JP2016153831A - 光遅延装置、光遅延方法、及び光遅延装置を用いた測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転型の光遅延装置において、扱うデータ量及び精度の低下を抑制できる技術を提供する。
【解決手段】入射光１０５としてのパルス光と出射光１０６としてのパルス光との間の光遅延を行う光遅延装置１００である。第１の反射体１０１が、回転中心と第１の半径とで規定される円周に沿って移動し、入射光の光軸と平行な軸に沿って入射光を折り返す。第２の反射体１０２が、第１の反射体から折り返された折り返しパルス光を、折り返しパルス光の光軸と同軸に反射して出射光を出射する。角度エンコーダ１１３が、円周上の第１の反射体の位置を検知するための、少なくとも一部の境界間の間隔が不等間隔である読取りパターン２１２を含む。読取りパターンの境界間の間隔は、出射光を用いて電磁波の時間領域の応答を測定する時間間隔から換算される光遅延の調整量と対応している。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転型の光遅延装置、光遅延方法、光遅延装置を用いた測定装置などに関する。

高速な時間領域の応答を測定する装置において実時間での測定が困難な場合、測定したい応答よりも十分短い信号を用いて時間領域で応答を切り出して測定する技術がある。この十分短い信号をサンプリング信号と呼び、時間領域で応答を切り出して測定する手法をサンプリング計測とも呼ぶ。

テラヘルツ波は、典型的には０.０３ＴＨｚから３０ＴＨｚの範囲のうちの任意の周波数帯域の成分を有する電磁波であり、テラヘルツ波の時間領域の応答もサンプリング計測で測定されることがある。特に、この時間領域でテラヘルツ波を測定する装置をＴＨｚ―ＴＤＳ（ＴＨｚ―Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）装置と呼ぶ。ＴＨｚ―ＴＤＳ装置では、テラヘルツ波検出器に到達するテラヘルツ波パルスを、数１０から数１００フェムト秒のパルス幅を有する光パルスでサンプリング計測する。このとき、テラヘルツ波検出器に到達する光パルスの光路長を変化させることで、テラヘルツ波検出器に到達するテラヘルツ波とパルス光との時間差を調整し、テラヘルツ波パルスの時間領域の応答を計測する。光遅延装置は、この光パルスの光路長を変化させ前記時間差を調整する装置である。

サンプリング計測を高速に実施するためには、光遅延装置において、テラヘルツ波パルスの時間領域の応答の測定に必要な光パルスの光路長を変化させる速度（掃引速度とも呼ぶ）を速くする必要がある。その解決手段として、特許文献１は、回転テーブルの中心から距離Ｒの位置に折り返しミラーを設置し、折り返しミラーを回転させる形態を開示している。折り返しミラーの回転角度θと光路長の変化ΔＬは、ΔＬ＝４Ｒｓｉｎθの関係があり、回転角度θを監視することで光路長の変化量を換算する。

特開２０１３−３３０９９号公報

ＴＨｚ−ＴＤＳ装置では、例えば、取得された時間領域の応答の時間波形をフーリエ変換して周波数スペクトル情報を取得する。この場合、時間波形を構成する複数のデータの時間間隔（サンプリング間隔）は、固定されている必要がある。そのため、時間波形を構成するデータの時間間隔に相当するパルス光の光路長の変化量（単位遅延量δＬとも呼ぶ）毎にデータを取得する。

ここで、特許文献１の技術は、回転角度θに対し光路長の変化量は線形でない。そして、一般的に、回転角度θを検出する角度エンコーダは、固定ピッチの目盛を用いたスケールを備えていることから、目盛が読み取る最小角度は固定されている。これらのことから、ＴＨｚ−ＴＤＳ装置のように、隣接するデータ間の単位遅延量δＬが固定される形態では、回転角度θに対する光路長の変化量の非線形性を補償する必要がある。例えば、装置は、時間波形を構成するデータの時間間隔よりも短い時間間隔でデータを取得する（オーバーサンプリングとも呼ぶ）。そして、取得したデータ群より、単位遅延量δＬに近似した遅延量毎のデータを抽出し時間波形を構成する。このため、装置が扱うデータ量が多くなる。

また、オーバーサンプリングによるデータ取得に係わる光遅延の調整量が、単位遅延量δＬの倍数から外れている場合、この光遅延の調整量に対応する時間領域の応答の瞬間値は検出されない可能性がある。そのため、回転角度θにより光路長の変化量を調整する光遅延装置を用いる形態では、少なくとも、単位遅延量δＬに対応するデータの取りこぼしを防止する対策が必要である。なぜなら、テラヘルツ波の測定のように測定したデータを時系列に並べる形式の場合、データの取りこぼしがあると、取りこぼしたデータに格納される値が不明であるために、隣接するデータに急峻な信号変化が生ずる懸念があるからである。また、測定データの平均時に、隣接するデータ間のＳＮ比が異なる懸念があるからである。例えば、データに抜けがあると、複数回測定した結果を積算する際に、時間軸上の位置毎にデータ数が異なることがあるため、時間軸上の位置毎にＳＮ比が異なることになる。これらの懸念の影響は、例えば、時間波形を周波数スペクトルに変換した際、疑スペクトルが本来のスペクトルに重畳するという形で現れる。このため、測定精度の低下を招くことがある。

本発明の一側面としての光遅延装置は以下の構成を有する。入射光としてのパルス光と出射光としてのパルス光との間の光遅延を行う光遅延装置であって、第１の反射体と、第２の反射体と、角度エンコーダと、を有する。第１の反射体は、回転中心と第１の半径とで規定される円周に沿って移動し、前記入射光の光軸と平行な軸に沿って前記入射光を折り返す。第２の反射体は、前記第１の反射体から折り返された折り返しパルス光を、前記折り返しパルス光の光軸と同軸に反射して前記出射光を出射する。角度エンコーダは、前記円周上の前記第１の反射体の位置を検知するための、少なくとも一部の境界間の間隔が不等間隔である読取りパターンを含む。前記読取りパターンの前記境界間の間隔は、前記出射光を用いて電磁波の時間領域の応答を測定する時間間隔から換算される前記光遅延の調整量と対応している。

