JP4830096B2

JP4830096B2 - 距離測定装置および距離測定方法

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Publication number: JP4830096B2
Application number: JP2005177482A
Authority: JP
Inventors: 典彦西澤; 俊夫後藤
Original assignee: Nagoya University NUC; Tokai National Higher Education and Research System NUC
Current assignee: Nagoya University NUC; Tokai National Higher Education and Research System NUC
Priority date: 2004-09-30
Filing date: 2005-06-17
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2025-06-17
Also published as: JP2006126168A; US7535555B2; US20070024842A1

Description

本発明は、距離測定装置および距離測定方法に関し、詳しくは、対象物までの距離を測定する距離測定装置および距離測定方法に関する。

従来、この種の距離測定手法としては、画像処理を用いて対象物までの距離を測定するものが考えられている。この手法では、異なる２方向から撮影した対象物の画像を撮影方向を用いて画像処理することにより、基準位置から対象物の表面までの距離を演算している。

また、短い間隔のパルス光に関する技術としては、パルス光の強度に応じてパルス光の波長を変更するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この技術は、偏波保持型の光ファイバが光の強度に応じて波長を変更する特性に基づく。
特許第３３９０７５５号公報

しかしながら、上述の画像処理を用いて対象物までの距離を測定する手法では、画像を撮影すると共に撮影した画像に対して画像処理を行なうため、対象物までの距離を測定するまでに時間を要してしまう。こうした測定までの時間を短縮するために画像処理の程度を落として演算を簡易なものとすれば、測定精度の低下を招いてしまう。また、画像の撮影位置の調整などが伴うため、対象物までの距離の測定に高い精度を求めることができない。

本発明の距離測定装置および距離測定方法は、対象物までの距離を迅速に測定することを目的の一つとする。また、本発明の距離測定装置および距離測定方法は、対象物までの距離を高い精度で測定することを目的の一つとする。

本発明の距離測定装置および距離測定方法は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。

本発明の距離測定装置は、
対象物までの距離を測定する距離測定装置であって、
短い間隔でパルス光を発生する短パルス光源と、
該短パルス光源からのパルス光を信号光と参照光とに分岐する光分岐手段と、
該光分岐手段により分岐された信号光を前記対象物に照射すると共に該対象物から該信号光の照射により反射される散乱光を受光する照射受光手段と、
前記光分岐手段により分岐された参照光を入力すると共に伝搬時間を調整して出力する伝搬時間調整手段と、
前記伝搬時間調整手段により伝搬時間が調整された参照光と前記照射受光手段により受光された散乱光との重ね合わせに基づいて干渉信号を生成する干渉信号生成手段と、
前記伝搬時間調整手段により調整された伝搬時間と前記干渉信号生成手段により生成された干渉信号とに基づいて前記信号光の照射地点から前記対象物までの距離を演算する距離演算手段と、
を備えることを要旨とする。

この本発明の距離測定装置では、短い間隔のパルス光を分岐した信号光を対象物に照射すると共に対象物から信号光の照射により反射される散乱光を受光する。一方、短い間隔のパルス光を分岐した参照光の伝搬時間を調整する。そして、この伝搬時間を調整した参照光と受光した散乱光との重ね合わせに基づいて干渉信号を生成し、調整した伝搬時間と生成した干渉信号とに基づいて信号光の照射地点から対象物までの距離を演算する。パルス光の直進性と高速性とを用いて照射地点から対象物までの距離を演算するから、対象物までの距離を高い精度で迅速に測定することができる。

こうした本発明の距離測定装置において、前記伝搬時間調整手段は、前記参照光の光路長を調整することにより伝搬時間を調整する手段であるものとするともできる。この場合、対象物までの距離の演算を伝搬時間に代えて光路長を用いて行なうこともできる。

また、本発明の距離測定装置において、前記短パルス光源からのパルス光の波長を変更する波長変更手段を備え、前記光分岐手段は前記波長変更手段により波長が変更されたパルス光を前記信号光と前記参照光とに分岐する手段であり、前記伝搬時間調整手段は前記参照光の波長に応じて伝搬時間を調整する手段であるものとすることもできる。こうすれば、パルス光の波長を変更するだけで伝搬時間を調整することができるから、干渉の程度が大きな干渉信号が得られるパルス光の波長に対応する伝搬時間を用いて対象物までの距離を高い精度で迅速に測定することができる。

この波長変更手段を備える態様の本発明の距離測定装置において、前記波長変更手段は、前記短パルス光源からのパルス光の強度を調整する強度調整部と、入力されたパルス光の強度に応じて波長を変更してパルス光を出力する波長変更部と、を有する手段であるものとすることもできる。この場合、前記強度調整部は音響光学変調器であり、前記波長変更部偏波保持型の光ファイバであるものとすることもできる。

