JP7306907B2 - Phase measurement device and phase compensation device - Google Patents
Phase measurement device and phase compensation device Download PDFInfo
- Publication number
- JP7306907B2 JP7306907B2 JP2019134883A JP2019134883A JP7306907B2 JP 7306907 B2 JP7306907 B2 JP 7306907B2 JP 2019134883 A JP2019134883 A JP 2019134883A JP 2019134883 A JP2019134883 A JP 2019134883A JP 7306907 B2 JP7306907 B2 JP 7306907B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- light
- phase
- phased array
- optical phased
- complex amplitude
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Landscapes
- Holo Graphy (AREA)
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
- Optical Couplings Of Light Guides (AREA)
- Optical Integrated Circuits (AREA)
Description
本発明は、特に空間光通信、距離センサー、レーダー、ディスプレイ、光スイッチング、光インターコネクション、光造形、さらには立体ディスプレイ等に適用される、光導波路を用いて構築された光フェーズドアレイ(光スイッチ(マッハ・ツェンダ型等)を含む)の各光出射端における出射光同士の位相のバラツキを計測する位相計測装置および、その位相のバラツキを補償する位相補償装置に関するものである。 The present invention is particularly applicable to spatial optical communication, distance sensors, radar, displays, optical switching, optical interconnection, stereolithography, stereoscopic displays, etc., and optical phased arrays constructed using optical waveguides (optical switches The present invention relates to a phase measuring device for measuring phase variations between emitted light beams at respective light emitting ends (including Mach-Zehnder type, etc.) and a phase compensating device for compensating for the phase variations.
近年、機械的な機構を用いずに、出射光の出射方向やビーム形状を制御するデバイスとして光フェーズドアレイが知られている。
光フェーズドアレイにおいては、同一光源からの入射光を光スプリッタにより2本以上の光導波路からなるマルチ光導波路に分岐して入射させる。マルチ光導波路を構成する各光導波路上には、光導波路内を伝播する光(導波光)の位相を制御するための位相制御部が設けられている(下記特許文献1を参照)。
In recent years, an optical phased array is known as a device that controls the emission direction and beam shape of emitted light without using a mechanical mechanism.
In the optical phased array, an incident light from the same light source is split by an optical splitter to enter a multi-optical waveguide consisting of two or more optical waveguides. Each optical waveguide constituting the multi-optical waveguide is provided with a phase control section for controlling the phase of light (guided light) propagating in the optical waveguide (see
この位相制御部において各導波光の位相を調整し、導波光同士の光干渉状態を変化させることで、出射光の出射方向、ビーム形状、光の出力先等を制御することができる。
この出射光の制御精度は、位相制御の精度に依存することから、位相制御を如何にして精度よく行うかが重要である。
By adjusting the phase of each guided light in this phase control unit and changing the state of optical interference between the guided lights, it is possible to control the output direction of the emitted light, the beam shape, the output destination of the light, and the like.
Since the control accuracy of the emitted light depends on the accuracy of the phase control, it is important how the phase control is performed with high accuracy.
マルチ光導波路内を伝播する導波光間の位相差は、各光導波路の長さの差により大きく変化するが、たとえ光導波路の長さを互いに等長とするレイアウトでデバイスを設計したとしても、製造時における処理を完全に均一化することは困難であることから、導波光の位相には、どうしてもバラツキが生じてしまう。
そのため、如何にして位相バラツキを精度よく計測し、如何にしてこの計測された位相バラツキを補償するかが、出射光の制御品質を向上させる上で重要となる。
The phase difference between the guided lights propagating in the multi-waveguide varies greatly depending on the difference in the length of each optical waveguide. Since it is difficult to completely uniform the processing during manufacturing, the phase of the guided light will inevitably vary.
Therefore, how to accurately measure the phase variation and how to compensate for the measured phase variation are important for improving the control quality of the emitted light.
位相バラツキの計測、補償手法として、勾配法を用いた光ビーム位相の最適化手法が知られている(下記非特許文献1を参照)。
上記従来手法においては、例えば0°方向に出射する光ビームを得る場合に位相制御部に与える補償量を最適化する場合には、まず1つの位相制御部により、1本の光導波路内を伝播する導波光の位相を微小に変化させ、0°方向に出射される光ビームの強度が大きくなる方向に、位相を変化させる。
導波光の位相を微小に変化させることで、0°方向に出射される光ビームの強度が極大となるピークを見出し、そのピーク位置の位相値を、位相バラツキを補償するための最適値とする。
As a method for measuring and compensating for phase variations, a method for optimizing a light beam phase using a gradient method is known (see Non-Patent
In the above-described conventional method, when optimizing the amount of compensation given to the phase control section when obtaining a light beam emitted in the direction of 0°, for example, one phase control section first propagates in one optical waveguide. By slightly changing the phase of the guided light, the phase is changed in the direction in which the intensity of the light beam emitted in the direction of 0° increases.
By minutely changing the phase of the guided light, the peak at which the intensity of the light beam emitted in the 0° direction is maximized is found, and the phase value at the peak position is set to the optimum value for compensating for the phase variation. .
このような光ビームの強度のピークを見出す処理を、マルチ光導波路を構成する全光導波路について実施することにより、マルチ光導波路の初期位相のバラツキを補償することができ、光ビーム形状を改善する(急峻なものにする)ことが期待される。 By performing such a process of finding the intensity peak of the light beam for all the optical waveguides constituting the multi-waveguide, it is possible to compensate for variations in the initial phase of the multi-waveguide and improve the shape of the light beam. (to be steep) is expected.
しかしながら、上記従来手法においては、勾配法を用いているため、初期状態によっては補償量が局所最適解に陥る状態となってしまい、マルチ光導波路の初期位相を補償するための最適解を求められないことが問題となっていた。 However, since the conventional method uses the gradient method, depending on the initial state, the amount of compensation falls into a local optimum solution, and the optimum solution for compensating the initial phase of the multi-waveguide cannot be obtained. The problem was that there was no
本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、補償量が局所最適解に陥ることなく、マルチ光導波路の初期位相を補償するための最適解を高精度に求め得る位相計測装置を提供することを目的とするものである。
また、マルチ光導波路の出射光の初期位相を補償するための最適解を高精度に求めるとともに、この最適解を用いてマルチ光導波路の出射端における出射光の初期位相を補償し得る位相補償装置を提供することを目的とするものである。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a phase measuring apparatus capable of obtaining, with high accuracy, an optimum solution for compensating the initial phase of a multi-waveguide without the amount of compensation falling into a local optimum solution. It is intended for
Also, a phase compensator capable of obtaining an optimum solution for compensating the initial phase of light emitted from a multi-waveguide with high accuracy and compensating for the initial phase of the emitted light at the output end of the multi-light waveguide using this optimum solution. It is intended to provide
上記目的を達成し得る本発明の位相計測装置は、
可干渉光を出射する光源と、この光源からの出射光を複数に分割し、そのうちの少なくとも1本の光ビームを参照光に係る光ビームとするとともに、その余の光ビームを物体光とする光ビーム分割部と、
この光ビーム分割部により分割された、前記物体光に係る複数の光ビームの各々が、被計測対象である光フェーズドアレイに入射され、対応する導波路を通って対応する光出射端に導かれ、これらの光出射端から出射された光が光干渉効果により形成された物体光束と、前記光ビーム分割部により分割された前記参照光と、により生成された干渉縞情報を取得する干渉縞情報取得部と、
該干渉縞情報取得部により取得された干渉縞情報から、前記物体光束の複素振幅分布を求める複素振幅分布演算部と、
該複素振幅分布演算部により得られた該干渉縞情報取得部における複素振幅分布を、前記光フェーズドアレイの光出射端まで逆伝搬させる演算を行う逆伝搬演算部と、
該逆伝搬演算部により逆伝搬して得られた前記光フェーズドアレイの光出射端の複素振幅分布から、該光出射端の各々の位相分布を求める光出射端位相分布演算部と、
を備え、
前記光ビーム分割部が、前記光フェーズドアレイ内において、前記光源からの出射光を前記物体光に係る複数の光ビームと前記参照光に係る光ビームに分離するビームスプリッタからなり、
前記参照光に係る光ビームは、前記光フェーズドアレイの所定の導波路を通って該光フェーズドアレイの光出射端から出射され、該光フェーズドアレイの光出射端から出射された前記物体光束と干渉せしめられることを特徴とするものである。
なお、上記「物体光」とは、物体情報(光フェーズドアレイの光出射端における光位相情報)を担持し得る状態の光も含めるものとし、また、上記「物体光束」とは、これらの物体光が複数本合波された状態の光ビームを称するものとする。
The phase measurement device of the present invention, which can achieve the above object,
A light source that emits coherent light, and the light emitted from the light source is split into a plurality of light beams, at least one of which is used as a light beam related to reference light, and the remaining light beams are used as object light. a light beam splitter;
Each of the plurality of light beams related to the object light split by the light beam splitting unit is incident on the optical phased array to be measured and guided to the corresponding light output end through the corresponding waveguide. , interference fringe information for acquiring interference fringe information generated by the object light flux formed by the light interference effect of the light emitted from these light emitting ends and the reference light split by the light beam splitting unit. an acquisition unit;
a complex amplitude distribution calculation unit that obtains a complex amplitude distribution of the object beam from the interference fringe information acquired by the interference fringe information acquisition unit;
a back-propagation calculation unit that performs calculation for back-propagating the complex amplitude distribution in the interference fringe information acquisition unit obtained by the complex amplitude distribution calculation unit to the light emission end of the optical phased array;
a light emitting end phase distribution calculating unit that obtains the phase distribution of each of the light emitting ends from the complex amplitude distribution of the light emitting ends of the optical phased array obtained by back propagation by the back propagation calculating unit;
with
wherein the light beam splitter comprises a beam splitter that splits the light emitted from the light source into a plurality of light beams related to the object light and a light beam related to the reference light in the optical phased array;
A light beam associated with the reference light passes through a predetermined waveguide of the optical phased array and is emitted from the light emission end of the optical phased array, and interferes with the object light beam emitted from the light emission end of the optical phased array. It is characterized by being forced .
