JP4602215B2 - 光量測定装置及び光量測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、光量測定装置又は光量測定方法に係り、例えば、光チョッパ盤を用いた光量測定装置で測定される光量を補正する技術に関する。

入射する信号光の光量を測定するには、受光素子を用いて、受光された信号光の光量を測定する。ここで、一般的に受光素子は、温度依存性が比較的大きく感度の安定性に問題がある。特に微弱な光量を計測する高感度な受光素子はこの問題が著しく無視できない。

かかる問題に対し、従来技術として、信号光の一部をビームサンプラーで分岐し、分岐された光を光ファイバと結合させる。そして、分岐された光を、光学的測定情報を含む信号光と同程度に減光させて同一光電子増倍管に導く。そして、分岐された光と信号光とを振り子状に振れる回転シャッタにより選択的に遮断し、分岐された光と信号光とを時系列的に同一光電子増倍管に入射させる。かかる光学系の構成により、分岐された光と信号光との光路遮断の動作を同期させて信号光の測定光量変動を補正しながら、信号光の光量の測定を行う光学的測定装置である。かかる構成により、受光素子である光電子増倍管の感度ドリフト補正等も含めた測定光量変動補正を行って光学的測定精度を向上させるとするものである（例えば、特許文献１参照）。

しかし、かかる従来の構成では、信号光の一部をビームサンプラーで分岐する構造、あるいは振り子状に振れる回転シャッタで分岐された光と信号光とを選択的に遮断する構造等、測定光量変動補正を行うための基準光となる分岐された光の生成に複雑な光学系を必要とした。さらに、基準光の光量設定は、分岐した光を結合させる光ファイバ端面同士の距離を制御することに留まっており、光量調整の設定精度あるいは自由度に欠ける。
特開平４−２６２２４３号公報

以上のように、従来の光量測定装置では、光学系が複雑になってしまうといった問題や、振り子状に振れる回転シャッタの制御を行なう必要があった。さらに、信号光の測定光量変動の補正用の基準光に、信号光の一部を分岐した光を用いるため、光量調整の設定精度あるいは自由度に欠け、特に、受光素子の直線性を補正することはできないといった補正できる内容にも限界があった。

本発明は、上述した問題点を克服し、光学系を簡素化した上で、受光素子の感度ドリフトあるいは直線性を補正することを目的とする。

本発明の一態様である光量測定装置は、
入射する信号光に対し、回転しながら所定の周期で前記信号光を遮断する遮断部と、
前記遮断部により前記信号光が遮断されている期間毎に、前記信号光とは異なる所定の光を前記信号光が遮断されている期間中に複数回点滅させて照射する、前記信号光の光源とは独立した光源と、
前記信号光と前記所定の光とを受光し、前記信号光の光量と前記所定の光の光量とを測定する測定部と、
前記所定の光の光量に基づいて、前記信号光の光量を補正する補正部と、
所定の基準値と前記所定の光の光量値との比較から補正値を算出する補正値算出部と、
を備え、
前記補正部は、前記補正値に基づいて前記信号光の光量を補正することを特徴とする。

また、かかる光量測定装置を用いて、本発明の一態様である光量測定方法は、
所定の周期で入射する信号光の光量を測定する第１の測定工程と、
前記信号光が入射しない期間毎に前記信号光の光源とは異なる独立した光源から入射する、前記信号光が入射しない期間中に複数回点滅する所定の光の光量を測定する第２の測定工程と、
前記所定の光の光量に基づいて、前記信号光の光量を補正する補正工程と、
を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、前記信号光とは異なる所定の光を照射する光源と回転しながら所定の周期で前記信号光を遮断する遮断部とを備えたので、従来のような信号光の一部をビームサンプラーで分岐する構造、及び振り子状に振れる回転シャッタで分岐された光と信号光とを選択的に遮断する構造といった複雑な光学系を排除することができる。その上で、前記信号光とは異なる所定の光を照射する光源を備えたことで、信号光に関わりなく、光量を調整することができ、設定精度あるいは自由度を向上させることができる。その結果、精度のより高い光量補正を行なうことができる。よって、精度のより高い光量測定を行なうことができる。

