JP3596964B2 - 光遅延装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、互いに異なる遅延を有し少なくとも一方の遅延量が可変である２光束を交互に発生させる光遅延装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、パルス光を用いた光学実験や光学測定では、パルス光が測定対象物に到達するタイミングを変化させる為に光遅延装置が用いられる（例えば、特開平１−２８６４３１号公報、ＩＥＥＥ Ｊ． ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， Ｖｏｌ．ＱＥ−２２， Ｎｏ．１ （１９８６） ｐｐ．６９−７８ ）。図１３は、従来の光遅延装置が用いられている電界測定装置の構成図である。
【０００３】
この電界測定装置では、まず、ピコ秒パルスレーザ光源１から出射された光束は、ハーフミラー２で２つの光束に分割される。一方の光束は、透過および遮断を周期的に交互に繰り返す光変調器３を介して、例えばホトコンダクティブ光スイッチなどのピコ秒回路である測定対象物４に、トリガ光として入射する。測定対象物４にトリガ光が入射すると光電変換によって電気パルスが発生し、この電気パルスは、印加されている電圧に依存して屈折率が変化する電気光学材料５に印加される。
【０００４】
ハーフミラー２で分割された他方の光束は、光遅延装置６、偏光子７および位相補償板８を通り、レンズ９で集光されて、サンプリング光として電気光学材料５に入射し透過する。この時、サンプリング光は、電気光学材料５を印加された電圧に依存した屈折率変化によって、その偏光状態が変化する。そのサンプリング光の偏光状態の変化は、検光子１０を通過することによって、サンプリング光の強度変化に変換される。したがって、このサンプリング光の強度を光検出器１１で測定して得られる値は、電気光学材料５に印加された電圧値に依存したものである。
【０００５】
この光検出器１１の出力値はロックインアンプ１２によって光変調器３の変調タイミングで同期検出され、トリガ光が測定対象物４に入射している時と入射していない時それぞれの光検出器１１出力値の差が検出される。ロックインアンプ１２からの出力は、加算平均器１３でノイズが低減された後、波形表示部１４に入力される。また、光遅延装置６によって、トリガ光が測定対象物４に入射するタイミングに対して、サンプリング光が電気光学材料５に入射するタイミングを変化させ、そのタイミング差に応じた信号も波形表示部１４に掃引信号として入力される。このようにして、トリガ光が入射した後のピコ秒回路における電圧波形を測定することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の電界測定装置に用いられている光遅延装置は、トリガ光が測定対象物４に入射する時刻を基準として、サンプリング光が電気光学材料５に入射するタイミングを調整するものであって、サンプリング光は定常的に電気光学材料５に入射する。したがって、ロックインアンプ１２でサンプリング光強度の同期検出を行うためには、トリガ光は光変調器３で光変調される必要がある。しかし、トリガ光が透過／遮断の変調がなされて測定対象物４に入射すると、測定対象物４の動作が乱れ、光電変換によって発生する電気パルスも不安定になる場合があり、この場合、正確な測定ができないという問題点があった。
【０００７】
ところで、電界測定装置ではないが、電界測定装置の構成と類似する別の従来例として、２つの反射型光チョッパを用いて、光源から出力された光束に基づいて異なる２光束を交互に生成し、２光束それぞれを異なる光路を経た後に再び同一の光軸上に出力する方法が、図１４に示す分光光度計（特開平４−１３０２３３号公報）に開示されている。
【０００８】
この分光光度計では、光源３０から出力された光束は、モノクロメータ３１を介して光路３２を経て、第１の反射型光チョッパ２２の回転板２２ｂに到達する。この回転板２２ｂは、透光部２２ｂａと反射部２２ｂｂとが円周方向について交互に形成され、回転に伴って入射した光束の透過と反射とを周期的に交互に行うものである。回転板２２ｂの透光部２２ｂａを透過した光束は、光路３２ａを経て、参照セル３３およびウェッジフィルタ３４を透過し、反射鏡３５ａで反射され、第２の反射型光チョッパ２３の回転板２３ｂに到達する。一方、回転板２２ｂの反射部２２ｂｂで反射した光束は、光路３２ｂを経て、反射鏡３５ｂで反射され試料セル３６を透過して、第２の反射型光チョッパ２３の回転板２３ｂに到達する。
【０００９】
第１の反射型光チョッパ２２および第２の反射型光チョッパ２３は、駆動装置３７によって、同一回転速度で互いに１８０゜の位相差で回転駆動される。すなわち、第１の反射型光チョッパ２２の回転板２２ｂが光束を反射させる時には、第２の反射型光チョッパ２３の回転板２３ｂが光束を透過させ、第１の反射型光チョッパ２２の回転板２２ｂが光束を透過させる時には、第２の反射型光チョッパ２３の回転板２３ｂが光束を反射させる。このようにして、２つの反射型光チョッパ２２および２３の回転によって、光束は、光路３２ａと光路３２ｂとを周期的に交互に進み、参照セル３３を通る光束と試料セル３６を通る光束は光検出器３８に交互に到達する。そして、光検出器３８の出力値は、駆動装置３７による反射型光チョッパ２２および２３を回転駆動するタイミングで、ロックインアンプ３９によって同期検出され、双方の光束の強度の比に応じた出力が得られる。
【００１０】
この分光光度計は、反射型チョッパとロックインアンプとを用いており、電界測定装置とは構成が類似している。しかし、分光光度計は、光路を周期的に切換えてはいるが、その光路差を時間変化させるための光遅延装置を有するものではなく、何ら記載も示唆もされていない。
【００１１】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、１つの光軸上に互いに異なる遅延を有する光束を周期的に交互に出力するとともに、少なくとも一方の光束の遅延量を可変設定することができる光遅延装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る光遅延装置は、（１） 入射光束を入力して、入射光束とは反対方向に進む第１の光束および入射光束と同一方向に進む第２の光束を交互に生成するとともに、第２の光束とは反対方向に進む第３の光束を入力して、第１の光束が生成されている時には第１の光束を、そうでない時には第３の光束を、同一光軸上で同一方向に交互に出力する光束分割合成手段と、（２） 第２の光束に基づいて第３の光束を出力する反射手段と、（３） 少なくとも反射手段を第２の光束の光軸方向に移動させる移動手段と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
この光遅延装置では、入射光束が光束分割合成手段に入力すると、入射光束とは反対方向に進む第１の光束および同一方向に進む第２の光束が交互に生成される。第２の光束が反射手段に入射すると、これに基づいて第３の光束が生成され、この第３の光束は光束分割合成手段に入射する。そして、光束分割合成手段からは、互いに異なる遅延を有する第１の光束と第３の光束とが、交互に出力される。反射手段が移動手段によって移動することにより、第３の光束の遅延は変化する。
【００１４】
請求項２に係る光遅延装置は、光束分割合成手段から出力された第１および第３の光束それぞれの一部を入射方向とは異なる方向に反射させる半透鏡を更に備え、光束分割合成手段は、（ａ） 反射部と透過部とが入射光束の光軸に垂直な平面上に中心点を中心とする円周上に周期的に交互に形成され、入射光束が反射部に入射した時には入射光束を反射させて第１の光束を生成し、入射光束が透過部に入射した時には入射光束を透過させて第２の光束を生成するとともに第３の光束を透過させる回転板と、（ｂ） 回転板を平面上で中心点を中心として等速度回転させる回転駆動部と、を備え、反射手段は、第２の光束の光軸に垂直な反射面を有する反射鏡である。この場合、光束分割合成手段から出力された第１および第３の光束は、回転板の回転に伴って交互に生成されて、入射光束と同一の光軸上を反対方向に進み、半透鏡によって一部反射されて入射光束とは異なる光軸上を進む。
【００１５】
請求項３に係る光遅延装置では、反射手段は、複数の反射面を備え、第２の光束を入力して、第２の光束の光軸とは異なる光軸の第３の光束を生成する。この場合、光束分割合成手段から出力された第１および第３の光束は、入射光束とは異なる光軸上を反対方向に進む。
【００１６】
請求項４に係る光遅延装置では、光束分割合成手段は、（ａ） 第１の反射部と第１の透過部とが入射光束の光軸とは垂直でない第１の平面上に第１の中心点を中心とする円周上に周期的に交互に形成され、入射光束が第１の反射部に入射した時には入射光束を反射させて第４の光束を生成し、入射光束が第１の透過部に入射した時には入射光束を透過させて第２の光束を生成する第１の回転板と、（ｂ） 第２の反射部と第２の透過部とが第１の平面と直交する第２の平面上に第２の中心点を中心とする円周上に周期的に交互に形成され、第４の光束が第２の反射部に入射した時には第４の光束を反射させて第１の光束を生成し、第３の光束が第２の透過部に入射した時には第３の光束を透過させる第２の回転板と、（ｃ） 第１の回転板を第１の平面上で第１の中心点を中心として等速度回転させる第１の回転駆動部と、（ｄ） 第２の回転板を第２の平面上で第２の中心点を中心として等速度回転させる第２の回転駆動部と、（ｅ） 第１および第２の回転駆動部を制御して、第１の回転板が第４の光束を生成した時には第２の回転板で第４の光束を反射させて第１の光束を生成し、そうでない時には第２の回転板で第３の光束を透過させる回転制御部と、を備える。この場合、第１および第２の回転板の同期回転に伴って、入射光束が第１の回転板で反射されて第４の光束となり更に第２の回転板で反射されて生成された第１の光束、および、入射光束が第１の回転板を透過して第２の光束となり更に反射手段で生成されて第２の回転板を透過した第３の光束が、交互に生成される。
【００１７】
請求項５に係る光遅延装置では、光束分割合成手段は、（ａ） 反射部と透過部とが入射光束の光軸とは垂直でない平面上に中心点を中心とする円周上に周期的に交互に形成され、入射光束が反射部に入射した時には入射光束を反射させて第４の光束を生成するとともに第４の光束とは反対方向に進んで入射した第５の光束を反射させて第１の光束を生成し、入射光束が透過部に入射した時には入射光束を透過させて第２の光束を生成する回転板と、（ｂ） 回転板を平面上で中心点を中心として等速度回転させる回転駆動部と、（ｃ） 複数の反射面を備え、第４の光束に基づいて第５の光束を生成する反射部と、を備える。この場合、回転板の回転に伴って、入射光束が回転板で反射されて第４の光束となり続いて反射部で生成された第５の光束が再び回転板で反射されて生成された第１の光束、および、入射光束が回転板を透過して第２の光束となり更に反射手段で生成されて回転板を再び透過した第３の光束が、交互に生成される。
【００１８】
