(57)【要約】【課題】光源からの光の波長の安定化に有利な技術を提供する。【解決手段】複数の光源と、前記複数の光源のそれぞれからの光の波長を互いに異なる基準波長に設定するための波長基準部と、前記複数の光源のそれぞれについて、波長を変更しながら前記波長基準部を通過した光の強度と前記波長基準部を通過していない光の強度とを計測し、計測された光の強度の差分を検出する検出部と、前記検出部で検出された差分に基づいて、波長の変化に対する前記差分の変化が前記複数の光源間で一致するように、前記光源を調整することで前記差分を調整する処理部と、を有することを特徴とする光源装置を提供する。【選択図】図１
2014089124.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の光源と、
前記複数の光源のそれぞれからの光の波長を互いに異なる基準波長に設定するための波長基準部と、
前記複数の光源のそれぞれについて、波長を変更しながら前記波長基準部を通過した光の強度と前記波長基準部を通過していない光の強度とを計測し、計測された光の強度の差分を検出する検出部と、
前記検出部で検出された差分に基づいて、波長の変化に対する前記差分の変化が前記複数の光源間で一致するように、前記光源を調整することで前記差分を調整する処理部と、
を有することを特徴とする光源装置。
【請求項２】
前記処理部は、前記差分を表す波形の全体が前記複数の光源間で一致するように、前記光源を調整することで前記差分を調整することを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
【請求項３】
前記処理部は、前記差分の目標値における前記変化が前記複数の光源間で一致するように、前記差分を調整することを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
【請求項４】
前記処理部は、前記複数の光源のそれぞれの温度及び前記複数の光源のそれぞれに供給する電流の少なくとも一方を制御して前記複数の光源のそれぞれからの光の波長を変更することで前記差分を調整することを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項５】
前記波長基準部は、前記互いに異なる基準波長に対応する互いに異なる吸収線をそれぞれ有する複数のガスが封入されたガスセルを含み、
前記処理部は、前記複数のガスのそれぞれの圧力を制御することで前記差分を調整することを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項６】
前記波長基準部は、前記互いに異なる基準波長に対応する互いに異なる吸収線をそれぞれ有する複数のガスが封入されたガスセルを含み、
前記処理部は、前記複数の光源のそれぞれからの光が前記ガスセルを通過する経路長を制御することで前記差分を調整することを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項７】
複数の光源のそれぞれからの光の波長を互いに異なる基準波長に設定するための波長基準部を有する光源装置の制御方法であって、
前記複数の光源のそれぞれについて、波長を変更しながら前記波長基準部を通過した光の強度と前記波長基準部を通過していない光の強度との差分を検出するステップと、
前記ステップで検出された差分に基づいて、波長の変化に対する前記差分の変化が前記複数の光源間で一致するように、前記光源を調整することで前記差分を調整するステップと、
を有することを特徴とする制御方法。
【請求項８】
参照面と被検面との間の距離を計測する計測装置であって、
請求項１乃至６のうちいずれか１項に記載の光源装置と、
前記光源装置からの光を２つの光に分割して、一方の光を前記参照面に入射させ、他方の光を前記被検面に入射させ、前記参照面からの光と前記被検面からの光との干渉光を生成する干渉光学系と、
前記干渉光を検出する干渉光検出部と、
前記干渉光検出部で検出された干渉光に基づいて、前記参照面と前記被検面との間の距離を算出する算出部と、
を有することを特徴とする計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源装置、制御方法及び計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
