JP2007024785A - 光干渉型位相検出装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 受光器8からの測定干渉信号及び受光器9からの第1の参照干渉信号を受けて、第1の参照干渉信号に対する測定干渉信号の位相を検出し測定位相として出力する位相検出手段21と、受光器9からの第1の参照干渉信号及び受光器18からの第2の参照干渉信号を受けて、これら2つの参照干渉信号間に生じる位相を検出し参照位相として出力する位相検出手段22と、上記測定位相及び上記参照位相を入力するとともに、この参照位相の位相変化に基づいて測定位相の位相補正を行うための位相補正値を測定光の波長に対応付けて求め、その位相補正値によって上記測定位相の位相補正を行う信号処理手段23とを備えた。
【選択図】 図1
Description
Δθ=ΔL・(νs−νr1)・2・π/c (1)
ここで、ΔLはマッハツェンダ型干渉計の2つの光路間の相対的な光路長の変化、νsは測定光の周波数、νr1は参照光の周波数、cは光速である。なお、ΔLの光路長は光学的距離であり、光路の屈折率nを含んだ量である。上記(1)式から分かるように、光路長の変化ΔLに対する位相変化Δθは、測定光の周波数(波長)が参照光の周波数(波長)に近接するほど小さく、離れるほど大きくなる。したがって、測定光の波長が参照光の波長に近接している場合には、マッハツェンダ型干渉計の2つの光路間の相対的な光路長変動に起因して生じる位相変動(位相変化Δθ)による測定誤差はほとんど無視することができるが、測定光の波長が参照光の波長から離れた場合には無視できなくなるという問題があった。
L=c・θ/{(νmax−νmin)・2・π} (2)
ここで、cは光速、θは測定光の周波数を最小周波数νminから最大周波数νmaxまで可変したときの全体の位相変化量である。
本発明の第1実施形態の光干渉型位相検出装置の構成を図1に示す。従来の光干渉型位相検出装置と同一要素には同一符号を付し詳細説明は省略する。波長可変光源1は、例えば波長可変レーザであり、所定の波長範囲(例えば1530〜1560nm)の測定光を光カプラ13aに出力する。光源2は、例えばレーザであり、測定光の波長とは異なる固定波長(例えば1565nm)の第1の参照光を光カプラ13bに出力する。また、光源12も同様、測定光の波長及び第1の参照光の波長とは異なる固定波長(例えば1525nm)の第2の参照光を光カプラ13bに出力する。光カプラ13bは、これら第1及び第2の参照光を合波して光カプラ13aに出力する。光カプラ13aは、光カプラ13bからの合波光と上記測定光とを合波し、それによって得られた波長多重光をマッハツェンダ型干渉計30の光カプラ16に出力する。なお、光カプラ13a及び光カプラ13bは光合波手段13を構成している。
Δθr=ΔL・(νr2−νr1)・2・π/c (3)
ΔL=c・Δθr/{(νr2−νr1)・2・π} (4)
ここで、νr1は第1の参照光の周波数、νr2は第2の参照光の周波数、cは光速である。
Δθ=ΔL・(νs−νr1)・2・π/c (5)
Δθc={Δθr/(νr2−νr1)}・(νs−νr1)
(6)
したがって、この位相補正値Δθcを測定光の波長に対応付けて求め、求めたこの位相補正値Δθcを用いて、第1の位相検出手段21からの測定位相の補正を行うことによって、マッハツェンダ型干渉計30の2つの光路間の相対的な光路長変動に起因して生じる位相変動が含まれない、被測定物10の波長−位相特性を求めることができる。
