特許 7487617 光反射測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-05-13

(45)【発行日】2024-05-21

(54)【発明の名称】光反射測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/21 20060101AFI20240514BHJP

   G01N 21/45 20060101ALI20240514BHJP

【ＦＩ】

G01N21/21 Z

G01N21/45 A

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2020145538

(22)【出願日】2020-08-31

(65)【公開番号】P2022040706

(43)【公開日】2022-03-11

【審査請求日】2023-05-11

(73)【特許権者】

【識別番号】000000295

【氏名又は名称】沖電気工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001461

【氏名又は名称】弁理士法人きさ特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 陵沢

(72)【発明者】

【氏名】川嶋 慧輔

【審査官】嶋田 行志

(56)【参考文献】

【文献】特開平０４－２６５８３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００５／０２１３１０３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０００－０９７８５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－２７７３８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－３３０５５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－２５４９０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－０２１７４６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２１／００－Ｇ０１Ｎ ２１／６１

Ｇ０１Ｂ １１／００－Ｇ０１Ｂ １１／３０

Ｇ０１Ｍ １１／００－Ｇ０１Ｍ １１／０８

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０／ＪＳＴＣｈｉｎａ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

測定対象の反射レベルを測定する光反射測定装置であって、
前記測定対象が設けられ、前記測定対象に対する光が通過する測定対象光路と、
前記測定対象に対する反射レベルを測定する際に参照される光が通過する参照光路と、
前記測定対象光路内において前記測定対象で反射した反射光、および、前記参照光路内を通過した参照光が入力され、入力された前記反射光および前記参照光を、偏光状態が直交する２つの光に分離させる分離手段と、
前記分離手段から出力された２つの光をそれぞれ電気信号に変換する変換手段と、
２つの前記電気信号に対して、それぞれ独立して干渉の有無を検出するためのバンドパスフィルタを通過した電気信号を合成する合成手段と、
通過する前記光の偏光方向を予め設定された角度だけ回転させる、前記参照光路上に設置されるファラデー回転子と、を備え、
前記分離手段は、前記参照光を略等分して前記２つの光に含まれるように分離させることを特徴とする光反射測定装置。

【請求項2】

前記参照光路は、前記参照される光を反射するミラーを有し、
前記ファラデー回転子と前記ミラーの間ではない前記参照光路上に可変遅延器を備えることを特徴とする請求項１に記載の光反射測定装置。

【請求項3】

前記参照光路は、前記参照される光を反射するミラーを有し、
前記ファラデー回転子と前記ミラーの間ではない前記参照光路上に位相変調器を備えることを特徴とする請求項１に記載の光反射測定装置。

【請求項4】

測定対象の反射レベルを測定する光反射測定装置であって、
前記測定対象が設けられ、前記測定対象に対する光が通過する測定対象光路と、
前記測定対象に対する反射レベルを測定する際に参照される光が通過する参照光路と、
前記測定対象光路内において前記測定対象で反射した反射光、および、前記参照光路内を通過した参照光が入力され、入力された前記反射光および前記参照光を電気信号に変換する変換手段と、
前記測定対象光路または前記参照光路に設けられ、前記測定対象で反射した前記反射光または前記参照光の位相を周期的に変調する位相変調器と、
前記参照光の位相を変調した際の周波数の整数倍の成分を抽出して演算する乗算処理部とを備える
ことを特徴とする光反射測定装置。

【請求項5】

前記乗算処理部は、
前記参照光の位相を変調した際の周波数の偶数倍の周波数成分と、奇数倍の周波数成分とを抽出する
ことを特徴とする請求項４に記載の光反射測定装置。

【請求項6】

前記乗算処理部は、
前記参照光の位相を変調した際の周波数の３倍以上の成分を抽出して演算する
ことを特徴とする請求項４または５に記載の光反射測定装置。

【請求項7】

前記乗算処理部は、
予め設定された遮断周波数よりも大きい周波数成分を遮断するローパスフィルタを有し、
前記位相変調器は、
前記変換手段に接続された前記ローパスフィルタの出力に含まれる、前記光の位相変化に伴って変動する成分を抑制するように、前記位相の変調度合いを調整する
ことを特徴とする請求項４～６のいずれか一項に記載の光反射測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、測定対象の反射レベルを測定する光反射測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、光学機器内部の反射分布を検査する際には、光反射測定装置が用いられている（例えば、非特許文献１参照）。非特許文献１に記載の光反射測定装置では、光源から出力された光が光カプラで分岐され、測定対象を有する測定対象アームと、偏光調節器および可変遅延器を有する参照アームとに入力される。可変遅延器には、光の伝搬距離を、モーターなどによって予め定めた一定の速度で変化させることができるものが用いられる。それぞれのアームに入力された光は、反射して光カプラに戻り、Ｏ／Ｅ（Optical/Electronic）変換器で電気信号に変換される。変換された電気信号は、ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）、整流器およびＬＰＦ（ローパスフィルタ）を通過して表示器に入力され、ＬＰＦからの出力レベルが表示される。

