JP2017044565A - Distance measurement device and method - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a distance measurement device and method that suppress an influence of a measurement error of an optical length, and can measure a correct distance, excluding an influence of an air fluctuation of a measurement environment.SOLUTION: A distance measurement method is configured to: coaxially mix white light having a first center wavelength, and white light having a second center wavelength different from the first center wavelength; divide the coaxially mixed white light into reference light to be incident upon a reference mirror and measurement light to be incident upon a length measurement target; and calculate a geometric length to a measured surface on the basis of a first optical length calculated from interference light of the first center wavelength of the interference light having respective measurement light synthesized, a second optical length calculated from interference light of the second wavelength thereof, and a correction coefficient based on a group refractive index of first air in the first center wavelength, and a group refractive index of second air in the second center wavelength.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は距離測定装置及びその方法に係り、特に測定環境の影響を排除して距離を測定する技術に関する。   The present invention relates to a distance measuring apparatus and method, and more particularly to a technique for measuring distance while eliminating the influence of a measurement environment.

従来、CW(Continuous wave)コヒーレントレーザーを光源として干渉計に入射させ、形成される干渉縞を計数することによって測定対象までの距離を求める干渉計が知られている。このような干渉計は、大気のゆらぎの影響が強く、干渉縞の飛びが発生し、測定誤差が大きいという欠点があった。   2. Description of the Related Art Conventionally, an interferometer is known in which a CW (Continuous wave) coherent laser is incident on an interferometer as a light source and the distance to a measurement object is obtained by counting formed interference fringes. Such an interferometer has a drawback that the influence of atmospheric fluctuations is strong, interference fringes occur, and the measurement error is large.

これに対し、特許文献1には、2つの波長の光波によりそれぞれ測定される光学的距離を各々の波長における屈折率から求められる補正係数により補正してターゲットまでの幾何学的距離を算出する2波長干渉計を用いることで、屈折率の変動による測長誤差が生じない旨が記載されている。   On the other hand, Patent Document 1 calculates the geometric distance to the target by correcting the optical distances measured by the light waves of two wavelengths with the correction coefficient obtained from the refractive index at each wavelength. It is described that a length measurement error due to a change in refractive index does not occur by using a wavelength interferometer.

特開2015−75461号公報JP2015-75461A

特許文献1において、2波長干渉計による幾何学的距離に対する測長誤差は、2つの波長の光波によりそれぞれ測定される光学的距離の差と補正係数との積で決まる。ここで、CWコヒーレントレーザーの屈折率から求められる補正係数は値が大きいため、幾何学的距離の測長誤差を十分に小さいものとするためには、光学的距離の測定精度を高めることが要求される。しかしながら、様々な誤差要因により、測定精度を高めることは困難であった。   In Patent Document 1, the measurement error with respect to the geometric distance by the two-wavelength interferometer is determined by the product of the difference between the optical distances measured by the light waves of two wavelengths and the correction coefficient. Here, since the correction coefficient obtained from the refractive index of the CW coherent laser has a large value, in order to make the measurement error of the geometric distance sufficiently small, it is required to increase the measurement accuracy of the optical distance. Is done. However, it is difficult to improve measurement accuracy due to various error factors.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、光学的長さの測定誤差の影響を抑え、測定環境の空気ゆらぎの影響を排除して正確な距離を測定することができる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。   The present invention has been made in view of such circumstances, and is capable of measuring an accurate distance by suppressing the influence of an optical length measurement error and eliminating the influence of air fluctuation in the measurement environment. An object is to provide an apparatus and a method thereof.

上記目的を達成するために距離測定装置の一の態様は、第1の中心波長を有する第1の白色光を出射する第1の光源と、第1の中心波長とは異なる第2の中心波長を有する第2の白色光を出射する第2の光源と、第1の白色光と第2の白色光とを混合する混合手段と、混合した光を2方向に分岐させ、一方の参照光を参照ミラーの反射面に入射す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し、反射面で反射した参照反射光と被測定面で反射した測定反射光と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、干渉光を第1の中心波長を有する第1の干渉光と第2の中心波長を有する第2の干渉光とに分離する分離手段と、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、参照光の光路長と第1の干渉信号との関係に基づいて被測定面までの第1の光学的長さを算出し、参照光の光路長と第2の干渉信号との関係に基づいて被測定面までの第2の光学的長さを算出する光学的長さ算出手段と、空気の群屈折率の影響を排除した被測定面までの幾何学的長さを算出するための補正係数であって、第1の中心波長における第1の空気の群屈折率と第2の中心波長における第2の空気の群屈折率とに基づいた補正係数を取得する補正係数取得手段と、第1の光学的長さと第2の光学的長さと補正係数とに基づいて幾何学的長さを算出する幾何学的長さ算出手段と、を備えた。   In order to achieve the above object, one aspect of the distance measuring device includes a first light source that emits first white light having a first center wavelength, and a second center wavelength that is different from the first center wavelength. A second light source that emits the second white light, a mixing unit that mixes the first white light and the second white light, the mixed light is branched in two directions, and one reference light is The interference light that is incident on the reflection surface of the reference mirror and the other measurement light is incident on the measurement target surface of the measurement object and combines the reference reflection light reflected on the reflection surface and the measurement reflection light reflected on the measurement surface. Interference light generation means for generating, scanning means for changing the optical path length of the reference light, and interference light into a first interference light having a first center wavelength and a second interference light having a second center wavelength. Separating means for separating and a first interference signal that receives the first interference light and that corresponds to the intensity of the first interference light The first detection means for outputting, the second detection means for receiving the second interference light and outputting the second interference signal according to the intensity of the second interference light, and changing the optical path length of the reference light However, the acquisition means for acquiring the first interference signal and the second interference signal, and the first optical length to the surface to be measured based on the relationship between the optical path length of the reference light and the first interference signal An optical length calculation means for calculating the second optical length to the surface to be measured based on the relationship between the optical path length of the reference light and the second interference signal, and the group refractive index of the air A correction coefficient for calculating the geometric length to the surface to be measured excluding the influence, the group index of refraction of the first air at the first central wavelength and the second air at the second central wavelength Correction coefficient acquisition means for acquiring a correction coefficient based on the group refractive index, first optical length, second optical length, and correction coefficient A geometrical length calculating means for calculating a geometrical length based on, with a.

本態様によれば、第1の中心波長を有する第1の白色光を用いて測定した第1の光学的長さと、第2の中心波長を有する第2の白色光を用いて測定した第2の光学的長さと、第1の中心波長における第1の空気の群屈折率と第2の中心波長における第2の空気の群屈折率とに基づいた補正係数と、に基づいて被測定面までの幾何学的長さを算出するようにしたので、比較的小さい補正係数を用いて光学的長さの測定誤差の影響を抑え、測定環境の空気ゆらぎの影響を排除して正確な距離を測定することができる。   According to this aspect, the first optical length measured using the first white light having the first center wavelength and the second optical length measured using the second white light having the second center wavelength. And a correction coefficient based on the first air group refractive index at the first central wavelength and the second air group refractive index at the second central wavelength. Since the geometric length of the sensor is calculated, a relatively small correction factor is used to suppress the effect of optical length measurement errors, and the effect of air fluctuations in the measurement environment is eliminated to measure the exact distance. can do.

補正係数取得手段は、補正係数を記憶する記憶手段を備えることが好ましい。これにより、適切に補正係数を取得することができる。   The correction coefficient acquisition means preferably includes storage means for storing the correction coefficient. Thereby, a correction coefficient can be acquired appropriately.

補正係数取得手段は、測定光の光路に配置された基準部材であって、基準面が測定光の既知の光路長となる位置に配置された基準部材と、参照光の光路長を変更しながら第1の干渉信号と第2の干渉信号とを取得し、第1の干渉信号に基づいて基準面までの第3の光学的長さを算出し、第2の干渉信号に基づいて基準面までの第4の光学的長さを算出する基準面光学的長さ算出手段と、第3の光学的長さと第4の光学的長さと既知の光路長とに基づいて補正係数を算出する補正係数算出手段と、を備えてもよい。これにより、適切に補正係数を取得することができる。   The correction coefficient acquisition means is a reference member disposed in the optical path of the measurement light, the reference member disposed at a position where the reference surface is a known optical path length of the measurement light, and changing the optical path length of the reference light The first interference signal and the second interference signal are acquired, the third optical length to the reference plane is calculated based on the first interference signal, and the reference plane is calculated based on the second interference signal. A reference surface optical length calculation means for calculating the fourth optical length of the optical signal, a correction coefficient for calculating a correction coefficient based on the third optical length, the fourth optical length, and the known optical path length And a calculating means. Thereby, a correction coefficient can be acquired appropriately.

