特開 2023-142557 光源装置および光測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023142557

(43)【公開日】2023-10-05

(54)【発明の名称】光源装置および光測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01J 3/10 20060101AFI20230928BHJP

   G01J 3/18 20060101ALI20230928BHJP

   G01J 3/14 20060101ALI20230928BHJP

【ＦＩ】

G01J3/10

G01J3/18

G01J3/14

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022049510

(22)【出願日】2022-03-25

(71)【出願人】

【識別番号】000102212

【氏名又は名称】ウシオ電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105924

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 賢樹

(74)【代理人】

【識別番号】100133215

【弁理士】

【氏名又は名称】真家 大樹

(72)【発明者】

【氏名】赤井 伸伍

(72)【発明者】

【氏名】世良 英之

(72)【発明者】

【氏名】植月 一雅

【テーマコード（参考）】

2G020

【Ｆターム（参考）】

2G020AA03

2G020CC01

2G020CC02

2G020CC13

2G020CD03

(57)【要約】

【課題】カプラとしてＡＷＧを用いた光源装置で生ずる問題の少なくともひとつを解決する。
【解決手段】光源装置２００Ａは、波長掃引光Ｌ１を発生する。パルス光源２１０は、広帯域パルス光Ｌ１ａを生成する。分割器２２０は、広帯域パルス光Ｌ１ａを、波長に応じて空間的に分割し、複数の分割光Ｌ１ｃを出射する。ファイバ２３０＿１～２３０＿ｎは、複数の分割光Ｌ１ｃに異なる遅延を与える。カプラ２５０Ａは、分散素子２５２を含み、複数のファイバ２３０＿１～２３０＿ｎから出力される光を合波して出射する。
【選択図】図６

【特許請求の範囲】

【請求項1】

波長掃引光を発生する光源装置であって、
パルス光を生成するパルス光源と、
前記パルス光を、波長に応じて空間的に分割し、複数の分割光を出射する分割器と、
前記複数の分割光に異なる遅延を与える複数のファイバと、
分散素子を含み、前記複数のファイバから出力される光を合波して出射するカプラと、
を備えることを特徴とする光源装置。

【請求項2】

前記カプラは、
前記分散素子に加えて、前記複数のファイバから出射される複数の光をコリメートし、前記分散素子に、波長に応じた異なる入射角で入射させる光学系をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の光源装置。

【請求項3】

前記分散素子は、回折格子であることを特徴とする請求項２に記載の光源装置。

【請求項4】

前記分散素子は、プリズムであることを特徴とする請求項２に記載の光源装置。

【請求項5】

前記光学系は、ケーラーレンズ系であることを特徴とする請求項２に記載の光源装置。

【請求項6】

前記カプラは、前記分散素子の出射光を受け、前記分散素子の波長分散方向にパワーを有するシリンドリカルレンズをさらに含むことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の光源装置。

【請求項7】

波長掃引光を発生する請求項１から６のいずれかに記載の光源装置と、
前記波長掃引光を対象物に照射して得られる物体光を測定する受光装置と、
を備えることを特徴とする光測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、光源装置および光測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

対象物の成分分析や検査に分光解析が広く用いられる。分光解析では、照射光を対象物に照射し、照射の結果得られる物体光のスペクトルが測定される。そして、物体光のスペクトルと照射光のスペクトルの関係にもとづいて、反射特性（波長依存性）あるいは透過特性などの光学的特性を得ることができる。

【0003】

光学特性の測定手法のひとつとして、波長掃引型の分光法が知られている。波長掃引型の分光器は、波長が経時的に変化する波長掃引光を生成し、検査対象に照射する。波長掃引光は、時間と波長が１対１の関係にあるパルスあるいはパルス列である。そして波長掃引光を検査対象に照射して得られる光の時間波形を受光器によって検出する。受光器の出力波形は、時間軸が波長に対応するスペクトルを表す。