【0003】

このとき、Ｏ／Ｅ変換器に入力される測定対象アームにおける光と参照アームにおける光との往復伝搬時間が近くなると、それぞれのアームからの光が干渉し、光の強度が変化する。そして、それぞれのアームで反射した光の往復伝搬時間が等しくなる場合に、干渉による強度変化が最大となる。この強度変化は、可変遅延器の光源の波長と可変遅延器での遅延時間変化速度とで決まる周波数の正弦波状の強度変化となる。強度変化が最大となったときの振幅は、測定対象アーム内の反射レベルに対応するため、このときの振幅を測定することにより、測定対象の反射レベルを知ることができる。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【文献】F. Lindgren, R. Gianotti, R. Walti, R. P. Salathe, A. Haas, M. Nussberger, M. L. Schmatz, and W. Bachtold, “78-dB Shot-Noise Limited Optical Low-Coherence Reflectometry at 42-m/s Scan Speed”, IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 9, NO. 12, DECEMBER 1997

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、可変遅延器の遅延時間を予め定めた一定の速度で変化させなければ、正弦波状の強度変化の周波数がＢＰＦを通過しなくなり、反射レベルを測定できなくなるため、可変遅延器を一定速度で走査することになる。しかしながら、非特許文献１に記載の光反射測定装置では、測定対象アームを伝搬した光と、参照アームを伝搬した光とにおける偏光状態が一致していない場合に、干渉による振幅が低下する。そのため、振幅が最大となるまで、参照アームに設けられた偏光調節器で偏光状態を変えながら可変遅延器の走査を繰り返す必要があり、測定に時間がかかるという課題があった。また、測定対象の反射レベルが可変遅延器の走査の繰り返し周期より早く変動する場合には、正確に測定を行うことが困難になるという課題があった。

【0006】

そこで、測定時間の長大化を抑制し、測定対象の反射レベルが変動する場合でも、反射レベルを正確に測定することができる光反射測定装置が望まれている。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明に係る光反射測定装置は、測定対象の反射レベルを測定する光反射測定装置であって、前記測定対象が設けられ、前記測定対象に対する光が通過する測定対象光路と、前記測定対象に対する反射レベルを測定する際に参照される光が通過する参照光路と、前記測定対象光路内において前記測定対象で反射した反射光、および、前記参照光路内を通過した参照光が入力され、入力された前記反射光および前記参照光を、偏光状態が直交する２つの光に分離させる分離手段と、前記分離手段から出力された２つの光をそれぞれ電気信号に変換する変換手段と、２つの前記電気信号に対して、それぞれ独立して干渉の有無を検出するためのバンドパスフィルタを通過した電気信号を合成する合成手段と、通過する前記光の偏光方向を予め設定された角度だけ回転させる、前記参照光路上に設置されるファラデー回転子と、を備え、前記分離手段は、前記参照光を略等分して前記２つの光に含まれるように分離させるものである。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、測定時間の長大化を抑制し、測定対象の反射レベルが変動する場合でも、反射レベルを正確に測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施の形態１に係る光反射測定装置の構成の一例を示すブロック図である。

【図2】従来の光反射測定装置の構成の一例を示すブロック図である。

【図3】実施の形態２に係る光反射測定装置の構成の一例を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、各図において、同一の符号を付したものは、同一のまたはこれに相当するものであり、これは明細書の全文において共通している。

【0011】

実施の形態１．
本実施の形態１に係る光反射測定装置について説明する。本実施の形態１に係る光反射測定装置は、光源から出力された光が測定対象で反射した際の、測定対象の反射レベルを測定するものである。

【0012】

［光反射測定装置１の構成］
図１は、本実施の形態１に係る光反射測定装置の構成の一例を示すブロック図である。図１に示すように、光反射測定装置１は、光源１１、光カプラ１２、可変遅延器１３、ファラデー回転子１４、ミラー１５、偏光ビームスプリッタ１６、Ｏ／Ｅ変換器１７ａおよび１７ｂ、バンドパスフィルタ（以下、「ＢＰＦ」と適宜称する）１８ａおよび１８ｂ、整流器１９ａおよび１９ｂ、ローパスフィルタ（以下、「ＬＰＦ」と適宜称する）２０ａおよび２０ｂ、加算器２１、ならびに、表示器２２を備えている。

【0013】

光源１１は、予め設定された偏光状態の光を出力する。図１に示す例では、光源１１は、Ｘ軸に平行な直線偏光を出力する。光源１１としては、例えば、可干渉性が低い（低コヒーレンスな）光源が用いられる。より具体的には、光源１１として、例えばＳＬＤ（Super Luminescent Diode）が用いられる。なお、光源１１としては、この例に限られず、例えば、エルビウムドープファイバの自然放出光が用いられるなど、他の光源が用いられてもよい。

【0014】

光カプラ１２は、複数の端子が設けられ、１つの端子に入力された光を２つに分岐して出力するとともに、複数の端子に入力された光を１つの端子から出力する。本実施の形態１において、光カプラ１２には、それぞれの端子に光源１１と、測定対象アームと、参照アームと、偏光ビームスプリッタ１６とが接続されている。

【0015】

光カプラ１２は、光源１１から入力される光を２つに分岐させ、一方の光を測定対象アーム側に出力し、他方の光を参照アーム側に出力する。また、光カプラ１２は、測定対象アーム側から入力された光と、参照アーム側から入力された光とのそれぞれを、偏光ビームスプリッタ１６に対して出力する。

【0016】

測定対象アームには、測定対象２が設けられている。測定対象アームは、入力された光が測定対象２に入力されるように構成された、測定対象２に対する光が通過する測定対象光路である。測定対象２に反射点が存在する場合、測定対象２に入力された光が反射点で反射し、反射光として光カプラ１２に戻る。

