JP6503618B2

JP6503618B2 - 距離測定装置及びその方法

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Publication number: JP6503618B2
Application number: JP2015166854A
Authority: JP
Inventors: 弘一松本; 善之川田
Original assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Current assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Priority date: 2015-08-26
Filing date: 2015-08-26
Publication date: 2019-04-24
Anticipated expiration: 2035-08-26
Also published as: JP2017044565A

Description

本発明は距離測定装置及びその方法に係り、特に測定環境の影響を排除して距離を測定する技術に関する。

従来、ＣＷ（Continuous wave）コヒーレントレーザーを光源として干渉計に入射させ、形成される干渉縞を計数することによって測定対象までの距離を求める干渉計が知られている。このような干渉計は、大気のゆらぎの影響が強く、干渉縞の飛びが発生し、測定誤差が大きいという欠点があった。

これに対し、特許文献１には、２つの波長の光波によりそれぞれ測定される光学的距離を各々の波長における屈折率から求められる補正係数により補正してターゲットまでの幾何学的距離を算出する２波長干渉計を用いることで、屈折率の変動による測長誤差が生じない旨が記載されている。

特開２０１５−７５４６１号公報

特許文献１において、２波長干渉計による幾何学的距離に対する測長誤差は、２つの波長の光波によりそれぞれ測定される光学的距離の差と補正係数との積で決まる。ここで、ＣＷコヒーレントレーザーの屈折率から求められる補正係数は値が大きいため、幾何学的距離の測長誤差を十分に小さいものとするためには、光学的距離の測定精度を高めることが要求される。しかしながら、様々な誤差要因により、測定精度を高めることは困難であった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、光学的長さの測定誤差の影響を抑え、測定環境の空気ゆらぎの影響を排除して正確な距離を測定することができる距離測定装置及びその方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために距離測定装置の一の態様は、第１の中心波長を有する第１の白色光を出射する第１の光源と、第１の中心波長とは異なる第２の中心波長を有する第２の白色光を出射する第２の光源と、第１の白色光と第２の白色光とを混合する混合手段と、混合した光を２方向に分岐させ、一方の参照光を参照ミラーの反射面に入射するとともに他方の測定光を測定対象物の被測定面に入射し、反射面で反射した参照反射光と被測定面で反射した測定反射光とを合成した干渉光を生成する干渉光生成手段と、参照光の光路長を変更する走査手段と、干渉光を第１の中心波長を有する第１の干渉光と第２の中心波長を有する第２の干渉光とに分離する分離手段と、第１の干渉光を受光して第１の干渉光の強度に応じた第１の干渉信号を出力する第１の検出手段と、第２の干渉光を受光して第２の干渉光の強度に応じた第２の干渉信号を出力する第２の検出手段と、参照光の光路長を変更しつつ第１の干渉信号と第２の干渉信号とを取得する取得手段と、参照光の光路長と第１の干渉信号との関係に基づいて被測定面までの第１の光学的長さを算出し、参照光の光路長と第２の干渉信号との関係に基づいて被測定面までの第２の光学的長さを算出する光学的長さ算出手段と、空気の群屈折率の影響を排除した被測定面までの幾何学的長さを算出するための補正係数であって、第１の中心波長における第１の空気の群屈折率と第２の中心波長における第２の空気の群屈折率とに基づいた補正係数を取得する補正係数取得手段と、第１の光学的長さと第２の光学的長さと補正係数とに基づいて幾何学的長さを算出する幾何学的長さ算出手段と、を備えた。

本態様によれば、第１の中心波長を有する第１の白色光を用いて測定した第１の光学的長さと、第２の中心波長を有する第２の白色光を用いて測定した第２の光学的長さと、第１の中心波長における第１の空気の群屈折率と第２の中心波長における第２の空気の群屈折率とに基づいた補正係数と、に基づいて被測定面までの幾何学的長さを算出するようにしたので、比較的小さい補正係数を用いて光学的長さの測定誤差の影響を抑え、測定環境の空気ゆらぎの影響を排除して正確な距離を測定することができる。

補正係数取得手段は、補正係数を記憶する記憶手段を備えることが好ましい。これにより、適切に補正係数を取得することができる。

補正係数取得手段は、測定光の光路に配置された基準部材であって、基準面が測定光の既知の光路長となる位置に配置された基準部材と、参照光の光路長を変更しながら第１の干渉信号と第２の干渉信号とを取得し、第１の干渉信号に基づいて基準面までの第３の光学的長さを算出し、第２の干渉信号に基づいて基準面までの第４の光学的長さを算出する基準面光学的長さ算出手段と、第３の光学的長さと第４の光学的長さと既知の光路長とに基づいて補正係数を算出する補正係数算出手段と、を備えてもよい。これにより、適切に補正係数を取得することができる。

