JP2014185956A - 距離測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高速かつ高精度であり、奥行き方向の測定範囲を広くできる距離測定装置を提供すること。
【解決手段】本発明の一実施形態においては、制御装置１０３が、短距離測定部１０１により検出された第１および第２のビート信号から第１距離データを算出し、長距離測定部１０２により検出された検出信号により第２の距離データを算出する。制御装置１０３は、第２の距離データにより、第１の距離データが示す距離値の、測定対象物１０５の実際の距離からのオフセット値を算出し、該オフセット値により第１の距離データが示す距離値を補正することにより、測定対象物１０５までの距離を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、距離測定装置に関し、より詳細には、測定対象物にレーザ光を照射し、該測定対象物からの反射光を用いて測定対象物までの距離を測定する距離測定装置に関するものである。

従来、特許文献１で提案されている距離計は、基準面に照射した基準光の該基準面による反射光と測定面に照射した測定光の該測定面による反射光との干渉光を検出して、上記基準面までの距離と上記測定面までの距離の差を求める。具体的には、モード周波数間隔が異なる２台の光周波数コム発生器により、周期的に強度又は位相が変調され、互いに変調周期が異なる干渉性のある基準光と測定光とを出射する。基準光は基準面に照射され、測定光は測定面に照射される。基準光と測定光との第１の干渉光を検出するとともに、上記基準面により反射された基準光と上記測定面により反射された測定光との第２の干渉光を検出する。次いで、第１の干渉光から得られる干渉信号と第２の干渉光から得られる干渉信号の時間差から、基準面までの距離と測定面までとの距離の差を求める。特許文献１では、１点の測定のために光周波数コムの周波数を変えて複数回の計測を行い、周波数と計測される位相との関係から途中に周期が何個あるか（次数）を整数値で判別している。

特許文献２では、測定対象物からの反射光と参照光とを干渉させ、該干渉により得られる干渉光の強度の変化から測定対象物までの距離を求めることが提案されている。具体的には、単一の光源から出射された光をビームスプリッタにより２つに分割する。一方の分割光を測定対象物に入射し、該測定対象物による反射光となり、他方の分割光は参照光生成部にて反射されて参照光となる。上記反射光と参照光とを干渉させて干渉光を生成し、該干渉光の強度を測定して、上記ビームスプリッタから測定対象物までの距離を求めている。

特許文献２では、参照光生成部は、各々の光路の末端に光反射面を有し、ビームスプリッタとの間の光路長に差を設けられて配置される第１生成部〜第Ｎ生成部（Ｎ＝２以上の整数を有している。そして、第１生成部から第Ｎ生成部にかけての光路長の差の総和が、可干渉距離の２倍以上に設定されている。このような構成で、第１生成部から第Ｎ生成部に対して順に参照光が照射され、様々な、ビームスプリッタからの光路長を伝播した参照光が得られる。参照光と反射光とを干渉させることにより、上記複数の光路長を有する参照光のうち、上記反射光のビームスプリッタからの光路長と一致する参照光を生成する生成部を特定し、該生成部のビームスプリッタからの距離が、測定対象物までの距離となる。よって、参照光生成部を動かさなくても、ビームスプリッタから測定対象物までの距離を算出できる。

特許文献３では、レーザ光を用いて測定対象物までの距離を測定するレーザ距離計であって、レーザ光の発射時刻と、測定対象物に当たり反射してきたレーザ光を受光素子にて検出した時刻との差に基づいて、測定対象物までの距離を算出することが開示されている。

特開２０１０−１４５４９号公報 特開２０１１−２２６７８５号公報 特開２００１−３４３２３４号公報

特許文献１においては、１点の測定のために、基準光と測定光との出射において、光周波数コムの周波数を変えて複数回の計測を行っている。同様に、特許文献２においても、一点の測定のために、参照光生成部が有する第１生成部〜第Ｎ生成部の各々から参照光を取得する必要があり、複数の生成部を順次参照する必要がある。すなわち、特許文献１、２に開示された技術では、ある１点の距離測定に対して、検出器による所定の情報の検出動作が複数回必要となってしまう。

