DE69834990T2

DE69834990T2 - Optisches Wellenform-Messgerät

Info

Publication number: DE69834990T2
Application number: DE69834990T
Authority: DE
Inventors: Akihito Atsugi-shi Otani; Toshinobu Atsugi-shi Otsubo; c/o Nippon T & T Corporation Hidehiko Takara; c/o Nippon T & T Corporation Satoki Kawanishi
Original assignee: Anritsu Corp; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Anritsu Corp; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1997-09-19
Filing date: 1998-09-17
Publication date: 2007-06-21
Also published as: EP0903567A2; EP0903567A3; DE69840612D1; JP3422913B2; JPH1194646A; DE69834990D1; EP1610108A3; EP1610108A2; US6154309A; EP1610108B1; EP0903567B1; DE69834990T8

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine abtastende optische Wellenformmessvorrichtung und im Spezielleren auf eine abtastende optische Wellenformmessvorrichtung zum Messen der Impulswellenform eines optischen Signals, das zur optischen Nachrichtenübertragung oder dergleichen durch Verwendung von Summenfrequenzlicht oder Summenfrequenzerzeugung verwendet wird, und einen Polarisierungsstrahlenteiler, der in die Messvorrichtung eingebaut werden kann.
Beim Aufbau eines neuen optischen Nachrichtenübertragungssystems, der Herstellung eines neuen optischen Übertragungssystems oder der periodischen Prüfung eines solchen optischen Nachrichtenübertragungssystems oder optischen Übertragungssystems zum Überprüfen der Qualität der optischen Nachrichtenübertragung ist es wichtig, die Impulswellenform eines digitalen optischen Signals zu messen, das gesendet/empfangen werden soll.
Als ein herkömmliches Verfahren zum Messen der Impulswellenform eines solchen optischen Signals ist ein Verfahren zum Umsetzen eines optischen Signals einschließlich einer Impulswellenform in ein elektrisches Signal unter Verwendung beispielsweise eines fotoelektrischen Umsetzers und zum Anzeigen der in ein elektrisches Signal umgesetzten Impulswellenform auf dem Anzeigebildschirm eines Oszilloskops bekannt.
In jüngster Zeit wurde mit einer Erhöhung der Informationsübertragungsrate mittels optischer Signale ein optisches Hochgeschwindigkeitsübertragungsschema mit einer Übertragungsrate von 10 Gbit/s und darüber entwickelt.
Es ist schwierig, ein optisches Hochgeschwindigkeitssignal, das über mehrere 10 Gbit/s hinausgeht, mit der Ansprechgeschwindigkeit eines fotoelektrischen Umsetzers zum Umsetzen eines optischen in ein elektrisches Signal zu messen.
Um dieses Problem zu lösen, wurde eine abtastende optischen Wellenformmessvorrichtung entwickelt, um die Impulswellenform eines optischen Signals unter Verwendung von Summenfrequenzlicht zu messen (jap. Patentanmeldung KOKOKU Veröffentlichungsnummer 6-63869, die in der jap. Patentanmeldungsveröffentlichung KOKAI Nr. 2-311732 veröffentlicht ist).
Die 15A, 15B, 15C, 16A und 16B sind Ansichten zur Erläuterung des Messprinzips dieser abtastenden optischen Wellenformmessvorrichtung.
Es wird davon ausgegangen, dass ein (zu messendes) Ziellicht a mit einer zu ermittelnden Impulswellenform und einer Folgefrequenz f und ein Abtastlicht b mit einer Impulsbreite, die viel kleiner ist als diejenige des Ziellichts a, und einer Folgefrequenz (f – Δf), die etwas niedriger (oder höher) ist als die Folgefrequenz f des Ziellichts a, auf ein nichtlineares optisches Element 1 zur Phasenanpassung des Typs II (die Typ II genannt wird und von daher nachstehend als Typ II bezeichnet wird) einfällt.
Summenfrequenzlicht c, das proportional zum Produkt der Stärken des Lichts a und des Lichts b ist, wird aus dem nichtlinearen optischen Element 1 nur dann ausgegeben, wenn Licht a und Licht b, die am nichtlinearen optischen Element 1 einfallen, gleichzeitig übereinander auf derselben optischen Achse des nichtlinearen optischen Elements 1 liegen.
Die Folgefrequenz dieses Summenfrequenzlichts c ist gleich der Folgefrequenz (f – Δf) des Abtastlichts b.
Es reicht deshalb aus, wenn die Ansprechgeschwindigkeit des fotoelektrischen Umsetzers, der in dieser abtastenden optischen Wellenformmessvorrichtung verwendet wird, höher ist als diese Folgefrequenz (f – Δf). Da die Zeitauflösung durch die Impulsdauer des Abtastlichts b bestimmt ist, kann zusätzlich nach dieser abtastenden optischen Wellenformmessvorrichtung die Impulswellenform des Ziellichts a, die in der Zeitachsenrichtung breiter geworden ist, wie in den 15A, 15B und 15C gezeigt ist, genau gemessen werden.
Und zwar wird, wie in 16A gezeigt ist, wenn das Ziellicht a mit einer Winkelfrequenz ω_D und das Abtastlicht b mit einer Winkelfrequenz ω_S auf eine Fläche des nichtlinearen optischen Elements 1 des Typs II in Richtungen einfallen, in denen die Polarisierungsebenen des Lichts a und des Lichts b zueinander orthogonal sind, Summenfrequenzlicht c mit einer Summenwinkelfrequenz (ω_S+ ω_D) unter der Bedingung von der anderen Fläche des Elements 1 abgegeben, dass Licht a und Licht b phasenangepasst sind.
16B ist eine grafische Darstellung, die das Verhältnis zwischen Winkelfrequenzen ω und Lichtleistungen P des Ziellichts a, des Abtastlichts b und des Summenfrequenzlichts c zeigt.
Davon ausgehend, dass P_SFG die Stärke des Summenfrequenzlichts c und P_SIG und P_SAM die Stärken des Ziellichts a und des Abtastlichts b sind, wird die Stärke P_SFG des Summenfrequenzlichts c allgemein ausgedrückt als PSFG = η·PSIG·PSAM (1)worin η die nichtlineare Konversionswirkungsgradkonstante ist, die eindeutig durch die Art oder das Material des verwendeten optischen Elements 1 bestimmt ist.
Diese nichtlineare Konversionswirkungsgradkonstante η ist im Allgemeinen nicht größer als beispielsweise 10^–5 bis 10^–4.
Die abtastende optische Wellenformmessvorrichtung muss deshalb ein nichtlineares optisches Element 1 verwenden, dessen nichtlineare Konversionswirkungsgradkonstante η groß ist.
In der abtastenden optischen Wellenformmessvorrichtung wird KDP (KH₂PO₄), LN (LiNbO₃), LT (LiTaO₃), KN (KNbO₃) oder dergleichen als nichtlineares optisches Element 1 verwendet.
17 ist ein Blockschema, das die schematische Anordnung der abtastenden optischen Wellenformmessvorrichtung zeigt, die das vorstehend beschriebene nichtlineare optische Element 1 des Typs II eingebaut hat.
Das von außen eingegebene kontinuierliche Ziellicht a mit der Winkelfrequenz ω_D und die Impulswellenformfolgefrequenz f wird durch ein Polarisierungsrichtungssteuergerät 2 so gesteuert, dass es eine Polarisierungsebene in einer 90°-Richtung im Hinblick auf eine Bezugsrichtung (0°-Richtung) hat. Das sich ergebende Licht tritt in einen Multiplexer 3 ein.
Dabei gibt eine Abtastlichtquelle 4 das kontinuierliche Abtastlicht b mit der Winkelfrequenz ω_s ab, die sich von der Winkelfrequenz ω_D des Ziellichts a und der Impulswellenformfolgefrequenz (f – Δf) unterscheidet.
Wie in 15B gezeigt ist, ist die Impulsdauer des Abtastlichts b so eingestellt, dass sie viel kürzer ist als diejenige des Ziellichts a.
Das aus der Abtastlichtquelle 4 ausgegebene Abtastlicht b wird durch ein Polarisierungsrichtungssteuergerät 5 so gesteuert, dass es eine Polarisierungsebene beispielsweise in der Bezugsrichtung (0°-Richtung) hat. Das sich ergebende Licht tritt auch in den Multiplexer 3 ein.
Der Multiplexer 3, der zum Beispiel aus einem Strahlenteiler (BS) und dergleichen besteht, lässt das einfallende Licht sich gerade fortpflanzen und reflektiert das einfallende Licht in einer rechtwinkligen Richtung unter Verwendung eines Halbspiegels 3a.
Mit dieser Anordnung fallen das Abtastlicht b mit einer Polarisierungsebene in der Bezugsrichtung (0°-Richtung) und das Ziellicht a mit einer Polarisierungsebene in einer 90°-Richtung im Hinblick auf die Bezugsrichtung (0°-Richtung) gleichzeitig auf einer Fläche des nichtlinearen optischen Elements 1 des Typs II ein, das sich hinter dem Multiplexer 3 auf der optischen Achse des Abtastlichts b befindet.
Das Summenfrequenzlicht c mit der Winkelfrequenz (ω_S + ω_D) wird deshalb von der anderen Fläche des nichtlinearen optischen Elements 1 des Typs II abgegeben.
Das vom nichtlinearen optischen Element 1 abgegebene Summenfrequenzlicht c fällt durch ein optisches Filter 6 auf einen Fotodetektor 7.
Es ist festzuhalten, dass das vom nichtlinearen optischen Element 1 abgegebene Summenfrequenzlicht c Lichtkomponenten mit Winkelfrequenzen 2ω_S und 2ω_D, bei denen es sich um das Zweifache der Winkelfrequenzen ω_s bzw. ω_D handelt, enthält, und, wenn auch nur in geringem Umfang, nicht umgesetzte Lichtkomponenten mit den Winkelfrequenzen ω_S + ω_D, zusätzlich zu einer Lichtkomponente mit der Summenwinkelfrequenz (ω_S + ω_D) der Winkelfrequenzen ω_S und ω_D des Lichts b und des Lichts a.
Das optische Filter 6 beseitigt diese Lichtkomponenten mit den Winkelfrequenzen 2ω_S, 2ω_D, ω_S und ω_D.
Der Fotodetektor 7 ist eine fotoelektrischer Umsetzer oder dergleichen und dient dazu, das Summenfrequenzlicht c in ein elektrisches Signal d umzuwandeln und es auf der nächsten Stufe an ein Verarbeitungssystem 8 für elektrische Signale auszugeben.
Das Verarbeitungssystem 8 für elektrische Signale erzeugt die optische Impulswellenform des Ziellichts a, die durch das vorstehend beschriebene Verfahren in der Zeitachsenrichtung breiter geworden ist, aus dem eingegebenen elektrischen Signal d, das dieselbe Wellenform hat wie das Summenfrequenzlicht c, wie es in 15C gezeigt ist. Das Verarbeitungssystem 8 für elektrische Signale zeigt die sich ergebende Wellenform dann auf einer Anzeige 9 an.
Bei der in 17 gezeigten abtastenden elektrischen Wellenformmessvorrichtung bleiben jedoch die folgenden Problemen ungelöst.
Die Stärke P_SFG des Summenfrequenzlichts c, das aus dem nichtlinearen optischen Element 1 des Typs II abgegeben wird, drückt sich aus als das Produkt der Stärke P_SAM der in der Bezugsrichtung (z.B. 0°-Richtung) verlaufenden Lichtkomponente des Abtastlichts, das in das nichtlineare optische Element 1 eingegeben wird, der Stärke P_SIG der Lichtkomponente in der 90°-Richtung im Hinblick auf die Bezugsrichtung des Ziellichts a, und der nichtlinearen Konversionswirkungsgradkonstante η, wie mit Bezug auf Gleichung (1) beschrieben wurde.
Das heißt, wenn in dieser in 17 gezeigten abtastenden optischen Wellenformmessvorrichtung die Polarisierungsebene des Abtastlichts b, das in das nichtlineare optische Element 1 eingegeben wird, und die Polarisierungsebene des Ziellichts a linear polarisiert werden und ihre Polarisierungsebenen vollkommen orthogonal zueinander sind, wird die Stärke P_SFG des Summenfrequenzlichts c auf ein Höchstmaß gebracht.
