JP6628030B2 - 距離測定装置及びその方法 - Google Patents

Description

本発明は距離測定装置及びその方法に係り、特にフリースペクトラルレンジの異なる複数の光を用いて絶対距離を測定する距離測定装置及びその方法に関する。

Ｈｅ−Ｎｅ（ヘリウム−ネオン）レーザ等のレーザ干渉を利用した測長装置が知られている。この測長装置は、絶対的な距離の測定可能範囲が使用レーザの半波長程度であるため、長距離を測定する場合には半波長以下の変位を積算することで測定対象物までの絶対距離を求める必要がある。したがって測定の途中でレーザが遮られてしまうと、それまでの積算結果が無駄になり、変位量の積算を開始した原点に戻って測定をやり直す必要があるため、非常に不便である。

これに対し、特許文献１には、繰り返し周波数の異なる複数種類の光コムを用いて絶対的な距離を測定する装置が開示されている。特許文献１の装置によれば、半波長以下の変位の積算が不要となり、高速に距離を測定することが可能となる。

特開２０１５−１５５８２２号公報

しかしながら、特許文献１には、使用する光コム光源が高価であるという欠点があった。また、測定光用エタロンや参照光用エタロンのフリースペクトラルレンジを光コムの繰り返し周波数に合わせる必要があるため、エタロンの製作が困難であるという欠点もあった。さらに、任意の波長領域での測長が困難であるという問題点もあった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、簡易な構成で任意の波長領域を用いて、高速にかつ高精度で絶対距離の測定を行う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、白色光を出射する光源と、白色光を２方向に分岐させる分岐手段であって、分岐させた一方の参照光を参照ミラーの反射面に入射させ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させる分岐手段と、分岐手段と測定対象物との間に配置され、入射した光の一部を反射させ一部を透過させる半反射面を有するハーフミラーと、反射面で反射した参照光、被測定面で反射した測定光、及び半反射面で反射した測定光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、白色光又は干渉光の光路に配置された光コム生成手段であって、第１のフリースペクトラルレンジ及び第１のフリースペクトラルレンジとは異なる第２のフリースペクトラルレンジを通過帯域とする光コム生成手段と、第１のフリースペクトラルレンジを有する第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のフリースペクトラルレンジを有する第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、第１の干渉信号がピークとなる参照光の光路長と第２の干渉信号がピークとなる参照光の光路長との差分から第１の干渉信号の干渉次数を決定する干渉次数決定手段と、第１の干渉信号がピークとなる参照光の光路長と干渉次数とに基づいて、被測定面までの距離を算出する距離算出手段と、を備えた。

本態様によれば、白色光を参照光と干渉光とに分岐させて参照光と干渉光との干渉光を生成し、参照光の光路長を変更しつつ第１のフリースペクトラルレンジを有する第１の干渉光の強度に応じた第１の干渉信号と第２のフリースペクトラルレンジを有する第２の干渉信号とを取得し、第１の干渉信号がピークとなる参照光の光路長と第２の干渉信号がピークとなる参照光の光路長との差分から第１の干渉信号のピークと第２の干渉信号のピークとの干渉次数を決定し、第１の干渉信号がピークとなる参照光の光路長と干渉次数とに基づいて、被測定面までの距離を算出するようにしたので、簡易な構成で任意の波長領域を用いて、高速にかつ高精度で絶対距離の測定を行うことができる。

光コム生成手段は、互いに対向する一対の反射部を有するエタロンであり、反射部の間の距離を変更することで通過帯域を変更することが好ましい。これにより、１つのエタロンで複数のフリースペクトラルレンジを有する光を出力することができる。

光コム生成手段は、白色光の光路に配置されることが好ましい。これにより、フリースペクトラルレンジを有する光を参照光及び測定光に用いることができる。

光コム生成手段は、第１のフリースペクトラルレンジを通過帯域とする第１のエタロンと、第２のフリースペクトラルレンジを通過帯域とする第２のエタロンと、を備え、さらに、干渉光を２方向に分岐させる干渉光分岐手段であって、分岐させた一方を第１のエタロンに入射させるとともに他方を第２のエタロンに入射させる干渉光分岐手段と、を備えてもよい。これにより、簡易な構成のエタロンを用いることができる。

