JP3761240B2

JP3761240B2 - 光検出装置

Info

Publication number: JP3761240B2
Application number: JP4180296A
Authority: JP
Inventors: 結小石; 光一白川; 学安川; 浩敏寺田
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1996-02-28
Filing date: 1996-02-28
Publication date: 2006-03-29
Anticipated expiration: 2016-02-28
Also published as: TW336275B; KR970063848A; US5808746A; EP0793222A3; JPH09237914A; DE69728708D1; KR100440654B1; EP0793222A2; EP0793222B1; DE69728708T2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被測定体からの戻り光により誘起された発光素子の出射光の光強度変化に基づいて被測定体の光学特性を検出する光検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ共振器から出射された光が何等かの物質を照射したとき、その光の一部が物質に反射されて再びレーザ共振器に帰還入射すると、その相対的な帰還量が極めて僅かであっても、出射光強度や発振波長などのレーザ特性に大きな変化が生じる。このレーザ共振器外部からの戻り光により誘起される特性変動は、半導体レーザでは特に顕著に現れ、各種の応用に際して雑音の増大などの形で大きな障害をもたらすものである。このため、光通信や光計測において半導体レーザを用いる場合、光アイソレータを用いて戻り光が半導体レーザに帰還するのを防いでいる。
【０００３】
一方、この現象を積極的に利用して、半導体レーザの出射光を所定の物体に照射し、その物体から返ってくる反射光、散乱光または回折光を再び半導体レーザに帰還させたときに生じる出射光強度の変化から、その物体の光学特性を検出・測定するレーザフィードバック光検出法と呼ばれる技術がある。以下、このレーザフィードバック光検出法の動作原理を、図１３を用いて説明する。
【０００４】
定電流電源２によって一定電流が供給された半導体レーザ１の一方の出射端（前面）から出射した光が、レンズ３等から構成される光学系を経て被測定体４に照射されると、被測定体４で反射、散乱等された光の一部が、再びレンズ３を経て半導体レーザ１の出射端に帰還入射する。このときの半導体レーザ１に帰還入射する光を、戻り光と呼ぶ。
【０００５】
この戻り光により半導体レーザ１の出射光の光強度が変化する。一般的に、半導体レーザ１への注入電流を一定とした場合には、戻り光の増加に伴って半導体レーザ１の出射光の光強度も増大する。
【０００６】
また、半導体レーザ１の他方の出射端（後面）側には、光検出器として例えばフォトダイオード５が設置されている。このフォトダイオード５は、定電圧電源６によって所定の電圧が印加されている。
【０００７】
このため、このフォトダイオード５には、半導体レーザ１への戻り光によって光強度が変化した半導体レーザ１の出射光が入射し、その光強度に応じた光電流が発生する。そしてこの光電流は、フォトダイオード５に接続された電流検出器７によって検出される。
【０００８】
従って、このフォトダイオード５の出力信号から、半導体レーザ１の出射光の光強度変化を検出し、それによって戻り光の光量を計測し、更には被測定体３の光学特性を計測することができる。
【０００９】
このようにレーザフィードバック光検出法は、被測定体で反射、散乱等された光の強度を直接に検出する方法と比較すると、光源としての半導体レーザへの戻り光を抑制するための光アイソレータや、被測定体で反射、散乱等された光を光検出器に誘導入射させるための光分岐手段や、光検出器への雑音の混入を防止するためのピンホール板などが不要になるため、光学的な構成が極めて簡単になるという特長がある。
【００１０】
このため、極度に光学系の簡単小型化が要求される光ディスクのピックアップ技術として有望視され、研究されてきた（柳井久義編「光通信ハンドブック」，（朝倉書店，1984），pp.610-611、及び、 Y.Mitsuhasi, et al., Optics Communications, April 1976, Vol.17, No.1, pp.95-97 参照）。
【００１１】
また、近年、上記の用途とは異なるが、レーザフィードバック光検出法を共焦点レーザ走査顕微鏡に応用して良好な結果が得られたという報告が、オックスフォード大学の研究グループから報告されている（R.Juskaitis, et al., Optics Communications, 109 (1994) pp.167-177 、及び、 R.Juskaitis, et al., Optics Letters, July 1993, Vol.18, No.14, pp.1135-1137 参照）。この応用においては、レーザフィードバック光検出法の本質的な特長を利用しているため、原理上、発光点と受光点とが同一であり、集光光学系に顕微鏡を用いた場合に極めて簡単に共焦点光学系を構成できるという利点がある。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のレーザフィードバック光検出法においては、一般的に半導体レーザは、端面反射率が０．３程度と小さく、その共振器長が数百μｍ程度であって他のタイプのレーザ光源と較べて著しく小さい。そのため、僅かな戻り光に対しても影響を受け易く、雑音が増大するという問題がある。
