JP6489680B2

JP6489680B2 - 距離測定装置、及び距離測定方法

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Publication number: JP6489680B2
Application number: JP2014148950A
Authority: JP
Inventors: 智浩青戸; 恭平林
Original assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Current assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Priority date: 2014-01-24
Filing date: 2014-07-22
Publication date: 2019-03-27
Anticipated expiration: 2034-07-22
Also published as: JP2015158477A

Description

この発明は、距離測定装置、及び距離測定方法に関する。

光の干渉を利用し、材料表面及び内部の断層画像を取得する技術が研究・開発されている。これに関連し、光源として波長掃引光源を利用した波長走査型光コヒーレントトモグラフィー（Swept Source Optical Coherence Tomography : SS-OCT）による計測対象の表面形状及び内部の測定装置が知られている（特許文献１参照）。

特開２００７−１０１２４９号公報

しかしながら、従来の装置は、あくまでも測定対象の表面形状及び内部の画像化を目的としており、表面形状の精密測定を行う場合、測定精度が十分ではない場合があった。これは、測定装置から測定対象までの間の距離測定において、誤差が大きいことが原因の一つであった。

そこで本発明は、上記従来技術の問題に鑑みてなされたものであり、高い精度で距離測定を行うことができる距離測定装置、及び距離測定方法を提供する。

上記課題の解決手段として、請求項１記載の発明は、入射光として波長を変化させながら光を射出する波長掃引光源と、前記波長掃引光源から射出された入射光を、複数に分岐された光として、第１参照光と第２参照光と測定光に分岐させ、前記測定光を照射し、前記測定光の反射光と前記第１参照光とを干渉光として合波させる干渉計と、前記干渉計により前記反射光と前記第１参照光が合波された干渉光を検出する干渉光検出部と、前記第２参照光に基づいて、前記入射光の波長を検出する波長検出部と、前記干渉光検出部により検出された干渉光の信号をフーリエ変換し、フーリエ変換された前記干渉光の信号に基づく周波数スペクトルに応じたピーク周波数を検出し、検出された前記ピーク周波数と、前記波長検出部により検出された前記入射光の波長に応じた周波数とに基づいて、前記干渉計からの距離を導出する導出部と、を備える距離測定装置である。

また、請求項２記載の発明は、請求項１に記載の距離測定装置であって、前記波長検出部は、前記第２参照光を分光する分光部を備え、前記分光部により分光された前記第２参照光に基づいて、前記入射光の波長を検出する、距離測定装置である。

また、請求項３記載の発明は、請求項１又は２に記載の距離測定装置であって、前記波長検出部は、筐体により密閉され、前記筐体は、光を透過せず、外気の流入を防ぐ、距離測定装置である。

また、請求項４記載の発明は、請求項３に記載の距離測定装置であって、前記筐体は、気圧が一定な状態、又は真空状態を保つ、距離測定装置である。

また、請求項５記載の発明は、請求項３又は４に記載の距離測定装置であって、前記筐体は、前記筐体内の温度を一定に保つ、距離測定装置である。

また、請求項６記載の発明は、請求項１から５のうちいずれか一項に記載の距離測定装置であって、前記干渉計は、光を平行光に変化させる複数のレンズと、光が通過するための経路となる複数の光経路部と、前記波長掃引光源から前記複数の光経路部のうちの１つである第１光経路部により入射する前記入射光を前記複数に分岐された光に分岐させる分岐部と、前記複数のレンズのうち少なくとも１つによって平行光に変化された前記第１参照光を反射させる反射部と、前記反射部により反射された第１参照光と、前記反射光とを合波させる合波部と、を備える、距離測定装置である。

また、請求項７記載の発明は、入射光として波長を変化させながら光を射出し、干渉計を用いて、前記入射光を、複数に分岐された光として、第１参照光と第２参照光と測定光に分岐させ、前記測定光を照射し、前記測定光の反射光と前記第１参照光とを干渉光として合波し、前記干渉光を検出し、前記第２参照光に基づいて、前記入射光の波長を検出し、前記干渉光と、検出した前記入射光の波長とに基づいて、前記干渉計からの距離を導出する、距離測定方法である。

本発明によれば、高い精度で距離測定を行うことができる距離測定装置、及び距離測定方法を提供することができる。

第１実施形態に係る距離測定装置１の一例を示す構成図である。波長掃引光源２から射出される入射光の波長の時間変化の様子の一例を示すグラフである。分光ボックス４５の内部の拡大図である。光電変換素子４４により検出される干渉縞のピーク位置と測定光の波長との間の対応関係の一例を示す図である。制御装置６の機能構成の一例を示す図である。制御装置６により実行される処理の流れの一例を示すフローチャートである。干渉光検出部５により検出される干渉信号の一部を例示する図である。図７に示した干渉信号のうち、予め決められた基準となる時刻から所定の時間長Ｔだけ経過した時刻の範囲内における干渉信号をフーリエ変換した周波数スペクトルを示す図である。距離測定装置１との比較対象となる距離測定装置Ｘの一例を示す構成図である。距離測定装置Ｘ及び距離測定装置１における干渉信号をフーリエ変換したピーク周波数と距離Ｌ１−Ｌ２との相関関係の一例を示す図である。第２実施形態に係る距離測定装置１の一例を示す構成図である。制御部７３により検出される第２参照光の検出感度と、経過時間との関係の一例を示す図である。媒質が光を透過する割合と、その光の波長との対応関係の一例を示す図である。

＜概要＞
まず、以下に示す実施形態に係る距離測定装置１の概要を説明し、その後により詳細な実施形態を説明する。図１は、第１実施形態に係る距離測定装置１の一例を示す構成図である。距離測定装置１は、波長掃引光源２から射出された入射光を干渉計３に入射する。そして、干渉計３は、入射された入射光を測定光と参照光に分波する。干渉計３は、分波された入射光のうち、測定光を測定対象Ｗに向けて照射する。測定対象Ｗに照射された測定光であって、測定対象Ｗで反射された測定光は、再び干渉計３に入射する。

