JP7487617B2 - Optical reflection measuring device - Google Patents

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Description

本発明は、測定対象の反射レベルを測定する光反射測定装置に関する。 The present invention relates to an optical reflection measurement device that measures the reflection level of a measurement object.

従来、光学機器内部の反射分布を検査する際には、光反射測定装置が用いられている(例えば、非特許文献1参照)。非特許文献1に記載の光反射測定装置では、光源から出力された光が光カプラで分岐され、測定対象を有する測定対象アームと、偏光調節器および可変遅延器を有する参照アームとに入力される。可変遅延器には、光の伝搬距離を、モーターなどによって予め定めた一定の速度で変化させることができるものが用いられる。それぞれのアームに入力された光は、反射して光カプラに戻り、O/E(Optical/Electronic)変換器で電気信号に変換される。変換された電気信号は、BPF(バンドパスフィルタ)、整流器およびLPF(ローパスフィルタ)を通過して表示器に入力され、LPFからの出力レベルが表示される。 Conventionally, when inspecting the reflection distribution inside an optical device, an optical reflection measuring device is used (see, for example, Non-Patent Document 1). In the optical reflection measuring device described in Non-Patent Document 1, the light output from a light source is split by an optical coupler and input to a measurement object arm having a measurement object and a reference arm having a polarization adjuster and a variable delay device. The variable delay device can change the propagation distance of light at a predetermined constant speed using a motor or the like. The light input to each arm is reflected and returned to the optical coupler, and is converted into an electrical signal by an O/E (Optical/Electronic) converter. The converted electrical signal passes through a BPF (band pass filter), a rectifier, and an LPF (low pass filter) and is input to a display, where the output level from the LPF is displayed.

このとき、O/E変換器に入力される測定対象アームにおける光と参照アームにおける光との往復伝搬時間が近くなると、それぞれのアームからの光が干渉し、光の強度が変化する。そして、それぞれのアームで反射した光の往復伝搬時間が等しくなる場合に、干渉による強度変化が最大となる。この強度変化は、可変遅延器の光源の波長と可変遅延器での遅延時間変化速度とで決まる周波数の正弦波状の強度変化となる。強度変化が最大となったときの振幅は、測定対象アーム内の反射レベルに対応するため、このときの振幅を測定することにより、測定対象の反射レベルを知ることができる。 At this time, when the round-trip propagation times of the light in the measurement arm and the light in the reference arm input to the O/E converter become close, the light from each arm interferes, causing a change in the intensity of the light. When the round-trip propagation times of the light reflected from each arm become equal, the intensity change due to interference is maximized. This intensity change becomes a sine wave-like intensity change with a frequency determined by the wavelength of the light source of the variable delay device and the rate of change of delay time in the variable delay device. The amplitude when the intensity change is maximized corresponds to the reflection level in the measurement arm, so by measuring the amplitude at this time, the reflection level of the measurement target can be determined.

F. Lindgren, R. Gianotti, R. Walti, R. P. Salathe, A. Haas, M. Nussberger, M. L. Schmatz, and W. Bachtold, “78-dB Shot-Noise Limited Optical Low-Coherence Reflectometry at 42-m/s Scan Speed”, IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 9, NO. 12, DECEMBER 1997F. Lindgren, R. Gianotti, R. Walti, R. P. Salathe, A. Haas, M. Nussberger, M. L. Schmatz, and W. Bachtold, “78-dB Shot-Noise Limited Optical Low-Coherence Reflectometry at 42-m/s Scan Speed”, IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 9, NO. 12, DECEMBER 1997

ところで、可変遅延器の遅延時間を予め定めた一定の速度で変化させなければ、正弦波状の強度変化の周波数がBPFを通過しなくなり、反射レベルを測定できなくなるため、可変遅延器を一定速度で走査することになる。しかしながら、非特許文献1に記載の光反射測定装置では、測定対象アームを伝搬した光と、参照アームを伝搬した光とにおける偏光状態が一致していない場合に、干渉による振幅が低下する。そのため、振幅が最大となるまで、参照アームに設けられた偏光調節器で偏光状態を変えながら可変遅延器の走査を繰り返す必要があり、測定に時間がかかるという課題があった。また、測定対象の反射レベルが可変遅延器の走査の繰り返し周期より早く変動する場合には、正確に測定を行うことが困難になるという課題があった。 However, if the delay time of the variable delayer is not changed at a predetermined constant speed, the frequency of the sinusoidal intensity change will not pass through the BPF and the reflection level will not be measured, so the variable delayer is scanned at a constant speed. However, in the optical reflection measurement device described in Non-Patent Document 1, if the polarization states of the light propagated through the arm to be measured and the light propagated through the reference arm do not match, the amplitude will decrease due to interference. Therefore, it is necessary to repeatedly scan the variable delayer while changing the polarization state with the polarization adjuster provided in the reference arm until the amplitude is maximized, which causes the problem of time-consuming measurement. In addition, if the reflection level of the object to be measured fluctuates faster than the repetition period of the scanning of the variable delayer, it becomes difficult to perform accurate measurement.

そこで、測定時間の長大化を抑制し、測定対象の反射レベルが変動する場合でも、反射レベルを正確に測定することができる光反射測定装置が望まれている。 Therefore, there is a need for an optical reflection measurement device that can prevent the measurement time from increasing and accurately measure the reflection level even when the reflection level of the object being measured fluctuates.

本発明に係る光反射測定装置は、測定対象の反射レベルを測定する光反射測定装置であって、前記測定対象が設けられ、前記測定対象に対する光が通過する測定対象光路と、前記測定対象に対する反射レベルを測定する際に参照される光が通過する参照光路と、前記測定対象光路内において前記測定対象で反射した反射光、および、前記参照光路内を通過した参照光が入力され、入力された前記反射光および前記参照光を、偏光状態が直交する2つの光に分離させる分離手段と、前記分離手段から出力された2つの光をそれぞれ電気信号に変換する変換手段と、2つの前記電気信号に対して、それぞれ独立して干渉の有無を検出するためのバンドパスフィルタを通過した電気信号を合成する合成手段と、通過する前記光の偏光方向を予め設定された角度だけ回転させる、前記参照光路上に設置されるファラデー回転子と、を備え、前記分離手段は、前記参照光を略等分して前記2つの光に含まれるように分離させるものである。 The optical reflection measurement device of the present invention is an optical reflection measurement device that measures the reflection level of a measurement object, and is equipped with a measurement object optical path in which the measurement object is provided and through which light for the measurement object passes, a reference optical path through which light to be referenced when measuring the reflection level of the measurement object passes, a separation means into which reflected light reflected by the measurement object in the measurement object optical path and reference light that has passed through the reference optical path are input, and which separates the input reflected light and reference light into two lights having orthogonal polarization states, a conversion means for converting each of the two lights output from the separation means into an electrical signal, a combination means for combining an electrical signal that has passed through a bandpass filter for independently detecting the presence or absence of interference with each of the two electrical signals, and a Faraday rotator installed on the reference optical path that rotates the polarization direction of the light passing through by a predetermined angle, and the separation means divides the reference light approximately equally into two parts so that they are included in the two lights .

本発明によれば、測定時間の長大化を抑制し、測定対象の反射レベルが変動する場合でも、反射レベルを正確に測定することができる。 The present invention makes it possible to prevent measurement time from increasing and to accurately measure the reflection level even when the reflection level of the object being measured fluctuates.

実施の形態1に係る光反射測定装置の構成の一例を示すブロック図である。1 is a block diagram showing an example of a configuration of an optical reflection measurement device according to a first embodiment; 従来の光反射測定装置の構成の一例を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing an example of the configuration of a conventional optical reflection measuring device. 実施の形態2に係る光反射測定装置の構成の一例を示すブロック図である。FIG. 11 is a block diagram showing an example of the configuration of an optical reflection measurement device according to a second embodiment.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、各図において、同一の符号を付したものは、同一のまたはこれに相当するものであり、これは明細書の全文において共通している。 The following describes an embodiment of the present invention with reference to the drawings. The present invention is not limited to the following embodiment, and various modifications are possible without departing from the spirit of the present invention. In addition, in each drawing, the same reference numerals are used to denote the same or equivalent parts, and this is common throughout the entire specification.

実施の形態1.
本実施の形態1に係る光反射測定装置について説明する。本実施の形態1に係る光反射測定装置は、光源から出力された光が測定対象で反射した際の、測定対象の反射レベルを測定するものである。
Embodiment 1.
A description will be given of an optical reflection measurement device according to the present embodiment 1. The optical reflection measurement device according to the present embodiment 1 measures a reflection level of a measurement object when light output from a light source is reflected by the measurement object.