Wenn deshalb die optische Impulswellenform des Ziellichts stabil mit der maximalen Empfindlichkeit gemessen werden soll, müssen die jeweiligen Polarisierungszustände durch die Polarisierungsrichtungssteuergeräte 2 und 5 eingestellt werden, um sich vor der Messung der optischen Impulswellenform des Ziellichts a zu stabilisieren, um die Stärke P_SFG des Summenfrequenzlichts c auf ein Höchstmaß zu bringen (die vorstehende Bedingung zu erfüllen).
Da zusätzlich die Strecke zwischen der Abtastlichtquelle 4 und dem Polarisierungsrichtungssteuergerät 5 kurz ist, verändert sich der Polarisierungszustand des auf das Poarisierungsrichtungsteuergerät 5 einfallenden Lichts langsam, und kann von daher innerhalb fast der gesamten Messzeit konstant gehalten werden.
Falls es sich bei dem Ziellicht a jedoch um ein Signal handelt, das über einen über eine Langstrecke verlaufenden Monomode-Lichtwellenleiter für ein Übertragungsnetz verschickt wird, oder ein Signal, das über die Verschaltung in einem optischen Nachrichtenübertragungsvorrichtung in einem instabilen Temperaturzustand verschickt wird, verändert sich der Polarisierungszustand des Lichts mit der Zeit stark und weicht von dem Zustand ab, der vor der Messung eingestellt wurde. Dies vermag innerhalb kurzer Zeit zu Schwankungen in der gemessenen Wellenform führen.
Nach dem Beginn der Messung wird deshalb, wenn sich der Polarisierungszustand des Ziellichts a verändert, die in der 90°-Richtung verlaufende Lichtkomponente des aus dem Polarisierungsrichtungssteuergerät 2 abgegebenen Ziellichts a vom Betrag her klein, wenn nicht die Polarisierungsrichtungssteuergeräte 2 und 5 gelegentlich eingestellt werden.
Dies bedeutet, dass sich die Stärke P_SIG des Ziellichts a verändert, das durch den Halbspiegel 3a des Multiplexers 3 reflektiert und in das nichtlineare optische Element 1 eingegeben wird. Dies führt zu einer Verschlechterung bei der Messgenauigkeit für die optische Impulswellenform des Ziellichts.
Obwohl der Polarisierungszustand jeder Lichtkomponente gelegentlich nach dem Messbeginn eingestellt werden kann, ist es in der Praxis möglich, sofort festzustellen, ob die Signalstärke abgenommen hat oder der Polarisierungszustand abgewichen ist. Darüber hinaus muss die Einstellung während der Messung häufig durchgeführt werden, was die Vorrichtung unpraktisch macht.
Die PA 5-02 31 17 22 offenbart eine abtastende optischen Wellenformmessvorrichtung.
Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht der vorstehenden Situation gemacht, und ihre Aufgabe liegt darin, eine abtastende optische Wellenformmessvorrichtung bereitzustellen, die jederzeit die Impulswellenform von Ziellicht durch eine komplementäre Verarbeitung genau messen kann, indem Abtastlicht und Ziellicht in Polarisierungsebeneneinheiten aufgeteilt werden und gesondert Summenfrequenzlicht ermittelt wird, auch wenn der Polarisierungszustand des Ziellichts sich mit der Zeit verändert.
Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht der vorstehenden Situation gemacht, und eine weitere ihrer Aufgaben liegt darin, eine Polarisierungsstrahlenteilereinheit bereitzustellen, die in eine abtastende optische Wellenformmesseinrichtung eingebaut werden kann, die jederzeit die Impulswellenform von Ziellicht durch eine komplementäre Verarbeitung genau messen kann, indem Abtastlicht und Ziellicht in Polarisierungsebeneneinheiten aufgeteilt werden und gesondert Summenfrequenzlicht ermittelt wird, auch wenn der Polarisierungszustand des Ziellichts sich mit der Zeit verändert.
Um die vorstehenden Aufgaben zu erfüllen, wird nach dem Hauptaspekt der wie in Anspruch 1 definierten Erfindung eine abtastende optische Wellenformmessvorrichtung zum Messen einer Impulswellenform von Ziellicht bereitgestellt, die Folgendes umfasst:
eine Abtastlichtquelle zum Erzeugen einer Impulsfolge von Abtastlicht, das jeweils im Hinblick auf eine Bezugsrichtung in einer 0°-Richtung in eine polarisierte Lichtkomponente und in einer 90°-Richtung in eine polarisierte Lichtkomponente aufgeteilt werden kann;
eine Polarisierungsstrahlenteilereinheit zum Empfangen des von der Abtastlichtquelle abgegebenen Abtastlichts und des Ziellichts, die das Abtastlicht und das Ziellicht jeweils im Hinblick auf eine Bezugsrichtung in einer 0°-Richtung in eine polarisierte Lichtkomponente und in einer 90°-Richtung in eine polarisierte Lichtkomponente aufteilt und die in der 0°-Richtung polarisierte Lichtkomponente des Abtastlichts und die in der 90°-Richtung polarisierte Lichtkomponente des Ziellichts als erstes Ausgangslicht, und die in der 90°-Richtung polarisierte Lichtkomponente des Abtastlichts und die in der 0°-Richtung polarisierte Lichtkomponente des Ziellichts als zweites Ausgangslicht an einen ersten bzw. zweiten Lichtweg abgibt;
ein erstes nichtlineares optisches Element zur Durchführung einer Phasenanpassung des Typs II, um ein Kreuzkorrelationssignal des Abtastlichts und des Ziellichts zu erzeugen, das an den ersten Lichtweg als Summenfrequenzlicht abgegeben wird;
ein zweites nichtlineares optisches Element zur Durchführung einer Phasenanpassung des Typs II, um ein Kreuzkorrelationssignal des Abtastlichts und des Ziellichts zu erzeugen, das an den zweiten Lichtweg als Summenfrequenzlicht abgegeben wird;
einen ersten Fotodetektor zum Umsetzen des vom ersten nichtlinearen optischen Element abgegebenen Summenfrequenzlichts in ein elektrisches Signal;
einen zweiten Fotodetektor zum Umsetzen des vom zweiten nichtlinearen optischen Element abgegebenen Summenfrequenzlichts in ein elektrisches Signal;
einen Signalverarbeitungsabschnitt zum Addieren der vom ersten und zweiten Fotodetektor abgegebenen elektrischen Signale, und zum Verarbeiten des sich ergebenden elektrischen Signals, um eine optische Impulswellenform des Ziellichts zu erzeugen.
Zusätzliche Aspekte sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Diese Zusammenfassung der Erfindung beschreibt nicht unbedingt alle notwendigen Merkmale, so dass die Erfindung auch eine Teilkombination dieser beschriebenen Merkmale sein kann.
Die Erfindung lässt sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Zusammenschau mit den Zeichnungen umfassender begreifen:
1 ist ein Blockschaubild, das die schematische Anordnung einer abtastenden optischen Wellenformmessvorrichtung nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
die 2A und 2B sind grafische Darstellungen zur Erläuterung des Verhältnisses zwischen der Stärke des aus einer Polarisierungsstrahlenteilereinheit abgegebenen Summenfrequenzlichts und dem Teilungsverhältnis des einfallenden Lichts;
3 ist eine grafische Darstellung, die das Verhältnis zwischen der Stärke des Summenfrequenzlichts und dem Teilungsverhältnis des Ziellichts unter Verwendung des Teilungsverhältnisses des Abtastlichts als Parameter zeigt;
4 ist eine grafische Darstellung, die das Verhältnis zwischen der Schwankungsbreite der Stärke des Summenfrequenzlichts und dem Teilungsverhältnis des Abtastlichts zeigt;
5 ist eine vergrößerte Ansicht des Hauptteils der grafischen Darstellung von 4;
6 ist ein Blockschaubild, das die schematische Anordnung einer abtastenden optischen Wellenformmessvorrichtung nach der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
7 ist ein Blockschaubild, das die schematische Anordnung einer abtastenden optischen Wellenformmessvorrichtung nach der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
8 ist ein Blockschaubild, das die schematische Anordnung einer abtastenden optischen Wellenformmessvorrichtung nach der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
die 9A und 9B sind grafische Darstellungen zur Erläuterung der Wirkung der optischen Filter, die in eine abtastende optische Wellenformmessvorrichtung nach der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingebaut sind;
10 ist ein Blockschaubild, das die schematische Anordnung einer abtastenden optischen Wellenformmessvorrichtung nach der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
11 ist eine perspektivische Ansicht, die die schematische Anordnung der Polarisierungsstrahlenteilereinheit zeigt, die in einer abtastenden optischen Wellenformmessvorrichtung nach der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingebaut ist;
die 12A und 12B sind eine perspektivische Ansicht bzw. eine Draufsicht, die die schematische Anordnung einer in eine abtastende optische Wellenformmessvorrichtung eingebauten Polarisierungsstrahlenteilereinheit zeigen;
13 ist eine perspektivische Ansicht, die die schematische Anordnung einer in eine abtastende optische Wellenformmessvorrichtung eingebauten Polarisierungsstrahlenteilereinheit zeigt;
die 14A und 14B sind eine perspektivische Ansicht bzw. eine Draufsicht, die die schematische Anordnung einer in eine abtastende optische Wellenformmessvorrichtung eingebauten Polarisierungsstrahlenteilereinheit zeigen;
die 15A, 15B und 15C sind Zeitablaufdiagramme zur Erläuterung des Messprinzips für die optische Impulswellenform eines optischen Signals unter Verwendung von Summenfrequenzlicht;
die 16A und 16B sind Ansichten zur Erläuterung der optischen Kennlinien eines nichtlinearen optischen Elements des Typs II; und
17 ist ein Blockschaubild, das die schematische Anordnung einer herkömmlichen abtastenden optischen Wellenformmesseinrichtung zeigt.
Nun wird im Einzelnen Bezug auf die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung genommen, wie sie in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, worin gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Zeichnungen durchgehend gleiche oder entsprechende Teile bezeichnen.
Zuerst erfolgt eine kurze Beschreibung der vorliegenden Erfindung.
Um die vorstehenden Probleme zu lösen, umfasst die erste abtastende optische Wellenformmessvorrichtung der vorliegenden Erfindung eine Abtastlichtquelle zum Erzeugen einer Impulsfolge von Abtastlicht mit einer Impulsbreite, die kleiner ist als diejenige des Ziellichts, und einer schmalen einzelnen Polarisierungsebene, eine Polarisierungsstrahlenteilereinheit, um das jeweils aus der Abtastlichtquelle ausgegebene Abtastlicht und das Ziellicht in zwei Lichtkomponenten mit Polarisierungsebenen aufzuteilen, die um 90° zueinander verschoben sind, zum Multiplexen jedes Paar Abtast- und Ziellichtkomponenten mit den voneinander um 90° verschobenen Polarisierungsebenen und zum Abgeben der beiden Kombinationen gemultiplexter Lichtkomponenten an verschiedene Lichtwege, ein Paar nichtlinearer optischer Elemente, die zur Durchführung einer Phasenanpassung des Typs II in der Lage sind, um ein Kreuzkorrelationssignal auf Grundlage der als Summenfrequenzlicht an jeden Lichtweg abgegebenen Abtast- und Ziellichtkomponenten zu erzeugen, die um 90° zueinander verschobene Polarisierungsebenen haben; ein Paar Fotodetektoren, wovon jeder dazu dient, das von jedem nichtlinearen optischen Element abgegebene Summenfrequenzlicht in ein elektrisches Signal umzusetzen, und einen Signalverarbeitungsabschnitt, um die von den jeweiligen Fotodetektoren abgegebenen elektrischen Signale zu addieren, das sich ergebende elektrische Signal zu verarbeiten und die optische Impulswellenform des Ziellichts anzuzeigen.