また、波長変更手段を備える態様の本発明の距離測定装置において、前記波長変更手段は、前記短パルス光源のパルス間隔に比して長い周期をもって順次波長を変更する手段であるものとすることもできる。こうすれば、短パルス光源のパルス間隔に比して長い周期をもって繰り返しパルス光の波長を自動的に変更することができる。この結果、自動的に対象物までの距離を高い精度で迅速に測定することができる。

さらに、波長変更手段を備える態様の本発明の距離測定装置において、前記伝搬時間調整手段は偏波保持型の光ファイバを有する手段であるものとすることもできる。こうすれば、光ファイバに参照光を導入するだけで波長に応じた伝搬時間とすることができる。この場合、前記伝搬時間調整手段は、前記光ファイバに入力される参照光の光路長または前記光ファイバから出力された参照光の光路長を調整する光路長調整手段を有する手段であるものとすることもできる。こうすれば、参照光の光路長を調整することができるから、対象物までの測定を更に容易なものとすることができる。

また、波長変更手段を備える態様の本発明の距離測定装置において、前記距離演算手段は、前記伝搬時間に代えて前記参照光の波長を用いて前記信号光の照射地点から前記対象物までの距離を演算する手段であるものとすることもできる。

本発明の距離測定装置において、前記干渉信号生成手段は、前記参照光と前記散乱光とを重ね合わせて分岐して得られる二つの信号に対して差動検出することにより干渉信号を生成する手段であるものとすることもできる。また、本発明の距離測定装置において、前記短パルス光源は、出力パルスの中心波長が１５６０ｎｍ近傍でパルス幅がピコ秒ないしフェムト秒単位のパルス光を出力することを特徴とするものとすることもできる。

本発明の距離測定装置において、前記照射受光手段は、前記信号光により所定範囲内が走査されるよう該信号光を照射する手段であるものとすることもできる。こうすれば、
所定範囲内の対象物までの距離を自動的に測定することができる。この結果、対象物の表面の凹凸を高い精度で迅速によく測定すること、即ち対象物の３次元計測を高い精度で迅速に行なうことができる。

本発明の距離測定装置において、前記伝搬時間調整手段により伝搬時間が調整された参照光を所定の周波数帯の変調光に変調する変調手段を備え、前記干渉信号生成手段は、前記変調された変調光を前記参照光として用いて干渉信号を生成する手段であるものとすることもできる。こうすれば、より適正に干渉信号を生成することができる。この場合、前記変調手段は、音響光学変調器または電気光学変調器であるものとすることもできる。

この変調手段を備える態様の本発明の距離測定装置において、前記距離演算手段は、前記生成された干渉信号のうち前記所定の周波数帯の信号を通過するバンドパスフィルタと、該バンドパスフィルタを通過した信号を２乗検波する２乗検波部とを有し、該２乗検波された信号に基づいて前記信号光の照射地点から前記対象物までの距離を演算する手段であるものとすることもできる。こうすれば、より適正に信号光の照射地点から対象物までの距離を演算することができる。

本発明の第１の距離測定方法は、
対象物までの距離を測定する距離測定方法であって、
短い間隔のパルス光を信号光と参照光とに分岐し、
該分岐した信号光を前記対象物に照射すると共に該対象物から該信号光の照射により反射される散乱光を受光し、
前記分岐した参照光の伝搬時間を調整し、
該伝搬時間が調整した参照光と前記受光した散乱光との重ね合わせに基づいて干渉信号を生成し、
前記調整した伝搬時間と前記生成した干渉信号とに基づいて前記信号光の照射地点から前記対象物までの距離を演算する
ことを要旨とする。

この本発明の第１の距離測定方法では、短い間隔のパルス光を分岐した信号光を対象物に照射すると共に対象物から信号光の照射により反射される散乱光を受光する。一方、短い間隔のパルス光を分岐した参照光の伝搬時間を調整する。そして、この伝搬時間を調整した参照光と受光した散乱光との重ね合わせに基づいて干渉信号を生成し、調整した伝搬時間と生成した干渉信号とに基づいて信号光の照射地点から対象物までの距離を演算する。パルス光の直進性と高速性とを用いて照射地点から対象物までの距離を演算するから、対象物までの距離を高い精度で迅速に測定することができる。

また、本発明の第２の距離測定方法は、
対象物までの距離を測定する距離測定方法であって、
短い間隔のパルス光の波長を変更し、
該波長を変更したパルス光を信号光と参照光とに分岐し、
該分岐した信号光を前記対象物に照射すると共に該対象物から該信号光の照射により反射される散乱光を受光し、
前記分岐した参照光の波長に応じて伝搬時間を調整し、
該伝搬時間が調整した参照光と前記受光した散乱光との重ね合わせに基づいて干渉信号を生成し、
前記調整した伝搬時間または前記参照光の波長と前記生成した干渉信号とに基づいて前記信号光の照射地点から前記対象物までの距離を演算する
ことを要旨とする。

