JP6740143B2 - 照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、照明装置に関する。

対象物の三次元形状を計測する方法として、対象物にレーザの干渉縞を投影し、干渉縞の投影像を撮像して解析することにより対象物表面の凹凸情報を演算する「縞走査法」といわれる技術が知られている。縞走査法では、干渉縞の走査量と投影像の各点の光強度の変化から各点での凹凸の深さ及び高さが求められる（たとえば特許文献１参照）。

干渉縞は、照明装置によって生成される。照明装置は、二つの経路（アーム）の導波路と、可干渉性を有する光を２つの導波路に分岐する結合器と、２つの導波路の光路長を異ならしめる位相変調器と、を備える。２つの導波路を透過した光を干渉させることにより、干渉縞が形成される。

特開平５−８７５４３号公報

干渉縞の強度分布は、２つのアームの位相差に応じて制御される。三次元形状計測や構造化照明において干渉縞の強度分布は重要なパラメータであるところ、所望の干渉縞を得るためには、２つのアームの位相差を高精度で制御する必要がある。

本発明はかかる状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、複数のアームの位相差を測定可能な照明装置の提供にある。

本発明のある態様は、干渉縞を生成する照明装置に関する。照明装置は、光源からの入力光を受ける入力アームと、第１出力アームと、第２出力アームと、入力アームを通過した入力光を、第１出力アームおよび第２出力アームそれぞれの入射端に分岐させる分波器と、第１出力アームと第２出力アームそれぞれの出射光の位相差を変化させる位相変調器と、第１出力アームの出射端での第１反射光と前記第２出力アームの出射端での第２反射光が合成された戻り光にもとづいて、第１出力アームと前記第２出力アームそれぞれの出射光の位相差を検出する位相検出器と、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせ、本発明の表現を方法、装置、システム、などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明のある態様によれば、複数の出力アームの位相差を測定できる。

干渉縞を生成する照明装置の原理を示す図である。 位相差Δφと戻り光の強度Ｉの関係を示す図である。 ウォブリング処理を説明する図である。 第１実施例に係る照明装置を示す図である。 先端部の一部を示す平面図である。 変形例に係る光集積回路の平面図である。 図６の光集積回路における位相差Δφと戻り光の強度Ｉの関係を示す図である。 図８（ａ）、（ｂ）は、第２実施例に係る照明装置を示す図である。 図９（ａ）、（ｂ）は、第３実施例に係る照明装置を示す図である。 第４実施例に係る照明装置を示す図である。 図１０の照明装置における位相差Δφと２つの戻り光の関係を示す図である。 図１２（ａ）、（ｂ）は、第５実施例に係る照明装置を示す図である。 図１３（ａ）、（ｂ）は、第６実施例に係る照明装置を示す図である。 図１３（ａ）の照明装置における、位相差Δφと戻り光の強度の関係を示す図である。 図１５（ａ）〜（ｄ）は、位相差の計算の方法を示す図である。 第６実施例に係る照明装置を示す図である。 第７実施例に係る照明装置を示す図である。 第８実施例に係る照明装置を示す図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

また図面に記載される各部材の寸法（厚み、長さ、幅など）は、理解の容易化のために適宜、拡大縮小されている場合がある。さらには複数の部材の寸法は、必ずしもそれらの大小関係を表しているとは限らず、図面上で、ある部材Ａが、別の部材Ｂよりも厚く描かれていても、部材Ａが部材Ｂよりも薄いこともあり得る。

本明細書において参照するグラフやタイムチャートの縦軸および横軸は、理解を容易とするために適宜拡大、縮小したものであり、また示されるグラフ、波形も、理解の容易のために簡略化され、あるいは誇張もしくは強調されている。

（概要および原理）
図１は、干渉縞を生成する照明装置２の原理を示す図である。照明装置２は、干渉縞３を形成する。照明装置２は、入力アーム１０、第１出力アーム２０、第２出力アーム３０、分波器４０、位相変調器５０、位相検出器６０、コントローラ７０、光源８０を備える。

入力アーム１０、第１出力アーム２０および第２出力アーム３０は、光導波路や光ファイバ、それらの組み合わせであり得る。

入力アーム１０には、光源８０からの入力光Ｌ_１が入力される。入力光Ｌ_１は可干渉性を有しており、たとえば光源８０は、半導体レーザ、ガスレーザ、固体レーザ、ＬＥＤ（発光ダイオード）などを用いることができる。入力光Ｌ_１の波長は特に限定されない。

分波器４０は、入力アーム１０を通過した入力光Ｌ_２を、第１出力アーム２０の入射端２２および第２出力アーム３０の入射端３２に分岐させる。第１出力アーム２０の入射端２２に入力された光Ｌ_２１は、第１出力アーム２０を伝搬し、出射端２４から放射される。同様に、第２出力アーム３０の入射端３２に入力された光Ｌ_２２は第２出力アーム３０を伝搬し、出射端３４から放射される。出射端２４からの放射光Ｌ_３１と、出射端３４からの放射光Ｌ_３２が干渉することにより、仮想的なスクリーン５上には干渉縞３が形成される。

位相変調器５０は、コントローラ７０からの制御信号Ｓ_１に応じて、第１出力アーム２０および第２出力アーム３０の少なくとも一方の光路長を変化させる。これにより第１出力アーム２０と第２出力アーム３０からの２つの出射光Ｌ_３１，Ｌ_３２に位相差Δφが与えられ、位相差Δφに応じた干渉縞３が形成される。コントローラ７０は、所望の干渉縞３が得られるように、位相差Δφを制御する。

