JP5659293B2 - 位相シフト干渉計 - Google Patents

Description

本発明は、光学材料及び光部品の光学測定及び光コヒーレンストモグラフィによる断層画像測定に用いる位相シフト干渉計に関する。
本願は、２０１１年３月３０日に、日本に出願された特願２０１１−０７６７４４号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

工業分野等において物体の形状を計測するための非接触かつ高分解能な計測手段として、従来、光の干渉を利用した計測がスペクトル干渉計を用いて行われている。このスペクトル干渉計は、光の位相をスペクトル領域で測定するために用いられる。
スペクトル干渉計においては、光源から出射される伝搬光が２つの経路に分岐される。一方の経路に測定対象とする試料を配置し、この試料を透過する光をプローブ光とする。他方の経路には試料を配置せず、この試料を配置しない経路を伝搬する光を参照光とする。
そして、プローブ光と参照光とを結合させて、プローブ光と参照光との干渉を起こさせる。この干渉結果から試料の特性を検出する。

ここで、スペクトル干渉計に用いる光源には、単一波長で発振する波長可変光源が用いられる。光源が放出する光（伝搬光）の波長（もしくは周波数）を掃引し、その波長（もしくは周波数）をパラメータとして干渉光の強度を測定する。この測定により、波長をパラメータとした関数が求められ、試料の透過あるいは反射に伴う光の位相の変化が得られる。この光の位相の変化からスペクトル位相を求めることができる。
上述のように求められたスペクトル位相から波長分散を求めることにより、光学材料や光部品などの特性を評価することができる。
また、スペクトル位相を逆フーリエ変換することにより、光が伝搬する方向に沿った光学媒質の空間分布が得られる。この空間分布から、例えば、試料の深さ方向における断層画像を得ることができる。

干渉光からスペクトル位相を検出する際、ｃｏｓ成分またはｓｉｎ成分のいずれかのみを測定しただけでは、光の位相の符号が判別できない。このため、本来あるべきスペクトル位相を原点として、周波数軸上に反転した鏡像のスペクトル位相が得られる。この結果、波長分散が増加しているかあるいは減少しているかの判別、および深さ方向に距離が増加しているかあるいは減少しているかの判別をすることができない。
したがって、上述した周波軸上における鏡像スペクトルを発生させないため、光の位相の符号を判別可能となるように、ｃｏｓ成分及びｓｉｎ成分の双方を、すなわち直交二成分を測定することが重要である。

上述した直交二成分の測定が可能な干渉計として、位相シフト干渉計がある。一般的な位相シフト干渉計の構成については、非特許文献１に記載されている。非特許文献１に記載された位相シフト干渉計では、位相シフト干渉計を構成する２つの経路の一方に位相シフタが設けられる。この位相シフタで発生させる位相シフトを、「０」及び「π／２（ラジアン単位）」で切り替えて、ｃｏｓ成分及びｓｉｎ成分の直交二成分が測定される。
また非特許文献１においては、位相シフタとして、ミラーあるいはレンズのマウント部にＰＺＴ（チタン酸ジルコニウム酸鉛：圧電体）トランスデューサーが装着されている。ミラーあるいはレンズのマウント部にＰＺＴ（チタン酸ジルコニウム酸鉛：圧電体）トランスデューサーを装着することにより、ミラーあるいはレンズを変位させて、一方の経路を伝搬する光に対する位相シフト量を切り替える。
さらに非特許文献１においては、測定した干渉波形に背景成分となる非干渉成分が含まれている場合、この非干渉成分を干渉波形から除去し、干渉成分のみを抽出して、直交二成分を求めるための複数のアルゴリズムが記載されている。

また、位相シフト干渉計で示されている位相シフト量を切り替えて直交二成分を測定する方法が、スペクトル干渉計に適用された例がある。例えば、特許文献１は、波長走査位相シフト干渉計を用いて、スペクトル位相の直交二成分を測定することを開示している。特許文献１に記載された波長走査位相シフト干渉計は、以下に示すように構成されている。
外部共振器型ＬＤ（Laser Diode：半導体レーザ ）からなる光源より出射された光ビームを、テレスコープによって平行光とし、この平行光をマイケルソン干渉計に対して出射する。

マイケルソン干渉計は、入射された平行光を照射光と参照光とに分離し、照射光を被測定物に対して照射し、参照光を位相シフタとして機能するＰＺＴミラーに照射する。被測定物に照射した照射光は、被測定物の表面で反射され物体光となる。
そして、ＰＺＴミラーで反射された参照光と、被測定物により出射される物体光とは、ビームスプリッタで反射された後、偏光素子を透過してＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラにおけるＣＣＤの光電面上で重ね合わされる。この重ね合わせにより、参照光と物体光との干渉信号が光電面において検出される。

任意の位相に対応する位置になるようにＰＺＴミラーを制御し、この任意の位相において干渉スペクトルを測定する。そして、任意の位相における干渉スペクトルの測定が終了した後、この任意の位相と異なる位相に対応する位置になるようにＰＺＴミラーを制御し、この位相にて干渉スペクトルの測定を行う。
このようにＰＺＴミラーの位置を変えて、異なる位相において干渉スペクトルを測定する処理を繰り返して行うことにより、異なる位相成分における干渉スペクトルを、各位相成分毎に測定する。ここで、位相の値の決定は、波長を走査する際の１走査の波長範囲の中心波長でのみ行い、同一波長範囲の他の波長における位相の値はこの中心波長における位相の値に等しいとみなされる。
また、位相シフトスペクトル干渉計を用いて、光コヒーレンストモグラフィによる断層画像を得る際、断層画像における鏡像データを解消させることもできる（例えば、非特許文献２参照）。

また、位相シフタを用いずに、３つの出力ポートの各々から、互いに異なる位相成分に対応する干渉成分を並列に出射する光分岐の構成を有したヘテロダイン光スペクトル分析器を用い、直交二成分を求めることもできる（例えば、特許文献２参照）。この特許文献２においては、３つの出力ポートから並列に出射される干渉成分を用い、ヘテロダイン干渉における直交二成分を、並列処理で同時に求めることが記載されている。

日本国特開２００１−０５９７１４号公報 国際公開第２００４／００５９７４号パンフレット

H.Schreiber, J.H.Bruning and J.E.Greivenkamp, "Phase shiftinginterferometry" in "Optcal Shop Testing," edited by D.Malacara (3d ed.) chap.14, pp.547-666 (J.Wiley & Sons, New Jersey, 2007) W,Wojtkowski, A.Kowalczyk, R.Leitgeb and A.F.Fercher, "Full range complex spectral optical cherence tomography technique in eye imaging，"OPTICS LETTERS vol.27, no.16, pp.1415-1417 (2002)

しかしながら、特許文献１に開示された波長走査位相シフト干渉計にあっては、走査波長が中心波長に等しいとする近似を行っている。このため、特許文献１は、中心波長における少なくとも３個の所定の位相値が、その他の走査波長における位相値に相当するとし、中心波長においてのみ上記所定の位相値を求める方式による構成を開示している。
特許文献１の方式は、干渉計内における経路の伝搬及び被測定対象物からの反射に伴う波長分散が、測定精度に対して影響を与えない程度に小さいために無視でき、かつ伝搬する光の位相が周波数に対して線形に変化するという近似が成り立つという条件の下では正しく機能する。

一方、波長分散が測定精度に対して無視できない場合、精度の低い測定しか行えず、また、被測定対象物の波長分散が測定対象となっている場合、位相が周波数に線形に変化していないため、波長分散が正確に測定できない。
すなわち、波長分散の測定を目的とする場合、特許文献１で開示されている構成の干渉計は、上述したように、その方式の持つ測定条件のため、使用することができないという問題がある。

また、特許文献１に開示された干渉計は、特許文献１の図１の示す構成から判るように、光の干渉を起こさせる干渉経路を空気中として用いる空間光学系で構成されており、装置の小型化を行うための阻害要因となっている。
ここで、小型化及び構成する容易さを目的とし、干渉経路を光ファイバで構成しようとすると、光ファイバの有する波長分散のために、位相が周波数に対して線形に変化しなくなり、被測定対象物の波長分散の測定精度が低下することが考えられる。

このため、光ファイバの長さを短くし、光ファイバにおける波長分散を測定精度に対して影響を与えない程度に抑制することが必要となる。
しかしながら、測定精度に影響を与えない程度に光ファイバを短くすると、光コヒーレンストモグラフィにおいて、診断部位に到達させるための光ファイバの長さを確保することができなくなる。
また、走査波長レンジ（波長を走査する波長幅、すなわち測定する波長の波長範囲）を、位相の周波数に対する線形近似が可能となる範囲に狭めることが必要となる。このように走査波長レンジを狭めるため、狭い範囲の干渉信号しか得ることができず、断層画像の解像度を低下させるという問題がある。

さらに、特許文献１に開示された干渉計では、位相シフタを構成するためにＰＺＴミラーを用いており、所定の位相値各々に対応する位置にＰＺＴミラーを固定し、干渉スペクトルを各位装置毎に測定する走査を繰り返して行っている。
そして、この走査を繰り返して行うことにより、複数の位相値での干渉スペクトルを測定して、複数の位相値による干渉の直交二成分を得ている。
特許文献１の直交二成分を求める方式を光ファイバを用いた干渉計に適用させた場合、温度変化にともなう光ファイバの光路長の変動のため、ＰＺＴミラーの位置を変化させ、複数の位相値での干渉スペクトルを取得する間に、干渉計中での位相が変動する。このため、干渉計に対して設定した位相値と、実際に測定を行っている位相値とがずれてしまう。
その結果、直交二成分の直交性が損なわれるため、波長分散データあるいは断層画像にリップルが生じてしまう。このリップルにより、波長分散の測定精度が大幅に悪化して評価不能となり、あるいは断層画像が乱れてしまい、この断層画像に基づく診断が行えないという問題がある。
同様に、非特許文献２に開示された干渉計も、ＰＺＴミラーを移動させて位相シフト量を変化させるため、特許文献１と同様な問題を有している。

一方、特許文献２に記載されている干渉計は、３つの出力ポートから、互いに異なる位相成分に対応する干渉成分を並列して出射する光分岐の構成である。このため、位相シフタを用いる必要が無く、異なる位相成分各々の干渉成分が同時に計測できるため、特許文献１のような位相の変動の影響を受けることがない。
しかしながら、３つの出力ポートの各々に対して光検出器を設ける必要がある。このため、光検出器の数が増加することになり、個数の増加する分、干渉計の構成が複雑になり、また小型化することが困難となり、かつ製造コストが増加する。

本発明は、このような事情を鑑みてなされたもので、波長分散の測定、及び光コヒーレンストモグラフィにおける断層撮影に利用することが可能な、測定精度が従来に比較して高く、簡易な構成であって小型化が容易であり、かつ安価な位相シフト干渉計（位相シフトファイバスペクトル干渉計）を提供する。

