(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの可動要素を動かして、２つの可動要素間の距離及び２つの各可動要素の固定点からの距離の差を含む相対位置を、変化させるようにした装置において、
前記可動要素の相対位置を第１基準値から第２基準値へ段階移行する装置であって、
相対位置を変化させるために要素に取り付けたアクチュエータ手段と、
前記要素のアクチュエータ手段に接続してあり、相対位置に応答して最も近い基準値に相対位置を位置決めするサーボ手段と、
制御サイクルと段階移行方向を定めるシーケンス手段と
を包含し、
前記シーケンス手段が、（ａ）制御サイクルの第１の開ループ部分で作動し、前記アクチュエータ手段をして第１、第２の基準値間の間隔にほぼ等しい量だけ要素の位置を前記段階移行方向に変化させ、前記変化が生じている間は、前記サーボ手段が応答できないようにする第１手段と、（ｂ）制御サイクルの第２の閉ループ部分において作動し、前記サーボ手段をして前記要素のアクチュエータ手段を制御できるようにし、それによって前記要素の位置を第２基準値に位置決めさせる第２手段とを包含し、
前記シーケンス手段が前記第１手段の作動に引き続き前記第２手段が作動するようにし、
こうして、要素の相対位置が第１基準値から第２基準値まで段階移行することを特徴とする装置。
【請求項２】
請求の範囲第１項の装置において、前記シーケンス手段が、段階移行方向を交互にするように制御サイクルのシーケンスを定める手段を包含し、それによって、相対位置が第１、第２の基準位置間で前後に段階移行することを特徴とする装置。
【請求項３】
請求の範囲第１項の装置において、前記シーケンス手段が、同じ段階移行方向について制御サイクルのシーケンスを定める手段を包含し、それによって、相対位置が一連の基準値へ段階移行することを特徴とする装置。
【請求項４】
請求の範囲第１項の装置において、前記第１手段が、所与の制御サイクルの前記第１部分にある間は、前記サーボ手段が前記アクチュエータ手段に接続しないようにする手段を包含することを特徴とする装置。
【請求項５】
請求の範囲第１項の装置において、前記アクチュエータ手段が、
第１アクチュエータと、
第２アクチュエータと
を包含し、
前記第１、第２のアクチュエータが、これらによって与えられる動きの重ね合わせに等しい量だけ相対位置を変化させるように制御できることを特徴とする装置。
【請求項６】
請求の範囲第５項の装置において、
前記第１アクチュエータが相対位置範囲にほぼ比例する移動範囲を有し、
前記第２アクチュエータが少なくとも隣り合った基準値間の間隔に比例する移動範囲を有する
ことを特徴とする装置。
【請求項７】
請求の範囲第５項の装置において、
相対位置が第１、第２の可動要素の相対位置であり、
前記第１アクチュエータが前記第１要素に連結してあり、
前記第２アクチュエータが前記第２要素に連結してある
ことを特徴とする装置。
【請求項８】
２つの可動要素を動かして、２つの可動要素間の距離及び２つの各可動要素の固定点からの距離の差を含む相対位置を、変化させるようにした装置において、
前記可動要素の相対位置を複数の基準値を含む範囲にわたって所与の方向で一連の等間隔の基準値に前記相対位置を段階移行させる装置であって、
相対位置を変化させるための要素に取り付けたアクチュエータ手段と、
要素のアクチュエータ手段に接続してあり、相対位置に応答して最も近い基準値に相対位置を位置決めするサーボ手段と、
制御サイクルと段階移行方向を定めるシーケンス手段とを包含し、
前記シーケンス手段が、（ａ）制御サイクルの第１の開ループ部分で作動し、前記２つのアクチュエータ手段をして隣り合った基準値間の間隔にほぼ等しい量だけそれぞれの要素の位置を所与の方向に変化させ、前記変化が生じている間は、前記変化に、前記サーボ手段が応答できないようにする第１手段と、（ｂ）制御サイクルの第２の閉ループ部分において作動し、前記サーボ手段をして前記第２のアクチュエータ手段を制御できるようにし、それによって前記要素の相対位置を最も近い基準値に位置決めさせる第２手段とを包含し、
前記シーケンス手段が前記第１手段の作動に引き続き前記第２手段が作動するようにし、
こうして、相対位置が１つの基準値から次の基準値まで反復段階移行する
ことを特徴とする装置。
【請求項９】
請求の範囲第８項の装置において、前記第１手段が、所与の制御サイクルの前記第１部分中に前記サーボ手段を前記アクチュエータ手段から分離する手段を包含することを特徴とする装置。
【請求項１０】
請求の範囲第８項の装置において、前記アクチュエータ手段が、
第１アクチュエータと、
第２アクチュエータと
を包含し、
前記第１、第２のアクチュエータが、これらによって与えられる動きの重ね合わせに等しい量だけ相対位置を変化させるように制御できる
ことを特徴とする装置。
【請求項１１】
請求の範囲第１０項の装置において、
前記第１アクチュエータが相対位置範囲にほぼ比例する移動範囲を有し、
前記第２アクチュエータが少なくとも隣り合った基準値間の間隔に比例する移動範囲を有することを特徴とする装置。
【請求項１２】
請求の範囲第１０項の装置において、
相対位置が第１、第２の可動要素の相対位置であり、
前記第１アクチュエータが前記第１要素に連結してあり、
前記第２アクチュエータが前記第２要素に連結してある
ことを特徴とする装置。
【請求項１３】
複数の基準値を含む相対位置範囲にわたって第１の方向で一連の等間隔の基準値に相対位置を段階移行させる装置であって、
