JP7392861B2 - 光複素振幅計測装置及び光複素振幅計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、生体計測や表面計測等の様々な分野に適用される、ヘテロダイン干渉計を用いた光複素振幅計測装置及び光複素振幅計測方法に関する。

上述したような様々な分野で、光波の強度及び位相の両方の情報を含む光複素振幅を計測する技術が用いられており、光複素振幅計測技術における代表的な手法として、ディジタルホログラフィがある。

ディジタルホログラフィでは、計測物体の情報を有する信号光に対して、この信号光とコヒーレントな参照光を合波させ、合波による干渉で生じる強度分布（干渉縞）をカメラで取得する。この取得された干渉縞に対して計算機で特定の画像処理を行うことで、強度分布と位相分布（波面）とを計測可能となっている。

ディジタルホログラフィによる計測において、遠隔のビル間の光ファイバや、ビル間の大気等のように被計測対象が長距離になる場合がある。その被計測対象を計測する場合、光源からの信号光を事前に２光路に分岐し、一方を参照光とする方法がある。この方法では、参照光を伝送する光ファイバを別途用意して伝送する必要がある。このため、伝送コストが高く掛ってしまう。また、光ファイバの敷設が、経済的、物理的に難しい環境では実現できない。

そこで、光源からの信号光を光学的に分岐後、後述の空間フィルタを通過させて平面波成分を含む参照光を作り出す参照光不要型のディジタルホログラフィが提案されている。このディジタルホログラフィとしての光複素振幅計測装置の構成例を図５に示す。

図５に示す光複素振幅計測装置１０は、光源としてのレーザ１１と、ビームスプリッタ１２，１６と、空間フィルタ１３と、ミラー１４，１５と、カメラ１７と、パソコン（パーソナルコンピュータ）１８とを備えて構成されている。但し、レーザ１１とビームスプリッタ１２との間には、例えば大気としての被計測対象２１が介在している。

レーザ１１はレーザ光を出力（出射）する。この出力されたレーザ光が被計測対象２１を通過して得られる信号光Ｌ１１が、ビームスプリッタ１２に入力（入射）される。ビームスプリッタ１２は、信号光Ｌ１１を透過及び反射して分岐し、分岐された一方の信号光Ｌ１１を空間フィルタ１３へ出力し、他方の信号光Ｌ１１をミラー１５へ出力する。ミラー１５は、信号光Ｌ１１を反射してビームスプリッタ１６へ出力する。

空間フィルタ１３は、被計測対象２１の通過により波面が歪んだ信号光Ｌ１１の中に存在する平面波成分を抽出し、抽出された平面波成分を含む参照光Ｌ１２を出力する。この出力された参照光Ｌ１２は、ミラー１４で反射され、ビームスプリッタ１６へ出力される。

ビームスプリッタ１６は、信号光Ｌ１１と参照光Ｌ１２とを合波し、合波による強度分布である干渉縞Ｉ１をカメラ１７へ出力する。カメラ１７は、干渉縞Ｉ１を取得してパソコン１８へ導線を介して干渉縞情報Ｉ１ａを出力する。パソコン１８は、干渉縞情報Ｉ１ａに対して特定の画像処理を行うことで、信号光の強度分布及び位相分布を算出する（計測処理を行う）。
この種の技術として非特許文献１に記載のものがある。

T. Maeda, A. Okamoto, A. Tomita, Y. Hirasaki, Y. Wakayama, and M. Bunsen, "Holographic-Diversity Interferometry for Reference-Free Phase Detection," in 2013 Conference on Lasers and Electro-Optics Pacific Rim, (Optical Society of America, 2013), paper WF4_4 (2013)

しかし、上述した光複素振幅計測装置１０においては、空間フィルタ１３で得られる参照光Ｌ１２の光パワーは、被計測対象２１を通過した信号光Ｌ１１に含まれる平面波成分量に依存している。空間フィルタ１３は、信号光Ｌ１１の中の平面波成分を抽出するが、信号光Ｌ１１中の波面の歪量が変わってくると、平面波成分量が変わり、参照光Ｌ１２の光パワーが変動する。

その信号光Ｌ１１の平面波成分量と参照光Ｌ１２の光パワーとの関係を、図６に線Ｅ１で示す。この線Ｅ１で示すように、参照光Ｌ１２の光パワーが変動して低くなると、これに比例して平面波成分量が少なくなる。このため、干渉縞Ｉ１のコントラストの低下や干渉縞の消失を招き、計測精度の劣化や計測不能が生じる課題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、被計測対象を通過した信号光に係る干渉縞のコントラストの低下や干渉縞の消失を防止でき、この防止により干渉縞の強度分布と位相分布とを高精度に計測することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明の光複素振幅計測装置は、）周波数ｆ１の信号光を出力する第１光源と、周波数ｆ２の信号光を参照光として出力する第２光源と、前記第１光源から出力後に被計測対象を通過した信号光の偏光を、前記第２光源から出力された参照光の偏光と一致させる制御を行う偏光制御器と、前記一致された第１光源に係る信号光の中から、前記被計測対象の通過による波面歪が生じた平面波成分を抽出し、抽出された平面波成分を含む周波数ｆ１の信号光を出力する空間フィルタと、前記空間フィルタからの周波数ｆ１の信号光と、前記第２光源からの周波数ｆ２の参照光との双方を合波し、合波後に特定周波数ｆ０との差を検出した周波数差信号を前記第２光源の制御端に入力し、入力後に第２光源から出力される参照光の周波数ｆ２を、前記特定周波数ｆ０に応じて前記偏光制御器からの信号光の周波数ｆ１と一致するように周波数シフトするヘテロダイン干渉計と、前記周波数シフトされた参照光と、前記偏光制御器からの信号光とを合波する合波器とを備え、前記第２光源は、前記制御端に入力される周波数差信号に基づき、前記信号光と前記参照光との周波数差が前記特定周波数ｆ０となるように、当該第２光源から出力する参照光の周波数を位相同期制御することを特徴とする。

