(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
調節可能な要素を有する光学機器のアラインメントを制御する方法であって、
第１のステージにおいて、
アラインメントのずれを検出するために、光学要素を通る２つの光による信号を発生させ、前記２つの信号の位相の差を表すアラインメント・エラー信号を発生する段階と、
アラインメント・エラー信号を監視し、アラインメント・エラー信号に応答して調節可能な要素を移動させるサーボ機構を用意する段階と、
前記位相の差を変更することに応答して調節可能な要素のアラインメントを変更する機構を用意する段階と、
前記信号の位相の差に対して、前記信号の１つの相を変更して光学器械の変調効率を測定して予め用意する段階と、
前記変調効率を最大にする前記位相の差を決定する段階と、
前記変調効率を最大化する位相の差をパラメーターの値として決定する段階と、
を包含し、
次の第２のステージにおいて
前記パラメーターを用いてサーボ機構を作動させ、光学器械の調節可能な要素を好ましい向きに維持する段階
を包含することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記アラインメントを変更する機構が、位相の差を検出する比較器からの信号を変更し、前記変更は前記の比較器からの信号に加える電圧のオフセットである請求項１に記載の方法。
【請求項３】
アクチュエーターにつながった制御可能な要素を含む複数の光学要素と、光学要素の相対的な向きの違いによって生起するアラインメント・エラー信号を生成し、前記エラー信号を零にするように前記光学要素の方向を変えるために、前記アクチュエーターに駆動信号を提供するサーボ機構とを有する干渉計において、干渉計のアラインメントを制御する方法であって、
調節可能な入力パラメーターの値を変更することに応じて調節可能な光学要素のアラインメントを変更するための機構を用意する段階と、
前記入力パラメーターとして干渉計の変調効率を最大にするような入力パラメーターの値を決定する段階と、
次に続く操作の間、該パラメーターの値を、駆動信号が所望の方向に光学要素を保持されるように設定する段階と、
を包含することを特徴とする方法。
【請求項４】
アクチュエーターにつながった制御可能な要素を含む複数の光学要素と、光学要素の相対的な向きの違いによって生起するアラインメント・エラー信号を生成し、前記エラー信号を零にするように前記光学要素の方向を変えるために、前記アクチュエーターに駆動信号を提供するサーボ機構とを有する光学機器において、光学機器のアラインメントを制御する方法であって、
調節可能な入力パラメーターの値を変更することに応答してアラインメント・エラー信号を変更する機構を用意する段階と、
光学機器をサーボ機構が駆動信号を与えないようにして作動させる段階と、
光学機器の変調効率を最大化する光学要素の特定な相対的な向きを決定する段階と、
サーボ機構が駆動信号を与えない間に、前記光学要素の前記特定の相対的な方向で光学機器を作動させる段階と、
アラインメント・エラー信号を監視する段階と、
前記作動中に、調節可能な入力パラメーターを調節してエラー信号を零にする段階と、
その後に、サーボ機構が駆動信号を与えるようにして、サーボが前記光学要素の特定の相対的な方向を維持するようにした段階と、
を包含することを特徴とした方法。
【請求項５】
走査式マイケルソン干渉計において、第１のミラーの向きを制御する方法であって、
複数の単色ビームを方向付けして干渉計の相対的に小さい面積に入射させる段階と、
前記複数の単色ビームのそれぞれについて検出信号を検出する段階と、
分析用ビームを方向付けして干渉計の相対的に大きい面積に入射させる段階と、
変調パラメーターによって特徴づけられる前記分析用ビームの検出信号を検出する段階と、
前記複数の単色ビームの検出信号に応答して、複数の単色ビームの間の位相の関係を所定に保つように前記第１のミラーを、サーボを作動させて傾ける段階と、前記所定の関係は前記分析用ビームの変調パラメーターが所望のレベルとなるような方向を示す位相のオフセットとなっている
ミラーの向きを制御する方法。
【請求項６】
一組の光学要素と基準信号を与える単色規準システムとを有する走査式干渉計のための制御機構であって、
走査式干渉計における少なくとも１つの光学要素の相対的な向きを制御、調節する第１、第２のアクチュエーターと、
第１、第２のアラインメント検知信号を与える第１、第２のアラインメント検知用検出器と、
各々が第１、第２の入力部および出力部を有する第１、第２の位相比較器であって、これらの位相比較器の前記第２入力部が前記基準信号を受け取るようにつながっている第１、第２の位相比較器と、
前記第１のアラインメント検知用検出器と前記第１の位相比較器の第１の入力部との間に接続した第１の調節可能な移相要素と、
前記第２のアラインメント検知用検出器と前記第２の位相比較器の第１の入力部との間に接続した第２の調節可能な移相要素と、
前記第１の位相比較器の出力部と前記第１のアクチュエーターの間に接続した第１のサーボループ補償要素と、
前記第２の位相比較器の出力部と前記第２のアクチュエーターの間に接続した第２のサーボループ補償要素と、
