(57)【要約】【課題】液体中の物体までの距離を精度良く測定することができる距離測定装置、および距離測定方法を提供すること。【解決手段】第１光が媒質内の測定対象物で反射したときの第１反射光に基づく第１信号と、第２光が前記測定対象物で反射したときの第２反射光に基づく第２信号と、第３光が前記媒質で反射したときの第３反射光に基づく第３信号とを取得する取得部と、前記取得部により取得された前記第１信号、前記第２信号および前記第３信号に基づいて、前記媒質の反射面から前記媒質により形成された環境中の測定対象物の反射面までの距離を算出する算出部と、を備える距離測定装置。【選択図】図２
2019090840.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
媒質内の測定対象物に対して前記媒質外から照射された第１波長帯で波長が変化する第１光が前記測定対象物で反射したときの第１反射光に基づく第１信号と、前記媒質内の測定対象物に対して前記媒質外から照射された第２光であって、前記第１波長帯とは異なる第２波長帯で波長が変化する第２光が前記測定対象物で反射したときの第２反射光に基づく第２信号と、前記媒質内の測定対象物に対して前記媒質外から照射された第３光であって、前記第１光および前記第２光とは異なる波長の第３光が前記媒質で反射したときの第３反射光に基づく第３信号とを取得する取得部と、
前記取得部により取得された前記第１信号、前記第２信号および前記第３信号に基づいて、前記媒質の反射面から前記媒質により形成された環境中の測定対象物の反射面までの距離を算出する算出部と、
を備える距離測定装置。
【請求項２】
前記第１光は、前記媒質に対する透過率の高い波長であり、前記第２光は、前記媒質に対する透過率が高く前記第１光とは異なる波長であり、前記第３光は、前記媒質に対する透過率が低い波長である、
請求項１に記載の距離測定装置。
【請求項３】
前記第１光の波長が変化する第１波長帯と前記第２光の波長が変化する第２波長帯とは、
前記第１光と前記第２光とが導光部で導光される際、互いの可干渉性を壊さない波長帯である、
請求項１または２に記載の距離測定装置。
【請求項４】
前記第３光は、前記第１光の周波数と前記第２光の周波数との差を周波数とする、
請求項１から３のうちいずれか１項に記載の距離測定装置。
【請求項５】
前記算出部は、前記第１反射光、前記第２反射光および前記第３反射光に基づいて、前記媒質の屈折率を算出する、
請求項１から４のうちいずれか１項に記載の距離測定装置。
【請求項６】
前記第１光、前記第２光および前記第３光を、前記媒質の外に設けられた反射体に照射する参照光照射部と、
前記参照光照射部により照射されて、前記反射体にて反射した参照光を受光する参照光受光部と、
前記第１反射光、前記第２反射光および前記第３反射光を前記参照光と干渉させて干渉光を生成する干渉部とをさらに備え、
前記算出部は、前記第１反射光、前記第２反射光および前記第３反射光が前記干渉部により前記参照光と干渉されて生成された干渉光に基づいて、前記媒質内の測定対象物の位置を算出する、
請求項１から５のうちいずれか１項に記載の距離測定装置。
【請求項７】
前記測定対象物に対して、前記媒質外から、前記第１光と、前記前記第２光と、前記前記第３光とを照射する照射部と、
前記第１光と前記第２光とを合成して前記第３光を生成する合成部とをさらに備え、
前記合成部と前記照射部とは、前記第１反射光、前記第２反射光および前記第３反射光を同時に導光する導光部により接続されている、
請求項１から６のうちいずれか１項に記載の距離測定装置。
【請求項８】
コンピュータが、
媒質内の測定対象物に対して前記媒質外から照射された第１波長帯で波長が変化する第１光が前記測定対象物で反射したときの第１反射光に基づく第１信号と、前記媒質内の測定対象物に対して前記媒質外から照射された第２光であって、前記第１波長帯とは異なる第２波長帯で波長が変化する第２光が前記測定対象物で反射したときの第２反射光に基づく第２信号と、前記媒質内の測定対象物に対して前記媒質外から照射された第３光であって、前記第１光および前記第２光とは異なる波長の第３光が前記媒質で反射したときの第３反射光に基づく第３信号とを取得し、
前記取得した前記第１信号、前記第２信号および前記第３信号に基づいて、前記媒質の反射面から前記媒質により形成された環境中の測定対象物の反射面までの距離を算出する、
距離測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、距離測定装置、および距離測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体中の物体を測定する装置として超音波や光を用いた計測装置が開発・提案されている。超音波を用いた装置としては、パルス信号の超音波を水中に放射し、放射された超音波が物体に反射した音（エコー）を検出することにより、水中の物体の奥行き方向の距離を計測する装置が知られている（特許文献１参照）。また、光を用いた装置としては、レーザ光を液体中の物体に照射し、物体から反射された反射光から液体中の物体の表面形状を計測する装置（特許文献２参照）や、低コヒーレンス光を液体中に照射し、液体中の粒子の粒径や分布を測定する装置（特許文献３参照）が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３４１０２８号公報
【特許文献２】特開２０１２−２５７４号公報
【特許文献３】特開２０１３−２０５１４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の技術は、超音波を用いた測定装置であるため、使用する超音波の波長に起因して、液体中の物体までの距離を精度良く測定できない場合がある。また、特許文献２および３に記載の技術は、光を用いた測定装置であるため、液体中で光が吸収されることによって液体中の物体までの距離を精度良く測定できない場合があり、その結果、計測範囲が小さい範囲に限定される場合がある。
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、液体中の物体までの距離を精度良く測定することができる距離測定装置、および距離測定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態の距離測定装置は、媒質内の測定対象物に対して前記媒質外から照射された第１波長帯で波長が変化する第１光が前記測定対象物で反射したときの第１反射光に基づく第１信号と、前記媒質内の測定対象物に対して前記媒質外から照射された第２光であって、前記第１波長帯とは異なる第２波長帯で波長が変化する第２光が前記測定対象物で反射したときの第２反射光に基づく第２信号と、前記媒質内の測定対象物に対して前記媒質外から照射された第３光であって、前記第１光および前記第２光とは異なる波長の第３光が前記媒質で反射したときの第３反射光に基づく第３信号とを取得する取得部と、前記取得部により取得された前記第１信号、前記第２信号および前記第３信号に基づいて、前記媒質の反射面から前記媒質により形成された環境中の測定対象物の反射面までの距離を算出する算出部と、を備える。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、液体中の物体までの距離を精度良く測定することができる距離測定装置、および距離測定方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１実施形態に係る距離測定装置１０の一例を示す構成図。
【図２】距離測定装置１０の機能構成例を示す図。
【図３】第１波長掃引光源１２Ａから射出される第１光と、第２波長掃引光源１２Ｂから射出される第２光とのそれぞれの波長の時間変化の様子の一例を示すグラフ。
【図４】光の波長と光の透過率との関係を示した一例の図。
【図５】光カプラ２２の中で生成された第３測定光の波長の時間変化の様子の一例を示すグラフ。
【図６】光の波長と空気中の屈折率との関係の一例を示した図。
【図７】光の波数と光の透過率との関係の一例を示した図。
【図８】第１干渉光検出部３２Ａにより検出される第１干渉光の一部を例示する図。
【図９】制御装置５０の機能構成の一例を示す図。
【図１０】第１干渉光をフーリエ変換することで得られる第１周波数スペクトルの一例を示すグラフ。
【図１１】第２干渉光をフーリエ変換することで得られる第２周波数スペクトルの一例を示すグラフ。
【図１２】第３干渉光をフーリエ変換することで得られる第３周波数スペクトルの一例を示すグラフ。
【図１３】制御装置５０により実行される処理の流れの一例を示すフローチャート。
