平成23平成
23年度新技術説明会
年度新技術説明会

20122012年
年2月9日

マッハツェンダ形位相シフト光干渉計測
群馬大学大学院工学研究科
電気電子工学専攻
高橋 佳孝

新技術説明会（2012.2.9）

マッハツェンダ形位相シフト光干渉計測 (1)Graduate School of Engineering, Gunma University

光とはある周波数（波長）領域の電磁波
電場 E と磁場 H が互いに垂直方向に振動しながら進む
真空中を伝搬横波H

cf. 音波（疎密波）－縦波

ES
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マッハツェンダ形位相シフト光干渉計測 (2)Graduate School of Engineering, Gunma University電磁波のスペクトル振動数  [Hz] MHz
103

GHz
109

106

[ ]
波長  [m]

km
103

106

THz
1012m
1

電波

m
10-6mm
10-3
ﾏｲｸﾛ波

AMラジオ

PHz
1015

赤外線

VHF UHF

紫外線光

EHz
1018

1021nm10-9pm
10-12X線

線┌─── （可視光線）（ 視光線） ───┐
紫外線 (UV)，紫－藍－青－緑－黄－橙－赤，赤外線 (IR)短い ＜ 0.35
0 35 ＜ 0.5
0 5 ＜ 0.6
0 6 ＜ 0.7
0 7 m ＜ 長いcf.

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FM群馬 (86.3 MHz)
電子レンジ (2.45(2 45 GHz)
マッハツェンダ形位相シフト光干渉計測 (3)

－－

3.5 m
12 cm

Graduate School of Engineering, Gunma University

光計測の特徴
・ 非接触
・ 無侵襲・非破壊・ 耐環境性（耐水・耐火・高低温）
・ 化学的安定性・ 絶縁性
・ 無誘導（耐電磁ノイズ性）
・ 高感度・ 高速応答・ 広帯域・多重通信
・ 双方向伝搬・ 低損失
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マッハツェンダ形位相シフト光干渉計測 (4)Graduate School of Engineering, Gunma Universityホモダイン計測
周波数の等しい2つの光波の干渉（通常の2光束干渉）

M1

E1 LLDL

E2L +LBSPD

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マッハツェンダ形位相シフト光干渉計測 (5)Graduate School of Engineering, Gunma University

M2

光へテロダイン計測
周波数の異なる2つの光波の干渉

ψ(t)

t

干渉出力には交流信号成分（うなり，ビート）が発生
出力は低周波数化した信号光のレプリカ

・光波の直接測定
・線形出力信号増幅・信号増幅・吸収物体の測定

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マッハツェンダ形位相シフト光干渉計測 (6)Graduate School of Engineering, Gunma University

FMヘテロダイン計測
M1LDの駆動電流を変化 → 周波数変調

E1 lE2LD

干渉出力は光路差 D に依存した周波数 fb で変化

l +DBS
PDfb
IffbE2E1

I02Dct

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マッハツェンダ形位相シフト光干渉計測 (7)tGraduate School of Engineering, Gunma University

DM2

コヒーレンス(可干渉性)
時間平均強度波束

インコヒーレント光

コヒーレント光

1 ns → 赤色光 500,000波長相当
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マッハツェンダ形位相シフト光干渉計測 (8)Graduate School of Engineering, Gunma University低コヒーレンス光の干渉観測される光の強度は元の２つの光の強度の光 強度足し合わせになる

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マッハツェンダ形位相シフト光干渉計測 (9)Graduate School of Engineering, Gunma University

OCT （光コヒーレンストモグラフィー） 低コヒーレンス干渉による断層撮像法
 無侵襲・非破壊無侵襲破壊
 高度散乱体にも適用可能
 比較的簡便

眼科応用を中心とした生体計測で実用化

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マッハツェンダ形位相シフト光干渉計測 (10)Graduate School of Engineering, Gunma University

