JP2023132771A - 光干渉測距センサ - Google Patents

Abstract

【課題】各干渉計からの戻り光が適切な信号強度で受光部で受光されることにより、高精度に測距可能な光干渉測距センサを提供することである。【解決手段】光干渉測距センサ１００は、波長を変化させながら光を投光する光源１１０と、測定光と参照光とに基づく干渉光を生成する複数の干渉計１３０ａ～１３０ｃと、複数段の光カプラ１２０ａ～１２０ｃと、各干渉光を受光して電気信号に変換する受光部１４０ａ～１４０ｃと、受光部によって変換された電気信号に基づいて、計測対象物までの距離を算出する処理部１５０と、を備え、複数段の光カプラ１２０ａ～１２０ｃに供給される光は、それぞれ対応する干渉計への第１分岐比と当該光カプラの後段への第２分岐比とに従って分岐され、これらの分岐比は、少なくとも、当該光カプラの第１分岐比、及び当該光カプラの後段の光カプラの第１分岐比と第２分岐比との積に基づいて設定される。【選択図】図１１

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光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 Continuous-Wave (FMCW) Interferometry」Springer、2005年1月4日、p.154

しかしながら、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、各干渉計からの戻り光を受光部が受光して計測対象物までの距離を計測するものの、受光部で受光される信号強度が不均一になる場合があり、計測精度が低くなるおそれがある。

そこで、本発明は、各干渉計からの戻り光が適切な信号強度で受光部で受光されることにより、高精度に測距可能な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、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、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、複数の干渉計からの干渉光を受光して電気信号に変換する受光部と、受光部によって変換された電気信号に基づいて、計測対象物までの距離を算出する処理部と、を備え、複数段の光カプラそれぞれに供給される光は、それぞれ対応する干渉計への第１分岐比と当該光カプラの後段への第２分岐比とに従って分岐され、これらの分岐比は、少なくとも、当該光カプラの第１分岐比、及び当該光カプラの後段の光カプラの第１分岐比と第２分岐比との積に基づいて設定される。

この態様によれば、複数段の光カプラそれぞれにおける分岐比は、少なくとも、それぞれ対応する干渉計への第１分岐比、及びその後段の光カプラの第１分岐比と第２分岐比との積に基づいて設定される。この関係に基づけば、これらの分岐比の関係に依存する受光部によって受光される受光信号の信号強度を適切に調整することができる。その結果、受光部よって受光される受光信号の信号強度のバラツキを低減することができ、計測対象物までの距離を適切に計測し、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、複数段の光カプラそれぞれにおける分岐比について、当該光カプラの第１分岐比は、当該光カプラの後段の光カプラの第１分岐比と第２分岐比との積の０．５倍～２倍となるように設定されてもよい。

この態様によれば、複数段の光カプラそれぞれにおける分岐比について、当該光カプラの第１分岐比は、当該光カプラの後段の光カプラの第１分岐比と第２分岐比との積の０．５倍～２倍となるように設定されるため、受光部によって受光される受光信号の信号強度について、相対的に５０％以上となるように調整することができる。その結果、受光部よって受光される受光信号の信号強度の大きなバラツキを適切に防止することができる。

上記態様において、複数段の光カプラそれぞれにおける分岐比について、当該光カプラの第１分岐比は、当該光カプラの後段の光カプラの第１分岐比と第２分岐比との積に略等しくなるように設定されてもよい。

この態様によれば、複数段の光カプラそれぞれにおける分岐比について、当該光カプラの第１分岐比は、当該光カプラの後段の光カプラの第１分岐比と第２分岐比との積に略等しくなるように設定されるため、受光部によって受光される受光信号の信号強度を均一になるように調整することができる。その結果、受光部よって受光される受光信号の信号強度の均一化により、計測対象物までの距離をより適切に計測し、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、複数段の光カプラにおける後段から前段への光の供給を低減する低減手段を、さらに備えてもよい。

この態様によれば、低減手段が後段の光カプラから前段の光カプラへの戻り光を低減するため、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、低減手段は、複数段の光カプラにおける前段から後段へ光を供給する所定の透過率を有し、複数段の光カプラそれぞれにおける分岐比は、当該光カプラの第１分岐比、及び当該光カプラの後段の光カプラの第１分岐比と第２分岐比と当該光カプラから後段への所定の透過率との積に基づいて設定されてもよい。

