JP2008002815A - 波長変化パルス光発生装置およびこれを用いた光断層計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】時間の経過に伴ってリニアに波長が大きく変化するパルス光を発生させると共にこのパルス光を用いて光断層計測装置の性能を向上させる。
【解決手段】パルス幅（時間幅）がピコ秒（ｐｓ）からフェムト秒（ｆｓ）単位のパルス光を生成する短パルス光源３２と、短パルス光源３２のパルス光の周波数を調整する変調器３３と、変調器３３からのパルス光の強度を増幅する増幅器３４と、増幅器３４により強度が増幅されたパルス光を１２００ｎｍ〜２２００ｎｍ程度の広帯域で比較的平坦に広がるスーパーコンティニューム（広帯域光）とする広帯域光生成用光ファイバ３５と、スーパーコンティニュームを時間の変化に対してリニアに波長が変化する検査光とするパルス伸張用光ファイバ３６と、により検査光発生部３０を構成し、この検査光を用いて対象物１０の断層情報を計測する。
【選択図】図１

Description

本発明は、波長変化パルス光発生装置およびこれを用いた光断層計測装置に関し、詳しくは、時間の経過に伴って単調に波長が変化する波長変化パルス光を発生する波長変化パルス光発生装置およびこれを用いて対象物の内部の断層情報を計測する光断層計測装置に関する。

従来、この種の光断層計測装置に用いられる光発生装置としては、時間の経過に伴って単調に波長が変化する光を発生するものが提案されている（例えば、非特許文献１参照）。この光発生装置では、レーザ光を、透過する光の波長を可変とするフィルタを用いて時間の経過に伴って波長が１２５０ｎｍ〜１４００ｎｍの範囲内で単調に変化する光（swept source）を１６ｋＨｚの周期で発生している。

こうした時間の経過に伴って単調に波長が変化する光を発生する光発生装置を光断層計測装置の光源として用いると、検出器に分光器を用いる必要がなく、シンプルなものとすることができる。
ＴＨＯＲＬＡＢＳ製の「Ｒａｐｉｄｌｙ Ｓｗｅｐｔ Ｔｕｎａｂｌｅ Ｌａｓｅｒ Ｓｏｕｒｃｅ」、型番「ＳＬ１３２５−Ｐ１６」のカタログ

一般的に、光断層計測装置では、その分解能は光源からの光の波長の幅Δλに反比例するため、波長の幅を広い光を用いることが望まれる。この要請に、波長の幅Δλが広い広帯域光（スーパーコンティニューム）を用いることも考えられるが、検出に広帯域光を分光する高度な分光器を用いる必要があり、検出器が複雑なものとなる。

本発明の波長変化パルス光発生装置は、時間の経過に伴って単調に波長が大きく変化するパルス光を発生させることを目的とする。また、本発明の光断層計測装置は、その性能を向上させることを目的とする。

本発明の波長変化パルス光発生装置および光断層計測装置は、上述の目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の波長変化パルス光発生装置は、
時間の経過に伴って単調に波長が変化する波長変化パルス光を発生する波長変化パルス光発生装置であって、
短い間隔のパルス光を発生する短パルス光源と、
前記短パルス光源からのパルス光を受光して前記波長変化パルス光とする波長変化用光デバイスと、
を備えることを要旨とする。

この本発明の波長変化パルス光発生装置では、短パルス光源からのパルス光を波長変化用光デバイスにより時間の経過に伴って単調に波長が変化する波長変化パルス光とすることができる。この結果、レーザ光を透過する光の波長を可変とするフィルタを用いて時間の経過に伴って波長が変化する光（swept source）を得るものに比して、時間の経過に伴って単調に波長が変化するパルス光を発生させることができる。ここで、波長変化パルス光の波長の変化幅は、如何なる幅でも良いが、変化幅が大きいほど分解能が高くなることから、大きい方が好ましい。例えば、３００ナノメートル以上や４００ナノメートル以上，５００ナノメートル以上，６００ナノメートル以上などが好ましい。

こうした本発明の波長変化パルス光発生装置において、前記波長変化用光デバイスは、単一モード特性と正常分散の波長分散特性と非線形特性とを有する光ファイバであるものとすることもできる。こうすれば、短パルス光源から波長幅の小さなパルス光を受光しても波長が時間の経過に伴って単調に変化する波長変化パルス光とすることができる。

