光周波数発生器を用いた絶対距離測定方法及びシステム
【課題】光周波数発生器を用いた絶対距離測定方法及びシステム。
【解決手段】（ａ）光周波数発生器１００を用いて、安定化した異なる複数の波長λｉを生成するステップと、（ｂ）周波数走査干渉計２００を用いて、測定する距離の初期推定値を取得するステップと、（ｃ）取得した初期推定値の不確度の範囲を分析するステップと、（ｄ）多波長干渉計によって各波長λｉに対する干渉信号を解析して、各波長λｉに対する小数部εｉを測定するステップと、（ｅ）初期推定値の不確度の範囲内で、各波長λｉに対する整数部ｍｉを決定するステップと、（ｆ）上記異なる複数の波長λｉに対するそれぞれの小数部εｉ及び整数部ｍｉを用いて、測定する距離の絶対距離Ｌを測定するステップとを含む。
【解決手段】（ａ）光周波数発生器１００を用いて、安定化した異なる複数の波長λｉを生成するステップと、（ｂ）周波数走査干渉計２００を用いて、測定する距離の初期推定値を取得するステップと、（ｃ）取得した初期推定値の不確度の範囲を分析するステップと、（ｄ）多波長干渉計によって各波長λｉに対する干渉信号を解析して、各波長λｉに対する小数部εｉを測定するステップと、（ｅ）初期推定値の不確度の範囲内で、各波長λｉに対する整数部ｍｉを決定するステップと、（ｆ）上記異なる複数の波長λｉに対するそれぞれの小数部εｉ及び整数部ｍｉを用いて、測定する距離の絶対距離Ｌを測定するステップとを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光周波数発生器を用いた絶対距離測定方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
絶対距離測定は、測定面を移動させることなく所望の距離を一度に測定する方法である。現在広く使われている干渉原理を利用している測長器は、測定面の移動によって生じる干渉パターンの位相変化を連続して積分し、該測定面の初期位置と最終位置との間の相対変位を測定する。
【０００３】
この方法は、光源の波長をルーラー（ruler ）として用いているため、高い測定不確度を有する長さ標準にも対応可能な測定法であり、位相の変化が測定面の変位を意味するので、複雑な計算処理を必要とすることなしに高速に測定が可能であるという長所を有している。
【０００４】
しかしながら、位相不確かさの問題によって、距離を測定する際に必ず測定面を所望の分だけ移動させることが必要であるとともに、位相変化を連続して積分するので、測定過程において信号に含まれている幾つかの誤り成分も累積されてしまうという短所を有している。
【０００５】
そのため、既存の干渉計の幾つかの長所を生かしながら絶対距離を測定することができる測定器の必要性が提起されてきており、それに対する研究開発も活発に行われてきている。
【０００６】
干渉原理を用いた絶対距離測定には、同じ距離を二つ以上の幾つかの光波長を用いて測定する多波長干渉計と、光周波数を一定の広さ及び周期で走査して測長する周波数走査干渉計とをはじめとした幾つかの方法が存在する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このうち、多波長干渉計は、高い測定不確度を有する距離を測定可能であるとともに、光の短波長を用いる光干渉計の長所をよく生かすことができる絶対距離測定法の一つである。ところが、測定する距離を一定の範囲内に推定しなければならないという短所があり、このためゲージブロック測定などの測定する長さの初期予測が可能な特定な分野のみで使われている。
【０００８】
また、従来の絶対距離干渉法は、光源の安定性の問題、アルゴリズムの問題などの技術的な問題によって、相対変位測定法で得ることができる水準の測定確度を有していないという問題があった。
【０００９】
本発明は上記の問題に鑑みて成されたものであって、その目的は、周波数走査干渉計の原理を適用した多波長干渉計において既存の波長の安定度及び精度で制限された測定領域を拡張すると共に、既存の相対変位測定において光干渉計が有する高い測定確度特性を維持しながら絶対距離を測定することができる、光周波数発生器を用いた絶対距離測定方法及びシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するために、本発明の一側面による光周波数発生器を用いた絶対距離測定方法は、（ａ）前記光周波数発生器を用いて、安定化した異なる複数の波長を生成するステップと、（ｂ）周波数走査干渉計を用いて、測定する距離の初期推定値を取得するステップと、（ｃ）前記取得した初期推定値の不確度の範囲を分析するステップと、（ｄ）多波長干渉計の原理によって、各波長に対する干渉信号を解析して該各波長に対する小数部を測定するステップと、（ｅ）前記初期推定値の不確度の範囲内において前記各波長に対する整数部を決定するステップと、（ｆ）前記異なる複数の波長に対するそれぞれの小数部と整数部とを用いて、測定する距離の絶対距離を測定するステップとを含む。
【００１１】
前記ステップ（ａ）は、（ａ１）外部共振器レーザダイオード（ＥＣＬＤ）から発生した単波長のレーザとフェムト秒レーザの光コム（多波長のレーザパルス）との周波数干渉によって、うなり周波数（beat frequency）を発生するステップと、（ａ２）前記うなり周波数を所定の基準周波数に同期させるための電気制御信号を位相ロック回路（ＰＬＬ）により生成して、該電気制御信号を前記外部共振器レーザダイオードに供給するステップと、（ａ３）前記外部共振器レーザダイオードにより、前記位相ロック回路（ＰＬＬ）から供給された電気的制御信号に応じて安定化した波長を生成するステップとを含む。
【００１２】
前記ステップ（ａ）は、（ａ１）フェムト秒レーザの光コムから単一周波数成分を抽出するステップと、（ａ２）前記抽出された単一周波数成分を有する光をレーザダイオードに与えるステップと、（ａ３）前記抽出された単一周波数成分を前記レーザダイオードで増幅して、安定化した周波数の波長を生成するステップとを含む。
【００１３】
また、上記の目的を達成するために、本発明の他の側面による光周波数発生器を用いた絶対距離測定システムは、安定化した異なる複数の波長を生成し、該異なる複数の波長のうち第１の波長（λ１）から第２の波長（λ２）までの連続的な周波数走査を行うことが可能な光周波数発生モジュールと、前記光周波数発生モジュールから出射された前記異なる複数の波長の各々に対する小数部を測定し、前記第１の波長（λ１）から第２の波長（λ２）までの連続的な周波数走査による両波長間の位相差（Δφ）を測定するための干渉計モジュールとを含む。
【００１４】
前記光周波数発生モジュールは、単波長のレーザを発生するための外部共振器レーザダイオードと、光コム（多波長のレーザパルス）を発生するためのフェムト秒レーザと、前記外部共振器レーザダイオードから発生した単波長のレーザと前記フェムト秒レーザの光コムとの周波数干渉によって生成されたうなり周波数を測定するためのアバランシェ・フォトダイオードと、前記アバランシェ・フォトダイオードで測定された前記うなり周波数を所定の基準周波数に同期させるための電気制御信号を生成し、該電気制御信号を前記外部共振器レーザダイオードに出力する位相ロック回路部とを含み、前記外部共振器レーザダイオードは、前記位相ロック回路部から出力された電気制御信号に応じて、安定化した周波数の波長を生成して、該波長を有する光を前記干渉計モジュールに出射する。
【００１５】
前記光周波数発生モジュールは、多波長のレーザパルスとして光コムを生成するためのフェムト秒レーザと、前記フェムト秒レーザの光コムから単一周波数成分を抽出するための光周波数取出部と、前記光周波数取出部から抽出された前記単一周波数成分を有する光を増幅して安定化した周波数の波長を生成して、該波長を有する光を前記干渉計モジュールに出射する光周波数増幅部とを含む。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、周波数標準に遡及して所望の波長を自動で得ることのできる光周波数発生器を用いて、複数の波長を生成し、絶対距離測定だけでなく空気中の測定において最も問題になる空気屈折率補償を行うことが可能となり、精密長さ測定に広く適用することができる。また安定な波長及び周波数を必要とする分光学、生命工学での測定、断層測定、厚さ測定、標準測定など多様な分野への応用が可能である。
【００１７】
また、本発明は、現在広く使われている相対変位干渉法はもちろん、測定面の動きなしに一回の測定で距離を得ることができる絶対距離干渉法への適用も可能で、連続して測定面を移動させずとも、高い測定分解能を要する半導体及びＬＣＤ装備のような大型超精密機器の位置決め、航空機、宇宙船及び超大型船舶の組立及び位置選定、大型橋のような建築構造物の建設及び宇宙で人工衛星間の位置決めなどの作業にも広く適用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳記する。本明細書に記載された実施の形態と図面に示されている構成は、本発明の好適な一実施の形態に過ぎず、本発明の技術的思想を全て包含するものではない。本出願時点においてこれらに代わることができる多様な均等物や変形例があり得る。
【００１９】
図１は、本発明の一実施の形態による、光周波数発生器を用いて絶対距離を測定するための干渉計の光学構成を示す図面であり、図２は、図１の光周波数発生モジュールで安定化した光周波数を生成する一例を示す図面である。
【００２０】
図１に示すように、本発明は概して、光周波数発生モジュール１００と干渉計モジュール２００とを含む。
外部波長可変光源ベースの光周波数発生モジュール１００は、外部共振器レーザダイオード（ＥＣＬＤ）１０１と、フェムト秒レーザ１０２と、偏光ビーム分割器（ＰＢＳ）１０３と、偏光子（Ｐ）１０４と、光フィルタ１０５と、アバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ３）１０６と、位相ロック回路（ＰＬＬ）１０７とを含む。
【００２１】
外部共振器レーザダイオード（ＥＣＬＤ）１０１は、単波長のレーザを発生し、波長の可変範囲は７６５〜７８１ｎｍである。
また、外部共振器レーザダイオード（ＥＣＬＤ）１０１は、位相ロック回路（ＰＬＬ）１０７から伝送される電気的制御信号に応じて、安定化した周波数の波長を生成して干渉計モジュール２００へと出射する。
【００２２】
フェムト秒レーザ１０２は、多波長のレーザパルスを発生する。
偏光ビーム分割器（ＰＢＳ）１０３は、外部共振器レーザダイオード（ＥＣＬＤ）１０１から入射する単波長レーザとフェムト秒レーザ１０２から入射する多波長レーザとを偏光方向に応じて透過または反射させる。この時、フェムト秒レーザ１０２と外部共振器レーザダイオード１０１との周波数干渉によって、うなり周波数が生成される。
【００２３】
偏光子（Ｐ）１０４は、偏光ビーム分割器（ＰＢＳ）１０３で発生した干渉を検証するために、偏光ビーム分割器（ＰＢＳ）１０３で反射されたレーザと透過するレーザとから直線偏光を取出す。
【００２４】
光フィルタ１０５は、偏光子（Ｐ）１０４から取出されて入射する直線偏光を一定波長帯域で選択的に透過させる。
アバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ３）１０６は、光フィルタ１０５で選択的に透過された直線偏光を用いて、偏光ビーム分割器（ＰＢＳ）１０３でのフェムト秒レーザ１０２の光コム（optical comb）と外部共振器レーザダイオード１０１との周波数干渉によって生成されたうなり周波数を測定する。