The above-mentioned "object light" includes light in a state capable of carrying object information (optical phase information at the light emitting end of the optical phased array), and the above-mentioned "object light flux" means the object light A light beam in which a plurality of beams of light are multiplexed will be referred to.
また、前記複素振幅分布演算部が、位相シフトデジタルホログラフィ法を用いて前記物体光束の複素振幅分布を求めるものであることが好ましい。
また、前記位相シフトデジタルホログラフィ法は、前記参照光の位相を複数回シフトさせるたびに前記干渉縞情報を取得し、該位相のシフトは、ピエゾ素子、波長板、電気光学効果(EO効果)および熱光学効果(TO効果)のいずれかを用いた位相変調器を用いてなされることが好ましい。
また、前記逆伝搬させる演算を、角スペクトル伝搬法、キルヒホッフ回折積分、フレネル回折積分、フラウンホーファー回折積分および逆フーリエ変換法のいずれかを用いた演算とすることができる。
Moreover, it is preferable that the complex amplitude distribution calculation unit obtains the complex amplitude distribution of the object light flux using a phase shift digital holography method.
In addition, the phase shift digital holography method acquires the interference fringe information each time the phase of the reference light is shifted multiple times, and the phase shift is performed by a piezoelectric element, a wave plate, an electro-optic effect (EO effect) and It is preferably done using a phase modulator using any of the thermo-optical effects (TO effects).
Further, the computation for backward propagation can be computation using any one of the angular spectrum propagation method, Kirchhoff diffraction integration, Fresnel diffraction integration, Fraunhofer diffraction integration, and inverse Fourier transform method.
さらに、上記目的を達成し得る本発明の位相補償装置は、
この位相計測装置により求められた前記光フェーズドアレイの光出射端の各々の位相分布に基づき、該光出射端の各々の位相のバラツキ量を求め、求められた該位相のバラツキ量が小さくなるように、前記光フェーズドアレイの位相調整部に対して、前記光ビームの各々の位相を調整すべく指示する位相調整指示部と、を備えたことを特徴とするものである。
Furthermore, the phase compensator of the present invention that can achieve the above object is:
Based on the phase distribution of each of the light emitting ends of the optical phased array obtained by the phase measurement device, the amount of phase variation of each of the light emitting ends is obtained, and the determined amount of phase variation is reduced. and a phase adjustment instructing section for instructing the phase adjustment section of the optical phased array to adjust the phase of each of the light beams.
本発明の位相計測装置においては、可干渉光を出射する光源と、この光源からの出射光を複数に分割し、そのうちの少なくとも1本の光ビームを参照光とするとともに、その余の物体光にかかる複数の光ビームを、位相計測対象である光フェーズドアレイのマルチ導波路内を通過させ、光出射端から同一方向に出射される物体光束とし、これら参照光と物体光束とによる干渉縞情報を干渉縞情報取得部で取得し、この取得された干渉縞情報から演算によって物体光束の複素振幅分布を得、次にこの複素振幅分布を、マルチ導波路の光出射端まで、演算により逆伝搬し、さらに演算により光出射端の位相分布を得るようにしている。 In the phase measuring apparatus of the present invention, a light source that emits coherent light, the light emitted from the light source is divided into a plurality of beams, at least one of which is used as a reference beam, and the remaining object beams are used as reference beams. are passed through the multi-waveguide of the optical phased array, which is the object of phase measurement, and the object light flux is emitted in the same direction from the light emission end, and interference fringe information is obtained by the reference light and the object light flux. is acquired by the interference fringe information acquisition unit, the complex amplitude distribution of the object light beam is obtained by calculation from this acquired interference fringe information, and then this complex amplitude distribution is calculated to the light output end of the multi-waveguide, and back propagation is performed by calculation. Furthermore, the phase distribution at the light exit end is obtained by calculation.
このように、光フェーズドアレイのマルチ導波路の光出射端から出射された物体光束の干渉縞情報取得部における複素振幅分布を逆伝搬させて、この光出射端の位相分布を得るという手法により、従来技術において問題となっていた、補償量が局所最適解に陥る状態となる、ことを阻止することができ、マルチ光導波路の初期位相を補償するための最適解を定量的かつ高精度に求めることが可能である。 In this way, the complex amplitude distribution in the interference fringe information acquiring section of the object light flux emitted from the light emitting end of the multi-waveguide of the optical phased array is reversely propagated to obtain the phase distribution at the light emitting end. It is possible to prevent the compensation amount from falling into a local optimum solution, which has been a problem in the conventional technology, and to quantitatively and accurately obtain the optimum solution for compensating the initial phase of the multi-optical waveguide. Is possible.
また、本発明の位相補償装置においても、補償量が局所最適解に陥る状態となる、ことを阻止することができ、この最適解を用いてマルチ光導波路の初期位相を高精度に補償することができる。すなわち、位相計測により得られた結果に基づく補償量を各位相制御部にフィードバックすることにより、位相バラツキを補償するための補償量の最適化を図ることができる。 Also, in the phase compensator of the present invention, it is possible to prevent the amount of compensation from falling into a local optimum solution, and the optimum solution can be used to compensate the initial phase of the multi-waveguide with high accuracy. can be done. That is, by feeding back the amount of compensation based on the results obtained by phase measurement to each phase control section, it is possible to optimize the amount of compensation for compensating for phase variations.
