JP2022074869A

JP2022074869A - 干渉計及び光学機器

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Publication number: JP2022074869A
Application number: JP2020185277A
Authority: JP
Inventors: 智一山本; Tomokazu Yamamoto
Original assignee: Yokogawa Electric Corp; Yokogawa Test and Measurement Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp; Yokogawa Test and Measurement Corp
Priority date: 2020-11-05
Filing date: 2020-11-05
Publication date: 2022-05-18

Abstract

【課題】光学系の構成が単純化される干渉計を提供する。
【解決手段】本開示に係る干渉計１０は、光学機器１に用いられる干渉計１０であって、干渉計１０に入射した被測定光が反射する反射部品１４と、反射部品１４で反射した被測定光が内部を通過する第１光学部品１５と、第１光学部品１５の内部を通過した被測定光の少なくとも一部を検出器１２に導く第２光学部品１６と、第２光学部品１６によって導かれた被測定光を検出する検出器１２と、反射部品１４を可動にし、被測定光が第１光学部品１５に入射するときの入射位置を変化させる駆動機構１１と、を備え、第１光学部品１５の内部の光路長は、入射位置に依存して変化する。
【選択図】図２

Description

本開示は、干渉計及び光学機器に関する。

従来、被測定光の波長を測定するための光波長計に関する技術が知られている。

例えば、特許文献１には、マイケルソン型干渉計を有する光波長計であって、基準光源部の基準光源として、縦多モードで発振する無安定化縦多モードレーザーを設けたことを特徴とする光波長計が開示されている。

特許第５７２９８８３号

特許文献１に記載の発明では、被測定光は、干渉計内において光路長差が設けられた２つの光路に沿って一度分離し再度合成される。このような従来の干渉計では、光学系の構成が複雑になるという問題があった。結果として、２つの光路が正確に形成されるように光学系を組み立てて被測定光の干渉を確実に得るための作業負荷が大きかった。

本開示は、光学系の構成が単純化される干渉計及び光学機器を提供することを目的とする。

幾つかの実施形態に係る干渉計は、光学機器に用いられる干渉計であって、前記干渉計に入射した被測定光が反射する反射部品と、前記反射部品で反射した前記被測定光が内部を通過する第１光学部品と、前記第１光学部品の内部を通過した前記被測定光の少なくとも一部を検出器に導く第２光学部品と、前記第２光学部品によって導かれた前記被測定光を検出する前記検出器と、前記反射部品を可動にし、前記被測定光が前記第１光学部品に入射するときの入射位置を変化させる駆動機構と、を備え、前記第１光学部品の内部の光路長は、前記入射位置に依存して変化する。

これにより、干渉計及び光学機器では、光学系の構成が単純化される。例えば、干渉計では、被測定光が第１光学部品に入射するときの入射位置を駆動機構が変化させ、第１光学部品の内部の光路長が入射位置に依存して変化することで、光路長差が設けられた２つの光路に沿って被測定光を分離することなく干渉信号を得ることができる。したがって、干渉計における光学系の組み立て作業が容易になる。加えて、干渉計では、駆動機構は、単一の反射部品のみを可動にすることで、一対の移動ミラーの直動往復運動を発生させる従来の複雑な駆動機構と異なり単純化される。以上により、干渉計全体として構成が単純化される。

例えば、光学機器は、従来のフィゾー型干渉計とフォトダイオードアレイとで構成される光波長計と異なり、フォトダイオードアレイを構成できる程度の数多くのフォトダイオードを必要としない。光学機器は、単一の検出器又は２つの検出器を用いることで被測定光の波長を算出することができる。これにより、干渉計における光学系の構成が単純化される。加えて、検出器から出力される信号を処理するための電気信号処理用回路も単純化される。以上により、光学機器全体として構成が単純化される。

光学機器は、単一の検出器又は２つの検出器を有することで、フォトダイオードアレイを用いた従来の光波長計よりも安価に構成可能である。

光学機器では、フォトダイオードアレイを用いた従来の光波長計と異なり、互いに隣接するフォトダイオード間の間隔によって干渉信号を測定するときの位置に関する最小サンプリング間隔が制限されることがない。光学機器は、駆動機構により反射部品を細かく制御することで、このような従来の光波長計よりも細かい最小サンプリング間隔を達成可能である。

一実施形態における干渉計は、前記反射部品の前段において前記被測定光を平行光にするレンズ部品を備えてもよい。これにより、干渉計は、非平行光として干渉計に入射してきた被測定光を平行光に変換することができる。したがって、被測定光は、干渉計内で発散及び収束することなく一定のビーム径を維持したまま干渉計内の光路を伝搬することができる。

