(57)【要約】波長分散や光路長等の光学特性を高速に評価することのできる検出装置、光路長測定装置、光学部材評価方法等を提供することを目的とする。  また、他の目的は、化学・生体反応および温熱効果を高精度に評価できる検出装置、温度変化検出方法を提供することにある。  検出装置１０Ａでは、被測定物Ｓの波長分散を受けたゼロ次光Ｂ０と、周波数をシフトさせた一次光Ｂ１とを重ね合わせ、これによって低周波のビートを発生させ、そのビート位相の波長依存性を測定するようにした。さらに、周波数シフター１２からの交流電気信号を位相基準信号とし、測定信号の相対的な位相を検出するようにした。また、互いに波長が異なる測定光と参照光をそれぞれ周波数シフトさせ、測定光のビート位相を、参照光のビート位相を基準として相対的に求めるようにすることも有効である。
2005015149.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の波長を有する測定光と前記第一の波長とは異なる第二の波長を有する参照光を出射する光源と、前記測定光を第一の測定光と第二の測定光に、前記参照光を第一の参照光と第二の参照光に分岐させ、前記第一の測定光および前記第一の参照光、または前記第二の測定光および前記第二の参照光の周波数をシフトさせる周波数シフターと、前記第一の測定光および前記第一の参照光を被測定物に照射する照射部と、前記照射部にて前記被測定物に照射された前記第一の測定光および前記第一の参照光を、前記第二の測定光および前記第二の参照光に重畳する重畳部と、前記重畳部で前記第一の測定光と前記第二の測定光が重畳することで生じるビートの位相を、前記重畳部で前記第一の参照光と前記第二の参照光が重畳することで生じるビートを基準として検出する位相検出部と、を備えることを特徴とする検出装置。
【請求項２】
前記第一の測定光と前記第二の測定光が重畳することで生じるビートと、前記第一の参照光と前記第二の参照光が重畳することで生じるビートとを、前記第一の測定光および前記第二の測定光と、前記第一の参照光および前記第二の参照光の波長の相違に基づき分離する波長選択部を、前記位相検出部の前段に備えることを特徴とする請求項１に記載の検出装置。
【請求項３】
前記波長選択部は、前記第一の波長を有した光を透過する第一のフィルタと、前記第二の波長を有した光を透過する第二のフィルタと、を有することを特徴とする請求項２に記載の検出装置。
【請求項４】
前記波長選択部は、前記第一の波長を有した光を透過し、前記第二の波長を有した光を反射するフィルタを有することを特徴とする請求項２に記載の検出装置。
【請求項５】
前記波長選択部は、前記重畳部で重畳した前記第一の測定光および前記第一の参照光と前記第二の測定光および前記第二の参照光を、波長に応じた所定の角度で回折させる回折格子を有することを特徴とする請求項２に記載の検出装置。
【請求項６】
前記波長選択部は、前記回折格子で回折した前記第一の測定光と前記第二の測定光の重畳光と、前記回折格子で回折した前記第一の参照光と前記第二の参照光の重畳光とを平行ビームにする第一のレンズと、前記第一のレンズを通過した前記第一の参照光と前記第二の参照光の重畳光を取り出す第一の光学素子と、前記第一のレンズと平行に設けられ、当該第一のレンズを通過した前記第一の測定光と前記第二の測定光の重畳光を屈折させる第二のレンズと、前記第二のレンズで屈折した前記第一の測定光と前記第二の測定光の重畳光を、波長に応じた所定の角度で回折させる第二の回折格子と、前記第二の回折格子で回折した前記第一の測定光と前記第二の測定光の重畳光を取り出す第二の光学素子と、をさらに有することを特徴とする請求項５に記載の検出装置。
【請求項７】
前記位相検出部は、前記第一の測定光と前記第二の測定光の重畳光のエネルギーを電気信号に変換して出力する第一の光電素子と、前記第一の参照光と前記第二の参照光の重畳光のエネルギーを電気信号に変換して出力する第二の光電素子と、を備え、前記第一の光電素子から出力される電気信号と前記第二の光電素子から出力される電気信号に基づき、前記位相を検出することを特徴とする請求項１に記載の検出装置。
【請求項８】
前記第一の光電素子および前記第二の光電素子がフォトダイオードであり、かつ少なくとも前記第二の光電素子を構成する前記フォトダイオードが交流対応型であることを特徴とする請求項７に記載の検出装置。
【請求項９】
前記被測定物が特定の波長領域の光のみを反射するものであり、前記第一の測定光の波長が前記波長領域内で、
かつ前記第一の参照光の波長が前記波長領域外に設定されているとき、前記照射部は、前記第一の測定光および前記第一の参照光の前記被測定物に対する照射方向において、前記被測定物の前段または後段に、前記第一の参照光を反射する反射物を備えることを特徴とする請求項１に記載の検出装置。
【請求項１０】
前記反射物は、前記第一の参照光の波長を含み、かつ前記被測定物とは異なる波長領域の光のみを反射することを特徴とする請求項９に記載の検出装置。
【請求項１１】
前記位相検出部で検出した、前記第一の測定光と前記第二の測定光が重畳することで生じるビートの位相に基づき、前記被測定物の波長分散を計測する波長分散計測部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の検出装置。
【請求項１２】
前記位相検出部で検出した、前記第一の測定光と前記第二の測定光が重畳することで生じるビートの位相の変化に基づき、前記被測定物の温度変化を検出する請求項１に記載の検出装置。
【請求項１３】
前記位相検出部で検出した、前記第一の測定光と前記第二の測定光が重畳することで生じるビートの位相の変化に基づき、前記被測定物の光路長を測定する請求項１に記載の検出装置。
【請求項１４】
前記周波数シフターに印加する交流電気信号のパワーを調整し、前記周波数シフターで周波数をシフトさせる前記第一の測定光と前記第一の参照光の分配比、および前記第二の測定光と前記第二の参照光の分配比を制御する分配比制御部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の検出装置。
【請求項１５】
所定波長および所定周波数を有する第一の光、前記第一の光とは周波数がシフトした第二の光を供給する光供給部と、前記第一の光および前記第二の光の一方を被測定物に照射する照射部と、前記照射部にて前記被測定物に照射された前記第一の光および前記第二の光の一方と、前記第一の光および前記第二の光の他方とを重畳する重畳部と、前記第一の光と前記第二の光に対して光周波数の差を発生させる交流電気信号に基づき、前記重畳部で前記第一の光と前記第二の光が重畳することで生じるビートの位相を検出する位相検出部と、を備えることを特徴とする検出装置。
【請求項１６】
前記光供給部は、単一周波数で光を発振する光源と、前記光源から発振された光の一部を分岐させ、分岐させた前記光の一部を音響光学結晶に入力することでその周波数をシフトさせる周波数シフターと、を備え、前記位相検出部は、前記光の一部の周波数をシフトさせるために前記音響光学結晶に入力する交流電気信号を用い、前記重畳部で前記第一の光と前記第二の光が重畳することで生じるビートの位相を検出することを特徴とする請求項１５に記載の検出装置。
【請求項１７】
前記位相検出部で検出した、前記第一の光と前記第二の光が重畳することで生じるビートの位相に基づき、前記被測定物の波長分散を計測する波長分散計測部をさらに備えることを特徴とする請求項１５に記載の検出装置。
【請求項１８】
前記位相検出部で検出した、前記第一の光と前記第二の光が重畳することで生じるビートの位相の変化に基づき、前記被測定物の温度変化を検出する請求項１５に記載の検出装置。
【請求項１９】
前記位相検出部で検出した、前記第一の光と前記第二の光が重畳することで生じるビートの位相の変化に基づき、前記被測定物の光路長を測定する請求項１５に記載の検出装置。
【請求項２０】
第一の波長を有する測定光と前記第一の波長とは異なる第二の波長を有する参照光を出射する光源と、前記光源から出射された光を、第一の周波数の光と第二の周波数の光に分岐させる周波数シフターと、前記周波数シフターで分岐された前記第一の周波数の光を被測定物に照射する照射部と、前記照射部を経た前記第一の周波数の光と、前記第二の周波数の光を重畳させるフォトカプラと、前記フォトカプラを経た光を前記第一の波長の光と前記第二の波長の光に分岐させるフィルタと、前記フィルタで分岐された前記第一の波長の光に応じた電気信号を出力する第一のフォトダイオードと、前記フィルタで分岐された前記第二の波長の光に応じた電気信号を出力する第二のフォトダイオードと、前記第一のフォトダイオードから出力された電気信号の変化を、前記第二のフォトダイオードから出力された電気信号を基準として測定するロックインアンプと、を備えることを特徴とする検出装置。
【請求項２１】
前記第二のフォトダイオードは、直流成分を除去できる交流対応型であることを特徴とする請求項２０に記載の検出装置。
【請求項２２】
前記ロックインアンプから出力される電気信号に基づき、測定結果を視覚情報として出力する結果出力部をさらに備えることを特徴とする請求項２０に記載の検出装置。
【請求項２３】
前記結果出力部は、前記電気信号をＸ−Ｙモードで表示できるオシロスコープを備えることを特徴とする請求項２２に記載の検出装置。
【請求項２４】
第一の波長を有する測定光と前記第一の波長とは異なる第二の波長を有する参照光を出射する光源と、前記測定光を第一の測定光と第二の測定光に、前記参照光を第一の参照光と第二の参照光に分岐させ、前記第一の測定光および前記第一の参照光、または前記第二の測定光および前記第二の参照光の周波数をシフトさせる周波数シフターと、前記第一の測定光および前記第一の参照光を被測定物に照射する照射部と、前記照射部にて前記被測定物に照射された前記第一の測定光および前記第一の参照光を、前記第二の測定光および前記第二の参照光に重畳する重畳部と、前記重畳部で前記第一の測定光と前記第二の測定光が重畳することで生じるビートの位相を、前記重畳部で前記第一の参照光と前記第二の参照光が重畳することで生じるビートを基準として検出する位相検出部と、を備え、前記光源から出射する前記測定光の波長を掃引したとき、前記位相検出部にて、前記ビートの位相の変化を検出することで、前記被測定物の光路長を測定することを特徴とする光路長測定装置。
【請求項２５】
所定の波長を有する測定光と当該測定光とは異なる波長の参照光を被測定物に照射し、前記被測定物の光学特性を測定する測定装置にて用いられる測定用器具であって、前記被測定物が、前記測定光の波長を含み、かつ前記参照光の波長を含まない波長領域の光を反射するものであるとき、前記測定光および前記参照光の前記被測定物に対する照射方向において、前記被測定物の前段または後段に設置され、前記参照光の波長を含み、かつ前記被測定物で反射する波長領域とは異なる波長領域の光を反射することを特徴とする測定用器具。
【請求項２６】
前記測定用器具は、前記被測定物の後段側に接続される光ファイバーグレーティングであることを特徴とする請求項２５に記載の測定用器具。
【請求項２７】
第一の周波数を有する第一の測定光と、前記第一の周波数とは異なる第二の周波数を有する第一の参照光と、前記第一の周波数から所定量だけ周波数がシフトした第二の測定光と、前記第二の周波数から前記所定量だけ周波数がシフトした第二の参照光を発生させるステップと、前記第一の測定光および前記第一の参照光を光学部材に照射するステップと、前記光学部材に照射された前記第一の測定光および前記第一の参照光を、前記第二の測定光および前記第二の参照光に重畳するステップと、前記第一の測定光と前記第二の測定光が重畳することで生じるビートの位相を、前記第一の参照光と前記第二の参照光が重畳することで生じるビートを基準として検出するステップと、検出された前記ビートの位相に基づき、前記光学部材の光学特性を測定するステップと、を有することを特徴とする光学部材評価方法。
【請求項２８】
前記光学特性を測定するステップでは、前記光学部材の波長分散を測定することを特徴とする請求項２７に記載の光学部材評価方法。
【請求項２９】
前記光学特性を測定するステップでは、前記第一の測定光および前記第二の測定光の波長を掃引したとき、前記ビートの位相の変化を検出することで、前記被測定物の光路長を測定することを特徴とする請求項２７に記載の光学部材評価方法。
【請求項３０】
前記第二の測定光および前記第二の参照光の、前記第一の測定光および前記第一の参照光に対する周波数のシフト量の絶対値は、前記第一の測定光と前記第一の参照光との周波数の差の絶対値より小さいことを特徴とする請求項２７に記載の光学部材評価方法。
【請求項３１】
前記第二の測定光および前記第二の参照光の、前記第一の測定光および前記第一の参照光に対する周波数のシフト量の絶対値を、３０〜２００ＭＨｚとすることを特徴とする請求項３０に記載の光学部材評価方法。
【請求項３２】
所定波長および所定周波数を有する第一の光、前記第一の光とは周波数が異なる第二の光の一方を光学部材に照射するステップと、前記光学部材に照射された前記第一の光および前記第二の光の一方と、前記第一の光および前記第二の光の他方とを重畳するステップと、前記第一の光と前記第二の光の周波数の差分に応じた交流電気信号に基づき、前記第一の光と前記第二の光が重畳することで生じるビートの位相を検出するステップと、検出された前記ビートの位相に基づき、被測定物の波長分散を計測するステップと、を含むことを特徴とする光学部材評価方法。
【請求項３３】
所定波長および所定周波数を有する第一の光、前記第一の光とは周波数が異なる第二の光の一方を検出対象に照射するステップと、前記検出対象に照射された前記第一の光および前記第二の光の一方と、前記第一の光および前記第二の光の他方とを重畳するステップと、前記第一の光と前記第二の光が重畳することで生じるビートの位相を検出することで、前記検出対象の温度変化を検出するステップと、を含むことを特徴とする温度変化検出方法。
【請求項３４】
前記検出対象の温度変化を検出することで、当該検出対象の化学反応、生体反応を検出することを特徴とする請求項３３に記載の温度変化検出方法。
【請求項３５】