【0004】

特許文献１には、波長掃引型の分光法の分光測定装置用の光源装置が開示される。図１は、従来の光源装置２００Ｒを説明する図である。この光源装置２００Ｒは、パルス光源２１０、分割器２２０、複数ｎ個（ｎ≧２）のファイバ２３０＿１～２３０＿ｎ、カプラ２４０を備える。分割器２２０は、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ：Arrayed Waveguide Grating）２２２を含み、パルス光源２１０からのパルス光を、波長に応じて複数ｎ個に分割する。複数ｎ個のファイバ２３０＿１～２３０＿ｎは、分割器２２０により分割されたｎ個の光に、異なる遅延を与える。カプラ２４０は、複数ｎ本のファイバ２３０＿１～２３０＿ｎから出射する光を、同一の照射領域に照射されるように空間的に重ね合わる。特許文献１において、分割器２２０はＡＷＧ２２２を含んで構成される。また、カプラ２４０の構成例のひとつとして、分割器２２０と同様に、ＡＷＧ２４２を含むものが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０２０－１５９９７３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明者らは、図１の光源装置２００Ｒについて検討した結果、以下の課題を認識するに至った。

【0007】

図２は、ＡＷＧ２２２，２４２の透過率ηを示す図である。図２には、ＡＷＧ２２２，２４２上に形成される複数の導波路のうち、中心波長が１０９２ｎｍである分割波長帯域に対応するひとつの導波路の透過率ηが示される。一導波路に対応するＡＷＧの透過率ηは、中心波長において最大となり（ここでは規格化して１としている）、中心波長から離れるにしたがって低下する。ここでは透過率ηはガウシアン分布にしたがうものとする。

【0008】

図１の光源装置２００Ｒでは、ある分割波長帯域の光は、分割器２２０側のＡＷＧ２２２と、カプラ２４０側のＡＷＧ２４２を通過する。ここで、分割器２２０側のＡＷＧ２２２のピーク波長と、カプラ２４０側のＡＷＧ２４２のピーク波長にずれがあると、トータルの透過率が著しく低下する。そのため、分割器２２０側のＡＷＧ２２２のピーク波長と、カプラ２４０側のＡＷＧ２４２のピーク波長は、高い精度で一致させる必要がある。これは高コスト化の要因となる。

【0009】

また、２つのＡＷＧのピークをうまく一致させた場合においても、２つのＡＷＧのトータルの通過率はη^２で表される。そのためカプラによる合波後の光（η^２）のエネルギー、すなわち面積は、合波前の光（η）のエネルギー（面積）に比べて７２％に低下する。

【0010】

また、ある分割波長帯域の光が２度、ＡＷＧを通過することにより、波長幅が狭くなる。パルス光源２１０の出射光は、広帯域な連続スペクトルを有するが、ＡＷＧの分割波長帯域ごとの波長幅が狭くなると、光源装置２００Ｒの出射光が離散スペクトルをもつこととなる。光源装置２００Ｒの出射光が離散スペクトルとなると、対象物に照射されない波長が存在すること、言い換えると測定できない波長が存在することとなり、分光器としての性能が低下する。

【0011】

さらに、ファイバからカプラ側のＡＷＧの接続損失や、ＡＷＧ上の折れ曲がった導波路の導波損失によって、ひとつの分割波長帯域の最大透過率ηは実際には１よりも小さくなる。これにより、光源装置２００Ｒの効率を低下させる要因となる。

【0012】

なお、この問題を当業者の一般的な認識として捉えてはならず、本発明者らが独自に認識したものである。

【0013】

本開示は係る課題に鑑み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、カプラとしてＡＷＧを用いた光源装置で生ずる問題の少なくともひとつを解決可能な光源装置およびそれを用いた光測定装置の提供にある。

【課題を解決するための手段】

【0014】

本開示のある態様は、波長掃引光を発生する光源装置に関する。光源装置は、パルス光を生成するパルス光源と、パルス光を、波長に応じて空間的に分割し、複数の分割光を出射する分割器と、複数の分割光に異なる遅延を与える複数のファイバと、分散素子を含み、複数のファイバから出力される光を合波して出射するカプラと、を備える。

【0015】

なお、以上の構成要素を任意に組み合わせたもの、本開示の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本開示の態様として有効である。

【発明の効果】

【0016】

本開示のある態様によれば、カプラとしてＡＷＧを用いた光源装置で生ずる問題の少なくともひとつを解決できる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】従来の光源装置を説明する図である。

