JPWO2006019181A1 - 形状測定方法、形状測定装置および周波数コム光発生装置 - Google Patents

Abstract

周波数コム光発生装置を光源として使用することで、深い個所まで、かつ高い空間分解能で表皮下等の観測が可能な形状測定方法および形状測定装置、ならびに簡単な構成により、周波数間隔が可変で、かつ多数の周波数コムを発生でき、しかも動作が安定な周波数コム光発生装置を提供する。レーザー光源１１と光共振器１３とコム間隔調整器１４と出射口ＯＵＴとを備えた周波数コム光発生装置、および距離測定用の光学干渉計を含んでなる形状測定装置であって、光共振器１３は、光変調器１３１と、第１のミラーＭ１１と、光変調器の光導波路の他方端から引き出された光ファイバーＦ１３と、第２のミラーＭ１２とを有し、コム間隔調整器１４は変調信号を変化させる変調信号生成器であり、光ファイバーＦ１３には偏光状態の変化を補償する装置（ファラデー回転ミラー）が備えられている。

Description

本発明は、周波数コム光発生装置を光源として使用することで、深い個所まで、かつ高い空間分解能で表皮下等の観測が可能な形状測定方法および形状測定装置、ならびに簡単な構成により、周波数間隔が可変で、かつ多数の周波数コムを発生でき、しかも動作が安定な周波数コム光発生装置に関する。

従来、生体表皮から光を入射し、組織内部の反射光を検出して表皮下の断層写真を得る光コヒーレンス・トモグラフィ（ＯＣＴ）が知られている（特開２００４−１９１１１４等参照）。
図１１（Ａ）は従来の光コヒーレンス・トモグラフィを示す図である。図１１（Ａ）において、光コヒーレンス・トモグラフィ８は、低コヒーレンス光源８１と、集光レンズ８２と、ハーフミラー８３と、参照ミラー８４と、参照ミラー移動用のアクチュエータ８５と、対物レンズ８６と、検出レンズ８７と、光検出器８８と、制御用コンピュータ８９とを備えている。
光コヒーレンス・トモグラフィ８の、低コヒーレンス光源８１と制御用コンピュータ８９とを除く構成要素が光学干渉計を構成している。低コヒーレンス光源８１として、ＬＥＤやＳＬＤ（スーパールミネッセントダイオード）等、スペクトル幅の広い光源が用いられ、図１１（Ｂ）に示すように、波長スペクトルが広がり（たとえば、数１０ｎｍあるいはそれ以上）を持つ。
低コヒーレンス光源８１は、コンピュータ８９からの制御信号Ａ１により制御される。低コヒーレンス光源８１は、集光レンズ８２によりコリメートされ、ハーフミラー８３に出射される。ハーフミラー８３は、集光レンズ８２から入射した光を２分し、一方を参照ミラー８４に出射するとともに他方を対物レンズ８６を介して被測定対象Ｏに向けて出射する。また、ハーフミラー８３は、参照ミラー８４からの反射光および被測定対象Ｏの内部の反射点からの反射光を合波し、検出レンズ８７を介して光検出器８８に出射する。被測定対象Ｏからの反射光には、表面で反射した光、内部の浅い位置で反射した光、内部の深部で反射した光等が含まれる。
検出に用いられる光は、低コヒーレンス光であるため、干渉が観測される反射光は、ハーフミラー８３から参照ミラー８４までの距離をＬ_０、コヒーレンス長をＬ_０′とすると、ハーフミラー８３からの距離が（Ｌ_０±Ｌ_０′／２）の位置に存在する面からの反射光のみとなる。したがって、ハーフミラー８３から参照ミラー８４までの距離をアクチュエータ８５（コンピュータ８９からの制御信号Ａ２により制御される）により変化させれば、その距離に対応した反射面からの反射光のみを選択的に検出することができる。これにより、被測定対象Ｏの内部の任意の位置での反射率をコンピュータ８９により求めることができ、求めた反射率の分布を図示しないディスプレイ上に映像化することにより、被測定対象Ｏ内部の構造情報を可視化することが可能になる。

