JP2024059119A - 測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光学式距離計のＳ／Ｎを向上させて測定対象物までの距離を精度よく測定できるようにする。【解決手段】レーザ光を出力するレーザ装置と、前記レーザ装置が出力する前記レーザ光の一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光として分岐させる分岐部と、前記測定光を計測対象物に照射して反射された前記測定光と、前記参照光とを合波する合波部と、合波された光を検出して電気信号に変換する検出部と、検出された前記電気信号を解析して前記計測対象物までの距離を算出する算出部と、前記参照光および前記測定光の少なくとも一方の光強度レベルを変更する光強度変更部と、検出された前記電気信号に基づいて前記光強度変更部を制御し、前記参照光の光強度レベルと前記測定光の光強度レベルとの比を調節する制御部とを備える、測定装置を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、測定装置に関する。

共振器内に周波数シフタが設けられ、時間の経過とともに発振周波数が線形に変化する複数の縦モードレーザを出力する周波数シフト帰還レーザ（ＦＳＦＬ：Frequency Shifted Feedback Laser）が知られている。また、このような周波数シフト帰還レーザを備え、測定対象物までの距離を測定するＦＭＣＷ（Frequency Modulated Continuous Wave）法を用いた光学式の距離計が知られている（例えば、特許文献１および非特許文献１を参照）。

特許第３５８３９０６号明細書

原武文，「ＦＳＦレーザによる距離センシングとその応用」，オプトニューズ，Ｖｏｌ．７，Ｎｏ．３，２０１２年，ｐｐ．２５－３１

このような光学式距離計は、測定対象物から反射された光を測定光として用いているので、測定対象物の表面の反射率等に応じてＳ／Ｎが変化してしまい、測定精度が低下してしまうことがあった。

そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、光学式距離計のＳ／Ｎを向上させて測定対象物までの距離を精度よく測定できるようにすることを目的とする。

本発明の第１の態様においては、レーザ光を出力するレーザ装置と、前記レーザ装置が出力する前記レーザ光の一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光として分岐させる分岐部と、前記測定光を計測対象物に照射して反射された前記測定光と、前記参照光とを合波する合波部と、合波された光を検出して電気信号に変換する検出部と、検出された前記電気信号を解析して前記計測対象物までの距離を算出する算出部と、前記参照光および前記測定光の少なくとも一方の光強度レベルを変更する光強度変更部と、検出された前記電気信号に基づいて前記光強度変更部を制御し、前記参照光の光強度レベルと前記測定光の光強度レベルとの比を調節する制御部とを備える、測定装置を提供する。

前記光強度変更部は、前記分岐部から検出部までの前記参照光が通過する光路に設けられ、前記参照光の光強度レベルを変更する第１参照光変更部を有してもよい。

前記光強度変更部は、前記分岐部から検出部までの前記測定光が通過する光路に設けられ、前記測定光の光強度レベルを変更する第１測定光変更部を有してもよい。

前記制御部は、前記レーザ装置を制御して、前記レーザ光の光強度レベルを更に調節してもよい。

前記参照光および前記測定光の少なくとも一方の光路長を変更する光路長変更部を更に備え、前記制御部は、前記光路長変更部を制御して、前記検出部が検出する前記電気信号の周波数が予め定められた周波数帯域の周波数となるように前記参照光および前記測定光の少なくとも一方の光路長を調節してもよい。

前記光路長変更部は、前記分岐部から前記検出部までの前記参照光が通過する光路に設けられ、前記参照光の光路長を変更する第２参照光変更部を有してもよい。

前記光路長変更部は、前記分岐部から前記検出部までの前記測定光が通過する光路に設けられ、前記測定光の光路長を変更する第２測定光変更部を有してもよい。

前記光路長変更部は、第１方向に移動する移動部と、前記移動部に設けられ、前記第１方向の第１向きに入射する光を前記第１向きとは反対側の第２向きに反射させる第１ミラー部と、前記分岐部から前記検出部までの前記参照光が通過する光路に設けられ、前記参照光を前記第１方向の前記第１向きから前記第１ミラー部に入射させ、前記第１ミラー部から反射された前記参照光を前記参照光の光路へと出射させる第２ミラー部と、前記移動部に設けられ、前記第１方向の前記第２向きに入射する光を前記第１向きに反射させる第３ミラー部と、前記分岐部から前記検出部までの前記測定光が通過する光路に設けられ、前記測定光を前記第１方向の前記第２向きから前記第３ミラー部に入射させ、前記第３ミラー部から反射された前記測定光を前記測定光の光路へと出射させる第４ミラー部とを有してもよい。

前記光路長変更部が変更した光路長の距離を測定する変更距離測定部を更に備え、前記算出部は、測定された光路長の距離と検出された前記電気信号の解析結果とに基づき、前記計測対象物までの距離を算出してもよい。

本発明の第２の態様においては、レーザ光を出力するレーザ装置と、前記レーザ装置が出力する前記レーザ光の一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光として分岐させる分岐部と、前記測定光を計測対象物に照射して反射された前記測定光と、前記参照光とを合波する合波部と、合波された光を検出して電気信号に変換する検出部と、検出された前記電気信号を解析して前記計測対象物までの距離を算出する算出部と、前記参照光および前記測定光の少なくとも一方の光路長を変更する光路長変更部と、前記光路長変更部を制御して、前記検出部が検出する前記電気信号の周波数が予め定められた周波数帯域の周波数となるように前記参照光および前記測定光の少なくとも一方の光路長を調節する制御部とを備える、測定装置を提供する。

