JP4027352B2

JP4027352B2 - 光ファイバプローブ装置

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Publication number: JP4027352B2
Application number: JP2004270723A
Authority: JP
Inventors: 隆生谷本; 昭仁大谷
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 2004-09-17
Filing date: 2004-09-17
Publication date: 2007-12-26
Anticipated expiration: 2024-09-17
Also published as: JP2006084370A

Description

本発明は、光ファイバプローブと試料との距離を制御する光ファイバプローブ装置に関し、特に試料の中を伝搬する光信号を取り込むための光ファイバプローブに適用できる光ファイバプローブ装置に関する。

従来、エバネッセント光によって物体表面の形状や構造を観察する近接場光学顕微鏡等に用いられる光ファイバプローブを対象として、光ファイバプローブに働くシアフォース（せん断応力）を検出して位置制御を行う光ファイバプローブ装置があった。（例えば、特許文献1参照）

すなわち、光ファイバプローブ（以下、適宜プローブという）をピエゾ素子によって振動させ、共振状態にして徐々に試料に近づける。プローブ先端と試料表面との距離が徐々に近づき１０ｎｍ以下程度になると両者の間にファンデルワールス力が働き始め、これによってせん断応力が働く。このせん断応力とともにプローブの振動振幅が変化するので、この振動振幅を測定することにより間接的にせん断応力、すなわちプローブ先端と試料表面との距離を測定することができる。プローブの振動振幅を測定する方法として、プローブにレーザ光を照射し、そのとき生じる反射光の回折パターンを測定するもの、又はプローブ先端に施された金属部とこのプローブ先端から所定距離離れて配置された電極との間に生じる静電容量を測定するものがあった。

特開平１１−１６０３２９号公報

しかしながら、このような従来の光ファイバプローブに働くせん断応力を検出して行う光ファイバプローブ装置では、光ファイバプローブがエバネッセント光の測定を対象としているために、エバネッセント光を取り込むための光ファイバプローブ先端の開口部は非常に小さい。したがって、この光ファイバプローブを用いてフォトニック結晶デバイス、光集積回路、光プリント板、光導波路等の中を伝搬する光信号を取り込んで評価しようとした場合、取り込める光信号レベルがあまりにも弱すぎるという問題があった。また、取り込める光信号レベルを大きくするためには、開口部を大きくし、さらにプローブ先端と試料表面との距離を近接場領域（数１０ｎｍ程度）に比べてもっと離す必要があるが、その場合、せん断応力が働き難くなり正確な距離の測定が難しくなるという問題があった。

本発明は、試料へ光を出射しその反射光を用いて試料に対する光ファイバプローブの位置制御を行うことで、これらの課題を解決し、試料の中を伝搬する光信号を取り込むための光ファイバプローブに適用できる光ファイバプローブ装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１の光ファイバプローブ装置では、載置台に載置された試料の中を伝搬する光信号の一部を被測定光として取り込む開口部を先端に有し、該開口部の開口部端面を前記試料に近接して配置された光ファイバプローブ（１）と、前記載置台及び前記光ファイバプローブの少なくともどちらか一方を移動させて、該光ファイバプローブの開口部端面の前記試料の表面に対する相対的な位置を変化させる移動手段（２）と、所定の波長範囲でなる広帯域光を発生し前記光ファイバプローブの位置を検出するための位置検出光として出射する広帯域光源（５）と、該広帯域光源からの前記位置検出光を分岐して出射する光分岐器（６）と、該光分岐器からの前記位置検出光を受けて前記光ファイバプローブに入射させるとともに、該光ファイバプローブに入射された当該位置検出光の内の、該光ファイバプローブの開口部端面で反射された第１の反射光及び前記試料の表面で反射された第２の反射光と前記試料から前記開口部を介して入射される前記被測定光とを分波し、分波した該第１及び第２の反射光を前記光分岐器に出射するとともに、分波した該被測定光を前記試料の特性を評価する装置に出射する波長分波器（４）と、前記光分岐器から分岐して出射される前記第１及び第２の反射光を受け、該第１の反射光と該第２の反射光との位相差に起因して生じる光スペクトルのリップルを検出し、それに基づいたデータを出力する光スペクトル検出手段（７）と、該光スペクトル検出手段からの前記データにより前記光ファイバプローブの開口部端面と前記試料の表面との距離を求め、かつ、前記位置を変化させるための制御信号を前記移動手段に出力する処理手段（８）とを備えた。

また、本発明の請求項２の光ファイバプローブ装置では、載置台に載置された試料の中を伝搬する光信号の一部を被測定光として取り込む開口部を先端に有し、該開口部の開口部端面を前記試料に近接して配置された光ファイバプローブ（１）と、前記載置台及び前記光ファイバプローブの少なくともどちらか一方を移動させて、該光ファイバプローブの開口部端面の前記試料の表面に対する相対的な位置を変化させる移動手段（２）と、所定の波長範囲の光を順次発生し前記光ファイバプローブの位置を検出するための位置検出光として出射する波長可変光源（１５）と、該波長可変光源からの前記位置検出光を分岐して出射する光分岐器（６）と、該光分岐器からの前記位置検出光を受けて前記光ファイバプローブに入射させるとともに、該光ファイバプローブに入射された当該位置検出光の内の、該光ファイバプローブの開口部端面で反射された第１の反射光及び前記試料の表面で反射された第２の反射光と前記試料から前記開口部を介して入射される前記被測定光とを分波し、分波した該第１及び第２の反射光を前記光分岐器に出射するとともに、分波した該被測定光を前記試料の特性を評価する装置に出射する波長分波器（４）と、前記光分岐器から分岐して出射される前記第１及び第２の反射光を受け、該第１の反射光と該第２の反射光との位相差に起因して生じる光強度のリップルを検出し、それに基づいたデータを出力する光強度検出手段（１７）と、前記波長可変光源に前記所定の波長範囲の光を順次発生させるための掃引信号を出力するとともに、該波長可変光源から順次発生されて出射される前記位置検出光の発振波長と前記光強度検出手段からの前記データとで決まる光スペクトルのリップルから前記光ファイバプローブの開口部端面と前記試料の表面との距離を求め、かつ、前記位置を変化させるための制御信号を前記移動手段に出力する処理手段（１８）とを備えた。

