(57)【要約】光源と共に使用する光学的遅延線（２００）であって、光源と光学的に結合された入力／出力オプティクスと、遅延線（２００）の縮閉曲線（２１２）の中心に中心があり、縮閉曲線のエッジの接線である遅延線ビームの経路に沿って進行する光を逆反射する反射面を有する、湾曲ミラー（２１６）とを含む。入力／出力オプティクスは、光源からの光を遅延線ビームの経路（２１４）に沿って配向し、遅延線ビームの経路（２１４）からの遅延光を出力ビームの経路に沿って光学的遅延線の外に配向する。入力／出力オプティクス（２０４）および／または湾曲ミラー（２１６）は、縮閉曲線（２１２）のまわりを選択された角速度で回転する。反射面は、入力／出力オプティクスおよび／または湾曲ミラーが回転するのに伴い光学的遅延線（２００）の遅延が所定の関数にしたがって変動するように縮閉曲線から計算されたパラメトリックな曲線に基づく曲率を有する。
2007528613.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と共に使用する光学的遅延線であって、
該光源からの光を遅延線ビームの経路に沿って配向し、該遅延線ビームの経路からの遅延光を出力ビームの経路に沿って配向する、該光源に光学的に結合された入力／出力オプティクスであって、該遅延線ビームの経路は、該光学的遅延線の縮閉円のエッジの接線である、入力／出力オプティクスと、
該縮閉円から計算された伸開曲線に基づく曲率を有する内側反射面を有する湾曲ミラーであって、該湾曲ミラーは、該縮閉円の軸の上に中心があり、該遅延線ビームの経路に沿って進行する光を逆反射する、湾曲ミラーと
を備え、
該入力／出力オプティクスのうちの少なくとも１つおよび／または該湾曲ミラーは、該縮閉円の該軸のまわりを回転し、該光学的遅延線の遅延を制御可能なように変動させる、光学的遅延線。
【請求項２】
前記湾曲ミラーの前記内側反射面は、前記縮閉円に垂直な平面において平面状の断面形状を有し、
前記入力／出力オプティクスは、
ｉ）該縮閉円の前記軸に沿って前記光学的遅延線の中に前記光源からの前記光を結合し、ｉｉ）前記出力ビームの経路に沿って該光学的遅延線の外に前記遅延光を結合する、ビームスプリッタと、
ｉ）該光源からの該光を該縮閉円の半径に沿って反射し、ｉｉ）該遅延光を該縮閉円の該軸に沿って反射するように配置された、該縮閉円の中心における第１のミラーと、
ｉ）該縮閉円の半径からの該光を前記遅延線ビームの経路に沿って反射し、ｉｉ）該遅延光を該縮閉円の半径に沿って反射するように配置された、該縮閉円のエッジ上の第２のミラーと
を備える、請求項１に記載の光学的遅延線。
【請求項３】
前記湾曲ミラーの前記内側反射面は、前記縮閉円に垂直な平面において山型の断面形状を有し、
前記光源からの前記光は、該縮閉円の前記軸に沿って前記光学的遅延線の中に第１の側から結合され、
前記入力／出力オプティクスは、
前記光源からの前記光を該縮閉円の第１の半径に沿って反射するように配置された、該縮閉円の中心における第１のミラーと、
ｉ）該縮閉円の該第１の半径からの光を前記遅延線ビームの経路の第１のアームに沿って反射し、ｉｉ）該遅延線ビームの経路の第２のアームからの遅延光を該縮閉円の第２の半径に沿って反射するように配置された、該縮閉円のエッジ上の第２のミラーであって、該遅延線ビームの経路の該第１のアームは、該遅延線ビームの経路の該第２のアームと平行であり、該縮閉円の該軸に平行な方向にオフセットしており、該縮閉円の該第１の半径は、該縮閉円の該第２の半径に平行であり、該縮閉円の該軸に平行な方向にオフセットしている、第２のミラーと、
該縮閉円の該第２の半径からの遅延光を該縮閉円の該軸に沿って第２の側から反射するように配置された、該縮閉円の該中心における第３のミラーと
を備える、請求項１に記載の光学的遅延線。
【請求項４】
前記湾曲ミラーの前記内側反射面は、前記縮閉円に垂直な平面において平面状の断面形状を有し、
前記入力／出力オプティクスは、
ｉ）前記光学的遅延線の中に前記光源からの前記光を結合し、ｉｉ）前記出力ビームの経路に沿って該光学的遅延線の外に前記遅延光を結合する、ビームスプリッタと、
該ビームスプリッタに光学的に結合された第１の端部と、ｉ）該遅延線ビームの経路に沿って該光を該湾曲ミラーに配向し、ｉｉ）該湾曲ミラーから反射した該遅延光を受信するように配置された、該縮閉円のエッジ上の第２の端部とを有する、光ファイバーと
を備える、請求項１に記載の光学的遅延線。
【請求項５】
前記湾曲ミラーの前記内側反射面は、前記縮閉円に垂直な平面において山型の断面形状を有し、
前記入力／出力オプティクスは、
前記光源に光学的に結合された第１の入力端部と、前記光を前記遅延線ビームの経路の第１のアームに沿って該湾曲ミラーに配向するように配置された該縮閉円のエッジ上の第１の出力端部とを有する、第１の光ファイバーと、
該湾曲ミラーによって該遅延線ビームの経路の第２のアームに沿って反射した遅延光を受信するように配置された該縮閉円のエッジ上の第２の入力端部と、該光学的遅延線の外に該遅延光を結合する第２の出力端部とを有する、第２の光ファイバーと
を備える、請求項１に記載の光学的遅延線。
【請求項６】
前記湾曲ミラーの前記内側反射面は、前記縮閉円に垂直な平面において平面状の断面形状を有し、
前記入力／出力オプティクスは、
ｉ）前記光学的遅延線の中に前記光源からの前記光を結合し、ｉｉ）前記出力ビームの経路に沿って前記光学的遅延線の外に前記遅延光を結合する、ビームスプリッタと、
該ビームスプリッタに光学的に結合された第１の端部と、ｉ）前記遅延ビームの経路に沿って該光を該湾曲ミラーに配向し、ｉｉ）該湾曲ミラーから反射した該遅延光を受信するように配置された、該縮閉円のエッジ上の第２の端部とを有する、導波路構造と
を備える、請求項１に記載の光学的遅延線。
【請求項７】
前記湾曲ミラーの前記内側反射面は、前記縮閉円に垂直な平面において山型の断面形状を有し、
前記入力／出力オプティクスは、
前記光源に光学的に結合された第１の入力端部と、前記光を前記遅延線ビームの経路の第１のアームに沿って該湾曲ミラーに配向するように配置された該縮閉円のエッジ上の第１の出力端部とを有する、第１の平面状の導波路構造と、
該湾曲ミラーによって該遅延線ビームの経路の第２のアームに沿って前記遅延光を受信するように構成された該縮閉円のエッジ上の第２の入力端部と、前記光学的遅延線の外に該遅延光を結合する第２の出力端部とを有する、第２の平面状の導波路構造と
を備える、請求項１に記載の光学的遅延線。
【請求項８】
前記入力／出力オプティクスは、前記縮閉円に平行な平面において、前記湾曲ミラーの前記内側反射面の曲率を実質的に補償する発散オプティクスを備える、請求項１に記載の光学的遅延線。
【請求項９】
前記湾曲ミラーの前記内部反射面は、整数Ｎ個の実質的に同一な断面を備え、実質的に同一な断面各々の前記伸開曲線に基づく曲率は、θ０からθ０＋２π／Ｎの範囲の角度にわたって前記縮閉円から計算される、請求項１に記載の光学的遅延線。
【請求項１０】
前記入力／出力オプティクスおよび／または前記湾曲ミラーの少なくとも１つに結合された制御可能な回転ステージと、
高精度、制御可能な回転ステージの回転速度を制御し、これにより、前記光学的遅延線の遅延の変化のレートを制御する、該高精度、制御可能な回転ステージに電気的に結合されたプロセッサと
をさらに備える、請求項１に記載の光学的遅延線。
【請求項１１】
前記湾曲ミラーのみが前記縮閉円の前記軸のまわりを回転し、前記光学的遅延線の前記遅延を制御可能なように変動させ、
該湾曲ミラーの前記内部反射面は、該縮閉円に垂直な平面において平面状の断面形状を有し、
前記入力／出力オプティクスは、
