JP4613110B2 - 光干渉型位相検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、干渉計から出力される干渉光の位相から例えば被測定物の位相特性を測定する光干渉型位相検出装置に関し、特に測定光とは別に２つの参照光を用いて、干渉計の２つの光路間（被測定物が接続されている光路と接続されていない光路）の相対的な光路長変動に起因して生じる位相変動を検出し、その位相変動を除去することによって、高安定・高精度の位相検出を可能にした光干渉型位相検出装置に関する。

従来、測定光と１つの参照光を用いることによって、マッハツェンダ型干渉計の２つの光路間（被測定物が接続されている光路と接続されていない光路）の相対的な光路長変動に起因して生じる位相変動による測定誤差を少なくした光干渉型位相検出装置があった。（例えば、非特許文献1参照）

この種の光干渉型位相検出装置の概略構成を図１３に示す。波長可変光源１は、所定の波長範囲の測定光を光カプラ３に出力する。光源２は、波長可変光源１の波長とは異なる固定波長の参照光を光カプラ３に出力する。光カプラ３は、測定光及び参照光を合波し、それによって得られた波長多重光を音響光学周波数シフタ（ＡＯＦＳ）４ａに出力する。

ＡＯＦＳ４ａは、超音波発生器４ｂから入力される周波数ｆ_１の超音波によって駆動され、光カプラ３からの波長多重光を２つの光に分波して、一方の光を被測定物１０が接続されている第１の光路に、また他方の光を遅延器５が接続されている第２の光路にそれぞれ出力する。このとき、第２の光路に出力される光、すなわち測定光及び参照光のそれぞれの波長（周波数）は超音波の周波数ｆ_１分シフトされる。そして、光カプラ６は、被測定物１０を通った第１の光路の光と、遅延器５を通った第２の光路の光とを合波し、それによって得られた干渉光、すなわちそれぞれ２つの光路を通った、測定光同士の干渉光（測定干渉光という）及び参照光同士の干渉光（参照干渉光という）を波長分波器７に出力する。なお、上記ＡＯＦＳ４ａ、超音波発生器４ｂ、被測定物１０、遅延器５及び光カプラ６はマッハツェンダ型干渉計２０を構成している。遅延器５は、このマッハツェンダ型干渉計２０の２つの光路の光路長を合わせている。

波長分波器７は、光カプラ６から出力される干渉光（測定干渉光及び参照干渉光）を受けて、測定光及び参照光の各波長成分に分波しそれぞれ受光器（ＰＤ）８及び受光器（ＰＤ）９に出力する。受光器８は、波長分波器７からの測定干渉光を受けて光電変換（ヘテロダイン検波）し、ビート周波数ｆ_１の測定干渉信号を出力する。また、受光器９も、同様に、波長分波器７からの参照干渉光を受けて光電変換（ヘテロダイン検波）し、ビート周波数ｆ_１の参照干渉信号を出力する。位相検出器１１は、参照干渉信号に対する測定干渉信号の位相を検出する。

第51回応物連合会「二波長ヘテロダインファイバー干渉計による波長分散評価」28p-R-12（2004.3）：小川憲介、ティ ティ レイ（DNRI）

このような従来の光干渉型位相検出装置においては、測定光と１つの参照光を同時にマッハツェンダ型干渉計に入力し、それぞれがマッハツェンダ型干渉計の２つの同じ光路を通るようにして、参照干渉光（参照干渉信号）に対する測定干渉光（測定干渉信号）の位相を検出するようにしたので、マッハツェンダ型干渉計の２つの光路間（被測定物を含む光路と含まない光路）の相対的な光路長変動に起因して生じる位相変動による測定誤差を少なくすることができる。しかしながら、依然として次のような問題があった。

すなわち、マッハツェンダ型干渉計の２つの光路間に相対的な光路長の変化があった場合、参照干渉信号に対する測定干渉信号の位相変化Δθは（１）式で与えられる。
Δθ＝ΔＬ・（ν_ｓ−ν_ｒ１）・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、ν_ｓは測定光の周波数、ν_ｒ１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。