また、本発明の請求項３の光ファイバプローブ装置では、載置台に載置された試料の中を伝搬する光信号の一部を被測定光として取り込むための、減反射膜が施された開口部端面を備えた開口部を先端に有し、該開口部の開口部端面を前記試料に近接して配置された光ファイバプローブ（１）と、前記載置台及び前記光ファイバプローブの少なくともどちらか一方を移動させて、該光ファイバプローブの開口部端面の前記試料の表面に対する相対的な位置を変化させる移動手段（２）と、所定波長の光を発生し前記光ファイバプローブの位置を検出するための位置検出光として出射する光源（２５）と、該光源からの前記位置検出光を分岐して出射する光分岐器（６）と、該光分岐器からの前記位置検出光を受けて前記光ファイバプローブに入射させるとともに、該光ファイバプローブに入射された当該位置検出光の前記試料の表面で反射されて戻ってきた反射光と前記試料から前記開口部を介して入射される前記被測定光とを分波し、分波した前記反射光を前記光分岐器に出射するとともに、分波した該被測定光を前記試料の特性を評価する装置に出射する波長分波器（４）と、前記光分岐器から分岐して出射される前記反射光を受け、該反射光の光強度を検出し、それに基づいたデータを出力する光強度検出手段（２７）と、前記光ファイバプローブの開口部端面と前記試料の表面との距離に対する前記反射光の光強度の関係を予め記憶している距離テーブル（２８ａ）を有し、前記光強度検出手段からの前記データで前記距離テーブルを参照することにより、前記光ファイバプローブの開口部端面と前記試料の表面との距離を求め、かつ、前記位置を変化させるための制御信号を前記移動手段に出力する処理手段（２８）とを備えた。

また、本発明の請求項４の光ファイバプローブ装置では、上述した請求項１〜３のいずれかの光ファイバプローブ装置において、前記光分岐器がサーキュレータで置き換えられているようにした。

また、本発明の請求項５の光ファイバプローブ装置では、載置台に載置された試料の中を伝搬する光信号の一部を被測定光として取り込むための、減反射膜が施された開口部端面を備えた開口部を先端に有し、該開口部の開口部端面を前記試料に近接して配置された光ファイバプローブ（１）と、前記載置台及び前記光ファイバプローブの少なくともどちらか一方を移動させて、該光ファイバプローブの開口部端面の前記試料の表面に対する相対的な位置を変化させる移動手段（２）と、所定波長のレーザ光を発生し出射するレーザ光源（３５）と、
該レーザ光源からの前記レーザ光を前記光ファイバプローブの位置を検出するための位置検出光と参照光とに分波して出射するとともに、逆方向に反射されて戻ってくる該位置検出光と該参照光とを合波して干渉光を出射するビームスプリッタ（１１）と、該ビームスプリッタからの前記参照光を逆方向に反射する反射手段（１２）と、前記ビームスプリッタからの前記位置検出光を受けて前記光ファイバプローブに入射させるとともに、該光ファイバプローブに入射された当該位置検出光の前記試料の表面で反射されて戻ってきた反射光と前記試料から前記開口部を介して入射される前記被測定光とを分波し、分波した前記位置検出光の反射光を前記ビームスプリッタに出射するとともに、分波した該被測定光を前記試料の特性を評価する装置に出射する波長分波器（４）と、前記ビームスプリッタから出射される前記干渉光を受け、該干渉光の光強度を検出し、それに基づいたデータを出力する光強度検出手段（２７）と、前記光ファイバプローブの開口部端面と前記試料の表面との距離を変化させるために、前記位置を変化させるための制御信号を前記移動手段に出力するとともに、その距離の変化に伴って生じる干渉縞の強度変化に対応した前記光強度検出手段からの前記データにより当該距離の変化を求める処理手段（３８）とを備えた。

また、本発明の請求項６の光ファイバプローブ装置では、載置台に載置された試料の中を伝搬する光信号の一部を被測定光として取り込むための、減反射膜が施された開口部端面を備えた開口部を先端に有し、該開口部の開口部端面を前記試料に近接して配置された光ファイバプローブ（１）と、前記載置台及び前記光ファイバプローブの少なくともどちらか一方を移動させて、該光ファイバプローブの開口部端面の前記試料の表面に対する相対的な位置を変化させる移動手段（２）と、所定の波長範囲でなる広帯域光を発生し出射する広帯域光源（５）と、該広帯域光源からの前記広帯域光を前記光ファイバプローブの位置を検出するための位置検出光と参照光とに分波して出射するとともに、逆方向に反射されて戻ってくる該位置検出光と該参照光とを合波して干渉光を出射するビームスプリッタ（１１）と、該ビームスプリッタからの前記参照光を逆方向に反射する反射手段（１２）と、前記ビームスプリッタからの前記位置検出光を受けて前記光ファイバプローブに入射させるとともに、該光ファイバプローブに入射された当該位置検出光の前記試料の表面で反射されて戻ってきた反射光と前記試料から前記開口部を介して入射される前記被測定光とを分波し、分波した前記位置検出光の反射光を前記ビームスプリッタに出射するとともに、分波した該被測定光を前記試料の特性を評価する装置に出射する波長分波器（４）と、前記ビームスプリッタから出射される前記干渉光を受け、該干渉光の光強度を検出し、それに基づいたデータを出力する光強度検出手段（２７）と、前記光ファイバプローブの開口部端面と前記試料の表面との距離に対する前記干渉光の光強度の関係を予め記憶している距離テーブル（４８ａ）を有し、前記光強度検出手段からの前記データで前記距離テーブルを参照することにより、前記光ファイバプローブの開口部端面と前記試料の表面との距離を求め、かつ、前記位置を変化させるための制御信号を前記移動手段に出力する処理手段（４８）とを備えた。