本発明の一側面としての光遅延装置によれば、回転型の光遅延において、扱うデータ量及び測定精度の低下を抑制することができる。

実施形態１の光遅延装置の構成を説明する図。 実施形態１の角度エンコーダの読取りパターンの配置例を説明する図。 実施形態１の各読取りパターンの詳細な配置関係を説明する図。 実施形態２の光遅延装置の構成を説明する図。 実施形態３の光遅延装置の構成を説明する図。 実施形態３の基準位置調整機構の別の構成を説明する図。 実施形態４の光遅延装置の構成を説明する図。+ 実施形態５のテラヘルツ波の応答を測定する装置の構成を説明する図。 実施形態５のプローブ光の応答を測定する装置の構成を説明する図。

以降の実施形態では、境界（目盛）間の間隔が不等間隔である読取りパターンを含む角度エンコーダを用いて、パルス光によるサンプリングにより測定される電磁波の時間領域の応答の測定領域に対応する位置において、円周上の第１の反射体の位置を検知する。第１の反射体は、入射光であるパルス光と出射光であるパルス光との間の光遅延を行うものである。そして、前記読取りパターンの前記境界間の間隔は、前記出射光を用いて電磁波の時間領域の応答を測定する時間間隔から換算される前記光遅延の調整量と対応している。すなわち、読取りパターンは、前記応答を構成する複数のデータそれぞれを取得する時刻間の時間間隔と対応するパルス光の複数の光遅延の調整量にそれぞれ対応する第１の反射体の複数の位置を検知できるように形成される。これにより、第１の反射体の移動位置の情報をパルス光の光遅延の調整量（光路長の変化量ないし時間遅延量）の情報に変換している。

前記複数の所定の時刻は、任意のものであり得るが、典型的には、単位遅延量に対応する時間間隔の刻みとなっている。読取りパターンは、この単位遅延量刻みの複数の光遅延の調整量にそれぞれ対応する第１の反射体の複数の位置を検知できるように形成されている。第１の反射体の複数の位置の検知に応じてトリガ信号を出力し、トリガ信号に同期して時間領域の応答の測定を行えば、単位遅延量毎に、応答を構成する複数のデータが得られる。このためには、第１の反射体の位置の変化に対して光遅延量の変化が線形でないので、読取りパターンの少なくとも一部の境界間の間隔が不等間隔になっている必要がある。

（実施形態１）
実施形態１について図面を参照して説明する。図１に示す本光遅延装置１００は、パルス光によるサンプリングにより電磁波の時間領域の応答を測定する装置に好適に用いられる。入射光１０５は、光遅延装置１００に入射する光である。出射光１０６は、光遅延装置１００から出射する光である。入射光１０５と出射光１０６はパルス光であり、光遅延装置１００は、入射光１０５と出射光１０６との間の光遅延量の調整を行う。

第１の反射体１０１は、入射光１０５を、入射光１０５の光軸に対し平行な軸に沿って折り返す部分である。平行な軸は、例えば、図１における第１の光路１１０や第２の光路１１１である。第１の反射体１０１は、複数のミラーを用いた折り返し光学系や、プリズムが適用できる。第１の反射体１０１は、回転中心１１２と第１の半径１０８とで規定される円周に沿って移動可能である。図１では、第１の反射体１０１は二つ（Ｍ１とＭ２）あるが、個数はこれに限定されない。第１の反射体１０１は一つでもよいし、二つ以上あってもよい。本明細書において、第１の半径１０８で規定される円周上の位置における第１の反射体１０１の位置は、円周の回転中心１１２の回りの角度θで表す。

第１の反射体１０１は、回転テーブル１０３に配置される。回転テーブルの回転中心は回転中心１１２と同じである。回転テーブル１０３の回転に伴って第１の反射体１０１は第１の半径１０８で規定される円周に沿って移動する。回転テーブル１０３は、ガイド１１７を介して筐体１０４に支持される。ガイド１１７は、回転テーブル１０３の移動方向を規定する。回転テーブル１０３は、回転テーブル１０３と筐体１０４とに設置されたモータ１１８によって力を受け、ガイド１１７に沿って回転する。

第２の反射体１０２は、第１の反射体１０１から折り返された折り返しパルス光を、折り返しパルス光の光軸に対し同軸の方向に反射する部分である。第２の反射体１０２は筐体１０４に固定して設置される。例えば、第２の反射体１０２は平面ミラーで構成する。第２の反射体１０２で反射されたパルス光は、再び第１の反射体１０１を介し出射光１０６として光遅延装置１００より出力される。このとき、入射光１０５が第１の反射体１０１を介して第２の反射体１０２に至る光路と、第２の反射体１０２から反射された光が第１の反射体１０１を介して出射光１０６として出力される光路は同じであるため、入射光１０５と出射光１０６は同軸となる。

第１の反射体１０１が移動すると、図１のように、第１の反射体１０１から第２の反射体１０２に至るパルス光の光路が変化する。図１では、位置θ₍₀₎と位置θ_(±n)との時の光路を、それぞれ、第１の光路１１０と第２の光路１１１として示している。光遅延装置１００は、第１の光路１１０と第２の光路１１１との光路長の差を利用してパルス光の遅延を行う。ここで、位置θ₍₀₎は、入射光１０５が第１の反射体１０１によって第２の反射体１０２の方向へ直角に折り返す位置である。本実施形態では、この位置θ₍₀₎を第１の基準位置１２０と表す。位置θ₍₀₎を基準として、第１の反射体１０１を位置θ_(-n)に移動すると光遅延量は小さくなり、位置θ_(+n)に移動すると光遅延量は大きくなる。ここで、光遅延の調整量は式（１）に従う。式（１）において、ΔＬは光遅延の調整量、Ｒは第１の半径１０８である。θ＝０の時、第１の反射体１０１は位置θ₍₀₎に配置される。
ΔＬ＝４Ｒｓｉｎθ （１）