[光反射測定装置1の構成]
図1は、本実施の形態1に係る光反射測定装置の構成の一例を示すブロック図である。図1に示すように、光反射測定装置1は、光源11、光カプラ12、可変遅延器13、ファラデー回転子14、ミラー15、偏光ビームスプリッタ16、O/E変換器17aおよび17b、バンドパスフィルタ(以下、「BPF」と適宜称する)18aおよび18b、整流器19aおよび19b、ローパスフィルタ(以下、「LPF」と適宜称する)20aおよび20b、加算器21、ならびに、表示器22を備えている。
[Configuration of optical reflection measuring device 1]
Fig. 1 is a block diagram showing an example of the configuration of an optical reflection measuring device according to the present embodiment 1. As shown in Fig. 1, the optical reflection measuring device 1 includes a light source 11, an optical coupler 12, a variable delay device 13, a Faraday rotator 14, a mirror 15, a polarizing beam splitter 16, O/E converters 17a and 17b, band pass filters (hereinafter, appropriately referred to as "BPF") 18a and 18b, rectifiers 19a and 19b, low pass filters (hereinafter, appropriately referred to as "LPF") 20a and 20b, an adder 21, and a display 22.

光源11は、予め設定された偏光状態の光を出力する。図1に示す例では、光源11は、X軸に平行な直線偏光を出力する。光源11としては、例えば、可干渉性が低い(低コヒーレンスな)光源が用いられる。より具体的には、光源11として、例えばSLD(Super Luminescent Diode)が用いられる。なお、光源11としては、この例に限られず、例えば、エルビウムドープファイバの自然放出光が用いられるなど、他の光源が用いられてもよい。 The light source 11 outputs light in a preset polarization state. In the example shown in FIG. 1, the light source 11 outputs linearly polarized light parallel to the X-axis. For example, a light source with low coherence is used as the light source 11. More specifically, for example, an SLD (Super Luminescent Diode) is used as the light source 11. Note that the light source 11 is not limited to this example, and other light sources may be used, such as the spontaneous emission light of an erbium-doped fiber.

光カプラ12は、複数の端子が設けられ、1つの端子に入力された光を2つに分岐して出力するとともに、複数の端子に入力された光を1つの端子から出力する。本実施の形態1において、光カプラ12には、それぞれの端子に光源11と、測定対象アームと、参照アームと、偏光ビームスプリッタ16とが接続されている。 The optical coupler 12 has multiple terminals, and splits light input to one terminal into two and outputs them, and also outputs light input to the multiple terminals from one terminal. In the first embodiment, the optical coupler 12 has the light source 11, the measurement arm, the reference arm, and the polarizing beam splitter 16 connected to each of its terminals.

光カプラ12は、光源11から入力される光を2つに分岐させ、一方の光を測定対象アーム側に出力し、他方の光を参照アーム側に出力する。また、光カプラ12は、測定対象アーム側から入力された光と、参照アーム側から入力された光とのそれぞれを、偏光ビームスプリッタ16に対して出力する。 The optical coupler 12 splits the light input from the light source 11 into two, outputting one light to the measurement target arm side and the other light to the reference arm side. The optical coupler 12 also outputs the light input from the measurement target arm side and the light input from the reference arm side to the polarizing beam splitter 16.

測定対象アームには、測定対象2が設けられている。測定対象アームは、入力された光が測定対象2に入力されるように構成された、測定対象2に対する光が通過する測定対象光路である。測定対象2に反射点が存在する場合、測定対象2に入力された光が反射点で反射し、反射光として光カプラ12に戻る。 The measurement object arm is provided with the measurement object 2. The measurement object arm is configured so that the input light is input to the measurement object 2, and is a measurement object optical path through which light for the measurement object 2 passes. If a reflection point exists on the measurement object 2, the light input to the measurement object 2 is reflected at the reflection point and returns to the optical coupler 12 as reflected light.

参照アームには、可変遅延器13、ファラデー回転子14およびミラー15が設けられている。参照アームは、測定対象2の反射レベルを測定する際に参照される光が通過する参照光路である。参照アームでは、入力された光が、可変遅延器13およびファラデー回転子14を通過した後にミラー15で反射し、ファラデー回転子14および可変遅延器13を通過して、参照光として光カプラ12に戻る。 The reference arm is provided with a variable delayer 13, a Faraday rotator 14, and a mirror 15. The reference arm is a reference optical path through which light passes that is referenced when measuring the reflection level of the measurement target 2. In the reference arm, the input light passes through the variable delayer 13 and the Faraday rotator 14, is reflected by the mirror 15, passes through the Faraday rotator 14 and the variable delayer 13, and returns to the optical coupler 12 as reference light.

可変遅延器13は、入力された光を予め設定された遅延時間だけ遅延させて出力する。ファラデー回転子14は、入力された光の偏光方向を予め設定された角度だけ回転させて出力する。本実施の形態1において、ファラデー回転子14は、偏光面が光の往復によって90°程度回転するように設定される。ミラー15は、入力された光を反射させて出力する。 The variable delayer 13 delays the input light by a preset delay time and outputs it. The Faraday rotator 14 rotates the polarization direction of the input light by a preset angle and outputs it. In the first embodiment, the Faraday rotator 14 is set so that the polarization plane rotates about 90° as the light travels back and forth. The mirror 15 reflects the input light and outputs it.

偏光ビームスプリッタ16は、入力された光を偏光状態が直交する2つの成分に分離して出力する分離手段である。本実施の形態1において、偏光ビームスプリッタ16は、光カプラ12から光が入力される。偏光ビームスプリッタ16では、光カプラ12から入力された光が2つの成分に分離された際に、出力が一方に偏ることがないように、取り付け角度が設定される。 The polarizing beam splitter 16 is a separation means that separates the input light into two components whose polarization states are orthogonal to each other and outputs the two components. In the present embodiment 1, the polarizing beam splitter 16 receives light from the optical coupler 12. The mounting angle of the polarizing beam splitter 16 is set so that when the light input from the optical coupler 12 is separated into two components, the output is not biased to one side.

例えば、光源11から出力される光がX軸に平行な直線偏光である場合、参照アームを往復して光カプラ12から偏光ビームスプリッタ16に向かう光は、Y軸に平行な直線偏光となる。この場合、偏光ビームスプリッタ16の取り付け角度は、X軸とY軸との中間の45°近傍に設定される。 For example, if the light output from the light source 11 is linearly polarized parallel to the X-axis, the light traveling back and forth through the reference arm from the optical coupler 12 to the polarizing beam splitter 16 will be linearly polarized parallel to the Y-axis. In this case, the mounting angle of the polarizing beam splitter 16 is set to approximately 45°, halfway between the X-axis and the Y-axis.

また、偏波保持ファイバを用いた光カプラ12と、偏波保持ファイバの遅軸および速軸を分離するように作られた偏光ビームスプリッタ16とを用いる場合は、光カプラ12の出力の遅軸または速軸と、偏光ビームスプリッタ16の入力の遅軸または速軸とのなす角度が45°近傍になるように、光カプラ12と偏光ビームスプリッタ16とを接続する。 When using an optical coupler 12 using polarization-maintaining fiber and a polarizing beam splitter 16 designed to separate the slow and fast axes of the polarization-maintaining fiber, the optical coupler 12 and the polarizing beam splitter 16 are connected so that the angle between the slow or fast axis of the output of the optical coupler 12 and the slow or fast axis of the input of the polarizing beam splitter 16 is close to 45°.

O/E変換器17aおよび17bは、入力された光である光信号を電気信号に変換して出力する変換手段である。BPF18aおよび18bは、入力された電気信号から予め設定された周波数成分を抽出して出力する。整流器19aおよび19bは、入力された電気信号を整流する。LPF20aおよび20bは、入力された電気信号からノイズ等の不要な高周波成分(遮断周波数よりも高い周波数成分)を除去して出力する。 The O/E converters 17a and 17b are conversion means that convert the input optical signal into an electrical signal and output it. The BPFs 18a and 18b extract and output a preset frequency component from the input electrical signal. The rectifiers 19a and 19b rectify the input electrical signal. The LPFs 20a and 20b remove unnecessary high-frequency components (frequency components higher than the cutoff frequency) such as noise from the input electrical signal and output it.

加算器21は、入力された複数の電気信号を加算して出力する合成手段である。本実施の形態1において、加算器21は、LPF20aおよび20bから出力された2つの電気信号を加算して出力する。 The adder 21 is a synthesis means that adds and outputs a plurality of input electrical signals. In the present embodiment 1, the adder 21 adds and outputs the two electrical signals output from the LPFs 20a and 20b.

表示器22は、入力された信号の出力レベルを反射レベルとして表示する。また、表示器22は、可変遅延器13が接続され、可変遅延器13で設定された遅延時間を表示する。 The display 22 displays the output level of the input signal as a reflection level. The display 22 is also connected to the variable delay device 13 and displays the delay time set by the variable delay device 13.

[光反射測定装置1の動作]
本実施の形態1に係る光反射測定装置1の動作について説明する。ここではまず、本実施の形態1に係る光反射測定装置1の動作の理解を容易とするため、従来の光反射測定装置の構成および動作について説明する。
[Operation of the optical reflection measuring device 1]
The operation of the optical reflection measurement device 1 according to the present embodiment 1 will be described. First, in order to facilitate understanding of the operation of the optical reflection measurement device 1 according to the present embodiment 1, the configuration and operation of a conventional optical reflection measurement device will be described.