また、特許文献１、２においては、上記一定の測定のために、距離測定のための装置を、一定時間、高精度に同位置に停止させる必要がある。そのため、距離測定のための装置を停止させずに走査しながら、互いに異なる複数の測定点を高速に測定することができない。

さらに、特許文献１に開示された技術では、上述のように、基準光と、測定対象物からの反射光との干渉光を生成し、該干渉光におけるビートにより距離を算出している。よって、測定に用いる周波数等によって、計測可能な距離は決まってしまう。従って、奥行き方向の距離の測定範囲は、用いる測定装置によって制限されてしまう。

なお、本願明細書において、ある点を基準にして、該ある点に入射した、測定のためのレーザ光の進行方向（光軸方向）を「奥行き方向」と呼ぶことにする。よって、測定対象物の奥行き方向とは、測定のためのレーザ光の入射側と反対側の方向である。

また、特許文献２においては、上述のように、参照光生成部が有する、複数の生成部（異なる光路長の参照光を生成する構成）のうち、ビームスプリッタからの光路長が最も長い光路長が、測定できる長さの限界となる。従って、装置の構成によって測定できる距離が決まってしまうので、奥行き方向の測定範囲も限定されてしまう。

一方、特許文献３については、レーザ光の遅延時間を高精度に測定するために、例えば１μｍの距離分解能を得るためには、光が往復で２μｍの距離を進む時間に等しい時間分解能（約７フェムト秒）が必要である。これを電気回路で実現するためには周波数帯域を数百ＧＨｚから数ＴＨｚに上げる必要があるため現在の技術では不可能であると言える。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、高速かつ高精度であり、奥行き方向の測定範囲を広くできる距離測定装置を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明の第１の態様は、光を測定対象物に照射して該測定対象物にて反射させ、該反射された光を検出して、前記測定対象物までの距離を測定する距離測定装置であって、第１の周波数を有し、少なくとも一方が変調された第１のレーザ光と第２のレーザ光とを発生させ、該第１のレーザ光を一方の第１のレーザ光と他方の第１のレーザ光とに分岐し、前記第２のレーザ光を一方の第２のレーザ光と他方の第２のレーザ光とに分岐し、前記一方の第２のレーザ光を前記測定対象物に対して出射し、該一方の第２のレーザ光の前記測定対象物からの第１の反射光と前記一方の第１のレーザ光とを干渉させて第１の干渉信号を生成し、前記他方の第１のレーザ光と前記他方の第２のレーザ光とを干渉させて第２の干渉信号を生成する第１の距離測定手段と、前記一方の第２のレーザ光と干渉しない第３のレーザ光を前記測定対象物に対して出射し、該第３のレーザ光の前記測定対象物からの第２の反射光を検出する第２の距離測定手段と、前記第１の距離測定手段において前記測定対象物に対して出射された前記一方の第２のレーザ光と、前記第２の距離測定手段において前記測定対象物に対して出射された前記第３のレーザ光とを混合し、前記第１の反射光を前記第１の距離測定手段に出射し、前記第２の反射光を前記第２の距離測定手段に出射する光混合手段と、前記第１の干渉信号と前記第２の干渉信号とにより、第１の距離データを算出する第１の距離データ算出手段と、前記検出された第２の反射光の検出結果により、第２の距離データを算出する第２の距離データ算出手段と、前記第１の距離データおよび前記第２の距離データから、前記測定対象物までの距離を算出する演算手段とを備え、前記第１の距離測定手段の奥行き方向の測定範囲は、前記第２の距離測定手段の奥行き方向の測定範囲よりも狭く、前記演算手段は、前記第２の距離データにより、前記第１の距離データが示す距離値の、前記測定対象物の実際の距離からのオフセット値を算出し、該オフセット値により前記第１の距離データが示す距離値を補正することにより、前記測定対象物までの距離を算出する。