第一の周波数を有する第一の測定光と、前記第一の周波数とは異なる第二の周波数を有する第一の参照光と、前記第一の周波数から所定量だけ周波数がシフトした第二の測定光と、前記第二の周波数から前記所定量だけ周波数がシフトした第二の参照光を発生させるステップと、前記第一の測定光および前記第一の参照光を光学部材に照射するステップと、前記光学部材に照射された前記第一の測定光および前記第一の参照光を、前記第二の測定光および前記第二の参照光に重畳するステップと、前記第一の測定光と前記第二の測定光が重畳することで生じるビートの位相を、前記第一の参照光と前記第二の参照光が重畳することで生じるビートを基準として検出するステップと、検出された前記ビートの位相に基づき、検出対象の温度変化を検出するステップと、を含むことを特徴とする温度変化検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は、光素子や光学部材の評価、化学反応、生体反応、および温熱交換に伴う発熱等の検知・評価を行うのに好適な検出装置、光学部材評価方法、温度変化検出方法等に関する。
【背景技術】
【０００２】近年普及しつつある光ファイバ通信に用いられる光ファイバや各種デバイス、フォトニック結晶等、各種の光素子や光部品（以下、これらを光学部材と総称する）を評価したり検査したりするには、光学部材における波長分散を計測する。【０００３】波長分散を評価するには、従来、以下に示すような複数の手法がある。まず、時間軸干渉計を用いる方法がある。この方法では、時間軸干渉計を用い時間軸上での干渉波形を測定し、その干渉波形のフーリエ変換を行うことにより、被測定物の透過あるいは反射スペクトルの強度および位相を求め、波長分散を得る（非特許文献１参照。）。これには、時間軸上での干渉波形を得るために、干渉計の片方の経路に設置した光学遅延ステージを光路に対して前後に掃引し、その掃引から得られた遅延時間の関数として干渉計から出射される光の強度を測定する。【０００４】波長分散を評価する他の方法として、スペクトル干渉計を用いてスペクトル軸上で干渉波形を測定する方法が実施されている（非特許文献２参照。）。この方法では、干渉計から出射された光を回折格子あるいは分光器を通してスペクトル分解し、波長あるいは周波数の関数として干渉縞を測定し、スペクトル位相の波長（もしくは周波数）依存性から波長分散を求める。【０００５】また、他の方法として、位相変調された光を用い、光ファイバ伝搬に伴う位相シフトをネットワークアナライザ等の電子計測器で直接計測し、波長分散を測定する方法がある（特許文献１参照。）。この他、モード同期パルス光源を用いた波長分散測定方法もある（特許文献２参照。）。この方法では、ある特定の縦モードに着目し、その縦モードの位相遅延を測定することにより、波長分散を求めている。【０００６】ところで、化学反応、生体反応、および温熱交換等を検知するため、これらの反応・温熱交換に伴う発熱を検知することがある。これには従来、温度変化を直接検出する熱電対の他、温度変化に伴う屈折率の変化を検出するものもある。温度に伴う屈折率変化を評価する方法として、熱レンズ効果を利用した方法がある（非特許文献３。）。この方法では、モニター光をサンプル中に集光して入射し、温度変化による集光度変化を強度変化として検出する。【０００７】
【非特許文献１】長沼和則、レーザー研究、第２３巻、第１１号、１９９５年、社団法人レーザー学会、５５〜６６ページ
【非特許文献２】Ａ．Ｐ．Ｋｏｖａｃｓ  ｅｔ  ａｌ．″Ｇｒｏｕｐ−ｄｅｌａｙ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｏｎ  ｌａｓｅｒ  ｍｉｒｒｏｒｓ  ｂｙ  ｓｐｅｃｔｒａｌｌｙ  ｒｅｓｏｌｖｅｄ  ｗｈｉｔｅ−ｌｉｇｈｔ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ″Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  １９９５年４月  Ｖｏｌ．２０，Ｎｏ．７，ｐｐ．７８８−７９０
【特許文献１】特許第３２７８１２９号公報
【特許文献２】特開平７−２４８２７６号公報
【非特許文献３】Ｍ．Ｔｅｒａｚｉｍａ  ｅｔ  ａｌ．″Ｐｈｏｔｏｔｈｅｒｍａｌ  ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｔｒｉｐｌｅｔ  ｓｔａｔｅ  ｏｆ  ｃａｒｂｏｎ  ｍｏｌｅｃｕｌｅ（Ｃ６０）″Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  １９９１年  Ｖｏｌ．９５，ｐｐ．９０８０−９０８５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】上述したような光ファイバ通信が高速化するにつれて、波長分散の及ぼす影響はますます大きくなりつつあり、波長分散は、超高速光ファイバ通信を実現するにあたり、重要な評価項目となっている。一般に光素子や光部品の温度は時々刻々と変化しており、波長分散もその温度変化と呼応して時々刻々と変化している。従来の時間軸干渉計やスペクトル干渉計を用いる方法であると、光強度の振動を時間もしくは波長の関数として測定し、その測定で得られる干渉縞から位相を算出することが必要になり、データ処理のための時間が余計にかかることになる。このため、従来の手法では、時々刻々変化する波長分散を高速で評価するのが困難であった。また、評価結果は、直感的に認識できる状態ではない、という問題もある。さらに、時間軸干渉計を用いた波長分散評価装置では、干渉縞を測定するために光学遅延ステージを駆動させることが必要になる。分散が大きい場合、広い時間領域で遅延ステージを駆動する必要があり、掃引に時間がかかってしまい、高速の測定は困難である。また、時間軸上の干渉波形をフーリエ変換して位相を求める必要が生じ、データの解析にも時間を要してしまう。高速の測定が困難であるという点では、スペクトル干渉計でも同様である。【０００９】位相変調された光を用い、それを電子計測器で直接測定する波長分散測定法、およびモード同期光源を用いる方法では、長さ１ｋｍ以上といった長距離の光ファイバの波長分散の評価は可能であるが、長さ１ｃｍにも満たない光素子などの波長分散を高精度で測定するには適していない。【００１０】近年は、光ファイバの普及に伴い、伝送効率の高い波長多重伝送等の技術が開発されており、波長分散だけでなく、光ファイバや各種光デバイスにおける光路長等、様々な光学特性を高精度に計測できる技術が要求されている。さらに、波長多重伝送等では、波長により分割されたチャンネルを多く扱うため、多数の光導波路を同一チップ上に集積した素子を開発することが必要となっている。これに対応するべく、フォトニック結晶導波路等の微小光回路を用いたデバイス技術が検討されている。微小光回路では、外部ファイバとの入出力、および光回路自体での光伝搬等に伴う損失が増大する可能性があり、その損失を低減することが技術開発の課題となる。よって、微小光回路の開発段階では、光損失の大きな素子を測定評価することが要求される。【００１１】一方、化学反応、生体反応、および温熱効果等に伴う発熱を検知するための熱レンズ効果を利用した屈折率測定では、サンプルに光を集光して入射しなければならない。そのため、モニター用の光による発熱が無視できなくなり、化学・生体反応および温熱効果を正しく評価することが困難である。【００１２】本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、波長分散や光路長等の光学特性を高速に評価することのできる検出装置、光路長測定装置、光学部材評価方法等を提供することを目的とする。また、他の目的は、化学・生体反応および温熱効果を高精度に評価できる検出装置、温度変化検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】
【００１３】かかる目的のもと、本発明では、基本的に、位相の波長（もしくは周波数）依存性から波長分散を求めるため、位相の直接測定を行うには、ビート（唸り）を発生させる干渉計を構築する。また、高速で位相変化をモニターするには、位相ゆらぎを除去し、位相検出精度を高めることも必要である。このため、二波長光源を用いて、一方の波長で生じるビート信号を位相基準用の基準信号とし、他方の波長で生じるビート信号を位相測定用の測定信号とすることもできる。この場合、干渉計を通した後、基準光と測定光を波長の違いにより分離し、参照光に対するプローブ光の相対位相変化として波長分散を求める。【００１４】このような観点からなされた本発明の検出装置は、光源から、第一の波長を有する測定光と、第一の波長とは異なる第二の波長を有する参照光を出射する。そして、交流電気信号源によって駆動される周波数シフターにて、測定光、参照光を、第一の測定光と第二の測定光、第一の参照光と第二の参照光に分岐させ、第一の測定光および第一の参照光、または第二の測定光および第二の参照光の周波数をシフトさせる。さらに、照射部にて、第一の測定光および第一の参照光を被測定物に照射した後、重畳部にて、これら第一の測定光および第一の参照光を、被測定物に照射していない第二の測定光および第二の参照光に重畳する。すると、第一の測定光と第二の測定光が重畳することで測定光にビートが生じる。同様に、第一の参照光と第二の参照光の間にも参照光のビートが生ずる。周波数シフト量は、周波数シフターと駆動する交流電気信号源からの交流電気信号のゼロでない整数倍である。一次光を用いると、その整数値は１である。周波数シフト量が測定光、参照光のそれぞれに生ずるビートの周波数に等しい。測定光のビートの位相には、被測定物に照射したことに伴う位相シフトが含まれる。交流電気信号源として、例えば３０〜２００ＭＨｚ、より具体例を挙げれば１００ＭＨｚ程度のラジオ周波（ＲＦ）帯のものを使用すると、発生するビートもＲＦ帯にある。このようなビートは、元々の測定光、参照光に較べれば大幅に低周波であり、ロックインアンプ等の電子計測器を用いて検出できる。ここで、交流電気信号の周波数は、第二の光を発生する効率が高くなるように選ぶ。音響光学結晶を用いた周波数シフターでは、通常１０〜２００ＭＨｚ程度の領域にある。また、分配比制御部にて、周波数シフターに印加する交流電気信号のパワーを調整し、周波数シフターで周波数をシフトさせる第一の測定光と第一の参照光の分配比、および第二の測定光と第二の参照光の分配比を制御するのは、被測定物による光損失によるビート信号の強度低下を防止し、ノイズの増加を回避する点において、有効である。【００１５】そして、位相検出部で検出したビートの位相に基づき、被測定物の波長分散を計測する波長分散計測部をさらに備えることもできる。このような波長分散計測部は、検出装置と一体としてもよいが、ＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）等によって波長分散計測部が構成される場合、検出装置とは別体とすることもできる。このようにして、測定光のビートの位相を、測定光の周波数または波長の関数として位相検出部で検出することで、被���定物による波長分散を得ることができる。このときに、重畳部で第一の参照光と第二の参照光が重畳することで生じる参照光のビートを基準として相対的に検出するので、外部からの振動等の影響による位相ゆらぎを排除することができる。【００１６】また、位相検出部で検出したビートの位相の変化に基づき、被測定物の温度変化を検出することもできる。この場合も、ビートの位相の変化に基づき、被測定物の温度変化を検出する部分は、検出装置と一体としてもよいが、ＰＣ等によってこの部分を構成される場合、検出装置とは別体とすることもできる。【００１７】なお、光源は、第一の波長を有する測定光と、第一の波長とは異なる第二の波長を有する参照光を出射するのであれば、一つの光源から二波長の光を出射する、いわゆる二波長光源を用いることもできるし、測定光を出射する光源と、参照光を出射する光源と別体に備えることもできる。また、位相検出部としては、測定光の光強度の変化を電気信号の変化に変換する第一の光検出器と、参照光の光強度の変化を電気信号の変化に変換する第二の光検出器と、第二の光検出器から出力された電気信号に基づき、第一の光検出器から出力された電気信号の位相の相対変動を検出するロックインアンプとを備えた構成が採用できる。なお、第一の光検出器から出力された電気信号の振幅の絶対値も、ロックインアンプにより検出できる。この絶対値により、被測定物の透過もしくは反射スペクトルを測定することもできる。【００１８】上記のように、第一の波長の測定光、第二の波長の参照光を用いる場合、位相検出部では、測定光と参照光を波長に応じて分岐させておく必要がある。このため、上記第一の測定光と第二の測定光が重畳することで生じるビートと、第一の参照光と第二の参照光が重畳することで生じるビートとを、測定光と参照光の波長の相違により分離するための波長選択部を、位相検出部の前段に備えるのが好ましい。【００１９】このような波長選択部としては、以下に示すようなものが考えられる。まず、第一の波長を有した光を透過する第一のフィルタと、第二の波長を有した光を透過する第二のフィルタと、を有した波長選択部を用いることができる。これにより、第一の波長の測定光と第二の波長の参照光を分岐させることができる。また、第一の波長を有した光を透過し、第二の波長を有した光を反射するフィルタを有する波長選択部を用いることでも、第一の波長の測定光と第二の波長の参照光を分岐させることができる。このような構成は、光ファイバで各構成を接続することで実現できる。【００２０】さらに、波長選択部を、光学素子を用いた自由空間系とするのであれば、重畳部で重畳した第一の測定光および第一の参照光と、第二の測定光および第二の参照光を、波長に応じた所定の角度で回折させる回折格子を有する波長選択部を用いることもできる。この場合、回折格子で回折した第一の測定光と第二の測定光の重畳光と、第一の参照光と第二の参照光の重畳光とを平行ビームにする第一のレンズと、第一のレンズを通過した第一の参照光と第二の参照光の重畳光を取り出す第一の光学素子と、第一のレンズと平行に設けられ、第一のレンズを通過した第一の測定光と第二の測定光の重畳光を屈折させる第���のレンズと、第二のレンズで屈折した第一の測定光と第二の測定光の重畳光を、波長に応じた所定の角度で回折させる第二の回折格子と、第二の回折格子で回折した第一の測定光と第二の測定光の重畳光を取り出す第二の光学素子と、をさらに有することで、波長選択部を構成することもできる。