(57)【要約】【課題】光を光源に戻すためのミラーを有する光学装置に比べて光の利用効率が高く、広い範囲の波長走査ができ、構造がシンプルで堅牢、コンパクトな光学装置を提供する。【解決手段】光源から入射される光を出射光として出射し、出射する出射光の出射角を、入力される信号に応じて偏向する偏向部と、偏向部から出射される出射光を分散し、分散される光のうち出射角と対応する波長の光を、反射光として偏向部に対して反射する分散反射部と、を備え、偏向部から光源に対して出力される反射光と光源から偏向部に入射される光とが共振した共振光を出力する光学装置である。【選択図】図２
2017207428.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から入射される光を出射光として出射し、出射する前記出射光の出射角を、入力される信号に応じて偏向する偏向部と、
前記偏向部から出射される前記出射光を分散し、分散される光のうち前記出射角と対応する波長の光を、反射光として前記偏向部に対して反射する分散反射部と、
を備え、
前記偏向部から前記光源に対して出力される前記反射光と前記光源から前記偏向部に入射される光とが共振した共振光を出力する
光学装置。
【請求項２】
前記分散反射部は、前記偏向部との相対位置が固定されている
請求項１に記載の光学装置。
【請求項３】
前記偏向部は、前記入力される信号の電圧に応じて結晶構造が変化する光学部材を備え、
前記結晶構造に基づいて前記光の前記出射角を偏向する
請求項１又は請求項２に記載の光学装置。
【請求項４】
前記偏向部は、前記入力される信号の周波数に応じて結晶構造が変化する光学部材を備え、
前記結晶構造に基づいて前記光の前記出射角を偏向する
請求項１又は請求項２に記載の光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光計測技術が、近年盛んに研究されている。なかでもレーザー光の波長を走査して干渉信号を取得し計測対象の内部情報を観察できる、いわゆる、光コヒーレンストモグラフィは、その代表的な計測技術である。この計測技術の精度及び測定時間を向上させるためには、波長走査幅が広く、走査速度の速い波長走査光源が必要である。従来、ＫＴＮ結晶を用いた、波長走査光源が知られている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−１２６５９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に記載された波長走査光源は、リットマンタイプの波長走査光源である。リットマンタイプの波長走査光源では、光源から出力される光が回折格子に当たり分散し、分散した光のうち取得したい波長の光をミラーによって光源に戻す。取得したい波長の光は、このミラーによって反射する際などに光強度が低下してしまうという課題があった。
本発明の課題は、光を光源に戻すためのミラーを有する光学装置に比べて光の利用効率が高く、広い範囲の波長走査ができ、構造がシンプルで堅牢、コンパクトな光学装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するため、本発明の光学装置は、本発明の一態様は、光源から入射される光を出射光として出射し、出射する前記出射光の出射角を、入力される信号に応じて偏向する偏向部と、前記偏向部から出射される前記出射光を分散し、分散される光のうち前記出射角と対応する波長の光を、反射光として前記偏向部に対して反射する分散反射部と、を備え、前記偏向部から前記光源に対して出力される前記反射光と前記光源から前記偏向部に入射される光とが共振した共振光を出力する。
【０００６】
また、本発明の他の光学装置は、前記分散反射部は、前記偏向部との相対位置が固定されている。
【０００７】
また、本発明の他の光学装置は、前記偏向部は、前記入力される信号の電圧に応じて結晶構造が変化する光学部材を備え、前記結晶構造に基づいて前記光の前記出射角を偏向する。
【０００８】
また、本発明の他の光学装置は、前記偏向部は、前記入力される信号の周波数に応じて結晶構造が変化する光学部材を備え、前記結晶構造に基づいて前記光の前記出射角を偏向する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、光を光源に戻すためのミラーを有する光学装置に比べて光の利用効率が高く、広い範囲の波長走査ができ、構造がシンプルで堅牢、コンパクトな光学装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態に係る計測装置の外観構成の一例を示す図である。