位置θ_(-n)と位置θ_(+n)との光遅延の調整量の絶対値｜ΔＬ｜が同じである時、位置θ_(-n)と位置θ_(+n)とに配置された第１の反射体１０１から折り返されたパルス光は、第２の光路１１１を介して第２の反射体１０２の同じ位置に照射される。また、式（１）に従うと、第１の反射体１０１が位置θ₍₀₎に配置された時の光遅延の調整量はΔＬ＝０と表すことができる。言い換えると、光遅延の調整量の絶対値が最小となる位置を第１の基準位置１２０（位置θ₍₀₎）と呼ぶこともできる。

ここで、「光遅延の調整量」と表記するときは、遅延量は第１の基準位置１２０の光の遅延量に対する相対的な値と定義する。そして、単に「光遅延量」と表記する場合は、光遅延装置１００を含む装置の絶対的な遅延量を表す。また、光遅延の調整を行う領域を、本実施形態では測定領域１０９と呼ぶ。図１では、測定領域１０９は位置θ_(-n)から位置θ_(+n)までの領域である。本光遅延装置１００を組み込んだ測定装置では、この測定領域１０９で応答の測定を実施する。

第１の反射体１０１の回転位置は、角度エンコーダ１１３で検知する。角度エンコーダ１１３は、シャフト１１５と読取り部１１６（光照射部１１６ａと光受光部１１６ｂを含む）とコードディスク１１４を含み構成される。ここでは、光受光部１１６ｂは透過光を受けるので、光照射部１１６ａと光受光部１１６ｂはコードディスク１１４を挟んで互いに反対側にある。光受光部１１６ｂが反射光を受ける場合は、光照射部１１６ａと光受光部１１６ｂはコードディスク１１４に対して同じ側に配置される。光照射部１１６ａからの光はスリットなどを介してコードディスク１１４に照射される。

シャフト１１５は、回転テーブル１０３に結合し、回転テーブル１０３の回転を角度エンコーダ１１３に伝達する。コードディスク１１４は、シャフト１１５に結合し、シャフト１１５の回転がコードディスク１１４に伝達し、コードディスク１１４が回転する。コードディスク１１４は、読取り部１１６の光照射部１１６ａから発生した読取り光を反射、或いは透過する図２に示すような読取りパターン２１２を有している。例えば、図２のコードディスクは、読取り光に対して透過性の部材であり、読取りパターン２１２（図２の黒い部分）で読取り光を反射する。図１において、コードディスク１１４は、読取り部１１６の光照射部１１６ａと光受光部１１６ｂに挟まれて配置されているので、読取り部１１６の光受光部は、読取りパターン２１２を透過する読取り光を検出する。

より詳細には、角度エンコーダ１１３は、図２の時間領域の応答を測定する測定領域１０９に対応する位置について、第１の反射体１０２の位置を検知する。そのために、角度エンコーダ１１３は、読取りパターン２１２の一部の境界間の間隔が不等間隔である少なくとも１つの読取りパターン２１２を有している。読取り部１１６は、読取りパターン２１２から反射、或いは透過した読取り光を検出して第１の反射体１０１の回転位置を求める。読取り部１１６の出力を利用して、光遅延装置１００は、信号出力部１０７より例えば単位遅延量δＬ毎にトリガ信号を出力する。後述の時間領域の応答を測定する装置は、このトリガ信号に同期してサンプリング測定を行う。このことから、読取りパターン２１２の境界間の間隔は、時間領域の応答を構成する複数のデータの時間間隔から換算されるパルス光の単位遅延量δＬに対応している必要がある。つまり、トリガ信号に同期して測定を行えば、単位遅延量δＬ毎にデータが得られるように、読取りパターン２１２の境界間の間隔（即ち、透過部又は反射部の形状）が形成されている。そのためには、上述した様に、第１の反射体１０１の回転角度θの変化量に対し光路長の変化量が非線形であるので、読取りパターン２１２の一部の境界間の間隔が不等間隔になっている必要がある。

読取りパターンによる第１の反射体の回転角度θの監視によって決定される単位遅延量δＬ及び前記時間間隔の誤差の許容範囲は、角度エンコーダを含む光遅延装置が用いられる装置に依存する。例示すると、以下の如きものとなる。
（１）応答が最高周波数Ｆのテラヘルツ波の形態の場合（後述の図８の実施形態を参照）、標本化定理より、２倍以上の周波数でサンプリングするとよい。よって、時間精度Ａ、遅延量の精度Ｂ、光学定数Ｃとすると、上記誤差の許容範囲は、A<1/(2F)、B<C/(2F)となり、これら条件を満たすような精度で読取りパターンの形状などが構成される必要がある。折り返し光学系を用いる場合の位置精度Ｄは、D<C/(4F)となる。
（２）過渡応答を時間分解能Ｔで観察する形態の場合（後述の図９の実施形態を参照）、A<T、B<CA、D＜CA/2となる。
（３）応答が物体の観察に係わるトモグラフィの形態の場合（後述の図８の実施形態を参照）、空間分解能Ｅとすると、B<E、D<E/2となる。

図２は、コードディスク１１４に配置される読取りパターン２１２の配置例を示した図である。図２において、複数の読取りパターン２１２が、形成位置は異なるが同じパターンを有する様に描かれているが、必ずしも同じパターンで形成されてはいない。図２の各読取りパターン２１２は、回転中心１１２を中心とする第２の半径２１３で規定される円周上に配置される。図２の読取りパターン２１２は合計８か所に配置され、第１の反射体１０１のＭ１とＭ２に対し、４相（Ａ相、Ｂ相、Ｃ相、Ｄ相）の読取りパターン２１２が夫々割り当てられている。第１の相であるＡ相に対し、Ｂ相、Ｃ相、Ｄ相の位相はずれており（パターンがずれている）、読取り部１１６によって読み取られた各相の信号を組み合わせることで、読取り分解能を上げることができる。例えば、図２のように４相の読取り信号を組み合わせると、最大で８逓倍の信号を取得することができる。

