JP2019078634A - 光測定装置および制御用プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】光の干渉を利用した光測定装置において、応答性を向上させる。【解決手段】分割された被測定光の一方の光路長を変化させる移動ミラーと、移動ミラーを所定距離の往復直線運動させる駆動機構と、分割された被測定光を重ね合わせた光の強度を検出する被測定光受光部と、所定距離で定まる光路長差変動範囲に複数個の測定区間を設定し、測定区間毎に、検出された光の強度変化に基づく測定値算出を行なう演算処理部と、を備えた光測定装置。【選択図】図１

Description

本発明は、光の干渉を利用して得られるインターフェログラムに基づいた測定値算出を行なう光測定装置および制御用プログラムに関する。

光の波長や周波数を測定する方法として、マイケルソン干渉計を利用した手法が知られている。これは、被測定光をビームスプリッタにより２つの光束に分割し、再び重ね合わせる場合に、光路長差を変化させたときに観測される重ね合わせ光の強度変化が波長の関数であることを利用したものである。

図６は、マイケルソン干渉計を用いた従来の光測定装置３００の構成を示すブロック図である。被測定光出力部３１０から出射された被測定光は、ビームスプリッタ３３０で２つの光束に分割される。一方の光束は固定ミラー３４０で反射され、他方の光束は移動ミラー３５０で反射される。両反射光はビームスプリッタ３３０に再入射し、重ね合わされて被測定光受光部３６０に入射する。被測定光受光部３６０の受光信号は、サンプリング部３６４でデジタル変換され、演算処理部３７０に入力される。

移動ミラー３５０を駆動機構３５２で移動させると、図７に示すように、一方の光路と他方の光路との光路長差に応じた受光信号の強度変化が測定される。これは、各波長成分が一括で干渉された合成波形スペクトルであり、インターフェログラムと呼ばれる。本図では、簡単のため、被測定光としてスペクトル線幅が細い光を例にしているが、スペクトル線幅が広い光では、すべての波長成分で振幅が加算される光路長差０のポイントで受光信号強度が顕著に大きくなる。

演算処理部３７０でインターフェログラムにＦＦＴ処理を施すことで、図８に示すような被測定光のスペクトルが得られ、ピーク位置が被測定光の周波数となる。そして、光速を周波数で割ることにより、被測定光の波長を算出することができる。算出された周波数や波長は、例えば、表示部３８０に表示される。

実装上は、スペクトル線幅が細く、周波数の安定したＨｅ−Ｎｅレーザ等の基準光を基準光出力部３２０から出射する。そして、被測定光と同じ光路長差を生じさせた重ね合わせ光を基準光受光部３６２で検出し、検出信号の周期に基づいてサンプリング部３６４のサンプリングクロックを生成している。これにより、高精度な測定を可能としている。

特開平２−１０２４２５号公報

移動ミラー３５０を移動させる駆動機構３５２としては、例えば、図９に示すようなクランク機構４００が広く用いられている。クランク機構４００は、円板４１０の回転運動を移動板４２０の直線運動に変換する基本的なメカニズムである。円板４１０は、例えば、ステッピングモータ等を利用して回転させることができる。

円板４１０が基準位置を起点に１周すると移動板４２０は１往復する。このときの移動板４２０の往復移動距離をＬとする。移動ミラー３５０を移動板４２０に連動して移動させることで、片道Ｌ／２の直線運動を実現することができる。光路長差は往復で距離差の２倍生じるため、駆動機構３５２により、光路長差を、例えば、０〜Ｌの範囲や−Ｌ／２〜Ｌ／２範囲等で変動させることができる。

従来は、図１０に示すように、この駆動機構３５２の移動距離により定まる光路長差変動範囲を測定区間として、インターフェログラムを生成し、被測定光の周波数、波長を算出している。

ここで、測定周波数の分解能は、光速を光路長差変動範囲長で割った値で表される。すなわち、光路長差変動範囲を長くするほど測定精度が高まることになる。このため、駆動機構３５２の動作により物理的に定まる光路長差変動範囲を測定区間とすることで、高い測定精度を得るようにしている。

