JP5333215B2 - チューナブルフィルタ、光源装置およびスペクトル分布測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、チューナブルフィルタ、光源装置およびスペクトル分布測定装置に関する。特に本発明は、各波長領域の直線偏光を変調して所定のスペクトル分布を得るチューナブルフィルタ、光源装置およびスペクトル分布測定装置に関する。本出願は、下記の日本出願に関連する。文献の参照による組み込みが認められる指定国については、下記の出願に記載された内容を参照により本出願に組み込み、本出願の一部とする。
１．特願２００７−５５５７ 出願日 ２００７年１月１５日
２．特願２００７−１４４４２９ 出願日 ２００７年５月３１日

連続スペクトラム光に分光変調を加え、所定のスペクトラムを有する光に変換し出力する任意スペクトラム発生光源がある（例えば、特許文献１を参照）。この光源は、内蔵分光器で形成した発光源スペクトラム像位置に、偏光板と透過型液晶素子アレイを有する光ビーム透過率についての空間変調素子を設置し、分光特性を変調させた上で再度内蔵分光器によって波長合波し、所定のスペクトラムを有する光として出力する。また、他の光源装置として、空間変調素子を反射型にしたものがある（例えば、特許文献２を参照）。

一方、近年スーパーコンティニュアム（supercontinuum）光源が実用に供されるようになって来た（例えば、非特許文献１参照）。スーパーコンティニュアム光源は、連続スペクトラムを持つ白色光源であるが、幾何光学的には点光源とみなせ、かつ出力光に含まれる任意の単波長光が長いコヒーレンス長を有しているといった、従来のランプ光源にはない特徴を有する。
特開平１１−１０１９４４号公報 特開２００５−１１５３７７号公報 Slicing the supercontinuum radiation generated in photonic crystal fiber using an all-fiber chirped-pulse amplification system: OPTICS EXPRESS Vol.13, No.17

しかしながら、特許文献１の光源においては、入力光のうち一方向の直線偏光成分しか使わないので、上記非特許文献１の光源を用いたとしても、入力光に対する出力光のエネルギー効率が低くなってしまう可能性がある。また、特許文献２の光源においては、収束発散光束が液晶素子に隣接配置されている偏光素子内を通過するため、光束NAを十分小さくしないと偏光状態が乱れ、空間変調素子での変調が正確に反映されない出力光となる。

そこで本発明は、上記の課題を解決することのできるチューナブルフィルタ、光源装置およびスペクトル分布測定装置を提供することを目的とする。この目的は請求の範囲における独立項に記載の特徴の組み合わせにより達成される。また従属項は本発明の更なる有利な具体例を規定する。

本発明の第１の形態によると、入力光を、互いに直交する振動方向を有する２つの直線偏光に分岐する偏光分岐素子と、偏光分岐素子で分岐された２つの直線偏光を、２つの直線偏光に対応し、一方向について空間的に広がりを有する２つのスペクトラム像に分光する波長分散型分光素子と、２つのスペクトラム像に対して互いに独立に、各波長領域の直線偏光を変調して反射する反射型空間変調素子とを備え、反射型空間変調素子で反射された変調光が波長分散型分光素子および偏光分岐素子に再入力されることにより、変調光のうち、反射型空間変調素子で変調された波長領域の出力光と、変調されなかった波長領域の出力光と、が分岐して出力され、偏光分岐素子への入力光および再入力光、並びに、波長分散型分光素子への入力光および再入力光が平行光束であるチューナブルフィルタが提供される。

本発明の第２の形態によると、上記チューナブルフィルタと、チューナブルフィルタに平行光を入力する光源部とを備える光源装置が提供される。

本発明の第３の形態によると、上記チューナブルフィルタと、チューナブルフィルタからの出力光を測定する光量測定部とを備え、反射型空間変調素子により変調された波長領域と、光量測定部により測定された出力光の強度とに基づいて、チューナブルフィルタに入力された入力光のスペクトル分布を測定するスペクトル分布測定装置が提供される。

本発明の第４の形態によると、入力光を、互いに直交する振動方向を有する２つの直線偏光に分岐する第１偏光分岐素子と、第１偏光分岐素子で分岐された２つの直線偏光を、２つの直線偏光に対応し、一方向について空間的に広がりを有する２つのスペクトラム像に分光する第１波長分散型分光素子と、２つのスペクトラム像に対して互いに独立に、各波長領域の直線偏光を変調して透過する透過型空間変調素子と、第１波長分散型分光素子と共役に配され、透過型空間変調素子からの２つのスペクトラム像をそれぞれ２つの光束に合波する第２波長分散型分光素子と、第１偏光分岐素子と共役に配され、第２波長分散型分光素子からの２つの光束について、透過型空間変調素子で変調された波長領域の出力光と、変調されなかった波長領域の出力光と、を分岐して出力する第２偏光分岐素子とを備え、第１偏光分岐素子、第１波長分散型分光素子、第２波長分散型分光素子および第２偏光分岐素子への入力光が平行光束であるチューナブルフィルタが提供される。

本発明の第５の形態によると、上記チューナブルフィルタと、チューナブルフィルタに平行光を入力する光源部とを備える光源装置が提供される。

本発明の第６の形態によると、上記チューナブルフィルタと、チューナブルフィルタからの出力光を測定する光量測定部とを備え、透過型空間変調素子により変調された波長領域と、光量測定部により測定された出力光の強度とに基づいて、チューナブルフィルタに入力された入力光のスペクトル分布を測定するスペクトル分布測定装置が提供される。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

偏光分岐素子および波長分散型分光素子のそれぞれに入力および再入力する光が平行光束なので、これら偏光分岐素子および波長分散型分光素子を通過する過程での偏光状態変調のローカリティを抑えることができる。これにより、反射型空間変調素子および透過型空間変調素子での変調をより正確に反映した出力光を得ることができる。

