(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
分岐合波部，第１光学系，第２光学系および駆動部を備え、
前記分岐合波部は、
透明部材の内部と外部との間の境界に分岐面，入射面，第１出射面，合波面，全反射面および第２出射面を有し、
前記分岐面と前記合波面とが別個のものであり、
前記分岐面において、外部から入射した入射光の一部を反射させて第１分岐光として出射させるとともに、残部を第２分岐光として内部へ透過させ、
前記入射面において、前記分岐面から前記第１光学系を経て入射した前記第１分岐光を内部へ透過させ、
前記第１出射面において、前記分岐面から内部を経て到達した前記第２分岐光を外部へ出射させ、
前記合波面において、前記入射面から内部を経て到達した前記第１分岐光、および、前記第１出射面から前記第２光学系を経て入射した前記第２分岐光のうち、各々の一部を合波して第１合波光として外部へ出射させるとともに、各々の残部を合波して第２合波光として内部へ伝搬させ、
前記全反射面において、前記合波面から内部を経て到達した前記第２合波光を全反射させて前記第２出射面に入射させ、
前記第２出射面において、前記全反射面から内部を経て到達した前記第２合波光の一部を外部へ出射させ、
前記第１光学系は、前記分岐面から出射された前記第１分岐光をミラーにより反射させて前記入射面に入射させ、
前記第２光学系は、前記第１出射面から出射された前記第２分岐光をミラーにより反射させて前記合波面に入射させ、
前記駆動部は、前記第１光学系または前記第２光学系の何れかのミラーを移動させて、前記分岐面から前記合波面までの前記第１分岐光および前記第２分岐光それぞれの光路長の差を調整する、
光干渉計。
【請求項２】
前記合波面から出射された前記第１合波光を受光して当該受光量に応じた第１電流信号Ｉ１を出力する第１受光素子と、
前記第２出射面から出射された前記第２合波光の一部を受光して当該受光量に応じた第２電流信号Ｉ２を出力する第２受光素子と、
前記第１電流信号Ｉ１から前記第２電流信号Ｉ２を差し引いた値（Ｉ１−Ｉ２）に応じた電圧信号を出力する電流電圧変換部と、
を更に備える請求項１に記載の光干渉計。
【請求項３】
前記分岐合波部は、前記透明部材の内部と外部との間の境界に第３出射面を更に有し、前記第３出射面において、前記第２出射面で反射して内部を経て到達した前記第２合波光の残部を外部へ出射させる、
請求項１に記載の光干渉計。
【請求項４】
前記合波面から出射された前記第１合波光を受光して当該受光量に応じた第１電流信号Ｉ１を出力する第１受光素子と、
前記第２出射面から出射された前記第２合波光の一部を受光して当該受光量に応じた第２電流信号Ｉ２を出力する第２受光素子と、
前記第３出射面から出射された前記第２合波光の残部を受光して当該受光量に応じた第３電流信号Ｉ３を出力する第３受光素子と、
前記第１電流信号Ｉ１から前記第２電流信号Ｉ２および前記第３電流信号Ｉ３を差し引いた値（Ｉ１−Ｉ２−Ｉ３）に応じた電圧信号を出力する電流電圧変換部と、
を更に備える請求項３に記載の光干渉計。
【請求項５】
前記第１光学系のミラーの個数と前記第２光学系のミラーの個数との和が偶数であり、
前記入射光のビーム断面中の各位置の光線を前記分岐面において分岐した後に前記合波面において前記第１合波光および前記第２合波光それぞれのビーム断面中の共通位置で合波する、
請求項１〜４の何れか１項に記載の光干渉計。
【請求項６】
前記分岐合波部，前記第１光学系，前記第２光学系および前記駆動部がＭＥＭＳにより構成されたものである、
請求項１〜５の何れか１項に記載の光干渉計。
【請求項７】
前記分岐合波部がシリコンからなる、
請求項１〜６の何れか１項に記載の光干渉計。
【請求項８】
前記分岐合波部の内部における前記第１分岐光および前記第２分岐光それぞれの光路長が互いに等しい、
請求項１〜７の何れか１項に記載の光干渉計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光干渉計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に記載された光干渉計は、例えばシリコンからなる分岐合波部を用い、この分岐合波部の或る一平面において、入射光の一部を反射させ残部を透過させることで第１分岐光と第２分岐光とに２分岐するとともに、これら第１分岐光と第２分岐光とを合波して合波光として出力する。すなわち、この光干渉計では、分岐合波部の一平面は、入射光を第１分岐光と第２分岐光とに２分岐する分岐面、および、第１分岐光と第２分岐光とを合波して合波光とする合波面、の双方として共通に用いられる。また、この文献に記載された光干渉計では、第１分岐光および第２分岐光のうち一方の光が分岐合波部の内部を往復する間に波長分散が生じるので、他方の光が分散補償用部材の内部を往復するようにして、波長分散の問題の解消を図っている。
【０００３】
特許文献２に記載された光干渉計は、例えばシリコンからなる分岐合波部を用い、この分岐合波部の第１主面において入射光の一部を反射させ残部を透過させることで第１分岐光と第２分岐光とに２分岐し、分岐合波部の第２主面において第１分岐光と第２分岐光とを合波して合波光として出力する。すなわち、この光干渉計では、入射光を第１分岐光と第２分岐光とに２分岐する分岐面（第１主面）と、第１分岐光と第２分岐光とを合波して合波光とする合波面（第２主面）とは、別個のものとされている。この文献に記載された光干渉計では、第１分岐光および第２分岐光それぞれが分岐合波部の内部を１回のみ通過するので、波長分散の問題を抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２０１３−５０４０６６号公報
【特許文献２】特開平３−７７０２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明者は、特許文献１，２に記載されたものを含め従来の光干渉計が以下のような問題を有していることを見出した。すなわち、従来の光干渉計では、入射光のうち合波光となる割合が小さく、光利用効率が悪い。一般に、光干渉計では、分岐面および合波面それぞれにおいて原理上不可避の光の損失が生じるが、これ以外にも光の損失（以下「過剰損失」という。）が生じる。
【０００６】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、過剰損失の割合を低減することができる光干渉計を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の光干渉計は、分岐合波部，第１光学系，第２光学系および駆動部を備える。分岐合波部は、透明部材の内部と外部との間の境界に分岐面，入射面，第１出射面，合波面，全反射面および第２出射面を有し、分岐面と合波面とが別個のものであり、分岐面において、外部から入射した入射光の一部を反射させて第１分岐光として出射させるとともに、残部を第２分岐光として内部へ透過させ、入射面において、分岐面から第１光学系を経て入射した第１分岐光を内部へ透過させ、第１出射面において、分岐面から内部を経て到達した第２分岐光を外部へ出射させ、合波面において、入射面から内部を経て到達した第１分岐光、および、第１出射面から第２光学系を経て入射した第２分岐光のうち、各々の一部を合波して第１合波光として外部へ出射させるとともに、各々の残部を合波して第２合波光として内部へ伝搬させ、全反射面において、合波面から内部を経て到達した第２合波光を全反射させて第２出射面に入射させ、第２出射面において、全反射面から内部を経て到達した第２合波光の一部を外部へ出射させる。第１光学系は、分岐面から出射された第１分岐光をミラーにより反射させて入射面に入射させる。第２光学系は、第１出射面から出射された第２分岐光をミラーにより反射させて合波面に入射させる。駆動部は、第１光学系または第２光学系の何れかのミラーを移動させて、分岐面から合波面までの第１分岐光および第２分岐光それぞれの光路長の差を調整する。
【０００８】
本発明の光干渉計は、合波面から出射された第１合波光を受光して当該受光量に応じた第１電流信号Ｉ１を出力する第１受光素子と、第２出射面から出射された第２合波光の一部を受光して当該受光量に応じた第２電流信号Ｉ２を出力する第２受光素子と、第１電流信号Ｉ１から第２電流信号Ｉ２を差し引いた値（Ｉ１−Ｉ２）に応じた電圧信号を出力する電流電圧変換部と、を更に備えるのが好適である。