本発明によれば、第１の距離測定手段により干渉を用いて第１の距離データを算出し、第１の距離測定手段よりも測定範囲が広く、第１の距離測定手段と同期して動作させた第２の距離測定手段により第２の距離データを算出する。次いで、該第２の距離データを用いて、第１の距離データが示す距離値の、測定対象物の実際の距離からのオフセット値を算出し、該オフセット値により第１の距離データが示す距離値を補正することにより、測定対象物までの距離を算出している。従って、測定対象物までの距離の測定において、高速かつ高精度であり、奥行き方向の測定範囲を広くすることができる。

本発明の一実施形態に係る距離測定装置の模式図である。 本発明の一実施形態に係る距離測定装置の制御系の概略構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る距離測定装置の演算系を示す機能ブロック図である。 本発明の一実施形態に係る短距離測定部により距離を測定する場合の、測定対象物の実際の位置と算出された距離との関係を示す図である。 本発明の一実施形態に係る長距離測定部により距離を測定する場合の、測定対象物の実際の位置と算出された距離との関係を示す図である。 本発明の一実施形態に係る、高分解能短距離データと低分解能長距離データとを重ね合わせた図である。 本発明の一実施形態に係る距離測定装置の模式図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明するが、本発明は本実施形態に限定されるものではない。なお、以下で説明する図面で、同機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略することもある。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係る距離測定装置の模式図である。
図１において、距離測定装置１００は、短距離測定部１０１と、長距離測定部１０２と、制御装置１０３と、ダイクロイックミラー１０４とを備え、測定対象物１０５までの距離を測定する。

本実施形態では、短距離測定部１０１の測定範囲（奥行き方向における、距離を求めることができる範囲）は、長距離測定部１０２の測定範囲よりも狭い。また、短距離測定部１０１を用いると、短距離の測定になってしまうが、長距離測定部１０２を用いた場合よりも高精度に距離を取得することができる。なお、長距離測定部１０２による距離測定の測定精度（バラツキ範囲）は、短距離測定部１０１の測定範囲よりも良い精度であることが好ましい。すなわち、長距離測定部１０２を用いた同位置における算出距離のバラツキが、短距離測定部１０１の測定範囲よりも小さいことが好ましい。本実施形態では、このような短距離測定部１０１と長距離測定部１０２とを組み合わせ、これら短距離測定部１０１と長距離測定部１０２とから互いに干渉しないレーザ光を測定対象物１０５に照射することにより、同時に同一ポイントの距離を測定する。本実施形態では、短距離測定部１０１により得られた距離データと、長距離測定部１０２により得られた距離データとを用いて予めキャリブレーションをし、実際の距離から、より高精度な短距離測定部１０１から得られた距離データ値に対する補正オフセット値を決めて距離を算出する。

なお、短距離測定部１０１と長距離測定部１０２との測定は同期が取られており、それらにより同時に距離を測定する。また測定対象物１０５の形状変化が少ない状況では長距離測定部１０２による測定回数は、短距離測定部１０３に対し減らしてもよい。これは、形状変化が少ない領域のある点の距離については、該ある点近辺に対してすでに長距離測定部１０２を用いて得られた距離データから予測できるためである。

短距離測定部１０１は、光源１０６と、ビームスプリッタ１０７と、変調器１０８と、光コム発生器１０９、１１０と、干渉信号検出器１１１、１１２と、ビームスプリッタ１１３〜１１５とを備えている。

光源１０６は、６８０ｎｍの波長を有するレーザ光Ｌ１を出射する。ビームスプリッタ１０７は、光源１０６から出射されたレーザ光Ｌ１を透過させると共に、一部を反射する。すなわち、ビームスプリッタ１０７は、レーザ光Ｌ１を測定光Ｌ２と基準光Ｌ３とに分岐する。変調器１０８は、ビームスプリッタ１０７から出射された基準光Ｌ３に対して周波数変調をかけ、変調後の基準光Ｌ４を出射する。このようにして、互いに変調周期が異なる干渉性のある測定光Ｌ２と変調後の基準光Ｌ４とが発生させられる。なお、本実施形態では、ビームスプリッタ１０７の基準光の出射側に変調器１０８を設けているが、これに限らず、ビームスプリッタ１０７の測定光の出射側に変調器１０８を設けても良いし、それら両方側に変調器１０８をそれぞれ設けても良い。

