JP6628030B2 - Distance measuring device and method - Google Patents

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Description

本発明は距離測定装置及びその方法に係り、特にフリースペクトラルレンジの異なる複数の光を用いて絶対距離を測定する距離測定装置及びその方法に関する。   The present invention relates to a distance measuring apparatus and method, and more particularly to a distance measuring apparatus and method for measuring an absolute distance using a plurality of lights having different free spectral ranges.

He−Ne(ヘリウム−ネオン)レーザ等のレーザ干渉を利用した測長装置が知られている。この測長装置は、絶対的な距離の測定可能範囲が使用レーザの半波長程度であるため、長距離を測定する場合には半波長以下の変位を積算することで測定対象物までの絶対距離を求める必要がある。したがって測定の途中でレーザが遮られてしまうと、それまでの積算結果が無駄になり、変位量の積算を開始した原点に戻って測定をやり直す必要があるため、非常に不便である。   2. Description of the Related Art A length measuring device using laser interference such as a He-Ne (helium-neon) laser is known. This length measuring device has a measurable range of the absolute distance of about half a wavelength of the laser used. Therefore, when measuring a long distance, the absolute distance to the object to be measured is calculated by integrating the displacement of the half wavelength or less. Need to ask. Therefore, if the laser is interrupted during the measurement, the integration result up to that point becomes useless, and it is necessary to return to the origin where the integration of the displacement amount was started and repeat the measurement, which is very inconvenient.

これに対し、特許文献1には、繰り返し周波数の異なる複数種類の光コムを用いて絶対的な距離を測定する装置が開示されている。特許文献1の装置によれば、半波長以下の変位の積算が不要となり、高速に距離を測定することが可能となる。   On the other hand, Patent Literature 1 discloses an apparatus for measuring an absolute distance using a plurality of types of optical combs having different repetition frequencies. According to the device of Patent Document 1, it is not necessary to integrate displacements of a half wavelength or less, and it is possible to measure a distance at high speed.

特開2015−155822号公報JP 2015-155822 A

しかしながら、特許文献1には、使用する光コム光源が高価であるという欠点があった。また、測定光用エタロンや参照光用エタロンのフリースペクトラルレンジを光コムの繰り返し周波数に合わせる必要があるため、エタロンの製作が困難であるという欠点もあった。さらに、任意の波長領域での測長が困難であるという問題点もあった。   However, Patent Document 1 has a disadvantage that an optical comb light source to be used is expensive. In addition, it is necessary to adjust the free spectral range of the etalon for measurement light and the etalon for reference light to the repetition frequency of the optical comb, so that there is a disadvantage that it is difficult to manufacture the etalon. Further, there is another problem that it is difficult to measure the length in an arbitrary wavelength region.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、簡易な構成で任意の波長領域を用いて、高速にかつ高精度で絶対距離の測定を行う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 provides a distance measuring device and a method for measuring an absolute distance at high speed and with high accuracy using an arbitrary wavelength region with a simple configuration. With the goal.

上記目的を達成するために距離測定装置の一の態様は、白色光を出射する光源と、白色光を2方向に分岐させる分岐手段であって、分岐させた一方の参照光を参照ミラーの反射面に入射させ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させる分岐手段と、分岐手段と測定対象物との間に配置され、入射した光の一部を反射させ一部を透過させる半反射面を有するハーフミラーと、反射面で反射した参照光、被測定面で反射した測定光、及び半反射面で反射した測定光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、白色光又は干渉光の光路に配置された光コム生成手段であって、第1のフリースペクトラルレンジ及び第1のフリースペクトラルレンジとは異なる第2のフリースペクトラルレンジを通過帯域とする光コム生成手段と、第1のフリースペクトラルレンジを有する第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のフリースペクトラルレンジを有する第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、第1の干渉信号がピークとなる参照光の光路長と第2の干渉信号がピークとなる参照光の光路長との差分から第1の干渉信号の干渉次数を決定する干渉次数決定手段と、第1の干渉信号がピークとなる参照光の光路長と干渉次数とに基づいて、被測定面までの距離を算出する距離算出手段と、を備えた。   One embodiment of the distance measuring device for achieving the above object is a light source that emits white light, and a branching unit that branches white light in two directions, wherein one of the branched reference lights is reflected by a reference mirror. A branching means for making the other measurement light incident on the surface to be measured of the object to be measured while the light is incident on the surface, and disposed between the branching means and the object to be measured, partially reflecting the incident light and transmitting partly A half mirror having a semi-reflective surface to be reflected, a reference light reflected by the reflective surface, a measuring light reflected by the surface to be measured, and an interference light generating means for generating interference light by combining the measuring light reflected by the semi-reflective surface, Scanning means for changing the optical path length of the reference light, and optical comb generating means arranged on the optical path of the white light or the interference light, wherein the first free spectral range and a second free spectral range different from the first free spectral range. Free Spectral Les An optical comb generating means having a pass band as a passband, and a first interference signal receiving a first interference light having a first free spectral range and outputting a first interference signal corresponding to the intensity of the first interference light. Detection means, second detection means for receiving a second interference light having a second free spectral range and outputting a second interference signal corresponding to the intensity of the second interference light, and an optical path of the reference light Acquisition means for acquiring the first interference signal and the second interference signal while changing the length, an optical path length of the reference light having a peak of the first interference signal, and a reference light having a peak of the second interference signal. An interference order determining means for determining the interference order of the first interference signal from the difference between the optical path length of the first interference signal and the interference order, based on the optical path length and the interference order of the reference light at which the first interference signal has a peak. Distance calculating means for calculating the distance of the object.

本態様によれば、白色光を参照光と干渉光とに分岐させて参照光と干渉光との干渉光を生成し、参照光の光路長を変更しつつ第1のフリースペクトラルレンジを有する第1の干渉光の強度に応じた第1の干渉信号と第2のフリースペクトラルレンジを有する第2の干渉信号とを取得し、第1の干渉信号がピークとなる参照光の光路長と第2の干渉信号がピークとなる参照光の光路長との差分から第1の干渉信号のピークと第2の干渉信号のピークとの干渉次数を決定し、第1の干渉信号がピークとなる参照光の光路長と干渉次数とに基づいて、被測定面までの距離を算出するようにしたので、簡易な構成で任意の波長領域を用いて、高速にかつ高精度で絶対距離の測定を行うことができる。   According to this aspect, the white light is divided into the reference light and the interference light to generate the interference light between the reference light and the interference light, and the second light having the first free spectral range 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 having a second free spectral range are acquired, and the optical path length of the reference light at which the first interference signal has a peak and the second interference signal are obtained. The interference order between the peak of the first interference signal and the peak of the second interference signal is determined from the difference between the optical path length of the reference light and the peak of the first interference signal, and the reference light having the peak of the first interference signal is determined. Since the distance to the surface to be measured is calculated based on the optical path length and the interference order, it is possible to measure the absolute distance at high speed and with high accuracy using a simple wavelength range with a simple configuration. Can be.

光コム生成手段は、互いに対向する一対の反射部を有するエタロンであり、反射部の間の距離を変更することで通過帯域を変更することが好ましい。これにより、1つのエタロンで複数のフリースペクトラルレンジを有する光を出力することができる。   The optical comb generating means is an etalon having a pair of reflecting portions facing each other, and it is preferable to change the pass band by changing the distance between the reflecting portions. Thus, one etalon can output light having a plurality of free spectral ranges.

光コム生成手段は、白色光の光路に配置されることが好ましい。これにより、フリースペクトラルレンジを有する光を参照光及び測定光に用いることができる。   It is preferable that the optical comb generating means is arranged in the optical path of white light. Thus, light having a free spectral range can be used as the reference light and the measurement light.

光コム生成手段は、第1のフリースペクトラルレンジを通過帯域とする第1のエタロンと、第2のフリースペクトラルレンジを通過帯域とする第2のエタロンと、を備え、さらに、干渉光を2方向に分岐させる干渉光分岐手段であって、分岐させた一方を第1のエタロンに入射させるとともに他方を第2のエタロンに入射させる干渉光分岐手段と、を備えてもよい。これにより、簡易な構成のエタロンを用いることができる。   The optical comb generating means includes a first etalon having a pass band in the first free spectral range and a second etalon having a pass band in the second free spectral range. And an interference light splitting unit that causes one of the split beams to enter the first etalon and the other to enter the second etalon. Thus, an etalon having a simple configuration can be used.