ところで、測定目的等によっては、定常的な光の状態よりも、過渡変化のように短時間で変化する光の状態を把握したい場合がある。例えば、光ファイバ通信の応答性能等を測定する場合等である。このような時間に対して波長が変化するような測定においては特に応答性が重視されるが、従来は応答速度の高速化については考慮されていなかった。

そこで、本発明は、光の干渉を利用した光測定装置において、応答性を向上させることを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一態様である光測定装置は、分割された被測定光の一方の光路長を変化させる移動ミラーと、前記移動ミラーを所定距離の往復直線運動させる駆動機構と、前記分割された被測定光を重ね合わせた光の強度を検出する被測定光受光部と、前記所定距離で定まる光路長差変動範囲に複数個の測定区間を設定し、測定区間毎に、検出された光の強度変化に基づく測定値算出を行なう演算処理部と、を備えたことを特徴とする。
ここで、前記演算処理部が、操作者から受け付けた設定に基づいて前記測定区間の個数を設定することができる。
また、前記演算処理部が、開始タイミングの異なる複数個の測定区間を重ねて設定することができる。
上記課題を解決するため、本発明の一態様である制御用プログラムは、分割された被測定光の一方の光路長を変化させる移動ミラーと、前記移動ミラーを所定距離の往復直線運動させる駆動機構と、前記分割された被測定光を重ね合わせた光の強度を検出する被測定光受光部とを備えた光測定装置に、前記所定距離で定まる光路長差変動範囲に複数個の測定区間を設定し、測定区間毎に、検出された光の強度変化に基づく測定値算出動作を行なわせる。

本発明によれば、光の干渉を利用した光測定装置において、応答性が向上する。

本実施形態に係る光測定装置の構成を示すブロック図である。 光測定装置の動作について説明するフローチャートである。 応答性優先、精度優先の設定例を示す図である。 測定区間の例を説明する図である。 測定区間の別例を説明する図である。 マイケルソン干渉計を用いた従来の光測定装置の構成を示すブロック図である。 インターフェログラムの例を示す図である。 インターフェログラムにＦＦＴ処理を施して得られるスペクトル例である。 クランク機構を説明する図である。 従来の測定区間を説明する図である。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る光測定装置１００の構成を示すブロック図である。光測定装置１００は、マイケルソン干渉計を利用して光の周波数や波長を測定する装置である。

本図に示すように、光測定装置１００は、被測定光出力部１１０、基準光出力部１２０、ビームスプリッタ１３０、固定ミラー１４０、移動ミラー１５０、駆動機構１５２、被測定光受光部１６０、基準光受光部１６２、サンプリング部１６４、演算処理部１７０、表示部１８０を備えている。

被測定光出力部１１０は、被測定光の光源であり、被測定光を出射する。基準光出力部１２０は、基準光の光源であり、基準光を出射する。ここで、基準光は、スペクトル線幅が細く、周波数の安定したＨｅ−Ｎｅレーザ等とすることができる。

ビームスプリッタ１３０は、被測定光出力部１１０が出射した被測定光を分割し、一方を移動ミラー１５０に導き、他方を固定ミラー１４０に導くとともに、両ミラーの反射光を重ね合わせて被測定光受光部１６０に導く。また、基準光出力部１２０が出射した被測定光を分割し、一方を移動ミラー１５０に導き、他方を固定ミラー１４０に導くとともに、両ミラーの反射光を重ね合わせて基準光受光部１６２に導く。

駆動機構１５２は、移動ミラー１５０を、所定距離の往復直線運動をさせる。移動ミラー１５０が移動することにより、分割された被測定光の一方の光路長が変化する。駆動機構１５２は、例えば、クランク機構で構成することができる。駆動機構１５２の動作により、光路長差変動範囲が物理的に定められる。

サンプリング部１６４は、基準光受光部１６２の検出信号の周期に基づいてサンプリングクロックを生成し、被測定光受光部１６０の検出信号をデジタル変換する。表示部１８０は、液晶表示装置等で構成することができ、操作メニューや測定結果の表示を行なう。

被測定光受光部１６０は分割された被測定光を再度重ね合わせた光を受光し、強度に応じた検出信号を出力する。基準光受光部１６２は分割された基準光を再度重ね合わせた光を受光し、強度に応じた検出信号を出力する。

演算処理部１７０は、制御用プログラムに従って動作を行なうマイクロコントローラ等により構成することができ、測定設定部１７１、駆動部１７２、データ取得部１７３、演算部１７４、表示制御部１７５を備えている。