(従来の光反射測定装置100の構成)
図2は、従来の光反射測定装置の構成の一例を示すブロック図である。なお、図1に示す光反射測定装置1と共通する箇所については、同一の符号を付し、説明を省略する。図2に示すように、光反射測定装置100は、光源11、光カプラ12、偏光調節器101、可変遅延器13、ミラー15、O/E変換器17、BPF18、整流器19、LPF20および表示器22を備えている。
(Configuration of a conventional optical reflection measuring device 100)
Fig. 2 is a block diagram showing an example of the configuration of a conventional optical reflection measuring device. The same reference numerals are used for the parts common to the optical reflection measuring device 1 shown in Fig. 1, and the description thereof will be omitted. As shown in Fig. 2, the optical reflection measuring device 100 includes a light source 11, an optical coupler 12, a polarization adjuster 101, a variable delay device 13, a mirror 15, an O/E converter 17, a BPF 18, a rectifier 19, an LPF 20, and a display 22.

図2の光カプラ12には、それぞれの端子に光源11と、測定対象アームと、参照アームと、O/E変換器17とが接続されている。光カプラ12は、光源11から入力される光を2つに分岐させ、一方の光を測定対象2が設けられた測定対象アーム側に出力し、他方の光を参照アーム側に出力する。また、光カプラ12は、測定対象アーム側から入力された光と、参照アーム側から入力された光とのそれぞれを、O/E変換器17に対して出力する。 The optical coupler 12 in Figure 2 has a light source 11, a measurement object arm, a reference arm, and an O/E converter 17 connected to its respective terminals. The optical coupler 12 splits the light input from the light source 11 into two, outputting one light to the measurement object arm in which the measurement object 2 is provided, and outputting the other light to the reference arm. The optical coupler 12 also outputs the light input from the measurement object arm side and the light input from the reference arm side to the O/E converter 17.

参照アーム側には、偏光調節器101、可変遅延器13およびミラー15が設けられている。参照アームでは、入力された光が、偏光調節器101および可変遅延器13を通過した後にミラー15で反射し、可変遅延器13および偏光調節器101を通過して戻るように構成されている。偏光調節器101は、入力された光の偏光状態を調節する。 The reference arm is provided with a polarization adjuster 101, a variable delayer 13, and a mirror 15. The reference arm is configured so that input light passes through the polarization adjuster 101 and the variable delayer 13, is reflected by the mirror 15, and passes through the variable delayer 13 and the polarization adjuster 101 before returning. The polarization adjuster 101 adjusts the polarization state of the input light.

(従来の光反射測定装置100の動作)
従来の光反射測定装置100の動作について、図2を参照して説明する。光源11から出力された光は、光カプラ12に入力される。光カプラ12に入力された光は、2つの光に分岐し、一方の光が、測定対象2が設けられた測定対象アームに入力され、他方の光が、測定対象2が設けられていない参照アームに入力される。
(Operation of the conventional optical reflection measuring device 100)
The operation of the conventional optical reflection measurement device 100 will be described with reference to Fig. 2. Light output from a light source 11 is input to an optical coupler 12. The light input to the optical coupler 12 is split into two beams, one of which is input to a measurement object arm in which a measurement object 2 is provided, and the other is input to a reference arm in which a measurement object 2 is not provided.

測定対象アームに入力された光は、測定対象2の反射点で反射して光カプラ12に戻る。一方、参照アームに入力された光は、ミラー15で反射して光カプラ12に戻る。このとき、光カプラ12から出力された光は、参照アームを往復する際に、偏光調節器101によって偏光状態が調節されるとともに、可変遅延器13によって予め設定された遅延時間だけ遅延した状態で、光カプラ12に戻る。 The light input to the measurement object arm is reflected at the reflection point of the measurement object 2 and returns to the optical coupler 12. On the other hand, the light input to the reference arm is reflected by the mirror 15 and returns to the optical coupler 12. At this time, the light output from the optical coupler 12 has its polarization state adjusted by the polarization adjuster 101 as it travels back and forth through the reference arm, and returns to the optical coupler 12 with a delay of a preset delay time by the variable delay device 13.

光カプラ12に戻った光は、O/E変換器17に入力され、光信号から電気信号に変換されて出力される。O/E変換器17から出力された電気信号は、BPF18、整流器19およびLPF20を通過して表示器22に入力される。そして、表示器22には、可変遅延器13で設定された遅延時間に応じた出力レベルが表示される。 The light that returns to the optical coupler 12 is input to the O/E converter 17, which converts the optical signal into an electrical signal and outputs it. The electrical signal output from the O/E converter 17 passes through the BPF 18, rectifier 19, and LPF 20 and is input to the display 22. The display 22 then displays the output level according to the delay time set by the variable delay device 13.

ここで、測定対象アームにおける光の往復伝搬時間と、参照アームにおける往復伝搬時間とが近づくと、それぞれのアームからの光が干渉して強度が変化する。そして、それぞれのアームからの光の往復伝搬時間が等しくなった場合に、干渉による強度変化が最大となる。 When the round-trip propagation time of the light in the measurement arm and the round-trip propagation time in the reference arm become close, the light from each arm interferes with each other, causing a change in intensity. When the round-trip propagation times of the light from each arm become equal, the change in intensity due to interference is maximized.

(従来の課題)
ところで、測定対象アームを伝搬した光と、参照アームを伝搬した光との偏光状態が一致していない場合には、干渉による振幅が低下してしまう。そのため、測定対象2による光の出力レベルを測定する場合には、振幅が最大となるように偏光調節器101で偏光状態を調節しながら測定を繰り返す必要がある。したがって、従来の光反射測定装置100では、振幅の測定に時間がかかってしまう。また、測定対象2の反射レベルが変動する場合には、振幅を正確に測定することが困難となる。
(Conventional Issues)
However, if the polarization states of the light propagated through the measurement target arm and the light propagated through the reference arm do not match, the amplitude will decrease due to interference. Therefore, when measuring the output level of light from the measurement target 2, it is necessary to repeat the measurement while adjusting the polarization state with the polarization adjuster 101 so that the amplitude is maximized. Therefore, in the conventional optical reflection measurement device 100, it takes a long time to measure the amplitude. Also, if the reflection level of the measurement target 2 fluctuates, it becomes difficult to measure the amplitude accurately.

そこで、本実施の形態1に係る光反射測定装置1では、参照アームを伝搬する光の偏光状態を調節することなく、測定対象2の反射レベルを簡単かつ正確に測定できるようにする。 Therefore, the optical reflection measurement device 1 according to the first embodiment makes it possible to easily and accurately measure the reflection level of the measurement object 2 without adjusting the polarization state of the light propagating through the reference arm.

(光反射測定装置1の動作)
次に、本実施の形態1に係る光反射測定装置1の動作について、図1を参照して説明する。光源11から出力された光は、光カプラ12に入力される。光カプラ12に入力された光は、2つの光に分岐し、一方の光が、測定対象2が設けられた測定対象アームに入力され、他方の光が、測定対象2が設けられていない参照アームに入力される。
(Operation of the optical reflection measuring device 1)
Next, the operation of the optical reflection measurement device 1 according to the first embodiment will be described with reference to Fig. 1. Light output from a light source 11 is input to an optical coupler 12. The light input to the optical coupler 12 is branched into two beams, one of which is input to a measurement object arm in which a measurement object 2 is provided, and the other beam is input to a reference arm in which a measurement object 2 is not provided.

測定対象アームに入力された光は、測定対象2の反射点で反射して光カプラ12に戻る。一方、参照アームに入力された光は、ミラー15で反射して光カプラ12に戻る。このとき、光カプラ12から出力された光は、参照アームを往復する際に、可変遅延器13によって予め設定された遅延時間だけ遅延した状態とされるとともに、ファラデー回転子14によって偏光状態が90°回転した状態で、光カプラ12に戻る。 The light input to the measurement object arm is reflected at the reflection point of the measurement object 2 and returns to the optical coupler 12. On the other hand, the light input to the reference arm is reflected by the mirror 15 and returns to the optical coupler 12. At this time, the light output from the optical coupler 12 is delayed by a preset delay time by the variable delayer 13 as it travels back and forth through the reference arm, and returns to the optical coupler 12 with its polarization state rotated by 90° by the Faraday rotator 14.

光カプラ12に戻った光は、偏光ビームスプリッタ16で直交する2つの成分に分離され、一方の光がO/E変換器17aに入力され、他方の光がO/E変換器17bに入力される。O/E変換器17aおよび17bに入力されたそれぞれの光は、光信号から電気信号に変換されて出力される。 The light returning to the optical coupler 12 is split into two orthogonal components by the polarizing beam splitter 16, one of which is input to the O/E converter 17a and the other to the O/E converter 17b. The light input to the O/E converters 17a and 17b is converted from an optical signal to an electrical signal and output.

O/E変換器17aから出力された電気信号は、BPF18a、整流器19aおよびLPF20aを通過して加算器21に入力される。また、O/E変換器17bから出力された電気信号は、BPF18b、整流器19bおよびLPF20bを通過して加算器21に入力される。 The electrical signal output from the O/E converter 17a passes through the BPF 18a, rectifier 19a, and LPF 20a before being input to the adder 21. The electrical signal output from the O/E converter 17b passes through the BPF 18b, rectifier 19b, and LPF 20b before being input to the adder 21.