ｉ）該光学的遅延線の中に前記光源からの前記光を結合し、ｉｉ）前記出力ビームの経路に沿って該光学的遅延線の外に前記遅延光を結合する、ビームスプリッタと、
ｉ）該ビームスプリッタからの該光を該遅延線ビームの経路に沿って反射させ、ｉｉ）該遅延光を該ビームスプリッタに反射させるように配置された該縮閉円の接線に沿って配置された、ミラーと
を備える、請求項１に記載の光学的遅延線。
【請求項１２】
前記湾曲ミラーのみが前記縮閉円の前記軸のまわりを回転し、前記光学的遅延線の前記遅延を制御可能なように変動させ、
該湾曲ミラーの前記内側反射面は、該縮閉円に垂直な平面において山型の断面形状を有し、
前記光源からの前記光は、該光学的遅延線の中に該縮閉円の第１の側から結合され、
前記入力／出力オプティクスは、
該光源からの該光を前記遅延線ビームの経路の第１のアームに沿って反射させるように配置された該縮閉円の第１の接線に沿って配置された、第１のミラーと、
前記遅延線ビームの経路の第２のアームからの遅延光を前記出力ビームの経路に沿って反射させるように配置された該縮閉円の第２の接線に沿って配置された、第２のミラーと
を備え、
該縮閉円の該第１の接線は、該縮閉円の該第２の接線に平行であり、該縮閉円の該軸に平行な方向にオフセットしており、該遅延線ビームの経路の該第１のアームは、該遅延線ビームの経路の該第２のアームに平行であり、該縮閉円の該軸に平行な方向にオフセットしており、該出力ビームの経路は、該縮閉円の第２の側から延びている、請求項１に記載の光学的遅延線。
【請求項１３】
前記湾曲ミラーの前記内部反射面は、該内部反射面にギャップが形成されるように、２πよりも小さな角度の範囲にわたって前記縮閉円のまわりを延びており、
該湾曲ミラーは、
該ギャップ上の光の入射を検出し信号を提供するための、該内部反射面の該ギャップに設置された検出器と、
該光学的遅延線の繰り返し率を該検出器から決定するためのプロセッサと
を備える、請求項１に記載の光学的遅延線。
【請求項１４】
前記光源は、パルス化された光源である、請求項１に記載の光学的遅延線。
【請求項１５】
前記光源は、レーザ源である、請求項１に記載の光学的遅延線。
【請求項１６】
光源と共に使用する光学的遅延線であって、
該光源からの光を遅延線ビームの経路に沿って配向し、該遅延線ビームの経路からの遅延光を出力ビームの経路に沿って配向する、該光源に光学的に結合された入力／出力オプティクスであって、該遅延線ビームの経路は、該光学的遅延線の縮閉円のエッジの接線である、入力／出力オプティクスと、
該縮閉円から計算された伸開曲線に基づく曲率を有する外側反射面を有する湾曲ミラーであって、該湾曲ミラーは、該縮閉円の軸の上に中心があり、該遅延線ビームの経路に沿って進行する光を逆反射する、湾曲ミラーと
を備え、
該湾曲ミラーは、該縮閉円の該軸のまわりを回転し、該光学的遅延線の遅延を制御可能なように変動させる、光学的遅延線。
【請求項１７】
前記湾曲ミラーの前記外側反射面は、前記縮閉円に垂直な平面において平面状の断面形状を有し、
前記入力／出力オプティクスは、
ｉ）該縮閉円の前記軸に沿って前記光学的遅延線の中に前記光源からの前記光を結合し、ｉｉ）前記出力ビームの経路に沿って該光学的遅延線の外に前記遅延光を結合する、ビームスプリッタ
を備える、請求項１６に記載の光学的遅延線。
【請求項１８】
前記湾曲ミラーの前記外側反射面は、前記縮閉円に垂直な平面において山型の断面形状を有し、
前記入力／出力オプティクスは、前記遅延線ビームの経路の第１のアームに沿って前記光源からの前記光を結合し、
該入力／出力オプティクスは、前記出力ビームの経路に沿って該遅延線ビームの経路の第２のアームからの光を結合し、
該遅延線ビームの経路の該第１のアームは、該遅延線ビームの経路の該第２のアームと平行であり、該縮閉円の該軸に平行な方向にオフセットしている、請求項１６に記載の光学的遅延線。
【請求項１９】
前記入力／出力オプティクスは、前記縮閉円に平行な平面において、前記湾曲ミラーの前記外側反射面の曲率を実質的に補償する収束オプティクスを備える、請求項１６に記載の光学的遅延線。
【請求項２０】
前記湾曲ミラーの前記外側反射面は、整数Ｎ個の実質的に同一な断面を備え、実質的に同一な断面各々の前記伸開曲線に基づく曲率は、θ０からθ０＋２＊π／Ｎの範囲の角度にわたって前記縮閉円から計算される、請求項１６に記載の光学的遅延線。
【請求項２１】
前記湾曲ミラーに結合された制御可能な回転ステージと、
該制御可能な回転ステージの回転速度を制御し、これにより、前記光学的遅延線の遅延の変化のレートを制御する、該制御可能な回転ステージに電気的に結合されたプロセッサと
をさらに備える、請求項１６に記載の光学的遅延線。
【請求項２２】
前記湾曲ミラーの前記外部反射面は、該外側反射面にギャップが形成されるように、２πよりも小さな角度の範囲にわたって前記縮閉円のまわりを延びており、
該湾曲ミラーは、
該ギャップ上の光の入射を検出し信号を提供するための、該外側反射面の該ギャップに配置された検出器と、
該光学的遅延線の繰り返し率を該検出器から決定するためのプロセッサと
を備える、請求項１６に記載の光学的遅延線。
【請求項２３】
前記光源は、パルス化された光源である、請求項１６に記載の光学的遅延線。
【請求項２４】
前記光源は、レーザ源である、請求項１６に記載の光学的遅延線。
【請求項２５】
光源と共に使用する光学的遅延線であって、
該光源からの光を遅延線ビームの経路に沿って配向し、該遅延線ビームの経路からの遅延光を出力ビームの経路に沿って配向する、該光源に光学的に結合された入力／出力オプティクスであって、該遅延線ビームの経路は、該光学的遅延線の縮閉曲線のエッジの接線である、入力／出力オプティクスと、
該縮閉曲線のまわりに中心があり該遅延線ビームの経路に沿って進行する光を逆反射する反射面を有する、湾曲ミラーと
を備え、
該入力／出力オプティクスのうちの少なくとも１つおよび／または該湾曲ミラーは、該縮閉曲線のまわりを選択された角速度で回転し、該反射面は、該入力／出力オプティクスのうちの該少なくとも１つおよび／または該湾曲ミラーが回転するのに伴い該光学的遅延線の遅延が所定の関数にしたがって変動するように該縮閉曲線から計算されたパラメトリックな曲線に基づく曲率を有している、光学的遅延線。
【請求項２６】
前記所定の関数は、前記入力／出力オプティクスのうちの少なくとも１つおよび／または前記湾曲ミラーの回転角の非線形関数である、請求項２５に記載の光学的遅延線。
【請求項２７】
光源と共に使用する光学的遅延線であって、
該光源からの光を遅延線ビームの経路に沿って配向し、該遅延線ビームの経路からの遅延光を出力ビームの経路に沿って配向する入力／出力手段であって、該遅延線ビームの経路は、該光学的遅延線の縮閉円のエッジの接線である、入力／出力手段と、
該縮閉円から計算された伸開曲線に基づく曲率を有する内側反射面を有し、該縮閉円の軸の上に中心があり、該遅延線ビームの経路に沿って進行する光を逆反射する、ミラー手段と
を備え、
該入力／出力手段のうちの少なくとも１つおよび／または該ミラー手段は、該縮閉円の該軸のまわりを回転し、該光学的遅延線の遅延を制御可能なように変動させる、光学的遅延線。
【請求項２８】
光源と共に使用する光学的遅延線であって、
該光源からの光を遅延線ビームの経路に沿って配向し、該遅延線ビームの経路からの遅延光を出力ビームの経路に沿って配向する入力／出力手段であって、該遅延線ビームの経路は、該光学的遅延線の縮閉円のエッジの接線である、入力／出力手段と、
該縮閉円から計算された伸開曲線に基づく曲率を有する外側反射面を有し、該縮閉円の軸の上に中心があり、該遅延線ビームの経路に沿って進行する光を逆反射する、ミラー手段と
を備え、