を包含することを特徴とする制御機構。
【請求項７】
請求の範囲第６項記載の制御機構において、前記基準システムが基準検出器を包含し、前記基準信号が前記基準検出器から導かれることを特徴とする制御機構。
【請求項８】
請求の範囲第６項記載の制御機構において、基準システムが基準クロック発生器を包含し、前記基準信号が前記基準クロック発生器から導かれることを特徴とする制御機構。
【請求項９】
走査式干渉計であって、
入力光の第１の部分を第１の経路に沿って方向付け、入力光の第２の部分を第２の経路沿って方向付けるように配置したビームスプリッターと、前記ビームスプリッターに光を戻して再結合させるような方向で、前記第１と第２の経路内に配置した第１、第２のミラーとを包含する１組の光学要素と、
前記第２の経路に沿って移動する光に対して、前記第１の経路に沿って移動する光の相対的な位相ずれの変化を導入するために、前記光学要素のうちの１つをある範囲にわたって移動させる手段と、
基準信号と、この基準信号に対するそれぞれの位相によって特徴付けられる第１、第２のアラインメント検知信号とを与える規準単色システムと、
前記ビームスプリッターの広がった領域に分析用放射光のビームを方向付け、この分析用放射光のビームが、前記第１のミラーと遭遇した成分と前記第２のミラーに遭遇した成分とを少なくとも１つの再結合した分析用放射光のビームを形成する手段と、
前記分析用放射光のビームの１つを遮るように配置してあり、分析用検出信号を与える検出器と、前記分析用検出器は変調パラメーターにより特徴付けられており、
前記光学要素のうち少なくとも１つの光学要素に連結しており、第１、第２の駆動信号に応答し、前記駆動信号に応じて前記光学要素の相対的な向きを変えるように作動する第１、第２のアクチュエーターと、
前記アラインメント検知信号に応答して前記第１、第２の駆動信号を発生し、前記基準信号に対する前記アラインメント検知信号の前記位相に基づいて相対的な向きを前記光学要素にとらせるサーボ・システムと、を包含し、
前記サーボ・システムが、前記駆動信号に前記第１、第２のアクチュエーターを制御させ、前記アラインメント検知信号がそれぞれ第１、第２の位相増分だけ前記基準信号から位相を異ならせるようにする第１、第２の移相要素を包含し、
前記第１、第２の位相増分が、変調パラメーターに対して、位相増分がゼロの場合に得られる変調パラメーターを超えさせるように予め決定していることを特徴とする走査式干渉計。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
本発明は、全体としては干渉計に関し、一層詳しくはフーリエ変換スペクトロメータで使用される高速走査式マイケルソン干渉計におけるアラインメントを安定化する技術に関する。
フーリエ変換スペクトロメータは、代表的には、マイケルソン干渉計を包含し、分析しようとしている広帯域（代表的には、赤外線）ビームおよび単色ビームがこの干渉計に振り向けられる。この干渉計は固定ミラーと可動ミラーとを有し、この可動ミラーはその動程の一部にわたって公称一定の速度で駆動される。入力ビームの各々はビームスプリッタのところで分割され、一部は固定ミラーで反射させられる経路を移動し、別の部分は可動ミラーで反射させられる経路を移動する。各ビームのこれらのビーム部分はビームスプリッタのところで再結合し、２つのビーム部分の光学的な干渉により、単色ビームの強さと赤外線ビームの各周波数成分の強さが成分の光学周波数およびミラー速度に比例する周波数に変調される。
再結合したビームは適切な検出器に向けられる。赤外線ビームについての検出器出力はこれら変調された成分の重ね合わせを表しており、フーリエ変換が所望のスペクトルを生じるインターフェログラムを与える。単色ビームは公称正弦波基準信号を与え、可動ミラーが基準波長の付加的な４分の１を移動する毎にこの基準信号のゼロクロッシングが生じる。これらのゼロクロッシングでデータ捕捉電子機器がトリガされ、干渉計のための規則正しくサンプル採取された値を与える。ミラー速度を適切に選んだ場合、出力信号は便利な変調周波数範囲、たとえば、可聴周波数領域内に入るようにすることができる。単色出力信号を安定したクロック信号と比較し、エラー信号を発生させ、訂正信号をミラー装置に与えてエラー信号を無効にすることによってミラー速度を安定化させることができる。
干渉計の性能についての１つの基準は変調効率である。変調効率とは、走査式干渉計による全入力光ビームの変調強さ（出力でわかる）である。これは、しばしば、ピーク・エネルギ変化対平均出力エネルギの比として測定される。変調効率は、代表的には、干渉計の光学要素、すなわち、ビームスプリッタ、可動ミラーおよび固定ミラーの方向を定め、ゼロリターデイション時に固定ミラーと可動ミラーによって構成される平面を二等分する平面にビームスプリッタが位置するようにすることによって最大化される。この方向付けは光学要素の小さなミスアラインメント（横向き傾斜）に対する感度を最小化する。理想的には、干渉計に出入りする光ビームの全横断面内での光学リターデイションの均一化をこの方向付けで行うことである。