このような構成を有した波長選択部の光学系では、測定光の波長を可変とした場合に、測定光の波長が変わるに伴って回折格子での回折角が変わっても、第二の回折格子からの出射角と出射位置を一定とすることができ、測定光を容易に取り出すことができる。【００２１】また、位相検出部は、第一の測定光と第二の測定光の重畳光のエネルギーを電気信号に変換して出力する第一の光電素子と、第一の参照光と第二の参照光の重畳光のエネルギーを電気信号に変換して出力する第二の光電素子と、を備え、第一の光電素子から出力される電気信号と第二の光電素子から出力される電気信号に基づき、位相を検出することができる。ここで、第一の光電素子および第二の光電素子としては、フォトダイオードを用いることができる。そして、少なくとも第二の光電素子を構成するフォトダイオードを交流対応型とすれば、参照光側の直流成分を除去することができ、精度の高い参照光を基準とした測定が行える。【００２２】ところで、被測定物が特定の波長領域の光のみを反射するものであり、第一の測定光の波長が波長領域内で、かつ第一の参照光の波長が波長領域外に設定されているとき、第一の参照光が被測定物で反射しないため、測定を行うことができない。そこで、照射部では、第一の測定光および第一の参照光の被測定物に対する照射方向において、被測定物の前段または後段に、第一の参照光を反射する反射物を備えるのが好ましい。このような反射物は、第一の参照光の波長を含み、かつ被測定物とは異なる波長領域の光のみを反射するものであるのが好ましい。【００２３】さて、上記したような波長分散を求めるためのデバイスにおいては、正確な測定を行うためにデバイス内における光ファイバ伝搬路の光路長に高い精度が必要となる。従来、光ファイバの長さを測定する場合、物理的な長さを測ったのでは、温度変化による光ファイバ自体の伸縮による誤差、さらに光ファイバの屈折率に関する変動および誤差が含まれるため、正確な測長を行うのには好ましくない。これに対し、本発明の検出装置では、位相検出部で検出した、第一の測定光と第二の測定光が重畳することで生じるビートの位相の変化に基づき、被測定物の光路長を測定することもできる。このような検出装置により、上記用途に限らず、様々な用途の光伝搬路の光路長を計測することが可能となる。【００２４】ところで、上記では二波長光源を用い、一方の波長で生じるビート信号を位相基準用の基準光とし、他方の波長で生じるビート信号を位相測定用の測定光とし、基準光に対する測定光の位相変化を相対的に捉え、波長分散を求める構成としたが、これに代えて、単一の波長の光でビートを発生させ、これに基づいて波長分散を捉えることもできる。この場合、単一モード波長光源からの光を、周波数シフターを通してゼロ次光と一次光とに分離する。ゼロ次光は被測定物を通し、一次光は通さずに、両者を重ね合わせてビー���を発生させ、その位相を周波数シフターに供給する交流電気信号の位相を基準として波長の関数として測定し、波長分散を得る。【００２５】このような観点からなされた本発明の検出装置は、光供給部にて、所定波長および所定周波数を有する第一の光と、第一の光とは周波数がシフトした第二の光とを供給する。そして、照射部にて、第一の光および第二の光の一方を被測定物に照射する。照射部にて被測定物に照射された第一の光および第二の光の一方と、被測定物に照射されていない第一の光および第二の光の他方と、を重畳部にて重畳する。すると、第一の光と第二の光が重畳することでビートが生じるので、第一の光と第二の光に対して光周波数の差を発生させてビートの発生源となる交流電気信号の位相を基準として、ビートの位相を位相検出部で検出する。また、光供給部は、単一周波数で光を発振する光源と、光源から発振された光の一部を分岐させ、分岐させた光の一部を音響光学結晶に入力することでその周波数をシフトさせる周波数シフターと、を備え、位相検出部は、前記した光の一部の周波数をシフトさせるために音響光学結晶に入力した交流電気信号を用い、重畳部で第一の光と第二の光が重畳することで生じるビートの位相を検出することもできる。このように、前記した光の一部の周波数をシフトさせるための交流電気信号を用い、この交流電気信号と同じ周波数で位相が安定した電気信号を基準とすることで、発生したビートの位相を検出できるのである。ところで、分配比制御部にて、周波数シフターに印加する交流電気信号のパワーを調整し、周波数シフターで周波数をシフトさせる第一の光と第二の光の分配比を制御するのは、被測定物による光損失によるビート信号の強度低下を防止し、ノイズの増加を回避する点において、有効である。【００２６】このような検出装置においても、位相検出部で検出したビートの位相に基づき、被測定物の波長分散を計測する波長分散計測部をさらに備えることもできる。また、位相検出部で検出したビートの位相の変化に基づき、被測定物の温度変化を検出することもできる。ところで、温度変化を検出する場合、第一の測定光の波長または周波数の関数として位相を測定することにより検出対象の屈折率を求め、さらに、屈折率の温度依存性を測定することにより、被測定物の温度変化を評価することもできる。さらに、このような一波長系の検出装置においても、位相検出部で検出した、第一の光と第二の光が重畳することで生じるビートの位相の変化に基づき、被測定物の光路長を測定することが可能である。【００２７】上記したような検出装置は、被測定物を光学部材とすることで、各種の光学部材の評価・検査等に用いることができる。また、被測定物を化学薬品・生体材料・細胞とすれば、化学反応・生体反応・生体の構造変化による発熱または細胞に電磁波を照射して生ずる発熱を、屈折率の温度変化として評価することもできる。これには、被測定物に、化学薬品を投入したガラスセルや細胞を混入した水溶液を用い、化学薬品の混合により生ずる発熱や電磁波照射に伴う細胞の温度上昇を測定する。これにより、化学反応・生体反応等の検出を行ったり、ガン細胞への温熱効果を評価することが可能となる。そして、この���うな構成の検出装置では、光を平行ビームとして被測定物に入射させることができるため、光照射による温度上昇は無視できる。さらに、高速の屈折率変化の捕捉が可能であるため、反応過程や温熱過程をリアルタイムでモニターすることができる。【００２８】ところで、上記したような一波長系、二波長系の検出装置において、各構成要素間は、ミラー等の光学素子によって光を伝搬する自由光学系とすることもできるし、光ファイバによって光を伝搬する系とすることもできる。光ファイバを用いる場合、偏波保存光ファイバを用いるのが好ましい。また、測定光および参照光、特に測定光を発する光源は、周波数もしくは波長を可変とするのが好ましい。これにより、被測定物に応じ、最適な周波数もしくは波長に設定することができる。【００２９】本発明の検出装置は、第一の波長を有する測定光と第一の波長とは異なる第二の波長を有する参照光を出射する光源と、光源から出射された光を、第一の周波数の光と第二の周波数の光に分岐させる周波数シフターと、周波数シフターで分岐された第一の周波数の光を被測定物に照射する照射部と、照射部を経た第一の周波数の光と、第二の周波数の光を重畳させるフォトカプラと、フォトカプラを経た光を第一の波長の光と第二の波長の光に分岐させるフィルタと、フィルタで分岐された第一の波長の光に応じた電気信号を出力する第一のフォトダイオードと、フィルタで分岐された第二の波長の光に応じた電気信号を出力する第二のフォトダイオードと、第一のフォトダイオードから出力された電気信号の変化を、第二のフォトダイオードから出力された電気信号を基準として測定するロックインアンプと、を備えることを特徴とすることもできる。ここで、第二のフォトダイオードは、直流成分を除去できる交流対応型とするのが、精度・安定性の面で好ましい。また、ロックインアンプから出力される電気信号に基づき、測定結果を視角情報として出力する結果出力部をさらに備えることもでき、この結果出力部としては、電気信号をＸ−Ｙモードで表示できるオシロスコープを備えることができる。【００３０】本発明は、第一の波長を有する測定光と第一の波長とは異なる第二の波長を有する参照光を出射する光源と、測定光を第一の測定光と第二の測定光に、参照光を第一の参照光と第二の参照光に分岐させ、第一の測定光および第一の参照光、または第二の測定光および第二の参照光の周波数をシフトさせる周波数シフターと、第一の測定光および第一の参照光を被測定物に照射する照射部と、照射部にて被測定物に照射された第一の測定光および第一の参照光を、第二の測定光および第二の参照光に重畳する重畳部と、重畳部で第一の測定光と第二の測定光が重畳することで生じるビートの位相を、重畳部で第一の参照光と第二の参照光が重畳することで生じるビートを基準として検出する位相検出部と、を備え、光源から出射する測定光の波長を掃引したとき、位相検出部にて、ビートの位相の変化を検出することで、被測定物の光路長を測定することを特徴とする光路長測定装置として捉えることもできる。【００３１】本発明は、所定の波長を有する測定光と当該測定光とは異なる波長の参照光を被測定物に照射し、被測定物の光学特性を測定す���測定装置にて用いられる測定用器具として捉えることもできる。この測定用器具は、被測定物が、測定光の波長を含み、かつ参照光の波長を含まない波長領域の光を反射するものであるときに用いることができ、測定光および参照光の被測定物に対する照射方向において、被測定物の前段または後段に設置され、参照光の波長を含み、かつ被測定物で反射する波長領域とは異なる波長領域の光を反射することを特徴とする。このような測定用器具は、被測定物の後段側に接続される光ファイバグレーティングによって構成することができる。【００３２】本発明は、第一の周波数を有する第一の測定光と、第一の周波数とは異なる第二の周波数を有する第一の参照光と、第一の周波数から所定量だけ周波数がシフトした第二の測定光と、第二の周波数から前記と同じ所定量だけ周波数がシフトした第二の参照光を発生させるステップと、第一の測定光および第一の参照光を光学部材に照射するステップと、光学部材に照射された第一の測定光および第一の参照光を、第二の測定光および第二の参照光に重畳するステップと、第一の測定光と第二の測定光が重畳することで生じるビートの位相を、第一の参照光と第二の参照光が重畳することで生じるビートを基準として検出するステップと、検出されたビートの位相に基づき、光学部材の光学特性を計測するステップと、を有することを特徴とする光学部材評価方法
として捉えることもできる。光学特性を測定するステップでは、光学部材の波長分散を測定するができる。また、第一の測定光および第二の測定光の波長を掃引したとき、ビートの位相の変化を検出することで、被測定物の光路長を測定することもできる。ここで、第二の測定光および第二の参照光の、第一の測定光および第一の参照光に対する周波数のシフト量の絶対値は、第一の測定光と第一の参照光との周波数の差の絶対値より小さくするのが良い。例えば、そのシフト量の絶対値は、３０〜２００ＭＨｚとすることができる。【００３３】また、本発明は、所定波長および所定周波数を有する第一の光、第一の光とは周波数が異なる第二の光の一方を光学部材に照射するステップと、光学部材に照射された第一の光および第二の光の一方と、第一の光および第二の光の他方とを重畳するステップと、第一の光と第二の光の周波数の差分に応じた交流電気信号に基づき、第一の光と第二の光が重畳することで生じるビートの位相を検出するステップと、検出された前記ビートの位相に基づき、被測定物の波長分散を計測するステップと、を含むことを特徴とする光学部材評価方法とすることもできる。【００３４】さらに、被測定物を化学薬品・生体材料・細胞とする場合、本発明は、所定波長および所定周波数を有する第一の光、第一の光とは周波数が異なる第二の光の一方を検出対象に照射するステップと、検出対象に照射された第一の光および第二の光の一方と、第一の光および第二の光の他方とを重畳するステップと、第一の光と第二の光が重畳することで生じるビートの位相を検出することで、検出対象の温度変化を検出するステップと、を含むことを特徴とする温度変化検出方法とすることができる。【００３５】また、本発明は、第一の周波数を有する第一の測定光と、第一の周波数とは異なる第二の周波数を有する第一の参照光と、第一の周波数から所定量だけ周波数がシフトした第二の測定光と、第二の周波数から前記と同じ所定量だけ周波数がシフトした第二の参照光を発生させるステップと、第一の測定光および第一の参照光を光学部材に照射するステップと、光学部材に照射された第一の測定光および第一の参照光を、第二の測定光および第二の参照光に重畳するステップと、第一の測定光と第二の測定光が重畳することで生じるビートの位相を、第一の参照光と第二の参照光が重畳することで生じるビートを基準として検出するステップと、検出されたビートの位相に基づき、検出対象の温度変化を検出するステップと、を含むことを特徴とする温度変化検出方法とすることもできる。【００３６】このようにして、検出対象の温度変化を検出することで、検出対象の化学反応、生体反応を検出することができる。ところで、温度変化を検出する場合、第一の測定光の波長または周波数の関数として位相を測定することにより検出対象の屈折率を求め、さらに、屈折率の温度依存性を測定することにより、検出対象の温度変化を評価することもできる。
【発明の効果】
