JP6026597B1 - 光干渉計 - Google Patents

Abstract

【課題】分岐から合波までの間の光損失を小さく且つ干渉効率を改善するＭＥＭＳによる光干渉計を提供する。
【解決手段】光干渉計１Ａは、分岐合波部１０、第１光学系２０、第２光学系３０および駆動部４０を備え、ＭＥＭＳにより構成され得る。分岐合波部１０は、透明部材の内部と外部との間の境界に分岐面１１，入射面１２，出射面１３および合波面１４を有する。分岐合波部１０は、分岐面１１において、入射光Ｌ_０の一部を反射させて第１分岐光Ｌ_１１として出射させるとともに、残部を第２分岐光Ｌ_２１として内部へ透過させる。分岐合波部１０は、合波面１４において、第１分岐光Ｌ_１２を外部へ出射させるとともに、第２分岐光Ｌ_２２を反射させて、両光を合波して合波光Ｌ_３として外部へ出射させる。
【選択図】図３

Description

本発明は、ＭＥＭＳによる光干渉計に関するものである。

特許文献１〜１２に光干渉計の発明が開示されている。また、これらのうち特許文献１，２，４〜７には、ＭＥＭＳ（Micro Electro-Mechanical System）により構成され小型化が容易な光干渉計の発明が開示されている。

特許文献１に記載された光干渉計は、例えばシリコンからなる分岐合波部を用い、この分岐合波部の或る一平面において、入射光の一部を反射させ残部を透過させることで第１分岐光と第２分岐光とに２分岐するとともに、これら第１分岐光と第２分岐光とを合波して合波光として出力する。すなわち、この光干渉計では、分岐合波部の一平面は、入射光を第１分岐光と第２分岐光とに２分岐する分岐面、および、第１分岐光と第２分岐光とを合波して合波光とする合波面、の双方として共通に用いられる。また、この文献に記載された光干渉計では、第１分岐光および第２分岐光のうち一方の光が分岐合波部の内部を往復する間に波長分散が生じるので、他方の光が分散補償用部材の内部を往復するようにして、波長分散の問題の解消を図っている。

特許文献８に記載された光干渉計は、例えばシリコンからなる分岐合波部を用い、この分岐合波部の第１主面において入射光の一部を反射させ残部を透過させることで第１分岐光と第２分岐光とに２分岐し、分岐合波部の第２主面において第１分岐光と第２分岐光とを合波して合波光として出力する。すなわち、この光干渉計では、入射光を第１分岐光と第２分岐光とに２分岐する分岐面（第１主面）と、第１分岐光と第２分岐光とを合波して合波光とする合波面（第２主面）とは、別個のものとされている。この文献に記載された光干渉計では、第１分岐光および第２分岐光それぞれが分岐合波部の内部を１回のみ通過するので、波長分散の問題を抑制することができる。

特表２０１３−５０４０６６号公報 特許第５２０４４５０号公報 特開２００５−３５７２号公報 特開２００８−１０２１３２号公報 特表２００８−５０３７３２号公報 特開２０１０−１７００２９号公報 特表２０１３−５２２６００号公報 特開平３−７７０２９号公報 特公平７−２３８５６号公報 特開平７−１３９９０６号公報 特開昭６０−１１１２３号公報 特開昭６１−１９５３１７号公報

本発明者は、特許文献１等に記載された従来の光干渉計が以下のような問題を有していることを見出した。

すなわち、特許文献１に記載された光干渉計は、分岐合波部（例えばシリコン）と周囲の媒体（通常は空気）との間の境界面が多いことから、分岐から合波までの間の光の損失が大きい。もし特定の境界面に反射防止膜を形成することができれば光の損失を低減することができると考えられるが、ＭＥＭＳによる光干渉計は小型であることから、特定の境界面に選択的に反射防止膜を形成することは困難であり、光の損失を低減することは困難である。

特許文献８に記載された光干渉計は、特許文献１に記載された光干渉計と比べると、分岐合波部と周囲の媒体との間の境界面が少ないことから、分岐から合波までの間の光の損失が小さい。しかし、特許文献８に記載された光干渉計では、干渉効率が悪い。

他の特許文献に記載されたものも含め従来の技術は、ＭＥＭＳにより構成された光干渉計において光損失の低減および干渉効率の改善が可能なものではない。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、分岐から合波までの間の光の損失を小さくすることができ且つ干渉効率を改善することができるＭＥＭＳによる光干渉計を提供することを目的とする。

本発明の光干渉計は、ＦＴＩＲにおいて用いられる光干渉計であって、ＭＥＭＳにより構成された分岐合波部，第１光学系，第２光学系および駆動部を備える。分岐合波部は、透明部材の内部と外部との間の境界に分岐面，入射面，出射面および合波面を有し、分岐面と合波面とが別個のものであり、分岐面と入射面とが共通の第１平面上にあり、出射面と合波面とが共通の第２平面上にあり、第１平面と第２平面とが互いに平行であり、分岐面において、外部から入射した入射光の一部を反射させて第１分岐光として出射させるとともに、残部を第２分岐光として内部へ透過させ、入射面において、分岐面から第１光学系を経て入射した第１分岐光を内部へ透過させ、出射面において、分岐面から内部を経て到達した第２分岐光を外部へ出射させ、合波面において、入射面から内部を経て到達した第１分岐光を外部へ出射させるとともに、出射面から第２光学系を経て入射した第２分岐光を反射させて、第１分岐光と第２分岐光とを合波して合波光として外部へ出射させる。分岐面に入射する入射光の入射角およびビーム径ならびに透明部材の厚み及び屈折率が、出射面で反射した第２分岐光が分岐面において第２分岐光と重ならないように設定される。第１光学系は、分岐面から出射された第１分岐光を１個または複数個のミラーにより反射させて入射面に入射させる。第２光学系は、出射面から出射された第２分岐光を１個または複数個のミラーにより反射させて合波面に入射させる。駆動部は、第１光学系または第２光学系の何れかのミラーを移動させて、分岐面から合波面までの第１分岐光および第２分岐光それぞれの光路長の差を調整する。本発明の光干渉計は、第１光学系のミラーの個数と第２光学系のミラーの個数との和が偶数であり、入射光のビーム断面中の各位置の光線を分岐面において分岐した後に合波面において合波光のビーム断面中の共通位置で合波する。

