特許 7099530 干渉計移動鏡位置測定装置及びフーリエ変換赤外分光光度計

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-07-04

(45)【発行日】2022-07-12

(54)【発明の名称】干渉計移動鏡位置測定装置及びフーリエ変換赤外分光光度計

(51)【国際特許分類】

   G01B 9/02 20220101AFI20220705BHJP

   G01B 11/00 20060101ALI20220705BHJP

【ＦＩ】

G01B9/02

G01B11/00 B

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2020540887

(86)(22)【出願日】2018-09-03

(86)【国際出願番号】 JP2018032655

(87)【国際公開番号】W WO2020049620

(87)【国際公開日】2020-03-12

【審査請求日】2020-11-09

(73)【特許権者】

【識別番号】000001993

【氏名又は名称】株式会社島津製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110001069

【氏名又は名称】特許業務法人京都国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】村松 尚

【審査官】信田 昌男

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１１－７５４０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平７－１９８３１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－３２４３５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平５－７９８１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１４２５２７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｂ ９／０２

Ｇ０１Ｂ １１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ビームスプリッタ、固定鏡及び移動鏡を有する干渉計の該移動鏡の位置を決定するための装置であって、
a) レーザ光源と、
b) 前記レーザ光源の光が前記固定鏡及び前記移動鏡により反射されて生成される互いに位相が異なる第１光及び第２光を分離して検出することができるようにする位相分離光学系と、
c) 前記移動鏡の位置と同期して前記第１光及び前記第２光をそれぞれ検出して第１正弦波信号及び第２正弦波信号を生成する信号変換部と、
d) 前記第１正弦波信号及び前記第２正弦波信号に対してそれぞれ正規化及び位相差補正を行うことにより位相差補正後正規化第１正弦波信号及び位相差補正後正規化第２正弦波信号を求めた後、各時点での前記位相差補正後正規化第１正弦波信号又は前記位相差補正後正規化第２正弦波信号の位相を算出する位相算出部と、
e) 前記移動鏡の位置と前記位相との関係に基き、特定の時点での位相から該時点での該移動鏡の位置を決定する移動鏡位置決定部と
を備えることを特徴とする干渉計移動鏡位置測定装置。

【請求項2】

さらに、
前記第１正弦波信号及び前記第２正弦波信号の強度値を所定の位相間隔で複数取得し、
前記第１正弦波信号及び前記第２正弦波信号のそれぞれにつき、取得した複数の強度値の平均値を求めると共に、取得した複数の強度値に対して離散フーリエ変換処理を行うことによって振幅及び前記第１正弦波信号と前記第２正弦波信号の位相差を求める
処理を繰り返し行うパラメータ較正部を備えることを特徴とする請求項１に記載の干渉計移動鏡位置測定装置。

【請求項3】

赤外光源と、ビームスプリッタと、固定鏡と、移動鏡とを有する赤外光干渉光学系と、
前記赤外光干渉光学系で生成された干渉光を検出する赤外光検出器と、
請求項１に記載の干渉計移動鏡位置測定装置と
を備えることを特徴とするフーリエ変換赤外分光光度計。

【請求項4】

前記移動鏡位置決定部からの位置信号を用いて制御を行うことで前記移動鏡を一定間隔の異なる位置に停止させ、前記位置の各々で前記赤外光検出器からの検出信号を複数回取得する操作を繰り返し行うよう該移動鏡を制御するステップスキャン制御部を備えることを特徴とする請求項３に記載のフーリエ変換赤外分光光度計。

【請求項5】

赤外光源と、ビームスプリッタと、固定鏡と、移動鏡とを有する赤外光干渉光学系と、
前記赤外光干渉光学系で生成された干渉光を検出する赤外光検出器と、
請求項２に記載の干渉計移動鏡位置測定装置と
を備えることを特徴とするフーリエ変換赤外分光光度計。

【請求項6】

前記移動鏡位置決定部からの位置信号を用いて制御を行うことで前記移動鏡を一定間隔の異なる位置に停止させ、前記位置の各々で前記赤外光検出器からの検出信号を複数回取得する操作を繰り返し行うよう該移動鏡を制御するステップスキャン制御部を備えることを特徴とする請求項５に記載のフーリエ変換赤外分光光度計。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ビームスプリッタ、固定鏡及び移動鏡を有する干渉計の該移動鏡の位置を決定するための干渉計移動鏡位置測定装置、並びに該干渉計移動鏡位置測定装置を備えるフーリエ変換赤外分光光度計（Fourier Transform Infrared Spectroscopy：FTIR）に関する。