上記目的を達成するために距離測定方法の一の態様は、光源から出射した白色光を２方向に分岐させる分岐手段によって、分岐させた一方の参照光を参照ミラーの反射面に入射させ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させる分岐工程と、反射面で反射した参照光、被測定面で反射した測定光、及び分岐手段と測定対象物との間に配置され、入射した光の一部を反射させ一部を透過させる半反射面を有するハーフミラーの半反射面で反射した測定光を合成した干渉光を生成する干渉光生成工程と、参照光の光路長を変更する走査工程と、第１のフリースペクトラルレンジ及び第１のフリースペクトラルレンジとは異なる第２のフリースペクトラルレンジを通過帯域とする光コム生成手段を白色光又は干渉光の光路に配置する配置工程と、第１のフリースペクトラルレンジを有する第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のフリースペクトラルレンジを有する第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、第１の干渉信号がピークとなる参照光の光路長と第２の干渉信号がピークとなる参照光の光路長との差分から第１の干渉信号の干渉次数を決定する干渉次数決定工程と、第１の干渉信号がピークとなる参照光の光路長と干渉次数とに基づいて、被測定面までの距離を算出する距離算出工程と、を備えた。

本態様によれば、白色光を参照光と干渉光とに分岐させて参照光と干渉光との干渉光を生成し、参照光の光路長を変更しつつ第１のフリースペクトラルレンジを有する第１の干渉光の強度に応じた第１の干渉信号と第２のフリースペクトラルレンジを有する第２の干渉信号とを取得し、第１の干渉信号がピークとなる参照光の光路長と第２の干渉信号がピークとなる参照光の光路長との差分から第１の干渉信号のピークと第２の干渉信号のピークとの干渉次数を決定し、第１の干渉信号がピークとなる参照光の光路長と干渉次数とに基づいて、被測定面までの距離を算出するようにしたので、簡易な構成で任意の波長領域を用いて、高速にかつ高精度で絶対距離の測定を行うことができる。

本発明によれば、簡易な構成で任意の波長領域を用いて、高速にかつ高精度で絶対距離の測定を行うことができる。

測長装置の全体構成を示した構成図 エタロンによる疑似光コムの発生を説明するための図 走査ステージの走査量と干渉光のピークとの関係を示す図 疑似光コムのフリースペクトラルレンジを示す図 ２つの干渉光のピークの差を示す図 絶対測長方法の各工程を示すフローチャート ２つの干渉光のピークとステージ捜査範囲を示す図 エタロンの内部構成の一例を示す概略図 エタロンの出射光のフリースペクトラルレンジの変化を示す図 他の形態に係る測長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。

〔距離測定装置の構成〕
図１は、本実施形態に係る測長装置１０（距離測定装置の一例）の全体構成を示した構成図である。測長装置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、ブロードスペクトル光源１２、エタロン１４、サーキュレータ３０、ビームスプリッタ３２、コリメータレンズ３４、コーナーキューブミラー３６、走査ステージ３８、参照ミラー４０、コリメータレンズ４２、ハーフミラー４４、光検出器４６、信号処理回路４８、制御部５０等を備えている。

ブロードスペクトル光源１２は、中心波長が約０．８［μｍ］の白色光（ブロードスペクトル光）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。ブロードスペクトル光源１２から出射した光は、エタロン１４に入射する。

エタロン１４（光コム生成手段の一例）は、入射した光のうち、一定の繰り返し周波数（フリースペクトラルレンジ）の通過帯域を有し、通過帯域の成分の光（疑似光コム）を透過して出射する光学素子である。エタロン１４から出射した光は、サーキュレータ３０に入射する。

サーキュレータ３０は、第１端子３０ａ、第２端子３０ｂ及び第３端子３０ｃを有し、第１端子３０ａから入射した光を第２端子３０ｂから出射し、第２端子３０ｂから入射した光を第３端子３０ｃから出射する光学素子である。エタロン１４から出射してサーキュレータ３０の第１端子３０ａに入射した光は、第２端子３０ｂから出射し、ビームスプリッタ３２に入射する。

ビームスプリッタ３２（分岐手段の一例）は、入射した光を２方向に分岐させる光学素子であり、入射した光の一部を直進方向に透過させるとともに一部を直交方向に反射させる。ビームスプリッタ３２は、サーキュレータ３０から入射した光を分割して分割後の一方の光である参照光をコリメータレンズ３４に入射させ、分割後の他方の光である測定光をコリメータレンズ４２に入射させる。

コリメータレンズ３４は、入射した光を平行光化して出射する光学素子である。コリメータレンズ３４は、入射した参照光を平行光にしてコーナーキューブミラー３６に入射させる。

コーナーキューブミラー３６は、入射した光を反射して進行方向を変更する光学素子である。コーナーキューブミラー３６は、入射した参照光を参照ミラー４０に入射させる。

参照ミラー４０は、入射した光を反射する反射面４０ａを有する反射部材である。参照ミラー４０に入射した参照光は反射面４０ａにおいて反射し、コーナーキューブミラー３６及びコリメータレンズ３４を介してビームスプリッタ３２に入射する。

ここで、コーナーキューブミラー３６は走査ステージ３８に載置されており、走査ステージ３８（走査手段の一例）は参照光の光路に対して垂直方向に走査可能に構成されている。したがって、走査ステージ３８を走査することで参照光の光路長を変更することができる。例えば、走査ステージ３８を距離ｄだけ走査すると、参照光の光路長は距離２×ｄだけ変化する。