読取り信号の読取り分解能は、読取りパターン２１２の境界間の間隔に依り、読取りパターン２１２の間隔が狭い程、読取り分解能は向上する。しかし、読取りパターン２１２の間隔を形成する加工精度は、有限の値（例えば数μm）であるため、際限無く間隔を狭くすることは困難である。その結果、読取り分解能を上げるためには、読取りパターン２１２が配置される位置（図２における第２の半径２１３）を大きくする必要がある。ここで、読取り信号の逓倍数を上げるということは、同じ読取り分解能を得るために必要な読取りパターン２１２の間隔を拡げられることを意味する。その結果、読取りパターン２１２が配置される位置（第２の半径２１３）を小さくでき、コードディスク１１４の大きさも小さくできる。そのため、角度エンコーダ１１３の小型化も容易になる。尚、読取りパターン２１２の相数は上記の数に限るものではない。例えば、相数は１（Ａ相のみ）でもよい。

各読取りパターン２１２は、時間領域の応答（図２の外部装置の信号出力２１４）を測定する測定領域１０９に対応するコードディスク１１４の位置で、第１の反射体１０１の角度位置を検知する為に、一部の境界間の間隔が不等間隔の読取りパターンを有する。読取りパターン２１２はそれぞれ基準位置を有しており、本実施形態ではこの基準位置を第２の基準位置２２０と呼ぶ。各読取りパターン２１２の第２の基準位置２２０は、第１の反射体１０１が位置θ₍₀₎に配置される位置を示す。第２の基準位置２２０は、各読取りパターン２１２が個別に有している。

図３は、各読取りパターンの詳細な配置関係を説明する図である。図３（ａ）は、Ａ相の読取りパターン２１２を直線上に表した図である。図３（ｂ）は、説明を簡素化するため、Ｂ相、Ｃ相、Ｄ相の読取りパターン２１２を直線上に並べた図である。図３（ａ）、（ｂ）の横軸は位置である。ここでは、Ａ相以外の読取りパターン２１２を総称して相対的な読取りパターン３１５と呼ぶ。実際には、各読取りパターン２１２の第２の基準位置（位置θ₍₀₎）を基準に読取りパターンが定義される。

上記の式（１）を変形すると、位置θは次の式（２）で表すことができる。尚、説明を簡素化するため、ここでは、円周上の位置θの範囲をθ₍₀₎からθ_(+n)に限定する。ここで、δＬは単位遅延量であり、Ｒは第１の半径１０８である。また、ｎは応答を構成する複数のデータの数である。
θ_（ｉ）＝ｓｉｎ^−１｛（ｉδＬ）／（４Ｒ）｝ ｉ＝０，１，・・・，ｎ （２）
このとき、基準位置を基準に、Ａ相の読取りパターン２１２の境界間のパターン間隔Ｗは次の式（３）で定義される。ここで、ｒは読取りパターンのコードディスク上の形成位置を規定する第２の半径２１３であり、ｘは読取りパターン２１２の相数（図３の例では４）である。
Ｗ_（ｊ）＝（πｒ／１８０）・（θ_{（ｘ（ｊ＋１））}−θ_（ｘｊ））
ｊ＝０，１，・・・，（ｎ／ｘ−１） （３）

これまで説明したように、本実施形態では、Ａ相の読取りパターン２１２に対し、相対的な読取りパターン３１５であるＢ相、Ｃ相、Ｄ相の位相は、ずれた状態で配置される。詳細には、図３（ｂ）に示すように、Ａ相について間隔Ｗで定義されるパターンの境界の位置に対し、間隔ｄの位置に他の相のパターンの境界が配置される。相対的な間隔ｄは次の式（４）に従う。ここで、ｍは定数であり、第１の相のパターンをＡ相とし他の相について、Ｂ相のときｍ＝１、Ｃ相のときｍ＝２、Ｄ相のときｍ＝３である。
ｄ_{（ｊ）（ｍ）}＝（πｒ／１８０）・（θ_{（ｘｊ＋ｍ）}−θ_（ｘｊ）） ｍ＝１，２，・・・，ｘ （４）

ここで、δＬ＝２μm、Ｒ（第１の半径１０８）＝１０ｍｍ、ｒ（第２の半径２１３）＝５０ｍｍ、相数ｘ＝４、データ数ｎ＝４０９６のときの図３（ａ）、（ｂ）のθ、ｄ、Ｗの計算例を次に示す。

この表１からわかるように、単位遅延量δＬ毎にパターンの境界を設けるために、読取りパターン２１２や相対的な読取りパターン３１５の境界間の間隔は不等間隔になっている。ここで、読取りパターン２１２や相対的な読取りパターン３１５の間隔の一部は、等間隔でもよい。例えば、遅延量の読取り分解能を１μmオーダにすると、読取りパターン２１２や相対的な読取りパターン３１５の間隔Ｗ、ｄは、小数点以下３桁未満（単位はμm）を切り捨てることもできる。この場合、上記表１に示した計算結果例のうちθ₍₀₎からθ₍₈₎に相当する間隔Ｗやｄは同じ値を取ることがわかる。

図３（ｃ）は、光遅延装置１００の各相の読取り部１１６の出力のタイミングチャートである。横軸は、第１の反射体１０１の位置（角度）である。各相の読取り部１１６において、読取りパターン２１２や相対的な読取りパターン３１５の境界で、検出される光の強度が変化する。この光の強度の変化が確認される毎に読取り部１１６は、出力を変化させる。読取り部１１６が透過型の光照射部と光受光部の組合せで構成され、図３の読取りパターンのうち四角で囲まれた領域が光透過性の材料で構成される場合を考える。読取り部１１６の光受光部で光が検出されると読取り部１１６の出力はＨＩ状態となり、光が検出されないと読取り部１１６の出力はＬＯ状態となる。

図３（ｄ）は、光遅延装置１００の信号出力部１０７の出力を示す図である。横軸は、時間であり、光遅延装置１００が、応答を計測する装置に組み込まれている場合、横軸はサンプリングタイミングを表している。ここでは、読取り部１１６の出力が切り替わる毎にトリガ信号を出力する。詳細には、各相に設けられた読取り部１１６の出力について立上りと立下りに同期してトリガ信号を出力する。図３（ｄ）のように、トリガ信号のタイミングの時刻の間隔（時間で表す量）は、単位遅延量δＬ（光路長で表す量）に対応している。この様にして、光遅延装置は、単位遅延量刻みの遅延量に対応する表１の各θを検知して、検知ごとにトリガ信号を出力する。

