JPH11281571A

JPH11281571A - 光計測装置

Info

Publication number: JPH11281571A
Application number: JP7964798A
Authority: JP
Inventors: Kinpui Chan; キンプイチャン; Noboru Taguchi; 昇田口
Original assignee: SEITAI HIKARIJOHO KENKYUSHO KK
Current assignee: SEITAI HIKARIJOHO KENKYUSHO KK
Priority date: 1998-03-26
Filing date: 1998-03-26
Publication date: 1999-10-15

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、試料にコヒーレント光を照射し、こ
の試料を経由した光を利用して、試料の各種光特性を計
測する光計測装置に関し、パルス光を発する光源を用
い、これまで測定が不能であった波長の光による測定を
可能とし、また、試料の減衰量の計測レンジの拡大を図
る。【解決手段】パルスレーザ１から発せられたパルス光１
ａがビームスプリッタ２で二分され、その一方の信号光
１ｂの光路上に、信号光１ｂの振幅を変調する振幅変調
器５と信号光１ｂの周波数をシフトする周波数シフタ６
を備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、試料にコヒーレン
ト光を照射し、その試料を経由（透過あるいは散乱）し
た光を利用して、試料の各種光特性を計測する光計測装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】生体組織のような、光に対して顕著な散
乱特性を有する試料の透過特性を計測する場合、注意を
要する点は、試料内での散乱を繰り返して透過した光
と、最短距離を通過した成分、すなわち見掛け上の直進
光成分とを区別して検出する必要がある、というこうと
である。このための一方法として、見掛け上の直進光成
分では光の直進性、コヒーレンス、偏光特性などが保た
れるのに、散乱光ではこれらが消失することに着目した
光ヘテロダイン検出法が提案されている（例えば、Ｍ．
Ｔｏｉｄａ，Ｍ．Ｋｏｎｄｏ，Ｔ．Ｉｃｈｉｍｕｒ
ａ，Ｈ．Ｉｎａｂａ，ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＬ
ｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．２６，７００（１９９０）
参照）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】光ヘテロダイン検出法
は、光源からの入射光を二分し、試料を透過した信号光
と参照光との干渉に基づく検出法であり、不定の光路を
辿った散乱光成分はコヒーレンス損失が生じ参照光と干
渉できないことから、コヒーレンスを保った見掛け上の
直進行成分のみ抽出を行うというものである。光源とし
ては、通常、連続発振のレーザが用いられる。しかし、
光ヘテロダイン検出法での検出可能な信号光の光量は限
られることから、大きな減衰量をもつ試料の透過特性の
計測には、試料への照射光量の増強、参照光量の増強の
ために、光量の大きな入射光が必要になる。この場合、
光量が強大であることから生体試料のダメージが案ぜら
れる。そこで、平均的な照射光量は連続発振レーザでの
適正レベルにあるものの、ピークの高いパルス発振レー
ザの適用が考えられる。但し、光ヘテロダイン検出法の
検出能力は平均パワーで決まるから、各パルス到来時に
受光器で得られる電気信号を維持し、複数のパルスを連
ねて、あたかもパルスレーザのもつ高いピークレベルの
出力を有する連続発振レーザによる計測を行っているよ
うな状況を作り出す信号処理が必要である。さらに、す
べてのレーザが連続発振できるわけでなく、パルスでし
か得られない波長があり、それらの波長については、従
来、光ヘテロダイン検出法による光特性計測は行い得な
かった。

【０００４】本発明は、上記の背景に鑑み、パルス光を
発する光源を用い、これまで測定が不能であった波長の
光による測定を可能とし、あるいは、試料の減衰量の計
測レンジの拡大を図ることのできる光計測装置を提供す
ることを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の光計測装置は、
所定の時間間隔でパルス光を発する光源と、上記光源か
ら発せられたパルス光を、試料が配置される試料配置部
を経由する第１の光路とその試料配置部を経由する光路
とは異なる第２の光路を辿る参照光とに一旦分割し、上
記第１の光路を辿り試料配置部に配置された試料を経由
した後の信号光と上記第２の光路を辿った参照光とを重
畳することにより、これら信号光と参照光を干渉させる
干渉光学系と、上記第１の光路および上記第２の光路の
少なくとも一方の光路上に配置された、信号光の周波数
と参照光の周波数を相対的にシフトさせる周波数シフタ
と、上記第１の光路および上記第２の光路の少なくとも
一方の光路上に配置された、信号光および参照光の少な
くとも一方を、パルス光の発光の繰り返し周期よりも長
い周期で振幅変調する振幅変調器と、信号光と参照光が
重畳されてなる干渉光を受光する受光器とを備えたこと
を特徴とする。