【図2】ＡＷＧの透過率ηを示す図である。

【図3】実施形態に係る光測定装置の基本構成を示すブロック図である。

【図4】波長掃引光を示す図である。

【図5】図３の光測定装置による分光を説明する図である。

【図6】実施形態１に係る光源装置を示す図である。

【図7】回折格子（分散素子）を利用したカプラの効率を示す図である。

【図8】ＡＷＧを利用した従来のカプラの効率を示す図である。

【図9】カプラの具体的な構成例を示す図である。

【図10】図１０（ａ）、（ｂ）は、シリンドリカルレンズがない場合とある場合の波長掃引光のビームプロファイルを示す図である。

【図11】光ファイバアレイの平面図である。

【図12】光ファイバアレイの分解斜視図である。

【図13】実施形態２に係る光源装置を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

（実施形態の概要）
本開示のいくつかの例示的な実施形態の概要を説明する。この概要は、後述する詳細な説明の前置きとして、実施形態の基本的な理解を目的として、１つまたは複数の実施形態のいくつかの概念を簡略化して説明するものであり、発明あるいは開示の広さを限定するものではない。またこの概要は、考えられるすべての実施形態の包括的な概要ではなく、実施形態の欠くべからざる構成要素を限定するものではない。便宜上、「一実施形態」は、本明細書に開示するひとつの実施形態（実施例や変形例）または複数の実施形態（実施例や変形例）を指すものとして用いる場合がある。

【0019】

一実施形態に係る光源装置は、波長掃引光を発生する。光源装置は、パルス光を生成するパルス光源と、パルス光を、波長に応じて空間的に分割し、複数の分割光を出射する分割器と、複数の分割光に異なる遅延を与える複数のファイバと、分散素子を含み、複数のファイバから出力される光を合波して出射するカプラと、を備える。

【0020】

上記構成によれば以下の効果の少なくともひとつの利点を享受できる。
・カプラにＡＷＧを使用しないため、分割器のＡＷＧとカプラのＡＷＧで必要であった入念な部品選定が不要となる。
・カプラにＡＷＧを使用しないため、波長幅の狭小化を防止できる。波長掃引光を分光に利用する場合、測定できない波長域を減らすことができるため、測定精度を改善できる。
・カプラにＡＷＧを用いる場合、ファイバとＡＷＧの結合損失や、ＡＷＧにおける導波損失が無視できないが、分散素子ではこのような損失が原理的に生じないため、効率を改善できる。

【0021】

本明細書において、分散素子とは、空間的に波長分散を起こす光学素子である。分散素子には、光の干渉性により色分散を起こす回折格子や、屈折率の波長依存性による色分散を利用したプリズムが含まれるが、ＡＷＧは含まれない。

【0022】

一実施形態において、カプラは、分散素子に加えて、複数のファイバから出射される複数の光をコリメートし、分散素子に、波長に応じた異なる入射角で入射させる光学系をさらに含んでもよい。

【0023】

一実施形態において、複数のファイバの出射端から放射される複数の光束の主光線は平行であってもよい。

【0024】

一実施形態において、分散素子は、回折格子であってもよい。回折格子は透過型であってもよいし、反射型であってもよい。一実施形態において分散素子は、プリズムであってもよい。

【0025】

一実施形態において、光学系は、ケーラーレンズ系であってもよい。

【0026】

一実施形態において、カプラは、分散素子の出射光を受け、分散素子の波長分散方向にパワーを有するシリンドリカルレンズをさらに含んでもよい。これにより、カプラから出射される波長掃引光のビームの広がりを抑制できる。

【0027】

一実施形態に係る光測定装置は、対象物に波長掃引光を発生する光源装置と、波長掃引光を対象物に照射して得られる物体光を測定する受光装置と、を備えてもよい。

【0028】

（実施形態）
以下、本開示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、開示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、必ずしも開示の本質的なものであるとは限らない。

【0029】

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。

【0030】

図３は、実施形態に係る光測定装置１００の基本構成を示すブロック図である。光測定装置１００は、対象物ＯＢＪのスペクトルを測定する波長掃引型の分光器であり、主として光源装置２００、受光装置３００、演算処理装置４００を備える。いくつかの図において、光源装置２００や受光装置３００などを簡略化して箱で示す場合があるが、これは、それぞれを構成する部材が、単一の筐体に収容されることを意図したものではない。

【0031】

光源装置２００は、対象物ＯＢＪに対して、波長が経時的に変化する波長掃引光Ｌ１を照射する。波長掃引光Ｌ１は、時間と波長が一対一の関係で対応付けられる。これを波長掃引光Ｌ１は「波長の一意性を有する」という。