また、本発明の請求項７の光ファイバプローブ装置では、上述した請求項６の光ファイバプローブ装置において、前記ビームスプリッタと前記反射手段との間に、前記ビームスプリッタから出射される前記参照光の光路長を変化させる光遅延器（１３）を備えた。

本発明の請求項1及び２の光ファイバプローブ装置では、光ファイバプローブの開口部端面で反射されて戻ってきた第１の反射光と試料の表面で反射されて戻ってきた第２の反射光との位相差に起因して生じる光スペクトルのリップルを検出して光ファイバプローブの開口部端面と試料の表面との距離を求めるようにしたので、光ファイバプローブの開口部端面と試料の表面との距離を直接、精度よく求めることができる。

本発明の請求項３の光ファイバプローブ装置では、光ファイバプローブの位置を検出するための位置検出光を試料に向けて出射するとともに、試料の表面で反射されて戻ってくるその反射光の光強度を検出し、それに基づいたデータで、光ファイバプローブの開口部端面と試料の表面との距離に対する反射光の光強度の関係を予め記憶している距離テーブルを参照して、光ファイバプローブの開口部端面と試料の表面との距離を求めるようにした。これにより、光ファイバプローブの開口部端面と試料の表面との距離を素早く求めることができ、その結果、光ファイバプローブの位置制御も素早く行うことができる。

本発明の請求項４の光ファイバプローブ装置では、光分岐器をサーキュレータで置き換えるようにしたので、光スペクトル検出手段又は光強度検出手段に入射される反射光の強度を大きくすることができ、その結果、光ファイバプローブの開口部端面と試料の表面との距離をより正確に求めることができる。

本発明の請求項５の光ファイバプローブ装置では、レーザ光を光ファイバプローブの位置を検出するための位置検出光と参照光とに分波し、それぞれを試料及び反射手段に向けて出射するとともに、逆方向にそれぞれ反射されて戻ってくる位置検出光と参照光とを合波して干渉光を発生させ、その干渉光の光強度を検出した後に、それに基づいたデータの変化から光ファイバプローブの開口部端面と試料の表面との距離の変化を求めるようにしたので、その距離の変化をサブミクロン（レーザ光の波長の細かさ）で求めることができる。

本発明の請求項６の光ファイバプローブ装置では、広帯域光を光ファイバプローブの位置を検出するための位置検出光と参照光とに分波し、それぞれを試料及び反射手段に向けて出射するとともに、逆方向に反射されて戻ってくるそれぞれの位置検出光と参照光とを合波して干渉光を発生させ、その干渉光の光強度を検出した後に、それに基づいたデータで、光ファイバプローブの開口部端面と試料の表面との距離に対する干渉光の光強度の関係を予め記憶している距離テーブルを参照して、光ファイバプローブの開口部端面と試料の表面との距離を求めるようにした。これにより、光ファイバプローブの開口部端面と試料の表面との距離を素早く求めることができ、その結果、光ファイバプローブの位置制御も素早く行うことができる。また、広帯域光（波長幅が大きい）を用いているために干渉光の光強度幅が小さくでき、距離分解能を上げることができる。例えば、波長幅が数１０ｎｍであればサブミクロンの距離分解能となる。

本発明の請求項７の光ファイバプローブ装置では、ビームスプリッタと反射手段との間に、ビームスプリッタから出射される参照光の光路長を変化させる光遅延器を備えるようにしたので、例えビームスプリッタと試料の表面間の光路長が長い場合であっても、ビームスプリッタと反射手段間の光路長を長くしないで済み、装置の小型化ができる。

以下に本発明の実施形態を記載する。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態の光ファイバプローブ装置の構成を図１に示す。光ファイバプローブ１は、図２に示すように、コア１ａ、クラッド１ｂ及び金属又は誘電体により形成された被覆部１ｃで構成されており、フォトニック結晶デバイス、光集積回路、光プリント板、光導波路等の試料１０の中を伝搬する光信号の一部を評価のために被測定光として取り込めるように、その先端に設けられた開口部１ｄの開口部端面１ｅが載置台３に載せられた試料１０の表面に近接して配置されている。移動手段２は、例えばアクチュエータで構成され、処理手段８から出力される制御信号ａによって載置台３を上下方向に移動させて、開口部端面１ｅの試料１０の表面に対する位置を変化させる。そして、これにより、開口部端面１ｅと試料１０の表面との距離Ｌを変化させる。

