JP5663824B2 - 距離測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、光路長から距離を測定する距離測定装置に関するものである。

光を用いて距離を測定する方法として、以下に示す方法が知られている。

光源からの光を測定光と参照光の２つに分け、測定光を測定物に照射し、測定物によって反射された測定光を受信する。もう一方の参照光は、光路長調整手段によって光路長を変化させる。そして、受信した測定光と参照光とによる干渉や自己相関が起こるように、光路長調整手段を調整する。干渉や自己相関が起こるのは、測定光と参照光の光路長が一致した場合であるから、光路長調整手段によって調整した光路長の値から距離を測定することができる。
特開平８−４３５３３

しかし、このような距離測定方法では、干渉や自己相関が起こるまで何度も光路長調整手段により光路長を調整する必要があり、距離の測定に時間がかかるという問題があった。

そこで本発明の目的は、光の干渉によって測定物までの距離を測定する距離測定装置において、距離測定にかかる時間を短縮することである。

第１の発明は、測定物までの距離を光によって測定する距離測定装置において、測定光と第１参照光とを同時に出力する光出力手段と、測定光を測定物に照射し、測定物によって反射された測定光を受光する照射受光手段と、第１参照光を、互いに光路長の異なる複数の第２参照光に分割する参照光群生成手段と、各第２参照光と測定光とを受光して、両者の干渉像を形成する観測面であって、各第２参照光が、それぞれ、観測面上の第１軸方向の異なる位置に到達し、受光した測定光が到達する観測面と、観測面に生じた測定光と第２参照光とによる干渉の第１軸方向の位置を測定し、その干渉の第１軸方向の位置によって測定物までの距離を算出する距離算出手段と、を有し、参照光群生成手段は、対向する第１面と第２面とを有し、一方の面に対して斜め方向から第１参照光を入射して、第１面と第２面との間で多重反射をさせて、多重反射点において第１面で反射して第２面に入射する第１参照光の一部を第２面の外部に透過させて、第１軸方向の各位置に対応して、直線状に配列された各第２参照光を得る手段であることを特徴する距離測定装置である。

光出力手段は、１つの光源からの光をスプリッタによって分割することで測定光と第１参照光を同時に生成するようにしてもよいし、２つの同一特性の光源を制御して、それぞれの光源から測定光と第１参照光を同時に生成するようにしてもよい。光源には、ＳＬＤ（スーパールミネセントダイオード）や、短パルス光源などを用いることができる。また、コヒーレント光源であってもよいし、インコヒーレント光源であってもよい。

コヒーレント光を用いる場合に測定光と第２参照光との間で干渉が生じるのは、測定光と第２参照光の光路差がコヒーレント長より小さい場合である。光路差がゼロであれば、コヒーレント長内の波数分だけ干渉縞が発生し、光路差が大きくなるにつれて干渉縞の数が減少する。したがって、測定光と第１参照光のコヒーレント長が測定距離の分解能を決定する。ただし、干渉縞の光強度が最大となる位置を決定することで、距離測定の精度をコヒーレント長以下とすることも可能である。また、インコヒーレントであってもパルス光であれば、測定光と第２参照光との光路差によって光強度に違いが生じるので距離の測定が可能である。この場合はパルス光のパルス幅が測定距離の分解能を決定する。

各第２参照光間の光路差は、測定距離の分解能に影響する。各第２参照光間の光路差を一定とすれば、分解能は測定距離の遠近によらず一定となる。一方、光路長が短いほど第２参照光間における光路差を小さくし、光路長が長いほど第２参照光間における光路差を大きくすると、測定物が近距離である場合には分解能を高く、遠距離である場合には分解能を低くすることが可能である。また、各第２参照光間の光路差は、コヒーレント長以上とすることが望ましい。コヒーレント長より短いと、ある第２参照光との干渉と、他の第２参照光との干渉の両方が生じる可能性があり、また第２参照光間で干渉が生じる可能性もあり望ましくない。

測定光と各第２参照光の少なくとも一方は、光軸が観測面に垂直な方向から傾いた状態で観測面に到達するようにすることが望ましい。干渉縞によって容易に干渉の位置を測定することができるからである。

第２の発明は、第１の発明において、参照光群生成手段は、２枚の反射鏡を有し、第１参照光を２枚の反射鏡の間で多重反射させ、反射鏡から第１参照光の一部を透過させることで、複数の第２参照光に分割することを特徴とする距離測定装置である。

