特許 7612155 測定システムおよび測定方法

(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】2024-12-27

(45)【発行日】2025-01-14

(54)【発明の名称】測定システムおよび測定方法

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/00 20060101AFI20250106BHJP

   G01B 9/02003 20220101ALI20250106BHJP

【ＦＩ】

G01B11/00 G

G01B9/02003

【請求項の数】 13

(21)【出願番号】P 2020200889

(22)【出願日】2020-12-03

(65)【公開番号】P2022088831

(43)【公開日】2022-06-15

【審査請求日】2023-09-11

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 発行者名：公益社団法人応用物理学会、刊行物名：２０２０年第８１回応用物理学会秋季学術講演会 講演予稿集（２０２０ オンライン開催）８ｐ－Ｚ１９－７、発行年月日：２０２０年８月２６日 集会名：２０２０年第８１回応用物理学会秋季学術講演会（オンライン開催）、主催：公益社団法人応用物理学会、開催日：２０２０年９月８日～１１日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成３１年度、国立研究開発法人日本医療研究開発機構、革新的先端研究開発支援事業、メカノバイオロジー機構の解明による革新的医療機器及び医療技術の創出、「内耳による音のナノ振動の受容・応答機構の解明と難聴治療への展開」委託研究開発、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】304027279

【氏名又は名称】国立大学法人 新潟大学

(74)【代理人】

【識別番号】100095407

【弁理士】

【氏名又は名称】木村 満

(74)【代理人】

【識別番号】100175019

【弁理士】

【氏名又は名称】白井 健朗

(74)【代理人】

【識別番号】100195648

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 悠太

(74)【代理人】

【識別番号】100132883

【弁理士】

【氏名又は名称】森川 泰司

(72)【発明者】

【氏名】崔 森悦

(72)【発明者】

【氏名】日比野 浩

(72)【発明者】

【氏名】任 書晃

(72)【発明者】

【氏名】太田 岳

【審査官】國田 正久

(56)【参考文献】

【文献】特開２００２－０８２０４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０４８１８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０２０／０４９６２０（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｂ １１／００

Ｇ０１Ｂ ９／０２－９／０２０９８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

中心周波数の両側に並び、前記中心周波数を中心に集まるように移動する動作と前記中心周波数から離れるように移動する動作により間隔が変動する複数の周波数成分を含む光コムを生成する光コム生成部と、
前記光コム生成部により生成された光コムを測定対象物と基準面とに出射し、測定対象物の反射面で反射した光コムと基準面で反射した光コムとを干渉させ、干渉信号を生成する光学装置と、
干渉信号に含まれる干渉ピークのエンベローブの強度を求める検出装置と、
前記検出装置により検出された強度に基づいて、基準位置から測定対象物の反射面までの距離を求める位置検出装置と、
を備える測定システム。

【請求項2】

前記検出装置は、干渉信号を第１の干渉信号と第１の干渉信号とは位相がπ／２ずれた第２の干渉信号とに分離する分離手段と、第１の干渉信号の強度と第２の干渉信号の強度とを求める手段と、を備え、
前記位置検出装置は、第１の干渉信号の強度と第２の干渉信号の強度との比に基づいて、基準位置から反射面までの距離を求める、
請求項１に記載の測定システム。

【請求項3】

前記検出装置は、光コムをＰ偏光成分とＳ偏光成分を含む直線偏光にする手段と、光コムのＰ偏光成分とＳ偏光成分の一方と他方の間にπ／２の位相差を与える手段と、Ｐ偏光成分による干渉信号の強度とＳ偏光成分による干渉信号の強度とを求める手段と、を備え、
前記位置検出装置は、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分のうち、位相が進んでいる方の偏光成分による干渉信号の強度で位相が遅れている方の偏光成分による干渉信号の強度を除算し、商のｔａｎ^－１を求めることにより位相を求め、求めた位相に基づいて、基準位置から反射面までの光コムを構成する光の位相を求める、
請求項１又は２に記載の測定システム。

【請求項4】

前記位置検出装置は、干渉信号に含まれている干渉ピークのエンベローブの強度の変化をモニタし、モニタした強度のうちで最大のもの又は最小のものを求め、最大の強度又は最小の強度に基づいて、反射面の位置を求める、
請求項１に記載の測定システム。

【請求項5】

前記位置検出装置は、前記複数の周波数成分が前記中心周波数を中心に集まるように移動する間又は前記中心周波数から離れるように移動する間に、複数回、反射面の位置を検出し、
前記位置検出装置は、求めた反射面の位置の時系列から、反射面の振動の振幅と周波数を求める手段を備える、
請求項１から４のいずれか１項に記載の測定システム。

【請求項6】

干渉信号に含まれている干渉ピークについて、光コムの周波数成分の間隔周波数と干渉次数とに基づいて、反射面までの光路長差を求める光路長差検出装置、
をさらに備える請求項１から５のいずれか１項に記載の測定システム。

【請求項7】

前記光路長差検出装置は、異なった測定タイミングで得られた光路長差から、反射面の位置の分布を求める手段を備える、
請求項６に記載の測定システム。

【請求項8】

前記光路長差検出装置は、光路長差をμｍオーダで求め、前記位置検出装置は、基準位置から反射面までの距離をｎｍオーダで求める、
請求項６又は７に記載の測定システム。

【請求項9】

中心周波数の両側に並び、前記中心周波数を中心に集まるように移動する動作と前記中心周波数から離れるように移動する動作により間隔が変動する複数の周波数成分を含む光コムを生成する光コム生成部と、
前記光コム生成部により生成された光コムを測定対象物と基準面とに出射し、測定対象物の反射面で反射した光コムと基準面で反射した光コムとを干渉させ、干渉信号を生成する光学装置と、
干渉信号に含まれている干渉ピークについて、光コムの周波数成分の間隔周波数と干渉次数とに基づいて、反射面までの光路長差を求める光路長差検出装置と、
異なったタイミングで取得された光路長差に基づいて、反射面の位置の分布を求める手段と、
を備える測定システム。

【請求項10】

前記光コム生成部は、隣接する２つの周波数成分の中心周波数の間隔周波数νiが、νi＝νａ＋νmｃｏｓ（２πνｓｔ）で表される光コムを生成する、
νａ：第１の周波数
νm：最大周波数偏位
νｓ：第２の周波数
ｔ：時間
請求項１から９のいずれか１項に記載の測定システム。

【請求項11】

前記光コム生成部は、
レーザ光を出射する光源装置と、
第１の周波数の第１の信号を、第２の周波数の第２の信号により周波数変調した第３の周波数の第３の信号を生成する装置と、
前記光源装置からのレーザ光を第３の信号により変調し、中心周波数の両側に第３の周波数の間隔で並んだ複数の周波数成分を含む光コムを生成する光変調装置と、
を備え、
前記第１の信号と第２の信号はともに正弦波信号であり、
前記第１の周波数は第２の周波数よりも高い、
請求項１から１０のいずれか１項に記載の測定システム。

【請求項12】

中心周波数の両側に並び、前記中心周波数を中心に集まるように移動する動作と前記中心周波数から離れるように移動する動作により間隔が変動する複数の周波数成分を有する光コムを生成し、
生成した光コムを測定対象物に照射し、測定対象物の反射面で反射した光コムと基準光とを干渉させて干渉信号を生成し、
干渉信号に含まれている干渉ピークのエンベローブの強度に基づいて、基準位置から反射面までの距離を求める、
測定方法。

【請求項13】

中心周波数の両側に並び、前記中心周波数を中心に集まるように移動する動作と前記中心周波数から離れるように移動する動作により間隔が変動する複数の周波数成分を含む光コムを測定対象物と基準面とに出射し、測定対象物の反射面で反射した光コムと基準面で反射した光コムとを干渉させ、干渉信号を生成し、
干渉信号に含まれている干渉ピークについて、光コムの周波数成分の間隔周波数と干渉次数とに基づいて、測定対象物の反射面までの光路長差を求め、
異なったタイミングで取得された光路長差に基づいて、測定対象物の反射面の位置の分布を求める、
測定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、測定システムおよび測定方法に関する。

【背景技術】

【0002】

メカノバイオロジーの観点から、生体資料などの測定対象物の表面構造、内部構造、及び断面構造と、そのナノメートルレベルの領域における高速で微小な動きとを検出し、生体のさまざまな動きを解明したいという要請が高まっている。例えば、内耳感覚上皮帯の振動、鼓膜の振動、骨伝導、各種鞭毛の動き等である。このための一方式として、ドップラーシフト法が知られている。ドップラーシフト法は、測定対象物の振動などの動きの測定に適する。特許文献１と２は、ドップラーシフト法の一例を開示する。

【0003】

また、光の干渉性を利用して試料内部の構造を撮影する技術としてＯＣＴ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈ）法も知られている。ＯＣＴ法は、参照ミラーを動かしスキャンを行うＴＤ（Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ）－ＯＣＴ法と、参照ミラーを掃引する代わりに、フーリエ変換により深さ情報を得るＦＤ（Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｄｏｍａｉｎ）－ＯＣＴ法とに分類される。ＦＤ－ＯＣＴは、さらに、広帯域光源を用い、得られたスペクトルをフーリエ変換することで深さ情報を得るＳＤ（Ｓｐｅｃｔｒｕｍ Ｄｏｍａｉｎ）－ＯＣＴ法と、波長掃引レーザを用い、得られたスペクトルをフーリエ変換することで深さ情報を得るＳＳ（Ｓｗｅｐｔ Ｓｏｕｒｃｅ）－ＯＣＴ法とに分類される。特許文献３は、ＳＤ－ＯＣＴ法の一例を、特許文献４は、ＳＳ－ＯＣＴ法の応用例を開示する。

【0004】

ドップラーシフト法及びＦＤ－ＯＣＴ法は、参照ミラーを動かすため、サンプリング周波数が１ｋＨｚ程度であり、高速の動きの測定が困難である。一方、ＦＤ－ＯＣＴ法は、３ＭＨｚ程度までの動きの測定を可能とする。しかし、この方式では、測定対象物の構造を測定できない。また、これらの方法では、測定のために高速フーリエ変換（ＦＦＴ）処理が必要であり、演算の処理負担が重く、センサの応答速度及び波長スキャン速度による制限がある。このため、主に断層画像イメージングに特化しており、高速化の目指す目標もリアルタイムイメージングが主眼である。このため、測定対象物の高速振動などの動きの検出には不向きである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１３－０６１２５５号公報

【文献】特開２０１０－２６１９１１号公報

【文献】特開２０１５－１６９６５０号公報

【文献】特開２０１４－２２８４７３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、測定対象物の構造とその動きとをより高周波数でより高い分解能で測定できるようにすることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記目的を達成するため、本発明の第１の観点にかかる測定システムは、
中心周波数の両側に並び、前記中心周波数を中心に集まるように移動する動作と前記中心周波数から離れるように移動する動作により間隔が変動する複数の周波数成分を含む光コムを生成する光コム生成部と、
光コム生成部により生成された光コムを測定対象物と基準面とに出射し、測定対象物の反射面で反射した光コムと基準面で反射した光コムとを干渉させ、干渉信号を生成する光学装置と、
干渉信号に含まれる干渉ピークのエンベローブの強度を求める検出装置と、
検出装置により検出された強度に基づいて、基準位置から測定対象物の反射面までの距離を求める位置検出装置と、
を備える。