この本発明の第２の距離測定法では、短い間隔のパルス光の波長を変更し、波長を変更したパルス光を信号法と参照光とに分岐する。分岐した信号光については対象物に照射すると共に対象物から信号光の照射により反射される散乱光を受光する。参照光についてはその波長に応じて伝搬時間を調整する。この伝搬時間を調整した参照光と受光した散乱光との重ね合わせに基づいて干渉信号を生成し、調整した伝搬時間や参照光の波長と生成した干渉信号とに基づいて信号光の照射地点から対象物までの距離を演算する。パルス光の直進性と高速性とを用いて照射地点から対象物までの距離を演算するから、対象物までの距離を高い精度で迅速に測定することができる。

次に、本発明を実施するための最良の形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施例としての距離測定装置２０の構成の概略を示す構成図である。実施例の距離測定装置２０は、図示するように、パルス幅がピコ秒からフェムト秒単位のパルス光を生成する超短パルスファイバレーザ２２と、超短パルスファイバレーザ２２からのパルス光を信号光と参照光Ａとに分岐する光分岐器２４と、光分岐器２４により分岐された信号光を対象物１０に走査して照射すると共に信号光の照射に伴って対象物１０から反射される散乱光Ｂを受光するスキャニングミラー装置２８と、光分岐器２４により分岐された参照光Ａの光路長を調整する光路長調整部３０と、光路長調整部３０からの参照光Ａとスキャニングミラー装置２８からの散乱光Ｂとに基づいて干渉信号を出力する干渉信号出力器３２と、光路長調整部３０からの光路長の調整値と干渉信号出力器３２からの干渉信号とに基づいてスキャニングミラー装置２８から対象物１０までの距離を演算する演算部としてのコンピュータ４２と、を備える。なお、光分岐器２４とスキャニングミラー装置２８との間には光分岐器２４側からの信号光は透過するがスキャニングミラー装置２８側からの散乱光Ｂは反射する半透過ミラー２６が設けられている。

超短パルスファイバレーザ２２としては、実施例では、パルス光の波長が１５６０ｎｍ、パルス幅（時間幅）が１４１フェムト秒（ｆｓ）、パルス光の繰り返し周波数が４８ＭＨｚ、平均出力が３８ｍＷの超短パルス光を安定して生成するものを用いたが、こうした性能に限定されるものではなく、例えば、パルス幅（時間幅）がフェムト秒（ｆｓ）単位のものやミリ秒（ｍｓ）単位のものを用いてもよし、パルス光の繰り返し周波数がＭＨｚ単位のものやｋＨＺ単位のもの、或いはＧＨｚ単位のものを用いてもよい。

スキャニングミラー装置２８としては、実施例では、方位角２，５６０，０００パルス／度で仰角が９２１，６００パルス／度の分解能を有する２軸回転スキャナを用いたが、こうした性能に限定されるものではない。また、光路長調整部３０としては、例えば複数のミラーを備える多重反射式のものなどをもちいることができる。

干渉信号出力器３２は、光路長調整部３０からの参照光Ａとスキャニングミラー装置２８からの散乱光Ｂとを重ね合わせることにより数式上の参照光Ａと散乱光Ｂとの和光（Ａ＋Ｂ）と参照光Ａと散乱光Ｂとの差光（Ａ−Ｂ）とを調整する和差光調整部３４と、数式上の参照光Ａと散乱光Ｂとの和光（Ａ＋Ｂ）や差光（Ａ−Ｂ）を入力すると共に入力した光の電界振幅の２乗を出力する光検出器３６，３８と、光検出器３６，３８からの出力（Ａ＋Ｂ）²，（Ａ−Ｂ）²の差分（４ＡＢ）を干渉信号として出力する差動検出器４０と、から構成されている。

演算部としてのコンピュータ４２は、光路長調整部３０により参照光Ａの光路長を順次変更したときに差動検出器４０から出力される干渉信号が最大となる光路長に対応する光路長調整部３０の調整値を割り出し、この調整値からスキャニングミラー装置２８の基準位置（例えばパルス光の照射用のミラー）から対象物１０までの距離を演算する。なお、調整値としては、光路長に対応するものやこの光路長をパルス光が伝搬する伝搬時間に対応するものとすることができる。

