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図面 (9)

課題

安価で高精度な光波干渉計測装置を提供する。

解決手段

光波干渉計測装置は、複数のスペクトルを有する光束を射出する第1多波長光源200aと、第1多波長光源からの光束とは異なる波長を有する光束を射出する第2多波長光源200bと、第1多波長光源200a及び第2多波長光源200bからの光束を分離する偏光ビームスプリッタ6と、第2多波長光源200bからの光束を反射する参照面7と、第1多波長光源200aからの光束を反射する被検面8と、第1多波長光源200a及び第2多波長光源200bからの光束の干渉信号分光する分波器9a、9bと、第1多波長光源200a及び第2多波長光源200bからの光束の単一波長同士の干渉信号を複数の波長について検出する検出装置10a、10bと、検出装置10a、10bからの信号を処理して参照面7と被検面8との間の光路長差を算出する解析装置11とを有する。

概要

背景

従来から、被検信号と参照信号位相差から光路長差計測する光波干渉計測装置が提案されている。例えば特許文献1には、周波数間隔中心周波数の異なる2つの多波長光源光周波数コム光源)の干渉を用いて被検光路参照光路の光路長差を計測する光波干渉計測装置が開示されている。特許文献2には、計測信号基準信号周波数成分毎の位相差から距離を計算する光波干渉計測装置が開示されている。

非特許文献1には、1つの多波長光源から生成された被検光路と参照光路の干渉信号回折格子分光する方法が開示されている。本文献に開示された方法では、多波長光源のスペクトルのそれぞれに対応する干渉信号を分離し、周波数に対する光路長差による位相の変化をホモダイン計測する。また、特許文献2には、1つの多波長光源による被検光路と参照光路の干渉信号を回折格子で分光して計測する方法として、被検光路と参照光路のいずれか一方に周波数シフタを挿入してヘテロダイン検出を行う方法が開示されている。

概要

安価で高精度な光波干渉計測装置を提供する。光波干渉計測装置は、複数のスペクトルを有する光束を射出する第1多波長光源200aと、第1多波長光源からの光束とは異なる波長を有する光束を射出する第2多波長光源200bと、第1多波長光源200a及び第2多波長光源200bからの光束を分離する偏光ビームスプリッタ6と、第2多波長光源200bからの光束を反射する参照面7と、第1多波長光源200aからの光束を反射する被検面8と、第1多波長光源200a及び第2多波長光源200bからの光束の干渉信号を分光する分波器9a、9bと、第1多波長光源200a及び第2多波長光源200bからの光束の単一波長同士の干渉信号を複数の波長について検出する検出装置10a、10bと、検出装置10a、10bからの信号を処理して参照面7と被検面8との間の光路長差を算出する解析装置11とを有する。

目的

本発明は、安価で高精度な光波干渉計測装置を提供することを目的とする

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
2件

この技術が所属する分野

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請求項1

複数のスペクトルを有する光束を射出する第1多波長光源と、前記第1多波長光源からの光束と異なる波長及び直交する偏光成分を有する光束を射出する第2多波長光源と、前記第1多波長光源からの光束と前記第2多波長光源からの光束とを分離する偏光光学素子と、基準位置に設けられ、前記第2多波長光源からの光束を反射する参照面と、被検物体に設けられ、前記第1多波長光源からの光束を反射する被検面と、前記第1多波長光源からの光束と前記第2多波長光源からの光束の干渉信号分光する分光光学素子と、前記分光光学素子で分光された干渉信号から、前記第1多波長光源からの光束と前記第2多波長光源からの光束の単一波長同士の干渉信号を複数の波長について検出する複数の検出器と、前記検出器からの信号を処理して前記参照面と前記被検面との間の光路長差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

前記第1多波長光源及び前記第2多波長光源の両方の周波数間隔を制御する一つの基準発振器を更に有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

前記分光光学素子は、前記第1多波長光源及び前記第2多波長光源の波長間隔以上の波長分解能を有するアレイ導波路回折型波長分波器であ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

前記解析装置は、複数の周波数について前記干渉信号から前記被検面と前記参照面との間の干渉位相を算出し、前記複数の周波数に対する前記干渉位相の変化率から前記光路長差を算出することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の光波干渉計測装置。

請求項5

前記解析装置は、算出された前記光路長差から前記干渉信号の干渉次数を算出し、前記複数の周波数について前記干渉位相及び前記干渉次数を用いて前記光路長差を再度算出することを特徴とする請求項4に記載の光波干渉計測装置。

請求項6

前記解析装置は、再度算出された前記光路長差に対して関数フィッティングさせることにより幾何学的距離を算出し、前記関数は、前記幾何学的距離と、前記参照面と前記被検面との間の媒質屈折率によって変化する光路長差の変化分との和で表され、前記光路長差の変化分は、前記参照面と前記被検面との間の既知分散特性を有する媒質の屈折率に前記幾何学的距離を乗算して得られ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