光コム発生器１０９は、ビームスプリッタ１０７から入射された測定光Ｌ２を測定用光コムパルスレーザ光Ｌ５に変換して出射する。同様に、光コム発生器１１０は、変調器１０８から入射された変調後の基準光Ｌ４を基準用光コムパルスレーザ光Ｌ６に変換して出射する。

ビームスプリッタ１１３は、光コム発生器１１０から入射された基準用光コムパルスレーザ光Ｌ６を透過させると共に、一部を反射する。すなわち、ビームスプリッタ１１３は、基準用光コムパルスレーザ光Ｌ６を第１の分岐基準用光コムパルスレーザ光Ｌ７と第２の分岐基準用光コムパルスレーザ光Ｌ８とに分岐する。一方、ビームスプリッタ１１４は、光コム発生器１０９から入射された測定用光コムパルスレーザ光Ｌ５を透過させると共に、一部を反射する。すなわち、ビームスプリッタ１１４は、測定用光コムパルスレーザ光Ｌ５を第１の分岐測定用光コムパルスレーザ光Ｌ９と第２の分岐測定用光コムパルスレーザ光Ｌ１０とに分岐する。ビームスプリッタ１１５は、ビームスプリッタ１１４から入射された第１の分岐測定用光コムパルスレーザ光Ｌ９を透過させ、後述する第１の反射光Ｌ１１を干渉信号検出器１１１側に反射させる。このように構成された短距離測定部１０１は、第１の周波数を有する第１の分岐測定用光コムパルスレーザ光Ｌ９をダイクロイックミラー１０４に対して出射する。

干渉信号検出器１１１は、測定対象物１０５にて反射された第１の反射光Ｌ１１と、第１の分岐基準用光コムパルスレーザ光Ｌ７とを干渉させた第１の干渉信号を検出する。すなわち、干渉信号検出器１１１は、測定対象物１０５に到達し、反射して戻ってきた第１の反射光Ｌ１１と第１の分岐基準用光コムパルスレーザ光Ｌ７とを干渉させた第１のビート信号を生成し、該第１のビート信号を制御装置１０３に送信する。

干渉信号検出器１１２は、第２の分岐測定用光コムパルスレーザ光Ｌ１０と第２の分岐基準用光コムパルスレーザ光Ｌ８とを干渉させた第２の干渉信号を検出する。すなわち、干渉信号検出器１１２は、光コム発生器１０９からそのまま入射した、第２の分岐測定用光コムパルスレーザ光Ｌ１０と第２の分岐基準用光コムパルスレーザ光Ｌ８とを干渉させた第２のビート信号を生成し、該第２のビート信号を制御装置１０３に送信する。

長距離測定部１０２は、光源１１６と、検出器１１７と、ビームスプリッタ１１８とを備えている。光源１１６は、第１のレーザ光Ｌ１の出射と同時に、第１の分岐測定用光コムパルスレーザ光Ｌ９（第１のレーザ光Ｌ１）と干渉しない１５５０ｎｍの波長を有するレーザ光Ｌ２１を出射する。ビームスプリッタ１１８は、光源１１６から入射されたレーザ光Ｌ２１を透過させると共に、後述する第２の反射光Ｌ２２を検出器１１７側に反射する。検出器１１７は、ビームスプリッタ１１８にて反射された反射光Ｌ２２を検出する。検出器１１７は、反射光Ｌ２２を検出すると、該反射光Ｌ２２を検出した旨を示す検出信号を制御装置１０３に送信する。

ダイクロイックミラー１０４は、第1の周波数の光を透過し、第２の周波数の光を反射する。よって、ダイクロイックミラー１０４は、短距離測定部１０１から入射された第１の分岐測定用光コムパルスレーザ光Ｌ９を測定対象物１０５側に透過させ、長距離測定部１０２から入射されたレーザ光Ｌ２１を測定対象物１０５側に反射する。よって、ダイクロイックミラー１０４により、短距離測定部１０１から出射された第１の分岐測定用光コムパルスレーザ光Ｌ９と長距離測定部１０２から出射されたレーザ光Ｌ２１とは混合して同一経路を伝播し、測定対象物１０５の同一点に入射し、反射する。すなわち、測定対象物１０５により反射された第１の分岐測定用光コムパルスレーザ光Ｌ９は第１の反射光１１となり、測定対象物１０５により反射されたレーザ光２１は第２の反射光２２となる。

