JP2023132701A - 光干渉測距センサ - Google Patents

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Abstract

【課題】一定程度弱い干渉光を予め除外した上で測距を行う光干渉測距センサにおいて、計測対象物に対する傾斜補正の精度を向上させる。【解決手段】本発明の一態様に係る光干渉測距センサが備える処理部は、第１電気信号を、干渉計から計測対象物までの距離を示す第１距離値に変換する変換部と、第１距離値に基づいて、傾斜値を算出する傾斜値算出部と、傾斜値に基づいて第１距離値を補正する第１距離値補正部と、第１距離値補正部により補正された第１距離値に基づいて、光干渉測距センサから計測対象物までの距離を示す第２距離値を算出する第２距離値算出部と、を備え、第１距離値補正部は、第１電気信号を検出した回数が第２閾値未満である場合、第１距離値を、記憶部において該第１距離値に対応付けられた傾斜値よりも順序が先行する傾斜値に基づいて、補正する。【選択図】図１２

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。
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。
国際公開第２０１９／１３１２９８号
光干渉測距センサにおいて、干渉光を生成する干渉計を複数設けた場合、計測対象物と複数の干渉計との間の傾斜を補正する必要が生じ得る。一方で、精度向上等の観点から、一定程度弱い干渉光は予め除外した上で、除外されなかった干渉光のみに基づいて計測対象物までの距離を算出する場合があり、このような場合に、傾斜補正の精度が低下する場合がある。
そこで、本発明は、複数の干渉光のうち一定程度弱い干渉光を予め除外した上で測距を行う光干渉測距センサであって、計測対象物に対する傾斜補正の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、光干渉測距センサであって、連続的に波長を変化させながら光を投光する光源と、光源から投光された光が供給され、計測対象物に照射され当該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、複数の干渉計のそれぞれが生成する干渉光を受光して、複数の干渉計のそれぞれに対応する複数の電気信号に変換する受光部と、複数の電気信号のうち強度が第１閾値以上である第１電気信号に基づいて、光干渉測距センサから計測対象物までの距離を算出し出力する処理部と、を備え、処理部は、第１電気信号を、複数の干渉計のうちの該第１電気信号に対応する干渉計から計測対象物までの距離を示す第１距離値に変換する変換部と、第１距離値に基づいて、計測対象物に対する複数の干渉計の傾斜を示す傾斜値を算出する傾斜値算出部と、第１電気信号を検出した回数と、第１距離値と、傾斜値とを対応付けて順次に記憶する記憶部を参照して、傾斜値に基づいて第１距離値を補正する第１距離値補正部と、第１距離値補正部により補正された第１距離値に基づいて、光干渉測距センサから計測対象物までの距離を示す第２距離値を算出する第２距離値算出部と、を備え、第１距離値補正部は、複数の電気信号のうち第１電気信号を検出した回数が第２閾値未満である場合、第１距離値を、記憶部において該第１距離値に対応付けられた傾斜値よりも順序が先行する傾斜値に基づいて、補正する。
この態様によれば、複数の電気信号のうち強度が第１閾値以上である第１電気信号を検出した回数が第２閾値未満である場合、第１電気信号が変換された第１距離値を、記憶部において該第１距離値に対応付けられた傾斜値よりも順序が先行する傾斜値に基づいて、補正される。これにより、計測対象物に対する傾斜補正の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、複数の電気信号の強度のうちの最大の強度に所定割合を乗じた値であってもよい。
この態様によれば、計測対象物に対する傾斜補正の精度の向上の効果が高まる。
上記態様において、第１距離値補正部は、傾斜値が所定条件を満たす場合に、第１距離値を補正してもよい。
この態様によれば、傾斜の度合に応じて、傾斜補正の精度を向上させることが可能となる。
上記態様において、所定条件は、少なくともいずれかの傾斜値が第３閾値以上であることを含んでもよい。