広帯域光源５は、例えばＬＥＤ光源、ＳＬＤ光源等で構成されおり、光ファイバプローブ１の位置を検出する（すなわち光ファイバプローブ１の開口部端面１ｅと試料１０の表面との距離Ｌを検出する）ために、被測定光の波長を含まない所定の波長範囲でなる広帯域光を発生し位置検出光として光分岐器６に出射する。光分岐器６は、例えば光カップラ、ビームスプリッタであり、広帯域光源５からの位置検出光を分岐して波長分波器４に出射するとともに、波長分波器４から入射される反射光（後述する）を分岐して光スペクトル検出手段７に出射する。なお、光分岐器６はサーキュレータに置き換えることができる。この場合、サーキュレータはアイソレーションが取れて挿入損が小さいために、波長分波器４から入射される、光ファイバプローブ１の開口部端面１ｅあるいは試料１０の表面から反射されて戻ってくる位置検出光の反射光（一般的に光強度が微弱）を光スペクトル検出手段７に入射させる場合に有効である。

波長分波器４は、光分岐器６からの位置検出光を受けて光ファイバプローブ１に入射させる。光ファイバプローブ１に入射された位置検出光は、図２に示すように、その一部は光ファイバプローブ１の開口部端面１ｅで反射されて反射光（第１の反射光）となり、またその別の一部は試料１０の表面で反射されて反射光（第２の反射光）となって戻ってくる。波長分波器４は、それらの反射光と、図２に示す、試料１０から開口部１ｄを介して入射される被測定光とを分波して、反射光は光分岐器６に出射し、被測定光は試料特性評価装置（図示しない）に出射する。なお、試料特性評価装置は、光パワメータ、光サンプリングオシロスコープ等であり、被測定光の光強度、アイパターン等の特性を測定し評価する。

光スペクトル検出手段７は、例えば回折格子、受光器等で構成される光スペクトラムアナライザであり、光分岐器６からの反射光を受け、この反射光に含まれている光ファイバプローブ１の開口部端面１ｅで反射されて戻ってきた第１の反射光と試料１０の表面で反射されて戻ってきた第２の反射光との位相差に起因して生じる、図３に示すような光スペクトルのリップルを検出し、それに基づいたデータを出力する。

処理手段８は、光スペクトル検出手段７から入力される光スペクトルのリップルを示すデータにより光ファイバプローブ１の開口部端面１ｅと試料１０の表面との距離Ｌを求める。すなわち、光スペクトルのリップルのピークが、図３に示すように、波長λ₁、λ₂であるとすると、距離Ｌは［Ｌ＝（１／２）・（（λ₁・λ₂）／（λ₂−λ₁））］で表わされる。例えば、広帯域光源５から出射される広帯域光（位置検出光）を中心波長１３００ｎｍ、波長幅５０ｎｍとして、５０ｎｍのリップルを測定した場合、すなわちλ₂−λ₁＝５０ｎｍ、λ₁＝１２７５ｎｍ、λ₂＝１３２５ｎｍであった場合、距離Ｌは約１７μｍと求められる。

なお、上述の説明では、広帯域光源５から位置検出光として出射される広帯域光の波長範囲を、被測定光の波長を含まない所定の波長範囲としたが、試料１０からの被測定光が光ファイバプローブ１に入射されていない状態で、試料１０の表面に対する光ファイバプローブ１の位置制御を行う場合には、上記所定の波長範囲の中に被測定光の波長を含むものであってもよい。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態の光ファイバプローブ装置の構成を図４に示す。第２実施形態は、図１に示した第１実施形態とは、光ファイバプローブ１の開口部端面１ｅで反射されて戻ってきた第１の反射光と試料１０の表面で反射されて戻ってきた第２の反射光との位相差に起因して生じる光スペクトルのリップルから光ファイバプローブ１の開口部端面１ｅと試料１０の表面との距離Ｌを求める点で同じであり、その光スペクトルのリップルの検出の仕方のみが異なっている。すなわち、第１実施形態では、広帯域光源５と光スペクトル検出手段７の組み合わせにより、波長の選択性を受信側に持たせるようにしたのに対して、第２実施形態の場合には、処理手段１８から入力される掃引信号ｂで制御される波長可変光源１５と光強度検出手段１７の組み合わせにより、波長の選択性を送信側に持たせた点で異なる。以下、主にこの異なる点について説明する。

波長可変光源１５は、光ファイバプローブ１の位置を検出する（すなわち光ファイバプローブ１の開口部端面１ｅと試料１０の表面との距離Ｌを検出する）ために、処理手段１８から入力される掃引信号ｂにしたがって、被測定光の波長を含まない所定の波長範囲の光を順次発生し位置検出光として光分岐器６に出射する。また、光強度検出手段１７は、例えば受光器等で構成される光パワメータであり、光分岐器６からの反射光を受け、この反射光に含まれている光ファイバプローブ１の開口部端面１ｅで反射されて戻ってきた第１の反射光と試料１０の表面で反射されて戻ってきた第２の反射光との位相差に起因して生じる光強度のリップルを検出し、それに基づいたデータを出力する。そして、処理手段１８は、波長可変光源１５に所定の波長範囲の光を順次発生させるための掃引信号ｂを出力するとともに、波長可変光源１５から順次発生されて出射される位置検出光の発振波長と光強度検出手段１７から入力される光強度のリップルを示すデータとを対応させて、図３に示すような光スペクトルのリップルを求め、さらにこの光スペクトルのリップルから光ファイバプローブ１の開口部端面１ｅと試料１０の表面との距離Ｌを求める。

なお、上述の説明では、波長可変光源１５から位置検出光として順次出射される光の波長範囲を、被測定光の波長を含まない所定の波長範囲としたが、試料１０からの被測定光が光ファイバプローブ１に入射されていない状態で、試料１０の表面に対する光ファイバプローブ１の位置制御を行う場合には、上記所定の波長範囲の中に被測定光の波長を含むものであってもよい。

