JP2015059743A - 光分岐素子、光分岐システムおよび測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】分岐した光の光量をより均一にする。【解決手段】光分岐素子は、第１面と、前記第１面と対向する第２面と、前記第１面において光束が入射する第１領域に設けられ、当該第１領域に入射した光束から枝光束を取り出す第１光取り出し部と、前記第１面において、前記第１領域で反射されさらに前記第２面で反射された前記光束が照射される第２領域の前記第１光取り出し部に相当する部分以外の部分に設けられ、当該第２領域に入射した光束から枝光束を取り出す第２光取り出し部とを有する。【選択図】図２

Description

本発明は、光分岐素子、光分岐システムおよび測定装置に関する。

光を用いて物理量（物理状態）を測定する光センサーを複数配置した光センサーアレイが知られている。光センサーとして光ポンピング型の磁気センサーを用いた光センサーアレイは、例えば生体の心臓から生じる磁場を測定する心磁計や脳磁計に用いられる。光センサーアレイを動作させるには、光源からの光を分岐させ、各光センサーに光を入射する必要がある。例えば、特許文献１は、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）を複数配置して、レーザー光を多数に分岐する技術を開示している。

特開２００８−２７７２７９号公報

偏光ビームスプリッターの透過率（または反射率）は、一般的に数％程度のバラツキを有する。そのため、複数の偏光ビームスプリッターを繰り返し透過した光は、累積した透過率誤差により、分岐した光の光量を均一にすることは困難である。

これに対し本発明は、分岐した光の光量をより均一にする技術を提供する。

本発明は、第１面と、前記第１面と対向する第２面と、前記第１面において光束が入射する第１領域に設けられ、当該第１領域に入射した光束から枝光束を取り出す第１光取り出し部と、前記第１面において、前記第１領域で反射されさらに前記第２面で反射された前記光束が照射される第２領域の前記第１光取り出し部に相当する部分以外の部分に設けられ、当該第２領域に入射した光束から枝光束を取り出す第２光取り出し部とを有する光分岐素子を提供する。
この光分岐素子によれば、透過／反射型のプリズムや回折格子などの光分岐素子を並べて順次分岐する方法と比較して、より均一な枝光束を安定して分岐（分離）することができる。

この光分岐素子は、前記第１光取り出し部および前記第２光取り出し部を含む３つ以上の光取り出し部を有してもよい。
この光分岐素子によれば、より均一な３つ以上の枝光束を分岐することができる。

前記３つ以上の光取り出し部は、所定の周期で等間隔に配置されていてもよい。
この光分岐素子によれば、より均一な、３つ以上の等間隔で配置された枝光束を分岐することができる。

前記枝光束の本数Ｎ、前記第１面で反射された前記光束が前記第２面で反射され再び前記第１面に入射する周期Ｍ、および前記第１光取り出し部と前記２光取り出し部の間隔Ｐが、Ｍ＝Ｎの場合、ＰとＭは互いに素であってもよい。
この光分岐素子によれば、より均一な、３つ以上の等間隔で配置された枝光束を欠損無く分岐することができる。

前記枝光束の本数Ｎ、前記第１面で反射された前記光束が前記第２面で反射され再び前記第１面に入射する周期Ｍ、および前記第１光取り出し部と前記２光取り出し部の間隔Ｐが、Ｍ＞Ｎの場合、Ｐ＝１またはＰ＝Ｍ＋１であってもよい。
この光分岐素子によれば、より均一な、３つ以上の等間隔で配置された枝光束を欠損無く分岐することができる。

前記３つ以上の光取り出し部は、前記第１面において２方向に配置されていてもよい。
この光分岐素子によれば、より均一な、２次元的に配置された枝光束を分岐することができる。

また、本発明は、前記光束を出力する光源と、上記の光分岐素子とを有する光分岐システムを提供する。
この光分岐システムによれば、透過／反射型のプリズムや回折格子などの光分岐素子を並べて順次分岐する方法と比較して、より均一な枝光束を安定して分岐（分離）することができる。

さらに、本発明は、前記光束を出力する光源と、上記の光分岐素子と、前記光分岐素子から取り出された光を用いて物理量を計測する光センサーが複数配置された光センサーアレイとを有する測定装置を提供する。
この測定装置によれば、透過／反射型のプリズムや回折格子などの光分岐素子を並べて順次分岐する方法と比較して、より均一な枝光束を安定して分岐（分離）された枝光束を用いて測定をすることができる。