次に、こうして構成された実施例の距離測定装置２０の動作について説明する。超短パルスファイバレーザ２２からパルス光が発射されると、パルス光は光分岐器２４により参照光Ａと信号光とに分岐される。信号光は半透過ミラー２６を透過してスキャニングミラー装置２８により対象物１０に照射される。信号光の対象物１０への照射に伴って対象物１０から散乱光が反射されるが、この散乱光の一部はスキャニングミラー装置２８を介して半透過ミラー２６で反射され、干渉信号出力器３２に導入される。一方、参照光Ａは、光路長調整部３０により光路長が変更されることにより光路長調整部３０から出力されるまでの時間（光路長調整部３０における伝搬時間）が調整されて干渉信号出力器３２に導入される。干渉信号出力器３２に導入された参照光Ａと散乱光Ｂは、重ね合わせにより数式上の和光（Ａ＋Ｂ）と差光（Ａ−Ｂ）とに調整され、光検出器３６，３８によりその２乗が出力され、更にその差分が干渉信号として差動検出器４０から出力される。干渉信号の一例を図２に示す。上述したように、演算部としてのコンピュータ４２は、光路長調整部３０によって順次光路長を変更し、差動検出器４０から出力される干渉信号が最大となる光路長に対応する光路長調整部３０の調整値を割り出し、この調整値からスキャニングミラー装置２８の基準位置（例えばパルス光の照射用のミラー）から対象物１０までの距離を演算することにより、対象物１０のパルス光が照射された位置のまでの距離を測定する。図２の例では、信号強度のピークを用いてその距離が演算されることになる。このように直進性と高速性とを有するパルス光を用いて対象物１０までの距離を測定するから、対象物１０までの距離を高い精度で迅速に測定することができる。実施例では、こうした一連の測定動作を対象物１０の全表面に亘ってパルス光により走査されるようスキャニングミラー装置２８の方位角と仰角を順次変更する。これにより、対象物１０の全表面をスキャニングミラー装置２８の分解能の範囲でスキャニングミラー装置２８の基準位置からの距離として測定することができる。即ち、対象物１０の全表面を３次元測定することができるのである。しかも、実施例では、超短パルスファイバレーザ２２からのパルス光を用いて測定するから、スキャニングミラー装置２８による対象物１０の全表面の走査も短時間で終了することができる。したがって、対象物１０の全表面を迅速に高い精度で３次元測定することができる。

以上説明した実施例の距離測定装置２０によれば、直進性と高速性とを有するパルス光を用いて対象物１０までの距離を測定するから、対象物１０までの距離を高い精度で迅速に測定することができる。また、対象物１０の全表面をスキャニングミラー装置２８の分解能の範囲でスキャニングミラー装置２８の基準位置からの距離として測定することができる。しかも、超短パルスファイバレーザ２２からのパルス光を用いて測定するから、スキャニングミラー装置２８による対象物１０の全表面の走査も短時間で終了することができ、対象物１０の全表面を高い精度で迅速に３次元測定することができる。

次に、本発明の第２の実施例としての距離測定装置２０Ｂについて説明する。図３は、第２実施例の距離測定装置２０Ｂの構成の概略を示す構成図である。第２実施例の距離測定装置２０Ｂは、超短パルスファイバレーザ２２と光分岐器２４との間に超短パルスファイバレーザ２２からのパルス光の波長を変更する波長変更部２３を備える点と、光路長調整部３０に代えて伝搬時間調整用光ファイバ３１を備える点と、コンピュータ４２が光路長調整部３０からの調整値に代えて波長変更部２３からの強度信号に基づいて対象物１０までの距離を演算する点と、を除いて距離測定装置２０と同一の構成をしている。したがって、第２実施例の距離測定装置２０Ｂの構成のうち第１実施例の距離測定装置２０の構成と同一の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。

第２実施例の距離測定装置２０Ｂが備える波長変更部２３は、超短パルスファイバレーザ２２からのパルス光の強度を変調する変調器２３ａと、パルス光の強度に応じてパルス光の波長を変更する波長変更用光ファイバ２３ｂとから構成されている。変調器２３ａは、実施例では、変調帯域幅１．８ＭＨｚで透過率７５％以上の音響光学変調器を用い、パルス光の強度が周期１０ｋＨｚのノコギリ波となるよう調整されており、パルスの強度がパルス光の波長の調整値としてコンピュータ４２に出力されている。変調器２３ａのパルス光の強度と時間との関係の一例を図４に示す。なお、変調器２３ａは上述の性能の音響光学変調器に限られず、異なる性能の音響光学変調器を用いるものとしてもよく、また、超短パルスファイバレーザ２２からのパルス光の強度を変調することができるものであれば音響光学変調器以外のものを用いるものとしてもかまわない。波長変更用光ファイバ２３ｂは、実施例では、細径偏波保持ファイバ（コア径８．１μｍ，長さ１００ｍ）を用いた。パルス光の強度に応じてパルス光の波長が変更される原理等については、本発明の発明者が以前発明した特願平１０−２７５６０４に詳述されており、本発明ではその原理を用いている。しかし、その原理等が本発明の中核となるものではないため、これ以上の詳細な説明は省略する。なお、波長変更用光ファイバ２３ｂは細径偏波保持ファイバに限られず、パルス光の強度に応じてパルス光の波長を変更することができる光ファイバであれば、如何なる光ファイバを用いるものとしてもよいし、光ファイバ以外のものを用いるものとしてもよい。