発明の実施形態の一例であるチューナブルフィルタ１００の概要を示す図である。 実施形態の一例である光源装置１０の概要を示す図である。 実施形態の一例であるスペクトル分布測定装置２０の概要を示す図である。 実施形態の他の例である光源装置１２の概要を示す図である。 第１液晶素子アレイ１５２を一部拡大して示す概略図である。 入出力スリット１４２の後側にプレチルト補正波長板１５８を設けた例を示す。

符号の説明

１０ 光源装置、１２ 光源装置、２０ スペクトル分布測定装置、３０ 光源部、３２ リレー光学系、３４ 折り曲げミラー、３６ 光源部、４０ 光量測定部、４２ 出力光学系、５０ 測定対象、６０ 光源部、６２ ミラー、７０ 進行方向、７２ 振動方向、８０ 入力光、８２ 出力光、８４ 出力光、１００ チューナブルフィルタ、１０２ チューナブルフィルタ、１１０ 第１光学系、１２０ 第１偏光分岐素子、１３０ 第２光学系、１３２ プレチルト補正波長板、１３６ 第１光学系、１４０ 分光部、１４２ 入出力スリット、１４４ コリメータ、１４６ 波長分散型分光素子、１４８ カメラ光学系、１５０ 反射型空間変調素子、１５２ 第１液晶素子アレイ、１５４ 第２液晶素子アレイ、１５６ 変調素子ドライバ、１５８ プレチルト補正波長板、１６０ 第３光学系、１６２ 第２偏光分岐素子、１６４ ピンホール、１６６ 第２光学系、１７０ 演算部、１８０ 液晶部、１８２ ミラー

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は請求の範囲にかかる発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、発明の実施形態の一例であるチューナブルフィルタ１００の概要を示す図である。チューナブルフィルタ１００は、光源部３０等から入力されるスペクトル幅を持った入力光を変調して、所定のスペクトル分布を有する出力光を出力する。図１のチューナブルフィルタ１００は、第１光学系１１０、第１偏光分岐素子１２０、第２光学系１３０、分光部１４０、反射型空間変調素子１５０、変調素子ドライバ１５６、第３光学系１６０および第２偏光分岐素子１６２を有する。

光源部３０または他の光学系等から入射する入力光８０は、チューナブルフィルタ１００の第１光学系１１０に入射し、光軸に平行な平行光束に変換され、第１偏光分岐素子１２０に垂直に入力される。第１偏光分岐素子１２０は、この光を、互いに直交する振動方向を有する２つの直線偏光に分岐する。すなわち、第１偏光分岐素子１２０は、Ｐ偏光とＳ偏光の進行方向を、例えば図１において上下方向に、分離する。第１偏光分岐素子１２０の一例は、ウォラストンプリズムである。第１偏光分岐素子１２０としてウォラストンプリズムを用いることにより、薄膜型偏光ビームスプリッタおよび偏光フィルタに比して高い消光比が得られる。図１においては、光の進行方向７０を矢印で示すと共に、第１偏光分岐素子１２０の入出力面を基準として、振動方向７２を、Ｐ偏光は往復矢印で、Ｓ偏光は黒丸印で表した。

第１偏光分岐素子１２０を出射した平行光束のＰ偏光とＳ偏光は、それぞれ第２光学系１３０に入力され、主光線が光軸に平行な収束光に変換される。第２光学系１３０を出射した光は、プレチルト補正波長板１３２に入力され、ここで、反射型空間変調素子１５０のプレチルト位相を半分補償される。

ここで、第２光学系１３０の前側焦平面と第１偏光分岐素子１２０による偏光分離点とが一致するように互いが配されることにより、第２光学系１３０は、出側テレセントリックな光学系となっている。よって、第２光学系１３０を出射したＰ偏光およびＳ偏光の主光線はそれぞれ、プレチルト補正波長板１３２に垂直に入射する。これにより、プレチルト補正波長板１３２によるリターデーション量が光束通過角度によって変動することを防ぐことができる。さらに、図１に示す形態においては、第１偏光分岐素子１２０において、第２光学系１３０の光軸に一致する位置に、入力光が入力される。

プレチルト補正波長板１３２を出射した２つの光は、分光部１４０に入力される。分光部１４０は、入出力スリット１４２、コリメータ１４４、波長分散型分光素子１４６およびカメラ光学系１４８を有し、当該２つの光を、２つの光に対応し、一方向について空間的に広がりを有する２つのスペクトラム像に分光する。ここで、入出力スリット１４２は第２光学系１３０の後側焦平面に配置される。また、入出力スリット１４２と波長分散型分光素子１４６とは、それぞれコリメータ１４４の前側焦点、後側焦点位置に配置されている。

分光部１４０において、まず、プレチルト補正波長板１３２を出射した光は、入出力スリット１４２に収束する。入出力スリット１４２は、波長分散型分光素子１４６の分光方向に細く、それと直角な方向に長い。入出力スリット１４２を透過した２つの光は、コリメータ１４４により平行光束となって、波長分散型分光素子１４６に入力される。これらの２つの光はそれぞれ、波長分散型分光素子１４６により波長に基づいて一方向（図中、紙面に直交する方向）について空間的に広がりを有するスペクトラム像に分光される。

反射型空間変調素子１５０は、第１液晶素子アレイ１５２および第２液晶素子アレイ１５４を有し、上記２つのスペクトラム像に対して互いに独立に、各波長領域の直線偏光を変調して反射する。ここで、波長分散型分光素子１４６と、第１液晶素子アレイ１５２、および第２液晶素子アレイ１５４とは、それぞれ、カメラ光学系１４８の前側焦点位置、後側焦点位置に配置される。また、第１液晶素子アレイ１５２は、図１における紙面に垂直な方向に並んで配された複数の液晶素子により形成される。第２液晶素子アレイ１５４も同様に、図１における紙面に垂直な方向に並んで配された複数の液晶素子により形成される。さらに、第１液晶素子アレイ１５２と第２液晶素子アレイ１５４とは、複数の液晶素子が並んだ方向に直交する方向に並んで配される。