【0032】

図４は、波長掃引光Ｌ１を示す図である。図４の上段は、波長掃引光Ｌ１の強度（時間波形）Ｉ_ＷＳ（ｔ）を、下段は波長掃引光Ｌ１の波長λの時間変化を示す。この例において、波長掃引光Ｌ１は１個のパルス光であり、その前縁部において主波長がλ_１、後縁部において主波長がλ_ｎであり、１パルス内で波長がλ_１からλ_ｎの間で経時的に変化する。この例では、波長掃引光Ｌ１は、時間とともに振動数が増加する、言い換えると時間とともに波長が短くなる正のチャープパルス（λ_１＞λ_ｎ）である。なお、波長掃引光Ｌ１は、時間とともに波長が長くなる負のチャープパルスであってもよい（λ_１＜λ_ｎ）。後述するように、波長掃引光Ｌ１は、パルス列であってもよい。

【0033】

図３に戻る。受光装置３００は、波長掃引光Ｌ１を物体ＯＢＪに照射した結果得られる光（物体光）Ｌ２を受光する。物体光Ｌ２は、反射光であってもよいし、透過光であってもよい。受光装置３００は、フォトダイオードなどの光センサ３０２，３０４と、Ａ／Ｄコンバータ３１０、光学系（不図示）などを含む。物体光Ｌ２は、光センサ３０２によって検出される。光源装置２００が生成する波長掃引光Ｌ１の一部分は、ビームスプリッタなどの光学素子を利用して別経路に参照光Ｌ３として取り出され、光センサ３０４によって検出される。

【0034】

Ａ／Ｄコンバータ３１０は、光センサ３０２，３０４それぞれの出力信号Ｓ２，Ｓ３をデジタル信号Ｄ２，Ｄ３に変換する。デジタル信号Ｄ２が示す物体光Ｌ２の時間波形Ｉ_ＯＢＪ（ｔ）およびデジタル信号Ｄ３が示す参照光Ｌ３の時間波形Ｉ_ＲＥＦ（ｔ）は、演算処理装置４００に取り込まれる。

【0035】

波長掃引型の分光法では、波長掃引光Ｌ１における時刻と波長は１対１の対応関係を有する。この対応関係は、当然ながら参照光Ｌ３も有しており、また物体光Ｌ２にも引き継がれる。この時間と波長の対応関係を利用して、演算処理装置４００は、物体光Ｌ２の時間波形Ｉ_ＯＢＪ（ｔ）を、周波数ドメインのスペクトルＩ_ＯＢＪ（λ）に変換する。また演算処理装置４００は、参照光Ｌ３の時間波形Ｉ_ＲＥＦ（ｔ）を、スペクトルに変換し、適切にスケーリングすることで、参照スペクトルＩ_ＲＥＦ（λ）を計算する。

【0036】

演算処理装置４００の処理は特に限定されないが、一例として演算処理装置４００は、参照スペクトルＩ_ＲＥＦ（λ）と物体光Ｌ２のスペクトルＩ_ＯＢＪ（λ）にもとづいて、対象物ＯＢＪの透過率Ｔ（λ）を計算することができる。反射率Ｒ（λ）についても同様である。
Ｔ（λ）＝Ｉ_ＯＢＪ（λ）／Ｉ_ＲＥＦ（λ）
Ｒ（λ）＝Ｉ_ＯＢＪ（λ）／Ｉ_ＲＥＦ（λ）

【0037】

なお、波長掃引光Ｌ１の安定性が高い場合には、予め波長掃引光Ｌ１のスペクトルを測定しておき、参照スペクトルＩ_ＲＥＦ（λ）として用いてもよい。

【0038】

図５は、図３の光測定装置１００による分光を説明する図である。上述のように、波長掃引光Ｌ１は、時間ｔと波長λが１対１で対応しているから、その時間波形Ｉ_ＲＥＦ（ｔ）は、周波数ドメインのスペクトルＩ_ＲＥＦ（λ）に変換することができる。

【0039】

物体光Ｌ２の時間波形Ｉ_ＯＢＪ（ｔ）も、時間ｔと波長λが１対１で対応したものとなる。したがって演算処理装置４００は、受光装置３００の出力が示す物体光Ｌ２の波形Ｉ_ＯＢＪ（ｔ）を、物体光Ｌ２のスペクトルＩ_ＯＢＪ（λ）に変換することができる。