【００３７】本発明によれば、被測定物の波長分散を受けた光と、被測定物の波長分散を受けない光とで周波数をシフトさせることで、電子計測器等で測定可能な周波数帯でビートを発生させ、そのビート位相の波長依存性を測定するようにした。これにより、波長分散、光路長等の測定を高速で、しかも確実に行うことが可能となる。そして、測定結果は、位相の波長依存性を示す情報で出力できるため、直感的な測定結果の認識が可能となる。また、二波長の光をそれぞれ周波数シフトさせて用いたり、周波数シフトさせるための信号を基準として用いることで、位相ゆらぎを排除して高精度な測定が行える。また、化学反応、生体反応、および温熱交換等に伴う発熱を検知するための屈折率測定を行うこともでき、化学・生体反応および温熱効果を正しく評価することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。［第一の実施の形態］図１に示すように、本実施の形態における一波長ビート位相検出系の検出装置１０Ａでは、波長分散測定用の測定光を、所定の交流電気信号を印加した音響光学（ＡＯ）結晶から構成される周波数シフター１２に通す。すると、音響光学結晶で回折した一次光（第二の光）Ｂ１は交流電気信号の周波数分だけシフトする。透過したゼロ次光（第一の光）Ｂ０は元の周波数のままである。そして、ゼロ次光Ｂ０を、波長分散の被測定物（光学部材、検出対象）Ｓに透過させる。すると、ゼロ次光Ｂ０は、被測定物Ｓの波長分散による位相変化を受ける（周波数は不変）。この後、ゼロ次光Ｂ０と一次光Ｂ１とを再び重ね合わせると、干渉によるビートが発生する。このようにして、ゼロ次光Ｂ０と一次光Ｂ１とを重ね合わせることでビートが発生した重畳光Ｚのビート位相の波長依存性を測定すれば、波長分散を測定評価することができるのである。このとき、ゼロ次光Ｂ０と一次光Ｂ１の周波数差は、音響光学結晶に印加する交流電気信号の周波数分だけシフトしているため、これらを重ね合わせた重畳光Ｚにて発生するビートは、交流電気信号の周波数に等しく、電子計測器により検出できる。これにより、波長分散の測定を確実に行えるのである。【００３９】音響光学結晶を用いた周波数シフター１２の場合、一次光Ｂ１の強度は周波数シフター１２に印加する交流電気信号のパワーに比例し、ゼロ次光Ｂ０の強度はそれに応じて減少する。このため、周波数シフター１２に印加する交流電気信号のパワーを変化させることにより、ゼロ次光Ｂ０および一次光Ｂ１へと分配する光強度を制御することができる。光ファイバグレーティング・アレイ型導波路回折格子等の既存デバイスであれば、光回路に光を入射する際の損失、光回路伝搬に伴う放射損失、光回路から出射する光を取り出す際の損失等による、デバイス通過後の光減衰は３〜５ｄＢ程度、最大でも１０ｄＢ程度である。これに対し、フォトニック結晶導波路等の微小光回路では、前記したような損失等によって、光強度の減衰が３０ｄＢにも達する場合がある。このような場合、被測定物Ｓをセットする側の経路であるゼロ次光Ｂ０に、相対的により多くのパワーを分配し、発生するビートの強度を最大とするのが望ましい。【００４０】図１に示すように、検出装置１０Ａは、光源（光供給部）１１、周波数シフター１２、被測定物セット部（照射部）１３、光路差制御部１４、ビームカプラー（重畳部）１５、光検出器１６、ロックインアンプ（位相検出部）１７、制御・表示部（波長分散計測部、結果出力部）１８、分配比制御部３０を備えて構成されている。【００４１】ここで、本実施の形態では、光源１１、周波数シフター１２、被測定物セット部１３、光路差制御部１４、ビームカプラー１５、光検出器１６の間で光が伝搬する経路は、全て光ファイバＦで構成している。光ファイバＦには、単一モードの偏波保存ファイバ（ＰＭＦ）を用いる。単一モード性は、モード間分散による波長分散測定精度の劣化を避けるために必要である。偏波保存性は、被測定物Ｓの偏光依存性を評価するために必要である。通常の単一モードファイバでは、単一の偏波が維持されず異なる偏光が混在してしまうおそれがあり、偏光の選別が困難となる。【００４２】光源１１は、単一モード（単一波長）で発振する波長可変レーザー光源である。この光源１１における発振線のスペクトル幅は、周波数にして１ＧＨｚ以下であり、波長可変範囲は１５００〜１６００ｎｍである。図１では、光源１１における発振線のピーク波長をλと表す。光源１１から出射した測定光は、光ファイバＦを通して周波数シフター１２に導入される。周波数シフター１２は、音響光学結晶から構成され、この周波数シフター１２では、音響光学結晶に入力した交流電気信号の周波数と等しい周波数、例えば８０ＭＨｚ、だけシフトした一次光Ｂ１を出射する。これにより、周波数シフター１２からは、シフトしないゼロ次光Ｂ０、および周波数シフトされた一次光Ｂ１が出射される。また、周波数シフター１２は、位相基準用のため、音響光学結晶に入力する交流電気信号と同周波数で位相が安定した電気信号を、モニター信号としてロックインアンプ１７に出力する。【００４３】周波数シフター１２から出射されたゼロ次光Ｂ０は、光ファイバＦにより被測定物セット部１３に入射し、一次光Ｂ１は、光ファイバＦを通して光路差制御部１４に入射する。その後、被測定物セット部１３および光路差制御部１４から出射したゼロ次光Ｂ０および一次光Ｂ１は、ビームカプラー１５において結合する。ビームカプラー１５としては、光ファイバカプラーを使用することができる。このとき、ゼロ次光Ｂ０は、被測定物セット部１３にセットされる被測定物Ｓを通して、被測定物Ｓの波長分散による位相変化を受けている。一方、一次光Ｂ１は、被測定物Ｓの位相変化を受けていない。よって、ゼロ次光Ｂ０と一次光Ｂ１を結合させると干渉が生じ、差周波のビート信号が発生する。すると、このビート信号の位相には被測定物Ｓによる位相変化分が加わることになる。
ここで、周波数シフター１２の音響光学結晶に印加する周波数は、測定光よりも十分に低い周波数とするのが好ましい。例えば、測定光の周波数が１５０〜４００ＴＨｚである場合、音響光学結晶に印加する周波数は、測定光の周波数よりも大幅に低い周波数帯、例えばＲＦ帯、あるいはＲＦ帯よりも低い帯域とするのが好ましく、例えば、３０〜２００ＭＨｚとするのが好ましい。これにより、ゼロ次光Ｂ０と一次光Ｂ１を結合させることで生じるビート信号は、測定光よりも大幅に低周波なものとなる。この場合、ゼロ次光Ｂ０および一次光Ｂ１は、実質的に同一波長であるとみなすことができる。【００４４】ところで、周波数シフター１２から出射されるゼロ次光Ｂ０、一次光Ｂ１は、分配比制御部３０によって分配比が制御されるようになっている。分配比制御部３０では、被測定物Ｓの波長分散による位相変化を受けたゼロ次光Ｂ０と、一次光Ｂ１との干渉によって生じるビートの強度が最大となるよう、周波数シフター１２の音響光学結晶に入力する交流電気信号のパワーを調整するのである。なお、被測定物Ｓが特定のものに限定される場合は、分配比制御部３０によって、交流電気信号のパワーを可変とすることなく、事前に設定した値に固定すればよく、さらにこのような場合であれば、分配比制御部３０を省略することもできる。【００４５】また、光路差制御部１４は、ゼロ次光Ｂ０と一次光Ｂ１の干渉によるビート信号の強度を最大にするために導入している。これは、レーザー光の位相が常に一定ではなく、時間的コヒーレンスの制約により揺らいでいるためである。そのゆらぎによるビート信号の強度低下を最小にするには、ゼロ次光Ｂ０と一次光Ｂ１の伝播距離が等しくなるように、光路差を調節すればよい。各光ファイバＦの長さを調節することによって、上記伝搬距離を等しくし、ビート信号の強度を最大化できる場合、光路差制御部１４は省略できる。【００４６】さて、被測定物セット部１３および光路差制御部１４から出射し、ビームカプラー１５で結合されたゼロ次光Ｂ０と一次光Ｂ１の重畳光Ｚは、一本の光ファイバＦ中を伝搬し、光検出器１６に入射する。光検出器１６では、入射した光の強度に応じた電気信号を出力する。このとき、入射した光、すなわちゼロ次光Ｂ０と一次光Ｂ１の重畳光Ｚは、ビートを有しているため、光検出器１６から出力される電気信号も、これに応じたビートを有している。【００４７】このようにして、周波数シフター１２からビームカプラー１５までは、光ファイバ接続による干渉計を構成する。この干渉計は、マッハ−ツェンダー干渉計と等価であり、周波数シフター１２は一種のビームスプリッターとして機能しているのである。【００４８】ロックインアンプ１７は、位相を検出する計測器として用いる。ロックインアンプ１７の応答帯域は、ビート信号の周波数を超えているものを選択する必要がある。光検出器１６からの電気信号を測定用のｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ信号（以下、測定信号）とし、周波数シフター１２からのモニター用の交流電気信号を位相基準のｒｅｆｅｒｅｎｃｅ信号（以下、位相基準信号）として、おのおの、ロックインアンプ１７に入力する。これにより、ロックインアンプ１７では、位相基準信号に対する測定信号の相対的な位相を検出できる。この測定信号の相対位相が、被測定物Ｓを透過したことによるゼロ次光Ｂ０の位相変化に対応している。よって、光源１１の波長の関数として相対位相を測定することにより、被測定物Ｓの波長分散を求めることができる。また、測定信号の強度の絶対値を測定することにより、被測定物Ｓの透過または反射スペクトルを求めることができる。【００４９】相対位相の波長依存性を測定するには、光源１１の波長掃引に同期して相対位相を取得すればよい。そのため、波長分散計測部として、制御・表示部１８が備えられている。制御・表示部１８は、相対位相の波長依存性、すなわち波長分散を直感的に視認できる情報を表示する。制御・表示部１８の構成は、例えば、コンピューターにデータ入力を可能とするアナログ−デジタル変換部、機器を制御するインターフェース、およびディスプレイが接続されたものである。【００５０】制御・表示部１８と光源１１との間は、機器制御ラインＬで接続する。機器制御ラインＬは、例えば、ＩＥＥＥ４８８規格に準拠するインターフェースとそのケーブルである。制御・表示部１８により、光源１１の波長の可変範囲・掃引速度を設定すると同時に、光源１１から出射する光の波長や光強度などをモニターする。制御・表示部１８は、同時に、ロックインアンプ１７など他の計測器も制御する。そうすれば、ロックインアンプ１７での入力信号レンジなどをモニターできる。ところで、位相を検出するには、ロックインアンプ１７で検出した相対位相を電圧として出力する場合と、参照信号を基底とした直交二軸に対する強度変化をＸ−Ｙの二成分の電圧として出力する場合の二通りがある。前者では、位相が直接出力されるが、出力範囲は−πから＋π、もしくは０から２πの範囲に限られてしまう。その範囲を超えてしまうと、信号は２πの周期で折り返されてしまうため、測定後、その折り返しを解除する必要がある。後者のＸ−Ｙ出力とする場合には、位相は直接出力されない代わりに、振動する強度信号が得られ、それを変換することによって、相対位相が得られる。被測定物Ｓの特性に応じて、二通りの出力方式からいずれかを選択すればよい。【００５１】また、検出装置１０Ａでは、光源１１、周波数シフター１２、光路差制御部１４、ビームカプラー１５、光検出器１６、ロックインアンプ１７等が、図２に示すように、筐体１９に格納されている。制御・表示部１８は、この筐体１９に設けられても良いし、図２に示す如く、別体としてＰＣ等で構成することもできる。この場合、制御・表示部１８としてのＰＣのディスプレイ１８ａに波長分散波形が表示される。【００５２】以上のようにして、被測定物Ｓの波長分散を測定することができる。測定結果は、制御・表示部１８に、図３に示すように、横軸の波長（周波数）、縦軸に位相をプロットした、位相の波長（周波数）依存性を示すグラフ等として表示することができる。この結果をある周波数を中心としたべき展開で表した位相と比較することにより、各べき乗の係数、すなわち各次数の波長分散項が求められる。この図３では、二次の波長分散を反映した変化を示している。【００５３】上述したように、検出装置１０Ａでは、被測定物Ｓの波長分散を受けたゼ���次光Ｂ０と、周波数をシフトさせた一次光Ｂ１とを重ね合わせ、これによって低周波のビートを発生させ、そのビート位相の波長（周波数）依存性を測定するようにした。これにより、波長分散の測定を高速で、しかも確実に行うことが可能となる。しかも、測定結果は、位相の波長依存性を示す情報で出力できるため、直感的な測定結果の認識が可能となる。また、このような方法では、被測定物Ｓの種類やサイズを問うことなく、汎用性の高い装置とすることができる。【００５４】このような検出装置１０Ａは、光ファイバ通信に用いられる光ファイバや各種デバイス、フォトニック結晶等、各種の光素子や光学部材の評価や検査に用いることができる。この場合、図２に示したように、被測定物セット部１３は、被測定物Ｓのセット・交換を容易とするため、筐体１９からは独立したモジュールとすることができる。また、図４（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、光学部材である、光デバイスＳａ、光ファイバＳｂ、反射型配置での光ファイバグレーティングＳｃ等が被測定物Ｓとなる場合、これらの被測定物Ｓは、筐体１９の表面に設けられた光ファイバコネクタ（図示無し）に直接接続することもできる。なお、光ファイバグレーティングＳｃを被測定物Ｓとする場合、入射側から光を取り込み、出射側に光を送り出すよう、サーキュレータ６０を用いる。さらに、図５に示すように、通常の光導波路、フォトニック結晶導波路、導波路型半導体光増幅器等が被測定物Ｓとなる場合、被測定物セット部１３にて、入射側、出射側の光ファイバＦの先端部Ｆａ、Ｆｂを球状とする。入射側、出射側の光ファイバＦは、ファイバ保持部２０Ａ、２０Ｂに保持され、このファイバ保持部２０Ａ、２０Ｂには、保持した光ファイバＦを、互いに直交する三軸方向への直線移動、および軸周りの回転を可能とする駆動機構が備えられている。【００５５】この他、図６（Ａ）、（Ｂ）に示すように、複数の被測定物Ｓを測定する場合、光スイッチ６１を用いるのが好ましい。この光スイッチ６１に複数の被測定物Ｓを接続し、制御・表示部１８側から光スイッチ６１の切替を制御し、測定光、参照光を照射する複数の被測定物Ｓを順次切り替え、各々の被測定物Ｓの測定を行うことができる。このようにすれば、複数の被測定物Ｓを、連続して自動的に測定することが可能となる。【００５６】図７（Ａ）に示すように、複数のパスｐを有する被測定物Ｓを行うこともできる。このような被測定物Ｓとしては、ＡＷＧ（Ａｒｒａｙｅｄ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  Ｇｒａｔｉｎｇ：アレイ型導波路回折格子）がある。ＡＷＧでは、複数の波長への分波、複数波長からの合波を行うことができる（例えば、″１６−ｃｈ  Ａｒｒａｙｅｄ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  Ｇｒａｔｉｎｇ  Ｍｏｄｕｌｅ  ｗｉｔｈ  １００−ＧＨｚ  Ｓｐａｃｉｎｇ″Ｔｓｕｎｅｔｏｓｈｉ  Ｓａｉｔｏ，Ｔｏｓｈｉｈｉｋｏ  Ｏｔａ，Ｔｏｍｏａｋｉ  Ｔｏｒａｔａｎｉ，Ｙｏｓｈｉｍｉ  Ｏｎｏ［ｏｎｌｉｎｅ］、［平成１５年１２月２日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｆｕｒｕｋａｗａ．ｃｏ．ｊｐ／ｒｅｖｉｅｗ／ｆｒ０１９／ｆｒ１９＿０９．ｐｄｆ＞参照。