図３（ｅ）は、サンプリングに用いるデータ数ｎと遅延量ΔＬ（光路長で表す量）の関係を示す図である。信号出力部１０７が出力するトリガ信号に同期して電磁波の時間領域の応答を測定する装置で測定を行うとき、トリガ信号の間隔に対応する遅延量は単位遅延量δＬである。このことより、測定するデータ数ｎと遅延量ΔＬは、図３（ｅ）のように比例関係にあり、測定するデータ数ｎを数えることで遅延量ΔＬを求めることができる。詳細には、遅延量ΔＬ＝δＬ×ｎの関係にある。

本実施形態の光遅延装置は、一部の間隔が不等間隔である読取りパターン２１２を用いて第１の反射体１０１の移動角度の情報をパルス光の遅延量（光路長で表す量）の情報に変換して出力している。よって、パルス光の遅延量を直接読み取ることが可能になるため、前述の如き非線形性の補償などの対策が必要でなくなって、光遅延装置の汎用性が高まる。本実施形態の光遅延装置によれば、回転方式の遅延部を用いる利点を享受できて、光路長を変更ないし調整する速度を向上することができる。これと共に、データの時間間隔より短い間隔でデータを取得する必要がなくなり、データ量を減少できる。そのため、処理速度を向上できるという利点、データの取り扱い（記憶等）が容易になる利点、等も得られる。

（実施形態２）
実施形態２について図面を参照して説明する。本実施形態は実施形態１の変形例である。尚、これまでの説明と共通する部分の説明は省略する。上記説明では、第１の反射体１０１は第１の基準位置１２０（図１）を有し、読取りパターン２１２の各相は、この第１の基準位置１２０に対応する第２の基準位置２２０（図２）を有している。そして、読取りパターン２１２は、この第２の基準位置２２０を基準として、図３で説明した間隔Ｗと相対的な間隔ｄを定義している。言い換えると、読取りパターン２１２を有する角度エンコーダ１１３は、絶対位置を有するエンコーダである。そのため、第１の基準位置１２０と第２の基準位置２２０との位置決めが重要となる。

図４は、本実施形態の光遅延装置の構成を説明する図である。図４の光遅延装置は、所定の円周上に配置される第１の反射体１０１の第１の基準位置１２０と読取りパターン２１２の第２の基準位置２２０とを相対的に位置決めする基準位置調整機構４１６を有している。詳細には、基準位置調整機構４１６は、回転型の位置決め機構であり、回転テーブル１０３の上に設置されている。例えば、この回転型の位置決め機構は、円形のガイドとテーブルで構成され、該円形のガイドに沿って該テーブルが回転可能な構造を有する。このテーブルの回転角度は、例えば、マイクロメータによって調整する。マイクロメータは手動のものでも自動のものでもよい。また、上記回転型の位置決め機構のテーブルの回転角度の調整は、モータを用いてもよい。そして、第１の反射体１０１は、基準位置調整機構４１６の上に設置されている。基準位置調整機構４１６の回転中心は回転テーブル１０３の回転中心１１２と同じである。

基準位置調整機構４１６により、第１の反射体１０１に対する回転方向の調整軸を増やすことができる。そのために、基準位置調整機構４１６は、回転テーブル１０３の回転とは独立して、第１の基準位置１２０と第２の基準位置２２０との位置決めを実施することができる。回転テーブル１０３が回転すると、第１の反射体１０１は、基準位置調整機構４１６と一体に回転する。尚、本実施形態では、基準位置調整機構４１６を回転テーブル１０３側に設置し、第１の反射体１０１を回転方向に移動している。しかし、基準位置調整機構４１６を、コードディスク１１４側に設置し、読取りパターン２１２を有するコードディスク１１４の回転位置を調整してもよい。この場合、コードディスク１１４は、基準位置調整機構４１６を介してシャフト１１５に固定され、基準位置調整機構４１６は、シャフト１１５の回転とは独立して、第１の基準位置１２０と第２の基準位置２２０との相対的な位置決めを実施できる。シャフト１１５が回転すると、コードディスク１１４は基準位置調整機構４１６と一体に回転する。

本実施形態の光遅延装置は、基準位置調整機構４１６により、第１の反射体１０１の第１の基準位置と読取りパターン２１２の第２の基準位置の調整を行っている。そのため、第１の反射体１０１の移動角度の情報をパルス光の遅延量の情報に変換する際の精度を高めることができる。

（実施形態３）
実施形態３について図面を参照して説明する。本実施形態は実施形態２の変形例である。詳細には、基準位置調整機構の構成が異なる。尚、これまでの説明と共通する部分の説明は省略する。

図５は、本実施形態の光遅延装置の構成を説明する図である。図５の基準位置調整機構５１６は、第１の基準位置１２０と第２の基準位置２２０との位置決めを実施する複数の調整箇所について、独立して調整する機構である。詳細には、第１の反射体１０１であるＭ１とＭ２を独立して調整する。図５の基準位置調整器機構５１６は、移動体５１７、歯車５１８、円形レール５１９で構成される。円形レール５１９に設置された複数の移動体５１７のうち、一方の移動体５１７に第１の反射体１０１であるＭ１を設置し、他方の移動体５１７に第１の反射体１０１であるＭ２を設置する。移動体５１７には、歯車５１８が接触して配置される。移動体５１７は、歯車５１８の回転力を直線方向の力に変換するための歯切り構造を有しており、歯車５１８の回転に伴って、移動体５１７は円形レール５１９上を移動する。円形レール５１９の中心は、回転テーブル１０３の回転中心１１２と同じである。移動体５１７には第１の反射体１０１が設置されているので、第１の反射体１０１は移動体５１７と一体で移動する。このような構成により、基準位置調整機構５１６は、第１の基準位置１２０と第２の基準位置２２０との複数の組合せについて、Ｍ１とＭ２に対して、独立して位置決めを行うことができる。

