JP2015137996A - 計測システム、ファブリーペロー共振器及び計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】利便性が高く、良好なＳＮ比で精度良く計測を行うことが可能な計測システム、ファブリーペロー共振器及び計測方法を提供する。【解決手段】計測システム１０は、低コヒーレンス光を射出する低コヒーレンス光源１２と、周波数に関して離散的な光透過帯域を持ち、低コヒーレンス光を受光して特定の光周波数成分のみを透過するエタロン１６と、エタロン１６を透過した光周波数成分を使用する計測器１４とを備える。エタロン１６は、第１の取り付け部３１を介して低コヒーレンス光源１２に接続され、第２の取り付け部３２を介して計測器１４に接続される。低コヒーレンス光源１２から発せられる低コヒーレンス光はエタロン１６の光共振部３０に導かれ、光共振部３０から射出され特定の光周波数成分は計測システム１０に導かれる。【選択図】図９

Description

本発明は計測器への光周波数成分の供給手法に係り、特に低コヒーレンス光に基づいて所望の周波数の光成分のみを計測器に供給する手法に関する。

測長等の各種の計測において光の干渉を利用した様々な手法が提案されており、工業分野や医療分野において広く活用されている。例えば白色光やレーザ光の干渉を利用する干渉計は、測定対象までの距離をナノメートルのオーダーで精度良く測定することが可能である。また光干渉断層撮影法（ＯＣＴ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）では、光の干渉を利用した患部の断層画像を取得することが可能である。

例えば低コヒーレンス長の光を利用した二光束干渉計では、時間コヒーレンス性の低い光源を使用し、測定光の光路長と参照光の光路長とが等しい場合は干渉縞の振幅が最大になり、測定光及び参照光の光路長差が大きくなるに従って干渉縞の振幅は徐々に小さくなることを利用した計測が行われる。したがって二光束干渉計では、干渉縞パターンのエンベロープから最大振幅を示す干渉縞を決定することで、精密な位置決め等の計測を行うことが可能である。

二光束干渉計の応用例として、タンデム低コヒーレンス干渉を利用したタンデム干渉計が知られている（特許文献１参照）。タンデム干渉計は、低コヒーレンス干渉を利用した参照干渉計及び測定干渉計を有し、光源、参照干渉計、測定干渉計及び光検出器の順に配置される。このタンデム干渉計では、参照干渉計（又は測定干渉計）における参照光と測定光との光路長差が低コヒーレンス光のコヒーレンス長よりも長いと、参照干渉計（又は測定干渉計）だけでは干渉が生じない。したがって参照干渉計及び測定干渉計における参照光と測定光との光路長差は、低コヒーレンス光のコヒーレンス長よりも長く設定される。この場合、参照干渉計からの出力光を測定干渉計に入射させると「参照干渉計における参照光と測定光との光路長差」と「測定干渉計における参照光と測定光との光路長差」とが等しい時のみ、通常の単一干渉計（二光束干渉計）と同様の干渉縞が形成されるため、精密な位置決め等の計測を行うことが可能である。

特開２００９−１１５４８６号公報

上述の二光束干渉計（低コヒーレンス干渉計）は、空間位置の精密計測に関しては有効であるが、測定光の光路長と参照光の光路長との差がゼロの場合においてしか干渉縞が形成されず、光路長差がゼロの場合のみしか計測ができないため不便である。

また上述のタンデム干渉計は、測定干渉計における測定光の光路長と参照光の光路長との差がゼロ以外の場合にも活用可能であり利便性が高いが、タンデム干渉計の検出信号のＳＮ比（Ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−Ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ）は通常の二光束干渉計と比べて８分の１程度に低下する。

したがって、利便性が高く且つ良好なＳＮ比を有する新たな測定手法の提案が望まれている。

本発明は上述の事情に鑑みてなされたものであり、利便性が高く、良好なＳＮ比で精度良く計測を行うことが可能な光干渉計測手法を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、低コヒーレンス光を射出する低コヒーレンス光源と、周波数に関して離散的な光透過帯域を持ち、低コヒーレンス光を受光して特定の光周波数成分のみを透過するファブリーペロー共振器と、ファブリーペロー共振器を透過した特定の光周波数成分を使用する計測器とを備える計測システムに関する。

本態様によれば、低コヒーレンス光に基づいて、離散的な周波数帯域の光周波数成分を計測器に供給することができる。これにより、低コヒーレンス光源を用いる場合であっても、離散的な周波数帯域の光周波数成分を利用した計測を行うことができる。このように本態様の計測システムは、低コヒーレンス光を利用した計測器に適用可能であるため利便性が高く、また良好なＳＮ比で精度良く所望の計測を行うことができる。

なお、ここでいう「低コヒーレンス光（ｌｏｗ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｌｉｇｈｔ）」は、波長スペクトルバンド幅の広い光全般を含みうるものであり、例えば可干渉距離が短い白色光を低コヒーレンス光として使用可能である。また低コヒーレンス光源は、低コヒーレンス光を射出可能な任意の構成を採ることが可能であり、例えば白熱灯、アーク灯、発光ダイオード（ＬＥＤ）、スーパールミネセントダイオード（ＳＬＤ）、多モードレーザダイオード等を低コヒーレンス光源として好適に使用することができる。