図１１（Ａ）における低コヒーレンス光源８１の出力は、前述したようにスペクトル幅が広い（図１１（Ｂ）参照）。したがって、光コヒーレンス・トモグラフィ８では、深さ方向に高い空間分解能が得られるが、光の強度が小さく、利用効率も悪いため微弱な出力しか得られないため、被測定対象Ｏ内部の深い場所まで観察することができない。しかも、観測に時間がかかり、さらに参照ミラーを可動としているため信頼性は必ずしも高くない。
また、光コヒーレンス・トモグラフィの光源に、広いスペクトル幅を持つフェムト秒レーザーを採用することで、空間分解能を高くすることも検討されている。しかし、この光コヒーレンス・トモグラフィは、装置が大きく、かつ高価格であるため、臨床現場等における使用には適していない。
さらに、コヒーレンス関数合成法のように、時間平均としての仮想的な周波数コム光を合成する技術も知られている。しかし、この技術は、周波数間隔を短くできず、コム発生数にも制限があるため、ファイバーセンシングのような距離計測への応用に限られ（特開平１０−１４８５９６号参照）、たとえば生体表皮下の組織の観測等の形状測定には適していない。
図１２（Ａ）に示す従来の周波数コム光発生装置９は、レーザー光源９１と、光共振器９２とからなる。光共振器９２は、ＬＮ（ＬｉＮｂＯ_３：ニオブ酸リチウム）基板９２１上に形成された光変調器９２２とミラーＭ０１，Ｍ０２とからなる。レーザー光源９１の出力光（角周波数ω_０）は、光共振器９２内で変調信号ＲＦ０により変調されて周波数シフトがなされる。この後、ミラーＭ０１，Ｍ０２により繰り返し反射されて変調が繰り返され、光共振器９２からは図示するようなレーザー光（変調光ＭＬ）が出力される。
この変調光ＭＬは、図１２（Ａ）に周波数成分ＦＥとして示し、また図１２（Ｂ）のスペクトル図に示すように、多数の周波数成分を離散的に含む。これらの図に示されるように、角周波数は、ω_０を中心にして周波数の高い側および低い側に分布している。
しかし、この周波数コム光発生装置９では、周波数コムの周波数間隔がミラーＭ０１，Ｍ０２間の距離で決定されるために周波数コムの周波数間隔を可変にすることが困難であるという問題があった。
本発明の目的は、周波数コムの周波数間隔が可変な周波数コム光発生装置を光源として使用することで、深い個所まで、かつ高い深さ空間分解能で表皮下等の観測が可能な形状測定方法および光コヒーレンス・トモグラフィ等の形状測定装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、簡単な構成により、周波数コムの周波数間隔が可変で、かつ多数の周波数コムを発生でき、動作が安定な周波数コム光発生装置を提供することにある。
上記した目的を達成するために、本発明は、車両の操縦安定性を向上させる前輪操舵制御装置において、
前記車両のハンドル角と車速とを読み込む読込手段と、
前記読込手段で読み込んだハンドル角と車速に基づいて、車体重心点横すべり角を常に０とする車両のヨーレイトを算出する第１の算出手段と、
前記第１の算出手段で算出したヨーレイトを実現するための、目標前輪実舵角を算出する第２の算出手段と、
前記第２の算出手段で算出した前記目標前輪実舵角に基づき、前記車両の操舵制御を行う制御手段と、
を有することを特徴とする。
本発明では、前記目標前輪実舵角は、車両のハンドル角に比例したフィードフォワード実舵角と、該ハンドル角の微分値に一次遅れ要素を付加したフィードフォワード実舵角を重ね合わせて算出することができる。

本発明の周波数コム光発生装置の第１実施形態を示す図である。 （Ａ）は図１の周波数コム光発生装置の光変調器の第１の例をに示す図であり、（Ｂ）は（Ａ）の周波数コム光発生装置の斜視図、（Ｃ）は（Ａ），（Ｂ）の光変調器の出力光のスペクトル図である。 （Ａ）は図１の周波数コム光発生装置の光変調器の第２の例をに示す図であり、（Ｂ）は（Ａ）の光変調器の出力光のスペクトル図である。 図１の周波数コム光発生装置に光ファイバーアンプを設けた例を示す図である。 本発明の周波数コム光発生装置の第２実施形態を示す図である。 （Ａ）は本発明の光コヒーレンス・トモグラフィの基本構成を示す図、（Ｂ）は（Ａ）における周波数コム光発生装置の出力光のスペクトル図である。 図６（Ａ）における周波数コム光発生装置の動作を説明するための、当該光源の出力光の詳細なスペクトル図である。 本発明の光コヒーレンス・トモグラフィの第１実施形態の説明図である。 本発明の光コヒーレンス・トモグラフィの第２実施形態の説明図である。 図６および図９の光コヒーレンス・トモグラフィの周波数コム光発生装置としても使用できるシングルループの周波数コム光発生装置を示す図である。 （Ａ）は従来の光コヒーレンス・トモグラフィを示す図であり、（Ｂ）は低コヒーレンス光源の周波数スペクトル図である。 （Ａ）は従来の周波数コム光発生装置を示す図であり、（Ｂ）は従来の周波数コム光発生装置の出力の周波数スペクトル図である。