実施の形態１．
以下、図面を用いて実施の形態１について説明する。
図１は、実施の形態１における光量測定装置の構成を示す概念図である。
図１において、光量測定装置１００は、光学系１４と信号処理回路系１５とを備えている。光学系１４は、スリット１、遮断部の一例となる光チョッパ盤２、モータ３、スリット４、測定部の一例となる受光素子５、基準光源６、光ファイバ７、回転位置検出器８を有している。一方、信号処理回路系１５は、同期回路９、基準光源制御回路１０、基準値が記憶された記憶装置１１、補正値算出回路１２、補正演算回路１３を有している。

入射してくる信号光は、スリット１により絞り込まれる。そして、絞り込まれた信号光は、光チョッパ盤２により変調される。光チョッパ盤２により変調されることによりノイズ等を排除することができる。そして、変調された信号光は、スリット４により再度絞り込まれる。そして、受光素子５が、絞り込まれた信号光を受光し、受光された信号光の光量を測定する。一方、この同一受光素子５には、光ファイバ７を介して、独立な基準光源６から前記信号光とは異なる基準光が照射され、受光素子５が、スリット４により絞り込まれた基準光を受光し、受光された基準光の光量を測定する。前記基準光源６は、基準光源制御回路１０により所定の振幅あるいはランプ状の振幅あるいは所定の周期かつ回数で点滅等により照射するように駆動制御され、基準光を照射する。

図２は、光チョッパ盤２の一部を示す図である。
図２に示すように、光チョッパ盤２は、歯車の歯型のような構成を有している。そして、光チョッパ盤２は、モータ３によって規定速度で回転駆動させられる。光チョッパ盤２は、入射する信号光に対し、回転しながら所定の周期で前記信号光を遮断する。すなわち、歯車の歯がある部分である遮光部分に信号光がぶつかる場合には、信号光は遮光される。そして、歯車の歯がない部分である透過部分に信号光が入射する場合には、信号光は、通過する。所定の周期で前記信号光を遮断（遮光）することで、ノイズを排除することができる。さらに、前記信号光を遮断（遮光）することで、後述するように基準光による補正値の算出を行なうことができる。

回転位置検出器８は、モータ３と組み合わされ、光チョッパ盤２の回転位置を検出する。光チョッパ盤２の回転位置を検出することで、光チョッパ盤２の回転位置に従った信号光の通過と遮光の変調タイミングを高分解能で検出することができる。

信号処理回路系１５において、同期回路９は、回転位置検出器８の検出信号を基に光チョッパ盤２の変調タイミングに同期した変調同期信号を生成する。そして、基準光源制御回路１０は、かかる変調同期信号をトリガとして、信号光の遮光期間に基準光源６から基準光を照射するように駆動制御する。単一受光素子５に受光させる信号光とは独立に設けた基準光源６を遮光期間において駆動制御することにより、基準光の光量あるいは照射時間等の種々のバリエーションの制御を可能にすることができる。

磁気ディスク装置等の記憶装置１１には、受光素子５の感度補正あるいは直線性補正の比較対象となる基準値が格納されている。基準値は、信号光の光量値を測定して用いる。測定開始時に基準となる基準光の光量測定し、これを基準値とする。

補正値算出回路１２は、変調同期信号から信号光の遮光期間すなわち基準光受光期間を判断し、受光素子５が、基準光受光期間に受光し、測定した基準光の光量値を入力し、基準値と比較して補正値を算出する。

補正演算回路１３は、変調同期信号をトリガとして、信号光の受光期間を判断し、受光素子５が、信号光の受光期間に受光し、測定した信号光の光量値を、補正値算出回路１２が算出した補正値を基に補正することで、信号光の光量を校正することができる。