一方、干渉計３は、参照光を、さらに、第１参照光と第２参照光に分波する。干渉計３は、第１参照光を反射鏡３６に向けて照射する。反射鏡３６に照射された第１参照光であって、反射鏡３６で反射された第１参照光は、再び干渉計３に入射する。干渉計３は、測定対象Ｗで反射された測定光と反射鏡３６で反射された第１参照光とを干渉光として合波する。その後、干渉計３は、干渉光を、光ファイバーを介して干渉光検出部５に導光する。干渉光検出部５は、導光された干渉光を検出（受光）し、検出した干渉光を電気信号に変換する。干渉光検出部５は、この電気信号を干渉信号として制御装置６に出力する。一方、干渉計３は、第２参照光を、光ファイバーを介して波長検出部４に導光する。

波長検出部４は、導光された第２参照光の波長を検出し、検出された測定光の波長を制御装置６に出力する。第２参照光の波長は、波長掃引光源２が射出した入射光の波長であるとともに、測定光の波長である。制御装置６は、取得した干渉信号及び測定光の波長に基づいて、干渉計３と測定対象Ｗとの間の距離Ｌ１を算出（導出）する。

測定対象Ｗは、例えば、シリコンウェハーや多層膜等の工業製品や生体等であり、図１に示したように、ユーザによりコリメーター３３から距離Ｌ１だけ離れた位置に設置される。この距離Ｌ１は、ユーザが設置する段階で未知である。前述したように、距離測定装置１は、この距離Ｌ１を測定（算出又は導出）する。

＜第１実施形態＞
以下、本発明の第１実施形態について、図面を参照して説明する。図１に示したように、距離測定装置１は、例えば、波長掃引光源２と、干渉計３と、波長検出部４と、干渉光検出部５と、制御装置６と、光ファイバーＦ１と、光ファイバーＦ６と、光ファイバーＦ７とを備える。距離測定装置１では、波長掃引光源２と干渉計３とが光ファイバーＦ１により接続されており、干渉計３と干渉光検出部５とが光ファイバーＦ６により接続されており、干渉計３と波長検出部４とが光ファイバーＦ７により接続されている。また、波長掃引光源２と制御装置６、波長検出部４と制御装置６、干渉光検出部５と制御装置６はそれぞれ、電気ケーブル等によって通信可能に接続されている。

波長掃引光源２は、時間の経過とともに一定周期で波長を変化させながら干渉計３への入射光を射出する。波長掃引光源２から射出される入射光は、例えば、１［ｋＨｚ］周期毎に１５５０±１００［ｎｍ］の波長帯で波長が変化する。また、この波長は、例えば、正弦波状に変化する。ここで、図２を参照することで、波長掃引光源２から射出される入射光の波長の時間変化の様子について説明する。図２は、波長掃引光源２から射出される入射光の波長の時間変化の様子の一例を示すグラフである。

グラフＧ１の横軸は、経過時間Ｔｉｍｅ（単位は［ｍｓｅｃ］）を表す。また、グラフＧ１の縦軸は、経過時間毎の波長掃引光源２から射出される入射光の波長λ（単位は［ｎｍ］）を表す。図２に示したように、波長掃引光源２は、１［ｍｓｅｃ］毎（１［ｋＨｚ］周期あたり）に、１５５０±１００［ｎｍ］の波長帯で波長が正弦波として変化する入射光を射出する。

干渉計３は、例えば、光ファイバーＦ２〜Ｆ５と、分岐部３１、３４と、接続部３２と、コリメーター３３、３５と、反射鏡３６とを備える。干渉計３では、図１に示したように、光ファイバーＦ２〜Ｆ５によって接続部３２と、分岐部３１、３４と、コリメーター３３、３５と、反射鏡３６とがそれぞれ接続されている。なお、反射鏡３６は、反射部の一例である。また、干渉計３は、光ファイバーＦ１によって波長掃引光源２と接続されている。また、干渉計３の分岐部３１は、光ファイバーＦ６によって干渉光検出部５と接続されている。また、干渉計３の分岐部３４は、光ファイバーＦ７によって波長検出部４に接続されている。

光ファイバーＦ１〜Ｆ７は、例えば、シングルモード・光ファイバーである。なお、光ファイバーＦ１〜Ｆ７は、光経路部の一例である。接続部３２は、例えば、ファイバーコネクタであり、光ファイバー同士を、光損失を低く抑えながら接続する。分岐部３１、３４は、光を分波又は合波する。分岐部３１、３４は、例えば、ファイバーカプラーである。

分岐部３１は、光ファイバーＦ１から入射した光を測定光と参照光に分波し、分波した測定光を、光ファイバーＦ２を介して接続部３２に導光するとともに、分波した参照光を、光ファイバーＦ４を介して分岐部３４に導光する。また、分岐部３１は、光ファイバーＦ２及びＦ４からそれぞれ導光された光を１つの光（干渉光）に合波して、合波した干渉光を、光ファイバーＦ６を介して干渉光検出部５に導光する。分岐部３４は、光ファイバーＦ４から導光された光を第１参照光と第２参照光に分波し、分波した第１参照光を光ファイバーＦ５を介してコリメーター３５へ導光するとともに、分波した第２参照光を光ファイバーＦ７を介して波長検出部４へ導光する。

コリメーター３３、３５は、例えば、コリメーターレンズであり、入射した光を平行光へ変化させるか、又はある焦点に集光させる。光ファイバーＦ３から導光された測定光を測定対象Ｗへ集光するように照射するとともに、測定対象Ｗによって反射された反射光を光ファイバーＦ４へ入射する。また、コリメーター３５は、参照光を平行光に変化させ、平行光を反射鏡３６へ照射するとともに、反射鏡３６によって反射された反射光を光ファイバーへ入射する。反射鏡３６は、コリメーター３５から所定の距離Ｌ２だけ離れた場所に設置されており、コリメーター３５から入射した光を、コリメーター３５へ向けて反射する。