図１は本発明の周波数コム光発生装置の第１実施形態を示す図である。図１において、周波数コム光発生装置１は、レーザー光源１１と、サーキュレータ１２と、光共振器１３と、コム間隔調整器１４とを備えている。
レーザー光源１１は、本実施形態では、生体内における透過率が高い波長帯（たとえば、１．２〜１．６μｍ）のレーザー光（中心角周波数ω_０）を出力することができる。
図１では、レーザー光源１１には、変調信号ＬＭが入力されており、これにより中心周波数ω_０に所定の幅（たとえば、数１００Ｍから数ＧＨｚの幅）を持たせることができる。サーキュレータ１２は、レーザー光源１１と光共振器１３との間に設けられており、第１のポートＰ１１にレーザー光源１１が光ファイバーＦ１１（偏波保持ファイバー）を介して接続され、第２のポートＰ１２に光共振器１３が光ファイバーＦ１２（偏波保持ファイバー）を介して接続されている。第１のポートＰ１１の入射光は、第２のポートＰ１２から出射され、第２のポートＰ１２の入射光は、第３のポートＰ１３から出射される。この第３のポートＰ１３は、後述する周波数コム光ＯＦＣの出射口となる。
光共振器１３は、レーザー光源１１が出力するレーザー光（中心角周波数ω_０）を種として周波数コム光ＯＦＣを生成するもので、光変調器１３１と、第１，第２のミラーＭ１１，Ｍ１２とを備えている。
コム間隔調整器１４は、光共振器１３の変調電極に与えられる変調信号を変化させる変調信号生成器であり、この変調周波数を変化させることにより周波数コムの角周波数間隔Ωを変化させる（角周波数間隔Ωを掃引する）ことができる。
第１のミラーＭ１１は、光変調器１３１の、サーキュレータ１２側に設けられ、第２のミラーＭ１２は、第１のミラーＭ１１と反対側に、所定長（ミラーＭ１２，ミラーＭ１１間の距離がＬ）の光ファイバーＦ１３（シングルモード（ＳＭ）ファイバー）を介して接続されている。本実施形態では、第２のミラーＭ１２は、ファラデー回転ミラーである。シングルモードファイバーは、伝播する光の偏光状態の変化を引き起こす。本実施形態では、光ファイバーＦ１３の終端に設けたファラデー回転ミラー（第２のミラーＭ１２）により、入射時と反射時とで偏波面がそれぞれ４５°回転する（すなわち、偏光状態が、最終的に元の光に対して９０°回転する）。これにより、光ファイバーＦ１３で生じる偏光状態の変化が正確に補償される。
光ファイバーＦ１３の長さは、第１のミラーＭ１１と第２のミラーＭ１２との距離Ｌが、半波長（λ／２）の整数（ｍ）倍となるように設定されている。
すなわち、光ファイバーＦ１３の屈折率をｎ、光速をｃとすると、Ｌは、
Ｌ＝ｍ×（λ／２）×（１／ｎ）＝（ｍ／ｎ）×（ｃπ／ω_０）
で表される。
光変調器１３１の第１の例を、図２（Ａ）の平面説明図、図２（Ｂ）の斜視説明図により説明する。図２（Ａ），（Ｂ）では、光変調器１３１は、ＬＮ（ＬｉＮｂＯ_３：ニオブ酸リチウム）基板１３１１と、この基板に形成した光導波路１３１２と変調用電極１３１３とを備えている。なお、図２（Ａ）には、ミラーＭ１１，Ｍ１２を併せて示してあり、図２（Ｂ）には、変調駆動回路として発振器ＯＣおよび終端抵抗Ｒが示されている。図２（Ａ），（Ｂ）では、光変調器１３１に、レーザー光（ｅｘｐ（ｉω_０ｔ）で表す）が入射され、変調用電極１３１３には、発振器ＯＣにより変調信号ＲＦとして、
φ_１ｓｉｎΩｔ＋φ_２ｓｉｎ（２Ωｔ＋θ）
が与えられ、変調後のレーザー光ｅ（ｔ）は、（１）式で表される。なお、光変調器１３１の駆動回路は、周知技術であるので説明はしない。

ところで、

の関係がある。したがって、

となる。
（３）式は、角周波数が、ω_０を中心にして周波数の高い側および低い側に分布している周波数コムを表している。周波数コムの特性を平坦かつ広くするために、図示しない移相器を設けてθを調節することができる。
図２（Ｃ）は、（３）式をスペクトル図で表したものである。図２（Ｃ）では、周波数コムの角周波数間隔（以下、「コム間隔」と言う）ΩのＮ本（Ｎは奇数）の周波数コムが（Ｎ−１）Ωの帯域に分布している様子が示されている。ここでは、便宜上、各周波数成分の強度は均一となるように示してある。実際には強度にバラツキが生じるが、後述する光コヒーレンス・トモグラフィ等における検出には大きくは影響しない。
光変調器１３１の第２の例を図３（Ａ）に示す。図３（Ａ）の光変調器１３１は、マッハツェンダー導波路型の光変調器であり、ＬＮ基板１３１１上に、光導波路１３１２と変調用の変調用電極１３１３が形成されている。光導波路１３１２は、ＬＮ基板１２１１上で２光路に分岐し、変調用電極１３１３は一方の光路（アーム）に形成された電極ＥＰ１と、他方の光路（アーム）に形成された電極ＥＰ２およびＥＰ３とからなる。
図３（Ａ）では、光変調器１３１には、レーザー光（ｅｘｐ（ｉω_０ｔ）で表す）が入射され、電極ＥＰ１には、変調信号ＲＦ１、
φ_１ｓｉｎΩｔ＋φ_２ｓｉｎ（２Ωｔ＋θ）
が与えられ、電極ＥＰ２には、変調信号ＲＦ２、
φ_１ｓｉｎΩｔ−φ_２ｓｉｎ（２Ωｔ＋θ）
が与えられ、電極ＥＰ３には、バイアスＤＣが与えられる。バイアスＤＣに、２つのアームを伝播する光の位相が０，またはπとなるような直流信号が与えられる。
各電極ＥＰ１，ＥＰ２，ＥＰ３に各信号が与えられ、バイアスＤＣには、２つのアームを伝播する光の位相がπとなる直流信号が与えられたものとする。変調後のレーザー光ｅ（ｔ）は、ベッセル関数を用いると、（４）式で表される。

