(57)【要約】【課題】  電磁ノイズの影響を受けにくくしながら簡単な構成にすることのできる波長計測装置及び波長算出方法を提供する。【解決手段】    光源１からの光はスプリッタ２に入射後、最初に光ファイバ３に入光され、この光ファイバ３に設けられたＦＢＧ３ａ，３ｂ，３ｃからの反射光は、スプリッタ２に戻される。この戻り光は光ファイバ５を経てプリズム６に入射され、プリズム６で分光された光がＣＣＤ撮像素子アレイ７に照射される。その後、スプリッタ２により光ファイバ４が選択され、そのＦＢＧ４ａ，４ｂからの反射光がプリズム６で分光された後、ＣＣＤ撮像素子アレイ７に照射される。ＣＣＤ撮像素子アレイ７は、プリズム６からの光を受光強度に応じた電気信号にして出力する。この電気信号を処理することで、ＦＢＧ３ａ〜３ｃ，４ａ，４ｂからの反射光の波長を算出できる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源からの光が入射される入力端、前記入力端からの光が選択された側に出射される第１及び第２の入出力端、及び前記第１又は第２の入出力端からの光を出射する出力端を備えるスプリッタと、
前記第１及び第２の入出力端に結合された第１及び第２の光伝送路と、
前記第１の光伝送路上に形成された複数の光ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）素子からなる計測対象の第１のＦＢＧ系列と、
前記第２の光伝送路上に形成された複数のＦＢＧ素子からなる基準用の第２のＦＢＧ系列と、
前記スプリッタを経由してきた前記第１のＦＢＧ系列又は前記第２のＦＢＧ系列からの反射光を分波して出射する波長分波手段と、
複数の撮像素子がライン状に配設され、前記波長分波手段からの出射光を受光する撮像素子アレイとを備えることを特徴とする波長計測装置。
【請求項２】
前記複数の撮像素子は、それぞれが１５００ｎｍの波長帯に高い感度を示す特性を持つことを特徴とする請求項１記載の波長計測装置。
【請求項３】
前記波長分波手段は、プリズム又は波長分配器であることを特徴とする請求項１記載の波長計測装置。
【請求項４】
前記第２のＦＢＧ系列は、一定の温度に管理された温度雰囲気中に設置されることを特徴とする請求項１記載の波長計測装置。
【請求項５】
前記第２のＦＢＧ系列は、その波長列を４０ｎｍの波長範囲にすることを特徴とする請求項１記載の波長計測装置。
【請求項６】
前記撮像素子アレイは、前記撮像素子アレイによる光電変換信号に基づいて前記第１及び第２のＦＢＧ系列の各反射光の波長の真値を算出する処理手段が接続されていることを特徴とする請求項１記載の波長計測装置。
【請求項７】
光伝送路上に複数のＦＢＧ素子が配置された計測対象の第１のＦＢＧ系列と、光伝送路上に複数のＦＢＧ素子が配置された基準用の第２のＦＢＧ系列とを順次選択して光源からの光を入射し、
前記第１及び第２のＦＢＧ系列からの反射光を分波し、
複数の撮像素子がライン状に配設された撮像素子アレイ上に前記分波した反射光を入射して前記複数の撮像素子に対する受光強度を求め、
前記複数の撮像素子の内で最大受光強度Ａになった撮像素子を見いだし、
前記最大受光強度Ａの１／２の受光強度Ｂに対して最も近い受光強度の撮像素子を、前記Ａ／２の受光強度Ｂの上下、及び前記最大受光強度Ａの撮像素子の両側について特定し、
前記受光強度Ｂの上下にある撮像素子間の受光強度が前記撮像素子アレイ上で前記受光強度Ｂになる撮像素子の位置を前記最大受光強度Ａの撮像素子の両側について特定し、