【００２５】
位相ロック回路（ＰＬＬ）１０７は、アバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ３）１０６から得られたうなり周波数を所定の基準周波数に同期させて外部共振器レーザダイオード（ＥＣＬＤ）１０１を安定化させるための電気制御信号を出力する。
【００２６】
即ち、偏光ビーム分割器（ＰＢＳ）１０３におけるフェムト秒レーザ１０２の光コムと外部共振器レーザダイオード１０１との周波数干渉によって生成されたうなり周波数を測定することによって、外部共振器レーザダイオード（ＥＣＬＤ）から出射される光の周波数ｆｃｗが分かる。これについて、添付の図２を参照してより具体的に説明する。
【００２７】
図２に示すように、フェムト秒レーザ１０２の光コムから出射される多波長レーザと外部共振器レーザダイオード（ＥＣＬＤ）１０１から出射される単波長レーザとが一致すると周波数干渉が発生し、うなり周波数を測定することができる。
【００２８】
フェムト秒レーザ１０２から出射される安定したフェムト秒レーザの周波数コムでｉ番目の周波数成分は、下記の［数１］のように表すことができる。また［数２］から、外部共振器レーザダイオード（ＥＣＬＤ）から出射される光の周波数ｆｃｗが分かる。
【００２９】
【数１】
ここで、
ｆｉ：ｉ番目の周波数成分
ｉ：整数
ｆｒ：パルス繰返し周期
ｆｏ：搬送波オフセット周波数（ＣＥＯ周波数）
【００３０】
【数２】
ｆｃｗ：外部共振器レーザダイオード（ＥＣＬＤ）から出射される光の周波数
ｆｂ：うなり周波数
このように、外部共振器レーザダイオード（ＥＣＬＤ）から出射される光の周波数ｆｃｗは、ｉ番目の周波数成分ｆｉにうなり周波数ｆｂを合算することで求められる。
【００３１】
この時、外部共振器レーザダイオード（ＥＣＬＤ）から出射される光の周波数ｆｃｗはチューニング周波数範囲内の不安定な周波数である。位相ロック回路（ＰＬＬ）１０７でうなり周波数（ｆｂ）を所定の基準周波数に同期させるための電気制御信号が外部共振器レーザダイオード（ＥＣＬＤ）１０１に伝送されると、外部共振器レーザダイオード（ＥＣＬＤ）から安定した周波数ｆｃｗを有する光が出射される。
【００３２】
干渉計モジュール２００は、コリメータレンズ２０１と、第１の偏光ビーム分割器（ＰＢＳ１）２０２と、音響光学変調器（ＡＯＭ）２０３と、第１のミラー（Ｍ１）２０４と、第２のミラー（Ｍ２）２０５と、ビーム分割器（ＢＳ）２０６と、第１の偏光子２０７と、第１のアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ１）２０８と、第２の偏光ビーム分割器（ＰＢＳ２）２０９と、第１の１／４波長板（ＱＷＰ１）２１０と、ターゲットミラー２１１と、第２の１／４波長板（ＱＷＰ２）２１２と、レトロリフレクタ２１３と、第２の偏光子２１４と、第２のアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ２）２１５とを含む。
【００３３】
コリメータレンズ２０１は光周波数発生モジュール１００の外部共振器レーザダイオード（ＥＣＬＤ）１０１から出射されて光ファイバを介して伝達される、高い安定度の光をコリメートする。
【００３４】
第１の偏光ビーム分割器（ＰＢＳ１）２０２は、コリメータレンズ２０１でコリメートされた光を偏光によって透過光と反射光とに分ける。
音響光学変調器（ＡＯＭ）２０３は、第１の偏光ビーム分割器（ＰＢＳ１）２０２からの反射光の周波数を無線周波数帯域の変調周波数ｆｂ分だけ遷移させる。
【００３５】
第１のミラー（Ｍ１）２０４は、音響光学変調器（ＡＯＭ）２０３の無線周波数帯域の変調周波数ｆｂ分だけ周波数遷移された光を反射させる。
第２のミラー（Ｍ２）２０５は、第１のミラー２０４で反射された光を反射させ、ビーム分割器（ＢＳ）２０６に出射する。
【００３６】
ビーム分割器（ＢＳ）２０６は、第１の偏光ビーム分割器（ＰＢＳ１）２０２で分割された透過光と第２のミラー２０５で反射された光とを入射して、その混合光を分割して２方向に出射する。
【００３７】
第１の偏光子２０７は、ビーム分割器（ＢＳ）２０６で混合された一成分の光を第１のアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ１）２０８に出射する。
第１のアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ１）２０８は、第１の偏光子２０７から入射した一成分の光を干渉させ、音響光学変調器（ＡＯＭ）２０３の変調周波数成分を有する干渉信号を生成する。
【００３８】
第２の偏光ビーム分割器（ＰＢＳ２）２０９は、ビーム分割器（ＢＳ）２０６から入射する他の成分の光を偏光によって反射光と透過光とに分けて、該反射光はレトロリフレクタ２１３に出射し、該透過光はターゲットミラー２１１に出射する。
【００３９】
ここで、コリメートされた光が上記第１の偏光ビーム分割器（ＰＢＳ１）２０２で反射光と透過光とに分割されたように、レトロリフレクタ２１３に出射される反射成分の光は、音響光学変調器（ＡＯＭ）２０３の無線周波数帯域の変調周波数（ｆｂ）分だけ周波数遷移が行われた光であり、ターゲットミラー２１１に出射される透過成分の光は元の周波数を有する光である。
【００４０】
また、第２の偏光ビーム分割器（ＰＢＳ２）２０９は、ターゲットミラー２１１から反射して戻る光を第１の１／４波長板（ＱＷＰ１）２１０を介して入射し、レトロリフレクタ２１３から反射して戻る光を第２の１／４波長板（ＱＷＰ２）２１２を介して入射し、該入射した２つの光を第２の偏光子２１４に出射する。
【００４１】
第１の１／４波長板（ＱＷＰ１）２１０は、第２の偏光ビーム分割器（ＰＢＳ２）２０９から入射する透過成分の光をターゲットミラー２１１に出射し、該ターゲットミラー２１１から反射して戻る光(偏光)を９０度回転させて、第２の偏光ビーム分割器（ＰＢＳ２）２０９に出射する。
【００４２】
ターゲットミラー２１１は、第１の１／４波長板（ＱＷＰ１）２１０を介して入射する透過成分の光を反射させて、第１の１／４波長板（ＱＷＰ１）２１０に出射する。
第２の１／４波長板（ＱＷＰ２）２１２は、第２の偏光ビーム分割器（ＰＢＳ２）２０９から入射する反射成分の光をレトロリフレクタ２１３に出射し、該レトロリフレクタ２１３から反射して戻る光（偏光）を９０度回転させて、第２の１／４波長板（ＱＷＰ２）２０９に出射する。
【００４３】
レトロリフレクタ２１３は、第２の１／４波長板（ＱＷＰ２）２１２を介して入射する反射成分の光を反射させ、第２の１／４波長板（ＱＷＰ２）２１２に出射する。第２の偏光子２１４は、第２の偏光ビーム分割器（ＰＢＳ２）２０９から出射される透過成分の光と反射成分の光とを入射して，第２のアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ２）２１５に出射する。
【００４４】
第２のアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ２）２１５は，第２の偏光子２１４から出射される透過成分の光と反射成分の光とを入射して、干渉信号を生成する。
結局、第１のアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ１）２０８で生成された干渉信号と第２のアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ２）２１５で生成された干渉信号との間の位相差を位相測定器で測定して、外部共振器レーザダイオード（ＥＣＬＤ）から出射される安定化した波長に対する小数部を求めることができるようになる。
【００４５】
図３は、本発明の他の実施の形態による光周波数発生モジュールの光学構成を示す図面であり、図４は、図３の光周波数発生モジュールで安定化した光周波数を生成する一例を示す図面である。
【００４６】
図３に示すように、本発明の光周波数取出ベースの光周波数発生モジュール３００は，フェムト秒レーザ３０１と、レーザダイオード（ＬＤ）３０２と、第１のミラー（Ｍ１）３０３と、第２のミラー（Ｍ２）３０４と、第１の回折格子（ＤＧ１）３０５と、レンズ（Ｌ）３０６と、単一モード光ファイバー（ＳＭＦ）３０７と、可変ファブリペロー干渉計（ＳＦＰＩ）３０８と、第１のビーム分割器（ＢＳ１）３０９と、第１のアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ１）３１０と、第１の半波長板（ＨＷＰ１）３１１と、光遮断器３１２と、第２のビーム分割器（ＢＳ２）３１３と、音響光学変調器（ＡＯＭ）３１４と、第２の半波長板（ＨＷＰ２）３１５と、偏光ビーム分割器（ＰＢＳ）３１６と、第３のミラー（Ｍ３）３１７と、偏光子（Ｐ）３１８と、第２の回折格子（ＤＧ２）３１９と、第２のアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ２）３２０と、第３のビーム分割器（ＢＳ３）３２１と、第４のビーム分割器（ＢＳ４）３２２と、波長測定器３２３と、光スペクトル分析器（ＯＳＡ）３２４とを含む。
【００４７】
フェムト秒レーザ３０１は，様々な周波数モード（周波数成分）を有するレーザパルスを発生する。
レーザダイオード（ＬＤ）３０２は、単独で使われれば、単波長のレーザを発生し、外部から注入同期レンジ（injection locking range）内の周波数を有する光を与えられると、該与えられた光を増幅して出力する。
【００４８】
第１のミラー（Ｍ１）３０３は、フェムト秒レーザ３０１の光を反射させ、第１の回折格子（ＤＧ１）３０５に向けて出射する。
第１の回折格子（ＤＧ１）３０５は、フェムト秒レーザ３０１の様々な周波数モードの光を回折させ、波長によって異なる角度に１次回折光を出射する。この時、０次回折光は波長によって分離されない状態で第３のミラー（Ｍ３）３１７に出射される。
【００４９】
第２のミラー（Ｍ２）３０４は、第１の回折格子（ＤＧ１）３０５から分光された１次回折光を反射させて、レンズ（Ｌ）３０６に向けて出射する。
レンズ（Ｌ）３０６は、第１の回折格子（ＤＧ１）３０５で波長によって分光され、第２のミラー（Ｍ２）３０４で反射された光のうち一定の波長帯域の光のみを取出して、単一モード光ファイバ（ＳＭＦ）３０７に入射させる。
【００５０】
単一モード光ファイバ（ＳＭＦ）３０７は、レンズで取出された一定の波長帯域の光を伝送及びコリメートして、可変ファブリペロー干渉計（ＳＦＰＩ）３０８に出射する。
可変ファブリペロー干渉計（ＳＦＰＩ）３０８は、単一モード光ファイバ（ＳＭＦ）３０７から伝送された光のうちから所望の帯域のみを微細に選択して、一つの周波数成分のみを取出して通過させる。この時、不所望の周波数成分の光量も一部残って通過し得る。
【００５１】
第１のビーム分割器（ＢＳ１）３０９は、可変ファブリペロー干渉計（ＳＦＰＩ）３０８から入射した光を分割して、第１のアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ１）３１０及び第１の半波長板（ＨＷＰ１）３１１の２つの方向に出射する。
【００５２】
第１のアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ１）３１０は、可変ファブリペロー干渉計（ＳＦＰＩ）３０８を通過して第１のビーム分割器（ＢＳ１）３０９で反射された光量を測定する。これは、所望の一つの周波数成分を通過させるための可変ファブリペロー干渉計（ＳＦＰＩ）３０８の制御信号として使われる。