第1の白色光及び第2の白色光のそれぞれの光路、又は干渉光の光路に配置されるエタロンと、測定光の一部を反射させ、かつ一部を透過させる半反射面を有するハーフミラーと、を備え、干渉光生成手段は、参照反射光、測定反射光、及び半反射面で反射した基準反射光を合成した干渉光を生成することが好ましい。これにより、測定光の光路長が長くなる場合であっても、測定環境の空気ゆらぎの影響を排除して正確な距離を測定することができる。   An etalon disposed in the optical path of each of the first white light and the second white light, or the optical path of interference light, and a half mirror having a semi-reflective surface that reflects part of the measurement light and transmits part of the measurement light Preferably, the interference light generation unit generates interference light by combining the reference reflected light, the measurement reflected light, and the standard reflected light reflected by the semi-reflecting surface. Thereby, even when the optical path length of the measurement light becomes long, it is possible to measure an accurate distance by eliminating the influence of air fluctuation in the measurement environment.

上記目的を達成するために距離測定方法の一の態様は、第1の中心波長を有する第1の白色光と第1の中心波長とは異なる第2の中心波長を有する第2の白色光とを混合する混合工程と、混合した光を2方向に分岐させ、一方の参照光を参照ミラーの反射面に入射す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し、反射面で反射した参照反射光と被測定面で反射した測定反射光とを合成した干渉光を生成する干渉光生成工程と、干渉光を第1の中心波長を有する第1の干渉光と第2の中心波長を有する第2の干渉光とに分離する分離工程と、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、参照光の光路長と第1の干渉信号との関係に基づいて被測定面までの第1の光学的長さを算出し、参照光の光路長と第2の干渉信号との関係に基づいて被測定面までの第2の光学的長さを算出する光学的長さ算出工程と、被測定面までの幾何学的長さを算出するための補正係数であって、第1の中心波長における第1の空気の群屈折率と第2の中心波長における第2の空気の群屈折率とに基づいた補正係数を取得する補正係数取得工程と、第1の光学的長さと第2の光学的長さと補正係数とに基づいて幾何学的長さを算出する幾何学的長さ算出工程と、を備えた。   In order to achieve the above object, one aspect of the distance measurement method includes a first white light having a first center wavelength and a second white light having a second center wavelength different from the first center wavelength. Mixing step, and the mixed light is branched in two directions, one reference light is incident on the reflection surface of the reference mirror and the other measurement light is incident on the surface to be measured of the measurement object. An interference light generation step for generating interference light by combining the reflected reference reflected light and the measurement reflected light reflected by the surface to be measured; a first interference light having a first center wavelength; and a second center. A separation step of separating the second interference light having a wavelength, a first detection step of receiving the first interference light and outputting a first interference signal according to the intensity of the first interference light; A second detection that receives the second interference light and outputs a second interference signal according to the intensity of the second interference light. Measurement step based on the relationship between the step, the acquisition step of acquiring the first interference signal and the second interference signal while changing the optical path length of the reference light, and the optical path length of the reference light and the first interference signal An optical length for calculating the first optical length to the surface and calculating the second optical length to the surface to be measured based on the relationship between the optical path length of the reference light and the second interference signal A calculation step and a correction coefficient for calculating the geometric length to the surface to be measured, the group refractive index of the first air at the first central wavelength and the second air at the second central wavelength A correction coefficient acquiring step for acquiring a correction coefficient based on the group refractive index of the first optical length, a geometric length for calculating a geometric length based on the first optical length, the second optical length, and the correction coefficient A length calculation step.

本態様によれば、第1の中心波長を有する第1の白色光を用いて測定した第1の光学的長さと、第2の中心波長を有する第2の白色光を用いて測定した第2の光学的長さと、第1の中心波長における第1の空気の群屈折率と第2の中心波長における第2の空気の群屈折率とに基づいた補正係数と、に基づいて被測定面までの幾何学的長さを算出するようにしたので、比較的小さい補正係数を用いて光学的長さの測定誤差の影響を抑え、測定環境の空気ゆらぎの影響を排除して正確な距離を測定することができる。   According to this aspect, the first optical length measured using the first white light having the first center wavelength and the second optical length measured using the second white light having the second center wavelength. And a correction coefficient based on the first air group refractive index at the first central wavelength and the second air group refractive index at the second central wavelength. Since the geometric length of the sensor is calculated, a relatively small correction factor is used to suppress the effect of optical length measurement errors, and the effect of air fluctuations in the measurement environment is eliminated to measure the exact distance. can do.

本発明によれば、光学的長さの測定誤差の影響を抑え、測定環境の空気ゆらぎの影響を排除して正確な距離を測定することができる。   According to the present invention, it is possible to measure an accurate distance by suppressing the influence of an optical length measurement error and eliminating the influence of air fluctuation in the measurement environment.

第1の実施形態に係る距離測定装置の全体構成を示した構成図The block diagram which showed the whole structure of the distance measuring device which concerns on 1st Embodiment 距離測定装置による距離測定の処理を示すフローチャートFlow chart showing distance measurement processing by the distance measuring device メモリに記憶されている光の波長と空気の群屈折率との関係を示す図The figure which shows the relationship between the wavelength of the light memorize | stored in memory, and the group refractive index of air 第2の実施形態に係る距離測定装置の全体構成を示した構成図The block diagram which showed the whole structure of the distance measuring device which concerns on 2nd Embodiment. 第3の実施形態に係る距離測定装置の全体構成を示した構成図The block diagram which showed the whole structure of the distance measuring device which concerns on 3rd Embodiment. エタロンの内部構成を示す概略図Schematic showing the internal structure of the etalon エタロンから出射される光周波数成分を示す図Diagram showing optical frequency components emitted from the etalon 第4の実施形態に係る距離測定装置の全体構成を示した構成図The block diagram which showed the whole structure of the distance measuring device which concerns on 4th Embodiment

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。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

<第1の実施形態>
図1は第1の実施形態に係る距離測定装置の全体構成を示した構成図である。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a configuration diagram showing the overall configuration of the distance measuring apparatus according to the first embodiment.

距離測定装置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、第1ブロードスペクトル光源12、第1コリメータレンズ14、第2ブロードスペクトル光源16、第2コリメータレンズ18、第1ダイクロイックビームスプリッタ20、ビームスプリッタ22、走査ステージ24、参照ミラー26、第2ダイクロイックビームスプリッタ28、第1光検出器30、第2光検出器32、光学的長さ算出部34、幾何学的長さ算出部36、メモリ38等を備えている。   The distance measuring device 10 is a distance measuring device using a Michelson interferometer as an interference optical system. As shown in FIG. 1, the first broad spectrum light source 12, the first collimator lens 14, the second broad spectrum light source 16, Second collimator lens 18, first dichroic beam splitter 20, beam splitter 22, scanning stage 24, reference mirror 26, second dichroic beam splitter 28, first photodetector 30, second photodetector 32, optical length A calculation unit 34, a geometric length calculation unit 36, a memory 38, and the like are provided.

第1ブロードスペクトル光源12(第1の光源の一例)は、中心波長が第1中心波長0.4[μm]の白色光(第1の白色光の一例)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。   The first broad spectrum light source 12 (an example of a first light source) is a device that emits white light (an example of first white light) having a center wavelength of 0.4 [μm], and is an SLD (an example of a first light source). Super Luminescent Diode (ASE), ASE (Amplified Spontaneous Emission), SOA (Semiconductor Optical Amplifier) light source, etc. can be used.

第2ブロードスペクトル光源16(第2の光源の一例)は、中心波長が第2中心波長0.8[μm](第2の中心波長の一例)の白色光(第2の白色光の一例)を出射する装置であり、第1ブロードスペクトル光源12と同様に、SLD、ASE、SOA光源等を用いることができる。   The second broad spectrum light source 16 (an example of the second light source) is white light (an example of the second white light) having a center wavelength of the second central wavelength 0.8 [μm] (an example of the second central wavelength). Similarly to the first broad spectrum light source 12, an SLD, ASE, SOA light source, or the like can be used.

