JP2010538287A - 再インジェクションによる対象物のイメージ作成のためのヘテロダイン検出装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、以下を有する対象物（10）のイメージ作成のための検出装置に関する。
−原波長で原光信号（３）を対象物(１０)に送出し、対象物(１０)表面に一過性の波を生成するように構成されたレーザーキャビティ（２）；
−前記一過性波を、出力波長を持つプログレシブ信号に変換するように構成された変換手段(１１)；
−レーザーキャビティに前記プログレシブ信号をインジェクトし、レーザーキャビティの中でプログレシブ信号と原光信号との間の干渉を生成するように構成された再インジェクション手段；
−前記干渉を検出し、前記対象の少なくとも１の物理的特性を決定するように構成された検出手段。
但し、前記装置は、前記レーザーキャビティにインジェクトされたプログレシブ信号の波長は原波の波長とは異なるように構成された波長変調手段（７、７ａ、７ｂ）を有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、対象物のイメージ作成（imagerie）のための検出装置に関する。

また、本発明は、対象物のイメージ作成のための検出方法に関する。

対象物のイメージ作成のための検出装置、方法は公知である。

対象物のイメージ作成のための検出装置には、遠隔領域における検出装置と近距離領域の検出装置とがある。近距離領域における検出装置の利点は小さい対象物（特にレイリー基準により定められる大きさより小さい）の観測を可能にすることである。

本発明は、特に近距離領域の対象物のイメージ作成のための検出装置に関係する。

本発明は、以下を含む対象物のイメージ作成のための検出装置に関する。
−原波長（longueur d'onde d'origine）で原光信号（signal lumineux d'origine）を対象物に送出し、対象物表面に一過性波（onde evanescente）を生成するように構成されたレーザーキャビティ；
−前記一過性波を、出力部の波長を持つプログレシブ信号に変換するように構成された変換手段；
−レーザーキャビティに前記プログレシブ信号をインジェクトし、レーザーキャビティの中でプログレシブ信号と原光信号との間の(複数)干渉（perturbations）を生成するように構成された再インジェクション手段；
−前記干渉を検出し、前記対象物の少なくとも１の物理的特性を決定するように構成された検出手段。

このような装置は、フランス特許公開FR-A-2785045で公知である。

前記文献において、レーザーキャビティへの再インジェクションを行うことにより、キャビティを干渉計として使用することができる。また、キャビティの中で生成された前記(複数)干渉は、一過性波（ondes evanescentes）の振幅を測定するのに使用される。また、前記干渉を使って、対象物の特性の測定を行うことができる。

前記文献には、干渉の検出は、ホモダイン検出であり、これにより一過性波の振幅を決めることができる。

フランス特許出願公開番号FR-A-2785045

しかしながら、この検出によっては、一過性波の位相に関する情報を得ることはできない。従って、いくつかの対象物の特性は、前記文献に記載の装置では測定することができない。

本発明が解決する課題は、対象物のイメージ作成のための検出装置における対象物表面に生成される一過性波の測定を改良することである。

特に、本発明が解決する課題は、対象物のイメージ作成のための検出装置における対象物表面に生成される一過性波の位相を測定することを可能にすることである。

この課題は、前記対象物のイメージ作成のための検出装置が波長変更手段を有し、レーザーキャビティにインジェクトされるプログレシブ信号の波長がオリジナル波の波長と異なっているという事実により解決される。

これら波長変調手段により、異なる波長を持つ２つの信号がレーザーキャビティを伝播し、これらはヘテロダインビートの形でダイナミックな干渉を生成する。そして、これらビートのヘテロダイン検波は検波手段を使って実行可能である。前記の再インジェクションによる装置とは異なり、本発明を使うと、オリジナル信号と対象物からやって来るプログレシブ信号との間の干渉により生成される一過性波の位相に対するアクセスが可能になる。対象物の特性の測定は、本発明により改善される。

本発明によると、ヘテロダインビートを発生させると、一過性波の振幅と位相を検出する場合に、コントラストを向上させることができる。従って、それにより、一過性波の強度が小さいときでも、一過性波に対する測定が可能になる。

本発明の実施例において、レーザーキャビティは弛緩振動（oscillations de relaxation）を生成するように構成されている。この場合、波長変調手段は、出力部の波長と原波長とを相違させ、これら弛緩振動を励起することが可能であるように構成されている。