Da nach der Polarisierungsstrahlenteilereinheit, die in die abtastende optische Impulswellformmessvorrichtung mit dieser Anordnung eingebaut ist, das einfallende Abtastlicht bzw. das einfallende Ziellicht in zwei Lichtkomponenten mit um 90° zueinander verschobenen Lichtkomponenten aufgeteilt wird, werden insgesamt vier Lichtkomponenten abgegeben.
Zusätzlich werden die vier Abtast- und Ziellichtkomponenten zu zwei Lichtkomponentenkombinationen gemultiplext, die jeweils zueinander orthogonale Polarisierungsebenen haben (z.B. eine Kombination aus einer Abtastlichtkomponente mit einer Polarisierungsebene in einer Bezugsrichtung und einer Ziellichtkomponente mit einer Polarisierungsebene in einer 90°-Richtung im Hinblick auf die Bezugsrichtung, und eine Kombination aus einer Ziellichtkomponente in der Bezugsrichtung und einer Abtastlichtkomponente mit einer Polarisierungsebene in einer 90°-Richtung im Hinblick auf die Bezugsrichtung). Diese Kombinationen der Lichtkomponenten werden an verschiedene Lichtwege abgegeben.
Die Kombination der gemultiplexten Abtast- und Ziellichtkomponenten, die von jedem Lichtweg abgegeben werden und um 90° zueinander verschobene Polarisierungsebenen haben, fällt auf ein entsprechendes Paar nichtlinearer optischer Elemente, um als unabhängiges Summenfrequenzlicht abgegeben zu werden.
Jedes Summenfrequenzlicht wird durch einen entsprechenden Fotodetektor in ein elektrisches Signal umgesetzt. Die elektrischen Signale werden dann addiert, um die optische Impulswellenform des Ziellichts zu erhalten.
Deshalb nimmt bei dieser Anordnung, selbst wenn sich der Polarisierungszustand des Ziellichts verändert, obwohl die Stärke des aus einem Lichtweg der Polarisierungsstrahlenteilereinheit abgegebenen Ziellichts abnimmt, die Stärke der Ziellichtkomponente zu, die aus dem anderen Lichtweg abgegeben wird. Mit diesem komplementären Betrieb wird eine Zunahme/Abnahme der Stärke jedes Summenfrequenzlichts aufgrund von Schwankungen im Polarisierungszustand des Ziellichts aufgehoben, und das durch Addieren des Summenfrequenzlichts erhaltene elektrische Signal enthält beinahe keine Schwankungen. Dies ermöglicht eine genaue Messung der optischen Impulswellenform des Ziellichts.
Die zweite abtastende optische Wellenformmessvorrichtung der vorliegenden Erfindung umfasst eine Abtastlichtquelle, um eine Impulsfolge von Abtastlicht mit einer Pulsbreite zu erzeugen ist, die kleiner ist als diejenige des Ziellichts, einen Polarisierungssteuerabschnitt, um die Polarisierungsebene des aus der Abtastlichtquelle abgegebenen Abtastlichts in eine bestimmte Richtung zu steuern, eine Polarisierungsstrahlenteilereinheit, um das aus dem Polarisierungssteuerabschnitt abgegebene Abtastlicht bzw. Ziellicht in zwei Lichtkomponenten mit um 90° verschobene Polarisierungsebenen aufzuteilen, die beiden Abtast- und Ziellichtkomponenten mit den um 90° zueinander verschobenen Polarisierungsebenen zu multiplexen, und die beiden sich ergebenden Kombinationen gemultiplexter Lichtkomponenten an verschiedene Lichtwege abzugeben, ein Paar nichtlinearer optischer Elemente, die in der Lage sind, eine Phasenanpassung des Typs II durchzuführen, um ein Kreuzkorrelationssignal auf Grundlage der Abtast- und Ziellichtkomponenten zu erzeugen, die an jeden Lichtweg als Summenfrequenzlicht abgegeben werden und um 90° zueinander verschobene Polarisierungsebenen haben, ein Paar Fotodetektoren, wovon jeder dazu dient, das von jedem nichtlinearen optischen Element abgegebene Summenfrequenzlicht in ein elektrisches Signal umzusetzen, und einen Signalverarbeitungsabschnitt, um die von den jeweiligen Fotodetektoren abgegebenen elektrischen Signale zu addieren, das sich ergebende elektrische Signal zu verarbeiten und die optische Impulswellenform des Ziellichts anzuzeigen.
In der abtastenden optischen Wellenformmessvorrichtung mit dieser Anordnung ist der Polarisierungssteuerabschnitt zum Steuern des Polarisierungszustands des Abtastlichts zwischen der Abtastlichtquelle und der Polarisierungsstrahlenteilereinheit eingesetzt.
Mit dieser Anordnung können die Stärken der sich ergebenden beiden Lichtkomponenten, wenn das Abtastlicht in zwei Lichtkomponenten mit zueinander orthogonalen Polarisierungsebenen aufgeteilt wird, so eingestellt werden, dass sie ungeachtet des Polarisierungszustands des Abtastlichts gleich sind.
In dieser Anordnung nimmt, selbst wenn sich der Polarisierungszustand des Ziellichts verändert, obwohl die Stärke des aus einem Lichtweg der Polarisierungsstrahlenteilereinheit abgegebenen Ziellichts abnimmt, die Stärke der Ziellichtkomponente zu, die aus dem anderen Lichtweg abgegeben wird. Mit diesem komplementären Betrieb wird eine Zunahme/Abnahme der Stärke jedes Summenfrequenzlichts aufgrund von Schwankungen im Polarisierungszustand des Ziellichts aufgehoben, und das durch Addieren des Summenfrequenzlichts erhaltene elektrische Signal enthält beinahe keine Schwankungen. Dies ermöglicht eine genaue Messung der optischen Impulswellenform des Ziellichts.
Die dritte abtastende optische Wellenformmessvorrichtung der vorliegenden Erfindung umfasst eine Abtastlichtquelle, um eine Impulsfolge von Abtastlicht mit einer Pulsbreite zu erzeugen ist, die kleiner ist als diejenige des Ziellichts, und mit einer einzigen Polarisierungsebene, eine Polarisierungsstrahlenteilereinheit, um das aus dem Polarisierungssteuerabschnitt abgegebene Abtastlicht bzw. Ziellicht in zwei Lichtkomponenten mit um 90° zueinander verschobenen Polarisierungsebenen aufzuteilen, die beiden Abtast- und Ziellichtkomponenten mit den um 90° zueinander verschobenen Polarisierungsebenen zu multiplexen, und die beiden sich ergebenden Kombinationen gemultiplexter Lichtkomponenten an verschiedene Lichtwege abzugeben, ein Paar nichtlinearer optischer Elemente, die in der Lage sind, eine Phasenanpassung des Typs II durchzuführen, um ein Kreuzkorrelationssignal auf Grundlage der Abtast- und Ziellichtkomponenten zu erzeugen, die an jeden Lichtweg als Summenfrequenzlicht abgegeben werden und um 90° zueinander verschobene Polarisierungsebenen haben, ein Paar Fotodetektoren, wovon jeder dazu dient, das von jedem nichtlinearen optischen Element abgegebene Summenfrequenzlicht in ein elektrisches Signal umzusetzen, und einen Signalverarbeitungsabschnitt, um die von den jeweiligen Fotodetektoren abgegebenen elektrischen Signale entsprechend der Richtung der Polarisierungsebene des an der Polarisierungsstrahlenteilereinheit einfallenden Abtastlichts zu gewichten, die gewichteten elektrischen Signale zu addieren und das sich ergebende elektrische Signal zu verarbeiten, um die optische Impulswellenform des Ziellichts anzuzeigen.
In der abtastenden optischen Wellenformmesseinrichtung können selbst, wenn sich der Polarisierungszustand des Ziellichts verändert, Schwankungen im Messergebnis verhindert werden, indem die von den jeweiligen Fotodetektoren in der elektrischen Stufe abgegebenen elektrischen Signale entsprechend dem Teilungsverhältnis in der Polarisierungsstrahlenteilereinheit vor dem Addieren der Signale korrigiert werden.
In der vierten abtastenden optischen Wellenformmessvorrichtung der vorliegenden Erfindung ist ein Paar optischer Filter, wovon jedes ein Durchlassband hat, das auf den Frequenzbereich des Summenfrequenzlichts eingestellt ist, zwischen den jeweiligen nichtlinearen optischen Elementen und den jeweiligen Fotodetektoren eingesetzt.
Wie vorstehend beschrieben, umfasst das aus jedem nichtlinearen Element abgegebenen Licht eine Lichtkomponente mit einer Summenwinkelfrequenz mit Frequenzen des Ziel- und Abtastlichts, eine Lichtkomponente mit einer Frequenz, die das Zweifache jeder Winkelfrequenz beträgt und auf einem geringen Polarisationsschwundverhältnis beruht, und Abtast- und Ziellichtkomponenten, die das nichtlineare optische Element durchlaufen, ohne in Summenfrequenzlicht umgesetzt zu werden.
Das Paar der optischen Filter wird deshalb nur zum Extrahieren der Summenfrequenzkomponente verwendet, um diese unnötigen Komponenten abzusondern.
Die fünfte abtastende optische Wellenformmessvorrichtung der vorliegenden Erfindung umfasst eine Abtastlichtquelle, um eine Impulsfolge von Abtastlicht mit einer Impulsbreite zu erzeugen, die kleiner ist als diejenige des Ziellichts, einen Polarisierungssteuerabschnitt, der die Polarisierungsebene des aus der Abtastlichtquelle abgegebenen Abtastlichts in eine bestimmte Richtung zu lenken, eine Polarisierungsstrahlenteilereinheit, um das aus dem Polarisierungssteuerabschnitt abgegebene Abtastlicht bzw. Ziellicht in zwei Lichtkomponenten mit um 90° zueinander verschobenen Polarisierungsebenen aufzuteilen, die beiden Abtast- und Ziellichtkomponenten mit den um 90° zueinander verschobenen Polarisierungsebenen zu multiplexen, und die beiden sich ergebenden Kombinationen gemultiplexter Lichtkomponenten an verschiedene Lichtwege abzugeben, ein Paar nichtlinearer optischer Elemente, die in der Lage sind, eine Phasenanpassung des Typs II durchzuführen, um ein Kreuzkorrelationssignal auf Grundlage der Abtast- und Ziellichtkomponenten zu erzeugen, die an jeden Lichtweg als Summenfrequenzlicht abgegeben werden und um 90° zueinander verschobene Polarisierungsebenen haben, ein Paar Fotodetektoren, wovon jeder dazu dient, das von jedem nichtlinearen optischen Element abgegebene Summenfrequenzlicht in ein elektrisches Signal umzusetzen, ein Paar optischer Filter, das zwischen den jeweiligen nichtlinearen optischen Elementen und den jeweiligen Fotodetektoren eingesetzt ist und ein Durchlassband hat, das auf den Frequenzbereich des Summenfrequenzlichts eingestellt ist, und einen Signalverarbeitungsabschnitt, um die von den jeweiligen Fotodetektoren abgegebenen elektrischen Signale entsprechend der Richtung der Polarisierungsebene des an der Polarisierungsstrahlenteilereinheit einfallenden Abtastlichts zu gewichten, die gewichteten elektrischen Signale zu addieren und das sich ergebende elektrische Signal zu verarbeiten, um die optische Impulswellenform des Ziellichts anzuzeigen.
Alle vorstehend beschriebenen Funktionen sind der abtastenden optischen Wellenformmessvorrichtung mit dieser Anordnung hinzugefügt.
In der sechsten abtastenden optischen Wellenformmessvorrichtung der vorliegenden Erfindung umfasst eine Polarisierungsstrahlenteilereinheit ein Paar Calcitglieder, um das einfallende Abtast- bzw. einfallende Ziellicht in zwei Lichtkomponenten aufzuteilen, die um 90° zueinander verschobene Polarisierungsebenen aufweisen, eine Halbwellenplatte, um die Polarisierungszustände der beiden Lichtkomponenten um 90° zu drehen, die von einem der zwei Calcitglieder abgegeben wurden und um 90° zueinander verschobene Polarisierungsebenen aufweisen, und ein Paar Fokussierlinsen zum Fokussieren/Multiplexen des Abtastlichts und des Ziellichts, die von dem anderen Calcitglied und der Halbwellenplatte abgegeben wurden und um 90° zueinander verschobene Polarisierungsebenen aufweisen.