主基準ビームに加えて複数の空間的に隔たった単色ビーム（代表的には２つで、各ビームに別個の検出器がある）を導入し、これらの光学要素の１つ（代表的には、固定ミラー）を傾斜させるアクチュエータを設け、種々の単色検出器信号を互いに比較して単色検出器信号の位相差に基づくアラインメント・エラー信号を生成し、補正信号をアクチュエータに与えてアラインメント・エラー信号を無効にすることによってビームスプリッタに対するミラー・ミスアラインメントを補正することは公知である。
発明の概要
本発明はマイケルソン干渉計におけるアラインメントを安定化する技術を提供する。
本発明は、ビームスプリッタと複数のミラーとの相対的なアラインメントを維持する従来技術の管理方式での問題を認識し、解決する。要約すると、従来技術は、３本の単色ビームの単色信号の位相を合わせて理想的な光学アラインメントを得ようとしており、常に所望の平面度を持った光学要素を利用できるとは限らないという事実の潜在的な重大性を見落としている。こうして、特定の所望アラインメントを得る努力は単色ビームの入射するビームスプリッタ、ミラーの領域を整合させるのに通常は成功している。これらの領域は代表的には小さいので、これらの領域のいずれかにおける局所的なひずみで、ビームスプリッタおよびミラーが表面積の大部分にわたってかなりアラインメント外れとなる可能性がある。
本発明は基本に戻ってこの問題を取り扱う。作動中に維持させようとしているものは、光学要素が拡大した面積にわたって照明されるときに変調効率を最大化するアラインメントである。完全に平らな光学要素の場合には、これは密接な基準ビームの位相差を表す信号を無効にする従来技術によって達成されるが、本発明はこの方法を使用しない。むしろ、本発明は、変調効率を最大化するという観点からの最適なアラインメントはたいてい単色信号の位相差があるものであるということを確認する。
本発明の実施例では、アラインメントのサーボ制御に用いられる回路が一組のアラインメント検知信号に応答して一組のアラインメント・エラー信号を発生する。この回路は、一組の調節可能な入力パラメータの変更値に応答してアラインメント検知信号の相対位相を変更できるような構成となっている。これらの入力パラメータはアラインメント検知信号経路に含まれる調節可能な位相ずれであってもよいし、あるいは、アラインメント・エラー信号経路に含まれる調節可能な電圧オフセットであってもよい。所望の位相差に対応する入力パラメータの値は較正手順でサーボに組み込まれる。
較正手順の１実施例では、その方法は、各入力パラメータに対して複数の値を用意し、変調効率の大きさを最大化する入力パラメータについての一組の値を決定することからなる。これは、アラインメント・サーボが使用可能となり、光学要素が拡大した面積にわたって照明されたときに行われる。この一組の値は次いでアラインメント・サーボにおいて使用される。
本発明の特性および利点のさらなる理解は、本明細書の残りの部分おおび添付図面を参照することによって実現できる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の光学的、機械的特徴を示す概略図である。
第２Ａ図は、種々の変調効率値についてのただ１つの波長に対する検出器信号のプロットである。
第２Ｂ図は、理想的なケースについてのミラー傾斜関数としての変調効率のプロットである。
第３図は、ビームスプリッタひずみの影響を示す概略図である。
第４Ａ図は、傾斜角関数としての全変調効率の輪郭プロットである。
第４Ｂ図は、傾斜角の１つの関数としての全変調効率のプロットである。
第５図は、本発明の第１実施例によるアラインメント回路の概略図である。
第６図は、本発明の第２実施例によるアラインメント回路の概略図である。
第７図は、本発明の第３実施例によるアラインメント回路の概略図である。
第８図は、本発明の第４実施例によるアラインメント回路の概略図である。
特別な実施例の説明
システム概観
第１図は安定化したマイケルソン干渉計７を含むフーリエ変換スペクトロメータ・システム５の概略図である。代表的な実施例では、このスペクトロメータ・システムは、赤外線ビーム９を与える広帯域赤外線源９と、赤外線検出器１０とを包含し、サンプル１２のスペクトル測定を行うのに使用される。干渉計７は、ビームスプリッタ１５と、固定ミラー１７と、可動ミラー１８とを包含する。これら２つのミラーは互いに９０度の角をなすように示してあるが、代表的な実施例では、ミラーの相互の角度は６０度である。ソレノイド駆動コイルと空気軸受を包含するリニアモータ２０がミラー１８を動かす。制御・データ処理電子機器２２がシステムの全動作を制御する。この図は、この上位基準で描いた構成が公知の技術を表しているので、「従来技術」と表示してある。本発明は、本発明の実施例を含むブロック２２設けることによってこのシステムが従来技術ではなくなるように制御電子機器への変更を意図している。
このスペクトロメータ・システムにおける干渉計の根元的な目的は、広帯域赤外線ビームの各周波数成分をそれ自体の周波数に変調させ、変調ビームがサンプルを通るときに赤外線検出器信号がインターフェログラムを与えるようにすることにある。このインターフェログラムはミラー変位の一定の増分毎にサンプル採取され、ディジタル化データがフーリエ変換を受けて所望のスペクトルを生じる。この特別なデータ操作は発明の一部ではなく、これ以上説明は行わない。しかしながら、一般的な説明は米国特許第5,262,635号にあるので、この米国特許をすべての目的のために参考資料として援用する。