この態様によれば、複数段の光カプラそれぞれにおける分岐比は、それぞれ対応する干渉計への第１分岐比、及びその後段の光カプラの第１分岐比と第２分岐比とその後段への透過率との積に基づいて設定することができる。この関係に基づけば、低減手段の透過率を考慮した上で、これらの分岐比の関係に依存する受光部によって受光される受光信号の信号強度を適切に調整することができる。その結果、受光部によって受光される受光信号の信号強度のバラツキを低減することができ、計測対象物までの距離を適切に計測し、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、複数段の光カプラそれぞれにおける分岐比について、当該光カプラの第１分岐比は、当該光カプラの後段の光カプラの第１分岐比と第２分岐比と当該光カプラから後段への所定の透過率との積の０．５倍～２倍となるように設定されてもよい。

この態様によれば、複数段の光カプラそれぞれにおける分岐比について、当該光カプラの第１分岐比は、当該光カプラの後段の光カプラの第１分岐比と第２分岐比と当該光カプラから後段への所定の透過率との積の０．５倍～２倍となるように設定されるため、低減手段の透過率を考慮した上で、受光部によって受光される受光信号の信号強度について、相対的に５０％以上となるように調整することができる。その結果、受光部よって受光される受光信号の信号強度の大きなバラツキを適切に防止することができる。

上記態様において、複数段の光カプラそれぞれにおける分岐比について、当該光カプラの第１分岐比は、当該光カプラの後段の光カプラの第１分岐比と第２分岐比と当該光カプラから後段への所定の透過率との積に略等しくなるように設定されてもよい。

この態様によれば、複数段の光カプラそれぞれにおける分岐比について、当該光カプラの第１分岐比は、当該光カプラの後段の光カプラの第１分岐比と第２分岐比と当該光カプラから後段への所定の透過率との積に略等しくなるように設定されるため、低減手段の透過率を考慮した上で、受光部によって受光される受光信号の信号強度を均一になるように調整することができる。その結果、受光部よって受光される受光信号の信号強度の均一化により、計測対象物までの距離をより適切に計測し、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、各干渉計からの戻り光が適切な信号強度で受光部で受光されることにより、高精度に測距可能な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、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。 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。 光干渉測距センサ１００における光カプラ１２０ａ～１２０ｃの分岐比及び受光部１４０ａ～１４０ｃそれぞれが受光する光信号の光量に関する一具体例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。 光干渉測距センサ２００における光カプラ１２０ａ～１２０ｃの分岐比及び受光部１４０ａ～１４０ｃそれぞれが受光する光信号の光量に関する一具体例を示す模式図である。 マルチチャネルを有するセンサヘッドを２つ構成する光干渉測距センサ３００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、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。

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～Ｓ３４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距離値を算出する。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。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距離値が算出される。

ステップＳ３４では、処理部５９は、ステップＳ３３で算出された距離値を平均化する。具体的には、処理部５９は、ステップＳ３３で３チャネルにおいてそれぞれスペクトル（電圧ｖｓ距離）に基づいてピークが検出され、それに対応する距離値が算出されているため、それらを平均化して、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。

なお、ステップＳ３４では、処理部５９は、ステップＳ３３で算出された距離値を平均化する際に、ＳＮＲが閾値以上である距離値平均化することが好ましい。例えば、３チャンネルのうち、いずれかのチャンネルにおいて、そのスペクトル（電圧ｖｓ距離）に基づいてピークが検出されたものの、ＳＮＲが閾値未満の場合には、当該スペクトルに基づいて算出される距離値は、信頼性が低いと判断し、採用しない。

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。換言すると、波長掃引光源１１０から投光される光は、継続して波長が変化している。

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、アイソレータコアレスファイバ等が接続されてもよい。これらの接続においても、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く、例えば、コネクタを用いる場合にはＡＰＣ研磨等が有効であって、さらに屈折率のマッチングジェルを適用するとよい。また、融着接続を適用すると、さらに良い。

受光部１４０ａ～１４０ｃは、受光素子１４１ａ～１４１ｃと、ＡＤ変換部１４２ａ～１４２ｃ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。

