JPH08271219A - 被測定体の物理特性を決定する装置及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被測定体の厚さ、群屈折率、表面までの距離
等、被測定体の物理特性を高速で測定する。 【解決手段】 この装置は、可変光路遅延要素（５４）
を共有するように組み合わされたノンコヒーレント光学
干渉計（５３）と、コヒーレント光学干渉計（５５）を
含んでいる。厚さ測定については、例えば個体又は液
体、水平面に沿って移動する液体、平面を流下する液体
等の厚みを測定することが出来る。また、多重層の厚さ
測定も可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、非接触光学干渉分
光法 (interferometry) による被測定体の物理特性を決
定する装置及び方法に関する。更に詳しくは、被測定体
の物理特性、例えば厚さ、群屈折率、及び表面までの距
離等を測定する装置及び方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ウエブや被覆の製造過程では、ウエブや
被覆層の厚さをその製造工程ライン上で正確に測定する
装置が必要である。この種の装置は速やかな応答時間
と、横方向の高解像度を備えていなければならないと同
時に、持ち運び可能で軽量、小型、且つ容易に設置可能
なものでなければならない。更に、装置は環境温度に高
低が在ったり、また溶剤が存在していたり、可成り空気
の流れが有る所とか、種々のレベルの相対湿度が有るよ
うな環境であっても容易に設置できるものであることが
必要である。更に、装置は再較正せずに生産機械に設置
出来るように、自己較正型であるか、長時間にわたって
初期較正状態を維持できるものでなければならない。

【０００３】本発明を推進させた力は、最小の時間で製
造工程が改善されたかどうかを知りたいと言う要求、及
び最小の時間で製造工程ラインの能力を評価したいと言
う要求に基づいている。装置の可搬性を高めることは、
製品の品質問題処理活動に要する時間を短縮させるのに
必要である。本発明は、光学干渉分光法 (interferomet
ry) によって被測定体の物理特性を測定することに関す
る。従って、ノンコヒーレント（非干渉性）及びコヒー
レント（干渉性）光学干渉計について、その背景を簡単
に述べることにする。

【０００４】光源の可干渉距離とは、光源を発した光ビ
ームの位相の関係が相互に関係を示す距離を言う。ヘリ
ウム・ネオンレーザのような長い可干渉距離を持つコヒ
ーレント光を発する光源では、この距離は数キロメート
ルにもなる。これとは対照的に、ノンコヒーレントで広
帯域な白色光源では、この距離は僅か数マイクロメータ
（ミクロン）である。例えば、典型的広帯域発光ダイオ
ード(LED) は８μｍから１５μｍオーダの可干渉距離を
有している。

【０００５】図１は従来のマイケルソン型のノンコヒー
レント光学干渉計１０を光ファイバーで構成した一例を
示すブロック図である。このノンコヒーレント光学干渉
計は、ノンコヒーレント光信号を放射するノンコヒーレ
ント光源１４を備えている。このノンコヒーレント光源
１４から送られるノンコヒーレント光信号は、シングル
モード光ファイバー１６に結合される。このシングルモ
ード光ファイバー１６は分割手段として用いられる２ｘ
２の光カプラ１８を含んでいる。光カプラ１８はシング
ルモード光ファイバー１６に沿って送られてくるノンコ
ヒーレント光信号を、それぞれシングルモード光ファイ
バー２０、２２に沿って伝搬する実質的に同じ強度の第
１及び第２光信号に分割する。シングルモード光ファイ
バー２０に沿って伝搬する第１光信号は、光信号印加・
収集手段(applying and collecting means) ２４に入射
する。第１光信号は、光信号印加・収集手段２４を介し
て被測定体２５に結合する。この第１光信号の一部は被
測定体２５で反射し、光信号印加・収集手段を介してシ
ングルモード光ファイバー２０に戻される。他方、シン
グルモード光ファイバー２２に沿って伝搬する第２光信
号はコリメーティング光信号印加・収集手段２６に入射
する。この第２光信号はコリメーティング光信号印加・
収集手段２６によってコリメート（平行光化）され、こ
のコリメートされた光信号は、再帰反射器、鏡、又はそ
れらの組み合わせ等の光学要素２８に送られる。第２光
信号をコリメートした光の一部は光学要素２８によって
反射され、コリメーティング光信号印加・収集手段２６
によってシングルモード光ファイバー２２に結合され
る。光学要素２８は、図示の矢印Ａの方向に正確な運動
を起こさせる駆動手段、例えばモータ駆動の平行移動
台、駆動ねじ機構、或いはボイス−コイル駆動装置等の
駆動手段３０（以下、モータ３０と呼称する）に取り付
けられる。モータ３０のスピードは、光学要素２８が往
復運動をする際、測定が行われる時間間隔（即ち、測定
サイクル）の間、光学要素２８の速度が一定になるよう
に制御される。

【０００６】動作中、シングルモード光ファイバーに沿
ってそれぞれ伝搬する第１及び第２光信号は反射して光
カプラ１８に戻され、そこで再結合して再結合光信号を
形成すると共に、この再結合光信号の一部はシングルモ
ード光ファイバー３４によって光検出器３２に向けられ
る。光検出器３２は光学要素２８の変位の関数として再
結合光信号の強度を測定する。

【０００７】ノンコヒーレント光学干渉計１０は４つの
ブランチ（支系）、即ちノンコヒーレント光源ブラン
チ、被測定体ブランチ、リファレンスブランチ、及び検
出ブランチを含んで構成されている。光源ブランチはノ
ンコヒーレント光源１４から光カプラ１８までの光路を
含んで構成される。光カプラ１８から被測定体２５に至
り、さらに光カプラ１８に戻るまでの光路の全長をノン
コヒーレント光学干渉計１０の被測定体ブランチの光路
長と定義する。同様に、光カプラ１８から光学要素２８
に至り、さらに光カプラ１８に戻るまでの光路の全長を
ノンコヒーレント光学干渉計１０のリファレンスブラン
チの光路長と定義する。同様にして、光カプラ１８から
光検出器３２までの光路をノンコヒーレント光学干渉計
１０の検出ブランチと定義する。被測定体ブランチ及び
リファレンスブランチをノンコヒーレント光学干渉計１
０の干渉ブランチと呼ぶ。

【０００８】ノンコヒーレント光学干渉計１０の動作
中、モータ３０は光学的要素２８を駆動して、それをコ
リメーティング光信号印加・収集手段２６に対し近づけ
たり、遠ざけたりする。光学的要素２８がこの遠近動作
を起こすと、リファレンスブランチの光路の長さは変化
する。この走査により、光学的要素２８が何れかの方向
に移動したとき、被測定体の異なる深さが識別される。

【０００９】ノンコヒーレント光源１４の可干渉距離は
短いので、再結合信号の強め合う干渉は、光学干渉計１
０の被測定体ブランチとリファレンスブランチの光信号
が互いに干渉性である時にだけ発生する。相互干渉性
は、被測定体ブランチとリファレンスブランチの光路長
がほぼ同じ時に起こる。強め合う干渉信号が最大となる
のは、被測定体ブランチとリファレンスブランチの光路
長が等しくなるときである。光学的要素２８が相互干渉
性領域を通して走査されるとき、一連の干渉縞が観測さ
れる。これらの干渉縞の強度は光源の可干渉距離の僅か
な違いでゼロから最大値まで変化する。

【００１０】強め合う干渉が発生するためには、シング
ルモード光ファイバー２０に結合し直される被測定体２
５から来る反射光信号が必要である。与えられた探査深
さに於いて被測定体２５から来る反射光信号を得るに
は、群屈折率を異にする被測定体２５の隣接する光学媒
体の間に光学的インターフェイスがなければならない。
これは、例えば光ファイバーコネクタと空気とのインタ
ーフェイス、空気と被測定体前面とのインターフェイ
ス、及び被測定体の第２面と隣接媒体（もし在れば）と
のインターフェイスで発生する。従って、互いに強め合
う干渉は、群屈折率を異にする被測定体の光学的媒体の
各々に対して、僅かな可干渉距離内でリファレンスブラ
ンチの光路長が被測定体ブランチのそれに等しくなる光
学的要素２８の位置で観察される。

【００１１】更に図１に於いて、光学的要素２８はモー
タ３０によって矢印Ａ方向に正確な動きをするように取
り付けられている。正確な測定を行うために、モータ３
０の定速制御が利用される。モータを一定速度で駆動す
ることによって計測時間間隔からのモータの移動距離を
計算することが可能になる。モータの一定速度は、典型
的にはアクティブサーボ制御ループによって得られ、こ
の制御ループは光学的要素２８（即ち、モータ３０）に
対し、図２に示すような時間に関する速度のグラフを発
生する。測定サイクルの各端部で生ずる加速及び減速状
態は可変速度領域となり、この領域では正確な測定は出
来ない。加速状態は図の点ａとｂの間で起こり、定速状
態は点ｂとｃの間に示されており、減速状態は点ｃとｄ
の間で起こる。実際には、点ｂとｃの間で所望の程度に
速度変化を最小にするのは難しい。この難しさが装置の
精度に限界を与えることになる。また、ヒステリシス及
びバックラシュが累積する可能性もあるから、測定は一
方向に移動しているときだけに行われる。典型的測定サ
イクルは次の通りである。即ち、測定は光学的要素２８
（図１に図示）が、点ｂからｃへの定速状態を左から右
に移動する間に行われる。実際には、点ｂとｃの区間が
定速状態に達していることを確実にするために、基準点
ｅ（図２に図示）を検出する。図２にはモータ３０が基
準点ｅを横切る時間を点ｅを付して示している。点ｅの
この位置はモータ３０のヒステリシス及びバックラシュ
によって走査毎に変化する。測定サイクルはモータが左
から右へ移動し、基準点ｅを通過したときに開始する。

【００１２】図３は、コヒーレント光学干渉計４０に基
づいて構成された典型的なマイケルソン光学干渉計のブ
ロック図を示す。この光学干渉計４０はコリメートされ
たコヒーレント光信号を放射するレーザ等のコヒーレン
ト光源４２を含んで構成される。このコヒーレント光源
４２から放射されるコヒーレント光信号は、例えばビー
ムスプリッタ等のビーム分割手段４４の点Ｂに於いて、
ほぼ同じ強度の第１及び第２光信号に分割される。第１
光信号は固定して取り付けた再帰反射器４６に入射す
る。第２光信号は、矢印Ａ方向に正確な動きを示すよう
に取り付けた光学的要素４８、例えば再帰反射器（以
下、再帰反射器４８と称する）等、に入射する。第１及
び第２光信号は再帰反射されてビーム分割手段４４に戻
り、そこで点ｃに於いて再結合し、相互に干渉し合う。
この際、結合した光の干渉信号は検出器５０によって検
出される。

【００１３】コヒーレント光学干渉計４０は４つのブラ
ンチ、即ちコヒーレント光源ブランチ、固定ブランチ、
リファレンスブランチ、及び検出ブランチを含んで構成
される。ビームス分割手段４４の点Ｂから再帰反射器４
６に至り、さらにビームスプリッタの点Ｃに戻るまでの
光路の全長をコヒーレント光学干渉計４０の固定ブラン
チの光路長と定義する。同様に、ビームス分割手段４４
の点Ｂから再帰反射器４８に至り、さらにビームスプリ
ッタの点Ｃに戻るまでの光路の全長をコヒーレント光学
干渉計４０のリファレンスブランチの光路長と定義す
る。コヒーレント光学干渉計のコヒーレント光源ブラン
チ及び検出ブランチは、それぞれノンコヒーレント光学
干渉計１０の光源ブランチ及び検出ブランチの定義に従
う。

【００１４】コヒーレント光源４２は長い可干渉距離を
有しているので、干渉信号を光検出器５０で検出するた
めに、コヒーレント光学干渉計４０の固定ブランチ及び
リファレンスブランチが同じ光路長を有している必要は
ない。このため、振幅の等しい干渉縞が再帰反射器の運
動の全範囲にわたって観測される。図３に示す光学干渉
計の構成は、コヒーレント光源をノンコヒーレント光源
に換え、ノンコヒーレント光源の僅かな可干渉距離内で
固定ブランチとリファレンスブランチの光路長を等しく
することによって、大型のノンコヒーレント光学干渉計
として使用することが出来る。図３の固定再帰反射器、
即ち再帰反射器４６を被測定体２５（図１に図示）によ
って置き換え、更に固定ブランチとリファレンスブラン
チの光路長をほぼ等しくすれば、図１に示した光ファイ
バー構成のノンコヒーレント光学干渉計１０の実施例と
機能的に等価な構成となる。

【００１５】ノンコヒーレント光学干渉計が、移動して
いるウェブの所定の物理特性、例えばその厚さ決めるの
に利用できる光学的縞模様を発生することについては、
これまでにも示されている。例えば、米国特許 US-A-3,
319,515 は、光学干渉計による光学的状態の識別を基に
した物質の物理特性の決定について述べている。しか
し、米国特許 US-A-4,958,930 に述べられているよう
に、その測定装置は、生産のオンライン状態、即ち生産
ラインからウェブ又は被覆層を除去しない状態で移動中
のウェブや被覆物の僅かな厚さ変化（１％以下の範囲）
を正確に測定する機構を備えていない。更に、米国特許
US-A-3,319,515 が述べている装置は大型であり、その
装置を設置するのは困難であるし、多くの空間的制約を
受ける処理環境で容易に利用できるものではない。