多波長光源の光波干渉を用いて、参照面と被検面との間の距離を計測する計測装置が知られている。このような計測装置において、参照面と被検面との間の距離を高精度に計測するためには、各波長間隔が高精度に安定化された多波長光源を用いる必要がある。
【０００３】
多波長光源の波長を安定化する技術（波長安定化）として、ロックインアンプを用いて周波数弁別器を通過した信号の微分信号を生成し、それを誤差信号としてフィードバックをかける方法がある。かかる方法は、多波長光源の波長を高精度に安定化することが可能であるが、微分信号や誤差信号を生成するための変調素子や復調回路が必要となる。また、多波長光源の波長の安定化に関する他の技術も従来から提案されている（特許文献１及び２参照）。
【０００４】
特許文献１には、波長安定化の基準として単一のファブリペローエタロンを用いた多波長光源が開示されている。特許文献１では、ファブリペローエタロンを通過した光の強度と、ファブリペローエタロンを通過していない光の強度とを別々の検出器で検出してファブリペローエタロンの透過率を算出し、かかる透過率が一定となるように多波長光源の波長を制御している。多波長光源の各波長は、ファブリペローエタロンの互いに異なる透過スペクトルを基準として安定化させることが可能であるため、多波長光源の各波長間隔を保証することができる。
【０００５】
特許文献２には、波長安定化の基準として、異なる位相を有する２つの光を出力する光周期フィルタを用いた多波長光源が開示されている。特許文献２では、光周期フィルタから出力される２つの光の強度が等しくなるように、多波長光源の波長を制御している。多波長光源の各波長は、光周期フィルタの互いに異なる透過スペクトルを基準として安定化させることが可能であるため、多波長光源の各波長間隔を保証することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−２９８５１１号公報
【特許文献２】特開平１０−３２６９３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、波長安定化に用いられる検出器からの出力には、電気的なドリフトが発生する場合がある。このような電気的なドリフトが発生すると、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、安定化の基準（波長基準１、波長基準２、波長基準３）となる信号にオフセットが生じ、そのオフセット量は時間的に変化する。その結果、安定化される波長（以下、「ロック点」と称する）は、電気的なドリフトがない理想的な状態からずれてしまうため、波長誤差となる。ここで、図４（ａ）は、電気的なドリフトによるオフセットが生じていない場合を示し、図４（ｂ）は、電気的なドリフトによるオフセットが生じている場合を示している。
【０００８】
異なる波長間でロック点における強度の変化率が等しい場合には、ロック点のずれる方向及びずれ量が同じであるため、波長誤差は互いにキャンセルされ、多波長光源の各波長間隔は常に一定となる。但し、特許文献１で用いられているファブリペローエタロンは、波長差が大きいと、一般的に、波長に応じて出力（透過光）の形状が異なる。従って、電気的なドリフトが発生すると、異なる波長間でロック点のずれる方向及びずれ量が異なることになるため、多波長光源の各波長間隔が保証されなくなってしまう。多波長光源の各波長間隔が保証されなくなると、波長安定化の基準となる透過率を正確に算出することが困難となる。
【０００９】
また、特許文献２では、ロック点における波長安定化の基準となる波長の波長に対する強度の変化率の符号が各波長間で異なる。従って、特許文献１と同様に、電気的なドリフトが発生すると、異なる波長間でロック点のずれる方向及びずれ量が異なることになるため、多波長光源の各波長間隔が保証されなくなってしまう。
【００１０】
本発明は、このような従来技術の課題に鑑みてなされ、光源からの光の波長の安定化に有利な技術を提供することを例示的目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の一側面としての光源装置は、複数の光源と、前記複数の光源のそれぞれからの光の波長を互いに異なる基準波長に設定するための波長基準部と、前記複数の光源のそれぞれについて、波長を変更しながら前記波長基準部を通過した光の強度と前記波長基準部を通過していない光の強度とを計測し、計測された光の強度の差分を検出する検出部と、前記検出部で検出された差分に基づいて、波長の変化に対する前記差分の変化が前記複数の光源間で一致するように、前記光源を調整することで前記差分を調整する処理部と、を有することを特徴とする。