一実施形態に係るセンサーアレイシステム１の概要を示す図。 センサーアレイシステム１のＡ−Ａ断面を示す図。 Ｍ＝８の場合において、ＮとＰを変化させた例を示す図。 Ｍ＝８の場合において、ＮとＰを変化させた例を示す図。 Ｍ＝８の場合において、ＮとＰを変化させた例を示す図。 Ｍ＝９の場合の調査結果を示す図。 Ｍ＝９の場合の調査結果を示す図。 Ｍ＝９の場合の調査結果を示す図。 Ｍ＝１０の場合の調査結果を示す図。 Ｍ＝１０の場合の調査結果を示す図。 Ｍ＝１０の場合の調査結果を示す図。 光分岐素子２０に光束を導く構成を例示する図。 一実施形態に係る測定装置２の構成を示す図。 測定装置２のＢ−Ｂ断面を示す図。

図１は、一実施形態に係るセンサーアレイシステム１の概要を示す図である。センサーアレイシステム１は、光源１０と、光分岐素子２０と、センサーアレイ３０とを有する。なお、センサーアレイシステムのうち、光源１０および光分岐素子２０により構成される部分を光分岐システムという。光源１０は、光束を出力する装置である。ここで、光束は複数の光線の束であり、高速に含まれる光線の一つ一つを枝光束という。光源１０は、例えば半導体レーザーダイオードおよびビームホモジナイザーを含む。一般にレーザー光の強度はガウス分布を持つので、強度分布を均一化させるためにビームホモジナイザーを用いている。なお、出力されるレーザー光の強度分布が十分に均一である場合には、ビームホモジナイザーは省略されてもよい。

センサーアレイ３０は、複数のセンサー３１を含む。センサー３１は、光を用いて物理量を測定する光センサーである。センサー３１は、例えば、透過する光の偏光を、磁場に応じて回転させる素子である。センサー３１を透過した光の偏光の回転角を測定する素子（図示略）を用いれば、センサー３１における磁場を測定することができる。センサー３１は、例えば、内部にアルカリ金属原子（例えば、カリウム、ルビジウム、またはセシウム）のガスが封入されたガスセルである。ガスセルは、光を透過する材料、例えば石英ガラスまたはホウ珪酸ガラスで形成される。センサーアレイ３０において、複数のセンサー３１は、マトリクス状に配置されている。すなわち、複数のセンサー３１は、第１方向と、第１方向に直交する第２方向とに沿って２次元的に配置されている。複数のセンサー３１は第１方向および第２方向のそれぞれにおいて等間隔で配置されている。

図２は、センサーアレイシステム１のＡ−Ａ断面を示す図である。光分岐素子２０は、光源１０から出力された光束を分岐させ、複数の枝光束を出力する装置である。光分岐素子２０は、複数のセンサー３１の各々に対し、１つの枝光束を出力する。

光分岐素子２０は、基板２１を含む。基板２１は、光束を透過する材料、例えば石英ガラスまたはホウ珪酸ガラスで形成されている。基板２１は板状の形をしており、対向する２つの面（図２の例では面２１１および面２１２）を有する平行平板である。面２１１および面２１２においては、全反射をさせるため、例えば金属薄膜が設けられている。光分岐素子２０に光束が入射されると、光束は面２１１および面２１２で繰り返し全反射されながら、図２の左から右まで伝搬する。

面２１１には、入射された光束から枝光束を取り出すための光取り出し部（光取り出し窓）が設けられている。複数の光取り出し部は、所定の周期で等間隔に配置されている。図２においては、４つの光取り出し部（光取り出し部２１１１〜２１１４）が図示されている。光取り出し部は、例えば、上記の金属薄膜に設けられた窓（開口）とその窓に設けられたプリズムの組み合わせ、または金属薄膜に形成された回折格子である。用いられるプリズムは、入射角が臨界角以下の全反射しない平面を持つ三角プリズムである。このプリズムは基板２１とは別に製造され、基板２１に貼り付けられてもよいし、基板２１を切削加工や研磨加工することにより形成されてもよい。また、用いられる回折格子は、金属薄膜に形成された矩形の窓に形成されるレリーフ型の回折格子である。この場合、出射角は回折格子の周期により決定される。

また、光分岐素子２０は、光源１０から出力された光束を内部に入射させるための三角プリズム２２を有する。光源１０から出力された光束Ω０は、三角プリズム２２を介して基板２１の内部に入射する。ここでは説明のため、光束Ω０を複数の実線で表している。これら複数の実線は、各々、光取り出し部で分岐（分割）される枝光束の中心を表している。

