JPS631940A - コヒ−レンス長測定装置 - 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−」 この発明は例えば光信号を干渉させてそのコヒーレンス
長を測定するコヒーレンス長測定装置に関する。

「従来の技術」 いわゆるコンパクトディスクやレーザーティスフ、また
光ディスクなどのディスク−にの情報を読取るために半
導体レーザーなどの光が用いられている。その光源はデ
ィスク面からの反射光によって不安定になるおそれがあ
るが、その光源の光のコヒーレンス長が大きい程不安定
となる。このためコヒーレンス長を測定する必要がある
。

従来、光のコヒーレンス長を測定する装置としては、時
間的コヒーレンス長を測定するために第６図に示すもの
が用いられていた。即ちレーザーダイオードなどの光源
１１からの被測定光は、マイケルソン干渉計などの光干
渉計に入射される。

即ち光源１１からの光はビームスプリッタ−１２に入射
され、そのビームスプリンター】２の透過光は固定反射
鏡１３に入射され、その反射光はビームスプリッタ−１
２に戻り、またビームスプリンター１２で分割反射され
た他方の光は可動反射鏡１４に入射され、可動反射鏡１
４よりの反射波と固定反射鏡１３よりの反射波とがビー
ムスプリッタ−１２で合成されて干渉波が得られる。そ
の干渉波は光検出−器１５に入射されて電気信号に変換
され、その電気信号の包絡線が包絡線検波器１６で検波
される。この干渉波の時間的な干渉縞を得るため、可動
反射鏡１４は駆動器１７により周期的にビームスプリッ
タ−１２に対して前後に進退させられる。この可動反射
鏡１４の移動を時間軸として、包絡線検波器１６の検波
出力が記録器或いは表示器１８に供給されて光源１１よ
りの光の時間的コヒーレンス長の測定結果が表示される
。

つまりビームスプリッタ−１２に対する固定反射鏡１３
、可動反射鏡１４の距離が等しい時、干渉波の強度は最
強となり、その強度に対する、次の干渉縞のピーク値と
の差からコヒーレンス長が求められる。

このように従来のコヒーレンス長測定装置は、　　□包
絡線をアナログ検波するものであり、従ってその検波時
定数により包路線の波形が変化し、検波出力は干渉波の
包絡線と１対１に対応したものとならず、コヒーレンス
長の正しい測定をすることは困難であった。

「問題点を解決するための手段」 この発明によれば、被測定波を干渉させ、その時間的ま
たは空間的干渉縞を作り、その干渉縞を電気信号に変換
し、その電気信号をデジタル信号に変換し、そのデジタ
ル信号の自乗値とデジタル信号のヒルベルト変換値の自
乗値とを自乗手段により得て、これら自乗手段により得
られた両目乗値を加算手段により加算し、その加算値を
開平手段により開平して干渉波の包絡を得て被測定波の
コヒーレンス長を測定する。

このようにこの発明ではデジタル的に信号処理すること
によってコヒーレンス長を、つまり包絡線を得ているた
め、入力干渉波の包路線と１対１で対応した出力を得る
ことができ、正しいコヒーレンス長を測定することがで
きる。

「実施例」 第１図はこの発明によるコヒーレンス長測定装置の実施
例を示す。光源１１からの被測定波、この例では光が干
渉計２１に入力される。干渉計２１は例えば第６図に示
したマイケルソン干渉計であって、可動反射鏡を制御す
ることによって時間的干渉縞を得ることができる。この
干渉計２１より得られた干渉縞は光検出器１６に人力さ
れて電気信号に変換され、その電気信号はＡＤ変換器２
２により一定周期でデジタル信号に変換される。ＡＤ変
換器２２よりのデジタル信号はスイッチ２３゜２４の設
定に応じて直接バッファメモリ２５に取込まれ、或いは
倍率変更回路、いわゆるズーム回路２６を通じてバッフ
ァメモリ２５に取込まれる。

バッファメモリ２５に取込まれた干渉縞のデジタル信号
値は演算部２７に入力され、演算部２７は入力されたデ
ジタル信号の自乗を得る手段と、デジタル信号のヒルベ
ルト変換値の自乗を得る手段と、更にそれら演算結果の
自乗値の加算を得る手段と、その加算値の開平を得る手
段とを有する。

この演算としては第１にはいわゆるヒルベルト変換を行
って求めることができる。即ち第２図に示すようにまず
バッファメモリ２５より時系列Ｘ、＋ｔ）を入力しくス
テップＳＩ）、その時系列Ｘ　ａ（ｔｌを高速フーリエ
変換（ＦＦＴ）Ｌ、て複素スペクトラム５ａ（ｆｌ＝ｓ
ａｒ＋ｊｓａ＋を得る（ステップＳ２）。