請求項６に係る光遅延装置では、移動手段は、光束分割合成手段を反射手段と一体として移動させる。この場合、第１および第３の光束は、両者間の遅延差が一定に維持されて、それぞれの遅延量が変化する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２０】
（第１の実施形態）
先ず、第１の実施形態について説明する。図１は、本実施形態に係る光遅延装置の斜視図である。
【００２１】
本実施形態に係る光遅延装置は、（１） 入射光束Ｉ０に対して反射と透過とを交互に行って反射光束Ｉ１と透過光束Ｉ２とを交互に生成する反射型光チョッパ１１０と、（２） 反射型光チョッパ１１０を透過した光束Ｉ２を垂直に反射させて再び反射型光チョッパ１１０に向かう光束Ｉ３を生成する反射鏡１２０と、（３） 反射鏡１２０をその上に固定し、光束Ｉ２の光軸方向に往復移動し得る移動ステージ１３０と、（４） 反射型光チョッパ１１０で反射された光束Ｉ１および反射鏡１２０で反射され生成された光束Ｉ３のそれぞれの一部を、入射光束Ｉ０の光軸方向とは異なる方向に反射させるハーフミラー１４０と、（５） 入射光束Ｉ０がハーフミラー１４０で一部反射された光束を遮光する遮光板１５０と、（６） 反射型光チョッパ１１０、ハーフミラー１４０および遮光板１５０を固定し、移動ステージ１３０をその上で移動させ得る固定ステージ１６０と、を備える。
【００２２】
入射光束Ｉ０から反射光束Ｉ１と透過光束Ｉ２とを交互に生成する反射型光チョッパ（光束分割合成手段）１１０は、中心点１１１ａを中心にして回転する回転板１１１と、その回転板を一定速度で回転させるモータ１１２とからなる。回転板１１１は、図２に示すように、中心点１１１ａを中心とする円周方向について、光束を透過させる透過部１１１ｂと光束を反射させる反射部１１１ｃとが、周期的に交互に設けられている。そして、この回転板１１１は、入射光束Ｉ０の光軸方向に垂直に配置され、かつ、回転に伴って入射光束Ｉ０を透過／反射を交互に繰り返すことができる位置に配置される。したがって、回転板１１１が一定速度で回転するに伴って、入射光束が透過部１１１ｂを透過すれば、透過光束Ｉ２が生成されて、その光束Ｉ２は反射鏡１２０の方向に進み、入射光束が反射部１１１ｃで反射すれば、反射光束Ｉ１が生成されて、その光束Ｉ１はハーフミラー１４０の方向に進む。すなわち、これら反射光束Ｉ１と透過光束Ｉ２とを周期的に交互に生成することになる。なお、透過部１１１ｂは、孔が設けられていてもよいし、光束を透過させる透明ガラス等の部材で構成されていてもよい。
【００２３】
透過光束Ｉ２を入射して光束Ｉ３を生成する反射鏡１２０の反射面は、透過光束Ｉ２の光軸方向に対して垂直であり、従って、光束Ｉ３は透過光束Ｉ２と同一光軸上を反対方向に進む。この反射鏡１２０を移動させる移動ステージ１３０は、透過光束Ｉ２の光軸方向に移動させるものであり、例えば、ラックピニオン構造で構成される。
【００２４】
本実施形態に係る光遅延装置は以下のように作用する。図３は、本実施形態に係る光遅延装置の動作の説明図である。
【００２５】
ハーフミラー１４０を一部透過した入射光束Ｉ０が回転板１１１の反射部１１１ｃに入射した場合（図３（ａ））には、その入射光束Ｉ０は反射部１１１ｃで反射され、反射光束Ｉ１が生成される。その反射光束Ｉ１は、入射光束Ｉ０の光軸と同一の光軸を反対方向に進んでハーフミラー１４０に到達し、ハーフミラー１４０で一部反射される。
【００２６】
一方、ハーフミラー１４０を一部透過した入射光束Ｉ０が回転板１１１の透過部１１１ｂに入射した場合（図３（ｂ））には、その入射光束Ｉ０は透過部１１１ｂを透過し、透過光束Ｉ２が生成される。その透過光束Ｉ２は、反射鏡１２０に到達して反射されて、光束Ｉ３が生成される。その光束Ｉ３は、透過光束Ｉ２の光軸と同一の光軸を反対方向に進んで、再び回転板１１１の透過部１１１ｂを透過し、ハーフミラー１４０に到達し、そしてハーフミラー１４０で一部反射される。
【００２７】
回転板１１１がモータ１１２によって一定速度で回転するのに伴って、光束Ｉ１と光束Ｉ３とは、周期的に交互に生成され、しかも、同一光軸上に出力される。また、回転板１１１の反射部１１１ｃと反射鏡１２０の反射面との間の距離をＬとすると、固定された光路を有する光束Ｉ１と比較して、光束Ｉ３は光路長差２Ｌだけ長く、そして、その光路長差は移動ステージ１３０によって反射鏡１２０の位置を移動させることによって変化させることができる。更に、反射部１１１ｃと透過部１１１ｂとの切り替え周波数がｆ（Ｈｚ）となるように、モータ１１２によって回転板１１１を一定速度で回転させれば、両者間に光路長差２Ｌを有する光束Ｉ１と光束Ｉ３とが、繰り返し周波数ｆ（Ｈｚ）で交互に生成される。
【００２８】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。図４は、本実施形態に係る光遅延装置の斜視図である。
【００２９】
本実施形態に係る光遅延装置は、（１） 入射光束Ｉ０に対して反射と透過とを交互に行って反射光束Ｉ４と透過光束Ｉ２とを交互に生成する反射型光チョッパ２１０と、（２） 反射型光チョッパ２１０を透過した光束Ｉ２を反射させ、光束Ｉ２の光軸と平行であって反対の方向に進む光束Ｉ３を生成する反射鏡２２０および２２１と、（３） 反射型光チョッパ２１０で反射された光束Ｉ４が入射したときには光束Ｉ４を反射させ、反射鏡２２１で反射された光束Ｉ３が入射したときには光束Ｉ４を透過させる反射型光チョッパ２１５と、（４） 反射鏡２２０および２２１を固定し、光束Ｉ２の光軸方向に移動し得る移動ステージ２３０と、（５） 反射型光チョッパ２１０，２１５を固定し、移動ステージ２３０をその上で移動させ得る固定ステージ２６０と、（６） ２つの反射型光チョッパ２１０および２１５における光束の反射／透過について同期した回転を制御するチョッパコントローラ２７０と、を備える。
【００３０】
透過光束と反射光束とをそれぞれ生成する反射型光チョッパ２１０および２１５それぞれは、第１の実施形態で述べた反射型光チョッパ１１０と同様の構成である。但し、本実施形態においては、入射する光束の光軸に対する配置角度が異なる。すなわち、反射型光チョッパ２１０の回転板２１１は、その垂線が入射光束Ｉ０の光軸に対して角度α度に配置され、反射型光チョッパ２１５の回転板２１６は、その垂線が光束Ｉ４の光軸に対して角度（９０−α）度に配置される。そして、回転板２１６は、回転板２１１で反射された光束Ｉ４を反射させることができる位置に配置される。したがって、入射光束Ｉ０が回転板２１１の反射部に入射して反射され生成された光束Ｉ４が回転板２１６の反射部に到達すると、その光束Ｉ４は、その回転板２１６の反射部で反射され、光束Ｉ１が生成される。この光束Ｉ１の光軸は、入射光束Ｉ０の光軸と平行であり、且つ、光束Ｉ１は、入射光束Ｉ０の入射方向とは反対方向に進む。
【００３１】
反射型光チョッパ２１０の回転板２１１の透過部を透過した光束Ｉ２を反射させる反射鏡２２０は、その反射面の垂線が光束Ｉ２の光軸に対して角度β度に配置され、反射鏡２２１は、その反射面の垂線が、反射鏡２２０で反射されて到達する光束の光軸に対して角度（９０−β）度に配置される。したがって、反射鏡２２１で反射されて生成される光束Ｉ３の光軸は、反射鏡２２０に入射する光束Ｉ２の光軸と平行であり、且つ、光束Ｉ３は、光束Ｉ２とは反対方向に進む。
【００３２】
更に、反射鏡２２１で反射されて生成される光束Ｉ３の光軸と、回転板２１６で反射されて生成される光束Ｉ１の光軸とは、反射型光チョッパ２１５を経た後は同一光軸上を進むように、反射鏡２２０，２２１それぞれは配置される。
【００３３】
反射型光チョッパ２１０および２１５を回転制御するチョッパコントローラ２７０は、回転板２１１が入射光束Ｉ０を反射させるときには回転板２１６も光束Ｉ４を反射させ、回転板２１１が入射光束Ｉ０を透過させるときには回転板２１６も光束Ｉ３を透過させるように、回転板２１１および２１６それぞれを回転させるモータ２１２および２１７の回転を制御する。
【００３４】
本実施形態に係る光遅延装置は以下のように作用する。図５は、本実施形態に係る光遅延装置の動作の説明図である。
【００３５】
入射光束Ｉ０が回転板２１１の反射部に入射した場合（図５（ａ））には、その入射光束Ｉ０は回転板２１１の反射部で反射され、光束Ｉ４が生成される。その光束Ｉ４は回転板２１６の反射部に入射して反射され、光束Ｉ１が生成される。この光束Ｉ１は、入射光束Ｉ０の光軸と平行な光軸上を、入射光束Ｉ０とは反対の方向に進む。
【００３６】
一方、入射光束Ｉ０が回転板２１１の透過部に入射した場合（図５（ｂ））には、その入射光束Ｉ０は回転板２１１の透過部を透過し、光束Ｉ２が生成される。その光束Ｉ２は、反射鏡２２０および２２１それぞれで反射され、光束Ｉ３が生成される。その光束Ｉ３は、回転板２１６の透過部を透過し、光束Ｉ１と同一の光軸上を進む。
【００３７】
回転板２１１および２１６それぞれがチョッパコントローラ２７０で回転制御されたモータ２２２および２１７によって回転するのに伴って、固定光路長を有する光束Ｉ１および光束Ｉ１とは異なる光路長を有する光束Ｉ３が周期的に交互に生成され同一光軸上に出力される。また、移動ステージ２３０によって反射鏡２２０および２２１を移動させることによって、光束Ｉ１と光束Ｉ３との間の光路長差を変化させることができる。
【００３８】
本実施形態に係る光遅延装置では、第１の実施形態に係る光遅延装置では必要であったハーフミラーを用いる必要がないので、入射光束Ｉ０の光量を損失させることなく、出射光束（光束Ｉ１または光束Ｉ３）を得ることができる。
【００３９】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。図６は、本実施形態に係る光遅延装置の斜視図である。
【００４０】
本実施形態に係る光遅延装置は、（１） 入射光束Ｉ０に対して反射と透過とを交互に行って反射光束Ｉ４と透過光束Ｉ２とを交互に生成する反射型光チョッパ３１０と、（２） 反射型光チョッパ３１０を透過した光束Ｉ２を反射させ、光束Ｉ２の光軸と平行であって反対の方向に進む光束Ｉ３を生成する反射鏡３２０および３２１と、（３） 反射型光チョッパ３１０で反射した光束Ｉ４を反射させ、光束Ｉ４の光軸と平行であって反対の方向に進む光束Ｉ５を生成する反射鏡３２２および３２３と、（４） 反射鏡３２０および３２１を固定し、光束Ｉ２の光軸方向に移動し得る移動ステージ３３０と、（５） 入射光束Ｉ０および出力光束Ｉ１，Ｉ３それぞれに対するアパーチャ３８０ないし３８３と、（６） 反射型光チョッパ３１０、反射鏡３２２，３２３およびアパーチャ３８０ないし３８３を固定し、移動ステージ３３０をその上で移動させ得る固定ステージ３６０と、を備える。
【００４１】
本実施形態で用いられる反射型光チョッパ３１０は、第１の実施形態で述べた反射型光チョッパ１１０と同様の構成である。但し、本実施形態においては、入射光束Ｉ０の光軸に対して所定角度だけ傾いて配置される。
【００４２】
また、本実施形態で用いられる反射鏡３２０および３２１は、第２の実施形態で述べた反射鏡２２０および２２１と同様の配置と作用である。但し、本実施形態においては、反射鏡３２１で生成された光束Ｉ３は、透過光束Ｉ２を生成した回転板３１１の透過部に向かいその透過部を透過する。光束Ｉ３が透過する透過部と光束Ｉ２が透過する透過部とは、同一であってもよいし、異なるものであってもよい。
【００４３】
