JP2023042757A - 光干渉測距センサ - Google Patents

Abstract

【課題】光カプラ間の戻り光を抑制することにより計測精度を向上させた光干渉測距センサを提供する。【解決手段】本発明の一態様に係る光干渉測距センサは、連続的に波長を変化させながら光を投光する光源と、供給された光を計測対象物に導くことにより計測対象物から反射される測定光と、測定光とは少なくとも一部異なる光路を辿る参照光とに基づく干渉光を生成する複数の干渉計と、直列に接続された複数段の光カプラであって、光源からの光を前段から受光して、複数の干渉計のうち対応する干渉計と、後段とに光を分岐させて供給する、複数段の光カプラと、複数段の光カプラにおける後段から前段への光の供給を抑制する抑制手段と、複数の干渉計が生成する複数の干渉光に基づいて、計測対象物までの距離を算出する処理部と、を備える。【選択図】図１０

Description

本発明は、光干渉測距センサに関する。

近年、非接触で計測対象物までの距離を計測する光測距センサが普及している。例えば、光測距センサとして、波長掃引光源から投光される光から、参照光と測定光とに基づく干渉光を生成し、当該干渉光に基づいて計測対象物までの距離を計測する光干渉測距センサが知られている。

特に、計測精度の向上等の観点から、干渉光を生成する干渉計を複数備えた多段式の光干渉測距センサが知られている。例えば、特許文献１には、光ビーム制御器と、光ビーム制御器からの複数の光ビームを物体光と参照光に分岐する分岐手段と、複数の物体光ビームを測定対象物に照射する照射手段と、測定対象物から散乱された物体光と参照光とを干渉させ受光器に導く干渉手段と、を備える光干渉断層撮像器が開示されている。

また、非特許文献１には、サーキュレータ等の高コストな部材を用いずに光を分岐させる光干渉測距センサが開示されている。すなわち、非特許文献１には、波長掃引光源と、複数の光カプラと、各光カプラに対応する複数の干渉計と、受光部とを備える光干渉測距センサが開示されている。当該光干渉測距センサが備える複数の光カプラは、直列に接続されており、波長掃引光源からの光の一部を前段の光カプラから後段のカプラへと順次に供給すると共に、当該光の他の一部を分岐させて、各光カプラに対応する干渉計に供給するように構成されている。

国際公開第２０１９／１３１２９８号

Jesse Zheng 著、「Optical Frequency-Modulated Continuos-Wave (FMCW) Interferometry」Springer、2005年1月4日、p.154

しかしながら、直列に接続された複数の光カプラにおいて光を各干渉計に分岐させる構成では、後段から前段への戻り光が生じ得るため、計測精度が低くなる場合がある。

そこで、本発明は、光カプラ間の戻り光を抑制することにより計測精度を向上させた光干渉測距センサを提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る光干渉測距センサは、連続的に波長を変化させながら光を投光する光源と、供給された光を計測対象物に導くことにより計測対象物から反射される測定光と、測定光とは少なくとも一部異なる光路を辿る参照光とに基づく干渉光を生成する複数の干渉計と、直列に接続された複数段の光カプラであって、光源からの光を前段から受光して、複数の干渉計のうち対応する干渉計と、後段とに光を分岐させて供給する、複数段の光カプラと、複数段の光カプラにおける後段から前段への光の供給を抑制する抑制手段と、複数の干渉計が生成する複数の干渉光に基づいて、計測対象物までの距離を算出する処理部と、を備える。

この態様によれば、複数段の光カプラにおいて、後段から前段への光の供給が抑制されるため、光カプラ間の戻り光を抑制することにより光干渉測距センサの計測精度を向上させることが可能となる。

上記態様において、抑制手段は、複数段の光カプラのうち少なくともいずれかの光カプラであって、対応する干渉計に分岐させる光の光量より、後段に分岐させる光の光量の方が大きくなるように構成された光カプラを含んでもよい。

この態様によれば、複数段の光カプラにおいて、後段から前段への光の供給が抑制されるため、後段の光カプラから前段の光カプラへ戻る光を抑制することにより、光干渉測距センサの計測精度を向上させることが可能となる。

上記態様において、複数段の光カプラのうちｉ段目の光カプラについての、後段に分岐させる光の光量に対する、対応する干渉計に分岐させる光の光量の割合をＲｉとした場合、Ｒ_i+1≧Ｒ_iとなるように設定されてもよい。

この態様によれば、干渉計毎の受光量のばらつきが低減されるため、光干渉測距センサの計測精度を向上させることが可能となる。

上記態様において、干渉計は、測定光における計測対象物に照射して当該計測対象物で反射された第１反射光と、参照光における参照面で反射された第２反射光とに基づいて各干渉光を発生させてもよい。

この態様によれば、測定光における計測対象物に照射して当該計測対象物で反射された第１反射光と、参照光における参照面で反射された第２反射光とに基づいて各干渉光を発生させる。複数のスポットに対応して分岐されたそれぞれの光について、測定光と参照光との光路長差が異なるように設定されることにより、各ピークを適切に検出することができ、当該検出されたピークに対応する距離値に基づいて計測対象物までの距離を高精度に算出することができる。

上記態様において、ｉ段目の光カプラからこれに対応する干渉計の参照面までの光路長をＬ_CR,iとし、ｉ段目の光カプラからｉ＋１段目の光カプラまでの光路長をＬ_CC,iとした場合、｜Ｌ_CR,i－（Ｌ_CR,i+1＋Ｌ_CC,i）｜が第１閾値以上となるように設定されてもよい。

この態様によれば、複数の干渉計のそれぞれで生成される複数の干渉光同士の干渉が抑制され、光干渉測距センサの計測精度を向上させることが可能となる。

上記態様において、第１閾値は、複数の干渉光を電気信号に変換して処理部に供給する受光部の周波数帯域に基づいて設定されてもよい。

この態様によれば、受光部の周波数帯域に応じて、効果的に複数の干渉光同士の干渉を抑制し、光干渉測距センサの計測精度を向上させることが可能となる。

上記態様において、抑制手段は、複数段の光カプラのうちの２つの光カプラの間に接続され、前段の光カプラから後段の光カプラへは光を導くが、後段の光カプラから前段の光カプラへは光を導かないように構成された遮断部を含んでもよい。

この態様によれば、後段の光カプラから前段の光カプラへの戻り光を抑制することができ、光干渉測距センサの計測精度を向上させることが可能となる。

上記態様において、ｉ段目の光カプラからこれに対応する干渉計の参照面までの光路長をＬ_CR,iとし、ｉ段目の光カプラからこれに接続された後段側の遮断部までの光路長をＬ_CI,iとした場合、｜Ｌ_CR,i－Ｌ_CI,i｜が第１閾値以上となるように設定されてもよい。

この態様によれば、遮断部からの反射光と、干渉計が生成する干渉光との干渉が抑制され、光干渉測距センサの計測精度を向上させることが可能となる。

上記態様において、第２閾値は、複数の干渉光を電気信号に変換して処理部に供給する受光部の周波数帯域に基づいて設定されてもよい。

この態様によれば、受光部の周波数帯域に応じて、効果的に遮断部からの反射光と、干渉計が生成する干渉光との干渉を抑制し、光干渉測距センサの計測精度を向上させることが可能となる。

本発明によれば、光カプラ間の戻り光を抑制することにより計測精度を向上させた光干渉測距センサを提供することができる。

本開示に係る変位センサ１０の概要を示す外観模式図である。 本開示に係る変位センサ１０によって計測対象物Ｔが計測される手順を示すフローチャートである。 本開示に係る変位センサ１０が用いられるセンサシステム１の概要を示す機能ブロック図である。 本開示に係る変位センサ１０が用いられるセンサシステム１によって計測対象物Ｔが計測される手順を示すフローチャートである。 本開示に係る変位センサ１０によって計測対象物Ｔが計測される原理を説明するための図である。 本開示に係る変位センサ１０によって計測対象物Ｔが計測される別の原理を説明するための図である。 センサヘッド２０の概略構成を示す斜視図である。 センサヘッド２０の内部に配置されるコリメートレンズホルダの概略構成を示す斜視図である。 センサヘッド２０の内部構造を示す断面図である。 コントローラ３０における信号処理について説明するためのブロック図である。 コントローラ３０における処理部５９によって実行される、計測対象物Ｔまでの距離を算出する方法を示すフローチャートである。 波形信号（電圧ｖｓ時間）がスペクトル（電圧ｖｓ周波数）に周波数変換される様子を示す図である。 スペクトル（電圧ｖｓ周波数）がスペクトル（電圧ｖｓ距離）に距離変換される様子を示す図である。 スペクトル（電圧ｖｓ距離）に基づいてピークに対応する値（距離値，ＳＮＲ）を算出される様子を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る光干渉測距センサ１００ の構成概要を示す模式図である。 本発明の第２実施形態に係る光干渉測距センサ２００の構成概要を示す模式図である。 測定光と参照光とを用いて干渉光を発生させる干渉計のバリエーションを示す図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、添付図面を参照しながら具体的に説明する。なお、以下で説明する各実施形態は、あくまで、本発明を実施するための具体的な一例を挙げるものであって、本発明を限定的に解釈させるものではない。また、説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する場合がある。

