JPWO2019167478A1 - Two-dimensional spectroscopic measurement method and two-dimensional spectroscopic measurement device - Google Patents
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Abstract
本発明の2次元分光計測方法では、繰り返し周波数がオフセット周波数の4倍である1番目の光周波数コムを生成し、1番目の光周波数コムを2番目から5番目の光周波数コムに分け、4番目及び5番目の光周波数コムの時間軸上の位相を互いに90°ずらす。本発明の2次元分光計測方法では、何れかに試料の光学情報を含む3番目及び4番目の光周波数コムの干渉信号と何れかに試料の光学情報を含む3番目及び5番目の光周波数コムの干渉信号との包絡線強度を取得し、包絡線強度に基づいて試料の光学情報を抽出する。In the two-dimensional spectroscopic measurement method of the present invention, the first optical frequency comb having a repetition frequency four times the offset frequency is generated, the first optical frequency comb is divided into the second to fifth optical frequency combs, and 4 The phases of the fifth and fifth optical frequency combs on the time axis are shifted by 90 ° from each other. In the two-dimensional spectroscopic measurement method of the present invention, the interference signal of the third and fourth optical frequency combs containing the optical information of the sample in any one and the third and fifth optical frequency combs containing the optical information of the sample in any one of them The envelope strength with the interference signal of is acquired, and the optical information of the sample is extracted based on the envelope strength.
Description
本発明は、2次元分光計測方法及び2次元分光計測装置に関する。本願は、2018年3月2日に、日本に出願された特願2018−038101号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。 The present invention relates to a two-dimensional spectroscopic measurement method and a two-dimensional spectroscopic measurement device. The present application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2018-038101 filed in Japan on March 2, 2018, the contents of which are incorporated herein by reference.
従来、分光情報を得る手法として、撮像法やフーリエ変換赤外分光法(Fourier Transform Infrared Spectroscopy:FT−IR)、分散型の赤外分光法などをはじめとする多くの手法が用いられている。これらの手法では、2次元の空間情報と1次元の波長情報とを同時に得ることは困難であった。以下、2次元の空間情報と1次元の波長情報とをまとめて、2次元分光情報という場合がある。 Conventionally, many methods such as imaging method, Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR), and distributed infrared spectroscopy have been used as methods for obtaining spectral information. With these methods, it was difficult to obtain two-dimensional spatial information and one-dimensional wavelength information at the same time. Hereinafter, two-dimensional spatial information and one-dimensional wavelength information may be collectively referred to as two-dimensional spectroscopic information.
近年、天文学や地球科学、物性分野などの学術分野では、2次元分光情報に含まれる各情報を同時にリアルタイムで取得可能な2次元分光への期待が高まっている。2次元分光は、面分光、あるいはハイパースペクトルイメージングとも呼ばれる。2次元分光情報が得られれば、例えば取得データから任意の波長の画像を抽出でき、例えば銀河などの拡がった天体について詳細に解析ができる。従来の2次元分光法では、例えば2次元平面の各点(複数の測定領域)をスキャンしつつ、各点についてFT−IRを行い、2次元分光情報を取得できる。ところが、従来の2次元分光法では空間掃引に時間がかかるため、動的対象物の計測が困難であるという問題があった。一方、一度に2次元分光情報を取得できれば、様々な動的対象物の分光計測を正確に行うことができる。 In recent years, in academic fields such as astronomy, earth science, and physical properties, there are increasing expectations for two-dimensional spectroscopy that can simultaneously acquire each information contained in two-dimensional spectroscopy information in real time. Two-dimensional spectroscopy is also called surface spectroscopy or hyperspectral imaging. If two-dimensional spectroscopic information is obtained, for example, an image of an arbitrary wavelength can be extracted from the acquired data, and an expanded celestial body such as a galaxy can be analyzed in detail. In the conventional two-dimensional spectroscopy, for example, while scanning each point (a plurality of measurement regions) on a two-dimensional plane, FT-IR can be performed on each point to acquire two-dimensional spectral information. However, the conventional two-dimensional spectroscopy has a problem that it is difficult to measure a dynamic object because it takes time to sweep the space. On the other hand, if two-dimensional spectroscopic information can be acquired at one time, spectroscopic measurement of various dynamic objects can be performed accurately.
2次元分光の手法としては、例えば可変バンドパスフィルタで透過させる波長帯を掃引しながら取得する手法などが挙げられる。非特許文献1には、可変バンドパスフィルタで透過させる波長帯を掃引しつつ、2次元の空間情報と1次元の波長情報とを取得する手法に適用可能な可変バンドパスフィルタが開示されている。
Examples of the two-dimensional spectroscopy method include a method of acquiring while sweeping a wavelength band transmitted by a variable bandpass filter. Non-Patent
しかしながら、非特許文献1に開示されている可変バンドパスフィルタで異なる波長帯の光を透過させて2次元の空間情報と1次元の波長情報とを取得する場合、波長帯を掃引する必要があるため、掃引時間がかかり、瞬時に高解像度の波長情報やスペクトル分布などの分光情報を得るのは困難であるという問題があった。そのため、上述の可変バンドパスフィルタを用いて波長帯を掃引する2次元分光は、動的現象の計測には不向きであった。
However, when the variable band pass filter disclosed in
本発明は、上述の問題を解決するためになされたものであって、瞬時に高解像度の分光情報を取得し、リアルタイムで2次元分光計測を可能とする2次元分光計測方法及び2次元分光計測装置を提供する。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and is a two-dimensional spectroscopic measurement method and two-dimensional spectroscopic measurement that can instantly acquire high-resolution spectroscopic information and enable two-dimensional spectroscopic measurement in real time. Provide the device.
本発明の2次元分光計測方法は、周波数軸で零に対して所定のオフセット周波数を有する第1の周波数モードと前記周波数軸で前記第1の周波数モードに対して所定の繰り返し周波数の整数倍の間隔をあけて並ぶ複数の第2の周波数モードとを有し、前記繰り返し周波数が前記オフセット周波数の4倍である第1の光周波数コムを生成する光周波数コム生成工程と、前記第1の光周波数コムを第2の光周波数コムと第3の光周波数コムに分け、前記第2の光周波数コムを第4の光周波数コムと第5の光周波数コムに分け、前記第4の光周波数コムの時間軸上の位相を前記第5の光周波数コムの時間軸上の位相に対して90°ずらす位相差付与工程と、前記第3の光周波数コムまたは前記第4の光周波数コム及び前記第5の光周波数コムを試料に照射し、前記試料から出射されて光学情報を含む前記第3の光周波数コムまたは前記第4の光周波数コム及び前記第5の光周波数コムを得る試料照射工程と、何れかに前記光学情報を含む前記第4の光周波数コムと前記第3の光周波数コムとを干渉させて第1の干渉信号を生成し、何れかに前記光学情報を含む前記第5の光周波数コムと前記第3の光周波数コムとを干渉させて第2の干渉信号を生成する干渉信号生成工程と、前記第1の干渉信号と前記第2の干渉信号から包絡線強度を取得する包絡線強度取得工程と、前記包絡線強度に基づいて前記試料の光学情報を抽出する光学情報抽出工程と、を備える。 The two-dimensional spectroscopic measurement method of the present invention is an integral multiple of a predetermined repetition frequency with respect to a first frequency mode having a predetermined offset frequency with respect to zero on the frequency axis and the first frequency mode on the frequency axis. An optical frequency comb generation step of generating a first optical frequency comb having a plurality of second frequency modes arranged at intervals and having the repetition frequency four times the offset frequency, and the first light The frequency comb is divided into a second optical frequency comb and a third optical frequency comb, the second optical frequency comb is divided into a fourth optical frequency comb and a fifth optical frequency comb, and the fourth optical frequency comb is divided. A phase difference imparting step of shifting the phase on the time axis of the fifth optical frequency comb by 90 ° with respect to the phase on the time axis of the fifth optical frequency comb, and the third optical frequency comb or the fourth optical frequency comb and the third. A sample irradiation step of irradiating a sample with 5 optical frequency combs to obtain the 3rd optical frequency comb or the 4th optical frequency comb and the 5th optical frequency comb that are emitted from the sample and contain optical information. , The fourth optical frequency comb containing the optical information in any of them interferes with the third optical frequency comb to generate a first interference signal, and the fifth optical frequency comb containing the optical information in any of them. An interference signal generation step of interfering an optical frequency comb with the third optical frequency comb to generate a second interference signal, and acquiring an envelope strength from the first interference signal and the second interference signal. It includes an wrapping line strength acquisition step and an optical information extraction step of extracting optical information of the sample based on the wrapping line strength.