相対位置の範囲にほぼ比例する範囲にわたって相対位置を変換させるように作動する第１アクチュエータ手段と、
少なくとも隣り合った基準値間の間隔に比例する範囲にわたって相対位置を変化させるように作動する第２アクチュエータ手段と、
前記相対位置に応答し、また、前記アクチュエータの少なくとも１つに連結してあり、相対位置を最も近い基準点に位置決めするサーボ手段と、
前記第２アクチュエータをして、（ａ）隣り合った基準値間の間隔にほぼ等しい量だけ第１方向へ相対位置を変化させるように或る特定の距離だけ第１方向へ移動させ、前記サーボ手段が第１方向の移動に応答しないようにし、次に（ｂ）前記特定の距離にほぼ等しい距離だけ第１方向と反対の第２方向へ移動させ、前記サーボ手段が第２方向の動きに応答するようにする手段と
を包含することを特徴とする装置。
【請求項１４】
請求の範囲第１３項の装置において、前記第１手段が、前記最初に述べた動きの間に前記サーボ手段を前記第２アクチュエータ手段から分離する手段を包含することを特徴とする装置。
【請求項１５】
請求の範囲第１３項の装置において、
前記第１アクチュエータが入力電圧と共に線形に変化する速度によって特徴付けられ、
前記第２アクチュエータが入力電力と共に線形に変化する位置によって特徴付けられることを特徴とする装置。
【請求項１６】
請求の範囲第１３項の装置において、
前記第１アクチュエータがソレノイドコイル式リニアモータであり、
前記第２アクチュエータが圧電式トランスジューサである
ことを特徴とする装置。
【請求項１７】
請求の範囲第１３項の装置において、さらに、
前記第１アクチュエータに接続してあり、相対位置でディザーを付与する手段を包含する
ことを特徴とする装置。
【請求項１８】
ビームスプリッタと、
第１、第２のミラーと、
これらのミラーのそれぞれのビームスプリッタからの光路長の光路差を表す基準信号を発生する手段であり、この基準信号が、基準間隔によって特徴付けられ、この基準間隔によって等しく隔たった多数の基準値の位置の１つを取るときに或る特性を示す手段と、
前記ミラーにそれぞれ接続してあり、前記光路差を変化させるためのアクチュエータ手段と、
前記基準信号に応答し、前記アクチュエータ手段の片方をして前記光路差を最も近い基準値に維持させるサーボ手段と、
制御サイクルと段階移行方向を定めるシーケンス手段を有する干渉計であって、
前記シーケンス手段が（ａ）前記制御サイクルの第１の開ループ部分で作動し、前記２つのアクチュエータ手段をして基準間隔にほぼ等しい量だけ前記段階移行方向に前記光路差を変化させるために、前記アクチュエータの変化が生じつつある間、前記アクチュエータの変化に、前記サーボ手段が反応できないようにする第１手段と、（ｂ）前記制御サイクルの第２の閉ループ部分で作動し、前記サーボ手段をして前記アクチュエータ手段を制御させ、それによって、前記光路差を最も近い基準値に位置決めする第２手段とを包含するシーケンス手段と、を包含し、
前記シーケンス手段が前記第１手段の作動に引き続き前記第２手段が作動するようにし、
こうして、前記光路差を基準間隔分だけ段階移行させる
ことを特徴とする干渉計。
【請求項１９】
請求の範囲第１８項の装置において、前記シーケンス手段が、交互の段階移行方向について制御サイクルのシーケンスを定める手段を包含し、それによって、相対位置を第１、第２の基準位置の間で前後に段階移行させることを特徴とする装置。
【請求項２０】
請求の範囲第１８項の装置において、前記シーケンス手段が、同じ段階移行方向についてすべての制御サイクルのシーケンスを定め、それによって、相対位置を一連の基準値へ段階移行させることを特徴とする装置。
【請求項２１】
請求の範囲第１８項の装置において、前記アクチュエータ手段が、
第１アクチュエータと、
第２アクチュエータと、
を包含し、
前記第１アクチュエータがソレノイドコイル式リニアモータであり、
前記第２アクチュエータが圧電式トランスジューサである
ことを特徴とする装置。
【請求項２２】
請求の範囲第１８項の装置において、前記アクチュエータ手段が、
第１アクチュエータと、
第２アクチュエータと、
を包含し、
さらに、前記第２アクチュエータに接続してあり、前記第２ミラーにディザー運動を与えて前記サーボ手段をして光路差が最も近い基準値と異なる程度を決めさせる手段を包含する
ことを特徴とする装置。
【請求項２３】
ビームスプリッタと、
第１、第２のミラーと、
これらのミラーのそれぞれのビームスプリッタからの光路長の光路差を表わす基準信号を発生する手段であり、この基準信号が、基準間隔によって特徴付けられ、この基準間隔によって等しく隔たった多数の基準値のうちの１つをとるときに或る特性を示す手段と、
前記ミラーのそれぞれに接続してあり、前記光路差を変化させるアクチュエータ手段と、
前記基準信号に応答し、前記アクチュエータ手段の片方をして前記光路差を最も近い基準値に維持させるサーボ手段と、
一連の制御サイクルを定めるシーケンス手段とからなる干渉計であって、
前記シーケンス手段は、（ａ）所与の制御サイクルの第１の開ループ部分で作動し、前記２つのアクチュエータ手段をして隣り合った基準値の間隔にほぼ等しい量だけ所与の方向に前記光路差を変化させるために、前記アクチュエータ手段が変化を生じつつある間、前記アクチュエータ手段の変化に、前記サーボ手段が応答できないようにする第１手段と、（ｂ）所与の制御サイクルの第２の閉ループ部分で作動し、前記サーボ手段をして前記アクチュエータ手段を制御させ、それによって、前記光路差を最も近い基準値に位置決めする第２手段とを包含し、
