JPH0227202A - 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つの反射部材の間の光路長差を干渉縞の観測を
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、この信号の時間
変化を介して光路差が求められる。

［発明が解決しようとする課Ｍ］ ＬＤ素子では、素子への注入電流に応じて発振波長が変
化するが、両者の対応関係は直線的ではなく、ある注入
電流値を境に発振波長が不連続的に変化する、いわゆる
モードホッピング特性を有する。

上記のようなＬＤを用いた干渉計では波長走査により変
化する干渉縞などを観測することにより測定が行なわれ
るが、上記のモードホッピングが生じると発振波長が不
連続に変化してしまうので、モードホッピング点を避け
て使用しなければならない。しかも、モードホッピング
は常に一定の注入電流値で生じるわけではなく、温度条
件などによりモードホッピング点は変動するため、モー
ドホッピングを避けるにはあらかじめ注入電流および温
度などの条件と発振波長の特性を測定しておかなければ
ならない。

このためには、回折格子や、分光器によりＬＤ素子の発
振波長の測定が必要になる。ところが、このような波長
測定方法では、次のような開運がある。

１）回折格子や、を入浸の光学素子（反射鏡など）をレ
ーザ光により走査しなければならならず、測定に時間が
かかり、操作も面倒である。

２）大がかりな装置が必要で、とくにＬＤ素子を光源と
して用いる装置に実装した状態で評価するため分光器な
どを被測定系に導入する構造を採用すると装置全体が複
雑化、大型化してしまう。

また、出荷前に１台１台較正を行なう必要がある場合に
は実際的な方法ではない。

本発明の課題は以上の問題を解決し、ＬＤ素子を光源と
して１いる光干渉測定装置においてＬＤ素子のモードホ
ッピング特性を簡単安価な方法により補償できるように
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を前記半導体レーザ素子の発掘
波長を含む近傍波長帯域において光透過率または光反射
率が単調増加ないし単調減少する分光特性を有する光学
フィルタを介して入力する受光手段と、この受光手段に
より検出した光強度を介して前記半導体レーザ素子の注
入電流に依存した波長特性の不連続点を検出しこの不連
続点の検出に応じて前記光路差測定処理条件を補正する
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、半導体レーザの波長変化は光学フ
ィルタを介して強度変化に変換され、受光手段から得ら
れる強度信号の急激な位相不連続点を検出することなど
により、モードホッピング点を検出し、光路差測定を補
償できる。

［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図に本発明に関する光干渉測定装置の概略構成を図
示する。

第１図において、レーザ光源は単一縦モード発振のＬＤ
素子３で、ＡＴＶ　（温度調節回路）２で温度制御を受
ける。ＡＴＶ２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ユータ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の発掘
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コリメートレンズ４
で平行にされ、ＬＤ素子３のモードホッピングを検出す
る検出系８のビームスプリッタ５に入射され、２つの光
束に分けられる。

ビームスプリッタ５によって反射される光は、光学フィ
ルタ６を介して受光素子７で受光し、光強度変化に応じ
た電気信号に変換される。光学フィルタ６はＬＤ素子３
の発振波長近傍の帯域において光透過率（あるいは光反
射率）が波長に関して単調増加あるいは減少するような
分光特性を有するものとする。

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！ａ鏡１２によっ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は受光素子１４で受光され、
干渉縞の所定点における光強度変化信号（縞変化信号）
を得る。

受光素子１４の出力はコンピュータ１８にＡ／Ｄ変換な
どの処理を介して入力され、その信号変化から干渉縞の
観測を行ない、固定鏡１１および可動鏡１２との光路差
が求められる。この際、コンピュータ１８は受光素子７
の検出信号を介してＬＤ素子３のモードホッピング特性
を検出し、モードホッピングに応じて光路差測定処理を
補正する。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。

ただし、Ａ、Ｂは定数、φ。は初期位相これら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。

λＯ ・・・　（３） 第２図に、（３）式より縦軸に１１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／λｏｍ
４λ０／λｏ千４で示される。

次に、例として第３図に波長がλ１フ２λ。になった場
合のグラフを示す。この場合には、Ｌを０から４λ０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＋　−ｔ、／λｌ冨２λ１／λ、＝２で示
される。

この２つの例より、今Ｌ−４λ０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＋５Ｎ０−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。

・・・　（４） 本発明では、可変波長のコヒーレント光源として単一縦
モード発振の半導体レーザを用いている、単一縦モード
発掘の半導体レーザの注入電流−発振波長特性を第４図
に示す。波長可変範囲はモードホップによって制限され
るが、それ以外のところでは注入電流と発振波長とは直
線関係にある。