【図２】光学装置の構成の一例を示す図である。
【図３】近赤外レーザーの波長帯域幅の一例を示す図である。
【図４】計測装置の動作の一例を示した流れ図である。
【図５】分散反射部において分散及び反射される光の入射角を変えることによって選択される波長の光の一例について説明する図である。
【図６】計測器が観測した共振光の波長走査幅の一例について示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
［実施形態１に係る計測装置１の構成の一例］
以下、実施形態１の計測装置１について、図面を参照して説明する。
図１は、実施形態１に係る計測装置１の外観構成の一例を示す図である。
【００１２】
計測装置１は、電源ＯＳＣと、光源１１と、レンズＬと、偏光ビームスプリッターＰＢＳと、光学装置１０と、ビームスプリッターＢＳと、ミラーＭ１と、ミラーＭ２と、フォトダイオードＰＤと、パーソナルコンピュータＰＣとを備える。
【００１３】
電源ＯＳＣは、光源１１に対して駆動電流を供給する。
光源１１は、電源ＯＳＣから供給される駆動電流に応じて、さまざまな波長を含む光λｍを出射光として出射する。なお、以下の説明において、光源１１は、反射防止コート付き近赤外レーザーである。光源１１は、ペルチェ温度コントローラによって、温度を２５±０．０１（℃）に保たれる。また、光源１１の駆動電流は１００（ｍＡ）である。
レンズＬは、光源１１から出力されるさまざまな波長を含む光λｍを平行光にする。
偏光ビームスプリッターＰＢＳは、レンズＬが平行光にした光を光学装置１０及びビームスプリッターＢＳに対して出射する。
光学装置１０には、偏光ビームスプリッターＰＢＳから出射されるさまざまな波長を含む光λｍが入射される。光学装置１０は、入射されるさまざまな波長の光の中から、特定の波長の光のみを出射する。この一例では、光学装置１０から出射される特定の波長の光を、波長λ１の光として説明する。光学装置１０から出射される波長λ１の光は、偏光ビームスプリッターＰＢＳ及びレンズＬを介して、光源１１に入射される。光源１１に入射した波長λ１の光は、光源１１が出射するさまざまな波長の光のうち波長λ１の光とのみ共振する。光源１１は、共振した波長λ１の光を共振光として出力する。
ビームスプリッターＢＳは、偏光ビームスプリッターＰＢＳから出射される光が入射される。ビームスプリッターＢＳは、入射される光を分光し、ミラーＭ１、ミラーＭ２及びフォトダイオードＰＤに対して出射する。
ミラーＭ１、ミラーＭ２及びビームスプリッターＢＳは、干渉計を構成する。この一例では、ミラーＭ１、ミラーＭ２及びビームスプリッターＢＳは、Ｔｗｙｍａｎ−Ｇｒｅｅｎ干渉計を構成している。干渉計には、光源１１が出力する波長λ１の共振光が入射され、波長λ１の共振光同士を干渉させる。フォトダイオードＰＤと接続されるパーソナルコンピュータＰＣは、Ｔｗｙｍａｎ−Ｇｒｅｅｎ干渉計に入射された波長λ１の共振光同士の干渉信号を観測する。なお、ミラーＭ１、ミラーＭ２及びビームスプリッターＢＳが構成する干渉計は、Ｔｗｙｍａｎ−Ｇｒｅｅｎ干渉計に限られない。
【００１４】
次に、図２を参照して、光学装置１０の構成について説明する。
図２は、光学装置１０の構成の一例を示す図である。
光学装置１０は、偏向部１２と、分散反射部１３と、計測部１４と、信号出力部１５とを備える。
信号出力部１５は、偏向部１２に対して信号Ｓ１を出力する。信号Ｓ１とは、電圧が変化する信号、又は、周波数が変化する信号である。
偏向部１２は、光源１１から入射される光を出射光として出射し、出射する出射光の出射角αを、信号出力部１５から入力される信号Ｓ１に応じて偏向する。ここで、出射角αは、偏向部１２から偏向されずに出射される光の光軸に対する偏向角のことである。偏向部１２は、信号出力部１５から出力される信号Ｓ１を取得する。偏向部１２は、分散反射部１３への入射角θｉを、取得した信号Ｓ１に応じて偏向する。入射角θｉとは、分散反射部１３の分散反射面の法線ベクトルＮＶに対する角度である。偏向部１２は、光源１１から入射される光を、分散反射部１３に対して、入射角θｉの角度をつけて出射する。以下の説明では、偏向部１２とは、入力される信号Ｓ１の周波数に応じて結晶構造が変化する光学部材を備え、結晶構造に基づいて入射された光を偏向角αだけ偏向する音響光学偏向素子（Ａｃｏｕｓｔｏ−ｏｐｔｉｃ  ｄｅｆｌｅｃｔｏｒ；ＡＯＤ）である。音響光学偏向素子は、入力される信号Ｓ１の周波数に応じて内部の結晶構造が変化する。音響光学偏向素子は、内部の結晶構造が変化することにより、屈折率が周期的に変化する。音響光学偏向素子は、入射された光の出射角αを変える。なお、偏向部１２は、入力される信号Ｓ１に基づいて出射角αを変えるものであればよい。具体的には、偏向部１２は、入力される信号Ｓ１の電圧に応じて結晶構造が変化する光学部材を備え、結晶構造に基づいて光の出射角αを偏向する液晶パネルなどの、入力される信号Ｓ１の電圧に応じて結晶構造が変化する光学部材であってもよい。つまり、偏向部１２は、出射する光の出射角αを入力される信号Ｓ１に応じて偏向することにより、分散反射部１３に対して入射される光の入射角θｉを変化させる。
