JP7675868B2 - Ｆ－ｐセンサプローブ、絶対距離測定装置および絶対距離測定方法 - Google Patents

Ｆ－ｐセンサプローブ、絶対距離測定装置および絶対距離測定方法 Download PDF

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Description

本開示は、絶対距離の非接触式測定の技術分野に属し、特に、Ｆ－Ｐセンサプローブ、絶対距離測定装置および絶対距離測定方法に関する。
（関係出願の相互参照）
本出願は、２０２２年１２月０１日に中国専利局に提出された、出願番号が２０２２１１５３４６６３．２であり、名称が「Ｆ－Ｐセンサプローブ、絶対距離測定装置および絶対距離測定方法」である中国出願に基づいて優先権を主張し、その内容のすべては本出願に参照として取り込まれる。
絶対距離の非接触式測定は、精密ワークステージの位置決め、合焦位置検出、超平滑表面外観検査、段差高さ測定などに広く応用されている。特に、半導体プロセスでは、フォトリソグラフィ技術を用いてナノパターンを加工するとき、シリコンウェーハの合焦位置対して高精度かつリアルタイムのモニタリングをし、そしてワークステージにフィードバックしてクローズドループ制御を行う必要がある。近接場光記憶技術において、近接場光ストレージのヘッドとディスクとの間の距離を高精度で測定する必要がある。超平滑表面外観検査技術において、標準レンズと測定対象表面との絶対距離をリアルタイムでモニタリングする必要がある。部品の幾何学的寸法検出において、段差輪郭を精確に測定する必要がある。
現在、常用の測定器として三角測量方式の反射型レーザセンサ、クロマティック共焦点センサ、レーザ変位センサ、静電容量センサなどが挙げられる。これらの測定装置がいずれも変位の高精度測定を実現できるが、クロマティック共焦点センサおよび静電容量センサのみが絶対距離の直接測定を実現でき、他の測定装置の場合、絶対距離を測定するために初期位置を標定する必要があり、それに消灯再開のリピータビリティが劣る。そして、クロマティック共焦点センサは、消灯再開のリピータビリティに比較的優れるが、測定の分解能が低く、静電容量センサは、寄生容量の影響を受けやすく熱ドリフトにより大きく影響される。
上記の問題に鑑みて、本開示は、Ｆ－Ｐ（ファブリ・ペロー）光ファイバセンサプローブ構造、絶対距離測定装置および絶対距離測定方法を提供する。
本開示の第１局面は、Ｆ－Ｐセンサプローブを提供する。前記Ｆ－Ｐセンサプローブは、第１のＮ＋１コアマルチモード光ファイバヘッドと、光ファイバスリーブと、結像レンズ群と、標準レンズとを備え、Ｆ－Ｐセンサプローブからサンプルへの方向に沿って、前記光ファイバスリーブの内部に前記第１のＮ＋１コアマルチモード光ファイバヘッド、結像レンズ群および標準レンズが順に固定され、前記第１のＮ＋１コアマルチモード光ファイバヘッドは、Ｎ本の第１のマルチモード光ファイバと１本の第２のマルチモード光ファイバとを含み、ＮがＮ≧２を満たし、Ｎ本の前記第１のマルチモード光ファイバが前記第２のマルチモード光ファイバの回りに配置される。
本開示の実施例では、前記サンプルの表面の反射率が４０％以上である場合、前記Ｆ－Ｐセンサプローブはウィンドウフィルム層をさらに含み、前記ウィンドウフィルム層が前記標準レンズの表面に付着している。
本開示の実施例では、前記ウィンドウフィルム層は、透過率が４０％±５％であり、反射率が１５％±５％である金属膜層であり、好ましくは、前記金属膜層は、厚さ４～８ｎｍの金属クロム層を含む。
本開示の実施例では、前記標準レンズは、厚さが５ｍｍ以上でありかつ表面の面精度ＰＶがＰＶ≦λ／２０を満たす石英ガラスであり、λは、標準レンズの面精度を測定するときの干渉計の波長である。
本開示の実施例では、前記第２のマルチモード光ファイバは、前記第１のＮ＋１コアマルチモード光ファイバヘッドの中心位置に設置され、Ｎ本の前記第１のマルチモード光ファイバが前記第２のマルチモード光ファイバの回りに間隔Δｄ１の等間隔で環状に配置される。
本開示の実施例では、Ｎ本の前記第１のマルチモード光ファイバのそれぞれは、いずれも前記第２のマルチモード光ファイバに接するように配置される。
本開示の実施例では、前記第１のマルチモード光ファイバのコア径ｄ１および第２のマルチモード光ファイバのコア径ｄ２は、いずれも標準的なコア径であり、かつｄ２≧ｄ１を満たし、隣接する２本の前記第１のマルチモード光ファイバの間隔Δｄ１が０≦Δｄ１≦ｄ１／２を満たす。
本開示の実施例では、前記第１のマルチモード光ファイバの数は、下記の式により確定され、

Ｎが前記第１のマルチモード光ファイバの数である。
本開示の第２局面は、上記のＦ－Ｐセンサプローブを使用する絶対距離測定装置を提供する。前記絶対距離測定装置は、Ｆ－Ｐセンサプローブと、Ｆ－Ｐセンサコネクタと、第２のＮ＋１コアマルチモード光ファイバと、１×２光ファイバカプラと、Ｎコアマルチモード光ファイバと、単コアマルチモード光ファイバと、投光ファイバコネクタと、受光ファイバコネクタと、投光光源と、復調システムとを備え、Ｆ－Ｐセンサプローブの前記第１のＮ＋１コアマルチモード光ファイバヘッドが前記Ｆ－Ｐセンサコネクタと接続され、前記Ｆ－Ｐセンサコネクタの、前記Ｆ－Ｐセンサプローブから離間した端が前記第２のＮ＋１コアマルチモード光ファイバおよび１×２光ファイバカプラの第１の端と順に接続され、前記１×２光ファイバカプラの第２の端がＮコアマルチモード光ファイバおよび単コアマルチモード光ファイバのそれぞれと接続され、前記Ｎコアマルチモード光ファイバが投光ファイバコネクタと接続され、前記単コアマルチモード光ファイバが受光ファイバコネクタと接続され、前記投光ファイバコネクタが投光光源と接続され、前記受光ファイバコネクタが復調システムと接続され、前記投光光源が光を投光するように構成され、前記復調システムがサンプルとＦ－Ｐセンサプローブとの絶対距離を求めるように構成される。
本開示の実施例では、前記Ｆ－Ｐセンサプローブにおける第１のマルチモード光ファイバが前記投光ファイバコネクタと接続され、前記Ｆ－Ｐセンサプローブにおける第２のマルチモード光ファイバが前記受光ファイバコネクタと接続される。
本開示の実施例では、前記投光光源は、ハロゲンランプ光源、ＬＥＤ、ＳＬＤ、スーパーコンティニュームレーザー光源を含み、前記復調システムは、異なる距離での干渉光強度信号を取得して解析する分光器、Ｆ－Ｐ光ファイバ復調器を含む。
本開示の第３局面は、上記の絶対距離測定装置を使用する絶対距離測定方法を提供する。前記絶対距離測定方法は、投光光源からの光が、合流して投光ファイバコネクタが位置する分岐路に進入し、第１のＮ＋１コアマルチモード光ファイバヘッドにおけるＮ本の第１のマルチモード光ファイバを経由して出射したあと前記Ｆ－Ｐセンサプローブに進入し、そして標準レンズとサンプルとの間のエアギャップに集光する、光入射ステップと、光線が標準レンズおよびサンプルの表面で反射されたあと、前記Ｆ－Ｐセンサプローブを経由し、第１のＮ＋１コアマルチモード光ファイバヘッドにおける第２のマルチモード光ファイバにより再度集光し、最後に受光ファイバコネクタに到着する、光反射ステップと、受光ファイバコネクタで受信した光信号に対して解析することにより、サンプルとＦ－Ｐセンサプローブとの絶対距離を求める、距離求めステップと、を含む。
本開示の実施例では、前記光入射ステップは、投光光源からの光が、合流して投光ファイバコネクタに進入し、そして順にＮコアマルチモード光ファイバ、１×２光ファイバカプラおよび第２のＮ＋１コアマルチモード光ファイバ経由でＦ－Ｐセンサプローブに到着し、第１のＮ＋１コアマルチモード光ファイバヘッドにおけるＮ本の第１のマルチモード光ファイバから出射したあと、順に結像レンズ群、標準レンズを通って、標準レンズとサンプルとの間のエアギャップに初めて集光する、ステップを含む。
本開示の実施例では、前記光反射ステップは、標準レンズおよびサンプルの表面で反射された光が、順に標準レンズおよび結像レンズ群を通って、第１のＮ＋１コアマルチモード光ファイバヘッドにおける第２のマルチモード光ファイバで再度集光し、合流して第２のマルチモード光ファイバに進入するステップと、エアギャップの絶対距離情報をもつ光信号が順に第２のＮ＋１コアマルチモード光ファイバ、１×２光ファイバカプラおよび単コアマルチモード光ファイバ経由で受光ファイバコネクタに到着するステップと、を含む。
本開示の実施例では、前記距離求めステップは、復調システムにより該光信号を受信して解析して、標準レンズとサンプルとの間のエアギャップの厚さを得、これによってサンプルとＦ－Ｐセンサプローブとの絶対距離を求めるステップを含む。
本開示の実施例では、前記サンプルとＦ－Ｐセンサプローブとの絶対距離は、以下の方法で求める。平行平板による多光束干渉の原理に基づいて、標準レンズとサンプルをＦ－Ｐキャビティとして見なし、前記Ｆ－Ｐキャビティの反射係数を計算し、前記反射係数に基づいて、前記Ｆ－Ｐキャビティのシミュレーション反射率を計算し、異なる厚さのエアギャップに対応するＦ－Ｐキャビティのシミュレーション反射率のモデルベースを構築し、前記Ｆ－Ｐキャビティの実測反射率を計算し、前記実測反射率と前記モデルベースにおける複数のシミュレーション反射率とに対して相互相関演算を行い、相関が最も高いシミュレーション反射率に対応するエアギャップの厚さをサンプルとＦ－Ｐセンサプローブとの絶対距離として確定する。
本開示の実施例では、前記Ｆ－Ｐキャビティの反射係数は、下記の式により計算し、

