(57)【要約】本発明の干渉信号強度取得方法では、繰り返し周波数がオフセット周波数の４倍である１番目の光周波数コムを生成し、１番目光周波数コムを２番目から５番目の光周波数コムに分け、４番目の光周波数コムの時間軸上の位相を５番目の光周波数コムの時間軸上の位相に対して９０°ずらす。本発明の干渉信号強度取得方法では、何れかに任意の光学情報を含む３番目及び４番目の光周波数コムの干渉信号と何れかに任意の光学情報を含む３番目及び５番目光周波数コムの干渉信号との包絡線強度を取得する。
2019167476.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数軸で零に対して所定のオフセット周波数を有する第１の周波数モードと前記周波数軸で前記第１の周波数モードに対して所定の繰り返し周波数の整数倍の間隔をあけて並ぶ複数の第２の周波数モードとを有し、前記繰り返し周波数が前記オフセット周波数の４倍である第１の光周波数コムを生成する光周波数コム生成工程と、
前記第１の光周波数コムを第２の光周波数コムと第３の光周波数コムに分け、前記第２の光周波数コムを第４の光周波数コムと第５の光周波数コムに分け、前記第４の光周波数コムの時間軸上の位相を前記第５の光周波数コムの時間軸上の位相に対して９０°ずらす位相差付与工程と、
前記第３の光周波数コムまたは前記第４の光周波数コム及び前記第５の光周波数コムは任意の光学情報を含み、前記第４の光周波数コムと前記第３の光周波数コムとを干渉させて第１の干渉信号を生成し、前記第５の光周波数コムと前記第３の光周波数コムとを干渉させて第２の干渉信号を生成する干渉信号生成工程と、
前記第１の干渉信号と前記第２の干渉信号から包絡線強度を取得する包絡線強度取得工程と、
を備える干渉信号強度取得方法。
【請求項２】
前記時間軸上における前記第４の光周波数コムと前記第５の光周波数コムとの位相のずれに応じて前記繰り返し周波数を調整する繰り返し周波数調整工程をさらに備える、
請求項１に記載の干渉信号強度取得方法。
【請求項３】
周波数軸で零に対して所定のオフセット周波数を有する第１の周波数モードと前記周波数軸で前記第１の周波数モードに対して所定の繰り返し周波数の整数倍の間隔をあけて並ぶ複数の第２の周波数モードとを有し、前記繰り返し周波数が前記オフセット周波数の４倍である第１の光周波数コムを出射する光周波数コム出射部と、
前記第１の光周波数コムを第２の光周波数コムと第３の光周波数コムに分ける第１の分岐部と、
前記第２の光周波数コムを第４の光周波数コムと第５の光周波数コムに分ける第２の分岐部と、
前記第４の光周波数コムの時間軸上の位相を前記第５の光周波数コムの時間軸上の位相に対して９０°ずらす位相差付与部と、
前記第３の光周波数コムまたは前記第４の光周波数コム及び前記第５の光周波数コムは任意の光学情報を含み、前記第４の光周波数コムと前記第３の光周波数コムとを干渉させて第１の干渉信号を生成し、前記第５の光周波数コムと前記第３の光周波数コムとを干渉させて第２の干渉信号を生成する干渉信号生成部と、
前記第１の干渉信号と前記第２の干渉信号との包絡線強度を取得する包絡線強度取得部と、
を備える干渉信号強度取得装置。
【請求項４】
前記位相差付与部から出射された前記第４の光周波数コム及び前記第５の光周波数コムの一部を取得し、前記光周波数コム出射部にフィードバックするフィードバック機構をさらに備える、
請求項３に記載の干渉信号強度取得装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、干渉信号強度取得方法及び干渉信号強度取得装置に関する。本願は、２０１８年３月２日に、日本に出願された特願２０１８−０３８１０３号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【背景技術】
【０００２】
従来、分光情報を得る手法として、撮像法やフーリエ変換赤外分光法（Fourier Transform Infrared Spectroscopy：ＦＴ−ＩＲ）、分散型の赤外分光法などをはじめとする多くの手法が用いられている。これらの手法では、２次元の空間情報と１次元の波長情報とを同時に得ることは困難であった。以下、２次元の空間情報と１次元の波長情報とをまとめて、２次元分光情報という場合がある。【０００３】
近年、天文学や地球科学、物性分野などの学術分野では、２次元分光情報に含まれる各情報を同時にリアルタイムで取得可能な２次元分光への期待が高まっている。２次元分光は、面分光、あるいはハイパースペクトルイメージングとも呼ばれる。２次元分光情報が得られれば、例えば取得データから任意の波長の画像を抽出でき、例えば銀河などの拡がった天体について詳細に解析できる。従来の２次元分光法では、例えば２次元平面の各点（複数の測定領域）をスキャンしつつ、各点についてＦＴ−ＩＲを行い、２次元分光情報を取得できる。ところが、従来の２次元分光法では空間掃引に時間がかかるため、動的対象物の計測が困難であるという問題があった。一方、一度に２次元分光情報を取得できれば、様々な動的対象物の分光計測を正確に行うことができる。【０００４】