【００５３】
第１のビーム分割器（ＢＳ１）３０９を透過した光は、第１の半波長板（ＨＷＰ１）３１１を通過し、光遮断器３１２で反射されてレーザダイオード（ＬＤ）３０２に向かって伝送するように、偏光方向が調節される。
【００５４】
光遮断器３１２は、レーザダイオード（ＬＤ）３０２から出力されて第２のビーム分割器（ＢＳ２）３１３の方向に進行する光は透過させ、その逆方向である第２のビーム分割器（ＢＳ２）３１３からレーザダイオード（ＬＤ）３０２の方向には光が進行できないようにする役割を果たす。また、第１の半波長板（ＨＷＰ１）３１１の方から入射した光は、光遮断器３１２で反射されてレーザダイオード（ＬＤ）３０２に伝送される。
【００５５】
即ち、光遮断器３１２は、フェムト秒レーザ３０１から所望の周波数成分のみが選択された光を、レーザダイオード（ＬＤ）３０２に与えて該周波数成分の増幅が発生するようにし、レーザダイオード（ＬＤ）３０２で増幅された光は第２のビーム分割器（ＢＳ２）３１３の方に通過させることによって、距離測定干渉計及び特性測定／制御に用いられるようにする。
【００５６】
レーザダイオード（ＬＤ）３０２は、取出された周波数成分の光量を増幅すると共に、可変ファブリペロー干渉計（ＳＦＰＩ）３０８で残留した不所望の周波数成分の光量を完璧に除去する役割を果たす。
【００５７】
第２のビーム分割器（ＢＳ２）３１３は、レーザダイオード（ＬＤ）３０２から出射して光遮断器３１２を通過したレーザを分割し、音響光学変調器（ＡＯＭ）３１４と第３のビーム分割器（ＢＳ３）３２１との２つの方向に出射する。
【００５８】
音響光学変調器（ＡＯＭ）３１４は、フェムト秒レーザ３０１から取出及び増幅された周波数成分の安定度及び精度を測定／評価するために取出及び増幅された周波数成分を、一定の周波数（ｆＡＯＭ）分だけ遷移させるのに使われる。該周波数遷移された光は、第２の半波長板（ＨＷＰ２）３１５に出射される。
【００５９】
第２の半波長板（ＨＷＰ２）３１５は、音響光学変調器（ＡＯＭ）３１４から入射した光の偏光方向を調節し、偏光ビーム分割器（ＰＢＳ）３１６で反射されて偏光子（Ｐ）３１８に向かう光の光量を調節する。
【００６０】
第２の半波長板（ＨＷＰ２）３１５から入射した光は、偏光ビーム分割器（ＰＢＳ）３１６で第３のミラー（Ｍ３）３１７から入射した光と合わせられて、偏光子（Ｐ）３１８に出射される。
【００６１】
この時、第２の半波長板（ＨＷＰ２）３１５から入射した光は、フェムト秒レーザ３０１から選択及び増幅された周波数成分から一定の周波数（ｆＡＯＭ）分だけ遷移された光周波数を有し、第３のミラー（Ｍ３）３１７から入射したフェムト秒レーザ３０１自体の光と干渉するようになる。これらの間のうなり周波数を第２のアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ２）３２０で測定することにより、取出された周波数成分の安定度を評価する。
【００６２】
偏光子（Ｐ）３１８は、偏光ビーム分割器（ＰＢＳ）３１６で発生した干渉うなり周波数を確認するために、偏光ビーム分割器（ＰＢＳ）３１６で反射される取出された単色のレーザ光と、透過する様々な周波数成分を有する光コムとから直線偏光を取出す。
【００６３】
第２のアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ２）３２０で測定されたうなり周波数は、無線スペクトル分析器あるいは周波数計数器に与えられ、光周波数取出ベースの光周波数発生器の線幅（line width）、安定度、精度及びサイドモード抑圧比（ＳＭＳＲ）を確認するのに用いられ、また、制御が安定的に保持しているか否かに対する判別とレーザダイオード（ＬＤ）３０２の温度及び電流値の制御とにも用いられる。
【００６４】
第３のビーム分割器（ＢＳ３）３２１は、第２のビーム分割器（ＢＳ２）３１３から入射したレーザ光を分割して、図１中の干渉計モジュール２００及び第４のビーム分割器（ＢＳ４）３２２の２つの方向に出射する。
【００６５】
第４のビーム分割器（ＢＳ４）３２２は、第３のビーム分割器（ＢＳ３）３２１から入射したレーザ光を分割して、波長測定器３２３及び光スペクトル分析器（ＯＳＡ）３２４の２つの方向に出射する。
【００６６】
波長測定器３２３によって、第４のビーム分割器（ＢＳ４）３２２から入射したレーザ光の光周波数の精度及び安定度を評価及び確認することができる。
光スペクトル分析器（ＯＳＡ）３２４は、第４のビーム分割器（ＢＳ４）３２２から入射したレーザ光の光周波数の線幅、精度、安定度及びサイドモード抑圧比（ＳＭＳＲ）を評価及び確認することができる。
【００６７】
即ち、光周波数取出ベースの光周波数発生器は、ファブリペロー周波数モード取出部（ＳＦＰＩ）３０８によって所望の周波数成分のみを取出した後、レーザダイオード（ＬＤ）３０２を用いて取出された周波数成分の光量のみを選択的に増幅する。この時、出射される光の光周波数は、光コムから取出された周波数成分の光周波数に対応する。これについて、添付の図４を参照しながら具体的に説明する。
【００６８】
図４のように、フェムト秒レーザ３０１から出射されるレーザパルスは、等間隔の多くの周波数モード（周波数成分）を有し、レンズ（Ｌ）３０６を通過して一部の波長帯域のみが選択的に抽出され、ファブリペロー周波数モード取出部（ＳＦＰＩ）３０８を通過して、選択したいとする一つの周波数成分のみが抽出される。この時、不所望の周波数成分の光量が一部抽出されるようになるが、これはレーザダイオード（ＬＤ）３０２に与えられて増幅される過程で完全に除去される。取出された周波数成分をレーザダイオード（ＬＤ）３０２に与えることによって、５０ｄＢ以上に該当する高水準の光増幅が可能である。
【００６９】
フェムト秒レーザ３０１から出射される安定化したフェムト秒レーザの光コムでｉ番目の周波数成分は上記［数１］のように表すことができ、選択的に取出したいとする光周波数成分がｉ番目の周波数成分の場合には、増幅後の光周波数も［数１］によって正確に記述される。
【００７０】
この時、フェムト秒レーザ３０１の周波数成分が与えられない場合に該当するレーザダイオード（ＬＤ）３０２から出射される光の周波数は、可変周波数範囲内の不安定な周波数であり、フェムト秒レーザ３０１の周波数成分が安定してレーザダイオード（ＬＤ）３０２に与えられると、この時点からレーザダイオード（ＬＤ）３０２から出射される光の周波数は、［数１］のように安定化した周波数を有するようになる。
【００７１】
レーザダイオード（ＬＤ）３０２から出射される増幅光は、図１の干渉計モジュール２００に入射し、レーザダイオード（ＬＤ）３０２から出射される安定化した周波数の波長に対する小数部を求めることができるようになる。
【００７２】
また、所望の周波数を生成するために、［数１］のパルス繰返し周期（ｆｒ）をフェムト秒レーザの共振器長さを変化させつつ調節することによって、周波数成分間の周波数をも生成することができる。併せて、出力端に周波数遷移の可能な光学装置であるＡＯＭなどを用いても同様な効果を得ることができる。
【００７３】
次に、多波長干渉計と周波数走査干渉計とを用いて絶対距離を測定する方法について、図５及び図６を参照して説明する。まず、多波長干渉計及び周波数走査干渉計の原理について簡略に説明する。
【００７４】
多波長干渉計（ＭＷＩ）は二つあるいはそれ以上の十分に定義され安定化した多数の波長を用いて、位相不確かさの問題を克服する。下記の［数３］は、多波長干渉計の原理を用いて絶対距離（Ｌ）を異なるＮ個の波長で測定した時を表す。
【００７５】
【数３】
ここで、
λｉ：i（i＝１、２、…、Ｎ）番目の波長
ｍｉ：ｉ番目の波長（λｉ）を用いた測定時の整数部
εｉ：ｉ番目の波長（λｉ）を用いた測定時の小数部
この時、小数部εｉは干渉計での干渉信号を解析して直接測定可能であるが、整数部ｍｉは位相不確かさの問題で直接得ることが出来ない。
【００７６】
［数３］においては、絶対距離（Ｌ）と各波長における整数部（ｍｉ、ｉ＝１、２、…、Ｎ）までのＮ＋１個の未知数が存在する。未知数の個数が式の個数より一つ多いので、全域に対して唯一の解を求めることはできないが、初期に測定したいとする絶対距離（Ｌ）を十分に小さな範囲内で推定することで、合致法（exact fraction method）によって分析的に絶対距離（Ｌ）を求めることができる。
【００７７】
絶対距離（Ｌ）を求めるために、まず測定したいとする絶対距離の初期推定値を求めて、解の範囲を限定する。初期推定によって得た予測範囲内において各々の波長で測定した小数部（εｉ）と理論的に有する小数部との差が特定の許容誤り（ｄ）より小さい距離の解（Ｌｃ）を求めれば、絶対距離（Ｌ）を測定することができる。これは下記の［数４］のように示される。
【００７８】
【数４】
ここで、Ｅ（Ｘ）は、Ｘの小数部を取る関数である。
【００７９】
この方法は特定の範囲内で一致する解を見出す方式であるので、複数の解が同時に条件を満たすことができ、唯一の解を得ることができるように、初期推定を十分に小さな不確度に行わなければならない。合致法で得ることができる解の間の間隔は、測定に用いた波長と小数部の許容誤りとによって決定される。
【００８０】
所望の光周波数を正確に生成することができる光周波数発生器を多波長干渉計に導入すれば、解間の間隔を最大にする波長を適宜選定して生成することができ、多波長干渉計の測定領域を拡張することができる。
【００８１】
また、連続的な波長の走査が可能になるので、後述の周波数走査干渉計の原理を用いて絶対距離を測定するに十分に小さな不確度にて、測定距離の初期推定値を同時に獲得することができる。
【００８２】
周波数走査干渉計は、特定の波長λ１からλ２に連続して波長を走査しつつ干渉パターンの流れを計数し、位相不確かさの問題なしに絶対距離を測定する原理として、干渉計の基準面と測定面との間の距離（Ｌ）は、波長走査を行いつつ獲得される位相差（Δφ）を用いて、下記の［数５］のように示すことができる。
【００８３】
【数５】
λＳ：合成波の波長
Δφ：位相差
ΔＮ：整数部
Δε：小数部
ここで、位相差（Δφ）の整数部（ΔＮ）は、波長掃引を行う間に流れる干渉パターンを計数して得ることができ、小数部（Δε）は、初期波長（λ１）及び終り波長（λ２）での干渉パターンを解析して得られた各々の小数部であるε１とε２との差（ε２−ε１）によって求めることができる。合成波（λＳ）は、初期波長（λ１）及び終り波長（λ２）によって決定され、下記の［数６］のように表される。
【００８４】
【数６】
図５は、本発明の光周波数発生器を用いた絶対距離測定方法を示す図面であり、図６は、絶対距離測定のための波長変調の一例を示す図面である。
【００８５】
図５に示すように、前述の光周波数発生器を用いて安定化した異なる４個の波長７８０．２０７０ｎｍ（λ１）、７８０．２０３７ｎｍ（λ２）、７７９．９５３５ｎｍ（λ３）、７７０．２０４３ｎｍ（λ４）を生成する（Ｓ１０）。この時、生成された異なる４個の波長は、真空中の波長である。
【００８６】
異なる４個の波長を、空気中の波長で補正すべきか否かが判断される（Ｓ２０）。
空気中の波長で補正しない場合、前述の周波数走査干渉計の原理を用いて測定したいとする距離の初期推定値を得る（Ｓ４０）。この時、測定したいとする距離は、１．２ｍの固定光経路に対する絶対距離を測定することと仮定する。
【００８７】
