙げられる。この分析光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。減光フィルター５６は、所定波長の光を選択的に減衰させる。これにより、試料由来成分の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等が挙げられる。

【0027】

また、分析光学系３は、マイケルソン型干渉光学系を構成する、ビームスプリッター３２、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では、これらの光学要素の一部が省略されていてもよいし、これら以外の光学要素を備えていてもよいし、これらの光学要素が他の光学要素で置換されていてもよい。

【0028】

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。

【0029】

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。

【0030】

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。

【0031】

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は、ミラー駆動部８により、前述した分析光Ｌ１ａの入射方向において往復するように移動する。移動ミラー３３で反射した分析光Ｌ１ａは、移動ミラー３３の位置に応じて位相が変化する。これにより、移動ミラー３３は、分析光Ｌ１ａに移動ミラー３３に由来する位相情報を付加する。移動ミラー３３に由来する位相情報は、移動ミラー３３の位置に応じて分析光Ｌ１ａに付加される位相の変化である。

【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。

【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、演算部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、演算部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。第１受光素子３６の受光部の面積によっては、集光レンズ３５が省略されていてもよい。

【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成分と、前述した移動ミラー３３に由来する位相情報と、を含む。

【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、光電子増倍管（ＰＭＴ：photomultiplier tube）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】

１．１．２．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光源４１、ビームスプリッター４２、光変調器１２、第２受光素子４５、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。なお、測長光学系４では、これらの光学要素の一部が省略されていてもよいし、これら以外の光学要素を備えていてもよいし、これらの光学要素が他の光学要素で置換されていてもよい。測長光学系４は、光ヘテロダイン干渉法により、移動ミラー３３の位置に由来する位相情報および移動速度に由来する周波数情報を、演算部７に出力する。本明細書では、これらの情報を「測長成分」という。

【0038】

第２光源４１は、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。第２光源４１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－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。

【0039】

第２光源４１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、分光装置１００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。

【0040】

ビームスプリッター４２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、その光学軸が、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４２でＰ偏光とＳ偏光の２つに分割される。

【0041】

Ｓ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、光変調器１２に入射する。光変調器１２は、測長光Ｌ２ａを反射させることにより、測長光Ｌ２ａに変調成分を付加する。変調成分は、測長光Ｌ２ａが振動素子３０で反射されることに伴って生じる周波数の変化である。反射された測長光Ｌ２ａは、ビームスプリッター４２に戻る。このとき、測長光Ｌ２ａは、１／４波長板４８でＰ偏光に変換される。

【0042】

一方、Ｐ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、測長光Ｌ２ｂは、移動ミラー３３の位置に応じて位相が変化する。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４２に戻る。このとき、測長光Ｌ２ｂは、１／４波長板４７でＳ偏光に変換される。

【0043】

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が、測長光Ｌ２ｂは、分析光Ｌ１ａが入射する面と同じ面に入射するようになっていてもよい。

【0044】

また、ビームスプリッター４２は、光変調器１２から戻った測長光Ｌ２ａを第２受光素子４５に向けて透過させ、移動ミラー３３で反射された測長光Ｌ２ｂを第２受光素子４５に向けて反射させる。したがって、ビームスプリッター４２は、分割された測長光Ｌ２ａ、Ｌ２ｂを混合する。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。

【0045】

なお、ビームスプリッター４２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分光装置１００の小型化を図ることができる。

【0046】

光変調器１２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。本実施形態では、光変調器１２が振動素子３０を有する。振動素子３０は、素子駆動信号Ｓｄにより振動するとともに、測長光Ｌ２ａを反射させる。これにより、光変調器１２は、測長光Ｌ２ａに対して変調成分を重畳させる。

【0047】

振動素子３０としては、例えば、水晶振動子、シリコン振動子、セラミック振動子等が挙げられる。これらの振動子は、機械的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。これにより、光変調器１２が測長光Ｌ２ａに印加する変調成分のＳ／Ｎ比を高めることができ、かつ、基準信号Ｓｓの精度を高めることができる。これにより、移動ミラー３３の位置を精度よく求めることができ、最終的に、波長軸（波数軸）の正確度が高いスペクトルパターンを生成可能な分光装置１００を実現できる。

【0048】

水晶振動子としては、例えば、水晶ＡＴ振動子、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挙げられる。水晶振動子の発振周波数は、例えば１ｋＨｚから数１００ＭＨｚ程度である。

【0049】

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。

【0050】

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。

【0051】

図３は、図１に示す振動素子３０の構成例を示す斜視図である。
図３に示す振動素子３０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。

【0052】

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３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。