【0040】

演算処理装置４００は、２つのスペクトルＩ_ＯＢＪ（λ）とＩ_ＲＥＦ（λ）の比Ｉ_ＯＢＪ（λ）／Ｉ_ＲＥＦ（λ）にもとづいて、対象物ＯＢＪの透過スペクトルＴ（λ）を計算することができる。

【0041】

波長掃引光Ｌ１における時間ｔの波長λの関係が、λ＝ｆ（ｔ）なる関数で表されるとする。最も簡易には、波長λは、時間ｔに対して、一次関数にしたがってリニアに変化する。物体光Ｌ２の時間波形Ｉ_ＯＢＪ（ｔ）が、ある時刻ｔ_ｘにおいて低下するとき、透過スペクトルＴ（λ）は、波長λ_ｘ＝ｆ（ｔ_ｘ）に吸収スペクトルを有することを意味する。

【0042】

なお、演算処理装置４００における処理はこれに限定されない。時間の２つの時間波形Ｉ_ＯＢＪ（ｔ）とＩ_ＲＥＦ（ｔ）の比Ｔ（ｔ）＝Ｉ_ＯＢＪ（ｔ）／Ｉ_ＲＥＦ（ｔ）を演算した後に、この時間波形Ｔ（ｔ）の変数ｔをλに変換することで、透過スペクトルＴ（λ）を算出してもよい。

【0043】

以上が光測定装置１００の基本構成および動作である。続いて、光源装置２００の構成を説明する。

【0044】

（実施形態１）
図６は、実施形態１に係る光源装置２００Ａを示す図である。光源装置２００Ａは、パルス光源２１０、分割器２２０、複数ｎ本（ｎ≧２）のファイバ２３０＿１～２３０＿ｎ（ファイバ群２３０と総称する）、カプラ２５０Ａを備える。

【0045】

パルス光源２１０は、広帯域な連続スペクトルを有する広帯域パルス光Ｌ１ａを出射する。広帯域パルス光Ｌ１ａのスペクトルは、たとえば９００ｎｍ～１３００ｎｍの範囲において、少なくとも１０ｎｍ、好ましくは５０ｎｍ、より好ましくは１００ｎｍの波長域にわたって連続している。広帯域パルス光Ｌ１ａの波長域の幅は、分光に必要な波長域をカバーしていればよい。

【0046】

たとえばパルス光源２１０は、超短パルスレーザと、非線形素子を含みうる。超短パルスレーザとしては、ゲインスイッチレーザ、マイクロチップレーザ、ファイバレーザ等が例示される。

【0047】

非線形素子は、非線形現象によって、超短パルスレーザが生成する超短パルスのスペクトル幅をさらに広げる。非線形素子としてはファイバが好適であり、たとえば、フォトニッククリスタルファイバやその他の非線形ファイバを用いることができる。ファイバのモードとしてはシングルモードの場合が好適であるが、マルチモードであっても十分な非線形性を示すものであれば、使用することができる。

【0048】

パルス光源２１０として、ＳＬＤ（Superluminescent Diode）光源のような他の広帯域パルス光源を使用してもよい。

【0049】

非線形素子から出力される広帯域パルス光Ｌ１ａは、フェムト秒～ナノ秒オーダーのパルス幅を有する。分割器２２０、ファイバ群２３０およびカプラ２５０Ａは、広帯域パルス光Ｌ１ａを受け、波長掃引光Ｌ１に変換する。

【0050】

分割器２２０は、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ：Arrayed Waveguide Grating）２２２およびレンズ２２４を含む。レンズ２２４は、パルス光源２１０が出射する広帯域パルス光Ｌ１ａを、ＡＷＧ２２２の入射端に集光する。

【0051】

ＡＷＧ２２２は、広帯域パルス光Ｌ１ａを、波長に応じて、空間的に複数ｎ個の光（分割光と称する）Ｌ１ｂ_１～Ｌ１ｂ_ｎに分割して出力する。分割数（チャンネル数）ｎは、ファイバ２３０の本数と等しい。チャンネル数ｎは、たとえば４，８，１６，３２，６４，１２８などでありうる。ｉ番目（１≦ｉ≦ｎ）の光の分割光の波長λ_ｉと表記する。なお、分割光Ｌ１ｂ_１～Ｌ１ｂ_ｎはそれぞれ、単一スペクトルではなく、ある波長幅を有しているから、λ_ｉは、単一波長ではなく、Ｌ１ｂ_ｉが有する波長帯域を便宜的に表すものとして使用し、場合によっては、波長帯域の中心波長を表すものとして使用する。