また、本発明の波長変化パルス光発生装置において、前記波長変化用光デバイスは、前記パルス光を波長が広帯域にわたる広帯域光スペクトルとする非線形特性を有する第１光ファイバと、前記広帯域光スペクトルを前記波長変化パルス光とする波長分散特性を有する第２光ファイバと、を備えるものとすることもできる。こうすれば、第１光ファイバによりパルス光を広帯域光スペクトルのパルス光とし、第２光ファイバによりこの広帯域光スペクトルのパルス光を波長が時間の経過に伴って単調に変化する波長変化パルス光とすることができる。

さらに、本発明の波長変化パルス光発生装置において、前記短パルス光源は波長が広帯域にわたる広帯域光スペクトルのパルス光を発生する光源であり、前記波長変化用光デバイスは前記広帯域光スペクトルのパルス光を前記波長変化パルス光とするデバイスであるものとすることもできる。この場合、前記波長変化用光デバイスは、波長分散特性を有する光ファイバであるものとすることもできる。

あるいは、本発明の波長変化パルス光発生装置において、前記短パルス光源は、出力パルスの中心波長が８００ｎｍ帯，１０００ｎｍ帯，１３００ｎｍ帯のうちのいずれかでパルス幅がピコ秒ないしフェムト秒単位のパルス光を出力することを特徴とするものとすることもできる。

また、本発明の波長変化パルス光発生装置において、前記短パルス光源からのパルス光の前記波長変化用光デバイスへの入射間隔を調整する入射間隔調整器を備えるものとすることもできる。こうすれば、波長変化パルス光の発生周期を調整することができる。

本発明の波長変化パルス光発生装置において、前記短パルス光源からのパルス光の強度を増幅して前記波長変化用光デバイスに入射するパルス増幅器を備えるものとすることもできる。こうすれば、波長変化パルス光の強度を調整することができる。

本発明の波長変化パルス光発生装置において、前記波長変化パルス光は、１００ナノ秒ないし１００マイクロ秒の範囲内の時間で単調に波長が変化するパルス光であるものとすることもできる。

本発明の光断層計測装置は、
光を用いて対象物の内部の断層情報を計測する光断層計測装置であって、
上述のいずれかの態様の本発明の波長変化パルス光発生装置、即ち、基本的には、時間の経過に伴って単調に波長が変化する波長変化パルス光を発生する波長変化パルス光発生装置であって、短い間隔のパルス光を発生する短パルス光源と、前記短パルス光源からのパルス光を受光して前記波長変化パルス光とする波長変化用光デバイスと、を備える波長変化パルス光発生装置と、
前記波長変化パルス光発生装置からの波長変化パルス光を信号光と参照光とに分岐する光分岐手段と、
前記光分岐手段による分岐により得られた信号光を前記対象物に照射すると共に該対象物から該信号光の照射により反射される散乱光を受光する照射受光手段と、
前記光分岐手段からの参照光と前記照射受光手段による受光により得られた散乱光との干渉信号に基づいて前記対象物の内部の断層情報を計測する計測手段と、
を備えることを要旨とする。

この本発明の光断層計測装置では、時間の経過に伴って単調に波長が変化する波長変化パルス光を用いて対象物の断層情報を計測する。したがって、波長変化パルス光を用いるから、装置の性能（分解能や感度）を向上させることができる。特に、波長変化パルス光の波長の変化幅を大きくすることにより、装置の性能を大きく向上させることができる。

こうした本発明の光断層計測装置において、前記計測手段は、バランス型検出器を用いて前記干渉信号を検出する手段であるものとすることもできる。この場合、前記計測手段は、前記波長変化パルス光の長波長側での検出特性に優れた長波長側バランス検出器と、前記波長変化パルス光の短波長側での検出特性に優れた短波長側バランス検出器と、を用いて前記干渉信号を検出する手段であるものとすることもできる。こうすれば、干渉信号をより感度よく検出することができ、装置の性能を向上させることができる。