<実施形態1>
以下、本発明の実施形態1に係る位相計測装置および位相補償装置について図面を用いて説明する。
まず、実施形態1に係る位相計測装置について図1を用いて説明する。
位相計測装置は、光フェーズドアレイ30の光出射端35における出射光の位相分布を計測する装置であり、可干渉光を出射する光源10と、この光源10からの出射光を参照光と物体光の2系に分割するファイバカプラ20と、上記物体光が上記光フェーズドアレイ30内に入射され、複数の光ビームに分割され、この複数の光ビームが光フェーズドアレイ30の光出射端35から出射されて干渉効果により合成された物体光束と、上記光フェーズドアレイ30外を通過した上記参照光とが干渉して得られた干渉縞情報を撮像する干渉縞情報取得部50と、取得された干渉縞情報から演算により複素振幅分布を求め、演算により光フェーズドアレイ30の光出射端35における出射光(物体光束)の位相分布を求める演算部60とを備えている。
<
A phase measuring device and a phase compensating device according to
First, the phase measurement device according to
The phase measuring device is a device for measuring the phase distribution of emitted light at the light emitting end 35 of the optical
ここで、光フェーズドアレイ30の内部構成について説明する。すなわち、光フェーズドアレイ30は、外部から入射した物体光(正確には、この後、物体光とされる光)が入力される入力部31と、この入力された物体光を複数本の光ビームに分割するスプリッタ32と、この分割された各光ビームを対応する導波路によって伝搬し、その途中で各光ビームの位相を制御する位相制御部(1~N)33-1~33-Nと、各位相制御部(1~N)33-1~33-Nからの光ビームを入力され、該光ビーム(物体光)を光出射端35から同一方向に向けて出力する出力部34とを備えている。
なお、各位相制御部(1~N)33-1~33-Nは、例えば電圧印加により光の屈折率が変化するEO材料からなる。
Here, the internal configuration of the optical
Each of the phase control units (1 to N) 33-1 to 33-N is made of an EO material whose light refractive index is changed by voltage application, for example.
なお、演算部60は、干渉縞情報取得部50により取得された干渉縞情報から、物体光束の複素振幅分布を求める複素振幅分布演算部61と、複素振幅分布演算部61により得られた干渉縞情報取得部50における物体光束の複素振幅分布を、光フェーズドアレイ30の光出射端35まで逆伝搬させる演算を行う逆伝搬演算部62と、逆伝搬演算部62により逆伝搬して得られた光フェーズドアレイ30の光出射端35における複素振幅分布から、光フェーズドアレイ30の光出射端35各々の物体光束の位相分布を求める光出射端位相分布演算部63とを備えている。
The calculation unit 60 includes a complex amplitude
また、実施形態1に係る位相補償装置は、上記位相計測装置の構成に加え、光出射端位相分布演算部63からの、光出射端35における物体光束の位相分布に基づく各光出射端35における位相補償量に応じて、光フェーズドアレイ30の各位相制御部33-1~33-Nに対して位相を調整するように指示する位相調整指示部70を備えている。
このように、実施形態1に係る位相計測装置および位相補償装置においては、光フェーズドアレイ30内を通過して出射された物体光束と、光フェーズドアレイ30外を通過した参照光との、干渉縞情報取得部50における干渉縞情報から物体光束の複素振幅分布を求め、これを光フェーズドアレイ30の光出射端35まで逆伝搬する演算を行い、この後、光出射端35における物体光束の位相分布を求めるようにして、マルチ光導波路の初期位相を補償するための最適解を定量的かつ高精度に求めることが可能である。
In addition to the configuration of the phase measuring device, the phase compensation device according to the first embodiment has a A phase
Thus, in the phase measuring device and the phase compensating device according to the first embodiment, the interference fringes of the object light beam emitted after passing through the optical phased
なお、ファイバカプラ20から分割された参照光の光路上に、参照光を平面波に変換するためのコリメータ(コリメートレンズ)41、および参照光の位相をシフトさせるための参照光用位相制御部42が配されている。また、この参照光用位相制御部42において、干渉縞情報を取得する際の所定のタイミングで所定位相量(例えば(π/2))ずつシフトさせる処理を行うように、図示されていない、シフトタイミング指示部(参照光用位相制御部42内に配されたソフト的な手段により構成してもよい)からの指示がなされるようにしてもよい。
また、この場合のコリメータ41および参照光用位相制御部42の配置の順番は入れ替え可能であり、また、干渉縞情報から複素振幅分布を得る際に、参照光の位相をシフトさせる手法をとらない場合には、参照光用位相制御部42を配置することを要しない。
A collimator (collimating lens) 41 for converting the reference light into a plane wave and a reference
In this case, the arrangement order of the
図2は、上記実施形態1の装置の光学系の構成を、より具体的に説明するためのものである。なお、図2の装置構成でも位相シフトデジタルホログラフィ法を採用する場合について説明する。
可干渉光源であるレーザ光源10aから出力された可干渉光はファイバカプラ20aにおいて参照光と物体光の2系に分割され、参照光はコリメートレンズ(コリメータ)41aに入力され、一方、物体光は被計測物体である光フェーズドアレイ30aに入力される。
FIG. 2 is for more specifically explaining the configuration of the optical system of the apparatus of the first embodiment. A case in which the phase shift digital holography method is adopted even in the apparatus configuration of FIG. 2 will be described.
Coherent light output from a
ここで、一般的な光フェーズドアレイについて、図3を用いて説明する。なお、図3に示す光フェーズドアレイ301は、8チャネル光導波路型の光偏向装置として構成されたものである。すなわち、この光フェーズドアレイ301は、基板302上に各部が形成されてなり、導波路303に入射した光(入射光)を8チャネルの導波路305に分割する3段構成のビームスプリッタ304と、各チャネルの光の位相を制御する位相制御部306と、光を各チャネルから空間に出射する光出射部(光出射端)307を備えている。
図3において、光出射部307は光フェーズドアレイ301を形成した基板の端面としているが、光出射部307をグレーティング構造(回折格子)として出射光を基板の垂直方向に出力してもよい。
位相制御部306により位相を調整され、出力部の8つの各光出射端(ピッチはPr)307から出射された光は、干渉効果により合成され、偏向角度θの方向に光ビームを偏向することができる。
A general optical phased array will now be described with reference to FIG. The optical phased
In FIG. 3, the
The light whose phase is adjusted by the
なお、位相制御部306において、各チャネルの導波路305の上下には電極308が配設されており、両電極間の電圧を変更することにより、EO効果によって各導波路305の光出射端307からの出射光の位相を制御することができるようになっている。これにより出射光ビームの走査等を行うことが可能となる。
TO効果によって各導波路305の光出射端307からの出射光の位相を制御する場合は、各導波路305の近傍にヒーターを設置する。各導波路305の温度を制御することにより、光出射端307からの出射光の位相を制御することができる。
図2に示す光フェーズドアレイ30aは、具体的には図3の光フェーズドアレイ301の如く構成されており、光フェーズドアレイ30aの各光出射端35から出射された物体光束は、イメージセンサ50a上に照射される。
In the
When controlling the phase of the light emitted from the
The optical phased array 30a shown in FIG. 2 is specifically configured like the optical phased
一方、図2に示すように、コリメートレンズ41aに入射された参照光は、平面波(平行光束)に変換され、位相付加素子42aで所定の位相シフト量を付加され、ハーフミラー80aで反射されて、上記物体光束に重畳されるような状態でイメージセンサ50aに照射される。これにより、イメージセンサ50a上に物体光束と参照光との干渉縞が形成され、この干渉縞情報が撮像され、撮像された干渉縞情報は演算部としての計算機60aに出力される。
On the other hand, as shown in FIG. 2, the reference light incident on the collimating lens 41a is converted into a plane wave (parallel beam), added with a predetermined phase shift amount by the phase adding element 42a, and reflected by the half mirror 80a. , is irradiated onto the image sensor 50a in such a state that it is superimposed on the object beam. As a result, interference fringes of the object light beam and the reference light are formed on the image sensor 50a, the interference fringe information is imaged, and the imaged interference fringe information is output to the
この計算機60aには、図1を用いて説明したように、イメージセンサ50aにより取得された干渉縞情報から、イメージセンサ50aにおける物体光束の複素振幅分布を求める複素振幅分布演算部61と、この複素振幅分布を、光フェーズドアレイ30aの光出射端35まで逆伝搬させる演算を行う逆伝搬演算部62と、逆伝搬して得られた光フェーズドアレイ30aの光出射端35における複素振幅分布から、光フェーズドアレイ30aの光出射端35各々の位相分布を求める光出射端位相分布演算部63とを備えている。
As described with reference to FIG. 1, the
この光出射端位相分布演算部63からの、光出射端35における物体光束の位相分布は、参照光の位相との差分を表したものとされているが、このイメージセンサ50aと光フェーズドアレイ30aの光出射端35との基準距離を、予め、他の手法、例えば測長器等を用いて物理的に測定しておくことで、角スペクトル伝搬法やキルヒホッフ回折積分、フレネル回折積分、フラウンホーファー回折積分等による、計算で求めたイメージセンサ50a上の複素振幅分布から光出射部35上の複素振幅分布を求めることができる。
The phase distribution of the object light flux at the light emitting end 35 from the light emitting end
