(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１基準波長と第２基準波長との間で周期的に波長走査をして光束を射出する波長可変レーザと、
第３基準波長の光束を射出する波長固定レーザと、
前記波長可変レーザから射出する前記光束の波長を前記第１基準波長および前記第２基準波長に設定可能な波長基準素子と、
前記波長可変レーザおよび前記波長固定レーザから射出した光束を参照光束および被検光束に分割する光束分割素子と、
参照面で反射した参照光束と被検面で反射した被検光束との干渉信号から位相を検出する位相検出部と、
前記第１基準波長をλ１、前記第２基準波長をλ２、前記第３基準波長をλ３、λ１・λ２／｜λ１−λ２｜で表される合成波長をΛ１２、λ２・λ３／｜λ２−λ３｜で表される合成波長をΛ２３として、
前記波長基準素子により波長を第１基準波長λ１に設定して前記位相検出部を用いて検出された第１基準波長λ１における前記干渉信号の位相と、前記波長可変レーザの波長を第１基準波長λ１から第２基準波長λ２へ走査して前記波長基準素子により波長を第２基準波長λ２に設定して前記位相検出部を用いて検出された第２基準波長λ２における前記干渉信号の位相と、の変化から合成波長Λ１２の干渉次数を求め、
合成波長Λ１２、該求められた合成波長Λ１２の干渉次数及び合成波長Λ２３から求まる合成波長Λ２３の干渉次数を用いて第３基準波長λ３の干渉次数を求め、
該求められた第３基準波長λ３の干渉次数を用いて前記被検面と前記参照面との間の絶対距離を算出する解析装置と、を有することを特徴とする光波干渉計測装置。
【請求項２】
前記解析装置は、前記波長走査の際における前記第３基準波長の位相変化から前記被検面の相対変位を算出し、該被検面の相対変位による影響を受けないように合成波長Λ１２および合成波長Λ２３の干渉次数を補正することを特徴とする請求項１に記載の光波干渉計測装置。
【請求項３】
前記解析装置は、時刻ｔ０〜ｔ１間における前記第１基準波長λ１から前記第２基準波長λ２への波長走査の際に、前記第３基準波長λ３における前記干渉信号の位相変化から時刻ｔ０〜ｔ１間における前記被検面の相対変位ΔＤ（ｔ０〜ｔ１）を算出し、
以下の式（１）を用いて、時刻ｔ０における前記第１基準波長λ１の前記干渉信号の位相Φａ（ｔ０）を時刻ｔ１における位相φ’ａ（ｔ１）に補正し、
時刻ｔ１における前記第２基準波長λ２の前記干渉信号の位相φａ（ｔ１）及び以下の式（２）を用いて、合成波長Λ１２の干渉次数Ｍ１２（ｔ１）を算出することを特徴とする請求項１に記載の光波干渉計測装置。
0005550384.tif 000026
0005550384.tif 000027
【請求項４】
前記解析装置は、時刻ｔ１において、前記第３基準波長λ３の前記干渉信号の位相をφ３（ｔ１）、λ１・λ３／｜λ１−λ３｜で表される合成波長をΛ１３、前記第３基準波長λ３、合成波長Λ１２、および、合成波長Λ１３に対するそれぞれの大気屈折率をｎ（λ３）、ｎｇ（λ１、λ２）、ｎｇ（λ１、λ３）、として、時刻ｔ１における前記参照面と前記被検面の間の絶対距離Ｄ（ｔ１）を以下の式により算出することを特徴とする請求項３に記載の光波干渉計測装置。
0005550384.tif 000028
【請求項５】
前記波長可変レーザは、前記第１基準波長で安定化される第１期間および前記第２基準波長で安定化される第２期間を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光波干渉計測装置。
【請求項６】
前記波長基準素子はエタロンであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光波干渉計測装置。
【請求項７】
前記波長基準素子は周波数安定化光源であり、
前記波長可変レーザは、前記周波数安定化光源に周波数オフセットロックされて構成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光波干渉計測装置。
【請求項８】
前記解析装置は、前記波長基準素子により波長を第２基準波長λ２に設定して前記位相検出部を用いて検出された第２基準波長λ２における前記干渉信号の位相と、前記波長可変レーザの波長を第２基準波長λ２から第１基準波長λ１へ走査して前記波長基準素子により波長を第１基準波長λ１に設定して前記位相検出部を用いて検出された第１基準波長λ１における前記干渉信号の位相と、の変化から合成波長Λ１２の干渉次数を求め、
λ１・λ３／｜λ１−λ３｜で表される合成波長をΛ１３として、合成波長Λ１２、該求められた合成波長Λ１２の干渉次数、及び、合成波長Λ１３から求まる合成波長Λ１３の干渉次数を用いて第３基準波長λ３の干渉次数を求めることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光波干渉計測装置。
【請求項９】
光波干渉計測装置を用いて被検面を計測する計測方法において、
前記光波干渉計測装置は、
第１基準波長と第２基準波長との間で周期的に波長走査をして光束を射出する波長可変レーザと、
第３基準波長の光束を射出する波長固定レーザと、
前記波長可変レーザから射出する前記光束の波長を前記第１基準波長および前記第２基準波長に設定可能な波長基準素子と、
前記波長可変レーザおよび前記波長固定レーザから射出した光束を参照光束および被検光束に分割する光束分割素子と、