次に、本発明を実施するための最良の形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施例としての波長変化パルス光発生装置としての検査光発生部３０を備える光断層計測装置２０の構成の概略を示す構成図である。実施例の光断層計測装置２０は、図示するように、時間の変化に対して単調に波長が変化する波長変化パルス光を検査光として繰り返し発生する検査光発生部３０と、検査光発生部３０からの検査光の一部を分岐して検出に用いる検出用光として取り出す光分岐器４０と、検査光発生部３０から光分岐器４０を介して得られる検査光を信号光と参照光とに分岐すると共に後述するスキャニング照射受光装置４４からの散乱光と光路長調整部４３からの参照光とを合成する光分岐器４２と、光分岐器４２により分岐された参照光の光路長を調整する光路長調整部４３と、光分岐器４２により分岐された信号光を対象物１０に走査して照射すると共に信号光の照射に伴って対象物１０から反射される散乱光を受光する照射受光装置４４と、光分岐器４２により光路長調整部４３からの参照光と照射受光装置４４からの散乱光とを合成した合成光に基づいて干渉信号を出力する干渉信号出力器５０と、干渉信号出力器５０からの干渉信号をアナログデジタル変換するＡ／Ｄ変換器６０を介して入力して対象物１０の内部の断層情報を演算処理するコンピュータ６２と、を備える。

検査光発生部３０は、パルス光の波長が１５６０ｎｍでパルス幅（時間幅）がピコ秒（ｐｓ）からフェムト秒（ｆｓ）単位のパルス光を１０〜１００ＭＨｚの繰り返し周波数で生成する短パルス光源３２と、短パルス光源３２のパルス光の繰り返し周波数を１００ｋＨｚに調整する変調器３３と、変調器３３からのパルス光の強度を増幅する増幅器３４と、増幅器３４により強度が増幅されたパルス光を１２００ｎｍ〜２２００ｎｍ程度の広帯域で比較的平坦に広がるスーパーコンティニューム（広帯域光）とする広帯域光生成用光ファイバ３５と、スーパーコンティニュームを時間の変化に対してリニアに波長が変化する検査光とするパルス伸張用光ファイバ３６と、を備える。実施例では、短パルス光源３２として、パルス光の波長が１５６０ｎｍ、パルス幅（時間幅）が１４１フェムト秒（ｆｓ）、パルス光の繰り返し周波数が４８ＭＨｚ、平均出力が３８ｍＷの短パルス光を安定して生成するものを用い、広帯域光生成用光ファイバ３５としては、モードフィールド径が３．８μｍ、非線形係数が２１［Ｗ^-1ｍ^-1］、波長分散の大きさが１［ｐｓ／ｋｍ／ｎｍ］の偏波保持型の高非線形分散シフトファイバを用い、パルス伸張用光ファイバ３６としては、波長分散の大きさが−３［ｐｓ／ｋｍ／ｎｍ］の正常分散ファイバを用いた。短パルス光源３２からのパルス光と広帯域光生成用光ファイバ３５からのスーパーコンティニュームとパルス伸張用光ファイバ３６からの検査光との時間と波長との関係の一例を図２に示し、広帯域光生成用光ファイバ３５からのスーパーコンティニュームの波長と強度との一例を図３に示す。図２に示すように、パルス伸張用光ファイバ３６からの検査光は、１２００ｎｍ〜２２００ｎｍまでの波長のパルス光が７０ピコ秒（ｐｓ）の間に波長をリニアに変化させるものとなる。実施例の検査光発生部３０は、こうした検査光を１００ｋＨｚの周波数で繰り返し出力するものとなる。

干渉信号出力器５０は、光分岐器４０からの検出用光を分岐する光分岐器５１と、光分岐器４２からの合成光を分岐する光分岐器５２と、光分岐器５１により分岐した検出用光と光分岐器５２により分岐した合成光との差分に対して長波長側での検出特性に優れた長波長側バランス検出器５３と、光分岐器５１により分岐した検出用光と光分岐器５２により分岐した合成光との差分に対して低波長側での検出特性に優れた低波長側バランス検出器５４と、長波長側バランス検出器５３からの出力と低波長側バランス検出器５４からの出力とを加算する加算器５５と、を備える。長波長側バランス検出器５３および低波長側バランス検出器５４の性能としての波長と利得との関係の一例を図４に示す。図示する用に、長波長側バランス検出器５３は波長が１２００ｎｍから２２００ｎｍの範囲で高い性能を有し、低波長側バランス検出器５４は波長が８００ｎｍから１４００ｎｍの範囲で高い性能を有する。なお、干渉信号の一例を図５に示す。