実施例において、レーザーキャビティが弛緩振動を生成するように構成されている場合、特に、レーザーがクラスＢのレーザーであるとき、レーザーキャビティの中にインジェクトされたプログレシブ信号により引き起こされたビートが弛緩振動と共振する。これにより、振幅と位相の検出の際に大きな利得を得ることが可能になる。この利得はクラスＢのレーザーキャビティ特性に依存し、特に、固体マイクロレーザータイプのレーザーキャビティに対し、１００万のオーダーでありえる。

実施例において、レーザーキャビティが赤外領域において原光信号を送出するように構成することができる。赤外領域において原光信号を生成すると、高度に進歩した標準的通信部品の使用が可能になる。特に、ファイバーオプティク部品がこの波長領域で流通している。更に、この波長領域では従来の干渉計の組立が困難である。

本発明の実施例によると、波長変調手段は少なくとも１の音響光学変調器を有する。

この場合、前記又は各音響光学変調器は、好ましいシフト周波数を有しており、これら重畳されたシフトの組合せにより、再インジェクションレーザの弛緩振動を励起するためのシフトを調整することができる。

実施例によると、前記装置は、原光信号の経路に第１光学アイソレータを置き、レーザーキャビティに向かう寄生的反射光信号の伝播を防止することができる。これは、前記装置により実行される再インジェクションに加え、レーザーキャビティと干渉しないという利点がある。特に、これは(複数)レンズ、音響光学変調器又は対象物による反射を防止する。

この場合、前記又は各音響光学変調器は、第１光アイソレーターの後に設けることができる。

更に、装置がプログレシブ信号の経路に置かれる第２光学アイソレーターを有することが好ましい。

この場合、前記又は各音響光学変調器は、第１光アイソレーターと第２光アイソレーターとの間に配置することができる。

実施例によれば、変換手段はマイクロチップを有する。

また、本発明は、前記した目的物のイメージ作成のための検出装置を含む顕微鏡に関する。

また、本発明は、以下のステップを含む対象物のイメージ作成のための検出方法に関する。
−レーザーキャビティが、原波長の原光信号を対象物に送出し、対象物表面に一過性の波を生成するステップ；
−前記一過性波が、プログレシブ信号に変換されるステップ；
−前記プログレシブ信号が、レーザーキャビティにインジェクトされ、レーザーキャビティの中でプログレシブ信号と原光信号との間の干渉を生成するステップ；
−前記干渉が検出され、前記対象物の特性を決定するステップ。
但し、前記レーザーキャビティにインジェクトされたプログレシブ信号の波長は原波の波長とは異なる。

次に、図面を参照しながら、本発明の１つの実施例を説明する。

本発明の実施例による対象物のイメージ作成のための検出装置である。 図１の装置により生成される一過性波の振幅と位相の展開図である。 本発明の他の実施例による対象物のイメージ作成のための検出装置である。

前記図面で、同一符号は、類似の技術要素に関係している。

図１に示されているように、対象物のイメージ作成のための検出装置は、クラスＢの固体エルビウム−イッテルビウム ガラス レーザーキャビティ２を有している。前記レーザーキャビティ２は、ダイオードレーザ(図示しない)によりポンピングされる。レーザー２の放出は、キャビティにエタロン(etalon)を挿入することにより横方向に単一モードとすることができる。レーザーキャビティ２の出力部において、レーザービーム３は、レーザーにより決められた原波長λ１で放出される。上記のレーザーキャビティに対し、原波長は1.535ミクロンに固定される。レーザービーム３は、レンズ５を使って、オプティカルファイバー４にインジェクトされる。光学的アイソレータ６がオプティカルファイバーのレーザービーム路３に配置され、レーザーキャビティ２に対する信号の寄生的反射が防止される。図１において、光学的アイソレータ６の矢印は、光学的アイソレータ６によるレーザービーム３の伝播する方向を指す。次に、オプティカルファイバーの出力部では、レーザービーム３は“音響−光学変調器７に基づく装置（dispositif a base de modulateur acousto-optique）”に向かって、例えば、レンズ８を介して送出される。音響−光学変調器７に基づく装置を使って、レーザービーム３の波長はシフトし、波長λ２（波長λ１とは異なる）の信号９を得る。このシフトの後で、信号９は対象物10に向かって送信される。図１において、対象物１０は例えばシリカプリズムである。信号９がプリズム10の一つの側にインジェクトされるときに、入射角が全反射臨界角を越えると直ちに、プリズム10のhypotenuseの上で全反射を受ける。レーザービーム３の波長λ1におけるシリカプリズムに対して、限界角は43.8°である。この反射に続いて、一過性波がプリズム10の光る表面（surface eclairee）に生成される。前記一過性波は、光る表面上で一様であり、その振幅は、プリズム10表面に垂直なシリコン／空気インターフェースを越えると、エクスポネンシャルに減衰する。全反射臨界角を超えて入射角を調整することにより、一過性波の透過深さをコントロールすることができる。