［受光部１４０によって受光される光信号の光量］
次に、受光部１４０ａ～１４０ｃそれぞれが受光する光信号の光量について詳しく説明する。

図１１は、光干渉測距センサ１００における光カプラ１２０ａ～１２０ｃの分岐比及び受光部１４０ａ～１４０ｃそれぞれが受光する光信号の光量に関する一具体例を示す模式図である。図１１に示されるように、１段目の光カプラ１２０ａは、分岐比Ｘ：１－Ｘであり、２段目の光カプラ１２０ｂは、分岐比Ｙ：１－Ｙであり、３段目の光カプラ１２０ｃは、分岐比Ｚ：１－Ｚであるとする。

例えば、波長掃引光源１１０から投光されて、光カプラ１２０ａの第１ポートａ１に供給される光が光量Ｐｏである場合、分岐比Ｘ：１－Ｘに基づいて、第３ポートａ３から光量（１－Ｘ）Ｐｏの光が出力され、第４ポートａ４から光量ＸＰｏの光が出力される。

光カプラ１２０ａの第３ポートａ３から出力されて干渉計１３０ａに供給された光は、上述したように、干渉計１３０ａにおいて、測定光と参照光とに基づいて干渉光を生成し、再び、第３ポートａ３に戻る。その戻り光は、光カプラ１２０ａの分岐比Ｘ：１－Ｘに基づいて第２ポートａ２に出力されて、受光部１４０ａで受光される。

ここで、例えば、干渉計１３０ａによって生成されて、光カプラ１２０ａを介して受光部１４０ａによって受光される受光信号のうち、参照光成分の強度（光量）Ｐｒ及び測定光成分の強度（光量）Ｐｓとする。さらに、空間減衰率（計測対象物Ｔでの反射率を含む）η、及び光ファイバの端面での反射率Ｒとすると、Ｐｒ、Ｐｓ、及び受光部１４０ａによって受光される受光信号の信号強度Ｓ１は、下記（数２）で表すことができる。

次に、波長掃引光源１１０から投光されて、光カプラ１２０ａの第１ポートａ１に供給される光について、分岐比Ｘ：１－Ｘに基づいて、第４ポートａ４から出力される光について説明する。

光カプラ１２０ａの第４ポートａ４から出力されて光カプラ１２０ｂの第１ポートｂ１に供給された光は、その光量ＸＰｏであり、分岐比Ｙ：１－Ｙに基づいて、第３ポートｂ３から光量（１－Ｙ）ＸＰｏの光が出力され、第４ポートｂ４から光量ＹＸＰｏの光が出力される。

光カプラ１２０ｂの第３ポートｂ３から出力されて干渉計１３０ｂに供給された光は、上述したように、干渉計１３０ｂにおいて、測定光と参照光とに基づいて干渉光を生成し、再び、第３ポートｂ３に戻る。その戻り光は、光カプラ１２０ｂの分岐比Ｙ：１－Ｙに基づいて第２ポートｂ２に出力されて、受光部１４０ｂで受光される。

ここで、例えば、干渉計１３０ｂによって生成されて、光カプラ１２０ｂを介して受光部１４０ｂによって受光される受光信号のうち、参照光成分の強度（光量）Ｐｒ及び測定光成分の強度（光量）Ｐｓとする。さらに、空間減衰率（計測対象物Ｔでの反射率を含む）η、及び光ファイバの端面での反射率Ｒとすると、Ｐｒ、Ｐｓ、及び受光部１４０ｂによって受光される受光信号の信号強度Ｓ２は、下記（数３）で表すことができる。

さらに、光カプラ１２０ａの第４ポートａ４から出力されて、光カプラ１２０ｂの第１ポートｂ１に供給される光について、分岐比Ｙ：１－Ｙに基づいて、第４ポートｂ４から出力される光について説明する。

光カプラ１２０ｂの第４ポートｂ４から出力されて光カプラ１２０ｃの第１ポートｃ１に供給された光は、その光量ＸＹＰｏであり、分岐比Ｚ：１－Ｚに基づいて、第３ポートｃ３から光量（１－Ｚ）ＸＹＰｏの光が出力され、第４ポートｃ４から光量ＸＹＰｏの光が出力される。

