JP2001027513A - 光波長測定方法及び装置 - Google Patents
光波長測定方法及び装置Info
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
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- G01J9/02—Measuring optical phase difference; Determining degree of coherence; Measuring optical wavelength by interferometric methods
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- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 広範囲な波長の可干渉性光源の波長を基準光
を用いて測定することを可能とした光波長測定方法及び
装置を提供する。 【解決手段】 入力された光束を二分割し、得られた二
つの光束を所定の光路長差を与えた後に合波して干渉縞
を生じさせる干渉光学系１を用いて、波長λ１が既知で
ある可干渉性の基準光源２からの基準光を干渉光学系１
に入力し、同時に波長λ２が未知である可干渉性の検査
光源２からの検査光を異なる光路をもって干渉光学系１
に入力する。干渉光学系１においては基準光と検査光の
各光路長差に同量の変化を与えることにより、基準光と
検査光についてそれぞれ得られる受光信号を変調する。
基準光と検査光についてそれぞれ得られる受光信号の変
調の度合がそれぞれの波長λ１，λ２に依存することか
ら、各受光信号の変調度を検知して比較し、その比率と
基準光の波長λ１とから検査光の波長λ２を算出する。
を用いて測定することを可能とした光波長測定方法及び
装置を提供する。 【解決手段】 入力された光束を二分割し、得られた二
つの光束を所定の光路長差を与えた後に合波して干渉縞
を生じさせる干渉光学系１を用いて、波長λ１が既知で
ある可干渉性の基準光源２からの基準光を干渉光学系１
に入力し、同時に波長λ２が未知である可干渉性の検査
光源２からの検査光を異なる光路をもって干渉光学系１
に入力する。干渉光学系１においては基準光と検査光の
各光路長差に同量の変化を与えることにより、基準光と
検査光についてそれぞれ得られる受光信号を変調する。
基準光と検査光についてそれぞれ得られる受光信号の変
調の度合がそれぞれの波長λ１，λ２に依存することか
ら、各受光信号の変調度を検知して比較し、その比率と
基準光の波長λ１とから検査光の波長λ２を算出する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、種々の機械量を
測定する光波干渉式計測装置において用いられる、可干
渉性光源の光波長測定方法及び装置に関する。
測定する光波干渉式計測装置において用いられる、可干
渉性光源の光波長測定方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、可干渉性光源の波長を測定する
には、波長が既知の基準光と波長が未知の検査すべき光
（検査光）を干渉させ、これにより発生するビート信号
を検出するヘテロダイン法が用いられる。波長が僅かに
異なる二つの可干渉光を混合して干渉させると、発生す
るビート信号の周波数が二つの光の周波数の差となるこ
とから、一方の光の波長が既知であれば他方の光の波長
を求めることができる。
には、波長が既知の基準光と波長が未知の検査すべき光
（検査光）を干渉させ、これにより発生するビート信号
を検出するヘテロダイン法が用いられる。波長が僅かに
異なる二つの可干渉光を混合して干渉させると、発生す
るビート信号の周波数が二つの光の周波数の差となるこ
とから、一方の光の波長が既知であれば他方の光の波長
を求めることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、ヘテロダイン
法による波長測定では、二つの波長が極めて近接してい
ることが要求される。例えば検出されるビート信号の周
波数をＭＨｚオーダーに抑えるためには、用いる二つの
光の波長の差が１ｐｐｍ以下であることが必要であり、
基準光と波長が大きく異なる光については適用できない
という難点がある。例えば、色素レーザや半導体レーザ
等の波長可変型の可干渉光源を用いると、固定波長の光
源ではできない種々のトレーサブルな光波干渉式計測を
行うことが可能である。しかしその様な計測に用いる半
導体レーザ等の可変する波長が推定値であっては、トレ
ーサビリティに欠ける。従って、安定化Ｈｅ−Ｎｅレー
ザ等を基準光として、波長可変型半導体レーザの波長を
正確に校正するといった技術が望まれるが、従来のヘテ
ロダイン法では、その様な校正ができなかった。
法による波長測定では、二つの波長が極めて近接してい
ることが要求される。例えば検出されるビート信号の周
波数をＭＨｚオーダーに抑えるためには、用いる二つの
光の波長の差が１ｐｐｍ以下であることが必要であり、
基準光と波長が大きく異なる光については適用できない
という難点がある。例えば、色素レーザや半導体レーザ
等の波長可変型の可干渉光源を用いると、固定波長の光
源ではできない種々のトレーサブルな光波干渉式計測を
行うことが可能である。しかしその様な計測に用いる半
導体レーザ等の可変する波長が推定値であっては、トレ
ーサビリティに欠ける。従って、安定化Ｈｅ−Ｎｅレー
ザ等を基準光として、波長可変型半導体レーザの波長を
正確に校正するといった技術が望まれるが、従来のヘテ
ロダイン法では、その様な校正ができなかった。
【０００４】この発明は、上記事情を考慮してなされた
もので、広範囲な波長の可干渉性光源の波長を基準光を