２次元分光の手法としては、例えば可変バンドパスフィルタで透過させる波長帯を掃引しながら取得する手法などが挙げられる。非特許文献１には、可変バンドパスフィルタで透過させる波長帯を掃引しつつ、２次元の空間情報と１次元の波長情報とを取得する手法に適用可能な可変バンドパスフィルタが開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】H. R. Morris, C. C. Hoyt, P. Miller and P. J. Treado, “Liquid Crystal Tunable Filter Raman Chemical Imaging,” Appl. Spectrosc. vol. 50, no. 6, pp. 805-811 (1996).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、非特許文献１に開示されている可変バンドパスフィルタで異なる波長帯の光を透過させて２次元の空間情報と１次元の波長情報とを取得する場合、波長帯を掃引する必要があるため、掃引時間がかかり、瞬時に高解像度の波長情報やスペクトル分布を得るのは困難であるという問題があった。そのため、上述の可変バンドパスフィルタを用いて波長帯を掃引する２次元分光は、動的現象の計測には不向きであった。このような問題を解決するために、波長帯や遅延時間の掃引をせずに波長情報を直接取得可能とする技術が求められていた。【０００７】
測定対象の試料の波長情報を直接取得可能とする１つの方法として、試料の光学情報を含まない光パルス列と試料の光学情報を含む光パルス列とのスペクトル干渉を用いて、波長依存の干渉信号の包絡線強度を測定する方法が挙げられる。また、波長依存の干渉信号の包絡線強度を測定する手段として、例えばヒルベルト変換に基づく手法が挙げられる。ところが、ヒルベルト変換では高速フーリエ変換（Fast Fourier Transform：ＦＦＴ）を行うので、変換対象の一連の干渉波形を予め取得しなければならない。そのため、ヒルベルト変換に基づく２次元分光法では、ある瞬間での包絡線強度を算出できないという問題があった。【０００８】
本発明は、上述の問題を解決するためになされたものであって、瞬時に干渉信号の包絡線強度を取得可能な干渉信号強度取得方法及び干渉信号強度取得装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の干渉信号強度取得方法は、周波数軸で零に対して所定のオフセット周波数を有する第１の周波数モードと前記周波数軸で前記第１の周波数モードに対して所定の繰り返し周波数の整数倍の間隔をあけて並ぶ複数の第２の周波数モードとを有し、前記繰り返し周波数が前記オフセット周波数の４倍である第１の光周波数コムを生成する光周波数コム生成工程と、前記第１の光周波数コムを第２の光周波数コムと第３の光周波数コムに分け、前記第２の光周波数コムを第４の光周波数コムと第５の光周波数コムに分け、前記第４の光周波数コムの時間軸上の位相を前記第５の光周波数コムの時間軸上の位相に対して９０°ずらす位相差付与工程と、前記第３の光周波数コム、または前記第４の光周波数コム及び前記第５の光周波数コムは任意の光学情報を含み、前記第４の光周波数コムと前記第３の光周波数コムとを干渉させて第１の干渉信号を生成し、前記第５の光周波数コムと前記第３の光周波数コムとを干渉させて第２の干渉信号を生成する干渉信号生成工程と、前記第１の干渉信号と前記第２の干渉信号から包絡線強度を取得する包絡線強度取得工程と、を備える。【００１０】
上述の干渉信号強度取得方法において、前記時間軸上における前記第４の光周波数コムと前記第５の光周波数コムとの位相のずれに応じて前記繰り返し周波数を調整する繰り返し周波数調整工程をさらに備えてもよい。【００１１】
本発明の干渉信号強度取得装置は、周波数軸で零に対して所定のオフセット周波数を有する第１の周波数モードと前記周波数軸で前記第１の周波数モードに対して所定の繰り返し周波数の整数倍の間隔をあけて並ぶ複数の第２の周波数モードとを有し、前記繰り返し周波数が前記オフセット周波数の４倍である第１の光周波数コムを出射する光周波数コム出射部と、前記第１の光周波数コムを第２の光周波数コムと第３の光周波数コムに分ける第１の分岐部と、前記第２の光周波数コムを第４の光周波数コムと第５の光周波数コムに分ける第２の分岐部と、前記第４の光周波数コムの時間軸上の位相を前記第５の光周波数コムの時間軸上の位相に対して９０°ずらす位相差付与部と、前記第３の光周波数コム、または前記第４の光周波数コム及び前記第５の光周波数コムは任意の光学情報を含み、前記第４の光周波数コムと前記第３の光周波数コムとを干渉させて第１の干渉信号を生成し、前記第５の光周波数コムと前記第３の光周波数コムとを干渉させて第２の干渉信号を生成する干渉信号生成部と、前記第１の干渉信号と前記第２の干渉信号との包絡線強度を取得する包絡線強度取得部と、を備える。【００１２】