【背景技術】

【0002】

FTIRでは、マイケルソン型干渉計を代表とする干渉計により時間的に振幅が変化する干渉光を生成して試料に照射し、試料を透過する透過光又は試料で反射する反射光をインターフェログラムとして検出し、このインターフェログラムをフーリエ変換処理することによって、横軸に波数（又は波長）、縦軸に強度をとったスペクトルを得る。ここでマイケルソン型干渉計は、ビームスプリッタ（ハーフミラー）、固定鏡、移動鏡などを含む装置であり、光をビームスプリッタで2つに分割し、一方を固定鏡で、他方を移動鏡で反射させた後、これら2つの反射光を干渉させるものである。移動鏡を移動させることにより、得られる干渉光の振幅は時間的に変化する。

【0003】

マイケルソン型干渉計において移動鏡を移動させる制御の方法の１つに、クアドラチュアコントロールと呼ばれる方法がある（特許文献１）。この方法では、マイケルソン型干渉計とは別に設けられたレーザ光源、並びに、マイケルソン型干渉計と共通のビームスプリッタ、固定鏡及び移動鏡を構成要素とするレーザ干渉計を用いて、固定鏡で反射された光と移動鏡で反射された光の光路長の差（光路差）から移動鏡の位置を求める。当該方法で使用するレーザ干渉計の一例を図５に示す。このレーザ干渉計９０は、直線偏光のビームを出射するレーザ光源９１と、マイケルソン型干渉計のビームスプリッタ９２、固定鏡９３及び移動鏡９４と、ビームスプリッタ９２と固定鏡９３の間に設けられ、ビームの直線偏光に対して偏光面が傾斜するように配置された１／８波長板９５を有する。また、ビームスプリッタ９２の出射側にはp偏光とs偏光を分離する偏光ビームスプリッタ９６が配置されており、p偏光の出射側には第１光検出器９７Ａが、s偏光の出射側には第２光検出器９７Ｂが、それぞれ配置されている。第１光検出器９７Ａには第１波形成形器９８Ａが、第２光検出器９７Ｂには第２波形成形器９８Ｂが、それぞれ接続されており、第１波形成形器９８Ａ及び第２波形成形器９８Ｂにはアップダウンカウンタ９９が接続されている。

【0004】

このレーザ干渉計９０では、レーザ光源９１から直線偏光のビームを出射し、該ビームをビームスプリッタ９２で2つのビームに分割する。分割したビームの一方は固定鏡９３で反射させ、他方は移動鏡９４で反射させる。ここで移動鏡９４で反射させたビームは直線偏光のままであるのに対して、固定鏡９３で反射させた直線偏光のビームは、１／８波長板９５を2回通過することにより円偏光又は楕円偏光となる。これら２つのビームはビームスプリッタ９２で重ね合わされて干渉光となるが、該干渉光は偏光ビームスプリッタ９６によってp偏光とs偏光に分離される。分離されたp偏光は第１光検出器９７Ａに、s偏光は第２光検出器９７Ｂに、それぞれ入射する。第１光検出器９７Ａ及び第２光検出器９７Ｂではそれぞれ、干渉光の強度が電流信号に変換され、フリンジ信号となる。図６に示すように、p偏光のフリンジ信号及びs偏光のフリンジ信号は時間に対して周期的な信号となり、その１周期は移動鏡９４がレーザ光源９１のレーザの1/2波長分の距離だけ移動する時間に該当する。これらフリンジ信号は、第１波形成形器９８Ａ及び第２波形成形器９８Ｂによってパルス信号に成形され、アップダウンカウンタ９９に入力する。