一実施形態における干渉計では、前記平行光が第１ビーム径を有するとき、前記第２光学部品は、前記駆動機構によって前記入射位置が変化する範囲の全体にわたり前記被測定光を前記検出器に集光する集光レンズを含んでもよい。これにより、光学機器は、駆動機構による反射光の掃引範囲全体にわたって漏れなく被測定光を検出器により検出することが可能である。光学機器は、周期の数が十分に多い干渉信号を検出器から得ることができ、被測定光の波長を精度良く算出することができる。

一実施形態における干渉計では、前記平行光が前記第１ビーム径よりも大きい第２ビーム径を有するとき、前記第２光学部品は、前記第１光学部品の内部を通過した前記被測定光に基づく干渉縞の一部で前記被測定光の一部のみを前記検出器に導くスリットを含んでもよい。これにより、光学機器は、干渉計内で生じた干渉縞の一部を切り出して被測定光を検出器により検出することが可能である。光学機器は、周期の数が十分に多い干渉信号を検出器から得ることができ、被測定光の波長を精度良く算出することができる。

一実施形態における干渉計では、前記駆動機構は、前記反射部品を回転させて前記被測定光の入射角及び反射角を変化させる回転機構を含んでもよい。これにより、駆動機構は、一対の移動ミラーの直動往復運動を発生させる従来の複雑な駆動機構と異なり単純化される。例えば、モータの動きを直動往復運動に変換するようなギア機構が不要となる。したがって、駆動機構は、第１光学部品の内部において被測定光に対して生じる光路長差を高速に変化させることが可能である。結果として、光学機器は、被測定光の波長の測定周期を従来技術と比較してより短くすることが可能である。これにより、光学機器は、半導体レーザーなどの被測定光の光波長変動を従来技術と比較してよりリアルタイムに測定することも可能である。

一実施形態における干渉計では、前記駆動機構は、前記回転機構に取り付けられ、前記反射部品の角度を検出する角度検出器を有してもよい。これにより、光学機器は、角度検出器からの検出値に基づいて、基準光を用いることなく被測定光の波長を算出可能である。したがって、光学機器は、基準光源部を省略可能であり、光学機器の内部における干渉計前段の光学系を単純化することができる。加えて、光学機器は、基準光源部を有する場合と比較して、より安価に構成可能である。

一実施形態における干渉計では、前記第１光学部品は、ウェッジプリズムを含んでもよい。これにより、被測定光に対する干渉現象が容易に生じる。例えば、第１光学部品の入射面が鉛直方向に対して平行となる平面として形成され、第１光学部品の出射面が鉛直方向に対して所定の角度で傾斜する平面として形成されていることで、第１光学部品の内部の光路長は、上方から下方に向かうにしたがって単調に増加する。これにより、光学機器は、正弦波状に正確に変化する干渉信号を得ることができる。したがって、光学機器は、被測定光の波長を精度良くかつ容易に算出することができる。

幾つかの実施形態に係る光学機器は、上記のいずれかの干渉計を備える。これにより、光学機器では、光学系の構成が単純化される。例えば、光学機器に含まれる干渉計では、被測定光が第１光学部品に入射するときの入射位置を駆動機構が変化させ、第１光学部品の内部の光路長が入射位置に依存して変化することで、光路長差が設けられた２つの光路に沿って被測定光を分離することなく干渉信号を得ることができる。したがって、干渉計における光学系の組み立て作業が容易になる。加えて、干渉計では、駆動機構は、単一の反射部品のみを可動にすることで、一対の移動ミラーの直動往復運動を発生させる従来の複雑な駆動機構と異なり単純化される。以上により、光学機器に含まれる干渉計全体として構成が単純化される。

本開示によれば、光学系の構成が単純化される干渉計及び光学機器を提供可能である。

本開示の一実施形態に係る光学機器の概略構成を示すブロック図である。図１の干渉計の構成の一例を示す模式図である。図２の干渉計に基づく干渉の原理を説明するための第１模式図である。図２の干渉計に基づく干渉の原理を説明するための第２模式図である。図２の干渉計の変形例を示す模式図である。

従来技術の背景及び問題点についてより詳細に説明する。

例えば特許文献１に記載の光波長計にも搭載されているマイケルソン型干渉計では、被測定光と波長が既知である基準光とはそれぞれビームスプリッタで一度分離し再度合成される。ビームスプリッタで分離した後の２つの光路間の光路長差と光の波長とに対応して、合成後の光線には干渉現象が生じる。このような干渉現象は、被測定光及び基準光のそれぞれに対して生じる。

マイケルソン型干渉計では、互いに反対方向を向く２つの移動ミラーが２つの光路においてそれぞれ配置され、このような一対の移動ミラーが直動往復運動することによって、２つの光路間の光路長差が変化する。これにより、光の強度が明暗を繰り返す干渉信号が被測定光及び基準光のそれぞれに対して得られる。

