JPH0222502A - 光干渉測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は光干渉測定装置、特に半導体レーザを光源とし
て得られる干渉縞を観測して測長を行なう光干渉測定装
置に関するものである。

［従来の技術］ 半導体レーザ（以下ＬＤという）は、ガスレーザなどに
比べて装置の構成が簡単安価かつ小型軽量であり、光通
信、音響用、ないし映像用光ディスクなどの光源として
広く用いられている。また、光学干渉計用の光源への応
用も最近では盛んに研究されている。

特に、２つの反射部材への光路長を干渉縞の観測を介し
て測定する干渉測長装置では、半導体レーザ素子の注入
電流あるいは素子温度に依存する発振波長特性を利用す
るものが知られている。

この種の装置では、半導体レーザの発振光を一定の光路
差を有する干渉計に入射して干渉縞を形成し、注入電流
または素子温度を制御して波長走査を行ない、これにと
もなう干渉縞の時間変化信号（以下縞変化信号という）
を検出し、この信号の位相変化量から干渉計の光路差を
求める方法である。

［発明が解決しようとする課題］ 上記のような従来構造で得られる正弦波状の精麦化信号
の周期の数は諸掛なすぎ、フリンジカウンティング法な
どを用いる場合充分な測定精度を得るのが困難であフた
。

また、上記構成において、波長走査は半導体レーザ素子
への注入電流を変化させることにより行なうが、注入電
流の変化により発振波長と共に出力光強度も変わってし
まうため、検出される精麦化信号は干渉縞の変化に関す
る情報を含むとともに光源の出力光の強度情報を含むも
のとなる。

たとえば、第５図に示すように半導体レーザ素子の注入
電流ｉを周期Ｔの３角波状に変化させた場合、干渉縞形
成面の１点において受光素子により光強度変化として得
られる精麦化信号は第６図のようになる。このような検
出信号から位相変化量を求めると、信号の撮幅が小さい
領域では位相変化が曖昧になるので測定誤差が増大する
問題がある。

本発明の課題は以上の２つの問題を解決し、半導体レー
ザ素子を用いる干渉測長において波長走査にともなう光
強度の影響を補正し、また、位相変化測定にかわる方法
を用いて正確に測長を行なえるようにすることである。

［課題を解決するための手段］ 以上の課題を解決するために、本発明においては、半導
体レーザ素子が発生するレーザ光を複数の光反射手段に
照射し、これらの反射手段からの反射光を干渉させ干渉
縞を形成し、半導体レーザ素子の注入電流を周期的に変
化させてレーザ光の波長走査を行ない、レーザ光の波長
変化にともなう前記干渉縞の時間変化する干渉縞強度変
化信号の周波数を測定し、この周波数に基づき前記反射
手段間の光路差を測定する光干渉測定装置において、前
記レーザ光の光束の一部を分割する手段と、この分割手
段により分割された光束の強度の時間変化を測定する手
段と、この測定手段により得られた光強度変化信号によ
り前記干渉縞強度変化信号を除算する手段と、この除算
手段の出力信号の周波数を測定し測定された周波数に基
づき前記光路差を演算する制御手段を設けた構成を採用
した。

［作　用］ 以上の構成によれば、光路差演算の際、半導体レーザ素
子の波長走査にともなう光強度変化の影響を前記の除算
処理により補正できる。

［実施例］ 以下、図面に示す実施例に基づき、本発明の詳細な説明
する。

第１図は本発明を採用した干渉測定装置の構成を示して
いる。

第１図において、レーザ光源は単一モード発振のＬＤ素
子３で、ＡＴＭ　（温度調節回路）２で温度制御を受け
る。ＡＴＭ２はＬＤ素子３の温度を所望の一定値に制御
する。制御温度値はコンピュータ１８により決定される
。

また、ＬＤ素子３の駆動電流は、ＬＤ駆動回路１により
制御され、この駆動電流を変化させてＬＤ素子３の発振
波長を調節する。ＬＤ素子３は注入電流の変化によって
導波路の屈折率が変化して発振波長が変化する。