システムは、さらに、一定のミラー変位増分を表す信号ならびに固定ミラーの角度方向に対する微調整を可能とし、可動ミラーの揺れまたは系統的な傾斜を補正する信号を与える単色基準システムを包含する。従来の設計では、この制御システムは、固定ミラー、可動ミラーをビームスプリッタに対して等角度に維持するようになっていた。以下に説明するように、本発明はこの方法から外れている。
単色基準システムはビーム拡大器２５を組み込んだレーザ２３を包含する。ビーム拡大器２５は広がったビームを与える。この広がったビームは、干渉計に入射する３本の空間的に別個の単色ビーム３０ａ−ｃを含むものとして概略的に示してある。ビーム位置は明瞭な図示の目的で非常に様式化した方法で示してある。代表的な実施例では、単色ビームはビームスプリッタ１５の比較的小さな中央部分に入射する。この中央部分はレーザ波長に対して最適化してある。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してあり、赤外線ビームがかなり大きな周囲部分に入射する。制御電子機器は適切な電圧波形を持つリニアモータ２０を提供し、このリニアモータはミラー１８を往復駆動し、ミラー動程の少なくとも一部はほぼ一定の速度となるようにしてある。ミラー速度を安定化する技術は本発明の一部ではなく、発明の理解に関係するところを除いて詳細に説明しない。
赤外線ビーム９および各単色ビーム３０ａ−ｃはビームスプリッタ１５で分割され、一部は固定ミラー７で反射する経路を移動し、他の部分は可動ミラー１８で反射する経路を移動する。各ビーム部分はビームスプリッタ１５で再結合し、これらのビーム部分間の光学干渉により、再結合した赤外線ビームの各周波数成分の強さならびに各単色再結合ビームの強さが波長およびミラー速度に比例する周波数に変調させられる。再結合した赤外線ビームはサンプルを通り、検出器１０に送られる。３本の単色再結合ビームは三角形配列（好ましくは、正三角形あるいは等辺三角形）の検出器３２ａ−ｃのそれぞれに送られる。検出器３２ａ−ｃは、それぞれ、DET（a）、DET（ｂ）、DET（ｃ）で示す出力信号を発する。検出器１０、３２ａ−ｃの各々には前置増幅器（個別には図示せず）が組み込んである。
３つのアクチュエータ３５ａ−ｃ、好ましくは、圧電式トランスジューサ（ＰＺＴｓ）が対応する三角形配列で配置してあり、固定ミラー１７と干渉計の固定構造（図示せず）との間に挿設してある。制御電子機器は、PZT（a）、PZT（ｂ）、PZT（ｃ）で示す適当な電気信号を提供し、これらの電気信号がアクチュエータを駆動して固定ミラーの角度方向についての微調整を行わせると共に、可動ミラー１８の振れあるいは可動ミラーあるいはビームスプリッタ１５の系統的傾斜を補正する。可動ミラーの小さい速度変化は、３つすべてのアクチュエータ駆動信号に並進訂正信号を含ませることによって補正することができる。固定ミラーの制御した傾斜、並進を行うようなアクチュエータの配置が一般的に好ましいが、ビームスプリッタあるいは可動ミラーを傾斜、並進させるようにアクチュエータを設置することも可能である。
未処理の変調単色信号DET（a−ｃ）の各々は、ミラー１８がレーザ波長の付加的な４分の１を移動する毎に１つのゼロクロッシングを示す。ミラー速度が均一の場合、これらの信号は正弦波である。適当に操作されたDET（ｃ）を用いて可動ミラー２５の動きを追跡し、インターフェログラム・サンプリング電子機器をトリガする信号を与える。先にほのめかしたように、３つの単色信号を用いてミラー・アラインメントを維持する。固定ミラー、可動ミラーをビームスプリッタに対して等角度に維持することが望まれる程度まで、従来技術の制御システムはアクチュエータを調節して３つの検出器信号を互いに同位相とする。
アラインメントのためにはアクチュエータは２つだけでよいが、全体的な並進制御のためには３つ設けると好ましいことは注目されたい。アラインメントの観点からは、ときには、DET（a）、DET（ｂ）をアラインメント検知信号と呼び、DET（ｃ）を基準信号と呼ぶと便利である。
発明によって確認された問題
第２Ａ図は、種々の変調効率値についての単一の波長に対する検出器信号のプロットである。これからわかるように、ゼロの変調効率はほぼ一定のレベルを有する検出器信号を生じさせ、１００％の変調効率はゼロと平均値の２倍との間で起こり得る最大振れを持つ信号を生じさせる。この図は、５０％の変調効率についての検出器信号も示している。
第２Ｂ図は、最適なアラインメントを与える公称ゼロ角度からの、θ（ａ）で示す傾斜角のうちの１つの傾斜角の偏差の関数としての全変調効率の様式化したプロットである。これからわかるように、変調効率のこのプロットは公称ゼロ傾斜角を中心とするほぼベル型のカーブである。さらに、この公称ゼロ傾斜角では、変調効率は傾斜角の小変化についての感度は最低である。
