(57)【要約】【課題】干渉縞の振幅ゆらぎに影響されず、干渉縞の位置の決定を精度良く行える長さ測定方法を実現する。【解決手段】測定干渉計３と参照干渉計４が、光ファイバー５を介して結合されているタンデム低コヒーレンス干渉計１を利用した寸法測定方法において、低コヒーレンス光源により、中心波長の異なる２つの波長をタンデム低コヒーレンス干渉計１に入力し、２つの波長のそれぞれについて、被測定ブロックゲージ２の２点（ゲージ表面とベースプレート表面）についての干渉縞を形成し、上記２点についての互いに対応する干渉縞の位相を測定し、２つの波長についてそれぞれ測定した上記位相について、互いに最も合致した値の位相の組み合わせにより、被測定物の２点間の距離を決定することを特徴とする低コヒーレンス干渉の合致法による高精度長さ測定方法。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
低コヒーレンス干渉を利用した寸法測定方法において、
中心波長の異なる２つの波長の低コヒーレンス光源による干渉縞の位相決定を行い、これらの位相の測定値を用いて合致をとることによって、２点間の距離を決定することを特徴とする低コヒーレンス干渉の合致法による高精度長さ測定方法。
【請求項２】
測定干渉計と参照干渉計が、光ファイバーを介して結合されているタンデム低コヒーレンス干渉計を利用した寸法測定方法において、
２つの低コヒーレンス光源により、中心波長の異なる２つの波長をタンデム低コヒーレンス干渉計に入力し、２つの波長のそれぞれについて、被測定物の２点についての干渉縞を形成し、上記２点についての互いに対応する干渉縞の位相を測定し、
２つの波長についてそれぞれ測定した上記位相について、互いに最も合致した値の位相の組み合わせにより、被測定物の２点間の距離を決定することを特徴とする低コヒーレンス干渉の合致法による高精度長さ測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低コヒーレンス干渉の合致法による高精度で長さを測定する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
各種の産業技術分野の生産現場あるいは研究部門において、精密な長さ測定が重要であり、精密機械工業や半導体関連工業における精密加工や寸法測定において、特に精密な長さ測定が求められている。
【０００３】
（低コヒーレンス干渉）
従来、低いコヒーレンス長の光による二光束干渉計を利用した測長が知られている。この二光束干渉計によれば、干渉縞は、干渉計の光路長が等しい時に最大振幅で形成され、光路長の差が大きくなると干渉縞の振幅が次第に小さくなる。従って、このような干渉縞パターンのエンベロープを利用して、最大振幅の干渉縞の空間位置を決定すれば、精密な位置決めが可能である。
【０００４】
（タンデム低コヒーレンス干渉）
低いコヒーレンス長の光による二光束干渉計を利用したものとして、図１に示すように、二つの低コヒーレンス干渉計（参照干渉計と測定干渉計）をタンデムに構成するタンデム低コヒーレンス干渉を利用したものが知られている。
【０００５】
このタンデム低コヒーレンス干渉では、参照干渉計の光路長差（D０−D１）を、利用した光源のコヒーレンス長よりも長くしておくと、この干渉計だけでは干渉しない。これと同じように、測定干渉計も設定する。
【０００６】
この参照干渉計からの出力光を、測定干渉計に入力させると、これらの干渉計は一体となるので、測定干渉計の光路長の差（D２−D３）が、参照干渉計と一致するときのみに、通常の単一干渉計と同種の干渉縞が形成されるので、空間位置決めが可能である。
【０００７】
（遠隔測定）
ところで、このタンデム低コヒーレンス干渉を利用して、参照干渉計と測定干渉計とを光ファイバーで連結すると、参照干渉計と測定干渉計とを数百ｋｍの距離も離すことができるので、遠隔測定が可能になる。本発明者等は、すでにこのような遠隔測定について提案を行っている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特許５２０３２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記従来の低コヒーレンス干渉計の問題点を、図３を参照して説明する。図３（ａ）は、干渉計を電歪装置によって走査して形成される干渉縞の状態を示し、異なる時刻に取得されたデータである。ここで、ETRAC０００、ETRAC０１０、ETRAC０２０等の記号は、繰り返し測定を行った時のデータ番号を示し、縦軸は干渉縞の振幅を示す電圧である。図３（ｂ）はその一部（縦楕円太線で囲った部分）の拡大図である。大気ゆらぎや機械的振動などによって干渉縞の振幅の変動が発生し、干渉縞の振幅の最大と最小のセットが異なる場合がある。このため、干渉縞次数を一義的に決定することが困難である。