上記目的を達成するために距離測定方法の一の態様は、光源から出射した白色光を2方向に分岐させる分岐手段によって、分岐させた一方の参照光を参照ミラーの反射面に入射させ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させる分岐工程と、反射面で反射した参照光、被測定面で反射した測定光、及び分岐手段と測定対象物との間に配置され、入射した光の一部を反射させ一部を透過させる半反射面を有するハーフミラーの半反射面で反射した測定光を合成した干渉光を生成する干渉光生成工程と、参照光の光路長を変更する走査工程と、第1のフリースペクトラルレンジ及び第1のフリースペクトラルレンジとは異なる第2のフリースペクトラルレンジを通過帯域とする光コム生成手段を白色光又は干渉光の光路に配置する配置工程と、第1のフリースペクトラルレンジを有する第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のフリースペクトラルレンジを有する第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、第1の干渉信号がピークとなる参照光の光路長と第2の干渉信号がピークとなる参照光の光路長との差分から第1の干渉信号の干渉次数を決定する干渉次数決定工程と、第1の干渉信号がピークとなる参照光の光路長と干渉次数とに基づいて、被測定面までの距離を算出する距離算出工程と、を備えた。   In order to achieve the above object, one embodiment of a distance measuring method is to use a branching unit that branches white light emitted from a light source in two directions so that one of the branched reference lights is made incident on a reflection surface of a reference mirror and the other is split into two. A branching step of causing the measurement light of the measurement target to be incident on the surface to be measured, the reference light reflected by the reflection surface, the measurement light reflected by the surface to be measured, and the branching means disposed between the branching means and the measurement target; Light generation process for generating interference light that combines measurement light reflected from the semi-reflection surface of a half mirror that has a semi-reflection surface that reflects and partially transmits the reflected light, and changes the optical path length of the reference light And the optical comb generating means having a pass band of the first free spectral range and a second free spectral range different from the first free spectral range are arranged on the optical path of white light or interference light. Placement step; a first detection step of receiving a first interference light having a first free spectral range and outputting a first interference signal corresponding to the intensity of the first interference light; A second detection step of receiving a second interference light having a spectral range and outputting a second interference signal according to the intensity of the second interference light; and a first detection step while changing an optical path length of the reference light. An obtaining step of obtaining an interference signal and a second interference signal; and obtaining an interference signal based on a difference between an optical path length of the reference light at which the first interference signal has a peak and an optical path length of the reference light at which the second interference signal has a peak. An interference order determining step of determining an interference order of the first interference signal, and a distance calculating step of calculating a distance to a surface to be measured based on an optical path length and an interference order of the reference light at which the first interference signal has a peak. And with.

本態様によれば、白色光を参照光と干渉光とに分岐させて参照光と干渉光との干渉光を生成し、参照光の光路長を変更しつつ第1のフリースペクトラルレンジを有する第1の干渉光の強度に応じた第1の干渉信号と第2のフリースペクトラルレンジを有する第2の干渉信号とを取得し、第1の干渉信号がピークとなる参照光の光路長と第2の干渉信号がピークとなる参照光の光路長との差分から第1の干渉信号のピークと第2の干渉信号のピークとの干渉次数を決定し、第1の干渉信号がピークとなる参照光の光路長と干渉次数とに基づいて、被測定面までの距離を算出するようにしたので、簡易な構成で任意の波長領域を用いて、高速にかつ高精度で絶対距離の測定を行うことができる。   According to this aspect, the white light is divided into the reference light and the interference light to generate the interference light between the reference light and the interference light, and the second light having the first free spectral range 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 having a second free spectral range are acquired, and the optical path length of the reference light at which the first interference signal has a peak and the second interference signal are obtained. The interference order between the peak of the first interference signal and the peak of the second interference signal is determined from the difference between the optical path length of the reference light and the peak of the first interference signal, and the reference light having the peak of the first interference signal is determined. Since the distance to the surface to be measured is calculated based on the optical path length and the interference order, it is possible to measure the absolute distance at high speed and with high accuracy using a simple wavelength range with a simple configuration. Can be.

本発明によれば、簡易な構成で任意の波長領域を用いて、高速にかつ高精度で絶対距離の測定を行うことができる。   According to the present invention, the absolute distance can be measured at high speed and with high accuracy using an arbitrary wavelength region with a simple configuration.

測長装置の全体構成を示した構成図Configuration diagram showing overall configuration of length measuring device エタロンによる疑似光コムの発生を説明するための図Diagram to explain pseudo optical comb generation by etalon 走査ステージの走査量と干渉光のピークとの関係を示す図The figure which shows the relationship between the scanning amount of a scanning stage, and the peak of interference light 疑似光コムのフリースペクトラルレンジを示す図Diagram showing the free spectral range of pseudo optical comb 2つの干渉光のピークの差を示す図The figure which shows the difference of the peak of two interference light 絶対測長方法の各工程を示すフローチャートFlow chart showing each step of the absolute length measurement method 2つの干渉光のピークとステージ捜査範囲を示す図Diagram showing peak of two interference lights and stage search range エタロンの内部構成の一例を示す概略図Schematic diagram showing an example of the internal configuration of the etalon エタロンの出射光のフリースペクトラルレンジの変化を示す図Diagram showing changes in free spectral range of emitted light from etalon 他の形態に係る測長装置の全体構成を示した構成図Configuration diagram showing the overall configuration of a length measuring device according to another 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.

〔距離測定装置の構成〕
図1は、本実施形態に係る測長装置10(距離測定装置の一例)の全体構成を示した構成図である。測長装置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、ブロードスペクトル光源12、エタロン14、サーキュレータ30、ビームスプリッタ32、コリメータレンズ34、コーナーキューブミラー36、走査ステージ38、参照ミラー40、コリメータレンズ42、ハーフミラー44、光検出器46、信号処理回路48、制御部50等を備えている。
[Configuration of distance measuring device]
FIG. 1 is a configuration diagram illustrating an overall configuration of a length measuring device 10 (an example of a distance measuring device) according to the present embodiment. The length measuring device 10 is a distance measuring device using a Michelson interferometer as an interference optical system, and as shown in FIG. It includes a cube mirror 36, a scanning stage 38, a reference mirror 40, a collimator lens 42, a half mirror 44, a photodetector 46, a signal processing circuit 48, a control unit 50, and the like.

ブロードスペクトル光源12は、中心波長が約0.8[μm]の白色光(ブロードスペクトル光)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。ブロードスペクトル光源12から出射した光は、エタロン14に入射する。   The broad spectrum light source 12 is a device that emits white light (broad spectrum light) having a center wavelength of about 0.8 [μm], and includes SLD (Super Luminescent Diode), ASE (Amplified Spontaneous Emission), and SOA (Semiconductor Optical Amplifier). ) A light source or the like can be used. The light emitted from the broad spectrum light source 12 enters the etalon 14.

エタロン14(光コム生成手段の一例)は、入射した光のうち、一定の繰り返し周波数(フリースペクトラルレンジ)の通過帯域を有し、通過帯域の成分の光(疑似光コム)を透過して出射する光学素子である。エタロン14から出射した光は、サーキュレータ30に入射する。   The etalon 14 (an example of an optical comb generating means) has a pass band of a constant repetition frequency (free spectral range) of the incident light, and transmits and emits light of a pass band component (pseudo optical comb). Optical element. Light emitted from the etalon 14 enters the circulator 30.

サーキュレータ30は、第1端子30a、第2端子30b及び第3端子30cを有し、第1端子30aから入射した光を第2端子30bから出射し、第2端子30bから入射した光を第3端子30cから出射する光学素子である。エタロン14から出射してサーキュレータ30の第1端子30aに入射した光は、第2端子30bから出射し、ビームスプリッタ32に入射する。   The circulator 30 has a first terminal 30a, a second terminal 30b, and a third terminal 30c. The circulator 30 emits light incident from the first terminal 30a from the second terminal 30b, and emits light incident from the second terminal 30b to the third terminal 30b. It is an optical element emitted from the terminal 30c. Light emitted from the etalon 14 and incident on the first terminal 30a of the circulator 30 exits from the second terminal 30b and enters the beam splitter 32.

ビームスプリッタ32(分岐手段の一例)は、入射した光を2方向に分岐させる光学素子であり、入射した光の一部を直進方向に透過させるとともに一部を直交方向に反射させる。ビームスプリッタ32は、サーキュレータ30から入射した光を分割して分割後の一方の光である参照光をコリメータレンズ34に入射させ、分割後の他方の光である測定光をコリメータレンズ42に入射させる。   The beam splitter 32 (an example of a branching unit) is an optical element that branches incident light into two directions, and transmits a part of the incident light in a straight traveling direction and reflects a part in an orthogonal direction. The beam splitter 32 divides the light incident from the circulator 30, causes the reference light, which is one of the divided lights, to enter the collimator lens 34, and causes the measurement light, which is the other divided light, to enter the collimator lens 42. .

コリメータレンズ34は、入射した光を平行光化して出射する光学素子である。コリメータレンズ34は、入射した参照光を平行光にしてコーナーキューブミラー36に入射させる。   The collimator lens 34 is an optical element that converts incident light into parallel light and emits the light. The collimator lens 34 converts the incident reference light into parallel light and causes the light to enter the corner cube mirror 36.