複数の調整箇所について、Ｍ１とＭ２を独立して位置決めする基準位置調整機構５１６の構成は、上記のものに限らない。複数の調整箇所について、独立して位置決めできる機構であればよい。例えば、図６は、コードディスク１１４が複数ある場合の基準位置調整機構の構成例を示している。図６は、角度エンコーダ１１３が第１のコードディスク６１１と第２のコードディスク６１２を有する場合の基準位置調整機構６１６の構成例を示した図である。第１のコードディスク６１１は、第１の反射体１０１であるＭ１に対応し、第２のコードディスク６１２は、第１の反射体１０１であるＭ２に対応している。基準位置調整機構６１６は、第１の回転位置決め機構６１７と第２の回転位置決め機構６１８で構成される。第１の回転位置決め機構６１７は、シャフト１１５に結合し、シャフト１１５の回転とは独立して第１のコードディスク６１１を回転することができる。また、第２の回転位置決め機構６１８は、シャフト１１５に結合し、シャフト１１５の回転とは独立して第２のコードディスク６１２を回転することができる。このような構成により、基準位置調整機構６１６は、第１の基準位置１２０と第２の基準位置２２０との複数の組合せについて、第１のコードディスク６１１と第２のコードディスク６１２に対して、独立して位置決めを行うことができる。

本実施形態の光遅延装置の基準位置調整機構５１６、６１６は、複数の基準位置に対して独立に調整する。そのため、複数の基準位置を有する場合でも、第１の反射体１０１の移動角度の情報をパルス光の遅延量の情報に変換する際の精度を高めることができる。

（実施形態４）
実施形態４について図面を参照して説明する。本実施形態は実施形態１の変形例である。尚、これまでの説明と共通する部分の説明は省略する。

図７は本実施形態の光遅延装置の構成を説明する図である。図７の光遅延装置は、出射光１０６の光軸とは異なる光軸を伝搬する第２の出射光７２１を検知する位置検出器７２０を有する。図７（ａ）の構成では、第２の反射体１０２の位置と位置検出器７２０の位置を調整する。詳細には、第１の反射体１０１が特定の位置に移動した際に第１の反射体１０１から折り返されるパルス光が第２の反射体１０２から逸れる位置に、第２の反射体１０２の位置を調整する。そして、この逸れたパルス光を第２の出射光７２１として位置検出器７２０で検出する。すなわち、位置検出器７２０は、特定の光遅延の調整量を検知する。

また、図７（ｂ）の構成では、第１の反射体１０１の表面に位置検出機構７２２が形成され、第１の反射体１０１が特定の位置に移動した際に、第１の反射体１０１で折り返されたパルス光が位置検出機構７２２に入射する。ここでは、位置検出機構７２２（図７（ｂ）中の小円で示す）は、第１の反射体１０１に形成されている。位置検出機構７２２には、折り返されたパルス光について、入射光１０５の光軸に対し非平行な光軸に沿って折り返す構造が形成されている。この非平行な光軸に沿って折り返されたパルス光を第２の出射光７２１として位置検出器７２０で検出する。この位置検出機構７２２は第２の反射体１０２に形成されていてもよい。

このような配置と構成によって、光遅延装置１００は、位置検出器７２０によって、第１の反射体１０１の特定の位置を検知することができる。言い換えると、特定の光遅延の調整量を検知することができる。本実施形態の光遅延装置は、位置検出器７２０により、特定の光遅延の調整量を検知するため、光遅延装置の絶対位置の確認や、基準位置調整機構による基準位置の調整作業が容易になる。

（実施形態５）
実施形態５について図面を参照して説明する。本実施形態は、これまで説明した光遅延装置を用いた測定装置及び測定方法である。尚、これまでの説明と共通する部分の説明は省略する。

本実施形態の装置は、パルス光によるサンプリングにより電磁波の時間領域の応答を測定する装置である。例えば、本実施形態の装置は電磁波の時間領域の過渡応答を測定する。本装置は、プローブ光であるパルス光の入射時刻における応答の瞬間値を検出する検出器を有する。プローブ光の光遅延の調整を行う光遅延装置として、これまで説明した光遅延装置が使用される。本装置は、この光遅延装置の信号出力部１０７から出力するトリガ信号を参照し、プローブ光の単位遅延量δＬ毎に電磁波の時間領域の応答を記録する分析部を有している。

図８は、本実施形態の電磁波の応答を測定する装置の構成を説明する図である。本装置の電磁波はテラヘルツ波８４４である。光源８３１はパルス光を出力するレーザ源である。パルス光は典型的には数１０から数１００フェムト秒のパルス幅を有している。光源８３１から出力したパルス光はミラー８３６を介しビームスプリッター（ＢＳ）８３９に入力し、パルス光であるポンプ光８４２とパルス光であるプローブ光８４３に分岐される。

発生器８３２はテラヘルツ波８４４を発生する発生器である。テラヘルツ波８４４は、入力されたポンプ光に同期して発生される。テラヘルツ波８４４は、０．０３ＴＨｚから３０ＴＨｚの範囲のうち任意の周波数帯域の成分を有している。テラヘルツ波８４４のパルス幅は典型的には数１００フェムト秒である。発生器８３２から発生したテラヘルツ波８４４は、ミラー８３７を介して試料８３５に照射される。そして、例えば、試料８３５の物性の特性による吸収を受けたテラヘルツ波は、ミラー８３８を介して検出器８３３に入射される。時間領域のテラヘルツ波の応答は、試料８３５の物性の特性による吸収により変化する。図８では、試料８３５を透過したテラヘルツ波が検出器８３３に入射されているが、試料８３５から反射したテラヘルツ波を検出器８３３に入射させてもよい。

ビームスプリッター（ＢＳ）８３９で分岐したプローブ光８４３は、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）８４０と１／４波長板８４１によって円偏光に変換され、これまで説明した光遅延装置１００に入力される。光遅延装置１００は、プローブ光８４３の光遅延の調整を行い、光遅延の調整量に関する情報は、光遅延装置１００の信号出力部１０７を介して分析部８３４に入力される。光遅延の調整が行われたプローブ光８４３は、光遅延装置１００に入力されたプローブ光８４３と同じ光路を辿る。そして、プローブ光８４３は、１／４波長板８４１と偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）を介して検出器８３３に入力される。

