JP4769490B2

JP4769490B2 - 光路長制御装置

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Publication number: JP4769490B2
Application number: JP2005155314A
Authority: JP
Inventors: 道徳塩田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2005-05-27
Filing date: 2005-05-27
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2025-05-27
Also published as: JP2006329857A

Description

本発明は、電磁波を用いた分光イメージング等の分野で使用される時間領域分光法などの構成に用いられる光路長制御装置ないし方法、これを用いる分光装置、センシング装置などの装置に関するものであり、特に、こうした分野で用いられる遅延系に関するものである。ここにおいて、電磁波は、特に、ミリ波からテラヘルツ波の領域の電磁波である。

従来、ミリ波からテラヘルツ波にかけた電磁波を用いた非破壊なセンシング技術が開発されてきている。この周波数帯の電磁波の応用分野として、X線に代わる安全な透視検査装置としてイメージングを行う技術、物質内部の吸収スペクトルや複素誘電率を求めて原子・分子の結合状態などを調べる分光技術、生体分子の解析技術、キャリアの濃度や移動度を評価する技術などが開発されている。

中でも、これまで、電磁波を用いた分光イメージングをするために、テラヘルツ帯複素誘電率測定装置において、光パルスを用いた分光法である時間領域分光法（TDS：Time Domain Spectroscopy）が用いられてきている（特許文献１参照）。

図８は従来のTDSの概略構成図である。図８において、移動ステージ１８は、時間遅延を与えるものであり、移動ステージ１８が移動することによって、資料２２を透過した検出すべきパルス電磁波２４の波形全体を測定することができる。図８に示すように、このTDSでは、レーザーなどからの超短パルス光７をビームスプリッタ８で分割し、一方のパルス光１０をレンズ１２を介して電圧印加した電磁波放射用光伝導素子１３に照射する。これにより、電磁波放射用光伝導素子１３には瞬間的に電流が流れるため、パルス電磁波２４が放射される。これを放物面鏡２１で平行化して試料２２を透過させ、放物面鏡２１により電磁波検出用光伝導素子１４に集める。

他方、電磁波検出用光伝導素子１４はビームスプリッタ８で分割されたもう一方の超短パルス光１１で照射され、その瞬間だけ導電性となる。そのため、到達してきた電磁波２４の電場を電流として検出することができる。そして、ビームスプリッタ８から電磁波検出用光伝導素子１４に到達するまでの時間を遅延系（リトロリフレクタ１７を設けた移動ステージ１８で構成される）で変えることにより、試料２２を透過して来た電磁波２４の時間波形を得ることができる。なお、図８中、１５は電源、２５は電流増幅器、２３はロックイン増幅器、２０はコンピュータを示す。

このTDSの方法では、用いられる電磁波が短パルスであるため、試料を透過してきた電磁波波形と試料を挿入しない場合の電磁波波形とを比較することにより、広い周波数にわたる電磁波の透過率・位相遅れを計算することができる。すなわち、このTDSでは電磁波の時間波形を測定することができ、この時間波形を、試料を挿入した場合と試料を挿入しない場合について求めてフーリエ変換し、各周波数成分ごとの振幅及び位相を比較することにより、試料がもたらす減衰及び位相遅れが分かり、これから複素誘電率や複素屈折率などを計算することができる。
特開２００１−２１５０３号公報

しかしながら、図８に示すような移動ステージ１８によって時間遅延を与える場合、「移動ステージの移動量が大きい」、「移動ステージが大型化する」、「移動ステージの駆動が高速で応答できない」といった問題が発生しがちである。

上記課題に鑑み、本発明の光路長制御装置は、光の進行方向を変えるための２次元に配置された複数の部材を含み構成される固定部と、光の進行方向を変えるための２次元に配置された複数の部材を含み構成され、且つ前記固定部との距離を変えるための駆動ステージから成る可動部と、を有し、前記可動部と前記固定部は、光が、前記固定部の１つの部材から進行して前記可動部の対応する部材で折り返され前記固定部の前記１つの部材に隣接する部材に達し、該隣接する部材で折り返されて前記可動部の前記対応する部材に隣接する部材に達するということを順次繰り返すように、対向して設置されて、前記可動部と前記固定部の間に、連続する複数の折り返し光路を２次元に形成し、前記駆動ステージを制御することにより、前記複数の折り返し光路を折り返しながら進む光に対して、前記距離と該光路の数との積から得る遅延時間を与えることを特徴とする。こうした構成により、例えば、可動部の移動を制御して所定の位置に達する前記光路を経る光の遅延時間を変化させることができる。