本発明の一態様に係る位相シフト干渉計は、第１出射端を有し、単一縦モード光を波長掃引して伝搬光を生成し、前記伝搬光を前記第１出射端から出射する光源（光源１）と、前記第１出射端に一端が接続され、前記伝搬光を伝搬する、偏波保持特性を有する単一モード光ファイバで構成された入射光経路（入射光ファイバ２）と、第１入射端と第１入出射端と第２出射端を有し、前記第１入射端は前記入射光経路の他端が接続され、前記第１入射端から入射される前記伝搬光を前記第１入出射端から出射し、また前記第１入出射端から入射される合波光を前記第２出射端から出射する光循環部（光循環部３）と、一端が前記第１入出射端に接続され、偏波保持特性を有する単一モード光ファイバで構成された接続経路（接続光ファイバ４）と、第２入出射端と第３入出射端と第４入出射端を有し、前記第２入出射端が前記接続経路の他端に接続され、前記第２入出射端から入射される前記伝搬光を第１伝搬光及び当該第１伝搬光と同一の偏光を有する第２伝搬光に分離し、前記第１伝搬光を前記第３入出射端から出射し、前記第２伝搬光を前記第４入出射端から出射し、前記第３入出射端から入射される第１反射伝搬光と前記第４入出射端から入射される第２反射伝搬光とを合波して干渉結果である前記合波光を生成し、前記合成波を前記第２入出射端から出射する光分岐合成部（光分岐結合部５）と、一端が前記第３入出射端に接続され、偏波保持特性を有する単一モード光ファイバで構成されたプローブ光経路（プローブ光ファイバ６）と、一端が前記第４入出射端に接続され、偏波保持特性を有する単一モード光ファイバで構成された参照光経路（参照光ファイバ６）と、第５入出射端を有し、前記第５入出射端が前記プローブ光経路の他端に接続され、前記第５入出射端から入射される前記第１伝搬光を内部に配置された測定対象の試料面で反射して前記第１反射伝搬光を生成し、前記第１反射伝搬光を前記第５入出射端から出射する試料測定部（試料測定部７）と、第６入出射端と反射面を有し、前記第６入出射端が前記参照光経路の他端に接続され、前記反射面において前記第６入出射端から入射される前記第２伝搬光を全反射して前記第２反射伝搬光を生成し、前記第２反射伝搬光を前記第６入出射端から出射する光終端部（光終端部１１）と、前記プローブ光経路及び前記参照光経路のいずれか一方に設けられ、設けられた一方を伝搬する光の位相シフトを、位相シフト量α_ｉ／２（ラジアン単位、α_ｉは実数であり、α_ｉの取る値の範囲が０≦α_ｉ≦３π／２、ｉは整数であり、３≦ｉ）で行い、前記位相シフト量α_ｉ／２を周期的に変化させる光位相シフト部（光位相シフト部９）と、一端が前記第２出射端に接続され、前記合波光を伝搬させる単一モード光ファイバで構成された出射光経路（出射光ファイバ１２）と、第２入射端に前記出射光経路の他端が接続され、前記第２入射端から入射される前記合波光を電気信号に変換して干渉信号を生成し、前記干渉信号を出力する光検出部（光検出部１３）と、前記光源における前記伝搬光の前記波長掃引に同期し、前記波長掃引を行う毎に、前記光位相シフト部における前記位相シフト量及び前記位相シフトを制御する周期を制御し、前記位相シフトの一周期内において前記ｉが増加される順番に、第ｉ光成分に対応する前記干渉信号を時系列に取得するためのサンプリング信号を発生する制御部（制御部１４）と、前記サンプリング信号が供給される毎に、前記第ｉ光成分に対応する前記干渉信号を時系列に取得するデータ取得部と、を有する。

本発明の位相シフト干渉計は、前記位相シフトの一周期内に前記サンプリング信号に基づいてサンプリングを行う測定点の数をｍとして、前記制御部が、前記第ｉ光成分に対応する干渉信号に対し、波長成分毎の測定間隔を１／ｍとする線形補間処理を行うことにより、全干渉信号のデータ点数をｍ倍とすることを特徴とする。

本発明の一態様に係る位相シフト干渉計では、前記α_ｉの要素の総数が３以上（ｉ≧３）であり、前記制御部が、当該要素から３つの要素として、位相α１の第１光成分、位相α２の第２光成分及び位相α３の第３光成分を抽出し、当該第１光成分、当該第２光成分及び当該第３光成分の各々から前記干渉信号を取得してもよい。

本発明の一態様に係る位相シフト干渉計では、前記α_ｉの要素の総数が３０以上（ｉ≧３０）であってもよい。

本発明の一態様に係る位相シフト干渉計では、前記プローブ光経路及び前記参照光経路のいずれか一方に設けられ、前記プローブ光経路と前記参照光経路との光路長差を調節する光遅延部をさらに有してもよい。

本発明の一態様に係る位相シフト干渉計では、前記プローブ光経路及び前記参照光経路のいずれか一方に前記光遅延部が設けられ、前記光位相シフタが他方に設けられていてもよい。

本発明の一態様に係る位相シフト干渉計では、前記プローブ光経路及び前記参照光経路のいずれか一方に、前記光遅延部及び光位相シフタが一体化して設けられていてもよい。

本発明の一態様に係る位相シフト干渉計では、前記制御部が、前記第１光成分の前記干渉信号を受信する第１受信部と、前記第２光成分の前記干渉信号を受信する第２受信部と、前記第３光成分の前記干渉信号を受信する第３受信部と、を有していてもよい。

本発明の一態様に係る位相シフト干渉計では、前記データ取得部が、波長の掃引毎に、測定単位として前記第１光成分、前記第２光成分及び前記第３光成分をデータ組として時系列に取得してもよい。

本発明の一態様に係る位相シフト干渉計では、前記試料測定部が、一端が前記第５入出射端に接続され、他端が前記測定対象の前記試料の入射端に接続された、偏波保持特性を有する単一モード光ファイバからなる第１内部経路と、一端が前記試料の出射端に接続され、他端に全反射ミラーが設けられた、偏波保持特性を有する単一モード光ファイバからなる第２内部経路とを有していてもよい。

本発明の一態様に係る位相シフト干渉計では、前記試料測定部が、一端が前記第５入出射端に接続され、他端から平行光を出射し、偏波保持特性を有する単一モード光ファイバからなる内部経路と、前記内部経路の他端から出射される前記平行光を集光して前記測定対象の前記試料の表面に照射するレンズとを有し、前記試料の表面から反射され、前記内部経路の他端から入射される反射平行光を前記第２反射伝搬光として前記第５入出射端から出射してもよい。

本発明の一態様に係る位相シフト干渉計では、前記データ取得部が、波長の関数として取得したスペクトル位相を周波数の関数に変換し、隣接周波数間におけるスペクトル位相差から分散パラメータを求め、この分散パラメータから波長分散を求めてもよい。

本発明の一態様に係る位相シフト干渉計では、前記データ取得部が、波長の関数として取得したスペクトル位相を周波数の関数に変換し、スペクトル位相の逆フーリエ変換を行い、伝搬光の伝搬距離の関数としてスペクトル位相の逆フーリエ変換を表示する光コヒーレンストモグラフィーの機能を有してもよい。

上記本発明の態様によれば、空間光学系を使用せず、偏波保持特性を有する光ファイバのプローブ光経路及び参照光経路によって、位相シフト干渉計を構成しているため、従来例の構成に比較して、装置の構成が簡易となり、かつ空間光学系用に必要な部品を配置する必要性がなく、装置を小型化することが可能となる
また、上記本発明の態様によれば、偏波保持特性を有する光ファイバによって、伝搬光の偏波を保持させた状態で干渉計内を伝搬させ、干渉計を構成するプローブ光経路及び参照光経路において、プローブ光経路に伝搬される第１伝搬光、第１反射伝搬光に対し、参照光経路に伝搬される第２伝搬光、第２反射伝搬光の位相差を時系列に、ラジアン単位で０から３π／２の間で周期的に切り替えることにより、安定した同一の偏波状態の第１反射伝搬光及び第２反射伝搬光から、各々異なる位相シフト量の第ｉ光成分から干渉要素を抽出することができ、従来に比較して光パルスの波長分散の測定及び光コヒーレンストモグラフィにおける断層撮影を、高精度かつ高感度に行うことができる。

本発明の第１の実施形態に係る位相シフト干渉計の構成例を示すブロック図である。 同実施形態に係る試料測定部７の構成例を示す図である。 同実施形態に係る試料測定部７の構成例を示す図である。 同実施形態に係る光循環部３の構成例を示す図である。 同実施形態に係る位相シフト干渉計による、光源１の波長掃引動作と、この波長掃引動作に対応した光位相シフト部９の位相シフトの動作と、制御部１４が発生する位相シフト電圧及びサンプリングクロック信号のタイミングを示す波形図である。 本発明の第２の実施形態に係る位相シフト干渉計による、光源１の波長掃引動作と、これに対応した光位相シフト部９の位相シフトの動作と、データ取得部１５における光検出部１３からの干渉信号のサンプリングとにおける動作のタイミングを示す波形図である。 本発明の第３の実施形態に係る位相シフト干渉計の構成例を示すブロック図である。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて説明する。なお、本実施形態は、例えば、被測定対象物を光ファイバや光学部品とした場合の波長分散の測定、あるいは光コヒーレンストモグラフィにおける断層撮影に利用可能な位相シフト干渉計（位相シフトファイバスペクトル干渉計）の実施形態である。
まず、本実施形態における位相シフト干渉計で用いられる、干渉スペクトルからの非干渉成分の除去の方法について説明する。

［干渉スペクトルからの干渉成分に重畳した非干渉成分の除去］
空間光学系を用いた干渉計の場合、入射光を位相シフト干渉計の２つの伝搬経路（後述するプローブ光用と参照光用の経路）に分岐するために、平板ビームスプリッタが用いられる。一方、光ファイバを用いた干渉計の場合、入射光を位相シフト干渉計の２つの伝搬経路に分岐するために、光ファイバあるいは光導波路からなる光スプリッタが用いられる。
入射光を位相シフト干渉計の２つの伝搬経路に分岐するとき、２つの伝搬経路における入射光の分岐比は５０：５０とするのが理想的である。しかし、実際には光スプリッタなどの設計及び製作の際に誤差が生じてしまうため、２つの伝搬経路における入射光の分岐比は必ずしも５０：５０とはならない。