【００１３】
この戻り光による雑音の増大には、(1) 戻り光の影響で出射光のスペクトルが変化するため、特定の周波数領域で半導体レーザの本質的な量子雑音が増大するものと、(2) 戻り光の影響でレーザ発振が不安定化するため、数百ＭＨｚ以下の低周波数領域全体で雑音が増大するものとがある。前者の雑音は、主に光通信などにおいて問題となり、後者の雑音は、大きな光量の変化を伴う場合の戻り光の検出においては課題となる。これらのうち、レーザフィードバック光検出法において問題となるのは後者の雑音である。
【００１４】
例えば、上記の光ディスクのピックアップ技術にレーザフィードバック光検出法を応用する場合、この雑音の問題が深刻である。即ち、単一モード発振状態において使用すると光路長変化による干渉ノイズが発生し、多モード発振状態において使用するとモード変換ノイズが発生し、実用化にとって大きな障害となっている。このため、戻り光の影響でレーザ発振が不安定化するために生ずる雑音を低減する方法として、単一モードの安定化や、モード変換ノイズの少ない多モード化を実現しようとする試み等、各方面での雑音対策が検討されている。
【００１５】
しかしながら、半導体レーザの動作条件にもよるが、いずれの方法によっても雑音レベルは平均出射光強度の１〜１０％程度であり、略１００％〜０．０１％程度の広い範囲の戻り光を計測したい場合には、レーザフィードバック光検出法を用いるのに十分な雑音の低減が達成されていない。従って、レーザフィードバック光検出法を用いたピックアップ技術は現在に至るまで成功例がなく、結局実用化されていない。また、上記の共焦点レーザ走査顕微鏡にレーザフィードバック光検出法を応用する場合も、前述の雑音対策については何ら新しい試みはなされておらず、依然として未解決の課題として残されている。
【００１６】
更に、レーザフィードバック光検出法を用いる場合の雑音を低減する方法としては、半導体レーザを所定周波数で変調し、戻り光をフォトダイオードなどの光検出器で受光し、ロックインアンプなどの同期検波手段で検出して、Ｓ／Ｎ比を向上させる方法も可能である。しかしながら、ロックインアンプの周波数は高々１００ｋＨｚ程度であるため、高速応答を期待することができないという問題がある。また、装置が複雑で高価になるため、上記の光ディスクのピックアップ技術などの用途には実用上使用することができないという問題もある。
【００１７】
本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、戻り光による雑音を抑制して高いＳ／Ｎ比と広いダイナミックレンジを有するとともに高速応答が可能な光検出装置を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光検出装置は、(1) 無反射処理された出射端から駆動信号に応じた光量の出射光を出射するとともに、出射端に帰還入射した戻り光によって出射光を光増幅する半導体光増幅素子と、(2) 駆動信号を出力する駆動回路と、(3) 出射光を被測定体に照射するとともに、出射光の照射に伴って被測定体から返ってくる戻り光を半導体光増幅素子に帰還入射させ、出射光および戻り光それぞれに含まれる所定の直線偏光成分を選択的に透過させる偏光選択手段を含み、この偏光選択手段により戻り光による半導体光増幅素子の光増幅の発振モードを水平横モードおよび垂直横モードの何れか一方に収束させる光学系と、(4) 半導体光増幅素子から出射された出射光を検出してその光量に応じた受光信号を出力する光受光器と、を備えることを特徴とする。
【００１９】
この装置は以下のように作用する。駆動回路から出力された駆動信号を入力した半導体光増幅素子は、その駆動信号に応じた光量の出射光を、無反射処理された出射端から出力する。この出射光は、光学系を経て被測定体に照射され、また、その照射によって被測定体において発生した反射光・散乱光・回折光は、光学系を逆に辿って戻り光として半導体光増幅素子の出射端に入射する。半導体光増幅器では、この戻り光の入射に伴い光増幅が行われて、その結果、出射光の光量が増大する。この出射光の光量変化は、光受光器によって受光信号として出力される。このように戻り光の光量に応じて、半導体光増幅素子における駆動信号と出射光光量との関係が変化するので、被測定体の光学特性が測定される。
【００２０】
また、出射光および戻り光それぞれに含まれる所定の直線偏光成分を選択的に透過させる偏光選択手段が光学系に含まれることにより、偏光選択手段によって半導体光増幅素子からの出射光の横モードの何れかが選択され、半導体光増幅素子が固有に有する非点隔差の問題が解消されて、被測定体の深さ方向に関して優れた位置分解能で測定することが可能となる。
【００２１】
半導体光増幅素子としてスーパールミネッセントダイオードを用いるのが特に好適である。
【００２２】
また、駆動回路は一定の駆動信号を出力することとしてもよい。この場合には、受光信号の変化量に基づいて被測定体の光学特性が測定される。また、駆動回路は受光信号に基づいて駆動信号を調整して半導体光増幅素子から出射される出射光の光量を一定に維持することとしてもよい。この場合には、駆動信号の変化量に基づいて被測定体の光学特性が測定される。
【００２３】
【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。