以上の記載は、本実施形態に係る位相計測装置および位相補償装置に共通のものであるが、位相補償装置の場合は、追加の構成が必要となる。すなわち、上述したように、例えば測長器等を用いて物理的に測定されたイメージセンサ50aと光フェーズドアレイ30aの光出射端35との基準距離に対して、光出射端35各々における物体光束の位相が近づくように補償量を求め、位相調整指示部70aから、各位相制御部33-1~33-Nに対し、各導波路305を伝搬する物体光に、この補償量分の補償処理を施すように、電圧制御に関する指示を行う。
また、干渉情報取得部50がイメージセンサと遠視野像取得光学系(フーリエ変換作用のあるレンズ系)から構成される遠視野像取得装置の場合は、干渉情報取得部50から光出射端35までの逆伝搬計算を、逆フーリエ変換演算で行うことができる。
The above description is common to the phase measuring device and the phase compensating device according to this embodiment, but in the case of the phase compensating device, an additional configuration is required. That is, as described above, the object luminous flux at each light emitting end 35 is A compensation amount is obtained so that the phase of . An instruction regarding voltage control is given so as to apply
Further, in the case where the interference
ところで、本実施形態1においては、例えば位相シフトデジタルホログラフィ法を用いて、参照光の位相を互いにずらす毎にイメージセンサ50aにおいて、物体光束と参照光による干渉縞の撮像処理を行う。
例えば、干渉縞解析法においてよく知られている4ステップ法においては、シフト量を(π/2)とし、位相が0、π/2、π、3π/2のときに撮像処理を行い、4枚の干渉縞画像情報から複素振幅分布を得るようにしている(Phase-shifting: Ichirou Yamaguthi et al. OPTICS LETTERS/VOL.22, No.16: August 15, 1997等を参照)。すなわち、位相板である、λ/2板とλ/4板を上記位相付加素子42aとして光路中に挿入して、上記各シフト量に応じた位相が得られるように、進相軸・遅相軸を変化させるようにしている。
By the way, in the first embodiment, for example, the phase shift digital holography method is used, and the image sensor 50a performs imaging processing of the interference fringes of the object light flux and the reference light each time the phases of the reference light are shifted from each other.
For example, in the well-known 4-step method in the interference fringe analysis method, the shift amount is (π/2), and the imaging process is performed when the phases are 0, π/2, π, and 3π/2. The complex amplitude distribution is obtained from the interference fringe image information (Phase-shifting: Ichirou Yamaguthi et al. OPTICS LETTERS/VOL.22, No.16: August 15, 1997, etc.). That is, a λ/2 plate and a λ/4 plate, which are phase plates, are inserted into the optical path as the phase adding element 42a, and the phase leading axis and the lagging phase are adjusted so as to obtain a phase corresponding to each shift amount. I am trying to change the axis.
この4ステップ法は演算が容易な割に高精度な結果が得られる点で好ましいが、例えば3ステップ法、5ステップ法(ハリハランのアルゴリズム等を含む)等の、その他のステップ法を用いることが可能である。また、位相シフト回数を2回として、位相回復法を適用してもよい。
なお、上記4ステップ法の説明においては、位相シフト量と回数を、π/2ずつ4回としているが、π/2ずつ3回としてもよい。
This 4-step method is preferable in that the calculation is easy and high-precision results can be obtained, but other step methods such as a 3-step method and a 5-step method (including Hariharan's algorithm, etc.) can be used. It is possible. Alternatively, the phase recovery method may be applied by setting the number of phase shifts to two.
In the above description of the 4-step method, the phase shift amount and the number of times are set to 4 times each of π/2, but they may be set to 3 times each of π/2.
以下、複素振幅分布演算部61においてなされる位相シフト4ステップ法の演算について数式を用いて簡単に説明する。なお、位相シフト4ステップ法を用いて物体光束の複素振幅分布を求める手法については、Introduction to Holography(Vincent Toal: September 28 ,2011)のP356~357等に示されている。
物体光束の振幅をA、参照光の振幅をR、物体光束と参照光の相対的な位相差をφ、干渉縞の強度パターンをそれぞれ I1、I2、I3、I4 とおき、前述したように、各々、0,π/2,π,3π/2の4つの段階的な位相差をもつものとすると、これらの干渉縞強度は以下の式(1)~(4)により表される。
Calculations of the phase shift 4-step method performed in the complex
Let A be the amplitude of the object beam, R be the amplitude of the reference beam, φ be the relative phase difference between the object beam and the reference beam, and I1 , I2 , I3 , and I4 be the intensity patterns of the interference fringes. Assuming that each has four stepped phase differences of 0, π/2, π, and 3π/2, the intensity of these interference fringes is expressed by the following equations (1) to (4). be.
このとき,位相項だけが残るように数式を展開すると、下記式(5)、式(6)のようになる。
At this time, if the equations are expanded so that only the phase term remains, the following equations (5) and (6) are obtained.
上記式(5)、式(6)から、位相項を含むsin関数とcos関数は各々、下記式(7)、式(8)により表される。
From the above equations (5) and (6), the sine function and cos function including the phase term are expressed by the following equations (7) and (8), respectively.
式(7)、式(8)からオイラーの公式を用いると、イメージセンサ50a上での物体光束の複素振幅分布は下記式(9)により表される。
Using Euler's formula from equations (7) and (8), the complex amplitude distribution of the object luminous flux on the image sensor 50a is expressed by the following equation (9).
式(9)において、使用する参照光を理想的な平面波とすることにより、参照光の振幅Rは定数とみなすことができ、式(9)の複素振幅分布は物体光束のみの位相分布を表すものとすることができる。
このようにして、複素振幅分布演算部61で演算され、出力された上記式(9)で表される、イメージセンサ50aにおける物体光束の複素振幅分布は、この後、逆伝搬演算部62に入力されて、光フェーズドアレイ30の出力部34の光出射端35まで逆伝搬させる演算が行われる。
In equation (9), the amplitude R of the reference beam can be regarded as a constant by making the reference beam to be used an ideal plane wave, and the complex amplitude distribution in equation (9) represents the phase distribution of only the object beam. can be
In this way, the complex amplitude distribution of the object luminous flux at the image sensor 50a, which is calculated and output by the complex
以下、逆伝搬演算部62においてなされる逆伝搬演算について数式を用いて簡単に説明する。
光出射部35は小さいため、伝播距離が数cm程度であってもフラウンホーファー近似が成立する領域となる。上記式(9)で表されたイメージセンサ50a上の複素振幅分布をA(x’, y’)とし、光フェーズドアレイ30の光出射端35における複素振幅分布をU(x, y)とすると、以下の式(10)の関係が成立する。
ここでx’とy’は、それぞれイメージセンサ50a上の水平方向と垂直方向の位置、xとyはそれぞれ光出射端35上の水平方向と垂直方向の位置、λは波長、kは波数(k=2π/λ)、zはイメージセンサ50aと光出射端35間の距離を表す。
The backpropagation calculation performed in the
Since the light emitting portion 35 is small, even if the propagation distance is several centimeters, the Fraunhofer approximation is established. Let A(x', y') be the complex amplitude distribution on the image sensor 50a represented by the above equation (9), and let U(x, y) be the complex amplitude distribution at the light output end 35 of the optical phased
Here, x' and y' are the horizontal and vertical positions on the image sensor 50a, x and y are the horizontal and vertical positions on the light emitting end 35, λ is the wavelength, and k is the wavenumber ( k=2π/λ), and z represents the distance between the image sensor 50a and the light emitting end 35. FIG.