さらに、変形すると（５）式が得られる。

（５）式はｓが偶数の項はゼロとなる。すなわち、（５）式は奇数次だけの周波数コムを表している。この周波数コムは、図３（Ｂ）のスペクトル図に示すように、角周波数がω_０を中心にしてコム間隔２Ωで周波数の高い側および低い側に分布している。図３（Ｂ）では、コム間隔２ΩのＮ本（Ｎは奇数）の周波数コムが２（Ｎ−１）Ωの帯域に分布している様子が示されている。ここで、便宜上、各周波数成分の強度は均一となるように示してあるが、バラツキが生じても、図２（Ｃ）で説明したと同様、光コヒーレンス・トモグラフィへの適用等には大きくは影響はしない。なお、図３（Ｂ）および図２（Ｃ）から明らかなように、図３（Ａ）の光変調器１３１は、図２（Ａ）の光変調器１３１と比べてコム間隔が２Ωと２倍であり、帯域も２倍にすることができる。
なお、図１の周波数コム光発生装置１において、第１，第２のミラーＭ１１，Ｍ１２間の光強度が減衰するときは、図４に示すように光共振器１３の第１，第２のミラーＭ１１，Ｍ１２間（光ファイバーＦ１３上）に光ファイバーアンプ１３２を設けることができる。
図５は、本発明の周波数コム光発生装置の第２実施形態を示す図である。図５において、周波数コム光発生装置２は、レーザー光源２１と、アイソレータ２２と、光共振器２３と、コム間隔調整器２４とを備えている。
レーザー光源２１は、第１実施形態のレーザー光源１１と同様、生体内における透過率が高い波長帯のレーザー光（中心角周波数ω_０）を出力することができる。
アイソレータ２２は、レーザー光源２１と光共振器２３との間に設けられており、第１のポートＰ２１にレーザー光源２１が光ファイバーＦ２１（偏波保持ファイバー）を介して接続され、第２のポートＰ２２に光共振器２３が光ファイバーＦ２２（偏波保持ファイバー）を介して接続されている。
光共振器２３は、レーザー光源２１が出力するレーザー光（中心角周波数ω_０）を種とする周波数コム光ＯＦＣを生成するもので、光変調器２３１と、第１，第２のミラーＭ２１，Ｍ２２と、光ファイバーアンプ２３２とを備えている。
コム間隔調整器２４は、光共振器２３の変調電極に与えられる変調信号を変化させる変調信号生成器であり、この変調周波数を変化させることによりコム間隔Ωを変化させる（角周波数間隔Ωを掃引する）ことができる。
第１のミラーＭ２１は、光変調器２３１の、アイソレータ２２側に設けられ、第２のミラーＭ２２は、第１のミラーＭ２１と反対側に、長さＬの光ファイバーＦ２３（偏波保持ファイバー）を介して接続されている。なお、本実施形態では、上述した光ファイバーアンプ２３２は、偏波保持ファイバーアンプである。
本実施形態では、第２のミラーＭ２２は、後述する周波数コム光ＯＦＣの出射口となる。
光ファイバーＦ２３の長さは、第１実施形態と同様、第１のミラーＭ２１と第２のミラーＭ２２との距離Ｌが、半波長（λ／２）のｖ整数（ｍ）倍となるように設定されている。ここで、距離Ｌは、
Ｌ＝ｍ×（λ／２）×（１／ｎ）＝（ｍ／ｎ）×（ｃπ／ω_０）
で表される（ｎは光ファイバーＦ２３の屈折率、ｃは光速）。
光変調器２３１として、図２（Ａ）、図３（Ａ）に示した光変調器１３１と同様の構成のものを使用することができる。
図６（Ａ），（Ｂ）および図７により本発明の形状測定装置の基本構成を、光コヒーレンス・トモグラフィを例に説明する。図６（Ａ）において、光コヒーレンス・トモグラフィ４は、周波数コム光発生装置４１と、光スプリッター４２と、固定参照ミラー４３と、光検出器として機能するフォトダイオード４４とを備えており、これらが、光学干渉計を構成している。
周波数コム光発生装置４１は、図１または図４に示した周波数コム光発生装置１、あるいは図５に示した周波数コム光発生装置２を使用することができる。周波数コム光発生装置４１は、コンピュータ４５からの制御信号Ｃにより制御される。
参照ミラーは通常の光学干渉計では位置変動するが（図１１の参照ミラー８４参照）、本発明では参照ミラー（固定参照ミラー４３）は固定されている。
光スプリッター４２（図６（Ａ）ではハーフミラーで示す）は、周波数コム光発生装置４１の出力光（周波数コム光ＯＦＣ）を２分し、一方を固定参照ミラー４３に出射するとともに、他方を被測定対象Ｏに向けて出射する。さらに、光スプリッター４２は、被測定対象Ｏからの反射光ＲＢ１と固定参照ミラー４３からの反射光ＲＢ２とを合波してフォトダイオード４４に出射する。周波数コム光発生装置４１は与えられる変調信号（図２（Ａ），（Ｂ）のＲＦ、図３（Ａ）のＲＦ１，ＲＦ２等参照）を変化させることでコム間隔を変え、被測定対象Ｏの観測深度を調整することができる。
以下、光コヒーレンス・トモグラフィ４の動作を詳細に説明する。なお、ここでは、周波数コム光ＯＦＣは、図６（Ｂ）のスペクトル図に示すように、ω_０を中心角周波数として、周波数が高くなる側および低くなる側にそれぞれコム間隔Ωで（Ｎ−１）／２本（Ｎは奇数）ずつ持つ（図２（Ｃ）と同じものであり、Ｎ本の周波数コムが（Ｎ−１）Ωの帯域に分布している）ものとする。なお、図６（Ｂ）のスペクトル図では、各周波数成分の強度は均一となるように示してある。実際には、強度にバラツキが生じることがあるが、このバラツキはフォトダイオード４４による検出には大きくは影響しない。
周波数コム光発生装置４１の出力光の電界ｅ（ｔ）は、（６）式で表される。