式において、ｓ、ｐは、ｓ波およびｐ波をそれぞれ表し、
警告 2 : 横4cm、縦3cmより小さいイメージです。
は、ｔ波に対応する標準レンズとエアギャップとの界面で反射係数を表し、
は、ｔ波に対応するエアギャップとサンプルとの界面での反射係数を表し、
は、標準レンズおよびエアギャップにおいて光路長の変化に起因した光の位相シフトを表し、
は、ｔ波に対応するＦ－Ｐキャビティの反射係数を表し、
具体的に、
は、下記の式により計算し、

式において、ｎ０、ｎ１、ｎ２は、標準レンズ、エアギャップおよびサンプルの屈折率をそれぞれ表し、θ０、θ１は、前記第１のマルチモード光ファイバからの入射光の、標準レンズの下面での入射角および屈折角をそれぞれ表し、θ２は、入射光の、サンプルの上面での屈折角を表し、
は、光束が斜入射する場合、屈折率がそれぞれｎｍ－１およびｎｍである２つの媒体の界面におけるｓ波およびｐ波の反射係数をそれぞれ表す。
本開示の実施例では、前記
は、下記の式により計算し、

ｃ１がエアギャップの厚さであり、λが測定用光源からの光のスペクトル波長である。
本開示の実施例では、ウィンドウフィルム層が前記標準レンズの表面に付着しており、前記Ｆ－Ｐキャビティの反射係数は、下記の式により計算し、
式において、ｓ、ｐは、ｓ波およびｐ波をそれぞれ表し、
は、ｔ波に対応する標準レンズとウィンドウフィルム層との界面での反射係数を表し、
は、ｔ波に対応するウィンドウフィルム層とエアギャップとの界面での反射係数を表し、
は、ｔ波に対応するエアギャップとサンプルとの界面での反射係数を表し、
は、ウィンドウフィルム層およびエアギャップにおいて光路長の変化に起因した光の位相シフトをそれぞれ表し、
は、ｔ波に対応するＦ－Ｐキャビティの反射係数を表し、
具体的に
は、下記の式により計算し、

式において、ｎ０、ｎ１、ｎ２、ｎ３は、標準レンズ、ウィンドウフィルム層、エアギャップおよびサンプルの屈折率をそれぞれ表し、θ０、θ１は、前記第１のマルチモード光ファイバからの入射光の、ウィンドウフィルム層の上面での入射角および屈折角をそれぞれ表し、θ２は、入射光の、ウィンドウフィルム層の下面での屈折角を表し、θ３は、入射光の、サンプルの上面での屈折角を表し、
は、光束が斜入射する場合、屈折率がそれぞれｎｍ－１およびｎｍである２つの媒体の界面におけるｓ波およびｐ波の反射係数をそれぞれ表す。
本開示の実施例では、前記
は、下記の式により計算し、

ｃ１、ｃ２がそれぞれウィンドウフィルム層およびエアギャップの厚さであり、λが測定用光源からの光のスペクトル波長である。
本開示の実施例では、前記Ｆ－Ｐキャビティのシミュレーション反射率は、下記の式により計算し、


ＲｓｉｍがＦ－Ｐキャビティのシミュレーション反射率を表し、
がｓ波およびｐ波のＦ－Ｐキャビティの反射係数をそれぞれ表す。
本開示の実施例では、前記Ｆ－Ｐキャビティの実測反射率は、下記の式により計算し、


Ｒｅｘｐは、Ｆ－Ｐキャビティの実測反射率を表し、Ｉｓａｍｐｌｅは、サンプルの反射光強度を表し、Ｉｄａｒｋは、迷光強度を表し、Ｉｒｅｆは、参照光強度を表し、Ｒｒｅｆは、反射率補正係数を表し、
具体的に、Ｒｒｅｆは、下記の式により計算し、


ｒ１２、ｔ１２は、標準レンズの反射係数および透過係数をそれぞれ表し、
は、エアギャップとサンプルとの界面での反射係数を表す。
本開示の実施例では、ウィンドウフィルム層が前記標準レンズの表面に付着しており、前記Ｆ－Ｐキャビティの実測反射率は、下記の式により計算し、


Ｒｅｘｐは、Ｆ－Ｐキャビティの実測反射率を表し、Ｉｓａｍｐｌｅは、サンプルの反射光強度を表し、Ｉｄａｒｋは、迷光強度を表し、Ｉｒｅｆは、参照光強度を表し、Ｒｒｅｆは、反射率補正係数を表し、
具体的に、Ｒｒｅｆは、下記の式により計算し、