本発明によれば、光学式距離計のＳ／Ｎを向上させて測定対象物までの距離を精度よく測定できるという効果を奏する。

本実施形態に係る測定装置１００の第１構成例を計測対象物１０と共に示す。 本実施形態に係る測定装置１００の第２構成例を計測対象物１０と共に示す。 本実施形態に係る測定装置１００の参照光および測定光の光周波数の概念を示す。 本実施形態に係る測定装置１００が観測するビート信号の周波数の概念を示す。 第２構成例の測定装置１００の動作フローの一例を示す。 本実施形態に係る光路長変更部２１０の変形例を示す。

［測定装置１００の第１構成例］
図１は、本実施形態に係る測定装置１００の第１構成例を計測対象物１０と共に示す図である。測定装置１００は、当該測定装置１００および計測対象物１０の間の距離を光学的に測定する。また、測定装置１００は、計測対象物１０に照射するレーザ光の位置を走査して、計測対象物１０の三次元的な形状を計測してもよい。測定装置１００は、レーザ装置１１０と、分岐部１２０と、光学系１３０と、検出部１４０と、算出部１５０と、表示部１６０と、光強度変更部１７０と、制御部１８０とを備える。

レーザ装置１１０は、レーザ共振器を有し、レーザ光を出力する。レーザ装置１１０は、例えば、複数のモードの周波数変調レーザ光を出力する。レーザ装置１１０は、共振器内に周波数シフタが設けられ、時間の経過とともに発振周波数が線形に変化する複数の縦モードレーザを出力する。レーザ装置１１０は、一例として、周波数シフト帰還レーザである。

分岐部１２０は、レーザ装置１１０が出力する周波数変調レーザ光の一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光として分岐する。分岐部１２０は、例えば、ビームスプリッタである。分岐部１２０の分岐比は、一例として、１対１である。

光学系１３０は、レーザ装置１１０が出力したレーザ光と、当該レーザ光から分岐された参照光および測定光とが通過する光路を形成するように設けられている。光学系１３０は、例えば、導波用光学系１３２と、光ヘッド光学系１３４と、参照ミラー１３６とを有する。

導波用光学系１３２は、レーザ装置１１０が出力する周波数変調レーザ光を分岐部１２０に入射させる。導波用光学系１３２は、例えば、１または複数の光学レンズを含む。図１は、導波用光学系１３２が光学レンズ、スリット、プリズムミラー等を有する例を示す。

光ヘッド光学系１３４は、分岐部１２０から分岐された測定光を計測対象物１０に向けて照射させる。また、光ヘッド光学系１３４は、計測対象物１０から反射された測定光を受光する。光ヘッド光学系１３４は、受光した測定光を集光して分岐部１２０へと出射する。

光ヘッド光学系１３４は、例えば、計測対象物１０に測定光を照射するための光学系と、計測対象物１０から反射する測定光を受光するための光学系とが、共通の光学系である。図１は、光ヘッド光学系１３４が光学レンズ、スリット等で構成されている例を示す。一例として、光ヘッド光学系１３４の対物レンズから計測対象物１０の間の距離を、測定装置１００が測定すべき距離ｄとする。

参照ミラー１３６は、分岐部１２０から分岐された参照光を分岐部１２０に向けて照射させる。これにより、分岐した参照光および測定光が光学系１３０によって分岐部１２０へと戻されることになる。そして、分岐部１２０は、測定光を計測対象物１０に照射して反射された測定光と、参照ミラー１３６で反射された参照光とを合波する。このように、図１は、分岐部１２０が合波部としても機能する例を示す。分岐部１２０は、合波した光を検出部１４０へと出射する。

ここで、分岐部１２０から分岐された測定光が計測対象物１０によって反射されて戻ってくるまでの光路長を２Ｌ_１とする。また、分岐部１２０から分岐された参照光が参照ミラー１３６によって反射されて戻ってくるまでの光路長を２Ｌ_２とする。この場合、参照光および測定光の光路差は、２（Ｌ_１－Ｌ_２）となる。光路差は、参照光および測定光の伝搬距離の差であるから、参照光および測定光には光路差に応じた伝搬遅延が発生する。

検出部１４０は、分岐部１２０によって合波された光を検出して電気信号に変換する。検出部１４０は、参照光および測定光を合波して干渉させることにより発生するビート信号を検出する。検出部１４０は、例えば、光電変換素子を有し、ビート信号を電気信号に変換する。光電変換素子は、一例として、フォトダイオードである。また、検出部１４０は、ＡＤ変換器を有し、電気信号に変換したビート信号をデジタル信号に変換する。

ここで、レーザ装置１１０が出力する光は、時間の経過とともに発振周波数が線形に変化する。したがって、参照光の発振周波数と反射光の発振周波数には、伝搬遅延に応じた周波数差が生じる。検出部１４０は、このような周波数差に対応するビート信号を発生させる。

算出部１５０は、検出された電気信号を解析して計測対象物１０までの距離ｄを算出する。算出部１５０は、例えば、ＦＦＴ等による周波数変換を用いて、ビート信号が発生している周波数を解析する。そして、算出部１５０は、ビート信号の周波数に対応する光路差２（Ｌ_１－Ｌ_２）を算出する。なお、光路差２（Ｌ_１－Ｌ_２）と距離ｄとの関係は、次式のように表すことができる。
（数１）
Ｌ_１－Ｌ_２＝Ｌ_３＋ｄ