【００１５】
分散反射部１３とは、光学素子である。分散反射部１３は、偏向部１２から出射されるさまざまな波長を含む光λｍを分散する。また、分散反射部１３によって分散した光の回折角をθｄとすると、回折角θｄと同じ角度θｉ（θｄ＝θｉ）で反射した波長λ１の光のみが偏向部１２を通って光源１１に戻る。光源１１は、波長λ１の光によって共振する。より具体的には、分散反射部１３は、回折格子や、分光器である。なお、分散反射部１３には、偏向部１２と分散反射部１３との相対位置を変化させる可動装置（不図示）が備えられていてもよい。この場合、偏向部１２と分散反射部１３との相対位置のみを変えることにより反射光を選択する分散反射部１３と比較して、偏向部１２は出射角αを変化させられることにより、分散反射部１３の可動する範囲を抑えることができる。本実施形態において、偏向部１２と分散反射部１３との相対位置は固定される。以下の説明では、分散反射部１３は、金コートが施された格子定数Ｎ＝８３０（本／ｍｍ）の回折格子である。
回折格子により選択される波長λ１は、式（１）によって求めることができる。
【００１６】
【数１】
2017207428.tif 000003
【００１７】
ここで、式（１）に含まれるλ１は、光学装置１０によって選択される光の波長である。式（１）に含まれるＮは、回折格子定数（本／ｍｍ）である。式（１）に含まれるθｉは、分散反射部１３に入射する光の入射角θｉである。つまり、光学装置１０は、偏向部１２から分散反射部１３に対して入射するさまざまな波長を含む光λｍの入射角θｉを変化させることにより、光源１１と共振させる波長λ１の光を選択する。
【００１８】
光源１１は、偏向部１２から光源１１に対して入力される波長λ１の反射光と、光源１１から偏向部１２に出射される光のうち波長λ１の光と共振し、波長λ１の共振光を出力する。
計測器１４は、光源１１から出力される共振光を計測する。
【００１９】
次に、分散反射部１３に入射する光の入射角θｉを入射角Δθｉ分更に変化させた場合に、選択される波長Δλは、式（３）によって求めることができる。式（３）は、式（２）中のλ１に式（１）を代入し、変形したものである。
【００２０】
【数２】
2017207428.tif 000004
【００２１】
式（２）に含まれるΔθｉとは、変化させた分の入射角Δθｉである。
【００２２】
【数３】
2017207428.tif 000005
【００２３】
次に、光学装置１０の波長変化量と、従来の装置（不図示）の波長変化量とを比較する。従来の装置とは、偏向部１２と、分散反射部１３と、固定されたミラー（不図示）とを備えるリットマンタイプの波長走査光源を備える装置である。従来の装置が選択する光の波長変化量の算出式について説明する。
従来の装置は、分散反射部１３に入射する光の入射角θｉを変化させることにより、さまざまな波長を含む光λｍを分散し、波長λ１の光を選択する。選択された波長λ１の光は、入射角θｉに角度θｄを加えて、固定されたミラーに対して反射される。角度θｄとは、分散反射部１３の法線ベクトルに対する角度である。分散反射部１３から反射された波長λ１の光は、固定されたミラーによって垂直に反射され、分散反射部１３及び偏向部１２を介して光源１１に戻る。
ここで、従来の装置が選択する波長λ１は、数（４）によって求めることができる。
【００２４】
【数４】
2017207428.tif 000006
【００２５】
ここで、式（４）に含まれるλ１は、従来の装置によって選択される光の波長である。式（４）に含まれるＮは、回折格子定数（本／ｍｍ）である。式（４）に含まれるθｉは、分散反射部１３に入射する光の入射角θｉである。式（４）及び式（５）に含まれるθｄとは、分散反射部１３の法線ベクトルに対する角度θｄである。
【００２６】
次に、従来の装置が分散反射部１３に入射する光の入射角θｉを入射角Δθｉ分更に変化させた場合に、選択される波長Δλは、式（６）によって求めることができる。式（６）は、式（５）中のλ１に式（４）を代入し、変形したものである。