第1コリメータレンズ14及び第2コリメータレンズ18は、入射した光を平行光に変換する光学素子である。   The first collimator lens 14 and the second collimator lens 18 are optical elements that convert incident light into parallel light.

第1ダイクロイックビームスプリッタ20は、一方から入射したカットオフ波長(例えば0.6[μm])より短い波長の光を直交方向に反射し、他方から入射したカットオフ波長より長い波長の光を透過することで、両方の光を同軸にして混合する光学素子である。ここでは、第1コリメータレンズ14から第1ダイクロイックビームスプリッタ20に入射する光と第2コリメータレンズ18から第1ダイクロイックビームスプリッタ20に入射する光とがそれぞれの光軸が直角となるように、第1コリメータレンズ14及び第2コリメータレンズ18が配置されている。   The first dichroic beam splitter 20 reflects light having a wavelength shorter than the cutoff wavelength (for example, 0.6 [μm]) incident from one side in the orthogonal direction and transmits light having a wavelength longer than the cutoff wavelength incident from the other side. By doing so, it is an optical element that mixes both lights coaxially. Here, the light incident on the first dichroic beam splitter 20 from the first collimator lens 14 and the light incident on the first dichroic beam splitter 20 from the second collimator lens 18 are arranged so that their optical axes are perpendicular to each other. A first collimator lens 14 and a second collimator lens 18 are disposed.

ビームスプリッタ22は、入射した光を分岐させ、分岐した光のそれぞれの反射光を合成する光学素子である。   The beam splitter 22 is an optical element that divides incident light and synthesizes each reflected light of the branched light.

走査ステージ24は、走査ステージ24に固定された参照ミラー26に入射する参照光の光路長を増減する方向に走査可能に構成されている。走査ステージ24を走査する駆動源としては、例えばPZT(Pb(Zr1-xTix)O3)アクチュエータを用いることができる。参照ミラー26は、入射した光を反射する反射面26aを有する反射部材である。 The scanning stage 24 is configured to be able to scan in a direction in which the optical path length of the reference light incident on the reference mirror 26 fixed to the scanning stage 24 is increased or decreased. As a drive source for scanning the scanning stage 24, for example, a PZT (Pb (Zr1-xTix) O 3 ) actuator can be used. The reference mirror 26 is a reflecting member having a reflecting surface 26a that reflects incident light.

第2ダイクロイックビームスプリッタ28は、入射した光のうちカットオフ波長(例えば0.6[μm])より短い波長の光を直交する方向に反射し、カットオフ波長より長い波長の光を透過することで、入射した光を分離する光学素子である。   The second dichroic beam splitter 28 reflects light having a wavelength shorter than the cutoff wavelength (for example, 0.6 [μm]) in the orthogonal direction, and transmits light having a wavelength longer than the cutoff wavelength. The optical element for separating incident light.

第1光検出器30及び第2光検出器32は、それぞれ入力された干渉光を受光し、受光した干渉光の強度に応じた電気信号である干渉信号を生成し、生成した干渉信号を光学的長さ算出部34に出力する。   The first photodetector 30 and the second photodetector 32 receive the input interference light, generate an interference signal that is an electrical signal according to the intensity of the received interference light, and optically generate the generated interference signal. To the target length calculator 34.

光学的長さ算出部34は、走査ステージ24を走査する駆動源を制御し、参照光の光路長を変更する。また、第1光検出器30及び第2光検出器32から参照光の光路長に対応したそれぞれの干渉信号を取得し、第1光検出器30から出力される干渉信号に基づいて測長ターゲット1(測定対象物の一例)の被測定面1aまでの第1の光学的長さを算出し、第2光検出器32から出力される干渉信号に基づいて被測定面1aまでの第2の光学的長さを算出する。   The optical length calculator 34 controls a drive source that scans the scanning stage 24 and changes the optical path length of the reference light. Further, each interference signal corresponding to the optical path length of the reference light is acquired from the first photodetector 30 and the second photodetector 32, and the length measurement target is obtained based on the interference signal output from the first photodetector 30. 1 (an example of an object to be measured) of the first optical length to the measured surface 1a is calculated, and the second optical distance to the measured surface 1a is calculated based on the interference signal output from the second photodetector 32. Calculate the optical length.

幾何学的長さ算出部36は、光学的長さ算出部34において算出した第1の光学的長さ及び第2の光学的長さに基づいて、被測定面1aまでの幾何学的長さを算出する。また、幾何学的長さ算出部36は、メモリ38を内蔵している。メモリ38は不揮発性メモリであり、後述する補正係数の他、幾何学的長さの算出に必要なデータが記憶されている。   The geometric length calculation unit 36 is based on the first optical length and the second optical length calculated by the optical length calculation unit 34, and the geometric length to the surface 1a to be measured. Is calculated. The geometric length calculation unit 36 includes a memory 38. The memory 38 is a non-volatile memory, and stores data necessary for calculating the geometric length in addition to a correction coefficient described later.

図2は、距離測定装置による距離測定の処理(距離測定方法の一例)を示すフローチャートである。   FIG. 2 is a flowchart illustrating distance measurement processing (an example of a distance measurement method) performed by the distance measurement device.

第1ブロードスペクトル光源12から出射した中心波長が第1中心波長の光は第1コリメータレンズ14に入射され、第1コリメータレンズ14において平行光に形成され、空中を伝播して第1ダイクロイックビームスプリッタ20に入射する。   The light having the first central wavelength emitted from the first broad spectrum light source 12 is incident on the first collimator lens 14, is formed into parallel light in the first collimator lens 14, propagates in the air, and is transmitted through the first dichroic beam splitter. 20 is incident.

一方、第2ブロードスペクトル光源16から出射した中心波長が第2中心波長の光は第2コリメータレンズ18に入射され、第2コリメータレンズ18において平行光に形成され、空中を伝播して第1ダイクロイックビームスプリッタ20に入射する。   On the other hand, light having a center wavelength emitted from the second broad spectrum light source 16 is incident on the second collimator lens 18, is formed into parallel light in the second collimator lens 18, propagates in the air, and travels through the first dichroic. The light enters the beam splitter 20.

第1ダイクロイックビームスプリッタ20(混合手段の一例)は、第1コリメータレンズ14から出射した光を直交する方向に反射し、第2コリメータレンズ18から出射した光を透過することで、第1コリメータレンズ14から出射した光と第2コリメータレンズ18から出射した光とを同軸にして混合する(ステップS1、混合工程の一例)。   The first dichroic beam splitter 20 (an example of a mixing unit) reflects the light emitted from the first collimator lens 14 in the orthogonal direction and transmits the light emitted from the second collimator lens 18, thereby allowing the first collimator lens. The light emitted from 14 and the light emitted from the second collimator lens 18 are mixed coaxially (step S1, an example of a mixing step).

第1ダイクロイックビームスプリッタ20によって混合された光は、ビームスプリッタ22に入射する。   The light mixed by the first dichroic beam splitter 20 enters the beam splitter 22.

ビームスプリッタ22は、入射した光を直交方向と直進方向との2方向に分岐させ、分岐後の一方の光(ここでは直交方向の光)である参照光を参照ミラー26に入射させ、分岐後の他方の光(ここでは直進方向の光)である測定光を測長ターゲット1に入射させる(ステップS2)。   The beam splitter 22 splits the incident light into two directions, an orthogonal direction and a straight traveling direction, and makes the reference light, which is one of the branched lights (here, the light in the orthogonal direction), incident on the reference mirror 26, and after being branched. The measurement light, which is the other light (here, the light traveling in the straight direction), enters the length measurement target 1 (step S2).

ビームスプリッタ22から参照ミラー26の反射面26aに入射した参照光は、反射面26aによって反射され、参照反射光として再びビームスプリッタ22へ入射する。また、ビームスプリッタ22から測長ターゲット1の被測定面1aに入射した測定光は、被測定面1aによって反射され、測定反射光として再びビームスプリッタ22へ入射する。   The reference light that has entered the reflecting surface 26a of the reference mirror 26 from the beam splitter 22 is reflected by the reflecting surface 26a and is incident on the beam splitter 22 again as reference reflected light. Further, the measurement light incident on the measurement target surface 1a of the length measurement target 1 from the beam splitter 22 is reflected by the measurement target surface 1a, and enters the beam splitter 22 again as measurement reflected light.