【００１６】米国特許 US-A-3,319,515 が述べている測
定手法は、以下の文献、即ち（１）Optics Letters, Vo
l. 12, No. 3, March 1987, pp.158-160に掲載の Rober
t C.Youngquist, Sally Carr 及び D.E.N. Daviesによ
る "Optical Coherence-Domain Reflectometry: a New
Optical Evaluation Technique" ；（２）Applied Opti
cs, Vol. 26, No. 14, July 15, 1987, pp. 2836-2842
に掲載の B.L. Danielson 及び C.D. Whittenberによる
"Guided-wave Reflectometry with Micrometer Resolu
tion" ；（３）Journal of Lightwave Technology, Vo
l. 9, No. 5, Msy 1991, pages 623-628 に掲載の Masa
ru Kobayashi, Hiroaki Hanafusa, Kazumasa Takad 及
び Juichi Nodaによる "Polarization-Independent Int
erferometric Optical-Time Domain Reflectometer" ；
（４）Hewlett-Packard Journal, Vol. 44, No. 1, Feb
ruary 1993, pages 39-43 に掲載の D.H. Booster, H.
Chou, M.G. Hart, S.J. Mifsud及び R.F. Rawsonによる
"Design of a Precision Optical Low-Coherence Refl
ectometer"；（５）Hewlett-Packard Journal, Vol.44,
No. 1, February 1993, pages 52-59 に掲載の H. Cho
u及びW.V. Sorinによる "High-Resolution and High-Se
nsitivity Interferometry"等が例示しているように"
光学的コヒーレント領域の反射測定法（Optical Cohere
nce-Domain Reflectometry(OCDR)）" として知られるよ
うになった。また、米国特許 US-A-5,202,745 もまた、
このOCDR技術に基づいた測定装置を開示している。上記
各文献とも、測定中一定速度で走査されるマイケルソン
光学干渉計の一つのアームにある基準鏡について述べて
いる。数マイクロオーダーの測定解像度が報告されてい
る。このクラスの測定装置によって得られる究極の測定
解像度は、光学干渉計の基準アームの光路長を変化させ
る間に、如何に正確に走査速度の変化を最小にすること
が出来るかに掛かっている。また、この究極の測定解像
度は光検出器３２のデータ処理方法にも依存する。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】上記参考文献に報告さ
れているものは、その用例の中でそれなりに一定の成功
を収めている。しかし、高速生産にあって被測定体、例
えば走行するウエブそして／又は被覆の物理特性を測定
する高精度、小型、可搬、且つ堅牢な装置の需要は依然
として存在している。特に、液層及びウエブ材の厚さを
高速で測定するオンラインで使用可能な装置に対する需
要がある。

【００１８】本発明の目的は、ノンコヒーレント光を用
いた干渉分光法 (interferometry)に基づく装置に於い
て、定速制御の必要性を除くことである。本発明の他の
目的は、そうした装置に於いて、モータの復帰基準位置
の必要性を除くことである。本発明の更に他の目的は、
装置の双方向測定能力を可能にすることである。

【００１９】本発明の更に他の目的は、装置が生産現場
に設置されている間、長時間にわたって装置の較正の必
要性を無くすることである。本発明の更に他の目的は、
被測定体の物理特性を測定する装置及び方法を提供する
ことである。本発明の更に他の目的は、被測定体、例え
ば液層、自由落下する液層、固定した傾斜面を流下する
液層、又は移動する支持部材に被覆される液層等の厚さ
を測定する装置及び方法を提供することである。

【００２０】本発明の更に他の目的は、生産工程に於い
て静止及び移動するウエブ、及び静止又は移動するシー
ト材の厚さの均一性を測定する装置及び方法を提供する
ことである。本発明の更に他の目的は、静止又は移動す
る基盤の被覆層の厚さを測定する装置及び方法を提供す
ることである。

【００２１】本発明の更に他の目的は、液層の厚さ及び
液体の群屈折率を同時測定する装置及び方法を提供する
ことである。本発明の更に他の目的は、プローブの基準
表面から被測定体の表面までの距離を正確に測定するこ
とである。本発明の更に他の目的は、被測定体の延在部
にわたる表面のプロフィールを正確に測定することであ
る。

【００２２】これ等の目的は、例示のみによって与えら
れているものであり、従って、ここに開示の発明によっ
て本質的に達成されるその他の望ましい目的及び利点
は、当業者にとって明らかであろう。本発明は特許請求
の範囲の記載によって規定されるものである。

【００２３】

【課題を解決するための手段】本発明の一態様によれ
ば、被測定体の物理特性を決める装置が提供される。こ
の装置は第１及び第２光学干渉計を含んで構成される。
この第１光学干渉計はコヒーレント光を発する光源を備
え、変位を示すコヒーレント光の干渉信号形成に適応さ
れ、第２光学干渉計はノンコヒーレント光を発する光源
を備え、被測定体の物理特性を示すノンコヒーレント光
の干渉信号形成に適応される。第１及び第２光学干渉計
は共通可変光路遅延要素を共有するように機械的に組み
合わされる。この可変光路遅延要素は、被測定体の物理
特性を決定するのに十分な距離を変位することが出来
る。この装置は更に、前記可変光路遅延要素の変位の関
数としてコヒーレント光の干渉信号を測定する手段；前
記コヒーレント光の干渉信号利用して、前記可変光路遅
延要素の一定変位間隔毎にデータ採取用トリガ信号を発
生する手段；前記ノンコヒーレント光の干渉信号の振幅
を測定する手段；前記ノンコヒーレント光の干渉信号を
サンプリングするために前記データ採取用トリガ信号を
利用する手段；及びサンプリングされたノンコヒーレン
ト光の干渉信号から被測定体の物理特性を決定する手段
を含んで構成される。

【００２４】本発明の他の一態様によれば、この装置は
コヒーレント光信号を発するコヒーレント光源；このコ
ヒーレント光信号を第１及び第２光信号に分割する第１
分割手段；前記第１光信号を固定基準装置に印加し、こ
の第１光信号の一部が固定基準装置によって反射されて
基準信号を形成する第１光信号印加手段；前記第２光信
号を可変光路遅延要素に印加する第２光信号印加手段；
前記基準信号を収集する第１信号収集手段；ノンコヒー
レント光信号を発するノンコヒーレント光源；このノン
コヒーレント光信号を第３及び第４の光信号に分割する
第２分割手段；前記第３光信号の一部を被測定体に印加
し、この第３光信号の一部が被測定体によって反射され
て被測定体信号を形成する第３光信号印加手段；前記被
測定体信号を収集する第２信号収集手段；前記第４光信
号を可変光路遅延要素に印加し、前記第２光信号とこの
第４光信号の可変光路遅延要素への印加によって、それ
ぞれ第１及び第２遅延信号を形成する第４光信号印加手
段；前記第１遅延信号を収集する第３信号収集手段；前
記第２遅延信号を収集する第４信号収集手段；被測定体
の物理特性を決定するのに十分な距離を移動出来る前記
可変光路遅延要素と機械的に組み合わされ、この可変光
路遅延要素の変位の関数として前記第２光信号と前記第
４光信号の光路長を変化させるように可変光路遅延要素
を変位させる作動手段；前記第１遅延信号と基準信号と
を結合して、コヒーレント光の干渉信号を形成する第１
加算手段；前記被測定体信号と第２遅延信号とを結合し
て、ノンコヒーレント光の干渉信号を形成する第２加算
手段；前記可変光路遅延手段の変位の関数として、前記
コヒーレント光の干渉信号の振幅を測定する第１検出手
段；前記コヒーレント光の干渉信号の周期性に基づいて
可変光路遅延要素の一定変位間隔毎にデータ採取用トリ
ガ信号を発生する手段；前記ノンコヒーレント光の干渉
信号の振幅を測定する第２検出手段；前記データ採取用
トリガ信号を用いて前記第２検出手段をサンプリングす
る手段；及び前記第２検出手段のサンプリング結果から
被測定体の物理特性を決定する手段を含んで構成されて
いる。

【００２５】本発明のさらに他の一態様によれば、この
装置はコヒーレント光信号を発するコヒーレント光源；
このコヒーレント光信号を第１及び第２光信号に分割す
る第１分割手段；前記第１光信号を第１固定基準装置に
印加し、この第１光信号の一部がこの第１固定基準装置
によって反射されて第１基準信号を形成する第１光信号
印加手段；前記第１基準信号を収集する第１信号収集手
段；ノンコヒーレント光信号を発するノンコヒーレント
光源；このノンコヒーレント光信号の一部を被測定体に
印加し、そこから反射された信号によって被測定体信号
を形成する第２光信号印加手段；この被測定体信号を収
集する第２信号収集手段；この被測定体信号を第３及び
第４の光信号に分割する第２分割手段；前記第３光信号
を第２固定基準装置に印加し、この第３光信号の一部が
第２固定基準装置によって反射されて第２基準信号を形
成する第３光信号印加手段；前記第２基準信号を収集す
る第３信号収集手段；前記第２光信号を可変光路遅延要
素に印加する第４光信号印加手段；前記第２及び第４光
信号の可変光路遅延要素への印加が、それぞれ第１及び
第２遅延信号を形成するように第２及び第４光信号の光
路長を変化させる可変光路遅延要素に対し第４信号を印
加する第５光信号印加手段；前記第１遅延信号を収集す
る第４信号収集手段；前記第２遅延信号を収集する第５
信号収集手段；被測定体の物理特性を決定するのに十分
な距離を移動出来る前記可変光路遅延要素と機械的に組
み合わされ、可変光路遅延要素の変位の関数として前記
第２光信号と前記第４光信号の光路長を変化させるよう
に可変光路遅延要素を変位させる作動手段；前記第１遅
延信号と基準信号とを結合して、コヒーレント光の干渉
信号を形成する第１加算手段；前記第２遅延信号と前記
第２基準信号を結合して、ノンコヒーレント光の干渉信
号を形成する第２加算手段；前記可変光路遅延手段の変
位の関数として前記コヒーレント光の干渉信号の振幅を
測定する第１検出手段；前記ノンコヒーレント光の干渉
信号の振幅を測定する第２検出手段；前記コヒーレント
光の干渉信号の周期性に基づいて可変光路遅延要素の一
定変位間隔毎にデータ採取用トリガ信号を発生する手
段；前記データ採取用トリガ信号を用いて前記第２検出
手段をサンプリングする手段；及び前記第２検出手段の
サンプリング結果から被測定体の物理特性を決定する手
段を含んで構成されている。

【００２６】本発明の更に他の態様によれば、被測定体
の物理特性を決定する方法が提供される。この方法は、
コヒーレント光を発するコヒーレント光源を備え、コヒ
ーレント光の干渉信号を形成する第１光学干渉計と、ノ
ンコヒーレント光を発するノンコヒーレント光源を備
え、被測定体の物理特性を示すノンコヒーレント光の干
渉信号を形成する第２光学干渉計とを、共通可変光路遅
延要素を共有するように機械的に組み合わせる過程；前
記可変光路遅延要素を被測定体の物理特性を決定するの
に十分な距離を変位させ、第１の光学干渉計がコヒーレ
ント光源を有しコヒーレント光干渉信号を形成する過
程；前記可変光路遅延要素の変位の関数として前記コヒ
ーレント光の干渉信号の振幅を測定する過程；前記コヒ
ーレント光の干渉信号の周期性を利用して、前記可変光
路遅延要素の一定変位間隔毎にデータ採取用トリガ信号
を発生させ、第２の光学干渉計がノンコヒーレント光源
を有し被測定体の物理特性を表わすノンコヒーレント光
干渉信号を形成する過程；前記ノンコヒーレント光の干
渉信号の振幅を測定する過程；前記発生されたデータ採
取用トリガ信号を用いて、ノンコヒーレント光の振幅を
サンプリングする過程；及びこのノンコヒーレント光の
干渉信号のサンプリング結果から被測定体の物理特性を
決定する過程を含んでいる。

【００２７】本発明の更に他の態様によれば、被測定体
の物理特性を決定する方法が提供される。この方法は、
コヒーレント光を発するコヒーレント光源を用意する過
程；前記コヒーレント光信号を第１及び第２光信号に分
割する過程；前記第１光信号を固定基準装置に印加し、
この第１光信号の一部が固定基準装置によって反射され
て基準信号を形成する過程；前記第２光信号を可変光路
遅延要素に印加して、第１遅延信号を形成する過程；前
記基準信号を収集する過程；ノンコヒーレント光を発す
るノンコヒーレント光源を用意する過程；このノンコヒ
ーレント光信号を第３及び第４の光信号に分割する過
程；前記第３光信号の一部を被測定体に印加し、この第
３光信号の一部が被測定体によって反射されて被測定体
信号を形成する過程；前記被測定体信号を収集する過
程；前記第４光信号を可変光路遅延要素に印加し、第２
遅延信号を形成する過程；前記第１遅延信号を収集する
過程；前記第２遅延信号を収集する過程；被測定体の物
理特性を決定するのに十分な距離を移動出来る可変光路
遅延要素を変位させ、この変位の関数として前記第２光
信号と前記第４光信号の光路長を変化させる過程；前記
第１遅延信号と基準信号とを結合して、コヒーレント光
の干渉信号を形成する過程；前記被測定体信号と第２遅
延信号とを結合して、ノンコヒーレント光の干渉信号を
形成する過程；前記可変光路遅延手段の変位の関数とし
て、前記コヒーレント光の干渉信号の振幅を測定する過
程；前記コヒーレント光の干渉信号の周期性に基づいて
可変光路遅延要素の一定変位間隔毎にデータ採取用トリ
ガ信号を発生する過程；前記ノンコヒーレント光の干渉
信号の振幅を測定する過程；前記データ採取用トリガ信
号を用いて前記第２検出手段をサンプリングする過程；
及び前記第２検出手段のサンプリング結果から被測定体
の物理特性を決定する過程を含んでいる。