マイクロチップ11は、一過性波をプログレシブ波に変換するのに使用される。このマイクロチップは周知で、1.53ミクロンの単一モードシリカのオプティカルファイバーから、フッ化水素酸を使ってドローイングし、ケミカルエッチングして得られる。前記マイクロチップ11は、プリズム10上の入射垂線（incidence normal）に対して45°の角度で方向付けされている。

次に、マイクロチップ11により集められたプログレシブ波は、オプティカルアイソレータ13を含むオプティカルフィバー12により、レーザーキャビティ２に再インジェクトされる。

カプラー14を使うと、レーザーキャビティ２に向けてプログレシブ波を再インジェクトすることができる。ビームの一部はレーザーの出力部で、カプラー14により取り出され、矢印Ａで示すように、フォトダイオード15に向けて送出される。例えば、フォトダイオード15は、ファイバー化InGaAsフォトダイオードである。

フォトダイオード15により検出された信号は、波長差λ２−λ１から定まるヘテロダインシフト周波数で復調される。ＨＦ同期検波装置16がこの復調を行う。これにより、マイクロチップ11を使って点領域でサンプリングされた光学信号の振幅と位相に関する情報を同時に得ることができる。得られた結果を表示するために、同期検波装置16はデジタルオシロスコープ17に接続される。

プリズム10の表面でマイクロチップ11を移動させて、検波信号を使って、プリズム10の表面のエリアの点ごとに振幅、位相のイメージ作成することができる。

プリズム10の表面におけるマイクロチップ11の該スキャンは、マイクロチップ11の軸に沿うスキャン又は横方向スキャンである。図示していない周知のサーボコントロールシステムを使うと、このスキャンは所望のアプリケーションに基づいて、十分な精度で行うことができる。特に、例えば、約32kＨｚで振動する音叉にマイクロチップ11を設けることができる。マイクロチップ11とプリズム10との間の相関に関する剪断効果（effets de cisaillement）のために、前記音叉の振幅と周波数は、マイクロチップ11とプリズム10表面との間の距離に大きく依存する。共振の周波数又は振幅を測定することにより、及び、横方向移動の間にこれらの１又は他を一定に維持することにより、位置のサーボコントロールを実現することができる。同様に、マイクロメータのスクリュー又はピエゾエレクトリック楔（cales piezoelectriques）を使って、マイクロチップの位置を変えることができる。このようにして、２次元又は３次元イメージが生成される。

前記の振幅・位相の同時測定の信頼性と安定性を証明するために、“理論による振幅・位相の変動”と“プリズム10の表面に対応するジオプトリ面上で検出され、前記装置１を使って得られる信号の振幅・位相の変動”との間の比較を図２に示した。比較を行うために、振幅と位相をデジタル オシロスコープ17で観察する。ＨＦ同期検波装置16は、２のクワドラチャー信号Ｘ、Ｙ（それぞれＲcos（φ）、Ｒsin（φ）に対応する）を出力部に供給する。但し、Ｒはプリズム10の検出信号の振幅を表し、φは音響光学変調器７に基づく装置を駆動する信号により提供される基準に対する位相を表す。プリズムに対しマイクロチップ11が傾斜しているので、理論的にスパイラル曲線が得られる。図２の理論曲線18が示すように、振幅は０に近づき、位相はリニアに変化する。前記した、装置１を使って実験によって得られる曲線19は、実質的に理論曲線18に対応している。実験測定値と理論計算値とが一致するので、一過性波の振幅と位相を同時に、しかし別個に行う測定（これによりプリズム10を容易に画像化する（imager）ことができる）の安定性と信頼性は有効であるとすることができる。

本発明の実施例によると、音響光学変調器７を使う装置とレーザーキャビティ２が選ばれて、音響光学変調器７を使う装置がもたらす周波数シフトはレーザーキャビティ２の弛緩振動（oscillations de relaxation）の周波数に等しいか、または、近い。このレーザーキャビティ２の弛緩振動の周波数は、例えば約100kＨｚに調整される。音響光学変調器７を使う装置がもたらす周波数シフトは実質的に100kＨｚに等しい。弛緩振動の周波数はクラスＢのレーザーの技術仕様書に基づいて簡単に決められる。