【図１４】既知の第１ピーク周波数および既知の第２ピーク周波数と既知の距離（Ｌ１−Ｌ２）との相関関係を示すグラフ。
【図１５】既知の第３ピーク周波数と既知の距離（Ｌ０−Ｌ２）との相関関係を示すグラフ。
【図１６】第２実施形態に係る距離測定装置１０の一例を示す構成図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、実施形態の距離測定装置、および距離測定方法を、図面を参照して説明する。
【００１０】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る距離測定装置１０の一例を示す構成図である。本実施形態の距離測定装置１０は、液体ＬＭの中に設置された測定対象物ＳＭに関して、液体ＬＭの外から光を照射して液体ＬＭの反射面ＬＭ＃から測定対象物ＳＭの反射面ＳＭ＃までの距離Ｄを測定する。例えば、液体ＬＭは、水であるが、これに代えて、エタノールや酢酸、塩酸、アンモニア、水酸化ナトリウム等であってもよい。
【００１１】
ここで、液体ＬＭは、媒質の一例である。測定対象物ＳＭは、例えば、シリコンウェハーであるが、これに代えて、多層膜等の工業製品や生体等であってもよく、照射された光のほぼ全てを反射する不透明な材質の物体であってもよく、光の一部を透過する透明または半透明な材質の物体であってもよい。
【００１２】
なお、測定対象物ＳＭが透明または半透明な材質の物体である場合、液体ＬＭは、測定対象物ＳＭとは屈折率が異なり、且つ光が透過するものであればよい。また、本実施形態において測定対象物ＳＭは、液体ＬＭの中にある構成としたが、これに代えて、例えば、フッ化マグネシウムやシリコンゴム、ガラス、アクリル樹脂等の透明または半透明の固体の中に設置された構成であってもよい。
【００１３】
距離測定装置１０は、第１波長掃引光源１２Ａと、第２波長掃引光源１２Ｂと、干渉計２０と、第１干渉光検出部３２Ａと、第２干渉光検出部３２Ｂと、第３干渉光検出部３２Ｃと、制御装置５０とを備える。ここで、制御装置５０は、算出部の一例である。
【００１４】
距離測定装置１０は、例えば、第１波長掃引光源１２Ａから射出された第１光と、第２波長掃引光源１２Ｂから射出された第２光とを干渉計２０に導光し、導光された第１光および第２光を干渉計２０から前述した測定対象物ＳＭに照射する。また、距離測定装置１０は、干渉計２０に導光された第１光および第２光によって生成された第３光を干渉計２０から前述した測定対象物ＳＭに照射する。そして、距離測定装置１０において、測定対象物ＳＭに照射された第１光、第２光および第３光のうち、第１光と第２光とは、測定対象物ＳＭの反射面ＳＭ＃で反射され、再び干渉計２０に入射し、第３光は、液体ＬＭの反射面ＬＭ＃で反射され、再び干渉計２０に入射する。距離測定装置１０は、測定対象物ＳＭの反射面ＳＭ＃で反射され、再び干渉計２０に入射した第１光および第２光と、液体ＬＭの反射面ＬＭ＃で反射され、再び干渉計２０に入射した第３光とに基づいて、液体ＬＭの反射面ＬＭ＃から測定対象物ＳＭの反射面ＳＭ＃までの距離Ｄを測定する。
【００１５】
第１波長掃引光源１２Ａは、液体ＬＭに対して光の透過率が高くなる波長帯において所定の周期で波長が変化する第１光を、光ファイバーを介して干渉計２０に射出する。第１波長掃引光源１２Ａから射出される第１光は、例えば、１［ｋＨｚ］周期毎に１５５０±１００［ｎｍ］の波長帯（第１波長帯）で波長が正弦波状に変化する。
【００１６】
第２波長掃引光源１２Ｂは、液体ＬＭに対して光の透過率が高くなる第２波長帯であって、第１波長帯とは異なる第２波長帯において所定の周期で波長が変化する第２光を、光ファイバーを介して干渉計２０に射出する。第２波長掃引光源１２Ｂから射出される第２光は、例えば、１［ｋＨｚ］周期毎に１３１０±１００［ｎｍ］の波長帯（第２波長帯）で波長が正弦波状に変化する。
【００１７】
干渉計２０は、第１波長掃引光源１２Ａおよび第２波長掃引光源１２Ｂから射出された第１光および第２光を分岐および合成し、測定対象物ＳＭに向けて照射する。測定対象物ＳＭに照射された光であって測定対象物ＳＭおよび液体ＬＭにて反射された光は、干渉計２０に再び入射する。干渉計２０は、反射された光に基づいて複数の干渉光を生成する。
【００１８】
第１干渉光検出部３２Ａは、干渉計２０により生成された複数の干渉光のうちの第１干渉光を検出し、検出された第１干渉光を干渉信号に変換し、変換した干渉信号を制御装置５０に出力する。
第２干渉光検出部３２Ｂは、干渉計２０により生成された複数の干渉光のうちの第２干渉光を検出し、検出された第２干渉光を干渉信号に変換し、変換した干渉信号を制御装置５０に出力する。
第３干渉光検出部３２Ｃは、干渉計２０により生成された複数の干渉光のうちの第３干渉光を検出し、検出された第３干渉光を干渉信号に変換し、変換した干渉信号を制御装置５０に出力する。
【００１９】
制御装置５０は、干渉光検出部３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃのそれぞれから出力された干渉信号に基づいて、液体ＬＭの反射面ＬＭ＃から測定対象物ＳＭの反射面ＳＭ＃までの距離を算出する。以下、第１波長掃引光源１２Ａと第２波長掃引光源１２Ｂとを区別しない場合、まとめて波長掃引光源１２と称して説明する。また、第１干渉光検出部３２Ａと、第２干渉光検出部３２Ｂと、第３干渉光検出部３２Ｃとを区別しない場合、まとめて干渉光検出部３２と称して説明する。
【００２０】
図２は、距離測定装置１０の機能構成例を示す図である。本実施形態の距離測定装置１０は、例えば、第１波長掃引光源１２Ａと、第２波長掃引光源１２Ｂと、光カプラ２２と、第１コリメータ２４Ａと、第２コリメータ２４Ｂと、反射体ＲＭと、第１干渉光検出部３２Ａと、第２干渉光検出部３２Ｂと、第３干渉光検出部３２Ｃと、制御装置５０と、光ファイバーＦ１〜Ｆ７とを備える。この中で、光カプラ２２と、第１コリメータ２４Ａと、第２コリメータ２４Ｂと、光ファイバーＦ３と、光ファイバーＦ４とを含むものが、干渉計２０に相当する。なお、干渉計２０は、光カプラ２２と、第１コリメータ２４Ａと、第２コリメータ２４Ｂと、光ファイバーＦ３と、光ファイバーＦ４とのうちの任意の組み合わせを含む構成であってもよいし、さらに反射体ＲＭを含む構成であってもよい。
【００２１】
距離測定装置１０では、第１波長掃引光源１２Ａと光カプラ２２とが光ファイバーＦ１により接続されており、第２波長掃引光源１２Ｂと光カプラ２２とが光ファイバーＦ２により接続されている。また、距離測定装置１０では、光カプラ２２と第１干渉光検出部３２Ａとが光ファイバーＦ５で接続されており、光カプラ２２と第２干渉光検出部３２Ｂとが光ファイバーＦ６で接続されており、光カプラ２２と第３干渉光検出部３２Ｃとが光ファイバーＦ７で接続されている。また、波長掃引光源１２および干渉光検出部３２は、それぞれ制御装置５０と通信が行えるように電気ケーブル等を介して接続されている。
【００２２】
第１波長掃引光源１２Ａは、第１光を光ファイバーＦ１に射出する。光ファイバーＦ１は、第１波長掃引光源１２Ａにより射出された第１光を干渉計２０の光カプラ２２へ導光する。
第２波長掃引光源１２Ｂは、第２光を光ファイバーＦ２に射出する。光ファイバーＦ２は、第２波長掃引光源１２Ｂにより射出された第２光を干渉計２０の光カプラ２２へ導光する。
【００２３】
ここで、図３を参照し、第１波長掃引光源１２Ａから射出される第１光と、第２波長掃引光源１２Ｂから射出される第２光とのそれぞれの波長の時間変化の様子について説明する。図３は、第１波長掃引光源１２Ａから射出される第１光と、第２波長掃引光源１２Ｂから射出される第２光とのそれぞれの波長の時間変化の様子の一例を示すグラフである。
【００２４】
グラフＧ１の横軸は、経過時間Ｔｉｍｅ（単位は［ｍｓｅｃ］）を表す。また、グラフＧ１の縦軸は、光の波長λ（単位は［ｎｍ］）を表す。グラフＧ１では、曲線ＬＮ１が第１光の波長の時間変化を表し、曲線ＬＮ２が第２光の波長の時間変化を表す。図３に示したように、第１光の波長が変化する第１波長帯（１５５０±１００［ｎｍ］）は、第２光の波長が変化する第２波長帯（１３１０±１００［ｎｍ］）と異なる。また、図３では、第１光の位相は第２光の位相と一致しているが、これらの位相が相違してもよい。
【００２５】
干渉計２０は、例えば、光カプラ２２と、光ファイバーＦ３と、光ファイバーＦ４と、第１コリメータ２４Ａと、第２コリメータ２４Ｂとを備える。干渉計２０では、図２に示したように、光カプラ２２が光ファイバーＦ３を介して第１コリメータ２４Ａに接続されている。また、干渉計２０では、光カプラ２２が光ファイバーＦ４を介して第２コリメータ２４Ｂに接続されている。また、干渉計２０の光カプラ２２は、光ファイバーＦ５により第１干渉光検出部３２Ａと接続され、光ファイバーＦ６によって第２干渉光検出部３２Ｂと接続され、光ファイバーＦ７によって第３干渉光検出部３２Ｃと接続されている。