【００２４】
（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、本発明に係る光検出装置の第１の実施形態の構成図である。本実施形態は、例えば光ディスクの読み出しに使用する光ピックアップ装置に利用するのに好適な装置である。
【００２５】
本実施形態に係る光検出装置は、(1) 出射光を出射する出射端１０１が無反射処理され、その出射端１０１に外部から入射した光による光増幅機能を有する利得導波型機構の半導体光増幅素子であるスーパールミネッセントダイオード１００（Super Luminescent Diode 、以下、ＳＬＤと略す）と、(2) このＳＬＤ１００に駆動信号を供給して駆動するＳＬＤ駆動回路１１０と、(3) ＳＬＤ１００の出射端１０１から出射された前方出射光Ａを被測定体１２０に照射するとともに、その被測定体１２０からの反射光、散乱光または回折光を集光してＳＬＤ１００の出射端１０１に帰還入射させる、コリメータレンズ１３１と対物レンズ１３２とからなる光学系１３０と、(4) ＳＬＤ１００のもう一方の出射端１０２から出射された後方出射光Ｃを受光する受光器１４０と、(5) 受光器１４０から出力された電流信号を電圧信号に変換して増幅する増幅器１５０と、(6) 増幅器１５０から出力された電圧信号に基づいて所定の信号処理を行う信号処理回路１６０と、(7) 信号処理回路１６０における信号処理の結果を表示する表示装置１７０と、を備えている。
【００２６】
この光検出装置において、ＳＬＤ駆動回路１１０から出力された駆動信号に応じてＳＬＤ１００の出射端１０１から出射された前方出射光Ａは、コリメータレンズ１３１によって平行光束とされ、対物レンズ１３２によって集光されて、被測定体１２０の所定位置に照射される。この被測定体１２０は例えば光ディスクであり、前方照射光Ａが照射される位置のピットに応じて反射、散乱あるいは回折される。被測定体１２０で反射・散乱・回折された光は、対物レンズ１３２およびコリメータレンズ１３１を経て、ＳＬＤ１００の出射端１０１に戻り光Ｂとして入射する。
【００２７】
ＳＬＤ１００に戻り光Ｂが入射すると、ＳＬＤ１００が有する光増幅機能によって、ＳＬＤ１００の出射端１０１から出射する前方出射光Ａの強度は変化する。また、ＳＬＤ１００は、出射端１０１の反対側にある出射端１０２からも後方出射光Ｃを出力するが、この後方出射光Ｃの光量は前方出射光Ａの光量と比例関係にある。この後方出射光Ｃは受光器１４０で受光されて、その強度に応じた電流信号に変換される。受光器１４０から出力された電流信号は、増幅器１５０によって電圧信号に変換されて増幅され、その電圧信号は信号処理回路１６０で所定の信号処理がなされて、その結果が表示装置１７０に表示される。
【００２８】
例えば、被測定体１２０が音声情報を記憶した光ディスクであれば、受光器１４０から出力される電流信号は、光ディスクに記憶されているデジタルデータ系列に応じたものであり、表示装置１７０はスピーカであり、信号処理回路１６０は、そのデジタルデータ系列に基づいてスピーカを駆動する電気信号を生成するものである。また、被測定体１２０が画像情報を記憶した光ディスクであれば、受光器１４０から出力される電流信号は、光ディスクに記憶されているデジタルデータ系列に応じたものであり、表示装置１７０はＣＲＴディスプレイであり、信号処理回路１６０は、そのデジタルデータ系列に基づいて画像データを生成するものである。
【００２９】
次に、半導体光増幅素子の１つであるスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）について説明する。図２は、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）の構造図であり、図２（ａ）はＳＬＤの共振器方向に垂直な断面を示す断面図であり、図２（ｂ）はＳＬＤの斜視図である。
【００３０】
図２（ａ）に示すように、ＳＬＤは、第１電極３００と、この第１電極３００上に形成されたキャップ層３１０と、このキャップ層３１０上に形成された第１クラッド層３２０と、この第１クラッド層３２０上に形成され、第１クラッド層３２０よりも禁制帯幅が小さい活性層３３０と、この活性層３３０上にストライプリッジ形状に形成され、活性層３３０よりも禁制帯幅が大きい第２クラッド層３４０と、この第２クラッド層３４０のストライプリッジ側面及び底面上に形成された電流ブロック層３５０と、第２クラッド層３４０のストライプリッジ上面及び電流ブロック層３５０上に形成されたＧａＡｓバッファ層３６０と、このＧａＡｓバッファ層３６０上に形成されたＧａＡｓ基板３７０と、このＧａＡｓ基板３７０上に形成された第２電極３８０とを、備えている。
【００３１】
こうして、活性層３３０がその上下を第１及び第２クラッド層３２０、３４０に挟まれたダブルヘテロ構造が形成されている。また、第２クラッド層３４０のストライプリッジの両側が電流ブロック層３５０によって埋め込まれている。
【００３２】
図２（ｂ）に示すように、ＳＬＤの共振器長は例えば２５０μｍであり、−方の端面（前面）は、無反射膜３９０がコーティングされて出射端１０１となり、他方の端面（後面）は、例えば５０％程度の反射膜４００がコーティングされて出射端１０２となる。また、図中に太い破線で示す光導波路の方向は、一点鎖線で示す共振器方向に対して例えば３°程度の角度をもって傾斜しており、いわゆる斜め光導波路構造をなしている。
【００３３】
