計測装置
【課題】簡易な構成でありながら、参照面と被検面との間の絶対距離を高精度に計測することができる計測装置を提供する。
【解決手段】第１の光源から射出される光の波長を、既知の真空波長である第１の基準波長又は第１の基準波長とは異なる既知の真空波長である第２の基準波長に設定するための波長基準素子と、参照面と被検面との間の空間の群屈折率を検出する屈折率検出部と、参照面で反射された光と被検面で反射された光との干渉信号を検出して、干渉信号から参照面と被検面との間の光路長に相当する位相を検出する位相検出部と、波長基準素子を用いて第１の光源から射出される光の波長を第１の基準波長から第２の基準波長に連続的に変更させながら第１の基準波長及び第２の基準波長のそれぞれについて、参照面と被検面との間の光路長に相当する位相を検出するように位相検出部を制御して、絶対距離を求める処理部とを有する計測装置。
【解決手段】第１の光源から射出される光の波長を、既知の真空波長である第１の基準波長又は第１の基準波長とは異なる既知の真空波長である第２の基準波長に設定するための波長基準素子と、参照面と被検面との間の空間の群屈折率を検出する屈折率検出部と、参照面で反射された光と被検面で反射された光との干渉信号を検出して、干渉信号から参照面と被検面との間の光路長に相当する位相を検出する位相検出部と、波長基準素子を用いて第１の光源から射出される光の波長を第１の基準波長から第２の基準波長に連続的に変更させながら第１の基準波長及び第２の基準波長のそれぞれについて、参照面と被検面との間の光路長に相当する位相を検出するように位相検出部を制御して、絶対距離を求める処理部とを有する計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、参照面と被検面との間の絶対距離を計測する計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
参照面と被検面との間の絶対距離を計測する装置として、波長走査型の光波干渉計測装置が知られている。波長走査による絶対距離の計測は、一般的に、計測精度が低いため、固定波長による相対距離の計測と組み合わせることで計測精度を向上させている。従って、波長走査型の光波干渉計測装置では、波長走査（波長の走査量）の精度、固定波長の精度、相対距離を計測する際の位相の計測精度が主な精度要因となる。
【０００３】
波長走査による絶対距離の計測方式の１つであるＦＭヘテロダイン法では、単一の干渉信号の強度を計測し、波長走査によって生じる干渉信号の強度変化から絶対距離を算出する。例えば、特許文献１には、ＦＭヘテロダイン法において、基準干渉計を用いて（即ち、基準干渉計の長さを基準として）大気波長の走査量を保証すると共に、エタロンやガスセルなどの波長基準を用いて固定波長を保証する技術が開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、ＦＭヘテロダイン法よりも高精度に絶対距離を計測する技術として、位相が９０度ずれた２つの干渉信号の強度からリサージュ波形を求めることで位相を計測する技術が開示されている。特許文献２では、波長の走査量と固定波長に関して、共通の基準干渉計を用いることで大気波長の走査量を保証すると共に、大気波長を一定にするように固定波長を制御することで大気の屈折率の変動も保証している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第２７２５４３４号公報
【特許文献２】特許第２８１０９５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の光波干渉計測装置では、位相の計測精度が低いため、相対距離の計測と組み合わせても十分な計測精度（即ち、要求される計測精度）を実現することができない。更に、位相の計測精度が低い場合には、絶対距離の計測と相対距離の計測とを組み合わせるために波長の走査量を大きくしなければならず、干渉計の構成において光源の選定に制約がかかってしまう。
【０００７】
また、特許文献１及び２に開示された技術では、基準干渉計が必要となるため、光波干渉計測装置の構成が複雑になると共に、基準となる基準干渉計の長さの変動によって計測精度が低下してしまう。
【０００８】
そこで、本発明は、このような従来技術の課題に鑑みてなされ、簡易な構成でありながら、参照面と被検面との間の絶対距離を高精度に計測することができる技術を提供することを例示的目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の一側面としての計測装置は、参照面と被検面との間の絶対距離を計測する計測装置であって、第１の光源から射出される光の波長を、既知の真空波長である第１の基準波長又は前記第１の基準波長とは異なる既知の真空波長である第２の基準波長に設定するための波長基準素子と、前記第１の光源からの光を、第１の偏光方向を有する光と前記第１の偏光方向に直交する第２の偏光方向を有する光とに分離して、前記第１の偏光方向を有する光を前記参照面に入射させ、前記第２の偏光方向を有する光を前記被検面に入射させる偏光ビームスプリッタと、前記参照面と前記被検面との間の空間の群屈折率を検出する屈折率検出部と、前記参照面で反射された前記第１の偏光方向を有する光と前記被検面で反射された前記第２の偏光方向を有する光との干渉信号を検出して、前記干渉信号から前記参照面と前記被検面との間の光路長に相当する位相を検出する位相検出部と、前記波長基準素子を用いて前記第１の光源から射出される光の波長を前記第１の基準波長から前記第２の基準波長に連続的に変更させながら前記第１の基準波長及び前記第２の基準波長のそれぞれについて、前記参照面と前記被検面との間の光路長に相当する位相を検出するように前記位相検出部を制御して、前記絶対距離を求める処理を行う処理部と、を有し、前記第１の基準波長をλ１、前記第２の基準波長をλ２、前記第１の基準波長において前記位相検出部で検出される位相をφ１、前記第２の基準波長において前記位相検出部で検出される位相をφ２、前記第１の光源から射出される光の波長を前記第１の基準波長から前記第２の基準波長に連続的に変更した際に発生する位相飛び数をＭ、λ１・λ２／｜λ１−λ２｜で表される前記第１の基準波長と前記第２の基準波長との合成波長をΛ１２、前記屈折率検出部で検出される群屈折率をｎｇ、前記第２の偏光方向を有する光が前記被検面で反射される回数をｋとすると、前記処理部は、前記絶対距離Ｄ１を、
に従って求めることを特徴とする。
【００１０】
本発明の更なる目的又はその他の側面は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施形態によって明らかにされるであろう。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、例えば、簡易な構成でありながら、参照面と被検面との間の絶対距離を高精度に計測する技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施形態の計測装置の構成を示す概略図である。
【図２】図１に示す計測装置の計測処理を説明するためのフローチャートである。
【図３】図２に示すフローチャートのＳ２０４及びＳ２０８を説明するための図である。
【図４】本発明の第２の実施形態の計測装置の構成を示す概略図である。
【図５】図４に示す計測装置の位相検出部の詳細な構成を示す図である。
【図６】図４に示す計測装置の計測処理を説明するためのフローチャートである。
【図７】本発明の第３の実施形態の計測装置の構成を示す概略図である。
【図８】図７に示す計測装置の計測処理を説明するためのフローチャートである。
【図９】本発明の第４の実施形態の計測装置の構成を示す概略図である。
【図１０】図９に示す計測装置において、ガスセルの透過スペクトル、ファブリペローエタロンの透過スペクトル及び２つの光源から射出される光のスペクトルを示す図である。
【図１１】図９に示す計測装置の計測処理を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態の計測装置１の構成を示す概略図である。計測装置１は、参照面と被検面との間の絶対距離を計測する光波干渉計測装置である。計測装置１は、図１に示すように、光源１０２と、ビームスプリッタ１０４ａ及び１０４ｂと、波長シフト部１０６と、波長基準素子としてのファブリペローエタロン１０８と、強度検出部１１０とを有する。更に、計測装置１は、光源制御部１１２と、無偏光ビームスプリッタ１１４と、基準信号検出部１１６と、偏光ビームスプリッタ１１８と、計測信号検出部１２０と、環境検出部１２２と、処理部１２４とを有する。
【００１４】
後述するように、計測装置１は、計測波長（例えば、真空波長）を長期的に安定化し、且つ、被検面の近傍の気体の屈折率を求めることで、参照面と被検面との間の絶対距離を高精度に計測する。また、被検面及び参照面のそれぞれで反射する光を互いに直交する偏光方向を有する光とすることで、高精度なヘテロダイン検出による位相検出を実現している。
【００１５】
第１の光源としての光源１０２から直線偏光で射出された光は、２つのビームスプリッタ１０４ａ及び１０４ｂを介して、３つの光に分離（分岐）される。光源１０２は、計測に使用する波長帯域（真空波長）において連続的に波長を変化させることが可能な波長可変光源である。本実施形態では、光源１０２として、光通信用に量産され、容易、且つ、安価に入手可能なＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄ−Ｂａｃｋ）半導体レーザを用いる。但し、光源１０２は、ＤＦＢ半導体レーザに限定されるものではなく、外部共振器型の半導体レーザやファイバレーザなどを用いてもよい。
【００１６】
ビームスプリッタ１０４ａで分離される２つの光のうち、ビームスプリッタ１０４ａを透過する光は無偏光ビームスプリッタ１１４に入射し、ビームスプリッタ１０４ａで反射される光はビームスプリッタ１０４ｂに入射する。また、ビームスプリッタ１０４ｂで分離される２つの光のうち、ビームスプリッタ１０４ｂで反射される光は波長シフト部１０６に入射し、ビームスプリッタ１０４ｂを透過する光はファブリペローエタロン１０８に入射する。
【００１７】
波長シフト部１０６は、本実施形態では、音響光学素子などで構成されるシフタ１０６ａと、波長板などで構成される変更部１０６ｂとを含む。シフタ１０６ａは、入射する光の周波数（入射波長）を既知（一定量）の周波数ｄνだけシフトさせる。変更部１０６ｂは、シフタ１０６ａを通過した光の偏光方向を変更して（具体的には、９０度回転させて）、入射光の偏光方向に直交する偏光方向を有する成分の光を射出する。波長シフト部１０６から射出された光は、無偏光ビームスプリッタ１１４に入射する。
【００１８】
強度検出部１１０は、ファブリペローエタロン１０８を透過した光の強度（エタロン透過強度）を検出する。光源制御部１１２は、強度検出部１１０で検出されたエタロン透過強度に基づいて、光源１０２から射出される光の波長を制御する。例えば、光源制御部１１２は、光源１０２の温度を変調させたり、光源１０２に与える電流を変調させたりすることで、光源１０２から射出される光の波長を制御（調整）する。
【００１９】
なお、ファブリペローエタロン１０８の透過スペクトルについては、真空波長の絶対値が保証されていることが必要である。そこで、本実施形態では、ファブリペローエタロン１０８として、透過スペクトル間隔の保証された真空媒質のエタロンを用いる。真空媒質のエタロンは、内部媒質の屈折率及び分散がないため、真空波長の絶対値を容易に保証することができる。更に、エタロンの材質として低熱膨張ガラスなどを用いれば、温度に対する膨張率を低減して、長期的に安定した波長基準素子を実現することができる。但し、ファブリペローエタロン１０８は、真空媒質のエタロンに限定されるものではなく、エアギャップのエタロンやソリッドエタロンなどを用いてもよい。この場合、エタロンの温度を計測するなどして内部屈折率及び分散を保証する必要がある。また、更に安定した基準波長を得るために、エタロンとガスセルとを組み合わせてもよい。
【００２０】
ビームスプリッタ１０４ａを透過した光と波長シフト部１０６を通過した光とは、無偏光ビームスプリッタ１１４において再び共通光路になると共に、２つの光に分離される。無偏光ビームスプリッタ１１４で分離された光のうち一方の光は、基準信号検出部１１６に入射する。
【００２１】
基準信号検出部１１６は、ビームスプリッタ１０４ａを透過した光と波長シフト部１０６を通過した光との干渉信号として、これらの光の周波数差に相当するビート信号を検出する。基準信号検出部１１６は、偏光子を含み、ビームスプリッタ１０４ａを透過した光と波長シフト部１０６を通過した光との間で共通する偏光方向を有する光を抽出することで干渉信号を検出する。また、基準信号検出部１１６は、更なる高精度化が必要な場合には、偏光子と波長板とを組み合わせて１８０度異なる干渉信号を生成することによって差動検出を行ってもよい。以下、基準信号検出部１１６で検出される干渉信号を基準信号と称する。
【００２２】
無偏光ビームスプリッタ１１４で分離された光のうち他方の光は、偏光ビームスプリッタ１１８に入射する。偏光ビームスプリッタ１１８は、光源１０２からの光を、第１の偏光方向を有する光と第１の偏光方向に直交する第２の偏光方向を有する光とに分離する機能を有する。偏光ビームスプリッタ１１８は、本実施形態では、ビームスプリッタ１０４ａを透過した光を透過し、波長シフト部１０６を通過した光を反射する。
【００２３】
偏光ビームスプリッタ１１８で反射された光は、参照面ＲＳで反射され、偏光ビームスプリッタ１１８で再び反射されて、計測信号検出部１２０に入射する。参照面ＲＳは、複数の反射面からなるコーナキューブで構成され、偏光ビームスプリッタ１１８と共に距離計測の基準となる基準構造体に固定されている。以下、参照面ＲＳで反射された光を参照光と称する。
【００２４】
また、偏光ビームスプリッタ１１８を透過した光は、被検面ＴＳで反射され、偏光ビームスプリッタ１１８を再び透過して、計測信号検出部１２０に入射する。被検面ＴＳは、参照面ＲＳと同様に、コーナキューブで構成され、距離計測の対象物体（被検物体）に固定されている。以下、被検面ＴＳで反射された光を被検光と称する。
【００２５】
本実施形態では、計測装置１において、参照光と被検光との光路長差が１往復となる（即ち、被検光が被検面ＴＳで反射される回数が１回である）ような干渉計を構成しているが、他の干渉計を構成してもよい。例えば、参照面ＲＳ及び被検面ＴＳを平面とし、被検光及び参照光のそれぞれの光路にλ／４板を挿入すると共に、１往復光を反射するためのコーナキューブを配置することで、参照光と被検光との光路長差が２往復となるような干渉計を構成してもよい。
【００２６】
計測信号検出部１２０は、基準信号検出部１１６と同様な構成を有し、参照光と被検光との干渉信号を検出する。以下、計測信号検出部１２０で検出される干渉信号を計測信号と称する。計測信号は、参照光と被検光との周波数差に相当するビート信号である点に関しては基準信号と同一であるが、参照光と被検光との光路長差により干渉信号の位相が基準信号と異なる。
【００２７】
参照面と被検面との間の絶対距離を計測する計測装置１の光分離素子として、偏光方向に応じて光を分離可能な偏光ビームスプリッタ１１８を用いることによって、参照面と被検面のそれぞれで反射される光を偏光方向に応じて分離することができる。従って、互いに直交する偏光方向を有する２つの光の間に僅かに周波数シフト差を付加することで、参照面と被検面との間のヘテロダイン検出が可能となり、高精度な位相検出を実現することができる。
【００２８】
環境検出部１２２は、被検面ＴＳの近傍に配置され、被検面ＴＳの近傍、具体的には、参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の空間の環境を計測する。本実施形態では、環境検出部１２２は、参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の空間（即ち、大気）の群屈折率を検出する屈折率検出部として機能する。環境検出部１２２は、例えば、参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の空間の気体の温度を検出する温度計と、参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の空間の気圧を検出する気圧計とを含む。大気の屈折率の温度敏感度及び気圧敏感度のそれぞれは１ｐｐｍ／℃及び０．３ｐｐｍ／ｈＰａであるため、比較的安価な温度計及び気圧計で環境検出部１２２を構成したとしても、０．１ｐｐｍ程度の屈折率の保証は容易に実現可能である。