″２：１  Ａｒｒａｙｅｄ−Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  Ｇｒａｔｉｎｇ  Ｂａｓｅｄ  ＷＤＭ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｎｅｔｗｏｒｋｓ：Ａｎ  Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｒｙ  Ｍｕｌｔｉ−Ｇｂ／ｓ  Ｕｐｇｒａｄｅ  Ｐａｔｈ″Ｍｉｃｈａｅｌ  Ｃ．Ｐａｒｋｅｒ，Ｓｔｕａｒｔ  Ｄ．Ｗａｌｋｅｒ［ｏｎｌｉｎｅ］、［平成１５年１２月２日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｉｓｓｌｓ−ｃｏｕｎｃｉｌ．ｏｒｇ／ｐｒｏｃ００／ｐａｐｅｒｓ／２＿１．ｐｄｆ＞参照）。このような被測定物Ｓを測定する場合も、同様に光スイッチ６１を用いることで、各々のチャンネルのパスｐの測定を行うことができる。【００５７】さらに、ＡＷＧを被測定物Ｓとする場合において、複数のパスｐ間での相関を評価する場合、図７（Ｂ）に示すように、複数本に分岐した光ファイバ６２を用いる。この光ファイバ６２の分岐ファイバ６２ａを各パスｐに接続することで、複数のパスｐに同時に光を照射し、測定を行うことができるのである。この場合、光ファイバ６２の各分岐ファイバ６２ａは、その光路長等の特性が既知であるのが好ましく、その特性に基づいた較正を必要に応じて行う。また、各分岐ファイバ６２ａの光路長を揃えておけば、較正を行うことなく、高精度な測定が行なえる。【００５８】ＡＷＧは、分波、合波だけでなく、超短光パルスの波形制御にも用いられる（″Ａｎａｌｙｓｉｓ  ｏｆ  ｏｐｔｉｃａｌ−ｓｉｇｎａｌ  ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  ｕｓｉｎｇ  ａｎ  ａｒｒａｙｅｄ−ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ｇｒａｔｉｎｇ″Ｈｉｒｏｋａｚｕ  Ｔａｋｅｎｏｕｃｈｉ，Ｈｉｒｏｙｕｋｉ  Ｔｓｕｄａ［ｏｎｌｉｎｅ］、［平成１５年１２月２日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｏｐｔｉｃｓｅｘｐｒｅｓｓ．ｏｒｇ／ａｂｓｔｒａｃｔ．ｃｆｍ？ＵＲｌ＝ＯＰＥＸ−６−６−１２４＞参照）。このような波形制御に用いるＡＷＧを被測定物Ｓとする場合も、図７（Ｂ）に示したような構成で、入力波形を変化させた時の、チャンネル全体にわたる出力波形の評価等を行うことができる。【００５９】また、このような検出装置１０Ａは、化学反応、生体反応、および温熱交換等を検知するため、これらの反応・温熱交換に伴う発熱を検知するための装置として用いることもできる。その場合、検出装置１０Ａは、反応時の発熱や電磁波照射に伴う温熱効果による温度上昇によってもたらされる媒質の屈折率変化を検出する。図８に示すように、検出対象となる化学薬品、ガン細胞等、評価すべき被測定物Ｓは、例えばガラスセル等のセル２１に入れられ、被測定物セット部１３にセットされる。被測定物セット部１３に対し、入射側および出射側の光ファイバＦは、セル２１中でゼロ次光Ｂ０が平行ビームとなるよう設けられている。【００６０】被測定物Ｓが、化学反応、生体反応を起こすものである場合、被測定物Ｓの反応が進むにつれて放出される熱は、セル２１中の溶媒等の温度を上昇させ、屈折率を変化させる。この屈折率変化は、波長に依存した位相変化を引き起こすため、検出装置１０Ａでは、これを評価（検出）するのである。また、被測定物Ｓがガン細胞等である場合、被測定物セット部１３は、被測定物Ｓを加熱するため、セル２１に対し、電磁波等を照射する加熱部２２を備えている。加熱部２２で電磁波等を照射することで、被測定物Ｓ��温度が上昇し、屈折率が変化する。検出装置１０Ａでは、その屈折率変化を伝搬光（ゼロ次光Ｂ０）の位相変化として検出し評価する。【００６１】このようにして、化学反応、生体反応、および温熱交換等に伴う温度上昇により被測定物Ｓの屈折率変化を検出することができ、しかも従来のようにモニター用の光による発熱等の影響を受けることもなく、化学・生体反応および温熱効果を正しく評価することが可能となる。【００６２】また、このような検出装置１０Ａは、光ファイバ等における光路長測定を行うこともできる。この場合、被測定物Ｓとしての光ファイバにおいて、上記と同様の測定を行いつつ、波長分散ではなく、光ファイバの光路長で測定する。これには、被測定物Ｓの波長分散を無視できることが必要である。このため、検出装置１０Ａにおいて、被測定物Ｓをセットする以前に、ゼロ次光Ｂ０の経路と、一次光Ｂ１の経路が互いに等しい光路長となるように調整しておく必要がある。被測定物Ｓを被測定物セット部１３にセットし、波長を所定の領域で掃引させて位相を測定する。そのときの、掃引範囲の波長域での位相の変化量（ΔΦ）から、光路長Ｌを次式で求めることができる。【００６３】
2005015149.tif 000003
【００６４】ここで、Ｌは光路長、ｃは光速度、νｍａｘ、νｍｉｎは、測定波長域に対応する周波数の最大および最小値である。【００６５】ところで、上記のように、ゼロ次光Ｂ０の経路と、一次光Ｂ１の経路の光路長を合わせるための光路差制御部１４としては、具体的には以下に示すような構成が採用できる。まず一つには、両端がコネクタ接続されたバッチコード型の光ファイバを、適宜、交換・付加・除去することによって、光路長を可変とすることで、光路差制御部１４を構成することができる。また、図９に示すように、ベース９０上に、ステージ９１を一方向に移動可能に備え、このステージ９１上に、断面略Ｖ字状のレトロレフレクタ９２を備える。そして、このレトロレフレクタ９２に対し、一次光Ｂ１を照射する光ファイバＦ１と、レトロレフレクタ９２で反射した光を受け、ビームカプラー１５に送る光ファイバＦ２とが、ベース９０に固定されるようになっている。これにより、ステージ９１を移動させ、光ファイバＦ１、Ｆ２の出射端、入射端とレトロレフレクタ９２との距離を調整することができる。これらのような光路差制御部１４を備えることで、すなわち、ゼロ次光Ｂ０の経路と、一次光Ｂ１の経路の光路長を合わせることができる。これには、測定光の波長を掃引しつつ、制御・表示部１８にて、位相の変化を測定光の波長の関数としてモニターし、位相の変化量が最も少なくなるように光路差制御部１４で一次光Ｂ１側の経路の光路長を調整する。このようにして、周波数に線形に依存する位相変化分を除去することができ、波長分散の源となる周波数に、非線形的に依存する項のみを抽出することが可能となる。そして、被測定物Ｓを除いた、検出装置１０Ａ内の光ファイバを含む全ての部品の波長分散を、被測定物Ｓの１／１０以下に抑えるように検出装置１０Ａを設計することにより、被測定物Ｓの波長分散のみを高精度で計測することが可能となる。【００６６】［第二の実施の形態］次に、本発明にかかる第二の実施の形態を示す。上記第一の実施の形態では、周波数シフター１２からのモニター用の交流電気信号を位相基準信号とし、測定信号の相対的な位相を検出する構成としたが、以下に示す第二の実施の形態では、波長が互いに異なる波長分散測定用の測定光（Ｅｐｒｏｂ）と参照光（Ｅｒｅｆ）を用いる。上記第一の実施の形態で示した検出装置１０Ａと、以下に説明する第二の実施の形態における検出装置１０Ｂは、基本的な装置構成が共通するため、以下の説明では共通する構成については同符号を付し、その説明を省略する。【００６７】図１０に示す検出装置１０Ｂの光源３１は、二種の波長λ０、λ１の光を発生することができるものを用いる。図１１に示すように、光源３１は、波長（第一の波長）λ０の光を出射する第一光源３２と、波長（第二の波長）λ１の光を出射する第二光源３３と、これら第一光源３２、第二光源３３から出射された波長λ０、λ１の光を結合する結合部３４と、コネクタ３５とを備える。自由空間系で使用する場合は、これに光ファイバＦとビームコリメーター７０を接続する。第一光源３２および第二光源３３のそれぞれは、上記第一の実施の形態の検出装置１０Ａで光源１１として用いた単一モード発振の波長可変レーザ��光源と同様の性能を有する。第一光源３２および第二光源３３は、波長・波長掃引条件・光強度などを外部より制御可能とし、外部から、発振波長、波長掃引条件・出力光パワー等をモニターできるように設定されている。以下の説明では、波長λ０の光を参照光、波長λ１の光を波長分散検知用の測定光とする。参照光、測定光の波長の可変範囲、発振線幅は、上記第一の実施の形態と同様とする。【００６８】図１２に示すように、光源３１から出射される参照光、測定光は、光ファイバＦを通して周波数シフター１２に導入される。周波数シフター１２からは、波長λ０の参照光、波長λ１の測定光それぞれに対し、周波数シフトしない第一の周波数を有したゼロ次光Ｂ０と、周波数シフトして第二の周波数とされた一次光Ｂ１が出射される。このとき、波長λ０の参照光、波長λ１の測定光それぞれに対応して周波数シフター１２から出射されるゼロ次光Ｂ０、一次光Ｂ１は、上記第一の実施の形態と同様、分配比制御部３０によって分配比を制御することができる。一次光Ｂ１の周波数シフト量は、波長λ０、λ１とも、上記第一の実施の形態と同様、例えば８０ＭＨｚである。なお、本実施の形態では、周波数シフター１２は、モニター用としての交流電気信号は出力しない。【００６９】第一の測定光、第一の参照光としての波長λ０、λ１のゼロ次光Ｂ０は、光ファイバＦを介し、測定光として被測定物セット部１３に入射する。一方、第二の測定光、第二の参照光としての波長λ０、λ１の一次光Ｂ１は、光ファイバＦを介し、参照光として光路差制御部１４に入射する。被測定物セット部１３、光路差制御部１４を出射したゼロ次光Ｂ０および一次光Ｂ１はビームカプラー１５によって結合され、波長λ０、λ１の重畳光Ｚ０、Ｚ１となり、一本の光ファイバＦ中に導かれる。その結果、波長λ０の重畳光Ｚ０（測定光および参照光）、波長λ１の重畳光Ｚ１（測定光および参照光）のそれぞれにビートが発生する。波長λ０、λ１の重畳光Ｚ０、Ｚ１のそれぞれのビート周波数は、周波数シフター１２での周波数シフト量による周波数（８０ＭＨｚ）であるが、位相は、被測定物Ｓの波長分散を反映し、おのおのの波長に応じて異なっている。【００７０】ビームカプラー１５の後段側には、波長選択部３６が設けられている。この波長選択部３６は、波長λ０、λ１の重畳光Ｚ０、Ｚ１を、波長によって分離するものである。図１３は、波長選択部３６の構成の例を示すものである。波長選択部３６は、光ファイバ分岐部３７にて、波長λ０、λ１の重畳光Ｚ０、Ｚ１を伝搬してきた光ファイバＦを２系統に分岐し、系統Ｌ０に波長可変フィルタ（第一のフィルタ）３８Ａを、系統Ｌ１に波長可変フィルタ（第二のフィルタ）３８Ｂを設けた構成となっている。一方の系統Ｌ０の波長可変フィルタ３８Ａは、参照光としての波長λ０の重畳光Ｚ０を取り出し、他方の系統Ｌ１の波長可変フィルタ３８Ｂでは、測定光としての波長λ１の重畳光Ｚ１を取り出すようになっている。これにより、波長選択部３６では、一方の系統Ｌ０からは波長λ０の重畳光Ｚ０、他方の系統Ｌ１からは波長λ１の重畳光Ｚ１を出射できるようになっている。ここで、参照光となる重畳光Ｚ０の波長λ０を１５００ｎｍとすると、測定光の波長λ１は例えば１５０２〜１６００ｎｍ間での領域を掃引する。したがって、波長可変フィルタ３８Ｂは測定光となる重畳光Ｚ１の波長λ１を掃引する広い帯域の光を透過させなければならない。一方、波長可変フィルタ３８Ａは、波長λ０＝１５００ｎｍを中心として±５００ｐｍ程度の範囲の光のみを透過させる狭帯域フィルタであることが求められる。参照光および測定光の波長λ０、λ１および波長範囲は被測定物Ｓに応じて変化するので、波長可変フィルタ３８Ａ、３８Ｂには、それぞれ波長可変性が求められる。【００７１】ところで、本構成以外にも、波長選択部３６として機能できる構成は存在する。例えば、図１４に示す波長選択部３６’のように、波長可変フィルタ（フィルタ）３８Ｃからの反射光には、参照光以外の成分が含まれる。しかも、反射帯域は、参照光の波長近傍で１００ｎｍ程度の広帯域に及ぶことも可能である。したがって、図１４に示したように、光ファイバ分岐部３７や波長可変フィルタ３８Ａ、３８Ｂを用いず、波長可変フィルタ３８Ｃからの反射光を測定光として用いることにより、図１３の波長選択部３６と等価の機能を実現することができる。【００７２】図１０に示したように、波長選択部３６（３６’を含む）の後段側には、系統Ｌ０に光検出器（第一の光電素子、第一のフォトダイオード）１６Ａが、系統Ｌ１には光検出器（第二の光電素子、第二のフォトダイオード）１６Ｂが設けられている。波長選択部３６で波長ごとに分離された重畳光Ｚ０、Ｚ１は、光ファイバＦを通し、光検出器１６Ａ、光検出器１６Ｂに入射する。光検出器１６Ａ、１６Ｂでは、入射した光の強度に応じた電気信号を出力する。光検出器１６Ａでは、波長λ０の重畳光Ｚ０のビートに応じた電気信号を出力し、この電気信号は、位相基準電気信号としてロックインアンプ１７に入力される。また、光検出器１６Ｂでは、波長λ１の重畳光Ｚ１のビートに応じた電気信号を出力し、この電気信号は、測定信号としてロックインアンプ１７に入力される。【００７３】ロックインアンプ１７では、位相基準電気信号としての光検出器１６Ａからの電気信号と、測定信号としての光検出器１６Ｂからの電気信号とから、位相基準信号に対する測定信号の相対的な位相を検出する。これによって、この測定信号の相対位相、すなわち被測定物Ｓを透過したことによるゼロ次光Ｂ０の位相変化を得ることができ、被測定物Ｓの波長分散を測定し、制御・表示部１８に表示することができる。このようにして、検出装置１０Ｂでは、参照光の波長は固定しておき、その波長でのビート位相を基準として、波長掃引する測定光のビートの位相を測定することによって、被測定物Ｓの波長分散を知ることができる。【００７４】ところで、上記第一の実施の形態で示した検出装置１０Ａでは、周波数シフター１２内の交流電気信号を位相基準信号として取り出す構成とした。しかし、このような位相基準の取り方では、検出装置１０Ａ内での振動等に起因する位相ゆらぎを除去することができず、発生するビートの位相ゆらぎに影響を及ぼす。つまり、要求される測定精度によっては、位相が安定に測定されず、位相ゆらぎによる誤差が、検出装置１０Ａにおける測定精度に影響を及ぼすことがある。これに対し、本実施の形���の検出装置１０Ｂでは、参照光と測定光として、それぞれ互いに異なる波長λ０、λ１の光を用いるようにした。