CN116736312A - 光干涉测距传感器 - Google Patents

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Abstract

一种光干涉测距传感器，即使与测量对象物之间的距离加速度地变化，也能够高精度地测量该距离。光干涉测距传感器具备：光源，使用规定的扫频频率模式，一边连续改变波长一边投射光；处理部，根据通过受光部转换的电信号测量到测量对象物为止的距离；以及存储部，存储表示测量出的距离的距离信息，规定的扫频频率模式包含第一扫频频率模式和第二扫频频率模式，处理部包括平均距离值计算部，所述平均距离值计算部根据测量出的距离和存储于存储部的过去多次的距离信息中的第一距离信息及第二距离信息算出平均距离值，第一距离信息表示基于使用第一扫频频率模式投射的光的距离，第二距离信息表示基于使用第二扫频频率模式投射的光的距离。

Description

光干涉测距传感器
技术领域
本发明涉及光干涉测距传感器。
背景技术
近年来，非接触地测量到测量对象物为止的距离的光测距传感器不断普及。例如，作为光测距传感器，已知有如下光干涉测距传感器：根据从波长扫频光源投射的光，生成基于参考光和测定光的干涉光，并根据该干涉光测量到测量对象物为止的距离。
以往，作为这种光干涉测距传感器，已知有一种振动物体表面的规定区域的运动检测装置，其特征在于，具有：产生具有规定的可干涉距离的激光光束的单元；将该激光光束分割为测定光束和基准光束的单元；延迟单元，使基准光束延迟，以足够使所述测定光束相对于所述基准光束行进至少与可干涉距离对应的规定距离；混合单元，将延迟后的所述基准光束与所述测定光束混合而形成混合光束；将该混合光束分割为成分实质上相同的多个光束的步骤；导波单元，将这些各成分光束经由各不同的光路引导至从规定的区域分离了以规定时间间隔行进的距离的实质上一半的中间位置；使各成分光束的一部分在各自的位置以返回各自的反射路径的方式反射的单元；使各成分光束的剩余部分从各中间位置朝向所述规定区域，使主要部分从此处至少向各中间位置及各自的路径反射，将各成分光束的返回的剩余的测定光束部分与各成分光束中的规定部分的基准光束部分混合而分别相干地干涉，对返回光束施加与相对于各中间位置的规定区域的运动相应的调制的单元；以及解调单元，对返回光束分别进行解调并显示所述规定区域的运动(参考专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第2686124号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
在此，在对正匀速运动的测量对象物测量距离的情况下，以往，通过使用当前的距离信息和前一次的距离信息算出平均值来抑制多普勒效应的影响、也就是多普勒频移。
但是，例如在将以规定频率振动的振子作为测量对象物来测量距离的情况下，与对象物之间的距离加速度地变化，因此，存在当前的距离信息中的多普勒效应所引起的偏移量与前一次的距离信息中的多普勒效应所引起的偏移量不同的情况。其结果是，在以往的方法中，即使算出平均值，也会产生与加速度相应的偏差(波动)，因此有可能无法高精度地测量距离。
本发明是鉴于这样的情况而完成的，其目的之一在于，提供即使与测量对象物之间的距离加速度地变化也可以高精度地测量该距离的光干涉测距传感器。
用于解决问题的技术方案
本公开的一方式涉及的光干涉测距传感器具备：光源，使用规定的扫频频率模式，一边连续改变波长一边投射光；干涉仪，被供给从光源投射的光，并生成基于测定光和参考光的干涉光，测定光是通过传感器头向测量对象物照射并被反射的光，参考光是沿至少一部分与测定光不同的光路前进的光；受光部，接收来自干涉仪的干涉光并转换为电信号；处理部，根据通过受光部转换的电信号，测量到测量对象物为止的距离；以及存储部，存储表示所述测量出的距离的距离信息，规定的扫频频率模式包含第一扫频频率模式和第二扫频频率模式，处理部包括平均距离值计算部，平均距离值计算部根据测量出的距离和存储于存储部的过去多次的距离信息中的第一距离信息及第二距离信息算出平均距离值，第一距离信息表示基于使用第一扫频频率模式投射的光的距离，第二距离信息表示基于使用第二扫频频率模式投射的光的距离。
根据该方式，根据测量出的距离和存储于存储部的过去多次的距离信息中的第一距离信息及第二距离信息算出平均距离值，第一距离信息表示基于使用第一扫频频率模式投射的光的距离，第二距离信息表示基于使用第二扫频频率模式投射的光的距离。由此，在例如与振子等测量对象物之间的距离加速度地变化的情况下，能够减少以往的方法中产生的与加速度相应的偏差(波动)。因此，通过使用该平均距离值，可以相对于距离加速度地变化的测量对象物T高精度地测量该距离。
在上述方式中，也可以是，第一距离信息表示测量出的距离的前一次的过去的距离，第二距离信息表示测量出的距离的前两次的过去的距离。
根据该方式，可以根据包含当前(当前时间点)的距离的最近三次的距离，简单地算出平均距离值。
在上述方式中，也可以是，平均距离值计算部根据测量出的距离与第一距离信息所示的距离的第一平均值、以及第一距离信息所示的距离与第二距离信息所示的距离的第二平均值算出平均距离值。
根据该方式，在交替使用第一扫频频率模式及第二扫频频率模式的情况下，可以进一步简单地算出与加速度相应的偏差(波动)被减少的平均距离值。
在上述方式中，也可以是，平均距离值计算部根据测量出的距离、第一距离信息、第二距离信息、以及存储于存储部的过去多次的距离中与第一距离信息及第二距离信息不同的至少一个第三距离信息算出平均距离值。
根据该方式，能够更加减少与加速度相应的偏差(波动)。
在上述方式中，也可以是，第一扫频频率模式是随着时间使扫频频率增加的模式，第二扫频频率模式是随着时间使扫频频率减少的模式。
根据该方式，第一扫频频率模式是上啁啾的信号，第二扫频频率模式是下啁啾的信号，光源中的扫频频率的信号成为啁啾信号(也称为“扫频信号”)，因此，可以通过干涉仪容易地生成与测定光和参考光的光路长度差相应的干涉光。
在上述方式中，也可以是，光源交替使用第一扫频频率模式和第二扫频频率模式。
根据该方式，对于从光源投射的光，可以使扫频波长的长短交替重复。
在上述方式中，也可以是，处理部还包括频率转换部，频率转换部将由受光部转换后的电信号转换为频谱，到测量对象物为止的距离根据频谱进行测量。
根据该方式，由于时域的电信号被转换为频域的频谱，因此，可以容易地对频谱中包含的频率成分进行分析。
在上述方式中，也可以是，处理部还包括距离转换部，距离转换部将由频率转换部转换后的频谱转换为到测量对象物为止的距离。
根据该方式，通过从频谱进行转换，可以容易地测量到测量对象物为止的距离。
发明效果
根据本发明，即使与测量对象物之间的距离加速度地变化，也可以高精度地测量该距离。
附图说明
图1是表示本公开涉及的位移传感器10的概要的外观示意图。
图2是表示通过本公开涉及的位移传感器10对测量对象物T进行测量的过程的流程图。
图3是表示使用本公开涉及的位移传感器10的传感器系统1的概要的功能框图。
图4是表示通过使用本公开涉及的位移传感器10的传感器系统1对测量对象物T进行测量的过程的流程图。
图5A是用于说明通过本公开涉及的位移传感器10对测量对象物T进行测量的原理的图。
图5B是用于说明通过本公开涉及的位移传感器10对测量对象物T进行测量的另一原理的图。
图6A是表示传感器头20的概略过程的立体图。
图6B是表示传感器头20的内部结构的示意图。
图7是用于说明控制器30中的信号处理的框图。
图8是表示由控制器30中的处理部59执行的、算出到测量对象物T为止的距离的方法的流程图。
图9A是表示波形信号(电压vs时间)被频率转换为频谱(电压vs频率)的情形的图。
图9B是表示频谱(电压vs频率)被距离转换为频谱(电压vs距离)的情形的图。
图9C是表示根据频谱(电压vs距离)检测峰值并算出与其对应的距离值的情形的图。
图10是表示本发明的一实施方式涉及的光干涉测距传感器100的构成概要的示意图。
图11是用于说明扫频频率与测量出的距离的关系的图。
图12是表示平均距离值计算部153针对测量对象物T算出的平均距离值的一例的图表。
图13是将图12所示的图表中的一部分范围放大后的图表。