【００２９】
処理部１２４は、基準信号検出部１１６で検出された基準信号、計測信号検出部１２０で検出された計測信号、及び、環境検出部１２２で検出された屈折率を用いて、参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の絶対距離を求める処理を行う。また、処理部１２４は、光源制御部１１２を介して、光源１０２から射出される光の波長を制御する。
【００３０】
本実施形態の計測装置１では、１つの光源１０２に対して１つの干渉計を構成しているが、１つの光源１０２に対して複数の干渉計を構成することも可能である。具体的には、無偏光ビームスプリッタ１１４と偏光ビームスプリッタ１１８の間で光を分離（分岐）し、それぞれの光に対して干渉計を構成する。一般には、干渉計を構成する位置によって、それぞれの干渉計の被検光路近傍の屈折率（大気屈折率）は異なるが、それぞれの干渉計ごとに屈折率を検出することで、それぞれの干渉計ごとに屈折率を補正することが可能である。このような構成では、複数の計測軸（干渉計）に対して１つの光源を設ければよいため、コストを抑えながら参照面と被検面との間の絶対距離を計測する計測装置を実現することができるという利点がある。
【００３１】
図２を参照して、計測装置１の計測処理（即ち、処理部１２４による参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の絶対距離を求める処理）について説明する。計測装置１の計測処理は、Ｓ２０４乃至Ｓ２１４の干渉次数決定処理と、Ｓ２１６乃至Ｓ２２０の相対距離計測処理とに分類される。
【００３２】
Ｓ２０２では、干渉次数決定処理を実施するかどうかを判定する。例えば、絶対距離の計測開始直後や光源１０２からの光が遮光されるなどして過去の位相検出履歴が失われた場合（即ち、相対距離計測処理の維持が不可能になった場合）には、干渉次数決定処理を実施することが必要となる。なお、干渉次数決定処理を実施するかどうかの判定は、処理部１２４によって自動的に行われ、干渉次数決定処理を実施すると判定された場合には、Ｓ２０４に移行し、干渉次数決定処理を実施しないと判定された場合には、Ｓ２１６に移行する。
【００３３】
Ｓ２０４では、光源１０２から射出される光の波長を第１の基準波長λ１に設定する（即ち、第１の基準波長λ１における波長安定化制御を開始する）。ここで、図３を参照して、第１の基準波長λ１について説明する。図３（ａ）はファブリペローエタロン１０８の透過スペクトルを示し、図３（ｂ）は光源１０２から射出される光のスペクトルを示す。ファブリペローエタロン１０８は、図３（ａ）に示すように、均等な周波数間隔ＦＳＲで周期的な透過特性を有し、上述したように、その真空波長の絶対値は保証されている。第１の基準波長λ１には、ファブリペローエタロン１０８の透過スペクトルの１つを用いる。換言すれば、第１の基準波長λ１に相当するファブリペローエタロン１０８の透過スペクトルに対して、光源１０２から射出される光の波長を安定化する。なお、波長の安定化は、強度検出部１１０で検出されるエタロン透過強度が一定となるように、光源制御部１１２（処理部１２４）によって光源１０２を制御することで行われる。なお、ファブリペローエタロン１０８への入射光量の変動が影響する場合には、かかる入射光量を検出し、入射光量が一定になるように（即ち、入射光量が変動しないように）補正すればよい。
【００３４】
Ｓ２０６では、第１の基準波長λ１における位相φ１を検出する。位相の検出とは、基準信号と計測信号との位相差を検出することである。従って、処理部１２４において基準信号の位相と計測信号の位相を位相計で検出し、それらの差分を求めることで第１の基準波長λ１における位相φ１が得られる。このように、基準信号検出部１１６、計測信号検出部１２０及び処理部１２４は、干渉信号から参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の光路長に相当する位相を検出する位相検出部として機能する。
【００３５】
ここで、第１の基準波長λ１における位相について説明する。光源１０２から無偏光ビームスプリッタ１１４までの被検光と参照光との光路長差をＬ１、無偏光ビームスプリッタ１１４から計測信号検出部１２０までの被検光と参照光との光路長差を２ｎ（λ）Ｄとする。なお、ｎ（λ）は被検光の光路の屈折率であり、Ｄは参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の絶対距離である。この場合、基準信号Ｉｒｅｆ及び計測信号Ｉｔｅｓｔのそれぞれは、以下の式１で表される。
【００３６】
【数１】
【００３７】
式１を参照するに、Ｓ２０６で検出される第１の基準波長λ１における位相φ１は、以下の式２で表される。なお、式２において、「ｍｏｄ（ｕ，ｋ）」は、第１引数ｕの第２引数ｋに対する剰余を表すものとする。
【００３８】
【数２】
【００３９】
Ｓ２０８では、光源１０２から射出される光の波長を第１の基準波長λ１から第２の基準波長λ２に連続的に変更（走査）しながら（即ち、第１の基準波長λ１における波長安定化制御を解除して）位相の飛び数を計測する。なお、第２の基準波長λ２には、第１の基準波長λ１と同様に、ファブリペローエタロン１０８の透過スペクトルの１つを用いる。
【００４０】
なお、Ｓ２０８は、第１の基準波長λ１から第２の基準波長λ２に連続的に変更することで発生する積算位相を計測する工程であるとも言える。光源１０２から射出される光の波長が第１の基準波長λ１から第２の基準波長λ２に連続的に変更する（図３（ｂ）参照）ことに伴って、位相は、図３（ｃ）に示すように、単調に変化する。位相計で検出可能な位相の範囲は±πであるため、±πを超えると位相飛びが発生する。積算位相を計測することは、位相飛びをカウントすることに相当する。以下、Ｓ２０８で計測される位相の飛び数をＭとする。
【００４１】
Ｓ２１０では、光源１０２から射出される光の波長が第１の基準波長λ１から第２の基準波長λ２に変更された時点で、第２の基準波長λ２における波長安定化制御を開始する。換言すれば、第２の基準波長λ２に相当するファブリペローエタロン１０８の透過スペクトルに対して、光源１０２から射出される光の波長を安定化する。
【００４２】
Ｓ２１２では、第２の基準波長λ２における位相φ２を検出する。Ｓ２１２で検出される第２の基準波長λ２における位相φ２は、以下の式３で表される。
【００４３】
【数３】
【００４４】
式２及び式３を参照するに、位相の飛び数Ｍは、以下の式４で表される。ここで、Λ１２は、λ１・λ２／｜λ１−λ２｜で表される第１の基準波長λ１と第２の基準波長λ２との合成波長である。なお、式４に示すように、位相の飛び数Ｍは、合成波長Λ１２の干渉次数に相当するため、以下では、合成波長の干渉次数Ｍと称する。また、ｎｇ（λ１，λ２）は、波長λ１及びλ２に対する群屈折率を表す。
【００４５】
【数４】
【００４６】
Ｓ２１４では、第２の基準波長λ２における干渉次数（位相の変化量）Ｎ１２を算出する。まず、第１の絶対距離Ｄ１を、合成波長Λ１２を用いて、以下の式５に従って求める。なお、本実施形態では、被検光が被検面ＴＳで反射される回数ｋが１回であるため、式５においてｋを省略しているが、実際には、Ｄ１＝Λ１２／｛２ｋ・ｎｇ（λ１，λ２）｝・（Ｍ＋｛（φ２−φ１）／２π｝）となることに注意されたい。
【００４７】
【数５】
【００４８】
一方、絶対距離Ｄは、第２の基準波長λ２を用いて、以下の式６で表現することも可能であり、第２の基準波長λ２は合成波長Λ１２よりも短いため、絶対距離Ｄを高精度に求めることができる。
【００４９】
【数６】
【００５０】
式５を用いれば、干渉次数Ｎ１２は、以下の式７から求めることができる。なお、「ｒｏｕｎｄ（）」は、引数を整数に丸める関数を表す。また、式７では、屈折率と群屈折率との比を表す項が存在するが、１＋１０−６程度のオーダーであるため１に近似することができる。但し、屈折率と群屈折率との比が無視できない場合（例えば、合成波長Λ１２と第２の基準波長λ２との比が大きい場合）には、Ｓ２０６及びＳ２１２において位相を検出する際に、参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の空間の環境の検出（Ｓ２１６）を行えばよい。これにより、屈折率と群屈折率との比を算出することが可能となる。
【００５１】
【数７】
【００５２】
ここで、干渉次数Ｎ１２を誤差なく決定（算出）するためには、式７におけるｒｏｕｎｄ（）の引数の誤差が１／２未満であればよい。位相の検出誤差をｄφ、第２の基準波長λ２の誤差（設計値からの誤差）をｄλ２、合成波長Λ１２の誤差（設計値からの誤差）をｄΛ１２、Ｍ＞＞１、Λ１２／λ２とすると、以下の式８を満たせばよい。
【００５３】
【数８】
【００５４】
式８において、絶対距離Ｄが１．５ｍであり、第２の基準波長λ２が１．５μｍである場合には、Ｄ／λ２は１０６となる。一方、ｄΛ１２／Λ１２及びｄλ２／λ２は、ファブリペローエタロン１０８を用いることで、１０−７を実現することができる。従って、左辺の第１項が式７の不等式における制約条件となる。但し、式８は、全ての絶対距離Ｄ、即ち、計測装置１で計測可能な絶対距離の範囲Ｄｍａｘに対して成り立たなければならない。
【００５５】
本実施形態の計測装置１が採用するヘテロダイン方式では、高精度な位相検出が可能であるため、１０−４［ｗａｖｅ］程度の検出精度を得ることは容易である。このように、高精度な位相検出を実現することができる場合には、合成波長Λ１２は、第２の基準波長λ２の１０３倍まで拡大が可能となる。第２の基準波長λ２が１．５μｍである場合、合成波長Λ１２を１．５ｍｍまで拡大することができるため、第１の基準波長λ１と第２の基準波長λ２との波長差（波長変更量）は１．５ｎｍとなる。１．５ｎｍ程度の少ない波長差であれば、ＤＦＢ半導体レーザでも波長変更（波長走査）が可能であるため、外部共振器型の半導体レーザなどの特殊で複雑な光源を用いることなく、簡易な構成で計測装置１を実現することができる。
【００５６】
Ｓ２１６では、被検面ＴＳの近傍、即ち、参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の空間の環境を検出する。本実施形態では、参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の空間の湿度は保証されているものとし、環境検出部１２２は、かかる空間の温度ｔ［℃］と気圧ｐ［Ｐａ］を検出して、検出結果を処理部１２４に入力する。
【００５７】
Ｓ２１８では、Ｓ２１２と同様に、第２の基準波長λ２における位相φ２を検出する。これにより、参照面ＲＳ（参照光）と被検面ＴＳ（被検光）との光路長差に相当する位相φ２が得られる。
【００５８】
Ｓ２２０では、参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の空間の屈折率（大気屈折率）を算出して、参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の絶対距離Ｄを求める。まず、乾燥空気の屈折率（大気屈折率）ｎは、温度ｔ［℃］及び気圧ｐ［Ｐａ］からＥｄｌｅｎの式を用いて、以下の式９で算出される。
【００５９】
【数９】
【００６０】
なお、参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の空間の気体が乾燥気体でない場合も考えられる。このような場合には、環境検出部１２２は、かかる気体の湿度を検出する湿度計を含む必要があり、式９の代わりに湿度補正項を含むＥｄｌｅｎの式を用いればよい。
【００６１】
また、絶対距離Ｄは、Ｓ２１４で算出された干渉次数Ｎ１２、Ｓ２１８で検出された位相φ２、及び、屈折率ｎ（λ２）を用いて、以下の式６で求めることができる。特に、干渉次数決定処理を実施して最初に絶対距離Ｄを求める際には、以下の式１０（式５、式６及び式７参照）に従って絶対距離Ｄ（絶対距離Ｄ２）を求める。
【００６２】
【数１０】
【００６３】
Ｓ２２２では、計測処理（参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の絶対距離を求める処理）を終了するかどうかを判定する。計測処理を終了すると判定された場合には、計測処理を終了する。また、計測処理を終了しないと判定された場合には、Ｓ２０２に移行して、干渉次数決定処理を実施するかどうかを判定する。この際、干渉次数決定処理を実施しないと判定された場合には、Ｓ２１６乃至Ｓ２２０が繰り返し実行されることになる。そこで、被検面ＴＳの移動により発生する干渉次数の変化は、位相検出履歴を用いて補正する。具体的には、ｉ回目の位相検出の結果をφ２（ｉ）とし、ｉ−１回目の位相検出の結果をφ２（ｉ−１）とすると、ｉ番目の絶対距離を求める際の干渉次数Ｎ１２（ｉ）は、以下の式１１で表される。
【００６４】
【数１１】
【００６５】
このように、本実施形態の計測装置１によれば、簡易な構成でありながら、参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の絶対距離を高精度に計測することができる。
＜第２の実施形態＞
図４は、本発明の第２の実施形態の計測装置１Ａの構成を示す概略図である。計測装置１Ａは、基本的には、計測装置１と同様な構成を有する。但し、計測装置１Ａは、被検面ＴＳの近傍の気体の屈折率を検出する環境検出部１２２Ａとして、光源１３２と、光源１３２から射出される光を用いて参照面ＲＳと被検面ＴＳとの光路長差を検出する位相検出部１３４ｂとを有する。また、計測装置１Ａは、位相検出部１３４ａと、分光素子１３６ａ及び１３６ｂと、光量検出部１３８ａ及び１３８ｂとを有する。
【００６６】
計測装置１Ａにおいては、２色法により被検面ＴＳの近傍での屈折率（大気屈折率）の積分値を検出することが可能であるため、計測光路方向に対して温度分布が大きい場合であっても、実効的な屈折率（大気屈折率）を正確に求めることができる。また、位相検出方式として、ヘテロダイン方式ではなく、ホモダイン方式を採用することで、より簡易な構成を実現している。
【００６７】
光源１０２から射出された光は、ビームスプリッタ１０４ａで分離（分岐）される。また、第３の光源としての光源１３２から射出された光もビームスプリッタ１０４ａに入射して、光線軸が光源１０２からの光と同軸（同一光路）になると共に、ビームスプリッタ１０４ａで分離される。光源１３２は、光源１０２からの光の波長と異なる波長の光を射出する光源である。本実施形態では、光源１３２として、光源１０２と同様に、ＤＦＢ半導体レーザを用いる。
【００６８】
ビームスプリッタ１０４ａで分離される２つの光のうち、一方の光はファブリペローエタロン１０８を透過して、分光素子１３６ａで光源１０２からの光と光源１３２からの光とに分離される。ファブリペローエタロン１０８を透過した光の光量に関しては、光源１０２からの光の光量は光量検出部１３８ａで検出され、光源１３２からの光の光量は光量検出部１３８ｂで検出される。
【００６９】
光量検出部１３８ａ及び１３８ｂのそれぞれで検出された光量は、光源制御部１１２に入力される。光源制御部１１２は、光源１０２から射出される光の波長及び光源１３２から射出される光の波長のそれぞれがファブリペローエタロン１０８の異なる透過スペクトル（基準波長）に対して安定化するように、光源１０２及び光源１３２を独立して制御する。なお、本実施形態では、光源１０２及び光源１３２のそれぞれに独立した光源を用いているが、光源１３２の代わりに、光源１０２から２倍波を射出するようにしてもよい。この場合には、光源１３２から射出される光の波長を制御する必要はない。また、波長変換素子として、導波路型ＰＰＬＮを用いれば、２倍波を容易に生成することが可能である。
【００７０】
一方、ビームスプリッタ１０４ａで分離される２つの光のうち、他方の光は、偏光ビームスプリッタ１１８に入射する。偏光ビームスプリッタ１１８で反射された光は、参照面ＲＳで反射され、偏光ビームスプリッタ１１８で再び反射されて、参照光として分光素子１３６ｂに入射する。偏光ビームスプリッタ１１８を透過した光は、被検面ＴＳで反射され、偏光ビームスプリッタ１１８を再び透過して、被検光として分光素子１３６ｂに入射する。