なお、走査ステージ３８は、ビームスプリッタ３２から参照ミラー４０の反射面４０ａまでの参照光の光路長が、ビームスプリッタ３２からハーフミラー４４の後述する半反射面４４ａまでの測定光の光路長と同じ距離となる位置Ｐ_０を基準として走査される。

コリメータレンズ４２は、コリメータレンズ３４と同様に入射した光を平行光化して出射する光学素子である。コリメータレンズ４２は、ビームスプリッタ３２から入射した光を平行光にしてハーフミラー４４に入射させる。

ハーフミラー４４は、入射した光の一部を透過し、一部を反射する半反射面４４ａを有する半反射部材である。ハーフミラー４４は、ビームスプリッタ３２から半反射面４４ａまでの距離が既知の距離である位置（基準位置）に配置されている。ハーフミラー４４に入射した測定光の一部は半反射面４４ａにおいて反射し、コリメータレンズ４２を介してビームスプリッタ３２に入射する。また、ハーフミラー４４に入射した測定光の一部は半反射面４４ａを透過し、測長ターゲット１（測定対象物の一例）に入射する。

測長ターゲット１に入射した測定光は、測長ターゲット１の表面（被測定面）１ａにおいて反射し、ハーフミラー４４及びコリメータレンズ４２を介してビームスプリッタ３２に入射する。

ビームスプリッタ３２（干渉光生成手段の一例）は、コリメータレンズ３４から入射した参照光（反射面４０ａで反射した参照光）を直交方向に反射させるとともにコリメータレンズ４２から入射した測定光（半反射面４４ａで反射した測定光及び被測定面１ａで反射した測定光）を直進方向に透過させることで、反射面４０ａで反射した参照光、半反射面４４ａで反射した測定光、及び被測定面１ａで反射した測定光を同軸上に合成し、干渉光を生成する。この干渉光はサーキュレータ３０の第２端子３０ｂに入射して第３端子３０ｃから出射し、光検出器４６に入射する。

光検出器４６は、入射した光をその強度に応じた電気信号に変換する光電変換素子である。光検出器４６は、入射した干渉光の強度に応じた干渉信号を信号処理回路４８に出力する。

信号処理回路４８は、入力された干渉信号から測長ターゲット１の被測定面１ａまでの絶対距離を算出する。

制御部５０は、測長装置１０を統括制御する。本実施形態では特に、エタロン１４のフリースペクトラルレンジや走査ステージ３８による参照光の光路長を制御する。

〔絶対距離の測定（絶対測長）の原理〕
図２（ａ）は、ブロードスペクトル光源１２のブロードスペクトルとエタロン１４の透過スペクトル（通過帯域）との一例を示す図であり、図２（ｂ）は、ブロードスペクトル光源１２の出射光をエタロン１４に入射させた場合のエタロン１４の出射光である疑似光コムのスペクトルを示す図である。図２（ｂ）に示す疑似光コムのフリースペクトラルレンジΛ_１は、１５［ＧＨｚ］である。

フリースペクトラルレンジΛ_１が１５［ＧＨｚ］の場合、真空中の光速をｃ＝２９９７９２４５８ｍ／ｓ、空気の屈折率ｎを１とすると、光路長方向における繰り返し距離Ｄ_１は、
Ｄ_１＝ｃ／（ｎ×Λ_１）＝１９．９８６［ｍｍ］
である。マイケルソン干渉計では繰り返し距離Ｄ_１の半分が幾何学的長さとなるため、測定光路長がＤ_１／２＝９．９９３［ｍｍ］だけ変化するごとに、低コヒーレンス干渉縞が形成される。したがって、参照光の光路長をＤ_１／２以上走査すると、任意の測定光路長において干渉光のピーク（パルス）が形成される。

図３は、図１に示した測長装置１０において参照光の光路長を約２４［ｍｍ］だけ走査した際の、走査ステージ３８の走査量と取得される干渉信号を示す図である。同図に示す０位置信号は、ハーフミラー４４の半反射面４４ａで反射した測定光による干渉光のピークに基づくパルス信号であり、常に一定位置に現れる信号である。また、測長信号は、測長ターゲット１の被測定面１ａで反射した測定光による干渉光のピークに基づくパルス信号であり、被測定面１ａまでの距離に応じて現れる位置が変化する信号である。

図３では、走査ステージ３８の走査により、基準位置から数えて１１番目（干渉次数＝１１）の干渉光のピークによる測長信号と１２番目（干渉次数＝１２）の干渉光のピークによる測長信号とを示している。干渉次数は、基準位置（半反射面４４ａ）から測定位置（被測定面１ａ）までの空間中に放出された疑似光コムの光パルス数に相当する。