上述の2次元分光計測方法では、前記時間軸上における前記第4の光周波数コムと前記第5の光周波数コムとの位相のずれに応じて前記繰り返し周波数を調整する繰り返し周波数調整工程をさらに備えてもよい。 The above-mentioned two-dimensional spectroscopic measurement method further includes a repeating frequency adjusting step of adjusting the repeating frequency according to a phase shift between the fourth optical frequency comb and the fifth optical frequency comb on the time axis. You may.
また、上述の2次元分光計測方法では、前記包絡線強度取得工程において、透過率の波長依存性が互いに逆である2枚のフィルタのそれぞれを前記包絡線強度が通過したときの透過強度を取得し、前記光学情報抽出工程において、前記透過強度の比に基づいて前記光学情報を算出してもよい。 Further, in the above-mentioned two-dimensional spectroscopic measurement method, in the envelope strength acquisition step, the transmission strength when the envelope strength passes through each of the two filters having opposite wavelength dependence of the transmittance is acquired. Then, in the optical information extraction step, the optical information may be calculated based on the ratio of the transmittance.
また、上述の2次元分光計測方法では、前記光学情報抽出工程において、前記第2の光周波数コムまたは前記第3の光周波数コムに所定の遅延時間を付加し、前記光学情報を含む強度スペクトル及び位相スペクトルを取得してもよい。 Further, in the above-mentioned two-dimensional spectroscopic measurement method, in the optical information extraction step, a predetermined delay time is added to the second optical frequency comb or the third optical frequency comb, and the intensity spectrum including the optical information and the intensity spectrum The phase spectrum may be acquired.
本発明の2次元分光計測装置は、周波数軸で零に対して所定のオフセット周波数を有する第1の周波数モードと前記周波数軸で前記第1の周波数モードに対して所定の繰り返し周波数の整数倍の間隔をあけて並ぶ複数の第2の周波数モードとを有し、前記繰り返し周波数が前記オフセット周波数の4倍である第1の光周波数コムを出射する光周波数コム出射部と、前記第1の光周波数コムを第2の光周波数コムと第3の光周波数コムに分ける第1の分岐部と、前記第2の光周波数コムを第4の光周波数コムと第5の光周波数コムに分ける第2の分岐部と、前記第4の光周波数コムの時間軸上の位相を前記第5の光周波数コムの時間軸上の位相に対して90°ずらす位相差付与部と、前記第3の光周波数コムまたは前記第4の光周波数コム及び前記第5の光周波数コムは任意の光学情報を含み、前記第4の光周波数コムと前記第3の光周波数コムとを干渉させて第1の干渉信号を生成し、前記第5の光周波数コムと前記第3の光周波数コムとを干渉させて第2の干渉信号を生成する干渉信号生成部と、前記第1の干渉信号と前記第2の干渉信号との包絡線強度を取得する包絡線強度取得部と、前記包絡線強度に基づいて前記光学情報を抽出する光学情報抽出部と、を備える。 The two-dimensional spectroscopic measuring apparatus of the present invention has a first frequency mode having a predetermined offset frequency with respect to zero on the frequency axis and an integral multiple of a predetermined repetition frequency with respect to the first frequency mode on the frequency axis. An optical frequency comb emitting unit that has a plurality of second frequency modes arranged at intervals and emits a first optical frequency comb whose repetition frequency is four times the offset frequency, and the first light A first branch that divides a frequency comb into a second optical frequency comb and a third optical frequency comb, and a second that divides the second optical frequency comb into a fourth optical frequency comb and a fifth optical frequency comb. A phase difference imparting portion that shifts the phase on the time axis of the fourth optical frequency comb by 90 ° with respect to the phase on the time axis of the fifth optical frequency comb, and the third optical frequency. The comb or the fourth optical frequency comb and the fifth optical frequency comb include arbitrary optical information and cause the fourth optical frequency comb and the third optical frequency comb to interfere with each other to cause a first interference signal. To generate a second interference signal by interfering the fifth optical frequency comb with the third optical frequency comb to generate a second interference signal, the first interference signal and the second interference. The frequency comb strength acquisition unit for acquiring the frequency comb strength with the signal and the optical information extraction unit for extracting the optical information based on the frequency comb strength are provided.
上述の2次元分光計測装置において、前記位相差付与部から出射された前記第4の光周波数コム及び前記第5の光周波数コムの一部を取得し、前記光周波数コム出射部にフィードバックするフィードバック機構をさらに備えてもよい。 In the above-mentioned two-dimensional spectroscopic measuring device, feedback that acquires a part of the fourth optical frequency comb and the fifth optical frequency comb emitted from the phase difference imparting unit and feeds them back to the optical frequency comb emitting unit. Further mechanisms may be provided.
上述の2次元分光計測装置において、前記包絡線強度取得部は、透過率の波長依存性が互いに逆である2枚のフィルタを備え、前記包絡線強度が前記2枚のフィルタのそれぞれを通過したときの透過強度を取得し、前記光学情報抽出部は、前記透過強度の比に基づいて前記光学情報を算出してもよい。 In the above-mentioned two-dimensional spectroscopic measurement device, the envelope intensity acquisition unit includes two filters having opposite wavelength dependence of transmittance, and the envelope intensity passes through each of the two filters. The optical information extraction unit may calculate the optical information based on the ratio of the transmitted intensity.
上述の2次元分光計測装置は、前記第2の光周波数コムまたは前記第3の光周波数コムに所定の遅延時間を付加する遅延機構をさらに備え、前記光学情報抽出部において、前記光学情報を含む強度・位相スペクトルを取得してもよい。 The above-mentioned two-dimensional spectroscopic measurement device further includes a delay mechanism for adding a predetermined delay time to the second optical frequency comb or the third optical frequency comb, and the optical information extraction unit includes the optical information. The intensity / phase spectrum may be acquired.
上述の2次元分光計測方法及び2次元分光計測装置において、前記光学情報は、前記第3の光周波数コム、前記第4の光周波数コム及び前記第5の光周波数コムの何れか1つの光周波数コムの光路上の屈折率の分布、前記屈折率の揺らぎ、前記第3の光周波数コムの進路上に、または前記第4の光周波数コム及び前記第5の光周波数コムの進路上に配置した試料の形状の何れかを含む。 In the two-dimensional spectroscopic measurement method and the two-dimensional spectroscopic measurement apparatus described above, the optical information is the optical frequency of any one of the third optical frequency comb, the fourth optical frequency comb, and the fifth optical frequency comb. The distribution of the refractive index on the optical path of the comb, the fluctuation of the refractive index, was arranged on the path of the third optical frequency comb, or on the path of the fourth optical frequency comb and the fifth optical frequency comb. Includes any of the sample shapes.
本発明によれば、瞬時に高解像度の分光情報を取得し、リアルタイムで2次元分光計測を可能とする2次元分光計測方法及び2次元分光計測装置が提供される。 According to the present invention, there is provided a two-dimensional spectroscopic measurement method and a two-dimensional spectroscopic measurement apparatus that can instantly acquire high-resolution spectroscopic information and enable two-dimensional spectroscopic measurement in real time.
以下、本発明の2次元分光計測方法及び2次元分光計測装置の実施形態について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, the two-dimensional spectroscopic measurement method and the embodiment of the two-dimensional spectroscopic measurement apparatus of the present invention will be described with reference to the drawings.
<原理的説明>
図1は、光周波数コムの時間軸上の電場分布(上段)及び周波数軸上の強度分布(下段)を示す模式図である。周波数軸上の強度分布は、スペクトル分布を表す。図1の上段に示すように、一定の繰り返しで発振される光パルス列の繰り返し時間Trepと周波数間隔frepとの間には、(1)式に示す関係が成り立つ。<Principle explanation>
FIG. 1 is a schematic diagram showing an electric field distribution (upper row) on the time axis and an intensity distribution (lower row) on the frequency axis of the optical frequency comb. The intensity distribution on the frequency axis represents the spectral distribution. As shown in the upper part of FIG. 1, the relationship shown in Eq. (1) holds between the repetition time Trep of the optical pulse train oscillated at a constant repetition and the frequency interval frep .