【００２６】
また、図４を参照し、第１光および第２光の特性について説明する。図４は、光の波長と光の透過率との関係を示した一例の図である。図４の横軸は、光の波長（単位は［μｍ］）を表す。また、図４の縦軸は、光の透過率（単位は［％］）を表す。図４において、曲線ＬＮ３は、水に光を照射した際、照射した光の波長に対する光の透過率の変化を表す。図４に示したように、１５５０±１００［ｎｍ］の波長帯を有する第１光および１３１０±１００［ｎｍ］の波長帯を有する第２光は、水等の液体を透過しやすい。これによって、距離測定装置１０は、液体ＬＭの中に設置された測定対象物ＳＭに関して、液体ＬＭの外から光を照射して測定対象物ＳＭの反射面ＳＭ＃までの距離Ｌ１を測定することができる。
【００２７】
光ファイバーＦ１およびＦ２は、波長掃引光源１２により導光される光の波長を含む伝送帯域を有するファイバーである。光ファイバーＦ１およびＦ２は、例えば、マルチモード光ファイバーやシングルモード光ファイバーである。光ファイバーＦ１は、第１光を導光し、光ファイバーＦ２は、第２光を導光する。光ファイバーＦ１およびＦ２は、第１光および第２光を、互いの可干渉性を保ちつつ干渉計２０の光カプラ２２に導光する。
【００２８】
光カプラ２２は、合成部の一例であるとともに、干渉部の一例でもある。光カプラ２２は、例えば、光ファイバーＦ１〜Ｆ７をそれぞれ接続する接続ポートＰ１〜Ｐ７（不図示）と、各接続ポートを繋ぐ光ファイバーコネクタ（不図示）とを有する。光カプラ２２は、例えば、接続ポートＰ１、Ｐ２、Ｐ５、Ｐ６、Ｐ７を１次ポートとし、接続ポートＰ３、Ｐ４を２次ポートとする５対２の光ファイバーカプラ等である。１次ポートと２次ポートとは、例えば、１つの光ファイバーコネクタによって接続されている。
【００２９】
光ファイバーＦ１から接続ポートＰ１に導光された第１光は、所定の分岐比に基づいて接続ポートＰ３と接続ポートＰ４とに分岐される。所定の分岐比は、例えば、接続ポートＰ３に分岐する光と接続ポートＰ４に分岐する光との強度の比が１対１になるように予め設定される。分岐された第１光（以下、「第１測定光」と称する）は、接続ポートＰ３を介して光ファイバーＦ３に導光されるとともに、接続ポートＰ４を介して光ファイバーＦ４に導光される。また、光ファイバーＦ２から接続ポートＰ２に導光された第２光は、前述した所定の分岐比に基づいて接続ポートＰ３と接続ポートＰ４とに分岐される。分岐された第２光（以下、「第２測定光」と称する）は、接続ポートＰ３を介して光ファイバーＦ３に導光されるとともに、接続ポートＰ４を介して光ファイバーＦ４に導光される。
【００３０】
また、光カプラ２２に導光された第１光および第２光は、光カプラ２２が有する光ファイバーコネクタの中で干渉し合成する。合成した第１光および第２光は、第１光および第２光の周波数の差を周波数とする第３光を生成する。生成された第３光は、前述した所定の分岐比に基づいて接続ポートＰ３と接続ポートＰ４とに分岐される。分岐された第３光（以下、「第３測定光」と称する）は、接続ポートＰ３を介して光ファイバーＦ３に導光されるとともに、接続ポートＰ４を介して光ファイバーＦ４に導光される。光カプラ２２は、例えば、第１光、第２光および第３光の波長を含む伝送帯域を有する。
【００３１】
ここで、光カプラ２２が生成する第３光の発生原理について数式を参照して説明する。後述する第１コリメータ２４Ａから照射される光の波動関数は、以下の式（１）によって表される。なお、後述する式において、Ｅは振幅を表し、ωは角周波数を表し、ｆは周波数を表し、λは波長を表し、ｋは波数を表し、ｎは屈折率を表し、ｔは時間を表す。また、後述する式中の添え字は、波長掃引光源１２から射出される光の中心波長を表す。
【００３２】
【数１】
2019090840.tif 000003
【００３３】
ここで、１５５０±１００［ｎｍ］の波長帯で周波数が１[ｋＨｚ]の正弦波の第１測定光と、１３１０±１００［ｎｍ］の波長帯で周波数が１[ｋＨｚ]の正弦波の第２測定光とが、光カプラ２２に同時に導光された場合、第１コリメータ２４Ａから照射される第１測定光の波動関数は以下の式（２）によって表され、第１コリメータ２４Ａから照射される第２測定光の波動関数は以下の式（３）によって表される。なお、以下の式において、第１測定光および第２測定光の掃引された波長帯（±１００［ｎｍ］）を除いた主波長（１５５０［ｎｍ］および１３１０［ｎｍ］）のみを用いて式を表す。
【００３４】
【数２】
2019090840.tif 000004
【００３５】
【数３】
2019090840.tif 000005
【００３６】
第１測定光と第２測定光との合成光である第３測定光は以下の式（４）によって表される。
【００３７】
【数４】
2019090840.tif 000006
【００３８】
ここで、第３測定光の周波数ｆｓｗ（ｔ）は、第１測定光と第２測定光の周波数の差を示した以下の式（５）、（６）によって表される。
【００３９】
【数５】
2019090840.tif 000007
【００４０】
【数６】
2019090840.tif 000008
【００４１】
また、第３測定光の波長ｆｓｗ（ｔ）は以下の式（７）によって表される。
【００４２】
【数７】
2019090840.tif 000009
【００４３】
従って、光カプラ２２の中では、８４６０±５９６[ｎｍ]の波長帯（赤外光）で波長が周期的に変化する第３測定光が生成される。
【００４４】
ここで、図５を参照し、光カプラ２２の中で生成された第３測定光の波長の時間変化の様子について説明する。図５は、光カプラ２２の中で生成された第３測定光の波長の時間変化の様子の一例を示すグラフである。
【００４５】
グラフＧ２の横軸は、経過時間Ｔｉｍｅ（単位は［ｍｓｅｃ］）を表す。また、グラフＧ２の縦軸は、光の波長λ（単位は［ｎｍ］）を表す。グラフＧ２では、曲線ＬＮ４が第３光の波長の時間変化を表す。図５に示したように、第３光は第３波長帯（８４６０±５９６［ｎｍ］）で波長が変化してもよいし、単一の波長であってもよい。
【００４６】
また、図６および図７を参照し、光カプラ２２の中で生成された第３測定光の特性について説明する。図６は、光の波長と空気中の屈折率との関係の一例を示した図である。図７は、光の波数と光の透過率との関係の一例を示した図である。図６に示すように、光カプラ２２の中で生成された８４６０±５９６[ｎｍ]の波長帯で波長が変化する第３測定光（赤外光）は、可視光や第１測定光、第２測定光と比して波長が大きいことにより、大気の屈折率による影響を受けにくい。これによって、距離測定に第３測定光（赤外光）を用いた場合、大気擾乱の測定誤差の影響を小さくすることができる。この結果、距離測定装置１０は、干渉計２０から液体ＬＭの反射面ＬＭ＃までの距離Ｌ０を精度良く測定することができる。
【００４７】
また、図７に示すように、液体（水）の液層が厚くなるにつれて、光の透過率が低下することから、距離測定装置１０は、第１測定光および第２測定光と比して液体ＬＭを透過しにくい第３測定光を、干渉計２０から液体ＬＭの反射面ＬＭ＃までの距離Ｌ０を測定する測定光として用いることができる。これによって、距離測定装置１０は、第１波長掃引光源１２Ａおよび第２波長掃引光源１２Ｂの液体ＬＭを透過する２つの光（第１測定光および第２測定光）によって、干渉計２０から測定対象物ＳＭの反射面ＳＭ＃までの距離Ｌ１を算出することができる。また、距離測定装置１０は、第１測定光および第２測定光によって生成された第３測定光によって、距離Ｌ０を算出することができる。また、距離測定装置１０は、距離Ｌ０を算出するために必要な第３光（第３測定光）を射出する光源を別途備える必要がなくなる。この結果、装置のサイズやコストを低減することができる。
【００４８】
光ファイバーＦ３、Ｆ４は、第１測定光、第２測定光、および第３測定光の波長を含む伝送帯域を有するファイバーである。光ファイバーＦ３は、導光部の一例である。光ファイバーＦ３は、例えば、中空光ファイバーや、Ｇｅ−Ａｓ−Ｓｅ系およびＧｅ−Ｓｅ−Ｔｅ系のカルコゲン化合物が添加されたコアを有する。
【００４９】