続いて、位相検出について説明する。第１出力アーム２０に入射した光Ｌ_２１の一部は、出射端２４において放射されずに反射し、入射端２２に戻る。この光を第１反射光Ｌ_４１と称する。同様に、第２出力アーム３０に入射した光Ｌ_３１の一部は、出射端３４において放射されずに反射し、入射端３２に戻る。これを第２反射光Ｌ_４２と称する。

位相検出器６０は、第１反射光Ｌ_４１と第２反射光Ｌ_４２を合成して得られる戻り光Ｌ_５にもとづいて、出射光Ｌ_３１とＬ_３２の位相差Δφを検出する。

以上が照明装置２の基本構成である。続いて、位相検出の原理を説明する。

第１反射光Ｌ_４１と第２反射光Ｌ_４２はそれぞれ、対応する出力アームを１往復している。したがって入射端における第１反射光Ｌ_４１と第２反射光Ｌ_４２の位相差は２φとなる。戻り光Ｌ_５の強度Ｉは、式（１）で与えられる。Ｉ_０は、戻り光Ｌ_５のピーク強度を表す。
Ｉ＝Ｉ_０・ｃｏｓ^２（Δφ）
＝Ｉ_０／２×（１＋ｃｏｓ（２Δφ）） …（１）
図２は、位相差Δφと戻り光Ｌ_５の強度Ｉの関係を示す図である。したがって戻り光Ｌ_５の強度Ｉを測定することにより、位相差Δφを測定することができる。

照明装置２のキャリブレーション動作を説明する。コントローラ７０は、位相変調器５０に対して、所望の位相差Δφ_ＲＥＦ（たとえばπ／４）に対応する制御信号Ｓ_１を与える。位相変調器５０は、制御信号Ｓ_１に応じて、第１出力アーム２０と第２出力アーム３０に位相差Δφを与える。

このとき、位相検出器６０において測定された戻り光Ｌ_５の強度がＩ_ＭＥＡＳであったとすると、第１出力アーム２０と第２出力アーム３０の実際の位相差Δφ_{ＡＣＴＵＡＬ}は、式（２Ａ）もしくは（２Ｂ）から求めることができる。
Δφ_{ＡＣＴＵＡＬ}＝ａｒｃｃｏｓ（√（Ｉ_ＭＥＡＳ／Ｉ_０）） …（２Ａ）
Δφ_{ＡＣＴＵＡＬ}＝｛ａｒｃｃｏｓ（２Ｉ_ＭＥＡＳ／Ｉ_０−１）｝／２ …（２Ｂ）

ピーク強度Ｉ_０は、予め規定した値を用いてもよい。あるいは、ピーク強度Ｉ_０を実測にもとづいて求めてもよい。
（i）たとえばΔφを連続的あるいは離散的にスイープしながら、戻り光Ｌ_５の強度Ｉを測定し、強度Ｉの平均値から、ピーク強度Ｉ_０を算出してもよい。
（ii）Δφをスイープして得られる強度Ｉの最大値を検出してもよい。
（iii）Δφを少なくとも既知の３点で変化させ、各点で測定された強度Ｉを、式（１）にフィッティングすることによりピーク強度Ｉ_０を計算してもよい。

以上が照明装置２のキャリブレーション動作である。この照明装置２によれば、第１出力アーム２０および第２出力アーム３０それぞれの出射端２４，３４における実際の位相差Δφを測定することができる。

なおキャリブレーション処理は、複数のポイント（目標位相差Δφ_ＲＥＦ）で行ってもよい。

上述のように戻り光Ｌ_５に含まれる２つの反射光Ｌ_４１，Ｌ_４２の位相差は、出射端２４，３４における位相差Δφの２倍である。つまり、戻り光Ｌ_５の強度にもとづく位相差検出によれば、出射端における位相差検出に比べて、２倍の検出感度を実現できる。

（フィードバック制御）
測定された位相差Δφ_{ＡＣＴＵＡＬ}は、たとえば以下のように使用することができる。コントローラ７０は、測定された位相差Δφ_{ＡＣＴＵＡＬ}が目標位相Δφ_ＲＥＦと一致するように、制御信号Ｓ_１をフィードバック制御してもよい。フィードバック制御にはＰＩ（比例・積分）制御や、ＰＩＤ制御（比例・積分・微分）制御を用いることができる。あるいはアナログ回路でエラーアンプを用いてフィードバック系を構成してもよい。これにより、出射端２４と３４における位相差を、目標位相Δφ_ＲＥＦに設定することができる。

なおフィードバック制御を行わずに、測定された位相差Δφ_{ＡＣＴＵＡＬ}を、画像処理に使用してソフトウェアでキャリブレーションを行ってもよい。

（オフセット処理）
図２では、戻り光Ｌ_２の強度にオフセットがないものとしたが、実際にはオフセット成分が含まれる場合もあり得る。オフセット成分は、分岐部や戻り光分波部の設計、製造誤差や、戻り光Ｌ_２の強度を測定する光検出器の暗電流などに起因しうる。オフセット成分を含む戻り光Ｌ_２の強度は、式（１ａ）で与えられる。
Ｉ＝Ｉ_０・ｃｏｓ^２（Δφ）＋Ｉ_ＤＣ
＝Ｉ_０／２×（１＋ｃｏｓ（２Δφ））＋Ｉ_ＤＣ …（１ａ）