光波長計は、干渉信号の明暗の数を被測定光と基準光との間で比較することで、被測定光の波長を算出する。なお、光波長計は、明暗の数の比較の代わりに、フーリエ変換を用いることで被測定光の波長を算出することもできる。

しかしながら、マイケルソン型干渉計などの従来の干渉計では、上述したとおり、光学系の構成が複雑になるという問題があった。加えて、干渉縞の明暗を発生させるために一対の移動ミラーの直動往復運動が用いられていたが、直動往復運動を発生させるためには、通常、ボールネジ及びリニアガイドなどの複数のメカ部品を組み合わせて用いる必要があった。すなわち、直動往復運動を発生させるための駆動機構も複雑であった。以上により、干渉計全体として構成が複雑になるという問題があった。

光の波長の測定周期を短くしたい場合、一対の移動ミラーの直動往復運動を高速化する必要がある。しかしながら、直動往復運動を発生させるための駆動機構が複雑であるために高速化に限度があった。例えば、一回の測定に要する時間を１００ｍｓよりも短くすることは困難であった。結果として、半導体レーザーなどの被測定光の光波長変動をリアルタイムに測定することが困難であった。

一方で、フィゾー型干渉計とフォトダイオードアレイとで構成される光波長計は駆動機構を有しておらず、マイケルソン型干渉計を用いた光波長計よりも測定周期を短くすることができる。しかしながら、複数のフォトダイオードを用いることで光学系の構成が複雑になるという問題があった。加えて、複数のフォトダイオードのそれぞれから出力される信号を処理する必要があり、電気信号処理用回路も複雑になる。以上により、光波長計全体として構成が複雑になるという問題があった。さらに、干渉信号を測定するときの位置に関する最小サンプリング間隔は、フォトダイオードアレイを構成する互いに隣接するフォトダイオード間の間隔によって制限されてしまう。

本開示は、以上のような問題点を解決するために、光学系の構成が単純化される干渉計及び光学機器を提供することを目的とする。光学系に加えて干渉計全体及び光学機器全体の構成が単純化される干渉計及び光学機器を提供することを目的とする。光の波長の測定周期を短くして高速測定を可能にする干渉計及び光学機器を提供することを目的とする。位置に関する最小サンプリング間隔を小さくすることが可能な干渉計及び光学機器を提供することを目的とする。

以下では、添付図面を参照しながら本開示の一実施形態について主に説明する。

図１は、本開示の一実施形態に係る光学機器１の概略構成を示すブロック図である。図１を参照しながら、本開示の一実施形態に係る光学機器１の構成について主に説明する。

光学機器１は、干渉計１０と、基準光源部２０と、記憶部３０と、入力部４０と、出力部５０と、制御部６０と、を有する。干渉計１０は、駆動機構１１と、検出器１２と、を有する。光学機器１は、干渉計１０を用いて被測定光の波長を測定可能な任意の機器を含む。例えば、光学機器１は、光波長計を含む。これに限定されず、光学機器１は、波長可変光源などのレーザー機器を含んでもよい。光学機器１の一部を構成する干渉計１０の構成及び機能については、図２乃至図５を参照しながら後述する。

基準光源部２０は、干渉計１０に入射した被測定光の波長を算出するために必要となる基準光を照射する光源を含む。例えば、基準光源部２０は、波長が既知でありかつ安定している基準光を照射する光源を含む。例えば、基準光源部２０は、Ｈｅ－Ｎｅレーザーを含む。

記憶部３０は、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）、ＲＯＭ（Read-Only Memory）、及びＲＡＭ（Random Access Memory）を含む任意の記憶モジュールを含む。記憶部３０は、例えば、主記憶装置、補助記憶装置、又はキャッシュメモリとして機能してもよい。記憶部３０は、光学機器１の動作に用いられる任意の情報を記憶する。例えば、記憶部３０は、検出器１２によって検出された干渉信号の情報を記憶する。例えば、記憶部３０は、システムプログラム及びアプリケーションプログラムなどを記憶する。記憶部３０は、光学機器１に内蔵されているものに限定されず、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）などのデジタル入出力ポートによって接続されている外付け型の記憶モジュールを含んでもよい。

入力部４０は、ユーザの入力操作を受け付けて、ユーザの操作に基づく入力情報を取得する１つ以上の入力インタフェースを含む。例えば、入力部４０は、物理キー、静電容量キー、出力部５０のディスプレイと一体的に設けられたタッチスクリーン、及び音声入力を受け付けるマイクなどを含むが、これらに限定されない。

出力部５０は、ユーザに対して情報を出力する１つ以上の出力インタフェースを含む。例えば、出力部５０は、情報を画像で出力するディスプレイ、及び情報を音声で出力するスピーカなどを含むが、これらに限定されない。

