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光学測定装置および光学測定方法

国内特許コード P150012266
掲載日 2015年9月4日
出願番号 特願2014-191427
公開番号 特開2015-087385
出願日 平成26年9月19日(2014.9.19)
公開日 平成27年5月7日(2015.5.7)
優先権データ
  • 特願2013-196504 (2013.9.24) JP
発明者
  • 塚田 敏秋
  • 瀬戸 啓介
  • 小林 孝嘉
出願人
  • 塚田 敏秋
  • 国立大学法人電気通信大学
発明の名称 光学測定装置および光学測定方法
発明の概要 【課題】
光源の出力光の強度変化や受光器の感度変化の影響を受けることなく高速高感度で高精度の安定した測定が行える光学測定技術を提供する。
【解決手段】 光学測定装置は、光源と、前記光源からの出力光の一部の光成分を他の光成分に対してπ/2遅延させるπ/2位相加算器と、前記π/2位相加算器を介した光と、試料に導かれ、前記試料で透過または反射された光を検出する受光器と、前記受光器で検出された検出光と、前記光源に同期する同期信号とを入力とし、前記同期信号を用いて前記検出光に生じた位相変化を検出する位相変化検出器と、を有し、前記位相変化により前記試料の特性を取得する。
【選択図】図2
産業上の利用分野



本発明は、光学測定装置および光学測定方法に関し、詳しくは、試料から得られる光信号の位相変化に基づいて光強度変調信号を検出する光学測定技術に関するものである。





光信号検出装置の一種に、図1に示す装置がある。図1(A)では、レーザ等の光源1からの出力光を試料2に透過あるいは反射させてその透過光あるいは反射光を受光器3で検出し、この検出光の強度変化に基づいて、試料2の特性を観測する。





図1(A)において、光源1からの出力光の強度をA、試料2による強度変化率(または強度変調度)をm、受光器3の変換率をBとすると、出力信号の大きさはA×(1+m)×Bとなる。ここで元の光信号の強度成分はA×1×B、試料からの信号成分はA×m×Bである。強度変調を受けた信号成分は元信号の光強度信号に加算されて検出される。





このような光信号検出装置における光源1の強度変化率は数10%になることもあり、一般的に試料2から得られる光強度変化率(m)の0.1~0.01%に比べてはるかに大きく、試料2からの光信号を適切に分離して取得することはきわめて困難である。





そこで、従来から一般に、たとえば図1(B)のような構成で検出信号を得ることが行われている。なお、図1(B)では図1(A)と共通する部分には同一の符号を付けている。図1(B)において、外部に設けた試料変調器4と同期信号発生器5により、試料の状態を同期信号の周波数で変調させる。試料2により誘起される光源1の光強度の変化は試料の状態の変調の効果を受け、同期信号の周波数で変調される。試料に与えられた変調に同期した同期信号成分を同期検波器6で抽出することにより試料に誘起された光強度の変調信号を得ている。





図1(B)において、試料2を周波数ωで変調した場合、受光器3からの出力は、

A(1+m×sin(ωt))×B

となる。





一方、同期検波器6の出力は、

A(1+m×sin(ωt))×B×sin(ωt)

になる。





そして、ωtを0から2πの範囲で積分すると、π×A×m×Bとなるので信号成分を抽出できる。ここで、光源信号の成分A×B×sin(ωt)は、ωt:0~2πの積分でゼロとなる。





特許文献1には、光強度信号を同期検波して検出信号を得るレーザ顕微鏡の構成が示されている。

特許請求の範囲 【請求項1】
光源と、
前記光源からの出力光の一部の光成分を他の光成分に対してπ/2遅延させるπ/2位相加算器と、
前記π/2位相加算器を介した光と、試料に導かれ、前記試料で透過または反射された光を検出する受光器と、
前記受光器で検出された検出光と、前記光源に同期する同期信号とを入力とし、前記同期信号を用いて前記検出光に生じた位相変化を検出する位相変化検出器と、
を有し、前記位相変化により前記試料の特性を取得することを特徴とする光学測定装置。

【請求項2】
前記位相変化検出器は、前記同期信号が前記検出光と直交するように前記同期信号の位相を制御するとともに、位相制御信号を位相変化の検出結果として出力することを特徴とする請求項1に記載の光学測定装置。

【請求項3】
前記位相変化検出器は、
前記同期信号の位相を調節する位相シフタと、
位相調節後の前記同期信号と前記検出信号とを乗算する乗算器と、
前記乗算器の出力を前記位相シフタに帰還する帰還ループと、
を有することを特徴とする請求項2に記載の光学測定装置。

【請求項4】
前記位相変化検出器は、前記乗算器の出力から低周波成分を取り出すフィルタをさらに有し、前記低周波成分が前記位相シフタに帰還されるとともに、前記位相変化の検出結果として出力されることを特徴とする請求項3に記載の光学測定装置。

【請求項5】
前記試料を刺激するポンプ光を生成するポンプ光源と、
前記位相変化検出器の出力を、前記ポンプ光に同期する信号で同期検波する同期検波器と、
をさらに有することを特徴とする請求項1~4のいずれか1項に記載の光学測定装置。

【請求項6】
前記光源は白色光源であり、
前記受光器の前段に配置される分光器、
をさらに有し、
前記受光器と前記位相変化検出器は、前記分光器により分光された波長ごとに配置されることを特徴とする請求項1~4のいずれか1項に記載の光学測定装置。

【請求項7】
光源からの出力光の一部の光成分に他の光成分に対するπ/2の遅延を与え、
試料で透過または反射された前記他の光成分と、前記遅延を受けた前記一部の光成分とを受光器にて検出し、
前記光源に同期する同期信号を用いて、前記受光器で検出された検出光の位相変化を検出し、
前記位相変化から前記試料の特性を取得することを特徴とする光学測定方法。

【請求項8】
前記同期信号が前記検出光と直交するように、前記同期信号の位相を制御するとともに、位相制御信号を前記位相変化の検出結果として用いることを特徴とする請求項7に記載の光学測定方法。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2014191427thum.jpg
出願権利状態 公開


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