【0008】

検出装置は、例えば、干渉信号を第１の干渉信号と第１の干渉信号とは位相がπ／２ずれた第２の干渉信号とに分離する分離手段と、第１の干渉信号の強度と第２の干渉信号の強度とを求める手段と、を備え、位置検出装置は、例えば、第１の干渉信号の強度と第２の干渉信号の強度との比に基づいて、基準位置から反射面までの距離を求める。

【0009】

例えば、検出装置は、光コムをＰ偏光成分とＳ偏光成分を含む直線偏光にする手段と、光コムのＰ偏光成分とＳ偏光成分の一方と他方の間にπ／２の位相差を与える手段と、Ｐ偏光成分による干渉信号の強度とＳ偏光成分による干渉信号の強度とを求める手段と、を備え、位置検出装置は、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分のうち、位相が進んでいる方の偏光成分による干渉信号の強度で位相が遅れている方の偏光成分による干渉信号の強度を除算し、商のｔａｎ^－１を求めることにより位相を求め、求めた位相に基づいて、基準位置から反射面までの光コムを構成する光の位相を求める。

【0010】

例えば、位置検出装置は、干渉信号に含まれている干渉ピークのエンベローブの強度の変化をモニタし、モニタした強度のうちで最大のもの又は最小のものを求め、最大の強度又は最小の強度に基づいて、反射面の位置を求める。

【0011】

例えば、前記位置検出装置は、前記複数の周波数成分が前記中心周波数を中心に集まるように移動する間又は前記中心周波数から離れるように移動する間に、複数回、反射面の位置を検出し、位置検出装置は、求めた反射面の位置の時系列から、反射面の振動の振幅と周波数を求める手段を備えてもよい。

【0012】

干渉信号に含まれている干渉ピークについて、光コムの周波数成分の間隔周波数と干渉次数とに基づいて、反射面までの光路長差を求める光路長差検出装置を備えても良い。

【0013】

光路長差検出装置は、異なった測定タイミングで得られた光路長差から、反射面の位置の分布を求める手段を備えてもよい。

【0014】

例えば、光路長差検出装置は、光路長差をμｍオーダで求め、位置検出装置は、基準位置から反射面までの距離をｎｍオーダで求める。

【0015】

上記目的を達成するため、本発明の第２の観点にかかる測定システムは、
中心周波数の両側に並び、前記中心周波数を中心に集まるように移動する動作と前記中心周波数から離れるように移動する動作により間隔が変動する複数の周波数成分を含む光コムを生成する光コム生成部と、
光コム生成部により生成された光コムを測定対象物と基準面とに出射し、測定対象物の反射面で反射した光コムと基準面で反射した光コムとを干渉させ、干渉信号を生成する光学装置と、
干渉信号に含まれている干渉ピークについて、光コムの周波数成分の間隔周波数と干渉次数とに基づいて、反射面までの光路長差を求める光路長差検出装置と、
異なったタイミングで取得された光路長差に基づいて、反射面の位置の分布を求める手段と、
を備える。

【0016】

光コム生成部は、例えば、隣接する２つの周波数成分の中心周波数の間隔（間隔周波数）ν_iが、ν_i＝ν_ａ＋ν_mｃｏｓ（２πν_ｓｔ）で表される光コムを生成する。ν_ａ：第１の周波数、 ν_m：最大周波数偏位、 ν_ｓ：第２の周波数、 ｔ：時間。

【0017】

光コム生成部は、例えば、レーザ光を出射する光源装置と、第１の周波数の第１の信号を、第２の周波数の第２の信号により周波数変調した第３の周波数の第３の信号を生成する装置と、光源装置からのレーザ光を第３の信号により変調し、第３の周波数の間隔で並んだ複数の周波数成分を含む光コムを生成する光変調装置と、を備え、
前記第１の信号と第２の信号はともに正弦波信号であり、
前記第１の周波数は第２の周波数よりも高い。

【0018】

上記目的を達成するため、本発明の第３の観点にかかる測定方法は、
中心周波数の両側に並び、前記中心周波数を中心に集まるように移動する動作と前記中心周波数から離れるように移動する動作により間隔が変動する複数の周波数成分を有する光コムを生成し、
生成した光コムを測定対象物に照射し、測定対象物の反射面で反射した光コムと基準光とを干渉させて干渉信号を生成し、
干渉信号に含まれている干渉ピークのエンベローブの強度に基づいて、基準位置から反射面までの距離を求める。

【0019】

上記目的を達成するため、本発明の第４の観点にかかる測定方法は、
中心周波数の両側に並び、前記中心周波数を中心に集まるように移動する動作と前記中心周波数から離れるように移動する動作により間隔が変動する複数の周波数成分を含む光コムを測定対象物と基準面とに出射し、測定対象物の反射面で反射した光コムと基準面で反射した光コムとを干渉させ、干渉信号を生成し、
干渉信号に含まれている干渉ピークについて、光コムの周波数成分の間隔周波数と干渉次数とに基づいて、測定対象物の反射面までの光路長差を求め、
異なったタイミングで取得された光路長差に基づいて、測定対象物の反射面の位置の分布を求める。

【発明の効果】

【0020】

本発明にかかる測定システムと測定方法によれば、測定対象物の構造とその動きとを、高周波数で高分解能で測定できる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】本発明の実施の形態にかかる測定システムの構成を示す図である。

【図2】図１に示したスキャン信号生成装置が生成するスキャン信号Ｓ_ｓの電圧波形を例示する図である。

【図3】図１に示す光源装置が出力するレーザ光の周波数と波長を例示する図である。

【図4】図１に示す光コム生成装置の構造を例示する図である。

【図5】（Ａ）は図１に示す光変調装置で生成される狭帯域の光コムの構成を例示し、（Ｂ）はそのスペクトル分布を例示する図である。

【図6】（Ａ）は図１に示す高非線形シフトファイバから出力される広帯域の光コムの構成を例示し、（Ｂ）はそのスペクトル分布を例示する図である。

【図7】（Ａ）と（Ｂ）は、スキャン信号に従って、光コムの周波数間隔が変化する様子を説明する図である。

【図8】図１に示した測定システムにおいて用いられる光コム干渉法の原理を示す図であり、（Ａ）は干渉信号に発生する干渉ピークのエンベローブを示す図、（ｂ）はエンベローブのピークの強度と位相αとの関係を例示する図である。

【図9】距離を変数とするときの干渉信号の例を示す図である。

【図10】変調周波数を変数とするときの干渉信号の例を示す図である。

【図11】変調周波数と干渉次数と光路長差との関係を示す図である。

【図12】（Ａ）と（Ｂ）は、光路長と光コムを構成する光の位相との関係を示す図である。

【図13】（Ａ）測定対象物の例を示す図、（Ｂ）干渉信号の干渉ピークのエンベローブの例を示す図、（Ｃ）エンベローブの強度に対応する位相を例示する図である。

【図14】測定対象物の微小振動の振幅と周期を求める手法を説明するための図である。

【図15】図１に示すデータ解析装置が実行する干渉データ解析処理のフローチャートである。

【図16】図１に示すデータ解析装置が実行する分布解析処理のフローチャートである。

【図17】図１に示すデータ解析装置が実行する微小振動解析処理のフローチャートである。

【図18】図１に示した測定システムの動作実験のための実験系を例示する図である。

【図19】（Ａ）～（Ｃ）は実施例１を説明するための波形図である。

【図20】（Ａ）～（Ｃ）は実施例２を説明するための波形図である。

【図21】（Ａ）、（Ｂ）は実施例２を説明するための波形図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

本発明の実施の形態にかかる測定システムと測定方法を図面を参照しつつ説明する。
以下の実施の形態において、同一の構成部分および数値には同一の符号を付す。なお、図面において、理解を容易にするため、説明に不要な構成要素を省略することがある。

【0023】

本実施の形態の測定システム１は、測定対象物の振動と断層とを同時に計測する機能を有し、図１に示すように、ＲＦ信号生成装置１１、光コム生成装置１２、偏波コントローラ１３、サーキュレータ１４、光学装置１５，光信号処理装置１６および情報処理装置１７を備える。

【0024】

ＲＦ信号生成装置１１は、搬送波信号生成装置１１０、スキャン信号生成装置１１２および周波数変調装置１１４を備え、光コムを生成するためにレーザ光を変調する周波数変調信号Ｓ_ｉを生成する。

【0025】

光コム生成装置１２は、光源装置１２０、光変調装置１２２、光増幅装置１２４および高非線形シフトファイバ１２６を備え、広帯域光コムを生成する。

【0026】

偏波コントローラ１３は、光コム生成装置１２により生成された広帯域光コムを構成する光を直線偏光に変換する。

【0027】

サーキュレータ１４は、偏波コントローラ１３から出力された広帯域光コムを光学装置１５に出力し、また、光学装置１５から出射された干渉光（干渉信号）を光信号処理装置１６に出力する。

【0028】

光学装置１５は、光学干渉計から構成され、コリメータ１５０、干渉板１５２、１／８λ波長板１５４を備え、測定対象物３からの反射光と干渉板１５２で反射した光（基準光）との干渉信号を生成し、干渉信号をサーキュレータ１４に送信する。

【0029】

光信号処理装置１６は、偏光ビームスプリッタ１６０、Ｐ偏光用１：１カプラ１６１、Ｐ偏光用光検出装置１６２、Ｓ偏光用１：１カプラ１６３、Ｓ偏光用光検出装置１６４、サンプリング装置１６５、を備え、サーキュレータ１４からの干渉信号を処理し、Ｐ偏光とＳ偏光とに分けて、その強度をサンプリングする。

【0030】

情報処理装置１７は、コンピュータ装置から構成され、記憶装置１７０、データ解析装置１７２、モニタ装置１７４を備え、サンプリング装置１６５にサンプリングされた信号を処理し、測定対象物３の構造とその動きとを高分解能で測定し、その断層構造をイメージ化する。換言すると、情報処理装置１７は、反射面までの光路長差を求める光路長差検出装置と基準位置から反射面までの距離を求める位置検出装置として機能する。

【0031】

なお、光源装置１２０、光変調装置１２２、光増幅装置１２４、高非線形シフトファイバ１２６、偏波コントローラ１３、サーキュレータ１４、光学装置１５、偏光ビームスプリッタ１６０、Ｐ偏光用１：１カプラ１６１、Ｐ偏光用光検出装置１６２、Ｓ偏光用１：１カプラ１６３、Ｓ偏光用光検出装置１６４の間は、光ファイバなどの光伝送路により適宜接続される。

【0032】

また、ＲＦ信号生成装置１１の構成要素同士、情報処理装置１７の構成要素同士、周波数変調装置１１４と光変調装置１２２との間、サンプリング装置１６５と記憶装置１７０の間、スキャン信号生成装置１１２とサンプリング装置１６５及び情報処理装置１７との間は、電線など制御信号の伝送路により接続される。