この態様によれば、傾斜の度合に応じて、傾斜補正の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距離値補正部は、複数の電気信号のうち第１電気信号を検出した回数が第２閾値未満である場合、第１距離値を、記憶部において、第１電気信号を検出した回数が第４閾値以上である順序に対応付けられた傾斜値に基づいて、補正してもよい。
この態様によれば、計測対象物に対する傾斜補正の精度を向上させることが可能となる。
上記態様において、処理部は、更に、傾斜値を出力してもよい。
この態様によれば、ユーザの利便性が向上する。
上記態様において、傾斜値算出部は、傾斜値として、複数の干渉計のうちの２つの干渉計のそれぞれに対応する第１距離値の差分を、２つの干渉計の間に配置された干渉計の数に１を加えた数で除して得られる値を算出してもよい。
この態様によれば、計測対象物に対する傾斜補正の精度を向上させることが可能となる。
上記態様において、複数の干渉計は、各干渉計のヘッドが平面内において略三角形を構成するように配置される少なくとも３つの干渉計を含み、傾斜値算出部は、第１閾値以上の強度を有する電気信号に対応する干渉計から、３つの干渉計のうち２つの干渉計のそれぞれの始点部分により構成されるベクトルの方向と計測対象物の傾斜の軸方向との差が最も直角に近くなるような、２つの干渉計を選択し、選択された２つの干渉計に対応する第１距離値に少なくとも基づいて、傾斜値を算出してもよい。
この態様によれば、計測対象物に対する傾斜補正の精度を向上させることが可能となる光干渉測距センサの構成の自由度が増加する。
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の内部構造を示す模式図である。 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、各干渉計ａ、ｂ、及びｃの計測対象物Ｔまでの個別距離値を算出し、所定の閾値と比較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）に基づいてピークを検出し、それに対応する距離値が算出される様子を示す図である。 センサヘッド２０と計測対象物Ｔとの間の傾斜について説明するための図である。 センサヘッド２０と計測対象物Ｔとの間の傾斜について説明するための図である。 変位センサ１０が記憶するテーブルについて説明するための図である。 コントローラ３０における処理部５９によって実行される、変位センサ１０から計測対象物Ｔまでの最終距離値を算出する方法を示すフローチャートである。 干渉計の第１変形例を説明するための図である。 干渉計の第２変形例を説明するための図である。
以下、本発明の好適な各実施形態について、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、複数の増幅回路５７ａ～５７ｃと、複数のアナログデジタル（ＡＤ）変換部（例えば、アナログデジタルコンバータ）５８ａ～５８ｃ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、当該光カプラ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、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の方向へ分岐された光は、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）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、３段目の光カプラ５４ｃに戻り、当該光カプラ５４ｃによってアイソレータ５３ｂ及び受光素子５６ｃそれぞれの方向へ分岐される。光カプラ５４ｃから受光素子５６ｃの方向へ分岐された光は、受光素子５６ｃで受光されて電気信号に変換される。一方、アイソレータ５３ｂは、前段の光カプラ５４ｂから後段の光カプラ５４ｃへ光を透過し、後段の光カプラ５４ｃから前段の光カプラ５４ｂへの光を遮断するため、光カプラ５４ｃからアイソレータ５３ｂの方向へ分岐された光は、遮断される。
なお、３段目の光カプラ５４ｃによってセンサヘッド２０でない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、例えば、ターミネータ等の減衰器５５によって減衰されるとよい。