上記に説明した干渉計３には、波長掃引光源２から射出された入射光が、光ファイバーＦ１を介して導光される。この導光された入射光は、まず干渉計３の分岐部３１に入射する。分岐部３１は、入射光を測定光と参照光に分波する。分岐部３１は、測定光を光ファイバーＦ２と、接続部３２と、光ファイバーＦ３とを順に介してコリメーター３３へ入射する。そして、コリメーター３３は、測定光を測定対象Ｗに集光するように照射する。測定対象Ｗに照射された測定光の一部又は全部は、測定対象Ｗでコリメーター３３へ向けて反射される。コリメーター３３へ入射した測定光であって、測定対象Ｗで反射された測定光は、その後、光ファイバーＦ３と、接続部３２と、光ファイバーＦ２とを順に介して分岐部３１へ導光される。

一方、分岐部３１は、参照光を、光ファイバーＦ４を介して分岐部３４へ導光する。そして、分岐部３４は、参照光を第１参照光と第２参照光に分波する。分岐部３１は、第１参照光を、光ファイバーＦ５を介してコリメーター３５へ入射する。そして、コリメーター３５は、第１参照光を平行光に変化させて反射鏡３６に照射する。反射鏡３６に照射された第１参照光の一部又は全部は、反射鏡３６でコリメーター３５へ向けて反射される。コリメーター３５へ入射した測定光であって、反射鏡３６で反射された第１参照光は、その後、光ファイバーＦ５と、分岐部３４と、光ファイバーＦ４とを順に介して分岐部３１へ導光される。

分岐部３１は、測定対象Ｗで反射された測定光と反射鏡３６で反射された第１参照光とを干渉光として合波する。そして、分岐部３１は、この干渉光を、光ファイバーＦ６を介して干渉光検出部５に導光する。一方、分岐部３４は、第２参照光を、光ファイバーＦ７を介して波長検出部４に導光する。なお、距離測定装置１では、測定対象Ｗで反射された測定光と反射鏡３６で反射された第１参照光とを干渉させるため、波長掃引光源２から射出される入射光の可干渉距離は、図１に示した距離Ｌ１と距離Ｌ２との差よりも長くなければならない。なお、距離Ｌ１は、コリメーター３３と測定対象Ｗとの間の距離である。また、距離Ｌ２は、コリメーター３５と反射鏡３６との間の距離である。また、第１実施形態において、干渉計３の好ましい一例として、分岐部３１からコリメーター３３までの光路長と、分岐部３１からコリメーター３５までの光路長とは、同じであるとするが、これに限られず、例えば、測定対象Ｗまでの距離Ｌ１と、光源の可干渉距離に応じて、前記光路長差をＦ３及びＦ５の長さを変えることで調整しても良い。

波長検出部４は、光ファイバーＦ７を介して干渉計３の分岐部３４から導光された第２参照光の波長を検出する。そして、波長検出部４は、検出された波長を示す情報を制御装置６に出力する。波長検出部４は、例えば、コリメーター４１と、スリット４２と、分光部４３と、光電変換素子４４と、分光ボックス４５と、制御部４６とを備える。

コリメーター４１は、コリメーターレンズであり、光ファイバーＦ７を介して導光された第２参照光を平行光に変化させる。そして、コリメーター４１は、平行光をスリット４２を介して分光部４３へ照射する。スリット４２は、コリメーター４１から入射された第２参照光を、細い光束にするための間隙を有している。スリット４２を用いる理由は、分光部４３で分光されて光電変換素子４４に投影される第２参照光の像を鮮明にするためである。波長検出部４により検出される第２参照光の波長は、光電変換素子４４に投影される第２参照光の像が鮮明なほど誤差が小さくなる。そのため、波長検出部４は、スリット４２を用いることで、より高い精度で第２参照光の波長を検出することができる。

分光部４３は、例えば、回折格子であり、直線状の凹凸が１［ｍｍ］あたり５００本の周期で平行に（格子のパターン状に）並べられた光学素子である。分光部４３は、格子のパターンにより照射された第２参照光を分光する。分光された第２参照光は、干渉縞として光電変換素子４４の表面上に投影される。

光電変換素子４４は、入射された光を電気信号に変換する撮像素子であり、例えば、個々の素子サイズ（縦×横寸法）が５［μｍ］であり、それらが一列に長さ３０［ｍｍ］まで並べられた一次元ＣＣＤ（Charge Coupled Device）等である。光電変換素子４４は、前述した干渉縞を検出する。そして、光電変換素子４４は、検出された干渉縞を示す情報を制御部４６に出力する。制御部４６は、取得した干渉縞を示す情報に基づいて第２参照光の波長を検出する。そして、制御部４６は、検出された第２参照光の波長を、測定光の波長として制御装置６に出力する。

分光ボックス４５は、コリメーター４１、スリット４２、分光部４３、光電変換素子４４の全体を囲うように設置され、外気の流入を防ぎ、さらに、光を透過せず外乱光の侵入を排除する。分光ボックス４５は、筐体の一例である。分光ボックス４５の内部は、例えば、窒素ガス等の分光ボックス内の各装置の部材を酸化させづらいガスによって一定の気圧、気温、湿度が保たれるように封止・密閉されている。また、分光ボックス４５は、光ファイバーＦ７や通信ケーブル等の接続による間隙を、オーリング等でパッキングされることで、外気の流入や、内部の窒素ガスの流出が抑制されている。

図３は、分光ボックス４５の内部の断面図である。コリメーター４１、スリット４２、分光部４３、光電変換素子４４、制御部４６は、例えば、それぞれ図３に示したように配置される。より具体的には、コリメーター４１の光学中心を示す中心線ＬＣ１と直交する直線ＬＣ２に対して、分光部４３は１０°傾いた角度で設置される。そして、分光部４３と光電変換素子４４とは、格子面と受光面との間の距離が２００［ｍｍ］とするように設置される。このように設置することで、波長検出部４は、０．０２５［ｎｍ］の分解能で干渉縞の位置を検出することができる。