用いて測定することを可能とした光波長測定方法及び装
置を提供することを目的としている。
もので、広範囲な波長の可干渉性光源の波長を基準光を
用いて測定することを可能とした光波長測定方法及び装
置を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】この発明は、入力された
光束を二分割し、得られた二つの光束を所定の光路長差
を与えた後に合波して干渉縞を生じさせる干渉光学系を
用いて光波長を測定する方法であって、波長λ１が既知
である可干渉性の基準光源からの基準光を第１の干渉光
学系に入力し、波長λ２が未知である可干渉性の検査光
源からの検査光を第２の干渉光学系に入力し、前記各干
渉光学系において前記基準光と検査光の各光路長差に同
量の変化を与えることにより、前記基準光と検査光につ
いてそれぞれ得られる受光信号を変調し、前記基準光と
検査光についてそれぞれ得られる受光信号の変調の度合
を検知して比較し、その比率と前記基準光の波長λ１と
から前記検査光の波長λ２を算出することを特徴とす
る。
光束を二分割し、得られた二つの光束を所定の光路長差
を与えた後に合波して干渉縞を生じさせる干渉光学系を
用いて光波長を測定する方法であって、波長λ１が既知
である可干渉性の基準光源からの基準光を第１の干渉光
学系に入力し、波長λ２が未知である可干渉性の検査光
源からの検査光を第２の干渉光学系に入力し、前記各干
渉光学系において前記基準光と検査光の各光路長差に同
量の変化を与えることにより、前記基準光と検査光につ
いてそれぞれ得られる受光信号を変調し、前記基準光と
検査光についてそれぞれ得られる受光信号の変調の度合
を検知して比較し、その比率と前記基準光の波長λ１と
から前記検査光の波長λ２を算出することを特徴とす
る。
【０００６】この発明によると、検査光と基準光とを直
接干渉させるヘテロダイン法と異なり、それぞれに対し
て干渉光学系で同量の光路長変化を与えたときに、それ
ぞれについて得られる干渉縞の受光信号がそれぞれの波
長に応じて変調されることを利用して、その変調の度合
を検知して比較することにより検査光の波長を求める。
従って、基準光と検査光の波長が近接していることは要
求されず、広い波長範囲にわたって波長測定が可能とな
る。
接干渉させるヘテロダイン法と異なり、それぞれに対し
て干渉光学系で同量の光路長変化を与えたときに、それ
ぞれについて得られる干渉縞の受光信号がそれぞれの波
長に応じて変調されることを利用して、その変調の度合
を検知して比較することにより検査光の波長を求める。
従って、基準光と検査光の波長が近接していることは要
求されず、広い波長範囲にわたって波長測定が可能とな
る。
【０００７】具体的にこの発明において、第１の干渉光
学系と第２の干渉光学系とは、構成部品を共有すること
により一つの干渉光学系として構成されて、基準光と検
査光とは独立の光路をもって導入されるものとすること
が好ましい。
学系と第２の干渉光学系とは、構成部品を共有すること
により一つの干渉光学系として構成されて、基準光と検
査光とは独立の光路をもって導入されるものとすること
が好ましい。
【０００８】またこの発明において、光路長差の変調に
よる基準光と検査光についての受光信号の変調と、この
変調された受光信号の復調と波長算出の態様には、次の
ようないくつかの方式がある。 （ａ）第１は、基準光と検査光の各光路長差に与える変
化を、一定速度による光路長差の増加又は減少方向の変
位とすることにより、基準光と検査光についてそれぞれ
得られる受光信号をそれらの波長に応じて振幅変調する
態様。この場合、基準光と検査光について振幅変調され
た受光信号の強度変化の周波数ｆ１，ｆ２をそれぞれ検
出し、検査光の波長λ２を、λ２＝（ｆ１／ｆ２）λ１
により算出する。 （ｂ）第２は、基準光と検査光の各光路長差に与える変
化を、所定の振幅ｄと角周波数を有する正弦波状の振動
とすることにより、基準光と検査光についてそれぞれ得
られる受光信号をそれらの波長に応じて位相変調する態
様。この場合、基準光と検査光について位相変調された
受光信号の位相項ψ１＝（２πｄ／λ１）＋φ１，ψ２
＝（２πｄ／λ２）＋φ２（但し、φ１，φ２は初期位
相量）をＰＭ復調により検出し、これらの各位相項の振
幅の比率λ２／λ１を算出することにより、検査光の波
長λ２を求める。 （ｃ）第３は、基準光と検査光の各光路長差には所定の
振幅ｄと角周波数ωを有する正弦波状の振動を与えると
同時に、光路中に音響光学器変調器を挿入して基準光と
検査光の受光信号に角周波数ωｃの干渉ビート信号を重
畳させることにより、基準光と検査光についてそれぞれ
得られる受光信号をそれらの波長に応じて周波数変調す
る態様。 この場合、基準光と検査光について周波数変調された受
光信号の位相項ψ１＝（２πｄ／λ１）＋φ１，ψ２＝
（２πｄ／λ２）＋φ２（但し、φ１，φ２は初期位相
量）をωｃのキャリア角周波数を用いたＦＭ復調により
検出し、これらの各位相項の振幅の比率λ２／λ１を算
出することにより、検査光の波長λ２を求める。
よる基準光と検査光についての受光信号の変調と、この
変調された受光信号の復調と波長算出の態様には、次の
ようないくつかの方式がある。 （ａ）第１は、基準光と検査光の各光路長差に与える変
化を、一定速度による光路長差の増加又は減少方向の変
位とすることにより、基準光と検査光についてそれぞれ
得られる受光信号をそれらの波長に応じて振幅変調する
態様。この場合、基準光と検査光について振幅変調され
た受光信号の強度変化の周波数ｆ１，ｆ２をそれぞれ検
出し、検査光の波長λ２を、λ２＝（ｆ１／ｆ２）λ１
により算出する。 （ｂ）第２は、基準光と検査光の各光路長差に与える変
化を、所定の振幅ｄと角周波数を有する正弦波状の振動
とすることにより、基準光と検査光についてそれぞれ得