【０００９】
本発明の光干渉計において、分岐合波部は、透明部材の内部と外部との間の境界に第３出射面を更に有し、第３出射面において、第２出射面で反射して内部を経て到達した第２合波光の残部を外部へ出射させるのが好適である。この場合、本発明の光干渉計は、合波面から出射された第１合波光を受光して当該受光量に応じた第１電流信号Ｉ１を出力する第１受光素子と、第２出射面から出射された第２合波光の一部を受光して当該受光量に応じた第２電流信号Ｉ２を出力する第２受光素子と、第３出射面から出射された第２合波光の残部を受光して当該受光量に応じた第３電流信号Ｉ３を出力する第３受光素子と、第１電流信号Ｉ１から第２電流信号Ｉ２および第３電流信号Ｉ３を差し引いた値（Ｉ１−Ｉ２−Ｉ３）に応じた電圧信号を出力する電流電圧変換部と、を更に備えるのが好適である。
【００１１】
本発明の光干渉計は、第１光学系のミラーの個数と第２光学系のミラーの個数との和が偶数であり、入射光のビーム断面中の各位置の光線を分岐面において分岐した後に合波面において第１合波光および第２合波光それぞれのビーム断面中の共通位置で合波するのが好適である。
【００１２】
本発明の光干渉計は、分岐合波部，第１光学系，第２光学系および駆動部がＭＥＭＳ（Micro Electro-Mechanical System）により構成されたものであるのが好適である。また、分岐合波部がシリコンからなるのも好適である。
【００１３】
本発明の光干渉計において、分岐合波部の内部における第１分岐光および第２分岐光それぞれの光路長が互いに等しいのが好適である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、過剰損失の割合を低減することができる光干渉計を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、第１比較例の光干渉計２Ａの構成を示す図である。
【図２】図２は、第２比較例の光干渉計２Ｂの構成を示す図である。
【図３】図３は、白色光を光干渉計に入射させたときのインターフェログラムを示す図である。
【図４】図４は、白色光を光干渉計に入射させたときのインターフェログラムを示す図である。
【図５】図５は、第１実施形態の光干渉計１Ａの構成を示す図である。
【図６】図６は、第３比較例の光干渉計２Ｃの構成を示す図である。
【図７】図７は、第４比較例の光干渉計２Ｄの構成を示す図である。
【図８】図８は、分岐合波部１０を構成する材料の屈折率と平均の干渉強度ピークとの関係を示すグラフである。
【図９】図９は、合波光Ｌ３，Ｌ４１のインターフェログラムを示す図である。
【図１０】図１０は、合波光Ｌ３，Ｌ４１のインターフェログラムの差を示す図である。
【図１１】図１１は、第１実施形態の光干渉計１Ａの検出部５０の回路図である。
【図１２】図１２は、第２実施形態の光干渉計１Ｂの構成を示す図である。
【図１３】図１３は、第２実施形態の光干渉計１Ｂの検出部５０の回路図である。
【図１４】図１４は、第３実施形態の光干渉計１Ｃの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。本発明は、これらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。実施形態の光干渉計の説明に先立って、実施形態と対比されるべき比較例の光干渉計について先ず説明する。
【００１７】
（第１比較例）
図１は、第１比較例の光干渉計２Ａの構成を示す図である。光干渉計２Ａは、分岐合波部１０、ミラー２１、ミラー３１および分散補償用部材９０を備える。
【００１８】
分岐合波部１０は、例えばシリコンからなり、互いに平行な第１主面１０ａおよび第２主面１０ｂを有する。外部から第１主面１０ａに入射した入射光Ｌ０は、一部が第１分岐光Ｌ１１として反射され、残部が第２分岐光Ｌ２１として分岐合波部１０の内部へ透過する。
【００１９】
第１主面１０ａからの第１分岐光Ｌ１１は、分散補償用部材９０の内部を通過して、ミラー２１で反射される。ミラー２１で反射された第１分岐光Ｌ１２は、分散補償用部材９０の内部を再び通過して、第１主面１０ａに入射して分岐合波部１０の内部へ透過する。
【００２０】
第１主面１０ａからの第２分岐光Ｌ２１は、分岐合波部１０の内部を通過し、第２主面１０ｂを透過して外部へ出射され、ミラー３１で反射される。ミラー３１で反射された第２分岐光Ｌ２２は、第２主面１０ｂに入射して分岐合波部１０の内部へ透過し、分岐合波部１０の内部を再び通過して、第１主面１０ａで反射される。
【００２１】
第１主面１０ａで分岐合波部１０の内部へ透過した第１分岐光Ｌ１２、および、第１主面１０ａで反射された第２分岐光Ｌ２２は、合波されて合波光Ｌ３となる。この合波光Ｌ３は、分岐合波部１０の内部を通過し、第２主面１０ｂを透過して外部へ出射される。外部へ出射された合波光Ｌ３は、検出部５０により検出される。
【００２２】
この光干渉計２Ａでは、分岐合波部１０の第１主面１０ａは、入射光Ｌ０を第１分岐光Ｌ１１と第２分岐光Ｌ２１とに２分岐する分岐面、および、第１分岐光Ｌ１２と第２分岐光Ｌ２２とを合波して合波光Ｌ３とする合波面、の双方として用いられる。
【００２３】
例えば、ミラー２１は位置が固定されており、ミラー３１は、第２分岐光Ｌ２１の入射方向に沿って駆動部によって移動可能である。この駆動部もＭＥＭＳにより構成され得る。ミラー３１が可動であることにより、第１分岐光と第２分岐光との間の光路長差が調整され得る。
【００２４】
この光干渉計２Ａでは、分岐合波部１０および分散補償用部材９０は同じ材料（例えばシリコン）からなる。また、第１分岐光Ｌ１１，Ｌ１２が分散補償用部材９０の内部を往復する区間の光路長と、第２分岐光Ｌ２１，Ｌ２２が分岐合波部１０の内部を往復する区間の光路長とは、互いに等しく設定されている。これにより、波長分散の問題が解消され、第１分岐光と第２分岐光との間の光路長差の波長依存性が低減される。
【００２５】
ＦＴＩＲ（Fourier Transform InfraredSpectroscopy）等の赤外分光装置において光干渉計２Ａを用いる場合、分岐合波部１０が石英ガラスで構成されていると、その光干渉計２Ａは、石英ガラスの透過特性により近赤外域においてのみ利用することができる。また、石英ガラスの屈折率が高くないので、分岐比を調整する為の誘電体多層膜を石英ガラスの表面に形成することが必要になる。また、波長域に応じて適切な材料からなる分岐合波部１０を使用することが考えらえるが、波長域に応じて分岐合波部１０を交換し光学調整を行うことが必要となり、不便である。また、ＭＥＭＳ技術で作成した光干渉計では、分岐合波部１０を自由に選択することができない。
【００２６】
このような問題を抑制することができる点で、分岐合波部１０はシリコン等の半導体材料からなるのが好適である。シリコンの屈折率が近赤外域で３.５前後であるので、シリコンと空気との間の境界面に近赤外光が垂直入射した場合、両媒質の間の屈折率差により発生するフレネル反射の反射率は３０％程度となる。すなわち、シリコンからなる分岐合波部１０の表面に分岐比調整の為の誘電体多層膜を設けなくても、シリコン境界面自体が適度な分岐比を持つ分岐面となる。加えて、シリコンは、遠赤外域（数十μｍ以上）まで透明な媒質として機能するので、厚みを厳密に管理する必要はない。ただし、シリコンは、波長１.１μｍ以下の波長域では吸収が大きくなるので、１.１μｍ以上の赤外域が対象となる。１μｍ以下の近赤外域では、ゲルマニウムを利用すればよい。ゲルマニウムは、中赤外域の５μｍ程度までしか利用できないが、屈折率が４.０程度であるので、シリコンより分岐特性は良くなる。
【００２７】
このように、分岐合波部１０は、シリコンやゲルマニウムのような半導体材料により構成されることで、広帯域光を分岐および合波することができる。しかし、その一方で、光干渉計２Ａでは、分岐および合波の際の原理上不可避の光の損失とは別に、光の過剰損失が生じる。この問題について以下に説明する。
【００２８】