上述の干渉信号強度取得装置において、前記位相差付与部から出射された前記第４の光周波数コム及び前記第５の光周波数コムの一部を取得し、前記光周波数コム出射部にフィードバックするフィードバック機構をさらに備えてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、瞬時に干渉信号の包絡線強度を取得可能な干渉信号強度取得方法及び干渉信号強度取得装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の２次元分光計測方法を説明するための図であり、光周波数コムの時間軸上の電場分布（上段）及び周波数軸上の強度分布（下段）の模式図である。
【図２】繰り返し周波数がキャリア・エンベロップ・オフセットの４倍である関係を保つように制御された光周波数コムの時間軸上の電場分布を示す模式図である。
【図３】互いに位相が９０°ずれた光周波数コム（光パルス列）を生成するパルス生成光学系の概略図である。
【図４】光周波数コムにおける時間軸上で１番目の光パルスと２番目の光パルスとの時間間隔を説明するための模式図である。
【図５】光周波数コムの光路に生じた変動を安定化させる光学系の一例を示す概略図である。
【図６】本発明の２次元分光計測装置に適用可能な干渉信号強度取得装置の構成を示す概略図である。
【図７】図６に示す干渉信号強度取得装置及び図１１に示す２次元分光計測装置の遅延機構の構成を示す模式図である。
【図８】図６に示す干渉信号強度取得装置のハーフミラーにおける光周波数コムの透過及び反射の様子を示す斜視図である。
【図９】図６に示す干渉信号強度取得装置の別のハーフミラーにおける光周波数コムの透過及び反射の様子を示す斜視図である。
【図１０】図６に示す干渉信号強度取得装置のさらに別のハーフミラーにおける光周波数コムの透過及び反射の様子を示す斜視図である。
【図１１】互いに位相が９０°ずれた干渉信号の包絡線強度分布を示す模式図である。
【図１２】本発明の２次元分光計測装置の構成を示す概略図である。
【図１３】図１２に示す２次元分光計測装置のフィルタの透過率の波長依存性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の干渉信号強度取得方法及び干渉信号強度取得装置の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１６】
＜原理的説明＞
図１は、光周波数コムの時間軸上の電場分布（上段）及び周波数軸上の強度分布（下段）を示す模式図である。周波数軸上の強度分布は、スペクトル分布を表す。図１の上段に示すように、一定の繰り返しで発振される光パルス列の繰り返し時間Ｔｒｅｐと周波数間隔ｆｒｅｐとの間には、（１）式に示す関係が成り立つ。
【００１７】
【数１】
2019167476.tif 000003
【００１８】
それぞれの光パルス列は、光源の共振器などの内部で伝搬する多くの縦モードの重ね合わせから成り立っている。光パルス列は、これらの縦モードの重ね合わせの波である搬送波と、搬送波の包絡線を構成する波束によって構成されている。搬送波は、キャリアとも呼ばれる。搬送波の包絡線は、エンベロップとも呼ばれる。このような光パルス列では、搬送波の速度と波束の速度は互いに異なるため、時間の経過に伴い、位相差が生じる。レーザー共振器は分散媒質によって構成される。時間軸上で所定の繰り返し時間Ｔｒｅｐの間隔ごとに繰り返し発せられる光パルス列では、隣り合うパルス間に位相のずれφＣＥＯが生じる。位相のずれφＣＥＯの周期は、時間ＴＣＥＯで一周期する。
【００１９】
時間軸上における上述の超短パルス列をフーリエ変換し、周波数軸上で観測すると、図１の下段に示すように、互いに繰り返し時間Ｔｒｅｐの逆数に相当する繰り返し周波数ｆｒｅｐの間隔をあけて並んだ多数の周波数モードが観測される。
【００２０】
図１の下段に示すように、光周波数コムは、周波数軸で零に対して所定のキャリア・エンベロップ・オフセット（Ｃａｒｒｉｅｒ  Ｅｎｖｅｌｏｐｅ  Ｏｆｆｓｅｔ：  ＣＥＯ、オフセット周波数）ｆＣＥＯを有する周波数モード（第１の周波数モード）ｆ０と、周波数軸で周波数モードｆ０に対して所定の繰り返し周波数ｆｒｅｐの整数倍の間隔をあけて並ぶ複数の周波数モード（第２の周波数モード）ｆｍと、を有する。光周波数コムのキャリア・エンベロップ・オフセットｆＣＥＯは、時間ＴＣＥＯの逆数に相当する。キャリア・エンベロップ・オフセットｆＣＥＯ、位相のずれφＣＥＯ、時間ＴＣＥＯの間には、（２）式に示す関係が成り立つ。
【００２１】
【数２】
2019167476.tif 000004
【００２２】
光周波数コムのｎ番目のスペクトルの周波数は、繰り返し周波数ｆｒｅｐとキャリア・エンベロップ・オフセットｆＣＥＯとをパラメータとして、（３）式のように表される。
【００２３】
【数３】
2019167476.tif 000005
【００２４】
上述の相互関係をふまえ、光周波数コムの複数の周波数モードに関するパラメータを制御することで、搬送波や包絡線を制御することができる。本実施形態では、光周波数コムの２つのパラメータ、すなわち繰り返し周波数ｆｒｅｐとキャリア・エンベロップ・オフセットｆＣＥＯが（４）式の関係を保つように、光周波数コムの複数の周波数モードに関するパラメータを制御する。
【００２５】
【数４】