上記式(10)ではフラウンホーファー回折積分を示しているが、より近似の少ない角スペクトル伝搬法やキルヒホッフ回折積分、さらにはフレネル回折積分を用いて逆伝搬計算を行うようにしてもよい。 Although the above formula (10) indicates the Fraunhofer diffraction integral, the backpropagation calculation may be performed using the angular spectrum propagation method with less approximation, Kirchhoff diffraction integral, and Fresnel diffraction integral.
干渉情報取得部50が、イメージセンサと遠視野像取得光学系から構成される遠視野像取得装置の場合は、上記式(9)で表されたイメージセンサ50a上の複素振幅分布 (角スペクトル)をA(u, v)とし、光フェーズドアレイ30の光出射端35における複素振幅分布をU(x, y)とすると、以下の式(11)の関係が成立する。
ここでuとvは、それぞれ水平方向と垂直方向の空間周波数、xとyはそれぞれ水平方向と垂直方向の位置を示し、FT-1[ ]は逆フーリエ変換であることを表す。フーリエ変換と逆フーリエ変換は、各々以下の式(12)、(13)で表される。
ただし、積分の前の係数(1/(2π)や1/(2π)1/2など)は省略した。フーリエ変換と逆フーリエ変換の違いはexp内の符号のみであり、本質的な違いは少ない。上式(11)に関して、複素振幅分布A(u,v)の座標変換次第ではフーリエ変換を適用することで光フェーズドアレイ30の光出射端35における複素振幅分布U(x, y)を取得することができるため、逆フーリエ変換のみに限定されるものではない。
When the interference
where u and v are horizontal and vertical spatial frequencies, x and y are horizontal and vertical positions, respectively, and FT -1 [ ] represents inverse Fourier transform. The Fourier transform and the inverse Fourier transform are represented by the following equations (12) and (13), respectively.
However, the coefficients before the integration (1/(2π), 1/(2π) 1/2, etc.) are omitted. The only difference between the Fourier transform and the inverse Fourier transform is the sign in exp, and there are few essential differences. Regarding the above equation (11), depending on the coordinate transformation of the complex amplitude distribution A(u, v), the complex amplitude distribution U(x, y) at the light exit end 35 of the optical phased
遠視野像取得光学系の焦点距離がfの場合、イメージセンサ上50a上の水平方向、垂直方向の位置(x’,y’)と、水平方向と垂直方向の空間周波数(u,v)の間には、以下の式(14)の関係が成立する。
When the focal length of the far-field image acquisition optical system is f, the horizontal and vertical positions (x', y') on the image sensor 50a and the horizontal and vertical spatial frequencies (u, v) are Between them, the relationship of the following formula (14) is established.
また、遠視野像取得装置が角度に対する光強度分布を取得する場合、角度(θx,θy)から空間周波数 (u, v) への座標変換を行う必要がある。画素番号を(m, n)、画素数をM×N、遠視野像取得装置の水平・垂直角度分解能をそれぞれδθxとδθyとすると、下記式(15)が得られる。
Also, when the far-field image acquisition device acquires the light intensity distribution with respect to angles, it is necessary to perform coordinate transformation from angles (θ x , θ y ) to spatial frequencies (u, v). Assuming that the pixel number is (m, n), the number of pixels is M×N, and the horizontal and vertical angular resolutions of the far-field image acquisition device are δθx and δθy , respectively, the following equation (15) is obtained.
波長をλとすると、角度(θx,θy)と空間周波数 (u, v) の間には、下記式(16)の関係が成立するので、この式(16)を用いて座標変換を行う。
なお、上記変換を行う際には、線形内挿などにより、実際にはサンプリングされていない角度方向における複素振幅値を内挿してもよい。
Assuming that the wavelength is λ, the following equation (16) holds between the angle (θ x , θ y ) and the spatial frequency (u, v). conduct.
It should be noted that when performing the above conversion, the complex amplitude values in the angular directions that are not actually sampled may be interpolated by linear interpolation or the like.
このようにして、逆伝搬演算部62で演算され、出力された上記式(11)で表される光出射端35における物体光束の複素振幅分布は、この後、光出射端位相分布演算部63に入力されて、光出射端35の位相分布φ(x,y)が求められる。
光出射端位相分布演算部63においてなされる位相分布演算について簡単に説明すると、逆伝搬演算部62から出力された、光出射端35における複素振幅分布であるU(x, y)において、虚部Im[U(x, y)]の値を実部の値Re[U(x, y)]で除した値の逆正接により、位相分布φ(x,y)を求めることができる。
In this way, the complex amplitude distribution of the object light flux at the light exit end 35 expressed by the above equation (11) calculated and output by the
Briefly describing the phase distribution calculation performed in the light emitting end phase
この光出射端位相分布演算部63における演算式を、式(17)に示す。
A computational expression in the light exit end phase
また、位相分布φ(x,y)の値は、位相値が0~2πの範囲毎に変化し、2πを過ぎると0に戻るので、物体の高さが連続に変化していても、2πから0に移行するところで位相値が不連続になるため、2πから0になったところで位相値に周期分のオフセットを加えて連続に変化するような値にしてもよい。そのため、各位相分布φ(x,y)の値を接続するために、必要に応じて周知の位相接続法などが採用される。 In addition, the value of the phase distribution φ(x,y) changes in each range of 0 to 2π, and returns to 0 after 2π. Since the phase value becomes discontinuous when it changes from 2π to 0, the phase value may be changed continuously by adding an offset of the period when it becomes 0 from 2π. Therefore, in order to connect the values of each phase distribution φ(x,y), a well-known phase unwrapping method or the like is employed as necessary.
<実施形態1の変型例>
上述した実施形態1の位相計測装置および位相補償装置においては、干渉縞の位相シフトを行うために、参照光の光路中に、π/2、π、3π/2のシフト量が得られる波長板を挿入するようにしている。
<Modification of
In the phase measuring device and the phase compensating device of
干渉縞の位相シフトを行うための手段としては、これに限られるものではなく、例えば、図4に示すように、参照光光路中に配設した反射ミラー82bをピエゾ素子43bを用いて光軸方向に微小距離だけ移動させて、干渉縞の位相シフトを行うようにしてもよい。
または、電気光学効果(EO効果)または熱光学効果(TO効果)を用いた位相変調器を用いて、干渉縞の位相シフトを行ってもよい。
なお、図4に記載の装置の各部材は、図2に記載の装置における部材に対応した部材については、図2に記載の装置における部材に付した符号のaをbに替えて付し、重複する説明は省略する。
Means for phase-shifting the interference fringes are not limited to this. For example, as shown in FIG. The interference fringes may be phase-shifted by moving in the direction by a minute distance.
Alternatively, a phase modulator using an electro-optical effect (EO effect) or a thermo-optical effect (TO effect) may be used to shift the phase of the interference fringes.
4, the members corresponding to the members in the device shown in FIG. Redundant explanations are omitted.