初期推定値獲得過程に対して詳察すれば、まず各波長での干渉パターンを解析して各波長（λ１、λ２、λ３、λ４）に対する小数部（ε１、ε２、ε３、ε４）を測定する。この時、測定された小数部の値は図４に示すように、ε１＝０．５８１７、ε２＝０．５１２３、ε３＝０．４６８８、ε４＝０．６５７８である。
【００８８】
このように各波長に対する小数部を測定した後、図６でのように、１番目の波長（λ１）から２番目の波長（λ２）まで連続して周波数を走査して、両波長間の位相差（Δφ）を測定する。
【００８９】
この時、位相差（Δφ）の整数部（ΔＮ）は、１番目の波長（λ１）から２番目の波長（λ２）までに波長掃引を行う間に流れる干渉パターンを計数して得ることができ、図６の小数部測定位相から分かるように、計数された干渉パターンは１３個で、整数部（ΔＮ）は１３になる。
【００９０】
小数部（Δε）は、１番目の波長（λ１）及び２番目の波長（λ２）での干渉パターンを解析して得られた各々の小数部であるε１とε２との差によって求めることができる。
合成波の波長（λＳ）は、１番目の波長（λ１）及び２番目の波長（λ２）を用いて上記［数６］によって計算された値の１８４．４６１ｎｍである。
【００９１】
すなわち、周波数走査干渉計の原理を用いて得た絶対距離（Ｌ）の初期推定値は、１１９５．２０６ｎｍである。
このように獲得した絶対距離の初期推定値によって絶対距離の解の存在する範囲を限定しなければならないので、獲得された初期推定値の不確度を分析（Ｓ５０）する過程を経て１００ｍ以下の距離をこのような条件で測定する時、初期推定値の不確度は２５９μｍ以下である。
【００９２】
前述の多波長干渉計の原理によって各波長に対する干渉信号を解析して異なる４個の波長に対する各々の小数部を測定する（Ｓ６０）。この時、測定される各波長に対する小数部（ε１、ε２、ε３、ε４）の値は、上記周波数走査干渉計の原理を用いて獲得した小数部の値と等しい。
【００９３】
異なる４個の波長に対する各々の整数部（ｍ１、ｍ２、ｍ３、ｍ４）を決定する（Ｓ７０）。この時、多波長干渉計の原理によって異なる４個の波長の関係によって測定される唯一の絶対距離の解は、各波長の小数部許容誤りが０．０１３以下の時、絶対距離の初期推定値の±２５９μｍ内の範囲内に存在しなければならない。
【００９４】
この範囲内において、各波長に対する整数部（ｍ）は、ｍ１＝３０６４８３４、ｍ２＝３０６４８４７、ｍ３＝３０６５８３０、ｍ４＝３１０４６３７になる。
このように異なる４個の波長（λ１、λ２、λ３、λ４）に対する小数部（ε１、ε２、ε３、ε４）及び整数部（ｍ１、ｍ２、ｍ３、ｍ４）が決定されれば、多波長干渉計で絶対距離を測定するべく、［数３］によって各波長に対する絶対距離（Ｌ）を測定する（Ｓ８０）。
【００９５】
異なる４個の波長（λ１、λ２、λ３、λ４）に対する絶対距離（Absolute Distance: Ｌ）は、下記の［表１］の通りである。
【００９６】
【表１】
前述の過程によって、１．２ｍの固定光経路を測定して唯一の絶対距離の解を得ることができ、測定不確度は２０ｎｍ以下となる。
【００９７】
また、１．２ｍの固定光経路に対して獲得した各波長の絶対距離は、各波長の小数部許容誤りが０．０１３以下の時、絶対距離の初期推定値の±２５９μｍ内の範囲内に存在するので、多波長干渉計の原理で数メーター水準の広い領域で絶対距離の測定が可能である。
【００９８】
使用者が、異なる４個の波長を空気中の波長で補正するか否かを判断する過程（Ｓ２０）にて、空気中の波長で補正したいとする場合には、まず、温度、湿度、圧力、ＣＯ２濃度などの環境変数を測定して空気屈折率を計算する。該計算された各波長の空気屈折率は、［表１］に示されている。
【００９９】
計算された各波長の空気屈折率で真空中の各波長が分割されると、その波長が空気中の波長で補正される（Ｓ３０）。該補正された空気中の波長は、［表１］に示されている。
空気中の波長で補正された異なる４個の波長に対する絶対距離を測定する方法は、前述のステップＳ４０〜Ｓ８０と同一である。
【０１００】
このように、本発明では周波数走査干渉計によって獲得した絶対距離値を多波長干渉計の初期推定値として用いることによって、測定距離の初期予測なしでも異なる複数の波長を用いて多波長干渉計の原理で絶対距離の測定が可能になる。
【０１０１】
上記実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれる。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】本発明の一実施の形態による光周波数発生器を用いて絶対距離を測定するための干渉計の光学構成を示す図面である。
【図２】図１の光周波数発生モジュールで安定化した光周波数を生成する一例を示す図面である。
【図３】本発明の他の実施の形態による光周波数発生モジュールの光学構成を示す図面である。
【図４】図３の光周波数発生モジュールで安定化した光周波数を生成する一例を示す図面である。
【図５】本発明の光周波数発生器を用いた絶対距離測定方法を示す図面である。
【図６】絶対距離測定のための波長変調の一例を示す図面である。
【符号の説明】
【０１０３】
１００、３００ 光周波数発生モジュール
１０１ 外部共振器レーザダイオード（ＥＣＬＤ）
１０２、３０１ フェムト秒レーザ
１０３ 偏光ビーム分割器（ＰＢＳ）
１０４ 偏光子（Ｐ）
１０５ 光フィルタ
１０６ アバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ３）
１０７ 位相ロック回路（ＰＬＬ）
３０２ レーザダイオード（ＬＤ）
３０３ 第１のミラー（Ｍ１）
３０４ 第２のミラー（Ｍ２）
３０５ 第１の回折格子（ＤＧ１）
３０６ レンズ（Ｌ）
３０７ 単一モード光ファイバー（ＳＭＦ）
３０８ 可変ファブリペロー干渉計（ＳＦＰＩ）
３０９ 第１のビーム分割器（ＢＳ１）
３１０ 第１のアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ１）
３１１ 第１の半波長板（ＨＷＰ１）
３１２ 光遮断器
３１３ 第２のビーム分割器（ＢＳ２）
３１４ 音響光学変調器（ＡＯＭ）
３１５ 第２の半波長板（ＨＷＰ２）
３１６ 偏光ビーム分割器（ＰＢＳ）
３１７ 第３のミラー（Ｍ３）
３１８ 偏光子（Ｐ）
３１９ 第２の回折格子（ＤＧ２）
３２０ 第２のアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ２）
３２１ 第３のビーム分割器（ＢＳ３）
３２２ 第４のビーム分割器（ＢＳ４）
３２３ 波長測定器
３２４ 光スペクトル分析器（ＯＳＡ）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光周波数発生器を用いた絶対距離測定方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
絶対距離測定は、測定面を移動させることなく所望の距離を一度に測定する方法である。現在広く使われている干渉原理を利用している測長器は、測定面の移動によって生じる干渉パターンの位相変化を連続して積分し、該測定面の初期位置と最終位置との間の相対変位を測定する。
【０００３】
この方法は、光源の波長をルーラー（ruler ）として用いているため、高い測定不確度を有する長さ標準にも対応可能な測定法であり、位相の変化が測定面の変位を意味するので、複雑な計算処理を必要とすることなしに高速に測定が可能であるという長所を有している。
【０００４】
しかしながら、位相不確かさの問題によって、距離を測定する際に必ず測定面を所望の分だけ移動させることが必要であるとともに、位相変化を連続して積分するので、測定過程において信号に含まれている幾つかの誤り成分も累積されてしまうという短所を有している。
【０００５】
そのため、既存の干渉計の幾つかの長所を生かしながら絶対距離を測定することができる測定器の必要性が提起されてきており、それに対する研究開発も活発に行われてきている。
【０００６】
干渉原理を用いた絶対距離測定には、同じ距離を二つ以上の幾つかの光波長を用いて測定する多波長干渉計と、光周波数を一定の広さ及び周期で走査して測長する周波数走査干渉計とをはじめとした幾つかの方法が存在する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このうち、多波長干渉計は、高い測定不確度を有する距離を測定可能であるとともに、光の短波長を用いる光干渉計の長所をよく生かすことができる絶対距離測定法の一つである。ところが、測定する距離を一定の範囲内に推定しなければならないという短所があり、このためゲージブロック測定などの測定する長さの初期予測が可能な特定な分野のみで使われている。
【０００８】
また、従来の絶対距離干渉法は、光源の安定性の問題、アルゴリズムの問題などの技術的な問題によって、相対変位測定法で得ることができる水準の測定確度を有していないという問題があった。
【０００９】
本発明は上記の問題に鑑みて成されたものであって、その目的は、周波数走査干渉計の原理を適用した多波長干渉計において既存の波長の安定度及び精度で制限された測定領域を拡張すると共に、既存の相対変位測定において光干渉計が有する高い測定確度特性を維持しながら絶対距離を測定することができる、光周波数発生器を用いた絶対距離測定方法及びシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するために、本発明の一側面による光周波数発生器を用いた絶対距離測定方法は、（ａ）前記光周波数発生器を用いて、安定化した異なる複数の波長を生成するステップと、（ｂ）周波数走査干渉計を用いて、測定する距離の初期推定値を取得するステップと、（ｃ）前記取得した初期推定値の不確度の範囲を分析するステップと、（ｄ）多波長干渉計の原理によって、各波長に対する干渉信号を解析して該各波長に対する小数部を測定するステップと、（ｅ）前記初期推定値の不確度の範囲内において前記各波長に対する整数部を決定するステップと、（ｆ）前記異なる複数の波長に対するそれぞれの小数部と整数部とを用いて、測定する距離の絶対距離を測定するステップとを含む。
【００１１】
前記ステップ（ａ）は、（ａ１）外部共振器レーザダイオード（ＥＣＬＤ）から発生した単波長のレーザとフェムト秒レーザの光コム（多波長のレーザパルス）との周波数干渉によって、うなり周波数（beat frequency）を発生するステップと、（ａ２）前記うなり周波数を所定の基準周波数に同期させるための電気制御信号を位相ロック回路（ＰＬＬ）により生成して、該電気制御信号を前記外部共振器レーザダイオードに供給するステップと、（ａ３）前記外部共振器レーザダイオードにより、前記位相ロック回路（ＰＬＬ）から供給された電気的制御信号に応じて安定化した波長を生成するステップとを含む。
【００１２】
前記ステップ（ａ）は、（ａ１）フェムト秒レーザの光コムから単一周波数成分を抽出するステップと、（ａ２）前記抽出された単一周波数成分を有する光をレーザダイオードに与えるステップと、（ａ３）前記抽出された単一周波数成分を前記レーザダイオードで増幅して、安定化した周波数の波長を生成するステップとを含む。
【００１３】
また、上記の目的を達成するために、本発明の他の側面による光周波数発生器を用いた絶対距離測定システムは、安定化した異なる複数の波長を生成し、該異なる複数の波長のうち第１の波長（λ１）から第２の波長（λ２）までの連続的な周波数走査を行うことが可能な光周波数発生モジュールと、前記光周波数発生モジュールから出射された前記異なる複数の波長の各々に対する小数部を測定し、前記第１の波長（λ１）から第２の波長（λ２）までの連続的な周波数走査による両波長間の位相差（Δφ）を測定するための干渉計モジュールとを含む。
