(57)【要約】【課題】半導体レーザの出射光を干渉計の基準光に使用し、干渉光を生じさせる光路長の差を正確に検出できる分析装置を提供する。【解決手段】干渉光を用いて試料を分析する分析装置であって、入射光を分割して光路長の異なる光路をそれぞれ伝搬させた後に合波して干渉光を生成する干渉計１０と、光路長の差を検出するための基準レーザ光を出射する半導体レーザモジュール２０と、干渉光の生成と同様にして干渉計１０によって基準レーザ光から生成された基準干渉光を受光し、基準干渉光を電気信号に変換した干渉信号から基準レーザ光に生じる意図しない波長の変動に起因して生じるノイズを除去した後に、干渉信号を信号処理して光路長の差を検出する検出装置３０とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
干渉光を用いて試料を分析する分析装置であって、
入射光を分割して光路長の異なる光路をそれぞれ伝搬させた後に合波して前記干渉光を生成する干渉計と、
前記光路長の差を検出するための基準レーザ光を出射する半導体レーザモジュールと、
前記干渉光の生成と同様にして前記干渉計によって前記基準レーザ光から生成された基準干渉光を受光し、前記基準干渉光を電気信号に変換した干渉信号から前記基準レーザ光に生じる意図しない波長の変動に起因して生じるノイズを除去した後に、前記干渉信号を信号処理して前記光路長の差を検出する検出装置と
を備えることを特徴とする分析装置。
【請求項２】
前記検出装置が、
前記基準干渉光を電気信号に変換して前記干渉信号を生成する受光素子と、
前記干渉信号から前記ノイズを除去するフィルタ回路と
前記干渉信号の周期を算出する信号処理装置と
を備えることを特徴とする請求項１に記載の分析装置。
【請求項３】
前記フィルタ回路が、モードホップによる前記基準レーザ光の波長の変化に起因して前記干渉信号に生じる前記ノイズを除去することを特徴とする請求項２に記載の分析装置。
【請求項４】
前記フィルタ回路が、前記光路長の差の変化の速度に応じて定まる周期を有する信号を通過させることを特徴とする請求項２又は３に記載の分析装置。
【請求項５】
前記フィルタ回路が、遮断周波数が１００ｋＨｚのローパスフィルタであることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の分析装置。
【請求項６】
前記干渉計が、
前記入射光を分割する光学部品と、
前記入射光の分割された一部が入射する、位置の固定された固定鏡と、
前記入射光の分割された他の一部が入射する、位置の移動する移動鏡と
を備え、
前記固定鏡から反射された反射光と前記移動鏡から反射された反射光とが前記光学部品によって合波されて前記干渉光が生成され、前記移動鏡の位置によって前記干渉光の干渉強度が定まることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の分析装置。
【請求項７】
分析光を出射する分析用光源と、
前記干渉計によって前記分析光から前記干渉光として生成された分析用干渉光を前記試料に照射して得られるスペクトルを測定する測定装置と
を更に備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の分析装置。
【請求項８】
前記分析光が赤外光であることを特徴とする請求項７に記載の分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、干渉光を用いて試料を分析する分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
干渉計を用いた試料の構造解析や定量分析に、フーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴＩＲ）などが使用されている。例えば、光源からの入射光を光学部品によって分割して固定鏡と移動鏡にそれぞれ入射させ、これらの反射光を上記の光学部品によって合波し、光路長の差によって干渉光を生成するマイケルソン干渉計などがＦＴＩＲに使用されている。