該ミラー手段は、該縮閉円の該軸のまわりを回転し、該光学的遅延線の遅延を制御可能なように変動させる、光学的遅延線。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００４年３月９日に出願され、ＨＩＧＨ  ＲＥＰＥＴＩＴＩＯＮ  ＲＡＴＥ，ＬＩＮＥＡＲ，ＴＲＵＥ  ＴＩＭＥ  ＯＰＴＩＣＡＬ  ＤＥＬＡＹ  ＬＩＮＥと題された、米国仮出願第６０／５５１，４５９号と、２００４年５月４日に出願され、ＩＮＶＯＬＵＴＥ  ＴＩＭＥ  ＤＥＬＡＹ  ＳＴＡＧＥと題された、米国仮出願第６０／５６７，９９１号と、２００４年８月３１に出願され、ＣＯＭＰＡＣＴ  ＣＩＲＣＵＬＡＲ  ＩＮＶＯＬＵＴＥ  ＯＰＴＩＣＡＬ  ＤＥＬＡＹ  ＬＩＮＥと題された、米国仮出願第６０／６０６，０７１号とに関連し、その利益を主張する。
【０００２】
本発明は、概して光学的遅延線（ｏｐｔｉｃａｌ  ｄｅｌａｙ  ｌｉｎｅ）に関する。特に、本発明は、高い繰り返し率と高い線形性とを有し得る光学的遅延に関する。
【背景技術】
【０００３】
光子および光電子の研究分野は、光学的パルスに対する整調可能な遅延システムの発展について、長らく興味を持ってきた。そのようなシステムは、実験とデバイスとの両方において重要である。光学的遅延線は、時間領域のテラヘルツ技術、超高速オプティクスの研究、時間分解検出（ｔｉｍｅ−ｒｅｓｏｌｖｅｄ  ｄｅｔｅｃｉｏｎ）、干渉分光法、光学的コヒーレンスの断層撮影を含む、時間分解の光学的実験のほとんどと、ポンプ／プローブ実験（ｐｕｍｐ／ｐｒｏｂｅ  ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ）のほとんどと、その他のアプリケーションとの主要な部分である。長い遅延範囲（＞１ｎｓ）と高い繰り返し率（＞１００Ｈｚ）とを有する光学的遅延線についての発展は、しかしながら、顕著な挑戦を提示している。このため、例えば長距離飛行時間の感知および断層撮影的な画像化のような現実のアプリケーションは、いまだに実現可能ではない。
【０００４】
単純な形態の光学的遅延線は、非特許文献１に開示されているような、逆反射器を前方または後方に動かす線形アクチュエータを備える。逆反射器は、反射による放射を、それに対応する入射線に平行な経路に沿って返させるのに用いられる機器である。そのような光学的遅延線の走査の速度は、しかしながら、逆反射器の機械的慣性および翻訳ステージ（ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ  ｓｔａｇｅ）によって制限される。これら光学的遅延線の典型的な走査速度は、毎秒数十センチメートルであり、繰り返し率は、一般には数十ヘルツに制限される。機械的慣性はまた、遅延の線形性に影響を与える。遅延線の遅延スウィープの両端部において、逆反射器の動きは減速され、その後逆向きに動かされなければならず、光学的遅延線が全範囲にわたって正しい線形遅延走査関数を有することを妨げる。加えて、線形翻訳ステージの動きは、遅延走査において所望の線形性を提供するのには十分な滑らかさではあり得ず、あるいは、特に高い走査レートにおいて、望ましくないヒステリシスを有し得る。
【０００５】
高速走査に対する様々な技術が発展してきた。多くの論文において開示された方法は、高速走査を提示しているが、それらの高速デバイスの遅延範囲は制限されている。そのような技術は、とりわけ、例えば圧電変換器を用いた線形モーターの置換、回折格子レンズに基づく遅延線、回転ガラスブロック、ミラー配列、らせん反射器圧電ファイバーストレッチャ、回折格子レンズベースの遅延線、らせん状ミラー、およびマルチパスキャビティを含む。
【０００６】
圧電変換器を用いて線形モーターを置換すると、遅延線は、キロヘルツの繰り返し率を有し得る。しかしながら、そのような遅延線の走査範囲は、非常に制限されている。回折格子レンズに基づく遅延線は、非特許文献２に開示されている。この光学的遅延線は、走査速度を数十キロヘルツまで高めることが可能である。不都合にも、これら遅延線のすべては、光学的な経路の長さの変化において、低負荷サイクルと非線形性との両方を被る。
【０００７】
１．２ＫＨｚの繰り返し率を有する圧電ファイバーストレッチャは、非特許文献３に実証されているが、このタイプの遅延線の走査範囲は制限されており、複屈折効果を被る。Ｃｈｉ−Ｌｕｅｎ  Ｗａｎｇ，Ｓｈｅｎｇ−Ａｎ  Ｗａｎｇ，Ｓ．Ｃ．Ｗａｎｇ，およびＣｉ−Ｌｉｎｇ  Ｐａｎは、論文「Ｒａｐｉｄ  ａｎｄ  ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  ｔｕｎｉｎｇ  ｏｆ  ａｎ  ｅｘｔｅｒｎａｌ−ｃａｖｉｔｙ  ｄｉｏｄｅ  ｌａｓｅｒ」、Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｌａｓｅｒｓ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃｓ（ＣＬＥＯ’９８），Ｖｏｌ．１１，ｐａｐｅｒ  ＣＷＮ５（Ｍａｙ  ３〜８，１９９８，Ｓａｎ  Ｆｒａｎｃｉｓｃｏ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ）において、らせん状ミラーをベースとした遅延線を実証している。これら遅延線は、パルス整形技術から発展しており、３ｍｍの走査範囲において２ＫＨｚの繰り返し率を達成し得る。しかしながら、これらはシビアな帯域幅制限を示しており、製造するには非常にコストがかかる。より最近では、２ＫＨｚより大きなレートで高負荷サイクルを有する他の遅延線走査システムがいくつか実証されてきた。上記他の遅延線システムは、非特許文献４による回転プリズム、非特許文献５による回転ミラー配列、ならびに、非特許文献６によるマルチパスキャビティを含む。しかしながら、上記の技術のいずれもが、数十センチメートルの走査範囲と数百ヘルツの範囲での繰り返し率との両方を提供し得ない。
【０００８】
長い遅延範囲（ＧＨｚまでのビットレートでマイクロ秒までの遅延）を提供することが可能な、切り換えファイバー遅延線または光学的コヒーレント・トランジェント再生成器に基づく実時間の遅延デバイスが、実証されてきた。切り換えファイバー遅延線は、非特許文献７によって議論され、光学的コヒーレント・トランジェント再生成器は、非特許文献８において議論されている。これらデバイスの時間分解能は比較的低かったが、さらに、これらデバイスは、顕著な光学的ロスを被っていた。
【０００９】
現存する光学的遅延線の欠点を克服するため、単純、高速、高負荷サイクル、長距離、および線形な、伸開線反射器に沿う光ビームの走査に基づく光学的遅延線の設計が提供されてきた。本発明の一局面は、円形伸開線の光学的遅延ステージに基づくコンパクトな光学的遅延線を提供する。別の局面は、光学的遅延ステージにおける円形伸開線の輪郭（ｐｒｏｆｉｌｅ）を有する反射器を含む。さらなる局面は、高走査速度において比較的長い時間遅延を要求し得るコンパクトかつポータブルな光学的時間分解システムに対するコンパクトな遅延ステージを提供する。本発明のさらに別の実施形態は、高い走査速度、線形性、およびゼロ・バックラッシュ（ｚｅｒｏ  ｂａｃｋｌａｓｈ）という特性を有する、コンパクト、単純、位置あわせが容易なシステムを提供する。
【非特許文献１】Ｒ．Ｆ．ＦｏｒｋおよびＦ．Ａ．Ｂｅｉｓｓｏｅｒ、「Ｒｅａｌ−ｔｉｍｅ  ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ  ａｕｔｏｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ」、Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．、１９７８年、第１７巻、ｐ．３５３４−３５３５