【００７１】
分光素子１３６ｂは、例えば、ダイクロイックミラーで構成され、同軸で入射した光源１０２からの光と光源１３２からの光とを分離する。但し、分光素子１３６ｂは、ダイクロイックミラーに限定されるものではなく、プリズム、バルク型の回折格子、アレイ導波路型の回折格子などで構成してもよく、必要な波長分解能及びコストから選択することが可能である。
【００７２】
光源１０２からの光は、分光素子１３６ｂを透過して、位相検出部１３４ａに入射する。位相検出部１３４ａは、光源１０２からの光の波長における参照面ＲＳ（参照光）と被検面ＴＳ（被検光）との光路長差に相当する位相（干渉位相）を検出する。一方、光源１３２からの光は、分光素子１３６ｂで反射され、位相検出部１３４ｂに入射する。位相検出部１３４ｂは、光源１３２からの光の波長における参照面ＲＳ（参照光）と被検面ＴＳ（被検光）との光路長差に相当する位相（干渉位相）を検出する。
【００７３】
本実施形態においても、計測装置１Ａの光分離素子として、偏光ビームスプリッタ１１８を用いているため、参照面と被検面のそれぞれで反射される光を偏光方向に応じて分離することができる。従って、偏光方向の差を用いた位相差制御によるホモダイン検出が可能となり、高精度な位相検出が実現する。
【００７４】
図５は、位相検出部１３４ａ及び１３４ｂの詳細な構成を示す図である。位相検出部１３４ａ及び１３４ｂのそれぞれは、被検光と参照光の偏光軸角度に対して４５度の進相軸を有するλ／４板５０２と、グレーティングビームスプリッタ５０４と、偏光子アレイ５０６と、複数の光量検出器５０８ａ、５０８ｂ及び５０８ｃとを含む。λ／４板５０２は、入射光に対して複数の既知の位相差を付与する位相差付与部としての機能を有し、本実施形態では、被検光と参照光のそれぞれの偏光方向を右回り円偏光と左回り円偏光に変換する。λ／４板５０２を通過した光は、グレーティングビームスプリッタ５０４によって、０次回折光と±１次回折光の３つの等しい光量の光に分離される。かかる３つの光は、それぞれの光に対して透過する偏光方向（偏光子角度）が異なるように配置された偏光子アレイ５０６を通過して、光量検出器５０８ａ、５０８ｂ及び５０８ｃで検出される。
【００７５】
ここで、偏光子アレイ５０６のそれぞれの偏光子角度を１２０度ピッチとすると、光量検出器５０８ａ、５０８ｂ及び５０８ｃのそれぞれで検出される光量Ｉａ、Ｉｂ及びＩｃは、以下の式１２で表される。
【００７６】
【数１２】
【００７７】
なお、式１１では、参照面ＲＳ（参照光）と被検面ＴＳ（被検光）との光路長差に伴う干渉信号の位相をφとしている。式１２を参照するに、位相φは、以下の式１３で求めることができる。
【００７８】
【数１３】
【００７９】
処理部１２４は、位相検出部１３４ａ及び１３４ｂで検出された検出結果から位相を求める。具体的には、処理部１２４は、式１３を用いて、光源１０２からの光の波長における参照面ＲＳと被検面ＴＳとの光路長差に相当する位相、及び、光源１３２からの光の波長における参照面ＲＳと被検面ＴＳとの光路長差に相当する位相を求める。
【００８０】
本実施形態では、上述したように、位相検出部１３４ａ及び１３４ｂのそれぞれにおいて、３つの既知の位相差における干渉信号の強度を検出しているが、複数の既知の位相差における干渉信号の強度を検出してもよい。また、複屈折を有するプリズムを用いて被検光と参照光との間にティルト縞を発生させ、空間的に位相差を付与してもよい。なお、既知の位相差の数や既知の位相差の間隔は、必要な精度に応じて適宜選択することが可能である。
【００８１】
なお、ホモダイン検出では、高周波の信号が存在しないため、ヘテロダイン検出よりも安価に検出系を構成することが可能である。位相検出の精度に関しては、光量検出器５０８ａ、５０８ｂ及び５０８ｃの利得、オフセット及び位相特性を補正することで、ヘテロダイン検出と同等な１０−４［ｗａｖｅ］程度を実現することができる。
【００８２】
図６を参照して、計測装置１Ａの計測処理（即ち、処理部１２４による参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の絶対距離を求める処理）について説明する。なお、図６に示すＳ６０２乃至Ｓ６１４は、図２に示すＳ２０２乃至Ｓ２１４と同様であるため、ここでの詳細な説明は省略する。また、干渉次数Ｎ１２は、Ｓ６１４において算出（決定）されているものとする。
【００８３】
Ｓ６１６では、第２の基準波長λ２における位相φ２、及び、光源１３２からの光の波長λ２２における位相φ２２の２つの位相を検出する。
【００８４】
Ｓ６１８では、参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の絶対距離Ｄを求める。本実施形態では、２つの波長の空気の分散を用いて参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の空間の気体の屈折率を補正して、絶対距離Ｄを求める。第２の基準波長λ２における光路長差ＯＰＤ（λ２）及び波長λ２２における光路長差ＯＰＤ（λ２２）のそれぞれは、以下の式１４で表される。なお、式１４において、Ｎ２２は、波長λ２２における干渉次数である。
【００８５】
【数１４】
【００８６】
また、以下の式１５で表されるＡはＡ係数と呼ばれ、乾燥気体の温度や気圧の変動に依存せず一定となることが知られている。従って、第２の基準波長λ２と波長λ２２に対するＡ係数を予め求めることが可能である。
【００８７】
【数１５】
【００８８】
式１４及び式１５から、以下の式１６が得られる。そして、絶対距離Ｄは、Ｓ６１４で算出された干渉次数Ｎ１２、Ｓ６１６で検出された位相φ２及びφ２２、及び、予め求めたＡ係数を用いて、式１６で求めることができる。
【００８９】
【数１６】
【００９０】
式１６を参照するに、干渉次数Ｎ２２を算出するためには、第２の基準波長λ２における屈折率ｎ（λ２）と波長λ２２における屈折率ｎ（λ２２）との比が必要になる。但し、かかる比は、一般的な条件では、１＋１０−５のオーダーとなるため、１に近似することができる。このような近似ができない場合には、Ｓ６０４乃至Ｓ６１４と同様に、光源１３２から射出される光の波長を変更（走査）して、干渉次数Ｎ２２を算出（決定）すればよい。
【００９１】
また、参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の空間が乾燥気体でない場合には、参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の空間の湿度を検出し、かかる湿度の変化に応じてＡ係数を更新することで絶対距離Ｄを求めることができる。なお、参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の空間の湿度を検出するためには、湿度計及び温度計を被検面ＴＳの近傍に配置することが必要となる。
【００９２】
Ｓ６２０では、計測処理（参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の絶対距離を求める処理）を終了するかどうかを判定する。計測処理を終了すると判定された場合には、計測処理を終了する。また、計測処理を終了しないと判定された場合には、Ｓ６０２に移行して、干渉次数決定処理を実施するかどうかを判定する。
【００９３】
このように、本実施形態の計測装置１Ａによれば、簡易な構成でありながら、参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の空間の気体の屈折率の変動を保証して、参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の絶対距離を高精度に計測することができる。
＜第３の実施形態＞
図７は、本発明の第３の実施形態の計測装置１Ｂの構成を示す概略図である。計測装置１Ｂは、基本的には、計測装置１又は１Ａと同様な構成を有する。但し、計測装置１Ｂは、被検面ＴＳの近傍の気体の屈折率を検出する環境検出部として干渉計１４０を有する。干渉計１４０は、既知の長さの真空雰囲気の真空参照光路（第１の光路）と、かかる真空参照光路と同じ長さの大気雰囲気の大気参照光路（第２の光路）との光路長差に相当する干渉信号を検出する。また、計測装置１Ｂは、位相検出部１５２ａ及び１５２ｂを有する。
【００９４】
計測装置１Ｂにおいては、被検面ＴＳの近傍の気体の屈折率（大気屈折率）を検出する環境検出部として干渉計１４０を用いることで、屈折率の分散式などを仮定することなく、屈折率を検出することができる。また、干渉計の長さの誤差の影響に関しては、真空参照光路と大気参照光路との光路長差を計測する干渉計を構成することで、誤差敏感度を低減し、高精度な屈折率の検出を実現している。
【００９５】
光源１０２から射出された光は、ビームスプリッタ１０４ａで分離（分岐）される。ビームスプリッタ１０４ａで分離される２つの光のうち、ビームスプリッタ１０４ａで反射される光は、ファブリペローエタロン１０８を透過して、強度検出部１１０に入射する。光源制御部１１２は、強度検出部１１０で検出されるエタロン透過強度に基づいて、光源１０２から射出される光の波長を制御する（即ち、ファブリペローエタロン１０８の透過スペクトルに対して波長を安定化させる）。
【００９６】
ビームスプリッタ１０４ａを透過した光は、無偏光ビームスプリッタ１１４で分離される。無偏光ビームスプリッタ１１４で分離される２つの光のうち、無偏光ビームスプリッタ１１４を透過する光は、偏光ビームスプリッタ１１８に入射する。偏光ビームスプリッタ１１８で反射された光は、参照面ＲＳで反射され、偏光ビームスプリッタ１１８で再び反射されて、参照光として位相検出部１５２に入射する。偏光ビームスプリッタ１１８を透過した光は、被検面ＴＳで反射され、偏光ビームスプリッタ１１８を再び透過して、被検光として位相検出部１５２ａに入射する。位相検出部１５２ａは、第２の実施形態における位相検出部１３４ａ及び１３４ｂと同様な構成を有し、参照面ＲＳ（参照光）と被検面ＴＳ（被検光）との光路長差に相当する位相を検出する。
【００９７】
無偏光ビームスプリッタ１１４で分離される２つの光のうち、無偏光ビームスプリッタ１１４で反射される光は、干渉計１４０に入射する。干渉計１４０では、第１の基準面１４６と第２の基準面１４７との間を真空媒質とした真空参照光路と、大気媒質とした大気参照光路との光路長差が生成される。なお、真空参照光路と大気参照光路との光路長差に相当する位相は、位相検出部１５２ｂで検出される。
【００９８】
ここで、干渉計１４０の構成について説明する。干渉計１４０に入射した光は、ビームディスプレーサ１４１で偏光方向に応じて分離される。以下、ビームディスプレーサ１４１を直進する光を大気参照光と称し、ビームディスプレーサ１４１のウォークオフにより横ずれする光を真空参照光と称する。ビームディスプレーサ１４１は、例えば、ＹＶＯ４などの一軸性結晶で構成される。また、複数の偏光ビームスプリッタを配置することでビームディスプレーサ１４１を構成することも可能である。
【００９９】
ビームディスプレーサ１４１を通過した真空参照光は、λ／２板１４２で大気参照光と同一の偏光方向に変換され、偏光ビームスプリッタ１４３に入射する。一方、ビームディスプレーサ１４１を通過した大気参照光は、λ／２板１４２を介さずに、偏光ビームスプリッタ１４３に入射する。真空参照光及び大気参照光は、偏光ビームスプリッタ１４３を通過し、λ／４板１４５で円偏光に変換されて、第１の基準面１４６を透過する。第１の基準面１４６と第２の基準面１４７との間には、真空セル１４８が固定されており、真空参照光は真空セル１４８の内部を伝播し、大気参照光は大気中を伝播する。真空参照光及び大気参照光は、第２の基準面１４７で反射され、λ／４板１４５で往路と直交する偏光方向に変換されて、偏光ビームスプリッタ１４３に入射する。真空参照光及び大気参照光は、偏光ビームスプリッタ１４３で反射され、コーナキューブ１４４に入射する。コーナキューブ１４４で反射された真空参照光及び大気参照光は、偏光ビームスプリッタ１４３で再び反射され、偏光ビームスプリッタ１４３から第２の基準面１４７までを往復する。偏光ビームスプリッタ１４３から第２の基準面１４７までを往復した真空参照光及び大気参照光は、偏光ビームスプリッタ１４３を透過して、大気参照光のみλ／２板１４２で偏光方向を直交方向に変換され、ビームディスプレーサ１４１に入射する。ビームディスプレーサ１４１においては、大気参照光のみにウォークオフが発生する。従って、ビームディスプレーサ１４１を通過した真空参照光及び大気参照光は、共軸となり、位相検出部１５２ｂに入射する。真空参照光及び大気参照光は、第１の基準面１４６と第２の基準面１４７との間の光路を除いて共通な光路長となるため、位相検出部１５２ｂでは、第１の基準面１４６と第２の基準面１４７との間の媒質差（真空と大気）に相当する光路長差が検出される。
【０１００】
図８を参照して、計測装置１Ｂの計測処理（即ち、処理部１２４による参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の絶対距離を求める処理）について説明する。なお、図８に示すＳ８０２、Ｓ８０４及びＳ８１０は、図２に示すＳ２０２、Ｓ２０４及びＳ２１０と同様であるため、ここでの詳細な説明は省略する。但し、本実施形態では、干渉計１４０の位相検出履歴が失われた場合にも、干渉次数決定処理を実施することが必要となる。また、Ｓ８０４乃至Ｓ８１４については、干渉次数Ｎ１２の算出は第１の実施形態と同様であり、干渉計１４０の干渉次数Ｎｒｉ１２の算出が追加されている。
【０１０１】
Ｓ８０６では、第１の基準波長λ１における位相φ１及び干渉計１４０の位相φｒｉ１のそれぞれを検出する。同様に、Ｓ８１２では、第２の基準波長λ２における位相φ２及び干渉計１４０の位相φｒｉ２のそれぞれを検出する。第１の基準面１４６と第２の基準面１４７との間の幾何学的な距離をＤｒｉとすると、位相φｒｉ１及びφｒｉ２のそれぞれは、以下の式１７で表される。
【０１０２】
【数１７】
【０１０３】
Ｓ８０８では、光源１０２から射出される光の波長を第１の基準波長λ１から第２の基準波長λ２に連続的に変更（走査）しながら合成波長Λ１２の干渉次数Ｍｒｉを算出する。干渉次数Ｍｒｉは、以下の式１８で表される。
【０１０４】
【数１８】
【０１０５】
Ｓ８１４では、第２の基準波長λ２における干渉次数Ｎ１２及び干渉次数Ｎｒｉ１２を算出する。干渉次数Ｎｒｉ１２は、式１７及び式１８から、以下の式１９で表される。干渉次数Ｎｒｉ１２を算出することによって、真空参照光路と大気参照光路との光路長差を２πの曖昧さなしに決定することが可能となる。なお、干渉次数Ｎ１２の算出については、第１の実施形態と同様であるため、ここでの詳細な説明は省略する。
【０１０６】
【数１９】
【０１０７】
Ｓ８１６では、第２の基準波長λ２における位相φ２及び干渉計１４０の位相φｒｉ２のそれぞれを検出する。
【０１０８】
Ｓ８１８では、参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の空間の屈折率（大気屈折率）を算出して、参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の絶対距離Ｄを求める。参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の空間の屈折率ｎは、Ｓ８１４で算出された干渉次数Ｎｒｉ１２、及び、Ｓ８１６で検出された位相φｒｉ２を用いて、以下の式２０で算出される。
【０１０９】
【数２０】
【０１１０】
ここで、第１の基準面１４６と第２の基準面１４７との間の幾何学的な距離Ｄｒｉは、既知であるとする。式２０の右辺の第１項は、大気屈折率の真空屈折率からの差分となるため、一般的には、３×１０−４程度となる。従って、距離Ｄｒｉの誤差ΔＤｒｉによって発生する大気屈折率の誤差は３×１０−４×ΔＤｒｉ／Ｄｒｉのオーダーとなる。真空参照光路を含まない基準干渉計の誤差のオーダーはΔＤｒｉ／Ｄｒｉであるため、同じ距離の誤差に対しては３×１０−４だけ精度的に有利となる。
【０１１１】
また、絶対距離Ｄは、Ｓ８１４で算出された干渉次数Ｎ１２、Ｓ８１６で検出された位相φ２、及び、式２０を用いて、上述した式６で求めることができる。