また、光通信で用いられる波長帯域におけるＣバンドまたはＬバンドなどの広いスペクトル領域を対象とすると、各波長の光に対応させて２つの伝搬経路における入射光の分岐比を５０：５０に維持することが原理的に困難である。したがって、２つの干渉経路への分岐比（及び２つの干渉計からの合波比）は５０：５０からずれてしまう。
上述した要因で分岐比及び合波比が５０：５０からずれると、測定する干渉スペクトルには、背景成分（バックグラウンド）となる非干渉成分が干渉成分に対して重畳する。このため、干渉フリンジの直交二成分を得るためには、干渉スペクトルから非干渉成分を除去することが必要となる。

このため、実際に非干渉成分が存在しない状態とするため、異なる波長に対して、常に分岐比及び合波比を５０：５０に保持することが要求される。従って、スペクトルシアリング干渉計を構成する全ての要素の波長依存性を考慮し、構成として極めて特殊なスペクトルシアリング干渉計の設計が必要となる。
また、分岐比及び合波比が変動する（揺らぐ）ことの無いように、温度を一定に保つことで、構成する要素の熱膨張によるスペクトルシアリング干渉計の経路長の変動や、熱光学効果による構成する要素の屈折率の変動を抑制するための安定化機構が必要となる。
しかしながら、このような特殊な構成のスペクトルシアリング干渉計は、構成のための要素が複雑となるとともに要素数も増大することなり、実用上において装置が大型化するため、好ましくない。

ここで、３つの位相成分を用いて、波長分散の特性の精度を低下させる背景成分となる非干渉成分を、数値演算により除去することができる。
この互いに異なる３値以上の位相シフトに対し、背景成分となる非干渉成分が重畳した干渉フリンジを測定する。干渉フリンジの測定を行って、非干渉成分を数値演算により除去することが可能となり、直交二成分からスペクトル位相の変化分を求めることが可能となる。この方法を用いることにより、分岐比及び合波比を共に５０：５０に保持したり、温度による変動を抑制するための安定化機構を導入する必要がなく、スペクトルシアリング干渉計を小型化して簡便に制作することが可能となる。

上述したように、位相シフトの値が互いに異なる３値の位相シフトに対し、非干渉成分が重畳した干渉フリンジを測定し、直交二成分からスペクトル位相の変化分を導出する処理の手順を以下に説明する。また、互いに位相シフトの値が異なる４値以上の位相シフトを使用する場合においても、以下に説明する３値の位相シフトを用いた処理の手順と同様な手順により、背景成分となる非干渉成分を除去して、スペクトル位相の変化分を高い精度で求めることができる。

以下、位相シフトの互いに異なる３つの干渉成分を用い、干渉スペクトルから非干渉成分を除去する手順を数式に基づいて説明する。
以下の説明において、位相シフトの異なる３つの位相成分を、０成分（位相が０のときの成分）、π成分（位相がπのときの成分）及びα成分（位相がαのときの成分）とする。ここでは、αは０より大きくπより小さい（０＜α＜π）任意の実数値である（本実施形態においては、位相シフトの単位はラジアンとする）。
また、上述した０、π及びαの位相シフトにおける干渉スペクトルは、干渉成分と、この干渉成分に重畳した背景成分である非干渉成分とからなり、行列型式により以下の式（１）により表される。

上記式（１）の左辺において、上部から下部に向かって順に、位相シフトが０、π及びαの各々における非干渉成分が重畳した干渉スペクトルである。また、右辺の行列において、φ（λ）はスペクトル位相である。測定においては、位相シフトを周期的に連続して変化させる際、位相シフトが０、π、及びαの３値で干渉信号の値を順番に繰り返して計測して、各位相成分での干渉スペクトルを得ている。例えば、位相シフトを０、π、αの順番で交互に切り替える。具体的には、０→α→π→０→α→π…と、０→α→πを一周期として繰り返される。
また、上記式（１）の右辺において、第１項（Ｉ_ｂａｃｋ（λ））が各々の背景成分となる非干渉成分を表し、第２項（Ｉ_ｉｎｔ（λ）ｃｏｓ[…]）が干渉成分を表している。この非干渉成分は、位相シフトには依存せずに、光パルスの波長λのみに依存する。各々の干渉成分には、ｃｏｓ関数の変数部に各々の位相シフトの値が含まれる。

また、本実施形態においては、後に詳細に説明するが、伝搬光を第１伝搬光と第２伝搬光とに分離し、２つの伝搬路（干渉経路）それぞれを伝搬させ、第１伝搬光が試料面で反射光終端部で反射した第１反射伝搬光と、第２伝搬光が光終端部の反射板で反射した第２反射伝搬光との干渉スペクトルを測定する反射配値での位相シフト干渉計を対象としている。この反射配置を用いた位相シフト干渉計においては、伝搬する光は干渉経路を往復するため、往路もしくは復路のみでの位相シフトの量は上記の位相の値の半分である。例えば、位相シフトが往復でπの場合、往路及び復路ではπ／２であり、位相シフトが往復でαの場合、往路及び復路ではα／２である。
また、式（１）の位相シフトが０とπとにおける非干渉成分が重畳した干渉スペクトルにより、ｃｏｓ干渉成分（位相シフト０）のパワーＩ_ｉｎｔ（λ）ｃｏｓ[φ（λ）]と、背景成分となる干渉成分のパワーＩ_ｂａｃｋ（λ）とが、以下に示す式（２）として与えられる。

直交二成分のもう一方の要素であるｓｉｎ干渉成分（位相シフトπ／２）を求める処理は、以下の手順にしたがって行う。まず、三角関数の加法定理を用いて、ｓｉｎ干渉成分を以下の式（３）として表す。

上記式（３）の３行目の式に、式（２）の２行目の式を代入することで、以下に示す式（４）が得られる。

そして、式（３）に対して、式（２）の１行目に示したｃｏｓ成分と、式（４）とを代入して、ｓｉｎ干渉成分を表す以下に示す式（５）が得られる。

次に、式（２）の１行目の式と、式（５）とにより、スペクトル位相φ（ν）と、パワースペクトルＩ_ｉｎｔ（λ）との各々が、以下に示す式（６）、式（７）により得られる。なお、パワースペクトルは干渉スペクトルの電界強度の自乗に等しい。

上述したように、本実施形態においては、互いに異なる値の３値の位相シフトに対し、非干渉成分が重畳した干渉スペクトルを測定することにより、非干渉成分を除去した直交二成分からスペクトル位相の変化分を求めることができる。

［波長分散測定装置の構成及び機能］
＜第１の実施形態＞
次に、図１を参照して、第１の実施形態に係る位相シフト干渉計の構成及び機能を説明する。図１は、本実施形態に係る位相シフト干渉計の構成例を示すブロック図である。
この図１において、位相シフト干渉計は、光源１、入射経路としての入射光ファイバ２、光循環部３、接続光ファイバ４、光分岐結合部５、第１光分岐経路としてのプローブ光ファイバ６、試料測定部７、第２光分岐経路としての参照光ファイバ８、光位相シフタとしての光位相シフト部９、光遅延部１０、光終端部１１、出射光ファイバ１２、光検出部１３、制御部１４、データ取得部１５、波長掃引信号線１６及び１７、位相シフト制御線１８、サンプリングクロック信号線１９、検出信号線２０を備える。ここで、位相シフト干渉計における光の伝搬する経路の距離は、光分岐結合部５の第４入出射端５ｃから光終端部１１（または光分岐結合部５の第３入出射端５ｂから試料測定部７）までと、光終端部１１から光分岐結合部５の第４入出射端５ｃ（または試料測定部７から光分岐結合部５の第３入出射端５ｂ）までの往復の光路の距離である。

光源１は、単一の縦モードで発振する波長可変レーザ（発振可能な波長範囲において、制御値で与えられる任意の波長で発振する）であり、伝搬光として用いる光を第１出射端１ａから出射する。本実施形態において、単一の縦モードで発振するレーザを用いるのは、多モードで発振するレーザを用いた場合、波長精度が低下して、またモード干渉（多モード光干渉）またはモードホップによるノイズが発生するためである。
入射光ファイバ２の一端（第１端）が光源の第１出射端１ａに接続され、当該入射光ファイバ２の他端（第２端）が光循環部３の第１入射端３ａに接続されている。この入射光ファイバ２は、光源１の第１出射端１ａから出射された伝搬光を第１端から入射し、この入射した伝搬光を第２端から光循環部３の第１入射端３ａに導く（矢印Ｓ１）入射光経路である。

また、伝搬光が光循環部３の第１入出射端３ｂから参照光ファイバ８の第１光終端部１１まで、また伝搬光が光循環部３の第１入出射端３ｂからプローブ光ファイバ７の試料測定部７までを往復して伝搬することになる。ここで、光循環部３から光分岐結合部５を介して光終端部１１あるいは試料測定部７へ、伝搬光の伝搬する往路の方向を進行方向とし、光終端部１１あるいは試料測定部７から光分岐結合部５を介して光循環部３へ戻る復路を反射方向（後退方向）として説明する。このため、光分岐結合部５から試料測定部７へ進行する第１伝搬光に対し、試料測定部７から反射して光分岐結合部５へ戻る光を第１反射伝搬光とし、一方、光分岐結合部５から光終端部１１へ進行する第２伝搬光に対し、光終端部１１にて反射して光分岐結合部５へ戻る光を第２反射伝搬光として説明する。進行方向に伝搬する伝搬光、第１伝搬光、第２伝搬光及び反射方向に伝搬する第１反射伝搬光、第２反射伝搬光、合波光の偏光方向は全て同一である。

光循環部３は、進行方向において、入射光ファイバ２の第２端に接続された第１入射端３ａから、入射光ファイバ２を介して伝搬光が入射されると、この入射された伝搬光を、第１入出射端３ｂに接続光ファイバ４の一端（第１端）が接続されている接続光ファイバ４に対して出射する（矢印Ｓ２）とともに、反射方向において接続光ファイバ４の上記第１端から第１入出射端３ｂに入射される合波光を、第２出射端３ｃに出射光ファイバ１２の一端（第１端）が接続されている出射光ファイバ１２に対して出射する（矢印Ｓ１２）。この光循環部２に用いる光学部品としては、例えば、偏波保持光ファイバで構成された光ファイバサーキュレータがある。

光分岐結合部５は、第２入出射端５ａが接続光ファイバ４の他端（第２端）に接続される。光分岐結合部５は、接続光ファイバ４から入射される伝搬光を２つに分岐し、分岐した一方の光束を第１伝搬光とし、分岐した他方の光束を第２伝搬光とする。また、光分岐結合部５は、第１伝搬光を第３入出射端５ｂからプローブ光ファイバ６に対して出射し（矢印Ｓ３、進行方向への伝搬）、一方、第２伝搬光を第４入出射端５ｃから参照光ファイバ８に対して出射する（矢印Ｓ４、進行方向への伝搬）。
光分岐結合部５は、第３入出射端５ｂにプローブ光ファイバ６の一端（第１端）が接続され、第４入出射端５ｃに参照光ファイバ８の一端（第１端）が接続されている。
このため、第１伝搬光及び第１反射伝搬光がプローブ光ファイバ６を伝搬し、第２伝搬光及び第２反射伝搬光が参照光ファイバ８を伝搬する。