光カプラ１２０ｃの第３ポートｃ３から出力されて干渉計１３０ｃに供給された光は、上述したように、干渉計１３０ｃにおいて、測定光と参照光とに基づいて干渉光を生成し、再び、第３ポートｃ３に戻る。その戻り光は、光カプラ１２０ｃの分岐比Ｚ：１－Ｚに基づいて第２ポートｃ２に出力されて、受光部１４０ｃで受光される。

ここで、例えば、干渉計１３０ｃによって生成されて、光カプラ１２０ｃを介して受光部１４０ｃによって受光される受光信号のうち、参照光成分の強度（光量）Ｐｒ及び測定光成分の強度（光量）Ｐｓとする。さらに、空間減衰率（計測対象物Ｔでの反射率を含む）η、及び光ファイバの端面での反射率Ｒとすると、Ｐｒ、Ｐｓ、及び受光部１４０ｃによって受光される受光信号の信号強度Ｓ３は、下記（数４）で表すことができる。

上述のように、（数２）～（数４）により、受光部１４０ａ～１４０ｃによって受光される受光信号の信号強度Ｓ１～Ｓ３を算出することが可能であり、これらの信号強度を適切な関係となるように調整する。上記（数２）～（数４）により、受光部１４０ａ～１４０ｃによって受光される受光信号の信号強度Ｓ１～Ｓ３は、下記（数５）の関係を満たす。

Ｓ１：Ｓ２：Ｓ３＝（１－Ｘ）：Ｙ（１－Ｙ）：Ｚ（１－Ｚ）Ｙ ・・・（数５）
すなわち、
Ｓ１：Ｓ２＝（１－Ｘ）：Ｙ（１－Ｙ） ・・・（数６）
Ｓ２：Ｓ３＝（１－Ｙ）：Ｚ（１－Ｚ） ・・・（数７）
である。

具体的には、上記（数６）により、受光部１４０ａによって受光される受光信号の信号強度Ｓ１及び受光部１４０ｂによって受光される受光信号の信号強度Ｓ２は、１段目の光カプラ１２０ａにおける第３ポートａ３への分岐比（第１分岐比；１－Ｘ）、及び２段目の光カプラ１２０ｂにおける第３ポートｂ３への分岐比（第１分岐比；１－Ｙ）と第４ポートｂ４への分岐比（第２分岐比；Ｙ）との積との関係に依存する。

同様に、上記（数７）により、受光部１４０ｂによって受光される受光信号の信号強度Ｓ２及び受光部１４０ｃによって受光される受光信号の信号強度Ｓ３は、２段目の光カプラ１２０ｂにおける第３ポートｂ３への分岐比（第１分岐比；１－Ｙ）、及び３段目の光カプラ１２０ｃにおける第３ポートｃ３への分岐比（第１分岐比；１－Ｚ）と第４ポートｃ４への分岐比（第２分岐比；Ｚ）との積の関係に依存する。

換言すれば、受光部１４０ａ～１４０ｃによって受光される受光信号の信号強度Ｓ１～Ｓ３は、光カプラ１２０ａ～１２０ｃにおいて、それぞれ対応する干渉計１３０ａ～１３０ｃへの第１分岐比、及びその後段の光カプラの第１分岐比と第２分岐比との積の関係に依存する。

光カプラ１２０ａ～１２０ｃの分岐比は、少なくとも、それぞれ対応する干渉計１３０ａ～１３０ｃへの第１分岐比、及びその後段の光カプラの第１分岐比と第２分岐比との積に基づいて設定されるとよい。

具体的には、信号強度Ｓ１＝Ｓ２＝Ｓ３となるように調整し、受光部１４０ａ～１４０ｃによってそれぞれ受光される受光信号の信号強度を均一化してもよい。この場合、上記（数５）に基づくと、（１－Ｘ）＝Ｙ（１－Ｙ）＝Ｚ（１－Ｚ）Ｙとなるように、光カプラ１２０ａ～１２０ｃの分岐比を設定する。