前記第1多波長光源及び前記第2多波長光源は、複数の光周波数成分のそれぞれが均等な光周波数差となる光周波数コム光源であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の光波干渉計測装置。

請求項8

前記第1多波長光源及び前記第2多波長光源は、単一の狭帯域波長光源からの光束を光学変調素子により変調することで複数の波長を生成することを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の光波干渉計測装置。

請求項9

単一の波長基準素子を更に有し、前記第1多波長光源及び前記第2多波長光源は、それぞれ、前記単一の波長基準素子により安定化されていることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の光波干渉計測装置。

請求項10

前記解析装置は、前記第1多波長光源及び前記第2多波長光源の周波数間隔を、第1周波数間隔と第2周波数間隔との間で周期的に変化させ、前記第1周波数間隔における前記光路長差の算出結果及び前記第2周波数間隔における該光路長差の算出結果から、該光路長差を再度算出することを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載の光波干渉計測装置。

請求項11

複数のスペクトルを有する光束を射出する第1多波長光源と、前記第1多波長光源の有する複数の波長間の周波数間隔を周期的に制御する波長制御部と、前記第1多波長光源からの光束を被検光束参照光束の2つに分離する偏光光学素子と、基準位置に設けられ、前記参照光束を反射する参照面と、被検物体に設けられ、前記被検光束を反射する被検面と、前記参照光束と前記被検光束の干渉信号を分光する分光光学素子と、前記分光光学素子で分光された干渉信号から、前記参照光束と前記被検光束の単一波長同士の干渉信号を複数の波長について検出する複数の検出器と、前記検出器からの信号を処理して前記参照面と前記被検面との間の光路長差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。

技術分野

0001

本発明は、光波干渉計測装置に関する。

背景技術

0002

従来から、被検信号と参照信号位相差から光路長差計測する光波干渉計測装置が提案されている。例えば特許文献1には、周波数間隔中心周波数の異なる2つの多波長光源光周波数コム光源)の干渉を用いて被検光路参照光路の光路長差を計測する光波干渉計測装置が開示されている。特許文献2には、計測信号基準信号周波数成分毎の位相差から距離を計算する光波干渉計測装置が開示されている。

0003

非特許文献1には、1つの多波長光源から生成された被検光路と参照光路の干渉信号回折格子分光する方法が開示されている。本文献に開示された方法では、多波長光源のスペクトルのそれぞれに対応する干渉信号を分離し、周波数に対する光路長差による位相の変化をホモダイン計測する。また、特許文献2には、1つの多波長光源による被検光路と参照光路の干渉信号を回折格子で分光して計測する方法として、被検光路と参照光路のいずれか一方に周波数シフタを挿入してヘテロダイン検出を行う方法が開示されている。

0004

特許第3739987号
特開2009−25245号公報

先行技術

0005

Ki−Nam Joo & Seung−Woo Kim (2006).”Absolute distance measurement by dispersive interferometry using a femtosecond pulse laser”OPTICS EXPRESS, Vol.14, No13, pp.5954−5960.

発明が解決しようとする課題

0006

しかしながら、周波数間隔と中心周波数の異なる2つの多波長光源を用いた従来の光波干渉計測装置には、次の2つの課題がある。第1に、光波干渉計測装置の計測精度は、2つの多波長光源の周波数安定性、特に多波長光源の周波数間隔の差に敏感であるため、光波干渉計測装置の高精度化が困難である。第2に、従来の光波干渉計測装置では2台の光周波数コム発生器を必要とし、多波長光源間の周波数間隔の差を高精度に安定化するための複雑な基準発振器ユニットを更に必要とするため、光波干渉計測装置が高価になる。

0007

特に、1つの多波長光源を用いた光波干渉計測装置の場合、ホモダイン検出のため干渉信号の位相検出精度が低く、高精度な距離計測は困難である。また、被検光路と参照光路のいずれか一方に周波数シフタを挿入してヘテロダイン検出を行う場合でも、周波数シフタの挿入により被検光路と参照光路の光路長差が広がるため、揺らぎ等の影響を受けることにより装置の高精度化は困難である。さらに、一つの光源に複数の干渉計を設けるような多軸の応用用途を想定すると、干渉計毎に周波数シフタが必要となるため、装置が高価になる。