光ファイバーＦ７を介して波長検出部４のコリメーター４１に導光された第２参照光の一部は、スリット４２を介して分光部４３に入射する。そして、第２参照光は、分光部４３により分光されて干渉縞を形成する。形成された干渉縞は、光電変換素子４４の検出面上で検出される。光電変換素子４４は、検出された干渉縞を示す情報を制御部４６に出力する。制御部４６は、取得した干渉縞に基づいて第２参照光の波長を検出する。そして、制御部４６は、検出された第２参照光の波長（すなわち、測定光の波長）を示す情報を制御装置６に出力する。ここで、第１実施形態においては、光電変換素子４４は、干渉縞の位置を示す情報を制御部４６に出力し、制御部４６は、干渉縞の位置を示す情報に基づいて、第２参照光の波長を検出する場合について説明する。他の例としては、光電変換素子４４は、干渉縞の位置ではなく、既知の干渉縞のパターンに基づいて、第２参照光の波長を検出する。

ここで、キャリブレーション等によって対応付けられた干渉縞の位置と測定光の波長との一例について説明する。干渉縞の位置とは、例えば、光電変換素子４４の検出面上に設定された所定の基準位置に最も近い干渉縞のピーク位置である。光電変換素子４４の検出面上に設定された所定の基準位置に最も近い干渉縞のピーク位置とは、すなわち、一次元状の撮像素子のうち、いずれかの素子に対応する画素位置を基準にして、一方向において、最も強度の強い（最も画素レベルの高い）画素位置である。制御部４６は、キャリブレーション等によって、既知の干渉縞のピーク位置と、既知の測定光の波長とを対応付けた対応情報を図示しない記憶部に予め記憶しており、この対応情報に基づいて、取得した干渉縞のピーク位置から測定光の波長を検出する。より具体的には、制御部４６は、取得した干渉縞の位置と対応付けられている波長を対応情報に基づいて取得し、取得した波長を第２参照光の波長（すなわち、測定光の波長）として検出する。

図４は、光電変換素子４４により検出される干渉縞のピーク位置と測定光の波長との間の対応関係の一例を示す図である。図４に示したグラフは、縦軸が光電変換素子４４である一次元ＣＣＤ上により検出された干渉縞のピーク位置（単位は［ｍｍ］）を示しており、横軸が測定光の波長（単位は［ｎｍ］）を示している。

干渉光検出部５は、光ファイバーＦ６を介して導光された干渉光を検出（受光）し、検出した干渉光を電気信号に変換する。干渉光検出部５は、この電気信号を干渉信号として制御装置６に出力する。制御装置６は、干渉光検出部５から取得した干渉信号と、波長検出部４から取得した測定光の波長を示す情報とに基づいて、コリメーター３３から測定対象Ｗまでの距離Ｌ１を導出する。

なお、上記の説明において、干渉計３が、光ファイバーＦ２〜Ｆ５と、分岐部３１、３４と、接続部３２と、コリメーター３３、３５と、反射鏡３６とを備えているものとして説明したが、これに限られるものではなく、干渉計３が、さらに、光ファイバーＦ１、Ｆ６、Ｆ７とともに、波長掃引光源２と干渉光検出部５とのうちいずれか一方又は両方を備えていてもよい。

次に、図５を参照することで、制御装置６の機能構成について説明する。図５は、制御装置６の機能構成の一例を示す図である。制御装置６は、例えば、制御部６０と、記憶部７０とを備える。また、制御部６０は、例えば、装置制御部６１と、干渉信号取得部６２と、波長情報取得部６４と、距離導出部６８とを備える。

装置制御部６１は、波長掃引光源２が入射光を射出するように波長掃引光源２を制御する。また、装置制御部６１は、波長検出部４が測定光の波長を検出し、測定光の波長を示す情報を出力するように波長検出部４の制御部４６を制御する。また、装置制御部６１は、干渉光検出部５が干渉光を検出し、干渉信号を出力するように干渉光検出部５を制御する。装置制御部６１は、図示しない計時部を備えており、波長検出部４による波長の検出と、干渉光検出部５による干渉信号の検出とを同期させる（すなわち、同じタイミングで波長を示す情報と干渉信号とを取得する）。

干渉信号取得部６２は、干渉光検出部５から干渉信号を取得する。波長情報取得部６４は、波長検出部４から測定光の波長を示す情報を取得する。なお、干渉信号取得部６２と波長情報取得部６４とは、図示しない計時部により計時されるタイミングに応じて、干渉信号と測定光の波長を示す情報とを取得し、取得した干渉信号と測定光の波長を示す情報とを対応付けて記憶部７０に順に記憶していく。

距離導出部６８は、干渉信号取得部６２が取得した干渉信号と、波長情報取得部６４が取得した測定光の波長を示す情報とに基づいて上述した距離Ｌ１を算出する。一例としては、距離導出部６８は、取得した測定光の波長を、測定光の周波数（以下、光源周波数と称する）に変換する。そして、距離導出部６８は、記憶部７０から距離Ｌ１を導出するための各種情報を読み込む。各種情報とは、例えば、コリメーター３５と反射鏡３６との間の距離Ｌ２や光速度等のパラメータである。そして、距離導出部６８は、読み込んだ各種情報と、変換した光源周波数と、取得した干渉信号とに基づいて上述した距離Ｌ１を導出する。距離導出部６８は、導出部の一例である。

記憶部７０は、例えば、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）やＳＳＤ（Solid State Drive）、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read−Only Memory）、ＲＯＭ（Read−Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などを含み、制御装置６が距離Ｌ１を導出するための各種情報を格納する。なお、記憶部７０は、制御装置６に内蔵されるものに代えて、外付け型の記憶装置でもよい。

