阅读说明：本技术 相位差控制装置 (Phase difference control device ) 是由 三好有一 于 2019-01-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种能够在CD光谱仪中利用的相位差控制装置的响应性改善技术。相位差控制装置具备：分割偏振器(14),其将来自光源(12)的光分割成直线偏振的测定光和直线偏振的参照光；PEM(16),其以与分光测定相对应的方式对测定光和参照光赋予相位差；PEM驱动器(18),其向PEM(16)供给调制电压；PEM控制电路(24),其输入参照光作为反馈信号,并且向PEM驱动器(18)输出调制控制量信号,相位差控制装置还具备CPU电路(26),该CPU电路监视分割偏振器(14)的光的波长,并输入波长变化作为波长信号,CPU电路(26)将波长信号变换成前馈信号,前馈信号被输出到PEM控制电路(24),PEM控制电路(24)进行基于反馈信号和前馈信号的运算处理,来向PEM驱动器(18)输出调制控制量信号。(The present invention relates to a technique for improving the responsiveness of a phase difference control device that can be used in a CD spectrometer. The phase difference control device is provided with: a splitting polarizer (14) that splits light from the light source (12) into linearly polarized measurement light and linearly polarized reference light; a PEM (16) for giving a phase difference to the measurement light and the reference light so as to correspond to the spectroscopic measurement; a PEM driver (18) that supplies a modulated voltage to the PEM (16); and a PEM control circuit (24) that receives the reference light as a feedback signal and outputs a modulation control amount signal to the PEM driver (18), wherein the phase difference control device further comprises a CPU circuit (26) that monitors the wavelength of the light split into the polarizers (14) and receives a wavelength change as a wavelength signal, wherein the CPU circuit (26) converts the wavelength signal into a feedforward signal, and the feedforward signal is output to the PEM control circuit (24), and wherein the PEM control circuit (24) performs an arithmetic process based on the feedback signal and the feedforward signal and outputs the modulation control amount signal to the PEM driver (18).)

相位差控制装置

本申请是以2018年2月26日申请的日本专利申请2018-31529号为优先权主张基础，在此被引用。

技术领域

本发明涉及一种在具备光弹调制器(PEM)的各种光谱仪等中使用的相位差控制装置、特别是能够在圆二色光谱仪(CD)、线性二色光谱仪(LD)中利用的相位差控制装置的响应性改善技术。

背景技术

以往，光弹调制器(Photoelastic Modulator：PEM)被应用于各种分光测定中。一般来说，已知PEM作为用于利用双折射来对入射偏振光进行相位调制的元件。而且，使用PEM进行的偏振光测定的灵敏度非常高，例如当向PEM入射的入射光产生波长变化等时，给PEM的相位调制动作也带来大的影响。也就是说，有可能因向PEM入射的入射光的波长变化等而导致给分光测定的测定结果带来大的影响。

因此，在专利文献1中公开了如下一种技术：在相位差控制装置中具备光弹调制器控制电路，进行控制使得所检测出的参照光束中的角频率为2ω的交流分量的振幅与直流分量的大小之比恒定，从而即使向光弹调制器入射的光的波长、光弹调制器等的温度变化，也能够使通过光弹调制器赋予的相位差保持恒定。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平5-10821

发明内容

发明要解决的问题

然而，通过将如专利文献1的结构利用于相位差控制装置中，能够应对光弹调制器的环境变化(入射光的波长变化等)，但由于在此种结构中，控制的响应性有极限(由于是获取在光弹调制器中是否方式了变化作为信号的控制，因此必然受到该变化的影响)，实际上在获取频谱数据时，仅能够应对步进扫描。也就是说，存在以下问题：在例如圆二色光谱仪等必须连续扫描的分光测定器等中无法应用此种技术。

用于解决问题的方案

本发明是鉴于上述现有技术的问题而进行的，其目的在于提供一种即使在光弹调制器中产生入射光的波长变化等，也能够实现稳定的相位差控制，并且改善相位差控制的响应性从而还能够应对连续扫描的相位差控制装置和方法。