２枚の反射鏡は平行に配置してもよいし、平行から少しずらして配置してもよい。各第２参照光間の光路差は、２枚の反射鏡の間隔に依存する。２枚の反射鏡を平行に配置すると、各第２参照光間の光路差を等しくすることができる。一方、平行から少しずらして配置すると、各第２参照光間の光路差を、第２参照光の光路長が長いほど小さく、もしくは大きくすることができる。

第３の発明は、第１の発明において、参照光群生成手段は、導光板を有し、第１参照光を導光板内部で多重反射させ、反射の毎に第１参照光の一部を透過させることで、第１参照光を複数の第２参照光に分割することを特徴とする距離測定装置である。

第４の発明は、第３の発明において、導光板は、フォトニック結晶構造を有していることを特徴とする距離測定装置である。

第５の発明は、第３の発明または第４の発明において、第１参照光を反射させる２つの反射面が角度を成した構造であることを特徴とする距離測定装置である。

第６の発明は、第３の発明または第４の発明において、導光板は、第１参照光を反射させる２つの反射面のうち、少なくとも一方が階段形状の構造であることを特徴とする距離測定装置である。

第７の発明は、第３の発明または第４の発明において、導光板は、導光板内部の第１参照光の進行方向に屈折率が変化する材料であることを特徴とする距離測定装置である。

本発明とは別に、参照光群生成手段は、第１参照光を入射させる光ファイバと、光ファイバに設けた複数の光カプラとを有し、光ファイバに入射させた第１参照光の一部を光カプラによって分割して出射させることで、第１参照光を複数の第２参照光に分割することを特徴とする距離測定装置も記載されている。

第８の発明は、第１の発明から第７の発明において、受光手段は、分光装置を有し、測定光および各第２参照光は、分光装置によって分光されたのち、観測面上の位置であって、第１軸方向に垂直な第２軸方向における、波長に応じて異なる位置に到達する、ことを特徴とする距離測定装置である。

第９の発明は、第１の発明から第７の発明において、照射受光手段は、第１分光装置と第２分光装置とを有し、測定光を第１分光装置によって分光することで、測定光の照射方向をその測定光の波長ごとに異なるようにし、測定物から反射された測定光と各第２参照光とを、第２分光装置によって分光することで、測定光と各第２参照光は、観測面上の位置であって、第１軸方向に垂直な第２軸方向における、波長に応じて異なる位置に到達することを特徴とす距離測定装置である。

第１分光装置は、測定光の照射方向が１次元的に異なるようにして、照射方向がある面内となるようにしてもよいし、２次元的に異なるようにしてもよい。

第１０の発明は、第１の発明から第９の発明において、光出力手段はスーパールミネセントダイオードを有し、スーパールミネセントダイオードから測定光および第１参照光を出力することを特徴とする距離測定装置である。

第１１の発明は、第１の発明から第１０の発明において、光出力手段は、コヒーレントな測定光および第１参照光を出力する手段であり、距離算出手段は、観測面における干渉縞の位置を測定することで干渉の位置を測定することを特徴とする距離測定装置である。

第１２の発明は、第１の発明から第９の発明において、光出力手段は、測定光および第１参照光をパルス光として出力する手段であり、距離算出手段は、観測面における光強度の最も強い位置を測定することで干渉の位置を測定することを特徴とする距離測定装置である。

第１３の発明は、第１の発明から第１２の発明において、観測面は、撮像装置であることを特徴とする距離測定装置である。

第１４の発明は、第１１の発明において、観測面は撮像装置であり、距離算出手段は、撮像装置によって得られた画像にフーリエ変換による画像処理を行うことを特徴とする距離測定装置である。

また、本発明とは別に、測定物までの距離を光の干渉によって測定する距離測定方法において、測定光と第１参照光とを同時に出力し、測定光を測定物に照射して測定物により反射された測定光を受信し、第１参照光を、互いに光路長の異なる複数の第２参照光に分割し、受光した測定光を観測面に到達させ、各第２参照光を観測面のそれぞれ異なる位置に到達させ、観測面に、測定光と第２参照光とによる干渉を生じさせ、観測面における干渉の位置によって測定物までの距離を算出する、ことを特徴とする距離測定方法が記載されている。

第１の発明では、第１参照光を光路長の異なる複数の第２参照光に分割し、各第２参照光が観測面のそれぞれ異なる位置に到達するようにすることで、第２参照光の光路長と観測面における位置とを対応付けている。干渉は測定光の光路長と第２参照光の光路長が等しいときに生じるので、観測面における干渉の位置から第２参照光の光路長、すなわち測定光の光路長がわかり、測定光の光路長から測定物までの距離を算出することができる。このように、第１の発明の距離測定装置によると、従来のように参照光の光路長を調整する必要がなく、干渉の位置により瞬時に測定物までの距離を測定することができる。