【0053】

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。

【0054】

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。

【0055】

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０．５０ｍｍ以下程度とされる。

【0056】

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３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３０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。

【0057】

図３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。

【0058】

図４は、図１に示す振動素子３０の他の構成例を示す斜視図である。なお、図４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。

【0059】

図４に示す振動素子３０は、音叉型水晶振動子である。図４に示す振動素子３０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３０として好適である。また、振動素子３０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。

【0060】

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。

【0061】

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４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。

【0062】

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４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。

【0063】

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４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。

【0064】

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４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４に示す振動素子３０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。

【0065】

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、面外振動するモード（スプリアス成分を含む）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。

【0066】

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に由来する測長成分を含む。

【0067】

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。

【0068】

以上、各光学系が備える光学要素について説明したが、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。

【0069】

１．１．３．周期信号生成部
図２に示す周期信号生成部６は、周期信号を生成し、基準信号Ｓｓとして出力する。本実施形態では、図１に示すように、周期信号生成部６が、発振回路６２および矩形波発生回路６４を有する。

【0070】

発振回路６２としては、例えば、特開２０２２－３８１５６号公報に開示されている発振回路が挙げられる。発振回路６２は、振動素子３０が信号源となって動作し、精度の高い周期信号を生成する。これにより、発振回路６２は、精度の高い素子駆動信号Ｓｄおよび基準信号Ｓｓを出力する。そうすると、素子駆動信号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。その結果、素子駆動信号Ｓｄにより駆動された振動素子３０を介して付加される変調成分、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受光信号Ｓ２および基準信号Ｓｓが、演算部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、演算部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。

【0071】

なお、上記の公報に開示されている発振回路は、インバーターＩＣを用いた回路であるが、それに代えてコルピッツ発振回路が用いられていてもよい。

【0072】

矩形波発生回路６４は、発振回路６２から出力されたアナログ信号である基準信号Ｓｓを、デジタル信号であるパルス信号Ｓｐに変換する。矩形波発生回路６４としては、例えば、コンパレーターを用いたアナログ／デジタル変換回路等が挙げられる。

【0073】

１．１．４．ミラー駆動部
図５は、図２のミラー駆動部８の機能を示す機能ブロック図である。

【0074】

図５に示すミラー駆動部８は、ミラー駆動信号生成部８２および動力伝達部８６を有する。このうち、ミラー駆動信号生成部８２は、周波数調整部８３およびモーター制御部８４を有する。また、動力伝達部８６は、ステッピングモーターＳＰＭおよび動力変換部８６２を有する。ミラー駆動信号生成部８２は、周期信号生成部６から入力されたパルス信号Ｓｐに基づいて、目的とする駆動周波数ｆｋのミラー駆動信号Ｓｍを生成する。そして、モーター制御部８４は、ミラー駆動信号ＳｍをステッピングモーターＳＰＭに向けて出力し、動力変換部８６２を介して移動ミラー３３を駆動する。

【0075】

周波数調整部８３は、基本波生成部８３２および分周器８３４を有する。
基本波生成部８３２には、周期信号生成部６からパルス信号Ｓｐが入力される。基本波生成部８３２は、このパルス信号Ｓｐに基づいて、例えばタイミング信号等に利用可能な周波数１Ｈｚの基本波信号を生成する。この場合、基本波生成部８３２は、例えば、周波数が３２．７６８ｋＨｚのパルス信号Ｓｐを用い、これを１５分周させる機能を有していればよい。なお、基本波信号の周波数は、１Ｈｚに限定されない。

【0076】

分周器８３４にも、周期信号生成部６からパルス信号Ｓｐが入力される。分周器８３４は、パルス信号Ｓｐを１／ｎ倍に分周し、低周波化する。分周器８３４には、例えば複数段のフリップフロップで構成されたデジタル方式の周波数分周器が用いられる。このような構成によれば、複数種の周波数を選択可能になるため、後述するモーター制御部８４は、移動ミラー３３の駆動において必要とする移動速度に応じて、適当な周波数を選択できる。ここでは、モーター制御部８４が選択する周波数を駆動周波数ｆｋとする。駆動周波数ｆｋは、モーター制御部８４からの要求に応じて、例えばｆ１、ｆ２、ｆ３、・・・・のように分周数に応じた異なる値をとる変数である。