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。
増幅回路５７ａ～５７ｃは、それぞれ受光素子５６ａ～５６ｃから出力される電気信号を増幅する。
ＡＤ変換部５８ａ～５８ｃは、それぞれ増幅回路５７ａ～５７ｃによって増幅された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５８ａ～５８ｃ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５８ａ～５８ｃ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、主干渉計においてそれぞれＡＤ変換部５８ａ～５８ｃ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５８ａ～５８ｃ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、それぞれＡＤ変換部５８ａ～５８ｃ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では、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、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、複数の増幅回路５７ａ～５７ｃと、複数のアナログデジタル（ＡＤ）変換部（例えば、アナログデジタルコンバータ）５８ａ～５８ｃ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。なお、受光素子５６ａ～５６ｃは、例えば、バランスフォトディテクタであってもよい。
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、センサヘッドの内部構造を示す模式図である。
図６Ａに示されるように、センサヘッド２０は、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、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２０ｍｍ程度であり、光軸方向への長さが４０ｍｍ程度である。
図６Ｂに示されるように、レンズホルダ２３には、１つの対物レンズ２１及び３つのコリメートレンズ２２ａ～２２ｃが格納されている。光ファイバからの光は、光ファイバアレイ２４を介して３つのコリメートレンズ２２ａ～２２ｃに導かれるように構成されており、さらに、３つのコリメートレンズ２２ａ～２２ｃを通過した光は、対物レンズ２１を介して計測対象物Ｔに照射される。
このように、これらの光ファイバ、コリメートレンズ２２ａ～２２ｃ及び光ファイバアレイ２４は、対物レンズ２１とともに、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。
また、センサヘッド２０を構成するレンズホルダ２３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、複数のＡＤ変換部７４ａ～７４ｃ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５Ａ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。
複数のＡＤ変換部７４ａ～７４ｃは、図５Ａに示されたＡＤ変換部５８ａ～５８ｃ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７４ａ～７４ｃからのデジタル信号をＦＦＴを用いて周波数に変換し、各コリメートレンズ２２ａ～２２ｃに対応する計測対象物までの距離値（「個別距離値」と称する場合がある。）を算出した上で、それらを解析して、変位センサ１０から計測対象物Ｔまでの距離値（「最終距離値」と称する場合がある。）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部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７４ａ～７４ｃ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、補正信号生成部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。