ダイクロイックミラー１０４は、第１の周波数を有する第１の反射光Ｌ１１を短距離測定部１０１側に透過させ、第２の周波数を有する第２の反射光Ｌ２２を長距離測定部１０２側に反射する。よって、ダイクロイックミラー１０４は、測定対象物にて反射された２つの波長のレーザ光を、それらレーザ光の生成元に振り分ける。

図２は、本実施形態の距離測定装置１００における制御系の概略構成を示すブロック図である。
制御装置１０３は、距離測定装置１００全体を制御する制御手段としての制御部である。この制御装置１０３は、種々の演算、制御、判別などの処理動作を実行するＣＰＵ２０１、およびこのＣＰＵ２０１によって実行される様々な制御プログラムなどを格納するＲＯＭ２０２を有する。また、制御装置１０３は、ＣＰＵ２０１の処理動作中のデータや入力データなどを一時的に格納するＲＡＭ２０３、フラッシュメモリやＳＲＡＭ等の不揮発性メモリ２０４等を有する。制御装置１０４には、光源１０６、１１６、変調器１０８、光コム発生器１０９、１１０、干渉信号検出器１１１、１１２、検出器１１７が電気的に接続されている。

図３は、本実施形態に係る距離測定装置１００の演算系を示す機能ブロック図である。
図３において、第１距離データ生成部３０１は、干渉信号検出器１１１から送信された第１のビート信号と、干渉信号検出器１１２から送信された第２のビート信号との時間差から、短距離測定部１０１を用いて測定した際に得られる距離値を示す第１距離データを生成する。なお、該第１距離データが示す距離値は、干渉信号検出器１１１と測定対象物１０５との間の、第１の反射光Ｌ１１の経路の長さである。

図４は、短距離測定部１０１を用いて算出された測定対象物までの距離と、測定対象物の実際の位置との関係を示す図、すなわち、測定対象物の実際の位置と第１距離データとの関係を示す図である。なお、図４において、横軸は、測定対象物１０５の実際の位置を示し、縦軸は、測定対象物１０５までの実際の距離を示す。従って、測定対象物１０５の実際の位置とその位置までの実際の距離とは、図４の破線で示すように正比例の関係にある。

本実施形態では、ビート信号に基づいて距離を算出しているので、図４に示すように、奥行き方向においては、用いるレーザ光の周波数等に依存した奥行き方向の測定範囲がある。短距離測定部１０１のみを用いて測定可能な距離は、干渉信号の発生周期になり、レーザ光の設定状況にも依るが、例えば、数ｍｍ程度である。よって、短距離測定部１０１を用いた測定・演算では、奥行き方向の測定可能な距離の最大値４０１よりも大きい値は得られない。本来であれば、算出される距離の最大値４０１に対応する実際の位置４０２よりも遠い場合であっても、実際の位置と算出される距離との関係は、図４の破線（測定対象物の各位置での正しい距離）で示すような関係になれば良い。しかしながら、本実施形態では、ビート信号を用いた測距方法を用いているので、位置４０２を越えると、実際の位置と算出される距離との関係は、再び位置０〜位置４０２までの関係となってしまう。すなわち、測定範囲を超えてしまうと、図４の位置０〜位置４０２までの関係が繰り返し現れることになる。よって、短距離測定部１０１では、奥行き方向の測定範囲よりも遠い位置にある測定対象物までの距離を正確に算出することができない。