加算器21に入力された2つの電気信号は加算され、表示器22に入力される。そして、表示器22には、可変遅延器13で設定された遅延時間に応じた出力レベルが表示される。 The two electrical signals input to the adder 21 are added together and input to the display 22. The display 22 then displays an output level according to the delay time set by the variable delay device 13.

ここで、参照アームを伝搬する光は、ファラデー回転子14で偏光状態が90°回転する。すなわち、光カプラ12からミラー15までX軸を伝搬した光の成分は、ミラー15から光カプラ12までY軸を戻る。また、光カプラ12からミラー15までY軸を伝搬した光の成分は、ミラー15から光カプラ12までX軸を戻る。 Here, the polarization state of the light propagating through the reference arm is rotated 90° by the Faraday rotator 14. That is, the component of the light that propagates along the X axis from the optical coupler 12 to the mirror 15 returns along the Y axis from the mirror 15 to the optical coupler 12. Also, the component of the light that propagates along the Y axis from the optical coupler 12 to the mirror 15 returns along the X axis from the mirror 15 to the optical coupler 12.

このときの光の偏光状態は、X軸を伝搬した成分とY軸を伝搬した成分との振幅および位相の違いで変化するが、ファラデー回転子14によって90°回転する。そのため、光カプラ12に戻った光は、伝搬途中の偏光状態の変化が補償され、偏光ビームスプリッタ16に入力する光の偏光状態は安定する。偏光ビームスプリッタ16に入力された光は、直交する2成分に分離されるが、本実施の形態1では、参照アームを経由した光が一方の出力だけに偏ることのないように、偏光ビームスプリッタ16が取り付けられている。そのため、偏光ビームスプリッタ16から出力される2つの光は、同等のレベルで出力される。 The polarization state of the light at this time changes depending on the difference in amplitude and phase between the component propagated along the X axis and the component propagated along the Y axis, but is rotated by 90° by the Faraday rotator 14. Therefore, the change in the polarization state of the light returning to the optical coupler 12 during propagation is compensated for, and the polarization state of the light input to the polarizing beam splitter 16 is stabilized. The light input to the polarizing beam splitter 16 is separated into two orthogonal components, but in this embodiment 1, the polarizing beam splitter 16 is installed so that the light that has passed through the reference arm is not biased to only one output. Therefore, the two lights output from the polarizing beam splitter 16 are output at the same level.

また、測定対象2の反射点で反射して偏光ビームスプリッタ16に入力した光は、偏光ビームスプリッタ16で直交する2成分に分離され、それぞれが参照アームを伝搬した光と干渉する。測定対象2の反射点で反射し、偏光ビームスプリッタ16に入力した光の偏光状態は、反射点の特性および伝搬途中の複屈折性などの影響を受けるため、一定にはならない。 In addition, the light reflected at the reflection point of the measurement object 2 and input to the polarizing beam splitter 16 is separated by the polarizing beam splitter 16 into two orthogonal components, each of which interferes with the light that has propagated through the reference arm. The polarization state of the light reflected at the reflection point of the measurement object 2 and input to the polarizing beam splitter 16 is not constant because it is affected by the characteristics of the reflection point and the birefringence during propagation.

しかしながら、本実施の形態1では、偏光ビームスプリッタ16で直交する2成分に分離された、測定対象アームを伝搬した光のそれぞれが参照アームを伝搬した光と干渉する。そして、偏光ビームスプリッタ16で干渉して得られたそれぞれの光に対応する電気信号が加算器21で加算され、測定対象2での反射強度に応じた出力レベルが表示器22に表示される。 However, in this embodiment 1, the light propagating through the measurement arm, which is separated into two orthogonal components by the polarizing beam splitter 16, interferes with the light propagating through the reference arm. Then, the electrical signals corresponding to the respective lights obtained by interference at the polarizing beam splitter 16 are added by the adder 21, and the output level according to the reflection intensity at the measurement object 2 is displayed on the display 22.

これにより、従来のように、偏光調節器を調節しながら可変遅延器を走査させる測定を繰り返す必要がないため、測定対象2から反射した光の偏光状態によらず、安定した出力レベルの測定を行うことができる。 This eliminates the need to repeat measurements in which the variable delay device is scanned while adjusting the polarization adjuster, as was done in the past, making it possible to measure a stable output level regardless of the polarization state of the light reflected from the measurement target 2.

なお、図1に示す例では、光源11からX軸に平行な直線偏光の光が出力される場合について説明したが、これに限られず、円偏光の光が出力される光源が用いられてもよい。円偏光の光が出力される光源が用いられる場合、参照アームを往復して偏光ビームスプリッタ16に入力する光も円偏光となるため、偏光ビームスプリッタ16では、取り付け角度に関係なく2つの出力が等分される。したがって、円偏光の光が出力される光源11が用いられる場合には、偏光ビームスプリッタ16の取り付け角度を調節する必要がない。 In the example shown in FIG. 1, a case has been described in which light source 11 outputs linearly polarized light parallel to the X-axis, but this is not limiting, and a light source that outputs circularly polarized light may also be used. When a light source that outputs circularly polarized light is used, the light that travels back and forth through the reference arm and enters polarized beam splitter 16 is also circularly polarized, so that polarized beam splitter 16 divides the two outputs equally regardless of the mounting angle. Therefore, when a light source 11 that outputs circularly polarized light is used, there is no need to adjust the mounting angle of polarized beam splitter 16.

また、光源11から光カプラ12の間と、光カプラ12から偏光ビームスプリッタ16の間とで偏光状態が変化すると、偏光ビームスプリッタ16の適切な取り付け角が変化する。そのため、光ファイバを用いる場合には、偏光状態が変化しないように固定する、あるいは、偏波保持ファイバを用いる必要がある。 In addition, if the polarization state changes between the light source 11 and the optical coupler 12 and between the optical coupler 12 and the polarizing beam splitter 16, the appropriate mounting angle of the polarizing beam splitter 16 changes. Therefore, when using optical fiber, it is necessary to fix the polarization state so that it does not change, or to use a polarization-maintaining fiber.

以上のように、本実施の形態1に係る光反射測定装置1では、測定対象アーム側の反射光と、参照アーム側の参照光とを、偏光状態が直交する2つの光に分離し、分離された2つの光を電気信号に変換した後に合成して反射レベルとして表示する。これにより、分離された2つの反射光のそれぞれが、偏光状態が安定した参照光と干渉し、それぞれが電気信号に変換されて合成される。そのため、測定時間の長大化を抑制し、測定対象2の反射レベルが変動する場合でも、反射レベルを正確に測定することができる。 As described above, in the optical reflection measurement device 1 according to the first embodiment, the reflected light on the measurement target arm side and the reference light on the reference arm side are separated into two lights with orthogonal polarization states, and the two separated lights are converted into electrical signals, which are then combined and displayed as a reflection level. As a result, each of the two separated reflected lights interferes with the reference light with a stable polarization state, and each is converted into an electrical signal and combined. This prevents the measurement time from becoming too long, and allows the reflection level to be accurately measured even when the reflection level of the measurement target 2 fluctuates.

実施の形態2.
次に、本実施の形態2について説明する。従来の光反射測定装置では、可変遅延器の遅延時間を一定速度で変化させた場合に、変化速度と、光源からの出力光の波長で決定される周波数とで、干渉光の強度が変化する。したがって、表示器に可変遅延器の遅延時間とLPFからの出力レベルとを表示させることにより、測定対象内の反射分布を測定することができる。
Embodiment 2.
Next, a second embodiment will be described. In a conventional optical reflection measuring device, when the delay time of a variable delay device is changed at a constant speed, the intensity of the interference light changes depending on the change speed and the frequency determined by the wavelength of the output light from the light source. Therefore, by displaying the delay time of the variable delay device and the output level from the LPF on a display, the reflection distribution within the measurement target can be measured.

ここで、従来の光反射測定装置では、一定速度で遅延時間を変化させなければ反射レベルを測定できないため、測定対象の反射レベルが変化する場合には、可変遅延器を繰り返し走査する必要がある。しかしながら、この繰り返し周期よりも短い時間で反射レベルが変化する場合には、正しく測定できなくなる。そこで、本実施の形態2では、一定速度で遅延時間を変化させることなく、測定対象の反射レベルを測定できるようにする。 Here, in conventional optical reflection measurement devices, the reflection level cannot be measured unless the delay time is changed at a constant speed, so if the reflection level of the object being measured changes, it is necessary to repeatedly scan the variable delay device. However, if the reflection level changes in a time shorter than this repetition period, it becomes impossible to measure correctly. Therefore, in this second embodiment, it becomes possible to measure the reflection level of the object being measured without changing the delay time at a constant speed.