前記特定した両側の撮像素子の位置の和を１／２にした位置を受光強度のピーク真値にすることを特徴とする波長算出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長計測装置及び波長算出方法に関し、特に、ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating:光ファイバブラッググレーティング）素子の反射波長を計測するに際し、外部からの電気ノイズの影響を低減できるようにした波長計測装置及び波長算出方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光部品や光装置の波長を計測するための波長計測装置として、例えば、発光素子からの光を光カプラ／スプリッタを介して多数のＦＢＧ（光ファイバのコア中に回折格子を形成し、光フィルタとしての機能を持たせた光ファイバ型デバイス）が設けられた光ファイバに導き、各ＦＢＧからの反射光の波長を前記光カプラ／スプリッタを介して、アレイ導波路格子（ＡＷＧ）及びｎ個のフォトダイオード（ＰＤ）に順次入光させ、ｎ個のＰＤからの出力信号を信号処理部（電流電圧変換器、Ａ／Ｄ変換器、及びマイコンからなる。）で処理して波長を計測し、反射光スペクトラムを求めるものがある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
また、半導体製造装置等においては、レーザ光源にエキシマレーザが用いられている。この場合、エキシマレーザに適した縮小投影レンズの材料としては、色収差補正の設計が難しい合成石英や蛍石に限られるため、色収差を無視できる程度にまでレーザ光を狭帯域化すると共に、レーザ光の波長を高精度に維持する必要がある。
【０００４】
そこで、レーザ光の波長を高精度に維持するための波長検出方法が提案されている。まず、レーザ光の波長が目標発振波長より大きくずれているか否かの検出は、前記光軸上の第１の位置で分岐したレーザ光源からの光に基準光源からの光を合成し、合成して得られた第１の合成光をグレーティング型分光器により回折させ、その回折光をＣＣＤ（電荷結合素子）に入射させ、その基準光の結像位置とレーザ光の結像位置とのずれ量からレーザ光の波長を検出することができる（例えば、特許文献２参照。）。
【特許文献１】特開２００３−２１５７６号公報（図１、図２）
【特許文献２】特開２００３−１８５５０２号公報（段落番号００２０〜００４７、図１、図２、図９）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来の波長計測装置によると、一般に１５００ｎｍ帯の波長に感度を持つＰＤが受光素子として用いられ、そのアナログ出力信号をＡ／Ｄ変換器を用いてデジタル信号に変換しているため、特許文献１の図１の構成のように、ｎ個のＰＤを用いた場合、ＰＤの実装スペースが大きくなり、各ＰＤから後段の回路までのラインが長くなることは避けられず、電磁ノイズの影響を受けやすくなり、波長計測値に誤差が出やすくなる。特に、波長計測装置は、機械室や電気室等の室内に設置されることが多いため、同室内に設置された無停電電源装置（ＵＰＳ）、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、作業者等が所持する携帯電話等の電子機器から放射される電磁ノイズを受けやすい。
【０００６】
また、特許文献１の図２の構成のように、可変ファブリペロフィルタを用いてＰＤに光を入射させることでＰＤの使用数を１個にできるが、可変ファブリペロフィルタが必須になると共に、可変ファブリペロフィルタの波長を可変させるための駆動回路を必要とし、装置コストが高くなる。更に、基準源が無いことから、正確な波長計測は難しい。
【０００７】
また、従来の波長計測方法によると、この方法を達成する装置は、検出用の受光素子にＣＣＤが用いられているため、電磁ノイズの影響は受けにくくるが、デジタルカメラ等に用いられるのと同じイメージサイズのＣＣＤを用いるため、干渉縞像の処理が複雑になる。更に、方法の実現のためには、基準光源のほか、多数の光部品、特殊な光部品等を必要とする複雑な構成であるため、コストアップになる。
