JP2009222573A - 距離測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】距離測定装置を小型化すること。
【解決手段】距離測定装置は、測定光と参照光を生成する光源１０およびスプリッタ１１と、参照光の光路長を制御する光路長制御手段１２と、検知器１３と、コントローラ１４と、で構成されている。光路長制御手段１２は、強誘電体を材料とし、空孔１２４が一定の間隔で周期的に形成されたフォトニック結晶１２１と、フォトニック結晶１２１の両面に設けられた金属薄膜電極１２２、１２３とで構成されている。金属薄膜電極１２２、１２３を介してフォトニック結晶１２１に電圧を印加することで、フォトニック結晶１２１のフォトニックバンド構造を変化させることができる。したがって、フォトニック結晶１２１に参照光を入射させれば、印加する電圧値に応じて参照光の光路長を制御することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光路長から距離を測定する距離測定装置に関するものである。

光を用いて距離を測定する方法として、以下に示す方法が知られている。

光源からの光を測定光と参照光の２つに分け、測定光を測定物に照射し、測定物によって反射された測定光を受信する。もう一方参照光は、光路長制御手段によって光路長を変化させる。そして、受信した測定光と参照光による干渉や自己相関が起こるように、光路長制御手段を調整する。干渉や自己相関が起こるのは、測定光と参照光の光路長が一致した場合であるから、光路長制御手段によって調整した光路差の値から距離を測定することができる。

光路長制御手段として、特許文献１にはミラーを機械的に移動させることで光路長を調整する手段が示されている。
特開平８−４３５３３

しかし、ミラーを機械的に移動させて光路長を調整する方法では、ミラーを移動させるために駆動装置が必要であり、また装置が大型になってしまうという問題があった。

そこで本発明の目的は、光の干渉によって測定物までの距離を測定する距離測定装置を小型化することである。

第１の発明は、測定物までの距離を光の干渉によって測定する距離測定装置において、測定光と参照光を同時に出力する光出力手段と、測定光を測定物に照射し、測定物によって反射された測定光を受光する照射受光手段と、フォトニック結晶によって前記参照光の群速度を制御することで、前記参照光の光路長を調整する光路長制御手段と、測定光と参照光との干渉が生じたときの、参照光の光路長によって距離を算出する距離算出手段と、を有することを特徴とする距離測定装置である。

光出力手段は、１つの光源からの光をスプリッタによって分割することで測定光と第１参照光を同時に生成するようにしてもよいし、特性の等しい２つの光源を制御して、それぞれの光源から測定光と参照光を同時に生成するようにしてもよい。光源には、ＳＬＤ（スーパールミネセントダイオード）や、短パルス光源などを用いることができる。測定光と参照光とで、干渉パターンが得られるのは、測定光と参照光の光路差が、光のコーヒレント長以下の場合に生じる。両光の光路差が零であれば、コーヒーレント長内の波数の分だけ干渉縞が発生し、光路差がコーヒーレント長に向かって長くなるに連れて、干渉縞の数が減少する。したがって、コーヒーレント長が分解能を決定するが、干渉縞が最大となる位置を決定することで、コーヒーレント長以下の精度でも、距離測定が可能である。

第２の発明は、第１の発明において、前記フォトニック結晶は、強誘電体部材で構成され、光路長制御手段は、強誘電体部材に電圧を印加して強誘電体の屈折率を変化させることで群速度を制御する、ことを特徴とする距離測定装置である。

フォトニック結晶の構造は、強誘電体部材に周期的な柱状の孔を設けることで構成してもよいし、柱状の強誘電体部材を周期的に並べることで構成してもよい。

第３の発明は、第１の発明において、光路長制御手段は圧電素子を有し、光路長制御手段は、圧電素子に電圧を印加することによってフォトニック結晶を物理的に変形させることによって群速度を制御する、ことを特徴とする距離測定装置である。

第４の発明は、第１の発明において、フォトニック結晶は、フォトニック結晶ファイバであり、光路長制御手段は、フォトニック結晶ファイバの伸張によって群速度を制御する、ことを特徴とする距離測定装置である。

フォトニック結晶ファイバの伸張は、圧電素子に電圧を印加することなどによって行うことができる。

フォトニック結晶中の光の群速度は、波長がバンドギャップ近傍であると非常に遅くなるため、光路長を非常に大きくすることができる。また、フォトニック結晶のフォトニックバンド構造は、フォトニック結晶の材料自体の屈折率を変化させたり、フォトニック結晶構造の周期性を変化させることなどで変えることができ、これによりフォトニック結晶中の光の群速度も変化させることができる。