第１の白色光及び第２の白色光のそれぞれの光路、又は干渉光の光路に配置されるエタロンと、測定光の一部を反射させ、かつ一部を透過させる半反射面を有するハーフミラーと、を備え、干渉光生成手段は、参照反射光、測定反射光、及び半反射面で反射した基準反射光を合成した干渉光を生成することが好ましい。これにより、測定光の光路長が長くなる場合であっても、測定環境の空気ゆらぎの影響を排除して正確な距離を測定することができる。

上記目的を達成するために距離測定方法の一の態様は、第１の中心波長を有する第１の白色光と第１の中心波長とは異なる第２の中心波長を有する第２の白色光とを混合する混合工程と、混合した光を２方向に分岐させ、一方の参照光を参照ミラーの反射面に入射するとともに他方の測定光を測定対象物の被測定面に入射し、反射面で反射した参照反射光と被測定面で反射した測定反射光とを合成した干渉光を生成する干渉光生成工程と、干渉光を第１の中心波長を有する第１の干渉光と第２の中心波長を有する第２の干渉光とに分離する分離工程と、第１の干渉光を受光して第１の干渉光の強度に応じた第１の干渉信号を出力する第１の検出工程と、第２の干渉光を受光して第２の干渉光の強度に応じた第２の干渉信号を出力する第２の検出工程と、参照光の光路長を変更しつつ第１の干渉信号と第２の干渉信号とを取得する取得工程と、参照光の光路長と第１の干渉信号との関係に基づいて被測定面までの第１の光学的長さを算出し、参照光の光路長と第２の干渉信号との関係に基づいて被測定面までの第２の光学的長さを算出する光学的長さ算出工程と、被測定面までの幾何学的長さを算出するための補正係数であって、第１の中心波長における第１の空気の群屈折率と第２の中心波長における第２の空気の群屈折率とに基づいた補正係数を取得する補正係数取得工程と、第１の光学的長さと第２の光学的長さと補正係数とに基づいて幾何学的長さを算出する幾何学的長さ算出工程と、を備えた。

本発明によれば、光学的長さの測定誤差の影響を抑え、測定環境の空気ゆらぎの影響を排除して正確な距離を測定することができる。

第１の実施形態に係る距離測定装置の全体構成を示した構成図距離測定装置による距離測定の処理を示すフローチャートメモリに記憶されている光の波長と空気の群屈折率との関係を示す図第２の実施形態に係る距離測定装置の全体構成を示した構成図第３の実施形態に係る距離測定装置の全体構成を示した構成図エタロンの内部構成を示す概略図エタロンから出射される光周波数成分を示す図第４の実施形態に係る距離測定装置の全体構成を示した構成図

以下、添付図面に従って本発明の好ましい実施の形態について詳説する。

＜第１の実施形態＞
図１は第１の実施形態に係る距離測定装置の全体構成を示した構成図である。

距離測定装置１０は、干渉光学系としてマイケルソン干渉計を用いた距離測定装置であり、図１に示すように、第１ブロードスペクトル光源１２、第１コリメータレンズ１４、第２ブロードスペクトル光源１６、第２コリメータレンズ１８、第１ダイクロイックビームスプリッタ２０、ビームスプリッタ２２、走査ステージ２４、参照ミラー２６、第２ダイクロイックビームスプリッタ２８、第１光検出器３０、第２光検出器３２、光学的長さ算出部３４、幾何学的長さ算出部３６、メモリ３８等を備えている。

第１ブロードスペクトル光源１２（第１の光源の一例）は、中心波長が第１中心波長０．４［μｍ］の白色光（第１の白色光の一例）を出射する装置であり、ＳＬＤ（Super Luminescent Diode）、ＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）、ＳＯＡ（Semiconductor Optical Amplifier）光源等を用いることができる。

第２ブロードスペクトル光源１６（第２の光源の一例）は、中心波長が第２中心波長０．８［μｍ］（第２の中心波長の一例）の白色光（第２の白色光の一例）を出射する装置であり、第１ブロードスペクトル光源１２と同様に、ＳＬＤ、ＡＳＥ、ＳＯＡ光源等を用いることができる。