ｒ１３、ｔ１３は、ウィンドウフィルム層の反射係数および透過係数をそれぞれ表し、ｒ’は、エアギャップとサンプルとの界面での反射係数を表す。
従来技術に比べて、本開示に係るＦ－Ｐセンサプローブ、絶対距離測定装置および絶対距離測定方法は、少なくとも下記の有益な効果を有する。
本開示は、光ファイバファブリペロー（Ｆ－Ｐ）干渉測定の原理に基づいてセンサプローブと測定対象面との絶対距離の測定を実現し、精度が高く、分解能が高く、消灯再開のリピータビリティが優れ、非接触であるなどの特徴を有し、標定不要で絶対距離の測定を実現することができる。
以下、図面を参照して本開示の実施例を説明することにより、本開示の上記の目的、他の目的、特徴および利点をより明瞭にする。
本開示の第１実施例によるＦ－Ｐセンサプローブ全体を示す模式図である。 本開示の第２実施例による絶対距離測定装置の模式的構成図である。 本開示の第３実施例による絶対距離を求める方法の模式的フローチャートである。 本開示の第４実施例による多層膜系構造の原理を示す模式図である。 本開示の第４実施例による絶対距離を求める方法の模式的フローチャートである。 本開示の第３実施例による実測反射率とシミュレーション反射率とのスペクトル曲線の比較を示すグラフである。
本開示の目的、技術案および利点をより明瞭にするため、以下、具体的な実施例を用いて図面を参照しながら、本開示をさらに詳細に説明する。説明する実施例は、本開示の一部の実施例にすぎず、すべての実施例ではない。本開示における実施例に基づいて、当業者が発明能力を用いることなく得たすべての他の実施例も、本開示の保護範囲内に属する。
ここで使用される用語は、具体的な実施例を説明するためのものにすぎず、本開示を限定するものではない。ここで使用される、「含む」、「含んでなる」などの用語は、該当する特徴、ステップ、操作および部材の少なくとも１つの存在を表すものであるが、１つまたは複数の他の特徴、ステップ、操作または部材が存在したり、添加されたりすることを排除するのではない。
本開示において、特に断りがない限り、「取付」、「連結」、「接続」、「固定」などの用語を広義に理解すべきである。例えば、固定接続でもよいし、取外し可能な接続でもよいし、一体的な接続でもよい。そして、機械的な接続でもよいし、電気的な接続でもよいし、通信接続でもよい。また、直接接続してもよいし、中間物を介して間接に接続してもよいし、２つの要素の内部が連通しまたは２つの要素が相互に作用してもよい。当業者は、本開示における上記用語の具体的な意味を具体的な状況に応じて理解することができる。
特に断りがない限り、ここで使用されるすべての用語（技術的用語と科学的用語を含む）は、当業者が通常認識している意味を有する。ここで使用される用語は、本明細書の文脈と合致する意味を持つように解釈されるべきであり、理想的または絶対的に解釈すべきではない。
実施例１
図１は、本開示の第１実施例によるＦ－Ｐセンサプローブ全体を示す模式図である。
図１に示すように、本開示の第１実施例によるＦ－Ｐセンサプローブは、第１のＮ＋１コアマルチモード光ファイバヘッド９と、光ファイバスリーブ１０と、結像レンズ群１１と、標準レンズ１２とを備える。該Ｆ－Ｐセンサプローブは、サンプル８とＦ－Ｐセンサコネクタ１との間に設置され、絶対距離の測定に使用される。
Ｆ－Ｐセンサプローブからサンプル８への方向に沿って、光ファイバスリーブ１０の内部に第１のＮ＋１コアマルチモード光ファイバヘッド９、結像レンズ群１１および標準レンズ１２が順に固定される。第１のＮ＋１コアマルチモード光ファイバヘッド９は、Ｎ本の第１のマルチモード光ファイバ１６と１本の第２のマルチモード光ファイバ１７とを含み、ＮがＮ≧２を満たし、Ｎ本の第１のマルチモード光ファイバ１６が第２のマルチモード光ファイバ１７の回りに配置される。第１のＮ＋１コアマルチモード光ファイバヘッド９がＦ－Ｐセンサコネクタ１と接続される。
通常、標準レンズ１２の表面と光ファイバスリーブ１０の外端面と面一となり、Ｆ－Ｐセンサプローブを移動することによりセンサと測定対象のサンプル８との距離を調整することができる。しかしながら、実際の加工精度の限界により、標準レンズ１２と光ファイバスリーブ１０との絶対の面一を実現することができない。好ましくは、標準レンズ１２の表面が該光ファイバスリーブ１０の外端面から突出し、これによってサンプル８と標準レンズ１２との間に他の余計のエアギャップが存在しないことを保証し、該余計のエアギャップは、標準レンズ１２の表面と光ファイバスリーブ１０の端面との間に位置し、標準レンズ１２が光ファイバスリーブ１０の端面から凹んで形成されたものである。該余計のエアギャップに起因して、測定対象のエアギャップ１８の値に対するセンサの測定精度が損なわれる。
本開示の実施例において、サンプル８と標準レンズ１２との間の部分は距離測定対象のエアギャップ１８である。サンプル８の表面の反射率が４０％以上である場合、Ｆ－Ｐセンサプローブは、ウィンドウフィルム層１３をさらに含み、ウィンドウフィルム層１３が標準レンズ１２の表面に付着し、このとき、エアギャップ１８がサンプル８とウィンドウフィルム層１３との間に位置する。測定ではサンプル８によって、その反射率が異なり、このため、標準レンズを、ウィンドウフィルム層１３付きの標準レンズとウィンドウフィルム層１３のない標準レンズとに分けて、サンプル８の実際の状況に応じて標準レンズ１２を選択するようにしてもよい。
ウィンドウフィルム層１３は、標準レンズ１２の表面に付着し、通常、マグネトロンスッパタ法により調製され、光学パラメータは、測定対象のサンプル８の表面の反射率により決められる。具体的に、サンプル８の表面の反射率が４０％未満である場合、通常、ウィンドウフィルム層１３が必要とされなく、サンプル８の表面の反射率が４０％以上である場合、通常、ウィンドウフィルム層１３は、透過率が４０％±５％であり、反射率が１５％±５％である金属膜層である。好ましくは、該金属膜層は、例えば厚さ４～８ｎｍの金属クロム層を含む。
本開示の実施例において、標準レンズ１２は、厚さが５ｍｍ以上でありかつ表面の面精度ＰＶがＰＶ≦λ／２０を満たす石英ガラスであり、λは、標準レンズ１２の面精度を測定するときの干渉計の波長であり、具体的に、干渉計を使用して該石英ガラスの面精度を測定するときに干渉計において設定される波長である。
本開示の実施例において、第２のマルチモード光ファイバ１７は、第１のＮ＋１コアマルチモード光ファイバヘッド９の中心位置に設置され、Ｎ本の第１のマルチモード光ファイバ１６が第２のマルチモード光ファイバ１７の回りに間隔Δｄ１の等間隔で環状に配置される。
さらに、Ｎ本の第１のマルチモード光ファイバ１６のそれぞれは、いずれも第２のマルチモード光ファイバ１７に接するように配置される。
通常、Ｎ本の第１のマルチモード光ファイバ１６のコア径ｄ１および１本の第２のマルチモード光ファイバ１７のコア径ｄ２は、いずれも標準的なコア径（例えば、１０５／１２５μｍ、２００／２２０μｍなど）であり、かつｄ２≧ｄ１を満たす。そして、継続的な環状光による投光を実現するため、隣接する２本の第１のマルチモード光ファイバ１６の間隔Δｄ１が０≦Δｄ１≦ｄ１／２を満たす。
通常、第１のマルチモード光ファイバ１６の数Ｎは、ｄ１、ｄ２およびΔｄ１により決められ、具体的に、下記の式により算出することができる。
例えば、ｄ１＝１２５μｍ、ｄ２＝２２０μｍ、Δｄ１がΔｄ１≦６２．５μｍである場合、上の式に代入すると、８．４７≧Ｎ≧５．４７となり、整数にすれば８≧Ｎ≧６となる。
実施例２
図２は、本開示の第２実施例による絶対距離測定装置の模式的構成図である。
図２に示すように、本開示の第２実施例は、上記の第１実施例によるＦ－Ｐセンサプローブを使用する絶対距離測定装置を提供する。該絶対距離測定装置は、Ｆ－Ｐセンサプローブと、Ｆ－Ｐセンサコネクタ１と、第２のＮ＋１コアマルチモード光ファイバ４と、１×２光ファイバカプラ７と、Ｎコアマルチモード光ファイバ５と、単コアマルチモード光ファイバ６と、投光ファイバコネクタ２と、受光ファイバコネクタ３と、投光光源と、復調システムとを備える。
Ｆ－Ｐセンサプローブの第１のＮ＋１コアマルチモード光ファイバヘッド９がＦ－Ｐセンサコネクタ１と接続され、Ｆ－Ｐセンサコネクタ１の、Ｆ－Ｐセンサプローブから離間した端が第２のＮ＋１コアマルチモード光ファイバ４および１×２光ファイバカプラ７の第１の端と順に接続され、１×２光ファイバカプラ７の第２の端がＮコアマルチモード光ファイバ５および単コアマルチモード光ファイバ６のそれぞれと接続される。Ｎコアマルチモード光ファイバ５が投光ファイバコネクタ２と接続され、単コアマルチモード光ファイバ６が受光ファイバコネクタ３と接続され、投光ファイバコネクタ２が投光光源と接続され、受光ファイバコネクタ３が復調システムと接続される。投光光源が光を投光するように構成され、復調システムがサンプル８とＦ－Ｐセンサプローブとの絶対距離を求めるように構成される。
図２に示すように、Ｆ－Ｐセンサプローブにおける第１のマルチモード光ファイバ１６は、順に第２のＮ＋１コアマルチモード光ファイバ４、１×２光ファイバカプラ７およびＮコアマルチモード光ファイバ５を介して投光ファイバコネクタ２と接続され、Ｆ－Ｐセンサプローブにおける第２のマルチモード光ファイバ１７は、順に第２のＮ＋１コアマルチモード光ファイバ４、１×２光ファイバカプラ７および単コアマルチモード光ファイバ６を介して受光ファイバコネクタ３と接続される。
具体的に、投光光源は、ハロゲンランプ光源、ＬＥＤ、ＳＬＤ、スーパーコンティニュームレーザー光源を含むが、これらに限定されない。復調システムは、異なる距離での干渉光強度信号を取得して解析する分光器、Ｆ－Ｐ光ファイバ復調器を含むが、これらに限定されない。
上記の実施例により、本開示は、Ｆ－Ｐセンサプローブとサンプル８との絶対距離の測定を実現することができる。投光ファイバコネクタ２は、ブロードなスペクトルの投光光源と接続される。受光ファイバコネクタ３と復調システムとが接続されることにより、異なる距離での干渉光強度信号を取得して解析することができる。
実施例３
本開示の第３実施例は、上記の第２実施例による絶対距離測定装置を使用する絶対距離測定方法を提供する。該絶対距離測定方法は、下記のステップを含む。
光入射ステップ：投光光源からの光が、合流して投光ファイバコネクタ２が位置する分岐路に進入し、第１のＮ＋１コアマルチモード光ファイバヘッド９におけるＮ本の第１のマルチモード光ファイバ１６を経由して出射したあとＦ－Ｐセンサプローブに進入し、そして標準レンズ１２とサンプル８との間のエアギャップ１８に集光する。
光反射ステップ：光線が標準レンズ１２およびサンプル８の表面で反射されたあと、Ｆ－Ｐセンサプローブを経由し、第１のＮ＋１コアマルチモード光ファイバヘッド９における第２のマルチモード光ファイバ１７により再度集光し、最後に受光ファイバコネクタ３に到着する。
距離求めステップ：受光ファイバコネクタ３で受信した光信号に対して解析することにより、サンプル８とＦ－Ｐセンサプローブとの絶対距離を求める。
本開示の実施例において、光入射ステップは、具体的に下記のステップを含む。
投光光源からの光が、合流して投光ファイバコネクタ２に進入し、そして順にＮコアマルチモード光ファイバ５、１×２光ファイバカプラ７および第２のＮ＋１コアマルチモード光ファイバ４経由でＦ－Ｐセンサプローブに到着し、第１のＮ＋１コアマルチモード光ファイバヘッド９におけるＮ本の第１のマルチモード光ファイバ１６から出射したあと、順に結像レンズ群１１、標準レンズ１２を通って、標準レンズ１２とサンプル８との間のエアギャップ１８に初めて集光し、図１に示すサンプルによる反射光線１４を参照する。
本開示の実施例において、光反射ステップは、具体的に下記のステップを含む。
光線が標準レンズ１２およびサンプル８の表面で反射されたあと、Ｆ－Ｐセンサプローブを再度通り、図１に示す標準レンズによる反射光線１５を参照する。第１のＮ＋１コアマルチモード光ファイバヘッド９における第２のマルチモード光ファイバ１７で再度集光する。
エアギャップ１８の絶対距離情報をもつ光信号が順に第２のＮ＋１コアマルチモード光ファイバ４、１×２光ファイバカプラ７および単コアマルチモード光ファイバ６経由で受光ファイバコネクタ３に到着する。
本開示の実施例において、距離求めステップは、具体的に下記のステップを含む。復調システムにより該光信号を受信して解析して、エアギャップ１８の厚さ、すなわちサンプル８とＦ－Ｐセンサプローブとの絶対距離を得る。
以下、距離求めステップの具体的な過程を詳細に説明する。
上記のステップにおいて、標準レンズ１２とサンプル８との間のエアギャップ１８の厚さを求めるには、平行平板による多光束白光干渉測定法を利用し、多層膜系構造を構築し、該多層膜系構造は、上から下へ順に設置される標準レンズ１２、エアギャップ１８およびサンプル８を備える。
コア径ｄ１の第１のマルチモード光ファイバ１６からの入射光１９が標準レンズ１２の上下面に到着し、一部が直接反射されて標準レンズ１２による反射光２０となり、他の一部が透過してエアギャップ１８経由でサンプル８の上面に到着し、そして、再度反射されて標準レンズ１２に到着してサンプルによる反射光２１となり、最後、コア径ｄ２の第２のマルチモード光ファイバ１７により受光される。
平行平板による多光束干渉の原理に基づいて、標準レンズ１２とサンプル８とによりＦ－Ｐキャビティが構成される。入射光１９の、標準レンズ１２の下面での入射角および屈折角をそれぞれθ０およびθ１と仮定し、入射光１９の、サンプルの上面での屈折角をθ２とし、標準レンズ１２、エアギャップ１８およびサンプル８のそれぞれの屈折率をｎ０、ｎ１、ｎ２とし、
は、光束が斜入射する場合、屈折率がそれぞれｎｍ－１およびｎｍである２つの媒体の界面におけるｓ波およびｐ波の反射係数をそれぞれ表す。エアギャップ１８の厚さがそれぞれｃ１である。このようにして、多層膜系構造を構築できた。
上記のように構築された多層膜系構造に基づいて、図３は、本開示の第３実施例による絶対距離を求める方法の模式的フローチャートである。
図３に示すように、本開示の実施例において、上記の距離求めステップにおいて、サンプル８とＦ－Ｐセンサプローブとの絶対距離は下記のステップＳ４１０～ステップＳ４４０により求められる。
ステップＳ４１０：平行平板による多光束干渉の原理に基づいて、標準レンズ１２とサンプル８をＦ－Ｐキャビティとして見なし、Ｆ－Ｐキャビティの反射係数を計算する。
本開示の実施例において、Ｆ－Ｐキャビティの反射係数は、下記の式により計算することができる。