[光反射測定装置50の構成]
図3は、本実施の形態2に係る光反射測定装置の構成の一例を示すブロック図である。図3に示すように、光反射測定装置50は、光源11、ハーフミラー51、可変遅延器13、位相変調器52、ファラデー回転子14、ミラー15、偏光ビームスプリッタ16、O/E変換器17aおよび17b、乗算処理部60aおよび60b、演算器53、表示器22および出力端54を備えている。なお、本実施の形態2において、実施の形態1と共通する部分には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
[Configuration of the optical reflection measuring device 50]
Fig. 3 is a block diagram showing an example of the configuration of an optical reflection measurement device according to the second embodiment. As shown in Fig. 3, an optical reflection measurement device 50 includes a light source 11, a half mirror 51, a variable delay device 13, a phase modulator 52, a Faraday rotator 14, a mirror 15, a polarizing beam splitter 16, O/E converters 17a and 17b, multiplication processing units 60a and 60b, a calculator 53, a display 22, and an output terminal 54. In the second embodiment, the same reference numerals are used for the parts common to the first embodiment, and detailed explanations are omitted.

ハーフミラー51は、光源11から入力される光の一部を反射させて測定対象アーム側に出力するとともに、残りを透過させて参照アーム側に出力する。また、ハーフミラー51は、参照アーム側から入力された光を反射させるとともに、測定対象アーム側から入力された光を透過させ、それぞれの光を偏光ビームスプリッタ16に対して出力する。 The half mirror 51 reflects a portion of the light input from the light source 11 and outputs it to the arm to be measured, while transmitting the remainder and outputting it to the reference arm. The half mirror 51 also reflects the light input from the reference arm and transmits the light input from the arm to be measured, outputting each of the lights to the polarizing beam splitter 16.

本実施の形態2において、参照アームには、可変遅延器13、位相変調器52、ファラデー回転子14およびミラー15が設けられている。参照アームでは、入力された光が可変遅延器13、位相変調器52およびファラデー回転子14を通過した後にミラー15で反射し、ファラデー回転子14、位相変調器52および可変遅延器13を通過して戻るように構成されている。 In the second embodiment, the reference arm is provided with a variable delayer 13, a phase modulator 52, a Faraday rotator 14, and a mirror 15. The reference arm is configured such that the input light passes through the variable delayer 13, the phase modulator 52, and the Faraday rotator 14, is reflected by the mirror 15, and passes through the Faraday rotator 14, the phase modulator 52, and the variable delayer 13, before returning.

位相変調器52は、変調信号発生器71が接続され、入力された光を変調信号発生器71から出力される変調信号で位相変調して出力する。本実施の形態2における変調信号は、角周波数をωとした場合に「Vcosωt」で表され、位相変調器52は、参照アームを往復した光を、角周波数ωであり、位相変調度Cの余弦波で周期的に変調する。 The phase modulator 52 is connected to a modulation signal generator 71, and outputs the input light by phase-modulating the light with the modulation signal output from the modulation signal generator 71. The modulation signal in the second embodiment is expressed as "V M cos ω M t" when the angular frequency is ω M , and the phase modulator 52 periodically modulates the light that has traveled back and forth through the reference arm with a cosine wave of angular frequency ω M and phase modulation depth C.

位相変調器52は、位相変調度Cが「2.4」、「5.5」または「8.7」などの1種0次のベッセル関数が0になる数に近い値となるように、形状および入力振幅Vが調整される。以下の説明では、位相変調度Cが「5.5」となるように、位相変調器52が調整される場合について説明するものとする。 The shape and input amplitude V M of the phase modulator 52 are adjusted so that the phase modulation degree C is close to a number at which a first-kind zero-order Bessel function becomes 0, such as "2.4", "5.5", or "8.7". In the following description, a case will be described in which the phase modulator 52 is adjusted so that the phase modulation degree C becomes "5.5".

O/E変換器17aは、入力された光である光信号を電気信号Iに変換して出力する。また、O/E変換器17bは、入力された光である光信号を電気信号Iに変換して出力する。 The O/E converter 17a converts the input optical signal into an electrical signal Ia and outputs it, while the O/E converter 17b converts the input optical signal into an electrical signal Ib and outputs it.

乗算処理部60aおよび60bは、第1参照信号を出力する第1参照信号発生器72と、第2参照信号を出力する第2参照信号発生器73とが接続されている。第1参照信号は、角周波数5ωの余弦波であり、「-(1/J(5.5))cos5ωt」で表される。第2参照信号は、角周波数4ωの余弦波であり、「(1/J(5.5))cos4ωt」で表される。 The multiplication processing units 60a and 60b are connected to a first reference signal generator 72 that outputs a first reference signal and a second reference signal generator 73 that outputs a second reference signal. The first reference signal is a cosine wave with an angular frequency of 5ωM and is expressed as "-(1/ J5 (5.5)) cos5ωMt ". The second reference signal is a cosine wave with an angular frequency of 4ωM and is expressed as "(1/ J4 (5.5)) cos4ωMt ".

乗算処理部60aは、乗算器61a5および61a4と、LPF62a5、62a4および62a0とを有している。乗算処理部60aは、乗算器61a5で電気信号Iと第1参照信号とを乗算し、LPF62a5を通過させて出力値Xasを出力する。また、乗算処理部60aは、乗算器61a4で電気信号Iと第2参照信号とを乗算し、LPF62a4を通過させて出力値Xacを出力する。さらに、乗算処理部60aは、電気信号IをLPF62a4に通過させて出力値Xa0を出力する。 The multiplication processing unit 60a has multipliers 61a5 and 61a4, and LPFs 62a5, 62a4, and 62a0. The multiplication processing unit 60a multiplies the electrical signal Ia by a first reference signal in the multiplier 61a5, passes the result through the LPF 62a5, and outputs an output value Xas . The multiplication processing unit 60a also multiplies the electrical signal Ia by a second reference signal in the multiplier 61a4, passes the result through the LPF 62a4, and outputs an output value Xac . The multiplication processing unit 60a also passes the electrical signal Ia through the LPF 62a4, and outputs an output value Xa0 .

乗算処理部60bは、乗算器61b5および61b4と、LPF62b5、62b4および62b0とを有している。乗算処理部60bは、乗算器61b5で電気信号Iと第1参照信号とを乗算し、LPF62b5を通過させて出力値Xbsを出力する。また、乗算処理部60bは、乗算器61b4で電気信号Iと第2参照信号とを乗算し、LPF62b4を通過させて出力値Xbcを出力する。さらに、乗算処理部60bは、電気信号IをLPF62b4に通過させて出力値Xb0を出力する。 The multiplication processing unit 60b has multipliers 61b5 and 61b4, and LPFs 62b5, 62b4, and 62b0. The multiplication processing unit 60b multiplies the electrical signal Ib by the first reference signal in the multiplier 61b5, passes the result through the LPF 62b5, and outputs an output value Xbs . The multiplication processing unit 60b also multiplies the electrical signal Ib by the second reference signal in the multiplier 61b4, passes the result through the LPF 62b4, and outputs an output value Xbc . The multiplication processing unit 60b also passes the electrical signal Ib through the LPF 62b4, and outputs an output value Xb0 .

なお、このときのLPF62a5、62a4、62a0、62b5、62b4および62b0のそれぞれの遮断周波数は、「ω/2」以下とする。 In this case, the cutoff frequency of each of the LPFs 62a5, 62a4, 62a0, 62b5, 62b4 and 62b0 is set to be equal to or lower than "ω M /2".

演算器53は、乗算処理部60aおよび60bから入力された6つの出力値Xas、Xac、Xa0、Xbs、XbcおよびXb0に基づき、光の反射レベルを出力する合成手段である。演算器53の具体的な演算については、後述する。演算器53から出力された反射レベルは、表示器22および出力端54に入力される。 The calculator 53 is a synthesis means that outputs the reflection level of light based on the six output values Xas , Xac , Xa0 , Xbs , Xbc , and Xb0 input from the multiplication processing units 60a and 60b. The specific calculation of the calculator 53 will be described later. The reflection level output from the calculator 53 is input to the display unit 22 and the output terminal 54.

表示器22は、演算器53で演算された光の反射レベルを表示する。実施の形態1と同様に反射分布を測定する場合、表示器22は、可変遅延器13で設定された遅延時間に対応した測定対象2内の位置と、演算器53から入力された反射レベルとに基づき、反射分布を表示する。また、特定の位置での反射レベルの時間変化を連続して観測する場合は、可変遅延器13の遅延時間を測定したい位置に対応した値に合わせ、演算器53の出力を観測できるようにするとよい。 The display 22 displays the reflection level of light calculated by the calculator 53. When measuring the reflection distribution as in the first embodiment, the display 22 displays the reflection distribution based on the position in the measurement target 2 corresponding to the delay time set by the variable delay device 13 and the reflection level input from the calculator 53. When continuously observing the change in the reflection level over time at a specific position, it is advisable to adjust the delay time of the variable delay device 13 to a value corresponding to the position to be measured so that the output of the calculator 53 can be observed.

[光反射測定装置50の動作]
次に、本実施の形態2に係る光反射測定装置50の動作について、図3を参照して説明する。光源11から出力された光は、ハーフミラー51に入力される。ハーフミラー51に入力された光は、反射および透過し、反射した光が、測定対象2が設けられた測定対象アームに入力され、透過した光が、測定対象2が設けられていない参照アームに入力される。
[Operation of the optical reflection measuring device 50]
Next, the operation of the optical reflection measurement device 50 according to the second embodiment will be described with reference to Fig. 3. The light output from the light source 11 is input to the half mirror 51. The light input to the half mirror 51 is reflected and transmitted, and the reflected light is input to the measurement object arm in which the measurement object 2 is provided, and the transmitted light is input to the reference arm in which the measurement object 2 is not provided.