コーナーキューブミラー36は、入射した光を反射して進行方向を変更する光学素子である。コーナーキューブミラー36は、入射した参照光を参照ミラー40に入射させる。   The corner cube mirror 36 is an optical element that reflects incident light and changes the traveling direction. The corner cube mirror 36 makes the incident reference light incident on the reference mirror 40.

参照ミラー40は、入射した光を反射する反射面40aを有する反射部材である。参照ミラー40に入射した参照光は反射面40aにおいて反射し、コーナーキューブミラー36及びコリメータレンズ34を介してビームスプリッタ32に入射する。   The reference mirror 40 is a reflection member having a reflection surface 40a that reflects incident light. The reference light incident on the reference mirror 40 is reflected on the reflection surface 40a, and is incident on the beam splitter 32 via the corner cube mirror 36 and the collimator lens 34.

ここで、コーナーキューブミラー36は走査ステージ38に載置されており、走査ステージ38(走査手段の一例)は参照光の光路に対して垂直方向に走査可能に構成されている。したがって、走査ステージ38を走査することで参照光の光路長を変更することができる。例えば、走査ステージ38を距離dだけ走査すると、参照光の光路長は距離2×dだけ変化する。   Here, the corner cube mirror 36 is mounted on a scanning stage 38, and the scanning stage 38 (an example of a scanning unit) is configured to be able to scan in a direction perpendicular to the optical path of the reference light. Therefore, by scanning the scanning stage 38, the optical path length of the reference light can be changed. For example, when the scanning stage 38 is scanned by the distance d, the optical path length of the reference light changes by the distance 2 × d.

なお、走査ステージ38は、ビームスプリッタ32から参照ミラー40の反射面40aまでの参照光の光路長が、ビームスプリッタ32からハーフミラー44の後述する半反射面44aまでの測定光の光路長と同じ距離となる位置Pを基準として走査される。 In the scanning stage 38, the optical path length of the reference light from the beam splitter 32 to the reflection surface 40a of the reference mirror 40 is the same as the optical path length of the measurement light from the beam splitter 32 to the semi-reflection surface 44a of the half mirror 44 described later. the position P 0 where the distance is scanned as a reference.

コリメータレンズ42は、コリメータレンズ34と同様に入射した光を平行光化して出射する光学素子である。コリメータレンズ42は、ビームスプリッタ32から入射した光を平行光にしてハーフミラー44に入射させる。   The collimator lens 42 is an optical element that converts incident light into parallel light and emits the same as the collimator lens 34. The collimator lens 42 converts the light incident from the beam splitter 32 into parallel light and causes the light to enter the half mirror 44.

ハーフミラー44は、入射した光の一部を透過し、一部を反射する半反射面44aを有する半反射部材である。ハーフミラー44は、ビームスプリッタ32から半反射面44aまでの距離が既知の距離である位置(基準位置)に配置されている。ハーフミラー44に入射した測定光の一部は半反射面44aにおいて反射し、コリメータレンズ42を介してビームスプリッタ32に入射する。また、ハーフミラー44に入射した測定光の一部は半反射面44aを透過し、測長ターゲット1(測定対象物の一例)に入射する。   The half mirror 44 is a semi-reflective member having a semi-reflective surface 44a that transmits part of incident light and reflects part of the light. The half mirror 44 is disposed at a position (reference position) where the distance from the beam splitter 32 to the semi-reflective surface 44a is a known distance. Part of the measurement light incident on the half mirror 44 is reflected on the semi-reflection surface 44a, and is incident on the beam splitter 32 via the collimator lens 42. In addition, a part of the measurement light that has entered the half mirror 44 transmits through the semi-reflection surface 44a, and enters the length measurement target 1 (an example of a measurement target).

測長ターゲット1に入射した測定光は、測長ターゲット1の表面(被測定面)1aにおいて反射し、ハーフミラー44及びコリメータレンズ42を介してビームスプリッタ32に入射する。   The measurement light incident on the length measurement target 1 is reflected on the surface (measurement surface) 1a of the length measurement target 1 and is incident on the beam splitter 32 via the half mirror 44 and the collimator lens 42.

ビームスプリッタ32(干渉光生成手段の一例)は、コリメータレンズ34から入射した参照光(反射面40aで反射した参照光)を直交方向に反射させるとともにコリメータレンズ42から入射した測定光(半反射面44aで反射した測定光及び被測定面1aで反射した測定光)を直進方向に透過させることで、反射面40aで反射した参照光、半反射面44aで反射した測定光、及び被測定面1aで反射した測定光を同軸上に合成し、干渉光を生成する。この干渉光はサーキュレータ30の第2端子30bに入射して第3端子30cから出射し、光検出器46に入射する。   The beam splitter 32 (an example of interference light generation means) reflects the reference light (reference light reflected by the reflection surface 40a) incident from the collimator lens 34 in the orthogonal direction, and measures the measurement light (semi-reflection surface) incident from the collimator lens 42. The reference light reflected by the reflecting surface 40a, the measuring light reflected by the semi-reflecting surface 44a, and the measured surface 1a are transmitted by transmitting the measuring light reflected by the reflecting surface 44a and the measuring light reflected by the measured surface 1a in the straight traveling direction. The measurement light reflected by the light source is coaxially combined to generate interference light. This interference light enters the second terminal 30b of the circulator 30, exits from the third terminal 30c, and enters the photodetector 46.

光検出器46は、入射した光をその強度に応じた電気信号に変換する光電変換素子である。光検出器46は、入射した干渉光の強度に応じた干渉信号を信号処理回路48に出力する。   The light detector 46 is a photoelectric conversion element that converts incident light into an electric signal corresponding to the intensity of the light. The photodetector 46 outputs an interference signal corresponding to the intensity of the incident interference light to the signal processing circuit 48.

信号処理回路48は、入力された干渉信号から測長ターゲット1の被測定面1aまでの絶対距離を算出する。   The signal processing circuit 48 calculates an absolute distance from the input interference signal to the measured surface 1a of the length measurement target 1.

制御部50は、測長装置10を統括制御する。本実施形態では特に、エタロン14のフリースペクトラルレンジや走査ステージ38による参照光の光路長を制御する。   The control unit 50 controls the length measuring device 10 as a whole. In the present embodiment, in particular, the free spectral range of the etalon 14 and the optical path length of the reference light by the scanning stage 38 are controlled.

〔絶対距離の測定(絶対測長)の原理〕
図2(a)は、ブロードスペクトル光源12のブロードスペクトルとエタロン14の透過スペクトル(通過帯域)との一例を示す図であり、図2(b)は、ブロードスペクトル光源12の出射光をエタロン14に入射させた場合のエタロン14の出射光である疑似光コムのスペクトルを示す図である。図2(b)に示す疑似光コムのフリースペクトラルレンジΛは、15[GHz]である。
[Principle of absolute distance measurement (absolute length measurement)]
FIG. 2A is a diagram illustrating an example of a broad spectrum of the broad spectrum light source 12 and a transmission spectrum (pass band) of the etalon 14, and FIG. FIG. 4 is a diagram showing a spectrum of a pseudo optical comb which is light emitted from the etalon 14 when the light is made incident on the etalon 14. Free spectral range lambda 1 of the pseudo-optical comb shown in FIG. 2 (b) is a 15 [GHz].

フリースペクトラルレンジΛが15[GHz]の場合、真空中の光速をc=299792458m/s、空気の屈折率nを1とすると、光路長方向における繰り返し距離Dは、
=c/(n×Λ)=19.986[mm]
である。マイケルソン干渉計では繰り返し距離Dの半分が幾何学的長さとなるため、測定光路長がD/2=9.993[mm]だけ変化するごとに、低コヒーレンス干渉縞が形成される。したがって、参照光の光路長をD/2以上走査すると、任意の測定光路長において干渉光のピーク(パルス)が形成される。
When the free spectral range 11 is 15 [GHz], assuming that the speed of light in vacuum is c = 299792458 m / s and the refractive index n of air is 1, the repetition distance D 1 in the optical path length direction is
D 1 = c / (n × Λ 1 ) = 19.986 [mm]
It is. Because half of the repeat distance D 1 is the geometrical length Michelson interferometer, the measurement optical path length each time changed by D 1 /2=9.993[mm], low coherence interference fringes are formed. Therefore, when the optical path length of the reference light scans D 1/2 or more, the peak of the interference light (pulse) is formed in an arbitrary measurement optical path length.

図3は、図1に示した測長装置10において参照光の光路長を約24[mm]だけ走査した際の、走査ステージ38の走査量と取得される干渉信号を示す図である。同図に示す0位置信号は、ハーフミラー44の半反射面44aで反射した測定光による干渉光のピークに基づくパルス信号であり、常に一定位置に現れる信号である。また、測長信号は、測長ターゲット1の被測定面1aで反射した測定光による干渉光のピークに基づくパルス信号であり、被測定面1aまでの距離に応じて現れる位置が変化する信号である。   FIG. 3 is a diagram showing a scanning amount of the scanning stage 38 and an obtained interference signal when the length measuring device 10 shown in FIG. 1 scans the optical path length of the reference light by about 24 [mm]. The 0 position signal shown in the figure is a pulse signal based on the peak of the interference light due to the measurement light reflected by the semi-reflective surface 44a of the half mirror 44, and is a signal that always appears at a fixed position. The length measurement signal is a pulse signal based on the peak of the interference light due to the measurement light reflected by the measurement target surface 1a of the length measurement target 1, and a signal whose position appears according to the distance to the measurement target surface 1a changes. is there.