上記波長分散型分光素子１４６により分光された２つのスペクトラム像は、カメラ光学系１４８によって、第１液晶素子アレイ１５２および第２液晶素子アレイ１５４上に結像する。すなわち、第１液晶素子アレイ１５２上には、Ｓ偏光のスペクトラム像がそのアレイ方向に結像され、第２液晶素子アレイ１５４上には、Ｐ偏光のスペクトラム像がそのアレイ方向に結像される。この場合に、カメラ光学系１４８は出側テレセントリックなので、２つのスペクトラム像の主光線は、第１液晶素子アレイ１５２および第２液晶素子アレイ１５４に対して、それぞれ垂直に入射する。又、波長に応じた入射角度の変動もないので、第１液晶素子アレイ１５２および第２液晶素子アレイ１５４の液晶素子により与えられるリターデーションが、光束通過角度によって変動することを防いで、正確なものとなる。

変調素子ドライバ１５６は、第１液晶素子アレイ１５２および第２液晶素子アレイ１５４の複数の液晶素子の各々に印加する電圧を互いに独立して調整することにより、各液晶素子のリターデーションを調節する。これによって、第１液晶素子アレイ１５２および第２液晶素子アレイ１５４から反射して、入射してきた経路を逆にたどって戻っていく光束の、偏光の状態（一般には楕円偏光になっている）を、各液晶素子に入射した光毎に変える。この場合に、第１液晶素子アレイ１５２および第２液晶素子アレイ１５４への入力光は、波長に応じて、複数の液晶素子が並んでいる方向に広がったスペクトル像なので、入射した光の波長に対応した液晶素子のリターデーションを調整することにより、当該波長毎に光の偏光状態を変調することができる。また、第１液晶素子アレイ１５２と第２液晶素子アレイ１５４とは、互いに独立して動作するので、光学系に偏光特性が存在する場合、これを補償することもできる。

反射型空間変調素子１５０で反射された変調光が分光部１４０および第１偏光分岐素子１２０に再入力されることにより、変調光のうち、反射型空間変調素子１５０で偏光方向が変調された波長領域の出力光と、変調されなかった波長領域の出力光と、が分岐して出力される。より詳細には下記の通りである。

まず、第１液晶素子アレイ１５２および第２液晶素子アレイ１５４で変調されて反射された２つのスペクトル像のそれぞれは、カメラ光学系１４８により波長分散型分光素子１４６に再入力され、波長分散型分光素子１４６において、波長毎に分散していたスペクトル像が、それぞれ対応する２つの平行光束に集められる。ここで、一方のスペクトル像からの合波は、第１偏光分岐素子１２０において分離されたＳ偏光に対応しており、当該合波は、第１液晶素子アレイ１５２によって偏光方向が変調されなかった波長成分についてはＳ偏光を有し、第１液晶素子アレイ１５２によって偏光方向が変調された波長成分についてはＰ偏光を有する。同様に、他方のスペクトル像からの合波は、第１偏光分岐素子１２０において分離されたＰ偏光に対応しており、当該合波は、第２液晶素子アレイ１５４によって偏光方向が変調されなかった波長成分についてはＰ偏光を有し、第２液晶素子アレイ１５４によって偏光方向が変調された波長成分についてはＳ偏光を有する。ただし、説明の簡易化のためにプレチルト補正波長板１３２による微小なリターデーション効果は無視している。

さらに、波長分散型分光素子１４６により合波された２つの光束は、コリメータ１４４により入出力スリット１４２上にそれぞれ集光され、入出力スリット１４２を透過して、プレチルト補正波長板１３２を通り、第２光学系１３０に再入力される。第２光学系１３０に再入力された２つの光束は平行光束となって、第１偏光分岐素子１２０に再入力される。図１に示す実施形態においては、第１偏光分岐素子１２０へ２つの光束が再入力する場合の第１偏光分岐素子１２０の端面上の位置は、第１偏光分岐素子１２０から分岐して出射した２つの直線偏光の出射位置にそれぞれ一致する。

第１偏光分岐素子１２０に再入力された２つの平行光束は、３つの光束となって出力される。すなわち、第１液晶素子アレイ１５２および第２液晶素子アレイ１５４により偏光方向の変調を受けていないＰ偏光の波長成分およびＳ偏光の波長成分は、第１偏光分岐素子１２０によって一つの光束にまとめられ、入射してきた方に戻る出力光８２となる。これに対し、第１偏光分岐素子１２０への最初の入力によって分離されたＰ偏光のうち、第２液晶素子アレイ１５４で偏光方向の変調を受けてＳ偏光に変換された波長成分、および、第１偏光分岐素子１２０への最初の入力によって分離されたＳ偏光のうち偏光方向の変調を受けてＰ偏光に変換された波長成分は、第１偏光分岐素子１２０によって、さらに光路を曲げられ、図１に示すようにそれぞれ外側に広がって進行する。

さらに、外側に広がって進行したＰ偏光およびＳ偏光のそれぞれは、第１光学系１１０により集光された後、第３光学系１６０により平行光束に変えられ、第２偏光分岐素子１６２に入力される。第３光学系１６０は、このＰ偏光とＳ偏光を一つの光にまとめて出力光８４を出力する。図１に示す例では、第１光学系１１０と第３光学系１６０とはアフォーカルな光学系をなす。

以上、チューナブルフィルタ１００において、第２偏光分岐素子１６２から出力される出力光８４のスペクトラムは、第１液晶素子アレイ１５２および第２液晶素子アレイ１５４によって受けたリターデーションによって変化するので、変調素子ドライバ１５６の出力により、このスペクトル分布を変化させることができ、チューナブルフィルタとしての作用を果たしている。なお、図１において、分光部１４０と反射型空間変調素子１５０とが、液晶空間変調素子を用いたゼロ分散型分光器を形成する。