ここで、測定装置１００の内部における参照光および測定光の光路差を２Ｌ_３としている。測定装置１００内部の光路差２Ｌ_３は、設計値を用いてもよく、これに代えて、予め測定した測定値を用いてもよい。そして、算出部１５０は、算出した光路差２（Ｌ_１－Ｌ_２）と、測定装置１００内部の光路差２Ｌ_３とを用いて、距離ｄを算出する。

表示部１６０は、算出部１５０の解析結果を表示する。表示部１６０は、ディスプレイ等を有し、検出結果を表示してよい。また、表示部１６０は、ユーザからの指示等を受け付けてもよい。

以上の測定装置１００は、計測対象物１０に照射して反射された測定光と、参照光との間の周波数差を解析することにより、測定装置１００および計測対象物１０の間の距離ｄを測定可能とする。即ち、測定装置１００は、非接触および非破壊の光学式距離計を構成できる。このような光学式距離計についての詳細は、特許文献１、非特許文献１等にも記載されているので、より詳細な説明は省略する。

計測対象物１０は、例えば、金属、ガラス、半導体等の固体表面である。計測対象物１０によっては、表面の反射率が高いものもあれば、反射率が低いものもある。また、計測対象物１０によっては、反射率が高い部分もあれば、反射率が低い部分もある。したがって、反射された測定光の光強度レベルは、測定光が照射した計測対象物１０の位置の反射率に応じて大きく異なることがある。この場合、分岐部１２０が参照光および測定光を１対１に分岐しても、検出部１４０に到達する参照光および測定光の光強度レベルの比が計測対象物１０の反射率に応じて大きく異なることになる。

参照光および測定光の光強度レベルの比が大きく異なると、検出部１４０が検出するビート信号の強度レベルが大きく異なるので、ビート信号のＳ／Ｎが変動して測定精度が低下してしまうことがある。そこで、本実施形態に係る測定装置１００は、光強度変更部１７０および制御部１８０を備え、参照光および測定光の光強度レベルの比を調節可能としてＳ／Ｎの変動を抑制する。

光強度変更部１７０は、参照光および測定光の少なくとも一方の光強度レベルを変更する。光強度変更部１７０は、第１参照光変更部１７２および／または第１測定光変更部１７４を有する。図１は、光強度変更部１７０が第１参照光変更部１７２および第１測定光変更部１７４を有する例を示す。

第１参照光変更部１７２は、分岐部１２０から検出部１４０までの参照光が通過する光路に設けられ、参照光の光強度レベルを変更する。図１は、第１参照光変更部１７２が分岐部１２０および参照ミラー１３６の間に設けられている例を示す。第１参照光変更部１７２は、制御信号に応じて参照光の光強度レベルを減衰および／または増幅可能に構成されていることが望ましい。

第１参照光変更部１７２は、例えば、複数の減衰フィルタを有し、参照光の光路上に１または複数の減衰フィルタを挿入して参照光の光強度レベルを変更する。また、第１参照光変更部１７２は、音響光学素子、電気光学素子等を有し、参照光の光強度レベルを変更する可変アッテネータを有してもよい。これに代えて、または、これに加えて、第１参照光変更部１７２は、光増幅器を有し、参照光の光強度レベルを変更してもよい。

第１測定光変更部１７４は、分岐部１２０から検出部１４０までの測定光が通過する光路に設けられ、測定光の光強度レベルを変更する。図１は、第１測定光変更部１７４が分岐部１２０および光ヘッド光学系１３４の間に設けられている例を示す。第１測定光変更部１７４は、制御信号に応じて測定光の光強度レベルを減衰および／または増幅可能に構成されていることが望ましい。第１測定光変更部１７４は、例えば、第１参照光変更部１７２と同様の部材で構成されている。

制御部１８０は、検出部１４０で検出された電気信号に基づいて光強度変更部１７０を制御し、参照光の光強度レベルと測定光の光強度レベルとの比を調節する。制御部１８０は、例えば、検出部１４０がデジタル信号に変換したビート信号の信号強度レベルが予め定められた値よりも小さい場合、光強度変更部１７０を制御する。

制御部１８０は、例えば、参照光の光強度レベルを増加させるための制御信号を第１参照光変更部１７２に送信する。この場合、第１参照光変更部１７２は、制御信号に応じて、減衰率を小さくするか、または、増幅率を大きくする。これに代えて、または、これに加えて、制御部１８０は、測定光の光強度レベルを増加させるための制御信号を第１測定光変更部１７４に送信する。この場合、第１参照光変更部１７２と同様に、第１測定光変更部１７４は、制御信号に応じて、減衰率を小さくするか、または、増幅率を大きくする。

なお、制御部１８０は、レーザ装置１１０、検出部１４０、算出部１５０、および表示部１６０の動作を制御可能に構成されていることが望ましい。例えば、制御部１８０は、レーザ装置１１０を制御して、レーザ光の光強度レベルを更に調節する。これにより、光強度変更部１７０が参照光および測定光の光強度レベルの比の調節可能な範囲を拡大させることができる。

以上の算出部１５０および制御部１８０は、集積回路等で構成されていることが望ましい。例えば、算出部１５０および制御部１８０は、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、および／またはＣＰＵ（Central Processing Unit）を含む。

算出部１５０および制御部１８０の少なくとも一部をコンピュータ等で構成する場合、当該算出部１５０および制御部１８０は、共通のおよび／または別個の記憶部を含む。記憶部は、一例として、算出部１５０および制御部１８０を実現するコンピュータ等のＢＩＯＳ（Basic Input Output System）等を格納するＲＯＭ（Read Only Memory）、および作業領域となるＲＡＭ（Random Access Memory）を含む。また、記憶部は、ＯＳ（Operating System）、アプリケーションプログラム、および／または当該アプリケーションプログラムの実行時に参照されるデータベースを含む種々の情報を格納してよい。即ち、記憶部は、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）および／またはＳＳＤ（Solid State Drive）等の大容量記憶装置を含んでよい。