In der siebten abtastenden optischen Wellenformmessvorrichtung der vorliegenden Erfindung umfasst eine Polarisierungsstrahlenteilereinheit ein erstes Calcitglied, um Abtast- und Ziellicht zu empfangen und drei Lichtkomponenten abzugeben, die das gemultiplexte Licht von Abtast- und Ziellichtkomponenten mit um 90° zueinander verschobenen Polarisierungsebenen und von Abtast- und Ziellichtkomponenten mit um 90° zueinander verschobenen Polarisierungskomponenten enthalten, eine Halbwellenplatte, um die Polarisierungszustände der drei vom ersten Calcitglied abgegebenen Lichtkomponenten um 90° zu drehen, und ein zweites Calcitglied, um Abtast- und Ziellichtkomponenten, die von der Halbwellenplatte abgegeben wurden und um 90° zueinander verschobene Polarisierungsebene haben, zu multiplexen und abzugeben.
Die Polarisierungsstrahlenteilereinheit lässt sich auf diese Weise mühelos aufbauen, indem mehrere Calcitglieder miteinander kombiniert werden, wovon jedes die physikalische Eigenschaft hat, ankommendes Licht in zwei Lichtkomponenten mit um 90° zueinander verschobenen Polarisierungsebenen aufzuteilen.
Indem die Halbwellenplatte in den Lichtweg eingesetzt wird, können die Lichtwegstrecken der jeweiligen Lichtkomponenten, die an der Fokussierlinse einfallen, welche die Abtast- und Ziellichtkomponenten mit den um 90° zueinander verschobenen Polarisierungsebenen multiplext, und an dem zweiten Calcitglied einfallen, mühelos so eingestellt werden, dass sie einander gleich sind.
Das erste Beispiel der Polarisierungsstrahlenteilereinheit umfasst ein Paar Calcitglieder, um das einfallende erste bzw. einfallende zweite Licht in zwei Lichtkomponenten aufzuteilen, die um 90° zueinander verschobene Polarisierungsebenen aufweisen, eine Halbwellenplatte, um die Polarisierungszustände der beiden Lichtkomponenten um 90° zu drehen, die von einem der beiden Calcitglieder abgegeben wurden und um 90° zueinander verschobene Polarisierungsebenen aufweisen, und ein Paar Fokussierlinsen zum Fokussieren/Multiplexen des ersten und zweiten Lichts, die von dem Calcitglied und der Halbwellenplatte abgegeben wurden und um 90° zueinander verschobene Polarisierungsebenen aufweisen.
Die Polarisierungsstrahlenteilereinheit umfasst ein erstes Calcitglied, um ein erstes und zweites Licht zu empfangen und drei Lichtkomponenten abzugeben, die das gemultiplexte Licht von ersten und zweiten Lichtkomponenten mit um 90° zueinander verschobenen Polarisierungsebenen und von ersten und zweiten Lichtkomponenten mit um 90° zueinander verschobenen Polarisierungskomponenten enthalten, eine Halbwellenplatte, um die Polarisierungszustände der drei vom ersten Calcitglied abgegebenen Lichtkomponenten um 90° zu drehen, und ein zweites Calcitglied, um Abtast- und Ziellichtkomponenten, die von der Halbwellenplatte abgegeben wurden und um 90° zueinander verschobene Polarisierungsebene haben, zu multiplexen und abzugeben.
Das zweite Beispiel der Polarisierungsstrahlenteilereinheit umfasst ein erstes Calcitglied, um einfallendes erstes Licht bzw. einfallendes zweites Licht in zwei Lichtkomponenten mit um 90° zueinander verschobenen Polarisierungsebenen aufzuteilen, und eine zweites Calcitglied, um die vom ersten Calcitglied abgegebenen vier Lichtkomponenten zu zwei Kombinationen aus ersten und zweiten Lichtkomponenten mit jeweils um 90° zueinander verschobenen Polarisierungsebenen zu multiplexen, und die beiden Kombinationen der Lichtkomponenten an verschiedene Lichtwege abzugeben.
Das dritte Beispiel der Polarisierungsstrahlenteilereinheit umfasst ein erstes Calcitglied, um erstes und zweites Licht zu empfangen und drei Lichtkomponenten abzugeben, die das gemultiplexte Licht der ersten und zweiten Lichtkomponenten mit den um 90° zueinander verschobenen Polarisierungsebenen und erste und zweite Lichtkomponenten mit um 90° zueinander verschobenen Polarisierungsebenen enthalten, und ein zweites Calcitglied, um die ersten und zweiten Lichtkomponenten, die vom ersten Calcitglied abgegeben wurden und um 90° zueinander verschobene Polarisierungsebenen haben, zu multiplexen und das sich ergebende Licht abzugeben.
Wie vorstehend beschrieben, lässt sich jedes der ersten bis dritten Beispiele der Polarisierungsstrahlenteilereinheiten mühelos aufbauen, indem mehrere Calcitglieder, wovon jedes die physikalische Eigenschaft hat, ankommendes Licht in zwei Lichtkomponenten mit um 90° zueinander verschobenen Polarisierungsebenen aufzuteilen, eine Halbwellenplatte, Fokussierlinsen und dergleichen geeignet miteinander kombiniert werden. Diese Polarisierungsstrahlenteilereinheiten lassen sich auch in verschiedenen anderen optischen Vorrichtungen als der vorstehend beschriebenen abtastenden optischen Wellenformmessvorrichtung verwenden.
Die Ausführungsformen der abtastenden optischen Wellenformmessvorrichtung und der Polarisierungsstrahlenteilereinheit der vorliegenden Erfindung, die auf der vorstehenden kurzen Beschreibung beruhen, werden als Nächstes mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
(Erste Ausführungsform)
1 ist ein Blockschaubild, das die schematische Anordnung einer abtastenden optischen Wellenformmessvorrichtung nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Dieselben Bezugszahlen wie in 1 bezeichnen dieselben Teile der herkömmlichen in 17 gezeigten abtastenden optischen Wellenformmessvorrichtung, und es wird auf eine sich wiederholende Beschreibung verzichtet.
In dieser abtastenden optischen Wellenformmesseinrichtung sind eine Polarisierungsstrahlenteilereinheit 11, ein nichtlineares optisches Element 1a und ein Fotodetektor 7a im Lichtweg des aus einer Abtastlichtquelle 10 abgegebenen Abtastlichts b₁ angeordnet, und die Polarisierungsstrahlenteilereinheit 11, ein nichtlineares optisches Element 1b und ein Fotodetektor 7b sind im Lichtweg des Ziellichts a angeordnet, das von außen eingegeben wird.
Diese Vorrichtung umfasst auch einen Signalverarbeitungsabschnitt 12, der aus einer Additionsschaltung 12a und einem Anzeigeverarbeitungsabschnitt 12b, die die von den Fotodetektoren 7a und 7b ausgegebenen elektrischen Signale verarbeiten, und einer Überwachungsschaltung 13 besteht.
Als Nächstes wird der Betrieb jedes Bauteils im Einzelnen beschrieben.
Das von außen eingegebene kontinuierliche Ziellicht a, das eine Winkelfrequenz ω_D und eine Impulswellenformfolgefrequenz f hat, fällt auf die Polarisierungsstrahlenteilereinheit 11.
Dabei gibt die Abtastlichtquelle 10 ein kontinuierliches Abtastlicht b₁ mit einer Winkelfrequenz ω_S, die sich von der Winkelfrequenz ω_D des Ziellichts a unterscheidet, und eine Impulswellenformfolgefrequenz (f – Δf) ab.
Die Impulsbreite des Abtastlichts b₁ ist so eingestellt, dass sie viel kleiner ist als diejenige des Ziellichts a.
Wie in 1 gezeigt ist, hat das Abtastlicht b₁ eine einzige Polarisierungsebene in einer 45°-Richtung im Hinblick auf eine Bezugsrichtung (0°-Richtung).
Das aus der Abtastlichtquelle 10 abgegebene Abtastlicht b₁ wird zur Polarisierungsstrahlenteilereinheit 11 geleitet.
Die Polarisierungsstrahlenteilereinheit 11, die beispielsweise aus einem Polarisierungsstrahlenteiler (PBS) und dergleichen besteht, hat einen Halbspiegel 11a eingebaut, dessen Oberfläche mit einer Polarisierungsbeschichtung überzogen ist.
Dieser Halbspiegel 11a überträgt eine polarisierte Lichtkomponente des einfallenden Lichts, das in einer 90°-Richtung im Hinblick auf die Bezugsrichtung (0°-Richtung) verläuft, aber reflektiert eine polarisierte Lichtkomponente des einfallenden Lichts, das in der Bezugsrichtung (0°-Richtung) verläuft.
Eine in der 90°-Richtung polarisierte Lichtkomponente b₂ des Abtastlichts b₁, das aus der Abtastlichtquelle 10 abgegeben wird und eine Polarisierungsebene in einer beinahe 45° betragenden Richtung hat, und eine in der Bezugsrichtung (0°-Richtung) polarisierte Lichtkomponente a₂ des Ziellichts a treten in das nichtlineare optische Elements 1a des Typs II ein.
Eine in der Bezugsrichtung polarisierte Lichtkomponente b₃ des Abtastlichts b₁ und eine in der 90°-Richtung polarisierte Lichtkomponente a₃ des Ziellichts a fallen auf einem Lichtweg auf das nichtlineare optische Element 1b des Typs II ein, der sich von demjenigen unterscheidet, in dem sich das nichtlineare optische Element 1a befindet.
Da das Abtastlicht b₂ und das Ziellicht a₂, deren Polarisierungsebenen in um 90° zueinander verschobenen Richtungen eingestellt sind, in das nichtlineare optische Element 1a eingegeben werden, erfüllen sie die Phasenanpassungsbedingung. Im Ergebnis wird Summenfrequenzlicht c₂ mit einer Winkelfrequenz (ω_S + ω_D) aus dem nichtlinearen optischen Element 1a des Typs II an den Fotodetektor 7a abgegeben.
Da das Abtastlicht b₃ und das Ziellicht a₃, deren Polarisierungsebenen in um 90° zueinander verschobenen Richtungen eingestellt sind, in das nichtlineare optische Element 1b eingegeben werden, erfüllen auch sie die Phasenanpassungsbedingung. Im Ergebnis wird Summenfrequenzlicht c₃ mit einer Winkelfrequenz (ω_S + ω_D) aus dem nichtlinearen optischen Element 1b an den Fotodetektor 7b abgegeben.
Die Fotodetektoren 7a und 7b setzen das einfallende Summenfrequenzlicht c₂ bzw. das einfallende Summenfrequenzlicht c₃ in elektrische Signale d₂ und d₃ um und übertragen sie an die Signalverarbeitungseinheit 12.
Die in die Signalverarbeitungseinheit 12 eingegebenen elektrischen Signale d₂ und d₃ werden durch die Additionsschaltung 12a addiert, und das sich ergebende Signal wird als neues elektrisches Signal d₄ an den Anzeigeverarbeitungsabschnitt 12b ausgegeben.
Der Anzeigeverarbeitungsabschnitt 12b führt eine Hüllkurvenerfassung für das durch Addition erhaltene elektrische Signal d₄ durch, um die optische Impulswellenform des Ziellichts a zu erhalten, und gibt sie an die Überwachungsschaltung 13 aus.
In der abtastenden optischen Wellenformmessvorrichtung mit dieser Anordnung befindet sich die Polarisierungsebene des aus der Abtastlichtquelle 10 abgegebenen Abtastlichts b₁ in einer beinahe 45° betragenden Richtung im Hinblick auf die Bezugsrichtung, und der Halbspiegel 11a ist in einer beinahe 45° betragenden Richtung im Hinblick auf die Lichtwege des Abtastlichts b₁ und des Ziellichts a angeordnet. Aus diesem Grund ist die Stärke des übertragenen Lichts in etwa gleich derjenigen des in der Polarisierungsstrahlenteilereinheit 11 reflektierten Lichts.