物体光束が、光フェーズドアレイ30bから出力され、ハーフミラー80bを透過してイメージセンサ50bに照射されるのに対し、参照光は、コリメートレンズ41bで平行光とされた後、ハーフミラー81bを透過し、反射ミラー82bで反射され、この後、再びハーフミラー81bに入射して図面中下方に反射され、さらに、ハーフミラー80bにて図面中右方向に反射されてイメージセンサ50bに照射され、これによりイメージセンサ50b上に、物体光束と参照光との干渉効果による干渉縞が形成される。 The object light flux is output from the optical phased array 30b, passes through the half mirror 80b, and is irradiated onto the image sensor 50b. Then, the light is reflected by the reflecting mirror 82b, then enters the half-mirror 81b again, is reflected downward in the drawing, is further reflected rightward in the drawing by the half-mirror 80b, and is irradiated onto the image sensor 50b. Thus, an interference fringe is formed on the image sensor 50b due to the interference effect between the object beam and the reference beam.
この状態で、反射ミラー82bを微小距離だけ移動させ得るピエゾ素子43bに対し、電圧源44bから所定の電圧を印加してπ/2、π、3π/2のシフト量が得られるようにしている。これにより、反射ミラー82bを微小距離だけ移動させ得るピエゾ素子43bに対し、電圧源44bから所定の電圧を印加してπ/2、π、3π/2のシフト量に設定し、各シフト量において得られた干渉縞画像に基づき、上記実施形態1における式(1)~(4)と同様の強度分布I1~I4を得ることができる。 In this state, a predetermined voltage is applied from the voltage source 44b to the piezo element 43b capable of moving the reflecting mirror 82b by a very small distance so that shift amounts of π/2, π, and 3π/2 can be obtained. . As a result, a predetermined voltage is applied from the voltage source 44b to the piezo element 43b capable of moving the reflecting mirror 82b by a very small distance, and shift amounts of .pi./2, .pi., and 3.pi./2 are set. Based on the obtained interference fringe image, intensity distributions I 1 to I 4 similar to formulas (1) to (4) in the first embodiment can be obtained.
<実施形態2>
図5は、本発明の実施形態2に係る位相測定装置および位相補償装置の概略を示すブロック図である。なお、実施形態2に記載の装置の各部材のうち、実施形態1に記載の装置における部材に対応した部材については、図1に記載の装置における部材に付した符号に100を加えた符号を付し、重複する説明は省略する。
<
FIG. 5 is a block diagram showing an outline of a phase measuring device and a phase compensating device according to
実施形態2の装置においては、参照光を、光フェーズドアレイ130外を伝播させるのではなく、光フェーズドアレイ130内に参照光用の導波路を作製し、参照光がフェーズドアレイ130内を伝播するように構成されている。すなわち、ファイバカプラ120で物体光と分割された参照光は、光フェーズドアレイ130の参照光入力部140に入力され、前述した波長板42aやピエゾ素子43b、または電気光学効果(EO効果)または熱光学効果(TO効果)等を用いた位相変調器等からなる参照光用位相制御部142に入力され、さらに出力部134の参照光専用の光出射端35から干渉縞情報取得部150に向けて出射されるように構成されている。
参照光用の導波路は半導体のプロセス技術を用いて形成されており、参照光が導波路内を通過する構成としたことにより、実施形態1の装置に比べて位置合わせ精度を向上させることができる。また、空気の擾乱の影響を受けにくいので、測定精度を向上させることができる。
In the apparatus of
The waveguide for the reference light is formed using a semiconductor process technology, and by configuring the reference light to pass through the waveguide, it is possible to improve the alignment accuracy compared to the apparatus of the first embodiment. can. In addition, since it is less susceptible to air turbulence, measurement accuracy can be improved.
また、光導波路径は波長オーダーのサイズとされており、各導波路からの出射光は点光源からの光とみなすことができ、微小の伝播距離でフラウンホーファー回折パターンとなり、参照光は平面波とみなすことができる。
なお、遠視野像取得装置で撮影した場合においては、平面波とみなしてもよいし、導波路構造から解析的に遠視野像を求めてもよい。
また、予め遠視野像を別に撮影しておき、その振幅分布を適用するようにしてもよい。
In addition, the diameter of the optical waveguide is the size of the wavelength order, and the emitted light from each waveguide can be regarded as light from a point light source. can be regarded as
In the case of imaging with a far-field image acquisition device, it may be regarded as a plane wave, or a far-field image may be analytically obtained from the waveguide structure.
Alternatively, a far-field image may be separately photographed in advance and its amplitude distribution may be applied.
実施形態2においては、参照光についても位相バラツキが生じるが、位相シフトデジタルホログラフィにより求められる物体光束の位相分布は、参照光の位相分布を基準としたものであるため、問題は生じない。
In
<実施形態3>
図6は、本発明の実施形態3に係る位相測定装置および位相補償装置の概略を示すブロック図である。なお、実施形態3に記載の装置の各部材のうち、実施形態1に記載の装置における部材に対応した部材については、図1に記載の装置における部材に付した符号に200を加えた符号を付し、重複する説明は省略する。
<
FIG. 6 is a block diagram showing an outline of a phase measuring device and a phase compensating device according to
実施形態3の装置においては、参照光を、光フェーズドアレイ230のうちのスプリッタ232で分割されるN個の導波路チャンネルのうち第i番目の1つの導波路チャンネルを参照光用に用いている。すなわち、スプリッタ232で分割された光束のうちの1つを参照光として用いる。この参照光とされた光ビームも、光フェーズドアレイ230の出力部234の光出射端235から出射され、物体光束とともに干渉縞情報取得部(イメージセンサ)250に照射され、物体光束と参照光の干渉パターンを得る。
In the apparatus of
なお、参照光とされる光ビームは、導波路内に配された参照光用の位相制御部i(前述した波長板42aやピエゾ素子43b、またはEO効果またはTO効果等を用いた位相変調器等からなる)233iにおいて所定量のシフト量が得られるように位相制御がなされ、この後、出力部234に出力される。
本実施形態によれば、光フェーズドアレイ230からの出射光の出射方向やビーム形状、出力先を制御するための位相制御部を、参照光の位相シフトを行うためにも使うことができるため、シンプルな構成により位相バラツキを測定することができる。
また、参照光が導波路内を通過する構成としたことにより、実施形態1の装置に比べて位置合わせ精度を向上させることができる。また、空気の擾乱の影響を受けにくいので、測定精度を向上させることができる。
The light beam used as the reference light is controlled by the phase control unit i for the reference light arranged in the waveguide (the wave plate 42a or the piezo element 43b described above, or the phase modulator using the EO effect or the TO effect). etc.) 233 i performs phase control so that a predetermined amount of shift is obtained, and then outputs to the
According to the present embodiment, the phase control unit for controlling the direction, beam shape, and output destination of the light emitted from the optical phased array 230 can also be used to shift the phase of the reference light. Phase variation can be measured with a simple configuration.
Further, since the reference light is configured to pass through the waveguide, it is possible to improve the alignment accuracy compared to the apparatus of the first embodiment. In addition, since it is less susceptible to air turbulence, measurement accuracy can be improved.
また、実施形態3においては、参照光についても位相バラツキが生じるが、位相シフトデジタルホログラフィ法により求められる物体光束の位相分布は、参照光の位相分布を基準としたものであるため、問題は生じない。
なお、参照光用として用いる位相制御部の配設位置としては、種々の誤差によって生じる複素共役光に及ぶ悪影響を最小とするために、光フェーズドアレイ230上に並列に配列された導波路のうち、なるべく端部に近い位置に配された導波路を選択することが望ましい。
また、参照光用位相制御部を、1~Nの間で順次切り替え、各位相計測結果を積算するようにしてもよい。
Further, in
In order to minimize adverse effects on the complex conjugate light caused by various errors, the position of the phase control unit used for the reference light is selected from among the waveguides arranged in parallel on the optical phased array 230. , it is desirable to select a waveguide located as close to the end as possible.
Also, the reference light phase control unit may be sequentially switched between 1 to N, and each phase measurement result may be integrated.