【非特許文献２】Ｇ．Ｊ．Ｔｅａｒｎｅｙ、Ｂ．Ｅ．Ｂｏｕｍａ、Ｓ．Ａ．Ｂｏｐｐａｒｔ、Ｂ．Ｇｏｌｕｂｏｖｉｃ、Ｅ．Ａ．Ｓｗａｎｓｏｎ、およびＪ．Ｇ．Ｆｕｊｉｍｏｔｏ、「Ｒａｐｉｄ  ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ  ｏｆ  ｉｎ  ｖｉｖｏ  ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ  ｉｍａｇｅｓ  ｂｙ  ｕｓｅ  ｏｆ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ  ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ」、Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．、１９９６年、第１７巻、ｐ．１４０８−１４１０
【非特許文献３】Ｌ．Ｆ．Ｋｗｏｎｇ、Ｄ．Ｙａｎｋｅｌｅｖｉｃｈ、Ｋ．Ｇ．Ｃｈｕ、Ｊ．Ｐ．Ｈｅｒｉｔａｇｅ、およびＡ．Ｄｉｅｎｅｓ、「４００−Ｈｚ  ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｓｃａｎｎｉｎｇ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｄｅｌａｙ  ｌｉｎｅ」、Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．、１９９３年、第１８巻，ｐ．５８８−５６０
【非特許文献４】Ｎ．Ｇ．ＣｈｅｎおよびＱ．Ｚｈｕ、「Ｒｏｔａｒｙ  ｍｉｒｒｏｒ  ａｒｒａｙ  ｆｏｒ  ｈｉｇｈ−ｓｐｅｅｄ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ  ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ」、Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．、２００２年、第２７巻、ｐ．６０７−６０９
【非特許文献５】Ｘ．Ｌｉｕ、Ｍ．Ｊ．Ｃｏｂｂ、およびＸ．Ｌｉ、「Ｒａｐｉｄ  ｓｃａｎｎｉｎｇ  ａｌｌ−ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｄｅｌａｙ  ｌｉｎｅ  ｆｏｒ  ｒｅａｌ−ｔｉｍｅ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ  ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ」、Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．、２００４年、第２９巻、ｐ．８０−８２
【非特許文献６】Ｐ．Ｌ．Ｈｓｉｕｎｇ、Ｘ．Ｌｉ、Ｃ．Ｃｈｕｄｏｂａ、Ｉ．Ｈａｒｔｌ、Ｔ．Ｈ．Ｋｏ、およびＪ．Ｇ．Ｆｕｊｉｍｏｔｏ、「Ｈｉｇｈ−ｓｐｅｅｄ  ｐａｔｈ−ｌｅｎｇｔｈ  ｓｃａｎｎｉｎｇ  ｗｉｔｈ  ａ  ｍｕｌｔｉｐｌｅ−ｐａｓｓ  ｃａｖｉｔｙ  ｄｅｌａｙ  ｌｉｎｅ」、Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．、２００３年、第４２巻、ｐ．６４０−６４８
【非特許文献７】Ａ．Ｇｏｕｔｚｏｕｌｉｓ、Ｋ．Ｄａｖｉｅｓ、Ｊ．Ｚｏｍｐ、Ｐ．Ｈｒｙｃａｋ、およびＡ．Ｊｏｈｎｓｏｎ、「Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  ａｎｄ  ｆｉｅｌｄ  ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａ  ｈａｒｄｗａｒｅ−ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ  ｆｉｂｅｒ−ｏｐｔｉｃ  ｔｒｕｅ−ｔｉｍｅ−ｄｅｌａｙ  ｓｔｅｅｒｉｎｇ  ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  ｐｈａｓｅｄ−ａｒｒａｙ  ａｎｔｅｎｎａｓ」、Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．、１９９４年、第３３巻、ｐ．８１７３−８１８５
【非特許文献８】Ｋ．Ｄ．Ｍｅｒｋｅｌ、およびＷ．Ｒ．Ｂａｂｂｉｔｔ、「Ｏｐｔｉｃａｌ  ｃｏｈｅｒｅｎｔ−ｔｒａｎｓｉｅｎｔ  ｔｒｕｅ−ｔｉｍｅ−ｄｅｌａｙ  ｒｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ」、Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．、１９９６年、第１５巻、ｐ．１１０２−１１０４
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
（発明の要約）
本発明の例示的な実施形態は、光源と共に使用する光学的遅延線に関する。上記光学的遅延線は、光源に光学的に結合された入力／出力オプティクスと、光学的遅延線の縮閉円から計算された伸開曲線に基づく曲率を有する内側反射面を有する湾曲ミラーとを含む。入力／出力オプティクスは、縮閉円のエッジの接線である遅延線ビームの経路に沿って、光源からの光を配向する。湾曲ミラーは、縮閉円の軸の上に中心があり、遅延線ビームの経路に沿って進行する光を逆反射する。入力／出力オプティクスは、遅延線ビームの経路からの遅延光を、出力ビームの経路に沿って、光学的遅延線の外に配向する。入力／出力オプティクスのうちの少なくとも１つおよび／または湾曲ミラーは、縮閉円の軸のまわりを回転し、光学的遅延線の遅延を制御可能なように変動させる。
【００１１】
本発明の別の例示的な実施形態は、光源と共に使用する光学的遅延線に関する。上記光学的遅延線は、光源に光学的に結合された入力／出力オプティクスと、光学的遅延線の縮閉円から計算された伸開曲線に基づく曲率を有する外側反射面を有する湾曲ミラーとを含む。入力／出力オプティクスは、縮閉円のエッジの接線である遅延線ビームの経路に沿って、光源からの光を配向する。湾曲ミラーは、縮閉円の軸の上に中心があり、遅延線ビームの経路に沿って進行する光を逆反射する。入力／出力オプティクスは、遅延線ビームの経路からの遅延光を、出力ビームの経路に沿って、光学的遅延線の外に配向する。湾曲ミラーは、縮閉円の軸の回りを回転し、光学的遅延線の遅延を制御可能なように変動させる。
【００１２】
本発明の追加的な例示のための実施形態は、光源と共に使用する光学的遅延線に関する。上記光学的遅延線は、光源に光学的に結合された入力／出力オプティクスと、遅延線の縮閉曲線のまわりに中心があり縮閉曲線のエッジの接線である遅延線ビームの経路に沿って進行する光を逆反射する反射面を有する湾曲ミラーとを含む。入力／出力オプティクスは、光源からの光を遅延線ビームの経路に沿って配向し、遅延線ビームの経路からの遅延光を、出力ビームの経路に沿って、光学的遅延線の外に配向する。入力／出力オプティクスおよび／または湾曲ミラーは、縮閉曲線のまわりを選択された角速度で回転する。反射面は、入力／出力オプティクスおよび／または湾曲ミラーが回転するのに伴い、遅延線の遅延が所定の関数にしたがって変動するように、縮閉曲線から計算された、パラメトリックな曲線に基づく曲率を有している。
【００１３】
