光波干渉計測装置
【課題】空気組成に空間的な分布があっても高精度な屈折率補正が可能な測長干渉計を提供する。
【解決手段】干渉計測用の多波長光源１０を用いて、参照面５２と被検面５３の間の光路長差を計測して該光路長差の幾何学的距離を算出する光波干渉計測装置において、分圧計測用光源２０と、多波長光源の波長における空気の分散を計測する分散干渉計３０と、分散干渉計における空気の成分気体の分圧を計測する第１分圧検出器４０と、多波長光源の波長における参照面と被検面の間の光路長差を計測する測長干渉計５０と、測長干渉計における成分気体の分圧を計測する第２分圧検出器６０と、第１分圧検出器の検出結果によって分散干渉計における成分気体以外の空気分散比を算出し、成分気体以外の空気分散比と第２分圧検出器の検出結果から測長干渉計の空気の分散を算出し、参照面と被検面の間の光路長差の幾何学的距離を算出する解析器７０とを有する。
【解決手段】干渉計測用の多波長光源１０を用いて、参照面５２と被検面５３の間の光路長差を計測して該光路長差の幾何学的距離を算出する光波干渉計測装置において、分圧計測用光源２０と、多波長光源の波長における空気の分散を計測する分散干渉計３０と、分散干渉計における空気の成分気体の分圧を計測する第１分圧検出器４０と、多波長光源の波長における参照面と被検面の間の光路長差を計測する測長干渉計５０と、測長干渉計における成分気体の分圧を計測する第２分圧検出器６０と、第１分圧検出器の検出結果によって分散干渉計における成分気体以外の空気分散比を算出し、成分気体以外の空気分散比と第２分圧検出器の検出結果から測長干渉計の空気の分散を算出し、参照面と被検面の間の光路長差の幾何学的距離を算出する解析器７０とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検体の距離や位置を計測する為の光波干渉計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、光波干渉計測により距離を計測する方法はよく知られている。光波干渉計測による測長は、測長基準となる参照面によって反射される参照光束と、被検体に取り付けた被検面によって反射される被検光束との干渉信号により、被検光束の波長を目盛りとした測長を実現する。被検光束光路の屈折率により測長の目盛りとなる波長が変化するため、大気中にて測長する場合、高精度測長を実現するためには、高精度な屈折率補正が不可欠となる。
【０００３】
特許文献１には、一般環境、つまり大気密度の空間分布が存在する環境において高精度に屈折率を補正する方法が開示されている。大気の屈折率分散を利用して２つ以上の波長の光路長計測値から屈折率と距離を同時に計測する事から２色法として知られる。
【０００４】
特許文献２では、分散計測用の干渉計を配置し、距離計測干渉計の測定光路の分散を分散計測用干渉計の計測結果を用いる事で高精度な屈折率補正を実現する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−２８１７１７号公報
【特許文献２】米国特許第６３３００６５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１の２色法では屈折率分散はＥｄｌｅｎ等の屈折率式により算出されるが、屈折率式の精度は１０−８程度しかなく高精度な補正には精度不足である事に加え、測長環境の空気組成によっても屈折率分散の誤差が発生するという課題がある。
【０００７】
また、特許文献２に記載の方法では、分散計測用の干渉計の計測光路と距離計測用干渉計の計測光路の大気組成が異なる場合には、分散干渉計の空気分散と距離計測干渉計の空気分散に差が生じるため、屈折率補正精度が低下するという問題があった。
【０００８】
そこで本発明は、空気組成に空間的な分布があっても高精度な屈折率補正が可能な光波計測装置を提供する事を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一側面としての光波干渉計測装置は、干渉計測用の多波長光源を用いて、参照面と被検面の間の光路長差を計測して該光路長差の幾何学的距離を算出する光波干渉計測装置において、分圧計測用光源と、前記多波長光源の波長における空気の分散を計測する分散干渉計と、前記分散干渉計における空気の成分気体の分圧を計測する第１分圧検出器と、前記多波長光源の波長における前記参照面と前記被検面の間の光路長差を計測する測長干渉計と、前記測長干渉計における前記成分気体の分圧を計測する第２分圧検出器と、前記第１分圧検出器の検出結果によって前記分散干渉計における前記成分気体以外の空気分散比を算出し、前記成分気体以外の空気分散比と前記第２分圧検出器の検出結果から前記測長干渉計の空気の分散を算出し、前記参照面と前記被検面の間の光路長差の幾何学的距離を算出する解析器とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、空気組成に空間的な分布があっても高精度な屈折率補正が可能な光波計測装置を提供する事ができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の光波干渉計測装置を示した図である。（実施例１）
【図２】代表的な空気組成ガスの吸収線を示した図である。
【図３】本発明の解析器で実施されるフローチャートである。（実施例１）
【図４】本発明の光波干渉計測装置を示した図である。（実施例２）
【図５】本発明の干渉計測用光源の波長を示した図である。（実施例２）
【図６】本発明の解析器で実施されるフローチャートである。（実施例２）
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に本発明の好ましい実施形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１は本発明の実施例１における装置構成を示した図である。本実施例の光波干渉計測装置は、干渉計測用の多波長光源１０、分圧計測用光源２０、分散干渉計３０、第１分圧検出器４０、測長干渉計５０、第２分圧検出器６０と解析器７０からなる。
【００１４】
以下では本発明の光波干渉計測装置について図１を用いて詳細を説明する。
【００１５】
単一周波数スペクトラムを有する光源１を射出した光束（以下では基本波と称す）は、一部の光束を無偏光ビームスプリッタ（ＮＰＢＳ）で分岐したのち２倍波生成ユニット２に入射する。２倍波生成ユニット２では非線形光学素子を用いて光源１の１／２の波長を有する光束を生成し射出する（以下では２倍波と称す）。２倍波生成ユニット２としては、周期分極反転ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）を使用することで安価かつ省スペース化が可能である。ＰＰＬＮ以外では、外部共振器や、光源１の共振器内部に非線形光学結晶を配置する事で高効率な波長変換が実現可能である。この場合にはＰＰＬＮに対し装置構成が複雑になるがＰＰＬＮの透過波長帯域以下でも使用可能という利点がある。光源１と２倍波生成ユニット２により構成される２波長光源を多波長光源１０とする。
【００１６】
多波長光源１０を射出した基本波はＮＰＢＳ６で２つに分割され、一方は周波数シフトユニット３に入射する。以下では周波数シフトユニット３を透過する光束を基本波周波数シフト光束、他方を基本波光束と称す。周波数シフトユニット３では入射光束の周波数をｄｆだけシフトした後、入射成分と直交成分に偏光回転を行う。周波数シフトは音響光学素子（ＡＯＭ）にて行う。周波数シフト量は図示されない基準発振器により高精度に管理されているものとする。周波数シフトユニット３を射出後の基本波周波数シフト光束は基本波光束とＮＰＢＳ７で合波された後２つに分割される。分割された一方の光束は基本波基準信号検出器１１へ入射し、式（１）で表わされる基本波周波数シフト光束と基本波光束の干渉信号Ｉｒｅｆ（λ１）を生成する。
【００１７】
【数１】
【００１８】
ここでλ-１は基本波の真空波長、ＯＰＤ１（λ１）は基本波基準信号検出器１１へ到達するまでの基本波周波数シフト光束と基本波光束の光路長差である。干渉信号Ｉｒｅｆ（λ１）は、解析器７０で計測される。