【0052】

ＡＷＧ２２２から出力される分割光Ｌ１ｂ_１～Ｌ１ｂ_ｎは、ファイバ群２３０＿１～２３０＿ｎに導く。具体的には、ｉ番目の分割光Ｌ１ｂ_ｉは、対応するファイバ２３０＿ｉの入射端に結合している。

【0053】

分割前の広帯域パルス光Ｌ１ａが、時間とともに周波数が上昇する（波長が短くなる）正のチャープパルス（アップチャープパルス）であるとする。つまりパルスの前縁部に最長波長λ_１の成分が含まれ、パルスの後縁部に最短波長λ_ｎの成分が含まれている。

【0054】

複数のファイバ２３０＿１～２３０＿ｎは、異なる長さｌ_１～ｌ_ｎを有している。λ_１が最長波長、λ_ｎが最短波長であるとすると、波長掃引光Ｌ１を、広帯域パルス光Ｌ１ａと同じ正のチャープパルスとするためには、１_１＜ｌ_２＜…＜ｌ_ｎの関係を満たしていればよい。一例として、ｎ＝２０の場合、ファイバ２３０の長さｌ_１～ｌ_ｎは、１ｍ～２０ｍまで、１ｍ刻みで増加してもよい。

【0055】

ファイバ２３０＿１～２３０＿ｎは、波長毎に異なる群遅延特性を有する必要はなく、同一のファイバ（同一のコア／クラッド材料のファイバ）を使用することができる。この意味で、ファイバ２３０は、マルチモードファイバを使用することが可能であり、この場合、意図しない非線形光学効果を防止することができる点において有利である。

【0056】

カプラ２５０Ａは、ファイバ群２３０によって異なる遅延が付与された複数の分割光Ｌ１ｃ_１～Ｌ１ｃ_ｎを空間的に重ね合わせて出射する。図１の光源装置２００Ｒでは、カプラ２４０にＡＷＧを用いていたが、本実施形態では、ＡＷＧに代えて、分散素子２５２を利用する。

【0057】

カプラ２５０Ａは、分散素子２５２である回折格子２５４と、光学系２５６Ａを備える。本実施形態では、透過型の回折格子２５４として示すが、反射型の回折格子を用いてもよい。

【0058】

回折格子２５４に入射する光の波長をλ、入射角をα、回折角をβ、回折次数をｍ、回折格子の周期をｄとするとき、以下の式が成り立つ。
ｄ（ｓｉｎα－ｓｉｎβ）＝ｍλ …（１）

【0059】

ｉ番目の分割光Ｌ１ｃ_ｉについては、以下の式が成り立つ。
ｄ（ｓｉｎα_ｉ－ｓｉｎβ_ｉ）＝ｍλ_ｉ …（２）

【0060】

すべての分割光Ｌ１ｃ_１～Ｌ１ｃ_ｎの回折角β_１～β_ｎが等しいとき、空間的に重なって出力される。そのときの回折角をβ_０とする。波長λ_ｉの分割光Ｌ１ｃ_ｉの入射角α_ｉは、以下の式を満たしていればよい。
α_ｉ＝ａｒｃｓｉｎ（ｓｉｎβ_０＋ｍλ_ｉ／ｄ） …（３）

【0061】

回折次数は、最も回折効率が最も高いものを選べばよく、たとえばｍ＝１である。

【0062】

ファイバ２３０＿１～２３０＿ｎそれぞれの出射端は、点光源とみなすことができ、各出射端から放射される分割光Ｌ１ｃ_１～Ｌ１ｃ_ｎは、拡散光（球面波）である。光学系２５６Ａは、分割光Ｌ１ｃ_１～Ｌ１ｃ_ｎそれぞれをコリメートして、式（３）を満たす入射角α_１～α_ｎで分散素子２５２である回折格子２５４に導く。

【0063】

これにより、回折格子２５４は、複数の分割光Ｌ１ｃ_１～Ｌ１ｃ_ｎを同じ方向に出射する。回折格子２５４から出射される複数の分割光Ｌ１ｃ_１～Ｌ１ｃ_ｎは空間的にオーバーラップしており、波長掃引光Ｌ１として物体に照射される。