第１コリメータレンズ１４及び第２コリメータレンズ１８は、入射した光を平行光に変換する光学素子である。

第１ダイクロイックビームスプリッタ２０は、一方から入射したカットオフ波長（例えば０．６［μｍ］）より短い波長の光を直交方向に反射し、他方から入射したカットオフ波長より長い波長の光を透過することで、両方の光を同軸にして混合する光学素子である。ここでは、第１コリメータレンズ１４から第１ダイクロイックビームスプリッタ２０に入射する光と第２コリメータレンズ１８から第１ダイクロイックビームスプリッタ２０に入射する光とがそれぞれの光軸が直角となるように、第１コリメータレンズ１４及び第２コリメータレンズ１８が配置されている。

ビームスプリッタ２２は、入射した光を分岐させ、分岐した光のそれぞれの反射光を合成する光学素子である。

走査ステージ２４は、走査ステージ２４に固定された参照ミラー２６に入射する参照光の光路長を増減する方向に走査可能に構成されている。走査ステージ２４を走査する駆動源としては、例えばＰＺＴ（Pb(Zr1-xTix)O₃）アクチュエータを用いることができる。参照ミラー２６は、入射した光を反射する反射面２６ａを有する反射部材である。

第２ダイクロイックビームスプリッタ２８は、入射した光のうちカットオフ波長（例えば０．６［μｍ］）より短い波長の光を直交する方向に反射し、カットオフ波長より長い波長の光を透過することで、入射した光を分離する光学素子である。

第１光検出器３０及び第２光検出器３２は、それぞれ入力された干渉光を受光し、受光した干渉光の強度に応じた電気信号である干渉信号を生成し、生成した干渉信号を光学的長さ算出部３４に出力する。

光学的長さ算出部３４は、走査ステージ２４を走査する駆動源を制御し、参照光の光路長を変更する。また、第１光検出器３０及び第２光検出器３２から参照光の光路長に対応したそれぞれの干渉信号を取得し、第１光検出器３０から出力される干渉信号に基づいて測長ターゲット１（測定対象物の一例）の被測定面１ａまでの第１の光学的長さを算出し、第２光検出器３２から出力される干渉信号に基づいて被測定面１ａまでの第２の光学的長さを算出する。

幾何学的長さ算出部３６は、光学的長さ算出部３４において算出した第１の光学的長さ及び第２の光学的長さに基づいて、被測定面１ａまでの幾何学的長さを算出する。また、幾何学的長さ算出部３６は、メモリ３８を内蔵している。メモリ３８は不揮発性メモリであり、後述する補正係数の他、幾何学的長さの算出に必要なデータが記憶されている。

図２は、距離測定装置による距離測定の処理（距離測定方法の一例）を示すフローチャートである。

第１ブロードスペクトル光源１２から出射した中心波長が第１中心波長の光は第１コリメータレンズ１４に入射され、第１コリメータレンズ１４において平行光に形成され、空中を伝播して第１ダイクロイックビームスプリッタ２０に入射する。

一方、第２ブロードスペクトル光源１６から出射した中心波長が第２中心波長の光は第２コリメータレンズ１８に入射され、第２コリメータレンズ１８において平行光に形成され、空中を伝播して第１ダイクロイックビームスプリッタ２０に入射する。

第１ダイクロイックビームスプリッタ２０（混合手段の一例）は、第１コリメータレンズ１４から出射した光を直交する方向に反射し、第２コリメータレンズ１８から出射した光を透過することで、第１コリメータレンズ１４から出射した光と第２コリメータレンズ１８から出射した光とを同軸にして混合する（ステップＳ１、混合工程の一例）。

第１ダイクロイックビームスプリッタ２０によって混合された光は、ビームスプリッタ２２に入射する。

ビームスプリッタ２２は、入射した光を直交方向と直進方向との２方向に分岐させ、分岐後の一方の光（ここでは直交方向の光）である参照光を参照ミラー２６に入射させ、分岐後の他方の光（ここでは直進方向の光）である測定光を測長ターゲット１に入射させる（ステップＳ２）。

ビームスプリッタ２２から参照ミラー２６の反射面２６ａに入射した参照光は、反射面２６ａによって反射され、参照反射光として再びビームスプリッタ２２へ入射する。また、ビームスプリッタ２２から測長ターゲット１の被測定面１ａに入射した測定光は、被測定面１ａによって反射され、測定反射光として再びビームスプリッタ２２へ入射する。

ビームスプリッタ２２（干渉光生成手段の一例）は、参照反射光を直進方向に透過させるとともに測定反射光を直交方向に反射させることで参照反射光と測定反射光とを同軸上に合成し、干渉光を生成する（ステップＳ３、干渉光生成工程の一例）。このとき、光学的長さ算出部３４によって走査ステージ２４（走査手段の一例）が走査され、参照光の光路長が変更される（走査工程の一例）。ビームスプリッタ２２は、この干渉光を第２ダイクロイックビームスプリッタ２８に入射させる。