本発明の光干渉計は、分岐合波部の内部における第１分岐光および第２分岐光それぞれの光路長が互いに等しいのが好適である。

本発明の光干渉計は、分岐合波部の分岐面における入射光の入射領域と入射面における第１分岐光の入射領域とが互いに一致しているのが好適である。

本発明の光干渉計は、分岐合波部の出射面における第２分岐光の出射領域と合波面における合波光の出射領域とが互いに一致しているのが好適である。

本発明の光干渉計は、分岐合波部の合波面から外部へ出射された合波光を検出する検出部を更に備えていてもよい。

本発明によれば、分岐から合波までの間の光の損失を小さくすることができ且つ干渉効率を改善することができるＭＥＭＳによる光干渉計を提供することができる。

図１は、第１比較例の光干渉計２Ａの構成を示す図である。 図２は、第２比較例の光干渉計２Ｂの構成を示す図である。 図３は、第１実施形態の光干渉計１Ａの構成を示す図である。 図４は、第１実施形態の光干渉計１Ａの第１光学系２０の構成例を示す図である。 図５は、第１実施形態の光干渉計１Ａの第１光学系２０の構成例を示す図である。 図６は、第１実施形態の光干渉計１Ａの第１光学系２０の構成例を示す図である。 図７は、第１実施形態の光干渉計１Ａの第１光学系２０および第２光学系３０それぞれに含まれるミラーの個数について説明する図である。 図８は、第２実施形態の光干渉計１Ｂの構成を示す図である。 図９は、第３実施形態の光干渉計１Ｃの構成を示す図である。 図１０は、第４実施形態の光干渉計１Ｄの構成を示す図である。 図１１は、第５実施形態の光干渉計１Ｅの構成を示す図である。 図１２は、第６実施形態の光干渉計１Ｆの構成を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一または同等の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。本発明は、これらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

実施形態の光干渉計の説明に先立って、実施形態と対比されるべき比較例の光干渉計について先ず説明する。第１比較例の光干渉計２Ａは、特許文献１に記載された構成のものと同等である。第２比較例の光干渉計２Ｂは、特許文献８に記載された構成のものと同等である。

（第１比較例）
図１は、第１比較例の光干渉計２Ａの構成を示す図である。光干渉計２Ａは、分岐合波部１０、ミラー２１、ミラー３１および分散補償用部材９０を備え、ＭＥＭＳにより構成され得る。

分岐合波部１０は、例えばシリコンからなり、互いに平行な第１主面１０ａおよび第２主面１０ｂを有する。外部から第１主面１０ａに入射した入射光Ｌ_０は、一部が第１分岐光Ｌ_１１として反射され、残部が第２分岐光Ｌ_２１として分岐合波部１０の内部へ透過する。

第１主面１０ａからの第１分岐光Ｌ_１１は、分散補償用部材９０の内部を通過して、ミラー２１で反射される。ミラー２１で反射された第１分岐光Ｌ_１２は、分散補償用部材９０の内部を再び通過して、第１主面１０ａに入射して分岐合波部１０の内部へ透過する。

第１主面１０ａからの第２分岐光Ｌ_２１は、分岐合波部１０の内部を通過し、第２主面１０ｂを透過して外部へ出射され、ミラー３１で反射される。ミラー３１で反射された第２分岐光Ｌ_２２は、第２主面１０ｂに入射して分岐合波部１０の内部へ透過し、分岐合波部１０の内部を再び通過して、第１主面１０ａで反射される。

第１主面１０ａで分岐合波部１０の内部へ透過した第１分岐光Ｌ_１２、および、第１主面１０ａで反射された第２分岐光Ｌ_２２は、合波されて合波光Ｌ_３となる。この合波光Ｌ_３は、分岐合波部１０の内部を通過し、第２主面１０ｂを透過して外部へ出射される。外部へ出射された合波光Ｌ_３は、検出部５０により検出される。

この光干渉計２Ａでは、分岐合波部１０の第１主面１０ａは、入射光Ｌ_０を第１分岐光Ｌ_１１と第２分岐光Ｌ_２１とに２分岐する分岐面、および、第１分岐光Ｌ_１２と第２分岐光Ｌ_２２とを合波して合波光Ｌ_３とする合波面、の双方として用いられる。

例えば、ミラー２１は位置が固定されており、ミラー３１は、第２分岐光Ｌ_２１の入射方向に沿って駆動部によって移動可能である。この駆動部もＭＥＭＳにより構成され得る。ミラー３１が可動であることにより、第１分岐光と第２分岐光との間の光路長差が調整され得る。

この光干渉計２Ａでは、分岐合波部１０および分散補償用部材９０は同じ材料（例えばシリコン）からなる。また、第１分岐光Ｌ_１１，Ｌ_１２が分散補償用部材９０の内部を往復する区間の光路長と、第２分岐光Ｌ_２１，Ｌ_２２が分岐合波部１０の内部を往復する区間の光路長とは、互いに等しく設定されている。これにより、波長分散の問題が解消され、第１分岐光と第２分岐光との間の光路長差の波長依存性が低減される。