【0005】

ここでp偏光のフリンジ信号とs偏光のフリンジ信号は、移動鏡９４がビームスプリッタ９２から遠ざかるときには一方（図６ではp偏光。前記円偏光又は楕円偏光の回転方向に依っては図６とは逆の偏光、すなわちs偏光となる場合もある。以下同じ。）が他方（同・s偏光）に対して90°位相が遅れ、移動鏡９４がビームスプリッタ９２に近づくときには該一方（同・p偏光）が該他方（同・s偏光）に対して90°位相が進む。アップダウンカウンタ９９では、前記一方のフリンジ信号によるパルス信号が前記他方のフリンジ信号によるパルス信号に対して90°位相が遅れて入力されたときには＋１をカウントし、該他方のフリンジ信号によるパルス信号が該一方のフリンジ信号によるパルス信号に対して90°位相が遅れて入力されたときには－１をカウントする。これらアップダウンカウンタによるカウントを加算することにより、レーザビームの1波長分の光路差、すなわち移動鏡９４において1/2波長の距離ずつ前方又は後方に移動することが計測され、移動鏡９４の位置が特定される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開平02-253103号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

従来のクアドラチュアコントロールでは、レーザビームの1/2波長分の長さを単位として移動鏡の位置を特定しているため、移動鏡が該1/2波長分の距離だけ移動する途中の位置を特定することはできない。FTIRでは、移動鏡を1/2波長分の距離だけ動かした後に停止させ、インターフェログラムを記録するという動作を繰り返すステップスキャンという方法が知られているが、移動鏡を停止させる制御を行うためには、目標の停止位置からのずれを1/2波長より十分高い位置分解能で特定することが必要となる。しかし、従来のクアドラチュアコントロールでは、位置分解能が1/2波長であるため、ステップスキャンを行うことができない。

【0008】

本発明が解決しようとする課題は、干渉計の移動鏡の位置に依ることなく該位置を高分解で決定することができる干渉計移動鏡位置測定装置、及び該干渉計移動鏡位置測定装置を備えるFTIRを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記課題を解決するために成された本発明は、ビームスプリッタ、固定鏡及び移動鏡を有する干渉計の該移動鏡の位置を決定するための干渉計移動鏡位置測定装置であって、
a) レーザ光源と、
b) 前記レーザ光源の光が前記固定鏡及び前記移動鏡により反射されて生成される互いに位相が異なる第１光及び第２光を分離して検出することができるようにする位相分離光学系と、
c) 前記移動鏡の位置と同期して前記第１光及び前記第２光をそれぞれ検出して第１正弦波信号及び第２正弦波信号を生成する信号変換部と、
d) 前記第１正弦波信号及び前記第２正弦波信号に対してそれぞれ正規化及び位相差補正を行うことにより位相差補正後正規化第１正弦波信号及び位相差補正後正規化第２正弦波信号を求めた後、各時点での前記位相差補正後正規化第１正弦波信号又は前記位相差補正後正規化第２正弦波信号の位相を算出する位相算出部と、
e) 前記移動鏡の位置と前記位相との関係に基き、特定の時点での位相から該時点での該移動鏡の位置を決定する移動鏡位置決定部と
を備えることを特徴とする。

【0010】

位相算出部で算出される第１正弦波信号又は第２正弦波信号の各時点での位相は、その各時点での移動鏡の位置との間に所定の関係を有する。この関係に基づいて、特定の時点での位相から該時点での該移動鏡の位置を決定することができる。これにより、移動鏡の位置を高分解で特定することができる。また、移動鏡の位置の決定は、移動鏡が1/2波長分移動したときのような特定の位置のみならず、任意の位置において行うことができる。

【0011】

前記位相分離光学系には、固定鏡で反射される光と移動鏡で反射される光を異なる偏光とすることによって両者を別々に検出できるようにするものが挙げられる。そのような位相分離光学系には、例えば、前述のクアドラチュアコントロールで用いられている、直線偏光のビームを出射するレーザ光源と、前記ビームスプリッタと前記固定鏡の間に配置された１／８波長板と、前記ビームスプリッタの後段に配置された偏光ビームスプリッタを用いることができる。あるいは、１／８波長板をビームスプリッタと移動鏡の間に配置してもよいし、１／８波長板以外の偏光子を用いてもよい。