また「計測器」は、周波数に関して離散的な帯域を持つ光成分を用いて計測可能な機器類であれば特に限定されず、例えば測長デバイス、位置決めデバイス、光干渉画像取得デバイス、等を「計測器」として使用することができる。

望ましくは、周波数に関して隣接するファブリーペロー共振器の光透過帯域の間隔は一定である。

本態様によれば、周波数に関して一定間隔の特定の光周波数成分を計測器に供給することができる。

なお周波数に関して一定間隔の「特定の光周波数成分」の一例として、等間隔に並ぶ多数の光周波数モード列によって構成されるいわゆる「光コム」があり、この光コムの光周波数モード列はオフセット周波数及び繰り返し周波数によって表される。

望ましくは、オフセット周波数をｆ_０とし、繰り返し周波数をｆ_ｒｅｐとし、０以上の整数をＮとすると、ファブリーペロー共振器の光透過帯域は、ｆ＝ｆ_０＋Ｎ×ｆ_ｒｅｐで表される複数の周波数を含む。

本態様によれば、光コムと同様の周波数帯域を持つ特定の光周波数成分がファブリーペロー共振器から射出される。したがって、光コムを用いた計測と同様の計測を、低コヒーレンス光源を用いて計測器で行うことができる。

望ましくは、ファブリーペロー共振器は複数設けられ、当該複数のファブリーペロー共振器はそれぞれ異なる光透過帯域を有し、計測器は、複数のファブリーペロー共振器のうちのいずれか１つを透過した前記特定の光周波数成分を使用する。

本態様によれば、周波数帯域の異なる複数種類の「特定の光周波数成分」が複数のファブリーペロー共振器によって生成可能であり、計測器に供給される光成分は、その複数種類の特定の光周波数成分の中から選ばれる。したがって、計測器には複数種類の特定の光周波数成分を供給することが可能となり、計測器では様々な周波数特性を持つ光周波数成分を利用して適応性の高い計測を行うことができる。

望ましくは、計測システムは、複数のファブリーペロー共振器の各々に光路を介して接続されるスイッチデバイスであって、光路を切り換えて複数のファブリーペロー共振器のうちのいずれか１つに低コヒーレンス光を誘導して受光させるスイッチデバイスを備える。

本態様によれば、低コヒーレンス光源からの低コヒーレンス光を受光するファブリーペロー共振器をスイッチデバイスによって切り換えることができ、複数種類の「特定の光周波数成分」の中から選ばれる特定種類の光周波数成分を計測器に簡便に供給することができる。

なおスイッチデバイスの構成は特に限定されず、光路を切り換えて所望のファブリーペロー共振器に低コヒーレンス光を誘導することができる任意の構成をスイッチデバイスは採りうる。

望ましくは、ファブリーペロー共振器は、離間して配置される第１の反射部及び第２の反射部と、第１の反射部と第２の反射部との間の反射域とを有し、第１の反射部は低コヒーレンス光を透過し、第２の反射部は特定の光周波数成分のみを透過する。

本態様によれば、低コヒーレンス光源からの低コヒーレンス光は第１の反射部を透過して反射域に導入され、離間配置される第１の反射部及び第２の反射部によって形成される共振部は狭帯域通過フィルタとして機能し、特定の光周波数成分のみが第２の反射部から射出される。

なお「反射域」の構成要素は特に限定されず、石英などの固体の媒質によって反射域を構成するソリッドエタロンによってファブリーペロー共振器を構成してもよいし、空間（エア）によって反射域を構成するエアギャップエタロンによってファブリーペロー共振器を構成してもよい。

望ましくは、ファブリーペロー共振器は、第１の光誘導路が設けられる第１の取り付け部と、第２の光誘導路が設けられる第２の取り付け部とを有し、第１の取り付け部を介して低コヒーレンス光源に接続され、第２の取り付け部を介して計測器に接続され、第１の光誘導路は低コヒーレンス光源からの低コヒーレンス光を第１の反射部に誘導し、第２の光誘導路は第２の反射部を透過した特定の光周波数成分を計測器に誘導する。

本態様によれば、低コヒーレンス光源からの低コヒーレンス光を第１の光誘導路を介してファブリーペロー共振器の第１の反射部に確実に誘導し、またファブリーペロー共振器（第２の反射部）からの特定の光周波数成分を第２の光誘導路を介して計測器に確実に誘導することができる。

なお、ファブリーペロー共振器の第１の取り付け部は直接的又は間接的に低コヒーレンス光源に接続されればよい。したがって低コヒーレンス光源からの低コヒーレンス光がファブリーペロー共振器（第１の反射部）に供給されるのであれば、低コヒーレンス光源と第１の取り付け部（ファブリーペロー共振器）との間に他の部材が介在してもよい。同様にファブリーペロー共振器の第２の取り付け部は直接的又は間接的に計測器に接続されればよい。したがってファブリーペロー共振器（第２の反射部）からの特定の光周波数成分が計測器に供給されるのであれば、第２の取り付け部（ファブリーペロー共振器）と計測器との間に他の部材が介在してもよい。