この光干渉計２Ａは、境界面が多いことに起因して以下のような問題点を有している。ここで、分岐合波部１０および分散補償用部材９０がシリコン（屈折率３.５）からなるとし、周囲の媒体が空気（屈折率１.０）であるとし、第１主面１０ａへの入射光Ｌ_０の入射角が４５°であるとする。シリコンと空気との境界面での光の反射率は３０％となり、透過率は７０％となる。なお、正確にはＳ波とＰ波とで反射率・透過率が異なるが、インコヒーレントな光の場合には偏波方向がランダムに分布していると想定されるので、その平均値として反射率を３０％とし透過率を７０％としてよい。また、ミラー２１，３１それぞれでの光の反射率を１００％とする。

入射光Ｌ_０のうち第１分岐光を経て検出部５０に到達する比率Ｒ_１は、第１主面１０ａでの反射率（０.３）、空気から分散補償用部材９０への透過率（０.７）、ミラー２１での反射率（１.０）、分散補償用部材９０から空気への透過率（０.７）、第１主面１０ａでの外部から内部への透過率（０.７）、および、第２主面１０ｂでの内部から外部への透過率（０.７）の積で計算され、７.２％となる。

入射光Ｌ_０のうち第２分岐光を経て検出部５０に到達する比率Ｒ_２は、第１主面１０ａでの外部から内部への透過率（０.７）、第２主面１０ｂでの内部から外部への透過率（０.７）、ミラー３１での反射率（１.０）、第２主面１０ｂでの外部から内部への透過率（０.７）、第１主面１０ａでの反射率（０.３）、および、第２主面１０ｂでの内部から外部への透過率（０.７）の積で計算され、７.２％となる。

合波光Ｌ_３の干渉強度ピークＩ_ｐｐは、Ｉ_ｐｐ＝２√(Ｒ_１・Ｒ_２) なる式で表されるので、１４.４％となる。

ここで、分散補償用部材９０と空気との間の境界面での光の反射、および、第２主面１０ｂでの光の反射は、全て過剰損失となる。もし、これらの面に反射防止膜を形成することができれば、合波光Ｌ_３の干渉強度ピークＩ_ｐｐは４２％となる。すなわち、２７.６％の過剰損失が発生していることになる。

しかし、ＭＥＭＳによる光干渉計２Ａは小型であることから、特定の境界面に選択的に反射防止膜を形成することは困難である。ＭＥＭＳにより光干渉計を構成する限り、このような過剰損失は不可避である。

また、この光干渉計２Ａは、第２主面１０ｂに入射した第２分岐光Ｌ_２２の一部が反射されることに因り、以下のような問題点をも有する。図１に示されるように、ミラー３１から第２主面１０ｂへ入射した第２分岐光Ｌ_２２のうち第２主面１０ｂで反射された第２分岐光Ｌ_２３は、第２主面１０ｂで外部へ出射された合波光Ｌ_３と同じ方向に伝搬する。これら合波光Ｌ_３および第２分岐光Ｌ_２２の双方は実際には或るビーム幅を有する。もし、第２主面１０ｂで反射された第２分岐光Ｌ_２３の一部が検出部５０により受光されると、検出部５０による合波光Ｌ_３の干渉強度の検出の精度が悪くなる。特に、各光がコリメート光でなく発散光である場合に、検出部５０による合波光Ｌ_３の干渉強度の検出の精度が更に悪くなる。このような干渉強度の検出精度の悪化を回避するには、分岐合波部１０の第１主面１０ａと第２主面１０ｂとの間の距離を大きくすることで、第２主面１０ｂで反射された第２分岐光Ｌ_２３の光路を合波光Ｌ_３の光路から十分に離せばよい。しかし、そうすると、入射光Ｌ_０が分岐されたのち合波光Ｌ_３となって検出部５０に到達するまでの光路長が長くなり、このことに因り損失が生じることになる。

（第２比較例）
図２は、第２比較例の光干渉計２Ｂの構成を示す図である。光干渉計２Ｂは、分岐合波部１０、ミラー２１、ミラー３１およびミラー３２を備える。

分岐合波部１０は、例えばシリコンからなり、互いに平行な第１主面１０ａおよび第２主面１０ｂを有する。外部から第１主面１０ａに入射した入射光Ｌ_０は、一部が第１分岐光Ｌ_１１として反射され、残部が第２分岐光Ｌ_２１として分岐合波部１０の内部へ透過する。

第１主面１０ａからの第１分岐光Ｌ_１１は、ミラー２１で反射される。ミラー２１で反射された第１分岐光Ｌ_１２は、第１主面１０ａに入射して分岐合波部１０の内部へ透過し、分岐合波部１０の内部を通過して、第２主面１０ｂを透過して外部へ出射される。

第１主面１０ａからの第２分岐光Ｌ_２１は、分岐合波部１０の内部を通過し、第２主面１０ｂを透過して外部へ出射され、ミラー３１で反射され、ミラー３２で再び反射される。ミラー３１，３２で反射された第２分岐光Ｌ_２２は、第２主面１０ｂに入射して反射される。

第２主面１０ｂで外部へ出射された第１分岐光Ｌ_１２、および、第２主面１０ｂで反射された第２分岐光Ｌ_２２は、合波されて合波光Ｌ_３となる。この合波光Ｌ_３は、検出部５０により検出される。

この光干渉計２Ｂでは、入射光Ｌ_０を第１分岐光Ｌ_１１と第２分岐光Ｌ_２１とに２分岐する分岐面（第１主面１０ａ）と、第１分岐光Ｌ_１２と第２分岐光Ｌ_２２とを合波して合波光Ｌ_３とする合波面（第２主面１０ｂ）とは、別個のものとされている。