また、第１偏光分岐素子１２０による偏光分離点、波長分散型分光素子１４６における波長分解点および第２偏光分岐素子１６２による偏光合波点がほぼ共役関係となるように、互いが配されている。これにより、第１偏光分岐素子１２０、波長分散型分光素子１４６および第２偏光分岐素子１６２を通過する光束断面積を最小にして高価な素子の大きさを小さくすることができる。さらにまた、第１偏光分岐素子１２０への入力光および再入力光、並びに、波長分散型分光素子１４６への入力光および再入力光が平行光束なので、これら第１偏光分岐素子１２０および波長分散型分光素子１４６を通過する過程での偏光状態変調のローカリティを抑えることができる。

図２は、本実施形態の一例である光源装置１０の概要を示す図である。以下の図において、図１に示された構成要素と同じ構成要素には、同じ符号を付してその説明を省略する。図２に示す光源装置１０は、図１に示されたチューナブルフィルタ１００に、光源部３０、リレー光学系３２および折り曲げミラー３４を設けた点が、図１に示されたチューナブルフィルタ１００と異なる。

光源部３０は連続スペクトルを有する白色光源であり、光源部３０から出射した白色光は、リレー光学系３２を経て折り曲げミラー３４により折り曲げられ、チューナブルフィルタ１００に入力される。このとき、リレー光学系３２を調整することにより、第１光学系１１０を透過した光束が、光軸に平行な平行光束となるようにしておく。この光源装置１０は、第２偏光分岐素子１６２からの出力光８４を出力する。前述のように、変調素子ドライバ１５６の出力により、第２偏光分岐素子１６２からの出力光８４のスペクトル分布を変化させることができるので、この光源装置１０は可変スペクトル光源装置として使用することができる。なお、光源部３０は、連続スペクトルを持つ光源であれば、可視域白色光源には限らない。

図３は、実施形態の一例であるスペクトル分布測定装置２０の概要を示す図である。図３に示すスペクトル分布測定装置２０は、図１に示すチューナブルフィルタ１００に加えて、リレー光学系３２、折り曲げミラー３４、出力光学系４２、光量測定部４０および演算部１７０を有する。スペクトル分布測定装置２０の他の部分の構成は図１に示すチューナブルフィルタ１００と同じであるので、同じ構成の部分の説明を省略し、異なる部分のみの説明を行う。

物体（ＯＢＪＥＣＴ）等の測定対象５０から放出された入力光８０は、リレー光学系３２を経て折り曲げミラー３４により折り曲げられ、チューナブルフィルタ１００に入射する。このとき、リレー光学系３２を調整することにより、第１光学系１１０を透過した光束が、光軸に平行な平行光束となるようにしておく。第２偏光分岐素子１６２からの出力光８４は出力光学系４２により光量測定部４０に集光され、光量測定部４０により出力光８４の強度が測定される。

ここで、変調素子ドライバ１５６により、第１液晶素子アレイ１５２および第２液晶素子アレイ１５４の各液晶素子に所定量のリターデーションをかけ、そのときの第２偏光分岐素子１６２からの出力光８４を光量測定部４０により測定する。これを、第１液晶素子アレイ１５２および第２液晶素子アレイ１５４の各液晶素子にかけるリターデーションを変えて繰り返し、反射型空間変調素子１５０により変調された波長領域のリターデーションの量と第２偏光分岐素子１６２からの出力光８４の関係を演算部１７０により演算することにより、測定対象５０から放出された光のスペクトル分布を測定することができる。これは、マルチプレックス分光法と呼ばれ、アダマール変換分光法が代表例である。

また、例えばある波長に対応する第１液晶素子アレイ１５２の一つの液晶素子において、入射するＰ偏光の全て（又は規定％）をＳ偏光に、その波長に対応する第２液晶素子アレイ１５４の一つの液晶素子において、入射するＳ偏光の全て（又は前述の規定％）をＰ偏光にするような変調をかけ、他の波長については、変調をかけないようにすれば、変調をかけられた波長の光のみが光量測定部４０で検出される。この測定を、変調をかける波長を順次変えて行えば、入射光のスペクトル分布を測定することができる。このスペクトル分布測定装置２０は、機械的な可動部がなく、機構が簡単である。

以上の説明においては、ウォラストンプリズムを用いていたが、ウォラストンプリズムを改良したノマルスキープリズムを用いても同様の効果が得られる。

また、上記説明においては、反射型空間変調素子１５０を用いたが、透過型の空間変調素子を用いてもよい。この場合には、図１における反射型空間変調素子１５０に変えて、２つのスペクトラム像に対して互いに独立に、各波長領域の直線偏光を変調して透過する透過型空間変調素子を配するとともに、分光部１４０と同一の構成を当該分光部１４０と共役に配し、第１偏光分岐素子１２０と同一の構成を当該第１偏光分岐素子１２０と共役に配する。この場合にも、第１偏光分岐素子１２０およびこれと共役に配した偏光分岐素子、および、分光部１４０の波長分散型分光素子１４６およびこれと共役に配した波長分散型分光素子への入力光を平行光束にする。これにより、透過型空間変調素子での変調をより正確に反映した出力光を得ることができる。

図４は、実施形態の他の例である光源装置１２の概要を示す図である。図４の光源装置１２は、光源部６０、ミラー６２およびチューナブルフィルタ１０２を備える。また、チューナブルフィルタ１０２は、第１偏光分岐素子１２０、第１光学系１３６、分光部１４０、反射型空間変調素子１５０、変調素子ドライバ１５６、第２光学系１６６およびピンホール１６４を有する。