また、上記課題に鑑み、本発明の装置は、上記の光路長制御装置を含み構成される装置であって、前記光が照射されることによりテラヘルツ波を発生あるいは検出することのできる光伝導素子を有し、前記駆動ステージを制御することにより、前記光路を進む光が前記光伝導素子に到達するまでの遅延時間を変化させることを特徴とする。また、本発明の装置は、上記の光路長制御装置を含み構成される装置であって、前記光をビームスプリッタで２つに分割するためのビームスプリッタと、前記ビームスプリッタが分割した前記光の一方が照射されることによりテラヘルツ波を発生させることのできる発生用光伝導素子と、被検物を透過あるいは反射したテラヘルツ波を検出するための検出用光伝導素子と、を有し、前記駆動ステージを制御することにより、前記ビームスプリッタが分割した前記光の他方が前記検出用光伝導素子に到達するまでの遅延時間を変化させることにより、前記透過あるいは反射したテラヘルツ波の時間波形を取得することを特徴とする。また、本発明の分光装置は、パルス光をビームスプリッタで２つに分割し、一方のパルス光から生成される電磁波を被検物に当てて被検物を透過する電磁波または被検物で反射する電磁波を電磁波検出手段に導くと共に、他方のパルス光を遅延系で時間遅延して電磁波検出手段に導いて実行される時間領域分光法の構成を有し、遅延系に、上記光路長制御装置を用いて、被検物の物性などの性状に関する情報を得ることを特徴とする。この分光装置の動作原理は、上記背景技術のところで述べたものと基本的に同じである。

また、上記課題に鑑み、本発明の位置・運動センシング装置は、パルス光をビームスプリッタで２つに分割し、一方のパルス光から生成される電磁波を被検物に当てて被検物を透過する電磁波または被検物で反射する電磁波を電磁波検出手段に導くと共に、他方のパルス光を遅延系で時間遅延して電磁波検出手段に導いて実行される時間領域分光法の構成を有し、遅延系に、上記光路長制御装置を用いて、被検物の位置ないし振動などの運動に関する情報を得ることを特徴とする。

本発明によれば、小型化可能なミラー、光ファイバーなどを用いて構築される複数の光路の長さを、可動部の移動により、一度に変化させることができる。

以下、本発明の実施の形態を明らかにすべく、図面を参照しながら本発明の実施例を説明する。

図１は本発明の光路長制御装置ないし遅延系の一実施例を示す概略図である。図１のように、可動部１上に、屋根型に所定の角度で対を成して組まれた小型のミラー２を複数対設置し、固定部３の上に、可動部１上に設置したミラー２の対の数に対応する数の対のミラー４を設置する。対を成すミラー２によりリトロリフレクタが構成されている。この設置により、ミラー２とミラー４により形成される複数対の往復する光路５がすべて平行となり、図１に示す固定部３側のＡから入射した光が光路５を経由して、図１に示す固定部３側のＢから出て行くようになる。このとき、可動部１と固定部３は、可動部１が光路５の方向とほぼ平行に移動するときに固定部３に接触しないようにこれから離して設置すればよい。そのため、光路５の長さを短く選択することで、この光路長制御装置ないし遅延系全体の大きさを小さくすることができる。可動部１としては、高速で応答・駆動できるモーターで移動されるモーター駆動ステージを用いることもできるし、より高速で応答・駆動できるピエゾ素子で超高速で移動されるピエゾ駆動ステージを用いることもできる。

図１のように、対を成すミラー２とミラー４は左右方向にだけ１次元に並べてもよいが、正面図である図２のように、上下左右方向に２次元に配置してもよい。この場合、図２に示すように、固定部３側のＡから入射した光はミラー４（図示せず）によりミラー２に向かって向きを変えて進み、ミラー２で反射される。この反射光は先程のミラー４の横に配置されたミラー４（図示せず）により、ミラー２の向きに向きを変えられる。同様に反射を繰り返すことにより、Ａから入射した光は、図２の（1）から（2）の方向に順次ミラー２を経由して進んでいく。（2）で最後に反射された光は、固定部３上に設置されたミラー４（図示せず）により、上から２段目のミラー２への入射光となるように光の進行方向が変えられる。以下同様に、（4）での反射光も３段目のミラー２への入射光となるように、ミラー４（図示せず）により、光の進行方向が変えられる。このようにして、固定部３側のＡから入射した光は、（1）→（2）→（3）→（4）→（5）→（6）の順番にミラー２を経由して、固定部３側のＢから出て行く。

図２のようにミラー２とミラー４を２次元に配置した場合、光はＡからＢへと進む間に、１２往復することになる。そのため、可動部１の移動ステージが1mm移動するだけで、従来の移動ステージが12mm移動したのと同じだけの遅延時間を与えることができる。