以下、図６を参照することにより、制御装置６の各機能部が行う処理について説明する。図６は、制御装置６により実行される処理の流れの一例を示すフローチャートである。まず、装置制御部６１は、波長掃引光源２に干渉計３へ入射光を射出させる（ステップＳ１００）。次に、干渉信号取得部６２は、干渉光検出部５により検出された干渉信号を取得する。また、波長情報取得部６４は、波長検出部４により検出された測定光の波長を示す情報を取得する（ステップＳ１１０）。制御装置６は、干渉信号取得部６２により取得された干渉信号と、波長情報取得部６４により取得された測定光の波長を示す情報とを対応付けて記憶部７０に記憶する。

一例としては、制御装置６は、干渉信号取得部６２により取得された干渉信号と、波長情報取得部６４により取得された測定光の波長を示す情報とを、計時部により計測された時刻と関連付けて記憶部７０に記憶する。なお、他の例として、制御装置６は、干渉信号取得部６２により取得された干渉信号と、波長情報取得部６４により取得された測定光の波長を示す情報とを、干渉信号取得時間間隔あるいは波長を示す情報を取得する時間間隔と対応付けて記憶部７０に記憶するとしてもよい。

ここで、図７を参照することで、干渉光検出部５により検出される干渉信号について説明する。図７は、干渉光検出部５により検出される干渉信号の一部を例示する図である。グラフＧ２の横軸は、経過時間Ｔｉｍｅ（単位は［ｍｓｅｃ］）を表す。また、グラフＧ２の縦軸は、干渉光検出部５により検出される干渉光の振幅（単位は、例えば、電流値［ｍＡ］等である）を表す。信号ＬＮは、図１に示したコリメーター３３と測定対象Ｗとの間の距離Ｌ１と、コリメーター３５と反射鏡３６との間の距離Ｌ２との差が１［ｍｍ］の場合に得られた干渉信号を表す。

次に、距離導出部６８は、予め決められた基準となる時刻から所定の時間長Ｔだけ経過した時刻の範囲内における干渉信号と、時刻Ｔに対応付けられた測定光の波長を示す情報とを記憶部７０から読み込む。所定の時間長Ｔとは、例えば、入射光の波長を１周期分走査する時間である１［ｍｓｅｃ］程度である。距離導出部６８は、読み込んだ測定光の波長を光源周波数に変換する（ステップＳ１２０）。そして、距離導出部６８は、所定の時間長Ｔと、光源周波数と、干渉信号とに基づいて、コリメーター３３と測定対象Ｗとの間の距離Ｌ１とコリメーター３５と反射鏡３６との間の距離Ｌ２との差（Ｌ１−Ｌ２）を導出する（ステップＳ１３０）。

ここで、距離導出部６８が距離Ｌ１を導出するための処理について説明する。図１に示したコリメーター３３と測定対象Ｗとの間を伝播する測定光の波動関数は、以下の式（１）によって表される。

ここで、Ｅ_１は、測定光の振幅を表す。また、ω（ｔ）は、時刻ｔにおける光源周波数を表す。ｉは虚数単位である。また、ｋ（ｔ）は、時刻ｔにおける波長掃引光源２から射出された光の波数を表す。同様に、図１に示したコリメーター３５と反射鏡３６との間を伝播する第１参照光の波動関数は、以下の式（２）によって表される。

ここで、Ｅ_２は、第１参照光の振幅を表す。干渉光検出部５により検出される干渉光は、測定光と第１参照光とが合波された光である。従って、図７に示した干渉信号は、以下の式（３）によって表される。

ここで、ｃは、光速度である。また、「＊」は、複素共役を表す。図６に示した干渉信号を生み出す主因は、式（３）の右辺第３項に示した干渉項である。また、この干渉信号をフーリエ変換した周波数スペクトルを、図８に示した。図８は、図７に示した干渉信号のうち、予め決められた基準となる時刻から所定の時間長Ｔだけ経過した時刻の範囲内における干渉信号をフーリエ変換した周波数スペクトルを示す図である。図８に示したグラフの横軸は、フーリエモードの周波数Ωを表す。周波数Ωの単位は、［ｋＨｚ］である。また、グラフの縦軸は、周波数Ωに対応する周波数スペクトルのスペクトル成分Ｆ（Ω）を表す。スペクトル成分Ｆ（Ω）の単位は、例えば、［Ｗ／Ｈｚ］である。この周波数スペクトルは、以下の式（４）によって表される。

ここで、式（４）におけるＴは、前述した時間長Ｔのことである。式（４）に基づいて、最大となるピークスペクトル成分Ｆ（Ω）_ＭＡＸを与えるピーク周波数Ω_ＭＡＸは、以下の式（５）のように表すことができる。

距離導出部６８は、上述の式（５）により距離Ｌ１と距離Ｌ２との差を導出する。すなわち、距離導出部６８は、予め決められた基準となる時刻から所定の時間長Ｔだけ経過した時刻の範囲内における干渉信号と、予め決められた基準となる時刻から所定の時間長Ｔだけ経過した時刻における測定光の波長とを記憶部７０から読み込む。また、距離導出部６８は、記憶部７０から、距離Ｌ２と光速度とを読み込む。距離導出部６８は、読み込んだ測定光の波長を、光源周波数ω（Ｔ）に変換する。距離導出部６８は、取得した干渉信号をフーリエ変換し、ピーク周波数Ω_ＭＡＸと、ピークスペクトル成分Ｆ（Ω）_ＭＡＸとを検出する。距離導出部６８は、検出されたピーク周波数Ω_ＭＡＸ及びピークスペクトル成分Ｆ（Ω）_ＭＡＸと、変換した光源周波数ω（Ｔ）と、読み込んだ距離Ｌ２及び光速度とに基づいて、上記の式（５）から、コリメーター３３と測定対象Ｗとの間の距離Ｌ１を算出する。