【０００８】
したがって、本発明の目的は、電磁ノイズの影響を受けにくくしながら簡単な構成にすることのできる波長計測装置及び処理の簡単な波長算出方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記の目的を達成するため、第１の特徴として、光源と、前記光源からの光が入射される入力端、前記入力端からの光が選択された側に出射される第１及び第２の入出力端、及び前記第１又は第２の入出力端からの光を出射する出力端を備えるスプリッタと、前記第１及び第２の入出力端に結合された第１及び第２の光伝送路と、前記第１の光伝送路上に形成された複数の光ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）素子からなる計測対象の第１のＦＢＧ系列と、前記第２の光伝送路上に形成された複数のＦＢＧ素子からなる基準用の第２のＦＢＧ系列と、前記スプリッタを経由してきた前記第１のＦＢＧ系列又は前記第２のＦＢＧ系列からの反射光を分波して出射する波長分波手段と、複数の撮像素子がライン状に配設され、前記波長分波手段からの出射光を受光する撮像素子アレイとを備えることを特徴とする波長計測装置を提供する。
【００１０】
この構成によれば、計測対象の第１のＦＢＧ系列及び基準用の第２のＦＢＧ系列からの反射光が波長分波手段により分波された後、撮像素子アレイに受光され、その光−電気変換信号から反射光の受光強度を把握でき、この受光強度の最大値に基づいて各反射光の波長の算出を行うことができるため、特殊な光部品も用いず、使用部品数も少なくできるため、構成を簡略化することができる。更に、撮像素子がライン状に配設された撮像素子アレイはラインを短くできるため、電磁ノイズの影響を受けにくくなる。
【００１１】
本発明は、上記の目的を達成するため、第２の特徴として、光伝送路上に複数のＦＢＧ素子が配置された計測対象の第１のＦＢＧ系列と、光伝送路上に複数のＦＢＧ素子が配置された基準用の第２のＦＢＧ系列とを順次選択して光源からの光を入射し、前記第１及び第２のＦＢＧ系列からの反射光を分波し、複数の撮像素子がライン状に配設された撮像素子アレイ上に前記分波した反射光を入射して前記複数の撮像素子に対する受光強度を求め、前記複数の撮像素子の内で最大受光強度Ａになった撮像素子を見いだし、前記最大受光強度Ａの１／２の受光強度Ｂに対して最も近い受光強度の撮像素子を、前記Ａ／２の受光強度Ｂの上下、及び前記最大受光強度Ａの撮像素子の両側について特定し、前記受光強度Ｂの上下にある撮像素子間の受光強度が前記撮像素子アレイ上で前記受光強度Ｂになる撮像素子の位置を前記最大受光強度Ａの撮像素子の両側について特定し、前記特定した両側の撮像素子の位置の和を１／２にした位置を受光強度のピーク真値にすることを特徴とする波長算出方法を提供する。
【００１２】
この方法によれば、各反射波の最大受光強度に対応する撮像素子を見いだし、その撮像素子の両側の撮像素子で最大受光強度Ａの１／２の受光強度Ｂに最も近い受光強度の撮像素子を特定し、更に、上下の撮像素子の１／２の受光強度における撮像素子位置を最大受光強度の撮像素子の両側について求め、それぞれの和の１／２の位置を受光強度のピーク真値とすることにより、処理を簡単にすることができると共に、ライン状に複数の撮像素子が配設された撮像素子アレイを用いて簡単な構成により本発明の波長算出方法を実現することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の波長計測装置によれば、特殊な光部品も用いず、使用部品数も少なくでき、また、撮像素子にＣＣＤ撮像素子アレイ等のアレイ型を用いることで、構成を簡略化及び低コスト化を図ることができる。更に、撮像素子アレイはライン数が少ないため、ラインを短くでき、電磁ノイズの影響を低減できる。
【００１４】