実際の測定においては、被測定物がマッハツェンダ型干渉計の２つの光路の一方の光路に配置されるため、特に干渉計が光ファイバを用いて構成された場合、その一方の光路には被測定物を接続するための光ファイバ、また他方の光路には光路長調整用遅延光ファイバ等が接続される。そのため、温度等の外的要因によりそれぞれの光路の光路長が容易に変化し、２つの光路間の相対的な光路長を一定に保つことは一般に困難であり、位相変化に与える影響は大きくなる。なお、上述した従来の光干渉型位相検出装置は、光ヘテロダイン干渉方式の場合であったが、光ホモダイン干渉方式の場合にも同様の問題を生じる。

本発明は、測定光とは別に２つの参照光を用いて、干渉計の２つの光路間（被測定物が接続されている光路と接続されていない光路）の相対的な光路長変動に起因して生じる位相変動を検出し、その位相変動を除去することによって、これらの課題を解決し、高安定・高精度の位相検出を可能にした光干渉型位相検出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の光干渉型位相検出装置では、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、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Δθ _ｒ 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Δθ _ｃ を前記測定光の波長に対応付けて以下の式によって求め、
Δθ _ｃ ＝｛Δθ _ｒ ／（ν _ｒ２ −ν _ｒ１ ）｝・（ν _ｓ −ν _ｒ１ ）
（ν _ｒ１ は第１の参照光の周波数、ν _ｒ２ は第２の参照光の周波数、ν _ｓ は測定光の周波数、ｃは光速である）
該位相補正値によって当該測定位相の位相補正を行い、該位相補正された前記測定位相に基づいて前記被測定物の波長−位相特性を求める信号処理手段（２３）とを備えた。

また、本発明の請求項２の光干渉型位相検出装置では、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、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、当該参照位相の位相変化Δθ _ｒ
Δθ _ｒ ＝ΔＬ・（ν _ｒ２ −ν _ｒ１ ）・２・π／ｃ
（ΔＬは光路長変化、ν _ｒ１ は第１の参照光の周波数、ν _ｒ２ は第２の参照光の周波数、ｃは光速である）
が、ゼロ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して、前記測定光の波長変化に対して前記第１の位相検出手段で検出される測定位相の特性を、前記干渉計の二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特性にする光路長補正手段（２４）とを備えた。

また、本発明の請求項３の光干渉型位相検出装置では、上述した請求項１または請求項２記載の光干渉型位相検出装置において、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ようにした。

また、本発明の請求項４の光干渉型位相検出装置では、上述した請求項１または請求項２記載の光干渉型位相検出装置において、前記干渉計は光ホモダイン干渉計であるようにした。

また、本発明の請求項５の光干渉型位相検出装置では、上述した請求項１〜４のいずれかの光干渉型位相検出装置において、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ようにした。

また、本発明の請求項６の光干渉型位相検出装置では、上述した請求項１〜４のいずれかの光干渉型位相検出装置において、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ようにした。

本発明の光干渉型位相検出装置では、２つの参照干渉信号間に生じる位相（参照位相）を検出し、その参照位相の位相変化を利用することによって、被測定物の波長−位相特性を測定位相に基づいて求めるようにした。したがって、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い、あるいは干渉計の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することによって、被測定物の波長−位相特性に、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が含まれないようにすることができる。その結果、位相測定において、環境変化等に伴う干渉計の光路長変動の影響を無視することができ、長期的に高安定・高精度の測定ができる。また、高精度の位相測定ができるので、被測定物の光学長を求める場合にも有効である。なお、被測定物の光学長Ｌは、干渉計の２つの光路のそれぞれの光路長を予め等しく調整し、（２）式で求めることができる。
Ｌ＝ｃ・θ／｛（ν_ｍａｘ−ν_ｍｉｎ）・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ν_ｍｉｎから最大周波数ν_ｍａｘまで可変したときの全体の位相変化量である。