本発明の第2実施形態の光干渉型位相検出装置の構成を図2に示す。図1に示した第1実施形態では、干渉計として、光ヘテロダイン干渉方式のマッハツェンダ型干渉計30を用いたが、第2実施形態では、光ホモダイン干渉方式のマッハツェンダ型干渉計30を用いている。第1実施形態の図1とは、下記の(1)、(2)のみ異なり他は同一である。したがって詳細説明は省略する。(1)マッハツェンダ型干渉計30の第2の光路に、周波数シフタ(AOFS14e及び超音波発生器14f)を備えていない。(2)受光器8、受光器9及び受光器18は、波長分波手段17からの測定干渉光、第1の参照干渉光及び第2の参照干渉光をそれぞれ受けて光電変換(ホモダイン検波)し、測定干渉信号、第1の参照干渉信号及び第2の参照干渉信号をそれぞれ出力する。
本発明の第3実施形態の光干渉型位相検出装置の構成を図3に示す。図1に示した第1実施形態では、被測定物10の波長−位相特性に、マッハツェンダ型干渉計30の2つの光路間の相対的な光路長変動に起因して生じる位相変動が含まれないようにするために、上述のように参照位相に基づいて測定位相の位相補正を行うようにしたが、第3実施形態では、参照位相に基づいて、マッハツェンダ型干渉計30の2つの光路間の相対的な光路長が変化しないように制御している。第1実施形態の図1とは、下記の(1)、(2)のみ異なり他は同一である。(1)マッハツェンダ型干渉計30の第2の光路に光路長可変手段15を備え、またこの光路長可変手段15を制御する光路長補正手段22も備えた。なお、光路長可変手段15は第1の光路に備えてもよい。(2)信号処理手段23を備えていない。したがって、図1と同一部分の説明は省略して、主に光路長可変手段15及び光路長補正手段22について説明する。
本発明の第4実施形態の光干渉型位相検出装置の構成を図4に示す。図3に示した第3実施形態では、干渉計として、光ヘテロダイン干渉方式のマッハツェンダ型干渉計30を用いたが、第4実施形態では、光ホモダイン干渉方式のマッハツェンダ型干渉計30を用いている。第3実施形態の図3とは、下記の(1)、(2)のみ異なり他は同一である。したがって詳細説明は省略する。(1)マッハツェンダ型干渉計30の第2の光路に、周波数シフタ(AOFS14e及び超音波発生器14f)を備えていない。(2)受光器8、受光器9及び受光器18は、波長分波手段17からの測定干渉光、第1の参照干渉光及び第2の参照干渉光をそれぞれ受けて光電変換(ホモダイン検波)し、測定干渉信号、第1の参照干渉信号及び第2の参照干渉信号をそれぞれ出力する。
本発明の第5実施形態の光干渉型位相検出装置の構成を図5に示す。図1に示した第1実施形態とは、光ヘテロダイン干渉方式のマッハツェンダ型干渉計30の代わりに、光ヘテロダイン干渉方式のマイケルソン型干渉計40を用いた点のみ異なる。したがって、図1と同一部分の説明は省略して、主にマイケルソン型干渉計40について説明する。マイケルソン型干渉計40は、光カプラ25、被測定物10、AOFS27a、超音波発生器27b及び例えばミラーでなる反射手段26で構成されている。
本発明の第6実施形態の光干渉型位相検出装置の構成を図6に示す。図5に示した第5実施形態では、干渉計として、光ヘテロダイン干渉方式のマイケルソン型干渉計40を用いたが、第6実施形態では、光ホモダイン干渉方式のマイケルソン型干渉計40を用いている。第5実施形態の図5とは、下記の(1)、(2)のみ異なり他は同一である。したがって詳細説明は省略する。(1)マイケルソン型干渉計40の第2の光路に、周波数シフタ(AOFS27a及び超音波発生器27b)を備えていない。(2)受光器8、受光器9及び受光器18は、波長分波手段17からの測定干渉光、第1の参照干渉光及び第2の参照干渉光をそれぞれ受けて光電変換(ホモダイン検波)し、測定干渉信号、第1の参照干渉信号及び第2の参照干渉信号をそれぞれ出力する。
