JP2012184967A - 波長走査干渉計 - Google Patents

Abstract

【課題】移動する被検体までの絶対距離を高精度に計測するために有利な波長走査干渉計を提供する。
【解決手段】波長走査干渉計は、光源から射出される光束の波長を変更しながら該光束から分割された参照光と被検光との干渉光の信号に基づいて被検体までの絶対距離を計測する。波長走査干渉計は、前記光源から射出される光束の波長が互いに等しい時刻である第１時刻およびその後の第２時刻と、前記第１時刻、前記第２時刻のそれぞれにおける前記干渉光の信号の周波数である第１周波数、第２周波数とに基づいて、前記被検体の移動による誤差成分が低減された絶対距離を算出する処理部を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、波長走査干渉計に関する。

絶対距離を計測する光波干渉計測装置として、波長走査型の光波干渉計測装置や固定波長型の光波干渉計測装置が知られている。波長走査干渉計では、光源が発生する光の波長を時間的に走査することによって得られる干渉強度や干渉位相の時間変化に基づいて絶対距離を求める。波長走査干渉方式は、ヘテロダインやホモダインに代表される固定波長型の干渉方式と比較して構成が単純で低コストである。しかし、波長走査干渉方式は、移動する被検体については、干渉信号の周波数が絶対距離と被検体速度（ドップラーシフト）に依存するため、被検体距離の測長ができない。特許文献１には、２つの光源を用いて、それぞれに逆の周波数変調を行って測長することにより被検体速度による測長誤差を補正する波長走査干渉計が開示されている。

特表２００８−５３１９９３

しかしながら、特許文献１に記載された波長走査干渉計では、被検体速度（ドップラーシフト）を補正しているが、正負チャープの平均値から補正を行っておりその補正精度は１／２０と低い。

本発明は、移動する被検体までの絶対距離を高精度に計測するために有利な波長走査干渉計を提供することを目的とする。

本発明の１つの側面は、光源から射出される光束の波長を変更しながら該光束から分割された参照光と被検光との干渉光の信号に基づいて被検体までの絶対距離を計測する波長走査干渉計に係り、前記波長走査干渉計は、前記光源から射出される光束の波長が互いに等しい時刻である第１時刻およびその後の第２時刻と、前記第１時刻、前記第２時刻のそれぞれにおける前記干渉光の信号の周波数である第１周波数、第２周波数とに基づいて、前記被検体の移動による誤差成分が低減された絶対距離を算出する処理部を備える。

本発明によれば、移動する被検体までの絶対距離を高精度に計測するために有利な波長走査干渉計が提供される。

本発明の例示的な実施形態の波長走査干渉計の構成を示す図。 波長走査方法を例示する図。 本発明の例示的な実施形態の波長走査干渉計による移動被検体までの絶対距離（被検体距離）の具体的な計測方法を例示する図。

図１を参照しながら本発明の例示的な実施形態の波長走査干渉計１００について説明する。波長走査干渉計１００は、例えば、光源１、ビームスプリッタ２、処理部３、波長計測ユニット１０および干渉計ユニット２０を備えている。波長計測ユニット１０は、例えば、ファブリペローエタロン１２および検出器１３を含みうる。波長計測ユニット１０は、ミラー１１を含んでもよい。干渉計ユニット２０は、ビームスプリッタ２１、検出器２２および参照面２３を含みうる。波長走査干渉計１００は、光源１から射出される光束の波長を変更（走査）しながら、該光束から分割された参照光と被検光との干渉によって形成される干渉光の信号（干渉信号）に基づいて被検体までの絶対距離を計測する。ここで、絶対距離は、基準位置から参照面２３までの光路と該基準位置から被検体３０までの光路との差に基づいて絶対距離を算出する。図１に示す例では、基準位置は、ビームスプリッタ２１またはそれよりも光源１側の任意の位置でありうる。

光源１は、それが発生する光束の波長を変更（走査）可能な光源であり、例えば、波長可変レーザーでありうる。光源１は、処理部３による制御の下で、予め定められた波長走査範囲内で光束の波長を変更（走査）する。光源１から射出された光束は、ビームスプリッタ２により波長計測ユニット１０に向かう光束と干渉計ユニット２０に向かう光束とに分割される。波長計測ユニット１０に入射した光束は、ミラー１１で反射された後にファブリペローエタロン１２を透過し、検出器１３に入射する。検出器１３は、入射した光束の光強度を検出する。処理部３は、検出器１３によって検出された光強度に基づいて、光源１から射出される光束の波長を制御する。

ファブリペローエタロン１２は、透過スペクトルのそれぞれのピークの相対値が保証されている。そこで、ファブリペローエタロン１２として、透過スペクトル間隔の保証された真空媒質のエタロンが用いられうる。真空媒質のエタロンは、内部媒質の屈折率及び分散がないため、波長の相対値を容易に保証することができる。更に、エタロンの材質として低熱膨張ガラスなどを用いれば、温度に対する膨張率を低減して、長期的に安定した波長基準素子を実現することができる。但し、ファブリペローエタロン１２は、真空媒質のエタロンに限定されるものではなく、エアギャップのエタロンやソリッドエタロンなどを用いてもよい。この場合、エタロンの温度を計測するなどして内部屈折率及び分散を保証する必要がある。また、波長走査時の各時刻の波長を保証するため、ファブリペローエタロン１２は光源１の波長走査範囲の中に少なくとも２本以上の透過スペクトルを持つことが好ましい。