ＬＤ素子３から出射される発散光はビームスプリッタ５
に入射され、２つの光に分けられる。

ビームスプリッタ５によって反射される光は光量調節フ
ィルタ６を介して受光素子７で受光し、可変利得増幅器
８で信号を増幅してレーザ光源の光強度変化信号９を得
る。この光強度変化信号９は除算回路１フに入力される
。

一方、ビームスプリッタ５を透過したレーザ光は干渉計
１９内に導かれる。ここでは、干渉計１９としてマイケ
ルソン型の干渉計を例示する。

干渉計１９に入射したレーザ光はビームスプリッタ１０
で２つの光束に分けられる。２つの光束はそれぞれ固定
鏡１１と可動鏡１２によフて光路差をつけて反射され、
ビームスプリッタ１０によって再び１つになって干渉し
、入射方向と直交した方向に出射される。

干渉計を出射したレーザ光を光量調節フィルタ１３に通
して受光素子１４で受光し、増幅器１５で信号を増幅し
て、固定鏡１１、可動鏡１２の所定の光路長に応じて形
成される干渉縞の強度変化信号（精麦化信号）１６を得
る。

このようにして得られた２つの信号を除算回路１７に入
力し、精麦化信号１６を光強度変化信号９で割り、その
出力をコンピュータ１８に取り入れて信号の解析を行う
。

除算回路１７はアナログ回路から、コンピュータ１８は
マイクロプロセッサ、メモリなどからなるコンピュータ
システムにより構成される。

次に以上の構成における動作につき詳細に説明する。ま
ず、干渉計１９側の測長につき説明する。

波長λ。のレーザ光を干渉計１９に入射して得られる固
定鏡１１からの反射光と可動鏡１２からの反射光は、光
路差をＬとするとそれぞれ次式で表される。

但しＡ、Ｂは定数、φ。は周期 これら２つの反射光を干渉させて得られる干渉縞は、次
式で表される。

第２図に、（３）式より縦軸にＩ、横軸にＬをとって表
したグラフを示す。

例えば、ここでＬを０から４λ。まで変化させると、４
周期分の干渉縞が得られる。これは、Ｎ、＝Ｌ／λ。＝
４え。／λ。＝４で示される。

ここで、第３図に波長がλ、＝２人。になった場合のグ
ラフを示す。この場合には、Ｌを０から４λ。まで変化
させても２周期分の干渉縞の変化しか得られない。これ
は、Ｎ、＝Ｌ／λ１＝２λ１／λ１＝２で示される。

第２図、第３図より明らかなように、今Ｌ＝４え。で一
定にしておき、レーザ光の波長をλ。

からλ１まで変化させた時、干渉縞はｎ＝Ｎｏ−Ｎ、＝
２で２周期分変化する。この縞の変化分ｎは波長の変化
分と光路差に依存しているので、縞の変化分と波長の変
化分を求めることで光路差を求めることができる。これ
らの関係は、次式で与えられる。

いだの区間では、注入電流と発振波長とは直線関係にあ
る。以下に示す処理では、この直線部分を使用するもの
とする。

第５図に、半導体レーザに注入する注入電流の波形を示
す。注入電流を一定の割合で変化させて、一定の割合で
波長の走査を行う。半導体レーザの波長変化率をＫ（ｎ
ｍ／ｍＡ）とし、注入電流がｉｏの時の発振波長をλ。

とすると、１ｏ−ｉｏ＋Δｉの時λ。→λｏ＋にΔｉと
なる。

これを（４）式に代入すると、次式が得られる。

本発明では、可変波長のコヒーレント光源として単一モ
ード発振の半導体レーザを用いている。

単一モード発振の半導体レーザの典型的な注入電流−発
振波長特性は第４図のようなものである。

直線的な波長可変範囲はモードホップによって制限され
るが、モードホップからモードホップのあ・・・　（５
） さらに、λ。＞＞ＫΔｉなので、近似することによって
次式が得られる。