エタロン１４による１つの疑似光コムを用いた場合は、走査ステージ３８を繰り返し距離Ｄ_１だけ走査するたびに０位置信号及び測長信号が繰り返されるが、何番目の（干渉次数がいくつの）測長信号であるかが不明であり、絶対距離を測定することができない。

そこで、本実施形態では、図４（ａ）に示すフリースペクトラルレンジΛ_１＝１５［ＧＨｚ］（第１のフリースペクトラルレンジの一例）の疑似光コムＣ_１と、図４（ｂ）に示すフリースペクトラルレンジΛ_２＝１４．９［ＧＨｚ］（第２のフリースペクトラルレンジの一例）の疑似光コムＣ_２とをエタロン１４から出力し、２つの疑似光コムＣ_１及びＣ_２を用いて絶対距離を測定する。

ここで、フリースペクトラルレンジΛ_２が１４．９［ＧＨｚ］の場合、光路長方向における繰り返し距離Ｄ_２は、
Ｄ_２＝ｃ／（ｎ×Λ_１）＝２０．１２０［ｍｍ］ である。したがって、参照光の光路長をＤ_２／２＝１０．０６０［ｍｍ］以上走査すると、任意の測定光路長において干渉光のピークが形成される。

このように、フリースペクトラルレンジΛ_１の干渉光のピークは、測定光路長が９．９９３［ｍｍ］変化するごとに発生し、フリースペクトラルレンジΛ_２の干渉光のピークは、測定光路長が１０．０６０［ｍｍ］変化するごとに発生する。したがって、参照光の光路長における２つの干渉光のピークの位置の差は、測定する距離に応じて１０．０６０［ｍｍ］−９．９９３［ｍｍ］＝６７［μｍ］の整数倍となる。ここでは、この整数を干渉次数と呼ぶ。

例えば、図５に示すように、干渉次数＝１のとき２つの干渉光のピークの位置の差は６７［μｍ］であり、干渉次数＝１５のとき２つの干渉光のピークの位置の差は６７［μｍ］×１５＝１．００５［ｍｍ］となる。このように、２つの干渉光のピークの位置の差（参照光の光路長差）と干渉次数とは相関関係を有しており、測長装置１０はこの干渉次数を用いて絶対距離を測定する。

〔絶対測長方法〕
測長装置１０を用いた絶対測長方法（距離測定方法の一例）について説明する。図６は、絶対測長方法の各工程を示すフローチャートである。

最初に、制御部５０の制御により、ブロードスペクトル光源１２を点灯させ（ステップＳ１）、走査ステージ３８を一定速度でスキャン（走査）しながら（ステップＳ２）、測定光を測長ターゲット１に照射する（ステップＳ３）。

前述のように、ブロードスペクトル光源１２の光は、光路に配置されたエタロン１４によって（配置工程の一例）疑似光コムに形成された後、サーキュレータ３０を介してビームスプリッタ３２に入射し、ビームスプリッタ３２において測定光と参照光に分岐される（分岐工程の一例）。分岐された測定光はハーフミラー４４及び測長ターゲット１に照射し、参照光は参照ミラー４０に照射する。また、ビームスプリッタ３２は、反射面４０ａで反射した参照光、半反射面４４ａで反射した測定光、及び被測定面１ａで反射した測定光を同軸上に合成し、干渉光を生成する（干渉光生成工程の一例）。

ここで、エタロン１４は、制御部５０（図１参照）の制御に従って、疑似光コムＣ_１と疑似光コムＣ_２とを数［ｋＨｚ］オーダーで時分割出力（例えば２５６［μｓ］毎に出力）する。したがって、ビームスプリッタ３２では、フリースペクトラルレンジΛ_１の干渉光とフリースペクトラルレンジΛ_２の干渉光が時分割で生成される。

光検出器４６（第１の検出手段の一例、第２の検出手段の一例）は、フリースペクトラルレンジΛ_１の干渉光（第１の干渉光の一例）とフリースペクトラルレンジΛ_２の干渉光（第２の干渉光の一例）とを時分割で受光し、それぞれの干渉光の強度に応じた干渉信号（第１の干渉信号及び第２の干渉信号の一例）を出力する（第１の検出工程及び第２の検出工程の一例）。

信号処理回路４８（取得手段の一例）は、制御部５０の制御に従って走査ステージ３８を走査して参照光の光路長を変更しつつ、光検出器４６から干渉信号を取得する（取得工程の一例）。このとき、フリースペクトラルレンジΛ_１の干渉信号からパルス信号を検出し（ステップＳ４）、フリースペクトラルレンジΛ_２の干渉信号からパルス信号を検出する（ステップＳ５）。ここで検出するパルス信号には、ハーフミラー４４の半反射面４４ａで反射した測定光による０位置信号と測長ターゲット１の被測定面１ａで反射した測定光による測長信号とが含まれる。