【０００３】
干渉計を用いた分析装置に関し、分析用の光源とは別に用意した光源から出射された基準光から生成された干渉光の干渉強度によって、光路長の差を検出する方法が用いられている。近年、基準光の光源に、従来から使用されてきたヘリウムネオン（ＨｅＮｅ）レーザに代えて、小型で安価な半導体レーザを用いた干渉計が使用されている。
【０００４】
干渉光を用いて測定されたスペクトルの波数分解能を高くするためには、２光束干渉によって得られる干渉信号のＳＮ比を高める必要がある。このため、基準光の光源には、例えば垂直共振器表面発光レーザ（VCSEL）などの干渉性のよい縦型シングルモードの半導体レーザが好適に使用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２０１２／０５６８１３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、例えばモードホップによって半導体レーザの出射光の波長が変化すると、特に光路長の差が大きいときに、干渉強度の変化が顕著になる。この変化は干渉信号にノイズとなって現われる。その場合、干渉信号の周期を正確に算出できず、光路長の差が不正確になる。その結果、測定されたスペクトルの波数分解能が低下する問題があった。
【０００７】
上記問題点に鑑み、本発明は、半導体レーザの出射光を干渉計の基準光に使用し、干渉光を生じさせる光路長の差を正確に検出できる分析装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様によれば、干渉光を用いて試料を分析する分析装置であって、入射光を分割して光路長の異なる光路をそれぞれ伝搬させた後に合波して干渉光を生成する干渉計と、光路長の差を検出するための基準レーザ光を出射する半導体レーザモジュールと、干渉光の生成と同様にして干渉計によって基準レーザ光から生成された基準干渉光を受光し、基準干渉光を電気信号に変換した干渉信号から基準レーザ光に生じる意図しない波長の変動に起因して生じるノイズを除去した後に、干渉信号を信号処理して光路長の差を検出する検出装置とを備える分析装置が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、半導体レーザの出射光を干渉計の基準光に使用し、干渉光を生じさせる光路長の差を正確に検出できる分析装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る分析装置の構成を示す模式図である。
【図２】本発明の実施形態に係る分析装置の干渉計の例を示す模式図である。
【図３】本発明の実施形態に係る分析装置によって得られる干渉信号の例を示す模式図である。
【図４】ノイズが発生した干渉信号の例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであることに留意すべきである。また、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施形態は、構成部品の構造、配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００１２】
本発明の実施形態に係る分析装置は、干渉光を用いて試料を分析する分析装置であって、図１に示すように、干渉計１０、半導体レーザモジュール２０、検出装置３０を備える。
【００１３】
干渉計１０は、入射光を分割して光路長の異なる光路をそれぞれ伝搬させた後に合波して干渉光を生成する。半導体レーザモジュール２０は、干渉計１０における光路長の差（以下において「光路差」という。）を検出するための基準レーザ光Ｌ１０を出射する。検出装置３０は、干渉計１０によって基準レーザ光Ｌ１０から生成された基準干渉光Ｌ１３を受光し、基準干渉光Ｌ１３を電気信号に変換した干渉信号Ｄを信号処理して光路差を検出する。なお、検出装置３０は、基準レーザ光Ｌ１０に生じる意図しない波長の変動に起因して生じるノイズを干渉信号Ｄから除去した後に、光路差を検出する。検出装置３０の詳細については後述する。