【０１１２】
Ｓ８２０では、計測処理（参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の絶対距離を求める処理）を終了するかどうかを判定する。計測処理を終了すると判定された場合には、計測処理を終了する。また、計測処理を終了しないと判定された場合には、Ｓ８０２に移行して、干渉次数決定処理を実施するかどうかを判定する。
【０１１３】
このように、本実施形態の計測装置１Ｂは、基準干渉計の距離誤差の影響が低減された構成を有し、参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の空間の気体の屈折率の変動を保証している。従って、本実施形態の計測装置１Ｂは、簡易な構成でありながら、参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の絶対距離を高精度に計測することができる。
＜第４の実施形態＞
図９は、本発明の第４の実施形態の計測装置１Ｃの構成を示す概略図である。計測装置１Ｃは、基本的には、計測装置１、１Ａ又は１Ｂと同様な構成を有する。但し、計測装置１Ｃは、光源１６２と、ガスセル１６４と、光量検出部１６６ａ、１６６ｂ及び１６６ｃと、分光素子１６８ａ及び１６８ｂと、位相検出部１７２ａ及び１７２ｂとを有する。
【０１１４】
計測装置１Ｃにおいては、光源１０２から射出される光の波長と光源１６２から射出される光の波長との合成波長を用いることで、光源１０２からの光の波長変更量及び波長変更精度の低減を実現している。また、光源に対して複数の干渉計を構成する場合には、光源１６２を用いて常に安定した計測が可能となる。これにより、任意の計測軸の干渉次数を決定するための波長変更の際に、干渉次数を決定することが不要な干渉軸（干渉計）については、波長変更が影響しない構成を実現することができる。
【０１１５】
光源１０２から射出された光及び光源１６２から射出された光のそれぞれはビームスプリッタ１０４ａで分離（分岐）され、一方の光はファブリペローエタロン１０８に入射し、他方の光は偏光ビームスプリッタ１１８に入射する。更に、第２の光源としての光源１６２から射出された光は、ビームスプリッタ１０４ｂで分離され、ガスセル１６４にも入射する。
【０１１６】
なお、本実施形態では、光源１０２と光源１６２とを独立した光源で構成しているが、例えば、光通信に用いられる多波長光源と同様に、複数の半導体レーザを１つの素子に集積して構成してもよい。この場合、コストや装置寸法の面で有利となる。
【０１１７】
ガスセル１６４を透過した光（光源１６２からの光）は、光量検出部１６６ａで光量を検出される。本実施形態では、光源１０２から射出される光の波長として１．５μｍ近傍の波長を使用し、ガスセル１６４の封入ガスとしてアセチレンを使用する。但し、ガスセル１６４の封入ガスはアセチレンに限定されるものではなく、一酸化炭素やシアン化水素などの１．５μｍ近傍の波長帯域において使用可能な封入ガスであればよい。それぞれの封入ガスは、波長帯域及び中心波長精度が異なるため、必要に応じて選択すればよい。
【０１１８】
一方、ファブリペローエタロン１０８を透過した光は、分光素子１６８ａで光源１０２からの光と光源１６２からの光とに分離される。ファブリペローエタロン１０８を透過した光の光量に関しては、光源１０２からの光の光量は光量検出部１６６ｂで検出され、光源１６２からの光の光量は光量検出部１６６ｃで検出される。
【０１１９】
図１０（ａ）乃至図１０（ｃ）のそれぞれは、ガスセル１６４の透過スペクトル、ファブリペローエタロン１０８の透過スペクトル及び光源１０２と光源１６２から射出される光のスペクトルを示す。光源制御部１１２は、光量検出部１６６ａで検出された光量に基づいて、光源１６２から射出される光の波長がガスセル１６４の吸収線である第３の基準波長λ３に安定化するように、光源１６２を制御する。また、光源制御部１１２は、光量検出部１６６ｃで検出された光量に基づいて、ファブリペローエタロン１０８の透過スペクトルが第３の基準波長λ３に一致するように、ファブリペローエタロン１０８の光路長を制御する。なお、ファブリペローエタロン１０８の内部媒質は真空とし、光路長の制御にはエタロンの温度を用いるものとする。更に、光源制御部１１２は、光量検出部１６６ｂで検出された光量に基づいて、光源１０２から射出される光の波長がファブリペローエタロン１０８の透過スペクトルに安定化するように、光源１０２を制御する。このように、光源１０２から射出される光の波長は、第１の基準波長λ１又は第２の基準波長λ２に安定化させることが可能であり、且つ、第１の基準波長λ１と第２の基準波長λ２との間で変更（走査）可能である。
【０１２０】
本実施形態では、ガスセル１６４に加えて、ファブリペローエタロン１０８を用いることで、基準波長の精度を向上させているが、後述する干渉次数を決定するための条件を満たせば、ファブリペローエタロン１０８を用いなくてもよい。
【０１２１】
偏光ビームスプリッタ１１８に入射した光は、それぞれの光源（光源１０２又は光源１６２）からの光の波長における参照面ＲＳと被検面ＴＳとの光路長差に相当する干渉信号を生成する。位相検出部１７２ａは、分光素子１６８ｂを介して、第１の基準波長λ１における参照面ＲＳと被検面ＴＳとの光路長差に相当する位相（干渉位相）を検出する。また、位相検出部１７２ｂは、分光素子１６８ｂを介して、第３の基準波長λ３における参照面ＲＳと被検面ＴＳとの光路長差に相当する位相（干渉位相）を検出する。
【０１２２】
本実施形態では、光源１０２からの光に対する位相検出部１７２ａと光源１６２からの光に対する位相検出部１７２ｂとを独立して構成することで、第１の基準波長λ１における位相と第３の基準波長λ３における位相とを同時に検出している。但し、１つの位相検出部を用いて、光源１０２と光源１６２とを切り換えてもよい。この場合、計測装置１Ｃの構成をより簡易にすることができる。
【０１２３】
図１１を参照して、計測装置１Ｃの計測処理（即ち、処理部１２４による参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の絶対距離を求める処理）について説明する。なお、図１１に示すＳ１１０２乃至Ｓ１１１２は、図２に示すＳ２０２乃至Ｓ２１２と同様であるため、ここでの詳細な説明は省略する。
【０１２４】
Ｓ１１１４では、第３の基準波長λ３における位相φ３を検出する。第３の基準波長λ３における位相φ３は、以下の式２１で表される。
【０１２５】
【数２１】
【０１２６】
Ｓ１１１６では、第３の基準波長λ３における干渉次数Ｎ３を算出する。λ１・λ３／｜λ１−λ３｜で表される第１の基準波長λ１と第３の基準波長λ３との合成波長をΛ１３とする。この場合、参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の絶対距離Ｄと、第３の基準波長λ３と、合成波長Λ１３との関係は、以下の式２２及び式２３で表される。
【０１２７】
【数２２】
【０１２８】
【数２３】
【０１２９】
式５、式２２及び式２３において、それぞれの波長及び合成波長には、λ３＜＜Λ１３＜＜Λ１２の関係があるため、干渉次数Ｎ３及びＭ１３は、以下の式２４で表される。
【０１３０】
【数２４】
【０１３１】
また、位相の検出誤差をｄφとすると、干渉次数Ｎ３及びＭ１３を誤差なく決定（算出）するための条件は、以下の式２５及び式２６で表される。
【０１３２】
【数２５】
【０１３３】
【数２６】
【０１３４】
式２５において、絶対距離Ｄが１．５ｍであり、第３の基準波長λ３が１．５μｍである場合には、Ｄ／λ３は１０６となる。一方、ｄΛ１３／Λ１３及びｄλ３／λ３は、ファブリペローエタロン１０８及びガスセル１６４を用いることで、１０−７を実現することができる。従って、左辺の第１項が式２５の不等式における制約条件となる。また、ｄφ／２πが１０−４［ｗａｖｅ］程度であるとすると、Λ１３が１．５ｍｍとなるように第１の基準波長λ１を選択することで、式２５を満たすことが可能となる。
【０１３５】
上述した条件下では、式２６において、Ｄ／Λ１３は１０３となる。従って、ｄΛ１２／Λ１２については１０−４程度が必要条件となり、第１の実施形態に比べて、２桁の合成波長精度の緩和が実現する。また、上述した条件で必要なΛ１２の最大値は１．５ｍ程度であり、第１の基準波長λ１と第２の基準波長λ２との波長差（波長変更量）に換算すると、１．５ｐｍの非常に小さい値となる。
【０１３６】
本実施形態では、第１の基準波長λ１及び第２の基準波長λ２をファブリペローエタロン１０８の透過スペクトルに安定化させるため、ファブリペローエタロン１０８の周波数間隔ＦＳＲを上述した波長変更量相当に小さくする必要がある。また、ファブリペローエタロン１０８の透過スペクトルに安定化させることなく、上述したｄΛ１２／Λ１２の精度を実現できる場合には、第２の基準波長λ２のファブリペローエタロン１０８による安定化を行わなくてもよい。この場合、電流変調又は温度変調などで合成波長Λ１２の精度を保証することになるため、上述した波長変更量の最小値による波長変更が実現する。なお、ＤＦＢ半導体レーザで大きな波長変更を実現するためには温度変調が必要であり、波長変更に時間がかかるという問題があるが、上述したように、波長変更量が小さくなれば、電流変調で高速な波長変更が実現できるという利点がある。
【０１３７】
Ｓ１１１８では、Ｓ２１６と同様に、被検面ＴＳの近傍、即ち、参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の空間の環境を検出する。
【０１３８】
Ｓ１１２０では、第３の基準波長λ３における位相φ３を位相検出部１７２ｂで検出する。
【０１３９】
Ｓ１１２２では、参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の空間の屈折率（大気屈折率）を算出して、参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の絶対距離Ｄを求める。具体的には上述した式２２に従って絶対距離Ｄを求める。但し、特に、干渉次数決定処理を実施した後、絶対距離Ｄを求める際には、以下の式２７に従って絶対距離Ｄ（絶対距離Ｄ３）を求める。
【０１４０】
【数２７】
【０１４１】
Ｓ１１２４は、Ｓ２２２と同様であるため、ここでの詳細な説明は省略する。
【０１４２】
このように、本実施形態の計測装置１Ｃによれば、波長変更量及び波長変更精度の低減が可能となるため、基準干渉計を不要とする簡易な構成でありながら、参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の絶対距離を高精度に計測することができる。
【０１４３】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、参照面と被検面との間の絶対距離を計測する計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
参照面と被検面との間の絶対距離を計測する装置として、波長走査型の光波干渉計測装置が知られている。波長走査による絶対距離の計測は、一般的に、計測精度が低いため、固定波長による相対距離の計測と組み合わせることで計測精度を向上させている。従って、波長走査型の光波干渉計測装置では、波長走査（波長の走査量）の精度、固定波長の精度、相対距離を計測する際の位相の計測精度が主な精度要因となる。
【０００３】
波長走査による絶対距離の計測方式の１つであるＦＭヘテロダイン法では、単一の干渉信号の強度を計測し、波長走査によって生じる干渉信号の強度変化から絶対距離を算出する。例えば、特許文献１には、ＦＭヘテロダイン法において、基準干渉計を用いて（即ち、基準干渉計の長さを基準として）大気波長の走査量を保証すると共に、エタロンやガスセルなどの波長基準を用いて固定波長を保証する技術が開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、ＦＭヘテロダイン法よりも高精度に絶対距離を計測する技術として、位相が９０度ずれた２つの干渉信号の強度からリサージュ波形を求めることで位相を計測する技術が開示されている。特許文献２では、波長の走査量と固定波長に関して、共通の基準干渉計を用いることで大気波長の走査量を保証すると共に、大気波長を一定にするように固定波長を制御することで大気の屈折率の変動も保証している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第２７２５４３４号公報
【特許文献２】特許第２８１０９５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の光波干渉計測装置では、位相の計測精度が低いため、相対距離の計測と組み合わせても十分な計測精度（即ち、要求される計測精度）を実現することができない。更に、位相の計測精度が低い場合には、絶対距離の計測と相対距離の計測とを組み合わせるために波長の走査量を大きくしなければならず、干渉計の構成において光源の選定に制約がかかってしまう。
【０００７】
また、特許文献１及び２に開示された技術では、基準干渉計が必要となるため、光波干渉計測装置の構成が複雑になると共に、基準となる基準干渉計の長さの変動によって計測精度が低下してしまう。
【０００８】
そこで、本発明は、このような従来技術の課題に鑑みてなされ、簡易な構成でありながら、参照面と被検面との間の絶対距離を高精度に計測することができる技術を提供することを例示的目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の一側面としての計測装置は、参照面と被検面との間の絶対距離を計測する計測装置であって、第１の光源から射出される光の波長を、既知の真空波長である第１の基準波長又は前記第１の基準波長とは異なる既知の真空波長である第２の基準波長に設定するための波長基準素子と、前記第１の光源からの光を、第１の偏光方向を有する光と前記第１の偏光方向に直交する第２の偏光方向を有する光とに分離して、前記第１の偏光方向を有する光を前記参照面に入射させ、前記第２の偏光方向を有する光を前記被検面に入射させる偏光ビームスプリッタと、前記参照面と前記被検面との間の空間の群屈折率を検出する屈折率検出部と、前記参照面で反射された前記第１の偏光方向を有する光と前記被検面で反射された前記第２の偏光方向を有する光との干渉信号を検出して、前記干渉信号から前記参照面と前記被検面との間の光路長に相当する位相を検出する位相検出部と、前記波長基準素子を用いて前記第１の光源から射出される光の波長を前記第１の基準波長から前記第２の基準波長に連続的に変更させながら前記第１の基準波長及び前記第２の基準波長のそれぞれについて、前記参照面と前記被検面との間の光路長に相当する位相を検出するように前記位相検出部を制御して、前記絶対距離を求める処理を行う処理部と、を有し、前記第１の基準波長をλ１、前記第２の基準波長をλ２、前記第１の基準波長において前記位相検出部で検出される位相をφ１、前記第２の基準波長において前記位相検出部で検出される位相をφ２、前記第１の光源から射出される光の波長を前記第１の基準波長から前記第２の基準波長に連続的に変更した際に発生する位相飛び数をＭ、λ１・λ２／｜λ１−λ２｜で表される前記第１の基準波長と前記第２の基準波長との合成波長をΛ１２、前記屈折率検出部で検出される群屈折率をｎｇ、前記第２の偏光方向を有する光が前記被検面で反射される回数をｋとすると、前記処理部は、前記絶対距離Ｄ１を、
に従って求めることを特徴とする。
【００１０】
本発明の更なる目的又はその他の側面は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施形態によって明らかにされるであろう。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、例えば、簡易な構成でありながら、参照面と被検面との間の絶対距離を高精度に計測する技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施形態の計測装置の構成を示す概略図である。
【図２】図１に示す計測装置の計測処理を説明するためのフローチャートである。
【図３】図２に示すフローチャートのＳ２０４及びＳ２０８を説明するための図である。
【図４】本発明の第２の実施形態の計測装置の構成を示す概略図である。