ここで、走査ステージ３８は、距離Ｓの範囲でコーナーキューブミラー３６を移動させることで、参照光の光路長を距離Ｓ×２の範囲で走査する（走査工程の一例）。距離Ｓ×２は、繰り返し距離Ｄ_２の半分（Ｄ_２／２）より大きい値であり、ここでは距離Ｓ＝７［ｍｍ］の範囲でコーナーキューブミラー３６を移動させることで、参照光の光路長を１４［ｍｍ］の範囲で走査する。

次に、信号処理回路４８（干渉次数決定手段の一例）において、フリースペクトラルレンジΛ_１及びフリースペクトラルレンジΛ_２の干渉信号のパルス信号が検出された際の時間差から、フリースペクトラルレンジΛ_１の干渉信号の干渉次数Ｎを決定する（ステップＳ６、干渉次数決定工程の一例）。

本実施形態では、走査ステージ３８を一定速度で走査しているため、フリースペクトラルレンジΛ_１の干渉信号のパルス信号が検出された際の時間及びフリースペクトラルレンジΛ_２の干渉信号のパルス信号が検出された際の時間の差分から、フリースペクトラルレンジΛ_１の干渉信号のパルス信号が検出された走査ステージ３８の位置Ｐ_１とフリースペクトラルレンジΛ_２の干渉信号のパルス信号が検出された走査ステージ３８の位置Ｐ_２との差分（Ｐ_２−Ｐ_１）を求めることができる。なお、走査ステージ３８の位置Ｐ_１及び位置Ｐ_２は、位置Ｐ_０からの距離［単位：ｍ］として表される。

干渉次数Ｎは、基準位置からの疑似光コムの光パルス数に相当し、位置の差分（Ｐ_２−Ｐ_１）と干渉次数Ｎとには相関がある。ここでは、図７に示すように、疑似光コムＣ_１の繰り返し距離の１／２と疑似光コムＣ_２の繰り返し距離の１／２との差（Ｄ_１／２−Ｄ_２／２）が６７［μｍ］であるので、走査ステージ３８の位置の差分（Ｐ_２−Ｐ_１）を６７［μｍ］で除算した値が求める干渉次数Ｎである。例えば、差分（Ｐ_２−Ｐ_１）が１３４［μｍ］であれば干渉次数Ｎ＝２、差分（Ｐ_２−Ｐ_１）が１．００５［ｍｍ］であれば干渉次数Ｎ＝１５と求めることができる。

続いて、フリースペクトラルレンジΛ_１の干渉信号のパルス信号が検出された際の走査ステージ３８の位置Ｐ_１を検出する（ステップＳ７）。フリースペクトラルレンジΛ_２の干渉信号のパルス信号が検出された際の走査ステージ３８の位置Ｐ_２を検出してもよい。そして、信号処理回路４８（距離算出手段の一例）において、ステップＳ６で求めた干渉次数ＮとステップＳ７で求めた走査ステージ３８の位置Ｐ_１（参照光の光路長の一例）とから、測長ターゲットまでの距離Ｄを算出する（ステップＳ８、距離算出工程の一例）。距離Ｄ［単位：ｍ］は、以下の式１によって求めることができる。

Ｄ＝ｃ／ｎ_１／Λ_１×Ｎ＋Ｐ_１ …（式１）
ここで、ｎ_１は疑似光コムＣ_１の中心波長に対する屈折率である。求めた距離Ｄは表示手段（不図示）に表示してもよいし、記憶手段（不図示）に記憶してもよい。

最後に、測長処理を終了するか否かを判定し（ステップＳ９）、終了しない場合はステップＳ４に戻り、同様の処理を行う。

フリースペクトラルレンジΛ_１＝１５［ＧＨｚ］の疑似光コムＣ_１と、フリースペクトラルレンジΛ_２＝１４．９［ＧＨｚ］の疑似光コムＣ_２とを用いた場合には、合成周波数の原理から、幾何学的長さが１５００［ｍｍ］まで干渉次数を特定し、絶対測長することができる（Ｌ／２＝Ｄ_１×Ｄ_２／（Ｄ_２−Ｄ_１）／２＝１５００［ｍｍ］）。

なお、１５００［ｍｍ］まで基準位置と測定位置との位置関係が不明の場合は、７５０［ｍｍ］までが絶対測長の範囲となる。この場合、フリースペクトラルレンジΛ_１及びΛ_２とは異なるフリースペクトラルレンジを有する疑似光コムを用いることで、絶対測長の範囲を拡大することができる。例えば、フリースペクトラルレンジΛ_３＝１５．１［ＧＨｚ］の疑似光コムＣ_３を用いると、疑似光コムＣ_３の繰り返し距離はＤ_３＝１９．８５４［ｍｍ］であるので、幾何学的長さが７．５［ｍ］まで絶対測長が可能になる。