回転板３１１の反射部で反射された光束Ｉ４を入射する反射鏡３２２は、その光束Ｉ４を反射鏡３２３の方に向けて反射し、その反射鏡３２２で反射した光束を入射する反射鏡３２３は、その光束を反射させて光束Ｉ５を生成する。この光束Ｉ５の光軸は、光束Ｉ４の光軸と平行であり、且つ、光束Ｉ５は、光束Ｉ４とは反対方向に進む。
【００４４】
更に、反射鏡３２１で反射されて生成される光束Ｉ３の光軸と、光束Ｉ５が入射して回転板３１１で反射されて生成される光束Ｉ１の光軸とは、反射型光チョッパ２１０を経た後は同一光軸上を進むように、反射鏡３２０ないし３２４それぞれは配置される。したがって、入射光束Ｉ０が回転板３１１の透過部に入射して透過光束Ｉ２が生成された場合には、反射鏡３２１で生成された光束Ｉ３は、回転板３１１の透過部を透過し、入射光束Ｉ０が回転板３１１の反射部に入射して反射光束Ｉ４が生成された場合には、反射鏡３２３で生成された光束Ｉ５は、回転板３１１の反射部で反射して光束Ｉ１となる。
【００４５】
入射光束Ｉ０を通過させるアパーチャ３８０および３８１は、光遅延装置の入射光軸に対して入射光束Ｉ０の光軸の位置決めを行うためのものであり、出射光束Ｉ１およびＩ３を通過させるアパーチャ３８２および３８３は、光遅延装置の出射光軸に対して出射光束Ｉ１およびＩ３の光軸の位置決めを行うためのものであり、
本実施形態に係る光遅延装置は以下のように作用する。図７は、本実施形態に係る光遅延装置の動作の説明図である。
【００４６】
アパーチャ３８０および３８１を通過した入射光束Ｉ０が回転板３１１の反射部に入射した場合（図７（ａ））には、その入射光束Ｉ０は、回転板３１１の反射部で反射され、反射光束Ｉ４が生成される。その光束Ｉ４は反射鏡３２２および３２３それぞれで反射され、光束Ｉ４の光軸と平行な光軸上を光束Ｉ４とは反対の方向に進む光束Ｉ５が生成される。そして、その光束Ｉ５は回転板３１１の反射部で反射され、入射光束Ｉ０の光軸と平行な光軸上を入射光束Ｉ０とは反対の方向に進む光束Ｉ１が生成される。
【００４７】
一方、入射光束Ｉ０が回転板３１１の透過部に入射した場合（図７（ｂ））には、その入射光束Ｉ０は回転板３１１の透過部を透過し、光束Ｉ２が生成される。その光束Ｉ２は、反射鏡３２０および３２１それぞれで反射され、光束Ｉ３が生成される。その光束Ｉ３は、回転板３１６の透過部を透過し、光束Ｉ１と同一の光軸上を進む。
【００４８】
回転板３１１がモータ３１２によって回転するのに伴って、固定光路長を有する光束Ｉ１および光束Ｉ１とは異なる光路長を有する光束Ｉ３が周期的に交互に生成され同一光軸上に出力される。また、移動ステージ３３０によって反射鏡３２０および３２１を移動させることによって、光束Ｉ１と光束Ｉ３との間の光路長差を変化させることができる。
【００４９】
なお、反射鏡３２０および３２１に替えて、図８に示すようなリトロリフレクタを用いてもよい。リトロリフレクタは、３枚の反射面で構成されたコーナーキューブであり、光束Ｉ２が入射すると、その光軸と平行で反対方向に進む光束Ｉ３を出力するものである。これを用いれば、入射する光束Ｉ２の光軸と出射する光束Ｉ３の光軸との距離を容易に短くすることができるので、反射型光チョッパ３１１の同一の透過部に両者の光束を透過させることができる。また、反射鏡３２２および３２３に替えてリトロリフレクタを用いても同様である。
【００５０】
第２の実施形態に係る光遅延装置では２つの反射型光チョッパが必要であり、しかも、両者の同期をとって回転させる必要があったのに対して、本実施形態に係る光遅延装置では、１つの反射型光チョッパを使用するだけでよいので構成が簡単で制御が容易である。
【００５１】
（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態について説明する。図９は、本実施形態に係る光遅延装置の平面図である。
【００５２】
本実施形態に係る光遅延装置は、（１） 入射光束Ｉ０に対して反射と透過とを交互に行って反射光束Ｉ４と透過光束Ｉ２とを交互に生成する反射型光チョッパ４１０と、（２） 反射型光チョッパ４１０を透過した光束Ｉ２を反射させ、光束Ｉ２の光軸と平行であって反対の方向に進む光束Ｉ３を生成する直角プリズム４２０と、（３） 反射型光チョッパ４１０で反射された光束Ｉ４が入射したときには光束Ｉ４を反射させ、直角プリズム４２０で反射された光束Ｉ３が入射したときには光束Ｉ４を透過させる反射型光チョッパ４１５と、（４） 反射型光チョッパ４１０，４１５および直角プリズム４２０を固定し、入射光束Ｉ０の光軸方向に移動し得る移動ステージ４３０と、（５） 移動ステージ４３０をその上で移動させ得る固定ステージ４６０と、（６） ２つの反射型光チョッパ４１０および４１５における光束の反射／透過について同期した回転を制御するチョッパコントローラ４７０と、を備える。
【００５３】
本実施形態に用いられる反射型光チョッパ４１０，４１５およびチョッパコントローラ４７０は、第２の実施形態における反射型光チョッパ２１０，２１５およびチョッパコントローラ２７０と同様の構成であり、同様の動作を行う。
【００５４】
また、本実施形態に用いられる直角プリズム４２０は、第２の実施形態における２つの反射鏡２１０および２１１に替わるもので、同様の作用を行う。すなわち、光束Ｉ２が入射すると、互いに直交する２面それぞれで反射して、光束Ｉ２の光軸と平行で反対方向に進む光束Ｉ３を生成する。
【００５５】
本実施形態が第２の実施形態と最も大きく異なる点は、２つの反射型光チョッパ４１０，４１５および直角プリズム４２０が移動ステージ４３０上で固定され、これらが一体として、固定ステージ４６０上を入射光束Ｉ０の光軸方向に移動する点である。したがって、移動ステージ４３０が固定ステージ４６０上を移動しても、入射光束Ｉ０が回転板４１１の反射部で反射され続いて回転板４１６の反射部で反射された光束Ｉ１（図１０（ａ））と、入射光束Ｉ０が回転板４１１の透過部を透過し直角プリズム４３０で反射し回転板４１６の透過部を透過した光束Ｉ３（図１０（ｂ））とは、それぞれの光路長は変化するが、両者の間の光路長差は一定である。
【００５６】
すなわち、第１ないし第３の実施形態に係る光遅延装置は、互いに異なる遅延を有する光束Ｉ１と光束Ｉ３とを周期的に交互に同一光軸上で出力するものであって、基準遅延を有する基準光束Ｉ１に対して光束Ｉ３の遅延を変化させることができるものであるが、本実施形態に係る光遅延装置は、互いに異なる遅延を有する光束Ｉ１と光束Ｉ３とを周期的に交互に同一光軸上で出力する点では同じであるが、光束Ｉ１と光束Ｉ３との間の遅延差を一定に維持したまま、両光束の遅延それぞれを変化させることができるものである。
【００５７】
（第５の実施形態）
次に、第５の実施形態について説明する。本実施形態は、第２の実施形態に係る光遅延装置を電界測定装置に用いたものである。図１１は、第２の実施形態に係る光遅延装置を用いた電界測定装置の構成図である。
【００５８】
本実施形態に係る電界測定装置は、（１） ピコ秒パルスレーザ光を出力するレーザ光源５１０と、（２） そのレーザ光を一部透過し残部を反射するハーフミラー５２０と、（３） ハーフミラー５２０で反射したレーザ光（トリガ光）を測定対象物５３０に導き入射させる反射鏡５２１および５２２と、（４） ハーフミラー５２０を透過したレーザ光を入力し、異なる光路長を有する２光束を周期的に交互に出力する光遅延装置２００と、（５） 光遅延装置２００から出力された光束（サンプリング光）を一方向の直線偏光成分のみを透過させる偏光子５２４と、（６） その直線偏光となったサンプリング光を円偏光に変換する位相補償板５２５と、（７） その円偏光となったサンプリング光を集光して電気光学材料５４０に入射させるレンズ５２６と、（８） 測定対象物５３０の電圧または電界に応じて屈折率が変化し、サンプリング光を入力して、その屈折率変化に応じて偏光状態が変化した光束を出力する電気光学材料５４０と、（９） 電気光学材料５４０から出力された光束を平行光にするレンズ５５０と、（１０）レンズ５５０を通った光束のうち一方向の直線偏光成分のみを出力する検光子５５１と、（１１）検光子５５１から出力された光束の強度を測定し、その強度に応じた電圧信号を出力する光検出器５５２と、（１２）光遅延装置２００における２光束切り替えタイミングに同期して、光検出器５５２から出力された電圧信号を検出するロックインアンプ５６０と、（１３）ロックインアンプ５６０からの出力値を所定回数だけ加算し平均値を求めて出力する加算平均器５７０と、（１４）光遅延装置２００において生成される２光束間の光路長差を変化させるステージコントローラ５８０と、（１５）その光路長差に応じた電圧信号と、加算平均器５７０から出力された電圧信号とを入力し、電気光学材料５４０に印加される電界強度の波形を表示する波形表示部５９０と、を備える。
【００５９】
測定対象物５３０に入射するトリガ光は、レーザ光源５１０から出力され、ハーフミラー５２０で一部反射され、反射鏡５２１および５２２で反射されて、測定対象物５３０に入射する。測定対象物５３０は、例えば、ホトコンダクティブ光スイッチなどのピコ秒回路であり、トリガ光が入射すると光電変換によって電気パルスが発生し、この電気パルスは、電気光学材料５４０に印加される。この電気光学材料５４０は、それに印加された電圧に依存して屈折率が変化する性質を有するものである。このトリガ光には、何等変調が加えられておらず、測定対象物５３０には定常的にトリガ光が入射されて電気パルスが発生し、かつ、電気光学材料５４０にも定常的にその電気パルスに応じた電圧が印加される。
【００６０】
なお、測定対象物５３０と電気光学材料５４０とは信号線でつなげられて電圧が直接印加されてもよいし、また、測定対象物５３０と電気光学材料５４０とは接近して置かれてそのもれ電界が印加されてもよい。
【００６１】
レーザ光源５１０から出力されハーフミラー５２０を透過したレーザ光束は、先ず、光遅延装置２００に入力する。ここで用いられている光遅延装置２００は、第２の実施形態に係る光遅延装置である。すなわち、レーザ光源５１０から出力されハーフミラー５２０を一部透過したレーザ光束が遅延装置２００に入力すると、チョッパコントローラ２７０で同期回転制御されたモータ２１２および２１７それぞれによって回転板２１１および２１６が回転するに伴って、回転板２１１の透過部を透過し反射鏡２２０および２２１で反射し更に回転板２１６の透過部を透過したレーザ光束、および、回転板２１１の反射部で反射し続いて回転板２１６の反射部で反射したレーザ光束が、周期的に交互に出力され、これがサンプリング光となる。なお、このレーザ光束が交互に出力される繰り返し周波数は、一般には数百Ｈｚから数ｋＨｚであるが、この繰り返し周波数はロックインアンプの性能に依存するものであり、数Ｈｚから数百ｋＨｚまで可能である。そして、このサンプリング光は、光遅延装置２００に入射するレーザ光束の光軸と平行で反対方向に出力される。また、２つの反射鏡２２０および２２１をその上に固定する移動ステージ２３０は、ステージコントローラ５８０によって入射レーザ光束の光軸方向に移動可能であり、この移動によってサンプリング光を形成する２光束の内の一方の光束の遅延を変化させることができる。
【００６２】
