特許 6494067 距離測定装置、及び距離測定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6494067

(24)【登録日】2019年3月15日

(45)【発行日】2019年4月3日

(54)【発明の名称】距離測定装置、及び距離測定方法

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/00 20060101AFI20190325BHJP

   G01B 11/24 20060101ALI20190325BHJP

   G01N 21/17 20060101ALI20190325BHJP

   A61B 1/00 20060101ALI20190325BHJP

【ＦＩ】

   G01B11/00 G

   G01B11/24 D

   G01N21/17 630

   A61B1/00 526

【請求項の数】6

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2014-148873(P2014-148873)

(22)【出願日】2014年7月22日

(65)【公開番号】特開2016-24086(P2016-24086A)

(43)【公開日】2016年2月8日

【審査請求日】2017年1月18日

(73)【特許権者】

【識別番号】000151494

【氏名又は名称】株式会社東京精密

(74)【代理人】

【識別番号】100165179

【弁理士】

【氏名又は名称】田▲崎▼ 聡

(74)【代理人】

【識別番号】100126664

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 慎吾

(74)【代理人】

【識別番号】100126893

【弁理士】

【氏名又は名称】山崎 哲男

(74)【代理人】

【識別番号】100142424

【弁理士】

【氏名又は名称】細川 文広

(74)【代理人】

【識別番号】100064908

【弁理士】

【氏名又は名称】志賀 正武

(72)【発明者】

【氏名】青戸 智浩

【審査官】 小野寺 麻美子

(56)【参考文献】

【文献】 特表２０１５−５１６０８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 欧州特許出願公開第０２６６２６６１（ＥＰ，Ａ１）

【文献】 特開昭６３−２５９４３９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｂ １１／００ − Ｇ０１Ｂ １１／３０

Ｇ０１Ｎ ２１／００ − Ｇ０１Ｎ ２１／０１

Ｇ０１Ｎ ２１／１７ − Ｇ０１Ｎ ２１／６１

Ａ６１Ｂ １／００

Ａ６１Ｂ ３／１０

Ｇ０１Ｂ ９／０２

Ｇ０１Ｊ ３／００ − Ｇ０１Ｊ ４／０４

Ｇ０１Ｊ ７／００ − Ｇ０１Ｊ ９／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

波長を変化させながら光を入射光として射出する波長掃引光源と、
前記波長掃引光源から射出された入射光を、複数に分岐された光として、第１参照光と第２参照光と測定光に分岐させ、前記測定光を照射し、前記測定光の反射光と前記第１参照光とを干渉光として合波させる干渉計と、
前記干渉計により前記反射光と前記第１参照光が合波された干渉光を検出する干渉光検出部と、
光の一部を吸収する気体に基づいて前記第２参照光の波長を前記入射光の波長として検出する波長検出部と、
前記干渉光検出部により検出された干渉光の信号をフーリエ変換し、フーリエ変換された前記干渉光の信号に基づく周波数スペクトルに応じたピーク周波数を検出し、検出された前記ピーク周波数と、前記波長検出部により検出された前記入射光の波長に応じた周波数とに基づいて、前記干渉計からの距離を導出する導出部と、
を備える距離測定装置。

【請求項2】

請求項１に記載の距離測定装置であって、
前記波長検出部は、前記第２参照光を前記気体に照射し、前記気体に照射された前記第２参照光に基づいて前記第２参照光の波長を前記入射光の波長として検出する、
距離測定装置。

【請求項3】

請求項２に記載の距離測定装置であって、
前記波長検出部は、前記気体に照射された前記第２参照光の吸収スペクトルを検出し、検出された前記吸収スペクトルに基づいて前記第２参照光の波長を前記入射光の波長として検出する、
距離測定装置。

【請求項4】

請求項３に記載の距離測定装置であって、
前記波長検出部は、検出された前記吸収スペクトルと、予め記憶された参照用スペクトルであって前記光の波長と、前記気体による前記光の吸収率とが対応付けられた前記参照用スペクトルとのパターンマッチングに基づいて、前記第２参照光の波長を前記入射光の波長として検出する、
距離測定装置。

【請求項5】

請求項１から４のうちいずれか一項に記載の距離測定装置であって、
前記気体は、波長基準となるガスである、
距離測定装置。

【請求項6】

波長を変化させながら光を入射光として射出し、
射出された前記入射光を、複数に分岐された光として、第１参照光と第２参照光と測定光に分岐させ、前記測定光を照射し、前記測定光の反射光と前記第１参照光とを干渉計により干渉光として合波させ、
合波された前記干渉光を検出し、
光の一部を吸収する気体に基づいて前記第２参照光の波長を前記入射光の波長として検出し、
検出された前記干渉光の信号をフーリエ変換し、フーリエ変換された前記干渉光の信号に基づく周波数スペクトルに応じたピーク周波数を検出し、検出された前記ピーク周波数と、検出された前記入射光の波長とに基づいて、前記干渉計からの距離を導出する、
距離測定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、距離測定装置、及び距離測定方法に関する。