ミラー２１で反射された第１分岐光Ｌ１２が第１主面１０ａに入射したときに生じる内部への透過光および反射光のうち、透過光は干渉に寄与するものの、反射光は干渉に寄与しないから損失となる。しかし、これは合波のためには不可避であり、この反射光は原理上不可避の損失となる。
【００２９】
同様に、ミラー３１で反射された第２分岐光Ｌ２２が第１主面１０ａに入射したときに生じる反射光および透過光のうち、反射光は干渉に寄与するものの、透過光は干渉に寄与しないから損失となる。しかし、これも合波のためには不可避であり、この透過光は原理上不可避の損失となる。
【００３０】
しかし、第２分岐光Ｌ２１が第２主面１０ｂを透過してミラー３２へ向かう際に第２主面１０ｂで発生する反射光は、原理上不可避の損失ではなく、過剰損失となる。また、ミラー３１で反射された第２分岐光Ｌ２２が第２主面１０ｂを透過して第１主面１０ａへ向かう際に第２主面１０ｂで発生する反射光も、原理上不可避の損失ではなく、過剰損失となる。さらに、合波光Ｌ３が第２主面１０ｂを透過して外部へ出射される際に第２主面１０ｂで発生する反射光も、原理上不可避の損失ではなく、過剰損失となる。
【００３１】
ここで、分岐合波部１０の第１主面１０ａおよび第２主面１０ｂそれぞれにおける光のフレネル反射の際のパワー反射率をＲとする。このとき、パワー透過率は１−Ｒとなり、分岐比はＲ：（１−Ｒ）となる。一般に、互いに異なる屈折率を有する２つの媒体の境界面へ光が入射する場合、入射光の偏光方位および入射角によって反射率および透過率は異なる。図１に示される光干渉計２Ａの光学系においては、第１主面１０ａに入射する入射光Ｌ０のうちＳ偏光成分は以降もＳ偏光成分のままであり、入射光Ｌ０のうちＰ偏光成分は以降もＰ偏光成分のままである。また、第１主面１０ａと第２主面１０ｂとが互いに平行であって、第１主面１０ａへの入射光Ｌ０の入射角が４５度であれば、外部から第１主面１０ａまたは第２主面１０ｂへの光の入射角も全て４５度であり、第１主面１０ａまたは第２主面１０ｂから外部への光の出射角も全て４５度である。それ故、特定の偏光成分のみに着目すれば、反射率Ｒは全て同じになる。また、ミラー２１，３１それぞれでの光の反射率を１００％とする。
【００３２】
分散補償用部材９０を設けなかった場合には、入射光Ｌ０のうち第１分岐光を経て検出部５０に到達する光の利用効率ＩＭ１は、下記（１）式のとおり、第１主面１０ａでの反射率（Ｒ）、ミラー２１での反射率（１.０）、第１主面１０ａでの外部から内部への透過率（１−Ｒ）、および、第２主面１０ｂでの内部から外部への透過率（１−Ｒ）の積で計算され、Ｒ（１−Ｒ）２となる。
【００３３】
【数１】
0005839759.tif 000002
【００３４】
入射光Ｌ０のうち第２分岐光を経て検出部５０に到達する光の利用効率ＩＭ２は、下記（２）式のとおり、第１主面１０ａでの外部から内部への透過率（１−Ｒ）、第２主面１０ｂでの内部から外部への透過率（１−Ｒ）、ミラー３１での反射率（１.０）、第２主面１０ｂでの外部から内部への透過率（１−Ｒ）、第１主面１０ａでの反射率（Ｒ）、および、第２主面１０ｂでの内部から外部への透過率（１−Ｒ）の積で計算され、Ｒ（１−Ｒ）４となる。
【００３５】
【数２】
0005839759.tif 000003
【００３６】
合波光Ｌ３の干渉強度ピークＩｐｐは下記（３）式となる。
【００３７】
【数３】
0005839759.tif 000004
【００３８】
分岐合波部１０がシリコンからなるとし、対象波長でのシリコンの屈折率を３.５とし、入射角を４５度とすると、Ｓ偏光成分の反射率Ｒは約４３％であり、Ｐ偏光成分の反射率Ｒは約１９％である。したがって、入射光Ｌ０がＳ偏光成分のみであれば、合波光Ｌ３の干渉強度ピークＩｐｐは１５.９％となる。また、入射光Ｌ０がＰ偏光成分のみであれば、合波光Ｌ３の干渉強度ピークＩｐｐは２０.２％となる。入射光Ｌ０が任意の偏光状態であれば、合波光Ｌ３の干渉強度ピークＩｐｐは１５.９％と２０.２％との間の値となる。入射光Ｌ０がインコヒーレントな光であれば、その入射光Ｌ０は、全ての方位の偏光成分が均等に分布していると考えられるので、合波光Ｌ３の干渉強度ピークＩｐｐは、Ｓ偏光とＰ偏光との平均的な値になり、１８.１％となる。
【００３９】
分散補償用部材９０を設けた場合には、分散補償用部材９０の境界面での光の反射率をＲｃとし透過率を（１−Ｒｃ）すると、入射光Ｌ０のうち第１分岐光を経て検出部５０に到達する光の利用効率ＩＭ１は、下記（４）式のとおり計算される。合波光Ｌ３の干渉強度ピークＩｐｐは、下記（５）式となる。すなわち、分散補償用部材９０を設けたことにより、合波光Ｌ３の干渉強度ピークＩｐｐは、分散補償用部材９０の境界面での光の透過率（１−Ｒｃ）の分だけ小さくなる。
【００４０】
【数４】
0005839759.tif 000005
【００４１】
【数５】
0005839759.tif 000006
【００４２】
分散補償用部材９０を設けた場合にも分岐合波部１０については上記の同様の条件とし、分散補償用部材９０へ光が垂直入射するとすれば、分散補償用部材９０の境界面での光の反射率Ｒｃは偏光状態によらず３０％であるので、合波光Ｌ３のＳ偏光とＰ偏光との平均の干渉強度ピークＩｐｐは１２.７％となる。通常のＦＴＩＲでは分散補償用部材９０を設ける必要があるので、この１２.７％が合波光Ｌ３の干渉強度ピークＩｐｐの最大値となる。
【００４３】
もし、図１に示される光干渉計２Ａの構成において過剰損失がないと仮定すると、入射光Ｌ０のうち第１分岐光を経て検出部５０に到達する光の利用効率ＩＭ１は、下記（６）式のとおり計算される。入射光Ｌ０のうち第２分岐光を経て検出部５０に到達する光の利用効率ＩＭ２も同じである。合波光Ｌ３の干渉強度ピークＩｐｐは下記（７）式となる。過剰損失がないと仮定した場合の合波光Ｌ３のＳ偏光とＰ偏光との平均の干渉強度ピークＩｐｐは３９.９％（＝(49.0+30.8)/2）となる。したがって、過剰損失の割合は６８％（＝(39.9-12.7)／39.9）となる。
【００４４】
【数６】
0005839759.tif 000007
【００４５】
【数７】
0005839759.tif 000008
【００４６】
なお、過剰損失を減らすために、第２主面１０ｂにＡＲ（anti-reflection）コートを施すことも考えられるが、広い波長範囲に亘って平坦な波長特性のＡＲコーティングは難しく、結局、波長範囲を限定することになる。また、ＭＥＭＳのような半導体プロセスで光干渉計２Ａを構成する場合には、分岐合波部１０の特定の面に選択的にＡＲコートを施すことは難しく、その場合には、避けられない損失となってしまう。
【００４７】
（第２比較例）
図２は、第２比較例の光干渉計２Ｂの構成を示す図である。光干渉計２Ｂは、分岐合波部１０、ミラー２１、ミラー３１およびミラー３２を備える。
【００４８】
分岐合波部１０は、例えばシリコンからなり、互いに平行な第１主面１０ａおよび第２主面１０ｂを有する。外部から第１主面１０ａに入射した入射光Ｌ０は、一部が第１分岐光Ｌ１１として反射され、残部が第２分岐光Ｌ２１として分岐合波部１０の内部へ透過する。
【００４９】
第１主面１０ａからの第１分岐光Ｌ１１は、ミラー２１で反射される。ミラー２１で反射された第１分岐光Ｌ１２は、第１主面１０ａに入射して分岐合波部１０の内部へ透過し、分岐合波部１０の内部を通過して、第２主面１０ｂを透過して外部へ出射される。
【００５０】
第１主面１０ａからの第２分岐光Ｌ２１は、分岐合波部１０の内部を通過し、第２主面１０ｂを透過して外部へ出射され、ミラー３１で反射され、ミラー３２で再び反射される。ミラー３１，３２で反射された第２分岐光Ｌ２２は、第２主面１０ｂに入射して反射される。
【００５１】
第２主面１０ｂで外部へ出射された第１分岐光Ｌ１２、および、第２主面１０ｂで反射された第２分岐光Ｌ２２は、合波されて合波光Ｌ３となる。この合波光Ｌ３は、検出部５０により検出される。
【００５２】
この光干渉計２Ｂでは、入射光Ｌ０を第１分岐光Ｌ１１と第２分岐光Ｌ２１とに２分岐する分岐面（第１主面１０ａ）と、第１分岐光Ｌ１２と第２分岐光Ｌ２２とを合波して合波光Ｌ３とする合波面（第２主面１０ｂ）とは、別個のものとされている。
【００５３】