それぞれの光パルス列は、光源の共振器などの内部で伝搬する多くの縦モードの重ね合わせから成り立っている。光パルス列は、これらの縦モードの重ね合わせの波である搬送波と、搬送波の包絡線を構成する波束によって構成されている。搬送波は、キャリアとも呼ばれる。搬送波の包絡線は、エンベロップとも呼ばれる。このような光パルス列では、搬送波の速度と波束の速度は互いに異なるため、時間の経過に伴い、位相差が生じる。レーザー共振器は分散媒質によって構成される。時間軸上で所定の繰り返し時間Trepの間隔ごとに繰り返し発せられる光パルス列では、隣り合うパルス間に位相のずれφCEOが生じる。位相のずれφCEOの周期は、時間TCEOで一周期する。Each optical pulse train consists of a superposition of many longitudinal modes that propagate inside the resonator of the light source or the like. The optical pulse train is composed of a carrier wave that is a superposition wave of these longitudinal modes and a wave packet that constitutes an envelope of the carrier wave. Carrier waves are also called carriers. The envelope of a carrier wave is also called an envelope. In such an optical pulse train, the velocity of the carrier wave and the velocity of the wave packet are different from each other, so that a phase difference occurs with the passage of time. The laser cavity is composed of a dispersion medium. In an optical pulse train that is repeatedly emitted at intervals of a predetermined repetition time trep on the time axis, a phase shift φ CEO occurs between adjacent pulses. The period of the phase shift φ CEO is one cycle at the time TCEO .
時間軸上における上述の超短パルス列をフーリエ変換し、周波数軸上で観測すると、図1の下段に示すように、互いに繰り返し時間Trepの逆数に相当する繰り返し周波数frepの間隔をあけて並んだ多数の周波数モードが観測される。When the above-mentioned ultrashort pulse train on the time axis is Fourier transformed and observed on the frequency axis, as shown in the lower part of FIG. 1, they are arranged at intervals of the repetition frequency rep corresponding to the reciprocal of the repetition time tre. However, many frequency modes are observed.
図1の下段に示すように、光周波数コムは、周波数軸で零に対して所定のキャリア・エンベロップ・オフセット(Carrier Envelope Offset: CEO、オフセット周波数)fCEOを有する周波数モード(第1の周波数モード)f0と、周波数軸で周波数モードf0に対して所定の繰り返し周波数frepの整数倍の間隔をあけて並ぶ複数の周波数モード(第2の周波数モード)fmと、を有する。光周波数コムのキャリア・エンベロップ・オフセットfCEOは、時間TCEOの逆数に相当する。そして、キャリア・エンベロップ・オフセットfCEO、位相のずれφCEO、時間TCEOの間には、(2)式に示す関係が成り立つ。As shown in the lower part of FIG. 1, the optical frequency comb has a frequency mode (first frequency mode) having a predetermined carrier envelope offset (CEO, offset frequency) f CEO with respect to zero on the frequency axis. ) having a f 0, and a plurality of frequency modes (second frequency mode) f m arranged at an integral multiple spacing of the predetermined repetition frequency f rep with respect to the frequency mode f 0 the frequency axis. Carrier envelope offset f CEO of the optical frequency comb is equivalent to the reciprocal of the time T CEO. Then, the relationship shown in Eq. (2) is established between the carrier development offset f CEO , the phase shift φ CEO , and the time T CEO .
光周波数コムのn番目のスペクトルの周波数は、繰り返し周波数frepとキャリア・エンベロップ・オフセットfCEOとをパラメータとして、(3)式のように表される。The frequency of the nth spectrum of the optical frequency comb is expressed as in Eq. (3) with the repetition frequency f rep and the carrier envelope offset f CEO as parameters.
上述の相互関係をふまえ、光周波数コムの複数の周波数モードに関するパラメータを制御することで、搬送波や包絡線を制御することができる。本実施形態では、光周波数コムの2つのパラメータ、すなわち繰り返し周波数frepとキャリア・エンベロップ・オフセットfCEOが(4)式の関係を保つように、光周波数コムの複数の周波数モードに関するパラメータを制御する。Based on the above-mentioned interrelationship, the carrier wave and the envelope can be controlled by controlling the parameters related to the plurality of frequency modes of the optical frequency comb. In the present embodiment, the parameters related to the plurality of frequency modes of the optical frequency comb are controlled so that the two parameters of the optical frequency comb, that is, the repetition frequency f rep and the carrier envelope offset f CEO maintain the relationship of the equation (4). To do.
図2は、繰り返し周波数frepとキャリア・エンベロップ・オフセットfCEOが(4)式の関係を保つように制御された光周波数コムの時間軸上の電場分布を示す模式図である。図2に示すように、時間軸上で隣り合う光パルスの位相のずれは、(π/2)=90°になる。基準とする光パルスから時間軸上で4つ前方の光パルスには、基準とする光パルスと同じ位相及び波形パターンが表れる。時間TCEOとキャリア・エンベロップ・オフセットfCEOとの間には、(5)式の関係が成り立つ。FIG. 2 is a schematic diagram showing an electric field distribution on the time axis of an optical frequency comb in which the repetition frequency f rep and the carrier envelope offset f CEO are controlled so as to maintain the relationship of the equation (4). As shown in FIG. 2, the phase shift of adjacent optical pulses on the time axis is (π / 2) = 90 °. The optical pulse four ahead of the reference optical pulse on the time axis has the same phase and waveform pattern as the reference optical pulse. The relationship of Eq. (5) holds between the time T CEO and the carrier development offset f CEO .
図3は、互いに位相が90°ずれた光パルス列を生成する光学系120の一例を示す概略図である。図3に示すように、光学系120は、光周波数コム出射部103と、ハーフミラー(第2の分岐部)112、ハーフミラー118と、全反射ミラー114,116と、遅延付与部(位相差付与部)123とを備える。光周波数コム出射部103は、不図示のファンクションジェネレーターなどを備える。光周波数コム出射部103は、ファンクションジェネレーターの操作によって繰り返し周波数frepとキャリア・エンベロップ・オフセットfCEOが(4)式の関係を保つように主にキャリア・エンベロップ・オフセットfCEOを制御し、キャリア・エンベロップ・オフセットfCEOが制御された光周波数コムC1を出射する。FIG. 3 is a schematic view showing an example of an
光周波数コムC1は、ハーフミラー112を透過し、光周波数コムC4と光周波数コムC5に分離される。光周波数コムC4は、全反射ミラー116で反射され、ハーフミラー118に入射する。光周波数コムC5は、ハーフミラー112及び全反射ミラー114で反射され、遅延付与部123を通り、ハーフミラー118に入射する。遅延付与部123は、それぞれの反射面を対向させた2枚の全反射ミラー121,122で構成されている。全反射ミラー114で反射された光周波数コムC5は、遅延付与部123に入射し、光路をずらしつつ全反射ミラー121,122の反射面の間を所定の回数往復し、ハーフミラー118に向けて出射する。ハーフミラー118に入射する光周波数コムC4,C5の一方の位相が他方の位相に対して90°だけずれるように、全反射ミラー121,122の位置及び離間距離が調整されている。すなわち、光学系120では、光周波数コムを分岐し、一方を他方に対してある光パルスと時間軸上で1つ後の光パルスとの時間差の分だけ、遅延させる。時間軸上で隣り合う光パルスの時間差は、繰り返し時間Trep分に相当する。The optical frequency comb C1 passes through the
図3に示すように、光学系120では、各種ミラーの振動や空気揺らぎなどによって、光周波数コムC4,C5の各々の光路長差が変動する。このことをふまえ、光周波数コムC1の繰り返し周波数frepを制御し、光周波数コムC1の光パルスの繰り返し時間Trepを微調整することによって、光周波数コムC4,C5の光路差の変動を吸収し、光周波数コムC4,C5を安定させることができる。図4は、時間軸上で基準とする光周波数コムC1の1番目の光パルス〈図3及び図4に示す“1st”の光パルス〉と2番目の光パルス〈図3及び図4に示す“2nd”の光パルス〉との時間間隔を説明するための模式図である。1番目の光パルスと時間軸上で隣り合う2番目の光パルスとの繰り返し時間Trep1,Trep2,Trep3は、繰り返し周波数frep1,frep2,frep3によって(6)式〜(8)式のように表される。As shown in FIG. 3, in the
図4及び(6)式〜(8)式に示すTrepとfrepとの相対関係をふまえ、光周波数コムC1の繰り返し周波数frepを制御する。Based on the relative relationship between T rep and f rep shown in FIG. 4 and (6) to (8), for controlling the repetition frequency f rep of the optical frequency comb C1.