測定設定部１７１は、操作者から測定に関する設定を受け付ける。本実施形態では、特に、応答性優先か精度優先かを設定できるものとする。応答性優先か精度優先かは、その度合いを複数段階で設定できるようにしてもよい。

駆動部１７２は、駆動機構１５２の制御を行ない、測定に同期して移動ミラー１５０を移動させる。データ取得部１７３は、サンプリング部１６４を介して被測定光受光部１６０の検出信号を取得する。

演算部１７４は、被測定光受光部１６０の検出信号に基づいて、被測定光の周波数、波長を算出する。具体的には、検出信号の光路長変化に応じた強度変化を示すインターフェログラムをＦＦＴ処理し、被測定光の周波数を算出する。また、算出された周波数と光速とに基づいて被測定光の波長を算出する。

表示制御部１７５は、表示部１８０の制御を行ない、操作メニューや測定結果を表示させる。

光測定装置１００において、被測定光出力部１１０から出射された被測定光は、ビームスプリッタ１３０で２つの光束に分割される。一方の光束は固定ミラー１４０で反射され、他方の光束は移動ミラー１５０で反射される。両反射光はビームスプリッタ１３０に再入射し、重ね合わされて被測定光受光部１６０に入射する。

また、基準光出力部１２０から出射された基準光も、ビームスプリッタ１３０で２つの光束に分割される。一方の光束は固定ミラー１４０で反射され、他方の光束は移動ミラー１５０で反射される。両反射光はビームスプリッタ１３０に再入射し、重ね合わされて基準光受光部１６２に入射する。

被測定光の固定ミラー１４０を経由する光路長と基準光の固定ミラー１４０を経由する光路長とが等しく、被測定光の移動ミラー１５０を経由する光路長と基準光の移動ミラー１５０を経由する光路長とが等しくなるように調整されている。

上記構成の光測定装置１００の動作について図２のフローチャートを参照して説明する。まず、実際の測定に先立ち、測定設定部１７１が操作者から測定に関する設定を受け付ける（Ｓ１０１）。測定設定の受け付けは、例えば、表示部１８０に操作メニューを表示し、選択操作を受け付けることで行なうことができる。

ここでは、測定設定として、応答性優先か精度優先かを設定できるものとする。図３に示すように、優先の度合いを複数段階で設定できるようにしてもよい。本図の例では、５段階に区分し、左側を設定するほど応答性を優先し、右側を設定するほど精度を優先するようになっており、左から２番目の「やや応答性優先」が設定されている。もちろん、設定できる段階は５段には限られない。

なお、応答性優先か精度優先かを設定するのは、後述するように、応答性と測定精度とはトレードオフの関係にあるためである。操作者は、測定の目的等に応じて応答性優先か精度優先かを任意に設定することができる。

次に、測定設定部１７１が、応答性優先か精度優先かの設定に基づいて、測定区間の設定を行なう（Ｓ１０２）。本実施形態では、駆動機構１５２の動作により物理的に定められる光路長差変動範囲に複数個の測定区間を設定できるようにしている。

例えば、図４には、光路長差変動範囲に「測定区間１」「測定区間２」の２つの測定区間を設定した場合と、「測定区間１」「測定区間２」「測定区間３」「測定区間４」の４つの測定区間を設定した場合の例を示している。測定区間の数は、２、４に限られない、また、測定区間と測定区間との間に測定を行なわない区間を設けてもよい。実装上は、ＦＦＴ処理において２のｎ乗個のデータを使用するため、測定区間とサンプリングデータ数との調整を行なうことが望ましい。

そして、測定区間毎にインターフェログラムを作成し、被測定光の周波数、波長を算出する。このため、測定区間を２つ設定した場合は、移動ミラー１５０が光路長差変動範囲を移動する間に２回の測定結果が出力され、測定区間を４つ設定した場合は、移動ミラー１５０が光路長差変動範囲を移動する間に４回の測定結果が出力されることになる。これにり、光測定装置１００の応答性が向上する。

光路長差変動範囲に設定する測定区間が多いほど応答性が高くなるが、一方で、測定区間長が短いほど精度は低下する。これは、測定周波数の分解能は、光速を光路長差変動範囲長で割った値で表されるためである。