【００２７】
【数５】
2017207428.tif 000007
【００２８】
式（５）に含まれるΔθｉとは、変化させた分の入射角Δθｉである。
【００２９】
【数６】
2017207428.tif 000008
【００３０】
光学装置１０の波長変化量と、従来の装置の波長変化量とを比較すると、光学装置１０の波長変化量は、従来の装置の波長変化量の２倍の変化量である。つまり、光学装置１０は、従来の装置よりも広範囲な波長の走査ができる。
【００３１】
図３に、光源１１が出力する出射光のスペクトルの一例を示す。
図３は、近赤外レーザーの波長帯域幅の一例を示す図である。
光源１１が出力する共振光の中心波長は８１８（ｎｍ）である。また、光源１１が出力する共振光の波長帯域幅は６０（ｎｍ）である。
【００３２】
［実施形態１に係る計測装置１の動作の一例］
次に、図４を参照して計測装置１の動作の一例について説明する。
図４は、計測装置１の動作の一例を示した流れ図である。
偏向部１２へは、光源１１からさまざまな波長を含む光λｍが入射される（ステップＳ１１０）。偏向部１２は、信号出力部１５から出力される信号に応じて、光源１１から入射されたさまざまな波長を含む光λｍの出射角αを偏向する（ステップＳ１２０）。偏向部１２は、光源１１から出射されたさまざまな波長を含む光λｍを偏向し、分散反射部１３に対して、入射角θｉの角度をつけて入力する（ステップＳ１３０）。分散反射部１３は、偏向部１２から入力されるさまざまな波長を含む光λｍを分散し、入射角θｉと対応する波長λ１の光を偏向部１２に対して反射する。偏向部１２は、分散反射部１３から反射された波長λ１の光を光源１１に対して出力する。光源１１は、偏向部１２から出力された波長λ１の光と共振する。光源１１は、波長λ１と共振した共振光を出力する。計測器１４は、光源１１から出力される共振光を計測する（ステップＳ１４０）。
【００３３】
次に、図５を参照して、分散反射部１３において分散及び反射される光について説明する。
図５は、分散反射部１３において分散及び反射される光の入射角を変えることによって選択される波長の光の一例について説明する図である。
偏向部１２から出力されるさまざまな波長を含む光λｍは、分散反射部１３に当たると様々な方向に角度分散する。このとき、図５（a）に示すように偏向部１２から出力されるさまざまな波長を含む入射光Ｒ１ａ（さまざまな波長を含む光λｍの一例）は、入射角θ１で分散反射部１３に入射すると、そのまま偏向部１２に反射される波長λ１の光と、分散した他の波長λ０、波長λ２及び波長λ３の分散光とに分かれる。０次光Ｗ０−ａは、入射角θ１と同じ角度をもって反射する。次に、図５（b）に示すように偏向部１２から出力されるさまざまな波長を含む入射光Ｒ１ｂ（さまざまな波長を含む光λｍの一例）は、入射角θ２で分散反射部１３に入射すると、そのまま偏向部１２に反射される波長λ２の光と、分散した他の波長λ０、波長λ１及び波長λ３の分散光とに分かれる。０次光Ｗ０−ｂは、入射角θ２と同じ角度をもって反射する。偏向部１２から入射されるさまざまな波長を含む光λｍの入射角θｉは、最大の回折効率が得られるブレーズ角近傍に調整されている。ここで、上述した波長λ０から波長λ３までの分散光は一例であって、分散反射部１３において、偏向部１２から出力されるさまざまな波長を含む光λｍは、実際にはより多くの波長の光に分散される。分散反射部１３において分散された分散光のうち、入射角θｉと対応する波長の分散光が、偏向部１２に反射される。
偏向部１２から出射されるさまざまな波長を含む光λｍは、幅ＷＩを持って複数の回折面に当たる。分散反射部１３において、それぞれ波長λ０から波長λ３までの分散される分散光のうち、入射角θｉと対応する特定の波長をもつ分散光が、効率よく偏向部１２に反射される。
【００３４】
次に、図６を参照して、光源１１が出力する図３に示す波長の光と、光学装置１０から出力される波長λ１との光が共振した共振光の波長走査幅について説明する。
図６は、計測器１４が観測した共振光の波長走査幅の一例について示す図である。
共振光は、３７（ｎｍ）の波長走査幅である。
【００３５】
以上説明したように、計測装置１は、光源１１と、光学装置１０とを備える。光学装置１０は、偏向部１２と、分散反射部１３と、信号出力部１５とを備える。偏向部１２は、信号出力部１５から出力される信号に応じて、内部の結晶構造を変化させる。偏向部１２は、内部の結晶構造を変化させることにより、回折格子を構成する。偏向部１２は、光源１１から出力されるさまざまな波長を含む光λｍを、構成した回折格子によって偏向し、入射角θｉの角度をつけて分散反射部１３に対して出射する。分散反射部１３は、偏向部１２から出射される光を分散し、分散光を反射する。分散反射部１３は、入射角θｉに応じて得られる波長λ１の分散光を、偏向部１２に対して反射する。