ビームスプリッタ22(干渉光生成手段の一例)は、参照反射光を直進方向に透過させるとともに測定反射光を直交方向に反射させることで参照反射光と測定反射光とを同軸上に合成し、干渉光を生成する(ステップS3、干渉光生成工程の一例)。このとき、光学的長さ算出部34によって走査ステージ24(走査手段の一例)が走査され、参照光の光路長が変更される(走査工程の一例)。ビームスプリッタ22は、この干渉光を第2ダイクロイックビームスプリッタ28に入射させる。   The beam splitter 22 (an example of an interference light generating unit) transmits the reference reflected light in the straight direction and reflects the measurement reflected light in the orthogonal direction to synthesize the reference reflected light and the measured reflected light on the same axis, thereby causing interference. Light is generated (step S3, an example of an interference light generation process). At this time, the optical length calculator 34 scans the scanning stage 24 (an example of a scanning unit), and the optical path length of the reference light is changed (an example of a scanning process). The beam splitter 22 causes the interference light to enter the second dichroic beam splitter 28.

第2ダイクロイックビームスプリッタ28(分離手段の一例)は、入射した干渉光を第1中心波長を含む波長域の第1干渉光と第2中心波長を含む波長域の第2干渉光とに分離し、第1干渉光を第1光検出器30に入射させ、第2干渉光を第2光検出器32に入射させる(ステップS4、分離工程の一例)。   The second dichroic beam splitter 28 (an example of a separating unit) separates the incident interference light into first interference light in a wavelength region including the first center wavelength and second interference light in a wavelength region including the second center wavelength. The first interference light is incident on the first photodetector 30 and the second interference light is incident on the second photodetector 32 (step S4, an example of a separation step).

第1干渉光が入射される第1光検出器30(第1の検出手段の一例)は、入射した第1干渉光の強度に応じた第1干渉信号を光学的長さ算出部34に出力する(第1の検出工程の一例)。   The first photodetector 30 (an example of the first detection unit) on which the first interference light is incident outputs a first interference signal corresponding to the intensity of the incident first interference light to the optical length calculation unit 34. (An example of a first detection step).

同様に、第2干渉光が入射される第2光検出器32(第2の検出手段の一例)は、入射した第2干渉光の強度に応じた第2干渉信号を光学的長さ算出部34に出力する(第2の検出工程の一例)。   Similarly, the second optical detector 32 (an example of the second detection unit) on which the second interference light is incident has an optical length calculation unit that generates a second interference signal corresponding to the intensity of the incident second interference light. 34 (an example of a second detection step).

光学的長さ算出部34(取得手段の一例、光学的長さ算出の一例)は、参照光の光路長を変更しつつ、第1干渉信号及び第2干渉信号を取得する(ステップS5、取得工程の一例)。そして、参照光の光路長と第1干渉信号との関係を取得し、第1干渉信号の包絡線のピークを求め、求めたピークから被測定面1aまでの第1光学的長さLを算出する。同様に、参照光の光路長と第2干渉信号との関係を取得し、第2干渉信号の包絡線のピークを求め、求めたピークから被測定面1aまでの第2光学的長さLを算出する(ステップS6、光学的長さ算出工程の一例)。 The optical length calculation unit 34 (an example of an acquisition unit, an example of an optical length calculation) acquires the first interference signal and the second interference signal while changing the optical path length of the reference light (Step S5, acquisition). Example of process). Then, the relationship between the optical path length of the reference light and the first interference signal is obtained, the peak of the envelope of the first interference signal is obtained, and the first optical length L 1 from the obtained peak to the measured surface 1a is obtained. calculate. Similarly, the relationship between the optical path length of the reference light and the second interference signal is obtained, the peak of the envelope of the second interference signal is obtained, and the second optical length L 2 from the obtained peak to the measured surface 1a. Is calculated (step S6, an example of an optical length calculation step).

また、幾何学的長さ算出部36(補正係数取得手段の一例)は、メモリ38(記憶手段の一例)から、空気の群屈折率の影響を排除した被測定面1aまでの幾何学的長さを算出するための補正係数であって、空気の第1中心波長における第1群屈折率(第1の空気の群屈折率の一例)と第2中心波長における第2群屈折率(第2の空気の群屈折率の一例)とに基づいたA係数(補正係数の一例)を読み出す(ステップS7、補正係数取得工程の一例)。   In addition, the geometric length calculation unit 36 (an example of a correction coefficient acquisition unit) has a geometric length from the memory 38 (an example of a storage unit) to the measured surface 1a that excludes the influence of the group refractive index of air. The first group refractive index (an example of the first air group refractive index) at the first central wavelength of air and the second group refractive index (second second) at the second central wavelength. The A coefficient (an example of the correction coefficient) based on the air group refractive index) is read out (step S7, an example of the correction coefficient acquisition step).

ここで、波長α[μm]の光における空気の群屈折率をng1、波長β[μm]の光における空気の群屈折率をng2とすると、A係数は、下記の式1で表される。
A=(ng1−1)/(ng1−ng2) …(式1)
Here, when the group refractive index of air in the light of wavelength α [μm] is ng1 and the group refractive index of air in the light of wavelength β [μm] is ng2 , the A coefficient is expressed by the following formula 1. The
A = (n g1 −1) / (n g1 −n g2 ) (Formula 1)

図3は、光の波長と空気の群屈折率との関係を示す図である。図3より、第1中心波長である波長0.4[μm]の光における第1群屈折率ng1=1.000300、第2中心波長である波長0.8[μm]の光における第2群屈折率ng2=1.000275であることがわかる。したがって、ここでのA係数は式1から、
A=12.0
と求めることができる。このA係数を予めメモリ38に記憶しておく。
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the wavelength of light and the group index of air. From FIG. 3, the first group refractive index n g1 = 1.0000300 for the light having the first central wavelength of 0.4 [μm] and the second for the light having the second central wavelength of 0.8 [μm]. It can be seen that the group refractive index n g2 = 1.000275. Therefore, the A coefficient here is from Equation 1,
A = 12.0
It can be asked. The A coefficient is stored in the memory 38 in advance.

なお、メモリ38に、図3に示す光の波長及び空気の群屈折率の関係と、上記の式1とを記憶しておき、幾何学的長さ算出部36において第1ブロードスペクトル光源12の波長及び第2ブロードスペクトル光源16の波長に応じたA係数を算出する構成としてもよい。   The relationship between the wavelength of light and the group refractive index of air shown in FIG. 3 and the above equation 1 are stored in the memory 38, and the geometric length calculation unit 36 stores the first broad spectrum light source 12. The A coefficient corresponding to the wavelength and the wavelength of the second broad spectrum light source 16 may be calculated.

最後に、幾何学的長さ算出部36は、第1光学的長さLから空気の群屈折率の影響を排除した被測定面1aまでの幾何学的長さDを算出する(ステップS8、幾何学的長さ算出工程の一例)。幾何学的長さDは、下記式2で表される。
D=L−A×(L−L) …(式2)
Finally, geometric length calculation unit 36 calculates the geometric length D from the first optical length L 1 to the measurement surface 1a in which the influence of the group refractive index of air (step S8 An example of a geometric length calculation step). The geometric length D is expressed by the following formula 2.
D = L 1 −A × (L 1 −L 2 ) (Formula 2)

測定環境の空気ゆらぎにより第1中心波長の光における空気の群屈折率ng1と第2中心波長の光における空気の群屈折率ng2とが変動した場合であっても、A係数はこれらの変動が相殺された一定の値となる。したがって、式2によって算出した幾何学的長さDは、空気のゆらぎによる空気の群屈折率の変動の影響を受けることがない。 The air fluctuation in the measurement environment even when the group refractive index n g1 of the air in the light of the first central wavelength and the group index n g2 of the air in the light of the second center wavelength is changed, A coefficient of It is a constant value with fluctuations offset. Therefore, the geometric length D calculated by Equation 2 is not affected by the fluctuation of the group refractive index of air due to air fluctuation.