図３は、実施の形態１における光量測定装置の動作の要部を示すフローチャート図である。
Ｓ（ステップ）３０２において、基準光量値測定工程として、受光素子５は、基準光の光量値を測定する。そして、かかる基準光の光量値を基準値として記憶装置１１に格納する。

Ｓ３０４において、基準光源光の光量測定工程として、光チョッパ盤２により信号光が遮断されている期間に、基準光源６から照射された基準光の光量値を測定する。

Ｓ３０６において、信号光の光量測定工程として、光チョッパ盤２を信号光が通過する期間に、通過した信号光の光量値を測定する。

図４は、信号光と基準光と受光素子が測定した光量値との関係を示す図である。
図４に示すように、光チョッパ盤２の遮光部分の歯がスリット１の径をもつ信号光を徐々に遮光して、信号光が完全に遮光期間に入ると、基準光が所定の振幅のパルス波として照射される。かかる場合、受光素子５では、信号光の透過期間は、信号光の光量を計測し、信号光の遮光期間は、パルス波状に図示されている点滅する基準光の光量を計測する。言い換えれば、受光素子５では、信号光か基準光のいずれか一方のみの光量を計測することができる。

Ｓ３０８において、補正値算出工程として、補正値算出回路１２が、基準光受光期間に測定された基準光の光量値を入力し、基準値と比較して補正値を算出する。

Ｓ３１０において、信号光の光量補正工程として、補正演算回路１３が、信号光の光量値と補正値とを入力し、入力された補正値を基に信号光の光量値を補正することで、信号光の光量を校正する。

図５は、受光素子の感度補正を行なう場合の動作タイミングチャート図である。
図５では、規定の光量値と照射時間及び照射回数で、基準光を点滅させた場合の受光素子５の出力信号と信号処理回路系１５の動作とを示している。
同期回路９の変調同期信号から信号光遮光期間（基準光受光期間）と信号光受光期間を認識することができる。そして、信号光遮光期間においては基準光源制御回路１０の基準光源制御信号により基準光源６を駆動制御することで基準光を点滅動作させ、所定の振幅のパルス波を照射する。補正値算出回路１２では、この各点滅時における受光素子５の受光素子信号を読み込んだ各パルス波の振幅となる光量値の最大値と最小値の差（相対値）の合計をパルス波数で割ることにより光量値の平均値ｎを演算する。図５では、基準光のパルス波が終了してから平均値ｎを演算するため、タイミングチャート上でｎ−１番目の平均値ｎ−１からｎ番目の平均値ｎにデータが切り替わるまでにタイムラグが生じている。そして、補正値算出回路１２では、平均値ｎと記憶装置１１に記憶された基準値との比較から補正値ｎを算出する。ここでも平均値ｎが演算された後に演算補正値ｎを算出するため、タイミングチャート上でｎ−１番目の補正値ｎ−１からｎ番目の補正値ｎにデータが切り替わるまでにタイムラグが生じている。点滅動作させ、所定の振幅のパルス波を照射することで、一定の光量値を照射し続ける場合と比較し、光量値を平均化する場合にノイズを低減することができる。

次に信号光遮光期間後のタイミングにあたる信号光受光期間における受光素子５から出力された受光素子信号を読み込んだｎ番目の信号光の光量値ｎを前記補正値ｎに基いて補正演算回路１３により感度補正し、信号光量校正値ｎを出力する。具体的には、信号光も遮光時の受光素子５の値と信号光の光量値の差（相対値）で、所定周期で読んで平均化した値を用いる。信号光受光期間のある時刻にて受光素子信号を読み込んだことで、タイミングチャート上でｎ−１番目の信号光量値ｎ−１からｎ番目の信号光量値ｎにデータが切り替わる。そして、信号光量値ｎ−１からデータが切り替わった信号光量値ｎを前記補正値ｎに基いて感度補正した時点でタイミングチャート上でｎ−１番目の信号光量校正値ｎ−１からｎ番目の信号光量校正値ｎにデータが切り替わる。