参照光と測定光は同じ経路を通過するので、共通の位相ゆらぎを受ける。そのため、位相ゆらぎを相殺することで、位相ゆらぎによる誤差を大部分解消できる。残留する位相ゆらぎは、おのおのの波長の相違による部分である。例えば、参照光の波長を掃引範囲の下限の１５００ｎｍとし、測定光の波長を上限の１６００ｎｍとすると、双方の波長差は１００ｎｍである。これは、参照光の波長の６．７％である。よって、上記第一の実施の形態の検出装置１０Ａに比較し、検出装置１０Ｂでは、位相ゆらぎによる誤差を大幅に低減し、より高精度で遥かに安定した測定を行うことが可能となるのである。【００７５】このような検出装置１０Ａにおいても、図４〜図８に示したような形態で、様々な被測定物Ｓを測定することができる。ところで、上記したように二種の波長λ０、λ１の光を用いる二波長系の検出装置１０Ｂにおいて、図４（Ｃ）に示したような、反射型の被測定物Ｓを測定する場合、条件（被測定物Ｓの種類、特性等）によっては、測定を行うことができないことがある。図１５（Ａ）に示すように、二波長系の検出装置１０Ｂでは、測定光の波長λ１は、被測定物Ｓにおいて測定対象となる波長領域Ｒを掃引する。これに対し、参照光の波長λ０は、波長領域Ｒに対し、所定の間隔を隔てて設定される。一般的な反射型の被測定物Ｓの場合、この被測定物Ｓで光を反射する波長領域Ｚは、測定光を掃引する波長領域Ｒと、参照光の波長λ０を包含する広い帯域となっている。【００７６】しかしながら、図１５（Ｂ）に示すように、被測定物Ｓにおいて光を反射する波長領域Ｚが、測定光を掃引する波長領域Ｒと、参照光の波長λ０を包含しない狭帯域の特性を有する被測定物Ｓの場合、参照光は、被測定物Ｓで反射しない。その結果、サーキュレータ６０では、被測定物Ｓで反射した測定光しか得ることができず、これでは位相の検出自体を行うことができないのである。このような狭帯域の被測定物Ｓとしては、例えばＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ  Ｂｒａｇｇ  Ｇｒａｔｉｎｇ）がある。ＦＢＧは、光ファイバの伝播路上に回折格子を有したような構成のものである（例えば、″Ｆｉｂｅｒ  Ｂｒａｇｇ  Ｇｒａｔｉｎｇｓ  ｆｏｒ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｆｉｂｒｅ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ″Ｍ．Ｎ．Ｚｅｒｖａｓ，Ｊｏｈｎ  Ｗｉｌｅｙ  ＆  Ｓｏｎｓ  ２００３年１２月  ＩＳＢＮ：０４７１８１５００４、あるいは、「メトロ・アクセスにおけるＯＡＤＭ」香川昌義、塚田浩之、米田正史、古河電工時報、平成１５年１月、第１１１号、ｐｐ．５６−６１参照）。【００７７】狭帯域の被測定物Ｓを測定するには、図１６に示すような構成が有効である。すなわち、被測定物Ｓの後段側に、参照光の波長λ０を反射する反射体（反射物）８０を配置するのである。
ここで、測定光は、被測定物Ｓにおいて反射されるとは言え、１００％が完全に反射するわけではなく、その一部が被測定物Ｓと通過し、反射体８０まで到達することになる。反射体８０に到達した測定光が反射すると、被測定物Ｓで反射した測定光に対し影響を及ぼし、測定精度の低下を招く恐れがあるため、反射体８０では、測定光を掃引する波長領域Ｒの光を反射しない特性とするのが好ましい。ＦＢＧの場合、例えば波長１５５０ｎｍに反射ピークを持つＦＢＧであれば、測定光を掃引する波長領域Ｒは、１５４５〜１５５５ｎｍとなり、参照光の波長λ０は、例えば波長１５３０ｎｍ等とされ、その波長の差は１５ｎｍ等と非常に小さいものとなる。このように、非常に小さい波長差において、参照光を反射し、測定光を掃引する波長領域Ｒの光を反射しない特性を有した反射体８０としては、それ自体が狭帯域の反射特性を有したものが好ましく、例えばＦＢＧが好適である。【００７８】この場合、被測定物ＳのＦＢＧと、反射体８０となるＦＢＧは、標準（既知）の分散を有する光ファイバ８１で接続する。これにより、測定光は、被測定物ＳであるＦＢＧで反射されてサーキュレータ６０に戻るのに対し、参照光は、被測定物ＳであるＦＢＧを通過し、反射体８０となるＦＢＧで反射されてサーキュレータ６０に戻ってくる。【００７９】このような構成を採用することで、反射スペクトル帯が狭い被測定物Ｓであっても、検出装置１０Ｂにおいて測定を行うことが可能となる。【００８０】図１７に示すものは、上記したような検出装置１０Ｂの具体的構成の例を示すものである。この図１７に示すように、検出装置１０Ｂの具体的な構成では、周波数シフター１２に、音響光学（Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃ：ＡＯ）結晶を用いたＡＯ周波数シフター（ＡＯＦＳ：Ａｃｏｕｓｔ  Ｏｐｔｉｃ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｓｈｉｆｔｅｒ）を採用した。また、ＡＯ周波数シフターからなる周波数シフター１２に印加する交流電気信号を調整する分配比制御部３０を設け、この分配比制御部３０により、被測定物Ｓを追加した後のゼロ次光Ｂ０と一次光Ｂ１との間で発生するビートの強度を最適化し、測定結果における雑音が最小となるようにした。さらに、波長選択部３６には、複数の波長が伝搬している媒質中に新たな波長を加える（光ＡＤＤ）機能、およびある１つの波長のみを媒質中より取り出す（光ＤＲＯＰ）機能を有したＡｄｄ／Ｄｒｏｐフィルターを採用した。【００８１】そして、波長λ０の参照光、波長λ１の測定光を検出し、電気信号に変換する光検出器１６Ａ、１６Ｂとしては、フォトダイオード（Ｐｈｏｔｏ  Ｄｉｏｄｅ）を用いる。ここで、ロックインアンプ１７において基準として用いられる参照光側の光検出器１６Ｂを構成するフォトダイオードには、ＡＣ（交流）対応のものを用いるのが好ましい。ここで、被測定物セット部１３を通ったゼロ次光Ｂ０は、以下に示す〔数２〕で、被測定物セット部１３を通っていない一次光Ｂ１は〔数３〕で示すことができる。なお、Ｅｘは測定光または参照光の電界（ｘは測定光（ｐｒｏｂ）または参照光（ｒｅｆ）を指す）、ｅは自然対数の底、ｉは虚数単位、ωｘは測定光または参照光の角周波数、ｔは時間、Δφは被測定物Ｓにより生ずる位相差���この項が波長分散を含む）である。【００８２】
2005015149.tif 000004
2005015149.tif 000005
【００８３】
2005015149.tif 000006
【００８４】ビームカプラー１５において重畳した重畳光ＺのパワーＰは、〔数２〕のＥ０と、〔数３〕のＥ１を用い、以下のように表すことができる。Ｐ＝（Ｅ０＋Ｅ１）（Ｅ０＊＋Ｅ１＊）＝｜Ｅ０｜２＋｜Ｅ１｜２＋（Ｅ０＊Ｅ１）＋（Ｅ０Ｅ１＊）ここでＥ＊はＥの複素共役を表す。【００８５】このとき、（Ｅ０＊Ｅ１）、（Ｅ０Ｅ１＊）の項は、ゼロ次光Ｂ０、一次光Ｂ１の双方の影響を受ける、すなわち干渉に関わるわけであるが、｜Ｅ０｜２、｜Ｅ１｜２の項は、ゼロ次光Ｂ０、一次光Ｂ１それぞれの経路によって決まるため、干渉には関わらない、いわゆる直流成分である。光検出器１６Ｂを構成するフォトダイオードに、ＡＣ（交流）対応のものを用いることで、この直流成分をカットした電気信号を出力することができる。【００８６】ロックインアンプ１７では、このように、直流成分がカットされた電気信号を基準とすることで、精度の高い信号を基準として、位相を検出することができる。【００８７】上記したような具体的構成を用い、実際に被測定物Ｓの測定を行ったのでその結果をここに示す。ここで、検出装置１０Ｂに用いた構成は以下の通りである。第一光源３２：ＮｅｗＦｏｃｕｓ社Ｍｏｄｅｌ  ６５２８、第二光源３３：ＮｅｗＦｏｃｕｓ社Ｍｏｄｅｌ  ６４２８、周波数シフター１２：Ｂｒｉｍｒｏｓｅ社ＡＭＦ−１００−１０−１５２５、光検出器１６Ａ：ＮｅｗＦｏｃｕｓ社Ｍｏｄｅｌ  １８１１−ＦＣ（ＤＣ対応のフォトダイオード）、光検出器１６Ｂ：ＮｅｗＦｏｃｕｓ社Ｍｏｄｅｌ  １８１１−ＡＣ−ＦＣ（ＡＣ対応のフォトダイオード）、ロックインアンプ１７：Ｓｔａｎｆｏｒｄ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｓｙｓｔｅｍｓ社ＳＲ８４４、（使用条件：時定数０．３ｍｓ以下、Ｘ−Ｙ  ｏｒ  Ｒ−ｔｈｅｔａ  ｍｏｄｅ）、制御・表示部１８：オシロスコープＩｗａｔｓｕ社ｍｏｄｅｌ  ＴＳ−８５００。【００８８】そして、被測定物Ｓは、波長１５５０ｎｍに反射ピークを有し、ｃ−ｂａｎｄ帯での１０Ｇｂｐｓ波長多重伝送システム用の光フィルターとして用いられるＦＢＧとした。このような被測定物Ｓに対し、測定光を掃引する波長領域Ｒを１５４５〜１５５５ｎｍとし、この、幅１０ｎｍの波長領域Ｒを、１秒で掃引した。また、参照光は、波長１５３０ｎｍとした。ロックインアンプ１７からの出力信号を、制御・表示部１８として、オシロスコープおよびＰＣを用い、オシロスコープで視覚情報を表示しつつ、ＰＣで出力信号を１秒間に６００００ポイント（回）受信し、これを周波数、位相、反射強度の関係として出力した。【００８９】その出力結果が、図１８に示すものである。この図に示すように、周波数−反射強度の関係を示す線Ｌにおいて、２０〜３０ＧＨｚ程度のスペクトル幅を有する反射強度のピークが明確に現れており（図１８中Ｌ１の部分）、さらにそのピークの脇に、サイドローブと称される変動も明確に現れている（図１８中Ｌ２の部分）。加えて、周波数−反射強度の関係を示す線Ｌ、周波数−位相の関係を示す線Ｐともに、１ＧＨｚ程度のピッチで変動が現れており、このことからも、１ＧＨｚ程度の分解能で測定が行えることが明らかである。しかも、その測定に際し、幅１０ｎｍの波長領域Ｒを１秒で掃引しており、非常に高速で���高い分解能の測定が実現できている。加えて、掃引する波長領域Ｒの位置、大きさとも、なんら制限を受けるものではなく、より広い波長領域Ｒであっても、同様に高速かつ高精度での測定が可能となっている。【００９０】［第三の実施の形態］次に、本発明にかかる第三の実施の形態について説明する。上記第一および第二の実施の形態で示した検出装置１０Ａ、１０Ｂは、光ファイバＦを用いて光を伝搬する構成としたが、本実施の形態における検出装置１０Ｃは、ミラーやプリズム等を用いた自由空間ビーム系の構成とした。なお、以下の説明において、上記第一または第二の実施の形態で示した検出装置１０Ａ、１０Ｂと共通する構成については同符号を付し、その説明を省略する。また、上記で示した各種の変形例、応用例等も同様に適用することが可能である。この場合、図１９に示すように、検出装置１０Ｃでは、光源４１として、上記第二の実施の形態で示した光源３１（図１１参照）と同様の構成を用いることができるが、自由空間ビーム系で構成する本検出装置１０Ｃの場合には出射ファイバとなる光ファイバＦの先端にビームコリメーターを設け、出射される光が平行ビームとなるようにする。光源４１からは、参照光としての波長λ０の光と、測定光としての波長λ１の光とを出射する。光源４１から出射される参照光、測定光は、自由空間を通って周波数シフター１２に到達する。そして、周波数シフター１２からは、波長λ０の参照光、波長λ１の測定光に対し、周波数シフトしないゼロ次光Ｂ０と、周波数シフトした一次光Ｂ１がそれぞれ出射される。このときも、波長λ０の参照光、波長λ１の測定光それぞれに対応して周波数シフター１２から出射されるゼロ次光Ｂ０、一次光Ｂ１は、上記第一の実施の形態と同様、分配比制御部３０によって分配比を制御することができる。一次光Ｂ１の周波数シフト量は、波長λ０、λ１とも、上記第一の実施の形態と同様、例えば８０ＭＨｚである。なお、本実施の形態でも、周波数シフター１２は、モニター用としての交流電気信号は出力しない。【００９１】波長λ０、λ１のゼロ次光Ｂ０は、自由空間を通り、入射光学系４２を介し、測定光として被測定物セット部１３に入射する。被測定物セット部１３を経たゼロ次光Ｂ０は、出射光学系４３、ミラー４４を介し、キューブ状のビームカプラー４５へと至る。一方、波長λ０、λ１の一次光Ｂ１は、ゼロ次光Ｂ０とは異なる角度で周波数シフター１２から出射され、ミラー４６、４７、光路差制御部として機能するレトロレフレクター型可動ミラー４８、４９を介し、ビームカプラー４５へと至る。波長λ０、λ１のゼロ次光Ｂ０および一次光Ｂ１は、それぞれビームカプラー４５において結合され、波長λ０、λ１の重畳光Ｚ０、Ｚ１となり出射される。その結果、干渉により、波長λ０の重畳光Ｚ０（参照光）、波長λ１の重畳光Ｚ１（測定光）のそれぞれにビートが発生する。波長λ０、λ１の重畳光Ｚ０、Ｚ１のそれぞれのビート周波数は、周波数シフター１２での周波数シフト量による周波数（８０ＭＨｚ）であるが、位相は、被測定物Ｓの波長分散を反映し、おのおのの波長に応じて異なっている。【００９２】ビームカプラー４５の後段側には、波長選択部５０が設けられている。この波長選択部５０は、波長λ０、λ１の重畳光Ｚ０、Ｚ１を、波長によって分離するものである。図２０は、波長選択部５０の構成の例を示すものである。この波長選択部５０は、一対の回折格子５１、５２間に、一対のレンズ５３、５４が配置された構成を有している。ここで、レンズ５３、５４は球面レンズであり、レンズ５３、５４の焦点距離をｆとすると、レンズ５３、５４間の距離は２ｆ、レンズ５３と回折格子５１、レンズ５４と回折格子５２の距離はｆとなっている。【００９３】このような構成において、ミラー５５により、ビームカプラー４５から出射した波長λ０、λ１の重畳光Ｚ０、Ｚ１（平行ビームである）が、回折格子５１の所定位置（レンズ５３、５４の中心を結んだ線の延長線上）に当たるように設定されている。これにより、回折格子５１に当たった波長λ０、λ１の重畳光Ｚ０、Ｚ１は、波長に応じた角度で回折し、レンズ（第一のレンズ）５３へと向かう。つまり、重畳光Ｚ０、Ｚ１の波長により、レンズ５３における入射位置が異なるのである。そして、回折格子５１で回折した波長λ０の重畳光Ｚ０と、波長λ１の重畳光Ｚ１は、レンズ５３を通し、互いに離間した平行ビームとなる。レンズ５３、５４間には、参照光とすべく固定された波長λ０を有する重畳光Ｚ０を取り出すためのミラー（第一の光学素子）５６が設けられており、これにより、波長λ０の重畳光Ｚ０は、ミラー５６を介し、光検出器１６Ａに向けて出射されるようになっている。