例えば、ミラー２１は位置が固定されており、ミラー３１，３２は、第２分岐光Ｌ２１の入射方向に沿って駆動部によって移動可能である。この駆動部もＭＥＭＳにより構成され得る。ミラー３１，３２が可動であることにより、第１分岐光と第２分岐光との間の光路長差が調整され得る。
【００５４】
第２比較例の光干渉計２Ｂでは、第１分岐光および第２分岐光それぞれが分岐合波部１０の内部を１回のみ通過するので、第１比較例の光干渉計２Ａで必要であった分散補償用部材９０を用いることなく、波長分散の問題を抑制することができる。
【００５５】
また、第２比較例の光干渉計２Ｂは、第１比較例の光干渉計２Ａと比較すると、分岐合波部１０と周囲の媒体との間の境界面に起因する過剰損失が小さい。第２比較例の光干渉計２Ｂにおける過剰損失は、第２分岐光Ｌ２１が第２主面１０ｂを透過して外部へ出射される際に第２主面１０ｂで発生する反射光に因るもののみである。入射光Ｌ０のうち第１分岐光を経て検出部５０に到達する光の利用効率ＩＭ１、および、入射光Ｌ０のうち第２分岐光を経て検出部５０に到達する光の利用効率ＩＭ２は、いずれもＲ（１−Ｒ）２である。
【００５６】
合波光Ｌ３の干渉強度ピークＩｐｐは下記（８）式となる。ここでも、外部から第１主面１０ａまたは第２主面１０ｂへの光の入射角を全て４５度とする。分岐合波部１０がシリコンからなる場合、合波光Ｌ３のＳ偏光とＰ偏光との平均の干渉強度ピークＩｐｐは２６.４％（＝(27.9+24.9)/2）となる。したがって、過剰損失の割合は３４％（＝(39.9-26.4)/39.9）となる。第２比較例の場合の過剰損失割合は、第１比較例の場合の過剰損失割合６８％と比べると半分程度となっている。
【００５７】
【数８】
0005839759.tif 000009
【００５８】
なお、光干渉計２Ｂは、以下に説明するような問題点を有している。この光干渉計２Ｂでは、分岐面（第１主面１０ａ）と合波面（第２主面１０ｂ）とが別個のものであることから、第１分岐光を１個のミラー２１で反射させる一方で、第２分岐光を２個のミラー３１，３２で反射させて、合波面で第１分岐光と第２分岐光とを合波する。第２分岐光を２個のミラー３１，３２で反射させることで、第２主面１０ｂでの第２分岐光の反射位置（合波位置）は、第２主面１０ｂでの内部から外部への第２分岐光の出射位置と異なり、その一方で第２主面１０ｂでの内部から外部への第１分岐光の出射位置と一致している。
【００５９】
ここで、入射光Ｌ０のビーム断面中の互いに異なる２つの位置を通る光線Ｌ０Ｒ，Ｌ０Ｌを考える。入射光Ｌ０の２つの光線Ｌ０Ｒ，Ｌ０Ｌは、第１主面１０ａの法線および入射光Ｌ０の入射方向の双方に平行な面において互いに異なる経路を伝搬する。第１分岐光Ｌ１１，Ｌ１２のうち、入射光Ｌ０の一方の光線Ｌ０Ｒに由来する光線をＬ１Ｒとし、入射光Ｌ０の他方の光線Ｌ０Ｌに由来する光線をＬ１Ｌとする。第２分岐光Ｌ２１，Ｌ２２のうち、入射光Ｌ０の一方の光線Ｌ０Ｒに由来する光線をＬ２Ｒとし、入射光Ｌ０の他方の光線Ｌ０Ｌに由来する光線をＬ２Ｌとする。
【００６０】
このとき、合波面（第２主面１０ｂ）では、入射光Ｌ０の一方の光線Ｌ０Ｒに由来する第１分岐光の光線Ｌ１Ｒと、入射光Ｌ０の他方の光線Ｌ０Ｌに由来する第２分岐光の光線Ｌ２Ｌとが、互いに合波されることになる。また、入射光Ｌ０の他方の光線Ｌ０Ｌに由来する第１分岐光の光線Ｌ１Ｌと、入射光Ｌ０の一方の光線Ｌ０Ｒに由来する第２分岐光の光線Ｌ２Ｒとが、互いに合波されることになる。
【００６１】
すなわち、合波面（第２主面１０ｂ）の各位置に到達する第１分岐光および第２分岐光それぞれの光線が、入射光における互いに異なる光線に由来しているものであれば、互いに合波されて合波光となっても本来の干渉光とならない。一方、点光源のような一つの光線を広げてコリメートしたような光線として入射光Ｌ０が与えられた場合には、各位置に到達する第１分岐光および第２分岐光それぞれの光線は干渉され得るが、第１分岐光のビーム断面における光線Ｌ１Ｒと光線Ｌ１Ｌとの間の空間的な距離が光路長差を発生させるため、干渉信号の品質を低下させる。本来、光干渉計では、各位置に到達する第１分岐光と第２分岐光との光路長差が、ミラーの移動で調整された光路長差と全て同じであることを期待する。しかし、光干渉計２Ｂのように与えられたビーム幅の範囲で、中央に近いものと端に近いものとでは、光路長差が異なることになり、全体として観測される干渉信号は平均化され、弱められてしまう。
【００６２】
ＦＴＩＲにおいて用いられる光干渉計では、伝搬光の平行性を高める為にビーム径が大きい光が使用される。結果として、光路長差の異なるビームが多く含まれることになるので、異なる位置の合波光を干渉信号とする光干渉計２Ｂは、干渉に関する本質的な問題点を有している。
【００６３】
また、光干渉計を小型化する場合には以下のような問題が生じる。ＦＴＩＲ等の赤外分光装置は、これまで大型であって可搬性が悪いものであったが、近年では、測定サンプルを採取した現場で赤外分光を行ないたいという要求に応えるべく、小型軽量であって可搬性がよいものが望まれている。特許文献１は、このような要求に応えるため、ＭＥＭＳにより構成される光干渉計の発明を開示している。しかし、ＭＥＭＳにより光干渉計を小型化すると、光干渉計における干渉効率が悪くなり、迷光により可視度（Visibility）が劣化するという問題が生じる。
【００６４】
図３および図４は、白色光を光干渉計に入射させたときのインターフェログラムを示す図である。横軸は、分岐面から合波面に到るまでの第１分岐光および第２分岐光それぞれの光路長の差である。縦軸は、合波光Ｌ３（光干渉信号）の強度（インターフェログラム）である。入射光が白色光であるから、光路長差が０であるときに最も強い干渉が得られ、光路長差の絶対値が大きくなるに従い干渉が弱くなる。光干渉信号の平均値をｍとし、光干渉信号の極大値と極小値との差をδとすると、可視度はδ／(２ｍ)で表される。
【００６５】
迷光がない理想的な光干渉計では可視度の値は１に近くなる（図３）。迷光が多くなるに従い、光干渉信号の平均値ｍが大きくなり、光干渉信号の極大値と極小値との差δが小さくなるので、可視度の値は小さくなる（図４）。小型化された光干渉計では、測定したい入射光を完全にコリメート（平行光化）することができないだけでなく、分岐面および合波面を十分広く取ることができないので、光のビーム広がりによる損失が生じ、また、干渉に寄与しない光が検出部に到達する等の現象が発生して、これにより可視度の値は小さくなる。
【００６６】
例えば、コア径が４００μｍであってＮＡが０.２である光ファイバにより導かれた被測定光を該光ファイバの出射端から出射させて光干渉計に入射させる場合を考えると、次のようになる。光干渉計内における光のビームの広がりは分解能を劣化させ、その劣化の大きさは波数の相対精度として２（１−cos(ＮＡ)）程度となる。例えば、波数５０００ｃｍ−１（波長２μｍ）を分解能１０ｃｍ−１（４μｍ）以下で測定したい場合、１／５００の波数相対精度が必要となり、２（１-cos(ＮＡ)）＝１／５００ から計算すると、ＮＡとしては０.０４５が必要となる。
【００６７】
このＮＡを達成することができるコリメータレンズを挿入すると、ＮＡ０.２のビームをＮＡ０.０４５のビームに変換することになり、変換後のビームサイズは変換前のビームサイズの０.２／０.０４５倍の１８００μｍと大きくなってしまう。実際には、完全なコリメート光にすることはできないので、ビームサイズに対して十分大きなサイズの光学系を使用して、光干渉計を構成するのが良い。
【００６８】
しかし、例えばＭＥＭＳ等の場合には、そのような大きな光学系を利用するのは不可能になる。例えば、１ｍｍ程度のサイズが限界であるので、ビームの多くの部分が損失となってしまう。この損失分の一部は光干渉計の外に伝搬するが、他の一部は迷光として検出部により受光される。この受光された迷光は、干渉光ではないので、前述のインターフェログラムの平均値ｍを大きくすることになる。また、光干渉計の光学系内を伝搬できてもビーム広がりのために干渉光にならないビームも存在し、これらもインターフェログラムの平均値ｍを大きくすることになる。インターフェログラムの平均値ｍの増加の程度は、光学系および光干渉計のサイズに依存する。インターフェログラムの平均値ｍは、光干渉信号の極大値と極小値との差δに対して数倍から１０倍になる場合もある。