0008

そこで、本発明は、安価で高精度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

0009

本発明の一側面としての光波干渉計測装置は、複数のスペクトルを有する光束を射出する第1多波長光源と、前記第1多波長光源からの光束と異なる波長及び直交する偏光成分を有する光束を射出する第2多波長光源と、前記第1多波長光源からの光束と前記第2多波長光源からの光束とを分離する偏光光学素子と、基準位置に設けられ、前記第2多波長光源からの光束を反射する参照面と、被検物体に設けられ、前記第1多波長光源からの光束を反射する被検面と、前記第1多波長光源からの光束と前記第2多波長光源からの光束の干渉信号を分光する分光光学素子と、前記分光光学素子で分光された干渉信号から、前記第1多波長光源からの光束と前記第2多波長光源からの光束の単一波長同士の干渉信号を複数の波長について検出する複数の検出器と、前記検出器からの信号を処理して前記参照面と前記被検面との間の光路長差を算出する解析装置とを有する。

0010

本発明の他の側面としての光波干渉計測装置は、複数のスペクトルを有する光束を射出する第1多波長光源と、前記第1多波長光源からの光束と直交する偏光成分を有する光束を射出する第2多波長光源と、前記第1多波長光源の有する複数の波長間の周波数間隔を周期的に制御する波長制御部と、前記第1多波長光源からの光束を被検光束参照光束の2つに分離する偏光光学素子と、基準位置に設けられ、前記参照光束を反射する参照面と、被検物体に設けられ、前記被検光束を反射する被検面と、前記参照光束と前記被検光束の干渉信号を分光する分光光学素子と、前記分光光学素子で分光された干渉信号から、前記参照光束と前記被検光束の単一波長同士の干渉信号を複数の波長について検出する複数の検出器と、前記検出器からの信号を処理して前記参照面と前記被検面との間の光路長差を算出する解析装置とを有する。

0011

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

0012

本発明によれば、安価で高精度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

0013

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。
第1実施形態における解析装置により実行される計測方法フローチャートである。
第1実施形態における干渉信号の位相差と周波数との関係図である。
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。
第2実施形態における光路長計測波長との関係図である。
第3実施形態における光波干渉計測装置の構成図である。
第3実施形態におけるエタロン周波数間隔の変化を示す図である。
第3実施形態におけるホモダイン検出による光波干渉計測装置の構成図である。

実施例

0014

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の構成図である。

0015

本実施形態の光波干渉計測装置において、第1多波長光源200aは、光源1と光周波数コム発生器2とを備えて構成される。第1多波長光源200aは、複数の狭帯域なスペクトル(複数の狭帯域な波長)を有する光束を射出する。また、第2多波長光源200bは、第1多波長光源200aに周波数シフタ4を加えることにより構成され、第1多波長光源200aからの光束とは異なる複数の狭帯域なスペクトルを有する光束を射出する。また、第2多波長光源200bからの光束は、第1多波長光源200aからの光束の偏光成分に直交する偏光成分を有する。第1多波長光源200a及び第2多波長光源200bは、複数の光周波数成分のそれぞれが均等な光周波数差となる光周波数コム光源である。また、第1多波長光源200a及び第2多波長光源200bは、単一の狭帯域なスペクトルを有する光源からの光束を光学変調素子により変調することで、複数の狭帯域なスペクトルを有する光束を生成する。

0016

偏光ビームスプリッタ6は、第1多波長光源200aからの光束と第2多波長光源200bからの光束とを分岐(分離)する偏光光学素子である。参照面7は、所定の基準位置に設けられ、第2多波長光源200bからの光束を反射するように構成されている。被検面8は、被検物体に設けられ、第1多波長光源200aからの光束を反射するように構成されている。

0017

分波器9a、9bは、第1多波長光源200aからの光束と第2多波長光源200bからの光束の干渉信号を分光する分光光学素子である。検出装置10a、10bは複数の検出器を有し、それぞれ、分波器9a、9bで分光された干渉信号から、第1多波長光源200aからの光束と第2多波長光源200bからの光束の単一波長同士の干渉信号を複数の波長について検出する。解析装置11は、検出装置10a、10b(複数の検出器)からの信号を処理して参照面7と被検面8との間の光路長差を算出する。

0018

以下、本実施形態の光波干渉計測装置における計測原理について詳述する。単一の狭帯域な線幅を有し、高精度に中心周波数が安定化されて光源1を射出した光束は、光周波数コム発生器2に入射する。光周波数コム発生器2は、光学変調素子を共振器内に配置することにより構成され、発振器3からの周波数fmの変調信号に基づき入射光に対して位相変調を行う。光周波数コム発生器2から射出した光束は、光源1の周波数を中心周波数として間隔fmの櫛歯状のスペクトルとなり、各スペクトルの周波数間隔が発振器3により高精度に制御された多波長光源となる。光周波数コム発生器2を射出した光束は、ハーフミラーにより一部透過し、第1多波長光源200aとして用いられる。ここで、多波長光源の生成手段として、光周波数コム発生器2の代わりに電気光学変調素子音響光学変調素子を用いてサイドバンドを発生させてもかまわない。この場合、検出信号数は少なくなることによる精度低下を許容することができれば、コストの面で優位となる。

