CN113390444A - 光干涉测量装置 - Google Patents

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CN113390444A CN202110180753.5A CN202110180753A CN113390444A CN 113390444 A CN113390444 A CN 113390444A CN 202110180753 A CN202110180753 A CN 202110180753A CN 113390444 A CN113390444 A CN 113390444A
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早川雅之
森野久康
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Abstract

提供一种多通道的光干涉测量装置，其不会导致装置大型化且低成本。由第1测量头接收的第1返回光经由第1光路和光纤耦合器被引导到检测器，由第2测量头接收的第2返回光经由第2光路和光纤耦合器被引导到检测器。从光纤耦合器到第1测量头的末端的光路长度D1、从光纤耦合器到第2测量头的末端的光路长度D2、第1测量头的测量范围的最大光路长度R1max、与第1返回光干涉的第1参照光的光路长度S1、与第2返回光干涉的第2参照光的光路长度S2被设定为满足D1+R1max‑S1<D2‑S2的关系。

Description

光干涉测量装置
技术领域
本发明涉及利用光干涉的测距技术。
背景技术
已知如下技术：将相干测量光照射到测量对象上，基于其反射光(返回光)和参照光的干涉信号来测量距离、速度、振动等。在专利文献1中，提出了在OCT(OpticalCoherence Tomography：光学相干层析成像)装置中，使从一个光源输出的测量光分支为N个，通过N个光学系统并行地进行测量的结构。
专利文献1：日本特开2010-276462号公报
发明内容
发明要解决的问题
对能够同时测量多个测量对象的多通道的测量装置的需求高。但是，如专利文献1的装置那样，在对每个通道设置参照光的光学部件、检测器、AD转换器等的结构中，部件数量增加到N倍，因此产生装置的大型化、结构的复杂化、成本增加等问题，缺乏实用性。
本发明是鉴于所述实际情况而提出的，其目的在于在不导致装置的大型化的情况下以低成本提供一种多通道的光干涉测量装置。
用于解决问题的方案
本公开包括一种光干涉测量装置，其特征在于，具有：光源，其输出测量光；测量部，其照射所述测量光，接收被测量对象反射的返回光；检测器，其接收所述返回光和所述参照光的干涉信号，并将该干涉信号转换为电信号；处理部，其基于所述电信号取得与所述测量对象的距离、速度或振动有关的信息，在所述光源和所述测量部之间的光路上设置有使来自所述光源的所述测量光分支的光纤耦合器，所述测量部具有经由第1光路输入由所述光纤耦合器分支出的第1测量光的第1测量头以及经由第2光路输入由所述光纤耦合器分支出的第2测量光的第2测量头，由所述第1测量头接收到的第1返回光经由所述第1光路和所述光纤耦合器被引导到所述检测器，由所述第2测量头接收到的第2返回光经由所述第2光路和所述光纤耦合器被引导到所述检测器，从所述光纤耦合器到所述第1测量头的末端的光路长度D1、从所述光纤耦合器到所述第2测量头的末端的光路长度D2、所述第1测量头的测量范围的最大光路长度R1max、与第1返回光干涉的第1参照光的光路长度S1、与第2返回光干涉的第2参照光的光路长度S2被设定为满足
D1+R1max-S1<D2-S2
的关系。
根据该结构，第1测量头和第2测量头能够共用光纤耦合器的前级的结构(光源、检测器、处理部)。换言之，能够通过一组光源和信号处理系统，进行基于多个测量头的多通道的测量。另外，通过将第1测量头的测量系统的光路长度和第2测量头的测量系统的光路长度设定为满足所述关系式，在干涉信号的频谱中，与第1测量头的测量范围对应的第1频率范围和与第2测量头的测量范围对应的第2频率范围完全分离。因此，从一个干涉信号的频谱中提取各个测量头的测距结果变得容易。
也可以是，所述第1参照光是所述第1测量光的一部分被设置在第1光路中的第1参照面反射的光，所述第2参照光是所述第2测量光的一部分被设置在第2光路中的第2参照面反射的光。根据这样的结构，能够使参照光和返回光的光路相同，所以能够抵消温度变化、振动的影响，能够提高稳健性。在该结构的情况下，从所述第1参照面到所述第1测量头的末端的光路长度D1'、从所述第2参照面到所述第2测量头的末端的光路长度D2'可以设定为满足
D1'+R1max<D2'