３本の単色ビームの単色信号の位相を合わせる方法を用いて理想的な光学アラインメントを達成するとき、必要なのは、干渉計の光学要素の各々が変調することが望まれている最短波長よりもかなり小さい許容限度まで平坦な表面となっていることである。光学要素（ビームスプリッタ、可動ミラー、固定ミラー）のいずれかが十分に平坦でない場合には、全干渉計アパーチャを横切って均一な光学リターデイションを達成できず、干渉計の変調効率が減少する。
本発明は、ビームスプリッタに対するミラーのアラインメントを維持するための従来技術方法に認められなかった問題を認識し、解決する。要約すると、従来技術は、３本の単色ビームの単色信号の位相を合わせて理想的な光学アラインメントを得ようとしており、常に所望の平面度を持った光学要素を利用できるとは限らないという事実の潜在的な重大性を見落としている。特別な関心事は、単色ビーム成分のインターセプト点での局所ひずみのそれである。
第３図は、１５′で示すビームスプリッタが単色ビーム３０ａ−ｃの入射する領域に表面不整を有する状態を誇張して示す図である。簡略化のために、３本のビームは１本のビームで描き、３つの検出器は１つの検出器で描いてある。ビームスプリッタの主要部分は可動ミラー１８に対して４５度の角度で平面４０内に位置するものとして示してあるが、不整のために固定ミラー１７の最適アラインメントは可動ミラーに対して９０度となっている。しかしながら、従来技術によるアラインメントはビームスプリッタの不整部分（可動ミラー１８に対して４５度でない部分）に基づいて実施されるので、ミラー１７は傾斜していることになり、もはやビームスプリッタの主要部分に対して最適ではない。
問題が第４Ａ、４Ｂ図にグラフで示してある。第４Ａ図は、傾斜角θ（ａ）、θ（ｂ）の関数としての、全変調効率の代表的な様式化した輪郭プロットを示している。第４Ｂ図は、傾斜角θ（ａ）のうちの１つの傾斜角の関数としての、全変調効率のプロットを示している。広帯域変調効率の測定値が２つの傾斜角の種々の値に対して得られる場合、単色信号のうちで位相整合を生じる値とは普通異なっている傾斜角の値に対して最大変調効率が生じることがわかっている。θ（ａ）、θ（ｂ）の傾斜角値を特徴とするこのアラインメントは、それ自体を、全光学横断面にわたるリターデイションにおける最低アグリゲート（またはＲＭＳ）変化と関連付けるのである。
こうして、単色信号の位相を整合させるように作動するサーボ機構はアグリゲート横断面に沿ったリターデイションの読み出しを導入する。干渉計の使用可能な横断面は一般に（実際の設計における）単色ビームの分離量よりもかなり大きいので、導入された傾斜量は干渉計の幅を横切るかなりのリターデイション変化まで大きくすることができる。同様の問題がミラーの不整でも生じる可能性がある。光学要素のいずれかが充分に平坦でない場合、全干渉計アパーチャを横切って均一な光学リターデイションを達成することはできない。その結果は、変調効率の潜在的な激烈な低下であり、また、走査中の可動ミラーあるいは固定ミラーいずれかの姿勢の小さい動的変化に対して変調出力ビームがかなり敏感になるということである。
問題の潜在的な意味は以下の数値例からわかる。臭化カリウム（２０μｍまでの波長に対して透過性である）のような材料から作った現在の技術状態のビームスプリッタの場合、好ましい光学アラインメントの方向で単色ビームによって測定した場合に４０ｎｍのオーダーで非平坦性を見出すことができる。単色ビームを５ｍｍだけ離間させた場合、これらのビームを同位相に錠止するプロセスが光学横断面の２５ｍｍ毎に４００ｎｍのリターデイション読み出しを導入することになる。
５ｍｍ全光学横断面を越えると、２．５μｍの波長において、好ましい光学アラインメントで決定した場合、最高高率の２０〜４０％のオーダーで変調効率の低下が生じる。
アラインメントに関する最初の変調効率の導関数は、制御ループが動的エラーを生じやすいので、重要である。上記の非平坦性の場合、２．５μｍ波長で、単色位相ずれに関するこの導関数は１％／位相・角度のオーダーとなる。２．５μｍで０．１％の全スペクトロメータ安定性を達成するためには、このケースでのアラインメントの制御は０．１位相・角度内に保たれなければならない。しかしながら、単色リターデイション測定値には偽の汚染源が見出され、０．１位相度をかなり越えたこれらの測定値のまとまりを壊す。
発明のハードウェア実施例
簡単に言えば、本発明は位相ずれを制御電子機器に組み込み、単色信号の位相を整合させるアラインメントというよりも、むしろ全光学横断面にわたって変調効率を最大化するアラインメントへアクチュエータがミラーを駆動するようにすることによって上記の問題を解決するのである。
位相ずれを制御電子機器に組み込む前に、全変調効率を最大化する位相ずれパラメータを決定するために実験測定を行わなければならない。この作業は後に説明する。
第５図は、本発明の第１実施例によるアラインメント回路５０の概略図である。単色信号DET（a）、DET（ｂ）は、それぞれ、調節可能な移相器５５ａ、５５ｂを通してゼロクロッシング位相比較器５２ａ、５５ｂの第１入力部に送られる。単色信号DET（ｃ）は位相比較器５２ａ、５５ｂの第２入力部に送られる。各位相比較器は、その第１、第２の入力部での位相差に比例する出力エラー信号を発生する。