式において、ｓ、ｐは、ｓ波およびｐ波をそれぞれ表し、
は、ｔ波に対応する標準レンズ１２とエアギャップ１８との界面での反射係数を表し、
は、ｔ波に対応するエアギャップ１８とサンプル８との界面での反射係数を表し、
は、標準レンズ１２およびエアギャップ１において光路長の変化に起因した光の位相シフトを表し、
は、ｔ波に対応するＦ－Ｐキャビティの反射係数を表す。
具体的に、
、下記の式により計算する。

式において、ｎ０、ｎ１、ｎ２は、標準レンズ１２、エアギャップ１８およびサンプル８の屈折率をそれぞれ表し、θ０、θ１は、第１のマルチモード光ファイバ１６からの入射光１９の、標準レンズ１２の下面での入射角および屈折角をそれぞれ表し、θ２は、入射光１９の、サンプル８の上面での屈折角を表し、
は、光束が斜入射する場合、屈折率がそれぞれｎｍ－１およびｎｍである２つの媒体の界面におけるｓ波およびｐ波の反射係数をそれぞれ表す。
本開示の実施例において、
は、下記の式により計算する。

ｃ１がエアギャップ１８の厚さであり、λが測定用光源からの光のスペクトル波長である。
ステップＳ４２０：反射係数に基づいて、Ｆ－Ｐキャビティのシミュレーション反射率を計算し、異なる厚さのエアギャップ１８に対応するＦ－Ｐキャビティのシミュレーション反射率のモデルベースを構築する。
本開示の実施例において、Ｆ－Ｐキャビティのシミュレーション反射率は、下記の式により計算する。