【0077】

以上のような周波数調整部８３では、タイミング信号等に利用可能な基本波信号を生成するとともに、所望の駆動周波数ｆｋのパルス信号を生成できる。基本波信号は、タイミング制御等の用途に適しているため、例えば移動ミラー３３の移動方向を切り替える制御や、分析時間の制御等、様々な目的で用いることができる。したがって、周波数調整部８３によれば、新たな信号源を用意することなく、基本波信号を生成することができる。また、周波数調整部８３では、所望の駆動周波数ｆｋのパルス信号を出力できる。このため、ミラー駆動部８では、移動ミラー３３の移動速度を任意に調整できる。これにより、移動ミラー３３の移動速度の選択幅が広いミラー駆動部８を実現できる。

【0078】

モーター制御部８４は、回転方向制御部８４２および駆動周波数決定部８４４を有する。

【0079】

回転方向制御部８４２には、例えば周波数１Ｈｚの基本波信号が入力される。回転方向制御部８４２は、基本波信号に基づいて、ステッピングモーターＳＰＭが同一方向に回転する経過時間を計測する。そして、目的とする時間が経過したら、回転方向を逆転させる制御信号を出力する。これにより、所定の時間間隔でステッピングモーターＳＰＭの回転方向を切り替えることができる。その結果、移動ミラー３３の往復移動が可能になる。

【0080】

駆動周波数決定部８４４には、駆動周波数ｆｋのパルス信号が入力される。駆動周波数決定部８４４は、移動ミラー３３に必要な移動速度に応じて、駆動周波数ｆｋを決定する。例えば、ステッピングモーターＳＰＭの駆動方式がパルス周波数変調方式（ＰＦＭ方式）であって、動力変換部８６２がボールねじのような回転運動を直線運動に変換する機構を有する場合、移動ミラー３３の移動速度は、例えば、駆動周波数ｆｋに比例する。したがって、駆動周波数決定部８４４は、例えば、このような比例関係に基づいて、駆動周波数ｆｋを決定する機能を有していればよい。このような駆動周波数決定部８４４の具体例として、マルチ位相生成ドライバー等が挙げられる。

【0081】

以上のようなモーター制御部８４は、回転方向制御部８４２が決定した回転方法、および、駆動周波数決定部８４４が決定した駆動周波数ｆｋに基づいて、ステッピングモーターＳＰＭの駆動方式に応じた形式でミラー駆動信号Ｓｍを出力する。

【0082】

ステッピングモーターＳＰＭは、ミラー駆動信号Ｓｍにより、所定の回転方向および回転速度で回転する。この回転出力は、動力変換部８６２に伝達される。

【0083】

動力変換部８６２は、例えば、ボールねじを有する変換機構、ラックギアおよびピニオンギアを有する変換機構等を有する。これらの変換機構は、例えば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）機構を用いて移動ミラー３３の移動させる場合に比べて、移動量を容易に大きくできる。このため、取得できるスペクトルパターンの波長分解能（波数分解能）を容易に高くできる。このうち、ボールねじを有する変換機構が好ましく用いられる。位置精度が高く、移動ミラー３３を精度よく移動させることができる。

【0084】

以上のように、本実施形態は、周期信号生成部６から出力される基準信号Ｓｓに基づいて、ミラー駆動信号Ｓｍを生成するように構成されている。つまり、本実施形態では、光変調器１２が有する振動素子３０が、測長光Ｌ２ａに変調成分を付加する周波数シフターとしての機能や、基準信号Ｓｓの信号源としての機能だけでなく、ミラー駆動信号Ｓｍの信号源としての機能も有している。信号源とは、発振回路６２を用いて振動素子３０を発振させて得られる周期信号を、基準信号Ｓｓやミラー駆動信号Ｓｍの生成に用いることを指す。

【0085】

このような構成によれば、振動素子３０をミラー駆動信号Ｓｍの発生にも用いることができる。このため、基準信号Ｓｓの信号源とは別の信号源を用意する必要がなく、分光装置１００の小型化、軽量化および低消費電力化が図られる。また、従来よりも信号源を減らせるため、分光装置１００の低コスト化を図ることができる。

【0086】

また、ステッピングモーターＳＰＭは、ミラー駆動信号Ｓｍのパルス数に基づいて正確な回転角制御が可能であるため、上記のミラー駆動部８によれば、移動ミラー３３の移動量や移動速度を正確に制御することができる。

【0087】

１．１．５．演算部
図２に示す演算部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。

【0088】

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。

【0089】

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。

【0090】

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。

【0091】

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。

【0092】

１．１．５．１．移動ミラー位置演算部
図２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１２を備えることにより、測長光Ｌ２ａに変調成分を付加することができる。そして、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に由来する測長成分を高い精度で取得することができる。そして、演算部７において測長成分から移動ミラー位置信号Ｘ（ｔ）を高精度に求められる。光ヘテロダイン干渉法によれば、測長成分を取り出すとき、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。