【００２８】本発明の更に他の態様によれば、被測定体
の物理特性を決定する方法が提供される。この方法は、
コヒーレント光を発するコヒーレント光源を用意する過
程；前記コヒーレント光信号を第１及び第２光信号に分
割する過程；前記第１光信号を第１固定基準装置に印加
し、この第１光信号の一部が第１固定基準装置によって
反射されて第１基準信号を形成する過程；前記第１基準
信号を収集する過程；被測定体の物理特性を示すノンコ
ヒーレント光信号を発生するノンコヒーレント光源を用
意する過程；このノンコヒーレント信号の一部を被測定
体に印加し、ノンコヒーレント信号の一部が被測定体か
ら反射されて被測定体信号を形成する過程；この被測定
体信号を収集する過程；この被測定体信号を第３及び第
４の光信号に分割する過程；前記第３光信号を第２固定
基準装置に印加し、この第３光信号の一部が第２固定基
準装置によって反射されて第２基準信号を形成する過
程；前記第２基準信号を収集する過程；前記第２光信号
を可変光路遅延要素に印加し、第１遅延信号を形成する
過程；前記第４光信号を、第２及び第４光信号の光路長
を変化させる可変光路遅延要素に印加し、第２遅延信号
を形成する過程；前記第１遅延信号を収集する過程；前
記第２遅延信号を収集する過程；被測定体の物理特性を
決定するのに十分な距離を移動出来る可変光路遅延要素
を変位させ、この変位の関数として前記第２光信号と前
記第４光信号の光路長を変化させる過程；前記第１遅延
信号と第１基準信号とを結合して、コヒーレント光の干
渉信号を形成する過程；前記第２遅延信号と第２基準信
号とを結合して、ノンコヒーレント光の干渉信号を形成
する過程；前記可変光路遅延手段の変位の関数として、
前記コヒーレント光の干渉信号の振幅を測定する過程；
前記ノンコヒーレント光信号の振幅を測定する過程；前
記コヒーレント光の干渉信号の周期性に基づいて可変光
路遅延要素の一定変位間隔毎にデータ採取用トリガ信号
を発生する過程；前記データ採取用トリガ信号を用いて
前記第２検出手段をサンプリングする過程；及び前記第
２検出手段のサンプリング結果から被測定体の物理特性
を決定する過程を含んでいる。

【００２９】本発明の更に他の態様によれば、被測定体
の物理特性を決定する方法が提供される。この方法は、
コヒーレント光源を備え、コヒーレント光の干渉信号形
成に適応する第１光学干渉計を用意する過程；ノンコヒ
ーレント光源を備え、被測定体の物理特性を示すノンコ
ヒーレント光の干渉信号形成に適応し、共通可変光路遅
延要素を共有するように前記第１光学干渉計と組み合わ
される第２光学干渉計を用意する過程；コヒーレント光
の干渉信号及びノンコヒーレント光の干渉信号を連続的
に監視する過程；共通可変光路遅延要素を第１方向に変
位させる過程；前記コヒーレント光の干渉信号に基づい
て、データ採取用トリガ信号を発生させる過程；前記デ
ータ採取用トリガ信号を用いて前記ノンコヒーレント光
の干渉信号をサンプリングする過程；このサンプリング
したノンコヒーレント光の干渉信号をディジタル化する
過程；このサンプリングされ、ディジタル化されたノン
コヒーレント光の干渉信号をデータアレイに記憶する過
程；前記共通可変光路遅延要素を前記第１方向とは異な
る第２方向に変位させる過程；前記コヒーレント光の干
渉信号に基づいて、データ採取用トリガ信号を発生させ
る過程；前記データ採取用トリガ信号を用いて前記ノン
コヒーレント光の干渉信号をサンプリングする過程；こ
のサンプリングしたノンコヒーレント光の干渉信号をデ
ィジタル化する過程；このサンプリングされ、ディジタ
ル化されたノンコヒーレント光の干渉信号をデータアレ
イに記憶する過程；及びこの記憶したデータアレイを分
析して被測定体の物理特性を決定する過程を含んでい
る。

【００３０】本発明の更に他の態様によれば、被測定体
の物理特性を決定する方法が提供される。この方法は、
コヒーレント光源を備え、コヒーレント光の干渉信号形
成に適応する第１光学干渉計を用意する過程；ノンコヒ
ーレント光源を備え、被測定体の物理特性を示すノンコ
ヒーレント光の干渉信号形成に適応し、共通可変光路遅
延要素を共有するように、前記第１光学干渉計と組み合
わされる第２光学干渉計を用意する過程；測定時間を決
定する過程；コヒーレント光の干渉信号及びノンコヒー
レント光の干渉信号を連続的に監視する過程；共通可変
光路遅延要素を変位させる過程；前記コヒーレント光の
干渉信号に基づいて、データ採取用トリガ信号を発生さ
せる過程；前記データ採取用トリガ信号を用いて前記ノ
ンコヒーレント光の干渉信号をサンプリングする過程；
このサンプリングしたノンコヒーレント光の干渉信号を
ディジタル化する過程；このサンプリングされ、ディジ
タル化されたノンコヒーレント光の干渉信号をデータア
レイに記憶する過程；及びこの記憶したデータアレイを
分析する過程を含んでいる。

【００３１】本発明は複式光学干渉分光技術をその基礎
としている。本発明は、例えば製造過程にあるウエブ
や、被覆層の厚さを測定するための堅牢で高精度な非接
触測定装置に関する。この装置は小型、軽量、持ち運び
可能、且つ設置が容易な装置である。また、装置は速や
かな応答時間と、横方向の高解像度を備えている。更
に、装置は環境温度の高低に依らず、また溶剤、空気の
流れ、種々のレベルの相対湿度が存在する環境にあって
も容易に設置することが可能である。装置は最小時間で
製造工程の流れの中でその能力評価を行う能力を提供す
るので、製造工程が改善されたか否かを短時間の内に理
解出来る。事実、光学プローブを取り付けるブラッケト
を生産機械の適当な位置を選択して設けさえすれば、製
造現場で短時間にセットすることが可能である。装置を
製造現場に適切にセットし、配列しさえすれば、装置は
その後再調整を要せずに、長期間に渡って精度の高い測
定を行うことが出来る。装置は自己較正型であり、この
較正はコヒーレント光を発する光源の波長の安定性に基
礎を置いている。装置の可搬性が高いことによって、製
造品質上の問題に対処する処理活動を短時間に行うこと
が可能になる。

【００３２】本発明によれば、被測定体の厚さ、群屈折
率、基準面までの距離を連続的に測定することが可能で
ある。半透明、或いは感光性液体の液層の厚み測定を製
造過程に影響を与えることなくリアルタイムで実施する
ことが可能である。この場合、液体は静止していても、
又は流動していてもよく、例えば自由落下している液
体、水平面を流れる液体、曲面に沿って流れる液体、斜
面を流下する液体であってもよい。静止又は移動する半
透明材料（例えば、シート状又はウエブ状材料）の厚み
をノンコヒーレント光源の波長に於いて、測定すること
が出来る。更に、基板に塗布した液層に関しても、その
厚さ測定が可能である。更にまた、多層構造のウエブ又
は被覆したウエブの各層の厚さ測定も可能である。

【００３３】

【発明の実施の形態】先に述べた、本発明の目的、特
徴、及び利点、並びにその他の目的、特供、及び利点
は、添付図面に示す本発明の好適実施例に関する以下の
より詳細な説明から明らかになるだろう。以下、図面を
参照して本発明の好適実施例について述べるが、幾つか
の図では同一参照番号を同一構成要素を示すのに使用し
ている。

【００３４】本発明は、共通可変光路遅延要素を共有す
るように組み合わせたノンコヒーレント光学干渉計と、
コヒーレント光学干渉計とから構成された装置に関する
ものであり、また、本発明は被測定体の物理特性を測定
する方法に関するものである。図４は本発明による一実
施例を示し、この例では複式光学干渉計装置５２は、ノ
ンコヒーレント光学干渉計５３と、コヒーレント光学干
渉計５５とから構成されている。コヒーレント光学干渉
計５５はコヒーレント光源４２を含み、この光源はHeNe
レーザ光源、又は長い可干渉距離を持つその他の光源で
あることが好ましい（以下、コヒーレント光源４２はレ
ーザ４２と呼称し、コヒーレント光学干渉計５５をレー
ザ光学干渉計５５と呼称する）。また、このレーザ光学
干渉計５５はビームスプリッター４４、再帰反射器４
６、４８、及び光検出器５０を含んでいる。同様に、ノ
ンコヒーレント光学干渉計５３は、ノンコヒーレント光
源１４、光ファイバー１６、光カプラ１８、光ファイバ
ー２０、２２、光信号印加・収集手段２４、コリメイテ
ィング光信号印加・収集手段２６、光検出器３２、及び
光ファイバー３４を含んでいる。

【００３５】複式光学干渉計装置５２に於いて、二つの
光学干渉計５３、５５は、それぞれのリファレンスブラ
ンチで共通可変光路遅延要素５４を共有している。この
可変光路遅延要素５４は再帰反射器４８と、この再帰反
射器４８の一部分に取り付けられた鏡５６の様な光学要
素を含んで構成されている。モータ３０は可変光路遅延
要素５４の光路長を変化させるのに使用される。モータ
３０の運動は、従来型コーンスピーカーに使用されてい
るものと同じボイスコイル・マグネット構造を含む電気
モータによって行われ、鏡及びコイル用に適当にしなや
かな懸垂部材 (compliant suspension) が設けられてい
る。再帰反射器４８と鏡５６は一緒に取り付けられ、矢
印Ａで示す方向に正確な動きを示すようにモータ３０に
より制御される。鏡５６は再帰反射器４８の一部に固定
されるから、可変光路遅延要素５４が移動すると、両者
は同じ距離を移動する。従って、レーザ光学干渉計５５
とノンコヒーレント光学干渉計５３の光路遅延は、可変
光路遅延要素５４（鏡は再帰反射器４８に載置）が図４
に図示の矢印Ａ方向に動く大きさと同じ大きさで同時に
変化する。

【００３６】図４に図示の複式光学干渉計装置５２を、
以後標準モード装置５２と呼ぶことにする。標準モード
装置５２に於いて、レーザ光学干渉計５５はノンコヒー
レント光学干渉計５３と組み合わせて使用される。レー
ザ光学干渉計５５の目的は、可変光路遅延要素５４の移
動距離を正確に測定すること、及び特定の一定距離間隔
でノンコヒーレント光学干渉計５３から検出された信号
振幅をサンプリングするための一定距離間隔毎にデータ
採取用トリガ信号を用意することにある。ノンコヒーレ
ント光の信号振幅は一定距離間隔でサンプリングされ、
次いでコンピュータ解析を受ける。レーザ光学干渉計５
５を用いて可変光路遅延要素５４の位置を測定すること
によって、モータ３０（従って、可変光路遅延要素５
４）の速度を正確に制御する必要がなくなる。こうし
て、モータ速度に関する情報は、本発明の動作にとって
重要なものとはならなくなる。モータ３０の駆動には、
普通のモータ駆動信号（正弦波、鋸歯状波、又は任意の
波形等）を使用することが出来る。更に、標準モード装
置５２はモータ移動の加速及び減速領域（図２の速度対
時間のグラフ参照）にある間も作動可能だから、これま
でモータの一定速度制御に用いた原点基準位置ｅのよう
な既知の外部モータ基準位置の必要がなくなる。

【００３７】標準モード装置５２は被測定体５２の物理
特性を決定するために使用される。標準モード装置５２
に於いて、レーザ４２は平行コヒーレント光信号を放射
する。この放射信号はビームスプリッタ４４によってほ
ぼ同じ強度の第１及び第２光信号に分離される。第１信
号は固定的に取り付けた再帰反射器４６に入射する。第
２光信号は共通可変光路遅延要素５４の再帰反射器４８
に入射する。第１及び第２の光信号は再帰反射されてビ
ームスプリッタ４４に戻され、そこで集光、再結合、そ
して相互に干渉する。この干渉信号は検出器５０によっ
て検出される。ここで、第１光信号の再帰反射された部
分を基準信号と称し、第２光信号の再帰反射された部分
は第１遅延信号と呼ぶことにする。

【００３８】更に図４に於いて、ノンコヒーレント光源
１４は、光カプラ１８の一つのアームを含むシングルモ
ード光ファイバー１６に結合するノンコヒーレント光信
号を放射する。この光源１４は、発光ダイオード(LED)
、広帯域タングステンハロゲンランプ、赤外線グロー
バー、或いはその他の非単色光源であってもよい。好ま
しい光源１４としては発光ダイオードであるから、以
後、光源１４をLED １４と言うことにする。当業者のよ
く知るように、 LEDのシングルモード光ファイバーへの
結合は、 LED−ファイバーピグテール、又はレンズ−コ
ネクターアセンブリ（図示せず）の何れかによって行わ
れる。光カプラ１８は、シングルモード光ファイバー１
６に沿って伝搬して来るLED １４からのノンコヒーレン
ト光信号を、それぞれシングルモード光ファイバー２０
及び２２を伝搬する第３及び第４の光信号に実質的に等
しく分ける。シングルモード光ファイバー２０に沿って
伝搬する第３の光信号は、光信号印加・収集手段２４に
入射する。この光信号印加・収集手段２４は光ファイバ
ーコネクタ、或いはコネクタ−レンズアセンブリの何れ
かであればよい。第３の光信号は光信号印加・収集手段
２４によって被測定体２５に向けられる。第３光信号の
一部は被測定体２５で反射し、光信号印加・収集手段２
４に戻されシングルモード光ファイバー２０に結合され
る。この信号を被測定体信号と呼ぶことにする。シング
ルモード光ファイバー２２に沿って伝搬する第４の光信
号は、この信号を平行光にするコリメーティング光信号
印加・収集手段２６に入射する。このコリメーティング
光信号印加・収集手段２６は光ファイバーコネクタ、或
いはコネクタ−レンズアセンブリの何れかであればよ
い。コリメーティング光信号印加・収集手段２６は、共
通可変光路遅延要素５４の再帰反射器４８に取り付けた
鏡５６に第４の光信号を与える。この第４光信号の一部
は、鏡５６に反射して、コリメーティング光信号印加・
収集手段２６に戻され、シングルモード光ファイバー２
２に戻って結合される。この信号を第２遅延信号と呼ぶ
ことにする。