【００１２】
本発明の更なる目的又はその他の側面は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施形態によって明らかにされるであろう。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、例えば、光源からの光の波長の安定化に有利な技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一側面としての光源装置の構成を示す概略図である。
【図２】図１に示す光源装置の処理部による波長安定化処理を説明するための図である。
【図３】本発明の一側面としての計測装置の構成を示す概略図である。
【図４】従来技術における多波長光源の波長の安定化を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【００１６】
図１は、本発明の一側面としての光源装置１の構成を示す概略図である。光源装置１は、光選択部１１と、光分割部１２と、周波数弁別器１３と、受光素子１４及び１５と、減算器１６と、処理部１７と、光源ユニット１００、２００及び３００と、光分岐部１０４、２０４及び３０４と、光出力端１０５、２０５及び３０５とを有する。
【００１７】
光源ユニット１００は、温度コントローラ１０１と、電流コントローラ１０２と、レーザ光源１０３とを含む。温度コントローラ１０１は、処理部１７から指示された目標値に基づいて、レーザ光源１０３の温度を安定化（調整）する。電流コントローラ１０２は、処理部１７から指示された目標値に基づいて、レーザ光源１０３の駆動電流（レーザ光源１０３に供給する電流）を安定化（調整）する。このように、処理部１７の制御下において、レーザ光源１０３の温度及び駆動電流の少なくとも一方を調整することで、レーザ光源１０３から出力される光の波長（発振波長）を制御（変更）する。
【００１８】
光分岐部１０４は、レーザ光源１０３から出力された光を２つの光に分岐（分割）する。光分岐部１０４で分岐された一方の光は、光出力端１０５を介して、外部装置（例えば、光波干渉計測装置など）に導かれる。また、光分岐部１０４で分岐された他方の光は、波長安定化に用いられる光（信号光）として光選択部１１に導かれる。
【００１９】
光源ユニット１００と同様に、光源ユニット２００は、温度コントローラ２０１と、電流コントローラ２０２と、レーザ光源２０３とを含み、光源ユニット３００は、温度コントローラ３０１と、電流コントローラ３０２と、レーザ光源３０３とを含む。処理部１７の制御下において、レーザ光源２０３の温度及び駆動電流の少なくとも一方を調整することで、レーザ光源２０３から出力される光の波長（発振波長）を制御（変更）する。また、処理部１７の制御下において、レーザ光源３０３の温度及び駆動電流の少なくとも一方を調整することで、レーザ光源３０３から出力される光の波長（発振波長）を制御（変更）する。
【００２０】
光源ユニット２００及び３００のそれぞれから出力された光は、光分岐部２０４及び３０４で２つの光に分岐される。光分岐部２０４で分岐された一方の光は、光出力端２０５を介して、外部装置に導かれ、光分岐部２０４で分岐された他方の光は、波長安定化に用いられる光として光選択部１１に導かれる。同様に、光分岐部３０４で分岐された一方の光は、光出力端３０５を介して、外部装置に導かれ、光分岐部３０４で分岐された他方の光は、波長安定化に用いられる光として光選択部１１に導かれる。
【００２１】
光選択部１１は、各光源ユニット１００、２００及び３００から出力された光から１つの光を選択し、その光を光分割部１２に供給する。光選択部１１による選択（即ち、いずれの光源ニットから出力された光を選択するか）は、処理部１７において制御される。
【００２２】
光選択部１１から光分割部１２に供給された光は、２つの光に分割される。光分割部１２で分割された一方の光は、周波数弁別器１３に導かれ、光分割部１２で分割された他方の光は、受光素子１４に導かれる。周波数弁別器１３は、光源ユニット１００、２００及び３００のそれぞれからの光の波長を互いに異なる基準波長に設定するための波長基準部である。受光素子１４に導かれた光は、その光強度に対応した電気信号に変換されて減算器１６に入力される。以下では、受光素子１４で検出される光、即ち、受光素子１４で変換される電気信号を参照信号と称する。