ＲｓｉｍがＦ－Ｐキャビティのシミュレーション反射率を表し、
がｓ波およびｐ波のＦ－Ｐキャビティの反射係数をそれぞれ表す。
上記の式に基づいて、異なる厚さｃ１のエアギャップ１８に対応するＦ－Ｐキャビティのシミュレーション反射率Ｒｓｉｍのモデルベースを構築することができる。
ステップＳ４３０：Ｆ－Ｐキャビティの実測反射率を算出する。
本開示の実施例において、Ｆ－Ｐキャビティの実測反射率は、下記の式により計算する。

Ｒｅｘｐは、Ｆ－Ｐキャビティの実測反射率を表し、Ｉｓａｍｐｌｅは、サンプルの反射光強度を表し、通常、第２のマルチモード光ファイバ１７により出力されるエアギャップ１８の絶対距離情報をもつ光強度である。Ｉｄａｒｋは、迷光強度を表し、通常、第２のマルチモード光ファイバ１７により直接受光される迷光の光強度であり、環境迷光強度と、結像レンズ群１１、標準レンズ１２を経由せずに環境に直接入る第１のマルチモード光ファイバ１６からの光の光強度とを含む。Ｉｒｅｆは、参照光強度を表し、通常、標準レンズ１２とサンプル８との間のエアギャップ１８がＦ－Ｐセンサプローブの測定レンジを超えた（例えば、測定レンジの２．５倍であり、具体的な値が経験で選択することができ、ここで限定されない）場合の、第２のマルチモード光ファイバ１７の出力光の光強度を表す。Ｒｒｅｆは、反射率補正係数を表し、通常、標準レンズ１２とサンプル８との間のエアギャップ１８がＦ－Ｐセンサプローブの測定レンジを超えた場合の反射係数である。
具体的に、Ｒｒｅｆは、下記の式により計算することができる。


ｒ１２、ｔ１２は、標準レンズ１２の反射係数および透過係数をそれぞれ表す。ｒ’は、エアギャップ１８とサンプル８との界面での反射係数を表す。
ステップＳ４４０：実測反射率とモデルベースにおける複数のシミュレーション反射率とに対して相互相関演算を行い、相関が最も高いシミュレーション反射率に対応するエアギャップ１８の厚さをサンプル８とＦ－Ｐセンサプローブとの絶対距離として確定する。
実施例４
本開示の第４実施例は、上記の第２実施例による絶対距離測定装置を使用する絶対距離測定方法を提供する。この実施例において、サンプル８の表面の反射率が４０％以上である場合、Ｆ－Ｐセンサプローブがウィンドウフィルム層１３をさらに含み、測定方法は下記のステップを含む。
光入射ステップ：投光光源からの光が、合流して投光ファイバコネクタ２が位置する分岐路に進入し、第１のＮ＋１コアマルチモード光ファイバヘッド９におけるＮ本の第１のマルチモード光ファイバ１６を経由して出射したあとＦ－Ｐセンサプローブに進入し、そしてウィンドウフィルム層１３とサンプル８との間のエアギャップ１８に集光する。
光反射ステップ：光線がウィンドウフィルム層１３およびサンプル８の表面で反射されたあと、Ｆ－Ｐセンサプローブを経由し、第１のＮ＋１コアマルチモード光ファイバヘッド９における第２のマルチモード光ファイバ１７により再度集光し、最後に受光ファイバコネクタ３に到着する。
距離求めステップ：受光ファイバコネクタ３で受信した光信号に対して解析することにより、サンプル８とＦ－Ｐセンサプローブとの絶対距離を求める。
本開示の実施例において、光入射ステップは、具体的に下記のステップを含む。
投光光源からの光が、合流して投光ファイバコネクタ２に進入し、そして順にＮコアマルチモード光ファイバ５、１×２光ファイバカプラ７および第２のＮ＋１コアマルチモード光ファイバ４経由でＦ－Ｐセンサプローブに到着し、第１のＮ＋１コアマルチモード光ファイバヘッド９におけるＮ本の第１のマルチモード光ファイバ１６から出射したあと、順に結像レンズ群１１、標準レンズ１２、ウィンドウフィルム層１３を通って、ウィンドウフィルム層１３とサンプル８との間のエアギャップ１８に初めて集光する。
本開示の実施例において、光反射ステップは、具体的に下記のステップを含む。
光線がウィンドウフィルム層１３およびサンプル８の表面で反射されたあと、ウィンドウフィルム層１３、標準レンズ１２および結像レンズ群１１を再度通って、第１のＮ＋１コアマルチモード光ファイバヘッド９における第２のマルチモード光ファイバ１７で再度集光し、合流して第２のマルチモード光ファイバ１７に進入する。
エアギャップ１８の絶対距離情報をもつ光信号が順に第２のＮ＋１コアマルチモード光ファイバ４、１×２光ファイバカプラ７および単コアマルチモード光ファイバ６経由で受光ファイバコネクタ３に到着する。
本開示の実施例において、距離求めステップは、具体的に下記のステップを含む。復調システムにより該光信号を受信して解析して、標準レンズ１２とサンプル８との間のエアギャップ１８の厚さを得、これによってサンプル８とＦ－Ｐセンサプローブとの絶対距離を求める。
以下、距離求めステップの具体的な過程を詳細に説明する。
図４は、本開示の第４実施例による多層膜系構造の原理を示す模式図である。
上記のステップにおいて、ウィンドウフィルム層１３とサンプル８との間のエアギャップ１８の厚さを求めるには、平行平板による多光束白光干渉測定方法を利用し、図４に示す多層膜系構造を構築し、該多層膜系構造は、上から下へ順に設置される標準レンズ１２、ウィンドウフィルム層１３、エアギャップ１８およびサンプル８を備える。
コア径ｄ１の第１のマルチモード光ファイバ１６からの入射光１９が標準レンズ１２経由でウィンドウフィルム層１３の上下面に到着し、一部が直接反射されて標準レンズ１２による反射光２０となり、他の一部分が透過してエアギャップ１８経由でサンプル８の上面に到着し、そして、再度反射されてウィンドウフィルム層１３経由で標準レンズ１２に到着してサンプルによる反射光２１となり、最後、コア径ｄ２の第２のマルチモード光ファイバ１７により受光される。
平行平板による多光束干渉の原理に基づいて、ウィンドウフィルム層１３とサンプル８とによりＦ－Ｐキャビティが構成される。入射光１９の、ウィンドウフィルム層１３の上面での入射角および屈折角をそれぞれθ０およびθ１と仮定し、入射光１９の、ウィンドウフィルム層１３の下面での入射角および屈折角をそれぞれθ１およびθ２とし、入射光１９の、サンプル８の上面での入射角および屈折角をそれぞれθ２およびθ３とし、標準レンズ１２、ウィンドウフィルム層１３、エアギャップ１８およびサンプル８のそれぞれの屈折率をｎ０、ｎ１、ｎ２およびｎ３とし、標準レンズ１２とウィンドウフィルム層１３との界面での反射係数および透過係数をそれぞれｒ１およびｔ１とし、ウィンドウフィルム層１３とエアギャップ１８との界面での反射係数および透過係数をそれぞれｒ２およびｔ２とし、エアギャップ１８とサンプル８との界面での反射係数をｒ３とし、ウィンドウフィルム層１３およびエアギャップ１８の厚さをそれぞれｃ１およびｃ２として、多層膜系構造を構築できた。
上記のように構築された多層膜系構造に基づいて、図５は、本開示の第４実施例による絶対距離を求める方法の模式的フローチャートである。
図４および図５に示すように、本開示の実施例において、上記の距離求めステップにおいて、サンプル８とＦ－Ｐセンサプローブとの絶対距離が下記のステップＳ５１０～ステップＳ５４０により求められる。
ステップＳ５１０：平行平板による多光束干渉の原理に基づいて、ウィンドウフィルム層１３とサンプル８とをＦ－Ｐキャビティとして見なし、Ｆ－Ｐキャビティの反射係数を計算する。
本開示の実施例において、Ｆ－Ｐキャビティの反射係数は、下記の式により計算することができる。