【００３９】動作時には、それぞれシングルモード光フ
ァイバー２０及び２２に沿って伝搬する第３及び第４の
光信号は、反射されて光カプラ１８に（それぞれ被測定
体信号及び第２遅延信号として）戻され、そこで再結合
し、相互に干渉する。再結合した被測定体信号と第２遅
延信号の一部はシングルモード光ファイバー３４によっ
て光検出器３２に向けられる。当業者のよく知るよう
に、光ファイバー−光検出器の結合は、光ファイバーピ
グテール、或いはコネクタ−レンズアセンブリ（図示せ
ず）の何れかによって行われる。光検出器３２に向けら
れたこの光信号をノンコヒーレント光学干渉計検出器信
号Ｊと呼ぶことにする。

【００４０】標準モード装置５２のノンコヒーレント光
学干渉計５３は４つのブランチ、即ちノンコヒーレント
光源ブランチ、被測定体ブランチ、リファレンスブラン
チ、並びに検出ブランチを含んで構成されている。これ
らのブランチは、先のノンコヒーレント光学干渉計１０
に関する記載の中で定義したものである。検出器３２に
於いて互いに強め合う干渉が起こるようにするために
は、ノンコヒーレント光学干渉計５３の被測定体ブラン
チとリファレンスブランチの光路長が、LED １４の僅か
な可干渉距離内で等しくなければならない。

【００４１】以上述べたように、標準モード装置５２で
は、コヒーレント光学干渉計５５とノンコヒーレント光
学干渉計５３は共通可変光路遅延要素５４を共有するこ
とによって協働する。モータ３０が再帰反射器４０及び
鏡５６を矢印Ａ方向に移動させると、二つの光学干渉計
５３及び５５のそれぞれのリファレンスブランチの光路
長は同じ大きさで変化する。図４に示すように、可変光
路遅延要素５４の変位（又は、振動）は直線的である。
再帰反射器４８及び鏡５６にそれぞれ第２光信号及び第
４光信号を与えることによって、第１及び第２遅延信号
がそれぞれ発生する。これらの遅延信号はビームスプリ
ッター４４及びコリメーティング光信号印加・収集手段
２６によってそれぞれ収集される。ビームスプリッタ４
４は第１遅延信号とリファレンス信号を結合してコヒー
レント光学干渉計信号を形成する。動作中、移動可能な
共通可変光路遅延要素５４が移動し得る距離は、そのと
きの被測定体の適用状態及び特性に依存するが、この距
離は被測定体２５の物理特性を決定するのに十分なもの
でなければならない。

【００４２】被測定体２５は液体、或いは個体であって
もよく、またそれが単層、或いは複数の層からなってい
てもよい。測定に適した被測定体は、被測定体に入射す
る光信号に対しほぼ直角に対向する少なくとも一つの表
面を備えていることが必要である。厚さ測定に供される
被測定体は、ノンコヒーレント光源の中心波長におい
て、好ましくは４．０以下（更に好ましくは、２．０以
下）の光学濃度を有し、且つ各層間にほぼ並行（好まし
くは数度以内）な光学的界面を備えているのがよい。説
明を簡単にするために、ここでは被測定体２５が単層の
個体又は液体とする。従って、被測定体は二つの表面、
即ち第１表面（又は前面）及び第２表面（又は背面）を
有する。

【００４３】図５、図６、及び図７は、標準モード装置
５２に代わる幾つかの構成を示している。図５は、共通
可変光路遅延要素５４に代わる共通可変光路遅延要素５
４'を備えた標準モード装置５２' を示している。この
共通可変光路遅延要素５４'は、コリメーティング光信
号印加・収集手段２６が再帰反射器４８及びビームスプ
リッタ４４が形成する軸に沿う位置には存在しないよう
に再帰反射器４８から延びる鏡５６' を含んでいる。再
帰反射器４８と鏡５６' は、モータ３０によって一緒に
移動するように設置される。鏡５６' に対するこの代わ
りの位置決めによって、コリメーティング光信号印加・
収集手段２６の設置に際し選択性が生まれ、設置が容易
になる。

【００４４】図６は、共通可変光路遅延要素５４に代わ
る共通可変光路遅延要素５４''を備えた標準モード装置
５２''を示している。この実施例では、共通可変光路遅
延要素５４''は再帰反射器４８、鏡５６''、及び取付手
段５８を含んでいる。再帰反射器４８はレーザ光学干渉
計５５の光路長を変化させ、一方、鏡５６''はノンコヒ
ーレント光学干渉計５３の光路長を変化させる。再帰反
射器４８と鏡５６''は取付手段５８によって互いに対向
するようにして一緒に取付けられる。この実施例では、
レーザ光学干渉計５５のリファレンスブランチの光路長
が増すと、ノンコヒーレント光学干渉計５３のリファレ
ンスブランチの光路長は同じ量だけ減少する。逆に、レ
ーザ光学干渉計５５のリファレンスブランチの光路長が
減少すると、ノンコヒーレント光学干渉計５３のリファ
レンスブランチの光路長は同じ量だけ増加する。

【００４５】図７は、共通可変光路遅延要素５４に代わ
る共通可変光路遅延要素５４''' を備えた標準モード装
置５２''' を示している。この実施例では、第４の光信
号は、再帰反射器４８に入射され、鏡５６''' によって
再帰反射器４８に戻されるように、光ファイバー２２に
よってコリメーティング光信号印加・収集手段２６に結
合される。鏡５６''' はその反射面が再帰反射器４８に
対向するうように再帰反射器４８の一部に取り付けられ
る。この実施例は、コリメーティング光信号印加・収集
手段２６の取り付け方にもう一つの選択性を与える。当
業者には、再帰反射器４８及び鏡５６の取り付け形態に
関し、更に他の形態が可能だということは分かるだろ
う。

【００４６】測定原理 動作中、コヒーレント光学干渉計５５から来るコヒーレ
ント光干渉信号の周期性を利用して、一定距離間隔毎に
ノンコヒーレント光学干渉計から来るノンコヒーレント
光信号をサンプリングするためのデータ採取用トリガ信
号を用意する。光検出器５０によって検出されたコヒー
レント光干渉信号は次の関係式によって与えられる。

【００４７】

【数１】

【００４８】ここで、 ｘ ：基準位置ｘ₀ に対する再帰反射器４８の位置 I(x)：位置ｘに於ける検出器信号 I _S ：コヒーレント光学干渉計５５の固定ブランチの信
号強度 I _R ：コヒーレント光学干渉計５５のリファレンスブラ
ンチの信号強度 λ ：レーザ４２の波長 である。

【００４９】図８は、波長６３２．９９１nmの HeNe シ
ングルモードレーザを使用したときの、基準位置ｘ₀ に
対する再帰反射器４８の位置ｘの関数として正規化され
た光検出器５０の信号I(x)を示すグラフである。検出器
５０の信号Ｉは電子処理装置にＡＣ（容量）結合され
る。この電子処理装置はレーザコヒーレント容量結合信
号の各サイクル毎に、各ゼロ点又は幾つか（即ち、１以
上）のその他の再生可能位置と交差する度に負になるデ
ータ採取用トリガパルスを発生する。このデータ採取用
トリガパルスは一定距離間隔毎にノンコヒーレント光学
干渉計信号Ｊをサンプリングするのに利用される。デー
タ採取用トリガパルスすべてを利用したときのサンプリ
ング距離間隔はλ_C / ４となる。より小さなサンプリン
グ間隔が望ましい場合には、検出器５０を一対の検出器
に分割し（図示せず）、その一方を９０°位相を遅らせ
て光路の一つに挿入することが可能である。その場合、
一対の検出器から来る信号は、上述のものと同じもう一
つの電子処理装置に送られる。二つの信号がＯＲゲート
を使って結合すれば、サンプリング間隔λ_C / ８のデー
タ採取用トリガパルスの利用が可能になる。データ採取
用トリガパルスの数を或る倍数ｎλ_C / ４（ここでｎは
小さい整数）に減少させるためにｎ−分割回路を含むこ
とも可能である。図９は、ＡＣ結合信号の例を、各ゼロ
点交差毎に発生されるデータ採取用トリガパルスと共に
示した図である。ヒステリシス性の比較器を利用して、
コヒーレント光信号の各サイクル毎にゼロ点交差以外の
幾つかの点でデータ採取用トリガパルスを得ることが出
来る。

【００５０】部分コヒーレント光の干渉については、
B.E.A Saleh, M.C. Teich共著の "Fundamentals of Pho
tonics" John Wiley & Sons, INc., NY, 1991, pages 3
60-366 で論ぜられている。ここでは、ノンコヒーレン
ト光学干渉計５３の LED１４は、部分コヒーレント光源
と考えられている。部分コヒーレント光ビームが干渉す
るとき、光検出器によって検出されるノンコヒーレント
光学干渉計検出信号Ｊは、次の関係式によって与えられ
る。

【００５１】

【数２】

【００５２】ここで、 ｘ ：基準位置ｘ₀ に対する再帰反射器４８の位置 Ｊ(x) ：位置ｘの関数としてのノンコヒーレント光学干
渉計検出器信号 Ｊ_O ：ノンコヒーレント光学干渉計５３の被測定体ブ
ランチの信号強度 Ｊ_R ：ノンコヒーレント光学干渉計５３のリファレン
スブランチの信号強度 ｇ_Sr(x) ：正規化相互干渉関数 ψ(x) ：二つの信号強度、即ちＪ_S 、Ｊ_R 間の位相差 である。

【００５３】LED 光源に対し、干渉関数ｇ_SR(x) はｘの
ガウス関数である。各インタフェースに対する相互干渉
の位置は、ノンコヒーレント光の干渉信号に於ける中央
最大値の位置として定義される。被測定体ブランチ及び
リファレンスブランチからの光信号が相互に位置ｘ_P で
干渉する場合、上記式（２）の第３項（干渉信号と呼
ぶ）は次のように書くことが出来る。

【００５４】

【数３】

【００５５】 Ｓ(x) ：式（２）からの干渉信号 Ｊ_S ：検出器３２に於けるノンコヒーレント光学干渉
計５３の最大検出信号強度； ｋ ：光源の可干渉距離に関する常数 ｘ_P ：最大の強め合う干渉が起こる位置を示し、ノン
コヒーレント光学干渉計５３の被測定体ブランチ及びリ
ファレンスブランチの光路長が等しくなる被測定体２５
の光学的インタフェースに対応する再帰反射器４８の位
置として定義される ｘ ：再帰反射器４８のｘ座標 λ_N ：ノンコヒーレント光源である LED１４の中心波
長 である。

【００５６】ノンコヒーレント光源である LED１４の光
源可干渉距離は次の関係式によって与えられる。

【００５７】

【数４】

【００５８】ここで、 Ｌ_C ：LED 光源の可干渉距離 Δλ_N ：ノンコヒーレント光源である LED１４の帯域幅 である。可干渉距離は、式（３）に於けるガウス関数の
最大値の半分に於ける全幅を定義する。ｘ−ｘ_P ＝Ｌ_C
/ ２の時、正規化されたガウス関数は１／２に等しい。
この関係を満たすｋの値は：

【００５９】

【数５】

【００６０】である。例えば、波長１３００nm、帯域幅
６０nmの LED光源に対する可干渉距離は１２．４２９μ
m 、ｋ＝１．７９４７４７ｘ１０¹⁰/ ｍ² と計算され
る。信号処理及びデータ整理 データサンプリングに関する上記の議論を被測定体２５
の物理特性の決定に結び付けるためにサンプリングされ
たデータセットの処理及びデータ整理について検討す
る。この検討に当たって、データは連続的に採取され、
モータ３０の位置変化は単調に行われるものとする。ま
た、位置ｘ_P は被測定体中で光学的インタフェースが存
在する位置と定義する。データは一定の距離間隔毎にサ
ンプリングされるから、この光学的インタフェースの真
の位置は、一般にデータ採取点のどの位置に於いても存
在するわけではない。生産環境、又は産業的環境では、
各種の機械的、或いは電気的ノイズ源が存在しており、
これらのノイズ源は測定の精度を下げる可能性を有して
いる。そこで、本発明の特質の一つは、ノイズの存在す
る中でサンプリングされたデータを使って高精度に光学
的インタフェースの中心位置ｘ_P を定めることにある。

【００６１】本発明では、多くの技法によってデータ解
析が可能なサンプリングが一定距離間隔毎に行われる。
信号処理及びデータ解析の主目的は、ノイズの存在下に
あって被測定体２５の光学的インタフェースの真の位置
を定めることにある。従って、このことは、前述の式
（３）の干渉項Ｓ(x) の真の位置ｘ_P を数学的に定める
ことに帰する。