本発明の他の態様は、低コヒーレンス光源と計測器とに接続されるファブリーペロー共振器であって、低コヒーレンス光源に接続される第１の取り付け部と、計測器に接続される第２の取り付け部と、周波数に関して離散的な光透過帯域を持ち、低コヒーレンス光源からの低コヒーレンス光を受光して特定の光周波数成分のみを透過する光共振部とを備えるファブリーペロー共振器に関する。

本態様によれば、低コヒーレンス光源と計測器とにファブリーペロー共振器を簡便に接続可能であり、例えば既存の低コヒーレンス干渉計に対しても好適に取り付けることが可能である。本態様のファブリーペロー共振器を低コヒーレンス光源及び計測器に取り付けることで、良好なＳＮ比を保ちつつ精度良く所望の計測を行うことができる。

本発明の他の態様は、低コヒーレンス光源から低コヒーレンス光を射出するステップと、周波数に関して離散的な光透過帯域を持つファブリーペロー共振器に、低コヒーレンス光を入射して特定の光周波数成分をファブリーペロー共振器から射出するステップと、ファブリーペロー共振器から射出した特定の光周波数成分を使用して計測を行うステップとを含む計測方法に関する。

本発明によれば、低コヒーレンス光に基づいて離散的な周波数帯域の光周波数成分を計測器に供給することが可能となる。したがって、既存の低コヒーレンス光源及び計測器に本発明に係るファブリーペロー共振器を適用することができるため利便性が高く、簡素な装置構成によって良好なＳＮ比で精度良く所望の計測を行うことができる。

一般的な低コヒーレンス干渉を利用した計測システムの概念図である。 本発明の一実施形態に係る計測システムの概念図である。 エタロンの構成例を示す側面図である。 エタロンの透過特性の一例を示すグラフである。 エタロンの透過特性の一例を示す図であり、横軸（Ｘ軸）は周波数を表し、縦軸（Ｙ軸）は透過率を表す。 図５に示すエタロンの透過特性において透過率のピークを示す周波数を「周波数（Ｘ軸）−電場（Ｙ軸）」に基づいて表した図である。 エタロンから射出される特定波長光（透過特性）を「時間（Ｘ軸）−電場（Ｙ軸）」に基づいて表した図である。 エタロンの具体的な構成例を示す側面図である。 第１実施例に係る計測システムの構成を示す概略図である。 第１実施例に係る計測システムを適用したマイケルソン干渉計の構成例を示す。 第２実施例に係る計測システムの構成を示す概略図である。 第２実施例に係る計測システムを適用したマイケルソン干渉計の構成例を示す。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、一般的な低コヒーレンス干渉を利用した計測システム（低コヒーレンス干渉計測システム）の概念図である。図２は、本発明の一実施形態に係る計測システムの概念図である。

一般的な計測システム１０は、図１に示すように低コヒーレンス光源１２が発する低コヒーレンス光Ｌが計測器１４に送られて各種の計測が行われる。これに対して本例の計測システム１０は、図２に示すように、低コヒーレンス光源１２が発する低コヒーレンス光Ｌがエタロン１６によって受光され、エタロン１６から射出される特定波長光Ｓが計測器１４に送られて各種の計測が行われる。

低コヒーレンス光を射出する低コヒーレンス光源１２は特に限定されず、コヒーレンス長が数μｍ〜数百μｍの範囲にある多波長光を低コヒーレンス光Ｌとして射出しうる各種の光源を、低コヒーレンス光源１２として使用しうる。したがって例えば、白熱灯、アーク灯、発光ダイオード（ＬＥＤ）、スーパールミネセントダイオード（ＳＬＤ）、多モードレーザダイオード等を低コヒーレンス光源１２として好適に使用することができる。

エタロン１６は、いわゆるファブリーペロー共振器によって構成され、光の周波数に関して離散的な光透過帯域を持ち、低コヒーレンス光を受光して特定の光周波数成分のみを透過する。エタロン１６の構成例の詳細については後述する（図３参照）。

計測器１４は、エタロン１６（ファブリーペロー共振器）を透過した光周波数成分を使用して計測を行うが、計測器１４において行われる計測対象は特に限定されない。例えば、距離計測、位置決め計測、ＯＣＴ等における生態断層画像取得のための計測、等の各種の計測を、計測器１４において行うことが可能である。

図３は、エタロン１６の構成例を示す側面図である。

本例のエタロン１６は、干渉間距離が固定されたファブリーペロー干渉系であり、離間して配置される一対の反射プレート（反射部）２２（第１の反射プレート２２Ａ及び第２の反射プレート２２Ｂ）と、第１の反射プレート２２Ａと第２の反射プレート２２Ｂとの間の反射域２４とを有する。

第１の反射プレート２２Ａは、低コヒーレンス光源１２からの低コヒーレンス光Ｌを透過するが、第２の反射プレート２２Ｂからの光は反射する。一方、第２の反射プレート２２Ｂは特定の光周波数成分のみを透過し、他の周波数帯域の光成分を反射する。

反射域２４は、第１の反射プレート２２Ａと第２の反射プレート２２Ｂとの間で入射光が反射を繰り返す領域であり、反射域２４を構成する要素は特に限定されない。例えば、反射域２４が空間（エア）によって構成されるエタロン１６はエアギャップエタロンと呼ばれ、反射域２４が固体（石英等）によって構成されるエタロン１６はソリッドエタロンと呼ばれる。