ＣＰＵ等のプロセッサは、記憶部に記憶されたプログラムを実行することによって算出部１５０および制御部１８０として機能する。算出部１５０または制御部１８０は、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等を含んでもよい。

以上の本実施形態に係る測定装置１００は、参照光および／または測定光の光強度レベルを別個に調節可能な光強度変更部１７０を備えている。これにより、計測対象物１０から反射された測定光の光強度レベルが減少しても、参照光および／または測定光の光強度レベルを増加させるように調節することができる。したがって、測定装置１００は、反射率が低い計測対象物１０であっても、ビート信号のＳ／Ｎが悪化することを抑制し、計測対象物１０までの距離ｄを精度よく測定することができる。

また、例えば、計測対象物１０の表面をレーザ光で走査して表面形状を測定する場合、計測対象物１０の高い反射率の部分から低い反射率の部分へとレーザ光を走査することがある。このような場合でも、測定装置１００は、反射した測定光の光強度レベルに応じてビート信号のＳ／Ｎが一定の値以上となるように光強度変更部１７０を制御するので、計測対象物１０の表面形状を精度よく測定できる。なお、計測対象物１０の低い反射率の部分から高い反射率の部分へとレーザ光を走査しても、測定装置１００は、ビート信号のＳ／Ｎが一定の値以上となるように光強度変更部１７０を制御できることは言うまでもない。

以上の本実施形態に係る測定装置１００は、参照光および／または測定光の光強度レベルを調節する例を説明したが、これに限定されることはない。測定装置１００は、参照光および／または測定光の光路長を変更可能に構成されていてもよい。このような測定装置１００について次に説明する。

［測定装置１００の第２構成例］
図２は、本実施形態に係る測定装置１００の第２構成例を計測対象物１０と共に示す。第２構成例の測定装置１００は、光路長変更部２１０を更に備える。また、図２は、測定装置１００が偏光を利用して分岐および合波するように合波部２２０を更に備える例を示す。更に、図２は、参照ミラー１３６を用いない測定装置１００の構成例を示す。

レーザ装置１１０は、時間の経過とともに発振周波数が線形に変化する複数の縦モードの周波数変調レーザ光を出力する。レーザ装置１１０は、図１で説明したレーザ装置１１０と同様なので、ここでは説明を省略する。

分岐部１２０は、周波数変調レーザ光の一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光として分岐する。なお、図２は、分岐部１２０が、入射する光のＰ偏光成分とＳ偏光成分とを分岐する偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）である例を示す。分岐部１２０は、一例として、入射光のＰ偏光成分を測定光とし、Ｓ偏光成分を参照光として分岐する。また、図２に示す分岐部１２０は、合波部の機能を有さない。

光学系１３０は、レーザ光、参照光、および測定光の光路を形成している。なお、図２に示す光学系１３０は、参照ミラー１３６を有さない。光学系１３０は、導波用光学系１３２、光ヘッド光学系１３４、および合波用光学系１３８を有する。

導波用光学系１３２は、図１と同様に、レーザ装置１１０が出力する周波数変調レーザ光を分岐部１２０に入射させる。導波用光学系１３２は、例えば、周波数変調レーザ光が分岐部１２０に入射する前に、１／２波長板を通過させる。導波用光学系１３２は、一例として、光学レンズ、スリット、１／２波長板等を有する。

光ヘッド光学系１３４は、図１と同様に、分岐部１２０から分岐された測定光を計測対象物１０に向けて照射させる。光ヘッド光学系１３４は、一例として、プリズムミラー、偏光ビームスプリッタ、１／４波長板、光学レンズ、スリット、等を有する。光ヘッド光学系１３４は、Ｐ偏光の測定光を偏光ビームスプリッタに入射させ、通過した測定光を計測対象物１０に向けて照射させる。

光ヘッド光学系１３４において、Ｐ偏光の測定光は、偏光ビームスプリッタを通過した後に１／４波長板を通過し、計測対象物１０で反射してから再び１／４波長板を通過する。これにより、測定光はＳ偏光の光として偏光ビームスプリッタに再び入射するので、計測対象物１０で反射した測定光は、偏光ビームスプリッタの入射方向とは異なる方向に反射する。

合波用光学系１３８は、光ヘッド光学系１３４から出射された測定光を合波部２２０に入射させる。合波用光学系１３８は、一例として、プリズムミラー等を有する。測定光は、Ｓ偏光の光として合波部２２０に入射する。

合波部２２０は、測定光を計測対象物１０に照射して反射された測定光と、合波用光学系１３８で反射された参照光とを合波する。合波部２２０は、例えば、ビームスプリッタである。図２において、合波部２２０に達する参照光および測定光はいずれもＳ偏光の光なので、合波することによって干渉してビート信号を発生させる。

検出部１４０は、このようなビート信号を検出する。なお、合波部２２０がビームスプリッタの場合、合波した光を分岐することになるので、検出部１４０は、分岐した２つの光のうち一方の光を受光してもよく、これに代えて、両方の光を受光してもよい。図２は、検出部１４０が分岐した２つの光を受光する例を示す。