【0012】

本発明において「位相差補正」とは、第１正弦波信号と第２正弦波信号の位相差が所定の値（典型的には90°）となるようにそれら2つの正弦波信号を補正することをいう。

【0013】

位相算出部では、前記第１正弦波信号及び前記第２正弦波信号のそれぞれの平均値及び振幅をパラメータとして用いてフリンジ信号の正規化を行い、前記第１正弦波信号と前記第２正弦波信号の位相差をパラメータとして用いて位相差補正を行う。これらのパラメータは、第１正弦波信号や第２正弦波信号の位相の算出を行う前に、校正値を求めておく必要がある。これらの校正値を求めるために、本発明に係る干渉計移動鏡位置測定装置はさらに、
前記第１正弦波信号及び前記第２正弦波信号の強度値を所定の位相間隔で複数取得し、
前記第１正弦波信号及び前記第２正弦波信号のそれぞれにつき、取得した複数の強度値の平均値を求めると共に、取得した複数の強度値に対して離散フーリエ変換処理を行うことによって振幅及び前記第１正弦波信号と前記第２正弦波信号の位相差を求める処理を繰り返し行うパラメータ較正部を備えることが望ましい。

【0014】

このように所定の位相間隔で複数取得した第１正弦波信号及び第２正弦波信号の強度値に基づいて求めた平均値及び振幅を用いて正規化を行い、該正規化後の第１正弦波信号及び第２正弦波信号に基づいて前記位相を算出することにより、移動鏡の位置をより精度良く特定することができる。

【0015】

本発明に係るFTIRは、
赤外光源と、ビームスプリッタと、固定鏡と、移動鏡とを有する赤外光干渉光学系と、
前記赤外光干渉光学系で生成された干渉光を検出する赤外光検出器と、
前記干渉計移動鏡位置測定装置と
を備えることを特徴とする。

【0016】

本発明に係るFTIRはさらに、前記移動鏡位置決定部からの位置信号を用いて制御を行うことで前記移動鏡を一定間隔の異なる位置に停止させ、前記位置の各々で前記赤外光検出器からの検出信号を複数回取得する操作を繰り返し行うよう該移動鏡を制御するステップスキャン制御部を備えることができる。これにより、ステップスキャンを高い精度で行うことができる。

【発明の効果】

【0017】

本発明に係る干渉計移動鏡位置測定装置及びFTIRによれば、干渉計の移動鏡の位置に依ることなく該位置を高分解で決定することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明に係る干渉計移動鏡位置測定装置の一実施形態を示す概略図(a)、及び該干渉計移動鏡位置測定装置における位相算出部及び移動鏡位置決定部の機能を示すブロック図(b)。

【図2】本実施形態の干渉計移動鏡位置測定装置で用いるパラメータ算出部の機能を示すブロック図。

【図3】パラメータ算出部においてデータを取得するタイミングの例を示す図。

【図4】本実施形態の干渉計移動鏡位置測定装置を有するFTIRの一例を示す概略図。

【図5】従来のレーザ干渉計の一例を示す概略図。

【図6】従来のレーザ干渉計において、(a)移動鏡がビームスプリッタから遠ざかる場合と(b)移動鏡がビームスプリッタに近づいてゆく場合の、フリンジ信号、該フリンジ信号が波形成形されたパルス信号、及びアップダウンカウンタの出力信号の時間変化を示すグラフ。

【発明を実施するための形態】

【0019】

(1) 干渉計移動鏡位置測定装置の一実施形態
(1-1) 本実施形態の干渉計移動鏡位置測定装置の構成
図１を用いて、本発明に係る干渉計移動鏡位置測定装置の一実施形態を説明する。本実施形態の干渉計移動鏡位置測定装置１０は、後述のFTIR２０に組み込まれる装置であって、図１(a)に示すように、レーザ光源１１と、１／８波長板１５と、偏光ビームスプリッタ１６と、第１光検出器１７Ａ及び第２光検出器１７Ｂと、位相算出部１８と、移動鏡位置決定部１９を有する。１／８波長板１５及び偏光ビームスプリッタ１６は前述の位相分離光学系に該当し、第１光検出器１７Ａ及び第２光検出器１７Ｂは前述の信号変換部に該当する。図１(a)には、FTIR２０のビームスプリッタ２２、固定鏡２３及び移動鏡２４を併せて示している。

【0020】

レーザ光源１１は、直線偏光のレーザビームを出射するものである。１／８波長板１５は、FTIR２０のビームスプリッタ２２と固定鏡２３の間に配置されている。偏光ビームスプリッタ１６は、FTIR２０のビームスプリッタ２２の出射側に配置されている。第１光検出器１７Ａは偏光ビームスプリッタ１６のp偏光の出射側に、第２光検出器１７Ｂは偏光ビームスプリッタ１６のs偏光の出射側に、それぞれ配置されている。第１光検出器１７Ａ及び第２光検出器１７Ｂは、前述の信号変換部に該当する。