【００１９】
多波長光源１０を射出した２倍波も基本波と同様に２倍波用周波数シフトユニット４を用い、式（２）で表わされる干渉信号Ｉｒｅｆ（λ２）を生成する。
【００２０】
【数２】
【００２１】
ここで干渉信号Ｉｒｅｆ（λ２）は２倍波基準信号検出器１２で検出されるとし、λ２は２倍波の真空波長、ＯＰＤ２（λ２）は２倍波基準信号検出器１２へ到達するまでの２倍波周波数シフト光束と２倍波光束の光路長差である。２倍波用基準信号検出器１２で検出される干渉信号は解析器７０で計測される。
【００２２】
ＮＰＢＳ７を透過しダイクロイックミラー（ＤＩＭ）５に入射する基本波の光束は、ＮＰＢＳ８を透過しＤＩＭ５に入射する２倍波の光束と合波される。
【００２３】
ＤＩＭ５を通過した基本波光束と２倍波光束は、ＤＩＭ２１に入射し、分圧計測用光源２０の射出光束と合波される。本実施例では分圧計測を行う空気組成気体は水蒸気であるため、分圧計測用光源２０は水蒸気吸収線に波長が等しいＤＦＢレーザを用いる。図２に代表的な空気組成気体（成分気体）である水蒸気、二酸化炭素、酸素の吸収線強度の波長分布を示す。水蒸気は近赤外波長域に０．９μｍ、１．１μｍ、１．４μｍの吸収帯を有するため、必要な吸収強度に応じて分圧計測用光源２０の波長を決定すればよい。二酸化炭素や酸素の分圧計測を行う場合には吸収線波長は０．７５〜２．０μｍ程度の波長であるため、分圧計測用光源２０としてはＤＦＢレーザを使用する事ができる。
【００２４】
ＤＩＭ２１で合波後の多波長光源１０と分圧計測光源２０の射出光束はＮＰＢＳ２２で２つに分割され、透過光束は分散干渉計３０に入射し、反射光束は測長干渉計５０に入射する。
【００２５】
分散干渉計３０に入射した光束は偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３１で２つに分割される。多波長光源１０の射出光束に関しては、基本波光束と２倍波光束がＰＢＳ３１を透過し、基本波周波数シフト光束と２倍波周波数シフト光束はＰＢＳ３１で反射される。分圧計測光源２０の射出光束はＰＢＳ３１で２分割される。以降、ＰＢＳ３１を透過する光束を分散被検光束、反射する光束を分散参照光束と称す。分散参照光束はＰＢＳ３１で反射後、ミラー３２で反射され分散被検光束と平行に伝播した後、真空セル３３に入射する。真空セル３３は長さＬ１で内部が真空封じ切りとなっているため分散参照光束は真空中をＬ１だけ伝搬する事になる。真空セル３３を透過後の光束はコーナーキューブ２９で反射された後再び真空セル３３を透過し、ミラー３５で反射された後ＰＢＳ３６で反射される。一方、分散被検光束は真空セル３３と同一長さＬ１の空気中を伝搬した後、コーナーキューブ２９で反射され、再び空気中を伝搬しＰＢＳ３６で分散参照光束と合波される。本実施例では分散干渉計３０として光路長が１往復となる上記の構成を用いたが、被検光束と参照光束が平行な配置となる差動干渉計の構成であって、且つ参照光束が真空セル内を通る構成であれば他の干渉計構成を用いても構わない。例えば、差動平面干渉計は干渉計の波長補正用途に良く用いられているが、多波長光源１０と分圧計測用光源２０の波長帯域で使用可能な差動平面干渉計を分散干渉計として用いる事ができる。
【００２６】
分散干渉計３０近傍には図示されない環境計測器が配置され、分散干渉計の初期化時に使用する温度・気圧・湿度などの環境値を解析器７０から取得可能であるものとする。
【００２７】
分散干渉計３０を射出した光束はＤＩＭ３４で多波長光源１０と分圧計測用光源２０の光束に分離される。
【００２８】
分圧計測用光源２０の射出光束はＤＩＭ３４で反射され第１分圧検出器４０に入射する。第１分圧検出器４０内ではＰＢＳ４１で分散参照光束成分と分散被検光束成分に再び分離され、分散参照光束成分は検出器４２、分散被検光束成分は検出器４３でそれぞれの強度が検出される。検出器４２で検出される光量をＩ１ｒｅｆ、検出器４３で算出される光量をＩ１ｔｅｓｔとする。また、水蒸気の吸収線強度をＳ、吸収線の規格化形状関数をψ（λ）、分散干渉計３０の被検光路における水蒸気の分圧をｐｗ１とすると透過率の関係から式（３）で表わされる。
【００２９】
【数３】
【００３０】
検出器４２、検出器４３で得られる検出信号は解析器７０で計測される。
【００３１】
ＤＩＭ３４を透過した多波長光源１０の射出光束はＤＩＭ３７で基本波光束と２倍波光束に分離され、基本波が検出器３８、２倍波は検出器３９で検出される。検出器３８および検出器３９で検出される干渉信号をそれぞれ基本波分散信号Ｉ１ｍｅａｓ（λ１）、２倍波分散信号Ｉ１ｍｅａｓ（λ２）とすると、式（４）、（５）で表わされる。
【００３２】
【数４】
【００３３】
【数５】
【００３４】
検出器３８、検出器３９で得られる検出信号は解析器７０で計測される。
【００３５】
一方、ＮＰＢＳ２２で反射した光束は測長干渉計５０に入射し、ＰＢＳ５１で２つに分割される。多波長光源１０の射出光束に関しては、基本波光束と２倍波光束がＰＢＳ５１を透過し、基本波周波数シフト光束と２倍波周波数シフト光束はＰＢＳ５１で反射される。分圧計測光源２０の射出光束はＰＢＳ５１で２分割される。以降、ＰＢＳ５１を透過する光束を測長被検光束、反射する光束を測長参照光束と称す。測長参照光束はＰＢＳ５１で反射された後、測長基準（測定基準位置）に固定された参照面５２により反射される。参照面５２としてはコーナーキューブを用いる。参照面５２は必ずしも単独で測長基準に固定される必要はなく、ＰＢＳ５１と参照面５２を一体の干渉計ユニットとし、そのユニットを測長基準に取り付けても構わない。参照面５２で反射された測長参照光束は再びＰＢＳ５１に入射後反射される。一方、ＰＢＳ５１透過後の測長被検光束は被検物体上に取り付けられた被検面５３により反射される。被検面５３もコーナーキューブを用いる。被検面５３で反射された測長被検光束はＰＢＳ５１に入射後透過し測長参照光束と合波される。
【００３６】
本実施例では干渉計方式として被検面５３及び参照面５２にコーナーキューブを使用する線形干渉計方式を採用したが、平面干渉計方式や差動平面干渉方式を用いても構わない。
【００３７】
測長干渉計５０の射出光束はＤＩＭ６４で多波長光源１０の射出光束と、分圧計測用光源２０の射出光束に分離される。
【００３８】
ＤＩＭ６４を反射した分圧計測光源２０の射出光束は第２分圧検出器６０に入射する。第２分圧検出器６０への入射光束は、第１分圧検出器４０と同様にＰＢＳ６１で測長参照光束成分と測長被検光束成分に分離され、それぞれ検出器６２と検出器６３で検出される。検出器６２で検出される光量をＩ２ｒｅｆ、検出器６３で算出される光量をＩ２ｔｅｓｔとすると、測長被検光路の光路上の平均水蒸気分圧をｐｗ２、測長被検光束と測長参照光束の光路差の幾何学的距離をＬ２、として式（６）の関係となる。
【００３９】
【数６】
【００４０】
検出器６２と検出器６３で得られる検出信号は解析器７０で計測される。
【００４１】
ＤＩＭ６４を透過した多波長光源１０の射出光束はＤＩＭ５７で基本波光束と２倍波光束に分離され、基本波が検出器５８、２倍波は検出器５９で検出される。検出器５８および検出器５９で検出される干渉信号をそれぞれ基本波測長信号Ｉ２ｍｅａｓ（λ１）、２倍波測長信号Ｉ２ｍｅａｓ（λ２）とすると、式（７）、（８）で表わされる。
【００４２】
【数７】
【００４３】
【数８】
【００４４】
検出器５８、検出器５９で得られる検出信号は解析器７０で計測される。
【００４５】
以上で装置構成の説明を完了し、以下では図３に基づき解析器７０内での計算方法について詳細を説明する。
【００４６】
図３は本実施例の解析器７０で実施される計算フローを示している。計算フローは、分散干渉計３０の光路長と水蒸気分圧の検出結果から乾燥空気（水蒸気以外の空気）の分散比を算出する工程Ｓ１０７と、測長干渉計５０の光路長と水蒸気分圧の検出結果と乾燥空気分散比から幾何学的距離を算出する工程Ｓ１１２を有する。点線はデータの流れを示している。
【００４７】
計測が開始されると、工程Ｓ１０２の繰り返し計測ループが実行される。計測を所定の回数行って、計測を完了する。以下でｉの添え字はｉ番目の計測ループの計測結果である事を示すものとする。