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【００２６】
図２は、繰り返し周波数ｆｒｅｐとキャリア・エンベロップ・オフセットｆＣＥＯが（４）式の関係を保つように制御された光周波数コムの時間軸上の電場分布を示す模式図である。図２に示すように、時間軸上で隣り合う光パルスの位相のずれは、（π／２）＝９０°になる。基準とする光パルスから時間軸上で４つ前方の光パルスには、基準とする光パルスと同じ位相及び波形パターンが表れる。時間ＴＣＥＯとキャリア・エンベロップ・オフセットｆＣＥＯとの間には、（５）式の関係が成り立つ。
【００２７】
【数５】
2019167476.tif 000007
【００２８】
図３は、互いに位相が９０°ずれた光パルス列を生成する光学系１２０の一例を示す概略図である。図３に示すように、光学系１２０は、光周波数コム出射部１０３と、ハーフミラー（第２の分岐部）１１２、ハーフミラー１１８と、全反射ミラー１１４，１１６と、遅延付与部（位相差付与部）１２３とを備える。光周波数コム出射部１０３は、不図示のファンクションジェネレーターなどを備える。光周波数コム出射部１０３は、ファンクションジェネレーターの操作によって繰り返し周波数ｆｒｅｐとキャリア・エンベロップ・オフセットｆＣＥＯが（４）式の関係を保つように、主にキャリア・エンベロップ・オフセットｆＣＥＯを制御し、キャリア・エンベロップ・オフセットｆＣＥＯが制御された光周波数コムＣ１を出射する。
【００２９】
光周波数コムＣ１は、ハーフミラー１１２を透過し、光周波数コムＣ４と光周波数コムＣ５に分離される。光周波数コムＣ４は、全反射ミラー１１６で反射され、ハーフミラー１１８に入射する。光周波数コムＣ５は、ハーフミラー１１２及び全反射ミラー１１４で反射され、遅延付与部１２３を通り、ハーフミラー１１８に入射する。遅延付与部１２３は、それぞれの反射面を対向させた２枚の全反射ミラー１２１，１２２で構成されている。全反射ミラー１１４で反射された光周波数コムＣ５は、遅延付与部１２３に入射し、光路をずらしつつ全反射ミラー１２１，１２２の反射面の間を所定の回数往復し、ハーフミラー１１８に向けて出射する。ハーフミラー１１８に入射する光周波数コムＣ４，Ｃ５の一方の位相が他方の位相に対して９０°ずれるように、全反射ミラー１２１，１２２の位置及び離間距離が調整されている。すなわち、光学系１２０では、光周波数コムを分岐し、一方を他方に対して、ある光パルスと時間軸上で１つ後の光パルスとの時間差の分だけ、遅延させる。時間軸上で隣り合う光パルスの時間差は、繰り返し時間Ｔｒｅｐ分に相当する。
【００３０】
図３に示すように、光学系１２０では、各種ミラーの振動や空気揺らぎなどによって、光周波数コムＣ４，Ｃ５の各々の光路長差が変動する。このことをふまえ、光周波数コムＣ１の繰り返し周波数ｆｒｅｐを制御し、光周波数コムＣ１の光パルスの繰り返し時間Ｔｒｅｐを微調整することによって、光周波数コムＣ４，Ｃ５の光路差の変動を吸収し、光周波数コムＣ４，Ｃ５を安定させることができる。図４は、時間軸上で基準とする光周波数コムＣ１の１番目の光パルス〈図３及び図４に示す“１ｓｔ”の光パルス〉と２番目の光パルス〈図３及び図４に示す“２ｎｄ”の光パルス〉との時間間隔を説明するための模式図である。１番目の光パルスと時間軸上で隣り合う２番目の光パルスとの繰り返し時間Ｔｒｅｐ１，Ｔｒｅｐ２，Ｔｒｅｐ３は、繰り返し周波数ｆｒｅｐ１，ｆｒｅｐ２，ｆｒｅｐ３によって（６）式〜（８）式のように表される。
【００３１】
【数６】
2019167476.tif 000008
【００３２】
【数７】
2019167476.tif 000009
【００３３】
【数８】
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【００３４】
図４及び（６）式〜（８）式に示すＴｒｅｐとｆｒｅｐとの相対関係をふまえ、光周波数コムＣ１の繰り返し周波数ｆｒｅｐを制御する。
【００３５】
図４及び（６）式〜（８）式からわかるように、光周波数コム出射部１０３のファンクションジェネレーターなどを操作し、光周波数コムＣ１の繰り返し周波数ｆｒｅｐを制御することによって、繰り返し時間Ｔｒｅｐを制御できる。
【００３６】
図３に示すように、互いに位相が９０°ずれた光周波数コムＣ４，Ｃ５の時間軸上における光パルス１つ分のずれに対して、光周波数コムＣ４，Ｃ５のそれぞれの光路に生じた変動によって、さらに時間差δが加わる、または時間差δが減じられる。図５は、光周波数コムＣ４，Ｃ５の光路に生じた変動を安定化させることが可能な光学系１２４の一例を示す概略図である。光学系１２４は、光学系１２０の構成に加え、ハーフミラー１２６と、フィードバック機構１２８と、を備える。ハーフミラー１２６は、ハーフミラー１１８より光周波数コムＣ４,Ｃ５の進行方向の前方に配置されている。フィードバック機構１２８は、ハーフミラー１２６で分離され、且つハーフミラー１２６を透過する光周波数コムＣ４，Ｃ５とは異なる光周波数コムＣ４，Ｃ５の進路上に配置されている。ハーフミラー１１８によって合波され、且つ時間差δを含む光周波数コムＣ４，Ｃ５は、ハーフミラー１２６で２つに分離される。分離された一方の光周波数コム（第４の光周波数コム及び第５の光周波数コムの一部）Ｃ４，Ｃ５はハーフミラー１２６で反射され、フィードバック機構１２８に入力し、光周波数コム出射部１０３にフィードバックされる。このことによって、光周波数コムＣ１の繰り返し周波数ｆｒｅｐが調整される。図５に示すように、光周波数コム出射部１０３から出射される光周波数コムＣ１の繰り返し時間Ｔｒｅｐが時間差δだけ増減される。繰り返し時間Ｔｒｅｐが時間差δで調整されることによって、ハーフミラー１１８に入射する光周波数コムＣ４，Ｃ５同士の位相のずれが再び９０°、すなわち光パルス１つ分になる。