的关系。另外，所述第1参照面也可以配置在所述第1光路与所述第1测量头的连接部。另外，所述第1参照面也可以是形成所述第1光路的光纤的靠所述第1测量头侧的端面。并且，所述第2参照面也可以配置于所述第2光路的中途。例如，也可以是，所述第2光路是通过连结第1光纤和第2光纤而形成的，所述第2参照面是所述第1光纤的靠所述第2光纤侧的端面。
所述第1参照光的光路可以与所述第2参照光的光路相同。在该结构的情况下，从所述光纤耦合器到所述第1测量头的末端的光路长度D1、从所述光纤耦合器到所述第2测量头的末端的光路长度D2可以设定为满足
D1+R1max<D2
的关系。
在所述光源和所述光纤耦合器之间也可以设置防止光进入所述光源的光隔离器。由此，能够防止返回光、干涉信号经由光纤耦合器进入光源，因此能够抑制噪声的产生，实现测量精度的提高。
也可以是，所述处理部基于所述干涉信号的频谱中的峰值的频率来计算距离，基于存在于第1频率范围内的峰值的频率来计算所述第1测量头的测量距离，基于存在于不与所述第1频率范围重叠的第2频率范围的峰值的频率，计算所述第2测量头的测量距离。
当在所述第2频率范围中存在两个峰值时，所述处理部可以输出错误。由此，能够防止输出错误的测量结果，因此能够提高光干涉测量装置的可靠性。
本发明可以理解为具有上述结构的至少一部分的光干涉测量装置、距离测量装置、测距传感器等。另外，所述各个单元和处理可以尽可能地相互组合来构成本发明。
发明的效果
根据本发明，能够在不导致装置的大型化的情况下以低成本提供多通道的光干涉测量装置。
附图说明
图1是示意性地表示光干涉测量装置的基本结构的图。
图2的(A)是表示干涉信号的频谱的例子的图，图2的(B)是表示不满足关系式(1)时的干涉信号的频谱的例子(比较例)的图。
图3的(A)是表示第1测量头的测量系统涉及的光路长度的图，图3的(B)是表示第2测量头的测量系统涉及的光路长度的图。
图4是示意性地表示光干涉测量装置的外观的图。
图5是示意性地表示第1实施方式的光干涉测量装置的结构的图。
图6是形成有第2参照面的光纤的连结部的剖面图。
图7是表示处理部的运算处理的一例的流程图。
图8是示意性地表示第2实施方式的光干涉测量装置的结构的图。
图9是示意性地表示第3实施方式的光干涉测量装置的结构的图。
图10是表示在与第2测量头的测量范围对应的频率范围内出现两个峰值的例子的图。
图11是表示第4实施方式的处理部的运算处理的一例的流程图。
标号说明
1：光干涉测量装置；10：测量部；11：测量光源；13、30、31、32、70、71、80：光纤耦合器；14：光隔离器；15：检测器；16：处理部；17：AD转换器；20：控制器；33、72：差分检测器；34：时钟产生器；60：芯；61：包层；62a、62b：光纤连接器；63：适配器；81：反射器；F1～F8、F3a、F3b、F70～F72、F80～F82：光纤；H1：第1测量头；H2：第2测量头；H1a、H2a：光学系统；L1：测量光；L11：第1测量光；L12：第2测量光；L31：第1返回光；L32：第2返回光；L41：第1参照光；L42：第2参照光；L5：干涉信号；L71：参照光；L72：返回光；L80：参照光；MI：主干涉仪；SI：副干涉仪；O1、O2：测量对象；RP1：第1参照面；RP2：第2参照面；RP：参照面。
具体实施方式
<应用例>
参照图1，说明应用了本发明的光干涉测量装置的基本结构和动作的一例。
光干涉测量装置1是用于利用光干涉对测量对象的距离、速度或振动进行测量的装置。光干涉测量装置1具有测量部10、输出测量光L1的测量光源11、光纤耦合器13、光隔离器14、检测器15、处理部16、AD转换器17、光纤F1～F4，作为主要结构。测量部10具备能够独立地进行测量(测量光的照射以及返回光的接收)的多个测量头。在图1中，作为一例，设置了第1测量头H1和第2测量头H2这两个测量头，但也可以设置三个以上的测量头。此外，在图1中，作为一例使用了菲佐型的干涉仪，但也可以使用马赫-曾德尔型或迈克尔逊型的干涉仪。
从测量光源11输出的测量光L1经由光纤F1被输入到光纤耦合器(分支器)13，被分支成第1测量光L11和第2测量光L12。第1测量光L11经由光纤(第1光路)F2被引导到第1测量头H1，并从第1测量头H1向测量对象O1投射。第2测量光L12经由光纤(第2光路)F3被引导到第2测量头H2，并从第2测量头H2向测量对象O2投射。
由测量对象O1反射并由第1测量头H1接收的光作为第1返回光L31被引导到光纤F2。另一方面，第1测量光L11的一部分被第1参照面RP1反射，作为第1参照光L41被导入光纤F2。第1返回光L31和第1参照光L41在第1参照面RP1处干涉，其干涉信号(差拍信号)被输入到光纤耦合器13。
被测量对象O2反射并被第2测量头H2接收的光作为第2返回光L32被引导到光纤F3。另一方面，第2测量光L12的一部分被第2参照面RP2反射，作为第2参照光L42被引导到光纤F3。第2返回光L32和第2参照光L42在第2参照面RP2处干涉，其干涉信号(差拍信号)被输入到光纤耦合器13。