られる受光信号をそれらの波長に応じて位相変調する態
様。この場合、基準光と検査光について位相変調された
受光信号の位相項ψ１＝（２πｄ／λ１）＋φ１，ψ２
＝（２πｄ／λ２）＋φ２（但し、φ１，φ２は初期位
相量）をＰＭ復調により検出し、これらの各位相項の振
幅の比率λ２／λ１を算出することにより、検査光の波
長λ２を求める。 （ｃ）第３は、基準光と検査光の各光路長差には所定の
振幅ｄと角周波数ωを有する正弦波状の振動を与えると
同時に、光路中に音響光学器変調器を挿入して基準光と
検査光の受光信号に角周波数ωｃの干渉ビート信号を重
畳させることにより、基準光と検査光についてそれぞれ
得られる受光信号をそれらの波長に応じて周波数変調す
る態様。 この場合、基準光と検査光について周波数変調された受
光信号の位相項ψ１＝（２πｄ／λ１）＋φ１，ψ２＝
（２πｄ／λ２）＋φ２（但し、φ１，φ２は初期位相
量）をωｃのキャリア角周波数を用いたＦＭ復調により
検出し、これらの各位相項の振幅の比率λ２／λ１を算
出することにより、検査光の波長λ２を求める。
【０００９】なお、基準光と検査光の各光路長差に与え
る正弦波状の振動は、圧電素子等を用いて機械的に干渉
光学系のミラー等に信号を与える方式の他、電気光学変
調器による電気的変調によってもよい。
る正弦波状の振動は、圧電素子等を用いて機械的に干渉
光学系のミラー等に信号を与える方式の他、電気光学変
調器による電気的変調によってもよい。
【００１０】この発明はまた、入力された光束を二分割
し、得られた二つの光束を所定の光路長差を与えた後に
合波して干渉縞を生じさせる干渉光学系を用いて光波長
を測定する装置であって、波長λ１が既知である可干渉
性の基準光源からの基準光が入力される第１の干渉光学
系と、波長λ２が未知である可干渉性の検査光源からの
検査光が入力される第２の干渉光学系と、前記各干渉光
学系において前記基準光と検査光の各光路長差に同量の
変化を与えることにより前記基準光と検査光についてそ
れぞれ得られる干渉縞を変調する変調手段と、前記基準
光について前記第１の干渉光学系から出力される干渉縞
を受光する第１の受光素子と、前記検査光について前記
第２の干渉光学系から出力される干渉縞を受光する第２
の受光素子と、これら第１及び第２の受光素子により前
記基準光と検査光についてそれぞれ得られる受光信号の
変調の度合を検知して比較し、その比率と前記基準光の
波長λ１とから前記検査光の波長λ２を算出する手段と
を有することを特徴としている。
し、得られた二つの光束を所定の光路長差を与えた後に
合波して干渉縞を生じさせる干渉光学系を用いて光波長
を測定する装置であって、波長λ１が既知である可干渉
性の基準光源からの基準光が入力される第１の干渉光学
系と、波長λ２が未知である可干渉性の検査光源からの
検査光が入力される第２の干渉光学系と、前記各干渉光
学系において前記基準光と検査光の各光路長差に同量の
変化を与えることにより前記基準光と検査光についてそ
れぞれ得られる干渉縞を変調する変調手段と、前記基準
光について前記第１の干渉光学系から出力される干渉縞
を受光する第１の受光素子と、前記検査光について前記
第２の干渉光学系から出力される干渉縞を受光する第２
の受光素子と、これら第１及び第２の受光素子により前
記基準光と検査光についてそれぞれ得られる受光信号の
変調の度合を検知して比較し、その比率と前記基準光の
波長λ１とから前記検査光の波長λ２を算出する手段と
を有することを特徴としている。
【００１１】この場合、第１の干渉光学系と第２の干渉
光学系とは、構成部品を共有することにより一つの干渉
光学系として構成されて、基準光と検査光とは独立の光
路をもって導入されるようにすることが好ましい。ま
た、変調手段と、この変調手段の出力を処理して波長算
出を行う手段は、具体的には前述の態様（ａ）〜（ｃ）
に応じて構成すればよい。
光学系とは、構成部品を共有することにより一つの干渉
光学系として構成されて、基準光と検査光とは独立の光
路をもって導入されるようにすることが好ましい。ま
た、変調手段と、この変調手段の出力を処理して波長算
出を行う手段は、具体的には前述の態様（ａ）〜（ｃ）
に応じて構成すればよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
の実施の形態を説明する。 ［実施の形態１］図１は、この発明の基本的な実施の形
態による波長測定法及び装置を示す。干渉光学系１は、
入力された光束を二分割するビームスプリッタ１１と、
このビームスプリッタ１１により二分割された二つの光
束に所定の光路長差を与えてビームスプリッタ１１に戻
すための二つのミラー１２，１３とから構成される。一
方のミラー１２は固定、他方のミラー１３は移動可能と
される。ビームスプリッタ１１の同じ点に戻される二つ
の光束は合波され、ミラー１３の位置により決まる二つ
の光束の光路長差に対応した干渉縞を生じることにな
る。
の実施の形態を説明する。 ［実施の形態１］図１は、この発明の基本的な実施の形
態による波長測定法及び装置を示す。干渉光学系１は、
入力された光束を二分割するビームスプリッタ１１と、
このビームスプリッタ１１により二分割された二つの光
束に所定の光路長差を与えてビームスプリッタ１１に戻
すための二つのミラー１２，１３とから構成される。一
方のミラー１２は固定、他方のミラー１３は移動可能と
される。ビームスプリッタ１１の同じ点に戻される二つ
の光束は合波され、ミラー１３の位置により決まる二つ
の光束の光路長差に対応した干渉縞を生じることにな
る。
【００１３】この様な干渉光学系１に対して、波長λ１
が既知である基準光源２からの基準光と、波長λ２が未
知である検査光源３からの検査光とを異なる光路をもっ
て入力する。基準光源２は例えば、予め知られている発