【0033】

測定システム１は、これらの構成要素により、測定対象物３までの光路長Ｌ_opをμｍ領域の精度で測定し、測定対象物３の微小な動きをｎｍ領域の精度で測定する。測定対象物３が光を透過させるときには、測定対象物３の内部に存在する光反射性の構造までの光路長Ｌ_opをμｍ領域の精度で測定し、その微小な動きをｎｍ領域の精度で測定できる。反射面は、例えば、屈折率の異なる物質の界面である。

【0034】

ＲＦ信号生成装置１１において、搬送波信号生成装置１１０は、周波数ν_a＝５ＧＨｚ～２０ＧＨｚ程度、望ましくは８ＧＨｚ～１２ＧＨｚ程度、の電気的な正弦波の搬送波信号Ｓ_aを生成して周波数変調装置１１４に出力する。

【0035】

搬送波信号Ｓ_aの電圧波形は、式１で表される。
Ｓ_ａ＝Ｖ_ａmｃｏｓ（ω_aｔ） ・・・式１
Ｖ_ａmは振幅値、ω_a＝２πν_aである。

【0036】

スキャン信号生成装置１１２は、図２に示す余弦波で、０．５ＭＨｚ～１５ＭＨｚ程度のスキャン周波数ν_ｓ、１スキャン期間Ｔ_s＝１／ν_ｓのスキャン信号Ｓ_sを生成する。スキャン信号Ｓ_ｓの電圧波形は式２で表される。
Ｓ_ｓ＝Ｖ_ｓmｃｏｓ（ω_sｔ） ・・・式２
Ｖ_ｓmは振幅値、ω_s＝２πν_ｓである。

【0037】

また、スキャン信号生成装置１１２は、スキャン信号Ｓ_sが位相０のタイミングに、同期信号を、サンプリング装置１６５と情報処理装置１７に出力する。

【0038】

図１に示す周波数変調装置１１４は、搬送波信号Ｓ_aをスキャン信号Ｓ_ｓにより周波数変調（ＦＭ）し、搬送波信号Ｓ_aに周波数偏位を与えて電気的な周波数変調信号Ｓ_iを生成し、光コム生成装置１２の光変調装置１２２に出力する。周波数変調信号Ｓ_iの電圧波形は式３で表される。
Ｓ_ｉ＝Ｖ_imｓｉｎ［ω_ａｔ＋ｍｆｓｉｎ（ω_ｓｔ）］ ・・・式３
式３において、Ｖ_imは振幅値、ｍｆは変調指数である。

【0039】

また、周波数変調信号Ｓ_ｉの瞬時周波数ν_ｉは式４により表される。
ν_ｉ＝ν_ａ＋ν_ｍｃｏｓ（ω_sｔ） ・・・式４
式４において、ν_ｍは最大周波数偏位、ν_ｍ＝ｍｆ・ν_ｓである。

【0040】

変調指数ｍｆ＝１０とすると、周波数変調信号Ｓ_ｉは式３’により表され、周波数変調信号Ｓ_ｉの瞬時周波数ν_ｉは式４’により表される。
Ｓ_i＝Ｖ_ｉmｓｉｎ［ω_ａｔ＋１０ｓｉｎ（ω_sｔ）］ ・・・式３’
ν_i＝ν_ａ＋１０ν_ｓｃｏｓ（ω_sｔ） ・・・式４’

【0041】

従って、例えば、変調指数ｍｆ＝１０で、スキャン信号の周波数ν_ｓ＝１ＭＨｚとすれば、最大周波数偏位ν_ｍ＝ｍｆ・ν_ｓ＝１０ＭＨｚとなる。この場合、周波数変調信号Ｓ_ｉの周波数ν_ｉは、（１０ＧＨｚ－１０ＭＨｚ）～（１０ＧＨｚ＋１０ＭＨｚ）～（１０ＧＨｚ－１０ＭＨｚ）の１サイクルを１秒間に１Ｍ回繰り返すことになる。

【0042】

なお、搬送波信号Ｓ_ａは請求項おける第１の信号の例、周波数ν_ａは第１の周波数の例、スキャン信号Ｓ_sは第２の信号の例、周波数ν_sは第２の周波数の例、周波数変調信号Ｓ_iは第３の信号の例、周波数ν_iは第３の周波数の例である。

【0043】

図１に示す光源装置１２０は、図３に示すように、中心周波数ν_ｃ、例えば、２×１０^１４Ｈｚ程度のレーザ光を光変調装置１２２に出力する。この場合、中心波長λ_ｃ＝ｃ／ν_ｃ≒１．４９８９６...μｍである。ｃは光速≒２９９，７９２，４５８ｍ／ｓである。

【0044】

図１に示す光変調装置１２２は、例えば、ＤＤ－ＭＺＭ（デュアルドライブマッハツェンタ）変調装置から構成され、周波数変調信号Ｓ_ｉに従って、光源装置１２０から出射されたレーザ光から比較的狭帯域の光コムを生成する。図４に示すように、ＤＤ－ＭＺＭ変調装置１２２は、増幅器１２２１と、位相変調器１２２２と、増幅器１２２３と、減衰器１２２４と、位相コントローラ１２２５と、位相変調器１２２６と、を備える。

【0045】

増幅器１２２１は、ＲＦ信号生成装置１１の周波数変調装置１１４の一方の出力端の信号を増幅する。位相変調器１２２２は、ニオブ酸リチウム位相変調器（ＬＮ－ＰＭ）等から構成され、増幅器１２２１の出力電圧に応じて、光源装置１２０から入力する赤外線レーザの位相をシフトする。増幅器１２２３は、周波数変調装置１１４の他方の出力端の信号を増幅する。減衰器１２２４は、増幅器１２２３の出力電圧を減衰する。位相コントローラ１２２５は、減衰器１２２４の出力電圧の位相を制御する。位相変調器１２２６は、ニオブ酸リチウム位相変調器（ＬＮ－ＰＭ）等から構成され、ニオブ酸リチウム位相変調器１２２２に並列に接続され、位相コントローラ１２２５の出力電圧に応じて、光源装置１２０から入力する赤外線レーザの位相をシフトする。

【0046】

光変調装置１２２は、上記構成により、赤外線レーザ光を周波数変調信号Ｓ_iにより変調し、図５（Ａ）に示すように、中心周波数ν_ｃの両側にそれぞれ離散的にｊ個並ぶ、総計２ｊ＋１個の周波数成分を含む光コムを生成する。なお、ｊは自然数である。各周波数成分は、光コムの歯に相当する。周波数成分の中心周波数ν_ｃ－j～ν_ｃ～ν_ｃ＋jの間隔は、周波数変調信号Ｓ_ｉの周波数ν_ｉに等しい。この光コムの帯域幅ＢＷは、図５（Ｂ）に例示するように、例えば、１．１ｎｍ程度と、比較的狭い。図１及び図４に示すように、光変調装置１２２は、生成した光コムを光増幅装置１２４に出力する。

【0047】

図１に示す光増幅装置１２４は、例えば、高出力エルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）から構成され、光変調装置１２２から出射された光コムを３０ｄＢ～３５ｄＢ程度増幅し、高非線形シフトファイバ１２６に出力する。

【0048】

高非線形シフトファイバ１２６は、例えば２００ｍ程度の長さを有し、光増幅装置１２４により光増幅された光コムを、偏波コントローラ１３に出力する。高非線形シフトファイバ１２６により、光コムの干渉次数が高められ、光コムが広帯域化される。

【0049】

広帯域化された光コムは、図６（Ａ）に示すように、中心周波数ν_ｃの両側に間隔周波数ν_iで並ぶｎ個の周波数成分、総計２ｎ＋１個の周波数成分を含む。各周波数成分の中心周波数ν_ｃ－ｎ～ν_c～ν_ｃ＋ｎの間隔は変調周波数ν_iに等しい。なお、ｎは自然数であり、ｎ＞ｊである。この段階での光コムの帯域幅ＢＷは、図６（Ｂ）に示すように、光変調装置１２２により生成された光コムの帯域幅よりも広い、即ち、広帯域化されている。なお、図６（Ａ）において、Ｇ（ν－ν_ｃ）は、全体の強度分布を示すエンベローブを表し、中心周波数ν_ｃからの距離（ν－ν_ｃ）の関数である。また、Ｆ（ν）は、周波数νにおける縦モードの波形の強度を示す。

【0050】

広帯域光コムを構成する周波数成分の中心周波数の間隔周波数ν_ｉの瞬時値は、前述の式４で表される。従って、光コムを構成する周波数成分は、図７（Ａ）（Ｂ）に模式的に示すように、中心周波数ν_ｃを中心に集まるように移動する動作と中心周波数ν_ｃから離れるように移動する動作、即ち、間隔が周期的に変動する動作を、スキャン信号Ｓ_ｓの周波数ν_ｓで繰り返す。

【0051】

図１に示すように、高非線形シフトファイバ１２６で生成された広帯域の光コムは、偏波コントローラ１３に出力される。偏波コントローラ１３は、光コム生成装置１２により生成された広帯域光コムを構成する光を直線偏波光（以下、偏光）に変換し、サーキュレータ１４に出力する。

【0052】

サーキュレータ１４は、偏波コントローラ１３から出力された直線偏光から構成される光コムを光学装置１５に出力する。

【0053】

光学装置１５は、例えば、共通光路干渉計等の光学装置から構成され、サーキュレータ１４からの広帯域の光コムをコリメータ１５０で平行光化し、干渉板１５２を介して測定対象物３に向けて出射する。光コムの一部は、干渉板１５２の反射面で反射し、基準光となる。干渉板１５２の反射面は、距離測定の基準となるものであり、基準面の一例である。

【0054】

一方、干渉板１５２を通過した光は、１／８λ波長板１５４を通過して、測定対象物３に到達し、干渉板１５２の反射面からの光路長Ｌ_opだけ離れた反射面で反射する。反射面は、測定対象物３の外表面、内部の反射面等の、例えば、屈折率の異なる領域の境界である。測定対象物３で反射した光コムの一部は、１／８λ波長板１５４を再度通過して、干渉板１５２に入射する。１／８λ波長板１５４は、光コムが干渉板１５２と測定対象物３との間を往復する間にπ／２の位相差をＰ偏光とＳ偏光の間に与える。以下の説明では、Ｓ偏光をＰ偏光よりも２／８λ（π／２）だけ遅延させるものとする。

【0055】

測定対象物３からの反射光と干渉板１５２での反射光（基準光）とは干渉し、図８（Ａ）に例示するような干渉信号（干渉光）を生成する。干渉信号には、フリンジ（干渉縞）は現れず、干渉ピークのエンベローブＢのみが観察される。なお、図８（Ａ）は、光コムが測定対象物３の４箇所で反射して、４つのピーク周波数ν₁₁～ν₁₄で干渉ピークが生じた例を示している。

【0056】

干渉信号についてより詳細に説明する。
図６（Ａ）に示す光コム、即ち、光学装置１５に入射する光コムが理想的なものであるとすると、光コムの中心周波数ν_cからｍ番目の周波数成分（中心周波数＝ν_ｃ＋ｍ・ν_i）によって生ずる干渉信号I_ｍ（ν_i)は、式５で示される。ｍは整数であり、正と負の数を含む。ここでのｍは、後述する干渉次数のｍとは異なる。