【００６２】

【数６】

【００６３】ここで、 Ｓ(x_i ) ：ノンコヒーレント光学干渉計５３のサンプル
された振幅 ｘ_i ：サンプルされたデータの位置 Ｊ_S ：検出器３２に検出されたノンコヒーレント光
学干渉計の最大信号強度 λ_N ：ノンコヒーレント光源であるLED １４の中心
波長 φ_O ：位相角 NOISE ：ノイズ項 である。

【００６４】サンプリングが中心最大値ｘ_P の正確な位
置の周りで対称的に行われることは滅多にはないため、
位相角φ_O が含まれる。図１０は、帯域幅６０nm、波長
１３００nmの LED光源を用いて、サンプリング間隔を６
３２．９１nm HeNe レーザのλ_C / ４としたとき、 NOI
SE＝０、ｘ_P ＝０、φ_O ＝０ラジアンとして、式（６）
から計算したｘの関数としてのＳ(x_i ) を示している。
これとは対照的に、図１１は同じ光源、同じサンプリン
グ間隔を用い、 NOISE＝０、ｘ_P ＝０、φ_O ＝０．５ラ
ジアンとしたときの、式（６）から計算したｘの関数と
してのＳ(x_i )を示している。図１０と図１１を比較す
るとき、データ解析の特性は、最大値を中心として対称
的にはサンプルされず、典型的にはノイズの存在下でサ
ンプルされるデータセットからガウス包絡線の真の中心
位置を決めることにある。

【００６５】ランダムノイズ NOISEＲは次のように定義
される。

【００６６】

【数７】

【００６７】ここで、 noise ：ノイズレベル常数 RANDOM：０と１との間のランダム数 である。例えば、図１２は、レベル１のノイズの存在す
るところで、HeNeレーザ及び波長１３００nm、帯域幅６
０nmの LED光源を有する装置を用いて、光学的インタフ
ェースをサンプリング間隔λ_C ／４でサンプリングして
採取したデータを示している。

【００６８】この様なインターフェログラム解析の一手
法を説明する。先ず、Ｓ(x_i ) の絶対値を計算する。次
いで、以下の関係式によって与えられるｍ点のガウス加
重平均を求める。

【００６９】

【数８】

【００７０】ここで、 ｍ ：−ｑ／２から＋ｑ／２の範囲にある係数 ｑ＋１：合計する点の数 Δｘ ：サンプリング間隔 ｚ ：ガウスフィルター常数 である。

【００７１】図１３は、ｚ＝０．０６、ｑ＝３９点とし
たときの図１２に示したデータセットに対するＶ(x_i )
のプロットを示す。データセットの真の中心を見いだす
ために、Ｖ(x_i ) の最大値の位置を見出し、回帰分析を
利用して次式にピークの周りのデータセットを適合させ
る。

【００７２】

【数９】

【００７３】ここで、 Ａ ：振幅常数 ｘ_P ：計算によるインターフェログラムのピーク位置 である。この式（９）を用いて、ｘ_P の最適合値を決定
することが出来る。この技法によって、±０．３μm よ
り良い測定の反復性が得られた。例えば、図１４は６０
μm 厚の被測定体の測定で得られた典型的なインターフ
ェログラムであり、図１５は式（８）を用いて得た対応
するガウスウィンドウ包絡線の計算結果である。

【００７４】測定装置 図１６は本発明による完全な測定装置の好適実施例を示
す。この装置は標準モード装置５２（図４に図示）、制
御電子装置、及びコンピュータ化したデータ採取装置を
含んでいる。図１６に示す測定装置は、一定のサンプリ
ング距離間隔ｎλ_C / ４で、被測定体の物理パラメータ
の測定を行う。ここで、ｎは小さい整数、λ_C はコヒー
レント光源であるレーザ４２の波長を示す。

【００７５】先に、標準モード装置５２について述べた
ように、本発明による測定装置は共通可変光路遅延要素
５４を共有するコヒーレント光学干渉計５５及びノンコ
ヒーレント光学干渉計５３を含んでいる。好適な実施例
では、LED １４は、ピグテールによってシングルモード
光ファイバーに結合された帯域幅６０nm、波長１３００
nm、光学的パワーレベルが０．１−１０μw の LEDであ
る。シングルモード光ファイバーは、Corning 社の SMF
-28 クラスの光ファイバーであることが好ましい。LED
１４からの光信号は、２ｘ２光カプラ、例えば GOULD 5
0/50シングルモード光カプラによって第３及び第４の信
号に分割される。第３の光信号は被測定体２５に入射す
る。光検出器３２は GaAs 半導体ホトダイオードである
のが好ましい。レーザ４２はシングルモードの HeNe レ
ーザ、又は温度的に安定なシングルモードのダイオード
レーザ、例えば Laser Max MDL-200 675nmレーザダイオ
ードであるのが好ましい。ビームスプリッタ４４は１．
２５cm（１／２インチ）又は２．５cm（１．０インチ）
直径の立方形ビームスプリッタであるのが好ましい。ま
た再帰反射器４６及び４８はコーナーキューブ再帰反射
器、又は中空再帰反射器であるのが好ましい。光検出器
５０はシリコンホトダイオードであるのが好ましい。

【００７６】被測定体の前面から１−１５mmの距離内に
光ファイバープローブを位置させることが出来る場合に
は、被測定体２５に対し別の光カプラ（例えば、光信号
印加・収集手段２４）を必要としない。光の伝搬方向に
直角に切断したシングルモード光ファイバーの端面は、
ファイバー・空気インタフェースからの基準反射光を与
える光カプラとして使用することが出来る。反射光は同
じシングルモード光ファイバー２０によって、ノンコヒ
ーレント光学干渉計５３に戻されて結合する。プローブ
・空気インタフェースからの反射光を有することは、表
面輪郭調査への装置の適用時、また表面までの距離測定
が重要な場合への装置の適用時に特に有用である。

【００７７】結合光学系を利用する好適実施例の場合、
この結合光学系は日本板硝子社（NSG)製の SLW、直径３
mm、ピッチ０．１１、勾配係数 (GRIN) NA ．４６（軸
上）のレンズからオフセットして一緒の光学台に設けた
或る角度で切断したシングルモード光ファイバーからな
っている。この実施例では、光ファイバー・空気インタ
フェースに於ける基準反射を観測することはない。焦点
距離、焦点深度、及び視野角度は、上記角度切断した光
ファイバーとレンズの間の距離を変えることによって調
節される。オフセットを４．９mmとしたとき、焦点距離
は２５．５mm、焦点深度は２．２mm、視野角度は０．９
５度全幅半値（FWHM) となる。被測定体２５から反射さ
れた光は、同じ結合光学系によって戻されてノンコヒー
レント光学干渉計に結合する。

【００７８】可変光路遅延要素５４は、可動コイルスピ
ーカのダイアフラムコーンに取り付けたプリズム構造の
再帰反射器及びこの再帰反射器の一部に取り付けた鏡を
含んでいるのが好ましい。可動コイルスピーカの例とし
ては、 REALISTICの最大ピーク−ピークイクスカーショ
ン（peak-to-peak excursion) 約２０mmの８インチ（２
０cm）サブウーファがある。可動コイルスピーカの動き
はモータ３０、即ちスピーカのマグネット−コイルアセ
ンブリの動きによって制御される。スピーカのコーンが
動くと、コヒーレント光学干渉計及びノンコヒーレント
光学干渉計のリファレンスブランチの光路長は同じ量で
変化する。共通可変光路遅延要素５４の光路長は、関数
発生器及び電力増幅器を含み、スピーカコイルに対する
電流を制御するモータ駆動制御電子モジュール６０を用
いて変化させるのが好ましい。

【００７９】２ｘ２光カプラ１８を発して、シングルモ
ード光ファイバーを伝搬する第４の光信号は、コリメー
ティングレンズを使用することを除けば、上記した被測
定体と光学的に結合する手段と同様な、図６にコリメー
ティング光信号印加・収集手段として示したコリメーテ
ィングレンズによって平行光にされる。第２光信号（レ
ーザ４２から）が再帰反射器４８に入射する一方、第４
の光信号（LED １４から）は再帰反射器４８に取り付け
た鏡５６に入射する。反射されたノンコヒーレント光信
号はコリメーティング光信号印加・収集手段２６によっ
て収集される。シングルモード光ファイバー２２を通り
２ｘ２光カプラ１８に戻った後、結合されたノンコヒー
レント光信号は、シングルモード光ファイバー３４をと
って光検出器３２に結合する。光検出器３２のアナログ
出力は電子モジュール６２によって増幅及び濾過され、
コヒーレント光の干渉データ採取用トリガパルスを（後
述する）用いて一定距離間隔毎にディジタル化され、La
bWindows (National Insuturement 商標）環境で動作す
る National Instruments AT-MIO-16X, 16-bit,100KHz
データ採取ボード、又は EISA A-2000, 12-bit, 1MHzデ
ータ採取ボードを含むパーソナルコンピュータ等のコン
ピュータ装置によって解析される。次いで、ノンコヒー
レント光の干渉データは一定距離間隔毎にディジタル化
される。

【００８０】上述のように、光検出器５０の信号Ｉは信
号処理電子装置６６に入力され、そこで処理されてデー
タ採取用トリガパルスを発生する。光検出器信号ＩはＡ
Ｃ結合されて、レーザのコヒーレントＡＣ結合信号の各
サイクル毎にゼロ電圧交差又は幾つか（１以上）のその
他の再生可能な位置を検出する比較器に供給される。こ
の比較器の出力は一定の距離間隔毎に、負になるデータ
採取用トリガパルスを形成するのに使用される。この様
にして、レーザ光学干渉計５５は光検出器３２からの増
幅された信号のアナログ−ディジタル変換をトリガし、
上記のように一定距離間隔ｎλ_C / ４毎にディジタルデ
ータを用意するのに利用される。波長６３２．９９１nm
の HeNe のレーザーで、ｎ＝１とすれば０．１５８２５
μm の間隔でデータが得られる。

【００８１】典型的な動作に於いては、モータ３０は被
測定体２５の解析に必要な全振幅及び測定頻度に応じて
１〜１００Hzの正弦波によって駆動される。可動コイル
スピーカを組み入れた好適実施例では、可動コイルは光
学干渉計５３及び５５のリファレンスブランチに於ける
共通可変光路遅延要素５４の光路長を、被測定体２５の
物理特性を決定するのに十分な距離だけ、交互に単調増
加及び単調減少させる。興味ある物理特性が光学的厚さ
である場合には、可変光路遅延要素５４の移動距離は被
測定体２５の光学的厚さより大きくなければならない。
測定は可変光路遅延要素５４が何れかの方向に移動して
いる間可能である。従って、被測定体２５の厚さ測定は
可動コイルスピーカの各サイクル毎に２回行うことが出
来る。繰り返し波形によって可動コイルスピーカのコイ
ルを駆動すれば、多重測定サイクルが実施できる。この
解析では、モータの絶対位置を利用しないから、被測定
体の物理特性を定めるのに可動コイルスピーカ（即ちモ
ータ３０）の原点基準位置を必要としない。

【００８２】ノンコヒーレント光学干渉計５３の被測定
体ブランチとリファレンスブランチとの二つの光路長が
等しくなる位置は走査中心の近くにあるのが好ましい。
この様にするためには、光カプラ１８から被測定体２５
の第１表面（即ち、光信号印加・収集手段２４に最も近
い表面）までの光路長が、走査サイクルの間リファレン
スブランチ（ノンコヒーレント光学干渉計の）の最も短
い光路長より長くなければならない。更に、光カプラ１
８から被測定体２５の第２表面（即ち、光信号印加・収
集手段２４に最も遠い表面）までの光路長が、走査サイ
クルの間リファレンスブランチの最も長い光路長より短
くなければならない。

【００８３】図１７はピーク−ピーク振幅が約１．３５
mmの１０Hz正弦波モータ駆動周波数を使って得たデータ
を示している。この図１７に示すデータは、データ採取
測定サイクル（データ採取間の単位距離間隔毎に正規化
されている）の間に走査された全走査距離の関数として
のインターフェログラムの包絡線の絶対値（ｙ軸）であ
る。ここに示す被測定体２５は群屈折率１．４６０９、
厚さ６１３μm の光学的平坦ガラス板である。ピークは
相互干渉位置に於けるインターフェログラムのガウス包
絡線の最大値として定義される。最初の二つのピーク
（ガラス板の前後面からの反射による）は、可変光路遅
延要素５４が光路長を増加する間に得られる。第２及び
第３ピークの間の位置で、モータ３０は可変光路遅延要
素５４の運動方向を変える。被測定体２５の第２及び第
１表面それぞれから起こる第３及び第４ピークは、光学
干渉計５３及び５５のリファレンスブランチの光路長が
減少する間に得られる。走査サイクルは更に継続し、第
４及び第５の間の位置で、再びモータ３０はその方向を
変える。被測定体２５の厚さは最初の二つのピークの計
算された中心位置の差から決められ、そして再度、第３
及び第４ピークの計算された中心位置の差から決められ
る。第２と第３ピークの間の距離は計算に利用されない
から、モータ３０がその方向を変える正確な位置は重要
ではなく、また被測定体２５の物理特性を測定する上で
知る必要もない。

【００８４】表１は群屈折率１．４６０９、厚さ６１３
μm の光学的平坦ガラス板である被測定体２５を使って
得た繰り返し測定データの要約である。表１のデータの
第１行は図１７に示すデータに対応する。表中、厚さは
全てμm 単位で示し、ｍは各データセットのサンプル数
を示し、そしてデータは２０Hzの割合で得られたもので
ある。個々のデータセットは数ヶ月にわたって得られた
ものであり、表１の最終行は各データセットの平均値を
示している。本発明による厚さ測定の解像度が±０．３
μm であることが示された。これらのデータは、本発明
による装置が外部較正を必要とせずに、長期にわたって
再現性を維持することを示している。厚さ６１３μm の
光学的平坦ガラス板の群屈折率の計算値も表１に示して
ある。