本発明のさらなる例示的な実施形態は、光源と共に使用する光学的遅延線に関する。上記光学的遅延線は、入力／出力手段と、光学的遅延線の縮閉円から計算された伸開曲線に基づく曲率を有する内側反射面を有する湾曲ミラーとを含む。入力／出力手段は、縮閉円のエッジの接線である遅延線ビームの経路に沿って、光源からの光を配向する。湾曲ミラーは、縮閉円の軸の上に中心があり、遅延線ビームの経路に沿って進行する光を逆反射する。入力／出力手段はまた、遅延線ビームの経路からの遅延光を、出力ビームの経路に沿って、光学的遅延線の外に配向する。入力／出力手段の少なくとも１つおよび／または湾曲ミラーは、縮閉円の軸のまわりを回転し、光学的遅延線の遅延を制御可能なように変動させる。
【００１４】
本発明のさらに別の例示的な実施形態は、光源と共に使用する光学的遅延線に関する。上記光学的遅延線は、入力／出力手段と、光学的遅延線の縮閉円から計算された伸開曲線に基づく曲率を有する外側反射面を有する湾曲ミラーとを含む。入力／出力手段は、縮閉円のエッジの接線である遅延線ビームの経路に沿って、光源からの光を配向する。湾曲ミラーは、縮閉円の軸の上に中心があり、遅延線ビームの経路に沿って進行する光を逆反射する。入力／出力手段はまた、遅延線ビームの経路からの遅延光を、出力ビームの経路に沿って、光学的遅延線の外に配向する。湾曲ミラーは、縮閉円の軸のまわりを回転し、光学的遅延線の遅延を制御可能なように変動させる。
【００１５】
上述の一般的な記述および以下の詳細な記述は例示的なものであり、本発明を制限するものではないことが理解される。
【００１６】
本発明は、添付の図面と関連させて読んだときに、以下の詳細な記述から、最もよく理解することができる。強調すべきことは、習慣にしたがって図面の様々な特性が一定の比率に拡大縮小されてはいないということである。これに反し、様々な特性の大きさは、明確化のため、任意に拡大または縮小されている。図面に含まれているのは、以下の図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
（本発明の詳細な記述）
一対の回転ミラーを有する伸開線反射器から構成され、数百ヘルツの繰り返し率においてナノ秒の遅延範囲を提供することが可能な、本発明の一実施形態である円形伸開線ステージは、本発明の発明者であるＪ．Ｚ．ＸｕおよびＸ．−Ｃ．Ｚｈａｎｇにより、論文「Ｃｉｒｃｕｌａｒ  Ｉｎｖｏｌｕｔｅ  Ｓｔａｇｅ」，Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．２９，２０８２〜２０８４（２００４）において記述されている。円形伸開線ステージの内部では、一対の回転ミラーが、入射光ビームを、伸開線反射器の縮閉円の接線にしたがう遅延線ビームの経路に沿って、伸開線反射器の上に誘導するために、用いられる。ミラーの対が円の中心のまわりを回転するとき、円と反射器との間の遅延線ビームの経路が変化し、可変性の遅延線を形成する。見かけ上単純ではあるが、ミラーを有するこの円形ステージは、実装とコンパクトな光学的システムにおける位置あわせ（ａｌｉｇｎ）とが、困難であり得る。追加的な例示のための実施形態は、位置あわせを単純化し、本発明の適用性を向上させ得る。この中では、耐久性のあるシステムを用いることが望ましい。
【００１８】
これらの対象とその他の対象とを実現するため、および、それらの目的に鑑みて、本発明の別の実施形態は、光学的な装置における使用に適合したコンパクトな円形伸開線の時間遅延線を提供する。遅延線は、遅延線の中および外に光ビームを結合するための結合オプティクスと、縮閉円を有する回転反射器と、円形伸開線のプロファイルを定義する外側表面とを有する。結合オプティクスの光学的エレメントは、反射器の外側表面に入射する光源からの光ビームを縮閉曲線の接線に沿って配向し、上記ビームは、逆反射される。一実施形態では、約２．５ｍｍの半径を有する縮閉円と約１５．７ｍｍから２３．６ｍｍまでの大きさを有する伸開線反射器とを含む、コンパクトな円形伸開線の時間遅延線が構成される。例示的な光学的遅延線に対し、これらの大きさは便宜的に選択され、他の大きさは所望のパラメータに依存して選択され得ることに注意されたい。
【００１９】
図１は、伸開曲線１００とそれに対応する縮閉円１０２とを図示している。背景として、数学では、平面曲線の伸開線は、曲線からの引っ張りのもとで、巻きが無く、たわみが無い、またはリジッドな、ひもの上の固定点の軌跡である。円の伸開線は、静止した糸巻きからのたわみの無い糸の端部によって記述される曲線である。そのような輪郭の例は、自然界では、オウムガイの断面である。円の伸開曲線のパラメータ方程式は、
【００２０】
【数１】
2007528613.tif 000003
である。ｘ，ｙは座標系のインデックスであり、ａは伸開曲線を形成するのに用いられる縮閉円の半径（図中では線分ＯＡ）であり、φは角ＸＯＡである。結果として、
【００２１】
【数２】
2007528613.tif 000004
を得る。
【００２２】
このため、伸開曲線１００の点Ｐにおける接線（線分ＰＱ）は、すべての回転角φに対して半径の線分ＡＯと平行である。このため、線分１０４は、縮閉円１０２の点Ａにおける接線であり、伸開曲線１００の点Ｐにおける法線でもある。このことは、光ビームが線分１０４に沿って点Ａから伸開曲線１００上の入射点である点Ｐまで行く場合、光ビームは、線分１０４に沿って反対方向に逆反射されるということ、すなわち、点Ｐから点Ａまで直接的に返されるということを意味する。
【００２３】
縮閉円１０２から伸開円１００までの線分１０４に沿った距離はａφであり、縮閉円の半径と回転角とに比例する。光学的遅延線は、光ビームを円の接線に沿って誘導するための、縮閉円１０２のエッジに沿って回転するミラーと、伸開線１００の形で形成された湾曲ミラーに入射する線分１０４とを用いて形成され得る。そのような遅延線の結果として生じる往復の遅延範囲は、回転周期につき４πａである。本発明の様々な例示的な実施形態は、以下では光学的パルスと関連して記述されるが、これと同様に、本発明の光学的遅延線が、連続的な光源と共に用いられ得ることが予測される。
【００２４】
本発明の例示的な実施形態の１つは、図２に図示されている光学的遅延線２００である。上記光学的遅延線２００は、伸開線反射器、湾曲ミラー２１６、光学的パルスまたはその他の光源に対して時間遅延線を実施するための一対の回転ミラー２０６および２１０を用いる。図示を単純にするため、図２には湾曲ミラー２１６の一部のみが示されていることに注意されたい。当業者は、湾曲ミラー２１６は、望ましくは縮閉円２１２のまわり２πの全角度範囲にわたって延びていることを理解し得る。この例示的な光学的遅延線は、長い走査、高い繰り返し率、および線形な範囲を提供する。図１に関連して上記で議論されたように、このような遅延線の遅延範囲は、回転角（２π周期）と、縮閉円２１２の半径とに比例する。このため、例示的な光学的遅延線２００は、任意の長い走査範囲を提供する。また、例示的な光学的遅延線２００は、高い走査速度をも提供する。
【００２５】
例示的な光学的遅延線２００は、パルス化光源（図示されず）からの光のパルスを遅延線ビームの経路２１４に沿って配向し、遅延線ビームの経路２１４からの遅延された光のパルスを出力ビームの経路２１８に沿って光学的遅延線２００の外に配向するための入力／出力オプティクスと、内側反射面を有する湾曲ミラー（一部は２１６に示されている）とを含む。入力／出力オプティクスは、ビームスプリッタ２０４と、縮閉円２１２の中心に配置された第１のミラー２０６と、縮閉円２１２のエッジの上に配置された第２のミラー２１０とを含む。
【００２６】