【0017】

参照アームには、可変遅延器１３、ファラデー回転子１４およびミラー１５が設けられている。参照アームは、測定対象２の反射レベルを測定する際に参照される光が通過する参照光路である。参照アームでは、入力された光が、可変遅延器１３およびファラデー回転子１４を通過した後にミラー１５で反射し、ファラデー回転子１４および可変遅延器１３を通過して、参照光として光カプラ１２に戻る。

【0018】

可変遅延器１３は、入力された光を予め設定された遅延時間だけ遅延させて出力する。ファラデー回転子１４は、入力された光の偏光方向を予め設定された角度だけ回転させて出力する。本実施の形態１において、ファラデー回転子１４は、偏光面が光の往復によって９０°程度回転するように設定される。ミラー１５は、入力された光を反射させて出力する。

【0019】

偏光ビームスプリッタ１６は、入力された光を偏光状態が直交する２つの成分に分離して出力する分離手段である。本実施の形態１において、偏光ビームスプリッタ１６は、光カプラ１２から光が入力される。偏光ビームスプリッタ１６では、光カプラ１２から入力された光が２つの成分に分離された際に、出力が一方に偏ることがないように、取り付け角度が設定される。

【0020】

例えば、光源１１から出力される光がＸ軸に平行な直線偏光である場合、参照アームを往復して光カプラ１２から偏光ビームスプリッタ１６に向かう光は、Ｙ軸に平行な直線偏光となる。この場合、偏光ビームスプリッタ１６の取り付け角度は、Ｘ軸とＹ軸との中間の４５°近傍に設定される。

【0021】

また、偏波保持ファイバを用いた光カプラ１２と、偏波保持ファイバの遅軸および速軸を分離するように作られた偏光ビームスプリッタ１６とを用いる場合は、光カプラ１２の出力の遅軸または速軸と、偏光ビームスプリッタ１６の入力の遅軸または速軸とのなす角度が４５°近傍になるように、光カプラ１２と偏光ビームスプリッタ１６とを接続する。

【0022】

Ｏ／Ｅ変換器１７ａおよび１７ｂは、入力された光である光信号を電気信号に変換して出力する変換手段である。ＢＰＦ１８ａおよび１８ｂは、入力された電気信号から予め設定された周波数成分を抽出して出力する。整流器１９ａおよび１９ｂは、入力された電気信号を整流する。ＬＰＦ２０ａおよび２０ｂは、入力された電気信号からノイズ等の不要な高周波成分（遮断周波数よりも高い周波数成分）を除去して出力する。

【0023】

加算器２１は、入力された複数の電気信号を加算して出力する合成手段である。本実施の形態１において、加算器２１は、ＬＰＦ２０ａおよび２０ｂから出力された２つの電気信号を加算して出力する。

【0024】

表示器２２は、入力された信号の出力レベルを反射レベルとして表示する。また、表示器２２は、可変遅延器１３が接続され、可変遅延器１３で設定された遅延時間を表示する。

【0025】

［光反射測定装置１の動作］
本実施の形態１に係る光反射測定装置１の動作について説明する。ここではまず、本実施の形態１に係る光反射測定装置１の動作の理解を容易とするため、従来の光反射測定装置の構成および動作について説明する。

【0026】

（従来の光反射測定装置１００の構成）
図２は、従来の光反射測定装置の構成の一例を示すブロック図である。なお、図１に示す光反射測定装置１と共通する箇所については、同一の符号を付し、説明を省略する。図２に示すように、光反射測定装置１００は、光源１１、光カプラ１２、偏光調節器１０１、可変遅延器１３、ミラー１５、Ｏ／Ｅ変換器１７、ＢＰＦ１８、整流器１９、ＬＰＦ２０および表示器２２を備えている。

【0027】

図２の光カプラ１２には、それぞれの端子に光源１１と、測定対象アームと、参照アームと、Ｏ／Ｅ変換器１７とが接続されている。光カプラ１２は、光源１１から入力される光を２つに分岐させ、一方の光を測定対象２が設けられた測定対象アーム側に出力し、他方の光を参照アーム側に出力する。また、光カプラ１２は、測定対象アーム側から入力された光と、参照アーム側から入力された光とのそれぞれを、Ｏ／Ｅ変換器１７に対して出力する。

【0028】

参照アーム側には、偏光調節器１０１、可変遅延器１３およびミラー１５が設けられている。参照アームでは、入力された光が、偏光調節器１０１および可変遅延器１３を通過した後にミラー１５で反射し、可変遅延器１３および偏光調節器１０１を通過して戻るように構成されている。偏光調節器１０１は、入力された光の偏光状態を調節する。

【0029】

（従来の光反射測定装置１００の動作）
従来の光反射測定装置１００の動作について、図２を参照して説明する。光源１１から出力された光は、光カプラ１２に入力される。光カプラ１２に入力された光は、２つの光に分岐し、一方の光が、測定対象２が設けられた測定対象アームに入力され、他方の光が、測定対象２が設けられていない参照アームに入力される。

【0030】

測定対象アームに入力された光は、測定対象２の反射点で反射して光カプラ１２に戻る。一方、参照アームに入力された光は、ミラー１５で反射して光カプラ１２に戻る。このとき、光カプラ１２から出力された光は、参照アームを往復する際に、偏光調節器１０１によって偏光状態が調節されるとともに、可変遅延器１３によって予め設定された遅延時間だけ遅延した状態で、光カプラ１２に戻る。