【００８５】

【表１】

【００８６】図１８に示す配置は被測定体２５の群屈折
率（ｎ）の測定時に採った配置である。直角に切断した
光ファイバープローブ６８を被測定体２５に対する結合
光学系として用いた。被測定体２５は光ファイバープロ
ーブ６８と鏡７０との間に位置させた。距離の関数とし
ての信号振幅の絶対値に対応するプロットを上記配置図
の下に図１９として示す。もし、測定走査中に被測定体
２５がなければ、図１９のトレース（ａ）にＸ_P 及びＸ
_M として示すように、二つの反射だけしか観測されな
い。鏡７０と光ファイバープローブ６８の間の距離ｘ_PM
は次の関係式によって与えられる。

【００８７】Ｘ_PM＝Ｘ_P −Ｘ_M 被測定体２５が存在する場合（即ち、被測定体２５が光
ファイバープローブ６８と鏡７０の間の光路に挿入され
ている場合）でも、距離Ｘ_PMは一定に保たれている。図
１９のトレース（ｂ）に示すように、被測定体２５が在
る時には、以下の位置に４つの反射が観測される。即
ち、光プローブと空気とのインタフェース（Ｘ_P ) から
の反射、空気と被測定体２５前面Ｆとのインタフェース
（Ｘ_F ) からの反射、被測定体２５後面Ｂと空気とのイ
ンタフェース（Ｘ_B ) からの反射、及び空気と鏡７０と
のインタフェース（Ｘ_M') からの反射である。これらの
位置の間には次の関係がある。

【００８８】ｎｔ＝Ｘ_B −Ｘ_F （ｎ−１）ｔ＝Ｘ_PM' −Ｘ_PM ｔ＝Ｘ_B −Ｘ_F −（Ｘ_PM' −Ｘ_PM) ここで、ｔは被測定体２５の厚さであり、Ｘ_PM' は光路
に被測定体が挿入されたときの光プローブ６８と鏡７０
の間の距離である。被測定体２５の群屈折率（ｎ）と厚
さ（ｔ）は上記の関係式から計算することが可能であ
る。

【００８９】自己相関装置 図２０は本発明による他の実施例を示し、以後これを光
学的自己相関モード装置７２と言う。この自己相関モー
ド装置７２と、これまで述べてきた標準モード装置５２
とは、被測定体２５を置く位置によって区別される。自
己相関モード装置７２では、被測定体２５は干渉ブラン
チの一つに位置するよりはむしろノンコヒーレント光学
干渉計５３の光源ブランチ（即ち入力部）に位置する。
図２０に示すように、LED １４からの光信号は、光ファ
イバー７３、２ｘ１シングルモード光カプラ７４、光フ
ァイバー１６及び光信号印加・収集装置２４によって被
測定体２５に結合される。標準モード装置２４で用いた
光信号印加・収集手段２４は、被測定体を照射し、そこ
から反射される光を収集するのに使用される。被測定体
２５からの反射光は光ファイバ１６を通って２ｘ１シン
グルモード光カプラ７４に戻り、更にシングルモード光
ファイバー７５に入る。光ファイバー７５を通るこの信
号（ここでは被測定体信号と呼ぶ）は２ｘ２光カプラ１
８に於いて第３の光信号と第４の光信号に分割される。
第３の光信号はコリメーティング光信号印加・収集手段
７８を通って第２固定基準反射体７６に向かう。コリメ
ーティング光信号印加・収集手段７８及び第２固定基準
反射体７６の代わりに、直角な鏡面をその端部に備えた
シングルモード光ファイバー２０（図示せず）で終端部
を構成することも可能である。第３光信号の一部は第２
固定基準反射体７６で反射されコリメーティング光信号
印加・収集手段７８に戻され、シングルモード光ファイ
バー２０に結合される。この信号を第２基準信号と呼
ぶ。シングルモード光ファイバー２２を伝搬してきた第
４光信号は、この信号を平行光とするコリメーティング
光信号印加・収集手段２６に入射する。コリメーティン
グ光信号印加・収集手段２６は、共通可変光路遅延要素
５４に取り付けた鏡５６に第４光信号を加える。第４光
信号の一部は鏡５６で反射し、コリメーティング光信号
印加・収集手段２６に戻され、シングルモード光ファイ
バー２２に戻されて結合する。この信号を第２遅延信号
と呼ぶ。光カプラ１８から固定基準反射体７６へ、そし
て再び光カプラ１８に戻る光路は、ノンコヒーレント光
学干渉計５３の第２個定基準ブランチの光路長として定
義される。標準モード装置５２についてこれまでに示し
た可変光路遅延要素５４に対する代わりの構成は、この
自己相関モード装置７２についても適用が可能である。

【００９０】動作中、それぞれシングルモード光ファイ
バー２０及び２２に沿って伝搬する第３及び第４光信号
は、反射されて光カプラ１８に（それぞれ第２基準信号
及び第２遅延信号として）戻され、そこで互いに結合、
干渉する。結合した第２基準信号及び第２遅延信号の一
部は、シングルモード光ファイバー３４によって光検出
器３２に向けられる。

【００９１】自己相関モード装置７２では、ノンコヒー
レント光学干渉計５３の可動基準ブランチの光路長と、
同光学干渉計５３の固定基準ブランチの光路長とが等し
くなったとき、ノンコヒーレント光信号の強め合う干渉
が発生する。また、ノンコヒーレント光信号の強め合う
干渉は、これら二つの光路長が被測定体２５の物理特性
の光路長、例えば被測定体の厚さと群屈折率との積だけ
異なっているときにも生じる。

【００９２】図２０に示す自己相関モード装置７２は、
一連の光反射を原点・ピーク間の距離に変換する。原点
は相関関数であって、原点からの第１ピークは二つの最
も近いピーク間の距離である。相関信号Ａ（ｄ）は次の
ようにモデル化できる。即ち、

【００９３】

【数１０】

【００９４】ここで、 ｘ_i ：サンプリングデータポイントの位置 Ｓ（ｘ_i ) ：各データポイントの位置に於ける信号 ｎ ：完全走査に於けるサンプル間隔の数 ｄ ：ノンコヒーレント光学干渉計の二つのブラ
ンチ（即ち、第２固定基準ブランチと可動基準ブラン
チ）間の光学的遅延を示し、二つの光路長が等しいとき
ゼロとなる。

【００９５】自己相関モード装置は、被測定体のインタ
フェースで生ずる一連のノンコヒーレント光の強め合う
ピークを中央自己相関ピークからの距離に変換する。自
己相関モード装置による走査の間、最も大きい強度のピ
ーク（即ち、中央自己相関ピーク）は、第２固定基準ブ
ランチと可動基準ブランチの光路長が等しいときに発生
する。

【００９６】図２１は、図２０の自己相関モード装置７
２を用いて得た図２２に図示のインターフェログラムを
説明するための図である。サンプルは、図１８に示した
二つの表面、即ち前面Ｆと後面Ｂとを有する被測定体２
５からなっている。従って、光反射は前面の位置と、後
面の位置で観測される。更に、光ファイバーと空気のイ
ンタフェースの位置で観察される反射もある。図２１の
トレース（ａ）は、自己相関モード装置７２の固定ブラ
ンチに於ける光学パルス列の包絡線の絶対値を示す図で
ある。三つの光反射が観測される。即ち、光学プローブ
（Ｘ_P ) からの反射、被測定体２５の前面Ｆからの反射
（Ｘ_F ) 、及び被測定体２５の後面Ｂからの反射
（Ｘ_B ) が観測される。図２１のトレース（ｂ）から
（ｈ）までは、可変光路遅延要素５４の位置の関数とし
ての可動基準ブランチにおける光学パルス列の包絡線の
絶対値を示す。距離ｄはプローブ端（Ｘ_P ) と被測定体
２５の前面との間の距離である。光学的距離ｎｔは次の
関係式によって与えられる。

【００９７】ｎｔ＝Ｘ_B −Ｘ_F ここで、ｎは群屈折率、ｔは被測定体２５の実際の厚さ
である。図２１のトレース（ｂ）に示されるように、可
動基準ブランチが -(d + nt)の位置に在る時、光学プロ
ーブと空気界とのインタフェース（Ｘ_P ) に於ける固定
ブランチのピークは、被測定体２５の後面Ｂに関連した
可動基準ブランチのピークと強め合うように干渉する。
このピークは図２２の最左端のピーク（Ｐ₁ ) に対応す
る。可動基準ブランチの光路が増加すると、強め合う干
渉の次の位置は、図２１のトレース（ｃ）に示すよう
に、可動基準ブランチが−ｄの位置にきたときである。
この−ｄの位置で、光学プローブ（Ｘ_P ) から来る固定
ブランチのピークは、被測定体２５の前面Ｆから来る可
動基準ブランチのピークと強め合うように干渉する。図
２２の左から２番目のピーク（Ｐ₂ ) がこの−ｄの位置
に対応する。可動基準ブランチの光路が更に増加する
と、図２１のトレース（ｄ）に示されるように、次の強
め合う干渉位置は−ｎｔに達する。この−ｎｔの位置に
於いて、被測定体２５の前面Ｆ（Ｘ_F ) から来る固定基
準ブランチのピークは、被測定体２５の後面Ｂから来る
可動基準ブランチのピークと強め合うように干渉する。
この−ｎｔの位置は図２２のピークＰ₃ に対応する。同
様に、可動基準ブランチの光路長が更に増加すると、強
め合う干渉の次の位置は、図２１のトレース（ｅ）に示
すように、Ｘ＝０（即ち、固定基準ブランチと可動基準
ブランチの光路長が等しくなる）の位置である。この位
置で、最も大きい振幅のピークが図２２のＰ₄ で起こ
る。可動基準ブランチの光路を継続して増加して行く
と、図２１のトレース（ｆ）、（ｇ）、（ｈ）が得ら
れ、これらはそれぞれ図２２のＰ₅ 、Ｐ₆ 、Ｐ₇ に対応
する。

【００９８】もし、被測定体２５の光路長だけを測定し
たいときには、-(d+nt) から +(d+nt)までの距離全体に
わたって走査する必要はない。むしろ、二つのピークの
最小を含むようにｎｔより大きい距離の走査が必要にな
るだけである。例えば、図２２から次の２セットを選択
する。即ち、ピークＰ₁ とＰ₂ 、Ｐ₃ とＰ₄ 、又はＰ ₆
とＰ₇ を選択する。

【００９９】２表面を備えた被測定体２５の光路ｎｔを
測定するのに、光学プローブからの反射を有する必要は
ない。この場合、一走査で三つのピークが観測され、そ
れらは図２２の中央の３ピーク（即ち、Ｐ₃ 、Ｐ₄ 、Ｐ
₅ ) に等価である。これらのピークはそれぞれ図２１の
トレース（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）に示されている干渉同
時発生(interference coincidences) に対応する。

【０１００】図２３は、被測定体２５の光路厚測定に適
用した光学自己相関モード装置７２によって得られた繰
り返し走査データの例を示す。図２３は、図２０の装置
を用いて、６１３μm 厚のガラス板をモータ走査距離の
関数として測定して得た包絡線の絶対値を示している。
ｘ軸はサンプリング距離間隔（１単位＝λ_C / ４＝０．
１５８２５μｍ）を示す。ｘ＝０に於いて、ノンコヒー
レント光学干渉計の可動ブランチの光路長は固定リファ
レンスブランチより短かった。図２３の左端から最初の
３ピークは、可動ブランチの光路長が増加している間に
得られたピークである。最初のピークは、被測定体２５
の光路厚によって可動ブランチの光路長が固定リファレ
ンスブランチよりも短いときに生ずる。第２最大ピーク
は、これら光学干渉計の可動ブランチ及びリファレンス
ブランチの光路長が等しいときに生ずる。第３ピーク
は、被測定体２５の光路厚によって可動ブランチの光路
長が固定リファレンスブランチよりも長いときに生ず
る。第１及び第２ピーク間の距離と、第２及び第３ピー
ク間の距離は同じである。即ち、これらは、被測定体２
５の光路厚（群屈折率ｘ厚さ）に等しい。第３ピークを
越えた或る地点で、モータ３０の移動方向は逆転され、
可動ブランチの光路が減少する間に、第４ピークから第
６ピークが得られる。ここで、第４ピークは第３ピーク
と同じ相対位置に対応し、第５ピークは第２ピークに、
そして第６ピークは第１ピークに対応する。第６ピーク
と第７ピークとの間で、モータ３０は再びその移動方向
を逆転し、第７ピークは第１ピークと対応する。この様
にして、サイクルが反復される。

【０１０１】図２３のデータは、正弦波の駆動信号によ
ってモータ３０を駆動し、自己相関モード装置７２の可
動リファレンスブランチに於ける可変光路遅延要素５４
の光路長を変えて得たものである。結果に影響を与える
ことなしに、その他の波形の駆動信号を用いることが出
来る。標準モード装置５２の場合と同様、定速モータを
備える必要はない。