以上のように、本発明の第１実施形態に係る光干渉測距センサ１００によれば、光カプラ１２０ａ～１２０ｃの分岐比は、少なくとも、それぞれ対応する干渉計１３０ａ～１３０ｃへの第１分岐比、及びその後段の光カプラの第１分岐比と第２分岐比との積に基づいて設定することができる。この関係に基づけば、これらの分岐比の関係に依存する受光部１４０ａ～１４０ｃによって受光される受光信号の信号強度Ｓ１～Ｓ３を適切に調整することができる。その結果、受光部１４０ａ～１４０ｃによって受光される受光信号の信号強度Ｓ１～Ｓ３のバラツキを低減することができ、計測対象物Ｔまでの距離を適切に計測し、計測精度を向上させることが可能となる。

なお、本実施形態では、光カプラ１２０ａ～１２０ｃの分岐比の一具体例として、受光部１４０ａ～１４０ｃによってそれぞれ受光される受光信号の信号強度を均一化するために、（１－Ｘ）＝Ｙ（１－Ｙ）＝Ｚ（１－Ｚ）Ｙとなるように調整したが、これに限定されるものではない。

例えば、受光部１４０ａ～１４０ｃによってそれぞれ受光される受光信号の信号強度について、各受光信号の信頼性を確保できるのであれば、当該各受光信号の信号強度について一定程度のバラツキを低減すればよく、必ずしも均一化しなくても構わない。具体的には、受光部１４０ａ～１４０ｃによって受光される受光信号の信号強度Ｓ１～Ｓ３について、相対的に５０％程度以上になるようにする。それぞれ対応する干渉計１３０ａ～１３０ｃへの第１分岐比は、その後段の光カプラの第１分岐比と第２分岐比との積の０．５倍～２倍となるように設定する。すなわち、Ｓ１：Ｓ２：Ｓ３＝１～２：１～２：１～２とし、上記（数５）に基づけば、（１－Ｘ）：Ｙ（１－Ｙ）：Ｚ（１－Ｚ）Ｙ＝１～２：１～２：１～２を満たすように、光カプラ１２０ａ～１２０ｃの分岐比を設定すればよい。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態では、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低減する低減手段を備える光干渉測距センサについて説明する。本実施形態では、第１実施形態に係る光干渉測距センサ１００と同一の構成については、図面において、同一の参照符号を付すことによって詳細な説明は省略し、主に、第１実施形態と異なる構成について説明する。

図１２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。図１２に示されるように、光干渉測距センサ２００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。そして、光干渉測距センサ２００は、図１０に示された第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低減する低減手段の一例であり、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低減することができ、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。具体的には、アイソレータ２２１ａは、２段目の光カプラ１２０ｂに対応する２段目の干渉計１３０ｂから光カプラ１２０ｂの第３ポートｂ３に入力された第２干渉光のうち、光カプラ１２０ｂによって分岐され、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。具体的には、アイソレータ２２１ｂは、３段目の光カプラ１２０ｃに対応する３段目の干渉計１３０ｃから光カプラ１２０ｃの第３ポートｃ３に入力された第３干渉光のうち、光カプラ１２０ｃによって分岐され、第１ポートｃ１から出力されて２段目の光カプラ１２０ｂに向かう光を遮断する。

［受光部１４０によって受光される光信号の光量］
次に、アイソレータ２２１ａ及び２２１ｂを備える光干渉測距センサ２００において、受光部１４０ａ～１４０ｃそれぞれが受光する光信号の光量について詳しく説明する。

図１３は、光干渉測距センサ２００における光カプラ１２０ａ～１２０ｃの分岐比及び受光部１４０ａ～１４０ｃそれぞれが受光する光信号の光量に関する一具体例を示す模式図である。図１３に示されるように、１段目の光カプラ１２０ａは、分岐比Ｘ：１－Ｘであり、２段目の光カプラ１２０ｂは、分岐比Ｙ：１－Ｙであり、３段目の光カプラ１２０ｃは、分岐比Ｚ：１－Ｚであるとする。さらに、アイソレータ２２１ａ及び２２１ｂの前段から後段への光透過率α及びβ（α＝βでもよい）であるとする。

例えば、波長掃引光源１１０から投光されて、光カプラ１２０ａの第１ポートａ１に供給される光が光量Ｐｏである場合、分岐比Ｘ：１－Ｘに基づいて、第３ポートａ３から光量（１－Ｘ）Ｐｏの光が出力され、第４ポートａ４から光量ＸＰｏの光が出力される。そして、光カプラ１２０ａの第４ポートａ４から出力された光（光量ＸＰｏ）は、アイソレータ２２１ａ（光透過率α）を通過して、光カプラ１２０ｂの第１ポートｂ１に供給されるが、当該光の光量αＸＰｏとなる。