第1测量头H1侧的干涉信号和第2测量头H2侧的干涉信号在光纤耦合器13内合流，作为干涉信号L5输入到检测器15。该干涉信号L5由检测器15进行光电转换后，经由AD转换器17输入到处理部16。干涉信号L5包括第1返回光L31与第1参照光L41之间的光路长度差、即与测量对象O1的距离对应的频率成分以及第2返回光L32与第2参照光L42之间的光路长度差、即与测量对象O2的距离对应的频率成分这两方。图2的(A)是干涉信号L5的频谱的例子(横轴：频率，纵轴：强度)。可知在与测量对象O1和测量对象O2各自的距离对应的频率处出现峰值。因此，通过在处理部16中对干涉信号L5进行频率分析，可获得测量对象O1及测量对象O2的距离、速度、振动等的信息。
(光路长度的设定)
这里，在设从光纤耦合器13到第1测量头H1的末端的光路长度为D1，从光纤耦合器13到第2测量头H2的末端的光路长度为D2，第1测量头H1的测量范围的最大光路长度为R1max，第1参照光L41的光路长度为S1，第2参照光L42的光路长度为S2时，以满足
D1+R1max-S1<D2-S2 (1)
的关系的方式设定各部件的光路长度即可。
另外，“光路长度”是光实际行进的距离乘以折射率，也称为光学距离。“参照光的光路长度”是指参照光从光源发出后到与返回光合流为止的总光路长度，在图1的第1参照光L41的情况下，相当于从测量光源11到第1参照面RP1为止的光路长度，在第2参照光L42的情况下，相当于从测量光源11到第2参照面RP2的光路长度。另外，“返回光的光路长度”是指测量光从光源发出到与参照光合流为止的总光路长度。
参照图2的(A)、图2的(B)、图3的(A)、图3的(B)，对所述关系式(1)的意义进行说明。图2的(A)是表示干涉信号L5的频谱的例子的图，图2的(B)是表示不满足关系式(1)时的干涉信号L5的频谱的例子(比较例)的图。图3的(A)表示第1测量头H1的测量系统涉及的光路长度，图3的(B)表示第2测量头H2的测量系统涉及的光路长度。
在图2的(A)、图2的(B)中，以斜体表示的标号表示下述频率。
f11：与第1测量头H1的测量范围的最小光路长度对应的频率
f12：与第1测量头H1的测量范围的最大光路长度对应的频率
f21：与第2测量头H2的测量范围的最小光路长度对应的频率
f22：与第2测量头H2的测量范围的最大光路长度对应的频率
在图3的(A)、图3的(B)中以斜体表示的标号表示下述的光路长度。
D1：从光纤耦合器13到第1测量头H1的末端的光路长度
D2：从光纤耦合器13到第2测量头H2的末端的光路长度
S1：第1参照光L41的光路长度
S2：第2参照光L42的光路长度
D1'：从第1参照面RP1到第1测量头H1的末端的光路长度
D2'：从第2参照面RP2到第2测量头H2的末端的光路长度
R1max：第1测量头H1的测量范围的最大光路长度
R2max：第2测量头H2的测量范围的最大光路长度
dc：从测量光源11到光纤耦合器13的光路长度
dRP1：从光纤耦合器13到第1参照面RP1的光路长度
dRP2：从光纤耦合器13到第2参照面RP2的光路长度
dO1：从第1测量头H1的末端到测量对象O1的光路长度
dO2：从第2测量头H2的末端到测量对象O2的光路长度
在图3的(A)中，第1返回光L31的光路长度M1为
M1＝dc+D1+dO1+dO1+(D1-dRP1)，
第1参照光L41的光路长度S1为
S1＝dc+dRP1，
第1返回光L31与第1参照光L41的光路长度差Δd1为
Δd1＝M1-S1
＝2×(D1+dO1dRP1)。
同样地，在图3的(B)中，第2返回光L32的光路长度M2为
M2＝dc＋D2+dO2+dO2+(D2－dRP2)，
第2参照光L42的光路长度S2为
S2＝dc+dRP2，
因此，第2返回光L32与第2参照光L42的光路长度差Δd2为
Δd2＝M2-S2
＝2×(D2+dO2-dRP2)。
由于第1测量头H1的测量范围为0～R1max，因此光路长度差Δd1的最小值/最大值分别为
Δd1min＝2×(D1-dRＰ1)
Δd1max＝2×(D1+R1max-dRP1)。
同样，光路长度差Δd2的最小值/最大值分别为
Δd2min＝2×(D2-dRP2)
Δd2max＝2×(D2+R2maxdRP2)。
由于干涉信号L5的频率(差拍频率)和返回光与参照光的光路长度差成比例，因此如果比例常数为k，则图2的(A)中的频率f11、f12、f21和f22可以表示如下。
f11＝2×k×(D1-dRP1)
f12＝2×k×(D1+R1max-dRP1)
f21＝2×k×(D2-dRP2)
f22＝2×k×(D2+R2max-dRP2)