次に、実施例の光断層計測装置２０による断層情報の検出の様子について説明する。検査光発生部３０から検査光が発射されると、検査光は光分岐器４０で検出用光を分岐し、光分岐器４２で信号光と参照光とに分岐する。信号光は、照射受光装置４４により対象物１０に照射され、この照射による散乱光を照射受光装置４４によって受光して光分岐器４２に戻される。参照光は、光路長調整部４３により光分岐器４２から対象物１０までの往復の距離と略同一の距離となるよう調整された光路長調整部４３により光路が調整されて光分岐器４２に戻され、照射受光装置４４からの散乱光と合成されて合成光となる。合成光は、光分岐器５２により分岐され、長波長側バランス検出器５３および低波長側バランス検出器５４による光分岐器４０および光分岐器５１により分岐した検出用光との差分を加算器５５により和をとって干渉信号とされ、コンピュータ６２にＡ／Ｄ変換器６０を介して入力される。干渉信号を入力したコンピュータ６２は、周知のインコヒーレント干渉法を用いた解析により、対象物１０の断層情報を解析する。実施例の光断層計測装置２０では、上述したように、１２００ｎｍ〜２２００ｎｍまでの波長が７０マイクロ秒（μｓ）の間にリニアに変化する検査光を用いるから、その分解能は３μｍとなり、感度は１１０ｄＢとなる。図６に半透明のテープを積層したものを対象物１０として実施例の光断層計測装置２０により計測した結果の一例を示す。図示するように、高い分解能で断層情報が得られている。

以上説明した実施例の光断層計測装置２０によれば、１２００ｎｍ〜２２００ｎｍまでの波長が７０マイクロ秒（μｓ）の間にリニアに変化する検査光を用いて対象物１０の断層情報を解析するから、高い分解能および高い感度をもって対象物１０の断層情報を解析することができる。この結果、光断層計測装置２０の性能を向上させることができる。しかも、長波長側バランス検出器５３と低波長側バランス検出器５４とを用いて干渉信号を検出するから、広い波長の干渉信号を精度よく検出することができ、装置の性能を向上させることができる。

また、実施例の検査光発生部３０によれば、１２００ｎｍ〜２２００ｎｍまでの波長が７０マイクロ秒（μｓ）の間にリニアに変化するパルス光である波長変化パルス光を発生することができる。

実施例の光断層計測装置２０では、短パルス光源３２としては、パルス光の波長が１５６０ｎｍ、パルス幅（時間幅）が１４１フェムト秒（ｆｓ）、パルス光の繰り返し周波数が４８ＭＨｚ、平均出力が３８ｍＷの超短パルス光を安定して生成するものを用いたが、こうした性能に限定されるものではなく、例えば、パルス光の波長が８００ｎｍ帯や１０００ｎｍ帯，１３００ｎｍ帯のものを用いてもよいし、パルス幅（時間幅）がフェムト秒（ｆｓ）単位のものやミリ秒（ｍｓ）単位のものを用いてもよいし、パルス光の繰り返し周波数がＭＨｚ単位のものやｋＨｚ単位のもの、或いはＧＨｚ単位のものを用いてもよい。

実施例の光断層計測装置２０では、干渉信号出力器５０として長波長側バランス検出器５３と低波長側バランス検出器５４とにより構成するものとしたが、図９の変形例の光断層計測装置１２０に示すように、光分岐器４０からの検出用光と光分岐器４２からの合成光との差分により干渉信号を検出するバランス検出器１５０により構成するものとしても差し支えない。また、図１０の変形例の光断層計測装置２２０に示すように、光分岐器４２からの合成光の干渉信号を検出する検出器２５０としてもよいし、光路長調整部４３からの参照光と照射受光装置４４からの散乱光との数式上の和光（参照光Ａ＋散乱光Ｂ）の２乗と差光（参照光Ａ−散乱光Ｂ）の２乗との差分（４ＡＢ）を干渉信号として出力する差動検出器としても構わない。

