JP2008139652A - 光源装置、スペクトル変調器、及びスペクトル測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】可動部が無く、異なった波長分布の光を放出することができるスペクトル変調器を提供する。
【解決手段】ＰＢＳ１に入射した光はＰ偏光、Ｓ偏光成分に分けられ、それぞれ偏波保持光ファイバ２、３を通して２つの光路に分けられる。そして、回折格子５で波長分散された光は、各波長ごとに、偏波保持光ファイバ２、３の端面に共役な位置に結像する。この位置にＬＣＯＳ素子アレイ６が置かれ、変調によって、直線偏光であった入射光が楕円偏光になり、入射した光路を逆にたどって進行する。ＰＢＳ１に戻ってきた光は、変調されていない光の成分は、最初に入射した方向に戻るが、変調されて偏光状態が逆になった成分の光は、射出光と書かれた方向に射出される。従って、ＬＣＯＳ素子アレイ６の各ＬＣＯＳ素子での変調の度合いを制御することにより、異なったスペクトル分布を有する光を取り出すことができ、スペクトル変調器として使用することができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、光源装置、スペクトル変調器、及びスペクトル測定装置に関するものである。

現在、さまざまな機器の検査に単色光または所望の分光特性を持った光が必要とされる。このうち、単色光については白色光源などの光を分光器に導くことにより比較的簡単に作ることができる。一方、ＣＣＤ（特にデジカメなどの可視用のもの）などの検査には、特定の波長分布を持った光が使用される。特定の波長分布を持った光を形成する方法として、従来、多層膜を用いたフィルタが用いられていた。

しかしながら、多層膜を用いたフィルタの場合、比較的安価に作ることができるが、自由にスペクトル分布を作ることは難しい。また、蒸着により多層膜を形成したフィルタは同じものを数多く作る場合、コストを下げることができるが、多くの種類のものを少量作る場合はコストが高くなる。また、特に開発の段階での評価では多くの種類の分光特性を持ったフィルタが要求される。

又、ある波長分布を有する光から、その波長分布と異なる波長分布を有する光を形成するスペクトル変調器は、所望の波長分布を持つ光を形成する目的のために必要とされる。

さらには、従来のスペクトル測定装置は、回折格子やプリズム等の分光素子を回転させて、光量測定装置に入射する光の波長を変えることにより、光のスペクトルを測定していたので、可動部があり、機構が複雑になるという問題点があった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、可動部が無く、異なった波長分布の光を放出することができる光源装置、スペクトル変調器、及びスペクトル測定装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための第１の手段は、光源と、前記光源からの光を、異なる光路を持つＰ偏光とＳ偏光とに分離する偏光分離素子と、前記偏光分離素子で分離された前記Ｐ偏光と前記Ｓ偏光とのそれぞれを伝送する偏波保持光ファイバと、前記偏波保持光ファイバの出射端面より出射する前記Ｐ偏光及びＳ偏光を分光しスペクトラム像を形成する分光器と、前記スペクトラム像の結像位置にライン状に配設され、分光された前記Ｐ偏光及びＳ偏光に対して、波長毎に、所望の量だけ偏光を変調する偏光変調素子を有してなり、前記偏光変調素子により偏光を変調された光を、光路を逆に進行させることによって前記分光器に戻し、そこで、分散された各波長の光を合成し、再び、前記偏波保持光ファイバを逆に通過させて前記偏光分離素子へ戻し、前記偏光分離素子では入射時分離した前記Ｐ偏光及びＳ偏光の各々と偏光状態が直交する成分の光を取り出して出力光とすることを特徴とする光源装置である。

前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段であって、前記偏光分離素子は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）であり、前記偏光変調素子は、液晶偏光変調素子であることを特徴とするものである。