試料測定部７は、第５入出射端７ａに対し、プローブ光ファイバ６の他端（第２端）が接続されている。試料測定部７の第５入出射端７ａにはプローブ光ファイバ６の第２端から第１伝搬光が入射する（矢印Ｓ３、進行方向への伝搬）。また、プローブ光ファイバ６の第２端には、試料測定部７の第５入出射端７ａから、試料測定部７内部の試料表面で反射した第１反射伝搬光が出射される（矢印Ｓ５、反射方向への伝搬）。
光終端部１１は、第６入出射端１１ａ（全反射ミラー）に対し、参照光ファイバ８の他端（終端）が接続されている。光終端部１１の第６入出射端１１ａには参照光ファイバ８の終端から第２伝搬光が入射する（矢印Ｓ４、進行方向への伝搬）。また、参照光ファイバ８の終端には、光終端部１１の第６入出射端１１ａから、反射板で第１伝搬光を全反射した第２反射伝搬光が出射される（矢印Ｓ７、反射方向への伝搬）。

また、光分岐結合部５は、試料測定部７内部の試料表面により反射されて第３入出射端５ｂから入射された第１反射伝搬光（矢印Ｓ５、反射方向への伝搬）と、光終端部１１から反射されて第４入出射端５ｃから入射される第２反射伝搬光（矢印Ｓ７、反射方向への伝搬）とを再結合する。光分岐結合部５は、再結合により干渉成分を取得するため、第１伝搬光と第２伝搬光との偏光方向を同一として結合した合波光を、第２入出射端５ａから、接続光ファイバ４の第２端に出射する（矢印Ｓ１１、反射方向への伝搬）。

参照光ファイバ８には、光分岐結合部５の第４入出射端５ｃと光終端部１１の第６入出射端１１ａとの間に、光位相シフト部９、光遅延部１０が直列に介挿されている。この光位相シフト部９及び光遅延部１０の配列順は逆であっても良い。
この光遅延部１０は、プローブ光ファイバ６と参照光ファイバ８との光路長差を同じにする目的で、他方に対して光路長が短い方の光ファイバに設けられ、光路長差を解消する調整のための遅延をそれぞれに伝搬する伝搬光に与えている。本実施形態においては、一例として参照光ファイバ８に設けられている。
このように、光遅延部１０を設けて光路長差を解消することにより、プローブ光ファイバ６と参照光ファイバ８との間において生ずる光路長の揺らぎを低減することができるため、干渉スペクトルの測定精度を向上させることができる。

光検出部１３は、第２入射端１３ａに出射光ファイバ１２の第２端が接続されている。光検出部１３は、出射光ファイバ１２の第２端から入射される合波光を光電変換し、光電変換した結果を電気信号である干渉信号として、検出信号線２０に対して出力する。
入射光ファイバ２、接続光ファイバ４、プローブ光ファイバ６及び参照光ファイバ８の各々は、入力された光の偏光方向を保持し、かつ多モード干渉による測定障害を避けるため、偏波保持単一モードの伝搬特性を有する偏波保持単一モード光ファイバにより構成されている。本実施形態においては、位相シフト干渉計を構成する光ファイバを伝搬する光の偏光は全て同一である。

光位相シフト部９は、上述したように、参照光ファイバ８の経路中に介挿されている。光位相シフト部９は、参照光ファイバ８内を伝搬する第２伝搬光と第２反射伝搬光の位相について、一定の第１周期において０から３π／４までの間で連続的に位相シフト量を変化させる。すなわち、光位相シフト部９は、往路（進行方向）において、０から３π／４までの間で第２伝搬光の位相をシフトさせる。また、光位相シフト部９は、復路（反射方向）において、第２反射伝搬光の位相をシフトさせる。したがって、反射方向の復路において、光位相シフト部９を通過した後、第２反射伝搬光と第１反射伝搬光との位相差は、０から３π／２までの間となる。
ここで、第１反射伝搬光と第２反射伝搬光との間の位相差が０の場合、光検出部１３は０成分検出モードとなる。また、第１反射伝搬光と第２反射伝搬光との間の位相差がπの場合、光検出部１３はπ成分検出モードとなる。さらに第１反射伝搬光と第２反射伝搬光との間の位相差がαの場合、光検出部１３はα成分検出モードとなる。式（１）の行列の行における１行目、２行目及び３行目の各々の表式が、それぞれ０成分検出モード、π成分検出モード、α成分検出モードの、干渉成分に対し、非干渉成分が重畳した干渉スペクトルに対応している。

本実施形態においては、第２反射伝搬光が第１反射伝搬光に対して０の位相シフト（位相差）を有する場合、第２反射伝搬光と第１反射伝搬光とで０成分の干渉がおこる。また、第２反射伝搬光が第１反射伝搬光に対してπの位相シフト（位相差）を有する場合、第２反射伝搬光と第１反射伝搬光とでπ成分の干渉がおこる。同様に、第２反射伝搬光が第１反射伝搬光に対してαの位相シフト（位相差）を有する場合、第２反射伝搬光と第１反射伝搬光とでα成分の干渉がおこる。

この結果、光分岐結合部５は、第２反射伝搬光が第１反射伝搬光に対して位相シフトが０の場合、第１反射伝搬光と第２反射伝搬光との０成分における干渉成分を合波光として、第２入出射端５ａから出射する。また、第２反射伝搬光が第１反射伝搬光に対して位相シフトがπの場合、第１反射伝搬光と第２反射伝搬光とのπ成分における干渉成分を合波光として、第２入出射端５ａから出射する。同様に、第２反射伝搬光が第１反射伝搬光に対して位相シフトがα場合、第１反射伝搬光と第２反射伝搬光とのα成分における干渉成分を合波光として、第２入出射端５ａから出射する。

また、光位相シフト部９には、例えば、電気光学結晶（例えばLiNb0_３)を用いた位相シフタを用いることができる。位相シフタに印加する位相シフト電圧を、第１周期で連続的に変化させることにより、通過する光の位相を、通過前の位相に対して往復後（２度通過した後）で、０から３π／２の間で連続して変化させることができる。本実施形態においては、位相シフトの量を連続して変化させるとしている。しかし、これに限るものではなく、位相シフト部９は、離散的な値として（例えば、位相を０→α→πの３値で変化させ）て、位相シフトの量を変化させるように構成しても良い。ここで、光位相シフト部９は、第１伝搬光に対して第２伝搬光の位相を、また第１反射伝搬光に対して第２反射伝搬光の位相をシフトさせる際、偏光方向を同一として行う。

また、光遅延部１０は、プローブ光ファイバ６と参照光ファイバ８との光路長差が測定精度に対して影響を与えない程度であれば、特に設ける必要性はない。また、干渉計全体を小型化する上で都合がよい場合、光位相シフト部９及び光遅延部１０は、参照光ファイバ８でなくプローブ光ファイバ６に設けてもよい。
ただし、光遅延部１０を介挿する光の伝搬路は、他方の光の伝搬路に対し、光の伝搬時間が短いことが必要である。機構的な都合により、プローブ光ファイバ６と参照光ファイバ８とのいずれか一方に遅延部１０を取り付ける必要がある場合、他方の光の光路長を一方の光路長より長く設定し、他方の遅延時間に対応するように、一方の遅延時間を遅延部１０により遅延して調整する。

同様に、光位相シフト部９と光遅延部１０とを空間的に離れた位置に配置することにより、干渉計全体を構成するための空間が縮小できるのであれば、光位相シフト部９と光遅延部１０とを異なる伝搬路に設けるようにしてもよい。すなわち、プローブ光ファイバ６と参照光ファイバ８とにおけるいずれか光の光路長の短い方に光遅延部１０を設け、光の光路長の長い方に光位相シフト部９を設ける。
この場合、光位相シフト部９あるいは光遅延部１０を試料測定部７が接続された伝搬路に置くことになるため、光損失の増大や光路内での反射の増大が生じることのないよう、干渉経路の設計と組立に留意する必要がある。
上述したように、光位相シフト部９と光遅延部１０との接続順、もしくは設置位置を変更したとしても、第１反射伝搬光及び第２反射伝搬光との位相差の対応には変更はない。

また、光終端部１１は、例えば、シリコン基板あるいはガラス基板にＡｌ（アルミニウム）、Ａｇ（銀）、Ａｕ（金）などの金属膜、あるいは誘電体膜（単相あるいは多層）などをコーティングした反射鏡を用いても良い。また、参照光ファイバ８の第２端の終端面に金属をコーティングして反射面を形成し、この反射面を光終端部１１として用いても良い。

次に、図２Ａおよび図２Ｂは、試料測定部７の構成例を示す図である。測定対象の測定試料は、この試料測定部７の内部に設置される。
図２Ａは、光を透過する性質の試料を試料測定部７内部に配置する場合の構成を示している。試料測定部７の第５入出射端７ａには、プローブ光ファイバ６の第２端との接続用のコネクタ２１が設けられている。また、このコネクタ２１には、測定試料（透過測定用）２３と対向する側に、偏波保持単一モード光ファイバにより構成された光ファイバ２２の第１端２２ａが接続されている。光ファイバ２２の第２端２２ｂと、測定試料（透過測定用）２３のコネクタ２１と対向する側（入射側）とが接続されている。偏波保持単一モード光ファイバにより構成された光ファイバ２４の第１端２４ａが、測定試料（透過測定用）２３の反射端２５と対向する側（出射側）に接続されている。光ファイバ２４の第２端２４ｂと反射端２５とが接続されている。この反射端２５は全反射ミラーを用いる。第１伝搬光が光ファイバ２２を介して、測定試料（透過測定用）２３に入射し、この測定試料（透過測定用）２３を透過し、光ファイバ２４を介して反射端２５に到達する。そして、反射端２５の反射面にて反射した第１伝搬光が、第１反射伝搬光として、第１伝搬光が進行してきた同一経路を反射方向に戻り、光ファイバ２４を介して測定試料（透過測定用）２３に入射し、この測定試料（透過測定用）２３を透過し、光ファイバ２２を介してコネクタ２１に到達する。