図２に図示されているように、光のパルスは、入来ビームの経路２０２に沿って光学的遅延線２００に入る。入来ビームの経路２０２は、望ましくは縮閉円２１２の軸と同軸であり、ビームスプリッタ２０４を通過する。パルスは、縮閉円２１２の軸に沿って進み続け、第１のミラー２０６によって反射される。図２において、第１のミラー２０６は、縮閉円２１２の平面を約４５°で貫くように配置されており、半径２０８に沿ってパルスを配向する。第２のミラー２１０は、縮閉円２１２のエッジにおいて、半径２０８の端部に配置されており、望ましくは、半径２０８に沿って進行するパルスが約４５°の角度で入射し、これらのパルスを光学的遅延線の経路２１４、すなわち縮閉円２１２の接線に沿って反射するように、位置あわせされている。この例示的な実施形態において、第１のミラー２０６と第２のミラー２１０とは、望ましくは、両ミラーの位置あわせを維持するように、リジッドに連結されている。代替的な実施形態において、第１のミラー２０６は縮閉線２１２の平面の上方または下方に配置され、この場合、縮閉円２１２の軸の第１のミラー２０６に対する望ましい角度は、約４５°よりも小さいまたは大きいことに注意されたい。このとき、光のパルスは、縮閉円２１２の軸に垂直であってこの軸を通る平面におけるビームの経路に沿って、第２のミラー２１０まで進行する。第２のミラー２１０は、望ましくは、パルスが遅延線ビームの経路に沿って配向され得るように、傾けられている。このため、第２のミラー２１０上における光のパルスの入射角は、この代替的な実施形態においても約４５°を維持する。
【００２７】
湾曲ミラー２１６の内側反射面は、望ましくは、縮閉円２１２から計算された伸開曲線に基づく曲率を有する。加えて、例示的な光学的遅延線２００において、湾曲ミラー２１６の内側反射面は、縮閉円２１２に垂直な平面において平面状の断面形状を有する。このため、上記で図１を参照して記述されたように、遅延線ビームの経路２１４は、遅延線光ビームの経路２１４が入射する曲線上の点の位置とは無関係に、湾曲ミラー２１６の内側反射面に法線方向から入射する。このため、パルスは、湾曲ミラー２１６から逆反射され、遅延線光ビームの経路２１４に沿って第２のミラー２１０まで返され、その後、半径２０８に沿って第１のミラー２０６まで返され、さらにその後、縮閉円２１２の軸に沿ってビームスプリッタ２０４まで返される。ビームスプリッタ２０４は、遅延したパルスを、出力ビームの経路２１８に沿って、例示的な光学的遅延線２００の外に結合する。
【００２８】
例示的な光学的遅延線２００によってもたらされる遅延の大きさは、図２に示されているように縮閉円２１２の軸のまわりで第１のミラー２０６と第２のミラー２１０とを回転させることにより、変動し得る。これらのミラーは、第１および第２のミラーが回転する一方で、望ましくは互いがリジッドに連結されているため、遅延線ビーム２１４は、縮閉円２１２の接線に沿い、湾曲ミラー２１６の法線であり続ける。第１のミラー２０６と第２のミラー２１０とを回転させるため、望ましくは、コンピュータまたはその他のプロセッサによって制御され得る高精度の回転ステージ（図示されず）が用いられ得る。プロセッサは、望ましくは、高精度かつ制御可能な回転ステージの回転速度を制御し、これにより、光学的遅延線の遅延の変化のレートを制御し得る。回転ステージは、連続的な走査モードまたはステップ付き回転モードにおいて動作され得ることに注意されたい。
【００２９】
代替的に、湾曲ミラー２１６は、第１のミラー２０６と第２のミラー２１０とが固定される一方で、縮閉円２１２の軸のまわりで回転し得る。湾曲ミラー２１６を回転させることにより、第１および第２のミラーが回転しているときに両ミラーの位置あわせを維持することに関連する、いくつかの困難を容易にし得る。また、湾曲ミラー２１６のみが縮閉円の軸のまわりを回転している場合、第１のミラー２０６を省略し、ビームスプリッタ２０４とミラー２１０とを縮閉円の接線に沿って以下のように位置あわせすることが望ましくあり得る。ｉ）ビームスプリッタからの光のパルスは、遅延線ビームの経路２１４に沿い、ミラー２１０によって直接的に反射され、ｉｉ）遅延された光のパルスは、ビームスプリッタから直接的にビームスプリッタに返される。
【００３０】
しかしながら、多くの場合において、湾曲ミラー２１６の慣性モーメントが第１および第２のミラーを含むアセンブリの慣性モーメントよりも顕著に大きいことに注意されたい。この増加した慣性モーメントは、湾曲ミラー２１６の実際の回転速度の最大値を制限し、これにより、その中で湾曲ミラーが回転するような例示的な光学的遅延線の繰り返し率の最大値を制限し得る。
【００３１】
加えて、湾曲ミラーが回転する場合でも、第１および第２のミラーが回転する場合でも、回転コンポーネントをバランスあわせし、もしバランスあわせをしないと生じ得るようなぐらつき（ｗｏｂｂｌｉｎｇ）を低減させることが望ましい。湾曲ミラー２１６と、第１のミラー２０６および第２のミラー２１０との両方を、回転させることが可能であることにも注意されたい。これらのコンポーネントが、低減された絶対回転速度を維持する一方で、反対の方向に回転する場合、繰り返し率は、増加され得る。
【００３２】
本発明による例示的な光学的遅延線の遅延距離および遅延分解能は、
【００３３】
【数３】
2007528613.tif 000005
である。ここに、Ｄおよびｄは、それぞれが遅延距離および遅延分解能であり、Δφおよびδφは、それぞれが回転角および角分解能である。伸開線ステージの回転角の関数としての相対時間遅延（ｒｅｌａｔｉｖｅ  ｔｅｍｐｏｒａｌ  ｄｅｌａｙ）は、
【００３４】
【数４】
2007528613.tif 000006
である。ここに、ｃは光速である。
【００３５】
例えば、伸開円の半径ａが５ｃｍに設定された場合、１つの円回転に対する全走査範囲は、６２．８ｃｍである。遅延線の分解能は、連続走査モードに対する信号獲得時間、あるいは、離散走査モード、ステップ付き回転モードに対する回転ステージの角分解能に依存する。この例では、１°の回転は１．７ｍｍの遅延距離を表す。１０−３°またはそれよりも良好な分解能を有する回転ステージは、距離では１．７μｍまたは時間では５．７ｆｓの遅延分解能を示し得る。
【００３６】
走査の繰り返し率が回転ステージの角速度に依存することに注意されたい。例えば、６０００ｒｐｍの角速度が用いられる場合、例示的な光学的遅延線の繰り返し率は１００Ｈｚに達し、あるいは、１００，０００ｒｐｍの角速度の高速回転ステージが用いられる場合、１ＫＨｚよりも大きな繰り返し率が達成され得る。
【００３７】
回転ステージの角分解能と光ビームの発散という２つのファクターが、本発明による例示的な光学的遅延線の時間分解能を制限し得る。上記光ビームは、レーザビームであることが望ましい。ステップ制御されたモーターが、回転ミラーの対２０６および２１０に対する回転ステージとして用いられるとき、角分解能は、モーターによって決定される。１ミリ度（ｍｉｌｌｉｄｅｇｒｅｅ）と同程度の小さな角分解能を提供する商用の回転ステージが、利用可能である。この角分解能は、１メートルの遅延範囲を有する例示的な光学的遅延線に対しては、９ｆｓの時間分解能に対応する。一方、回転ミラーの対が連続的に運動すると、角分解能は、信号獲得の迅速さによって決定され得る。信号獲得の迅速さは、任意のタイプの遅延ステージに対する制限である。このため、８０ＭＨｚの繰り返し率を有するフェムト秒（ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ）のレーザは、１０ｆｓの時間分解能が要求される場合、２４０Ｈｚで１メートルの遅延範囲を有する例示的な光学的遅延線をサポートし得る。
【００３８】
ビームスポットの異なるパーツが、わずかに異なる長さを有する伸開線反射器の異なる部分に入射するとき、光ビームの発散角もまた、時間分解能を制限し得る。ビームの発散角によって制限される時間分解能は、
