JP5511163B2

JP5511163B2 - 光波干渉による距離測定方法及び装置

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Publication number: JP5511163B2
Application number: JP2008198312A
Authority: JP
Inventors: 和彦川▲崎▼; 薫宮田
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2008-07-31
Filing date: 2008-07-31
Publication date: 2014-06-04
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Description

本発明は、光波干渉による距離測定方法及び装置に係り、特に、干渉計本体からターゲットまでの幾何学距離を、複数の波長のレーザ光を用いた光波干渉測定により求めた距離測定値から、空気の屈折率を補正して高精度に測定するための光波干渉による距離測定方法及び装置の改良に関する。

本体からターゲットまでの幾何学的距離あるいはターゲットの変位を高精度に測定する方法の一つに、光波干渉を利用した距離の測定がある。

この光波干渉を利用した距離の測定は、光の波長をものさしとした高精度な測定方法である（特許文献１参照）。光の波長は、高精度な時間基準で値付けされる光の周波数から換算されるものであるが、真空中での長さを表している。そのため、実際の測定環境においては、空気の屈折率による波長変化分の補正が必要となる。しかしながら、空気の屈折率は温度や湿度や気圧などの環境に依存して変化するために、正確な補正を行うためには、これら環境を正確に測定する装置が別途必要となる。

一方で、温度や湿度などの環境変化を観察することなく、空気の屈折率による誤差（不確かさ）を低減する方法として、２波長法が提案されている（特許文献２参照）。この２波長法は、異なる２つの波長λ₁、λ₂のレーザ光を用いた光波干渉測定により求めた、空気の屈折率の影響を受けた距離測定値Ｄ₁とＤ₂により、干渉計本体から対象物（ターゲット）までの幾何学距離Ｌを算出する方法である。Ｌは、使用する波長に応じた定数Ａを使って、次式（１）によって算出することが出来る。

Ｌ＝Ｄ₂−Ａ（Ｄ₂−Ｄ₁） …（１）

距離測定値Ｄ₁とＤ₂は、使用する２つのレーザの周波数の安定度に大きく影響されために、それぞれを精度良く得るためには、極めて安定度の高いレーザが必要となる。

特開２０００−１４６５１７号公報特開平９−６１１０９号公報

しかしながら、周波数が正確に値付けされたレーザは高価で、波長も限られてしまう。そのため、屈折率補正の理論を効果的に、あるいは手軽に、実現することを阻害してしまっていた。

本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、空気屈折率の影響を低減した幾何学距離の干渉測定に関し、安定度の高い高価なレーザを使用しない、安価な距離測定装置を実現することを課題とする。

本発明は、干渉計本体からターゲットまでの幾何学距離を、複数の波長のレーザ光を用いた光波干渉測定により求めた距離測定値から、空気の屈折率を補正して高精度に測定する際に、光コムを用いて前記複数のレーザ光の波長を測定する光波干渉による距離測定方法であって、波長可変レーザを任意の複数波長で発振させて複数の距離測定値を得、各距離測定値を得た時のレーザ光の波長（周波数）を前記光コムで測定し、前記幾何学距離の演算に用いることにより、前記課題を解決したものである。

本発明は、また、干渉計本体からターゲットまでの幾何学距離を、複数の波長のレーザ光を用いた光波干渉測定により求めた距離測定値から、空気の屈折率を補正して高精度に測定する際に、光コムを用いて前記複数のレーザ光の波長を測定する光波干渉による距離測定方法であって、複数のレーザを用い、各レーザから発振されるレーザ光の波長を前記光コムで測定しながら前記距離測定値を得ることにより、前記課題を解決したものである。