その虚数部を実数部とし、実数部を虚数部とした複素数
Ｓ　ａｎ（ｆｌ−８ａｉ　　ｊｓａｒを作り（ステップ
Ｓ３）、その複素数数スペクトラムｓ、Ｈｔｆ）を逆高
速フーリエ変換（ＩＦＦＴ）　してヒルベルト変換値Ｘ
ａ、＋ｉｌを得る（ステップＳ４）。このようにして得
られたヒルベルト変換値Ｘａｏ（ｔ）の自乗値と、入力
時系列Ｘ　ｍ　（ｔｌの自乗値とを加算手段により加算
しくステップ３．５）、その加算値Ｚａ”（ｔｌを開平
手段により開平して入力時系列Ｘ＝（ｔｌの包絡を得る
（ステップＳ６）。

演算部２７における演算は第３図に示すようにして行っ
てもよい。即ちバッファメモリ２５から時系列Ｘ　ｍ　
（ｔ）を取込み（ステップＳ１）、その時系列Ｘ、＋ｔ
ｌを高速フーリエ変換してパワースペクトルｃ　、　（
ｎ　ヲ得る（ステップＳＺ）。次にこのパワースペクト
ルＧ、（ｆｌを開平したものを実部とし、虚部を０とし
た複素スペクトラム５ａ（ｆｌを作る（ステップＳ３）
。ぞの複素スペクトラムＳ　ａ　Ｉｒ）を逆高速フーリ
エ変換してＺ　ａｉｔ）　＝　Ｚ　ｒ　＋ＪＺ＋を得る
（ステップＳ４）。この時系列Ｚ、ｔｔ）の実部Ｚｒの
自乗と、虚部２．の自乗との和を求める（ステップＳ、
）。この自乗の和を開平して入力時系列Ｘ、ｔＯの包絡
を得る（ステップＳ６）。

ここでＺｒは入力時系列Ｘａ（ｔ）、つまり入力された
干渉縞の時系列の実数部があり、時間に対して対称な波
形である場合、つまり第６図の固定反射鏡１３と可動反
射鏡１４とのビームスプリンター１２との各距離が等し
い時点に対して対称な波形である場合には、このＺ、は
その入力時系列Ｘ、＋ｔ＋と等しいものとなり、また虚
数部Ｚ、は第２図について求めたヒルヘルド変換値Ｘ、
Ｈ（ｔｌと等しいものとなる。

このことを次に説明する。即ち干渉縞を得るための固定
反射鏡１３よりの光と可動反射鏡１４よりの光との光路
差がゼロの時点に対して干渉縞は対称となる。このこと
は位相項を考慮する必要がない。この理由から逆高速フ
ーリエ変換の入力データとしては複素スペクトラムでは
なくパワースペクトラムの開平値を用いることもできる
。

ところで第２図について述べたように時間的］−渉縞の
包絡を導出するには、その入力信号の時系列Ｘ、（ｔ）
の自乗と、Ｘ、（ｔｌのヒルヘルド変換値ＸａｌＩ（ｔ
）の自乗とを加算した値を開平したもので求めることが
できる。この開平値Ｚ　（ｔ）を複素数形式で次のよう
に表わす。

Ｚ　（ｔｌ　”　Ｚ　ｒ　（ｊｌ　＋　Ｊ　Ｚ　ｉ　（
１１この包絡線はＺ　（ｔｌの絶対値１２（ｔ）ｌで表
わされる。その実数部Ｚ、（ｔｌはｔ＝Ｑで先に述べた
ように偶関数であり、つまりｔ＝Ｑに対して対称波形で
あるからｃｏｓで展開することができる。

即ち Ｚｒ（ｔｌ−Σへ、Ｉ　Ｃ０３（２π　Δｆｎｔ）ｂム
０ となり、このＡ、、はＺ、（ｔｌをフーリエ変換した際
のフーリエ係数である。虚数部Ｚ、はごれ６．１月して
９０゛位相が違うため Ｚ、（ｔｌ−Σ　八ｎ　　５ｉｎ（２π　Δｆｎｔ）と
展開することができる。

従って Ｚ　（ｔｌ−Σ　八、　　ｃｏｓ（２７ｒ　Δｆｎｔ）
ｎふ０ ＋ｊΣＡｎ　５ｉｎ（２ｒｃΔｆｎｔ）ｊ２πΔｆｎｔ ＝ΣＡｎｅ となる。

第３図について述べたように入力時系列を高速フーリエ
変換し、そのパワースペクトルを求め、そのｆ＞Ｏでパ
ワースペクトルの開平値Ｇａ（ｆｌ　ｆｃ求め、これを
実部、虚部をゼロとすることによってこの干渉縞を偶関
数化し、この複素スペクトラムを逆フーリエ変換して、
先の手順に示すようなことをすれば包絡線を算出するこ
とができる。つまりＺ　ｒ　”を求めることはｘａ”ｔ
ｔ＋を求めることであり、Ｚ、′を求めることはＸ、Ｈ
”　（ｔ）を求めることである。