［第３実施形態］
本発明の第３実施形態の光ファイバプローブ装置の構成を図５に示す。図１に示した第１実施形態と同一要素には同一符号を付し詳細説明は省略する。光ファイバプローブ１は、その先端の開口部端面１ｅが載置台３に載せられた試料１０の表面に近接して配置されている。なお、開口部端面１ｅには、減反射膜が施されており、光ファイバプローブ１に入射される位置検出光（後述する）の、この開口部端面１ｅにおける反射を少なくしている。移動手段２は、処理手段２８から出力される制御信号ａによって載置台３を上下方向に移動させて、開口部端面１ｅの試料１０の表面に対する位置を変化させる。そして、これにより、開口部端面１ｅと試料１０の表面との距離Ｌを変化させる。光源２５は、光ファイバプローブ１の位置を検出する（すなわち光ファイバプローブ１の開口部端面１ｅと試料１０の表面との距離Ｌを検出する）ために、被測定光の波長とは異なる所定の波長の光を発生し位置検出光として光分岐器６に出射する。光分岐器６は、光源２５からの位置検出光を分岐して波長分波器４に出射するとともに、波長分波器４から入射される反射光（後述する）を分岐して光強度検出手段２７に出射する。

波長分波器４は、光分岐器６からの位置検出光を受けて光ファイバプローブ１に入射させるとともに、光ファイバプローブ１に入射されたこの位置検出光の試料１０の表面で反射されて戻ってくる反射光と、試料１０から開口部１ｄ（図２参照）を介して入射される被測定光とを分波して、反射光は光分岐器６に出射し、被測定光は試料特性評価装置（図示しない）に出射する。光強度検出手段２７は、光分岐器６からの反射光を受け、この反射光の光強度を検出し、それに基づくデータを出力する。ＡＤ変換器９はこのデータをディジタル値に変換して処理手段２８に出力する。処理手段２８は、光ファイバプローブ１の開口部端面１ｅと試料１０の表面との距離Ｌに対する反射光の光強度の、図６に示すような関係を予め記憶している距離テーブル２８ａを有しており、ＡＤ変換器９から入力されるデータでこの距離テーブル２８ａを参照することにより、光ファイバプローブ１の開口部端面１ｅと試料１０の表面との距離Ｌを求める。この方法は、距離テーブル２８ａを参照することで、素早く、光ファイバプローブ１の開口部端面１ｅと試料１０の表面との距離Ｌを求めることができ、その結果、光ファイバプローブ１の位置制御も素早く行うことができる。

なお、上述の説明では、光源２５から位置検出光として出射される光の波長を、被測定光の波長とは異なる所定の波長としたが、試料１０からの被測定光が光ファイバプローブ１に入射されていない状態で、試料１０の表面に対する光ファイバプローブ１の位置制御を行う場合には、上記所定の波長と被測定光の波長とが同一のものであってもよい。

［第４実施形態］
本発明の第４実施形態の光ファイバプローブ装置の構成を図７に示す。図１に示した第１実施形態と同一要素には同一符号を付し詳細説明は省略する。光ファイバプローブ１は、その先端の開口部端面１ｅが載置台３に載せられた試料１０の表面に近接して配置されている。なお、開口部端面１ｅには、減反射膜が施されており、光ファイバプローブ１に入射される位置検出光（後述する）の、この開口部端面１ｅにおける反射を少なくしている。移動手段２は、処理手段３８から出力される制御信号ａによって載置台３を上下方向に移動させて、開口部端面１ｅの試料１０の表面に対する位置を変化させる。そして、これにより、開口部端面１ｅと試料１０の表面との距離Ｌを変化させる。レーザ光源３５は、例えば可干渉性の良好な(干渉距離の長い)Ｈｅ−Ｎｅレーザ等で構成されており、光ファイバプローブ１の位置を検出する（すなわち移動手段２より光ファイバプローブ１の開口部端面１ｅと試料１０の表面との距離Ｌを変化させたときの、その変化量を検出する）ために、被測定光の波長とは異なる所定の波長（既知の波長）のレーザ光を発生してビームスプリッタ（ＢＳ）１１に出射する。

ビームスプリッタ１１は、レーザ光源３５からのレーザ光を光ファイバプローブ１の位置を検出するための位置検出光と参照光とに分波して、それぞれを波長分波器４と反射手段１２に出射するとともに、逆方向にそれぞれ反射されて戻ってくる位置検出光の反射光（後述する）と参照光とを合波して干渉光を発生させ、その干渉光を光強度検出手段２７に出射する。反射手段１２は、例えばミラーで構成され、ビームスプリッタ１１からの参照光を逆方向に反射する。波長分波器４は、ビームスプリッタ１１からの位置検出光を受けて光ファイバプローブ１に入射させるとともに、光ファイバプローブ１に入射されたこの位置検出光の試料１０の表面で反射されて戻ってくる反射光と、試料１０から開口部１ｄ（図２参照）を介して入射される被測定光とを分波して、位置検出光の反射光はビームスプリッタ１１に出射し、被測定光は試料特性評価装置（図示しない）に出射する。