第１コリメータ２４Ａは、導光された光を平行光へ変化させるか、又はある焦点に集光させる。ここで、第１コリメータ２４Ａは、照射部の一例である。第１コリメータ２４Ａは、光ファイバーＦ３を介して導光された第１測定光、第２測定光および第３測定光のうち一部または全部を透過する。そして、第１コリメータ２４Ａは、透過した第１測定光、第２測定光および第３測定光のうち一部または全部を平行光あるいは集光された光に変化させる。平行光あるいは集光された光となった第１測定光、第２測定光および第３測定光のうち一部または全部は、第１コリメータ２４Ａから測定対象物ＳＭへ向けて照射される。ここで、第１コリメータ２４Ａは、液体ＬＭの反射面ＬＭ＃から任意の距離Ｌ０だけ離れ、測定対象物ＳＭの反射面ＳＭ＃から任意の距離Ｌ１だけ離れた位置に設置される。
【００５０】
第１コリメータ２４Ａにより照射された第１測定光は、測定対象物ＳＭによって反射されて第１反射光として第１コリメータ２４Ａに入射される。また、第１コリメータ２４Ａにより照射された第２測定光は、測定対象物ＳＭによって反射されて第２反射光として第１コリメータ２４Ａに入射される。また、第１コリメータ２４Ａにより照射された第３測定光は、液体ＬＭによって反射されて第３反射光として第１コリメータ２４Ａに入射される。第１コリメータ２４Ａに入射した第１反射光、第２反射光および第３反射光は、光ファイバーＦ３を介して光カプラ２２に導光される。
【００５１】
第２コリメータ２４Ｂは、導光された光を平行光へ変化させるか、又はある焦点に集光させる。ここで、第２コリメータ２４Ｂは、参照光照射部の一例である。第２コリメータ２４Ｂは、光ファイバーＦ４を介して導光された第１測定光、第２測定光および第３測定光の一部または全部を透過する。そして、第２コリメータ２４Ｂは、透過した第１測定光、第２測定光および第３測定光の一部または全部を平行光あるいは集光された光に変化させる。平行光あるいは集光された光となった第１測定光、第２測定光および第３測定光の一部または全部は、第２コリメータ２４Ｂから反射体ＲＭへ向けて照射される。
【００５２】
第２コリメータ２４Ｂにより照射された第１測定光は、反射体ＲＭによって反射されて第１参照光として第２コリメータ２４Ｂに入射される。また、第２コリメータ２４Ｂにより照射された第２測定光は、反射体ＲＭによって反射されて第２参照光として第２コリメータ２４Ｂに入射される。また、第２コリメータ２４Ｂにより照射された第３測定光は、反射体ＲＭによって反射されて第３参照光として第２コリメータ２４Ｂに入射される。第２コリメータ２４Ｂに入射した第１参照光、第２参照光および第３参照光は、光ファイバーＦ４を介して光カプラ２２に導光される。
【００５３】
反射体ＲＭは、第２コリメータ２４Ｂへ向けて、第２コリメータ２４Ｂから照射される光と平行に光（参照光）を反射する。反射体ＲＭは、例えば、光学ミラーやコーナキューブプリズム等の光の高い反射特性を有する物体であり、第２コリメータ２４Ｂから所定の距離Ｌ２だけ離れた場所に設置される。
【００５４】
ここで、光ファイバーＦ３を介して光カプラ２２に導光された第１反射光、第２反射光および第３反射光と、光ファイバーＦ４を介して光カプラ２２に導光された第１参照光、第２参照光、および第３参照光とは、光カプラ２２の中で干渉し合成した複数の干渉光を生成する。生成された複数の干渉光は、光ファイバーＦ５を介して第１干渉光検出部３２Ａへ導光され、光ファイバーＦ６を介して第２干渉光検出部３２Ｂへ導光され、光ファイバーＦ７を介して第３干渉光検出部３２Ｃへ導光される。
【００５５】
第１干渉光検出部３２Ａは、光ファイバーＦ５を介して光カプラ２２から導光された干渉光のうち、第１反射光と第１参照光との干渉によって生成される干渉光（以下、「第１干渉光」と称する）を検出する。第１干渉光検出部３２Ａは、例えば、１５５０±１００［ｎｍ］の波長帯に含まれる波長の光のみを通過させる第１バンドパスフィルターを備えており、光カプラ２２から導光された干渉光のうち、第１干渉光を抽出する。そして、第１干渉光検出部３２Ａは、抽出した第１干渉光を検出（受光）し、検出した第１干渉光を電気信号（以下、「第１干渉信号」と称する）に変換する。第１干渉光検出部３２Ａは、第１干渉信号を制御装置５０に出力する。ここで、第１干渉光検出部３２Ａは、第１バンドパスフィルターを介して第１干渉光の検出を行うため、第１干渉光の周波数帯に最も感度が高いように最適化されていてもよい。また、第１干渉光検出部３２Ａは、サンプリング定理に基づき、波長掃引光源１２の周期より大きい周波数の応答速度を有していてもよい。
【００５６】
第２干渉光検出部３２Ｂは、光ファイバーＦ６を介して光カプラ２２から導光された干渉光のうち、第２反射光と第２参照光との干渉によって生成される干渉光（以下、「第２干渉光」と称する）を検出する。第２干渉光検出部３２Ｂは、例えば、１３１０±１００［ｎｍ］の波長帯に含まれる波長の光のみを通過させる第２バンドパスフィルターを備えており、光カプラ２２から導光された干渉光のうち、第２干渉光を抽出する。そして、第２干渉光検出部３２Ｂは、抽出した第２干渉光を検出（受光）し、検出した第２干渉光を電気信号（以下、「第２干渉信号」と称する）に変換する。第２干渉光検出部３２Ｂは、第２干渉信号を制御装置５０に出力する。ここで、第２干渉光検出部３２Ｂは、第２バンドパスフィルターを介して第２干渉光の検出を行うため、第２干渉光の周波数帯に最も感度が高いように最適化されていてもよい。また、第２干渉光検出部３２Ｂは、サンプリング定理に基づき、波長掃引光源１２の周期より大きい周波数の応答速度を有していてもよい。
【００５７】
第３干渉光検出部３２Ｃは、光ファイバーＦ７を介して光カプラ２２から導光された干渉光のうち、第３反射光と第３参照光との干渉によって生成される干渉光（以下、「第３干渉光」と称する）を検出する。第３干渉光検出部３２Ｃは、例えば、８４６０±５９６［ｎｍ］の波長帯に含まれる波長の光のみを通過させる第３バンドパスフィルターを備えており、光カプラ２２から導光された干渉光のうち、第３干渉光を抽出する。そして、第３干渉光検出部３２Ｃは、抽出した第３干渉光を検出（受光）し、検出した第３干渉光を電気信号（以下、「第３干渉信号」と称する）に変換する。第３干渉光検出部３２Ｃは、第３干渉信号を制御装置５０に出力する。ここで、第３干渉光検出部３２Ｃは、第３バンドパスフィルターを介して第３干渉光の検出を行うため、第３干渉光の周波数帯に最も感度が高いように最適化されていてもよい。また、第３干渉光検出部３２Ｃは、サンプリング定理に基づき、波長掃引光源１２の周期より大きい周波数の応答速度を有していてもよい。
【００５８】
光ファイバーＦ５〜Ｆ７は、光カプラ２２により導光される光の波長を含む伝送帯域を有する。なお、光ファイバーＦ５は、光カプラ２２により導光された干渉光のうち、第１干渉光の波長のみを伝送帯域に有する光ファイバーであってもよい。また、光ファイバーＦ６は、光カプラ２２により導光された干渉光のうち、第２干渉光の波長のみを伝送帯域に有する光ファイバーであってもよい。また、光ファイバーＦ７は、光カプラ２２により導光された干渉光のうち、第３干渉光の波長のみを伝送帯域に有する光ファイバーであってもよい。
【００５９】
ここで、図８を参照することで、第１干渉光検出部３２Ａにより検出される第１干渉光について説明する。図８は、第１干渉光検出部３２Ａにより検出される第１干渉光の一部を例示する図である。図８の横軸は、経過時間Ｔｉｍｅ（単位は［ｍｓｅｃ］）を表す。また、図８の縦軸は、干渉光の振幅（単位は、例えば、電流値［ｍＡ］等である）を表す。信号ＬＮ５は、図８に示した第１コリメータ２４Ａから測定対象物ＳＭの反射面ＳＭ＃までの距離Ｌ１と、第２コリメータ２４Ｂから反射体ＲＭの反射面ＲＭ＃までの距離Ｌ２との差（Ｌ１-Ｌ２）が５［ｍｍ］の場合に得られた第１干渉光を表す。第２干渉光検出部３２Ｂにより検出される第２干渉光および第３干渉光の図については、第１干渉光検出部３２Ａにより検出される第１干渉光と似た図となるため、説明を省略する。
【００６０】
制御装置５０は、例えば、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）等のプロセッサ、ＲＯＭ（Read  Only  Memory）やＲＡＭ（Random  Access  Memory）、ＨＤＤ（Hard  Disk  Drive）、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically  Erasable  Programmable  Read-Only  Memory）、フラッシュメモリ等の記憶装置、他装置と通信を行うための通信インターフェース等が内部バスによって接続されたコンピュータ装置である。
【００６１】
制御装置５０は、第１干渉光検出部３２Ａから第１干渉信号を取得し、第２干渉光検出部３２Ｂから第２干渉信号を取得し、第３干渉光検出部３２Ｃから第３干渉信号を取得する。制御装置５０は、取得した第１干渉信号、第２干渉信号、および第３干渉信号に基づいて、液体ＬＭの反射面ＬＭ＃から測定対象物ＳＭの反射面ＳＭ＃までの距離を算出する。