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１０の時の発振波長をλ。

とすると、１０→１０＋Δｉの時λ。→λ。＋にΔｉと
なる。

これを（４）式に代入すると１次式が得られる。

λ。　　　λ。　＋　ＫΔ　ｉ 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　１（５）式
または（６）式から、ｎ、Ｋ、Δ１１λ。を測定するこ
とによって光路りを求めることができる。

第６図に、本発明装置によって実際に得られる精麦化信
号の例を示す。

前述のように光学フィルタ６は特性を測定するＬＤ素子
３の発掘波長を含む近傍帯域で光透過率あるいは光反射
率が単調増加、あるいは単調減少するような分光特性を
有するものを使用する。第７図に光学フィルタの分光特
性の例を示す、同図においてλ、。はＬＤ素子３の発振
波長を示している。

ＬＤ素子３の注入電流を変化させた場合、ＬＤ素子３の
波長が第８図に示すように注入電流１０から１１の間、
レーザ光の波長がλ。からλ１まで時間とともに単調に
増加し、１１で波長がλ１からλ２に飛び、その後また
λ２から注入電流とともに単調に増加するというモード
ホッピング特性を有しているものとする。この時の半導
体レーザの出力光強度変化は第９図に示すように単調な
増加が続いていて、強度の飛びが生じてもその大きさは
わずかである。

ところが、レーザ光が第７図の分光特性を持つ光学フィ
ルタ６を透過した後の光強度変化は第１０図に示すもの
となる。すなわち、光学フィルタ６の光透過率が波長に
依存しているため、半導体レーザのモードホップによる
発掘波長の飛びが起きるとその前後で透過率が大幅に変
り、強度変化にはっきりとした不連続点が現れる。

従って、この不連続点を受光素子７の出力から検出すれ
ばモードホッピング点を検出することができる。

第ｉ、ｏ図の受光素子７の出力波形をＡ／Ｄｉ換などを
介してコンピュータ１８に取り込み、−次微分演算を行
なうと、第１１図のような波形が得られる０図示のよう
に第１０図における不連続点では一次微分値が大きく変
化するため、この変化を適当なしきい値との比較処理な
どを介して検出し、これによりモードホッピングが生じ
る注入電流値を知ることができる。

この方法によれば、非常に簡単な構成の装置でもモード
ホッピングを検出することができる。

なお、第１１図に示す光強度変化信号波形を得るための
一次微分はアナログ微分回路で行なってもよい。また、
第１図に示した光学フィルタ６としては、干渉フィルタ
、ダイクロツタフィルタなどを使用できる。

さらに、もう１つのモードホッピングの検知方法につい
て説明する。この方法では、干渉計１９側のハードウェ
アを利用し、受光素子１４によって得られる精麦化信号
の解析を介してモードホッピング点を検出する。

第１２図に、（３）式に基づく受光素子１４で得られる
精麦化信号のグラフを示す。

今、第１３図に示すように注入電流ｉｏから１１の間、
レーザ光の波長がλ。からλ１まで時間とともに単調に
増加し、１１で波長がλ、からλ２に飛び、その後また
λ２から注入電流とともｆ に単調に増加するモードホッピング特性を考えると、こ
の時の干渉縞の変化は第１４図に示すものになる。これ
よりレーザ光の波長の飛びは、精麦化信号の余弦変化の
位相の飛びによって検出できることがわかる。

精麦化信号の余弦変化の位相の飛びの検出は、この信号
波形を一次微分することで行う。第１５図に、第１４図
の波形を一次微分して求めた波形を示す。図に示すよう
に、微分後の波形では余弦変化が正弦変化に変わるだけ
であるが、位相が飛んでいるところは微分値が非常に大
きな値をとるので、これによって位相の飛び、すなわち
レーザ光の波長の飛びを検出できる。

この方法では、干渉計そのもののハードウェアを利用す
るため、余計な機構を追加する必要がないので装置の構
成が簡単安価、かつ小型軽量で済む。

なお、第１５図に示す精麦化信号波形の一次微分もアナ
ログ微分回路で行える。

次に、第１図の装置において光干渉測定を行なう場合の
処理手順を第１８図を参照して説明する。この手順はコ
ンピュータ１８によって行なわれる。

（１）ＡＴＭ２、ＬＤ駆動回路１を用いて任意の温度、
注入電流の最大変化範囲でＬＤ素子３を駆動し、波長走
査を行なう（第１８図ステップＳ１）。第１６図に、こ
れにより得られる精麦化信号の例を示す。第１６図では
、符号Ｍの電流値においてモードホッピングが生じてい
る。