在此，在关系式(1)中，代入
S1＝dc+dRP1
S2＝dc+dRP2
进行整理，则为
D1+R1max-dRP1＜D2-dRP2。
可知
f12＜f21 (2)
成立。
在式(2)成立的情况下，如图2的(A)所示，与第1测量头H1的测量范围对应的第1频率范围f11～f12和与第2测量头H2的测量范围对应的第2频率范围f21～f22完全分离。因此，能够从一个干涉信号L5的频谱中提取多个测量头H1、H2的测距结果。
(比较例)
与此相对，在不满足关系式(1)的情况下，
f12≥f21
如图2的(B)的比较例所示，与第1测量头H1的测量范围对应的频率范围和与第2测量头H2的测量范围对应的频率范围重叠。因此，例如，如图2的(B)所示，在f21～f12之间出现峰值的情况下，不能判别该峰值是哪个测量头的测距结果，产生不能实现基于多个头的同时测量的问题。
(优点)
根据以上所述的结构，多个测量头H1、H2能够共用光纤耦合器13的前级的结构。换言之，通过一组信号处理系统(检测器15、AD转换器17、处理部16)，能够进行基于多个测量头H1、H2的多通道的测量。此外，通过研究光路长度的设定，容易进行各通道的信号的频率分离，所以信号处理系统的结构也简单。因此，与每个通道均需要信号处理系统的现有装置相比，能够实现紧凑且低成本的多通道型光干涉测量装置。
另外，在希望增加通道数(头数)的情况下，通过使用N分支(N>2)的光纤耦合器13，或者级联连接光纤耦合器13，使光路分支为3个以上，追加测量头即可。在该情况下，如果将第i个测量系统涉及的光路长度和第(i+1)个测量系统涉及的光路长度设定为满足式(1)的关系(其中，将式(1)中的与第1测量头的测量系统相关的变量替换为第i个测量系统的变量，将与第2测量头的测量系统相关的变量替换为第(i+1)个测量系统的变量。)，则能够分离所有通道的频率。
另外，如图1、图3的(A)、图3的(B)所示，在用于向各测量头H1、H2引导测量光L11、L12的光路上设有参照面RP1、RP2的结构的情况，式(1)可以整理成下式(1')。
D1'+R1max<D2' (1')
在此，D1'是从第1参照面RP1到第1测量头H1的末端的光路长度，D2'是从第2参照面RP2到第2测量头H2的末端的光路长度。
以下，示出光干涉测量装置1的具体结构例。在各结构例的附图中，对与图1的基本结构对应的部分标注相同的标号。
＜第1实施方式＞
参照图4和图5，说明第1实施方式的光干涉测量装置的结构。图4是示意性地表示光干涉测量装置的外观的图，图5是示意性地表示光干涉测量装置的结构的图。
本实施方式的光干涉测量装置1是通过相干FMCW(Frequency ModulatedContinuous Wave：调频连续波)进行测量对象O1、O2的测距的装置。光干涉测量装置1大致具有控制器(装置主体)20和多个测量头H1、H2，在测量头H1、H2的末端进行测量光的照射和反射光的接收。将测量头H1、H2统称为测量部10。控制器20具有输出测量光L1的测量光源11、光纤耦合器13、光隔离器14、检测器15、处理部16、AD转换器17、光纤耦合器30～32、差分检测器33、时钟产生器34、光纤F1～F8，作为主要结构。
光纤耦合器13、测量部10以及光纤F2～F3构成菲佐型的主干涉仪MI，另外，光纤耦合器31、32以及光纤F7、F8构成副干涉仪SI。主干涉仪MI是测量用的干涉仪，副干涉仪SI是用于对测量光源11的特性进行校正的干涉仪。
测量光源11是能够输出相干的测量光L1的光源。由于是FMCW，使用能够在时间上扫描测量光L1的波长的波长扫描光源。波长扫描光源例如有电流调制方式的VCSEL、MEMS驱动方式的VCSEL、SSG-DBR等，可以使用任意方式的光源。在本实施方式中，从低成本的优点出发，使用电流调制方式的VCSEL。作为测量光L1，例如使用波长1310nm～1550nm左右的近红外线激光。另外，在本实施方式中，进行基于三角波的波长扫描，但也可以通过正弦波、锯齿波、其他波形进行波长扫描。
光隔离器14是使光只在一个方向上通过的元件。通过光隔离器14，防止光(返回光、干涉信号)从主干涉仪MI进入测量光源11，从而能够抑制噪声的产生，实现测量精度的提高。
光纤耦合器30是1输入×2输出的单模光纤耦合器。通过光纤F1输入的测量光L1被光纤耦合器30分支，通过光纤F5被导向主干涉仪MI，通过光纤F6被导向副干涉仪SI。
光纤耦合器13是2输入×2输出、耦合比为50％的单模光纤耦合器。经由光纤F5输入的测量光L1被光纤耦合器13分支成第1测量光L11和第2测量光L12，第1测量光L11经由光纤F2被导向第1测量头H1，第2测量光L12经由光纤F3向第2测量头H2引导。通过光纤F2输入的干涉信号和通过光纤F3输入的干涉信号在光纤耦合器13中合流，干涉信号L5通过光纤F4被引导到检测器15。另外，在光纤耦合器的构造上，干涉信号也向光纤F5侧输出，但由于通过光隔离器14防止光进入测量光源11，所以不会特别成为问题。