この場合、位相差Δφをスキャンして、戻り光Ｌ_２の強度Ｉの最大値Ｉ_ＭＡＸ、最小値をＩ_ＭＩＮを測定し、Ｉ_ＤＣ＝Ｉ_ＭＩＮ、Ｉ_０＝Ｉ_ＭＡＸ−Ｉ_ＭＩＮとして、測定された強度Ｉからオフセット成分を除去して、式（１）の形式に変換すればよい。これによりオフセットが存在しない場合と同じ処理を行うことができる。あるいは最大値Ｉ_ＭＡＸ，最小値Ｉ_ＭＩＮは、事前に取得しておいた値（測定値、計算値、仮定値）を用いてもよい。

（ウォブリング処理）
図３は、ウォブリング処理を説明する図である。図２から明らかなように、同一の測定値Ｉ_ＭＥＡＳを与える位相差Δφ_{ＡＣＴＵＡＬ}は複数存在する。目標値Δφ_ＲＥＦと測定値Δφ_{ＡＣＴＵＡＬ}の誤差がそれほど大きくない場合において、目標位相Δφ_ＲＥＦがπ／４，３π／４，５π／４，７π／４・・・の近傍である場合には、位相差Δφ_{ＡＣＴＵＡＬ}の複数の候補から、目標位相Δφ_ＲＥＦに近いひとつを選択すればよい。

しかしながら図３に示すように、目標位相Δφ_ＲＥＦがΔφ＝０，π／２，π，３π／２，２π・・・の近傍に位置する場合、複数の位相差Δφ_{ＡＣＴＵＡＬ}の候補が、目標位相Δφ_ＲＥＦを挟むようにして近接して現れることとなり、正しい位相差を選択できない。つまり、検出可能な位相差の範囲はπ／２より狭い。

そこでコントローラ７０は、目標位相Δφ_ＲＥＦを所定方向に変化させ、そのときの測定強度Ｉ_ＭＥＡＳの変化の方向にもとづいて、位相差Δφ_{ＡＣＴＵＡＬ}を選択することができる。たとえば図３の例において、Δφ_ＲＥＦを所定幅α、増加させた場合に、測定強度Ｉ_ＭＥＡＳが減少すれば、Δφ_{ＡＣＴＵＡＬ１}が正しい位相差を与え、測定強度Ｉ_ＭＥＡＳが増加すれば、Δφ_{ＡＣＴＵＡＬ２}が正しい位相差を与えることとなる。

反対にΔφ_ＲＥＦを減少させた結果、測定強度Ｉ_ＭＥＡＳが増加すれば、Δφ_{ＡＣＴＵＡＬ１}が正しい位相差を与え、測定強度Ｉ_ＭＥＡＳが減少すれば、Δφ_{ＡＣＴＵＡＬ２}が正しい位相差を与えることとなる。

このようにウォブリング処理を併用することで、位相差Δφ_{ＡＣＴＵＡＬ}の複数の候補の中から適切なひとつを選択できる。言い換えれば検出可能な位相差の範囲を、ウォブリング無しのπ／２から、πに拡張することができる。

本発明は、図１のブロック図として把握され、あるいは上述の説明から導かれるさまざまな装置、方法に及ぶものであり、特定の構成に限定されるものではない。以下、本発明の範囲を狭めるためではなく、発明の本質や回路動作の理解を助け、またそれらを明確化するために、より具体的な実施例や変形例を説明する。

以下では、照明装置２の用途として内視鏡スコープを例として、いくつかの実施例を説明する。

（第１実施例）
図４は、第１実施例に係る照明装置２Ａを示す図である。内視鏡スコープは、機能的には、観察対象物に光を照射する照明装置と、対象物が反射した光を測定する撮像装置と、を備える。三次元形状計測では、照明装置は、干渉縞を対象物に照射し、干渉縞をシフトさせながら複数の画像を撮影し、演算処理によって対象物の三次元形状を復元する。この用途において、照明装置は干渉縞投影器などとも称される。内視鏡スコープは、医療用途や工業用途に用いられるが、その限りではない。

また内視鏡スコープは、構造的には、先端部４および挿入部６を備える。先端部４は、照明装置の一部および撮像装置を収容する部分であり、金属等の硬質な部材で外面が構成されている。挿入部６は、可撓性を有する部材で構成され、先端部４の近傍を屈曲させることにより先端部４の向きが調整可能である。したがって、内視鏡スコープは軟性鏡として構成され、挿入部６に比べて先端部４は可撓性が低い。挿入部６の内側には、光ファイバ８２や、配線８３等が挿通されている。変形例では、挿入部６が可撓性を有しないように構成された硬性鏡の内視鏡スコープであってもよい。

照明装置２Ａにおいて、第１出力アーム２０、第２出力アーム３０、分波器４０および第２出力アーム３０は、図示しない撮像装置とともに、先端部４に収容される。光源８０の出射光は、内視鏡スコープの挿入部６の内側に挿通する光ファイバ８２を介して、先端部４に入力される。光ファイバ８２は、入力アーム１０の一部でありうる。

先端部４の構成を説明する。図５は、先端部４の一部を示す平面図である。先端部４の一部は光集積回路１００に集積化されている。具体的には光集積回路１００は石英系の平面光波回路（PLC: Planer Lightwave Circuit）であり、導波路ＷＧ１，ＷＧ２，ＷＧ３および分波器４０が形成されている。導波路ＷＧ１，ＷＧ２，ＷＧ３はそれぞれ、入力アーム１０、第１出力アーム２０、第２出力アーム３０の一部（あるいは全部）に対応しており、導波路ＷＧ２の端部は、第１出力アーム２０の出射端２４に対応し、導波路ＷＧ３の端部は、第２出力アーム３０の出射端３４に対応する。