【背景技術】

【0002】

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

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００７−１０１２４９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、従来の装置は、あくまでも測定対象の表面形状及び内部の画像化を目的としており、表面形状の精密測定を行う場合、測定精度が十分ではない場合があった。これは、測定装置から測定対象までの間の距離測定において、誤差が大きいことが原因の一つであった。また、この誤差の主要因の一つは、光源からの光の波長を精度よく測定することができないことであった。

【0005】

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

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題の解決手段として、請求項１に記載の発明は、波長を変化させながら光を入射光として射出する波長掃引光源と、前記波長掃引光源から射出された入射光を、複数に分岐された光として、第１参照光と第２参照光と測定光に分岐させ、前記測定光を照射し、前記測定光の反射光と前記第１参照光とを干渉光として合波させる干渉計と、前記干渉計により前記反射光と前記第１参照光が合波された干渉光を検出する干渉光検出部と、光の一部を吸収する気体に基づいて前記第２参照光の波長を前記入射光の波長として検出する波長検出部と、前記干渉光検出部により検出された干渉光の信号をフーリエ変換し、フーリエ変換された前記干渉光の信号に基づく周波数スペクトルに応じたピーク周波数を検出し、検出された前記ピーク周波数と、前記波長検出部により検出された前記入射光の波長に応じた周波数とに基づいて、前記干渉計からの距離を導出する導出部と、を備える距離測定装置である。

【0007】

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の距離測定装置であって、前記波長検出部は、前記第２参照光を前記気体に照射し、前記気体に照射された前記第２参照光に基づいて前記第２参照光の波長を前記入射光の波長として検出する、距離測定装置である。

【0008】

また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の距離測定装置であって、前記波長検出部は、前記気体に照射された前記第２参照光の吸収スペクトルを検出し、検出された前記吸収スペクトルに基づいて前記第２参照光の波長を前記入射光の波長として検出する、距離測定装置である。

【0009】

また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の距離測定装置であって、前記波長検出部は、検出された前記吸収スペクトルと、予め記憶された参照用スペクトルであって前記光の波長と、前記気体による前記光の吸収率とが対応付けられた前記参照用スペクトルとのパターンマッチングに基づいて、前記第２参照光の波長を前記入射光の波長として検出する、距離測定装置である。

【0010】

また、請求項５に記載の発明は、請求項１から４のうちいずれか一項に記載の距離測定装置であって、前記気体は、波長基準となるガスである、距離測定装置である。

【0012】

また、請求項６に記載の発明は、波長を変化させながら光を入射光として射出し、射出された前記入射光を、複数に分岐された光として、第１参照光と第２参照光と測定光に分岐させ、前記測定光を照射し、前記測定光の反射光と前記第１参照光とを干渉計により干渉光として合波させ、合波された前記干渉光を検出し、光の一部を吸収する気体に基づいて前記第２参照光の波長を前記入射光の波長として検出し、検出された前記干渉光の信号をフーリエ変換し、フーリエ変換された前記干渉光の信号に基づく周波数スペクトルに応じたピーク周波数を検出し、検出された前記ピーク周波数と、検出された前記入射光の波長とに基づいて、前記干渉計からの距離を導出する、距離測定方法である。

【発明の効果】

【0013】

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

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】距離測定装置１の一例を示す構成図である。

【図2】波長掃引光源２から射出される入射光の波長の時間変化の様子の一例を示すグラフである。

【図3】制御部４３により検出される第２参照光の検出感度と、経過時間との関係の一例を示す図である。

【図4】光が波長基準となるガスを透過する割合と、その光の波長との対応関係の一例を示す図である。

【図5】制御装置６の機能構成の一例を示す図である。

【図6】制御装置６により実行される処理の流れの一例を示すフローチャートである。

【図7】干渉光検出部５により検出される干渉信号の一部を例示する図である。

【図8】図７に示した干渉信号のうち、予め決められた基準となる時刻から所定の時間長Ｔだけ経過した時刻の範囲内における干渉信号をフーリエ変換した周波数スペクトルを示す図である。

【図9】距離測定装置１との比較対象となる距離測定装置Ｘの一例を示す構成図である。

【図10】距離測定装置Ｘ及び距離測定装置１における干渉信号をフーリエ変換したピーク周波数と距離Ｌ１−Ｌ２との相関関係の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