このように、測長装置１０によれば、任意の絶対距離の測定が可能である。また、ブロードスペクトル光として、任意の波長領域の光を使用することができる。

〔エタロンの構成〕
フリースペクトラルレンジΛ_１の疑似光コムＣ_１とフリースペクトラルレンジΛ_２の疑似光コムＣ_２とを出力するエタロンについて説明する。図８は、エタロン１４の内部構成の一例を示す概略図である。同図に示すように、エタロン１４は、干渉間距離が可変のファイバ型ファブリーペロー干渉系であり、ブロードスペクトル光源１２からの光が入射する入射部１６と、互いに対向して配置される一対の第１反射プレート２０Ａ及び第２反射プレート２０Ｂからなる反射部２０と、第１反射プレート２０Ａと第２反射プレート２０Ｂとの間の反射域２２と、第２反射プレート２０Ｂを反射域２２の幅を増減する方向に変位するＰＺＴ（Pb(Zr1-xTix)O₃）アクチュエータ２６と、第２反射プレート２０Ｂを透過した光周波数成分をサーキュレータ３０に出射する出射部２８とを有する。

反射域２２は、第１反射プレート２０Ａと第２反射プレート２０Ｂ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２４が配置されている。この光ファイバ２４と第２反射プレート２０Ｂとには、１５［μｍ］の隙間２５が形成されている。

ＰＺＴアクチュエータ２６は、制御部５０（図１参照）により印加される矩形波信号に応じて、第１反射プレート２０Ａと第２反射プレート２０Ｂとの距離（干渉間距離）が増減する方向に１０［μｍ］変位する。この隙間２５の間においてＰＺＴアクチュエータ２６が変位することで、干渉間距離を、（１０［ｍｍ］−１５［μｍ］）と（１０［ｍｍ］−５［μｍ］）とのいずれか一方に設定することができる。エタロン１４の出射する光（疑似光コム）のフリースペクトラルレンジは、干渉間距離が第１距離である（１０［ｍｍ］−１５［μｍ］）の場合には第１フリースペクトラルレンジである１５［ＧＨｚ］となり、干渉間距離が第２距離である（１０［ｍｍ］−５［μｍ］）の場合には第２フリースペクトラルレンジである（１５［ＧＨｚ］−１５［ＭＨｚ］）となる。

このようにエタロン１４を構成することで、フリースペクトラルレンジが数［ＭＨｚ］から数百［ＧＨｚ］の疑似光コムを発生させることができる。また、ユーザの要求に応じた波長領域での測長が可能となる。なお、光ファイバは、１５［μｍ］程度の隙間があっても損失が少なく、距離測定に支障は生じない。

図９は、エタロン１４の出射光のフリースペクトラルレンジの変化を示す図である。エタロン１４は、制御部５０（図１参照）によりＰＺＴアクチュエータ２６に矩形波変調信号が印加されることで、図９に示すように、１５［ＧＨｚ］と（１５［ＧＨｚ］−１５［ＭＨｚ］）との２種類のフリースペクトラルレンジの光を時分割で出射する。

ここで、矩形波変調信号の周波数を、走査ステージ３８（図１参照）の走査速度に対して高く設定することで、２つのエタロンを使用した場合と等価な低コヒーレンス干渉縞を形成することができる。

このように、エタロン１４によれば、フリースペクトラルレンジを任意に変更することができる。したがって、１つのエタロン１４によって複数の疑似光コムを発生させることができる。

なお、エタロン１４の干渉間距離を変調し、ロックイン増幅器等によって位相検波を行うと、高感度な絶対測長も可能である。したがって、測長ターゲット１の被測定面１ａが粗面でも、測定が可能となる。

〔距離測定装置の他の態様〕
図１０は、他の形態に係る測長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処理には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。図１０に示すように、測長装置６０は、測長装置１０の構成と比較するとエタロン１４を備えておらず、ビームスプリッタ５２、エタロン５４ａ，５４ｂ、光検出器４６ａ，４６ｂを備えている。

ブロードスペクトル光源１２から出射した光は、サーキュレータ３０の第１端子３０ａに入射し、第２端子３０ｂから出射してビームスプリッタ３２に入射する。ビームスプリッタ３２は入射した光を分割して分割後の一方の光である参照光をコリメータレンズ３４に入射させ、分割後の他方の光である測定光をコリメータレンズ４２に入射させる。

コリメータレンズ３４に入射した参照光は、コーナーキューブミラー３６を介して参照ミラー４０に入射し、反射面４０ａで反射してコーナーキューブミラー３６、コリメータレンズ３４を介してビームスプリッタ３２に戻ってくる。