【０００９】
従来の低コヒーレンス干渉法は、大気ゆらぎや機械的振動などにより振幅ゆらぎを受けて、干渉縞の振幅が変動する場合が存在する。特に、低コヒーレンス干渉計をタンデムに配置すると、SN比がさらに悪くなるので、干渉縞の振幅変動が大きくなることが存在する。
【００１０】
したがって、低コヒーレンス光源のスペクトル幅に応じて、干渉縞パターンの最大付近は振幅の変化が緩やかになることもあって、最大振幅の干渉縞がゼロ光路差で無い場合が存在する。このため、干渉縞の位置の決定が一義的にならないことがある。このために、数フリンジ（λ/２の整数倍）の誤差が発生することがある。
【００１１】
本発明は、上記従来の低コヒーレンス干渉計、特にタンデム低コヒーレンス干渉計の問題点を解決することを目的とするものであり、干渉縞の振幅ゆらぎに影響されず、干渉縞の位置の決定を精度良く行える長さ測定方法を実現することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は上記課題を解決するために、低コヒーレンス干渉を利用した寸法測定方法において、中心波長の異なる２つの波長の低コヒーレンス光源による干渉縞の位相決定を行い、これらの位相の測定値を用いて合致をとることによって、２点間の距離を決定することを特徴とする低コヒーレンス干渉の合致法による高精度長さ測定方法を提供する。
【００１３】
本発明は上記課題を解決するために、測定干渉計と参照干渉計が、光ファイバーを介して結合されているタンデム低コヒーレンス干渉計を利用した寸法測定方法において、２つの低コヒーレンス光源により、中心波長の異なる２つの波長をタンデム低コヒーレンス干渉計に入力し、２つの波長のそれぞれについて、被測定物の２点についての干渉縞を形成し、上記２点についての互いに対応する干渉縞の位相を測定し、２つの波長についてそれぞれ測定した上記位相について、互いに最も合致した値の位相の組み合わせにより、被測定物の２点間の距離を決定することを特徴とする低コヒーレンス干渉の合致法による高精度長さ測定方法を提供する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によると次のような効果が生じる。
（１）本発明では、使用される光源のコヒーレンス度には依存しないで、精密測定が可能となる。つまり、ブロードスペクトルの光源を用いなくても（一般に、最大振幅の干渉縞次数の決定が困難）、任意の極大干渉縞の位相を求めれば良いので、正確な長さ測定が可能であることである。
【００１５】
（２）コヒーレンス度の良い光源においては、タンデムの単一の干渉計だけでも干渉現象が発生し、長さ測定特有の周期誤差が発生するが、本発明では、それぞれの干渉計の光路長差を、使用する光源のコヒーレンス長よりも長くしておくことにより、この問題を解決可能である。
【００１６】
つまり、図９に示すような、波長１．５５μｍでスペクトル幅約５００ＭＨｚのコヒーレンス度の良い光源では、コヒーレンス長が６０ｃｍとなるが、本願発明では、使用光源のコヒーレンス度に応じて、タンデム干渉計の各低コヒーレンス干渉計の光路差を変えることにより（図８参照）、長さ測定特有の周期誤差の問題を解決することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明に係る低コヒーレンス干渉の合致法による長さ測定方法の実施の形態を実施例に基づいて図面を参照して、以下に説明する。
【実施例１】
【００１８】
本発明に係る長さ測定方法を、図２に示すタンデム低コヒーレンス干渉計１により、被測定物である被測定ブロックゲージ２を測定する例において説明する。このタンデム低コヒーレンス干渉計１は、測定干渉計３と参照干渉計４が、光ファイバー５（この例では遠隔地における測定でも可能なように一般通信用光ファイバーを利用している。）を介して結合されている。