そして、信号光遮光期間と信号光受光期間とが交互に繰り返される毎に、以上の動作を行なうことにより、受光素子５の温度ドリフトを排除した正確な信号光の光量を測定することができる。

図６は、温度ドリフト補正を説明するための感度と光量との関係を示す図である。
図６に示すように、ある光量に対する受光素子の感度が規定される。しかし、温度等の環境の変化により、感度がドリフトを起こす。本実施の形態１による補正により、点線で示すドリフトされた値を基準となる値に補正することで、環境温度に関わり無く、正確に信号光の光量を測定することができる。

ここで、この感度補正は信号光遮光期間後に受光した信号光に限定することはない。例として信号光遮光期間前に受光した信号光を対象に前記信号光遮光期間の補正値ｎによって校正するようにしても好適である。すなわち、補正値は、その前後の信号光のどちらを補正しても構わない。

従来のような信号光の一部を用いる構造では、基準光は、一定の光量を照射することしかできない。それに対し、本実施の形態１では、例えば点滅で基準光を制御することで比較的ノイズの影響を受けず正確な基準光量値を得ることができる。

図７は、受光素子の直線性補正を行なう場合の動作タイミングチャート図である。
図７では、複数の値に振った光量値と照射時間及び照射回数で、基準光を点滅させた場合の受光素子５の出力信号と信号処理回路系１５の動作とを示している。
受光素子５には、検出できる光量の範囲が存在する。そこで、かかる光量検出のダイナミックレンジの範囲に合わせて基準光の光量を振って、そのときの受光素子５で測定される光量値から受光素子の直線性補正値を算出することができる。

ここでも、同期回路９の変調同期信号から信号光遮光期間（基準光受光期間）と信号光受光期間を認識することができる。そして、信号光遮光期間においては基準光源制御回路１０の基準光源制御信号により基準光源６を駆動制御することで基準光を点滅動作させ、かかる光量検出のダイナミックレンジの範囲に合わせて複数の振幅（光量）のパルス波を照射する。補正値算出回路１２では、この各点滅時における各光量での受光素子５の受光素子信号を読み込んで、各光量での受光素子信号をグラフ上にプロットした場合に直線となるように、すなわち、感度と光量との関係が１次比例するように、各光量での補正値を算出する。補正値を算出しておくことで、受光素子の直線性補正を行なうことができる。そして、次に信号光遮光期間後のタイミングにあたる信号光受光期間における受光素子５から出力された受光素子信号を読み込んだ信号光の光量値に対応した補正値に基いて補正演算回路１３により感度補正することで、直線性を補正された信号光量校正値を出力することができる

図８は、直線性補正を説明するための感度と光量との関係を示す図である。
図８に示すように、受光素子は、ある光量に対する受光素子の感度が規定される。しかし、そのグラフ線は、直線ではなく、ある程度曲線になってしまう。本実施の形態１による補正により、点線で示す直線性の劣るカーブ値を直線上の値に補正することで、直線性補正を行なうことができる。

図９は、従来技術との比較を説明するための図である。
従来のような信号光の一部をビームサンプラーで分岐し、振り子状に振れる回転シャッタで分岐された光と信号光とを選択的に遮断する構造では、図９（ａ）で示すように、基準光は、回転シャッタの動作に従った一定の光量を照射することしかできない。それに対し、本実施の形態１では、図９（ｂ）で示すように、独立の光源を用いたことで、複数の振幅（光量）のパルス波を照射することができる。ここで、従来のような一定の光量を照射することしかできない場合、受光素子の光量検出のダイナミックレンジの範囲に合わせて複数の振幅（光量）のパルス波を照射することができないため、直線性を補正することができない。それに対し、本実施の形態１のように自由な振幅でパルス波を照射することができるため、受光素子の光量検出のダイナミックレンジの範囲に合わせて複数の振幅（光量）のパルス波を照射することができる。よって、受光素子の直線性を補正することができる。