【００１４】
前記光周波数発生モジュールは、単波長のレーザを発生するための外部共振器レーザダイオードと、光コム（多波長のレーザパルス）を発生するためのフェムト秒レーザと、前記外部共振器レーザダイオードから発生した単波長のレーザと前記フェムト秒レーザの光コムとの周波数干渉によって生成されたうなり周波数を測定するためのアバランシェ・フォトダイオードと、前記アバランシェ・フォトダイオードで測定された前記うなり周波数を所定の基準周波数に同期させるための電気制御信号を生成し、該電気制御信号を前記外部共振器レーザダイオードに出力する位相ロック回路部とを含み、前記外部共振器レーザダイオードは、前記位相ロック回路部から出力された電気制御信号に応じて、安定化した周波数の波長を生成して、該波長を有する光を前記干渉計モジュールに出射する。
【００１５】
前記光周波数発生モジュールは、多波長のレーザパルスとして光コムを生成するためのフェムト秒レーザと、前記フェムト秒レーザの光コムから単一周波数成分を抽出するための光周波数取出部と、前記光周波数取出部から抽出された前記単一周波数成分を有する光を増幅して安定化した周波数の波長を生成して、該波長を有する光を前記干渉計モジュールに出射する光周波数増幅部とを含む。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、周波数標準に遡及して所望の波長を自動で得ることのできる光周波数発生器を用いて、複数の波長を生成し、絶対距離測定だけでなく空気中の測定において最も問題になる空気屈折率補償を行うことが可能となり、精密長さ測定に広く適用することができる。また安定な波長及び周波数を必要とする分光学、生命工学での測定、断層測定、厚さ測定、標準測定など多様な分野への応用が可能である。
【００１７】
また、本発明は、現在広く使われている相対変位干渉法はもちろん、測定面の動きなしに一回の測定で距離を得ることができる絶対距離干渉法への適用も可能で、連続して測定面を移動させずとも、高い測定分解能を要する半導体及びＬＣＤ装備のような大型超精密機器の位置決め、航空機、宇宙船及び超大型船舶の組立及び位置選定、大型橋のような建築構造物の建設及び宇宙で人工衛星間の位置決めなどの作業にも広く適用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳記する。本明細書に記載された実施の形態と図面に示されている構成は、本発明の好適な一実施の形態に過ぎず、本発明の技術的思想を全て包含するものではない。本出願時点においてこれらに代わることができる多様な均等物や変形例があり得る。
【００１９】
図１は、本発明の一実施の形態による、光周波数発生器を用いて絶対距離を測定するための干渉計の光学構成を示す図面であり、図２は、図１の光周波数発生モジュールで安定化した光周波数を生成する一例を示す図面である。
【００２０】
図１に示すように、本発明は概して、光周波数発生モジュール１００と干渉計モジュール２００とを含む。
外部波長可変光源ベースの光周波数発生モジュール１００は、外部共振器レーザダイオード（ＥＣＬＤ）１０１と、フェムト秒レーザ１０２と、偏光ビーム分割器（ＰＢＳ）１０３と、偏光子（Ｐ）１０４と、光フィルタ１０５と、アバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ３）１０６と、位相ロック回路（ＰＬＬ）１０７とを含む。
【００２１】
外部共振器レーザダイオード（ＥＣＬＤ）１０１は、単波長のレーザを発生し、波長の可変範囲は７６５〜７８１ｎｍである。
また、外部共振器レーザダイオード（ＥＣＬＤ）１０１は、位相ロック回路（ＰＬＬ）１０７から伝送される電気的制御信号に応じて、安定化した周波数の波長を生成して干渉計モジュール２００へと出射する。
【００２２】
フェムト秒レーザ１０２は、多波長のレーザパルスを発生する。
偏光ビーム分割器（ＰＢＳ）１０３は、外部共振器レーザダイオード（ＥＣＬＤ）１０１から入射する単波長レーザとフェムト秒レーザ１０２から入射する多波長レーザとを偏光方向に応じて透過または反射させる。この時、フェムト秒レーザ１０２と外部共振器レーザダイオード１０１との周波数干渉によって、うなり周波数が生成される。
【００２３】
偏光子（Ｐ）１０４は、偏光ビーム分割器（ＰＢＳ）１０３で発生した干渉を検証するために、偏光ビーム分割器（ＰＢＳ）１０３で反射されたレーザと透過するレーザとから直線偏光を取出す。
【００２４】
光フィルタ１０５は、偏光子（Ｐ）１０４から取出されて入射する直線偏光を一定波長帯域で選択的に透過させる。
アバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ３）１０６は、光フィルタ１０５で選択的に透過された直線偏光を用いて、偏光ビーム分割器（ＰＢＳ）１０３でのフェムト秒レーザ１０２の光コム（optical comb）と外部共振器レーザダイオード１０１との周波数干渉によって生成されたうなり周波数を測定する。
【００２５】
位相ロック回路（ＰＬＬ）１０７は、アバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ３）１０６から得られたうなり周波数を所定の基準周波数に同期させて外部共振器レーザダイオード（ＥＣＬＤ）１０１を安定化させるための電気制御信号を出力する。
【００２６】
即ち、偏光ビーム分割器（ＰＢＳ）１０３におけるフェムト秒レーザ１０２の光コムと外部共振器レーザダイオード１０１との周波数干渉によって生成されたうなり周波数を測定することによって、外部共振器レーザダイオード（ＥＣＬＤ）から出射される光の周波数ｆｃｗが分かる。これについて、添付の図２を参照してより具体的に説明する。
【００２７】
図２に示すように、フェムト秒レーザ１０２の光コムから出射される多波長レーザと外部共振器レーザダイオード（ＥＣＬＤ）１０１から出射される単波長レーザとが一致すると周波数干渉が発生し、うなり周波数を測定することができる。
【００２８】
フェムト秒レーザ１０２から出射される安定したフェムト秒レーザの周波数コムでｉ番目の周波数成分は、下記の［数１］のように表すことができる。また［数２］から、外部共振器レーザダイオード（ＥＣＬＤ）から出射される光の周波数ｆｃｗが分かる。
【００２９】
【数１】
ここで、
ｆｉ：ｉ番目の周波数成分
ｉ：整数
ｆｒ：パルス繰返し周期
ｆｏ：搬送波オフセット周波数（ＣＥＯ周波数）
【００３０】
【数２】
ｆｃｗ：外部共振器レーザダイオード（ＥＣＬＤ）から出射される光の周波数
ｆｂ：うなり周波数
このように、外部共振器レーザダイオード（ＥＣＬＤ）から出射される光の周波数ｆｃｗは、ｉ番目の周波数成分ｆｉにうなり周波数ｆｂを合算することで求められる。
【００３１】
この時、外部共振器レーザダイオード（ＥＣＬＤ）から出射される光の周波数ｆｃｗはチューニング周波数範囲内の不安定な周波数である。位相ロック回路（ＰＬＬ）１０７でうなり周波数（ｆｂ）を所定の基準周波数に同期させるための電気制御信号が外部共振器レーザダイオード（ＥＣＬＤ）１０１に伝送されると、外部共振器レーザダイオード（ＥＣＬＤ）から安定した周波数ｆｃｗを有する光が出射される。
【００３２】
干渉計モジュール２００は、コリメータレンズ２０１と、第１の偏光ビーム分割器（ＰＢＳ１）２０２と、音響光学変調器（ＡＯＭ）２０３と、第１のミラー（Ｍ１）２０４と、第２のミラー（Ｍ２）２０５と、ビーム分割器（ＢＳ）２０６と、第１の偏光子２０７と、第１のアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ１）２０８と、第２の偏光ビーム分割器（ＰＢＳ２）２０９と、第１の１／４波長板（ＱＷＰ１）２１０と、ターゲットミラー２１１と、第２の１／４波長板（ＱＷＰ２）２１２と、レトロリフレクタ２１３と、第２の偏光子２１４と、第２のアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ２）２１５とを含む。
【００３３】
コリメータレンズ２０１は光周波数発生モジュール１００の外部共振器レーザダイオード（ＥＣＬＤ）１０１から出射されて光ファイバを介して伝達される、高い安定度の光をコリメートする。
【００３４】
第１の偏光ビーム分割器（ＰＢＳ１）２０２は、コリメータレンズ２０１でコリメートされた光を偏光によって透過光と反射光とに分ける。
音響光学変調器（ＡＯＭ）２０３は、第１の偏光ビーム分割器（ＰＢＳ１）２０２からの反射光の周波数を無線周波数帯域の変調周波数ｆｂ分だけ遷移させる。
【００３５】
第１のミラー（Ｍ１）２０４は、音響光学変調器（ＡＯＭ）２０３の無線周波数帯域の変調周波数ｆｂ分だけ周波数遷移された光を反射させる。
第２のミラー（Ｍ２）２０５は、第１のミラー２０４で反射された光を反射させ、ビーム分割器（ＢＳ）２０６に出射する。
【００３６】
ビーム分割器（ＢＳ）２０６は、第１の偏光ビーム分割器（ＰＢＳ１）２０２で分割された透過光と第２のミラー２０５で反射された光とを入射して、その混合光を分割して２方向に出射する。
【００３７】
第１の偏光子２０７は、ビーム分割器（ＢＳ）２０６で混合された一成分の光を第１のアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ１）２０８に出射する。
第１のアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ１）２０８は、第１の偏光子２０７から入射した一成分の光を干渉させ、音響光学変調器（ＡＯＭ）２０３の変調周波数成分を有する干渉信号を生成する。
【００３８】
第２の偏光ビーム分割器（ＰＢＳ２）２０９は、ビーム分割器（ＢＳ）２０６から入射する他の成分の光を偏光によって反射光と透過光とに分けて、該反射光はレトロリフレクタ２１３に出射し、該透過光はターゲットミラー２１１に出射する。
【００３９】
ここで、コリメートされた光が上記第１の偏光ビーム分割器（ＰＢＳ１）２０２で反射光と透過光とに分割されたように、レトロリフレクタ２１３に出射される反射成分の光は、音響光学変調器（ＡＯＭ）２０３の無線周波数帯域の変調周波数（ｆｂ）分だけ周波数遷移が行われた光であり、ターゲットミラー２１１に出射される透過成分の光は元の周波数を有する光である。
【００４０】
また、第２の偏光ビーム分割器（ＰＢＳ２）２０９は、ターゲットミラー２１１から反射して戻る光を第１の１／４波長板（ＱＷＰ１）２１０を介して入射し、レトロリフレクタ２１３から反射して戻る光を第２の１／４波長板（ＱＷＰ２）２１２を介して入射し、該入射した２つの光を第２の偏光子２１４に出射する。
【００４１】
第１の１／４波長板（ＱＷＰ１）２１０は、第２の偏光ビーム分割器（ＰＢＳ２）２０９から入射する透過成分の光をターゲットミラー２１１に出射し、該ターゲットミラー２１１から反射して戻る光(偏光)を９０度回転させて、第２の偏光ビーム分割器（ＰＢＳ２）２０９に出射する。
【００４２】
ターゲットミラー２１１は、第１の１／４波長板（ＱＷＰ１）２１０を介して入射する透過成分の光を反射させて、第１の１／４波長板（ＱＷＰ１）２１０に出射する。
第２の１／４波長板（ＱＷＰ２）２１２は、第２の偏光ビーム分割器（ＰＢＳ２）２０９から入射する反射成分の光をレトロリフレクタ２１３に出射し、該レトロリフレクタ２１３から反射して戻る光（偏光）を９０度回転させて、第２の１／４波長板（ＱＷＰ２）２０９に出射する。
【００４３】