图14是表示使用测定光和参考光产生干涉光的干涉仪的变动的图。
具体实施方式
以下，一边参考附图对本发明的优选的各实施方式一边具体进行说明。此外，以下说明的各实施方式只不过是用于实施本发明的具体的一例，并不限定性解释本发明。另外，为了便于理解说明，有时在各附图中对相同的构成要素尽可能地标注相同的附图标记，并省略重复的说明。
[位移传感器的概要]
首先，对本公开涉及的位移传感器的概要进行说明。
图1是表示本公开涉及的位移传感器10的概要的外观示意图。如图1所示，位移传感器10具备传感器头20和控制器30，并对测量对象物T的位移(到测量对象物T为止的距离)进行测量。
传感器头20与控制器30通过光纤40连接，在传感器头20安装有物镜21。另外，控制器30包括显示部31、设定部32、外部接口(I/F)部33、光纤连接部34以及外部存储部35，进而内部具有测量处理部36。
传感器头20向测量对象物T照射从控制器30输出的光，并接收来自该测量对象物T的反射光。传感器头20在内部具有参考面，该参考面用于使从控制器30输出并经由光纤40接收的光反射，并使其与来自上述测量对象物T的反射光干涉。
此外，在传感器头20安装有物镜21，但该物镜21为可拆装的构成。物镜21能够根据传感器头20与测量对象物T的距离而更换为具有适当的焦距的物镜，或者也可以应用可变焦点的物镜。
进而，在设置传感器头20时，也可以向测量对象物T照射引导光(可见光)，以使测量对象物T适当地位于该位移传感器10的测量区域内的方式设置传感器头20和/或测量对象物T。
光纤40与配置于控制器30的光纤连接部34连接并延伸，将该控制器30与传感器头20连接。由此，光纤40被构成为：将从控制器30投射的光向传感器头20引导，进而将来自传感器头20的返回光向控制器30引导。此外，光纤40能够相对于传感器头20及控制器30进行拆装，在长度、粗细以及特性等方面可以应用各种光纤。
显示部31例如由液晶显示器或有机EL显示器等构成。
在显示部31显示位移传感器10的设定值、来自传感器头20的返回光的受光量、以及由位移传感器10测量出的测量对象物T的位移(到测量对象物T为止的距离)等测量结果。
设定部32例如由用户操作机械式按钮或触摸面板等，从而进行对测量对象物T进行测量所需的设定。这些必要的设定的全部或一部分既可以预先设定，也可以从与外部I/F部33连接的外部连接设备(未图示)进行设定。另外，外部连接设备也可以经由网络以有线或者无线的方式连接。
在此，外部I/F部33例如由Ethernet(注册商标)、RS232C以及模拟输出等构成。外部I/F部33也可以与其他的连接设备连接而从该外部连接设备进行必要的设定，或者将由位移传感器10测量出的测量结果等向外部连接设备输出。
另外，也可以通过控制器30取入存储于外部存储部35的数据而进行对测量对象物T进行测量所需的设定。外部存储部35例如是USB(Universal Serial Bus：通用串行总线)存储器等的辅助存储装置，预先存储有对测量对象物T进行测量所需的设定等。
控制器30中的测量处理部36例如包括一边连续改变波长一边投射光的波长扫频光源、接收来自传感器头20的返回光并转换为电信号的受光元件、以及处理电信号的信号处理电路等。在测量处理部36中，根据来自传感器头20的返回光，并使用控制部及存储部等进行各种处理，以最终算出测量对象物T的位移(到测量对象物T为止的距离)。关于这些处理的详细内容将在后面叙述。
图2是表示通过本公开涉及的位移传感器10对测量对象物T进行测量的过程的流程图。如图2所示，该过程包括步骤S11～S14。
在步骤S11中，设置传感器头20。例如，从传感器头20向测量对象物T照射引导光，并参考该引导光将传感器头20设置于适当的位置。
具体而言，也可以在控制器30的显示部31显示来自传感器头20的返回光的受光量，用户一边确认该受光量一边调整传感器头20的朝向及与测量对象物T的距离(高度位置)等。基本来说，若可以对测量对象物T垂直地(以更接近于垂直的角度)照射来自传感器头20的光，则来自该测量对象物T的反射光的光量变大，来自传感器头20的返回光的受光量也变大。
另外，也可以根据传感器头20与测量对象物T的距离更换为具有适当焦距的物镜21。
进而，在对测量对象物T进行测量时无法进行适当的设定的情况下(例如，无法得到测量所需的受光量、或者物镜21的焦距不适当等)，也可以将错误或者设定未完成等显示于显示部31、或者向外部连接设备输出，从而通知用户。
在步骤S12中，在对测量对象物T进行测量时设定各种测量条件。例如，由用户操作控制器30中的设定部32来设定传感器头20所具有的固有的校正数据(校正线性度的函数等)。
另外，也可以设定各种参数。例如，设定采样时间、测量范围、以及将测量结果设为正常还是设为异常的阈值等。进而，也可以根据测量对象物T的反射率及材质等测量对象物T的特性设定测定周期，以及设定与测量对象物T的材质相应的测定模式等。
此外，这些测量条件及各种参数的设定通过操作控制器30中的设定部32进行设定，但也可以从外部连接设备进行设定，还可以通过从外部存储部35取入数据而进行设定。
在步骤S13中，利用步骤S11中设置的传感器头20，按照步骤S12中设定的测量条件及各种参数对测量对象物T进行测量。
具体而言，在控制器30的测量处理部36中，从波长扫频光源投射光，利用受光元件接收来自传感器头20的返回光，通过信号处理电路进行频率分析、距离转换以及峰值检测等，从而算出测量对象物T的位移(到测量对象物T为止的距离)。关于具体的测量处理的详细内容将在后面叙述。
在步骤S14中，输出步骤S13中测量出的测量结果。例如，将步骤S13中测量出的测量对象物T的位移(到测量对象物T为止的距离)等显示于控制器30中的显示部31、或者向外部连接设备输出。
另外，也可以将步骤S13中测量出的测量对象物T的位移(到测量对象物T为止的距离)根据步骤S12中设定的阈值是在正常的范围内还是异常也作为测量结果进行显示或者输出。进而，也可以将步骤S12中设定的测量条件、各种参数以及测定模式等也一并进行显示或者输出。
[包括位移传感器的系统的概要]
图3是表示使用本公开涉及的位移传感器10的传感器系统1的概要的功能框图。如图3所示，传感器系统1具备位移传感器10、控制设备11、控制信号输入用传感器12以及外部连接设备13。此外，位移传感器10与控制设备11及外部连接设备13例如通过通信电缆或者外部连接线(例如包括外部输入线、外部输出线以及电源线等)连接，控制设备11与控制信号输入用传感器12通过信号线连接。
如使用图1及图2所说明，位移传感器10对测量对象物T的位移(到测量对象物T为止的距离)进行测量。而且，位移传感器10也可以将其测量结果等向控制设备11及外部连接设备13输出。
控制设备11例如是PLC(Programmable Logic Controller：可编程逻辑控制器)，在位移传感器10对测量对象物T进行测量时，对该位移传感器10给予各种指示。
例如，控制设备11既可以根据来自与控制设备11连接的控制信号输入用传感器12的输入信号向位移传感器10输出测定定时信号，也可以向位移传感器10输出复零命令信号(用于将当前的测量值设定为0的信号)等。
控制信号输入用传感器12向控制设备11输出指示位移传感器10对测量对象物T进行测量的定时的接通/断开信号。例如，控制信号输入用传感器12只要设置于测量对象物T移动的生产线的附近，检测测量对象物T移动至规定的位置的情况，并向控制设备11输出接通/断开信号即可。
外部连接设备13例如是PC(Personal Computer：个人计算机)，且可以通过由用户进行操作而对位移传感器10进行各种设定。
作为具体例，设定测定模式、动作模式、测定周期以及测量对象物T的材质等。
作为测定模式的设定，选择在控制设备11内部周期性地开始测量的“内部同步测量模式”、或者根据来自控制设备11外部的输入信号开始测量的“外部同步测量模式”等。
作为动作模式的设定，选择实际对测量对象物T进行测量的“运转模式”、或者设定用于对测量对象物T进行测量的测量条件的“调整模式”等。
测定周期是对测量对象物T进行测量的周期，只要根据测量对象物T的反射率进行设定即可，但即使在测量对象物T的反射率低的情况下，只要延长测量周期而适当地设定测量周期，便可以适当地对测量对象物T进行测量。