振波長を持つ半導体レーザ、或いは安定化された発振波
長を持つＨｅ−Ｎｅレーザ等である。また検査光源３
は、例えば注入電流により発振波長を可変できるが、あ
る注入電流のときの発振波長が知られていない半導体レ
ーザである。基準光と検査光について干渉光学系１で得
られる干渉縞はそれぞれ受光素子４，５により受光す
る。このとき、ミラー１３を移動速度ｖで変位させる
と、光路長差が変調される結果、受光素子４，５により
得られる受信信号は所定の周波数で強度変化する、振幅
変調された正弦波状信号となる。
が既知である基準光源２からの基準光と、波長λ２が未
知である検査光源３からの検査光とを異なる光路をもっ
て入力する。基準光源２は例えば、予め知られている発
振波長を持つ半導体レーザ、或いは安定化された発振波
長を持つＨｅ−Ｎｅレーザ等である。また検査光源３
は、例えば注入電流により発振波長を可変できるが、あ
る注入電流のときの発振波長が知られていない半導体レ
ーザである。基準光と検査光について干渉光学系１で得
られる干渉縞はそれぞれ受光素子４，５により受光す
る。このとき、ミラー１３を移動速度ｖで変位させる
と、光路長差が変調される結果、受光素子４，５により
得られる受信信号は所定の周波数で強度変化する、振幅
変調された正弦波状信号となる。
【００１４】ここで、干渉光学系１は、基準光と検査光
に対して独立の光路を持つから、原理的には基準光と検
査光に対して別々の干渉光学系を用意することも可能で
ある。しかし、後に説明するようにこの発明では、基準
光と検査光の光路長に同等の変調を加える。従ってこの
実施の形態では、二つの干渉光学系は物理的に分離され
ず、構成部品であるビームスプリッタ１１、ミラー１
２，１３を基準光と検査光について共有した一体の干渉
光学系１として構成している。
に対して独立の光路を持つから、原理的には基準光と検
査光に対して別々の干渉光学系を用意することも可能で
ある。しかし、後に説明するようにこの発明では、基準
光と検査光の光路長に同等の変調を加える。従ってこの
実施の形態では、二つの干渉光学系は物理的に分離され
ず、構成部品であるビームスプリッタ１１、ミラー１
２，１３を基準光と検査光について共有した一体の干渉
光学系１として構成している。
【００１５】図１の干渉光学系１では、ミラー１３を移
動させたときの光路長変化は、ミラー１３の移動量の２
倍である。従って、基準光と検査光について得られる受
信信号の強度変化の周波数ｆ１，ｆ２は、それぞれの波
長をλ１，λ２を用いて、ｆ１＝２ｖ／λ１、ｆ２＝２
ｖ／λ２と表される。これらの周波数ｆ１，ｆ２の比率
を測定すれば、基準光の波長λ１を用いて検査光の波長
λ２が求められる。即ち、二つの受信信号の強度変化の
周波数ｆ１，ｆ２をそれぞれ周波数検出回路６，７で検
出し、波長算出回路８において、λ２＝（ｆ１／ｆ２）
λ１なる演算を行うことにより、波長λ２が得られる。
動させたときの光路長変化は、ミラー１３の移動量の２
倍である。従って、基準光と検査光について得られる受
信信号の強度変化の周波数ｆ１，ｆ２は、それぞれの波
長をλ１，λ２を用いて、ｆ１＝２ｖ／λ１、ｆ２＝２
ｖ／λ２と表される。これらの周波数ｆ１，ｆ２の比率
を測定すれば、基準光の波長λ１を用いて検査光の波長
λ２が求められる。即ち、二つの受信信号の強度変化の
周波数ｆ１，ｆ２をそれぞれ周波数検出回路６，７で検
出し、波長算出回路８において、λ２＝（ｆ１／ｆ２）
λ１なる演算を行うことにより、波長λ２が得られる。
【００１６】以上のようにこの実施の形態によると、移
動側ミラー１３の走査により基準光と検査光の光路長に
同時に変調をかけて、波長の相違による受信信号での変
調のかかり方の相違を利用して、検査光の波長を同定し
ている。従って、検査光の波長が基準光の波長と大きく
かけ離れていても問題はなく、広い波長範囲での波長測
定が可能である。
動側ミラー１３の走査により基準光と検査光の光路長に
同時に変調をかけて、波長の相違による受信信号での変
調のかかり方の相違を利用して、検査光の波長を同定し
ている。従って、検査光の波長が基準光の波長と大きく
かけ離れていても問題はなく、広い波長範囲での波長測
定が可能である。
【００１７】但し、実施の形態１の手法では、移動側ミ
ラー１３を一定速度で一方向に走査するものとすると、
大きな距離の変位手段が必要になる。ミラーの変位を一
定範囲で折り返し駆動とすることも考えられるが、これ
は折返し時に慣性によるパルス加振がミラーに与えられ
る。このパルス加振の影響を除くには、低速度での移動
を行わなければならず、これにより測定能力が低下す
る。
ラー１３を一定速度で一方向に走査するものとすると、
大きな距離の変位手段が必要になる。ミラーの変位を一
定範囲で折り返し駆動とすることも考えられるが、これ
は折返し時に慣性によるパルス加振がミラーに与えられ
る。このパルス加振の影響を除くには、低速度での移動
を行わなければならず、これにより測定能力が低下す
る。
【００１８】［実施の形態２］図２は、より好ましい実
施の形態の測定法と装置構成を示す。基本的な光学系の
構成は、図１と同じである。この実施の形態では、加振
手段２５により移動側ミラー１３に対して、微小な振動
変位を与える。具体的に加振手段２５としては圧電素子
を用いて、振幅ｄ、角周波数ωでミラー１３を振動させ
る。
施の形態の測定法と装置構成を示す。基本的な光学系の
構成は、図１と同じである。この実施の形態では、加振
手段２５により移動側ミラー１３に対して、微小な振動
変位を与える。具体的に加振手段２５としては圧電素子
を用いて、振幅ｄ、角周波数ωでミラー１３を振動させ
る。
【００１９】このとき、基準光（波長λ１）、検査光
（波長λ２）についてそれぞれ受光素子４，５には、次
式で表されるように、それぞれの波長に応じて正弦波状