【0057】

Ｉ_ｍ（ν_i)＝ａ_ｍ・ｃｏｓ［２π（ν_ｃ＋ｍ・ν_i）Ｌ／ｃ］ ・・・式５
ａ_m：振幅、ν_c：光コムの中心周波数、Ｌ：光路長差＝２・Ｌ_op、
光路長Ｌ_op：干渉板１５２の反射面と測定対象物３の反射面との距離

【0058】

光コム全体では、全ての周波数成分による干渉の和となるので、干渉信号Ｉ（ν_i)は、式６に示すようになる。

【数1】

・・・式６

【0059】

式６において、［ ］内は、周期的な偶関数Ｂ_Τ（ν_i）のフーリエ級数展開に相当する。従って、式６は式７に変形できる。
Ｉ（ν_i)＝ｃｏｓ［２πν_ｃＬ／ｃ］Ｂ_Τ（ν_i） ・・・式７

【0060】

偶関数Ｂ_Τ（ν_i）の周期は、ｃ／Ｌとなる。干渉次数をｐ、干渉ピークの周波数ν_p＝Ｐ（ｃ／Ｌ）、偶関数Ｂ_Τ（ν_i）の１周期分の関数をＢ（ν_i）とすると、干渉信号Ｉ（ν_i）は式８で表される。

【数2】

・・・式８
α＝（２πν_ｃＬ）／ｃである。また、積の演算子は、畳込み積を示す。

【0061】

従って、ピーク周波数に係る干渉次数ｐでの干渉信号Ｉ_p（ν_i）は式９で表される。
Ｉ_p（ν_i）＝ｃｏｓ（α）Ｂ（ν_i－ν_p） ・・・式９

【0062】

式９に示す干渉信号Ｉ_p（ν_i）は、図８（Ｂ）に示すように、エンベローブＢの中心周波数（ピーク周波数）ν_p（即ち、ν_１１，ν_１２，ν_１３，ν_１４）と変調周波数ν_iとの差（ν_i－ν_p）の関数となる。エンベローブＢは、Ｂ（０）、即ち、ν_i＝ν_pのときにピーク値をとる関数として定義される。また、エンベローブＢ（ν_i－ν_p）はｃｏｓ（α）により振幅変調され、干渉信号Ｉ_p（ν_i）の強度は、図８（Ｂ）に例示するように、位相αに応じて変化する。

【0063】

次に、干渉信号の１周期分のピーク波形を表す関数であるエンベローブＢ（ν_i－ν_p）についてより詳細に検討する。
図６（Ａ）に示す光コムのパワースペクトル（電力スペクトル密度）Ｓ（ν）は、式１０で表される。

【数3】

・・・式１０
ここで、Ｇ（ν－ν_c）は光コム全体の強度分布を示し、図６（Ａ）に示す光コム全体のエンベローブを表す関数である。また、Ｆ（ν）は、図６（Ａ）に示す縦モードの波形を示す。

【0064】

干渉信号は、光コムの時間波形の自己相関関数で表され、「ウイナーキンチンの定理」によって、パワースペクトルの逆フーリエ変換Ｆの実数部に等しい。従って、干渉信号Ｉ（τ）は式１１で表される。

【数4】

・・・式１１

【0065】

なお、ｇ（τ）はＧ（ν）の逆フィーリエ変換の結果、ｆ（τ）は、Ｆ（ν）の逆フィーリエ変換の結果を示す。観測される干渉信号は、実数部を取り、ｆ（τ）≒１であるので、式１２が成立する。

【数5】

・・・式１２

【0066】

Ｌ＝ｃτに変数変換すると、式１３が成立する。

【数6】

・・・式１３

【0067】

式１３から、干渉ピークのエンベローブＢ（ν_i)に関し、式１４が成立する。
Ｂ（ν_i）＝１／ν_i・ｇ（Ｌ－ｍｃ／ν_i） ・・・式１４

【0068】

式１４から、干渉ピークのエンベローブＢ（ν_i）は、パワースペクトル包絡線Ｇ（ν－ν_ｃ)のフーリエ逆変換ｇ（ν_i)に比例することがわかる。即ち、本実施の形態の測定システム１によれば、逆フーリエ変換などの高負荷のデータ処理を行うことなく、干渉ピークのエンベローブＢを得ることができる。

【0069】

光路長差Ｌを変数とした場合、干渉ピークは、式１３から、図９に示すように、ｃ／ν_ｉの距離間隔で発生する。より具体的に説明すると、干渉ピークが現れる最も短い光路長Ｌ_１は、Ｌ_１＝ｃ／ν_iで表される。従って、ｍ次の干渉ピークが現れるのは、式１５が成立するときである。また、式１５を微分することにより、式１５’が成立する。
Ｌ＝ｍＬ_１＝ｍｃ／ν_i ・・・式１５
δＬ＝ｍｃ／（ν_i ²）δν_i ・・・式１５’
ｍ：干渉次数

【0070】

従って、反射面の光路長差Ｌに応じて、適当な干渉次数ｍで干渉が起こり、干渉ピークI_p（Ｌ)を生成する。変調周波数ν_iが周期的に変動するため、干渉ピークが発生する光路長差Ｌが変化する。なお、Δν＝ｃ／Ｌとすると、各干渉ピークのエンベローブＢのＦＷＨＭ（半値幅）は１／Δνにほぼ比例する。

【0071】

さらに、式９と式１４から、ｍ次の干渉ピークの強度に関し、式１６が成立する。
Ｉ_p（Ｌ）＝ｃｏｓ（α）・（１／ν_i）・Ｂ（ν_i)
＝ｃｏｓ（２πν_cＬ／ｃ）・（１／ν_i）・ｇ（Ｌ－ｍｃ／ν_i）
・・・式１６

【0072】

また、間隔周波数ν_iを変数とした場合、式１７が成立する。

【数7】

・・・式１７

【0073】

式１７から、干渉ピークI_ｐは、図１０に示すように、Δν＝ｃ／Ｌ間隔で、ｐ＝無限大まで発生する。ただし、ｐ＝１以外は、周波数が高くなり、また、エネルギーが小さくなるため、無視可能である。このため、ｐ＝１のみを考えると、式９を式９’に書き換えることができる。
Ｉ₁（ν_i）＝ｃｏｓ（α）・Ｂ（ν_i-ν₁) ・・・式９’

【0074】

式９’により、干渉信号に干渉ピークが発生しているときに、その時点での変調周波数ν_iと干渉次数ｍを求めれば、光路長差Ｌを求めることができる。

【0075】

式１５が成立する関係を図示すると、図１１に示すようになる。一例として、ν_i=１０ＧＨｚとすると、ｃ／ν_i＝０．０３ｍとなる。従って、例えば、干渉次数ｍ＝１のときには、Ｌ≒０．０３ｍ、ｍ＝２のときには、Ｌ≒０．０６ｍと求めることができる。このように、光学装置１５を構成する干渉計の既知のおおよその光路長差等から、干渉次数ｍが推定され、推定した干渉次数ｍに基づいて、光路長差Ｌを式１５から求めることができる。ただし、変調周波数ν_iは変動しており、その精度はμｍオーダとなる。

【0076】

なお、干渉次数ｍを求める手法は上述の例に限定されない。他の手法で干渉次数ｍを求めてもよい。例えば、式１５’に示す測定対象物３の微小変動δＬに対する干渉ピーク周波数の微小変動δν_iを観測し、干渉次数ｍを導き出すようにしてもよい。その他、任意の手法が利用可能である。

【0077】

干渉信号に干渉ピークが生じているとき、光路長差Ｌは、理想的には、図１２（Ａ）に示すように、光コムの中心波長λ_ｃの自然数倍の長さとして求められる。しかし、実際には、図１２（Ｂ）に模式的に示すように、光路長差Ｌと光コムを構成する光の中心波長λ_ｃの自然数（Ｎ）倍との間には「ズレ」（距離）ΔＬ＝Ｌ－Ｎ・λ_ｃが存在する。

【0078】

前述したように、干渉信号Ｉ₁（ν_i）は、ｃｏｓ（α）により振幅変調され、干渉ピークのエンベローブＢは、図８（Ｂ）に示すように、位相α＝２πν_cＬ／ｃに応じて変化する。ここで、光コムの中心波長λ_cと上述のズレΔＬを用いて表現すると、光路長差Ｌは式１８で表される。
Ｌ＝Ｎλ_c＋ΔＬ＝Ｎ（ｃ／ν_c）＋ΔＬ ・・・式１８
Ｌ＝２・Ｌ_op ΔＬ＝２・ΔＬ_op Ｎ＝自然数

【0079】

式１８を用いて、ｃｏｓ（α）は次のように変形できる。
ｃｏｓ（α）＝ｃｏｓ（２πν_cＬ／ｃ）
＝ｃｏｓ［２πν_c（Ｎλ_c＋ΔＬ）／ｃ）］
＝ｃｏｓ（２πＮ＋２πΔＬ／λ_c）
＝ｃｏｓ［２π（ΔＬ／λ_c）］
＝ｃｏｓ（２πν_cΔＬ／ｃ） ・・・式１９
以後、位相α＝２πν_c（ΔＬ／ｃ）と表記する。

【0080】

式１９から、干渉ピークのエンベローブＢの振幅とズレΔＬとの間に相関があることがわかる。従って、干渉ピークのエンベローブＢの振幅に基づいて、位相αを求め、位相αから光路長差のズレΔＬを求めることが可能である。

【0081】

以下、エンベローブＢの振幅に基づいて、位相α及びズレΔＬを求める具体的な手法を説明する。

【0082】

前述のように、サーキュレータ１４から出射した光コムを構成する直線偏光のうち、干渉板１５２を通過した光コムは、１／８λ波長板１５４を通過して、測定対象物３に到達する。さらに、測定対象物３で反射した光コムの一部が、１／８λ波長板１５４を再度通過する。

【0083】

１／８λ波長板１５４は、光コムのＳ偏光成分が、その遅相軸を通過する位置及び向きに配置されている。このため、干渉板１５２を通過したＳ偏光は、１／８λ波長板１５４を通過することでＰ偏光に対して１／８λだけ遅延し、更に、測定対象物３で反射して、１／８λ波長板１５４を再度通過することで、１／８λだけ遅延する。一方、Ｐ偏光は遅延することなく干渉板１５２に入射する。このため、測定対象物３で反射したＳ偏光は、Ｐ偏光に対して、２／８λ、即ち、π／２遅延する。

【0084】

このため、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分とは位相がπ／２ずれた関係となり、ＩＱ直交変調の関係となる。具体的には、Ｐ偏光の光コムに関しては、測定対象物３からの反射光に位相シフトがなく、干渉板１５２の反射面からの反射光にも位相シフトはない。このため、干渉光の位相α＝２πν_ｃΔＬ／ｃとなり、干渉信号は、式９のままである。

【0085】

これに対し、Ｓ偏光の光コムに関しては、測定対象物３からの反射光は、往復の間にλ／４＝π／２遅延される。このため、Ｓ偏光の干渉による干渉信号の位相はα－π／２になる。なお、Ｐ偏光成分による干渉信号とＳ偏光成分による干渉信号との一方は、請求項における第１の干渉信号、他方は第２の干渉信号の例である。