Ｋ　Δ　ｉ　　　　　　　　　　　　Ｋ　　Δ　ｉｎ＝
　　　　　　　　　　　　　　Ｌ二　　　　　Ｌ・・・
　（６）（５）式または（６）式から、ｎ、Ｋ、Δｉ、
λ０を測定することによって光路りを求めることができ
る。

しかしながら、前記のようにＬＤ素子３は注入電流を変
化させると発振波長とともに出力光強度も変化する。こ
の補正を行なうため、符号５〜９．１７で示される補正
系が設けられている。

ここで、注入電流による半導体レーザ光の出力光強度変
化をＴ（ｉ）　　発振波長の変化をλ（ｉ）とおき、（
１）、（２）式を書き換えると次式が得られる。

但し、ＫＩ　＝定数 但し、Ｋ２　：定数 これらからできる干渉縞の強度は、次式のようになる。

２π （９）式をＴ　’　（ｉ）で割ることによって次式が得
られる。

これより、干渉縞の強度変化である精麦化信号１６を光
源の出力光強度９で割ると、精麦化信号１６から光源出
力光強度変化の影響を取り除くことができることがわか
る。

ここで、精麦化信号１６と出力光強度変化信号９の波形
をそれぞれ第６図、第７図に示す。

また、割算回路１７によって精麦化信号１６（第６図）
を出力光強度変化信号９（第７図）で除算すると、出力
信号波形は第８図に示すようになる。

第８図から明らかなように、精麦化信号のエンベロープ
の変化は多少残るが、三角波状のバイアス変化は大幅に
取り除くことができるので、周波数解析の際の誤差を大
幅に低減することができる。

除算回路１７の出力端子に得られる補正後の信号（第８
図）の周波数ｆを第５図の注入電流変化波形の周波数１
／Ｔで除したｆＴがｎに対応する。従って、第８図の補
正後の信号の周波数ｆを求め、先の（５）式、または（
６）式においてｎ＝ｆＴと置くことにより、光路差しを
得るこ、とができる（λ０およびＫについてはあらかじ
め測定した定数を用いる）。

以下に、第８図の補正後の信号周波数の解析方法につい
て第１７図のフローチャート図を参照して説明する。第
１７図の手順はコンピュータ１８で行なわれる処理手順
を示したものである。

本実施例では、コンピュータ１８によるＦＦＴ（高速フ
ーリエ変換）、あるいはＭＥＭ　（最大エントロピー法
）演算によって周波数解析を行なう。

前者のＦＦＴには２つの方法があり、１つは次に示す方
法である。

（１）まず、注入電流の任意の半周期Ｔ／２（波形の任
意の折返点から次の折返点：例えば第８図のｔ　ａ　ｚ
　ｔ　ｂまで）の間に得られた補正後の出力信号波形（
第９図）を取り出してコンピュータ１８に記録する。い
うまでもなく、コンピュータ１８の内部表現では、図示
のような波形はＡ／Ｄ変換により量子化されたデータ列
として扱われる（第１７図ステップＳ１）、。

（２）この信号データに第１０図に示すように適当な窓
関数（ハニング関数、ガウス関数など）を重畳する（ス
テップＳ２）。

（３）さらに第１１図に示すように、信号データの前後
に所定の等しい時間分だけゼロデータを加えて信号の時
間長を長くする（ステップＳ３）、ここでは、注入電流
変化の周期Ｔ／２のｍ倍に時間長を延長している。

（４）第１１図のように処理されたデータ列を、公知の
ＦＦＴ演算処理により周波数解析してパワースペクトル
を求め、信号周波数のピークを求める。第１２図はＦＦ
Ｔ演算により得られた信号周波数ｆｍａｘを示している
（ステップＳ４）。

（５）得られたｆｍａｘと、Ｔの積をｎとし、（５）、
ないしく６）式に基づく演算を行ない、光路差を得る（
ステップＳ５）。

以上のようにして、半導体レーザ素子の波長走査に伴う
光強度の影響を補正した上、補正後の少ない周期数の正
弦波信号であっても正確に精麦化信号の周波数を求め、
これに基づき光路差を測定することができる。