本発明によれば、被計測対象を通過した信号光に係る干渉縞のコントラストの低下や干渉縞の消失を防止でき、この防止により干渉縞の強度分布と位相分布とを高精度に計測することができる。

本発明の第１実施形態に係るヘテロダイン干渉計を用いた光複素振幅計測装置の構成を示すブロック図である。 第１実施形態に係る光複素振幅計測装置による光複素振幅計測の動作を説明するための第１のフローチャートである。 第１実施形態に係る光複素振幅計測装置による光複素振幅計測の動作を説明するための第２のフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係るヘテロダイン干渉計を用いた光複素振幅計測装置の構成を示すブロック図である。 従来の光複素振幅計測装置の構成を示すブロック図である。 参照光の光パワーと信号光中の平面波成分量との関係図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。但し、本明細書の全図において機能が対応する構成部分には同一符号を付し、その説明を適宜省略する。
＜第１実施形態の構成＞
図１は、本発明の第１実施形態に係るヘテロダイン干渉計を用いた光複素振幅計測装置の構成を示すブロック図である。

図１に示す光複素振幅計測装置３０は、光源としての第１レーザ３１及び第２レーザ３２と、偏光制御器３３と、ビームスプリッタ３４ａ，３４ｂと、ミラー３５と、空間フィルタ３６と、ヘテロダイン干渉計３７と、カメラ１７と、パソコン１８とを備えて構成されている。但し、第１レーザ３１と偏光制御器３３との間には、被計測対象２１が介在している。本例では被計測対象２１は大気であるとするが、光ファイバ等であってもよい。

ヘテロダイン干渉計３７は、ミラー３７ａと、ビームスプリッタ３７ｂ，３７ｇと、フォトダイオード３７ｃと、位相周波数比較器３７ｄと、オシレータ３７ｅと、周波数シフタ３７ｆとを備えて構成されている。

なお、第１レーザ３１は請求項記載の第１光源を構成し、第２レーザ３２は請求項記載の第２光源を構成する。ビームスプリッタ３４ｂは請求項記載の合波器を構成する。パソコン１８は、請求項記載の計算機を構成する。

第１実施形態の特徴として、光複素振幅計測装置３０は、周波数ｆ１，ｆ２のレーザ光を出力（出射）する第１及び第２レーザ３１，３２である光源を２つ用いるようにした。２つのレーザ光の周波数ｆ１，ｆ２が一致していないと、カメラ１７に入力される干渉縞Ｉ１が薄れたり消失したりして適正に検出できない。このため、ヘテロダイン干渉計３７を用いて、第２レーザ３２からのレーザ光の周波数ｆ２と、第１レーザ３１から出力後に被計測対象２１を通過したレーザ光の周波数ｆ１との双方に一定の周波数差を付けるフィードバック制御を行った後、双方の周波数を一致させるようにした。

第１レーザ３１は、周波数ｆ１のレーザ光を出力する。この出力されたレーザ光が被計測対象２１を通過して得られる周波数ｆ１の信号光Ｌ１は、偏光制御器３３へ入力（入射）される。

偏光制御器３３は、信号光Ｌ１の偏光を、第２レーザ３２からのレーザ光である参照光Ｌ２の偏光に一致させる制御を行う。この一致後の信号光Ｌ１はビームスプリッタ３４ａに入力される。なお、偏光制御器３３に入力される第２レーザ３２からの参照光Ｌ２は、ビームスプリッタ３７ｇ，３７ｂ、空間フィルタ３６、ビームスプリッタ３４ａの経路を介して偏光制御器３３へ入力される。

ビームスプリッタ３４ａは、偏光制御器３３からの周波数ｆ１の信号光Ｌ１を透過及び反射して分岐し、分岐された一方の信号光Ｌ１を空間フィルタ３６へ出力し、他方の信号光Ｌ１をミラー３５へ出力する。ミラー３５は、信号光Ｌ１を反射してビームスプリッタ３４ｂへ出力する。

空間フィルタ３６は、被計測対象２１の通過により波面が歪んだ信号光Ｌ１の中に存在する平面波成分を抽出し、抽出された平面波成分を含む周波数ｆ１の信号光Ｌ１ａをヘテロダイン干渉計３７のビームスプリッタ３７ｂへ出力する。