【図５】図４に示す計測装置の位相検出部の詳細な構成を示す図である。
【図６】図４に示す計測装置の計測処理を説明するためのフローチャートである。
【図７】本発明の第３の実施形態の計測装置の構成を示す概略図である。
【図８】図７に示す計測装置の計測処理を説明するためのフローチャートである。
【図９】本発明の第４の実施形態の計測装置の構成を示す概略図である。
【図１０】図９に示す計測装置において、ガスセルの透過スペクトル、ファブリペローエタロンの透過スペクトル及び２つの光源から射出される光のスペクトルを示す図である。
【図１１】図９に示す計測装置の計測処理を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態の計測装置１の構成を示す概略図である。計測装置１は、参照面と被検面との間の絶対距離を計測する光波干渉計測装置である。計測装置１は、図１に示すように、光源１０２と、ビームスプリッタ１０４ａ及び１０４ｂと、波長シフト部１０６と、波長基準素子としてのファブリペローエタロン１０８と、強度検出部１１０とを有する。更に、計測装置１は、光源制御部１１２と、無偏光ビームスプリッタ１１４と、基準信号検出部１１６と、偏光ビームスプリッタ１１８と、計測信号検出部１２０と、環境検出部１２２と、処理部１２４とを有する。
【００１４】
後述するように、計測装置１は、計測波長（例えば、真空波長）を長期的に安定化し、且つ、被検面の近傍の気体の屈折率を求めることで、参照面と被検面との間の絶対距離を高精度に計測する。また、被検面及び参照面のそれぞれで反射する光を互いに直交する偏光方向を有する光とすることで、高精度なヘテロダイン検出による位相検出を実現している。
【００１５】
第１の光源としての光源１０２から直線偏光で射出された光は、２つのビームスプリッタ１０４ａ及び１０４ｂを介して、３つの光に分離（分岐）される。光源１０２は、計測に使用する波長帯域（真空波長）において連続的に波長を変化させることが可能な波長可変光源である。本実施形態では、光源１０２として、光通信用に量産され、容易、且つ、安価に入手可能なＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄ−Ｂａｃｋ）半導体レーザを用いる。但し、光源１０２は、ＤＦＢ半導体レーザに限定されるものではなく、外部共振器型の半導体レーザやファイバレーザなどを用いてもよい。
【００１６】
ビームスプリッタ１０４ａで分離される２つの光のうち、ビームスプリッタ１０４ａを透過する光は無偏光ビームスプリッタ１１４に入射し、ビームスプリッタ１０４ａで反射される光はビームスプリッタ１０４ｂに入射する。また、ビームスプリッタ１０４ｂで分離される２つの光のうち、ビームスプリッタ１０４ｂで反射される光は波長シフト部１０６に入射し、ビームスプリッタ１０４ｂを透過する光はファブリペローエタロン１０８に入射する。
【００１７】
波長シフト部１０６は、本実施形態では、音響光学素子などで構成されるシフタ１０６ａと、波長板などで構成される変更部１０６ｂとを含む。シフタ１０６ａは、入射する光の周波数（入射波長）を既知（一定量）の周波数ｄνだけシフトさせる。変更部１０６ｂは、シフタ１０６ａを通過した光の偏光方向を変更して（具体的には、９０度回転させて）、入射光の偏光方向に直交する偏光方向を有する成分の光を射出する。波長シフト部１０６から射出された光は、無偏光ビームスプリッタ１１４に入射する。
【００１８】
強度検出部１１０は、ファブリペローエタロン１０８を透過した光の強度（エタロン透過強度）を検出する。光源制御部１１２は、強度検出部１１０で検出されたエタロン透過強度に基づいて、光源１０２から射出される光の波長を制御する。例えば、光源制御部１１２は、光源１０２の温度を変調させたり、光源１０２に与える電流を変調させたりすることで、光源１０２から射出される光の波長を制御（調整）する。
【００１９】
なお、ファブリペローエタロン１０８の透過スペクトルについては、真空波長の絶対値が保証されていることが必要である。そこで、本実施形態では、ファブリペローエタロン１０８として、透過スペクトル間隔の保証された真空媒質のエタロンを用いる。真空媒質のエタロンは、内部媒質の屈折率及び分散がないため、真空波長の絶対値を容易に保証することができる。更に、エタロンの材質として低熱膨張ガラスなどを用いれば、温度に対する膨張率を低減して、長期的に安定した波長基準素子を実現することができる。但し、ファブリペローエタロン１０８は、真空媒質のエタロンに限定されるものではなく、エアギャップのエタロンやソリッドエタロンなどを用いてもよい。この場合、エタロンの温度を計測するなどして内部屈折率及び分散を保証する必要がある。また、更に安定した基準波長を得るために、エタロンとガスセルとを組み合わせてもよい。
【００２０】
ビームスプリッタ１０４ａを透過した光と波長シフト部１０６を通過した光とは、無偏光ビームスプリッタ１１４において再び共通光路になると共に、２つの光に分離される。無偏光ビームスプリッタ１１４で分離された光のうち一方の光は、基準信号検出部１１６に入射する。
【００２１】
基準信号検出部１１６は、ビームスプリッタ１０４ａを透過した光と波長シフト部１０６を通過した光との干渉信号として、これらの光の周波数差に相当するビート信号を検出する。基準信号検出部１１６は、偏光子を含み、ビームスプリッタ１０４ａを透過した光と波長シフト部１０６を通過した光との間で共通する偏光方向を有する光を抽出することで干渉信号を検出する。また、基準信号検出部１１６は、更なる高精度化が必要な場合には、偏光子と波長板とを組み合わせて１８０度異なる干渉信号を生成することによって差動検出を行ってもよい。以下、基準信号検出部１１６で検出される干渉信号を基準信号と称する。
【００２２】
無偏光ビームスプリッタ１１４で分離された光のうち他方の光は、偏光ビームスプリッタ１１８に入射する。偏光ビームスプリッタ１１８は、光源１０２からの光を、第１の偏光方向を有する光と第１の偏光方向に直交する第２の偏光方向を有する光とに分離する機能を有する。偏光ビームスプリッタ１１８は、本実施形態では、ビームスプリッタ１０４ａを透過した光を透過し、波長シフト部１０６を通過した光を反射する。
【００２３】
偏光ビームスプリッタ１１８で反射された光は、参照面ＲＳで反射され、偏光ビームスプリッタ１１８で再び反射されて、計測信号検出部１２０に入射する。参照面ＲＳは、複数の反射面からなるコーナキューブで構成され、偏光ビームスプリッタ１１８と共に距離計測の基準となる基準構造体に固定されている。以下、参照面ＲＳで反射された光を参照光と称する。
【００２４】
また、偏光ビームスプリッタ１１８を透過した光は、被検面ＴＳで反射され、偏光ビームスプリッタ１１８を再び透過して、計測信号検出部１２０に入射する。被検面ＴＳは、参照面ＲＳと同様に、コーナキューブで構成され、距離計測の対象物体（被検物体）に固定されている。以下、被検面ＴＳで反射された光を被検光と称する。
【００２５】
本実施形態では、計測装置１において、参照光と被検光との光路長差が１往復となる（即ち、被検光が被検面ＴＳで反射される回数が１回である）ような干渉計を構成しているが、他の干渉計を構成してもよい。例えば、参照面ＲＳ及び被検面ＴＳを平面とし、被検光及び参照光のそれぞれの光路にλ／４板を挿入すると共に、１往復光を反射するためのコーナキューブを配置することで、参照光と被検光との光路長差が２往復となるような干渉計を構成してもよい。
【００２６】
計測信号検出部１２０は、基準信号検出部１１６と同様な構成を有し、参照光と被検光との干渉信号を検出する。以下、計測信号検出部１２０で検出される干渉信号を計測信号と称する。計測信号は、参照光と被検光との周波数差に相当するビート信号である点に関しては基準信号と同一であるが、参照光と被検光との光路長差により干渉信号の位相が基準信号と異なる。
【００２７】
参照面と被検面との間の絶対距離を計測する計測装置１の光分離素子として、偏光方向に応じて光を分離可能な偏光ビームスプリッタ１１８を用いることによって、参照面と被検面のそれぞれで反射される光を偏光方向に応じて分離することができる。従って、互いに直交する偏光方向を有する２つの光の間に僅かに周波数シフト差を付加することで、参照面と被検面との間のヘテロダイン検出が可能となり、高精度な位相検出を実現することができる。
【００２８】
環境検出部１２２は、被検面ＴＳの近傍に配置され、被検面ＴＳの近傍、具体的には、参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の空間の環境を計測する。本実施形態では、環境検出部１２２は、参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の空間（即ち、大気）の群屈折率を検出する屈折率検出部として機能する。環境検出部１２２は、例えば、参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の空間の気体の温度を検出する温度計と、参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の空間の気圧を検出する気圧計とを含む。大気の屈折率の温度敏感度及び気圧敏感度のそれぞれは１ｐｐｍ／℃及び０．３ｐｐｍ／ｈＰａであるため、比較的安価な温度計及び気圧計で環境検出部１２２を構成したとしても、０．１ｐｐｍ程度の屈折率の保証は容易に実現可能である。
【００２９】
処理部１２４は、基準信号検出部１１６で検出された基準信号、計測信号検出部１２０で検出された計測信号、及び、環境検出部１２２で検出された屈折率を用いて、参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の絶対距離を求める処理を行う。また、処理部１２４は、光源制御部１１２を介して、光源１０２から射出される光の波長を制御する。
【００３０】
本実施形態の計測装置１では、１つの光源１０２に対して１つの干渉計を構成しているが、１つの光源１０２に対して複数の干渉計を構成することも可能である。具体的には、無偏光ビームスプリッタ１１４と偏光ビームスプリッタ１１８の間で光を分離（分岐）し、それぞれの光に対して干渉計を構成する。一般には、干渉計を構成する位置によって、それぞれの干渉計の被検光路近傍の屈折率（大気屈折率）は異なるが、それぞれの干渉計ごとに屈折率を検出することで、それぞれの干渉計ごとに屈折率を補正することが可能である。このような構成では、複数の計測軸（干渉計）に対して１つの光源を設ければよいため、コストを抑えながら参照面と被検面との間の絶対距離を計測する計測装置を実現することができるという利点がある。
【００３１】
図２を参照して、計測装置１の計測処理（即ち、処理部１２４による参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の絶対距離を求める処理）について説明する。計測装置１の計測処理は、Ｓ２０４乃至Ｓ２１４の干渉次数決定処理と、Ｓ２１６乃至Ｓ２２０の相対距離計測処理とに分類される。
【００３２】
Ｓ２０２では、干渉次数決定処理を実施するかどうかを判定する。例えば、絶対距離の計測開始直後や光源１０２からの光が遮光されるなどして過去の位相検出履歴が失われた場合（即ち、相対距離計測処理の維持が不可能になった場合）には、干渉次数決定処理を実施することが必要となる。なお、干渉次数決定処理を実施するかどうかの判定は、処理部１２４によって自動的に行われ、干渉次数決定処理を実施すると判定された場合には、Ｓ２０４に移行し、干渉次数決定処理を実施しないと判定された場合には、Ｓ２１６に移行する。
【００３３】
Ｓ２０４では、光源１０２から射出される光の波長を第１の基準波長λ１に設定する（即ち、第１の基準波長λ１における波長安定化制御を開始する）。ここで、図３を参照して、第１の基準波長λ１について説明する。図３（ａ）はファブリペローエタロン１０８の透過スペクトルを示し、図３（ｂ）は光源１０２から射出される光のスペクトルを示す。ファブリペローエタロン１０８は、図３（ａ）に示すように、均等な周波数間隔ＦＳＲで周期的な透過特性を有し、上述したように、その真空波長の絶対値は保証されている。第１の基準波長λ１には、ファブリペローエタロン１０８の透過スペクトルの１つを用いる。換言すれば、第１の基準波長λ１に相当するファブリペローエタロン１０８の透過スペクトルに対して、光源１０２から射出される光の波長を安定化する。なお、波長の安定化は、強度検出部１１０で検出されるエタロン透過強度が一定となるように、光源制御部１１２（処理部１２４）によって光源１０２を制御することで行われる。なお、ファブリペローエタロン１０８への入射光量の変動が影響する場合には、かかる入射光量を検出し、入射光量が一定になるように（即ち、入射光量が変動しないように）補正すればよい。
【００３４】
Ｓ２０６では、第１の基準波長λ１における位相φ１を検出する。位相の検出とは、基準信号と計測信号との位相差を検出することである。従って、処理部１２４において基準信号の位相と計測信号の位相を位相計で検出し、それらの差分を求めることで第１の基準波長λ１における位相φ１が得られる。このように、基準信号検出部１１６、計測信号検出部１２０及び処理部１２４は、干渉信号から参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の光路長に相当する位相を検出する位相検出部として機能する。
【００３５】
ここで、第１の基準波長λ１における位相について説明する。光源１０２から無偏光ビームスプリッタ１１４までの被検光と参照光との光路長差をＬ１、無偏光ビームスプリッタ１１４から計測信号検出部１２０までの被検光と参照光との光路長差を２ｎ（λ）Ｄとする。なお、ｎ（λ）は被検光の光路の屈折率であり、Ｄは参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の絶対距離である。この場合、基準信号Ｉｒｅｆ及び計測信号Ｉｔｅｓｔのそれぞれは、以下の式１で表される。
【００３６】
【数１】
【００３７】
式１を参照するに、Ｓ２０６で検出される第１の基準波長λ１における位相φ１は、以下の式２で表される。なお、式２において、「ｍｏｄ（ｕ，ｋ）」は、第１引数ｕの第２引数ｋに対する剰余を表すものとする。
【００３８】
【数２】
【００３９】
Ｓ２０８では、光源１０２から射出される光の波長を第１の基準波長λ１から第２の基準波長λ２に連続的に変更（走査）しながら（即ち、第１の基準波長λ１における波長安定化制御を解除して）位相の飛び数を計測する。なお、第２の基準波長λ２には、第１の基準波長λ１と同様に、ファブリペローエタロン１０８の透過スペクトルの１つを用いる。
【００４０】
なお、Ｓ２０８は、第１の基準波長λ１から第２の基準波長λ２に連続的に変更することで発生する積算位相を計測する工程であるとも言える。光源１０２から射出される光の波長が第１の基準波長λ１から第２の基準波長λ２に連続的に変更する（図３（ｂ）参照）ことに伴って、位相は、図３（ｃ）に示すように、単調に変化する。位相計で検出可能な位相の範囲は±πであるため、±πを超えると位相飛びが発生する。積算位相を計測することは、位相飛びをカウントすることに相当する。以下、Ｓ２０８で計測される位相の飛び数をＭとする。
【００４１】
Ｓ２１０では、光源１０２から射出される光の波長が第１の基準波長λ１から第２の基準波長λ２に変更された時点で、第２の基準波長λ２における波長安定化制御を開始する。換言すれば、第２の基準波長λ２に相当するファブリペローエタロン１０８の透過スペクトルに対して、光源１０２から射出される光の波長を安定化する。
【００４２】
Ｓ２１２では、第２の基準波長λ２における位相φ２を検出する。Ｓ２１２で検出される第２の基準波長λ２における位相φ２は、以下の式３で表される。
【００４３】
【数３】
【００４４】
式２及び式３を参照するに、位相の飛び数Ｍは、以下の式４で表される。ここで、Λ１２は、λ１・λ２／｜λ１−λ２｜で表される第１の基準波長λ１と第２の基準波長λ２との合成波長である。なお、式４に示すように、位相の飛び数Ｍは、合成波長Λ１２の干渉次数に相当するため、以下では、合成波長の干渉次数Ｍと称する。また、ｎｇ（λ１，λ２）は、波長λ１及びλ２に対する群屈折率を表す。
【００４５】
【数４】
【００４６】