第２ダイクロイックビームスプリッタ２８（分離手段の一例）は、入射した干渉光を第１中心波長を含む波長域の第１干渉光と第２中心波長を含む波長域の第２干渉光とに分離し、第１干渉光を第１光検出器３０に入射させ、第２干渉光を第２光検出器３２に入射させる（ステップＳ４、分離工程の一例）。

第１干渉光が入射される第１光検出器３０（第１の検出手段の一例）は、入射した第１干渉光の強度に応じた第１干渉信号を光学的長さ算出部３４に出力する（第１の検出工程の一例）。

同様に、第２干渉光が入射される第２光検出器３２（第２の検出手段の一例）は、入射した第２干渉光の強度に応じた第２干渉信号を光学的長さ算出部３４に出力する（第２の検出工程の一例）。

光学的長さ算出部３４（取得手段の一例、光学的長さ算出の一例）は、参照光の光路長を変更しつつ、第１干渉信号及び第２干渉信号を取得する（ステップＳ５、取得工程の一例）。そして、参照光の光路長と第１干渉信号との関係を取得し、第１干渉信号の包絡線のピークを求め、求めたピークから被測定面１ａまでの第１光学的長さＬ_１を算出する。同様に、参照光の光路長と第２干渉信号との関係を取得し、第２干渉信号の包絡線のピークを求め、求めたピークから被測定面１ａまでの第２光学的長さＬ_２を算出する（ステップＳ６、光学的長さ算出工程の一例）。

また、幾何学的長さ算出部３６（補正係数取得手段の一例）は、メモリ３８（記憶手段の一例）から、空気の群屈折率の影響を排除した被測定面１ａまでの幾何学的長さを算出するための補正係数であって、空気の第１中心波長における第１群屈折率（第１の空気の群屈折率の一例）と第２中心波長における第２群屈折率（第２の空気の群屈折率の一例）とに基づいたＡ係数（補正係数の一例）を読み出す（ステップＳ７、補正係数取得工程の一例）。

ここで、波長α［μｍ］の光における空気の群屈折率をｎ_ｇ１、波長β［μｍ］の光における空気の群屈折率をｎ_ｇ２とすると、Ａ係数は、下記の式１で表される。
Ａ＝（ｎ_ｇ１−１）／（ｎ_ｇ１−ｎ_ｇ２） …（式１）

図３は、光の波長と空気の群屈折率との関係を示す図である。図３より、第１中心波長である波長０．４［μｍ］の光における第１群屈折率ｎ_ｇ１＝１．０００３００、第２中心波長である波長０．８［μｍ］の光における第２群屈折率ｎ_ｇ２＝１．０００２７５であることがわかる。したがって、ここでのＡ係数は式１から、
Ａ＝１２．０
と求めることができる。このＡ係数を予めメモリ３８に記憶しておく。

なお、メモリ３８に、図３に示す光の波長及び空気の群屈折率の関係と、上記の式１とを記憶しておき、幾何学的長さ算出部３６において第１ブロードスペクトル光源１２の波長及び第２ブロードスペクトル光源１６の波長に応じたＡ係数を算出する構成としてもよい。

最後に、幾何学的長さ算出部３６は、第１光学的長さＬ_１から空気の群屈折率の影響を排除した被測定面１ａまでの幾何学的長さＤを算出する（ステップＳ８、幾何学的長さ算出工程の一例）。幾何学的長さＤは、下記式２で表される。
Ｄ＝Ｌ_１−Ａ×（Ｌ_１−Ｌ_２） …（式２）

測定環境の空気ゆらぎにより第１中心波長の光における空気の群屈折率ｎ_ｇ１と第２中心波長の光における空気の群屈折率ｎ_ｇ２とが変動した場合であっても、Ａ係数はこれらの変動が相殺された一定の値となる。したがって、式２によって算出した幾何学的長さＤは、空気のゆらぎによる空気の群屈折率の変動の影響を受けることがない。

このように、それぞれ中心波長の異なる複数の白色光を同軸に混合した白色光をマイケルソン干渉計に入射し、それぞれの中心波長における光学的長さを算出し、この光学的長さを各中心波長における空気の群屈折率を用いたＡ係数で補正することで、参照光の光路及び測定光の光路に空気ゆらぎがあっても、群屈折率の変動による影響を適切に排除して被測定面までの幾何学的長さを正確に測定することができる。