参照面で反射した参照光束と被検面で反射した被検光束との干渉信号から位相を検出する位相検出部と、を備え、
前記計測方法は、
前記第１基準波長をλ１、前記第２基準波長をλ２、前記第３基準波長をλ３、λ１・λ２／｜λ１−λ２｜で表される合成波長をΛ１２、λ２・λ３／｜λ２−λ３｜で表される合成波長をΛ２３として、前記波長基準素子により波長を第１基準波長λ１に設定して前記位相検出部を用いて検出された第１基準波長λ１における前記干渉信号の位相と、前記波長可変レーザの波長を第１基準波長λ１から第２基準波長λ２へ走査して前記波長基準素子により波長を第２基準波長λ２に設定して前記位相検出部を用いて検出された第２基準波長λ２における前記干渉信号の位相と、の変化から合成波長Λ１２の干渉次数を求めるステップと、
合成波長Λ１２、該求められた合成波長Λ１２の干渉次数及び合成波長Λ２３から求まる合成波長Λ２３の干渉次数を用いて第３基準波長λ３の干渉次数を求めるステップと、
該求められた第３基準波長λ３の干渉次数を用いて前記被検面と前記参照面との間の絶対距離を算出するステップとを有することを特徴とする計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光波干渉を用いて絶対距離を計測する光波計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の絶対距離を計測する光波干渉計測装置として、波長走査型の光波干渉計測装置が知られている。一般に、波長走査による絶対距離計測は精度が低いため、固定波長による相対距離計測を組み合わせて精度を改善する方法が用いられる。これらの方式では、波長走査量の精度、固定波長の精度、相対距離計測時の位相計測精度が主要な精度要因となる。
【０００３】
特許文献１には、単一の干渉信号強度を計測し、波長走査によって発生する干渉信号の強度変化から絶対距離を算出するＦＭヘテロダイン法が開示されている。特許文献２には、ＦＭヘテロダイン法より高精度な絶対距離計測方式として９０度位相のずれた２つの干渉信号強度からリサージュ波形により位相計測を導入した方式が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第２７２５４３４号
【特許文献２】特許第２８１０９５６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の光波干渉計測装置おいて、絶対距離計測と相対距離計測とを組み合わせて十分な計測精度を得るには、大きな波長走査量が必要であった。大きな波長走査量を実現し、高速に絶対距離を計測しようとする場合には、以下の問題点がある。安価なＤＦＢレーザを用いる場合、温度変調による波長走査によって大きな波長走査量は可能だが、追随に時間がかかるために高速に波長走査できない。この対策として、グレーティングの傾きを調整することによって高速に波長走査することが可能な外部共振器型ＬＤ等があるが、これらは高価である。また、被検面が変動している場合に干渉次数の決定が行えないため、絶対測長を行うには被検面を安定化させる複雑な処理が必要だった。
【０００６】
そこで本発明は、簡易な構成で高速に絶対距離計測が可能な光波干渉計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一側面としての光波干渉計測装置は、第１基準波長と第２基準波長との間で周期的に波長走査をして光束を射出する波長可変レーザと、第３基準波長の光束を射出する波長固定レーザと、前記波長可変レーザから射出する前記光束の波長を前記第１基準波長および前記第２基準波長に設定可能な波長基準素子と、前記波長可変レーザおよび前記波長固定レーザから射出した光束を参照光束および被検光束に分割する光束分割素子と、参照面で反射した参照光束と被検面で反射した被検光束との干渉信号から位相を検出する位相検出部と、前記第１基準波長をλ１、前記第２基準波長をλ２、前記第３基準波長をλ３、λ１・λ２／｜λ１−λ２｜で表される合成波長をΛ１２、λ２・λ３／｜λ２−λ３｜で表される合成波長をΛ２３として、前記波長基準素子により波長を第１基準波長λ１に設定して前記位相検出部を用いて検出された第１基準波長λ１における前記干渉信号の位相と、前記波長可変レーザの波長を第１基準波長λ１から第２基準波長λ２へ走査して前記波長基準素子により波長を第２基準波長λ２に設定して前記位相検出部を用いて検出された第２基準波長λ２における前記干渉信号の位相と、の変化から合成波長Λ１２の干渉次数を求め、合成波長Λ１２、該求められた合成波長Λ１２の干渉次数及び合成波長Λ２３から求まる合成波長Λ２３の干渉次数を用いて第３基準波長λ３の干渉次数を求め、該求められた第３基準波長λ３の干渉次数を用いて前記被検面と前記参照面との間の絶対距離を算出する解析装置と、を有する。
【０００８】
本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施例において説明される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、簡易な構成で高速に絶対距離計測が可能な光波干渉計測装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１実施形態における光波干渉計測装置の構成図である。