0019

ハーフミラーを反射した光束は、周波数シフタ4に入射する。周波数シフタ4では、音響光学変調素子を用いて光周波数コム発生器2で生成されたスペクトルの全てを一律の周波数dfだけシフトさせ、多波長光源200aから射出した光束と直交するように偏光を90度回転させて射出する。周波数シフタ4ではスペクトルの相対関係に変化を与えないため、周波数シフタ4を射出した光束も、第1多波長光源200aと同様、各スペクトルの周波数間隔が発振器3により高精度に制御された多波長光源となる。周波数シフタ4を射出した光束は、第2多波長光源200bとして用いられる。

0020

第1多波長光源200a及び第2多波長光源200bからの光束は、それぞれ、無偏光ビームスプリッタ5により2つに分岐される。以下、無偏光ビームスプリッタ5で分岐されて分波器9aに入射する光路基準光路、また、無偏光ビームスプリッタ5で分岐されて偏光ビームスプリッタ6へ入射する光路を計測光路と称す。

0021

計測光路において、第1多波長光源200aの光束は、偏光ビームスプリッタ6の反射面を透過する。一方、第1多波長光源200aと直交する偏光成分を有する第2多波長光源200bの光束は、偏光ビームスプリッタ6の反射面にて反射する。偏光ビームスプリッタ6で反射された第2多波長光源200bの光束は、複数の反射面からなるコーナキューブによって構成される参照面7で反射される。参照面7で反射された光束は、偏光ビームスプリッタ6で再度反射されて分波器9bに入射する。ここで、参照面7は、距離計測の基準となる基準位置上に固定されているものとする。

0022

一方、偏光ビームスプリッタ6を透過した第1多波長光源200aの光束は、被検物体上に固定された被検面8において反射される。被検面8は、参照面7と同様にコーナキューブで構成される。被検面8で反射された光束は、再び偏光ビームスプリッタ6を透過して分波器9bに入射する。このように、基準光路及び計測光路の両方において、第1多波長光源200a及び第2多波長光源200bの光束は、分波器9a、9bにより分光される。

0023

分波器9a、9bとしては、例えばアレイ導波路回折型波長分波器が用いられる。以下の説明において、アレイ導波路回折型分波器をAWGと称す。AWGは、光路長差の異なるアレイ上の導波路射出後の回折により分波する素子であり、小型で安価に入手可能である。分波器9a、9bは、第1多波長光源200a及び第2多波長光源200bの波長間隔以上の波長分解能を有することが要求される。分波器9a、9bはAWGに限定されるものではなく、例えばバルク型の回折格子を用いてもよい。光周波数コムの周波数間隔に対して回折格子の分解能不足する場合には、回折格子の前にエタロン等の追加の分散素子を挿入することで実効的な分解能を高めることができる。仕様波長や帯域によっては、AWGよりもバルク型の分光器の方が低コストで構成できる場合がある。また、本実施形態の分波器として、バンドパス干渉フィルターを用いてもよい。このような干渉フィルターを用いると、多波長光源のスペクトルの数が少なくて計測対象の波長の数が少ない場合に、分波器の構成が簡単になるという利点がある。

0024

分波器9a、9bから多波長光源のスペクトル毎に分岐された出力は、それぞれの分岐に対応して複数個の検出器を備えて構成された検出装置10a、10bにて受光される。検出装置10a、10bにて受光された光は、第1多波長光源200aと第2多波長光源200bの干渉信号として、解析装置11へ伝送される。ここで、第1多波長光源200aと第2多波長光源200bの干渉信号を得るため、両光源の共通偏光成分を抽出する手段としての偏光子(不図示)が分波器9a、9bの入射前に配置されている。

0025

なお本実施形態では、所定の方向の偏光成分のみが検出されるが、検出される偏光成分と直交する成分に関しても同様に、分波器9a、9b及び検出装置10a、10bで干渉信号を検出してもよい。このとき、検出装置10a、10bの両方で検出される信号の位相が互いに反転するように波長板を偏光子前に挿入することで、差動検出が可能となる。このため、さらに高精度な計測が可能となる。

0026

次に、本実施形態の解析装置11で実行される解析の内容について説明する。図2は、本実施形態における解析装置11により実行される計測方法のフローチャートである。

0027

まず解析装置11は、ステップS101において、基準光路及び計測光路のそれぞれに対してスペクトル毎(周波数毎)に得られる干渉信号の位相(干渉位相)を計測する。すなわち解析装置11は、複数の周波数についての各干渉信号から参照面7と被検面8との間の干渉位相を計測する。干渉位相の計測は、位相計を構成することにより可能となる。分波器9a、9bで分岐されたp番目の波長を検出するため、検出装置10a、10b中のp番目の検出器で計測される干渉信号は、基準光路の干渉信号をIrefp、計測光路の干渉信号をItestpとすると、式(1)及び式(2)のように表される。