次に、本開示に関して、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７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７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、各干渉計ａ、ｂ、及びｃの計測対象物Ｔまでの個別距離値を算出し、所定の閾値と比較する方法を示すフローチャートである。ここで、干渉計ａ、ｂ、及びｃはそれぞれ、コリメートレンズ２２ａ、２２ｂ、及び２２ｃに対応する干渉計である。なお、以下では、コリメートレンズ２２ａ～２２ｃそれぞれの光軸方向の位置は同一であるものとして説明する。しかしながら、本実施形態に係る変位センサ１０では、コリメートレンズ２２ａ～２２ｃそれぞれの光軸方向の位置は、同一でなくてもよい。図８に示されるように、当該方法は、ステップＳ３１～Ｓ３４を含む。当該方法は、主干渉計におけるサンプリングの時刻毎に実行されてもよい。
ステップＳ３１では、処理部５９は、下記ＦＦＴを用いて、各干渉計ａ～ｃに対応する波形信号（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。
Figure 2023132701000002
ステップＳ３２では、処理部５９は、各干渉計ａ～ｃに対応するスペクトル（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、各干渉計ａ～ｃに対応するスペクトル（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。
ステップＳ３３では、処理部５９は、各干渉計ａ～ｃに対応するスペクトル（電圧ｖｓ距離）に基づいてピークに対応する個別距離値を算出する。図９Ｃは、各干渉計ａ～ｃに対応するスペクトル（電圧ｖｓ距離）に基づいてピークを検出し、それに対応する個別距離値が算出される様子を示す図である。図９Ｃに示されるように、ここでは、３チャネルにおいて、それぞれ各干渉計ａ～ｃに対応するスペクトル（電圧ｖｓ距離）に基づいてピークが検出され、それぞれピークに対応する個別距離値（同図の例では、Ｄ１、Ｄ２、及びＤ３）が算出される。
ステップＳ３４では、処理部５９は、ステップＳ３３で検出された各干渉計ａ～ｃに対応するピークの電圧値（ＳＮ値）（図９Ｃの例では、電圧Ｖ１、Ｖ２、及びＶ３）を、所定の閾値（第１閾値の一例）と比較した上で、閾値以上のピークの数を決定する。ここで、所定の閾値は、予め規定された定数であってもよい。或いは、所定の閾値は、各干渉計ａ～ｃに対応するＳＮ値に基づいて算出された値であってもよい。具体的には、例えば、当該所定の閾値は、各干渉計ａ～ｃに対応するＳＮ値のうちの最大値に所定割合を乗じた値であってよい。当該割合は、任意に設定可能であってよいが、例えば、０．８、０．５、０．３等であってよい。例えば、干渉計ａに対応するＳＮ値であるＳＮａが１００、干渉計ｂに対応するＳＮ値であるＳＮｂが８０、干渉計ｃに対応するＳＮ値であるＳＮｃが４０である場合、最大のＳＮ値はＳＮａの１００となる。所定割合を０．５とした場合に、最大のＳＮ値であるＳＮａの１００に０．５を乗じて得られる値は、５０となるので、当該５０が上述した閾値となる。そして、ＳＮａ（１００）、及びＳＮｂ（８０）は閾値（５０）以上であり、ＳＮｃ（４０）は閾値（５０）未満であるため、閾値以上のピーク数は２と決定される。
ステップＳ３５では、処理部５９は、傾斜値を算出する。ここで傾斜値とは、センサヘッド２０と計測対象物Ｔとの間の傾斜の影響を低減するための各個別距離値に対する補正係数であってよい。
図１０Ａ及び図１０Ｂを参照して、センサヘッド２０と計測対象物Ｔとの間の傾斜について説明する。図１０Ａの左側には、センサヘッド２０に対して計測対象物Ｔが傾斜していない場合（各干渉計ａ～ｃが計測対象物Ｔと平行に配置される場合）における、変位センサ１０が有する光ファイバアレイ２４及びコリメートレンズ２２ａ～２２ｃと、計測対象物Ｔとが示されている。なお、便宜的に、対物レンズ２１等の、変位センサ１０が有する他の構成の図示は省略されている。また、図１０Ａの右側には、ＳＮ値（信号強度）と、各干渉計ａ～ｃに対応する個別距離値との関係を示すグラフが模式的に示されている。同図において、干渉計ａに対応するＳＮ値は符号ａで、干渉計ｂに対応するＳＮ値は符号ｂで、干渉計ｃに対応するＳＮ値は符号ｃで、それぞれ示されている。また、干渉計ａに対応するＳＮ値のピークはＳＮａで、干渉計ｂに対応するＳＮ値のピークはＳＮｂで、干渉計ｃに対応するＳＮ値のピークはＳＮｃでそれぞれ示されている。