また、第２の発明のように２枚の反射鏡の間で多重反射させることで、第３の発明のように導光板内部で多重反射させることで、光路長の異なる複数の第２参照光を生成することができる。

また、第４の発明のように、導光板をフォトニック結晶構造とすると、導光板内部の光の群速度を非常に遅くすることができるので、第２参照光の光路長も非常に長くすることができ、参照光群生成手段を小型にすることができる。

また、第５〜７の発明によると、各第２参照光間の光路差を第２参照光の光路長によって変えることができる。たとえば光路長の短い第２参照光間では光路差を小さくし、光路長の長い第２参照光間では光路差を大きくすることができ、これにより近距離の測定では分解能を高く、遠距離の測定では分解能を低くすることができる。また逆に、光路長の短い第２参照光間では光路差を大きくし、光路長の長い第２参照光間では光路差を小さくすれば、近距離の測定では分解能を低く、遠距離の測定では分解能を高くすることができる。

また、参照光群生成手段として光ファイバを用いていると、各第２参照光の光路長を長くすることができ、長距離の測定に適している。

また、第８の発明によると、観測面における干渉の位置によって、測定物までの距離と同時に測定物の吸収反射特性も検出することができる。

また、第９の発明によると、観測面における干渉の位置によって、測定物までの距離と同時に測定物の角度も算出することができる。

また、第１０の発明のように、測定光および第１参照光の光源としてＳＬＤ（スーパールミネセントダイオード）を用いることができる。

また、第１１の発明のようにコヒーレント光を用いて干渉縞の位置によって距離を測定してもよいし、第１２の発明のようにパルス光を用いて光強度の最も強い位置によって距離を測定してもよい。

また、第１３の発明のように、撮像装置を観測面とすることができ、第１４の発明のように、撮像装置によって得られた画像をフーリエ変換してノイズなどを除去すれば、より容易に干渉縞の位置を特定することができる。

また、第１５の発明の距離測定方法によると、瞬時に測定物までの距離を測定することができる。

以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明はそれらの実施例に限定されるものではない。

図１は、実施例１の距離測定装置の構成を模式的に示した図である。距離測定装置は、光源１０と、スプリッタ１１、１２と、ミラー１４と、スリット１５と、観測面１６と、参照光群生成手段１７と、データ解析手段１８と、分光装置１９と、で構成されている。レーザ光源１０、スプリッタ１１が本発明の光出力手段に相当し、スプリッタ１２、ミラー１４、スリット１５、分光装置１９が本発明の照射受光手段に相当する。またデータ解析手段１８が本発明の距離算出手段に相当する。

光源１０は、ＳＬＤ（スーパールミネセントダイオード）である。短パルス光源などを用いることも可能である。

観測面１６は、撮像装置である２次元のＣＣＤである。撮影された観測面１６上の画像データはデータ解析手段１８に送られる。データ解析手段１８は、画像データから干渉縞の位置を決定し、測定物１３までの距離と測定物の反射吸収特性を測定する手段である。

参照光群生成手段１７は、２枚のミラー１７１、１７２を備えている。ミラー１７１とミラー１７２は、間隔Ｌで平行に配置され、互いに向き合っている。また、ミラー１７２は、光を一部透過する。

分光装置１９は、入射した光を分散させ、出射方向を波長によって変えるものである。分光装置１９には、たとえばプリズム、回折格子、フィルタなどを用いる。

次に、実施例１の距離測定装置の動作について説明する。

まず、光源１０から放射された光をスプリッタ１１によって分割し、一方を測定光、他方を第１参照光とする。測定光は、ミラー１４によって照射方向を制御された後、測定物１３に照射される。測定物１３によって反射された測定光は、スリット１５に通した後、スプリッタ１２に入射する。

一方、第１参照光は、参照光群生成手段１７によって互いに光路長の異なる複数の第２参照光に分割されたのち、スプリッタ１２に入射する。

ここで、参照光群生成手段１７による第２参照光生成の動作について、図２を参照により詳しく説明する。

スプリッタ１１からの第１参照光は、光軸がミラー１７２の面に対してθを成して入射し、ミラー１７１とミラー１７２との間で多重反射する。ミラー１７２は、光の一部を透過するため、第１参照光がミラー１７２によって反射されるごとにその一部が第２参照光として透過していく。また、ミラー１７１とミラー１７２の間隔がＬであるから、ミラー１７２によって反射された第１参照光がミラー１７１によって反射され、再びミラー１７２に到達するまでの光路長は、２Ｌ／ｃｏｓθである。この光路長２Ｌ／ｃｏｓθは、すなわち各第２参照光間の光路差である。これにより、光軸が互いに平行で同一面内にあり、光路長が互いに２Ｌ／ｃｏｓθずつ異なる複数の第２参照光が生成される。