この場合、検出部１４０は、一例として、２つの光をそれぞれ検出する光電変換素子、差動増幅器、ＡＤ変換器等を有し、電気信号に変換したビート信号をデジタル信号に変換する。算出部１５０、表示部１６０、光強度変更部１７０は、図１で説明したのでここでは説明を省略する。

光路長変更部２１０は、参照光および測定光の少なくとも一方の光路長を変更する。光路長変更部２１０は、第２参照光変更部２１２および／または第２測定光変更部２１６を有する。図２は、光路長変更部２１０が第２参照光変更部２１２および第２測定光変更部２１６を有する例を示す。

第２参照光変更部２１２は、分岐部１２０から検出部１４０までの参照光が通過する光路に設けられ、参照光の光路長を変更する。第２参照光変更部２１２は、例えば、第１参照光変更部１７２に代えて、または、第１参照光変更部１７２に加えて設けられている。図２は、第２参照光変更部２１２が分岐部１２０と合波部２２０との間において第１参照光変更部１７２と直列に設けられている例を示す。第２参照光変更部２１２は、移動部２１３、第１ミラー部２１４、および第２ミラー部２１５を有する。

移動部２１３は、第１方向に移動する。移動部２１３は、一例として、制御部１８０から供給される制御信号に応じて第１方向の第１向きおよび第２向きに移動可能に設けられている。図２は、移動部２１３がＸ方向の＋Ｘ向き（第１向き）および－Ｘ向き（第２向き）に移動する例を示す。

第１ミラー部２１４は、移動部２１３に設けられ、第１方向の第１向きに入射する光を第１向きとは反対側の第２向きに反射させる。第１ミラー部２１４は、例えば、プリズムミラー、コーナーキューブ、複数のミラーの組合せ等である。

第２ミラー部２１５は、移動部２１３が移動することによって第１ミラー部２１４との間の距離が変化するように、測定装置１００内に固定されているミラーである。第２ミラー部２１５は、参照光が通過する光路に設けられ、参照光を第１方向の第１向きから第１ミラー部２１４に入射させ、第１ミラー部２１４から反射された参照光を参照光の光路へと出射させる。第２ミラー部２１５は、例えば、プリズムミラー、複数のミラーの組合せ等である。

第２測定光変更部２１６は、分岐部１２０から検出部１４０までの測定光が通過する光路に設けられ、測定光の光路長を変更する。第２測定光変更部２１６は、例えば、第１測定光変更部１７４に代えて、または、第１測定光変更部１７４に加えて設けられている。図２は、第２測定光変更部２１６が分岐部１２０と合波部２２０との間において第１測定光変更部１７４と直列に設けられている例を示す。なお、第２測定光変更部２１６は、第１測定光変更部１７４の直後に配置されていてもよい。第２測定光変更部２１６は、移動部２１７、第３ミラー部２１８、および第４ミラー部２１９を有する。

第２測定光変更部２１６の移動部２１７、第３ミラー部２１８、および第４ミラー部２１９は、第２参照光変更部２１２の移動部２１３、第１ミラー部２１４、および第２ミラー部２１５と同様の動作をするので、ここでは説明を省略する。なお、図２において、第２測定光変更部２１６の配置は、第２参照光変更部２１２の配置に対して略１８０度回転した配置となっていることは言うまでもない。

以上の第２構成例の測定装置１００は、制御部１８０が光路長変更部２１０を制御して、参照光および／または測定光の光路差を調節する。このような光路差の調節について、次に説明する。

［参照光および測定光の光周波数］
図３は、本実施形態に係る測定装置１００の参照光および測定光の光周波数の概念を示す。図３は、横軸が時間を示し、縦軸が参照光および測定光の光周波数を示す。図３は、検出部１４０に到達した参照光および測定光の一例を示す。

例えば、時刻ｔ_ｎからｔ_ｎ＋１までの期間に検出部１４０に到達した参照光は、光周波数がｆ_ｎからｆ_ｎ＋１までシフトしたレーザ光の一部である。そして、レーザ光の残りの一部の測定光は、一定の時間だけ遅延した時刻ｔ_ｍからｔ_ｍ＋１までの期間に検出部１４０へと到達し、光周波数は同様にｆ_ｎからｆ_ｎ＋１までシフトしている。

参照光に対する測定光の遅延時間は、計測対象物１０までの距離ｄに対応し、検出部１４０が発生するビート信号の周波数はＦ_ｄとなる。ビート信号の周波数Ｆ_ｄは、例えば、時刻ｔ_ｍからｔ_ｎ＋１までの期間において、一の時点における参照光の光周波数と測定光の光周波数の差周波数である。

ここで、制御部１８０が光路長変更部２１０を制御して、参照光および／または測定光の光路差を調節すると、参照光に対する測定光の遅延時間が変化する。例えば、参照光の光路長を長くすること、および／または、測定光の光路長を短くすることにより、参照光に対する測定光の遅延時間が小さくなり、ビート信号の周波数Ｆ_ｄは、より低い周波数にシフトする。また、参照光の光路長を短くすること、および／または、測定光の光路長を長くすることにより、参照光に対する測定光の遅延時間が大きくなり、ビート信号の周波数Ｆ_ｄは、より高い周波数にシフトする。

［ビート信号の周波数］
図４は、本実施形態に係る測定装置１００が観測するビート信号の周波数の概念を示す。図４は、横軸が周波数を示し、縦軸がビート信号の信号強度レベルを示す。図４は、周波数Ｆ_ｄにビート信号が発生している例を示す。このような周波数特性は、算出部１５０が検出部１４０から受け取った電気信号を周波数変換することによって算出される。