測定対象アームに入力された光は、測定対象2の反射点で反射してハーフミラー51に戻る。一方、参照アームに入力された光は、ミラー15で反射してハーフミラー51に戻る。このとき、ハーフミラー51を透過した光は、参照アームを往復する際に、可変遅延器13によって予め設定された遅延時間だけ遅延した状態とされ、位相変調器52によって位相変調されるとともに、ファラデー回転子14によって偏光状態が90°回転した状態で、ハーフミラー51に戻る。 The light input to the measurement object arm is reflected at the reflection point of the measurement object 2 and returns to the half mirror 51. On the other hand, the light input to the reference arm is reflected by the mirror 15 and returns to the half mirror 51. At this time, the light that passes through the half mirror 51 is delayed by a preset delay time by the variable delay device 13 as it travels back and forth through the reference arm, is phase modulated by the phase modulator 52, and returns to the half mirror 51 with its polarization state rotated by 90° by the Faraday rotator 14.

ハーフミラー51に戻った光は、偏光ビームスプリッタ16で直交する2つの成分に分離される。偏光ビームスプリッタ16で分離された2つの光のうち、一方の光がO/E変換器17aに入力され、他方の光がO/E変換器17bに入力される。 The light returning to the half mirror 51 is split into two orthogonal components by the polarizing beam splitter 16. One of the two beams split by the polarizing beam splitter 16 is input to the O/E converter 17a, and the other is input to the O/E converter 17b.

ここで、参照アームを伝搬する光は、ファラデー回転子14で偏光状態が90°回転する。すなわち、ハーフミラー51からミラー15までX軸を伝搬した光の成分は、ミラー15からハーフミラー51までY軸を戻る。また、ハーフミラー51からミラー15までY軸を伝搬した光の成分は、ミラー15からハーフミラー51までX軸を戻る。 Here, the polarization state of the light propagating through the reference arm is rotated 90° by the Faraday rotator 14. That is, the light component that propagates along the X axis from the half mirror 51 to the mirror 15 returns along the Y axis from the mirror 15 to the half mirror 51. Also, the light component that propagates along the Y axis from the half mirror 51 to the mirror 15 returns along the X axis from the mirror 15 to the half mirror 51.

このときの光の偏光状態は、X軸を伝搬した成分とY軸を伝搬した成分との振幅および位相の違いで変化するが、ファラデー回転子14によって90°回転する。そのため、ハーフミラー51に戻った光は、伝搬途中の偏光状態の変化が補償され、偏光ビームスプリッタ16に入力する光の偏光状態は安定する。偏光ビームスプリッタ16に入力された光は、直交する2成分に分離されるが、本実施の形態2では、実施の形態1と同様に、参照アームを経由した光が一方の出力だけに偏ることのないように、偏光ビームスプリッタ16が取り付けられている。そのため、偏光ビームスプリッタ16から出力される2つの光は、同等のレベルで出力される。 The polarization state of the light at this time changes depending on the difference in amplitude and phase between the component propagated along the X axis and the component propagated along the Y axis, but is rotated by 90° by the Faraday rotator 14. Therefore, the change in the polarization state of the light returning to the half mirror 51 during propagation is compensated for, and the polarization state of the light input to the polarizing beam splitter 16 is stabilized. The light input to the polarizing beam splitter 16 is separated into two orthogonal components, but in this embodiment 2, as in the first embodiment, the polarizing beam splitter 16 is installed so that the light that has passed through the reference arm is not biased to only one output. Therefore, the two lights output from the polarizing beam splitter 16 are output at the same level.

また、測定対象2の反射点で反射して偏光ビームスプリッタ16に入力した光は、偏光ビームスプリッタ16で直交する2成分に分離され、それぞれが参照アームを伝搬した光と干渉する。そして、干渉した光がO/E変換器17aおよび17bに入力される。 The light reflected at the reflection point of the measurement target 2 and input to the polarizing beam splitter 16 is split into two orthogonal components by the polarizing beam splitter 16, and each interferes with the light that has propagated through the reference arm. The interfered light is then input to the O/E converters 17a and 17b.

O/E変換器17aに入力された光は、光信号から電気信号Iに変換されて出力される。また、O/E変換器17bに入力された光は、光信号から電気信号Iに変換されて出力される。 The light input to the O/E converter 17a is converted from an optical signal to an electrical signal Ia and output, while the light input to the O/E converter 17b is converted from an optical signal to an electrical signal Ib and output.

参照アームでの往復伝搬時間と同一の伝搬時間となる測定対象2内の位置に反射点が存在する場合、電気信号IおよびIは、それぞれ式(1)および式(2)で表される。
式(1)および式(2)において、AおよびAは干渉の有無にかかわらない一定の直流成分を示し、BおよびBは干渉出力の振幅を示す。また、φは干渉する2つの光の位相差であり、O/E変換器17aおよび17bから出力される干渉出力の位相差を示す。
When a reflection point exists at a position within the measurement target 2 where the propagation time is the same as the round-trip propagation time in the reference arm, the electrical signals Ia and Ib are expressed by equations (1) and (2), respectively.
In equations (1) and (2), Aa and Ab indicate constant DC components regardless of the presence or absence of interference, Ba and Bb indicate the amplitude of the interference output, and φ is the phase difference between the two interfering lights, which indicates the phase difference of the interference output output from the O/E converters 17a and 17b.

Figure 0007487617000001
Figure 0007487617000001

Figure 0007487617000002
Figure 0007487617000002

式(1)および式(2)において、第2項は角周波数ωの整数倍の成分の和で表される。そして、角周波数ωの奇数倍の項はsinφに比例し、角周波数ωの偶数倍の項はcosφに比例する。 In equations (1) and (2), the second term is expressed as the sum of components that are integer multiples of the angular frequency ω M. The terms that are odd multiples of the angular frequency ω M are proportional to sin φ, and the terms that are even multiples of the angular frequency ω M are proportional to cos φ.

O/E変換器17aから出力された電気信号Iは、乗算処理部60aに入力される。乗算処理部60aでは、乗算器61a5で電気信号Iと第1参照信号とが乗算された後、LPF62a5を介して出力値Xasが出力され、乗算器61a4で電気信号Iと第2参照信号とが乗算された後、LPF62a4を介して出力値Xacが出力される。また、乗算処理部60aでは、電気信号IがLPF62a0を通過した後、出力値Xa0が出力される。 The electric signal Ia output from the O/E converter 17a is input to the multiplication processing unit 60a. In the multiplication processing unit 60a, the electric signal Ia is multiplied by the first reference signal in the multiplier 61a5, and the output value Xas is output via the LPF 62a5. The electric signal Ia is multiplied by the second reference signal in the multiplier 61a4, and the output value Xac is output via the LPF 62a4. In the multiplication processing unit 60a, the electric signal Ia passes through the LPF 62a0, and the output value Xa0 is output.

O/E変換器17bから出力された電気信号Iは、乗算処理部60bに入力される。乗算処理部60bでは、乗算器61b5で電気信号Iと第1参照信号とが乗算された後、LPF62b5を介して出力値Xbsが出力され、乗算器61b4で電気信号Iと第2参照信号とが乗算された後、LPF62b4を介して出力値Xbcが出力される。また、乗算処理部60bでは、電気信号IがLPF62b0を通過した後、出力値Xb0が出力される。 The electric signal Ib output from the O/E converter 17b is input to the multiplication processing unit 60b. In the multiplication processing unit 60b, the electric signal Ib is multiplied by the first reference signal in the multiplier 61b5, and the output value Xbs is output via the LPF 62b5. The electric signal Ib is multiplied by the second reference signal in the multiplier 61b4, and the output value Xbc is output via the LPF 62b4. In the multiplication processing unit 60b, the electric signal Ib passes through the LPF 62b0, and the output value Xb0 is output.

乗算処理部60aおよび60bのそれぞれから出力される出力値Xas、Xac、XbsおよびXbcは、式(3)~式(6)で表される。 The output values X as , X ac , X bs and X bc output from the multiplication processing units 60a and 60b, respectively, are expressed by equations (3) to (6).

Figure 0007487617000003
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Figure 0007487617000004
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Figure 0007487617000005
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Figure 0007487617000006
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また、出力値Xa0およびXb0は、式(7)および式(8)で表される。 Moreover, the output values X a0 and X b0 are expressed by the equations (7) and (8).

Figure 0007487617000007
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Figure 0007487617000008
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乗算処理部60aおよび60bから出力された6つの出力値Xas、Xac、Xa0、Xbs、XbcおよびXb0は、演算器53に入力される。演算器53では、入力された6つの出力値Xas、Xac、Xa0、Xbs、XbcおよびXb0に基づき、測定対象2の反射レベルが演算される。 The six output values Xas , Xac , Xa0 , Xbs , Xbc , and Xb0 output from the multiplication processing units 60a and 60b are input to the calculator 53. The calculator 53 calculates the reflection level of the object to be measured 2 based on the six input output values Xas , Xac , Xa0 , Xbs , Xbc , and Xb0 .