【００４８】
工程Ｓ１０３では分散干渉計３０の初期化の必要性を判断する。本実施例の分散干渉計３０は相対測定型（測定履歴に対する相対的な位置変化を計測する）である。従って、最初の計測ループや干渉計光軸が遮光された場合などは測定値が不定となる為に初期化が必要となる。
【００４９】
工程Ｓ１０３で初期化が必要と判断された場合には工程Ｓ１０４で分散干渉計周辺の環境計測を実施する。
【００５０】
工程Ｓ１０５では分散干渉計３０の光路長算出を行う。まず解析器７０内部の位相計を用いて、基本波基準信号と基本波分散信号の位相差φ１（λ１）と、２倍波基準信号と２倍波分散信号の位相差φ１（λ２）の計測を行う。基本波と２倍波の光路長は、それぞれ式（９）で表される。
【００５１】
【数９】
【００５２】
ここでＮ１１，Ｎ１２はそれぞれの計測波長における干渉次数である。干渉次数Ｎ１１，Ｎ１２は式（１０）或いは式（１１）を用いて算出する。
【００５３】
工程Ｓ１０３で初期化を実施した場合には、工程Ｓ１０４の環境計測結果を用い式（１０）により干渉次数を算出する。ここでｎ（λ、ｔ、ｐ、ｐｗ）は環境計測値からの屈折率の算出式であり、Ｅｄｌｅｎの式やＣｉｄｄｏｒの式を用いる事ができる。また、ｒｏｕｎｄ（）は引数を整数に丸める関数を表すものとする。
【００５４】
【数１０】
【００５５】
初期化が不要なｉ番目の計測ループにおいてはｉ−１番目の計測ループの計測値より式（１１）に基づいて算出する。
【００５６】
【数１１】
【００５７】
工程Ｓ１０６では水蒸気分圧の算出を行う。第１分圧検出器４０の計測結果Ｉ１ｒｅｆ，Ｉ１ｔｅｓｔより、式（３）を用いて分散干渉計における水蒸気の分圧ｐｗ１は式（１２）で算出される。
【００５８】
【数１２】
【００５９】
工程Ｓ１０７では光路長計測結果から得られる光路長と水蒸気分圧の算出結果から、水蒸気以外の空気（乾燥空気，または成分気体以外の空気）の分散比を算出する。一般に空気の屈折率式は、
【００６０】
【数１３】
【００６１】
と近似される。ここでＤは、温度ｔ、圧力ｐ、二酸化炭素濃度ｘに依存する空気の密度項、Ｋ（λ）は乾燥空気の分散、ｇ（λ）は水蒸気の分散である。式（１３）は水蒸気分圧のみの表現であるが他の空気組成ガスに着目する場合も同様の定式化が可能である。具体的にはガス固有の分散項とガス分圧の積を式（１３）に追加すれば良い。式（９）、式（１２）より、乾燥空気の分散比は式（１４）で算出する。
【００６２】
【数１４】
【００６３】
以上で分散干渉計３０側の算出フローを完了する。以下では測長干渉計５０の算出フローを説明する。
【００６４】
工程Ｓ１０８では測長干渉計５０の初期化の必要性を判断する。工程Ｓ１０３と同様、最初の計測ループや干渉計光軸が遮光された場合などは測定値が不定となる為初期化が必要となる。
【００６５】
工程Ｓ１０８で初期化が必要と判断された場合には工程Ｓ１０９で原点復帰を実施する。原点復帰では、被検体を駆動し、測長基準位置から既知の位置に配置されたフォトスイッチ通過時の測長値を用いて干渉次数を決定する。原点復帰の際には測長干渉計周辺の環境計測も同時に実施する。干渉次数の詳細な決定方法は工程Ｓ１１０で詳細を述べる。
【００６６】
工程Ｓ１１０では測長干渉計５０の光路長算出を行う。分散干渉計３０と同様、解析器７０内部の位相計により、基本波基準信号と基本波測長信号の位相差φ２（λ１）と、２倍波基準信号と２倍波測長信号の位相差φ２（λ２）の計測を行う。基本波と２倍波（複数の波長）の光路長は測長被検光束と測長参照光束の光路差の幾何学的距離をＬ２として式（１５）で表される。
【００６７】
【数１５】
【００６８】
式（１５）においてＮ２１，Ｎ２２は干渉次数である。工程Ｓ１０９で原点復帰を行った場合には、フォトスイッチの位置をＬｐｓとして式（１６）で干渉次数を算出する。
【００６９】
【数１６】
【００７０】
初期化が不要なｉ番目の計測ループにおいてはｉ−１番目の計測ループの計測結果より式（１７）で算出する。
【００７１】
【数１７】
【００７２】
工程Ｓ１１１では測長干渉計５０の測長被検光束の光路における水蒸気分圧の算出を行なう。第２分圧検出器６０の計測結果Ｉ２ｒｅｆ，Ｉ２ｔｅｓｔは式（６）で表される為、測長干渉計における水蒸気の分圧ｐｗ２は式（１８）で算出される。
【００７３】
【数１８】
【００７４】
ここでＯＰＬ２（λ１）はＬ２の近似値として使用している。一般に光路長と幾何学的距離は１０−４オーダで一致する為、分圧の計算には十分な精度が得られる。精度が不足する場合には工程Ｓ１１２で算出されるＬ２を用いて分圧を再計算する事で高精度化を行えばよい。
【００７５】
工程Ｓ１１２では測長被検光束と測長参照光束の光路差の幾何学的距離の算出を行う。式（１３）の屈折率式を用いて式（１５）の光路長式を展開すると式（１９）を得る。
【００７６】
【数１９】
【００７７】
式（１９）から空気密度項Ｄ（ｔ、ｐ、ｘ）を除去し幾何学的距離Ｌ２について解くと式（２０）を得る。
【００７８】
【数２０】
【００７９】
式（２０）を用い、工程Ｓ１０７の乾燥空気分散比Ｋ（λ１）／Ｋ（λ２）、工程Ｓ１１０の光路長ＯＰＬ２（λ１）、ＯＰＬ２（λ２）、工程Ｓ１１１の水蒸気分圧ｐｗ２を代入する事でＬ２の算出が実現する。
【００８０】
以上述べたように本発明に依れば、分散干渉計３０と測長干渉計５０の空気組成が一致しない場合でも、空気組成の不一致をもたらすガスの分圧を計測する事でその影響を補正する事が可能となる。更に、共通な空気組成成分については測長環境下の分散比を実測して計算に反映する事で高精度に幾何学的距離の算出が可能となる。
【実施例２】
【００８１】
つぎに、図４を用いて本発明の実施例２について説明する。図４は本発明の実施例２の装置構成図である。
【００８２】
本実施例では、波長走査光源１１０を追加し多波長光源１００を構成し、波長走査光源１１０の波長における光路長を検出するための検出器１２０、１３０、１４０を追加する事で干渉次数を含む絶対光路長を直接計測可能としている。
【００８３】
以下では図４を用いて詳細を説明する。
【００８４】
波長走査光源１１０を射出した光束はＮＰＢＳ１１３で２つに分割され、一方は周波数シフトユニット１１１に入射する。以下では周波数シフトユニット１１１を透過する光束を波長走査周波数シフト光束、他方を波長走査光束と称す。
【００８５】
波長走査光源１１０の波長λ４は時間的に変化し、短波長端の波長λ４１と長波長端の波長λ４２間の走査を繰り返す。ここで波長λ４１及び波長λ４２は図示されないガスセルやエタロン等の波長基準に対し安定化され、その波長の安定性は保証されているものとする。
【００８６】
図５に基本波の波長λ１と２倍波の波長λ２と波長走査光源の波長λ４１とλ４２の関係を示す。後述する絶対光路長の干渉次数決定の為に、λ１とλ４１の波長差は１０ｎｍ程度、λ４１とλ４２の波長差は数１０ｐｍ程度とする。λ４１とλ４２の波長差を少なくすることでＤＦＢ−ＬＤ等の安価な光源でも波長走査が実現可能となる。
【００８７】
周波数シフトユニット１１１は他の周波数シフトユニットと同様に周波数をｄｆだけシフトした後、入射成分と直交成分に偏光を回転して射出する。周波数シフトユニット１１１を射出した波長走査周波数シフト光束はＮＰＢＳ１１４で波長走査光束と合波された後に２つに分割される。ＮＰＢＳ１１４を通過後、波長走査基準信号検出器１２０に入射する光束を波長走査基準光束、他方を波長走査計測光束と称す。波長走査基準光束は、波長走査基準信号検出器１２０において式（２１）で表わされる干渉信号Ｉｒｅｆ（λ４）を生成する。
【００８８】
【数２１】
【００８９】
ここでλ４は波長走査光束の真空波長、ＯＰＤ３（λ４）は波長走査基準信号検出器１２０へ到達するまでの波長走査周波数シフト光束と波長走査光束の光路長差である。干渉信号Ｉｒｅｆ（λ４）は解析器７０で計測される。
【００９０】
ＮＰＢＳ１１４を通過した波長走査計測光束はＤＩＭ１１２で基本波計測光束と合波され、実施例１における基本波計測光束や２倍波計測光束と同様に分散干渉計３０及び測長干渉計５０に入射しそれぞれの干渉信号を生成する。波長走査計測光束の分散干渉計３０における干渉信号は検出器１３０で検出され、その干渉信号（波長走査分散信号）は式（２２）で表わされる。