第１の発明は、上述のようなフォトニック結晶の性質を利用し、距離測定装置の光路長制御手段として、群速度可変なフォトニック結晶を用いるものである。参照光を群速度可変なフォトニック結晶に入射させることで、参照光の群速度を非常に遅くすることができるので、参照光の光路長を大きく変化させることができる。ミラーを移動させる駆動装置などを必要とせずに光路長を大きくできるため、光路長制御手段の小型化を図ることができ、その結果として距離測定装置自体も小型化することができる。

第２の発明では、フォトニック結晶の材料自体の屈折率を電圧を印加して変化させることで、第３の発明では、圧電素子に電圧を印加してフォトニック結晶を物理的に変形させることで、フォトニックバンド構造を変化させている。いずれも印加する電圧値によって参照光の群速度が決まり、群速度によって光路長が決まる。したがって、干渉が検出されたときの電圧値から測定物までの距離が算出できる。

また、第４の発明のように、フォトニック結晶ファイバは伸張によりフォトニックバンド構造を変化させることができるので、参照光をフォトニック結晶ファイバに入射させることで、参照光の光路長を制御することができる。また、フォトニック結晶ファイバを用いると、参照光の光路長をより大きくできるため、長距離の測定に有効である。

以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明はそれらの実施例に限定されるものではない。

図１は、実施例１の距離測定装置の構成について示した図である。距離測定装置は、光源１０と、スプリッタ１１と、光路長制御手段１２と、検知器１３と、コントローラ１４と、ミラー１６と、距離測定装置は、光源１０と、スプリッタ１１と、光路長制御手段１２と、検知器１３と、コントローラ１４と、ミラー１６と、で構成されている。光源１０とスプリッタ１１が、本発明の光出力手段に相当し、ミラー１６と検知器１３が本発明の照射受光手段に相当し、検知器１３とコントローラ１４が本発明の距離算出手段に相当する。

光源１０は、波長１．５５μｍの光を放射するＳＬＤ（スーパールミネセントダイオード）である。短パルス光源などを用いてもよい。

光路長制御手段１２は、図２に示すように、強誘電体であるＰＬＺＴ（チタン酸ジルコン酸ランタン鉛）を材料とし、直径０．２６０７μｍの円柱状の空孔１２４が０．６２μｍの間隔で周期的に形成されたフォトニック結晶１２１と、フォトニック結晶１２１の両面に設けられた金属薄膜電極１２２、１２３とで構成されている。金属薄膜電極１２２、１２３に電圧を印加すると、その電圧値に応じてＰＬＺＴの屈折率が変化し、フォトニック結晶１２１のフォトニックバンド構造も変化する。なお、図２では、フォトニック結晶１２１の構造がわかるように透過して示している。

検知器１３は、ＣＣＤなどの撮像素子によって観測面に生じる光の干渉縞を観測する装置である。干渉縞を観測しやすくするために、観測面に入射する光の光軸は、観測面に対して垂直な方向から少し傾けることが望ましい。

次に、この距離測定装置の動作について説明する。

光源１０から放射される光は、スプリッタ１１によって測定光と参照光に分割される。測定光は、ミラー１６によって照射方向を制御されて測定物１５に照射され、測定物１５によって反射された測定光は検知器１３によって受光される。

一方、参照光は、光路長制御手段１２によって光路長を調整された後、検知器１３に到達する。

ここで、光路長制御手段１２による光路長制御の動作についてより詳しく説明する。参照光は、光路長制御手段１２のフォトニック結晶１２１に入射させたのち、フォトニック結晶１２１から出射させる。フォトニック結晶１２１中の参照光は、そのフォトニック結晶１２１のフォトニックバンド構造によって群速度が変化する。群速度が変化するというのは、つまり、光路長が変化するということである。フォトニック結晶１２１のフォトニックバンド構造は、金属薄膜電極１２２、１２３を介してフォトニック結晶１２１に印加する電圧に応じて変化するので、印加する電圧値によって参照光の光路長を制御することができる。フォトニック結晶１２１中の光の群速度は非常に遅くすることができるが、これは光路長を非常に長くできることを意味する。したがって、光路長制御手段１２としてフォトニック結晶１２１を用いることにより、光路長制御手段１２を小型化することができる。