［変位センサの概要］
先ず、本開示に係る変位センサの概要について説明する。
図１は、本開示に係る変位センサ１０の概要を示す外観模式図である。図１に示されるように、変位センサ１０は、センサヘッド２０とコントローラ３０とを備え、計測対象物Ｔの変位（計測対象物Ｔまでの距離）を計測する。

センサヘッド２０とコントローラ３０とは、光ファイバ４０で接続されており、センサヘッド２０には対物レンズ２１が取り付けられている。また、コントローラ３０は、表示部３１と、設定部３２と、外部インタフェース（Ｉ／Ｆ）部３３と、光ファイバ接続部３４と、外部記憶部３５とを含み、さらに、内部には、計測処理部３６を有する。

センサヘッド２０は、コントローラ３０から出力される光を計測対象物Ｔに照射し、当該計測対象物Ｔからの反射光を受光する。センサヘッド２０は、コントローラ３０から出力されて光ファイバ４０を介して受光した光を反射させ、上述した計測対象物Ｔからの反射光と干渉させるための参照面を、内部に有している。

なお、センサヘッド２０には対物レンズ２１が取り付けられているが、当該対物レンズ２１は着脱可能な構成となっている。対物レンズ２１は、センサヘッド２０と計測対象物Ｔとの距離に応じて、適切な焦点距離を有する対物レンズに交換可能であって、又は可変焦点の対物レンズを適用してもよい。

さらに、センサヘッド２０を設置する際には、ガイド光（可視光）を計測対象物Ｔに照射して、当該変位センサ１０の計測領域内に計測対象物Ｔが適切に位置するようにセンサヘッド２０及び／又は計測対象物Ｔを設置してもよい。

光ファイバ４０は、コントローラ３０に配置される光ファイバ接続部３４に接続されて延伸し、当該コントローラ３０とセンサヘッド２０とを接続する。これにより、光ファイバ４０は、コントローラ３０から投光される光をセンサヘッド２０に導き、さらに、センサヘッド２０からの戻り光をコントローラ３０へ導くように構成されている。なお、光ファイバ４０は、センサヘッド２０及びコントローラ３０に着脱可能であって、長さ、太さ及び特性等において種々の光ファイバを適用することができる。

表示部３１は、例えば、液晶ディスプレイ又は有機ＥＬディスプレイ等で構成される。表示部３１には、変位センサ１０の設定値、センサヘッド２０からの戻り光の受光量、及び変位センサ１０によって計測された計測対象物Ｔの変位（計測対象物Ｔまでの距離）等の計測結果が表示される。

設定部３２は、例えば、機械式ボタンやタッチパネル等をユーザが操作することによって、計測対象物Ｔを計測するために必要な設定が行われる。これらの必要な設定の全部又は一部は、予め設定されていてもよいし、外部Ｉ／Ｆ部３３に接続された外部接続機器（図示せず）から設定されてもよい。また、外部接続機器は、ネットワークを介して有線又は無線で接続されていてもよい。

ここで、外部Ｉ／Ｆ部３３は、例えば、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）、ＲＳ２３２Ｃ、及びアナログ出力等で構成される。外部Ｉ／Ｆ部３３には、他の接続機器に接続されて当該外部接続機器から必要な設定が行われたり、変位センサ１０によって計測された計測結果等を外部接続機器に出力したりしてもよい。

また、コントローラ３０が外部記憶部３５に記憶されたデータを取り込むことにより、計測対象物Ｔを計測するために必要な設定が行われてもよい。外部記憶部３５は、例えば、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）メモリ等の補助記憶装置であって、計測対象物Ｔを計測するために必要な設定等が予め記憶されている。

コントローラ３０における計測処理部３６は、例えば、連続的に波長を変化させながら光を投光する波長掃引光源、センサヘッド２０からの戻り光を受光して電気信号に変換する受光素子、及び電気信号を処理する信号処理回路等を含む。計測処理部３６では、センサヘッド２０からの戻り光に基づいて、最終的には、計測対象物Ｔの変位（計測対象物Ｔまでの距離）が算出されるように制御部及び記憶部等を用いて様々な処理がなされている。これらの処理についての詳細は後述する。

図２は、本開示に係る変位センサ１０によって計測対象物Ｔが計測される手順を示すフローチャートである。図２に示されるように、当該手順は、ステップＳ１１～Ｓ１４を含む。

ステップＳ１１では、センサヘッド２０を設置する。例えば、センサヘッド２０から計測対象物Ｔにガイド光を照射して、それを参考にして、センサヘッド２０を適切な位置に設置する。

具体的には、コントローラ３０における表示部３１に、センサヘッド２０からの戻り光の受光量を表示し、ユーザは、当該受光量を確認しながら、センサヘッド２０の向き及び計測対象物Ｔとの距離（高さ位置）等を調整してもよい。基本的には、センサヘッド２０からの光を計測対象物Ｔに対して垂直に（より垂直に近い角度で）照射できれば、当該計測対象物Ｔからの反射光の光量が大きく、センサヘッド２０からの戻り光の受光量も大きくなる。

また、センサヘッド２０と計測対象物Ｔとの距離に応じて、適切な焦点距離を有する対物レンズ２１に交換してもよい。

さらに、計測対象物Ｔを計測するに際して適切な設定ができない場合（例えば、計測に必要な受光量を得られない、又は対物レンズ２１の焦点距離が不適切である等）には、エラー又は設定未完了等を、表示部３１に表示したり、外部接続機器に出力したりして、ユーザに通知するようにしてもよい。

ステップＳ１２では、計測対象物Ｔを計測するに際して種々の計測条件を設定する。例えば、センサヘッド２０が有する固有の校正データ（線形性を補正する関数等）を、ユーザがコントローラ３０における設定部３２を操作することによって設定する。

また、各種パラメータを設定してもよい。例えば、サンプリング時間、計測範囲、及び計測結果を正常とするか異常とするかの閾値等が設定される。さらに、計測対象物Ｔの反射率及び材質等の計測対象物Ｔの特性に応じて測定周期が設定され、及び計測対象物Ｔの材質に応じた測定モード等が設定されるようにしてもよい。

なお、これらの計測条件及び各種パラメータの設定は、コントローラ３０における設定部３２を操作することによって設定されるが、外部接続機器から設定されてもよいし、外部記憶部３５からデータを取り込むことによって設定されてもよい。

ステップＳ１３では、ステップＳ１１で設置されたセンサヘッド２０で、ステップＳ１２で設定された計測条件及び各種パラメータに従って、計測対象物Ｔを計測する。

具体的には、コントローラ３０の計測処理部３６において、波長掃引光源から光が投光され、センサヘッド２０からの戻り光を受光素子で受光し、信号処理回路によって周波数解析、距離変換及びピーク検出等がなされて、計測対象物Ｔの変位（計測対象物Ｔまでの距離）が算出される。具体的な計測処理についての詳細は、後述する。

ステップＳ１４では、ステップＳ１３で計測された計測結果を出力する。例えば、ステップＳ１３で計測された計測対象物Ｔの変位（計測対象物Ｔまでの距離）等を、コントローラ３０における表示部３１に表示したり、外部接続機器に出力したりする。

また、ステップＳ１３で計測された計測対象物Ｔの変位（計測対象物Ｔまでの距離）が、ステップＳ１２で設定された閾値に基づいて、正常の範囲内であるか異常かについても計測結果として表示又は出力されてもよい。さらに、ステップＳ１２で設定された計測条件、各種パラメータ及び測定モード等も共に表示又は出力されてもよい。

［変位センサを含むシステムの概要］
図３は、本開示に係る変位センサ１０が用いられるセンサシステム１の概要を示す機能ブロック図である。図３に示されるように、センサシステム１は、変位センサ１０と、制御機器１１と、制御信号入力用センサ１２と、外部接続機器１３とを備える。なお、変位センサ１０は、制御機器１１及び外部接続機器１３とは、例えば、通信ケーブル又は外部接続コード（例えば、外部入力線、外部出力線及び電源線等を含む）で接続され、制御機器１１と制御信号入力用センサ１２とは信号線で接続される。

変位センサ１０は、図１及び図２を用いて説明したように、計測対象物Ｔの変位（計測対象物Ｔまでの距離）を計測する。そして、変位センサ１０は、その計測結果等を制御機器１１及び外部接続機器１３に出力してもよい。

制御機器１１は、例えば、ＰＬＣ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）であって、変位センサ１０が計測対象物Ｔを計測するに際して、当該変位センサ１０に対して各種の指示を与える。

例えば、制御機器１１は、制御機器１１に接続された制御信号入力用センサ１２からの入力信号に基づいて、測定タイミング信号を変位センサ１０に出力してもよいし、ゼロリセット命令信号（現在の計測値を０に設定するための信号）等を変位センサ１０に出力してもよい。

制御信号入力用センサ１２は、変位センサ１０が計測対象物Ｔを計測するタイミングを指示するオン／オフ信号を、制御機器１１に出力する。例えば、制御信号入力用センサ１２は、計測対象物Ｔが移動する生産ラインの近傍に設置され、計測対象物Ｔが所定の位置に移動してきたことを検知して、制御機器１１にオン／オフ信号を出力すればよい。

外部接続機器１３は、例えば、ＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）であって、ユーザが操作することによって、変位センサ１０に対して様々な設定を行うことができる。