本例のエタロン１６に光（低コヒーレンス光Ｌ）が入射すると、対向する反射部２２間で入射光は反射を繰り返し、干渉効果によって特定の波長成分（周波数成分）が強められて第２の反射プレート２２Ｂを透過してエタロン１６から射出する。エタロン１６から射出される光の特性は、ＦＳＲ（自由スペクトル領域）とフィネス（Ｆｉｎｅｓｓｅ）により特定される。

図４は、エタロン１６の透過特性の一例を示すグラフである。図４の横軸（Ｘ軸）はフリンジ次数（ｍ、ｍ＋１、ｍ＋２）を示し、縦軸（Ｙ軸）はエタロン１６（第２の反射プレート２２Ｂ）の透過率を示す。

周波数に関して隣接する「エタロン１６（ファブリーペロー共振器）の光透過帯域」の間隔は一定である。すなわち、エタロン１６（第２の反射プレート２２Ｂ）の透過帯域の間隔（隣接する透過率ピーク周波数成分の間隔）を表す「自由スペクトル領域（ＦＳＲ）」と透過ピークの半値全幅である「周波数分解能（ＦＷＨＭ）」とに基づいてエタロン１６の特性が定まる。またフィネスＦは「Ｆ＝ＦＳＲ／ＦＷＨＭ」によって表され、干渉縞の鋭さ（シャープネス）の程度を示す指標となる。

図５は、エタロン１６の透過特性の一例を示す図であり、横軸（Ｘ軸）は周波数を表し、縦軸（Ｙ軸）は透過率を表す。図５に示すように透過率のピーク（高透過率）を示す周波数は、離散的に出現し、隣接する透過率のピークの間隔はＦＳＲに基づいて定められる。

図６は、図５に示すエタロン１６の透過特性において透過率のピークを示す周波数を「周波数（Ｘ軸）−電場（Ｙ軸）」に基づいて表した図である。

図６に示すように、オフセット周波数をｆ_０とし、繰り返し周波数をｆ_ｒｅｐとし、０以上の整数をＮとすると、エタロン１６の光透過帯域は「ｆ＝ｆ_０＋Ｎ×ｆ_ｒｅｐ」で表される複数の光周波数成分を含み、それらの光周波数成分が透過率のピークを示す。

このようにエタロン１６からの射出光は、「ｆ＝ｆ_０＋Ｎ×ｆ_ｒｅｐ」で表される光周波数成分を含むため、一種の光コムとみなしうる。光コムは、一定の繰り返し周波数で決まる周波数間隔を持つ多波長（多周波数）の光成分を含み、光コムに含まれる光成分の周波数ｆは一般に「ｆ＝ｆ_０＋Ｎ×ｆ_ｒｅｐ」で表される。したがって本例のエタロン１６は、一種の光コムとして機能しうる特定波長光Ｓを透過し、計測器１４に向かって射出する。

図７は、エタロン１６から射出する特定波長光Ｓ（透過特性）を「時間（Ｘ軸）−電場（Ｙ軸）」に基づいて表した図である。エタロン１６からの特定波長光Ｓは、時間軸上で一定の周期Ｔでパルス列Ｐが現れ、この周期Ｔは「Ｔ＝１／ｆ_ｒｅｐ」で表される。

本例の計測システム１０（図２参照）では、このエタロン１６からの特定波長光Ｓの周期性を利用することで、光コムを利用した計測と同様の効果を得ることが可能になる。とりわけ一般的な計測システム１０の低コヒーレンス光源１２及び計測器１４（図１参照）の各々に対して本態様のエタロン１６を着脱自在とすることで、一般的な計測システム１０の機能を非常に簡便に向上させることができる。

図８は、エタロン１６の具体的な構成例を示す側面図である。

本例のエタロン１６（ファブリーペロー共振器）は、第１の光誘導路３７が設けられる第１の取り付け部３１と、第２の光誘導路３８が設けられる第２の取り付け部３２と、第１の取り付け部３１と第２の取り付け部３２との間に設けられる光共振部３０とを有する。

第１の取り付け部３１は、低コヒーレンス光源１２との接続端子を構成する第１の端子３５と、第１の端子３５と光共振部３０とを連結する第１の中間支持部３３と、光共振部３０への導光路を形成する第１の光誘導路３７とを有する。同様に、第２の取り付け部３２は、計測器１４との接続端子を構成する第２の端子３６と、第２の端子３６と光共振部３０とを連結する第２の中間支持部３４と、光共振部３０からの導光路を形成する第２の光誘導路３８とを有する。第１の端子３５及び第２の端子３６は任意の固定構造を有し、それぞれ低コヒーレンス光源１２及び計測器１４に対して的確に固定可能となっている。

図８に示されるエタロン１６は、第１の取り付け部３１を介して低コヒーレンス光源１２に接続され、また第２の取り付け部３２を介して計測器１４に接続される。低コヒーレンス光源１２、エタロン１６及び計測器１４が接続された状態で、低コヒーレンス光源１２における低コヒーレンス光Ｌの光路（図示省略）と第１の光誘導路３７とが連結され、また第２の光誘導路３８と計測器１４における特定波長光Ｓの光路（図示省略）とが連結される。