【図２】第１実施形態における光源の波長の関係を示す図である。
【図３】第１実施形態における光源の波長の時間変化を示す図である。
【図４】第１、第２実施形態における計測方法のフローチャートである。
【図５】第１、第２実施形態における干渉次数Ｍ１２の概念図である。
【図６】第２実施形態における光波干渉計測装置の構成図である。
【図７】第２実施形態における光源の波長の関係を示す図である。
【図８】第２実施形態における位相検出ユニットの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
〔第１実施形態〕
まず、本発明の第１実施形態における光波干渉計測装置について説明する。図１は、本実施形態における光波干渉計測装置５００の構成図である。光波干渉計測装置５００は、図１に示されるように、周期的に波長が走査される波長可変レーザ１と波長が固定されている波長固定レーザ２とを有する。波長可変レーザ１は、第１基準波長λ１と第２基準波長λ２との間で周期的に波長走査をして光束を射出する。波長固定レーザ２は、第３基準波長λ３の光束を射出する。
【００１２】
また、光波干渉計測装置５００は、波長基準素子としてのガスセル３、波長基準素子としてのファブリペローエタロン４（エタロン）、および、光束分割素子としての偏光ビームスプリッタ２０を有する。波長基準素子は、波長可変レーザ１から射出する光束の波長を第１基準波長λ１および第２基準波長λ２に設定する。光束分割素子は、波長可変レーザ１および波長固定レーザ２から射出した光束を参照光束および被検光束に分割する。
【００１３】
さらに、光波干渉計測装置５００は、参照面６および被検面７と、参照面６と被検面７との光路差（参照光と被検光との光路差）による干渉信号の位相の検出部を有する。参照面６は参照光束を反射し、被検面７は被検光束を反射するように構成されている。また光波干渉計測装置５００は、参照面６と被検面７との間の絶対距離を算出する解析装置８を有する。参照面６と被検面７との間の絶対距離とは、参照面６の位置を基準とした被検面７の絶対位置であり、参照光束と被検光束との間の光路差から得られる。解析装置８は、第３基準波長λ３、合成波長Λ１２、Λ１３、波長走査の際の位相変化量の整数成分、および、合成波長Λ１２、Λ１３の干渉次数から逐次的に第３基準波長λ３の干渉次数を決定し、被検面７と参照面６との間の絶対距離を算出する。なお、合成波長Λ１２（第１合成波長）は、λ１・λ２／｜λ１−λ２｜で表され、合成波長Λ１３（第２合成波長）は、λ１・λ３／｜λ１−λ３｜で表される。
【００１４】
光波干渉計測装置５００は、以上の構成により、周期的に波長が走査される波長可変レーザ１と波長固定レーザ２とから生成される２つの合成波長を繋ぎ合わせることにより、干渉次数を決定することができる。このため、波長可変レーザ１の波長走査量が大幅に低減される。これにより、レーザの電流変調による波長走査が可能となり、高速な絶対測長が実現される。
【００１５】
以下、本実施形態の光波干渉計測装置５００の構成について詳述する。波長可変レーザ１を射出した光束はビームスプリッタ５で分割される。また、波長可変レーザ１と異なる波長を有する波長固定レーザ２を射出した光束もビームスプリッタ５に入射し、光線軸が波長可変レーザ１と同軸になると同時に光束も分割される。ビームスプリッタ５で分割された光束の一方はファブリペローエタロン４を透過後、分光素子１２で波長可変レーザ１と波長固定レーザ２の光束それぞれに分離される。ファブリペローエタロン４を透過後の光量は、波長可変レーザ１の光束は検出器１３ａ、波長固定レーザ２の光束は検出器１３ｂでそれぞれ検出される。
【００１６】
さらに波長固定レーザ２の射出光束はガスセル３にも入射する。ここで、波長可変レーザ１と波長固定レーザ２はどちらも同様のＤＦＢ半導体レーザを用いる。また、本実施形態では波長可変レーザ１と波長固定レーザ２は別素子のレーザとしているが、光通信に用いられる多波長光源と同様に複数の半導体レーザを１つの素子に集積した構造としても構わない。この場合にはコストおよび寸法の観点で有利である。ガスセル３透過後の波長固定レーザ２の射出光束は、検出器１５で透過光量を検出される。本実施形態では、波長可変レーザ１の波長として１．５μｍ近傍の波長を使用するものとして、ガスセル３として、アセチレンを用いる。１．５μｍ近傍の波長帯において使用可能なその他の封入ガスは一酸化炭素やシアン化水素等がある。それぞれのガスは波長帯域および中心波長精度が異なるため、必要に応じて選択すればよい。
【００１７】
図２（ａ）はガスセル３の透過スペクトルを、図２（ｂ）はファブリペローエタロン４の透過スペクトルを示しており、図２（ｃ）は波長可変レーザ１と波長固定レーザ２のスペクトルを示す。
【００１８】
波長制御装置１４（レーザ制御ユニット）では、検出器１５の信号を用いて波長固定レーザ２の波長をガスセル３の吸収線である第３基準波長λ３に安定化するように制御を行う。波長制御装置１４は同時に、検出器１３ｂの信号を用いてファブリペローエタロン４の透過スペクトルが第３基準波長λ３に一致するようにファブリペローエタロン４の光路長の制御を行う。ここでファブリペローエタロン４の透過スペクトルは波長の絶対値が保証されていることが必要である。
【００１９】