具体例としては、測定モード、動作モード、測定周期、及び計測対象物Ｔの材質等が設定される。

測定モードの設定として、制御機器１１内部で周期的に計測開始する「内部同期計測モード」、又は制御機器１１外部からの入力信号に応じて計測開始する「外部同期計測モード」等が選択される。

動作モードの設定として、実際に計測対象物Ｔを計測する「運転モード」、又は計測対象物Ｔを計測するための計測条件を設定する「調整モード」等が選択される。

測定周期は、計測対象物Ｔを測定する周期であり、計測対象物Ｔの反射率に応じて設定すればよいが、仮に、計測対象物Ｔの反射率が低い場合であっても、測定周期を長くして適切に測定周期を設定すれば、計測対象物Ｔを適切に測定することができる。

計測対象物Ｔについて、反射光の成分として拡散反射が比較的多い場合に適した「粗面モード」、反射光の成分として鏡面反射が比較的多い場合に適した「鏡面モード」、又はこれらの中間的な「標準モード」等が選択される。

このように、計測対象物Ｔの反射率及び材質に応じて、適切な設定を行うことによって、より高精度に計測対象物Ｔを計測することができる。

図４は、本開示に係る変位センサ１０が用いられるセンサシステム１によって計測対象物Ｔが計測される手順を示すフローチャートである。図４に示されるように、当該手順は、上述した外部同期計測モードの場合の手順であって、ステップＳ２１～Ｓ２４を含む。

ステップＳ２１では、センサシステム１は、計測される対象である計測対象物Ｔを検知する。具体的には、制御信号入力用センサ１２は、生産ライン上において、計測対象物Ｔが所定の位置に移動してきたことを検知する。

ステップＳ２２では、センサシステム１は、ステップＳ２１で検知された計測対象物Ｔを変位センサ１０によって計測するように計測指示する。具体的には、制御信号入力用センサ１２は、制御機器１１にオン／オフ信号を出力することにより、ステップＳ２１で検知された計測対象物Ｔを測定するタイミングを指示し、制御機器１１は、当該オン／オフ信号に基づいて、変位センサ１０に測定タイミング信号を出力して、計測対象物Ｔを計測するように計測指示する。

ステップＳ２３では、変位センサ１０によって計測対象物Ｔが計測される。具体的には、変位センサ１０は、ステップＳ２２で受け取った計測指示に基づいて、計測対象物Ｔを計測する。

ステップＳ２４では、センサシステム１は、ステップＳ２３で計測された計測結果を出力する。具体的には、変位センサ１０は、計測処理の結果を、表示部３１に表示したり、外部Ｉ／Ｆ部３３を経由して制御機器１１又は外部接続機器１３等に出力したりする。

なお、ここでは、図４を用いて、制御信号入力用センサ１２によって計測対象物Ｔが検知されることにより計測対象物Ｔを計測する外部同期計測モードの場合についての手順を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、内部同期計測モードの場合は、ステップＳ２１及びＳ２２に代わって、予め設定された周期に基づいて測定タイミング信号が生成されることにより、計測対象物Ｔを計測するように変位センサ１０に指示する。

次に、本開示に係る変位センサ１０によって計測対象物Ｔが計測される原理を説明する。
図５Ａは、本開示に係る変位センサ１０によって計測対象物Ｔが計測される原理を説明するための図である。図５Ａに示されるように、変位センサ１０は、センサヘッド２０及びコントローラ３０を備える。センサヘッド２０は、対物レンズ２１と、複数のコリメートレンズ２２ａ～２２ｃとを含み、コントローラ３０は、波長掃引光源５１と、光増幅器５２と、複数のアイソレータ５３及び５３ａ～５３ｂと、複数の光カプラ５４及び５４ａ～５４ｅと、減衰器５５と、複数の受光素子（例えば、フォトディテクタ（ＰＤ））５６ａ～５６ｃと、合波回路５７と、アナログデジタル（ＡＤ）変換部（例えば、アナログデジタルコンバータ）５８と、処理部（例えば、プロセッサ）５９と、バランスディテクタ６０と、補正信号生成部６１とを含む。

波長掃引光源５１は、波長を掃引したレーザ光を投光する。波長掃引光源５１としては、例えば、ＶＣＳＥＬ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）を電流で変調する方式を適用すれば、共振器長が短いためにモードホップを起こしにくく、波長を変化させることが容易であり、低コストで実現することができる。

光増幅器５２は、波長掃引光源５１から投光される光を増幅する。光増幅器５２は、例えば、ＥＤＦＡ（ｅｒｂｉｕｍ－ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）を適用し、例えば、１５５０ｎｍ専用の光増幅器であってもよい。

アイソレータ５３は、入射した光を一方向に透過させる光学素子であって、戻り光によって発生するノイズの影響を防ぐために、波長掃引光源５１の直後に配置されてもよい。

このように、波長掃引光源５１から投光された光は、光増幅器５２によって増幅され、アイソレータ５３を介して、光カプラ５４によって主干渉計と副干渉計とに分岐される。例えば、光カプラ５４では、主干渉計と副干渉計とに９０：１０～９９：１の割合で光を分岐するようにしてもよい。

主干渉計に分岐された光は、さらに、１段目の光カプラ５４ａによって、センサヘッド２０の方向と２段目の光カプラ５４ｂの方向とに分岐される。

１段目の光カプラ５４ａによってセンサヘッド２０の方向に分岐された光は、センサヘッド２０において、光ファイバの先端からコリメートレンズ２２ａ及び対物レンズ２１を通過して計測対象物Ｔに照射される。そして、当該光ファイバの先端（端面）が参照面となり、当該参照面で反射した光と、計測対象物Ｔで反射した光とが干渉し、干渉光が生成されて、１段目の光カプラ５４ａに戻り、その後、受光素子５６ａで受光されて電気信号に変換される。

１段目の光カプラ５４ａによって２段目の光カプラ５４ｂの方向に分岐された光は、アイソレータ５３ａを介して２段目の光カプラ５４ｂに向かい、当該２段目の光カプラ５４ｂによって、さらにセンサヘッド２０の方向と３段目の光カプラ５４ｃの方向とに分岐される。光カプラ５４ｂからセンサヘッド２０の方向に分岐された光は、１段目と同様に、センサヘッド２０において、光ファイバの先端からコリメートレンズ２２ｂ及び対物レンズ２１を通過して計測対象物Ｔに照射される。そして、当該光ファイバの先端（端面）が参照面となり、当該参照面で反射した光と、計測対象物Ｔで反射した光とが干渉し、干渉光が生成されて、２段目の光カプラ５４ｂに戻り、光カプラ５４ｂによってアイソレータ５３ａ及び受光素子５６ｂそれぞれの方向へ分岐される。光カプラ５４ｂから受光素子５６ｂの方向へ分岐された光は、受光素子５６ｂで受光されて電気信号に変換される。一方、アイソレータ５３ａは、抑制手段及び遮断部の一例であって、前段の光カプラ５４ａから後段の光カプラ５４ｂへ光を透過し、後段の光カプラ５４ｂから前段の光カプラ５４ａへの光を遮断するため、光カプラ５４ｂからアイソレータ５３ａの方向へ分岐した光は、遮断される。

２段目の光カプラ５４ｂによって３段目の光カプラ５４ｃの方向に分岐された光は、アイソレータ５３ｂを介して３段目の光カプラ５４ｃに向かい、当該３段目の光カプラ５４ｃによって、さらにセンサヘッド２０の方向と減衰器５５の方向とに分岐される。光カプラ５４ｃからセンサヘッド２０の方向に分岐された光は、１段目及び２段目と同様に、センサヘッド２０において、光ファイバの先端からコリメートレンズ２２ｃ及び対物レンズ２１を通過して計測対象物Ｔに照射される。そして、当該光ファイバの先端（端面）で反射した光と、計測対象物Ｔで反射した光とが干渉し、干渉光が生成されて、３段目の光カプラ５４ｃに戻り、光カプラ５４ｃからアイソレータ５３ｂ及び受光素子５６ｃそれぞれの方向へ分岐する。アイソレータ５３ｂは、抑制手段の一例であって、後段の光カプラ５４ｃから前段の光カプラ５４ｂへの光の供給を抑制する。光カプラ５４ｃから受光素子５６ｃの方向へ分岐した光は、受光素子５６ｃで受光されて電気信号に変換される。

３段目の光カプラ５４ｃによって減衰器５５の方向に分岐された光は、計測対象物Ｔの計測に用いられないため、反射して戻ってこないように減衰される。

このように、主干渉計では、３段の光路（３チャネル）を有し、それぞれセンサヘッド２０の光ファイバの先端（端面）から計測対象物Ｔまでの距離の２倍（往復）を光路長差とした干渉計であり、それぞれ光路長差に応じた３つの干渉光を生成している。

受光素子５６ａ～５６ｃは、上述したように主干渉計からの干渉光を受光し、当該受光した受光量に応じた電気信号を生成する。

合波回路５７は、受光素子５６ａ～５６ｃから出力される電気信号を合波する。

ＡＤ変換部５８は、合波回路５７からの電気信号を受信して、当該電気信号に関してアナログ信号からデジタル信号に変換する（ＡＤ変換）。ここで、ＡＤ変換部５８は、副干渉計における補正信号生成部６１からの補正信号に基づいて、ＡＤ変換する。