【0093】

図２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。

【0094】

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に由来する測長成分を復調する。つまり、復調処理部７２４は、周期信号生成部６が生成した周期信号である基準信号Ｓｓ、および、第２受光信号Ｓ２に基づいて、測長成分を復調する。

【0095】

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に由来する測長成分に基づいて、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の位置を表す信号であって、測長光Ｌ２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Ｌ２の波長が数１００ｎｍである場合、移動ミラー位置信号Ｘ（ｔ）の位置分解能としては１０ｎｍ未満が達成可能になる。このため、光強度演算部７４では、インターフェログラムＦ（ｘ）の高精度なデジタルデータを生成することができる。

【0096】

図６は、図１に示す分光装置１００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６の横軸は、時間ｔ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。

【0097】

図６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し、高い位置分解能を実現した信号である。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、高い波長分解能（波数分解能）のスペクトルパターンを取得することができる。

【0098】

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）分析光Ｌ１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。

【0099】

１．１．５．２．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。

【0100】

第１受光信号Ｆ（ｔ）は、前述したように、試料由来成分および移動ミラー３３に由来する位相情報を含んでいる。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。

【0101】

図７は、インターフェログラムＦ（ｘ）の一例を示す図である。図７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７では、光路差ゼロを横軸の原点としている。

【0102】

１．１．５．３．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に固有の情報を含むスペクトルパターンを取得する。

【0103】

図８は、試料９に分光分析を行って得られるスペクトルパターンＳＰ０の一例である。スペクトルパターンＳＰ０は、試料９の反射スペクトルの例である。

【0104】

図８に示すスペクトルパターンＳＰ０には、分析光Ｌ１が試料９に作用して生成された試料由来成分が吸収ピークＸ９として反映されている。分光装置１００によれば、スペクトルパターンＳＰ０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。

【0105】

このスペクトルパターンＳＰ０は、インターフェログラムＦ（ｘ）をフーリエ変換して生成される。インターフェログラムＦ（ｘ）は、移動ミラー３３の位置をパラメーターとして得られた電界振幅波形であるから、これをフーリエ変換して得られるスペクトルパターンＳＰ０は、波長情報を持つ。移動ミラー３３の位置は、スペクトルパターンＳＰ０の波数精度に直結する。よって、本実施形態に係る分光装置１００によれば、波長軸（波数軸）の正確度が高いスペクトルパターンＳＰ０を生成可能である。

【0106】

１．２．ミラー駆動部の作動条件
前述した演算部７では、光変調器１２の変調周波数ｆｍに基づいて決まる演算処理可能な周波数帯域が存在する。具体的には、前処理部７２２では、復調処理に先立ち、受光信号を変調周波数ｆｍの１倍に対応する帯域（ｆｍ帯）の信号ＰＡＳＳ１と、変調周波数ｆｍの２倍に対応する帯域（２ｆｍ帯）の信号ＰＡＳＳ２とに分けて、前処理を施す。これらの２つの信号ＰＡＳＳ１、ＰＡＳＳ２は、互いに重なることなく分離されている必要がある。

【0107】

図９は、前処理部７２２で演算処理される信号ＰＡＳＳ１、ＰＡＳＳ２の各帯域を模式的に示す図である。

【0108】

図９に示す信号ＰＡＳＳ１、ＰＡＳＳ２は、互いに帯域が重複しないように分離されている。具体的には、信号ＰＡＳＳ１の帯域の最大値は、ｆｍから高周波数側にｆｍ／２までの範囲に制限される。

【0109】

前述した測長光学系４の第２受光素子４５には、変調周波数ｆｍで変調された変調成分と、移動ミラー３３に由来する測長成分と、を含む干渉光が入射する。このため、第２受光素子４５から出力される第２受光信号Ｓ２には、図９に示すように、移動ミラー３３の移動速度に応じたドップラー周波数ｆｄの周波数シフトが含まれる。このドップラー周波数ｆｄを計測することにより、移動ミラー３３の移動速度、そして、移動ミラー３３の位置を算出できる。

【0110】

ドップラー周波数ｆｄを計測するためには、ドップラー周波数ｆｄがｆｍ帯および２ｆｍ帯の各帯域に含まれている必要がある。この制約条件を満たすように、ミラー駆動部８の作動条件が設定されることが好ましい。以下、作動条件について説明する。

【0111】

まず、図９に示すように、ドップラー周波数ｆｄは、下記式（１）を満たすことが好ましい。
ｆｄ＜ｆｍ／２ （１）

【0112】

ドップラー周波数ｆｄは、移動ミラー３３の移動速度ｖおよび測長光Ｌ２ａの波長λで表すことができるので、上記式（１）から下記式（２）が導かれる。
（２／λ）ｖ＜ｆｍ／２ （２）