Das heißt, die polarisierte Lichtkomponente b₃ des durch die Polarisierungsstrahlenteilereinheit 11 aufgeteilten Abtastlichts b₁ in der Bezugsrichtung und die polarisierte Lichtkomponente b₂ in einer 90°-Richtung im Hinblick auf die Bezugsrichtung haben fast die gleiche Stärke.
Da der Polarisierungszustand des Ziellichts a aufgrund von Störgrößen schwankt, kann sich die Stärke des Ziellichts a₂, das aus der Polarisierungsstrahlenteilereinheit 11 abgegeben wird und eine Polarisierungsebene in der Bezugsrichtung hat, von derjenigen des Ziellichts a₃ unterscheiden, das eine Polarisierungsebene in einer 90°-Richtung im Hinblick auf die Bezugsrichtung hat.
Wenn das Ziellicht a₂ (oder a₃), dessen Stärke sich über seine normale Stärke hinaus verändert hat, am nichtlinearen optischen Element 1a (oder 1b) einfällt, hat das aus diesem Element austretende Summenfrequenzlicht c₂ (oder c₃) deshalb eine höhere als die normale Stärke.
Wenn das Ziellicht a₃ (oder a₂), dessen Stärke sich unter seine normale Stärke verändert hat, am nichtlinearen optischen Element 1b (oder 1a) einfällt, hat das aus diesem Element austretende Summenfrequenzlicht c₃ (oder c₂) deshalb eine niedrigere als die normale Stärke.
Die Stärken des Summenfrequenzlichts c₂ und des Summenfrequenzlichts c₃, die aus den nichtlinearen optischen Elementen 1a und 1b abgegeben werden, schwanken deshalb entsprechend dem Polarisierungszustand des Ziellichts a.
Das elektrische Signal d₄, bei dem es sich um die Summe der elektrischen Signale d₂ und d₃ handelt, die durch fotoelektrische Umsetzung des Summenfrequenzlichts c₂ und des Summenfrequenzlichts c₃ unter Verwendung der Fotodetektoren 7a und 7b erhalten werden, ist im Wesentlichen ein Signal, das durch Abzweigen des einzelnen Ziellichts a erhalten wird. Aus diesem Grunde interagieren die elektrischen Signale d₂ und d₃ auf komplementäre Weise miteinander, und von daher werden Veränderungen in der gemessenen Impulswellenform aufgehoben, die von Schwankungen beim Polarisierungszustand des Ziellichts a herrühren.
Das heißt, da das durch Addieren der elektrischen Signale d₂ und d₃ erhaltene elektrische Signal d₄ stabil ist, kann der Anzeigeverarbeitungsabschnitt 12b ungeachtet des Polarisierungszustands der Impulswellenform des Ziellichts a mit einer hohen Genauigkeit anzeigen/messen.
Die erste in 1 gezeigte Ausführungsform beruht auf der Prämisse, dass ein Teilungsverhältnis n des Abtastlichts b₂ in der Polarisierungsstrahlenteilereinheit 11 beinahe 1 : 1 (d.h. n = 0,5) ist.
Allerdings ist das Teilungsverhältnis n des Abtastlichts b₁ in der Polarisierungsstrahlenteilereinheit 11 nicht immer auf 1 : 1 (d.h. n = 0,5) beschränkt.
Der eigentliche Einfluss des Teilungsverhältnisses n des Abtastlichts b₁ auf die Wellenformmessung wird nachstehend quantitativ beschrieben.
Davon ausgehend, dass es sich bei P_SIG und P_SAM um die Stärken des Ziellichts a und des Abtastlichts b₁ handelt, die in das nichtlineare optische Element 1a (1b) eingegeben werden und zueinander orthogonale Polarisierungsebenen haben, ergibt sich eine Stärke P_SFG des Summenfrequenzlichts c₂ (c₃), das vom nichtlinearen optischen Element 1a (1b) abgegeben wird, welches eine Phasenanpassung des Typs II ergibt, durch PSFG = η·PSIG·PSAM (2)worin η die nichtlineare Konversionswirkungsgradkonstante ist.
Davon ausgehend, dass n·P_SAM die Stärke der in der 90°-Richtung verlaufenden polarisierten Lichtkomponente b₂ des Abtastlichts b₁ ist, die durch den Halbspiegel 11a übertragen wird, und (1 – n)·P_SAM (wobei 0 ≤ n ≤ 1) die Stärke der in der Bezugsrichtung verlaufenden polarisierten Lichtkomponente b₃ des Abtastlichts b₁ ist, die vom Halbspiegel 11a reflektiert wird, dann lässt sich die Lichtstärke P_SAM ausdrücken als PSAM = <<nPSAM>>90 + <<(1 – n)PSAM>>0 (3)worin <<>>₉₀ die Lichtstärke in einer 90°-Richtung und <<>>₀ die Lichtstärke in der Bezugsrichtung (0°-Richtung) ist.
Entsprechend davon ausgehend, dass m·P_SIG die Stärke der in der Bezugsrichtung verlaufenden polarisierten Lichtkomponente a₂ des Ziellichts a ist, die durch den Halbspiegel 11a reflektiert wird, und (1 – m)·P_SIG (wobei 0 ≤ m ≤ 1) die Stärke der in der 90°-Richtung verlaufenden polarisierten Lichtkomponente a₃ des Ziellichts a ist, die durch den Halbspiegel 11a reflektiert wird, und unter der Annahme, dass sich der Polarisierungszustand des Ziellichts a verändert, lässt sich die Lichtstärke P_SIG ausdrücken als PSIG = <<mPSIG>>0 + <<(1 – m)PSIG>>90 (4)worin <<>>₉₀ die Lichtstärke in einer 90°-Richtung und <<>>₀ die Lichtstärke in der Bezugsrichtung (0°-Richtung) ist.
Aus den Gleichungen (2), (3) und (4) ergibt sich: PSFG = η·{<<nPSAM·mPSIG>>90 + <<(1 – n)·(1 – m)·PSAM·PSIG>>0} (5)
Da es sich in diesem Fall beim nichtlinearen Konversionswirkungsgrad η um eine Konstante handelt, ergibt die Extraktion nur der wesentlichen Terme und die Umstellung der Gleichung, die mit der Lichtstärke P_SFG zusammenhängt, die durch Addieren der Stärken des Summenfrequenzlichts c₂ und des Summenfrequenzlichts c₃ erhalten wird: PSFG ∝(2nm – n – m + 1) PSAM·PSIG (6)
2A ist eine grafische Darstellung, die die Veränderungen der Lichtstärke als Summe der Stärken des Summenfrequenzlichts c₂ und des Summenfrequenzlichts c₃ zeigt, die erhalten wird, wenn nach dem mathematischen Ausdruck (6) im vorstehenden Verfahren der vorliegenden Erfindung m auf 0 oder 1 festgelegt wird und n von 0 auf 1 wechselt.
2B ist eine grafische Darstellung, die die Veränderungen bei der Summenfrequenzlichtstärke zeigt, die erhalten wird, wenn nur Abtastlicht mit einer Polarisierungsebene in der Bezugsrichtung (oder einer um 90° zur Bezugsrichtung verschobenen Richtung) wie im herkömmlichen Verfahren verwendet wird, d.h. n auf 1 (oder 0) festgelegt wird und m von 0 auf 1 wechselt.
Mit Bezug auf 2A verändert sich, wenn sich n oder m verändert, die Summenfrequenzlichtstärke P_SFG als die Summe der Stärken des Summenfrequenzlichts c₂ und des Summenfrequenzlichts c₃ stark.
Andererseits gibt es, wie aus 2A hervorgeht, nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung einen Punkt, an dem die Lichtstärke P_SFG als die Summe der Stärken des Summenfrequenzlichts c₂ und des Summenfrequenzlichts c₃ konstant bleibt, solange n ungeachtet der Veränderungen von m, d.h. der Veränderungen beim Polarisierungszustand des Ziellichts in der Nähe von 0,5 bleibt (das Teilungsverhältnis in der Polarisierungsstrahlenteilereinheit 1 : 1 beträgt).
Nach dem herkömmlichen Verfahren gibt es jedoch, wie aus 2B hervorgeht, keinen solchen Punkt, und von daher ist es schwierig, Schwankungen in der gemessenen Wellenform zu verhindern, die von Veränderungen des Polarisierungszustands herrühren.
Die vorliegende Erfindung beruht deshalb auf der Prämisse, dass das Teilungsverhältnis n in der Polarisierungsstrahlenteilereinheit 11 ungefähr 1 : 1 betragen muss, (d.h., n = 0,5 sein muss.) Wie aus 1 zu sehen ist, kann die optische Impulswellenform des Ziellichts a mit hoher Genauigkeit, ohne vom Polarisierungszustand des Ziellichts a beeinflusst zu werden, gemessen werden, indem die Stärken des Summenfrequenzlichts c₂ und des Summenfrequenzlichts c₃, die aus den beiden nichtlinearen optischen Elementen 1a bzw. 1b abgegeben werden, addiert werden.
Wie vorstehend beschrieben, kann in der abtastenden optischen Wellenformmesseinrichtung nach der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform die optische Impulswellenform des Ziellichts a aus dem vorstehenden Grund mit hoher Genauigkeit gemessen werden, ohne vom Polarisierungszustand des Ziellichts a beeinflusst zu werden.
Das Teilungsverhältnis n des Abtastlichts b₁ in der Polarisierungsstrahlenteilereinheit 11 ist nicht auf ca. 1 : 1 (d.h. n = 0,5) beschränkt. Dies wird nachstehend mit Bezug auf die 3 bis 5 verdeutlicht.
3 ist eine grafische Darstellung der Lichtstärke P_SFG als der Summe der Stärken des Summenfrequenzlichts c₂ und des Summenfrequenzlichts c₃, die nach dem mathematischen Ausdruck (6) berechnet und grafisch dargestellt wird, wenn m von 0 auf 1, d.h. dem Mindest- zum Höchstwert im Hinblick auf n (0,4 bis 0,7) wechselt.
Wie aus 3 hervorgeht, ist die Lichtstärke P_SFG, wenn n = 0,5 ist, konstant, ungeachtet des Werts von m. Im Gegensatz dazu verändert sich die Lichtstärke P_SFG entsprechend mit dem Wert von m, wenn n = 0,3, n = 0,4; n = 0,6 und n = 0,7 ist.
Selbst wenn sich die Lichtstärke P_SFG verändert, stellt sich kein praktisches Problem, solange die Veränderungen bei der eigentlichen Messung der Impulswellenform des Ziellichts in den zulässigen Bereich fallen.
4 ist eine grafische Darstellung der Veränderungsbreite der Lichtstärke P_SFG als Summe des Summenfrequenzlichts c₂ und des Summenfrequenzlichts c₃, die berechnet und grafisch dargestellt wird, wenn n auf den Bereich von 0,4 bis 0,6 festgelegt wird und m von 0 auf 1 wechselt.
5 ist eine vergrößerte Ansicht des mittleren Teils von 4.
Wenn der zulässige Wert für von Veränderungen beim Polarisierungszustand des Ziellichts a herrührenden Veränderungen der Wellenform von Licht ± 1% beträgt, dann beträgt ausgehend von 5 der Bereich von n 0,4795 ≤ n ≤ 0,5025 (7)
Mit anderen Worten, wenn der Wert von n innerhalb des Bereichs festgelegt wird, der sich durch die Ungleichheit (7) ergibt, können optische Impulse innerhalb einer Wellenformschwankung von ± 1% gemessen werden.
Um diesen Wert durch eine Einstellung zu erreichen, die nur auf den Polarisierungsebenen des Lichts in der Polarisierungsstrahlenteilereinheit 11 beruht, ist ein sehr ausgefeilter Einstellvorgang vonnöten. Falls die Vorrichtung jedoch zusätzlich über einen Polarisierungssteuerabschnitt verfügt oder eine Gewichtung in einem elektrischen Schaltkreissystem durchführt, lässt sich dieser Wert mühelos erreichen.
In diesem Fall ist der zulässige Wert für optische Wellenformveränderungen auf ± 1% festgelegt. Natürlich wird der durch die Ungleichheit (7) definierte Bereich jedoch weiter, wenn der zulässige Wert zunimmt.