【００３９】
【数５】
2007528613.tif 000007
のように表され得る。ここに、δφは光ビームの発散角である。例えば、１メートルの遅延範囲を提供するａ＝８ｃｍの場合、１ｆｓよりも良好な時間分解能を取得するには、３６ｍｒａｄよりも小さな発散角が必要である。この値は、ほとんどのフェムト秒のレーザシステムにとっては、妥当なものであり得る。
【００４０】
関連した論点は、湾曲ミラー２１６の曲率についてである。湾曲ミラー２１６の内側反射面は、遅延線の光学的経路２１４の法線であるが、内側反射面の曲線の各点において、いくつかの曲率を有する。このため、パルス反射の上には、いくつかの焦点が存在し得る。伸開曲線の半径は、
【００４１】
【数６】
2007528613.tif 000008
である。
【００４２】
等式（６）は、湾曲ミラー２１６の各点における伸開曲線の半径が、遅延線ビームの経路２１４の長さに等しいということを示している。結果として、入力ビームが、シリンダーレンズまたはその他の補償用光学的エレメント（図示されず）により、第２のミラー２１０に焦点あわせされる場合、湾曲ミラー２１６からの逆反射ビームは、同じ点に焦点あわせされ得る。よって、湾曲ミラー２１６からの反射したビームの発散は、例示的な光学的遅延線２００において容易に補償され得る。上記で記述されたように、この光ビームの発散は、遅延分解能を制限し得るが、その他のファクターは、これを上回り得る。例えば、遅延ステージがメートル範囲の遅延距離を有する場合、ビームの発散による遅延分解能は、回転分解能およびデータ獲得速度による遅延分解能に比べて、それほど顕著ではない。
【００４３】
図３は、光ファイバー３０４によって結合された２つのレンズ３０２と３０６とを含む、代替的な例示のための光学的遅延線３００を図示している。上記レンズは、望ましくはグレーデッドインデックス（ＧＲＩＮ；ｇｒａｄｅｄ  ｉｎｄｅｘ）レンズ、または、光ファイバーの中または外に光を結合させるために一般的に用いられるその他のタイプのレンズであり得る。例示的な光ファイバーリンクは、例示的な光学的遅延線の入力／出力オプティクスにおける第１のミラー２０６および第２のミラー２１０の位置に用いられる。光ファイバーリンクを用いることにより、遅延線の位置あわせを容易にし得る。第１のＧＲＩＮレンズ３０２は、光ファイバー３０４とビームスプリッタ２０４との間の光学的結合を向上させ得るが、このコンポーネントなしに適切な結合が達成される場合には、省略され得る。第２のＧＲＩＮレンズ３０６は、図２の例示的な実施形態に関連して上記で記述されたように、湾曲ミラー２１６の曲率に対する補償を望ましくは提供し得る。図２の例示的な実施形態にあるように、入力／出力オプティクス、すなわちファイバーリンク、または、湾曲ミラーのどちらかは、遅延距離を変動させるために回転され得る。図３において、第１のＧＲＩＮレンズ３０２は、縮閉円２１２の軸の上に配置されたものとして図示されてはいるが、湾曲ミラー２１６が遅延距離を変動させるために回転させられる場合にのみ、このファイバーリンクの端部は、望ましくは、パルスをその中または外に結合させるのに都合の良い任意の位置に配置され得ることに注意されたい。加えて、マルチポートのファイバー結合器がビームスプリッタ２０４として用いられ、光ファイバー３０４に直接的に結合され得ることに注意されたい。
【００４４】
例示的な光学的遅延線３００と同様に、例示的な光学的遅延線２００における第１および第２のミラーは、平面状の導波路構造によって置換され得る。この例示的な平面状の導波路構造は、縮閉円の軸の上に配置され、ビームスプリッタに光学的に結合された第１の端部と、縮閉円のエッジの上の第２の端部とを有する。平面状の導波路構造の第２の端部は、望ましくは、ｉ）光のパルスを遅延線ビームの経路２１４に沿って湾曲ミラー２１６まで配向し、ｉｉ）湾曲ミラー２１６によって反射された光の遅延したパルスを受信するように配置され得る。
【００４５】
図４は、本発明の別の実施形態の切断図を図示している。この例示的な光学的遅延線において、湾曲ミラー４０６（断面で図示されている）は、縮閉円に垂直な平面において山型の断面形状を有する内側断面を有する。光源からの光は、入来ビームの経路２０２に沿って光学的遅延線の中に結合される。上記入来ビームの経路２０２は、望ましくは、第１の側から、縮閉円の軸に続いて行く。入来光は、この側から、縮閉円の中心にある第１のミラー４００の上に入射する。第１のミラー４００は、この側の縮閉円の半径に沿って光を反射するように配置される。その後、縮閉円のエッジの上にある第２のミラー４０２は、遅延線ビームの経路の第１のアーム４０４に沿って、縮閉円の第１の半径からの光を、湾曲ミラー４０６まで反射する。図４に示されているように、湾曲ミラー４０６の山型の断面は、平行な経路、すなわち上記遅延線ビームの経路の第２のアーム４０８に沿って、上記の光を反射して返す。上記第２のアーム４０８は、第１のアーム４０４から、縮閉円の軸に平行な方向にオフセットしている。その後、第２のミラー４０２は、遅延線ビームの経路の第２のアーム４０８の上を返る遅延光を、円の第２の側にある縮閉円の半径に沿って、反射する。この縮閉円の第２の側の半径は、第１の側の半径と平行であり、縮閉円の軸に平行な方向にオフセットしている。第３のミラー４１０は、第２の側の縮閉円の中心に配置されており、第２の半径からの遅延光を、出力ビームの経路２１８に沿って反射する。出力ビームの経路２１８は、第２の側から、縮閉円の軸に沿って延びている。ミラー４０２が小さな２つのミラーに分離され、各々が縮閉円の側のうちの１つに光を反射するよう配置され得ることに注意されたい。
【００４６】
この例示的な光学的遅延線は、望ましくは、その中を通過する光学的パルスのような光を、分離したビーム経路にある光学的遅延線の中または外に結合し、ビームスプリッタに対する要求を緩和する。既に記述された例示的な実施形態のように、入力／出力オプティクスまたは湾曲ミラーのどちらかが回転し得る。当業者はまた、山型の断面形状を有する反射面を有する湾曲ミラーを用いた本発明の例示的な実施形態が、光ファイバーをベースとした入力／出力オプティクス（２つの光ファイバーリンクを含み得る）と、平面状の導波路をベースとした入力／出力オプティクス（２つの平面状の導波路構造を含み得る）と共に用いられ得ることを理解し得る。
【００４７】
図５は、本発明の様々な実施形態において用いられ得る別の例示的な湾曲ミラー５００に関する平面図である。特に、この実施形態は、高い繰り返し率が望ましいアプリケーションに対しての有用さを示し得る。例示的な湾曲ミラー５００は、整数Ｎ個の実質的に同一な断面５０２を含む。例示的な湾曲ミラー５００において、Ｎ＝１６である。この個数の断面は、単に例示のためのものであり、限定を意図していない。実質的に同一な断面５００各々の曲率は、θ０からθ０＋２π／Ｎの範囲の角度にわたって縮閉円から計算された伸開曲線に基づいている。この反射器の配列は、例示的な光学的遅延線の繰り返し率を、ファクターＮによって高めるのに用いられ得る。同時に、例示的な湾曲ミラー５００のような実質的に同一な複数の断面を含む湾曲ミラーを用いることは、遅延の範囲を、ファクターＮにより低減する。
【００４８】
図１ならびに等式１および等式２は、縮閉円１０２の接線である線分１０４が伸開曲線１００への内側からの法線方向の入射であると言うことの幾何学的原理を示している。図６に図示されているように、この線分の延長はまた、伸開曲線１００の外側への法線方向の入射でもある。また、伸開曲線の外側から上記線分に沿った固定点まで延びる遅延線ビームの経路の長さが、既に記述された実施形態における内側遅延線ビームの経路２１４と同様に線形的に変動し、一方で、逆符号の傾斜を有することが、理解される。遅延の傾斜の符号は、回転コンポーネントの回転の向きを反転することによって変化し得ることに注意されたい。本発明の別の実施形態である例示的な光学的遅延線６００は、これらの事柄を用ることにより、本発明の他の例示的な実施形態のいくつかに比べてより安定であってより容易に位置あわせされ得るコンパクトな遅延線を生成し得る。