制御部６０は、１つ以上のプロセッサを含む。一実施形態において「プロセッサ」は、汎用のプロセッサ、又は特定の処理に特化した専用のプロセッサであるが、これらに限定されない。制御部６０は、光学機器１を構成する各構成部と通信可能に接続され、光学機器１全体の動作を制御する。

例えば、制御部６０は、後述するとおり駆動機構１１及び検出器１２を制御して、被測定光に対する干渉信号を取得する。制御部６０は、駆動機構１１及び検出器１２に加えて基準光源部２０も制御することで、基準光を照射させて基準光に対する干渉信号も取得する。例えば、制御部６０は、取得された干渉信号の情報を、記憶部３０に格納する。例えば、制御部６０は、取得された干渉信号の情報に基づいて被測定光の波長を算出する。例えば、制御部６０は、算出された被測定光の波長を、出力部５０によりユーザに対して出力する。

図２は、図１の干渉計１０の構成の一例を示す模式図である。図２を参照しながら、本開示の一実施形態に係る光学機器１の干渉計１０の構成について主に説明する。干渉計１０は、駆動機構１１及び検出器１２に加えて、レンズ部品１３、反射部品１４、第１光学部品１５、及び第２光学部品１６を有する。レンズ部品１３、反射部品１４、第１光学部品１５、第２光学部品１６、及び検出器１２は、被測定光及び基準光源部２０から照射された基準光が入射する側から順に配置されている。以下では、主に被測定光を基準にして干渉計１０の構成及び機能を説明するが、同様の説明が基準光源部２０から照射された基準光に対しても当てはまる。

レンズ部品１３は、反射部品１４の前段において、干渉計１０に入射した被測定光を平行光にする任意のコリメーションレンズを含む。反射部品１４は、干渉計１０に入射しレンズ部品１３を通過した被測定光が反射するミラーを含む。

駆動機構１１は、反射部品１４に取り付けられている。駆動機構１１は、反射部品１４を可動にし、被測定光が第１光学部品１５に入射するときの入射位置を変化させる。駆動機構１１は、反射部品１４を回転させて被測定光の入射角θ及び反射角θを変化させる回転機構１１１を含む。回転機構１１１は、例えばモータを含む。図２において、回転機構１１１は、紙面に直交する軸を中心軸として、当該軸回りに反射部品１４を回転させる。回転機構１１１は、図２において実線及び破線で示した被測定光の光路の間を反射部品１４による反射光が伝搬するように、反射部品１４の回転往復運動を発生させる。

駆動機構１１は、回転機構１１１に取り付けられ、反射部品１４の角度を検出する角度検出器１１２を有してもよい。角度検出器１１２は、例えば角度エンコーダを含む。

第１光学部品１５は、反射部品１４で反射した被測定光が内部を通過するウェッジプリズムを含む。反射部品１４側を向く第１光学部品１５の入射面１５１は、図２の鉛直方向に対して平行となる平面として形成されている。第２光学部品１６側を向く第１光学部品１５の出射面１５２は、図２の鉛直方向に対して所定の角度で傾斜する平面として形成されている。すなわち、第１光学部品１５の内部の光路長は、被測定光が第１光学部品１５に入射するときの入射位置に依存して変化する。例えば、第１光学部品１５の内部の光路長は、上方から下方に向かうにしたがって単調に増加する。

第２光学部品１６は、第１光学部品１５の内部を通過した被測定光の少なくとも一部を検出器１２に導く。レンズ部品１３によって生成される平行光が第１ビーム径を有するとき、第２光学部品１６は、被測定光が第１光学部品１５に入射するときの入射位置が駆動機構１１によって変化する範囲の全体にわたり被測定光を検出器１２に集光する集光レンズを含む。

本明細書において、「第１ビーム径」は、例えば、被測定光が第１光学部品１５を通過しても、図３及び図４を用いて後述する干渉計１０の干渉の原理に基づく干渉縞が干渉計１０内に投影されない程度のビーム径を含む。第１ビーム径は、例えば、第１光学部品１５の内部の光路長が被測定光の一波長分だけずれる入射面１５１上の鉛直方向の距離よりも十分に小さいビーム径を含む。第１ビーム径は、例えば、第１光学部品１５の入射面１５１における被測定光の入射位置が点状にみなせる程度のビーム径を含む。

検出器１２は、第２光学部品１６によって導かれた被測定光を検出する。検出器１２は、所定の受光感度を有する検出器１２の波長帯域に被測定光の波長が含まれるように構成される。例えば、検出器１２はフォトダイオードを含む。検出器１２は、検出された干渉信号を、電気信号処理用回路を介して制御部６０に出力する。このとき、検出器１２から出力された干渉信号は、例えば電気信号処理用回路に含まれる任意の増幅回路によって電気的に増幅されてもよい。