对于测量对象物T，选择适合作为反射光的成分而漫反射较多的情况的“粗面模式”、适合作为反射光的成分而镜面反射较多的情况的“镜面模式”、或者它们中间的“标准模式”等。
这样，通过根据测量对象物T的反射率及材质进行适当的设定，可以更高精度地对测量对象物T进行测量。
图4是表示通过使用本公开涉及的位移传感器10的传感器系统1对测量对象物T进行测量的过程的流程图。如图4所示，该过程是上述外部同步测量模式时的过程，包括步骤S21～S24。
在步骤S21中，传感器系统1检测作为被测量的对象的测量对象物T。具体而言，控制信号输入用传感器12检测在生产线上测量对象物T移动至规定位置的情况。
在步骤S22中，传感器系统1进行测量指示，以通过位移传感器10对步骤S21中检测到的测量对象物T进行测量。具体而言，控制信号输入用传感器12向控制设备11输出接通/断开信号，从而指示对步骤S21中检测到的测量对象物T进行测定的定时，控制设备11根据该接通/断开信号向位移传感器10输出测定定时信号而进行测量指示，以对测量对象物T进行测量。
在步骤S23中，通过位移传感器10对测量对象物T进行测量。具体而言，位移传感器10根据步骤S22中接收到的测量指示对测量对象物T进行测量。
在步骤S24中，传感器系统1输出步骤S23中测量的测量结果。具体而言，位移传感器10将测量处理的结果显示于显示部31、或者经由外部I/F部33向控制设备11或者外部连接设备13等输出。
此外，此处使用图4对通过由控制信号输入用传感器12检测测量对象物T而对测量对象物T进行测量的外部同步测量模式的情况下的过程进行了说明，但并不限定于此。例如，在内部同步测量模式的情况下，取代步骤S21及S22，根据预先设定的周期生成测定定时信号，由此指示位移传感器10对测量对象物T进行测量。
接着，对通过本公开涉及的位移传感器10对测量对象物T进行测量的原理进行说明。
图5A是用于说明通过本公开涉及的位移传感器10对测量对象物T进行测量的原理的图。如图5A所示，位移传感器10具备传感器头20及控制器30。传感器头20包括物镜21和多个准直透镜22a～22c，控制器30包括波长扫频光源51、光放大器52、多个隔离器53及53a～53b、多个光耦合器54及54a～54e、衰减器55、多个受光元件(例如光电检测器(PD))56a～56c、多个放大电路57a～57c、多个模数(AD)转换部(例如模数转换器)58a～58c、处理部(例如处理器)59、平衡检测器60以及校正信号生成部61。
波长扫频光源51投射对波长进行了扫频的激光。作为波长扫频光源51，例如只要应用利用电流对VCSEL(Vertical Cavity Surface EmittingLaser：垂直腔面发射激光器)进行调制的方式，则由于谐振器长度短，因此难以引起跳模，容易使波长变化，可以以低成本实现。
光放大器52对从波长扫频光源51投射的光进行放大。光放大器52例如应用EDFA(erb ium-doped fiber ampl ifi er：掺铒光纤放大器)，例如也可以是1550nm专用的光放大器。
隔离器53是使射入的光向一方向透射的光学元件，为了防止由返回光产生的噪声的影响，也可以紧跟着配置于波长扫频光源51的后方。
这样，从波长扫频光源51投射的光通过光放大器52而被放大，并经由隔离器53被光耦合器54分叉至主干涉仪和副干涉仪。
例如，在光耦合器54中，也可以以90：10～99：1的比例将光分叉至主干涉仪和副干涉仪。
分叉至主干涉仪的光进而通过第一级的光耦合器54a向传感器头20的方向和第二级的光耦合器54b的方向分叉。
通过第一级的光耦合器54a向传感器头20的方向分叉的光在传感器头20中从光纤的前端穿过准直透镜22a及物镜21照射至测量对象物T。而且，该光纤的前端(端面)成为参考面，由该参考面反射的光与由测量对象物T反射的光发生干涉而生成干涉光并返回至第一级的光耦合器54a，然后，被受光元件56a接收并转换为电信号。
通过第一级的光耦合器54a向第二级的光耦合器54b的方向分叉的光经由隔离器53a朝向第二级的光耦合器54b，通过该第二级的光耦合器54b进一步向传感器头20的方向和第三级的光耦合器54c的方向分叉。从光耦合器54b向传感器头20的方向分叉的光与第一级同样在传感器头20中从光纤的前端穿过准直透镜22b及物镜21照射至测量对象物T。而且，该光纤的前端(端面)成为参考面，由该参考面反射的光与由测量对象物T反射的光发生干涉而生成干涉光并返回第二级的光耦合器54b，通过该光耦合器54b向隔离器53a及受光元件56b各自的方向分叉。从光耦合器54b向受光元件56b的方向分叉的光被受光元件56b接收并被转换为电信号。另一方面，隔离器53a使光从前级的光耦合器54a向后级的光耦合器54b透过，将从后级的光耦合器54b向前级的光耦合器54a的光遮断，因此，从光耦合器54b向隔离器53a的方向分叉的光被遮断。
通过第二级的光耦合器54b向第三级的光耦合器54c的方向分叉的光经由隔离器53b朝向第三级的光耦合器54c，并通过该第三级的光耦合器54c进一步向传感器头20的方向和衰减器55的方向分叉。从光耦合器54c向传感器头20的方向分叉的光与第一段及第二段同样在传感器头20中从光纤的前端穿过准直透镜22c及物镜21照射至测量对象物T。而且，该光纤的前端(端面)成为参考面，由该参考面反射的光与由测量对象物T反射的光发生干涉而生成干涉光并返回第三级的光耦合器54c，并通过该光耦合器54c向隔离器53b及受光元件56c各自的方向分叉。从光耦合器54c向受光元件56c的方向分叉的光被受光元件56c接收并被转换为电信号。另一方面，隔离器53b使光从前级的光耦合器54b向后级的光耦合器54c透过，将从后级的光耦合器54c向前级的光耦合器54b的光遮断，因此，从光耦合器54c向隔离器53b的方向分叉的光被遮断。
此外，通过第三级的光耦合器54c向非传感器头20的方向分叉的光不用于测量对象物T的测量，因此，例如可以通过终止器等的衰减器55使其衰减，以防其反射返回。
这样，主干涉仪是具有三级的光路(三通道)，分别将从传感器头20的光纤的前端(端面)至测量对象物T为止的距离的两倍(往返)作为光路长度差的干涉仪，分别生成与光路长度差相应的三个干涉光。
受光元件56a～56c如上所述接收来自主干涉仪的干涉光，生成与该接收到的受光量相应的电信号。
放大电路57a～57c分别对从受光元件56a～56c输出的电信号进行放大。
AD转换部58a～58c分别接收被放大电路57a～57c放大后的电信号，并将该电信号从模拟信号转换为数字信号(AD转换)。在此，AD转换部58a～58c根据来自副干涉仪中的校正信号生成部61的校正信号进行AD转换。
在副干涉仪中，为了校正波长扫频光源51的扫频时的波长的非线性度，通过副干涉仪获取干涉信号，生成被称为K时钟的校正信号。
具体而言，通过光耦合器54分叉至副干涉仪的光进一步被光耦合器54d分叉。在此，分叉后的各光的光路例如被构成为在光耦合器54d与光耦合器54e之间使用不同长度的光纤而具有光路长度差，从光耦合器54e输出与该光路长度差相应的干涉光。而且，平衡检测器60接收来自光耦合器54e的干涉光，通过获取其与相反相位的信号的差分而除去噪声，而且对光信号进行放大并转换为电信号。
此外，光耦合器54d及光耦合器54e均只要以50：50的比例将光分叉即可。
校正信号生成部61根据来自平衡检测器60的电信号掌握波长扫频光源51的扫频时的波长的非线性度，生成与该非线性度相应的K时钟，并输出至AD转换部58a～58c。
根据波长扫频光源51的扫频时的波长的非线性度，在主干涉仪中分别输入AD转换部58a～58c的模拟信号的波的间隔并非为等间隔。在AD转换部58a～58c中，根据上述K时钟对采样时间进行校正并进行AD转换(采样)，以使波的间隔成为等间隔。
此外，如上所述，K时钟是用于对主干涉仪的模拟信号进行采样的校正信号，因此，需要比主干涉仪的模拟信号更高频地生成。具体而言，既可以使副干涉仪中的光耦合器54d与光耦合器54e之间设置的光路长度差比主干涉仪中的光纤的前端(端面)与测量对象物T之间设置的光路长度差长，也可以通过校正信号生成部61对频率进行倍频(例如8倍等)而高频化。