一方、光共振部３０は図３に示す一対の反射部２２（第１の反射プレート２２Ａ及び第２の反射プレート２２Ｂ）及び反射域２４を有し、周波数に関して離散的な光透過帯域を持つ。本例の光共振部３０は、低コヒーレンス光源１２から第１の光誘導路３７を介して低コヒーレンス光Ｌを受光し、特定の光周波数成分（特定波長光Ｓ）のみを第２の光誘導路３８を介して計測器１４に送る。

すなわち、低コヒーレンス光源１２からの低コヒーレンス光Ｌは第１の光誘導路３７を介して光共振部３０に入射し、第２の光誘導路３８を介して光共振部３０から計測器１４に特定波長光Ｓが入射する。より具体的には、第１の光誘導路３７は低コヒーレンス光源１２からの低コヒーレンス光Ｌを第１の反射プレート２２Ａ（図３参照）に誘導し、第２の光誘導路３８は第２の反射プレート２２Ｂ（図３参照）を透過した光周波数成分（特定波長光Ｓ）を計測器１４に誘導する。

このように本例のエタロン１６は、第１の取り付け部３１及び第２の取り付け部３２を介して簡便に低コヒーレンス光源１２及びエタロン１６に対して接続可能である。そして光共振部３０は、第１の取り付け部３１を介して低コヒーレンス光源１２から低コヒーレンス光Ｌを受光し、第２の取り付け部３２を介して計測器１４へ特定波長光Ｓを射出する。

以下、本例のエタロン１６の応用例について説明する。

＜第１実施例＞
本例は、単一のエタロン１６を計測システム１０に対して取り付ける態様を示す。

図９は、第１実施例に係る計測システム１０の構成を示す概略図である。本例では、計測システム１０の光源側光路４２に対してエタロン１６の第１の取り付け部３１が接続され、計測システム１０の計測器側光路４４に対してエタロン１６の第２の取り付け部３２が接続される。

すなわち、計測システム１０の低コヒーレンス光源１２とエタロン１６とが光源側光路４２及び第１の取り付け部３１を介して接続され、また計測器１４とエタロン１６とが第２の取り付け部３２及び計測器側光路４４を介して接続される。

したがって低コヒーレンス光源１２で発せられた低コヒーレンス光Ｌは、光源側光路４２及び第１の取り付け部３１（第１の光誘導路３７（図８参照））を介して光共振部３０に入射する。また光共振部３０から射出される光周波数成分（特定波長光Ｓ）は、第２の取り付け部３２（第２の光誘導路３８（図８参照））及び計測器側光路４４を介して計測器１４に入射する。計測器１４は、これらの一連のステップを経て入射される特定波長光Ｓを用いて任意の計測を行う。

図１０は、第１実施例に係る計測システム１０を適用したマイケルソン干渉計の構成例を示す。図１０に示す計測システム１０は、低コヒーレンス光源１２と、計測器１４と、低コヒーレンス光源１２と計測器１４との間に設けられるエタロン１６とを備える（図２参照）。計測器１４は、ビームスプリッタ５２、測定対象５４、参照ミラー５６及び光検出器５８を含む。

低コヒーレンス光源１２から射出される低コヒーレンス光Ｌはエタロン１６に入射し、エタロン１６から特定波長光Ｓが射出される。エタロン１６から射出された特定波長光Ｓはビームスプリッタ５２によって二等分され、分割された特定波長光Ｓの一方はビームスプリッタ５２から測定対象５４に向かって進行し、分割された特定波長光Ｓの他方はビームスプリッタ５２から参照ミラー５６に向かって進行する。

測定対象５４に照射される特定波長光Ｓは、測定対象５４によって反射され、測定光Ｍとして測定対象５４からビームスプリッタ５２に向かって進行する。測定対象５４からの測定光Ｍは、ビームスプリッタ５２によって反射され、ビームスプリッタ５２から光検出器５８に向かって進行し、光検出器５８によって受光される。

一方、参照ミラー５６に照射される特定波長光Ｓは、参照ミラー５６によって反射され、参照光Ｒとして参照ミラー５６からビームスプリッタ５２に向かって進行する。参照ミラー５６からの参照光Ｒは、ビームスプリッタ５２を透過して光検出器５８に向かって進行し、光検出器５８によって受光される。

光検出器５８は、参照ミラー５６からの参照光Ｒ及び測定対象５４からの測定光Ｍを受光し、参照光Ｒ及び測定光Ｍの干渉状態を検出する。

エタロン１６を含まない一般的な計測システム１０（低コヒーレンス光を測定対象５４及び参照ミラー５６に照射するマイケルソン干渉計）では、測定光Ｍの光路長と参照光Ｒの光路長とが等しい場合にのみ参照光Ｒ及び測定光Ｍが干渉して光強度（電場）が大きくなる。これは、低コヒーレンス光はコヒーレンス長（可干渉距離）Δｌｃが非常に短く時間コヒーレンスが極めて低く、測定光Ｍの光路長と参照光Ｒの光路長差が「Δｌｃ／２」の範囲内でのみ測定光Ｍと参照光Ｒとが相互に干渉し合うことに起因する。