【００３７】
＜干渉信号強度取得装置＞
図６は、本発明の干渉信号強度取得装置であって、互いに９０°だけ位相がずれた干渉強度信号を瞬時に得る干渉強度信号取得光学系１３０の構成を示す概略図である。干渉強度信号取得光学系１３０は、光周波数コム出射部１０３と、部分光学系１２４Ｐと、分岐部１５０と、遅延機構２０６と、撮像カメラ（包絡線強度取得部）１６１とを備える。図６に示す部分光学系１２４Ｐは、図５に示す光学系１２４のうち、光周波数コム出射部１０３を除いた構成を示す。分岐部１５０は、光周波数コムＣ６，Ｃ７を光周波数コムＣ３から取り出す。分岐部１５０は、ハーフミラー（干渉信号生成部）１５２、ハーフミラー（第１の分岐部）１５３，１５５，１５８と、全反射ミラー１５４，１５６，１５７とを備える。
【００３８】
光周波数コム出射部１０３は、繰り返し周波数ｆｒｅｐがキャリア・エンベロップ・オフセットｆＣＥＯの４倍である光周波数コム（第１の光周波数コム）Ｃ１を出射する。第１の分岐部１０４は、光周波数コムＣ１を光周波数コム（第２の光周波数コム）Ｃ２と光周波数コム（第３の光周波数コム）Ｃ３に分ける。第２の分岐部１０５は、光周波数コムＣ２を光周波数コム（第４の光周波数コム）Ｃ４と光周波数コム（第５の光周波数コム）Ｃ５に分ける（図５参照）。位相差付与部１０６は、光周波数コムＣ４の時間軸上の位相と光周波数コムＣ５の時間軸上の位相とを９０°ずらす。干渉信号生成部１０７は、光周波数コムＣ４と任意の光学情報を含む光周波数コム（第３の光周波数コム）Ｃ６とを干渉させて干渉信号（第１の干渉信号）ＩＭ１を生成し、光周波数コムＣ５と光学情報を含む光周波数コム（第３の光周波数コム）Ｃ７とを干渉させて干渉信号（第２の干渉信号）ＩＭ２を生成する。
【００３９】
本明細書における光学情報は、各光周波数コム自身が有する光学的特性や各光周波数コムの光路上の屈折率の分布・揺らぎ、光路上に配置された試料を通過することにより付加される試料の形状などをすべて含む。例えば、図６に示す干渉強度信号取得光学系１３０のように試料Ｓが設置されていない場合、光学情報は光周波数コムＣ３自身が有する光学的特性や光周波数コムＣ３，Ｃ６，Ｃ７の光路上の屈折率の分布・揺らぎを意味する。一方、後述する２次元分光計測装置２００のように測定対象の試料Ｓが配置されている場合、光学情報としては試料Ｓの形状を含む光学的特性が主体になる。図１１に示すように、包絡線強度取得部１０８は、干渉信号ＩＭ１と干渉信号ＩＭ２との包絡線強度ＥＶを取得する。
【００４０】
図６に示すように、光周波数コム出射部１０３から出射された光周波数コムＣ１は、ハーフミラー１５３によって、光周波数コムＣ２，Ｃ３に分離される。光周波数コムＣ２は、部分光学系１２４Ｐに入射し、上述したように互いに位相が９０°だけずれた光周波数コムＣ４，Ｃ５として出射する。一方、ハーフミラー１５３で反射された光周波数コムＣ３は、分岐部１５０に入射し、全反射ミラー１５４で反射され、ハーフミラー１５５で光周波数コムＣ６，Ｃ７に分離される。
【００４１】
遅延機構２０６は、光周波数コムＣ３に所定の遅延時間を付加する機構であり、光周波数コムＣ３の進路上に配置されている。遅延機構２０６は、図７に示すように、それぞれの反射面２０７ｒが対向配置された２個の全反射プリズム２０７を有する。遅延機構２０６が矢印Ｍに沿って移動することによって、光周波数コムＣ３の光路長が変わり、所定の遅延時間が付加される。
【００４２】
図８は、部分光学系１２４Ｐ（すなわち、光学系１２４）のハーフミラー１１８における光周波数コムＣ４の反射及び光周波数コムＣ５の透過の様子を示す模式図である。図８に示すように、光周波数コムＣ４，Ｃ５のうち、光周波数コムＣ４は、ハーフミラー１１８の反射面１１８ａに入射し、上面視で入射方向に対して略直角に反射される。一方、光周波数コムＣ４，Ｃ５のうち、光周波数コムＣ５は、ハーフミラー１１８の反射面１１８ａとは反対側の面１１８ｂ及び反射面１１８ａを透過し、上面視で光周波数コムＣ４の進路と重なる進路に沿ってハーフミラー１１８から出射される。高さ方向においては、光周波数コムＣ４，Ｃ５のそれぞれの進路は、互いにずれている。
【００４３】