【0031】

光カプラ１２に戻った光は、Ｏ／Ｅ変換器１７に入力され、光信号から電気信号に変換されて出力される。Ｏ／Ｅ変換器１７から出力された電気信号は、ＢＰＦ１８、整流器１９およびＬＰＦ２０を通過して表示器２２に入力される。そして、表示器２２には、可変遅延器１３で設定された遅延時間に応じた出力レベルが表示される。

【0032】

ここで、測定対象アームにおける光の往復伝搬時間と、参照アームにおける往復伝搬時間とが近づくと、それぞれのアームからの光が干渉して強度が変化する。そして、それぞれのアームからの光の往復伝搬時間が等しくなった場合に、干渉による強度変化が最大となる。

【0033】

（従来の課題）
ところで、測定対象アームを伝搬した光と、参照アームを伝搬した光との偏光状態が一致していない場合には、干渉による振幅が低下してしまう。そのため、測定対象２による光の出力レベルを測定する場合には、振幅が最大となるように偏光調節器１０１で偏光状態を調節しながら測定を繰り返す必要がある。したがって、従来の光反射測定装置１００では、振幅の測定に時間がかかってしまう。また、測定対象２の反射レベルが変動する場合には、振幅を正確に測定することが困難となる。

【0034】

そこで、本実施の形態１に係る光反射測定装置１では、参照アームを伝搬する光の偏光状態を調節することなく、測定対象２の反射レベルを簡単かつ正確に測定できるようにする。

【0035】

（光反射測定装置１の動作）
次に、本実施の形態１に係る光反射測定装置１の動作について、図１を参照して説明する。光源１１から出力された光は、光カプラ１２に入力される。光カプラ１２に入力された光は、２つの光に分岐し、一方の光が、測定対象２が設けられた測定対象アームに入力され、他方の光が、測定対象２が設けられていない参照アームに入力される。

【0036】

測定対象アームに入力された光は、測定対象２の反射点で反射して光カプラ１２に戻る。一方、参照アームに入力された光は、ミラー１５で反射して光カプラ１２に戻る。このとき、光カプラ１２から出力された光は、参照アームを往復する際に、可変遅延器１３によって予め設定された遅延時間だけ遅延した状態とされるとともに、ファラデー回転子１４によって偏光状態が９０°回転した状態で、光カプラ１２に戻る。

【0037】

光カプラ１２に戻った光は、偏光ビームスプリッタ１６で直交する２つの成分に分離され、一方の光がＯ／Ｅ変換器１７ａに入力され、他方の光がＯ／Ｅ変換器１７ｂに入力される。Ｏ／Ｅ変換器１７ａおよび１７ｂに入力されたそれぞれの光は、光信号から電気信号に変換されて出力される。

【0038】

Ｏ／Ｅ変換器１７ａから出力された電気信号は、ＢＰＦ１８ａ、整流器１９ａおよびＬＰＦ２０ａを通過して加算器２１に入力される。また、Ｏ／Ｅ変換器１７ｂから出力された電気信号は、ＢＰＦ１８ｂ、整流器１９ｂおよびＬＰＦ２０ｂを通過して加算器２１に入力される。

【0039】

加算器２１に入力された２つの電気信号は加算され、表示器２２に入力される。そして、表示器２２には、可変遅延器１３で設定された遅延時間に応じた出力レベルが表示される。

【0040】

ここで、参照アームを伝搬する光は、ファラデー回転子１４で偏光状態が９０°回転する。すなわち、光カプラ１２からミラー１５までＸ軸を伝搬した光の成分は、ミラー１５から光カプラ１２までＹ軸を戻る。また、光カプラ１２からミラー１５までＹ軸を伝搬した光の成分は、ミラー１５から光カプラ１２までＸ軸を戻る。

【0041】

このときの光の偏光状態は、Ｘ軸を伝搬した成分とＹ軸を伝搬した成分との振幅および位相の違いで変化するが、ファラデー回転子１４によって９０°回転する。そのため、光カプラ１２に戻った光は、伝搬途中の偏光状態の変化が補償され、偏光ビームスプリッタ１６に入力する光の偏光状態は安定する。偏光ビームスプリッタ１６に入力された光は、直交する２成分に分離されるが、本実施の形態１では、参照アームを経由した光が一方の出力だけに偏ることのないように、偏光ビームスプリッタ１６が取り付けられている。そのため、偏光ビームスプリッタ１６から出力される２つの光は、同等のレベルで出力される。

【0042】

また、測定対象２の反射点で反射して偏光ビームスプリッタ１６に入力した光は、偏光ビームスプリッタ１６で直交する２成分に分離され、それぞれが参照アームを伝搬した光と干渉する。測定対象２の反射点で反射し、偏光ビームスプリッタ１６に入力した光の偏光状態は、反射点の特性および伝搬途中の複屈折性などの影響を受けるため、一定にはならない。

【0043】

しかしながら、本実施の形態１では、偏光ビームスプリッタ１６で直交する２成分に分離された、測定対象アームを伝搬した光のそれぞれが参照アームを伝搬した光と干渉する。そして、偏光ビームスプリッタ１６で干渉して得られたそれぞれの光に対応する電気信号が加算器２１で加算され、測定対象２での反射強度に応じた出力レベルが表示器２２に表示される。

【0044】

これにより、従来のように、偏光調節器を調節しながら可変遅延器を走査させる測定を繰り返す必要がないため、測定対象２から反射した光の偏光状態によらず、安定した出力レベルの測定を行うことができる。