为了解决上述问题，本发明所涉及的相位差控制装置被利用于对试样进行分光测定的分光测定器中，所述相位差控制装置的特征在于，

该相位差控制装置具备：分割偏振器：其将来自光源的入射光分割成直线偏振的测定光和直线偏振的参照光；PEM，其进行以与所述分光测定相对应的方式对所述测定光和参照光赋予相位差的相位调制动作；PEM驱动器，其向该PEM供给用于进行相位调制动作的调制电压；以及PEM控制电路，其输入所述参照光作为反馈信号，并且向所述PEM驱动器输出调制控制量信号，

所述相位差控制装置还具备CPU电路，该CPU电路监视所述分割偏振器中的光的波长，输入该波长的变化作为波长信号，

所述CPU电路将所述波长信号变换成前馈信号，该前馈信号被输出到所述PEM控制电路，

所述PEM控制电路进行基于所述反馈信号和前馈信号的运算处理，来向所述PEM驱动器输出调制控制量信号。

另外，本发明所涉及的相位差控制装置的特征在于，

所述CPU电路通过在该CPU电路内部预先制作出的输出指令表格来计算前馈信号。

另外，本发明所涉及的相位差控制装置的特征在于，

该相位差控制装置还具备温度补偿电路，所述温度补偿电路用于从PEM驱动器向PEM供给调制电压，所述调制电压用于即使PEM的温度变化也使对测定光和参照光赋予的相位差恒定，

所述温度补偿电路输入由用于检测PEM的温度的温度检测器检测出的检测值来进行温度补偿动作。

另外，本发明所涉及的相位差控制装置的特征在于，

所述PEM驱动器构成为在至少一部分包括所述温度补偿电路，该温度补偿电路构成为包括温度补偿型晶体振荡器。

而且，本发明所涉及的相位差控制方法用于在至少具备光源、分割偏振器、PEM、PEM驱动器以及PEM控制电路的分光测定器中控制所述PEM的相位差，所述相位差控制方法的特征在于，包括以下步骤：

从所述PEM驱动器向PEM供给用于进行相位调制动作的调制电压，利用所述分割偏振器将来自光源的入射光分割成直线偏振的测定光和直线偏振的参照光，利用所述PEM以与分光测定相对应的方式对所得到的测定光和参照光赋予相位差，将被赋予了所述相位差的参照光作为反馈信号输入到所述PEM控制电路，并且向所述PEM驱动器输出调制控制量信号，从而构成反馈控制环；以及

在所述分光测定器中构成用于监视所述分割偏振器中的光的波长并输入该波长的变化作为波长信号的CPU电路，利用该CPU电路将所述波长信号变换成前馈信号，将该前馈信号输出到所述PEM控制电路，

其中，所述PEM控制电路利用所述反馈信号和前馈信号，来向所述PEM驱动器输出调制控制量信号。

发明的效果

根据本发明，在相位差控制装置中具备PEM控制电路来构成反馈控制环，并且还具备CPU电路来监视向PEM入射的入射光的波长变化(分割偏振器中的光的波长变化)，从而以恒定条件计算出前馈信号，在PEM控制电路中对该前馈信号和反馈信号进行运算处理来计算出调制控制量信号。而且，利用该调制控制量信号来控制PEM驱动器，由此起到与以往相比响应性得到改善且即使产生入射光的波长变化等也能够实现稳定的相位差控制的效果。其结果，由于相位差控制的响应性得到改善，因此能够实现例如不仅能够应对步进扫描还能够应对连续扫描的相位差控制装置和方法。

附图说明

图1是示出应用了本发明的实施方式所涉及的相位差控制装置的CD光谱仪的概要结构图。

图2是示出应用了本发明的相位差控制装置的CD光谱仪中的变形例的概要结构图。

图3的(a)是在本实施方式中能够利用于温度补偿电路的串联型TCXO电路，图3的(b)示出在本实施方式中能够利用于温度补偿电路的间接型TCXO电路。

附图标记说明

10：CD光谱仪(相位差控制装置)；12：光源；14：分割偏振器；16：PEM；18：PEM驱动器；20：试样；22：检测电路；24：PEM控制电路；26：CPU电路；28：PMT检测器；30：前置放大器；32：DC放大器；34：运算放大器；36：灵敏度调整HT；38：检测放大器；40：锁定放大器；42：温度补偿电路；44：温度检测器。