【００１９】
低コヒーレンス光源（ASE、SLDなど）からの低コヒーレンス光が、光ファイバーサーキュレーター６と一般通信用光ファイバー５とを経て、測定干渉計３に入る。測定干渉計３では、コリメータ７を経てビームスプリッター８に入射し、ビームスプリッター８から、低コヒーレンス光がベースプレート９に向かう第１の低コヒーレンス光１０と、被測定ブロックゲージ２に向かう第２の低コヒーレンス光１１と、参照鏡１２に向かう参照光１３に分割される。
【００２０】
第１の低コヒーレンス光１０は、ベースプレート９から反射し、参照光１３とともに、ビームスプリッター８、コリメータ７を経て、参照干渉計４に入る。
【００２１】
測定干渉計３からの第１の低コヒーレンス光１０は、参照干渉計４において、コリメータ１４を通してビームスプリッター１５に入射し、ビームスプリッター１５で、参照鏡１６及びステージ１７内のコーナーリフレクター１８に向けて分割される。なお、コーナーリフレクター１８は、ステージ１７内で電歪素子１９により光路方向に移動可能な構成となっている。
【００２２】
参照鏡１６で反射された第１の低コヒーレンス光１０は、ビームスプリッター１５を通して検出器２０に入る。コーナーリフレクター１８で反射された第１低コヒーレンス光１０は、さらに反射鏡２１により反射されてコーナーリフレクター１８に戻り、ビームスプリッター１５を通して検出器２０に入る。
【００２３】
参照干渉計４をベースプレート９の表面の位置と一致するように、ステージ１７内で電歪素子１９などによって光路長差を調整すると、第１の低コヒーレンス光１０について、低コヒーレンス干渉縞が形成されるので、この干渉縞測定により、ベースプレート９の表面の空間位置決めが可能である。
【００２４】
一方、測定干渉計３における第２の低コヒーレンス光１１は、被測定ブロックゲージ２で反射され、参照光１３とともに、第１の低コヒーレンス光１０と同様の経路で参照干渉計４に入り、参照干渉計４内では第１の低コヒーレンス光１０と同様にビームスプリッター１５で、参照鏡１６及びステージ１７内のコーナーリフレクター１８に向けて分割され、それぞれ参照鏡１６及びコーナーリフレクター１８で反射されて検出器２０に入る。
【００２５】
この第２の低コヒーレンス光１１についても、参照干渉計４の光路長差を、ステージ１７内で電歪素子１９などによって測定干渉計３の被測定ブロックゲージ２の表面の位置に合わせると、前記の同様な干渉縞干渉縞が形成されるので、被測定ブロックゲージ２の表面の空間位置決めが可能となる。
【００２６】
このようにして、被測定ブロックゲージ２の表面とベースプレート９のそれぞれの空間位置が決められるので、被測定ブロックゲージ２の寸法測定が可能となる。この例では、遠隔での被測定ブロックゲージ２の寸法測定が実現される。
【００２７】
以上のとおり、図２に示すタンデム低コヒーレンス干渉計１は、低コヒーレンス光源（ASE）２２からの光は、光ファイバーサーキュレーター６と一般通信用光ファイバー５とを経て、測定干渉計３に入射し、被測定ブロックゲージ２で反射して元に戻る。
【００２８】
この光は、参照干渉計４に入射し、参照干渉計４を被測定ゲージ表面の位置と一致するように、ステージ１７内で電歪素子１９などによって光路長差を調整すると、低コヒーレンス干渉縞が形成されるので、この干渉縞測定により空間位置決めが可能である。
【００２９】
次に、参照干渉計４の光路長差を、測定干渉計３のベースプレート９の位置に合わせると、前記の同様な干渉縞干渉縞が形成されるので、空間位置決めが可能となり、当該の被測定ブロックゲージ２の寸法測定が遠隔で実現される。
【００３０】
このようなタンデム低コヒーレンス干渉計１において、従来は、干渉縞次数の決定が、干渉縞の振幅を利用して行なわれていた。しかし、形成される干渉縞は、一般に、光学系、機械系の機械的振動、電気的SN比、および大気ゆらぎなどにより多くの雑音を含んで入るので、干渉縞の振幅の変動が存在する。このために、偽の干渉縞次数を決定することがある。
【００３１】
本願発明の特徴は、このような低コヒーレンス干渉縞が光の振幅ゆらぎによる干渉縞の振幅変動による測定誤差の問題を解決するために、「合致法」という手段を採用する点である。