【００６９】
迷光による影響は、検出部から出力される信号を処理することで除去され得る。しかし、合波光（干渉光）が微弱である場合には、検出部から出力される信号のＳ／Ｎが悪くなる。干渉光の強度が小さければ、検出部に含まれるアンプのゲインを大きくすることで、検出部からの出力信号の値を大きくすることができるが、平均値が大きい場合には、アンプのダイナミックレンジを平均値信号の増幅で使い切ってしまうことになる。以上のように、光干渉計の効率の悪さは、本来の光干渉信号の信号強度を小さくするだけでなく、初段のアンプのダイナミックレンジを使い切ってしまうような平均値の上昇を招き、信号取得時のＳ／Ｎをさらに悪化させる。
【００７０】
（第１実施形態）
図５は、第１実施形態の光干渉計１Ａの構成を示す図である。光干渉計１Ａは、分岐合波部１０，第１光学系２０，第２光学系３０および駆動部４０を備える。光干渉計１Ａのこれらの構成要素はＭＥＭＳにより構成されるのが好適である。
【００７１】
分岐合波部１０は、例えばシリコン等の半導体の透明部材からなり、透明部材の内部と外部との間の境界に分岐面１１，入射面１２，第１出射面１３，合波面１４および第２出射面１５を有する。
【００７２】
分岐合波部１０は、分岐面１１において、外部から入射した入射光Ｌ０の一部を反射させて第１分岐光Ｌ１１として出射させるとともに、残部を第２分岐光Ｌ２１として内部へ透過させる。分岐合波部１０は、入射面１２において、分岐面１１から第１光学系２０を経て入射した第１分岐光Ｌ１２を内部へ透過させる。分岐合波部１０は、第１出射面１３において、分岐面１１から内部を経て到達した第２分岐光Ｌ２１を外部へ出射させる。
【００７３】
分岐合波部１０は、合波面１４において、入射面１２から内部を経て到達した第１分岐光Ｌ１２、および、第１出射面１３から第２光学系３０を経て入射した第２分岐光Ｌ２２のうち、各々の一部を合波して第１合波光Ｌ３として外部へ出射させるとともに、各々の残部を合波して第２合波光Ｌ４として内部へ伝搬させる。分岐合波部１０は、第２出射面１５において、合波面１４から内部を経て到達した第２合波光Ｌ４の一部Ｌ４１を外部へ出射させる。
【００７４】
第１光学系２０は、分岐面１１から出射された第１分岐光Ｌ１１をミラー２１，２２により反射させ、その反射させた第１分岐光Ｌ１２を入射面１２に入射させる。第２光学系３０は、第１出射面１３から出射された第２分岐光Ｌ２１をミラー３１，３２により反射させ、その反射させた第２分岐光Ｌ２２を合波面１４に入射させる。駆動部４０は、第１光学系２０または第２光学系３０の何れかのミラーを移動させて、分岐面１１から合波面１４までの第１分岐光および第２分岐光それぞれの光路長の差を調整する。
【００７５】
分岐合波部１０の分岐面１１、入射面１２、第１出射面１３および合波面１４それぞれの方位、ならびに、これらの各面における光の入射位置および入射角は、合波面１４において第１分岐光と第２分岐光とが互いに同軸に合波されて同じ出射角で合波光Ｌ３，Ｌ４として出力されるように、分岐合波部１０および周囲の媒体それぞれの屈折率に応じて適切に設定される。分岐合波部１０の内部における第１分岐光および第２分岐光それぞれの光路長は互いに等しい。これにより、波長分散の問題が解消され、第１分岐光と第２分岐光との間の光路長差の波長依存性が低減される。
【００７６】
分岐面１１と合波面１４とは別個のものである。分岐面１１，入射面１２および第２出射面１５は、互いに平行でなくてもよいし、互いに平行であってもよく、共通の平面上にあってもよい。分岐面１１における入射光Ｌ０の入射領域と、入射面１２における第１分岐光Ｌ１２の入射領域とは、互いに異なっていてもよいし、一部または全部が互いに一致していてもよい。第１出射面１３と合波面１４とは、互いに平行でなくてもよいし、互いに平行であってもよく、共通の平面上にあってもよい。第１出射面１３における第２分岐光Ｌ２１の出射領域と、合波面１４における合波光の出射領域とは、互いに異なっていてもよいし、一部または全部が互いに一致していてもよい。
【００７７】
外部から分岐面１１に入射した入射光Ｌ０は、一部が第１分岐光Ｌ１１として反射され、残部が第２分岐光Ｌ２１として分岐合波部１０の内部へ透過する。
【００７８】
分岐面１１からの第１分岐光Ｌ１１は、第１光学系２０のミラー２１，２２により反射される。その反射された第１分岐光Ｌ１２は、入射面１２に入射して分岐合波部１０の内部へ透過し、分岐合波部１０の内部を通過して、合波面１４に到達する。
【００７９】
分岐面１１からの第２分岐光Ｌ２１は、分岐合波部１０の内部を通過し、第１出射面１３を透過して外部へ出射され、第２光学系３０のミラー３１，３２により反射される。その反射された第２分岐光Ｌ２２は、合波面１４に到達する。
【００８０】
合波面１４に到達した第１分岐光Ｌ１２のうち合波面１４を透過した成分と、合波面１４に到達した第２分岐光Ｌ２２のうち合波面１４で反射した成分とは、合波されて第１合波光Ｌ３として外部へ出射される。合波面１４から外部へ出射された第１合波光Ｌ３は、第１受光素子５１により受光される。
【００８１】
合波面１４に到達した第１分岐光Ｌ１２のうち合波面１４で反射した成分と、合波面１４に到達した第２分岐光Ｌ２２のうち合波面１４を透過した成分とは、合波されて第２合波光Ｌ４として内部へ伝搬する。この第２合波光Ｌ４は第２出射面１５に到達し、そのうちの一部Ｌ４１は第２出射面１５から外部へ出射される。第２出射面１５から外部へ出射された第２合波光Ｌ４１は、第２受光素子５２により受光される。
【００８２】
第１受光素子５１，第２受光素子５２および電流電圧変換部５４は、干渉信号を検出する検出部を構成している。第１受光素子５１は、合波面１４から外部へ出射された第１合波光Ｌ３を受光し、その受光量に応じた第１電流信号Ｉ１を出力する。第２受光素子５２は、第２出射面１５から外部へ出射された第２合波光Ｌ４１を受光し、その受光量に応じた第２電流信号Ｉ２を出力する。電流電圧変換部５４は、第１電流信号Ｉ１から第２電流信号Ｉ２を差し引いた値（Ｉ１−Ｉ２）に応じた電圧信号を出力する。この検出部の詳細については後述する。
【００８３】
本実施形態の光干渉計１Ａは、第１光学系２０のミラーの個数と第２光学系３０のミラーの個数との和が偶数であり、入射光Ｌ０のビーム断面中の各位置の光線を分岐面１１において分岐した後に合波面１４において合波光Ｌ３，Ｌ４のビーム断面中の共通位置で合波することができるので、第２比較例の構成と比較すると干渉効率を向上させることができる。
【００８４】
また、本実施形態の光干渉計１Ａは、第２比較例の構成と比較すると、合波面１４から外部へ出射された第１合波光Ｌ３を第１受光素子５１により受光するだけでなく、第２出射面１５から外部へ出射された第２合波光Ｌ４１を第２受光素子５２により受光する点でも相違する。これにより、本実施形態の光干渉計１Ａは、第２比較例の構成と比較すると、過剰損失割合を低減することができる。
【００８５】
本実施形態における過剰損失を計算すると次のとおりである。合波面１４から出射されて第１受光素子５１により受光される第１合波光Ｌ３の干渉強度ピークＩｐｐは上記（８）式となる。第２出射面１５から出射されて第２受光素子５２により受光される第２合波光Ｌ４１の干渉強度ピークＩｐｐは、入射光Ｌ０のうち第１分岐光を経て第２受光素子５２に到達する光の利用効率ＩＭ１（下記（９）式）と、入射光Ｌ０のうち第２分岐光を経て第２受光素子５２に到達する光の利用効率ＩＭ２（下記（１０）式）とから、下記（１１）式となる。第１合波光Ｌ３および第２合波光Ｌ４１の双方の干渉信号を利用することができるとすると、トータルの干渉強度ピークＩｐｐＴは、（８）式と（１１）式との和として下記（１２）式となる。
【００８６】
【数９】
0005839759.tif 000010
【００８７】
【数１０】
0005839759.tif 000011
【００８８】
【数１１】
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【００８９】
【数１２】
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【００９０】