光遅延装置２００から出力されたサンプリング光は、偏光子５２４に入力され、直線偏光とされて出力される。続いて、その直線偏光となったサンプリング光は、偏光子５２４の光学軸に対して４５度傾いた光学軸を有しそれぞれの光学軸の方向の成分間に１／４波長の位相差を生じさせる位相補償板５２５に入力され、円偏光とされて出力される。
【００６３】
この円偏光とされたサンプリング光がレンズ５２６で集光されて電気光学材料５４０に入射されて透過する間に、電気光学材料５４０の屈折率変化に応じて偏光状態が変化し一般に楕円偏光となる。その楕円偏光のサンプリング光はレンズ５５０で平行光にされて検光子５５１に入射され、一方向の直線偏光成分のみが出力され、その強度が光検出器５５２で測定される。
【００６４】
したがって、光検出器５５２から出力される電圧信号は、トリガ光の入射に伴って測定対象物５３０で発生した電気パルスの電圧強度に応じたものとなる。ロックインアンプ５６０は、この光検出器５５２から出力された電圧信号を、サンプリング光を形成する２光束の生成に関してチョッパコントローラ２７０から出力されたタイミング信号で同期検出し、サンプリング光の２光束それぞれにおける光検出器５５２出力値の差を検出する。
【００６５】
このロックインアンプ５６０からの出力は、加算平均器５７０において所定回数加算されて平均化されることによってノイズが低減され、その後に、波形表示部５９０に入力される。一方、光遅延装置２００の移動ステージ２３０の位置、すなわち、サンプリング光を形成する２光束の間の遅延時間差に応じた信号が、ステージコントローラ５８０から出力されて、波形表示部５９０に掃引信号として入力される。したがって、波形表示部５９０には、トリガ光の入射に伴って測定対象物５３０で発生した電気パルスの波形が表示されることになる。
【００６６】
このようにしてサンプリング光を形成する２光束それぞれのタイミングにおける電圧信号の差を求める方式は、半導体レーザを光源とする電界測定装置における点灯タイミングコントロール方式（例えば、特開平３−１３１７７２号公報、１９９４ Ａｓｉａ Ｐａｃｉｆｉｃ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ， ｐｐ．１１６７−１１７０）と同等のものである。図１２は、電界測定装置における点灯タイミング方式の説明図である。
【００６７】
この方式では、トリガ信号発生装置６１０から出力されたトリガ信号を入力した被測定電気信号発生装置６２０は、そのトリガ信号入力に応じて被測定電気信号を発生し、その被測定電気信号は電気光学材料６３０に印加される。一方、同じくトリガ信号発生装置６１０から出力されたトリガ信号を入力したパルス光源駆動装置６４０は、そのトリガ信号入力のタイミングから、ある基準タイミングと次第に遅延していく測定タイミングとの２つの点灯タイミングで交互にレーザ光源６５０を点灯させる。レーザ光源６５０から出力されたサンプリング光は、偏光子６５２、電気光学材料６３０および検光子６５４をこの順に透過した後、その強度が光検出器６５６で測定される。光検出器６５６から出力された光強度に応じた電圧信号は、ロックインアンプ６６０で、パルス光源駆動装置６４０から出力されたレーザ光源６５０点灯タイミング信号に同期して検出される。そして、ロックインアンプ６６０から出力された電圧信号は波形表示部６７０に入力され、また、パルス光源駆動装置６４０で生成されたレーザ光源６５０点灯タイミングに応じた電圧信号が掃引信号として波形表示部６７０に入力される。パルス光源駆動装置６４０によってレーザ光源６５０を点灯させるタイミングを順次変更することによって、波形表示部６７０には、被測定電気信号発生装置６２０で発生した被測定電気信号の波形が表示される。
【００６８】
このような点灯タイミングコントロール方式では、レーザ光源６５０は、サンプリング光出力タイミングを電気的に制御することが可能であることが必要であり、それが可能である半導体レーザに限られていた。例えば、チタンサファイアレーザのような大出力のレーザ光源は、点灯タイミングを電気的に精度良く制御することは不可能であるので、この方式を用いることはできない。
【００６９】
これに対して、上述のように本発明に係る光遅延装置を用いれば、レーザ光源におけるレーザ光発生タイミングを容易に制御することができるので、チタンサファイアレーザ等の大出力レーザ光源を用いることができる。
【００７０】
また、トリガ光は、測定対象物に連続的に入射され、測定対象物は定常的に動作するので、不良動作を起こして電気パルス波形が歪むおそれはない。したがって、例えば、数十ＧＨｚ帯域のマイクロ波用デジタルＩＣ等の精密なデバイスの評価に好適に用いることができる。
【００７１】
なお、第１および第３の実施形態に係る光遅延装置を用いてサンプリング光を形成しても、同様の作用を得ることができる。また、第４の実施形態に係る光遅延装置を用いてサンプリング光を形成してもよい。この場合には、サンプリング光を形成する２光束は、両者間の遅延差が一定に維持されて両者それぞれの遅延時間が変化するものであるから、波形表示部５９０に表示される波形は、測定対象物５３０で発生した電気パルス波形の時間微分波形となる。したがって、波形表示部５９０に表示された波形を積分することによって、測定対象物５３０で発生した電気パルス波形を得ることができる。
【００７２】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。例えば、入射する光束に対して光軸が平行で反対方向に進む光束を生成する為に、１つまたは２つの反射鏡、リトロリフレクタまたは直角プリズムを用いたが、これに限られるものではなく、例えば、３つ以上の反射鏡を用いてもよいし、コーナーキューブプリズムを用いてもよい。
【００７３】
また、第２の実施形態では、２つの回転板それぞれにモータを直結してチョッパコントローラで同期をとって回転駆動したが、２つの回転板をギヤやベルトを介して１つのモータで回転駆動してもよい。この場合、２つの回転板は常に同期して回転するので、チョッパコントローラは不要である。
【００７４】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したとおり本発明によれば、光束分割合成手段によって、入射光束に基づいて入射光束とは反対方向に進む第１の光束および入射光束と同一方向に進む第２の光束を交互に生成するとともに、第２の光束と反対方向に進む第３の光束を入力して、第１の光束が生成されている時にはその第１の光束を、そうでない時には第３の光束を交互に出力し、反射手段によって、その第２の光束を反射して反対方向に進む第３の光束を生成し、移動手段によって、少なくとも反射手段を第２の光軸方向に移動させる。
【００７５】
このような構成としたので、互いに異なる遅延を有する第１および第３の光束を同一光軸上に交互に得ることができ、さらに、第３の光束の遅延量は可変設定が可能である。
【００７６】
本発明に係る光遅延装置を電界測定装置に適用して、この光遅延装置で一方の光束の遅延が可変設定されて生成されたサンプリング光を電気光学材料に入射し、電気光学材料を透過したサンプリング光強度を２光束交互形成のタイミングでロックインアンプで同期検出することによって、トリガ光が測定対象物に入射して発生した電気パルスの波形を測定することができる。この場合、測定対象物に入射するトリガ光を変調する必要がなく、トリガ光は定常的に測定対象物に入射するので、測定対象物の動作は安定したものとなり、したがって、正確な測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る光遅延装置の斜視図である。
【図２】反射型光チョッパの回転板の説明図である。
【図３】第１の実施形態に係る光遅延装置の動作の説明図である。
【図４】第２の実施形態に係る光遅延装置の斜視図である。
【図５】第２の実施形態に係る光遅延装置の動作の説明図である。
【図６】第３の実施形態に係る光遅延装置の斜視図である。
【図７】第３の実施形態に係る光遅延装置の動作の説明図である。
【図８】リトロリフレクタの斜視図である。
【図９】第４の実施形態に係る光遅延装置の平面図である。
【図１０】第４の実施形態に係る光遅延装置の動作の説明図である。
【図１１】第２の実施形態に係る光遅延装置を用いた電界測定装置の構成図である。
【図１２】電界測定装置における点灯タイミング方式の説明図である。
【図１３】従来の光遅延装置が用いられている電界測定装置の構成図である。
【図１４】従来の分光光度計の構成図である。
【符号の説明】
１１０…反射型光チョッパ、１２０…反射鏡、１３０…移動ステージ、１４０…半透鏡、１５０…遮光板、１６０…固定ステージ、２００…光遅延装置、２１０，２１５…反射型光チョッパ、２２０，２２１…反射鏡、２３０…移動ステージ、２６０…固定ステージ、２７０…チョッパコントローラ、３１０…反射型光チョッパ、３２０，３２１，３２２，３２３…反射鏡、３３０…移動ステージ、３６０…固定ステージ、３８０，３８１，３８２，３８３…アパーチャ、４１０，４１５…反射型光チョッパ、４２０…直角プリズム、４３０…移動ステージ、４６０…固定ステージ、４７０…チョッパコントローラ、５１０…レーザ光源、５２０…ハーフミラー、５２１，５２２，５２３…反射鏡、５２４…偏光子、５２５…位相補償板、５２６…レンズ、５３０…測定対象物、５４０…電気光学材料、５５０…レンズ、５５１…検光子、５５２…光検出器、５６０…ロックインアンプ、５７０…加算平均器、５８０…ステージコントローラ、５９０…波形表示部。
【発明の属する技術分野】
本発明は、互いに異なる遅延を有し少なくとも一方の遅延量が可変である２光束を交互に発生させる光遅延装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、パルス光を用いた光学実験や光学測定では、パルス光が測定対象物に到達するタイミングを変化させる為に光遅延装置が用いられる（例えば、特開平１−２８６４３１号公報、ＩＥＥＥ Ｊ． ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， Ｖｏｌ．ＱＥ−２２， Ｎｏ．１ （１９８６） ｐｐ．６９−７８ ）。図１３は、従来の光遅延装置が用いられている電界測定装置の構成図である。
【０００３】
この電界測定装置では、まず、ピコ秒パルスレーザ光源１から出射された光束は、ハーフミラー２で２つの光束に分割される。一方の光束は、透過および遮断を周期的に交互に繰り返す光変調器３を介して、例えばホトコンダクティブ光スイッチなどのピコ秒回路である測定対象物４に、トリガ光として入射する。測定対象物４にトリガ光が入射すると光電変換によって電気パルスが発生し、この電気パルスは、印加されている電圧に依存して屈折率が変化する電気光学材料５に印加される。
【０００４】
ハーフミラー２で分割された他方の光束は、光遅延装置６、偏光子７および位相補償板８を通り、レンズ９で集光されて、サンプリング光として電気光学材料５に入射し透過する。この時、サンプリング光は、電気光学材料５を印加された電圧に依存した屈折率変化によって、その偏光状態が変化する。そのサンプリング光の偏光状態の変化は、検光子１０を通過することによって、サンプリング光の強度変化に変換される。したがって、このサンプリング光の強度を光検出器１１で測定して得られる値は、電気光学材料５に印加された電圧値に依存したものである。
【０００５】