図4及び(6)式〜(8)式からわかるように、光周波数コム出射部103のファンクションジェネレーターなどを操作し、光周波数コムC1の繰り返し周波数frepを制御することによって、繰り返し時間Trepを制御できる。4 and (6) as can be seen from the equation - (8), such as the operation function generator of the optical frequency
図3に示すように、互いに位相が90°ずれた光周波数コムC4,C5の時間軸上における光パルス1つ分のずれに対して、光周波数コムC4,C5のそれぞれの光路に生じた変動によって、さらに時間差δが加わる、または時間差δが減じられる。図5は、光周波数コムC4,C5の光路に生じた変動を安定化させることが可能な光学系124の一例を示す概略図である。光学系124は、光学系120の構成に加え、ハーフミラー126と、フィードバック機構128と、を備える。ハーフミラー126は、ハーフミラー118より光周波数コムC4,C5の進行方向の前方に配置されている。フィードバック機構128は、ハーフミラー126で分離され、且つハーフミラー126を透過する光周波数コムC4,C5とは異なる光周波数コムC4,C5の進路上に配置されている。ハーフミラー118によって合波され、且つ時間差δを含む光周波数コムC4,C5は、ハーフミラー126で2つに分離される。分離された一方の光周波数コム(第4の光周波数コム及び第5の光周波数コムの一部)C4,C5はハーフミラー126で反射され、フィードバック機構128に入力し、光周波数コム出射部103にフィードバックされる。このことによって、光周波数コムC1の繰り返し周波数frepが調整される。図5に示すように、光周波数コム出射部103から出射される光周波数コムC1の繰り返し時間Trepが時間差δだけ増減される。繰り返し時間Trepが時間差δで調整されることによって、ハーフミラー118に入射する光周波数コムC4,C5同士の位相のずれが再び90°、すなわち光パルス1つ分になる。As shown in FIG. 3, the fluctuation generated in each optical path of the optical frequency combs C4 and C5 with respect to the deviation of one optical pulse on the time axis of the optical frequency combs C4 and C5 which are 90 ° out of phase with each other. Further, the time difference δ is added or the time difference δ is reduced. FIG. 5 is a schematic view showing an example of an
<干渉信号強度取得装置>
図6は、本発明の干渉信号強度取得装置であって、互いに90°だけ位相がずれた干渉強度信号を瞬時に得る干渉強度信号取得光学系130の構成を示す概略図である。干渉強度信号取得光学系130は、光周波数コム出射部103と、部分光学系124Pと、分岐部150と、遅延機構206と、撮像カメラ(包絡線強度取得部)161とを備える。図6に示す部分光学系124Pは、図5に示す光学系124のうち、光周波数コム出射部103を除いた構成を示す。分岐部150は、光周波数コムC6,C7を光周波数コムC3から取り出す。分岐部150は、ハーフミラー(干渉信号生成部)152、ハーフミラー(第1の分岐部)153,155,158と、全反射ミラー154,156,157とを備える。<Interference signal strength acquisition device>
FIG. 6 is a schematic view showing a configuration of an interference intensity signal acquisition
光周波数コム出射部103は、繰り返し周波数frepがキャリア・エンベロップ・オフセットfCEOの4倍である光周波数コム(第1の光周波数コム)C1を出射する。第1の分岐部104は、光周波数コムC1を光周波数コム(第2の光周波数コム)C2と光周波数コム(第3の光周波数コム)C3に分ける。第2の分岐部105は、光周波数コムC2を光周波数コム(第4の光周波数コム)C4と光周波数コム(第5の光周波数コム)C5に分ける(図5参照)。位相差付与部106は、光周波数コムC4の時間軸上の位相と光周波数コムC5の時間軸上の位相とを90°ずらす。干渉信号生成部107は、光周波数コムC4と任意の光学情報を含む光周波数コム(第3の光周波数コム)C6とを干渉させて干渉信号(第1の干渉信号)IM1を生成し、光周波数コムC5と光学情報を含む光周波数コム(第3の光周波数コム)C7とを干渉させて干渉信号(第2の干渉信号)IM2を生成する。The optical frequency
本明細書における光学情報には、各光周波数コム自身が有する光学的特性や各光周波数コムの光路上の屈折率の分布・揺らぎや、光路上に配置された試料を通過することにより付加される試料の形状などがすべて含まれる。また、試料の形状には、試料の表面の凹凸形状、試料の内部の構造などが含まれる。つまり、干渉強度信号取得光学系130によれば、試料の表面あるいは内部構造といった形状の情報を取得できる。例えば、図6に示す干渉強度信号取得光学系130のように試料Sが設置されていない場合、光学情報は光周波数コムC3自身が有する光学的特性や光周波数コムC3,C6,C7の光路上の屈折率の分布・揺らぎを意味する。一方、後述する2次元分光計測装置200のように測定対象の試料Sが配置されている場合、光学情報としては試料Sの形状を含む光学的特性が主体になる。図11に示すように、包絡線強度取得部108は、干渉信号IM1と干渉信号IM2との包絡線強度EVを取得する。
The optical information in the present specification is added by the optical characteristics of each optical frequency comb itself, the distribution / fluctuation of the refractive index of each optical frequency comb on the optical path, and the passage of a sample arranged on the optical path. All the shapes of the samples are included. The shape of the sample includes the uneven shape of the surface of the sample, the internal structure of the sample, and the like. That is, according to the interference intensity signal acquisition
図6に示すように、光周波数コム出射部103から出射された光周波数コムC1は、ハーフミラー153によって、光周波数コムC2,C3に分離される。光周波数コムC2は、部分光学系124Pに入射し、上述したように互いに位相が90°だけずれた光周波数コムC4,C5として出射する。一方、ハーフミラー153で反射された光周波数コムC3は、分岐部150に入射し、全反射ミラー154で反射され、ハーフミラー155で光周波数コムC6,C7に分離される。
As shown in FIG. 6, the optical frequency comb C1 emitted from the optical frequency
遅延機構206は、光周波数コムC3に所定の遅延時間を付加する機構であり、光周波数コムC3の進路上に配置されている。遅延機構206は、図7に示すように、それぞれの反射面207rが対向配置された2個の全反射プリズム207を有する。遅延機構206が矢印Mに沿って移動することによって、光周波数コムC3の光路長が変わり、所定の遅延時間が付加される。
The
図8は、部分光学系124P(すなわち、光学系124)のハーフミラー118における光周波数コムC4の反射及び光周波数コムC5の透過の様子を示す模式図である。図7に示すように、光周波数コムC4,C5のうち、光周波数コムC4は、ハーフミラー118の反射面118aに入射し、上面視で入射方向に対して略直角に反射される。一方、光周波数コムC4,C5のうち、光周波数コムC5は、ハーフミラー118の反射面118aとは反対側の面118b及び反射面118aを透過し、上面視で光周波数コムC4の進路と重なる進路に沿ってハーフミラー118から出射される。高さ方向においては、光周波数コムC4,C5のそれぞれの進路は、互いにずれている。
FIG. 8 is a schematic view showing the state of reflection of the optical frequency comb C4 and transmission of the optical frequency comb C5 in the
図9は、分岐部150のハーフミラー158における光周波数コムC6の反射及び光周波数コムC7の透過の様子を示す模式図である。図9に示すように、光周波数コムC6,C7のうち、光周波数コムC6は、ハーフミラー158の反射面158aに入射し、上面視で入射方向に対して略直角に反射される。一方、光周波数コムC6,C7のうち、光周波数コムC7は、ハーフミラー158の反射面158aとは反対側の面158b及び反射面158aを透過し、上面視で光周波数コムC6の進路と重なる進路に沿ってハーフミラー158から出射される。高さ方向においては、光周波数コムC6,C7のそれぞれの進路は、互いにずれている。光周波数コムC6の進路の高さは光周波数コムC4の高さと一致し、光周波数コムC7の高さは光周波数コムC5の高さと一致している。
FIG. 9 is a schematic view showing the state of reflection of the optical frequency comb C6 and transmission of the optical frequency comb C7 in the