第1测量头H1是进行第1测量光L11向测量对象O1的投射以及由测量对象O1反射的光的接收的单元。第1测量头H1例如是在直径约为1.5cm、长度约3cm的圆筒形或方形的镜筒内设置了光学系统H1a的构造。光学系统H1a可以是用于投射平行光束的准直透镜，也可以是用于使光束会聚在测量对象O1上的测量位置的聚光透镜。
在光纤耦合器13与第1测量头H1之间的光路上设有第1参照面RP1。在本实施方式中，在光纤F2与第1测量头H1的连接部形成有第1参照面RP1。第1参照面RP1是用于反射第1测量光L11的一部分而形成第1参照光L41的结构。通过这样的结构，能够用相同的光纤F2构成第1参照光L41和第1返回光L31的光路，所以能够抵消温度变化、振动的影响，能够提高稳健性。
若第1参照光L41的光量大，则由于散粒噪声(shot noise)等与信号量一起增加的噪声的原因，SN变差。因此，第1参照面RP1的反射率优选小于50％，更优选为10％以下。第1参照面RP1的形成方法没有特别限定。例如，可以通过在光纤F2的端面蒸镀部分反射镜来形成第1参照面RP1。或者也可以使光纤F2的端面为与光轴垂直的平面，在光纤F2与第1测量头H1之间形成填充有空气层或折射率匹配材料的区域，利用在折射率的界面发生的菲涅耳反射。或者，也可以利用测量头H1的光学系统H1a中的透镜表面的反射。
被测量对象O1反射并被第1测量头H1接收的第1返回光L31和被第1参照面RP1反射的第1参照光L41具有与从第1参照面RP1到测量对象O1的光路长度的2倍对应的相位差。因此，第1返回光L31和第1参照光L41在第1参照面RP1处干涉，产生具有与第1返回光L31和第1参照光L41的相位差对应的频率成分的干涉信号(差拍信号)。
第2测量头H2是进行第2测量光L12向测量对象O2的投射以及由测量对象O2反射的光的接收的单元。第2测量头H2例如具有在直径约为1.5cm、长度约3cm的圆筒形或方形的镜筒内设置了光学系统H2a的构造。第2测量头H2的结构可以与第1测量头H1相同，也可以不同。
在光纤耦合器13与第2测量头H2之间的光路的中途设置有第2参照面RP2。第2参照面RP2是用于反射第2测量光L12的一部分而形成第2参照光L42的构造。通过这样的结构，能够用相同的光纤F3构成第2参照光L42和第2返回光L32的光路，所以能够抵消温度变化、振动的影响，能够提高稳健性。
被测量对象O2反射并被第2测量头H2接收的第2返回光L32和被第2参照面RP2反射的第2参照光L42具有与从第2参照面RP2到测量对象O2的光路长度的2倍对应的相位差。因此，第2返回光L32和第2参照光L42在第2参照面RP2处干涉，生成具有与第2返回光L32和第2参照光L42的相位差对应的频率成分的干涉信号(差拍信号)。第1测量头H1侧的干涉信号和第2测量头H2侧的干涉信号在光纤耦合器13内合流，作为干涉信号L5被引导到检测器15。
在此，从光纤耦合器13到第1测量头H1的末端的光路长度D1、从光纤耦合器13到第2测量头H2的末端的光路长度D2、第1测量头H1的测量范围的最大光路长度R1max、第1参照光L41的光路长度S1、第2参照光L42的光路长度S2被设定为满足上述的关系式(1)的值。
参照图6说明第2参照面RP2的构成例。图6是形成有第2参照面RP2的光纤的连结部的剖面图。在该例子中，将光纤耦合器13与第2测量头H2之间的光路(F3)设为连结了两条光纤的结构，在其连结部形成第2参照面RP2。图6的标号F3a、F3b表示光纤，60表示芯，61表示包层，62a、62b表示光纤连接器，63表示适配器。
两根光纤F3a、F3b通过将安装于各自的端部的光纤连接器62a、62b安装于适配器63而连结。这里，在光纤耦合器13侧的第1光纤F3a的芯60的端面蒸镀有部分反射镜。由此，第2测量光L12的一部分被第1光纤F3a的端面反射，成为第2参照光L42。如果第2参照光L42的光量大，则由于散粒噪声等与信号量一同增加的噪声的原因，SN变差。因此，第2参照面RP2的反射率优选小于50％，更优选为10％以下。
第2参照面RP2的形成方法没有特别限定。例如，也可以使光纤F3a的端面为与光轴垂直的平面，在光纤F3a和光纤F3b之间形成填充了空气层或折射率匹配材料的区域，利用在折射率的界面发生的菲涅耳反射。
检测器15是将从光纤F4输入的干涉信号L5转换为电信号的光电转换元件。检测器15例如由光电二极管、I-V转换电路、信号放大器、滤波电路等构成。A/D转换器17将由检测器15获得的电信号转换为数字信号。AD转换器17的采样根据从时钟产生器34提供的时钟信号来进行。