また、本発明の波長算出方法によれば、処理を簡単にすることができると共に、撮像素子アレイを用いて簡単な構成及びノイズを受けにくい構成に基づいて実施することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１６】
〔第１の実施の形態〕
図１は、本発明の実施の形態に係る波長計測装置の構成を示す。波長計測装置１０は、光源１と、光源１に結合された光ファイバ３と、光ファイバ３に結合されたスプリッタ（Splitter）２と、スプリッタ２に結合されると共に複数箇所にＦＢＧが形成された光ファイバ３，４と、スプリッタ２に結合された光ファイバ５と、光ファイバ５に結合されたプリズム６と、プリズム６の出射光の照射範囲上に配置されたＣＣＤ撮像素子アレイ７と、ＣＣＤ撮像素子アレイ７の出力信号をデジタル処理に適した信号に変換する信号処理部２１と、信号処理部２１の出力信号に基づいて波長計測の演算を実行するＣＰＵ２２と、ＣＰＵ２２に図３の処理を実行させるためのプログラムが格納されたＲＯＭ２３と、処理中に生じたデータ等を記憶するＲＡＭ２４と、出力装置２５とを備えて構成されている。
【００１７】
スプリッタ２は、光源１からの光を光ファイバ３又は４の一方を選択して出光することができる。スプリッタ２による光ファイバの切り替えは、手動により行うことも、プログラムに従って自動的に切り替えることも可能である。
【００１８】
光ファイバ３には、計測対象のＦＢＧ系列（ＦＢＧ素子３ａ，３ｂ，３ｃを備える。）が設けられている。同様に、光ファイバ４には、基準となるＦＢＧ系列（ＦＢＧ素子４ａ，４ｂを備える。）が、例えば、４０ｎｍの波長範囲に設けられている。ここでは、光ファイバ４にＦＢＧ素子４ａ，４ｂの２個を設置したが、更に多くてもよい。但し、計測対象のＦＢＧ系列の波長との比較がしやすい様に区切りのよい数値にするのが望ましい。ＦＢＧ素子３ａ〜３ｃのＦＢＧ系及びＦＢＧ素子４ａ，４ｂのＦＢＧ系は、同一場所に重複して設けられることはなく、相互に異なる位置に設けられる。更に、少なくともＦＢＧ素子４ａ，４ｂの部分、望ましくは光ファイバ４とＦＢＧ素子４ａ，４ｂを恒温槽等の温度管理がなされ、２５℃の温度に維持された設備の温度雰囲気中に設置する。こうすることで、ＦＢＧ素子４ａ，４ｂによるＦＢＧ波長値（基準値）は外気温の影響を受けないので、絶対波長値として扱えるようになる。
【００１９】
ＣＣＤ撮像素子アレイ７は１５００ｎｍの波長帯が高い感度になる様にした特性を有し、ｎ個の撮像素子Ｋ０、Ｋ１、Ｋ２、・・・、Ｋｎが一列に配置されている。ＣＣＤ撮像素子アレイ７の出力信号は１ラインであるため、後段の回路との配線を最短にでき、外来ノイズの影響を低減することができる。なお、撮像素子は任意の数にすることができ、多くしした方が検出精度を上げることができる。更に、各撮像素子のアレイ方向の幅を小さくすることによって、検出精度を上げることができる。また、１５００ｎｍ帯の波長が高感度になるようにしてあることで、波長計測装置への利用に適すると共に、ＣＣＤ撮像素子アレイ７はノイズの影響を軽減することができる。
【００２０】
ＣＰＵ２２と、ＲＯＭ２３と、ＲＡＭ２４、及び出力装置２５とからなる構成部分は、パーソナルコンピュータ等に置き換えることができる。図１では図示を省略したが、キーボード、マウス等の入力装置、又は同様の機能を有する入力装置が必要であり、ＣＰＵ２２に接続される。出力装置２５は、ＣＰＵ２２で処理した結果をプリントアウトするプリンタ、入力結果や処理結果を表示するディスプレイ等を備えている。なお、図１では、ＣＰＵ２２と出力装置２５を接続するインターフェース等については、図示を省略している。
【００２１】