次に図２を参照して、第１基準波長λ１又は第２基準波長λ２における波長安定化制御について説明する。図２（ｂ）に示されるように、ファブリペローエタロン４は均等な周波数間隔ＦＳＲで周期的な透過特性を有し、前述の通り、その真空波長の絶対値は保証されている。第１基準波長λ１としては、ファブリペローエタロン４の透過スペクトルの１つが用いられる。波長の安定化は、検出器１３ａの透過強度が一定となるように、波長制御装置１４が波長可変レーザ１の波長を調整することにより行われる。ファブリペローエタロン４への入射光量の変動が影響する場合には、入射光量をも検出してその補正を行う。波長を調整する方法としては、注入電流を変調する方法が用いられる。
【００２０】
波長可変レーザ１は、第１基準波長λ１に相当するファブリペローエタロン４の透過スペクトルに安定化されている。波長可変レーザ１の安定化制御が解除された後、電流変調によって第２基準波長λ２に波長走査されることにより、波長可変レーザ１は第２基準波長λ２に安定化される。第２基準波長λ２から第１基準波長λ１への波長走査も同様である。このように、波長可変レーザ１は、少なくとも２つの基準波長（第１基準波長λ１、第２基準波長λ２）のいずれかに安定化される。また、波長可変レーザ１は、第１基準波長λ１と第２基準波長λ２との間を周期的に且つ高速に走査する。図３は、本実施形態における波長可変レーザ１と波長固定レーザ２のそれぞれの波長の時間変化を示している。図３に示されるように、波長可変レーザ１は、第１基準波長λ１で安定化される第１期間（０≦ｔ≦ｔ０）および第２基準波長λ２で安定化される第２期間（ｔ１≦ｔ≦ｔ０’）を有する。なお本実施形態では、ガスセル３に加えてファブリペローエタロン４を用いることにより基準波長の精度を向上させているが、以下のように次数決定のための精度条件を満たせば、ガスセル３のみを用いても構わない。
【００２１】
位相計の計測精度をｄφとするとき、干渉次数Ｎ３およびＭ２３を誤差なく決定するための条件は式（１）、式（２）で表される。
【００２２】
【数１】
0005550384.tif 000002
【００２３】
【数２】
0005550384.tif 000003
【００２４】
式（１）においてＤが１．５ｍ、第３基準波長λ３が１．５μｍの場合にはＤ／λ３は１０６となる。一方、ｄΛ２３／Λ２３、およびｄλ３／λ３は、ファブリペローエタロンとガスセルに対して波長安定化を図ることで１０−７を実現することが可能である。このため、不等式（１）における制約条件は左辺第１項となる。ｄφ／２πが１０−４［ｗａｖｅ］程度であるとすると、Λ２３が１．５ｍｍとなるように第２基準波長λ２を選択することにより、式（１）を満たすことが可能となる。
【００２５】
以上の条件下では、式（２）において必要なΛの最大値は１．５ｍ程度となり、第２基準波長λ２と第１基準波長λ１の波長差（波長走査量）に換算すると、波長走査量は１．５ｐｍと非常に小さい値になる。半導体ＤＦＢレーザで大きな波長走査を実現するには温度変調が必要であり、波長走査に時間がかかるという問題があるが、上述のように波長走査量を小さくすれば、電流変調で高速な走査が実現可能である。また、波長固定レーザ２とは異なる別の波長固定レーザを追加すれば、さらに波長可変レーザの波長走査量を小さくすることができる。
【００２６】
ビームスプリッタ５で分割された他方の光束は、ビームスプリッタ１８によって更に分割される。ビームスプリッタ１８で分割された一方の光束（第１光束）は、偏光ビームスプリッタ１９まで伝播する。分割された他方の光束（第２光束）は、波長シフタ１１に入射する。波長シフタ１１は、波長可変レーザ１と波長固定レーザ２のそれぞれから出力される光束について、音響光学素子（不図示）を用いて入射波長に対して一定量の周波数シフトｄνを印加する。また波長シフタ１１は、波長板（不図示）を用いて偏光を９０度回転させ、入射偏光と直交する偏光を射出する。波長シフタ１１から射出された光束は、偏光ビームスプリッタ１９まで伝播する。第１光束と第２光束は、偏光ビームスプリッタ１９により再び共通光路となった後、ビームスプリッタ２１によって２つに分岐される。
【００２７】
ビームスプリッタ２１で分岐された光束の一方は、分光素子１７に入射する。分光素子１７は、同軸で入射した波長可変レーザ１と波長固定レーザ２の光束を分離する。分光素子１７としては、アレイ導波路型の回折格子が用いられる。ただしこれに限定されるものではなく、プリズムやバルク型の回折格子を用いることができ、要求される波長分解能とコストから選択すればよい。分光素子１７を介して得られた第１基準波長λ１の第１光束と第２光束の干渉信号として、両光束の周波数差に相当するビート信号が位相検出器１０ｂにより検出される。また、第３基準波長λ３の第１光束と第２光束の干渉信号として、両光束の周波数差に相当するビート信号が位相検出器１０ａにより検出される。第１光束と第２光束の干渉信号は、位相検出器１０ａ、１０ｂの内部において、偏光子で第１光束と第２光束との共通偏光成分を抽出することで得られる。以下、分光素子１７を介して位相検出器１０ａ、１０ｂで検出される干渉信号を基準信号と称す。
【００２８】
ビームスプリッタ２１で分岐された他方の光束は、距離計測干渉計１００に入射する。距離計測干渉計１００内の偏光ビームスプリッタ２０は、第１光束を透過し、第２光束を反射するように構成される。偏光ビームスプリッタ２０で反射した第２光束は、参照面６で反射され、偏光ビームスプリッタ２０で反射した後、分光素子１６に入射する。また、偏光ビームスプリッタ２０を透過した第１光束は、被検面７で反射され、偏光ビームスプリッタ２０を透過した後、分光素子１６に入射する。以下、参照面６で反射した光束を参照光束、被検面７で反射した光束を被検光束と称す。