そして、検知器１３において、測定光と参照光とによる干渉が検出されるまで、コントローラ１４により光路長制御手段１２に印加する電圧を制御し、参照光の光路長を調整する。干渉縞の数が最も多く検出されるのは測定光の光路長と参照光の光路長が一致するときであるから、干渉縞の数が最も多く検出されたときの参照光の光路長によって、測定物１５までの距離が決まる。このように、測定物１５までの距離は、干渉縞のピークが検出されたときの参照光の光路長によって決定され、その光路長は光路長制御手段１２に印加する電圧値によって決定されることから、あらかじめ印加する電圧値と測定距離とを対応付けておけば、干渉縞のピークが検出されたときの電圧値によって測定物１５までの距離を算出することができる。また、光のコーヒーレント長以内の光路差が発生した場合に、何らかの干渉縞が発生し、コーヒーレント長の１／２の光路差が発生した場合には、干渉縞の数や全体としての干渉縞の強度も１／２となる。したがって、干渉縞の数のピークを検出すると、最も、精度の高い距離測定が実現できるが、コーヒーレント長の１／２の範囲の干渉をしきい値とするのであれば、距離測定の分解能は、コーヒーレント長の１／２となる。コーヒーレント長を短くすると、分解能が高くなるが、それだけ、干渉縞の数が減少するため、干渉縞の検出が困難となる。コーヒーレント長を短くするには、コーヒーレント長の短いレーザや、パルスレーザを用いると良い。干渉縞を検出する方法は、各種の方法が考えられる。一つの方法は、干渉縞（明暗）の本数をパターン認識で検出する方法である。光路差をフィードバック制御して、干渉縞の数が最も多くなる位置を検出する方法が考えられる。また、検知器１３の受光面上の各画素毎に、明度がある第１しきい値（干渉縞の明部分の明度に近いしきい値）よりも高い画素の数と、明度がある第２しきい値（干渉縞の暗部分の明度に近いしきい値）よりも暗い画素の数とを検出して、これらの画素数がほぼ等しく、その数が最も大きい位置を、光路差零の位置として検出する方法が考えられる。また、干渉縞が、受光面の全体の明度に関係するのであれば、単に、明度の変化特性から、光路差零の位置を検出するようにしても良い。

以上のように、実施例１の距離測定装置では、光路長制御手段を小型化することができるので、距離測定装置も小型化することができる。

なお、実施例１において、フォトニック結晶１２１の材料としてＰＬＺＴを用いているが、他の強誘電体を用いてもよい。

実施例２の距離測定装置は、実施例１の距離測定装置における光路長制御手段１２を、以下に説明する光路長制御手段２２に替えたものである。

光路長制御手段２２は、図３に示すように、圧電素子２２５と、圧電素子２２５の両面に形成された金属薄膜電極２２２、２２３と、金属薄膜電極２２２上に形成されたシリコン膜２２７と、シリコン膜２２７上にＳｉＯ₂ 膜２２８を介して形成されたフォトニック結晶２２１と、で構成されている。フォトニック結晶２２１は、厚さ０．２μｍのシリコン膜に直径０．２１４５μｍの空孔２２４が０．３９μｍの間隔で周期的に形成された構造に、線状に周期性を乱した線欠陥部２２９を設けた光導波路構造である。線欠陥部２２９の下部にはＳｉＯ₂ 膜２２８が形成されておらず、中空になっている。膜厚方向にはシリコンであるフォトニック結晶２２１をコア、空気層をクラッドとした屈折率差の大きい構造となっているので、フォトニック結晶２２１中の光を全反射によって膜厚方向に閉じ込めるのが容易となっている。

金属薄膜電極２２２、２２３に電圧を印加することで圧電素子２２５を変形させ、その変形によってフォトニック結晶２２１を変形させることで、フォトニック結晶２２１のフォトニックバンド構造を変化させることができる。したがって、圧電素子２２５にある値の電圧を印加した状態でフォトニック結晶２２１中に参照光を入射させたあと出射させれば、その電圧値に応じて参照光の光路長を制御することが可能である。

実施例２の距離測定装置は、検知器１３において、測定光と参照光とによる干渉が検出されるまで、コントローラ１４により光路長制御手段２２の圧電素子２２５に印加する電圧を制御し、干渉が検出されたときの電圧値から測定物１５までの距離を測定する。実施例１の場合と同じように、圧電素子２２５に印加する電圧値と測定距離とをあらかじめ対応付けておけば、干渉が検出されたときの電圧値から測定物までの距離を算出することができる。

この実施例２の距離測定装置もまた、実施例１の距離測定装置と同様に光路長制御手段を小型化することができるので、距離測定装置も小型化することができる。

実施例３の距離測定装置は、実施例１の距離測定装置における光路長制御手段１２を、以下に説明する光路長制御手段３２に替えたものである。

光路長制御手段３２は、図４に示すように、一定の間隔を開けて台座３２６上に一端を固定して配置された２本の円柱３２７、３２８と、２本の円柱３２７、３２８の他方の端を固定する圧電素子３２５と、その２本の円柱３２７、３２８を心としてコイル状に巻き付けられたフォトニック結晶ファイバ３２１と、で構成されている。