(Zweite Ausführungsform)
6 ist ein Blockschaubild, das die schematische Anordnung einer abtastenden optischen Wellenformmessvorrichtung nach der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Dieselben Bezugszahlen in 6 bezeichnen dieselben Teile der abtastenden optischen Wellenformmessvorrichtung nach der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform, und es wird auf eine sich wiederholende Beschreibung verzichtet.
Die vorstehend beschriebene erste Ausführungsform beruht auf der Prämisse, dass die Stärken des übertragenen und reflektierten Lichts des aus der Abtastlichtquelle 10 abgegebenen Abtastlichts b₁ in der Polarisierungsstrahlenteilereinheit 11 fast gleich werden und von daher die Impulswellenform des Ziellichts a durch Ermittlung der Summenfrequenzlichtstärke P_SFG genau gemessen werden kann.
Es sei jedoch angenommen, dass die Richtung der Polarisierungsebene des Abtastlichts b₁ in der Polarisierungsstrahlenteilereinheit 11 stark von 45° (n = 0,5) abweicht oder eine höhere Genauigkeit notwendig ist, oder sich die nichtlinearen optischen Elemente 1a und 1b im Wirkungsgrad bei der Herstellung des Summenfrequenzlichts unterscheiden. In einem solchen Fall lassen sich die Schwankungsbreiten innerhalb eines gewünschten zulässigen Bereichs nicht einfach durch Addieren des Summenfrequenzlichts c₂ und des Summenfrequenzlichts c₃ unterdrücken.
Wie auch in der ersten Ausführungsform beschrieben, ist deshalb in der abtastenden optischen Wellenformmessvorrichtung der zweiten Ausführungsform ein Polarisierungssteuerabschnitt 14, der beispielsweise aus einer Halb- oder Viertelwellenplatte besteht, zwischen einer Abtastlichtquelle 10 und einer Polarisierungsstrahlenteilereinheit 11 eingesetzt.
Der Polarisierungssteuerabschnitt 14 hat die Aufgabe, die Richtung der Polarisierungsebene des aus der Abtastlichtquelle 10 abgegebenen Abtastlichts b₄ auf eine 45°-Richtung im Hinblick auf eine Bezugsrichtung (0°-Richtung) einzustellen.
Die Richtung der Polarisierungsebene des vom Polarisierungssteuerabschnitt 14 auf die Polarisierungsstrahlenteilereinheit 11 einfallenden Abtastlichts b₅ ist genau auf eine 45°-Richtung eingestellt.
Da die Stärken P_SAM des Abtastlichts b₂ und des Abtastlichts b₃, die von der Polarisationsstrahlenteilereinheit 11 aufgeteilt und in die nichtlinearen optischen Elemente 1a und 1b in einer 90°-Richtung eingegeben werden, und die Bezugsrichtung so eingestellt werden können, dass sie einander gleich sind, können in diesem Fall Schwankungen in einem elektrischen Signal d₄ unterdrückt werden, das durch Addieren des Summenfrequenzlichts c₂ und des Summenfrequenzlichts c₃ erhalten wird.
Die Messgenauigkeit für die optische Impulswellenform des Ziellichts a, das aus dem Signal erhalten wird, das durch das Addieren dieser Signale erhalten wird, kann deshalb weiter verbessert werden.
In diesem Fall braucht die Polarisierungsebene des aus der Abtastlichtquelle 10 abgegebenen Abtastlichts nicht auf eine 45°-Richtung eingestellt zu werden.
(Dritte Ausführungsform)
7 ist ein Blockschaubild, das die schematische Anordnung einer abtastenden optischen Wellenformmessvorrichtung nach der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Dieselben Bezugszahlen in 7 bezeichnen dieselben Teile der abtastenden optischen Wellenformmessvorrichtung nach der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform, und es wird auf eine sich wiederholende Beschreibung verzichtet.
Ein Signalverarbeitungsabschnitt 12 in der abtastenden optischen Wellenformmessvorrichtung der dritten Ausführungsform hat zusätzlich zu einer Additionsschaltung 12a und einem Anzeigeverarbeitungsabschnitt 12b ein Paar Gewichtungsschaltkreise 15a und 15b eingebaut.
Die vorstehend beschriebene erste Ausführungsform beruht auf der Prämisse, dass die Stärken des übertragenen und reflektierten Lichts des aus der Abtastlichtquelle 10 abgegebenen Abtastlichts b₁ in der Polarisierungsstrahlenteilereinheit 11 fast gleich werden und von daher die Impulswellenform des Ziellichts a durch Ermittlung der Summenfrequenzlichtstärke P_SFG genau gemessen werden kann.
Es sei jedoch angenommen, dass die Richtung der Polarisierungsebene des Abtastlichts b₁ in der Polarisierungsstrahlenteilereinheit 11 stark von 45° (n = 0,5) abweicht, eine höhere Genauigkeit notwendig ist, oder sich die nichtlinearen optischen Elemente 1a und 1b im Wirkungsgrad bei der Herstellung des Summenfrequenzlichts unterscheiden. In einem solchen Fall lassen sich die Schwankungsbreiten innerhalb eines gewünschten zulässigen Bereichs nicht einfach durch Addieren des Summenfrequenzlichts c₂ und des Summenfrequenzlichts c₃ unterdrücken.
Wie in der ersten Ausführungsform beschrieben, werden deshalb in dieser Ausführungsform die Gewichtungsschaltkreise 15a und 15b verwendet, um die aus den Fotodetektoren 7a und 7b abgegebenen elektrischen Signale d₂ und d₃ entsprechend dem Teilungsverhältnis in der Polarisierungsstrahlenteilereinheit zu gewichten, wodurch der Einfluss von Schwankungen beim Polarisierungszustand des Ziellichts auf das Messergebnis auf ein Mindestmaß gesenkt wird.
(Vierte Ausführungsform)
8 ist ein Blockschaubild, das die schematische Anordnung einer abtastenden optischen Wellenformmessvorrichtung nach der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Dieselben Bezugszahlen in 8 bezeichnen dieselben Teile der abtastenden optischen Wellenformmessvorrichtung nach der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform, und es wird auf eine sich wiederholende Beschreibung verzichtet.
In der abtastenden optischen Wellenformmessvorrichtung der vierten Ausführungsform sind optische Filter 16a und 16b jeweils zwischen den nichtlinearen optischen Elementen 1a und 1b bzw. den Fotodetektoren 7a und 7b eingesetzt.
Wie in 9B gezeigt ist, ist das Durchlassband jedes der optischen Filter 16a und 16b auf einen Winkelfrequenzbereich eingestellt, der eine Winkelfrequenz (ω_S + ω_D) des Summenfrequenzlichts c₂ und des Summenfrequenzlichts c₃ einschließt und eine Winkelfrequenz 2ω_S, bei der es sich um die zweifache Winkelfrequenz ω_S des Abtastlichts b₁ handelt, und eine Winkelfrequenz 2ω_D ausschließt, bei der es sich um die zweifache Winkelfrequenz ω_D des Ziellichts a und die Winkelfrequenzen ω_S und ω_D handelt, die nicht in die Summenwinkelfrequenz (ω_S + ω_D) und die Winkelfrequenzen 2ω_S und 2ω_D umgerechnet werden.
Wie in den 9A und 9B gezeigt ist, umfassen das Summenfrequenzlicht c₂ und das Summenfrequenzlicht c₃, die jeweils aus den nichtlinearen optischen Elementen 1a und 1b ausgegeben werden, Lichtkomponenten mit den Winkelfrequenzen 2ω_S und 2ω_D, bei denen es sich um das Zweifache der jeweiligen Winkelfrequenzen handelt, die einer leichten Phasenfehlanpassung entstammen, und nicht umgesetzte Lichtkomponenten mit den Winkelfrequenzen ω_S und ω_D, zusätzlich zu Lichtkomponenten mit der Winkelfrequenz (ω_S + ω_D) als Summe der Winkelfrequenzen des Abtastlichts b₁ und Ziellichts a. Die optischen Filter 16a und 16b können die Lichtkomponenten mit diesen Winkelfrequenzen beseitigen.
Im Ergebnis kann die Messgenauigkeit für die Impulswellenform des Ziellichts a noch weiter verbessert werden.
(Fünfte Ausführungsform)
10 ist ein Blockschaubild, das die schematische Anordnung einer abtastenden optischen Wellenformmessvorrichtung nach der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Dieselben Bezugszahlen in 10 bezeichnen dieselben Teile der abtastenden optischen Wellenformmessvorrichtung nach den in den 1, 6, 7 und 8 gezeigten Ausführungsformen, und es wird auf eine sich wiederholende Beschreibung verzichtet.
In der abtastenden optischen Wellenformmessvorrichtung der fünften Ausführungsform wird das aus einer Abtastlichtquelle 10 abgegebene Abtastlicht b₄ in einem Polarisierungssteuerabschnitt 14 so eingestellt, dass es eine Polarisierungsebene in einer 45°-Richtung hat und als neues Abtastlicht b₅ auf eine Polarisierungsstrahlenteilereinheit 11 fällt.
Von außen eingegebenes Ziellicht a tritt direkt in die Polarisierungsstrahlenteilereinheit 11 ein.
Optische Filter 16a und 16b beseitigen jeweils Lichtkomponenten mit den Winkelfrequenzen 2ω_S und 2ω_D, bei denen es sich um das Zweifache der Winkelfrequenzen ω_S und ω_D des Abtastlichts b₅ und des Ziellichts a handelt, und nicht umgesetzte Lichtkomponenten mit den Winkelfrequenzen ω_S und ω_D aus dem Summenfrequenzlicht c₂ und dem Summenfrequenzlicht c₃, die aus den nichtlinearen optischen Elementen 1a und 1b abgegeben werden. Im Ergebnis fallen das Summenfrequenzlicht c₂ und das Summenfrequenzlicht c₃ mit einer Summenwinkelfrequenz (ω_S + ω_D) der Winkelfrequenzen ω_S und ω_D des Abtastlichts b₅ und des Ziellichts a an den Fotodetektoren 7a und 7b ein.
Die Fotodetektoren 7a und 7b setzen das empfangene Summenfrequenzlicht c₂ und das empfangene Summenfrequenzlicht c₃ jeweils in elektrische Signale d₂ und d₃ um.
Die elektrischen Signale d₂ und d₃, die auf dem Summenfrequenzlicht c₂ und dem Summenfrequenzlicht c₃ beruhen, werden jeweils in einem Signalverarbeitungsabschnitt 12 durch die Gewichtungsschaltkreise 15a und 15b entsprechend der Richtung der Polarisierungsebene des an der Polarisierungsstrahlenteilereinheit 11 einfallenden Abtastlichts b₅ gewichtet. Die sich ergebenden Signale werden durch eine Additionsschaltung 12a in ein elektrisches Signal d₄ umgesetzt.
Ein Anzeigeverarbeitungsabschnitt 12b erfasst die optische Wellenform des Ziellichts a, indem beispielsweise eine Hüllkurvenerfassung für das durch Addieren erhaltene elektrische Signal d₄ durchgeführt wird, und gibt die sich ergebenden Daten an eine Überwachungsschaltung 13 aus.
In der abtastenden optischen Wellenformmessvorrichtung der fünften Ausführungsform mit dieser Anordnung sind der Polarisierungssteuerabschnitt 14, die Gewichtungsschaltkreise 15a und 15b und die optischen Filter 16a und 16b entsprechend den jeweiligen in den 6, 7 und 8 gezeigten Ausführungsformen zusätzlich zur Grundanordnung der abtastenden optischen Wellenformmessvorrichtung nach der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform eingebaut. Die Messgenauigkeit für die optische Impulswellenform des Ziellichts a kann deshalb noch weiter verbessert werden.
(Sechste Ausführungsform)
11 zeigt die schematische Anordnung einer Polarisierungsstrahlenteilereinheit, die in die vorstehend beschriebene abtastende optische Wellenformmessvorrichtung der vorliegenden Erfindung eingebaut ist.