Ｓ２１４では、第２の基準波長λ２における干渉次数（位相の変化量）Ｎ１２を算出する。まず、第１の絶対距離Ｄ１を、合成波長Λ１２を用いて、以下の式５に従って求める。なお、本実施形態では、被検光が被検面ＴＳで反射される回数ｋが１回であるため、式５においてｋを省略しているが、実際には、Ｄ１＝Λ１２／｛２ｋ・ｎｇ（λ１，λ２）｝・（Ｍ＋｛（φ２−φ１）／２π｝）となることに注意されたい。
【００４７】
【数５】
【００４８】
一方、絶対距離Ｄは、第２の基準波長λ２を用いて、以下の式６で表現することも可能であり、第２の基準波長λ２は合成波長Λ１２よりも短いため、絶対距離Ｄを高精度に求めることができる。
【００４９】
【数６】
【００５０】
式５を用いれば、干渉次数Ｎ１２は、以下の式７から求めることができる。なお、「ｒｏｕｎｄ（）」は、引数を整数に丸める関数を表す。また、式７では、屈折率と群屈折率との比を表す項が存在するが、１＋１０−６程度のオーダーであるため１に近似することができる。但し、屈折率と群屈折率との比が無視できない場合（例えば、合成波長Λ１２と第２の基準波長λ２との比が大きい場合）には、Ｓ２０６及びＳ２１２において位相を検出する際に、参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の空間の環境の検出（Ｓ２１６）を行えばよい。これにより、屈折率と群屈折率との比を算出することが可能となる。
【００５１】
【数７】
【００５２】
ここで、干渉次数Ｎ１２を誤差なく決定（算出）するためには、式７におけるｒｏｕｎｄ（）の引数の誤差が１／２未満であればよい。位相の検出誤差をｄφ、第２の基準波長λ２の誤差（設計値からの誤差）をｄλ２、合成波長Λ１２の誤差（設計値からの誤差）をｄΛ１２、Ｍ＞＞１、Λ１２／λ２とすると、以下の式８を満たせばよい。
【００５３】
【数８】
【００５４】
式８において、絶対距離Ｄが１．５ｍであり、第２の基準波長λ２が１．５μｍである場合には、Ｄ／λ２は１０６となる。一方、ｄΛ１２／Λ１２及びｄλ２／λ２は、ファブリペローエタロン１０８を用いることで、１０−７を実現することができる。従って、左辺の第１項が式７の不等式における制約条件となる。但し、式８は、全ての絶対距離Ｄ、即ち、計測装置１で計測可能な絶対距離の範囲Ｄｍａｘに対して成り立たなければならない。
【００５５】
本実施形態の計測装置１が採用するヘテロダイン方式では、高精度な位相検出が可能であるため、１０−４［ｗａｖｅ］程度の検出精度を得ることは容易である。このように、高精度な位相検出を実現することができる場合には、合成波長Λ１２は、第２の基準波長λ２の１０３倍まで拡大が可能となる。第２の基準波長λ２が１．５μｍである場合、合成波長Λ１２を１．５ｍｍまで拡大することができるため、第１の基準波長λ１と第２の基準波長λ２との波長差（波長変更量）は１．５ｎｍとなる。１．５ｎｍ程度の少ない波長差であれば、ＤＦＢ半導体レーザでも波長変更（波長走査）が可能であるため、外部共振器型の半導体レーザなどの特殊で複雑な光源を用いることなく、簡易な構成で計測装置１を実現することができる。
【００５６】
Ｓ２１６では、被検面ＴＳの近傍、即ち、参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の空間の環境を検出する。本実施形態では、参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の空間の湿度は保証されているものとし、環境検出部１２２は、かかる空間の温度ｔ［℃］と気圧ｐ［Ｐａ］を検出して、検出結果を処理部１２４に入力する。
【００５７】
Ｓ２１８では、Ｓ２１２と同様に、第２の基準波長λ２における位相φ２を検出する。これにより、参照面ＲＳ（参照光）と被検面ＴＳ（被検光）との光路長差に相当する位相φ２が得られる。
【００５８】
Ｓ２２０では、参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の空間の屈折率（大気屈折率）を算出して、参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の絶対距離Ｄを求める。まず、乾燥空気の屈折率（大気屈折率）ｎは、温度ｔ［℃］及び気圧ｐ［Ｐａ］からＥｄｌｅｎの式を用いて、以下の式９で算出される。
【００５９】
【数９】
【００６０】
なお、参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の空間の気体が乾燥気体でない場合も考えられる。このような場合には、環境検出部１２２は、かかる気体の湿度を検出する湿度計を含む必要があり、式９の代わりに湿度補正項を含むＥｄｌｅｎの式を用いればよい。
【００６１】
また、絶対距離Ｄは、Ｓ２１４で算出された干渉次数Ｎ１２、Ｓ２１８で検出された位相φ２、及び、屈折率ｎ（λ２）を用いて、以下の式６で求めることができる。特に、干渉次数決定処理を実施して最初に絶対距離Ｄを求める際には、以下の式１０（式５、式６及び式７参照）に従って絶対距離Ｄ（絶対距離Ｄ２）を求める。
【００６２】
【数１０】
【００６３】
Ｓ２２２では、計測処理（参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の絶対距離を求める処理）を終了するかどうかを判定する。計測処理を終了すると判定された場合には、計測処理を終了する。また、計測処理を終了しないと判定された場合には、Ｓ２０２に移行して、干渉次数決定処理を実施するかどうかを判定する。この際、干渉次数決定処理を実施しないと判定された場合には、Ｓ２１６乃至Ｓ２２０が繰り返し実行されることになる。そこで、被検面ＴＳの移動により発生する干渉次数の変化は、位相検出履歴を用いて補正する。具体的には、ｉ回目の位相検出の結果をφ２（ｉ）とし、ｉ−１回目の位相検出の結果をφ２（ｉ−１）とすると、ｉ番目の絶対距離を求める際の干渉次数Ｎ１２（ｉ）は、以下の式１１で表される。
【００６４】
【数１１】
【００６５】
このように、本実施形態の計測装置１によれば、簡易な構成でありながら、参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の絶対距離を高精度に計測することができる。
＜第２の実施形態＞
図４は、本発明の第２の実施形態の計測装置１Ａの構成を示す概略図である。計測装置１Ａは、基本的には、計測装置１と同様な構成を有する。但し、計測装置１Ａは、被検面ＴＳの近傍の気体の屈折率を検出する環境検出部１２２Ａとして、光源１３２と、光源１３２から射出される光を用いて参照面ＲＳと被検面ＴＳとの光路長差を検出する位相検出部１３４ｂとを有する。また、計測装置１Ａは、位相検出部１３４ａと、分光素子１３６ａ及び１３６ｂと、光量検出部１３８ａ及び１３８ｂとを有する。
【００６６】
計測装置１Ａにおいては、２色法により被検面ＴＳの近傍での屈折率（大気屈折率）の積分値を検出することが可能であるため、計測光路方向に対して温度分布が大きい場合であっても、実効的な屈折率（大気屈折率）を正確に求めることができる。また、位相検出方式として、ヘテロダイン方式ではなく、ホモダイン方式を採用することで、より簡易な構成を実現している。
【００６７】
光源１０２から射出された光は、ビームスプリッタ１０４ａで分離（分岐）される。また、第３の光源としての光源１３２から射出された光もビームスプリッタ１０４ａに入射して、光線軸が光源１０２からの光と同軸（同一光路）になると共に、ビームスプリッタ１０４ａで分離される。光源１３２は、光源１０２からの光の波長と異なる波長の光を射出する光源である。本実施形態では、光源１３２として、光源１０２と同様に、ＤＦＢ半導体レーザを用いる。
【００６８】
ビームスプリッタ１０４ａで分離される２つの光のうち、一方の光はファブリペローエタロン１０８を透過して、分光素子１３６ａで光源１０２からの光と光源１３２からの光とに分離される。ファブリペローエタロン１０８を透過した光の光量に関しては、光源１０２からの光の光量は光量検出部１３８ａで検出され、光源１３２からの光の光量は光量検出部１３８ｂで検出される。
【００６９】
光量検出部１３８ａ及び１３８ｂのそれぞれで検出された光量は、光源制御部１１２に入力される。光源制御部１１２は、光源１０２から射出される光の波長及び光源１３２から射出される光の波長のそれぞれがファブリペローエタロン１０８の異なる透過スペクトル（基準波長）に対して安定化するように、光源１０２及び光源１３２を独立して制御する。なお、本実施形態では、光源１０２及び光源１３２のそれぞれに独立した光源を用いているが、光源１３２の代わりに、光源１０２から２倍波を射出するようにしてもよい。この場合には、光源１３２から射出される光の波長を制御する必要はない。また、波長変換素子として、導波路型ＰＰＬＮを用いれば、２倍波を容易に生成することが可能である。
【００７０】
一方、ビームスプリッタ１０４ａで分離される２つの光のうち、他方の光は、偏光ビームスプリッタ１１８に入射する。偏光ビームスプリッタ１１８で反射された光は、参照面ＲＳで反射され、偏光ビームスプリッタ１１８で再び反射されて、参照光として分光素子１３６ｂに入射する。偏光ビームスプリッタ１１８を透過した光は、被検面ＴＳで反射され、偏光ビームスプリッタ１１８を再び透過して、被検光として分光素子１３６ｂに入射する。
【００７１】
分光素子１３６ｂは、例えば、ダイクロイックミラーで構成され、同軸で入射した光源１０２からの光と光源１３２からの光とを分離する。但し、分光素子１３６ｂは、ダイクロイックミラーに限定されるものではなく、プリズム、バルク型の回折格子、アレイ導波路型の回折格子などで構成してもよく、必要な波長分解能及びコストから選択することが可能である。
【００７２】
光源１０２からの光は、分光素子１３６ｂを透過して、位相検出部１３４ａに入射する。位相検出部１３４ａは、光源１０２からの光の波長における参照面ＲＳ（参照光）と被検面ＴＳ（被検光）との光路長差に相当する位相（干渉位相）を検出する。一方、光源１３２からの光は、分光素子１３６ｂで反射され、位相検出部１３４ｂに入射する。位相検出部１３４ｂは、光源１３２からの光の波長における参照面ＲＳ（参照光）と被検面ＴＳ（被検光）との光路長差に相当する位相（干渉位相）を検出する。
【００７３】
本実施形態においても、計測装置１Ａの光分離素子として、偏光ビームスプリッタ１１８を用いているため、参照面と被検面のそれぞれで反射される光を偏光方向に応じて分離することができる。従って、偏光方向の差を用いた位相差制御によるホモダイン検出が可能となり、高精度な位相検出が実現する。
【００７４】
図５は、位相検出部１３４ａ及び１３４ｂの詳細な構成を示す図である。位相検出部１３４ａ及び１３４ｂのそれぞれは、被検光と参照光の偏光軸角度に対して４５度の進相軸を有するλ／４板５０２と、グレーティングビームスプリッタ５０４と、偏光子アレイ５０６と、複数の光量検出器５０８ａ、５０８ｂ及び５０８ｃとを含む。λ／４板５０２は、入射光に対して複数の既知の位相差を付与する位相差付与部としての機能を有し、本実施形態では、被検光と参照光のそれぞれの偏光方向を右回り円偏光と左回り円偏光に変換する。λ／４板５０２を通過した光は、グレーティングビームスプリッタ５０４によって、０次回折光と±１次回折光の３つの等しい光量の光に分離される。かかる３つの光は、それぞれの光に対して透過する偏光方向（偏光子角度）が異なるように配置された偏光子アレイ５０６を通過して、光量検出器５０８ａ、５０８ｂ及び５０８ｃで検出される。
【００７５】
ここで、偏光子アレイ５０６のそれぞれの偏光子角度を１２０度ピッチとすると、光量検出器５０８ａ、５０８ｂ及び５０８ｃのそれぞれで検出される光量Ｉａ、Ｉｂ及びＩｃは、以下の式１２で表される。
【００７６】
【数１２】
【００７７】
なお、式１１では、参照面ＲＳ（参照光）と被検面ＴＳ（被検光）との光路長差に伴う干渉信号の位相をφとしている。式１２を参照するに、位相φは、以下の式１３で求めることができる。
【００７８】
【数１３】
【００７９】
処理部１２４は、位相検出部１３４ａ及び１３４ｂで検出された検出結果から位相を求める。具体的には、処理部１２４は、式１３を用いて、光源１０２からの光の波長における参照面ＲＳと被検面ＴＳとの光路長差に相当する位相、及び、光源１３２からの光の波長における参照面ＲＳと被検面ＴＳとの光路長差に相当する位相を求める。
【００８０】
本実施形態では、上述したように、位相検出部１３４ａ及び１３４ｂのそれぞれにおいて、３つの既知の位相差における干渉信号の強度を検出しているが、複数の既知の位相差における干渉信号の強度を検出してもよい。また、複屈折を有するプリズムを用いて被検光と参照光との間にティルト縞を発生させ、空間的に位相差を付与してもよい。なお、既知の位相差の数や既知の位相差の間隔は、必要な精度に応じて適宜選択することが可能である。
【００８１】
なお、ホモダイン検出では、高周波の信号が存在しないため、ヘテロダイン検出よりも安価に検出系を構成することが可能である。位相検出の精度に関しては、光量検出器５０８ａ、５０８ｂ及び５０８ｃの利得、オフセット及び位相特性を補正することで、ヘテロダイン検出と同等な１０−４［ｗａｖｅ］程度を実現することができる。
【００８２】
図６を参照して、計測装置１Ａの計測処理（即ち、処理部１２４による参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の絶対距離を求める処理）について説明する。なお、図６に示すＳ６０２乃至Ｓ６１４は、図２に示すＳ２０２乃至Ｓ２１４と同様であるため、ここでの詳細な説明は省略する。また、干渉次数Ｎ１２は、Ｓ６１４において算出（決定）されているものとする。
【００８３】
Ｓ６１６では、第２の基準波長λ２における位相φ２、及び、光源１３２からの光の波長λ２２における位相φ２２の２つの位相を検出する。
【００８４】
Ｓ６１８では、参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の絶対距離Ｄを求める。本実施形態では、２つの波長の空気の分散を用いて参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の空間の気体の屈折率を補正して、絶対距離Ｄを求める。第２の基準波長λ２における光路長差ＯＰＤ（λ２）及び波長λ２２における光路長差ＯＰＤ（λ２２）のそれぞれは、以下の式１４で表される。なお、式１４において、Ｎ２２は、波長λ２２における干渉次数である。
【００８５】
【数１４】
【００８６】
また、以下の式１５で表されるＡはＡ係数と呼ばれ、乾燥気体の温度や気圧の変動に依存せず一定となることが知られている。従って、第２の基準波長λ２と波長λ２２に対するＡ係数を予め求めることが可能である。
【００８７】
【数１５】
【００８８】
式１４及び式１５から、以下の式１６が得られる。そして、絶対距離Ｄは、Ｓ６１４で算出された干渉次数Ｎ１２、Ｓ６１６で検出された位相φ２及びφ２２、及び、予め求めたＡ係数を用いて、式１６で求めることができる。
【００８９】
【数１６】
【００９０】
式１６を参照するに、干渉次数Ｎ２２を算出するためには、第２の基準波長λ２における屈折率ｎ（λ２）と波長λ２２における屈折率ｎ（λ２２）との比が必要になる。但し、かかる比は、一般的な条件では、１＋１０−５のオーダーとなるため、１に近似することができる。このような近似ができない場合には、Ｓ６０４乃至Ｓ６１４と同様に、光源１３２から射出される光の波長を変更（走査）して、干渉次数Ｎ２２を算出（決定）すればよい。
【００９１】
また、参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の空間が乾燥気体でない場合には、参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の空間の湿度を検出し、かかる湿度の変化に応じてＡ係数を更新することで絶対距離Ｄを求めることができる。なお、参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の空間の湿度を検出するためには、湿度計及び温度計を被検面ＴＳの近傍に配置することが必要となる。
【００９２】
Ｓ６２０では、計測処理（参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の絶対距離を求める処理）を終了するかどうかを判定する。計測処理を終了すると判定された場合には、計測処理を終了する。また、計測処理を終了しないと判定された場合には、Ｓ６０２に移行して、干渉次数決定処理を実施するかどうかを判定する。