一方、図２Ｂは、光を反射する性質の試料を試料測定部７内部に配置する場合の構成を示している。試料測定部７の第５入出射端７ａには、プローブ光ファイバ６の第２端との接続用のコネクタ２１が設けられている。また、このコネクタ２１には、測定試料（反射測定用）２９側に、偏波保持単一モード光ファイバにより構成された光ファイバ２２の第１端２２ａが接続されている。光ファイバ２２の第２端２２ｂには、コリメータ２６が接続されている。コリメータ２６は、光ファイバ２２から入射される第１伝搬光を、空間に平行光束の空間ビーム（第１伝搬光）として出射させる。レンズ２８は、コリメータ２６と測定試料（反射測定用）２９との間に配置され、測定試料（反射測定用）２９の表面に対して垂直に入射する第１伝搬光を集光する。レンズ２８により集光された第１伝搬光は、測定試料（反射測定用）２９の表面へ照射される。そして、測定試料（反射測定用）２９の表面で反射した第１伝搬光が、第１反射伝搬光として、第１伝搬光が進行してきた同一経路を反射方向に戻り、レンズ２８により再び平行光束となり、コリメータ２２を通して光ファイバ２２に入射する。ここで、空間伝搬光２７は、コリメータ２６から出射し、測定試料（反射測定用）２９の表面で反射した後、コリメータ２６に戻るまでの伝搬光の経路を模式的に示している。

また、図３は、光循環部３の構成例を示す図である。図３は、光サーキュレータ以外の光部品を用いた構成例を示している。図３の光循環部３は、光アイソレータ３１及び２×１光カプラ３２を有している。この２×１光カプラ３２は、第１入射端３ａに対応する端子３２ａから入射される伝搬光を、第１入出射端３ｂに対応する端子３２ｂから出射する。また、２×１光カプラ３２は、第１入出射端３ｂに対応する端子３２ｂから入射される合波光を、第２出射端に対応する端子３２ｃから、出射光ファイバ１２に対して出射する。また、第１入射端３ａに対応する端子３２ａには、反射光としての合波光を、伝搬光を出射する光源１に対して戻さないように、光アイソレータ３１が配置されている。また、サーキュレータは伝搬させる周波数の帯域が狭いため、測定するための帯域が非常に広がっている場合に、図３の構成であれば、光サーキュレータに対して広い帯域をカバーすることができる。

制御部１４は、光源１での伝搬光の波長掃引と同期して位相シフト電圧を発生させて、干渉スペクトルの測定を行う。このため、光源１と制御部１４とは波長掃引信号線１７で接続されている。波長掃引信号線１７を介して、光源１は、同期用の電気信号として、トリガ信号を制御部１４に対して送信する。また、同様の目的で、光源１は、データ取得部１５と波長掃引信号線１６により接続されている。これにより、光源１は、同期用の電気信号として、トリガ信号をデータ取得部１５に対して送信する。このトリガ信号は、光源１が波長掃引を行う波長掃引周期の開始点を示す信号である。
制御部１４は、光位相シフト部９に位相シフトを行わせるための位相シフト電圧を正弦波的な波形の制御信号として繰り返して、位相シフト制御線１８を介して、光位相シフト部９に出力する。このとき、制御部１４は、同時に、位相シフト電圧と同期して位相成分の異なる各々の干渉スペクトルを検出するため、サンプリングクロック信号をデータ取得部１９に対して、サンプリングクロック信号線１９を介して出力する。上述したように、位相シフト電圧は、制御部１４と光位相シフト部９とを接続した位相シフト制御線により、制御部１４から光位相シフト部９へ送られる。サンプリングクロック信号は、制御部１４とデータ取得部１５とを接続したサンプリングロック信号線１９により、制御部１４からデータ取得部１５へ送られる。

光検出部１３は、入射されて受光した合波光を光電変換し、光電変換した結果を干渉信号として、光検出部１３とデータ取得部１５とを接続する検出信号線２０を介して、データ取得部１５へ出力する。
この光検出部１３からデータ取得部１５に出力される電気信号は、出射光ファイバ１２から入射される合波光が電気信号に光電変換された、非干渉成分を含む（非干渉成分が重畳された）干渉信号である。

制御部１４は、波長掃引信号線１７を介して入力される波長掃引周期の開始点を示すトリガ信号に同期し、光位相シフト部９に対して第１周期毎に印加する位相シフト電圧を連続的に順次変化させる。制御部１４は、光位相シフト部９に位相シフトを行わせるため、位相シフト制御線１８を介して光位相シフト部９へこの位相シフト電圧を供給する。
すなわち、測定波長がｎ点である場合、０成分、π成分及びα成分を１つの波長に対して一組としているため、測定する組の数ｎにより波長掃引周期を除算して得た第１周期Δｔ毎に、この第１周期内において位相シフト電圧を順次変化させて、位相シフトのシフト量を切り換える処理を上記トリガ信号に同期して行う。
また、データ取得部１５は、検出信号線２０を介して光検出部１３から、この第１周期Δｔに同期して、０成分、π成分及びα成分の干渉信号を連続的に順次受信する。例えば、本実施形態においては、０成分→α成分→π成分の順番に、それぞれ第１周期Δｔに同期して、周期的に受信するものとする。この第１周期Δｔ内において位相シフト電圧を０成分→α成分→π成分を連続的に順次変化させ、この変化させる処理を光源１の波長掃引周期内において第１周期毎に繰り返すことになる。
そして、データ取得部１５は、この時系列に取得した０成分、π成分及びα成分の干渉要素を一組として、各波長における直交二成分を求め、スペクトル位相を得るためのデータとして用いる。

次に、図４は、第１の実施形態に係る位相シフト干渉計による、光源１の波長掃引動作と、この波長掃引動作に対応した光位相シフト部９の位相シフトの動作と、制御部１４が発生する位相シフト電圧及びサンプリングクロック信号のタイミングを示す波形図である。
本実施形態における図１に示す位相シフト干渉計の構成を用い、スペクトル位相を測定する動作を説明する。
図４（ａ）は、縦軸が電圧であり、横軸が時間であり、光源１の出力するトリガ信号の出力タイミングを示す図である。この図４（ａ）において、光源１から出力されるトリガ信号のＨレベル（Ｖ_Ｈ）およびＬレベル（Ｖ_Ｌ）は、各々ＴＴＬ制御（ＴＴＬ（Transistor Transistor Logic）インターフェースを用いた制御）に適合するように設定される。

図４（ｂ）は、縦軸が波長であり、横軸が時間であり、光源１の波長掃引において出力する光（伝搬光）の波長の時間変化を示している。この図４（ｂ）において、λ_１は掃引開始の波長（測定波長の範囲における最低波長）であり、λ_２は掃引停止の波長（測定波長の範囲における最大波長）である。このため、波長λ_１から波長λ_２が測定波長の範囲、すなわち波長を掃引する範囲となる。
図４（ｃ）は、縦軸が電圧であり、横軸が時間であり、光位相シフト部９に印加する位相差を第１周期Δｔで変化させる位相シフト電圧の波形を示す図である。位相シフト電圧Ｖ_０は位相シフトを０（０成分検出モード）とする際の電圧であり、位相シフト電圧Ｖ_３π／２は位相シフトを３π／２とする際の電圧である。位相シフト電圧は、Ｖ_０からＶ_３π／２までの範囲において、図４（ｃ）に示されるように連続かつ周期的に変化して、制御部１４から出力される。

本実施形態における位相シフト干渉計は、反射型であり、伝搬光及び反射伝搬光が干渉経路を往復で２回伝搬するため、往復それぞれで位相シフトを行うことになり、位相シフト電圧を透過型干渉計の場合の半分に低減することができる。位相シフト電圧を透過型干渉計の場合の半分に低減することにより、制御部１４が出力する位相シフトを制御するための電圧を低下させ、低消費電力化することが可能となる。
また、位相シフト電圧Ｖ_πは位相差をπ（π成分検出モード）とする際の電圧とし、Ｖ_αは位相差をα（α成分検出モード）とする際の電圧とする。本実施形態においては、Ｖ_αはＶ_０より大きくＶ_πよりも小さい、すなわちＶ_０＜Ｖ_α＜Ｖ_πである。制御部１４は、第１周期Δｔに対して周期的に正弦波的形状に位相シフト電圧を変化させ、光シフト位相部９へ印加する。

図４（ｄ）は、縦軸が電圧であり、横軸が時間であり、制御部１４が発生するサンプリングクロック信号を示す図である。このサンプリングクロック信号は、データ取得部１５が光検出部１３からの非干渉信号が重畳された干渉信号を時系列データとして受信するサンプリング周期のタイミングとなる。
図４（ｃ）及び図４（ｄ）については、第１周期Δｔを明確に記載するため、図４（ａ）及び図４（ｂ）の横幅の時間スケールを拡大し、一部の時間範囲のみを示している。

光源１は、トリガ信号を発生し時間「Ｔ_ｌ＋１−Ｔ_ｌ」の波長掃引周期において、トリガ信号を制御部１４及びデータ取得部１５に対して出力するとともに、波長λ１から波長λ２までの波長を線形に増加させる掃引の処理を開始する。ここで、ユーザが実際の測定の前に掃引変化を測定し、時間に対する掃引された波長の線形性が達成されないことを検出した場合、掃引の波長の校正を行い、波長掃引の非線形性を補正する。また、本実施形態において、短波長側から長波長側への波長の掃引を行っているが、長波長側から短波長側に波長の掃引を行うよう構成しても良い。また、タイミング制御は、ＴＴＬ制御に限るものではなく、例えばＣＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor ）インターフェースを用いても良い。

また、図４（ａ）に示すように、波長掃引周期の開始時にはトリガ電圧がＶ_ＬからＶ_Ｈに、波長掃引周期の終了時にはトリガ電圧がＶ_ＨからＶ_Ｌに遷移する設定としているが、この逆となるように設定しても良い。
また、波長掃引周期の開始時と終了時とに同一の遷移をする独立パルスを発生するように、光源１を構成としても良い。
また、本実施形態においては、波長掃引信号線１６によりデータ取得部１５に対し、また波長掃引信号線１７により制御部１４に対し、トリガ信号を出力している。しかし、トリガ信号を開始トリガ信号及び終了トリガ信号として、データ取得部１５及び制御部１４の各々に対して、それぞれ２本の波長掃引信号線を設け、開始トリガ信号及び終了トリガ信号を別系統の配線にて出力する構成としても良い。
上述した構成は、光源１及び制御部１４及びデータ取得部１５の仕様に応じて最適の形態を選択すれば良い。

制御部１４は、光源１からトリガ信号が供給されると、このトリガ信号に同期して、第１周期Δｔ毎に光位相シフト部９へ電圧Ｖ_０から電圧Ｖ_３π／２までの位相シフト電圧を連続的に順次出力する処理を開始する。本実施形態においては、位相シフト電圧Ｖ_０からＶ_３π／２まで供給しているが、逆に、位相シフト電圧Ｖ_３π／２から電圧Ｖ_０まで供給するように構成しても良い。
この結果、光位相シフト部９は、供給される位相シフト電圧Ｖ_０から位相シフト電圧Ｖ_３π／２までの変化により、参照光ファイバ８を伝搬する第２伝搬信号、第２反射伝搬信号の位相を往復後に０から３π／２までの範囲において連続的に順次変化させる。
光検出部１３は、第１周期Δｔ毎に、すなわち測定波長毎に０から３π／２まで変化する位相シフトに伴い、測定波長毎における位相シフトのシフト量が０、π及びαの各々に対応する干渉要素を有する合波光を光電変換し、連続的に干渉信号として、データ取得部１５に対して供給する。