しかしながら、実際の位置と算出される距離との関係が、位置０〜位置４０２までの関係に戻ったとしても、正しい算出距離を表す上記破線に対しては、バラツキがほとんど無い高精度な結果となっている。図４において、例えば、位置４０３の測定対象物の距離を測定した場合、正しい距離は、距離値４０４となるが、短距離測定部１０１により測定すると、距離値４０５（第１距離データ）となってしまう。しかしながら、図４中において太線で囲んだ、区画４０６と区画４０７とを比較すると、実際の位置と距離との関係は精度良く一致している。従って、第１距離データは、高分解能短距離データと言える。よって、区画４０７を区画４０６と一致するような補正を行なえば、高精度に得られる第１距離データを用いて測定対象物１０５までの距離を求めることができる。すなわち、奥行き方向の測定範囲よりも大きい距離については、実際の距離値と、短距離測定部１０１を用いて得られた距離値である第１距離データが示す値との間にはオフセット値が存在し、該オフセット値を求めることにより、第１距離データを用いて高精度な距離を算出することができる。

本実施形態では、図４から分かるように、区画４０６を奥行き方向の測定範囲の最大値４０１を２つ分だけ積算させると、区画４０６は区画４０７となる。位置０〜位置４０２までの距離と位置との関係の繰り返し数をｋ（ｋ：自然数）とすると、最大値４０１をｋ−１だけ積算させると、第１距離データが示す距離値が、実際の距離値と一致する。よって、オフセット値Ｈは、（ｋ−１）×最大値４０１となる。

第２距離データ生成部３０２は、ある点に対する測定における、レーザ光Ｌ２１の発射時刻と、測定対象に当たり反射してきた第２の反射光Ｌ２２を検出器１１７にて検出した検出時刻との差から距離を求め、該距離値を示す第２距離データを生成する。具体的には、ある点に対する測定時において、光源１１６からレーザ光Ｌ２１を出射させる際に、制御装置１０３は、タイマシステム（不図示）などを参照してレーザ光Ｌ２１の発射時刻を取得する。測定対象物１０５からの第２の反射光Ｌ２２を受光すると検出器１１７が検出信号を制御装置１０３に送信するので、制御装置１０３は、タイマシステムなどにより検出信号を受信した時刻を検出時刻として取得する。第２距離データ生成部３０２は、上記取得された、発射時刻と検出時刻との時間差により、第２距離データを算出する。

図５は、長距離測定部１０２を用いて算出された測定対象物までの距離と、測定対象物の実際の位置との関係を示す図、すなわち、測定対象物の実際の位置と第２距離データとの関係を示す図である。である。なお、図５において、横軸は、測定対象物１０５の実際の位置を示し、縦軸は、測定対象物１０５までの実際の距離を示す。従って、測定対象物１０５の実際の位置とその位置までの実際の距離とは、図５の破線で示すように正比例の関係にある。

本実施形態では、長距離測定部１０２を用いて、時間により第２距離データを生成している。従って、測定対象物１０５の位置が遠くにあっても、精度は低いが大体の距離を得ることができる。すなわち、長距離測定部１０２を用いれば、図５に示すように、あるバラツキの範囲を持って、それぞれの位置の距離値を得ることができる。従って、第２距離データは、低分解能長距離データと言える。

距離算出部３０３は、短距離測定部１０１における奥行き方向の測定可能な距離の最大値４０１と第２距離データとにより、測定対象物１０５の実際の距離と、第１距離データが示す距離値とのオフセット値を算出し、該算出されたオフセット値により第１距離データを補正して、測定距離を算出する。本実施形態では、不揮発性メモリ２０４に最大値４０１を保持しておく。

本実施形態では、測定対象物１０５の位置が図６の位置６０１にあるとする。このとき、実際の測定対象物１０５までの距離は、距離６０１となる。一方、短距離測定部１０１を用いて算出された第１距離データが示す距離値は距離６０３となり、長距離測定部１０２を用いて算出された第２距離データが示す距離値は距離６０４となる。

本実施形態では、第２距離データ６０４を最大値４０１により割った値の整数部分が（ｋ−１）となる。よって、距離算出部３０３は、第２距離データ６０４を最大値４０１で割る演算を行い、該演算によって得られた値の整数部分を抽出して、ｋ−１（２）を取得し、該ｋ−１（２）と最大値４０１との乗算を演算することにより、オフセット値Ｈ（＝２×最大値４０１）を算出する。次いで、距離算出部３０３は、得られたオフセット値Ｈと第１距離データが示す距離値６０３との和を演算することにより、測定距離（＝距離値６０３＋オフセット値Ｈ）を算出する。上記算出された測定距離は、高分解能短距離データである第１距離データを、オフセット値Ｈにより補正したものであるので、高分解能長距離データと言える。なお、上記測定距離は、第１距離データにオフセット値を加えたものであるので、干渉信号検出器１１１と測定対象物１０５との間の光の伝播する経路の長さが測定距離となる。