【0021】

図１(b)に示すように、位相算出部１８は、正規化処理部１８１、位相差補正部１８２、及び逆正接処理部１８３を有する。また、移動鏡位置決定部１９は、位相接続部１９１及び位置変換部１９２を有する。これら各部は、デジタル信号処理を行う論理回路やＣＰＵ、メモリ等のコンピュータのハードウエア、及びソフトウエアによって具現化されている。これら各部の機能については後述する。

【0022】

(1-2) 本実施形態の干渉計移動鏡位置測定装置の動作
本実施形態の干渉計移動鏡位置測定装置１０の動作を説明する。レーザ光源１１は直線偏光のビームを出射する。このビームは、FTIR２０のビームスプリッタ２２で2つのビームに分割される。分割されたビームの一方はFTIR２０の固定鏡２３で反射され、他方はFTIR２０の移動鏡２４で反射される。固定鏡２３で反射されたビームは１／８波長板１５を、該反射前と該反射後の合わせて2回通過することにより、円偏光又は楕円偏光となる。これら2つのビームはFTIR２０のビームスプリッタ２２で重ね合わされ、干渉計移動鏡位置測定装置１０の偏光ビームスプリッタ１６に入射する。偏光ビームスプリッタ１６は、重ね合わされたビームをp偏光とs偏光に分離する。p偏光は第１光検出器１７Ａに入射し、s偏光は第２光検出器１７Ｂに入射する。第１光検出器１７Ａは入射したp偏光を電気信号に変換し、第２光検出器１７Ｂは入射したs偏光を電気信号に変換する。

【0023】

こうして第１光検出器１７Ａ及び第２光検出器１７Ｂで生成された2つの電気信号は、移動鏡２４が光路差長においてレーザのビームの1波長分移動する毎に強度が1周期の変化を示す正弦波となる。以下、第１光検出器１７Ａで生成された電気信号を第１正弦波信号I_Aと呼び、第２光検出器１７Ｂで生成された電気信号を第２正弦波信号I_Bと呼ぶ。

【0024】

位相算出部１８では、第１正弦波信号I_A及び第２正弦波信号I_Bに対して、以下の操作を行う。

【0025】

第１正弦波信号I_A及び第２正弦波信号I_Bの振幅をそれぞれa_A及びa_B、平均値をそれぞれb_A及びb_Bとし、それら2つの正弦波信号の位相差をΔφとすると、それら2つの正弦波信号の位相はそれぞれ、例えば(φ+(Δφ/2))及び(φ-(Δφ/2))と表すことができる。このように2つの正弦波信号の位相を表すと、第１正弦波信号I_A及び第２正弦波信号I_Bは
I_A=a_Acos(φ+(Δφ/2))+b_A …(1a)
I_B=a_Bcos(φ-(Δφ/2))+b_B …(1b)
となる。ここで挙げた振幅a_A及びa_B、平均値b_A及びb_B、並びに位相差Δφの5つのパラメータを事前に求めておけば、以下に述べる方法により、移動鏡の位置を算出することができる。なお、これら5つのパラメータの算出精度は最終的な移動鏡位置の算出精度に大きく影響を及ぼす。加えて、これら5つのパラメータは、光学系のセットアップにより決定され、理想的な光学系では常に一定の値であるが、実際の装置では、移動鏡が動くことによる光量の変化や、レーザの干渉性のわずかな変化により逐次変化する。したがって、これら5つのパラメータを高精度かつリアルタイムに求める較正（キャリブレーション）を行うことにより、最終的に得られる移動鏡の位置の精度をより高くすることができる。較正の方法の一例は後述する。

【0026】

正規化処理部１８１では、これら2つの正弦波信号I_A及びI_Bに対してそれぞれ、平均値を減じたうえで振幅を除することにより、正規化処理がなされた2つの正規化正弦波信号J_A及びJ_B
J_A=(I_A-b_A)/a_A …(2a)
J_B=(I_B-b_B)/a_B …(2a)
を生成する。このように正規化処理を行うことにより、偏光ビームスプリッタ１６において一方の偏光の透過率と他方の偏光の反射率の相違や、第１光検出器１７Ａと第２光検出器１７Ｂの検出感度の相違によって生じる、2つの偏光の振幅及び平均値の相違の影響が排除される。