こうして、位相比較器５２ａ、５２ｂの発生するそれぞれのエラー信号のうちの１つはDET（ｃ）とDET（a）の移相したバージョンとの間の位相差に比例し、他方はDET（ｃ）とDET（ｂ）の移相したバージョンとの間の位相差に比例する。これらエラー信号はそれぞれのサーボ・ループ補正回路５７ａ、５７ｂに送られ、それぞれの傾斜訂正信号TILT（a）、TILT（b）を生成する。これらの傾斜訂正信号は以下に説明する並進訂正信号と組み合わされてアクチュエータ駆動信号PZT（a-c）となる。TILT（a）、TILT（b）は、アクチュエータがエラー信号を無効にする傾向で駆動されるようにPZT（a-c）に組み込まれる。サーボ・ループ補正回路とアクチュエータの間にはスイッチ５８ａ、５８ｂが配置してあり、たとえば、粗アラインメント中とか可動ミラー１８が方向転換する走査の終りでとかでアラインメント・サーボを使用禁止にすることができる。
この実施例は基準信号に関して位相検出される前にアラインメント検知信号のいずれかあるいはすべての電気的位相をずらす活性位相ずれ回路を導入している。これにより、サーボ機構は±１８０度の位相キャプチャ範囲および±３６０度の位相ロック範囲を維持しながら好ましい光学アラインメント点を検索することができる。移相器５５ａ、５５ｂは、代表的には、可変アナログ遅延要素として設けられる。たとえば、演算増幅器への入力部のところでＲＣネットワーク内のポテンシオメータをトリミングすることによって遅延を設定することができる。この実施例は、したがって、１つの周波数についてしか較正できず、干渉計の１つの走査速度についてしか使用できないという欠点を有する。
第６図は、本発明の第２実施例によるアラインメント６０の概略図である。単色信号DET（a）、DET（ｂ）は、それぞれのディジタル移相器６５ａ、６５ｂを通してゼロクロッシング位相比較器６２ａ、６２ｂの第１入力部に送られる。ディジタル遅延要素はプログラムされたシフト増分SHIFT（A）、SHIFT（B）を備えている。単色信号DET（ｃ）は位相比較器６２ａ、６２ｂのそれぞれの第２入力部に送られる。位相比較器からのエラー信号はそれぞれのサーボ・ループ補正回路６７ａ、６７ｂに送られる。サーボ・ループ補正回路とアクチュエータの間にはスイッチ６８ａ、６８ｂが挿設してあり、アラインメント・サーボを使用禁止にすることができる。
この実施例は、移相器がシフトレジスタのようなディジタル要素であり、コンピュータによって制御されるという点で、第５図の実施例と異なる。したがって、異なった走査速度が必要な場合には、異なったシフト値をシフトレジスタにロードすることができる。しかしながら、この実施例は、測定されたアラインメント検知信号を高周波シフトクロックと同期させることが必要であり、これが測定されたエラー信号にランダム・ノイズ成分（時間変動）を導入するという欠点を有する。これは、遅延回路からの遅延出力信号の立ち上がりが必ずシフトクロックの立ち上がりによって定めれら、検出器信号のゼロクロッシングがシフトクロック・サイクルのどこでも生じる可能性があるためである。したがって、ゼロ遅延をプログラムすれば、出力を１シフトクロック・サイクルまでにシフトすることができる。
第７図は、本発明の第３実施例によるアラインメント回路７０の概略図である。この実施例では、位相ずれは電圧オフセットとして導入される。単色信号DET（a）、DET（ｂ）は、それぞれ、ゼロクロッシング位相比較器７２ａ、７２ｂの第１入力部に送られる。単色信号DET（ｃ）は位相比較器７２ａ、７２ｂのそれぞれの第２入力部に送られる。上記のように、各位相比較器は、その第１、第２の入力部の位相間の差に比例する出力信号を発生する。
このケースでは、位相比較器７２ａからの出力信号はDET（a）、DET（ｂ）間の位相差に比例し、位相比較器７２ｂからの出力信号はDET（ｂ）、DET（ｃ）間の位相差に比例する。位相比較器からの出力信号は、加算ノード７５ａ、７５ｂのそれぞれの第１入力部へ、そこから、それぞれのサーボ・ループ補正回路７７ａ、７７ｂへ送られる。所望の位相ずれを表す電圧オフセットは加算ノード７５ａ、７５ｂのそれぞれの第２入力部に印加される。電圧オフセットはアナログ回路によって発生させてもよいし、適当に制御されるディジタル・アナログ変換器によって与えられてもよい。サーボ・ループ補正回路とアクチュエータの間にはスイッチ７８ａ、７８ｂが設置してあり、アラインメント・サーボを使用禁止にすることができる。
この実施例では、位相検出器出力信号は等価の補正量だけオフセットしており、増幅されてから制御された光学要素にフィードバックされる。このことは、回路が異なった周波数に対してこれ以上の調節を必要としないという利点を有する。しかしながら、１つの欠点として、位相検出器のキャプチャ、ロック範囲が等価位相ずれの量だけ縮小するということがある。これは、位相検出器出力信号がサーボ・ループへフィードバックされる前にオフセットしたときにキャプチャ範囲がロック点について非対称となるからである。そのため、干渉計を粗整合させなければならないプレアライン・プロセスがロックに命令を与える前に好ましい光学アラインメントに到達したときにより精密でなければならない。ディジタル式縁位相検出の場合、この実施例は安定状態、ゼロ・エラー状態で望ましくない交流成分を発生する可能性もある。