このように、ＳＬＤは、基本的には半導体レーザとほぼ同様の構造を有する発光素子である。しかし、ＳＬＤは、前面の出射端１０１に無反射膜３９０をコーティングして出射端１０１における光の反射を無くし、出射端１０１からの反射光が光導波路に帰還しないような構造とし、共振によるレーザ発振を抑制した点で、半導体レーザと異なる。なお、他方の出射端１０２は、例えば反射率５０％程度の反射コーティングが施されている。
【００３４】
また、ＳＬＤは、通常、利得導波型ストライプ構造またはナローストライプ構造を有する発光素子であり、発振状態に至るまでの共振器損失が大きく、共振器のＱ値（＝周波数×（共振器内に蓄積されたエネルギ）／（単位時間当たりの消費エネルギ））が低い。このため、閾値電流密度が高くなるとともに、誘導放出光（スーパールミネッセント）が強くなり、その結果、等価的に自然放出光の寄与が大きくなり、多モード発振となる。
【００３５】
このようなＳＬＤの発光スペクトルを示すグラフを図３に示す。この図に示すように、明確な発振モードをもたない自然放出光による連続スペクトルの出力が得られる。通常、ＳＬＤの発振中心波長８５０ｎｍに対して発振スペクトル半値幅は２０ｎｍ程度である。また、コヒーレンス長は３５μｍ程度であり短い。このように、ＳＬＤは半導体レーザとは明確に異なる特性を有する。
【００３６】
また、ＳＬＤの光放出側の反射率を低減する方法を、図４（ａ）〜（ｃ）にそれぞれ示す。図４（ａ）〜（ｃ）は、ＳＬＤの光放出側の反射率を低減する構造の説明図である。
【００３７】
図４（ａ）は、光導波路４１０の方向は半導体レーザと同様に共振器方向と一致し、後面には５０％程度の反射膜４００をコーティングしているものの、前面の光出射端面に精密に制御された無反射膜３９０をコーティングすることにより、光放出側の反射率を低減したものである。
【００３８】
図４（ｂ）は、図２を用いて既に詳しく説明したように、光出射端面に無反射膜３９０をコーティングすると共に、光導波路４１１が共振器方向に対して３°〜１０°程度の角度をもって傾斜している斜め光導波路構造を採用し、光出射端面からの反射光が光導波路４１１に帰還しないようにすることにより、光放出側の反射率を低減したものである。
【００３９】
図４（ｃ）は、光出射端面に無反射膜３９０をコーティングすると共に、光導波路４１２が光出射端面にまで至らないよう途中で途切れさせる構造を採り、光出射端面からの反射光が光導波路４１２に帰還しないようにすることにより、光放出側の反射率を低減したものである。
【００４０】
次に、ＳＬＤ１００に入射する戻り光の強度とＳＬＤ１００から出射される出射光の強度との関係について説明する。図５は、戻り光の強度と出射光の強度変化との関係についての実験結果を示すグラフである。この図において、横軸は、出射光に対する戻り光の強度比であり、縦軸は、増幅器１５０から出力された電圧信号の変化量すなわちＳＬＤ１００からの出射光の強度変化量である。
【００４１】
この図から判るように、ＳＬＤ１００の出射端に入射する戻り光の光量が大きくなると、その光増幅機能によって出射光の光量が増す。したがって、レーザフィードバック光検出法にＳＬＤ１００を使用することが可能であることが判る。また、戻り光の光量の比較的少ない領域においては、戻り光の光量に対する出射光の光量の変化は直線性がよい。
【００４２】
また、出射光の光量に対する比が０．０５％程度の極めて少量の戻り光をも感度よく検出することができる。このＳＬＤ１００の戻り光検出感度は半導体レーザにおける戻り光検出感度と比較して１００倍程度も高い。これは、ＳＬＤ１００からの出射光には自然放出光成分が多く含まれ、また、多モード発振であるために、ＳＬＤ１００をレーザフィードバック光検出法に用いた場合に、戻り光により生じるノイズが極めて小さくなることに因るものである。なお、戻り光による光帰還利得（＝出射光変化量／戻り光変化量）は、半導体レーザの場合と同様であった。
【００４３】
以上のように、図１に示すようなレーザフィードバック光検出法を利用する光検出装置にＳＬＤを用いると、ＳＬＤのタイプによって若干差異があるものの、ノイズの少ない高感度な測定が可能となる。
【００４４】
（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６は、本発明に係る光検出装置の第２の実施形態の構成図である。本実施形態は、例えば共焦点顕微鏡に利用するのに好適な装置である。
【００４５】
本実施形態に係る光検出装置は、(1) 出射光を出射する出射端１０１が無反射処理され、その出射端１０１に外部から入射した光による光増幅機能を有する利得導波型機構の半導体光増幅素子であるスーパールミネッセントダイオード１００と、(2) このＳＬＤ１００に駆動信号を供給して駆動するＳＬＤ駆動回路１１０と、(3) ＳＬＤ１００の出射端１０１から出射された前方出射光Ａを被測定体２２０に照射するとともに、その被測定体２２０からの反射光、散乱光または回折光を集光してＳＬＤ１００の出射端１０１に帰還入射させる、コリメータレンズ２３１と対物レンズ２３２と偏光フィルタ２３３とからなる光学系２３０と、(4) ＳＬＤ１００のもう一方の出射端１０２から出射された後方出射光Ｃを受光する受光器１４０と、(5) 受光器１４０から出力された電流信号を電圧信号に変換して増幅する増幅器１５０と、(6) 増幅器１５０から出力された電圧信号に基づいて所定の信号処理を行う信号処理回路２６０と、(7) 信号処理回路２６０における信号処理の結果を表示する表示装置２７０と、(8) 被測定体２２０の位置を調整あるいは走査するＸＹＺステージ２８０と、(9) 対物レンズ２３２を光軸方向に移動あるいは走査するアクチュエータ２８２と、(10)アクチュエータ２８２を駆動制御するアクチュエータ駆動回路２８４と、(11)ＳＬＤ駆動回路１１０、アクチュエータ駆動回路２８４およびＸＹＺステージ２８０を制御するとともに被測定体２２０の位置情報を信号処理回路２６０に送出する制御装置２９０と、を備えている。