なお、第１距離データが示す距離の基準点と、第２距離データが示す距離の基準点とを一致させても良い。例えば、ダイクロイックミラー１０４を上記一致された基準点としても良い。このように設定する場合は、短距離測定部１０１を用いて算出された距離値から干渉信号検出器１１１とダイクロイックミラー１０４との間の光が辿る経路の長さを引いた値が、第１距離データが示す距離値となる。一方、長距離測定部１０２を用いて算出された距離値から、光源１１６とダイクロイックミラー１１４との間を光が辿る経路の長さと検出器１１７とダイクロイックミラー１０４との間の光が辿る経路の長さとの和を引いた値が、第２距離データが示す距離値となる。そして、この場合の測定距離は、ダイクロイックミラー１０４と測定対象物１０５との間の距離である。

なお、本実施形態では、短距離測定部１０１として、光コムパルスレーザを用いた構成について説明したが、これに限定されない。所定の範囲毎に、測定対象物の実際の位置と距離との正比例関係の傾きと略同じ傾きを有する、測定対象物の実際の距離と算出された距離との関係を繰り返し、要求するレーザ波長を用いる測定部であれば、短距離測定部１０１としてはいずれの構成を用いても良い。また、長距離測定部１０２として、短距離測定部１０１よりも測定範囲が広く（短距離測定部１０１よりも長距離を測定でき）、要求するレーザ波長を用いる測定部であれば、いずれの構成を用いても良い。

本実施形態では、高分解能短距離データ（第１距離データ）を得ることができる短距離測定部１０１および低分解能長距離データ（第２距離データ）を得ることができる長距離測定部１０２から同期して互いに干渉しないレーザ光を出射する。そして、それらのレーザ光を混合して測定対象物１０５の同一ポイントに照射して、該ポイントまでの距離を測定している。このとき、第２距離データと、短距離測定部１０１における、奥行き方向の測定可能な距離の最大値とを用いて、測定対象物１０５の実際の位置が、上記奥行き方向の測定範囲を何回繰り返した位置に相当するのかを求めることにより、第１距離データの実際の距離値からのオフセット値を算出する。そして、算出されたオフセット値を高精度な値である第１距離データに加えているので、算出された値は、実際の距離と精度良く一致している。従って、測定対象物１０５のある点までの距離を正確に測定することができる。

また、本実施形態では、高精度ではあるが、所定の範囲毎に算出される距離値が繰り返してしまう第１距離データのオフセット値の算出の際に、短距離測定部１０１よりも測定範囲が広い長距離測定部１０２により得られる第２距離データを用いている。よって、長距離測定部１０２による距離の算出が可能な範囲内であれば、上記オフセット値を得ることができるので、奥行き方向における、高精度な距離測定の範囲を大きくすることができる。例えば、本実施形態によれば、１μｍ精度で、奥行き方向に６ｍｍ以上離れた測定対象物までの距離を測定することができる。

さらに、本実施形態では、短距離測定部１０１および長距離測定部１０２による１ショットの測定で、上記オフセット値Ｈおよび第１距離データを算出することができる。よって、高速に距離を測定することができる。さらには、測定対象物１０５の１点につき１ショットにより測定できるので、距離測定装置１００を走査させたり、測定対象物１０５を移動させたりなど、距離測定装置１００と測定対象物１０５とを相対的に移動させながら、距離を測定することができる。

（第２の実施形態）
図７は、本実施形態に係る距離測定装置７００の模式図である。
図７に示すように本実施形態に係る距離測定装置７００は、図１に示す距離測定装置１００の出射側（ダイクロイックミラー１０４の後段側）に、レーザ光を２次元方向に走査させるＸＹスキャン光学系７０１をさらに設けている。ＸＹスキャン光学系７０１は、制御装置１０３からの制御により、ダイクロイックミラー１０４から入射されたレーザ光を測定対象物１０５に対して２次元方向に走査する。