ここで、前記光コムを含む一つの周波数測定系で、前記複数の波長を測定することができる。

また、任意の波長で前記複数の距離測定値を得て、波長の組み合わせにより定められる定数を使い、空気屈折率を補正した前記幾何学距離を求めることができる。

また、３つ以上の前記距離測定値から、２つずつの組み合わせによって複数の前記幾何学距離を算出し、それらの平均値によって前記幾何学距離を決定することができる。

また、波長がそれぞれλ_１、λ_２、λ_３のレーザ光により得られる、干渉計本体からターゲットまでの、空気屈折率の影響を受けた３つの距離測定値Ｄ_１、Ｄ_２、Ｄ_３とレーザ光の波長λ_１、λ_２、λ_３の組み合わせによってきまる定数Ａ_１、Ａ _２を使い、次式
Ｌ＝Ｄ_２−Ａ_１（Ｄ_２−Ｄ_１）−Ａ_２（Ｄ_３−Ｄ_１） …（２）
を用いて距離測定値Ｄ _２を補正することにより、前記幾何学距離Ｌを決定することができる。

本発明は、また、干渉計本体からターゲットまでの幾何学距離を、複数の波長のレーザ光を用いた光波干渉測定により求めた距離測定値から、空気の屈折率を補正して高精度に測定するための距離測定装置において、波長可変レーザと、該波長可変レーザを任意の複数波長で発振させる手段と、前記複数のレーザ光の波長を測定するための光コムと、複数の距離測定値を得た時のレーザ光の波長（周波数）を前記光コムで測定し、前記幾何学距離の演算に用いる手段と、を備えたことを特徴とする光波干渉による距離測定装置を提供するものである。

本発明は、また、干渉計本体からターゲットまでの幾何学距離を、複数の波長のレーザ光を用いた光波干渉測定により求めた距離測定値から、空気の屈折率を補正して高精度に測定するための距離測定装置において、複数のレーザと、前記複数のレーザ光の波長を測定するための光コムと、各レーザから発振されるレーザ光の波長を前記光コムで測定しながら前記距離測定値を得る手段と、を備えたことを特徴とする光波干渉による距離測定装置を提供するものである。

ここで、前記光コムを用いて、前記複数の波長を測定する一つの周波数測定系を備えることができる。

また、任意の波長で前記複数の距離測定値を得て、波長の組み合わせにより定められる定数を使い、空気屈折率を補正した前記幾何学距離を求める手段を備えることができる。

また、３つ以上の前記距離測定値から、２つずつの組み合わせによって複数の前記幾何学距離を算出する手段と、それらの平均値によって前記幾何学距離を決定する手段と、を備えることができる。

また、波長がそれぞれλ_１、λ_２、λ_３のレーザ光により得られる、干渉計本体からターゲットまでの、空気屈折率の影響を受けた３つの距離測定値Ｄ_１、Ｄ_２、Ｄ_３とレーザ光の波長λ_１、λ_２、λ_３の組み合わせによってきまる定数Ａ_１、Ａ _２を使い、次式
Ｌ＝Ｄ_２−Ａ_１（Ｄ_２−Ｄ_１）−Ａ_２（Ｄ_３−Ｄ_１）
を用いて距離測定値Ｄ _２を補正することにより、前記幾何学距離Ｌを決定する手段を備えることができる。

本発明によれば、安定度の高い高価なレーザを使用せずに、安価なレーザで光波干渉による距離測定を実現できるので、装置の低価格化が可能である。また、入手可能なレーザ波長の制約を受けずに、自由に波長を選択できるため、干渉測長における空気屈折率補正の理論を、より効果的にかつ手軽に利用できる。

以下、図面を参照して、参考形態及び本発明の実施形態を詳細に説明する。

第１の参考形態にかかる距離測定装置の構成を図２に示す。

本参考形態では、波長（周波数）可変レーザ１０１の出力光をビームスプリッタ１０６で分割する。一方の光をビームスプリッタ１０８で分割し、一方は、例えばレトロリフレクタでなる参照鏡１０９で反射させて参照光とする。他方は、距離（変位）の測定対象である、例えばレトロリフレクタでなるターゲット１１０を照射し、そこからの反射光である測定光と、前記参照光をビームスプリッタ１０８で重ね合せる。参照光と測定光の信号を検出器１１１によって受光し、干渉強度信号により、干渉計本体からターゲット１１０までの距離（ターゲット１１０の変位）を測定する。