前記課題を解決するための第３の手段は、入射する光を、異なる光路を持つＰ偏光とＳ偏光とに分離する偏光分離素子と、前記偏光分離素子で分離された前記Ｐ偏光と前記Ｓ偏光とのそれぞれを伝送する偏波保持光ファイバと、前記偏波保持光ファイバの出射端面より出射する前記Ｐ偏光及びＳ偏光を分光しスペクトラム像を形成する分光器と、前記スペクトラム像の結像位置にライン状に配設され、分光された前記Ｐ偏光及びＳ偏光に対して、波長毎に、所望の量だけ偏光を変調する偏光変調素子を有してなり、前記偏光変調素子により偏光を変調された光を、光路を逆に進行させることによって前記分光素子に戻し、そこで、分散された各波長の光を合成し、再び、前記偏波保持光ファイバを逆に通過させて前記偏光分離素子へ戻し、前記偏光分離素子では入射時分離した前記Ｐ偏光及びＳ偏光の各々と偏光状態が直交する成分の光を取り出して出力光とすることを特徴とするスペクトル変調器である。

前記課題を解決するための第４の手段は、前記第３の手段であって、前記偏光分離素子は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）であり、前記偏光変調素子は、液晶偏光変調素子であることを特徴とするものである。

前記課題を解決するための第５の手段は、入射する光を、異なる光路を持つＰ偏光とＳ偏光とに分離する偏光分離素子と、前記偏光分離素子で分離された前記Ｐ偏光と前記Ｓ偏光とのそれぞれを伝送する偏波保持光ファイバと、前記偏波保持光ファイバの出射端面より出射する前記Ｐ偏光及びＳ偏光を分光しスペクトラム像を形成する分光器と、前記スペクトラム像の結像位置にライン状に配設され、分光された前記Ｐ偏光及びＳ偏光に対して、波長毎に、所望の量だけ偏光を変調する偏光変調素子を有してなり、前記偏光変調素子により偏光を変調された光を、光路を逆に進行させることによって前記分光素子に戻し、そこで、分散された各波長の光を合成し、再び、前記偏波保持光ファイバを逆に通過させて前記偏光分離素子へ戻し、前記偏光分離素子では入射時分離した前記Ｐ偏光及びＳ偏光の各々と偏光状態が直交する成分の光を取り出して光量検出器で光量を測定し、前記偏光変調素子による変調量と前記光量検出器で測定された光量の関係より、入射する光の分光特性を求めることを特徴とするスペクトル測定装置である。

前記課題を解決するための第６の手段は、前記第５の手段であって、前記偏光分離素子は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）であり、前記偏光変調素子は、液晶偏光変調素子であることを特徴とするものである。

本発明によれば、可動部が無く、異なった波長分布の光を放出することができる光源装置、スペクトル変調器、及びスペクトル測定装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態の例を図を用いて説明する。図１は、本発明のスペクトル変調器の原理を示す図である。図１に示すスペクトル変調器は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）や結晶部材などからなる偏光分離部（偏光分離素子）と分光器（分光素子、回折格子を使ったものでもプリズムを使ったものでもかまわない）と偏光変調素子であるＬＣＯＳ(Liquid Crystal On Silicon)等から構成される。偏光変調素子は、入射する直線偏光を楕円偏光に変換し、その楕円度を制御可能なもの、入射する直線偏光を振動方向が異なった直線偏光に変換し、その方向を制御可能なもの等、入射する光の偏光状態と出射する光の偏光状態を異なったものとし、その異なり具合を制御できるものであればよい。

図の左側からハロゲンランプやキセノンランプのような白色光源からの光を入射する。すると、この白色光は偏光分離部で互いに直交する二つの偏光成分に分離される。その後、この光は分光器に入射し、波長ごとに分散される。図１ではこの分散方向を紙面に垂直な方向としている。そしてこの分散された各々の波長の光が集光する位置にＬＣＯＳを配置する。図ではＬＣＯＳは紙面に垂直に素子が並ぶライン状のものが二段になっている。二段あるのは偏光分離部で二つに分けたそれぞれの偏光の集光位置に対応させるためである。