式において、ｓ、ｐは、ｓ波およびｐ波をそれぞれ表し、
は、ｔ波に対応する標準レンズ１２とウィンドウフィルム層１３との界面での反射係数を表し、
は、ｔ波に対応するウィンドウフィルム層１３とエアギャップ１８との界面での反射係数を表し、
は、ｔ波に対応するエアギャップ１８とサンプル８との界面での反射係数を表し、
は、ウィンドウフィルム層１３およびエアギャップ１８において光路長の変化に起因した光の位相シフトをそれぞれ表し、
は、ｔ波に対応するＦ－Ｐキャビティの反射係数を表す。
具体的に、
は、下記の式により計算する。

式において、ｎ０、ｎ１、ｎ２、ｎ３は、標準レンズ１２、ウィンドウフィルム層１３、エアギャップ１８およびサンプル８の屈折率をそれぞれ表し、θ０、θ１は、第１のマルチモード光ファイバ１６からの入射光１９の、ウィンドウフィルム層１３の上面での入射角および屈折角をそれぞれ表し、θ２は、入射光１９の、ウィンドウフィルム層１３の下面での屈折角を表し、θ３は、入射光１９の、サンプル８の上面での屈折角を表し、
は、光束が斜入射する場合、屈折率がそれぞれｎｍ－１およびｎｍである２つの媒体の界面におけるｓ波およびｐ波の反射係数をそれぞれ表す。
本開示の実施例において、
は、下記の式により計算する。

ｃ１、ｃ２がそれぞれウィンドウフィルム層１３およびエアギャップ１８の厚さであり、λが測定用光源からの光のスペクトル波長である。
ステップＳ５２０：反射係数に基づいて、Ｆ－Ｐキャビティのシミュレーション反射率を計算し、異なる厚さのエアギャップ１８に対応するＦ－Ｐキャビティのシミュレーション反射率のモデルベースを構築する。
本開示の実施例において、Ｆ－Ｐキャビティのシミュレーション反射率は、下記の式により計算する。


ＲｓｉｍがＦ－Ｐキャビティのシミュレーション反射率を表し、
がｓ波およびｐ波のＦ－Ｐキャビティの反射係数をそれぞれ表す。
上記の式を利用すれば、異なる厚さｃ２のエアギャップ１８に対応するＦ－Ｐキャビティのシミュレーション反射率Ｒｓｉｍのモデルベースを構築することができる。
ステップＳ５３０：Ｆ－Ｐキャビティの実測反射率を算出する。
本開示の実施例において、Ｆ－Ｐキャビティ的実測反射率は、下記の式により計算する。


Ｒｅｘｐは、Ｆ－Ｐキャビティの実測反射率を表し、Ｉｓａｍｐｌｅは、サンプルの反射光強度を表し、通常、第２のマルチモード光ファイバ１７により出力されるエアギャップ１８の絶対距離情報をもつ光強度である。Ｉｄａｒｋは、迷光強度を表し、通常、第２のマルチモード光ファイバ１７により直接受光される迷光の光強度であり、環境迷光強度と、結像レンズ群１１、標準レンズ１２およびウィンドウフィルム層１３を経由せずに環境に直接入る第１のマルチモード光ファイバ１６からの光の光強度とを含む。Ｉｒｅｆは、参照光強度を表し、通常、ウィンドウフィルム層１３とサンプル８との間のエアギャップ１８がＦ－Ｐセンサプローブの測定レンジを超えた（例えば、測定レンジの２．５倍であり、具体的な値が経験で選択することができ、ここで限定されない）場合の、第２のマルチモード光ファイバ１７の出力光の光強度を表す。Ｒｒｅｆは、反射率補正係数を表し、通常、ウィンドウフィルム層１３とサンプル８との間のエアギャップ１８がＦ－Ｐセンサプローブの測定レンジを超えた場合の反射係数である。
具体的に、Ｒｒｅｆは、下記の式により計算する。


ｒ１３、ｔ１３は、ウィンドウフィルム層１３の反射係数および透過係数をそれぞれ表す。ｒ’は、エアギャップ１８とサンプル８との界面での反射係数を表す。
ステップＳ５４０：実測反射率とモデルベースにおける複数のシミュレーション反射率とに対して相互相関演算を行い、相関が最も高いシミュレーション反射率に対応するエアギャップ１８の厚さをサンプル８とＦ－Ｐセンサプローブとの絶対距離として確定する。
図６は、本開示の第３実施例による実測反射率とシミュレーション反射率とのスペクトル曲線の比較を示すグラフである。
絶対距離を求める上記過程により、代表的なシミュレーション値（すなわち、シミュレーション反射率）および実測値（すなわち、実測反射率）のスペクトル曲線は図６のようになる。図６から分かるように、該シミュレーション値が実測値に限りなく近く、つまり、本開示の第３実施例による、上記の絶対距離測定装置を使用する絶対距離測定方法は、絶対距離の測定を高精度で実現できる。
上記の説明から分かるように、本開示の上記の実施例によるＦ－Ｐセンサプローブ、絶対距離測定装置および絶対距離測定方法は、少なくとも下記の技術的効果を実現できる。
本開示は、光ファイバファブリペロー（Ｆ－Ｐ）干渉測定の原理に基づいてセンサプローブと測定対象面との絶対距離の測定を実現し、精度が高く、分解能が高く、消灯再開のリピータビリティが優れ、非接触であるなどの特徴を有し、標定不要で絶対距離の測定を実現することができる。
開示されるプロセスにおけるステップの特定の順序または包含関係は、例示的な方法の実例である。設計上の好みで、プロセスにおけるステップの特定の順序または包含関係は、本開示の保護範囲から逸脱しない限り再組み合わせしてもよい。添付の方法の請求項は、各ステップの要素を例示的な順序で記載したが、特定の順序または包含関係に限定されることを意味しない。
本開示の説明において、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」などの用語で表された方向または位置関係は、図面に基づくものであり、本開示を簡単および簡略に説明するためのものにすぎず、該当装置または部品が、必ず特定の方向を有したり、特定の方向に構成されたり、操作されたり、することを明示または暗示するものではないため、本開示を限定するものではない。図面において、同様な要素が同一または類似の符号で表される。本開示に対する理解に邪魔する虞があるとき、通常の構成または構造の説明を省略する。そして、図面に示す各部材の形状、寸法、位置関係が実際の大きさ、比率、位置関係を示すのではない。
同様に、本開示を簡単にするとともに開示する各局面のうちの１つまたは複数を容易に理解するため、本開示の例示的な実施例に対する上記の説明において、本開示の各特徴が単一の実施例、図面または説明にまとめられる。「一実施例」、「いくつかの実施例」、「例」、「具体的な例」または「いくつかの例」などの用語を用いる説明は、該当実施例または例を用いて説明される具体的な特徴、構造、材料または特性が本開示の少なくとも１つの実施例または例に含まれることを意味する。本明細書では、上記の用語に対する例示的な表現が同じ実施例または例を指しているとは限らない。そして、説明する具体的な特徴、構造、材料または特性は、任意の１つまたは複数の実施例または例において適切に結合することができる。
また、用語の「第１」、「第２」は、説明するためのものにすぎず、相対重要性を明示または暗示したり、技術的特徴の数を暗示したりするものではない。このため、「第１」、「第２」により限定される特徴は、１つまたは複数の該当特徴を含むことを明示または暗示することができる。本開示の説明において、特に断りがない限り、「複数」は、２つ以上を意味し、例えば、２つ、３つなどである。また、要素の前に付けられた用語の「１」または「１つ」は、このような要素が複数存在することを排除するのではない。特に断りがない限り、表現の「およそ」、「約」、「基本的に」および「ほど」は、１０％以内を意味し、好ましくは、５％以内である。
上記の具体的な実施例は、本開示の目的、技術案および有益な効果をさらに詳しく説明した。上記は、本開示の具体的な実施例にすぎず、本開示を限定するものではない。本開示の精神および原理から逸脱しない限り、行った如何なる変更、均等置換、改良なども本開示の保護範囲内に属する。
１ Ｆ－Ｐセンサコネクタ
２ 投光ファイバコネクタ
３ 受光ファイバコネクタ
４ 第２のＮ＋１コアマルチモード光ファイバ
５ Ｎコアマルチモード光ファイバ
６ 単コアマルチモード光ファイバ
７ １×２光ファイバカプラ
８ サンプル
９ 第１のＮ＋１コアマルチモード光ファイバヘッド
１０ 光ファイバスリーブ
１１ 結像レンズ群
１２ 標準レンズ
１３ ウィンドウフィルム層
１４ サンプルによる反射光線
１５ 標準レンズによる反射光線
１６ 第１のマルチモード光ファイバ
１７ 第２のマルチモード光ファイバ
１８ エアギャップ
１９ 入射光
２０ 標準レンズによる反射光
２１ サンプルによる反射光