【0113】

上記式（２）を変形すると、下記式（３）が導かれる。
ｖ＜（ｆｍ／４）λ （３）

【0114】

上記式（３）から、移動ミラー３３の移動速度は、変調周波数ｆｍおよび波長λに基づく所定の範囲であることが好ましい。
この制約条件から、ミラー駆動部８の作動条件を求める。

【0115】

図５に示す構成のミラー駆動部８では、駆動周波数決定部８４４が駆動周波数ｆｋを決定する。この駆動周波数ｆｋは、例えば、移動ミラー３３の移動速度ｖと比例関係にある。具体的には、両者の間は、下記式（４）が成り立つ。
ｖ＝ｈ・ｆｋ （４）

【0116】

なお、上記式（４）のｈはモーター性能を表す係数である。モーター性能を表す係数ｈは、例えば、次のように計算される。

【0117】

動力変換部８６２がボールねじを含む場合、ボールねじのねじピッチをＰ［ｍｍ］とする。また、ステッピングモーターＳＰＭに入力されるミラー駆動信号Ｓｍの１パルスで回転する角度をｓ［ｄｅｇ／パルス］とする。このとき、係数ｈは、１パルスで移動ミラー３３が移動する距離と考えることができ、下記式（５）で表される。
ｈ＝Ｐ・ｓ／３６０ （５）

【0118】

そうすると、上記式（４）および上記式（５）から、下記式（６）が導かれる。
ｖ＝｛（Ｐ・ｓ）／３６０｝ｆｋ＝ｇ（ｆｋ，ｈ） （６）

【0119】

上記のように、移動ミラー３３の移動速度ｖは、駆動周波数ｆｋおよびモーター性能を表す係数ｈの関数ｇで表現できる。そうすると、上記式（３）および上記式（６）から、ミラー駆動部８の作動条件を表す下記式（７）、（８）が導かれる。

【0120】

｛（Ｐ・ｓ）／３６０｝ｆｋ＜（ｆｍ／４）λ （７）
ｆｋ＜｛９０／（Ｐ・ｓ）｝λ・ｆｍ （８）

【0121】

以上のように、ミラー駆動部８の作動時には、上記式（８）を満たすように駆動周波数ｆｋを選択すればよい。これにより、移動ミラー３３の位置を計測可能な移動速度ｖで移動ミラー３３を移動させることができる。このため、小型化、軽量化および低消費電力化を図りつつ、移動ミラー３３の位置を再現性よく計測可能な分光装置１００を実現することができる。

【0122】

なお、本実施形態では、光変調器１２の変調周波数ｆｍが振動素子３０の固有振動数に応じて決まる。このため、固有振動数が高い振動素子３０を用いることで、変調周波数ｆｍが高くなり、それに伴って前述したｆｍ帯および２ｆｍ帯も広帯域化できる。例えば、前述した水晶ＡＴ振動子のようにＭＨｚ帯の高い固有振動数を有する。これにより、計測可能な移動ミラー３３の移動速度ｖを高くできるため、より高速で移動ミラー３３を移動させることが可能になる。その結果、計測時間の短縮、つまり、高速での分析が可能な分光装置１００が得られる。

【0123】

なお、上記のように、移動ミラー３３の移動速度ｖを関数ｇ（ｆｋ，ｈ）で表現できるのは、ステッピングモーターＳＰＭ以外のモーター、例えば、ＰＷＭ（パルス幅変調）方式のモーター、ピエゾモーター、リニアモーター等も同様である。したがって、ミラー駆動部８には、ステッピングモーターＳＰＭに代えて、これらのモーターが用いられていてもよい。

【0124】

２．第２実施形態
次に、第２実施形態に係る分光装置について説明する。

【0125】

図１０は、第２実施形態に係る干渉計としての分光装置１００が備えるミラー駆動部８の機能を示す機能ブロック図である。

【0126】

以下、第２実施形態について説明するが、以下の説明では、前記第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。なお、図１０において、前記第１実施形態と同様の事項については、同一の符号を付している。

【0127】

第２実施形態は、図１０に示すミラー駆動部８の構成が図５と異なる以外、第１実施形態と同様である。

【0128】

図１０に示すミラー駆動信号生成部８２は、周波数調整部８３およびモーター制御部８４を有する。また、図１０に示す動力伝達部８６は、直流モーターＤＣＭおよび動力変換部８６２を有する。図１０に示すミラー駆動信号生成部８２は、周期信号生成部６から入力されたパルス信号Ｓｐに基づいて、目的とする直流電圧Ｖのミラー駆動信号Ｓｍを生成する。そして、モーター制御部８４は、ミラー駆動信号Ｓｍを直流モーターＤＣＭに向けて出力し、動力変換部８６２を介して移動ミラー３３を駆動する。