に位相変調（ＰＭ）された受信信号Ｓ１，Ｓ２が得られ
る。
（波長λ２）についてそれぞれ受光素子４，５には、次
式で表されるように、それぞれの波長に応じて正弦波状
に位相変調（ＰＭ）された受信信号Ｓ１，Ｓ２が得られ
る。
【００２０】
【数１】 Ｓ１＝Ａ１＋Ｂ１cos｛（２πｄ／λ１）cosωｔ＋φ
１｝ Ｓ２＝Ａ２＋Ｂ２cos｛（２πｄ／λ２）cosωｔ＋φ
２｝
１｝ Ｓ２＝Ａ２＋Ｂ２cos｛（２πｄ／λ２）cosωｔ＋φ
２｝
【００２１】Ａ１，Ａ２は直流成分、Ｂ１，Ｂ２は振
幅、φ１，φ２は初期位相量である。こうして得られた
受光信号Ｓ１，Ｓ２を、公知の位相検出回路２１，２２
により復調（ＰＭ復調）すると、それぞれ次式で表され
る位相信号ψ１，ψ２が得られる。
幅、φ１，φ２は初期位相量である。こうして得られた
受光信号Ｓ１，Ｓ２を、公知の位相検出回路２１，２２
により復調（ＰＭ復調）すると、それぞれ次式で表され
る位相信号ψ１，ψ２が得られる。
【００２２】
【数２】 ψ１＝（２πｄ／λ１）cosωｔ＋φ１ ψ２＝（２πｄ／λ２）cosωｔ＋φ２
【００２３】これらの位相信号ψ１，ψ２の振幅ｐ１＝
２πｄ／λ１，ｐ２＝２πｄ／λ２をそれぞれ振幅抽出
回路２３，２４により抽出する。そして、波長算出回路
２６により、振幅の比ｐ１／ｐ２を求め、基準光の波長
λ１をかける演算を行えば、検査光の波長λ２は、λ２
＝（ｐ１／ｐ２）λ１として求められる。以上のように
この実施の形態によると、干渉光学系１の移動側ミラー
１３に対して微小振動を与える正弦波位相変調方式によ
り、検査光の波長を測定することができる。ミラー１３
に対する微小振動は、圧電素子等を用いて容易に与える
ことができ、現実的な波長測定が可能となる。
２πｄ／λ１，ｐ２＝２πｄ／λ２をそれぞれ振幅抽出
回路２３，２４により抽出する。そして、波長算出回路
２６により、振幅の比ｐ１／ｐ２を求め、基準光の波長
λ１をかける演算を行えば、検査光の波長λ２は、λ２
＝（ｐ１／ｐ２）λ１として求められる。以上のように
この実施の形態によると、干渉光学系１の移動側ミラー
１３に対して微小振動を与える正弦波位相変調方式によ
り、検査光の波長を測定することができる。ミラー１３
に対する微小振動は、圧電素子等を用いて容易に与える
ことができ、現実的な波長測定が可能となる。
【００２４】［実施の形態３］実施の形態２の正弦波状
の位相変調（ＰＭ）方式に加えて、周波数変調（ＦＭ）
方式を組み合わせた実施の形態を図３に示す。この実施
の形態においては、干渉光学系１の光路長差を変調する
手段として、その光路の途中に音響光学変調器（ＡＯ
Ｍ；Acoustic Optical Modulator）３１，３２を挿入す
る。具体的に図３では、ビームスプリッタ１１とミラー
１２の間の往路側に第１のＡＯＭ３１を配置し、ビーム
スプリッタ１１とミラー１３の間の往路側に第２のＡＯ
Ｍ３２を配置している。
の位相変調（ＰＭ）方式に加えて、周波数変調（ＦＭ）
方式を組み合わせた実施の形態を図３に示す。この実施
の形態においては、干渉光学系１の光路長差を変調する
手段として、その光路の途中に音響光学変調器（ＡＯ
Ｍ；Acoustic Optical Modulator）３１，３２を挿入す
る。具体的に図３では、ビームスプリッタ１１とミラー
１２の間の往路側に第１のＡＯＭ３１を配置し、ビーム
スプリッタ１１とミラー１３の間の往路側に第２のＡＯ
Ｍ３２を配置している。
【００２５】この様な構成として、ＡＯＭ３１，３２を
駆動すると、機械的振動の場合と異なり、基準光と検査
光に対して波長と無関係に、０．１〜１０ＭＨｚオーダ
ーの干渉ビート信号を発生させることかできる。例え
ば、第１のＡＯＭ３１を角周波数ωc1で駆動し、第２の
ＡＯＭ３２を角周波数ωc2で駆動すると、受光素子４，
５に得られる受信信号Ｓ１，Ｓ２にはそれぞれ下記式の
ように、角周波数ωc1，ωc2の差ωｃ＝ωc1−ωc2の干
渉ビート信号が重畳される。
駆動すると、機械的振動の場合と異なり、基準光と検査
光に対して波長と無関係に、０．１〜１０ＭＨｚオーダ
ーの干渉ビート信号を発生させることかできる。例え
ば、第１のＡＯＭ３１を角周波数ωc1で駆動し、第２の
ＡＯＭ３２を角周波数ωc2で駆動すると、受光素子４，
５に得られる受信信号Ｓ１，Ｓ２にはそれぞれ下記式の
ように、角周波数ωc1，ωc2の差ωｃ＝ωc1−ωc2の干
渉ビート信号が重畳される。
【００２６】
【数３】 Ｓ１＝Ａ１＋Ｂ１cos｛ωｃｔ＋（２πｄ／λ１）cosω
ｔ＋φ１｝ Ｓ２＝Ａ２＋Ｂ２cos｛ωｃｔ＋（２πｄ／λ２）cosω
ｔ＋φ２｝
ｔ＋φ１｝ Ｓ２＝Ａ２＋Ｂ２cos｛ωｃｔ＋（２πｄ／λ２）cosω
ｔ＋φ２｝
【００２７】数３の信号Ｓ１，Ｓ２は、バイアス成分Ａ
１，Ａ２を除けば、キャリア周波数ωｃにより周波数変
調された形である。これらの受信信号Ｓ１，Ｓ２につい
てそれぞれ、位相検出回路３３，３４によりＦＭ復調す
る。これにより、先の実施の形態の数２と同様に、各受
信信号Ｓ１，Ｓ２から位相信号ψ１，ψ２が得られる。
そこで実施の形態２と同様に、これらの位相信号ψ１，
ψ２の振幅ｐ１＝２πｄ／λ１，ｐ２＝２πｄ／λ２を
それぞれ振幅抽出回路２３，２４により抽出する。そし
て波長算出回路２６により、振幅の比ｐ１／ｐ２の演算
と波長λ１の乗算により、検査光の波長λ２は、λ２＝
（ｐ１／ｐ２）λ１として求められる。
１，Ａ２を除けば、キャリア周波数ωｃにより周波数変
調された形である。これらの受信信号Ｓ１，Ｓ２につい
てそれぞれ、位相検出回路３３，３４によりＦＭ復調す
る。これにより、先の実施の形態の数２と同様に、各受
信信号Ｓ１，Ｓ２から位相信号ψ１，ψ２が得られる。
そこで実施の形態２と同様に、これらの位相信号ψ１，
ψ２の振幅ｐ１＝２πｄ／λ１，ｐ２＝２πｄ／λ２を