ビート信号の周波数Ｆ_ｄは、既に述べたように、計測対象物１０までの距離ｄに対応するので、距離ｄがより遠くの距離になると、より高い周波数となる。したがって、測定装置１００の観測可能な距離の範囲を拡大するには、算出部１５０が解析できる周波数帯域を拡大しなければならない。例えば、単一の線スペクトルの信号をより広い周波数帯域で周波数解析すると、線スペクトルに重畳するノイズレベルが増加してしまうことがある。この場合、信号のＳ／Ｎが悪化することになるので、測定精度が低減してしまうことがある。

そこで、本実施形態に係る測定装置１００は、光路長変更部２１０を制御して、ビート信号が発生する周波数をより低い周波数にシフトさせて、観測すべき周波数帯域が拡大することを抑制する。例えば、制御部１８０は、検出部１４０が検出する電気信号の周波数が予め定められた周波数帯域の周波数となるように参照光および測定光の少なくとも一方の光路長を調節する。

図４には、予め定められた周波数帯域をΔＷとして示す。制御部１８０は、例えば、算出部１５０の周波数解析結果により、ビート信号の周波数Ｆ_ｄが帯域ΔＷよりも高い周波数の場合、参照光の光路長を長くする、および／または、測定光の光路長を短くする。また、制御部１８０は、ビート信号の周波数Ｆ_ｄが帯域ΔＷよりも低い周波数の場合、参照光の光路長を短くする、および／または、測定光の光路長を長くする。

このように、ビート信号の周波数を周波数シフトすることにより、算出部１５０は、例えば、予め定められた帯域ΔＷだけを周波数解析して、シフトしたビート信号の周波数を算出できる。そして、算出部１５０は、制御部１８０が調節した光路長と、ビート信号の周波数に対応する光路差とに基づき、計測対象物１０までの距離ｄを算出する。算出部１５０は、一例として、次式を用いて距離ｄを算出する。
（数２）
Ｌ_１－Ｌ_２＋ΔＬ＝Ｌ_３＋ｄ

（数２）式において、ΔＬは、光路長変更部２１０が変更した光路長に対応する光路差の変化量である。ΔＬは、例えば、参照光または測定光の光路長を長くすると正の値となり、参照光または測定光の光路長を短くすると負の値となる。このように、算出部１５０は、制御部１８０が調節した光路長に対応する光路差を加算または減算することにより、計測対象物１０までの距離ｄを算出できる。

制御部１８０は、例えば、光路長変更部２１０に光路長を変更するために供給した制御信号に対応する値を算出部１５０に供給する。これにより、算出部１５０は、制御部１８０が調節した光路長の情報を取得してΔＬの値を算出することができる。

これに代えて、測定装置１００には、光路長変更部２１０が変更した光路長の距離を測定する変更距離測定部が設けられていてもよい。変更距離測定部は、例えば、第２参照光変更部２１２の移動部２１３の位置、および／または、第２測定光変更部２１６の移動部２１７の位置を測定する。

変更距離測定部は、例えば、リニアエンコーダ、レーザ変位計等である。この場合、制御部１８０は、光路長変更部２１０に光路長を変更させた後に、変更距離測定部に変更させた光路長を測定させる。これにより、算出部１５０は、測定された光路長の距離と検出された電気信号の解析結果とに基づき、計測対象物１０までの距離ｄを算出できる。このような測定装置１００の動作について次に説明する。

［測定装置１００の動作フローの例］
図５は、第２構成例の測定装置１００の動作フローの一例を示す。測定装置１００は、図５のＳ１０１０からＳ１０８０までの動作を実行することにより、測定装置１００から計測対象物１０までの距離ｄを測定する。

まず、Ｓ１０１０において、制御部１８０は、光強度変更部１７０および光路長変更部２１０の初期値を設定する。制御部１８０は、例えば、光強度変更部１７０の変更量を予め定められた初期値とする制御信号を光強度変更部１７０に供給する。また、制御部１８０は、光路長変更部２１０の変更量を予め定められた初期値とする制御信号を光路長変更部２１０に供給する。

次に、Ｓ１０２０において、制御部１８０は、レーザ装置１１０を制御して、複数のモードの周波数変調レーザ光を出力する。分岐部１２０は、レーザ装置１１０が出力する周波数変調レーザ光の一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光として分岐させる。光学系１３０は、測定光を計測対象物１０に照射する。そして、光学系１３０は、計測対象物１０から反射された反射光を受光する。合波部２２０は、反射光と参照光とを混合してビート信号を発生させ、検出部１４０は、発生させたビート信号を検出する。

次に、Ｓ１０３０において、制御部１８０は、算出部１５０を制御して、ビート信号を周波数解析させる。算出部１５０は、例えば、ＦＦＴを用いてビート信号を周波数変換することにより、ビート信号が発生した周波数Ｆ_ｄを算出する。

次に、Ｓ１０４０において、制御部１８０は、ビート信号の信号強度レベルが予め定められた信号強度レベルの範囲内か否かを判断する。制御部１８０は、例えば、ビート信号の信号強度レベルが上限値を超えるか、または下限値を下回った場合（Ｓ１０４０：Ｎｏ）、光強度変更部１７０を制御して、参照光および／または測定光の光強度レベルを調節する（Ｓ１０５０）。制御部１８０は、ビート信号の信号強度レベルが予め定められた信号強度レベルの範囲内になるまで、Ｓ１０３０からＳ１０５０の動作を繰り返す。