【００１４】
干渉計１０は、入射光を光学部品１１によって２つの分割光に分割して、光路長の異なる第１光路１２及び第２光路１３をそれぞれ伝搬させた後に、これらの分割光を光学部品１１によって合波して干渉光を生成する。光学部品１１には、例えばビームスプリッタが使用される。
【００１５】
干渉計１０においては、分割光を合波させながら、第１光路１２の光路長と第２光路１３の光路長の光路差を変化させる。例えば、第１光路１２の光路長を固定し、第２光路１３の光路長を可変にする。これにより、２つの分割光を合波した干渉光には、光路差に応じて干渉強度が変化して干渉縞が生じる。例えば２つの分割光の光路差が入射光の波長の整数倍のときに干渉光の干渉強度が最大になる。干渉光の干渉縞の数と光路差から干渉光の波長を算出することができる。
【００１６】
干渉計１０には、例えばマイケルソン干渉計のような、位置の固定された固定鏡を含む光路と、位置の移動する移動鏡を含む光路とによって光路差を生じさせる構成を使用できる。即ち、図２に示すような、入射光の分割された一部が入射する、位置の固定された固定鏡１２０を含む第１光路１２と、入射光の分割された他の一部が入射する、位置の移動する移動鏡１３０を含む第２光路１３を備える干渉計１０が使用される。
【００１７】
図２に示した干渉計１０では、光学部品１１によって２分割されて第１光路１２を伝搬する一方の分割光は、固定鏡１２０で反射して光学部品１１に戻る。第２光路１３を伝搬する他方の分割光は、移動鏡１３０で反射して光学部品１１に戻る。光学部品１１に戻された２つの分割光は光学部品１１で合波され、干渉光が生成される。
【００１８】
図２に示す干渉計１０では、移動鏡１３０に入射する分割光の光軸方向に沿って矢印Ｍの方向に移動鏡１３０を移動させることにより、２つの分割光の光路差が変化する。干渉光には、移動鏡１３０の移動距離に応じて干渉強度が変化して干渉縞が生じる。したがって、干渉光の干渉縞の数と移動鏡１３０の移動距離から干渉光の波長が算出される。
【００１９】
以下では、図２に示した構成の干渉計１０を分析装置に使用する場合について例示的に説明する。
【００２０】
実施形態に係る分析装置は、図１に示すように、分析光Ｌ２０を出射する分析用光源４０、分析対象の試料１００が格納される試料室５０、及び測定装置６０を更に備える。
【００２１】
干渉計１０によって、分析光Ｌ２０から分析用干渉光Ｌ２３が生成される。即ち、光学部品１１によって分析光Ｌ２０が第１分析光Ｌ２１と第２分析光Ｌ２２に分割される。そして、第１光路１２を伝搬し、固定鏡１２０で反射した第１分析光Ｌ２１と、第２光路１３を伝搬し、移動鏡１３０で反射した第２分析光Ｌ２２とが、光学部品１１によって合波されて分析用干渉光Ｌ２３が生成される。
【００２２】
分析用干渉光Ｌ２３は、試料室５０に格納された試料１００に照射される。測定装置６０は、分析用干渉光Ｌ２３を試料１００に照射して得られるスペクトルを測定する。即ち、測定装置６０は、分析用干渉光Ｌ２３をサンプリングし、アナログデジタル変換及びフーリエ変換する。これにより、分析光Ｌ２０についてスペクトル分布が得られる。このスペクトル分布から、波数ごとの強度が求められる。例えば、分析用光源４０から出射される分析光Ｌ２０に赤外光を使用することにより、図１に示した分析装置はＦＴＩＲを構成する。
【００２３】
図１に示す分析装置によって試料１００の構造解析や定量分析を行う場合には、測定装置６０は、分析用干渉光Ｌ２３を試料１００に照射して得られるスペクトル分布と、試料室５０に試料１００が格納されていない状態で得られるスペクトル分布とを比較する。これにより、試料１００の吸収スペクトルが取得され、試料１００の分析が行われる。