例えば、ミラー２１は位置が固定されており、ミラー３１，３２は、第２分岐光Ｌ_２１の入射方向に沿って駆動部によって移動可能である。この駆動部もＭＥＭＳにより構成され得る。ミラー３１，３２が可動であることにより、第１分岐光と第２分岐光との間の光路長差が調整され得る。

第２比較例の光干渉計２Ｂでは、第１分岐光および第２分岐光それぞれが分岐合波部１０の内部を１回のみ通過するので、第１比較例の光干渉計２Ａで必要であった分散補償用部材９０を用いることなく、波長分散の問題を抑制することができる。

第２比較例の光干渉計２Ｂは、第１比較例の光干渉計２Ａと比較すると、分岐合波部１０と周囲の媒体との間の境界面が少ないことから、境界面に起因する過剰損失が小さい。しかし、光干渉計２Ｂは、以下に説明するような問題点を有している。

この光干渉計２Ｂでは、分岐面（第１主面１０ａ）と合波面（第２主面１０ｂ）とが別個のものであることから、第１分岐光を１個のミラー２１で反射させる一方で、第２分岐光を２個のミラー３１，３２で反射させて、合波面で第１分岐光と第２分岐光とを合波する。第２分岐光を２個のミラー３１，３２で反射させることで、第２主面１０ｂでの第２分岐光の反射位置（合波位置）は、第２主面１０ｂでの内部から外部への第２分岐光の出射位置と異なり、その一方で第２主面１０ｂでの内部から外部への第１分岐光の出射位置と一致している。

ここで、入射光Ｌ_０のビーム断面中の互いに異なる２つの位置を通る光線Ｌ_０Ｒ，Ｌ_０Ｌを考える。入射光Ｌ_０の２つの光線Ｌ_０Ｒ，Ｌ_０Ｌは、第１主面１０ａの法線および入射光Ｌ_０の入射方向の双方に平行な面において互いに異なる経路を伝搬する。第１分岐光Ｌ_１１，Ｌ_１２のうち、入射光Ｌ_０の一方の光線Ｌ_０Ｒに由来する光線をＬ_１Ｒとし、入射光Ｌ_０の他方の光線Ｌ_０Ｌに由来する光線をＬ_１Ｌとする。第２分岐光Ｌ_２１，Ｌ_２２のうち、入射光Ｌ_０の一方の光線Ｌ_０Ｒに由来する光線をＬ_２Ｒとし、入射光Ｌ_０の他方の光線Ｌ_０Ｌに由来する光線をＬ_２Ｌとする。

このとき、合波面（第２主面１０ｂ）では、入射光Ｌ_０の一方の光線Ｌ_０Ｒに由来する第１分岐光の光線Ｌ_１Ｒと、入射光Ｌ_０の他方の光線Ｌ_０Ｌに由来する第２分岐光の光線Ｌ_２Ｌとが、互いに合波されることになる。また、入射光Ｌ_０の他方の光線Ｌ_０Ｌに由来する第１分岐光の光線Ｌ_１Ｌと、入射光Ｌ_０の一方の光線Ｌ_０Ｒに由来する第２分岐光の光線Ｌ_２Ｒとが、互いに合波されることになる。

すなわち、合波面（第２主面１０ｂ）の各位置に到達する第１分岐光および第２分岐光それぞれの光線が、入射光における互いに異なる光線に由来しているものであれば、互いに合波されて合波光となっても本来の干渉光とならない。一方、点光源のような一つの光線を広げてコリメートしたような光線として入射光Ｌ_０が与えられた場合には、各位置に到達する第１分岐光および第２分岐光それぞれの光線は干渉され得るが、第１分岐光のビーム断面における光線Ｌ_１Ｒと光線Ｌ_１Ｌとの間の空間的な距離が光路長差を発生させるため、干渉信号の品質を低下させる。本来、光干渉計では、各位置に到達する第１分岐光と第２分岐光との光路長差が、ミラーの移動で調整された光路長差と全て同じであることを期待する。しかし、光干渉計２Ｂのように与えられたビーム幅の範囲で、中央に近いものと端に近いものとでは、光路長差が異なることになり、全体として観測される干渉信号は平均化され、弱められてしまう。

ＦＴＩＲ（FourierTransform Infrared Spectroscopy）において用いられる光干渉計では、伝搬光の平行性を高める為にビーム径が大きい光が使用される。結果として、光路長差の異なるビームが多く含まれることになるので、異なる位置の合波光を干渉信号とする光干渉計２Ｂは、干渉に関する本質的な問題点を有している。

（第１実施形態）
図３は、第１実施形態の光干渉計１Ａの構成を示す図である。この光干渉計１Ａは、構成を一般化して説明するためのものである。光干渉計１Ａは、分岐合波部１０、第１光学系２０、第２光学系３０および駆動部４０を備え、ＭＥＭＳにより構成され得る。

分岐合波部１０は、例えばシリコン等の半導体の透明部材からなり、透明部材の内部と外部との間の境界に分岐面１１，入射面１２，出射面１３および合波面１４を有する。

分岐合波部１０は、分岐面１１において、外部から入射した入射光Ｌ_０の一部を反射させて第１分岐光Ｌ_１１として出射させるとともに、残部を第２分岐光Ｌ_２１として内部へ透過させる。分岐合波部１０は、入射面１２において、分岐面１１から第１光学系２０を経て入射した第１分岐光Ｌ_１２を内部へ透過させる。