【００９１】
【数２２】
【００９２】
同様に、波長走査計測光束による測長干渉計５０における干渉信号は検出器１４０で検出されその検出信号（波長走査測長信号）は式（２３）で表わされる。
【００９３】
【数２３】
【００９４】
以上で装置構成に関する説明を完了する。以下では図６に基づき計測フローの説明を行う。本実施例の計測フローは、初期化工程が不要となる点と、光路長算出工程が絶対光路長算出工程となる点が、実施例１に対する変更点である。
【００９５】
工程Ｓ１０２は実施例１と同様である為説明を省略する。
【００９６】
工程Ｓ２００では分散干渉計３０の絶対光路長を算出する。一般に２つの波長λａ、λｂのビートに相当する合成波長を用いて測長範囲を拡大する方法は良く知られている。具体的には２つの波長λａ、λｂの合成波長をΛａｂ＝λａ・λｂ／｜λａ―λｂ｜とするとき、干渉位相をそれぞれφａ、φｂとして、測長値は波長λａと合成波長Λａｂそれぞれについて式（２４）で表される。
【００９７】
【数２４】
【００９８】
ここでＮａ、Ｎａｂはそれぞれ波長λａと合成波長Λａｂの干渉次数、ｎ（λａ）、ｎｇ（λａ，λｂ）は波長λａの屈折率と合成波長Λａｂの群屈折率である。波長λａによる表現と、合成波長Λａｂによる表現のいずれも干渉次数項が存在する為、波長の整数倍の曖昧差は存在するものの、Λａｂ＞＞λａである為、合成波長により測長範囲が拡大される事になる。
【００９９】
分散干渉計３０の３つの波長λ１、λ４１、λ４２について、λ１とλ４１の合成波長をΛ１４、λ４１とλ４２の合成波長をΛ４４とすると式（２５）を得る。
【０１００】
【数２５】
【０１０１】
先述した様に、波長走査光源１１０の波長をλ１＜＜（λ４１−λ１）＜＜（λ４２−λ４１）なる関係とした為、合成波長はλ１＜＜Λ１４＜＜Λ４４となる。また、本実施例では合成波長による測長精度が短い合成波長又は波長の１／２以下となるように合成波長を設定している。従って最長の合成波長Λ４４の計算結果から逐次的にそれぞれの干渉次数を決定すれば波長λ１の干渉次数Ｎ１を決定する事ができる。更に本発明では、最長の合成波長Λ４４を波長走査により生成している為、干渉次数Ｎ４４は波長λ４１からλ４２までの波長走査時に発生する位相飛び数に相当する。従ってこれをカウントする事で最長合成波長Λ４４以上の測長範囲についても絶対測長が実現する。具体的には干渉次数Ｎ１は式（２６）で算出する。
【０１０２】
【数２６】
【０１０３】
ここで屈折率および群屈折率はほぼ等しいとして省略した。その差が無視できない場合には推定される使用環境に基づき固定値を代入する、或いは環境計測を行ってその値を用いても構わない。
【０１０４】
以上の方式によれば合成波長による計測結果は干渉次数Ｎ１の決定にしか用いない為、絶対測長を実現しながらも実施例１に示した通常の干渉計測と同等の精度で光路長の計測が可能である。
【０１０５】
尚、本実施例では波長走査光源１１０を追加する事で干渉次数決定を実現したが、最長合成波長Λ４４の最大値が測長範囲の最大値以上であれば波長走査の必要はない。また必ずしも波長走査を行わなくても光源を追加し合成波長を拡大する事によっても絶対測長の実現は可能である。その他の手段としては光源１の波長を走査することにより追加の光源なしで絶対測長を実現しても構わない。ただしこの場合には光源１に必要な波長走査量は１０ｎｍ程度と大きくなる為、ＤＦＢ−ＬＤではなく外部共振器型半導体レーザ等の使用が必要になる。
【０１０６】
式（２６）により基本波分散計測光束の干渉次数Ｎ１が決定した後、２倍波分散計測光束の干渉次数Ｎ２は式（２７）で算出する。
【０１０７】
【数２７】
【０１０８】
干渉次数Ｎ２の算出においても基本波と２倍波の屈折率比が必要になるが、想定される測長干渉計の使用環境に応じて、固定値を用たり、環境計測を行ってその結果から屈折率比を算出しても構わない。
【０１０９】
以上で干渉次数Ｎ１，Ｎ２が決定するため、式（９）を用いて絶対光路長を算出し、工程Ｓ２００を完了する。
【０１１０】
工程Ｓ１０６〜工程Ｓ１０７は実施例１と同様である為説明を省略する。
【０１１１】
工程Ｓ２１０では、工程Ｓ２００と同様に波長走査光束と基本波光束の測定結果に基づき絶対光路長の算出を行う。詳細な手続きは工程Ｓ２００と同様である為省略する。
【０１１２】
工程Ｓ１１１では実施例１と同様に、工程Ｓ１０７の空気分散比算出結果と、工程Ｓ２１０の絶対光路長算出結果と、工程Ｓ１１１の測長干渉計５０の水蒸気分圧計測結果より、測長干渉計５０の参照面５２と被検面５３の幾何学的距離Ｌ２を算出する。
【０１１３】
以上説明したとおり、本実施例に依れば、絶対測長が可能となる為、初期化動作が不要となり計測の利便性が向上する。さらにレーザトラッカなど相対測長が困難な用途においても空気屈折率の揺らぎの影響を受ける事無く高精度な測長が可能となる。
【符号の説明】
【０１１４】
１０ 多波長光源
２０ 分圧計測光源
３０ 分散干渉計
４０ 第１分圧検出器
５０ 測長干渉計
５２ 参照面
５３ 被検面
６０ 第２分圧検出器
７０ 解析器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検体の距離や位置を計測する為の光波干渉計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、光波干渉計測により距離を計測する方法はよく知られている。光波干渉計測による測長は、測長基準となる参照面によって反射される参照光束と、被検体に取り付けた被検面によって反射される被検光束との干渉信号により、被検光束の波長を目盛りとした測長を実現する。被検光束光路の屈折率により測長の目盛りとなる波長が変化するため、大気中にて測長する場合、高精度測長を実現するためには、高精度な屈折率補正が不可欠となる。
【０００３】
特許文献１には、一般環境、つまり大気密度の空間分布が存在する環境において高精度に屈折率を補正する方法が開示されている。大気の屈折率分散を利用して２つ以上の波長の光路長計測値から屈折率と距離を同時に計測する事から２色法として知られる。
【０００４】
特許文献２では、分散計測用の干渉計を配置し、距離計測干渉計の測定光路の分散を分散計測用干渉計の計測結果を用いる事で高精度な屈折率補正を実現する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−２８１７１７号公報
【特許文献２】米国特許第６３３００６５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１の２色法では屈折率分散はＥｄｌｅｎ等の屈折率式により算出されるが、屈折率式の精度は１０−８程度しかなく高精度な補正には精度不足である事に加え、測長環境の空気組成によっても屈折率分散の誤差が発生するという課題がある。
【０００７】
また、特許文献２に記載の方法では、分散計測用の干渉計の計測光路と距離計測用干渉計の計測光路の大気組成が異なる場合には、分散干渉計の空気分散と距離計測干渉計の空気分散に差が生じるため、屈折率補正精度が低下するという問題があった。
【０００８】
そこで本発明は、空気組成に空間的な分布があっても高精度な屈折率補正が可能な光波計測装置を提供する事を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一側面としての光波干渉計測装置は、干渉計測用の多波長光源を用いて、参照面と被検面の間の光路長差を計測して該光路長差の幾何学的距離を算出する光波干渉計測装置において、分圧計測用光源と、前記多波長光源の波長における空気の分散を計測する分散干渉計と、前記分散干渉計における空気の成分気体の分圧を計測する第１分圧検出器と、前記多波長光源の波長における前記参照面と前記被検面の間の光路長差を計測する測長干渉計と、前記測長干渉計における前記成分気体の分圧を計測する第２分圧検出器と、前記第１分圧検出器の検出結果によって前記分散干渉計における前記成分気体以外の空気分散比を算出し、前記成分気体以外の空気分散比と前記第２分圧検出器の検出結果から前記測長干渉計の空気の分散を算出し、前記参照面と前記被検面の間の光路長差の幾何学的距離を算出する解析器とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、空気組成に空間的な分布があっても高精度な屈折率補正が可能な光波計測装置を提供する事ができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の光波干渉計測装置を示した図である。（実施例１）