このように、それぞれ中心波長の異なる複数の白色光を同軸に混合した白色光をマイケルソン干渉計に入射し、それぞれの中心波長における光学的長さを算出し、この光学的長さを各中心波長における空気の群屈折率を用いたA係数で補正することで、参照光の光路及び測定光の光路に空気ゆらぎがあっても、群屈折率の変動による影響を適切に排除して被測定面までの幾何学的長さを正確に測定することができる。   In this way, white light mixed with a plurality of white lights having different center wavelengths is incident on the Michelson interferometer, the optical length at each center wavelength is calculated, and this optical length is calculated at each center. By correcting with the A coefficient using the group refractive index of air at the wavelength, even if there are air fluctuations in the optical path of the reference light and the optical path of the measuring light, the influence of fluctuations in the group refractive index is appropriately eliminated to be measured The geometric length to the surface can be measured accurately.

ここで、式2に示すように、幾何学的長さDの精度はA係数に依存するため、A係数は小さい方が好ましい。A係数を小さくするためには、式1に示すように、群屈折率の差を大きくする必要があり、群屈折率の差を大きくするには、図3に示すように、2つの光源の波長の差を大きくすればよい。本実施形態では、光源として中心波長が0.4[μm]の白色光と中心波長が0.8[μm]の白色光とを用いた結果、A係数は12.0となった。特許文献1には、波長がそれぞれ1550[nm]、633[nm]のレーザー光の位相屈折率を用いたA係数が約83である旨が記載されており、本実施形態によれば大幅にA係数を小さくすることができる。   Here, as shown in Expression 2, the accuracy of the geometric length D depends on the A coefficient, and therefore, it is preferable that the A coefficient is small. In order to reduce the A coefficient, it is necessary to increase the difference in group refractive index as shown in Equation 1, and to increase the difference in group refractive index, as shown in FIG. What is necessary is just to enlarge the difference of a wavelength. In this embodiment, as a result of using white light with a center wavelength of 0.4 [μm] and white light with a center wavelength of 0.8 [μm] as the light source, the A coefficient was 12.0. Patent Document 1 describes that the A coefficient using the phase refractive index of laser light having wavelengths of 1550 [nm] and 633 [nm] is about 83, respectively. The A coefficient can be reduced.

本実施形態では、A係数が12.0であるので、光学的長さの差を4[nm]の精度で測定することができれば、幾何学的長さの測定は48[nm]の分解能で測定することができる。このように、A係数が比較的小さいため、幾何学的長さを精度よく求めることができ、測定距離に関係なく空気の群屈折率を自動補正することができる。   In the present embodiment, since the A coefficient is 12.0, if the difference in optical length can be measured with an accuracy of 4 [nm], the geometric length can be measured with a resolution of 48 [nm]. Can be measured. Thus, since the A coefficient is relatively small, the geometric length can be obtained with high accuracy, and the group refractive index of air can be automatically corrected regardless of the measurement distance.

なお、白色光の波長に対する空気の群屈折率の変化量は、数十[ppm]以下であるため、走査ステージ24における参照ミラー26の走査量は数[mm]程度で十分である。   Since the amount of change in the group refractive index of air with respect to the wavelength of white light is several tens [ppm] or less, the scanning amount of the reference mirror 26 in the scanning stage 24 is sufficient to be about several [mm].

<第2の実施形態>
第1の実施形態では、メモリ38に記憶しておいたA係数を用いたが、予め距離(幾何学的長さ)が既知の位置に配置された基準部材までの距離を測定し、測定結果から算出したA係数を用いてもよい。
<Second Embodiment>
In the first embodiment, the A coefficient stored in the memory 38 is used. However, the distance to the reference member arranged at a position where the distance (geometric length) is known in advance is measured, and the measurement result is obtained. The A coefficient calculated from the above may be used.

図4は、第2の実施形態に係る距離測定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部分には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。   FIG. 4 is a configuration diagram showing the overall configuration of the distance measuring apparatus according to the second embodiment. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the part which is common in the block diagram shown in FIG. 1, and the detailed description is abbreviate | omitted.

距離測定装置40は、図1に示す距離測定装置10と比較して、メモリ38を備えず、測定光の光路にハーフミラー42を備えた点が異なっている。   The distance measuring device 40 is different from the distance measuring device 10 shown in FIG. 1 in that it does not include the memory 38 and includes a half mirror 42 in the optical path of the measuring light.

ハーフミラー42は、入射した光の一部を透過し、一部を反射する半反射面42aを有する半反射部材である。ハーフミラー42は、ビームスプリッタ22から半反射面42a(基準面の一例)までの距離(測定光の光路長)が既知の距離である位置に配置されている。ここでは、ビームスプリッタ22から半反射面42aまでの距離をDとする。 The half mirror 42 is a semi-reflective member having a semi-reflective surface 42a that transmits a part of incident light and reflects a part thereof. The half mirror 42 is disposed at a position where the distance (the optical path length of the measurement light) from the beam splitter 22 to the semi-reflecting surface 42a (an example of a reference surface) is a known distance. Here, the distance from the beam splitter 22 to the semi-reflecting surface 42a and D 0.

このように構成された距離測定装置40において、光学的長さ算出部34(基準面光学的長さ算出手段の一例)は、参照光の光路長を変更しつつ第1中心波長を含む波長域の第1干渉光の強度に応じた第1干渉信号と第2中心波長を含む波長域の第2干渉光の強度に応じた第2干渉信号とを取得し、第1干渉信号に基づいて半反射面42aまでの第3光学的長さLを算出し、第2干渉信号に基づいて半反射面42aまでの第4光学的長さLを算出する。 In the distance measuring device 40 configured as described above, the optical length calculation unit 34 (an example of the reference surface optical length calculation unit) includes a wavelength region including the first center wavelength while changing the optical path length of the reference light. A first interference signal corresponding to the intensity of the first interference light and a second interference signal corresponding to the intensity of the second interference light in a wavelength region including the second center wavelength are obtained, and half of the first interference signal is obtained based on the first interference signal. calculating a third optical length L 3 to the reflecting surface 42a, and calculates a fourth optical length L 4 to the semi-reflecting surface 42a on the basis of the second interference signal.

次に、幾何学的長さ算出部36(補正係数算出手段の一例)は、式2のLに第3の光学的長さLを、Lに第4の光学的長さLを、幾何学的長さDにDを代入し、A係数を算出する。 Next, the geometric length calculation unit 36 (an example of a correction coefficient calculation unit) sets the third optical length L 3 to L 1 in Equation 2 and the fourth optical length L 4 to L 2. Substituting D 0 into the geometric length D, the A coefficient is calculated.

このように算出したA係数は、測定環境の空気ゆらぎにより第1中心波長の光における空気の群屈折率ng1と第2中心波長の光における空気の群屈折率ng2とが変動した場合であっても、これらの変動が相殺された一定の値となる。このA係数を用いて第1の実施形態と同様の処理を行うことで、群屈折率の変動による影響を受けない幾何学的長さを正確に測定することができる。また、本実施形態によれば、A係数を記憶させるための不揮発性メモリが不要になる。 Thus calculated A coefficients by air fluctuations in the measurement environment in case of the group index n g1 of the air in the light of the first central wavelength and the group index n g2 of the air in the light of the second center wavelength is fluctuated Even if it exists, it becomes a fixed value in which these fluctuations are offset. By performing the same processing as in the first embodiment using the A coefficient, it is possible to accurately measure the geometric length that is not affected by the variation in the group refractive index. Moreover, according to this embodiment, the non-volatile memory for memorize | storing A coefficient becomes unnecessary.

本実施形態では、予め測定光の光路長が既知の位置に配置された基準部材として半反射面42aを有するハーフミラー42を用いたが、全反射面を有する部材であってもよい。この場合は、A係数を取得する際に測定光の光路に挿入し、被測定面1aまでの幾何学的長さDを測定する際には光路から退避するように構成すればよい。   In the present embodiment, the half mirror 42 having the semi-reflective surface 42a is used as a reference member that is arranged in advance at a position where the optical path length of the measurement light is known, but a member having a total reflection surface may be used. In this case, the A coefficient may be inserted into the optical path of the measurement light, and may be configured to retract from the optical path when measuring the geometric length D to the measured surface 1a.

<第3の実施形態>
図5は、第3の実施形態に係る距離測定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部分には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
<Third Embodiment>
FIG. 5 is a configuration diagram showing the overall configuration of the distance measuring apparatus according to the third embodiment. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the part which is common in the block diagram shown in FIG. 1, and the detailed description is abbreviate | omitted.