Diese Polarisierungsstrahlenteilereinheit besteht aus einem Paar Calcitgliedern 17a und 17b, die in derselben Kristallrichtung angeordnet sind, einer Halbwellenplatte 21, die an die Austrittsfläche eines Calcitglieds 17a geklebt ist, und einem Paar Fokussierlinsen 18a und 18b zum Fokussieren/Multiplexen der von der Halbwellenplatte 21 und dem anderen Calcitglied 17b abgegebenen Lichtstrahlen.
Das Calcitglied 17a teilt von außen eingegebenes Ziellicht a in eine Lichtkomponente a₃ mit einer Polarisierungsebene in einer 90°-Richtung im Hinblick auf eine Bezugsrichtung (0°-Richtung) und eine Lichtkomponente a₂ mit einer Polarisierungsebene in der Bezugsrichtung (0°-Richtung) auf.
Entsprechend teilt das Calcitglied 17b aus einer Abtastlichtquelle 10 abgegebenes Abtastlicht b₁ mit einer Polarisierungsebene in einer 45°-Richtung in eine Lichtkomponente b₂ mit einer Polarisierungsebene in einer 90°-Richtung im Hinblick auf die Bezugsrichtung (0°-Richtung) und eine Lichtkomponente b₃ mit einer Polarisierungsebene in der Bezugsrichtung (0°-Richtung) auf.
Die Polarisierungsebene der Ziellichtkomponente a₃, die vom Calcitglied 17a abgegeben wird und eine Polarisierungsebene in der 90°-Richtung hat, wird durch die Halbwellenplatte 21 um 90° zur Bezugsrichtung (0°-Richtung) gedreht. Diese Lichtkomponente fällt dann an einer Fokussierlinse 18a ein.
Die Abtastlichtkomponente b₂, die vom anderen Calcitglied 17b abgegeben wird und eine Polarisierungsebene in der 90°-Richtung hat, fällt direkt an einer Fokussierlinse 18a ein.
Im Ergebnis werden das Ziellicht a₃, dessen Polarisierungsebene durch die Fokussierlinse 18a auf die Bezugsrichtung (0°-Richtung) abgeändert wird, und das Abtastlicht b₂, dessen Polarisierungsebene in der 90°-Richtung bleibt, gemultiplext und das sich ergebende Licht zu einem nichtlinearen optischen Element 1b geschickt.
Die Abtastlichtkomponente b₃, die vom Calcitglied 17b abgegeben wird und eine Polarisierungsebene in der Bezugsrichtung (0°-Richtung) hat, fällt direkt an der anderen Fokussierlinse 18b ein.
Die Polarisierungsebene der Ziellichtkomponente a₂, die vom Calcitglied 17a abgegeben wird und eine Polarisierungsebene in der Bezugsrichtung (0°-Richtung) hat, wird durch die Halbwellenplatte 21 um 90° zur 90°-Richtung gedreht. Diese Lichtkomponente wird dann an die andere Fokussierlinse 18b geschickt.
Im Ergebnis werden das Ziellicht a₂, dessen Polarisierungsebene auf die 90°-Richtung abgeändert wird, und das Abtastlicht b₃, dessen Polarisierungsebene in der Bezugsrichtung (0°-Richtung) bleibt, durch die Fokussierlinse 18b gemultiplext. Das sich ergebende Licht wird auf ein nichtlineares optisches Element 1b geworfen.
Auf diese Weise werden die beiden Calcitglieder 17a und 17b, die eine Halbwellenplatte 21, und die beiden Fokussierlinsen 18a und 18b verwendet, und die Lichtwegstrecken der jeweils an den Fokussierlinsen 18a und 18b einfallenden Lichtstrahlen werden so eingestellt, dass sie gleich sind, wodurch sie dieselbe Funktion aufweisen wie die Polarisierungsstrahlenteilereinheit 11, die in der ersten bis fünften Ausführungsform als Polarisierungsstrahlenteiler (PBS) ausgeführt ist.
(Siebte Ausführungsform)
12A zeigt die schematische Anordnung eines Beispiels einer Polarisierungsstrahlenteilereinheit, die in die vorstehend beschriebene abtastende optische Wellenformmessvorrichtung der vorliegenden Erfindung eingebaut ist.
12B ist eine Draufsicht zur Erläuterung der Fortpflanzungsrichtung jedes Lichtstrahls in dieser Polarisierungsstrahlenteilereinheit.
Die Polarisierungsstrahlenteilereinheit besteht aus einem ersten und zweiten Calcitglied 19a und 19b, die auf derselben optischen Achse angeordnet sind, einem Paar Reflexionsspiegeln 20a und 20b und einer Halbwellenplatte 21a.
Mit Bezug auf die 12A und 12B teilt das erste Calcitglied 19a ankommendes Ziellicht a in eine Lichtkomponente a₃ mit einer Polarisierungsebene in einer 90°-Richtung und eine Lichtkomponente a₂ mit einer Polarisierungsebene in einer Bezugsrichtung (0°-Richtung) auf.
Entsprechend teilt das Calcitglied 19a aus einer Abtastlichtquelle 10 abgegebenes Abtastlicht b₁ mit einer Polarisierungsebene in einer 45°-Richtung in eine Lichtkomponente b₂ mit einer Polarisierungsebene in einer 90°-Richtung im Hinblick auf die Bezugsrichtung (0°-Richtung) und eine Lichtkomponente b₃ mit einer Polarisierungsebene in der Bezugsrichtung (0°-Richtung) auf.
Die in der 90°-Richtung verlaufende Abtastlichtkomponente b₂ und die in der Bezugsrichtung (0°-Richtung) verlaufende Ziellichtkomponente a₂ werden am Ausgang des ersten Calcitglieds 19a gemultiplext. Die Polarisierungsrichtung des gemultiplexten Lichts wird durch die Halbwellenplatte 21a um 90° gedreht. Das sich ergebende Licht fällt dann über den Reflexionsspiegel 20a an einem nichtlinearen optischen Element 1a ein.
Die Polarisierungsrichtung der vom ersten Calcitglied 19a abgegebenen, in der 90°-Richtung verlaufenden Ziellichtkomponente a₃ wird durch die Halbwellenplatte 21a um 90° zur Bezugsrichtung (0°-Richtung) gedreht. Das sich ergebende Licht wird am Eingang des zweiten Calcitglieds 19b gebrochen und pflanzt sich in einer schrägen Richtung geradewegs zum Anzeigeverarbeitungsabschnitt 12b fort.
Die Polarisierungsrichtung der in der 0°-Richtung verlaufenden Abtastlichtkomponente b₃, die vom ersten Calcitglied 19a abgegeben wird, wird durch die Halbwellenplatte 21a um 90° in die 90°-Richtung gedreht. Das sich ergebende Licht pflanzt sich geradewegs in das zweite Calcitglied 19b fort und tritt daraus an derselben Stelle aus wie das Ziellicht a₃ in der Bezugsrichtung (0°-Richtung).
Im Ergebnis werden die Ziellichtkomponente a₃, deren Polarisierungsrichtung auf die Bezugsrichtung (0°-Richtung) abgeändert ist, und die Abtastlichtkomponente b₃, deren Polarisierungsebene auf die 90°-Richtung abgeändert ist, am Ausgang des zweiten Calcitglieds 19b gemultiplext. Das sich ergebende Licht fällt über den Reflexionsspiegel 20b am nichtlinearen optischen Element 1b ein.
Da ein Lichtwegstreckenunterschied, der fast gleich der Größe des zweiten Calcitglieds 19b ist, zwischen den Lichtwegstrecken von dieser Polarisierungsstrahlenteilereinheit zu den nichtlinearen optischen Elementen 1a und 1b entsteht, werden die Positionen der nichtlinearen optischen Elemente 1a und 1b genau eingestellt, um diese Lichtwegstrecken gleich auszulegen.
Wie vorstehend beschrieben, sind die Abmessungen der beiden Calcitglieder 19a und 19b und der Halbwellenplatte 21a so eingestellt, dass Lichtkomponenten, die entlang der optischen Achsen und in den jeweiligen Bauteilen verlaufen, am Ausgang gemultiplext werden. Damit kann dieselbe Funktion wie diejenige der Polarisierungsstrahlenteilereinheit 11 erzielt werden, die in der ersten bis fünften Ausführungsform durch den Polarisierungsstrahlenteiler (PBS) ausgeführt wird.
(Achte Ausführungsform)
13 zeigt die schematische Anordnung eines Beispiels einer Polarisierungsstrahlenteilereinheit, die in die vorstehend beschriebene abtastende optische Wellenformmessvorrichtung der vorliegenden Erfindung eingebaut ist.
Dieselben Bezugszahlen in 13 bezeichnen dieselben Teile der abtastenden optischen Wellenformmessvorrichtung nach der in 11 gezeigten sechsten Ausführungsform, und es wird auf eine sich wiederholende Beschreibung verzichtet.
Die Polarisierungsstrahlenteilereinheit nach der achten Ausführungsform besteht aus einem Paar Calcitgliedern 17a und 17b, die in derselben Kristallrichtung angeordnet sind und einen ersten Calcitabschnitt bilden, und einem anderen Paar von Calcitgliedern 22a und 22b, die in einer zum Paar der Calcitglieder 17a und 17b senkrechten Richtung angeordnet sind und einen zweiten Calcitabschnitt bilden.
Das Calcitglied 17a teilt von außen eingegebenes Ziellicht a in eine Lichtkomponente a₃ mit einer Polarisierungsebene in einer 90°-Richtung im Hinblick auf eine Bezugsrichtung (0°-Richtung) und eine Lichtkomponente a₂ mit einer Polarisierungsebene in der Bezugsrichtung (0°-Richtung) auf.
Entsprechend teilt das Calcitglied 17b aus einer Abtastlichtquelle 10 abgegebenes Abtastlicht b₁ mit einer Polarisierungsebene in einer 45°-Richtung in eine Lichtkomponente b₂ mit einer Polarisierungsebene in einer 90°-Richtung im Hinblick auf die Bezugsrichtung (0°-Richtung) und eine Lichtkomponente b₃ mit einer Polarisierungsebene in der Bezugsrichtung (0°-Richtung) auf.
Die Ziellichtkomponente a₃, die vom Calcitglied 17a abgegeben wird und eine Polarisierungsebene in der 90°-Richtung hat, läuft geradewegs in das Calcitglied 22a.
Die Abtastlichtkomponente b₃, die vom Calcitglied 17b abgegeben wird und eine Polarisierungsebene in der Bezugsrichtung (0°-Richtung) hat, wird durch das Calcitglied 22a gebrochen und an derselben Stelle abgegeben wie die Ziellichtkomponente a₃.
Im Ergebnis wird die Ziellichtkomponente a₃ mit einer Polarisierungsebene in der 90°-Richtung mit der Abtastlichtkomponente b₃ mit einer Polarisierungsebene in der Bezugsrichtung gemultiplext. Das sich ergebende Licht fällt an einem nichtlinearen optischen Element 1b ein.
Die Abtastlichtkomponente b₂, die vom Calcitglied 17b abgegeben wird und eine Polarisierungsebene in der 90°-Richtung hat, läuft geradewegs in das Calcitglied 22b.
Die Abtastlichtkomponente a₂, die vom Calcitglied 17a abgegeben wird und eine Polarisierungsebene in der Bezugsrichtung (0°-Richtung) hat, wird durch das Calcitglied 22b gebrochen und an derselben Stelle abgegeben wie die Abtastlichtkomponente b₂.
Im Ergebnis wird die Abtastlichtkomponente b₂ mit einer Polarisierungsebene in der 90°-Richtung mit der Ziellichtkomponente a₂ mit einer Polarisierungsebene in der Bezugsrichtung (0°-Richtung) gemultiplext. Das sich ergebende Licht fällt an einem nichtlinearen optischen Element 1a ein.
Wie vorstehend beschrieben, sind die Außenabmessungen der vier Calcitglieder 17a, 17b, 18a und 18b so eingestellt, dass Lichtkomponenten, die sich entlang der optischen Achsen und in den jeweiligen Bauteilen fortpflanzen, am Ausgang gemultiplext sind. Mit dieser Verfahrensweise kann dieselbe Funktion wie diejenige der Polarisierungsstrahlenteilereinheit 11 erzielt werden, die in der ersten bis fünften Ausführungsform durch den Polarisierungsstrahlenteiler (PBS) ausgeführt wird.