【0027】

次に、位相差補正部１８２は、これら2つの正規化正弦波信号J_A及びJ_Bに対して、位相差が90°になるように補正した2つの位相差補正後正規化正弦波信号c, sを生成する処理を行う。具体的には、以下の(3)式

【数1】

による処理を行うことにより、位相差補正後正規化正弦波信号c, sは
c=sin(Δφ)・cosφ=sin(Δφ)・sin(φ+π/2) …(4a)
s=sin(Δφ)・sinφ …(4b)
となり、両者の位相差が90°となる。

【0028】

逆正接処理部１８３は、2つの位相差補正後正規化正弦波信号の一方の信号sを他方の信号cで除したうえで逆正接を取る。すると、(4a)及び(4b)式より
φ=arctan(s/c) …(5)
となり、位相φが算出される。

【0029】

次に、移動鏡位置決定部１９では、位相算出部１８で得られた位相φを移動鏡の位置xに換算する。この換算では、まず、位相接続部１９１が、(5)式に示されるφに対して位相接続処理を行う。位相接続処理は、φが逆正接関数であることによって、位相が-πのとき及び+πのときに生じる不連続（データの急変）を、連続したデータとなるように接続する処理をいう。ここでは、位相接続処理を「Unwrap(φ)」との関数で表示する。

【0030】

位置変換部１９２は、位相接続後の位相φとレーザのビームの波長λを用いて、以下の(6)式
x=(λ/4π)Unwrap(φ) …(6)
により、移動鏡の位置xを特定する。

【0031】

本発明に係る干渉計では、以上の処理を行うことにより、移動鏡が1波長分移動したときのような特定のタイミングのみならず、任意のタイミングにおいて移動鏡の位置xを求めることができるため、移動鏡の位置を高分解で特定することができる。

【0032】

(1-3) 振幅a_A及びa_B、平均値b_A及びb_B、並びに位相差Δφを較正する構成及び動作の例
次に、図２を用いて、位相算出部１８で用いるパラメータである振幅a_A及びa_B、平均値b_A及びb_B、並びに位相差Δφを較正するためのパラメータ較正部１８５の構成及びその動作を説明する。パラメータ較正部１８５は、データサンプリング部１８５１、サンプリングデータ記録部１８５２、パラメータ算出部１８５３、及び算出パラメータ出力部１８５４を有する。

【0033】

データサンプリング部１８５１は、所定のタイミング毎に、第１光検出器１７Ａ及び第２光検出器１７Ｂで生成された第１正弦波信号I_A及び第２正弦波信号I_B、並びに逆正接処理部１８３から出力される、位相接続前の位相φのデータを取得するものである。ここで、それらの値を取得するタイミングは、例えば図３(a)に丸印で示すように、第１正弦波信号I_A及び第２正弦波信号I_Bの1周期をN等分（Nは2以上の整数）したタイミング、すなわち位相φが(2πn/N)のときである（nは0～(N-1)の間の整数）N個のタイミングとすることができる。図３(a)では、第１正弦波信号I_Aと第２正弦波信号I_Bの位相差Δφをほぼ90°として（90°とみなして）、I_Aの強度を縦軸、I_Bの強度を横軸にとったグラフにおいて両者の関係を円周で表している。

【0034】

I_A及びI_B並びにφのデータを取得するタイミングは図３(a)の場合には限られず、図３(b)及び(c)に示すタイミングとすることもできる。図３(b)では、位相φが(2πn/N)であるタイミングよりも十分に短いサンプリングレートで繰り返しデータを取得しつつ、位相φが(2πn/N)となる直前及び直後に得られたデータを抽出して両データを補間することにより、(2πn/N)におけるデータを取得する。それら両データを補間する代わりに、それら両データの平均値を取ってもよいし、位相φが(2πn/N)となる直前又は直後のいずれかのデータのみを用いてもよい。このように位相φが(2πn/N)となる直前・直後に得られるデータを用いる方法は、第１正弦波信号I_A及び第２正弦波信号I_Bの周期が十分に長く、(2π/N)毎に十分に多くのデータを取得できる場合に有効である。