【００２９】
分光素子１６に入射した第１基準波長λ１の参照光束と被検光束の干渉信号は、位相検出器１０ｂで検出される。また、第３基準波長λ３の参照光束と被検光束の干渉信号は、位相検出器１０ａで検出される。このように、位相検出器１０ａ、１０ｂ（位相検出部）は、参照面６で反射した参照光束と被検面７で反射した被検光束との干渉信号から位相を検出する。以下、分光素子１６を介して位相検出器１０ａ、１０ｂで検出される干渉信号を計測信号と称す。計測信号は、第１光束と第２光束の干渉信号として両光束の周波数差に相当するビート信号である点は基準信号と同一であるが、干渉信号の位相は、被検光束と参照光束の光路長差に応じて、基準信号の位相とは異なる。
【００３０】
距離計測干渉計１００の光束分割素子として偏光成分で分割可能な偏光ビームスプリッタ２０を用いることにより、参照面６と被検面７のそれぞれで反射する光束を偏光により分離することが可能となる。このため、直交する２つの偏光間で僅かに周波数シフト差を加えることで被検面７と参照面６との間のヘテロダイン検出が可能となり、高精度な位相計測が実現する。本実施形態では、距離計測干渉計１００の光束分割素子として偏光ビームスプリッタ２０が用いられているが、これに限定されるものではなく、無偏光ビームスプリッタを用いてもよい。この場合、無偏光ビームスプリッタと参照面６との間にλ／８板を配置し、参照面６での反射光束と被検面７での反射光束が再び重なった後に、偏光ビームスプリッタを介してそれぞれの偏光成分について強度検出する。検出される２つの干渉信号の位相は、それぞれ０°と９０°シフトしている。これら２つの干渉信号から位相計測すればよい。この場合、構成は容易になるが、位相計測精度が低下するため、式（１）、（２）に基づき波長走査量の拡大等の対策が必要となる。
【００３１】
また、被検面７の近傍には、被検面７の近傍における大気屈折率を決定するための環境計測ユニット９が配置される。環境計測ユニット９は、大気温度および気圧の計測センサを備えて構成される。大気屈折率の温度敏感度は１ｐｐｍ／℃、気圧敏感度は０．３ｐｐｍ／ｈＰａであり、比較的安価な温度計や気圧計でも０．１ｐｐｍ程度の屈折率を容易に保証することができる。なお本実施形態では、環境計測ユニット９で計測された大気屈折率から計測波長の補正を行っているが、被検光路の近傍に配置されたエアギャップのエタロン等を用いて大気波長を制御する場合には、屈折率の計測は不要となる。
【００３２】
解析装置８は、基準信号、計測信号および環境計測ユニット９からの信号が入力され、被検面７と参照面６との間の絶対距離（被検光と参照光の光路差）を算出する。また解析装置８は、波長制御装置１４に接続されており、計測フローに応じて波長可変レーザ１の波長制御を行う。なお本実施形態は、１つの光源ユニット２００に対して複数の距離計測干渉計１００を配置する場合、光源ユニット２００とビームスプリッタ１８との間で光束を分割することにより容易に対応可能である。
【００３３】
次に、図４を参照して、本実施形態における計測方法について説明する。図４は、本実施形態における計測方法のフローチャートである。フローは大きく２つのループに分けられる。１つは波長制御ループであり、他の１つは計測ループである。また、計測ループの中には、ステップＳ１０１〜Ｓ１０５によって高速に相対測長するフローと、ステップＳ１０１〜Ｓ１０３→Ｓ１１０〜Ｓ１１２→Ｓ１０５によって絶対測長するフローが含まれる。
【００３４】
図３で示されるように、波長制御ループでは、波長可変レーザ１を第１基準波長λ１と第２基準波長λ２との間で走査し（ステップＳ４０１、Ｓ４０３）、その後、いずれか一方の基準波長に安定化制御する（ステップＳ４０２、Ｓ４０４）ことが繰り返される。またステップＳ４０２、Ｓ４０４では、基準波長に制御完了後、波長走査完了フラグを計測ループ側のステップＳ１０３へ送信する。ステップＳ１０３では、波長走査完了フラグを受けて、波長走査が完了したか否かを判断する。
【００３５】
次に、図４に示される計測ループについて説明する。まずステップＳ１０１、Ｓ２０１において、第１基準波長λ１および第３基準波長λ３
の場合に位相計測を行う。またステップＳ３０１において、環境計測が行われる。このとき、環境計測ユニット９から被検光束の大気の環境計測結果を解析装置８で取り込む。本実施形態では、被検光路の湿度は保証されているものとし、環境計測として大気の温度ｔと気圧ｐを計測する。
【００３６】
位相計測とは、計測信号と基準信号の位相差を計測することであり、解析装置８において基準信号と計測信号の位相を位相計で計測し、それらの差分を算出することにより得られる。また、計測される位相は位相接続され、時間に対して連続的に変化する。
【００３７】
次に、計測される位相について数式を用いて説明する。まずパラメータを以下のように設定する。波長可変レーザ１を射出してから偏光ビームスプリッタ１９までの被検光束と参照光束の光路長差をＬ１、偏光ビームスプリッタ１９から位相検出器１０ａ又は位相検出器１０ｂまでの被検光束と参照光束の光路長差を２ｎ（λ）Ｄとする。ここで、ｎ（λ）は被検光束の光路の屈折率、Ｄは参照面と被検面との間の絶対距離である。以上のパラメータより、基準信号Ｉｒｅｆと計測信号Ｉｔｅｓｔはそれぞれ式（３）で表される。