处理部59获取分别通过AD转换部58a～58c对非线性度进行了校正并被AD转换的数字信号，并根据该数字信号算出测量对象物T的位移(到测量对象物T为止的距离)。具体而言，在处理部59中，使用快速傅里叶转换(FFT：fast Fourier transform)对数字信号进行频率转换，通过对它们进行分析而算出距离。关于处理部59中的详细处理将在后面叙述。
此外，在处理部59中，由于要求高速处理，因此，多数情况下通过FPGA(field-programmable gate array：现场可编程门阵列)等集成电路实现。
另外，此处在主干涉仪中设置三级光路，通过传感器头20从各个光路向测量对象物T照射测定光，并根据从各个光路得到的干涉光(返回光)测量到测量对象物T为止的距离等(多通道)。主干涉仪中的通道并不限定于三级，既可以是一级或两级，也可以是四段以上。
图5B是用于说明通过本公开涉及的位移传感器10对测量对象物T进行测量的另一原理的图。如图5B所示，位移传感器10具备传感器头20及控制器30。传感器头20包括物镜21和多个准直透镜22a～22c，控制器30包括波长扫频光源51、光放大器52、多个隔离器53及53a～53b、多个光耦合器54及54a～54j、衰减器55、多个受光元件(例如光电检测器(PD))56a～56c、多个放大电路57a～57c、多个模数(AD)转换部(例如模数转换器)58a～58c、处理部(例如处理器)59、平衡检测器60以及校正信号生成部61。图5B所示的位移传感器10主要在具备光耦合器54f～54j这一点上与图5A所示的位移传感器10的构成不同，关于基于该不同的构成的原理，一边与图5A进行比较一边详细进行说明。
从波长扫频光源51投射的光被光放大器52放大，并经由隔离器53被光耦合器54分叉至主干涉仪侧和副干涉仪侧，但被分叉至主干涉仪侧的光进一步被光耦合器54f分叉为测定光和参考光。
如图5A中所说明，测定光通过第一级的光耦合器54a而穿过准直透镜22a及物镜21照射至测量对象物T，并在该测量对象物T反射。在此，在图5A中，将光纤的前端(端面)作为参考面，由该参考面反射的光与由测量对象物T反射的光发生干涉而生成干涉光，但在图5B中，未设置反射光的参考面。即，在图5B中，未产生如图5A那样由参考面反射的光，因此，由测量对象物T反射的测定光返回第一级的光耦合器54a。
同样地，从第一级的光耦合器54a向第二级的光耦合器54b的方向分叉的光通过该第二级的光耦合器54b而穿过准直透镜22b及物镜21照射至测量对象物T，并被该测量对象物T反射而返回第二级的光耦合器54b。从第二级的光耦合器54b向第三级的光耦合器54c的方向分叉的光通过该第三级的光耦合器54c而穿过准直透镜22c及物镜21照射至测量对象物T，并被该测量对象物T反射而返回第三级的光耦合器54c。
另一方面，通过光耦合器54f被分叉的参考光进一步通过光耦合器54g向光耦合器54h、54i以及54j分叉。
在光耦合器54h中，从光耦合器54a输出的被测量对象物T反射的测定光与从光耦合器54g输出的参考光发生干涉而生成干涉光，并被受光元件56a接收并被转换为电信号。换言之，通过光耦合器54f被分叉为测定光和参考光，生成与该测定光的光路(从光耦合器54f经由光耦合器54a、准直透镜22a、物镜21被测量对象物T反射而到达光耦合器54h的光路)和该参考光的光路(从光耦合器54f经由光耦合器54g到达光耦合器54h的光路)的光路长度差相应的干涉光，该干涉光被受光元件56a接收并被转换为电信号。
同样地，在光耦合器54i中，生成与测定光的光路(从光耦合器54f经由光耦合器54a、54b、准直透镜22b、物镜21被测量对象物T反射而到达光耦合器54i的光路)和参考光的光路(从光耦合器54f经由光耦合器54g到达光耦合器54i的光路)的光路长度差相应的干涉光，该干涉光被受光元件56b接收并被转换为电信号。
在光耦合器54j中，生成与测定光的光路(从光耦合器54f经由光耦合器54a、54b、54c、准直透镜22c、物镜21被测量对象物T反射而到达光耦合器54j的光路)和参考光的光路(从光耦合器54f经由光耦合器54g到达光耦合器54j的光路)的光路长度差相应的干涉光，该干涉光被受光元件56c接收并被转换为电信号。此外，受光元件56a～56c例如也可以是平衡光电探测器。
这样，在主干涉仪中，具有三级的光路(三通道)，生成与分别被测量对象物T反射并输入光耦合器54h、54i以及54j的测定光和经由光耦合器54f及54g分别输入光耦合器54h、54i以及54j的参考光的光路长度差相应的三个干涉光。
此外，例如，也可以将光耦合器54g与各光耦合器54h、54i以及54j的光路长度设定为不同，以使测定光与参考光的光路长度差在三通道中分别不同。
而且，根据分别得到的干涉光，测量到测量对象物T为止的距离等(多通道)。
[传感器头的结构]
在此，对位移传感器10中使用的传感器头的结构进行说明。
图6A是表示传感器头20的概略构成的立体图，图6B是表示传感器头的内部结构的示意图。
如图6A所示，传感器头20的物镜21及准直透镜被容纳于透镜架23。例如，关于透镜架23的尺寸，将物镜21包围的一边的长度为20mm左右，光轴方向上的长度为40mm左右。
如图6B所示，透镜架23中容纳有一个物镜21及三个准直透镜22a～22c。来自光纤的光构成为经由光纤阵列24被引导至三个准直透镜22a～22c，进而，穿过了三个准直透镜22a～22c的光经由物镜21照射至测量对象物T。
这样，这些光纤、准直透镜22a～22c以及光纤阵列24与物镜21一起通过透镜架23保持，构成传感器头20。
另外，构成传感器头20的透镜架23也可以由高强度且能够高精度地加工的金属(例如A2017)制作。
图7是用于说明控制器30中的信号处理的框图。如图7所示，控制器30具备多个受光元件71a～71e、多个放大电路72a～72c、多个AD转换部74a～74c、处理部75、差动放大电路76以及校正信号生成部77。
在控制器30中，如图5A所示，通过光耦合器54将从波长扫频光源51投射的光分叉至主干涉仪和副干涉仪，对分别从主干涉仪和副干涉仪得到的主干涉信号及副干涉信号进行处理，由此算出到测量对象物T为止的距离值。
多个受光元件71a～71c相当于图5A所示的受光元件56a～56c，分别接收来自主干涉仪的主干涉信号，并作为电流信号分别输出至放大电路72a～72c。
多个放大电路72a～72c将电流信号转换(I-V转换)为电压信号并进行放大。
多个AD转换部74a～74c相当于图5A所示的AD转换部58a～58c，根据来自后述校正信号生成部77的K时钟将电压信号转换(AD转换)为数字信号。
处理部75相当于图5A所示的处理部59，使用FFT将来自AD转换部74a～74c的数字信号转换为频率，对它们进行解析，计算到测量对象物T为止的距离值。
多个受光元件71d～71e及差动放大电路76相当于图5A所示的平衡检测器60，分别接收副干涉仪中的干涉光，一方输出相位反转后的干涉信号，通过取得两个信号的差分而除去噪声，而且将干涉信号放大并转换为电压信号。
校正信号生成部77相当于图5A所示的校正信号生成部61，利用比较器将电压信号二值化，生成K时钟，并输出至AD转换部74a～74c。K时钟需要比主干涉仪的模拟信号更高频地生成，因此，也可以利用校正信号生成部77对频率进行倍频(例如8倍等)而高频化。
图8是表示由控制器30中的处理部59执行的、算出到测量对象物T为止的距离的方法的流程图。如图8所示，该方法包括步骤S31～S34。
在步骤S31中，处理部59使用下述FFT将波形信号(电压vs时间)频率转换为频谱(电压vs频率)。图9A是表示波形信号(电压vs时间)被频率转换为频谱(电压vs频率)的情形的图。
【数学式1】
在步骤S32中，处理部59将频谱(电压vs频率)距离转换为频谱(电压vs距离)。图9B是表示频谱(电压vs频率)被距离转换为频谱(电压vs距离)的情形的图。
在步骤S33中，处理部59根据频谱(电压vs距离)算出与峰值对应的距离值。图9C是表示根据频谱(电压vs距离)检测峰值并算出与其对应的距离值的情形的图。如图9C所示，在此，在三通道中，分别根据频谱(电压vs距离)检测峰值，并分别算出与峰值对应的距离值。