【0045】

なお、図１に示す例では、光源１１からＸ軸に平行な直線偏光の光が出力される場合について説明したが、これに限られず、円偏光の光が出力される光源が用いられてもよい。円偏光の光が出力される光源が用いられる場合、参照アームを往復して偏光ビームスプリッタ１６に入力する光も円偏光となるため、偏光ビームスプリッタ１６では、取り付け角度に関係なく２つの出力が等分される。したがって、円偏光の光が出力される光源１１が用いられる場合には、偏光ビームスプリッタ１６の取り付け角度を調節する必要がない。

【0046】

また、光源１１から光カプラ１２の間と、光カプラ１２から偏光ビームスプリッタ１６の間とで偏光状態が変化すると、偏光ビームスプリッタ１６の適切な取り付け角が変化する。そのため、光ファイバを用いる場合には、偏光状態が変化しないように固定する、あるいは、偏波保持ファイバを用いる必要がある。

【0047】

以上のように、本実施の形態１に係る光反射測定装置１では、測定対象アーム側の反射光と、参照アーム側の参照光とを、偏光状態が直交する２つの光に分離し、分離された２つの光を電気信号に変換した後に合成して反射レベルとして表示する。これにより、分離された２つの反射光のそれぞれが、偏光状態が安定した参照光と干渉し、それぞれが電気信号に変換されて合成される。そのため、測定時間の長大化を抑制し、測定対象２の反射レベルが変動する場合でも、反射レベルを正確に測定することができる。

【0048】

実施の形態２．
次に、本実施の形態２について説明する。従来の光反射測定装置では、可変遅延器の遅延時間を一定速度で変化させた場合に、変化速度と、光源からの出力光の波長で決定される周波数とで、干渉光の強度が変化する。したがって、表示器に可変遅延器の遅延時間とＬＰＦからの出力レベルとを表示させることにより、測定対象内の反射分布を測定することができる。

【0049】

ここで、従来の光反射測定装置では、一定速度で遅延時間を変化させなければ反射レベルを測定できないため、測定対象の反射レベルが変化する場合には、可変遅延器を繰り返し走査する必要がある。しかしながら、この繰り返し周期よりも短い時間で反射レベルが変化する場合には、正しく測定できなくなる。そこで、本実施の形態２では、一定速度で遅延時間を変化させることなく、測定対象の反射レベルを測定できるようにする。

【0050】

［光反射測定装置５０の構成］
図３は、本実施の形態２に係る光反射測定装置の構成の一例を示すブロック図である。図３に示すように、光反射測定装置５０は、光源１１、ハーフミラー５１、可変遅延器１３、位相変調器５２、ファラデー回転子１４、ミラー１５、偏光ビームスプリッタ１６、Ｏ／Ｅ変換器１７ａおよび１７ｂ、乗算処理部６０ａおよび６０ｂ、演算器５３、表示器２２および出力端５４を備えている。なお、本実施の形態２において、実施の形態１と共通する部分には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。

【0051】

ハーフミラー５１は、光源１１から入力される光の一部を反射させて測定対象アーム側に出力するとともに、残りを透過させて参照アーム側に出力する。また、ハーフミラー５１は、参照アーム側から入力された光を反射させるとともに、測定対象アーム側から入力された光を透過させ、それぞれの光を偏光ビームスプリッタ１６に対して出力する。

【0052】

本実施の形態２において、参照アームには、可変遅延器１３、位相変調器５２、ファラデー回転子１４およびミラー１５が設けられている。参照アームでは、入力された光が可変遅延器１３、位相変調器５２およびファラデー回転子１４を通過した後にミラー１５で反射し、ファラデー回転子１４、位相変調器５２および可変遅延器１３を通過して戻るように構成されている。

【0053】

位相変調器５２は、変調信号発生器７１が接続され、入力された光を変調信号発生器７１から出力される変調信号で位相変調して出力する。本実施の形態２における変調信号は、角周波数をω_Ｍとした場合に「Ｖ_Ｍｃｏｓω_Ｍｔ」で表され、位相変調器５２は、参照アームを往復した光を、角周波数ω_Ｍであり、位相変調度Ｃの余弦波で周期的に変調する。

【0054】

位相変調器５２は、位相変調度Ｃが「２．４」、「５．５」または「８．７」などの１種０次のベッセル関数が０になる数に近い値となるように、形状および入力振幅Ｖ_Ｍが調整される。以下の説明では、位相変調度Ｃが「５．５」となるように、位相変調器５２が調整される場合について説明するものとする。

【0055】

Ｏ／Ｅ変換器１７ａは、入力された光である光信号を電気信号Ｉ_ａに変換して出力する。また、Ｏ／Ｅ変換器１７ｂは、入力された光である光信号を電気信号Ｉ_ｂに変換して出力する。

【0056】

乗算処理部６０ａおよび６０ｂは、第１参照信号を出力する第１参照信号発生器７２と、第２参照信号を出力する第２参照信号発生器７３とが接続されている。第１参照信号は、角周波数５ω_Ｍの余弦波であり、「－（１／Ｊ_５（５．５））ｃｏｓ５ω_Ｍｔ」で表される。第２参照信号は、角周波数４ω_Ｍの余弦波であり、「（１／Ｊ_４（５．５））ｃｏｓ４ω_Ｍｔ」で表される。