<変型例>
本発明の位相計測装置および位相補償装置としては上記実施形態のものに限られるものではなく、その他の種々の態様に変更することが可能である。
例えば、上述した実施形態においては、得られた干渉縞の解析を位相シフトデジタルホログラフィ法を用いて行っており、段階的な位相シフトを与えた複数の干渉縞の差分をとることで,不要な回折光成分と直流成分を除去して、複素振幅分布を得るようにしている。
しかし干渉縞を解析して複素振幅分布を得る手法はこれに限られるものではない。例えば、参照光に所定の周波数成分を付与し、1つの干渉縞強度Iをフーリエ変換することで、不要な成分と信号成分を周波数空間において分離する、フーリエ縞解析法を用いることも可能である。
<Variation>
The phase measuring device and the phase compensating device of the present invention are not limited to those of the above-described embodiments, and can be modified into other various aspects.
For example, in the above-described embodiment, the analysis of the obtained interference fringes is performed using the phase shift digital holography method. A complex amplitude distribution is obtained by removing the diffracted light component and the DC component.
However, the method of analyzing interference fringes to obtain a complex amplitude distribution is not limited to this. For example, it is also possible to use a Fourier fringe analysis method in which a predetermined frequency component is given to the reference light and one interference fringe intensity I is subjected to Fourier transform to separate unnecessary components and signal components in the frequency space. .
フーリエ縞解析法を用いて取得された干渉縞強度Iを式(18)に示す。
なお、信号光の振幅をA、参照光の振幅をR、信号光と参照光の相対的な位相差をφ、参照光に付与している傾斜による縞の周波数をf0 とする。
The interference fringe intensity I obtained using the Fourier fringe analysis method is shown in Equation (18).
Let A be the amplitude of the signal light, R be the amplitude of the reference light, φ be the relative phase difference between the signal light and the reference light, and f 0 be the fringe frequency due to the tilt given to the reference light.
なお、上述した各位相制御部は、電圧印加により光の屈折率が変化するEO材料から構成されているが、これに替えて、各位相制御部を、熱により屈折率を可変し得る熱光学効果(TO効果)を有するシリコン系の材料等を用いることもできる。
熱光学効果(TO効果)については、下記参考文献に記載されている。
参考文献:中村滋, "集積化シリコン導波路光スイッチ技術," 光学 42巻5号, pp.242-248 (2013)(P246に熱光学効果の式
が示されている。ここで、nは屈折率変化量、dn/dTは屈折率温度係数 (材料固有の値)、ρは比例係数、Rはヒーターの抵抗値、Iは印加電流である(dn/dTとRは温度依存性を有する))。
Each phase control section described above is made of an EO material that changes the refractive index of light by voltage application. A silicon-based material or the like having an effect (TO effect) can also be used.
The thermo-optical effect (TO effect) is described in the following references.
Reference: Shigeru Nakamura, "Integrated Silicon Waveguide Optical Switch Technology," Kogaku Vol.42, No.5, pp.242-248 (2013)
It is shown. where n is the amount of change in refractive index, dn/dT is the temperature coefficient of the refractive index (a material-specific value), ρ is the proportional coefficient, R is the resistance of the heater, and I is the applied current (dn/dT and R are with temperature dependence)).
以下、実施形態3の実験結果について説明する。すなわち、本発明を16チャンネルの導波路から構成される光フェーズドアレイ230に適用した。ここで、光源の波長はλ=1.55μm、光出射端235における導波路間のピッチはPr=4μmである。
16チャンネルの光導波路のうち、チャンネル1(一方の端部に位置するチャンネル)を参照光として、位相を0、π/2、π、3π/2シフトさせ、図7(A)、(B)、(C)、(D)に示す4枚の遠視野像を干渉情報取得部250により取得した。
取得した4枚の遠視野像に対して、複素振幅分布演算部261において位相シフトデジタルホログラフィによりイメージセンサ上における物体光束の複素振幅分布を求めたうえ、逆伝搬演算部262によって光出射端235の複素振幅分布を求め、光出射端位相分布演算部263によって位相分布を計算した。
Experimental results of the third embodiment will be described below. That is, the present invention is applied to an optical phased array 230 composed of 16-channel waveguides. Here, the wavelength of the light source is λ=1.55 μm, and the pitch between the waveguides at the light emitting end 235 is Pr=4 μm.
Of the 16-channel optical waveguides, channel 1 (a channel located at one end) is used as a reference light, and the phase is shifted by 0, π/2, π, and 3π/2, as shown in FIGS. , (C), and (D) were obtained by the interference
For the acquired four far-field images, the complex amplitude distribution of the object light flux on the image sensor is obtained by the phase shift digital holography in the complex amplitude
計算した光出射端235における位相分布を、図8に示す。実線が位相分布である。チャンネル2~16の各位置において位相がそろっており(平坦になっており)、各光出射端の位相を計測できていることを推定できる。
ここで、チャンネル1から出射した光は参照光として適用しているため、他のチャンネルの場合のように、参照光と干渉させる手法を用いることによっては計算することができない。しかし、チャンネル1の位相をゼロして扱うこととすれば問題はない。
The calculated phase distribution at the light exit end 235 is shown in FIG. A solid line is the phase distribution. The phases are aligned (flat) at each position of
Here, since the light emitted from
また、実施形態3により計測した位相分布から位相補償量を求めた。本実験では、各導波路の中心における位相に基づく補償量としたが、各導波路からの出射光の複素振幅分布の平均値等に基づいて位相補償量を求めてもよい。
位相調整指示部270により、各位相制御部233-1~233-Nに位相補償量をフィードバックし、位相バラツキを補償した結果を図9に示す。なお、図9の上方に記載したスペクトルは、光強度を濃淡により表したものである(光強度が大きくなるほど白に近づく)。図9によれば、実施形態3のものは、位相補償なしの従来技術と比べて、0度方向に光ビームを出射できていることが明らかであり、位相バラツキを正しく補償できていることが明らかである。
Also, the phase compensation amount was obtained from the phase distribution measured by the third embodiment. In this experiment, the amount of compensation was based on the phase at the center of each waveguide, but the amount of phase compensation may be obtained based on, for example, the average value of the complex amplitude distribution of the emitted light from each waveguide.
FIG. 9 shows the result of compensating for phase variations by feeding back the amount of phase compensation to each of the phase controllers 233-1 to 233-N by the phase
メインビームを0度方向に出射した場合、サイドビームは以下の式(19)の方向に出射することが理論的に知られている。
本実験条件に対しては、サイドビーム出射角の理論値は±22.8度となり、本実験により得られた値は、この理論値と略一致していることが検証された。
It is theoretically known that when the main beam is emitted in the direction of 0 degrees, the side beams are emitted in the direction of the following formula (19).
Under this experimental condition, the theoretical value of the side beam output angle was ±22.8 degrees.