距離測定装置50は、図5に示すように、距離測定装置10の構成に加え、第1エタロン52、第2エタロン54、ハーフミラー56を備えている。   As shown in FIG. 5, the distance measuring device 50 includes a first etalon 52, a second etalon 54, and a half mirror 56 in addition to the configuration of the distance measuring device 10.

第1エタロン52は、入射した光のうち、一定の繰り返し周波数間隔を持つ多波長(多周波数)の光成分を透過して出射する光学素子である。   The first etalon 52 is an optical element that transmits and emits multi-wavelength (multi-frequency) light components having a constant repetition frequency interval in incident light.

図6は、第1エタロン52の内部構成を示す概略図である。同図に示すように、第1エタロン52は、干渉間距離が固定されたファイバ型ファブリーペロー干渉系であり、離間して配置される第1反射プレート72A及び第2反射プレート72Bからなる反射部72と、第1反射プレート72Aと第2反射プレート72Bとの間の反射域74とを有する。   FIG. 6 is a schematic diagram showing the internal configuration of the first etalon 52. As shown in the figure, the first etalon 52 is a fiber-type Fabry-Perot interference system in which the inter-interference distance is fixed, and is a reflecting portion composed of a first reflecting plate 72A and a second reflecting plate 72B that are spaced apart from each other. 72 and a reflection region 74 between the first reflection plate 72A and the second reflection plate 72B.

反射域74は、第1反射プレート72Aと第2反射プレート72Bとの間で入射光が反射を繰り返す領域であり、光ファイバで構成されている。ここでは、反射域74の光学長は約150[mm]に構成されている。   The reflection area 74 is an area where incident light repeats reflection between the first reflection plate 72A and the second reflection plate 72B, and is composed of an optical fiber. Here, the optical length of the reflection region 74 is set to about 150 [mm].

第1エタロン52に光が入射すると、反射部72間で入射光が反射を繰り返し、干渉効果によって特定の波長成分(周波数成分)が強められ、第2反射プレート72Bを透過して第1エタロン52から出射する。   When light is incident on the first etalon 52, the incident light is repeatedly reflected between the reflecting portions 72, a specific wavelength component (frequency component) is strengthened by the interference effect, and is transmitted through the second reflecting plate 72B to be transmitted to the first etalon 52. Emanates from.

図7は、第1エタロン52から出射される光周波数成分を示す図であり、横軸は周波数、縦軸は透過光強度を示している。同図に示すように、第1エタロン52は、繰り返し周波数Λが1[GHz]の光を出力する。すなわち、第1エタロン52は、繰り返し周波数が1[GHz]の疑似的な光コムとして作用する。この第1エタロン52の光周波数成分のエンベロップは、空気の群屈折率に依存する。   FIG. 7 is a diagram illustrating optical frequency components emitted from the first etalon 52, where the horizontal axis represents frequency and the vertical axis represents transmitted light intensity. As shown in the figure, the first etalon 52 outputs light having a repetition frequency Λ of 1 [GHz]. That is, the first etalon 52 functions as a pseudo optical comb having a repetition frequency of 1 [GHz]. The envelope of the optical frequency component of the first etalon 52 depends on the group refractive index of air.

第2エタロン54の構成は、図6に示した第1エタロン52と同様である。本実施形態では、第1エタロン52及び第2エタロン54としてファイバ型ファブリー・ペロー・エタロンを用いたが、空間型ファブリー・ペロー・エタロンを用いてもよい。   The configuration of the second etalon 54 is the same as that of the first etalon 52 shown in FIG. In this embodiment, the fiber-type Fabry-Perot etalon is used as the first etalon 52 and the second etalon 54, but a spatial-type Fabry-Perot etalon may be used.

ハーフミラー56は、入射した光の一部を透過し、一部を反射する半反射面56aを有する半反射部材である。ハーフミラー56は、測定光の光路であって、ビームスプリッタ22から半反射面56aまでの距離が既知の距離である位置に配置されている。   The half mirror 56 is a semi-reflective member having a semi-reflective surface 56a that transmits a part of incident light and reflects a part thereof. The half mirror 56 is an optical path of measurement light, and is disposed at a position where the distance from the beam splitter 22 to the semi-reflective surface 56a is a known distance.

このように構成された距離測定装置50の作用について説明する。   The operation of the distance measuring device 50 configured as described above will be described.

第1ブロードスペクトル光源12から出射した光は第1エタロン52に入射し、第1エタロン52において図7に示す光周波数成分を有する白色パルス光に変換される。第1エタロン52の第2反射プレート72Bから出射した白色パルス光は第1コリメータレンズ14に入射され、第1コリメータレンズ14において平行光に形成され、空中を伝播して第1ダイクロイックビームスプリッタ20に入射する。   The light emitted from the first broad spectrum light source 12 enters the first etalon 52, and is converted into white pulse light having the optical frequency component shown in FIG. The white pulsed light emitted from the second reflecting plate 72B of the first etalon 52 is incident on the first collimator lens 14, is formed into parallel light in the first collimator lens 14, propagates through the air, and enters the first dichroic beam splitter 20. Incident.

また、第2ブロードスペクトル光源16から出射した光は第2エタロン54に入射し、第2エタロン54において図7に示す光周波数成分を有する白色パルス光に変換される。第2エタロン54の第2反射プレート72Bから出射した白色パルス光は第2コリメータレンズ18に入射され、第2コリメータレンズ18において平行光に形成され、空中を伝播して第1ダイクロイックビームスプリッタ20に入射する。   Further, the light emitted from the second broad spectrum light source 16 enters the second etalon 54, and is converted into white pulse light having the optical frequency component shown in FIG. The white pulse light emitted from the second reflection plate 72B of the second etalon 54 is incident on the second collimator lens 18, is formed into parallel light in the second collimator lens 18, propagates through the air, and enters the first dichroic beam splitter 20. Incident.

第1ダイクロイックビームスプリッタ20は、第1コリメータレンズ14から出射した白色パルス光と第2コリメータレンズ18から出射した白色パルス光とを同軸にして混合し、ビームスプリッタ22に出射する。   The first dichroic beam splitter 20 coaxially mixes the white pulse light emitted from the first collimator lens 14 and the white pulse light emitted from the second collimator lens 18, and emits the mixed light to the beam splitter 22.

ビームスプリッタ22は、入射した白色パルス光を分岐させ、分岐後の一方の白色パルス光である参照光を参照ミラー26の反射面26aに入射させる。反射面26aに入射した参照光は、反射面26aによって反射され、参照反射光として再びビームスプリッタ22へ入射する。   The beam splitter 22 branches the incident white pulse light, and makes the reference light which is one of the branched white pulse lights incident on the reflection surface 26 a of the reference mirror 26. The reference light that has entered the reflecting surface 26a is reflected by the reflecting surface 26a and enters the beam splitter 22 again as reference reflected light.

また、ビームスプリッタ22は、分岐後の他方の白色パルス光である測定光をハーフミラー56に入射させる。   Further, the beam splitter 22 causes the measurement light, which is the other white pulse light after branching, to enter the half mirror 56.

ハーフミラー56は、入射した測定光の一部を測長ターゲット1の被測定面1aに入射させる。被測定面1aに入射した測定光は、被測定面1aによって反射し、測定反射光として再びビームスプリッタ22へ入射する。また、ハーフミラー56は、入射した測定光の一部を半反射面56aで反射し、反射した基準反射光をビームスプリッタ22に入射させる。   The half mirror 56 causes a part of the incident measurement light to enter the measurement target surface 1 a of the length measurement target 1. The measurement light incident on the measurement target surface 1a is reflected by the measurement target surface 1a and is incident on the beam splitter 22 again as measurement reflection light. The half mirror 56 reflects a part of the incident measurement light on the semi-reflecting surface 56 a and makes the reflected reference reflected light enter the beam splitter 22.

ビームスプリッタ22は、基準反射光、測定反射光、及び参照反射光を同軸上に合成し、干渉光を生成する。ビームスプリッタ22は、この干渉光を第2ダイクロイックビームスプリッタ28に入射させる。   The beam splitter 22 combines the standard reflected light, the measurement reflected light, and the reference reflected light on the same axis to generate interference light. The beam splitter 22 causes the interference light to enter the second dichroic beam splitter 28.