干渉計ユニット２０に入射した光束は、ビームスプリッタ２１により、参照面２３に入射する光束と被検体３０に入射する光束とに分割される。参照面２３に入射し参照面２３で反射された光束と、被検体３０に入射し被検体３０で反射された光束とは、ビームスプリッタ２１により合波された後、検出器２２に入射する。ここで、光源１の波長をリニアに走査（掃引）すると、検出器２２では、参照面２３で反射された参照光束と被検体３０で反射された被検光束との干渉によって形成される周期が一定の干渉信号Ｉ_{ｓｉｇｎａｌ}が検出される。干渉信号Ｉ_{ｓｉｇｎａｌ}は、式（１）で表すことができる。

・・・式（１）

ここで、Ｉ_Ｒは参照光束の強度、Ｉ_Ｄは被検光束の強度、Ｃは光速（２９９７９２４５８［ｍ／Ｓ］）、ｆ（ｔ）は光源１から射出される光束の波長、Ｌは被検体距離である。ここで、被検体距離Ｌは、被検体３０までの絶対距離（参照光束と被検光束との光路長差）である。光源１から射出される光束の波長がリニアに走査（掃引）されるので、検出器２２によって検出される干渉信号Ｉ_{ｓｉｇｎａｌ}の位相φは、式（２）で表すことができる。

・・・式（２）

干渉信号Ｉ_{ｓｉｇｎａｌ}の位相φ（ｔ）を時間ｔで微分すると、干渉信号Ｉ_{ｓｉｇｎａｌ}の周波数ν（ｔ）となり、式（３）で表すことができる。ここで、ｆ’は、波長ｆ（ｔ）の時間微分である。

・・・式（３）

被検体３０が静止している場合では、干渉信号Ｉ_{ｓｉｇｎａｌ}の周波数ν（ｔ）は、式（３）が示すように、被検体距離Ｌのみに依存する。そこで、検出器２２によって検出された干渉信号にフーリエ変換等の処理を行って周波数解析を行うことで被検体距離Ｌを算出することができる。被検体距離Ｌは、式（４）で表される。

・・・式（４）

次に、被検体３０が速度Ｖで運動している場合、干渉信号Ｉ_{ｓｉｇｎａｌ}の位相φ（ｔ）は、式（５）で表される。

・・・式（５）

ここで、ｆ_０は基準波長（波長走査の中心波長）であり、Ｌ_０は被検体３０が静止している時の被検体距離である。また、ｆ＝ｆ_０＋ｆ’ｔであり、Ｌ＝Ｌ_０＋Ｖｔである。位相φ（ｔ）を時間微分し、干渉信号Ｉ_{ｓｉｇｎａｌ}の周波数ν（ｔ）を算出すると、式（６）のようになる。なお、波長走査干渉計１００では、光源１から射出される光束の波長がリニアに走査され、したがって、ｆの時間ｔによる２回微分は０である。

・・・式（６）

このように、被検体３０が移動していると、干渉信号Ｉ_{ｓｉｇｎａｌ}の周波数ν（ｔ）は、被検体速度（被検体３０の速度）Ｖにも依存する。そこで、静止している被検体と同様に干渉信号Ｉ_{ｓｉｇｎａｌ}の周波数ν（ｔ）から被検体距離Ｌ_０を算出するためには、被検体速度Ｖを知ることが必要となる。被検体速度Ｖを算出するためには、ある時間間隔における被検体距離の変化量を得ればよい。ここで、被検体３０が移動している場合における被検体距離Ｌ_ｍは、式（４）および式（６）より、式（７）のように表わされる。よって、第１時刻と第２時刻との時間間隔における被検体距離の変化量に基づいて被検体速度Ｖを算出するためには、式（７）における第３項（（ｆ_０／ｆ’）Ｖ）が一定である必要がある。

・・・式（７）

処理部３は、図２に例示するように、一定の波長走査幅をリニアに走査する動作を波長走査周期Δｔで周期的に行うように光源１を制御する。そこで、第３項（（ｆ_０／ｆ’）Ｖ）を一定に保つためには、光源１から射出される光束の波長が互いに等しい２つの時刻における被検体距離に基づいて被検体速度Ｖを算出すればよい。光束の波長が互いに等しい２つの時刻は、隣り合う波長走査周期における光束の波長が互いに等しい時刻（例えば、ｔ_ｎ、ｔ_ｎ−１）でありうる。光束の波長が互いに等しい２つの時刻の間隔は、１つの波長走査周期Δｔの整数倍（例えば、１倍、２倍、３倍等）でありうる。