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。

光カプラ１６は、光カプラ１３ａからの波長多重光を２つの光に分波して、一方の光を被測定物１０が接続されている第１の光路に、また他方の光をＡＯＦＳ１４ｅが接続されている第２の光路にそれぞれ出力する。ＡＯＦＳ１４ｅは、超音波発生器１４ｆから入力される周波数ｆ_１の超音波によって駆動されており、光カプラ１６からの光、すなわち測定光、第１の参照光及び第２の参照光のそれぞれの波長（周波数）を超音波の周波数ｆ_１分シフトして出力する。なお、第２の光路を通る光の代わりに第１の光路を通る光を周波数シフトするようにしてもよい。そして、光カプラ６は、被測定物１０を通った第１の光路の光と、ＡＯＦＳ１４ｅを通った第２の光路の光とを合波し、それによって得られた干渉光、すなわちそれぞれ２つの光路を通った、測定光同士の干渉光（測定干渉光という）、第１の参照光同士の干渉光（第１の参照干渉光という）及び第２の参照光同士の干渉光（第２の参照干渉光という）を波長分波手段１７に出力する。なお、上記光カプラ１６、被測定物１０、ＡＯＦＳ１４ｅ、超音波発生器１４ｆ及び光カプラ６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を構成している。

波長分波手段１７は、例えば誘電体多層膜フィルタであり、光カプラ６から出力される干渉光（測定干渉光、第１の参照干渉光及び第２の参照干渉光）を受けて、測定光、第１の参照光及び第２の参照光の各波長成分に分波しそれぞれ受光器（ＰＤ）８、受光器（ＰＤ）９及び受光器（ＰＤ）１８に出力する。受光器８は、波長分波手段１７からの測定干渉光を受けて光電変換（ヘテロダイン検波）し、ビート周波数ｆ_１の測定干渉信号を出力する。また、受光器９及び受光器１８も、同様に、波長分波手段１７からの第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（ヘテロダイン検波）し、ビート周波数ｆ_１の第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。

第１の位相検出手段２１は、受光器８から出力される測定干渉信号及び受光器９から出力される第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。なお、第１の参照干渉信号の代わりに、第２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ようにしてもよい。そして、第２の位相検出手段２２は、受光器９から出力される第１の参照干渉信号及び受光器１８から出力される第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。

信号処理手段２３は、第１の位相検出手段２１からの測定位相及び第２の位相検出手段２２からの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、求めたこの位相補正値によって測定位相の位相補正を行う。それによって、マッハツェンダ型干渉計３０の２つの第１及び第２の光路間（以下単に２つの光路間という）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。

ここで、上記位相補正値の求め方を説明する。すなわち、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の変化によって生じる、２つの第１及び第２の参照干渉信号間の位相変化Δθ_ｒは、（３）式で与えられる。位相変化Δθ_ｒは、第２の位相検出手段２２で検出される参照位相の、測定光の波長に対応した位相変化として求められるので、（４）式より、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の変化ΔＬが求められる。
Δθ_ｒ＝ΔＬ・（ν_ｒ２−ν_ｒ１）・２・π／ｃ （３）
ΔＬ＝ｃ・Δθ_ｒ／｛（ν_ｒ２−ν_ｒ１）・２・π｝ （４）
ここで、ν_ｒ１は第１の参照光の周波数、ν_ｒ２は第２の参照光の周波数、ｃは光速である。

そして、マッハツェンダ型干渉計３０の２つの光路間に相対的な光路長の変化があった場合、第１の参照干渉信号に対する測定干渉信号の位相変化Δθは、測定光の周波数をν_ｓ、第１の参照光の周波数をν_ｒ１とすると、（５）式（上述の（１）と同一）で与えられる。その結果、参照位相の位相変化（上記Δθ_ｒ）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Δθ_ｃは、（４）式のΔＬを（５）式に代入することにより、（６）式のように求めることができる。
Δθ＝ΔＬ・（ν_ｓ−ν_ｒ１）・２・π／ｃ （５）
Δθ_ｃ＝｛Δθ_ｒ／（ν_ｒ２−ν_ｒ１）｝・（ν_ｓ−ν_ｒ１）
（６）
したがって、この位相補正値Δθ_ｃ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Δθ_ｃ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。