図４の光源部６０は、幾何光学的にはほぼ点光源とみなせ、しかも連続スペクトラム光源という特徴を持つスーパーコンティニュアム光源である。光源部６０から出力される平行光束Ｂ１は、互いに直交する２つの振動方向を有するＰ偏光およびＳ偏光を含み、ミラー６２により方向を曲げられて、第１偏光分岐素子１２０に入射する。ここで、ミラー６２は配置上の必要性に応じて設置してもしなくてもよい。なお、図４において、光線に付された両方向矢印と黒丸は、それぞれ、互いに直角な偏光の振動方向を示している。これらの２つが同時に記載されている光線は、両方の偏光成分を併せ持つ光線を示す。

第１偏光分岐素子１２０は、入力光を、互いに直交する２つの直線偏光成分を有する出力光として分岐出力する。第１偏光分岐素子１２０の一例はカルサイトなどの複屈折結晶により形成されるウォラストンプリズムで、高い消光比（例えば１０００００：１程度）が得られる。ウォラストンプリズムの代わりに、ノマルスキープリズム等を用いてもよい。なお、第１偏光分岐素子１２０は表面反射光束が光源部６０の中の光源点に戻らないよう、わずかに傾けて設置する。

また、平行光束Ｂ１は、第１光学系１３６等の光学系における光軸からずれた位置に入力される。図４に示す形態において、平行光束Ｂ１は、第１偏光分岐素子１２０により分岐される２つの直線偏光の主光軸を含む面内であって上記光軸に直交する方向にずれた位置（図中の上にずれた位置）に入力される。

平行光束Ｂ１は、第１偏光分岐素子１２０によって互いに直交する偏光成分別に光束Ｂ２とＢ３に分解され、所定の角度をなして別方向に進行する。次に、正のパワーを有する第１光学系１３６によって、これらの光束Ｂ２、Ｂ３はそれぞれほぼ点像に集光される。ここで、第１偏光分岐素子１２０内にできている光束Ｂ２とＢ３との分岐点と、第１光学系１３６の焦平面とをなるべく一致させることが望ましい。そうすることで、第１光学系１３６を通過後した光束Ｂ２とＢ３との２本の主光線は平行となる。

第１光学系１３６を出射した２つの光は、分光部１４０に入力される。分光部１４０は、入出力スリット１４２、コリメータ１４４、波長分散型分光素子１４６およびカメラ光学系１４８を有し、当該２つの光を、一方向について空間的に広がりを有する２つのスペクトラム像に分光する。

第１光学系１３６による点像位置に、入出力スリット１４２が設置される。光源部６０がスーパーコンティニュアム光源、レーザ光源の場合、ほぼ点状に集光できるので、入出力スリット１４２はなくてもよいが、余計な光が分光部１４０の内部に混入するのを防げるのであった方がよい。分光部１４０の一例は、波長分散型である。図４に示すものは、波長分散型分光器である。また、波長分散型分光素子１４６の一例はグレーティングであるが、グレーティングの代わりにプリズム等の波長分散素子を適宜使用することができる。

コリメータ１４４は、入出力スリット１４２と波長分散型分光素子１４６との間に配される。この場合に、コリメータ１４４の前側焦点位置と第１光学系の後側焦点位置とを一致させて配することが好ましい。これにより、コリメータ１４４に入射した２つの光束はそれぞれ平行光束となって、波長分散型分光素子１４６に入力される。これにより波長分散型分光素子１４６を通過する過程での偏光状態変調のローカリティを抑えることができる。

分光部１４０により形成される２つのスペクトラム像は、２本のほぼ平行に並んだ線形状になる。それぞれの線状スペクトラム像位置に対して１つの第１液晶素子アレイ１５２、および第２液晶素子アレイ１５４が対応するよう２列アレイ構成とした反射型空間変調素子１５０が設置される。反射型空間変調素子１５０としては、例えば、反射型液晶素子が使用できる。反射型空間変調素子１５０には変調素子ドライバ１５６が接続されており、各液晶素子への印加電圧を制御する。変調素子ドライバ１５６への制御信号は、図示はしていないが、外部のパソコン等の制御装置から与えられる。

分光部１４０の光学系は、反射型空間変調素子１５０の各液晶素子に入射する２つのスペクトラム像における各波長要素光束の主光線がなるべく平行に配列するよう設計されることが望ましい。これは、波長分散型分光素子１４６上の各波長の主光線の分岐点を、カメラ光学系１４８の前焦平面上、あるいはその近傍に配置することで実現できる。これにより、平面上に配列している第１液晶素子アレイ１５２および第２液晶素子アレイ１５４への入射角度条件をそろえることができ、入射角度のばらつきによるリターデーション特性のばらつきを抑えることができる。また、迷光の方向を揃えることができ、迷光の処理を容易にすることができる。また、カメラ光学系１４８の後焦平面上に反射型空間変調素子１５０を配することが好ましい。

一方、上記２つのスペクトラム像の主光線は、第１液晶素子アレイ１５２（および第２液晶素子アレイ１５４）の複数の液晶素子の並び方向に直交する面内について、第１液晶素子アレイ１５２および第２液晶素子アレイ１５４に対して０でない入射角で斜めに入射する。これより、第１液晶素子アレイ１５２および第２液晶素子アレイ１５４に入射する２つのスペクトラム像の主光線と、第１液晶素子アレイ１５２および第２液晶素子アレイ１５４で反射した２つのスペクトラム像の主光線とは異なる光路を進む。

反射型空間変調素子１５０の光入出力面にはプレチルト補正波長板１５８を接着しておく。プレチルト補正波長板１５８は、リターデーション補償板とも称され、液晶素子にわずかに残してある初期リターデーション、および、第１偏光分岐素子１２０と反射型空間変調素子１５０との間の光学系を原因として発生する可能性のあるリターデーションとを相殺する。このとき接着面での反射光は迷光になる恐れがあるので、所定の値以下になるように注意する。接着面にも反射防止膜を施してもよい。この場合に、第１液晶素子アレイ１５２および第２液晶素子アレイ１５４に対して１つのプレチルト補正波長板１５８を用意してもよいが、２分岐された直線偏光光束経路個々に対して最適化した２枚のプレチルト補正波長板１５８を用意し、それぞれを該当する第１液晶素子アレイ１５２および第２液晶素子アレイ１５４上に貼り付けてもよい。