【図２】代表的な空気組成ガスの吸収線を示した図である。
【図３】本発明の解析器で実施されるフローチャートである。（実施例１）
【図４】本発明の光波干渉計測装置を示した図である。（実施例２）
【図５】本発明の干渉計測用光源の波長を示した図である。（実施例２）
【図６】本発明の解析器で実施されるフローチャートである。（実施例２）
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に本発明の好ましい実施形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１は本発明の実施例１における装置構成を示した図である。本実施例の光波干渉計測装置は、干渉計測用の多波長光源１０、分圧計測用光源２０、分散干渉計３０、第１分圧検出器４０、測長干渉計５０、第２分圧検出器６０と解析器７０からなる。
【００１４】
以下では本発明の光波干渉計測装置について図１を用いて詳細を説明する。
【００１５】
単一周波数スペクトラムを有する光源１を射出した光束（以下では基本波と称す）は、一部の光束を無偏光ビームスプリッタ（ＮＰＢＳ）で分岐したのち２倍波生成ユニット２に入射する。２倍波生成ユニット２では非線形光学素子を用いて光源１の１／２の波長を有する光束を生成し射出する（以下では２倍波と称す）。２倍波生成ユニット２としては、周期分極反転ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）を使用することで安価かつ省スペース化が可能である。ＰＰＬＮ以外では、外部共振器や、光源１の共振器内部に非線形光学結晶を配置する事で高効率な波長変換が実現可能である。この場合にはＰＰＬＮに対し装置構成が複雑になるがＰＰＬＮの透過波長帯域以下でも使用可能という利点がある。光源１と２倍波生成ユニット２により構成される２波長光源を多波長光源１０とする。
【００１６】
多波長光源１０を射出した基本波はＮＰＢＳ６で２つに分割され、一方は周波数シフトユニット３に入射する。以下では周波数シフトユニット３を透過する光束を基本波周波数シフト光束、他方を基本波光束と称す。周波数シフトユニット３では入射光束の周波数をｄｆだけシフトした後、入射成分と直交成分に偏光回転を行う。周波数シフトは音響光学素子（ＡＯＭ）にて行う。周波数シフト量は図示されない基準発振器により高精度に管理されているものとする。周波数シフトユニット３を射出後の基本波周波数シフト光束は基本波光束とＮＰＢＳ７で合波された後２つに分割される。分割された一方の光束は基本波基準信号検出器１１へ入射し、式（１）で表わされる基本波周波数シフト光束と基本波光束の干渉信号Ｉｒｅｆ（λ１）を生成する。
【００１７】
【数１】
【００１８】
ここでλ-１は基本波の真空波長、ＯＰＤ１（λ１）は基本波基準信号検出器１１へ到達するまでの基本波周波数シフト光束と基本波光束の光路長差である。干渉信号Ｉｒｅｆ（λ１）は、解析器７０で計測される。
【００１９】
多波長光源１０を射出した２倍波も基本波と同様に２倍波用周波数シフトユニット４を用い、式（２）で表わされる干渉信号Ｉｒｅｆ（λ２）を生成する。
【００２０】
【数２】
【００２１】
ここで干渉信号Ｉｒｅｆ（λ２）は２倍波基準信号検出器１２で検出されるとし、λ２は２倍波の真空波長、ＯＰＤ２（λ２）は２倍波基準信号検出器１２へ到達するまでの２倍波周波数シフト光束と２倍波光束の光路長差である。２倍波用基準信号検出器１２で検出される干渉信号は解析器７０で計測される。
【００２２】
ＮＰＢＳ７を透過しダイクロイックミラー（ＤＩＭ）５に入射する基本波の光束は、ＮＰＢＳ８を透過しＤＩＭ５に入射する２倍波の光束と合波される。
【００２３】
ＤＩＭ５を通過した基本波光束と２倍波光束は、ＤＩＭ２１に入射し、分圧計測用光源２０の射出光束と合波される。本実施例では分圧計測を行う空気組成気体は水蒸気であるため、分圧計測用光源２０は水蒸気吸収線に波長が等しいＤＦＢレーザを用いる。図２に代表的な空気組成気体（成分気体）である水蒸気、二酸化炭素、酸素の吸収線強度の波長分布を示す。水蒸気は近赤外波長域に０．９μｍ、１．１μｍ、１．４μｍの吸収帯を有するため、必要な吸収強度に応じて分圧計測用光源２０の波長を決定すればよい。二酸化炭素や酸素の分圧計測を行う場合には吸収線波長は０．７５〜２．０μｍ程度の波長であるため、分圧計測用光源２０としてはＤＦＢレーザを使用する事ができる。
【００２４】
ＤＩＭ２１で合波後の多波長光源１０と分圧計測光源２０の射出光束はＮＰＢＳ２２で２つに分割され、透過光束は分散干渉計３０に入射し、反射光束は測長干渉計５０に入射する。
【００２５】
分散干渉計３０に入射した光束は偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３１で２つに分割される。多波長光源１０の射出光束に関しては、基本波光束と２倍波光束がＰＢＳ３１を透過し、基本波周波数シフト光束と２倍波周波数シフト光束はＰＢＳ３１で反射される。分圧計測光源２０の射出光束はＰＢＳ３１で２分割される。以降、ＰＢＳ３１を透過する光束を分散被検光束、反射する光束を分散参照光束と称す。分散参照光束はＰＢＳ３１で反射後、ミラー３２で反射され分散被検光束と平行に伝播した後、真空セル３３に入射する。真空セル３３は長さＬ１で内部が真空封じ切りとなっているため分散参照光束は真空中をＬ１だけ伝搬する事になる。真空セル３３を透過後の光束はコーナーキューブ２９で反射された後再び真空セル３３を透過し、ミラー３５で反射された後ＰＢＳ３６で反射される。一方、分散被検光束は真空セル３３と同一長さＬ１の空気中を伝搬した後、コーナーキューブ２９で反射され、再び空気中を伝搬しＰＢＳ３６で分散参照光束と合波される。本実施例では分散干渉計３０として光路長が１往復となる上記の構成を用いたが、被検光束と参照光束が平行な配置となる差動干渉計の構成であって、且つ参照光束が真空セル内を通る構成であれば他の干渉計構成を用いても構わない。例えば、差動平面干渉計は干渉計の波長補正用途に良く用いられているが、多波長光源１０と分圧計測用光源２０の波長帯域で使用可能な差動平面干渉計を分散干渉計として用いる事ができる。
【００２６】
分散干渉計３０近傍には図示されない環境計測器が配置され、分散干渉計の初期化時に使用する温度・気圧・湿度などの環境値を解析器７０から取得可能であるものとする。
【００２７】
分散干渉計３０を射出した光束はＤＩＭ３４で多波長光源１０と分圧計測用光源２０の光束に分離される。
【００２８】
分圧計測用光源２０の射出光束はＤＩＭ３４で反射され第１分圧検出器４０に入射する。第１分圧検出器４０内ではＰＢＳ４１で分散参照光束成分と分散被検光束成分に再び分離され、分散参照光束成分は検出器４２、分散被検光束成分は検出器４３でそれぞれの強度が検出される。検出器４２で検出される光量をＩ１ｒｅｆ、検出器４３で算出される光量をＩ１ｔｅｓｔとする。また、水蒸気の吸収線強度をＳ、吸収線の規格化形状関数をψ（λ）、分散干渉計３０の被検光路における水蒸気の分圧をｐｗ１とすると透過率の関係から式（３）で表わされる。
【００２９】
【数３】
【００３０】
検出器４２、検出器４３で得られる検出信号は解析器７０で計測される。
【００３１】
ＤＩＭ３４を透過した多波長光源１０の射出光束はＤＩＭ３７で基本波光束と２倍波光束に分離され、基本波が検出器３８、２倍波は検出器３９で検出される。検出器３８および検出器３９で検出される干渉信号をそれぞれ基本波分散信号Ｉ１ｍｅａｓ（λ１）、２倍波分散信号Ｉ１ｍｅａｓ（λ２）とすると、式（４）、（５）で表わされる。
【００３２】
【数４】