図１において、まず、スプリッタ２により光ファイバ３が選択される。この選択により、光源１からの光はスプリッタ２を通して光ファイバ３に入射する。光ファイバ３上のＦＢＧ素子３ａ，３ｂ，３ｃで反射した光はスプリッタ２に戻され、光ファイバ５を介してプリズム６に入射する。プリズム６は、ＦＢＧ素子３ａ，３ｂ，３ｃから反射した各波長に対して異なる屈折率をもつことから、プリズム６の出射光は撮像素子Ｋ０〜Ｋｎに広がるように放射する。ＣＣＤ撮像素子アレイ７は、撮像素子Ｋ０〜Ｋｎへの入光状態に応じた電気信号を生成する。
【００２２】
次に、スプリッタ２により、光路が光ファイバ３から光ファイバ４に切り換えられる。この状態においては、光源１からの光はスプリッタ２を通して光ファイバ４に入射する。光ファイバ４上のＦＢＧ素子４ａ，４ｂで反射した光はスプリッタ２に戻され、光ファイバ５を介してプリズム６に入射する。プリズム６は、計測対象のＦＢＧ系列の場合と同様に、ＦＢＧ素子４ａ，４ｂからの反射光をＣＣＤ撮像素子アレイ７へ照射する。ＣＣＤ撮像素子アレイ７は、撮像素子Ｋ０〜Ｋｎへの入光状態に応じた電気信号を生成する。
【００２３】
図２は、ＣＣＤ撮像素子アレイ７の撮像素子にプリズム６からの光が入射したときの各撮像素子における受光強度分布を示している。ここでは、撮像素子Ｋ０〜Ｋ１６に受光があったものとし、その内の撮像素子Ｋ８が最大受光強度Ａを得たとする。なお、Ｂ５、Ｂ１０、Ｂ１１等は、撮像素子Ｋ５、Ｋ１０、Ｋ１１等による受光強度を示している。
【００２４】
また、図３は、ＣＣＤ撮像素子アレイ７で得られた出力信号に基づいて計測対象のＦＢＧ系列の波長を求める方法を示している。この処理はＣＰＵ２２によって実行され、このＣＰＵ２２を動作させためのプログラムはＲＯＭ２３に格納されている。図３において、図中の「Ｓ」はステップを表している。
【００２５】
以下に、図１〜図３を参照し、受光強度のピーク真値を求める処理を説明する。ここでは、反射光の１つについてのみ説明する。また、この１つの反射光の分布は、撮像素子Ｋ０〜Ｋｎの内のＫ０〜Ｋ１６に及んでいるとする。
【００２６】
まず、ＣＣＤ撮像素子アレイ７の撮像素子Ｋ０〜Ｋ１６の中で、最大受光強度Ａを示す撮像素子を決定する（Ｓ１０１）。ここでは、図２に示されるように、撮像素子Ｋ８が最大強度Ａを受光した撮像素子として決定される。次に、撮像素子Ｋ８の両側の撮像素子Ｋ０〜Ｋ７及びＫ９〜Ｋｎの受光強度が１／２となる受光強度Ｂ（＝Ａ／２）の値以下で受光強度Ｂに最も近い撮像素子（撮像素子Ｋ５とＫ１１）と、受光強度Ｂの値以上で且つ最も受光強度Ｂに近い撮像素子（撮像素子Ｋ６とＫ１０）を決定する（Ｓ１０２、Ｓ１０３）。
【００２７】
次に、撮像素子Ｋ５とＫ６の受光強度（Ｂ５とＢ６）及び受光強度Ｂに基づいて、補間等の方法により撮像素子Ｋ５とＫ６の間で受光強度がＡ／２になる撮像位置ＫＬを求める（Ｓ１０４）。同様に、撮像素子Ｋ１０とＫ１１の受光強度（Ｂ１０とＢ１１）及び受光強度Ｂに基づいて、撮像素子Ｋ１０とＫ１１の間で受光強度がＡ／２になる撮像位置ＫＲを求める（Ｓ１０５）。次に、ピーク真値Ｋを、Ｋ＝（ＫＬ＋ＫＲ）／２により算出する（Ｓ１０６）。最後に、ピーク真値Ｋを波長値に換算する。ＦＢＧ素子４ａ，４ｂの換算波長値に基づいて、ＦＢＧ素子３ａ〜３ｃのピーク真値を波長値として特定することができる。求められた各波長値は、出力装置２５のディスプレイに表示され、或いはプリンタによりプリントアウトされる。
【００２８】
以上の説明は、１つのＦＢＧ素子からの反射光についてであったが、他のＦＢＧ素子からの反射光についても上記した手順によりピーク真値Ｋを求め、波長値に換算する処理を行うことになる。
【００２９】
以上により、ＣＣＤ撮像素子アレイ７の撮像素子の数が少なくても、計測精度を上げることができる。ＣＣＤ撮像素子アレイ７撮像素子数が少ない場合、各撮像素子は、或る波長幅を分担することになる。つまり、各撮像素子は、例えば数十ｎｍの波長検出幅を持つことになり、光の波長を１つの値に特定することができない。しかし、図２のＳ１０２〜Ｓ１０６に示す処理を行うことで、図２の場合、受光強度Ａが撮像素子Ｋ８におけるアレイ方向の長さの中のどの撮像位置になるかを特定できるようになり、受光強度Ａを示す光の波長を或る特定の値に特定することが可能になる。