又、ビームスプリッタ１０６からの反射光を、ビームスプリッタ１０７を介して光コム１０４と重ね合わせて、検出器１０５で受光する。光コム１０４と波長可変レーザ１０１のビート信号を周波数測定装置１０３で周波数解析して、コントローラ１０２により、レーザ１０１の発振波長（周波数）をフィードバック制御する。

式（１）に従って、干渉計本体からターゲット１１０までの幾何学距離Ｌを測定するために、波長可変レーザ１０１と光コム１０４とのビート信号を見ながら、レーザ１０１の発振波長を定数Ａに応じた所定の波長λ₁にフィードバック制御して、光波干渉による距離測定値Ｄ₁を得る。次に、同様に波長λ₁とは異なる所定の波長λ₂で測定を行い、それぞれの所定の波長λ₁、λ₂で得られた距離測定値Ｄ₁とＤ₂から、解析装置１１２で、式（１）により幾何学距離Ｌを算出する。

波長λ₁とλ₂の誤差δλ₁とδλ₂による幾何学距離Ｌの測定誤差Ｌ_errorは、式（１）をλ₁とλ₂で偏微分したものから、次式（３）で示される。

光コム１０４は、セシウムの原子時計を基準にして光の周波数を１５桁以上の精度で測定できる装置である。従って、所定の波長λ₁とλ₂は、最大で１５桁の精度で制御可能である。定数Ａは、おおよそ２桁であることから、レーザ光の波長変動に起因する測定誤差Ｌ_errorは、最大で１３桁の精度まで高めることが出来る。この値は、幾何学距離１ｍを干渉測定する際に、誤差が１ｐｍ以下であることを示している。

第１の参考形態の測定手順をまとめると、次のようになる。
（１）レーザ１０１の波長を設計波長λ₁に制御する。
（２）干渉測定し、距離測定値Ｄ₁を得る。
（３）レーザ１０１の波長を設計波長λ₂に制御する。
（４）干渉測定し、距離測定値Ｄ₂を得る。
（５）予め設計した波長λ₁とλ₂の定数Ａの値を使った式（１）に代入し、幾何学距離Ｌを算出する。

図２では、一つのレーザ１０１を波長λ₁とλ₂に可変し、それぞれ順次測定する方法を示しているが、図３に示す第２の参考形態のように、２波長以上を同時に出力するレーザ２０１を使って、所定の波長λ₁とλ₂による干渉信号を分割して同時に取る光学系（ビームスプリッタ２１０、バンドパスフィルタ２１４、２１５）を設けても良い。この場合、検出器１０５や周波数測定装置１０３からなる波長可変レーザ２０１の周波数測定系を波長λ₁とλ₂用にそれぞれ別々に用意しても構わないし、図３に示したように、一つの周波数測定系で、両方の波長（周波数）λ₁、λ₂を測定して制御することも可能である。

図４は、レーザの発振スペクトルと、その時に得られる干渉ビート信号の例を模式的に示している。図４（ａ₁）に示す如く、所定の波長λ₁とλ₂と光コム１０４の干渉のビート信号を、光コム１０４の周波数間隔ｆ_repの１／２までの範囲で観察した場合には、図４（ｂ₁）に示す如く、それぞれの差の組み合わせの数の周波数のビート信号Δｆ₁、Δｆ₂、Δｆ₁₂が観測される。一方、図４（ａ₂）に示す如く、所定の波長λ₁とλ₂が、光コム１０４の異なる周波数（次数）との間で干渉している場合には、図４（ｂ₂）に示す如く、波長λ₁とλ₂は、それぞれの近隣の光との差の周波数のビート信号Δｆ₁、Δｆ₂が検出される。このような状況で、図４（ａ₃）に示す如く、いずれかの波長（図ではλ₂）を変化させると、変化させた分だけビート信号の周波数の変化が生じる。この現象を活用すれば、１つの周波数測定系で、波長λ₁とλ₂を区別することが可能である。