具体实施方式

以下，使用附图来说明本发明的相位差控制装置，但只要不超过本发明的宗旨，则不限定于以下例子。

图1中示出作为本发明的实施方式所涉及的分光测定器的圆二色光谱仪(CD光谱仪)的概要结构图。图1中的CD光谱仪10应用了本发明的相位差控制装置而构成。该图所示的CD光谱仪10具备：光源12，其向试样20照射光；分割偏振器14，其将来自光源12的光分光成单色光，并且将入射的光分割成测定光的偏振光和参照光的偏振光(直线偏振光)；PEM16，其进行用于向来自分割偏振器14的直线偏振光赋予相位差的相位调制动作；PEM驱动器18，其为了使PEM 16进行相位调制动作而供给调制电压；以及检测电路22，其检测透过了试样20的测定光。并且，本实施方式的CD光谱仪10还具备用于构成本发明的相位差控制装置的PEM控制电路24和CPU电路26。

来自光源12的光在分割偏振器14中被分光为单色光，该单色光进一步被分割为对该单色光进行直线偏振得到的测定光和同样进行直线偏振得到的参照光。本实施方式中的分割偏振器14构成为包括单色器和洛匈(Rochon)棱镜等。另外，在本实施方式中，还可以将用于使来自光源12的光成为直线偏振光的单色器和用于分割被进行直线偏振得到的光的洛匈棱镜分开构成。被分割偏振器14进行直线偏振所得到的光(测定光和参照光)中的任一个光均到达PEM 16。此时，从PEM驱动器18向PEM 16供给调制电压，测定光和参照光在透过PEM 16时被赋予与各种测定相应的规定的相位差，成为左右交替的圆偏振光。而且，该左右的圆偏振光中的测定光向试样20入射。

试样20是具有CD(圆二色性)的测定对象，当左右的圆偏振光(测定光)透过试样20时，在左和右受到不同大小的吸收，作为包括依赖于CD的强度变动的光而被检测电路22检测到。而且，在检测电路22中利用各种放大器等来实施一定的处理，从而输出CD值作为测定结果，之后例如利用频谱分析装置、个人计算机来进行频谱的分析等。

在此，针对检测电路22中的CD值的检测过程进行说明。检测电路22由PMT检测器28、灵敏度调整HT 36、锁定放大器40以及多个各种放大器(前置放大器30、DC放大器32、运算放大器34、检测放大器38)构成。透过了试样20的测定光被PMT检测器28变换为CD电压，该CD电压其电压值被前置放大器30进行放大。该CD电压由于是非常微弱的电压信号，因此在检测电路22内部被各种放大器放大。

CD电压包括直流分量和交流分量，被放大后的CD电压中的直流分量选择性地被DC放大器32放大。而且，被放大后的CD电压(直流分量)的例如相对于1V的差经由运算放大器34以预先决定的比例被进行放大后输入到灵敏度调整HT 36，该灵敏度调整HT 36调整PMT检测器28的灵敏度，使得该直流分量的大小(电压)恒定。

而且，通过这些过程而稳定的CD电压经由检测放大器38被输入到锁定放大器40。从PEM驱动器18向锁定放大器40输入参照电压，由该锁定放大器40检测出的CD值根据规定的目的被进行频谱分析。本实施方式中的CD光谱仪10大致通过以上流程来检测CD值。

关于相位差控制

接着，对本发明的实施方式所涉及的CD光谱仪10中的PEM 16的相位差控制进行说明。CD光谱仪10具备用于实现稳定的相位差控制的PEM控制电路24，该PEM控制电路24输入PEM 16中的参照光作为反馈信号(图1的FB信号)，并且在PEM控制电路24的内部根据规定的条件进行运算处理，来计算出调制控制量信号。