図10は、分岐部150のハーフミラー152における光周波数コムC4,C5の透過及び光周波数コムC6,C7の反射の様子を示す模式図である。図10に示すように、ハーフミラー118から出射された光周波数コムC4,C5は、ハーフミラー152の反射面152aとは反対側の面152bを透過する。一方、ハーフミラー158から出射された光周波数コムC6,C7は、ハーフミラー152の反射面152aによって上面視で入射方向に対して略直角に反射され、面152bを透過した光周波数コムC4,C5と干渉し合い、干渉信号IM1,IM2が生成される。干渉信号IM1は光周波数コムC4,C6同士の干渉信号であり、干渉信号IM2は光周波数コムC5,C7同士の干渉信号である。本実施形態では、図8から図10に示すように、ハーフミラー118における光周波数コムC4,C6同士の照射位置を互いに異ならせ、ハーフミラー158における光周波数コムC5,C7同士の照射位置を互いに異ならせる。このことによって、光周波数コムC4,C6が重なって干渉信号IM1が生成される位置と、光周波数コムC5,C7が重なって干渉信号IM2が生成される位置とを異ならせる。
FIG. 10 is a schematic view showing a state of transmission of optical frequency combs C4 and C5 and reflection of optical frequency combs C6 and C7 in the
光周波数コムC4,C5同士の位相が互いに90°ずれているので、干渉信号IM1,IM2同士の位相は、互いに90°ずれている。図11は、干渉信号IM1,IM2から得られる包絡線強度EVの一例を示すグラフである。撮像カメラ161によって、ある瞬間の干渉信号IM1の強度T1と干渉信号IM2の強度T2を取得すれば、{(T1)2+(T2)2}1/2を算出することによって、包絡線強度EVが瞬時に得られる。Since the phases of the optical frequency combs C4 and C5 are shifted by 90 ° from each other, the phases of the interference signals IM1 and IM2 are shifted by 90 ° from each other. FIG. 11 is a graph showing an example of the envelope strength EV obtained from the interference signals IM1 and IM2. If the intensity T1 of the interference signal IM1 and the intensity T2 of the interference signal IM2 at a certain moment are acquired by the
上述のように、包絡線強度EVは、撮像カメラ161によって検出される。撮像カメラ161で検出された包絡線強度EVは、撮像カメラ161に付属の処理部(図示略)によって適宜処理される。処理部は、例えば撮像カメラ161に接続されているコンピュータに内蔵されているプログラムなどである。干渉強度信号取得光学系130では、互いに90°だけ位相がずれた干渉信号IM1,IM2の包絡線強度EVが瞬時に得られる。
As described above, the envelope strength EV is detected by the
<2次元分光計測装置>
図12は、本発明の2次元分光計測装置200の構成を示す概略図である。図12に示すように、2次元分光計測装置200は、上述した干渉強度信号取得光学系130の構成に加え、単体の撮像カメラ161に替えて、波長情報取得部208を備える。2次元分光計測装置200においても、フィードバック機構128によって光周波数コムC4,C5が光周波数コム出射部103にフィードバックされ、光周波数コムC4,C5との位相のずれ(時間差δ、図3参照)に応じて繰り返し周波数frepが調整されている。<Two-dimensional spectroscopic measurement device>
FIG. 12 is a schematic view showing the configuration of the two-dimensional
波長情報取得部208は、ハーフミラー231と、全反射ミラー232と、フィルタF1,F2と、互いに同じ画素数を有する2台の撮像カメラ241,242と、画像処理部(光学情報抽出部)250とを備える。干渉強度信号取得光学系130の全反射ミラー154は、ハーフミラー159に替えられている。分光計測の対象である試料Sは、ハーフミラー159を透過する光周波数コムC3の進路上に配置されている。
The wavelength
図12に示すように、ハーフミラー153で反射された光周波数コムC3は、ハーフミラー159を透過し、試料Sに照射される。試料Sから反射された光周波数コムC3には、試料Sの分光情報や位相・形状に関する情報をすべて含む光学情報が含まれる。光周波数コムC3からハーフミラー155によって2つに分けられた光周波数コムC6,C7にも試料Sの光学情報が含まれる。試料Sの光学情報は、干渉信号IM1,IM2に反映される。干渉信号IM1,IM2の包絡線強度EVは、ハーフミラー231によって2つに分けられ、分けられた2つの包絡線強度EV1,EV2はそれぞれフィルタF1,F2を通過する。
As shown in FIG. 12, the optical frequency comb C3 reflected by the
図13は、フィルタF1,F2の透過率の波長依存性を示すグラフである。図13に示すように、フィルタF1,F2の透過率の波長依存性は互いに逆である。フィルタF1の透過率は、波長が増加するにしたがって概ね低下する。一方、フィルタF2の透過率は、波長が増加するにしたがって概ね上昇する。このようにフィルタF1,F2の透過率の波長依存性が互いに逆であることによって、これらのフィルタF1,F2を通過させた包絡線強度EV1,EV2に関する光強度比と波長との1対1対応が成立する。 FIG. 13 is a graph showing the wavelength dependence of the transmittance of the filters F1 and F2. As shown in FIG. 13, the wavelength dependence of the transmittance of the filters F1 and F2 is opposite to each other. The transmittance of the filter F1 generally decreases as the wavelength increases. On the other hand, the transmittance of the filter F2 generally increases as the wavelength increases. Since the wavelength dependence of the transmittance of the filters F1 and F2 is opposite to each other in this way, there is a one-to-one correspondence between the light intensity ratio and the wavelength with respect to the envelope strengths EV1 and EV2 that have passed through these filters F1 and F2. Is established.
画像処理部50では、フィルタF1,F2を通して撮像カメラ241,242で取得した試料Sの測定領域ごとの包絡線強度EV1,EV2の透過強度の比が算出される。撮像カメラ241,242の各画素について算出した包絡線強度EV1,EV2の透過強度の比に基づいて、各画素の信号強度比が求まり、包絡線強度EVの分布内の各強度を発現する波長が瞬時に決定される。瞬時に波長情報を得ることで、各空間位置(測定領域)における試料Sから反射された光周波数コムC3の位相情報が計測される。光周波数コムC3の位相情報は、時間差であって、物理的な位置の違いや屈折率の違いを示す。本実施形態では、物理的な位置を瞬時に取得する際には、試料Sから反射された光周波数コムC6の位相スペクトルは基本的に変化しないと想定する。 The image processing unit 50 calculates the ratio of the transmission intensities of the envelope strengths EV1 and EV2 for each measurement region of the sample S acquired by the imaging cameras 241,242 through the filters F1 and F2. The signal intensity ratio of each pixel is obtained based on the ratio of the transmission intensities of the envelope strengths EV1 and EV2 calculated for each pixel of the imaging cameras 241,242, and the wavelength at which each intensity is expressed in the distribution of the envelope strength EV is determined. It is decided instantly. By obtaining the wavelength information instantly, the phase information of the optical frequency comb C3 reflected from the sample S in each spatial position (measurement region) is measured. The phase information of the optical frequency comb C3 is a time difference, and indicates a difference in physical position and a difference in refractive index. In the present embodiment, it is assumed that the phase spectrum of the optical frequency comb C6 reflected from the sample S basically does not change when the physical position is acquired instantaneously.