0028

0029

0030

ここで、a1p、a2pは、それぞれ第1多波長光源200aと第2多波長光源200bのp番目の周波数成分の振幅である。n1L1は、無偏光ビームスプリッタ5以前における第1多波長光源200aの光路と第2多波長光源200bの光路の光路長差を表す。n2L2は、基準光路に対する測定光路の第2多波長光源の光路の光路長差である。また、nDは、偏光ビームスプリッタ6以降における第1多波長光源200a及び第2多波長光源200bからの光束の光路長差である。周波数dfの信号を位相計で検出した場合の位相は、基準光路及び計測光路における信号の位相をそれぞれφrefp、φtestpとすると、以下の式(3)及び式(4)で表される。

0031

0032

0033

次に、解析装置11は、ステップS102において計測光路及び基準光路の信号間の位相差を計算する。位相差は、上記の式(3)と式(4)の差を算出することにより以下の式(5)のように得られる。

0034

0035

次に、解析装置11は、ステップS103において参照面7と被検面8との間の光路長差nDの1回目の計算を行う。屈折率の分散が無視できるものとすると、光路長差nDは、複数の周波数に対する基準光路と計測光路との間の位相差(干渉位相)の変化率を用いて、以下の式(6)で表される。

0036

0037

図3は、本実施形態における干渉信号の位相差と周波数との関係図(実測値)である。図3における複数の基準光路と計測光路との位相差を周波数に対して線形近似した場合の傾き(変化率)を算出することにより、光路長差nDが算出される。ところが、上記の式(6)で得られる光路長差nDの計測精度は、位相計の10−5rad程度の計測精度を考慮すると、10GHz程度の周波数fmでも数100nm程度になる。この精度は、最終的な出力として用いるには不十分である。このため、以下において、より高精度に光路長差nDを算出するための解析手段について説明する。

0038

まず、解析装置11は、ステップS105において基準光路と計測光路との間の光路長差n2L2を計算する。光路長差n2L2は通常変化する値ではないため、毎回計算する必要はない。このため、図2に示されるように、光路長差n2L2の計算を行うか否かはステップS104にて判定される。上記の式(5)から、式(6)の光路長差nDmeas1を用いて光路長差n2L2を表すと、以下の式(7)を得る。

0039

0040

ここで、式(7)中のオーバーラインはpに対する平均値を意味する。上述のとおり、光路長差n2L2の計算頻度は低いため、十分な時間をかけて平均化することにより光路長差n2L2meas1を高精度に算出しておくことが望ましい。また、式(7)の光路長差nDmeas1に関しても、後述の式(9)で得られる光路長差nDを利用して反復計算を行うことにより精度を高めることができる。

0041

次に、解析装置11は、ステップS106において、算出された光路長差から干渉信号の干渉次数を算出する。ここで干渉次数とは、干渉信号で検出される位相の2πの整数倍の成分において、2πに乗じられる整数を意味する。p番目のスペクトルにおける計測光路と参照光路との位相差に着目すれば、p番目の干渉信号の干渉次数Npは、以下の式(8)で表される。

0042

0043

ここで、「round()」は引数を丸める関数を表す。

0044

最後に、解析装置11は、ステップS107において参照面7と被検面8との間の光路長差nDを再度算出する。光路長差nDは、それぞれのスペクトル(複数の周波数毎)について、上述の干渉次数と、計測光路と参照光路との間の位相差(干渉位相)とを用いて算出される。このため、高精度化のために全てのスペクトルに対して平均化を行うことにより、光路長差nDは以下の式(9)のように表される。

0045

0046

式(9)は光路長差nDに対する計算式であるが、必要に応じて屈折率n除算することにより、幾何学的距離Dを算出するようにしてもよい。屈折率nは、光波干渉計測装置の近傍において気圧、温度、湿度等の環境状態を計測し、計測周波数に応じて屈折率の分散式からの計算により得られる。式(9)によれば、式(6)と比較して、同一の位相差の計測精度においてf:fmの比で高精度に幾何学的距離Dを算出することが可能となる。

0047

本実施形態では、光源1に対して光波干渉計が一つの場合について説明したが、複数軸を同時に計測する場合には一つの光源1に対し複数個の光波干渉計を構成してもよい。この場合、無偏光ビームスプリッタ5以降で必要数だけ光束を分岐し、偏光ビームスプリッタ6、参照面7、被検面8を備えて構成される干渉計を計測軸毎に配置し、干渉計毎に分波器9a、9bと検出装置10a、10bを追加すればよい。