一方、第２レーザ３２は、周波数ｆ１と同じ周波数ｆ２のレーザ光を参照光Ｌ２としてヘテロダイン干渉計３７へ出力する。

ヘテロダイン干渉計３７において、ビームスプリッタ３７ｇは、第２レーザ３２からの参照光Ｌ２を分岐し、分岐した一方の参照光Ｌ２を周波数シフタ３７ｆへ出力する。他方の参照光Ｌ２を、ヘテロダイン干渉計３７のビームスプリッタ３７ｂへ出力する。

ビームスプリッタ３７ｂは、参照光Ｌ２を反射する。この反射された参照光Ｌ２は、ミラー３７ａで反射されて再度ビームスプリッタ３７ｂに入力される。ビームスプリッタ３７ｂは、その入力された参照光Ｌ２と、空間フィルタ３６からの信号光Ｌ１ａとを合波する。この合波された信号光Ｌ１ａと参照光Ｌ２との周波数差（ｆ１－ｆ２）のビート光がフォトダイオード３７ｃで電気信号であるビート信号Ｂ１に変換され、導線を介して位相周波数比較器３７ｄに入力される。つまり、ビート信号Ｂ１の周波数は（ｆ１－ｆ２）となる。

位相周波数比較器３７ｄは、後述のオシレータ３７ｅからの発振周波数ｆ０に基づき、ビート信号Ｂ１の周波数（ｆ１－ｆ２）と発振周波数ｆ０との周波数差ｆ０－（ｆ１－ｆ２）（周波数差信号Ｂ１ａ）を検出する。検出された周波数差信号Ｂ１ａが導線を介して第２レーザ３２の制御端に入力され、当該第２レーザ３２は周波数差信号Ｂ１ａに基づき、ｆ０－（ｆ１－ｆ２）が０となるように位相同期制御する。なお、発振周波数ｆ０は、請求項記載の特定周波数ｆ０に対応している。

オシレータ３７ｅは、発振周波数ｆ０の信号を、周波数シフタ３７ｆ及び位相周波数比較器３７ｄへ出力する。

第２レーザ３２は、周波数差信号Ｂ１ａに基づき、周波数差ｆ０－（ｆ１－ｆ２）が０となるように、参照光Ｌ２を位相同期制御する。言い換えれば、参照光Ｌ２の周波数ｆ２を信号光Ｌ１の周波数ｆ１との間で、一定の周波数差（発振周波数ｆ０）が付くように、参照光Ｌ２を位相同期制御する。この制御された参照光Ｌ２は、ヘテロダイン干渉計３７のビームスプリッタ３７ｇを介して次のビームスプリッタ３７ｂに入力されると共に、ビームスプリッタ３７ｇで反射されて周波数シフタ３７ｆに入力される。

周波数シフタ３７ｆは、オシレータ３７ｅからの発振周波数ｆ０に基づき、参照光Ｌ２の周波数ｆ２を、偏光制御器３３からの信号光Ｌ１の周波数ｆ１との差分が０となるように周波数シフトさせ、この周波数シフトした参照光Ｌ２ａを、信号光Ｌ１が入力されるビームスプリッタ３４ｂへ出力する。以降、周波数シフトを単にシフトとも称す。

ビームスプリッタ３４ｂは、信号光Ｌ１と参照光Ｌ２とを合波し、合波による強度分布である干渉縞Ｉ１をカメラ１７へ出力する。カメラ１７は、干渉縞Ｉ１を取得してパソコン１８へ導線を介して干渉縞情報Ｉ１ａを出力する。パソコン１８は、干渉縞情報Ｉ１ａに対して特定の画像処理を行うことで、信号光Ｌ１の光強度と位相を算出する（計測処理を行う）。

＜第１実施形態の動作＞
次に、第１実施形態に係る光複素振幅計測装置３０による光複素振幅計測の動作を、図２及び図３のフローチャートを参照して説明する。

図２に示すステップＳ１において、第１レーザ３１から出力された周波数ｆ１のレーザ光が被計測対象２１を通過し、この通過により得られた周波数ｆ１の信号光Ｌ１が偏光制御器３３へ入力される。

ステップＳ２において、偏光制御器３３によって、これに入力された信号光Ｌ１の偏光が、第２レーザ３２から出力された参照光Ｌ２の偏光に一致される制御が行われ、一致後の信号光Ｌ１がビームスプリッタ３４ａに入力される。

ステップＳ３において、ビームスプリッタ３４ａで偏光制御器３３からの周波数ｆ１の信号光Ｌ１が分岐され、分岐された一方の信号光Ｌ１が空間フィルタ３６へ、他方の信号光Ｌ１がミラー３５へ出力される。

ステップＳ４において、ミラー３５で、その信号光Ｌ１が反射されてビームスプリッタ３４ｂへ出力される。

ステップＳ５において、空間フィルタ３６で、被計測対象２１の通過により波面が歪んだ信号光Ｌ１の中に存在する平面波成分が抽出される。更に、空間フィルタ３６から、その抽出された平面波成分を含む周波数ｆ１の信号光Ｌ１ａが、ヘテロダイン干渉計３７のビームスプリッタ３７ｂへ出力される。