【００３０】
なお、図２のＳ１０２とＳ１０３においては、受光強度Ｂの上下２個（撮像素子Ｋ５，１１、及びＫ６，１０）のみから受光強度Ｂに隣接する撮像素子を特定したが、前記上下２個に隣接する２個（計４個）、又は、それ以上の組合せから求めて平均処理を行うこともでき、これにより計測精度は更に向上する。
【００３１】
図４は図１の構成に基づいた波長計測装置による計測例を示す。ここでは、計測対象のＦＢＧ素子が４本である場合を示している。使用したＣＣＤ撮像素子アレイの撮像素子のピッチは４ｐｍに相当する。
【００３２】
図５は、図４における波長１５４２．３９ｎｍ付近の拡大図を示す。ＦＢＧ素子のグレーティングの精度と個々のＣＣＤ撮像素子の受光感度ムラのために、波長１５４２．３９ｎｍの最大受光強度の位置が中心付近からずれているのがわかる。このケースでは、強度最大値に該当するのは１５４２．３９６０ｎｍ位置の撮像素子であったが、上述の方法で算出すると１５４２．３８８８ｎｍとなり、精度を７．２ｐｍ（＝１５４２．３９６０ｎｍ−１５４２．３８８８ｎｍ）上げることができた。なお、この算出においては、最大受光強度Ａの１／２の値を求めるのに片側で４組（計８点）撮像素子を用いており、それぞれについて受光値が１／２となる波長換算値を求め、平均化処理をして波長ピーク真値を求めた。
【００３３】
〔第２の実施の形態〕
図６は、本発明の第２の実施の形態に係る波長計測装置を示す。本実施の形態は、図１の構成において、プリズム６に代え、ＡＷＧ等の波長分配器４１を用いることにより波長計測装置４０を構成したところに特徴がある。波長分配器４１は１：Ｎに波長を分配する機能を有しており、波長分配器４１の光出射範囲にＣＣＤ撮像素子アレイ７の撮像素子Ｋ０〜Ｋｎを配置することにより、第１の実施の形態における波長計測装置１０と同様の作用効果を得ることができる。
【００３４】
上記各実施の形態においては、撮像素子アレイはＣＣＤ撮像素子アレイを用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、ＭＯＳ型の撮像素子アレイであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施に係る波長計測装置の構成を示す構成図である。
【図２】図１のＣＣＤ撮像素子アレイの撮像素子にプリズムからの光が入射したときの各撮像素子における受光強度分布特性図である。
【図３】図１のＣＣＤ撮像素子アレイで得られた出力信号に基づいて計測対象のＦＢＧ系列の波長を求める方法を示すフローチャートである。
【図４】図１の構成に基づいた波長計測装置による計測例を示す特性図である。
【図５】図４における波長１５４２．３９ｎｍ付近を拡大して示した特性図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る波長計測装置を示す構成図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  光源
２  光ファイバ
３，４，５  光ファイバ
３ａ，３ｂ，３ｃ，４ａ，４ｂ  ＦＢＧ素子
６  プリズム
７  ＣＣＤ撮像素子アレイ
１０  波長計測装置
２１  信号処理部
２２  ＣＰＵ
２３  ＲＯＭ
２４  ＲＡＭ
２５  出力装置
４０  波長計測装置
４１  波長分配器
Ｋ０〜Ｋｎ  撮像素子
【図１】
2005164397.tif 000003
【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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