導波路ＷＧ１は、光ファイバ８２とカップリングされ、光源８０からの入力光Ｌ_２が入力される。分波器４０はＹ分岐導波路であり、入力側の導波路ＷＧ１の光Ｌ_１を出力側の２つの導波路ＷＧ２，ＷＧ３に分岐させる。分波器４０の分割比は任意であるが、干渉縞のコントラスト比が高まるように１：１で分割されることが好ましい。分波器４０は、そのほか、光分配機能を有する方向性結合器、ＭＭＩカプラ、スターカプラなどを用いることができる。

光源８０は、半導体レーザ素子などの固体レーザ光源である。光源８０の出力波長は特に限定されないが、たとえば波長λ＝６３５ｎｍの赤色光を用いることができる。

導波路ＷＧ２，ＷＧ３の少なくとも一方の光路長（すなわち屈折率）が可変に構成されている。位相変調器５０は、熱光学効果を利用して、導波路ＷＧ３の光路長を変化させる。位相変調器５０は、薄膜ヒータ５２、電極５４、電極５６を備える。薄膜ヒータ５２は、導波路ＷＧ２，ＷＧ３の少なくとも一方（ここでは導波路ＷＧ３）の上部に形成されている。薄膜ヒータ５２はたとえばＣｒ（クロム）などの金属を用いることができる。電極５４，５６は、薄膜ヒータ５２の両端から引き出されており、外部から電力が供給可能となっている。コントローラ７０は、制御信号Ｓ_１として電極５４，５６の間に電圧信号や電流信号を与える。これにより薄膜ヒータ５２が制御信号Ｓ_１に応じて発熱し、熱光学効果によって薄膜ヒータ５２の直下の導波路ＷＧ３の屈折率を変化させることができる。

変形例において位相変調器５０は、電気光学効果、キャリアプラズマ分散効果、光弾性効果などを利用してもよい。

図４に戻る。位相検出器６０は、戻り光分波部６２および第１光検出器ＰＤ１を備える。一実施例において戻り光分波部６２はサーキュレータであり、ポートＰＯＲＴ１〜ＰＯＲＴ３を有する。第１ポートＰＯＲＴ１は、光源８０と接続され、第２ポートＰＯＲＴ２は、入力アーム１０と接続される。戻り光分波部６２は、光源８０から第１ポートＰＯＲＴ１への入力光を第２ポートＰＯＲＴ２から出力する。戻り光分波部６２の第２ポートＰ２には、第１出力アーム２０および第２出力アーム３０からの戻り光Ｌ_５が入力される。戻り光分波部６２は、第２ポートＰ２に入力される戻り光Ｌ_５を、第３ポートＰＯＲＴ３から出力する。戻り光分波部６２としてサーキュレータを用いた場合、第２ポートＰＯＲＴ２に入射した戻り光が、第１ポートＰＯＲＴ１側の光源８０に戻るのを抑制できる。

第１光検出器ＰＤ１は、戻り光分波部６２の第３ポートＰＯＲＴ３からの出力光Ｌ_５の強度を測定する。第１光検出器ＰＤ１の出力Ｓ_２は、コントローラ７０に入力される。コントローラ７０は、第１光検出器ＰＤ１の出力Ｓ_２が示す戻り光Ｌ_５の強度_Ｉにもとづいて、位相差Δφ_{ＡＣＴＵＡＬ}を計算することができる。

以上が第１実施例に係る照明装置２Ａの構成である。第１実施例によれば、戻り光分波部６２を利用することにより、戻り光Ｌ_５の強度を測定し、分波器４０より先端側の２つのアーム２０，３０の位相差Δφを検出できる。

第１実施例では、挿入部６を挿通する光ファイバ８２の本数が１本で足りるという利点もある。部品点数が少ないことは、信頼性の向上に大きく貢献する。

図６は、変形例に係る光集積回路１００の平面図である。この変形例において、出力側の導波路ＷＧ２とＷＧ３は、π／４に相当する初期位相差を有するように形成されている。図６では、模式的に導波路ＷＧ２の物理的な長さが長く描かれているがその限りでなく、屈折率を異ならしめることにより光路差を生じさせてもよい。

図６の光集積回路１００の利点は、図５の光集積回路１００との対比によって明確となる。そこではじめに図５の光集積回路１００において生ずる問題点を、図２を参照して説明する。三次元形状計測では、２つの出力アームの位相差が、複数の値で切りかえられる。ここで、複数の位相差Δφとして０，π／２，π，３π／２（０度、９０度、１８０度、２７０度）の４バケットを用いたとする。この場合、図２に示すように、測定される戻り光Ｌ_５の強度は、ピーク値Ｉ_０またはゼロの近傍となり、傾きが小さい、すなわち検出感度が低い領域を使用することとなる。ここでの検出感度とは、位相差Δφの変化量ｄΔφに対する強度Ｉの変化量ｄＩの比ｄＩ／ｄΔφと把握できる。また、上述したウォブリング処理を併用する必要性が高まる場合もある。

図７は、図６の光集積回路１００における位相差Δφと戻り光Ｌ_５の強度Ｉの関係を示す図である。２つの出力アーム２０，３０に光路差を与えることにより、位相差Δφと強度Ｉの関係が、図２のそれに比べて、π／４シフトする。これにより、Δφ＝０，π／２，π，３π／２（０度、９０度、１８０度、２７０度）において、検出感度が高い領域（強度Ｉの傾きが大きい領域）を利用して、実際の位相差Δφ_{ＡＣＴＵＡＬ}を測定できる。