在图1中省略了图示，但向PEM控制电路24输入的参照光例如利用光电倍增管等被变换成电压信号后作为反馈信号输入到PEM控制电路24。而且，PEM控制电路24将调制控制量信号输出到PEM驱动器18，PEM驱动器18将与调制控制量信号相应的调制电压供给到PEM16，由此构成了反馈控制环。

如此，利用由PEM驱动器18和PEM控制电路24构成的反馈控制环来进行PEM 16的相位差控制，从而例如即使因PEM 16中的入射光的波长变化等(每次测定时使波长变化的情况等)而导致实际的相位调制量相对于作为目标的相位调制量产生偏差，也能够从PEM驱动器18向PEM 16供给与该相位调制量的偏差相应的调制电压。其结果，即使向PEM 16入射的入射光产生波长变化，也能够通过上述反馈控制环来实现稳定的相位差控制。

而且，本实施方式的CD光谱仪10还具备CPU电路26，由此该CPU电路26与上述反馈控制环(PEM 16、PEM驱动器18、PEM控制电路24)一起构成了相位差控制装置。CPU电路26例如构成为包括CPU(central processing unit：中央处理单元)等。而且，本实施方式中的CPU电路26始终监视(监控)分割偏振器14中的光的波长。

也就是说，CPU电路26始终监视分割偏振器14中的光的波长(向PEM 16入射的入射光的波长)，并接收该波长变化作为波长信号。而且，输入到CPU电路26的波长信号通过在该CPU电路26的内部预先准备的表格、规定的算法被进行运算处理，从而变换成前馈信号，之后前馈信号(图1的FF信号)被输出到PEM控制电路24。

向PEM控制电路24输入作为PEM 16中的参照光的反馈信号以及通过向PEM 16入射的入射光的波长变化而计算出的前馈信号。PEM控制电路24通过对该反馈信号和前馈信号进行运算处理来计算出调制控制量信号，并向PEM驱动器18输出该调制控制量信号。

前馈信号的计算

如上述，前馈信号是针对波长信号(向PEM 16入射的入射光的波长变化)利用预先准备的表格或者进行基于算法的运算处理计算出的。例如，能够在CPU电路26的内部利用示出与各波长相对应的输出指令的输出指令表格来计算出前馈信号。在该情况下，由于有可能分光测定中利用的每个PEM的特性稍有不同，因此还能够按各PEM准备不同的输出指令表格。

而且，能够通过预先计算出成为CD最大值的电压值来得到分光测定(相位差控制)所需要的输出指令表格。作为计算成为CD最大值的电压值的方法，例如能够在所指定的每一步提高PEM电压，获取与各个PEM电压相对应的CD值数据，将该数据的峰值位置设为CD最大值，将此时的电压值设为V最大值。

另外，前馈信号还能够通过在CPU电路26内部预先准备的规定的算法来计算。例如提高PEM电压，若CD值的差(微分值)变为负则降低PEM电压，并且之后若微分值变为负，则提高PEM电压。能够将重复进行了该过程的收敛点设为CD最大值，将此时的电压值设为V最大值。

作为进一步其它的方法，能够通过执行具备最速下降法、峰值检测等最优化算法的程序等来计算前馈信号。在此，最速下降法是指仅根据某个函数的斜率(一阶微分)来搜索该函数的最小值的梯度法的算法，或者基于与其类似的考虑方式的算法。在本实施方式中，可以利用最速下降法、峰值检测来制作上述输出指令表格。另外，通过在测定装置的整个波长域、所有波长点计算通过如上述的方法得到的V最大值，能够得到每个PEM的输出指令表格，但还能够对计算V最大值的波长进行限定，使用以下表示V-波长的关系的数式进行补间，由此使输出指令表格计算的作业高效化。

[数式1]

λ：波长

Vm：电压最大值

A：相位差

Q：光弹性系数

另外，作为前馈信号的计算，在CD光谱仪等中，通过将上述数式中的A设为1.841弧度，但例如在椭偏仪中，将上述数式中的A设为2.405弧度，能够计算出CD值的最大值。同样地，例如在旋光光谱仪(ORD)、线性二色光谱仪(LD)中，通过将上述数式中的A设为3.05弧度，能够计算出CD值的最大值。本实施方式的CPU电路26中的前馈信号的计算算法不限于基于上述数式、方法的算法，若能够计算出CD值的最大值，则也可以是其它的算法、方法。