【0086】

この位相差のため、Ｐ偏光による干渉信号（Ｉ干渉信号）の信号強度I（ν_i－Δν_i）とＳ偏光による干渉信号（Ｑ干渉信号）の信号強度Ｑ（ν_i－Δν_i）は、式２０と式２１で表される。なお、前述のように、干渉次数ｐは１に限定可能であり、ｐ＝１とすると、Δν_ｉは、図１０に示す一次の干渉ピークの周波数ν₁に等しい、即ち、Δν_ｉ＝ν₁である。なお、I（ν_i－ν₁）とＱ（ν_i－ν₁）のエネルギーは等しいとする。

【0087】

Ｉ（ν_i－ν₁）＝ｃｏｓ（α）Ｂ（ν_i－ν₁） ・・・式２０
Ｑ（ν_i－ν₁）＝ｃｏｓ（α－π／２）Ｂ（ν_i－ν₁）
＝ｓｉｎ（α）Ｂ（ν_i－ν₁） ・・・式２１

【0088】

式２０と式２１から式２２が導かれる。
α＝ｔａｎ^－１［Ｑ（ν_i－ν₁）／Ｉ（ν_i－ν₁）］ ・・・式２２
なお、式２２において、Ｑ（ν_i－ν₁）とＩ（ν_i－ν₁）は、エンベローブＢ（ν_i－ν₁）全体のエネルギーでもよいし、ν_i＝ν₁のときのピーク値を使用してもよい。

【0089】

従って、ｉ）Ｐ偏光による干渉ピークの信号強度Ｉ（ν_i－ν₁）とＳ偏光による干渉ピークの信号強度Ｑ（ν_i－ν₁）とを求め、ii)式２２に適用して、信号強度Ｉ（ν_i－ν₁）で信号強度Ｑ（ν_i－ν₁）を除算し、その商（比の値）［Ｑ（ν_i－ν₁）／Ｉ（ν_i－ν₁）］のｔａｎ^-1を求めることにより、iii）光コムを構成する光の波長の整数倍Ｎ・λ_ｃで定まる位置を基準位置として、反射面までの光コムを構成する光の位相αを求めることができる。さらに、求めた位相αから、ズレΔＬ＝α２πν_c／ｃ求め、さらに、ΔＬ_op＝ΔＬ／２を求めることができる。なお、位相αとズレΔＬと距離ΔＬ_opは相互に変換可能であり、いずれを最終解とするかは任意である。

【0090】

図１に戻って、光学装置１５から出射したＰ偏光の干渉信号及びＳ偏光の干渉信号は、それぞれ、サーキュレータ１４に入射する。

【0091】

サーキュレータ１４は、Ｐ偏光の干渉信号とＳ偏光の干渉信号を光信号処理装置１６の偏光ビームスプリッタ１６０に出力する。偏光ビームスプリッタ１６０は、Ｐ偏光の干渉信号（Ｉ干渉信号）をＰ偏光用１：１カプラ１６１に、Ｓ偏光の干渉信号（Ｑ干渉信号）をＳ偏光用１：１カプラ１６３に分離して出力する分離手段として機能する。

【0092】

Ｐ偏光用１：１カプラ１６１は、供給されたＰ偏光の干渉信号を２等分して、Ｐ偏光用光検出装置１６２に出力する。
Ｓ偏光用１：１カプラ１６３は、供給されたＳ偏光の干渉信号を２等分して、Ｓ偏光用光検出装置１６４に出力する。

【0093】

Ｐ偏光用光検出装置１６２は、例えば、バランスド検波器から構成され、供給された一方のＰ偏光の干渉信号（第１のＰ偏光入力）を分光して、光コムの周波数成分に相当する周波数帯別に強度を求めて干渉信号のスペクトル、即ち、信号強度の分布を求める。この際、供給された他方のＰ偏光干渉信号（第２のＰ偏光入力）の総エネルギーを基準として、スペクトルの強度を正規化して信号強度の分布を求め、サンプリング装置１６５に出力する。

【0094】

Ｓ偏光用光検出装置１６４は、例えば、バランスド検波器から構成され、供給された一方のＳ偏光の干渉信号（第１のＳ偏光入力）を分光して、光コムの周波数成分に相当する周波数帯別に強度を求めて干渉信号の信号強度の分布を求める。この際、供給された他方のＳ偏光干渉信号（第２のＳ偏光入力）の総エネルギーを基準として、スペクトルの強度を正規化して分布を求め、サンプリング装置１６５に出力する。

【0095】

なお、Ｐ偏光用光検出装置１６２の出力は、Ｐ偏光による干渉信号の正規化された信号強度Ｉ（ν)を示し、Ｓ偏光用光検出装置１６４の出力は、Ｓ偏光による干渉信号の正規化された信号強度Ｑ（ν)を示す。

【0096】

サンプリング装置１６５は、アナログ／ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器、高速デジタイザ等を備える。サンプリング装置１６５は、スキャン信号生成装置１１２からの同期信号に同期して、Ｐ偏光用光検出装置１６２とＳ偏光用光検出装置１６４から供給されたアナログ形式の干渉信号を周波数帯別にサンプリングし、ディジタル形式の干渉データＩＤ（ν）とＱＤ（ν）に変換する。サンプリング装置１６５は、得られた干渉データＩＤ（ν）とＱＤ（ν）にタイムスタンプを付して、記憶装置１７０に記憶させる。サンプリング装置１６５のサンプリング周期は、例えば、スキャン周波数ν_sの２以上の自然数倍、例えば、１０倍に設定されている。

【0097】

情報処理装置１７の記憶装置１７０は、サンプリング装置１６５から供給されたＰ偏光の干渉データＩＤ（ν)とＳ偏光の干渉データＱＤ（ν)を順次記憶する。また、記憶装置１７０は、データ解析装置１７２が求めた光路長差Ｌを示す光路長データを記憶し、要求に応じてデータ解析装置１７２に出力する。

【0098】

データ解析装置１７２は、記憶装置１７０に記憶され、同一のタイミングで取得された干渉データＩＤ（ν）とＱＤ（ν）を処理し、周波数ν軸上で図８（Ａ）に示すように、干渉ピークを検出する。また、干渉データＩＤ（ν）とＱＤ（ν）の元となる干渉信号が得られたそのタイミングでの、変調周波数ν_iを特定する。

【0099】

データ解析装置１７２は、検出された干渉ピークについて、各エンベローブＢと各エンベローブＢがピーク値を示すピーク周波数ν_pを特定する。例えば、図８（Ａ）では、エンベローブＢ_１1～Ｂ₁₄と、ピーク（中心）周波数ν₁₁～ν₁₄を特定する。

【0100】

データ解析装置１７２は、特定した各ピーク周波数ν_pに基づいて、エンベローブＢそれぞれについて、干渉次数ｍを特定する。データ解析装置１７２は、さらに、そのときの変調周波数ν_iの値を、式１５に適用し、各反射面までの光路長差Ｌをμｍ領域の精度で求め、さらに、それを１／２することにより、反射面までの光路長Ｌ_opを求める。

【0101】

データ解析装置１７２は、干渉ピークが複数検出された場合には、それぞれについて、光路長差Ｌを求める処理、エンベローブＢの強度分布を求める処理等を実行し、得られたデータを、算出の基礎となった干渉信号が得られた時刻のタイムスタンプを付して記憶装置１７０に格納する。従って、図８（Ａ)の例であれば、各ピーク周波数ν₁₁～ν₁₄に基づいて、エンベローブＢ_１1～Ｂ₁₄それぞれについて、干渉次数ｍ_１1～ｍ₁₄を特定し、光路長差Ｌ_１1～Ｌ₁₄をμｍ領域の精度で求め、さらに、光路長Ｌ_op１1～Ｌ_op14を求める。

【0102】

データ解析装置１７２は、記憶装置１７０に蓄積された、一連の光路長差Ｌの分布、それぞれの時間変化（移動）、その微分（速度）を求める処理等を実行する。即ち、変調周波数ν_iが周期的に変化し、変調周波数の１周期の間に複数の干渉データＩＤ（ν）とＱＤ（ν）がサンプリングされるため、各サンプリングタイミングで干渉の条件が異なっている。このため、例えば、他のサンプリングタイミングでは、検出できなかった或いは明確には検出できなかった反射面を、検出できる可能姓がある。或いは、反射面がμｍオーダで移動する可能性もある。また、反射面が厚みを有する場合には、連続する複数のサンプリングタイミングで反射面を検出できることがある。データ解析装置１７２は、時間軸上でこれらのデータを処理することにより、測定対象物３の反射面の分布を含む断層構造をより詳細に求める。

【0103】

データ解析装置１７２は、さらに、干渉データＩＤ（ν）に基づいて、各干渉ピークの各エンベローブＢ（ν_i－ν₁）の信号強度Ｉ（ν_i－ν₁）を求める。同様に、干渉データＱＩ（ν）に基づいて、各干渉ピークの各エンベローブＢ（ν_i－ν₁）の信号強度Ｑ（ν_i－ν₁）を求める。即ち、Ｐ偏光による各干渉ピークのエンベローブＢ（ν_i－ν₁）の信号強度Ｉ（ν_i－ν₁）とＳ偏光による各干渉ピークのエンベローブＢ（ν_i－ν₁）の信号強度Ｑ（ν_i－ν₁）とを求める。

【0104】

データ解析装置１７２は、対応する干渉ピーク同士の比或いは商Ｑ（ν_i－ν₁）／Ｉ（ν_i－ν₁）を求める。換言すると、第２の干渉信号の大きさと第１の干渉信号の大きさの比、或いは、比の値を求める。次に、求めた値を式２２に適用して、位相α（＝ｔａｎ^-1［Ｑ（ν_i－ν₁）／Ｉ（ν_i－ν₁）］）を求める。図８（Ａ）の例では、位相α₁₁＝ｔａｎ^-1［Ｑ（ν_i－ν₁₁）／Ｉ（ν_i－ν₁₁）］、位相α₁₂＝ｔａｎ^-1［Ｑ（ν_i－ν₁₂）／Ｉ（ν_i－ν₁₂）］、位相α₁₃＝ｔａｎ^-1［Ｑ（ν_i－ν₁₃）／Ｉ（ν_i－ν₁₃）］、位相α₁₄＝ｔａｎ^-1［Ｑ（ν_i－ν₁₄）／Ｉ（ν_i－ν₁₄）］を求める。

【0105】

データ解析装置１７２は、さらに、式１９に従って、ΔＬ＝αｃ／２πν_cを求めることにより、位相αをｎｍ領域のズレΔＬに変換する。前述のように、ズレΔＬは、光コムを構成する光の中心波長λ_ｃの整数（Ｎ）倍の光路長Ｌ’で定まる基準位置と各反射面の位置との光路長差に相当する。図８（Ａ）の例では、データ解析装置１７２は、ΔＬ₁₁＝α₁₁ｃ／２πν_c、ΔＬ₁₂＝α₁₂ｃ／２πν_c、ΔＬ₁₃＝α₁₃ｃ／２πν_c、ΔＬ₁₄＝α₁₄ｃ／２πν_cを求めることにより、位相α₁₁、α₁₂、α₁₃、α₁₄をｎｍ領域のズレΔＬ₁₁、ΔＬ₁₂、ΔＬ₁₃、ΔＬ₁₄に変換する。