【００３８】
【数３】
0005550384.tif 000004
【００３９】
式（３）より、波長および参照面と被検面の絶対距離が時間的に連続的に変化する場合、時間に依存する位相Φ（ｔ）は式（４）で表される。
【００４０】
【数４】
0005550384.tif 000005
【００４１】
また、ある時刻における位相を０〜２πの範囲で表すためには、式（５）が用いられる。
【００４２】
【数５】
0005550384.tif 000006
【００４３】
式（５）より、ステップＳ２０１で計測される波長可変レーザ１の位相φａ（ｔ０）は、式（６）で表される。図３に示されるように、時刻ｔ０のときの波長可変レーザ１の波長は第１基準波長λ１である。ここで、「ｍｏｄ（ｕ，ｋ）」は第１引数ｕの第２引数ｋに対する剰余を表す。
【００４４】
【数６】
0005550384.tif 000007
【００４５】
さらに、このときの位相の整数成分は、式（４）を用いて式（７）で表される。ここで、「ｒｏｕｎｄ（）」は引数を整数に丸める関数を表す。
【００４６】
【数７】
0005550384.tif 000008
【００４７】
また、ステップＳ１０１で計測される位相φ３（ｔ０）は式（８）で表される。ただし、図３に示されるように、波長固定レーザ２の波長は常に第３基準波長λ３である。
【００４８】
【数８】
0005550384.tif 000009
【００４９】
ステップＳ１０２、Ｓ２０２にて、ステップＳ１０１、２０１で求めた位相計測結果の履歴をそれぞれ残しておく。
【００５０】
ステップＳ１０３にて、波長制御ループでのステップＳ４０２、Ｓ４０４から送信された波長走査完了フラグに基づいて、波長走査が完了したか否かが判断される。波長走査が未完の場合にはステップＳ１０４へ進み、完了している場合にはステップＳ１１０へ進む。
【００５１】
まず、ステップＳ１０３にて波長走査が未完であると判断された場合について説明する。この場合、ステップＳ１０４では、ステップＳ１０２の位相接続された計測結果から、前回計測時の干渉次数Ｎ３（ｉ）と位相計測結果Φ３（ｉ）、および、今回の位相計測結果Φ３（ｉ＋１）を用いて、干渉次数Ｎ３を式（９）にて算出する。
【００５２】
【数９】
0005550384.tif 000010
【００５３】
そしてステップＳ１０５において、第３基準波長λ３の相対的な位相変化と、ステップＳ３０１での環境計測結果から補正した大気波長を用いて、絶対距離Ｄを算出する。詳細は後述する。次の波長走査完了のフラグが確認されるまで、このように高速な相対測長と干渉次数Ｎ３を用いて絶対距離Ｄを算出する。そして計測ループの最初へ戻る。
【００５４】
次に、ステップＳ１０３にて波長走査が完了している場合について説明する。ステップＳ１１０にて、２つの合成波長の位相計測時、および、波長走査時の位相変化量の計測時における被検面位置の変化を、第３基準波長λ３の相対変位の算出結果を用いて補正する。すなわち、波長走査の際における第３基準波長λ３の位相変化から被検面７の相対変位が算出され、被検面７の相対変位による影響を受けないように合成波長Λ１２、Λ１３の干渉次数が補正される。時刻ｔ１での波長可変レーザ１の位相は、式（１０）より求められる。
【００５５】
【数１０】
0005550384.tif 000011
【００５６】
さらに、このときの位相の整数成分は、式（４）を用いて式（１１）で表される。
【００５７】
【数１１】
0005550384.tif 000012
【００５８】
一方、時刻ｔ１での波長固定レーザ２の位相φ３（ｔ１）は、式（１２）で表される。この位相結果を用いて時刻ｔ１の絶対距離Ｄが算出される。
【００５９】
【数１２】
0005550384.tif 000013
【００６０】
また式（４）より、時刻ｔ０〜ｔ１間の連続的な位相変化から相対変位ΔＤ（ｔ０〜ｔ１）は式（１３）によって算出される。
【００６１】
【数１３】
0005550384.tif 000014
【００６２】
ステップＳ２０２にて履歴に残された位相Φａ（ｔ０）（計測位相結果）から、第１基準波長λ１のままで、絶対距離Ｄ（ｔ１）のときの位相φ’ａ（ｔ１）へ式（１４）より補正する。
【００６３】
【数１４】
0005550384.tif 000015
【００６４】
ステップＳ１１１では、絶対距離Ｄの計測時刻ｔ１における干渉次数Ｍ１２（ｔ１）を算出する。
【００６５】
まず図５を参照して、波長走査時に被検面が変動しない場合（Ｄ（ｔ）＝一定）の干渉次数Ｍ１２について説明する。図５は、本実施形態における干渉次数Ｍ１２の概念図である。被検面が変動しない場合、干渉次数Ｍ１２は、時刻ｔ１での位相Φａ（ｔ１）の整数成分から、時刻ｔ０での位相Φａ（ｔ０）の整数成分を引くことにより算出される。しかし被検面が変動している場合には、それぞれの時刻において絶対距離Ｄが異なるため、干渉次数Ｍ１２には被検面の変動による位相変化が含まれてしまう。そこで、絶対距離Ｄ（ｔ１）で第１基準波長λ１と第２基準波長λ２との間で波長走査を行った場合、干渉次数Ｍ１２（ｔ１）は式（１５）で表される補正式で算出される。
【００６６】
【数１５】
0005550384.tif 000016
【００６７】