光強度検出手段２７は、ビームスプリッタ１１からの干渉光を受け、この干渉光の光強度を検出し、それに基づくデータを出力する。ＡＤ変換器９はこのデータをディジタル値に変換して処理手段３８に出力する。処理手段３８は、光ファイバプローブ１の開口部端面１ｅと試料１０の表面との距離Ｌを変化させるための制御信号ａを移動手段２に出力するとともに、この距離Ｌの変化に伴って生じるＡＤ変換器９から入力されるデータの変化から距離Ｌの変化量を求める。具体的に説明すると、干渉光の光強度は参照光の光路長（ビームスプリッタ１１と反射手段１２間の往復の距離）と位置検出光の光路長（ビームスプリッタ１１と試料１０の表面間の往復の距離）との光路長差がレーザ光の波長λの整数倍となるときに最大となり、この整数倍の波長に対してλ／２異なるときに最小となる。そのために、移動手段２により距離Ｌを変化させると、図８に示すように、干渉光の光強度がλ／２の周期で正弦波状に変わる。したがって、この干渉光の光強度変化（干渉縞の強度変化）を観察することにより、この距離Ｌの変化量を求めることができる。λ／２よりも細かく距離Ｌの変化を求める場合は、ＡＤ変換器９からのディジタル値によりその間の距離を求めることができる。

なお、上述の説明では、レーザ光源３５から出射されるレーザ光の波長を、被測定光の波長とは異なる所定の波長としたが、試料１０からの被測定光が光ファイバプローブ１に入射されていない状態で、試料１０の表面に対する光ファイバプローブ１の位置制御を行う場合には、上記所定の波長と被測定光の波長とが同一のものであってもよい。

［第５実施形態］
本発明の第５実施形態の光ファイバプローブ装置の構成を図９に示す。第５実施形態は、図７に示した第４実施形態とは、試料１０の表面で反射されて戻ってくる位置検出光の反射光と、反射手段１２で反射されて戻ってくる参照光とを合波して干渉光を発生させ、その干渉光の光強度から光ファイバプローブ１の開口部端面１ｅと試料１０の表面との距離Ｌの変化を検出すること（すなわち干渉計を構成して測定すること）は同じであるが、第４実施形態では、可干渉性の良好なレーザ光を用いて干渉光の光強度がレーザ光の波長の周期で繰り返して変わることを利用して、相対的な距離Ｌの変化を求めるようにしたのに対して、第５実施形態の場合には、波長幅の広い広帯域光を用い、参照光の光路長と位置検出光の光路長とが一致したときに、干渉光の光強度が最大となることを利用して、距離Ｌの変化を求める点で異なる。以下、主にこの異なる点について説明する。

広帯域光源５は、例えばＬＥＤ光源、ＳＬＤ光源等で構成されおり、光ファイバプローブ１の位置を検出する（すなわち光ファイバプローブ１の開口部端面１ｅと試料１０の表面との距離Ｌを検出する）ために、被測定光の波長を含まない所定の波長範囲でなる広帯域光を発生してビームスプリッタ（ＢＳ）１１に出射する。ビームスプリッタ１１は、広帯域光源５からの広帯域光を光ファイバプローブの位置を検出するための位置検出光と参照光とに分波して、それぞれを波長分波器４と、光遅延器１３を介して反射手段１２に出射するとともに、逆方向にそれぞれ反射されて戻ってくる位置検出光の反射光と参照光とを合波して干渉光を発生させ、その干渉光を光強度検出手段２７に出射する。

なお、広帯域光を用いる場合には、上述したように、参照光の光路長（ビームスプリッタ１１と反射手段１２間の往復の距離）と位置検出光の光路長（ビームスプリッタ１１と試料１０の表面間の往復の距離）を一致させる必要があるため、反射手段１２及び光遅延器１３の少なくともどちらか一方でその光路長を一致させるように、距離又は（及び）遅延量を調整している。光遅延器１３で調整する場合には、例えビームスプリッタ１１と試料１０の表面間の光路長が長い場合であっても、ビームスプリッタ１１と反射手段１２間の光路長を長くしないで済み、装置の小型化ができる。

光強度検出手段２７は、ビームスプリッタ１１からの干渉光を受け、この干渉光の光強度を検出し、それに基づいたデータを出力する。ＡＤ変換器９はこのデータをディジタル値に変換して処理手段４８に出力する。処理手段４８は、光ファイバプローブ１の開口部端面１ｅと試料１０の表面との距離Ｌ（すなわち、ビームスプリッタ１１と試料１０の表面間の距離を換算して）に対する反射光の光強度の、図１０に示すような関係を予め記憶している距離テーブル４８ａを有しており、ＡＤ変換器９から入力されるデータでこの距離テーブル４８ａを参照することにより、光ファイバプローブ１の開口部端面１ｅと試料１０の表面との距離Ｌを求める。

第５実施形態は、距離テーブル４８ａを参照することで、素早く、光ファイバプローブ１の開口部端面１ｅと試料１０の表面との距離Ｌを求めることができ、その結果、光ファイバプローブ１の位置制御も素早く行うことができる。また、広帯域光（波長幅が大きい）を用いているために干渉光の光強度幅が小さくでき、距離分解能を上げることができる。例えば、波長幅が数１０ｎｍであればサブミクロンの距離分解能となる。

なお、図９の構成では、干渉計を構成するのにビームスプリッタ１１を用いたが光カプラを用いてもよい。また、上述の説明では、広帯域光源５から出射される広帯域光の波長範囲を、被測定光の波長を含まない所定の波長範囲としたが、試料１０からの被測定光が光ファイバプローブ１に入射されていない状態で、試料１０の表面に対する光ファイバプローブ１の位置制御を行う場合には、上記所定の波長範囲の中に被測定光の波長を含むものであってもよい。