周波数コム光発生装置４１の出力光（周波数コム光ＯＦＣ）が、光スプリッター４２を透過し、被測定対象Ｏで反射し、光スプリッター４２で反射してフォトダイオード４４に達するまでの時間をτ_１とし（周波数コム光ＯＦＣが被測定対象Ｏで反射してフォトダイオード４４に達する経路を「第１の経路ｐｔｈ_１」と言う）、周波数コム光発生装置４１の出力光（この周波数コム光ＯＦＣ）が、光スプリッター４２で反射し、さらに固定参照ミラー４３で反射し、光スプリッター４２を透過してフォトダイオード４４に達するまでの時間をτ_２とする（この周波数コム光ＯＦＣが固定参照ミラー４３で反射してフォトダイオード４４に達する経路を「第２の経路ｐｔｈ_２」と言う）。
フォトダイオード４４の直前での第１の経路ｐｔｈ_１の光ｅ_１（ｔ）は、（７）式で表される。

また、フォトダイオード４４の直前での第２の経路ｐｔｈ_２の光ｅ_２（ｔ）は、（８）式で表される。

（７）式におけるαと（８）式におけるβとの間には、α，βは第１経路と第２経路の光の割合である。
フォトダイオード４４に流れる光電流は、光強度、
｜ｅ_１（ｔ）＋ｅ_２（ｔ）｜^２
に比例する。ただし、ここで使用されるフォトダイオード４４の応答速度は遅いものを使用する。すなわち、フォトダイオード４４は、周波数コム光ＯＦＣの角周波数には応答しない。したがって、フォトダイオード４４の出力は、｜ｅ_１（ｔ）＋ｅ_２（ｔ）｜^２の時間平均であり、
〈｜ｅ_１（ｔ）＋ｅ_２（ｔ）｜^２〉
となる（三角括弧は、時間平均を表すものとする）。この時間平均は、（９）式で表される。

（９）式の、最右辺の第２項の、

の形は、図７に示すように、Ωτを変数として、２πの整数倍に鋭いピークを持ち、Ｎが大きいほど、ピークは鋭くなる。
いま、光スプリッター４２から被測定対象Ｏの反射点（被測定対象Ｏの内部の周波数コム光ＯＦＣの反射点）までの光路長をＬ１、光スプリッター４２から固定参照ミラー４３までの光路長をＬ２とする。ｍ次のピークの干渉が、フォトダイオード４４により観測されたとすると、Ωτ＝Ω（２ｎ／ｃ）（Ｌ_１−Ｌ_２）＝２ｍπの条件から、Ｌ_１−Ｌ_２＝Ｌ′とすると、Ｌ′は、（１１）式で表される。

ｍ：整数
ν_ＲＦ：周波数コム光の周波数間隔（２πν_ＲＦ＝Ω）
周波数コム光ＯＦＣの周波数間隔ν_ＲＦ（あるいはコム間隔Ω）は、変調信号（図２（Ａ），（Ｂ）のＲＦ、図３（Ａ）のＲＦ１，ＲＦ２等参照）により変化させることができる。ν_ＲＦ（あるいはコム間隔Ω）を少しずつ変化させると、これに伴い干渉位置が変化する。
空間分解能ｒは、ピークの鋭さに対応し、（１２）式で表される。