図１に示すように、約Δｆ＝100kＨｚの周波数シフトを得るためには、音響光学変調器７を使う装置は、２つの音響光学変調器7ａ、７ｂ（それぞれ80ＭＨｚ+Δｆと−80ＭＨｚに等しい共振周波数で、それぞれ、+１オーダーと−１オーダーで位置している）を有している。従って、２つの音響光学変調器７ａ、７ｂは、レーザーキャビティ２による共振周波数周辺で励起される。更に、２つの音響光学変調器7ａ、７ｂを位置決めすることにより、第１音響光学変調器7ａは原光信号を約ν１＋80ＭＨｚ＋Δｆの光周波数にシフトさせる、第２音響光学変調器7ｂは、この周波数をν１＋Δｆに戻す。その結果、周波数シフトは、レーザーの弛緩振動によく適合し、固有共振周波数付近で変調器を励起させ、その効率を最適にする。

この場合、該再インジェクションは弛緩振動を励起し、レーザーキャビティ２において（複数）ビートの形の干渉を起こす。同期検波装置16はこれらビートを使い、プリズム10の振幅・位相特性を得る。

この場合、周波数シフトの無い単純な再インジェクションに関して、１００万オーダーの利得率（gain factor）Ｋが得られることが証明された。この利得率Ｋは、レーザーキャビティ２の増幅メディアの送出レベルのradiative寿命期間とレーザーキャビティ２のフォトンの寿命との間の関係に実質的に等しい。この利得率を使うと、レーザーキャビティ２への再インジェクションにより生起される干渉のコントラストを得ることができ、従って、対象物10の特性の検出感度を向上させ、該対象物のイメージ作成を改善することができる。

前記実施例において、レーザービーム３が伝送された後で、プリズム10を介して伝送される一過性波の検出が使われる。図３には、本発明の反射型の実施例が示されている。

本発明に従う、図３に示される装置１は、角周波数ω１に対応する波長λ1のレーザービームを送出するレーザーキャビティ２を有している。レーザービーム３は、角周波数ω2に対応する波長λ2のレーザービームの波長をシフトできる音響光学変調器７に基づく装置を通過する。前記のとおり、音響光学変調器７に基づく装置は、２つの音響光学変調器を有し、レーザービームのシフト周波数を弛緩振動の共振周波数に適合することができる。このように生成される角周波数がω2とω1との間の各周波数のシフトをΔωと表記する。波長λ2の信号９は、対象物８を介してイメージを生成しようとする対象物10に向けて送出される。対象物10に関して、一過性波が生成される。この一過性波は、反射波信号20の形で、マイクロチップ11により拡散される。この反射波20は、再度、音響光学変調器７に基づく装置を通過するときにΔωだけシフトされ、レーザーキャビティ２に再インジェクトされ、レーザーキャビティ２においてビートが生成される。図１を使って説明した実施例のように、音響光学変調器７に基づく装置とレーザーキャビティ２が選択され、音響光学変調器７に基づく装置により引き起こされる周波数シフトは、レーザーキャビティ２の弛緩振動周波数に等しい又は近いものとなる。音響光学変調器７に基づく装置を２回通過するので、レーザーキャビティ２の弛緩振動の角周波数をΩとすると、２Δω＝Ωとする音響光学変調器７に基づく装置が選択される。

次に、レーザーの出力信号は、同期検波装置に接続されているフォトデテクター15に向かって別のルートで送信される。同期検波装置16を使うと、レーザーキャビティ２に生成されたビートを検出し、目的物10の特性を決めることができる。これらビートの強度は次のように表される：

但し、Ｋは再インジェクションがもたらす利得を表す値であり、Ｉrefはレーザー２からの基準信号の強度である。Iｓは、集められ、レーザーに再インジェクトされる一過性波の信号の強度である。φsは該信号の位相である。

利得率Ｋは、１００万のオーダーであってよい。

ヘテロダイン検波に関して周波数シフトを持つMach−Zender又はMichelsonタイプの標準干渉計に対し、利得率Ｋは１に等しいことに留意すべきである。これに対し、再インジェクション装置に関し、レーザーキャビティを使うと、この値１００万に達することができる。

次に、本発明の変形例を説明する。

前記実施例において、ダイオードによりポンピングされる固体レーザーキャビティ型レーザー源を説明した。しかし、感度利得について同一オーダーの値を維持しながら、マイクロレーザー又はＤＦＢファイバーレーザーを使うことが可能である。

更に、近赤外領域で（特に１．５３５ミクロンの波長で）送出するレーザー源について説明した。実際、この波長領域は伝送の測定を可能にし、通信で使用されるファイバーオプティック部品に適合するメリットがある。しかしながら、他の波長領域と他のレーザー源が使用されることを理解しなければならない。