【０１０２】モータ３０を駆動するのに用いる正弦波信
号の１サイクル毎に、標準モード装置５２では、２セッ
トの測定が得られるが、自己相関モード装置７２では、
モータ３０を駆動するのに用いる正弦波信号の１サイク
ル毎に、４セットの測定が得られる。ＤＣオフセットは
走査の中心位置を変えるのに選択的に利用でき、正弦波
の振幅は走査の間モータ３０が移動する距離の総計を変
えるために変化させることが出来る。自己相関モード装
置７２では、図２３に示す３ピークの対称パターンを得
るのに全距離を走査する必要はない。また、正弦波１サ
イクルの間に、３ピークの組の中央ピークと一方のピー
クだけが得られるようにして、ＤＣオフセットと正弦波
振幅を調節することが出来る。その結果、得られるデー
タは図１７に示したものと同じになる。

【０１０３】図２４及び図２５のフローチャートは、被
測定体２５の物理特性を決定するための繰り返し測定デ
ータ（図１７及び図２５に図示）を得る一方法を要約し
たものである。図２４に示すように、一連の繰り返し測
定が開始されると（８０）、コヒーレント及びノンコヒ
ーレント光学干渉計は測定完了まで稼働される（８
１）。可変光路遅延要素５４を相対的最小変位位置に置
くために、モータ３０には最小駆動信号を与える（８
２）。次いで、このモータ駆動信号を最大値に向かって
単調増加させ（８３）、可変光路遅延要素５４を移動す
る。データ採取用トリガ信号をコヒーレント干渉信号に
基づいて発生させる（８４）。データ採取用トリガ信号
（又は、サブセット）を使用してノンコヒーレント干渉
信号をサンプリングする（８５）。抽出したアナログ信
号をＡＤ変換によってディジタル化し（８６）、データ
アレー（好ましくは、連続データアレー）に記憶する
（８７）。モータ駆動信号が最大値に到達したかどうか
を判断する（８８）。もし、否であれば、ステップ８４
から８８までを繰り返す。モータ駆動信号が最大値に達
したら、それ以上増加させない（８９）。次いで、例え
ば、図２５について述べたようにして、データアレーを
解析する（９０）。次いで、モータ駆動信号を単調にそ
の最小値に向かって減少させる（９１）。ステップ９２
から９５に示されるモータの移動方向に対してステップ
８４から８７までを繰り返す。モータ駆動信号がその最
小値に達したかどうかを判断する（９６）。もし、否で
あれば、ステップ９２から９５を繰り返す。モータ駆動
信号がその最小値に達したら、モータ駆動信号の減少を
止める（９７）。次いで、図２５のようにして、記憶し
た抽出連続データアレーを解析する（９８）。更に測定
をする場合にはステップ８３から測定サイクルを繰り返
す。もし、否であれば、測定サイクルを終了する（１０
０）。

【０１０４】図２５は図２４のステップ９０から９８ま
での詳細を示す図である。データ解析が開始されると
（１１０）、データアレー要素の絶対値が得られる（１
１１）。次いで、これら絶対値のガウス加重平均値を式
（８）から求める（１１２）。ガウス加重平均の最大値
の位置を決定する（１１３）。最大値の位置の周りのサ
ブセットを使ってガウス加重平均データの回帰分析を行
い、式（９）の最適値即ちｘ_P を求める（１１４）。適
当な計算によって、考慮中の物理特性値を決定する（１
１５）。これらのデータを一つ又はそれ以上のアレーに
記憶して、更なる使用に供する（１１６）。

【０１０５】図２６のフローチャートは、被測定体２５
の物理特性を決めるための繰り返し測定データ（図１７
及び図２３に図示）を得る一方法を要約したものであ
る。この方法は操作に利用する上で有用である。図２６
に示すように、一連の繰り返し測定を開始し（１２
０）、最初に、測定割合（例えば、測定回数／秒）を決
定し（１２１）、次いで全測定時間（例えば、秒）を決
める（１２２）。コヒーレント及びノンコヒーレント光
学干渉計は測定完了まで稼働する（１２３）。繰り返し
波形の駆動信号（例えば、正弦波）をモータに与える
（１２４）。この繰り返し波形を、被測定体２５の物理
特性を決めるのに十分なだけ交互に、単調増減させる。
この繰り返し波形は、二組又は三組のデータ（図１７及
び図２３のように）を得るかどうかによって、ステップ
１２１で決めた測定割合の１／２又は１／４の周波数を
有している。ステップ１２５から１２８は図２４のステ
ップ８４から８７に示されている。ステップ１２２で決
めた測定時間に基づいて測定が完了したかどうかを判断
する。もし、「否」であれば、繰り返し波形の供給を続
ける。もし、「是」であれば、図２５に示した手続きに
よって、記憶した抽出データアレーの解析を行い（１３
０）、測定を終了する（１３１）。図１７及び図２３に
示したデータは、上記した方法で得られたものである。
上述の方法に加え、繰り返し測定データを得るための他
の方法は、当業者の知るところである。

【０１０６】応 用 例 本発明による装置は厚さ及び群屈折率の同時測定を提供
するものである。例えば、この同時測定は、個体、自由
落下する液体、水平面に沿って流れる液層、或いは固定
斜面を流下する液層に関して実施が可能である。斜面を
流下する液層の場合、動的粘性を測定することが可能で
ある。本発明の方法は光学的インタフェースまでの距離
を測定することによって機能し、光学的吸収の異なりに
は影響を受けないから、光学的に透明な流体、又は液体
の物理特性を測ることが出来る。

【０１０７】装置を被測定体であるウエブや、板状の材
料の幅方向に移動すれば、幅方向の厚みの均一性に関す
るプロフィールを得ることも可能である。更に、本発明
の装置を使って、感光性液層を測定することも可能であ
る。こうした感光性液層に対しては、光源は感光性液層
が最小の吸収を示すスペクトル範囲（例えば、波長中心
が１２００から１６００nm）にあることが必要である。
光通信で使用される標準的波長である１３００nm又は１
５５０nmの近赤外線 LEDは、これらの用例に適してい
る。波長１３００nmの LEDは有利である。と言うのは、
通信用のシングルモード光ファイバーはこの波長に於い
て最小の色分散を有しているからである。近赤外線に感
応する材料に関しては、光学スペクトルの異なった光源
が必要である。

【０１０８】以下、本発明による粘性の測定方法につい
て検討する。図２７は、その上を矢印Ｄ方向に液体が流
れることのできる固定した斜面Ｐの概略図である。斜面
Ｐは水平軸ｘに関して角度βで傾斜している。光ファイ
バー１３２は斜面Ｐの表面に直角になるようにして斜面
Ｐの上方に配置されている。ニュートン流体の場合、斜
面Ｐを流下する液体の平均厚さは、流体の粘性η、密度
ρ、単位幅当たりの体積流量率Ｑ、重力加速度ｇ、及び
斜面の傾斜角βの関数である。平均厚さは次の関係式か
ら計算することが出来る。

【０１０９】

【数１１】

【０１１０】従って、液体Ｌの粘性ηは式（１１）のそ
の他のパラメータを知れば計算することが出来る。液体
Ｌの全体積流量率ＶＦＲは次式によって与えられる。 ＶＦＲ＝Ｑｗ （１２） ここで、ｗは斜面Ｐの幅である。

【０１１１】図２８は非傾斜面Ｐ上の液体Ｌの厚さを測
るための構成を幾何学的に示した図である。各値は光フ
ァイバー１３２の先端ｙ_P を基準に測った値である。こ
こで、 ｙ₁ ＝液層表面までの距離 ｙ_d ＝平面Ｐまでの実際の距離 ｙ_w ＝液層が在る時の平面Ｐまでの見かけの距離 ｎ₁ ＝液体の群屈折率 ｔ₁ ＝液層の厚さ ＯＰＤ＝光路差 を示す。

【０１１２】これらの値の間には次の対応関係がある。
即ち ｔ₁ ＝ｙ_d −ｙ₁ （１３） ＯＰＤ＝ｎ₁ t ₁ ＝ｙ_w −ｙ₁ （１４） ｎ₁ ＝（ｙ_w −ｙ₁ ) ／（ｙ_d −ｙ₁ ) （１５） 図２９は液層が存在しない（即ち、平面Ｐがドライ）の
時、及び液層が存在しているとき（即ち、平面Ｐがウェ
ット）の時に、光学プローブ１３２によって得られる模
式データのプロットを示している。測定された包絡線信
号の強度は、光学干渉計によって測った光路差の関数と
してプロットされている。下記のように、ピーク位置の
解析によって、液層の厚さ及び群屈折率の計算が可能に
なる。

【０１１３】測定サイクルの間、液層が存在していない
場合、モータ３０の走査毎に二つのピークが観測され
る。二つのピークとは、（i ）光学プローブ１３２の表
面からの反射（ｐ）と、（ii）平面Ｐの表面からの反射
（ｄ）である。液層が存在している場合には、三つのピ
ークが観測される。図２９に示すように、最左端のピー
ク（ｐ）は光学プローブ１３２の表面からの反射であ
り、中央のピーク（ｌ）は空気と液層のインタフェース
からの反射であり、そして最右端のピーク（ｗ）は液層
と平面Ｐのインタフェースからの反射である。液層が存
在するときには、平面Ｐからの反射の見掛けの位置
（ｗ）が右側にシフトするのが認められる。このこと
は、測定器が光路差を測定し、液層の群屈折率が１．０
より大であって、そのため平面Ｐの表面までの有効光路
（ｗ）を増加させるという事実からくる結果である。

【０１１４】図３０は、矢印Ｃ方向に移動するウエブ材
１３４の概略図である。ウエブ材１３４には液層、又は
その他のコーティングが在っても良い。光ファイバープ
ローブ１３２はウエブ材１３４の表面に対し直角に向く
ように配置される。ウエブ材の幅方向に関する厚さの均
一性を決めるため、図３１の矢印Ｇ方向に、ウエブ材の
幅を横切るように移動する搬送手段（又は横断フレー
ム）を設け、これに光ファイバープローブ１３２を取り
付けることは可能である。この搬送手段に取り付けたプ
ローブを使って延在する被測定体（例えば、ウエブ、シ
ート）の表面プロフィールを得ることも可能である。移
動するウエブの解析は、上述の斜面Ｐを流下する液に関
して述べた解析方法と同様である。但し、単位幅当たり
の体積流量率は適用しない。同様に、静止ウエブ材、又
は自由落下する液体に関しても測定が可能である。更に
同様にして、プローブ１３２を固定した状態にして、移
動するウエブ材をその長さ方向に測定することも可能で
ある。

【０１１５】多層系の解析は上記の単層系について述べ
た解析の延長によって行われる。多層系のインタフェー
スを観察するためには、層間の群屈折率に差がなければ
ならない。群屈折率がそれぞれｎ₁ 、ｎ₂ 、厚さが
ｔ₁ 、ｔ₂ である２層系を考えて見る。光プローブから
の反射はないものとすると、最初の二つの反射の間で観
測される距離はｎ₁ ｔ₁ であり、第２と第３の反射の間
で観測される距離はｎ₂ ｔ ₂ となる。同様に、３層系の
場合、次に観測される距離はｎ₃ ｔ₃ となる。共有押出
し成形のウエブは上述の解析が可能な多層系の一例であ
る。

【０１１６】斜面を流下する液体の解析は、空間的に同
時に起こる被測定体２５の背面及び鏡による群屈折率に
関して上述した解析と同様である。６インチ幅の傾斜面
Ｐを流下する液体について解析を行った。粘性が９から
５３センチポイズ（ｃｐ）の範囲にあるグリセリンと水
の混合物からなるニュートン液体について調べた。液体
の厚さは１０乃至１０００cc/minの範囲の流量の関数と
して測定した。溶液は高精度の歯車ポンプによって計量
した。透明な溶液と、染料を含む溶液を評価したが、こ
れら二種類の溶液の間に大きな違いは観測されなかっ
た。測定した液体の厚さと流量の関係はニュートンの流
体方程式を使って理論的に比較した。測定は標準モード
装置及び自己相関モード装置の両者を使用して行った。
測定した厚さは全て理論値の１％以内にあった。図３２
は二つの異なる粘性のグリセリン・水混合物の測定値及
び理論値のプロットである。

【０１１７】溶液の粘性計算には、ニュートン液体の厚
さ対流量のデータを利用した。表２はこれら計算結果の
要約である。また、表にはハーケ（Haake ）粘度計によ
って測定した粘性も示されている。データの標準偏差は
この種の測定の高い精度を示し、Δ％の列はハーケ粘度
計による測定値と、標準モード装置による測定値との相
対的差を示している。計算結果はハーケ粘度計による測
定データと好対照を示している。グリセリンの粘性は温
度に強い依存性を持っているから、両測定値の差異は研
究室に於ける温度変化によると考えられる。

【０１１８】

【表２】

【０１１９】次に、延在する被測定体表面のプロフィー
ルを取る例について述べる。延在する傾斜面（被測定体
として）を用いて、その幅方向の弛みを決める解析を行
う。この解析のために、光学プローブ１３２を傾斜面の
上方約１０mmに保持するようにして横断フレーム１３６
に取り付けた。光学プローブ１３６のプローブ端ｘ_Pは
被測定体に向かい合う固定反射面を備えている。横断フ
レーム１３６と傾斜面とは必ずしも平行ではなかった。
プローブ先端ｙ_P から傾斜面までの距離は１０Hzの測定
間隔毎に連続測定すると共に、横断フレーム１３６は１
インチ／秒の速さで移動させた。これ等のデータは、こ
れ等データに対する線形回帰分析適合度と共に図３３に
示す。線形適合度からの偏差（被測定体表面の平坦さか
らのずれを示す）は図の右軸に示す。移動台と傾斜面と
の間の相対角は線形回帰分析から０．１３５度と計算さ
れた。また、データは線形適合度からの偏差が示すよう
に傾斜面が中央で弛んでいることを示している。