一方、コリメータレンズ４２に入射した測定光は、ハーフミラー４４に入射する。半反射面４４ａを透過した測定光は、測長ターゲットの被測定面１ａで反射してハーフミラー４４及びコリメータレンズ４２を介してビームスプリッタ３２に戻ってくる。また、半反射面４４ａで反射した測定光は、コリメータレンズ４２を介してビームスプリッタ３２に戻ってくる。

ビームスプリッタ３２は、反射面４０ａで反射した参照光、半反射面４４ａで反射した測定光、及び被測定面１ａで反射した測定光を同軸上に合成し、干渉光を生成する。この干渉光はサーキュレータ３０の第２端子３０ｂに入射して第３端子３０ｃから出射し、ビームスプリッタ５２に入射する。

ビームスプリッタ５２（干渉光分岐手段の一例）は、ビームスプリッタ３２と同様に、入射した光を分岐させる光学素子である。ビームスプリッタ５２は、入射した干渉光を分割して分割後の一方の光をエタロン５４ａに入射させ、分割後の他方の光をエタロン５４ｂに入射させる。なお、ビームスプリッタ５２とエタロン５４ａとの間、及びビームスプリッタ５２とエタロン５４ｂとの間には、単一方向にのみ光を通過させる光アイソレータを配置してもよい。

エタロン５４ａ（第１のエタロンの一例）及びエタロン５４ｂ（第２のエタロンの一例）は、エタロン１４と同様に、入射した光のうち一定のフリースペクトラルレンジの疑似光コムを透過して出射する光学素子である。エタロン５４ａとエタロン５４ｂとは、それぞれ異なるフリースペクトラルレンジを有している。ここでは、エタロン５４ａのフリースペクトラルレンジをΛ_１、エタロン５４ｂのフリースペクトラルレンジをΛ_２（Λ_１≠Λ_２）とする。エタロン５４ａから出射した疑似光コムＣ_１の干渉光は光検出器４６ａに入射し、エタロン５４ｂから出射した疑似光コムＣ_２の干渉光は光検出器４６ｂに入射する。

光検出器４６ａ，４６ｂは、光検出器４６と同様に、入射した光をその強度に応じた電気信号に変換する光電変換素子である。光検出器４６ａ，４６ｂは、入射した疑似光コムＣ_１，Ｃ_２の干渉光の強度に応じた干渉信号を信号処理回路４８に出力する。

このように構成した測長装置６０の信号処理回路４８は、測長装置１０の信号処理回路４８と同様に、疑似光コムＣ_１の干渉光によるパルス信号、疑似光コムＣ_２の干渉光によるパルス信号、疑似光コムＣ_１の干渉光によるパルス信号が検出された走査ステージ３８の位置Ｐ_１と疑似光コムＣ_２の干渉光によるパルス信号が検出された走査ステージ３８の位置Ｐ_２との差（Ｐ_２−Ｐ_１）、及び疑似光コムＣ_１の干渉光によるパルス信号が検出された際の走査ステージ３８の位置Ｐ_１が入力される。したがって、測長装置１０と同様に測長ターゲットまでの距離Ｄを測定することが可能となる。

なお、式１を用いて距離Ｄを求める場合であれば、疑似光コムＣ_２の干渉光によるパルス信号が検出された際の走査ステージ３８の位置Ｐ_２は、干渉次数の決定のみに必要な情報であるため、必要な測定精度は［ｍｍ］オーダーでよい。

以上のように、エタロン５４ａ，５４ｂをマイケルソン干渉計の後に配置してもよい。これにより、エタロン５４ａ，５４ｂの精度に影響されずに、絶対距離を測定することができる。

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…測長装置、１２…ブロードスペクトル光源、１４，５４ａ，５４ｂ…エタロン、１６…入射部、２０…反射部、２２…反射域、２４…光ファイバ、２５…隙間、２６…ＰＺＴアクチュエータ、２８…出射部、３０…サーキュレータ、３２，５２…ビームスプリッタ、３４，４２…コリメータレンズ、３６…コーナーキューブミラー、３８…走査ステージ、４０…参照ミラー、４２…コリメータレンズ、４４…ハーフミラー、４６，４６ａ，４６ｂ…光検出器、４８…信号処理回路、５０…制御部

Claims (4)