以下、図９及び図１０を参照することで、上記に説明した第１実施形態における距離測定装置１と、波長検出部４を備えていない他の距離測定装置Ｘとを比較する。図９は、距離測定装置１との比較対象となる距離測定装置Ｘの一例を示す構成図である。距離測定装置Ｘには、図１に示した距離測定装置１と比べて、波長検出部４が備えられていない。距離測定装置Ｘは、例えば、波長掃引光源２Ｘと、干渉計３と、干渉光検出部５と、制御装置６Ｘとを備える。

波長掃引光源２Ｘは、波長掃引を行うためのグレーティング角から、射出する入射光の周波数を推定し、その推定値を制御装置６に出力する。そして、制御装置６Ｘは、取得した推定値を、上記の式（５）における光源周波数ω（Ｔ）として用いて距離Ｌ１を算出する。しかし、波長掃引光源２Ｘが出力する光源周波数の推定値は、グレーティング角を変更する機構等の誤差によって、実際に射出された入射光（すなわち、測定光）の光源周波数とは誤差が生じることがある。

図１０は、距離測定装置Ｘ及び距離測定装置１において実際に検出された周波数スペクトルのピーク周波数と、既知の距離Ｌ１と距離Ｌ２との差との相関関係の一例を示す図である。距離測定装置Ｘでは、波長掃引光源２Ｘから取得した光源周波数の推定値が、実際に射出された入射光の光源周波数から誤差が生じるため、既知の距離Ｌ１に対応する周波数スペクトルのピーク周波数の値が測定する毎にバラつく場合がある。このため、距離測定装置Ｘにおいて実際に検出された周波数スペクトルのピーク周波数と、既知の距離Ｌ１との相関関係は、完全な線形関係とはならない。

それに対して、距離測定装置１では、既知の距離Ｌ１に対応する周波数スペクトルのピーク周波数の値が、距離測定装置Ｘの場合に比べて、測定する毎にバラつく度合いが小さい。そのため、距離測定装置１において実際に検出された周波数スペクトルのピーク周波数と、既知の距離Ｌ１−Ｌ２との相関関係は、距離測定装置Ｘの場合に比べて、高い線形性を有している。これらのことは、距離測定装置１が、距離測定装置Ｘと比べて、より高い精度で距離測定を行っていることを示している。すなわち、距離測定装置１は、波長検出部４により分光された第２参照光に基づいて、入射光の波長を検出するため、波長掃引光源２Ｘから測定光の波長の推定値を取得する場合と比べて、より高い精度で測定を行うことができる。さらに、距離測定装置１では、光源周波数が確定するため、測定毎のキャリブレーションの必要がない。

このように、第１実施形態における距離測定装置１は、入射光として波長を変化させながら光を干渉計３に射出し、射出された入射光を、干渉計３が複数に分岐された光として、測定光と第１参照光と第２参照光とに分岐させ、測定光を測定対象Ｗに照射し、測定対象Ｗからの測定光の反射光と第１参照光とを干渉光として合波させ、合波された干渉光を検出し、第２参照光に基づいて、入射光の波長を検出し、検出された干渉光と、入射光の波長とに基づいて、干渉計から測定対象Ｗまでの距離を導出するため、高い精度で距離測定を行うことができる。

また、距離測定装置１は、光電変換素子４４が分光ボックス４５により密閉され、分光ボックス４５が光を透過せず、外気の流入を防ぐため、気圧、気温、湿度等の揺らぎによる誤差を抑制することができる。
また、距離測定装置１は、干渉光の信号をフーリエ変換し、フーリエ変換された干渉光の信号に基づいてピーク周波数を検出し、検出されたピーク周波数と、光電変換素子４４により検出された周波数とに基づいて、干渉計３から測定対象Ｗまでの距離を導出するため、光源周波数の測定誤差を抑制することができる。

また、距離測定装置１は、上記の式（５）に基づいて距離Ｌ１を算出するのに代えて、既知の光源周波数と、既知の周波数スペクトルのピーク周波数と、コリメーター３３と測定対象Ｗとの間の既知の距離との対応関係を示す情報とに基づいて、距離Ｌ１を算出するものとしてもよい。この場合、距離測定装置１は、距離Ｌ１を測定する毎に、当該対応関係を示す情報を取得するためのキャリブレーションを行う必要がある。一例としては、制御装置６は、取得した干渉信号に基づいてピーク周波数を検出し、取得した測定光の波長を示す情報に基づいて光源周波数を検出する。そして、制御装置６は、記憶部７０から前記の対応関係を示す情報を読み込み、読み込んだ対応関係を示す情報から、検出されたピーク周波数及び光源周波数に対応付けられた距離を、距離Ｌ１として検出する。

なお、波長掃引光源２と制御装置６、波長検出部４と制御装置６、干渉光検出部５と制御装置６のうち一部又は全部は、無線によって通信可能に接続されてもよい。また、分岐部３１、３４は、ファイバーカプラーに代えて、ハーフミラー等の光を分波、合波できるものであれば他のものでもよい。また、なお、コリメーター３３、３５、４１のそれぞれは、コリメーターレンズに代えて、光を平行光にする他の何らかの手段であってもよい。また、干渉計３では、分岐部３４ではなく分岐部３１や、他の箇所（例えば、波長掃引光源２と分岐部３１との間等）で参照光を、第１参照光と第２参照光とに分波してもよい。

また、波長検出部４は、必ずしもスリット４２を備える必要はないが、スリット４２を備えた方が、誤差が小さくなるため好適である。また、分光部４３の格子には、ブレーズ角が付いていてもよいし、付いていなくてもよい。また、光電変換素子４４は、ＣＣＤに代えて、ＰＳＤ（Position Sensitive Detector）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）等の他の撮像素子であってもよい。また、光電変換素子４４は、一次元ＣＣＤに変えて、二次元ＣＣＤ等であってもよい。