面２１１のうち最初に光束Ω₀が入射する領域Ａ₁において、光束Ω₀のうち最初の光取り出し部（光取り出し部２１１１）に入射した光束が透過して枝光束β₁として出力され、残りは全反射する。なお、基板２１内を伝搬する光束を、枝光束と区別する意味で「本光束」という。領域Ａ１で反射した光束を本光束Ω₁という。領域Ａ₁で反射され、さらに面２１２で反射された本光束Ω₁が入射する領域Ａ₂において、本光束Ω₁のうち２番目の光取り出し部（光取り出し部２１１２）に入射した光束が透過して枝光束β₂として出力され、残りは全反射する。領域Ａ₂で反射した光束を本光束Ω₂と表す。以下同様に、領域Ａ_iにおいて、入射した本光束Ω_i-1は、ｉ番目の光取り出し部に入射した光束が透過して枝光束β_iとして出力され、残りは本光束Ω_iとして全反射する（ｉは自然数）。

ここで、光取り出し部２１１１と光取り出し部２１１２との関係について検討すると、光取り出し部２１１２は、面２１１において、領域Ａ₁で反射されさらに面２１２で反射された本光束Ω₁が照射される領域Ａ₂のうち、光取り出し部２１１１に相当する部分以外の部分に設けられている。「光取り出し部２１１１に相当する部分」とは、領域Ａ₂を領域Ａ₁とを重ね合わせたときに、光取り出し部２１１１と重なる部分をいう。光取り出し部２１１２は、領域Ａ₂に入射した本光束Ω₁から枝光束β₂を取り出す。

面２１１上に光取り出し部を形成するパターンをより詳細に説明するため、以下のパラメーターＮ、Ｍ、およびＰを導入する。
Ｎ：光源１０から出力される本光束に含まれる枝光束の数。
Ｍ：本光束が面２１１に入射する周期。すなわち、本光束の間隔。
Ｐ：枝光束が出力される周期。すなわち、隣り合う枝光束の間隔。
なお、パラメーターＭおよびＰは、枝光束の幅ｄを単位とする。通常、幅ｄは光取り出し部の幅と等しい。また、Ｎ、Ｍ、およびＰはいずれも自然数である。本光束は繰り返し面２１１に入射するが、このとき本光束同士が重なることは許されない、すなわち、本光束Ω_i-1と本光束Ω_iとが重なることは許されないので、パラメーターＭおよびＮは、Ｍ≧Ｎを満たす。

図２は、特定の（Ｎ，Ｍ，Ｐ）の組み合わせの例を示している。ここで、これ以外の（Ｎ，Ｍ，Ｐ）の値の組み合わせによって「等間隔で並んだ複数の枝光束を得る」条件を探索するため、いくつかの（Ｎ，Ｍ，Ｐ）の値の組み合わせにおいて、枝光束の出射パターンを調査した。

図３Ａ〜Ｃは、Ｍ＝８の場合において、ＮとＰを変化させた例を示している。Ｎは、８、９、または１０とし、Ｐは１から１３まで変化させた。図中、右方向が光の伝搬方向で、各セルは面２１１上の位置（単位は幅ｄ）を表している。図において、○は枝光束が出射されるべき位置を、ハッチングは光束が入射しない位置を、白抜きは光束が入射する位置を表している。したがって、○とハッチングが重なる位置では、枝光束が出射されるべきであるにもかかわらず本光束が入射しない位置を示している。このような位置が存在する場合、「等間隔で並んだ複数の枝光束を得る」ことができない。したがって、このような（Ｎ，Ｍ，Ｐ）の組に対しては、評価欄に「ＮＧ」と記載した。評価欄が空欄の（Ｎ，Ｍ，Ｐ）の組によれば、「等間隔で並んだ複数の枝光束を得る」ことができる。

図４Ａ〜Ｃおよび図５Ａ〜Ｃは、それぞれ、Ｍ＝９および１０の場合の調査結果を示している。図における○、ハッチング、および白抜きの意味は図３と同じである。図３、４、および５の結果から、「等間隔で並んだ複数の枝光束を得る」ためには、パラメーターＮ、Ｍ、およびＰは、以下の条件を満たす必要がある。
（１）Ｍ＝Ｎの場合、ＰとＭは互いに素である（１以外の公約数を持たない）。
（２）Ｍ＞Ｎの場合、Ｐ＝１またはＰ＝Ｍ＋１である。