0048

以上のとおり、本実施形態によれば、安価で高精度な測距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4は、本実施形態における光波干渉計測装置の構成図である。

0049

本実施形態の光波干渉計測装置は、図4に示されるように、光源部の構成が第1実施形態とは異なる。本実施形態においては、第1多波長光源として複数の狭帯域なスペクトルを広帯域にわたって有する広帯域多波長光源100aが用いられる。また、広帯域多波長光源100aとしては、キャリアエンベロープオフセット周波数及び周波数間隔が高精度に安定化されたフェムト秒レーザが用いられる。広帯域な光源の場合、帯域全域にわたって良好な変換効率を示す周波数シフタが存在しない。このため、別の独立したフェムト秒レーザが第2多波長光源である広帯域多波長光源100bとして用いられる。

0050

ここで、広帯域多波長光源100bのキャリアエンベロープオフセット周波数は、広帯域多波長光源100aに対して、一定の周波数dfの差を安定して維持するように制御される。また、発振器3は、広帯域多波長光源100a、100bの両方の周波数間隔を制御する基準発振器である。このように、広帯域多波長光源100a、100bの周波数間隔は、同一の発振器3により制御される。このため、本実施形態によれば、距離測定誤差主要因の一つである光源間の周波数間隔誤差の発振器起因成分補償することができる。なお本実施形態において、光源以降の構成は第1実施形態と同様であるため省略する。また、解析装置11による解析処理に関しても、図2で示されるフローチャートに基づいて参照面7と被検面8との間の光路長差が算出される。

0051

本実施形態では、広帯域多波長光源100a、100bの広帯域な特性を用いて、計測光路の屈折率変動補正を含めて参照面7と被検面8との間の光路長差における幾何学的距離を算出する解析処理が実行される。周波数fpに対する光路長差nD(fp)は、参照面7で反射された光束と被検面8で反射された光束の光路の幾何学的距離をDとすると、以下の式(10)で表される。

0052

0053

式(10)において、Ntpは参照面7と被検面8との間の非同一光路における媒質密度に依存する成分であり、B(fp)は波長のみに依存する関数である。なお、式(10)で表されるように、参照面7と被検面8との間の媒質の既知分散特性は、媒質の密度に依存する成分と光周波数成分に依存する成分との積、及び、媒質の真空中の屈折率の和で近似される。

0054

関数B(f)は、参照面7と被検面8との間の非同一光路における媒質が湿度0の空気である場合、Edlenの式を用いて以下の式(11)で表される。

0055

0056

なお、参照面7と被検面8との間の媒質が上述の条件と異なる場合には、適切な関数を設定すればよい。

0057

本実施形態の解析装置11は、多数の周波数に対する光路長差の測定結果から媒質密度の変化分を補正するために、光路長差の計測結果に対して所定の関数をフィッティングさせることにより幾何学的距離Dを算出する。ここで所定の関数は、幾何学的距離Dと、参照面7と被検面8との間の媒質の屈折率によって変化する光路長差の変化分の和で表される。光路長差の変化分は、参照面7と被検面8との間の既知の分散特性を有する媒質の屈折率に幾何学的距離Dを乗算して得られる。光路長差の計測結果をnDmeas(fp)とし、所定の関数をD+Ntp・D・B(fp)とすると、フィッティング残差平方和は式(12)のように表される。

0058

0059

式(12)を最小化する幾何学的距離DとNtp・Dは、正規方程式解くことにより決定される。

0060

図5は、本実施形態における光路長と計測波長との関係図であり、計測される光路長に対してフィッティングを行った結果を示している。図5を参照するに、「○」で表される離散的な光路長の計測結果に対して、一点鎖線で表される式(12)を最適化近似することで、幾何学的距離D及びNtp・Dを得ることができる。また、参照面7と被検面8との間の媒質の屈折率が必要な場合、光周波数毎の光路長の計測結果を参照面7と被検面8との間の幾何学的距離Dで除算することで屈折率を算出することができる。

0061

このように、本実施形態によれば、独立の周波数間隔制御が必要な多波長光源を用いる場合でも、同一の発振器を基準として多波長光源を制御することで安価で高精度な同期が可能となる。このため、複雑な基準発振器ユニットを用いることなく、屈折率変動の影響を補正した高精度な測距が可能な光波干渉計測装置を提供することができる。
〔第3実施形態〕
次に、本発明の第3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の構成図である。本実施形態の光波干渉計測装置は、3つの半導体レーザ30a、30b、30cからなる多波長光源300aを計測用光源として用いる。また、半導体レーザ30a、30b、30cは、単一の波長基準素子としてのエタロン31により安定化されている。