具体地说，用于计算输出指令表格中的CD最大值的算法例如还能够利用高斯牛顿法、牛顿法、模式搜索(Pattern Search)法、Nelder-Mead法、遗传算法、粒子群最优化、差分进化法、布谷鸟搜索、萤火虫算法等。

如此，除了具备反馈控制环之外，还具备CPU电路26，来构成相位差控制装置，利用反馈信号和前馈信号来进行相位差控制，从而即使产生入射光的波长变化也能够进行稳定的相位差控制，并且，能够实现与以往相比响应性更优异的相位差控制。其结果，通过改善响应性，不仅能够应对步进扫描，还能够应对连续扫描，因此例如能够将本发明的相位差控制装置利用于必须连续扫描的CD光谱仪、LD光谱仪等。

<变形例>

PEM在其特性上，由于Q值非常高，因此即使产生微小的温度变化，也导致发送频率大幅变动，可能给测定结果带来大的影响。因此，本变形例中的相位差控制装置追加还能够应对此种温度变化的影响的电路结构而构成。

在图2中示出本发明的实施方式所涉及的CD光谱仪中的变形例的概要结构图。在图2中，也与图1同样地，CD光谱仪10应用本发明的相位差控制装置而构成。而且，图2的CD光谱仪10基本上是与图1示出的CD光谱仪10相同的结构，但在本变形例中，构成为具备温度补偿电路42，以进一步提高PEM16中的相位差控制的稳定性。

温度补偿电路42设置为与PEM驱动器18成一体，例如通过与PEM驱动器18的内部电路连接而构成为一体。另外，在温度补偿电路42中，例如将热敏电阻、其它的温度计等温度检测器44配置到PEM 16的附近(或者配置成与PEM 16接触)，来自该温度检测器44的温度检测值(温度检测信号)被输入到温度补偿电路42，由此实现相位差控制中的温度补偿动作。

在温度补偿电路42中，能够利用例如图3的(a)所示的直接型TCXO、或者如图3的(b)所示的间接型TCXO等TCXO类型(温度补偿型晶体振荡器)的电路。另外，本变形例中的温度补偿电路42不限于TCXO类型的电路结构，若能够实现PEM 16的温度补偿动作，则可以利用其它的电路。

在相位差控制中，将由所述温度检测器44检测到的PEM 16的周围温度(或者PEM16自身的温度)作为温度检测信号输入到温度补偿电路42。当被输入温度检测信号时，温度补偿电路42的电阻值根据该检测值而变化，因此PEM驱动器18能够供给与PEM 16的温度变化相应的适当的调制电压。

也就是说，在本变形例中，由PEM控制电路24利用反馈信号和前馈信号来进行PEM16的相位差控制，并且同时还检测PEM 16的温度来由温度补偿电路42进行控制，由此能够实现与以往相比响应性更优异且抑制了PEM(以及PEM周围)的温度变化的影响的稳定的相位差控制。

并且，根据本发明，如上述进行以下步骤：由PEM控制电路24输入来自PEM 16的反馈信号，并且将调制控制量信号输出到PEM驱动器18，从而构成反馈控制环的步骤；以及将基于由CPU电路26监视到的分割偏振器14中的光的波长变化得到的前馈信号输出到PEM控制电路24的步骤，而且，PEM控制电路24进行利用了反馈信号和前馈信号的规定的运算处理，来向PEM驱动器18输出调制控制量信号，由此还能够实现能够进行与以往相比响应性更优异且向PEM 16入射的入射光的波长变化等的影响少的稳定的相位差控制的相位差控制方法。

并且，在上述实施方式和变形例中，说明了将本发明所涉及的相位差控制装置和相位差控制方法应用于CD光谱仪的情况，但是例如应用于椭偏仪、旋光光谱仪(ORD)、线性二色光谱仪(LD)等其它的光谱仪中也能够得到相同的效果。