図3では、走査ステージ38の走査により、基準位置から数えて11番目(干渉次数=11)の干渉光のピークによる測長信号と12番目(干渉次数=12)の干渉光のピークによる測長信号とを示している。干渉次数は、基準位置(半反射面44a)から測定位置(被測定面1a)までの空間中に放出された疑似光コムの光パルス数に相当する。   In FIG. 3, the scanning stage 38 scans the length measurement signal based on the eleventh (interference order = 11) interference light peak and the twelfth (interference order = 12) interference light peak from the reference position. Signals. The interference order corresponds to the number of light pulses of the pseudo optical comb emitted into the space from the reference position (semi-reflective surface 44a) to the measurement position (measured surface 1a).

エタロン14による1つの疑似光コムを用いた場合は、走査ステージ38を繰り返し距離Dだけ走査するたびに0位置信号及び測長信号が繰り返されるが、何番目の(干渉次数がいくつの)測長信号であるかが不明であり、絶対距離を測定することができない。 When using one pseudo optical comb by etalon 14, the 0 position signal and the measurement signal each time the scanning distance D 1 repeatedly scanning stage 38 is repeated, what number (the number order of interference) measurement It is unknown whether the signal is a long signal and the absolute distance cannot be measured.

そこで、本実施形態では、図4(a)に示すフリースペクトラルレンジΛ=15[GHz](第1のフリースペクトラルレンジの一例)の疑似光コムCと、図4(b)に示すフリースペクトラルレンジΛ=14.9[GHz](第2のフリースペクトラルレンジの一例)の疑似光コムCとをエタロン14から出力し、2つの疑似光コムC及びCを用いて絶対距離を測定する。 Therefore, in this embodiment, a pseudo optical comb C 1 shown in FIG. 4 (a) free spectral range Λ 1 = 15 [GHz] as shown in (an example of the first free spectral range), free shown in FIG. 4 (b) A pseudo optical comb C 2 having a spectral range Λ 2 = 14.9 [GHz] (an example of a second free spectral range) is output from the etalon 14, and an absolute distance is obtained using the two pseudo optical combs C 1 and C 2. Is measured.

ここで、フリースペクトラルレンジΛが14.9[GHz]の場合、光路長方向における繰り返し距離Dは、
=c/(n×Λ)=20.120[mm] である。したがって、参照光の光路長をD/2=10.060[mm]以上走査すると、任意の測定光路長において干渉光のピークが形成される。
Here, when the free spectral range Λ 2 is 14.9 [GHz], the repetition distance D 2 in the optical path length direction is
D 2 = c / (n × Λ 1 ) = 20.120 [mm] Therefore, when the optical path length of the reference light is scanned by D 2 /2=1.060 [mm] or more, a peak of the interference light is formed at an arbitrary measurement optical path length.

このように、フリースペクトラルレンジΛの干渉光のピークは、測定光路長が9.993[mm]変化するごとに発生し、フリースペクトラルレンジΛの干渉光のピークは、測定光路長が10.060[mm]変化するごとに発生する。したがって、参照光の光路長における2つの干渉光のピークの位置の差は、測定する距離に応じて10.060[mm]−9.993[mm]=67[μm]の整数倍となる。ここでは、この整数を干渉次数と呼ぶ。 As described above, the peak of the interference light in the free spectral range # 1 occurs every time the measurement optical path length changes by 9.993 [mm], and the peak of the interference light in the free spectral range # 2 has the measurement optical path length of 10 mm. 0.060 [mm]. Therefore, the difference between the peak positions of the two interference lights in the optical path length of the reference light is an integral multiple of 10.060 [mm] -9.993 [mm] = 67 [μm] according to the distance to be measured. Here, this integer is called an interference order.

例えば、図5に示すように、干渉次数=1のとき2つの干渉光のピークの位置の差は67[μm]であり、干渉次数=15のとき2つの干渉光のピークの位置の差は67[μm]×15=1.005[mm]となる。このように、2つの干渉光のピークの位置の差(参照光の光路長差)と干渉次数とは相関関係を有しており、測長装置10はこの干渉次数を用いて絶対距離を測定する。   For example, as shown in FIG. 5, when the interference order = 1, the difference between the peak positions of the two interference lights is 67 [μm], and when the interference order = 15, the difference between the peak positions of the two interference lights is 67 [μm] × 15 = 1.005 [mm]. As described above, the difference between the peak positions of the two interference lights (the optical path length difference of the reference light) and the interference order have a correlation, and the length measuring device 10 measures the absolute distance using the interference order. I do.

〔絶対測長方法〕
測長装置10を用いた絶対測長方法(距離測定方法の一例)について説明する。図6は、絶対測長方法の各工程を示すフローチャートである。
[Absolute length measurement method]
An absolute length measuring method (an example of a distance measuring method) using the length measuring device 10 will be described. FIG. 6 is a flowchart showing each step of the absolute length measuring method.

最初に、制御部50の制御により、ブロードスペクトル光源12を点灯させ(ステップS1)、走査ステージ38を一定速度でスキャン(走査)しながら(ステップS2)、測定光を測長ターゲット1に照射する(ステップS3)。   First, under the control of the control unit 50, the broad spectrum light source 12 is turned on (step S1), and the measurement stage 1 is irradiated with measurement light while scanning (scanning) the scanning stage 38 at a constant speed (step S2). (Step S3).

前述のように、ブロードスペクトル光源12の光は、光路に配置されたエタロン14によって(配置工程の一例)疑似光コムに形成された後、サーキュレータ30を介してビームスプリッタ32に入射し、ビームスプリッタ32において測定光と参照光に分岐される(分岐工程の一例)。分岐された測定光はハーフミラー44及び測長ターゲット1に照射し、参照光は参照ミラー40に照射する。また、ビームスプリッタ32は、反射面40aで反射した参照光、半反射面44aで反射した測定光、及び被測定面1aで反射した測定光を同軸上に合成し、干渉光を生成する(干渉光生成工程の一例)。   As described above, the light of the broad spectrum light source 12 is formed on the pseudo optical comb by the etalon 14 arranged in the optical path (an example of an arrangement process), and then enters the beam splitter 32 via the circulator 30 to be split by the beam splitter 32. At 32, the light is branched into measurement light and reference light (an example of a branching step). The branched measurement light irradiates the half mirror 44 and the length measurement target 1, and the reference light irradiates the reference mirror 40. The beam splitter 32 coaxially combines the reference light reflected by the reflection surface 40a, the measurement light reflected by the semi-reflection surface 44a, and the measurement light reflected by the measured surface 1a to generate interference light (interference). Example of light generation step).

ここで、エタロン14は、制御部50(図1参照)の制御に従って、疑似光コムCと疑似光コムCとを数[kHz]オーダーで時分割出力(例えば256[μs]毎に出力)する。したがって、ビームスプリッタ32では、フリースペクトラルレンジΛの干渉光とフリースペクトラルレンジΛの干渉光が時分割で生成される。 Here, etalon 14, the output control of the control unit 50 (see FIG. 1), for each time-divided output (e.g. 256 [.mu.s] and a pseudo optical comb C 1 and the pseudo optical comb C 2 by the number [kHz] Order ). Thus, the beam splitter 32, the free spectral range lambda 1 of the interference light and the free spectral range lambda 2 of the interference light is generated by time division.

光検出器46(第1の検出手段の一例、第2の検出手段の一例)は、フリースペクトラルレンジΛの干渉光(第1の干渉光の一例)とフリースペクトラルレンジΛの干渉光(第2の干渉光の一例)とを時分割で受光し、それぞれの干渉光の強度に応じた干渉信号(第1の干渉信号及び第2の干渉信号の一例)を出力する(第1の検出工程及び第2の検出工程の一例)。 (An example of the first detection means, an example of a second detection means) optical detector 46, free spectral range lambda 1 of the interference light (first example of the interference light) and the free spectral range lambda 2 of the interference light ( And an interference signal (an example of a first interference signal and an example of a second interference signal) corresponding to the intensity of each interference light (first detection). Example of step and second detection step).