(Neunte Ausführungsform)
14A zeigt die schematische Anordnung eines Beispiels einer Polarisierungsstrahlenteilereinheit, die in die vorstehend beschriebene abtastende optische Wellenformmessvorrichtung der vorliegenden Erfindung eingebaut ist.
14B ist eine Draufsicht zur Erläuterung der Richtung, in der jede Lichtkomponente in dieser Polarisierungsstrahlenteilereinheit verläuft.
Dieselben Bezugszahlen in den 14A und 14B bezeichnen dieselben Teile wie des in den 12A und 12B gezeigten Beispiels, und es wird auf eine sich wiederholende Beschreibung verzichtet.
Wie in den 14A und 14B gezeigt ist, ist die Polarisierungsstrahlenteilereinheit äquivalent zur Polarisierungsstrahlenteilereinheit der siebten Ausführungsform von 12A und 12B, von der aber die Halbwellenplatte 21a weggelassen wurde.
Mit Bezug auf die 14A und 14B teilt ein erstes Calcitglied 19a ankommendes Ziellicht a in eine Lichtkomponente a₃ mit einer Polarisierungsebene in einer 90°-Richtung und eine Lichtkomponente a₂ mit einer Polarisierungsebene in einer Bezugsrichtung (0°-Richtung) auf.
Entsprechend teilt das erste Calcitglied 19a aus einer Abtastlichtquelle 10 abgegebenes Abtastlicht b₁ mit einer Polarisierungsebene in einer 45°-Richtung in eine Lichtkomponente b₂ mit einer Polarisierungsebene in einer 90°-Richtung im Hinblick auf die Bezugsrichtung (0°-Richtung) und eine Lichtkomponente b₃ mit einer Polarisierungsebene in der Bezugsrichtung (0°-Richtung) auf.
Die in der 90°-Richtung verlaufende Abtastlichtkomponente b₂ und die in der Bezugsrichtung (0°-Richtung) verlaufende Ziellichtkomponente a₂ sind am Ausgang des ersten Calcitglieds 19a gemultiplext. Das sich ergebende Licht fällt über einen Reflexionsspiegel 20a an einem nichtlinearen optischen Element 20a ein.
Die in der 90°-Richtung verlaufende Ziellichtkomponente a₃, die vom ersten Calcitglied 19a abgegeben wird, läuft geradewegs in ein zweites Calcitglied 19b.
Die in der 0°-Richtung verlaufende Abtastlichtkomponente b₃, die vom ersten Calcitglied 19a abgegeben wird, wird am Eingang des zweiten Calcitglieds 19b gebrochen und an derselben Stelle abgegeben wie die in der 90°-Richtung verlaufende Ziellichtkomponente a₃.
Im Ergebnis sind die in der 90°-Richtung verlaufende Ziellichtkomponente a₃ und die in der Bezugsrichtung (0°-Richtung) verlaufende Abtastlichtkomponente b₃ am Ausgang des zweiten Calcitglieds 19b gemultiplext. Das sich ergebende Licht fällt über einen Reflexionsspiegel 20b an einem nichtlinearen optischen Element 1b ein.
Da ein Lichtwegstreckenunterschied, der fast gleich der Größe des zweiten Calcitglieds 19b ist, zwischen den Lichtwegstrecken von dieser Polarisierungsstrahlenteilereinheit zu den nichtlinearen optischen Elementen 1a und 1b entsteht, werden die Positionen der nichtlinearen optischen Elemente 1a und 1b genau eingestellt, um diese Lichtwegstrecken gleich auszulegen.
Wie vorstehend beschrieben, sind die Abmessungen der beiden Calcitglieder 19a und 19b so eingestellt, dass Lichtkomponenten, die entlang der optischen Achsen und in den jeweiligen Bauteilen verlaufen, am Ausgang gemultiplext sind. Damit kann dieselbe Funktion wie diejenige der Polarisierungsstrahlenteilereinheit 11 erzielt werden, die in der ersten bis fünften Ausführungsform durch den Polarisierungsstrahlenteiler (PBS) ausgeführt wird.
Es ist festzuhalten, dass die Polarisierungsstrahlenteilereinheit, die aus mehreren Calcitgliedern besteht, wie in den 11, 12A, 12B, 13, 14A und 14B gezeigt ist, auch in eine andere optische Verarbeitungsvorrichtung als die vorstehende abtastende optische Wellenformmessvorrichtung eingebaut werden kann.
Wie vorstehend beschrieben wurde, sind in der abtastenden optischen Wellenformmessvorrichtung der vorliegenden Erfindung eine Polarisierungsstrahlenteilereinheit und ein Paar nichtlinearer optische Elemente des Typs II eingebaut, um Abtast- und Ziellicht in Einheiten von Polarisierungsebenen aufzuteilen und jeweils die Summenfrequenzlichtstrahlen zu ermitteln, und sie danach zu addieren.
Nach der abtastenden optischen Wellenformmesseinrichtung der vorliegenden Erfindung kann deshalb auch dann, wenn die Polarisierungsebene des Ziellichts sich mit der Zeit verändert und die Richtung der Polarisierungsebene des Abtastlichts nicht genau eingestellt werden kann, die optische Impulswellenform des Ziellichts immer mit hoher Genauigkeit gemessen werden.
Zusätzlich bilden nach der abtastenden optischen Wellenformmesseinrichtung der vorliegenden Erfindung mehrere Calcitglieder eine Polarisierungsstrahlenteilereinheit, um jeweils Abtast- und Ziellicht in zwei Lichtkomponenten mit um 90° zueinander verschobenen Polarisierungsebenen aufzuteilen, diese Abtast- und Ziellichtkomponenten, die jeweils um 90° zueinander verschobene Polarisierungsebenen haben, zu zwei Paaren gemultiplexter Lichtstrahlen zu multiplexen, und sie jeweils an verschiedene Lichtwege abzugeben.
Auf diese Weise kann eine Polarisierungsstrahlenteilereinheit problemlos aus einer Kombination von Calcitgliedern aufgebaut werden, wovon jedes die physikalische Eigenschaft besitzt, einfallendes Licht in zwei Lichtkomponenten mit um 90° zueinander verschobenen Polarisierungsebenen aufzuteilen.
Diese aus den Calcitgliedern aufgebaute Polarisierungsstrahlenteilereinheit kann in verschiedenen anderen optischen Vorrichtungen als der vorstehende abtastenden optischen Wellenformmessvorrichtung zum Einsatz kommen.

Claims

Abtastende optische Wellenformmessvorrichtung zum Messen einer Impulswellenform von Ziellicht, die Folgendes umfasst: eine Abtastlichtquelle (10) zum Erzeugen einer Impulsfolge von Abtastlicht, das jeweils im Hinblick auf eine Bezugsrichtung in einer 0°-Richtung in eine polarisierte Lichtkomponente und in einer 90°-Richtung in eine polarisierte Lichtkomponente aufgeteilt werden kann; eine Polarisierungsstrahlenteilereinheit (11) zum Empfangen des von der Abtastlichtquelle abgegebenen Abtastlichts und des Ziellichts, die das Abtastlicht und das Ziellicht jeweils im Hinblick auf eine Bezugsrichtung in einer 0°-Richtung in eine polarisierte Lichtkomponente und in einer 90°-Richtung in eine polarisierte Lichtkomponente aufteilt und die in der 0°-Richtung polarisierte Lichtkomponente des Abtastlichts und die in der 90°-Richtung polarisierte Lichtkomponente des Ziellichts als erstes Ausgangslicht, und die in der 90°-Richtung polarisierte Lichtkomponente des Abtastlichts und die in der 0°-Richtung polarisierte Lichtkomponente des Ziellichts als zweites Ausgangslicht an einen ersten bzw. zweiten Lichtweg abgibt; ein erstes nichtlineares optisches Element (1a) zur Durchführung einer Phasenanpassung des Typs II, um ein Kreuzkorrelationssignal des Abtastlichts und des Ziellichts zu erzeugen, das an den ersten Lichtweg als Summenfrequenzlicht abgegeben wird; ein zweites nichtlineares optisches Element (1b) zur Durchführung einer Phasenanpassung des Typs II, um ein Kreuzkorrelationssignal des Abtastlichts und des Ziellichts zu erzeugen, das an den zweiten Lichtweg als Summenfrequenzlicht abgegeben wird; einen ersten Fotodetektor (7a) zum Umsetzen des vom ersten nichtlinearen optischen Element abgegebenen Summenfrequenzlichts in ein elektrisches Signal; einen zweiten Fotodetektor (7b) zum Umsetzen des vom zweiten nichtlinearen optischen Element abgegebenen Summenfrequenzlichts in ein elektrisches Signal; einen Signalverarbeitungsabschnitt (12) zum Addieren der vom ersten und zweiten Fotodetektor abgegebenen elektrischen Signale, und zum Verarbeiten des sich ergebenden elektrischen Signals, um eine optische Impulswellenform des Ziellichts zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, darüber hinaus einen Polarisierungssteuerabschnitt (14) umfassend, der zwischen der Abtastlichtquelle und der Polarisierungsstrahlenteilereinheit eingesetzt ist, um eine Polarisierungsebene des von der Abtastlichtquelle abgegebenen Abtastlichts in eine bestimmte Richtung zu steuern.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Verarbeitungsabschnitt (12) die vom ersten und zweiten Fotodetektor abgegebenen elektrischen Signale entsprechend einer Richtung einer Polarisierungsebene des an der Polarisierungsstrahlenteilereinheit einfallenden Lichts gewichtet, die gewichteten elektrischen Signale addiert und das sich ergebende elektrische Signal verarbeitet, um eine optische Impulswellenform des Ziellichts zu erzeugen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, darüber hinaus umfassend: ein erstes optisches Filter (16a), das zwischen dem ersten nichtlinearen optischen Element und dem ersten Fotodetektor eingesetzt ist und ein Durchlassband hat, das auf einen Frequenzbereich des Summenfrequenzlichts eingestellt ist; und ein zweites optisches Filter (16b), das zwischen dem zweiten nichtlinearen optischen Element und dem zweiten Fotodetektor eingesetzt ist und ein Durchlassband hat, das auf einen Frequenzbereich des Summenfrequenzlichts eingestellt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Polarisierungsstrahlenteilereinheit umfasst: ein Paar Calcitglieder (17a, 17b) zum Aufteilen des einfallenden Abtastlichts bzw. des einfallenden Ziellichts in zwei Lichtkomponenten, die um 90° voneinander verschobene Polarisierungsebenen aufweisen; eine Halbwellenplatte (21), zum Drehen der Polarisierungszustände der beiden Lichtkomponenten um 90°, die von dem Paar der Calcitglieder abgegeben wurden und um 90° voneinander verschobene Polarisierungsebenen aufweisen; und ein Paar Fokussierlinsen (18a, 18b) zum Fokussieren/Multiplexen des Abtastlichts und des Ziellichts, die von dem anderen Paar der Calcitglieder und der Halbwellenplatte abgegeben wurden und um 90° voneinander verschobene Polarisierungsebenen aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Polarisierungsstrahlenteilereinheit umfasst: ein erstes Calcitglied (19a) zum Empfangen des Abtastlichts und Ziellichts und Abgeben von drei Lichtkomponenten, die das multiplexierte Licht von Abtast- und Ziellichtkomponenten, die um 90° voneinander verschobene Polarisierungsebenen aufweisen, und Abtast- und Ziellichtkomponenten, die um 90° voneinander verschobene Polarisierungsebenen aufweisen, enthalten; eine Halbwellenplatte (21), zum Drehen der Polarisierungszustände der beiden Lichtkomponenten um 90°, die von dem ersten Calcitglied abgegeben wurden; und ein zweites Calcitglied (19b) zum Multiplexen und Abgeben von Abtast- und Ziellichtkomponenten, die von der Halbwellenplatte abgegeben wurden und um 90° voneinander verschobene Polarisierungsebenen aufweisen.