［第２実施形態］
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。

［第３実施形態］
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。

光路長可変手段１５は、例えば光遅延器であり、光路長補正手段２２からの制御信号に基づいて、ＡＯＦＳ１４ｅからの光を遅延させて光カプラ６に出力する。すなわち、光路長可変手段１５は等価的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を変化させている。光路長補正手段２４は、第２の位相検出手段２２からの参照位相を入力して、この参照位相が測定光の所定の波長範囲にわたって所定の値で一定となるように光路長可変手段１５を制御するための制御信号を、この参照位相に基づいて発生し光路長可変手段１５に出力する。つまり、上記（３）式の位相変化Δθ_ｒが限りなくゼロに近づくように制御して、２つの光路間の相対的な光路長の変化ΔＬを限りなくゼロに近づけている。その結果、上記（５）式の位相変化Δθが限りなくゼロに近づく。したがって、第１の位相検出手段２１で検出した測定位相を、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−位相特性とすることができる。

［第４実施形態］
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。

［第５実施形態］
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。

光カプラ２５は、光カプラ１３ａから入力される波長多重光を２つの光に分波して、一方の光を被測定物１０が接続されている第１の光路に、また他方の光をＡＯＦＳ２７ａ及び反射手段２６が接続されている第２の光路にそれぞれ出力する。ＡＯＦＳ２７ａは、超音波発生器２７ｂから入力される周波数ｆ_１／２の超音波によって駆動されており、光カプラ２５からの光、すなわち測定光、第１の参照光及び第２の参照光のそれぞれの波長（周波数）を超音波の周波数ｆ_１／２分シフトして反射手段２６に出力するとともに、反射手段２６で反射されて戻ってきた光を再び周波数ｆ_１／２分シフト（往復で周波数ｆ_１分シフト）して光カプラ２５に出力する。なお、第２の光路を通る光の代わりに第１の光路を通る光を周波数シフトするようにしてもよい。そして、光カプラ２５は、被測定物１０で反射されて戻ってきた第１の光路の光と、反射手段２６で反射されかつＡＯＦＳ２７ａで周波数ｆ_１分シフトされて戻ってきた第２の光路の光とを合波し、それによって得られた干渉光、すなわちそれぞれ２つの光路を通った、測定光同士の干渉光（測定干渉光という）、第１の参照光同士の干渉光（第１の参照干渉光という）及び第２の参照光同士の干渉光（第２の参照干渉光という）を波長分波手段１７に出力する。

［第６実施形態］
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。

［第７実施形態］
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。

光路長可変手段１５は、例えば光遅延器であり、光路長補正手段２２からの制御信号に基づいて、光カプラ２５から出力されて反射手段２６で反射され再び光カプラ２５に戻る第２光路の光を遅延させる。すなわち、光路長可変手段１５は等価的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を変化させている。光路長補正手段２４は、第２の位相検出手段２２からの参照位相を入力して、この参照位相が測定光の所定の波長範囲にわたって所定の値で一定となるように光路長可変手段１５を制御するための制御信号を、この参照位相に基づいて発生し光路長可変手段１５に出力する。つまり、上記（３）式の位相変化Δθ_ｒが限りなくゼロに近づくように制御して、２つの光路間の相対的な光路長の変化ΔＬを限りなくゼロに近づけている。その結果、上記（５）式の位相変化Δθが限りなくゼロに近づく。したがって、第１の位相検出手段２１で検出した測定位相を、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、被測定物１０の波長−位相特性とすることができる。