次に、スプリッタ１２において測定光と第２参照光が合波され、分光装置１９によって分光される。各第２参照光は、観測面１６に直線上に一定の間隔で到達し、分光装置１９によりその直線に垂直な方向に分光する。以下、図３のように、観測面１６において各第２参照光が到達する直線に平行な方向をｘ軸、分光の方向をｙ軸とし、各第２参照光が到達する位置のｘ座標を、光路長が小さい順にｘ１、ｘ２、・・・ 、ｘｍ、・・・ 、ｘｎとして説明する。ｘｍに到達する第２参照光は、参照光群生成手段１７において第１参照光がミラー１７１、１７２にそれぞれｍ−１回反射されたのち、ミラー１７２を透過した光である。したがって、スプリッタ１１から参照光群生成手段１７までの光路長をＬ１、参照光群生成手段１７から観測面１６までの光路長をＬ２とすれば、観測面１６のｘ座標ｘｍに到達する第２参照光の光路長は、Ｌ１＋２Ｌ（２ｍ−１）／ｃｏｓθ＋Ｌ２となる。このように、観測面１６における第２参照光の位置は、第２参照光の光路長と対応している。

一方、測定光はスリット１５を通しているため回折し、各第２参照光が到達する直線上の全体に到達し、分光装置１９によりその直線に垂直な方向に分光する。

観測面１６には、測定光と、ある第２参照光とによって干渉縞が生じる。ここでは観測面１６のｘ座標がｘｍの位置付近に干渉縞が生じたものとする。つまり、ｘｍに到達した第２参照光と測定光によって干渉縞が生じたものとする。干渉縞は、測定光と第２参照光との光路差が、その測定光および第２参照光のコヒーレント長より小さい場合に生じる。したがって、測定光の光路長とｘｍに到達した第２参照光の光路長とは、誤差がコヒーレント長の範囲で等しい。上述のように、ｘｍに到達した第２参照光の光路長は、Ｌ１＋２Ｌ（２ｍ−１）／ｃｏｓθ＋Ｌ２であるから、スプリッタ１１から測定物１３までの光路長と、測定物１３から観測面１６までの光路長との和をＬ４とすれば、Ｌ４＝Ｌ１＋２Ｌ（２ｍ−１）／ｃｏｓθ＋Ｌ２＋δ（δはコヒーレント長による誤差）となる。

このように、観測面１６における干渉縞の位置ｘｍから測定光の光路長Ｌ４がわかり、測定光の光路長Ｌ４から測定物１３までの距離を算出することができる。

なお、各第２参照光間の光路差２Ｌ／ｃｏｓθは、コヒーレント長以上とすることが望ましい。２Ｌ／ｃｏｓθがコヒーレント長より短いと、ｘｍ以外の位置にも干渉縞が生じる可能性があり、位置測定の精度が低下してしまう。また、第２参照光同士による干渉縞が生じてしまう可能性もある。

また、干渉縞を観測しやすくするために、測定光と各第２参照光は、その光軸が観測面１６に垂直な方向から僅かに傾いた状態で観測面１６に到達するようにすることが望ましい。

また、観測面１６のｙ軸方向には、測定光と各第２参照光が波長によって異なる位置に到達する。分光装置１９によって分光されたためである。したがって、ｙ座標は波長に対応し、ｙ軸方向の干渉縞の有無によって測定物１３の反射吸収特性がわかる。たとえば、図３ではｘ座標がｘｍの位置に生じた干渉縞において、この干渉縞のｙ軸方向を見ると波長がλ１からλ２の間では干渉縞が生じていない。このことから、測定物１３はλ１からλ２の波長帯域は反射率が低いことが見て取れる。

観測面１６における干渉縞の位置は、たとえば次のような方法によって特定する。観測面１６上の各画素ごとに、明度がある第１しきい値（干渉縞の明線の明度に近い値）よりも明るい画素と、明度がある第２しきい値（干渉縞の暗線の明度に近い値）よりも暗い画素とを検出する。そして、その明るい画素と暗い画素が交互に一定数配列している領域を特定し、その領域を干渉縞の位置とする。

また、観測面１６において得られる画像データをフーリエ変換し、干渉縞によるものではないノイズなどの周波数成分をフィルタによって除去し、逆フーリエ変換することで干渉縞の位置をより容易に特定することができる。