後述する被測定光の波長の算出方法において基準光も用いる場合、被測定光及び基準光は、互いに同一の光路で干渉計１０に入射して単一の検出器１２により検出されるまでの間に、例えば波長フィルタなどによって時間的に分離されてもよい。より具体的には、干渉計１０は、被測定光の透過率が高く基準光の透過率が十分に低い第１波長フィルタと、基準光の透過率が高く被測定光の透過率が十分に低い第２波長フィルタとが時間的に交互に光路を遮るような波長切替機構を検出器１２までの光路中の任意の位置に有してもよい。

図２では、説明の簡便のために検出器１２を１つのみ示しているが、これに限定されない。被測定光を検出するための検出器１２と基準光を検出するための検出器１２とが別々に配置されてもよい。このとき、被測定光及び基準光は、互いに同一の光路で干渉計１０に入射して例えば第２光学部品１６から出射した直後に波長分離素子などによって空間的に分離される。空間的に分離された被測定光及び基準光は、空間的に分離された２つの検出器１２によってそれぞれ検出される。

図３は、図２の干渉計１０に基づく干渉の原理を説明するための第１模式図である。図４は、図２の干渉計１０に基づく干渉の原理を説明するための第２模式図である。図３及び図４を参照しながら、干渉計１０の干渉の原理について主に説明する。以下でも、主に被測定光を基準にして干渉計１０の機能を説明するが、同様の説明が基準光源部２０から照射された基準光に対しても当てはまる。

図４に示すとおり、レンズ部品１３によって第１ビーム径を有する平行光となった被測定光は、第１光学部品１５の入射面１５１上で点状となるような光線状態となる。被測定光が第１光学部品１５の内部を通過するとき、出射面１５２で反射することなく出射面１５２から出射する第１光線Ｌ１が存在する。一方で、第１光学部品１５の内部において出射面１５２及び入射面１５１の両面でそれぞれ一回ずつ反射し出射面１５２から出射する第２光線Ｌ２が存在する。第１光線Ｌ１及び第２光線Ｌ２が出射面１５２で重ね合わさることで干渉現象が生じる。

実際には、第１光学部品１５の内部において出射面１５２及び入射面１５１の両面でそれぞれ二回以上ずつ反射し出射面１５２から出射する光線も存在する。しかしながら、このような光線の強度は、入射面１５１及び出射面１５２における反射率によって高次になるほど低くなる。加えて、このような光線の出射面１５２からの出射位置は、高次になるほど第１光線Ｌ１の出射位置からより大きくずれることとなる。したがって、高次の光線による干渉光への寄与は無視することができる。一実施形態において、このような高次の光線による干渉光への寄与を無視して、上述した第１光線Ｌ１及び第２光線Ｌ２のみに基づく干渉現象を考える。

このような干渉現象によって第１光線Ｌ１及び第２光線Ｌ２が強め合うか、又は弱め合うかは、第１光線Ｌ１及び第２光線Ｌ２の第１光学部品１５の内部における光路長差によって決まる。すなわち、干渉光が明るくなるか、又は暗くなるかは当該光路長差によって決まる。

第１光学部品１５の前段に配置されている反射部品１４が回転機構１１１によって回転することで、反射部品１４における被測定光の反射角θが変化する。これにより、被測定光が第１光学部品１５に入射するときの入射面１５１上の入射位置が鉛直方向に沿って変化する。すなわち、被測定光が第１光学部品１５の内部を通過するときの鉛直方向における通過位置が変化する。このような通過位置が変化することで上記の光路長差が変化する。したがって、干渉光の強度は周期的に高低を繰り返す。

干渉光は、図２に示す第２光学部品１６によって検出器１２上に集光される。干渉光は、検出器１２によって干渉信号に変化される。干渉信号は、干渉光の強度に対応する電気信号強度Ｉを有する。電気信号強度Ｉと反射部品１４における被測定光の入射角θとの関係は、以下の式１乃至式３により表すことができる。

ここで、図３に示すとおり、αは、鉛直方向に平行な軸に対する出射面１５２の傾斜角度を示す。ｄは、第１光学部品１５の入射面１５１における被測定光の入射位置での第１光学部品１５の厚みを示す。ｄ_０は、被測定光が第１光学部品１５の入射面１５１に垂直入射する入射位置での第１光学部品１５の厚みを示す。Ｘは、第１光学部品１５における鉛直方向の位置を示す。このとき、被測定光が第１光学部品１５の入射面１５１に垂直入射する入射位置に対応する鉛直方向の位置を原点としている。Ｌは、反射部品１４と第１光学部品１５との間の距離を示す。λは、被測定光の波長を示す。ｎは、第１光学部品１５を構成する材料の屈折率を示す。