また、分光ボックス４５は、分光ボックス４５の内部を真空状態にすることで一定の気圧、気温、湿度が保たれるようにしてもよい。また、分光ボックス４５を成形する部材には、例えば、アルミ等が用いられるが、これに加えて断熱材等が用いられることで、内部の気温を一定に保つとしてもよい。また、分光ボックス４５には、調温機構や断熱機構が備えられることで、内部の気温を一定に保つとしてもよい。この場合、距離測定装置１は、分光ボックス４５の内部の気温が一定に保たれるため、気温の揺らぎによる誤差を抑制することができる。

波長検出部４が備える各機能部は、図３に示した配置に代えて、所望の分解能に応じた異なる配置で設置されてもよい。また、距離測定装置１は、波長検出部４に代えて、光スペクトルアナライザー等を用いて光源周波数を検出してもよいが、光スペクトルアナライザー等に比べて波長検出部４を用いた方が、光が入射した時に波長を出力する応答速度が速いため、解析においてリアルタイム性を保持したい場合に好適である。

また、測定対象Ｗにおいて、距離Ｌ１を測定したい点が複数ある場合は、図６に示したステップＳ１００からステップＳ１３０を、測定したい点の数だけ繰り返すとしてもよい。その場合、距離測定装置１は、測定光の照射方向を測定したい点に向けて変更可能であるとし、測定方向を示す情報も対応付けて記憶部７０に記憶するようにする。また、分岐部３１は、入射した光を測定光、第２参照光、第３参照光の３つの光に分波してもよい。なお、コリメーター３３、３５、４１は、複数のレンズの一例である。また、分岐部３１は、合波部の一例であり、分岐部の一例でもある。

また、干渉計３は、反射鏡３６で反射された第１参照光と、測定対象Ｗで反射された測定光との干渉光を干渉光検出部５へ入射させる構成に代えて、コリメーター３３で反射した反射光と、コリメーター３３を透過して測定対象Ｗで反射された反射光とが干渉した干渉光を干渉光検出部５へ入射させる構成であってもよい。この場合、干渉計３は、例えば、分岐部３１によって入射光を分波した時の参照光を、上述した第２参照光に対応する光として波長検出部４へ入射するとする。また、干渉計３は、測定対象Ｗで反射された測定光と、反射鏡３６で反射された第１参照光とを干渉させることで干渉光を発生させる構成に代えて、例えば、光ファイバーＦ５がループ状の経路となるように分岐部３１に接続され、そのループ状の経路を通過して分岐部３１に戻ってきた参照光と、測定対象Ｗで反射された測定光とを干渉させることで干渉光を発生させる構成等としてもよい。

＜第２実施形態＞
以下、図面を参照して、本発明の第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態と同様な機能部には同じ符号を付して、説明を省略する。図１１は、第２実施形態に係る距離測定装置１の一例を示す構成図である。第２実施形態に係る距離測定装置１は、波長検出部４を備える構成に代えて、以下で説明する波長検出部７を備える。

波長検出部７は、光ファイバーＦ７を介して干渉計３の分岐部３４から導光された第２参照光の波長を検出する。そして、波長検出部７は、検出された波長を示す情報を制御装置６に出力する。波長検出部７は、例えば、筐体７１と、光検出器７２と、制御部７３を備える。

筐体７１は、光検出器７２と、制御部７３の全体を囲うように設置され、外気の流入を防ぎ、且つ内部から外部への媒質の流出を防ぎ、さらに、光を透過せず外乱光の侵入を排除する。また、筐体７１は、光の一部を吸収する媒質が封入されている。この媒質は、光の波長毎に、光の一部を吸収する割合が異なる媒質である。特に、この媒質は、波長検出部７に導光される第２参照光の波長帯において、第２参照光の一部を吸収する割合と、光の波長とが一対一に対応するものでなければならない。

また、この媒質は、光の一部を吸収する割合と、光の波長との対応関係とについてトレーサビリティを有するものであることが好ましい。トレーサビリティを有する媒質の場合、ユーザは、前記の対応関係に関して予備実験等によって較正を行う必要が無く、時間的なコストや金銭的なコストが増大してしまうことを抑制することができる。このようなトレーサビリティを有する媒質は、光を透過する固体、液体、気体のいずれであってもよい。また、筐体７１は、光ファイバーＦ７や通信ケーブル等の接続による間隙を、オーリング等でパッキングされることで、外気の流入や、内部の媒質の流出が抑制されている。

光検出器７２は、光ファイバーＦ７を介して導光された第２参照光であって媒質によりその一部が吸収された光を検出（受光）する。そして光検出器７２は、検出された光を電気信号に変換する。光検出器７２は、この電気信号を制御部７３に出力する。
制御部７３は、波長検出部７の全体を制御する。また、制御部７３は、光検出器７２から取得された電気信号に基づいて、波長検出部７に導光された第２参照光（すなわち、入射光）の検出感度を検出する。この検出感度は、第２参照光の一部が吸収された割合を反映した値である。

制御部７３は、検出された検出感度に基づいて第２参照光の波長を検出する。より具体的には、制御部７３は、第２参照光の一部が吸収された割合と、光の波長との一対一の対応関係に基づいて、第２参照光の波長を検出する。この対応関係は、予め予備実験等による較正等によって取得されていてもよいが、トレーサビリティを有する媒質の場合、新たに較正を行うことで取得する必要はない。制御部７３は、検出された波長を示す情報を制御装置６に出力する。

図１２は、制御部７３により検出される第２参照光の検出感度と、経過時間との関係の一例を示す図である。図１２に示したグラフの横軸は、経過した時間（単位は［ｍｓｅｃ］）である。また、図１２に示したグラフの縦軸は、光検出器７２による第２参照光の検出感度（例えば、単位は［ｍＡ］等）を示す。図１２に示したように、光ファイバーＦ７を介して筐体７１内に照射された第２参照光の検出感度は、時間の経過とともに変化する。これは、筐体７１に封入された媒質が第２参照光を吸収する割合が、第２参照光の波長によって変化することに起因する現象である。前述したように、第２参照光が吸収された割合は、光検出器７２により第２参照光が検出される検出感度に反映される。従って、検出感度と波長の対応関係を利用することで、制御部７３は、第２参照光の波長を検出することができる。