本実施形態のように、測定光学径路にＸＹスキャン光学系７０１を組み込むことにより、３次元形状測定を可能とすることができる。すなわち、本実施形態では、１ポイントの距離測定を同時に１ショットで行うことが可能なため、スキャン機構を止めることなく、広範囲を、高速かつ高精度に形状測定を行なうことができる。

１００、７００ 距離測定装置
１０１ 短距離測定部（第１の距離測定手段）
１０２ 長距離測定部（第２の距離測定手段）
１０３ 制御装置
１０４ ダイクロイックミラー（光混合手段）
１０５ 測定対象物
１０６、１１６ 光源
１０７、１１３、１１４、１１５、１１８ ビームスプリッタ
１０８ 変調器
１０９、１１０ 光コム発生器
１１１、１１２ 干渉信号検出器
１１７ 検出器
３０１ 第１距離データ生成部（第１の距離データ算出手段）
３０２ 第２距離データ生成部（第２の距離データ算出手段）
３０３ 距離算出部（演算手段）

Claims (3)

1. 光を測定対象物に照射して該測定対象物にて反射させ、該反射された光を検出して、前記測定対象物までの距離を測定する距離測定装置であって、
   第１の周波数を有し、少なくとも一方が変調された第１のレーザ光と第２のレーザ光とを発生させ、該第１のレーザ光を一方の第１のレーザ光と他方の第１のレーザ光とに分岐し、前記第２のレーザ光を一方の第２のレーザ光と他方の第２のレーザ光とに分岐し、前記一方の第２のレーザ光を前記測定対象物に対して出射し、該一方の第２のレーザ光の前記測定対象物からの第１の反射光と前記一方の第１のレーザ光とを干渉させて第１の干渉信号を生成し、前記他方の第１のレーザ光と前記他方の第２のレーザ光とを干渉させて第２の干渉信号を生成する第１の距離測定手段と、
   前記第１の距離測定手段と同期して、前記一方の第２のレーザ光と干渉しない第３のレーザ光を前記測定対象物に対して出射し、該第３のレーザ光の前記測定対象物からの第２の反射光を検出する第２の距離測定手段と、
   前記第１の距離測定手段において前記測定対象物に対して出射された前記一方の第２のレーザ光と、前記第２の距離測定手段において前記測定対象物に対して出射された前記第３のレーザ光とを混合し、前記第１の反射光を前記第１の距離測定手段に出射し、前記第２の反射光を前記第２の距離測定手段に出射する光混合手段と、
   前記第１の干渉信号と前記第２の干渉信号とにより、第１の距離データを算出する第１の距離データ算出手段と、
   前記検出された第２の反射光の検出結果により、第２の距離データを算出する第２の距離データ算出手段と、
   前記第１の距離データおよび前記第２の距離データから、前記測定対象物までの距離を算出する演算手段とを備え、
   前記第１の距離測定手段の奥行き方向の測定範囲は、前記第２の距離測定手段の奥行き方向の測定範囲よりも狭く、
   前記演算手段は、前記第２の距離データにより、前記第１の距離データが示す距離値の、前記測定対象物の実際の距離からのオフセット値を算出し、該オフセット値により前記第１の距離データが示す距離値を補正することにより、前記測定対象物までの距離を算出する距離測定装置。
2. 前記演算手段は、前記第２の距離データが示す距離値を前記第１の距離測定手段の奥行き方向の測定可能な距離の最大値で割ることにより得られた値の整数の部分を求め、前記最大値に該求められた整数を掛けることにより前記オフセット値を算出し、前記第１の距離データが示す距離値に前記オフセット値を加えることにより、前記測定対象物までの距離を算出する請求項１に記載の距離測定装置。
3. 前記光混合手段から入射された、前記一方の第２のレーザ光および前記第３のレーザ光を前記測定対象物に対して２次元方向に走査する２次元走査手段をさらに備える請求項１または２に記載の距離測定装置。

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