在步骤S34中，处理部59对步骤S33中算出的距离值进行平均化。具体而言，处理部59在步骤S33中在三通道中分别根据频谱(电压vs距离)检测峰值，并算出与其对应的距离值，因此，对它们进行平均化，并将该平均化后的计算结果作为到测量对象物T为止的距离而输出。
此外，在步骤S34中，优选处理部59在对步骤S33中算出的距离值进行平均化时，对SNR为阈值以上的距离值进行平均化。例如，在三通道中的任一通道中，都根据其频谱(电压vs距离)检测峰值，但在SNR小于阈值的情况下，判断为根据该频谱算出的距离值的可靠性低，从而不采用。
接着，关于本公开，以更特征性的构成、功能以及性质为中心，作为具体的实施方式详细进行说明。此外，以下所示的光干涉测距传感器相当于使用图1至图9说明的位移传感器10，该光干涉测距传感器中包含的基本构成、功能以及性质的全部或者一部分与使用图1至图9说明的位移传感器10中包含的构成、功能以及性质相通。
＜一实施方式＞
[光干涉测距传感器的构成]
图10是表示本发明的一实施方式涉及的光干涉测距传感器100的构成概要的示意图。如图10所示，光干涉测距传感器100具备波长扫频光源110、干涉仪120、受光部130a～130c、存储部140以及处理部150。此外，在不需要区分受光部130a～130c的情况下，有时将它们分别简称为受光部130。图10所示的光干涉测距传感器100构成为多级式的光干涉测距传感器，作为一例，构成为具备三个干涉仪的三级构成的光干涉测距传感器，但干涉仪的数量(即，级数)既可以为两个，也可以为四个以上。
波长扫频光源110与干涉仪120的分叉部121连接，一边连续改变波长一边投射光。波长扫频光源110在投射光时使用规定的扫频频率模式。规定的扫频频率模式包括第一扫频频率模式和第二扫频频率模式。关于扫频频率模式的详细情况将在后面叙述。
干涉仪120包括分叉部121及传感器头122，分叉部121将输入的光分叉至多个光路，并分别经由光纤引导至传感器头122。在传感器头122中，例如如图6A及图6B所示，在多个光路分别配置有准直透镜123a～123c，还安装有或者包括物镜124。
分叉部121将从波长扫频光源110投射并输入的光以照射至测量对象物T中的多个光点(此处为三个光点)的方式分叉至光路A～C并输出。分叉部121例如也可以是光耦合器等。
分叉至光路A的光经由光纤作为测定光穿过准直透镜123a及物镜124照射至测量对象物T，并被该测量对象物T反射。而且，被测量对象物T反射的反射光(第一反射光)通过物镜124及准直透镜123a从光纤的前端返回分叉部121。
另外，分叉至光路A的光作为测定光经由光纤照射至测量对象物T，但其一部分作为参考光被参考面反射。在此，光纤的前端成为参考面，由该参考面反射的反射光(第二反射光)经由该光纤返回分叉部121。
此时，关于从分叉部121向光路A的光纤输出的光，测定光照射至测量对象物T并作为第一反射光经由该光纤返回分叉部121，参考光作为被该光纤的前端即参考面反射的第二反射光经由该光纤返回分叉部121，因此，根据测定光与参考光的光路长度差而产生干涉光。即，从光路A的光纤的前端至测量对象物T的往返距离成为光路长度差，干涉仪120根据第一反射光和第二反射光产生第一干涉光，并作为朝向分叉部121的返回光。此外，测定光及参考光的光路长度均可以是对光路的空间长度乘以折射率而得到的值。
同样地，分叉至光路B的光作为测定光经由光纤穿过准直透镜123b及物镜124照射至测量对象物T，并被该测量对象物T反射。而且，被测量对象物T反射的反射光(第一反射光)通过物镜124及准直透镜123b从光纤的前端返回分叉部121。另外，分叉至光路B的光的一部分作为参考光被光纤的前端即参考面反射，被该参考面反射的反射光(第二反射光)经由该光纤返回分叉部121。
此时，对于从分叉部121向光路B的光纤输出的光，根据测定光与参考光的光路长度差而产生干涉光。即，从光路B的光纤的前端至测量对象物T的往返距离成为光路长度差，干涉仪120根据第一反射光和第二反射光产生第二干涉光，并作为朝向分叉部121的返回光。
同样地，分叉至光路C的光作为测定光经由光纤穿过准直透镜123c及物镜124照射至测量对象物T，并被该测量对象物T反射。而且，被测量对象物T反射的反射光(第一反射光)通过物镜124及准直透镜123c从光纤的前端返回分叉部121。另外，分叉到光路C的光的一部分作为参考光被光纤的前端即参考面反射，被该参考面反射的反射光(第二反射光)经由该光纤返回分叉部121。
此时，对于从分叉部121向光路C的光纤输出的光，根据测定光与参考光的光路长度差而产生干涉光。即，从光路C的光纤的前端至测量对象物T的往返距离成为光路长度差，干涉仪120根据第一反射光和第二反射光产生第三干涉光，并作为朝向分叉部121的返回光。
这样，从波长扫频光源110投射并输入的光被分叉部121分叉，在分别分叉后的光路A～C中，产生基于照射测量对象物T的各光点的测定光与被各光路A～C中的光纤的前端即参考面反射的参考光的光路长度差的第一干涉光、第二干涉光以及第三干涉光，并通过干涉仪120分别作为返回光输出至受光部130。
受光部130a～130c分别具有受光元件131a～131c和AD转换部132a～132c。受光元件131a～131c例如是光电检测器，接收从作为分叉部121的输出端口的分叉a～c输出的光，并转换为电信号。AD转换部132a～132c将该电信号从模拟信号转换为数字信号。
受光部130a～130c分别与光路A～C对应，分别接收从分叉部121的分叉a～c输出的光。
光路A中生成的第一干涉光被分叉部121的光耦合器等以规定的分叉比分叉并输出。受光部130a接收从分叉部121的分叉a输出的光，根据该光生成数字信号，并供给至处理部150。
光路B中生成的第二干涉光被分叉部121的光耦合器等以规定的分叉比分叉并输出。受光部130b接收从分叉部121的分叉b输出的光，根据该光生成数字信号，并供给至处理部150。
光路C中生成的第三干涉光被分叉部121的光耦合器等以规定的分叉比分叉并输出。受光部130c接收从分叉部121的分叉c输出的光，根据该光生成数字信号，并供给至处理部150。
处理部150根据由受光部140a～130c转换后的数字信号算出到测量对象物T为止的距离。处理部150例如是包括CPU(Central Processing Unit：中央处理器)、DSP(DigitalSignal Processor：数字信号处理器)、ASIC(Application Specific IntegratedCircuit：专用集成电路)、PLD(Programmble Logic Device：可编程逻辑器件)、FPGA(FieldProgrammbleGate Array：现场可编程门阵列)、SoC(System-on-a-Chip：片上系统)等集成电路而构成的处理器。
存储部140存储表示由处理部150测量出的距离的距离信息。存储部140构成为针对由处理部150测量出的距离而追加保存对应的距离信息。因此，存储部140保持过去多次的表示过去测量出的距离的距离信息。存储部140存储程序或数据等，以能够访问(读出及写入)的方式与处理部150连接。存储部140例如是包括ROM(Read Only Memory：只读存储器)、EPROM(Erasable Programmable ROM：可擦写可编程只读存储器)、EEPROM(Electrically Erasable Programmable ROM：电可擦除可编程只读存储器)、RAM(RandomAccess Memory：随机存取存储器)、高速缓冲存储器和/或缓冲存储器等而构成的存储器。
另外，处理部150作为功能块而包括频率转换部151、距离转换部152以及平均距离值计算部153。
频率转换部151将由受光部130转换后的电信号转换为频谱。例如，如图9A所示，使用FFT将来自受光部130的AD转换部132的数字信号转换为频谱。到测量对象物T为止的距离根据该频谱进行测量。由此，由于时域的电信号被转换为频域的频谱，因此，可以容易地对频谱中包含的频率成分进行分析。