第2ダイクロイックビームスプリッタ28は、入射した干渉光を、第1中心波長を含む波長域の第1干渉光と第2中心波長を含む波長域の第2干渉光とに分離し、第1干渉光を第1光検出器30に入射させ、第2干渉光を介して第2光検出器32に入射させる。   The second dichroic beam splitter 28 separates the incident interference light into first interference light in a wavelength region including the first center wavelength and second interference light in a wavelength region including the second center wavelength, and the first interference light. Is incident on the first photodetector 30 and is incident on the second photodetector 32 via the second interference light.

第1光検出器30は、入射した第1干渉光の強度に応じた第1干渉信号を光学的長さ算出部34に出力し、第2光検出器32は、入射した第2干渉光の強度に応じた第2干渉信号を光学的長さ算出部34に出力する。   The first photodetector 30 outputs a first interference signal corresponding to the intensity of the incident first interference light to the optical length calculation unit 34, and the second photodetector 32 detects the incident second interference light. The second interference signal corresponding to the intensity is output to the optical length calculator 34.

光学的長さ算出部34は、参照光の光路長を変更しながら、第1干渉信号及び第2干渉信号を取得する。そして、第1干渉信号のうち基準反射光と参照反射光との干渉光の干渉信号を基準として、測定反射光と参照反射光との干渉光の干渉信号から被測定面1aまでの第1光学的長さLを算出する。同様に、第2干渉信号のうち基準反射光と参照反射光との干渉光の干渉信号を基準として、測定反射光と参照反射光との干渉光の干渉信号から被測定面1aまでの第2光学的長さLを算出する。 The optical length calculation unit 34 acquires the first interference signal and the second interference signal while changing the optical path length of the reference light. Then, based on the interference signal of the interference light between the reference reflected light and the reference reflected light among the first interference signals, the first optical from the interference signal of the interference light of the measurement reflected light and the reference reflected light to the surface to be measured 1a. It calculates the length L 1. Similarly, based on the interference signal of the interference light between the reference reflected light and the reference reflected light among the second interference signals, the second interference signal from the interference light of the measurement reflected light and the reference reflected light to the second surface to be measured 1a. calculating the optical length L 2.

第1光学的長さL及び第2光学的長さLが入力された幾何学的長さ算出部36は、内蔵しているメモリ38からA係数を読み出し、A係数、第1光学的長さL及び第2光学的長さLを式2に代入し、測長ターゲット1の被測定面1aまでの幾何学的長さDを算出する。 The first optical length L 1 and the second optical length L 2 is input geometrical length calculation unit 36, the built-in reading out the A coefficient from the memory 38, A coefficient, the first optical The length L 1 and the second optical length L 2 are substituted into Equation 2, and the geometric length D to the measurement target surface 1 a of the length measurement target 1 is calculated.

このように、それぞれ中心波長の異なる複数の白色光をそれぞれエタロンを用いて繰り返し周波数を有する白色パルス光に変調し、同軸に混合してマイケルソン干渉計に入射し、それぞれの中心波長における光学的長さを算出し、この光学的長さを各中心波長における空気の群屈折率を用いたA係数で補正することで、参照光の光路及び測定光の光路に空気ゆらぎがあっても、群屈折率の変動による影響を受けずに被測定面までの幾何学的長さを正確に測定することができる。   In this way, a plurality of white lights each having a different center wavelength are modulated into white pulse light having a repetition frequency using an etalon, mixed coaxially, and incident on a Michelson interferometer. By calculating the length and correcting this optical length with the A coefficient using the group refractive index of air at each central wavelength, even if there are air fluctuations in the optical path of the reference light and the optical path of the measurement light, the group It is possible to accurately measure the geometric length to the surface to be measured without being affected by the change in refractive index.

本実施形態では、白色パルス光を用いたことで、測定光の光路長が参照光の光路長よりも長い場合も測定することが可能である。測定光の光路長が長くなると空気ゆらぎの影響が大きくなるが、本実施形態によれば、空気の群屈折率の影響を排除して正確に距離を測定することができる。   In this embodiment, by using white pulse light, it is possible to measure even when the optical path length of the measurement light is longer than the optical path length of the reference light. As the optical path length of the measurement light becomes longer, the influence of air fluctuation increases, but according to this embodiment, the distance can be accurately measured without the influence of the group refractive index of air.

空気の屈折率の推定には、第1エタロン52及び第2エタロン54の特性の差が安定して正確であればよいので、より高精度な測定が可能である。   For the estimation of the refractive index of air, it is only necessary that the difference in the characteristics of the first etalon 52 and the second etalon 54 be stable and accurate, so that measurement with higher accuracy is possible.

本実施形態では、A係数をメモリ38から取得したが、第2の実施形態と同様に、ハーフミラー56の半反射面56Aを基準面として半反射面56aまでの光学的長さを測定し、測定結果からA係数を算出してもよい。   In the present embodiment, the A coefficient is obtained from the memory 38, but as in the second embodiment, the optical length to the semi-reflective surface 56a is measured using the semi-reflective surface 56A of the half mirror 56 as a reference surface, The A coefficient may be calculated from the measurement result.

<第4の実施形態>
図8は、第3の実施形態に係る距離測定装置の全体構成を示した構成図である。なお、図1及び図5に示す構成図と共通する部分には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
<Fourth Embodiment>
FIG. 8 is a configuration diagram showing the overall configuration of the distance measuring apparatus according to the third embodiment. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the part which is common in the block diagram shown in FIG.1 and FIG.5, and the detailed description is abbreviate | omitted.

距離測定装置60は、図8に示すように、干渉光の光路に第3エタロン58を備えている。   As shown in FIG. 8, the distance measuring apparatus 60 includes a third etalon 58 in the optical path of the interference light.

第3エタロン58は、入射した光のうち、一定の繰り返し周波数間隔を持つ多波長の光成分を透過して出射する空間型ファブリー・ペロー・エタロンであり、繰り返し周波数Λが1.5[GHz]の光を出力する。なお、第3エタロン58にはファイバ型ファブリー・ペロー・エタロンを用いてもよい。   The third etalon 58 is a spatial Fabry-Perot etalon that transmits and emits multi-wavelength light components having a fixed repetition frequency interval in incident light, and the repetition frequency Λ is 1.5 [GHz]. Output light. The third etalon 58 may be a fiber type Fabry-Perot etalon.

ビームスプリッタ22により生成された干渉光は、第3エタロン58に入射する。第3エタロン58は、入射した干渉光を繰り返し周波数Λが1.5[GHz]の干渉光として出力する。この干渉光は第2ダイクロイックビームスプリッタ28に入射される。   The interference light generated by the beam splitter 22 enters the third etalon 58. The third etalon 58 outputs the incident interference light as interference light having a repetition frequency Λ of 1.5 [GHz]. This interference light is incident on the second dichroic beam splitter 28.

以下の動作は第3の実施形態に係る距離測定装置50と同様である。   The following operations are the same as those of the distance measuring device 50 according to the third embodiment.

このように、干渉光の光路にエタロンを配置しても、測定光の光路長が参照光の光路長よりも長い場合も測定することができる。本実施形態によれば、1つのエタロンで構成できるため、装置が簡便となる。   As described above, even when the etalon is arranged in the optical path of the interference light, the measurement can be performed even when the optical path length of the measurement light is longer than the optical path length of the reference light. According to the present embodiment, the apparatus can be simplified because it can be configured by one etalon.

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。   In the embodiment of the present invention described above, the configuration requirements can be appropriately changed, added, and deleted without departing from the spirit of the present invention. The present invention is not limited to the embodiments described above, and many modifications are possible by those having ordinary knowledge in the field within the technical idea of the present invention.