ここで、式２に示すように、幾何学的長さＤの精度はＡ係数に依存するため、Ａ係数は小さい方が好ましい。Ａ係数を小さくするためには、式１に示すように、群屈折率の差を大きくする必要があり、群屈折率の差を大きくするには、図３に示すように、２つの光源の波長の差を大きくすればよい。本実施形態では、光源として中心波長が０．４［μｍ］の白色光と中心波長が０．８［μｍ］の白色光とを用いた結果、Ａ係数は１２．０となった。特許文献１には、波長がそれぞれ１５５０［ｎｍ］、６３３［ｎｍ］のレーザー光の位相屈折率を用いたＡ係数が約８３である旨が記載されており、本実施形態によれば大幅にＡ係数を小さくすることができる。

本実施形態では、Ａ係数が１２．０であるので、光学的長さの差を４［ｎｍ］の精度で測定することができれば、幾何学的長さの測定は４８［ｎｍ］の分解能で測定することができる。このように、Ａ係数が比較的小さいため、幾何学的長さを精度よく求めることができ、測定距離に関係なく空気の群屈折率を自動補正することができる。

なお、白色光の波長に対する空気の群屈折率の変化量は、数十［ｐｐｍ］以下であるため、走査ステージ２４における参照ミラー２６の走査量は数［ｍｍ］程度で十分である。

＜第２の実施形態＞
第１の実施形態では、メモリ３８に記憶しておいたＡ係数を用いたが、予め距離（幾何学的長さ）が既知の位置に配置された基準部材までの距離を測定し、測定結果から算出したＡ係数を用いてもよい。

図４は、第２の実施形態に係る距離測定装置の全体構成を示した構成図である。なお、図１に示す構成図と共通する部分には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

距離測定装置４０は、図１に示す距離測定装置１０と比較して、メモリ３８を備えず、測定光の光路にハーフミラー４２を備えた点が異なっている。

ハーフミラー４２は、入射した光の一部を透過し、一部を反射する半反射面４２ａを有する半反射部材である。ハーフミラー４２は、ビームスプリッタ２２から半反射面４２ａ（基準面の一例）までの距離（測定光の光路長）が既知の距離である位置に配置されている。ここでは、ビームスプリッタ２２から半反射面４２ａまでの距離をＤ_０とする。

このように構成された距離測定装置４０において、光学的長さ算出部３４（基準面光学的長さ算出手段の一例）は、参照光の光路長を変更しつつ第１中心波長を含む波長域の第１干渉光の強度に応じた第１干渉信号と第２中心波長を含む波長域の第２干渉光の強度に応じた第２干渉信号とを取得し、第１干渉信号に基づいて半反射面４２ａまでの第３光学的長さＬ_３を算出し、第２干渉信号に基づいて半反射面４２ａまでの第４光学的長さＬ_４を算出する。

次に、幾何学的長さ算出部３６（補正係数算出手段の一例）は、式２のＬ_１に第３の光学的長さＬ_３を、Ｌ_２に第４の光学的長さＬ_４を、幾何学的長さＤにＤ_０を代入し、Ａ係数を算出する。

このように算出したＡ係数は、測定環境の空気ゆらぎにより第１中心波長の光における空気の群屈折率ｎ_ｇ１と第２中心波長の光における空気の群屈折率ｎ_ｇ２とが変動した場合であっても、これらの変動が相殺された一定の値となる。このＡ係数を用いて第１の実施形態と同様の処理を行うことで、群屈折率の変動による影響を受けない幾何学的長さを正確に測定することができる。また、本実施形態によれば、Ａ係数を記憶させるための不揮発性メモリが不要になる。

本実施形態では、予め測定光の光路長が既知の位置に配置された基準部材として半反射面４２ａを有するハーフミラー４２を用いたが、全反射面を有する部材であってもよい。この場合は、Ａ係数を取得する際に測定光の光路に挿入し、被測定面１ａまでの幾何学的長さＤを測定する際には光路から退避するように構成すればよい。

＜第３の実施形態＞
図５は、第３の実施形態に係る距離測定装置の全体構成を示した構成図である。なお、図１に示す構成図と共通する部分には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

距離測定装置５０は、図５に示すように、距離測定装置１０の構成に加え、第１エタロン５２、第２エタロン５４、ハーフミラー５６を備えている。

第１エタロン５２は、入射した光のうち、一定の繰り返し周波数間隔を持つ多波長（多周波数）の光成分を透過して出射する光学素子である。

図６は、第１エタロン５２の内部構成を示す概略図である。同図に示すように、第１エタロン５２は、干渉間距離が固定されたファイバ型ファブリーペロー干渉系であり、離間して配置される第１反射プレート７２Ａ及び第２反射プレート７２Ｂからなる反射部７２と、第１反射プレート７２Ａと第２反射プレート７２Ｂとの間の反射域７４とを有する。