【００２３】
周波数弁別器１３に導かれた光は、周波数弁別器１３を通過（透過）して受光素子１５に導かれる。受光素子１５に導かれた光は、その光強度に対応した電気信号に変換されて減算器１６に入力される。受光素子１５で検出される光の強度は、周波数弁別器１３の透過特性に応じて、受光素子１４で検出される参照信号よりも減衰している。以下では、受光素子１５で検出される光、即ち、受光素子１５で変換される電気信号を被検信号と称する。
【００２４】
減算器１６は、受光素子１５で検出される被検信号から受光素子１４で検出される参照信号を減算し、その結果（減算値）を処理部１７に供給する。ここで、参照信号は、周波数弁別器１３を通過する前の光の強度を反映し、被検信号は、周波数弁別器１３を通過した後の光の強度を反映している。換言すれば、減算器１６は、減算値として、参照信号と被検信号との差分（周波数弁別器１３を通過した光の強度と周波数弁別器１３を通過していない光の強度との差分）を算出する。従って、減算器１６で得られる減算値には、周波数弁別器１３の透過特性が反映されている。
【００２５】
本実施形態では、受光素子１４及び１５と減算器１６とは、複数の光源ユニット１００、２００及び３００のそれぞれについて、周波数弁別器１３を通過した光の強度と周波数弁別器１３を通過していない光の強度との差分を検出する検出部として機能する。但し、バランスドディテクタなどを用いて、周波数弁別器１３を通過した光の強度と周波数弁別器１３を通過していない光の強度との差分を直接検出してもよい。
【００２６】
処理部１７は、ＣＰＵやメモリなどを含み、光源装置１の全体（動作）を制御する。本実施形態では、処理部１７は、レーザ光源１０３、２０３及び３０３のそれぞれについて、減算器１６で得られる減算値（差分）に基づいて、レーザ光源を調整する。波長の変化に対する差分の変化率が複数のレーザ光源間で一致するように、かかる差分を調整する。例えば、処理部１７は、周波数弁別器１３の透過特性に基づいて、レーザ光源１０３、２０３及び３０３のそれぞれの発振波長を安定化する処理（波長安定化処理）を行う。
【００２７】
図１及び図２を参照して、処理部１７による波長安定化処理について説明する。処理部１７は、減算器１６から出力される減算値、即ち、参照信号と被検信号との差分（以下、「誤差信号の強度」と称する）の波長（の変化）に対する変化率がレーザ光源１０３、２０３及び３０３のいずれにおいても一致するように調整を行う。
【００２８】
レーザ光源からの出力をＰ、被検信号の強度をＰＴＥＳＴ、参照信号の強度をＰＲＥＦ、周波数弁別器１３の透過率をＴとすると、誤差信号の強度ＰＥＲＲＯＲは、以下の式１で表すことができる。但し、ここでは、光分割部１２における被検信号と参照信号との分割強度比をＮ：１とする。
【００２９】
【数１】
2014089124.tif 000003
【００３０】
式（１）から、誤差信号の強度の波長に対する変化率は、以下の式（２）で表すことができる。
【００３１】
【数２】
2014089124.tif 000004
【００３２】
式（２）を参照するに、右辺の第２項は定数であるため、右辺の第１項から明らかなように、レーザ光源からの出力Ｐを変更することで誤差信号の強度の波長に対する変化率を調整することが可能である。換言すれば、差分に基づきそれぞれのレーザ光源の出力を調整（変更）することで、参照信号と被検信号との差分を調整することができる。
【００３３】
レーザ光源１０３、２０３及び３０３のそれぞれから出力される光の発振波長を安定化することで誤差信号の強度の波長に対する変化率を調整する場合を説明する。ここでは、処理部１７の制御下において、光選択部１１が光源ユニット１００かからの光を選択して光分割部１２に供給しているものとする。
【００３４】
光源ユニット１００からの光は、光分割部１２を介して、或いは、光分割部１２及び周波数弁別器１３を通過して、受光素子１４及び１５のそれぞれによって参照信号及び被検信号に変換され、減算器１６に入力される。減算器１６では、参照信号と被検信号との差分、即ち、誤差信号の強度が算出され、かかる誤差信号の強度が処理部１７に入力される。