【0129】

図１０に示す周波数調整部８３は、第１実施形態と同様、周期信号生成部６からのパルス信号Ｓｐが入力される分周器８３４を有する。

【0130】

図１０に示すモーター制御部８４は、位置算出部８４６、極性制御部８４７およびＦ／Ｖ変換部８４８を有する。

【0131】

位置算出部８４６には、演算部７から出力された移動ミラー位置信号Ｘ（ｔ）が入力される。位置算出部８４６は、この移動ミラー位置信号Ｘ（ｔ）に基づいて、移動ミラー３３の位置を算出する。なお、位置算出部８４６には、移動ミラー３３の位置を算出可能な別の情報が入力されるようになっていてもよい。

【0132】

極性制御部８４７は、直流モーターＤＣＭに入力するミラー駆動信号Ｓｍを出力する。直流モーターでは、ミラー駆動信号Ｓｍの電圧に応じて、回転速度が変化し、一般には、電圧と回転速度とが比例する。また、極性制御部８４７は、移動ミラー３３の往復時間に応じて、ミラー駆動信号Ｓｍの極性を切り替える。これにより、移動ミラー３３の往復移動が可能になる。

【0133】

Ｆ／Ｖ変換部８４８は、移動ミラー３３に必要な移動速度に応じて、駆動周波数ｆｋを決定する。そして、Ｆ／Ｖ変換部８４８は、分周器８３４から出力された駆動周波数ｆｋを直流電圧Ｖに変換する。Ｆ／Ｖ変換部８４８では、例えば、駆動周波数ｆｋと出力する直流電圧Ｖとが比例する関係に基づいて、周波数－電圧変換を行う。

【0134】

したがって、図１０に示すミラー駆動部８では、移動ミラー３３の移動速度を関数ｇ（Ｖ，ｈ）で表現できる。この場合、Ｖは、Ｆ／Ｖ変換部８４８の出力電圧である。なお、直流モーターＤＣＭは、同様の駆動方式のモーター、例えばリニアモーター等で代替可能である。

【0135】

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。
また、直流モーターＤＣＭは、ミラー駆動信号Ｓｍの直流電圧に基づいて回転速度制御が容易であるため、上記のミラー駆動部８によれば、移動ミラー３３の移動速度を容易に制御することができる。

【0136】

３．第３実施形態
次に、第３実施形態に係る干渉計について説明する。

【0137】

図１１は、第３実施形態に係る干渉計としての形状測定装置２００を示す概略構成図である。図１２は、図１１の分析部３００、測長部４００、周期信号生成部６および演算部７の各主要部を示す概略構成図である。

【0138】

以下、第３実施形態について説明するが、以下の説明では、前記第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。なお、図１１および図１２において、前記第１実施形態と同様の事項については、同一の符号を付している。

【0139】

前記第１実施形態に係る分光装置１００は、第１光源５１から射出された分析光Ｌ１を試料９に照射し、試料９の分光分析を行う装置である。これに対し、第２実施形態に係る形状測定装置２００は、分析光Ｌ１を試料９に照射し、試料９の表面や内部の形状測定を行う装置である。図１１に示す形状測定装置２００は、分析光学系３の構成が異なること以外、図１に示す分光装置１００と同様である。

【0140】

図１１に示す分析光学系３は、第１光源５１、ビームスプリッター３２、移動ミラー３３、集光レンズ３５、集光レンズ３７および第１受光素子３６を備える。

【0141】

図１１に示す第１光源５１には、例えば、ＳＬＤ（Super Luminescent Diode）、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）のような白色光源の他、波長掃引光源、第１実施形態で挙げている各種ランプ等が挙げられる。好ましくは、低コヒーレンス光源と呼ばれる広帯域光源が用いられる。

【0142】

第１光源５１から射出された分析光Ｌ１は、ビームスプリッター３２で２つに分割される。図１１に示す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として試料９に向けて透過させる。分析光Ｌ１ｂは、集光レンズ３７を介して試料９に集光される。

【0143】

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、試料９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。

【0144】

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Ｌ１ｂと試料９との相互作用により生成された試料由来成分と、前述した移動ミラー３３に由来する位相情報と、を含む。試料由来成分は、例えば、試料９の表面形状に応じて分析光Ｌ１ｂに付加される位相の変化である。