検出器８３３は、プローブ光８４３の入射時刻における、検出器８３３に入射するテラヘルツ波の応答の瞬間値を検出する検出器である。プローブ光８４３の入射時刻は、光遅延装置１００の光遅延の調整量によって調整される。言い換えると、検出器８３３に入射するテラヘルツ波は、プローブ光８４３によってサンプリング計測される。検出器８３３が検出する瞬間値は分析部８３４に入力される。

分析部８３４は演算処理部である。詳細には、プローブ光８４３の単位遅延量δＬ毎に出力される光遅延装置１００の信号出力部１０７のトリガ信号に同期して、分析部８３４は、検出器８３３の瞬間値を記録する。そして、単位遅延量δＬを時間長に換算することで、テラヘルツ波に関する時間波形を構築する。この測定方法は、ＴＨｚ―ＴＤＳ（ＴＨｚ―Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）法と呼ばれる。

上記装置と方法では、扱う電磁波はテラヘルツ波である。単位遅延量δＬ毎に光遅延装置はトリガ信号を出力し、このトリガ信号に同期してテラヘルツ波に関する応答の瞬間値を記録する。テラヘルツ波に関するデータの取得タイミングを光遅延装置が出力するトリガ信号に同期させることで、従来懸念されたデータの取りこぼしがなくなり、測定精度の低下を防止することができる。

図９は、本実施形態の電磁波の応答を測定する装置について、別の態様の構成を説明する図である。本装置は、ポンプ光９４０によって光励起された試料９３４の物性の応答を、プローブ光９４１のスペクトルの変化として検出する装置である。例えば、図９の装置は、物性の過渡応答を測定する。本装置はポンププローブ装置とも呼ばれる。

光源９３１はパルス光を出力するレーザ源である。パルス光は典型的には数１０から数１００フェムト秒のパルス幅を有している。光源９３１から出力したパルス光はミラー９３５を介しビームスプリッター（ＢＳ）９３７に入力し、パルス光であるポンプ光９４０とパルス光であるプローブ光９４１に分岐される。ビームスプリッター（ＢＳ）９３７で分岐したポンプ光９４０は、ミラー９３６を介して試料９３４に照射され、試料９３４を光励起する。

ビームスプリッター（ＢＳ）９３７で分岐したプローブ光９４１は、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）９３８と１／４波長板９３９によって円偏光に変換され、これまで説明した光遅延装置１００に入力される。光遅延装置１００は、プローブ光９４１の光遅延の調整を行い、光遅延の調整量に関する情報は、光遅延装置１００の信号出力部１０７を介して分析部９３３に入力される。光遅延の調整が行われたプローブ光９４１は、光遅延装置１００に入力されたプローブ光９４１と同じ光路を辿る。そして、プローブ光９４１は、１／４波長板９３９と偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）９３８を介して、試料９３４に照射されたポンプ光９４０と同じ照射位置に照射される。プローブ光９４１のスペクトルは、ポンプ光９４０の照射によって光励起された試料９３４の物性によって変化する。試料９３４を介したプローブ光９４１は、検出器９３２に入力される。

検出器９３２は、プローブ光９４１のスペクトルを検出する分光器である。詳細には、検出器９３２は、試料９３４に入射するプローブ光９４１の入射時刻における、光励起された試料９３４の物性の応答の瞬間値を検出する検出器である。

分析部９３３は演算処理部である。詳細には、プローブ光９４１の単位遅延量δＬ毎に出力される光遅延装置１００の信号出力部１０７のトリガ信号に同期して、分析部９３３は、検出器９３２で検出されるプローブ光９４１のスペクトルの瞬間値を記録する。そして、単位遅延量δＬを時間長に換算することで、試料９３４の物性の応答を求める。

これらの装置は、次のステップを実行して測定を行うものである。
（ＳＴＥＰ１）光遅延装置１００の第１の反射体１０１を所定の円周に沿って移動する。
（ＳＴＥＰ２）光遅延装置１００が有する第１の反射体１０１の位置を、一部の間隔が不等間隔である読取りパターン２１２を用いて検知し、その検知結果に基づいて、パルス光であるプローブ光８４３、９４１の単位遅延量δＬ毎にトリガ信号を出力する。このトリガ信号は光遅延装置１００の信号出力部１０７より分析部８３４、９３３に入力される。
（ＳＴＥＰ３）このトリガ信号に同期して、分析部８３４、９３３は、電磁波（テラヘルツ波８４４や試料９３４を介したプローブ光９４１）の応答の複数の瞬間値を検出する。

本実施形態の測定装置及び測定方法は、一部の間隔が不等間隔である読取りパターン２１２を有する光遅延装置を用いることで、単位遅延量δＬ毎に電磁波の時間領域の応答の複数の瞬間値を記録することができる。そのため、従来必要であったオーバーサンプリングが必要なくなり、扱うデータ量を少なくできる。

特に、電磁波としてテラヘルツ波を用いた場合、本実施形態の測定装置と測定方法は、単位遅延量δＬ毎に光遅延装置がトリガ信号を出力し、このトリガ信号に同期してテラヘルツ波に関する応答の瞬間値を記録する。そのため、テラヘルツ波に関するデータの取得タイミングを、光遅延装置が出力するトリガ信号に同期させることで、従来懸念されたデータの取りこぼしがなくなり、測定精度の低下を防止することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。また、上述の各実施形態は適宜組み合わせることができる。

１００・・光遅延装置、１０１・・第１の反射体、１０２・・第２の反射体、１１３・・角度エンコーダ、２１２・・読取りパターン

Claims (15)