信号処理回路48(取得手段の一例)は、制御部50の制御に従って走査ステージ38を走査して参照光の光路長を変更しつつ、光検出器46から干渉信号を取得する(取得工程の一例)。このとき、フリースペクトラルレンジΛの干渉信号からパルス信号を検出し(ステップS4)、フリースペクトラルレンジΛの干渉信号からパルス信号を検出する(ステップS5)。ここで検出するパルス信号には、ハーフミラー44の半反射面44aで反射した測定光による0位置信号と測長ターゲット1の被測定面1aで反射した測定光による測長信号とが含まれる。 The signal processing circuit 48 (an example of an acquiring unit) acquires an interference signal from the photodetector 46 while scanning the scanning stage 38 under the control of the control unit 50 to change the optical path length of the reference light (an example of an acquiring step). ). At this time, a pulse signal is detected from the interference signal in the free spectral range # 1 (step S4), and a pulse signal is detected from the interference signal in the free spectral range # 2 (step S5). The pulse signal detected here includes a zero position signal based on the measurement light reflected on the semi-reflection surface 44a of the half mirror 44 and a length measurement signal based on the measurement light reflected on the measured surface 1a of the length measurement target 1.

ここで、走査ステージ38は、距離Sの範囲でコーナーキューブミラー36を移動させることで、参照光の光路長を距離S×2の範囲で走査する(走査工程の一例)。距離S×2は、繰り返し距離Dの半分(D/2)より大きい値であり、ここでは距離S=7[mm]の範囲でコーナーキューブミラー36を移動させることで、参照光の光路長を14[mm]の範囲で走査する。 Here, the scanning stage 38 scans the optical path length of the reference light within the range of the distance S × 2 by moving the corner cube mirror 36 within the range of the distance S (an example of a scanning step). Distance S × 2 is half of the repetition distance D 2 (D 2/2) greater than, here by moving the corner cube mirror 36 in a range of a distance S = 7 [mm], the reference light optical path of the The length is scanned in a range of 14 [mm].

次に、信号処理回路48(干渉次数決定手段の一例)において、フリースペクトラルレンジΛ及びフリースペクトラルレンジΛの干渉信号のパルス信号が検出された際の時間差から、フリースペクトラルレンジΛの干渉信号の干渉次数Nを決定する(ステップS6、干渉次数決定工程の一例)。 Then, the signal processing circuit 48 (an example of the interference order determining means), a time difference between when the pulse signal of the free spectral range lambda 1 and the free spectral range lambda 2 of the interfering signal is detected, the free spectral range lambda 1 interference The interference order N of the signal is determined (Step S6, an example of the interference order determination step).

本実施形態では、走査ステージ38を一定速度で走査しているため、フリースペクトラルレンジΛの干渉信号のパルス信号が検出された際の時間及びフリースペクトラルレンジΛの干渉信号のパルス信号が検出された際の時間の差分から、フリースペクトラルレンジΛの干渉信号のパルス信号が検出された走査ステージ38の位置PとフリースペクトラルレンジΛの干渉信号のパルス信号が検出された走査ステージ38の位置Pとの差分(P−P)を求めることができる。なお、走査ステージ38の位置P及び位置Pは、位置Pからの距離[単位:m]として表される。 In the present embodiment, since the scanning stage 38 scans at a constant speed, the time when the pulse signal of the interference signal of the free spectral range # 1 is detected and the pulse signal of the interference signal of the free spectral range # 2 are detected. from the time difference at the time of the free spectral range lambda 1 of the interference signal of the scanning stage pulse signals of the position P 1 and the free spectral range lambda 2 of the interference signal of the scanning stage 38 a pulse signal is detected has been detected 38 (P 2 −P 1 ) from the position P 2 can be obtained. The position P 1 and the position P 2 of the scanning stage 38, the distance from the position P 0 [Unit: m] expressed as.

干渉次数Nは、基準位置からの疑似光コムの光パルス数に相当し、位置の差分(P−P)と干渉次数Nとには相関がある。ここでは、図7に示すように、疑似光コムCの繰り返し距離の1/2と疑似光コムCの繰り返し距離の1/2との差(D/2−D/2)が67[μm]であるので、走査ステージ38の位置の差分(P−P)を67[μm]で除算した値が求める干渉次数Nである。例えば、差分(P−P)が134[μm]であれば干渉次数N=2、差分(P−P)が1.005[mm]であれば干渉次数N=15と求めることができる。 The interference order N corresponds to the number of optical pulses of the pseudo optical comb from the reference position, and there is a correlation between the position difference (P 2 −P 1 ) and the interference order N. Here, as shown in FIG. 7, the difference between 1/2 of the 1/2 and repeat distance of the pseudo-optical comb C 2 of the repeating distance of the pseudo-optical comb C 1 (D 1/2- D 2/2) is Since it is 67 [μm], the value obtained by dividing the difference (P 2 −P 1 ) of the position of the scanning stage 38 by 67 [μm] is the interference order N to be obtained. For example, the difference (P 2 -P 1) is 134 [[mu] m] order of interference N = 2 if the difference (P 2 -P 1) be obtained with the interference order N = 15 if 1.005 [mm] Can be.

続いて、フリースペクトラルレンジΛの干渉信号のパルス信号が検出された際の走査ステージ38の位置Pを検出する(ステップS7)。フリースペクトラルレンジΛの干渉信号のパルス信号が検出された際の走査ステージ38の位置Pを検出してもよい。そして、信号処理回路48(距離算出手段の一例)において、ステップS6で求めた干渉次数NとステップS7で求めた走査ステージ38の位置P(参照光の光路長の一例)とから、測長ターゲットまでの距離Dを算出する(ステップS8、距離算出工程の一例)。距離D[単位:m]は、以下の式1によって求めることができる。 Subsequently, the pulse signal of the free spectral range lambda 1 of the interference signal to detect the position P 1 of the scanning stage 38 upon which is detected (step S7). Free pulse signal spectral range lambda 2 of the interference signal may detect the position P 2 of the scanning stage 38 when detected. Then, in the signal processing circuit 48 (an example of a distance calculating unit), the length measurement is performed based on the interference order N obtained in step S6 and the position P 1 of the scanning stage 38 obtained in step S7 (an example of the optical path length of the reference light). The distance D to the target is calculated (step S8, an example of a distance calculation step). The distance D [unit: m] can be obtained by the following equation 1.

D=c/n/Λ×N+P …(式1)
ここで、nは疑似光コムCの中心波長に対する屈折率である。求めた距離Dは表示手段(不図示)に表示してもよいし、記憶手段(不図示)に記憶してもよい。
D = c / n 1 / Λ 1 × N + P 1 (Equation 1)
Here, n 1 is a refractive index with respect to the center wavelength of the pseudo optical comb C 1 . The obtained distance D may be displayed on a display unit (not shown) or may be stored in a storage unit (not shown).

最後に、測長処理を終了するか否かを判定し(ステップS9)、終了しない場合はステップS4に戻り、同様の処理を行う。   Finally, it is determined whether or not to terminate the length measurement process (step S9). If not, the process returns to step S4 to perform the same process.

フリースペクトラルレンジΛ=15[GHz]の疑似光コムCと、フリースペクトラルレンジΛ=14.9[GHz]の疑似光コムCとを用いた場合には、合成周波数の原理から、幾何学的長さが1500[mm]まで干渉次数を特定し、絶対測長することができる(L/2=D×D/(D−D)/2=1500[mm])。 The free spectral range lambda 1 = 15 pseudo optical comb C 1 of [GHz], the case of using the pseudo-optical comb C 2 free spectral range Λ 2 = 14.9 [GHz] is the principle of combined frequency, The interference order can be specified up to a geometric length of 1500 [mm] and the absolute length can be measured (L / 2 = D 1 × D 2 / (D 2 −D 1 ) / 2 = 1500 [mm]). .

なお、1500[mm]まで基準位置と測定位置との位置関係が不明の場合は、750[mm]までが絶対測長の範囲となる。この場合、フリースペクトラルレンジΛ及びΛとは異なるフリースペクトラルレンジを有する疑似光コムを用いることで、絶対測長の範囲を拡大することができる。例えば、フリースペクトラルレンジΛ=15.1[GHz]の疑似光コムCを用いると、疑似光コムCの繰り返し距離はD=19.854[mm]であるので、幾何学的長さが7.5[m]まで絶対測長が可能になる。 If the positional relationship between the reference position and the measurement position is unknown up to 1500 [mm], the range of the absolute length measurement is up to 750 [mm]. In this case, by using a pseudo optical comb having a free spectral range different from the free spectral ranges # 1 and # 2 , the range of the absolute length measurement can be expanded. For example, using the free spectral range lambda 3 = 15.1 pseudo optical comb C 3 of [GHz], since the reuse distance of a pseudo optical comb C 3 is D 3 = 19.854 [mm], the geometrical length Absolute length measurement is possible up to 7.5 [m].

このように、測長装置10によれば、任意の絶対距離の測定が可能である。また、ブロードスペクトル光として、任意の波長領域の光を使用することができる。   As described above, according to the length measuring device 10, an arbitrary absolute distance can be measured. In addition, light in an arbitrary wavelength region can be used as the broad spectrum light.