【０１２０】以上、ノンコヒーレント光学干渉計データ
をサンプリングするために一定距離間隔毎にデータを採
取するためのトリガ信号を形成するのに、コヒーレント
光学干渉計を利用する装置について述べてきた。この装
置では、測定中、モータの定速制御をする必要はなく、
また、原点基準位置を設定する必要もない。更に、一度
装置をセットし、較正すれば、現場での較正は必要なく
なる。更に、ノンコヒーレント光学干渉計は異なる波長
で作動する複数のノンコヒーレント光源を含むことも可
能である。このことは、例えば群屈折率及び厚さと言っ
た一つ以上の被測定体の物理特性の同時測定を可能にす
る。

【０１２１】その他の実施例では、共通可変光路遅延要
素５４を共有する複数のノンコヒーレント光学干渉計を
備えている。このような実施例は多重性を持たせた光学
的応用に有利であり、被測定体２５の複数位置の同時監
視、単一装置による複数の被測定体の同時監視、被測定
体２５の一つ以上の物理特性の同時監視を可能にする。
例えば、図３４はこうした実施例を示し、この実施例で
は二つのノンコヒーレント光学干渉計５３及び５３ａが
設けられている。ノンコヒーレント光学干渉計５３ａは
LED１４ａ、光信号印加・収集手段２４ａ、コリメーテ
ィング光信号印加・収集手段２６ａ、光検出器３２ａ、
光カプラ１８ａ、及び光ファイバー１６ａ、２０ａ、２
２ａ、３４ａを含んで構成されている。図３４に示すよ
うに、光信号印加・収集手段２４、２４ａは、異なる位
置で被測定体２５に光を照射し、集光する。また、光信
号印加・収集手段２４、２４ａは異なる被測定体に光を
照射し、集光することも可能である。同様の方法で、ノ
ンコヒーレント光学干渉計を更に追加することも可能で
ある。光源１４、１４ａは１ｘ２の光学カブラ（図示せ
ず）を用いて一つ光源にする選択も可能である。こうし
た多重構成を図２０に示した自己相関モード装置７２に
適用することも可能である。標準モード装置５２と、自
己相関モード装置７２の組み合わせからなる複合構成も
可能である。

【０１２２】

【発明の効果】本発明によるノンコヒーレント光学干渉
計の干渉分光法に基づいた装置に於いては、定速度制御
の必要は無くなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の光ファイバー構成によるノンコヒーレン
ト光学干渉計の一実施例を示すブロック図である。

【図２】図１に示す光学要素の速度対時間特性を示すグ
ラフである。

【図３】従来のコヒーレント光学干渉計のブロック図で
ある。

【図４】本発明による複式光学干渉計装置の第１実施例
を示す図である。

【図５】本発明による複式光学干渉計装置の第２実施例
を示す図である。

【図６】本発明による複式光学干渉計装置の第３実施例
を示す図である。

【図７】本発明による複式光学干渉計装置の第４実施例
を示す図である。

【図８】光学的遅延の関数として示した正規化したコヒ
ーレント光信号のグラフである。

【図９】ＡＣ結合信号から導かれた採取用トリガ信号と
一緒に図８のデータから得たＡＣ結合信号を示す図であ
る。

【図１０】ノンコヒーレント光のインターフェログラム
の一例を示す図である。

【図１１】ノンコヒーレント光のインターフェログラム
の他の例を示す図である。

【図１２】光学的インタフェースのノイズインターフェ
ログラムの一例を示す図である。

【図１３】信号処理によって図１２のノイズインターフ
ェログラムから導いた結果のガウス包絡線を示す図であ
る。

【図１４】６０μm 厚の光路被測定体の完全走査データ
を示す図である。

【図１５】図１４のデータから得た対応するガウスウイ
ンドウ包絡線の計算結果を示す図である。

【図１６】本発明による完全な測定装置の好適実施例を
示す図である。

【図１７】被測定体であるガラス板を繰り返し走査して
得られたデータを示す図である。

【図１８】屈折率測定に用いた光学的プローブの配置を
示す図である。

【図１９】図１８に示す配置に関する対応動作モードを
示す図である。

【図２０】光学的自己相関モード装置と称する本発明に
よる複式光学干渉計装置の第５実施例を示す図である。

【図２１】図２０に示す実施例の動作モードを示す図で
ある。

【図２２】図２０に図示の実施例で得たインターフェロ
グラムを示す図である。

【図２３】図２０に図示の実施例によって得た繰り返し
走査データを示す図である。

【図２４】繰り返し測定データを得るための第１の方法
を要約したた流れ図である。

【図２５】図２４に図示の過程の詳細図である。

【図２６】繰り返し測定データを得るための第の２方法
を要約したた流れ図である。

【図２７】固定斜面を流下する液体を測定するための幾
何学的配置図である。

【図２８】平面上の液体の厚さを測定するための幾何学
的配置図である。

【図２９】平面上に液体が存在する場合と、存在しない
場合とを想定したときのデータのグラフである。

【図３０】移動するウエブの厚さを測定するための幾何
学的配置図である。

【図３１】移動するウエブの幅方向の厚さのプロフィー
ルを測定するための幾何学的配置図である。

【図３２】グリセリンと水の混合物に関する厚さと流量
の関係を示す図である。

【図３３】横方向の相対位置の関数として示した傾斜面
までの距離のデータを示す図である。

【図３４】二つのノンコヒーレント光学干渉計を備えた
本発明による多重測定用装置を示す図である。

【符号の説明】

１０…従来のノンコヒーレント光学干渉計の光ファイバ
ー構成による実施例 １４…ノンコヒーレント光源 １６、２０、２２、３４、７３…光ファイバー ２４…光信号印加・収集手段 ２５…被測定体 ２６、７８…コリメーティング光信号印加・収集手段 ２８…光学的要素；再帰反射器、鏡、又はその組み合わ
せ ３０…駆動手段；モータ ３２、５０…光検出器 ４０…コヒーレント光学干渉計 ４２…コヒーレント光源；レーザ ４４…ビームスプリッター ４６…再帰反射器 ４８…光学的要素；再帰反射器 ５２…複式光学干渉計装置；標準モード ５３…本発明のノンコヒーレント光学干渉計 ５４…共通可変光路遅延要素 ５５…本発明のコヒーレント光学干渉計；レーザ光学干
渉計 ５６…光学的要素；鏡 ５８…取付手段 ６０…モータ駆動制御用電子モジュール ６２…電子モジュール ６４…コンピュータ装置 ６６…信号処理用電子装置 ６８…軸に直角に切断した光ファイバープローブ ７０…鏡 ７２…光学的自己相関モード装置 ７４…２ｘ１シングルモード光カプラ ７５…シングルモード光ファイバー ７６…固定基準反射体 ８０−１００…流れ図 １１０−１１６…流れ図 １２０−１３１…流れ図 １３２…光ファイバープローブ １３４…ウエブ材 １３６…移動手段；横断フレーム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 デビッド カーター ワイドマン アメリカ合衆国，ニューヨーク 14450, フェアポート，バレー ブルック ドライ ブ 29

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 コヒーレント光を発する光源を有し、コ
   ヒーレント光の干渉信号形成に適応する第１光学干渉計
   と、 ノンコヒーレント光を発する光源を備え、被測定体の物
   理特性を示すノンコヒーレント光の干渉信号形成に適応
   し、被測定体の物理特性を決定するのに十分な距離を変
   位するように設けられた共通可変光路遅延要素を前記第
   １光学干渉計と共有するように、第１光学干渉計と組み
   合わされる第２光学干渉計と、 前記可変光路遅延要素の変位の関数としてコヒーレント
   光の干渉信号を測定する手段と、 前記コヒーレント光の干渉信号に基づいて、前記可変光
   路遅延要素の一定変位間隔毎にデータ採取用トリガ信号
   を発生する手段と、 前記ノンコヒーレント光の干渉信号の振幅を測定する手
   段と、 前記データ採取用トリガ信号を利用して、前記ノンコヒ
   ーレント光の干渉信号をサンプリングする手段と、 サンプリングされたノンコヒーレント光の干渉信号から
   被測定体の物理特性を決定する手段とを備えた、被測定
   体の物理特性を決定する装置。
2. 【請求項２】 コヒーレント光信号を発するコヒーレン
   ト光源と、 このコヒーレント光信号を第１及び第２光信号に分割す
   る第１分割手段と、 前記第１光信号を固定基準装置に印加し、この第１光信
   号の一部が固定基準装置によって反射されて基準信号を
   形成する第１光信号印加手段と、 前記第２光信号を可変光路遅延要素に印加する第２光信
   号印加手段と、 前記基準信号を収集する第１信号収集手段と、 ノンコヒーレント光信号を発する光源と、 このノンコヒーレント光信号を第３及び第４の光信号に
   分割する第２分割手段と、 前記第３光信号の一部を被測定体に印加し、この第３光
   信号の一部が被測定体によって反射されて被測定体信号
   を形成する第３光信号印加手段と、 前記被測定体信号を収集する第２信号収集手段と、 前記第４光信号を可変光路遅延要素に印加し、前記第２
   光信号とこの第４光信号の可変光路遅延要素への印加に
   よって、それぞれ第１及び第２遅延信号を形成する第４
   光信号印加手段と、 前記第１遅延信号を収集する第３信号収集手段と、 前記第２遅延信号を収集する第４信号収集手段と、 前記可変光路遅延要素と機械的に組み合わされ、前記第
   ２光信号と、前記第４光信号の光路長を、被測定体の物
   理特性を決定するのに十分な距離を移動出来る可変光路
   遅延要素の変位の関数として変化させるように可変光路
   遅延要素を変位させる作動手段と、 前記第１遅延信号と基準信号とを結合して、コヒーレン
   ト光の干渉信号を形成する第１加算手段と、 前記被測定体信号と第２遅延信号とを結合して、ノンコ
   ヒーレント光の干渉信号を形成する第２加算手段と、 前記可変光路遅延手段の変位の関数として、前記コヒー
   レント光の干渉信号を測定する第１検出手段と、 前記コヒーレント光の干渉信号に基づいて可変光路遅延
   要素の一定変位間隔毎にデータ採取用トリガ信号を発生
   する手段と、 前記ノンコヒーレント光の干渉信号の振幅を測定する第
   ２検出手段と、 前記データ採取用トリガ信号を用いて前記第２検出手段
   をサンプリングする手段と、 前記第２検出手段のサンプリング結果から被測定体の物
   理特性を決定する手段とを備えた、被測定体の物理特性
   を決定する装置。
3. 【請求項３】 コヒーレント光を発する光源を有し、コ
   ヒーレント光の干渉信号を形成する第１光学干渉計と、
   ノンコヒーレント光を発する光源を有し、被測定体の物
   理特性を示すノンコヒーレント光の干渉信号を形成する
   第２光学干渉計とを、共通可変光路遅延要素を共有する
   ように組み合わせる過程と、 可変光路遅延要素を変位させ、被測定体の物理特性を決
   定するのに十分な距離を変位する前記可変光路遅延要素
   の変位の関数として前記コヒーレント光の干渉信号を測
   定する過程と、 前記コヒーレント光の干渉信号を用いて、前記可変光路
   遅延要素の一定変位間隔毎にデータ採取用トリガ信号を
   発生させる過程と、 前記ノンコヒーレント光の干渉信号の振幅を測定する過
   程と、 前記発生したデータ採取用トリガ信号を用いて前記ノン
   コヒーレント光の干渉信号の振幅をサンプリングする過
   程と、 このサンプリングされたノンコヒーレント光の干渉信号
   から被測定体の物理特性を決定する過程とを備えた、被
   測定体の物理特性を決定する方法。
4. 【請求項４】 コヒーレント光信号を発する光源を用意
   する過程と、 前記コヒーレント光信号を第１及び第２光信号に分割す
   る過程と、 前記第１光信号を固定基準装置に印加し、この第１光信
   号の一部が固定基準装置によって反射されて基準信号を
   形成する過程と、 前記第２光信号を可変光路遅延要素に印加して、第１遅
   延信号を形成する過程と、 前記基準信号を収集する過程と、 ノンコヒーレント光信号を発生する光源を用意する過程
   と、 このノンコヒーレント光信号を第３及び第４の光信号に
   分割する過程と、 前記第３光信号の一部を被測定体に印加し、この第３光
   信号の一部が被測定体によって反射されて被測定体信号
   を形成する過程と、 前記被測定体信号を収集する過程と、 前記第４光信号を可変光路遅延要素に印加し、第２遅延
   信号を形成する過程と、 前記第１遅延信号を収集する過程と、 前記第２遅延信号を収集する過程と、 被測定体の物理特性を決定するのに十分な距離を移動出
   来る可変光路遅延要素を変位させ、この変位の関数とし
   て前記第２光信号と前記第４光信号の光路長を変化させ
   る過程と、 前記第１遅延信号と基準信号とを結合して、コヒーレン
   ト光の干渉信号を形成する過程と、 前記被測定体信号と第２遅延信号とを結合して、ノンコ
   ヒーレント光の干渉信号を形成する過程と、 前記可変光路遅延手段の変位の関数として、前記コヒー
   レント光の干渉信号を測定する過程と、 前記コヒーレント光の干渉信号に基づいて可変光路遅延
   要素の一定変位間隔毎にデータ採取用トリガ信号を発生
   する過程と、 前記ノンコヒーレント光の干渉信号の振幅を測定する過
   程と、 前記データ採取用トリガ信号を用いて前記第２検出手段
   をサンプリングする過程と、 前記第２検出手段のサンプリング結果から被測定体の物
   理特性を決定する過程とを備えた、被測定体の物理特性
   を決定する方法。