OCT の原理
I の変化 － L 半波長周期

M1

IBS

M2

I maxLaser
低コヒーレンス光源
LII minPD

L /2
信号光と参照光の光路長が一致した
路 がときのみ干渉信号

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マッハツェンダ形位相シフト光干渉計測 (11)

Graduate School of Engineering, Gunma University

OCTにおけるz-スキャン
SampleSLD

受光信号（DC成分も変動）

FC

PD

M

・ ミラーを走査・ 光ファイバ長を変化

フィルタリングによる干渉信号のみの抽出

復調回路による包絡線強度の取得

x-スキャンで断層像取得

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マッハツェンダ形位相シフト光干渉計測 (12)Graduate School of Engineering, Gunma University位相シフト干渉計
M1

PZT

透明試料の干渉画像SampleLLaser
L1BSL2L3CCD

I1



I2



I3



I4



A  B cos A  B cos   2A  B cos    3 A  B cos  2

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M2
Moving M1 or M2
orScanning Frequency A  B sin  A  B cos I2  I4I I tan    tan 1 2 4
I1  I 3
I1  I 3 A  B sin 

マッハツェンダ形位相シフト光干渉計測 (13)

Graduate School of Engineering, Gunma University

欠陥計測と位相接続
位相変化は十分大きい→ tan-1  の不連続性により測定位相に飛びが生じる

disk

dn
2 (n  1)

dcf .   tan 1

Phase unwrappingI2  I4  ,     I1  I 32
 2

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マッハツェンダ形位相シフト光干渉計測 (14)Graduate School of Engineering, Gunma University位相シフト干渉計による透明試料測定
M1
Sample

7 mm

LDL1BS

L2

M2

L3CCD

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マッハツェンダ形位相シフト光干渉計測 (15)

Graduate School of Engineering, Gunma University

本位相シフト干渉法の特徴- 相対光強度変化から位相を計算するので測定ビーム強度分布に依存しない- 干渉計測の一種なので奥行き分解能が高い- 数枚の静画像を取得するだけなので測定が速い- 透明な試料も測定可能- 垂直配置のため試料保持に際し自由度が高い- 大口径光学系の導入により測定範囲が広い

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マッハツェンダ形位相シフト光干渉計測 (16)

Graduate School of Engineering, Gunma University

透明基板測定結果
欠陥のある透明基板

6.33 m1 mm

マーキング
欠陥

干渉光間の波面の傾き
傾きを計算して補正

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マッハツェンダ形位相シフト光干渉計測 (17)Graduate School of Engineering, Gunma University試料の光学的厚みムラ
欠陥周辺（25 mm x 25 mm）

1.27 m2 mm

・本手法は光学的厚み測定に有効・欠陥検出時には対策が必要

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マッハツェンダ形位相シフト光干渉計測 (18)

Graduate School of Engineering, Gunma University

2次元FFTによる空間フィルタリング
画像を2次元フーリエ変換

マップ上でカットしたい周波数成分を除去（マスキング）

逆フーリエ変換によりフィルタリング画像を取得

HPF: fcutoff = 0.66/cm
0 66/cm1.27 m

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マッハツェンダ形位相シフト光干渉計測 (19)

Graduate School of Engineering, Gunma University差分画像による欠陥の強調
平滑化＋差分画像

閾値処理（2次微分）＋2値化

差分と閾値処理により欠陥の強調が可能

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マッハツェンダ形位相シフト光干渉計測 (20)

Graduate School of Engineering, Gunma University

まとめ
マッハツェンダ形位相シフト光干渉計- 垂直配置のマッハツェンダ干渉計- 透明試料の測定

形状変化 欠陥 屈折率変化等、形状変化・欠陥・屈折率変化等、光学的厚みムラの観測

光学的厚みムラの影響排除- フィルタリング- 差分画像を使った欠陥検出

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マッハツェンダ形位相シフト光干渉計測 (21)

Graduate School of Engineering, Gunma University