1…測長ターゲット、1a…被測定面、10,40,50…距離測定装置、12…第1ブロードスペクトル光源、14…第1コリメータレンズ、16…第2ブロードスペクトル光源、18…第2コリメータレンズ、20…第1ダイクロイックビームスプリッタ、22…ビームスプリッタ、24…走査ステージ、26…参照ミラー、26a…反射面、28…第2ダイクロイックビームスプリッタ、30…第1光検出器、32…第2光検出器、34…光学的長さ算出部、36…幾何学的長さ算出部、38…メモリ、42,56…ハーフミラー、42a,56a…半反射面、52…第1エタロン、54…第2エタロン、58…第3エタロン   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Measurement target, 1a ... Measuring surface, 10, 40, 50 ... Distance measuring device, 12 ... 1st broad spectrum light source, 14 ... 1st collimator lens, 16 ... 2nd broad spectrum light source, 18 ... 2nd collimator Lens 20... First dichroic beam splitter 22. Beam splitter 24. Scanning stage 26 Reference mirror 26 a Reflecting surface 28 Second dichroic beam splitter 30 First photo detector 32 Second Optical detector 34... Optical length calculator 36. Geometric length calculator 38. Memory 42 and 56 Half mirror 42 a and 56 a Semi-reflective surface 52 52 First etalon 54. 2nd etalon, 58 ... 3rd etalon

Claims (5)

第1の中心波長を有する第1の白色光を出射する第1の光源と、
前記第1の中心波長とは異なる第2の中心波長を有する第2の白色光を出射する第2の光源と、
前記第1の白色光と前記第2の白色光とを混合する混合手段と、
前記混合した光を2方向に分岐させ、一方の参照光を参照ミラーの反射面に入射す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し、前記反射面で反射した参照反射光と前記被測定面で反射した測定反射光と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、
前記干渉光を前記第1の中心波長を有する第1の干渉光と前記第2の中心波長を有する第2の干渉光とに分離する分離手段と、
前記第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、
前記参照光の光路長と前記第1の干渉信号との関係に基づいて前記被測定面までの第1の光学的長さを算出し、前記参照光の光路長と前記第2の干渉信号との関係に基づいて前記被測定面までの第2の光学的長さを算出する光学的長さ算出手段と、
空気の群屈折率の影響を排除した前記被測定面までの幾何学的長さを算出するための補正係数であって、前記第1の中心波長における第1の空気の群屈折率と前記第2の中心波長における第2の空気の群屈折率とに基づいた補正係数を取得する補正係数取得手段と、
前記第1の光学的長さと前記第2の光学的長さと前記補正係数とに基づいて前記幾何学的長さを算出する幾何学的長さ算出手段と、
を備えた距離測定装置。
A first light source that emits first white light having a first central wavelength;
A second light source that emits second white light having a second center wavelength different from the first center wavelength;
Mixing means for mixing the first white light and the second white light;
The mixed light is branched in two directions, one reference light is incident on the reflection surface of the reference mirror, the other measurement light is incident on the surface to be measured of the measurement object, and the reference reflected light reflected by the reflection surface And interference light generation means for generating interference light by combining the measurement reflected light reflected by the surface to be measured,
Scanning means for changing the optical path length of the reference light;
Separating means for separating the interference light into first interference light having the first center wavelength and second interference light having the second center wavelength;
First detection means for receiving the first interference light and outputting a first interference signal corresponding to the intensity of the first interference light;
Second detection means for receiving the second interference light and outputting a second interference signal corresponding to the intensity of the second interference light;
Obtaining means for obtaining the first interference signal and the second interference signal while changing an optical path length of the reference light;
A first optical length to the measurement surface is calculated based on a relationship between the optical path length of the reference light and the first interference signal, and the optical path length of the reference light and the second interference signal are calculated. An optical length calculating means for calculating a second optical length to the surface to be measured based on the relationship:
A correction coefficient for calculating a geometric length to the surface to be measured excluding the influence of the group refractive index of air, the first group refractive index of the first air at the first central wavelength and the first Correction coefficient acquisition means for acquiring a correction coefficient based on the group refractive index of the second air at the center wavelength of 2;
Geometric length calculation means for calculating the geometric length based on the first optical length, the second optical length, and the correction coefficient;
Distance measuring device with
前記補正係数取得手段は、前記補正係数を記憶する記憶手段を備えた請求項1に記載の距離測定装置。   The distance measuring apparatus according to claim 1, wherein the correction coefficient acquisition unit includes a storage unit that stores the correction coefficient. 前記補正係数取得手段は、
前記測定光の光路に配置された基準部材であって、基準面が前記測定光の既知の光路長となる位置に配置された基準部材と、
前記参照光の光路長を変更しながら前記第1の干渉信号と前記第2の干渉信号とを取得し、前記第1の干渉信号に基づいて前記基準面までの第3の光学的長さを算出し、前記第2の干渉信号に基づいて前記基準面までの第4の光学的長さを算出する基準面光学的長さ算出手段と、
前記第3の光学的長さと前記第4の光学的長さと前記既知の光路長とに基づいて前記補正係数を算出する補正係数算出手段と、
を備えた請求項1に記載の距離測定装置。
The correction coefficient acquisition means is
A reference member disposed in the optical path of the measurement light, the reference member disposed at a position where the reference surface is a known optical path length of the measurement light;
The first interference signal and the second interference signal are acquired while changing the optical path length of the reference light, and a third optical length to the reference plane is determined based on the first interference signal. Reference surface optical length calculation means for calculating and calculating a fourth optical length to the reference surface based on the second interference signal;
Correction coefficient calculating means for calculating the correction coefficient based on the third optical length, the fourth optical length, and the known optical path length;
The distance measuring device according to claim 1, comprising:
前記第1の白色光及び前記第2の白色光のそれぞれの光路、又は前記干渉光の光路に配置されるエタロンと、
前記測定光の一部を反射させ、かつ一部を透過させる半反射面を有するハーフミラーと、
を備え、
前記干渉光生成手段は、前記参照反射光、前記測定反射光、及び前記半反射面で反射した基準反射光を合成した干渉光を生成する請求項1から3のいずれか1項に記載の距離測定装置。
An etalon disposed in the optical path of each of the first white light and the second white light, or the optical path of the interference light;
A half mirror having a semi-reflective surface that reflects part of the measurement light and transmits part of the measurement light;
With
4. The distance according to claim 1, wherein the interference light generation unit generates interference light obtained by combining the reference reflected light, the measurement reflected light, and a standard reflected light reflected by the semi-reflecting surface. 5. measuring device.
第1の中心波長を有する第1の白色光と前記第1の中心波長とは異なる第2の中心波長を有する第2の白色光とを混合する混合工程と、
前記混合した光を2方向に分岐させ、一方の参照光を参照ミラーの反射面に入射す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し、前記反射面で反射した参照反射光と前記被測定面で反射した測定反射光とを合成した干渉光を生成する干渉光生成工程と、
前記干渉光を前記第1の中心波長を有する第1の干渉光と前記第2の中心波長を有する第2の干渉光とに分離する分離工程と、
前記第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、
前記参照光の光路長と前記第1の干渉信号との関係に基づいて前記被測定面までの第1の光学的長さを算出し、前記参照光の光路長と前記第2の干渉信号との関係に基づいて前記被測定面までの第2の光学的長さを算出する光学的長さ算出工程と、
前記被測定面までの幾何学的長さを算出するための補正係数であって、前記第1の中心波長における第1の空気の群屈折率と前記第2の中心波長における第2の空気の群屈折率とに基づいた補正係数を取得する補正係数取得工程と、
前記第1の光学的長さと前記第2の光学的長さと前記補正係数とに基づいて前記幾何学的長さを算出する幾何学的長さ算出工程と、
を備えた距離測定方法。
Mixing a first white light having a first center wavelength and a second white light having a second center wavelength different from the first center wavelength;
The mixed light is branched in two directions, one reference light is incident on the reflection surface of the reference mirror, the other measurement light is incident on the surface to be measured of the measurement object, and the reference reflected light reflected by the reflection surface And an interference light generation step of generating interference light combining the measurement reflected light reflected by the measurement surface,
A separation step of separating the interference light into a first interference light having the first center wavelength and a second interference light having the second center wavelength;
A first detection step of receiving the first interference light and outputting a first interference signal corresponding to the intensity of the first interference light;
A second detection step of receiving the second interference light and outputting a second interference signal corresponding to the intensity of the second interference light;
Obtaining the first interference signal and the second interference signal while changing the optical path length of the reference light; and
A first optical length to the measurement surface is calculated based on a relationship between the optical path length of the reference light and the first interference signal, and the optical path length of the reference light and the second interference signal are calculated. An optical length calculating step for calculating a second optical length to the surface to be measured based on the relationship:
A correction coefficient for calculating a geometric length to the surface to be measured, the group index of refraction of the first air at the first central wavelength and the second air at the second central wavelength. A correction coefficient acquisition step of acquiring a correction coefficient based on the group refractive index;
A geometric length calculating step of calculating the geometric length based on the first optical length, the second optical length, and the correction factor;
Distance measuring method with
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