また、波長λ１の重畳光Ｚ１は、レンズ（第二のレンズ）５４を経て、回折格子（第二の回折格子）５２上に集光され、波長に応じた所定の角度で再び回折する。このとき、重畳光Ｚ１の波長λ１は可変であるが、一対の回折格子５１、５２で回折・集光が行われるため、重畳光Ｚ１は、回折格子５２からは同一方向に向かう平行ビームとなって、外部に出射される。外部に出射された波長λ１の重畳光Ｚ１は、ミラー（第二の光学素子）５７により取り出され、さらにミラー５８、５９を経て、光検出器１６Ｂに向かう。このような構成を有する光学系は、自由空間を伝搬するビームに対して、異なる波長の光を分離し、分離後のおのおのの光を平行ビームとして取り出すことが簡単にできる。【００９４】このようにして、波長選択部５０において参照光と測定光を波長の違いにより分離し、光検出器１６Ａ、１６Ｂに集光して入射させる。すると、光検出器１６Ａ、１６Ｂでは、入射した光の強度に応じた電気信号を出力し、これに基づき、ロックインアンプ１７では、位相基準電気信号としての光検出器１６Ａからの電気信号と、測定信号としての光検出器１６Ｂからの電気信号とから、位相基準信号に対する測定信号の相対的な位相を検出する。これによって、この測定信号の相対位相、すなわち被測定物Ｓを透過したことによるゼロ次光Ｂ０の位相変化を得ることができ、被測定物Ｓの波長分散を測定し、制御・表示部１８に表示することができる。【００９５】このようにして、自由空間ビーム系を有した検出装置１０Ｃにおいても、上記第一および第二の実施の形態と同様の効果を得ることができる。また、自由空間ビーム系を用いる構成を採用することで、検出装置１０Ｃでは、光ファイバＦが使用できない波長領域の光、たとえば波長���００ｎｍ付近の光であっても波長分散測定が可能となる。【００９６】（制御・表示部１８の具体例および応用例）上記各実施の形態においては、制御表示部１８としては、図２に示したように、ＰＣを用いるのが一般的であり、この場合は、ロックインアンプ１７からの電気信号を、ＡＤコンバータ（ＡＤＣ）を介して受け取り、図３に示したようなφ−λ形式でディスプレイ１８ａに波長分散波形を表示する。他の方法として、図１７に示すように、ロックインアンプ１７から出力される電気信号を、オシロスコープ１００にてＸ−Ｙ形式で表示することもできる。このような構成とすれば、オシロスコープ１００上に表示された円の画像の回転を視認することで、位相の状態をダイレクトに認識することができる。そこで、オシロスコープ１００におけるＸ−Ｙ形式の出力表示と、ＰＣ１８における出力を組み合わせることもできる。例えば、被測定物Ｓの初期の評価の段階では、オシロスコープ１００における出力表示を利用し、大まかな評価を直感的に行い、それに基づいて被測定物Ｓの特性の調整等を行い、ある程度、被測定物Ｓの特性が安定してきた段階、例えば量産段階では、ＰＣＴ８における数値等による出力を行うこともできる。【００９７】なお、上記各実施の形態において、ゼロ次光Ｂ０を被測定物Ｓに入射し、一次光Ｂ１を入射させない構成としている。しかし、ゼロ次光Ｂ０は被測定物Ｓに入射せず、一次光Ｂ１の方を入射させるという設定で装置を構成することも可能である。通常、ゼロ次光Ｂ０が一次光Ｂ１よりも強度が高く、被測定物Ｓから透過する際には、反射や吸収による損失を伴う場合があるので、上記各実施の形態では、ゼロ次光Ｂ０を被測定物Ｓに入射する設定を採用している。また、周波数シフター１２を市販の音響光学結晶とＲＦ発振器から構成する場合、ＲＦ強度が可変でゼロ次光Ｂ０と一次光Ｂ１の強度を調整できるものがある。この場合、ゼロ次光Ｂ０と一次光Ｂ１の強度比が逆転する場合もあり、一次光Ｂ１を被測定物Ｓに入射することが有効となる場合がある。したがって、どちらを被測定物Ｓに入射させるかは、周波数シフター１２の特性に応じて選択すればよい。また、光検出器１６、１６Ａ、１６Ｂの電気周波数帯域は、ビート周波数よりも高い広帯域、もしくは、ビート周波数を中心として数ＭＨｚ程度の狭帯域のいずれを使用しても良い。定常光強度も検出し、透過光が最大となるよう、被測定物Ｓの調整を行う場合には、ＤＣからビート周波数を超える広帯域で応答する光検出器１６、１６Ａ、１６Ｂを選択し、ＤＣ成分やビート周波数以外からのノイズを除去する必要がある場合には、狭帯域のみで応答するものを光検出器１６、１６Ａ、１６Ｂとして選択することができる。これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９８】［図１］第一の実施の形態における検出装置の構成を示す図である。
［図２］検出装置の外観の一例を示す図である。
［図３］検出装置によって出力される位相の波長依存性を示す情報の例である。
［図４］検出装置にセットする被測定物の形態を示す図である。
［図５］検出装置にセットする被測定物の他の形態を示す図である。
［図６］検出装置にセットする被測定物のさらに他の形態を示す図である。
［図７］検出装置にセットする被測定物のさらに他の形態を示す図である。
［図８］検出装置にセットする被測定物のさらに他の形態を示す図である。
［図９］光路差制御部の構成の一例を示す図である。
［図１０］第二の実施の形態における検出装置の構成を示す図である。
［図１１］光源の構成を示す図である。
［図１２］二波長を用いた場合の光の伝搬形態を示す図である。
［図１３］波長選択部の一例を示す図である。
［図１４］波長選択部の他の一例を示す図である。
［図１５］反射型の被測定物における、測定光と波長領域の関係を示す図である。
［図１６］狭帯域の反射型の被測定物における測定器具の構成を示す図である。
［図１７］検出装置の具体的な構成を示す図である。
［図１８］得られた測定結果を示す図である。
［図１９］第三の実施の形態における検出装置の構成を示す図である。
［図２０］波長選択部の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００９９】１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ…検出装置、１１…光源（光供給部）、１２…周波数シフター、１３…被測定物セット部（照射部）、１５…ビームカプラー（重畳部）、１６…光検出器、１６Ａ…光検出器（第一の光電素子、第一のフォトダイオード）、１６Ｂ…光検出器（第二の光電素子、第二のフォトダイオード）、１７…ロックインアンプ（位相検出部）、１８…制御・表示部（波長分散計測部、結果出力部）、２１…セル、２２…加熱部、３０…分配比制御部、３１…光源、３２…第一光源、３３…第二光源、３６…波長選択部、３７…光ファイバ分岐部、３８Ａ…波長可変フィルタ（第一のフィルタ）、３８Ｂ…波長可変フィルタ（第二のフィルタ）、３８Ｃ…波長可変フィルタ（フィルタ）、４１…光源、５０…波長選択部、５１…回折格子、５２…回折格子（第二の回折格子）、５３…レンズ（第一のレンズ）、５４…レンズ（第二のレンズ）、５６…ミラー（第一の光学素子）、５７…ミラー（第二の光学素子）、８０…反射体（反射物）、１００…オシロスコープ、Ｂ０…ゼロ次光（第一の光）、Ｂ１…一次光（第二の光）、Ｆ…光ファイバ、Ｓ…被測定物（光学部材、検出対象）、Ｓａ…光デバイス（光学部材）、Ｓｂ…光ファイバ（光学部材）、Ｓｃ…光ファイバグレーティング（光学部材）、Ｚ、Ｚ０、Ｚ１…重畳光、λ…波長、λ０…波長（第一の波長）、λ１…波長（第二の波長）
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【手続補正書】
【提出日】平成18年4月17日(2006.4.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の波長を有する測定光と前記第一の波長とは異なる第二の波長を有する参照光を出射する光源と、
前記測定光を第一の測定光と第二の測定光に、前記参照光を第一の参照光と第二の参照光に分岐させ、前記第一の測定光および前記第一の参照光、または前記第二の測定光および前記第二の参照光の周波数をシフトさせる周波数シフターと、
前記第一の測定光および前記第一の参照光を被測定物に照射する照射部と、
前記照射部にて前記被測定物に照射された前記第一の測定光および前記第一の参照光を、前記第二の測定光および前記第二の参照光に重畳する重畳部と、
前記重畳部で前記第一の測定光と前記第二の測定光が重畳することで生じるビートの位相を、前記重畳部で前記第一の参照光と前記第二の参照光が重畳することで生じるビートを基準として検出する位相検出部と、
を備えることを特徴とする検出装置。
【請求項２】
前記第一の測定光と前記第二の測定光が重畳することで生じるビートと、前記第一の参照光と前記第二の参照光が重畳することで生じるビートとを、前記第一の測定光および前記第二の測定光と、前記第一の参照光および前記第二の参照光の波長の相違に基づき分離する波長選択部を、前記位相検出部の前段に備えることを特徴とする請求項１に記載の検出装置。
【請求項３】
前記波長選択部は、
前記第一の波長を有した光を透過する第一のフィルタと、
前記第二の波長を有した光を透過する第二のフィルタと、
を有することを特徴とする請求項２に記載の検出装置。
【請求項４】
前記波長選択部は、
前記第一の波長を有した光を透過し、前記第二の波長を有した光を反射するフィルタを有することを特徴とする請求項２に記載の検出装置。
【請求項５】
前記波長選択部は、
前記重畳部で重畳した前記第一の測定光および前記第一の参照光と前記第二の測定光および前記第二の参照光を、波長に応じた所定の角度で回折させる回折格子を有することを特徴とする請求項２に記載の検出装置。
【請求項６】
前記波長選択部は、
前記回折格子で回折した前記第一の測定光と前記第二の測定光の重畳光と、前記回折格子で回折した前記第一の参照光と前記第二の参照光の重畳光とを平行ビームにする第一のレンズと、
前記第一のレンズを通過した前記第一の参照光と前記第二の参照光の重畳光を取り出す第一の光学素子と、
前記第一のレンズと平行に設けられ、当該第一のレンズを通過した前記第一の測定光と前記第二の測定光の重畳光を屈折させる第二のレンズと、
前記第二のレンズで屈折した前記第一の測定光と前記第二の測定光の重畳光を、波長に応じた所定の角度で回折させる第二の回折格子と、
前記第二の回折格子で回折した前記第一の測定光と前記第二の測定光の重畳光を取り出す第二の光学素子と、
をさらに有することを特徴とする請求項５に記載の検出装置。
【請求項７】
前記位相検出部は、
前記第一の測定光と前記第二の測定光の重畳光のエネルギーを電気信号に変換して出力する第一の光電素子と、
前記第一の参照光と前記第二の参照光の重畳光のエネルギーを電気信号に変換して出力する第二の光電素子と、を備え、
前記第一の光電素子から出力される電気信号と前記第二の光電素子から出力される電気信号に基づき、前記位相を検出することを特徴とする請求項１に記載の検出装置。
【請求項８】
前記第一の光電素子および前記第二の光電素子がフォトダイオードであり、かつ少なくとも前記第二の光電素子を構成する前記フォトダイオードが交流対応型であることを特徴とする請求項７に記載の検出装置。
【請求項９】
前記被測定物が特定の波長領域の光のみを反射するものであり、前記第一の測定光の波長が前記波長領域内で、かつ前記第一の参照光の波長が前記波長領域外に設定されているとき、
前記照射部は、前記第一の測定光および前記第一の参照光の前記被測定物に対する照射方向において、前記被測定物の前段または後段に、前記第一の参照光を反射する反射物を備えることを特徴とする請求項１に記載の検出装置。
【請求項１０】
前記反射物は、前記第一の参照光の波長を含み、かつ前記被測定物とは異なる波長領域の光のみを反射することを特徴とする請求項９に記載の検出装置。
【請求項１１】
前記位相検出部で検出した、前記第一の測定光と前記第二の測定光が重畳することで生じるビートの位相に基づき、前記被測定物の波長分散を計測する波長分散計測部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の検出装置。
【請求項１２】
前記位相検出部で検出した、前記第一の測定光と前記第二の測定光が重畳することで生じるビートの位相の変化に基づき、前記被測定物の温度変化を検出する請求項１に記載の検出装置。
【請求項１３】
前記位相検出部で検出した、前記第一の測定光と前記第二の測定光が重畳することで生じるビートの位相の変化に基づき、前記被測定物の光路長を測定する請求項１に記載の検出装置。
【請求項１４】
前記周波数シフターに印加する交流電気信号のパワーを調整し、前記周波数シフターで周波数をシフトさせる前記第一の測定光と前記第一の参照光の分配比、および前記第二の測定光と前記第二の参照光の分配比を制御する分配比制御部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の検出装置。
【請求項１５】
第一の波長を有する測定光と前記第一の波長とは異なる第二の波長を有する参照光を出射する光源と、
前記光源から出射された光を、第一の周波数の光と第二の周波数の光に分岐させる周波数シフターと、
前記周波数シフターで分岐された前記第一の周波数の光を被測定物に照射する照射部と、
前記照射部を経た前記第一の周波数の光と、前記第二の周波数の光を重畳させるフォトカプラと、
前記フォトカプラを経た光を前記第一の波長の光と前記第二の波長の光に分岐させるフィルタと、
前記フィルタで分岐された前記第一の波長の光に応じた電気信号を出力する第一のフォトダイオードと、
前記フィルタで分岐された前記第二の波長の光に応じた電気信号を出力する第二のフォトダイオードと、
前記第一のフォトダイオードから出力された電気信号の変化を、前記第二のフォトダイオードから出力された電気信号を基準として測定するロックインアンプと、
を備えることを特徴とする検出装置。
【請求項１６】
前記第二のフォトダイオードは、直流成分を除去できる交流対応型であることを特徴とする請求項１５に記載の検出装置。
【請求項１７】
前記ロックインアンプから出力される電気信号に基づき、測定結果を視覚情報として出力する結果出力部をさらに備えることを特徴とする請求項１５に記載の検出装置。
【請求項１８】
前記結果出力部は、前記電気信号をＸ−Ｙモードで表示できるオシロスコープを備えることを特徴とする請求項１７に記載の検出装置。
【請求項１９】
第一の波長を有する測定光と前記第一の波長とは異なる第二の波長を有する参照光を出射する光源と、