<2次元分光計測方法>
本発明の2次元分光計測方法は、光周波数コム生成工程と、位相差付与工程と、試料照射工程と、干渉信号生成工程と、包絡線強度取得工程と、光学情報抽出工程とを備える。本発明の一実施形態の2次元分光計測方法は、2次元分光計測装置200を用いて干渉信号IM1,IM2の包絡線強度EVを瞬時に取得し、取得した包絡線強度EVに基づいて試料Sの光学情報を得ることが可能な方法である。<Two-dimensional spectroscopic measurement method>
The two-dimensional spectroscopic measurement method of the present invention includes an optical frequency comb generation step, a phase difference imparting step, a sample irradiation step, an interference signal generation step, an envelope strength acquisition step, and an optical information extraction step. In the two-dimensional spectroscopic measurement method of the embodiment of the present invention, the envelope intensity EV of the interference signals IM1 and IM2 is instantaneously acquired by using the two-dimensional
光周波数コム生成工程では、光周波数コムC1を生成する(図1参照)。光周波数コムC1は、周波数軸で零に対して所定のキャリア・エンベロップ・オフセットfCEOを有する周波数モードf0と、周波数軸で周波数モードf0に対して所定の繰り返し周波数frepの整数倍の間隔をあけて並ぶ複数の周波数モードfmと、を有する。光周波数コムC1では、frep=4×fCEOの関係が成立している。前述の関係を成立させるために、光周波数コム出射部103のファンクションジェネレーターなどを用いて、キャリア・エンベロップ・オフセットfCEO及び繰り返し周波数frepを制御する。In the optical frequency comb generation step, the optical frequency comb C1 is generated (see FIG. 1). Optical frequency comb C1 is a frequency mode f 0 having a predetermined carrier envelope offset f CEO against zero on the frequency axis, of the predetermined relative frequency mode f 0 the frequency axis repetition frequency f rep integral multiple of the has a plurality of frequency modes f m arranged at intervals, the. In the optical frequency comb C1, the relationship of f rep = 4 × f CEO is established. In order to establish the above-mentioned relationship, the carrier development offset f CEO and the repetition frequency f rep are controlled by using a function generator of the optical frequency
次に、位相差付与工程では、光周波数コムC1をハーフミラー153で光周波数コムC2と光周波数コムC3に分け、光周波数コムC2をさらにハーフミラー112(図3参照)で光周波数コムC4と光周波数コムC5に分ける。続いて、遅延付与部123によって、光周波数コムC5の時間軸上の位相を光周波数コムC4の時間軸上の位相に対して90°ずらす。
Next, in the phase difference imparting step, the optical frequency comb C1 is divided into an optical frequency comb C2 and an optical frequency comb C3 by a
次に、試料照射工程では、光周波数コムC3または光周波数コムC4,C5を試料Sに照射し、試料Sから出射されて光学情報を含む光周波数コムC3または光周波数コムC4,C5を得る。 Next, in the sample irradiation step, the sample S is irradiated with the optical frequency combs C3 or the optical frequency combs C4 and C5, and the optical frequency combs C3 or the optical frequency combs C4 and C5 emitted from the sample S and containing the optical information are obtained.
本実施形態では、光周波数コムC3、または光周波数コムC4,C5に任意の光学情報を含む。干渉信号生成工程では、何れかに光学情報を含む光周波数コムC4と光周波数コムC6とを合わせて干渉させ、干渉信号IM1を生成する。干渉信号生成工程では、何れかに光学情報を含む光周波数コムC5と光周波数コムC7とを合わせて干渉させ、干渉信号IM2を生成する。 In the present embodiment, the optical frequency comb C3 or the optical frequency combs C4 and C5 include arbitrary optical information. In the interference signal generation step, the optical frequency comb C4 containing the optical information and the optical frequency comb C6 are made to interfere with each other to generate the interference signal IM1. In the interference signal generation step, the optical frequency comb C5 containing the optical information and the optical frequency comb C7 are made to interfere with each other to generate the interference signal IM2.
次に、包絡線強度取得工程では、干渉信号IM1,IM2を撮像カメラ161で同時に検出し、包絡線強度EVを得る。
Next, in the envelope strength acquisition step, the interference signals IM1 and IM2 are simultaneously detected by the
次に、光学情報抽出工程では、包絡線強度EVに基づいて試料Sの光学情報を抽出する。本実施形態では、包絡線強度取得工程において、包絡線強度EVを2つの包絡線強度EV1,EV2に分け、包絡線強度EV1,EV2がフィルタF1,F2のそれぞれを通過したときの透過強度を撮像カメラ241,242で取得する。その後、包絡線強度取得工程で取得した包絡線強度EV1,EV2の透過強度の比に基づいて試料Sに関する波長情報を瞬時に取得し、画像処理部250によって前述の波長情報から試料Sの光学情報を算出する。具体的には、予め計測した強度の比から求めた波長情報と遅延距離の関係と比較することで、試料Sの2次元分光情報または3次元形状を算出できる。
Next, in the optical information extraction step, the optical information of the sample S is extracted based on the envelope strength EV. In the present embodiment, in the envelope strength acquisition step, the envelope strength EV is divided into two envelope strengths EV1 and EV2, and the transmission strength when the envelope strengths EV1 and EV2 pass through the filters F1 and F2 is imaged. Acquired by cameras 241,242. After that, the wavelength information about the sample S is instantly acquired based on the ratio of the transmission intensities of the envelope strengths EV1 and EV2 acquired in the envelope strength acquisition step, and the
本実施形態の2次元分光計測方法は、上述の各工程に加え、さらに周波数調整工程を備えている。周波数調整工程では、フィードバック機構128によって光周波数コムC4,C5の一部を光周波数コム出射部103にフィードバックし、光周波数コムC4,C5との位相のずれ(時間差δ、図3参照)に応じて繰り返し周波数frepを調整する。The two-dimensional spectroscopic measurement method of the present embodiment further includes a frequency adjustment step in addition to the above-mentioned steps. In the frequency adjustment step, a part of the optical frequency combs C4 and C5 is fed back to the optical frequency
以上説明したように、本実施形態の2次元分光計測方法は、上述の光周波数コム生成工程と、位相差付与工程と、干渉信号生成工程と、包絡線強度取得工程と、光学情報抽出工程と、を備える。本実施形態の2次元分光計測装置200は、上述の光周波数コム出射部103と、第1の分岐部104と、第2の分岐部105と、位相差付与部106と、干渉信号生成部107と、包絡線強度取得部108と、画像処理部250と、を備える。本実施形態の2次元分光計測方法及び2次元分光計測装置200では、光周波数コムの繰り返し周波数frepとキャリア・エンベロップ・オフセットfCEOを制御してfrep=4×fCEOとし、繰り返し周波数frepが制御された光周波数コムを2つに分けて互いに位相が90°ずれた光周波数コムを生成する。互いに位相が90°ずれた2つの光周波数コムは、参照光として機能する光パルス列である。これらの2つの光周波数コムのそれぞれと任意の光学情報を含む光周波数コムとを干渉させ、90°位相がずれた干渉信号を光学的にリアルタイムで生成する。任意の光学情報を含む光周波数コムは、プローブ光として機能する光パルス列である。このことによって、干渉信号の包絡線強度を瞬時に、計測時においてリアルタイムに取得できる。光周波数コムを用いることによって、繰り返し周波数frepとキャリア・エンベロップ・オフセットfCEOが原子時計と同程度の安定性と正確性をもって制御される。キャリア・エンベロップ・オフセットfCEOを制御することによって、時間軸上で隣り合う光パルス同士の位相差を活かし、計測時のターゲットとする全波長域で原理的に位相差を正確に揃えることができる。したがって、本実施形態の2次元分光計測方法及び2次元分光計測装置200によれば、瞬時に高解像度の分光情報を取得でき、リアルタイムで2次元分光計測を行うことができる。As described above, the two-dimensional spectroscopic measurement method of the present embodiment includes the above-mentioned optical frequency comb generation step, phase difference imparting step, interference signal generation step, envelope strength acquisition step, and optical information extraction step. , Equipped with. The two-dimensional
本実施形態の2次元分光計測方法及び2次元分光計測装置200では、第4の光周波数コムと第5の光周波数コムを光周波数コム出射部103にフィードバックし、第4の光周波数コムと第5の光周波数コムとの位相のずれ(時間差δ)に応じて繰り返し周波数frepを調整する。このことによって、参照光の光周波数コム同士の位相のずれをなくすことができる。本実施形態の2次元分光計測方法及び2次元分光計測装置200によれば、2次元分光計測装置200を構成するミラーなどの光学素子が振動して光周波数コムの光路に変動が生じた場合であっても、従来のようにピエゾ素子などのように機械的に駆動する構成を光学系に追加しなくても、光周波数コムの光路の変動を光学的に補償できる。In the two-dimensional spectroscopic measurement method and the two-dimensional
本実施形態の2次元分光計測方法及び2次元分光計測装置200では、透過率の波長依存性が互いに逆である2枚のフィルタF1,F2を包絡線強度EV1,EV2が通過したときの透過強度を取得し、取得した包絡線強度EV1,EV2の透過強度の比に基づいて試料Sの光学情報を算出する。このような検出手法によって、包絡線強度EVに含まれる試料Sの波長情報を瞬時に取得でき、取得した波長情報から試料Sの光学情報をリアルタイムで高解像度に取得できる。
In the two-dimensional spectroscopic measurement method and the two-dimensional
本実施形態の2次元分光計測方法及び2次元分光計測装置200では、遅延機構206によって光周波数コムC3に所定の遅延時間を付加することによって、光学情報を含む強度・位相スペクトルを取得できる。
In the two-dimensional spectroscopic measurement method and the two-dimensional
本実施形態の2次元分光計測方法及び2次元分光計測装置200で得られる光学情報は、光周波数コムC3または光周波数コムC4,C5の光路上の屈折率の分布・揺らぎ、試料Sの形状の何れかを含み、上述の構成では試料Sの3次元形状が含まれる。本実施形態の2次元分光計測方法及び2次元分光計測装置200によれば、包絡線強度EVに基づいて試料Sの3次元形状を取得できるので、瞬時かつリアルタイムの3次元形状計測を実現し、天文分野や物性分野をはじめとする広い分野に適用できる。
The optical information obtained by the two-dimensional spectroscopic measurement method and the two-dimensional
以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は上述の実施形態に限定されない。本発明は、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、変更可能である。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments. The present invention may be modified within the scope of the gist of the invention described within the claims.