Claims (23)

  1. Ｆ－Ｐセンサプローブであって、
    第１のＮ＋１コアマルチモード光ファイバヘッド（９）と、光ファイバスリーブ（１０）と、結像レンズ群（１１）と、標準レンズ（１２）とを備え、
    前記Ｆ－Ｐセンサプローブからサンプル（８）への方向に沿って、前記光ファイバスリーブ（１０）の内部に前記第１のＮ＋１コアマルチモード光ファイバヘッド（９）、結像レンズ群（１１）および標準レンズ（１２）が順に固定され、
    前記第１のＮ＋１コアマルチモード光ファイバヘッド（９）は、Ｎ本の第１のマルチモード光ファイバ（１６）と１本の第２のマルチモード光ファイバ（１７）とを含み、ＮがＮ≧２を満たし、Ｎ本の前記第１のマルチモード光ファイバ（１６）が前記第２のマルチモード光ファイバ（１７）の回りに配置される
    ことを特徴とするＦ－Ｐセンサプローブ。
  2. 前記サンプル（８）の表面の反射率が４０％以上である場合、前記Ｆ－Ｐセンサプローブはウィンドウフィルム層（１３）をさらに含み、前記ウィンドウフィルム層（１３）が前記標準レンズ（１２）の表面に付着している
    ことを特徴とする請求項１に記載のＦ－Ｐセンサプローブ。
  3. 前記ウィンドウフィルム層（１３）は、透過率が４０％±５％であり、反射率が１５％±５％である金属膜層であり、前記金属膜層は、厚さ４～８ｎｍの金属クロム層を含む
    ことを特徴とする請求項２に記載のＦ－Ｐセンサプローブ。
  4. 前記標準レンズ（１２）は、厚さが５ｍｍ以上でありかつ表面の面精度ＰＶがＰＶ≦λ／２０を満たす石英ガラスであり、λは、標準レンズ（１２）の面精度を測定するときの干渉計の波長である
    ことを特徴とする請求項１に記載のＦ－Ｐセンサプローブ。
  5. 前記第２のマルチモード光ファイバ（１７）は、前記第１のＮ＋１コアマルチモード光ファイバヘッド（９）の中心位置に設置され、Ｎ本の前記第１のマルチモード光ファイバ（１６）が前記第２のマルチモード光ファイバ（１７）の回りに間隔Δｄ１の等間隔で環状に配置される
    ことを特徴とする請求項１に記載のＦ－Ｐセンサプローブ。
  6. Ｎ本の前記第１のマルチモード光ファイバ（１６）のそれぞれは、いずれも前記第２のマルチモード光ファイバ（１７）に接するように配置される
    ことを特徴とする請求項５に記載のＦ－Ｐセンサプローブ。
  7. 前記第１のマルチモード光ファイバ（１６）のコア径ｄ１および第２のマルチモード光ファイバ（１７）のコア径ｄ２は、いずれも標準的なコア径であり、かつｄ２≧ｄ１を満たし、
    隣接する２本の前記第１のマルチモード光ファイバ（１６）の間隔Δｄ１が０≦Δｄ１≦ｄ１／２を満たす
    ことを特徴とする請求項１に記載のＦ－Ｐセンサプローブ。
  8. 前記第１のマルチモード光ファイバ（１６）の数は、下記の式により確定され、



    Ｎが前記第１のマルチモード光ファイバ（１６）の数である
    ことを特徴とする請求項７に記載のＦ－Ｐセンサプローブ。
  9. 請求項１に記載のＦ－Ｐセンサプローブを使用する絶対距離測定装置であって、
    Ｆ－Ｐセンサプローブと、Ｆ－Ｐセンサコネクタ（１）と、第２のＮ＋１コアマルチモード光ファイバ（４）と、１×２光ファイバカプラ（７）と、Ｎコアマルチモード光ファイバ（５）と、単コアマルチモード光ファイバ（６）と、投光ファイバコネクタ（２）と、受光ファイバコネクタ（３）と、投光光源と、復調システムとを備え、
    前記Ｆ－Ｐセンサプローブの前記第１のＮ＋１コアマルチモード光ファイバヘッド（９）が前記Ｆ－Ｐセンサコネクタ（１）と接続され、
    前記Ｆ－Ｐセンサコネクタ（１）の、前記Ｆ－Ｐセンサプローブから離間した端が前記第２のＮ＋１コアマルチモード光ファイバ（４）および１×２光ファイバカプラ（７）の第１の端と順に接続され、前記１×２光ファイバカプラ（７）の第２の端がＮコアマルチモード光ファイバ（５）および単コアマルチモード光ファイバ（６）のそれぞれと接続され、
    前記Ｎコアマルチモード光ファイバ（５）が投光ファイバコネクタ（２）と接続され、前記単コアマルチモード光ファイバ（６）が受光ファイバコネクタ（３）と接続され、前記投光ファイバコネクタ（２）が投光光源と接続され、前記受光ファイバコネクタ（３）が復調システムと接続され、前記投光光源が光を投光するように構成され、前記復調システムがサンプル（８）とＦ－Ｐセンサプローブとの絶対距離を求めるように構成される
    ことを特徴とする絶対距離測定装置。
  10. 前記Ｆ－Ｐセンサプローブにおける第１のマルチモード光ファイバ（１６）が前記投光ファイバコネクタ（２）と接続され、
    前記Ｆ－Ｐセンサプローブにおける第２のマルチモード光ファイバ（１７）が前記受光ファイバコネクタ（３）と接続される
    ことを特徴とする請求項９に記載の絶対距離測定装置。
  11. 前記投光光源は、ハロゲンランプ光源、ＬＥＤ、ＳＬＤ、スーパーコンティニュームレーザー光源を含み、
    前記復調システムは、異なる距離での干渉光強度信号を取得して解析する分光器、Ｆ－Ｐ光ファイバ復調器を含む
    ことを特徴とする請求項９に記載の絶対距離測定装置。
  12. 請求項９に記載の絶対距離測定装置を使用する絶対距離測定方法であって、
    投光光源からの光が、合流して投光ファイバコネクタ（２）が位置する分岐路に進入し、第１のＮ＋１コアマルチモード光ファイバヘッド（９）におけるＮ本の第１のマルチモード光ファイバ（１６）を経由して出射したあと前記Ｆ－Ｐセンサプローブに進入し、そして標準レンズ（１２）とサンプル（８）との間のエアギャップ（１８）に集光する、光入射ステップと、
    光線が標準レンズ（１２）およびサンプル（８）の表面で反射されたあと、前記Ｆ－Ｐセンサプローブを経由し、第１のＮ＋１コアマルチモード光ファイバヘッド（９）における第２のマルチモード光ファイバ（１７）により再度集光し、最後に受光ファイバコネクタ（３）に到着する、光反射ステップと、
    受光ファイバコネクタ（３）で受信した光信号に対して解析することにより、サンプル（８）とＦ－Ｐセンサプローブとの絶対距離を求める、距離求めステップと、を含む
    ことを特徴とする絶対距離測定方法。
  13. 前記光入射ステップは、
    投光光源からの光が、合流して投光ファイバコネクタ（２）に進入し、そして順にＮコアマルチモード光ファイバ（５）、１×２光ファイバカプラ（７）および第２のＮ＋１コアマルチモード光ファイバ（４）経由でＦ－Ｐセンサプローブに到着し、第１のＮ＋１コアマルチモード光ファイバヘッド（９）におけるＮ本の第１のマルチモード光ファイバ（１６）から出射したあと、順に結像レンズ群（１１）、標準レンズ（１２）を通って、標準レンズ（１２）とサンプル（８）との間のエアギャップ（１８）に初めて集光する、ステップを含む
    ことを特徴とする請求項１２に記載の絶対距離測定方法。
  14. 前記光反射ステップは、
    標準レンズ（１２）およびサンプル（８）の表面で反射された光が、順に標準レンズ（１２）および結像レンズ群（１１）を通って、第１のＮ＋１コアマルチモード光ファイバヘッド（９）における第２のマルチモード光ファイバ（１７）で再度集光し、合流して第２のマルチモード光ファイバ（１７）に進入するステップと、
    エアギャップ（１８）の絶対距離情報をもつ光信号が順に第２のＮ＋１コアマルチモード光ファイバ（４）、１×２光ファイバカプラ（７）および単コアマルチモード光ファイバ（６）経由で受光ファイバコネクタ（３）に到着するステップと、を含む
    ことを特徴とする請求項１２に記載の絶対距離測定方法。
  15. 前記距離求めステップは、
    復調システムにより該光信号を受信して解析して、標準レンズ（１２）とサンプル（８）との間のエアギャップ（１８）の厚さを得、これによってサンプル（８）とＦ－Ｐセンサプローブとの絶対距離を求めるステップを含む
    ことを特徴とする請求項１２に記載の絶対距離測定方法。
  16. 前記サンプル（８）とＦ－Ｐセンサプローブとの絶対距離は、以下の方法で求め、
    平行平板による多光束干渉の原理に基づいて、標準レンズ（１２）とサンプル（８）とをＦ－Ｐキャビティとして見なし、前記Ｆ－Ｐキャビティの反射係数を計算し、
    前記反射係数に基づいて、前記Ｆ－Ｐキャビティのシミュレーション反射率を計算し、異なる厚さのエアギャップ（１８）に対応するＦ－Ｐキャビティのシミュレーション反射率のモデルベースを構築し、
    前記Ｆ－Ｐキャビティの実測反射率を計算し、
    前記実測反射率と前記モデルベースにおける複数のシミュレーション反射率とに対して相互相関演算を行い、相関が最も高いシミュレーション反射率に対応するエアギャップ（１８）の厚さをサンプル（８）とＦ－Ｐセンサプローブとの絶対距離として確定する
    ことを特徴とする請求項１５に記載の絶対距離測定方法。
  17. 前記Ｆ－Ｐキャビティの反射係数は、下記の式により計算し、