外部から各面への光の入射角を全て４５度とし、分岐合波部１０がシリコンからなるとすると、合波光Ｌ３，Ｌ４１を合せたＳ偏光とＰ偏光との平均の干渉強度ピークＩｐｐＴは４４.５％（＝(43.9+45.1)/2）となる。したがって、過剰損失の割合は−１１.５％（＝(39.9-44.5)/39.9）となる。すなわち、本実施形態では、第２比較例の構成における原理的限界を超える効率が得られることになる。これは、本来であれば合波面１４において原理上不可避の損失となる第２合波光Ｌ４の一部Ｌ４１を有効な干渉信号として利用することによる。
【００９１】
このことについて、図６に示されるような１つのビームスプリッタにより分岐および合波の双方を行う一般的な構成の光干渉計２Ｃを用いて説明する。図６は、第３比較例の光干渉計２Ｃの構成を示す図である。この光干渉計２Ｃでは、ビームスプリッタ１１０に入射した入射光Ｌ０は、このビームスプリッタ１１０により、反射成分の第１分岐光Ｌ１と透過成分の第２分岐光Ｌ２とに２分岐される。第１分岐光Ｌ１はミラー１２０により反射されて再びビームスプリッタ１１０に入射し、第２分岐光Ｌ２はミラー１３０により反射されて再びビームスプリッタ１１０に入射する。ミラー１２０からビームスプリッタ１１０に入射した第１分岐光Ｌ１のうちビームスプリッタ１１０を透過した成分、および、ミラー１３０からビームスプリッタ１１０に入射した第２分岐光Ｌ２のうちビームスプリッタ１１０で反射した成分は、合波されて合波光Ｌ３となる。
【００９２】
ビームスプリッタ１１０における光の反射率をＲとすると、ビームスプリッタ１１０における光の透過率は１−Ｒとなる。このとき、合波光Ｌ３の干渉強度ピークＩｐｐは下記（１３）式となる。この干渉強度ピークＩｐｐは、変数Ｒの２次関数であり、Ｒ＝０.５で最大値０.５（５０％）となる。すなわち、光干渉計２Ｃにおいて干渉強度ピークＩｐｐを最大とすることができる理想的なビームスプリッタ１１０の光分岐比は１：１である。
【００９３】
【数１３】
0005839759.tif 000014
【００９４】
図６に示される光干渉計２Ｃの構成において、ミラー１２０からビームスプリッタ１１０に入射した第１分岐光Ｌ１のうちビームスプリッタ１１０で反射した成分、および、ミラー１３０からビームスプリッタ１１０に入射した第２分岐光Ｌ２のうちビームスプリッタ１１０を透過した成分も、合波されて合波光Ｌ４となる。この合波光Ｌ４を検出する為に、図７に示されるような構成の光干渉計２Ｄを考える。図７は、第４比較例の光干渉計２Ｄの構成を示す図である。
【００９５】
図７に示される第４比較例の光干渉計２Ｄは、図６に示された第３比較例の光干渉計２Ｃの構成にビームスプリッタ１１１を追加したものである。合波光Ｌ４を検出する為に設けられるビームスプリッタ１１１は、入射光Ｌ０の光路上に挿入される。このビームスプリッタ１１１の挿入により、入射光Ｌ０に損失が生じる。その結果、ビームスプリッタ１１０，１１１それぞれの光分岐比を１：１とすると、合波光Ｌ３，Ｌ４のトータルの干渉強度ピークＩｐｐは３７.５％となる。
【００９６】
すなわち、１つのビームスプリッタにより分岐および合波の双方を行う一般的な構成の光干渉計２Ｃが、最大効率５０％を得ることができる理想的なものであり、この最大効率５０％が原理的限界ということになる。図５に示された本実施形態の光干渉計１Ａの構成により原理的限界を超えることができるのは、分岐合波部１０において分岐面１１と合波面１４とが別個のものであり、分岐面１１と合波面１４とが或る程度距離を置いて配置されていて、第２合波光Ｌ４１が出射する第２出射面１５と入射光Ｌ０が入射する分岐面１１とを別個のものとすることができたことによる。
【００９７】
ところで、図６に示された第３比較例の光干渉計２Ｃの構成において、ビームスプリッタ１１０での光の反射率Ｒが５０％であるのが理想的である。しかし、図５に示された本実施形態の光干渉計１Ａにおいては、各面での光の反射率Ｒの理想値は５０％ではない。本実施形態の光干渉計１Ａにおける合波光Ｌ３，Ｌ４１のトータルの干渉強度ピークＩｐｐＴは、上記（１２）式で表されるように変数Ｒの４次関数であり、０＜Ｒ＜１の範囲ではＲ＝３０％で最大値４９.９％となる。本実施形態の光干渉計１ＡにおいてはＲ＝３０％が理想値である。なお、Ｒ＝５０％では干渉強度ピークＩｐｐＴは３７.５％となる。
【００９８】
分岐合波部１０をシリコンにより構成したとき、各面に光を垂直入射することができれば、反射率が３０％となるので、理想的なビームスプリッタとなる。しかし、実際の設計では、垂直入射とすることができないので、前述同様のＳ偏光成分およびＰ偏光成分を考慮した平均の干渉強度ピークで比較することになる。
【００９９】
図８は、分岐合波部１０を構成する材料の屈折率と平均の干渉強度ピークとの関係を示すグラフである。外部から分岐合波部１０への光の入射角を４５度として計算をした。この計算結果から、屈折率３.５のときに平均の干渉強度ピークが最大値４４％となることがわかる。近赤外域においてシリコンの屈折率は３.５であるから、分岐合波部１０を構成する材料と空気との屈折率差を利用して分岐および合波を行う本実施形態の光干渉計１Ａでは、分岐合波部１０を構成する材料としてシリコンが理想的であると言える。
【０１００】
次に、第１実施形態の光干渉計１Ａにおいて合波光Ｌ３，Ｌ４１の干渉信号を検出する方法について説明する。以下では第１〜第３の検出方法について順に説明する。
【０１０１】
第１の検出方法として、第１合波光Ｌ３と第２合波光Ｌ４１とを何らかの方法で光学的に合波して１つの光検出器で受光する方法を考える。また、白色光は連続する波長の光が線形に加え合わされているだけであるので、以下では一つの波長の光のみ考える。光の角周波数をωとし、時間変数をｔとする。
【０１０２】
合波面１４から出射される第１合波光Ｌ３の電界Ｅ３は、合波面１４に到達した第１分岐光の電界ａ13sin(ωｔ＋φ13) と、合波面１４に到達した第２分岐光の電界ａ23sin(ωｔ＋φ23) との和として、下記（１４）式、（１５）式で表される。
【０１０３】
【数１４】
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【０１０４】
【数１５】
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【０１０５】
フォトダイオードのような二乗検波器で第１合波光Ｌ３を受光すると、二乗検波器から出力される信号は、第１合波光Ｌ３の電界Ｅ３の二乗の時間的平均値（すなわち、電界振幅ａ３の二乗）を表し、位相差(φ13−φ23) に依存する。これが、光干渉計を用いて光路長差に応じた信号変化が得られることの基本原理である。第１合波光Ｌ３の電界Ｅ３の振幅ａ３の式中にある位相差(φ13−φ23) は、駆動部により設定された第１分岐光と第２分岐光との間の光路長差に相当するものであり、初期位相とは無関係である。第１合波光Ｌ３の電界Ｅ３の時間的変化に関係するsin関数内にある位相φ３は、光路長差および初期位相の双方に依存する。
【０１０６】
第２出射面１５から出射される第２合波光Ｌ４１の電界Ｅ４は、第２出射面１５に到達した第１分岐光の電界ａ14sin(ωｔ＋φ14) と、第２出射面１５に到達した第２分岐光の電界ａ24sin(ωｔ＋φ24) の和として、下記（１６）式、（１７）式で表される。
【０１０７】
【数１６】
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【０１０８】
【数１７】
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【０１０９】
合波面１４から第２出射面１５まで第２合波光が伝搬する間の位相変化をφωとする。位相変化φωは角周波数ωに依存する。位相φ13，φ23，φ14，φ24 の間には下記（１８）式の関係がある。したがって、第２合波光の電界Ｅ４の振幅ａ４の式中にある位相差(φ14−φ24) は、第１合波光の電界Ｅ３の振幅ａ３の式中にある位相差(φ13−φ23) と等しい。
【０１１０】
【数１８】
0005839759.tif 000019
【０１１１】
簡単化のため、駆動部により第１分岐光および第２分岐光それぞれの光路長が互いに等しく設定されている場合、すなわち、位相差(φ13−φ23) および位相差(φ14−φ24) の双方が値０である場合を考える。このとき、下記（１９）式が成り立つ。