そして、データ取得部１５は、制御部１４から入力される第１周期Δｔに同期して送信される一定のサンプリングのタイミングに従い、上記光電変換された干渉信号をサンプリングする。干渉信号をサンプリングすることにより、各波長における０成分の干渉要素を有する干渉信号、α成分の干渉要素を有する干渉信号、及びπ成分の干渉要素を有する干渉信号の各々を、この順序に従って得ることができる。ここで、データ取得部１５は、制御部１４が位相シフト電圧を順次変化させ、位相シフト電圧Ｖ_０、Ｖ_α及びＶ_πの各々を出力したタイミングに同期して、干渉信号をサンプリングし、それぞれを０成分の干渉要素、α成分の干渉要素、π成分の干渉要素として得る。

すなわち、制御部１４が第２伝搬光の位相シフトの位相量を第１周期Δｔにおいて０→３π／２→０と連続して変化させるに伴い、データ取得部１５は、１つの測定周期に対応する１組の０成分、α成分及びπ成分の干渉要素をこの順序によって得ることができる。得られた干渉要素から、測定波長の範囲内にて、ｎの第１周期Δｔから、ｎ組の０成分、α成分及びπ成分の干渉要素の組が得られる。
このように、データ取得部１５は、第２伝搬光の位相シフトの位相量が０→３π／２→０と連続して変化することで、１つのサンプリングクロック信号毎に、その時点の位相量に対応した１点の干渉信号を取得する。したがって、データ取得部１５は、１組の０、α及びπの位相成分の干渉信号を、３つのサンプリングクロック信号により取得する。
この結果、測定波長の範囲内において、ｎの第１周期Δｔから、ｎ組の０成分、α成分及びπ成分の干渉要素（干渉信号）が得られる。

また、位相シフト量０、α及びπの各々の決定精度を向上させるため、位相シフト電圧が第１周期において０→３π／２→０として変化する間に、データ取得部１５は、例えば３０点のサンプリングを行う。すなわち、本実施形態において、データ取得部１５は、一つの第１周期Δｔにおいて、３０種の干渉信号に対応する、シフト量が異なる３０成分の干渉フリンジデータを取得する。
そして、データ取得部１５は、スペクトル位相φ（λ）とパワースペクトルＩ_ｉｎｔ（λ）を求める際、３０成分の干渉フリンジデータから０成分、π成分及びα成分に対応する３種を、位相シフト電圧Ｖ_０、Ｖ_α及びＶ_πの各々を出力したタイミングに基づいて、サンプリングした複数の干渉フリンジデータから抽出し、式（６）及び式（７）に代入する。ここで、測定波長がｎ点の場合、波長掃引周期において波長を１回掃引することにより、総サンプリング数は３０×ｎ（光成分）となる。

上述したように、データ取得部１５は、上述したように、一定の時間間隔のサンプリング周期により、０成分、α成分及びπ成分の干渉要素をサンプリングして測定する。このため、データ取得部１５には、サンプリングに用いるサンプリングクロック信号（電気信号）及び合波光を受信する受信ポートを一系統設けて構成すれば良く、位相シフト干渉計を簡便に構成することができる。

図４（ｄ）には、ｎ個の測定波長の第１周期毎に２０回のサンプリングを行った場合における１番目の測定波長の測定点、すなわちサンプリングタイミングｔ_１，１からｔ_１，２０、及びｎ番目の測定波長の測定点、すなわちサンプリングタイミングｔ_ｎ，１からｔ_ｎ，２０が示されている。
ここで、各第１周期Δｔ内にサンプリング行う測定点が３０ある場合、測定点毎の掃引波長の変化を無視することができなくなる。このため、各第１周期Δｔ内における測定点毎の掃引波長の変化を補正して、得られる干渉フリンジデータ各々の波長精度を維持する必要がある。本実施形態において、データ取得部１５には、波長掃引周期内の３０×ｎ個の測定値において、各第１周期Δｔにおける同一順番の測定波長となるサンプリングタイミングのｎ個の測定値による線形補間を、同一順番毎に行い、各サンプリングタイミング毎に３０成分の干渉フリンジデータを算出する構成が設けられている。したがって、データ取得部１５は、上述した線形補間を行うプログラムを記憶するメモリ、あるいは線形補間を実行するための回路を有している。
これにより、各位相成分の各々に対し、波長成分毎の測定間隔を１／３０とする補間処理を行うこととなり、各位相成分毎の干渉信号のデータ点数を３０倍とし、スペクトル位相の測定精度を向上することができる。波長の掃引が線形的に行われるため、時間経過により測定波長に対応する位相量を線形関係により決定することができる。その結果、各位相成分に対応する干渉フリンジデータを、容易に補間することができる。

また、図１には記載されていないが、本実施形態の位相シフト干渉計は、線形補間を行うために用いる、３０×ｎ個の測定された干渉フリンジデータを記憶する記憶部を備えている。データ取得部１５は、この記憶部に対して、測定した３０×ｎ個の干渉フリンジデータを、識別情報（例えば、上述したｉ番目の第１波長におけるｊ番目の測定点かを示すサンプリングタイミングｔ_ｉ，ｊ）とともに順次書き込んで記憶させ、波長掃引周期が終了した時点で、各干渉フリンジデータを読み出して線形補間を行う。ここで、ｉは１以上でありｎ以下（１≦ｉ≦ｎ）の整数、ｊは１以上であり３０以下（１≦ｊ≦３０）の整数である。

図４（ｄ）においては、位相シフトのシフト量が０の場合の０成分、αの場合のα成分及びπの場合のπ成分の各々は、サンプリングタイミングｔ_ｉ，１、ｔ_ｉ，６、ｔ_ｉ，１１のそれぞれにおいて測定された干渉フリンジデータが対応している。ここで、データ取得部１５は、スペクトル位相φ（λ）の算出に用いるα成分の位相量の位相校正を行う。
例えば、本実施形態においては、サンプリングタイムｔ_ｉ，６に対応する位相量の位相校正を行い、サンプリングタイムｔ_ｉ，６における位相量をラジアン単位として０．４１８４３６πとする。

各測定波長でのα成分に対する位相校正は、カーブフィッティングにより行う。すなわち、各波長での３０個の干渉データに対して三角関数をフィッティング関数として、カーブフィッティングを実行すると、各位相成分の位相量を求めることができる。このとき、発生させる位相シフトの範囲が０から３π／２までを含んでいれば、各測定波長における３０個の干渉成分は干渉の最大値から最小値までの全振幅を測定範囲内に含んでいる（カバーしている）。このため、全ての測定波長において、α成分に対する位相校正を可能とすることができる。
位相校正の方法について、非特許文献１にも複数の位相校正のためのアルゴリズムが記載されているが、本実施形態におけるような三角関数をフィッティング関数としたカーブフィティングによる位相校正のアルゴリズムは記載されていない。このため、本実施形態においては、三角関数をフィッティング関数としたカーブフィティングを用いることにより、図４（ｃ）に示すサイン波とした位相シフトを行っているため、高精度かつ短時間で位相校正が可能である。

また、サンプリング点数が少ない場合（本実施形態においては３０個より減少させた場合）、上述した干渉フリンジデータの補間の精度が低下することで、位相シフトのシフト量である０、α及びπの決定精度が劣化してしまう。このため、スペクトル位相φ（λ）もしくはパワースペクトルＩ_ｉｎｔ（λ）の算定結果（横軸を波長として、縦軸にスペクトル位相φ（λ）、パワースペクトルＩ_ｉｎｔ（λ）の各々をプロットしたグラフ）にリップルが生じることになる。
また、位相校正により求めた位相量がαの数値において、小数点以下の計算桁数が少ない場合（位相校正の精度が低い場合）も、スペクトル位相φ（λ）もしくはパワースペクトルＩ_ｉｎｔ（λ）の算定結果にリップルが生じることになる。

本実施形態において、リップルの相対強度は、スペクトル位相φ（λ）およびパワースペクトルＩ_ｉｎｔ（λ）の各々の実測値の１ｐｐｍ未満とするように、サンプリング点数（第１周期内において３０点）及び校正したサンプリングタイムｔ_ｉ，６の位相量の小数点以下の桁数（６桁）として算出している。
また、本実施形態においては、第１周期Δｔ内における干渉成分、すなわちサンプリング点数を３０、位相量αの計算桁数を小数点以下６桁としている。しかし、このサンプリング点数及び小数点以下の桁数に限定されることなく、必要とするリップルの相対強度をどの程度まで許容できるかにより、リップルの相対強度をどの程度まで低減するかを決定して設定し、サンプリング点数及び小数点以下の桁数を設定すれば良い。なお、位相量πの計算桁数の小数点以下の桁数も位相量αと同様に、リップルの相対強度の低減に応じて決定して設定することが必要なのは言うまでもない。

また、本実施形態においては、上述した位相量αの干渉フリンジデータとして、サンプリングタイムｔ_ｉ，６ので測定された干渉信号を用いた。しかし、このサンプリングタイムに限定するものでなく、位相量０及びπ以外の位相シフトであれば、測定された３０個の内のいずれを用いても良い。ここで、通常、位相シフトの位相量が接近した値でなければ、位相量の誤差が縮小されるため、リップルの相対強度に与える影響は小さい。
このため、サンプリングタイムｔ_ｉ，ｊの各々において、リップルの相対強度を観察し、リップルの相対強度が必要とする許容範囲にあるサンプリングタイムを、位相量αのサンプリングに用いるかを決定すれば良い。

例えば、第１周期の数ｎが１０００であり、波長掃引周期Ｔ_ｌ＋１−Ｔ_ｌが１ｓ（秒）とした場合、位相シフト電圧の切替え周期である第１周期Δｔは、１秒をｎ、すなわち１０００で除算すると１ｍｓとなる。また、サンプリングタイミングの間隔は、第１周期の時間１ｍｓを、第１周期Δｔにおける測定点（サンプリング点）の数３０で除算すると、約３３μｓとなる。すでに述べたように、線形補間により、位相シフトの各位相量の成分の干渉フリンジデータの総数は、ｎに３０を乗算して３００００となる。

上述したように、本実施形態に基づいて、波長分散測定及び光コヒーレンストモグラフィにおける断層画像測定に応用できる高精度のスペクトル位相測定を行う位相シフト干渉計を、小型化が容易であり、かつ構成が簡易で製造コストが従来に比較して安価な構成により実現することができる。