図９は、分岐部１５０のハーフミラー１５８における光周波数コムＣ６の反射及び光周波数コムＣ７の透過の様子を示す模式図である。図９に示すように、光周波数コムＣ６，Ｃ７のうち、光周波数コムＣ６は、ハーフミラー１５８の反射面１５８ａに入射し、上面視で入射方向に対して略直角に反射される。一方、光周波数コムＣ６，Ｃ７のうち、光周波数コムＣ７は、ハーフミラー１５８の反射面１５８ａとは反対側の面１５８ｂ及び反射面１５８ａを透過し、上面視で光周波数コムＣ６の進路と重なる進路に沿ってハーフミラー１５８から出射される。高さ方向においては、光周波数コムＣ６，Ｃ７のそれぞれの進路は、互いにずれている。光周波数コムＣ６の進路の高さは光周波数コムＣ４の高さと一致し、光周波数コムＣ７の高さは光周波数コムＣ５の高さと一致している。
【００４４】
図１０は、分岐部１５０のハーフミラー１５２における光周波数コムＣ４，Ｃ５の透過及び光周波数コムＣ６，Ｃ７の反射の様子を示す模式図である。図１０に示すように、ハーフミラー１１８から出射された光周波数コムＣ４，Ｃ５は、ハーフミラー１５２の反射面１５２ａとは反対側の面１５２ｂを透過する。一方、ハーフミラー１５８から出射された光周波数コムＣ６，Ｃ７は、ハーフミラー１５２の反射面１５２ａによって上面視で入射方向に対して略直角に反射され、面１５２ｂを透過した光周波数コムＣ４，Ｃ５と干渉し合い、干渉信号ＩＭ１，ＩＭ２が生成される。干渉信号ＩＭ１は光周波数コムＣ４，Ｃ６同士の干渉信号であり、干渉信号ＩＭ２は光周波数コムＣ５，Ｃ７同士の干渉信号である。本実施形態では、図８から図１０に示すように、ハーフミラー１１８における光周波数コムＣ４，Ｃ６同士の照射位置を互いに異ならせ、ハーフミラー１５８における光周波数コムＣ５，Ｃ７同士の照射位置を互いに異ならせる。このことによって、光周波数コムＣ４，Ｃ６が重なって干渉信号ＩＭ１が生成される位置と、光周波数コムＣ５，Ｃ７が重なって干渉信号ＩＭ２が生成される位置とを異ならせる。
【００４５】
光周波数コムＣ４，Ｃ５同士の位相が互いに９０°ずれているので、干渉信号ＩＭ１，ＩＭ２同士の位相は、互いに９０°ずれている。図１１は、干渉信号ＩＭ１，ＩＭ２から得られる包絡線強度ＥＶの一例を示すグラフである。撮像カメラ１６１によって、ある瞬間の干渉信号ＩＭ１の強度Ｔ１と干渉信号ＩＭ２の強度Ｔ２を取得すれば、｛（Ｔ１）２＋（Ｔ２）２｝１／２を算出することによって、包絡線強度ＥＶが瞬時に得られる。
【００４６】
上述のように、包絡線強度ＥＶは、撮像カメラ１６１によって検出される。撮像カメラ１６１で検出された包絡線強度ＥＶは、撮像カメラ１６１に付属の処理部（図示略）によって適宜処理される。処理部は、例えば撮像カメラ１６１に接続されているコンピュータに内蔵されているプログラムなどである。干渉強度信号取得光学系１３０では、互いに９０°だけ位相がずれた干渉信号ＩＭ１，ＩＭ２の包絡線強度ＥＶが瞬時に得られる。
【００４７】
＜干渉信号強度取得方法＞
本発明の干渉信号強度取得方法は、干渉信号強度取得光学系１３０を用いて干渉信号ＩＭ１，ＩＭ２の包絡線強度ＥＶを取得可能な方法であり、光周波数コム生成工程と、位相差付与工程と、干渉信号生成工程と、包絡線強度取得工程と、を備える。
【００４８】
光周波数コム生成工程では、光周波数コムＣ１を生成する（図１参照）。光周波数コムＣ１は、周波数軸で零に対して所定のキャリア・エンベロップ・オフセットｆＣＥＯを有する周波数モードｆ０と、周波数軸で周波数モードｆ０に対して所定の繰り返し周波数ｆｒｅｐの整数倍の間隔をあけて並ぶ複数の周波数モードｆｍと、を有する。光周波数コムＣ１において、ｆｒｅｐ＝４×ｆＣＥＯの関係が成立している。前述の関係を成立させるために、光周波数コム出射部１０３のファンクションジェネレーターを用いて、キャリア・エンベロップ・オフセットｆＣＥＯ及び繰り返し周波数ｆｒｅｐを制御する。
【００４９】
次に、位相差付与工程では、光周波数コムＣ１をハーフミラー１５３で光周波数コムＣ２と光周波数コムＣ３に分け、光周波数コムＣ２をさらにハーフミラー１１２（図３参照）で光周波数コムＣ４と光周波数コムＣ５に分ける。続いて、遅延付与部１２３によって、光周波数コムＣ５の時間軸上の位相を光周波数コムＣ４の時間軸上の位相に対して９０°ずらす。
【００５０】
本実施形態では、光周波数コムＣ３、または光周波数コムＣ４，Ｃ５に任意の光学情報を含む。干渉信号生成工程では、何れかに光学情報を含む光周波数コムＣ４と光周波数コムＣ６とを合わせて干渉させ、干渉信号ＩＭ１を生成する。干渉信号生成工程では、何れかに光学情報を含む光周波数コムＣ５と光周波数コムＣ７とを合わせて干渉させ、干渉信号ＩＭ２を生成する。
【００５１】
次に、包絡線強度取得工程では、干渉信号ＩＭ１，ＩＭ２を撮像カメラ１６１で同時に検出し、包絡線強度ＥＶを得る。本実施形態の干渉信号強度取得方法は、上述の各工程に加え、さらに周波数調整工程を備えている。周波数調整工程では、フィードバック機構１２８によって光周波数コムＣ４，Ｃ５の一部を光周波数コム出射部１０３にフィードバックし、光周波数コムＣ４，Ｃ５との位相のずれ（時間差δ、図３参照）に応じて繰り返し周波数ｆｒｅｐを調整する。
【００５２】
＜２次元分光計測装置＞