副干渉計では、波長掃引光源５１の掃引時における波長の非線形性を補正するために、副干渉計にて干渉信号を取得し、Ｋクロックと呼ばれる補正信号を生成する。

具体的には、光カプラ５４によって副干渉計に分岐された光は、光カプラ５４ｄによって、さらに分岐される。ここで、分岐された各光の光路は、例えば、光カプラ５４ｄと光カプラ５４ｅとの間において異なる長さの光ファイバを用いて光路長差を有するように構成されて、当該光路長差に応じた干渉光が光カプラ５４ｅから出力される。そして、バランスディテクタ６０は、光カプラ５４ｅからの干渉光を受光し、その逆位相の信号との差分を取ることによってノイズを除去しつつ、光信号を増幅して電気信号に変換する。

なお、光カプラ５４ｄ及び光カプラ５４ｅは、いずれも５０：５０の割合で光を分岐すればよい。

補正信号生成部６１は、バランスディテクタ６０からの電気信号に基づいて、波長掃引光源５１の掃引時における波長の非線形性を把握し、当該非線形に応じたＫクロックを生成し、ＡＤ変換部５８に出力する。

波長掃引光源５１の掃引時における波長の非線形性から、主干渉計においてＡＤ変換部５８に入力されるアナログ信号の波の間隔は等間隔ではない。ＡＤ変換部５８では、波の間隔が等間隔になるように、上述したＫクロックに基づいてサンプリング時間を補正してＡＤ変換（サンプリング）される。

なお、Ｋクロックは、上述したように、主干渉計のアナログ信号をサンプリングするために用いられる補正信号であるため、主干渉計のアナログ信号よりも高周波に生成される必要がある。具体的には、副干渉計における光カプラ５４ｄと光カプラ５４ｅとの間で設けられた光路長差を、主干渉計における光ファイバの先端（端面）と計測対象物Ｔとの間で設けられた光路長差よりも長くしてもよいし、補正信号生成部６１で周波数を逓倍（例えば、８倍等）して高周波化してもよい。

処理部５９は、ＡＤ変換部５８によって非線形性が補正されつつＡＤ変換されたデジタル信号を取得し、当該デジタル信号に基づいて、計測対象物Ｔの変位（計測対象物Ｔまでの距離）を算出する。具体的には、処理部５９では、高速フーリエ変換（ＦＦＴ：ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）を用いてデジタル信号を周波数変換し、それらを解析することによって距離が算出される。処理部５９における詳細な処理については後述する。

なお、処理部５９は、高速処理が要求されることから、ＦＰＧＡ（ｆｉｅｌｄ－ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙ）等の集積回路で実現される場合が多い。

また、ここでは、合波回路５７は、ＡＤ変換部５８の前段に配置されているが、ＡＤ変換部５８の後段に配置されてもよい。複数のＰＤ５６ａ～５６ｃからの出力を、それぞれＡＤ変換し、その後、合波回路５７によって合波すればよい。

また、ここでは、主干渉計において３段の光路を設けて、センサヘッド２０によってそれぞれの光路から計測対象物Ｔに対して測定光が照射され、それぞれから得られる干渉光（戻り光）に基づいて、計測対象物Ｔまでの距離等が計測される（マルチチャネル）。主干渉計におけるチャネルは、３段に限定されるものではなく、１段又は２段であってもよいし、４段以上であってもよい。

図５Ｂは、本開示に係る変位センサ１０によって計測対象物Ｔが計測される別の原理を説明するための図である。図５Ｂに示されるように、変位センサ１０は、センサヘッド２０及びコントローラ３０を備える。センサヘッド２０は、対物レンズ２１と、複数のコリメートレンズ２２ａ～２２ｃとを含み、コントローラ３０は、波長掃引光源５１と、光増幅器５２と、複数のアイソレータ５３及び５３ａ～５３ｂと、複数の光カプラ５４及び５４ａ～５４ｊと、減衰器５５と、複数の受光素子（例えば、フォトディテクタ（ＰＤ））５６ａ～５６ｃと、合波回路５７と、アナログデジタル（ＡＤ）変換部（例えば、アナログデジタルコンバータ）５８と、処理部（例えば、プロセッサ）５９と、バランスディテクタ６０と、補正信号生成部６１とを含む。図５Ｂに示された変位センサ１０は、主に、光カプラ５４ｆ～５４ｊを備えている点で、図５Ａに示された変位センサ１０の構成とは異なり、当該異なる構成による原理について、図５Ａと比較しながら詳しく説明する。

波長掃引光源５１から投光された光は、光増幅器５２によって増幅され、アイソレータ５３を介して、光カプラ５４によって主干渉計側と副干渉計側とに分岐されるが、主干渉計側に分岐された光は、さらに、光カプラ５４ｆによって測定光と参照光とに分岐される。

測定光は、図５Ａで説明したように、１段目の光カプラ５４ａによってコリメートレンズ２２ａ及び対物レンズ２１を通過して計測対象物Ｔに照射され、当該計測対象物Ｔで反射する。ここで、図５Ａでは、光ファイバの先端（端面）を参照面として、当該参照面で反射した光と計測対象物Ｔで反射した光とが干渉し、干渉光が生成されていたが、図５Ｂでは、光が反射する参照面を設けていない。すなわち、図５Ｂでは、図５Ａのように参照面で反射する光が発生しないため、計測対象物Ｔで反射された測定光が１段目の光カプラ５４ａに戻ることなる。

同様に、１段目の光カプラ５４ａから２段目の光カプラ５４ｂの方向に分岐された光は、当該２段目の光カプラ５４ｂによってコリメートレンズ２２ｂ及び対物レンズ２１を通過して計測対象物Ｔに照射され、当該計測対象物Ｔで反射して２段目の光カプラ５４ｂに戻る。２段目の光カプラ５４ｂから３段目の光カプラ５４ｃの方向に分岐された光は、当該３段目の光カプラ５４ｃによってコリメートレンズ２２ｃ及び対物レンズ２１を通過して計測対象物Ｔに照射され、当該計測対象物Ｔで反射して３段目の光カプラ５４ｃに戻る。

一方、光カプラ５４ｆによって分岐された参照光は、さらに、光カプラ５４ｇによって光カプラ５４ｈ、５４ｉ及び５４ｊに分岐される。

光カプラ５４ｈでは、光カプラ５４ａから出力される計測対象物Ｔで反射された測定光と、光カプラ５４ｇから出力される参照光とが干渉し、干渉光が生成されて、受光素子５６ａで受光されて電気信号に変換される。換言すれば、光カプラ５４ｆによって測定光と参照光とに分岐され、当該測定光の光路（光カプラ５４ｆから、光カプラ５４ａ、コリメートレンズ２２ａ、対物レンズ２１を介して計測対象物Ｔで反射し、光カプラ５４ｈまで到達する光路）と、当該参照光の光路（光カプラ５４ｆから、光カプラ５４ｇを介して光カプラ５４ｈまで到達する光路）との光路長差に応じた干渉光が生成されて、当該干渉光が受光素子５６ａで受光されて電気信号に変換される。

同様に、光カプラ５４ｉでは、測定光の光路（光カプラ５４ｆから、光カプラ５４ａ、５４ｂ、コリメートレンズ２２ｂ、対物レンズ２１を介して計測対象物Ｔで反射し、光カプラ５４ｉまで到達する光路）と、参照光の光路（光カプラ５４ｆから、光カプラ５４ｇを介して光カプラ５４ｉまで到達する光路）との光路長差に応じた干渉光が生成されて、当該干渉光が受光素子５６ｂで受光されて電気信号に変換される。

光カプラ５４ｊでは、測定光の光路（光カプラ５４ｆから、光カプラ５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、コリメートレンズ２２ｃ、対物レンズ２１を介して計測対象物Ｔで反射し、光カプラ５４ｊまで到達する光路）と、参照光の光路（光カプラ５４ｆから、光カプラ５４ｇを介して光カプラ５４ｊまで到達する光路）との光路長差に応じた干渉光が生成されて、当該干渉光が受光素子５６ｃで受光されて電気信号に変換される。

このように、主干渉計では、３段の光路（３チャネル）を有し、それぞれ計測対象物Ｔで反射されて光カプラ５４ｈ、５４ｉ及び５４ｊに入力される測定光と、光カプラ５４ｆ及び５４ｇを介してそれぞれ光カプラ５４ｈ、５４ｉ及び５４ｊに入力される参照光との光路長差に応じた３つの干渉光を生成している。

なお、測定光と参照光との光路長差は、３チャネルにおいてそれぞれ異なるように、例えば、光カプラ５４ｇと、各光カプラ５４ｈ、５４ｉ及び５４ｊとの光路長を異なるように設定してもよい。

そして、それぞれから得られる干渉光に基づいて、計測対象物Ｔまでの距離等が計測される（マルチチャネル）。

［センサヘッドの構造］
ここで、変位センサ１０に用いられるセンサヘッドの構造について説明する。
図６Ａは、センサヘッド２０の概略構成を示す斜視図であり、図６Ｂは、センサヘッド２０の内部に配置されるコリメートレンズホルダの概略構成を示す斜視図であり、図６Ｃは、センサヘッドの内部構造を示す断面図である。