分光器で分散された光は、このＬＣＯＳ等の素子の各々に入射し、ここで波長ごとに偏光状態が変調される。そして、光はＬＣＯＳで反射され、再び分光器に入射し、波長ごとに分かれた光が合成されて偏光分離部に入射する。偏光分離部では光源から来た光が分離された際の偏光状態と直交する偏光成分が出射されるようにする。このようにすることにより、白色光源からの光を波長ごとに強度変調することができ所望の分光特性を有する光を作ることができる。すなわち、偏光変調素子によって、入射光を波長毎に変調し、変調された光成分のみを偏光分離部から出射させることにより、スペクトル変調を行っている。

図１に示す構成に光源を付加すれば、可動部が無く、異なった波長分布の光を放出することができる光源装置を実現することができる。又、図１に示す構成に出力光の光量検出器を付加し、偏光変調素子の操作量と光量検出器の出力を演算することにより、スペクトル測定装置を実現することができる。

図２は、本発明の実施の形態であるスペクトル変調器の概要を示す図である。この実施の形態においては、偏光分離部にＰＢＳ１を使用している。まずハロゲンランプなどの白色光源からの光をＰＢＳ１に入射させる。するとここで入射光はＰ偏光、Ｓ偏光に分離される。分離された光をそれぞれ偏波保持光ファイバ２、３に入射させる。このとき偏波保持光ファイバ２、３の固有偏光の方向をＰＢＳ１のＰ偏光、Ｓ偏光の方向に合わせておくと、ＰＢＳ１で分離された光は偏光状態を保ちながら偏波保持光ファイバ２、３の出射面まで導かれる。以下の説明においては、Ｐ偏光は、ＰＢＳ１のコート面で反射されて偏波保持光ファイバ２に入射し、Ｓ偏光はＰＢＳ１のコート面を透過して偏波保持光ファイバ３に入射するものとする。

偏波保持光ファイバ２、３から出射した光は、それぞれ凹面ミラー４（平行光生成光学系）に入射し、ここで平行光に変換されて反射され、分光器である回折格子５の入り口まで導かれる。回折格子５に入射した光は波長ごとに分離されて再び凹面ミラー４（集光光学系）に入射し、反射されて、二段のＬＣＯＳ素子アレイ６に集光されて入射する。ＬＣＯＳ素子アレイ６の面と偏波保持光ファイバ２、３の出射面とは互いに共役とされている。この実施の形態においては、凹面ミラー４を、平行光形成光学系と集光光学系とに共用している。

ＬＣＯＳ素子アレイ６は、単位ＬＣＯＳ素子が、紙面と垂直方向にライン状に並んだもので、各単位ＬＣＯＳ素子は、分散された各波長の光を処理するようにされている。前述のように、このようなライン状に並んだ単位ＬＣＯＳ素子が二段設けられ、それぞれ、Ｐ偏光、Ｓ偏光の光を受けて処理するようにされている。

そして、このＬＣＯＳ素子アレイ６に入射した光は、各単位ＬＣＯＳ素子により偏光が変調される。具体的には単位ＬＣＯＳ素子の偏光軸はＰ偏光、Ｓ偏光の光軸に対して45°傾いており、その方向とそれに直交する方向の電場成分に自由に位相差をかけることができるようになっている。変調によって、直線偏光であった入射光が楕円偏光になり、反射されて入射した光路を逆にたどって進行する。そして凹面ミラー４でコリメートされた光は回折格子５に入射し、波長分散されていた光が合成されて凹面ミラー４に入射し、反射されて偏波保持光ファイバ２、３の端面に集光される。偏波保持光ファイバ２、３を通過した光は、ＰＢＳ１に入射する。