また、面２１１および面２１２に対する本光束の入射角をθとすると、基板２１の厚さＴは次式（１）で表される。

なお、面２１１において、光取り出し部は２次元的に配置されている。すなわち、光取り出し部は、センサー３１が配置されている第１方向および第２方向に沿って配置されている。また、センサー３１に１つの枝光束が入射するように、光取り出し部はセンサー３１と同数、同じ位置関係で配置されている。例えば、センサーアレイ３０が８行８列のセンサー３１で構成されている場合、光分岐素子２０は８×８＝６４個の光取り出し部を有し、これらは８行８列に配置されている。なお、光分岐素子において、光取り出し部は１次元的に、すなわち１方向に沿って配置されてもよい。光取り出し部が１方向に配置された光分岐素子を「１次元光分岐素子」といい、光取り出し部が２方向に配置された光分岐素子を「２次元光分岐素子」という。

図６は、光分岐素子２０に光束を導く構成を例示する図である。この例では、１次元光分岐素子４０およびミラーアレイ６０が用いられる。光分岐素子２０は１次元の光分岐素子をｎ個並べた構成を有しており、ｎ×ｎ個の光取り出し部を有する。光源１０から出力された光束は、光分岐素子４０によりｎ個の光束に分岐する。ミラーアレイ６０は、光分岐素子４０から出射された光束の進行方向を変更する。ここでは光分岐素子４０の基板（平行平板）の長手方向と垂直になるように（すなわち、センサーアレイ３０におけるセンサーの配列方向（第１方向および第２方向のいずれか）と平行になるように）枝光束の進行方向を変換する。ミラーアレイ６０は、複数のプリズムを貼り合わせたものであってもよいし、平板に形成された複数のミラーを等間隔で配置したものであってもよい。これらの光束が光分岐素子２０に入射され、それぞれｎ個の光束に分岐される。なお、図６においては図面を簡略化するため、複数の枝光束を含む本光束は単一の線で示している。

図７は、一実施形態に係る測定装置２の構成を示す図である。測定装置２は、ポンピング光およびプローブ光を用いたいわゆる２ビームの光ポンピング型の磁気測定装置である。測定装置２は、センサーアレイシステム１に加え、４つの１次元光分岐素子５０、プリズムミラー７０、および複数の偏光計９０を有する。この例では、各セルに４方向（紙面の上下左右方向）からポンピング光が入射される。なお図７において、光源１０およびミラーアレイ６０の図示を省略している。

１次元光分岐素子５０は、センサーアレイ３０にポンピング光を入射するための光分岐素子である。４方向からポンピング光を入射するため、４つの１次元光分岐素子５０が用いられる。４方向からのポンピング光の照射のため、４つの光源（いずれも図示略）が用いられる。この光源は、光源１０と同様に、半導体レーザーダイオードおよびビームホモジナイザーを含む。光源から出力された光束は、光ファイバーを介して各１次元光分岐素子５０に入射する。光ファイバーとしては、例えば、シングルモードファイバーまたは偏波保持ファイバーが用いられる。なお、光ファイバー端部から出力される光束が拡散光である場合は、コリメートレンズを用いて光束をコリメートしてもよい。なお、図７においては図面を簡略化するため、複数の枝光束を含む本光束は単一の線で示している。

各１次元光分岐素子５０から出射された光束の進行方向は、ミラーアレイ（図示略）により変更される。ここでは１次元光分岐素子５０の基板（平行平板）の長手方向と垂直になるように（すなわち、センサーアレイ３０におけるセンサーの配列方向（第１方向および第２方向のいずれか）と平行になるように）枝光束の進行方向が変換される。なお、このミラーアレイについては、図６で説明したミラーアレイ６０と同様の構造を有している。

図８は、測定装置２のＢ−Ｂ断面を示す図である。光分岐素子２０は既に説明したように、光源１０から出力される本光束をｎ×ｎ個の枝光束に分岐する。これらの枝光束は、それぞれプローブ光として用いられる。この例で、各枝光束は直線偏光である。偏波面の方向および偏波消光比を厳密に制御したい場合は、センサーアレイ３０との間に偏光板を挿入してもよい。各センサー３１内のアルカリ金属原子はポンピングされ励起状態になる。この原子は、枝光束の偏光状態に応じてスピン偏極し、そこで印加されている磁場に反応し、さらに枝光束の光の状態を変化させる。その結果、枝光束は線形二色性などの光学活性作用を受ける。

プリズムミラー７０は、センサー３１（ガスセル）を透過した枝光束（プローブ光）を反射させる。ここでは入射光と反射光とが完全に重ならないように、入射角が０°からわずかにずれている。反射した枝光束は、再びガスセルを透過しながらアルカリ金属原子を光ポンピングし、磁場の作用から自らも光学活性の作用を受ける。プリズムミラー７０で反射した枝光束は、二次元光分岐素子を透過する。