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

【0016】

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

【0017】

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

【0018】

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

【0019】

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

【0020】

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

【0021】

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

【0022】

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

【0023】

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

【0024】

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

【0025】

コリメーター３３、３５は、例えば、コリメーターレンズであり、入射した光を平行光へ変化させるか、又はある焦点に集光させる。光ファイバーＦ３から導光された測定光を測定対象Ｗへ集光するように照射するとともに、測定対象Ｗによって反射された反射光を光ファイバーＦ４３へ入射する。また、コリメーター３５は、参照光を平行光に変化させ、平行光を反射鏡３６へ照射するとともに、反射鏡３６によって反射された反射光を光ファイバーＦ５へ入射する。反射鏡３６は、コリメーター３５から所定の距離Ｌ２だけ離れた場所に設置されており、コリメーター３５から入射した光を、コリメーター３５へ向けて反射する。

【0026】

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

【0027】

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

【0028】

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

【0029】

波長検出部４は、光ファイバーＦ７を介して干渉計３の分岐部３４から導光された第２参照光の波長を検出する。そして、波長検出部４は、検出された波長を示す情報を制御装置６に出力する。波長検出部４は、波長検出装置の一例である。波長検出部４は、例えば、筐体４１と、光検出器４２と、制御部４３を備える。

【0030】

筐体４１は、光検出器４２と、制御部４３の全体を囲うように設置され、外気の流入を防ぎ、且つ内部から外部への気体の流出を防ぎ、さらに、光を透過せず外乱光の侵入を排除する。また、筐体４１は、光の一部を吸収する気体が封入されている。この気体は、光の波長毎に、光の一部を吸収する割合が異なる気体である。特に、この気体は、波長検出部４に導光される第２参照光の波長帯において、第２参照光の一部を吸収する割合と、光の波長とが一対一に対応するものでなければならない。

【0031】

また、この気体は、光の一部を吸収する割合と、光の波長との対応関係とについてトレーサビリティを有するものであることが好ましい。トレーサビリティを有する気体の場合、ユーザは、前記の対応関係に関して予備実験等によって較正を行う必要が無く、時間的なコストや金銭的なコストが増大してしまうことを抑制することができる。このようなトレーサビリティを有する気体の一例は、波長基準となるガス（^１３Ｃ_２Ｈ_２やＨ^１３Ｃ^１４Ｎ等）である。以下では、説明の便宜上、筐体４１に封入された気体が波長基準となるガスであるとして説明する。また、筐体４１は、光ファイバーＦ７や通信ケーブル等の接続による間隙を、オーリング等でパッキングされることで、外気の流入や、内部のガスの流出が抑制されている。

【0032】

光検出器４２は、光ファイバーＦ７を介して導光された第２参照光であってガスによりその一部が吸収された光を検出（受光）する。そして光検出器４２は、検出された光を電気信号に変換する。光検出器４２は、この電気信号を制御部４３に出力する。
制御部４３は、波長検出部４の全体を制御する。また、制御部４３は、光検出器４２から取得された電気信号に基づいて、波長検出部４に導光された第２参照光（すなわち、入射光の一部）の検出感度を検出する。そして、制御部４３は、検出された検出感度に基づいて第２参照光の波長を検出する。制御部４３は、検出された波長を示す情報を制御装置６に出力する。

【0033】

図３は、制御部４３により検出される第２参照光の検出感度と、経過時間との関係の一例を示す図である。図３に示したグラフの横軸は、経過した時間（単位は［ｍｓｅｃ］）である。また、図３に示したグラフの縦軸は、光検出器４２による第２参照光の検出感度（例えば、単位は［ｍＡ］等）を示す。図３に示したように、光ファイバーＦ７を介して筐体４１内に照射された第２参照光の検出感度は、時間の経過とともに変化する。これは、筐体４１に封入されたガスが第２参照光を吸収する割合が、第２参照光の波長によって変化することに起因する現象である。また、この第２参照光の一部を吸収する割合は、波長基準となるガスを使用しているため、第２参照光の波長と一対一に対応している。そして、第２参照光が吸収された割合は、光検出器４２により第２参照光が検出される検出感度に反映される。従って、検出感度と波長の対応関係を利用することで、制御部４３は、第２参照光の波長を検出することができる。

【0034】

ここで、図４を参照して、制御部４３による第２参照光の波長の検出処理について説明する。図４は、光が波長基準となるガスを透過する割合と、その光の波長との対応関係の一例を示す図である。図４に示したグラフの横軸は、光の波長（単位は［ｎｍ］）である。また、図４に示したグラフの縦軸は、規格化された透過率（吸収率に対応している）である。この規格化された透過率と、光の波長との対応関係は、波長基準となるガスがトレーサビリティを有しているため、国際的に認証されており、高い信用を有するとともに新たな較正を行う必要が無い。