0062

半導体レーザ30a、30b、30cは、互いに異なる発振波長を有する単一縦モードレーザである。このような半導体レーザとしてDFBレーザを用いることにより、比較的安価に安定した単一モード発振を実現することができる。ただし、本実施形態はこれに限定されるものではなく、外部共振器型半導体レーザECLD)や面発光レーザVCSEL)を用いてもよい。また、それぞれ独立のレーザ素子である必要はなく、光通信用のDFBレーザのように多波長集積化されたタイプのものを用いてもよい。

0063

半導体レーザ30a,30b、30cからの出力は偏波面保存ファイバで射出され、偏波面保存タイプ合波器により合波された後、2つに分波される。分波された光束の一方は、コリメータで平行光束に変換された後、波長基準素子としてのエタロン31に入射する。エタロン31は、媒質分散の影響を避けるために真空ギャップタイプとし、その温度は温度コントローラ32で高精度に制御される。結果として、エタロン31の透過スペクトル真空波長及び周波数間隔は、高精度に補償される。

0064

本実施形態ではエタロン31を真空ギャップとしているが、分散を補償することにより、ソリッドギャップのエタロン31を用いることもできる。この場合、ニオブ酸リチウムのエタロンを採用すれば、電気光学効果により光路長変調が可能となる。このため、温度制御に比較して高速なエタロン周波数間隔の制御が可能となり、後述のエタロン周波数間隔の変調の際に有利である。エタロン31の周波数間隔の補償方法としては、後述のように、エタロン31の隣接する透過スペクトルに安定化した2つのレーザ間のビート信号を計測し、そのビート周波数が基準発振器と一致するようにエタロン31の周波数間隔を制御してもよい。この場合、応力開放等による長期的なエタロン31の変化に依存することなく高精度な周波数間隔の補償が可能となる。

0065

エタロン31を透過した光束は分波器33に入射し、半導体レーザ30a、30b、30cのそれぞれに対応した透過光量を波長コントローラ34で検出する。波長コントローラ34は、半導体レーザ30a、30b、30cそれぞれの光束のエタロン31に対する透過率が一定となるように、半導体レーザ30a、30b、30cの注入電流を制御する。このような制御により、半導体レーザ30a、30b、30cの波長を安定させることができる。なお、波長を高精度に安定化させるには、エタロン31の透過光量だけでなく入射光量も計測することがより好ましい。また、EOM等の位相変調素子で波長を変調して反射光量を同期検波することにより、エタロン31の透過スペクトルピークを基準としてレーザ波長を安定化させてもよい。この場合、透過スペクトルピークを基準とするため、透過スペクトル形状の変化に依存せずに高精度な安定化が可能となる。

0066

エタロン31は、半導体レーザ30a、30bの周波数を互いに隣接する透過スペクトルに安定化させ、半導体レーザ30a、30cの周波数を互いにN個離れた透過スペクトルに安定化させる。すなわち、エタロン31の透過スペクトルの間隔を第1周波数間隔FSR1、半導体レーザ30aの周波数をf0とすると、半導体レーザ30b、30cの周波数は、それぞれ、f0+FSR1、f0+N×FSR1となる。本実施形態では、以上により得られる多波長光源を第1多波長光源300aとする。

0067

第1多波長光源300aを射出した光束は2つに分岐され、一方の光束は周波数シフタ4を透過し、半導体レーザ30a、30b、30cの周波数をdfだけシフトさせる。周波数シフタ4を射出した光束は、図示されない波長板により、入射光束に対して直交する偏光に回転させられる。周波数シフタ4を透過した光束は、第2多波長光源300bとして用いられる。第1多波長光源300aと第2多波長光源300bを用いて被検面8と参照面7との間の干渉位相を計測することは、実施形態1と同様である。

0068

半導体レーザ30a、30b、30cのそれぞれの波長で計測される位相φref、φtestの差(位相差)をφa1、φb1、φc1とすると、被検面8と参照面7との間の光路長差nDは、以下の3つの式(13)で表される。

0069

0070

式(13)の第1式〜第3式では、波長をc/f0、c/(N・FSR1)、c/FSR1として表現し、位相を干渉次数N、N13、N12と端数位相φa1、φc1−φa1、φb1−φa1との和として表現している。ここで第2式と第3式は、それぞれ、半導体レーザ30a、30cの2波長、及び半導体レーザ30a、30bの2波長に対して式(6)を適用することで導出可能である。

0071

端数位相φa1、φc1−φa1、φb1−φa1の計測精度が同程度であるとすると、光路長の計測精度は波長が短い方が良好である。このため、式(13)の第1式が最も高精度となり、第3式が最も低精度となる。一方、干渉次数の曖昧さより、非曖昧な計測範囲に関しては第3式が最も長く、第1式が最も短くなる。ただし、第3式の波長c/FSR1は、現実的な第1周波数間隔FSR1として数GHzとした場合、100mm程度以下に限定されるという問題がある。