处理部16是对AD转换后的干涉信号进行频率分析，计算测量对象O1及O2的距离、速度、振动等(以后统称为距离信息)的单元。处理部16具有FFT(快速傅立叶变换)部160、距离计算部161和输出部162，作为主要功能。FFT部160具有对干涉信号L5进行傅立叶变换而获取频谱的功能，距离计算部161具有基于频谱的峰值频率计算距离信息的功能，输出部162具有输出计算结果的功能。虽然没有图示，但作为处理部16的运算结果的距离、速度、振动等的信息被输出到外部装置(例如PLC(programmable logic controller：可编程逻辑控制器)、机器人、检查装置、上级的计算机等)，用于FA设备的控制、各种检查等。
处理部16例如由具备处理器和存储器的运算处理装置构成。在处理器中，可以使用CPU(central processing unit：中央处理单元)、MPU(micro processing unit：微处理单元)等通用处理器，也可以使用FPGA(field-programmable gate array：现场可编程门阵列)、ASIC(application specific integrated circuit：专用集成电路)等专用处理器。
光纤耦合器31和32都是耦合比为50％的单模光纤耦合器。通过在光纤F7和光纤F8之间设置规定的光路长度差，构成副干涉仪SI。从光纤F6输入到副干涉仪SI的测量光L1被光纤耦合器31分支，然后在光纤耦合器32处合流。此时，经由光纤F7的光和经由光纤F8的光在光纤耦合器32内发生干涉，从光纤耦合器32的两个输出端口输出在三角波上重叠了相位彼此相反的干涉信号的信号。差分检测器33(也称为平衡光电检测器)将从副干涉仪SI输出的信号分别转换为电信号，输出两个信号的差分。通过该操作，2个信号之间的三角波和激光噪声相互抵消，并且干涉信号成分被放大，所以能够得到SN良好的干涉信号。时钟产生器34是根据由差分检测器33得到的干涉信号的过零时间产生时钟信号的电路。
当测量光源11扫描测量光的波长时，波长随时间的变化(斜率)为线性是理想的。这是因为，如果波长扫描不是线性的，则干涉信号的差拍频率变得不恒定，导致测距精度的降低。然而，实际上，难以线性地扫描波长。此外，偏离线性的程度依赖于测量光源的个体的特性，因此难以事先进行校正。
因此，在本实施方式中，为了对测量光源11的波长扫描的非线性进行校正，如上所述，使用副干涉仪SI生成AD转换器17的采样时钟。由于该采样时钟是根据测量光源11实际输出的测量光生成的，所以成为与测量光的波长扫描的斜率对应的不等间隔的时钟信号。通过使用该采样时钟以不等间隔时间对主干涉仪MI的干涉信号进行采样，可以得到与以等间隔相位进行采样等效的结果。由此，能够实现频率分析的可靠性的提高以及测距精度的提高。
另外，也可以使用其它方法来校正波长扫描的非线性。例如，处理部16也可以根据副干涉仪SI的干涉信号估计波长扫描的斜率(非线性)，内插由AD转换器17以等间隔时间采样的主干涉仪MI的干涉信号，生成等间隔相位的干涉信号。或者，也可以预先对测量光源11的波长扫描用的控制信号施加反向变形，以抵消光源特性，从而确保从测量光源11输出的测量光的线性。
图7是表示处理部16的运算处理的一例的流程图。图7的运算处理在每次取入一次测量份的干涉信号L5时执行。
在步骤S70中，FFT部160对干涉信号执行傅立叶变换，获得频谱。如图2的(A)的例子所示，在频谱中，在与测量对象O1和测量对象O2各自的距离对应的频率处出现峰值(在不存在测量对象的情况下不出现峰值)。
在步骤S71中，距离计算部161检测频谱的峰值，确定各峰值的频率。例如，距离计算部161可以检测频谱的强度超过规定的阈值的频率作为峰值频率。另外，也可以使用任何方法来检测峰值、确定峰值频率。
在步骤S72中，距离计算部161根据与第1测量头H1的测量范围对应的第1频率范围f11～f12中包含的峰值频率，计算测量对象O1的距离。此外，在步骤S73中，距离计算部161根据与第2测量头H2的测量范围对应的第2频率范围f21～f22中包含的峰值的频率，计算测量对象O2的距离。例如，距离计算部161可以具有第1测量头H1用和第2测量头H2用这两种用于频率-距离变换的函数或LUT(查找表)，根据峰值出现的频率范围切换用于计算的函数或LUT。
在步骤S74中，输出部162输出由距离计算部161计算出的测量对象O1、O2的距离信息。
根据上述结构，与每个通道都需要信号处理系统的现有装置相比，能够实现紧凑且低成本的多通道型光干涉测量装置。
＜第2实施方式＞
图8表示第2实施方式的光干涉测量装置的结构。在第2实施方式中，主干涉仪MI采用马赫-曾德尔型的干涉仪，这一点与前述的结构例不同。
主干涉仪MI具有光纤耦合器70、13、71、光纤F2、F3、F70～F72、第1测量头H1、第2测量头H2。另外，设置差分检测器72来代替前述结构例中的检测器15。