なお、図６の変形例は、第１実施例に限らず、以下で説明するさまざまな実施例とも組み合わせが可能である。

（第２実施例）
図８（ａ）、（ｂ）は、第２実施例に係る照明装置２Ｂを示す図である。第１実施例では、戻り光Ｌ_５を、入力光Ｌ_２と共通の光ファイバ８２を使用して、第１光検出器ＰＤ１に戻していた。これに対して、第２実施例では、戻り光Ｌ_５は、入力光Ｌ_２とは別の光ファイバ８４を介して戻される。光ファイバ８４は、光ファイバ８２とともに挿入部６に収容される。

図８（ｂ）は、第２実施例に係る光集積回路１００Ｂの平面図である。分波器４０Ｂは第１入力路４１、第２入力路４２、第１出力路４３、第２出力路４４を有する２×２結合器で構成される。第１入力路４１は、入力アーム１０に相当する入力側の導波路ＷＧ１と接続され、第１出力路４３は、第１出力アーム２０に相当する導波路ＷＧ２と接続され、第２出力路４４は、第２出力アーム３０に相当する導波路ＷＧ３と接続される。第２入力路４２は、導波路ＷＧ４を介して、光ファイバ８４と接続される。

分波器４０Ｂは、第１入力路４１に入力された光を、第１出力路４３、第２出力路４４に分岐する。また、分波器４０Ｂは、第１出力路４３および第２出力路４４に入力された光を、第２入力路４２（および第１入力路４１）に分岐（分配）させる。

第１出力アーム２０および第２出力アーム３０における反射光Ｌ_４１，Ｌ_４２の一部は、導波路ＷＧ４に分岐し、光ファイバ８４に入力される。位相検出器６０は、光ファイバ８４を介して戻された戻り光Ｌ_５の強度を測定する。

以上が照明装置２Ｂの構成である。この照明装置２Ｂにおいて分波器４０Ｂは、戻り光分波部６２と分波器４０を一体形成したものと把握できる。この照明装置２Ｂによれば、図４の戻り光分波部６２が不要となる。先端部４Ｂに供給可能な光のエネルギーは、戻り光分波部６２によって制約を受けるところ、照明装置２Ｂによれば、この制約を受けずに、大きなエネルギーを供給できる。また一般的に、光ファイバの方がサーキュレータよりも安価であるため、低コスト化に資することとなる。

（第３実施例）
図９（ａ）、（ｂ）は、第３実施例に係る照明装置２Ｃを示す図である。第３実施例では、第２光検出器ＰＤ２が先端部４Ｃに設けられている。挿入部６の内部には、図８（ａ）の光ファイバ８４に代えて、第２光検出器ＰＤ２の出力信号Ｓ_２を伝送する配線８５が挿通される。

図９（ｂ）には、光集積回路１００Ｃの平面図が示される。分波器４０Ｃは、図８（ｂ）の分波器４０Ｂと同様に、２×２結合器である。光集積回路１００Ｃには、第２光検出器ＰＤ２が集積化されており、第２光検出器ＰＤ２には、第２入力路４２から出力される戻り光Ｌ_５が入射する。第２光検出器ＰＤ２の出力信号Ｓ_２は、配線８５を介して、コントローラ７０に入力される。

以上が照明装置２Ｃの構成である。第３実施例によれば、第２実施例（図８）と比べて、光ファイバ８４が不要となる。一般的に、電気的な配線８５の方が光ファイバよりも安価であるため、低コスト化に資することとなる。また、光ファイバは曲げによって伝搬損失が変化する。第２実施例（図８）では戻り光Ｌ_５が光ファイバ８４を伝搬するため、第２光検出器ＰＤ２により測定される戻り光Ｌ_５の強度Ｉは、光ファイバ８４の曲げの影響を受けてしまう。これに対して第３実施例によれば、光集積回路１００Ｃ（先端部４Ｃ）において、戻り光Ｌ_５の強度Ｉが測定されるため、光ファイバの曲げの影響を受けにくくなる。

（第４実施例）
図１０は、第４実施例に係る照明装置２Ｄを示す図である。第４実施例は、第１実施例と第２実施例の組み合わせと把握することができる。先端部４Ｄの構成は、図８（ａ）の先端部４Ｃと同様である。分波器４０Ｃの第１入力路から光ファイバ８２に対して第１の戻り光Ｌ_５１が入力され、分波器４０Ｃの第２入力路から光ファイバ８４に対して第２の戻り光Ｌ_５２が入力される。

位相検出器６０は、戻り光分波部６２、第１光検出器ＰＤ１、第２光検出器ＰＤ２を含む。第１光検出器ＰＤ１は、戻り光分波部６２の第３ポートＰＯＲＴ３から出力される第１の戻り光Ｌ_５１の強度を測定し、その強度を示す検出信号Ｓ_２１を生成する。第２光検出器ＰＤ２は、第２の戻り光Ｌ_５２の強度を測定し、その強度を示す検出信号Ｓ_２２を生成する。コントローラ７０は、第１光検出器ＰＤ１の出力Ｓ_２１と第２光検出器ＰＤ２の出力Ｓ_２２とにもとづいて、位相差Δφを検出する。

以上が照明装置２Ｄの構成である。続いてその動作を説明する。図１１は、図１０の照明装置２Ｄにおける、位相差Δφと２つの戻り光Ｌ_５１，Ｌ_５２の関係を示す図である。２つの戻り光Ｌ_５１，Ｌ_５２は、位相差Δφに関して明暗が反転した相補的な関係にある。したがって、位相差Δφの値に応じて、戻り光Ｌ_５１，Ｌ_５２のそれぞれの強度Ｉ_１，Ｉ_２のうち大きい方を利用することにより、Ｓ／Ｎ比を高めることができる。