【００３５】
処理部１７は、減算器１６から入力された誤差信号の強度が、例えば、目標値０になるように、かかる誤差信号の強度に応じた制御量で温度コントローラ１０１又は電流コントローラ１０２の設定値を調整する。このように、温度コントローラ１０１又は電流コントローラ１０２の設定値を変更することで、レーザ光源１０３から出力される光の発振波長が変化する。そして、レーザ光源１０３から出力される光の発振波長が変化するため、その発振波長に対する周波数弁別器１３の透過率が変化する。これにより、減算器１６で算出される誤差信号の強度が予め設定された目標値０に近づくことになる。
【００３６】
処理部１７は、上述した処理、即ち、温度コントローラ１０１又は電流コントローラ１０２の設定値の調整を繰り返すことによって、レーザ光源１０３から出力される光の発振波長を変化させて、減算器１６で算出される誤差信号の強度を目標値０にする。
【００３７】
次いで、処理部１７の制御下において、光選択部１１が光源ユニット２００からの光を選択して光分割部１２に供給する。処理部１７は、減算器１６で算出される誤差信号の強度が目標値０、且つ、波長の変化に対する誤差信号の強度の符号が光源ユニット１００におけるロック点と同一符号になるように、光源ユニット２００から出力される光の発振波長を安定化する。具体的には、上述したのと同様に、温度コントローラ２０１又は電流コントローラ２０２の設定値を変更することで、レーザ光源２０３から出力される光の発振波長を変化（安定化）させる。ここで、ロック点とは、各レーザ光源から出力される光を安定化させる波長（発振波長）である。
【００３８】
次に、処理部１７の制御下において、光選択部１１が光源ユニット３００からの光を選択して光分割部１２に供給する。処理部１７は、減算器１６で算出される誤差信号の強度が目標値０、且つ、波長の変化に対する誤差信号の強度の符号が光源ユニット１００におけるロック点と同一符号になるように、光源ユニット３００から出力される光の発振波長を安定化する。
【００３９】
図２（ａ）及び図２（ｂ）は、本実施形態における波長安定化処理を行った後に減算器１６から出力される誤差信号（の強度）の波形（誤差信号の強度分布）を示す図である。図２（ａ）は、電気的なドリフトによるオフセットが生じていない場合を示し、図２（ｂ）は、電気的なドリフトによるオフセットが生じている場合を示している。図２（ａ）を参照するに、波長の変化に対する誤差信号の強度の変化率がレーザ光源間（即ち、光源ユニット１００、２００及び３００のそれぞれに対応する波長基準１、波長基準２及び波長基準３）で一致するように、波長安定化処理が行われている。従って、受光素子１４や受光素子１５からの出力に電気的なドリフトが発生し、オフセットが生じたとしても、異なる波長間でロック点における強度の変化率が等しいため、図２（ｂ）に示すように、ロック点のずれる方向及びずれ量がレーザ光源間で同じになる。その結果、波長誤差は互いにキャンセルされ、レーザ光源１０３、２０３及び３０３の各波長間隔は常に一定となる。
【００４０】
このように、本実施形態の光源装置１によれば、電気的なドリフトによるオフセットが生じた場合であっても、レーザ光源１０３、２０３及び３０３の各波長間隔が高精度に安定化された多波長光源を実現することができる。
【００４１】
本実施形態では、各レーザ光源において参照信号と被検信号との差分を調整することで、図２（ａ）に示すように、波長の変化に対する誤差信号の強度を表す波形の全体がレーザ光源間で一致するように調整している。但し、誤差信号の強度を表す波形の全体ではなく、かかる波形の一部、具体的には、誤差信号の強度の目標値（ロック点）における変化率がレーザ光源間で一致するように調整してもよい。このような場合にも、波長誤差は互いにキャンセルされ、レーザ光源１０３、２０３及び３０３の各波長間隔は常に一定となる。
【００４２】
また、周波数弁別器１３の調整（設計）によって誤差信号の強度の波長に対する変化率を調整することも可能である。ここで、周波数弁別器１３は、互いに異なる基準波長に対応する吸収線をそれぞれ有する複数のガスが封入されたガスセルであるものとする。
【００４３】