【００６２】
次に、図９を参照することで、制御装置５０の機能構成について説明する。図９は、制御装置５０の機能構成の一例を示す図である。制御装置５０は、例えば、装置制御部５２と、第１干渉信号取得部５４と、第２干渉信号取得部５６と、第３干渉信号取得部５８と、光路長算出部６０と、距離導出部６２と、記憶部６４とを備える。この中で、装置制御部５２と、第１干渉信号取得部５４と、第２干渉信号取得部５６と、第３干渉信号取得部５８と、光路長算出部６０と、距離導出部６２とを含むものが、制御部５１に相当する。
【００６３】
装置制御部５２は、第１波長掃引光源１２Ａが第１光を射出するように第１波長掃引光源１２Ａを制御し、第２波長掃引光源１２Ｂが第２光を射出するように第２波長掃引光源１２Ｂを制御する。また、装置制御部５２は、第１干渉光を検出した第１干渉光検出部３２Ａに対して、第１干渉信号を装置制御部５２に出力するように第１干渉光検出部３２Ａを制御する。また、装置制御部５２は、第２干渉光を検出した第２干渉光検出部３２Ｂに対して、第２干渉信号を装置制御部５２に出力するように第２干渉光検出部３２Ｂを制御する。また、装置制御部５２は、第３干渉光を検出した第３干渉光検出部３２Ｃに対して、第３干渉信号を装置制御部５２に出力するように第３干渉光検出部３２Ｃを制御する。また、装置制御部５２は、図示しない計時部を備えており、第１干渉光検出部３２Ａによる第１干渉光の検出と、第２干渉光検出部３２Ｂによる第２干渉光の検出と、第３干渉光検出部３２Ｃによる第３干渉光の検出との検出時刻を同期させる。すなわち、制御装置５０は、同じタイミングで第１干渉信号、第２干渉信号および第３干渉信号を取得する。制御部５１は、取得した第１干渉信号、第２干渉信号および第３干渉信号と、計時部により計時された時刻を示す情報とを対応付けて記憶部６４に記憶させる。
【００６４】
第１干渉信号取得部５４は、第１干渉光検出部３２Ａから出力された第１干渉信号を取得する。
第２干渉信号取得部５６は、第２干渉光検出部３２Ｂから出力された第２干渉信号を取得する。
第３干渉信号取得部５８は、第３干渉光検出部３２Ｃから出力された第３干渉信号を取得する。
【００６５】
光路長算出部６０は、第１干渉信号取得部５４により取得された第１干渉信号に基づいて、第１光路長Ｌ１５５０を算出する。第１光路長Ｌ１５５０とは、第１コリメータ２４Ａにより照射された第１測定光が距離Ｌ１およびＬ２を伝播する時の光学的距離である。また、光路長算出部６０は、第２干渉信号取得部５６により取得された第２干渉信号に基づいて、第２光路長Ｌ１３１０を算出する。第２光路長Ｌ１３１０とは、第１コリメータ２４Ａにより照射された第２測定光が距離Ｌ１およびＬ２を伝播する際の光学的距離である。また、光路長算出部６０は、第３干渉信号取得部５８により取得された第３干渉信号に基づいて、第３光路長を算出する。第３光路長とは、第１コリメータ２４Ａにより照射された第３測定光が距離Ｌ０およびＬ２を伝播する際の光学的距離である。なお、光路長算出部６０は、第１光路長、第２光路長および第３光路長を算出する際、記憶部６４から各種情報を取得する。各種情報とは、例えば、光速度や距離Ｌ２等の第１光路長、第２光路長および第３光路長を算出するために必要なパラメータである。
【００６６】
光路長算出部６０は、第１干渉信号に対応付けられた時刻を用いて、予め決められた時間範囲における第１干渉信号を記憶部６４から読み込み、読み込んだ第１干渉信号をフーリエ変換する。そして、光路長算出部６０は、フーリエ変換した第１干渉信号から、第１ピーク周波数を検出する。第１ピーク周波数とは、第１干渉信号をフーリエ変換することで得られる第１周波数スペクトルが最大値（ピーク）となる周波数である。
【００６７】
ここで、図１０を参照することで、光路長算出部６０が第１ピーク周波数を算出する方法について説明する。図１０は、第１干渉光をフーリエ変換することで得られる第１周波数スペクトルの一例を示すグラフである。図１０に示したグラフの横軸は、周波数（単位は、［ｋＨｚ］である）を表す。また、グラフの縦軸は、周波数スペクトルの振幅（単位は、例えば、［Ｗ／Ｈｚ］である）を表す。なお、図１０は、距離Ｌ１と距離Ｌ２の差が５［ｍｍ］の場合の周波数スペクトルを示す。
【００６８】
光路長算出部６０は、例えば、図１０において、第１周波数スペクトルＬＮ６がピークＰ１となる時の第１ピーク周波数２０００［ｋＨｚ］を検出する。なお、第１ピーク周波数は、距離Ｌ１と距離Ｌ２との差に応じて変化する。
【００６９】
また、光路長算出部６０は、第２干渉信号に対応付けられた時刻を用いて、予め決められた時間範囲における第２干渉信号を記憶部６４から読み込み、読み込んだ第２干渉信号をフーリエ変換する。そして、光路長算出部６０は、フーリエ変換された第２干渉信号から、第２ピーク周波数を検出する。第２ピーク周波数とは、第２干渉信号をフーリエ変換することで得られる第２周波数スペクトルが最大値となる周波数である。
【００７０】
ここで、図１１を参照することで、光路長算出部６０が第２ピーク周波数を算出する方法について説明する。図１１は、第２干渉光をフーリエ変換することで得られる第２周波数スペクトルの一例を示すグラフである。図１１に示したグラフの横軸は、周波数（単位は、［ｋＨｚ］である）を表す。また、グラフの縦軸は、周波数スペクトルの振幅（単位は、例えば、［Ｗ／Ｈｚ］である）を表す。なお、図１１は、距離Ｌ１と距離Ｌ２の差が５［ｍｍ］の場合の周波数スペクトルを示す。
【００７１】
光路長算出部６０は、例えば、図１１において、第２周波数スペクトルＬＮ７がピークＰ２となる時の第２ピーク周波数の値１３００［ｋＨｚ］を検出する。なお、第２ピーク周波数は、距離Ｌ１と距離Ｌ２との差に応じて変化する。
【００７２】
また、光路長算出部６０は、第３干渉信号に対応付けられた時刻を用いて、予め決められた時間範囲における第３干渉信号を記憶部６４から読み込み、読み込んだ第３干渉信号をフーリエ変換する。そして、光路長算出部６０は、フーリエ変換された第３干渉信号から、第３ピーク周波数を検出する。第３ピーク周波数とは、第３干渉信号をフーリエ変換することで得られる第３周波数スペクトルが最大値となる周波数である。
【００７３】
ここで、図１２を参照することで、光路長算出部６０が第３ピーク周波数を算出する方法について説明する。図１２は、第３干渉光をフーリエ変換することで得られる第３周波数スペクトルの一例を示すグラフである。図１２に示したグラフの横軸は、周波数（単位は、［Ｈｚ］である）を表す。また、グラフの縦軸は、周波数スペクトルの振幅（単位は、例えば、［Ｗ／Ｈｚ］である）を表す。なお、図１２は、距離Ｌ０と距離Ｌ２の差が５［ｍｍ］の場合の周波数スペクトルを示す。
【００７４】
光路長算出部６０は、例えば、図１２において、第３周波数スペクトルＬＮ８がピークＰ３となる時の第３ピーク周波数の値５００［Ｈｚ］を検出する。なお、第３ピーク周波数は、距離Ｌ０と距離Ｌ２との差に応じて変化する。
【００７５】
光路長算出部６０は、第１ピーク周波数を検出すると、記憶部６４に予め記憶された既知の第１ピーク周波数と既知の光路長とを対応付けた第１対応情報を読み込む。そして、光路長算出部６０は、読み込んだ第１対応情報から、検出した第１ピーク周波数に対応付けられた第１光路長Ｌ１５５０を検出する。また、光路長算出部６０は、第２ピーク周波数を検出すると、記憶部６４に予め記憶された既知の第２ピーク周波数と既知の光路長とを対応付けた第２対応情報を読み込む。そして、光路長算出部６０は、読み込んだ第２対応情報から、検出した第２ピーク周波数に対応付けられた第２光路長Ｌ１３１０を検出する。
また、光路長算出部６０は、第３ピーク周波数を検出すると、記憶部６４に予め記憶された既知の第３ピーク周波数と既知の光路長とを対応付けた第３対応情報を読み込む。そして、光路長算出部６０は、読み込んだ第３対応情報から、検出した第３ピーク周波数に対応付けられた第３光路長Ｌ８４６０を検出する。なお、第１対応情報、第２対応情報および第３対応情報は、キャリブレーション等によって記憶部６４に予め記憶されているものとする。
【００７６】
距離導出部６２は、光路長算出部６０により算出された第１光路長Ｌ１５５０、第２光路長Ｌ１３１０および第３光路長Ｌ８４６０に基づいて、干渉計２０から測定対象物ＳＭの反射面ＳＭ＃までの距離Ｌ１および干渉計２０から液体ＬＭの反射面ＬＭ＃までの距離Ｌ０の差である距離Ｄ（＝Ｌ１−Ｌ０）を算出する。
【００７７】