分岐合波部１０は、出射面１３において、分岐面１１から内部を経て到達した第２分岐光Ｌ_２１を外部へ出射させる。分岐合波部１０は、合波面１４において、入射面１２から内部を経て到達した第１分岐光Ｌ_１２を外部へ出射させるとともに、出射面１３から第２光学系３０を経て入射した第２分岐光Ｌ_２２を反射させて、第１分岐光Ｌ_１２と第２分岐光Ｌ_２２とを合波して合波光Ｌ_３として外部へ出射させる。

第１光学系２０は、分岐面１１から出射された第１分岐光Ｌ_１１を１個または複数個のミラーにより反射させ、その反射させた第１分岐光Ｌ_１２を入射面１２に入射させる。第２光学系３０は、出射面１３から出射された第２分岐光Ｌ_２１を１個または複数個のミラーにより反射させ、その反射させた第２分岐光Ｌ_２２を合波面１４に入射させる。駆動部４０は、第１光学系２０または第２光学系３０の何れかのミラーを移動させて、分岐面１１から合波面１４までの第１分岐光および第２分岐光それぞれの光路長の差を調整する。

外部から分岐面１１に入射した入射光Ｌ_０は、一部が第１分岐光Ｌ_１１として反射され、残部が第２分岐光Ｌ_２１として分岐合波部１０の内部へ透過する。

分岐面１１からの第１分岐光Ｌ_１１は、第１光学系２０の１個または複数個のミラーにより反射される。その反射された第１分岐光Ｌ_１２は、入射面１２に入射して分岐合波部１０の内部へ透過し、分岐合波部１０の内部を通過して、合波面１４を透過して外部へ出射される。

分岐面１１からの第２分岐光Ｌ_２１は、分岐合波部１０の内部を通過し、出射面１３を透過して外部へ出射され、第２光学系３０の１個または複数個のミラーにより反射される。その反射された第２分岐光Ｌ_２２は、合波面１４に入射して反射される。

合波面１４で外部へ出射された第１分岐光Ｌ_１２、および、合波面１４で反射された第２分岐光Ｌ_２２は、合波されて合波光Ｌ_３となる。この合波光Ｌ_３は、検出部５０により検出される。

分岐合波部１０の屈折率をｎ_１とし、周囲の媒体の屈折率をｎ_２とする。分岐合波部１０の各面での光の反射率Ｒは下記（１）式で表され、光の透過率Ｔは下記（２）式で表される。なお、正確には入射角度や光の偏波方向により反射率は異なるが、入射光がインコヒーレントな光源の場合には偏波方向はランダムであり、かつブリュースター角度以下の入射角を想定するならば、トータルの反射率・透過率は（１）式・（２）式に等しくなる。分岐合波部１０がシリコン（屈折率３.５）からなるとし、周囲の媒体が空気（屈折率１.０）であるとすると、分岐合波部１０の各面での光の反射率Ｒは３０％となり、透過率Ｔは７０％となる。分岐面１１のビームスプリッタとしての分岐比は３：７となる。第１光学系２０および第２光学系３０それぞれでの光の反射率を１００％とする。
Ｒ＝{(ｎ_１−ｎ_２)／(ｎ_１＋ｎ_２)}^２ …（１）
Ｔ＝１−Ｒ …（２）

入射光Ｌ_０のうち第１分岐光を経て検出部５０に到達する比率Ｒ_１は、分岐面１１での反射率（０.３）、第１光学系２０での反射率（１.０）、入射面１２での透過率（０.７）、および、合波面１４での透過率（０.７）の積で計算され、１４.７％となる。

入射光Ｌ_０のうち第２分岐光を経て検出部５０に到達する比率Ｒ_２は、分岐面１１での透過率（０.７）、出射面１３での透過率（０.７）、第２光学系３０での反射率（１.０）、および、合波面１４での反射率（０.３）の積で計算され、１４.７％となる。

合波光Ｌ_３の干渉強度ピークＩ_ｐｐは、Ｉ_ｐｐ＝２√(Ｒ_１・Ｒ_２) なる式で表されるので、２９.４％となる。第１比較例の場合と比べて、本実施形態では合波光Ｌ_３の干渉強度ピークが大きい。過剰損失は、入射面１２および出射面１３それぞれにおける光の反射のみとなる。

本実施形態では、分岐合波部１０の厚みを第１比較例と同程度とした場合、検出部５０に到達するまでの光路長を短くすることができる。また、本実施形態では、第１比較例のように光のビーム広がりを考慮して分岐合波部１０を厚くする必要はない。何故なら、合波面１４で反射する第２分岐光Ｌ_２２は、第１分岐光Ｌ_１２と合波されて合波光Ｌ_３となるべきものであり、迷光となるものではないからである。

分岐合波部１０の分岐面１１、入射面１２、出射面１３および合波面１４それぞれの方位、ならびに、これらの各面における光の入射位置および入射角は、合波面１４において第１分岐光と第２分岐光とが互いに同軸に合波されて同じ出射角θで合波光Ｌ_３として外部へ出力されるように、分岐合波部１０および周囲の媒体それぞれの屈折率に応じて適切に設定される。

分岐面１１と合波面１４とは別個のものである。分岐面１１と入射面１２とは、互いに平行でなくてもよいし、互いに平行であってもよく、共通の平面上にあってもよい。分岐面１１における入射光Ｌ_０の入射領域と、入射面１２における第１分岐光Ｌ_１２の入射領域とは、互いに異なっていてもよいし、一部または全部が互いに一致していてもよい。出射面１３と合波面１４とは、互いに平行でなくてもよいし、互いに平行であってもよく、共通の平面上にあってもよい。出射面１３における第２分岐光Ｌ_２１の出射領域と、合波面１４における合波光Ｌ_３の出射領域とは、互いに異なっていてもよいし、一部または全部が互いに一致していてもよい。