前記シーケンス手段が前記第１手段の作動に引き続き前記第２手段が作動するようにし、
こうして、前記光路差を或る基準値から次の基準値へ反復段階移行させる
ことを特徴とする干渉計
【請求項２４】
請求の範囲第２３項の装置において、前記アクチュエータ手段が、
第１アクチュエータと、
第２アクチュエータと、
を包含し、
前記第１アクチュエータがコイル駆動式リニアモータであり、
前記第２アクチュエータが圧電式トランスジューサである
ことを特徴とする装置。
【請求項２５】
請求の範囲第２３項の装置において、前記アクチュエータ手段が、
第１アクチュエータと、
第２アクチュエータと、
を包含し、
さらに、前記第２アクチュエータに接続してあり、前記第２ミラーにディザー運動を与えて前記サーボ手段をして光路差が最も近い基準値と異なる程度を決めさせる手段を包含する
ことを特徴とする装置。
【請求項２６】
ビームスプリッタと、
第１、第２のミラーと、
これらのミラーのそれぞれのビームスプリッタからの光路長と光路差を表わす基準信号を発生する手段であり、この基準信号が、基準間隔によって特徴付けられ、この基準間隔によって等しく隔たった多数の基準値のうちの１つをとるときに或る特性を示す手段と、
多くの基準間隔の範囲にわたって前記第１ミラーを移動させる第１アクチュエータと、
せいぜい少数の基準間隔の範囲にわたって前記第２ミラーを移動させる第２アクチュエータと、
前記基準信号に応答し、前記第１、第２のアクチュエータをして光路差を最も近い基準値に維持させるサーボ手段と、
前記第２アクチュエータを制御してこの第２アクチュエータをして第１、第２の動きのシーケンスを実施させる手段と
を包含し、
前記第１の動きが基準増分にほぼ等しい経路差の変化を行わせるように前記ビームスプリッタに相対的な第１方向への或る特定の距離であり、前記サーボ手段が前記第２のアクチュエータを制御して前記第１の動きを妨げるのを阻止するものであり、
前記第２の動きが前記第１方向と反対の、前記ビームスプリッタに相対的な第２方向における前記特定距離であり、前記サーボ手段をして前記第２アクチュエータを制御させて経路差が変化するのを防ぐものであり、
それによって、経路差が前記第１の動きの間基準間隔分変化し、前記第２の動きの間一定に留まる
ことを特徴とする干渉計。
【請求項２７】
請求の範囲第２６項の装置において、
前記第１アクチュエータがコイル駆動式リニアモータであり、
前記第２アクチュエータが圧電式トランスジューサである
ことを特徴とする装置。
【請求項２８】
請求の範囲第２６項の装置において、さらに、
前記第２アクチュエータに接続してあり、前記第２ミラーにディザー運動を与えて前記サーボ手段をして光路差が最も近い基準値と異なる程度を決めさせる手段を包含する
ことを特徴とする装置。
【請求項２９】
相対位置を変化させるための２つのアクチュエータと、このアクチュエータの片方に連結してあり、相対位置に応答して一組の基準値のうちの最も近い相対位置に位置決めするサーボとを有するシステムにおいて、相対位置を第１基準値から第２基準値へ段階移行させるための方法であって、
制御サイクルと段階移行方向を定める段階と、
制御サイクルの第１の開ループ部分において２つのアクチュエータをして第１、第２の基準値の間隔にほぼ等しい量だけ段階移行方向に相対位置を変化させるために、サーボが前記アクチュエータの変化の生じているときにアクチュエータの変化に応答できないようにする段階と、
制御サイクルの第２の閉ループ部分においてサーボをしてアクチュエータを制御させ、それによって、相対位置を第２基準値に位置決めする段階と、
を包含し、それによって、相対位置を第１基準値から第２基準値へ段階移行させることを特徴とする方法。
【請求項３０】
相対位置を変化させるための２つのアクチュエータと、このアクチュエータの片方に連結してあり、相対位置に応答して一組の基準値のうちの最も近いものに相対位置を位置決めするサーボとを有するシステムを有する干渉計において、リターデーションを基準値に維持するように作動するサーボによって干渉計で位相変調を行なう方法であって、
（ａ）選定した第１基準値から選定した第２基準値までリターデーションを変える段階と、
（ｂ）サーボ制御の下にリターデーションを所与の時間にわたって第２基準値に維持する段階と、
（ｃ）第２基準値から第１基準値へリターデーションを変える段階と、
（ｄ）サーボ制御の下にリターデーションを所与の時間にわたって第１基準値に維持する段階と、
（ｅ）前記段階（ａ）〜（ｄ）を繰り返す段階と
を包含する方法であって、
前記段階（ａ）、（ｃ）は開ループで行なわれ、少なくとも部分的にサーボ制御外で実施することを特徴とする方法。
【請求項３１】
請求の範囲第３０項の方法において、サーボ制御が、前記段階（ａ）〜（ｄ）が繰り返される周波数と異なる周波数で特徴付けられることを特徴とする方法。
【請求項３２】
干渉計で位相変調を実施する装置であって、
リターデーション値を変えるように作動するアクチュエータと、
リターデーション値を基準値に維持するように作動するサーボと、
前記アクチュエータおよび前記サーボに連結してあり、位相変調サイクルのシーケンスを定める手段と
を包含し、この手段が、
所与のサイクルの第１開ループ部分で作動し、リターデーションを選定した第１基準値から選定した第２基準値まで変える変更手段と、