記憶部６４は、例えば、ＨＤＤ（Hard  Disk  Drive）やＳＳＤ（Solid  State  Drive）、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically  Erasable  Programmable  Read−Only  Memory）、ＲＯＭ（Read−Only  Memory）、ＲＡＭ（Random  Access  Memory）等を含み、制御装置５０が距離Ｌ１を算出するための各種情報を格納する。なお、記憶部６４は、制御装置５０に内蔵されるものに代えて、外付け型の記憶装置でもよい。
【００７８】
［制御装置５０の動作フロー］
以下、図１３を参照することにより、制御装置５０の各機能部が行う処理について説明する。図１３は、制御装置５０により実行される処理の流れの一例を示すフローチャートである。まず、装置制御部５２は、第１波長掃引光源１２Ａに第１光を射出させ、第２波長掃引光源１２Ｂに第２光を射出させる（ステップＳ１００）。
【００７９】
次に、第１干渉信号取得部５４は、第１干渉光検出部３２Ａから出力された第１干渉信号を取得する（ステップＳ１０２）。次に、第２干渉信号取得部５６は、第２干渉光検出部３２Ｂから出力された第２干渉信号を取得する（ステップＳ１０４）。次に、第３干渉信号取得部５８は、第３干渉光検出部３２Ｃから出力された第３干渉信号を取得する（ステップＳ１０６）。そして、制御部５１は、取得した第１干渉信号、第２干渉信号および第３干渉信号を、装置制御部５２が備える図示しない計時部により計時された時刻を示す情報と対応付けて記憶部６４に記憶させる。なお、制御装置５０が行う処理のうち、ステップＳ１０２〜Ｓ１０６は、任意の順序であってもよいし、一部または全部が同時に行われてもよい。
【００８０】
次に、光路長算出部６０は、第１干渉信号取得部５４により取得された第１干渉信号に基づいて、第１光路長Ｌ１５５０を算出し、第２干渉信号取得部５６により取得された第２干渉信号に基づいて、第２光路長Ｌ１３１０を算出し、第３干渉信号取得部５８により取得された第３干渉信号に基づいて、第３光路長を算出する（ステップＳ１０８）。なお、光路長算出部６０は、第１光路長、第２光路長および第３光路長を算出する際、記憶部６４から各種情報を取得する。
【００８１】
次に、距離導出部６２は、光路長算出部６０により算出された第１光路長Ｌ１５５０、第２光路長Ｌ１３１０および第３光路長Ｌ８４６０に基づいて、干渉計２０から測定対象物ＳＭの反射面ＳＭ＃までの距離Ｌ１および干渉計２０から液体ＬＭの反射面ＬＭ＃までの距離Ｌ０の差である距離Ｄ（＝Ｌ１−Ｌ０）を算出する（ステップＳ１１０）。
【００８２】
ここで、以下の数式を参照して、光路長算出部６０が算出した第１光路長Ｌ１５５０および第２光路長Ｌ１３１０と液体ＬＭに依存した屈折率とを用いて距離Ｄを算出する方法について説明する。なお、以下の数式（８）、（９）において、第１光路長Ｌ１５５０および第２光路長Ｌ１３１０は、第３光路長Ｌ８４６０を引いた値とする。
【００８３】
【数８】
2019090840.tif 000010
【００８４】
【数９】
2019090840.tif 000011
【００８５】
まず、第１測定光が液体ＬＭの中を伝播するときの液体ＬＭに依存した屈折率を第１屈折率ｎ１５５０とし、第２測定光が液体ＬＭの中を伝播するときの液体ＬＭに依存した屈折率を第２屈折率ｎ１３１０とした場合、算出したい距離Ｄとの間には、以下の関係式が成り立つ。
【００８６】
【数１０】
2019090840.tif 000012
【００８７】
上記の式（１０）に基づいて、モンテカルロシミュレーション等の数値計算を用いて距離Ｄを算出することができる。例えば、上記の式（１０）における第１屈折率ｎ１５５０の値と第２屈折率ｎ１３１０の値とをそれぞれ、モンテカルロシミュレーション等を用いてランダムに割り振る方法がある。この方法では、第１光路長Ｌ１５５０＊を第１屈折率ｎ１５５０で除算した値と、第２光路長Ｌ１３１０＊を第２屈折率ｎ１３１０で除算した値とが同じ値となった時、その値が算出したい距離Ｄとなる。しかし、この方法では、２つのパラメータ（第１屈折率ｎ１５５０と第２屈折率ｎ１３１０）をそれぞれランダムに割り振ることによって、１つのパラメータをランダムに割り振る場合に比べて計算時間が長くなる。そこで、以下の方法によって、２つのパラメータをランダムに割り振ることで距離Ｄを算出する場合と比較して、より早く距離Ｄを算出する。
【００８８】
また、第１光路長と第２光路長の差（Ｌ１５５０*−Ｌ１３１０*）をΔＬとすると、以下の式（１１）が成り立つ。
【００８９】
【数１１】
2019090840.tif 000013
【００９０】
また、式（１１）は、以下の式（１２）のように変形して表される。
【００９１】
【数１２】
2019090840.tif 000014
【００９２】
ここで、式（１１）および式（１２）に基づいて、第１屈折率ｎ１５５０と第２屈折率ｎ１３１０の比は、以下の式（１３）のように表される。
【００９３】
【数１３】
2019090840.tif 000015
【００９４】
一方、距離Ｄの二乗は、式（１０）により以下の式（１４）のように表される。
【００９５】
【数１４】
2019090840.tif 000016
【００９６】
ここで、式（１４）は、式（１３）により以下の式（１５）のように変形して表される。
【００９７】
【数１５】
2019090840.tif 000017
【００９８】
次に、距離Ｄの二乗を表した式（１５）から距離Ｄは、第１屈折率ｎ１５５０を用いて以下の式（１６）のように表される。
【００９９】
【数１６】
2019090840.tif 000018
【０１００】
また、距離Ｄの二乗を表した式（１５）から距離Ｄは、第２屈折率ｎ１３１０を用いて以下の式（１７）のように表される。
【０１０１】
【数１７】
2019090840.tif 000019
【０１０２】
また、式（１７）は、式（１３）を用いて以下の式（１８）のように表される。
【０１０３】
【数１８】
2019090840.tif 000020
【０１０４】
上記の式（１６）および式（１８）は、距離Ｄを、測定値である第１光路長Ｌ１５５０*および第２光路長Ｌ１３１０*と、未知数である第１屈折率ｎ１５５０とで表した式である。また、上述したように、式（１２）により、式（１６）および式（１８）の未知数は、いずれも１つのパラメータである第１屈折率ｎ１５５０のみとなっている。距離導出部６２は、距離Ｄを、式（１６）と式（１８）の連立方程式を解くことで算出する。また、距離導出部６２は、未知数である第１屈折率ｎ１５５０を、式（１３）、式（１６）および式（１８）の連立方程式を解くことで算出する。
【０１０５】
この連立方程式を解く方法の一例として、距離導出部６２は、例えば、所定の範囲内（例えば、±０．００１）で第１屈折率ｎ１５５０の値を変化させ、式（１６）における距離Ｄと式（１８）における距離Ｄとが一致する値を算出する。
【０１０６】
この時、距離導出部６２は、モンテカルロシミュレーション等によって、所定の範囲内（例えば、±０．００１）で第１屈折率ｎ１５５０の値をランダムに変化させてもよいし、所定の範囲内（例えば、±０．００１）で第１屈折率ｎ１５５０の値を連続的に変化させてもよい。また、距離導出部６２は、所定の範囲内（例えば、±０．００１）で第１屈折率ｎ１５５０の値を総当たりしてもよい。
【０１０７】
距離導出部６２は、所定の範囲において第１屈折率ｎ１５５０を変化させた時に、式（１６）と式（１８）とが一致した時の値を距離Ｄとして算出する。これによって、第１光路長Ｌ１５５０＊と第２光路長Ｌ１３１０＊との２つの光路長を用いずに距離Ｄを算出する場合に比べて、高い精度で距離Ｄを算出することができる。この結果、液体ＬＭの反射面ＬＭ＃から測定対象物ＳＭの反射面ＳＭ＃までの距離Ｄを精度良く測定することができる。また、距離導出部６２は、式（１０）を用いて第１屈折率ｎ１５５０および第２屈折率ｎ１３１０を算出してもよい。これによって、距離Ｄを測定しつつ、算出した第１屈折率ｎ１５５０と第２屈折率ｎ１３１０のうちいずれか一方又は両方に基づいて、液体ＬＭの成分を分析することができる。この結果、距離測定装置１０は、液体ＬＭに接触せずに液体ＬＭを特定することができる。
【０１０８】
また、ここで、図１４および図１５を参照することで、距離導出部６２が距離（Ｌ１−Ｌ２）および距離（Ｌ０-Ｌ２）を算出する別の方法について説明する。図１４は、既知の第１ピーク周波数および既知の第２ピーク周波数と既知の距離（Ｌ１−Ｌ２）との相関関係を示すグラフである。図１４に示したグラフの横軸は、距離（単位は、［ｍｍ］である）を表す。また、グラフの縦軸は、第１干渉信号および第２干渉信号の周波数（単位は、例えば、［ＭＨｚ］である）を表す。