【００３３】
【数５】
【００３４】
検出器３８、検出器３９で得られる検出信号は解析器７０で計測される。
【００３５】
一方、ＮＰＢＳ２２で反射した光束は測長干渉計５０に入射し、ＰＢＳ５１で２つに分割される。多波長光源１０の射出光束に関しては、基本波光束と２倍波光束がＰＢＳ５１を透過し、基本波周波数シフト光束と２倍波周波数シフト光束はＰＢＳ５１で反射される。分圧計測光源２０の射出光束はＰＢＳ５１で２分割される。以降、ＰＢＳ５１を透過する光束を測長被検光束、反射する光束を測長参照光束と称す。測長参照光束はＰＢＳ５１で反射された後、測長基準（測定基準位置）に固定された参照面５２により反射される。参照面５２としてはコーナーキューブを用いる。参照面５２は必ずしも単独で測長基準に固定される必要はなく、ＰＢＳ５１と参照面５２を一体の干渉計ユニットとし、そのユニットを測長基準に取り付けても構わない。参照面５２で反射された測長参照光束は再びＰＢＳ５１に入射後反射される。一方、ＰＢＳ５１透過後の測長被検光束は被検物体上に取り付けられた被検面５３により反射される。被検面５３もコーナーキューブを用いる。被検面５３で反射された測長被検光束はＰＢＳ５１に入射後透過し測長参照光束と合波される。
【００３６】
本実施例では干渉計方式として被検面５３及び参照面５２にコーナーキューブを使用する線形干渉計方式を採用したが、平面干渉計方式や差動平面干渉方式を用いても構わない。
【００３７】
測長干渉計５０の射出光束はＤＩＭ６４で多波長光源１０の射出光束と、分圧計測用光源２０の射出光束に分離される。
【００３８】
ＤＩＭ６４を反射した分圧計測光源２０の射出光束は第２分圧検出器６０に入射する。第２分圧検出器６０への入射光束は、第１分圧検出器４０と同様にＰＢＳ６１で測長参照光束成分と測長被検光束成分に分離され、それぞれ検出器６２と検出器６３で検出される。検出器６２で検出される光量をＩ２ｒｅｆ、検出器６３で算出される光量をＩ２ｔｅｓｔとすると、測長被検光路の光路上の平均水蒸気分圧をｐｗ２、測長被検光束と測長参照光束の光路差の幾何学的距離をＬ２、として式（６）の関係となる。
【００３９】
【数６】
【００４０】
検出器６２と検出器６３で得られる検出信号は解析器７０で計測される。
【００４１】
ＤＩＭ６４を透過した多波長光源１０の射出光束はＤＩＭ５７で基本波光束と２倍波光束に分離され、基本波が検出器５８、２倍波は検出器５９で検出される。検出器５８および検出器５９で検出される干渉信号をそれぞれ基本波測長信号Ｉ２ｍｅａｓ（λ１）、２倍波測長信号Ｉ２ｍｅａｓ（λ２）とすると、式（７）、（８）で表わされる。
【００４２】
【数７】
【００４３】
【数８】
【００４４】
検出器５８、検出器５９で得られる検出信号は解析器７０で計測される。
【００４５】
以上で装置構成の説明を完了し、以下では図３に基づき解析器７０内での計算方法について詳細を説明する。
【００４６】
図３は本実施例の解析器７０で実施される計算フローを示している。計算フローは、分散干渉計３０の光路長と水蒸気分圧の検出結果から乾燥空気（水蒸気以外の空気）の分散比を算出する工程Ｓ１０７と、測長干渉計５０の光路長と水蒸気分圧の検出結果と乾燥空気分散比から幾何学的距離を算出する工程Ｓ１１２を有する。点線はデータの流れを示している。
【００４７】
計測が開始されると、工程Ｓ１０２の繰り返し計測ループが実行される。計測を所定の回数行って、計測を完了する。以下でｉの添え字はｉ番目の計測ループの計測結果である事を示すものとする。
【００４８】
工程Ｓ１０３では分散干渉計３０の初期化の必要性を判断する。本実施例の分散干渉計３０は相対測定型（測定履歴に対する相対的な位置変化を計測する）である。従って、最初の計測ループや干渉計光軸が遮光された場合などは測定値が不定となる為に初期化が必要となる。
【００４９】
工程Ｓ１０３で初期化が必要と判断された場合には工程Ｓ１０４で分散干渉計周辺の環境計測を実施する。
【００５０】
工程Ｓ１０５では分散干渉計３０の光路長算出を行う。まず解析器７０内部の位相計を用いて、基本波基準信号と基本波分散信号の位相差φ１（λ１）と、２倍波基準信号と２倍波分散信号の位相差φ１（λ２）の計測を行う。基本波と２倍波の光路長は、それぞれ式（９）で表される。
【００５１】
【数９】
【００５２】
ここでＮ１１，Ｎ１２はそれぞれの計測波長における干渉次数である。干渉次数Ｎ１１，Ｎ１２は式（１０）或いは式（１１）を用いて算出する。
【００５３】
工程Ｓ１０３で初期化を実施した場合には、工程Ｓ１０４の環境計測結果を用い式（１０）により干渉次数を算出する。ここでｎ（λ、ｔ、ｐ、ｐｗ）は環境計測値からの屈折率の算出式であり、Ｅｄｌｅｎの式やＣｉｄｄｏｒの式を用いる事ができる。また、ｒｏｕｎｄ（）は引数を整数に丸める関数を表すものとする。
【００５４】
【数１０】
【００５５】
初期化が不要なｉ番目の計測ループにおいてはｉ−１番目の計測ループの計測値より式（１１）に基づいて算出する。
【００５６】
【数１１】
【００５７】
工程Ｓ１０６では水蒸気分圧の算出を行う。第１分圧検出器４０の計測結果Ｉ１ｒｅｆ，Ｉ１ｔｅｓｔより、式（３）を用いて分散干渉計における水蒸気の分圧ｐｗ１は式（１２）で算出される。
【００５８】
【数１２】
【００５９】
工程Ｓ１０７では光路長計測結果から得られる光路長と水蒸気分圧の算出結果から、水蒸気以外の空気（乾燥空気，または成分気体以外の空気）の分散比を算出する。一般に空気の屈折率式は、
【００６０】
【数１３】
【００６１】
と近似される。ここでＤは、温度ｔ、圧力ｐ、二酸化炭素濃度ｘに依存する空気の密度項、Ｋ（λ）は乾燥空気の分散、ｇ（λ）は水蒸気の分散である。式（１３）は水蒸気分圧のみの表現であるが他の空気組成ガスに着目する場合も同様の定式化が可能である。具体的にはガス固有の分散項とガス分圧の積を式（１３）に追加すれば良い。式（９）、式（１２）より、乾燥空気の分散比は式（１４）で算出する。
【００６２】
【数１４】
【００６３】
以上で分散干渉計３０側の算出フローを完了する。以下では測長干渉計５０の算出フローを説明する。
【００６４】
工程Ｓ１０８では測長干渉計５０の初期化の必要性を判断する。工程Ｓ１０３と同様、最初の計測ループや干渉計光軸が遮光された場合などは測定値が不定となる為初期化が必要となる。
【００６５】
工程Ｓ１０８で初期化が必要と判断された場合には工程Ｓ１０９で原点復帰を実施する。原点復帰では、被検体を駆動し、測長基準位置から既知の位置に配置されたフォトスイッチ通過時の測長値を用いて干渉次数を決定する。原点復帰の際には測長干渉計周辺の環境計測も同時に実施する。干渉次数の詳細な決定方法は工程Ｓ１１０で詳細を述べる。
【００６６】
工程Ｓ１１０では測長干渉計５０の光路長算出を行う。分散干渉計３０と同様、解析器７０内部の位相計により、基本波基準信号と基本波測長信号の位相差φ２（λ１）と、２倍波基準信号と２倍波測長信号の位相差φ２（λ２）の計測を行う。基本波と２倍波（複数の波長）の光路長は測長被検光束と測長参照光束の光路差の幾何学的距離をＬ２として式（１５）で表される。
【００６７】
【数１５】
【００６８】
式（１５）においてＮ２１，Ｎ２２は干渉次数である。工程Ｓ１０９で原点復帰を行った場合には、フォトスイッチの位置をＬｐｓとして式（１６）で干渉次数を算出する。
【００６９】
【数１６】
【００７０】
初期化が不要なｉ番目の計測ループにおいてはｉ−１番目の計測ループの計測結果より式（１７）で算出する。
【００７１】
【数１７】
【００７２】
工程Ｓ１１１では測長干渉計５０の測長被検光束の光路における水蒸気分圧の算出を行なう。第２分圧検出器６０の計測結果Ｉ２ｒｅｆ，Ｉ２ｔｅｓｔは式（６）で表される為、測長干渉計における水蒸気の分圧ｐｗ２は式（１８）で算出される。
【００７３】
【数１８】
【００７４】
ここでＯＰＬ２（λ１）はＬ２の近似値として使用している。一般に光路長と幾何学的距離は１０−４オーダで一致する為、分圧の計算には十分な精度が得られる。精度が不足する場合には工程Ｓ１１２で算出されるＬ２を用いて分圧を再計算する事で高精度化を行えばよい。
【００７５】