〔エタロンの構成〕
フリースペクトラルレンジΛの疑似光コムCとフリースペクトラルレンジΛの疑似光コムCとを出力するエタロンについて説明する。図8は、エタロン14の内部構成の一例を示す概略図である。同図に示すように、エタロン14は、干渉間距離が可変のファイバ型ファブリーペロー干渉系であり、ブロードスペクトル光源12からの光が入射する入射部16と、互いに対向して配置される一対の第1反射プレート20A及び第2反射プレート20Bからなる反射部20と、第1反射プレート20Aと第2反射プレート20Bとの間の反射域22と、第2反射プレート20Bを反射域22の幅を増減する方向に変位するPZT(Pb(Zr1-xTix)O3)アクチュエータ26と、第2反射プレート20Bを透過した光周波数成分をサーキュレータ30に出射する出射部28とを有する。
[Structure of etalon]
It explained free spectral range lambda 1 of the pseudo-optical comb C 1 and the free spectral range lambda 2 of the etalon for outputting a pseudo optical comb C 2. FIG. 8 is a schematic diagram illustrating an example of the internal configuration of the etalon 14. As shown in the figure, the etalon 14 is a fiber-type Fabry-Perot interference system in which the distance between the interferences is variable, and a pair of incident portions 16 into which light from the broad spectrum light source 12 is incident and a pair of opposed portions arranged opposite to each other. The width of the reflecting area 20 including the first reflecting plate 20A and the second reflecting plate 20B, the width of the reflecting area 22 between the first reflecting plate 20A and the second reflecting plate 20B, and the width of the reflecting area 22 are reduced. It has a PZT (Pb (Zr1-xTix) O 3 ) actuator 26 that is displaced in the increasing and decreasing directions, and an emission unit 28 that emits an optical frequency component transmitted through the second reflection plate 20B to the circulator 30.

反射域22は、第1反射プレート20Aと第2反射プレート20B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24が配置されている。この光ファイバ24と第2反射プレート20Bとには、15[μm]の隙間25が形成されている。   The reflection area 22 is an area in which incident light is repeatedly reflected between the first reflection plate 20A and the second reflection plate 20B, and the optical fiber 24 is disposed therein. A gap 25 of 15 [μm] is formed between the optical fiber 24 and the second reflection plate 20B.

PZTアクチュエータ26は、制御部50(図1参照)により印加される矩形波信号に応じて、第1反射プレート20Aと第2反射プレート20Bとの距離(干渉間距離)が増減する方向に10[μm]変位する。この隙間25の間においてPZTアクチュエータ26が変位することで、干渉間距離を、(10[mm]−15[μm])と(10[mm]−5[μm])とのいずれか一方に設定することができる。エタロン14の出射する光(疑似光コム)のフリースペクトラルレンジは、干渉間距離が第1距離である(10[mm]−15[μm])の場合には第1フリースペクトラルレンジである15[GHz]となり、干渉間距離が第2距離である(10[mm]−5[μm])の場合には第2フリースペクトラルレンジである(15[GHz]−15[MHz])となる。   The PZT actuator 26 increases the distance between the first reflection plate 20A and the second reflection plate 20B (interference distance) by 10 [in accordance with the rectangular wave signal applied by the control unit 50 (see FIG. 1). μm]. When the PZT actuator 26 is displaced between the gaps 25, the interference distance is set to one of (10 [mm] -15 [μm]) and (10 [mm] -5 [μm]). can do. The free spectral range of the light (pseudo optical comb) emitted from the etalon 14 is the first free spectral range 15 [15] when the inter-interference distance is the first distance (10 [mm] -15 [μm]). GHz], and when the inter-interference distance is the second distance (10 [mm] -5 [μm]), the second free spectral range is (15 [GHz] -15 [MHz]).

このようにエタロン14を構成することで、フリースペクトラルレンジが数[MHz]から数百[GHz]の疑似光コムを発生させることができる。また、ユーザの要求に応じた波長領域での測長が可能となる。なお、光ファイバは、15[μm]程度の隙間があっても損失が少なく、距離測定に支障は生じない。   By configuring the etalon 14 in this way, a pseudo optical comb having a free spectral range of several [MHz] to several hundred [GHz] can be generated. Further, length measurement in a wavelength region according to a user's request becomes possible. The optical fiber has a small loss even if there is a gap of about 15 [μm], and does not hinder the distance measurement.

図9は、エタロン14の出射光のフリースペクトラルレンジの変化を示す図である。エタロン14は、制御部50(図1参照)によりPZTアクチュエータ26に矩形波変調信号が印加されることで、図9に示すように、15[GHz]と(15[GHz]−15[MHz])との2種類のフリースペクトラルレンジの光を時分割で出射する。   FIG. 9 is a diagram showing a change in the free spectral range of the light emitted from the etalon 14. The etalon 14 receives 15 [GHz] and (15 [GHz] -15 [MHz] as shown in FIG. 9 by applying a rectangular wave modulation signal to the PZT actuator 26 by the control unit 50 (see FIG. 1). ) Are emitted in a time-division manner.

ここで、矩形波変調信号の周波数を、走査ステージ38(図1参照)の走査速度に対して高く設定することで、2つのエタロンを使用した場合と等価な低コヒーレンス干渉縞を形成することができる。   Here, by setting the frequency of the rectangular wave modulation signal higher than the scanning speed of the scanning stage 38 (see FIG. 1), a low coherence interference fringe equivalent to the case where two etalons are used can be formed. it can.

このように、エタロン14によれば、フリースペクトラルレンジを任意に変更することができる。したがって、1つのエタロン14によって複数の疑似光コムを発生させることができる。   Thus, according to the etalon 14, the free spectral range can be arbitrarily changed. Accordingly, a plurality of pseudo optical combs can be generated by one etalon 14.

なお、エタロン14の干渉間距離を変調し、ロックイン増幅器等によって位相検波を行うと、高感度な絶対測長も可能である。したがって、測長ターゲット1の被測定面1aが粗面でも、測定が可能となる。   If the inter-interference distance of the etalon 14 is modulated and phase detection is performed by a lock-in amplifier or the like, highly sensitive absolute measurement can be performed. Therefore, even if the measured surface 1a of the length measuring target 1 is a rough surface, measurement becomes possible.

〔距離測定装置の他の態様〕
図10は、他の形態に係る測長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処理には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。図10に示すように、測長装置60は、測長装置10の構成と比較するとエタロン14を備えておらず、ビームスプリッタ52、エタロン54a,54b、光検出器46a,46bを備えている。
[Other embodiments of distance measuring device]
FIG. 10 is a configuration diagram showing an overall configuration of a length measuring device according to another embodiment. Note that the same reference numerals are given to processes common to the configuration diagram shown in FIG. 1 and detailed description thereof is omitted. As shown in FIG. 10, the length measuring device 60 does not include the etalon 14 as compared with the configuration of the length measuring device 10, but includes a beam splitter 52, etalons 54a and 54b, and photodetectors 46a and 46b.

ブロードスペクトル光源12から出射した光は、サーキュレータ30の第1端子30aに入射し、第2端子30bから出射してビームスプリッタ32に入射する。ビームスプリッタ32は入射した光を分割して分割後の一方の光である参照光をコリメータレンズ34に入射させ、分割後の他方の光である測定光をコリメータレンズ42に入射させる。   Light emitted from the broad spectrum light source 12 enters the first terminal 30 a of the circulator 30, exits from the second terminal 30 b, and enters the beam splitter 32. The beam splitter 32 divides the incident light, causes the reference light, which is one of the divided lights, to enter the collimator lens 34, and causes the measurement light, which is the other light after the division, to enter the collimator lens 42.

コリメータレンズ34に入射した参照光は、コーナーキューブミラー36を介して参照ミラー40に入射し、反射面40aで反射してコーナーキューブミラー36、コリメータレンズ34を介してビームスプリッタ32に戻ってくる。   The reference light that has entered the collimator lens 34 enters the reference mirror 40 via the corner cube mirror 36, is reflected on the reflection surface 40a, and returns to the beam splitter 32 via the corner cube mirror 36 and the collimator lens 34.

一方、コリメータレンズ42に入射した測定光は、ハーフミラー44に入射する。半反射面44aを透過した測定光は、測長ターゲットの被測定面1aで反射してハーフミラー44及びコリメータレンズ42を介してビームスプリッタ32に戻ってくる。また、半反射面44aで反射した測定光は、コリメータレンズ42を介してビームスプリッタ32に戻ってくる。   On the other hand, the measurement light that has entered the collimator lens 42 enters the half mirror 44. The measurement light transmitted through the semi-reflective surface 44a is reflected on the measured surface 1a of the length measuring target, and returns to the beam splitter 32 via the half mirror 44 and the collimator lens 42. The measurement light reflected on the semi-reflective surface 44a returns to the beam splitter 32 via the collimator lens 42.