所与のサイクルの第２の閉ループ部分で作動し、リターデーションをサーボ制御の下に所与の時間にわたって第２基準値に維持する手段と、
所与のサイクルの第３部分で作動し、リターデーションを第２基準値から第１基準値へ変える変更手段と、
所与のサイクルの第４部分で作動し、リターデーションをサーボ制御の下に所与の時間にわたって第１基準値に維持する手段と
を包含することを特徴とする装置。
【請求項３３】
請求の範囲第３２項の装置において、前記変更手段の各々がサーボをアクチュエータから分離する手段を包含することを特徴とする装置。
【請求項３４】
請求の範囲第３２項の装置において、前記サーボが、前記位相変調サイクルが生じる周波数と異なる周波数によって特徴付けられることを特徴とする装置。
【請求項３５】
リターデーションを表わす検出器信号を発生する検出器と、リターデーションを変化させるアクチュエータとを有する干渉計のためのサーボであって、
検出器信号に応答してそれの高周波内容を表す第１エラー信号成分を発生する第１手段と、
検出器信号に応答してそれの直結低周波内容を表わす第２エラー信号成分を発生する第２手段と、
前記第１、第２のエラー信号成分を合体させ、その結果をアクチュエータに付与してこの結果を最小化する手段と
を包含することを特徴とするサーボ。
【請求項３６】
請求の範囲第３５項のサーボにおいて、前記第２手段が検出器信号を同期復調する手段を包含することを特徴とするサーボ。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
本発明は、概略的には走査用可動要素、一層詳しくは、フーリエ変換分光計で用いられる干渉計で段階走査を行う技術に関する。
フーリエ変換分光計は、代表的には、分析しようとしている赤外線と位置の基準化を行う単色光線を送り込む干渉計を包含する。干渉計は、固定ミラーとコイル駆動の可動ミラーとを有する。急速走査時、可動ミラーがその移動距離の一部にわたってほぼ一定の速度で駆動される。段階走査では、可動ミラーは間欠的に動かされる。入力光線の各々は、ビームスプリッタのところで分割され、一部は固定ミラーから反射する光路を移動し、別の部分は可動ミラーから反射する光路を移動する。各光線のこれらの部分はビームスプリッタのところで再合流し、適当な検出器へ送られる。
２つの光線部分の光学的干渉は、単色光線の強度と赤外線の各周波数成分を、成分の光学周波数とミラー位置の関数として変化させる。検出器出力は、これらの成分の重ね合わせを表わし、一定の距離間隔でサンプリングしたときに、フーリエ変換で所望のスペクトルを生じさせる干渉写真を提供する。
急速走査干渉計では、ミラーが一定距離で動かされると、単色光線がほぼ正弦波形の基準信号となり、可動ミラーが基準波形の４分の１余分に移動する毎に（すなわち、各半波長リターデーション変化毎に）ゼロ交差が生じる。データ捕捉電子機器がこれらのゼロ交差で起動され、干渉写真のための規則的サンプリング値を生じさせる。ミラー速度を適切に選択した場合、出力信号を都合の良い変調周波数領域、たとえば、可聴周波数領域に納めることができる。サーボを用いて単色信号を固定クロックにロックし、ミラー速度を一定に維持することは公知である。
ゼロ交差毎にサンプリングを行わなければならないわけではない。通常の要件（ナイキストの定理）は、当該スペクトル領域における最大周波数の２倍のところでサンプリングが生じればよいということである。もっと長い波長では、ｎ番目のゼロ交差（ｎは小整数）毎にサンプリングを行うのが普通である。また、ときにはサンプリングをもっと少なくすると望ましいかも知れない。この場合、サンプリングがゼロ交差毎に行われることはない。したがって、基準位置間の基準間隔はゼロ交差間の距離か、あるいは、その整数倍の距離であってもよい。
段階走査干渉計では、可動ミラーは或る基準点から次の基準点まで移動してから停止し、この位置で強度測定が行われる。このシーケンスは、所望の干渉写真が得られるまで繰り返される。従来技術は、サーボ制御の下にこれを達成する技術を種々教示している。１つの方法では、直角位相検出（９０°相対位相でのシヌソイド）を用いて位置および方向の情報を得、基準を変えて或るゼロ交差から別のゼロ交差（おそらくは、他のシヌソイドのゼロ交差）へ段階的に移行するのを可能とする。単側波帯技術と一緒に直角位相検出を用いて基準周波数の倍数でシヌソイドを得ることにより、ゼロ交差間の多くの位置のうちの任意の位置へ段階移行することが可能となる。別の方法では、ディザーを用い、個別のロックイン増幅器で基本周波数と第２調波を検出する。エラー信号を発している増幅器を切り換えることによって、ゼロ交差間の段階的移行が可能となる。普通、１つの段階は１００ｍｓのオーダーである。
位相変調は、正弦波信号を可動ミラーに与えて各所望リターデーションまわりの位置をディザーする技術である。これは、普通、当該スペクトル領域における最短波長の±９０°の移相（１３０°が最適である）に相当する量による。赤外線検出器信号は、ロックイン増幅器のような復調器に通され、ディザー周波数で信号レベルを検出する。最短波長はほぼ１００％変調されるが、もっと長い波長はもっと少ない程度に変調される。所与のリターデーション値でのロックイン増幅器の出力は、そのリターデーションでの干渉計検出器信号の導関数測定値となる。この技術は、非常に遅い走査速度において利用可能性があり、非常に低い周波数で検出器チャンネルが作動する必要性をなくすことができる。