［第８実施形態］
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。

なお、上述の第１〜第４実施形態の図１〜図４においては、光カプラ１３ｂから出力される合波光と波長可変光源１から出力される測定光とを合波して波長多重する光カプラ１３ａと、この光カプラ１３ａから入力される波長多重光を２つの光に分波する光カプラ１６とを、機能的に区別してそれぞれを別の光カプラで構成しているが、１つの光カプラでも構成できることは自明である。

また、上述の第１及び第３実施形態の光ヘテロダイン干渉方式のマッハツェンダ型干渉計３０としては、図１、図３に示したものの他に、図９〜図１２に示すものでもよい。なお、図９〜図１２には、第３実施形態に対応したマッハツェンダ型干渉計３０を示す。したがって、第１実施形態に対応させるためには、第２の光路の光路長可変手段１５を備えないようにすればよい。また、図９〜図１２に示す周波数は、波長多重光に含まれている測定光の周波数ν_ｓについて示している。

すなわち、図９においては、ＡＯＦＳ１４ａは、入力された波長多重光を２つの光に分波して、一方の光を被測定物１０が接続されている第１の光路に、また他方の光を超音波発生器１４ｂから入力される超音波の周波数ｆ_１分シフトして光路長可変手段１５が接続されている第２の光路にそれぞれ出力する。そして、光カプラ６は、被測定物１０を通った第１の光路の光と、光路長可変手段１５を通った第２の光路の光とを合波して干渉光を出力する。この場合、ビート周波数はｆ_１となる。なお、この構成において、ＡＯＦＳ１４ａ及び超音波発生器１４ｂは光分波手段と周波数シフタを兼ねている。

図１０においては、光カプラ１６は、入力された波長多重光を２つの光に分波して、一方の光をＡＯＦＳ１４ｅに、また他方の光をＡＯＦＳ１４ｃにそれぞれ出力する。ＡＯＦＳ１４ｅは上記一方の光を超音波発生器１４ｆから入力される超音波の周波数ｆ_１分シフトして被測定物１０が接続されている第１の光路に出力し、またＡＯＦＳ１４ｃは上記他方の光を超音波発生器１４ｄから入力される超音波の周波数ｆ_２分シフトして光路長可変手段１５が接続されている第２の光路に出力する。そして、光カプラ６は、被測定物１０を通った第１の光路の光と、光路長可変手段１５を通った第２の光路の光とを合波して干渉光を出力する。この場合、ビート周波数はｆ_１−ｆ_２となる。なお、この構成の場合、ＡＯＦＳ１４ｃ及びＡＯＦＳ１４ｅを並列に配列しているので、この２つのＡＯＦＳで生じる位相特性（波長分散）をキャンセルすることができる。

図１１においては、ＡＯＦＳ１４ａ及びＡＯＦＳ１４ｃが直列に配列されている。まず、ＡＯＦＳ１４ａは、入力された波長多重光を２つの光に分波して、一方の光を被測定物１０が接続されている第１の光路に、また他方の光を超音波発生器１４ｂから入力される超音波の周波数ｆ_１分シフト（＋１次の回折を与える）してＡＯＦＳ１４ｃに出力する。次に、ＡＯＦＳ１４ｃは、ＡＯＦＳ１４ａからの光を超音波発生器１４ｄから入力される超音波の周波数ｆ_２分シフト（−１次の回折を与える）して光路長可変手段１５が接続されている第２の光路に出力する。そして、光カプラ６は、被測定物１０を通った第１の光路の光と、光路長可変手段１５を通った第２の光路の光とを合波して干渉光を出力する。この場合、ビート周波数はｆ_１−ｆ_２となる。なお、この構成において、ＡＯＦＳ１４ａ及び超音波発生器１４ｂは光分波手段と周波数シフタを兼ねている。