光カプラ１２０ｂの第３ポートｂ３から干渉計１３０ｂには、光量（１－Ｙ）αＸＰｏの光が供給され、第４ポートｂ４からは光量αＸＹＰｏの光が出力される。

さらに、光カプラ１２０ｂの第４ポートｂ４から出力された光量αＸＹＰｏの光は、アイソレータ２２１ｂ（光透過率β）を通過して、光カプラ１２０ｃの第１ポートｃ１に供給されるが、当該光の光量αβＸＰｏとなる。

光カプラ１２０ｃの第３ポートｃ３から干渉計１３０ｃには、光量（１－Ｚ）αβＸＰｏの光が供給される。

このように、アイソレータ２２１ａ及びアイソレータ２２１ｂを通過することにより、後段の光カプラから、それに対応する干渉計に供給される光の光量は減少することになり、当該干渉計によって生成される干渉光、及び受光部によって受光される受光信号の信号強度も小さくなる。

本発明の第１実施形態において説明したように、受光部１４０ａ～１４０ｃによってそれぞれ受光される受光信号の信号強度Ｓ１～Ｓ３は、上記（数２）～（数４）に基づくと、下記（数８）で表すことができる。

これにより、受光部１４０ａ～１４０ｃによって受光される受光信号の信号強度Ｓ１～Ｓ３は、下記（数９）の関係を満たす。

Ｓ１：Ｓ２：Ｓ３＝（１－Ｘ）：αＹ（１－Ｙ）：αβＺ（１－Ｚ）Ｙ ・・・（数９）
すなわち、
Ｓ１：Ｓ２＝（１－Ｘ）：αＹ（１－Ｙ） ・・・（数１０）
Ｓ２：Ｓ３＝（１－Ｙ）：βＺ（１－Ｚ） ・・・（数１１）
である。

（数１０）及び（数１１）により、受光部１４０ａ～１４０ｃによって受光される受光信号の信号強度Ｓ１～Ｓ３は、光カプラ１２０ａ～１２０ｃにおいて、それぞれ対応する干渉計１３０ａ～１３０ｃへの第１分岐比、及びその後段の光カプラの第１分岐比と第２分岐比とその後段への透過率との積の関係に依存する。

光カプラ１２０ａ～１２０ｃの分岐比は、少なくとも、それぞれ対応する干渉計１３０ａ～１３０ｃへの第１分岐比、及びその後段の光カプラの第１分岐比と第２分岐比とその後段への透過率との積に基づいて設定されるとよい。

具体的には、信号強度Ｓ１＝Ｓ２＝Ｓ３となるように調整し、受光部１４０ａ～１４０ｃによってそれぞれ受光される受光信号の信号強度を均一化してもよい。この場合、上記（数９）に基づくと、（１－Ｘ）＝αＹ（１－Ｙ）＝αβＺ（１－Ｚ）Ｙとなるように、光カプラ１２０ａ～１２０ｃの分岐比を設定する。

以上のように、本発明の第２実施形態に係る光干渉測距センサ２００によれば、光カプラ１２０ａ～１２０ｃの分岐比は、少なくとも、それぞれ対応する干渉計１３０ａ～１３０ｃへの第１分岐比、及びその後段の光カプラの第１分岐比と第２分岐比とその後段への透過率との積に基づいて設定することができる。この関係に基づけば、これらの分岐比の関係に依存する受光部１４０ａ～１４０ｃによって受光される受光信号の信号強度Ｓ１～Ｓ３を適切に調整することができる。その結果、受光部１４０ａ～１４０ｃによって受光される受光信号の信号強度Ｓ１～Ｓ３のバラツキを低減することができ、計測対象物Ｔまでの距離を適切に計測し、計測精度を向上させることが可能となる。