図６Ａに示されるように、センサヘッド２０は、対物レンズホルダ２３に対物レンズ２１及びコリメートレンズが格納されている。例えば、対物レンズホルダ２３のサイズは、対物レンズ２１を囲う一辺の長さが１０ｍｍ程度であり、光軸方向への長さが２２ｍｍ程度である。

図６Ｂに示されるように、コリメートレンズユニット２４は、コリメートレンズホルダにコリメートレンズ２２が接着材を用いて固着されて構成されている。そして、光ファイバを差し込んで、その差し込み量に応じてスポット径を調整できるように構成されている。例えば、コリメートレンズ２２のサイズは、直径２ｍｍ程度である。

図６Ｃに示されるように、３つのコリメートレンズ２２ａ～２２ｃがそれぞれコリメートレンズホルダに保持されてコリメートレンズユニット２４ａ～２４ｃを構成し、３本の光ファイバがそれぞれ３つのコリメートレンズ２２ａ～２２ｃに対応するようにコリメートレンズユニット２４ａ～２４ｃに差し込まれている。なお、３本の光ファイバそれぞれコリメートレンズホルダによって保持されていてもよい。

そして、これらの光ファイバ及びコリメートレンズユニット２４ａ～２４ｃは、対物レンズ２１とともに、対物レンズホルダ２３によって保持されて、センサヘッド２０を構成している。

なお、ここでは、図６Ｃに示されるように、３つのコリメートレンズユニットは、センサヘッド２０の光軸方向の位置において異なる光路長差を形成するために、それぞれズレて配置されている。

また、センサヘッド２０を構成する対物レンズホルダ２３及びコリメートレンズユニット２４ａ～２４ｃは、高強度で、また高精度に加工できる金属（例えば、Ａ２０１７）で作製されていてもよい。

図７は、コントローラ３０における信号処理について説明するためのブロック図である。図７に示されるように、コントローラ３０は、複数の受光素子７１ａ～７１ｅと、複数の増幅回路７２ａ～７２ｃと、合波回路７３と、ＡＤ変換部７４と、処理部７５と、差動増幅回路７６と、補正信号生成部７７とを備える。

コントローラ３０では、図５で示されたように、波長掃引光源５１から投光された光を光カプラ５４によって主干渉計と副干渉計とに分岐し、それぞれより得られる主干渉信号及び副干渉信号を処理することによって、計測対象物Ｔまでの距離値を算出している。

複数の受光素子７１ａ～７１ｃは、図５Ａに示された受光素子５６ａ～５６ｃに相当し、主干渉計からの主干渉信号をそれぞれ受光して、電流信号としてそれぞれ増幅回路７２ａ～７２ｃに出力する。

複数の増幅回路７２ａ～７２ｃは、電流信号を電圧信号に変換（Ｉ－Ｖ変換）して増幅する。

合波回路７３は、増幅回路７２ａ～７２ｃから出力される電圧信号を合波し、１つの電圧信号としてＡＤ変換部７４に出力する。

ＡＤ変換部７４は、図５Ａに示されたＡＤ変換部５８に相当し、後述する補正信号生成部７７からのＫクロックに基づいて、電圧信号をデジタル信号に変換する（ＡＤ変換）。

処理部７５は、図５Ａに示された処理部５９に相当し、ＡＤ変換部７４からのデジタル信号をＦＦＴを用いて周波数に変換し、それらを解析して、計測対象物Ｔまでの距離値を算出する。

複数の受光素子７１ｄ～７１ｅ及び差動増幅回路７６は、図５Ａに示されたバランスディテクタ６０に相当し、副干渉計における干渉光をそれぞれ受光して、一方は位相の反転した干渉信号を出力し、２つの信号の差分を取ることによってノイズを除去しつつ、干渉信号を増幅して電圧信号に変換する。

補正信号生成部７７は、図５Ａに示された補正信号生成器６１に相当し、電圧信号をコンパレータで２値化し、Ｋクロックを生成し、ＡＤ変換部７４に出力する。Ｋクロックは、主干渉計のアナログ信号よりも高周波に生成される必要があるため、クロック生成部７７で周波数を逓倍（例えば、８倍等）して高周波化してもよい。

なお、図７に示されたコントローラ３０では、合波回路７３は、ＡＤ変換部７４の前段に配置されているが、ＡＤ変換部７４の後段に配置されてもよい。複数の受光素子７１ａ～７１ｃ及び複数の増幅回路７２ａ～７２ｃの出力を、それぞれＡＤ変換し、その後、合波回路７３によって合波すればよい。

図８は、コントローラ３０における処理部５９によって実行される、計測対象物Ｔまでの距離を算出する方法を示すフローチャートである。図８に示されるように、当該方法は、ステップＳ３１～Ｓ３５を含む。

ステップＳ３１では、処理部５９は、下記ＦＦＴを用いて、波形信号（電圧ｖｓ時間）をスペクトル（電圧ｖｓ周波数）に周波数変換する。図９Ａは、波形信号（電圧ｖｓ時間）がスペクトル（電圧ｖｓ周波数）に周波数変換される様子を示す図である。

ステップＳ３２では、処理部５９は、スペクトル（電圧ｖｓ周波数）をスペクトル（電圧ｖｓ距離）に距離変換する。図９Ｂは、スペクトル（電圧ｖｓ周波数）がスペクトル（電圧ｖｓ距離）に距離変換される様子を示す図である。

ステップＳ３３では、処理部５９は、スペクトル（電圧ｖｓ距離）に基づいてピークに対応する値（距離値，ＳＮＲ）を算出する。図９Ｃは、スペクトル（電圧ｖｓ距離）に基づいてピークに対応する値（距離値，ＳＮＲ）を算出される様子を示す図である。

（１）電圧のピーク値を算出する。具体的には、図９Ｃに示される電圧について、当該電圧の微分値が正から負になる距離における当該距離値と電圧値との組（Ｄ_x，Ｖ_x）を作成し、それらの組において電圧値の高い順に並べる。
（Ｄ₁，Ｖ₁），（Ｄ₂，Ｖ₂），（Ｄ₃，Ｖ₃），・・・，（Ｄ_n，Ｖ_n）

（２）マルチヘッド数を超える組み合わせを除外する。例えば、図５Ａに示されたように、変位センサ１０には、主干渉計において３段の光路が設けられ、センサヘッド２０によってそれぞれの光路から計測対象物Ｔに対して測定光が照射され、それぞれから得られる干渉光（戻り光）が受光される（マルチヘッド数＝３）。仮に、ピークが４つ以上存在すれば、３つを超えるピークは、ノイズ由来に基づくものであって、算出対象から除外すればよい。マルチヘッド数＝３の場合には、（Ｄ₁，Ｖ₁），（Ｄ₂，Ｖ₂），（Ｄ₃，Ｖ₃）となる。

（３）距離順に並び替える。例えば、距離が小さい順に並べると、（Ｄ₃，Ｖ₃），（Ｄ₁，Ｖ₁），（Ｄ₂，Ｖ₂）となる。

（４）ピーク間の電圧を取得する。具体的には、Ｄ₃とＤ₁との中間距離であるＤ₃₁の電圧Ｖ₃₁を取得し、Ｄ₁とＤ₂との中間距離であるＤ₁₂の電圧Ｖ₁₂を取得する。そして、その平均電圧Ｖｎ＝（Ｖ₃₁＋Ｖ₁₂）／２を算出する。

（５）それぞれのＳＮＲを算出する。具体的には、ＳＮ₁＝Ｖ₁／Ｖ_n、ＳＮ₂＝Ｖ₂／Ｖ_n、ＳＮ₃＝Ｖ₃／Ｖ_nとなる。

このように、スペクトル（電圧ｖｓ距離）に基づいてピークに対応する値（距離値，ＳＮＲ）＝（Ｄ₁，ＳＮ₁）,（Ｄ₂，ＳＮ₂）,（Ｄ₃，ＳＮ₃）が算出される。

図８に戻り、ステップＳ３４では、処理部５９は、ステップＳ３３で算出されたピークに対応する値（距離値，ＳＮＲ）のうち距離値を補正する。具体的には、図６Ｃで示されたように、３つのコリメートレンズユニット２４ａ～２４ｃ（コリメートレンズ２２ａ～２２ｃ及び各光ファイバ）は、センサヘッド２０の光軸方向の位置において、それぞれズレて配置されているため、当該ズレ量（例えば、ｈ₁，ｈ₂，ｈ₃等）に応じて、それぞれピークに対応する距離値Ｄ₁，Ｄ₂，Ｄ₃を補正する。

これにより、ピークに対応する値（補正後距離値，ＳＮＲ）＝（Ｄ₁＋ｈ₁，ＳＮ₁）、（Ｄ₂＋ｈ₂，ＳＮ₂）、（Ｄ₃＋ｈ₃，ＳＮ₃）となる。

ステップＳ３５では、処理部５９は、ステップＳ３４で算出されたピークに対応する値（補正後距離値，ＳＮＲ）のうち距離値を平均化する。具体的には、処理部５９は、ピークに対応する値（補正後距離値，ＳＮＲ）のうちＳＮＲが閾値以上の補正後距離値を平均化することが好ましく、当該平均化した算出結果を計測対象物Ｔまでの距離として出力する。