２つの強度Ｉ_１，Ｉ_２の和Ｉ_１＋Ｉ_２は一定でありピーク強度Ｉ_０を与える。したがってコントローラ７０は、２つ強度Ｉ_１，Ｉ_２の和にもとづいてピーク強度Ｉ_０を求めてもよい。より好ましくは、２つの強度Ｉ_１，Ｉ_２をそれぞれ、（Ｉ_１＋Ｉ_２）で除算することにより正規化してもよい。正規化された値Ａ_１，Ａ_２は、以下の式で与えられる。
Ａ_１＝Ｉ_１／（Ｉ_１＋Ｉ_２）＝ｃｏｓ^２（Δφ） …（３ａ）
Ａ_２＝Ｉ_２／（Ｉ_１＋Ｉ_２）＝１−ｃｏｓ^２（Δφ）…（３ｂ）
コントローラ７０は、Ａ_１，Ａ_２のうち値が大きい方を選択し、式（３ａ）、（３ｂ）のうち対応する一方から、Δφを求めることができる。正規化された値を用いることにより、光ファイバの曲げに起因するピーク強度Ｉ_０の変動の影響を取り除くことができる。

第４実施例のように２つの光検出器を併用する場合、２つの光検出器の測定強度（Ｉ_１，Ｉ_２）にオフセット成分が含まれる場合、以下の処理を行えばよい。
Ｉ_１＝Ｉ_０１・ｃｏｓ^２（Δφ）＋Ｉ_ＤＣ１
Ｉ_２＝Ｉ_０２・ｃｏｓ^２（Δφ）＋Ｉ_ＤＣ２

強度Ｉ_１について、最大値Ｉ_ＭＡＸ１、最小値をＩ_ＭＩＮ１を取得し、Ｉ_ＤＣ１＝Ｉ_ＭＩＮ１、Ｉ_０１＝Ｉ_ＭＡＸ１−Ｉ_ＭＩＮ１とする。同様に強度Ｉ_２について、最大値Ｉ_ＭＡＸ２、最小値をＩ_ＭＩＮ２を取得し、Ｉ_ＤＣ２＝Ｉ_ＭＩＮ２、Ｉ_０２＝Ｉ_ＭＡＸ２−Ｉ_ＭＩＮ２とする。
そして以下の関係式によって、正規化された値Ａ_１，Ａ_２を求めてもよい。
Ａ_１＝Ｉ_０１／（Ｉ_０１＋Ｉ_０２）＝ｃｏｓ^２（Δφ） …（３ａ’）
Ａ_２＝Ｉ_０２／（Ｉ_０１＋Ｉ_０２）＝１−ｃｏｓ^２（Δφ）…（３ｂ’）

（第５実施例）
図１２（ａ）、（ｂ）は、第５実施例に係る照明装置２Ｅを示す図である。図１２（ａ）に示すように、第５実施例においても、第４実施例と同様に、２つの戻り光Ｌ_５１，Ｌ_５２を検出する２つの光検出器ＰＤ１，ＰＤ２が利用される。第５実施例において、２つの光検出器ＰＤ１，ＰＤ２は先端部４Ｅに設けられている。

図１２（ｂ）は、第５実施例に係る光集積回路１００Ｅの平面図である。分波器４０Ｅは、分波器４０Ｂ，４０Ｃと同様に、２×２結合器である。位相検出器６０Ｅは、光集積回路１００Ｅに集積化される第１光検出器ＰＤ１、第２光検出器ＰＤ２およびサブ分波器６４を備える。

サブ分波器６４は、２×２結合器（４０Ｅ）の第１入力路４１に対する戻り光Ｌ_５１を、光源側のアームと検出用アーム６６とに分配する。第１光検出器ＰＤ１は、検出用アーム６６に分配された光Ｌ_５１の強度を測定する。第２光検出器ＰＤ２は図９（ｂ）と同様に、第２入力路４２からの出力光の強度を測定する。

第１光検出器ＰＤ１、第２光検出器ＰＤ２それぞれの出力（検出信号）Ｓ_２１，Ｓ_２２は、電気的な配線８６、８５を経由して、コントローラ７０に供給される。コントローラ７０は２つの検出信号Ｓ_２１，Ｓ_２２にもとづいて、位相差Δφを検出する。

以上が照明装置２Ｅの構成である。照明装置２Ｅによれば、図１０の照明装置２Ｄと比べて、戻り光分波部６２および光ファイバ８４を省略することができる。

図１０において、第１光検出器ＰＤ１を先端部４Ｄ（光集積回路１００）に内蔵し、戻り光分波部６２を省略してもよい。

（第６実施例）
図１３（ａ）、（ｂ）は、第６実施例に係る照明装置２Ｆを示す図である。この照明装置２Ｆは、図４の照明装置２Ａを多波長化したものと把握される。

光源８０Ｆは、干渉縞を形成するための光λ_１に加えて、位相差検出用の波長の異なる光λ_２を発生する。たとえば光源８０Ｆは、発振波長の異なる２つのレーザダイオードを含んでもよいし、波長可変レーザを含んでもよい。波長の異なる光λ_１，λ_２は、マルチプレクサ８８によって合波される。たとえば２つの波長として、λ_１＝６３３ｎｍとλ_２＝５４０ｎｍを用いてもよい。

位相検出器６０Ｆは、戻り光分波部６２、デマルチプレクサ６８および２つの光検出器ＰＤ１_１，ＰＤ１_２を備える。デマルチプレクサ６８は、戻り光Ｌ_５に含まれる波長の異なる光λ_１，λ_２を分波する。２つの光検出器ＰＤ１_１，ＰＤ１_２はそれぞれ、対応する波長の光λ_１，λ_２の強度を検出する。