図４〜図６は、第１実施形態の光干渉計１Ａの第１光学系２０の構成例を示す図である。なお、以下の第１光学系２０についての説明は、第２光学系３０においても同様である。

図４に示される構成例では、第１光学系２０は１個のミラー２１を含む。ミラー２１は、分岐合波部１０の分岐面１１で反射されて所定方向（以下「出射方向」という。）に沿って出射された第１分岐光Ｌ_１１を反射させ、その反射させた第１分岐光Ｌ_１２を分岐合波部１０の入射面１２に対して所定方向（以下「入射方向」という。）に沿って入射させる。
この構成例は、出射方向と入射方向とが交わる場合に可能であり、その交点の位置でミラー２１により第１分岐光を反射させるものである。

ただし、出射方向と入射方向とが交わる場合であっても、その交点の位置が分岐合波部１０から遠い場合には、第１分岐光の光路長が長くなり、第１分岐光のビーム広がり等に起因して損失が発生するので、次に示される構成例が好ましい。

図５に示される構成例では、第１光学系２０は２個のミラー２１，２２を含む。分岐合波部１０の分岐面１１で反射されて所定方向（出射方向）に沿って出射した第１分岐光Ｌ_１１は、ミラー２１，２２により順次に反射される。その反射された第１分岐光Ｌ_１２は、分岐合波部１０の入射面１２に対して所定方向（入射方向）に沿って入射する。

この構成例では、第１分岐光の出射方向と入射方向とが互いに平行である場合には、ミラー２１およびミラー２２それぞれの反射面は互いに垂直とされる。入射方向および出射方向に平行にミラー２１，２２を一体として駆動部により移動させることで、入射面１２における第１分岐光Ｌ_１２の入射位置を変えることなく、第１分岐光の光路長を調整することができる。

図６に示される構成例では、第１光学系２０は３個のミラー２１〜２３を含む。分岐合波部１０の分岐面１１で反射されて所定方向（出射方向）に沿って出射した第１分岐光Ｌ_１１は、ミラー２１〜２３により順次に反射される。その反射された第１分岐光Ｌ_１２は、分岐合波部１０の入射面１２に対して所定方向（入射方向）に沿って入射する。

この構成例では、ミラー２２およびミラー２３それぞれの反射面は互いに垂直である。ミラー２１からミラー２２までの第１分岐光の光路と、ミラー２３から入射面１２までの第１分岐光の光路とは、互いに平行である。したがって、同図中の両矢印に示される方向（入射方向）にミラー２２，２３を一体として駆動部により移動させることで、入射面１２における第１分岐光Ｌ_１２の入射位置を変えることなく、第１分岐光の光路長を調整することができる。

第１光学系２０および第２光学系３０それぞれに含まれるミラーの個数について説明すると以下のとおりである。図７は、第１実施形態の光干渉計１Ａの第１光学系２０および第２光学系３０それぞれに含まれるミラーの個数について説明する図である。同図では、第１光学系２０は２個のミラー２１，２２を含み、第２光学系３０は２個のミラー３１，３２を含む。

また、同図では、入射光Ｌ_０のビーム断面中の互いに異なる２つの位置を通る光線Ｌ_０Ｒ，Ｌ_０Ｌを考える。入射光Ｌ_０の２つの光線Ｌ_０Ｒ，Ｌ_０Ｌは、分岐面１１の法線および入射光Ｌ_０の入射方向の双方に平行な面において互いに異なる経路を伝搬する。第１分岐光Ｌ_１１，Ｌ_１２のうち、入射光Ｌ_０の一方の光線Ｌ_０Ｒに由来する光線をＬ_１Ｒとし、入射光Ｌ_０の他方の光線Ｌ_０Ｌに由来する光線をＬ_１Ｌとする。第２分岐光Ｌ_２１，Ｌ_２２のうち、入射光Ｌ_０の一方の光線Ｌ_０Ｒに由来する光線をＬ_２Ｒとし、入射光Ｌ_０の他方の光線Ｌ_０Ｌに由来する光線をＬ_２Ｌとする。

一般に光がミラーで反射される度に左右の光線位置が入れ替わる。同図の構成では、第１分岐光は第１光学系２０において２回反射され、第２分岐光は第２光学系３０において２回反射される。その結果、合波面１４の各位置に到達する第１分岐光および第２分岐光それぞれの光線は、入射光における互いに同じ光線に由来しているので、効率よく干渉する。

一般に、第１光学系２０のミラーの個数と第２光学系３０のミラーの個数との和を偶数とし、入射光Ｌ_０のビーム断面中の各位置の光線を分岐面１１において分岐した後に合波面１４において合波光Ｌ_３のビーム断面中の共通位置で合波することで、効率よい干渉光を得ることができる。逆に、第１光学系２０のミラーの個数と第２光学系３０のミラーの個数との和を奇数とすると、干渉効率は悪い。

分岐合波部１０の分岐面１１、入射面１２、出射面１３および合波面１４の間の関係について説明すると以下のとおりである。一般に、半導体等の材料を用いて分岐合波部１０を構成する場合、その材料の屈折率が波長によって異なることから、分岐合波部１０を光が通過する間の光路長（＝幾何学的長さ×屈折率）が波長によって異なる波長分散が生じる。

第１分岐光および第２分岐光それぞれが分岐合波部１０の内部において伝搬する距離を互いに一致させることで、全波長に亘って波長分散を補償することができる。また、第１分岐光および第２分岐光それぞれがビーム幅を有することを考慮すると、第１分岐光および第２分岐光それぞれのビーム断面の各位置の光線について分岐合波部１０の内部において伝搬する距離を互いに一致させることが望ましい。すなわち、分岐面１１と出射面１３とは互いに平行であるのが望ましく、入射面１２と合波面１４とは互いに平行であるのが望まし。また、分岐面１１と出射面１３との間隔と、入射面１２と合波面１４との間隔とは互いに等しいのが望ましい。