【０００６】ここで、上記本発明の光計測装置は、上記
受光器に接続される、その受光器で得られた受光信号か
ら、上記周波数シフタによる信号光と参照光との相対的
な周波数シフト量に相当する周波数の信号成分を抽出す
るフィルタと、そのフィルタの出力信号から、上記振幅
変調器による振幅変調の周波数に相当する周波数の信号
を生成する信号変換回路とを有する信号処理部を備えた
ものであってもよい。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
説明する。図１は、本発明の光計測装置の一実施形態の
構成図である。この図１に示す光計測装置には、所定の
時間間隔でパルス光を発する光源であるパルスレーザ１
が備えられており、このパルスレーザ１から発せられた
パルスレーザ光１ａは、ビームスプリッタ２により信号
光１ｂと参照光１ｃとに二分される。これらの信号光１
ｂ，参照光１ｃは、それぞれ所定の第１の光路，第２の
光路を経由した後、もう１つのビームスプリッタ３で互
いに重畳されて受光器４に入射する。

【０００８】ビームスプリッタ２で参照光１ｃと分かれ
た信号光は、その信号光をパルスレーザ光の発光の繰り
返し同期よりも長い周期で振幅変調する振幅変調器５
（振幅変調周波数ｆ₁ ）、およびその信号光１ｂの周波
数をシフトさせる周波数シフタ６（周波数シフト量ｆ
₂ ）を経由し、ミラー７で反射し、さらに試料配置部８
に配置された試料１００を透過し、もしくはその試料１
００で散乱し、ビームスプリッタ３に入射する。一方、
ビームスプリッタ２で信号光１ｂと分かれた参照光１ｃ
はミラー９で反射されてビームスプリッタ３に入射す
る。すなわち、ここには、マッハツェンダ型の干渉計が
構成されている。

【０００９】図２は、連続する２つのパルス光に対す
る、図１の各部での波形を示す模式図である。図２
（Ａ），（Ｂ）はビームスプリッタ３に入射する、それ
ぞれ信号光および参照光の波形を示し、図２（Ｃ）は、
受光器４で得られた受光信号の波形を示している。図２
（Ｃ）に示す受光信号には、信号光と参照光との干渉に
より生成された、周波数シフタ６による周波数シフト量
に相当する周波数ｆ₂ のビート信号が含まれている。

【００１０】ハイパスフィルタ１１では、図２（Ｄ）に
示すように、この周波数ｆ₂ のビート信号が抽出され、
アンプ１２ではそのビート信号が増幅される。アンプ１
２の出力信号は包絡線検出器１３に入力されて、図２
（ｅ）に示す、ビート信号の包絡線信号が生成され、サ
ンプルホールド回路１４により、各パルス光に関する包
絡線信号がサンプルホールドされる。

【００１１】図３は、各部の信号波形を、図２と比べ長
時間的に示した信号波形図である。図２は、２つのパル
ス光に関する波形であったが、これを多数のパルス光に
ついて示すと、図１の包絡線検出器１３で得られた包絡
線信号は、図３（Ａ）に示すように、図１に示す振幅変
調器５による振幅変調周波数ｆ₁ に相当する周波数で振
幅変調されている。サンプルホールド回路１４では、こ
の図３（Ａ）に示す各ピークがサンプルホールドされ、
図３（Ｂ）に示す波形の信号が生成され、ローパスフィ
ルタ１５では、周波数ｆ₁ の信号成分が抽出されて、図
３（ｃ）に示すような、周波数ｆ₁ を中心とした信号と
なる。これを周波数ｆ₁ についてのロックインアンプ１
６で増幅することにより、もともとは微弱な信号光の光
レベルを電気信号として得ることができる。ロックイン
アンプ１６で得られた信号のレベルは、試料８の、この
測定時点における入射位置での光透過特性を示すもので
あり、信号光で試料１００を走査し、その入射位置を変
えれば、この試料１００の各部の光透過特性を把握する
ことができ、一次元もしくは二次元の光透過特性分布を
示す画像を作ることができる。