反射域７４は、第１反射プレート７２Ａと第２反射プレート７２Ｂとの間で入射光が反射を繰り返す領域であり、光ファイバで構成されている。ここでは、反射域７４の光学長は約１５０［ｍｍ］に構成されている。

第１エタロン５２に光が入射すると、反射部７２間で入射光が反射を繰り返し、干渉効果によって特定の波長成分（周波数成分）が強められ、第２反射プレート７２Ｂを透過して第１エタロン５２から出射する。

図７は、第１エタロン５２から出射される光周波数成分を示す図であり、横軸は周波数、縦軸は透過光強度を示している。同図に示すように、第１エタロン５２は、繰り返し周波数Λが１［ＧＨｚ］の光を出力する。すなわち、第１エタロン５２は、繰り返し周波数が１［ＧＨｚ］の疑似的な光コムとして作用する。この第１エタロン５２の光周波数成分のエンベロップは、空気の群屈折率に依存する。

第２エタロン５４の構成は、図６に示した第１エタロン５２と同様である。本実施形態では、第１エタロン５２及び第２エタロン５４としてファイバ型ファブリー・ペロー・エタロンを用いたが、空間型ファブリー・ペロー・エタロンを用いてもよい。

ハーフミラー５６は、入射した光の一部を透過し、一部を反射する半反射面５６ａを有する半反射部材である。ハーフミラー５６は、測定光の光路であって、ビームスプリッタ２２から半反射面５６ａまでの距離が既知の距離である位置に配置されている。

このように構成された距離測定装置５０の作用について説明する。

第１ブロードスペクトル光源１２から出射した光は第１エタロン５２に入射し、第１エタロン５２において図７に示す光周波数成分を有する白色パルス光に変換される。第１エタロン５２の第２反射プレート７２Ｂから出射した白色パルス光は第１コリメータレンズ１４に入射され、第１コリメータレンズ１４において平行光に形成され、空中を伝播して第１ダイクロイックビームスプリッタ２０に入射する。

また、第２ブロードスペクトル光源１６から出射した光は第２エタロン５４に入射し、第２エタロン５４において図７に示す光周波数成分を有する白色パルス光に変換される。第２エタロン５４の第２反射プレート７２Ｂから出射した白色パルス光は第２コリメータレンズ１８に入射され、第２コリメータレンズ１８において平行光に形成され、空中を伝播して第１ダイクロイックビームスプリッタ２０に入射する。

第１ダイクロイックビームスプリッタ２０は、第１コリメータレンズ１４から出射した白色パルス光と第２コリメータレンズ１８から出射した白色パルス光とを同軸にして混合し、ビームスプリッタ２２に出射する。

ビームスプリッタ２２は、入射した白色パルス光を分岐させ、分岐後の一方の白色パルス光である参照光を参照ミラー２６の反射面２６ａに入射させる。反射面２６ａに入射した参照光は、反射面２６ａによって反射され、参照反射光として再びビームスプリッタ２２へ入射する。

また、ビームスプリッタ２２は、分岐後の他方の白色パルス光である測定光をハーフミラー５６に入射させる。

ハーフミラー５６は、入射した測定光の一部を測長ターゲット１の被測定面１ａに入射させる。被測定面１ａに入射した測定光は、被測定面１ａによって反射し、測定反射光として再びビームスプリッタ２２へ入射する。また、ハーフミラー５６は、入射した測定光の一部を半反射面５６ａで反射し、反射した基準反射光をビームスプリッタ２２に入射させる。

ビームスプリッタ２２は、基準反射光、測定反射光、及び参照反射光を同軸上に合成し、干渉光を生成する。ビームスプリッタ２２は、この干渉光を第２ダイクロイックビームスプリッタ２８に入射させる。

第２ダイクロイックビームスプリッタ２８は、入射した干渉光を、第１中心波長を含む波長域の第１干渉光と第２中心波長を含む波長域の第２干渉光とに分離し、第１干渉光を第１光検出器３０に入射させ、第２干渉光を介して第２光検出器３２に入射させる。

第１光検出器３０は、入射した第１干渉光の強度に応じた第１干渉信号を光学的長さ算出部３４に出力し、第２光検出器３２は、入射した第２干渉光の強度に応じた第２干渉信号を光学的長さ算出部３４に出力する。