距离转换部152将由频率转换部151转换后的频谱转换为距离。例如，如图9B所示，在作为频率和电压的信号的频谱中，峰值频率被转换为对应的距离。由此，通过从频谱进行转换，可以容易地测量到测量对象物T为止的距离。
平均距离值计算部153被构成为：根据测量出的距离和存储于存储部140的过去多次的距离信息中的、表示基于使用第一扫频频率模式投射的光的距离的第一距离信息、以及表示基于使用第二扫频频率模式投射的光的距离的第二距离信息，算出平均距离值。平均距离值是对测量出的距离、第一距离信息所示的距离以及第二距离信息所示的距离的至少三个距离实施平均化处理而算出的值。此外，关于第一距离信息所示的距离及第二距离信息所示的距离的详细情况，将在后面叙述。
具体而言，平均距离值计算部153根据测量出的距离与存储于存储部140的第一距离信息所示的距离的第一平均值、以及该第一距离信息所示的距离与存储于存储部140的第二距离信息所示的距离的第二平均值算出平均距离值。该情况下，平均距离值是对测量出的距离、第一距离信息所示的距离以及第二距离信息所示的距离的至少四个距离实施平均化处理而算出。
图11是用于说明扫频频率与测量出的距离的关系的图。如上所述，波长扫频光源110使用规定的扫频频率模式一边连续改变波长一边投射光。换言之，波长扫频光源110使用规定的扫频频率模式一边连续改变频率一边投射光。在干涉仪120中，根据照射测量对象物T并被反射的测定光与被光纤的前端即参考面反射的参考光的光路长度差产生干涉光，该干涉光被受光部130转换为电信号，处理部150根据该电信号算出到测量对象物T为止的距离。
波长扫频光源110连续改变的频率一般被称为扫频频率。将使扫频频率随时间变化时的周期性图案(波形)称为扫频频率模式。如图11所示，波长扫频光源110使用第一扫频频率模式和第二扫频频率模式投射光。
第一扫频频率模式例如是随着时间使扫频频率增加的模式。另一方面，第二扫频频率模式例如是随着时间使扫频频率减少的模式。由此，第一扫频频率模式是上啁啾的信号，第二扫频频率模式是下啁啾的信号，波长扫频光源110中的扫频频率的信号成为啁啾信号(也称为“扫频信号”)，因此，可以通过干涉仪120容易地生成与测定光和参考光的光路长度差相应的干涉光。
第一扫频频率模式及第二扫频频率模式的周期分别为50μs。波长扫频光源110交替地使用第一扫频频率模式和第二扫频频率模式。由此，对于从波长扫频光源110投射的光，可以使扫频波长的长短交替重复。
在从-50μs至0μs的期间，波长扫频光源110使用使扫频频率(波长)连续增加的第一扫频频率模式投射光。由干涉仪120根据该光生成干涉光，受光部130接收所生成的干涉光并转换为电信号。处理部150在时间轴上的0μs的时间点或刚过0μs之后，根据该电信号测量到测量对象物T为止的距离d0。即，测量基于使用了第一扫频频率模式的光的距离d0。表示测量出的距离d0的距离信息被追加并存储于存储部140。该距离d0表示在时间轴上的0μs的时间点、也就是当前时间点测量出的当前的距离。
在从-100μs至-50μs的期间，波长扫频光源110使用使扫频频率(波长)连续减少的第二扫频频率模式投射光。由干涉仪120根据该光生成干涉光，受光部130接收所生成的干涉光并转换为电信号。处理部150在时间轴上的-50μs的时间点或刚过-50μs之后，根据该电信号测量到测量对象物T为止的距离d-1。即，测量基于使用了第二扫频频率模式的光的距离d-1。表示测量出的距离d-1的信息被追加并存储于存储部140。表示距离d-1的信息相当于上述第一距离信息的一例。
在从-150μs至-100μs的期间，波长扫频光源110使用使扫频频率(波长)连续增加的第一扫频频率模式投射光。由干涉仪120根据该光生成干涉光，受光部130接收所生成的干涉光并转换为电信号。处理部150在时间轴上的-100μs的时间点或刚过-100μs之后，根据该电信号测量到测量对象物T为止的距离d-2。即，测量基于使用了第一扫频频率模式的光的距离d-2。表示测量出的距离d-2的距离信息被追加并存储于存储部140。表示距离d-2的距离信息相当于上述第二距离信息的一例。
这样，第一距离信息表示测量出的距离的前一次的过去的距离d-1，第二距离信息表示测量出的距离的前两次的过去的距离d-2。由此，可以根据包含当前(当前时间点)的距离d0的最近三次的距离d0～d-2，简单地算出平均距离值。
同样地，在时间轴上的-150μs的时间点或刚过-150μs之后，测量基于使用了第二扫频频率模式的光的距离d-3，在时间轴上的-200μs的时间点或刚过-200μs之后，测量基于使用了第一扫频频率模式的光的距离d-4，在时间轴上的-250ps的时间点或刚过-250μs之后，测量基于使用了第二扫频频率模式的光的距离d-5。表示测量出的距离d-2～d-5的距离信息分别被追加并存储于存储部140。此外，表示距离d-1的距离信息相当于上述第一距离信息的另一例，表示距离d-3的距离信息及表示距离d-5的距离信息分别相当于上述第二距离信息的另一例。
距离d0能够在时间轴上的0μs的时间点作为表示当前(当前时间点)的距离的信息而存储、读出。距离d-1～d-5能够在时间轴上的0μs的时间点分别作为表示过去多次的距离的信息而存储、读出。
此外，在图11中，示出了作为过去的距离而存储表示过去五次的距离的信息的例子，但并不限定于此。过去的距离只要是两次以上的多次即可，也可以是六次以上。
接着，对于在与测量对象物T之间的距离加速度地变化时，处理部150的平均距离值计算部153算出的平均距离值进行说明。以下，使用测量对象物T是以规定频率、例如120Hz振动的振子时的例子进行说明。
图12是表示平均距离值计算部153针对测量对象物T算出的平均距离值的一例的图表，图13是将图12所示的图表中的一部分范围放大后的图表。在图12及图13中，用粗线表示本实施方式中的光干涉测距传感器100的平均距离值，作为参考例，用虚线表示在虚拟的光干涉测距传感器中算出的平均距离值。此外，虚拟的光干涉测距传感器是为了与本实施方式中的光干涉测距传感器100进行比较而虚拟的，除了根据当前的距离和前一次的过去的距离算出平均距离值这一点以外，具备与光干涉测距传感器100大致相同的构成。
在与测量对象物T之间的距离加速度地变化的情况下，若如虚拟的光干涉测距传感器那样算出作为当前的距离与前一次的过去的距离的平均的平均距离值，则如图12及图13中虚线所示，尽管平均化，但距离也随着时间的经过而大幅波动，存在偏差(波动)成分。
该现象可以如下进行说明。即，在时间轴的0μs的时间点算出的当前的距离d0由以下的式(1)表示。
d0＝d-w*(v0+a*(0*Δt))…(1)
其中，各符号如下所述。
d：时间轴的时刻0时与测量对象物T之间的距离
Δd：在Δt之间的时间变化的距离
w：多普勒常数[s]
v0：时间轴的时刻0的速度
a：加速度
前一次的过去的距离d-1使用相同的记号由以下的式(2)表示。
d-1＝d-Δd+w*(v0+a*(1*Δt))…(2)
此外，前一次的过去的距离d-1本来包含(Δt)2的项。但是，该项是可忽略程度的非常小的值，因此，式(2)中省略表述。
其结果是，虚拟的光干涉测距传感器算出的平均距离值dav’使用式(1)及式(2)由以下的式(3)表示。
dav’＝d-Δd/2+w*a*Δt/2…(3)
认为式(3)中的w*a*Δt/2的项相当于图12及图13中的偏差(波动)成分。这并不限定于虚拟的光干涉测距传感器的平均距离值dav’为当前的距离d0与前一次的过去的距离d-1的平均的情况。即使是前一次的过去的距离d-1与前两次的过去的距离d-2的平均的情况、或者是j次之前(j为2以上的整数)的过去的距离d-j与(j+1)次之前的过去的距离d-(j+1)的平均的情况下，在虚拟的光干涉测距传感器算出的平均距离值中也存在相当于上述偏差(波动)成分的项。
相对于此，在本实施方式的光干涉测距传感器100中，处理部150的平均距离值计算部153算出上述平均距离值。具体而言，平均距离值计算部153根据测量出的当前的距离d0与第一距离信息所示的距离的第一平均值、以及第一距离信息所示的距离与第二距离信息所示的距离的第二平均值dav2算出平均距离值dav。以下，使用第一距离信息所示的距离为前一次的过去的距离d-1、第二距离信息所示的距离为前两次的过去的距离d-2的例子进行说明。