ＰＢＳ１に戻ってきた光は、前述のように単位ＬＣＯＳ素子で変調され楕円偏光となっているので、ＰＢＳ１で分離されて偏波保持光ファイバ２に向かったＰ偏光には、それがＰＢＳ１に帰ってきたときにはＳ偏光成分が含まれている。このうち、Ｐ偏光成分は、ＰＢＳ１のコートで反射されて、入射光と同じ方向に戻っていくが、Ｓ偏光成分はＰＢＳ１のコートを透過し、図２に射出光と書かれた方向に射出される。

同様、ＰＢＳ１で分離されて偏波保持光ファイバ３に向かったＳ偏光には、それがＰＢＳ１に帰ってきたときにはＰ偏光成分が含まれている。このうち、Ｓ偏光成分は、ＰＢＳ１のコートを透過し、入射光と同じ方向に戻っていくが、Ｐ偏光成分はＰＢＳ１のコートで反射され、図２に射出光と書かれた方向に射出される。

このようにして、図２に射出光と書かれた方向には、単位ＬＣＯＳ素子で変調された成分だけを取り出すことができ、従って、ＬＣＯＳ素子アレイ６の各単位ＬＣＯＳ素子での変調の度合いを制御することにより、異なったスペクトル分布を有する光を取り出すことができ、スペクトル変調器として使用することができる。なお、ＬＣＯＳ素子アレイ６は、Ｐ偏光用とＳ偏光用の２つがあるので、これらを別々に制御することにより、射出光の偏光の状態をも併せて制御することができる。

以上の説明においては、スペクトル変調器としての実施の形態を説明したが、図２に示す光学系に所定の光源を加えれば、これらが、スペクトル分布を制御できる光源として使用できることは明らかである。

又、図２に示す光学系に、射出光の光量を測定する光量検出器を加えれば、これらをスペクトル測定装置として使用することができる。例えば、ＬＣＯＳ素子アレイ６を構成する単位ＬＣＯＳ素子のうち、１つの波長に対応する単位ＬＣＯＳ素子において、入射するＰ偏光の全て（又は規定％）をＳ偏光に、入射するＳ偏光の全て（又は前述の規定％）をＰ偏光にするような変調をかけ、他の波長については、変調をかけず、Ｐ偏光は全量Ｐ偏光で反射させ、Ｓ偏光は全量Ｓ偏光で反射させるようにすれば、変調をかけられた波長の光のみが光量検出器で検出される。この測定を、変調をかける波長を順次変えて行えば、入射光のスペクトル分布を測定することができる。このスペクトル測定器は、機械的な可動部がなく、機構が簡単である。

本実施の形態は、偏光分離素子であるＰＢＳ１からの出力光を偏波保持光ファイバ２、３で受け、偏波保持光ファイバ２、３の出力端面間の間隔を非常に小さくすることに特徴を有している。図２に示されるようにＬＣＯＳ素子アレイ６においては、単位ＬＣＯＳ素子がライン状に並んだものが、Ｐ偏光、Ｓ偏光に対応して二段に並んでいる。このようなものを製造する場合、半導体プロセスで製造するが、すると、この二段の間隔は非常に小さいものなる。具体的には１素子程度になる。一方、ＰＢＳ１で分離された光の幅は、ＰＢＳ１をどんなに小さく作ってもmmオーダの間隔になる。この間隔の違いをマッチングさせるためには、高倍の光学系でリレーすることが考えられる。しかしながら、このようにすると装置の組み立てなどに手間がかかりコストアップにつながる。そこで、この実施の形態においては、偏光分離素子であるＰＢＳ１からの出力光を偏波保持光ファイバ２、３で受け、偏波保持光ファイバ２、３の他端面からの光を凹面ミラー４に導くことにしている。よって、図２から分かるように非常にシンプルな構成で、偏波保持光ファイバ２、３の出力端面の間隔を小さくすることができ、その結果、Ｐ偏光とＳ偏光をＬＣＯＳ素子アレイ６の二段の狭い間隔に対応した位置に結像させることができ、前述の問題を解決することができる。