【0145】

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の他、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）のようなイメージセンサー等が挙げられる。イメージセンサーを用いることにより、第１受光信号Ｆ（ｔ）の２次元分布を取得することができる。これにより、試料９の表面形状を２次元で測定することができる。

【0146】

図１１に示す測長光学系４、周期信号生成部６およびミラー駆動部８は、図１と同様である。

【0147】

図１２に示す演算部７は、移動ミラー位置演算部７２、光強度演算部７４および形状算出部７８を有する。

【0148】

図１２に示す光強度演算部７４は、前記第１実施形態と同様、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。図１２に示す形状算出部７８は、この波形に基づいて、試料９の表面形状を算出する。具体的な解析方法は、白色干渉計測法、時間領域ＯＣＴ（Optical Coherence Tomography）等の名称で知られている。

【0149】

なお、図１１では、試料９が分析光Ｌ１ｂを反射させる場合について図示しているが、試料９が分析光Ｌ１ｂを透過させる場合、図１１に示す形状測定装置２００は、試料９の内部形状（内部構造）を測定可能となる。具体的な解析方法は、光干渉断層撮影等の名称で知られている。
以上のような第３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。

【0150】

４．前記実施形態が奏する効果
前記実施形態に係る干渉計としての分光装置１００および形状測定装置２００は、それぞれ、分析部３００および測長部４００を備える。分析部３００は、分析光学系３およびミラー駆動部８を備える。分析光学系３は、分析光Ｌ１を反射させる移動ミラー３３、および、分析光Ｌ１を受光し、第１受光信号を出力する第１受光素子３６を有し、試料９に対する分析光Ｌ１の照射および分析光Ｌ１の干渉により、試料９の分析、すなわち分光分析や形状測定等に供される。ミラー駆動部８は、ミラー駆動信号Ｓｍに基づいて移動ミラー３３を駆動する。測長部４００は、第２光源４１（レーザー光源）、光変調器１２、および、第２受光素子４５を有する。第２光源４１は、レーザー光である測長光Ｌ２を射出する。光変調器１２は、振動素子３０を用いて測長光Ｌ２ａの周波数を変調し、変調成分を付加する。第２受光素子４５は、測長光Ｌ２ｂが移動ミラー３３に照射されることによって生成される測長成分および変調成分を含む測長光Ｌ２ａ、Ｌ２ｂを受光し、第２受光信号Ｓ２を出力する。このような測長光学系４は、測長光Ｌ２ａ、Ｌ２ｂの干渉により、移動ミラー３３の位置の検出に供される。そして、前記実施形態に係る干渉計では、振動素子３０が、ミラー駆動信号Ｓｍの信号源である。

【0151】

このような構成によれば、振動素子３０を、基準信号Ｓｓの信号源として用いるだけでなく、ミラー駆動信号Ｓｍの信号源としても用いる。このため、各信号用に個別の信号源を用意する必要がなく、干渉計（分光装置１００および形状測定装置２００）の小型化、軽量化および低消費電力化が図られる。また、従来よりも信号源を減らせるため、干渉計の低コスト化を図ることができる。

【0152】

また、前記実施形態に係る干渉計としての分光装置１００および形状測定装置２００は、周期信号生成部６をさらに備えている。周期信号生成部６は、振動素子３０を信号源として周期信号を生成する。そして、ミラー駆動部８は、ミラー駆動信号生成部８２を有する。ミラー駆動信号生成部８２は、周期信号の周波数を調整し、ミラー駆動信号Ｓｍを生成する。

【0153】

このような構成によれば、振動素子３０を信号源とする周期信号を用いて、所望の駆動周波数ｆｋのミラー駆動信号Ｓｍを生成できる。このため、移動ミラー３３の移動速度を任意に調整できる。

【0154】

また、ミラー駆動信号生成部８２は、周期信号の周波数を調整し、タイミング信号を生成するように構成されていてもよい。

【0155】

このような構成によれば、新たな信号源を用意することなく、例えば、タイミング制御等の用途に適するタイミング信号を生成することができる。

【0156】

また、測長部４００は、復調処理部７２４を有する。復調処理部７２４は、周期信号および第２受光信号Ｓ２に基づいて、測長成分を復調する。

【0157】

このような構成によれば、振動素子３０を信号源とする周期信号を用いて、測長成分を復調できる。つまり、測長光Ｌ２ａの周波数を変調する目的に加え、測長成分を復調する復調処理における基準信号Ｓｓの信号源として振動素子３０を用いることができる。これにより、干渉計のさらなる小型化、軽量化および低消費電力化ならびに低コスト化を図ることができる。