この光検出器１１の出力値はロックインアンプ１２によって光変調器３の変調タイミングで同期検出され、トリガ光が測定対象物４に入射している時と入射していない時それぞれの光検出器１１出力値の差が検出される。ロックインアンプ１２からの出力は、加算平均器１３でノイズが低減された後、波形表示部１４に入力される。また、光遅延装置６によって、トリガ光が測定対象物４に入射するタイミングに対して、サンプリング光が電気光学材料５に入射するタイミングを変化させ、そのタイミング差に応じた信号も波形表示部１４に掃引信号として入力される。このようにして、トリガ光が入射した後のピコ秒回路における電圧波形を測定することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の電界測定装置に用いられている光遅延装置は、トリガ光が測定対象物４に入射する時刻を基準として、サンプリング光が電気光学材料５に入射するタイミングを調整するものであって、サンプリング光は定常的に電気光学材料５に入射する。したがって、ロックインアンプ１２でサンプリング光強度の同期検出を行うためには、トリガ光は光変調器３で光変調される必要がある。しかし、トリガ光が透過／遮断の変調がなされて測定対象物４に入射すると、測定対象物４の動作が乱れ、光電変換によって発生する電気パルスも不安定になる場合があり、この場合、正確な測定ができないという問題点があった。
【０００７】
ところで、電界測定装置ではないが、電界測定装置の構成と類似する別の従来例として、２つの反射型光チョッパを用いて、光源から出力された光束に基づいて異なる２光束を交互に生成し、２光束それぞれを異なる光路を経た後に再び同一の光軸上に出力する方法が、図１４に示す分光光度計（特開平４−１３０２３３号公報）に開示されている。
【０００８】
この分光光度計では、光源３０から出力された光束は、モノクロメータ３１を介して光路３２を経て、第１の反射型光チョッパ２２の回転板２２ｂに到達する。この回転板２２ｂは、透光部２２ｂａと反射部２２ｂｂとが円周方向について交互に形成され、回転に伴って入射した光束の透過と反射とを周期的に交互に行うものである。回転板２２ｂの透光部２２ｂａを透過した光束は、光路３２ａを経て、参照セル３３およびウェッジフィルタ３４を透過し、反射鏡３５ａで反射され、第２の反射型光チョッパ２３の回転板２３ｂに到達する。一方、回転板２２ｂの反射部２２ｂｂで反射した光束は、光路３２ｂを経て、反射鏡３５ｂで反射され試料セル３６を透過して、第２の反射型光チョッパ２３の回転板２３ｂに到達する。
【０００９】
第１の反射型光チョッパ２２および第２の反射型光チョッパ２３は、駆動装置３７によって、同一回転速度で互いに１８０゜の位相差で回転駆動される。すなわち、第１の反射型光チョッパ２２の回転板２２ｂが光束を反射させる時には、第２の反射型光チョッパ２３の回転板２３ｂが光束を透過させ、第１の反射型光チョッパ２２の回転板２２ｂが光束を透過させる時には、第２の反射型光チョッパ２３の回転板２３ｂが光束を反射させる。このようにして、２つの反射型光チョッパ２２および２３の回転によって、光束は、光路３２ａと光路３２ｂとを周期的に交互に進み、参照セル３３を通る光束と試料セル３６を通る光束は光検出器３８に交互に到達する。そして、光検出器３８の出力値は、駆動装置３７による反射型光チョッパ２２および２３を回転駆動するタイミングで、ロックインアンプ３９によって同期検出され、双方の光束の強度の比に応じた出力が得られる。
【００１０】
この分光光度計は、反射型チョッパとロックインアンプとを用いており、電界測定装置とは構成が類似している。しかし、分光光度計は、光路を周期的に切換えてはいるが、その光路差を時間変化させるための光遅延装置を有するものではなく、何ら記載も示唆もされていない。
【００１１】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、１つの光軸上に互いに異なる遅延を有する光束を周期的に交互に出力するとともに、少なくとも一方の光束の遅延量を可変設定することができる光遅延装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る光遅延装置は、（１） 入射光束を入力して、入射光束とは反対方向に進む第１の光束および入射光束と同一方向に進む第２の光束を交互に生成するとともに、第２の光束とは反対方向に進む第３の光束を入力して、第１の光束が生成されている時には第１の光束を、そうでない時には第３の光束を、同一光軸上で同一方向に交互に出力する光束分割合成手段と、（２） 第２の光束に基づいて第３の光束を出力する反射手段と、（３） 少なくとも反射手段を第２の光束の光軸方向に移動させる移動手段と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
この光遅延装置では、入射光束が光束分割合成手段に入力すると、入射光束とは反対方向に進む第１の光束および同一方向に進む第２の光束が交互に生成される。第２の光束が反射手段に入射すると、これに基づいて第３の光束が生成され、この第３の光束は光束分割合成手段に入射する。そして、光束分割合成手段からは、互いに異なる遅延を有する第１の光束と第３の光束とが、交互に出力される。反射手段が移動手段によって移動することにより、第３の光束の遅延は変化する。
【００１４】
請求項２に係る光遅延装置は、光束分割合成手段から出力された第１および第３の光束それぞれの一部を入射方向とは異なる方向に反射させる半透鏡を更に備え、光束分割合成手段は、（ａ） 反射部と透過部とが入射光束の光軸に垂直な平面上に中心点を中心とする円周上に周期的に交互に形成され、入射光束が反射部に入射した時には入射光束を反射させて第１の光束を生成し、入射光束が透過部に入射した時には入射光束を透過させて第２の光束を生成するとともに第３の光束を透過させる回転板と、（ｂ） 回転板を平面上で中心点を中心として等速度回転させる回転駆動部と、を備え、反射手段は、第２の光束の光軸に垂直な反射面を有する反射鏡である。この場合、光束分割合成手段から出力された第１および第３の光束は、回転板の回転に伴って交互に生成されて、入射光束と同一の光軸上を反対方向に進み、半透鏡によって一部反射されて入射光束とは異なる光軸上を進む。
【００１５】
請求項３に係る光遅延装置では、反射手段は、複数の反射面を備え、第２の光束を入力して、第２の光束の光軸とは異なる光軸の第３の光束を生成する。この場合、光束分割合成手段から出力された第１および第３の光束は、入射光束とは異なる光軸上を反対方向に進む。
【００１６】
請求項４に係る光遅延装置では、光束分割合成手段は、（ａ） 第１の反射部と第１の透過部とが入射光束の光軸とは垂直でない第１の平面上に第１の中心点を中心とする円周上に周期的に交互に形成され、入射光束が第１の反射部に入射した時には入射光束を反射させて第４の光束を生成し、入射光束が第１の透過部に入射した時には入射光束を透過させて第２の光束を生成する第１の回転板と、（ｂ） 第２の反射部と第２の透過部とが第１の平面と直交する第２の平面上に第２の中心点を中心とする円周上に周期的に交互に形成され、第４の光束が第２の反射部に入射した時には第４の光束を反射させて第１の光束を生成し、第３の光束が第２の透過部に入射した時には第３の光束を透過させる第２の回転板と、（ｃ） 第１の回転板を第１の平面上で第１の中心点を中心として等速度回転させる第１の回転駆動部と、（ｄ） 第２の回転板を第２の平面上で第２の中心点を中心として等速度回転させる第２の回転駆動部と、（ｅ） 第１および第２の回転駆動部を制御して、第１の回転板が第４の光束を生成した時には第２の回転板で第４の光束を反射させて第１の光束を生成し、そうでない時には第２の回転板で第３の光束を透過させる回転制御部と、を備える。この場合、第１および第２の回転板の同期回転に伴って、入射光束が第１の回転板で反射されて第４の光束となり更に第２の回転板で反射されて生成された第１の光束、および、入射光束が第１の回転板を透過して第２の光束となり更に反射手段で生成されて第２の回転板を透過した第３の光束が、交互に生成される。
【００１７】
請求項５に係る光遅延装置では、光束分割合成手段は、（ａ） 反射部と透過部とが入射光束の光軸とは垂直でない平面上に中心点を中心とする円周上に周期的に交互に形成され、入射光束が反射部に入射した時には入射光束を反射させて第４の光束を生成するとともに第４の光束とは反対方向に進んで入射した第５の光束を反射させて第１の光束を生成し、入射光束が透過部に入射した時には入射光束を透過させて第２の光束を生成する回転板と、（ｂ） 回転板を平面上で中心点を中心として等速度回転させる回転駆動部と、（ｃ） 複数の反射面を備え、第４の光束に基づいて第５の光束を生成する反射部と、を備える。この場合、回転板の回転に伴って、入射光束が回転板で反射されて第４の光束となり続いて反射部で生成された第５の光束が再び回転板で反射されて生成された第１の光束、および、入射光束が回転板を透過して第２の光束となり更に反射手段で生成されて回転板を再び透過した第３の光束が、交互に生成される。
【００１８】
請求項６に係る光遅延装置では、移動手段は、光束分割合成手段を反射手段と一体として移動させる。この場合、第１および第３の光束は、両者間の遅延差が一定に維持されて、それぞれの遅延量が変化する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２０】
（第１の実施形態）
先ず、第１の実施形態について説明する。図１は、本実施形態に係る光遅延装置の斜視図である。
【００２１】
本実施形態に係る光遅延装置は、（１） 入射光束Ｉ０に対して反射と透過とを交互に行って反射光束Ｉ１と透過光束Ｉ２とを交互に生成する反射型光チョッパ１１０と、（２） 反射型光チョッパ１１０を透過した光束Ｉ２を垂直に反射させて再び反射型光チョッパ１１０に向かう光束Ｉ３を生成する反射鏡１２０と、（３） 反射鏡１２０をその上に固定し、光束Ｉ２の光軸方向に往復移動し得る移動ステージ１３０と、（４） 反射型光チョッパ１１０で反射された光束Ｉ１および反射鏡１２０で反射され生成された光束Ｉ３のそれぞれの一部を、入射光束Ｉ０の光軸方向とは異なる方向に反射させるハーフミラー１４０と、（５） 入射光束Ｉ０がハーフミラー１４０で一部反射された光束を遮光する遮光板１５０と、（６） 反射型光チョッパ１１０、ハーフミラー１４０および遮光板１５０を固定し、移動ステージ１３０をその上で移動させ得る固定ステージ１６０と、を備える。
【００２２】
入射光束Ｉ０から反射光束Ｉ１と透過光束Ｉ２とを交互に生成する反射型光チョッパ（光束分割合成手段）１１０は、中心点１１１ａを中心にして回転する回転板１１１と、その回転板を一定速度で回転させるモータ１１２とからなる。回転板１１１は、図２に示すように、中心点１１１ａを中心とする円周方向について、光束を透過させる透過部１１１ｂと光束を反射させる反射部１１１ｃとが、周期的に交互に設けられている。そして、この回転板１１１は、入射光束Ｉ０の光軸方向に垂直に配置され、かつ、回転に伴って入射光束Ｉ０を透過／反射を交互に繰り返すことができる位置に配置される。したがって、回転板１１１が一定速度で回転するに伴って、入射光束が透過部１１１ｂを透過すれば、透過光束Ｉ２が生成されて、その光束Ｉ２は反射鏡１２０の方向に進み、入射光束が反射部１１１ｃで反射すれば、反射光束Ｉ１が生成されて、その光束Ｉ１はハーフミラー１４０の方向に進む。すなわち、これら反射光束Ｉ１と透過光束Ｉ２とを周期的に交互に生成することになる。なお、透過部１１１ｂは、孔が設けられていてもよいし、光束を透過させる透明ガラス等の部材で構成されていてもよい。