そこで、本実施形態では、操作者が応答性優先か精度優先かを設定できるようにしている。すなわち、応答性が重視される測定であれば、あえて精度を低下させてでも測定区間を短くして短周期で測定値を出力できるようにしている。ただし、操作者からの設定の受け付けを省き、固定的に応答性優先とした設計としてもよい。

測定設定部１７１は、操作者に設定された応答性優先の度合いが高いほど測定区間を多く設定し、操作者に設定された精度優先の度合いが高いほど測定区間を少なく設定すればよい。測定区間を１とすれば、精度を最優先とした測定を行なうことができる。なお、従来は、光路長差変動範囲の全域にわたって１つの測定区間が固定的に設定されていたため、実質的に、一律に精度優先の設定となっていた。

測定区間を設定すると、測定を開始する（Ｓ１０３）。すなわち、被測定光と基準光を出射するとともに、移動ミラー１５０の移動と、検出信号のサンプリングを開始する。

測定においては、測定区間の開始のタイミングになると（Ｓ１０４：Ｙｅｓ）、演算部１７４が、その測定区間でインターフェログラムを作成する（Ｓ１０５）。そして、作成されたインターフェログラムに基づいて測定光の周波数、波長を算出する（Ｓ１０６）。算出結果にはタイムスタンプを記録することが望ましい。これにより、時刻に対する周波数、波長の関係が求められ、測定光の周波数、波長の過渡変化を把握することができる。

算出された周波数、波長は、測定結果として表示部１８０等を介して出力する（Ｓ１０７）。

以上の処理を、測定が終了するまで繰り返す（Ｓ１０８）。これにより、測定区間毎に測定結果が得られることになる。なお、光路長差変動範囲に複数の測定区間を設定した場合、光路長差が０のポイントを含まない測定区間が生じる。光路長差が０のポイントは、すべての波長成分で振幅が加算され、受光信号強度が顕著に大きくなるため、測定に好適である。このような測定区間でも精度低下を抑制するために、被測定光はスペクトル線幅が細い光が望ましい。

上述のように、光路長差変動範囲に設定する測定区間が多いほど応答性が高くなるが、一方で、測定区間長が短いほど精度は低下する。そこで、図５に示すように、開始タイミングの異なる複数個の測定区間を重ねて設定することで、精度の大幅な低下を防ぎつつ高い応答性を得ることができる。この場合も、各測定区間のサンプリングデータ数が２のｎ乗個となるように測定区間の長さと個数とを調整することが望ましい。

１００…光測定装置
１１０…被測定光出力部
１２０…基準光出力部
１３０…ビームスプリッタ
１４０…固定ミラー
１５０…移動ミラー
１５２…駆動機構
１６０…被測定光受光部
１６２…基準光受光部
１６４…サンプリング部
１７０…演算処理部
１７１…測定設定部
１７２…駆動部
１７３…データ取得部
１７４…演算部
１７５…表示制御部
１８０…表示部

Claims (4)

1. 分割された被測定光の一方の光路長を変化させる移動ミラーと、
   前記移動ミラーを所定距離の往復直線運動させる駆動機構と、
   前記分割された被測定光を重ね合わせた光の強度を検出する被測定光受光部と、
   前記所定距離で定まる光路長差変動範囲に複数個の測定区間を設定し、測定区間毎に、検出された光の強度変化に基づく測定値算出を行なう演算処理部と、
   を備えたことを特徴とする光測定装置。
2. 前記演算処理部が、操作者から受け付けた設定に基づいて前記測定区間の個数を設定することを特徴とする請求項１に記載の光測定装置。
3. 前記演算処理部が、開始タイミングの異なる複数個の測定区間を重ねて設定することを特徴とする請求項１または２に記載の光測定装置。
4. 分割された被測定光の一方の光路長を変化させる移動ミラーと、前記移動ミラーを所定距離の往復直線運動させる駆動機構と、前記分割された被測定光を重ね合わせた光の強度を検出する被測定光受光部とを備えた光測定装置に、
   前記所定距離で定まる光路長差変動範囲に複数個の測定区間を設定し、測定区間毎に、検出された光の強度変化に基づく測定値算出動作を行なわせる制御用プログラム。