以下の表は、本発明の装置で使用されるレーザーの実施例リストである。この表の第１欄は使用レーザーのタイプである。第２欄は関連する波長である。第３欄は前記で定義される利得率Ｋである。第４欄はこのレーザーの緩和周波数である。

更に、図１を参照すると、音響光学変調器７に基づく装置が説明されている。この装置は、レンズ８の前に、原光信号の経路に位置する２つの音響光学変調器７を有している。前記２つの変調器の内の１つ又は２つの変調器は、プログレシブ信号の経路における対象物10の後に位置することができることを理解すべきである。この変形例によると、音響光学変調器の周波数変調関数は、それらの位置に関係無く維持される。

マイクロチップのスキャン手段に関係する前記検波器は、前記したように、ＳＮＯＭ（Scanning Near Field Optical Microscopy）タイプの顕微鏡又は一過性の場（champ evanescent）を検出する顕微鏡で使用すると有利である。

Claims (15)

1. −オリジナル波長で原光信号（３）を対象物(１０)に送出し、対象物(１０)表面に一過性の波を生成するように構成されたレーザーキャビティ（２）と；
   −前記一過性波を、出力波長を持つプログレシブ信号に変換するように構成された変換手段(１１)と；
   −レーザーキャビティに前記プログレシブ信号をインジェクトし、レーザーキャビティの中でプログレシブ信号と原光信号との間の干渉を生成するように構成された再インジェクション手段と；
   −前記干渉を検出し、前記対象の少なくとも１の物理的特性を決定するように構成された検出手段と、
   を有する対象物（10）のイメージ作成のための検出装置。
   但し、前記装置は、前記レーザーキャビティにインジェクトされたプログレシブ信号の波長はオリジナル波の波長とは異なるように構成された波長変調手段（７、７ａ、７ｂ）を有することを特徴とする。
2. 前記波長変調手段（７、７ａ、７ｂ）が、原光信号の波長をシフトし、前記レーザーキャビティにインジェクトされたプログレシブ信号の波長は原波の波長とは異なるように構成された請求項１に記載の装置。
3. レーザーキャビティ（２）が弛緩振動を生成し、前記波長変調手段が、出力部の波長と原波長との間の相違により、これら緩和信号を励起することが可能であるように構成されている、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記レーザーキャビティがクラスＢの固体レーザーキャビティである請求項１乃至３のいずれか１項に記載の装置。
5. 前記レーザーキャビティが赤外領域における原光信号を送出するように構成された請求項１乃至４のいずれか１項に記載の装置。
6. 前記波長変調手段が少なくとも１の音響光学変調器を有する請求項１乃至５のいずれか１項に記載の装置。
7. 前記又は各音響光学変調器は、共振を表す１のシフト周波数を有しており、これら重畳されたシフトの組合せにより、再インジェクションレーザーの弛緩振動を励起することができる請求項１乃至６のいずれか１項に記載の装置。
8. 更に、原光信号の経路に第１光学アイソレータ（６）を持ち、レーザーキャビティに向かう反射光信号の伝播を防止する請求項１乃至７のいずれか１項に記載の装置。
9. 前記又は各音響光学変調器（７、７ａ、７ｂ）が第１光アイソレーターの後に設けられる請求項１乃至８のいずれか１項に記載の装置。
10. 第２光学アイソレータ(１３)がプログレシブ信号の経路に置かれ、レーザーキャビティに向かう反射光信号の伝播を防止する請求項８又は９に記載の装置。
11. 前記又は各音響光学変調器は、第１光アイソレーター（６）と第２光アイソレーター（１３）との間に配置される請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の装置。
12. 更に、目的物の近傍に変換手段を移動させるように構成された移動手段を有する請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の装置。
13. 前記変換手段はマイクロチップ（１１）を有する請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の装置。
14. 請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の検出装置を有する近領域（en champ proche）光学顕微鏡。
15. −レーザーキャビティが、オリジナル波長の原光信号を対象物に送出し、対象物表面に一過性の波を生成するステップと；
    −前記一過性波が、プログレシブ信号に変換されるステップと；
    −前記プログレシブ信号が、レーザーキャビティにインジェクトされ、レーザーキャビティの中でプログレシブ信号と原光信号との間の干渉を生成するステップと；
    −前記干渉が検出され、前記対象物の特性を決定するステップ、
    とを含む対象物のイメージ作成のための検出方法。
    但し、前記方法は、前記レーザーキャビティにインジェクトされたプログレシブ信号の波長はオリジナル波の波長とは異なることを特徴とする。

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