反射型空間変調素子１５０をスペクトル像の分光光束が反射する場合に、第１液晶素子アレイ１５２および第２液晶素子アレイ１５４の個々の液晶素子に独立的に印加された電圧にしたがってリターデーションが発生する。したがって、反射型空間変調素子１５０で反射した後の分光光束の偏光状態は一般的には楕円偏光である。反射型空間変調素子１５０によって、スペクトル像の波長要素ごとに独立的に所定のリターデーションを発生させ楕円偏光化することで、第１偏光分岐素子１２０を再通過するときに、分光アッテネーション作用を発生させ、出力光に対して所定のスペクトラム特性を持たせる。

なお、光束Ｂ２、Ｂ３の偏光状態は、波長分散型分光素子１４６に入射するとき、および、反射型空間変調素子１５０で反射された後に波長分散型分光素子１４６に再入射するときで、大きく異なっている。波長分散型分光素子１４６の分光透過特性には通常、偏光依存性があるが、とりわけグレーティングの場合には顕著に現れる。この波長分散型分光素子１４６の分光特性偏光依存性特性をなくしたいときには、波長分散型分光素子１４６の分光特性偏光依存性が相殺されるよう、光束Ｂ４とＢ５が第１偏光分岐素子１２０を再通過する時の第１偏光分岐素子１２０による分光アッテネーション量に差異を持たせればよい。これは、光束Ｂ４とＢ５に対して異なるプレチルト補正波長板１５８を使用することにより、光束Ｂ４とＢ５に第１液晶素子アレイ１５２および第２液晶素子アレイ１５４の間で所定の量だけ異なるリターデーション量を付加させれば実現する。

反射型空間変調素子１５０を反射した光束は、波長分散型分光素子１４６を逆進する中、波長合波作用を受け、２本の白色光束Ｂ４とＢ５に戻る。そして入出力スリット１４２上で、入力時と同じ位置に集光する。

入出力スリット１４２の開口上にできる２つのスポットの中心を結ぶ直線と、この２つのスポットに集光する光束（集光光束）の主光線を含む平面に垂直で、前記２つのスポット中心を含む平面を入出力スリット面と名づける。光束Ｂ２、Ｂ３の主光線が、入出力スリット１４２のそれぞれのスポットに入射するとき、それぞれの主光線が入出力スリット面の法線に対して、上記集光光束の集光ＮＡから決まる角度よりも大きな角度をなして入射するように、光束Ｂ２、Ｂ３の主光線の入射角度を傾けておく。そうすることで、入出力スリット１４２から反射型空間変調素子１５０までの光束Ｂ２、Ｂ３と、反射型空間変調素子１５０で反射した後に入出力スリット１４２まで戻る光束Ｂ４、Ｂ５とが、入出力スリット１４２の近傍および反射型空間変調素子１５０の反射点近傍以外では分離するようになる。これは、入出力スリット１４２と、反射型空間変調素子１５０の反射面とが共役にされていることから明らかである。なお、液晶素子内を通過する光線の角度分布が小さい方が好ましく、この場合も入射光束と反射光束との角度も小さい方が好ましいので、集光光束ＮＡを十分小さく設定し、光束入射傾角もなるべく小さく抑えることで、光線角度分布の弊害を低減させることができる。

入出力スリット１４２から出力された光束は、第１光学系１３６でコリメートされた後、第１偏光分岐素子１２０に再入力される。この場合に、第１偏光分岐素子１２０において、入力光が２つの直線偏光の光束Ｂ２、Ｂ３に分岐して出力される位置とは空間的に異なる位置に、変調光の２つの光束Ｂ４、Ｂ５を再入力させる。

この場合に、前述の通り第１光学系１３６の焦平面を第１偏光分岐素子１２０の偏光分岐点に合わせることで、入出力スリット１４２に入射する２本の光束Ｂ２、Ｂ３の主光線は互いに平行となり、入出力スリット１４２から射出する２本の光束Ｂ４、Ｂ５の主光線も互いに平行となる。また第１光学系１３６によってコリメート作用を受けるのと同時に、２本の光束Ｂ４、Ｂ５は第１偏光分岐素子１２０内において交わる。このとき、前述のように、光束Ｂ２、Ｂ３と光束Ｂ４、Ｂ５とが分離されているので、第１偏光分岐素子１２０に光束Ｂ４、Ｂ５が入射する位置は、光束Ｂ２、Ｂ３が入射する位置とは異なる位置となる。

第１偏光分岐素子１２０に戻った２本の白色光束Ｂ４、Ｂ５は、偏光成分によって、光源部６０から発した光束Ｂ１が最初に第１偏光分岐素子１２０に入射する方向と平行な方向に偏向される成分と、他の偏向作用を受ける成分とに分かれる。前者の偏向作用を受ける成分は、戻って来た２本の白色光束それぞれの成分がほぼ重なり、おおよそ1本の光束となって第１偏光分岐素子１２０から出て行く。これを出力光束Ｂ８と呼ぶ。後者の偏向作用を受ける偏光成分光は偏光分岐素子通過後、異なる２方向に進行する。これらを廃棄光束Ｂ６、Ｂ７と呼ぶ。このとき、前述のように、第１偏光分岐素子１２０に光束Ｂ４、Ｂ５が入射する位置は、光束Ｂ２、Ｂ３が入射する位置とは異なる位置となるので、第１偏光分岐素子１２０を通過した出力光束Ｂ８が光源部６０に直接戻ることが避けられ、光源部６０の動作が不安定になるのを避けることができる。

光路に沿って第１偏光分岐素子１２０の次に、正のパワーを有する第２光学系１６６を設置し、特に出力光束Ｂ８を集光させる。廃棄光束Ｂ６、Ｂ７は第２光学系１６６に入射させてもさせなくてもどちらでもかまわない。出力光束Ｂ８の集光点にピンホール１６４を設置し、出力光束Ｂ８だけを通過させることで、所定ののスペクトラムを有した光束を得る。