図１０Ｂの左側には、センサヘッド２０に対して計測対象物Ｔが傾斜している場合（各干渉計ａ～ｃが計測対象物Ｔと平行に配置されない場合）における、変位センサ１０が揺する光ファイバアレイ２４及びコリメートレンズ２２ａ～２２ｃと、計測対象物Ｔとが示されている。なお、便宜的に、対物レンズ２１等の、変位センサ１０が有する他の構成の図示は省略されている。また、図１０Ｂの右側には、ＳＮ値（信号強度）と、各干渉計ａ～ｃに対応する個別距離値とのグラフが模式的に示されている。同図において、干渉計ａに対応するＳＮ値は符号ａで、干渉計ｂに対応するＳＮ値は符号ｂで、干渉計ｃに対応するＳＮ値は符号ｃで、それぞれ示されている。また、干渉計ａに対応するＳＮ値のピークはＳＮａで、干渉計ｂに対応するＳＮ値のピークはＳＮｂで、干渉計ｃに対応するＳＮ値のピークはＳＮｃでそれぞれ示されている。
図１０Ａの右側に示すように、各干渉計ａ～ｃに対応する個別距離値Ｅａ、Ｅｂ、及びＥｃは、ほぼ同じ値を示している。これは、同図の左側に示すように、センサヘッド２０に対して計測対象物Ｔが傾斜していないことに対応している。なお、コリメートレンズ２２ａ～２２ｃそれぞれの光軸方向の位置が同一でない場合は、個別距離値Ｅａ、Ｅｂ、及びＥｃは、必ずしも同一ではない。一方、図１０Ｂの右側に示すように、干渉計ａに対応する個別距離値Ｅａ、干渉計ｂに対応する個別距離値Ｅｂ、及び干渉計ｃに対応する個別距離値Ｅｃについては、Ｅａ＜Ｅｂ＜Ｅｃの関係性が満たされている。これは、同図の右側に示すように、センサヘッド２０に対して計測対象物Ｔが傾斜していることに対応している。。なお、コリメートレンズ２２ａ～２２ｃそれぞれの光軸方向の位置が同一でない場合は、個別距離値Ｅａ、Ｅｂ、及びＥｃは、Ｅａ＜Ｅｂ＜Ｅｃの関係性を必ずしも満たさない。
次に、処理部５９が算出する傾斜値について説明する。傾斜値は、センサヘッド２０が有する複数の干渉計のうちの２つの干渉計のそれぞれに対応する個別距離値の差分に少なくとも基づいて算出されてもよい。例えば、図１０Ｂに示す例の場合、傾斜値は、干渉計ａに対応する個別距離値Ｅａ及び干渉計ｂに対応する個別距離値Ｅｂに基づいて、Ｇａ＝Ｅｂ－Ｅａと算出されてもよい。また、傾斜値は、干渉計ｂに対応する個別距離値Ｅｂ及び干渉計ｃに対応する個別距離値Ｅｃに基づいて、Ｇｂ＝Ｅｃ－Ｅｂと算出されてもよい。また、傾斜値は、センサヘッド２０が有する複数の干渉計のうちの２つの干渉計のそれぞれに対応する個別距離値の差分を、当該２つの干渉計の離間の度合を示す指標で除して得られる値として算出されてもよい。２つの干渉計の離間の度合を示す指標は、例えば、２つの干渉計の間に配置された干渉計の数や、これに１を加えた数であってもよい。この場合、図１０Ｂに示す例においては、当該２つの干渉計を干渉計ａ及び干渉計ｃとすると、干渉計ａと干渉計ｃとの間には、１つの干渉計ｂが配置されている。したがって、傾斜値は、干渉計ａに対応する個別距離値Ｅａと、干渉計ｃに対応する個別距離値Ｅｃとの差分を、干渉計ａ及び干渉計ｃの間に配置された干渉計の数（干渉計ｂの１）に１を加えた数である２で除した値、すなわち、Ｇｃ＝（Ｅｃ－Ｅａ）／２と算出されてもよい。或いは、２つの干渉計の離間の度合を示す指標は、例えば、２つの干渉計の間の距離であってもよい。当該距離は、例えば、光軸に垂直な方向における距離であってもよく、具体的には、光軸に垂直な方向におけるコリメートレンズ同士の距離であってもよい。特に、このように、２つの干渉計の離間の度合を示す指標を、２つの干渉計の間の距離として表す場合には、傾斜値、すなわち、２つの干渉計のそれぞれに対応する個別距離値の差分を当該指標で除した値は、センサヘッド２０と計測対象物Ｔとの傾斜の角度に対応する。
図８に戻り、ステップＳ３６では、処理部５９は、ステップＳ３３で算出された個別距離値に関する各種の値を、サンプリングの時刻に対応付けて所定の記憶部に記憶された、例えば図１１に示すようなテーブルに登録する。当該テーブルには、例えば、同図に示すように、ステップＳ３３で算出された個別距離値が含まれていてもよい。なお、同図には、便宜的にｄ１、ｄ２などと表記されているが、これらは複数の干渉計のそれぞれに対応する個別距離値を含んでもよい。また、当該テーブルには、例えば、同図に示すように、ステップＳ３４で算出された所定閾値以上のピーク数を含んでもよい。また、当該テーブルには、例えば、同図に示すように、ステップＳ３５で算出された傾斜値を含んでもよい。