実施例の光断層計測装置２０が備える検査光発生部３０では、１２００ｎｍ〜２２００ｎｍまでの波長のパルス光が７０マイクロ秒（μｓ）の間に波長を単調に変化させる波長変化パルス光を検査光として出力するものとしたが、波長変化パルス光は８００ｎｍ帯や１０００ｎｍ帯，１３００ｎｍ帯或いは他の波長帯で波長が変化するものとしてもよい。また、波長の変化幅は、如何なる変化幅であっても良く、例えば、３００ナノメートル以上や４００ナノメートル以上，５００ナノメートル以上，６００ナノメートル以上などであってもよい。波長の変化幅は大きい方が好ましい。波長変化パルス光の時間幅は、７０マイクロ秒（μｓ）である必要もなく、１００ナノ秒〜１００マイクロ秒の範囲内であればよい。こうした波長変化パルス光を出力できれば、波長変化パルス光発生装置としての検査光発生部３０を短パルス光源３２と変調器３３と増幅器３４と広帯域光生成用光ファイバ３５とパルス伸張用光ファイバ３６とによって構成する必要はなく、図７の変形例の検査光発生部３０Ｂに例示するように増幅器３４を備えない構成としてもよく、図８の変形例の検査光発生部３０Ｃに例示するように変調器３３も増幅器３４も備えない構成としてもよく、或いは、全く異なる構成としても構わない。

実施例の波長変化パルス光発生装置としての検査光発生部３０では、短パルス光源３２からのパルス光を広帯域光生成用光ファイバ３５とパルス伸張用光ファイバ３６とを用いて７０マイクロ秒（μｓ）の間に１２００ｎｍ〜２２００ｎｍまで波長が単調に変化させる波長変化パルス光としたが、広帯域光生成用光ファイバ３５とパルス伸張用光ファイバ３６とを備える必要はなく、広帯域光生成用光ファイバ３５の特性とパルス伸張用光ファイバ３６の特性を有する単一の光ファイバを備えるものとしてもよい。この場合、光ファイバは、単一モード特性と正常分散の波長分散特性と非線形特性とを有するものとすればよい。なお、単一モード特性と正常分散の波長分散特性と非線形特性とを有するものであれば光ファイバでなくても構わない。

実施例の波長変化パルス光発生装置としての検査光発生部３０では、短パルス光源３２として波長が１５６０ｎｍ、パルス幅（時間幅）が１４１フェムト秒（ｆｓ）、パルス光を生成するものを用い、パルス光を広帯域光生成用光ファイバ３５とパルス伸張用光ファイバ３６とを用いて７０マイクロ秒（μｓ）の間に１２００ｎｍ〜２２００ｎｍまで波長が単調に変化する波長変化パルス光としたが、短パルス光源として広帯域光スペクトルのパルス光を発生するものを用いるものとすれば、広帯域光生成用光ファイバ３５を用いる必要はなく、パルス伸張用光ファイバ３６を用いるだけのものとしてもよい。

実施例では、波長変化パルス光発生装置としての検査光発生部３０を光断層計測装置２０の光源として用いるものとしたが、対象物を３次元計測する３次元計測装置の光源として用いるものとしてもよいし、対象物までの距離を計測する距離計測装置の光源としてもちいるものとしてもよい。

以上、本発明を実施するための最良の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等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において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、パルス光発生装置やこれを用いる光断層計測装置の製造産業などに利用可能である。

本発明の一実施例としての光断層計測装置２０の構成の概略を示す構成図である。 短パルス光源３２からのパルス光と広帯域光生成用光ファイバ３５からのスーパーコンティニュームとパルス伸張用光ファイバ３６からの検査光との時間と波長との関係の一例を示す説明図である。 広帯域光生成用光ファイバ３５からのスーパーコンティニューの波長と強度との一例を示す説明図である。 長波長側バランス検出器５３および低波長側バランス検出器５４の性能としての波長と利得との関係の一例を示す説明図である。 干渉信号の一例を示す説明図である。 半透明のテープを積層したものを対象物１０として実施例の光断層計測装置２０により計測した結果の一例を示す説明図である。 変形例の検査光発生部３０Ｂの構成の概略を示す構成図である。 変形例の検査光発生部３０Ｃの構成の概略を示す構成図である。 変形例の光断層計測装置１２０の構成の概略を示す構成図である。 変形例の光断層計測装置２２０の構成の概略を示す構成図である。