また、ν_ＲＦをΔνだけ変化させると、干渉位置の変化ΔＬ′は、
ΔＬ′＝Ｌ′×（Δν／−ν_ＲＦ）
で表される。
実際例として、ν_０＝２００ＴＨｚ（ω_０＝２πν_０，波長が１．３μｍの光），ν_ＲＦ＝１０ＧＨｚ，Ｎ＝７００とすると、周波数コム光ＯＦＣの帯域は、Ｎ×ν_ＲＦ＝７ＴＨｚ（波長帯域５３ｎｍ）となる。ｎ（屈折率）＝１，ｍ（干渉の次数）＝１とすると、Ｌ′（＝Ｌ１−Ｌ２）＝１５ｍｍ，ｒ（空間分解能）＝２１μｍとなる。ν_ＲＦを、たとえば８ＧＨｚから１２ＧＨｚの範囲で、１ＭＨｚステップで変化させる場合には、ΔＬ′は６ｍｍ程度となるので、被測定対象Ｏを６ｍｍ深さまで、分解能１５μｍで測定できることになる。
図８により本発明の形状測定装置の第１実施形態（光コヒーレンス・トモグラフィ）を説明する。図８の光コヒーレンス・トモグラフィ５は、図６（Ａ）の光コヒーレンス・トモグラフィを空間干渉系より実現するもので、周波数コム光発生装置５１と、集光レンズ５２と、ハーフミラー５３と、可変焦点レンズ５４と、固定参照ミラー５５と、検出レンズ５６と、光検出器５７と、イメージセンサー５８とコンピュータ５９を備えている。本実施形態では、光スプリッタとして、ハーフミラー５３が使用されている。
周波数コム光発生装置５１は、図１または図４に示した周波数コム光発生装置１、あるいは図５に示した周波数コム光発生装置２、さらに後述する図１０に示す周波数コム光発生装置７を使用することができる。
周波数コム光発生装置５１から出射された周波数コム光ＯＦＣは、集光レンズ５２によりコリメートされ、ハーフミラー５３に出射される。ハーフミラー５３は、集光レンズ５２から入射した光を２分し、一方を可変焦点レンズ５４を介して被測定対象Ｏに向けて出射し、他方を固定参照ミラー５５に出射する。また、ハーフミラー５３は、被測定対象Ｏの反射点（被測定対象Ｏの内部の周波数コム光ＯＦＣの反射点）からの反射光ＲＢ１と、固定参照ミラー５５からの反射光ＲＢ２とを合波して光検出器５７およびイメージセンサー５８に出射する。周波数コム光発生装置５１はコンピュータ５９からの制御信号Ｃ１により制御され、可変焦点レンズ５４はコンピュータ５９からの制御信号Ｃ２により制御される。
光検出器５７は、図６（Ａ）の光コヒーレンス・トモグラフィ４と同様にして、周波数コム光発生装置５１の出力光（この周波数コム光ＯＦＣ）が被測定対象Ｏで反射してイメージセンサー５８に達する経路（「第１の経路ｐｔｈ_１」）の光と、周波数コム光発生装置５１の出力光が固定参照ミラー５５で反射してイメージセンサー５８に達する経路（「第２の経路ｐｔｈ_２」）の光との干渉を検出し、イメージセンサー５８は第１経路ｐｔｈ_１からの光をイメージセンサー５８により検出することができる。
いま、ハーフミラー５３から被測定対象Ｏの反射点（被測定対象Ｏの内部の、周波数コム光ＯＦＣの反射点）までの光路長をＬ１、ハーフミラー５３から固定参照ミラー５５までの光路長をＬ２とする。
周波数コム光ＯＦＣが、イメージセンサー５８に入射すると、すでに説明したように、光路長差Ｌ′＝Ｌ１−Ｌ２が特定の値、すなわち（πｃ／ｎΩ）の整数（ｍ）倍となったときに、干渉は極めて強い値を示す。
この距離差はコム間隔Ωに反比例しているから、コム間隔Ωの間隔をコンピュータ５９から制御する（変調信号ＲＦを変化させる）ことにより、被測定対象Ｏの内部の任意点からの反射光による干渉を検出することができる。このときコム間隔Ωの走査と同期して、可変焦点レンズ５４の焦点距離が制御される。
本実施形態の光コヒーレンス・トモグラフィ５は、可動部がないので、製造コストを抑えることができ、また再現性にも優れる。最終的にイメージセンサー５８により断層画像データを得て、コンピュータ５９の図示しないディスプレイ等に表示することができる。
図９により本発明の形状測定装置の第２実施形態（光コヒーレンス・トモグラフィ）を説明する。図８の光コヒーレンス・トモグラフィ６は、第１実施形態の光コヒーレンス・トモグラフィを光ファイバーを使用して実現するもので、周波数コム光発生装置６１と、光ファイバースプリッター６２と、プローブレンズ６３と、固定参照ミラー６４と、検出レンズ６５と、光検出器６６と、コンピュータ６７とを備えている。本実施形態では、光検出器６６としてアバランシェフォトダイオードを使用することができる。
周波数コム光発生装置６１は、コンピュータ６７からの制御信号Ｃにより制御される。周波数コム光発生装置６１が出力する周波数コム光ＯＦＣは、光ファイバーＦ６を伝播し、光ファイバースプリッター６２において２分され、一方はファイバーＦ６（偏波保持ファイバー）の終端の固定参照ミラー６４で反射し、光ファイバースプリッター６２により光ファイバーＦ６を検出レンズ６５に向けて伝播する光に変換される。この変換光は検出レンズ６５を介して光検出器６６に入射する。
一方、光ファイバースプリッター６２において２分された光の他方は、プローブレンズ６３を介して被測定対象０に出射される。被測定対象０かの反射光は光ファイバーＦ６に入射し、検出レンズ６５を介して光検出器６６に入射する。
図９の光コヒーレンス・トモグラフィ６の動作は、基本的に図６（Ａ）の光コヒーレンス・トモグラフィ４および図８の光コヒーレンス・トモグラフィ５の動作と同じである。
図１０は、上記した光コヒーレンス・トモグラフィにも使用できる周波数コム光発生装置を示す図である。図１０において、周波数コム光発生装置７は、レーザー光源７１と、アイソレータ７２と、光共振器７３とを備えている。
レーザー光源７１は、生体内における透過率が高い波長帯のレーザー光（中心角周波数ω_０）を出力することができ、また変調信号ＬＭを入力することで、出力光の中心角周波数ω_０に幅を持たせることができる。
アイソレータ７２は、レーザー光源７１と光共振器７３との間に設けられており、第１のポートＰ７１にレーザー光源７１が光ファイバーＦ７１を介して接続され、第２のポートＰ７２に光共振器７３が光ファイバーＦ７２（偏波保持ファイバー）を介して接続されている。
レーザー光源７１は、図１および図４のレーザー光源１１、図５のレーザー光源２１と同様、生体内における透過率が高い波長帯（たとえば、１．２〜１．６μｍ）のレーザー光（中心角周波数ω_０）を出力することができ、また変調信号ＬＭを入力することで、出力光の中心角周波数ω_０に幅を持たせることができる。
アイソレータ７２は、レーザー光源７１と光共振器７３との間に設けられており、第１のポートＰ７１にレーザー光源７１が光ファイバーＦ７１（偏波保持ファイバー）を介して接続され、第２のポートＰ７２に光共振器７３が光ファイバーＦ７２（偏波保持ファイバー）を介して接続されている。
光共振器７３はシングルループの光共振器であり、レーザー光源３１が出力するレーザー光（中心角周波数ω_０）を種とする周波数コム光ＯＦＣを生成するもので、偏波保持型光結合器７３１と、光ファイバーループ７３２と図２（Ａ），（Ｂ）の光変調器１３１と同じ構成の光変調器７３３と、光ファイバーアンプ７３４とを備えている。
レーザー光源７１から出射した光（角周波数ω_０）の一部は偏波保持型光結合器７３１において光ファイバーループ７３２に入射する。光ファイバーループ７３２に入射した光の一部は、光変調器７３３によって変調周波数がコム間隔Ωだけシフトし、角周波数（ω_０±Ω）の光となる。この光は、光ファイバーループ７３２を周回して偏波保持型光結合器７３１に戻り、再度光ファイバーループ７３２を周回する。角周波数（ω_０±Ω）の光の一部は、光変調器７３３により、周波数シフトを受け角周波数（ω_０±２Ω）の光となる。
本実施形態では、光ファイバーアンプ７３４が、光ファイバーループ７３２における光の損失を補償しているので、光ファイバーループ７３２を周回する光は弱まることはない。
以上のようにして、レーザー光源７１からは常に連続光が出ているので、偏波保持型光結合器７３１への入射光が光ファイバーループ７３２を周回することにより、｛ω_０−（Ｎ−１）Ω／２，・・・，ω_０−２Ω，ω_０−Ω，ω_０，ω_０＋Ω，ω_０＋２Ω，・・・，ω_０＋（Ｎ−１）Ω／２｝のＮ本の周波数コムを持つレーザー光（コム間隔ΩのＮ本（Ｎは奇数）の周波数コムが（Ｎ−１）Ωの帯域に分布している周波数コム光ＯＦＣ：図２（Ｃ）参照）が出射口ＯＵＴから出力される。