0072

そこで本実施形態では、図7に示されるように、解析装置11は、温度コントローラ32を制御してエタロン31の周波数間隔を微少量だけ変化させる。すなわち、解析装置11及び温度コントローラ32(波長制御部)は、エタロン31の周波数間隔を第1周波数間隔FSR1と第2周波数間隔FSR2との間で周期的に変化させる。第2周波数間隔FSR2は、微小間隔dFSRを用いて以下の式(14)のように表される。

0073

0074

第2周波数間隔FSR2において、半導体レーザ30a、30b、30cのそれぞれの波長で計測される位相φrefとφtestの差(位相差)をφa2、φb2、φc2とすると、光路長差nDは以下の2つの式(15)で表される。

0075

0076

微小間隔dFSRを1MHz程度とすると、最長波長c/dFSRは数100mに達し、一般的な用途において非曖昧な計測距離が計測範囲全域を網羅することができる。このため、式(15)の第2式では干渉次数を省略している。これは絶対測長が実現することを意味するが、前述のとおり、波長が長いほど計測精度が低い。そこで本実施形態では、式(13)と式(15)の5つの式を組み合わせ、逐次的に式(13)の第1式における干渉次数Nを求める。このため、精度を維持したまま絶対測長の実現が可能となる。具体的な計算式は式(16)で表される。

0077

0078

解析装置11は、図7に示されるように、エタロン31の周波数間隔FSRを第1周波数間隔FSR1と第2周波数間隔FSR2との間で変化させる。また解析装置11は、それぞれの周波数計測結果における位相計測結果より、式(16)を用いて絶対測長を行う。すなわち解析装置11は、第1周波数間隔FSR1における光路長差の算出結果及び第2周波数間隔FSR2における光路長差の算出結果から、光路長差を再度算出する。周波数間隔FSRの変調周期を高速にすると、被検光束が頻繁に遮光される場合でも、常時絶対測長が可能となる。

0079

なお本実施形態では、エタロン31の周波数間隔FSRを周期的に変化させて常時絶対測長を実現しているが、実施形態1、2においては、発振器の周波数を変化させることにより同等の効果を得ることができる。

0080

また本実施形態では、2つの多波長光源(第1多波長光源300a、第2多波長光源300b)を用いてヘテロダイン検出を行っているが、単一の多波長光源を用いてホモダイン検出を行ってもよい。図8は、ホモダイン検出の場合の光波干渉計測装置の構成図である。図8(a)に示される光波干渉計測装置は、図6に示される光波干渉計測装置と比較して、第2多波長光源300b、基準信号計測用の分波器9a、及び、検出装置10aが削除されている点が異なる。また、計測信号の位相計測部は、ホモダイン検出用に置き換えられる。

0081

図8(a)に示されるように、第1多波長光源301aからの光束は、偏光ビームスプリッタ6により被検光束と参照光束の2つの光束に分離される。被検光束と参照光束は、それぞれの偏光と45度の進相軸角度を有するλ/4板40を透過し、右回り円偏光左回り円偏光に変換される。その後、分光光学素子41に入射して半導体レーザ30a、30b、30cの波長ごとに光束が分割される。そして、グレーティングビームスプリッタ42で紙面垂直方向に光束を3つに分岐し、偏光子アレイ43を透過後、ディテクタアレイ44でそれぞれの波長に対し3つの光束の光量を独立に検出する。

0082

図8(b)は、1つの半導体レーザの波長に着目したグレーティングビームスプリッタ42以降の詳細な構成図である。偏光子アレイ43は、グレーティングビームスプリッタ42で3つに分岐された光束に対し、透過偏光軸が120度ずつ回転した3つの偏光子を備えて構成される。ディテクタアレイの3つのディテクタ44a、44b、44cは、それぞれの偏光子の透過光量を検出する。計測信号の位相をφとすると、ディテクタ44a、44b、44cで検出される光量Ia、Ib、Icは式(17)で表される。

0083

0084

式(17)より、位相φは式(18)で算出される。

0085

0086

解析装置11は、半導体レーザ30a、30b、30cに対して、式(18)を用いて位相φを計算する。位相計算結果からの光路長の算出方法は、ヘテロダイン検出の場合と同様である。以上のとおり、ホモダイン検出を用いた場合でも、エタロン31の周波数間隔を周期的に変化させ、それぞれの周波数間隔における位相計測結果から式(15)を用いて干渉次数を決定することで、常時絶対測長を実現することが可能となる。

0087

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。

0088

1光源
2光周波数コム発生器
3発振器
4周波数シフタ
7参照面
8 被検面
9a、9b分波器
10a、10b検出装置
100a、100b広帯域多波長光源
200a、300a、301a 第1多波長光源
200b、300b 第2多波長光源

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