具体的には、まず、処理部１７の制御下において、光選択部１１が光源ユニット１００からの光を選択して光分割部１２に供給する。この際、処理部１７は、温度コントローラ１０１又は電流コントローラ１０２の出力を連続的に変更するように制御し、減算器１６からの出力をデジタル値として取得してメモリに格納する。かかるデジタル値は、レーザ光源１０３から出力される光の発振波長に対応する周波数弁別器１３の透過スペクトルを反映した差分信号スペクトルである。
【００４４】
次いで、処理部１７の制御下において、光選択部１１が光源ユニット２００からの光を選択して光分割部１２に供給する。この際、処理部１７は、温度コントローラ２０１又は電流コントローラ２０２の出力を連続的に変更するように制御し、減算器１６からの出力をデジタル値として取得してメモリに格納する。かかるデジタル値は、レーザ光源２０３から出力される光の発振波長に対応する周波数弁別器１３の透過スペクトルを反映した差分信号スペクトルである。
【００４５】
次に、処理部１７の制御下において、光選択部１１が光源ユニット３００からの光を選択して光分割部１２に供給する。この際、処理部１７は、温度コントローラ３０１又は電流コントローラ３０２の出力を連続的に変更するように制御し、減算器１６からの出力をデジタル値として取得してメモリに格納する。かかるデジタル値は、レーザ光源３０３から出力される光の発振波長に対応する周波数弁別器１３の透過スペクトルを反映した差分信号スペクトルである。
【００４６】
次いで、処理部１７は、このようにして取得した３つの差分信号スペクトル（デジタル値）を比較する。そして、各レーザ光源の差分信号スペクトルの形状又は差分信号の強度の変化率が異なる場合には、それらが同じになるように、周波数弁別器１３を調整する。例えば、差分信号スペクトルの形状又は差分信号の強度の変化率がレーザ光源間で一致するように、周波数弁別器１３としてのガスセルに封入された複数のガスのそれぞれの圧力を制御する。また、差分信号スペクトルの形状又は差分信号の強度の変化率がレーザ光源間で一致するように、周波数弁別器１３としてのガスセルを通過する経路長を制御する。
【００４７】
このように、周波数弁別器１３を調整することで、電気的なドリフトによるオフセットが生じた場合であっても、レーザ光源１０３、２０３及び３０３の各波長間隔が高精度に安定化された多波長光源を実現することができる。
【００４８】
図３は、本発明の一側面としての計測装置４００の構成を示す図である。計測装置４００は、参照面４１と被検面４２との間の距離を計測する光波干渉計測装置である。計測装置４００は、光源装置１と、ビームスプリッタ４０ａと、干渉光検出部４３と、算出部４４とを有する。
【００４９】
光源装置１の光出力端１０５、２０５及び３０５のそれぞれからの光は、ビームスプリッタ４０ａを含む干渉光学系４０に入射する。ビームスプリッタ４０ａは、光源装置１からの光を２つの光に分割して、一方の光を参照面４１に入射させ、他方の光を被検面４２に入射させる。参照面４１で反射された光（参照光）は、ビームスプリッタ４０ａで再び反射して干渉光検出部４３に入射し、被検面４２で反射された光（被検光）は、ビームスプリッタ４０ａを透過して干渉光検出部４３に入射する。これにより、参照光と被検光との干渉光が生成され、かかる干渉光を干渉光検出部４３が検出する。算出部４４は、干渉光検出部４３で検出された干渉光に基づいて、参照面４１と被検面４２との間の距離を算出する。
【００５０】
本実施形態の計測装置４００では、レーザ光源１０３、２０３及び３０３の各波長間隔が一定となる（高精度に安定化された）多波長光源である光源装置１を用いている。従って、電気的なドリフトによるオフセットが生じた場合であっても、計測装置４００は、参照面４１と被検面４２との間の距離を常に高精度に計測することができる。
【００５１】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、本発明は、参照面と被検面との間の距離を計測する計測装置に用いられる多波長光源だけではなく、通信分野において波長多重（ＷＤＭ）光通信システムを実現するための多波長光源（波長間隔が高精度に安定化された光源）としても適用可能である。
【図１】
2014089124.tif 000005
【図２】
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【図３】
2014089124.tif 000007
【図４】
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