例えば、上述の実施形態では、光周波数コムC3が試料Sを通過することによって、光周波数コムC3に試料Sの光学情報が付与されるが、試料Sの光学情報は、光周波数コムC3に替えて光周波数コムC4,C5に付与されてもよい。その場合は、光周波数コムC4,C5の偏光を互いに直交させて合波し、試料Sを通過させた後に分波する。試料Sの光学情報を含む光周波数コムC4,C5のそれぞれと試料Sの光学情報を含まない光周波数コムC6,C7との干渉信号(第1の干渉信号、第2の干渉信号)を得ることによって、上述の実施形態と同様の作用効果が得られる。但し、試料Sの光学情報は、偏光依存性を有しておらず、偏光依存性を考慮せずに取得できると想定する。 For example, in the above-described embodiment, the optical frequency comb C3 is given the optical information of the sample S by passing through the sample S, but the optical information of the sample S is replaced with the optical frequency comb C3. It may be applied to the optical frequency combs C4 and C5. In that case, the polarized light of the optical frequency combs C4 and C5 are orthogonal to each other, combined, passed through the sample S, and then demultiplexed. Obtaining interference signals (first interference signal, second interference signal) between each of the optical frequency combs C4 and C5 including the optical information of the sample S and the optical frequency combs C6 and C7 not including the optical information of the sample S. Therefore, the same effect as that of the above-described embodiment can be obtained. However, it is assumed that the optical information of the sample S does not have polarization dependence and can be acquired without considering the polarization dependence.
図12に示す2次元分光計測装置200では、試料Sから反射された光周波数コムC3を取得しているが、光周波数コムC3を試料Sに照射して試料Sから透過した光周波数コムC3を取得してもよい。その場合、ハーフミラー159を全反射ミラーに替え、試料Sを光周波数コムC3の進路上で前述のように置き換えた全反射ミラーとハーフミラー155との間に配置すればよい。
In the two-dimensional
上述の実施形態の2次元分光計測装置200において、試料Sに関する位相スペクトルを測定する際には、試料Sから反射された光周波数コムC3の位相スペクトルが波長に対して変化してもよい。但し、その場合の光周波数コムC3の位相スペクトルの変化は、波長に対して一意に決まらなければならない。試料Sに関する位相スペクトルは、光周波数コムC3または光周波数コムC1に対して時間遅延を加え、干渉信号IM1,IM2の強度の遅延時間依存性を測定することによって取得できる。
When measuring the phase spectrum with respect to the sample S in the two-dimensional
上述の実施形態において、遅延機構206は、ハーフミラー153,159の間の光周波数コムC3の進路上、ハーフミラー153,112の間の光周波数コムC2の進路上のいずれかに配置されればよい。遅延機構206の構成は、所定の光周波数コムに所定の遅延時間を付加できれば、特に限定されない。上述の実施形態の2次元分光計測装置200において、試料Sの3次元形状を瞬時に計測する際には、遅延機構206で時間掃引する必要はない。光周波数コムC3には、試料Sを透過あるいは反射させたときに、試料Sの形状に由来する遅延時間が与えられる。試料Sの3次元形状を瞬時に計測する場合は、遅延時間が与えられた光周波数コムC3を、遅延機構206を除いた上述の実施形態の2次元分光計測装置200で計測することによって、試料Sの形状に由来する遅延時間を波長情報として瞬時に取得できる。このような波長情報を取得することは、試料Sの瞬時3次元形状計測を行うことと同じである。
In the above embodiment, if the
上述の実施形態では、光周波数コムの光学的特性に起因する正確さと安定性が維持された状態で、試料Sの典型的な光学情報として奥行き情報、すなわち3次元形状が得られる。但し、本発明の2次元分光計測方法及び2次元分光計測装置によって得られる試料Sの光学情報は、光周波数コムの光パルス列が干渉信号生成部に到達する時間をずらすものであれば3次元形状に限定されない。本発明の2次元分光計測方法及び2次元分光計測装置によって得られる試料Sの光学情報には、例えば屈折率の揺らぎなどが含まれる。取得したい試料Sの光学情報の種類に応じて、波長情報取得部や光学情報抽出部の構成、処理部のプログラムによる処理内容を適宜変更できる。 In the above-described embodiment, depth information, that is, a three-dimensional shape is obtained as typical optical information of the sample S while maintaining accuracy and stability due to the optical characteristics of the optical frequency comb. However, the optical information of the sample S obtained by the two-dimensional spectroscopic measurement method and the two-dimensional spectroscopic measurement device of the present invention has a three-dimensional shape as long as the time for the optical pulse train of the optical frequency comb to reach the interference signal generation unit is staggered. Not limited to. The optical information of the sample S obtained by the two-dimensional spectroscopic measurement method and the two-dimensional spectroscopic measurement apparatus of the present invention includes, for example, fluctuation of the refractive index. Depending on the type of optical information of the sample S to be acquired, the configuration of the wavelength information acquisition unit and the optical information extraction unit, and the processing content by the program of the processing unit can be appropriately changed.
上述の実施形態では、光周波数コムC4,C5,C6,C7をチャープしてもよい。光周波数コムC4,C5,C6,C7をチャープする場合は、これらの光周波数コムの元である光周波数コムC2,C3のそれぞれの光路上に適当な分散媒質を設置し、その分散媒質に光周波数コムC2,C3を通過させればよい。このように分散媒質を通過させて光周波数コムC4,C5,C6,C7をチャープした場合、干渉信号IM1,IM2は変化しないので、上述の実施形態と同様の作用効果が得られる。 In the above-described embodiment, the optical frequency combs C4, C5, C6, and C7 may be chirped. When chirping the optical frequency combs C4, C5, C6, and C7, an appropriate dispersion medium is installed on each optical path of the optical frequency combs C2 and C3, which are the sources of these optical frequency combs, and light is applied to the dispersion medium. The frequency combs C2 and C3 may be passed. When the optical frequency combs C4, C5, C6, and C7 are chirped through the dispersion medium in this way, the interference signals IM1 and IM2 do not change, so that the same effects as those in the above-described embodiment can be obtained.