通过光纤F5输入的测量光L1被光纤耦合器70(分支器)分支，被分别引导至光纤F70和F71。分支到光纤F70侧的测量光L1由光纤耦合器13进一步分支，引导到第1测量头H1和第2测量头H2，投射到测量对象O1、O2。被测量对象O1反射的第1返回光L31和被测量对象O2反射的第2返回光L32在光纤耦合器13处合流，合并后的返回光L72经由光纤F72被输入到光纤耦合器71。另一方面，在光纤耦合器70中分支到光纤F71侧的测量光作为参照光L71输入到光纤耦合器71。然后，返回光L72和参照光L71在光纤耦合器71内发生干涉，从光纤耦合器71的2个输出端口输出在三角波上重叠了相位彼此相反的干涉信号的信号L5。差分检测器72将从主干涉仪MI输出的信号L5分别转换为电信号，输出两个信号的差分。通过该操作，能够得到SN良好的干涉信号。
在本实施方式的构造中，参照光L71兼用作与第1返回光L31干涉的第1参照光和与第2返回光L32干涉的第2参照光。即，可以视为第1参照光的光路与第2参照光的光路相同。因此，关系式(1)中的第1参照光的光路长度S1和第2参照光的光路长度S2为S1＝S2，其结果，可以整理为下述式(1”)。
D1+R1max<D2 (1”)
通过将从光纤耦合器13到第1测量头H1的末端的光路长度D1和从光纤耦合器13到第2测量头H2的末端的光路长度D2设定为满足式(1”)，能够紧凑且低成本地实现多通道的光干涉测量装置。
<第3实施方式>
图9表示第3实施方式的光干涉测量装置的主要部分。在第3实施方式中，主干涉仪MI使用迈克尔逊型干涉仪，这一点与前述结构例不同。
在该结构例中，测量光L1被光纤耦合器80分支，分别被引导到光纤F80和F81。分支到光纤F80侧的测量光L1由光纤耦合器13进一步分支，引导到第1测量头H1和第2测量头H2，投射到测量对象O1、O2。由测量对象O1反射的第1返回光L31和由测量对象O2反射的第2返回光L32在光纤耦合器13处合流，合并后的返回光经由光纤F80输入到光纤耦合器80。另一方面，在光纤耦合器80中分支到光纤F81侧的测量光被反射器81(参照面RP)反射，作为参照光L80输入到光纤耦合器80。而且，返回光和参照光L80在光纤耦合器80中干涉，干涉信号L5经由光纤F82被引导到检测器15。以后的处理与前述的结构例相同。
在本实施方式的构造中，参照光L80兼用作与第1返回光L31干涉的第1参照光和与第2返回光L32干涉的第2参照光。即，可以视为第1参照光的光路与第2参照光的光路相同。因此，在本实施方式的情况下，也将从光纤耦合器13到第1测量头H1的末端的光路长度D1和从光纤耦合器13到第2测量头H2的末端的光路长度D2设定为满足式(1”)，由此能够紧凑且低成本地实现多通道的光干涉测量装置。
<第4实施方式>
若测量对象O1存在于超出第1测量头H1的测量范围的位置，则理论上如图10所示，与测量对象O1对应的峰值有可能在第2频率范围f21～f22之间出现(实际上，如果到测量对象O1的距离变长，则返回光的SN变差，所以不会成为超过阈值的峰值，不成为问题的情况也较多。)。如果在第2频率范围f21～f22之间存在2个峰，则无法判别哪个峰是测量对象O2的峰。因此，在第4实施方式中，采用在第2频率范围f21～f22中存在2个峰值的情况下输出错误(error)的结构。另外，由于与测量对象O2对应的峰值不可能出现在第1频率范围f11～f12内(由于物理上的制约，第2测量头H2与测量对象O2的距离不会为负)，因此可以不考虑在第1频率范围f11～f12中存在两个峰值的情况。
图11是第4实施方式中的处理部16的运算处理的流程图。对与图7的流程图共同的处理标注相同的步骤编号。在本实施方式中，在步骤S71中检测到峰值之后，在步骤S110中距离计算部161检查在第2频率范围f21～f22中是否存在两个以上的峰值。在峰值为1个以下的情况下，与图7的运算处理同样，执行步骤S72～S74的处理。如果在第2频率范围f21～f22之间存在两个以上的峰值，则输出部162输出表示测量错误的警报(步骤S111)，结束处理。
根据本实施方式所述的结构，能够防止输出错误的测量结果，因此能够提高光干涉测量装置1的可靠性。
<其他>
上述实施方式只不过是例示性地说明本发明的结构例。本发明不限于上述的具体方式，能够在其技术思想的范围内进行各种变形。例如，上述第1～第4实施方式的结构也可以扩展为具有三个以上的测量头的结构。
<附记1>
一种光干涉测量装置(1)，其具有：
光源(11)，其输出测量光(L1)；
测量部(10、H1、H2)，其照射所述测量测光(L11、L12)，接收被测量对象(O1、O2)反射的返回光(L31、L32)；
检测器(15、72)，其接收所述返回光(L31、L32、L72)和参照光(L41、L42、L71、L80)的干涉信号(L5)，并将其转换为电信号；以及