本発明のスペクトル変調器の原理を示す図である。 本発明の実施の形態であるスペクトル変調器の概要を示す図である。

符号の説明

１…ＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）、２…偏波保持光ファイバ、３…偏波保持光ファイバ、４…凹面ミラー、５…回折格子、６…ＬＣＯＳ素子アレイ

Claims (6)

1. 光源と、前記光源からの光を、異なる光路を持つＰ偏光とＳ偏光とに分離する偏光分離素子と、前記偏光分離素子で分離された前記Ｐ偏光と前記Ｓ偏光とのそれぞれを伝送する偏波保持光ファイバと、前記偏波保持光ファイバの出射端面より出射する前記Ｐ偏光及びＳ偏光を分光しスペクトラム像を形成する分光器と、前記スペクトラム像の結像位置にライン状に配設され、分光された前記Ｐ偏光及びＳ偏光に対して、波長毎に、所望の量だけ偏光を変調する偏光変調素子を有してなり、前記偏光変調素子により偏光を変調された光を、光路を逆に進行させることによって前記分光器に戻し、そこで、分散された各波長の光を合成し、再び、前記偏波保持光ファイバを逆に通過させて前記偏光分離素子へ戻し、前記偏光分離素子では入射時分離した前記Ｐ偏光及びＳ偏光の各々と偏光状態が直交する成分の光を取り出して出力光とすることを特徴とする光源装置。
2. 前記偏光分離素子は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）であり、前記偏光変調素子は、液晶偏光変調素子であることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 入射する光を、異なる光路を持つＰ偏光とＳ偏光とに分離する偏光分離素子と、前記偏光分離素子で分離された前記Ｐ偏光と前記Ｓ偏光とのそれぞれを伝送する偏波保持光ファイバと、前記偏波保持光ファイバの出射端面より出射する前記Ｐ偏光及びＳ偏光を分光しスペクトラム像を形成する分光器と、前記スペクトラム像の結像位置にライン状に配設され、分光された前記Ｐ偏光及びＳ偏光に対して、波長毎に、所望の量だけ偏光を変調する偏光変調素子を有してなり、前記偏光変調素子により偏光を変調された光を、光路を逆に進行させることによって前記分光素子に戻し、そこで、分散された各波長の光を合成し、再び、前記偏波保持光ファイバを逆に通過させて前記偏光分離素子へ戻し、前記偏光分離素子では入射時分離した前記Ｐ偏光及びＳ偏光の各々と偏光状態が直交する成分の光を取り出して出力光とすることを特徴とするスペクトル変調器。
4. 前記偏光分離素子は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）であり、前記偏光変調素子は、液晶偏光変調素子であることを特徴とする請求項３に記載のスペクトル変調器。
5. 入射する光を、異なる光路を持つＰ偏光とＳ偏光とに分離する偏光分離素子と、前記偏光分離素子で分離された前記Ｐ偏光と前記Ｓ偏光とのそれぞれを伝送する偏波保持光ファイバと、前記偏波保持光ファイバの出射端面より出射する前記Ｐ偏光及びＳ偏光を分光しスペクトラム像を形成する分光器と、前記スペクトラム像の結像位置にライン状に配設され、分光された前記Ｐ偏光及びＳ偏光に対して、波長毎に、所望の量だけ偏光を変調する偏光変調素子を有してなり、前記偏光変調素子により偏光を変調された光を、光路を逆に進行させることによって前記分光素子に戻し、そこで、分散された各波長の光を合成し、再び、前記偏波保持光ファイバを逆に通過させて前記偏光分離素子へ戻し、前記偏光分離素子では入射時分離した前記Ｐ偏光及びＳ偏光の各々と偏光状態が直交する成分の光を取り出して光量検出器で光量を測定し、前記偏光変調素子による変調量と前記光量検出器で測定された光量の関係より、入射する光の分光特性を求めることを特徴とするスペクトル測定装置。
6. 前記偏光分離素子は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）であり、前記偏光変調素子は、液晶偏光変調素子であることを特徴とする請求項５に記載のスペクトル測定装置。

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