なお、本実施形態においても、例えば、受光部１４０ａ～１４０ｃによってそれぞれ受光される受光信号の信号強度について、各受光信号の信頼性を確保できるのであれば、当該各受光信号の信号強度について一定程度のバラツキを低減すればよく、必ずしも均一化しなくても構わない。具体的には、受光部１４０ａ～１４０ｃによって受光される受光信号の信号強度Ｓ１～Ｓ３について、相対的に５０％程度以上になるようにする。それぞれ対応する干渉計１３０ａ～１３０ｃへの第１分岐比は、その後段の光カプラの第１分岐比と第２分岐比とその後段への透過率との積の０．５倍～２倍となるように設定する。すなわち、Ｓ１：Ｓ２：Ｓ３＝１～２：１～２：１～２とし、上記（数９）に基づけば、（１－Ｘ）＝αＹ（１－Ｙ）＝αβＺ（１－Ｚ）Ｙ＝１～２：１～２：１～２を満たすように、光カプラ１２０ａ～１２０ｃの分岐比を設定すればよい。

＜変形例＞
図１４は、マルチチャネルを有するヘッドを２つ構成する光干渉測距センサ３００の構成概要を示す模式図である。図１４に示されるように、光干渉測距センサ３００は、波長掃引光源１１０と、光カプラ１２０ｏと、光カプラ１２０ａ～１２０ｃと、干渉計１３０ａ～１３０ｃ（センサヘッド１３１ａ～１３１ｃ）と、受光部１４０ａ～１４０ｃとを備え、さらに、光カプラ２２０ａ～２２０ｃと、干渉計２３０ａ～２３０ｃ（センサヘッド２３１ａ～２３１ｃ）と、受光部２４０ａ～２４０ｃと、減衰器２２２ａ～２２２ｃとを備える。なお、光干渉測距センサ３００は、図１０及び図１５に示されたような処理部を有するが、ここでは、その記載を省略する。

光干渉測距センサ３００は、光カプラ１２０ａ～１２０ｃが並列に接続されており、光カプラ１２０ａ～１２０ｃに対応する干渉計１３０ａ～１３０ｃに含まれるセンサヘッド１３１ａ～１３１ｃがＨＥＡＤ１を構成している。

さらに、光カプラ１２０ａ～１２０ｃそれぞれに対応する光カプラ２２０ａ～２２０ｃが直列に接続されており、光カプラ２２０ａ～２２０ｃに対応する干渉計２３０ａ～２３０ｃに含まれるセンサヘッド２３１ａ～２３１ｃがＨＥＡＤ２を構成している。

波長掃引光源１１０から投光された光Ｐは、光カプラ１２０ｏによって分岐され、例えば、光カプラ１２０ａの第１ポートａ１に、光量Ｐｏの光が供給されるとする。ここで、光カプラ１２０ａの分岐比は、第１実施形態と同様に、分岐比Ｘ：１－Ｘである場合、第３ポートａ３から光量（１－Ｘ）Ｐｏの光が出力され、第４ポートａ４から光量ＸＰｏの光が出力される。

光カプラ１２０ａの第４ポートａ４から出力された光（光量ＸＰｏ）は、光カプラ２２０ａの第１ポートｂ１に供給されるが、ここで、光カプラ２２０ａの分岐比は、第１実施形態と同様に、分岐比Ｙ：１－Ｙである場合、第３ポートｂ３から光量（１－Ｙ）ＸＰｏの光が出力され、第４ポートｂ４から光量ＸＹＰｏの光が出力されて、減衰器２２２ａによって減衰される。

受光部１４０ａでは、光カプラ１２０ａの第３ポートａ３から光量（１－Ｘ）Ｐｏの光が出力されて、干渉計１３０ａによって生成された干渉光を光カプラ１２０ａを介して受光し、受光部２４０ａでは、光カプラ２２０ａの第３ポートａ３から光量（１－Ｙ）ＸＰｏの光が出力されて、干渉計２３０ａによって生成された干渉光を光カプラ２２０ａを介して受光する。

ここで、受光部１４０ａによって受光される受光信号の信号強度Ｓ１と、受光部２４０ａによって受光される受光信号の信号強度Ｓ２との関係は、第１実施形態で説明した（数６）の関係を満たす。すなわち、Ｓ１：Ｓ２＝（１－Ｘ）：Ｙ（１－Ｙ）である。