一方、図１０に示すエタロン１６を含む本例の計測システム１０では、「光コム状の特定波長光Ｓ（図５及び図６参照）」が測定対象５４及び参照ミラー５６に照射されるため、「低コヒーレンス光」が測定対象５４及び参照ミラー５６に照射される一般的な計測システム１０に比べてワーキングディスタンス（計測可能範囲）が拡大する。

すなわち、エタロン１６から射出される光コム状の光信号を利用した計測システム１０のワーキングディスタンスは、エタロン１６のＦＳＲ（図４参照）に応じて定まる。より具体的には、エタロン１６を含まない一般的な低コヒーレンス光を利用した計測システム１０によって計測可能な「測定光Ｍの光路長と参照光Ｒの光路長とが等しくなる測定対象５４の位置（以下「ゼロ点位置」とも呼ぶ）」に加え、ゼロ点位置から「ｎ×ｃ×Ｔ／２＝ｎ×ｃ／（２×ｆ_ｒｅｐ）（ただし「ｎ」は１以上の整数を表し、「ｃ」は特定波長光Ｓの速度を表し、「Ｔ」は特定波長光Ｓの時間軸上におけるパルス列Ｐの周期（図７参照）を表し、「ｆ_ｒｅｐ」は特定波長光Ｓの繰り返し周波数（図６参照）を表す）」だけ離れた位置の計測が可能となる。

したがって図１０に示す本例の計測システム１０によれば「Ｌ＝Ｌ_０＋Ｎ×ｃ／（２×ｆ_ｒｅｐ）（ただし「Ｌ_０」はゼロ点位置を表し、「Ｎ」は０以上の整数を表し、「ｃ」は特定波長光Ｓの速度を表し、「ｆ_ｒｅｐ」は特定波長光Ｓの繰り返し周波数（図６参照）を表す）」によって表される離散的な位置Ｌ毎の計測が可能になる。ここでいう離散的な位置Ｌは、測定対象５４におけるゼロ点位置Ｌ_０から、特定波長光Ｓが測定対象５４に向かう方向において「Ｎ×ｃ／（２×ｆ_ｒｅｐ）」だけ離れた位置を示す。

これは、エタロン１６から射出される特定波長光Ｓは時間軸上で複数のパルス列Ｐを有すること（図７参照）によるものである。時間軸上で連続するｎ番目のパルス列Ｐ、ｎ＋１番目のパルス列Ｐ及びｎ＋２番目のパルス列Ｐを想定した場合（ただし「ｎ」は１以上の任意の整数を表す）、ゼロ点位置で反射された測定光Ｍと参照光Ｒとは、同じ次数のパルス列Ｐ同士が干渉し合う。また、測定光Ｍと参照光Ｒとの光路長差が「ｃ×Ｔ／２＝ｃ／（２×ｆ_ｒｅｐ）」となる位置で反射された測定光Ｍと参照光Ｒとは、１つ違いの次数のパルス列Ｐ同士（例えば、測定光Ｍのｎ＋１番目のパルス列Ｐと参照光Ｒのｎ番目のパルス列Ｐ）が干渉し合う。同様に、測定光Ｍと参照光Ｒとの光路長差が「ｃ×Ｔ＝ｃ／ｆ_ｒｅｐ」となる位置で反射された測定光Ｍと参照光Ｒとは、２つ違いの次数のパルス列Ｐ同士（例えば、測定光Ｍのｎ＋２番目のパルス列Ｐと参照光Ｒのｎ番目のパルス列Ｐ）が干渉し合う。このように、測定光Ｍと参照光Ｒとの光路長差が「Ｎ×ｃ×Ｔ／２＝Ｎ×ｃ／（２×ｆ_ｒｅｐ）（ただし「Ｎ」は０以上の整数を表す）」となる位置で反射された測定光Ｍと参照光Ｒとは干渉し合うため、本例の計測システム１０によれば、上記の「Ｌ＝Ｌ_０＋Ｎ×ｃ／（２×ｆ_ｒｅｐ）」で表される離散的な位置Ｌ毎の計測が可能になる。

以上説明したように、低コヒーレンス光源１２と計測器１４との間にエタロン１６を介在させ、エタロン１６から射出される光コム状の特定波長光Ｓを利用した計測を行うことで、ワーキングディスタンス（計測可能範囲）を拡げることができる。特に本例のエタロン１６は計測システム１０（低コヒーレンス光源１２及び計測器１４）に対して着脱自在に設けられているため（図８参照）、エタロン１６を含まない既存の計測システム１０に対して本例のエタロン１６を装着することで、ワーキングディスタンス（計測可能範囲）を簡便に拡げることができる。

また移動量が長い精密ステージは高価であるとともに移動に時間を要するが、本例のエタロン１６（光ファイバーエタロン）は既存の低コヒーレンス干渉計に簡単に挿入可能であり、使用ステージの走査量（長さ）を極端に短くすることができる。