発明の概要
本発明は、第１基準値から第２基準値へ相対位置を段階移行させるのに有効な急速技術を提供する。用語上、相対位置なる用語は、或る要素の固定点に対する相対的な位置あるいは２つの要素の相対的な位置（いずれも、要素間の距離または固定点からのこれらの要素の距離の差）を含むことを意図している。本発明の技術は、等しい基準間隔だけ相対位置を反復段階移行させたい場合そしてまた第１、第２の基準値間の相対位置を反復段階移行させたい場合に適用できる。
本発明は、特に、フーリエ変換スペクトロメータで用いるような段階走査干渉計に有用性が見出される。段階走査モードで作動させられるフーリエ変換スペクトロメータに関連して、２つの要素とは干渉計の第１、第２のミラーであり、距離とはビームスプリッタからそれぞれのミラーまでの光路長であり、段階移行させられる相対位置とは２つの光路長の差（リターデーションの半分）であり、基準間隔とは基準単色光線の４分の１波長（またはその小整数倍）が普通である。
本発明によれば、相対位置は、開ループと閉ループの交互の制御間隔のシーケンスで段階移行させられる。本発明は、相対位置を変えることのできるアクチュエータと、このアクチュエータに作用して相対位置を基準間隔分で分離された一連の基準値のうちの最も近いものに位置決めし続ける閉ループ・サーボとを意図している。アクチュエータは急速応答できるものが好ましい。
相対位置を段階移行させることは、初期状態でサーボが相対位置を或る特定の初期基準値にロックしているものと仮定した場合、次の通りに行われる。まず、アクチュエータにより、サーボが変化に追従できないように相対位置を基準間隔にほぼ等しい量だけ変える。これを達成するには、たとえば、サーボと作動不能にするか、あるいは、相対位置をサーボの応答時間よりも短い時間で変える。次に、たとえば、サーボを作動可能にする（作動不能であった場合）ことによって、あるいは相対位置の変化率をサーボが追従できるレベルまで低下させることによってサーボ制御が再確立される。この時点で、サーボが作動して相対位置を最も近い基準値（初期基準値に近い）に位置させ続ける。新しい段階移行が要求されるまでサーボ制御が維持され、要求時にプロセスが繰り返される。
これは、第１、第２のアクチュエータの２つのアクチュエータを持ち、これらのアクチュエータがそれらの動きの重ね合わせに等しい量だけ相対位置を変化させるように接続されているシステムで実施され得る。両アクチュエータは１つの要素に連結してもよい。２つの要素がある場合、１つのアクチュエータを各対応する要素に連結してもよい。
まず、第２アクチュエータにより、サーボが追従できないように相対位置を第１方向へ基準間隔にほぼ等しい量だけ変化させる。こうして、サーボは相対位置を新しい基準値にロックする。その後、サーボ制御の下に、第２アクチュエータにより、相対位置を同じ量だけ反対方向へ変化させる試みを行い、サーボがこの試みられた変化を検知し、この変化に対抗するようにアクチュエータを制御できるようにする。こうして、サーボは、第２アクチュエータがその初期位置に戻るまで、相対位置を新しい基準値にロックさせ続ける。第１アクチュエータの作動範囲であることを前提条件として、全シーケンスが所望に応じて何回も繰り返される。
フーリエ変換スペクトロメータの或る特定の具体例では、第１アクチュエータは、第１ミラーと干渉計の固定構造部の間に連結され、多くの基準間隔のうちの走査間隔にわたって遠距離移動を行えるコイル駆動式リニアモータであり、第２アクチュエータは、第２ミラーと干渉計の固定構造部の間に連結され、せいぜい２、３の基準間隔にわたって短距離移動を行う圧電式トランスジューサ（ＰＺＴ）である。サーボはゼロ交差に位置した経路差を保つように作動する。
この具体例では、第１ミラーはビームスプリッタに対して全体的に第１方向へ移動する。第２ミラーは鋸歯状に移動し、各サイクルで、第１方向に反対の第２方向へ第１の移動を行い、次いで、第１方向へ第２の移動を行う。１つの段階移行を行うには、サーボが不作動にされ、ＰＺＴに電圧が印加されて第２ミラーをビームスプリッタに対して第２方向へ移動させ、ほぼ１つの基準間隔だけ経路差を変える。次に、サーボが再作動させられ、経路差を新しいゼロ交差に位置させ続け、このとき、第２ミラーが第１ミラーと同じ速度で第１方向に移動する。こうして、２つの要素がビームスプリッタに相対的に同じ方向に移動しているとき、経路差が一定に留まる。次の段階移行のためにこのシーケンスが繰り返される。
位置センサおよびサーボは、ＰＺＴにディザー電圧を印加することによって作動し、それによって、経路差を変調し、単色基準信号を変調する。変調がゼロ交差上に位置するまで、出力はディザー周波数である。ディザーがゼロ交差から外れると、ディザー周波数の第２調波として現れる。これが復調され、低域フィルタに通される。基準信号は高域フィルタに通され、低域フィルタからの出力と合体させられてエラー信号となる。このエラー信号はそれがゼロとなる方向においてＰＺＴおよびリニアモータに与えられる。こうして、経路差をゼロ交差上に位置させ続ける。
本発明のさらなる局面による位相変調技術は、経路差を第１基準値から第２基準値まで段階移行させることと、、サーボ制御の下に経路差を所定時間第２基準値に維持することと、その後第２基準値から第１基準値へ経路差を変えることと、経路差をサーボ制御の下に所定時間第１基準値に維持することと、このシーケンスを繰り返すこととを包含する。サーボは、位相変調周波数とは異なった周波数、普通は、それよりかなり高い周波数で作動させられる。これにより、サーボおよび位相変調を個別に最適化することができる。