103・・・光周波数コム出射部
104・・・第1の分岐部
105・・・第2の分岐部
106・・・位相差付与部
107・・・干渉信号生成部
108・・・包絡線強度取得部
130・・・干渉強度信号取得光学系(干渉信号強度取得装置)
C1・・・光周波数コム(第1の光周波数コム)
C2・・・光周波数コム(第2の光周波数コム)
C3・・・光周波数コム(第3の光周波数コム)
C4・・・光周波数コム(第4の光周波数コム)
C5・・・光周波数コム(第5の光周波数コム)
C6・・・光周波数コム(第3の光周波数コム)
C7・・・光周波数コム(第3の光周波数コム)
S・・・試料103 ... Optical frequency
C1 ... Optical frequency comb (first optical frequency comb)
C2 ... Optical frequency comb (second optical frequency comb)
C3 ... Optical frequency comb (third optical frequency comb)
C4 ... Optical frequency comb (4th optical frequency comb)
C5 ... Optical frequency comb (fifth optical frequency comb)
C6 ... Optical frequency comb (third optical frequency comb)
C7 ... Optical frequency comb (third optical frequency comb)
S ... Sample
Claims (10)
前記第1の光周波数コムを第2の光周波数コムと第3の光周波数コムに分け、前記第2の光周波数コムを第4の光周波数コムと第5の光周波数コムに分け、前記第4の光周波数コムの時間軸上の位相を前記第5の光周波数コムの時間軸上の位相に対して90°ずらす位相差付与工程と、
前記第3の光周波数コムまたは前記第4の光周波数コム及び前記第5の光周波数コムを試料に照射し、前記試料から出射されて光学情報を含む前記第3の光周波数コム、または前記第4の光周波数コム及び前記第5の光周波数コムを得る試料照射工程と、
何れかに前記光学情報を含む前記第4の光周波数コムと前記第3の光周波数コムとを干渉させて第1の干渉信号を生成し、何れかに前記光学情報を含む前記第5の光周波数コムと前記第3の光周波数コムとを干渉させて第2の干渉信号を生成する干渉信号生成工程と、
前記第1の干渉信号と前記第2の干渉信号から包絡線強度を取得する包絡線強度取得工程と、
前記包絡線強度に基づいて前記試料の光学情報を抽出する光学情報抽出工程と、
を備える2次元分光計測方法。A first frequency mode having a predetermined offset frequency with respect to zero on the frequency axis and a plurality of second frequencies arranged at intervals of an integral multiple of a predetermined repetition frequency with respect to the first frequency mode on the frequency axis. An optical frequency comb generation step of generating a first optical frequency comb having a frequency mode and having the repetition frequency four times the offset frequency.
The first optical frequency comb is divided into a second optical frequency comb and a third optical frequency comb, and the second optical frequency comb is divided into a fourth optical frequency comb and a fifth optical frequency comb. A phase difference imparting step of shifting the phase on the time axis of the optical frequency comb of No. 4 by 90 ° with respect to the phase on the time axis of the fifth optical frequency comb, and
The third optical frequency comb or the third optical frequency comb that irradiates the sample with the third optical frequency comb or the fourth optical frequency comb and the fifth optical frequency comb and emits from the sample and contains optical information. A sample irradiation step for obtaining the optical frequency comb of 4 and the 5th optical frequency comb, and
The fourth optical frequency comb containing the optical information in any of them interferes with the third optical frequency comb to generate a first interference signal, and the fifth light containing the optical information in any of them. An interference signal generation step of generating a second interference signal by interfering the frequency comb with the third optical frequency comb,
An envelope strength acquisition step of acquiring the envelope strength from the first interference signal and the second interference signal, and
An optical information extraction step for extracting optical information of the sample based on the envelope strength, and
A two-dimensional spectroscopic measurement method comprising.
請求項1に記載の2次元分光計測方法。Further comprising a repeating frequency adjusting step of adjusting the repeating frequency according to the phase shift between the fourth optical frequency comb and the fifth optical frequency comb on the time axis.
The two-dimensional spectroscopic measurement method according to claim 1.
透過率の波長依存性が互いに逆である2枚のフィルタのそれぞれを前記包絡線強度が通過したときの透過強度を取得し、
前記光学情報抽出工程において、
前記透過強度の比に基づいて前記光学情報を算出する、
請求項1または請求項2に記載の2次元分光計測方法。In the envelope strength acquisition step,
The transmission intensity when the envelope intensity passes through each of the two filters having opposite wavelength dependence of the transmittance is obtained.
In the optical information extraction step
The optical information is calculated based on the ratio of transmission intensities.
The two-dimensional spectroscopic measurement method according to claim 1 or 2.
前記第2の光周波数コムまたは前記第3の光周波数コムに所定の遅延時間を付加し、前記光学情報を含む強度・位相スペクトルを取得する、
請求項1から請求項3の何れか一項に記載の2次元分光計測方法。In the optical information extraction step
A predetermined delay time is added to the second optical frequency comb or the third optical frequency comb to acquire an intensity / phase spectrum including the optical information.
The two-dimensional spectroscopic measurement method according to any one of claims 1 to 3.
請求項1から請求項4の何れか一項に記載の2次元分光計測方法。The optical information includes the distribution of the refractive index on the optical path of any one of the third optical frequency comb, the fourth optical frequency comb, and the fifth optical frequency comb, and the fluctuation of the refractive index. , Including any of the shapes of the samples,
The two-dimensional spectroscopic measurement method according to any one of claims 1 to 4.
前記第1の光周波数コムを第2の光周波数コムと第3の光周波数コムに分ける第1の分岐部と、
前記第2の光周波数コムを第4の光周波数コムと第5の光周波数コムに分ける第2の分岐部と、
前記第4の光周波数コムの時間軸上の位相を前記第5の光周波数コムの時間軸上の位相に対して90°ずらす位相差付与部と、
前記第3の光周波数コムまたは前記第4の光周波数コム及び前記第5の光周波数コムは任意の光学情報を含み、前記第4の光周波数コムと前記第3の光周波数コムとを干渉させて第1の干渉信号を生成し、前記第5の光周波数コムと前記第3の光周波数コムとを干渉させて第2の干渉信号を生成する干渉信号生成部と、
前記第1の干渉信号と前記第2の干渉信号との包絡線強度を取得する包絡線強度取得部と、
前記包絡線強度に基づいて前記光学情報を抽出する光学情報抽出部と、
を備える2次元分光計測装置。A first frequency mode having a predetermined offset frequency with respect to zero on the frequency axis and a plurality of second frequencies arranged at intervals of an integral multiple of a predetermined repetition frequency with respect to the first frequency mode on the frequency axis. An optical frequency comb emitting unit that has a frequency mode and emits a first optical frequency comb whose repetition frequency is four times the offset frequency.
A first branch portion that divides the first optical frequency comb into a second optical frequency comb and a third optical frequency comb, and
A second branch portion that divides the second optical frequency comb into a fourth optical frequency comb and a fifth optical frequency comb, and
A phase difference imparting unit that shifts the phase on the time axis of the fourth optical frequency comb by 90 ° with respect to the phase on the time axis of the fifth optical frequency comb.
The third optical frequency comb or the fourth optical frequency comb and the fifth optical frequency comb include arbitrary optical information and cause the fourth optical frequency comb and the third optical frequency comb to interfere with each other. An interference signal generation unit that generates a first interference signal and causes the fifth optical frequency comb to interfere with the third optical frequency comb to generate a second interference signal.
An envelope strength acquisition unit that acquires the envelope strength of the first interference signal and the second interference signal,
An optical information extraction unit that extracts the optical information based on the envelope strength,
A two-dimensional spectroscopic measuring device comprising.
請求項6に記載の2次元分光計測装置。A feedback mechanism that acquires a part of the fourth optical frequency comb and the fifth optical frequency comb emitted from the phase difference imparting unit and feeds back to the optical frequency comb emitting unit is further provided.
The two-dimensional spectroscopic measuring apparatus according to claim 6.
透過率の波長依存性が互いに逆である2枚のフィルタを備え、
前記包絡線強度が前記2枚のフィルタのそれぞれを通過したときの透過強度を取得し、
前記光学情報抽出部は、
前記透過強度の比に基づいて前記光学情報を算出する、
請求項6または請求項7に記載の2次元分光計測装置。The envelope strength acquisition unit
It has two filters with opposite wavelength dependence of transmittance.
Obtaining the transmission strength when the envelope strength passes through each of the two filters,
The optical information extraction unit
The optical information is calculated based on the ratio of transmission intensities.
The two-dimensional spectroscopic measuring apparatus according to claim 6 or 7.
前記光学情報抽出部において、
前記光学情報を含む強度・位相スペクトルを取得する、
請求項6から請求項8の何れか一項に記載の2次元分光計測装置。A delay mechanism for adding a predetermined delay time to the second optical frequency comb or the third optical frequency comb is further provided.
In the optical information extraction unit
Acquire the intensity / phase spectrum including the optical information.
The two-dimensional spectroscopic measuring apparatus according to any one of claims 6 to 8.
請求項6から請求項9の何れか一項に記載の2次元分光計測装置。The optical information includes the distribution of the refractive index on the optical path of any one of the third optical frequency comb, the fourth optical frequency comb, and the fifth optical frequency comb, and the fluctuation of the refractive index. Includes either the shape of a sample placed on the path of the third optical frequency comb, or on the path of the fourth optical frequency comb and the fifth optical frequency comb.
The two-dimensional spectroscopic measuring apparatus according to any one of claims 6 to 9.
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