伝搬時間調整用光ファイバ３１は、パルス光の波長に応じて入力から出力までの時間（伝搬時間）を変化させることができる光ファイバであり、実施例では、偏波保持分散シフトファイバ（長さ１００ｍ）を用いた。パルス光の波長と伝搬時間との関係の一例を図５に示す。なお、伝搬時間調整用光ファイバ３１は、偏波保持分散シフトファイバに限られず、パルス光の波長に応じて入力から出力までの時間（伝搬時間）を変化させることができる光ファイバであれば、如何なる光ファイバを用いるものとしてもよいし、光ファイバ以外のものを用いるものとしてもよい。

次に、こうして構成された第２実施例の距離測定装置２０Ｂの動作について説明する。超短パルスファイバレーザ２２からパルス光が発射されると、パルス光は変調器２３ａによりその強度が調整されると共に波長変更用光ファイバ２３ｂにより強度に応じた波長に変更される。波長が変更されたパルス光は光分岐器２４により参照光Ａと信号光とに分岐され、信号光は半透過ミラー２６を透過してスキャニングミラー装置２８により対象物１０に照射される。信号光の対象物１０への照射に伴って対象物１０から散乱光が反射されるが、この散乱光の一部はスキャニングミラー装置２８を介して半透過ミラー２６で反射され、干渉信号出力器３２に導入される。一方、参照光Ａは、伝搬時間調整用光ファイバ３１により伝搬時間が調整されて干渉信号出力器３２に導入される。干渉信号出力器３２に導入された参照光Ａと散乱光Ｂは、第１実施例で説明したように、重ね合わせにより数式上の和光（Ａ＋Ｂ）と差光（Ａ−Ｂ）が調整され、光検出器３６，３８により２乗され、その差分が干渉信号として差動検出器４０から出力される。

いま、和差光調整部３４で重ね合わされる参照光Ａと散乱光Ｂとが干渉する場合を考える。このとき、参照光Ａは伝搬時間調整用光ファイバ３１により伝搬時間が調整されているから、伝搬時間調整用光ファイバ３１を除く光分岐器２４から和差光調整部３４までの参照光Ａの光路長とスキャニングミラー装置２８と対象物１０との距離の２倍の距離を除く光分岐器２４から和差光調整部３４までの信号光および散乱光Ｂの光路長とが等しいとすれば、参照光Ａと散乱光Ｂとが干渉するためには、伝搬時間調整用光ファイバ３１で調整される伝搬時間が超短パルスファイバレーザ２２からのパルス光の間隔の整数倍の伝搬時間にスキャニングミラー装置２８から対象物１０までの距離の２倍の空気中の距離を光が伝搬する時間を加えた時間となる必要がある。伝搬時間調整用光ファイバ３１の伝搬時間はパルス光の波長によって異なるものとなるから、散乱光Ｂと干渉する参照光Ａはスキャニングミラー装置２８から対象物１０までの距離によって定まる波長のパルス光となる。即ち、スキャニングミラー装置２８から対象物１０までの距離によって干渉する参照光Ａの波長が変わることになる。第２実施例では、変調器２３ａの周波数は超短パルスファイバレーザ２２の周波数の４８ＭＨｚより十分に小さい１０ｋＨｚであるから、変調器２３ａの１周期の間に多数の同一の波長のパルス光が対象物１０に照射されることになる。したがって、散乱光Ｂと干渉する参照光Ａは、整数個前に光分岐器２４により分岐された参照光Ａとなる。コンピュータ４２では、波長変更部２３により周期的にパルス光の強度を変更して周期的にパルス光の波長を変更し、干渉信号出力器３２の差動検出器４０から入力される干渉信号のピークに相当するパルス光の波長を変調器２３ａの強度（調整値）から求め、求めたパルス光の波長から伝搬時間調整用光ファイバ３１の伝搬時間を求め、この伝搬時間からスキャニングミラー装置２８の基準位置（例えばパルス光の照射用のミラー）から対象物１０までの距離を演算する。第２実施例の距離測定装置２０では、こうして対象物１０のパルス光が照射された位置までの距離を測定するのである。第２実施例では、このように、波長変更部２３によりパルス光の波長を変更すると共に伝搬時間調整用光ファイバ３１によりパルス光の伝搬時間を調整し、散乱光Ｂと干渉する参照光Ａの波長を特定することによりスキャニングミラー装置２８から対象物１０までの距離を測定するから、第１実施例の距離測定装置２０のように光路長調整部３０で光路長を調整する必要がない。第１実施例でも説明したが、第２実施例でも、このように直進性と高速性とを有するパルス光を用いて対象物１０までの距離を測定するから、対象物１０までの距離を高い精度で迅速に測定することができる。また第２実施例でも第１実施例と同様に、こうした一連の測定動作を対象物１０の全表面に亘ってパルス光により走査されるようスキャニングミラー装置２８の方位角と仰角を順次変更する。これにより、対象物１０の全表面をスキャニングミラー装置２８の分解能の範囲でスキャニングミラー装置２８の基準位置からの距離として測定することができる。即ち、対象物１０の全表面を３次元測定することができるのである。しかも。超短パルスファイバレーザ２２からのパルス光を用いて測定するから、スキャニングミラー装置２８による対象物１０の全表面の走査も短時間で終了することができる。したがって、対象物１０の全表面を迅速に高い精度で３次元測定することができる。