ステップＳ６において、第２レーザ３２から周波数ｆ２の参照光Ｌ２が出力され、この参照光Ｌ２がヘテロダイン干渉計３７のビームスプリッタ３７ｇで分岐される。分岐された一方の参照光Ｌ２が周波数シフタ３７ｆへ出力され、他方の参照光Ｌ２がヘテロダイン干渉計３７の次のビームスプリッタ３７ｂへ出力される。

ステップＳ７において、上記ビームスプリッタ３７ｂで参照光Ｌ２が反射され、反射された参照光Ｌ２が、ミラー３７ａで反射されて再度ビームスプリッタ３７ｂに入力される。このビームスプリッタ３７ｂにおいて、参照光Ｌ２と、空間フィルタ３６からの信号光Ｌ１ａとが合波される。合波された信号光Ｌ１ａと参照光Ｌ２との周波数差（ｆ１－ｆ２）のビート光がフォトダイオード３７ｃで電気信号であるビート信号Ｂ１に変換され、位相周波数比較器３７ｄに入力される。

図３に進み、ステップＳ８において、位相周波数比較器３７ｄで、ビート信号Ｂ１の周波数（ｆ１－ｆ２）とオシレータ３７ｅの発振周波数ｆ０の差が検出される。

ステップＳ９において、第２レーザ３２で、周波数差信号Ｂ１ａに基づき、周波数差ｆ０－（ｆ１－ｆ２）が０となるように、参照光Ｌ２が位相同期制御される。この制御された参照光Ｌ２は、ヘテロダイン干渉計３７のビームスプリッタ３７ｇを介して次のビームスプリッタ３７ｂに入力されると共に、ビームスプリッタ３７ｇで反射されて周波数シフタ３７ｆに入力される。

ステップＳ１０において、周波数シフタ３７ｆで、オシレータ３７ｅからの発振周波数ｆ０に基づき、参照光Ｌ２の周波数ｆ２が、信号光Ｌ１の周波数ｆ１との差分が０となるように発振周波数ｆ０分、シフトされる。このシフトされた参照光Ｌ２ａは、信号光Ｌ１が入力されるビームスプリッタ３４ｂへ出力される。

ステップＳ１１において、ビームスプリッタ３４ｂで、信号光Ｌ１と参照光Ｌ２とが合波され、合波により得られた干渉縞Ｉ１がカメラ１７へ出力される。

ステップＳ１２において、カメラ１７で、干渉縞Ｉ１が撮影により取得され、取得により得られる干渉縞情報Ｉ１ａがパソコン１８へ出力される。

ステップＳ１３において、パソコン１８で、干渉縞情報Ｉ１ａから信号光Ｌ１の光強度と位相を算出する特定の画像処理を行う（計測処理を行う）。

＜第１実施形態の効果＞
第１実施形態に係る光複素振幅計測装置３０の効果について説明する。

（１ａ）光複素振幅計測装置３０は、第１レーザ３１と、第２レーザ３２と、偏光制御器３３と、空間フィルタ３６と、ヘテロダイン干渉計３７と、合波器としてのビームスプリッタ３４ｂとを備える。

第１レーザ３１は、周波数ｆ１の信号光Ｌ１を出力する。第２レーザ３２は、周波数ｆ２の信号光Ｌ１を参照光Ｌ２として出力すると共に、周波数ｆ２を周波数ｆ１に一致させる位相同期制御を行う。偏光制御器３３は、第１レーザ３１から出力後に被計測対象２１を通過した信号光Ｌ１の偏光を、第２レーザ３２から出力された参照光Ｌ２の偏光と一致させる制御を行う。

空間フィルタ３６は、一致された第１レーザ３１に係る信号光Ｌ１の中から、被計測対象２１の通過による波面歪が生じた平面波成分を抽出し、抽出された平面波成分を含む周波数ｆ１の信号光Ｌ１ａを出力する。

ヘテロダイン干渉計３７は、空間フィルタ３６からの周波数ｆ１の信号光Ｌ１ａと、第２レーザ３２からの周波数ｆ２の参照光Ｌ２との双方を合波する。この合波後のビート信号Ｂ１とオシレータ３７ｅからの発振周波数ｆ０との差を検出した周波数差信号Ｂ１ａを第２レーザ３２の制御端に入力する。この入力後に第２レーザ３２から出力される参照光の周波数ｆ２を、上記発振周波数ｆ０に応じて偏光制御器３３からの信号光Ｌ１の周波数ｆ１と一致するようにシフトする。

ビームスプリッタ３４ｂは、上記シフトされた参照光Ｌ２と、偏光制御器３３からの信号光Ｌ１とを合波する。更に、第２レーザ３２は、制御端に入力される周波数差信号Ｂ１ａに基づき、周波数差ｆ０－（ｆ１－ｆ２）が０となるように、当該第２レーザ３２から出力する参照光Ｌ２の周波数を位相同期制御する構成とした。

この構成によれば、第１レーザ３１から出力される周波数ｆ１の信号光Ｌ１の偏光が、第２レーザ３２から出力される周波数ｆ２の参照光Ｌ２の偏光と一致される。また、ヘテロダイン干渉計３７において、周波数ｆ１の信号光Ｌ１に位相同期制御及び周波数シフトされる参照光Ｌ２は、第２レーザ３２から直接出力されているので、光パワーを安定させることができる。