データ解析手段１８は、上記方法を用いて撮像装置である観測面１６によって撮影された画像データから干渉縞の位置を決定し、測定物１３までの距離を算出し、測定物１３の吸収反射特性を測定する。

以上のように、実施例１の距離測定装置では、観測面における干渉縞の位置によって瞬時に測定物までの距離を測定できる。また、分光装置によって測定光と各第２参照光を分光させているため、測定物の反射吸収特性も同時に測定することができる。

なお、実施例１の距離測定装置では、分光装置１９を用いることで測定物１３までの距離と同時に測定物１３の反射吸収特性も測定できるようにしているが、もちろん、実施例１の距離測定装置から分光装置１９を省き、測定物１３までの距離のみを測定するようにしてもよい。

また、実施例１では、参照光群生成手段１７を構成するミラー１７１、１７２は、平行に配置し、各第２参照光間の光路差が一定となるようにしているが、ミラー１７１とミラー１７２が角度を成すように配置し、第２参照光の光路長が長くなるにつれ第２参照光間の光路差が大きくなるようにしてもよい。

実施例２の距離測定装置は、実施例１の距離測定装置における参照光群生成手段１７を、以下に説明する参照光群生成手段２７に替えたものである。

参照光群生成手段２７は、図４に示すように、長方形状の導光板２７１である。導光板２７１の長手方向側面２７１ａ、ｂには、金属薄膜２７２ａ、ｂが形成されている。金属薄膜２７２ａは、光を一部透過する程度の厚さとする。側面２７１ａ、ｂが本発明の反射面に相当している。

スプリッタ１１からの第１参照光は、金属薄膜２７２ａを透過して導光板２７１の側面２７１ａから導光板２７１内部へと入射する。このとき、第１参照光の光軸が側面２７１ａに垂直な方向から僅かに傾いた状態で入射させる。導光板２７１内部に入射した第１参照光は、金属薄膜２７２ａと金属薄膜２７２ｂとの間で多重反射する。金属薄膜２７２ａは光を一部透過するため、第１参照光が金属薄膜２７２ａにより反射されるごとにその一部が第２参照光として導光板２７１外部へと出射する。また、導光板２７１内部の第１参照光の光軸と側面２７１ａの成す角をθ、導光板２７１の幅をＬ、導光板２７１の屈折率をｎとすれば、金属薄膜２７２ａによって反射された第１参照光が金属薄膜２７２ｂによって反射され、再び金属薄膜２７２ａに到達するまでの光路長は、２ｎＬ／ｃｏｓθである。この光路長は、各第２参照光間の光路差に相当する。したがって、この参照光群生成手段２７によると、第１参照光を光路長が２ｎＬ／ｃｏｓθずつ異なる複数の第２参照光に分割することができる。

なお、導光板２７１に替えて、フォトニック結晶構造を有した導光板を用いてもよい。図５は、フォトニック結晶構造を有した導光板２７１Ａを備えた参照光群生成手段２７Ａである。導光板２７１Ａは、シリコン基板２７３上に形成されたＳｉＯ₂ 膜である（図５（ａ））。導光板２７１Ａには、円柱状の孔２７４が周期的に形成されている。導光板２７１Ａに入射した第１参照光を導光板２７１Ａ内部で多重反射させ、一方の反射面２７１Ａａにおいて第１参照光が反射する毎に、第１参照光を一部透過させることで、互いに光路長が異なる複数の第２参照光が生成される（図５（ｂ））。導光板２７１Ａはフォトニック結晶構造を有しているため、導光板２７１Ａ内部の光の群速度を非常に遅くすることができ、光路長を長くすることができる。したがって、参照光群生成手段２７Ａの小型化を図ることができる。

実施例２の参照光群生成手段２７の変形例を以下に示す。これらの変形例はいずれも、第２参照光間の光路差を一定としないことで、近距離の測定では分解能を高くし、遠距離の測定では分解能を低くするものである。

［参照光群生成手段２７の変形例１］
図６は、実施例２の参照光群生成手段２７の変形例１である参照光群生成手段２７Ｂを示す図である。参照光群生成手段２７Ｂは、直角三角形状の導光板２７１Ｂである。直角三角形の斜辺に当たる導光板２７１Ｂの側面を側面２７１Ｂａ、直角三角形の直角を成す２辺のうち長辺に当たる導光板２７１Ｂの側面を側面２７１Ｂｂ、短辺に当たる導光板２７１Ｂの側面を側面２７１Ｂｃとする。側面２７１Ｂａと側面２７１Ｂｂが交わる側の側面２７１Ｂａから入射した第１参照光は、側面２７１Ｂａと側面２７１Ｂｂとの間で多重反射し、側面２７１Ｂｃ側へと進行していく。第１参照光は側面２７１Ｂａに反射されるごとにその一部が導光板２７１Ｂ外部へと透過し、第２参照光として出射する。