【０１１２】
【数１９】
0005839759.tif 000020
【０１１３】
第１合波光Ｌ３と第２合波光Ｌ４１とを合波した全合波光の電界ＥＴは、第１合波光Ｌ３の電界Ｅ３と第２合波光Ｌ４１の電界Ｅ４との和として、下記（２０）式、（２１）式で表される。
【０１１４】
【数２０】
0005839759.tif 000021
【０１１５】
【数２１】
0005839759.tif 000022
【０１１６】
この全合波光を受光した光検出器から出力される信号は、波長によって異なる位相φωの影響により、波長により異なる値となる。すなわち、第１分岐光と第２分岐光との間の光路長差以外の要因で干渉信号が変化することとなり、光干渉計として正しく機能しないことになる。
【０１１７】
第２の検出方法として、第１合波光Ｌ３および第２合波光Ｌ４１を別個の光検出器で検出し、各々の光検出器による二乗検波後の電圧信号を加算する方法を考える。この方法では、位相φωの影響は現れないので、干渉信号としての電圧信号の加算は正常に機能する。しかし、通常、光検出器は、出力後の処理をし易い電圧レベルまで信号を増幅する増幅器を含む。光起電力型の受光素子を用いる場合、全体のＳ／Ｎは初段の増幅器のノイズにより決定される。第１合波光Ｌ３および第２合波光Ｌ４１を別個の光検出器で検出して信号増幅をする場合、全体のノイズは各光検出器の初段の増幅器のノイズの２倍となる。したがって、電圧信号を加算することで信号レベルが増えても、Ｓ／Ｎは改善されない。本実施形態では、第１合波光Ｌ３の効率が２６.４％であり、第２合波光Ｌ４１の効率が１７.８％であるので、加算しても信号量は単純に２倍にはならず、Ｓ／Ｎは劣化してしまうことになる。
【０１１８】
第３の検出方法として、第１合波光Ｌ３および第２合波光Ｌ４１を別個の受光素子で検出し、各々の受光素子から出力される電流信号を加減算した結果を電圧信号に変換する方法を考える。この方法では、上記のＳ／Ｎの劣化の問題を回避することができる。以下、この第３の検出方法について説明するとともに、この方法に基づく検出部５０の構成について説明する。
【０１１９】
光を含めて電磁波は、互いに異なる屈折率を有する２つの媒質の間の境界面において反射する際に位相が変化する場合がある。境界面での光の反射時の位相変化量は、各媒質の屈折率、境界面への光の入射角および光の偏光状態に依存する。各媒質が誘電体であって吸収係数を無視することができるとすると、境界面での光の反射時に位相変化が生じるのは、Ｓ偏光の光が低屈折率媒質の側から境界面に入射する場合、および、Ｐ偏光の光が高屈折率媒質の側から境界面にブリュースター角以下の入射角で入射する場合であり、何れの場合も位相変化量はπである。
【０１２０】
この性質を考慮して、図５に示された光干渉計１Ａの構成における光の反射時の位相変化量を考える。合波面１４に入射する第１分岐光Ｌ１２および第２分岐光Ｌ２２の位相を基準とすると、第２分岐光Ｌ２２のＳ偏光成分が合波面１４で反射して第１合波光Ｌ３となる際にπの位相変化を生じ、第１分岐光Ｌ１２のＰ偏光成分が合波面１４で反射して第２合波光Ｌ４１となる際にπの位相変化を生じる。
【０１２１】
このことから、第２出射面１５から出射される第２合波光Ｌ４１は、合波面１４から出射される第１合波光Ｌ３に対し、Ｓ偏光成分およびＰ偏光成分の何れについても位相差πを有している。すなわち、第１合波光Ｌ３および第２合波光Ｌ４１は、干渉信号の符号が互いに逆になる。上記のとおり第２分岐光Ｌ２２のＳ偏光成分が合波面１４で反射する際にπの位相変化を生じることに加え、入射光Ｌ０が分岐面１１で２分岐される際に第１分岐光Ｌ１１のＳ偏光成分がπの位相変化を生じるので、合波時の第１分岐光Ｌ１２および第２分岐光Ｌ２２それぞれのＳ偏光成分の位相は互いに同じである。また、合波時の第１分岐光Ｌ１２および第２分岐光Ｌ２２それぞれのＰ偏光成分の位相も互いに同じである。結局、Ｓ偏光成分およびＰ偏光成分それぞれの干渉信号の符号は互いに同じである。
【０１２２】
なお、実際には、第１光学系２０および第２光学系３０それぞれに含まれるミラーが金属ミラーである場合、その金属ミラーでの光の反射時に位相変化が生ずる。第１光学系２０および第２光学系３０が互いに共通の構成のミラーで光を反射すれば、Ｓ偏光成分およびＰ偏光成分ともに同じ位相変化が生ずるので、結果としてＳ偏光成分およびＰ偏光成分それぞれの干渉信号の符号は互いに同じとなる。
【０１２３】
第１合波光Ｌ３および第２合波光Ｌ４１は、全ての波長で干渉信号の符号が互いに逆になる。図９は、合波光Ｌ３，Ｌ４１のインターフェログラムを示す図である。光路長差が０であるときに、第１合波光Ｌ３の干渉信号は最大値となるのに対して、第２合波光Ｌ４１の干渉信号は最小値となる。第１合波光Ｌ３のインターフェログラムおよび第２合波光Ｌ４１のインターフェログラムのうち一方は、他方のインターフェログラムについて平均値を中心にして上下を反転し、効率に応じて振幅を補正したものに相当する。
【０１２４】
なお、図９では、第１合波光Ｌ３および第２合波光Ｌ４１それぞれのインターフェログラムは、平均値が相違しているものとして表示されている。インターフェログラムの平均値は、光干渉計の構成に依存する。例えば、光干渉計からの非干渉光より背景光の方が多く光検出器に入射してインターフェログラムの平均値を大きくしているのであれば、第１合波光Ｌ３および第２合波光Ｌ４１それぞれのインターフェログラムの平均値の差はそれほど大きくない。逆に、光干渉計からの非干渉光の方が背景光より多く光検出器に入射してインターフェログラムの平均値を大きくしているのであれば、第１合波光Ｌ３および第２合波光Ｌ４１それぞれのインターフェログラムにおいて干渉信号の効率と同程度の割合で平均値が生じることになる。
【０１２５】
何れにしても、第１合波光Ｌ３および第２合波光Ｌ４１それぞれのインターフェログラムの差をとることにより、平均値は低減される一方で、干渉信号は大きくなる。図１０は、合波光Ｌ３，Ｌ４１のインターフェログラムの差を示す図である。両者の差をとることにより、干渉信号の一部がマイナス値となる場合があるが、図１１に示される検出部５０の回路では何ら問題はない。
【０１２６】
図１１は、第１実施形態の光干渉計１Ａの検出部５０の回路図である。検出部５０は、第１受光素子５１，第２受光素子５２および電流電圧変換部５４を備える。電流電圧変換部５４は、アンプ５５および帰還抵抗器５６を含む。帰還抵抗器５６は、アンプ５５の反転入力端子と出力端子Ｖｏとの間に設けられている。第１受光素子５１および第２受光素子５２それぞれは、光起電力型のものであり、例えばフォトダイオードである。第１受光素子５１および第２受光素子５２は、第１基準電位端Ｖ１と第２基準電位端Ｖ２との間に直列的に接続されていて、逆電圧が印加される。Ｖ１はプラス電位であり、Ｖ２はマイナス電位である。第１受光素子５１と第２受光素子５２との接続点は、アンプ５５の反転入力端子と接続されている。アンプ５５の非反転入力端子は接地電位端に接続されている。アンプ５５の非反転入力端子に対しイマジナリショートの関係にある反転入力端子も接地電位となる。
【０１２７】
第１受光素子５１は、合波面１４から外部へ出射された第１合波光Ｌ３を受光し、その受光量に応じた第１電流信号Ｉ１を出力する。第２受光素子５２は、第２出射面１５から外部へ出射された第２合波光Ｌ４１を受光し、その受光量に応じた第２電流信号Ｉ２を出力する。第１電流信号Ｉ１と第２電流信号Ｉ２との差の電流（Ｉ１−Ｉ２）が帰還抵抗器５６に流れ、その差の電流値と帰還抵抗器５６の抵抗値との積に応じた電圧値が出力端子Ｖｏに現れる。すなわち、電流電圧変換部５４は、第１電流信号Ｉ１から第２電流信号Ｉ２を差し引いた値（Ｉ１−Ｉ２）に応じた電圧信号を出力端子Ｖｏから出力することができる。
【０１２８】
出力端子Ｖｏから出力される電圧信号は、第１合波光Ｌ３および第２合波光Ｌ４１それぞれのインターフェログラムの差を表し、インターフェログラムの平均値を低減する一方で、干渉信号を強調したものである。出力端子Ｖｏから出力される電圧信号は、１つのアンプ５５のみによりノイズが決まるので、Ｓ／Ｎが改善されたものとなる。また、インターフェログラムの平均値が低減されることにより、干渉信号の大きさに合せてアンプ５５のゲインを適切に設定することができる。