＜第２実施例＞
本例は、エタロン１６（ファブリーペロー共振器）が複数設けられ、これらの複数のエタロン１６はそれぞれ異なる光透過帯域（特にＦＳＲ）を有し、低コヒーレンス光源１２からの低コヒーレンス光Ｌを受光させるエタロンが択一的に決められる。

図１１は、第２実施例に係る計測システム１０の構成を示す概略図である。なお、上述の第１実施例と同一の構成には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

本例では、それぞれエタロンが設けられた複数の光路が設けられ、低コヒーレンス光源１２からの低コヒーレンス光Ｌを受光させるエタロンが択一的に決められる。すなわち、光源側光路４２にはスイッチデバイス６２が接続され、このスイッチデバイス６２からは第１の光選択路６５、第２の光選択路６６及び第３の光選択路６７が延在する。第１の光選択路６５には第１のエタロン６８が設けられ、第２の光選択路６６には第２のエタロン６９が設けられ、第３の光選択路６７には第３のエタロン７０が設けられている。第１の光選択路６５、第２の光選択路６６及び第３の光選択路６７は、合流部６４を介して計測器側光路４４に接続される。

複数のエタロン６８、６９、７０の各々に光路（光選択路６５、６６、６７）を介して接続されるスイッチデバイス６２は、光路を切り換え、複数のエタロン６８、６９、７０のうちのいずれか１つに低コヒーレンス光を誘導して受光させる。すなわちスイッチデバイス６２は、光源側光路４２を介して受光した低コヒーレンス光源１２からの低コヒーレンス光Ｌを、第１の光選択路６５、第２の光選択路６６及び第３の光選択路６７の中から選択された光路に送る。

スイッチデバイス６２において光路を選択する手法及び選択された光路に低コヒーレンス光Ｌを送る手法は特に限定されず、例えばユーザによって光路が選択され、その選択された光路に低コヒーレンス光Ｌがガイドされるように低コヒーレンス光Ｌの光路を切り換える構成をスイッチデバイス６２は有することができる。

そして、スイッチデバイス６２によって決められた光路に設けられたエタロン（第１のエタロン６８、第２のエタロン６９又は第３のエタロン７０）は、低コヒーレンス光Ｌを受光して特定波長光Ｓを射出し、この特定波長光Ｓは合流部６４及び計測器側光路４４を介して計測器１４に送られる。計測器１４は、この「複数のエタロン６８、６９、７０のうちのいずれか１つを透過した光周波数成分（特定波長光Ｓ）」を使用して計測を行う。

なお、第１のエタロン６８、第２のエタロン６９及び第３のエタロン７０は上述の第１実施例と同様の構成を有し、第１の取り付け部３１及び第２の取り付け部３２（図８参照）を介して、それぞれ第１の光選択路６５、第２の光選択路６６及び第３の光選択路６７に接続される。ただし、第１のエタロン６８、第２のエタロン６９及び第３のエタロン７０は相互に光透過帯域（特にＦＳＲ）が異なる。

図１２は、第２実施例に係る計測システム１０を適用したマイケルソン干渉計の構成例を示す。なお図１２の計測システム１０において、上述の図１０に示す計測システム１０と同じ構成には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図１２に示す計測システム１０における低コヒーレンス光源１２及び計測器１４は、図１０に示す計測システム１０における低コヒーレンス光源１２及び計測器１４と同様の構成を有する。ただし本例の計測システム１０は、低コヒーレンス光源１２と計測器１４との間にエタロン切り換え部７２が設けられている。

エタロン切り換え部７２は、上述のスイッチデバイス６２、第１のエタロン６８、第２のエタロン６９、第３のエタロン７０及び合流部６４を有する。なお説明の便宜上、図１２では、図１１に示す第１の光選択路６５、第２の光選択路６６、第３の光選択路６７等の図示を省略しているが、図１２のエタロン切り換え部７２も図１１に示すこれらの構成要素を含む。

上述のように、低コヒーレンス光源１２からの低コヒーレンス光Ｌの光路がスイッチデバイス６２を介して選択され、選択された光路に設けられるエタロン（第１のエタロン６８、第２のエタロン６９又は第３のエタロン７０）から特定波長光Ｓが射出されて計測器１４（ビームスプリッタ５２）に入射する。

本例の計測システム１０では、第１実施例の計測システム１０（図１０参照）と同様に、ワーキングディスタンス（計測可能範囲）を簡便に拡げることができる。特に、第１のエタロン６８、第２のエタロン６９及び第３のエタロン７０の光透過帯域（特にＦＳＲ）が相違し、「ｃ×Ｔ／２＝ｃ／（２×ｆ_ｒｅｐ）（ただし「ｃ」は特定波長光Ｓの速度を表し、「Ｔ」は特定波長光Ｓの時間軸上におけるパルス列Ｐの周期（図７参照）を表し、「ｆ_ｒｅｐ」は特定波長光Ｓの繰り返し周波数（図６参照）を表す）」がエタロン間で異なる。そのため、計測可能位置Ｌの離散度が第１のエタロン６８、第２のエタロン６９及び第３のエタロン７０間で異なる。したがって、これらの複数のエタロン６８、６９、７０の中から選択される所望のエタロンに低コヒーレンス光Ｌを受光させて特定波長光Ｓを計測器１４に供給することにより、ユーザのニーズに応じた離散位置で計測が可能となる。