ここで、側面２７１Ｂａに反射された第１参照光が、側面２７１Ｂｂに反射されて再び側面２７１Ｂａに到達するまでの光路長は、反射を繰り返して第１参照光が側面２７１Ｂｃ側に近づくにつれて増加する。そのため、第２参照光の光路長が長くなるにつれ、第２参照光間の光路差も増加する。第２参照光間の光路差は、距離測定の分解能に影響するものであり、光路差が小さいと分解能が高くなり、大きいと分解能が低くなる。したがって、この参照光群生成手段２７Ｂによると、第２参照光の光路長が短いほど光路差が小さくなるので距離測定の分解能が高くなり、第２参照光の光路長が長いほど光路差が大きくなるので距離測定の分解能が低くなる。

［参照光群生成手段２７の変形例２］
図７は、実施例２の参照光群生成手段２７の変形例２である参照光群生成手段２７Ｃを示す図である。参照光群生成手段２７Ｃは、長手方向に次第に幅が大きくなる階段形状の導光板２７１Ｃである。階段形状の側面を側面２７１Ｃｂとし、側面２７１Ｃｂに対向する側面を側面２７１Ｃａとする。側面２７１Ｃａは、直線状である。導光板２７１Ｃの幅が狭い方の側面２７１Ｃａから入射した第１参照光は、側面２７１Ｃａと側面２７１Ｃｂとの間で多重反射し、側面２７１Ｃｂに到達する毎に第１参照光の一部が透過して導光板２７１Ｃの外部へと出射し、第２参照光が生成される。

ここで、側面２７１Ｃｂが階段状で次第に導光板２７１Ｃの幅が広くなるため、側面２７１Ｃｂに反射された第１参照光が側面２７１Ｃａに反射されて再び側面２７１Ｃｂに到達するまでの光路長は、反射を繰り返すにつれて増加する。したがって、第２参照光の光路長が長くなるにつれ、第２参照光間の光路差も増加する。

［参照光群生成手段２７の変形例３］
図８は、実施例２の参照光群生成手段２７の変形例３である参照光群生成手段２７Ｄを示す図である。参照光群生成手段２７Ｄは、長方形状の導光板２７１Ｄである。導光板２７１Ｄは、一端から長手方向に屈折率が段階的にｎ１、ｎ２、ｎ３、・・・ と変化する材料で構成されている。また、屈折率は、ｎ１＜ｎ２＜ｎ３＜・・・ となっている。第１参照光は、屈折率がｎ１の領域の側面２７１Ｄａから導光板２７１Ｄ内部へと入射させる。このとき、第１参照光の光軸が側面２７１Ｄａに対して僅かに傾いた状態で入射させる。導光板２７１Ｄ内部に入射した第１参照光は、側面２７１Ｄａと側面２７１Ｄｂとの間で多重反射し、屈折率の高い方へと進行する。第１参照光は、側面２７１Ｄｂに到達するごとに一部が導光板２７１Ｄ外部へ透過し、第２参照光として出射する。

ここで、側面２７１Ｄｂに反射された第１参照光が側面２７１Ｄａに反射されて再び側面２７１Ｄｂに到達するまでの幾何学的な距離は、導光板２７１Ｄが長方形状であるため等しい。しかし、屈折率が高いほど光路長は長くなるため、側面２７１Ｄｂに反射された第１参照光が側面２７１Ｄａに反射されて再び側面２７１Ｄｂに到達するまでの光路長は、反射を繰り返して屈折率の高い方へと進行するほど長くなる。したがって、第２参照光の光路長が長くなるにつれ、第２参照光間の光路差も増加する。

なお、変形例１〜３の参照光群生成手段２７Ｂ〜Ｄで用いた導光板２７１Ｂ〜Ｄについても、導光板２７１Ａのようなフォトニック結晶構造を用いることができる。導光板２７１Ｂ〜Ｄにフォトニック結晶構造を用いれば、参照光群生成手段２７Ａと同様に照光群生成手段２７Ｂ〜Ｄの小型化を図ることができる。