工程Ｓ１１２では測長被検光束と測長参照光束の光路差の幾何学的距離の算出を行う。式（１３）の屈折率式を用いて式（１５）の光路長式を展開すると式（１９）を得る。
【００７６】
【数１９】
【００７７】
式（１９）から空気密度項Ｄ（ｔ、ｐ、ｘ）を除去し幾何学的距離Ｌ２について解くと式（２０）を得る。
【００７８】
【数２０】
【００７９】
式（２０）を用い、工程Ｓ１０７の乾燥空気分散比Ｋ（λ１）／Ｋ（λ２）、工程Ｓ１１０の光路長ＯＰＬ２（λ１）、ＯＰＬ２（λ２）、工程Ｓ１１１の水蒸気分圧ｐｗ２を代入する事でＬ２の算出が実現する。
【００８０】
以上述べたように本発明に依れば、分散干渉計３０と測長干渉計５０の空気組成が一致しない場合でも、空気組成の不一致をもたらすガスの分圧を計測する事でその影響を補正する事が可能となる。更に、共通な空気組成成分については測長環境下の分散比を実測して計算に反映する事で高精度に幾何学的距離の算出が可能となる。
【実施例２】
【００８１】
つぎに、図４を用いて本発明の実施例２について説明する。図４は本発明の実施例２の装置構成図である。
【００８２】
本実施例では、波長走査光源１１０を追加し多波長光源１００を構成し、波長走査光源１１０の波長における光路長を検出するための検出器１２０、１３０、１４０を追加する事で干渉次数を含む絶対光路長を直接計測可能としている。
【００８３】
以下では図４を用いて詳細を説明する。
【００８４】
波長走査光源１１０を射出した光束はＮＰＢＳ１１３で２つに分割され、一方は周波数シフトユニット１１１に入射する。以下では周波数シフトユニット１１１を透過する光束を波長走査周波数シフト光束、他方を波長走査光束と称す。
【００８５】
波長走査光源１１０の波長λ４は時間的に変化し、短波長端の波長λ４１と長波長端の波長λ４２間の走査を繰り返す。ここで波長λ４１及び波長λ４２は図示されないガスセルやエタロン等の波長基準に対し安定化され、その波長の安定性は保証されているものとする。
【００８６】
図５に基本波の波長λ１と２倍波の波長λ２と波長走査光源の波長λ４１とλ４２の関係を示す。後述する絶対光路長の干渉次数決定の為に、λ１とλ４１の波長差は１０ｎｍ程度、λ４１とλ４２の波長差は数１０ｐｍ程度とする。λ４１とλ４２の波長差を少なくすることでＤＦＢ−ＬＤ等の安価な光源でも波長走査が実現可能となる。
【００８７】
周波数シフトユニット１１１は他の周波数シフトユニットと同様に周波数をｄｆだけシフトした後、入射成分と直交成分に偏光を回転して射出する。周波数シフトユニット１１１を射出した波長走査周波数シフト光束はＮＰＢＳ１１４で波長走査光束と合波された後に２つに分割される。ＮＰＢＳ１１４を通過後、波長走査基準信号検出器１２０に入射する光束を波長走査基準光束、他方を波長走査計測光束と称す。波長走査基準光束は、波長走査基準信号検出器１２０において式（２１）で表わされる干渉信号Ｉｒｅｆ（λ４）を生成する。
【００８８】
【数２１】
【００８９】
ここでλ４は波長走査光束の真空波長、ＯＰＤ３（λ４）は波長走査基準信号検出器１２０へ到達するまでの波長走査周波数シフト光束と波長走査光束の光路長差である。干渉信号Ｉｒｅｆ（λ４）は解析器７０で計測される。
【００９０】
ＮＰＢＳ１１４を通過した波長走査計測光束はＤＩＭ１１２で基本波計測光束と合波され、実施例１における基本波計測光束や２倍波計測光束と同様に分散干渉計３０及び測長干渉計５０に入射しそれぞれの干渉信号を生成する。波長走査計測光束の分散干渉計３０における干渉信号は検出器１３０で検出され、その干渉信号（波長走査分散信号）は式（２２）で表わされる。
【００９１】
【数２２】
【００９２】
同様に、波長走査計測光束による測長干渉計５０における干渉信号は検出器１４０で検出されその検出信号（波長走査測長信号）は式（２３）で表わされる。
【００９３】
【数２３】
【００９４】
以上で装置構成に関する説明を完了する。以下では図６に基づき計測フローの説明を行う。本実施例の計測フローは、初期化工程が不要となる点と、光路長算出工程が絶対光路長算出工程となる点が、実施例１に対する変更点である。
【００９５】
工程Ｓ１０２は実施例１と同様である為説明を省略する。
【００９６】
工程Ｓ２００では分散干渉計３０の絶対光路長を算出する。一般に２つの波長λａ、λｂのビートに相当する合成波長を用いて測長範囲を拡大する方法は良く知られている。具体的には２つの波長λａ、λｂの合成波長をΛａｂ＝λａ・λｂ／｜λａ―λｂ｜とするとき、干渉位相をそれぞれφａ、φｂとして、測長値は波長λａと合成波長Λａｂそれぞれについて式（２４）で表される。
【００９７】
【数２４】
【００９８】
ここでＮａ、Ｎａｂはそれぞれ波長λａと合成波長Λａｂの干渉次数、ｎ（λａ）、ｎｇ（λａ，λｂ）は波長λａの屈折率と合成波長Λａｂの群屈折率である。波長λａによる表現と、合成波長Λａｂによる表現のいずれも干渉次数項が存在する為、波長の整数倍の曖昧差は存在するものの、Λａｂ＞＞λａである為、合成波長により測長範囲が拡大される事になる。
【００９９】
分散干渉計３０の３つの波長λ１、λ４１、λ４２について、λ１とλ４１の合成波長をΛ１４、λ４１とλ４２の合成波長をΛ４４とすると式（２５）を得る。
【０１００】
【数２５】
【０１０１】
先述した様に、波長走査光源１１０の波長をλ１＜＜（λ４１−λ１）＜＜（λ４２−λ４１）なる関係とした為、合成波長はλ１＜＜Λ１４＜＜Λ４４となる。また、本実施例では合成波長による測長精度が短い合成波長又は波長の１／２以下となるように合成波長を設定している。従って最長の合成波長Λ４４の計算結果から逐次的にそれぞれの干渉次数を決定すれば波長λ１の干渉次数Ｎ１を決定する事ができる。更に本発明では、最長の合成波長Λ４４を波長走査により生成している為、干渉次数Ｎ４４は波長λ４１からλ４２までの波長走査時に発生する位相飛び数に相当する。従ってこれをカウントする事で最長合成波長Λ４４以上の測長範囲についても絶対測長が実現する。具体的には干渉次数Ｎ１は式（２６）で算出する。
【０１０２】
【数２６】
【０１０３】
ここで屈折率および群屈折率はほぼ等しいとして省略した。その差が無視できない場合には推定される使用環境に基づき固定値を代入する、或いは環境計測を行ってその値を用いても構わない。
【０１０４】
以上の方式によれば合成波長による計測結果は干渉次数Ｎ１の決定にしか用いない為、絶対測長を実現しながらも実施例１に示した通常の干渉計測と同等の精度で光路長の計測が可能である。
【０１０５】
尚、本実施例では波長走査光源１１０を追加する事で干渉次数決定を実現したが、最長合成波長Λ４４の最大値が測長範囲の最大値以上であれば波長走査の必要はない。また必ずしも波長走査を行わなくても光源を追加し合成波長を拡大する事によっても絶対測長の実現は可能である。その他の手段としては光源１の波長を走査することにより追加の光源なしで絶対測長を実現しても構わない。ただしこの場合には光源１に必要な波長走査量は１０ｎｍ程度と大きくなる為、ＤＦＢ−ＬＤではなく外部共振器型半導体レーザ等の使用が必要になる。
【０１０６】
式（２６）により基本波分散計測光束の干渉次数Ｎ１が決定した後、２倍波分散計測光束の干渉次数Ｎ２は式（２７）で算出する。
【０１０７】
【数２７】
【０１０８】
干渉次数Ｎ２の算出においても基本波と２倍波の屈折率比が必要になるが、想定される測長干渉計の使用環境に応じて、固定値を用たり、環境計測を行ってその結果から屈折率比を算出しても構わない。
【０１０９】
以上で干渉次数Ｎ１，Ｎ２が決定するため、式（９）を用いて絶対光路長を算出し、工程Ｓ２００を完了する。
【０１１０】
工程Ｓ１０６〜工程Ｓ１０７は実施例１と同様である為説明を省略する。
【０１１１】
工程Ｓ２１０では、工程Ｓ２００と同様に波長走査光束と基本波光束の測定結果に基づき絶対光路長の算出を行う。詳細な手続きは工程Ｓ２００と同様である為省略する。
【０１１２】
工程Ｓ１１１では実施例１と同様に、工程Ｓ１０７の空気分散比算出結果と、工程Ｓ２１０の絶対光路長算出結果と、工程Ｓ１１１の測長干渉計５０の水蒸気分圧計測結果より、測長干渉計５０の参照面５２と被検面５３の幾何学的距離Ｌ２を算出する。
【０１１３】