ビームスプリッタ32は、反射面40aで反射した参照光、半反射面44aで反射した測定光、及び被測定面1aで反射した測定光を同軸上に合成し、干渉光を生成する。この干渉光はサーキュレータ30の第2端子30bに入射して第3端子30cから出射し、ビームスプリッタ52に入射する。   The beam splitter 32 coaxially combines the reference light reflected by the reflection surface 40a, the measurement light reflected by the semi-reflection surface 44a, and the measurement light reflected by the measured surface 1a, and generates interference light. This interference light enters the second terminal 30b of the circulator 30, exits from the third terminal 30c, and enters the beam splitter 52.

ビームスプリッタ52(干渉光分岐手段の一例)は、ビームスプリッタ32と同様に、入射した光を分岐させる光学素子である。ビームスプリッタ52は、入射した干渉光を分割して分割後の一方の光をエタロン54aに入射させ、分割後の他方の光をエタロン54bに入射させる。なお、ビームスプリッタ52とエタロン54aとの間、及びビームスプリッタ52とエタロン54bとの間には、単一方向にのみ光を通過させる光アイソレータを配置してもよい。   The beam splitter 52 (an example of an interference light splitting unit) is an optical element that splits incident light, like the beam splitter 32. The beam splitter 52 divides the incident interference light and causes one of the divided lights to enter the etalon 54a and the other of the divided lights to enter the etalon 54b. An optical isolator that allows light to pass only in a single direction may be arranged between the beam splitter 52 and the etalon 54a and between the beam splitter 52 and the etalon 54b.

エタロン54a(第1のエタロンの一例)及びエタロン54b(第2のエタロンの一例)は、エタロン14と同様に、入射した光のうち一定のフリースペクトラルレンジの疑似光コムを透過して出射する光学素子である。エタロン54aとエタロン54bとは、それぞれ異なるフリースペクトラルレンジを有している。ここでは、エタロン54aのフリースペクトラルレンジをΛ、エタロン54bのフリースペクトラルレンジをΛ(Λ≠Λ)とする。エタロン54aから出射した疑似光コムCの干渉光は光検出器46aに入射し、エタロン54bから出射した疑似光コムCの干渉光は光検出器46bに入射する。 The etalon 54a (an example of the first etalon) and the etalon 54b (an example of the second etalon), like the etalon 14, are optical elements that transmit through a pseudo optical comb having a fixed free spectral range in the incident light. Element. The etalon 54a and the etalon 54b have different free spectral ranges. Here, the free spectral range of the etalon 54a is Λ 1 , and the free spectral range of the etalon 54b is Λ 21 ≠ Λ 2 ). Interference light pseudo optical comb C 1 emitted from the etalon 54a is incident on the photodetector 46a, the interference light of the quasi-optical comb C 2 emitted from the etalon 54b is incident on the light detector 46b.

光検出器46a,46bは、光検出器46と同様に、入射した光をその強度に応じた電気信号に変換する光電変換素子である。光検出器46a,46bは、入射した疑似光コムC,Cの干渉光の強度に応じた干渉信号を信号処理回路48に出力する。 Each of the photodetectors 46a and 46b is a photoelectric conversion element that converts incident light into an electric signal corresponding to its intensity, similarly to the photodetector 46. Photodetectors 46a, 46b outputs an interference signal corresponding to the intensity of the interference light pseudo optical comb C 1, C 2 that is incident on the signal processing circuit 48.

このように構成した測長装置60の信号処理回路48は、測長装置10の信号処理回路48と同様に、疑似光コムCの干渉光によるパルス信号、疑似光コムCの干渉光によるパルス信号、疑似光コムCの干渉光によるパルス信号が検出された走査ステージ38の位置Pと疑似光コムCの干渉光によるパルス信号が検出された走査ステージ38の位置Pとの差(P−P)、及び疑似光コムCの干渉光によるパルス信号が検出された際の走査ステージ38の位置Pが入力される。したがって、測長装置10と同様に測長ターゲットまでの距離Dを測定することが可能となる。 Signal processing circuit 48 of the measuring apparatus 60 having such a configuration, similarly to the signal processing circuit 48 of the measuring device 10, the pulse signal by the interference light of the quasi-optical comb C 1, due to the interference light of the quasi-optical comb C 2 pulse signal, and the position P 2 position P 1 and the scanning stage 38 of the pulse signal by the interference light of the quasi-optical comb C 2 is detected in the scanning stage 38 to a pulse signal by the interference light of the quasi-optical comb C 1 is detected The difference (P 2 −P 1 ) and the position P 1 of the scanning stage 38 when the pulse signal due to the interference light of the pseudo optical comb C 1 is detected are input. Therefore, the distance D to the length measurement target can be measured in the same manner as the length measurement device 10.

なお、式1を用いて距離Dを求める場合であれば、疑似光コムCの干渉光によるパルス信号が検出された際の走査ステージ38の位置Pは、干渉次数の決定のみに必要な情報であるため、必要な測定精度は[mm]オーダーでよい。 Incidentally, in the case of obtaining the distance D using the equation 1, the position P 2 of the scanning stage 38 when the pulse signal by the interference light of the quasi-optical comb C 2 is detected, only necessary to determine the interference orders Since it is information, the required measurement accuracy may be on the order of [mm].

以上のように、エタロン54a,54bをマイケルソン干渉計の後に配置してもよい。これにより、エタロン54a,54bの精度に影響されずに、絶対距離を測定することができる。   As described above, the etalons 54a and 54b may be arranged after the Michelson interferometer. Thus, the absolute distance can be measured without being affected by the accuracy of the etalons 54a and 54b.

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, constituent elements can be appropriately changed, added, or deleted without departing from the spirit of the present invention. The present invention is not limited to the embodiments described above, and many modifications can be made by those having ordinary knowledge in the art within the technical spirit of the present invention.

1…測長ターゲット、1a…被測定面、10…測長装置、12…ブロードスペクトル光源、14,54a,54b…エタロン、16…入射部、20…反射部、22…反射域、24…光ファイバ、25…隙間、26…PZTアクチュエータ、28…出射部、30…サーキュレータ、32,52…ビームスプリッタ、34,42…コリメータレンズ、36…コーナーキューブミラー、38…走査ステージ、40…参照ミラー、42…コリメータレンズ、44…ハーフミラー、46,46a,46b…光検出器、48…信号処理回路、50…制御部   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Length measuring target, 1a ... Measurement surface, 10 ... Length measuring device, 12 ... Broad spectrum light source, 14,54a, 54b ... Etalon, 16 ... Injection part, 20 ... Reflection part, 22 ... Reflection area, 24 ... Light Fiber, 25 gap, 26 PZT actuator, 28 emission part, 30 circulator, 32, 52 beam splitter, 34, 42 collimator lens, 36 corner cube mirror, 38 scanning stage, 40 reference mirror, 42 collimator lens, 44 half mirror, 46, 46a, 46b photodetector, 48 signal processing circuit, 50 control unit

Claims (4)