また、本実施形態においては、データ取得部１５が、一定の時間間隔のサンプリング周期により、０成分、α成分及びπ成分の干渉要素をサンプリングして測定する。
したがって、本実施形態によれば、データ取得部１５には、サンプリングに用いるサンプリングクロック信号（電気信号）及び合波光を受信する受信ポートを一系統設けて構成すれば良く、測定計を簡易に構成することができる。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態に係る位相シフト干渉計の説明を行う。第２の実施形態は、第１の実施形態と同様の構成であるが、図１の構成において、データ取得部１５に並列に設けた３つの受信ポート（後述する受信ポートＰ１、Ｐ２及びＰ３）により、１組の０成分、α成分及びπ成分を、並列に受信する構成を有している。
図５は、制御部１４の波長掃引動作と、これに対応した光位相シフト部９の位相シフトの動作と、データ取得部１５における光検出部１３からの干渉信号のサンプリングとにおける動作のタイミングを示す波形図である。

図５（ａ）は、縦軸が電圧であり、横軸が時間であり、光源１の出力するトリガ信号の出力タイミングを示す図である。この図５（ａ）において、光源１から出力されるトリガ信号のＨレベルおよびＬレベルは、各々ＴＴＬ制御に適合するように設定される。
図５（ｂ）は、縦軸が波長であり、横軸が時間であり、光源１の波長掃引において出力する光の波長の時間変化を示している。この図５（ｂ）において、λ_１は掃引開始の波長（測定波長の範囲における最低波長）であり、λ_２は掃引停止の波長（測定波長の範囲における最大波長）である。
図５（ｃ）は、縦軸が電圧であり、横軸が時間であり、光位相シフト部９に印加する位相差を第１周期Δｔで変化させる位相シフト電圧の波形を示す図である。位相シフト電圧Ｖ_０は位相差を０（０成分検出モード）とする際の電圧であり、位相シフト電圧Ｖ_３π／２は位相差を３π／２とする際の電圧である。また位相シフト電圧Ｖ_πは位相差をπ（π成分検出モード）とする際の電圧とし、位相シフト電圧Ｖ_αは位相差をα（α成分検出モード）とする際の電圧とする。また、０成分、α成分及びπ成分の検出を行う位相シフト電圧は、第１周期内において正弦波的に変化する。本実施形態においては、αは、ラジアン単位で示す位相量であり、０＜α＜πの間の実数である。したがって、αは、この０＜α＜πの範囲で変化する。したがって、制御部１４は、第１周期Δｔに対応して、周期的に正弦波的形状により、位相シフト電圧を変化させて、光シフト位相部９へ供給する。
図５（ｄ）は、縦軸が電圧であり、横軸が時間であり、制御部１４が光検出部１３からの干渉信号を、受信ポートＰ１、受信ポートＰ２、受信ポートＰ３から並列に時系列データとして受信するサンプリング周期のタイミングを示す図である。本実施形態においては、受信ポートＰ１が０成分の干渉信号を受信し、受信ポートＰ２がπ成分の干渉信号を受信し、受信ポートＰ３がα成分の干渉信号を受信する。
図５（ｃ）及び図５（ｄ）については、第１周期Δｔを明確に記載するため、図５（ａ）及び図５（ｂ）の横幅の時間スケールを拡大し、一部の時間範囲のみを示している。

データ取得部１５は、制御部１４が位相シフト電圧Ｖ_０を出力しているとき、光電変換された０成分の干渉信号を、光検出部１３から受信ポートＰ１により受信する。また、データ取得部１５は、制御部１４が位相シフト電圧Ｖ_πを出力しているとき、光電変換されたπ成分の干渉信号を、光検出部１３から受信ポートＰ２により受信する。また、データ取得部１５は、制御部１４が位相シフト電圧Ｖ_αを出力しているとき、光電変換されたα成分の干渉信号を、光検出部１３から受信ポートＰ３により受信する。
第２の実施形態も、第１の実施形態と同様に、波長掃引周期における第１周期Δｔの数ｎは１０００であり、波長掃引周期は１ｓとする。受信ポートＰ１、受信ポートＰ２及び受信ポートＰ３の各々のサンプリング周期は１ｍｓである。

データ取得部１５では、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換を行い、光検出部１３からの干渉信号の電圧レベルをデジタルデータ（干渉フリンジデータ）として取得する。
したがって、データ取得部１５におけるＡ／Ｄ換回路の動作速度が、サンプリング周期を短縮したい場合の制限要因となる可能性がある。
しかし、本実施形態では、受信ポートＰ１、受信ポートＰ２及び受信ポートＰ３の三系統の並列受信を採用することにより、各受信ポートのサンプリング速度が１ポートのみで受信する場合の３分の１となるため、Ａ／Ｄ変換回路の動作速度の制限を３倍に上昇させ、測定時間を短縮させることができる。
また、１つの受信ポートにおいて、０成分、α成分及びπ成分の各々の測定タイミングを順番に振り分ける必要が無くなるため、データ処理プログラムが簡単になり、データ処理速度を向上させることができる。

＜第３の実施形態＞
次に、本発明の第３の実施形態に係る波長分散測定装置の説明を行う。図６は第３の実施形態に係る位相シフト干渉計の構成例を示すブロック図である。第１の実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、第１の実施形態と異なる構成について以下に説明する。
第１光ファイバ５と第２光ファイバ６との光路長差を解消する光遅延部７及び伝搬光の位相をシフトする光位相シフト部８を用いる場合、第１の実施形態の場合には光遅延部７及び光位相シフト部８の各々を異なる光ファイバに接続している。

図１に示す第１の実施形態の構成との対比から判るように、光位相シフト部９及び光遅延部１０の各々を異なる光ファイバに設ける必要は無いため、第３の実施形態においては、第１の実施形態における光位相シフト部９及び光遅延部１０を合体させて一体化し、光位相シフト部９の光の位相差をシフトさせる機能と、光遅延部１０の光の伝搬を遅延させる機能とを有する光位相シフト遅延部５１を、プローブ光ファイバ６または参照光ファイバ８のいずれか一方に設ける構成としている。プローブ光ファイバ６または参照光ファイバ８のいずれか一方が他方より光路長が短い場合、この一方に光位相シフト遅延部５１を設けて、他方に対する光路長差を補正する。これにより、光位相シフト部９及び光遅延部１０を一体化した光位相シフト遅延部５１を用いて、第１の実施形態に比較して装置をより小型化することができる。
また、光位相シフト部９及び光遅延部１０を合体させて一体化することにより、コネクタ結合にともなう光損失を低減することができる。この結果、光源１のパワーを第１の実施形態に比較して低いレベルとすることができ、光源１におけるエネルギーの消費を低下させることができる。
また、光源１のパワーを第１の実施形態と同様とした場合、第１の実施形態に比較してより光損失が大きな測定試料の位相シフトスペクトルの評価が可能となる。
さらに、制御部１４から光位相シフト部９に対して印加する位相シフト電圧に直流電圧成分を付加すると、直流位相シフトにより、光ファイバの伝搬光の遅延時間を制御することができる。したがって、プローブ光ファイバ６と参照光ファイバ８との間の光路差を、電圧による遅延時間の制御によって高精度に解消し、第１の実施形態に比較して、より位相の安定性を精密に制御することができる。

＜第４の実施形態＞
第１の実施形態から第３の実施形態に示した位相シフト干渉計を光部品の波長分散の評価に用いる手順について説明する。この波長分散の評価において、透過における波長分散の評価を行う場合、試料測定部７の構成として、図２Ａに示す構成を用いる。一方、反射における波長分散の評価を行う場合、試料測定部７の構成として、図２Ｂに示す構成を用いる。
波長分散を評価するには、以下のようにして分散パラメータを求めることが必要となる。
分散パラメータを求める際、波長λの関数として求めたスペクトル位相φ（λ）を、周波数νの関数であるスペクトル位相φ（ν）に変換する。
そして、周波数の関数として求めたスペクトル位相φ（ν）から、スペクトル位相の変化分Δφ（ν）を、隣接周波数間のスペクトル位相の差分として算出する。ここで、隣接周波数間の間隔をΔνとすると、以下の（８）式により分散パラメータＤが求められる。（８）式において、νは周波数であり、ｃは光の速度であり、Ｌは光が伝搬する距離（干渉経路の経路長）である。

図１または図６におけるデータ取得部１５は、波長の関数のスペクトル位相φ（λ）を、周波数の関数であるスペクトル位相φ（ν）に変換する変換部と、変換したスペクトル位相φ（ν）を格納するデータ記憶部と、このデータ記憶部から隣接周波数のスペクトル位相を順次読み出し、Δν毎のスペクトル位相の変化分Δφ（ν）を算出する差分算出部と、このスペクトル位相の変化分Δφ（ν）から（８）式を用いて分散パラメータを算出する分散パラメータ算出部を有している。
また、データ取得部１５に差分算出部と分散パラメータ算出部とを設けず、データ取得部１５にスペクトル位相の変化分Δφ（ν）の算出と、分散パラメータの算出を行わせるためのプログラムをプログラム記憶部に記憶し、このプログラムをＭＰＵ（Micro Processing Unit）などからなる演算プロセッサが実行する構成としても良い。この場合、演算プロセッサがプログラム記憶部に記憶されているプログラムに従い、スペクトル位相の変化分Δφ（ν）の算出と、分散パラメータの算出を行う。

＜第５の実施形態＞
第１の実施形態から第３の実施形態に示した位相シフト干渉計を用いて、光コヒーレンストモグラフィの断層画像を求める手順について説明する。この光コヒーレンストモグラフィの断層画像を求める際には、測定対象の試料の表面（試料表面）からの反射を得るため、試料測定部７の構成として、図２Ｂに示す構成を用いる。この構成においては、試料表面のある点での深さ方向の断層画像が得られるのみである。そこで、レンズ２８を試料表面に対して平行に２次元的に平行移動させる。すなわち、試料測定部７には試料を置いたステージの面に対して平行な２次元平面における線に沿って、レンズ２８を平行移動させる駆動機構を設け、レンズ２８を２次元平面における線に沿って平行駆動させて、線における測定点毎、すなわち座標点座標点毎におけるスペクトル位相を検出するように構成する。
また、レンズ２８を平行移動させるのではなく、試料を乗せたステージを、平行移動させるように駆動機構を構成しても良い。

そして、スペクトル位相から試料の断層画像を得るため、第４の実施形態の場合と同様に、波長の関数のスペクトル位相φ（λ）を、周波数の関数であるスペクトル位相φ（ν）に変換する。
次に、求めた周波数表記のスペクトル位相φ（ν）に対して、２次元平面上において平行移動させた線の各測定点毎にスペクトル位相φ（ν）逆フーリエ変換を行い、周波数領域から画像空間領域に変換し、各測定点毎の深さ方向の断層画像である画像データを生成する。ここで、スペクトル位相φ（ν）の逆フーリエ変換の際、スペクトル位相φ（ν）の逆フーリエ変換により得られた逆フーリエ変換データにおいて、横軸が時間となり、縦軸が反射された反射光の強度となる。この時間に対して光の速度を乗算することにより、試料面の反射における光（第１伝搬光）の往復経路での伝搬距離が得られる。