なお、第２光学系１６６およびピンホール１６４を設ける代わりに、単に出力光束Ｂ８のみを通過させる開口を設けるようにしてもよい。この場合には、第２光学系１６６およびピンホール１６４を設けた場合に比して、取り出される光束に多少の迷光が混じるが、これが問題にならなければ、このような構成でも、所定のスペクトラムを有した光束を得ることができる。

また、図４に示す実施形態において、平行光束Ｂ１は、第１偏光分岐素子１２０により分岐される２つの直線偏光の主光軸を含む面内であって上記光軸に直交する方向にずれた位置（図中の上にずれた位置）に入力されるとともに、これにより、出力光束Ｂ８は、第１偏光分岐素子１２０により分岐される２つの直線偏光の主光軸を含む面内であって上記光軸に直交する方向について平行光束Ｂ１と並ぶ（図中の上下に並ぶ）。しかしながら、平行光束Ｂ１と平行光束Ｂ１との位置関係は、これに限られない。他の例として、平行光束Ｂ１は、第１偏光分岐素子１２０により分岐される２つの直線偏光の主光軸を含む面の法線方向について光軸からずれた位置（図４における紙面の手前または奥側にずれた位置）に入力されてもよい。これにより、出力光束Ｂ８は、第１偏光分岐素子１２０により分岐される２つの直線偏光の主光軸を含む面の法線方向について平行光束Ｂ１と並ぶ（図４における紙面の手前と奥側と並ぶ）。

図５は、第１液晶素子アレイ１５２を一部拡大して示す概略図である。図５（ａ）に示すように、第１液晶素子アレイ１５２は、プレチルト補正波長板１５８、液晶部１８０およびミラー１８２をこの順に有する。

図５の第１液晶素子アレイ１５２は、その内部に備えられているミラー１８２のミラー面上に上記スペクトラム像が所定の波長範囲においてあまさず形成され、かつ反射されるように位置が決められている。従って、光束Ｂ２とＢ３は反射されて分光部１４０の内部に戻る。なお、第２液晶素子アレイ１５４の構成も第１液晶素子アレイ１５２の構成と同じであるので、説明を省略する。

さらに、光学素子の表面で発生する反射光に起因する迷光を出力光から分離する方法について説明する。プレチルト補正波長板１５８は、前述のような理由で設けられるが、この場合には、プレチルト補正波長板１５８の表面において、光の反射が発生し、これが迷光となる。この迷光を分離するには、プレチルト補正波長板１５８の厚さを厚くすることが好ましい。

図５（ａ）に示すように、第１液晶素子アレイ１５２への入射光束は、プレチルト補正波長板１５８、液晶部１８０を通り、ミラー１８２の表面にスポットＳを形成し、ミラー１８２の表面で反射され、反射光となって戻り出力光となる。一方、この入射光束の一部は、プレチルト補正波長板１５８の表面で反射され、反射光となって戻り迷光となる。従って、プレチルト補正波長板１５８の表面で反射された反射光が、ミラー１８２の表面で反射された反射光と分離されるようにすればよい。

それには、プレチルト補正波長板１５８の表面での反射光束をミラー１８２の表面に投影した断面Ｓ１と、前記スポットＳとが、図５（ｂ）に示すように分離されるように、プレチルト補正波長板１５８の厚さを厚くしてやればよい。そうすることにより、ミラー１８２の表面と共役な位置に設置されるピンホール１６４によって、図４に示すように出力光束Ｂ８だけを通過させ、プレチルト補正波長板１５８の表面反射光束は遮断でき、迷光低減に有効である。

なお、図５では液晶の内部構造図示は省略し、液晶部１８０として図示してある。またプレチルト補正波長板１５８を第１液晶素子アレイ１５２および第２液晶素子アレイ１５４に接着しない場合は、図５におけるプレチルト補正波長板１５８を第１液晶素子アレイ１５２および第２液晶素子アレイ１５４のカバーガラスに置き換えて見ればよい。図５では液晶詳細構造は図示せず、液晶部１８０にカバーガラス、液晶層などを含んでいる。

図６は、入出力スリット１４２の後側にプレチルト補正波長板１５８を設けた例を示す。図６（ａ）に示すように、プレチルト補正波長板１５８は第１液晶素子アレイ１５２および第２液晶素子アレイ１５４の光入出力面上に接着しなくてもよく、入出力スリット１４２の近傍に独立的に設置してもよい。この場合には、入射光は、入出力スリット面に集光し、スポットＳを形成する。一方、この入射光の一部は、プレチルト補正波長板１５８の表裏面で反射して、反射光となって戻り、迷光となる。従って、これらの反射光が、出力光から分離されるようにすればよい。

それには、プレチルト補正波長板１５８の表面で反射した反射光の入出力スリット面上への投影断面をＳ１とし、プレチルト補正波長板１５８の裏面で反射した反射光の入出力スリット面上への投影断面をＳ２とするとき、図６（ｂ）に示すように、ＳとＳ１、ＳとＳ２のそれぞれが分離されるだけ、入出力スリット１４２とプレチルト補正波長板１５８の表面との間隔を離して設置すればよい。そうすることにより、入出力スリット面に共役なピンホール１６４によって、図４に示すように出力光束Ｂ８だけが通過し、プレチルト補正波長板１５８の表裏面での反射光束は遮断される。なお、入出力スリット１４２の前側にプレチルト補正波長板１５８を設けた場合でも、同様の関係が成り立つ。

以上の説明においては、光源としてスーパーコンティニュアム光源を使用していたが、他のレーザ光源を使用する場合でも、発明の特徴は発揮される。しかし、スーパーコンティニュアム光源を使用した場合には、特に発明は有効である。