【0035】

一方、第１正弦波信号I_A及び第２正弦波信号I_Bの周期が十分に短い場合には、図３(c)に示すように、できるだけ短いサンプリングレートで繰り返しデータを取得しつつ、位相φが(2πn/N±δ)の範囲内（δは2π/Nよりも十分に小さい値）に入ったときにのみデータを抽出する。1回のサンプリングの間に位相φが2π/Nを超えて変化するほど周期が短い場合には、1周期の間に(2πn/N)の各位相において取得することができるデータの数は0個か、せいぜい1個のみである。しかし、複数周期に亘ってデータを取得することにより、(2πn/N)の各位相におけるデータを2個以上取得することができる。このように(2πn/N)の各位相において、取得した2個のデータを補間することにより、(2πn/N)の各位相におけるデータを取得することができる。あるいは、取得した2個のデータの平均値を取ってもよいし、1個のみ取得したデータを用いてもよい。

【0036】

サンプリングデータ記録部１８５２は、データサンプリング部１８５１において各位相で取得したI_A及びI_B並びにφのデータを記録する。

【0037】

パラメータ算出部１８５３は、サンプリングデータ記録部１８５２に記録された、nが所定の範囲内にある位相におけるI_A(n)及びI_B(n)並びにφ(n)のデータを取得し、それらのデータに基づき、I_A及びI_Bの振幅a_A及びa_B、I_A及びI_Bの平均値b_A及びb_B、並びにI_AとI_Bの位相差Δφの較正値を求める。以下では、1周期分のN個のデータを用いる場合を例として説明するが、使用するデータの個数はN個には限定されない。

【0038】

まず、I_Aの平均値b_Aの較正値は、N個のI_A(n)（n=0～(N-1)）の和をNで除することにより求められる。I_Bの平均値b_Bの較正値も同様に、N個のI_B(n)（n=0～(N-1)）の和をNで除することにより求められる。

【数2】

【0039】

I_Aの振幅a_Aの較正値は、N個のI_A(n)を離散フーリエ変換することにより得られる正規化周波数X_A（以下の(8a)式）の複素成分を用いて、以下の(9a)式により求められる。同様に、I_Bの振幅a_Bの較正値は、正規化周波数X_B（以下の(8b)式）の複素成分を用いて、以下の(9b)式により求められる。

【数3】

【数4】

【0040】

I_AとI_Bの位相差Δφの較正値は、複素数X_Aの偏角∠X_Aと複素数X_Bの偏角∠X_Bの差より、以下の(10)式で求められる。
Δφ=∠X_A-∠X_B …(10)

【0041】

算出パラメータ出力部１８５４は、パラメータ算出部１８５３で求められた振幅a_A及びa_B、並びに平均値b_A及びb_Bの較正値を正規化処理部１８１に出力すると共に、パラメータ算出部１８５３で算出された位相差Δφの較正値を位相差補正部１８２に出力する。正規化処理部１８１は、これら振幅a_A及びa_B、並びに平均値b_A及びb_Bの較正値を用いて第１正弦波信号I_A及び第２正弦波信号I_Bの正規化処理を行い、位相差補正部１８２は、位相差Δφの較正値を用いて位相の補正を行う。これにより、較正前の振幅a_A及びa_B、平均値b_A及びb_B、並びに位相差Δφを用いた場合よりも位相φの算出の精度を高くすることができ、得られる移動鏡の位置xの特定精度を高くすることができる。

【0042】

さらに、こうして得られた精度の高い位相φの値を用いてパラメータ較正部１８５によるパラメータの較正を行うという一連の操作を繰り返し行うことができる。これにより、得られる移動鏡の位置xの特定精度をより一層高くすることができる。したがって、初期に用いていたパラメータが仮に精度の低い値であったとしても、パラメータ較正部１８５により複数回、反復で処理することにより、所望の精度を得ることができる。具体的には、第１正弦波信号、第２正弦波信号のピークとバレーの平均より求めた平均値b_A及びb_B、ピークとバレーの差より求めた振幅a_A及びa_B、並びに位相差Δφ=π/2を初期値のパラメータとして用い、上記較正を複数回行えば良い。さらに、光学系の動的な変化に起因するパラメータの変化に対しても、反復して較正をし続けることで、常に高精度でパラメータを求めることができ、最終的に得られる移動鏡の位置xの特定精度も常に高精度に維持される。