【００２３】
透過光束Ｉ２を入射して光束Ｉ３を生成する反射鏡１２０の反射面は、透過光束Ｉ２の光軸方向に対して垂直であり、従って、光束Ｉ３は透過光束Ｉ２と同一光軸上を反対方向に進む。この反射鏡１２０を移動させる移動ステージ１３０は、透過光束Ｉ２の光軸方向に移動させるものであり、例えば、ラックピニオン構造で構成される。
【００２４】
本実施形態に係る光遅延装置は以下のように作用する。図３は、本実施形態に係る光遅延装置の動作の説明図である。
【００２５】
ハーフミラー１４０を一部透過した入射光束Ｉ０が回転板１１１の反射部１１１ｃに入射した場合（図３（ａ））には、その入射光束Ｉ０は反射部１１１ｃで反射され、反射光束Ｉ１が生成される。その反射光束Ｉ１は、入射光束Ｉ０の光軸と同一の光軸を反対方向に進んでハーフミラー１４０に到達し、ハーフミラー１４０で一部反射される。
【００２６】
一方、ハーフミラー１４０を一部透過した入射光束Ｉ０が回転板１１１の透過部１１１ｂに入射した場合（図３（ｂ））には、その入射光束Ｉ０は透過部１１１ｂを透過し、透過光束Ｉ２が生成される。その透過光束Ｉ２は、反射鏡１２０に到達して反射されて、光束Ｉ３が生成される。その光束Ｉ３は、透過光束Ｉ２の光軸と同一の光軸を反対方向に進んで、再び回転板１１１の透過部１１１ｂを透過し、ハーフミラー１４０に到達し、そしてハーフミラー１４０で一部反射される。
【００２７】
回転板１１１がモータ１１２によって一定速度で回転するのに伴って、光束Ｉ１と光束Ｉ３とは、周期的に交互に生成され、しかも、同一光軸上に出力される。また、回転板１１１の反射部１１１ｃと反射鏡１２０の反射面との間の距離をＬとすると、固定された光路を有する光束Ｉ１と比較して、光束Ｉ３は光路長差２Ｌだけ長く、そして、その光路長差は移動ステージ１３０によって反射鏡１２０の位置を移動させることによって変化させることができる。更に、反射部１１１ｃと透過部１１１ｂとの切り替え周波数がｆ（Ｈｚ）となるように、モータ１１２によって回転板１１１を一定速度で回転させれば、両者間に光路長差２Ｌを有する光束Ｉ１と光束Ｉ３とが、繰り返し周波数ｆ（Ｈｚ）で交互に生成される。
【００２８】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。図４は、本実施形態に係る光遅延装置の斜視図である。
【００２９】
本実施形態に係る光遅延装置は、（１） 入射光束Ｉ０に対して反射と透過とを交互に行って反射光束Ｉ４と透過光束Ｉ２とを交互に生成する反射型光チョッパ２１０と、（２） 反射型光チョッパ２１０を透過した光束Ｉ２を反射させ、光束Ｉ２の光軸と平行であって反対の方向に進む光束Ｉ３を生成する反射鏡２２０および２２１と、（３） 反射型光チョッパ２１０で反射された光束Ｉ４が入射したときには光束Ｉ４を反射させ、反射鏡２２１で反射された光束Ｉ３が入射したときには光束Ｉ４を透過させる反射型光チョッパ２１５と、（４） 反射鏡２２０および２２１を固定し、光束Ｉ２の光軸方向に移動し得る移動ステージ２３０と、（５） 反射型光チョッパ２１０，２１５を固定し、移動ステージ２３０をその上で移動させ得る固定ステージ２６０と、（６） ２つの反射型光チョッパ２１０および２１５における光束の反射／透過について同期した回転を制御するチョッパコントローラ２７０と、を備える。
【００３０】
透過光束と反射光束とをそれぞれ生成する反射型光チョッパ２１０および２１５それぞれは、第１の実施形態で述べた反射型光チョッパ１１０と同様の構成である。但し、本実施形態においては、入射する光束の光軸に対する配置角度が異なる。すなわち、反射型光チョッパ２１０の回転板２１１は、その垂線が入射光束Ｉ０の光軸に対して角度α度に配置され、反射型光チョッパ２１５の回転板２１６は、その垂線が光束Ｉ４の光軸に対して角度（９０−α）度に配置される。そして、回転板２１６は、回転板２１１で反射された光束Ｉ４を反射させることができる位置に配置される。したがって、入射光束Ｉ０が回転板２１１の反射部に入射して反射され生成された光束Ｉ４が回転板２１６の反射部に到達すると、その光束Ｉ４は、その回転板２１６の反射部で反射され、光束Ｉ１が生成される。この光束Ｉ１の光軸は、入射光束Ｉ０の光軸と平行であり、且つ、光束Ｉ１は、入射光束Ｉ０の入射方向とは反対方向に進む。
【００３１】
反射型光チョッパ２１０の回転板２１１の透過部を透過した光束Ｉ２を反射させる反射鏡２２０は、その反射面の垂線が光束Ｉ２の光軸に対して角度β度に配置され、反射鏡２２１は、その反射面の垂線が、反射鏡２２０で反射されて到達する光束の光軸に対して角度（９０−β）度に配置される。したがって、反射鏡２２１で反射されて生成される光束Ｉ３の光軸は、反射鏡２２０に入射する光束Ｉ２の光軸と平行であり、且つ、光束Ｉ３は、光束Ｉ２とは反対方向に進む。
【００３２】
更に、反射鏡２２１で反射されて生成される光束Ｉ３の光軸と、回転板２１６で反射されて生成される光束Ｉ１の光軸とは、反射型光チョッパ２１５を経た後は同一光軸上を進むように、反射鏡２２０，２２１それぞれは配置される。
【００３３】
反射型光チョッパ２１０および２１５を回転制御するチョッパコントローラ２７０は、回転板２１１が入射光束Ｉ０を反射させるときには回転板２１６も光束Ｉ４を反射させ、回転板２１１が入射光束Ｉ０を透過させるときには回転板２１６も光束Ｉ３を透過させるように、回転板２１１および２１６それぞれを回転させるモータ２１２および２１７の回転を制御する。
【００３４】
本実施形態に係る光遅延装置は以下のように作用する。図５は、本実施形態に係る光遅延装置の動作の説明図である。
【００３５】
入射光束Ｉ０が回転板２１１の反射部に入射した場合（図５（ａ））には、その入射光束Ｉ０は回転板２１１の反射部で反射され、光束Ｉ４が生成される。その光束Ｉ４は回転板２１６の反射部に入射して反射され、光束Ｉ１が生成される。この光束Ｉ１は、入射光束Ｉ０の光軸と平行な光軸上を、入射光束Ｉ０とは反対の方向に進む。
【００３６】
一方、入射光束Ｉ０が回転板２１１の透過部に入射した場合（図５（ｂ））には、その入射光束Ｉ０は回転板２１１の透過部を透過し、光束Ｉ２が生成される。その光束Ｉ２は、反射鏡２２０および２２１それぞれで反射され、光束Ｉ３が生成される。その光束Ｉ３は、回転板２１６の透過部を透過し、光束Ｉ１と同一の光軸上を進む。
【００３７】
回転板２１１および２１６それぞれがチョッパコントローラ２７０で回転制御されたモータ２２２および２１７によって回転するのに伴って、固定光路長を有する光束Ｉ１および光束Ｉ１とは異なる光路長を有する光束Ｉ３が周期的に交互に生成され同一光軸上に出力される。また、移動ステージ２３０によって反射鏡２２０および２２１を移動させることによって、光束Ｉ１と光束Ｉ３との間の光路長差を変化させることができる。
【００３８】
本実施形態に係る光遅延装置では、第１の実施形態に係る光遅延装置では必要であったハーフミラーを用いる必要がないので、入射光束Ｉ０の光量を損失させることなく、出射光束（光束Ｉ１または光束Ｉ３）を得ることができる。
【００３９】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。図６は、本実施形態に係る光遅延装置の斜視図である。
【００４０】
本実施形態に係る光遅延装置は、（１） 入射光束Ｉ０に対して反射と透過とを交互に行って反射光束Ｉ４と透過光束Ｉ２とを交互に生成する反射型光チョッパ３１０と、（２） 反射型光チョッパ３１０を透過した光束Ｉ２を反射させ、光束Ｉ２の光軸と平行であって反対の方向に進む光束Ｉ３を生成する反射鏡３２０および３２１と、（３） 反射型光チョッパ３１０で反射した光束Ｉ４を反射させ、光束Ｉ４の光軸と平行であって反対の方向に進む光束Ｉ５を生成する反射鏡３２２および３２３と、（４） 反射鏡３２０および３２１を固定し、光束Ｉ２の光軸方向に移動し得る移動ステージ３３０と、（５） 入射光束Ｉ０および出力光束Ｉ１，Ｉ３それぞれに対するアパーチャ３８０ないし３８３と、（６） 反射型光チョッパ３１０、反射鏡３２２，３２３およびアパーチャ３８０ないし３８３を固定し、移動ステージ３３０をその上で移動させ得る固定ステージ３６０と、を備える。
【００４１】
本実施形態で用いられる反射型光チョッパ３１０は、第１の実施形態で述べた反射型光チョッパ１１０と同様の構成である。但し、本実施形態においては、入射光束Ｉ０の光軸に対して所定角度だけ傾いて配置される。
【００４２】
また、本実施形態で用いられる反射鏡３２０および３２１は、第２の実施形態で述べた反射鏡２２０および２２１と同様の配置と作用である。但し、本実施形態においては、反射鏡３２１で生成された光束Ｉ３は、透過光束Ｉ２を生成した回転板３１１の透過部に向かいその透過部を透過する。光束Ｉ３が透過する透過部と光束Ｉ２が透過する透過部とは、同一であってもよいし、異なるものであってもよい。
【００４３】
回転板３１１の反射部で反射された光束Ｉ４を入射する反射鏡３２２は、その光束Ｉ４を反射鏡３２３の方に向けて反射し、その反射鏡３２２で反射した光束を入射する反射鏡３２３は、その光束を反射させて光束Ｉ５を生成する。この光束Ｉ５の光軸は、光束Ｉ４の光軸と平行であり、且つ、光束Ｉ５は、光束Ｉ４とは反対方向に進む。
【００４４】
更に、反射鏡３２１で反射されて生成される光束Ｉ３の光軸と、光束Ｉ５が入射して回転板３１１で反射されて生成される光束Ｉ１の光軸とは、反射型光チョッパ２１０を経た後は同一光軸上を進むように、反射鏡３２０ないし３２４それぞれは配置される。したがって、入射光束Ｉ０が回転板３１１の透過部に入射して透過光束Ｉ２が生成された場合には、反射鏡３２１で生成された光束Ｉ３は、回転板３１１の透過部を透過し、入射光束Ｉ０が回転板３１１の反射部に入射して反射光束Ｉ４が生成された場合には、反射鏡３２３で生成された光束Ｉ５は、回転板３１１の反射部で反射して光束Ｉ１となる。
【００４５】
入射光束Ｉ０を通過させるアパーチャ３８０および３８１は、光遅延装置の入射光軸に対して入射光束Ｉ０の光軸の位置決めを行うためのものであり、出射光束Ｉ１およびＩ３を通過させるアパーチャ３８２および３８３は、光遅延装置の出射光軸に対して出射光束Ｉ１およびＩ３の光軸の位置決めを行うためのものであり、
本実施形態に係る光遅延装置は以下のように作用する。図７は、本実施形態に係る光遅延装置の動作の説明図である。
【００４６】
アパーチャ３８０および３８１を通過した入射光束Ｉ０が回転板３１１の反射部に入射した場合（図７（ａ））には、その入射光束Ｉ０は、回転板３１１の反射部で反射され、反射光束Ｉ４が生成される。その光束Ｉ４は反射鏡３２２および３２３それぞれで反射され、光束Ｉ４の光軸と平行な光軸上を光束Ｉ４とは反対の方向に進む光束Ｉ５が生成される。そして、その光束Ｉ５は回転板３１１の反射部で反射され、入射光束Ｉ０の光軸と平行な光軸上を入射光束Ｉ０とは反対の方向に進む光束Ｉ１が生成される。
【００４７】