又、本技術を利用すれば、図５に示す本発明の第１実施形態のような構成での干渉測定への応用も可能である。

本実施形態では、波長可変レーザ１０１を任意の波長λ₁’で発振させて、距離測定値Ｄ₁を得る。次に、波長λ₁’とは異なる任意の波長λ₂’で発振させて、距離測定値Ｄ₂を得る。距離測定値Ｄ₁とＤ₂を得た際の正確な波長を、検出器１０５や周波数測定装置１０３などからなる周波数測定系で測定し、その結果を式（１）の定数Ａの値に反映させて、幾何学距離Ｌを算出する。

定数Ａは、波長の組み合わせによって決まる値である。そのため、予め波長の組み合わせに応じた、定数Ａの算出テーブルや関数などを用意しておき、波長の組み合わせによって、定数決定装置３２０で、定数Ａの誤差が幾何学距離Ｌに影響を与えない範囲で、必要な値を読み出してくればよい。なお、定数決定装置３２０の機能を、解析装置１１２内に入れることもできる。

本実施形態では、レーザ１０１の波長を制御するための特別な装置も不要で、例えば半導体レーザのように電流可変で簡単に波長を変えられるようなレーザが使用できるために、測定装置を極めて簡素化することが出来る。

本実施形態の測定手順をまとめると次のようになる。
（１）レーザ１０１を任意の波長λ₁’で発振させる。
（２）干渉測定し、距離測定値Ｄ₁を得ると同時に、そのときの正確な発振波長λ₁を測定する。
（３）レーザ１０１を別の波長λ₂’に可変し発振させる。
（４）干渉測定し、距離測定値Ｄ₂を得ると同時に、そのときの正確な発振波長λ₂を測定する。
（５）距離測定値Ｄ₁とＤ₂と正確な波長λ₁とλ₂の組み合わせによる定数Ａを使った式（１）に代入し、幾何学距離Ｌを算出する。

又、本発明の手法を応用すれば、図６に示す第２実施形態の如く、発振波長の安定度が低く安価なレーザを使っても、高精度な幾何学距離Ｌの測定が実現できる。

本実施形態では、波長λ₁を発振するレーザ４１６と波長λ₂を発振するレーザ４１７を同軸に重ね合わせ、参照鏡１０９とターゲット１１０からなる干渉光学系に入射する。波長λ₁とλ₂によって、距離測定値Ｄ₁とＤ₂を得て、式（１）によって幾何学距離Ｌを算出する。その際の波長λ₁とλ₂の正確な値は、検出器１０５や周波数測定装置１０３からなる周波数測定系によって得られたものを使用し、また、定数Ａも先に示した方法によって正確に測定した波長λ₁とλ₂を元に、導き出したものを使用すれば良い。距離測定値Ｄ₁とＤ₂のそれぞれを測定した瞬間の波長λ₁とλ₂が得られる本実施形態においては、たとえ、レーザ４１６、４１７の周波数が不安定であったとしても、幾何学距離Ｌに大きな影響は及ぼさない。

これまでは、２波長のレーザを使った屈折率補正の方法について示したが、図７に示す第３実施形態のように、３波長以上の複数の波長を使って、更に精度の高い屈折率補正をすることも可能である。

本実施形態では、波長可変レーザ１０１の波長λ₁、λ₂、λ₃・・・によって、距離測定値Ｄ₁、Ｄ₂、Ｄ₃・・・を得て、それぞれの組み合わせによって、幾何学距離Ｌ₁₂、Ｌ₂₃、Ｌ₃₁・・・を算出し、平均値を取るなど処置をすることによって、２波長を使う場合よりも、高精度な幾何学距離Ｌの測定を実現することができる。