それぞれ振幅抽出回路２３，２４により抽出する。そし
て波長算出回路２６により、振幅の比ｐ１／ｐ２の演算
と波長λ１の乗算により、検査光の波長λ２は、λ２＝
（ｐ１／ｐ２）λ１として求められる。
【００２８】この実施の形態によると、ＡＯＭによる干
渉ビート信号の角周波数ωｃを、機械的振動による角周
波数ωより十分高くすることができる。この結果、ＦＭ
復調により上記の位相項を精度よく且つ高速に検出する
ことができる。また、位相変調と周波数変調の組み合わ
せを利用しているため、初期位相φ１，φ２や光強度振
幅Ｂ１，Ｂ２の変動の影響を受けにくくなる。言い換え
れば、温度変化や空気のゆらぎの影響を受けず、安定し
た波長測定が可能になる。特に検査光源３が半導体レー
ザである場合、発振波長の変化に伴って光強度が変化す
るが、この様な光強度の変化の影響を受けない波長測定
が可能になる。
渉ビート信号の角周波数ωｃを、機械的振動による角周
波数ωより十分高くすることができる。この結果、ＦＭ
復調により上記の位相項を精度よく且つ高速に検出する
ことができる。また、位相変調と周波数変調の組み合わ
せを利用しているため、初期位相φ１，φ２や光強度振
幅Ｂ１，Ｂ２の変動の影響を受けにくくなる。言い換え
れば、温度変化や空気のゆらぎの影響を受けず、安定し
た波長測定が可能になる。特に検査光源３が半導体レー
ザである場合、発振波長の変化に伴って光強度が変化す
るが、この様な光強度の変化の影響を受けない波長測定
が可能になる。
【００２９】［実施の形態４］図４は、図３の実施の形
態において、ミラー１３を振動させるという機械的手段
による光路長差の変調に代わり、電気的に光路長差に変
調をかけるようにした実施の形態である。そのために、
ビームスプリッタ１１とミラー１３の間に復路に電気光
学変調器（ＥＯＭ；Electric Optical Modulator）４１
を挿入している。ＥＯＭ４１には、正弦波状の駆動信号
を与える。ＥＯＭ４１は印加した電場により屈折率変化
を示すので、正弦波状信号で駆動すれば、干渉光学系１
の光路長差に正弦波状の変化を与えたと等価になる。Ａ
ＯＭ３１，３２は実施の形態３と同様に駆動する。
態において、ミラー１３を振動させるという機械的手段
による光路長差の変調に代わり、電気的に光路長差に変
調をかけるようにした実施の形態である。そのために、
ビームスプリッタ１１とミラー１３の間に復路に電気光
学変調器（ＥＯＭ；Electric Optical Modulator）４１
を挿入している。ＥＯＭ４１には、正弦波状の駆動信号
を与える。ＥＯＭ４１は印加した電場により屈折率変化
を示すので、正弦波状信号で駆動すれば、干渉光学系１
の光路長差に正弦波状の変化を与えたと等価になる。Ａ
ＯＭ３１，３２は実施の形態３と同様に駆動する。
【００３０】これにより、受光素子４，５により得られ
る受信信号Ｓ１，Ｓ２はそれぞれ、下記数４で表される
ように周波数変調されたものとなる。
る受信信号Ｓ１，Ｓ２はそれぞれ、下記数４で表される
ように周波数変調されたものとなる。
【００３１】
【数４】 Ｓ１＝Ａ１＋Ｂ１cos｛ωｃｔ＋（ｋ／λ１）cosωｔ＋
φ１｝ Ｓ２＝Ａ２＋Ｂ２cos｛ωｃｔ＋（ｋ／λ２）cosωｔ＋
φ２｝
φ１｝ Ｓ２＝Ａ２＋Ｂ２cos｛ωｃｔ＋（ｋ／λ２）cosωｔ＋
φ２｝
【００３２】数４において、ｋは、ＥＯＭ４１の駆動に
より得られる見かけ上の光路変化長である。実施の形態
３と同様に、受信信号Ｓ１，Ｓ２についてそれぞれ、位
相検出回路３３，３４によりＦＭ復調する。これによ
り、位相信号ψ１＝（ｋ／λ１）cosωｔ＋φ１、ψ２
＝（ｋ／λ２）cosωｔ＋φ２が得られる。これらの位
相信号ψ１，ψ２の振幅ｐ１＝ｋ／λ１，ｐ２＝ｋ／λ
２をそれぞれ振幅抽出回路２３，２４により抽出する。
そして、波長算出回路２６により、振幅の比ｐ１／ｐ２
と波長λ１の乗算を行うと、検査光の波長λ２は、λ２
＝（ｐ１／ｐ２）λ１として求められる。
より得られる見かけ上の光路変化長である。実施の形態
３と同様に、受信信号Ｓ１，Ｓ２についてそれぞれ、位
相検出回路３３，３４によりＦＭ復調する。これによ
り、位相信号ψ１＝（ｋ／λ１）cosωｔ＋φ１、ψ２
＝（ｋ／λ２）cosωｔ＋φ２が得られる。これらの位
相信号ψ１，ψ２の振幅ｐ１＝ｋ／λ１，ｐ２＝ｋ／λ
２をそれぞれ振幅抽出回路２３，２４により抽出する。
そして、波長算出回路２６により、振幅の比ｐ１／ｐ２
と波長λ１の乗算を行うと、検査光の波長λ２は、λ２
＝（ｐ１／ｐ２）λ１として求められる。
【００３３】ミラーに機械的振動を与える方式では、機
構の固有振動により変調周波数に上限があり、ｋＨｚオ
ーダーが限界となる。これに対してこの実施の形態のよ
うにＥＯＭ４１を用いる方式では、同様の位相変調を、
例えばＧＨｚオーダーのはるかに高い周波数までかける
ことができる。従って、この実施の形態によると、より
高速で安定した波長測定が可能になる。また、ＥＯＭの
高速性から、ある程度の周期であれば三角波状信号で駆
動することにより、光路長に一定速度の増加又は減少を
与えたと等価の作用が得られる。
構の固有振動により変調周波数に上限があり、ｋＨｚオ
ーダーが限界となる。これに対してこの実施の形態のよ
うにＥＯＭ４１を用いる方式では、同様の位相変調を、
例えばＧＨｚオーダーのはるかに高い周波数までかける
ことができる。従って、この実施の形態によると、より
高速で安定した波長測定が可能になる。また、ＥＯＭの
高速性から、ある程度の周期であれば三角波状信号で駆
動することにより、光路長に一定速度の増加又は減少を
与えたと等価の作用が得られる。
【００３４】この発明による波長測定法を応用すると、
例えば半導体レーザを用いた安定化可変波長光源を構成
することが可能となる。即ち、半導体レーザは注入電流
により発振波長を可変することができる。この半導体レ