【００１２】以上の実施形態により、試料の、光透過画
像計測、分光透過特性の計測、機能計測などを行なうこ
とができる。尚、図１に示す実施形態では、振幅変調器
５および周波数シフタ６は信号光の光路（第１の光路）
上に配置されているが、参照光の光路（第２の光路）上
に配置してもよく、あるいは双方の光路上に配置しても
よい。周波数シフタ６を双方の光路上に配置したとき
は、それら２台の周波数シフタにおける周波数シフト量
は互いに異なっている必要がある。

【００１３】また、図１に示す実施形態では、基本的に
はマッハツェンダ型干渉計が採用されているが、本発明
では、例えば光ファイバを用いるなど、どのように変更
された干渉計を採用してもよい。さらに、図１に示す実
施形態では、具体的な回路ブロックが示されているが、
この回路構成は一例に過ぎず、振幅変調器と周波数シフ
タを配置すればパルス光を用いることができるという本
発明の思想に沿った、どのような回路構成の回路を採用
してもよい。

【００１４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によればパ
ルスレーザのもつ高いピーク出力を活用しての光ヘテロ
ダイン検出法を実現することができる。すなわち、大き
な減衰量をもつ試料の光透過性の計測のために必要な試
料への照射光量の増強、及び参照光量の増強を、平均的
な照射光量は連続発振レーザでの適正レベルにすること
で試料のダメージを抑制しつつ、実現することができ
る。

【００１５】連続発振レーザでの適用出力と等しい平均
出力Ｐを有する、パルス間隔Ｔ、パルス幅τのパルス発
振レーザを用いた場合の本発明の提供する改善効果は以
下のとおりである。光ヘテロダイン検出法の検出能力
は、原理的には単位時間のフォトン数つまり平均出力Ｐ
で定まるが、本発明の提供する計測系と信号処理系によ
れば、理想状態ではあたかもそのピーク出力値Ｐ／（τ
／Ｔ）のレベルのフォトンによる計測を連続的に行って
いるような系を実現できることになる。τ／Ｔはパルス
占有率と呼ばれる。従って、本発明によれば、平均出力
Ｐのパルスレーザを用いた場合、出力Ｐの連続発振レー
ザを用いた光ヘテロダイン検出系に比べ、パルス占有率
の逆数に比例した改善が得られるということができる。
例えば、パルス周波数２０ｋＨｚすなわちＴ＝５０μｍ
であってパルス幅τ＝２００ｎｓｅｃならば、理想状態
では２５０倍すなわち約２４ｄＢの改善が期待できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光計測装置の一実施形態の構成図であ
る。

【図２】連続する２つのパルス光に対する、図１の各部
での波形を示す模式図である。

【図３】図３は、各部の信号波形を、図２と比べ長時間
的に示した信号波形図である。

【符号の説明】

１パルスレーザ１ａパルスレーザ光１ｂ信号光１ｃ参照光２，３ビームスプリッタ４受光器５振幅変調器６周波数シフタ７，９ミラー８試料配置部１１ハイパスフィルタ１２アンプ１３包絡線検出器１４サンプルホールド回路１５ローパスフィルタ１６ロックインアンプ１００試料

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の時間間隔でパルス光を発する光源
と、前記光源から発せられたパルス光を、試料が配置される
試料配置部を経由する第１の光路と該試料配置部を経由
する光路とは異なる第２の光路を辿る参照光とに一旦分
割し、前記第１の光路を辿り前記試料配置部に配置され
た試料を経由した後の信号光と前記第２の光路を辿った
参照光とを重畳することにより、これら信号光と参照光
を干渉させる干渉光学系と、前記第１の光路および前記第２の光路の少なくとも一方
の光路上に配置された、前記信号光の周波数と前記参照
光の周波数を相対的にシフトさせる周波数シフタと、前記第１の光路および前記第２の光路の少なくとも一方
の光路上に配置された、前記信号光および前記参照光の
少なくとも一方を、前記パルス光の発光の繰り返し周期
よりも長い周期で振幅変調する振幅変調器と、前記信号光と前記参照光が重畳されてなる干渉光を受光
する受光器とを備えたことを特徴とする光計測装置。
【請求項２】前記受光器に接続される、前記受光器で
得られた受光信号から、前記周波数シフタによる前記信
号光と前記参照光との相対的な周波数シフト量に相当す
る周波数の信号成分を抽出するフィルタと、該フィルタ
の出力信号から、前記振幅変調器による振幅変調の周波
数に相当する周波数の信号を生成する信号変換回路とを
有する信号処理部を備えたことを特徴とする光計測装
置。