上述の第１実施形態〜第５実施形態では、移動手段２が載置台３を上下方向に移動させて、光ファイバプローブ１の開口部端面１ｅと試料１０の表面との距離Ｌを変化させるようにしたが、移動手段２が光ファイバプローブ１を上下方向に移動させるようにしてもよい。ただし、第５実施形態の場合には、ビームスプリッタ１１から光ファイバプローブ１の開口部端面１ｅまでの光路長を一定にして、光ファイバプローブ１を上下方向に移動させる。

本発明の第１実施形態の構成を示す図本発明の光ファイバプローブを説明するための図本発明の第１及び第２実施形態の動作を説明するための図本発明の第２実施形態の構成を示す図本発明の第３実施形態の構成を示す図本発明の第３実施形態の動作を説明するための図本発明の第４実施形態の構成を示す図本発明の第４実施形態の動作を説明するための図本発明の第５実施形態の構成を示す図本発明の第５実施形態の動作を説明するための図

符号の説明

１・・・光ファイバプローブ、１ａ・・・コア、１ｂ・・・クラッド、１ｃ・・・被覆部、１ｄ・・・開口部、１ｅ・・・開口部端面、２・・・移動手段、３・・・載置台、４・・・波長分波器、５・・・広帯域光源、６・・・光分岐器、７・・・光スペクトル検出手段、８，１８，２８，３８，４８・・・処理手段、９・・・ＡＤ変換器（Ａ／Ｄ）、１０・・・試料、１１・・・ビームスプリッタ（ＢＳ）、１２・・・反射手段、１３・・・光遅延器、１５・・・波長可変光源、１７，２７・・・光強度検出手段、２５・・・光源、２８ａ，４８ａ・・・距離テーブル。