【００４９】
図２，図３，および図４に示されているような、内側反射面に向けて光ビームを配向するミラーを有しているこの円形ステージは、位置あわせと取り扱いの複雑さのため、コンパクトな光学的システムに実施することが困難であり得る。図６の実施形態において、これら困難さのいくつかは低減され得る。上記実施形態は、単純かつ位置あわせが容易であり、例えば速度、線形性、およびゼロ・バックラッシュのような、伸開ステージの利点に関する特性を有する。
【００５０】
図６の例示的な実施形態において、入力／出力オプティクスは、ビームスプリッタ２０４のみを含むように単純化されている。ビームスプリッタ２０４は、入来ビームの経路２０２に沿って進行するパルスを遅延線ビームの経路６０２に結合し、遅延線ビームの経路からの遅延したパルスを出力ビームの経路２１８に結合する。伸開曲線１００に基づく曲率の外側反射面を有する湾曲ミラーは、縮閉曲線１００の軸のまわりを回転し、遅延線ビームの経路６０２の長さを変動させ得る。例示的な光学的遅延線６００の例示的な湾曲ミラーは、しっかりとした構造（ｓｏｌｉｄ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）として形成され、そのサイズを大きくすることなしに機械的安定性を向上させ得る。また、上記湾曲ミラーは、除去することによって湾曲ミラーをバランスあわせをし、回転の間の回転ステージにおけるぐらつきおよび／または応力を低減するような、内部を有し得る。
【００５１】
入力／出力オプティクスが、望ましくは収束オプティクスをも含み、縮閉円に平行な平面において、湾曲ミラー１００の外側反射面の曲率を実質的に補償し得ることに注意されたい。図１に関連して上記で議論されたように、縮閉円の平面において発散する、縮閉円１０２のエッジ上の点からの、縮閉円の接線に沿った光ビームは、伸開曲線に形成された内側反射面から逆反射されたときに、上記の点に焦点あわせされて返される（ｆｏｃｕｓｅｄ  ｂａｃｋ）。縮閉円１０２のエッジ上の縮閉円の接線に沿った点において縮閉円の平面に焦点あわせされる光ビームが、光学的経路の反転性により、伸開曲線１００に形成される外側反射面によって逆反射され、上記の面に入射したとき、発散するのと同じ角度で収束することに、注意されたい。このため、単純なシリンダー状レンズは、湾曲ミラーが回転する際にすべての角度にわたって縮閉曲線１００に基づき外側反射面を用いて形成され得る、湾曲ミラーの曲率に対する補償を、提供し得る。
【００５２】
内部反射面を有する湾曲ミラーを伴う例示的な実施形態と同様に、例示的な光学的遅延線６００の例示的な湾曲ミラーは、縮閉円に垂直な平面において、平面状の断面形状または山型の断面形状を有し得る。また、複数の断面を有する図５に図示されているような湾曲ミラーが外側反射面を用いて形成され、例示的な光学的遅延線６００において用いられ得ることに注意されたい。
【００５３】
図７は、本発明による例示的な光学的遅延線に用いられ得る別の例示的な湾曲ミラー７００を図示している。例示的な湾曲ミラー７００の伸開反射器７０２は、ループ１つぶんにわずかに満たない地点まで延びている（すなわち、上記伸開反射器７０２は、θ０からθ０＋２π−εの角度範囲を有する）。フォトダイオードのような検出器７０４は、伸開線反射器７０２の始点と終点との間の角度のギャップに配置されている。検出器７０４は、まず各回転円における光を検出し、回転レートを追跡するのに用いられ得る信号を提供する。この信号は、ロックイン増幅器またはオシロスコープのような記録機器をトリガするか、光学的遅延線の繰り返し率の制御を補助するのに用いられる。複数の検出器を順応させ、繰り返し率に関するより正確なフィードバック制御と光学的遅延線の線形性とを提供するために、湾曲ミラーの反射面に１つ以上のギャップが形成されることに注意されたい。また、検出器は、図６に図示されているような外側反射面を有する湾曲ミラーにも実施され得る。
【００５４】
本発明の様々な実施形態は、パラメトリックな曲線に基づく曲率を有する反射面を有する湾曲ミラーに基づいた光学的遅延線を記述している。このパラメトリックな曲線は、例えば円のような縮閉円から計算され得る。このパラメトリックな曲線は、入力／出力オプティクスのうちの少なくとも１つまたは湾曲ミラーが縮閉曲線の軸のまわりを選択された各速度で回転するとき、例えば鋸歯関数（ｓａｗｔｏｏｔｈ  ｆｕｎｃｔｉｏｎ）のような所定の関数にしたがって変動する遅延を有する光学的遅延線を導出する。上記の記述は、縮閉円から計算された伸開曲線に基づく湾曲ミラーを含んできたが、例示的な光学的遅延線であって、その中での遅延が非線形であり得る他の関数にしたがって変動するような光学的遅延線は、パラメトリックな曲線と縮閉円とを適切に選択することによって設計され得る。そのような非線形な遅延線は、いくつかのタイムスケールで重要な現象が発生し得る時間分解の化学実験において、有用であり得る。
【００５５】
本発明の例示的な光学的遅延線は、その他のタイプの光学的遅延線の上に数多くの利点を提示する。それら利点は、以下を含む。遅延の補正するためのアルゴリズムを必要とせず回転角（２π周期）に線形的に比例する時間遅延。キロヘルツ範囲の高い繰り返し率と（数メートルまでの）長い走査範囲とを有する時間遅延。バックラッシュまたはヒステリシスの発生を有さない遅延ステージ。時間遅延を生成するため、逆反射器の走査よりも小さな出力を用いることにより、光ビームの走査によって、長い範囲の走査が実行されるということ。ミラーが動く距離の２倍である光学的走査の距離。
【００５６】
上記では、特定の実施形態を参照して図示および記述がなされたが、本発明は、示された詳細に制限することを意図されてはいない。むしろ、請求項の等価物の目的および範囲の中の詳細において、本発明の精神から逸れることなしに、様々な改変が行われ得る。例えば、本明細書では、広く列挙された範囲のすべてが、広い範囲に含まれるような狭い範囲の目的を含むことが、明確に意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】図１は、伸開曲線と対応する縮閉曲線とを図示したグラフである。
【図２】図２は、本発明による内側反射面を有する例示的な光学的遅延線を図示したスキーム的透視図である。
【図３】図３は、本発明による内側反射面を有する代替的な例示のための光学的遅延線を図示したスキーム的透視図である。
【図４】図４は、本発明による山型断面を有する内側反射面を有する例示的な光学的遅延線を図示した横方向の切断図である。
【図５】図５は、本発明による例示的な光学的遅延線と共に用いられ得る複数の断面を有する例示的な湾曲ミラーを図示した平面図である。
【図６】図６は、本発明による外側反射面を有する例示的な光学的遅延線を図示した平面図である。
【図７】図７は、本発明による例示的な光学的遅延線と共に用いられ得る一体型検出器を有する別の例示的な湾曲ミラーを図示した平面図である。
【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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【国際調査報告】
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