1. 入射光としてのパルス光と出射光としてのパルス光との間の光遅延を行う光遅延装置であって、
   回転中心と第１の半径とで規定される円周に沿って移動し、前記入射光の光軸と平行な軸に沿って前記入射光を折り返す第１の反射体と、
   前記第１の反射体から折り返された折り返しパルス光を、前記折り返しパルス光の光軸と同軸に反射して前記出射光を出射する第２の反射体と、
   前記円周上の前記第１の反射体の位置を検知するための、少なくとも一部の境界間の間隔が不等間隔である読取りパターンを含む角度エンコーダと、を有し、
   前記読取りパターンの前記境界間の間隔は、前記出射光を用いて電磁波の時間領域の応答を測定する時間間隔から換算される前記光遅延の調整量と対応している、
   ことを特徴とする光遅延装置。
2. 前記時間間隔から換算される前記調整量は、単位遅延量であり、
   前記読み取りパターンの前記境界間の間隔は、前記単位遅延量と対応している、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光遅延装置。
3. 前記読取りパターンによって決定される前記単位遅延量及び前記時間間隔の誤差の許容範囲は、前記応答が最高周波数Ｆのテラヘルツ波の形態の場合、時間精度Ａ、単位遅延量の精度Ｂ、光学定数Ｃとすると、A<1/(2F)、B<C/(2F)であり、該条件を満たすような精度で前記読取りパターンが形状され、
   前記第１の反射体と前記第２の反射体を含む折り返し光学系の位置精度Ｄとすると、D<C/(4F)を満たすように前記折り返し光学系が設けられる、
   ことを特徴とする請求項２に記載の光遅延装置。
4. 前記読取りパターンによって決定される前記単位遅延量及び前記時間間隔の誤差の許容範囲は、前記応答である過渡応答を時間分解能Ｔで観察する形態の場合、時間精度Ａ、単位遅延量の精度Ｂ、光学定数Ｃとすると、A<T、B<CAであり、該条件を満たすような精度で前記読取りパターンが形状され、
   前記第１の反射体と前記第２の反射体を含む折り返し光学系の位置精度Ｄとすると、D＜CA/2を満たすように前記折り返し光学系が設けられる、
   ことを特徴とする請求項２に記載の光遅延装置。
5. 前記読取りパターンによって決定される前記単位遅延量の誤差の許容範囲は、前記応答が物体の観察に係わるトモグラフィの形態の場合、単位遅延量の精度Ｂ、空間分解能Ｅとすると、B<Eであり、該条件を満たすような精度で前記読取りパターンが形状され、
   前記第１の反射体と前記第２の反射体を含む折り返し光学系の位置精度Ｄとすると、D<E/2を満たすように前記折り返し光学系が設けられる、
   ことを特徴とする請求項２に記載の光遅延装置。
6. δＬを単位遅延量、Ｒを前記第１の半径、ｎを前記応答を構成する複数のデータの数として、前記第１の反射体の前記円周上の位置であるθ_（ｉ）を
   θ_（ｉ）＝ｓｉｎ^−１｛（ｉδＬ）／（４Ｒ）｝ ｉ＝０，１，・・・，ｎ
   で表すとき、
   ｒを前記読取りパターンのコードディスク上の形成位置を規定する第２の半径、ｘを前記読取りパターンの相数として、前記読取りパターンは、基準位置を基準に、前記境界間の間隔Ｗが
   Ｗ_（ｊ）＝（πｒ／１８０）・（θ_{（ｘ（ｊ＋１））}−θ_（ｘｊ）） ｊ＝０，１，・・・，（ｎ／ｘ−１）
   で定義される第１の相のパターンを含む、
   ことを特徴とする請求項２に記載の光遅延装置。
7. ｍを定数、前記第１の相のパターンをＡ相とし、他の相について、Ｂ相のときｍ＝１、Ｃ相のときｍ＝２、Ｄ相のときｍ＝３として、各相の基準位置を基準に、前記第１の相のパターンの境界の位置に対し、相対的な間隔ｄが
   ｄ_{（ｊ）（ｍ）}＝（πｒ／１８０）・（θ_{（ｘｊ＋ｍ）}−θ_（ｘｊ）） ｍ＝１，２，・・・，ｘ
   の位置に他の相のパターンの境界が配置される、
   ことを特徴とする請求項６に記載の光遅延装置。
8. 前記円周上に配置される前記第１の反射体の第１の基準位置と、前記読取りパターンの第２の基準位置を相対的に位置決めする基準位置調整機構を有する、
   ことを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の光遅延装置。
9. 前記基準位置調整機構は、前記第１の基準位置と前記第２の基準位置の位置決めを実施する複数の調整箇所について、独立して調整する機構を有する、
   ことを特徴とする請求項８に記載の光遅延装置。
10. 前記出射光の光軸とは異なる光軸を伝搬する第２の出射光を検知する位置検出器を有し、
    前記位置検出器は、特定の光遅延の調整量を検知する、
    ことを特徴とする請求項１１乃至１０の何れか１項に記載の光遅延装置。
11. 前記角度エンコーダは前記第１の反射体の複数の位置の検知に応じてトリガ信号を出力する、
    ことを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項に記載の光遅延装置。
12. パルス光によるサンプリングにより電磁波の時間領域の応答を測定する装置であって、
    プローブ光としてのパルス光の入射時刻における応答の瞬間値を検出する検出器と、
    前記プローブ光の光遅延を行う請求項１１に記載の光遅延装置と、
    前記光遅延装置が出力するトリガ信号を参照し、前記プローブ光の単位遅延量毎に前記電磁波の時間領域の応答を記録する分析部と、を有する、
    ことを特徴とする装置。
13. 前記電磁波はテラヘルツ波である、
    ことを特徴とする請求項１２に記載の装置。
14. パルス光によるサンプリングにより電磁波の時間領域の応答を測定する方法であり、
    回転中心と第１の半径とで規定される円周に沿って移動可能な、入射光としてのパルス光の光軸と平行な軸に沿って前記入射光を折り返す第１の反射体を、前記円周に沿って移動するステップと、
    前記第１の反射体の位置を検知するための、少なくとも一部の境界間の間隔が不等間隔である読取りパターンを用いて、前記円周上の前記第１の反射体の位置を検知するステップと、
    前記第１の反射体の位置の検知するステップにおける検知結果に基づいて、前記第１の反射体の移動によって生じる前記パルス光の光遅延の単位遅延量毎にトリガ信号を出力するステップと、
    前記トリガ信号に同期して、前記単位遅延量と対応する時間間隔の刻みで前記電磁波の応答の瞬間値を検出するステップと、を有する、
    ことを特徴とする方法。
15. 前記電磁波はテラヘルツ波である、
    ことを特徴とする請求項１４に記載の方法。