（２）前記２つのモードホッピング検出法、すなわちモ
ードホッピング検出系８を用いるか、干渉計１９そのも
のを用いるかのいずれかの方法により、モードホッピン
グ点の注入電流値を検出し、メモリなどに記憶する（ス
テップＳ２）。

（３）ステップＳ２で得られたモードホッピング点を避
けるようにＡＴＭ２、ＬＤ駆動回路１によって温度、注
入電流の変化範囲、注入電流変化の周波数などの測定条
件を変更する。第１６図の例では、電流１１〜１２の範
囲でモードホッピングが生じず（モードホッピング点−
Ｍ）、注入電流と波形の直線対応が得られるため、第１
７図のようにこの範囲のみを用いて波長走査を行なうよ
うにする（ステップＳ３）。

（４）受光素子１４から得られる精麦化信号を入力し、
（５）ないしく６）式に基づく演算を行ない、光路差の
測定を行なう（ステップＳ４）。

具体的には、精麦化信号の信号の周波数ｆを高速フーリ
エ変換など適当な処理により求め、先の（５）式、また
は（６）式においてｎ＝ｆＴ　（Ｔは第１７図の注入電
流変化周期）と置くことにより、固定ｆｉｌｌおよび可
動鏡１２の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。

以上のように、光干渉測定の場合、ＬＤ素子を用いても
モードホッピング点を検出して測定条件をモードホッピ
ングの影響を受けないように変更することができるため
、正確な測定が可能である。また、モードホッピング検
出系の構造は簡単であり、装置全体を簡単安価かつ小型
軽量に構成することができる。特に、干渉系そのものの
機構を利用する場合にはなんら特別な機構を付加する必
要がない、また、機械的な制御部分がないため、高速か
つ確実な測定処理が可能である。

さらに、第１図のハードウェア構成では２つのモードホ
ッピングの検出方法が可能であるから、これらを併用し
、検出結果を組み合わせる（平均値算出などによる）こ
となどにより２つの方法の欠点を補い、より正確なモー
ドホッピング点の検出を行なうこともできる。

なお、第１図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、他の干渉計でも上記のモードホッピング点
の検出および補正処理が適用できる。

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１０に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
り分割された光束を前記半導体レーザ素子の発振波長を
含む近傍波長帯域において光透過率または光反射率が単
調増加ないし単調減少する分光特性を有する光学フィル
タを介して入力する受光手段と、この受光手段により検
出した光強度を介して前記半導体レーザ素子の注入電流
に依存した波長特性の不連続点を検出しこの不連続点の
検出に応じて前記光路差測定処理条件を補正する制御手
段を設けた構成を採用しているので、簡単安価な構成に
より半導体レーザの波長変化を光学フィルタを介して強
度変化に変換して検出でき、モードホッピング点を検出
し、これに基づぎ光路差測定条件を補償し正確な光干渉
測定を行なえるという優れた効果がある。

【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図は精麦化信号の波
形図、第７図は光学フィルタの分光特性を示した線図、
第８図はＬＤ素子のモードホッピング特性を示した線図
、第９図はＬＤ素子の出力光強度の特性を示した線図、
第１０図は光学フィルタ通過後の光強度変化を示した線
図、第１１図は第１０図の波形の一次微分波形の波形図
、第１２図は干渉縞変化信号の特性を示した波形図、第
１３図はＬＤ素子のモードホッピング特性を示した線図
、第１４図は第１３図のモードホッピング特性において
得られる精麦化信号の波形図、第１５図は第１３図の波
形の一次微分波形を示した波形図、第１６図は波長走査
時の精麦化信号の波形図、第１７図はＮ１６図の波形の
モードホッピジグのない部分を取り出した波形図、第１
８図は第１図の装置における測長処理手順を示したフロ
ーチャート図である。 １・・−ＬＤ駆動回路　　２…ＡＴＭ ３・・・ＬＤ素子　　　　４・・・コリメートレンズ５
．１０・・・ビームスプリッタ ６・・・光学フィルタ　　７．１４−・・受光素子１１
・・・固定鏡　　　　１２・・・可動鏡１８・・・コン
ピュータ　１９・・・干渉計ψ−

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 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を前記半導体レーザ素
   子の発振波長を含む近傍波長帯域において光透過率また
   は光反射率が単調増加ないし単調減少する分光特性を有
   する光学フィルタを介して入力する受光手段と、この受
   光手段により検出した光強度を介して前記半導体レーザ
   素子の注入電流に依存した波長特性の不連続点を検出し
   この不連続点の検出に応じて前記光路差測定処理条件を
   補正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。