以上説明したとおり、本実施例に依れば、絶対測長が可能となる為、初期化動作が不要となり計測の利便性が向上する。さらにレーザトラッカなど相対測長が困難な用途においても空気屈折率の揺らぎの影響を受ける事無く高精度な測長が可能となる。
【符号の説明】
【０１１４】
１０ 多波長光源
２０ 分圧計測光源
３０ 分散干渉計
４０ 第１分圧検出器
５０ 測長干渉計
５２ 参照面
５３ 被検面
６０ 第２分圧検出器
７０ 解析器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
干渉計測用の多波長光源を用いて、参照面と被検面の間の光路長差を計測して該光路長差の幾何学的距離を算出する光波干渉計測装置において、
分圧計測用光源と、
前記多波長光源の波長における空気の分散を計測する分散干渉計と、
前記分散干渉計における空気の成分気体の分圧を計測する第１分圧検出器と、
前記多波長光源の波長における前記参照面と前記被検面の間の光路長差を計測する測長干渉計と、
前記測長干渉計における前記成分気体の分圧を計測する第２分圧検出器と、
前記第１分圧検出器の検出結果によって前記分散干渉計における前記成分気体以外の空気分散比を算出し、前記成分気体以外の空気分散比と前記第２分圧検出器の検出結果から前記測長干渉計の空気の分散を算出し、前記参照面と前記被検面の間の光路長差の幾何学的距離を算出する解析器と、
を有することを特徴とする光波干渉計測装置。
【請求項２】
前記解析器は、
以下の式を用いて前記参照面と前記被検面の間の光路長差の幾何学的距離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。
【数２８】
【数２９】
ここで、Ｋ（λ１）／Ｋ（λ２）は前記成分気体以外の空気分散比である。λ１は前記多波長光源の基本波の波長である。λ２は前記多波長光源の２倍波の波長である。ＯＰＬ１（λ１），ＯＰＬ１（λ２）は前記分散干渉計における前記多波長光源の各波長の光路長である。Ｌ１は前記分散干渉計の真空セルの長さである。ｇ（λ１），ｇ（λ２）は前記多波長光源の各波長の前記成分気体の分散である。Ｐｗ１は前記第１分圧検出器における前記成分気体の分圧である。Ｌ２は前記幾何学的距離である。ＯＰＬ２（λ１），ＯＰＬ２（λ２）は前記測長干渉計における前記多波長光源の各波長の光路長である。Ｐｗ２は前記第２分圧検出器における前記成分気体の分圧である。
【請求項３】
前記成分気体の分圧は、前記成分気体の透過率から算出されることを特徴とする請求項１又は２に記載の光波干渉計測装置。
【請求項４】
前記分圧計測用光源の波長は前記成分気体の吸収線波長であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光波干渉計測装置。
【請求項５】
前記成分気体は水蒸気であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光波干渉計測装置。
【請求項６】
前記解析器は、前記多波長光源の有する複数の波長の光路長計測結果から、前記分散干渉計及び前記測長干渉計の光路長の干渉次数を決定することを特徴とする請求項１又は２に記載の光波干渉計測装置。
【請求項７】
前記多波長光源の有する波長の少なくとも一つは波長走査が可能であり、該波長と前記多波長光源の有する他の波長とで合成波長を生成することを特徴とする請求項６に記載の光波干渉計測装置。
【請求項８】
２つの波長λａ、λｂの合成波長をλａ・λｂ／｜λａ−λｂ｜とするとき、
前記多波長光源の有する複数の波長のうち２つの波長の合成波長、及び前記合成波長と前記多波長光源の有する複数の波長のうちの他の波長あるいは他の前記合成波長を更に合成して得られる合成波長の最大値が前記分散干渉計及び前記測長干渉計の測長範囲の最大値より大きいことを特徴とする請求項６に記載の光波干渉計測装置。
【請求項１】
干渉計測用の多波長光源を用いて、参照面と被検面の間の光路長差を計測して該光路長差の幾何学的距離を算出する光波干渉計測装置において、
分圧計測用光源と、
前記多波長光源の波長における空気の分散を計測する分散干渉計と、
前記分散干渉計における空気の成分気体の分圧を計測する第１分圧検出器と、
前記多波長光源の波長における前記参照面と前記被検面の間の光路長差を計測する測長干渉計と、
前記測長干渉計における前記成分気体の分圧を計測する第２分圧検出器と、
前記第１分圧検出器の検出結果によって前記分散干渉計における前記成分気体以外の空気分散比を算出し、前記成分気体以外の空気分散比と前記第２分圧検出器の検出結果から前記測長干渉計の空気の分散を算出し、前記参照面と前記被検面の間の光路長差の幾何学的距離を算出する解析器と、
を有することを特徴とする光波干渉計測装置。
【請求項２】
前記解析器は、
以下の式を用いて前記参照面と前記被検面の間の光路長差の幾何学的距離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。
【数２８】
【数２９】
ここで、Ｋ（λ１）／Ｋ（λ２）は前記成分気体以外の空気分散比である。λ１は前記多波長光源の基本波の波長である。λ２は前記多波長光源の２倍波の波長である。ＯＰＬ１（λ１），ＯＰＬ１（λ２）は前記分散干渉計における前記多波長光源の各波長の光路長である。Ｌ１は前記分散干渉計の真空セルの長さである。ｇ（λ１），ｇ（λ２）は前記多波長光源の各波長の前記成分気体の分散である。Ｐｗ１は前記第１分圧検出器における前記成分気体の分圧である。Ｌ２は前記幾何学的距離である。ＯＰＬ２（λ１），ＯＰＬ２（λ２）は前記測長干渉計における前記多波長光源の各波長の光路長である。Ｐｗ２は前記第２分圧検出器における前記成分気体の分圧である。
【請求項３】
前記成分気体の分圧は、前記成分気体の透過率から算出されることを特徴とする請求項１又は２に記載の光波干渉計測装置。
【請求項４】
前記分圧計測用光源の波長は前記成分気体の吸収線波長であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光波干渉計測装置。
【請求項５】
前記成分気体は水蒸気であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光波干渉計測装置。
【請求項６】
前記解析器は、前記多波長光源の有する複数の波長の光路長計測結果から、前記分散干渉計及び前記測長干渉計の光路長の干渉次数を決定することを特徴とする請求項１又は２に記載の光波干渉計測装置。
【請求項７】
前記多波長光源の有する波長の少なくとも一つは波長走査が可能であり、該波長と前記多波長光源の有する他の波長とで合成波長を生成することを特徴とする請求項６に記載の光波干渉計測装置。
【請求項８】
２つの波長λａ、λｂの合成波長をλａ・λｂ／｜λａ−λｂ｜とするとき、
前記多波長光源の有する複数の波長のうち２つの波長の合成波長、及び前記合成波長と前記多波長光源の有する複数の波長のうちの他の波長あるいは他の前記合成波長を更に合成して得られる合成波長の最大値が前記分散干渉計及び前記測長干渉計の測長範囲の最大値より大きいことを特徴とする請求項６に記載の光波干渉計測装置。
【図６】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−４２３２６（Ｐ２０１２−４２３２６Ａ）
【公開日】平成２４年３月１日（２０１２．３．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１８３６０３（Ｐ２０１０−１８３６０３）
【出願日】平成２２年８月１９日（２０１０．８．１９）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月１日（２０１２．３．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月１９日（２０１０．８．１９）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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