【００３２】
合致法は、波長の異なる光源から、波長λ1、λ2をそれぞれ干渉計に入光させ、ある干渉縞の位相φ1、φ2（実際は、λ／πを乗じたもの）を測定する。これらの位相の測定から、干渉縞の次数を一義的に決定するために、１フリンジ（２分の１波長）だけずれたセットを次のように用意する。
・・・                        ・・・
λ1＋φ1                      λ2＋φ2
λ1/２＋φ1                   λ2/2＋φ2
φ1                           φ2
−λ1/２＋φ1                 −λ2/2＋φ2
−λ1＋φ1                    −λ2＋φ2
・・・                        ・・・
この波長λ1とλ2のセットの中で、両者の値が最も合致するする組み合わせを見つけると、干渉縞の次数が求まり、この時の値が真の決定値となる。
【００３３】
図４に示すように、中心波長の異なる、二つの光源による波長λ1（図４の例では中心波長λ1＝１．３０μｍ）と波長λ2（図４の例では中心波長λ２＝１．５０μｍ）を干渉計に入力すると、図４に示すような干渉縞のパターン信号（光強度の信号）が形成され、検出される。この図４に示すように、波長の異なる２つの波長が合致する箇所は、干渉縞の振幅が最大となる箇所である。
【００３４】
そこで、このような合致法の原理を本発明に適用し、図２に示すタンデム低コヒーレンス干渉計１において、２つの光源を用い、互いに異なる２波長λ1、λ2を入力すると、図５に示すように、２波長λ1、λ2のそれぞれについて、第１低コヒーレンス光１０による被測定ゲージ面における干渉信号、及び第２低コヒーレンス光１１によるベースプレート９における干渉縞のパターン信号（光強度の信号）が得られる。
【００３５】
２波長λ1、λ2について、図５に示す干渉縞のパターン信号の内で、最大振幅の干渉縞を見つけるのではなくて、どれか一つの極大の干渉縞を特定し、その干渉縞の位相を測定する。２波長λ1、λ2について、それぞれ測定して得られた位相のうち、互いに最も近いものの組み合わせが、被測定ブロックゲージ２長さの真の値に近い。             
【００３６】
図６は、２波長λ1、λ2のそれぞれについて、各極大の干渉縞の位相の測定例を示す図である。このような測定から、各波長においていろいろな寸法（長さ）が想定される。だが、これらの測定値は、使用した光源の中心波長の二分の一の整数倍となっていることが分かる。
【００３７】
実際に、各波長での測定値について、互いに近い値の組み合わせを示すと、図７に示すものが得られる。これから、波長λ1の＋２．５０と波長λ２の＋２．５２の組み合わせが、合致度が−０．０２であり、最も互いに近似した値の組み合わせであるので、その算術平均値である２．５１を決定値とした。
【００３８】
このように、本発明では、干渉縞の内、最も大きな振幅を有するものに着目するのではなく、２つの波長のそれぞれについて、適宜大きな干渉縞に注目しその位相を測定し、互いに近似した位相を利用して長さの測定を行なうことで、雑音の多い信号においても、最終の測定精度は大幅に向上することができる。
【００３９】
本発明では、使用される光源のコヒーレンス度には依存しないで、精密測定が可能であることである。つまり、ブロードスペクトルの光源を用いなくても（一般に、最大振幅の干渉縞次数の決定が困難）、任意の極大干渉縞の位相を求めれば良いので、正確な長さ測定が可能であることである。
【００４０】
しかしながら、コヒーレンス度の良い光源においては、タンデムの単一の干渉計だけでも干渉現象が発生し、長さ測定特有の周期誤差が発生する。この問題を解決するためには、それぞれの干渉計の光路長差を、使用する光源のコヒーレンス長よりも長くしておけば良い。例えば、図８に示すように、ベースプレート９に向かう第１の低コヒーレンス光１０と、被測定ブロックゲージ２に向かう第２の低コヒーレンス光１１との光路長差を大きくしておく。
【００４１】
つまり、図９のようなコヒーレンス度の良い光源を使用した場合、使用光源のコヒーレンス度に応じて、タンデム干渉計の各低コヒーレンス干渉計の光路差を変えることが可能である。この意義は非常に大きい。