図１２においては、図１１と同様、ＡＯＦＳ１４ａ及びＡＯＦＳ１４ｃが直列に配列されている。まず、ＡＯＦＳ１４ａは、入力された波長多重光を２つの光に分波して、一方の光をＡＯＦＳ１４ｃに、また他方の光を超音波発生器１４ｂから入力される超音波の周波数ｆ_１分シフトして被測定物１０が接続されている第１の光路に出力する。次に、ＡＯＦＳ１４ｃは、ＡＯＦＳ１４ａからの光を超音波発生器１４ｄから入力される超音波の周波数ｆ_２分シフトして光路長可変手段１５が接続されている第２の光路に出力する。そして、光カプラ６は、被測定物１０を通った第１の光路の光と、光路長可変手段１５を通った第２の光路の光とを合波して干渉光を出力する。この場合、ビート周波数はｆ_１−ｆ_２となる。なお、この構成において、ＡＯＦＳ１４ａ及び超音波発生器１４ｂは光分波手段と周波数シフタを兼ねている。

［第９実施形態］
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。

［第１０実施形態］
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。

本発明の第１実施形態の構成を示す図 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４実施形態の構成を示す図 本発明の第５実施形態の構成を示す図 本発明の第６実施形態の構成を示す図 本発明の第７実施形態の構成を示す図 本発明の第８実施形態の構成を示す図 マッハツェンダ型干渉計の別の構成を示す図 マッハツェンダ型干渉計の別の構成を示す図 マッハツェンダ型干渉計の別の構成を示す図 マッハツェンダ型干渉計の別の構成を示す図 従来例の概略構成を示す図 本発明の第９実施形態の構成を示す図 本発明の第１０実施形態の構成を示す図

符号の説明

１・・・波長可変光源、２，１２・・・光源、３，６，１３ａ，１３ｂ，１６，２５・・・光カプラ、４ａ，１４ａ，１４ｃ，１４ｅ，２７ａ・・・音響光学周波数シフタ（ＡＯＦＳ）、４ｂ，１４ｂ，１４ｄ，１４ｆ，２７ｂ・・・超音波発生器、５・・・遅延器、７・・・波長分波器、８，９，１８・・・受光器（ＰＤ）、１０・・・被測定物、１１・・・位相検出器、１３・・・光合波手段、１５・・・光路長可変手段、１７・・・波長分波手段、２０，３０・・・マッハツェンダ型干渉計、２１，２２・・・位相検出手段、２３・・・信号処理手段、２４・・・光路長補正手段、２６・・・反射手段、２８・・・光サーキュレータ、４０・・・マイケルソン型干渉計。

Claims (6)

1. 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、
   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Δθ _ｒ 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Δθ _ｃ を前記測定光の波長に対応付けて以下の式によって求め、
   Δθ _ｃ ＝｛Δθ _ｒ ／（ν _ｒ２ −ν _ｒ１ ）｝・（ν _ｓ −ν _ｒ１ ）
   （ν _ｒ１ は第１の参照光の周波数、ν _ｒ２ は第２の参照光の周波数、ν _ｓ は測定光の周波数、ｃは光速である）
   該位相補正値によって当該測定位相の位相補正を行い、該位相補正された前記測定位相に基づいて前記被測定物の波長−位相特性を求める信号処理手段（２３）とを備えたことを特徴とする光干渉型位相検出装置。
2. 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、
   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、当該参照位相の位相変化Δθ _ｒ
   Δθ _ｒ ＝ΔＬ・（ν _ｒ２ −ν _ｒ１ ）・２・π／ｃ
   （ΔＬは光路長変化、ν _ｒ１ は第１の参照光の周波数、ν _ｒ２ は第２の参照光の周波数、ｃは光速である）
   が、ゼロ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して、前記測定光の波長変化に対して前記第１の位相検出手段で検出される測定位相の特性を、前記干渉計の二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特性にする光路長補正手段（２４）とを備えたことを特徴とする光干渉型位相検出装置。
3. 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または請求項２記載の光干渉型位相検出装置。
4. 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または請求項２記載の光干渉型位相検出装置。
5. 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１〜４のいずれかに記載の光干渉型位相検出装置。
6. 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１〜４のいずれかに記載の光干渉型位相検出装置。

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