【００４６】
この光検出装置において、ＳＬＤ１００の出射端１０１から出射された前方出射光Ａは、コリメータレンズ２３１によって平行光束とされ、偏光フィルタ２３３によって所定の偏光成分のみが透過され、対物レンズ２３２によって集光されて、被測定体２２０の所定位置に照射される。被測定体２２０で反射・散乱・回折された光は、対物レンズ２３２、偏光フィルタ２３３およびコリメータレンズ２３１を経て、ＳＬＤ１００の出射端１０１に戻り光Ｂとして入射する。
【００４７】
ＳＬＤ１００に戻り光Ｂが入射すると、ＳＬＤ１００が有する光増幅機能によって、ＳＬＤ１００の出射端１０１から出射する前方出射光Ａの強度は変化する。また、ＳＬＤ１００は、出射端１０１の反対側にある出射端１０２からも後方出射光Ｃを出力するが、この後方出射光Ｃは前方出射光Ａと比例関係にある。この後方出射光Ｃは、受光器１４０で受光されて、その強度に応じた電流信号に変換される。受光器１４０から出力された電流信号は、増幅器１５０によって電圧信号に変換されて増幅されて出力される。
【００４８】
このような光学系２３０においては、ＳＬＤ１００の出射端１０１から出射された前方出射光Ａは、被測定体２２０の所定位置（対物レンズ２３２の焦点位置）に集光照射され、かつ、その所定位置で発生した反射光・散乱光・回折光のみがＳＬＤ１００の出射端１０１に戻り光Ｂとして帰還入射する。すなわち、共焦点顕微鏡が実現されたことになり、対物レンズ２３２と被測定体２２０との相対的位置情報と、増幅器１５０から出力された電圧信号とから、前方出射光Ａが集光照射された位置における被測定体２２０の光学特性が得られる。
【００４９】
したがって、光学系２３０または被測定体２２０の双方または何れかを移動・走査することにより、被測定体２２０の光学特性の分布が得られることになる。そこで、このための走査手段として、対物レンズ２３２をＺ方向に走査するアクチュエータ２８２と、被測定体２２０をＸ，ＹおよびＺ方向に移動・走査するＸＹＺステージ２８０が備えられている。
【００５０】
制御装置２９０は、アクチュエータ駆動回路２８４に指示してアクチュエータ２８２を介して対物レンズ２３２を振動させるとともに、対物レンズ２３２の位置情報を信号処理回路２６０に送出する。このアクチュエータ２８２は、例えばピエゾ素子を用いたものである。信号処理回路２６０は、制御装置２９０から送られてきた対物レンズ２３２の位置情報と、増幅器１５０から送られてきた電圧信号とに基づいて、被測定体２２０の厚み方向の光学特性の分布を求め、表示装置２７０は、その被測定体２２０の厚み方向の光学特性の分布を画像表示する。
【００５１】
さらに対物レンズ２３２の変位を測定する変位センサ（図示せず）を備えて、アクチュエータ駆動回路２８４からアクチュエータ２８２に与えられる駆動信号の波形に対する対物レンズ２３２の変位の誤差信号をアクチュエータ駆動回路２８４にフィードバックして、対物レンズ２３２の変位誤差補償を行ってもよい。
【００５２】
また、ＸＹＺステージ２８０は、被測定体２２０のＺ方向の位置を粗調整して、アクチュエータ２８２によるＺ方向の走査によって測定しようとする被測定体２２０の測定範囲を定める。また、ＸＹＺステージ２８０は、Ｘ方向およびＹ方向の双方または何れか一方の方向に被測定体２２０を移動して被測定体２２０の測定範囲を定めるとともに、被測定体２２０を走査してＸ方向またはＹ方向の光学特性の分布を求める。さらに、アクチュエータ２８２およびＸＹＺステージ２８０によって、対物レンズ２３２と被測定体２２０との間の相対的位置関係を２次元走査することにより、被測定体２２０の光学特性の２次元分布（断層画像）を得ることができる。
【００５３】
なお、ＳＬＤ１００の出射端１０１と被測定体２２０との間の光学距離は、ＳＬＤ１００から出射される出射光Ａのコヒーレント長より十分長くする必要がある。これは、ＳＬＤ１００に入射した戻り光Ｂによる干渉の影響を避けるためである。
【００５４】
次に、本実施形態に係る光検出装置を用いた透明体（被測定体２２０）の厚みの測定例について説明する。図７は、本実施形態に係る光検出装置を用いて被測定体の厚み測定を行った結果を示すグラフである。この図において、横軸は、アクチュエータ２８２の変位すなわち対物レンズ２３２の変位を表し、縦軸は、増幅器１５０から出力された電圧信号の強度を表す。
【００５５】
この図から判るように、増幅器１５０からの出力信号の強度は、アクチュエータ２８２の変位に対して２つの位置でピークがある。これら２つのピークのうち、一方は、被測定体２２０の表面で前方出射光Ａが反射されて反射光がＳＬＤ１００に戻り光Ｂとして帰還入射したものであり、他方は、被測定体２２０の裏面で前方出射光Ａが反射されて反射光がＳＬＤ１００に戻り光Ｂとして帰還入射したものである。したがって、これら２つのピーク間の間隔すなわちアクチュエータ２８２の変位差から、被測定体２２０の厚みが求められる。
【００５６】