【0057】

乗算処理部６０ａは、乗算器６１ａ５および６１ａ４と、ＬＰＦ６２ａ５、６２ａ４および６２ａ０とを有している。乗算処理部６０ａは、乗算器６１ａ５で電気信号Ｉ_ａと第１参照信号とを乗算し、ＬＰＦ６２ａ５を通過させて出力値Ｘ_ａｓを出力する。また、乗算処理部６０ａは、乗算器６１ａ４で電気信号Ｉ_ａと第２参照信号とを乗算し、ＬＰＦ６２ａ４を通過させて出力値Ｘ_ａｃを出力する。さらに、乗算処理部６０ａは、電気信号Ｉ_ａをＬＰＦ６２ａ４に通過させて出力値Ｘ_ａ０を出力する。

【0058】

乗算処理部６０ｂは、乗算器６１ｂ５および６１ｂ４と、ＬＰＦ６２ｂ５、６２ｂ４および６２ｂ０とを有している。乗算処理部６０ｂは、乗算器６１ｂ５で電気信号Ｉ_ｂと第１参照信号とを乗算し、ＬＰＦ６２ｂ５を通過させて出力値Ｘ_ｂｓを出力する。また、乗算処理部６０ｂは、乗算器６１ｂ４で電気信号Ｉ_ｂと第２参照信号とを乗算し、ＬＰＦ６２ｂ４を通過させて出力値Ｘ_ｂｃを出力する。さらに、乗算処理部６０ｂは、電気信号Ｉ_ｂをＬＰＦ６２ｂ４に通過させて出力値Ｘ_ｂ０を出力する。

【0059】

なお、このときのＬＰＦ６２ａ５、６２ａ４、６２ａ０、６２ｂ５、６２ｂ４および６２ｂ０のそれぞれの遮断周波数は、「ω_Ｍ／２」以下とする。

【0060】

演算器５３は、乗算処理部６０ａおよび６０ｂから入力された６つの出力値Ｘ_ａｓ、Ｘ_ａｃ、Ｘ_ａ０、Ｘ_ｂｓ、Ｘ_ｂｃおよびＸ_ｂ０に基づき、光の反射レベルを出力する合成手段である。演算器５３の具体的な演算については、後述する。演算器５３から出力された反射レベルは、表示器２２および出力端５４に入力される。

【0061】

表示器２２は、演算器５３で演算された光の反射レベルを表示する。実施の形態１と同様に反射分布を測定する場合、表示器２２は、可変遅延器１３で設定された遅延時間に対応した測定対象２内の位置と、演算器５３から入力された反射レベルとに基づき、反射分布を表示する。また、特定の位置での反射レベルの時間変化を連続して観測する場合は、可変遅延器１３の遅延時間を測定したい位置に対応した値に合わせ、演算器５３の出力を観測できるようにするとよい。

【0062】

［光反射測定装置５０の動作］
次に、本実施の形態２に係る光反射測定装置５０の動作について、図３を参照して説明する。光源１１から出力された光は、ハーフミラー５１に入力される。ハーフミラー５１に入力された光は、反射および透過し、反射した光が、測定対象２が設けられた測定対象アームに入力され、透過した光が、測定対象２が設けられていない参照アームに入力される。

【0063】

測定対象アームに入力された光は、測定対象２の反射点で反射してハーフミラー５１に戻る。一方、参照アームに入力された光は、ミラー１５で反射してハーフミラー５１に戻る。このとき、ハーフミラー５１を透過した光は、参照アームを往復する際に、可変遅延器１３によって予め設定された遅延時間だけ遅延した状態とされ、位相変調器５２によって位相変調されるとともに、ファラデー回転子１４によって偏光状態が９０°回転した状態で、ハーフミラー５１に戻る。

【0064】

ハーフミラー５１に戻った光は、偏光ビームスプリッタ１６で直交する２つの成分に分離される。偏光ビームスプリッタ１６で分離された２つの光のうち、一方の光がＯ／Ｅ変換器１７ａに入力され、他方の光がＯ／Ｅ変換器１７ｂに入力される。

【0065】

ここで、参照アームを伝搬する光は、ファラデー回転子１４で偏光状態が９０°回転する。すなわち、ハーフミラー５１からミラー１５までＸ軸を伝搬した光の成分は、ミラー１５からハーフミラー５１までＹ軸を戻る。また、ハーフミラー５１からミラー１５までＹ軸を伝搬した光の成分は、ミラー１５からハーフミラー５１までＸ軸を戻る。

【0066】

このときの光の偏光状態は、Ｘ軸を伝搬した成分とＹ軸を伝搬した成分との振幅および位相の違いで変化するが、ファラデー回転子１４によって９０°回転する。そのため、ハーフミラー５１に戻った光は、伝搬途中の偏光状態の変化が補償され、偏光ビームスプリッタ１６に入力する光の偏光状態は安定する。偏光ビームスプリッタ１６に入力された光は、直交する２成分に分離されるが、本実施の形態２では、実施の形態１と同様に、参照アームを経由した光が一方の出力だけに偏ることのないように、偏光ビームスプリッタ１６が取り付けられている。そのため、偏光ビームスプリッタ１６から出力される２つの光は、同等のレベルで出力される。

【0067】

また、測定対象２の反射点で反射して偏光ビームスプリッタ１６に入力した光は、偏光ビームスプリッタ１６で直交する２成分に分離され、それぞれが参照アームを伝搬した光と干渉する。そして、干渉した光がＯ／Ｅ変換器１７ａおよび１７ｂに入力される。