また、第１レーザ３１に係る周波数ｆ１の信号光Ｌ１と上記周波数ｆ２の参照光Ｌ２とは、カメラ１７への入力側のビームスプリッタ３４ｂでは周波数差（ｆ１－ｆ２）が０となっている。このため、ビームスプリッタ３４ｂで信号光Ｌ１と参照光Ｌ２とを合波した干渉縞は、コントラストが明確となっている。言い換えれば、被計測対象２１を通過した信号光Ｌ１に係る干渉縞のコントラストの低下や干渉縞の消失を防止できる。

（２ａ）第２レーザ３２からの参照光Ｌ２と偏光制御器３３からの信号光Ｌ１とが、ビームスプリッタ３４ｂで合波されて得られる干渉縞Ｉ１を撮影し、撮影された干渉縞Ｉ１から干渉縞情報Ｉ１ａを得るカメラ１７を備える。更に、カメラ１７で得られた干渉縞情報Ｉ１ａから信号光Ｌ１の強度分布及び位相分布の計測を行うパソコン１８を、更に備える構成とした。

この構成によれば、ビームスプリッタ３４ｂで信号光Ｌ１に合波される参照光Ｌ２は、第２レーザ３２から直接出力されるため光パワーが安定している。このため、ビームスプリッタ３４ｂで信号光Ｌ１と参照光Ｌ２とを合波した干渉縞Ｉ１を、カメラ１７で撮影して得られる干渉縞情報Ｉ１ａをパソコン１８で計算すれば、信号光Ｌ１の強度分布及び位相分布の計測を高精度に行うことができる。

＜第２実施形態の構成＞
図４は、本発明の第２実施形態に係るヘテロダイン干渉計を用いた光複素振幅計測装置の構成を示すブロック図である。

図４に示す第２実施形態の光複素振幅計測装置３０Ａが、第１実施形態の光複素振幅計測装置３０（図１）と異なる点は、第１実施形態と異なる構成のヘテロダイン干渉計３７Ａを備え、空間フィルタ３６（図１）を備えないことにある。

ヘテロダイン干渉計３７Ａは、ミラー３７ａと、ビームスプリッタ３７ｂ，３７ｇと、光ファイバカプラ３７ｈと、シングルモード光ファイバ３７ｉと、フォトダイオード３７ｃと、位相周波数比較器３７ｄと、オシレータ３７ｅと、周波数シフタ３７ｆとを備えて構成されている。第１実施形態と異なる点は、ビームスプリッタ３７ｂとフォトダイオード３７ｃとの間に、光ファイバカプラ３７ｈを介してシングルモード光ファイバ３７ｉを接続したことにある。

つまり、シングルモード光ファイバ３７ｉは、一端が光ファイバカプラ３７ｈを介してビームスプリッタ３７ｂに接続され、他端がフォトダイオード３７ｃに接続されている。このシングルモード光ファイバ３７ｉは、空間フィルタ３６（図１）と同じ処理である平面波成分の抽出処理を行う。即ち、シングルモード光ファイバ３７ｉは、被計測対象２１の通過により波面が歪んだ信号光Ｌ１の中に存在する平面波成分を抽出し、抽出された平面波成分を含む周波数ｆ１の信号光Ｌ１ａと、周波数ｆ２の参照光Ｌ２とを合波してフォトダイオード３７ｃへ出力する。

その合波された信号光Ｌ１ａと参照光Ｌ２との周波数差（ｆ１－ｆ２）によるビート光が、フォトダイオード３７ｃでビート信号Ｂ１に変換されて位相周波数比較器３７ｄに入力される。

位相周波数比較器３７ｄでは、オシレータ３７ｅからの発振周波数ｆ０に基づき、ビート信号Ｂ１と発振周波数ｆ０の周波数差ｆ０－（ｆ１－ｆ２）を検出し、検出された周波数差信号Ｂ１ａが第２レーザ３２の制御端に入力される。

第２レーザ３２では、周波数差信号Ｂ１ａに基づき、周波数差ｆ０－（ｆ１－ｆ２）が０となるように、参照光Ｌ２が位相同期制御される。この制御された参照光Ｌ２が、ヘテロダイン干渉計３７Ａのビームスプリッタ３７ｇを介して次のビームスプリッタ３７ｂに入力されると共に、ビームスプリッタ３７ｇで反射されて周波数シフタ３７ｆに入力される。

周波数シフタ３７ｆでは、オシレータ３７ｅからの発振周波数ｆ０に基づき、参照光Ｌ２の周波数ｆ２が、偏光制御器３３からの信号光Ｌ１の周波数ｆ１との差分が０となるようにシフトされる。このシフトされた参照光Ｌ２ａが、信号光Ｌ１が入力されるビームスプリッタ３４ｂへ出力される。

このビームスプリッタ３４ｂでは、信号光Ｌ１と参照光Ｌ２とが合波された干渉縞Ｉ１がカメラ１７へ出力され、カメラ１７からパソコン１８へ導線を介して干渉縞情報Ｉ１ａが出力される。パソコン１８では、干渉縞情報Ｉ１ａから信号光Ｌ１の強度分布及び位相分布の計算処理が実行される。