偏向プリズム８０は、光分岐素子２０を透過した枝光束の進行方向を偏光計９０の方向に偏光する。なお、偏向プリズム８０の代わりにミラーが用いられてもよい。

偏光計９０は、偏向プリズム８０を透過した枝光束の偏波面の方位（回転角）を検出する。ガスセルで線形二色性などの光学活性作用を受けた直線偏光は、結果的に偏波面の回転と同等の作用を受けるため、偏波面方位から磁場強度を計測することができる。

なお、光分岐素子２０に対し、２以上の方向から光束が入射されてもよい。例えば、図８において、光源１０と反対側（光源１０を左に見たとき、基板２１の右側）から光束が入射されてもよい。この場合、光分岐素子２０には、各光源に対応する位置に光取り出し部が設けられる。

本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。以下、変形例をいくつか説明する。以下の変形例のうち２つ以上のものが組み合わせて用いられてもよい。

図７では、４方向からポンピング光が入射される例を説明したが、ポンピング方向は、３方向以下の方向から入射されてもよい。また、図７では、２ビームの光ポンピング型の磁気測定装置の例を説明したが、１つの光束がポンピング光とプローブ光との機能を兼ねる１ビームの光ポンピング型の磁気測定装置にセンサーアレイシステム１が用いられてもよい。

測定装置２は磁気測定装置に限定されない。光を用いて物理量の空間分布を測定するものであれば、どのような装置であってもよい。測定装置２は、例えば、板状部材の歪み、偏光フィルムの偏波消光比や吸収率分布、または気体の屈折率等の空間分布を測定する装置であってもよい。

実施形態において、光分岐素子２０は３つ以上の枝光束を出射する例（すなわち入射した本光束を３つ以上の枝光束に分岐する例）を説明したが、光分岐素子は入射した本光束を２つの枝光束に分岐するものであってもよい。この場合、光取り出し部は、図３〜５から導かれた条件（１）および（２）を満たしていなくてもよい。

１…センサーアレイシステム、２…測定装置、１０…光源、２０…光分岐素子、２１…基板、３０…センサーアレイ、３１…センサー、４０…光分岐素子、５０…１次元光分岐素子、６０…ミラーアレイ、７０…プリズムミラー、８０…偏向プリズム、９０…偏光計、２１１…面、２１２…面、２１１１…光取り出し部、２１１２…光取り出し部

Claims (8)

1. 第１面と、
   前記第１面と対向する第２面と、
   前記第１面において光束が入射する第１領域に設けられ、当該第１領域に入射した光束から枝光束を取り出す第１光取り出し部と、
   前記第１面において、前記第１領域で反射されさらに前記第２面で反射された前記光束が照射される第２領域の前記第１光取り出し部に相当する部分以外の部分に設けられ、当該第２領域に入射した光束から枝光束を取り出す第２光取り出し部と
   を有する光分岐素子。
2. 前記第１光取り出し部および前記第２光取り出し部を含む３つ以上の光取り出し部を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の光分岐素子。
3. 前記３つ以上の光取り出し部は、所定の周期で等間隔に配置されている
   ことを特徴とする請求項２に記載の光分岐素子。
4. 前記枝光束の本数Ｎ、前記第１面で反射された前記光束が前記第２面で反射され再び前記第１面に入射する周期Ｍ、および前記第１光取り出し部と前記２光取り出し部の間隔Ｐが、
   Ｍ＝Ｎの場合、ＰとＭは互いに素である
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の光分岐素子。
5. 前記枝光束の本数Ｎ、前記第１面で反射された前記光束が前記第２面で反射され再び前記第１面に入射する周期Ｍ、および前記第１光取り出し部と前記２光取り出し部の間隔Ｐが、
   Ｍ＞Ｎの場合、Ｐ＝１またはＰ＝Ｍ＋１である
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の光分岐素子。
6. 前記３つ以上の光取り出し部は、前記第１面において２方向に配置されている
   ことを特徴とする請求項２または３に記載の光分岐素子。
7. 前記光束を出力する光源と、
   請求項１ないし６のいずれか一項に記載の光分岐素子と
   を有する光分岐システム。
8. 前記光束を出力する光源と、
   請求項１ないし６のいずれか一項に記載の光分岐素子と、
   前記光分岐素子から取り出された光を用いて物理量を計測する光センサーが複数配置された光センサーアレイと
   を有する測定装置。