【0106】

データ解析装置１７２は、得られた位相α、ズレΔＬ等を、算出の基礎となった干渉信号が得られた時刻のタイムスタンプを付して記憶装置１７０に格納する。

【0107】

データ解析装置１７２は、記憶装置１７０に蓄積された一連のズレΔＬの時間変化を求め、ズレΔＬの描く波形を曲線近似等を用いて求め、その周期・周波数と振幅を求める。この波形は、光学装置１５の位置が固定であるとすれば、測定対象物３の光反射面の位置の変動の周期と振幅を表す。

【0108】

モニタ装置１７４は、表示部と入力部とを備え、データ解析装置１７２から入力された情報を表示する。また、モニタ装置１７４は、ユーザによる指示をデータ解析装置１７２に供給する。

【0109】

情報処理装置１７は、コンピュータから構成される。データ解析装置１７２は、例えば、コンピュータのＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）およびメモリなど、高速演算処理に必要とされる構成要素から構成される。また、記憶装置１７０は、例えば、コンピュータの補助記憶装置等から構成される。

【0110】

次に、上記構成を有する測定システム１による測定動作を説明する。
搬送波信号生成装置１１０は、式１に示す周波数ν_aの正弦波の搬送波信号Ｓ_ａを出力する。以下の説明では、周波数ν_ａ＝１０ＧＨｚとする。また、スキャン信号生成装置１１２は、式２に示す周波数ν_ｓの余弦波のスキャン信号Ｓ_ｓを出力する。以下の説明では、周波数ν_ｓを１ＭＨｚとする。

【0111】

周波数変調装置１１４は、搬送波信号Ｓ_ａをスキャン信号Ｓ_ｓにより周波数変調し、式３に示される周波数変調信号Ｓ_ｉを出力する。
以下の説明では、変調指数ｍｆ＝１０とする。このため、周波数変調信号Ｓ_ｉは、式３’で表され、変調周波数ν_iは、式４’で表される。

【0112】

一方、光源装置１２０は、図３に示すように、周波数ν_ｃ、波長λ_ｃのレーザ光を出力する。以下の説明では、周波数ν_ｃ＝２×１０^１４Ｈｚ、λ_ｃ≒１．５μｍとする。

【0113】

図４に示す光変調装置１２２は、光源装置１２０から出射したレーザ光を、周波数変調信号Ｓ_ｉにより変調し、図５（Ａ）に示すように、周波数ν_ｃを中心に、スペクトルが離散的で周波数ν_ｉで等間隔に並んだ周波数成分からなる狭帯域の光コムを出力する。周波数変調信号Ｓ_ｉの変調周波数ν_ｉは、式４’に示すように、周期的に変動する。このため、光コムを構成する各周波数成分は、図７に示すように、中心周波数ν_ｃを中心に、連続的に往復運動を繰り返す。

【0114】

図１に示す光変調装置１２２によって生成された光コムは、図４に示す光増幅装置１２４と高非線形シフトファイバ１２６により広帯域化される。ただし、中心周波数はν_ｃ、周波数成分の間隔はν_ｉである。従って、広帯域化された光コムを構成する周波数成分は、周波数ν_ｉの変化に伴って、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、それらの間隔が周期的に変動し、往復運動を連続的に繰り返す。

【0115】

このようにして生成された、広帯域光コムは、偏波コントローラ１３によりＰ偏光成分とＳ偏光成分を含む直線偏光に変換され、サーキュレータ１４に供給される。

【0116】

サーキュレータ１４は、供給された光コムを光学装置１５に出力する。

【0117】

光学装置１５は、サーキュレータ１４から出力された光コムを、コリメータ１５０と干渉板１５２を介して、測定対象物３に向けて出射する。出射された光コムの一部は、干渉板１５２の反射面で反射する。

【0118】

一方、光コムを構成する光の一部は、１／８λ波長板１５４を通過して、測定対象物３に照射される。１／８λ波長板１５４を通過する光のうち、Ｓ偏光成分は、１／８λ波長板１５４の遅相軸を通過し、Ｐ偏光成分に対して１／８λだけ遅延する。

【0119】

ここでは、測定対象物３が図１３（Ａ）に示す構成を有する生体組織であるとする。
光コムの周波数帯が２×１０¹⁴Ｈｚのため、光コムは、測定対象物３の表面で反射されるだけでなく、５０μｍ～１ｍｍ内部に侵入する。生体内に侵入した光コムは、組織と組織の界面等、屈折率の異なる層の界面に相当する反射面で反射する。図１３（Ａ）では、生体組織内に存在する４つの反射面１～反射面４に注目するものとする。

【0120】

反射面１～反射面４で反射した光コムは、１／８λ波長板１５４と干渉板１５２とコリメータ１５０を介してサーキュレータ１４に入射する。

【0121】

１／８λ波長板１５４を通過する反射光のうち、Ｓ偏光成分は、１／８λ波長板１５４の遅相軸を通過し、Ｐ偏光成分に対して１／８λだけさらに遅延する。このため、Ｓ偏光成分は、Ｐ偏光成分に対して１／４λ＝π／２だけ遅延する。

【0122】

干渉板１５２で反射した光コムと測定対象物３で反射した光コムとは互いに干渉する。ただし、Ｐ偏光同士、Ｓ偏光同士が干渉する。このため、Ｐ偏光の干渉信号、Ｓ偏光の干渉信号、それぞれに、図１３（Ｂ）に例示するように、反射面１～反射面４までの光路長差Ｌ₂₁～Ｌ₂₄に応じた周波数ν₂₁～ν₂₄に干渉ピークのエンベローブＢ₂₁～Ｂ₂₄が現れる。

【0123】

光学装置１５で発生した干渉信号は、サーキュレータ１４に入射し、光信号処理装置１６の偏光ビームスプリッタ１６０に送信される。

【0124】

サーキュレータ１４は、Ｐ偏光の干渉信号とＳ偏光の干渉信号を光信号処理装置１６の偏光ビームスプリッタ１６０に出力する。偏光ビームスプリッタ１６０は、Ｐ偏光の干渉信号をＰ偏光用１：１カプラ１６１に、Ｓ偏光の干渉信号をＳ偏光用１：１カプラ１６３に出力する。

【0125】

Ｐ偏光用１：１カプラ１６１は、供給されたＰ偏光の干渉信号を２等分して、Ｐ偏光用光検出装置１６２に出力する。Ｓ偏光用１：１カプラ１６３は、供給されたＳ偏光の干渉信号を２等分して、Ｓ偏光用光検出装置１６４に出力する。

【0126】

Ｐ偏光用光検出装置１６２は、一方のＰ偏光の干渉信号（第１のＰ偏光入力）を分光して、光コムの周波数成分に相当する周波数帯別に強度を求めて干渉信号の信号強度の分布Ｉ（ν)を求める。この際、供給された他方のＰ偏光干渉信号（第２のＰ偏光入力）の総エネルギーを基準として、スペクトルの強度を正規化して信号強度の分布Ｉ（ν)を求め、サンプリング装置１６５に出力する。

【0127】

Ｓ偏光用光検出装置１６４は、供給された一方のＳ偏光の干渉信号（第１のＳ偏光入力）を分光して、光コムの周波数成分に相当する周波数帯別に強度を求めて干渉信号の信号強度の分布Ｑ（ν)を求める。この際、供給された他方のＳ偏光干渉信号（第２のＳ偏光入力）の総エネルギーを基準として、スペクトルの強度を正規化して信号強度の分布Ｑ（ν)を求め、サンプリング装置１６５に出力する。

【0128】

サンプリング装置１６５は、スキャン信号生成装置１１２からの同期信号に同期して、Ｐ偏光用光検出装置１６２とＳ偏光用光検出装置１６４から供給されたアナログ形式の干渉信号を周波数帯別にサンプリングし、ディジタル形式の干渉データＩＤ（ν）とＱＤ（ν）に変換する。以下の説明では、サンプリング周波数はスキャン信号Ｓ_sの周波数ν_ｓ＝１ＭＨｚの１０倍の１０ＭＨｚであるとする。サンプリング装置１６５は、得られた干渉データにタイムスタンプを付して、記憶装置１７０に記憶させる。

【0129】

記憶装置１７０は、サンプリング装置１６５から供給されたＰ偏光の干渉データとＳ偏光の干渉データを順次記憶する。

【0130】

データ解析装置１７２は、記憶装置１７０に記憶されたＰ偏光の干渉データとＳ偏光の干渉データを処理し、干渉ピークのエンベローブＢとそのピーク値を示す周波数を検出する。この例では、図１３（Ｂ）に示すエンベローブＢ₂₁～Ｂ₂₄とそのピークＰ₂₁～Ｐ₂₄の周波数ν₂₁～ν₂₄を検出する。

【0131】

データ解析装置１７２は、処理対象の干渉データに付与されているタイムスタンプから、元となった干渉信号が得られたタイミングを特定する。次に、そのタイミングでの、スキャン信号Ｓ_sの位相を特定する。この位相により、その時点での変調周波数ν_iを式４’に従って求める。

【0132】

次に、データ解析装置１７２は、エンベローブＢ₂₁について、変調周波数ν_iと予め求めておいた干渉次数ｍ₂₁とに基づいて、エンベローブＢ₂₁を形成する反射光を生成した反射面１までの光路長差Ｌ₂₁＝ｍ₂₁ｃ／ν_iをμｍ領域の精度で求める。例えば、あるサンプリングタイミングで、そのときのν_i＝１０．０１ＧＨｚとすれば、Ｌ₂₁＝ｍ₂₁ｃ／（１０．０１・１０⁹）を光路長差として求める。データ解析装置１７２は、同様に、変調周波数ν_iと、予め求めておいた干渉次数ｍ₂₂～ｍ₂₄に基づいて、エンベローブＢ₂₂～Ｂ₂₄を形成する反射光を生成した反射面２～反射面４までの光路長差Ｌ₂₂＝ｍ₂₂ｃ／ν_i～Ｌ₂₄、Ｌ₂₃＝ｍ₂₃ｃ／ν_i、ｍ₂₄ｃ／ν_iを求める。必要に応じて、例えば、光路長差Ｌ₂₁～Ｌ₂₄を１／２することにより、光路長Ｌ_op21～Ｌ_op24に変換してもよい。

【0133】

なお、以上の説明では、反射面１～４の反射光により干渉ピークが明確に得られるように説明しているが、反射面の位置と特性によっては、明確な干渉ピークが得られない場合がある。本実施の形態では、変調周波数ν_iを掃引する。従って、あるタイミングでは干渉ピークが明確には得られなかった反射面に関しても、スキャン信号Ｓ_sの半周期分の測定を繰り返すうちに、図１０に例示したように、干渉ピークが発生する周波数が変動し、ピークが検出される可能性がある。このため、深さ方向にμｍオーダのピーク分布がより的確に得られる。