こうして、経路差は、２つの基準値の間で何回も前後に段階移行させられる。これは、一対の基準値が変更されて検出器信号を復調し、瀘波することが可能となる率に対して充分に高い率で行われる。新しい対の基準値が選ばれ、さらに測定が行われる。このシーケンスは干渉写真を獲得するのに必要な回数繰り返される。本発明の段階移行技術が１つの経路差を別の経路差に段階移行させ得る速度は、位相変調を実施するのに特に有効である。
本発明の性質および利点をさらに理解するには、本明細書の残りの部分および図面を参照されたい。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の光学的、機械的局面を説明する概略図である。
第２図は、本発明のシステム制御回路のブロック図である。
第３Ａ図および第３Ｂ図は、それぞれ、時間の関数としてのパルス電圧および絶対、相対ミラー位置を示すタイミング図である。
好ましい実施例の説明
干渉計概観
第１図は、本発明の段階走査制御器を含む干渉計システム１０の概略図である。代表的な実施例では、干渉計システムは、フーリエ変換スペクトロメータに組み込まれる。フーリエ変換スペクトロメータは、広域赤外線源および検出器と、データ獲得・処理回路とを含む。これら付加的な要素は本発明の部分ではなく、詳しく説明しない。
広い意味で、干渉計システムは、干渉計１２と、レーザ１５と、システム制御回路１７とを包含する。干渉計１２は、ビームスプリッタ２２と、第１ミラー２３と、第２ミラー２５とからなる。この図は、ミラー間の角度が９０°であるマイケルソン干渉計を示しているが、他に多くの形式の干渉計を使用できる。たとえば、特殊な実施例では、ミラーを互いに６０°としてもよい。ミラー２３の位置はリニアモータ２７（ソレノイド駆動コイルとエアベアリング）によって制御される。レーザは、ビームスプリッタ２２の比較的小さい中央部分に入射する光線２０を発する。この中央部分はレーザ波長に対して最適化される。ビームスプリッタの残りの部分は赤外線波長領域に対して最適化される。システム制御回路１７は、リニアモータをして適当な電圧波形によってミラー２５を往復駆動させる。ミラー移動範囲の少なくとも一部はほぼ一定の速度である。
入力光線２０はビームスプリッタ２２で分割され、一部は第１ミラー２３から反射する経路をたどり、別の部分は第２ミラー２５から反射する経路をたどる。これら光線部分はビームスプリッタ２２で合体し、これら２つの光線部分の光学的な干渉により、合体光線の強さは波長およびミラー間の相対位置の関数となる。合体光線は可視光検出器３２に送られる。圧電式トランスジューサ（ＰＺＴ）がミラー２５と干渉計固定構造部の間に挿設してある。
或る特定のスペクトルメータ実施例では、ミラー２５の角度を調節してミラー２３の傾きを補正するようになっている。この目的のために、検出器は実際には直角三角形配列の３つの検出器であり、ＰＺＴは実際には対応した配列の３つのＰＺＴである。ビーム拡大器がレーザ１５からの出力光線内に設けてあり、拡大した入力光線を得るようになっている。この拡大光線の部分は、干渉計で合体したときに、検出器に入射する。システム制御回路の一部は３つの検出器信号の位相差を検知し、これに基づいて適当な電気信号をアクチュエータに送り、ミラー２５の角度位置を微調整し、ミラー２３の振れすなわち組織的な傾斜を補正する。
ＰＺＴを用いてミラー間の角度を安定化することは本発明の部分ではないので、これ以上の説明は行わない。しかしながら、本発明の好ましい実施例はＰＺＴを使用する能力に依存してミラー２５の並進運動を与える。したがって、以下の説明は単一の検出器と単一のＰＺＴについて行う。ここで、検出器のうちの１つだけを用いて本発明に従って制御を行い、３つのＰＺＴを平行に駆動して所望の並進運動を与えるということは了解されたい。
可視光検出器信号は干渉計に対する位置基準を与えるのに用いられる。上述したように、フーリエ変換スペクトルメータにおける干渉計の最終的な目的は、広域赤外光線の各周波数成分をそれ自体の周波数で変調し、その結果、変調された光線がサンプルを通されたとき、赤外線検出器信号は干渉写真を提供する。この干渉写真は相対的なミラーの変位量の一定の増分でサンプリングされ、ディジタル化したデータはフーリエ変換を受けて所望のスペクトルを生じさせる。
干渉計１２が急速走査モードで作動しており、ミラー２３がほぼ一定の速度で動き、ミラー２５がほぼ固定してあるとき、可視光検出器信号のＡＣ成分はほぼ正弦波であり、ミラーのビームスプリッタからの相対距離がレーザ波長の４分の１変化する毎にゼロ交差が生じる（すなわち、リターデーションが半波長だけ変化する毎にゼロ交差が生じる）。これらのゼロ交差は干渉写真サンプリング電子機器を起動するのに用いられる。上述したように、サンプリングはｎ番目のゼロ交差毎にのみ生じるようにしてもよい。しかしながら、段階走査モードでは、以下に説明するように動作は異なる。
段階走査制御
第２図は、本発明に従って段階走査を行うためにミラー移動を制御する、システム制御回路１７の部分を示すブロック図である。単一のアクチュエータ（リニアモータ）でも本発明に従って段階走査を行うことはできるが、システムがアクチュエータを２つ持っていると好ましい。後述するように、理想的な動作は、ミラー２３が第１方向に移動し、ミラー２５が鋸歯状に移動し、相対位置が時間の関数としての所望の段階移行プロファイルを示すことである。