一方、入射光束Ｉ０が回転板３１１の透過部に入射した場合（図７（ｂ））には、その入射光束Ｉ０は回転板３１１の透過部を透過し、光束Ｉ２が生成される。その光束Ｉ２は、反射鏡３２０および３２１それぞれで反射され、光束Ｉ３が生成される。その光束Ｉ３は、回転板３１６の透過部を透過し、光束Ｉ１と同一の光軸上を進む。
【００４８】
回転板３１１がモータ３１２によって回転するのに伴って、固定光路長を有する光束Ｉ１および光束Ｉ１とは異なる光路長を有する光束Ｉ３が周期的に交互に生成され同一光軸上に出力される。また、移動ステージ３３０によって反射鏡３２０および３２１を移動させることによって、光束Ｉ１と光束Ｉ３との間の光路長差を変化させることができる。
【００４９】
なお、反射鏡３２０および３２１に替えて、図８に示すようなリトロリフレクタを用いてもよい。リトロリフレクタは、３枚の反射面で構成されたコーナーキューブであり、光束Ｉ２が入射すると、その光軸と平行で反対方向に進む光束Ｉ３を出力するものである。これを用いれば、入射する光束Ｉ２の光軸と出射する光束Ｉ３の光軸との距離を容易に短くすることができるので、反射型光チョッパ３１１の同一の透過部に両者の光束を透過させることができる。また、反射鏡３２２および３２３に替えてリトロリフレクタを用いても同様である。
【００５０】
第２の実施形態に係る光遅延装置では２つの反射型光チョッパが必要であり、しかも、両者の同期をとって回転させる必要があったのに対して、本実施形態に係る光遅延装置では、１つの反射型光チョッパを使用するだけでよいので構成が簡単で制御が容易である。
【００５１】
（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態について説明する。図９は、本実施形態に係る光遅延装置の平面図である。
【００５２】
本実施形態に係る光遅延装置は、（１） 入射光束Ｉ０に対して反射と透過とを交互に行って反射光束Ｉ４と透過光束Ｉ２とを交互に生成する反射型光チョッパ４１０と、（２） 反射型光チョッパ４１０を透過した光束Ｉ２を反射させ、光束Ｉ２の光軸と平行であって反対の方向に進む光束Ｉ３を生成する直角プリズム４２０と、（３） 反射型光チョッパ４１０で反射された光束Ｉ４が入射したときには光束Ｉ４を反射させ、直角プリズム４２０で反射された光束Ｉ３が入射したときには光束Ｉ４を透過させる反射型光チョッパ４１５と、（４） 反射型光チョッパ４１０，４１５および直角プリズム４２０を固定し、入射光束Ｉ０の光軸方向に移動し得る移動ステージ４３０と、（５） 移動ステージ４３０をその上で移動させ得る固定ステージ４６０と、（６） ２つの反射型光チョッパ４１０および４１５における光束の反射／透過について同期した回転を制御するチョッパコントローラ４７０と、を備える。
【００５３】
本実施形態に用いられる反射型光チョッパ４１０，４１５およびチョッパコントローラ４７０は、第２の実施形態における反射型光チョッパ２１０，２１５およびチョッパコントローラ２７０と同様の構成であり、同様の動作を行う。
【００５４】
また、本実施形態に用いられる直角プリズム４２０は、第２の実施形態における２つの反射鏡２１０および２１１に替わるもので、同様の作用を行う。すなわち、光束Ｉ２が入射すると、互いに直交する２面それぞれで反射して、光束Ｉ２の光軸と平行で反対方向に進む光束Ｉ３を生成する。
【００５５】
本実施形態が第２の実施形態と最も大きく異なる点は、２つの反射型光チョッパ４１０，４１５および直角プリズム４２０が移動ステージ４３０上で固定され、これらが一体として、固定ステージ４６０上を入射光束Ｉ０の光軸方向に移動する点である。したがって、移動ステージ４３０が固定ステージ４６０上を移動しても、入射光束Ｉ０が回転板４１１の反射部で反射され続いて回転板４１６の反射部で反射された光束Ｉ１（図１０（ａ））と、入射光束Ｉ０が回転板４１１の透過部を透過し直角プリズム４３０で反射し回転板４１６の透過部を透過した光束Ｉ３（図１０（ｂ））とは、それぞれの光路長は変化するが、両者の間の光路長差は一定である。
【００５６】
すなわち、第１ないし第３の実施形態に係る光遅延装置は、互いに異なる遅延を有する光束Ｉ１と光束Ｉ３とを周期的に交互に同一光軸上で出力するものであって、基準遅延を有する基準光束Ｉ１に対して光束Ｉ３の遅延を変化させることができるものであるが、本実施形態に係る光遅延装置は、互いに異なる遅延を有する光束Ｉ１と光束Ｉ３とを周期的に交互に同一光軸上で出力する点では同じであるが、光束Ｉ１と光束Ｉ３との間の遅延差を一定に維持したまま、両光束の遅延それぞれを変化させることができるものである。
【００５７】
（第５の実施形態）
次に、第５の実施形態について説明する。本実施形態は、第２の実施形態に係る光遅延装置を電界測定装置に用いたものである。図１１は、第２の実施形態に係る光遅延装置を用いた電界測定装置の構成図である。
【００５８】
本実施形態に係る電界測定装置は、（１） ピコ秒パルスレーザ光を出力するレーザ光源５１０と、（２） そのレーザ光を一部透過し残部を反射するハーフミラー５２０と、（３） ハーフミラー５２０で反射したレーザ光（トリガ光）を測定対象物５３０に導き入射させる反射鏡５２１および５２２と、（４） ハーフミラー５２０を透過したレーザ光を入力し、異なる光路長を有する２光束を周期的に交互に出力する光遅延装置２００と、（５） 光遅延装置２００から出力された光束（サンプリング光）を一方向の直線偏光成分のみを透過させる偏光子５２４と、（６） その直線偏光となったサンプリング光を円偏光に変換する位相補償板５２５と、（７） その円偏光となったサンプリング光を集光して電気光学材料５４０に入射させるレンズ５２６と、（８） 測定対象物５３０の電圧または電界に応じて屈折率が変化し、サンプリング光を入力して、その屈折率変化に応じて偏光状態が変化した光束を出力する電気光学材料５４０と、（９） 電気光学材料５４０から出力された光束を平行光にするレンズ５５０と、（１０）レンズ５５０を通った光束のうち一方向の直線偏光成分のみを出力する検光子５５１と、（１１）検光子５５１から出力された光束の強度を測定し、その強度に応じた電圧信号を出力する光検出器５５２と、（１２）光遅延装置２００における２光束切り替えタイミングに同期して、光検出器５５２から出力された電圧信号を検出するロックインアンプ５６０と、（１３）ロックインアンプ５６０からの出力値を所定回数だけ加算し平均値を求めて出力する加算平均器５７０と、（１４）光遅延装置２００において生成される２光束間の光路長差を変化させるステージコントローラ５８０と、（１５）その光路長差に応じた電圧信号と、加算平均器５７０から出力された電圧信号とを入力し、電気光学材料５４０に印加される電界強度の波形を表示する波形表示部５９０と、を備える。
【００５９】
測定対象物５３０に入射するトリガ光は、レーザ光源５１０から出力され、ハーフミラー５２０で一部反射され、反射鏡５２１および５２２で反射されて、測定対象物５３０に入射する。測定対象物５３０は、例えば、ホトコンダクティブ光スイッチなどのピコ秒回路であり、トリガ光が入射すると光電変換によって電気パルスが発生し、この電気パルスは、電気光学材料５４０に印加される。この電気光学材料５４０は、それに印加された電圧に依存して屈折率が変化する性質を有するものである。このトリガ光には、何等変調が加えられておらず、測定対象物５３０には定常的にトリガ光が入射されて電気パルスが発生し、かつ、電気光学材料５４０にも定常的にその電気パルスに応じた電圧が印加される。
【００６０】
なお、測定対象物５３０と電気光学材料５４０とは信号線でつなげられて電圧が直接印加されてもよいし、また、測定対象物５３０と電気光学材料５４０とは接近して置かれてそのもれ電界が印加されてもよい。
【００６１】
レーザ光源５１０から出力されハーフミラー５２０を透過したレーザ光束は、先ず、光遅延装置２００に入力する。ここで用いられている光遅延装置２００は、第２の実施形態に係る光遅延装置である。すなわち、レーザ光源５１０から出力されハーフミラー５２０を一部透過したレーザ光束が遅延装置２００に入力すると、チョッパコントローラ２７０で同期回転制御されたモータ２１２および２１７それぞれによって回転板２１１および２１６が回転するに伴って、回転板２１１の透過部を透過し反射鏡２２０および２２１で反射し更に回転板２１６の透過部を透過したレーザ光束、および、回転板２１１の反射部で反射し続いて回転板２１６の反射部で反射したレーザ光束が、周期的に交互に出力され、これがサンプリング光となる。なお、このレーザ光束が交互に出力される繰り返し周波数は、一般には数百Ｈｚから数ｋＨｚであるが、この繰り返し周波数はロックインアンプの性能に依存するものであり、数Ｈｚから数百ｋＨｚまで可能である。そして、このサンプリング光は、光遅延装置２００に入射するレーザ光束の光軸と平行で反対方向に出力される。また、２つの反射鏡２２０および２２１をその上に固定する移動ステージ２３０は、ステージコントローラ５８０によって入射レーザ光束の光軸方向に移動可能であり、この移動によってサンプリング光を形成する２光束の内の一方の光束の遅延を変化させることができる。
【００６２】
光遅延装置２００から出力されたサンプリング光は、偏光子５２４に入力され、直線偏光とされて出力される。続いて、その直線偏光となったサンプリング光は、偏光子５２４の光学軸に対して４５度傾いた光学軸を有しそれぞれの光学軸の方向の成分間に１／４波長の位相差を生じさせる位相補償板５２５に入力され、円偏光とされて出力される。
【００６３】
この円偏光とされたサンプリング光がレンズ５２６で集光されて電気光学材料５４０に入射されて透過する間に、電気光学材料５４０の屈折率変化に応じて偏光状態が変化し一般に楕円偏光となる。その楕円偏光のサンプリング光はレンズ５５０で平行光にされて検光子５５１に入射され、一方向の直線偏光成分のみが出力され、その強度が光検出器５５２で測定される。
【００６４】
したがって、光検出器５５２から出力される電圧信号は、トリガ光の入射に伴って測定対象物５３０で発生した電気パルスの電圧強度に応じたものとなる。ロックインアンプ５６０は、この光検出器５５２から出力された電圧信号を、サンプリング光を形成する２光束の生成に関してチョッパコントローラ２７０から出力されたタイミング信号で同期検出し、サンプリング光の２光束それぞれにおける光検出器５５２出力値の差を検出する。
【００６５】
このロックインアンプ５６０からの出力は、加算平均器５７０において所定回数加算されて平均化されることによってノイズが低減され、その後に、波形表示部５９０に入力される。一方、光遅延装置２００の移動ステージ２３０の位置、すなわち、サンプリング光を形成する２光束の間の遅延時間差に応じた信号が、ステージコントローラ５８０から出力されて、波形表示部５９０に掃引信号として入力される。したがって、波形表示部５９０には、トリガ光の入射に伴って測定対象物５３０で発生した電気パルスの波形が表示されることになる。
【００６６】
このようにしてサンプリング光を形成する２光束それぞれのタイミングにおける電圧信号の差を求める方式は、半導体レーザを光源とする電界測定装置における点灯タイミングコントロール方式（例えば、特開平３−１３１７７２号公報、１９９４ Ａｓｉａ Ｐａｃｉｆｉｃ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ， ｐｐ．１１６７−１１７０）と同等のものである。図１２は、電界測定装置における点灯タイミング方式の説明図である。