【0134】

データ解析装置１７２は、さらに、Ｐ偏光の干渉データＩＤとＳ偏光の干渉データＱＤにおけるエンベローブＢ₂₁の周波数ν₂₁での信号強度Ｉ（ν₂₁）とＱ（ν₂₁）に基づいて、式２２に従って、位相α₂₁＝ｔａｎ^－１［Ｑ（ν₂₁）／Ｉ（ν₂₁）］を求める。さらに、ΔＬ₂₁＝α₂₁ｃ／（２πν_c）から、光路長差ＬのズレΔＬ₂₁を求める。換言すると、光コムを構成する光の波長のＮ倍の距離の位置を基準位置として、反射面１までの微小なズレΔＬ_１1を求める。必要に応じて、光路長差のズレＬ₁₁を１／２することにより、光路長Ｌ_op21のズレΔＬ_opに変換してもよい。

【0135】

同様に、データ解析装置１７２は、Ｐ偏光の干渉データとＳ偏光の干渉データのエンベローブＢ₂₂、Ｂ₂₃、Ｂ₂₄のピークＰ₂₂、Ｐ₂₃、Ｐ₂₄の周波数ν₂₂、ν₂₃、ν₂₄の信号強度Ｉ（ν₂₂）とＱ（ν₂₂）、Ｉ（ν₂₃）とＱ（ν₂₃）、Ｉ（ν₂₄）とＱ（ν₂₄）にそれぞれ基づいて、位相α₂₂、α₂₃、α₂₄を求め、さらに、位相α₂₂、α₂₃、α₂₄から光路長差のズレΔＬ₂₂、ΔＬ₂₃、ΔＬ₂₄を求め、必要に応じて、光路長差のズレΔＬ₂₂、ΔＬ₂₃、ΔＬ₂₄を１／２することにより、距離ΔＬ_op22、ΔＬ_op23、ΔＬ_op24のズレに変換する。

【0136】

データ解析装置１７２は、求めた光路長差Ｌ₂₁～Ｌ₂₄、位相α₂₁～α₂₄、ズレΔＬ₂₁～ΔＬ₂₄を算出の基礎となる干渉データが得られた時刻のタイムスタンプを付して記憶装置１７０に格納する。こうして、記憶装置１７０には、サンプリング周期１／１０ν_ｓ＝０．１μｓ毎にデータが蓄積される。

【0137】

データ解析装置１７２は、例えば、測定終了後、記憶装置１７０に蓄積された一連の光路長差Ｌ₂₁～Ｌ₂₄を読み出す。データ解析装置１７２は、光路長差Ｌ₂₁の分布、時間変化（移動）、その微分（速度）を求める処理等を実行する。即ち、変調周波数ν_iが周期的に変化し、変調周波数の１周期の間に検出された反射面の位置を分析することにより、測定対象物３の反射面の分布を含む断層構造をより詳細に求める。

【0138】

また、データ解析装置１７２は、例えば、測定終了後、記憶装置１７０に蓄積されたズレΔＬ₂₁～ΔＬ₂₄を読み出し、図１４に示すように時系列にプロットする。なお、図１４は、ズレΔＬ₂₁とΔＬ₂₂の時系列のみを例示している。

【0139】

データ解析装置１７２は、プロットしたズレΔＬ₂₁～ΔＬ₂₄を近似する曲線の振幅Ａ_m21～Ａ_m24と周期Ｔ₂₁～Ｔ₂₄、周波数１／Ｔ₂₁～１／Ｔ₂₄を求める。求めた振幅と周期、周波数は、反射面１～反射面４の微小振動の振幅Ａ_m21～Ａ_m24と周期Ｔ₂₁～Ｔ₂₄及び周波数ν₂₁～ν₂₄を示す。

【0140】

また、データ解析装置１７２は、求めた４つの反射面までの光路長Ｌ_op21～Ｌ_op24及び強度I（ν）、Ｑ（ν）の強度分布を可視化することにより、測定対象物３の内面構造の断層分布のイメージング、断層間の変位、振動等を求める。

【0141】

モニタ装置１７４は、データ解析装置１７２から入力された情報、例えば、測定対象物３の内部構造の断層画像、ズレΔＬ₂₁～ΔＬ₂₄の振動の振幅Ａ_m21～Ａ_m24と周期Ｔ₂₁～Ｔ₂₄、周波数１／Ｔ₂₁～１／Ｔ₂₄等を表示する。また、モニタ装置１７４は、データ解析装置１７２が生成した断層分布のイメージ、断層間の変位、振動等を表示する。

【0142】

次に、データ解析装置１７２が実行するデータ処理の詳細を図１５～図１７のフローチャートを参照して説明する。

【0143】

データ解析装置１７２は、記憶装置１７０に１セットの干渉データＩＤとＱＤが記憶されると、図１５に示す干渉データ解析処理を開始する。

【0144】

データ解析装置１７２は、処理を開始すると、まず、新たに記憶されたＰ偏光の干渉データＩＤとＳ偏光の干渉データＱＤをそれぞれ解析し、干渉ピークが存在するか否か、存在する場合にはそのエンベローブＢのピークＰの周波数ν_pを特定し、さらに、そのときの変調周波数ν_iを特定する（ステップＳ１１１）。例えば、図１３（Ｂ）に示す干渉データの場合、干渉ピークのエンベローブＢ₂₁，Ｂ₂₂，Ｂ₂₃，Ｂ₂₄を検出し、ピークＰ₂₁，Ｐ₂₂，Ｐ₂₃，Ｐ₂₄の周波数ν₂₁，ν₂₂，ν₂₃，ν₂₄を特定する。また、そのときの、変調周波数ν_iを特定する。

【0145】

データ解析装置１７２は、変調周波数ν_iと予め求められている干渉次数ｍから、干渉板１５２の反射面から測定対象物３の反射面までの往復の光路長に相当する光路長差Ｌを、Ｌ＝ｍｃ／ν_iに基づいてμｍオーダで求める（ステップＳ１１２）。図１３の例であれば、データ解析装置１７２は、変調周波数ν_iと予め求められている干渉次数ｍ₂₁から、干渉板１５２の反射面から測定対象物３の反射面１までの往復の光路長に相当する光路長差Ｌ₂₁＝ｍ₂₁ｃ／ν_iを求める。同様に、反射面２～反射面４までの光路長差Ｌ₂₂＝ｍ₂₂ｃ／ν_i～光路長差Ｌ₂₄＝ｍ₂₄ｃ／ν_iを求める。

【0146】

データ解析装置１７２は、続いて、Ｐ偏光の干渉データＩＤとＳ偏光の干渉データＱＤについて、各エンベローブＢのピークＰの強度Ｉ（ν）とＱ（ν）を求める（ステップＳ１１３）。図１３の例であれば、データ解析装置１７２は、Ｐ偏光とＳ偏光の干渉ピークのエンベローブＢ₂₁～Ｂ₂₄のピークＰ₂₁～Ｐ₂₄の強度Ｉ（ν₂₁）～Ｉ（ν₂₄）及びＱ（ν₂₁）～Ｑ（ν₂₄）を求める。

【0147】

次に、データ解析装置１７２は、位相αをα＝ｔａｎ^－１（Ｑ／Ｉ）に基づいて求め、さらに、求めた位相αからズレΔＬを、ΔＬ＝αｃ／２πν_cから求める（ステップＳ１１４）。図１３の例であれば、データ解析装置１７２は、α₂₁＝ｔａｎ^－１（Ｑ（ν₂₁）／Ｉ（ν₂₁）、～、α₂₄＝ｔａｎ^－１（Ｑ（ν₂₄）／Ｉ（ν₂₄）を、図１３（Ｃ）に例示するように求める。さらに、求めた位相α₂₁～α₂₄から、ズレΔＬ₂₁＝α₂₁ｃ／２πν_c、～、ΔＬ₂₄＝α₂₄ｃ／２πν_cを求める。

【0148】

データ解析装置１７２は、求めた光路長差Ｌ、位相α及びズレΔＬにタイムスタンプを付して記憶装置１７０に記録する（ステップＳ１１５）。

【0149】

このようにして、１サンプリング期間１／（１０ν_ｓ）が経過する度に、光路長Ｌがμｍオーダで求められ、さらに、基準位置と反射面との位置のズレΔＬがｎｍオーダで求められ、記憶装置１７０に蓄積される。

【0150】

データ解析装置１７２は、測定終了時などに、反射面の分布を求め、測定対象物３の三次元断面構造をより詳細に特定するため、図１６に示す分布解析処理を実行する。

【0151】

データ解析装置１７２は、処理を開始すると、一連の測定で得られた反射面の位置を分析し、深さ方向の反射面の分布を特定する（ステップＳ２１１）。

【0152】

より詳細に説明すると、スキャン信号Ｓ_sの位相が、例えば、０からπまで変化する間に、変調周波数ν_iは、最大値（ν_ａ＋１０ν_s）から最小値（ν_ａ－１０ν_s）まで、即ち、（１０Ｇ＋１０Ｍ）Ｈｚから（１０Ｇ－１０Ｍ）Ｈｚまで変化する。このため、ある測定タイミングでは検出されなかった反射面が他の測定タイミングでは検出され、或いは、ある測定タイミングで検出された反射面が他の測定タイミングでは検出されなかったりする。また、反射面が厚みと分布を有する場合に、連続して干渉ピークが検出される。従って、複数の連続するタイミングで得られた反射面の位置から、反射面の深さ方向の分布を求める。

【0153】

次に、データ解析装置１７２は、求めた反射面の深さ方向の分布を画像化し、断層画像を合成する（ステップＳ２１２）。

【0154】

データ解析装置１７２は、得られた断層画像にタイムスタンプを付して記憶装置１７０に格納する（ステップＳ２１３）。

【0155】

なお、スキャン信号Ｓ_sの周期Ｔ_sの１／２以上の期間（位相π以上の期間）に亘って得られた反射面を処理しても、変調周波数ν_iは同じ値を繰り返すだけになり、効果は少ない。このため、ステップＳ２１１の処理に関しては、スキャン信号Ｓ_sの半周期単位で実行することが望ましい。また、このようにして得られた断層画像は、光コムが照射されている特定の一点の深さ方向の断層画像に相当する。このため、光コムを、Ｔ_s／２毎に、例えば、１ドット分の距離走査するようにしてもよい。

【0156】

また、データ解析装置１７２は、周期的に或いは測定終了時などに、各反射面の微小振動を特定するため、図１７に示す微小振動解析処理を開始する。

【0157】

データ解析装置１７２は、処理を開始すると、記憶装置１７０に記憶された一連のズレΔＬを読み出し、時系列にプロットする（ステップＳ３１１）。図１３の例であれば、データ解析装置１７２は、記憶装置１７０に記憶されたズレΔＬ₂₁の一連のデータ、ΔＬ₂₂の一連のデータ、ΔＬ₂₃の一連のデータ、ΔＬ₂₄の一連のデータをそれぞれ読み出し、図１４に例示するように時系列にプロットする。なお、一連のズレΔＬをデータ処理できれば、実際にプロットする必要はない。