【００２４】
分析用干渉光Ｌ２３の干渉強度は、第１分析光Ｌ２１と第２分析光Ｌ２２の光路差に依存する。例えば図２に示した干渉計１０では、分析用干渉光Ｌ２３は移動鏡１３０の移動によって強度変調を受けており、その強度変調の周期は光路差である。したがって、分析用干渉光Ｌ２３の干渉強度を算出するためには、移動鏡１３０の位置を常にモニタして光路差を検出する必要がある。
【００２５】
このため、図１に示した分析装置では、半導体レーザモジュール２０から出射された基準レーザ光Ｌ１０を基準光に用いて、基準レーザ光Ｌ１０から生成される基準干渉光Ｌ１３から光路差を検出する。つまり、基準干渉光Ｌ１３から移動鏡１３０の位置を検出する。
【００２６】
具体的には、分析光Ｌ２０から分析用干渉光Ｌ２３を生成するのと同様にして、干渉計１０によって基準レーザ光Ｌ１０から基準干渉光Ｌ１３を生成する。即ち、光学部品１１によって基準レーザ光Ｌ１０を第１レーザ光Ｌ１１と第２レーザ光Ｌ１２に分割する。第１レーザ光Ｌ１１は、第１光路１２を伝搬し、固定鏡１２０で反射して光学部品１１に戻る。第２レーザ光Ｌ１２は、第２光路１３を伝搬し、移動鏡１３０で反射して光学部品１１に戻る。そして、光学部品１１によって第１レーザ光Ｌ１１の反射光と第２レーザ光Ｌ１２の反射光を合波して、基準干渉光Ｌ１３が生成される。
【００２７】
分析用干渉光Ｌ２３と同様に、第１光路１２と第２光路１３の光路差に応じて、基準干渉光Ｌ１３の干渉強度が定まる。つまり、移動鏡１３０の移動により生じる光路差の変化によって、基準干渉光Ｌ１３の干渉強度が変化する。そして、光路差の変化の速度、即ち、移動鏡１３０の移動速度に応じて基準干渉光Ｌ１３の周期が定まる。
【００２８】
干渉計１０によって生成された基準干渉光Ｌ１３は、検出装置３０に導光される。検出装置３０は、基準干渉光Ｌ１３を電気信号に変換して干渉信号Ｄを生成する受光素子３１、干渉信号Ｄからノイズを除去するフィルタ回路３２、及び干渉信号Ｄの周期を算出する信号処理装置３３を備える。受光素子３１には、例えばフォトダイオードなどを使用可能である。
【００２９】
干渉信号Ｄの周期は、第１レーザ光Ｌ１１と第２レーザ光Ｌ１２の光路差に依存する。このため、信号処理装置３３は、算出した干渉信号Ｄの周期から光路差を検出する。例えば、移動鏡１３０の移動距離が算出され、移動鏡１３０の位置が検出される。このように、検出装置３０によって基準干渉光Ｌ１３の干渉強度の変化を測定することによって、干渉計１０の光路差が検出される。
【００３０】
検出装置３０によって検出される光路差に基づいて、測定装置６０によって測定されるスペクトル分布のパラメータに使用される波数や波長などは決定される。このため、測定されたスペクトル分布の波数分解能の低下を抑制するためには、光路差を正確に検出する必要がある。
【００３１】
図３に、干渉信号Ｄの波形例を示す。移動鏡１３０の移動速度により定まる干渉信号Ｄの周期Ｔｓは数ｍ秒程度である。
【００３２】
しかし、基準レーザ光Ｌ１０の波長が変動すると干渉強度の変化が顕著になり、この変化は干渉信号Ｄにノイズとなって現われる。これに対し、検出装置３０は、フィルタ回路３２によってノイズを除去した干渉信号Ｄを得られる。
【００３３】
即ち、フィルタ回路３２は、基準レーザ光Ｌ１０に生じる意図しない波長の変動によって干渉信号Ｄに現われるノイズを遮断する。基準レーザ光Ｌ１０に生じる意図しない波長の変動とは、例えば半導体レーザモジュール２０のモードホップによる波長の変化などである。
【００３４】
図４に、パルス幅Ｐｎのノイズが現われた干渉信号Ｄの例を示す。フィルタ回路３２には、パルス幅Ｐｎのノイズを遮断する特性のフィルタ回路を使用する。
【００３５】
一方、フィルタ回路３２は、光路差の変化の速度、即ち移動鏡１３０の移動速度に応じて定まる基準干渉光Ｌ１３の周期を有する信号を通過させる。これにより、基準干渉光Ｌ１３を電気信号に変換した干渉信号Ｄはフィルタ回路３２を通過する。そして、信号処理装置３３によって干渉信号Ｄを信号処理して、移動鏡１３０の位置を検出することができる。