＜第２実施形態の効果＞
第２実施形態に係る光複素振幅計測装置３０Ａの効果について説明する。

（１ｂ）光複素振幅計測装置３０Ａは、第１レーザ３１と、第２レーザ３２と、偏光制御器３３と、シングルモード光ファイバ３７ｉを有するヘテロダイン干渉計３７Ａと、ビームスプリッタ３４ｂとを備える。

第１レーザ３１は、周波数ｆ１の信号光Ｌ１を出力する。第２レーザ３２は、周波数ｆ２の信号光Ｌ１を参照光Ｌ２として出力する。偏光制御器３３は、第１レーザ３１から出力後に被計測対象２１を通過した信号光Ｌ１の偏光を、第２レーザ３２から出力された参照光Ｌ２の偏光と一致させる制御を行う。

ヘテロダイン干渉計３７Ａは、上記一致された第１レーザ３１に係る信号光Ｌ１の中から、被計測対象２１の通過による波面歪が生じた平面波成分を抽出し、抽出された平面波成分を含む周波数ｆ１の信号光Ｌ１ａと、第２レーザ３２からの周波数ｆ２の参照光Ｌ２との双方を合波して伝送するシングルモード光ファイバ３７ｉを有する。また、ヘテロダイン干渉計３７Ａは、シングルモード光ファイバ３７ｉからの上記双方を合波したビート信号Ｂ１とオシレータ３７ｅからの発振周波数ｆ０との周波数差信号Ｂ１ａを第２レーザ３２の制御端に入力する。

第２レーザ３２は、周波数差信号Ｂ１ａに基づき、周波数差ｆ０－（ｆ１－ｆ２）が０となるように、当該第２レーザ３２から出力する参照光Ｌ２の周波数を位相同期制御する。

更に、ヘテロダイン干渉計３７Ａは、上記位相同期制御後に第２光源から出力される参照光の周波数ｆ２を、上記特定周波数ｆ０に応じて偏光制御器３３からの信号光の周波数ｆ１と一致するように周波数シフトする。

ビームスプリッタ３４ｂは、上記シフトされた参照光Ｌ２と、偏光制御器３３からの信号光Ｌ１とを合波する構成とした。

この構成によれば、第１実施形態の光複素振幅計測装置３０（図１）と同様の作用効果が得られる。更に、その光複素振幅計測装置３０に比べ、第２実施形態の光複素振幅計測装置３０Ａでは空間フィルタ３６が不要となるので、その分、装置の小型化を図ることができる。

（２ｂ）第２実施形態の光複素振幅計測装置３０Ａは、第１実施形態と同様に、カメラ１７及びパソコン１８を更に備える構成とした。この構成によれば、第１実施形態と同様の効果が得られる。

実際の測定にあたっては、干渉縞情報Ｉ１ａから信号光の強度分布及び位相分布を算出する際に用いるアルゴリズムに合わせて第１及び第２実施形態を適宜変更する必要がある。例えば、光複素振幅計測装置３０，３０Ａにおいて、ビームスプリッタ３４ｃとビームスプリッタ３４ｂとの間に位相変調素子を挿入する場合やビームスプリッタ３４ｂを傾けて参照光Ｌ２に角度を付けて信号光Ｌ１と合波する場合がある。

＜効果＞
（１）周波数ｆ１の信号光を出力する第１光源と、周波数ｆ２の信号光を参照光として出力する第２光源と、前記第１光源から出力後に被計測対象を通過した信号光の偏光を、前記第２光源から出力された参照光の偏光と一致させる制御を行う偏光制御器と、前記一致された第１光源に係る信号光の中から、前記被計測対象の通過による波面歪が生じた平面波成分を抽出し、抽出された平面波成分を含む周波数ｆ１の信号光を出力する空間フィルタと、前記空間フィルタからの周波数ｆ１の信号光と、前記第２光源からの周波数ｆ２の参照光との双方を合波し、合波後に特定周波数ｆ０との差を検出した周波数差信号を前記第２光源の制御端に入力し、入力後に第２光源から出力される参照光の周波数ｆ２を、前記特定周波数ｆ０に応じて前記偏光制御器からの信号光の周波数ｆ１と一致するように周波数シフトするヘテロダイン干渉計と、前記周波数シフトされた参照光と、前記偏光制御器からの信号光とを合波する合波器とを備え、前記第２光源は、前記制御端に入力される周波数差信号に基づき、前記信号光と前記参照光との周波数差が前記特定周波数ｆ０となるように、当該第２光源から出力する参照光の周波数を位相同期制御することを特徴とする光複素振幅計測装置である。

この構成によれば、第１光源から出力される周波数ｆ１の信号光の偏光が、第２光源から出力される周波数ｆ２の参照光の偏光と一致される。また、ヘテロダイン干渉計において、周波数ｆ１の信号光に位相同期制御及び周波数シフトされる参照光は、第２光源から直接出力されているので、光パワーを安定させることができる。

また、第１光源に係る周波数ｆ１の信号光と上記周波数ｆ２の参照光とは、カメラへの入力側のビームスプリッタでは周波数差（ｆ１－ｆ２）が０となっている。このため、ビームスプリッタで信号光と参照光とを合波した干渉縞は、コントラストが明確となっている。言い換えれば、被計測対象を通過した信号光に係る干渉縞のコントラストの低下や干渉縞の消失を防止できる。