図５は、フォトニック結晶ファイバ３２１の軸方向に垂直な面での断面を示す図である。図５のように、フォトニック結晶ファイバ３２１は、軸方向に垂直な面での断面形状が、円柱状の７つの空孔３２４が正三角形の頂点に対応する配置で中心付近に形成された形状である構造となっている。

圧電素子３２５に電圧を印加すると、圧電素子３２５の変形によって２本の円柱３２７、３２８間の距離が変化する。これによってフォトニック結晶ファイバ３２１は伸張されるため、フォトニックバンド構造を変化させることができる。したがって、圧電素子３２５にある値の電圧を印加した状態でフォトニック結晶ファイバ３２１に参照光を入射させ、その後出射させれば、その電圧値に応じて参照光の光路長を制御することが可能である。

この実施例３の距離測定装置の動作は、実施例１、２の距離測定装置の動作とほぼ同じである。すなわち、実施例３の距離測定装置は、検知器１３において、測定光と参照光とによる干渉が検出されるまで、コントローラ１４により光路長制御手段３２の圧電素子３２５に印加する電圧を制御し、干渉が検出されたときの電圧値から測定物１５までの距離を測定する。実施例１の場合と同じように、圧電素子３２５に印加する電圧値と測定距離とをあらかじめ対応付けておけば、干渉が検出されたときの電圧値から測定物までの距離を算出することができる。

実施例３の距離測定装置は、光路長制御手段３２としてフォトニック結晶ファイバ３２１を用いているため、実施例１、実施例２の距離測定装置の光路長制御手段１２、２２に比べて参照光の光路長をより長くすることができる。したがって、実施例３の距離測定装置は、長距離の測定に特に有効である。

この実施例２の距離測定装置もまた、実施例１の距離測定装置と同様に光路長制御手段を小型化することができるので、距離測定装置も小型化することができる。

なお、光路長制御手段３２に加えて、さらに光路長制御手段１２もしくは光路長制御手段２２を有するようにしてもよい。そうすれば、光路長制御手段３２を用いて遠距離を測定し、光路長制御手段１２もしくは光路長制御手段２２によって近距離を測定することが可能な小型の距離測定装置を実現することができる。

なお実施例では、１つの光源から放射された光を分割して測定光と参照光を生成しているが、同一特性の光源を２つ用い、２つの光源から同時に光が放射されるように制御し、一方の光源からの光を測定光、他方の光源からの光を参照光としてもよい。

また、光路長制御手段の構成は実施例に示した構成に限るものではなく、フォトニック結晶を用いて光の群速度を制御できる構成であればよい。また、フォトニック結晶およびフォトニック結晶ファイバの構造も実施例に示したものに限るものではない。

本発明によると、距離測定装置を小型化することができるので、携帯性に優れている。

実施例１の距離測定装置１の構成について示した図。 光路長制御手段１２の構成について示した図。 光路長制御手段２２の構成について示した図。 光路長制御手段３２の構成について示した図。 フォトニック結晶ファイバ３２１の断面を示した図。

符号の説明

１０：光源
１１：スプリッタ
１２、２２、３２：光路長制御手段
１３：検知器
１４：コントローラ
１２１、２２１：フォトニック結晶
３２１：フォトニック結晶ファイバ
２２５、３２５：圧電素子

Claims (4)

1. 測定物までの距離を光の干渉によって測定する距離測定装置において、
   測定光と参照光を同時に出力する光出力手段と、
   前記測定光を前記測定物に照射し、前記測定物によって反射された前記測定光を受光する照射受光手段と、
   フォトニック結晶によって前記参照光の群速度を制御することで、前記参照光の光路長を調整する光路長制御手段と、
   前記測定光と前記参照光との干渉が生じたときの、前記参照光の光路長によって距離を算出する距離算出手段と、
   を有することを特徴とする距離測定装置。
2. 前記フォトニック結晶は、強誘電体部材で構成され、
   前記光路長制御手段は、前記強誘電体部材に電圧を印加して強誘電体の屈折率を変化させることで群速度を制御する、ことを特徴とする請求項１に記載の距離測定装置。
3. 前記光路長制御手段は、圧電素子を有し、
   前記光路長制御手段は、前記圧電素子に電圧を印加することによって前記フォトニック結晶を物理的に変形させることによって群速度を制御する、ことを特徴とする請求項１に記載の距離測定装置。
4. 前記フォトニック結晶は、フォトニック結晶ファイバであり、
   前記光路長制御手段は、前記フォトニック結晶ファイバの伸張によって群速度を制御する、ことを特徴とする請求項１に記載の距離測定装置。

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