また、分岐面１１から第１光学系２０を経て入射面１２までの第１分岐光の光路長、および、出射面１３から第２光学系３０を経て合波面１４までの第２分岐光の光路長も、ビーム断面の各位置の光線について一致させることが望ましい。すなわち、分岐面１１と入射面１２とは、互いに平行であるのが望ましく、共通の平面上にあるのが望ましい。出射面１３と合波面１４とは、互いに平行であるのが望ましく、共通の平面上にあるのが望ましい。また、第１光学系２０および第２光学系３０それぞれは、各々の反射面が互に直交するように配置された２個のミラーを含むことが望ましい。

以下に説明する実施形態は、以上のことを考慮した望ましい構成のものである。

（第２実施形態）
図８は、第２実施形態の光干渉計１Ｂの構成を示す図である。この光干渉計１Ｂでは、分岐面１１と入射面１２とは、共通の平面上にあるが、互いに異なる領域とされている。出射面１３と合波面１４とは、共通の平面上にあるが、互いに異なる領域とされている。分岐面１１および入射面１２と、出射面１３および合波面１４とは、互いに平行である。本実施形態では波長分散が完全に補償され得る。

第１光学系２０は、各々の反射面が互に直交するように配置された２個のミラー２１，２２を含む。第１光学系２０は、分岐面１１で反射された第１分岐光Ｌ_１１をミラー２１，２２により順次に反射させて第１分岐光Ｌ_１２として入射面１２に入射させる。入射面１２に入射する第１分岐光Ｌ_１２は、分岐面１１で反射された第１分岐光Ｌ_１１に対し、互いに平行であるが逆方向に伝搬し、分岐面１１上の反射位置とは異なる入射面１２上の位置に入射する。

第２光学系３０は、各々の反射面が互に直交するように配置された２個のミラー３１，３２を含む。第２光学系３０は、出射面１３で外部へ出射された第２分岐光Ｌ_２１をミラー３１，３２により順次に反射させて第２分岐光Ｌ_２２として合波面１４に入射させる。合波面１４に入射する第２分岐光Ｌ_２２は、出射面１３で出射された第２分岐光Ｌ_２１に対し、互いに平行であるが逆方向に伝搬し、出射面１３上の出射位置とは異なる合波面１４上の位置に入射する。

駆動部４０により第１光学系２０および第２光学系３０の双方または何れ一方を駆動することで、第１分岐光と第２分岐光との間の光路長差を調整することができる。例えば、第１分岐光の光路長を調整するには、第１光学系２０を構成する２個のミラー２１，２２を一体として、分岐面１１からの第１分岐光Ｌ_１１の反射方向に平行に移動させればよい。

（第３実施形態）
図９は、第３実施形態の光干渉計１Ｃの構成を示す図である。図８に示された第２実施形態の光干渉計１Ｂの構成と比較すると、図９に示される第３実施形態の光干渉計１Ｃは、出射面１３と合波面１４とが共通の面となっている点で相違する。分岐合波部１０の厚みを適切に設定することで、このような構成とすることができる。

出射面１３における第２分岐光Ｌ_２１の出射領域と、合波面１４における合波光Ｌ_３の出射領域とは、互いに一致している。分岐合波部１０からミラー３１へ伝搬する第２分岐光Ｌ_２１と、ミラー３２から分岐合波部１０へ伝搬する第２分岐光Ｌ_２２とは、伝搬方向が互いに逆であるが、ビームが互いに重なっている。

図８に示された第２実施形態の光干渉計１Ｂの構成と比較すると、図９に示される第３実施形態の光干渉計１Ｃは、第１分岐光および第２分岐光それぞれの光路長を短くすることができるので、実使用上無視できないビーム広がりを極力抑えることができる。

なお、第２分岐光Ｌ_２１の一部は、出射面１３で反射されて、第１分岐光の伝搬経路と逆方向に伝搬していくが、合波光Ｌ_３に対し迷光とはならないので、問題ない。

（第４実施形態）
図１０は、第４実施形態の光干渉計１Ｄの構成を示す図である。図８に示された第２実施形態の光干渉計１Ｂの構成と比較すると、図１０に示される第４実施形態の光干渉計１Ｄは、分岐合波部１０において出射面１３と合波面１４との配置関係が逆になっている点で相違する。分岐合波部１０を薄くすることで、このような構成とすることができる。

本実施形態では、分岐合波部１０を薄くしすぎると分岐合波部１０の両主面によるファブリペロ効果が現れるので、分岐合波部１０の厚みはファブリペロ効果が現れない程度とする。好ましくは、出射面１３で反射した第２分岐光が分岐面１１において第２分岐光と重ならないようにするのがよい。このようにすれば、合波面１４で反射した第１分岐光が入射面１２において第１分岐光と重ならない。

また、本実施形態では、出射面１３で反射して分岐面１１を透過した第２分岐光（以下「反射第２分岐光」という。）がミラー２１に入射しないように設定するか、または、反射第２分岐光の光路長がミラー２１，２２の可動距離以上になるように設定する必要がある。反射第２分岐光の一部ビームでもミラー２１に入射する場合、そのビームは合波光Ｌ_３に合波されることになる。このとき、反射第２分岐光と本来の合波光Ｌ_３との間にミラー２１，２２の可動距離以上の光路長差が生じていれば、この反射第２分岐光による干渉ピークは、ミラー２１，２２の可動距離の外に発生することになるので、干渉観測に影響を与えない。もちろん、反射第２分岐光がミラー２１に入射しなければ問題ない。