レトロリフレクタ２１３は、第２の１／４波長板（ＱＷＰ２）２１２を介して入射する反射成分の光を反射させ、第２の１／４波長板（ＱＷＰ２）２１２に出射する。第２の偏光子２１４は、第２の偏光ビーム分割器（ＰＢＳ２）２０９から出射される透過成分の光と反射成分の光とを入射して，第２のアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ２）２１５に出射する。
【００４４】
第２のアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ２）２１５は，第２の偏光子２１４から出射される透過成分の光と反射成分の光とを入射して、干渉信号を生成する。
結局、第１のアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ１）２０８で生成された干渉信号と第２のアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ２）２１５で生成された干渉信号との間の位相差を位相測定器で測定して、外部共振器レーザダイオード（ＥＣＬＤ）から出射される安定化した波長に対する小数部を求めることができるようになる。
【００４５】
図３は、本発明の他の実施の形態による光周波数発生モジュールの光学構成を示す図面であり、図４は、図３の光周波数発生モジュールで安定化した光周波数を生成する一例を示す図面である。
【００４６】
図３に示すように、本発明の光周波数取出ベースの光周波数発生モジュール３００は，フェムト秒レーザ３０１と、レーザダイオード（ＬＤ）３０２と、第１のミラー（Ｍ１）３０３と、第２のミラー（Ｍ２）３０４と、第１の回折格子（ＤＧ１）３０５と、レンズ（Ｌ）３０６と、単一モード光ファイバー（ＳＭＦ）３０７と、可変ファブリペロー干渉計（ＳＦＰＩ）３０８と、第１のビーム分割器（ＢＳ１）３０９と、第１のアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ１）３１０と、第１の半波長板（ＨＷＰ１）３１１と、光遮断器３１２と、第２のビーム分割器（ＢＳ２）３１３と、音響光学変調器（ＡＯＭ）３１４と、第２の半波長板（ＨＷＰ２）３１５と、偏光ビーム分割器（ＰＢＳ）３１６と、第３のミラー（Ｍ３）３１７と、偏光子（Ｐ）３１８と、第２の回折格子（ＤＧ２）３１９と、第２のアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ２）３２０と、第３のビーム分割器（ＢＳ３）３２１と、第４のビーム分割器（ＢＳ４）３２２と、波長測定器３２３と、光スペクトル分析器（ＯＳＡ）３２４とを含む。
【００４７】
フェムト秒レーザ３０１は，様々な周波数モード（周波数成分）を有するレーザパルスを発生する。
レーザダイオード（ＬＤ）３０２は、単独で使われれば、単波長のレーザを発生し、外部から注入同期レンジ（injection locking range）内の周波数を有する光を与えられると、該与えられた光を増幅して出力する。
【００４８】
第１のミラー（Ｍ１）３０３は、フェムト秒レーザ３０１の光を反射させ、第１の回折格子（ＤＧ１）３０５に向けて出射する。
第１の回折格子（ＤＧ１）３０５は、フェムト秒レーザ３０１の様々な周波数モードの光を回折させ、波長によって異なる角度に１次回折光を出射する。この時、０次回折光は波長によって分離されない状態で第３のミラー（Ｍ３）３１７に出射される。
【００４９】
第２のミラー（Ｍ２）３０４は、第１の回折格子（ＤＧ１）３０５から分光された１次回折光を反射させて、レンズ（Ｌ）３０６に向けて出射する。
レンズ（Ｌ）３０６は、第１の回折格子（ＤＧ１）３０５で波長によって分光され、第２のミラー（Ｍ２）３０４で反射された光のうち一定の波長帯域の光のみを取出して、単一モード光ファイバ（ＳＭＦ）３０７に入射させる。
【００５０】
単一モード光ファイバ（ＳＭＦ）３０７は、レンズで取出された一定の波長帯域の光を伝送及びコリメートして、可変ファブリペロー干渉計（ＳＦＰＩ）３０８に出射する。
可変ファブリペロー干渉計（ＳＦＰＩ）３０８は、単一モード光ファイバ（ＳＭＦ）３０７から伝送された光のうちから所望の帯域のみを微細に選択して、一つの周波数成分のみを取出して通過させる。この時、不所望の周波数成分の光量も一部残って通過し得る。
【００５１】
第１のビーム分割器（ＢＳ１）３０９は、可変ファブリペロー干渉計（ＳＦＰＩ）３０８から入射した光を分割して、第１のアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ１）３１０及び第１の半波長板（ＨＷＰ１）３１１の２つの方向に出射する。
【００５２】
第１のアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ１）３１０は、可変ファブリペロー干渉計（ＳＦＰＩ）３０８を通過して第１のビーム分割器（ＢＳ１）３０９で反射された光量を測定する。これは、所望の一つの周波数成分を通過させるための可変ファブリペロー干渉計（ＳＦＰＩ）３０８の制御信号として使われる。
【００５３】
第１のビーム分割器（ＢＳ１）３０９を透過した光は、第１の半波長板（ＨＷＰ１）３１１を通過し、光遮断器３１２で反射されてレーザダイオード（ＬＤ）３０２に向かって伝送するように、偏光方向が調節される。
【００５４】
光遮断器３１２は、レーザダイオード（ＬＤ）３０２から出力されて第２のビーム分割器（ＢＳ２）３１３の方向に進行する光は透過させ、その逆方向である第２のビーム分割器（ＢＳ２）３１３からレーザダイオード（ＬＤ）３０２の方向には光が進行できないようにする役割を果たす。また、第１の半波長板（ＨＷＰ１）３１１の方から入射した光は、光遮断器３１２で反射されてレーザダイオード（ＬＤ）３０２に伝送される。
【００５５】
即ち、光遮断器３１２は、フェムト秒レーザ３０１から所望の周波数成分のみが選択された光を、レーザダイオード（ＬＤ）３０２に与えて該周波数成分の増幅が発生するようにし、レーザダイオード（ＬＤ）３０２で増幅された光は第２のビーム分割器（ＢＳ２）３１３の方に通過させることによって、距離測定干渉計及び特性測定／制御に用いられるようにする。
【００５６】
レーザダイオード（ＬＤ）３０２は、取出された周波数成分の光量を増幅すると共に、可変ファブリペロー干渉計（ＳＦＰＩ）３０８で残留した不所望の周波数成分の光量を完璧に除去する役割を果たす。
【００５７】
第２のビーム分割器（ＢＳ２）３１３は、レーザダイオード（ＬＤ）３０２から出射して光遮断器３１２を通過したレーザを分割し、音響光学変調器（ＡＯＭ）３１４と第３のビーム分割器（ＢＳ３）３２１との２つの方向に出射する。
【００５８】
音響光学変調器（ＡＯＭ）３１４は、フェムト秒レーザ３０１から取出及び増幅された周波数成分の安定度及び精度を測定／評価するために取出及び増幅された周波数成分を、一定の周波数（ｆＡＯＭ）分だけ遷移させるのに使われる。該周波数遷移された光は、第２の半波長板（ＨＷＰ２）３１５に出射される。
【００５９】
第２の半波長板（ＨＷＰ２）３１５は、音響光学変調器（ＡＯＭ）３１４から入射した光の偏光方向を調節し、偏光ビーム分割器（ＰＢＳ）３１６で反射されて偏光子（Ｐ）３１８に向かう光の光量を調節する。
【００６０】
第２の半波長板（ＨＷＰ２）３１５から入射した光は、偏光ビーム分割器（ＰＢＳ）３１６で第３のミラー（Ｍ３）３１７から入射した光と合わせられて、偏光子（Ｐ）３１８に出射される。
【００６１】
この時、第２の半波長板（ＨＷＰ２）３１５から入射した光は、フェムト秒レーザ３０１から選択及び増幅された周波数成分から一定の周波数（ｆＡＯＭ）分だけ遷移された光周波数を有し、第３のミラー（Ｍ３）３１７から入射したフェムト秒レーザ３０１自体の光と干渉するようになる。これらの間のうなり周波数を第２のアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ２）３２０で測定することにより、取出された周波数成分の安定度を評価する。
【００６２】
偏光子（Ｐ）３１８は、偏光ビーム分割器（ＰＢＳ）３１６で発生した干渉うなり周波数を確認するために、偏光ビーム分割器（ＰＢＳ）３１６で反射される取出された単色のレーザ光と、透過する様々な周波数成分を有する光コムとから直線偏光を取出す。
【００６３】
第２のアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ２）３２０で測定されたうなり周波数は、無線スペクトル分析器あるいは周波数計数器に与えられ、光周波数取出ベースの光周波数発生器の線幅（line width）、安定度、精度及びサイドモード抑圧比（ＳＭＳＲ）を確認するのに用いられ、また、制御が安定的に保持しているか否かに対する判別とレーザダイオード（ＬＤ）３０２の温度及び電流値の制御とにも用いられる。
【００６４】
第３のビーム分割器（ＢＳ３）３２１は、第２のビーム分割器（ＢＳ２）３１３から入射したレーザ光を分割して、図１中の干渉計モジュール２００及び第４のビーム分割器（ＢＳ４）３２２の２つの方向に出射する。
【００６５】
第４のビーム分割器（ＢＳ４）３２２は、第３のビーム分割器（ＢＳ３）３２１から入射したレーザ光を分割して、波長測定器３２３及び光スペクトル分析器（ＯＳＡ）３２４の２つの方向に出射する。
【００６６】
波長測定器３２３によって、第４のビーム分割器（ＢＳ４）３２２から入射したレーザ光の光周波数の精度及び安定度を評価及び確認することができる。
光スペクトル分析器（ＯＳＡ）３２４は、第４のビーム分割器（ＢＳ４）３２２から入射したレーザ光の光周波数の線幅、精度、安定度及びサイドモード抑圧比（ＳＭＳＲ）を評価及び確認することができる。
【００６７】
即ち、光周波数取出ベースの光周波数発生器は、ファブリペロー周波数モード取出部（ＳＦＰＩ）３０８によって所望の周波数成分のみを取出した後、レーザダイオード（ＬＤ）３０２を用いて取出された周波数成分の光量のみを選択的に増幅する。この時、出射される光の光周波数は、光コムから取出された周波数成分の光周波数に対応する。これについて、添付の図４を参照しながら具体的に説明する。
【００６８】
図４のように、フェムト秒レーザ３０１から出射されるレーザパルスは、等間隔の多くの周波数モード（周波数成分）を有し、レンズ（Ｌ）３０６を通過して一部の波長帯域のみが選択的に抽出され、ファブリペロー周波数モード取出部（ＳＦＰＩ）３０８を通過して、選択したいとする一つの周波数成分のみが抽出される。この時、不所望の周波数成分の光量が一部抽出されるようになるが、これはレーザダイオード（ＬＤ）３０２に与えられて増幅される過程で完全に除去される。取出された周波数成分をレーザダイオード（ＬＤ）３０２に与えることによって、５０ｄＢ以上に該当する高水準の光増幅が可能である。
【００６９】
フェムト秒レーザ３０１から出射される安定化したフェムト秒レーザの光コムでｉ番目の周波数成分は上記［数１］のように表すことができ、選択的に取出したいとする光周波数成分がｉ番目の周波数成分の場合には、増幅後の光周波数も［数１］によって正確に記述される。
【００７０】
この時、フェムト秒レーザ３０１の周波数成分が与えられない場合に該当するレーザダイオード（ＬＤ）３０２から出射される光の周波数は、可変周波数範囲内の不安定な周波数であり、フェムト秒レーザ３０１の周波数成分が安定してレーザダイオード（ＬＤ）３０２に与えられると、この時点からレーザダイオード（ＬＤ）３０２から出射される光の周波数は、［数１］のように安定化した周波数を有するようになる。