ーザの出力に対して上述の実施の形態におけるような干
渉光学系での光路長変調をかけ、その復調出力がある一
定レベルになるように注入電流を制御するフードハック
をかける。これにより、例えばモードホッピング等を生
じない範囲で、指定された復調レベルで決まる波長での
安定発振を行う安定化可変長光源が実現できる。
例えば半導体レーザを用いた安定化可変波長光源を構成
することが可能となる。即ち、半導体レーザは注入電流
により発振波長を可変することができる。この半導体レ
ーザの出力に対して上述の実施の形態におけるような干
渉光学系での光路長変調をかけ、その復調出力がある一
定レベルになるように注入電流を制御するフードハック
をかける。これにより、例えばモードホッピング等を生
じない範囲で、指定された復調レベルで決まる波長での
安定発振を行う安定化可変長光源が実現できる。
【００３５】
【発明の効果】以上述べたようにこの発明によれば、干
渉光学系を用い、その光路長を変調する手段を組み合わ
せることにより、広範囲な波長の可干渉性光源の波長を
基準光を用いて測定することを可能とした光波長測定方
法及び装置を提供することができる。
渉光学系を用い、その光路長を変調する手段を組み合わ
せることにより、広範囲な波長の可干渉性光源の波長を
基準光を用いて測定することを可能とした光波長測定方
法及び装置を提供することができる。
【図１】 この発明の実施の形態１による光波長測定装
置の構成を示す図である。
置の構成を示す図である。
【図２】 この発明の実施の形態２による光波長測定装
置の構成を示す図である。
置の構成を示す図である。
【図３】 この発明の実施の形態３による光波長測定装
置の構成を示す図である。
置の構成を示す図である。
【図４】 この発明の実施の形態４による光波長測定装
置の構成を示す図である。
置の構成を示す図である。
１…干渉光学系、１１…ビームスプリッタ、１２，１３
…ミラー、２…基準光源、３…検査光源、４，５…受光
素子、６，７…周波数検出回路、８…波長演算回路、２
１，２２…位相検出回路（ＰＭ復調）、２３，２４…振
幅抽出回路、２５…加振装置、３１，３２…ＡＯＭ、３
３，３４…位相検出回路（ＦＭ復調）、４１…ＥＯＭ。
…ミラー、２…基準光源、３…検査光源、４，５…受光
素子、６，７…周波数検出回路、８…波長演算回路、２
１，２２…位相検出回路（ＰＭ復調）、２３，２４…振
幅抽出回路、２５…加振装置、３１，３２…ＡＯＭ、３
３，３４…位相検出回路（ＦＭ復調）、４１…ＥＯＭ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石川 修弘 茨城県つくば市上横場430番地の１ 株式 会社ミツトヨ内 Ｆターム(参考） 2F064 AA00 DD09 EE01 GG12 GG68 GG70 HH01 HH06 JJ04 2F065 AA00 AA21 DD00 FF52 FF61 GG05 JJ05 JJ15 LL12 LL46 LL53 LL57 QQ44
Claims (12)
- 【請求項１】 入力された光束を二分割し、得られた二
つの光束を所定の光路長差を与えた後に合波して干渉縞
を生じさせる干渉光学系を用いて光波長を測定する方法
であって、 波長λ１が既知である可干渉性の基準光源からの基準光
を第１の干渉光学系に入力し、 波長λ２が未知である可干渉性の検査光源からの検査光
を第２の干渉光学系に入力し、 前記各干渉光学系において前記基準光と検査光の各光路
長差に同量の変化を与えることにより、前記基準光と検
査光についてそれぞれ得られる受光信号を変調し、 前記基準光と検査光についてそれぞれ得られる受光信号
の変調の度合を検知して比較し、その比率と前記基準光
の波長λ１とから前記検査光の波長λ２を算出すること
を特徴とする光波長測定方法。 - 【請求項２】 前記第１の干渉光学系と第２の干渉光学
系とは、構成部品を共有することにより一つの干渉光学
系として構成されており、前記基準光と検査光とは独立
の光路をもって導入されることを特徴とする請求項１記
載の光波長測定方法。 - 【請求項３】 前記基準光と検査光の各光路長差に与え
る変化を、一定速度による光路長差の増加又は減少方向
の変位とすることにより、前記基準光と検査光について
それぞれ得られる受光信号をそれらの波長に応じて振幅
変調し、 前記基準光と検査光について振幅変調された受光信号の
強度変化の周波数ｆ１，ｆ２をそれぞれ検出し、 前記検査光の波長λ２を、λ２＝（ｆ１／ｆ２）λ１に
より算出することを特徴とする請求項１又は２記載の光
波長測定方法。 - 【請求項４】 前記基準光と検査光の各光路長差に与え
る変化を、所定の振幅ｄと角周波数を有する正弦波状の
振動とすることにより、前記基準光と検査光についてそ
れぞれ得られる受光信号をそれらの波長に応じて位相変
調し、 前記基準光と検査光について位相変調された受光信号の
位相項ψ１＝（２πｄ／λ１）＋φ１，ψ２＝（２πｄ
／λ２）＋φ２（但し、φ１，φ２は初期位相量）をＰ
Ｍ復調により検出し、 これらの各位相項の振幅の比率λ２／λ１を算出するこ
とにより、検査光の波長λ２を求めることを特徴とする
請求項１又は２記載の光波長測定方法。 - 【請求項５】 前記基準光と検査光の各光路長差には所
定の振幅ｄと角周波数ωを有する正弦波状の振動を与え
ると同時に、光路中に音響光学器変調器を挿入して前記
基準光と検査光の受光信号に角周波数ωｃの干渉ビート
信号を重畳させることにより、前記基準光と検査光につ
いてそれぞれ得られる受光信号をそれらの波長に応じて
周波数変調し、 前記基準光と検査光について周波数変調された受光信号
の位相項ψ１＝（２πｄ／λ１）＋φ１，ψ２＝（２π
ｄ／λ２）＋φ２（但し、φ１，φ２は初期位相量）を
ωｃのキャリア角周波数を用いたＦＭ復調により検出