以上説明した第２実施例の距離測定装置２０Ｂによれば、直進性と高速性とを有するパルス光を用いて対象物１０までの距離を測定するから、対象物１０までの距離を高い精度で迅速に測定することができる。しかも、波長変更部２３によりパルス光の波長を変更すると共に伝搬時間調整用光ファイバ３１によりパルス光の伝搬時間を調整し、散乱光Ｂと干渉する参照光Ａの波長を特定することによりスキャニングミラー装置２８から対象物１０までの距離を測定するから、第１実施例の距離測定装置２０のように光路長調整部３０で光路長を調整する必要がない。また、対象物１０の全表面をスキャニングミラー装置２８の分解能の範囲でスキャニングミラー装置２８の基準位置からの距離として測定することができる。さらに、超短パルスファイバレーザ２２からのパルス光を用いて測定するから、スキャニングミラー装置２８による対象物１０の全表面の走査も短時間で終了することができ、対象物１０の全表面を高い精度で迅速に３次元測定することができる。

第２実施例の距離測定装置２０Ｂでは、コンピュータ４２で干渉信号出力器３２の差動検出器４０から入力される干渉信号のピークに相当するパルス光の波長を変調器２３ａの強度（調整値）から求め、求めたパルス光の波長から伝搬時間調整用光ファイバ３１の伝搬時間を求め、この伝搬時間からスキャニングミラー装置２８の基準位置（例えばパルス光の照射用のミラー）から対象物１０までの距離を演算するものとしたが、干渉信号出力器３２の差動検出器４０から入力される干渉信号のピークに相当する変調器２３ａの強度を求め、この強度から伝搬時間調整用光ファイバ３１の伝搬時間を求めてスキャニングミラー装置２８から対象物１０までの距離を演算するものとしてもよい。更に、伝搬時間調整用光ファイバ３１の伝搬時間に代えて伝搬時間調整用光ファイバ３１の伝搬時間に相当する光路長を用いて計算するものとしてもかまわない。

第２実施例の距離測定装置２０Ｂでは、伝搬時間調整用光ファイバ３１によりパルス光の伝搬時間を調整するものとしたが、伝搬時間調整用光ファイバ３１の前段や後段に光路長調整部３０のような光路長を調整するものを備えるものとしてもよい。

次に、本発明の第３の実施例としての距離測定装置２０Ｃについて説明する。図６は、第３実施例の距離測定装置２０Ｃの構成の概略を示す構成図である。第３実施例の距離測定装置２０Ｃは、伝搬時間調整用光ファイバ３１と干渉信号出力器３２との間に光の周波数帯をシフトさせる変調器５０を備える点と、差動検出器４０とコンピュータ４２との間に特定の周波数帯の信号だけを通過するバンドパスフィルタ６０，信号を２乗して検波する２乗検波器６２，アナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換器６４を備える点と、スキャニングミラー装置２８をコンピュータ４２により制御している点と、を除いて第２実施例の距離測定装置２０Ｂと同一の構成をしている。したがって、第３実施例の距離測定装置２０Ｃの構成のうち第２実施例の距離測定装置２０Ｂの構成と同一の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。

変調器５０は、実施例では入力光を２７ＭＨｚ帯にシフトさせる一般的な音響光学変調器により構成されている。したがって、伝搬時間調整用光ファイバ３１により伝搬時間が調整された参照光Ａを変調器５０に入力することにより、変調器５０からは２７ＭＨｚ帯にシフトした変調光Ａ２が出力される。バンドパスフィルタ６０は、変調光Ａ２の周波数帯、即ち２７ＭＨｚ帯（２７ＭＨｚ±４ＭＨｚ）の干渉信号は通過するが、他の周波数帯の干渉信号については通過させないフィルタとして構成されている。