【００６７】
この方式では、トリガ信号発生装置６１０から出力されたトリガ信号を入力した被測定電気信号発生装置６２０は、そのトリガ信号入力に応じて被測定電気信号を発生し、その被測定電気信号は電気光学材料６３０に印加される。一方、同じくトリガ信号発生装置６１０から出力されたトリガ信号を入力したパルス光源駆動装置６４０は、そのトリガ信号入力のタイミングから、ある基準タイミングと次第に遅延していく測定タイミングとの２つの点灯タイミングで交互にレーザ光源６５０を点灯させる。レーザ光源６５０から出力されたサンプリング光は、偏光子６５２、電気光学材料６３０および検光子６５４をこの順に透過した後、その強度が光検出器６５６で測定される。光検出器６５６から出力された光強度に応じた電圧信号は、ロックインアンプ６６０で、パルス光源駆動装置６４０から出力されたレーザ光源６５０点灯タイミング信号に同期して検出される。そして、ロックインアンプ６６０から出力された電圧信号は波形表示部６７０に入力され、また、パルス光源駆動装置６４０で生成されたレーザ光源６５０点灯タイミングに応じた電圧信号が掃引信号として波形表示部６７０に入力される。パルス光源駆動装置６４０によってレーザ光源６５０を点灯させるタイミングを順次変更することによって、波形表示部６７０には、被測定電気信号発生装置６２０で発生した被測定電気信号の波形が表示される。
【００６８】
このような点灯タイミングコントロール方式では、レーザ光源６５０は、サンプリング光出力タイミングを電気的に制御することが可能であることが必要であり、それが可能である半導体レーザに限られていた。例えば、チタンサファイアレーザのような大出力のレーザ光源は、点灯タイミングを電気的に精度良く制御することは不可能であるので、この方式を用いることはできない。
【００６９】
これに対して、上述のように本発明に係る光遅延装置を用いれば、レーザ光源におけるレーザ光発生タイミングを容易に制御することができるので、チタンサファイアレーザ等の大出力レーザ光源を用いることができる。
【００７０】
また、トリガ光は、測定対象物に連続的に入射され、測定対象物は定常的に動作するので、不良動作を起こして電気パルス波形が歪むおそれはない。したがって、例えば、数十ＧＨｚ帯域のマイクロ波用デジタルＩＣ等の精密なデバイスの評価に好適に用いることができる。
【００７１】
なお、第１および第３の実施形態に係る光遅延装置を用いてサンプリング光を形成しても、同様の作用を得ることができる。また、第４の実施形態に係る光遅延装置を用いてサンプリング光を形成してもよい。この場合には、サンプリング光を形成する２光束は、両者間の遅延差が一定に維持されて両者それぞれの遅延時間が変化するものであるから、波形表示部５９０に表示される波形は、測定対象物５３０で発生した電気パルス波形の時間微分波形となる。したがって、波形表示部５９０に表示された波形を積分することによって、測定対象物５３０で発生した電気パルス波形を得ることができる。
【００７２】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。例えば、入射する光束に対して光軸が平行で反対方向に進む光束を生成する為に、１つまたは２つの反射鏡、リトロリフレクタまたは直角プリズムを用いたが、これに限られるものではなく、例えば、３つ以上の反射鏡を用いてもよいし、コーナーキューブプリズムを用いてもよい。
【００７３】
また、第２の実施形態では、２つの回転板それぞれにモータを直結してチョッパコントローラで同期をとって回転駆動したが、２つの回転板をギヤやベルトを介して１つのモータで回転駆動してもよい。この場合、２つの回転板は常に同期して回転するので、チョッパコントローラは不要である。
【００７４】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したとおり本発明によれば、光束分割合成手段によって、入射光束に基づいて入射光束とは反対方向に進む第１の光束および入射光束と同一方向に進む第２の光束を交互に生成するとともに、第２の光束と反対方向に進む第３の光束を入力して、第１の光束が生成されている時にはその第１の光束を、そうでない時には第３の光束を交互に出力し、反射手段によって、その第２の光束を反射して反対方向に進む第３の光束を生成し、移動手段によって、少なくとも反射手段を第２の光軸方向に移動させる。
【００７５】
このような構成としたので、互いに異なる遅延を有する第１および第３の光束を同一光軸上に交互に得ることができ、さらに、第３の光束の遅延量は可変設定が可能である。
【００７６】
本発明に係る光遅延装置を電界測定装置に適用して、この光遅延装置で一方の光束の遅延が可変設定されて生成されたサンプリング光を電気光学材料に入射し、電気光学材料を透過したサンプリング光強度を２光束交互形成のタイミングでロックインアンプで同期検出することによって、トリガ光が測定対象物に入射して発生した電気パルスの波形を測定することができる。この場合、測定対象物に入射するトリガ光を変調する必要がなく、トリガ光は定常的に測定対象物に入射するので、測定対象物の動作は安定したものとなり、したがって、正確な測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る光遅延装置の斜視図である。
【図２】反射型光チョッパの回転板の説明図である。
【図３】第１の実施形態に係る光遅延装置の動作の説明図である。
【図４】第２の実施形態に係る光遅延装置の斜視図である。
【図５】第２の実施形態に係る光遅延装置の動作の説明図である。
【図６】第３の実施形態に係る光遅延装置の斜視図である。
【図７】第３の実施形態に係る光遅延装置の動作の説明図である。
【図８】リトロリフレクタの斜視図である。
【図９】第４の実施形態に係る光遅延装置の平面図である。
【図１０】第４の実施形態に係る光遅延装置の動作の説明図である。
【図１１】第２の実施形態に係る光遅延装置を用いた電界測定装置の構成図である。
【図１２】電界測定装置における点灯タイミング方式の説明図である。
【図１３】従来の光遅延装置が用いられている電界測定装置の構成図である。
【図１４】従来の分光光度計の構成図である。
【符号の説明】
１１０…反射型光チョッパ、１２０…反射鏡、１３０…移動ステージ、１４０…半透鏡、１５０…遮光板、１６０…固定ステージ、２００…光遅延装置、２１０，２１５…反射型光チョッパ、２２０，２２１…反射鏡、２３０…移動ステージ、２６０…固定ステージ、２７０…チョッパコントローラ、３１０…反射型光チョッパ、３２０，３２１，３２２，３２３…反射鏡、３３０…移動ステージ、３６０…固定ステージ、３８０，３８１，３８２，３８３…アパーチャ、４１０，４１５…反射型光チョッパ、４２０…直角プリズム、４３０…移動ステージ、４６０…固定ステージ、４７０…チョッパコントローラ、５１０…レーザ光源、５２０…ハーフミラー、５２１，５２２，５２３…反射鏡、５２４…偏光子、５２５…位相補償板、５２６…レンズ、５３０…測定対象物、５４０…電気光学材料、５５０…レンズ、５５１…検光子、５５２…光検出器、５６０…ロックインアンプ、５７０…加算平均器、５８０…ステージコントローラ、５９０…波形表示部。
Claims (6)
- 入射光束を入力して、前記入射光束とは反対方向に進む第１の光束および前記入射光束と同一方向に進む第２の光束を交互に生成するとともに、前記第２の光束とは反対方向に進む第３の光束を入力して、前記第１の光束が生成されている時には前記第１の光束を、そうでない時には前記第３の光束を、同一光軸上で同一方向に交互に出力する光束分割合成手段と、
前記第２の光束に基づいて前記第３の光束を出力する反射手段と、
少なくとも前記反射手段を前記第２の光束の光軸方向に移動させる移動手段と、
を備えることを特徴とする光遅延装置。 - 前記光束分割合成手段から出力された前記第１および前記第３の光束それぞれの一部を入射方向とは異なる方向に反射させる半透鏡を更に備え、
前記光束分割合成手段は、
反射部と透過部とが前記入射光束の光軸に垂直な平面上に中心点を中心とする円周上に周期的に交互に形成され、前記入射光束が前記反射部に入射した時には前記入射光束を反射させて前記第１の光束を生成し、前記入射光束が前記透過部に入射した時には前記入射光束を透過させて前記第２の光束を生成するとともに前記第３の光束を透過させる回転板と、
前記回転板を前記平面上で前記中心点を中心として等速度回転させる回転駆動部と、を備え、
前記反射手段は、前記第２の光束の光軸に垂直な反射面を有する反射鏡である、
ことを特徴とする請求項１記載の光遅延装置。 - 前記反射手段は、複数の反射面を備え、前記第２の光束を入力して、前記第２の光束の光軸とは異なる光軸の前記第３の光束を生成する、ことを特徴とする請求項１記載の光遅延装置。
- 前記光束分割合成手段は、
第１の反射部と第１の透過部とが前記入射光束の光軸とは垂直でない第１の平面上に第１の中心点を中心とする円周上に周期的に交互に形成され、前記入射光束が前記第１の反射部に入射した時には前記入射光束を反射させて第４の光束を生成し、前記入射光束が前記第１の透過部に入射した時には前記入射光束を透過させて前記第２の光束を生成する第１の回転板と、
第２の反射部と第２の透過部とが前記第１の平面と直交する第２の平面上に第２の中心点を中心とする円周上に周期的に交互に形成され、前記第４の光束が前記第２の反射部に入射した時には前記第４の光束を反射させて前記第１の光束を生成し、前記第３の光束が前記第２の透過部に入射した時には前記第３の光束を透過させる第２の回転板と、
前記第１の回転板を前記第１の平面上で前記第１の中心点を中心として等速度回転させる第１の回転駆動部と、
前記第２の回転板を前記第２の平面上で前記第２の中心点を中心として等速度回転させる第２の回転駆動部と、
前記第１および前記第２の回転駆動部を制御して、前記第１の回転板が前記第４の光束を生成した時には前記第２の回転板で前記第４の光束を反射させて前記第１の光束を生成し、そうでない時には前記第２の回転板で前記第３の光束を透過させる回転制御部と、
を備えることを特徴とする請求項３記載の光遅延装置。 - 前記光束分割合成手段は、
反射部と透過部とが前記入射光束の光軸とは垂直でない平面上に中心点を中心とする円周上に周期的に交互に形成され、前記入射光束が前記反射部に入射した時には前記入射光束を反射させて第４の光束を生成するとともに前記第４の光束とは反対方向に進んで入射した第５の光束を反射させて前記第１の光束を生成し、前記入射光束が前記透過部に入射した時には前記入射光束を透過させて前記第２の光束を生成する回転板と、
前記回転板を前記平面上で前記中心点を中心として等速度回転させる回転駆動部と、
複数の反射面を備え、前記第４の光束に基づいて前記第５の光束を生成する反射部と、
を備えることを特徴とする請求項３記載の光遅延装置。 - 前記移動手段は、前記光束分割合成手段を前記反射手段と一体として移動させる、ことを特徴とする請求項１記載の光遅延装置。
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