【００７１】
レーザダイオード（ＬＤ）３０２から出射される増幅光は、図１の干渉計モジュール２００に入射し、レーザダイオード（ＬＤ）３０２から出射される安定化した周波数の波長に対する小数部を求めることができるようになる。
【００７２】
また、所望の周波数を生成するために、［数１］のパルス繰返し周期（ｆｒ）をフェムト秒レーザの共振器長さを変化させつつ調節することによって、周波数成分間の周波数をも生成することができる。併せて、出力端に周波数遷移の可能な光学装置であるＡＯＭなどを用いても同様な効果を得ることができる。
【００７３】
次に、多波長干渉計と周波数走査干渉計とを用いて絶対距離を測定する方法について、図５及び図６を参照して説明する。まず、多波長干渉計及び周波数走査干渉計の原理について簡略に説明する。
【００７４】
多波長干渉計（ＭＷＩ）は二つあるいはそれ以上の十分に定義され安定化した多数の波長を用いて、位相不確かさの問題を克服する。下記の［数３］は、多波長干渉計の原理を用いて絶対距離（Ｌ）を異なるＮ個の波長で測定した時を表す。
【００７５】
【数３】
ここで、
λｉ：i（i＝１、２、…、Ｎ）番目の波長
ｍｉ：ｉ番目の波長（λｉ）を用いた測定時の整数部
εｉ：ｉ番目の波長（λｉ）を用いた測定時の小数部
この時、小数部εｉは干渉計での干渉信号を解析して直接測定可能であるが、整数部ｍｉは位相不確かさの問題で直接得ることが出来ない。
【００７６】
［数３］においては、絶対距離（Ｌ）と各波長における整数部（ｍｉ、ｉ＝１、２、…、Ｎ）までのＮ＋１個の未知数が存在する。未知数の個数が式の個数より一つ多いので、全域に対して唯一の解を求めることはできないが、初期に測定したいとする絶対距離（Ｌ）を十分に小さな範囲内で推定することで、合致法（exact fraction method）によって分析的に絶対距離（Ｌ）を求めることができる。
【００７７】
絶対距離（Ｌ）を求めるために、まず測定したいとする絶対距離の初期推定値を求めて、解の範囲を限定する。初期推定によって得た予測範囲内において各々の波長で測定した小数部（εｉ）と理論的に有する小数部との差が特定の許容誤り（ｄ）より小さい距離の解（Ｌｃ）を求めれば、絶対距離（Ｌ）を測定することができる。これは下記の［数４］のように示される。
【００７８】
【数４】
ここで、Ｅ（Ｘ）は、Ｘの小数部を取る関数である。
【００７９】
この方法は特定の範囲内で一致する解を見出す方式であるので、複数の解が同時に条件を満たすことができ、唯一の解を得ることができるように、初期推定を十分に小さな不確度に行わなければならない。合致法で得ることができる解の間の間隔は、測定に用いた波長と小数部の許容誤りとによって決定される。
【００８０】
所望の光周波数を正確に生成することができる光周波数発生器を多波長干渉計に導入すれば、解間の間隔を最大にする波長を適宜選定して生成することができ、多波長干渉計の測定領域を拡張することができる。
【００８１】
また、連続的な波長の走査が可能になるので、後述の周波数走査干渉計の原理を用いて絶対距離を測定するに十分に小さな不確度にて、測定距離の初期推定値を同時に獲得することができる。
【００８２】
周波数走査干渉計は、特定の波長λ１からλ２に連続して波長を走査しつつ干渉パターンの流れを計数し、位相不確かさの問題なしに絶対距離を測定する原理として、干渉計の基準面と測定面との間の距離（Ｌ）は、波長走査を行いつつ獲得される位相差（Δφ）を用いて、下記の［数５］のように示すことができる。
【００８３】
【数５】
λＳ：合成波の波長
Δφ：位相差
ΔＮ：整数部
Δε：小数部
ここで、位相差（Δφ）の整数部（ΔＮ）は、波長掃引を行う間に流れる干渉パターンを計数して得ることができ、小数部（Δε）は、初期波長（λ１）及び終り波長（λ２）での干渉パターンを解析して得られた各々の小数部であるε１とε２との差（ε２−ε１）によって求めることができる。合成波（λＳ）は、初期波長（λ１）及び終り波長（λ２）によって決定され、下記の［数６］のように表される。
【００８４】
【数６】
図５は、本発明の光周波数発生器を用いた絶対距離測定方法を示す図面であり、図６は、絶対距離測定のための波長変調の一例を示す図面である。
【００８５】
図５に示すように、前述の光周波数発生器を用いて安定化した異なる４個の波長７８０．２０７０ｎｍ（λ１）、７８０．２０３７ｎｍ（λ２）、７７９．９５３５ｎｍ（λ３）、７７０．２０４３ｎｍ（λ４）を生成する（Ｓ１０）。この時、生成された異なる４個の波長は、真空中の波長である。
【００８６】
異なる４個の波長を、空気中の波長で補正すべきか否かが判断される（Ｓ２０）。
空気中の波長で補正しない場合、前述の周波数走査干渉計の原理を用いて測定したいとする距離の初期推定値を得る（Ｓ４０）。この時、測定したいとする距離は、１．２ｍの固定光経路に対する絶対距離を測定することと仮定する。
【００８７】
初期推定値獲得過程に対して詳察すれば、まず各波長での干渉パターンを解析して各波長（λ１、λ２、λ３、λ４）に対する小数部（ε１、ε２、ε３、ε４）を測定する。この時、測定された小数部の値は図４に示すように、ε１＝０．５８１７、ε２＝０．５１２３、ε３＝０．４６８８、ε４＝０．６５７８である。
【００８８】
このように各波長に対する小数部を測定した後、図６でのように、１番目の波長（λ１）から２番目の波長（λ２）まで連続して周波数を走査して、両波長間の位相差（Δφ）を測定する。
【００８９】
この時、位相差（Δφ）の整数部（ΔＮ）は、１番目の波長（λ１）から２番目の波長（λ２）までに波長掃引を行う間に流れる干渉パターンを計数して得ることができ、図６の小数部測定位相から分かるように、計数された干渉パターンは１３個で、整数部（ΔＮ）は１３になる。
【００９０】
小数部（Δε）は、１番目の波長（λ１）及び２番目の波長（λ２）での干渉パターンを解析して得られた各々の小数部であるε１とε２との差によって求めることができる。
合成波の波長（λＳ）は、１番目の波長（λ１）及び２番目の波長（λ２）を用いて上記［数６］によって計算された値の１８４．４６１ｎｍである。
【００９１】
すなわち、周波数走査干渉計の原理を用いて得た絶対距離（Ｌ）の初期推定値は、１１９５．２０６ｎｍである。
このように獲得した絶対距離の初期推定値によって絶対距離の解の存在する範囲を限定しなければならないので、獲得された初期推定値の不確度を分析（Ｓ５０）する過程を経て１００ｍ以下の距離をこのような条件で測定する時、初期推定値の不確度は２５９μｍ以下である。
【００９２】
前述の多波長干渉計の原理によって各波長に対する干渉信号を解析して異なる４個の波長に対する各々の小数部を測定する（Ｓ６０）。この時、測定される各波長に対する小数部（ε１、ε２、ε３、ε４）の値は、上記周波数走査干渉計の原理を用いて獲得した小数部の値と等しい。
【００９３】
異なる４個の波長に対する各々の整数部（ｍ１、ｍ２、ｍ３、ｍ４）を決定する（Ｓ７０）。この時、多波長干渉計の原理によって異なる４個の波長の関係によって測定される唯一の絶対距離の解は、各波長の小数部許容誤りが０．０１３以下の時、絶対距離の初期推定値の±２５９μｍ内の範囲内に存在しなければならない。
【００９４】
この範囲内において、各波長に対する整数部（ｍ）は、ｍ１＝３０６４８３４、ｍ２＝３０６４８４７、ｍ３＝３０６５８３０、ｍ４＝３１０４６３７になる。
このように異なる４個の波長（λ１、λ２、λ３、λ４）に対する小数部（ε１、ε２、ε３、ε４）及び整数部（ｍ１、ｍ２、ｍ３、ｍ４）が決定されれば、多波長干渉計で絶対距離を測定するべく、［数３］によって各波長に対する絶対距離（Ｌ）を測定する（Ｓ８０）。
【００９５】
異なる４個の波長（λ１、λ２、λ３、λ４）に対する絶対距離（Absolute Distance: Ｌ）は、下記の［表１］の通りである。
【００９６】
【表１】
前述の過程によって、１．２ｍの固定光経路を測定して唯一の絶対距離の解を得ることができ、測定不確度は２０ｎｍ以下となる。
【００９７】
また、１．２ｍの固定光経路に対して獲得した各波長の絶対距離は、各波長の小数部許容誤りが０．０１３以下の時、絶対距離の初期推定値の±２５９μｍ内の範囲内に存在するので、多波長干渉計の原理で数メーター水準の広い領域で絶対距離の測定が可能である。
【００９８】
使用者が、異なる４個の波長を空気中の波長で補正するか否かを判断する過程（Ｓ２０）にて、空気中の波長で補正したいとする場合には、まず、温度、湿度、圧力、ＣＯ２濃度などの環境変数を測定して空気屈折率を計算する。該計算された各波長の空気屈折率は、［表１］に示されている。
【００９９】
計算された各波長の空気屈折率で真空中の各波長が分割されると、その波長が空気中の波長で補正される（Ｓ３０）。該補正された空気中の波長は、［表１］に示されている。
空気中の波長で補正された異なる４個の波長に対する絶対距離を測定する方法は、前述のステップＳ４０〜Ｓ８０と同一である。
【０１００】
このように、本発明では周波数走査干渉計によって獲得した絶対距離値を多波長干渉計の初期推定値として用いることによって、測定距離の初期予測なしでも異なる複数の波長を用いて多波長干渉計の原理で絶対距離の測定が可能になる。
【０１０１】
上記実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれる。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】本発明の一実施の形態による光周波数発生器を用いて絶対距離を測定するための干渉計の光学構成を示す図面である。
【図２】図１の光周波数発生モジュールで安定化した光周波数を生成する一例を示す図面である。
【図３】本発明の他の実施の形態による光周波数発生モジュールの光学構成を示す図面である。
【図４】図３の光周波数発生モジュールで安定化した光周波数を生成する一例を示す図面である。
【図５】本発明の光周波数発生器を用いた絶対距離測定方法を示す図面である。
【図６】絶対距離測定のための波長変調の一例を示す図面である。
【符号の説明】
【０１０３】
１００、３００ 光周波数発生モジュール
１０１ 外部共振器レーザダイオード（ＥＣＬＤ）
１０２、３０１ フェムト秒レーザ
１０３ 偏光ビーム分割器（ＰＢＳ）
１０４ 偏光子（Ｐ）
１０５ 光フィルタ
１０６ アバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ３）
１０７ 位相ロック回路（ＰＬＬ）
３０２ レーザダイオード（ＬＤ）
３０３ 第１のミラー（Ｍ１）
３０４ 第２のミラー（Ｍ２）
３０５ 第１の回折格子（ＤＧ１）
３０６ レンズ（Ｌ）
３０７ 単一モード光ファイバー（ＳＭＦ）
３０８ 可変ファブリペロー干渉計（ＳＦＰＩ）
３０９ 第１のビーム分割器（ＢＳ１）
３１０ 第１のアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ１）
３１１ 第１の半波長板（ＨＷＰ１）
３１２ 光遮断器
３１３ 第２のビーム分割器（ＢＳ２）
３１４ 音響光学変調器（ＡＯＭ）
３１５ 第２の半波長板（ＨＷＰ２）
３１６ 偏光ビーム分割器（ＰＢＳ）
３１７ 第３のミラー（Ｍ３）
３１８ 偏光子（Ｐ）
３１９ 第２の回折格子（ＤＧ２）
３２０ 第２のアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ２）
３２１ 第３のビーム分割器（ＢＳ３）
３２２ 第４のビーム分割器（ＢＳ４）
３２３ 波長測定器