この回路はミラー相対位置を最も近いゼロ交差にロックするサーボと、そのサーボに対する信号を発生するディザー回路とを包含する。ＰＺＴはリニアモータよりも早い応答性を持つことはよく知られている。ＰＺＴは電圧の変化に比例してミラー位置を変え、リニアモータが電圧の変化に比例してミラー速度を変える（ミラーが自由に動くと仮定した場合）。この特別の実施例では、制御回路は一連の制御さいくるを与える。制御サイクルの各々は開ループ制御を特徴とする第１部分と閉ループサーボ制御を特徴とする第２部分を含む。信号経路にはスイッチ４５ａ、４５ｂが挿設してあり、開ループ制御間隔でサーボおよびディザーを選択的に不作動とする。スイッチは、制御サイクルの閉ループ部分で閉じ、開ループ部分で開く。
上述したように、段階走査においては、検出器信号のゼロ交差のあるもの（あるいは、すべて）に対応する一連の一定相対位置にミラーを保持すると望ましい。ミラー相対位置がサーボが作動する間隔では変化することがないので、検出器信号はＡＣ成分を持たない。サーボをＤＣ信号レベルにすることはできるが、ＤＣサーボはドリフとすることが証明されている。長期間安定性は重要な基準であるが、ＰＺＴ３５にディザー信号を付与すると好ましい。これが単色基準信号を変調し、ＡＣ信号に基づいてエラー信号を発生するのを可能とする。ディザーされた位置の中心はゼロ交差に一致する場合、検出器信号は出力をディザー周波数で示すことになる。ディザーがゼロ交差から外れるまで、ディザー信号の第２調波が存在する。
マスタクロック５０が、後述するように、ディザー回路５２とシーケンサ５５を制御する。ディザー回路５２は、スイッチ４５ｂ、加算ノード５７および積分器５８を通してＰＺＴ３５へ送られる１６ｋＨｚ信号を発生する。このディザーは単色検出器チャンネルに影響を与える可能性のある周波数領域に意図的に置いてあるが、この領域の外にあって赤外線検出器チャンネルによって検出できるようにしてもよい。変調した信号は、検出器３２によって検知されてから、ＡＣ接続した前置増幅器６０を通して送られる。信号は乗算器６２のところで３２ｋＨｚ同期復調器基準信号と組み合わされてから低域フィルタ６５に送られる。
フィルタ６５からの出力は検出器信号に存在する３２ｋＨｚ成分の量にほぼ比例するＤＣエラー信号成分である。この信号は相対位置の変化に追従するが、信号を発生するのに必要な低域フィルタにより、応答は遅くなる。しかしながら、相対位置の急速変化Ｋがコンデンサ６７（高域フィルタ）に送られ、加算ノード６８のところで低域フィルタ出力と合体させられる。低域フィルタと高域フィルタは約１００Ｈｚで交差する。この値は１６ｋＨｚディザーより下では適当に大きいファクタである。こうして、サーボはＤＣサーボの機能を持つが、ＡＣ接続回路が必要なだけである。
こうして生じた合体エラー信号はスイッチ４５ａ、加算ノード５７および積分器５８を通してＰＺＴ３５へ送られる。この合体エラー信号は、また、リニアモータ２７の駆動コイルに接続した出力部を有する積分器７０にも送られる。この積分器７０は、実際に、エラー信号の積分値とエラー信号掛ける定数との合計に比例する出力を発する。これはサーボループを安定化させる傾向がある。
シーケンサ５５が段階移行率を制御し、各段階移行毎に、開ループ部分と閉ループ部分を定める。これをシーケンサが行うには、スイッチ４５ａ、４５ｂを開き、サイクルの開ループ部分で電圧パルス発生器７５をして積分器５８の入力部に加算ノードを介して電圧を印加させる。各電圧パルスは、所望の段階に密接に対応する距離だけＰＺＴをしてミラー２５を変位させる大きさ、持続時間を持つ。この段階移行は、基準信号のゼロ交差間の距離（４分の１波長のミラー位置の相対変化）であってもよいが、通常はこの距離の整数倍である。パルスの反復率は、好ましい実施例では０．２５〜８００段階／秒であり得る段階移行率を定める。パルス持続時間は約１２０μｓであり、このことはデューティサイクルが約１／１０〜１／３０００であり得ることを意味している。サーボの時定数は１００μｓのオーダーであり、このことは相対位置が設定すべき時間量の数倍となることを意味する。したがって、最も速い段階移行率でも、段階移行・設定時間は全段階移行サイクルのほんの一部分である。
次に、シーケンサ５５がスイッチ４５ａ、４５ｂを閉ざし、閉ループサーボ制御が再確立され得る。一般的には、ＰＺＴが次のパルスの前に初期位置付近まで戻るのが好ましい。これはサーボだけで扱い得るが、ＰＺＴに戻すべきエラー信号が比較的大きくなる。したがって、１００Ｈｚ以上の段階移行率でパルス発生器７５がサイクルの閉ループ部分中に反対方向のオフセット電圧を印加するのが好ましい。この電圧は、積分器５８への電圧入力の時間平均値がほぼゼロとなるようにしなければならない。こうして、積分器のところの電圧は各サイクルの終わりで（すなわち、次のパルスの前に）初期値に戻り、サーボは小補正値を発生するだけでよい。おふせっと電圧におけるエラーの可能性を斟酌して、積分器５８は幾分漏れ易いものでなければならない。積分器５８は１０ｍｓ時定数を特徴とするので、任意の残留電圧が約３０ｍｓで消える傾向がある。１００Ｈｚより低い段階移行率の場合には、オフセット電圧を用いないという代案があるが、これは積分器よっては次のパルスの前に出力電圧を所与レベルまで放電する。