このことは、可動部１上にはミラー２を、固定部３上にはミラー４を、往復する光路５がすべて平行になるように、上下左右方向に配置することで、同じ遅延時間を与えるのに必要とする移動ステージの移動量を少なくできることを意味する。そして、可動部１の移動ステージの移動量を少なくできるため、例えば、ピエゾ駆動ステージを可動部１として用いることで、次のことが可能になる。すなわち、例えば、20Hz以上の周期運動をする動きなどの高速移動が可能となるとともに、移動ステージを小型にすることができる。

なお、対を成すミラー２と対を成すミラー４の代わりに、同様の機能を果たすプリズムを使って光を反射させるようにしてもよい。

本実施例によれば、小型のミラーを用いて構築される複数の光路の長さを、可動部の移動により、一度に変化させることができる。そのため、従来に比べて、可動部の移動量が少なくて済む光路長制御装置ないし遅延系を実現できる。その結果、ピエゾ駆動ステージなどを可動部として用いることで、「高速で応答できる」、「移動ステージが小型である」といった特徴を持つ光路長制御装置ないし遅延系を提供することができる。

図３は本発明の別の実施例を示す概略図である。本実施例では、図３のように、可動部１と固定部３に複数の光ファイバー６（U字形状またはJ字形状に曲げられている）を埋め込む。そして、図３の固定部３側のＡから入射した光が固定部３および可動部１内の光ファイバー６を通過して固定部３側のＢから出て行くように、可動部１と固定部３を接近させて設置する。ただし、このとき、可動部１が光路５の方向と平行に移動したとき、固定部３に接触しないように固定部３を設置する。

可動部１と固定部３に設置される光ファイバー６は、図３のように左右方向にだけ１次元に並べてもよいが、図４（可動部１を正面から見た断面図）と図５（固定部３を正面から見た断面図）のように上下左右方向に２次元に設置してもよい。このように２次元にした場合、図５に示すように、固定部３に設置された光ファイバー６のうち、光が入射する光ファイバーと光が出て行く光ファイバーを除く、左右の端にある光ファイバー６は上下方向に曲げられている。こうして、光は上段から下段に進む。そのため、図３〜図５に示すように固定部３側のＡから入射した光は矢印のように光ファイバー６を経由して固定部３側のＢから出て行くことになる。

図３〜図５のように光ファイバー６を可動部１と固定部３に配置した場合、２８往復の光路（左右方向に４往復×７段）が形成される。このため、同じ遅延時間を与えるために、可動部１の移動する距離は、光路が１往復しかない従来の場合に比べて、１／２８で済むことになる。

可動部１として、例えば、ストローク100μm、周波数20Hzのピエゾ駆動ステージを用いた場合、25(１/20×1000/2)ミリ秒に2.8mm（＝0.1mm×28）移動できることになり、TDSにおけるパルス電磁波波形全体を短時間に測定することが可能となる。

なお、ピエゾ駆動ステージの周波数を高くすれば、より短時間にTDSにおけるパルス電磁波波形全体を測定することができる。また、ピエゾ駆動ステージの移動ストロークを長くするか、光ファイバー６の数を多くすればするほど、ピエゾ駆動ステージの１回の振動で、スキャンできるパルス電磁波の波形の長さを長くすることができる。

図３〜図５において光の方向を変えるのに光ファイバー６を曲げたが、図６のように光ファイバーの端面６’を研磨して金などでコーティングすることで４５°ミラーを形成し、光の方向を変えるようにしてもよい。なお、このとき用いる光ファイバー６は被覆のないものとする。

図７は、時間領域分光法の構成を位置、振動などの運動のセンシングに応用した図である。図７において、図８に示す従来の時間領域分光法の構成と異なる点は、テラヘルツ電磁波放射用光伝導素子１３から放射されたテラヘルツ波２４を物体２８に照射するための放物面鏡２１’と、物体２８によって反射されてきたテラヘルツ波２４をテラヘルツ電磁波検出用光伝導素子１４で検出できるようにするための放物面鏡２１’が追加されている点である。なお、図７の２７は、複数の光路を持つ本発明による遅延系であり、複数の小型のミラー、複数の光ファイバーなどを用いて複数の光路が形成されている。

図７の図示例では、放物面鏡２１’からのテラヘルツ波２４が物体２８に対して成す角度は比較的大きくなっているが、実際にはこの角度は非常に小さい。したがって、物体２８に図中上下方向の動きがあっても、テラヘルツ波２４の物体２８に対する照射状態にほぼ変化はなく、物体２８の位置、振動などの運動のセンシングが可能となる。