【００３６】
このように構成することにより、反射光である波長λ１の光は、偏向部１２から分散反射部１３に対する光の入射角θｉによって選択される。また、選択された反射光である波長λ１の光は、光源１１に戻る光路上において、光源１１に反射光を戻すためのミラーに当たることがない。また、反射光を光源１１に戻すためのミラーが必要なくなる。したがって、ミラーに反射される際に低減する光強度の低下がない。また、光学装置１０の構造がシンプルになる。偏向部１２に戻った反射光である波長λ１の光は、光強度の低下を抑制することができる。光源１１は、光強度の低減を抑制された波長λ１の光と共振する。つまり、光学装置１０は光の利用効率が高く、出力の低い光源１１を用いても、安定した波長走査を行うことができる。
【００３７】
偏向部１２は、信号出力部１５から出力される信号に応じて、光源１１から出力されるさまざまな波長を含む光λｍを偏向する。偏向部１２は、分散反射部１３に対して、ブレーズ角近傍の入射角θｉを持つように、さまざまな波長を含む光λｍを偏向できるため、分散反射部１３は、偏向部１２との相対位置を変化させて、反射光の波長を選択する必要がない。つまり、分散反射部１３に可動部を設ける必要が無く、光学装置１０を分散反射部１３が可動する場合と比較して小型化できる。また、分散反射部１３に可動部を設ける必要が無いため、光学装置１０の耐衝撃性を上げることができる。また、分散反射部１３に可動部を設ける必要が無いため、可動による機器の部品劣化が起きないため、光学装置１０の長寿命化を図ることができる。さらに、分散反射部１３を可動部させて反射光の波長を選択する必要が無いため、分散反射部１３を可動させる場合と比較して高速な波長走査を行える。
【００３８】
また、偏向部１２は、入力される信号に基づいて、光の入射角θｉを変化させることができる。そのため、偏向部１２は、分散反射部１３に対する入射角θｉの精度を高めることができる。偏向部１２とは、入力される信号Ｓ１の電圧に応じて結晶構造が変化する光学部材である。偏向部１２は、入力される信号Ｓ１の電圧に応じて光の出射角αを偏向することができる。偏向部１２に、液晶パネルなどの部材を用いることにより、安価に光学装置１０を構成することができる。また、偏向部１２とは、入力される信号Ｓ１の周波数に応じて結晶構造が変化する光学部材である。偏向部１２は、入力される信号Ｓ１の周波数に応じて光の出射角αを偏向することができる。偏向部１２に音響光学偏向素子などの部材を用いることにより、液晶パネルなどの部材を用いる場合と比較して、音響光学偏向素子に使われる光学結晶の回折効率が高いため、精度よく光の出射角αを偏向することができる。
【００３９】
ここで、偏向部１２から出射されるさまざまな波長を含む光λｍの入射角θｉを変えることにより、所望する波長λ１の反射光を得られることは直感的には理解し辛いものであった。なぜならば、幅を持たない光が偏向部１２から出力され、ある角度をもって分散反射部１３に入射すると、所望する波長λ１の反射光は偏向部１２に対して反射することは無いからである。しかし、光源１１及び偏向部１２から出力されるさまざまな波長を含む光λｍには幅があり、幅を持たない光にはならず、分散反射部１３から反射光として所望する波長λ１の光が戻ってくることがわかった。つまり、光学装置１０は、偏向部１２からの出射角αを変えることにより、所望する波長λ１を得られる。
【００４０】
以上、本発明の実施形態を、図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更を加えることができる。
【符号の説明】
【００４１】
１  計測装置
１０  光学装置
１１  光源
１２  偏向部
１３  分散反射部
１４  計測器
１５  信号出力部
Ｍ１,Ｍ２  ミラー
ＰＢＳ  偏光ビームスプリッター
ＢＳ  ビームスプリッター
ＰＤ  フォトダイオード
Ｌ  レンズ
【図１】
2017207428.tif 000009
【図２】
2017207428.tif 000010
【図３】
2017207428.tif 000011
【図４】
2017207428.tif 000012
【図５】
2017207428.tif 000013
【図６】
2017207428.tif 000014