３２４ 光スペクトル分析器（ＯＳＡ）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光周波数発生器を用いた絶対距離測定方法であって、
（ａ）前記光周波数発生器を用いて、安定化した異なる複数の波長を生成するステップと、
（ｂ）周波数走査干渉計を用いて、測定する距離の初期推定値を取得するステップと、
（ｃ）前記取得した初期推定値の不確度の範囲を分析するステップと、
（ｄ）前記複数の波長の各々に対する干渉信号を解析して、該各波長に対する小数部を測定するステップと、
（ｅ）前記初期推定値の不確度の範囲内で、前記各波長に対する整数部を決定するステップと、
（ｆ）前記異なる複数の波長に対するそれぞれの小数部と整数部とを用いて、測定する距離の絶対距離を測定するステップと
を含む、光周波数発生器を用いた絶対距離測定方法。
【請求項２】
前記ステップ（ａ）は、
（ａ１）外部共振器レーザダイオード（ＥＣＬＤ）から発生した単波長のレーザとフェムト秒レーザの光コムとの周波数干渉により、うなり周波数を発生させるステップと、
（ａ２）前記うなり周波数を所定の基準周波数に同期させるための電気制御信号を位相ロック回路（ＰＬＬ）により生成して、該電気制御信号を前記外部共振器レーザダイオードに供給するステップと、
（ａ３）前記外部共振器レーザダイオードにより、前記位相ロック回路（ＰＬＬ）から供給された電気制御信号に応じて安定化した波長を生成するステップと
を含むことを特徴とする請求項１に記載の光周波数発生器を用いた絶対距離測定方法。
【請求項３】
前記ステップ（ａ）は、
（ａ１）フェムト秒レーザの光コムから単一周波数成分を抽出するステップと、
（ａ２）前記抽出された単一周波数成分をレーザダイオードに与えるステップと、
（ａ３）前記抽出された単一周波数成分を前記レーザダイオードで増幅して、安定化した周波数の波長を生成するステップと
を含むことを特徴とする請求項１に記載の光周波数発生器を用いた絶対距離測定方法。
【請求項４】
光周波数発生器を用いた絶対距離測定システムであって、
安定化した異なる複数の波長を生成し、該異なる複数の波長のうち第１の波長（λ１）から第２の波長（λ２）までの連続的な周波数走査を行う光周波数発生モジュールと、
前記光周波数発生モジュールから出射された前記異なる複数の波長の各々に対する小数部を測定し、前記第１の波長（λ１）から第２の波長（λ２）までの連続的な周波数走査による両波長間の位相差（Δφ）を測定するための干渉計モジュールと
を含む、光周波数発生器を用いた絶対距離測定システム。
【請求項５】
前記光周波数発生モジュールは、
単波長のレーザを生成する外部共振器レーザダイオード（ＥＣＬＤ）と、
光コムを生成するフェムト秒レーザと、
前記外部共振器レーザダイオードから生成された単波長のレーザと前記フェムト秒レーザから生成された光コムとの周波数干渉によって生成されたうなり周波数を測定するためのアバランシェ・フォトダイオードと、
前記アバランシェ・フォトダイオードで測定されたうなり周波数を所定の基準周波数に同期させるための電気制御信号を生成して、該電気制御信号を前記外部共振器レーザダイオードに出力する位相ロック回路部と
を含み、
前記外部共振器レーザダイオードは、前記位相ロック回路部から出力された電気制御信号に応じて、安定化した周波数の波長を生成し、該波長を有する光を前記干渉計モジュールに出射することを特徴とする請求項４に記載の光周波数発生器を用いた絶対距離測定システム。
【請求項６】
前記光周波数発生モジュールは、
多波長のレーザパルスとして光コムを生成するフェムト秒レーザと、
前記フェムト秒レーザの光コムから単一周波数成分を抽出する光周波数取出部と、
前記光周波数取出部から抽出された前記単一周波数成分を有する光を増幅することによって、安定化した周波数の波長を生成して、該波長を有する光を前記干渉計モジュールに出射する光周波数増幅部と
を含むことを特徴とする請求項４に記載の光周波数発生器を用いた絶対距離測定システム。
【請求項１】
光周波数発生器を用いた絶対距離測定方法であって、
（ａ）前記光周波数発生器を用いて、安定化した異なる複数の波長を生成するステップと、
（ｂ）周波数走査干渉計を用いて、測定する距離の初期推定値を取得するステップと、
（ｃ）前記取得した初期推定値の不確度の範囲を分析するステップと、
（ｄ）前記複数の波長の各々に対する干渉信号を解析して、該各波長に対する小数部を測定するステップと、
（ｅ）前記初期推定値の不確度の範囲内で、前記各波長に対する整数部を決定するステップと、
（ｆ）前記異なる複数の波長に対するそれぞれの小数部と整数部とを用いて、測定する距離の絶対距離を測定するステップと
を含む、光周波数発生器を用いた絶対距離測定方法。
【請求項２】
前記ステップ（ａ）は、
（ａ１）外部共振器レーザダイオード（ＥＣＬＤ）から発生した単波長のレーザとフェムト秒レーザの光コムとの周波数干渉により、うなり周波数を発生させるステップと、
（ａ２）前記うなり周波数を所定の基準周波数に同期させるための電気制御信号を位相ロック回路（ＰＬＬ）により生成して、該電気制御信号を前記外部共振器レーザダイオードに供給するステップと、
（ａ３）前記外部共振器レーザダイオードにより、前記位相ロック回路（ＰＬＬ）から供給された電気制御信号に応じて安定化した波長を生成するステップと
を含むことを特徴とする請求項１に記載の光周波数発生器を用いた絶対距離測定方法。
【請求項３】
前記ステップ（ａ）は、
（ａ１）フェムト秒レーザの光コムから単一周波数成分を抽出するステップと、
（ａ２）前記抽出された単一周波数成分をレーザダイオードに与えるステップと、
（ａ３）前記抽出された単一周波数成分を前記レーザダイオードで増幅して、安定化した周波数の波長を生成するステップと
を含むことを特徴とする請求項１に記載の光周波数発生器を用いた絶対距離測定方法。
【請求項４】
光周波数発生器を用いた絶対距離測定システムであって、
安定化した異なる複数の波長を生成し、該異なる複数の波長のうち第１の波長（λ１）から第２の波長（λ２）までの連続的な周波数走査を行う光周波数発生モジュールと、
前記光周波数発生モジュールから出射された前記異なる複数の波長の各々に対する小数部を測定し、前記第１の波長（λ１）から第２の波長（λ２）までの連続的な周波数走査による両波長間の位相差（Δφ）を測定するための干渉計モジュールと
を含む、光周波数発生器を用いた絶対距離測定システム。
【請求項５】
前記光周波数発生モジュールは、
単波長のレーザを生成する外部共振器レーザダイオード（ＥＣＬＤ）と、
光コムを生成するフェムト秒レーザと、
前記外部共振器レーザダイオードから生成された単波長のレーザと前記フェムト秒レーザから生成された光コムとの周波数干渉によって生成されたうなり周波数を測定するためのアバランシェ・フォトダイオードと、
前記アバランシェ・フォトダイオードで測定されたうなり周波数を所定の基準周波数に同期させるための電気制御信号を生成して、該電気制御信号を前記外部共振器レーザダイオードに出力する位相ロック回路部と
を含み、
前記外部共振器レーザダイオードは、前記位相ロック回路部から出力された電気制御信号に応じて、安定化した周波数の波長を生成し、該波長を有する光を前記干渉計モジュールに出射することを特徴とする請求項４に記載の光周波数発生器を用いた絶対距離測定システム。
【請求項６】
前記光周波数発生モジュールは、
多波長のレーザパルスとして光コムを生成するフェムト秒レーザと、
前記フェムト秒レーザの光コムから単一周波数成分を抽出する光周波数取出部と、
前記光周波数取出部から抽出された前記単一周波数成分を有する光を増幅することによって、安定化した周波数の波長を生成して、該波長を有する光を前記干渉計モジュールに出射する光周波数増幅部と
を含むことを特徴とする請求項４に記載の光周波数発生器を用いた絶対距離測定システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００９−１９８４７７（Ｐ２００９−１９８４７７Ａ）
【公開日】平成２１年９月３日（２００９．９．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１２１２９８（Ｐ２００８−１２１２９８）
【出願日】平成２０年５月７日（２００８．５．７）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り （１）発行者名：韓国精密工学会 刊行物名：ＡＳＰＥＮ ２００７ 発行年月日：２００７年１１月６日 （２）発行者名：韓国精密工学会 刊行物名：２００７年度秋季学術大会論文集 発行年月日：２００７年１１月８日 （３）掲載年月日：２００８年１月３日 掲載アドレス：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｏｐｔｉｃｓｅｘｐｒｅｓｓ．ｏｒｇ／ｉｓｓｕｅ．ｃｆｍ ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｏｐｔｉｃｓｉｎｆｏｂａｓｅ．ｏｒｇ／ａｂｓｔｒａｃｔ．ｃｆｍ？ＵＲＩ＝ｏｅ−１６−１−２５８ ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｏｐｔｉｃｓｉｎｆｏｂａｓｅ．ｏｒｇ／ＤｉｒｅｃｔＰＤＦＡｃｃｅｓｓ／３８Ｃ６３１Ｂ１−ＢＤＢ９−１３７Ｅ−ＣＣＣ８０Ｆ３５１５８Ｅ４ＣＦＢ＿１４８６７８．ｐｄｆ？ｄａ＝１＆ｉｄ＝１４８６７８＆ｓｅｑ＝０＆ＣＦＩＤ＝５９４２５０１＆ＣＦＴＯＫＥＮ＝３３７１７９５３
【出願人】（５９６０７１７５２）コリア アドバンスト インスティテュート オブ サイエンス アンド テクノロジー (60)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年９月３日（２００９．９．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年５月７日（２００８．５．７）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り （１）発行者名：韓国精密工学会 刊行物名：ＡＳＰＥＮ ２００７ 発行年月日：２００７年１１月６日 （２）発行者名：韓国精密工学会 刊行物名：２００７年度秋季学術大会論文集 発行年月日：２００７年１１月８日 （３）掲載年月日：２００８年１月３日 掲載アドレス：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｏｐｔｉｃｓｅｘｐｒｅｓｓ．ｏｒｇ／ｉｓｓｕｅ．ｃｆｍ ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｏｐｔｉｃｓｉｎｆｏｂａｓｅ．ｏｒｇ／ａｂｓｔｒａｃｔ．ｃｆｍ？ＵＲＩ＝ｏｅ−１６−１−２５８ ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｏｐｔｉｃｓｉｎｆｏｂａｓｅ．ｏｒｇ／ＤｉｒｅｃｔＰＤＦＡｃｃｅｓｓ／３８Ｃ６３１Ｂ１−ＢＤＢ９−１３７Ｅ−ＣＣＣ８０Ｆ３５１５８Ｅ４ＣＦＢ＿１４８６７８．ｐｄｆ？ｄａ＝１＆ｉｄ＝１４８６７８＆ｓｅｑ＝０＆ＣＦＩＤ＝５９４２５０１＆ＣＦＴＯＫＥＮ＝３３７１７９５３
【出願人】（５９６０７１７５２）コリア アドバンスト インスティテュート オブ サイエンス アンド テクノロジー (60)
【Ｆターム（参考）】
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