JP2010230653A - 光波干渉計測装置 - Google Patents

Abstract

【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。
【選択図】図１

Description

本発明は、光波干渉計測装置に関する。

従来から、被検信号と参照信号の位相差から光路長差を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、周波数間隔と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と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、計測信号と基準信号の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を回折格子で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。

特許第３７３９９８７号 特開２００９−２５２４５号公報

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．

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。

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。

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。

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。

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と参照光束の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。

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。

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。

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の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と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。

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。

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。

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。

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。

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や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。

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。

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に入射する光路を基準光路、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。

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。

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。

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が不足する場合には、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、バンドパスの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。

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。

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。

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。

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Ｉ^ｒｅｆ _ｐ、計測光路の干渉信号をＩ^ｔｅｓｔ _ｐとすると、式（１）及び式（２）のように表される。

ここで、ａ１_ｐ、ａ２_ｐ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。ｎ_１Ｌ_１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。ｎ_２Ｌ_２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φ^ｒｅｆ _ｐ、φ^ｔｅｓｔ _ｐとすると、以下の式（３）及び式（４）で表される。

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。

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。

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。

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ｎ_２Ｌ_２を計算する。光路長差ｎ_２Ｌ_２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ｎ_２Ｌ_２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ｎＤ^{ｍｅａｓ１}を用いて光路長差ｎ_２Ｌ_２を表すと、以下の式（７）を得る。

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ｎ_２Ｌ_２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ｎ_２Ｌ_２ ^{ｍｅａｓ１}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ｎＤ^{ｍｅａｓ１}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。

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Ｎ_ｐは、以下の式（８）で表される。

ここで、「ｒｏｕｎｄ（）」は引数を丸める関数を表す。

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。

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で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。

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。

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。

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。

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、距離測定誤差の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を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。

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の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ｆ_ｐに対する光路長差ｎＤ（ｆ_ｐ）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。

式（１０）において、Ｎ_ｔｐ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の密度に依存する成分であり、Ｂ（ｆ_ｐ）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の分散特性は、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。

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。

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。

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ｎＤ_ｍｅａｓ（ｆ_ｐ）とし、所定の関数をＤ＋Ｎ_ｔｐ・Ｄ・Ｂ（ｆ_ｐ）とすると、フィッティング残差の平方和は式（１２）のように表される。

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

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Ｎ_ｔｐ・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。

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。

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が集積化されたタイプのものを用いてもよい。

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、偏波面保存タイプの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の透過スペクトルの真空波長及び周波数間隔は、高精度に補償される。

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。

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。

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ＦＳＲ_１、半導体レーザ３０ａの周波数をｆ_０とすると、半導体レーザ３０ｂ、３０ｃの周波数は、それぞれ、ｆ_０＋ＦＳＲ_１、ｆ_０＋Ｎ×ＦＳＲ_１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。

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。

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φ_ｒｅｆ、φ_ｔｅｓｔの差（位相差）をφ_ａ１、φ_ｂ１、φ_ｃ１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。

式（１３）の第１式〜第３式では、波長をｃ／ｆ_０、ｃ／（Ｎ・ＦＳＲ_１）、ｃ／ＦＳＲ_１として表現し、位相を干渉次数Ｎ、Ｎ_１３、Ｎ_１２と端数位相φ_ａ１、φ_ｃ１−φ_ａ１、φ_ｂ１−φ_ａ１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。

端数位相φ_ａ１、φ_ｃ１−φ_ａ１、φ_ｂ１−φ_ａ１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／ＦＳＲ_１は、現実的な第１周波数間隔ＦＳＲ_１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。

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ＦＳＲ_１と第２周波数間隔ＦＳＲ_２との間で周期的に変化させる。第２周波数間隔ＦＳＲ_２は、微小間隔ｄＦＳＲを用いて以下の式（１４）のように表される。

第２周波数間隔ＦＳＲ_２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φ_ｒｅｆとφ_ｔｅｓｔの差（位相差）をφ_ａ２、φ_ｂ２、φ_ｃ２とすると、光路長差ｎＤは以下の２つの式（１５）で表される。

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。

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ＦＳＲ_１と第２周波数間隔ＦＳＲ_２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ＦＳＲ_１における光路長差の算出結果及び第２周波数間隔ＦＳＲ_２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。

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。

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。

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、右回り円偏光と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。

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Ｉ_ａ、Ｉ_ｂ、Ｉ_ｃは式（１７）で表される。

式（１７）より、位相φは式（１８）で算出される。

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。

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。

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

Claims (11)

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、
   を有することを特徴とする光波干渉計測装置。
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。
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。
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。
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。
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を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の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の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。
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。
8. 前記第１多波長光源及び前記第２多波長光源は、単一の狭帯域な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。
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。
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。
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と参照光束の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。