図１２は、２次元分光計測装置２００の構成を示す概略図である。図１２に示すように、２次元分光計測装置２００は、上述した干渉強度信号取得光学系１３０の構成に加え、単体の撮像カメラ１６１に替えて、波長情報取得部２０８を備える。２次元分光計測装置２００においても、フィードバック機構１２８によって光周波数コムＣ４，Ｃ５が光周波数コム出射部１０３にフィードバックされ、光周波数コムＣ４，Ｃ５との位相のずれ（時間差δ、図３参照）に応じて繰り返し周波数ｆｒｅｐが調整されている。
【００５３】
波長情報取得部２０８は、ハーフミラー２３１と、全反射ミラー２３２と、フィルタＦ１，Ｆ２と、互いに同じ画素数を有する２台の撮像カメラ２４１，２４２と、画像処理部（光学情報抽出部）２５０と、を備える。干渉強度信号取得光学系１３０の全反射ミラー１５４は、ハーフミラー１５９に替えられている。分光計測の対象である試料Ｓは、ハーフミラー１５９を透過する光周波数コムＣ３の進路上に配置されている。
【００５４】
図１２に示すように、ハーフミラー１５３で反射された光周波数コムＣ３は、ハーフミラー１５９を透過し、試料Ｓに照射される。試料Ｓから反射された光周波数コムＣ３には、試料Ｓの分光情報や位相・形状に関する情報をすべて含む光学情報が含まれる。光周波数コムＣ３からハーフミラー１５５によって２つに分けられた光周波数コムＣ６，Ｃ７にも試料Ｓの光学情報が含まれる。試料Ｓの光学情報は、干渉信号ＩＭ１，ＩＭ２に反映される。干渉信号ＩＭ１，ＩＭ２の包絡線強度ＥＶは、ハーフミラー２３１によって２つに分けられ、分けられた２つの包絡線強度ＥＶ１，ＥＶ２はそれぞれフィルタＦ１，Ｆ２を通過する。
【００５５】
図１３は、フィルタＦ１，Ｆ２の透過率の波長依存性を示すグラフである。図１３に示すように、フィルタＦ１，Ｆ２の透過率の波長依存性は互いに逆である。フィルタＦ１の透過率は、波長が増加するにしたがって概ね低下する。一方、フィルタＦ２の透過率は、波長が増加するにしたがって概ね上昇する。このようにフィルタＦ１，Ｆ２の透過率の波長依存性が互いに逆であることによって、フィルタＦ１，Ｆ２を通過した包絡線強度ＥＶ１，ＥＶ２に関する光強度比と波長との１対１対応が成立する。
【００５６】
画像処理部５０では、フィルタＦ１，Ｆ２を通して撮像カメラ２４１，２４２で取得した試料Ｓの測定領域ごとの包絡線強度ＥＶ１，ＥＶ２の透過強度の比が算出される。撮像カメラ２４１，２４２の各画素について算出した包絡線強度ＥＶ１，ＥＶ２の透過強度の比に基づいて、各画素の信号強度比が求まり、包絡線強度ＥＶの分布内の各強度を発現する波長が瞬時に決定される。瞬時に波長情報を得ることで、各空間位置（測定領域）における試料Ｓから反射された光周波数コムＣ３の位相情報が計測される。光周波数コムＣ３の位相情報は、時間差であって、物理的な位置の違いや屈折率の違いを示す。本実施形態では、物理的な位置を瞬時に取得する際には、試料Ｓから反射された光周波数コムＣ６の位相スペクトルは基本的に変化しないと想定する。
【００５７】
＜２次元分光計測方法＞
上述の２次元分光計測装置２００を用いた２次元分光計測方法は、２次元分光計測装置２００を用いて干渉信号ＩＭ１，ＩＭ２の包絡線強度ＥＶを瞬時に取得し、取得した包絡線強度ＥＶに基づいて試料Ｓの光学情報を得ることが可能な方法である。２次元分光計測装置２００を用いた２次元分光計測方法は、光周波数コム生成工程と、位相差付与工程と、干渉信号生成工程と、包絡線強度取得工程と、光学情報抽出工程と、を備える。２次元分光計測装置２００を用いた２次元分光計測方法における光周波数コム生成工程と、位相差付与工程と、干渉信号生成工程と、包絡線強度取得工程は上述の干渉信号強度取得方法の各工程と同様であるため、各工程の重複する説明は省略する。
【００５８】
光学情報抽出工程では、包絡線強度ＥＶに基づいて試料Ｓの光学情報を抽出する。本実施形態では、包絡線強度取得工程において、包絡線強度ＥＶを２つの包絡線強度ＥＶ１，ＥＶ２に分け、包絡線強度ＥＶ１，ＥＶ２がフィルタＦ１，Ｆ２のそれぞれを通過したときの透過強度を撮像カメラ２４１，２４２で取得する。光学情報抽出工程では、包絡線強度取得工程で取得した包絡線強度ＥＶ１，ＥＶ２の透過強度の比に基づいて試料Ｓに関する波長情報を瞬時に取得し、画像処理部２５０によって前述の波長情報から試料Ｓの光学情報を算出する。具体的には、予め計測した強度比から求めた波長情報と遅延距離との関係と比較することによって、試料Ｓの２次元分光情報及び３次元形状を算出できる。
【００５９】
２次元分光計測装置２００においても、フィードバック機構１２８によって光周波数コムＣ４，Ｃ５を光周波数コム出射部１０３にフィードバックし、光周波数コムＣ４，Ｃ５との位相のずれ（時間差δ、図３参照）に応じて繰り返し周波数ｆｒｅｐを調整する。
【００６０】