以上のように、本実施の形態によれば、安定性に欠ける受光素子のリアルタイムな感度補正、直線性補正が可能となり測定精度を向上できる。また、外乱光のノイズ除去等で一般的な手法の光チョッパ盤による変調方式をそのまま活用することができる。そして、基準光の光源を別に独立に設けたことにより、ビームサンプラーや回転シャッタを不要とすることができ、光学系を簡素化することができる。

以上の説明において、信号処理系の「〜回路」或いは「〜工程」と記載したものは、コンピュータで動作可能なプログラムにより構成することができる。或いは、ソフトウェアとなるプログラムだけではなく、ハードウェアとソフトウェアとの組合せにより実施させても構わない。或いは、ファームウェアとの組合せでも構わない。また、プログラムにより構成される場合、プログラムは、磁気ディスク装置、磁気テープ装置、ＦＤ、或いはＲＯＭ（リードオンリメモリ）等の記録媒体に記録される。また、プログラムにより構成される場合、光学系１４との接続は、所定のインターフェース（Ｉ／Ｆ）を介してバスに繋がれ、コンピュータと接続される。かかるバスには記憶装置１１が接続される。

以上、具体例を参照しつつ実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。

また、装置構成や制御手法等、本発明の説明に直接必要しない部分等については記載を省略したが、必要とされる装置構成や制御手法を適宜選択して用いることができる。

その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての光量測定装置及び光量測定方法は、本発明の範囲に包含される。

実施の形態１における光量測定装置の構成を示す概念図である。 光チョッパ盤２の一部を示す図である。 実施の形態１における光量測定装置の動作の要部を示すフローチャート図である。 信号光と基準光と受光素子が測定した光量値との関係を示す図である。 受光素子の感度補正を行なう場合の動作タイミングチャート図である。 温度ドリフト補正を説明するための感度と光量との関係を示す図である。 受光素子の直線性補正を行なう場合の動作タイミングチャート図である。 直線性補正を説明するための感度と光量との関係を示す図である。 従来技術との比較を説明するための図である。

符号の説明

１，４ スリット
２ 光チョッパ盤
３ モータ
５ 受光素子
６ 基準光源
７ 光ファイバ
８ 回転位置検出器
９ 同期回路
１０ 基準光源制御回路
１１ 記憶装置
１２ 補正値算出回路
１３ 補正演算回路
１４ 光学系
１５ 信号処理回路系
１００ 光量測定装置

Claims (4)

1. 入射する信号光に対し、回転しながら所定の周期で前記信号光を遮断する遮断部と、
   前記遮断部により前記信号光が遮断されている期間毎に、前記信号光とは異なる所定の光を前記信号光が遮断されている期間中に複数回点滅させて照射する、前記信号光の光源とは独立した光源と、
   前記信号光と前記所定の光とを受光し、前記信号光の光量と前記所定の光の光量とを測定する測定部と、
   前記所定の光の光量に基づいて、前記信号光の光量を補正する補正部と、
   所定の基準値と前記所定の光の光量値との比較から補正値を算出する補正値算出部と、
   を備え、
   前記補正部は、前記補正値に基づいて前記信号光の光量を補正することを特徴とする光量測定装置。
2. 前記光源は、所定の振幅あるいはランプ状の振幅あるいは所定の周期かつ回数で点滅で駆動制御され、照射することを特徴とする請求項１記載の光量測定装置。
3. 前記補正部は、前記補正値に基づいて、前記遮断部により遮断される前に前記測定部により測定された前記信号光の光量と前記遮断部により遮断された後に前記測定部により測定された前記信号光の光量とのいずれかを補正することを特徴とする請求項１記載の光量測定装置。
4. 所定の周期で入射する信号光の光量を測定する第１の測定工程と、
   前記信号光が入射しない期間毎に前記信号光の光源とは異なる独立した光源から入射する、前記信号光が入射しない期間中に複数回点滅する所定の光の光量を測定する第２の測定工程と、
   前記所定の光の光量に基づいて、前記信号光の光量を補正する補正工程と、
   を備えたことを特徴とする光量測定方法。

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