次に、本実施形態に係る光検出装置を用いた被測定体の断層画像の測定について説明する。被測定体２２０の断層画像を得るためには、例えば、アクチュエータ２８２を介してアクチュエータ駆動回路２８４によって対物レンズ２３２を光軸方向（Ｚ方向）に走査するとともに、ＸＹＺステージ２８０によって被測定体２２０をＸ方向に走査する。このようにして、被測定体２２０における対物レンズ２３２の焦点位置はＸ方向およびＺ方向に２次元走査される。被測定体２２０の断層画像は、対物レンズ２３２のＺ方向の変位、ＸＹＺステージ２８０のＸ方向の変位、および、増幅器１５０から出力される電圧信号に基づいて信号処理回路２６０によって求められ、表示装置２７０に表示される。
【００５７】
図８は、本実施形態に係る光検出装置を用いて被測定体の断層画像の測定を行って表示装置２７０に表示された断層画像の例を示す図である。この図において、右側は断層画像を表しており、図の横方向がＸＹＺステージ２８０のＸ方向の変位に相当し、図の縦方向が対物レンズ２３２のＺ方向の変位に相当する。そして、各位置におけるＳＬＤ１００の後方出射光Ｃの強度すなわち増幅器１５０からの電圧信号の強度に応じて濃淡で表示されている。すなわち、被測定体２２０をＸ方向およびＺ方向の２次元走査した場合の断層画像が示されている。また、この断層画像中のＡ−Ａ’ライン上の増幅器１５０からの電圧信号の強度の波形が左側に示されている。ここで、断層画像中のＡ−Ａ’ライン位置が指定可能であれば、利用者は、断層画像中の任意位置の信号強度を得ることが可能であり、また、断層画像中の任意ライン上の信号強度波形を得ることが可能であり、定量的な解析を行うことができる。
【００５８】
また、表示装置２７０における表示は、これに限られるものではなく、例えば、画面上の右側には、ＸＹＺステージ２８０のＸ方向の走査に伴って得られた断層画像を画面上で右方向に移動させながら表示し、画面上の左側には、最新のＺ方向の信号強度分布を表示してもよい。このようにすれば、表示装置２７０の表示画面に収まらない測定範囲であっても連続的に被測定体２２０を測定し結果を表示することができる。
【００５９】
次に、偏光フィルタ２３３の作用・効果について詳細に説明する。本実施形態に係る光検出装置は、既述したとおり共焦点顕微鏡と等価である。このような共焦点光学系では、対物レンズ２３２の開口数ＮＡにも依存するが、被測定体２２０における焦点深度は極めて浅い。それ故、被測定体２２０の深さ方向について位置分解能の優れた測定が可能である。
【００６０】
ところで、一般に、ＳＬＤ１００は利得導波型ストライプ構造であるため、出射光には垂直横モード光（活性層に垂直な方向の偏光）と水平横モード光（活性層に平行な方向の偏光）とが含まれ、また、垂直横モード光と水平横モード光との間には、大きな非点隔差が存在することが知られている。すなわち、垂直横モード光のビームウェスト位置は、ＳＬＤ１００の出射端１０１の端面位置であるのに対して、水平横モード光のビームウェスト位置は、ＳＬＤ１００の出射端１０１の端面位置から内部に一定距離（非点隔差）だけ入った位置にある。
【００６１】
この非点隔差のために、ＳＬＤ１００を光源とする共焦点光学系は、垂直横モード光および水平横モード光それぞれについて互いに異なる位置に焦点位置を有することになる。このことは、被測定体の深さ方向の位置分解能が低下することを意味している。
【００６２】
例えば、図６に示す本実施形態に係る光検出装置において偏光フィルタ２３３を取り去り、アクチュエータ２８２によって対物レンズ２３２をその焦点位置が被測定体２２０の表面を中心にして変化するよう光軸方向に走査し、増幅器１５０から出力される電圧信号の強度変化を測定すると、図９に示すような結果が得られる。この図において、横軸は対物レンズ２３２の変位を表し、縦軸は増幅器１５０から出力される電圧信号の強度の変化量を表す。この図に示すように、信号強度には２つのピークが認められ、主ピークは、水平横モード光について対物レンズ２３２の焦点が被測定体２２０の表面に位置した場合に対応するものである。従ピークは、垂直横モード光について対物レンズ２３２の焦点が被測定体２２０の表面に位置した場合に対応するものである。
【００６３】
そこで、偏光フィルタ２３３は、この非点隔差に起因する深さ方向の位置分解能低下の問題を解決すべく設けられたものである。すなわち、偏光フィルタ２３３によって、ＳＬＤ１００から出射された出射光Ａのうち基本横モードである水平横モード光のみを透過させて被測定体２２０に照射し、かつ、被測定体２２０からの戻り光Ｂのうち基本横モードのみを透過させてＳＬＤ１００の出射端１０１に入射させる。
【００６４】
図６に示すような本実施形態に係る光検出装置において水平横モード光を透過させるよう光学軸が調整された偏光フィルタ２３３を用い、アクチュエータ２８２によって対物レンズ２３２をその焦点位置が被測定体２２０の表面を中心にして変化するよう光軸方向に走査し、増幅器１５０から出力される電圧信号の強度変化を測定すると、図１０に示すような結果が得られる。この図においても、横軸は対物レンズ２３２の変位を表し、縦軸は増幅器１５０から出力される電圧信号の強度の変化量を表す。この図に示すように、信号強度には、水平横モード光について対物レンズ２３２の焦点が被測定体２２０の表面に位置した場合に対応する１つのピークのみが認められる。
【００６５】
また、この信号強度波形を、偏光フィルタ２３３を用いなかった場合の信号強度波形（図９）と比較すると、ピーク強度が大きくなるとともに半値全幅（ＦＷＨＭ）が狭くなる。この現象は、利得導波型ストライプ構造を有するＳＬＤ１００において、偏光フィルタ２３３によって偏光選択された戻り光Ｂにより、発振が基本横モードに収束された結果生じるものである。また、図１１に示すように、偏光フィルタ２３３を用いた場合の半値全幅（図中の○印）は、共焦点光学系で示される二乗特性による理論上の半値全幅（図中の□印）より小さい。すなわち、本実施形態に係る光検出装置では、共焦点顕微鏡よりも高い位置分解能が得られる。これは、ＳＬＤ１００のフィードバック動作時におけるゲイン特性の空間的な非線形性に因るものと考えられる。