前記測定光を第一の測定光と第二の測定光に、前記参照光を第一の参照光と第二の参照光に分岐させ、前記第一の測定光および前記第一の参照光、または前記第二の測定光および前記第二の参照光の周波数をシフトさせる周波数シフターと、
前記第一の測定光および前記第一の参照光を被測定物に照射する照射部と、
前記照射部にて前記被測定物に照射された前記第一の測定光および前記第一の参照光を、前記第二の測定光および前記第二の参照光に重畳する重畳部と、
前記重畳部で前記第一の測定光と前記第二の測定光が重畳することで生じるビートの位相を、前記重畳部で前記第一の参照光と前記第二の参照光が重畳することで生じるビートを基準として検出する位相検出部と、を備え、
前記光源から出射する前記測定光の波長を掃引したとき、前記位相検出部にて、前記ビートの位相の変化を検出することで、前記被測定物の光路長を測定することを特徴とする光路長測定装置。
【請求項２０】
第一の周波数を有する第一の測定光と、前記第一の周波数とは異なる第二の周波数を有する第一の参照光と、前記第一の周波数から所定量だけ周波数がシフトした第二の測定光と、前記第二の周波数から前記所定量だけ周波数がシフトした第二の参照光を発生させるステップと、
前記第一の測定光および前記第一の参照光を光学部材に照射するステップと、
前記光学部材に照射された前記第一の測定光および前記第一の参照光を、前記第二の測定光および前記第二の参照光に重畳するステップと、
前記第一の測定光と前記第二の測定光が重畳することで生じるビートの位相を、前記第一の参照光と前記第二の参照光が重畳することで生じるビートを基準として検出するステップと、
検出された前記ビートの位相に基づき、前記光学部材の光学特性を測定するステップと、
を有することを特徴とする光学部材評価方法。
【請求項２１】
前記光学特性を測定するステップでは、前記光学部材の波長分散を測定することを特徴とする請求項２０に記載の光学部材評価方法。
【請求項２２】
前記光学特性を測定するステップでは、前記第一の測定光および前記第二の測定光の波長を掃引したとき、前記ビートの位相の変化を検出することで、前記被測定物の光路長を測定することを特徴とする請求項２０に記載の光学部材評価方法。
【請求項２３】
前記第二の測定光および前記第二の参照光の、前記第一の測定光および前記第一の参照光に対する周波数のシフト量の絶対値は、前記第一の測定光と前記第一の参照光との周波数の差の絶対値より小さいことを特徴とする請求項２０に記載の光学部材評価方法。
【請求項２４】
前記第二の測定光および前記第二の参照光の、前記第一の測定光および前記第一の参照光に対する周波数のシフト量の絶対値を、３０〜２００ＭＨｚとすることを特徴とする請求項２３に記載の光学部材評価方法。
【請求項２５】
第一の周波数を有する第一の測定光と、前記第一の周波数とは異なる第二の周波数を有する第一の参照光と、前記第一の周波数から所定量だけ周波数がシフトした第二の測定光と、前記第二の周波数から前記所定量だけ周波数がシフトした第二の参照光を発生させるステップと、
前記第一の測定光および前記第一の参照光を光学部材に照射するステップと、
前記光学部材に照射された前記第一の測定光および前記第一の参照光を、前記第二の測定光および前記第二の参照光に重畳するステップと、
前記第一の測定光と前記第二の測定光が重畳することで生じるビートの位相を、前記第一の参照光と前記第二の参照光が重畳することで生じるビートを基準として検出するステップと、
検出された前記ビートの位相に基づき、検出対象の温度変化を検出するステップと、
を含むことを特徴とする温度変化検出方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３３
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３４
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３８】
以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
ここではまず、本発明において光素子や光学部材の評価、化学反応、生体反応、および温熱交換に伴う発熱等の検知・評価を行うための基本的な概念について説明する。
図１に示すように、一波長ビート位相検出系の検出装置１０Ａでは、波長分散測定用の測定光を、所定の交流電気信号を印加した音響光学(ＡＯ)結晶から構成される周波数シフター１２に通す。すると、音響光学結晶で回折した一次光(第二の光)Ｂ１は交流電気信号の周波数分だけシフトする。透過したゼロ次光(第一の光)Ｂ０は元の周波数のままである。そして、ゼロ次光Ｂ０を、波長分散の被測定物(光学部材、検出対象)Ｓに透過させる。すると、ゼロ次光Ｂ０は、被測定物Ｓの波長分散による位相変化を受ける(周波数は不変)。この後、ゼロ次光Ｂ０と一次光Ｂ１とを再び重ね合わせると、干渉によるビートが発生する。
このようにして、ゼロ次光Ｂ０と一次光Ｂ１とを重ね合わせることでビートが発生した重畳光Ｚのビート位相の波長依存性を測定すれば、波長分散を測定評価することができるのである。このとき、ゼロ次光Ｂ０と一次光Ｂ１の周波数差は、音響光学結晶に印加する交流電気信号の周波数分だけシフトしているため、これらを重ね合わせた重畳光Ｚにて発生するビートは、交流電気信号の周波数に等しく、電子計測器により検出できる。これにより、波長分散の測定を確実に行えるのである。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４１】
ここで、光源１１、周波数シフター１２、被測定物セット部１３、光路差制御部１４、ビームカプラー１５、光検出器１６の間で光が伝搬する経路は、全て光ファイバＦで構成している。
光ファイバＦには、単一モードの偏波保存ファイバ(ＰＭＦ)を用いる。単一モード性は、モード間分散による波長分散測定精度の劣化を避けるために必要である。偏波保存性は、被測定物Ｓの偏光依存性を評価するために必要である。通常の単一モードファイバでは、単一の偏波が維持されず異なる偏光が混在してしまうおそれがあり、偏光の選別が困難となる。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６６】
［第一の実施の形態］
次に、本発明にかかる第一の実施の形態を示す。
上記基本概念では、周波数シフター１２からのモニター用の交流電気信号を位相基準信号とし、測定信号の相対的な位相を検出する構成としたが、以下に示す第一の実施の形態では、波長が互いに異なる波長分散測定用の測定光(Ｅｐｒｏｂ)と参照光(Ｅｒｅｆ)を用いる。上記基本概念で示した検出装置１０Ａと、以下に説明する第一の実施の形態における検出装置１０Ｂは、基本的な装置構成が共通するため、以下の説明では共通する構成については同符号を付し、その説明を省略する。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６７】
図１０に示す検出装置１０Ｂの光源３１は、二種の波長λ０、λ１の光を発生することができるものを用いる。
図１１に示すように、光源３１は、波長(第一の波長)λ０の光を出射する第一光源３２と、波長(第二の波長)λ１の光を出射する第二光源３３と、これら第一光源３２、第二光源３３から出射された波長λ０、λ１の光を結合する結合部３４と、コネクタ３５とを備える。自由空間系で使用する場合は、これに光ファイバＦとビームコリメーター７０を接続する。第一光源３２および第二光源３３のそれぞれは、上記基本概念の検出装置１０Ａで光源１１として用いた単一モード発振の波長可変レーザー光源と同様の性能を有する。第一光源３２および第二光源３３は、波長・波長掃引条件・光強度などを外部より制御可能とし、外部から、発振波長、波長掃引条件・出力光パワー等をモニターできるように設定されている。
以下の説明では、波長λ０の光を参照光、波長λ１の光を波長分散検知用の測定光とする。参照光、測定光の波長の可変範囲、発振線幅は、上記基本概念と同様とする。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６８】
図１２に示すように、光源３１から出射される参照光、測定光は、光ファイバＦを通して周波数シフター１２に導入される。周波数シフター１２からは、波長λ０の参照光、波長λ１の測定光それぞれに対し、周波数シフトしない第一の周波数を有したゼロ次光Ｂ０と、周波数シフトして第二の周波数とされた一次光Ｂ１が出射される。このとき、波長λ０の参照光、波長λ１の測定光それぞれに対応して周波数シフター１２から出射されるゼロ次光Ｂ０、一次光Ｂ１は、上記基本概念と同様、分配比制御部３０によって分配比を制御することができる。一次光Ｂ１の周波数シフト量は、波長λ０、λ１とも、上記基本概念と同様、例えば８０ＭＨｚである。なお、本実施の形態では、周波数シフター１２は、モニター用としての交流電気信号は出力しない。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７４】
ところで、上記基本概念で示した検出装置１０Ａでは、周波数シフター１２内の交流電気信号を位相基準信号として取り出す構成とした。しかし、このような位相基準の取り方では、検出装置１０Ａ内での振動等に起因する位相ゆらぎを除去することができず、発生するビートの位相ゆらぎに影響を及ぼす。つまり、要求される測定精度によっては、位相が安定に測定されず、位相ゆらぎによる誤差が、検出装置１０Ａにおける測定精度に影響を及ぼすことがある。
これに対し、本実施の形態の検出装置１０Ｂでは、参照光と測定光として、それぞれ互いに異なる波長λ０、λ１の光を用いるようにした。参照光と測定光は同じ経路を通過するので、共通の位相ゆらぎを受ける。そのため、位相ゆらぎを相殺することで、位相ゆらぎによる誤差を大部分解消できる。残留する位相ゆらぎは、おのおのの波長の相違による部分である。
例えば、参照光の波長を掃引範囲の下限の１５００ｎｍとし、測定光の波長を上限の１６００ｎｍとすると、双方の波長差は１００ｎｍである。これは、参照光の波長の６．７％である。
よって、上記基本概念の検出装置１０Ａに比較し、検出装置１０Ｂでは、位相ゆらぎによる誤差を大幅に低減し、より高精度で遥かに安定した測定を行うことが可能となるのである。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９０】
［第二の実施の形態］
次に、本発明にかかる第二の実施の形態について説明する。
上記基本概念および第一の実施の形態で示した検出装置１０Ａ、１０Ｂは、光ファイバＦを用いて光を伝搬する構成としたが、本実施の形態における検出装置１０Ｃは、ミラーやプリズム等を用いた自由空間ビーム系の構成とした。なお、以下の説明において、上記基本概念または第一の実施の形態で示した検出装置１０Ａ、１０Ｂと共通する構成については同符号を付し、その説明を省略する。また、上記で示した各種の変形例、応用例等も同様に適用することが可能である。
この場合、図１９に示すように、検出装置１０Ｃでは、光源４１として、上記第一の実施の形態で示した光源３１(図１１参照)と同様の構成を用いることができるが、自由空間ビーム系で構成する本検出装置１０Ｃの場合には出射ファイバとなる光ファイバＦの先端にビームコリメーターを設け、出射される光が平行ビームとなるようにする。
光源４１からは、参照光としての波長λ０の光と、測定光としての波長λ１の光とを出射する。光源４１から出射される参照光、測定光は、自由空間を通って周波数シフター１２に到達する。そして、周波数シフター１２からは、波長λ０の参照光、波長λ１の測定光に対し、周波数シフトしないゼロ次光Ｂ０と、周波数シフトした一次光Ｂ１がそれぞれ出射される。このときも、波長λ０の参照光、波長λ１の測定光それぞれに対応して周波数シフター１２から出射されるゼロ次光Ｂ０、一次光Ｂ１は、上記基本概念と同様、分配比制御部３０によって分配比を制御することができる。一次光Ｂ１の周波数シフト量は、波長λ０、λ１とも、上記基本概念と同様、例えば８０ＭＨｚである。なお、本実施の形態でも、周波数シフター１２は、モニター用としての交流電気信号は出力しない。
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９５】
このようにして、自由空間ビーム系を有した検出装置１０Ｃにおいても、上記第一の実施の形態と同様の効果を得ることができる。また、自由空間ビーム系を用いる構成を採用することで、検出装置１０Ｃでは、光ファイバＦが使用できない波長領域の光、たとえば波長５００ｎｍ付近の光であっても波長分散測定が可能となる。
【手続補正１６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９８】
【図１】光素子や光学部材の評価、化学反応、生体反応、および温熱交換に伴う発熱等の検知・評価を行うための基本概念を示すための検出装置の構成を示す図である。
【図２】検出装置の外観の一例を示す図である。
【図３】検出装置によって出力される位相の波長依存性を示す情報の例である。
【図４】検出装置にセットする被測定物の形態を示す図である。
【図５】検出装置にセットする被測定物の他の形態を示す図である。
【図６】検出装置にセットする被測定物のさらに他の形態を示す図である。
【図７】検出装置にセットする被測定物のさらに他の形態を示す図である。
【図８】検出装置にセットする被測定物のさらに他の形態を示す図である。
【図９】光路差制御部の構成の一例を示す図である。
【図１０】第一の実施の形態における検出装置の構成を示す図である。
【図１１】光源の構成を示す図である。
【図１２】二波長を用いた場合の光の伝搬形態を示す図である。
【図１３】波長選択部の一例を示す図である。
【図１４】波長選択部の他の一例を示す図である。
【図１５】反射型の被測定物における、測定光と波長領域の関係を示す図である。
【図１６】狭帯域の反射型の被測定物における測定器具の構成を示す図である。
【図１７】検出装置の具体的な構成を示す図である。
【図１８】得られた測定結果を示す図である。
【図１９】第二の実施の形態における検出装置の構成を示す図である。
【図２０】波長選択部の構成を示す図である。
【国際調査報告】
2005015149.tif 000027
2005015149.tif 000028
2005015149.tif 000029
2005015149.tif 000030