以上が照明装置２Ｆの構成である。続いてその動作を説明する。図１４は、図１３（ａ）の照明装置２Ｅにおける、位相差Δφと戻り光の強度の関係を示す図である。ある制御信号Ｓ_１を与えたときに、２つの出力アーム２０，３０の位相差Δφは波長ごとに異なる。ここでは、波長λ_２に対する位相差をΔφ_２とし、測定対象である波長λ_１に対する位相差をΔφと区別する。

上述のように単波長の光λ_１のみを用いる場合、同じ強度Ｉ_Ｘを与える位相差は複数Δφ_Ａ，Δφ_Ｂ、存在する。

第５実施例では、複数の波長λ_１，λ_２に関して戻り光Ｌ_５の強度Ｉ_ｘ，Ｉ_ｙのペアを測定することにより、正しい位相差Δφを求めることができる。位相差Δφ（制御信号Ｓ_１）の範囲ごとに、Δφ_１とΔφ_２の大小関係が変化する。図１４の例では、波長λ_２の強度がＩ_ｙ１であれば波長λ_１に関してΔφ_Ａが正しい位相であり、波長λ_２の強度がＩ_ｙ２であれば波長λ_１に関してΔφ_Ｂが正しい位相となる。このように複数の波長の強度を測定することにより正しい位相Δφ_１を検出できる。

より詳しくは、位相差Δφは以下の手順で計算することができる。図１５（ａ）〜（ｄ）は、位相差の計算の方法を示す図である。図１５（ａ）〜（ｄ）において、位相差の単位は度（Degree）である。図１５（ａ）は、光検出器ＰＤ１_１の検出強度Ｉ_ｘ、光検出器ＰＤ１_２の検出強度Ｉ_ｙを示す。式（２Ａ）または（２Ｂ）を用いて、Ｉ_ｘからΔφを、Ｉ_ｙからΔφ_２を計算する（図１５（ｂ））。

続いて、Δφ、Δφ_２それぞれについて、傾きが負の領域を反転し、Δφ’、Δφ_２’を得る（図１５（ｃ））。続いて、Δφ’−Δφ_２’を計算する。Δφ’−Δφ_２’を、０より小さい範囲に正規化することにより、求めるべき位相差Δφを得ることができる。

以上が第５実施例の動作である。第５実施例は、第１実施例において、２つの波長λ_１，λ_２のビートに相当する波長λ＝λ_１・λ_２／（λ_１−λ_２）を用いたときと同等まで、位相差検出の範囲を拡大することができる。

（第６実施例）
図１６は、第６実施例に係る照明装置２Ｇを示す図である。この照明装置２Ｇは、第５実施例の変形と把握できる。光源８０Ｇは、３波長の光λ_１〜λ_３を生成する。λ_１は、干渉縞の生成に使用される光であり、λ_２およびλ_３は、位相検出用の光である。つまり位相検出に関して、第６実施例の２つの光λ_２およびλ_３は、第５実施例における光λ_１，λ_２に対応付けられる。マルチプレクサ８８は、３波長の光λ_１〜λ_３を合波する。３つの波長を含む入力光Ｌ_２は、光ファイバ８２を伝搬して先端部４Ｇに入力される。

先端部４Ｇにおいて、第１出力アーム２０の出射端２４、第２出力アーム３０の出射端３４には、λ_１は透過し、λ_２およびλ_３は反射するように波長フィルタコーティングが施されている。これにより、光λ_１が空間に放射されて干渉縞が形成される。また、光λ_２とλ_３は、出射端２４，３４で反射し、戻り光Ｌ_５として位相検出器６０Ｇに入力される。

位相検出器６０Ｇは、図１３（ａ）の位相検出器６０Ｆと同じ構成を有する。デマルチプレクサ６８は、戻り光Ｌ_５を波長λ_２とλ_３に分波する。

コントローラ７０は、光検出器ＰＤ１_１とＰＤ１_２の出力にもとづいて、位相差を検出する。位相検出の方法は第５実施例で説明した通りである。

第６実施例によれば、光λ_１を利用した干渉縞の形成と平行して、２つの光λ_２、λ_３を利用して２つの出力アーム２０，３０の位相差を検出することができる。

また、干渉縞の生成に使用される波長の光λ_１を、位相差検出に用いる必要がないため、照射効率を高めることができる。また位相差検出のための光λ_２，λ_３を用いるため、λ_１の光の一部を利用する場合に比べて、検出感度を高めることができる。

（第７実施例）
図１７は、第７実施例に係る照明装置２Ｈを示す図である。これまでの実施例では、先端部４Ｇにおいて光が２分岐されていたが、第７実施例では３分岐される。照明装置２Ｈは、先端部４Ｇを除く部分については、図１６の照明装置２Ｇと同様の構成を有する。

先端部４Ｈについて説明する。先端部４Ｈにおいて、入力アーム１０に入射した光は、第１出力アーム２０、第２出力アーム３０、第３出力アーム３１に分岐する。したがって先端部４Ｈには、３分岐の分波器４０Ｈが設けられる。位相変調器５０は、コントローラ７０からの制御信号Ｓ_１１にもとづいて第２出力アーム３０の光路長を変化させ、位相変調器５１は、制御信号Ｓ_１２にもとづいて第３出力アーム３１の光路長を変化させる。