図１２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、変位センサ１０から計測対象物Ｔまでの最終距離値を算出する方法を示すフローチャートである。図１２に示されるように、当該方法は、ステップＳ４１～Ｓ４５を含む。当該方法は、例えば、主干渉計におけるサンプリングの時刻毎に実行されてもよい。
ステップＳ４１では、処理部５９は、図１１に示すテーブルを参照して当該サンプリングの時刻に対応付けられた傾斜値を取得した上で、当該傾斜値を所定の閾値と比較することにより、当該傾斜値が当該閾値以上であるか否かを判定する。処理部５９は、傾斜値が複数ある場合、全ての傾斜値を閾値と比較してもよいし、一部の傾斜値のみを閾値と比較してもよい。例えば、図１０Ｂに示す例の場合、処理部５９は、傾斜値Ｇａ（個別距離値Ｅｂと個別距離値Ｅａとの差分）を閾値Ｃと比較してもよいし、これに加えて或いはこれに代えて、傾斜値Ｇｂ（個別距離値Ｅｃと個別距離値Ｅｂとの差分）を閾値Ｃと比較してもよい。
ステップＳ４１において、傾斜値が閾値以上ではないと判定された場合（Ｓ４１；Ｎｏ）、処理はステップＳ４５に進む。一方、ステップＳ４１において、傾斜値が閾値以上であると判定された場合（Ｓ４１；Ｙｅｓ）、処理はステップＳ４２に進む。
ステップＳ４２において、処理部５９は、当該時刻に対応づけられたピーク数に少なくとも１つの欠落があるか否かを判定する。すなわち、処理部５９は、図１１に示すテーブルを参照して、当該時刻に対応付けられた所定閾値以上のピーク数を取得し、当該ピーク数に少なくとも１つの欠落があるか否かを判定する。例えば、図１０Ｂに示す例の場合、欠落がない完全なピーク数は３である。したがって、処理部５９は、図１１に示すテーブルにおいて当該時刻に対応付けられたピーク数が２以下である場合には、当該ピーク数に少なくとも１つの欠落があると判定する。ステップＳ４２において、当該時刻に対応づけられたピーク数に少なくとも１つの欠落があると判定された場合（Ｓ４２；Ｙｅｓ）、処理はステップＳ４３に進む。一方、ステップＳ４２において、当該時刻に対応づけられたピーク数に少なくとも１つの欠落はないと判定された場合（Ｓ４２；Ｎｏ）、処理はステップＳ４４に進む。
ステップＳ４３において、処理部５９は、欠落のない直近時刻に対応付けられた傾斜値により、個別距離値を補正する。ここで、欠落のない直近時刻とは、当該時刻よりも前の時刻のうち、ピーク数に欠落がなく且つ現在に最も近い時刻であってもよい。また、個別距離値を補正するとは、個別距離値に傾斜値に基づく演算を施すことをいうが、例えば、個別距離値に傾斜値を加えることを含んでもよい。例えば、図１０Ｂに示す例の場合、干渉計ａの補正後の個別距離値をｄａ、干渉計ｂの補正後の個別距離値をｄｂ、干渉計ｃの補正後の個別距離値をｃａとする。このとき、例えば、ｄａ＝Ｅａ＋Ｇ、ｄｂ＝Ｅｂ、ｄｃ＝Ｅｃ－Ｇ、などと補正されてもよい。なお、これら補正の式は一例であって、他の算出式により補正が行われてもよい。
ステップＳ４４において、処理部５９は、現在時刻に対応付けられた傾斜値により、個別距離値を補正する。個別距離値の補正方法は、ステップＳ４３と同様であってよい。
ステップＳ４５において、処理部５９は、変位センサ１０から計測対象物Ｔまでの最終距離値を算出する。例えば、最終距離値は、ステップＳ４３又はＳ４４で補正された後の個別距離値に基づいて算出されてもよい。特に、最終距離値は、個別距離値の平均値や、所定閾値以上の個別距離値の平均値であってもよい。或いは、最終距離値は、個別距離値のうち信号強度が最も強いものであってもよい。なお、処理部５９は、上述したステップＳ２４で説明したように、計測処理の結果としての最終距離値を、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。また、処理部５９は、上述したステップＳ３５で算出した傾斜値を、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等に出力したりしてもよい。