【０１０９】
また、図１５は、既知の第３ピーク周波数と既知の距離（Ｌ０−Ｌ２）との相関関係を示すグラフである。図１５に示したグラフの横軸は、距離（単位は、［ｍｍ］である）を表す。また、グラフの縦軸は、第３干渉信号の周波数（単位は、例えば、［ｋＨｚ］である）を表す。
【０１１０】
距離導出部６２は、光路長算出部６０により検出された第１ピーク周波数および第２ピーク周波数に基づいて、既知の第１ピーク周波数および既知の第２ピーク周波数と既知の距離（Ｌ１−Ｌ２）との相関関係を示すデータ（図１４）を参照して、距離（Ｌ１−Ｌ２）を算出する。光路長算出部６０は、例えば、検出した第１ピーク周波数の値が２［ＭＨｚ］の場合、検出した周波数に対応する距離（Ｌ１−Ｌ２）の値５［ｍｍ］を読み取る。また、光路長算出部６０は、例えば、検出した第２ピーク周波数の値が１．３［ＭＨｚ］の場合、検出した周波数に対応する距離（Ｌ１−Ｌ２）の値５［ｍｍ］を読み取る。なお、図１４に示す既知の第１ピーク周波数および既知の第２ピーク周波数と既知の距離（Ｌ１−Ｌ２）との相関関係を示すデータは、予め制御装置５０によって取得され、記憶部６４に記憶されているものとする。
【０１１１】
また、距離導出部６２は、光路長算出部６０により検出した第３ピーク周波数に基づいて、既知の第３ピーク周波数と既知の距離（Ｌ０−Ｌ２）との相関関係を示すデータ（図１５）を参照して、求めたい第３光路長を算出する。光路長算出部６０は、例えば、検出した第３ピーク周波数の値が０．５［ｋＨｚ］の場合、検出した周波数に対応する第３光路長の値２［ｍｍ］を読み取る。なお、図１５に示す既知の第３ピーク周波数と既知の距離（Ｌ０−Ｌ２）との相関関係を示すデータは、予め制御装置５０によって取得され、記憶部６４に記憶されているものとする。
【０１１２】
距離導出部６２は、読み取った距離（Ｌ１−Ｌ２）および距離（Ｌ０−Ｌ２）から距離Ｄを算出する。また、距離導出部６２は、例えば、図１４および図１５に示したデータを参照し算出した距離Ｄと、モンテカルロシミュレーション等の数値計算によって算出した距離Ｄとのどちらか一方を測定結果として出力してもよいし、両方の平均値を測定結果として出力してもよい。これによって、測定した距離Ｄに含まれる誤差の影響を小さくすることができる。これによって、本フローチャートの処理が終了する。
【０１１３】
以上説明した本実施形態の距離測定装置１０によれば、第１コリメータ２４Ａが第１波長帯で波長が変化する第１測定光と、第１波長帯とは異なる第２波長帯で波長が変化する第２測定光と、第１測定光および第２測定光とは異なる波長の第３測定光とを、液体ＬＭ中の測定対象物ＳＭに対して照射し、測定対象物ＳＭにて反射した第１反射光および第２反射光と、液体ＬＭにて反射した第３反射光とを受光し、受光した第１反射光、第２反射光および第３反射光に基づいて、液体ＬＭの反射面ＬＭ＃から測定対象物ＳＭの反射面ＳＭ＃までの距離Ｄを算出することによって、干渉計２０から測定対象物ＳＭの反射面ＳＭ＃までの距離Ｌ１に含まれる誤差を小さくしつつ、干渉計２０から液体ＬＭの反射面ＬＭ＃までの距離Ｌ０に含まれる誤差を小さくすることができ、距離Ｌ１と距離Ｌ０との差である距離Ｄを真値に対してより正確に算出することができる。この結果、距離測定装置１０は、液体中の物体までの距離を精度良く測定することができる。
【０１１４】
また、本実施形態の距離測定装置１０によれば、第１光と第２光との干渉により生成された第３光を液体ＬＭ中の測定対象物ＳＭの形状の測定に用いることによって、波長ごとの測定距離の違いから、液体の屈折率を算出することができる。この結果、液体ＬＭに接触せずに液体ＬＭを特定することができる。
【０１１５】
（第２実施形態）
以下、本発明の第２実施形態について、図面を参照して説明する。第２実施形態に係る距離測定装置１０は、測定対象物ＳＭにて反射された第１反射光および第２反射光と、液体ＬＭにて反射された第３反射光と、反射体ＲＭで反射された第１参照光、第２参照光および第３参照光との６つの光を干渉させる構成に代えて、測定対象物ＳＭにて反射された第１反射光および第２反射光と、液体ＬＭにて反射された第３反射光と、第１測定光が液体ＬＭにて反射された第１参照光と、第２測定光が液体ＬＭにて反射された第２参照光と、第３測定光が第１コリメータ２４Ａにて端面反射された第３参照光とを干渉させる構成となっている。なお、第１の実施形態と共通する機能等についての説明は省略する。
【０１１６】
図１６は、第２実施形態に係る距離測定装置１０の一例を示す構成図である。一部の構成については、図２及び図９を援用し、同じ機能部に対して同一の符号を付して説明する。距離測定装置１０は、例えば、第１波長掃引光源１２Ａと、第２波長掃引光源１２Ｂと、干渉計２０−１と、第１干渉光検出部３２Ａと、第２干渉光検出部３２Ｂと、第３干渉光検出部３２Ｃと、制御装置５０とを備える。
【０１１７】
干渉計２０−１は、例えば、光カプラ２２−１と、第１コリメータ２４Ａと、光ファイバーＦ３とを備える。
【０１１８】
光カプラ２２−１は、光ファイバーＦ３を介して第１コリメータ２４Ａに接続されている。光カプラ２２−１は、例えば、光ファイバーＦ１を接続する接続ポートＰ１（不図示）と、光ファイバーＦ２を接続する接続ポートＰ２（不図示）と、光ファイバーＦ３を接続する接続ポートＰ３（不図示）と、光ファイバーＦ５を接続する接続ポートＰ５（不図示）と、光ファイバーＦ６を接続する接続ポートＰ６（不図示）と、光ファイバーＦ７を接続する接続ポートＰ７（不図示）と、各接続ポートを繋ぐ光ファイバーコネクタ（不図示）とを有する。光カプラ２２は、例えば、接続ポートＰ１、Ｐ２、Ｐ５、Ｐ６、Ｐ７を１次ポートとし、接続ポートＰ３を２次ポートとする５対１の光ファイバーカプラ等である。
【０１１９】
光ファイバーＦ１から接続ポートＰ１に導光された第１光は、接続ポートＰ３を介して光ファイバーＦ３に第１測定光として導光される。また、光ファイバーＦ２から接続ポートＰ２に導光された第２光は、接続ポートＰ３を介して光ファイバーＦ３に第２測定光として導光される。また、光カプラ２２−１の中で生成された第３光は、接続ポートＰ３を介して光ファイバーＦ３に第３測定光として導光される。
【０１２０】
第１コリメータ２４Ａは、導光された光を平行光へ変化させるか、又はある焦点に集光させる。第１コリメータ２４Ａは、光ファイバーＦ３を介して導光された第１測定光、第２測定光および第３測定光の一部または全部を透過する。そして、第１コリメータ２４Ａは、透過した第１測定光、第２測定光および第３測定光の一部または全部を平行光あるいは集光された光に変化させる。平行光あるいは集光された光となった第１測定光、第２測定光および第３測定光の一部または全部は、第１コリメータ２４Ａから測定対象物ＳＭへ向けて照射される。
【０１２１】
第１コリメータ２４Ａにより照射された第１測定光は、測定対象物ＳＭによって反射されて第１反射光として第１コリメータ２４Ａに入射される。また、第１コリメータ２４Ａにより照射された第１測定光の一部は、液体ＬＭによって反射されて第１参照光として第１コリメータ２４Ａに入射される。また、第１コリメータ２４Ａにより照射された第２測定光は、測定対象物ＳＭによって反射されて第２反射光として第１コリメータ２４Ａに入射される。また、第１コリメータ２４Ａにより照射された第２測定光の一部は、液体ＬＭによって反射されて第２参照光として第１コリメータ２４Ａに入射される。また、第１コリメータ２４Ａにより照射された第３測定光は、液体ＬＭによって反射されて第３反射光として第１コリメータ２４Ａに入射される。また、第１コリメータ２４Ａにより照射された第３測定光の一部は、第１コリメータ２４Ａにて端面反射されて第３参照光として第１コリメータ２４Ａに入射される。第１コリメータ２４Ａに入射した第１反射光、第２反射光、第３反射光、第１参照光、第２参照光および第３参照光は、光ファイバーＦ３を介して光カプラ２２に導光される。
【０１２２】
ここで、光ファイバーＦ３を介して光カプラ２２に導光された第１反射光、第２反射光、第３反射光、第１参照光、第２参照光および第３参照光は、光カプラ２２の中で干渉し合成した複数の干渉光を生成する。生成された複数の干渉光は、光ファイバーＦ５を介して第１干渉光検出部３２Ａへ導光され、光ファイバーＦ６を介して第２干渉光検出部３２Ｂへ導光され、光ファイバーＦ７を介して第３干渉光検出部３２Ｃへ導光される。
【０１２３】