先端部４Ｈの出射端には波長フィルタコーティングが施されている。第１出力アーム２０の出射端２４では、光λ_１，λ_２は一部透過、一部反射する。第２出力アーム３０の出射端３４では、光λ_１が全透過し、λ_２は一部透過、一部反射する。第３出力アーム３１の出射端３５では、光λ_２が全透過し、λ_１は一部透過、一部反射する。

以上が照明装置２Ｈの構成である。続いてその動作を説明する。

戻り光Ｌ_５に含まれる波長λ_１の成分は、第１出力アーム２０と第３出力アーム３１のペアの位相差を表す。したがって、光検出器ＰＤ１_１の出力にもとづいて、第１出力アーム２０と第３出力アーム３１のペアの位相差を検出できる。

戻り光Ｌ_５に含まれる波長λ_２の成分は、第１出力アーム２０と第２出力アーム３０のペアの位相差を表す。したがって、光検出器ＰＤ１_２の出力にもとづいて、第１出力アーム２０と第２出力アーム３０のペアの位相差を検出できる。

第７実施例によれば、互いに異なる２つの光路（出力アーム）の位相差を検出できる。波長の数を増やせば、３より多い数の出力アームについて位相差の検出が可能である。

（第８実施例）
図１８は、第８実施例に係る照明装置２Ｉを示す図である。この照明装置２Ｉは、図１０の照明装置２Ｄ（第４実施例）の変形と把握でき、照明装置２Ｄに加えて、光ファイバ９０，９２を備える。光ファイバ９０は、先端部４Ｄの導波路（ＷＧ２）の出射端２４とカップリングされており、先端部４Ｄの導波路（ＷＧ２）とともに第１出力アーム２０をなしている。同様に光ファイバ９２は、先端部４Ｄの導波路（ＷＧ３）の出射端３４とカップリングされており、先端部４Ｄの導波路（ＷＧ３）とともに第２出力アーム３０をなしている。なお、光ファイバ９０，９２は、マルチコアファイバを用いてもよい。

第８実施例によれば、光ファイバ９０，９２を含む出力アーム２０，３０全体の位相差を検出することができる。また光ファイバ９０，９２の先端が、空間への光出射部となるため、小型化が可能となり、取り回しの自由度が高まる。

なお、そのほかの実施例に関しても、第８実施例と同様に、光ファイバ９０，９２を追加することが可能である。

２…照明装置、４…先端部、６…挿入部、１０…入力アーム、２０…第１出力アーム、２２…入射端、２４…出射端、３０…第２出力アーム、３２…入射端、３４…出射端、４０…分波器、４１…第１入力路、４２…第２入力路、４３…第１出力路、４４…第２出力路、５０…位相変調器、５２…薄膜ヒータ、５４，５６…電極、６０…位相検出器、６２…戻り光分波部、６４…サブ分波器、６６…検出用アーム、６８…デマルチプレクサ、７０…コントローラ、８０…光源、８２，８４…光ファイバ、８５，８６…配線、８８…マルチプレクサ、９０，９２…光ファイバ、１００…光集積回路、ＰＤ１…第１光検出器、ＰＤ２…第２光検出器。

Claims (6)

1. 干渉縞を生成する照明装置であって、
   光源からの入力光を受ける入力アームと、
   第１出力アームと、
   第２出力アームと、
   前記入力アームを通過した前記入力光を、前記第１出力アームおよび前記第２出力アームに分岐させる分波器と、
   前記第１出力アームと前記第２出力アームそれぞれの出射光の位相差を変化させる位相変調器と、
   前記第１出力アームの先端での第１反射光と前記第２出力アームの先端での第２反射光が合成された戻り光にもとづいて、前記第１出力アームと前記第２出力アームそれぞれの出射光の位相差を検出する位相検出器と、
   を備える照明装置。
2. 前記位相検出器は、
   前記光源と接続される第１ポートと、前記入力アームと接続される第２ポートと、前記入力アームから前記第２ポートへの入力光を出力する第３ポートと、を有する戻り光分波部と、
   前記第３ポートからの出力光の強度を測定する第１光検出器と、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記分波器は、前記入力アームと接続される第１入力路と、第２入力路と、前記第１出力アームと接続される第１出力路と、前記第２出力アームと接続される第２出力路と、を有する２×２結合器を含み、
   前記位相検出器は、前記第２入力路からの戻り光の強度を測定する第２光検出器を含むことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
4. 前記分波器は、前記入力アームと接続される第１入力路と、第２入力路と、前記第１出力アームと接続される第１出力路と、前記第２出力アームと接続される第２出力路と、を有する２×２結合器を含み、
   前記位相検出器は、前記第２入力路からの戻り光の強度を測定する第２光検出器をさらに含み、前記第１光検出器の出力と前記第２光検出器の出力とにもとづいて、前記位相差を検出することを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
5. 前記位相検出器は、
   前記２×２結合器の前記第１入力路に対する戻り光を、前記光源側のアームと検出用アームに分配するサブ分波器と、
   前記検出用アームに分配された光の強度を測定する第１光検出器と、
   をさらに含み、前記第１光検出器の出力と前記第２光検出器の出力とにもとづいて、前記位相差を検出することを特徴とする請求項３に記載の照明装置。
6. 前記光源は、波長の異なる複数の入力光を生成可能であり、
   前記位相検出器は、
   前記戻り光を、複数の波長に対応する複数の経路に分岐するデマルチプレクサと、
   前記デマルチプレクサにより分岐された波長ごとの光の強度を測定する複数の光検出器と、
   を備え、前記複数の光検出器の出力にもとづいて、前記位相差を検出することを特徴とする請求項１に記載の照明装置。

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