【００３６】
上記のように、検出装置３０は、基準レーザ光Ｌ１０の意図しない波長の変動に起因するノイズを除去した干渉信号Ｄを用いて、干渉信号Ｄの周期を算出する。したがって、検出装置３０は、モードホップなどの影響を受けずに、干渉信号Ｄの周期を正確に算出して光路差を検出することができる。
【００３７】
このため、実施形態に係る分析装置によれば、測定装置６０により測定されたスペクトル分布の波数分解能の低下が抑制される。
【００３８】
モードホップにより干渉信号Ｄに発生するノイズのパルス幅Ｐｎは1μ秒〜１０μ秒程度であることが実験的に確認された。一方、干渉信号Ｄの周期Ｔｓは数ｍ秒程度である。このため、例えば、遮断周波数が１００ｋＨｚ程度のローパスフィルタが、フィルタ回路３２として好適に使用される。
【００３９】
なお、基準レーザ光Ｌ１０と分析光Ｌ２０は、干渉計１０の内部で並行して伝搬する。例えば、図１に示すように分析光Ｌ２０が入射側ミラー７１で反射して干渉計１０に導光される場合、基準レーザ光Ｌ１０を入射側ミラー７１に形成した貫通孔を通過させて干渉計１０に導光する。また、分析用干渉光Ｌ２３が出射側ミラー７２で反射して試料室５０に導光される場合、基準干渉光Ｌ１３を出射側ミラー７２に形成した貫通孔を通過させて測定装置６０に導光する。
【００４０】
半導体レーザモジュール２０には、干渉性のよい縦型シングルモードの半導体レーザが好適に使用される。干渉しやすい基準レーザ光Ｌ１０を出射する半導体レーザモジュール２０を使用することにより、基準干渉光Ｌ１３の干渉縞を鮮明にできる。例えば、波長が８５０ｎｍ程度の近赤外光の基準レーザ光Ｌ１０を出射する半導体レーザモジュール２０が使用される。
【００４１】
以上に説明したように、本発明の実施形態に係る分析装置によれば、半導体レーザモジュール２０でのモードホップなどによって干渉信号Ｄに生じるノイズを除去し、理想的な正弦波状の干渉信号Ｄを得ることができる。このため、安価で小型の半導体レーザを基準光の光源に使用して、干渉信号Ｄの周期を正確に算出できる。その結果、低コスト化及び省スペース化され、且つ試料の高精度の分析が可能な分析装置を提供することができる。
【００４２】
（その他の実施形態）
上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００４３】
例えば、固定鏡１２０と移動鏡１３０を用いる以外の手段によって光路差を生じさせる干渉計１０を用いた分析装置にも、本発明は適用可能である。例えば、プリズムなどの光学部品によって光路長が固定された光路と光路長が可変の光路を構成してもよい。
【００４４】
また、分析装置を駆動する電源により干渉信号Ｄに生じるノイズをフィルタ回路３２によって除去するようにしてもよい。例えば電源の周波数が数十Ｈｚ程度である場合に、通過帯域の周波数が１００Ｈｚ〜１００ｋＨｚ程度のフィルタ回路３２を使用してもよい。
【００４５】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態などを含む。
【符号の説明】
【００４６】
１０…干渉計
１１…光学部品
１２…第１光路
１３…第２光路
２０…半導体レーザモジュール
３０…検出装置
３１…受光素子
３２…フィルタ回路
３３…信号処理装置
４０…分析用光源
５０…試料室
６０…測定装置
１００…試料
１２０…固定鏡
１３０…移動鏡
Ｌ１０…基準レーザ光
Ｌ１１…第１レーザ光
Ｌ１２…第２レーザ光
Ｌ１３…基準干渉光
Ｌ２０…分析光
Ｌ２１…第１分析光
Ｌ２２…第２分析光
Ｌ２３…分析用干渉光
【図１】
2019105486.tif 000003
【図２】
2019105486.tif 000004
【図３】
2019105486.tif 000005
【図４】
2019105486.tif 000006