【0064】

以上が光源装置２００Ａの構成である。続いてその利点を説明する。

【0065】

図７は、回折格子２５４（分散素子２５２）を利用したカプラ２５０Ａの効率を示す図である。図７の下段は、上段の波長１０９０ｎｍ～１１１０ｎｍの一部を拡大したものであり、２０ｎｍにわたり効率がフラットである。

【0066】

図８は、ＡＷＧを利用した従来のカプラ２４０の効率を示す図である。上述したように、ＡＷＧの透過率は図２に示すようにガウシアン分布を有するため、カプラ２４０全体の透過率は、櫛型（離散的）となる。これに対して、回折格子２５４を利用したカプラ２５０Ａは、図７に示すように、広い波長帯域にわたり連続している。

【0067】

従来のカプラ２４０を利用する場合、分割器２２０とカプラ２４０との間で、各波長帯のピーク波長を一致させる必要がある。つまり、分割器２２０のＡＷＧとカプラ２４０のＡＷＧが、同じ特性を持つものとなるように、入念に選定しなければならず、設計が難しくなり、またコストアップの要因となる。これに対して、本実施形態に係るカプラ２５０Ａは、フラットな効率を有するため、分割器２２０で使用するＡＷＧ２２２の制約がなくなる。したがって部品選定の選択肢が広がり、コストを下げることが可能となる。

【0068】

従来のカプラ２４０では、ＡＷＧを２回透過する。図２に示したように、分割器２２０のＡＷＧを透過した合波前のスペクトルηはガウシアン分布を有する。後段のカプラ２４０のＡＷＧによって、さらにガウシアン分布の効率ηが乗算され、合波後のスペクトルη^２は、合波前のガウシアン分布ηに比べて狭くなる。

【0069】

分光測定において、波長幅が狭くなると、波長のピークとピークの間に深い谷間ができる。この深い谷間は、即ち、その波長の光の強度が著しく低いことを示す。そのため、測定対象物には、９００ｎｍ～１３００ｎｍの測定波長範囲の中から、離散的な波長の光しか入射しない（谷間の波長の光は入射しない）ことになる。つまり、谷間の波長の情報を得ることができないので、測定結果として得られる情報が少なくなり、測定精度が低下する。

【0070】

これに対して、本実施形態に係るカプラ２５０Ａは、波長依存性をもたないフラットな効率を有している。つまりカプラ２５０Ａを通過することによるスペクトルの狭小化は発生せず、ガウシアン分布ηが維持される。したがって、ピークとピークの中間の強度が比較技術に比べて大きくなり、分光に必要な光強度を維持できる。これにより、従来技術に比べて測定精度を改善できる。

【0071】

さらに従来技術では、カプラ２４０において、合波後の光のエネルギーは合波前の光のエネルギーに比べて、約７２％に低下する。これは、上述したＡＷＧの効率の要因のほか、ファイバからＡＷＧへの接続損失、導波路内の伝搬損失と曲げ損失などが要因となっている。これに対して、本実施形態では、図７に示すように、カプラ２５０Ａは、波長１１００ｎｍの近傍では、９０％を超える効率を有しているため、カプラ２４０に比べて高効率な合波が可能となる。

【0072】

続いて、光源装置２００Ａの構成要素の具体的な構成について説明する。

【0073】

図９は、カプラ２５０Ａの具体的な構成例を示す図である。上述のように、ファイバ群２３０から出射する分割光Ｌ１ｃ_１～Ｌ１ｃ_ｎはそれぞれ、拡散光である。ファイバ２３０＿１～２３０＿ｎは、出射端において平行であり、したがって分割光Ｌ１ｃ_１～Ｌ１ｃ_ｎの光束の主光線は平行であるとする。この場合、光学系２５６Ａは、ケーラーレンズ系（ケーラー照明系）で構成することができる。たとえば光学系２５６Ａは、４枚のレンズを含む。各ファイバ２３０＿１～２３０＿ｎの出射端の光学系２５６Ａに対する相対的な位置は、回折格子２５４に対する入射角α_１～α_ｎが式（３）を満たすように設計される。なお光学系２５６Ａの構成は、図９のそれに限定されない。