次に、本発明に関して、より特徴的な構成、機能及び性質を中心に、具体的な実施形態として詳細に説明する。なお、以下に示される光干渉測距センサは、図１～図９を用いて説明した変位センサ１０に相当し、当該光干渉測距センサに含まれる基本的な構成、機能及び性質の全部又は一部は、図１～図９を用いて説明した変位センサ１０に含まれる構成、機能及び性質と共通している。

＜第１実施形態＞
図１０は、本発明の第１実施形態に係る光干渉測距センサ１００の構成概要を示す模式図である。図１０に示されるように、光干渉測距センサ１００は、波長掃引光源１１０と、光カプラ１２０ａ～１２０ｃと、減衰器１２２と、干渉計１３０ａ～１３０ｃと、受光部１４０ａ～１４０ｃと、処理部１５０と、を備える。なお、光カプラ１２０ａ～１２０ｃを区別する必要がない場合、それぞれを単に光カプラ１２０と称する場合があり、干渉計１３０ａ～１３０ｃを区別する必要がない場合、それぞれを単に干渉計１３０と称する場合があり、受光部１４０ａ～１４０ｃを区別する必要がない場合、それぞれを単に受光部１４０と称する場合がある。図１０に示す光干渉測距センサ１００は、多段式の光干渉測距センサとして構成され、一例として、干渉計を３つ備える３段構成の光干渉測距センサとして構成されるが、干渉計の数（すなわち、段数）は、２つであっても、４つ以上であってもよい。

波長掃引光源１１０は、光カプラ１２０の第１ポートａ１に直接的に又は他の部材（光増幅器５２、アイソレータ５３、光カプラ５４等）を介して間接的に接続され、連続的に波長を変化させながら光を投光する。

光カプラ１２０ａ～１２０ｃは、互いに直列に接続された３段構成を有している。すなわち、光カプラ１２０ａは干渉計１３０ａに対応する１段目を構成し、光カプラ１２０ｂは干渉計１３０ｂに対応する２段目を構成し、光カプラ１２０ｃは干渉計１３０ｃに対応する３段目を構成する。

各光カプラ１２０は、２×２（４つ）のポートを有しており、一端における１つのポートに入力された光は、他端における２つのポートに所定の分岐比で出力される。具体的には、１段目の光カプラ１２０ａは、第１ポートａ１、第２ポートａ２、第３ポートａ３、及び第４ポートａ４を有する。第１ポートａ１又は第２ポートａ２に入力された光は、所定の分岐比で、第３ポートａ３及び第４ポートａ４に出力される。また、第３ポートａ３又は第４ポートａ４に入力された光は、所定の分岐比で、第１ポートａ１及び第２ポートａ２に出力される。

また、２段目の光カプラ１２０ｂは、第１ポートｂ１、第２ポートｂ２、第３ポートｂ３、及び第４ポートｂ４を有する。第１ポートｂ１又は第２ポートｂ２に入力された光は、所定の分岐比で、第３ポートｂ３及び第４ポートｂ４に出力される。また、第３ポートｂ３又は第４ポートｂ４に入力された光は、所定の分岐比で、第１ポートｂ１及び第２ポートｂ２に出力される。

また、３段目の光カプラ１２０ｃは、第１ポートｃ１、第２ポートｃ２、第３ポートｃ３、及び第４ポートｃ４を有する。第１ポートｃ１又は第２ポートｃ２に入力された光は、所定の分岐比で、第３ポートｃ３及び第４ポートｃ４に出力される。また、第３ポートｃ３又は第４ポートｃ４に入力された光は、所定の分岐比で、第１ポートｃ１及び第２ポートｃ２に出力される。

１段目の光カプラ１２０ａの第１ポートａ１は、波長掃引光源１１０に接続されており、連続的に波長が変化する光が波長掃引光源１１０から直接的又は間接的に入力される。

１段目の光カプラ１２０ａは、波長掃引光源１１０から第１ポートａ１に入力された光を、第３ポートａ３及び第４ポートａ４に、所定の分岐比で分岐して出力する。１段目の光カプラ１２０ａの第３ポートａ３から出力された光は、１段目の干渉計１３０ａに入力される。１段目の光カプラ１２０ａの第４ポートａ４から出力された光は、２段目の光カプラ１２０ｂの第１ポートｂ１に入力される。

２段目の光カプラ１２０ｂは、１段目の光カプラ１２０ａから第１ポートｂ１に入力された光を、第３ポートｂ３及び第４ポートｂ４に、所定の分岐比で分岐して出力する。２段目の光カプラ１２０ｂの第３ポートｂ３から出力された光は、２段目の干渉計１３０ｂに入力される。２段目の光カプラ１２０ｂの第４ポートｂ４から出力された光は、３段目の光カプラ１２０ｃの第１ポートｃ１に入力される。

３段目の光カプラ１２０ｃは、２段目の光カプラ１２０ｂから第１ポートｃ１に入力された光を、第３ポートｃ３及び第４ポートｃ４に、所定の分岐比で分岐して出力する。３段目の光カプラ１２０ｃの第３ポートｃ３から出力された光は、３段目の干渉計１３０ｃに入力される。３段目の光カプラ１２０ｃの第４ポートｃ４から出力された光は、減衰器１２２に入力される。

干渉計１３０ａ～１３０ｃは、センサヘッド１３１ａ～１３１ｃをそれぞれ有する。センサヘッド１３１ａ～１３１ｃは、対物レンズ１３２ａ～１３２ｃをそれぞれ有する。なお、センサヘッド１３１ａ～１３１ｃのそれぞれは、光ファイバの先端と対物レンズ１３２ａ～１３２ｃとの間に配置されたコリメートレンズを有してもよい。

１段目の光カプラ１２０ａの第３ポートａ３から１段目の干渉計１３０ａに入力された光は、光ファイバを介してセンサヘッド１３１ａに入力される。センサヘッド１３１ａに入力された光の一部は、測定光として、対物レンズ１３２ａを介して計測対象物Ｔに照射され、計測対象物Ｔで反射される。そして、計測対象物Ｔで反射された測定光は、センサヘッド１３１ａの対物レンズ１３２ａによって集光されることにより、センサヘッド１３１ａに入力される。また、センサヘッド１３１ａに入力された光の他の一部は、参照光として、光ファイバの先端に設けられた参照面で反射される。そして、測定光及び参照光がセンサヘッド１３１ａの参照面で干渉することにより、測定光及び参照光の光路長差に応じた第１干渉光が生成され、当該第１干渉光が干渉計１３０ａから出力されて光カプラ１２０ａの第３ポートａ３に入力される。

２段目の光カプラ１２０ｂの第３ポートｂ３から２段目の干渉計１３０ｂに入力された光は、光ファイバを介してセンサヘッド１３１ｂに入力される。センサヘッド１３１ｂに入力された光の一部は、測定光として、対物レンズ１３２ｂを介して計測対象物Ｔに照射され、計測対象物Ｔで反射される。そして、計測対象物Ｔで反射された測定光は、センサヘッド１３１ｂの対物レンズ１３２ｂによって集光されることにより、センサヘッド１３１ｂに入力される。また、センサヘッド１３１ｂに入力された光の他の一部は、参照光として、光ファイバの先端に設けられた参照面で反射される。そして、測定光及び参照光がセンサヘッド１３１ｂの参照面で干渉することにより、測定光及び参照光の光路長差に応じた第２干渉光が生成され、当該第２干渉光が干渉計１３０ｂから出力されて光カプラ１２０ｂの第３ポートｂ３に入力される。

３段目の光カプラ１２０ｃの第３ポートｃ３から３段目の干渉計１３０ｃに入力された光は、光ファイバを介してセンサヘッド１３１ｃに入力される。センサヘッド１３１ｃに入力された光の一部は、測定光として、対物レンズ１３２ｃを介して計測対象物Ｔに照射され、計測対象物Ｔで反射される。そして、計測対象物Ｔで反射された測定光は、センサヘッド１３１ｃの対物レンズ１３２ｃによって集光されることにより、センサヘッド１３１ｃに入力される。また、センサヘッド１３１ｃに入力された光の他の一部は、参照光として、光ファイバの先端に設けられた参照面で反射される。そして、測定光及び参照光がセンサヘッド１３１ｃの参照面で干渉することにより、測定光及び参照光の光路長差に応じた第３干渉光が生成され、当該第３干渉光が干渉計１３０ｃから出力されて光カプラ１２０ｃの第３ポートｃ３に入力される。

減衰器１２２は、光カプラ１２０ｃの第４ポートｃ４から入力された光を減衰させて、当該光カプラ１２０ｃへの反射光を軽減する。当該反射光を軽減することによって、位相ノイズの影響を軽減することができ、光干渉測距センサ１００は、計測対象物Ｔをより高精度に測距することができる。

光カプラ１２０ｃに接続される光ファイバの先に接続される光学素子としては、減衰器１２２に限定されるものではなく、他の光学素子であってもよい。例えば、アイソレータが接続されたり、光ファイバのファイバ先端に加工が施され、コアレスファイバ等が適用されたりしてもよい。これらの場合においても、例えば、融着接続及びＡＰＣ研磨等を適用することによって光カプラ１２０ｃへの反射光を軽減し、上述した位相ノイズの影響を軽減することが好ましい。