この構成では、高速応答が可能な本発明の遅延系２７が用いられているため、物体２８の動きに対して高速に追随することができるといったことや、物体２８の移動距離の長さに対応できるといった効果がある。すなわち、物体２８の動きに対して遅延系２７を高速に応答させて駆動して、電磁波検出用光伝導素子１４で、常に、時間波形中のほぼ所定の位置の信号（例えば、ピーク位置の信号）が得られるようにするなどといった制御が可能となる。こうして、逆に、遅延系２７の駆動制御の仕方から物体２８の動きを検出して、その移動位置、移動距離、振動数などを測定できることになる。こうした位置・運動センシングシステムにより、例えば、遅延系２７を高速に応答・駆動させることで人の肺や心臓の動きを追随して出力信号を得て呼吸数や心拍数などを取得することができる。

図７の構成を分光装置に応用した場合（ただし、この場合は、一般には、上記位置・運動センシングシステム程、高速応答性を要求されない）でも、遅延系の高速な制御で検出電磁波２４の時間波形全体を迅速に測定することができ、被検物である物体の物性などを迅速に検知できる。また、本発明の光路長制御装置は、光路長を制御して所定の位置に達する当該光路を経る光の遅延時間を変化させるのを必要とする場合など、光路長の制御を必要とする如何なるところにも用いることができる。

複数の小型のミラーを用いた光路長制御装置ないし遅延系の実施例を上から見た断面図である。小型のミラーを用いた可動部の正面図である。光ファイバーを用いた光路長制御装置ないし遅延系の実施例を上から見た断面図である。光ファイバーを用いた可動部を正面から見た断面図である。光ファイバーを用いた固定部を正面から見た断面図である。４５°ミラーを形成した光ファイバーを示す図である。時間領域分光法の構成を位置、振動などの運動のセンシングに応用した例を示す図である。従来のTDSの概略構成図である。

符号の説明

１・・・可動部
２・・・可動部に設置したミラー
３・・・固定部
４・・・固定部に設置したミラー
５・・・光路
６・・・光ファイバー
６’・・・光ファイバーの端面
２７・・・複数の光路を持つ遅延系
２８・・・物体

Claims

光の進行方向を変えるための２次元に配置された複数の部材を含み構成される固定部と、
光の進行方向を変えるための２次元に配置された複数の部材を含み構成され、且つ前記固定部との距離を変えるための駆動ステージから成る可動部と、を有し、
前記可動部と前記固定部は、光が、前記固定部の１つの部材から進行して前記可動部の対応する部材で折り返され前記固定部の前記１つの部材に隣接する部材に達し、該隣接する部材で折り返されて前記可動部の前記対応する部材に隣接する部材に達するということを順次繰り返すように、対向して設置されて、前記可動部と前記固定部の間に、連続する複数の折り返し光路を２次元に形成し、
前記駆動ステージを制御することにより、前記複数の折り返し光路を折り返しながら進む光に対して、前記距離と該光路の数との積から得る遅延時間を与えることを特徴とする光路長制御装置。
前記駆動ステージは、モーターあるいはピエゾ素子により構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光路長制御装置。
前記光の進行方向を変えるための部材が、前記可動部と前記固定部よりも小さい複数のミラーあるいはプリズムによって形成されていることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の光路長制御装置。
前記光の進行方向を変えるための部材が、U字形状あるいはJ字形状に曲げられた光ファイバーにより形成されていることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の光路長制御装置。
前記光の進行方向を変えるための部材が、被覆のない光ファイバーの端面を研磨して金属でコーティングすることで形成された４５°ミラーによって形成されていることを特徴とする請求項３に記載の光路長制御装置。
請求項１から５のいずれか１項に記載の光路長制御装置を含み構成される装置であって、
前記光が照射されることによりテラヘルツ波を発生あるいは検出することのできる光伝導素子を有し、
前記駆動ステージを制御することにより、前記光路を進む光が前記光伝導素子に到達するまでの遅延時間を変化させることを特徴とする装置。
請求項１から５のいずれか１項に記載の光路長制御装置を含み構成される装置であって、
前記光をビームスプリッタで２つに分割するためのビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタが分割した前記光の一方が照射されることによりテラヘルツ波を発生させることのできる発生用光伝導素子と、
前記発生用光伝導素子から出て被検物を透過あるいは反射したテラヘルツ波を検出するための検出用光伝導素子と、を有し、
前記駆動ステージを制御することにより、前記ビームスプリッタが分割した前記光の他方が前記検出用光伝導素子に到達するまでの遅延時間を変化させることにより、前記透過あるいは反射したテラヘルツ波の時間波形を取得することを特徴とする装置。
前記時間波形を用いて、被検物の物性を検知あるいは位置や運動をセンシングすることを特徴とする請求項７に記載の装置。