第３Ａ図および第３Ｂ図は、それぞれ、１００Ｈｚあるいはそれの上下の段階移行率についてのタイミング図である。それぞれの図は、積分器５８に印加される電圧パルス、ミラー２５の結果位置、ミラー２３の位置および結果経路差を示している。第３Ａ図はサイクルの全閉ループ部分でオフセット電圧が印加される場合を示しており、第３Ｂ図は閉ループ部分でオフセット電圧が印加されないが、むしろ積分器が１０ｍｓ時定数で放電する場合を示している。
これらのタイミング図は走査の主要部分で維持される安定状態を示している。図示の期間に先立って、ミラー２３は出発位置へ置かれており、システム制御回路が作動可能としてあり、段階移行サイクルのシーケンスが開始されている。ここで、安定状態に約１０サイクルで達することがわかった。明確化のために、パルス発生器７５からの電圧出力は、比較的大きいデューティサイクルを持つように第３Ａ、３Ｂ図の両方に示してあるが、実際のデューティサイクルはもっと小さい。距離はビームスプリッタから離れる方向に増大するように示してある。わかり易くするために、ここでは、ＰＺＴ上の電圧を増大させることがミラー２５をビームスプリッタに向かって駆動することになると仮定する。
第３Ａ図において、電圧パターンは負オフセット電圧で分離された一連の正パルスからなる。積分したとき、これは各パルスでミラー２５のビームスプリッタに向かった急速移動を生じさせ、次いで、オフセット期間中にビームスプリッタから離れる方向に遅い移動を生じさせることになる。閉ループ部分で、サーボは、ミラー２５がビームスプリッタから離れる方向に移動しているときのミラー２５の速度に等しい一定速度でミラー２３をビームスプリッタから離れる方向へ移動させる。サーボが遮断されると、ミラー２３は同じ速度で移動し続ける。こうして、２つのミラーの相対位置は段階移動したプロファイルを持つかのように見え、段階移行が段階移行サイクルの開ループ部分で付与されるパルスに一致する。このタイミング図は、設定間隔で生じるオーバーシュートまたはアンダーシュートを示していないという点で幾分理想化されている。
第３Ｂ図は、積分器電圧が１０ｍｓ時定数で放電させられる場合のより遅い段階移行率についての状況を示している。約３０ｍｓ後、パルスから生じる電圧は減衰してしまい、また、ＰＺＴはその初期位置へ戻される。こうして、ミラー２５はより長い段階移行サイクルの後段部の間に静止したままとなる。サーボはミラー２３をしてミラー２５の動きに追従させる。ミラー２３が段階移行の開始時に静止しているので（サーボが作動不能の場合）、サーボが再び作動可能となるまでそのままである。
位相変調
干渉計は、中間位置まわりに位置する一対の基準値間で前後に経路差を繰り返し段階移行させ、次いで新しい中間位置まわりに位置する新しい対の基準値へ段階移行させることによって、位相変調モードで作動させられる。経路差が所与の基準値へ段階移行したとき、サーボによってこの基準値に保持される。段階移行は任意適当な技術によって行い得るが、本発明による段階移行技術が特に適している。本発明が経路差の急速段階移行を可能とするという事実により、合理的に有用な率（すなわち、通常の段階移行率よりもかなり高い率）で位相変調を実施するのが可能となる。
或る特定の実施例において、段階移行は単色基準の４つのゼロ交差を横切る。そして、この単色基準が約０．６ミクロンの経路差または１．２ミクロンの全リターデーションを与える。段階移行は、約４００Ｈｚの交番周波数に対応する１．２ｍｓ毎に生じる。このような交番周波数の段階移行率は、適切な復調を可能とするために各中間位置毎に多数のサイクル（たとえば、少なくとも１０−２０）を確保しなければならない。これは、中間位置値間の全段階移行率が１秒当たり約２０段階未満である場合に達成され得る。この実施例では、交番極性のパルスが積分器５８の入力部に付与されるが、パルス間にはオフセット電圧は付与されない。積分器はパルス間でほんの少し放電するので、ミラー２３はほんの少量動くだけでよい。
結論
結論として、本発明は１つまたはそれ以上の要素の相対位置を段階移行させるための簡単で融通性のある技術を提供すると言える。
本発明の好ましい実施例を説明してきたが、すなわち、フーリエ変換スペクトルメータに組み込んだマイケルソン干渉計を説明してきたが、別の構造、変形例および均等物が使用できる。たとえば、本実施例では、ＰＺＴの急速段階移行中にサーボを作動不能とする。しかしながら、サーボが応答できないほど短い時間で段階移行が生じるのであれば、サーボを作動可能状態に留めることもできる。同様に、本実施例はミラー２５と固定構造との間に挿設したＰＺＴを持つが、このＰＺＴをミラー２３とリニアモータ２７の間に挿設してもよい。さらに、ＰＺＴは段階移行のために選択を行うアクチュエータであるが、スプリングの有無を問わずコイルのような代替装置を使用し得るが、ＰＺＴの方が速いし、頑丈である。実際、リニアモータ２７がスプリングを備え、速度よりもむしろ位置を電圧に応じて線形に変化させるようにしてもよい。さらに、上述したサーボはディザー周波数の２倍の値に検出器信号を復調し、ゼロ交差でゼロとなるエラー信号を発生させることによってゼロ交差にロックするが、これは不要である。ディザー周波数で復調してピークでゼロとなるエラー信号を発生させることによってピークにロックすることもできる。
したがって、上記の説明および図面は請求の範囲に定義した発明の範囲を制限するものではない。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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