受光部１４０ａ～１４０ｃは、受光素子１４１ａ～１４１ｃと、ＡＤ変換部１４２ａ～１４１ｃとをそれぞれ有する。受光素子１４１ａ～１４１ｃは、例えば、フォトディテクタであって、光カプラ１２０ａ～１２０ｃの第２ポートａ２～ｃ２から出力される光を受光し、電気信号に変換する。ＡＤ変換部１４２ａ～１４２ｃは、当該電気信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する。

受光部１４０ａ～１４０ｃは、光カプラ１２０ａ～１２０ｃにそれぞれ対応しており、光カプラ１２０ａ～１２０ｃの第２ポートａ２～ｃ２から出力される光をそれぞれ受光する。

上述したとおり、１段目の干渉計１３０ａで生成された第１干渉光は、干渉計１３０ａから出力されて光カプラ１２０ａの第３ポートａ３に入力される。そして、１段目の光カプラ１２０ａは、第３ポートａ３に入力された第１干渉光を、第１ポートａ１及び第２ポートａ２に、所定の分岐比で分岐して出力する。受光部１４０ａは、光カプラ１２０ａの第２ポートａ２から出力される光を受光して、これに基づいてデジタル信号を生成し、処理部１５０に供給する。

上述したとおり、２段目の干渉計１３０ｂで生成された第２干渉光は、干渉計１３０ｂから出力されて光カプラ１２０ｂの第３ポートｂ３に入力される。そして、２段目の光カプラ１２０ｂは、第３ポートｂ３に入力された第２干渉光を、第１ポートｂ１及び第２ポートｂ２に、所定の分岐比で分岐して出力する。受光部１４０ｂは、光カプラ１２０ｂの第２ポートｂ２から出力される光を受光して、これに基づいてデジタル信号を生成し、処理部１５０に供給する。

上述したとおり、３段目の干渉計１３０ｃで生成された第３干渉光は、干渉計１３０ｃから出力されて光カプラ１２０ｃの第３ポートｃ３に入力される。そして、３段目の光カプラ１２０ｃは、第３ポートｃ３に入力された第３干渉光を、第１ポートｃ１及び第２ポートｃ２に、所定の分岐比で分岐して出力する。受光部１４０ｃは、光カプラ１２０ｃの第２ポートｃ２から出力される光を受光して、これに基づいてデジタル信号を生成し、処理部１５０に供給する。

処理部１５０は、受光部１４０ａ～１４０ｃによって変換された各デジタル信号に基づいて計測対象物Ｔまでの距離を算出する。例えば、処理部１５０は、ＦＰＧＡ等の集積回路で実現されるプロセッサであって、入力された各デジタル信号を、ＦＦＴを用いて周波数変換し、それに基づいて計測対象物Ｔまで距離が算出される。

第１実施形態に係る光干渉測距センサ１００は、複数段の光カプラ１２０において後段から前段への光の供給を抑制する抑制手段を含む。特に、第１実施形態に係る光干渉測距センサ１００は、抑制手段として、対応する干渉計１３０に分岐させる光の光量より、後段に分岐させる光の光量の方が大きくなるように構成された光カプラ１２０を含む。例えば、１段目の光カプラ１２０ａは、抑制手段の一例であってよく、「対応する干渉計１３０ｃに分岐させる光の光量：後段（２段目の光カプラ１２０ｂ）に分岐させる光の光量」は「１０：９０」であってよい。また、例えば、２段目の光カプラ１２０ｂは、抑制手段の一例であってよく、「対応する干渉計１３０ｂに分岐させる光の光量：後段（３段目の光カプラ１２０ｃ）に分岐させる光の光量」は「１５：８５」であってよい。また、例えば、３段目の光カプラ１２０ｃは、抑制手段の一例であってよく、「対応する干渉計１３０ｃに分岐させる光の光量：後段（減衰器１２２）に分岐させる光の光量」は「２０：８０」であってよい。これにより、複数段の光カプラにおいて、後段から前段への光の供給が抑制されるため、後段のカプラから前段の光カプラへ戻る光を抑制することにより、光干渉測距センサの計測精度を向上させることが可能となる。

第１実施形態に係る光干渉測距センサ１００では、波長掃引光源１１０から遠い光カプラ１２０ほど、対応する干渉計１３０に分岐させる光の光量の割合が相対的に高くなるように設定されてもよい。すなわち、光干渉測距センサ１００が備える光カプラ１２０の段数をｉとした場合（ｉは、光干渉測距センサ１００が備える光カプラ１２０の段数をｎとした場合、１～ｎに属するいずれかの自然数）、ｉ段目の光カプラ１２０についての、後段に分岐させる光の光量に対する、対応する干渉計１３０に分岐させる光の光量の割合である分岐比をＲｉとした場合、Ｒ_i+1≧Ｒ_iとなるように設定されてもよい。例えば、上述した例の場合、Ｒ₁は「１０／９０」であり、Ｒ₂は「１５／８５」であり、Ｒ₃は「２０／８０」である。そのため、Ｒ₃≧Ｒ₂≧Ｒ₁であり、Ｒ_i+1≧Ｒ_iが満たされる（但し、ｉ＝１、２、３）。これにより、干渉計毎の受光量のばらつきが低減されるため、光干渉測距センサの計測精度を向上させることが可能となる。

第１実施形態に係る光干渉測距センサ１００では、ｉ段目の光カプラ１２０からこれに対応する干渉計１３０の参照面までの光路長をＬ_CR,iとし、ｉ段目の光カプラ１２０からｉ＋１段目の光カプラ１２０までの光路長をＬ_CC,iとした場合、｜Ｌ_CR,i－（Ｌ_CR,i+1＋Ｌ_CC,i）｜が所定の閾値（第１閾値）以上となるように設定されてもよい（「｜｜」は絶対値を示す記号である）。なお、光路長であるＬ_CR,i及びＬ_CC,iはいずれも、光路の空間的長さに屈折率を乗じて得られる値であってよい。これにより、複数の干渉計のそれぞれで生成される複数の干渉光同士の干渉が抑制され、光干渉測距センサの計測精度を向上させることが可能となる。

特に、｜Ｌ_CR,i－（Ｌ_CR,i+1＋Ｌ_CC,i）｜に対する上記閾値（第１閾値）は、受光部１４０の周波数帯域に基づいて決定されてもよい。これにより、受光部の周波数帯域に応じて、効果的に複数の干渉光同士の干渉を抑制し、光干渉測距センサの計測精度を向上させることが可能となる。

＜第２実施形態＞
図１１は、本発明の第２実施形態に係る光干渉測距センサ２００の構成概要を示す模式図である。第２実施形態に係る光干渉測距センサ２００は、上述した第１実施形態に係る光干渉測距センサ１００が備える構成に加えて、アイソレータ２２１ａ及び２２１ｂを備える。

アイソレータ２２１ａ及び２２１ｂは、複数段の光カプラにおいて後段から前段への光の供給を抑制する抑制手段の一例であり、特に、前段の光カプラから後段の光カプラへは光を導くが、後段の光カプラから前段の光カプラへは光を導かないように構成された遮断部の一例である。アイソレータ２２１ａ及び２２１ｂは、以下詳述するとおり、前段の光カプラ１２０から後段の光カプラへは光を導くが、後段の光カプラから前段の光カプラへは光を導かないように構成されている。これにより、後段の光カプラから前段の光カプラへの戻り光を抑制することができ、光干渉測距センサの計測精度を向上させることが可能となる。

アイソレータ２２１ａは、１段目の光カプラ１２０ａの第４ポートａ４と、２段目の光カプラ１２０ｂの第１ポートｂ１との間に光学的に接続されている。アイソレータ２２１ａは、１段目の光カプラ１２０ａから２段目の光カプラ１２０ｂへは光を導くが、２段目の光カプラ１２０ｂから１段目の光カプラ１２０ａへは光を導かないように構成される。そのため、アイソレータ２２１ａは、上述したように第３ポートｂ３から光カプラ１２０ｂに入力された第２干渉光のうち、第１ポートｂ１から出力されて１段目の光カプラ１２０ａに向かう光を遮断する。

アイソレータ２２１ｂは、２段目の光カプラ１２０ｂの第４ポートｂ４と、３段目の光カプラ１２０ｃの第１ポートｃ１との間に光学的に接続されている。アイソレータ２２１ｂは、２段目の光カプラ１２０ｂから３段目の光カプラ１２０ｃへは光を導くが、３段目の光カプラ１２０ｃから２段目の光カプラ１２０ｂへは光を導かないように構成される。そのため、アイソレータ２２１ｂは、上述したように第３ポートｃ３から光カプラ１２０ｃに入力された第３干渉光のうち、第１ポートｃ１から出力されて２段目の光カプラ１２０ｃｂに向かう光を遮断する。