式１では、電気信号強度Ｉは１に規格化されており、１と０との間で正弦波状に周期的に変化するような波形を示す。実際には、第１光学部品１５の入射面１５１及び出射面１５２における反射率に基づく所定の係数が乗算された電気信号強度Ｉが、検出器１２から出力される干渉信号の強度として得られる。

式１では、第１光線Ｌ１及び第２光線Ｌ２の第１光学部品１５の内部における光路長差は、２ｄに近似されている。第１光学部品１５の内部において第１光線Ｌ１及び第２光線Ｌ２の光路は斜めであるので、光路長差は厳密には２ｄとは一致しない。光路長差は、入射角θ及び傾斜角度αに基づいてより複雑な式で表されるが、一実施形態では、２ｄに近似されている。

一実施形態では、光学機器１の制御部６０は、被測定光及び基準光の両方に対して電気信号強度Ｉを取得する。制御部６０は、例えば、マイケルソン型干渉計を用いた従来の光波長計と同様に、干渉信号の明暗の数を被測定光と基準光との間で比較することで、被測定光の波長を算出する。なお、制御部６０は、明暗の数の比較の代わりに、フーリエ変換を用いることで被測定光の波長を算出してもよい。例えば、制御部６０は、基準光の干渉信号を位置基準として被測定光の干渉信号をフーリエ変換することで、被測定光の波長を算出してもよい。

被測定光の波長の算出方法は、上記の内容に限定されない。例えば、制御部６０は、反射部品１４を回転させる回転機構１１１に取り付けられた角度検出器１１２からの検出値に基づいて、基準光を用いることなく被測定光の波長を算出してもよい。例えば、制御部６０は、角度エンコーダによって検出された反射部品１４の角度に基づいて入射角θを算出し、算出された入射角θに基づいて式１から直接的に被測定光の波長を算出してもよい。

以上のような一実施形態に係る干渉計１０及び光学機器１によれば、光学系の構成が単純化される。例えば、干渉計１０では、被測定光が第１光学部品１５に入射するときの入射位置を駆動機構１１が変化させ、第１光学部品１５の内部の光路長が入射位置に依存して変化することで、光路長差が設けられた２つの光路に沿って被測定光を分離することなく干渉信号を得ることができる。したがって、干渉計１０における光学系の組み立て作業が容易になる。加えて、干渉計１０では、駆動機構１１は、単一の反射部品１４のみを可動にすることで、一対の移動ミラーの直動往復運動を発生させる従来の複雑な駆動機構と異なり単純化される。以上により、干渉計１０全体として構成が単純化される。

例えば、光学機器１は、従来のフィゾー型干渉計とフォトダイオードアレイとで構成される光波長計と異なり、フォトダイオードアレイを構成できる程度の数多くのフォトダイオードを必要としない。光学機器１は、単一の検出器１２又は２つの検出器１２を用いることで被測定光の波長を算出することができる。これにより、干渉計１０における光学系の構成が単純化される。加えて、検出器１２から出力される信号を処理するための電気信号処理用回路も単純化される。以上により、光学機器１全体として構成が単純化される。

光学機器１は、単一の検出器１２又は２つの検出器１２を有することで、フォトダイオードアレイを用いた従来の光波長計よりも安価に構成可能である。

光学機器１では、フォトダイオードアレイを用いた従来の光波長計と異なり、互いに隣接するフォトダイオード間の間隔によって干渉信号を測定するときの位置に関する最小サンプリング間隔が制限されることがない。光学機器１は、駆動機構１１により反射部品１４を細かく制御することで、このような従来の光波長計よりも細かい最小サンプリング間隔を達成可能である。

干渉計１０は、反射部品１４の前段において被測定光を平行光にするレンズ部品１３を有することで、非平行光として干渉計１０に入射してきた被測定光を平行光に変換することができる。これにより、被測定光は、干渉計１０内で発散及び収束することなく一定のビーム径を維持したまま干渉計１０内の光路を伝搬することができる。

上記の平行光が第１ビーム径を有するとき、第２光学部品１６は、被測定光が第１光学部品１５に入射するときの入射位置が駆動機構１１によって変化する範囲の全体にわたり被測定光を検出器１２に集光する集光レンズを含む。これにより、光学機器１は、駆動機構１１による反射光の掃引範囲全体にわたって漏れなく被測定光を検出器１２により検出することが可能である。光学機器１は、周期の数が十分に多い干渉信号を検出器１２から得ることができ、被測定光の波長を精度良く算出することができる。