このことを実験的に確認するため次のことを行った。即
ち例えば光源であるレーザーダイオードのパワースペク
トルは位相変調信号と同様なものであるから、第４図Ａ
に示すようなパワースペクトルをもつ位相変調信号を作
り、これについてその干渉信号を得て、つまり第４図Ａ
に示す信号の自己相関関数を求めると第４図Ｂに示すよ
うになる。この第４図Ｂの自己相関関数信心、つまり干
渉縞出力の包絡を、第２図に示した手法によって求める
と第４図Ｃに示すようになる。−方第４図Ｂに示した自
己相関関数を第３図に示すようにして処理ずろと、第５
図に示すようになり、この出力は第４図Ｃの出力と非常
に似たものとなり、第３図による手法が正しいことが理
解される。

高速フーリエ変換における分解能ば、フーリエ変換に用
いるデータ数が多い程、またザンブリング周期が長い程
大となる。この点から第６図における可動反射鏡１４の
移動速度を遅くし、かつ標本化周期を長くすればよいが
これは測定時間が長くなり、実際的な測定に適しない。

この点よりデジタルスペクトルアナライザで用いられて
いるズーミング回路、つまり倍率変更回路２６により入
カデータ倍率を変更してバッファメモリ２５に取込み、
その倍率を変更したデータについて演算部２７で第２図
又は第３図に示した演算処理を行えばよい。倍率変更回
路２６は従来のデジタルスペクトルアナライザにおいて
用いられているものを使用すればよく、つまり第１図に
示すように変更倍率に応じて入力デジタル信号とｃｏｓ
２πｆａｎΔｔと５ｉｎ２πｆａｎΔｔとをそれぞれ乗
算器２６ａ、２６ｂでデジタル的に掛算し、それら掛算
出力より低域デジタルフィルタ２６ｃ、２６ｄによって
不用成分を除去して、低い周波数領域に変換し、その出
力を設定倍率に応じたサンプリング周期でスイ・ノチ２
６ｅ、２６ｆによりサンプリングしてバッファメモリ２
５にそれぞれ供給すればよい。このようにして干渉計２
１よりのデータの取込みを比較的速くし、かつ同一デー
タ数であるがスイ・ノチ２６ｅ２６ｆのサンプリング周
期を長くして分解能を高くすることができる。

ところでこのように倍率変更を行うと、倍率変更回路２
６の出力データは複素数となるため、このデータについ
ては第２図に示した処理を簡単に行うことはできなくな
り、その処理が複雑となる。

しかし第３図に示した処理によれば、簡単な演算により
目的とする干渉波の包路線を求め、つまりコヒーレンス
長を容易に得ることができる。

上述においては時間的コヒーレンス長を測定したが、空
間的コヒーレンス長を測定することもできる。即ち例え
ば第７図に示すようにアパーチュア４１よりの光をスリ
ット４２．４３を通し、これらスリット４２．４３より
の光をスクリーン４４に受光し、スリット４２．４３を
通しる二つの光路の差に応じた干渉縞がスクリーン４４
上に現われる。第１図における光検出器１６をスクリー
ン４４上に沿って移動させることによって、又はスクリ
ーン４４上に密に配列された光検出素子を順次切替え出
力することによりスクリーン４４に発生した空間的干渉
縞の電気信号を得ることができる。その電気信号を先に
述べたように処理してその空間的コヒーレンス長を測定
することが可能である。但しこの場合、アパーチュア４
１のスリン１−４２．４３配列方向における長さをΔｌ
、アパーチュア３１よりスリット４２．４３を見た開口
角を八〇とし、光源１１の波長をイ。とすると、Δθ×
Δｌがλ。より小さいかほぼ等しい場合に干渉縞が生じ
る。またこの発明は光の干渉波のみならす、他の音波、
電波などの各種波動の干渉波のコヒーレンス長を同様に
求める場合に適用できる。

「発明の効果」 以上述べたようにこの発明によれば、時間的又は空間的
コヒーレンス長をデジタル処理により測定することがで
き、このため従来においてアナログの包絡線検波器を用
いるためにその時定数に応じて包絡が異なるものとなる
が、この発明では、正しく包絡を検出し、正しいコヒー
レンス長を測定することができる。特に比較的短時間で
コヒーレンス長を測定するには例えば時間的コヒーレン
スの測定においては可動反射鏡１４の移動速度をそう遅
くすることはできないため、前述したようにいわゆる倍
率変更回路２６により倍率を拡大する必要があるが、こ
のように倍率を拡大する場合において第３図に示した処
理手段によれば、比較的簡単な演算で包絡線を検出する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）被測定波を干渉させる干渉手段と、 その時間的または空間的干渉縞を得る手段と、その干渉
   縞を電気信号に変換する手段と、 その電気信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換器と、 そのＡＤ変換器の出力の自乗とＡＤ変換器の出力のヒル
   ベルト変換の自乗とを得る自乗手段と、その自乗手段の
   各自乗値の和を求める加算手段と、 その加算値を開平して被測定波のコヒーレンス長を得る
   開平手段とを具備するコヒーレンス長測定装置。