光学的長さ算出部３４は、参照光の光路長を変更しながら、第１干渉信号及び第２干渉信号を取得する。そして、第１干渉信号のうち基準反射光と参照反射光との干渉光の干渉信号を基準として、測定反射光と参照反射光との干渉光の干渉信号から被測定面１ａまでの第１光学的長さＬ_１を算出する。同様に、第２干渉信号のうち基準反射光と参照反射光との干渉光の干渉信号を基準として、測定反射光と参照反射光との干渉光の干渉信号から被測定面１ａまでの第２光学的長さＬ_２を算出する。

第１光学的長さＬ_１及び第２光学的長さＬ_２が入力された幾何学的長さ算出部３６は、内蔵しているメモリ３８からＡ係数を読み出し、Ａ係数、第１光学的長さＬ_１及び第２光学的長さＬ_２を式２に代入し、測長ターゲット１の被測定面１ａまでの幾何学的長さＤを算出する。

このように、それぞれ中心波長の異なる複数の白色光をそれぞれエタロンを用いて繰り返し周波数を有する白色パルス光に変調し、同軸に混合してマイケルソン干渉計に入射し、それぞれの中心波長における光学的長さを算出し、この光学的長さを各中心波長における空気の群屈折率を用いたＡ係数で補正することで、参照光の光路及び測定光の光路に空気ゆらぎがあっても、群屈折率の変動による影響を受けずに被測定面までの幾何学的長さを正確に測定することができる。

本実施形態では、白色パルス光を用いたことで、測定光の光路長が参照光の光路長よりも長い場合も測定することが可能である。測定光の光路長が長くなると空気ゆらぎの影響が大きくなるが、本実施形態によれば、空気の群屈折率の影響を排除して正確に距離を測定することができる。

空気の屈折率の推定には、第１エタロン５２及び第２エタロン５４の特性の差が安定して正確であればよいので、より高精度な測定が可能である。

本実施形態では、Ａ係数をメモリ３８から取得したが、第２の実施形態と同様に、ハーフミラー５６の半反射面５６Ａを基準面として半反射面５６ａまでの光学的長さを測定し、測定結果からＡ係数を算出してもよい。

＜第４の実施形態＞
図８は、第３の実施形態に係る距離測定装置の全体構成を示した構成図である。なお、図１及び図５に示す構成図と共通する部分には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

距離測定装置６０は、図８に示すように、干渉光の光路に第３エタロン５８を備えている。

第３エタロン５８は、入射した光のうち、一定の繰り返し周波数間隔を持つ多波長の光成分を透過して出射する空間型ファブリー・ペロー・エタロンであり、繰り返し周波数Λが１．５［ＧＨｚ］の光を出力する。なお、第３エタロン５８にはファイバ型ファブリー・ペロー・エタロンを用いてもよい。

ビームスプリッタ２２により生成された干渉光は、第３エタロン５８に入射する。第３エタロン５８は、入射した干渉光を繰り返し周波数Λが１．５［ＧＨｚ］の干渉光として出力する。この干渉光は第２ダイクロイックビームスプリッタ２８に入射される。

以下の動作は第３の実施形態に係る距離測定装置５０と同様である。

このように、干渉光の光路にエタロンを配置しても、測定光の光路長が参照光の光路長よりも長い場合も測定することができる。本実施形態によれば、１つのエタロンで構成できるため、装置が簡便となる。

以上説明した本発明の実施形態は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜構成要件を変更、追加、削除することが可能である。本発明は以上説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で当該分野の通常の知識を有するものにより、多くの変形が可能である。

１…測長ターゲット、１ａ…被測定面、１０，４０，５０…距離測定装置、１２…第１ブロードスペクトル光源、１４…第１コリメータレンズ、１６…第２ブロードスペクトル光源、１８…第２コリメータレンズ、２０…第１ダイクロイックビームスプリッタ、２２…ビームスプリッタ、２４…走査ステージ、２６…参照ミラー、２６ａ…反射面、２８…第２ダイクロイックビームスプリッタ、３０…第１光検出器、３２…第２光検出器、３４…光学的長さ算出部、３６…幾何学的長さ算出部、３８…メモリ、４２，５６…ハーフミラー、４２ａ，５６ａ…半反射面、５２…第１エタロン、５４…第２エタロン、５８…第３エタロン