以上説明したように、本実施形態の干渉信号強度取得方法は、上述の光周波数コム生成工程と、位相差付与工程と、干渉信号生成工程と、包絡線強度取得工程と、を備える。本実施形態の干渉強度信号取得光学系１３０は、上述の光周波数コム出射部１０３と、第１の分岐部１０４と、第２の分岐部１０５と、位相差付与部１０６と、干渉信号生成部１０７と、包絡線強度取得部１０８と、を備える。本実施形態の干渉信号強度取得方法及び干渉強度信号取得光学系１３０では、光周波数コムの繰り返し周波数ｆｒｅｐとキャリア・エンベロップ・オフセットｆＣＥＯを制御してｆｒｅｐ＝４×ｆＣＥＯとし、繰り返し周波数ｆｒｅｐを調整した光周波数コムを２つに分けて互いに位相が９０°ずれた光周波数コムを生成する。互いに位相が９０°ずれた２つの光周波数コムは、参照光として機能する光パルス列である。これら２つの光周波数コムのそれぞれと任意の光学情報を含む光周波数コムとを干渉させ、９０°位相がずれた干渉信号を光学的にリアルタイムで生成する。任意の光学情報を含む光周波数コムは、プローブ光として機能する光パルス列である。このことによって、干渉信号の包絡線強度を瞬時に、計測時においてリアルタイムに取得できる。光周波数コムを用いることによって、繰り返し周波数ｆｒｅｐとキャリア・エンベロップ・オフセットｆＣＥＯが原子時計と同程度の安定性と正確性を有して制御される。キャリア・エンベロップ・オフセットｆＣＥＯを制御することによって、時間軸上で隣り合う光パルス同士の位相差を活かし、計測時のターゲットとする全波長域で原理的に位相差を正確に揃えることができる。したがって、本実施形態の干渉信号強度取得方法及び干渉強度信号取得光学系１３０によれば、互いに位相が正確に９０°ずれた参照光を生成でき、参照光及びプローブ光を安定して制御できると共に、干渉信号の包絡線強度を高精度に取得できる。
【００６１】
本実施形態の干渉信号強度取得方法及び干渉強度信号取得光学系１３０では、光周波数コムＣ４と光周波数コムＣ５を光周波数コム出射部１０３にフィードバックし、光周波数コムＣ４と光周波数コムＣ５との位相のずれ（時間差δ）に応じて繰り返し周波数ｆｒｅｐを調整する。このことによって、参照光の光周波数コム同士の位相のずれをなくすことができる。本実施形態の干渉信号強度取得方法及び干渉強度信号取得光学系１３０によれば、干渉強度信号取得光学系１３０を構成するミラーなどの光学素子が振動して光周波数コムの光路に変動が生じた場合であっても、従来のようにピエゾ素子などのように機械的に駆動する構成を光学系に追加しなくても、光周波数コムの光路の変動を光学的に補償できる。
【００６２】
以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は上述の実施形態に限定されない。本発明は、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、変更可能である。
【００６３】
例えば、上述の実施形態では、光周波数コムＣ３が試料Ｓを通過することによって、光周波数コムＣ３に試料Ｓの光学情報が付与される。試料Ｓの光学情報は、光周波数コムＣ３に替えて光周波数コムＣ４，Ｃ５に付与されてもよい。その場合は、光周波数コムＣ４，Ｃ５の偏光を互いに直交させて合波し、試料Ｓを通過させた後に分波する。試料Ｓの光学情報を含む光周波数コムＣ４，Ｃ５のそれぞれと試料Ｓの光学情報を含まない光周波数コムＣ６，Ｃ７との干渉信号（第１の干渉信号、第２の干渉信号）を得ることによって、上述の実施形態と同様の作用効果が得られる。但し、試料Ｓの光学情報は、偏光依存性を有しておらず、偏光依存性を考慮せずに取得できると想定する。
【００６４】
図１２に示す２次元分光計測装置２００では、試料Ｓから反射された光周波数コムＣ３を取得しているが、光周波数コムＣ３を試料Ｓに照射して試料Ｓから透過した光周波数コムＣ３を取得してもよい。その場合、ハーフミラー１５９を全反射ミラーに替え、試料Ｓを光周波数コムＣ３の進路上で前述のように置き換えた全反射ミラーとハーフミラー１５５との間に配置すればよい。
【００６５】
上述の実施形態の２次元分光計測装置２００において、試料Ｓに関する位相スペクトルを測定する際に、試料Ｓから反射した光周波数コムＣ３の位相スペクトルが変化してもよい。その場合、光周波数コムＣ３の位相スペクトルは、波長に対して一意に決まらなければならない。試料Ｓに関する位相スペクトルは、光周波数コムＣ３または光周波数コムＣ１に対して時間遅延を加え、干渉信号ＩＭ１，ＩＭ２の強度の遅延時間依存性を測定することによって取得できる。
【符号の説明】
【００６６】
１０３・・・光周波数コム出射部
１０４・・・第１の分岐部
１０５・・・第２の分岐部
１０６・・・位相差付与部
１０７・・・干渉信号生成部
１０８・・・包絡線強度取得部
１３０・・・干渉強度信号取得光学系（干渉信号強度取得装置）
Ｃ１・・・光周波数コム（第１の光周波数コム）
Ｃ２・・・光周波数コム（第２の光周波数コム）
Ｃ３・・・光周波数コム（第３の光周波数コム）
Ｃ４・・・光周波数コム（第４の光周波数コム）
Ｃ５・・・光周波数コム（第５の光周波数コム）
Ｃ６・・・光周波数コム（第３の光周波数コム）
Ｃ７・・・光周波数コム（第３の光周波数コム）
【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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【国際調査報告】
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2019167476.tif 000025
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