处理部(16)，其根据所述电信号，取得与所述测量对象(O1、O2)的距离、速度或振动相关的信息，
在所述光源(11)和所述测量部(10、H1、H2)之间的光路上设置有使来自所述光源(11)的所述测量光(L1)分支的光纤耦合器(13)，
所述测量部(10)具备：第1测量头(H1)，由所述光纤耦合器(13)分支出的第1测量光(L11)经由第1光路(F2)输入该第1测量头(H1)；以及第2测量头(H2)，由所述光纤耦合器(13)分支出的第2测量光(L12)经由第2光路(F3)输入该第2测量头(H2)，
由所述第1测量头(H1)接收到的第1返回光(L31)经由所述第1光路(F2)和所述光纤耦合器(13)被引导到所述检测器(15、72)，
由所述第2测量头(H2)接收到的第2返回光(L32)经由所述第2光路(F3)和所述光纤耦合器(13)被引导至所述检测器(15、72)，
从所述光纤耦合器(13)到所述第1测量头(H1)的末端的光路长度D1、从所述光纤耦合器(13)到所述第2测量头(H2)的末端的光路长度D2、所述第1测量头(H1)的测量范围的最大光路长度R1max、与所述第1返回光(L31)干涉的第1参照光(L41、L71、L80)的光路长度S1、与所述第2返回光(L32)干涉的第2参照光(L42、L71、L80)的光路长度S2被设定为满足以下关系：
D1+R1max-S1<D2-S2。

Claims (10)

1.一种光干涉测量装置，具有：
光源，其输出测量光；
测量部，其照射所述测量光，接收被测量对象反射的返回光；
检测器，其接收所述返回光与参照光的干涉信号，将所述干涉信号转换成电信号；以及
处理部，其基于所述电信号，取得与所述测量对象的距离、速度或振动有关的信息，
所述光干涉测量装置的特征在于，
在所述光源和所述测量部之间的光路上设置有使来自所述光源的所述测量光分支的光纤耦合器，
所述测量部具有第1测量头和第2测量头，由所述光纤耦合器分支出的第1测量光经由第1光路输入所述第1测量头，由所述光纤耦合器分支出的第2测量光经由第2光路输入所述第2测量头，
由所述第1测量头接收到的第1返回光经由所述第1光路和所述光纤耦合器被引导到所述检测器，
由所述第2测量头接收到的第2返回光经由所述第2光路和所述光纤耦合器被引导到所述检测器，
从所述光纤耦合器到所述第1测量头的末端的光路长度D1、从所述光纤耦合器到所述第2测量头的末端的光路长度D2、所述第1测量头的测量范围的最大光路长度R1max、与所述第1返回光干涉的第1参照光的光路长度S1、与所述第2返回光干涉的第2参照光的光路长度S2被设定为满足
D1+R1max-S1<D2-S2
的关系。
2.根据权利要求1所述的光干涉测量装置，其特征在于，
所述第1参照光是所述第1测量光的一部分被设置于所述第1光路的第1参照面反射的光，
所述第2参照光是所述第2测量光的一部分被设置于所述第2光路的第2参照面反射的光，
从所述第1参照面到所述第1测量头的末端的光路长度D1'、从所述第2参照面到所述第2测量头的末端的光路长度D2'被设定为满足
D1'+R1max<D2'
的关系。
3.根据权利要求2所述的光干涉测量装置，其特征在于，
所述第1参照面配置于所述第1光路与所述第1测量头的连接部。
4.根据权利要求3所述的光干涉测量装置，其特征在于，
所述第1参照面是形成所述第1光路的光纤的靠所述第1测量头侧的端面。
5.根据权利要求2～4中的任一项所述的光干涉测量装置，其特征在于，
所述第2参照面配置在所述第2光路的中途。
6.根据权利要求5所述的光干涉测量装置，其特征在于，
所述第2光路是通过连接第1光纤和第2光纤而形成的，
所述第2参照面是所述第1光纤的靠所述第2光纤侧的端面。
7.根据权利要求1所述的光干涉测量装置，其特征在于，
所述第1参照光的光路与所述第2参照光的光路相同，
从所述光纤耦合器到所述第1测量头的末端的光路长度D1、从所述光纤耦合器到所述第2测量头的末端的光路长度D2被设定为满足
D1+R1max<D2
的关系。
8.根据权利要求1～4中的任一项所述的光干涉测量装置，其特征在于，
在所述光源和所述光纤耦合器之间设置有防止光进入所述光源的光隔离器。
9.根据权利要求1～4中的任一项所述的光干涉测量装置，其特征在于，
所述处理部基于所述干涉信号的频谱中的峰值频率来计算距离，
基于存在于第1频率范围的峰值频率，计算所述第1测量头的测量距离，
基于存在于不与所述第1频率范围重叠的第2频率范围的峰值频率，计算所述第2测量头的测量距离。
10.根据权利要求9所述的光干涉测量装置，其特征在于，
在所述第2频率范围内存在两个峰值的情况下，所述处理部输出错误。
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