ここで、図１３を参照して、制御部７３による第２参照光の波長の検出処理について説明する。図１３は、媒質が光を透過する割合と、その光の波長との対応関係の一例を示す図である。図１３に示したグラフの横軸は、光の波長（単位は［ｎｍ］）である。また、図１３に示したグラフの縦軸は、規格化された透過率（吸収率に対応している）である。

ある波長帯において波長が変化する光を媒質に照射した場合、波長毎の光の吸収割合を示すグラフ（例えば、図１２に示したグラフ）の形状は、図１３に示したグラフの形状と一致する。これを利用し、制御部７３は、例えば、波長が周期的に変化する第２参照光（すなわち、入射光）の１周期分の検出感度の変化を示すグラフ（図１２に示したようなグラフ）と、図１３に示したグラフとを画像処理の手法（例えば、パターンマッチング）等によってマッチングし、経過時間毎の検出感度に基づいてその経過時間における第２参照光（すなわち、入射光）の波長を検出する。なお、図１２に示したグラフは、吸収スペクトルの一例である。また、図１３に示したグラフは、参照用スペクトルの一例である。

このように、第２実施形態に係る距離測定装置１は、波長検出部４を備える構成に代えて波長検出部７を備える。この構成により、距離測定装置１は、第２参照光の一部が吸収された割合と、光の波長との一対一の対応関係に基づいて、第２参照光の波長を検出する。これにより、距離測定装置１は、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

なお、以上に説明した装置（例えば、距離測定装置１）における干渉光検出部５、制御装置６、制御部４６の機能を実現するためのプログラムを、コンピューター読み取り可能な記録媒体に記録し、そのプログラムをコンピューターシステムに読み込ませて実行するようにしてもよい。なお、ここでいう「コンピューターシステム」とは、ＯＳ（Operating System）や周辺機器等のハードウェアを含むものとする。

また、「コンピューター読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ（Compact Disk）−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピューターシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピューター読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバーやクライアントとなるコンピューターシステム内部の揮発性メモリー（ＲＡＭ）のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。

また、上記のプログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピューターシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピューターシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク（通信網）や電話回線等の通信回線（通信線）のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。
また、上記のプログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。さらに、上記のプログラムは、前述した機能をコンピューターシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であってもよい。

１距離測定装置、２波長掃引光源、３干渉計、４波長検出部、５干渉光検出部、６制御装置、３１、３４分岐部３２接続部、３３、３５、４１レンズ、３６反射鏡、４２スリット、４３分光部、４４光電変換素子、４５分光ボックス、４６、６０制御部、６１装置制御部、６２干渉信号取得部、６４波長情報取得部、６８距離導出部、７０記憶部

Claims

入射光として波長を変化させながら光を射出する波長掃引光源と、
前記波長掃引光源から射出された入射光を、複数に分岐された光として、第１参照光と第２参照光と測定光に分岐させ、前記測定光を照射し、前記測定光の反射光と前記第１参照光とを干渉光として合波させる干渉計と、
前記干渉計により前記反射光と前記第１参照光が合波された干渉光を検出する干渉光検出部と、
前記第２参照光に基づいて、前記入射光の波長を検出する波長検出部と、
前記干渉光検出部により検出された干渉光の信号をフーリエ変換し、フーリエ変換された前記干渉光の信号に基づく周波数スペクトルに応じたピーク周波数を検出し、検出された前記ピーク周波数と、前記波長検出部により検出された前記入射光の波長に応じた周波数とに基づいて、前記干渉計からの距離を導出する導出部と、
を備える距離測定装置。
請求項１に記載の距離測定装置であって、
前記波長検出部は、前記第２参照光を分光する分光部を備え、前記分光部により分光された前記第２参照光に基づいて、前記入射光の波長を検出する、
距離測定装置。
請求項１又は２に記載の距離測定装置であって、
前記波長検出部は、筐体により密閉され、
前記筐体は、光を透過せず、外気の流入を防ぐ、
距離測定装置。
請求項３に記載の距離測定装置であって、
前記筐体は、気圧が一定な状態、又は真空状態を保つ、
距離測定装置。
請求項３又は４に記載の距離測定装置であって、
前記筐体は、前記筐体内の温度を一定に保つ、
距離測定装置。
請求項１から５のうちいずれか一項に記載の距離測定装置であって、
前記干渉計は、
光を平行光に変化させる複数のレンズと、
光が通過するための経路となる複数の光経路部と、
前記波長掃引光源から前記複数の光経路部のうちの１つである第１光経路部により入射する前記入射光を前記複数に分岐された光に分岐させる分岐部と、
前記複数のレンズのうち少なくとも１つによって平行光に変化された前記第１参照光を反射させる反射部と、
前記反射部により反射された第１参照光と、前記反射光とを合波させる合波部と、
を備える、
距離測定装置。
入射光として波長を変化させながら光を射出し、
干渉計を用いて、前記入射光を、複数に分岐された光として、第１参照光と第２参照光と測定光に分岐させ、前記測定光を照射し、前記測定光の反射光と前記第１参照光とを干渉光として合波し、
前記干渉光を検出し、
前記第２参照光に基づいて、前記入射光の波長を検出し、
前記干渉光の信号をフーリエ変換し、フーリエ変換された前記干渉光の信号に基づく周波数スペクトルに応じたピーク周波数を検出し、
検出した前記ピーク周波数と、検出した前記入射光の波長に応じた周波数とに基づいて、前記干渉計からの距離を導出する、
距離測定方法。