Claims

第１の中心波長を有する第１の白色光を出射する第１の光源と、
前記第１の中心波長とは異なる第２の中心波長を有する第２の白色光を出射する第２の光源と、
前記第１の白色光と前記第２の白色光とを混合する混合手段と、
前記混合した光を２方向に分岐させ、一方の参照光を参照ミラーの反射面に入射するとともに他方の測定光を測定対象物の被測定面に入射し、前記反射面で反射した参照反射光と前記被測定面で反射した測定反射光とを合成した干渉光を生成する干渉光生成手段と、
前記参照光の光路長を変更する走査手段と、
前記干渉光を前記第１の中心波長を有する第１の干渉光と前記第２の中心波長を有する第２の干渉光とに分離する分離手段と、
前記第１の干渉光を受光して前記第１の干渉光の強度に応じた第１の干渉信号を出力する第１の検出手段と、
前記第２の干渉光を受光して前記第２の干渉光の強度に応じた第２の干渉信号を出力する第２の検出手段と、
前記参照光の光路長を変更しつつ前記第１の干渉信号と前記第２の干渉信号とを取得する取得手段と、
前記参照光の光路長と前記第１の干渉信号との関係に基づいて前記被測定面までの第１の光学的長さを算出し、前記参照光の光路長と前記第２の干渉信号との関係に基づいて前記被測定面までの第２の光学的長さを算出する光学的長さ算出手段と、
空気の群屈折率の影響を排除した前記被測定面までの幾何学的長さを算出するための補正係数であって、前記第１の中心波長における第１の空気の群屈折率と前記第２の中心波長における第２の空気の群屈折率とに基づいた補正係数を取得する補正係数取得手段と、
前記第１の光学的長さと前記第２の光学的長さと前記補正係数とに基づいて前記幾何学的長さを算出する幾何学的長さ算出手段と、
を備えた距離測定装置。
前記補正係数取得手段は、前記補正係数を記憶する記憶手段を備えた請求項１に記載の距離測定装置。
前記補正係数取得手段は、
前記測定光の光路に配置された基準部材であって、基準面が前記測定光の既知の光路長となる位置に配置された基準部材と、
前記参照光の光路長を変更しながら前記第１の干渉信号と前記第２の干渉信号とを取得し、前記第１の干渉信号に基づいて前記基準面までの第３の光学的長さを算出し、前記第２の干渉信号に基づいて前記基準面までの第４の光学的長さを算出する基準面光学的長さ算出手段と、
前記第３の光学的長さと前記第４の光学的長さと前記既知の光路長とに基づいて前記補正係数を算出する補正係数算出手段と、
を備えた請求項１に記載の距離測定装置。
前記第１の白色光及び前記第２の白色光のそれぞれの光路、又は前記干渉光の光路に配置されるエタロンと、
前記測定光の一部を反射させ、かつ一部を透過させる半反射面を有するハーフミラーと、
を備え、
前記干渉光生成手段は、前記参照反射光、前記測定反射光、及び前記半反射面で反射した基準反射光を合成した干渉光を生成する請求項１から３のいずれか１項に記載の距離測定装置。
第１の中心波長を有する第１の白色光と前記第１の中心波長とは異なる第２の中心波長を有する第２の白色光とを混合する混合工程と、
前記混合した光を２方向に分岐させ、一方の参照光を参照ミラーの反射面に入射するとともに他方の測定光を測定対象物の被測定面に入射し、前記反射面で反射した参照反射光と前記被測定面で反射した測定反射光とを合成した干渉光を生成する干渉光生成工程と、
前記干渉光を前記第１の中心波長を有する第１の干渉光と前記第２の中心波長を有する第２の干渉光とに分離する分離工程と、
前記第１の干渉光を受光して前記第１の干渉光の強度に応じた第１の干渉信号を出力する第１の検出工程と、
前記第２の干渉光を受光して前記第２の干渉光の強度に応じた第２の干渉信号を出力する第２の検出工程と、
前記参照光の光路長を変更しつつ前記第１の干渉信号と前記第２の干渉信号とを取得する取得工程と、
前記参照光の光路長と前記第１の干渉信号との関係に基づいて前記被測定面までの第１の光学的長さを算出し、前記参照光の光路長と前記第２の干渉信号との関係に基づいて前記被測定面までの第２の光学的長さを算出する光学的長さ算出工程と、
前記被測定面までの幾何学的長さを算出するための補正係数であって、前記第１の中心波長における第１の空気の群屈折率と前記第２の中心波長における第２の空気の群屈折率とに基づいた補正係数を取得する補正係数取得工程と、
前記第１の光学的長さと前記第２の光学的長さと前記補正係数とに基づいて前記幾何学的長さを算出する幾何学的長さ算出工程と、
を備えた距離測定方法。