【０１２９】
（第２実施形態）
図１２は、第２実施形態の光干渉計１Ｂの構成を示す図である。光干渉計１Ｂは、分岐合波部１０，第１光学系２０，第２光学系３０および駆動部４０を備える。光干渉計１Ｂのこれらの構成要素はＭＥＭＳにより構成されるのが好適である。
【０１３０】
分岐合波部１０は、例えばシリコン等の半導体の透明部材からなり、透明部材の内部と外部との間の境界に分岐面１１，入射面１２，第１出射面１３，合波面１４，第２出射面１５および第３出射面１６を有する。
【０１３１】
図５に示された第１実施形態の光干渉計１Ａの構成と比較すると、図１２に示される第２実施形態の光干渉計１Ｂは、分岐合波部１０が第３出射面１６を更に有する点で相違する。また、第１実施形態の光干渉計１Ａの構成と比較すると、第２実施形態の光干渉計１Ｂは、第２出射面１５を透過して外部へ出射される第２合波光Ｌ４の一部Ｌ４１を検出するだけでなく、第２出射面１５で反射されて第３出射面１６を透過して外部へ出射される第２合波光Ｌ４の残部Ｌ４２をも第３受光素子５３により検出する点で相違する。
【０１３２】
第３出射面１６から出射される第２合波光Ｌ４２は、第２出射面１５から出射される第２合波光Ｌ４１と比較して反射が１回多いだけである。したがって、第３出射面１６から出射されて第３受光素子５３により受光される第２合波光Ｌ４２の干渉強度ピークＩｐｐ２は、第２出射面１５から出射されて第２受光素子５２により受光される第２合波光Ｌ４１の干渉強度ピークＩｐｐ１のＲ倍となり、下記（２２）式で表される。
【０１３３】
【数２２】
0005839759.tif 000023
【０１３４】
外部から各面への光の入射角を全て４５度とし、分岐合波部１０がシリコンからなるとすると、第３出射面１６から出射されて第３受光素子５３により受光される第２合波光Ｌ４２のＳ偏光とＰ偏光との平均の干渉強度ピークは５.３％となる。３つの合波光Ｌ３，Ｌ４１，Ｌ４２を合せたＳ偏光とＰ偏光との平均の干渉強度ピークは４９.５％となり、約５０％の効率が得られることになる。
【０１３５】
なお、第３出射面１６で反射した第２合波光を他の出射面から外部へ出射させて他の受光素子により受光することが可能であり、第２合波光Ｌ４の全てを検出すると、第２合波光Ｌ４の全体の効率は２６.４％である。第１合波光Ｌ３の効率２６.４％と第２合波光Ｌ４の全体の効率２６.４％とを合計した値５２.８％は、図１２の光干渉計１Ｂの構成により３つの合波光Ｌ３，Ｌ４１，Ｌ４２を合せた効率４９.５％と比較して、改善の程度が小さい。第３出射面１６で反射した第２合波光を他の出射面から外部へ出射させて他の受光素子により受光することは、構成が複雑になる一方で改善の程度が小さいことから、メリットがない。
【０１３６】
図１３は、第２実施形態の光干渉計１Ｂの検出部５０の回路図である。検出部５０は、第１受光素子５１，第２受光素子５２，第３受光素子５３および電流電圧変換部５４を備える。図１１に示された第１実施形態の検出部５０の構成と比較すると、図１３に示される第２実施形態の検出部５０は、第３受光素子５３を更に備える点で相違する。第３受光素子５３も、光起電力型のものであり、例えばフォトダイオードである。
【０１３７】
第３出射面１６から出射される第２合波光Ｌ４２の反射時の位相変化は、第２出射面１５から出射される第２合波光Ｌ４１の反射時の位相変化と同じである。それ故、第３出射面１６から出射される第２合波光Ｌ４２を受光する第３受光素子５３は、第２出射面１５から出射される第２合波光Ｌ４１を受光する第２受光素子５２に対し並列に設けられる。第３受光素子５３は、第３出射面１６から外部へ出射された第２合波光Ｌ４２を受光し、その受光量に応じた第３電流信号Ｉ３を出力する。電流電圧変換部５４は、第１電流信号Ｉ１から第２電流信号Ｉ２および第３電流信号Ｉ３を差し引いた値（Ｉ１−Ｉ２−Ｉ３）に応じた電圧信号を出力端子Ｖｏから出力する。
【０１３８】
なお、第２実施形態の光干渉計１Ｂでは、光干渉計からの非干渉光より背景光の方が多く光検出器に入射してインターフェログラムの平均値を大きくしている場合に留意が必要である。この場合には、各合波光のインターフェログラムの平均値が同程度の大きさとなるので、第１電流信号Ｉ１から第２電流信号Ｉ２および第３電流信号Ｉ３を差し引いた値（Ｉ１−Ｉ２−Ｉ３）には、１つのインターフェログラム分の平均値成分が現れることになる。その結果、第３受光素子５３を付加することにより、ダイナミックレンジが狭められる場合がある。最終的なＳ／Ｎが改善されるか否かを考慮して、第３受光素子５３を付加することが有効か否かを判断しなければならない。
【０１３９】
（第３実施形態）
図１４は、第３実施形態の光干渉計１Ｃの構成を示す図である。光干渉計１Ｃは、分岐合波部１０，第１光学系２０，第２光学系３０および駆動部４０を備える。光干渉計１Ｃのこれらの構成要素はＭＥＭＳにより構成されるのが好適である。
【０１４０】
分岐合波部１０は、例えばシリコン等の半導体の透明部材からなり、透明部材の内部と外部との間の境界に分岐面１１，入射面１２，第１出射面１３，合波面１４，第２出射面１５および全反射面１７を有する。
【０１４１】
図５に示された第１実施形態の光干渉計１Ａの構成と比較すると、図１４に示される第３実施形態の光干渉計１Ｃは、分岐合波部１０が全反射面１７を更に有する点で相違する。分岐合波部１０は、全反射面１７において、合波面１４から内部を経て到達した第２合波光Ｌ４を全反射させて第２出射面１５に入射させる。
【０１４２】
第３実施形態では、全反射面１７において第２合波光Ｌ４を全反射させることができるように、すなわち、全反射面１７への第２合波光Ｌ４の入射角が臨界角以上となるように、全反射面１７の方位が設定されている。また、全反射面１７において全反射された第２合波光Ｌ４を第２出射面１５から外部へ出射させることができるように、すなわち、第２出射面１５への第２合波光Ｌ４の入射角が臨界角未満となるように、第２出射面１５の方位が設定されている。
【０１４３】
第１実施形態では、入射光Ｌ０が入射する分岐面１１と、第２合波光Ｌ４１が出射する第２出射面１５とが、分岐合波部１０に対して共通の側に設けられているので、入射光Ｌ０および第２合波光Ｌ４１それぞれの光学系の配置の点で制約が生じる場合がある。これに対して、第３実施形態では、分岐合波部１０の一方の側に分岐面１１が設けられ、分岐合波部１０の他方の側に合波面１４および第２出射面１５が設けられているので、入射光Ｌ０および合波光Ｌ３，Ｌ４１それぞれの光学系の配置が容易である。
【符号の説明】
【０１４４】
１Ａ〜１Ｃ…光干渉計、１０…分岐合波部、１１…分岐面、１２…入射面、１３…第１出射面、１４…合波面、１５…第２出射面、１６…第３出射面、１７…全反射面、２０…第１光学系、２１，２２…ミラー、３０…第２光学系、３１，３２…ミラー、４０…駆動部、５０…検出部、５１…第１受光素子、５２…第２受光素子、５３…第３受光素子、５４…電流電圧変換部、５５…アンプ、５６…帰還抵抗器、９０…分散補償用部材、Ｌ０…入射光、Ｌ１１，Ｌ１２…第１分岐光、Ｌ２１，Ｌ２２…第２分岐光、Ｌ３…第１合波光、Ｌ４，Ｌ４１，Ｌ４２…第２合波光。
【要約】
【課題】過剰損失の割合を低減することができる光干渉計を提供する。
【解決手段】光干渉計１Ａは、分岐合波部１０，第１光学系２０，第２光学系３０および駆動部４０を備える。分岐合波部１０は、透明部材の内部と外部との間の境界に分岐面１１，入射面１２，第１出射面１３，合波面１４および第２出射面１５を有し、分岐面１１において、入射光Ｌ０の一部を反射させて第１分岐光Ｌ１１として出射させるとともに、残部を第２分岐光Ｌ２１として内部へ透過させ、合波面１４において、第１分岐光Ｌ１２および第２分岐光Ｌ２２それぞれ一部を合波して第１合波光Ｌ３として外部へ出射させるとともに、各々の残部を合波して第２合波光Ｌ４として内部へ伝搬させ、第２出射面１５において、第２合波光Ｌ４の一部Ｌ４１を外部へ出射させる。
【選択図】図５【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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