【００９３】
このように、本実施形態の計測装置１Ａによれば、簡易な構成でありながら、参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の空間の気体の屈折率の変動を保証して、参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の絶対距離を高精度に計測することができる。
＜第３の実施形態＞
図７は、本発明の第３の実施形態の計測装置１Ｂの構成を示す概略図である。計測装置１Ｂは、基本的には、計測装置１又は１Ａと同様な構成を有する。但し、計測装置１Ｂは、被検面ＴＳの近傍の気体の屈折率を検出する環境検出部として干渉計１４０を有する。干渉計１４０は、既知の長さの真空雰囲気の真空参照光路（第１の光路）と、かかる真空参照光路と同じ長さの大気雰囲気の大気参照光路（第２の光路）との光路長差に相当する干渉信号を検出する。また、計測装置１Ｂは、位相検出部１５２ａ及び１５２ｂを有する。
【００９４】
計測装置１Ｂにおいては、被検面ＴＳの近傍の気体の屈折率（大気屈折率）を検出する環境検出部として干渉計１４０を用いることで、屈折率の分散式などを仮定することなく、屈折率を検出することができる。また、干渉計の長さの誤差の影響に関しては、真空参照光路と大気参照光路との光路長差を計測する干渉計を構成することで、誤差敏感度を低減し、高精度な屈折率の検出を実現している。
【００９５】
光源１０２から射出された光は、ビームスプリッタ１０４ａで分離（分岐）される。ビームスプリッタ１０４ａで分離される２つの光のうち、ビームスプリッタ１０４ａで反射される光は、ファブリペローエタロン１０８を透過して、強度検出部１１０に入射する。光源制御部１１２は、強度検出部１１０で検出されるエタロン透過強度に基づいて、光源１０２から射出される光の波長を制御する（即ち、ファブリペローエタロン１０８の透過スペクトルに対して波長を安定化させる）。
【００９６】
ビームスプリッタ１０４ａを透過した光は、無偏光ビームスプリッタ１１４で分離される。無偏光ビームスプリッタ１１４で分離される２つの光のうち、無偏光ビームスプリッタ１１４を透過する光は、偏光ビームスプリッタ１１８に入射する。偏光ビームスプリッタ１１８で反射された光は、参照面ＲＳで反射され、偏光ビームスプリッタ１１８で再び反射されて、参照光として位相検出部１５２に入射する。偏光ビームスプリッタ１１８を透過した光は、被検面ＴＳで反射され、偏光ビームスプリッタ１１８を再び透過して、被検光として位相検出部１５２ａに入射する。位相検出部１５２ａは、第２の実施形態における位相検出部１３４ａ及び１３４ｂと同様な構成を有し、参照面ＲＳ（参照光）と被検面ＴＳ（被検光）との光路長差に相当する位相を検出する。
【００９７】
無偏光ビームスプリッタ１１４で分離される２つの光のうち、無偏光ビームスプリッタ１１４で反射される光は、干渉計１４０に入射する。干渉計１４０では、第１の基準面１４６と第２の基準面１４７との間を真空媒質とした真空参照光路と、大気媒質とした大気参照光路との光路長差が生成される。なお、真空参照光路と大気参照光路との光路長差に相当する位相は、位相検出部１５２ｂで検出される。
【００９８】
ここで、干渉計１４０の構成について説明する。干渉計１４０に入射した光は、ビームディスプレーサ１４１で偏光方向に応じて分離される。以下、ビームディスプレーサ１４１を直進する光を大気参照光と称し、ビームディスプレーサ１４１のウォークオフにより横ずれする光を真空参照光と称する。ビームディスプレーサ１４１は、例えば、ＹＶＯ４などの一軸性結晶で構成される。また、複数の偏光ビームスプリッタを配置することでビームディスプレーサ１４１を構成することも可能である。
【００９９】
ビームディスプレーサ１４１を通過した真空参照光は、λ／２板１４２で大気参照光と同一の偏光方向に変換され、偏光ビームスプリッタ１４３に入射する。一方、ビームディスプレーサ１４１を通過した大気参照光は、λ／２板１４２を介さずに、偏光ビームスプリッタ１４３に入射する。真空参照光及び大気参照光は、偏光ビームスプリッタ１４３を通過し、λ／４板１４５で円偏光に変換されて、第１の基準面１４６を透過する。第１の基準面１４６と第２の基準面１４７との間には、真空セル１４８が固定されており、真空参照光は真空セル１４８の内部を伝播し、大気参照光は大気中を伝播する。真空参照光及び大気参照光は、第２の基準面１４７で反射され、λ／４板１４５で往路と直交する偏光方向に変換されて、偏光ビームスプリッタ１４３に入射する。真空参照光及び大気参照光は、偏光ビームスプリッタ１４３で反射され、コーナキューブ１４４に入射する。コーナキューブ１４４で反射された真空参照光及び大気参照光は、偏光ビームスプリッタ１４３で再び反射され、偏光ビームスプリッタ１４３から第２の基準面１４７までを往復する。偏光ビームスプリッタ１４３から第２の基準面１４７までを往復した真空参照光及び大気参照光は、偏光ビームスプリッタ１４３を透過して、大気参照光のみλ／２板１４２で偏光方向を直交方向に変換され、ビームディスプレーサ１４１に入射する。ビームディスプレーサ１４１においては、大気参照光のみにウォークオフが発生する。従って、ビームディスプレーサ１４１を通過した真空参照光及び大気参照光は、共軸となり、位相検出部１５２ｂに入射する。真空参照光及び大気参照光は、第１の基準面１４６と第２の基準面１４７との間の光路を除いて共通な光路長となるため、位相検出部１５２ｂでは、第１の基準面１４６と第２の基準面１４７との間の媒質差（真空と大気）に相当する光路長差が検出される。
【０１００】
図８を参照して、計測装置１Ｂの計測処理（即ち、処理部１２４による参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の絶対距離を求める処理）について説明する。なお、図８に示すＳ８０２、Ｓ８０４及びＳ８１０は、図２に示すＳ２０２、Ｓ２０４及びＳ２１０と同様であるため、ここでの詳細な説明は省略する。但し、本実施形態では、干渉計１４０の位相検出履歴が失われた場合にも、干渉次数決定処理を実施することが必要となる。また、Ｓ８０４乃至Ｓ８１４については、干渉次数Ｎ１２の算出は第１の実施形態と同様であり、干渉計１４０の干渉次数Ｎｒｉ１２の算出が追加されている。
【０１０１】
Ｓ８０６では、第１の基準波長λ１における位相φ１及び干渉計１４０の位相φｒｉ１のそれぞれを検出する。同様に、Ｓ８１２では、第２の基準波長λ２における位相φ２及び干渉計１４０の位相φｒｉ２のそれぞれを検出する。第１の基準面１４６と第２の基準面１４７との間の幾何学的な距離をＤｒｉとすると、位相φｒｉ１及びφｒｉ２のそれぞれは、以下の式１７で表される。
【０１０２】
【数１７】
【０１０３】
Ｓ８０８では、光源１０２から射出される光の波長を第１の基準波長λ１から第２の基準波長λ２に連続的に変更（走査）しながら合成波長Λ１２の干渉次数Ｍｒｉを算出する。干渉次数Ｍｒｉは、以下の式１８で表される。
【０１０４】
【数１８】
【０１０５】
Ｓ８１４では、第２の基準波長λ２における干渉次数Ｎ１２及び干渉次数Ｎｒｉ１２を算出する。干渉次数Ｎｒｉ１２は、式１７及び式１８から、以下の式１９で表される。干渉次数Ｎｒｉ１２を算出することによって、真空参照光路と大気参照光路との光路長差を２πの曖昧さなしに決定することが可能となる。なお、干渉次数Ｎ１２の算出については、第１の実施形態と同様であるため、ここでの詳細な説明は省略する。
【０１０６】
【数１９】
【０１０７】
Ｓ８１６では、第２の基準波長λ２における位相φ２及び干渉計１４０の位相φｒｉ２のそれぞれを検出する。
【０１０８】
Ｓ８１８では、参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の空間の屈折率（大気屈折率）を算出して、参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の絶対距離Ｄを求める。参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の空間の屈折率ｎは、Ｓ８１４で算出された干渉次数Ｎｒｉ１２、及び、Ｓ８１６で検出された位相φｒｉ２を用いて、以下の式２０で算出される。
【０１０９】
【数２０】
【０１１０】
ここで、第１の基準面１４６と第２の基準面１４７との間の幾何学的な距離Ｄｒｉは、既知であるとする。式２０の右辺の第１項は、大気屈折率の真空屈折率からの差分となるため、一般的には、３×１０−４程度となる。従って、距離Ｄｒｉの誤差ΔＤｒｉによって発生する大気屈折率の誤差は３×１０−４×ΔＤｒｉ／Ｄｒｉのオーダーとなる。真空参照光路を含まない基準干渉計の誤差のオーダーはΔＤｒｉ／Ｄｒｉであるため、同じ距離の誤差に対しては３×１０−４だけ精度的に有利となる。
【０１１１】
また、絶対距離Ｄは、Ｓ８１４で算出された干渉次数Ｎ１２、Ｓ８１６で検出された位相φ２、及び、式２０を用いて、上述した式６で求めることができる。
【０１１２】
Ｓ８２０では、計測処理（参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の絶対距離を求める処理）を終了するかどうかを判定する。計測処理を終了すると判定された場合には、計測処理を終了する。また、計測処理を終了しないと判定された場合には、Ｓ８０２に移行して、干渉次数決定処理を実施するかどうかを判定する。
【０１１３】
このように、本実施形態の計測装置１Ｂは、基準干渉計の距離誤差の影響が低減された構成を有し、参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の空間の気体の屈折率の変動を保証している。従って、本実施形態の計測装置１Ｂは、簡易な構成でありながら、参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の絶対距離を高精度に計測することができる。
＜第４の実施形態＞
図９は、本発明の第４の実施形態の計測装置１Ｃの構成を示す概略図である。計測装置１Ｃは、基本的には、計測装置１、１Ａ又は１Ｂと同様な構成を有する。但し、計測装置１Ｃは、光源１６２と、ガスセル１６４と、光量検出部１６６ａ、１６６ｂ及び１６６ｃと、分光素子１６８ａ及び１６８ｂと、位相検出部１７２ａ及び１７２ｂとを有する。
【０１１４】
計測装置１Ｃにおいては、光源１０２から射出される光の波長と光源１６２から射出される光の波長との合成波長を用いることで、光源１０２からの光の波長変更量及び波長変更精度の低減を実現している。また、光源に対して複数の干渉計を構成する場合には、光源１６２を用いて常に安定した計測が可能となる。これにより、任意の計測軸の干渉次数を決定するための波長変更の際に、干渉次数を決定することが不要な干渉軸（干渉計）については、波長変更が影響しない構成を実現することができる。
【０１１５】
光源１０２から射出された光及び光源１６２から射出された光のそれぞれはビームスプリッタ１０４ａで分離（分岐）され、一方の光はファブリペローエタロン１０８に入射し、他方の光は偏光ビームスプリッタ１１８に入射する。更に、第２の光源としての光源１６２から射出された光は、ビームスプリッタ１０４ｂで分離され、ガスセル１６４にも入射する。
【０１１６】
なお、本実施形態では、光源１０２と光源１６２とを独立した光源で構成しているが、例えば、光通信に用いられる多波長光源と同様に、複数の半導体レーザを１つの素子に集積して構成してもよい。この場合、コストや装置寸法の面で有利となる。
【０１１７】
ガスセル１６４を透過した光（光源１６２からの光）は、光量検出部１６６ａで光量を検出される。本実施形態では、光源１０２から射出される光の波長として１．５μｍ近傍の波長を使用し、ガスセル１６４の封入ガスとしてアセチレンを使用する。但し、ガスセル１６４の封入ガスはアセチレンに限定されるものではなく、一酸化炭素やシアン化水素などの１．５μｍ近傍の波長帯域において使用可能な封入ガスであればよい。それぞれの封入ガスは、波長帯域及び中心波長精度が異なるため、必要に応じて選択すればよい。
【０１１８】
一方、ファブリペローエタロン１０８を透過した光は、分光素子１６８ａで光源１０２からの光と光源１６２からの光とに分離される。ファブリペローエタロン１０８を透過した光の光量に関しては、光源１０２からの光の光量は光量検出部１６６ｂで検出され、光源１６２からの光の光量は光量検出部１６６ｃで検出される。
【０１１９】
図１０（ａ）乃至図１０（ｃ）のそれぞれは、ガスセル１６４の透過スペクトル、ファブリペローエタロン１０８の透過スペクトル及び光源１０２と光源１６２から射出される光のスペクトルを示す。光源制御部１１２は、光量検出部１６６ａで検出された光量に基づいて、光源１６２から射出される光の波長がガスセル１６４の吸収線である第３の基準波長λ３に安定化するように、光源１６２を制御する。また、光源制御部１１２は、光量検出部１６６ｃで検出された光量に基づいて、ファブリペローエタロン１０８の透過スペクトルが第３の基準波長λ３に一致するように、ファブリペローエタロン１０８の光路長を制御する。なお、ファブリペローエタロン１０８の内部媒質は真空とし、光路長の制御にはエタロンの温度を用いるものとする。更に、光源制御部１１２は、光量検出部１６６ｂで検出された光量に基づいて、光源１０２から射出される光の波長がファブリペローエタロン１０８の透過スペクトルに安定化するように、光源１０２を制御する。このように、光源１０２から射出される光の波長は、第１の基準波長λ１又は第２の基準波長λ２に安定化させることが可能であり、且つ、第１の基準波長λ１と第２の基準波長λ２との間で変更（走査）可能である。
【０１２０】
本実施形態では、ガスセル１６４に加えて、ファブリペローエタロン１０８を用いることで、基準波長の精度を向上させているが、後述する干渉次数を決定するための条件を満たせば、ファブリペローエタロン１０８を用いなくてもよい。
【０１２１】
偏光ビームスプリッタ１１８に入射した光は、それぞれの光源（光源１０２又は光源１６２）からの光の波長における参照面ＲＳと被検面ＴＳとの光路長差に相当する干渉信号を生成する。位相検出部１７２ａは、分光素子１６８ｂを介して、第１の基準波長λ１における参照面ＲＳと被検面ＴＳとの光路長差に相当する位相（干渉位相）を検出する。また、位相検出部１７２ｂは、分光素子１６８ｂを介して、第３の基準波長λ３における参照面ＲＳと被検面ＴＳとの光路長差に相当する位相（干渉位相）を検出する。
【０１２２】
本実施形態では、光源１０２からの光に対する位相検出部１７２ａと光源１６２からの光に対する位相検出部１７２ｂとを独立して構成することで、第１の基準波長λ１における位相と第３の基準波長λ３における位相とを同時に検出している。但し、１つの位相検出部を用いて、光源１０２と光源１６２とを切り換えてもよい。この場合、計測装置１Ｃの構成をより簡易にすることができる。
【０１２３】
図１１を参照して、計測装置１Ｃの計測処理（即ち、処理部１２４による参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の絶対距離を求める処理）について説明する。なお、図１１に示すＳ１１０２乃至Ｓ１１１２は、図２に示すＳ２０２乃至Ｓ２１２と同様であるため、ここでの詳細な説明は省略する。
【０１２４】
Ｓ１１１４では、第３の基準波長λ３における位相φ３を検出する。第３の基準波長λ３における位相φ３は、以下の式２１で表される。
【０１２５】
【数２１】
【０１２６】
Ｓ１１１６では、第３の基準波長λ３における干渉次数Ｎ３を算出する。λ１・λ３／｜λ１−λ３｜で表される第１の基準波長λ１と第３の基準波長λ３との合成波長をΛ１３とする。この場合、参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の絶対距離Ｄと、第３の基準波長λ３と、合成波長Λ１３との関係は、以下の式２２及び式２３で表される。
【０１２７】
【数２２】
【０１２８】
【数２３】
【０１２９】
式５、式２２及び式２３において、それぞれの波長及び合成波長には、λ３＜＜Λ１３＜＜Λ１２の関係があるため、干渉次数Ｎ３及びＭ１３は、以下の式２４で表される。
【０１３０】
【数２４】
【０１３１】