以上、図１から図６に示す実施形態によれば、Ｐ偏光とＳ偏光との両方を含む入力光の両方の偏光を用いて、所定のスペクトル分布を有する出力光を得ることができる。この場合に、Ｐ偏光の各波長領域とＳ偏光の各波長領域の偏光方向を独立して変調することにより、出力光においてＰ偏光とＳ偏光との割合を波長領域毎に変えることができる。これにより、光学薄膜等、測定対象物の偏光特性を測定することができる。また、Ｐ偏光とＳ偏光の光学系における偏光依存性を独立して補償することができる。

また、第１偏光分岐素子１２０および波長分散型分光素子１４６のそれぞれに入力および再入力する光は平行光束なので、これら第１偏光分岐素子１２０および波長分散型分光素子１４６を通過する過程での偏光方向の変調を抑えることができる。これにより、反射型空間変調素子１５０での変調をより正確に反映した出力光を得ることができる。

また、図４に示す実施形態によれば、第１偏光分岐素子１２０において、入力光が２つの直線偏光に分岐して出力される位置とは空間的に異なる位置に、変調光の２つの光束を再入力させるので、第１偏光分岐素子１２０に再入力された光束が光源部６０に直接もどることが避けられ、光源部６０の動作が不安定になるのを避けることができる。さらに、図５および図６に示す実施形態によれば、光学素子表面反射による迷光を少なくし、高い消光比を実現することができる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、請求の範囲の記載から明らかである。

Claims (16)

1. 入力光を、互いに直交する振動方向を有する２つの直線偏光に分岐する偏光分岐素子と、
   前記偏光分岐素子で分岐された前記２つの直線偏光を、前記２つの直線偏光に対応し、一方向について空間的に広がりを有する２つのスペクトラム像に分光する波長分散型分光素子と、
   前記２つのスペクトラム像に対して互いに独立に、各波長領域の偏光状態を変調して反射する反射型空間変調素子と
   を備え、
   前記反射型空間変調素子で反射された変調光が前記波長分散型分光素子および前記偏光分岐素子に再入力されることにより、前記変調光のうち、前記反射型空間変調素子で変調された波長領域の出力光と、変調されなかった波長領域の出力光と、が分岐して出力され、
   前記偏光分岐素子への入力光および再入力光、並びに、前記波長分散型分光素子への入力光および再入力光が平行光束であるチューナブルフィルタ。
2. 前記偏光分岐素子と前記波長分散型分光素子との間に、一方の後側焦点位置と他方の前側焦点位置とを一致させて配した一対の光学系と、
   前記波長分散型分光素子と前記反射型空間変調素子との間に、前記波長分散型分光素子と前記反射型空間変調素子をそれぞれ前側焦平面および後側焦平面に配した光学系と
   をさらに備える請求項１に記載のチューナブルフィルタ。
3. 前記一対の光学系における前記一方の後側焦平面に配され、前記２つの直線偏光が入出力される入出力スリットをさらに備える請求項２に記載のチューナブルフィルタ。
4. 前記偏光分岐素子の偏光分離点と前記一対の光学系のうちの前記一方の前側焦平面とが一致して配される請求項３に記載のチューナブルフィルタ。
5. 前記２つのスペクトラム像の主光線は、前記反射型空間変調素子に対して垂直に入射する請求項４に記載のチューナブルフィルタ。
6. 前記偏光分岐素子は、ウォラストンプリズムまたはノマルスキープリズムのいずれかである請求項５に記載のチューナブルフィルタ。
7. 前記偏光分岐素子において、入力光が２つの直線偏光に分岐して出力される位置とは空間的に異なる位置に、変調光の２つの光束を再入力させる請求項１に記載のチューナブルフィルタ。
8. 前記偏光分岐素子と前記波長分散型分光素子との間に、一方の後側焦点位置と他方の前側焦点位置とを一致させて配した一対の光学系と、
   前記波長分散型分光素子と前記反射型空間変調素子との間に、前記波長分散型分光素子と前記反射型空間変調素子をそれぞれ前側焦平面および後側焦平面に配した光学系と
   をさらに備える請求項７に記載のチューナブルフィルタ。
9. 前記一対の光学系における前記一方の後側焦平面に配され、前記２つの直線偏光が入出力される入出力スリットをさらに備える請求項８に記載のチューナブルフィルタ。
10. 前記偏光分岐素子の偏光分離点と前記一対の光学系のうちの前記一方の前側焦平面とが一致して配される請求項９に記載のチューナブルフィルタ。
11. 前記入出力スリットに集光する前記２つの直線偏光の集光光束の主光線と前記２つの直線偏光のそれぞれが集光した２つのスポットの中心を結ぶ直線とを含む平面に垂直で、前記２つのスポットの中心を結ぶ直線を含む、入出力スリット面の法線と、前記集光光束のそれぞれの主光線とのなす角が、前記集光光束の集光ＮＡから決まる角度よりも大きな角度を有する請求項１０に記載のチューナブルフィルタ。
12. 前記偏光分岐素子において、前記一対の光学系における前記一方の光軸からずれた位置に入力光が入力される請求項１１に記載のチューナブルフィルタ。
13. 前記２つのスペクトラム像の主光線は、前記反射型空間変調素子に対して傾斜して入射する請求項１２に記載のチューナブルフィルタ。
14. 前記偏光分岐素子は、ウォラストンプリズムまたはノマルスキープリズムのいずれかである請求項１３に記載のチューナブルフィルタ。
15. 請求項１に記載のチューナブルフィルタと、
    前記チューナブルフィルタに平行光を入力する光源部と
    を備える光源装置。
16. 請求項１に記載のチューナブルフィルタと、
    前記チューナブルフィルタからの出力光を測定する光量測定部と
    を備え、
    前記反射型空間変調素子により変調された波長領域と、前記光量測定部により測定された出力光の強度とに基づいて、前記チューナブルフィルタに入力された入力光のスペクトル分布を測定するスペクトル分布測定装置。

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