1. 白色光を出射する光源と、
   前記白色光の光路に配置され、互いに対向する一対の反射部を有し、前記反射部の間の距離を変更することで通過帯域を変更するエタロンであって、第１のフリースペクトラルレンジ及び前記第１のフリースペクトラルレンジとは異なる第２のフリースペクトラルレンジを通過帯域とするエタロンと、
   前記エタロンから出力される光を２方向に分岐させる分岐手段であって、分岐させた一方の参照光を参照ミラーの反射面に入射させ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させる分岐手段と、
   前記分岐手段と前記測定対象物との間に配置され、入射した光の一部を反射させ一部を透過させる半反射面を有するハーフミラーと、
   前記反射面で反射した参照光、前記被測定面で反射した測定光、及び前記半反射面で反射した測定光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、
   前記第１のフリースペクトラルレンジを有する第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のフリースペクトラルレンジを有する第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、
   前記第１の干渉信号がピークとなる前記参照光の光路長と前記第２の干渉信号がピークとなる前記参照光の光路長との差分から前記第１の干渉信号の干渉次数を決定する干渉次数決定手段と、
   前記第１の干渉信号がピークとなる前記参照光の光路長と前記干渉次数とに基づいて、前記被測定面までの距離を算出する距離算出手段と、
   を備えた距離測定装置。
2. 白色光を出射する光源と、
   前記白色光を２方向に分岐させる分岐手段であって、分岐させた一方の参照光を参照ミラーの反射面に入射させ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させる分岐手段と、
   前記分岐手段と前記測定対象物との間に配置され、入射した光の一部を反射させ一部を透過させる半反射面を有するハーフミラーと、
   前記反射面で反射した参照光、前記被測定面で反射した測定光、及び前記半反射面で反射した測定光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２方向に分岐させる干渉光分岐手段と、
   前記分岐された一方の前記干渉光の光路に配置され、第１のフリースペクトラルレンジを通過帯域とする第１のエタロンと、
   前記分岐された他方の前記干渉光の光路に配置され、前記第１のフリースペクトラルレンジとは異なる第２のフリースペクトラルレンジを通過帯域とする第２のエタロンと、
   前記第１のフリースペクトラルレンジを有する第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のフリースペクトラルレンジを有する第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、
   前記第１の干渉信号がピークとなる前記参照光の光路長と前記第２の干渉信号がピークとなる前記参照光の光路長との差分から前記第１の干渉信号の干渉次数を決定する干渉次数決定手段と、
   前記第１の干渉信号がピークとなる前記参照光の光路長と前記干渉次数とに基づいて、前記被測定面までの距離を算出する距離算出手段と、
   を備えた距離測定装置。
3. 互いに対向する一対の反射部を有し、前記反射部の間の距離を変更することで通過帯域を変更するエタロンであって、第１のフリースペクトラルレンジ及び前記第１のフリースペクトラルレンジとは異なる第２のフリースペクトラルレンジを通過帯域とするエタロンに光源から出射した白色光を入射させる工程と、
   前記エタロンから出射した光を２方向に分岐させる分岐手段によって、分岐させた一方の参照光を参照ミラーの反射面に入射させ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させる分岐工程と、
   前記反射面で反射した参照光、前記被測定面で反射した測定光、及び前記分岐手段と前記測定対象物との間に配置され、入射した光の一部を反射させ一部を透過させる半反射面を有するハーフミラーの前記半反射面で反射した測定光を合成した干渉光を生成する干渉光生成工程と、
   前記参照光の光路長を変更する走査工程と、
   前記第１のフリースペクトラルレンジを有する第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のフリースペクトラルレンジを有する第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、
   前記第１の干渉信号がピークとなる前記参照光の光路長と前記第２の干渉信号がピークとなる前記参照光の光路長との差分から前記第１の干渉信号の干渉次数を決定する干渉次数決定工程と、
   前記第１の干渉信号がピークとなる前記参照光の光路長と前記干渉次数とに基づいて、前記被測定面までの距離を算出する距離算出工程と、
   を備えた距離測定方法。
4. 光源から出射した白色光を２方向に分岐させる分岐手段によって、分岐させた一方の参照光を参照ミラーの反射面に入射させ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させる分岐工程と、
   前記反射面で反射した参照光、前記被測定面で反射した測定光、及び前記分岐手段と前記測定対象物との間に配置され、入射した光の一部を反射させ一部を透過させる半反射面を有するハーフミラーの前記半反射面で反射した測定光を合成した干渉光を生成する干渉光生成工程と、
   前記参照光の光路長を変更する走査工程と、
   前記干渉光を２方向に分岐させ、分岐させた一方を第１のフリースペクトラルレンジを通過帯域とする第１のエタロンに入射させるとともに他方を前記第１のフリースペクトラルレンジとは異なる第２のフリースペクトラルレンジを通過帯域とする第２のエタロンに入射させる干渉光分岐工程と、
   前記第１のフリースペクトラルレンジを有する第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のフリースペクトラルレンジを有する第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、
   前記第１の干渉信号がピークとなる前記参照光の光路長と前記第２の干渉信号がピークとなる前記参照光の光路長との差分から前記第１の干渉信号の干渉次数を決定する干渉次数決定工程と、
   前記第１の干渉信号がピークとなる前記参照光の光路長と前記干渉次数とに基づいて、前記被測定面までの距離を算出する距離算出工程と、
   を備えた距離測定方法。

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