【００６６】
以上のように、本実施形態に係る光検出装置によれば、ＳＬＤ１００が有する非点隔差に起因する信号波形の歪みを除去できるだけでなく、ＳＬＤ１００における発振モードを基本横モードに収束させて半値全幅が極めて狭くなるので、被測定体２２０の深さ方向について優れた位置分解能で測定が可能である。
【００６７】
また、被測定体２２０に出射光Ａが照射されて発生する反射光・散乱光のうち、正反射光成分は、出射光Ａと同一の偏光状態であり、偏光フィルタ２３３を透過してＳＬＤ１００の出射端１０１に入射する。しかし、散乱光成分は、偏光方向が乱れており、出射光Ａの偏光方向と直交する偏光成分が偏光フィルタ２３３によって遮断される。したがって、散乱の大きな被測定体２２０内部の構造を計測する場合に、散乱の影響を軽減でき、境界面の計測を精度よく行うことができる。
【００６８】
なお、横モードを選択するために用いられる偏光フィルタ２３３としては、一般に、プリズムを利用したもの、偏光膜を利用したもの、金属格子を利用したもの等があり、何れを用いてもよい。ただし、これらの偏光フィルタを光路中に挿入すると、光がその偏光フィルタを透過する際に少なからず損失を受けるので最良ではない。
【００６９】
そこで、横モードを選択する手段として、図１２に示すようなスリットあるいはナイフエッジを用いた偏光選択手段を用いるのが好適である。図１２（ａ）および（ｂ）において、破線で示した楕円は、ＳＬＤ１００から出射されて到達した前方出射光Ａのビーム形状を表す。図１２（ａ）に示すスリット５００は、その長手方向をＳＬＤ１００の活性層３３０に平行な方向に一致させることにより、水平横モード光を効率よく透過させるとともに、垂直横モード光の殆どを遮断することができる。また、図１２（ｂ）に示すナイフエッジ５１０は、そのエッジ方向をＳＬＤ１００の活性層３３０に平行な方向に一致させることにより、水平横モード光を効率よく透過させるとともに、垂直横モード光の略半分を遮断することができる。
【００７０】
特に、ナイフエッジ５１０は、除去すべき横モード光の影響を最小限にするとともに深さ方向の位置分解能を最良のものとなるように、微妙な位置の調整をするのに最適なものである。なお、ＳＬＤ１００からの出射光の強度分布は、光軸を中心として対称であるので、除去すべき横モード光の半分だけでも除去すれば、十分目的を達成することができる。
【００７１】
また、偏光フィルタ、スリットおよびナイフエッジ等の偏光選択手段は、光軸を中心に回転自在であると更に好適である。回転自在とすることにより、その光学軸をＳＬＤ１００の基本モードの偏光方向に合わせるよう調整することが可能となる。以上の説明においては、偏光フィルタ等の偏光選択手段によって偏光選択する基本モードを水平横モードとしたが、垂直横モードであっても構わない。回転自在の偏光選択手段を用いれば、必要に応じて水平横モード光および垂直横モード光の何れかを選択することができる。また、偏光選択手段の挿入位置は、図６に示すようにコリメータレンズ２３１と対物レンズ２３２との間に限定されるものではなく、ＳＬＤ１００と被測定体２２０との間の光路上の任意位置に挿入されてもよい。
【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、対物レンズを走査するアクチュエータは、ピエゾ素子を用いたものに限られることはなく、小型音叉やボイスコイルを用いて対物レンズを走査してもよい。ピエゾ素子を用いたアクチュエータは、比較的重い対物レンズを走査するのに好適であり、小型音叉やボイスコイルを用いたアクチュエータは、比較的軽い対物レンズを走査するのに好適である。
【００７３】
また、光受光器からの出力を増幅しＳＬＤ駆動回路に帰還させ、ＳＬＤからの出射光（前方出射光または後方出射光）の光量が常に一定となるようＳＬＤを制御し、ＳＬＤ駆動回路からＳＬＤに供給される駆動信号の変化量を検出し、この駆動信号の変化量を増幅しＡ／Ｄ変換してもよい。この場合、被測定体の反射率に依存せずＳＬＤの出射光の光量は一定となる。したがって、測定のダイナミックレンジが大きくなるだけでなく、オープンループ動作時において被測定体の反射率が大きい場合であってもＳＬＤの出射光の光量が過度に大きくなることはなく安定した測定が可能となる。
【００７４】
また、光受光器は、ＳＬＤの後方出射光を受光するのではなく、前方出射光の一部を受光するようにしてもよい。この場合には、ＳＬＤと被測定体との間の光路の途中に設けたハーフミラーによって前方出射光の一部を分岐し、これを集光し、この集光点にピンホールを設けて、このピンホールを通過した光を光検出器で検出する。このような構成とすることによっても共焦点光学系を構成することができる。
【００７５】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したとおり本発明によれば、ＳＬＤ駆動回路から出力された駆動信号を入力した半導体光増幅素子（ＳＬＤ）は、その駆動信号に応じた光量の出射光を、無反射処理された出射端から出力する。この出射光は、光学系を経て被測定体に照射され、また、その照射によって被測定体において発生した反射光・散乱光・回折光は、光学系を逆に辿って戻り光として半導体光増幅素子の出射端に入射する。半導体光増幅素子では、この戻り光の入射に伴い光増幅が行われて、その結果、出射光の光量が増大する。この出射光の光量変化は、光受光器によって受光信号として出力される。このように戻り光の光量に応じて、半導体光増幅素子における駆動信号と出射光光量との関係が変化するので、被測定体の光学特性が測定される。