    式において、ｓ、ｐは、ｓ波およびｐ波をそれぞれ表し、

    は、ｔ波に対応する標準レンズ（１２）とエアギャップ（１８）との界面で反射係数を表し、

    は、ｔ波に対応するエアギャップ（１８）とサンプル（８）との界面での反射係数を表し、

    は、標準レンズ（１２）およびエアギャップ（１８）において光路長の変化に起因した光の位相シフトを表し、

    は、ｔ波に対応するＦ－Ｐキャビティの反射係数を表し、
    具体的に、

    は、下記の式により計算し、


    式において、ｎ０、ｎ１、ｎ２は、標準レンズ（１２）、エアギャップ（１８）およびサンプル（８）の屈折率をそれぞれ表し、θ０、θ１は、前記第１のマルチモード光ファイバ（１６）からの入射光（１９）の、標準レンズ（１２）の下面での入射角および屈折角をそれぞれ表し、θ２は、入射光（１９）の、サンプル（８）の上面での屈折角を表し、

    は、光束が斜入射する場合、屈折率がそれぞれｎｍ－１およびｎｍである２つの媒体の界面におけるｓ波およびｐ波の反射係数をそれぞれ表す
    ことを特徴とする請求項１６に記載の絶対距離測定方法。
  18. 前記

    は、下記の式により計算し、


    ｃ１がエアギャップ（１８）の厚さであり、λが測定用光源からの光のスペクトル波長である
    ことを特徴とする請求項１７に記載の絶対距離測定方法。
  19. ウィンドウフィルム層（１３）が前記標準レンズ（１２）の表面に付着しており、前記Ｆ－Ｐキャビティの反射係数は、下記の式により計算し、


    式において、ｓ、ｐは、ｓ波およびｐ波をそれぞれ表し、

    は、ｔ波に対応する標準レンズ（１２）とウィンドウフィルム層（１３）との界面での反射係数を表し、

    は、ｔ波に対応するウィンドウフィルム層（１３）とエアギャップ（１８）との界面での反射係数を表し、

    は、ｔ波に対応するエアギャップ（１８）とサンプル（８）との界面での反射係数を表し、

    は、ウィンドウフィルム層（１３）およびエアギャップ（１８）において光路長の変化に起因した光の位相シフトをそれぞれ表し、

    は、ｔ波に対応するＦ－Ｐキャビティの反射係数を表し、
    具体的に、

    は、下記の式により計算し、

    式において、ｎ０、ｎ１、ｎ２、ｎ３は、標準レンズ（１２）、ウィンドウフィルム層（１３）、エアギャップ（１８）およびサンプル（８）の屈折率をそれぞれ表し、θ０、θ１は、前記第１のマルチモード光ファイバ（１６）からの入射光（１９）の、ウィンドウフィルム層（１３）の上面での入射角および屈折角をそれぞれ表し、θ２は、入射光（１９）の、ウィンドウフィルム層（１３）の下面での屈折角を表し、θ３は、入射光（１９）の、サンプル（８）の上面での屈折角を表し、

    は、光束が斜入射する場合、屈折率がそれぞれｎｍ－１およびｎｍである２つの媒体の界面におけるｓ波およびｐ波の反射係数をそれぞれ表す
    ことを特徴とする請求項１６に記載の絶対距離測定方法。
  20. 前記

    は、下記の式により計算し、



    ｃ１、ｃ２がそれぞれウィンドウフィルム層（１３）およびエアギャップ（１８）の厚さであり、λが測定用光源からの光のスペクトル波長である
    ことを特徴とする請求項１９に記載の絶対距離測定方法。
  21. 前記Ｆ－Ｐキャビティのシミュレーション反射率は、下記の式により計算し、



    ＲｓｉｍがＦ－Ｐキャビティのシミュレーション反射率を表し、

    がｓ波およびｐ波のＦ－Ｐキャビティの反射係数をそれぞれ表す
    ことを特徴とする請求項１６に記載の絶対距離測定方法。
  22. 前記Ｆ－Ｐキャビティの実測反射率は、下記の式により計算し、


    Ｒｅｘｐは、Ｆ－Ｐキャビティの実測反射率を表し、Ｉｓａｍｐｌｅは、サンプルの反射光強度を表し、Ｉｄａｒｋは、迷光強度を表し、Ｉｒｅｆは、参照光強度を表し、Ｒｒｅｆは、反射率補正係数を表し、
    具体的に、Ｒｒｅｆは、下記の式により計算し、



    ｒ１２、ｔ１２は、標準レンズ（１２）の反射係数および透過係数をそれぞれ表し、ｒ’は、エアギャップ（１８）とサンプル（８）との界面での反射係数を表す
    ことを特徴とする請求項１６に記載の絶対距離測定方法。
  23. ウィンドウフィルム層（１３）が前記標準レンズ（１２）の表面に付着しており、前記Ｆ－Ｐキャビティの実測反射率は、下記の式により計算し、



    Ｒｅｘｐは、Ｆ－Ｐキャビティの実測反射率を表し、Ｉｓａｍｐｌｅは、サンプルの反射光強度を表し、Ｉｄａｒｋは、迷光強度を表し、Ｉｒｅｆは、参照光強度を表し、Ｒｒｅｆは、反射率補正係数を表し、
    具体的に、Ｒｒｅｆは、下記の式により計算し、



    ｒ１３、ｔ１３は、ウィンドウフィルム層（１３）の反射係数および透過係数をそれぞれ表し、ｒ’は、エアギャップ（１８）とサンプル（８）との界面での反射係数を表す
    ことを特徴とする請求項１６に記載の絶対距離測定方法。
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