［発明の効果］
（１）本発明の形状測定方法および光コヒーレンス・トモグラフィ等の形状測定装置では、光源光として周波数コム光を用いており、以下のような効果を奏することができる。
（ａ）従来の典型的な光コヒーレンス・トモグラフィでは、複数の機械的可動部が必要であるが、本発明の形状測定方法や形状測定装置を光コヒーレンス・トモグラフィに応用する場合には、少なくとも参照ミラーは固定である。したがって再現性や耐震性に優れ、かつ小型の光コヒーレンス・トモグラフィを実現できる。
（ｂ）本発明の形状測定方法や形状測定装置を光コヒーレンス・トモグラフィに応用する場合、周波数コム光発生装置が生成する周波数コム光は、従来の低コヒーレンス光源が生成する光に比べて格段に高強度であるため、光の利用効率を高くすることができ、従来の光コヒーレンス・トモグラフィでは不可能であった深い深度での高精度の観測が可能となる。また、本発明の形状測定方法や形状測定装置を光コヒーレンス・トモグラフィに応用に際しては、低コヒーレンス光源（図１１（Ａ）の符号８１参照）に代えて周波数コム光発生装置を使用するだけでなく、周波数コムの周波数間隔を可変にするようにしたので、深い個所まで、かつ高い深さ空間分解能で表皮下等の観測が可能になる。
（ｃ）本発明の形状測定方法や形状測定装置では、イメージセンサーを導入することが可能であり、これにより観測時間を大幅に短縮できるし、被測定対象が動いている場合にも形状測定ができる。
（ｄ）本発明の形状測定方法や形状測定装置では、周波数コムの本数を多数発生できるので、深さ空間分解能を高くすることができる。たとえば、従来の光コヒーレンス・トモグラフィでは、深さ空間分解能は１０μｍ程度である。これに対し、本発明の形状測定装置を光コヒーレンス・トモグラフィとして用いる場合には、中心波長１．３μｍのレーザー光について、約１００ｎｍの幅の帯域で光コムを発生することが可能であり、これにより、深さ空間分解能を５μｍまで向上させることができる。
（ｅ）本発明の形状測定方法や形状測定装置は、上記したように、従来よりも格段に性能が向上しており、たとえば光コヒーレンス・トモグラフィに応用する場合には、臨床医療分野での種々の問題（たとえば、大きさが大きく、価格が高いといった問題）を解決することができる。なお、本発明の形状測定方法や形状測定装置は、光コヒーレンス・トモグラフィのみならず、一般的な微細形状の計測装置に応用することもできる。
（２）本発明の周波数コム光発生装置では、光ファイバーを使用することで、光共振器のミラー間距離を十分に長くできる。したがって、共振周波数間隔が小さくなるので周波数コムの周波数間隔を可変にすることがきる。
また、ファラデー回転ミラーを、２つの反射ミラーの一方として用いることで、光ファイバーでの偏光状態の変化による影響を補償できる。さらに、共振器から引き出される光ファイバーに偏波保持ファイバーを用いることで、偏光状態を変化させないようにもできる。加えて、本発明の周波数コム光発生装置では、必要に応じてファイバーアンプを使用するので、散乱の強い物体内からの反射光（信号光）を、高いＳＮ比で検出することができる。

Claims (12)