すなわち、この伝搬距離の半分が試料における深さ方向の各位置に対応した検出数値となる。したがって、２次元平面上において平行移動させた線における測定点毎に、各逆フーリエ変換データにおける強度を伝搬距離の半分の位置に対してプロットすることにより、試料の断層画像を得る。
また、試料を配置したステージの面に対して平行な２次元平面に沿ってレンズ２８を平行移動し、各測定点におけるスペクトル位相φ（ν）を検出し、上述した断層画像を求める処理を、この２次元平面における各測定点毎に行うことにより、試料の三次元の断層画像が得られる。

上述した断層画像を得るため、本実施形態において、データ取得部１５には、断層画像を取得する試料を配置したステージの面に対して平行な２次元平面に沿ってレンズ２８を平行移動させる駆動機構を制御する制御部と、２次元平面における各測定点で得た位相スペクトル位相φ（ν）を算出し、測定点毎に記憶部に記憶させる算出部と、記憶部から測定点毎にスペクトル位相φ（ν）を読み出して逆フーリエ変換を行う変換部と、光の伝搬距離を求め、逆フーリエ変換データにおける強度を、求めた伝搬距離の半分の位置に対してプロットする断層画像生成部とを有している。
また、上述した制御部、算出部、変換部及び断層画像生成部の機能をＭＰＵに実行させるプログラムを記憶したプログラム記憶部を設け、ＣＰＵがプログラム記憶部から順次プログラムを読み出して実行することで、制御部、算出部、変換部及び断層画像生成部の処理を行うように構成しても良い。

本実施形態によれば、位相シフト干渉計を容易に光コヒーレンストモグラフィに適用することができ、高精度にスペクトル位相φ（λ）を検出することができるため、高解像度の三次元の断層画像を得ることができる。

以上、この発明の実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

本発明は、波長分散の測定、及び光コヒーレンストモグラフィにおける断層撮影を行うための位相シフト干渉計（位相シフトファイバスペクトル干渉計）に広く適用できる。

１ 光源
１ａ 光源１の第１出射端
２ 入射光ファイバ
３ 光循環部
３ａ 光循環部３の第１入射端
３ｂ 光循環部３の第１入出射端
３ｃ 光循環部３の第２出射端
４ 接続光ファイバ
５ 光分岐結合部
５ａ 光分岐結合部５の第２入出射端
５ｂ 光分岐結合部５の第３入出射端
５ｃ 光分岐結合部５の第４入出射端
６ プローブ光ファイバ
７ 試料測定部
７ａ 試料測定部７の第５入出射端
８ 参照光ファイバ
９ 光位相シフト部
１０ 光遅延部
１１ 光終端部
１１ａ 光終端部１１の第６入出射端（全反射ミラー）
１２ 出射光ファイバ
１３ 光検出部
１３ａ 光検出部１３の第２入射端
１４ 制御部
１５ データ取得部
１６ 波長掃引信号線
１７ 波長掃引信号線
１８ 位相シフト制御線
１９ サンプリングクロック信号線
２０ 検出信号線
２１ コネクタ
２２ 光ファイバ
２２ａ 光ファイバ２２の第１端
２２ｂ 光ファイバ２２の第２端
２３ 測定試料（透過測定用）
２４ 光ファイバ
２４ａ 光ファイバ２４の第１端
２４ｂ 光ファイバ２４の第２端
２５ 反射端
２６ コリメータ
２７ 空間伝搬光
２８ レンズ
３１ 光アイソレータ
３２ ２×１光カプラ
３２ａ ２×１光カプラ３２の端子
３２ｂ ２×１光カプラ３２の端子
３２ｃ ２×１光カプラ３２の端子
５１ 光位相シフト遅延部

Claims (13)

1. 第１出射端を有し、単一縦モード光を波長掃引して伝搬光を生成し、前記伝搬光を前記第１出射端から出射する光源と、
   前記第１出射端に一端が接続され、前記伝搬光を伝搬する、偏波保持特性を有する単一モード光ファイバで構成された入射光経路と、
   第１入射端と第１入出射端と第２出射端を有し、前記第１入射端は前記入射光経路の他端が接続され、前記第１入射端から入射される前記伝搬光を前記第１入出射端から出射し、また前記第１入出射端から入射される合波光を前記第２出射端から出射する光循環部と、
   一端が前記第１入出射端に接続され、偏波保持特性を有する単一モード光ファイバで構成された接続経路と、
   第２入出射端と第３入出射端と第４入出射端を有し、前記第２入出射端が前記接続経路の他端に接続され、前記第２入出射端から入射される前記伝搬光を第１伝搬光及び当該第１伝搬光と同一の偏光を有する第２伝搬光に分離し、前記第１伝搬光を前記第３入出射端から出射し、前記第２伝搬光を前記第４入出射端から出射し、前記第３入出射端から入射される第１反射伝搬光と前記第４入出射端から入射される第２反射伝搬光とを合波して干渉結果である前記合波光を生成し、前記合波光を前記第２入出射端から出射する光分岐合成部と、
   一端が前記第３入出射端に接続され、偏波保持特性を有する単一モード光ファイバで構成されたプローブ光経路と、
   一端が前記第４入出射端に接続され、偏波保持特性を有する単一モード光ファイバで構成された参照光経路と、
   第５入出射端を有し、前記第５入出射端が前記プローブ光経路の他端に接続され、前記第５入出射端から入射される前記第１伝搬光を内部に配置された測定対象の試料面で反射して前記第１反射伝搬光を生成し、前記第１反射伝搬光を前記第５入出射端から出射する試料測定部と、
   第６入出射端と反射面を有し、前記第６入出射端が前記参照光経路の他端に接続され、前記反射面において前記第６入出射端から入射される前記第２伝搬光を全反射して前記第２反射伝搬光を生成し、前記第２反射伝搬光を前記第６入出射端から出射する光終端部と、
   前記プローブ光経路及び前記参照光経路のいずれか一方に設けられ、設けられた一方を伝搬する光の位相シフトを、位相シフト量α_ｉ／２（ラジアン単位、α_ｉは実数であり、α_ｉの取る値の範囲が０≦α_ｉ≦３π／２、ｉは整数であり、３≦ｉ）で行い、前記位相シフト量α_ｉ／２を周期的に変化させる光位相シフト部と、
   一端が前記第２出射端に接続され、前記合波光を伝搬させる単一モード光ファイバで構成された出射光経路と、
   第２入射端を有し、前記第２入射端に前記出射光経路の他端が接続され、前記第２入射端から入射される前記合波光を電気信号に変換して干渉信号を生成し、前記干渉信号を出力する光検出部と、
   前記光源における前記伝搬光の前記波長掃引に同期し、前記波長掃引を行う毎に、前記光位相シフト部における前記位相シフト量及び前記位相シフトを制御する周期を制御し、前記位相シフトの一周期内において前記ｉが増加される順番に、第ｉ光成分に対応する前記干渉信号を時系列に取得するためのサンプリング信号を発生する制御部と、
   前記サンプリング信号が供給される毎に、前記第ｉ光成分に対応する前記干渉信号を時系列に取得するデータ取得部と、
   を有することを特徴とする位相シフト干渉計。
2. 前記位相シフトの一周期内に前記サンプリング信号に基づいてサンプリングを行う測定点の数をｍとして、
   前記制御部が、
   前記第ｉ光成分に対応する干渉信号に対し、波長成分毎の測定間隔を１／ｍとする線形補間処理を行うことにより、全干渉信号のデータ点数をｍ倍とする
   ことを特徴とする請求項１に記載の位相シフト干渉計。
3. 前記α_ｉの要素の総数が３以上（ｉ≧３）であり、
   前記制御部が、当該要素から３つの要素として、位相α_１の第１光成分、位相α_２の第２光成分及び位相α_３の第３光成分を抽出し、当該第１光成分、当該第２光成分及び当該第３光成分の各々から前記干渉信号を取得する
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の位相シフト干渉計。
4. 前記α_ｉの要素の総数が３０以上（ｉ≧３０）であることを特徴とする請求項３に記載の位相シフト干渉計。
5. 前記プローブ光経路及び前記参照光経路のいずれか一方に設けられ、前記プローブ光経路と前記参照光経路との光路長差を調節する光遅延部をさらに有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の位相シフト干渉計。
6. 前記プローブ光経路及び前記参照光経路のいずれか一方に前記光遅延部が設けられ、前記光位相シフタが他方に設けられることを特徴とする請求項５に記載の位相シフト干渉計。
7. 前記プローブ光経路及び前記参照光経路のいずれか一方に、前記光遅延部及び光位相シフタが一体化して設けられていることを特徴とする請求項５に記載の位相シフト干渉計。
8. 前記制御部が、前記第１光成分の前記干渉信号を受信する第１受信部と、前記第２光成分の前記干渉信号を受信する第２受信部と、前記第３光成分の前記干渉信号を受信する第３受信部と、を有していることを特徴とする請求項３から請求項７のいずれか一項に記載の位相シフト干渉計。
9. 前記データ取得部が、波長の掃引毎に、測定単位として前記第１光成分、前記第２光成分及び前記第３光成分をデータ組として時系列に取得することを特徴とする請求項３から請求項７のいずれか一項に記載の位相シフト干渉計。
10. 前記試料測定部が、
    一端が前記第５入出射端に接続され、他端が前記測定対象の前記試料の入射端に接続された、偏波保持特性を有する単一モード光ファイバからなる第１内部経路と、
    一端が前記試料の出射端に接続され、他端に全反射ミラーが設けられた、偏波保持特性を有する単一モード光ファイバからなる第２内部経路と
    を有していることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の位相シフト干渉計。
11. 前記試料測定部が、
    一端が前記第５入出射端に接続され、他端から平行光を出射し、偏波保持特性を有する単一モード光ファイバからなる内部経路と、
    前記内部経路の他端から出射される前記平行光を集光して前記測定対象の前記試料の表面に照射するレンズと
    を有し、
    前記試料の表面から反射され、前記内部経路の他端から入射される反射平行光を前記第２反射伝搬光として前記第５入出射端から出射することを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の位相シフト干渉計。
12. 前記データ取得部が、波長の関数として取得したスペクトル位相を周波数の関数に変換し、隣接周波数間におけるスペクトル位相差から分散パラメータを求め、この分散パラメータから波長分散を求めることを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載の位相シフト干渉計。
13. 前記データ取得部が、波長の関数として取得したスペクトル位相を周波数の関数に変換し、スペクトル位相の逆フーリエ変換を行い、伝搬光の伝搬距離の関数としてスペクトル位相の逆フーリエ変換を表示する光コヒーレンストモグラフィーの機能を有することを特徴とする請求項１１に記載の位相シフト干渉計。

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