Claims

載置台に載置された試料の中を伝搬する光信号の一部を被測定光として取り込む開口部を先端に有し、該開口部の開口部端面を前記試料に近接して配置された光ファイバプローブ（１）と、
前記載置台及び前記光ファイバプローブの少なくともどちらか一方を移動させて、該光ファイバプローブの開口部端面の前記試料の表面に対する相対的な位置を変化させる移動手段（２）と、
所定の波長範囲でなる広帯域光を発生し前記光ファイバプローブの位置を検出するための位置検出光として出射する広帯域光源（５）と、
該広帯域光源からの前記位置検出光を分岐して出射する光分岐器（６）と、
該光分岐器からの前記位置検出光を受けて前記光ファイバプローブに入射させるとともに、該光ファイバプローブに入射された当該位置検出光の内の、該光ファイバプローブの開口部端面で反射された第１の反射光及び前記試料の表面で反射された第２の反射光と前記試料から前記開口部を介して入射される前記被測定光とを分波し、分波した該第１及び第２の反射光を前記光分岐器に出射するとともに、分波した該被測定光を前記試料の特性を評価する装置に出射する波長分波器（４）と、
前記光分岐器から分岐して出射される前記第１及び第２の反射光を受け、該第１の反射光と該第２の反射光との位相差に起因して生じる光スペクトルのリップルを検出し、それに基づいたデータを出力する光スペクトル検出手段（７）と、
該光スペクトル検出手段からの前記データにより前記光ファイバプローブの開口部端面と前記試料の表面との距離を求め、かつ、前記位置を変化させるための制御信号を前記移動手段に出力する処理手段（８）とを備えたことを特徴とする光ファイバプローブ装置。
載置台に載置された試料の中を伝搬する光信号の一部を被測定光として取り込む開口部を先端に有し、該開口部の開口部端面を前記試料に近接して配置された光ファイバプローブ（１）と、
前記載置台及び前記光ファイバプローブの少なくともどちらか一方を移動させて、該光ファイバプローブの開口部端面の前記試料の表面に対する相対的な位置を変化させる移動手段（２）と、
所定の波長範囲の光を順次発生し前記光ファイバプローブの位置を検出するための位置検出光として出射する波長可変光源（１５）と、
該波長可変光源からの前記位置検出光を分岐して出射する光分岐器（６）と、
該光分岐器からの前記位置検出光を受けて前記光ファイバプローブに入射させるとともに、該光ファイバプローブに入射された当該位置検出光の内の、該光ファイバプローブの開口部端面で反射された第１の反射光及び前記試料の表面で反射された第２の反射光と前記試料から前記開口部を介して入射される前記被測定光とを分波し、分波した該第１及び第２の反射光を前記光分岐器に出射するとともに、分波した該被測定光を前記試料の特性を評価する装置に出射する波長分波器（４）と、
前記光分岐器から分岐して出射される前記第１及び第２の反射光を受け、該第１の反射光と該第２の反射光との位相差に起因して生じる光強度のリップルを検出し、それに基づいたデータを出力する光強度検出手段（１７）と、
前記波長可変光源に前記所定の波長範囲の光を順次発生させるための掃引信号を出力するとともに、該波長可変光源から順次発生されて出射される前記位置検出光の発振波長と前記光強度検出手段からの前記データとで決まる光スペクトルのリップルから前記光ファイバプローブの開口部端面と前記試料の表面との距離を求め、かつ、前記位置を変化させるための制御信号を前記移動手段に出力する処理手段（１８）とを備えたことを特徴とする光ファイバプローブ装置。
載置台に載置された試料の中を伝搬する光信号の一部を被測定光として取り込むための、減反射膜が施された開口部端面を備えた開口部を先端に有し、該開口部の開口部端面を前記試料に近接して配置された光ファイバプローブ（１）と、
前記載置台及び前記光ファイバプローブの少なくともどちらか一方を移動させて、該光ファイバプローブの開口部端面の前記試料の表面に対する相対的な位置を変化させる移動手段（２）と、
所定波長の光を発生し前記光ファイバプローブの位置を検出するための位置検出光として出射する光源（２５）と、
該光源からの前記位置検出光を分岐して出射する光分岐器（６）と、
該光分岐器からの前記位置検出光を受けて前記光ファイバプローブに入射させるとともに、該光ファイバプローブに入射された当該位置検出光の前記試料の表面で反射されて戻ってきた反射光と前記試料から前記開口部を介して入射される前記被測定光とを分波し、分波した前記反射光を前記光分岐器に出射するとともに、分波した該被測定光を前記試料の特性を評価する装置に出射する波長分波器（４）と、
前記光分岐器から分岐して出射される前記反射光を受け、該反射光の光強度を検出し、それに基づいたデータを出力する光強度検出手段（２７）と、
前記光ファイバプローブの開口部端面と前記試料の表面との距離に対する前記反射光の光強度の関係を予め記憶している距離テーブル（２８ａ）を有し、前記光強度検出手段からの前記データで前記距離テーブルを参照することにより、前記光ファイバプローブの開口部端面と前記試料の表面との距離を求め、かつ、前記位置を変化させるための制御信号を前記移動手段に出力する処理手段（２８）とを備えたことを特徴とする光ファイバプローブ装置。
前記光分岐器がサーキュレータで置き換えられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光ファイバプローブ装置。
載置台に載置された試料の中を伝搬する光信号の一部を被測定光として取り込むための、減反射膜が施された開口部端面を備えた開口部を先端に有し、該開口部の開口部端面を前記試料に近接して配置された光ファイバプローブ（１）と、
前記載置台及び前記光ファイバプローブの少なくともどちらか一方を移動させて、該光ファイバプローブの開口部端面の前記試料の表面に対する相対的な位置を変化させる移動手段（２）と、
所定波長のレーザ光を発生し出射するレーザ光源（３５）と、
該レーザ光源からの前記レーザ光を前記光ファイバプローブの位置を検出するための位置検出光と参照光とに分波して出射するとともに、逆方向に反射されて戻ってくる該位置検出光と該参照光とを合波して干渉光を出射するビームスプリッタ（１１）と、
該ビームスプリッタからの前記参照光を逆方向に反射する反射手段（１２）と、
前記ビームスプリッタからの前記位置検出光を受けて前記光ファイバプローブに入射させるとともに、該光ファイバプローブに入射された当該位置検出光の前記試料の表面で反射されて戻ってきた反射光と前記試料から前記開口部を介して入射される前記被測定光とを分波し、分波した前記位置検出光の反射光を前記ビームスプリッタに出射するとともに、分波した該被測定光を前記試料の特性を評価する装置に出射する波長分波器（４）と、
前記ビームスプリッタから出射される前記干渉光を受け、該干渉光の光強度を検出し、それに基づいたデータを出力する光強度検出手段（２７）と、
前記光ファイバプローブの開口部端面と前記試料の表面との距離を変化させるために、前記位置を変化させるための制御信号を前記移動手段に出力するとともに、その距離の変化に伴って生じる干渉縞の強度変化に対応した前記光強度検出手段からの前記データにより当該距離の変化を求める処理手段（３８）とを備えたことを特徴とする光ファイバプローブ装置。
載置台に載置された試料の中を伝搬する光信号の一部を被測定光として取り込むための、減反射膜が施された開口部端面を備えた開口部を先端に有し、該開口部の開口部端面を前記試料に近接して配置された光ファイバプローブ（１）と、
前記載置台及び前記光ファイバプローブの少なくともどちらか一方を移動させて、該光ファイバプローブの開口部端面の前記試料の表面に対する相対的な位置を変化させる移動手段（２）と、
所定の波長範囲でなる広帯域光を発生し出射する広帯域光源（５）と、
該広帯域光源からの前記広帯域光を前記光ファイバプローブの位置を検出するための位置検出光と参照光とに分波して出射するとともに、逆方向に反射されて戻ってくる該位置検出光と該参照光とを合波して干渉光を出射するビームスプリッタ（１１）と、
該ビームスプリッタからの前記参照光を逆方向に反射する反射手段（１２）と、
前記ビームスプリッタからの前記位置検出光を受けて前記光ファイバプローブに入射させるとともに、該光ファイバプローブに入射された当該位置検出光の前記試料の表面で反射されて戻ってきた反射光と前記試料から前記開口部を介して入射される前記被測定光とを分波し、分波した前記位置検出光の反射光を前記ビームスプリッタに出射するとともに、分波した該被測定光を前記試料の特性を評価する装置に出射する波長分波器（４）と、
前記ビームスプリッタから出射される前記干渉光を受け、該干渉光の光強度を検出し、それに基づいたデータを出力する光強度検出手段（２７）と、
前記光ファイバプローブの開口部端面と前記試料の表面との距離に対する前記干渉光の光強度の関係を予め記憶している距離テーブル（４８ａ）を有し、前記光強度検出手段からの前記データで前記距離テーブルを参照することにより、前記光ファイバプローブの開口部端面と前記試料の表面との距離を求め、かつ、前記位置を変化させるための制御信号を前記移動手段に出力する処理手段（４８）とを備えたことを特徴とする光ファイバプローブ装置。
前記ビームスプリッタと前記反射手段との間に、前記ビームスプリッタから出射される前記参照光の光路長を変化させる光遅延器（１３）を備えたことを特徴とする請求項６に記載の光ファイバプローブ装置。