アイソレータ２２１ａ及び２２１ｂから前段の光カプラ１２０へ反射光が生じ得るが、当該反射光は、前段の光カプラ１２０が対応する干渉計１３０から受光する干渉光に更に干渉し得る。そこで、第２実施形態に係る光干渉測距センサ２００では、アイソレータ２２１ａ及び２２１ｂから前段の光カプラ１２０に向かう反射光が、干渉計１３０が生成する干渉光と干渉することを抑制するために、例えば以下のように設定されてもよい。すなわち、ｉ段目の光カプラからこれに対応する干渉計の参照面までの光路長をＬ_CR,iとし、ｉ段目の光カプラからこれに接続された後段側のアイソレータまでの光路長をＬ_CI,iとした場合、｜Ｌ_CR,i－Ｌ_CI,i｜が所定の閾値（第２閾値）以上となるように設定されてもよい。なお、光路長であるＬ_CR,i及びＬ_CI,iはいずれも、光路の空間的長さに屈折率を乗じて得られる値であってよい。これにより、アイソレータ（遮断部）からの反射光と、干渉計が生成する干渉光との干渉が抑制され、光干渉測距センサの計測精度を向上させることが可能となる。

特に、｜Ｌ_CR,i－Ｌ_CI,i｜に対する上記閾値（第２閾値）は、受光部１４０の周波数帯域に基づいて決定されてもよい。これにより、受光部の周波数帯域に応じて、効果的にアイソレータ（遮断部）からの反射光と、干渉計が生成する干渉光との干渉を抑制し、光干渉測距センサの計測精度を向上させることが可能となる。

［干渉計の変形例］
上述した本実施形態では、光干渉測距センサ１００は、干渉計１３０ａ～１３０ｃのそれぞれにおいて光ファイバの先端を参照面とすることで参照光を発生させるフィゾー干渉計を用いていたが、干渉計は、これに限定されるものではない。

図１２は、測定光と参照光とを用いて干渉光を発生させる干渉計のバリエーションを示す図である。図１２（ａ）では、分岐部１２１によって分岐された光路Ａ～Ｃにおいて、それぞれ光ファイバの先端（端面）を参照面として、光路長差が異なるように、それぞれ光ファイバの先端位置を光軸方向にズレて配置されている。上述した本実施形態に係る光干渉測距センサ１００の干渉計１２０の構成であり（フィゾー干渉計）、当該参照面は、光ファイバと空気との屈折率の違いによって光が反射するように構成されていてもよい（フレネル反射）。また、光ファイバの先端に反射膜をコーティングしてもよいし、光ファイバの先端に無反射コーティングを施して、別途、レンズ面等の反射面を配置してもよい。

図１２（ｂ）では、分岐部１２１によって分岐された光路Ａ～Ｃにおいて、計測対象物Ｔに測定光を導く測定光路Ｌｍ１～Ｌｍ３と、参照光を導く参照光路Ｌｒ１～Ｌｒ３とを形成し、参照光路Ｌｒ１～Ｌｒ３の先にはそれぞれ参照面が配置されている（マイケルソン干渉計）。参照面は、光ファイバの先端に反射膜をコーティングしてもよいし、光ファイバの先端に無反射コーティングを施して、別途、レンズ面等の反射面を配置してもよい。当該構成では、各測定光路Ｌｍ１～Ｌｍ３の光路長を同一にし、各参照光路Ｌｒ１～Ｌｒ３において光路長差を設けることによって、各光路Ａ～Ｃにおいて、光路長差が異なるようにしている。各測定光路Ｌｍ１～Ｌｍ３の光路長を同一にすることができるため、センサヘッドにおける光学設計を容易にすることができる。

図１２（ｃ）では、分岐部１２１によって分岐された光路Ａ～Ｃにおいて、計測対象物Ｔに測定光を導く測定光路Ｌｍ１～Ｌｍ３と、参照光を導く参照光路Ｌｒ１～Ｌｒ３とを形成し、参照光路Ｌｒ１～Ｌｒ３には、バランスディテクタが配置されている（マッハツェンダ干渉計）。当該構成では、各測定光路Ｌｍ１～Ｌｍ３の光路長を同一にし、各参照光路Ｌｒ１～Ｌｒ３において光路長差を設けることによって、各光路Ａ～Ｃにおいて、光路長差が異なるようにしている。各測定光路Ｌｍ１～Ｌｍ３の光路長を同一にすることができるため、センサヘッドにおける光学設計を容易にすることができる。

このように、干渉計は、本実施形態で説明したフィゾー型干渉計に限定されるものではなく、例えば、マイケルソン干渉計やマッハツェンダ干渉計であってもよいし、測定光と参照光との光路長差を設定することによって干渉光を発生させることができれば、どのような干渉計を適用してもよいし、これらの組み合わせ等やその他の構成を適用してもよい。

１…センサシステム、１０…変位センサ、１１…制御機器、１２…制御信号入力用センサ、１３…外部接続機器、２０…センサヘッド、２１…対物レンズ、２２，２２ａ～２２ｃ、コリメートレンズ、２３…対物レンズホルダ、２４，２４ａ～２４ｃ…コリメートレンズユニット、３０…コントローラ、３１…表示部、３２…設定部、３３…外部インタフェース（Ｉ／Ｆ）部、３４…光ファイバ接続部、３５…外部記憶部、３６…計測処理部、４０…光ファイバ、５１…波長掃引光源、５２…光増幅器、５３，５３ａ～５３ｂ…アイソレータ、５４，５４ａ～５４ｅ…光カプラ、５５…減衰器、５６ａ～５６ｃ…受光素子、５７…合波回路、５８…ＡＤ変換部、５９…処理部、６０…バランスディテクタ、６１…補正信号生成部、７１ａ～７１ｅ…受光素子、７２ａ～７２ｃ…増幅回路、７３…合波回路、７４…ＡＤ変換部、７５…処理部、７６…差動増幅回路、７７…補正信号生成部、１００，２００…光干渉測距センサ、１１０…波長掃引光源、１２０ａ～１２０ｃ…光カプラ、１２２…減衰器、１３０ａ～１３０ｃ…干渉計、１３１ａ～１３１ｃ…センサヘッド、１３２ａ～１３２ｃ…対物レンズ、１４０ａ～１４０ｃ…受光部、１４１ａ～１４１ｃ…受光素子、１４２ａ～１４２ｃ…ＡＤ変換部、１５０…処理部、２２１ａ、２２１ｂ…アイソレータ、ａ１～ａ４、ｂ１～ｂ４、ｃ１～ｃ４…光カプラのポート、Ｔ…計測対象物、Ｌｍ１～Ｌｍ３…測定光路、Ｌｒ１～Ｌｒ３…参照光路

Claims (9)

1. 連続的に波長を変化させながら光を投光する光源と、
   供給された光を計測対象物に導くことにより前記計測対象物から反射される測定光と、前記測定光とは少なくとも一部異なる光路を辿る参照光とに基づく干渉光を生成する複数の干渉計と、
   直列に接続された複数段の光カプラであって、前記光源からの光を前段から受光して、前記複数の干渉計のうち対応する干渉計と、後段とに光を分岐させて供給する、複数段の光カプラと、
   前記複数段の光カプラにおける後段から前段への光の供給を抑制する抑制手段と、
   前記複数の干渉計が生成する複数の干渉光の周波数に基づいて、前記計測対象物までの距離を算出する処理部と、を備える光干渉測距センサ。
2. 前記抑制手段は、前記複数段の光カプラのうち少なくともいずれかの光カプラであって、対応する干渉計に分岐させる光の光量より、後段に分岐させる光の光量の方が大きくなるように構成された光カプラを含む、請求項１に記載の光干渉測距センサ。
3. 前記複数段の光カプラのうちｉ段目の光カプラについての、後段に分岐させる光の光量に対する、対応する干渉計に分岐させる光の光量の割合をＲｉとした場合、Ｒ_i+1≧Ｒ_iとなるように設定される、請求項１又は２に記載の光干渉測距センサ。
4. 前記干渉計は、前記測定光における前記計測対象物に照射して当該計測対象物で反射された第１反射光と、前記参照光における参照面で反射された第２反射光とに基づいて各干渉光を発生させる、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の光干渉測距センサ。
5. ｉ段目の光カプラからこれに対応する干渉計の参照面までの光路長をＬ_CR,iとし、ｉ段目の光カプラからｉ＋１段目の光カプラまでの光路長をＬ_CC,iとした場合、｜Ｌ_CR,i－（Ｌ_CR,i+1＋Ｌ_CC,i）｜が第１閾値以上となるように設定される、請求項４に記載の光干渉測距センサ。
6. 前記第１閾値は、前記複数の干渉光を電気信号に変換して前記処理部に供給する受光部の周波数帯域に基づいて設定される、請求項５に記載の光干渉測距センサ。
7. 前記抑制手段は、前記複数段の光カプラのうちの２つの光カプラの間に接続され、前段の光カプラから後段の光カプラへは光を導くが、後段の光カプラから前段の光カプラへは光を導かないように構成された遮断部を含む、請求項４から６のいずれか一項に記載の光干渉測距センサ。
8. ｉ段目の光カプラからこれに対応する干渉計の参照面までの光路長をＬ_CR,iとし、ｉ段目の光カプラからこれに接続された後段側の遮断部までの光路長をＬ_CI,iとした場合、｜Ｌ_CR,i－Ｌ_CI,i｜が第２閾値以上となるように設定される、請求項７に記載の光干渉測距センサ。
9. 前記第２閾値は、前記複数の干渉光を電気信号に変換して前記処理部に供給する受光部の周波数帯域に基づいて設定される、請求項８に記載の光干渉測距センサ。

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