なお、図１１に示す例では、ステップＳ４２では、ピーク数に少なくとも１つの欠落があるか否かが判定されるものとした。しかしながら、当該ステップにおいて判定されるピーク数の欠落の数は、少なくとも１つに限らず、少なくとも２つや、少なくとも３つ等であってもよい。
［干渉計の第１変形例］
光干渉測距センサ１００が備える複数の干渉計は、各干渉計のヘッドが同一平面内のうち同一直線上ではない位置に配置されるように構成されてもよい。換言すれば、光干渉測距センサ１００が備える複数の干渉計は、平面内においてヘッドが略三角形を構成する３つの干渉計を含んでもよい。例えば、図１３は、光干渉測距センサ１００が備える当該３つの干渉計ａ、ｂ、ｃが示されている。同図に示す通り、各干渉計ａ、ｂ、ｃのヘッド部分は、同一のＸＹ平面内に配置されているものとする。更に、計測対象物が、ＸＹ平面に平行な面を有するものとする。このとき、計測対象物の傾斜の軸方向がＸ軸方向である場合、すなわち、計測対象物がＸ軸周りに所定角度だけ傾斜する場合を想定する。この場合、干渉計ｂ及びｃのＹ軸方向の位置は同一であるので、干渉計ｂ及びｃそれぞれに対応する個別距離値は、当該傾斜により、実質的に同一の値だけ変化する。一方、干渉計ａのＹ軸方向の位置は、干渉計ｂ及びｃのＹ軸方向の位置とは異なるため、干渉計ａに対応する個別距離値は、当該傾斜により、干渉計ｂ及びｃそれぞれに対応する個別距離値とは異なる値だけ変化する。
このような前提において、処理部５９は、任意の２つの干渉計それぞれの始点部分により構成されるベクトルの方向と、計測対象物の傾斜の方向との差が、最も直角に近くなるような２つの干渉計を選択し、選択された２つの干渉計に対応する個別距離値に少なくとも基づいて、傾斜値を算出してもよい。例えば、図１３に示す例では、干渉計ａの始点と干渉計ｂの始点とを結ぶベクトルＶａｂ、干渉計ｂの始点と干渉計ｃの始点とを結ぶベクトルＶｂｃ、及び干渉計ｃの始点と干渉計ａの始点とを結ぶベクトルＶｃａ、が示されている。このとき、ベクトルＶａｂ、ベクトルＶｂｃ、及びベクトルＶｃａのうち、計測対象物の傾斜の方向であるＸ軸方向との差が最も直角に近くなるのは、ベクトルＶａｂ、又はベクトルＶｃａである。したがって、処理部５９は、ベクトルＶａｂに対応する干渉計ａ及びｂを選択し、選択された干渉計ａ及びｂに対応する個別距離値に少なくとも基づいて、傾斜値を算出してもよい。或いは、処理部５９は、ベクトルＶｃａに対応する干渉計ｃ及びａを選択し、選択された干渉計ｃ及びａに対応する個別距離値に少なくとも基づいて、傾斜値を算出してもよい。
［干渉計の第２変形例］
上述した実施形態では、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１４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１４（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）を参照面とする参照光と、センサヘッドから少照射され計測対象物Ｔで反射される測定光との光路長差に基づいて干渉光が生成される。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１３０ａ～１３０ｃ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１４（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、ミラー等を配置してもよい。当該構成では、各測定光路Ｌｍ１～Ｌｍ３の光路長と、各参照光路Ｌｒ１～Ｌｒ３の光路長とで光路長差を設けることによって、各光路Ａ～Ｃにおいて干渉光が生成される。
図１４（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の光路長と、各参照光路Ｌｒ１～Ｌｒ３の光路長とで光路長差を設けることによって、各光路Ａ～Ｃにおいて干渉光が生成される。
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。
以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。実施形態が備える各要素並びにその配置、材料、条件、形状及びサイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、異なる実施形態で示した構成同士を部分的に置換し又は組み合わせることが可能である。