し、 これらの各位相項の振幅の比率λ２／λ１を算出するこ
とにより、検査光の波長λ２を求めることを特徴とする
請求項１又は２記載の光波長測定方法。 - 【請求項６】 前記基準光と検査光の各光路長差に与え
る正弦波状の振動は、電気光学変調器による電気的変調
によるものであることを特徴とする請求項５記載の光波
長測定方法。 - 【請求項７】 入力された光束を二分割し、得られた二
つの光束を所定の光路長差を与えた後に合波して干渉縞
を生じさせる干渉光学系を用いて光波長を測定する装置
であって、 波長λ１が既知である可干渉性の基準光源からの基準光
が入力される第１の干渉光学系と、 波長λ２が未知である可干渉性の検査光源からの検査光
が入力される第２の干渉光学系と、 前記各干渉光学系において前記基準光と検査光の各光路
長差に同量の変化を与えることにより前記基準光と検査
光についてそれぞれ得られる干渉縞を変調する変調手段
と、 前記基準光について前記第１の干渉光学系から出力され
る干渉縞を受光する第１の受光素子と、 前記検査光について前記第２の干渉光学系から出力され
る干渉縞を受光する第２の受光素子と、 これら第１及び第２の受光素子により前記基準光と検査
光についてそれぞれ得られる受光信号の変調の度合を検
知して比較し、その比率と前記基準光の波長λ１とから
前記検査光の波長λ２を算出する手段とを有することを
特徴とする光波長測定装置。 - 【請求項８】 前記第１の干渉光学系と第２の干渉光学
系とは、構成部品を共有することにより一つの干渉光学
系として構成されており、前記基準光と検査光とは独立
の光路をもって導入されることを特徴とする請求項７記
載の光波長測定装置。 - 【請求項９】 前記変調手段は、前記基準光と検査光の
各光路長差に一定速度による増加又は減少方向の変位を
与えることにより、前記基準光と検査光についてそれぞ
れ得られる受光信号をそれらの波長に応じて振幅変調す
るものであり、 前記検査光の波長λ２を算出する手段は、 前記基準光と検査光について得られる振幅変調された受
光信号の強度変化の周波数ｆ１，ｆ２をそれぞれ検出す
る周波数検出手段と、 この周波数検出手段により検出された周波数ｆ１，ｆ２
と前記基準光の波長λ１を用いて、前記検査光の波長λ
２を、λ２＝（ｆ１／ｆ２）λ１により算出する演算手
段とを有することを特徴とする請求項７又は８記載の光
波長測定装置。 - 【請求項１０】 前記変調手段は、前記基準光と検査光
の各光路長差に所定の振幅ｄと角周波数を有する正弦波
状の振動を与えることにより、前記基準光と検査光につ
いてそれぞれ得られる受光信号をそれらの波長に応じて
位相変調するものであり、 前記検査光の波長λ２を算出する手段は、 前記基準光と検査光について得られる位相変調された受
光信号の位相項ψ１＝（２πｄ／λ１）＋φ１，ψ２＝
（２πｄ／λ２）＋φ２（但し、φ１，φ２は初期位相
量）をそれぞれＰＭ復調により検出する位相検出手段
と、 これらの位相検出手段により求められた各位相項の振幅
２πｄ／λ１，２πｄ／λ２を抽出する振幅抽出手段
と、 これらの振幅抽出手段により抽出された振幅の比率λ２
／λ１を算出することにより、検査光の波長λ２を求め
る演算手段とを有することを特徴とする請求項７又は８
記載の光波長測定装置。 - 【請求項１１】 前記変調手段は、前記基準光と検査光
の各光路長差に所定の振幅ｄと角周波数ωを有する正弦
波状の振動を与えると同時に、光路中に音響光学器変調
器を挿入して前記基準光と検査光の受光信号に角周波数
ωｃの干渉ビート信号を重畳させることにより、前記基
準光と検査光についてそれぞれ得られる受光信号をそれ
らの波長に応じて周波数変調するものであり、 前記検査光の波長λ２を算出する手段は、 前記基準光と検査光について得られる周波数変調された
受光信号の位相項ψ１＝（２πｄ／λ１）cosωｔ＋φ
１，ψ２＝（２πｄ／λ２）cosωｔ＋φ２（但し、φ
１，φ２は初期位相量）をキャリア角周波数ωｃを用い
たＦＭ復調により検出する位相検出手段と、 これらの位相検出手段により求められた各位相項の振幅
２πｄ／λ１，２πｄ／λ２を抽出する振幅抽出手段
と、 これらの振幅抽出手段により求められた振幅の比率λ２
／λ１を計算することにより、検査光の波長λ２を求め
る演算手段とを有することを特徴とする請求項７又は８
記載の光波長測定装置。 - 【請求項１２】 前記基準光と検査光の各光路長差に正
弦波状の振動を与える手段は、電気光学変調器であるこ
とを特徴とする請求項１１記載の光波長測定装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11200689A JP2001027513A (ja) | 1999-07-14 | 1999-07-14 | 光波長測定方法及び装置 |
| US09/614,604 US6507404B1 (en) | 1999-07-14 | 2000-07-12 | Method and apparatus for measuring optical wavelength |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11200689A JP2001027513A (ja) | 1999-07-14 | 1999-07-14 | 光波長測定方法及び装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001027513A true JP2001027513A (ja) | 2001-01-30 |
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ID=16428621
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