【００７６】
このようにして構成される光検出装置は、レーザフィードバック光検出法を利用した極めて単純な構成であり、また、レーザフィードバック光検出法の基本的構造である共焦点光学系が実現される。したがって、被測定体への光照射の光学的調整を行うことによって自動的に集光の調整も行われ、また、被測定体の深さ方向の分解能が極めて優れた測定が可能である。
【００７７】
また、半導体光増幅素子（ＳＬＤ）を用いてレーザフィードバック光検出法を実現したことにより、半導体レーザを用いたレーザフィードバック光検出法と比べて、ゲイン特性の空間的非線形性により、共焦点光学系の持つ二乗特性による理論分解能を越える高い分解能が得られる。また、従来より問題であった戻り光によるノイズの問題を解決することができ、戻り光の光量に対する出射光の光量変化は直線性が優れるとともに、出射光に対する比が０．０５％程度の極めて少量の戻り光をも感度よく検出することができ、高いＳ／Ｎ比と広いダイナミックレンジが達成される。
【００７８】
さらに、出射光および戻り光それぞれの所定の偏光成分を選択的に透過させる偏光フィルタ等の偏光選択手段を光学系に備えることにより、半導体光増幅素子（ＳＬＤ）からの出射光の横モードの何れかを選択すれば、半導体光増幅素子が固有に有する非点隔差の問題が解消されて、共焦点光学系が有する二乗特性による理論分解能を越える高い分解能で測定することが可能となる。
【００７９】
また、ロンクインアンプ等の同期検波手段を用いる必要がないので、高速応答が可能であり、装置が小型・安価になり、光ディスクのピックアップ技術や共焦点顕微鏡への適用に好適なものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光検出装置の第１の実施形態の構成図である。
【図２】スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）の構造図である。
【図３】ＳＬＤの発光スペクトルを示すグラフである。
【図４】ＳＬＤの出射端における反射率の低減方法の説明図である。
【図５】ＳＬＤに入射する戻り光の強度とＳＬＤから出射される出射光の強度変化との関係について実験結果を示すグラフである。
【図６】本発明に係る光検出装置の第２の実施形態の構成図である。
【図７】第２の実施形態に係る光検出装置を用いて被測定体の厚み測定を行った結果を示すグラフである。
【図８】第２の実施形態に係る光検出装置を用いて被測定体の断層画像の測定を行って表示装置に表示された断層画像の例を示す図である。
【図９】第２の実施形態に係る光検出装置において偏光フィルタを取り去った場合の測定結果を示す図である。
【図１０】第２の実施形態に係る光検出装置において偏光フィルタを有する場合の測定結果を示す図である。
【図１１】第２の実施形態に係る光検出装置における半値全幅、および、共焦点光学系における２乗特性による理論上の半値全幅を示す図である。
【図１２】横モード選択手段の説明図である。
【図１３】レーザフィードバック光検出法の動作原理の説明図である。
【符号の説明】
１００…スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）、１１０…ＳＬＤ駆動回路、１２０…被測定体、１３０…光学系、１３１…コリメータレンズ、１３２…対物レンズ、１４０…受光器、１５０…増幅器、１６０…信号処理回路、１７０…表示装置、２２０…被測定体、２３０…光学系、２３１…コリメータレンズ、２３２…対物レンズ、２３３…偏光フィルタ、２６０…信号処理回路、２７０…表示装置、２８０…ＸＹＺステージ、２８２…アクチュエータ、２８４…アクチュエータ駆動回路、２９０…制御装置、３００…第１電極、３１０…キャップ層、３２０…第１クラッド層、３３０…活性層、３４０…第２クラッド層、３５０…電流ブロック層、３６０…ＧａＡｓバッファ層、３７０…ＧａＡｓ基板、３８０…第２電極、３９０…無反射膜、４００…反射膜、４１０、４１１、４１２…光導波路、Ａ…前方出射光、Ｂ…戻り光、Ｃ…後方出射光。

Claims

無反射処理された出射端から駆動信号に応じた光量の出射光を出射するとともに、前記出射端に帰還入射した戻り光によって前記出射光を光増幅する半導体光増幅素子と、
前記駆動信号を出力する駆動回路と、
前記出射光を被測定体に照射するとともに、前記出射光の照射に伴って前記被測定体から返ってくる前記戻り光を前記半導体光増幅素子に帰還入射させ、前記出射光および前記戻り光それぞれに含まれる所定の直線偏光成分を選択的に透過させる偏光選択手段を含み、この偏光選択手段により前記戻り光による前記半導体光増幅素子の光増幅の発振モードを水平横モードおよび垂直横モードの何れか一方に収束させる光学系と、
前記半導体光増幅素子から出射された出射光を検出してその光量に応じた受光信号を出力する光受光器と、
を備えることを特徴とする光検出装置。
前記半導体光増幅素子はスーパールミネッセントダイオードであることを特徴とする請求項１記載の光検出装置。
前記駆動回路は一定の前記駆動信号を出力することを特徴とする請求項１または２に記載の光検出装置。
前記駆動回路は、前記受光信号に基づいて前記駆動信号を調整して前記半導体光増幅素子から出射される出射光の光量を一定に維持する、ことを特徴とする請求項１または２に記載の光検出装置。