【0068】

Ｏ／Ｅ変換器１７ａに入力された光は、光信号から電気信号Ｉ_ａに変換されて出力される。また、Ｏ／Ｅ変換器１７ｂに入力された光は、光信号から電気信号Ｉ_ｂに変換されて出力される。

【0069】

参照アームでの往復伝搬時間と同一の伝搬時間となる測定対象２内の位置に反射点が存在する場合、電気信号Ｉ_ａおよびＩ_ｂは、それぞれ式（１）および式（２）で表される。
式（１）および式（２）において、Ａ_ａおよびＡ_ｂは干渉の有無にかかわらない一定の直流成分を示し、Ｂ_ａおよびＢ_ｂは干渉出力の振幅を示す。また、φは干渉する２つの光の位相差であり、Ｏ／Ｅ変換器１７ａおよび１７ｂから出力される干渉出力の位相差を示す。

【0070】

【数1】

【0071】

【数2】

【0072】

式（１）および式（２）において、第２項は角周波数ω_Ｍの整数倍の成分の和で表される。そして、角周波数ω_Ｍの奇数倍の項はｓｉｎφに比例し、角周波数ω_Ｍの偶数倍の項はｃｏｓφに比例する。

【0073】

Ｏ／Ｅ変換器１７ａから出力された電気信号Ｉ_ａは、乗算処理部６０ａに入力される。乗算処理部６０ａでは、乗算器６１ａ５で電気信号Ｉ_ａと第１参照信号とが乗算された後、ＬＰＦ６２ａ５を介して出力値Ｘ_ａｓが出力され、乗算器６１ａ４で電気信号Ｉ_ａと第２参照信号とが乗算された後、ＬＰＦ６２ａ４を介して出力値Ｘ_ａｃが出力される。また、乗算処理部６０ａでは、電気信号Ｉ_ａがＬＰＦ６２ａ０を通過した後、出力値Ｘ_ａ０が出力される。

【0074】

Ｏ／Ｅ変換器１７ｂから出力された電気信号Ｉ_ｂは、乗算処理部６０ｂに入力される。乗算処理部６０ｂでは、乗算器６１ｂ５で電気信号Ｉ_ｂと第１参照信号とが乗算された後、ＬＰＦ６２ｂ５を介して出力値Ｘ_ｂｓが出力され、乗算器６１ｂ４で電気信号Ｉ_ｂと第２参照信号とが乗算された後、ＬＰＦ６２ｂ４を介して出力値Ｘ_ｂｃが出力される。また、乗算処理部６０ｂでは、電気信号Ｉ_ｂがＬＰＦ６２ｂ０を通過した後、出力値Ｘ_ｂ０が出力される。

【0075】

乗算処理部６０ａおよび６０ｂのそれぞれから出力される出力値Ｘ_ａｓ、Ｘ_ａｃ、Ｘ_ｂｓおよびＸ_ｂｃは、式（３）～式（６）で表される。

【0076】

【数3】

【0077】

【数4】

【0078】

【数5】

【0079】

【数6】

【0080】

また、出力値Ｘ_ａ０およびＸ_ｂ０は、式（７）および式（８）で表される。

【0081】

【数7】

【0082】

【数8】

【0083】

乗算処理部６０ａおよび６０ｂから出力された６つの出力値Ｘ_ａｓ、Ｘ_ａｃ、Ｘ_ａ０、Ｘ_ｂｓ、Ｘ_ｂｃおよびＸ_ｂ０は、演算器５３に入力される。演算器５３では、入力された６つの出力値Ｘ_ａｓ、Ｘ_ａｃ、Ｘ_ａ０、Ｘ_ｂｓ、Ｘ_ｂｃおよびＸ_ｂ０に基づき、測定対象２の反射レベルが演算される。

【0084】

参照アームを往復した光のレベルが測定対象２で反射したレベルより大きくなるようにハーフミラー５１の反射率を調整した場合、測定対象２の反射点で反射した光のレベルと、参照アームを往復した光のレベルとの比Ｙが、式（９）に基づき算出される。そして、参照アームを往復した光のレベルは一定になるので、比Ｙに含まれるハーフミラー５１の反射および透過の比などを補正することにより、測定対象２の反射レベルを算出することができる。

【0085】

【数9】

【0086】

ここで、本実施の形態２では、位相変調度Ｃを５．５としている。そのため、式（７）および式（８）における乗算処理部６０ａおよび６０ｂからの出力値Ｘ_ａ０およびＸ_ｂ０の第２項は「０」となり、不安定な値「φ」を含む項がなくなり、出力値Ｘ_ａ０およびＸ_ｂ０は安定した値となる。つまり、Ｏ／Ｅ変換器１７ａおよび１７ｂのそれぞれに接続されたＬＰＦ６２ａ０および６２ｂ０の出力に含まれる干渉計の光の位相変化φ_ａに伴い変動する成分が、位相変調器５２で発生させる位相変調度Ｃを調整することによって抑制される。

【0087】

ところで、位相変調器５２は、通過する光の位相を変化させるが、このときに光の偏光状態も変化させてしまうものが多い。しかし、本実施の形態２では、入力された光の偏光状態がファラデー回転子１４によって９０°回転する。そのため、ハーフミラー５１に戻った光は、位相変調器５２を伝搬する途中の偏光状態の変化が補償され、偏光ビームスプリッタ１６に入力する光の偏光状態は安定する。