本発明の第7実施形態の光干渉型位相検出装置の構成を図7に示す。図5に示した第5実施形態では、被測定物10の波長−位相特性に、マイケルソン型干渉計40の2つの光路間の相対的な光路長変動に起因して生じる位相変動が含まれないようにするために、上述のように参照位相に基づいて測定位相の位相補正を行うようにしたが、第7実施形態では、参照位相に基づいて、マイケルソン型干渉計40の2つの光路間の相対的な光路長が変化しないように制御している。第5実施形態の図5とは、下記の(1)、(2)のみ異なり他は同一である。(1)マイケルソン型干渉計40の第2の光路に光路長可変手段15を備え、またこの光路長可変手段15を制御する光路長補正手段22も備えた。なお、光路長可変手段15は第1の光路に備えてもよい。(2)信号処理手段23を備えていない。したがって、図5と同一部分の説明は省略して、主に光路長可変手段15及び光路長補正手段22について説明する。
本発明の第8実施形態の光干渉型位相検出装置の構成を図8に示す。図7に示した第7実施形態では、干渉計として、光ヘテロダイン干渉方式のマイケルソン型干渉計40を用いたが、第8実施形態では、光ホモダイン干渉方式のマイケルソン型干渉計40を用いている。第7実施形態の図7とは、下記の(1)、(2)のみ異なり他は同一である。したがって詳細説明は省略する。(1)マイケルソン型干渉計40の第2の光路に、周波数シフタ(AOFS27a及び超音波発生器27b)を備えていない。(2)受光器8、受光器9及び受光器18は、波長分波手段17からの測定干渉光、第1の参照干渉光及び第2の参照干渉光をそれぞれ受けて光電変換(ホモダイン検波)し、測定干渉信号、第1の参照干渉信号及び第2の参照干渉信号をそれぞれ出力する。
本発明の第9実施形態の光干渉型位相検出装置の構成を図14に示す。上述の第1実施形態の図1とは、マッハツェンダ型干渉計30の第2の光路におけるAOFS14eと光カプラ6との間に、このマッハツェンダ型干渉計30の2つの光路(第1及び第2の光路)の光路長を合わせるための遅延器5を備えた点のみ異なり他は同一である。したがって詳細説明は省略する。なお、遅延器5は、第2の光路の代わりに被測定物10が接続されている第1の光路に備えるようにしてもよい。
本発明の第10実施形態の光干渉型位相検出装置の構成を図15に示す。上述の第1実施形態の図1とは、マッハツェンダ型干渉計30の第1の光路における光カプラ16と光カプラ6との間に光サーキュレータ28を備え、この光サーキュレータ28を介して、光カプラ16からの光を被測定物10に入力するとともに被測定物10で反射されて戻ってくる光を光カプラ6に出力するようにした点のみ異なり他は同一である。したがって詳細説明は省略する。
Claims (7)
- 所定の波長範囲の測定光を出力する波長可変光源(1)と、
前記測定光の波長とは異なる固定波長の第1の参照光を出力する第1の光源(2)と、
前記測定光の波長及び前記第1の参照光の波長とは異なる固定波長の第2の参照光を出力する第2の光源(12)と、
前記測定光、前記第1の参照光及び前記第2の参照光を受けて合波し、それによって得られた波長多重光を出力する光合波手段(13)と、
被測定物が接続されている第1の光路と被測定物が接続されていない第2の光路を含んで構成され、前記波長多重光を受けて前記第1の光路を通る第1の光と前記第2の光路を通る第2の光に分波するとともに該第1の光路を通った前記第1の光と該第2の光路を通った前記第2の光とを合波し、それによって得られた干渉光を出力する干渉計(30、40)と、
前記干渉光を受けて前記測定光、前記第1の参照光及び前記第2の参照光の各波長成分に分波する波長分波手段(17)と、
該波長分波手段から出力される前記測定光の波長成分に係わる測定干渉光を受けて光電変換し測定干渉信号を出力する第1の受光器(8)と、
前記波長分波手段から出力される前記第1の参照光の波長成分に係わる第1の参照干渉光を受けて光電変換し第1の参照干渉信号を出力する第2の受光器(9)と、
前記波長分波手段から出力される前記第2の参照光の波長成分に係わる第2の参照干渉光を受けて光電変換し第2の参照干渉信号を出力する第3の受光器(18)と、