また、位相の検出誤差をｄφとすると、干渉次数Ｎ３及びＭ１３を誤差なく決定（算出）するための条件は、以下の式２５及び式２６で表される。
【０１３２】
【数２５】
【０１３３】
【数２６】
【０１３４】
式２５において、絶対距離Ｄが１．５ｍであり、第３の基準波長λ３が１．５μｍである場合には、Ｄ／λ３は１０６となる。一方、ｄΛ１３／Λ１３及びｄλ３／λ３は、ファブリペローエタロン１０８及びガスセル１６４を用いることで、１０−７を実現することができる。従って、左辺の第１項が式２５の不等式における制約条件となる。また、ｄφ／２πが１０−４［ｗａｖｅ］程度であるとすると、Λ１３が１．５ｍｍとなるように第１の基準波長λ１を選択することで、式２５を満たすことが可能となる。
【０１３５】
上述した条件下では、式２６において、Ｄ／Λ１３は１０３となる。従って、ｄΛ１２／Λ１２については１０−４程度が必要条件となり、第１の実施形態に比べて、２桁の合成波長精度の緩和が実現する。また、上述した条件で必要なΛ１２の最大値は１．５ｍ程度であり、第１の基準波長λ１と第２の基準波長λ２との波長差（波長変更量）に換算すると、１．５ｐｍの非常に小さい値となる。
【０１３６】
本実施形態では、第１の基準波長λ１及び第２の基準波長λ２をファブリペローエタロン１０８の透過スペクトルに安定化させるため、ファブリペローエタロン１０８の周波数間隔ＦＳＲを上述した波長変更量相当に小さくする必要がある。また、ファブリペローエタロン１０８の透過スペクトルに安定化させることなく、上述したｄΛ１２／Λ１２の精度を実現できる場合には、第２の基準波長λ２のファブリペローエタロン１０８による安定化を行わなくてもよい。この場合、電流変調又は温度変調などで合成波長Λ１２の精度を保証することになるため、上述した波長変更量の最小値による波長変更が実現する。なお、ＤＦＢ半導体レーザで大きな波長変更を実現するためには温度変調が必要であり、波長変更に時間がかかるという問題があるが、上述したように、波長変更量が小さくなれば、電流変調で高速な波長変更が実現できるという利点がある。
【０１３７】
Ｓ１１１８では、Ｓ２１６と同様に、被検面ＴＳの近傍、即ち、参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の空間の環境を検出する。
【０１３８】
Ｓ１１２０では、第３の基準波長λ３における位相φ３を位相検出部１７２ｂで検出する。
【０１３９】
Ｓ１１２２では、参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の空間の屈折率（大気屈折率）を算出して、参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の絶対距離Ｄを求める。具体的には上述した式２２に従って絶対距離Ｄを求める。但し、特に、干渉次数決定処理を実施した後、絶対距離Ｄを求める際には、以下の式２７に従って絶対距離Ｄ（絶対距離Ｄ３）を求める。
【０１４０】
【数２７】
【０１４１】
Ｓ１１２４は、Ｓ２２２と同様であるため、ここでの詳細な説明は省略する。
【０１４２】
このように、本実施形態の計測装置１Ｃによれば、波長変更量及び波長変更精度の低減が可能となるため、基準干渉計を不要とする簡易な構成でありながら、参照面ＲＳと被検面ＴＳとの間の絶対距離を高精度に計測することができる。
【０１４３】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
参照面と被検面との間の絶対距離を計測する計測装置であって、
第１の光源から射出される光の波長を、既知の真空波長である第１の基準波長又は前記第１の基準波長とは異なる既知の真空波長である第２の基準波長に設定するための波長基準素子と、
前記第１の光源からの光を、第１の偏光方向を有する光と前記第１の偏光方向に直交する第２の偏光方向を有する光とに分離して、前記第１の偏光方向を有する光を前記参照面に入射させ、前記第２の偏光方向を有する光を前記被検面に入射させる偏光ビームスプリッタと、
前記参照面と前記被検面との間の空間の群屈折率を検出する屈折率検出部と、
前記参照面で反射された前記第１の偏光方向を有する光と前記被検面で反射された前記第２の偏光方向を有する光との干渉信号を検出して、前記干渉信号から前記参照面と前記被検面との間の光路長に相当する位相を検出する位相検出部と、
前記波長基準素子を用いて前記第１の光源から射出される光の波長を前記第１の基準波長から前記第２の基準波長に連続的に変更させながら前記第１の基準波長及び前記第２の基準波長のそれぞれについて、前記参照面と前記被検面との間の光路長に相当する位相を検出するように前記位相検出部を制御して、前記絶対距離を求める処理を行う処理部と、
を有し、
前記第１の基準波長をλ１、前記第２の基準波長をλ２、前記第１の基準波長において前記位相検出部で検出される位相をφ１、前記第２の基準波長において前記位相検出部で検出される位相をφ２、前記第１の光源から射出される光の波長を前記第１の基準波長から前記第２の基準波長に連続的に変更した際に発生する位相飛び数をＭ、λ１・λ２／｜λ１−λ２｜で表される前記第１の基準波長と前記第２の基準波長との合成波長をΛ１２、前記屈折率検出部で検出される群屈折率をｎｇ、前記第２の偏光方向を有する光が前記被検面で反射される回数をｋとすると、
前記処理部は、前記絶対距離Ｄ１を、
に従って求めることを特徴とする計測装置。
【請求項２】
前記第２の基準波長の設計値からの誤差をｄλ２、前記第１の基準波長と前記第２の基準波長との合成波長の設計値からの誤差をｄΛ１２、前記位相検出部の検出誤差をｄφとすると、前記計測装置で計測可能な前記絶対距離の範囲をＤｍａｘにおいて、
を満たし、
前記処理部は、前記絶対距離Ｄ２を、
に従って求めることを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【請求項３】
前記第１の基準波長及び前記第２の基準波長と異なる第３の基準波長の光を射出する第２の光源を更に有し、
前記偏光ビームスプリッタは、前記第２の光源からの光を、前記第１の偏光方向を有する光と前記第２の偏光方向を有する光とに分離して、前記第１の偏光方向を有する光を前記参照面に入射させ、前記第２の偏光方向を有する光を前記被検面に入射させ、
前記処理部は、前記第３の基準波長について、前記参照面と前記被検面との間の光路長に相当する位相を検出するように前記位相検出部を制御し、
前記第３の基準波長をλ３、前記第３の基準波長において前記位相検出部で検出される位相をφ３、λ１・λ３／｜λ１−λ３｜で表される前記第１の基準波長と前記第３の基準波長との合成波長をΛ１３、前記第３の基準波長の設計値からの誤差をｄλ３、前記第１の基準波長と前記第２の基準波長との合成波長の設計値からの誤差をｄΛ１２、前記第１の基準波長と前記第３の基準波長との合成波長の設計値からの誤差をｄΛ１３、前記位相検出部の検出誤差をｄφとすると、前記計測装置で計測可能な前記絶対距離の範囲をＤｍａｘにおいて、
を満たし、
前記処理部は、前記絶対距離Ｄ３を、
に従って求めることを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【請求項４】
前記参照面で反射される前記第１の偏光方向を有する光の周波数をシフトさせるシフタと、
前記シフタを通過した前記第１の偏光方向を有する光の偏光方向を変更する変更部と、
を更に有し、
前記位相検出部は、前記参照面で反射された前記第１の偏光方向を有する光と前記被検面で反射された前記第２の偏光方向を有する光との干渉信号を検出するための光量検出器を含むことを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項５】
前記位相検出部は、
前記第１の偏光方向を有する光及び前記第２の偏光方向を有する光のそれぞれに、複数の既知の位相差を付与する位相差付与部と、
前記位相差付与部が付与する前記複数の既知の位相差における干渉信号を検出するための複数の光量検出器と、
を含むことを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項６】
前記波長基準素子は、ファブリペローエタロンを含むことを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項７】
前記波長基準素子は、前記既知の真空波長に吸収線を有するガスセルを含むことを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項８】
前記屈折率検出部は、
前記参照面と前記被検面との間の空間の温度を検出する温度計と、
前記参照面と前記被検面との間の空間の気圧を検出する気圧計と、
を含むことを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項９】
前記屈折率検出部は、
前記第１の光源からの光の波長と異なる波長の光を射出する第３の光源と、
前記第３の光源からの光を用いて、前記第１の光源からの光と同一光路における前記参照面と前記被検面との間の光路長差を検出する検出部と、
を含むことを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項１０】
前記屈折率検出部は、既知の長さの真空雰囲気の第１の光路と、前記第１の光路と同じ長さの大気雰囲気の第２の光路との光路長差に相当する干渉信号を検出する検出部を含むことを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項１】
参照面と被検面との間の絶対距離を計測する計測装置であって、
第１の光源から射出される光の波長を、既知の真空波長である第１の基準波長又は前記第１の基準波長とは異なる既知の真空波長である第２の基準波長に設定するための波長基準素子と、
前記第１の光源からの光を、第１の偏光方向を有する光と前記第１の偏光方向に直交する第２の偏光方向を有する光とに分離して、前記第１の偏光方向を有する光を前記参照面に入射させ、前記第２の偏光方向を有する光を前記被検面に入射させる偏光ビームスプリッタと、
前記参照面と前記被検面との間の空間の群屈折率を検出する屈折率検出部と、
前記参照面で反射された前記第１の偏光方向を有する光と前記被検面で反射された前記第２の偏光方向を有する光との干渉信号を検出して、前記干渉信号から前記参照面と前記被検面との間の光路長に相当する位相を検出する位相検出部と、
前記波長基準素子を用いて前記第１の光源から射出される光の波長を前記第１の基準波長から前記第２の基準波長に連続的に変更させながら前記第１の基準波長及び前記第２の基準波長のそれぞれについて、前記参照面と前記被検面との間の光路長に相当する位相を検出するように前記位相検出部を制御して、前記絶対距離を求める処理を行う処理部と、
を有し、
前記第１の基準波長をλ１、前記第２の基準波長をλ２、前記第１の基準波長において前記位相検出部で検出される位相をφ１、前記第２の基準波長において前記位相検出部で検出される位相をφ２、前記第１の光源から射出される光の波長を前記第１の基準波長から前記第２の基準波長に連続的に変更した際に発生する位相飛び数をＭ、λ１・λ２／｜λ１−λ２｜で表される前記第１の基準波長と前記第２の基準波長との合成波長をΛ１２、前記屈折率検出部で検出される群屈折率をｎｇ、前記第２の偏光方向を有する光が前記被検面で反射される回数をｋとすると、
前記処理部は、前記絶対距離Ｄ１を、
に従って求めることを特徴とする計測装置。
【請求項２】
前記第２の基準波長の設計値からの誤差をｄλ２、前記第１の基準波長と前記第２の基準波長との合成波長の設計値からの誤差をｄΛ１２、前記位相検出部の検出誤差をｄφとすると、前記計測装置で計測可能な前記絶対距離の範囲をＤｍａｘにおいて、
を満たし、
前記処理部は、前記絶対距離Ｄ２を、
に従って求めることを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【請求項３】
前記第１の基準波長及び前記第２の基準波長と異なる第３の基準波長の光を射出する第２の光源を更に有し、
前記偏光ビームスプリッタは、前記第２の光源からの光を、前記第１の偏光方向を有する光と前記第２の偏光方向を有する光とに分離して、前記第１の偏光方向を有する光を前記参照面に入射させ、前記第２の偏光方向を有する光を前記被検面に入射させ、
前記処理部は、前記第３の基準波長について、前記参照面と前記被検面との間の光路長に相当する位相を検出するように前記位相検出部を制御し、
前記第３の基準波長をλ３、前記第３の基準波長において前記位相検出部で検出される位相をφ３、λ１・λ３／｜λ１−λ３｜で表される前記第１の基準波長と前記第３の基準波長との合成波長をΛ１３、前記第３の基準波長の設計値からの誤差をｄλ３、前記第１の基準波長と前記第２の基準波長との合成波長の設計値からの誤差をｄΛ１２、前記第１の基準波長と前記第３の基準波長との合成波長の設計値からの誤差をｄΛ１３、前記位相検出部の検出誤差をｄφとすると、前記計測装置で計測可能な前記絶対距離の範囲をＤｍａｘにおいて、
を満たし、
前記処理部は、前記絶対距離Ｄ３を、
に従って求めることを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【請求項４】
前記参照面で反射される前記第１の偏光方向を有する光の周波数をシフトさせるシフタと、
前記シフタを通過した前記第１の偏光方向を有する光の偏光方向を変更する変更部と、
を更に有し、
前記位相検出部は、前記参照面で反射された前記第１の偏光方向を有する光と前記被検面で反射された前記第２の偏光方向を有する光との干渉信号を検出するための光量検出器を含むことを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項５】
前記位相検出部は、
前記第１の偏光方向を有する光及び前記第２の偏光方向を有する光のそれぞれに、複数の既知の位相差を付与する位相差付与部と、
前記位相差付与部が付与する前記複数の既知の位相差における干渉信号を検出するための複数の光量検出器と、
を含むことを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項６】
前記波長基準素子は、ファブリペローエタロンを含むことを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項７】
前記波長基準素子は、前記既知の真空波長に吸収線を有するガスセルを含むことを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項８】
前記屈折率検出部は、
前記参照面と前記被検面との間の空間の温度を検出する温度計と、
前記参照面と前記被検面との間の空間の気圧を検出する気圧計と、
を含むことを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項９】
前記屈折率検出部は、
前記第１の光源からの光の波長と異なる波長の光を射出する第３の光源と、
前記第３の光源からの光を用いて、前記第１の光源からの光と同一光路における前記参照面と前記被検面との間の光路長差を検出する検出部と、
を含むことを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項１０】
前記屈折率検出部は、既知の長さの真空雰囲気の第１の光路と、前記第１の光路と同じ長さの大気雰囲気の第２の光路との光路長差に相当する干渉信号を検出する検出部を含むことを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれか１項に記載の計測装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−９９７５６（Ｐ２０１１−９９７５６Ａ）
【公開日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２５４４５２（Ｐ２００９−２５４４５２）
【出願日】平成２１年１１月５日（２００９．１１．５）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月５日（２００９．１１．５）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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