このように、本実施形態における距離測定装置１０は、反射体ＲＭによって反射した光を第１参照光、第２参照光および第３参照光として干渉光を生成させる構成に代えて、液体ＬＭによって反射した光を第１参照光および第２参照光とし、第１コリメータ２４Ａによって端面反射した光を第３参照光として干渉光を生成させる構成としたため、第１の実施形態と同様の効果が得られる。また、距離測定装置１０は、第１の実施形態と同様の効果に加えて、第１の実施形態における光カプラ２２から第１コリメータ２４Ａまでの間の光ファイバーＦ３の長さと、第１の実施形態における光カプラ２２から第２コリメータ２４Ｂまでの間の光ファイバーＦ４の長さとが気温等によって伸縮することによる光路長の差異の発生を抑制することができる。さらに、距離測定装置１０は、図２に示した構成と比べて、設備コストを削減することができる。
【０１２４】
上記の第１および第２実施形態の説明において、干渉計２０が、光ファイバーＦ３およびＦ４と、光カプラ２２と、第１コリメータ２４Ａと、第２コリメータ２４Ｂと、反射体ＲＭとを備えているものとして説明したが、これに限られるものではなく、例えば、干渉計２０が、光ファイバーＦ１、Ｆ２、Ｆ７、Ｆ８、Ｆ９のうちの一部又は全部を備える構成であってもよい。また、干渉計２０は、さらに、第１波長掃引光源１２Ａと、第２波長掃引光源１２Ｂと、第１干渉光検出部３２Ａと、第２干渉光検出部３２Ｂと、第３干渉光検出部３２Ｃのうちの一部又は全部を備える構成であってもよい。
【０１２５】
また、距離測定装置１０では、第１干渉光検出部３２Ａが第１バンドパスフィルターを用いて第１干渉光を検出し、第２干渉光検出部３２Ｂが第２バンドパスフィルターを用いて第２干渉光を検出し、第３干渉光検出部３２Ｃが第３バンドパスフィルターを用いて第３干渉光を検出する構成としたが、これに代えて、光カプラ２２から第１反射光と第２反射光と第３反射光と第１参照光と第２参照光と第３参照光とが干渉を起こした１つの干渉光が１つの光ファイバーを介して１つの干渉光検出部に導光され、干渉光検出部で検出される構成であってもよい。この場合、制御装置５０は、１つの干渉光をフーリエ変換して得られる周波数スペクトルから、３つのピークＰ１、Ｐ２およびＰ３を検出し、それぞれのピークに対応した第１ピーク周波数、第２ピーク周波数および第３ピーク周波数を、第１波長帯、第２波長帯および第３波長帯に対応するピークに基づいて検出するものとする。第１干渉光検出部３２Ａ、第２干渉光検出部３２Ｂおよび第３干渉光検出部３２Ｃは、受光部の一例である。
【０１２６】
また、制御部５１は、取得した第１干渉光、第２干渉光および第３干渉光を、計時部により計時された時刻と関連付けて記憶部６４に記憶する構成としたが、これに代えて、取得した第１干渉光、第２干渉光および第３干渉光を、干渉光を取得するまでに経過する時間の間隔と対応付けて記憶部６４に記憶するとしてもよい。
【０１２７】
また、第１波長掃引光源１２Ａが掃引する第１光の波長帯は、第１波長帯（１５５０±１００［ｎｍ］）に限られず、他の波長帯で掃引されてもよい。また、第２波長掃引光源１２Ｂが掃引する第２光の波長帯は、第２波長帯（１３１０±１００［ｎｍ］）に限られず、他の波長帯で掃引されてもよい。なお、第１光の波長帯と第２光の波長帯は、互いに異なる波長帯とする。また、第１光の波長帯および第２光の波長帯は、第１光および第２光により生成される第３光が赤外光となるように掃引する。
【０１２８】
なお、第１波長掃引光源１２Ａと制御装置５０、第２波長掃引光源１２Ｂと制御装置５０、第１干渉光検出部３２Ａと制御装置５０、第２干渉光検出部３２Ｂと制御装置５０、第３干渉光検出部３２Ｃと制御装置５０のうち一部又は全部は、無線によって通信可能に接続されてもよい。
【０１２９】
また、距離測定装置１０では、第１反射光および第１参照光が干渉した光を第１干渉光として取得するため、第１波長掃引光源１２Ａから射出される第１光を分岐した際の可干渉距離は、図１に示した距離Ｌ１と距離Ｌ２との差よりも長くなければならない。
また、距離測定装置１０では、第２測定光および第２参照光が干渉した光を第２干渉光として取得するため、第２波長掃引光源１２Ｂから射出される第２光の可干渉距離は、図１に示した距離Ｌ１と距離Ｌ２との差よりも長くなければならない。
【０１３０】
また、上記の実施形態において、干渉計２０の好ましい一例として、光カプラ２２から第１コリメータ２４Ａまでの光路長と、光カプラ２２から第２コリメータ２４Ｂまでの光路長とは、同じ距離であるとしたが、これに代えて、例えば、第１コリメータ２４Ａから測定対象物ＳＭの反射面ＳＭ＃までの距離Ｌ１と、波長掃引光源１２の可干渉距離に応じて、光路長差を光ファイバーＦ３および光ファイバーＦ４の長さを変えることで調整しても良い。
【０１３１】
また、測定対象物ＳＭにおいて、距離Ｌ１を測定したい点が複数ある場合は、図１５に示した一連の処理を、測定したい点の数だけ繰り返すとしてもよい。その場合、距離測定装置１０は、測定光の照射方向を測定したい点に向けて変更可能であるとし、測定方向を示す情報も対応付けて記憶部６４に記憶するようにする。
【０１３２】
また、干渉計２０は、測定対象物ＳＭにて反射された第１反射光および第２反射光と、液体ＬＭにて反射された第３反射光と、反射体ＲＭにて反射された第１参照光、第２参照光および第３参照光とを干渉させることで干渉光を発生させる構成を別の構成に代えてもよい。例えば、光ファイバーＦ６がループ状の経路となるように光カプラ２２に接続され、そのループ状の経路を通過して光カプラ２２に戻ってきた第１参照光、第２参照光および第３参照光と、測定対象物ＳＭにて反射された第１測定光および第２測定光と、液体ＬＭにて反射された第３反射光とを干渉させることで干渉光を発生させる構成等としてもよい。このループ状の経路は、測定対象物ＳＭの反射面ＳＭ＃までの距離Ｌ１と、波長掃引光源１２の可干渉距離に応じて調整しても良い。
【０１３３】
なお、以上に説明した装置（例えば、距離測定装置１０）における制御装置５０の機能を実現するためのプログラムを、コンピュータ読み取り可能な記録媒質に記録し、そのプログラムをコンピューターシステムに読み込ませて実行するようにしてもよい。なお、ここでいう「コンピューターシステム」とは、ＯＳ（Operating  System）や周辺機器等のハードウェアを含むものとする。
【０１３４】
また、コンピュータ読み取り可能な記録媒質とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ（Compact  Disk）−ＲＯＭ等の可搬媒質、コンピューターシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒質」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバーやクライアントとなるコンピューターシステム内部の揮発性メモリー（ＲＡＭ）のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。
【０１３５】
また、上記のプログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピューターシステムから、伝送媒質を介して、あるいは、伝送媒質中の伝送波により他のコンピューターシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒質」は、インターネット等のネットワーク（通信網）や電話回線等の通信回線（通信線）のように情報を伝送する機能を有する媒質のことをいう。
【０１３６】
また、上記のプログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。さらに、上記のプログラムは、前述した機能をコンピューターシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であってもよい。
【０１３７】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【０１３８】
１０…距離測定装置、１２Ａ…第１波長掃引光源、１２Ｂ…第２波長掃引光源、２０、２０−１…干渉計、２２、２２−１…光カプラ、２４Ａ…第１コリメータ、２４Ｂ…第２コリメータ、３２Ａ…第１干渉光検出部、３２Ｂ…第２干渉光検出部、３２Ｃ…第３干渉光検出部、５０…制御装置、５１…制御部、５２…装置制御部、５４…第１干渉信号取得部、５６…第２干渉信号取得部、５８…第３干渉信号取得部、６０…光路長算出部、６２…距離導出部、６４…記憶部、ＬＭ…液体、ＳＭ…測定対象物、ＲＭ…反射体
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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