第８図は、本発明の第４の現在のところ好ましい実施例によるアラインメント回路８０の概略図である。この実施例は、アラインメント回路および可動ミラーの全位置（および速度）を制御するように応答する回路がいくぶんつながっているという点で上記の実施例とは異なっている。したがって、この第８図は、可動ミラー１８の相対速度を一定に保つ回路の部分も示している。
この実施例では、アラインメント検知信号はDET（ｃ）と比較されず、代わりに、アラインメント検知信号毎にシステム・マスタ・クロックから唯一導かれる基準と比較される。単色信号DET（a）、DET（ｂ）、DET（ｃ）はゼロクロッシング位相比較器８２ａ、８２ｂ、８２ｃのそれぞれの第１入力部に送られる。
制御電子機器は、さらに、マスタ・タイミング回路８３を包含する。この回路は、マスタ・コントローラおよび種々の分周器（代表的にカウンタで実行される）を包含する。このタイミング回路からの２つの出力信号は、マスタ・クロックと呼ぶ高周波信号と、マスタ・クロック周波数の分周波の単色基準クロックと呼ぶ信号である。
公知の実務によれば、単色基準クロックは位相比較器８２ｃの第２入力部に送られ、DET（ｃ）と比較される。この比較からのエラーはリニアモータ２０にフィードバックされ、リニアモータは可動ミラー１８を駆動する。少なくともいくつかの成分も純粋並進コマンドとして制御されるミラーにフィードバックされる（アクチュエータ３５ａ−ｃのすべてが共通し駆動され、同じように作用する各検出器にリターデイションが見られる）。
基準クロック信号はそれぞれのディジタル遅延要素８５ａ、８５ｂを通して位相比較器８２ａ、８２ｂのそれぞれの第２入力部へ、そして、位相比較器８２ｃの第２入力部へ送られる。上記のように、各位相比較器は、その第１、第２の入力部の位相間の差に比例する出力信号を発生する。
このケースでは、位相比較器８２ａの出力信号は、DET（a）と単色基準クロックのプログラム的に遅延したバージョンとの間の位相差に比例する。一方、位相比較器８２ｂからの出力信号はDET（ｂ）と単色基準クロックの独立した、プログラム的に遅延したバージョンとの間の位相差に比例する。位相比較器からの出力信号は加算ノード８７ａ、８７ｂのそれぞれの第１入力部へ送られ、そこからそれぞれのサーボ・ループ補正回路９０ａ、９０ｂへ送られる。サーボ・ループ補正回路とアクチュエータの間にはスイッチ９２ａ、９２ｂが設置してあり、アラインメント・サーボを使用禁止にすることができる。
各アラインメント検知検出器をそれ自体の移相したマスタ・クロックと比較する結果は、位相比較プロセスが、アラインメント・エラー（各アラインメント検出器と基準とのリターデイション差）＋走査リターデイション・エラー（基準信号をそれ自体のマスタ・クロックと位相比較したときに現れると同じ信号）の合計を含む信号を発生するということである。純粋なアラインメント・エラー信号を取り戻すには、加算ノード８５ａ、８５ｂでのアラインメント検知位相検出器エラーの各々から基準位相検出器エラーを減算してTILT（a）、TILT（b）信号を得る。変更したアラインメント検知信号は、次に、制御されるミラーにフィードバックされ、純粋な回転コマンドを生成する。ここで、全走査リターデイション・エラーが位相比較器信号から減算されるが、一部は戻し加算されてPZT（a）、PZT（ｂ）を得ることができることに注目されたい。
この実施例の利点は他の実施例の各々の強さの集束を表す。これは、完全な位相比較器キャプチャ、ロック範囲を有し、任意の単色周波数に対してプログラムすることができる。さらに、このディジタル遅延要素の各々がその入力部でマスタ・クロックおよびマスタ・クロックから導かれた単色基準クロックを受け取るので、同期化ノイズはまったくない。
この位相ずれをプログラムする能力は、より高度の目的でも役立つ。すなわち、干渉計のビームスプリッタを交換し、新しいセットの位相ずれを導入して任意のビームスプリッタとの好ましい光学アラインメントを達成することができる。ビームスプリッタ認識法を追加したときには、記憶された好ましいアラインメント方向を検索することができる。
あるいは、自動化したプロセスを装置して、干渉計を含むスペクトロメータが干渉計の変調効率を直接評価すると同時に、アラインメント検知信号についてのプログラムされた位相ずれに対する調節を行うことができるようにしてもよい。変調効率が最大であることがわかった場合、これらの位相ずれが記憶され、ビームスプリッタが交換されるまで保持される。
特別の具現細部
以下、上記の実施例のいずれにも適用可能な具現細部を説明する。
補正回路の全体的な目的は、ループにゲインを導入し、ループにおける周波数応答差を補正することにある。この回路は多数の方法で具現可能である。図示したように、各サーボ・ループ補正回路は、エラー信号の積分値と常数×エラー信号の合計に比例する出力信号を与える。単純な積分器が可能であるが、一次項を設けると、サーボ・ループを安定化する傾向がある。現在の手段では、各サーボ・ループ補正回路は、積分器よりもむしろ、高ゲイン増幅器とローパス・フィルタ（１６Ｈｚのオーダーのカットオフ）とを包含する。全ループ・ゲインは３０〜５０のオーダーである。