【0088】

第１参照信号発生器７２から出力される第１参照信号をω_Ｍの奇数倍の角周波数の余弦波とし、第２参照信号発生器７３から出力される第２参照信号をω_Ｍの偶数倍の角周波数の余弦波にすると動作する。ただし、位相変調器５２は、通過する光の位相だけではなく強度も変調してしまうものがある。特に、入力した変調信号の周波数とその２倍の周波数で強い強度変調を起こすものが多い。このような位相変調器５２を用いて第１参照信号をω_Ｍの１倍の角周波数の余弦波とし、第２参照信号をω_Ｍの２倍の角周波数の余弦波とすると、式（３）～式（８）で表される各ＬＰＦ６２ａ０、６２ａ４、６２ａ５、６２ｂ０、６２ｂ４および６２ｂ５の出力に強度変調成分が混入し、測定結果が変動する。そこで、本実施の形態２では、第１参照信号を角周波数５ω_Ｍの余弦波、第２参照信号を角周波数４ω_Ｍの余弦波にすることで、位相変調器５２の強度変調の影響を抑え、安定した測定ができるようにしている。

【0089】

また、式（３）～式（６）で得られる出力値Ｘ_ａｓ、Ｘ_ａｃ、Ｘ_ｂｓおよびＸ_ｂｃにも不安定な値「φ」が含まれる。しかしながら、上述した演算器５３による二乗和の演算によりこれらの出力値が安定化するため、測定対象２の反射レベルを測定することができる。

【0090】

以上のように、本実施の形態２に係る光反射測定装置５０では、参照アームに位相変調器５２が設けられ、位相変調された際に用いられる周波数に基づき、反射レベルが測定される。したがって、可変遅延器１３の動作状態によらず、位相変調器５２による位相変調が動作していれば、反射レベルを測定することができる。これにより、従来の光反射測定装置のように、一定速度で遅延時間を変化させることなく、測定対象２の反射レベルを測定することができる。なお、特定の位置の反射率の時間変化を記録する場合には、測定対象位置に応じた遅延時間となる位置で可変遅延器１３を静止させ、演算器５３の出力を記録する。

【0091】

以上、実施の形態１および２について説明したが、本発明は、上述した実施の形態１および２に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。例えば、実施の形態１および２では、参照アームにファラデー回転子１４が設けられた場合について説明したが、これに限られず、例えば、参照アームを偏波保持ファイバなどの偏光状態を安定化させることができる他の部品で構成してもよい。

【0092】

また、実施の形態１および２では、オペレータに対して反射率の分布を示す表示器２２が設けられた場合について説明したが、光反射測定装置１および５０が自動測定装置を構成する場合には、表示器２２が設けられていなくてもよい。さらに、光反射測定装置１および５０が反射率のみを示す装置を構成する場合には、表示器２２は、例えば実施の形態２の演算器５３から出力された反射レベルのみを表示するように構成してもよい。

【0093】

実施の形態２では、位相変調器５２が参照アームに設けられる場合について説明したが、これに限られず、例えば、位相変調器５２は、測定対象アームのハーフミラー５１と測定対象２との間に設けられてもよい。

【0094】

実施の形態２では、偏光ビームスプリッタ１６等を用いて干渉する光の偏光が変化しても安定した測定ができるようにする機能と、位相変調器５２等を用いて可変遅延器１３を一定速度で走査させることなく安定した測定ができるようにする機能との両方の機能を持たせた構成を示したが、これはこの例に限られない。例えば、光反射測定装置５０は、２つの機能のうちいずれか一方の機能だけを持つように、簡略化した構成とすることもできる。また、反射分布ではなく特定の位置の反射率だけを測定する場合には、光反射測定装置５０は、可変遅延器１３を外した構成としてもよい。

【0095】

実施の形態１では光を分岐させる手段として光カプラ１２が用いられる場合について説明したが、これに限られず、例えばハーフミラー５１が用いられてもよい。また、実施の形態２ではハーフミラー５１が用いられる場合について説明したが、これに限られず、例えば光カプラ１２が用いられてもよい。また、実施の形態１および２では、偏光ビームスプリッタ１６を用いる例を示したが、例えば、ハーフミラーおよび偏光子などのほかの手段を用いてもよい。

【0096】

さらに、実施の形態２では、光の位相を周期的に変化させる周波数の整数倍の周波数成分を抽出する手段として、乗算処理部６０ａおよび６０ｂが設けられるように説明したが、これに限られず、高速フーリエ変換など他の手段を用いることもできる。

【符号の説明】

【0097】

１、５０、１００ 光反射測定装置、２ 測定対象、１１ 光源、１２ 光カプラ、１３ 可変遅延器、１４ ファラデー回転子、１５ ミラー、１６ 偏光ビームスプリッタ、１７、１７ａ、１７ｂ Ｏ／Ｅ変換器、１８、１８ａ、１８ｂ バンドパスフィルタ、１９、１９ａ、１９ｂ 整流器、２０、２０ａ、２０ｂ、６２ａ０、６２ａ４、６２ａ５、６２ｂ０、６２ｂ４、６２ｂ５ ローパスフィルタ、２１ 加算器、２２ 表示器、５１ ハーフミラー、５２ 位相変調器、５３ 演算器、５４ 出力端、６０ａ、６０ｂ 乗算処理部、６１ａ４、６１ａ５、６１ｂ４、６１ｂ５ 乗算器、７１ 変調信号発生器、７２ 第１参照信号発生器、７３ 第２参照信号発生器、１０１ 偏光調節器。

【図1】

【図2】

【図3】