（第５実施形態）
図１１は、第５実施形態の光干渉計１Ｅの構成を示す図である。図１０に示された第２実施形態の光干渉計１Ｄの構成と比較すると、図１１に示される第４実施形態の光干渉計１Ｅは、第１光学系２０が３個のミラー２１〜２３を含む点で相違し、第２光学系３０が３個のミラー３１〜３３を含む点で相違する。

第１光学系２０では、ミラー２１の反射面とミラー２２の反射面とは互いに垂直であり、ミラー２２の反射面とミラー２３の反射面とも互いに垂直である。第１光学系２０は、分岐面１１で反射された第１分岐光Ｌ_１１をミラー２１〜２３により順次に反射させる。第２光学系３０では、ミラー３１の反射面とミラー３２の反射面とは互いに垂直であり、ミラー３２の反射面とミラー３３の反射面とも互いに垂直である。第２光学系３０は、出射面１３から出射された第２分岐光Ｌ_２１をミラー３１〜３３により順次に反射させる。分岐合波部１０の内部において第１分岐光Ｌ_１２の伝搬方向と第２分岐光Ｌ_２１の伝搬方向とは互いに平行である。合波光Ｌ_３の伝搬方向と入射光Ｌ_０の伝搬方向とは互いに平行である。

（第６実施形態）
図１２は、第６実施形態の光干渉計１Ｆの構成を示す図である。この光干渉計１Ｆでは、第１光学系２０は１個のミラー２１を含み、第２光学系３０は１個のミラー３１を含み、分岐面１１と入射面１２とは互いに非平行であり、出射面１３と合波面１４とが共通である。

本実施形態では、第１光学系２０および第２光学系３０それぞれが１個のミラーにより構成されているので、第１分岐光および第２分岐光それぞれの光路長を短くすることができる。したがって、光ビームの広がりが無視できない場合、光干渉計を小さくすることができ、光損失を小さくできる。

（他の実施形態）
上記の各実施形態において、光の伝搬方向を逆にしてもよく、その場合にも光干渉計として作用し得る。

１Ａ〜１Ｆ…光干渉計、１０…分岐合波部、１１…分岐面、１２…入射面、１３…出射面、１４…合波面、２０…第１光学系、２１〜２３…ミラー、３０…第２光学系、３１〜３３…ミラー、４０…駆動部、５０…検出部、９０…分散補償用部材、Ｌ_０…入射光、Ｌ_１１，Ｌ_１２…第１分岐光、Ｌ_２１，Ｌ_２２…第２分岐光、Ｌ_３…合波光。

Claims (5)

1. ＦＴＩＲにおいて用いられる光干渉計であって、
   ＭＥＭＳにより構成された分岐合波部，第１光学系，第２光学系および駆動部を備え、
   前記分岐合波部は、
   透明部材の内部と外部との間の境界に分岐面，入射面，出射面および合波面を有し、
   前記分岐面と前記合波面とが別個のものであり、
   前記分岐面と前記入射面とが共通の第１平面上にあり、
   前記出射面と前記合波面とが共通の第２平面上にあり、
   前記第１平面と前記第２平面とが互いに平行であり、
   前記分岐面において、外部から入射した入射光の一部を反射させて第１分岐光として出射させるとともに、残部を第２分岐光として内部へ透過させ、
   前記入射面において、前記分岐面から前記第１光学系を経て入射した前記第１分岐光を内部へ透過させ、
   前記出射面において、前記分岐面から内部を経て到達した前記第２分岐光を外部へ出射させ、
   前記合波面において、前記入射面から内部を経て到達した前記第１分岐光を外部へ出射させるとともに、前記出射面から前記第２光学系を経て入射した前記第２分岐光を反射させて、前記第１分岐光と前記第２分岐光とを合波して合波光として外部へ出射させ、
   前記分岐面に入射する前記入射光の入射角およびビーム径ならびに前記透明部材の厚み及び屈折率が、前記出射面で反射した前記第２分岐光が前記分岐面において前記第２分岐光と重ならないように設定され、
   前記第１光学系は、前記分岐面から出射された前記第１分岐光を１個または複数個のミラーにより反射させて前記入射面に入射させ、
   前記第２光学系は、前記出射面から出射された前記第２分岐光を１個または複数個のミラーにより反射させて前記合波面に入射させ、
   前記駆動部は、前記第１光学系または前記第２光学系の何れかのミラーを移動させて、前記分岐面から前記合波面までの前記第１分岐光および前記第２分岐光それぞれの光路長の差を調整し、
   前記第１光学系のミラーの個数と前記第２光学系のミラーの個数との和が偶数であり、
   前記入射光のビーム断面中の各位置の光線を前記分岐面において分岐した後に前記合波面において前記合波光のビーム断面中の共通位置で合波する、
   光干渉計。
2. 前記分岐合波部の内部における前記第１分岐光および前記第２分岐光それぞれの光路長が互いに等しい、
   請求項１に記載の光干渉計。
3. 前記分岐合波部の前記分岐面における前記入射光の入射領域と前記入射面における前記第１分岐光の入射領域とが互いに一致している、
   請求項１または２に記載の光干渉計。
4. 前記分岐合波部の前記出射面における前記第２分岐光の出射領域と前記合波面における前記合波光の出射領域とが互いに一致している、
   請求項１〜３の何れか１項に記載の光干渉計。
5. 前記分岐合波部の前記合波面から外部へ出射された前記合波光を検出する検出部を更に備える、
   請求項１〜４の何れか１項に記載の光干渉計。

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