式（１０）、式（１４）より、干渉次数Ｍ１２（ｔ１）は式（１６）で表される。ここで、Λ１２は第１基準波長λ１と第２基準波長λ２の合成波長である。また、ｎｇ（λ１、λ２）は第１基準波長λ１、第２基準波長λ２に対する群屈折率を表す。
【００６８】
【数１６】
0005550384.tif 000017
【００６９】
ステップＳ１１２では、第３基準波長λ３による干渉計測の干渉次数Ｎ３（ｔ１）を算出する。まず、第１の絶対距離Ｄ（ｔ１）を、合成波長Λ１２を用いて式（１７）により算出する。
【００７０】
【数１７】
0005550384.tif 000018
【００７１】
第２基準波長λ２と第３基準波長λ３との合成波長をΛ２３とすると、第１の絶対距離Ｄ（ｔ１）と第２基準波長λ３および合成波長Λ２３との関係は、それぞれ式（１８）、（１９）で表される。
【００７２】
【数１８】
0005550384.tif 000019
【００７３】
【数１９】
0005550384.tif 000020
【００７４】
式（１７）、（１８）、（１９）において、それぞれの波長および合成波長はλ３＜＜Λ２３＜＜Λ１２の関係を有するため、干渉次数Ｎ３（ｔ１）、Ｍ２３（ｔ１）は式（２０）で表される。また、ステップＳ１１２で求められた干渉次数Ｎ３は、ステップＳ１０４に送信され、ステップＳ１０４に記録されている干渉次数Ｎ３が更新される。
【００７５】
【数２０】
0005550384.tif 000021
【００７６】
次に、ステップ１０５で大気屈折率と絶対距離Ｄの算出を行う。まず、乾燥空気の大気屈折率ｎは、温度ｔ［℃］と気圧ｐ［Ｐａ］からＥｄｌｅｎによる式（２１）で計算される。
【００７７】
【数２１】
0005550384.tif 000022
【００７８】
ここで、被検光束の環境が乾燥空気で無い場合には、環境計測ユニット９には湿度計を追加することが望ましい。この場合、式（２１）の代わりに湿度補正項を含むＥｄｌｅｎの式を用いればよい。本実施形態では、屈折率計測部として環境計測ユニット９を用いたが、これに限定されるものではなく、例えば屈折率計測干渉計を用いても構わない。屈折率計測干渉計は、既知の長さの真空光路を有する真空参照光路と、真空参照光路と同一の長さの大気光路を有する大気参照光路の光路差によって生じる干渉信号から屈折率を算出する。
【００７９】
最後に、絶対距離Ｄ（ｔ１）の算出を行う。ステップＳ１０５における絶対距離Ｄ（ｔ１）は、式（２２）により算出される。ここで、第１基準波長λ１、第２基準波長λ２、および、第３基準波長λ３の位相をそれぞれφ１、φ２、φ３とする。また、第３基準波長λ３、第１合成波長Λ１２、第２合成波長Λ１３に対するそれぞれの大気屈折率ｎ（λ３）、ｎｇ（λ１、λ２）、ｎｇ（λ１、λ３）とする。
【００８０】
【数２２】
0005550384.tif 000023
【００８１】
また本実施形態では、図３に示される時刻ｔ０〜ｔ１の間（波長走査λ１→λ２）の位相計測結果から時刻ｔ１での絶対距離を算出するフローについて説明した。ただし本実施形態はこれに限定されるものではなく、時間ｔ’０〜ｔ’１の間（波長走査λ２→λ１）の位相計測結果を用いても時刻ｔ’１の絶対距離を同様に算出することができる。
【００８２】
このように、波長可変レーザの波長を周期的かつ高速に走査することによって、常に絶対測長が可能となる。したがって、本実施形態によれば、波長走査量の低減が可能となり、簡易な構成で高速な絶対距離計測が可能な光波干渉計測装置を提供することができる。
〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態における光波干渉計測装置について説明する。図６は、本実施形態における光波干渉計測装置６００の構成図である。本実施形態は、第１実施形態における波長可変レーザ１の代わりに、波長固定レーザ３０に対して周波数オフセットロックされた波長可変レーザ３１が用いられている点と、位相検出方式としてホモダイン方式が用いられている点で、第１実施形態とは異なる。波長固定レーザ３０は周波数安定化光源であり、波長可変レーザ３１の波長基準素子として機能する。
【００８３】
本実施形態において、波長固定レーザ３０から射出した光束は、ビームスプリッタ３５で分割される。また、波長固定レーザ３０とは異なる波長を有する波長固定レーザ２から射出した光束もビームスプリッタ３５に入射し、その光線軸が波長固定レーザ３０と同軸になるとともに光束も分割される。ビームスプリッタ３５で分割された光束の一方は、ファブリペローエタロン４を透過後、分光素子１２で波長固定レーザ３０及び波長固定レーザ２の光束のそれぞれに分離される。ファブリペローエタロン４を透過した後の光量は、波長固定レーザ３０の光束については検出器１３ａで検出され、波長固定レーザ２の光束については検出器１３ｂで検出される。
【００８４】
ビームスプリッタ３５で分割された他方の光束は、偏光ビームスプリッタ２２まで伝播し、波長固定レーザ３０の光束は偏光ビームスプリッタ２２を透過して検出器２３へ入射する。また、波長固定レーザ２の光束は偏光ビームスプリッタ２２で反射した後、距離計測干渉計１００へ入射する。波長可変レーザ３１から射出した光束も偏光ビームスプリッタ２２に入射し、光線軸が波長固定レーザ３０と同軸になるとともに、光束も分割される。このうち第１光束は検出器２３へ入射し、第２光束は距離計測干渉計１００へ入射する。検出器２３では、波長可変レーザ３１と波長固定レーザ３０の差の周波数に相当するビート信号が検出される。