他にも例えば、３つの距離測定値Ｄ₁、Ｄ₂、Ｄ₃と波長の組み合わせによってきまる定数Ａ_iを使って、前出の式（２）に代入し、幾何学距離Ｌを決定することもできる。

ここで示した方法は、４波長以上の複数波長を使って幾何学的距離Ｌを決定すれば、更に効果的になる。また、３波長以上の任意の波長λ₁、λ₂、λ₃・・・で距離測定値Ｄ₁、Ｄ₂、Ｄ₃・・・を得て、それぞれの距離測定値Ｄ₁、Ｄ₂、Ｄ₃・・・を得た時の波長λ₁、λ₂、λ₃・・・を光コムを使って正確に測定し、波長の組み合わせに応じた定数Ａ_ｉを使って、幾何学距離Ｌを算出しても良い。

本実施形態の場合には、波長数を増やした場合でもそれぞれに安定度の高い高価なレーザが個別に必要なわけでもないために、より高精度な幾何学距離Ｌの測定が簡単に実現できる。

本実施形態の測定手順をまとめると、次のようになる。
（１）レーザ１０１の波長を設計波長λ₁に制御する。
（２）干渉測定し、距離測定値Ｄ₁を得る。
（３）レーザ１０１の波長を設計波長λ₂に制御する。
（４）干渉測定し、距離測定値Ｄ₂を得る。
（５）レーザ１０１の波長を設計波長λ₃に制御する。
（６）干渉測定し、距離測定値Ｄ₃を得る。
（７）波長λ₁とλ₂とλ₃の組み合わせに応じた定数Ａ_iの値を使った式（３）で、幾何学距離Ｌを算出する。

それぞれの実施形態の中で、光の周波数を測定する装置として示した光コム１０４は、コムのスペクトル間隔内の限られた周波数領域ごとに高い分解能できることが基本となっている。そのため、光コム１０４のどの周波数の光との干渉によって生じたビート信号なのか、別途、次数Ｎを決定する必要がある。レーザの発振周波数の予備値やレーザ周波数の可変時の分解能などによって、次数Ｎを決定できない場合には、図８に示す第４実施形態のように、波長計６０１などの波長を測定できる手段と併用して、次数Ｎを決定し、波長可変レーザ１０１の波長λ₁、λ₂を測定して、発振周波数の制御に使用しても良いし、図３に示した第２の参考形態に併用して、幾何学距離Ｌの算出に使用しても良い。

前記実施形態においては、参照鏡１０９として、ターゲット１１０と同じレトロリフレクタを用いていたので、光軸が合わせ易く、調整が容易である。なお、参照鏡の種類は、レトロリフレクタに限定されず、平面鏡であっても良い。

本発明で用いる光コムの説明図第１の参考形態の構成を示すブロック図第２の参考形態の構成を示すブロック図参考形態で用いるレーザのスペクトルとビート信号の周波数の例を示す図本発明の第１実施形態の構成を示すブロック図本発明の第２実施形態の構成を示すブロック図本発明の第３実施形態の構成を示すブロック図本発明の第４実施形態の構成を示すブロック図

符号の説明

１０１、２０１…波長可変レーザ
１０２…コントローラ
１０３…周波数測定装置
１０４…光コム
１０５、１１１、２１３…検出器
１０６、１０７、１０８、２１０…ビームスプリッタ
１０９…参照鏡
１１０…ターゲット
１１２…解析装置
２１４、２１５…バンドパスフィルタ
３２０…定数決定装置
４１６、４１７…レーザ
６０１…波長計