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、２２ａ～２２ｃ…コリメートレンズ、２３…レンズホルダ、２４…光ファイバアレイ、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、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、７４ａ～７４ｃ…ＡＤ変換部、７５…処理部、７６…差動増幅回路、７７…補正信号生成部、Ｔ…計測対象物、Ｌｍ１～Ｌｍ３…測定光路、Ｌｒ１～Ｌｒ３…参照光路

Claims (8)

  1. 光干渉測距センサであって、
    連続的に波長を変化させながら光を投光する光源と、
    前記光源から投光された光が供給され、計測対象物に照射され当該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、
    前記複数の干渉計のそれぞれが生成する干渉光を受光して、前記複数の干渉計のそれぞれに対応する複数の電気信号に変換する受光部と、
    前記複数の電気信号のうち強度が第１閾値以上である第１電気信号に基づいて、前記光干渉測距センサから前記計測対象物までの距離を算出し出力する処理部と、を備え、
    前記処理部は、
    前記第１電気信号を、前記複数の干渉計のうちの該第１電気信号に対応する干渉計から前記計測対象物までの距離を示す第１距離値に変換する変換部と、
    前記第１距離値に基づいて、前記計測対象物に対する前記複数の干渉計の傾斜を示す傾斜値を算出する傾斜値算出部と、
    前記第１電気信号を検出した回数と、前記第１距離値と、前記傾斜値とを対応付けて順次に記憶する記憶部を参照して、前記傾斜値に基づいて前記第１距離値を補正する第１距離値補正部と、
    前記第１距離値補正部により補正された前記第１距離値に基づいて、前記光干渉測距センサから前記計測対象物までの距離を示す第２距離値を算出する第２距離値算出部と、
    を備え、
    前記第１距離値補正部は、前記複数の電気信号のうち前記第１電気信号を検出した回数が第２閾値未満である場合、前記第１距離値を、前記記憶部において該第１距離値に対応付けられた前記傾斜値よりも順序が先行する前記傾斜値に基づいて、補正する、
    光干渉測距センサ。
  2. 前記第１閾値は、前記複数の電気信号の強度のうちの最大の強度に所定割合を乗じた値である、請求項１に記載の光干渉測距センサ。
  3. 前記第１距離値補正部は、前記傾斜値が所定条件を満たす場合に、前記第１距離値を補正する、請求項１又は２に記載の光干渉測距センサ。
  4. 前記所定条件は、少なくともいずれかの前記傾斜値が第３閾値以上であることを含む、請求項３に記載の光干渉測距センサ。
  5. 前記第１距離値補正部は、前記複数の電気信号のうち前記第１電気信号を検出した回数が第２閾値未満である場合、前記第１距離値を、前記記憶部において、前記第１電気信号を検出した回数が第４閾値以上である順序に対応付けられた前記傾斜値に基づいて、補正する、請求項１から４のいずれか一項に記載の光干渉測距センサ。
  6. 前記処理部は、更に、前記傾斜値を出力する、請求項１から５のいずれか一項に記載の光干渉測距センサ。
  7. 前記傾斜値算出部は、前記傾斜値として、前記複数の干渉計のうちの２つの干渉計のそれぞれに対応する前記第１距離値の差分を、前記２つの干渉計の間に配置された干渉計の数に１を加えた数で除して得られる値を算出する、請求項１から６のいずれか一項に記載の光干渉測距センサ。
  8. 前記複数の干渉計は、各干渉計のヘッドが平面内において略三角形を構成するように配置される少なくとも３つの干渉計を含み、
    前記傾斜値算出部は、
    前記第１閾値以上の強度を有する電気信号に対応する干渉計から、前記３つの干渉計のうち２つの干渉計のそれぞれの前記始点部分により構成されるベクトルの方向と前記計測対象物の傾斜の軸方向との差が最も直角に近くなるような、２つの干渉計を選択し、
    選択された前記２つの干渉計に対応する前記第１距離値に少なくとも基づいて、前記傾斜値を算出する、
    請求項１から７のいずれか一項に記載の光干渉測距センサ。

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