当前的距离d0与前一次的过去的距离d-1的第一平均值dav1由以下的式(4)表示。
dav1＝(d0+d-1)/2…(4)
另外，前一次的过去的距离d-1和前两次的过去的距离d-2的第二平均值dav2由以下的式(5)表示。
dav2＝(d-1+d-2)/2…(5)
平均距离值计算部153算出的平均距离值dav使用式(4)及式(5)由以下的式(6)表示。
dav＝(dav1+dav2)/2＝(d0+2*d-1+d-2)/4…(6)
在此，前两次的过去的距离d-2若使用与上述相同的记号，则如以下的式(7)所示。
d-2＝d-Δd+w*(v0+a*(2*Δt))…(7)
因此，平均距离值计算部153算出的平均距离值dav使用式(6)、式(1)、式(2)以及式(7)由以下的式(8)表示。
dav＝d-Δd…(8)
由式(8)明确可知，平均距离值dav不包含相当于虚拟的光干涉测距传感器的平均距离值dav’中存在的偏差(波动)成分的项。其结果是，如图12及图13的粗线所示，与虚拟的光干涉测距传感器相比较，作为平均距离值dav的距离可以减少伴随时间的经过的波动。
这样，根据测量出的距离和存储于存储部140的过去多次的距离信息中的第一距离信息及第二距离信息算出平均距离值，第一距离信息表示基于使用第一扫频频率模式投射的光的距离，第二距离信息表示基于使用第二扫频频率模式投射的光的距离。由此，在例如与振子等测量对象物T之间的距离加速度地变化的情况下，能够减少以往的方法中产生的与加速度相应的偏差(波动)。因此，通过使用该平均距离值，可以相对于距离加速度地变化的测量对象物T高精度地测量该距离。
在本实施方式中，作为一例对根据测量出的距离d0和第一距离信息所示的距离及第二距离信息所示的距离这两个过去的距离算出平均距离值的情况进行了说明，但并不限定于此。在不需要高速化的情况下，平均距离值计算部153也可以进一步根据存储于存储部140的过去多次的距离中的、与第一距离信息及第二距离信息不同的至少一个第三距离信息算出平均距离值。
该情况下，平均距离值dav例如使用以下的式(9)算出。
dav＝(d0+d-1+d-3+d-4)/4…(9)
这样，平均距离值计算部153根据测量出的距离d0、第一距离信息、第二距离信息、以及存储于所述存储部的过去多次的距离中与第一距离信息及第二距离信息不同的至少一个第三距离信息算出平均距离值。由此，能够更加减少与加速度相应的偏差(波动)。
另外，平均距离值dav根据测量出的距离d0与第一距离信息所示的距离的第一平均值dav1、以及第一距离信息所示的距离与第二距离信息所示的距离的第二平均值dav2算出。由此，在交替使用第一扫频频率模式及第二扫频频率模式的情况下，可以进一步简单地算出与加速度相应的偏差(波动)被减少的平均距离值dav。
此外，并不限定于第一距离信息所示的距离是前一次的过去的距离d-1，第二距离信息所示的距离是前两次的过去的距离d-2的情况。平均距离值计算部153算出的平均距离值dav可以使用上述式(6)和正整数k(k＝1、2、3、……)如以下的式(10)这样上位概念化而进行表示。
dav＝(d0+2*d-(2k-1)+d-2(2k-1))/4…(10)
进而，平均距离值dav能够如下这样一般化。即，如上所述，在与测量对象物T之间的距离加速度地变化的情况下，测量出的距离d在当前及过去都包含多普勒常数w的项。在此，着眼于多普勒常数w的项D，若将w*v0设为常数α、将w*a*Δt设为常数β，则从距离d0至距离d-3的每一个中包含的多普勒常数w的项D0至项D-3由以下的式(11)至式(14)表示。
D0＝-(α+0*β)…(11)
D-1＝+(α+1*β)…(12)
D-2＝-(α+2*β)…(13)
D-3＝+(α+3*β)…(14)
当使用包含0的自然数m将这些式(11)至式(14)进行一般化时，多普勒常数w的项Dm由以下的式(15)表示。
D-m＝(-1)-m(mβ-α)…(15)
若通过使用过去的距离算出平均距离值dav时的平均化消除了多普勒常数w的项Dm，则如上述式(8)所示，认为平均距离值dav中不残留多普勒常数w的项。因此，使用多普勒常数w的项Dm求出满足以下的式(16)的自然数m的组合。
D-s+D-t+D-u+…＝0…(16)
其中，各符号如下所述。
s、t、u：m的任意元
例举具体例，若在当前的距离d0中的多普勒常数w的项D-0、前一次的过去的距离d-1中的多普勒常数w的项D-1、前一次的过去的距离d-1中的多普勒常数w的项D-1、前两次的过去的距离d-2中的多普勒常数w的项D-2的组合中，取它们的和(D-0+D-1+D-1+D-2)，则满足上述式(16)。另外，即使在当前的距离d0中的多普勒常数w的项D-0、前一次的过去的距离d-1中的多普勒常数w的项D-1、三次之前的过去的距离d-3中的多普勒常数w的项D-3、四次之前的过去的距离d-4中的多普勒常数w的项D-4的组合中，取它们的和(D-0+D-1+D-3+D-4)，也满足上述式(16)。
这样，也可以通过消除多普勒常数w的影响，算出与加速度相应的偏差(波动)被减少的平均距离值dav。
在本实施方式中，为了简化说明，示出了通过算术平均(也称为“相加平均”)算出平均距离值dav的例子，但并不限定于此。平均距离值dav可以使用算术平均以外的平均化方法算出，也可以包括减法运算。
例如，平均距离值dav能够使用均方平方根算出。具体而言，测量出的当前的距离d0和前一次的过去的距离d-1、以及前一次的过去的距离d-1和前两次的过去的距离d-2的均方使用上述常数α及常数β由以下的式(17)表示。
d0 2+2d-1 2+d-2 2＝4(d2-2Δd*d+Δd2)+2Δd2+4Δd*β+4α2+8α*β+6β2…(17)
在式(17)中，后半部分的项、也就是项Δd2、Δd*β、α2、α*β以及β2是与项d2相比足够小的值，因此认为可以忽略。因此，上述式(17)可以近似为以下的式(18)。
d0 2+2d-1 2+d-2 2≈4(d2-2Δd*d+Δd2)…(18)
因此，使用均方平方根的平均距离值dav由以下的式(19)表示。
dav＝{(d0 2+2d-1 2+d-2 2)/4}1/2＝(d2-2Δd*d+Δd2)1/2＝d-Δd… (19)
这样，即使在以均方平方根算出的情况下，平均距离值dav也不包含作为多普勒常数的项的常数α及常数β的任意一个，因此，能够减少与加速度相应的偏差(波动)。
另外，例如平均距离值dav也能够使用包含减法运算的式子算出。具体而言，使用测量出的当前的距离d0、前一次的过去的距离d-1以及三次之前的过去的距离d-3规定以下的式(20)。
2d0+3d-1-d-3＝4d…(20)
该情况下，平均距离值dav由以下的式(21)表示。
dav＝(2d0+3d-1-d-3)/4＝d…(21)
这样，即使在规定包含减法运算的式子并算出的情况下，平均距离值dav也不包含作为多普勒常数的项的常数α及常数β的任意一个，因此，能够减少与加速度相应的偏差(波动)。
如上所述，根据本发明的一实施方式涉及的光干涉测距传感器100，根据测量出的距离和存储于存储部140的过去多次的距离信息中的第一距离信息及第二距离信息算出平均距离值，第一距离信息表示基于使用第一扫频频率模式投射的光的距离，第二距离信息表示基于使用第二扫频频率模式投射的光的距离。由此，在例如与振子等测量对象物T之间的距离加速度地变化的情况下，能够减少以往的方法中产生的与加速度相应的偏差(波动)。因此，通过使用该平均距离值，可以相对于距离加速度地变化的测量对象物T高精度地测量该距离。
在本实施方式中，示出了作为规定的扫频频率模式而包含第一扫频频率模式和第二扫频频率模式的例子，但并不限定于此。规定的扫频频率模式既可以仅包含第一扫频频率模式及第二扫频频率模式的任意一方，也可以包含第一扫频频率模式及第二扫频频率模式以外的扫频频率模式。
另外，波长扫频光源110并不限定于交替使用第一扫频频率模式和第二扫频频率模式的情况。规定的扫频频率模式例如包含上啁啾的信号、上啁啾的信号、下啁啾的信号、下啁啾的信号，波长扫频光源110也可以按上述顺序使用这四个信号。
[干涉仪的变形例]
在上述实施方式中，光干涉测距传感器100的干涉仪120使用了通过将光纤的前端作为参考面而产生参考光的斐索干涉仪，但干涉仪并不限定于此。