次に、こうして構成された第３実施例の距離測定装置２０Ｃの動作について説明する。超短パルスファイバレーザ２２からパルス光が発射されると、第２実施例の距離測定装置２０Ｂと同様に、パルス光は変調器２３ａによりその強度が調整されると共に波長変更用光ファイバ２３ｂにより強度に応じた波長に変更される。波長が変更されたパルス光は光分岐器２４により参照光Ａと信号光とに分岐され、信号光は半透過ミラー２６を透過してスキャニングミラー装置２８により対象物１０に照射される。信号光の対象物１０への照射に伴って対象物１０から散乱光が反射されるが、この散乱光の一部はスキャニングミラー装置２８を介して半透過ミラー２６で反射され、干渉信号出力器３２に導入される。一方、参照光Ａは、伝搬時間調整用光ファイバ３１により伝搬時間が調整され、変調器５０により２７ＭＨｚ帯の調整光Ａ２として干渉信号出力器３２に導入される。干渉信号出力器３２に導入された調整光Ａ２と散乱光Ｂは、第１実施例で説明したように、重ね合わせにより数式上の和光（Ａ２＋Ｂ）と差光（Ａ２−Ｂ）が調整され、光検出器３６，３８により２乗され、その差分が干渉信号として差動検出器４０から出力される。差動検出器４０から出力された干渉信号は、バンドパスフィルタ６０により２７ＭＨｚ帯の信号だけが取り出され、２乗検波器６２により２乗検波され、ＡＤ変換器６４で変換されてコンピュータ４２に入力される。バンドパスフィルタ６０を通過した干渉信号の一例を図７に示し、２乗検波器６２からの出力の一例を図８に示す。コンピュータ４２では、ＡＤ変換された信号のピークに相当するパルス光の波長を変調器２３ａの強度（調整値）から求め、求めたパルス光の波長から伝搬時間調整用光ファイバ３１の伝搬時間を求め、この伝搬時間からスキャニングミラー装置２８の基準位置（例えばパルス光の照射用のミラー）から対象物１０までの距離を演算する。第３実施例の距離測定装置２０Ｃにより３次元測定した一例を図９に示す。この例では１０μｍの分解能で３次元測定されている。

以上説明した第３実施例の距離測定装置２０Ｃによれば、伝搬時間調整用光ファイバ３１により伝搬時間が調整された参照光Ａを変調器５０により２７ＭＨｚ帯にシフトした変調光Ａ２を用いて干渉信号を生成し、得られた干渉信号を変調光Ａ２の周波数帯（２７ＭＨｚ帯）を通過するバンドパスフィルタ６０を通過させたものを用いてスキャニングミラー装置２８の基準位置（例えばパルス光の照射用のミラー）から対象物１０までの距離を演算するから、より適正に距離を測定することができる。もとより、直進性と高速性とを有するパルス光を用いて対象物１０までの距離を測定するから、対象物１０までの距離を高い精度で迅速に測定することができる。しかも、波長変更部２３によりパルス光の波長を変更すると共に伝搬時間調整用光ファイバ３１によりパルス光の伝搬時間を調整し、散乱光Ｂと干渉する変調光Ａ２の波長を特定することによりスキャニングミラー装置２８から対象物１０までの距離を測定するから、第１実施例の距離測定装置２０のように光路長調整部３０で光路長を調整する必要がない。また、対象物１０の全表面をスキャニングミラー装置２８の分解能の範囲でスキャニングミラー装置２８の基準位置からの距離として測定することができる。さらに、超短パルスファイバレーザ２２からのパルス光を用いて測定するから、スキャニングミラー装置２８による対象物１０の全表面の走査も短時間で終了することができ、対象物１０の全表面を高い精度で迅速に３次元測定することができる。

第３実施例の距離測定装置２０Ｃでは、変調器５０として参照光Ａを２７ＭＨｚ帯にシフトさせる音響光学変調器を用いたが、シフトさせる周波数帯は２７ＭＨｚに限定されるものではなく、如何なる周波数帯にシフトさせる音響光学変調器を用いるものとしてもよい。この場合、バンドパスフィルタ６０もシフトさせる周波数帯に応じたものを用いればよい。また、変調器５０として音響光学変調器に限定されるものでもなく、例えば、電気光学変調器を用いるものとしても構わない。特に、シフトさせる周波数帯を可変とすることができる変調器を用いれば、シフトさせる周波数帯を適正に調整することにより、より高い精度で３次元測定することができる。

第３実施例の距離測定装置２０Ｃでは、第２実施例の距離測定装置２０Ｂの構成に変調器５０やバンドパスフィルタ６０，２乗検波器６２，ＡＤ変換器６４を付加した構成としたが、こうした変調器５０やバンドパスフィルタ６０，２乗検波器６２，ＡＤ変換器６４を第１実施例の距離測定装置２０に付加した構成としても構わない。

以上、本発明を実施するための最良の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、距離測定装置の製造産業に利用可能である。

第１実施例の距離測定装置２０の構成の概略を示す構成図。干渉信号の一例を示す説明図。第２実施例の距離測定装置２０Ｂの構成の概略を示す構成図。変調器２３ａのパルス光の強度と時間との関係の一例を示す説明図。パルス光の波長と伝搬時間との関係の一例を示す説明図。第３実施例の距離測定装置２０Ｃの構成の概略を示す構成図。バンドパスフィルタ６０を通過した干渉信号の一例を示す説明図。２乗検波器６２からの出力の一例を示す説明図。第３実施例の距離測定装置２０Ｃによる測定結果の一例を示す説明図。