次に、ＦＦＴ法によるもう１つの周波数解析方法につき
第１８図のフローチャート図を参照して説明する。第１
８図は第１７図同様にコンピュータ１８の処理手順を示
している。

（１）第１３図に示される除算回路１７から得られる補
正後の出力信号を任意の周期分だけコンピュータに取り
込む（第１８図ステップ５１１）。前記同様に、人力さ
れた波形はコンピユータ１８内部では量子化されたデー
タ列により表現される。

（２）信号データの中で注入電流変化の折返に伴う信号
の急激な位相変化部分のデータ（第１４図符号Ｄ）のみ
を、残フたデータが正弦波状につながるように削除する
（第１４図）。この急激な位相変化部分は、微分波形の
解析などを介して検出できる（ステップ５１２）。

（３）残ったデータを第１５図に示すように接続して、
正弦波状に整った信号データに作り換える（ステップ５
１３）。

（４）これをＦＦＴ演算により周波数解析し第１６図に
示すようにパワースペクトルを求め、信号周波数ｆを求
める（ステップ５１４）。

（５）前記同様に周波数ｆと周期Ｔから光路差を求める
（ステップ５１５）。

この方法によれば、１番目の方法に比べて測定に用いる
データ量を増やすことができるため、演算精度を向上で
きる。

また、ＭＥＭ法の場合には補正後の出力信号を注入電流
の任意の半周期（任意の折返点から次の折返点まで）の
間だけコンピュータに取り込んでＭＥＭで周波数解析を
行い、信号周波数のピークを求めることができる。

以上に示したように、レーザ光束を分割し測定した光強
度変化信号で精麦化信号を除算し、その結果骨られる信
号の周波数を測定し、この周波数値に基づき測長演算を
行なうため、波長走査の際の光強度を除去でき、測定精
度を向上できる。上記実施例ではアナログ回路により除
算を行なうので、リアルタイムで高速な処理が可能であ
る。

また、周波数測定に上記のようなＦＦＴ法あるいはＭＥ
Ｍ法を用いることで、検出される精麦化信号の周期の数
が少なくても、充分な精度で周波数測定が可能である。

特に、従来方式において精度を向上させるため精麦化信
号の周期数を増大させるには、光路差をかなり大きくし
なければならないが、本実施例によれば測定される光路
差が小さい場合でも充分精度の高い測定が可能である。

なお、以上ではマイケルソン型の干渉計で説明したが、
フィゾー型、トワイマン・グリーン型、マツハ、・ツエ
ンダ−型など、他の干渉計でも適用できる。

また、第、１図では精麦化信号１６を光源出力光強度変
化信号で割る際に割算回路を用いているが、光強度変化
信号９および精麦化信号１６をＡ／Ｄ変換を介してコン
ピュータ１８に取す込み、コンピュータ１８のデジタル
演算によって行うこともできる。

さらに、第１図に示すビームスプリッタ５．１０にはキ
ューブ・ビームスプリッタ、ウェッジ付ハーフミラ−な
どを用いる。特にフィゾー干渉計などにおいてはビーム
スプリッタ１０１．：偏光ビームスプリッタを用いても
よく、その場合には各反射鏡との間にλ／４板を挿入す
る。これにより、光源側への戻り光がなくなり、ＬＤ素
子３の発振波長が安定化され、正確な測定が可能である
。

以上では、干渉縞を形成する可動鏡および固定鏡の光路
長を測定する構造を示したが、これらの反射部材を種々
の被測定部材に置き換えることにより、各種の測長を行
なえるのはいうまでもない。たとえば、眼科測定装置に
おいて、角膜および眼底での光路差の異なる反射光によ
り形成される干渉縞の観測を介して眼軸長を測定する場
合にも同様の技術を実施できる。