【0035】

換言すると、ある波長帯において波長が変化する光をガスに照射した場合、波長毎の光の吸収割合を示すグラフ（例えば、図３に示したグラフ）の形状は、図４に示したグラフの形状と必ず一致する。これを利用し、制御部４３は、例えば、波長が周期的に変化する第２参照光（すなわち、入射光の一部）の１周期分の検出感度の変化を示すグラフ（図３に示したようなグラフ）と、図４に示したグラフとを画像処理の手法（例えば、パターンマッチング）等によってマッチングし、経過時間毎の検出感度に基づいてその経過時間における第２参照光（すなわち、入射光の一部）の波長を検出する。なお、図３に示したグラフは、吸収スペクトルの一例である。また、図４に示したグラフは、参照用スペクトルの一例である。

【0036】

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

【0037】

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

【0038】

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

【0039】

装置制御部６１は、波長掃引光源２が入射光を射出するように波長掃引光源２を制御する。また、装置制御部６１は、波長検出部４が第２参照光（すなわち、入射光の一部）の波長を検出し、測定光の波長を示す情報を出力するように波長検出部４の制御部４３を制御する。また、装置制御部６１は、干渉光検出部５が干渉光を検出し、干渉信号を出力するように干渉光検出部５を制御する。装置制御部６１は、図示しない計時部を備えており、波長検出部４による波長の検出と、干渉光検出部５による干渉信号の検出とを同期させる（すなわち、同じタイミングで波長を示す情報と干渉信号とを取得する）。

【0040】

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

【0041】

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

【0042】

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

【0043】

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

【0044】

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

【0045】

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

【0046】

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

【0047】

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

【0048】

【数1】

【0049】

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

【0050】

【数2】

【0051】

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

【0052】

【数3】

【0053】

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

【0054】

【数4】

【0055】

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

【0056】

【数5】

【0057】

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

【0058】

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

【0059】

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

【0060】

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

【0061】

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

【0062】

このように、本実施形態における距離測定装置１は、入射光として波長を変化させながら光を射出し、射出された入射光を、干渉計３が複数に分岐された光として、第１参照光と第２参照光と測定光に分岐させ、測定光を測定対象Ｗに照射し、測定対象Ｗからの測定光の反射光と第１参照光とを干渉光として合波させ、合波された干渉光を検出し、光の一部を吸収する気体（例えば、アセチレンガス等）に基づいて第２参照光の波長を入射光の波長として検出し、検出された干渉光と、検出された入射光の波長とに基づいて、干渉計３から測定対象Ｗまでの距離（すなわちＬ１−Ｌ２）を導出するため、高い精度で距離測定を行うことができる。

【0063】

また、距離測定装置１は、干渉光の信号をフーリエ変換し、フーリエ変換された干渉光の信号に基づいてピーク周波数を検出し、検出されたピーク周波数と、検出器４２により検出された周波数とに基づいて、干渉計３から測定対象Ｗまでの距離（すなわちＬ１−Ｌ２）を導出するため、光源周波数の測定誤差を抑制することができる。

【0064】

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

【0065】

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

【0066】

また、距離測定装置１は、波長検出部４に代えて、光スペクトルアナライザー等を用いて光源周波数を検出してもよいが、光スペクトルアナライザー等に比べて波長検出部４を用いた方が、光が入射した時に波長を出力する応答速度が速いため、解析においてリアルタイム性を保持したい場合に好適である。

【0067】

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

【0068】

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

【0069】

なお、以上に説明した装置（例えば、距離測定装置１）における干渉光検出部５、制御装置６、制御部４３の機能を実現するためのプログラムを、コンピューター読み取り可能な記録媒体に記録し、そのプログラムをコンピューターシステムに読み込ませて実行するようにしてもよい。なお、ここでいう「コンピューターシステム」とは、ＯＳ（Operating System）や周辺機器等のハードウェアを含むものとする。

【0070】

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

【0071】

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

【符号の説明】

【0072】

１ 距離測定装置、２ 波長掃引光源、３ 干渉計、４ 波長検出部、５ 干渉光検出部、６ 制御装置、３１、３４ 分岐部 ３２ 接続部、３３、３５ レンズ、３６ 反射鏡、４１ 筐体、４２ 光検出器、４３、６０ 制御部、６１ 装置制御部、６２ 干渉信号取得部、６４ 波長情報取得部、６８ 距離導出部、７０ 記憶部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】