【0158】

データ解析装置１７２は、プロットしたズレΔＬを近似する曲線を求める（ステップＳ３１２）。
データ解析装置１７２は、求めた近似曲線の振幅Ａ_mと周期Ｔと周波数１／Ｔ求める（ステップＳ３１３）。求めた振幅と周期、周波数は、測定対象物３の反射面の微小振動の振幅Ａ_m、周期Ｔ及び周波数１／Ｔを示す。図１４の例であれば、データ解析装置１７２は、プロットしたズレΔＬ₂₁とΔＬ₂₂をそれぞれ近似する曲線を求め、求めた近似曲線の振幅Ａ_m21、Ａ_m22と、周期Ｔ₂₁、Ｔ₂₂と、周波数１／Ｔ₂₁、１／Ｔ₂₂を求める。求めた振幅と周期、周波数は、反射面１と２の微小振動の振幅Ａ_m21、Ａ_m22と、周期Ｔ₂₁、Ｔ₂₂及び周波数１／Ｔ₂₁、１／Ｔ₂₂を示す。

【0159】

データ解析装置１７２は、求めた振幅Ａ_m、周期Ｔ及び周波数１／Ｔを記憶装置１７０に保存し（ステップＳ３１４）、処理を終了する。

【0160】

以上説明したように、本実施の形態に係る測定システム１は、スキャン周波数ν_ｓの１０倍の１０ＭＨｚの高速で、各反射面までの光路長Ｌ_opをμｍオーダで測定でき、さらに、反射面の基準位置からのズレΔＬをｎｍオーダで求めることができる。さらに、測定対象物３が光が内部に侵入可能な物質から構成されている場合には、その内部構造・断層構造を計測可能である。

【0161】

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。例えば、上記実施の形態においては、ズレΔＬを求めるために、光コムを構成するＳ偏光をＰ偏光よりも１／８λ波長板１５４によりπ／２遅延させる例を示したが、光コムを構成するＰ偏光をＳ偏光よりも１／８λ波長板１５４によりπ／２遅延させるように構成しても良い。Ｐ偏光とＳ偏光の間にπ／２の位相差を与え直交信号を生成できるならば、手法は任意である。

【0162】

偏光を使用せず、スキャン周期の間、各エンベローブの強度を観察し、最大値又は最小値（負の最大値）を判別し、最大値の時を位相α＝０又は２π、最小値のときを位相α＝πとして、位相αを求めるようにしてもよい。例えば、スキャン周期２πの前半のπと後半のπの間に、ｃｏｓ（α）は最大値（＋１）と最小値（－１）の間で変化する。そこで、スキャン周期Ｔ_sのうちで前半Ｔ_s／２又は後半Ｔ_s／２の間で、エンベローブの強度を観察し、最大値となったタイミングが位相αが０又は２πのタイミング、最小値となったタイミングが位相αがπのタイミングと見なして、処理するようにしてもよい。この処理は、リアルタイムで実行しても、複数のエンベローブ強度が得られた後でまとめて実行してもよい。

【0163】

以上の説明では、理解を容易にするため、光学装置１５として、参照光路長Ｌ_ｒ＝０の例を示したが、参照光路長Ｌ_ｒが存在してもよい。この場合、２（Ｌ_op－Ｌ_ｒ）が光路長差となる。

【0164】

また、以上の説明では、搬送波信号Ｓ_aの周波数ν_ａを１０ＧＨｚ、スキャン信号Ｓ_ｓの周波数ν_ｓを１ＭＨｚ、変調指数ｍｆを１０，サンプリング周波数を１０ＭＨ，レーザ光の波長λ_ｃを１５００ｎｍとする例を示したが、これらの数値は任意に変更可能である。

【0165】

また、ＲＦ信号生成装置１１は、周波数変調信号を生成できるならば、回路構成自体は任意である。光コム生成装置１２の構成は、周波数変調信号Ｓ_iに従って、光コムを構成する周波数成分間の間隔を変調周波数ν_iに応じて変化させることができるならば、その構成自体は任意である。さらに、間隔が周期的に変動する複数の周波数成分を含む光コムを生成することができれば、ＲＦ信号生成装置１１と光コム生成装置１２に限らず、光コム生成部の構成自体は任意である。

【0166】

上記実施の形態においては、周波数変調信号Ｓ_iとサンプリングタイミングを同期させるために、スキャン信号Ｓ_sに同期した同期信号を、サンプリング装置１６５と記憶装置１７０に供給した。ただし、これに限定されず、回路動作の同期を取る手法は任意である。また、サンプリングデータにタイムスタンプを付加したが、これに限定されない。例えば、タイムスタンプに代えて、スキャン信号Ｓ_sの位相の値を付加する等してもよい。

【0167】

また、上記実施の形態においては、サンプリング装置１６５によりサンプリングされたデータを記憶装置１７０に記憶し、データ解析装置１７２はこのデータを処理した。データ解析装置１７２は、サンプリング装置１６５の出力データを直接処理してもよい。

【0168】

また、上記実施の形態においては、サンプリング装置１６５によりサンプリングされたデータを記憶装置１７０に記憶し、データ解析装置１７２はこのデータを処理した。データ解析装置１７２は、サンプリング装置１６５の出力データを直接処理してもよい。

【0169】

測定対象物３が光透過性の物質で、光反射面間に大きな距離がある場合、光路長差Ｌを測定するタイミングに差が生じる。この場合、光の伝播に必要な時間に応じて、タイミングを補正することにより、正確に光路長差Ｌを測定できる。例えば、測定対象物３の第１反射面と第２反射面の距離がＬ_pであり、第１反射面が光コム入射側に位置すると仮定する。この場合、第射面と第２反射面との間で、光コムの伝達に２・Ｌ_p／ｃの時間を要する。従って、データ解析装置１７２は、第１反射面からのタイミングｔでのサンプリング値と、第２反射面からのタイミングｔ＋２・Ｌ_p／ｃでのタイミングのサンプリング値とを、同一の光コムによる信号として処理する。このような時間補正により、測定対象物３内の断層構造を正確に測定することができる。

【0170】

なお、光路長差Ｌと光路長（距離）Ｌ_opとは相互に変換可能であり、実質的に等価である。また、位相αと光路長差のズレΔＬと光路長のズレΔＬ_opも相互に変換可能であり、実質的に等価である。従って、いずれを最終解としてもよい。

【実施例】

【0171】

以下、測定システム１の実施例を説明する。
（実施例１）
図１８は、図１に示した測定システム１の動作実験のための実験系３０を例示する図である。図１８に示すように、実験系３０は、固定装置３４により建物の床面などに固定される。測定対象物３は、ピエゾ素子に取り付けられて振動が加えられる。

【0172】

測定対象物３として、光を全反射して返す平面鏡を用いた。測定システム１と測定対象物３とを、測定システム１から光コムを測定対象物３の平面に対して直角に出射し、反射光が測定システム１の光学装置１５に返るように位置合わせした。また、Ｓ偏光がＰ偏光に対し、往復でπ／２だけ位相が遅延するように、光コムの通路に１／８λ波長板を配置した。なお、実験系３０において、光路長Ｌ_opは概ね６２０ｍｍであり、おおむね３３次の干渉に対応した。

【0173】

測定システム１の搬送波信号Ｓ_aの周波数ν_aを１０ＧＨｚ、スキャン信号Ｓ_sの周波数ν_sを１ＭＨｚとし，変調指数ｍｆを１０，赤外線レーザの波長λ_cを１５００μｍに設定した。サンプリング装置１６５のサンプリング周波数を１０ＭＨｚとした。

【0174】

ピエゾ素子に周波数３０ｋＨｚの交流電圧を印加し、反射板を３０ｋＨｚで振動させた。

【0175】

図１９（Ａ）と（Ｂ）は、実験により得られたＩ干渉信号とＱ干渉信号の信号波形図を示す。横軸は時間であり、０．４ｍｓの波形を示す。
図１９（Ｃ）の縦軸は、Ｉ干渉信号とＱ干渉信号の干渉ピークの信号強度の比から求められた位相αを示し、横軸は時間であり、ピエゾ素子の振動１周期分に相当する０．２ｍｓの波形を２つ重ねて示す。

【0176】

図１９（Ｃ）に示すように、位相α［rad］がピエゾ素子による反射板の振動に伴ってｓｉｎ波状に変化していること、反射板の１往復目で得られた位相αと２往復目で得られた位相αとがほぼ一致しており、再現性に優れていることが確認された。

【0177】

（実施例２）
図１８に示す実験系３０の固定装置３４に測定対象物として厚さ１２０μｍのガラス板を固定した。ピエゾ素子を用いず、ガラス板に周波数１０ｋＨｚの純音がでるスピーカを近接して配置することにより、ガラス板を振動させた。

【0178】

図２０（Ａ）と（Ｂ）は、得られたＩ信号とＱ信号の信号波形図を示す。横軸は時間であり、０～４．５ｍｓの波形を示す。図２０（Ｃ）は、Ｉ信号とＱ信号の１周期分の波形を示し、横軸は時間であり、１．６３２×１０^-4～１．６４４×１０^-4秒の間の信号波形を拡大して示す。

【0179】

図２１（Ａ）は、干渉信号の強度を示し、横軸は時間であり、図２０（Ｃ）と同一の１．６３２×１０^-4～１．６４４×１０^-4秒の間の信号波形を示す。図示するように、４つの干渉ピークが観測されており、ガラスの裏表で２つの反射が確認できた。

【0180】

さらに、図２１（Ｂ）は、図２０（Ｃ）のＩ信号とＱ信号から得られた位相αを示す。
ガラス板の表面の位相と裏面の位相とが、ガラス板の振動に同一傾向で変動しており、位相高速に正しく測定できていることが確認された。

【0181】

以上説明した測定システム１により実現される光コム干渉法によれば、測定対象物３と測定システム１の間の光路長Ｌ_opを、μｍ領域の精度で測定できる。また、測定対象物３の構造と動きとを同時に測定できる。また、測定システム１においては、周波数成分ν_－ｎ～ν_ｎの間隔の周波数ν_iが周波数変調された周期変動周波数であり、ＦＷＨＭ（半値幅）が５０μ秒の光コムを生成できる。また、測定システム１おいては、ＦＦＴ処理が不要で、データ解析装置１７２における解析処理に要する演算が軽くて済むので、測定対象物３の１００ｋＨｚの帯域の振動を、実時間的に測定できる。

【0182】

本発明の実施の形態を説明したが、この実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0183】

１ 測定システム、３ 測定対象物、１１ ＲＦ信号生成装置、１２ 光コム生成装置、１３ 偏波コントローラ、１４ サーキュレータ、１５ 光学装置、１６ 光信号処理装置、１７ 情報処理装置、３０ 実験系、３４ 固定装置、１１０ 搬送波信号生成装置、１１２ スキャン信号生成装置、１１４ 周波数変調装置 １２０ 光源装置、１２２ 光変調装置、１２４ 光増幅装置、１２６ 高非線形シフトファイバ、１５０ コリメータ、１５２ 干渉板、１５４ １／８λ波長板、１６０ 偏光ビームスプリッタ、１６１ Ｐ偏光用１：１カプラ、１６２ Ｐ偏光用光検出装置、１６３ Ｓ偏光用１：１カプラ、１６４ Ｓ偏光用光検出装置、１６５ サンプリング装置、１７０ 記憶装置、１７２ データ解析装置、１７４ モニタ装置

【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】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】