さらに、直列に接続されている光カプラ１２０ａと２２０ａとの間に、第２実施形態で説明したアイソレータ２２１ａ（光透過率α）が備えられる場合には、第２実施形態で説明した（数１０）の関係を満たす。すなわち、Ｓ１：Ｓ２＝（１－Ｘ）：αＹ（１－Ｙ）である。

また、同様に、直列に接続されている光カプラ１２０ｂと２２０ｂにおいても、受光部１４０ｂと２４０ｂによって受光される受光信号の信号強度の関係は、上記と同様であり、直列に接続されている光カプラ１２０ｃと２２０ｃにおいても、受光部１４０ｃと２４０ｃによって受光される受光信号の信号強度の関係は、上記と同様である。

［干渉計の変形例］
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１５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１５（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１５（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１５（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。

［附記］
波長を変化させながら光を投光する光源（１１０）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（１３０ａ～１３０ｃ）と、
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（１２０ａ～１２０ｃ）と、
前記複数の干渉計からの干渉光を受光して電気信号に変換する受光部（１４０ａ～１４０ｃ）と、
前記受光部によって変換された電気信号に基づいて、前記計測対象物までの距離を算出する処理部（１５０）と、を備え、
前記複数段の光カプラそれぞれに供給される光は、それぞれ対応する干渉計への第１分岐比（１－Ｘ）と当該光カプラの後段への第２分岐比（Ｘ）とに従って分岐され、これらの分岐比は、少なくとも、当該光カプラの第１分岐比（１－Ｘ）、及び当該光カプラの後段の光カプラの第１分岐比（１－Ｙ）と第２分岐比（Ｙ）との積に基づいて設定される、
光干渉測距センサ（１００）。

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、１００，２００，３００…光干渉測距センサ、１１０…波長掃引光源、１２０ｏ，１２０ａ～１２０ｃ，２２０ａ～２２０ｃ…光カプラ、１２２，２２２ａ～２２２ｃ…減衰器、１３０ａ～１３０ｃ，２３０ａ～２３０ｃ…干渉計、１３１ａ～１３１ｃ，２３１ａ～２３１ｃ…センサヘッド、１３２ａ～１３２ｃ…対物レンズ、１４０ａ～１４０ｃ，２４０ａ～２４０ｃ…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 (7)

1. 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、
   前記複数の干渉計からの干渉光を受光して電気信号に変換する受光部と、
   前記受光部によって変換された電気信号に基づいて、前記計測対象物までの距離を算出する処理部と、を備え、
   前記複数段の光カプラそれぞれに供給される光は、それぞれ対応する干渉計への第１分岐比と当該光カプラの後段への第２分岐比とに従って分岐され、これらの分岐比は、少なくとも、当該光カプラの第１分岐比、及び当該光カプラの後段の光カプラの第１分岐比と第２分岐比との積に基づいて設定される、
   光干渉測距センサ。
2. 前記複数段の光カプラそれぞれにおける分岐比について、当該光カプラの第１分岐比は、当該光カプラの後段の光カプラの第１分岐比と第２分岐比との積の０．５倍～２倍となるように設定される、
   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それぞれにおける分岐比について、当該光カプラの第１分岐比は、当該光カプラの後段の光カプラの第１分岐比と第２分岐比との積に略等しく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低減する低減手段を、さらに備える、
   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. 前記低減手段は、前記複数段の光カプラにおける前段から後段へ光を供給する所定の透過率を有し、
   前記複数段の光カプラそれぞれにおける分岐比は、当該光カプラの第１分岐比、及び当該光カプラの後段の光カプラの第１分岐比と第２分岐比と当該光カプラから後段への前記所定の透過率との積に基づいて設定される、
   請求項４に記載の光干渉測距センサ。
6. 前記複数段の光カプラそれぞれにおける分岐比について、当該光カプラの第１分岐比は、当該光カプラの後段の光カプラの第１分岐比と第２分岐比と当該光カプラから後段への前記所定の透過率との積の０．５倍～２倍となるように設定される、
   請求項５に記載の光干渉測距センサ。
7. 前記複数段の光カプラそれぞれにおける分岐比について、当該光カプラの第１分岐比は、当該光カプラの後段の光カプラの第１分岐比と第２分岐比と当該光カプラから後段への前記所定の透過率との積に略等しくなるように設定される、
   請求項５又は６に記載の光干渉測距センサ。

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