以上説明したように本実施例によれば、光透過帯域（ＦＳＲ）の異なる複数のエタロン（光ファイバーエタロン）を用いることによって、複数パターンの離散位置に関する計測を行うことができる。したがって、光透過帯域（ＦＳＲ）の異なるエタロンを多数設けることによって、所望空間位置における絶対的な計測が可能となる。

またスイッチデバイス６２を用いて低コヒーレンス光Ｌの光路を切り替え可能とすることで、光信号の強度低下を防ぐことができる。

以上説明したように上述の実施形態のエタロン１６を低コヒーレンス干渉計に適用することで、エタロン１６のＦＳＲに応じた干渉縞を形成することができ、通常のタンデム干渉計よりもＳＮ比が良好になる。

なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、任意の計測システム、計測方法及びファブリーペロー共振器に対して本発明を適用することが可能である。

１０…計測システム、１２…低コヒーレンス光源、１４…計測器、１６…エタロン、２２…一対の反射部、２２Ａ…第１の反射プレート、２２Ｂ…第２の反射プレート、２４…反射域、３０…光共振部、３１…第１の取り付け部、３２…第２の取り付け部、３３…第１の中間支持部、３４…第２の中間支持部、３５…第１の端子、３６…第２の端子、３７…第１の光誘導路、３８…第２の光誘導路、４２…光源側光路、４４…計測器側光路、５２…ビームスプリッタ、５４…測定対象、５６…参照ミラー、５８…光検出器、６２…スイッチデバイス、６４…合流部、６５…第１の光選択路、６６…第２の光選択路、６７…第３の光選択路、６８…第１のエタロン、６９…第２のエタロン、７０…第３のエタロン、７２…エタロン切り換え部、Ｌ…低コヒーレンス光、Ｓ…特定波長光、Ｍ…測定光、Ｒ…参照光、Ｔ…周期、Ｐ…パルス列

Claims (9)

1. 低コヒーレンス光を射出する低コヒーレンス光源と、
   周波数に関して離散的な光透過帯域を持ち、前記低コヒーレンス光を受光して特定の光周波数成分のみを透過するファブリーペロー共振器と、
   前記ファブリーペロー共振器を透過した前記特定の光周波数成分を使用する計測器とを備える計測システム。
2. 周波数に関して隣接する前記ファブリーペロー共振器の光透過帯域の間隔は一定である請求項１に記載の計測システム。
3. オフセット周波数をｆ_０とし、繰り返し周波数をｆ_ｒｅｐとし、０以上の整数をＮとすると、前記ファブリーペロー共振器の光透過帯域は、ｆ＝ｆ_０＋Ｎ×ｆ_ｒｅｐで表される複数の周波数を含む請求項１又は２に記載の計測システム。
4. 前記ファブリーペロー共振器は複数設けられ、当該複数のファブリーペロー共振器はそれぞれ異なる光透過帯域を有し、
   前記計測器は、前記複数のファブリーペロー共振器のうちのいずれか１つを透過した前記特定の光周波数成分を使用する請求項１〜３のいずれか一項に記載の計測システム。
5. 前記複数のファブリーペロー共振器の各々に光路を介して接続されるスイッチデバイスであって、前記光路を切り換えて前記複数のファブリーペロー共振器のうちのいずれか１つに前記低コヒーレンス光を誘導して受光させるスイッチデバイスを備える請求項４に記載の計測システム。
6. 前記ファブリーペロー共振器は、離間して配置される第１の反射部及び第２の反射部と、前記第１の反射部と前記第２の反射部との間の反射域とを有し、
   前記第１の反射部は前記低コヒーレンス光を透過し、前記第２の反射部は前記特定の光周波数成分のみを透過する請求項１〜５のいずれか一項に記載の計測システム。
7. 前記ファブリーペロー共振器は、第１の光誘導路が設けられる第１の取り付け部と、第２の光誘導路が設けられる第２の取り付け部とを有し、前記第１の取り付け部を介して前記低コヒーレンス光源に接続され、前記第２の取り付け部を介して前記計測器に接続され、
   前記第１の光誘導路は前記低コヒーレンス光源からの前記低コヒーレンス光を前記第１の反射部に誘導し、前記第２の光誘導路は前記第２の反射部を透過した前記特定の光周波数成分を前記計測器に誘導する請求項６に記載の計測システム。
8. 低コヒーレンス光源と計測器とに接続されるファブリーペロー共振器であって、
   前記低コヒーレンス光源に接続される第１の取り付け部と、
   前記計測器に接続される第２の取り付け部と、
   周波数に関して離散的な光透過帯域を持ち、前記低コヒーレンス光源からの低コヒーレンス光を受光して特定の光周波数成分のみを透過する光共振部とを備えるファブリーペロー共振器。
9. 低コヒーレンス光源から低コヒーレンス光を射出するステップと、
   周波数に関して離散的な光透過帯域を持つファブリーペロー共振器に、前記低コヒーレンス光を入射して特定の光周波数成分を前記ファブリーペロー共振器から射出するステップと、
   前記ファブリーペロー共振器から射出した前記特定の光周波数成分を使用して計測を行うステップとを含む計測方法。

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