前記測定干渉信号と、前記第1の参照干渉信号及び前記第2の参照干渉信号のいずれか一方の参照干渉信号とを受けて、当該参照干渉信号に対する前記測定干渉信号の位相を検出し測定位相として出力する第1の位相検出手段(21)と、
前記第1の参照干渉信号と前記第2の参照干渉信号とを受けて、これら2つの参照干渉信号間に生じる位相を検出し参照位相として出力する第2の位相検出手段(22)とを備え、前記参照位相の位相変化を利用することによって、前記被測定物の波長−位相特性を前記測定位相に基づいて求めることを特徴とする光干渉型位相検出装置。 - 前記測定位相及び前記参照位相を入力するとともに、該参照位相の位相変化に基づいて前記測定位相の位相補正を行うための位相補正値を前記測定光の波長に対応付けて求め、求めた該位相補正値によって当該測定位相の位相補正を行う信号処理手段(23)を備えたことを特徴とする請求項1に記載の光干渉型位相検出装置。
- 前記干渉計の2つの前記光路のいずれか一方の光路に設けられ、2つの当該光路間の相対的な光路長を変化させる光路長可変手段(15)と、
前記参照位相を入力し、当該参照位相が所定の値で一定となるように前記光路長可変手段を制御するための制御信号を該参照位相に基づいて発生し出力する光路長補正手段(24)とを備えたことを特徴とする請求項1に記載の光干渉型位相検出装置。 - 前記干渉計は、前記第1の光路及び前記第2の光路の少なくとも一方の光路に少なくとも1つの周波数シフタ(14a〜14f、27a、27b)を有して、該第1の光路を通った前記第1の光に含まれている前記測定光、前記第1の参照光及び前記第2の参照光のそれぞれの周波数と、該第2の光路を通った前記第2の光に含まれている前記測定光、前記第1の参照光及び前記第2の参照光のそれぞれの周波数とにおいて、前記測定光同士、前記第1の参照光同士及び前記第2の参照光同士のそれぞれの周波数差が所定のビート周波数となるようにされた光ヘテロダイン干渉計であり、
前記第1の受光器は前記所定のビート周波数の前記測定干渉信号を出力し、
前記第2の受光器は前記所定のビート周波数の前記第1の参照干渉信号を出力し、
前記第3の受光器は前記所定のビート周波数の前記第2の参照干渉信号を出力することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の光干渉型位相検出装置。 - 前記干渉計は光ホモダイン干渉計であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の光干渉型位相検出装置。
- 前記干渉計は、
前記波長多重光を受けて前記第1の光路を通る前記第1の光と前記第2の光路を通る前記第2の光に分波する光分波手段(16、14a、14b)と、
前記被測定物を通って入力される前記第1の光と前記被測定物を通らないで入力される前記第2の光とを合波して前記干渉光を出力する第1の光カプラ(6)とを含んで構成されるマッハツェンダ型干渉計であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の光干渉型位相検出装置。 - 前記干渉計は、
前記波長多重光を受けて前記第1の光路を通る前記第1の光と前記第2の光路を通る前記第2の光に分波するとともに、前記被測定物によって反射されて戻ってくる前記第1の光と前記被測定物を通らないで反射手段(26)によって反射されて戻ってくる前記第2の光とを合波して前記干渉光を出力する第2の光カプラ(25)を含んで構成されるマイケルソン型干渉計であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の光干渉型位相検出装置。
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