【0074】

分割光Ｌ１ｃ_１～Ｌ１ｃ_ｎのスペクトルの波長幅は典型的には約３～５ｎｍであり、あるいはそれより広い場合もあり得る。このように波長幅が広い光が回折格子２５４に入射すると、回折した光は格子線の方向に対して垂直な方向（波長分散方向）に伸びる。すなわち回折格子２５４よって合波された波長掃引光Ｌ１は、格子線の方向に対して垂直な方向に光の径が広がる。このビームの広がりは、用途によっては好ましくない場合がある。

【0075】

そこで図９のカプラ２５０Ａは、回折格子２５４の出射光を受けるシリンドリカルレンズ２５８を備える。シリンドリカルレンズ２５８は、回折格子２５４と物体の間に挿入される。シリンドリカルレンズ２５８は、回折格子２５４の波長分散方向にパワーを有する。

【0076】

図１０（ａ）、（ｂ）は、シリンドリカルレンズがない場合とある場合の波長掃引光Ｌ１のビームプロファイルを示す図である。シリンドリカルレンズ２５８を挿入することにより、波長掃引光Ｌ１の波長分散方向（図１０におけるＹ座標方向）の広がりを抑制できる。

【0077】

図９に戻る。複数のファイバ２３０＿１～２３０＿ｎの出射端は高精度に位置決めする必要がある。この位置決めのために、光ファイバアレイ２３２を用いることができる。図１１は、光ファイバアレイ２３２の平面図である。図１２は、光ファイバアレイ２３２の分解斜視図である。

【0078】

光ファイバアレイ２３２は、基板２３４に、ファイバ２３０をはめ込む複数のＶ溝２３６を、精密加工技術により形成したものである。Ｖ溝２３６にファイバ２３０を１本ずつはめ込むことで、複数のファイバ２３０が横一列に配列固定される。Ｖ溝２３６どうしの間隔はμｍ単位で形成することができ、各Ｖ溝２３６の位置は、対応するファイバ２３０＿ｉを伝搬する分割光Ｌ１ｃ_ｉの波長λ_ｉに応じて設計される。Ｖ溝２３６にファイバ２３０をはめ込んだあとに、上からカバー２３８が装着され、ファイバ２３０が固定される。

【0079】

（実施形態２）
図１３は、実施形態２に係る光源装置２００Ｂを示す図である。光源装置２００Ｂにおいて、カプラ２５０Ｂの構成が、図６のカプラ２５０Ａと異なっている。カプラ２５０Ｂは、分散素子２５２として、プリズム２６０を備える。

【0080】

光学系２５６Ｂは、ファイバ２３０＿１～２３０＿ｎから出射される分割光Ｌ１ｃ_１～Ｌ１ｃ_ｎそれぞれをコリメートして、プリズム２６０に対して適切な角度および適切な位置に導く。これにより、プリズム２６０からは、複数の分割光Ｌ１ｃ_１～Ｌ１ｃ_ｎが空間的に合波された波長掃引光Ｌ１が出力される。

【0081】

（変形例）
実施形態では、ファイバ２３０＿１～２３０＿ｎの出射端が平行である場合を説明したがその限りでない。ファイバ２３０＿１～２３０＿ｎの出射端を、α_１～α_ｎに適合する角度で非平行に配置してもよい。この場合、光学系２５６は、コリメートする機能だけを有する。

【0082】

本開示に係る実施形態について、具体的な用語を用いて説明したが、この説明は、理解を助けるための例示に過ぎず、本開示あるいは請求の範囲を限定するものではない。本発明の範囲は、請求の範囲によって規定されるものであり、したがって、ここでは説明しない実施形態、実施例、変形例も、本発明の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0083】

１００ 光測定装置
３００ 受光装置
４００ 演算処理装置
２００ 光源装置
２１０ パルス光源
２２０ 分割器
２２２ ＡＷＧ
２２４ レンズ
２３０ ファイバ
２３２ 光ファイバアレイ
２４０ カプラ
２４２ ＡＷＧ
２５０ カプラ
２５２ 分散素子
２５４ 回折格子
２５６ 光学系
２５８ シリンドリカルレンズ
２６０ プリズム
Ｌ１ 波長掃引光
Ｌ２ 物体光
Ｌ３ 参照光
Ｌ１ａ 広帯域パルス光

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】