実施例３の距離測定装置は、実施例１の距離測定装置における参照光群生成手段１７を、以下に説明する参照光群生成手段３７に替えたものである。

参照光群生成手段３７は、図９に示すように、円柱３７１にコイル状に巻き付けられた光ファイバ３７２と、光ファイバ３７２に設けられた複数のプリズムカプラ３７３と、を備えている。参照光群生成手段３７は、スプリッタ１１からの第１参照光を光ファイバ３７２に入射させ、複数のプリズムカプラ３７３によって第１参照光を分岐させて光ファイバ３７２から外部へと出射させることで、第２参照光を生成している。

この参照光群生成手段３７は、光ファイバ３７２を用いているため第２参照光の光路長を長くすることができ、長距離の測定に適している。

実施例４の距離測定装置は、図１０に示すように、実施例１の距離測定装置において、ミラー１４に替えてスプリッタ１１からの測定光を分光する分光装置４４を備えたものである。

以下、実施例４の距離測定装置の動作について説明する。

まず、光源１０から放射された光をスプリッタ１１によって分割し、一方を測定光、他方を第１参照光とする。測定光は、分光装置４４によって分光される。これにより、測定光の照射角度が波長によって異なるようにする。ここでは説明の簡便のため、測定光はある平面内でそれぞれ異なる４つの角度θ１〜θ４で照射され、それらの角度は測定光の波長λ１〜λ４に対応付けられているものとする。その後、それぞれ異なる４つの角度で照射された測定光のうち、角度θ１で照射された波長λ１の測定光は、測定物１３によって反射され、スリット１５を通った後、スプリッタ１２に入射する。

一方、第１参照光は、実施例１で説明したように、参照光群生成手段１７によって互いに光路長の異なる複数の第２参照光に分割されたのち、スプリッタ１２に入射する。

波長λ１の測定光と各第２参照光は、スプリッタ１２で合波されたのち、分光装置１９によって分光される。各第２参照光は、観測面１６に直線上に一定の間隔で到達し、分光装置１９によりその直線に垂直な方向に分光する。ここで実施例１と同様に、観測面１６において各第２参照光が到達する直線に平行な方向をｘ軸、分光の方向をｙ軸とすると、ｘ座標は第２参照光の光路長に対応し、ｙ座標は第２参照光の波長に対応する。

一方、波長λ１の測定光はスリット１５を通しているため回折し、分光装置１９により分光するため、ｙ座標がある値（ｙ０とする）で一定の直線状に観測面１６に到達する。

観測面１６のｙ座標がｙ０の位置には、測定光と、ある第２参照光とによって干渉縞が生じる。干渉縞がｙ座標ｙ０の位置に生じるのは、分光によって第２参照光はｙ軸方向に拡がりをもって到達するが、測定光は波長λ１に応じてｙ座標がｙ０の位置近傍にのみ到達するからである。このように、干渉縞の位置のｙ座標は、測定光の波長に対応し、測定光の波長は測定物のある面内での角度に対応している。また、干渉縞の位置のｘ座標は、実施例１で説明したように測定物１３までの距離に対応している。

したがって、撮像装置である観測面１６によって撮影された画像データから、データ解析手段１８により干渉縞の位置を決定することで、測定物１３までの距離と、ある面内での測定物１３の角度を測定することができる。

以上のように、実施例４の距離測定装置では、観測面における干渉縞の位置によって瞬時に測定物までの距離を測定できるだけでなく、分光装置によって測定光を分光させて波長によってある面内での照射角度が異なるようにしているため、測定物のある面内での角度も同時に測定することができる。そのため、測定物の位置を２次元的に把握することができる。

なお、分光装置４４として、波長によって２次元的に照射角度が異なるようにできるものを用いてもよい。そのようにすれば、測定物までの距離と２次元的な角度を同時に測定することができるので、測定物の位置を把握することができる。

また、実施例ではいずれも１つの光源を用い、その光源から放射された光をスプリッタによって分割することで測定光と第１参照光を生成しているが、同一特性の光源を２つ用い、２つの光源から同時に光が放射されるように制御し、一方の光源からの光を測定光、他方の光源からの光を参照光としてもよい。

また、実施例ではいずれもコヒーレントな光源を用いて干渉縞によって干渉の位置を測定しているが、インコヒーレントなパルス光を用いてもよい。測定光と第２参照光の光路長が等しい場合に最も光強度が強くなるので、測定面における光強度の最も強い位置によって干渉の位置を測定することができる。この場合、測定距離の分解能はパルス光のパルス幅に依存する。

本発明は、測定物までの距離を測定するのに用いることができる。

実施例１の距離測定装置の構成について示した図。 参照光群生成手段１７の動作について示した図。 観測面１６について示した図。 実施例２の参照光群生成手段２７の構造について示した図。 参照光群生成手段２７Ａの構造について示した図。 参照光群生成手段２７Ｂの構造について示した図。 参照光群生成手段２７Ｃの構造について示した図。 参照光群生成手段２７Ｄの構造について示した図。 実施例３の参照光群生成手段３７の構造について示した図。 実施例４の距離測定装置の構成について示した図。