【００４２】
以上、本発明に係る低コヒーレンス干渉の合致法による長さ測定方法の最良の形態を実施例に基づいて説明したが、本発明はこのような実施例に限定されることなく、特許請求の範囲記載の技術的事項の範囲内で、いろいろな実施例があることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明に係る低コヒーレンス干渉の合致法による長さ測定方法は、以上のような構成であるから、各家庭に連結されている、一般通信用光源（スペクトル幅が狭いが、各波長分野においてL、Sなどのスペクトル）を利用しても、精密な長さ測定が可能になり、今後、通信分野の事業との連携が可能になり、今後の発展が大いに期待される。計測光ファイバーネットワークだけでなく、光通信ネットワークの利用も可能になるので今後の大きな発展を期待出来る。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】タンデム型低コヒーレンス干渉計の原理を説明する図である。
【図２】本発明の方法が適用されるタンデム型低コヒーレンス干渉計を説明する図である。
【図３】形成される低コヒーレンス干渉縞の振幅ゆらぎによる干渉縞次数の決定の問題点を説明する図である。
【図４】異なる波長の光源で測定した場合の低コヒーレンス干渉縞の様子を示す図である。
【図５】異なる波長の光源で測定した場合のタンデム型低コヒーレンス干渉計の干渉縞の様子を示す図である。
【図６】タンデム型低コヒーレンス干渉計に合致法を適用した実験例の解析を説明する図である。
【図７】タンデム型低コヒーレンス干渉計に合致法を適用した実験例の解析結果を説明する図である。
【図８】本発明の方法が適用される光路差の大きなタンデム型低コヒーレンス干渉計を説明する図である。
【図９】コヒーレンスの良い光源を使用した場合の低コヒーレンス干渉計の干渉縞の様子を示す図である。
【符号の説明】
【００４５】
１  タンデム低コヒーレンス干渉計        
２  被測定ブロックゲージ                
３  測定干渉計                          
４  参照干渉計                          
５  光ファイバー                        
６  光ファイバーサーキュレーター        
７  コリメータ                          
８  ビームスプリッター                  
９  ベースプレート                      
１０  第１の低コヒーレンス光            
１１  第２の低コヒーレンス光            
１２  参照鏡                            
１３  参照光                            
１４  コリメータ                        
１５  ビームスプリッター                
１６  参照鏡                            
１７  ステージ                          
１８  コーナーリフレクター              
１９  電歪素子                          
２０  検出器                            
２１  反射鏡                            
２２  低コヒーレンス光源（ASE）           
【図１】
2009115486.tif 000003
【図２】
2009115486.tif 000004
【図３】
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【図４】
2009115486.tif 000006
【図５】
2009115486.tif 000007
【図６】
2009115486.tif 000008
【図７】
2009115486.tif 000009
【図８】
2009115486.tif 000010
【図９】
2009115486.tif 000011