コントラストが明確な干渉縞をカメラで撮影して得られる干渉縞情報をパソコンで計算処理すれば、明確なコントラスト及び当該コントラストに係る位相が精度よく算出できる。つまり、被計測対象を通過した信号光に係る干渉縞の強度分布と位相分布とを高精度に計測できる。

（２）周波数ｆ１の信号光を出力する第１光源と、周波数ｆ２の信号光を参照光として出力する第２光源と、前記第１光源から出力後に被計測対象を通過した信号光の偏光を、前記第２光源から出力された参照光の偏光と一致させる制御を行う偏光制御器と、前記一致された第１光源に係る信号光の中から、前記被計測対象の通過による波面歪が生じた平面波成分を抽出し、抽出された平面波成分を含む周波数ｆ１の信号光と、前記第２光源からの周波数ｆ２の参照光との双方を合波して伝送するシングルモード光ファイバを有し、合波後に特定周波数ｆ０との差を検出した周波数差信号を前記第２光源の制御端に入力し、入力後に第２光源から出力される参照光の周波数ｆ２を、前記特定周波数ｆ０に応じて前記偏光制御器からの信号光の周波数ｆ１と一致するように周波数シフトするヘテロダイン干渉計と、前記第２光源からの参照光と、前記偏光制御器からの信号光とを合波する合波器とを備え、前記第２光源は、前記制御端に入力される周波数差信号に基づき、前記信号光と前記参照光との周波数差が前記特定周波数ｆ０となるように、当該第２光源から出力する参照光の周波数を位相同期制御することを特徴とする光複素振幅計測装置である。

この構成によれば、上記（１）の光複素振幅計測装置と同様の作用効果が得られるが、この光複素振幅計測装置に比べ、空間フィルタが不要となるので、その分、装置の小型化を図ることができる。

（３） 前記位相同期制御された参照光と前記偏光制御器からの信号光とが、前記合波器で合波されて得られる干渉縞を撮影するカメラと、前記カメラで得られた干渉縞情報から信号光の強度分布及び位相分布を計算するための画像処理を行う計算機とを更に備えることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の光複素振幅計測装置である。

この構成によれば、合波器で信号光に合波される参照光は、第２光源から直接出力されるため光パワーが安定している。このため、合波器で信号光と参照光とを合波した干渉縞を、カメラで撮影して得られる干渉縞情報に対して、計算機で画像処理を行うことで、信号光の強度分布及び位相分布の計測を高精度に行うことができる。

その他、具体的な構成について、本発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。

１７ カメラ
１８ パソコン（計算機）
３０，３０Ａ 光複素振幅計測装置
３１ 第１レーザ（第１光源）
３２ 第２レーザ（第２光源）
３３ 偏光制御器
３４ａ，３７ｂ，３７ｇ ビームスプリッタ
３４ｂ ビームスプリッタ（合波器）
３５，３７ａ ミラー
３６ 空間フィルタ
３７，３７Ａ ヘテロダイン干渉計
３７ｃ フォトダイオード
３７ｄ 位相周波数比較器
３７ｅ オシレータ
３７ｆ 周波数シフタ
３７ｈ 光ファイバカプラ
３７ｉ シングルモード光ファイバ

Claims (6)