参照アームを往復した光のレベルが測定対象2で反射したレベルより大きくなるようにハーフミラー51の反射率を調整した場合、測定対象2の反射点で反射した光のレベルと、参照アームを往復した光のレベルとの比Yが、式(9)に基づき算出される。そして、参照アームを往復した光のレベルは一定になるので、比Yに含まれるハーフミラー51の反射および透過の比などを補正することにより、測定対象2の反射レベルを算出することができる。 When the reflectance of the half mirror 51 is adjusted so that the level of the light that has traveled back and forth through the reference arm is greater than the level reflected by the measurement target 2, the ratio Y between the level of the light reflected at the reflection point of the measurement target 2 and the level of the light that has traveled back and forth through the reference arm is calculated based on equation (9). Since the level of the light that has traveled back and forth through the reference arm is constant, the reflection level of the measurement target 2 can be calculated by correcting the ratio of reflection and transmission of the half mirror 51, which is included in the ratio Y.

Figure 0007487617000009
Figure 0007487617000009

ここで、本実施の形態2では、位相変調度Cを5.5としている。そのため、式(7)および式(8)における乗算処理部60aおよび60bからの出力値Xa0およびXb0の第2項は「0」となり、不安定な値「φ」を含む項がなくなり、出力値Xa0およびXb0は安定した値となる。つまり、O/E変換器17aおよび17bのそれぞれに接続されたLPF62a0および62b0の出力に含まれる干渉計の光の位相変化φに伴い変動する成分が、位相変調器52で発生させる位相変調度Cを調整することによって抑制される。 Here, in the second embodiment, the phase modulation degree C is set to 5.5. Therefore, the second terms of the output values Xa0 and Xb0 from the multiplication processing units 60a and 60b in the formulas (7) and (8) become "0", the terms including the unstable value "φ" disappear, and the output values Xa0 and Xb0 become stable values. In other words, the components that fluctuate with the phase change φa of the light of the interferometer contained in the outputs of the LPFs 62a0 and 62b0 connected to the O/E converters 17a and 17b, respectively, are suppressed by adjusting the phase modulation degree C generated by the phase modulator 52.

ところで、位相変調器52は、通過する光の位相を変化させるが、このときに光の偏光状態も変化させてしまうものが多い。しかし、本実施の形態2では、入力された光の偏光状態がファラデー回転子14によって90°回転する。そのため、ハーフミラー51に戻った光は、位相変調器52を伝搬する途中の偏光状態の変化が補償され、偏光ビームスプリッタ16に入力する光の偏光状態は安定する。 By the way, the phase modulator 52 changes the phase of the light passing through it, but in many cases, it also changes the polarization state of the light. However, in this embodiment 2, the polarization state of the input light is rotated 90 degrees by the Faraday rotator 14. Therefore, the change in the polarization state of the light returning to the half mirror 51 while propagating through the phase modulator 52 is compensated for, and the polarization state of the light input to the polarizing beam splitter 16 is stabilized.

第1参照信号発生器72から出力される第1参照信号をωの奇数倍の角周波数の余弦波とし、第2参照信号発生器73から出力される第2参照信号をωの偶数倍の角周波数の余弦波にすると動作する。ただし、位相変調器52は、通過する光の位相だけではなく強度も変調してしまうものがある。特に、入力した変調信号の周波数とその2倍の周波数で強い強度変調を起こすものが多い。このような位相変調器52を用いて第1参照信号をωの1倍の角周波数の余弦波とし、第2参照信号をωの2倍の角周波数の余弦波とすると、式(3)~式(8)で表される各LPF62a0、62a4、62a5、62b0、62b4および62b5の出力に強度変調成分が混入し、測定結果が変動する。そこで、本実施の形態2では、第1参照信号を角周波数5ωの余弦波、第2参照信号を角周波数4ωの余弦波にすることで、位相変調器52の強度変調の影響を抑え、安定した測定ができるようにしている。 The first reference signal output from the first reference signal generator 72 is a cosine wave with an angular frequency that is an odd multiple of ωM , and the second reference signal output from the second reference signal generator 73 is a cosine wave with an angular frequency that is an even multiple of ωM , to operate. However, some phase modulators 52 modulate not only the phase but also the intensity of the light passing through them. In particular, many of them cause strong intensity modulation at the frequency of the input modulation signal and twice the frequency of the input modulation signal. If such a phase modulator 52 is used to make the first reference signal a cosine wave with an angular frequency that is ωM and the second reference signal a cosine wave with an angular frequency that is twice the frequency of ωM , intensity modulation components are mixed into the outputs of the LPFs 62a0, 62a4, 62a5, 62b0, 62b4, and 62b5 expressed by the formulas (3) to (8), causing the measurement results to fluctuate. Therefore, in the second embodiment, the first reference signal is a cosine wave with an angular frequency of 5ωM and the second reference signal is a cosine wave with an angular frequency of 4ωM , thereby suppressing the influence of the intensity modulation of the phase modulator 52 and enabling stable measurement.

また、式(3)~式(6)で得られる出力値Xas、Xac、XbsおよびXbcにも不安定な値「φ」が含まれる。しかしながら、上述した演算器53による二乗和の演算によりこれらの出力値が安定化するため、測定対象2の反射レベルを測定することができる。 The output values X as , X ac , X bs and X bc obtained by equations (3) to (6) also contain an unstable value "φ." However, these output values are stabilized by the sum-of-squares calculation by the calculator 53 described above, so that the reflection level of the object 2 can be measured.

以上のように、本実施の形態2に係る光反射測定装置50では、参照アームに位相変調器52が設けられ、位相変調された際に用いられる周波数に基づき、反射レベルが測定される。したがって、可変遅延器13の動作状態によらず、位相変調器52による位相変調が動作していれば、反射レベルを測定することができる。これにより、従来の光反射測定装置のように、一定速度で遅延時間を変化させることなく、測定対象2の反射レベルを測定することができる。なお、特定の位置の反射率の時間変化を記録する場合には、測定対象位置に応じた遅延時間となる位置で可変遅延器13を静止させ、演算器53の出力を記録する。 As described above, in the optical reflection measuring device 50 according to the second embodiment, the phase modulator 52 is provided in the reference arm, and the reflection level is measured based on the frequency used for phase modulation. Therefore, regardless of the operating state of the variable delay device 13, as long as the phase modulation by the phase modulator 52 is operating, the reflection level can be measured. This makes it possible to measure the reflection level of the measurement target 2 without changing the delay time at a constant speed, as in the case of conventional optical reflection measuring devices. When recording the change over time in the reflectance at a specific position, the variable delay device 13 is stopped at a position where the delay time corresponds to the measurement target position, and the output of the calculator 53 is recorded.

以上、実施の形態1および2について説明したが、本発明は、上述した実施の形態1および2に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。例えば、実施の形態1および2では、参照アームにファラデー回転子14が設けられた場合について説明したが、これに限られず、例えば、参照アームを偏波保持ファイバなどの偏光状態を安定化させることができる他の部品で構成してもよい。 Although the first and second embodiments have been described above, the present invention is not limited to the first and second embodiments described above, and various modifications and applications are possible within the scope of the gist of the present invention. For example, in the first and second embodiments, the case where the Faraday rotator 14 is provided in the reference arm has been described, but this is not limited thereto, and for example, the reference arm may be configured with other components that can stabilize the polarization state, such as a polarization-maintaining fiber.

また、実施の形態1および2では、オペレータに対して反射率の分布を示す表示器22が設けられた場合について説明したが、光反射測定装置1および50が自動測定装置を構成する場合には、表示器22が設けられていなくてもよい。さらに、光反射測定装置1および50が反射率のみを示す装置を構成する場合には、表示器22は、例えば実施の形態2の演算器53から出力された反射レベルのみを表示するように構成してもよい。 In addition, in the first and second embodiments, a display 22 is provided to show the reflectance distribution to the operator. However, if the optical reflection measuring devices 1 and 50 constitute an automatic measuring device, the display 22 does not have to be provided. Furthermore, if the optical reflection measuring devices 1 and 50 constitute a device that shows only the reflectance, the display 22 may be configured to display only the reflection level output from the calculator 53 in the second embodiment, for example.

実施の形態2では、位相変調器52が参照アームに設けられる場合について説明したが、これに限られず、例えば、位相変調器52は、測定対象アームのハーフミラー51と測定対象2との間に設けられてもよい。 In the second embodiment, the phase modulator 52 is provided in the reference arm, but this is not limiting. For example, the phase modulator 52 may be provided between the half mirror 51 of the measurement object arm and the measurement object 2.