さらに、上述したように、傾斜訂正信号TILT（a）、TILT（b）はアクチュエータ駆動信号PZT（a−c）に組み込まれる。１つの可能性のある手段においては、TILT（a）はPZT（a）に加えられ、TILT（b）はPZT（ｂ）に加えられる。しかしながら、現在の手段では、TILT（a）はPZT（a）に加えられ、TILT（a）の一部（たとえば、２０〜６０％）がPZT（ｂ）、PZT（ｃ）から引かれる。同様に、TILT（b）はPZT（ｂ）に加えられ、TILT（b）の一部がPZT（a）、PZT（ｃ）から引かれる。これは、３つすべてのアクチュエータが一体に駆動される並進フィードバックから傾斜訂正値を切り離すために行われる。
較正技術
本発明は、全変調効率を最大化する位相ずれを決定し、サーボ・ループに組み込む較正手順を必要とする。閾値事項として、最大化しようとしている特定の変調効率パラメータを考えると有効である。これは変調効率を多数の方法で定め、測定することができるからである。ただ１つの波長の場合、変調ビームのエネルギ変化は正弦波であり、変調効率は、検出黄信号の大きさ対検出黄信号の平均値の比率として簡単に定めることができる。
代表的には、スペクトロメータにおいて、当該変調効率パラメータは、干渉計を出るアグリゲート変調非単色ビームについてのものである。変調効率がより短い波長でのミスアラインメントにより敏感であるから、現構成手順は当該スペクトル範囲の短波長部分におけるただ１つの波長成分の変調効率を監視するように作動する。２．５μｍの波長が中間赤外線については適当である。
これを監視する特別の方法は、赤外線ビームにスペクトル計算を実施することができ、２．５μｍ波長でスペクトル較正を決定することができる。これは、基準伝達スペクトルに対する比率を決定することによって行われる。比スペクトルからの値は２．５μｍで変調効率に比例する。
好ましい較正プロセスは、当該変調効率パラメータを最大化する位相ずれについての値を対話式に決定する段階を包含する。特に、アラインメント・サーボが使用可能であり、変調効率の測定は位相ずれパラメータが変えられるときに行われる。
第５図の、調節可能なアナログ遅延要素を使用する実施例の場合、位相ずれパラメータは可変抵抗器のような回路パラメータの値を調節することによって変えられる。第６、８図の実施例の場合（ディジタル位相ずれ要素を使用する）、位相ずれパラメータはカウンタあるいはシフトレジスタにロードされるディジタル値である。第７図の実施例の場合、位相ずれパラメータは加算ノードに送られる電圧値である。
変調効率パラメータを最大化する位相ずれパラメータを見つけ出すことは、好ましくは、１つの位相ずれパラメータを設定し、次いで全範囲にわたって他の位相ずれパラメータを変えることによって達成される。このプロセスは範囲にわたって変えられる最初に述べた位相ずれパラメータの値に対して繰り返される。これは、２つの位相ずれパラメータの関数としての二次元配列の変調効率値を生じる。変調効率パラメータの最大値に対応する位相ずれパラメータ値を次に回路に組み込むことができる。
較正を行う別の方法としては、干渉計の光学要素のうちの１つの光学要素の向きを変え、アラインメント・サーボを使用禁止とし、変調効率パラメータを最大化する向きを見つけ出すことがある。ここで、選定された機構が２つの自由度を持つ要素の回転を許すものと仮定する。
アラインメント・サーボを使用可能とする操作中、固定ミラーを支持するＰＺＴアクチュエータによってアラインメントが維持されるけれども、この段階では、最も便利な要素の向きを調節するだけで充分である。これは、当然、ビームスプリッタのためのハードウェアを位置決めする際に固定ねじを操作することあるいはＰＺＴアクチュエータについての信号に加算される（ＤＣ）電源を調節することを伴う可能性がある。
変調効率は、次いで、好ましい向きを含むことが予想される範囲にわたって種々の向きについて測定される。ひとたび全変調効率を最大化する向きが見つけ出されたならば、干渉計をその向きにセットし、スイッチを開いて（アラインメント・サーボはまだ使用禁止である）干渉計を作動させる。サーボ・ループ補正回路に送られるエラー信号が観察され、位相ずれパラメータが次に調節されてこれら観察されたエラー信号を無効にする。次に、アラインメント・サーボが使用可能とされたときに、サーボがアクチュエータを所望の位相ずれを生じる位置へ移動させる。
結論
結論として、本発明はスペクトロメータ性能を最適化する方法に従来あった問題を認識し、解決することがわかる。上記の説明は本発明の好ましい実施例についての完全な説明であるが、種々の変更、代替構造、均等物を使用できる。
たとえば、ＰＺＴがアクチュエータ３５ａ−ｃにとって好ましいが、少なくとも或る種の環境では、スプリング負荷式電磁石あるいはステップモータのような電気機械装置を使用することも可能である。したがって、上記の説明および図示は添付の請求の範囲によって定義される本発明の範囲を制限するものではないと考えられるべきである。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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