［発明の効果］ 以上から明らかなように、本発明によれば、半導体レー
ザ素子が発生するレーザ光を複数の光反射手段に照射し
、これらの反射手段からの反射光を干渉させ干渉縞を形
成し、半導体レーザ素子の注入電流を周期的に変化させ
てレーザ光の波長走査を行ない、レーザ光の波長変化に
ともなう前記干渉縞の時間変化する干渉縞強度変化信号
の周波数を測定し、この周波数に基づき前記反射手段間
の光路差を測定する光干渉測定装置において、前記レー
ザ光の光束の一部を分割する手段と、この分割手段によ
り分割された光束の強度の時間変化を測定する手段と、
この測定手段により得られた光強度変化信号により前記
干渉縞強度変化信号を除算する手段と、この除算手段の
出力信号の周波数を測定し測定された周波数に基づき前
記光路差を演算する制御手段を設けた構成を採用してい
るので、光路差演算の際、半導体レーザ素子の波長走査
にとも、なう光強度変化の影響を前記の除算処理により
補正でき、正確な測定が可能になる。特に、光路中の大
気のゆらぎや、装置の光学系の不要な干渉縞、あるいは
半導体レーザ素子の温度条件などによる精度化信号の光
強度変化分も除去できるため、測定精度は大きく向上さ
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を採用した光干渉測定装置のブロック図
、第２図、第３図は第１図の装置において得られる干渉
縞の特性を示した波形図、第４図はＬＤ素子の注入電流
に依存する波長特性を示した線図、第５図はＬＤ素子の
注入電流波形を示した波形図、第６図は精度化信号の波
形図、第７図はＬＤ素子の注入電流に応じた光強度変化
を示した波形図、第８図は精度化信号を光強度変化で除
して得た補正後の波形図、第９図〜第１２図はＦＦＴ法
による第１の周波数解析方法を説明する波形図、第１３
図〜第１６図はＦＦＴ法による第２の周波数解析方法を
説明する波形図、第１７図、第１８図はそれぞれ上記第
１および第２の周波数解析処理を示したフローチャート
図である。 １・・・ＬＤ駆動回路　　２・・・ＡＴＶ３・・・ＬＤ
素子　　　　４・・・コリメートレンズ５・・・ビーム
スプリッタ ６・・・光量調節フィルタ ７・・・受光素子　　　　８・・・可変利得増幅器９・
・・光強度変化信号 １０・・・ビームスプリッタ １１・・・固定鏡　　　　１２・・・可動鏡１３・・・
光量調節フィルタ １４・・・受光素子 １５・・・増幅器　　　　１６・・・精度化信号１７・
・・除算回路　　　１８・・・コンピュータ１９・・・
干渉計 ＦＦ　Ｔ　Ｉ：！う第１の覇ｊＬ匁 ％１ＲｆＴｅｎ　Ｊ１勿６ 第９図 朶１１０ 第１０口 第１２０ 第１７図 Ｉ！１８図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）半導体レーザ素子が発生するレーザ光を複数の光反
   射手段に照射し、これらの反射手段からの反射光を干渉
   させ干渉縞を形成し、半導体レーザ素子の注入電流を周
   期的に変化させてレーザ光の波長走査を行ない、レーザ
   光の波長変化にともなう前記干渉縞の時間変化する干渉
   縞強度変化信号の周波数を測定し、この周波数に基づき
   前記反射手段間の光路差を測定する光干渉測定装置にお
   いて、前記レーザ光の光束の一部を分割する手段と、こ
   の分割手段により分割された光束の強度の時間変化を測
   定する手段と、この測定手段により得られた光強度変化
   信号により前記干渉縞強度変化信号を除算する手段と、
   この除算手段の出力信号の周波数を測定し測定された周
   波数に基づき前記光路差を演算する制御手段を設けたこ
   とを特徴とする光干渉測定装置。 ２）前記周波数測定が高速フーリエ変換法または最大エ
   ントロピー法に基づく演算処理により行なわれることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の光干渉測定装
   置。