以下、波長走査干渉計１００による移動する被検体３０の絶対距離（被検体距離）の具体的な計測方法を図３を参照しながら例示的に説明する。まず、工程Ｓ１０１において、処理部３は、図２に例示されるように光源１から射出される光束の波長が走査されるように光源１を制御しながら検出器２２より干渉信号Ｉ_{ｓｉｇｎａｌ}を取得する。

次に、工程Ｓ１０２において、処理部３は、フーリエ変換等の処理を行って時刻（第２時刻）ｔ_ｎを含む波長走査周期における干渉信号Ｉ_{ｓｉｇｎａｌ}の周波数（第２周波数）ν（ｔ_ｎ）を算出する。次に、工程Ｓ１０３において、処理部３は、周波数ν（ｔ_ｎ）に基づいて、波長ｆが所定の波長（ｆ_０）である時刻ｔ_ｎにおける被検体距離Ｌ_ｅｎを式（８）に従って算出する。この被検体距離Ｌ_ｅｎは、被検体３０の移動を考慮しない被検体距離（即ち、誤差成分を含む被検体距離）であるので、誤差付き被検体距離と呼ぶことにする。

・・・式（８）

次に、工程Ｓ１０４において、処理部３は、波長ｆが前記所定の波長（ｆ_０）である時刻（第１時刻）ｔ_ｎ−１（時刻ｔ_ｎ−１は、時刻ｔ_ｎより前の時刻である。）における誤差付き被検体距離Ｌ_ｅｎ−１に対する誤差付き被検体距離Ｌ_ｅｎの変化量に基づいて被検体速度Ｖ_n-１，ｎを式（９）に従って算出する。

・・・式（９）

ここで、時刻ｔ_ｎ−１における誤差付き被検体距離Ｌ_{ｅ(ｎ−１)}は、式（１０）で表わされる。式（１０）において、ν（ｔ_ｎ−１）は、時刻（第１時刻）ｔ_ｎ−１を含む波長走査周期における干渉信号Ｉ_{ｓｉｇｎａｌ}の周波数（第１周波数）である。通常は、工程Ｓ１０１〜Ｓ１０５のシーケンスが繰り返して実行される。したがって、１つ前のシーケンスの工程Ｓ１０３で算出した誤差付き被検体距離Ｌ_ｅをメモリＭに格納しておき、これを現在のシーケンスにおいて誤差付き被検体距離Ｌ_{ｅ(ｎ−１)}として使用することができる。

・・・式（１０）

次に、に工程Ｓ１０５において、処理部３は、被検体速度Ｖ_n-１，ｎと干渉信号の周波数ν（ｔ_ｎ）に基づいて、誤差が補正された被検体距離Ｌ_ｎを式（１１）に従って算出する。なお、算出した被検体速度Ｖ_{ｎ−１，ｎ}の時系列データから加速度を算出して被検体距離を算出しても良い。

・・・式（１１）

以上のように、この実施形態では、波長が等しい２つの時刻（第１時刻、第２時刻）の時間間隔における被検体距離の変化量に基づいて被検体速度Ｖを算出する。そして、被検体速度Ｖと、被検体速度を考慮せずに求めた被検体距離Ｌ_ｅｎとに基づいて、被検体の移動による誤差成分が低減された被検体距離Ｌ_ｎを算出する。

ここで、式（１１）は、式（１２）のように変形することができる。よって、光源１から射出される光束の波長ｆが互いに等しいｔ_ｎ−１、ｔ_ｎと、ｔ_ｎ−１、ｔ_ｎにおける干渉信号の周波数ν（ｔ_ｎ−１）、ν（ｔ_ｎ）とに基づいて、被検体速度を考慮した被検体距離を求めることができる。そこで、図３に示す処理は、式（１２）に従って被検体距離Ｌ_ｎを算出するように変更されてもよい。

・・・（１２）

Claims (3)

1. 光源から射出される光束の波長を変更しながら該光束から分割された参照光と被検光との干渉光の信号に基づいて被検体までの絶対距離を計測する波長走査干渉計であって、
   前記光源から射出される光束の波長が互いに等しい時刻である第１時刻およびその後の第２時刻と、前記第１時刻、前記第２時刻のそれぞれにおける前記干渉光の信号の周波数である第１周波数、第２周波数とに基づいて、前記被検体の移動による誤差成分が低減された絶対距離を算出する処理部を備えることを特徴とする波長走査干渉計。
2. 前記第１時刻と前記第２時刻との時間間隔は、前記光束の波長走査周期の整数倍である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の波長走査干渉計。
3. 前記第１周波数は、前記第１時刻を含む前記光束の波長走査周期における前記干渉光の信号の周波数であり、前記第２周波数は、前記第２時刻を含む前記光束の波長走査周期における前記干渉光の信号の周波数であり、
   前記処理部は、前記第２周波数に基づいて算出される絶対距離と、前記被検体の速度とに基づいて、前記被検体の移動による誤差成分が低減された絶対距離を算出し、
   前記被検体の速度は、前記第１周波数に基づいて算出される絶対距離と、前記第２周波数に基づいて算出される絶対距離と、前記第１時刻と、前記第２時刻とに基づいて算出される、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の波長走査干渉計。