1. 共振する距離を隔てて配置された第１のミラーと第２のミラーとを有する、偏光状態の変化が補償されまたは偏波保持される光ファイバーに、レーザー光源からレーザー光を前記第１のミラー側から入射するとともに、前記第１のミラーと前記第２のミラーとの間を伝播するレーザー光に変調電極を用いて変調を施すことで周波数コム光を生成し、
   前記周波数コム光を、距離測定用の光学干渉計に入射し、当該光学干渉計により被測定対象について形状を測定する形状測定方法であって、
   前記周波数コム光を構成する周波数コムの周波数間隔を変化させるように前記変調電極に与える変調信号を変化させることで観測深度の調整を行うことを特徴とする形状測定方法。
2. 前記光学干渉計では、前記周波数コム光を光スプリッターにより２分し、一方を固定参照ミラーに出射するとともに他方を前記被測定対象に向けて出射し、さらに前記光スプリッターにより前記固定参照ミラーからの反射光および前記被測定対象からの反射光を合波して光検出を行うことを特徴とする請求項１に記載の形状測定方法。
3. 前記光スプリッターにより合波した周波数コム光を、前記光検出器として機能するイメージセンサーまたは、前記光検出器とは別個に設けられたイメージセンサーにより検出し、
   前記光スプリッターと前記被測定対象との間に設けた可変焦点レンズにより、前記被測定対象に向けて出射される前記周波数コム光の焦点調整を行う、
   ことを特徴とする請求項２に記載の形状測定方法。
4. レーザー光源と、前記レーザー光源が出力するレーザー光から周波数コム光を生成する光共振器と、前記周波数コム光を構成する周波数コムの周波数間隔を変化させるコム間隔調整器と、前記光共振器から共振出力を取り出す出射口とを備えた周波数コム光発生装置、および、
   前記周波数コム光発生装置を光源とする距離測定用の光学干渉計、
   を含んでなる形状測定装置であって、
   前記光共振器は、
   変調電極により光変調を行う光変調器と、
   前記光変調器の光導波路の一方端に設けられた第１のミラーと、
   前記光変調器の光導波路の他方端から引き出された光ファイバーと、
   前記光ファイバーの終端に設けられた第２のミラーと、
   を有し、
   前記コム間隔調整器は、前記変調電極に与えられる変調信号を変化させる変調信号生成器であり、
   前記第２のミラーは偏光状態の変化を補償する装置であり、または、
   前記光ファイバーが偏波保持ファイバーである、
   ことを特徴とする形状測定装置。
5. 前記光学干渉計は、光スプリッターと、固定参照ミラーと、光検出器とを備え、前記周波数コム光発生装置が出力する周波数コム光を前記光スプリッターにより２分し、一方を前記固定参照ミラーに出射するとともに他方を被測定対象に向けて出射し、さらに前記光スプリッターにより前記固定参照ミラーからの反射光および前記被測定対象からの反射光を合波して前記光検出器に出射することを特徴とする請求項４に記載の形状測定装置。
6. 前記光学干渉計が空間光学系であり前記光スプリッターがハーフミラーであること、または、
   前記光学干渉計が光ファイバー光学系であり前記光スプリッターが光ファイバースプリッターであることを特徴とする請求項５に記載の形状測定装置。
7. 前記光スプリッターにより合波した周波数コム光を、前記光検出器として機能するイメージセンサーまたは、前記光検出器とは別個に設けられたイメージセンサーにより検出し、
   前記光スプリッターと前記被測定対象との間に設けた可変焦点レンズにより、前記被測定対象に向けて出射される前記周波数コム光の焦点調整を行う、
   ことを特徴とする請求項６に記載の形状測定装置。
8. 光コヒーレンス・トモグラフィであることを特徴とする請求項４から７の何れかに記載の形状測定装置。
9. レーザー光源と、前記レーザー光源が出力するレーザー光から周波数コム光を生成する光共振器と、前記周波数コム光を構成する周波数コムの周波数間隔を変化させるコム間隔調整器と、前記光共振器から共振出力を取り出す出射口と、
   を備えた周波数コム光発生装置であって、
   前記レーザー光源が出力するレーザー光は、周波数が所定の幅を持つように変調され、
   前記光共振器は、
   変調電極により光変調を行う光変調器と、
   前記光変調器の光導波路の一方端に設けられた第１のミラーと、
   前記光変調器の光導波路の他方端から引き出された光ファイバーと、
   前記光ファイバーの終端に設けられた第２のミラーと、
   を有し、
   前記コム間隔調整器は、前記変調電極に与えられる変調信号を変化させる変調信号生成器であり、
   前記第２のミラーは前記光ファイバーを伝播する偏光状態の変化を補償する装置であり、または、
   前記光ファイバーが偏波保持ファイバーである、
   ことを特徴とする周波数コム光発生装置。
10. 第１のポートに前記レーザー光源が光ファイバーを介して接続され、第２のポートに前記光共振器が偏波保持ファイバーを介して接続されてなり、かつ第３のポートが前記周波数コム光の出射口となるサーキュレータが、前記レーザー光源と前記光共振器との間に設けられた周波数コム光発生装置であって、
    前記第１のミラーは、前記光変調器の光導波路の前記サーキュレータ側に設けられ、
    前記第２のミラーは、ファラデー回転ミラーであり、前記光変調器の前記光導波路の前記第１のミラーと反対側に接続された所定長さの偏波保持機能を持たない光ファイバーの終端に設けられ、
    てなることを特徴とする請求項９に記載の周波数コム光発生装置。
11. 前記光ファイバーには、光ファイバーアンプが設けられていることを特徴とする請求項１０に記載の周波数コム光発生装置。
12. 一方のポートに前記レーザー光源が光ファイバーを介して接続され、他方のポートに前記光共振器が偏波保持ファイバーを介して接続されてなるアイソレータが前記レーザー光源と前記光共振器との間に設けられた周波数コム光発生装置であって、
    前記第１のミラーは、前記光変調器の光導波路の前記アイソレータの前記他方のポート側に設けられ、
    前記第２のミラーは、前記周波数コム光の出射口であり、前記光変調器の前記光導波路の前記第１のミラーと反対側に接続された所定長さの偏波保持ファイバーの終端に設けられ、
    前記偏波保持ファイバー上に偏波保持ファイバーアンプが設けられ、
    てなることを特徴とする請求項９に記載の周波数コム光発生装置。

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