图14是表示使用测定光和参考光产生干涉光的干涉仪的变动的图。在图14的(a)中，在通过分叉部121分叉的光路A～C中，根据分别以光纤的前端(端面)为参考面的参考光与从传感器头照射并被测量对象物T反射的测定光的光路长度差生成干涉光。也可以构成为：呈上述本实施方式涉及的光干涉测距传感器100的干涉仪120的构成(斐索干涉仪)，该参考面通过光纤与空气的折射率的差异而反射光(菲涅尔反射)。另外，也可以在光纤的前端涂敷反射膜，还可以在光纤的前端实施无反射涂敷，另外再配置透镜面等的反射面。
在图14的(b)中，在通过分叉部121分叉的光路A～C中，形成向测量对象物T引导测定光的测定光路Lm1～Lm3和引导参考光的参考光路Lr1～Lr3，在参考光路Lr1～Lr3的前端分别配置有参考面(迈克尔逊干涉仪)。参考面也可以在光纤的前端涂敷反射膜，还可以在光纤的前端实施无反射涂敷，另外再配置反射镜等。在该构成中，通过在各测定光路Lm1～Lm3的光路长度与各参考光路Lr1～Lr3的光路长度设置光路长度差，从而在各光路A～C中生成干涉光。由于可以调整各测定光路Lm1～Lm3的光路长度，因此，可以使传感器头的光学设计变得容易。
在图14的(c)中，在通过分叉部121分叉的光路A～C中，形成向测量对象物T引导测定光的测定光路Lml～Lm3和引导参考光的参考光路Lr1～Lr3，并在参考光路Lr1～Lr3中配置有平衡检测器(马赫-曾德尔干涉仪)。在该构成中，通过在各测定光路Lm1～Lm3的光路长度与各参考光路Lr1～Lr3的光路长度设置光路长度差，从而在各光路A～C中生成干涉光。由于可以调整各测定光路Lm1～Lm3的光路长度，因此，可以使传感器头的光学设计变得容易。
这样，干涉仪并不限定于本实施方式中说明的斐索干涉仪，例如，也可以是迈克尔逊干涉仪或马赫-曾德尔干涉仪，只要能够通过设定测定光与参考光的光路长度差而产生干涉光，则可以应用任意的干涉仪，也可以应用它们的组合等或其他的构成。
此外，以上说明的实施方式是为了便于理解本发明，并非用于限定解释本发明。本发明能够在不脱离其主旨的情况下进行变更/改良，并且本发明也包含其等效物。即，只要具备本发明的特征，本领域技术人员对实施方式施加适当的设计变更而得到的技术也包含于本发明的范围内。例如，实施方式所具备的各要素及其配置、材料、条件、形状、尺寸等并不限定于例示内容，可以适当地进行变更。另外，实施方式为例示，当然能够进行不同实施方式所示的构成的部分替换或组合，只要包含本发明的特征，则这些也包含于本发明的范围内。
[附录1]
一种光干涉测距传感器(100)，具备：
光源(110)，使用规定的扫频频率模式，一边连续改变波长一边投射光；
干涉仪(120)，被供给从所述光源(110)投射的光，并生成基于测定光和参考光的干涉光，所述测定光是通过传感器头(122)向测量对象物(T)照射并被反射的光，所述参考光是沿至少一部分与所述测定光不同的光路前进的光；
受光部(130)，接收来自所述干涉仪(120)的干涉光并转换为电信号；
处理部(150)，根据通过所述受光部(130)转换的电信号，测量到所述测量对象物(T)为止的距离；以及
存储部(140)，存储表示所述测量出的距离的距离信息，
所述规定的扫频频率模式包含第一扫频频率模式和第二扫频频率模式，
所述处理部(150)包括平均距离值计算部(153)，所述平均距离值计算部(153)根据所述测量出的距离和存储于所述存储部(140)的过去多次的距离信息中的第一距离信息及第二距离信息算出平均距离值，所述第一距离信息表示基于使用所述第一扫频频率模式投射的光的距离，所述第二距离信息表示基于使用所述第二扫频频率模式投射的光的距离。
附图标记说明
1…传感器系统；10…位移传感器；11…控制设备；12…控制信号输入用传感器；13…外部连接设备；20…传感器头；21…物镜；22a、22b、22c…准直透镜；23…透镜架；24…光纤阵列；30…控制器；31…显示部；32…设定部；33…外部I/F部；34…光纤连接部；35…外部存储部；36…测量处理部；40…光纤；51…波长扫频光源；52…光放大器；53、53a、53b…隔离器；54、54a、54b、54c、54d、54e、54f、54g、54h、54i、54j…光耦合器；55…衰减器；56a、56b、56c…受光元件；57a、57b、57c…放大电路；58a、58b、58c…AD转换部；59…处理部；60…平衡检测器；61…校正信号生成部；71a、71b、71c、71d、71e…受光元件；72a、72b、72c…放大电路；74a、74b、74c…AD转换部；75…处理部；76…差动放大电路；77…校正信号生成部；100…光干涉测距传感器；110…波长扫频光源；120…干涉仪；121…分叉部；122…传感器头；123a…准直透镜；123b…准直透镜；123c…准直透镜；124…物镜；130、130a、130b、130c…受光部；131、131b、131c…受光元件；132a、132b、132c…AD转换部；140…存储部；150…处理部；151…频率转换部；152…距离转换部；153…平均距离值计算部；T…测量对象物；vs…电压。

Claims (8)

1.一种光干涉测距传感器，其特征在于，具备：
光源，使用规定的扫频频率模式，一边连续改变波长一边投射光；
干涉仪，被供给从所述光源投射的光，并生成基于测定光和参考光的干涉光，所述测定光是通过传感器头向测量对象物照射并被反射的光，所述参考光是沿至少一部分与所述测定光不同的光路前进的光；
受光部，接收来自所述干涉仪的干涉光并转换为电信号；
处理部，根据通过所述受光部转换的电信号，测量到所述测量对象物为止的距离；以及
存储部，存储表示所述测量出的距离的距离信息，
所述规定的扫频频率模式包含第一扫频频率模式和第二扫频频率模式，
所述处理部包括平均距离值计算部，所述平均距离值计算部根据所述测量出的距离和存储于所述存储部的过去多次的距离信息中的第一距离信息及第二距离信息算出平均距离值，所述第一距离信息表示基于使用所述第一扫频频率模式投射的光的距离，所述第二距离信息表示基于使用所述第二扫频频率模式投射的光的距离。
2.根据权利要求1所述的光干涉测距传感器，其特征在于，
所述第一距离信息表示所述测量出的距离的前一次的过去的距离，所述第二距离信息表示所述测量出的距离的前两次的过去的距离。
3.根据权利要求2所述的光干涉测距传感器，其特征在于，
所述平均距离值计算部根据所述测量出的距离与所述第一距离信息所示的距离的第一平均值、以及所述第一距离信息所示的距离与所述第二距离信息所示的距离的第二平均值算出所述平均距离值。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光干涉测距传感器，其特征在于，
所述平均距离值计算部根据所述测量出的距离、所述第一距离信息、所述第二距离信息、以及存储于所述存储部的过去多次的距离中与所述第一距离信息及所述第二距离信息不同的至少一个第三距离信息算出所述平均距离值。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光干涉测距传感器，其特征在于，
所述第一扫频频率模式是随着时间使扫频频率增加的模式，所述第二扫频频率模式是随着时间使扫频频率减少的模式。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光干涉测距传感器，其特征在于，
所述光源交替使用所述第一扫频频率模式和所述第二扫频频率模式。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的光干涉测距传感器，其特征在于，
所述处理部还包括频率转换部，所述频率转换部将由所述受光部转换后的电信号转换为频谱，
到所述测量对象物为止的距离是根据所述频谱进行测量的。
8.根据权利要求7所述的光干涉测距传感器，其特征在于，
所述处理部还包括距离转换部，所述距离转换部将由所述频率转换部转换后的频谱转换为到所述测量对象物为止的距离。
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