駆動機構１１は、反射部品１４を回転させて被測定光の入射角θ及び反射角θを変化させる回転機構１１１を含むことで、一対の移動ミラーの直動往復運動を発生させる従来の複雑な駆動機構と異なり単純化される。例えば、モータの動きを直動往復運動に変換するようなギア機構が不要となる。したがって、駆動機構１１は、第１光学部品１５の内部において被測定光に対して生じる光路長差を高速に変化させることが可能である。結果として、光学機器１は、被測定光の波長の測定周期を従来技術と比較してより短くすることが可能である。これにより、光学機器１は、半導体レーザーなどの被測定光の光波長変動を従来技術と比較してよりリアルタイムに測定することも可能である。

駆動機構１１が、回転機構１１１に取り付けられ、反射部品１４の角度を検出する角度検出器１１２を有することで、光学機器１は、角度検出器１１２からの検出値に基づいて、基準光を用いることなく被測定光の波長を算出可能である。これにより、光学機器１は、基準光源部２０を省略可能であり、光学機器１の内部における干渉計１０前段の光学系を単純化することができる。加えて、光学機器１は、基準光源部２０を有する場合と比較して、より安価に構成可能である。

第１光学部品１５がウェッジプリズムを含むことで、被測定光に対する干渉現象が容易に生じる。例えば、入射面１５１が鉛直方向に対して平行となる平面として形成され、出射面１５２が鉛直方向に対して所定の角度で傾斜する平面として形成されていることで、第１光学部品１５の内部の光路長は、上方から下方に向かうにしたがって単調に増加する。これにより、光学機器１は、正弦波状に正確に変化する干渉信号を得ることができる。したがって、光学機器１は、被測定光の波長を精度良くかつ容易に算出することができる。

本開示は、その精神又はその本質的な特徴から離れることなく、上述した実施形態以外の他の所定の形態で実現できることは当業者にとって明白である。したがって、先の記述は例示的であり、これに限定されない。開示の範囲は、先の記述によってではなく、付加した請求項によって定義される。あらゆる変更のうちその均等の範囲内にあるいくつかの変更は、その中に包含されるとする。

例えば、上述した各構成部の形状、配置、向き、及び個数は、上記の説明及び図面における図示の内容に限定されない。各構成部の形状、配置、向き、及び個数は、その機能を実現できるのであれば、任意に構成されてもよい。

図５は、図２の干渉計１０の変形例を示す模式図である。図５を参照しながら、干渉計１０の変形例について主に説明する。以下でも、主に被測定光を基準にして干渉計１０の機能を説明するが、同様の説明が基準光源部２０から照射された基準光に対しても当てはまる。

図５に示す干渉計１０では、レンズ部品１３は、第２ビーム径を有する平行光を生成する。レンズ部品１３によって生成される平行光が第２ビーム径を有するとき、第２光学部品１６は、第１光学部品１５の内部を通過した被測定光に基づく干渉縞の一部で被測定光の一部のみを検出器１２に導くスリットを含む。

本明細書において、「第２ビーム径」は、例えば、被測定光が第１光学部品１５を通過したときに、上述した干渉計１０の干渉の原理に基づいて干渉縞が干渉計１０内に投影される程度のビーム径を含む。第２ビーム径は、例えば、第１光学部品１５の内部の光路長が被測定光の一波長分だけずれる入射面１５１上の鉛直方向の距離よりも十分に大きいビーム径を含む。第２ビーム径は、例えば、第１光学部品１５の入射面１５１における被測定光の入射位置が所定の領域にわたって広がる程度のビーム径を含む。第２ビーム径は、第１ビーム径よりも十分に大きい。

被測定光がレンズ部品１３によって第２ビーム径を有する平行光に変換されると、図５に示すとおり第１光学部品１５の入射面１５１上で入射位置が所定の領域にわたって広がる。これにより、被測定光に基づく干渉縞が、例えば検出器１２の前に配置された第２光学部品１６としてのスリット上に投影される。スリットは開口部を有しており、干渉縞の一部で被測定光の一部のみが検出器１２に導かれる。

駆動機構１１が、反射部品１４を回転させて第１光学部品１５における被測定光の入射位置を変化させると、干渉縞が例えば鉛直方向に沿って移動する。これに伴い、スリットを通過する被測定光の強度が明暗を繰り返し、検出器１２から干渉信号が出力される。

以上により、光学機器１は、干渉計１０内で生じた干渉縞の一部を切り出して被測定光を検出器１２により検出することが可能である。光学機器１は、周期の数が十分に多い干渉信号を検出器１２から得ることができ、被測定光の波長を精度良く算出することができる。

上記実施形態では、レンズ部品１３は、反射部品１４の前段において、干渉計１０に入射した被測定光及び基準光を平行光にすると説明したが、これに限定されない。レンズ部品１３は、干渉計１０に入射した被測定光及び基準光が第１光学部品１５において集光されるような集光レンズを含んでもよい。すなわち、レンズ部品１３は、干渉計１０に入射した被測定光及び基準光を第１光学部品１５上でビームウェストを有するような収束光に変換してもよい。