【0043】

(2) FTIRの一実施形態
次に、図４を用いて、干渉計移動鏡位置測定装置１０が組み込まれたFTIR２０について説明する。FTIR２０は、赤外光源２１と、前述のビームスプリッタ２２、固定鏡２３及び移動鏡２４と、試料室２５と、赤外光検出器２６を有する。試料室２５の手前には赤外光を該試料室２５内の試料に集光する第１集光鏡２５１が、試料室２５と赤外光検出器２６の間には赤外光を赤外光検出器２６に集光する第２集光鏡２５２が、それぞれ設けられている。赤外光源２１から出射される赤外光は、ビームスプリッタ２２に照射され、ビームスプリッタ２２により固定鏡２３及び移動鏡２４に向かう2方向に分割される。固定鏡２３及び移動鏡２４でそれぞれ反射した赤外光はビームスプリッタ２２に戻って合流する。ここで移動鏡２４を移動させると、固定鏡２３で反射される赤外光の光路と移動鏡２４で反射される赤外光の光路長に差が生じ、該光路長差に応じて異なる位相で干渉した赤外干渉光が生成される。赤外干渉光は第１集光鏡２５１で集光されて試料室２５内の試料に照射される。試料を通過した赤外干渉光は、赤外光検出器２６で検出される。

【0044】

FTIR２０に組み込まれた干渉計移動鏡位置測定装置１０は、前述のレーザ光源１１、１／８波長板１５、偏光ビームスプリッタ１６、第１光検出器１７Ａ、第２光検出器１７Ｂ、位相算出部１８、及び移動鏡位置決定部１９の他に、赤外光源２１とビームスプリッタ２２の間に設けられた第１微小反射鏡１１１と、ビームスプリッタ２２と第１集光鏡２５１の間に設けられた第２微小反射鏡１１２を有する。レーザ光源１１は赤外光源２１とビームスプリッタ２２の間の赤外光の光路（図４中の平行な2本の二点鎖線の間）から離れた位置に、レーザ光源１１が発するビームが第１微小反射鏡１１１で反射されてビームスプリッタ２２に入射するように配置されている。また、偏光ビームスプリッタ１６はビームスプリッタ２２と第１集光鏡２５１の赤外光の光路から離れた位置に、ビームスプリッタ２２を通過したビームが第２微小反射鏡１１２で反射されて偏光ビームスプリッタ１６に入射するように配置されている。第１微小反射鏡１１１及び第２微小反射鏡１１２はいずれも微小であるため、赤外光をほとんど妨げることなく通過させる。

【0045】

FTIR２０によれば、干渉計移動鏡位置測定装置１０で移動鏡２４の位置を求めつつ、従来のFTIRと同様の方法でインターフェログラムを取得することができる。

【0046】

FTIR２０はさらに、移動鏡２４を所定の位置に停止させるフィードバック制御を行いながら、赤外光検出器２６からの検出信号を取得する操作を一定間隔の異なる位置で繰り返し行うステップスキャン制御部２７を備えることができる。これにより、ステップスキャンを高い精度で行うことができる。

【0047】

以上、本発明に係る干渉計移動鏡位置測定装置及びFTIRの実施形態を説明したが、本発明はこれらの実施形態には限定されず、本発明の主旨に沿って種々の変更が可能である。

【符号の説明】

【0048】

１０…干渉計移動鏡位置測定装置
１１、９１…レーザ光源
１１１…第１微小反射鏡
１１２…第２微小反射鏡
１５、９５…１／８波長板
１６、９６…偏光ビームスプリッタ
１７Ａ、９７Ａ…第１光検出器
１７Ｂ、９７Ｂ…第２光検出器
１８…位相算出部
１８１…正規化処理部
１８２…位相差補正部
１８３…逆正接処理部
１８５…パラメータ較正部
１８５１…データサンプリング部
１８５２…サンプリングデータ記録部
１８５３…パラメータ算出部
１８５４…算出パラメータ出力部
１９…移動鏡位置決定部
１９１…位相接続部
１９２…位置変換部
２０…FTIR
２１…赤外光源
２２、９２…ビームスプリッタ
２３、９３…固定鏡
２４、９４…移動鏡
２５…試料室
２５１…第１集光鏡
２５２…第２集光鏡
２６…赤外光検出器
２７…ステップスキャン制御部
９０…レーザ干渉計
９８Ａ…第１波形成形器
９８Ｂ…第２波形成形器
９９…アップダウンカウンタ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】