Claims

干渉計本体からターゲットまでの幾何学距離を、複数の波長のレーザ光を用いた光波干渉測定により求めた距離測定値から、空気の屈折率を補正して高精度に測定する際に、
光コムを用いて前記複数のレーザ光の波長を測定する光波干渉による距離測定方法であって、
波長可変レーザを任意の複数波長で発振させて複数の距離測定値を得、各距離測定値を得た時のレーザ光の波長（周波数）を前記光コムで測定し、前記幾何学距離の演算に用いることを特徴とする光波干渉による距離測定方法。
干渉計本体からターゲットまでの幾何学距離を、複数の波長のレーザ光を用いた光波干渉測定により求めた距離測定値から、空気の屈折率を補正して高精度に測定する際に、
光コムを用いて前記複数のレーザ光の波長を測定する光波干渉による距離測定方法であって、
複数のレーザを用い、各レーザから発振されるレーザ光の波長を前記光コムで測定しながら前記距離測定値を得ることを特徴とする光波干渉による距離測定方法。
前記光コムを含む一つの周波数測定系で、前記複数の波長を測定することを特徴とする請求項１又は２に記載の光波干渉による距離測定方法。
任意の波長で前記複数の距離測定値を得て、波長の組み合わせにより定められる定数を使い、空気屈折率を補正した前記幾何学距離を求めることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光波干渉による距離測定方法。
３つ以上の前記距離測定値から、２つずつの組み合わせによって複数の前記幾何学距離を算出し、それらの平均値によって前記幾何学距離を決定することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光波干渉による距離測定方法。
波長がそれぞれλ_１、λ_２、λ_３のレーザ光により得られる、干渉計本体からターゲットまでの、空気屈折率の影響を受けた３つの距離測定値Ｄ_１、Ｄ_２、Ｄ_３とレーザ光の波長λ_１、λ_２、λ_３の組み合わせによってきまる定数Ａ_１、Ａ _２を使い、次式
Ｌ＝Ｄ_２−Ａ_１（Ｄ_２−Ｄ_１）−Ａ_２（Ｄ_３−Ｄ_１）
を用いて距離測定値Ｄ _２を補正することにより、前記幾何学距離Ｌを決定することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光波干渉による距離測定方法。
干渉計本体からターゲットまでの幾何学距離を、複数の波長のレーザ光を用いた光波干渉測定により求めた距離測定値から、空気の屈折率を補正して高精度に測定するための距離測定装置において、
波長可変レーザと、
該波長可変レーザを任意の複数波長で発振させる手段と、
前記複数のレーザ光の波長を測定するための光コムと、
複数の距離測定値を得た時のレーザ光の波長（周波数）を前記光コムで測定し、前記幾何学距離の演算に用いる手段と、
を備えたことを特徴とする光波干渉による距離測定装置。
干渉計本体からターゲットまでの幾何学距離を、複数の波長のレーザ光を用いた光波干渉測定により求めた距離測定値から、空気の屈折率を補正して高精度に測定するための距離測定装置において、
複数のレーザと、
前記複数のレーザ光の波長を測定するための光コムと、
各レーザから発振されるレーザ光の波長を前記光コムで測定しながら前記距離測定値を得る手段と、
を備えたことを特徴とする光波干渉による距離測定装置。
前記光コムを用いて、前記複数の波長を測定する一つの周波数測定系を備えたことを特徴とする請求項７又は８に記載の光波干渉による距離測定装置。
任意の波長で前記複数の距離測定値を得て、波長の組み合わせにより定められる定数を使い、空気屈折率を補正した前記幾何学距離を求める手段を備えたことを特徴とする請求項７乃至９のいずれかに記載の光波干渉による距離測定装置。
３つ以上の前記距離測定値から、２つずつの組み合わせによって複数の前記幾何学距離を算出する手段と、それらの平均値によって前記幾何学距離を決定する手段と、を備えたことを特徴とする請求項７乃至１０のいずれかに記載の光波干渉による距離測定装置。
波長がそれぞれλ_１、λ_２、λ_３のレーザ光により得られる、干渉計本体からターゲットまでの、空気屈折率の影響を受けた３つの距離測定値Ｄ_１、Ｄ_２、Ｄ_３とレーザ光の波長λ_１、λ_２、λ_３の組み合わせによってきまる定数Ａ_１、Ａ _２を使い、次式
Ｌ＝Ｄ_２−Ａ_１（Ｄ_２−Ｄ_１）−Ａ_２（Ｄ_３−Ｄ_１）
を用いて距離測定値Ｄ _２を補正することにより、前記幾何学距離Ｌを決定する手段を備えたことを特徴とする請求項７乃至１０のいずれかに記載の光波干渉による距離測定装置。