符号の説明

１０対象物、２０，２０Ｂ，２０Ｃ距離測定装置、２２超短パルスファイバレーザ、２３波長変更部、２３ａ変調器、２３ｂ波長変更用光ファイバ、２４光分岐器、２６半透過ミラー、２８スキャニングミラー装置、３０光路長調整部、３１伝搬時間調整用光ファイバ、３２干渉信号出力器、３４和差光調整部、３６，３８光検出器、４０差動検出器、４２コンピュータ、５０変調器、６０バンドパスフィルタ、６２２乗検波器、６４ＡＤ変換器。

Claims

対象物までの距離を測定する距離測定装置であって、
短い間隔でパルス光を発生する短パルス光源と、
前記短パルス光源からのパルス光の強度を調整する強度調整部と入力されたパルス光の強度に応じて波長を変更してパルス光を出力する波長変更部とを有する波長変更手段と、
前記波長変更手段により波長が変更されたパルス光を信号光と参照光とに分岐する光分岐手段と、
該光分岐手段により分岐された信号光を前記対象物に照射すると共に該対象物から該信号光の照射により反射される散乱光を受光する照射受光手段と、
前記光分岐手段により分岐された参照光を入力すると共に前記参照光の波長に応じて伝搬時間を調整して出力する伝搬時間調整手段と、
前記伝搬時間調整手段により伝搬時間が調整された参照光と前記照射受光手段により受光された散乱光との重ね合わせに基づいて干渉信号を生成する干渉信号生成手段と、
前記伝搬時間調整手段により調整された伝搬時間と前記干渉信号生成手段により生成された干渉信号とに基づいて前記信号光の照射地点から前記対象物までの距離を演算する距離演算手段と、
を備える距離測定装置。
請求項１記載の距離測定装置であって、
前記強度調整部は、音響光学変調器であり、
前記波長変更部は、偏波保持型の光ファイバである
距離測定装置。
前記波長変更手段は、前記短パルス光源のパルス間隔に比して長い周期をもって順次波長を変更する手段である請求項１または２記載の距離測定装置。
前記伝搬時間調整手段は、偏波保持型の光ファイバを有する手段である請求項１ないし３いずれか記載の距離測定装置。
前記伝搬時間調整手段は、前記光ファイバに入力される参照光の光路長または前記光ファイバから出力された参照光の光路長を調整する光路長調整手段を有する手段である請求項４記載の距離測定装置。
前記干渉信号生成手段は、前記参照光と前記散乱光との和としての和光の電解振幅の２乗と前記参照光と前記散乱光との差としての差光の電解振幅の２乗との差を得る作動検出により干渉信号を生成する手段である請求項１ないし５いずれか記載の距離測定装置。
前記短パルス光源は、出力パルスの中心波長が１５６０ｎｍ近傍でパルス幅がピコ秒ないしフェムト秒単位のパルス光を出力することを特徴とする請求項１ないし６いずれか記載の距離測定装置。
前記照射受光手段は、前記信号光により所定範囲内が走査されるよう該信号光を照射する手段である請求項１ないし７いずれか記載の距離測定装置。
請求項１ないし８いずれか記載の距離測定装置であって、
前記伝搬時間調整手段により伝搬時間が調整された参照光を所定の周波数帯の変調光に変調する変調手段を備え、
前記干渉信号生成手段は、前記変調された変調光を前記参照光として用いて干渉信号を生成する手段である
距離測定装置。
前記変調手段は、音響光学変調器または電気光学変調器である請求項９記載の距離測定装置。
前記距離演算手段は、前記生成された干渉信号のうち前記所定の周波数帯の信号を通過するバンドパスフィルタと、該バンドパスフィルタを通過した信号を２乗検波する２乗検波部とを有し、該２乗検波された信号に基づいて前記信号光の照射地点から前記対象物までの距離を演算する手段である請求項９または１０記載の距離測定装置。
対象物までの距離を測定する距離測定方法であって、
短い間隔のパルス光の強度を調整すると共にパルス光の強度に応じて波長を変更し、
該波長を変更したパルス光を信号光と参照光とに分岐し、
該分岐した信号光を前記対象物に照射すると共に該対象物から該信号光の照射により反射される散乱光を受光し、
前記分岐した参照光の波長に応じて伝搬時間を調整し、
該伝搬時間を調整した参照光と前記受光した散乱光との重ね合わせに基づいて干渉信号を生成し、
前記調整した伝搬時間と前記生成した干渉信号とに基づいて前記信号光の照射地点から前記対象物までの距離を演算する
距離測定方法。