１０：光源
１１、１２：スプリッタ
１３：測定物
１４、１７１、１７２：ミラー
１５：スリット
１６：観測面
１７、２７、２７Ａ、２７Ｂ、２７Ｃ、２７Ｄ、３７：参照光群生成手段
１８：データ解析手段
１９、４４：分光装置
２７１、２７１Ａ、２７１Ｂ、２７１Ｃ、２７１Ｄ：導光板

Claims (14)

1. 測定物までの距離を光によって測定する距離測定装置において、
   測定光と第１参照光とを同時に出力する光出力手段と、
   前記測定光を前記測定物に照射し、前記測定物によって反射された前記測定光を受光する照射受光手段と、
   前記第１参照光を、互いに光路長の異なる複数の第２参照光に分割する参照光群生成手段と、
   各前記第２参照光と前記測定光とを受光して、両者の干渉像を形成する観測面であって、各前記第２参照光が、それぞれ、前記観測面上の第１軸方向の異なる位置に到達し、受光した前記測定光が到達する観測面と、
   前記観測面に生じた前記測定光と前記第２参照光とによる干渉の前記第１軸方向の位置を測定し、その干渉の前記第１軸方向の位置によって前記測定物までの距離を算出する距離算出手段と、
   を有し、
   前記参照光群生成手段は、対向する第１面と第２面とを有し、一方の面に対して斜め方向から前記第１参照光を入射して、前記第１面と第２面との間で多重反射をさせて、多重反射点において前記第１面で反射して前記第２面に入射する前記第１参照光の一部を前記第２面の外部に透過させて、前記第１軸方向の各位置に対応して、直線状に配列された各前記第２参照光を得る手段である
   ことを特徴する距離測定装置。
2. 前記参照光群生成手段の前記第１面及び前記第２面は、反射鏡から成ることを特徴とする請求項１に記載の距離測定装置。
3. 前記参照光群生成手段は、導光板を有し、
   前記参照光群生成手段の前記第１面及び前記第２面は、前記導光板の対向する面であることを特徴とする請求項１に記載の距離測定装置。
4. 前記導光板は、フォトニック結晶構造を有していることを特徴とする請求項３に記載の距離測定装置。
5. 前記導光板は、前記第１面と前記第２面とが角度を成した構造であることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の距離測定装置。
6. 前記導光板は、前記第１面と前記第２面とのうち、少なくとも一方が階段形状の構造であることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の距離測定装置。
7. 前記導光板は、前記導光板内部の前記第１参照光の進行方向に屈折率が変化する材料であることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の距離測定装置。
8. 前記照射受光手段は、分光装置を有し、
   前記測定光および各前記第２参照光は、前記分光装置によって分光されたのち、前記観測面上の位置であって、前記第１軸方向に垂直な第２軸方向における、波長に応じて異なる位置に到達する、ことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の距離測定装置。
9. 前記照射受光手段は、第１分光装置と第２分光装置とを有し、
   前記測定光を前記第１分光装置によって分光することで、前記測定光の照射方向をその測定光の波長ごとに異なるようにし、
   前記測定物から反射された前記測定光と各前記第２参照光とを、前記第２分光装置によって分光することで、前記測定光と各前記第２参照光は、前記観測面上の位置であって、前記第１軸方向に垂直な第２軸方向における、波長に応じて異なる位置に到達する、ことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の距離測定装置。
10. 前記光出力手段は、スーパールミネセントダイオードを有し、前記スーパールミネセントダイオードから前記測定光および前記第１参照光を出力することを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の距離測定装置。
11. 前記光出力手段は、コヒーレントな前記測定光および前記第１参照光を出力する手段であり、
    前記距離算出手段は、前記観測面における干渉縞の位置を測定することで干渉の位置を測定することを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の距離測定装置。
12. 前記光出力手段は、前記測定光および前記第１参照光をパルス光として出力する手段であり、
    前記距離算出手段は、前記観測面における光強度の最も強い位置を測定することで干渉の位置を測定することを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の距離測定装置。
13. 前記観測面は、撮像装置であることを特徴とする請求項１ないし請求項１２のいずれか１項に記載の距離測定装置。
14. 前記観測面は、撮像装置であり、
    前記距離算出手段は、前記撮像装置によって得られた画像にフーリエ変換による画像処理を行うことを特徴とする請求項１１に記載の距離測定装置。

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