ビート信号の信号強度レベルが予め定められた信号強度レベルの範囲内の場合（Ｓ１０４０：Ｙｅｓ）、Ｓ１０６０において、制御部１８０は、ビート信号の周波数Ｆ_ｄが予め定められた帯域ΔＷの範囲内の周波数か否かを判断する。制御部１８０は、例えば、ビート信号の周波数が上限値を超えるか、または下限値を下回った場合（Ｓ１０６０：Ｎｏ）、光路長変更部２１０を制御して、参照光および／または測定光の光路長を調節する（Ｓ１０７０）。制御部１８０は、ビート信号の周波数Ｆ_ｄが予め定められた帯域ΔＷの範囲内の周波数になるまで、Ｓ１０３０からＳ１０７０の動作を繰り返す。

ビート信号の周波数が予め定められた帯域ΔＷの範囲内の周波数の場合（Ｓ１０６０：Ｙｅｓ）、Ｓ１０８０において、制御部１８０は、算出部１５０を制御して、計測対象物１０までの距離ｄを算出させる。算出部１５０は、光路長変更部２１０が変更した光路長の距離と、シフトしたビート信号の周波数とに基づき、計測対象物１０までの距離ｄを算出する。

ここで、制御部１８０は、例えば、算出部１５０が算出した距離ｄの情報を表示部１６０に表示させる。制御部１８０は、距離ｄの情報を記憶部等に記憶させてもよい。制御部１８０は、例えば、ネットワークを介して外部のサーバ、データベース等に距離ｄの情報を送信してもよい。

以上のように、第２構成例の測定装置１００は、ビート信号の信号強度レベルを予め定められた信号強度レベルの範囲内にし、ビート信号の周波数を予め定められた周波数帯域ΔＷの周波数としてから、計測対象物１０までの距離ｄを算出する。これにより、ビート信号の信号強度レベルとノイズレベルとを略一定の範囲内とすることができるので、測定装置１００は、Ｓ／Ｎを向上させて精度よく計測対象物１０までの距離ｄを測定できる。

以上の本実施形態に係る測定装置１００には、光路長変更部２１０として参照光の光路長を変更する第２参照光変更部２１２と、測定光の光路長を変更する第２測定光変更部２１６とを別個独立に設ける例を説明したが、これに限定されることはない。光路長変更部２１０は、参照光の光路長と測定光の光路長とを共に変更可能に構成されていてもよい。このような光路長変更部２１０について、次に説明する。

［光路長変更部２１０の変形例］
図６は、本実施形態に係る光路長変更部２１０の変形例を示す。変形例の光路長変更部２１０は、移動部３０１と、第１ミラー部３０２と、第２ミラー部３０３と、第３ミラー部３０４と、第４ミラー部３０５とを有する。

移動部３０１は、第１方向に移動する。移動部３０１は、一例として、制御部１８０から供給される制御信号に応じて第１方向（Ｘ方向）の第１向き（＋Ｘ向き）および第２向き（－Ｘ向き）に移動可能に設けられている。

第１ミラー部３０２は、移動部３０１に設けられ、第１方向の第１向きに入射する光を第１向きとは反対側の第２向きに反射させる。第１ミラー部３０２は、例えば、プリズムミラー、コーナーキューブ、複数のミラーの組合せ等である。

第２ミラー部３０３は、分岐部１２０から検出部１４０までの参照光が通過する光路に設けられ、参照光を第１方向の第１向きから第１ミラー部３０２に入射させ、第１ミラー部３０２から反射された参照光を参照光の光路へと出射させる。第２ミラー部３０３は、移動部３０１が移動することによって第１ミラー部３０２との間の距離が変化するように、測定装置１００内に固定されているミラーである。第２ミラー部３０３は、例えば、プリズムミラー、複数のミラーの組合せ等である。

第３ミラー部３０４は、移動部３０１に設けられ、第１方向の第２向きに入射する光を第１向きに反射させる。第３ミラー部３０４は、例えば、プリズムミラー、コーナーキューブ、複数のミラーの組合せ等である。

第４ミラー部３０５は、分岐部１２０から検出部１４０までの測定光が通過する光路に設けられ、測定光を第１方向の第２向きから第３ミラー部３０４に入射させ、第３ミラー部３０４から反射された測定光を測定光の光路へと出射させる。第４ミラー部３０５は、移動部３０１が移動することによって第３ミラー部３０４との間の距離が変化するように、測定装置１００内に固定されているミラーである。第４ミラー部３０５は、例えば、プリズムミラー、複数のミラーの組合せ等である。

以上のように、変形例の光路長変更部２１０において、移動部３０１には第１ミラー部３０２および第３ミラー部３０４が搭載されている。そして、例えば、移動部３０１が第１向きに移動すると、第１ミラー部３０２および第２ミラー部３０３の間の距離が長くなり、第３ミラー部３０４および第４ミラー部３０５の間の距離が短くなる。

このように、移動部３０１を第１向きに移動させることで、参照光の光路長を長くして測定光の光路長を短くすることができる。したがって、例えば、参照光および測定光の光路差の変化を移動部３０１の移動距離の４倍にすることができ、光学系の配置面積を低減させつつ、光路差の変化を大きくすることができる。

以上の本実施形態において、光路長変更部２１０は、図２に示す第２構成例の測定装置１００に用いられる例を説明したが、これに限定されることはない。光路長変更部２１０は、図１に示す第１構成例の測定装置１００に用いられてもよい。また、測定装置１００は、光強度変更部１７０を備えずに、光路長変更部２１０を備える構成であってもよい。