符号の説明

１０ 対象物、２０，１２０，２２０ 光断層計測装置、３０，３０Ｂ，３０Ｃ 検査光発生部、３２ 短パルス光源、３３ 変調器、３４ 増幅器、３５ 広帯域光生成用光ファイバ、３６ パルス伸張用光ファイバ、４０，４２ 光分岐器、４３ 光路長調整部、４４ 照射受光装置、５０ 干渉信号出力器、５１，５２ 光分岐器、５３ 長波長側バランス検出器、５４ 低波長側バランス検出器、６０ Ａ／Ｄ変換器、６２ コンピュータ。

Claims (12)

1. 時間の経過に伴って単調に波長が変化する波長変化パルス光を発生する波長変化パルス光発生装置であって、
   短い間隔のパルス光を発生する短パルス光源と、
   前記短パルス光源からのパルス光を受光して前記波長変化パルス光とする波長変化用光デバイスと、
   を備える波長変化パルス光発生装置。
2. 前記波長変化用光デバイスは、単一モード特性と正常分散の波長分散特性と非線形特性とを有する光ファイバである請求項１記載の波長変化パルス光発生装置。
3. 前記波長変化用光デバイスは、前記パルス光を波長が広帯域にわたる広帯域光スペクトルとする非線形特性を有する第１光ファイバと、前記広帯域光スペクトルを前記波長変化パルス光とする波長分散特性を有する第２光ファイバと、を備える請求項１記載の波長変化パルス光発生装置。
4. 請求項１記載の波長変化パルス光発生装置であって、
   前記短パルス光源は、波長が広帯域にわたる広帯域光スペクトルのパルス光を発生する光源であり、
   前記波長変化用光デバイスは、前記広帯域光スペクトルのパルス光を前記波長変化パルス光とするデバイスである
   波長変化パルス光発生装置。
5. 前記波長変化用光デバイスは、波長分散特性を有する光ファイバである請求項４記載の波長変化パルス光発生装置。
6. 前記短パルス光源は、出力パルスの中心波長が８００ｎｍ帯，１０００ｎｍ帯，１３００ｎｍ帯のうちのいずれかでパルス幅がピコ秒ないしフェムト秒単位のパルス光を出力することを特徴とする請求項１ないし５いずれか記載の波長変化パルス光発生装置。
7. 前記短パルス光源からのパルス光の前記波長変化用光デバイスへの入射間隔を調整する入射間隔調整器を備える請求項１ないし６いずれか記載の波長変化パルス光発生装置。
8. 前記短パルス光源からのパルス光の強度を増幅して前記波長変化用光デバイスに入射するパルス増幅器を備える請求項１ないし７いずれか記載の波長変化パルス光発生装置。
9. 前記波長変化パルス光は、１００ナノ秒ないし１００マイクロ秒の範囲内の時間で単調に波長が変化するパルス光である請求項１ないし８いずれか記載の波長変化パルス光発生装置。
10. 光を用いて対象物の内部の断層情報を計測する光断層計測装置であって、
    請求項１ないし９いずれか記載の波長変化パルス光発生装置と、
    前記波長変化パルス光発生装置からの波長変化パルス光を信号光と参照光とに分岐する光分岐手段と、
    前記光分岐手段による分岐により得られた信号光を前記対象物に照射すると共に該対象物から該信号光の照射により反射される散乱光を受光する照射受光手段と、
    前記光分岐手段からの参照光と前記照射受光手段による受光により得られた散乱光との干渉信号に基づいて前記対象物の内部の断層情報を計測する計測手段と、
    を備える光断層計測装置。
11. 前記計測手段は、バランス型検出器を用いて前記干渉信号を検出する手段である請求項１０記載の光断層計測装置。
12. 前記計測手段は、前記波長変化パルス光の長波長側での検出特性に優れた長波長側バランス検出器と、前記波長変化パルス光の短波長側での検出特性に優れた短波長側バランス検出器と、を用いて前記干渉信号を検出する手段である請求項１１記載の光断層計測装置。