実施の形態2では、偏光ビームスプリッタ16等を用いて干渉する光の偏光が変化しても安定した測定ができるようにする機能と、位相変調器52等を用いて可変遅延器13を一定速度で走査させることなく安定した測定ができるようにする機能との両方の機能を持たせた構成を示したが、これはこの例に限られない。例えば、光反射測定装置50は、2つの機能のうちいずれか一方の機能だけを持つように、簡略化した構成とすることもできる。また、反射分布ではなく特定の位置の反射率だけを測定する場合には、光反射測定装置50は、可変遅延器13を外した構成としてもよい。 In the second embodiment, a configuration is shown that has both functions: a function to enable stable measurement even if the polarization of the interfering light changes using a polarizing beam splitter 16 or the like, and a function to enable stable measurement without scanning the variable delay device 13 at a constant speed using a phase modulator 52 or the like, but this is not limited to this example. For example, the optical reflection measuring device 50 can be simplified to have only one of the two functions. Also, when measuring only the reflectance at a specific position rather than the reflection distribution, the optical reflection measuring device 50 may be configured without the variable delay device 13.

実施の形態1では光を分岐させる手段として光カプラ12が用いられる場合について説明したが、これに限られず、例えばハーフミラー51が用いられてもよい。また、実施の形態2ではハーフミラー51が用いられる場合について説明したが、これに限られず、例えば光カプラ12が用いられてもよい。また、実施の形態1および2では、偏光ビームスプリッタ16を用いる例を示したが、例えば、ハーフミラーおよび偏光子などのほかの手段を用いてもよい。 In the first embodiment, the optical coupler 12 is used as a means for splitting light, but this is not limited to this, and for example, a half mirror 51 may be used. In the second embodiment, the half mirror 51 is used, but this is not limited to this, and for example, an optical coupler 12 may be used. In the first and second embodiments, an example is shown in which a polarizing beam splitter 16 is used, but for example, other means such as a half mirror and a polarizer may be used.

さらに、実施の形態2では、光の位相を周期的に変化させる周波数の整数倍の周波数成分を抽出する手段として、乗算処理部60aおよび60bが設けられるように説明したが、これに限られず、高速フーリエ変換など他の手段を用いることもできる。 Furthermore, in the second embodiment, it has been described that multiplication processing units 60a and 60b are provided as a means for extracting frequency components that are integer multiples of the frequency that periodically changes the phase of light, but this is not limited to this, and other means such as fast Fourier transform can also be used.

1、50、100 光反射測定装置、2 測定対象、11 光源、12 光カプラ、13 可変遅延器、14 ファラデー回転子、15 ミラー、16 偏光ビームスプリッタ、17、17a、17b O/E変換器、18、18a、18b バンドパスフィルタ、19、19a、19b 整流器、20、20a、20b、62a0、62a4、62a5、62b0、62b4、62b5 ローパスフィルタ、21 加算器、22 表示器、51 ハーフミラー、52 位相変調器、53 演算器、54 出力端、60a、60b 乗算処理部、61a4、61a5、61b4、61b5 乗算器、71 変調信号発生器、72 第1参照信号発生器、73 第2参照信号発生器、101 偏光調節器。 1, 50, 100 Optical reflection measuring device, 2 Measurement object, 11 Light source, 12 Optical coupler, 13 Variable delay device, 14 Faraday rotator, 15 Mirror, 16 Polarizing beam splitter, 17, 17a, 17b O/E converter, 18, 18a, 18b Band pass filter, 19, 19a, 19b Rectifier, 20, 20a, 20b, 62a0, 62a4, 62a5, 62b0, 62b4, 62b5 Low pass filter, 21 Adder, 22 Display, 51 Half mirror, 52 Phase modulator, 53 Arithmetic unit, 54 Output end, 60a, 60b Multiplication processing unit, 61a4, 61a5, 61b4, 61b5 Multiplier, 71 Modulation signal generator, 72 First reference signal generator, 73 Second reference signal generator, 101 polarization adjuster.

Claims (7)

測定対象の反射レベルを測定する光反射測定装置であって、
前記測定対象が設けられ、前記測定対象に対する光が通過する測定対象光路と、
前記測定対象に対する反射レベルを測定する際に参照される光が通過する参照光路と、
前記測定対象光路内において前記測定対象で反射した反射光、および、前記参照光路内を通過した参照光が入力され、入力された前記反射光および前記参照光を、偏光状態が直交する2つの光に分離させる分離手段と、
前記分離手段から出力された2つの光をそれぞれ電気信号に変換する変換手段と、
2つの前記電気信号に対して、それぞれ独立して干渉の有無を検出するためのバンドパスフィルタを通過した電気信号を合成する合成手段と
通過する前記光の偏光方向を予め設定された角度だけ回転させる、前記参照光路上に設置されるファラデー回転子と、を備え、
前記分離手段は、前記参照光を略等分して前記2つの光に含まれるように分離させることを特徴とする光反射測定装置。
An optical reflection measurement device for measuring a reflection level of a measurement object, comprising:
a measurement object optical path through which the measurement object is provided and through which light for the measurement object passes;
a reference light path through which light passes that is referenced when measuring the reflection level of the measurement target;
a separation means for receiving reflected light reflected by the measurement object in the measurement object optical path and a reference light passing through the reference optical path, and for separating the reflected light and the reference light into two lights having orthogonal polarization states;
a conversion means for converting each of the two light beams output from the separation means into an electrical signal;
a combining means for combining the two electrical signals which have passed through band-pass filters for independently detecting the presence or absence of interference therebetween ;
A Faraday rotator is provided on the reference light path and rotates the polarization direction of the light passing through the reference light path by a preset angle;
The optical reflection measuring device according to claim 1, wherein the splitting means splits the reference light into approximately equal parts so as to be contained in the two lights .
前記参照光路は、前記参照される光を反射するミラーを有し、the reference light path includes a mirror that reflects the reference light,
前記ファラデー回転子と前記ミラーの間ではない前記参照光路上に可変遅延器を備えることを特徴とする請求項1に記載の光反射測定装置。2. The optical reflection measuring device according to claim 1, further comprising a variable retarder on the reference optical path not between the Faraday rotator and the mirror.
前記参照光路は、前記参照される光を反射するミラーを有し、the reference light path includes a mirror that reflects the reference light,
前記ファラデー回転子と前記ミラーの間ではない前記参照光路上に位相変調器を備えることを特徴とする請求項1に記載の光反射測定装置。2. The optical reflection measuring device according to claim 1, further comprising a phase modulator on the reference optical path not between the Faraday rotator and the mirror.
測定対象の反射レベルを測定する光反射測定装置であって、
前記測定対象が設けられ、前記測定対象に対する光が通過する測定対象光路と、
前記測定対象に対する反射レベルを測定する際に参照される光が通過する参照光路と、
前記測定対象光路内において前記測定対象で反射した反射光、および、前記参照光路内を通過した参照光が入力され、入力された前記反射光および前記参照光を電気信号に変換する変換手段と、
前記測定対象光路または前記参照光路に設けられ、前記測定対象で反射した前記反射光または前記参照光の位相を周期的に変調する位相変調器と、
前記参照光の位相を変調した際の周波数の整数倍の成分を抽出して演算する乗算処理部とを備える
ことを特徴とす光反射測定装置。
An optical reflection measurement device for measuring a reflection level of a measurement object, comprising:
a measurement object optical path through which the measurement object is provided and through which light for the measurement object passes;
a reference light path through which light passes that is referenced when measuring the reflection level of the measurement target;
a conversion means for receiving reflected light reflected by the measurement object in the measurement object optical path and reference light passing through the reference optical path, and converting the input reflected light and reference light into electrical signals;
a phase modulator provided in the measurement object optical path or the reference optical path, which periodically modulates a phase of the reflected light reflected by the measurement object or the reference light;
a multiplication processing unit that extracts and calculates components that are integer multiples of a frequency when the phase of the reference light is modulated.
前記乗算処理部は、
前記参照光の位相を変調した際の周波数の偶数倍の周波数成分と、奇数倍の周波数成分とを抽出する
ことを特徴とする請求項4に記載の光反射測定装置。
The multiplication processing unit is
5. The optical reflection measuring device according to claim 4, wherein frequency components that are even multiples and odd multiples of a frequency obtained when the phase of the reference light is modulated are extracted.
前記乗算処理部は、
前記参照光の位相を変調した際の周波数の3倍以上の成分を抽出して演算する
ことを特徴とする請求項4または5に記載の光反射測定装置。
The multiplication processing unit is
6. The optical reflection measuring device according to claim 4, wherein a component having a frequency three times or more higher than that when the phase of the reference light is modulated is extracted and calculated.
前記乗算処理部は、
予め設定された遮断周波数よりも大きい周波数成分を遮断するローパスフィルタを有し、
前記位相変調器は、
前記変換手段に接続された前記ローパスフィルタの出力に含まれる、前記光の位相変化に伴って変動する成分を抑制するように、前記位相の変調度合いを調整する
ことを特徴とする請求項4~6のいずれか一項に記載の光反射測定装置。
The multiplication processing unit is
A low-pass filter is provided to cut off frequency components higher than a preset cutoff frequency,
The phase modulator comprises:
The optical reflection measuring device according to any one of claims 4 to 6, characterized in that the degree of modulation of the phase is adjusted so as to suppress components that fluctuate with the phase change of the light and are included in the output of the low-pass filter connected to the conversion means.
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