白色光を出射する光源と、
前記白色光の光路に配置され、互いに対向する一対の反射部を有し、前記反射部の間の距離を変更することで通過帯域を変更するエタロンであって、第1のフリースペクトラルレンジ及び前記第1のフリースペクトラルレンジとは異なる第2のフリースペクトラルレンジを通過帯域とするエタロンと、
前記エタロンから出力される光を2方向に分岐させる分岐手段であって、分岐させた一方の参照光を参照ミラーの反射面に入射させ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させる分岐手段と、
前記分岐手段と前記測定対象物との間に配置され、入射した光の一部を反射させ一部を透過させる半反射面を有するハーフミラーと、
前記反射面で反射した参照光、前記被測定面で反射した測定光、及び前記半反射面で反射した測定光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
前記第1のフリースペクトラルレンジを有する第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のフリースペクトラルレンジを有する第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、
前記第1の干渉信号がピークとなる前記参照光の光路長と前記第2の干渉信号がピークとなる前記参照光の光路長との差分から前記第1の干渉信号の干渉次数を決定する干渉次数決定手段と、
前記第1の干渉信号がピークとなる前記参照光の光路長と前記干渉次数とに基づいて、前記被測定面までの距離を算出する距離算出手段と、
を備えた距離測定装置。
A light source that emits white light;
An etalon that is arranged on the optical path of the white light, has a pair of reflecting portions facing each other, and changes a pass band by changing a distance between the reflecting portions, and includes a first free spectral range and the first free spectral range. An etalon having a passband of a second free spectral range different from the first free spectral range;
A branching means for branching the light output from the etalon in two directions, wherein one of the branched reference lights is made incident on a reflection surface of a reference mirror, and the other measurement light is made incident on a surface to be measured of a measurement object. Branching means for causing
A half mirror having a semi-reflective surface disposed between the branching unit and the object to be measured and reflecting part of incident light and transmitting part of the light.
Reference light reflected by the reflection surface, measurement light reflected by the surface to be measured, and interference light generation means for generating interference light by combining the measurement light reflected by the semi-reflection surface,
Scanning means for changing the optical path length of the reference light ,
First detection means for receiving the first interference light having the first free spectral range and outputting a first interference signal according to the intensity of the first interference light;
Second detection means for receiving the second interference light having the second free spectral range and outputting a second interference signal according to the intensity of the second interference light;
Acquisition means for acquiring the first interference signal and the second interference signal while changing the optical path length of the reference light;
Interference for determining an interference order of the first interference signal from a difference between an optical path length of the reference light at which the first interference signal has a peak and an optical path length of the reference light at which the second interference signal has a peak. Order determining means;
Distance calculating means for calculating a distance to the measured surface based on the optical path length of the reference light and the interference order at which the first interference signal has a peak,
Distance measuring device equipped with.
白色光を出射する光源と、
前記白色光を2方向に分岐させる分岐手段であって、分岐させた一方の参照光を参照ミラーの反射面に入射させ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させる分岐手段と、
前記分岐手段と前記測定対象物との間に配置され、入射した光の一部を反射させ一部を透過させる半反射面を有するハーフミラーと、
前記反射面で反射した参照光、前記被測定面で反射した測定光、及び前記半反射面で反射した測定光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2方向に分岐させる干渉光分岐手段と、
前記分岐された一方の前記干渉光の光路に配置され、第1のフリースペクトラルレンジを通過帯域とする第1のエタロンと、
前記分岐された他方の前記干渉光の光路に配置され、前記第1のフリースペクトラルレンジとは異なる第2のフリースペクトラルレンジを通過帯域とする第2のエタロンと、
前記第1のフリースペクトラルレンジを有する第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のフリースペクトラルレンジを有する第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、
前記第1の干渉信号がピークとなる前記参照光の光路長と前記第2の干渉信号がピークとなる前記参照光の光路長との差分から前記第1の干渉信号の干渉次数を決定する干渉次数決定手段と、
前記第1の干渉信号がピークとなる前記参照光の光路長と前記干渉次数とに基づいて、前記被測定面までの距離を算出する距離算出手段と、
を備えた距離測定装置。
A light source that emits white light;
A branching unit that branches the white light in two directions, and a branching unit that causes one of the branched reference lights to enter the reflection surface of the reference mirror and causes the other measurement light to enter the surface to be measured of the measurement target; ,
A half mirror having a semi-reflective surface disposed between the branching unit and the object to be measured and reflecting part of incident light and transmitting part of the light.
Reference light reflected by the reflection surface, measurement light reflected by the surface to be measured, and interference light generation means for generating interference light by combining the measurement light reflected by the semi-reflection surface,
Scanning means for changing the optical path length of the reference light,
Interference light splitting means for splitting the interference light in two directions;
A first etalon that is disposed on the optical path of the one of the branched interference lights and has a first free spectral range as a pass band;
A second etalon that is disposed on the optical path of the other of the branched interference lights and has a second free spectral range different from the first free spectral range as a pass band;
First detection means for receiving the first interference light having the first free spectral range and outputting a first interference signal according to the intensity of the first interference light;
Second detection means for receiving the second interference light having the second free spectral range and outputting a second interference signal according to the intensity of the second interference light;
Acquisition means for acquiring the first interference signal and the second interference signal while changing the optical path length of the reference light;
Interference for determining an interference order of the first interference signal from a difference between an optical path length of the reference light at which the first interference signal has a peak and an optical path length of the reference light at which the second interference signal has a peak. Order determining means;
Distance calculating means for calculating a distance to the measured surface based on the optical path length of the reference light and the interference order at which the first interference signal has a peak,
Distance measuring device equipped with.
互いに対向する一対の反射部を有し、前記反射部の間の距離を変更することで通過帯域を変更するエタロンであって、第1のフリースペクトラルレンジ及び前記第1のフリースペクトラルレンジとは異なる第2のフリースペクトラルレンジを通過帯域とするエタロンに光源から出射した白色光を入射させる工程と、
前記エタロンから出射した光を2方向に分岐させる分岐手段によって、分岐させた一方の参照光を参照ミラーの反射面に入射させ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させる分岐工程と、
前記反射面で反射した参照光、前記被測定面で反射した測定光、及び前記分岐手段と前記測定対象物との間に配置され、入射した光の一部を反射させ一部を透過させる半反射面を有するハーフミラーの前記半反射面で反射した測定光を合成した干渉光を生成する干渉光生成工程と、
前記参照光の光路長を変更する走査工程と
前記第1のフリースペクトラルレンジを有する第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のフリースペクトラルレンジを有する第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、
前記第1の干渉信号がピークとなる前記参照光の光路長と前記第2の干渉信号がピークとなる前記参照光の光路長との差分から前記第1の干渉信号の干渉次数を決定する干渉次数決定工程と、
前記第1の干渉信号がピークとなる前記参照光の光路長と前記干渉次数とに基づいて、前記被測定面までの距離を算出する距離算出工程と、
を備えた距離測定方法。
An etalon having a pair of reflecting portions facing each other and changing a pass band by changing a distance between the reflecting portions, which is different from the first free spectral range and the first free spectral range. Causing white light emitted from the light source to enter an etalon having a pass band in the second free spectral range ;
A branching unit that branches the light emitted from the etalon in two directions so that one of the branched reference lights 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. Process and
The reference light reflected on the reflection surface, the measurement light reflected on the surface to be measured, and a half that is disposed between the branching unit and the object to be measured and reflects part of incident light and transmits part of the light. An interference light generation step of generating interference light that combines measurement light reflected on the semi-reflection surface of the half mirror having a reflection surface,
A scanning step of changing the optical path length of the reference light ,
A first detection step of receiving a first interference light having the first free spectral range and outputting a first interference signal according to the intensity of the first interference light;
A second detection step of receiving a second interference light having the second free spectral range and outputting a second interference signal according to the intensity of the second interference light;
An acquisition step of acquiring the first interference signal and the second interference signal while changing an optical path length of the reference light;
Interference for determining an interference order of the first interference signal from a difference between an optical path length of the reference light at which the first interference signal has a peak and an optical path length of the reference light at which the second interference signal has a peak. An order determining step;
A distance calculating step of calculating a distance to the surface to be measured based on the optical path length and the interference order of the reference light at which the first interference signal has a peak,
Distance measuring method provided with.
光源から出射した白色光を2方向に分岐させる分岐手段によって、分岐させた一方の参照光を参照ミラーの反射面に入射させ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させる分岐工程と、
前記反射面で反射した参照光、前記被測定面で反射した測定光、及び前記分岐手段と前記測定対象物との間に配置され、入射した光の一部を反射させ一部を透過させる半反射面を有するハーフミラーの前記半反射面で反射した測定光を合成した干渉光を生成する干渉光生成工程と、
前記参照光の光路長を変更する走査工程と、
前記干渉光を2方向に分岐させ、分岐させた一方を第1のフリースペクトラルレンジを通過帯域とする第1のエタロンに入射させるとともに他方を前記第1のフリースペクトラルレンジとは異なる第2のフリースペクトラルレンジを通過帯域とする第2のエタロンに入射させる干渉光分岐工程と、
前記第1のフリースペクトラルレンジを有する第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のフリースペクトラルレンジを有する第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、
前記第1の干渉信号がピークとなる前記参照光の光路長と前記第2の干渉信号がピークとなる前記参照光の光路長との差分から前記第1の干渉信号の干渉次数を決定する干渉次数決定工程と、
前記第1の干渉信号がピークとなる前記参照光の光路長と前記干渉次数とに基づいて、前記被測定面までの距離を算出する距離算出工程と、
を備えた距離測定方法。
A branching step of causing one of the branched reference lights to be incident on the reflection surface of the reference mirror and the other of the measurement light to be incident on the surface to be measured of the measurement object by the branching means for branching the white light emitted from the light source in two directions. When,
The reference light reflected on the reflection surface, the measurement light reflected on the surface to be measured, and a half that is disposed between the branching unit and the object to be measured and reflects part of incident light and transmits part of the light. An interference light generation step of generating interference light that combines measurement light reflected on the semi-reflection surface of the half mirror having a reflection surface,
A scanning step of changing the optical path length of the reference light,
The interference light is branched in two directions, one of the branched lights is made incident on a first etalon having a first free spectral range as a pass band, and the other is separated into a second free etalon different from the first free spectral range. An interference light branching step of entering a second etalon having a pass band in a spectral range,
A first detection step of receiving a first interference light having the first free spectral range and outputting a first interference signal according to the intensity of the first interference light;
A second detection step of receiving a second interference light having the second free spectral range and outputting a second interference signal according to the intensity of the second interference light;
An acquisition step of acquiring the first interference signal and the second interference signal while changing an optical path length of the reference light;
Interference for determining an interference order of the first interference signal from a difference between an optical path length of the reference light at which the first interference signal has a peak and an optical path length of the reference light at which the second interference signal has a peak. An order determining step;
A distance calculating step of calculating a distance to the surface to be measured based on the optical path length and the interference order of the reference light at which the first interference signal has a peak,
Distance measuring method provided with.
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