上記実施形態では、干渉計１０はレンズ部品１３を有すると説明したが、これに限定されない。干渉計１０はレンズ部品１３を有さなくてもよい。このとき、例えば干渉計１０の直前に配置された任意のレンズ部品によって被測定光及び基準光が平行光又は収束光に調整されてもよい。

上記実施形態では、駆動機構１１は、反射部品１４を回転させて被測定光の入射角θ及び反射角θを変化させる回転機構１１１を含むと説明したが、これに限定されない。駆動機構１１は、例えば反射部品１４が鉛直方向に沿って直動往復運動を行うような任意の機構を有してもよい。

上記実施形態では、駆動機構１１は、回転機構１１１に取り付けられ、反射部品１４の角度を検出する角度検出器１１２を有すると説明したが、これに限定されない。駆動機構１１は、角度検出器１１２を有さなくてもよい。このとき、制御部６０は、例えば、マイケルソン型干渉計を用いた従来の光波長計と同様に、干渉信号の明暗の数を被測定光と基準光との間で比較することで、被測定光の波長を算出してもよい。

上記実施形態では、第１光学部品１５は、ウェッジプリズムを含むと説明したが、これに限定されない。第１光学部品１５は、入射面１５１における被測定光及び基準光の入射位置に依存して内部の光路長が変化する任意の光学部品を含んでもよい。

上記実施形態では、入射面１５１が、図２の鉛直方向に対して平行となる平面として形成され、出射面１５２が、図２の鉛直方向に対して所定の角度で傾斜する平面として形成されていると説明したが、これに限定されない。入射面１５１及び出射面１５２は、少なくとも被測定光に基づいて干渉信号が得られる任意の形状を有してもよい。例えば、出射面１５２が鉛直方向に対して平行となる平面として形成され、入射面１５１鉛直方向に対して所定の角度で傾斜する平面として形成されていてもよい。入射面１５１及び出射面１５２の両方が鉛直方向に対して所定の角度で傾斜する平面として形成されていてもよい。入射面１５１及び出射面１５２の少なくとも一方が、平面ではなく任意の形状を有する曲面として形成されていてもよい。入射面１５１及び出射面１５２の少なくとも一方が、のこぎり状に形成されていてもよい。

反射部品１４及び駆動機構１１は、高速動作が可能なＭＥＭＳミラーとして構成されてもよい。これにより、被測定光の波長の測定時間を１ｍｓより短くすることも可能である。例えば、ＭＥＭＳミラーによっては、ミラーの共振周波数が３０ｋＨｚ程度のものも存在する。このようなＭＥＭＳミラーを用いれば、１回の測定時間は３０μｓ程度にまで短縮される。

１光学機器
１０干渉計
１１駆動機構
１１１回転機構
１１２角度検出器
１２検出器
１３レンズ部品
１４反射部品
１５第１光学部品
１５１入射面
１５２出射面
１６第２光学部品
２０基準光源部
３０記憶部
４０入力部
５０出力部
６０制御部
Ｌ１第１光線
Ｌ２第２光線
θ 入射角、反射角

Claims

光学機器に用いられる干渉計であって、
前記干渉計に入射した被測定光が反射する反射部品と、
前記反射部品で反射した前記被測定光が内部を通過する第１光学部品と、
前記第１光学部品の内部を通過した前記被測定光の少なくとも一部を検出器に導く第２光学部品と、
前記第２光学部品によって導かれた前記被測定光を検出する前記検出器と、
前記反射部品を可動にし、前記被測定光が前記第１光学部品に入射するときの入射位置を変化させる駆動機構と、
を備え、
前記第１光学部品の内部の光路長は、前記入射位置に依存して変化する、
干渉計。
前記反射部品の前段において前記被測定光を平行光にするレンズ部品を備える、
請求項１に記載の干渉計。
前記平行光が第１ビーム径を有するとき、
前記第２光学部品は、前記駆動機構によって前記入射位置が変化する範囲の全体にわたり前記被測定光を前記検出器に集光する集光レンズを含む、
請求項２に記載の干渉計。
前記平行光が前記第１ビーム径よりも大きい第２ビーム径を有するとき、
前記第２光学部品は、前記第１光学部品の内部を通過した前記被測定光に基づく干渉縞の一部で前記被測定光の一部のみを前記検出器に導くスリットを含む、
請求項３に記載の干渉計。
前記駆動機構は、前記反射部品を回転させて前記被測定光の入射角及び反射角を変化させる回転機構を含む、
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の干渉計。
前記駆動機構は、前記回転機構に取り付けられ、前記反射部品の角度を検出する角度検出器を有する、
請求項５に記載の干渉計。
前記第１光学部品は、ウェッジプリズムを含む、
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の干渉計。
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の干渉計を備える光学機器。