【００８５】
ビート信号の位相は、波長制御装置３３の内部の位相比較器で、既知の周波数信号を出力する周波数シンセサイザ３４からの信号の位相と比較される。そして、波長可変レーザ３１の周波数は、波長固定レーザ３０の周波数に周波数シンセサイザ３４の周波数をオフセットした周波数で安定化されている。ここで、周波数シンセサイザ３４の周波数を掃引すると、それに追随して波長可変レーザ３１の波長も走査される。波長可変レーザ３１は、第１基準波長λ１と第２基準波長λ２との間で自由に安定化可能であり、これらの波長の間（λ１〜λ２間）を周期的かつ高速に走査する。
【００８６】
図７は、ガスセル３の透過スペクトル、および、波長可変レーザ３１、波長固定レーザ３０、波長固定レーザ２のスペクトルを示す図である。波長固定レーザ２の射出光束はガスセル３に入射し、第３基準波長λ３に安定化される。波長固定レーザ３０の射出光束もガスセル３に入射し、第１基準波長λ１よりも短い波長に相当する透過スペクトルに安定化される。
【００８７】
距離計測干渉計１００に入射した光束は、位相検出ユニット３２ａ、３２ｂ（位相検出部）に入射し、被検面７と参照面６の光路差による干渉信号が生成される。位相検出ユニット３２ａは、分光素子１６を介して、第１基準波長λ１における参照光路と被検光路の光路差による干渉位相を検出する。一方、位相検出ユニット３２ｂは、第２基準波長λ２における参照光路と被検光路の光路差による干渉位相を検出する。
【００８８】
本実施形態においても、距離計測干渉計１００の光束分離素子として偏光ビームスプリッタ２０が用いられているため、参照面６と被検面７のそれぞれで反射する光束を偏光により分離することが可能となる。従って、偏光差を用いた位相差制御によるホモダイン検出が可能であり、高精度な位相計測を実現することができる。
【００８９】
図８は、位相検出ユニット３２ａ、３２ｂの構成図である。位相検出ユニット３２ａ、３２ｂでは、被検光束と参照光束の偏光軸角度と４５度となる進相軸を有するλ／４板４１により、被検光束と参照光束の偏光を右回り円偏光と左回り円偏光に変換する。偏光変換後の光束は、グレーティングビームスプリッタ４２により０次、±１次回折光の３つの等光量な光束に分割される。分割後の３つの光束は、それぞれの光束に対して透過偏光の角度が異なるように配置された偏光子アレイ４３を透過し、それぞれの偏光方位の干渉信号光量が検出器５０ａ、５０ｂ、５０ｃで検出される。偏光子アレイ４３のそれぞれの偏光子角度を１２０度ピッチとすると、検出器５０ａ、５０ｂ、５０ｃで得られる光量Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃは式（２３）で表される。
【００９０】
【数２３】
0005550384.tif 000024
【００９１】
ここで、φは被検光束と参照光束の光路長差に伴う干渉信号の位相差である。式（２３）より、位相差φは式（２４）を用いて算出される。
【００９２】
【数２４】
0005550384.tif 000025
【００９３】
位相検出ユニット３２ａ、３２ｂは、解析装置８に接続されている。解析装置８は、光量検出結果から式（２４）を用いて第１基準波長λ１における被検光束と参照光束の光路長による位相と、第３基準波長λ３における被検光束と参照光束の光路長による位相を検出する。
【００９４】
なお本実施形態の位相検出ユニット３２ａ、３２ｂは、図８に示される構成で３つの既知の位相差における干渉信号強度の検出を行うが、他の構成で複数の既知位相差における干渉信号強度の検出を行ってもよい。例えば、位相検出ユニットを、複屈折を有するプリズムを用いて被検光束と参照光束間にティルト縞を発生させて空間的に位相差を生成して光量を検出するように構成してもよい。また、既知の位相差の数や既知の位相差の間隔に関しても上述のように限定されるものではなく、必要な精度に応じて適宜選択すればよい。
【００９５】
本実施形態のようなホモダイン検出の場合には高周波の信号が存在しないため、実施形態１のヘテロダイン検出に比較し安価に検出系を構成することができる。また位相計測精度に関しては、検出器５０ａ、５０ｂ、５０ｃの利得、オフセット、位相の特性を補正することにより、ヘテロダイン同様の１０−４［ｗａｖｅ］程度を実現することが可能である。また本実施形態では、第１実施形態と同様に、被検面７の近傍には被検面近傍の大気屈折率を決定するための環境計測ユニット９が配置される。なお、本実施形態の計測方法は第１実施形態と同様であるため省略する。
【００９６】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。
【符号の説明】
【００９７】
１：波長可変レーザ
２：波長固定レーザ
３：ガスセル
４：ファブリペローエタロン
６：参照面
７：被検面
８：解析装置
１０ａ、１０ｂ：位相検出器
２０：偏光ビームスプリッタ
５００：光波干渉計測装置
【図２】
0005550384.tif 000029
【図５】
0005550384.tif 000030
【図７】
0005550384.tif 000031
【図１】
0005550384.tif 000032
【図３】
0005550384.tif 000033
【図４】
0005550384.tif 000034
【図６】
0005550384.tif 000035
【図８】
0005550384.tif 000036