【0158】

また、ミラー駆動部８は、ステッピングモーターＳＰＭと、動力変換部８６２と、を有していてもよい。動力変換部８６２は、ステッピングモーターＳＰＭの回転出力で移動ミラー３３を移動させる。さらに、ミラー駆動信号生成部８２は、周期信号の周波数を調整して、所定の周波数のパルス信号を出力する周波数調整部８３と、パルス信号に基づいてミラー駆動信号Ｓｍを生成するモーター制御部８４と、を有する。

【0159】

このような構成によれば、ミラー駆動信号Ｓｍのパルス数に基づいて正確な回転角制御が可能なステッピングモーターＳＰＭを用いているため、移動ミラー３３の移動量や移動速度を正確に制御することができる。

【0160】

また、ミラー駆動部８は、直流モーターＤＣＭと、動力変換部８６２と、を有していてもよい。動力変換部８６２は、直流モーターＤＣＭの回転出力で移動ミラー３３を移動させる。さらに、ミラー駆動信号生成部８２は、周期信号の周波数を調整して、所定の周波数のパルス信号を出力する周波数調整部８３と、パルス信号の周波数を直流電圧に変換するＦ／Ｖ変換部８４８と、を有する。

【0161】

このような構成によれば、ミラー駆動信号Ｓｍの直流電圧に基づいて回転速度制御が容易な直流モーターＤＣＭを用いているため、移動ミラー３３の移動速度を容易に制御することができる。

【0162】

また、移動ミラー３３の移動速度をｖとし、測長光Ｌ２ａ（レーザー光）の波長をλとし、光変調器１２による測長光Ｌ２の変調周波数をｆｍとする。このとき、ミラー駆動部８は、移動速度ｖが下記式（３）を満たすように移動ミラー３３を駆動することが好ましい。
ｖ＜（ｆｍ／４）λ （３）

【0163】

このような構成によれば、移動ミラー３３の位置を計測可能な移動速度ｖで移動ミラー３３を移動させることができる。このため、小型化、軽量化および低消費電力化を図りつつ、移動ミラー３３の位置を再現性よく計測可能な干渉計を実現することができる。

【0164】

以上、本発明の干渉計を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明の干渉計は、前記実施形態に限定されるものではなく、各部の構成は、任意の構成物で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。

【0165】

また、本発明の干渉計は、前記実施形態のうち、２つ以上を含み合わせたものであってもよい。さらに、本発明の干渉計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。

【0166】

また、前記実施形態では、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。

【0167】

さらに、試料の配置は、図示した配置に限定されない。試料由来成分は、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】

【0168】

３…分析光学系、４…測長光学系、６…周期信号生成部、７…演算部、８…ミラー駆動部、９…試料、１２…光変調器、３０…振動素子、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、３７…集光レンズ、４１…第２光源、４２…ビームスプリッター、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…第１光源、５４…ビームスプリッター、５５…集光レンズ、５６…減光フィルター、６２…発振回路、６４…矩形波発生回路、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、７８…形状算出部、８２…ミラー駆動信号生成部、８３…周波数調整部、８４…モーター制御部、８６…動力伝達部、１００…分光装置、２００…形状測定装置、３００…分析部、４００…測長部、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、４３１…振動片、４３２…溝、４３３…パッド、４３４…回折格子、４３５…パッド、４３６…振動方向、７２２…前処理部、７２４…復調処理部、７２６…移動ミラー位置信号出力部、８３２…基本波生成部、８３４…分周器、８４２…回転方向制御部、８４４…駆動周波数決定部、８４６…位置算出部、８４７…極性制御部、８４８…Ｆ／Ｖ変換部、８６２…動力変換部、４３１１…表面、４３１２…裏面、ＤＣＭ…直流モーター、Ｆ（ｘ）…インターフェログラム、Ｆ（ｔ）…第１受光信号、Ｌ１…分析光、Ｌ１ａ…分析光、Ｌ１ｂ…分析光、Ｌ２…測長光、Ｌ２ａ…測長光、Ｌ２ｂ…測長光、ＰＡＳＳ１…信号、ＰＡＳＳ２…信号、Ｓ２…第２受光信号、ＳＰ０…スペクトルパターン、Ｓｄ…素子駆動信号、Ｓｍ…ミラー駆動信号、Ｓｐ…パルス信号、ＳＰＭ…ステッピングモーター、Ｓｓ…基準信号、Ｘ（ｔ）…移動ミラー位置信号、Ｘ９…吸収ピーク、ｆｋ…駆動周波数

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】