1. 周波数ｆ１の信号光を出力する第１光源と、
   周波数ｆ２の信号光を参照光として出力する第２光源と、
   前記第１光源から出力後に被計測対象を通過した信号光の偏光を、前記第２光源から出力された参照光の偏光と一致させる制御を行う偏光制御器と、
   前記一致された第１光源に係る信号光の中から、前記被計測対象の通過による波面歪が生じた平面波成分を抽出し、抽出された平面波成分を含む周波数ｆ１の信号光を出力する空間フィルタと、
   前記空間フィルタからの周波数ｆ１の信号光と、前記第２光源からの周波数ｆ２の参照光との双方を合波し、合波後に特定周波数ｆ０との差を検出した周波数差信号を前記第２光源の制御端に入力し、入力後に第２光源から出力される参照光の周波数ｆ２を、前記特定周波数ｆ０に応じて前記偏光制御器からの信号光の周波数ｆ１と一致するように周波数シフトするヘテロダイン干渉計と、
   前記周波数シフトされた参照光と、前記偏光制御器からの信号光とを合波する合波器と
   を備え、
   前記第２光源は、前記制御端に入力される周波数差信号に基づき、前記信号光と前記参照光との周波数差が前記特定周波数ｆ０となるように、当該第２光源から出力する参照光の周波数を位相同期制御する
   ことを特徴とする光複素振幅計測装置。
2. 周波数ｆ１の信号光を出力する第１光源と、
   周波数ｆ２の信号光を参照光として出力する第２光源と、
   前記第１光源から出力後に被計測対象を通過した信号光の偏光を、前記第２光源から出力された参照光の偏光と一致させる制御を行う偏光制御器と、
   前記一致された第１光源に係る信号光の中から、前記被計測対象の通過による波面歪が生じた平面波成分を抽出し、抽出された平面波成分を含む周波数ｆ１の信号光と、前記第２光源からの周波数ｆ２の参照光との双方を合波して伝送するシングルモード光ファイバを有し、合波後に特定周波数ｆ０との差を検出した周波数差信号を前記第２光源の制御端に入力し、入力後に第２光源から出力される参照光の周波数ｆ２を、前記特定周波数ｆ０に応じて前記偏光制御器からの信号光の周波数ｆ１と一致するように周波数シフトするヘテロダイン干渉計と、
   前記第２光源からの参照光と、前記偏光制御器からの信号光とを合波する合波器と
   を備え、
   前記第２光源は、前記制御端に入力される周波数差信号に基づき、前記信号光と前記参照光との周波数差が前記特定周波数ｆ０となるように、当該第２光源から出力する参照光の周波数を位相同期制御する
   ことを特徴とする光複素振幅計測装置。
3. 前記位相同期制御された参照光と前記偏光制御器からの信号光とが、前記合波器で合波されて得られる干渉縞を撮影するカメラと、
   前記カメラで得られた干渉縞情報から信号光の強度分布及び位相分布を計算するための画像処理を行う計算機と
   を更に備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の光複素振幅計測装置。
4. 光複素振幅計測装置による光複素振幅計測方法であって、
   前記光複素振幅計測装置は、第１光源と、第２光源と、偏光制御器と、空間フィルタと、ヘテロダイン干渉計と、合波器とを備え、
   前記第１光源から周波数ｆ１の信号光を出力するステップと、
   前記第２光源から周波数ｆ２の信号光を参照光として出力するステップと、
   前記偏光制御器によって、前記第１光源から出力後に被計測対象を通過した信号光の偏光を、前記第２光源から出力された参照光の偏光と一致させる制御を行うステップと、
   前記空間フィルタによって、前記一致された第１光源に係る信号光の中から、前記被計測対象の通過による波面歪が生じた平面波成分を抽出し、抽出された平面波成分を含む周波数ｆ１の信号光を出力するステップと、
   前記ヘテロダイン干渉計によって、前記空間フィルタからの周波数ｆ１の信号光と、前記第２光源からの周波数ｆ２の参照光との双方を合波し、合波後に特定周波数ｆ０との差を検出した周波数差信号を前記第２光源の制御端に入力するステップと、
   前記第２光源によって、前記制御端に入力される周波数差信号に基づき、前記信号光と前記参照光との周波数差が前記特定周波数ｆ０となるように、当該第２光源から出力する参照光の周波数を位相同期制御するステップと、
   前記ヘテロダイン干渉計によって、前記位相同期制御されて第２光源から出力される参照光の周波数ｆ２を、前記特定周波数ｆ０に応じて前記偏光制御器からの信号光の周波数ｆ１と一致するように周波数シフトするステップと、
   前記合波器によって、前記周波数シフトされた参照光と、前記偏光制御器からの信号光とを合波するステップと
   を実行することを特徴とする光複素振幅計測方法。
5. 光複素振幅計測装置による光複素振幅計測方法であって、
   前記光複素振幅計測装置は、第１光源と、第２光源と、偏光制御器と、シングルモード光ファイバを有するヘテロダイン干渉計と、合波器とを備え、
   前記第１光源から周波数ｆ１の信号光を出力するステップと、
   前記第２光源から周波数ｆ２の信号光を参照光として出力するステップと、
   前記偏光制御器によって、前記第１光源から出力後に被計測対象を通過した信号光の偏光を、前記第２光源から出力された参照光の偏光と一致させる制御を行うステップと、
   前記ヘテロダイン干渉計によって、前記シングルモード光ファイバで前記一致された第１光源に係る信号光の中から、前記被計測対象の通過による波面歪が生じた平面波成分を抽出し、抽出された平面波成分を含む周波数ｆ１の信号光と、前記第２光源からの周波数ｆ２の参照光との双方を合波し、合波後に特定周波数ｆ０との差を検出した周波数差信号を前記第２光源の制御端に入力するステップと、
   前記第２光源によって、前記制御端に入力される周波数差信号に基づき、前記信号光と前記参照光との周波数差が前記特定周波数ｆ０となるように、当該第２光源から出力する参照光の周波数を位相同期制御するステップと、
   前記ヘテロダイン干渉計によって、前記位相同期制御されて第２光源から出力される参照光の周波数ｆ２を、特定周波数ｆ０に応じて前記偏光制御器からの信号光の周波数ｆ１と一致するように周波数シフトするステップと、
   前記合波器によって、前記周波数シフトされた参照光と、前記偏光制御器からの信号光とを合波するステップと
   を実行することを特徴とする光複素振幅計測方法。
6. 前記光複素振幅計測装置は、カメラと、計算機とを更に備え、
   前記カメラによって、前記位相同期制御された参照光と前記偏光制御器からの信号光とが、前記合波器で合波されて得られる干渉縞を撮影するステップと、
   前記計算機によって、前記カメラで得られた干渉縞情報から、前記信号光の強度分布及び位相分布の計算を行うステップと
   を更に実行することを特徴とする請求項４又は５に記載の光複素振幅計測方法。

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