以上の本実施形態の測定装置１００において、光学系１３０がレーザ光、参照光、および測定光の光路をレンズ等の光学部品によって形成している例を説明したが、これに限定されることはない。光学系１３０の少なくとも一部は、光ファイバを有してもよい。この場合、例えば、レーザ装置１１０は、光ファイバ出力のレーザ光源であってもよい。また、分岐部１２０および／または合波部２２０は、光サーキュレータ、光ファイバカプラ、マッハツェンダ干渉計等であってもよい。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、装置の全部又は一部は、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。また、複数の実施の形態の任意の組み合わせによって生じる新たな実施の形態も、本発明の実施の形態に含まれる。組み合わせによって生じる新たな実施の形態の効果は、もとの実施の形態の効果を併せ持つ。

１０ 計測対象物
１００ 測定装置
１１０ レーザ装置
１２０ 分岐部
１３０ 光学系
１３２ 導波用光学系
１３４ 光ヘッド光学系
１３６ 参照ミラー
１３８ 合波用光学系
１４０ 検出部
１５０ 算出部
１６０ 表示部
１７０ 光強度変更部
１７２ 第１参照光変更部
１７４ 第１測定光変更部
１８０ 制御部
２１０ 光路長変更部
２１２ 第２参照光変更部
２１３ 移動部
２１４ 第１ミラー部
２１５ 第２ミラー部
２１６ 第２測定光変更部
２１７ 移動部
２１８ 第３ミラー部
２１９ 第４ミラー部
２２０ 合波部
３０１ 移動部
３０２ 第１ミラー部
３０３ 第２ミラー部
３０４ 第３ミラー部
３０５ 第４ミラー部

Claims (10)

1. レーザ光を出力するレーザ装置と、
   前記レーザ装置が出力する前記レーザ光の一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光として分岐させる分岐部と、
   前記測定光を計測対象物に照射して反射された前記測定光と、前記参照光とを合波する合波部と、
   合波された光を検出して電気信号に変換する検出部と、
   検出された前記電気信号を解析して前記計測対象物までの距離を算出する算出部と、
   前記参照光および前記測定光の少なくとも一方の光強度レベルを変更する光強度変更部と、
   検出された前記電気信号に基づいて前記光強度変更部を制御し、前記参照光の光強度レベルと前記測定光の光強度レベルとの比を調節する制御部と
   を備える、測定装置。
2. 前記光強度変更部は、前記分岐部から検出部までの前記参照光が通過する光路に設けられ、前記参照光の光強度レベルを変更する第１参照光変更部を有する、請求項１に記載の測定装置。
3. 前記光強度変更部は、前記分岐部から検出部までの前記測定光が通過する光路に設けられ、前記測定光の光強度レベルを変更する第１測定光変更部を有する、請求項１に記載の測定装置。
4. 前記制御部は、前記レーザ装置を制御して、前記レーザ光の光強度レベルを更に調節する、請求項１に記載の測定装置。
5. 前記参照光および前記測定光の少なくとも一方の光路長を変更する光路長変更部を更に備え、
   前記制御部は、前記光路長変更部を制御して、前記検出部が検出する前記電気信号の周波数が予め定められた周波数帯域の周波数となるように前記参照光および前記測定光の少なくとも一方の光路長を調節する、
   請求項１から４のいずれか一項に記載の測定装置。
6. 前記光路長変更部は、前記分岐部から前記検出部までの前記参照光が通過する光路に設けられ、前記参照光の光路長を変更する第２参照光変更部を有する、請求項５に記載の測定装置。
7. 前記光路長変更部は、前記分岐部から前記検出部までの前記測定光が通過する光路に設けられ、前記測定光の光路長を変更する第２測定光変更部を有する、請求項５に記載の測定装置。
8. 前記光路長変更部は、
   第１方向に移動する移動部と、
   前記移動部に設けられ、前記第１方向の第１向きに入射する光を前記第１向きとは反対側の第２向きに反射させる第１ミラー部と、
   前記分岐部から前記検出部までの前記参照光が通過する光路に設けられ、前記参照光を前記第１方向の前記第１向きから前記第１ミラー部に入射させ、前記第１ミラー部から反射された前記参照光を前記参照光の光路へと出射させる第２ミラー部と、
   前記移動部に設けられ、前記第１方向の前記第２向きに入射する光を前記第１向きに反射させる第３ミラー部と、
   前記分岐部から前記検出部までの前記測定光が通過する光路に設けられ、前記測定光を前記第１方向の前記第２向きから前記第３ミラー部に入射させ、前記第３ミラー部から反射された前記測定光を前記測定光の光路へと出射させる第４ミラー部と
   を有する、請求項５に記載の測定装置。
9. 前記光路長変更部が変更した光路長の距離を測定する変更距離測定部を更に備え、
   前記算出部は、測定された光路長の距離と検出された前記電気信号の解析結果とに基づき、前記計測対象物までの距離を算出する、
   請求項５に記載の測定装置。
10. レーザ光を出力するレーザ装置と、
    前記レーザ装置が出力する前記レーザ光の一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光として分岐させる分岐部と、
    前記測定光を計測対象物に照射して反射された前記測定光と、前記参照光とを合波する合波部と、
    合波された光を検出して電気信号に変換する検出部と、
    検出された前記電気信号を解析して前記計測対象物までの距離を算出する算出部と、
    前記参照光および前記測定光の少なくとも一方の光路長を変更する光路長変更部と、
    前記光路長変更部を制御して、前記検出部が検出する前記電気信号の周波数が予め定められた周波数帯域の周波数となるように前記参照光および前記測定光の少なくとも一方の光路長を調節する制御部と
    を備える、測定装置。
    

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