10、110、210 光源
10a、10b レーザ光源
20、20a、20b、120 ファイバカプラ
30、30a、30b、130、230、301 光フェーズドアレイ
31、231 入力部
131 物体光入力部
32、132、232 スプリッタ
33-1~33-N、133-1~133-N、233-1~233-N、306
位相制御部
34、134、234 出力部
35、135、235 光出射端
41 コリメータ
41a、41b コリメータレンズ
42、142 参照光用位相制御部
42a 位相付加素子
43b ピエゾ素子
44b 電圧源
50、150、250 干渉縞情報取得部
50a、50b イメージセンサ
60、160、260 演算部
60a、60b 計算機
61、161、261 複素振幅分布演算部
62、162、262 逆伝搬演算部
63、163、263 光出射端位相分布演算部
70、70a、70b、170、270 位相調整指示部
80a、80b、81b ハーフミラー
82b ミラー
140 参照光入力部
302 基板
303 導波路光入射部
304 ビームスプリッタ
305 導波路
307 光出射部(光出射端)
308 電極
10, 110, 210
308 electrodes
Claims (5)
この光ビーム分割部により分割された、前記物体光に係る複数の光ビームの各々が、被計測対象である光フェーズドアレイに入射され、対応する導波路を通って対応する光出射端に導かれ、これらの光出射端から出射された光が光干渉効果により形成された物体光束と、前記光ビーム分割部により分割された前記参照光と、により生成された干渉縞情報を取得する干渉縞情報取得部と、
該干渉縞情報取得部により取得された干渉縞情報から、前記物体光束の複素振幅分布を求める複素振幅分布演算部と、
該複素振幅分布演算部により得られた該干渉縞情報取得部における複素振幅分布を、前記光フェーズドアレイの光出射端まで逆伝搬させる演算を行う逆伝搬演算部と、
該逆伝搬演算部により逆伝搬して得られた前記光フェーズドアレイの光出射端の複素振幅分布から、該光出射端の各々の位相分布を求める光出射端位相分布演算部と、
を備え、
前記光ビーム分割部が、前記光フェーズドアレイ内において、前記光源からの出射光を前記物体光に係る複数の光ビームと前記参照光に係る光ビームに分離するビームスプリッタからなり、
前記参照光に係る光ビームは、前記光フェーズドアレイの所定の導波路を通って該光フェーズドアレイの光出射端から出射され、該光フェーズドアレイの光出射端から出射された前記物体光束と干渉せしめられることを特徴とする位相計測装置。 A light source that emits coherent light, and the light emitted from the light source is split into a plurality of light beams, at least one of which is used as a light beam related to reference light, and the remaining light beams are used as object light. a light beam splitter;
Each of the plurality of light beams related to the object light split by the light beam splitting unit is incident on the optical phased array to be measured and guided to the corresponding light output end through the corresponding waveguide. , interference fringe information for acquiring interference fringe information generated by the object light flux formed by the light interference effect of the light emitted from these light emitting ends and the reference light split by the light beam splitting unit. an acquisition unit;
a complex amplitude distribution calculation unit that obtains a complex amplitude distribution of the object beam from the interference fringe information acquired by the interference fringe information acquisition unit;
a back-propagation calculation unit that performs calculation for back-propagating the complex amplitude distribution in the interference fringe information acquisition unit obtained by the complex amplitude distribution calculation unit to the light emission end of the optical phased array;
a light emitting end phase distribution calculating unit that obtains the phase distribution of each of the light emitting ends from the complex amplitude distribution of the light emitting ends of the optical phased array obtained by back propagation by the back propagation calculating unit;
with
wherein the light beam splitter comprises a beam splitter that splits the light emitted from the light source into a plurality of light beams related to the object light and a light beam related to the reference light in the optical phased array;
A light beam associated with the reference light passes through a predetermined waveguide of the optical phased array and is emitted from the light emission end of the optical phased array, and interferes with the object light beam emitted from the light emission end of the optical phased array. A phase measuring device characterized in that it is crimped .
を備えたことを特徴とする位相補償装置。 A phase measuring device according to any one of claims 1 to 4 , wherein the phase distribution of each of the light emitting ends of the optical phased array obtained by the phase measuring device is obtained. Phase adjustment for determining the amount of phase variation and instructing the phase adjustment unit of the optical phased array to adjust the phase of each of the light beams so that the determined amount of phase variation is reduced. an indicator;
A phase compensator comprising:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2019134883A JP7306907B2 (en) | 2019-07-22 | 2019-07-22 | Phase measurement device and phase compensation device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2019134883A JP7306907B2 (en) | 2019-07-22 | 2019-07-22 | Phase measurement device and phase compensation device |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2021018182A JP2021018182A (en) | 2021-02-15 |
JP7306907B2 true JP7306907B2 (en) | 2023-07-11 |
Family
ID=74563140
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2019134883A Active JP7306907B2 (en) | 2019-07-22 | 2019-07-22 | Phase measurement device and phase compensation device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP7306907B2 (en) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN115566522B (en) * | 2022-10-14 | 2023-11-14 | 大连理工大学 | Laser coherent synthesis phase error compensation device and method |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011254028A (en) | 2010-06-04 | 2011-12-15 | Mitsubishi Electric Corp | Phased array laser apparatus |
JP2016163560A (en) | 2015-02-27 | 2016-09-08 | 有限会社ソーイ | Fermentation composition, method for producing the same, and food using the composition |
JP2018021891A (en) | 2016-07-20 | 2018-02-08 | ウシオ電機株式会社 | Method of acquiring phase of optical system and method of evaluating optical system |
JP2018205430A (en) | 2017-05-31 | 2018-12-27 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 | Phase shift digital holography apparatus and program thereof |
JP2019100932A (en) | 2017-12-06 | 2019-06-24 | 日本放送協会 | Performance evaluation device for optical deflection element |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP6716121B2 (en) * | 2015-04-09 | 2020-07-01 | 国立大学法人神戸大学 | Digital holographic microscope |
-
2019
- 2019-07-22 JP JP2019134883A patent/JP7306907B2/en active Active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011254028A (en) | 2010-06-04 | 2011-12-15 | Mitsubishi Electric Corp | Phased array laser apparatus |
JP2016163560A (en) | 2015-02-27 | 2016-09-08 | 有限会社ソーイ | Fermentation composition, method for producing the same, and food using the composition |
JP2018021891A (en) | 2016-07-20 | 2018-02-08 | ウシオ電機株式会社 | Method of acquiring phase of optical system and method of evaluating optical system |
JP2018205430A (en) | 2017-05-31 | 2018-12-27 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 | Phase shift digital holography apparatus and program thereof |
JP2019100932A (en) | 2017-12-06 | 2019-06-24 | 日本放送協会 | Performance evaluation device for optical deflection element |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2021018182A (en) | 2021-02-15 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8432553B2 (en) | Phase from defocused color images | |
US7847227B2 (en) | Optical measuring system | |
JP5349739B2 (en) | Interferometer and interferometer calibration method | |
US8526009B2 (en) | Apparatus for measuring rotationally symmetric aspheric surface | |
US20080180693A1 (en) | Determining Positional Error of an Optical Component Using Structured Light Patterns | |
KR101066856B1 (en) | Wavefront analysis method involving multilateral interferometry with frequency difference | |
JP7306907B2 (en) | Phase measurement device and phase compensation device | |
Zhang et al. | LCoS display phase self-calibration method based on diffractive lens schemes | |
JP3714854B2 (en) | Planar shape measuring method in phase shift interference fringe simultaneous imaging device | |
JP4786540B2 (en) | Laser optical path length difference detection device, laser phase control device, and coherent optical coupling device | |
CN115566522A (en) | Laser coherent combination phase error compensation device and method | |
JP3714853B2 (en) | Planar shape measuring method in phase shift interference fringe simultaneous imaging device | |
CN107076618B (en) | Wavefront sensor and method for determining the presence of translational and tilting differences between several light beams | |
CN109991768B (en) | Exit pupil expander for distributing light over a liquid crystal variable retarder | |
JP2018537678A (en) | Method for measuring the relative delay between optical propagation channels in pulsed operation | |
RU2536764C1 (en) | Method of interference microscopy | |
RU2645005C1 (en) | Laser interferometer | |
WO2004003467A1 (en) | Phase-shifting diffraction grating interferometer and its measuring method | |
JP2009244227A (en) | Light wave interference measuring method | |
US8144335B2 (en) | Vibration-insensitive interferometer using high-speed camera and continuous phase scanning method | |
JP2009145068A (en) | Surface profile measuring method and interferometer | |
JP2005326192A (en) | Three-dimensional shape measuring device | |
JP7503972B2 (en) | Shape measuring device | |
Stašík et al. | Advanced measurement procedure for interferometric microscope for three-dimensional imaging of complex surfaces using two-wavelength interferometry and reference arm attenuation | |
JP2023079493A (en) | Phase measuring device and phase compensation device |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20220621 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20230315 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20230426 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20230525 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20230605 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20230629 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7306907 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |