JP6835919B2 - 距離計測システム、及び距離計測方法 - Google Patents

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Description

本発明は、距離計測システム、及び距離計測方法に関する。
光を用い非接触で対象物までの距離を計測する手法においては、温度等の周囲環境の変化に影響を受けて、距離の基準となる参照光路長が変化した場合、距離を正確に計測できないことが知られている。
この対策として、例えば特許文献１には、距離の基準となるクロック信号を生成する光路の温度を安定化するために、温度測定部、ヒータまたはクーラ、温度コントローラ等を用いる方法が記載されている。
特表２０１６−５０２４２８号公報
特許文献１に記載されている方法では、温度測定部、ヒータまたはクーラ、温度コントローラ等が必要であり、これらとともに参照光路となる光ファイバ等を格納するためのボックスが大型化する、温度が安定化までに時間を要する、コスト高となる等の課題がある。
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、計測された距離を周囲環境の変化に応じて補正できるようにすることを目的とする。
本願は、上記課題の少なくとも一部を解決する手段を複数含んでいるが、その例を挙げるならば、以下のとおりである。
上記課題を解決すべく、本発明の一態様に係る距離計測システムは、分岐した光の一方を測定光として対象物に照射し、前記対象物で反射した光を受光してターゲット測定ビート信号を検出する第１受光部と、前記分岐した光の他方を参照光として距離の基準となる参照光路に導光し、前記参照光路を通過した前記参照光を受光して参照光路測定ビート信号を検出する第２受光部と、前記ターゲット測定ビート信号、及び前記参照光路測定ビート信号に基づき、前記対象物までの距離を計測する距離計測部と、前記参照光路の周囲の温度を測定する温度センサと、測定された前記温度に基づき、計測された前記距離を補正する補正部と、を備えることを特徴とする。
本発明の一態様によれば、計測された距離を周囲環境の変化に応じて補正することが可能となる。
上記した以外の課題、構成、及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
図１は、本発明の第１実施形態に係る距離計測システムの構成例を示す図である。 図２は、ＦＭＣＷ(Frequency Modulated Continuous Wave)方式の原理を説明するための図である。 図３は、第１実施形態におけるターゲット測定ビート信号に対してＦＦＴを行った結果の一例を示す図である。 図４は、格納ボックスの構成例であり、図４（Ａ）は上面図、図４（Ｂ）は断面図を示している。 図５は、格納ボックスを覆う外装ボックスの一例であり、図５（Ａ）は上面図、図５（Ｂ）は側面図を示している。 図６は、制御装置が有する機能ブロックの構成例を示す図である。 図７は、参照光学系の光路長の校正の一例を説明するための図である。 図８は、第１実施形態による距離計測処理の一例を説明するフローチャートである。 図９は、第１実施形態による距離計測処理の変形例を説明するフローチャートである。 図１０は、距離計測システムを採用した形状計測システムの一例を示す図である。 図１１は、形状計測システムにおける測定プローブの走査機構の一例を示す図である。 図１２は、格納ボックスとその周囲の構成の第１変形例を示す図である。 図１３は、格納ボックスとその周囲の構成の第２変形例を示す図である。 図１４は、本発明の第２実施形態に係る距離計測システムの構成例を示す図である。 図１５は、第２実施形態におけるターゲット測定ビート信号に対してＦＦＴを行った結果の一例を示す図である。 図１６は、第２実施形態による距離計測処理の一例を説明するフローチャートである。
以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各実施形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合、及び原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、「Ａからなる」、「Ａより成る」、「Ａを有する」、「Ａを含む」と言うときは、特にその要素のみである旨明示した場合等を除き、それ以外の要素を排除するものでないことは言うまでもない。同様に、以下の実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合、及び原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似又は類似するもの等を含むものとする。
＜本発明の第１実施形態に係る距離計測システム１０の構成例＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る距離計測システム１０の構成例を示している。
距離計測システム１０は、ＦＭＣＷ(Frequency Modulated Continuous Wave)方式、またはＳＳ−ＯＣＴ(Swept-Source Optical Coherence Tomography)方式を採用し、対象物に光を照射し、その反射光に基づいて対象物までの距離を非接触で計測するものである。なお、ＦＭＣＷ方式は、主に可干渉距離の長い光源を用いる長距離の計測に用いられ、ＳＳ−ＯＣＴ方式は、主に可干渉距離の短い光源を用いる微細構造の測定に用いられるが、基本的な原理は共通している。
距離計測システム１０は、距離計測装置１００、制御装置１１７、及び表示装置１１８を備える。
距離計測装置１００は、制御装置１１７からの制御に従い、対象物１１３に対してレーザ光を照射し、その反射光に基づいて対象物１１３までの距離Ｌ１を計測し、制御装置１１７に出力する。
制御装置１１７は、距離計測装置１００から対象物１１３までの距離Ｌ１及び計測時の格納ボックス１１４の内部の温度Ｔ１を取得し、温度Ｔ１に基づいて距離Ｌ１を距離Ｌに補正する。さらに、制御装置１１７は、補正した距離Ｌに基づき、対象物１１３の３Ｄ画像を表示装置１１８に表示する。
距離計測装置１００は、レーザ光源１０１、発振器１０２、光ファイバカプラ１０３、受光器１０７、ファイバサーキュレータ１０８、受光器１０９、光ファイバカプラ１１０、参照ミラー１１１、光ファイバコリメータ１１２、格納ボックス１１４、及び距離計測部１１６を備える。
格納ボックス１１４には、光ファイバカプラ１０４、参照光路用光ファイバ１０５、光ファイバカプラ１０６、及び温度センサ１１５が格納されている。
発振器１０２は、距離計測部１１６から入力される掃引波形信号に基づき、レーザ光源１０１に対して供給する駆動電流を変調する。これにより、レーザ光源１０１は、一定の変調速度で時間的に周波数掃引されたＦＭ(Frequency Modulated)光を発生することになる。
なお、レーザ光源１０１を外部共振器付き半導体レーザ装置によって構成し、レーザ光源１０１の共振波長を発振器１０２からの三角波状の制御信号により変化させてもよい。この場合、レーザ光源１０１から時間的に周波数掃引されたＦＭ光を発生することになる。
レーザ光源１０１が発生したレーザ光は、光ファイバカプラ１０３に導光される。光ファイバカプラ１０３は、レーザ光を２分岐する。分岐された一方のレーザ光は、ファイバサーキュレータ１０８に導光され、他方のレーザ光は格納ボックス１１４に導光される。
ファイバサーキュレータ１０８は、光ファイバカプラ１０３からのレーザ光を通過させる。ファイバサーキュレータ１０８を通過したレーザ光は光ファイバカプラ１１０に導光される。光ファイバカプラ１１０は、ファイバサーキュレータ１０８を通過したレーザ光を２分岐する。分岐された一方のレーザ光は、参照ミラー１１１に導光され、参照ミラー１１１にて反射されて光ファイバカプラ１１０に戻る。
光ファイバカプラ１１０によって分岐された他方のレーザ光は、光ファイバコリメータ１１２に導光され、光ファイバコリメータ１１２により、測定光として対象物１１３に向けて出射される。対象物１１３で反射された測定光は、光ファイバコリメータ１１２を通過して光ファイバカプラ１１０に戻る。
光ファイバカプラ１１０は、参照ミラー１１１で反射された光と、対象物１１３で反射された光とを合波してファイバサーキュレータ１０８に導光する。ファイバサーキュレータ１０８は、合波された光を受光器１０９に導光する。受光器１０９は、合波されている参照ミラー１１１で反射された光と、対象物１１３で反射された光との干渉により発生するターゲット測定ビート信号を検出する。受光器１０９は、本発明の第１受光部に相当する。
光ファイバカプラ１０３で分岐され、格納ボックス１１４に導光されたレーザ光は、格納ボックス１１４において、光ファイバカプラ１０４によりさらに２分岐される。分岐された一方のＦＭ光は、参照光路用光ファイバ１０５を通過することによって、他方のレーザ光に対して一定の光路差が設けられた後、光ファイバカプラ１０６に導光される。光ファイバカプラ１０６は、分岐されて一方に光路差が設けられた光を合波して、受光器１０７に導光する。格納ボックス１１４及び受光器１０７は、マッハツェンダ干渉計として機能し、受光器１０７は、参照光路用光ファイバ１０５による光路差に比例した一定の参照光路測定ビート信号を検出する。受光器１０７は、本発明の第２受光部に相当する。
距離計測部１１６は、発振器１０２に対して掃引波形信号を出力する。また、距離計測部１１６は、温度センサ１１５を用いて格納ボックス１１４の内部の温度を監視する。
また、距離計測部１１６は、受光器１０７から参照光路測定ビート信号を、受光器１０９からターゲット測定ビート信号を取得し、参照光路測定ビート信号をサンプリングクロックとして、ターゲット測定ビート信号をＡ／Ｄ変換する。
または、距離計測部１１６は、参照光路測定ビート信号とターゲット測定ビート信号とを一定のサンプリングクロックでサンプリングする。より具体的には、参照光路測定ビート信号に対してヒルベルト変換を行うことにより、９０度位相のずれた信号を作り出し、ヒルベルト変換の前後の参照光路測定ビート信号から、信号の局所位相を求めることが可能であるため、この位相を補間することで、参照光路測定ビート信号が一定の位相となるタイミングを求め、このタイミングに合わせて、測定ビート信号を補間サンプリングすることで、参照信号を基準として測定信号をリサンプリングするようにしてもよい。
あるいは、距離計測部１１６は、内蔵するＡＤ／ＤＡ変換器により、参照光路測定ビート信号をサンプリングクロックとして、ターゲット測定ビート信号をサンプリングしてＡ／Ｄ変換しても、同様の結果を得ることができる。
さらに、距離計測部１１６は、Ａ／Ｄ変換後のターゲット測定ビート信号に基づき、対象物１１３までの距離Ｌ１を算出する。
なお、距離計測装置１００における光ファイバカプラ１０３，１０４，１０６，１１０は、ビームスプリッタであってもよい。
＜ターゲット測定ビート信号に基づく対象物１１３までの距離Ｌ１の算出方法＞
次に、ターゲット測定ビート信号に基づく対象物１１３までの距離Ｌ１の算出方法について、図２及び図３を参照して説明する。
図２は、ＦＭＣＷ方式の原理を説明するための図である。
同図に示されるように、参照光２０１が受光器１０７に到着するタイミングと、測定光２０２が受光器１０９に到達するタイミングとの間には、時間差Δtが存在する。そして、この時間差Δtにおいて、レーザ光源１０１からのＦＭ光は、その光周波数が変化しているので、距離計測部１１６では、光周波数の変化による周波数差に等しいビート周波数ｆｂのターゲット測定ビート信号が検出される。周波数掃引幅をΔνとし、Δνだけ変調するのに要する時間をＴとした場合、時間差Δtは次式（１）によって表される。
Figure 0006835919
そして、対象物１１３までの距離Ｌ１は、時間差Δｔの間に光が進む距離の１／２なので、距離Ｌ１は、大気中の光速度ｃを用いて、次式（２）に示すように演算できる。
Figure 0006835919
式（２）から、距離Ｌ１とビート周波数ｆｂとは線形な関係であることがわかる。よって、受光器１０９で検出されたターゲット測定ビート信号に対してＦＦＴ(First Fourier Transform：高速フーリエ変換）を行い、ピーク位置と大きさを求めれば、対象物１１３の反射位置と反射光量を求めることができる。
次に、反射強度プロファイルから対象物１１３の表面における反射位置を求める方法について、図３を参照して説明する。図３は、ターゲット測定ビート信号に対してＦＦＴを行った結果を示しており、同図の横軸はＦＦＴの周波数、縦軸は反射強度である。
同図に示されるように、検出波形３０１は、そのピーク付近が離散的なデータとなる。ここでピーク幅ｗは、距離分解能（ｃ／２Δν）で計算される。そこで、同図に示す検出波形３０１のピーク付近の３点以上のデータを用い、検波波形が二次関数またはガウス関数であることを想定し、そのピークを求めれば、距離分解能以上の精度で測定対象の位置を求めることができる。
なお、ビート周波数ｆｂの解析の一例として、ＦＦＴを用いる方法を説明したが、例えば、最大エントロピー法を用いてもよい。この場合、ＦＦＴを用いる方法よりも高分解能でピーク位置を検出することが可能となる。
＜参照光学系の光路長に対する周囲環境の影響＞
ところで、距離計測装置１００において、参照光学系の光路長は、計測する距離Ｌ１の基準となるので正確に求める必要がある。
参照光学系の光路長は、周囲環境の変化、具体的には、例えば温度、気圧、湿度等の変化に影響を受けて変化し得る。例えば、参照光学系の光路に光ファイバが採用されている場合、温度の変化に最も影響を受ける。
そこで、本実施形態では、参照光学系の光路となる光ファイバを格納ボックス１１４に格納し、格納ボックス１１４の内部に温度センサ１１５を設け、格納ボックス１１４の内部の温度変化に応じて参照光学系の光路長の変化を想定し、計測された距離を補正するように構成されている。
なお、本実施形態では、格納ボックス１１４の内部の温度を監視しているが、温度に加えて湿度、気圧等を監視するようにしてもよい。
次に、図４は、格納ボックス１１４の内部の構成例を示しており、同図（Ａ）は上面図、同図（Ｂ）は断面図を示している。ただし、同図（Ａ）は蓋４０の上面の図示を省略しており、同図（Ｂ）では、格納ボックス１１４を成す基板４０１、ファイバ支持部４０２、及び蓋４０３のみを示し、その他の構成要素の図示を省略している。
該構成例においては、参照光学系の光路として光ファイバが採用されている。
格納ボックス１１４は、基板４０１と蓋４０３から成り、基板４０１に光ファイバカプラ１０４、参照光路用光ファイバ１０５、光ファイバカプラ１０６、及び温度センサ１１５が配置され、蓋４０３がこれらを覆っている。基板４０１は、例えば、銅やアルミニウム等のように熱伝導率が高く、熱膨張性が低い材料から形成されている。基板４０１には、光ファイバカプラ１０４，１０６、参照光路用光ファイバ１０５、及び複数の温度センサ１１５が、熱伝導率が良いシールやグリスを用いて固定される。
蓋４０３は、基板４０１と同一の材料を用いて、基板４０１の上面及び側面を覆うように形成されている。なお、蓋４０３には、光ファイバカプラ１０３から光ファイバカプラ１０４に繋がる光ファイバと、光ファイバカプラ１０６から受光器１０７に繋がる光ファイバとを貫通させるための穴が設けられており、気密性及び断熱性が高いパッキン等が施されている。これにより、格納ボックス１１４の内部の温度が均一になり、基板４０１の温度が参照光路用光ファイバ１０５に伝わり易くなる。このことは、補正の面から見た場合に、光ファイバの温度が一様であるとみなせることから、温度センサ１１５の数の削減や計算処理の簡易化に貢献することができる。
また、基板４０１上には、基板４０１と同じ材料を用いたファイバ支持部４０２が形成されている。同図の場合、ファイバ支持部４０２は円筒状に形成されているが、ファイバ支持部４０２の形状は円筒状に限らず任意である。ファイバ支持部４０２には、参照光路用光ファイバ１０５が巻き付けられる。参照光路用光ファイバ１０５をファイバ支持部４０２に巻き付けることにより、格納ボックス１１４における参照光路用光ファイバ１０５が占める面積を小さくすることができる。
なお、参照光路用光ファイバ１０５をファイバ支持部４０２に巻き付ける際には、参照光路用光ファイバ１０５に張力がかからないようにたわみを持たせて弱く巻き付けることが望ましい。これにより、例えば、ファイバ支持部４０２が格納ボックス１１４の内部の温度変化によって変形したとしても、その影響が参照光路用光ファイバ１０５に及ぶことを抑止できる。
反対に、参照光路用光ファイバ１０５に張力がかかるように参照光路用光ファイバ１０５をファイバ支持部４０２に強く巻き付けてもよい。この場合、参照光路用光ファイバ１０５は、温度変化によって自身が変化するとともに、温度変化によるファイバ支持部４０２の変形の影響を受けることになるが、これらの変形を含めて補正するようにしてもよい。
参照光路用光ファイバ１０５には、光ファイバがルースチューブで覆われたルースチューブ型を採用してもよい。ルースチューブ型の場合、参照光路用光ファイバ１０５を基板４０１等に固定した際に、参照光路用光ファイバ１０５に張力がかかることを抑止できる。また、参照光路用光ファイバ１０５は、シングルモードファイバであってもよいし、偏波面保存ファイバであってもよい。
温度センサ１１５は、例えば、熱電対やRTD(Resistance Temperature Detector)等を用いたものを採用できる。ただし、温度を測定できれば、温度センサ１１５の種類は任意である。同図の場合、参照光路用光ファイバ１０５の周囲の３箇所に、温度センサ１１５を設けている。これにより、参照光路用光ファイバ１０５の近傍の温度分布を監視することができる。なお、温度センサ１１５の数は３に限らず、１，２または４以上あってもよい。
なお、基板４０１からファイバ支持部４０２を省略し、参照光路用光ファイバ１０５をファイバ支持部４０２に巻き付けることなく格納ボックス１１４に格納してもよい。
次に、図５は、格納ボックス１１４の全体を覆う外装ボックス５０１の構成例を示しており、同図（Ａ）は上面図、同図（Ｂ）は側面図である。
外装ボックス５０１は、例えば、アクリルや発泡スチロール等の断熱性が高い材料によって形成されている。外装ボックス５０１には、光ファイバカプラ１０３から光ファイバカプラ１０４に繋がる光ファイバと、光ファイバカプラ１０６から受光器１０７に繋がる光ファイバとを貫通させるための穴が設けられており、気密性及び断熱性が高いパッキン等が施されている。これにより、外装ボックス５０１に覆われている格納ボックス１１４に対する外部環境（温度等）の影響を抑止することができる。なお、外装ボックス５０１は、格納ボックス１１４よりも断熱性が高ければ、どのような材料や厚さの材料を用いてもよい。
次に、図６は、制御装置１１７が有する機能ブロックの構成例を示している。
制御装置１１７は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)、メモリ、ストレージ、通信インターフェース等を備えるパーソナルコンピュータ等の一般的なコンピュータからなり、ＣＰＵが所定のプログラムを実行することにより、同図に示す機能ブロックを実現する。
制御装置１１７は、補正部６０１、情報管理部６０２、及び表示制御部６０３の各機能ブロックを有する。補正部６０１は、距離計測部１１６から対象物１１３までの距離Ｌ１、格納ボックス１１４の温度Ｔ１、及び校正時の温度Ｔ０を取得し、温度Ｔ０，Ｔ１に基づき、距離Ｌ１を距離Ｌに補正する。情報管理部６０２は、参照光学系の光路長変化率（以下、参照光路長変化率と称する）αを管理する。具体的には、予め求められている、参照光路長変化率αをコンピュータのメモリ等に記憶させ、また読み出して補正部６０１に出力する。表示制御部６０３は、表示装置１１８に対して各種の画面を表示させる。
なお、参照光路長変化率αは、参照光路に用いる材料に基づいて求めることができる。例えば、図４に示されたように参照光路として参照光路用光ファイバ１０５が用いられている場合、参照光路用光ファイバ１０５の温度変化による屈折率変化と熱膨張率の物性値を参照光路長変化率αに用いる。
また、参照光路長変化率αは、温度変化による参照光路長変化の実測値に基づいて求めるようにしてもよい。例えば、参照光路の温度を変えた時に計測される距離Ｌ１の変化から、参照光路長変化率αを算出してもよい。
なお、制御装置１１７は、距離計測部１１６と一体化してもよい。その場合、距離計測部１１６が制御装置１１７としての機能を兼ねるようにしてもよいし、反対に、制御装置１１７が距離計測部１１６として機能を兼ねるようにしてもよい。
＜参照光学系の光路長の校正＞
次に、図７は、距離計測装置１００における参照光学系の光路長の校正の一例を示している。参照光学系の光路長の校正は、距離計測装置１００の出荷前に行われる。
該校正には、レーザ干渉計７０１が用いられる。レーザ干渉計７０１は、絶対距離は計測できないが、対象物の距離を連続的に測定しながら対象物の距離の変位を測定する相対位置計測はサブマイクロメートルオーダの精度で可能であるため、距離計測の基準に用いることができる。
該校正では、レーザ干渉計７０１が、距離計測装置１００から出射されるレーザ光と、レーザ干渉計７０１から出射されるレーザ光とが直交するように配置され、これらが直交する位置にビームスプリッタ等の光学素子７０２が配置される。レーザ干渉計７０１及び光学素子７０２は、距離計測装置１００からのレーザ光とレーザ干渉計７０１からのレーザ光とが同一光路を進んで、対象物としてのミラー７０３に照射するように調整される。なお、距離計測装置１００からのレーザ光の波長とレーザ干渉計７０１からのレーザ光の波長とが異なれば、光学素子７０２にはダイクロイックミラーを用いることができる。
ミラー７０３は、ミラー移動部７０４に搭載されており、ミラー移動部７０４の上でレーザ光と平行な方向に移動することができる。よって、ミラー７０３を連続的に移動した場合、距離計測装置１００は、変化するミラー７０３までの距離を計測することができる。このとき、参照光路の温度Ｔ０も記録するようにする。
一方、レーザ干渉計７０１は、ミラー７０３の移動量を高精度で計測することができる。そして、距離計測装置１００による計測結果、及びレーザ干渉計７０１による計測結果に基づき、距離計測装置１００における参照光路長を校正する。校正された参照光路長及び校正時の温度Ｔ０は、距離計測部１１６に記憶される。なお、校正時の温度Ｔ０は、制御装置１１７に記憶させておいてもよい。
＜距離計測システム１０による距離計測処理＞
次に、図８は、距離計測システム１０による距離計測処理の一例を説明するフローチャートである。
はじめに、距離計測装置１００において、距離計測部１１６が、受光器１０９によって検出されたターゲット測定ビート信号、及び受光器１０７によって検出された参照光路測定ビート信号を取得する（ステップＳ１）。次に、距離計測部１１６が、参照光路測定ビート信号をサンプリングクロックとして、ターゲット測定ビート信号をＡ／Ｄ変換し、校正済みの参照光路長を基準とし、Ａ／Ｄ変換後のターゲット測定ビート信号に基づいて対象物１１３までの距離Ｌ１を算出する（ステップＳ２）。
次に、制御装置１１７の補正部６０１が、距離計測部１１６から距離Ｌ１、校正時の温度Ｔ０、及び格納ボックス１１４の温度Ｔ１を取得する（ステップＳ３）。
次に、補正部６０１が、情報管理部６０２から参照光路長変化率αを取得し、次式（３）に従い、距離Ｌ１を距離Ｌに補正する（ステップＳ４）。
Figure 0006835919
以上に説明した距離計測処理によれば、周囲環境、具体的には温度の変化による参照光路長の変化に応じ、対象物１１３までの距離Ｌ１を距離Ｌに補正することができる。
次に、図９は、距離計測システム１０による距離計測処理の変形例を説明するフローチャートである。該変形例は、距離Ｌ１を算出せずに距離Ｌを算出するものである。該変形例の前提として、情報管理部６０２は校正済み参照光路長及び温度Ｔ０を取得し、管理しているものとする。
はじめに、距離計測装置１００において、距離計測部１１６が、受光器１０９によって検出されたターゲット測定ビート信号、及び受光器１０７によって検出された参照光路測定ビート信号を取得し、参照光路測定ビート信号をサンプリングクロックとして、ターゲット測定ビート信号をＡ／Ｄ変換する（ステップＳ１１）。
次に、制御装置１１７の補正部６０１が、距離計測部１１６からＡ／Ｄ変換後のターゲット測定ビート信号、及び格納ボックス１１４の温度Ｔ１を取得する（ステップＳ１２）。
次に、補正部６０１が、情報管理部６０２から校正済み参照光路長、温度Ｔ０、及び参照光路長変化率αを取得し、これらに基づいて距離Ｌを算出する（ステップＳ１３）。
以上に説明した距離計測処理の変形例によれば、より少ない演算量により、周囲環境、具体的には温度の変化による参照光路長の変化を考慮した対象物１１３までの距離Ｌを得ることができる。
＜距離計測システム１０を採用した形状計測システム９００＞
次に、図１０は、距離計測システム１０を採用した形状計測システム９００の一例を示している。
形状計測システム９００は、距離計測システム１０、接続ケーブル９０１及び測定プローブ９０２を備える。形状計測システム９００において、距離計測装置１００は、光ケーブル等の接続ケーブル９０１を介して測定プローブ９０２に接続される。
測定プローブ９０２は、光ファイバコリメータ９０３、回転機構部９０４、及びプローブ先端部９０６を有する。
光ファイバコリメータ９０３は、距離計測装置１００から接続ケーブル９０１によって導光された測定光を空間に出射する。回転機構部９０４は、プローブ先端部９０６を保持した状態で、プローブ先端部９０６を回転駆動させる。プローブ先端部９０６は、その内部にビーム走査機構としての光路切り替え素子９０５を保持しており、回転機構部９０４によって回転駆動されることによって光路切り替え素子９０５を回転させる。光路切り替え素子９０５は、光ファイバコリメータ９０３から出射された測定光を透過して直進させるか、または横方向に偏向させる。
形状計測システム９００においては、距離計測装置１００からの測定光が接続ケーブル９０１によって測定プローブ９０２の光ファイバコリメータ９０３に導光され、光ファイバコリメータ９０３によって空間に出射される。
出射された測定光は光路切り替え素子９０５によって、直進または偏向されて、対象物１１３に照射される。このとき、プローブ先端部９０６が回転機構部９０４によって回転駆動されることにより、プローブ先端部９０６が挿入されている対象物１１３の側面に測定光が照射されるので、対象物１１３の側面までの距離を計測することが可能となる。
対象物１１３の形状は、制御装置１１７により、計測された対象物１１３の側面までの距離と、回転機構部９０４の回転角度の情報に基づいて算出される。
なお、同図に示された測定プローブ９０２の構成は一例であって、ビーム走査機構として、ガルバノミラーを用いてもよい。ガルバノミラーを１つ用いた場合、測定光を１次元的に走査することが可能であり、ガルバノミラーを２つ用いた場合、測定光を２次元的に走査することが可能となる。また、ビーム走査機構として、ＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)ミラーやポリゴンミラー等を採用してもよい。
次に、図１１は、測定プローブ９０２を走査する走査機構の一例を示している。同図の例は、対象物１１３をステージ１００４に固定し、その周囲をガントリ型（門型）の走査機構によって測定プローブ９０２を移動させるものである。
門型の走査機構は、Ｙ軸方向に移動するＹ軸移動機構１００１の上に、Ｘ軸方向に移動するＸ軸移動機構１００２が搭載されており、さらにＸ軸移動機構１００２にＺ軸方向に移動するＺ軸移動機構１００３が搭載されている。測定プローブ９０２は、Ｚ軸移動機構１００３に接続されている。Ｙ軸移動機構１００１、Ｘ軸移動機構１００２、及びＺ軸移動機構１００３の移動は制御装置１１７によって制御される。したがって、Ｙ軸移動機構１００１、Ｘ軸移動機構１００２、及びＺ軸移動機構１００３を移動させることにより、測定プローブ９０２を３次元に移動することができ、高機能な非接触形状測定を実現することが可能となる。
なお、同図の場合、距離計測装置１００が測定プローブ９０２の側面に設けられているが、距離計測装置１００の位置は任意である。例えば、距離計測装置１００を制御装置１１７と並べて配置したり、測定プローブ９０２の内部に配置したりしてもよい。
ところで、例えば、３軸加工機では、Ｚ軸は工具側、Ｘ軸及びＹ軸は対象物側に設けることが多く、３軸加工機において工具の代わりに測定プローブ９０２を把持させることにより、加工機上オンマシン測定を実現することが可能となる。
さらに、例えば、多自由度ロボットによって測定プローブ９０２を保持、移動し、対象物１１３の形状を測定することにより、立体形状測定装置を実現することが可能である。
また測定対象範囲が狭く、Ｚ軸方向に対する移動のみで対象物１１３の形状が計測できる場合、対象物１１３の位置が一意に定まるように冶具で位置決めし、Ｚ軸移動機構１００３のみを移動させて、測定してもよい。
またさらに、同図の例では、固定した対象物１１３の周囲で測定プローブ９０２を移動させているが、反対に、固定した測定プローブ９０２の周囲で対象物１１３を移動させるようにしてもよい。すなわち、本発明は、測定プローブ９０２と対象物１１３との少なくとも一方を移動させて、対象物１１３と測定プローブ９０２との相対的な位置関係を変化させる全ての形状計測システムに適用することが可能である。
＜格納ボックス１１４とその周囲の構成の変形例＞
次に、図１２は、距離計測装置１００（図１）における格納ボックス１１４とその周囲の構成の第１変形例を示している。該第１変形例と、図１に示された構成例とで共通する要素については同一の符号を付してその説明を省略する。
該第１変形例は、光ファイバカプラ１０３と格納ボックス１１４との間にファイバサーキュレータ１１０１を設けている。ファイバサーキュレータ１１０１は、光ファイバカプラ１０３によって分岐された他方のレーザ光を通過させ、格納ボックス１１４の光ファイバカプラ１１０２に導光する。また、ファイバサーキュレータ１１０１は、格納ボックス１１４からのレーザ光を受光器１０７に導光する。
該第１変形例における格納ボックス１１４には、参照光路用光ファイバ１０５、温度センサ１１５、光ファイバカプラ１１０２、及びミラー１１０３，１１０４が格納されている。
光ファイバカプラ１１０２は、ファイバサーキュレータ１１０１を通過したレーザ光を２分岐する。光ファイバカプラ１１０２によって分岐された一方のレーザ光は、ミラー１１０３に導光されて反射され、光ファイバカプラ１１０２に戻る。光ファイバカプラ１１０２によって分岐された他方のレーザ光は、参照光路用光ファイバ１０５によって遅延されてからミラー１１０４に導光されて反射され、光ファイバカプラ１１０２に戻る。光ファイバカプラ１１０２は、ミラー１１０３，１１０４それぞれで反射された光を合波してファイバサーキュレータ１１０１に導光する。
該第１変形例の場合、光ファイバカプラ１１０２によって分岐された他方の光は、参照光路用光ファイバ１０５を往復するので、図１の構成例と同じ光路長を設ける場合、参照光路用光ファイバ１０５の長さを１／２にすることができる。
次に、図１３は、距離計測装置１００（図１）における格納ボックス１１４とその周囲の構成の第２変形例を示している。該第２変形例と、図１に示された構成例とで共通する要素については同一の符号を付してその説明を省略する。
該第２変形例は、第１変形例と同様、光ファイバカプラ１０３と格納ボックス１１４との間にファイバサーキュレータ１１０１を設けている。ファイバサーキュレータ１１０１は、光ファイバカプラ１０３によって分岐された他方のレーザ光を通過させ、格納ボックス１１４の光ファイバコリメータ１２０１に導光する。また、ファイバサーキュレータ１１０１は、格納ボックス１１４からのレーザ光を受光器１０７に導光する。
該第２変形例における格納ボックス１１４には、複数の温度センサ１１５、光ファイバコリメータ１２０１、光学素子１２０２、及びミラー１２０３が格納されている。
光ファイバコリメータ１２０１は、ファイバサーキュレータ１１０１を通過したレーザ光を、ミラー１２０３に向け、格納ボックス１１４の内部の空間（空気中）に出射する。光学素子１２０２は、光ファイバコリメータ１２０１とミラー１２０３との間に配置されており、入射したレーザ光の一部を通過させ、残りを反射する。該第２変形例の場合、ミラー１２０３にて反射した光と、光学素子１２０２にて反射した光の光路差が、参照光路長となる。
該第２変形例においては、光ファイバコリメータ１２０１から出射され、光学素子１２０２を通過した光はミラー１２０３で反射され、再び光学素子１２０２を通過して光ファイバコリメータ１２０１に集光され、ファイバサーキュレータ１１０１に導光される。一方、光ファイバコリメータ１２０１から出射され、光学素子１２０２にて反射された光も光ファイバコリメータ１２０１に集光され、ファイバサーキュレータ１１０１に導光される。ファイバサーキュレータ１１０１は、光ファイバコリメータ１２０１から戻った光を受光器１０７に導光する。
なお、該第２変形例の場合、光学素子１２０２とミラー１２０３との間には空気が存在するが、変形例として、光学素子１２０２とミラー１２０３との間に、空気よりも屈折率が大きいガラスロッド等を配置して参照光路長をより長くしてもよい。
＜本発明の第２実施形態に係る距離計測システム２０の構成例＞
上述した距離計測システム１０（図１）は、計測する距離の原点、すなわち、ＦＭＣＷ方式によるターゲット測定ビート信号が０になる地点を、光ファイバカプラ１１０にて分岐後、光ファイバコリメータ１１２側へ導光された光路であって、光ファイバカプラ１１０から参照ミラー１１１までと等しい距離の地点としている。
ただし、この距離の原点は、距離計測装置１００の内部の温度変化により、光ファイバカプラ１１０で分岐された後のそれぞれの光ファイバの長さが変化した場合に位置が変化するため、距離計測誤差が発生し得る。この距離計測誤差の発生を抑止するためには、光ファイバコリメータ１１２から対象物１１３への光路上、例えば、距離計測装置１００の筐体に、測定光の大部分を透過し、残りを反射する反射体を固定的に配置すればよい。この場合、固定された該反射体までの距離と、対象物１１３までの距離とを測定でき、反射体の位置を距離の原点とすれば、対象物１１３までの距離の誤差を低減することができる。
次に、図１４は、本発明の第２実施形態に係る距離計測システム２０の構成例を示している。
距離計測システム２０は、本発明の第１実施形態に係る距離計測システム１０（図１）に対して、光ファイバコリメータ１１２から対象物１１３への光路上に反射体１３０１を追加したものである。反射体１３０１は、光ファイバコリメータ１１２から出射された測定光の大部分を透過し、残りを光ファイバコリメータ１１２に反射する。
距離計測システム２０における反射体１３０１以外の要素は、距離計測システム１０の要素と共通であり、同一の符号を付してその説明を省略する。
距離計測システム２０において、光ファイバコリメータ１１２から出射された測定光の大部分は反射体１３０１を透過して対象物１１３に照射されて反射され、反射体１３０１を透過して、光ファイバコリメータ１１２に集光される。一方、光ファイバコリメータ１１２から出射され、反射体１３０１にて反射された測定光も光ファイバコリメータ１１２に集光される。したがって、距離計測システム２０の受光器１０９にて検出されるターゲット測定ビート信号は、反射体１３０１までの距離を表す成分と、対象物１１３までの距離を表す成分が混在したものとなる。
図１５は、距離計測システム２０の受光器１０９にて検出されるターゲット測定ビート信号に対してＦＦＴを行った結果の一例を示している。同図の横軸はＦＦＴの周波数、縦軸は反射強度である。
同図に示されるように、距離計測システム２０の場合、反射体１３０１と対象物１１３との距離が異なるため、それぞれの距離を表す反射強度のピークが２箇所に出現する。よって、反射体１３０１を距離原点とすれば、対象物１１３距離Ｌを高精度で求めることが可能となる。
＜距離計測システム２０による距離計測処理＞
次に、図１６は、距離計測システム２０による距離計測処理の一例を説明するフローチャートである。
はじめに、距離計測装置１００において、距離計測部１１６が、受光器１０９によって検出されたターゲット測定ビート信号、及び受光器１０７によって検出された参照光路測定ビート信号を取得する（ステップＳ２１）。次に、距離計測部１１６が、参照光路測定ビート信号をサンプリングクロックとして、ターゲット測定ビート信号をＡ／Ｄ変換し、校正済み参照光路長を基準とし、Ａ／Ｄ変換後のターゲット測定ビート信号に基づいて対象物１１３までの距離Ｌｔ１、及び反射体１３０１までの距離Ｌ０１を算出する（ステップＳ２２）。
次に、制御装置１１７の補正部６０１が、距離計測部１１６から距離Ｌｔ１，距離Ｌ０１、校正時の温度Ｔ０、及び格納ボックス１１４の温度Ｔ１を取得する（ステップＳ２３）。
次に、補正部６０１が、情報管理部６０２から参照光路長変化率αを取得し、次式（４）に従い、距離Ｌｔ１を距離Ｌｔに補正する（ステップＳ２４）。
Figure 0006835919
次に、補正部６０１が、次式（５）に従い、距離Ｌ０１を距離Ｌ０に補正する（ステップＳ２５）。
Figure 0006835919
次に、補正部６０１が、次式（６）に示すように、距離Ｌｔから距離Ｌ０を減算して距離Ｌを算出する（ステップＳ２６）。
以上に説明した距離計測処理によれば、周囲環境、具体的には温度の変化による参照光路長の変化に応じて補正された、反射体１３０１の位置を原点とする対象物１１３までの距離Ｌを得ることができる。
算出された距離Ｌは、固体された反射体１３０１を原点とするので、距離計測システム１０（図１）によって算出された距離Ｌに比べて、距離計測装置１００の内部の温度変化に起因する計測誤差が低減されたものとなる。
本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、さらに様々な変形例が含まれる。また、上記した各実施形態は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、本発明が、必ずしも説明した全ての構成要素を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を、他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に、他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ(Solid State Drive)等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
１０，２０・・・距離計測システム、１００・・・距離計測装置、１０１・・・レーザ光源、１０２・・・発振器、１０３・・・光ファイバカプラ、１０４・・・光ファイバカプラ、１０５・・・参照光路用光ファイバ、１０６・・・光ファイバカプラ、１０７・・・受光器、１０８・・・ファイバサーキュレータ、１０９・・・受光器、１１０・・・光ファイバカプラ、１１１・・・参照ミラー、１１２・・・光ファイバコリメータ、１１３・・・対象物、１１４・・・格納ボックス、１１５・・・温度センサ、１１６・・・距離計測部、１１７・・・制御装置、１１８・・・表示装置、４０１・・・基板、４０２・・・ファイバ支持部、４０３・・・蓋、５０１・・・外装ボックス、６０１・・・補正部、６０２・・・情報管理部、６０３・・・表示制御部、７０１・・・レーザ干渉計、７０２・・・光学素子、７０３・・・ミラー、７０４・・・ミラー移動部、９００・・・形状計測システム、９０１・・・接続ケーブル、９０２・・・測定プローブ、９０３・・・光ファイバコリメータ、９０４・・・回転機構部、９０５・・・光路切り替え素子、９０６・・・プローブ先端部、１００１・・・Ｙ軸移動機構、１００２・・・Ｘ軸移動機構、１００３・・・Ｚ軸移動機構、１００４・・・ステージ、１１０１・・・ファイバサーキュレータ、１１０２・・・光ファイバカプラ、１１０３・・・ミラー、１１０４・・・ミラー、１２０１・・・光ファイバコリメータ、１２０２・・・光学素子、１２０３・・・ミラー、１３０１・・・反射体

Claims (11)

  1. 分岐した光の一方を測定光として対象物に照射し、前記対象物で反射した光を受光してターゲット測定ビート信号を検出する第１受光部と、
    前記分岐した光の他方を参照光として距離の基準となる参照光路に導光し、前記参照光路を通過した前記参照光を受光して参照光路測定ビート信号を検出する第２受光部と、
    前記ターゲット測定ビート信号、及び前記参照光路測定ビート信号に基づき、前記対象物までの距離を計測する距離計測部と、
    前記参照光路を格納する格納ボックスと、
    前記格納ボックスの内部の温度を前記参照光路の周囲の温度として測定する温度センサと、
    測定された前記温度に基づき、計測された前記距離を補正する補正部と、
    を備え、
    前記参照光路としての光ファイバは、前記格納ボックスの内部に形成されたファイバ支持部に対して、前記光ファイバに張力がかからないようにたわみを持たせて巻き付けられている
    ことを特徴とする距離計測システム。
  2. 請求項１記載の距離計測システムであって、
    前記距離計測部はＦＭＣＷ方式、またはＳＳ−ＯＣＴ方式により前記対象物までの距離を計測する
    ことを特徴とする距離計測システム。
  3. 請求項１に記載の距離計測システムであって、
    前記参照光路は、光ファイバ、ガラスロッド、または空気である
    ことを特徴とする距離計測システム。
  4. 請求項１に記載の距離計測システムであって、
    前記格納ボックスは、銅またはアルミニウムによって形成されている
    ことを特徴とする距離計測システム。
  5. 請求項１に記載の距離計測システムであって、
    前記格納ボックスは、外装ボックスによって覆われており、
    前記外装ボックスは、前記格納ボックスよりも断熱性が高い
    ことを特徴とする距離計測システム。
  6. 請求項１に記載の距離計測システムであって、
    前記温度センサは、熱電対またはＲＴＤを用いている
    ことを特徴とする距離計測システム。
  7. 請求項1に記載の距離計測システムであって、
    前記距離計測部は、校正済みの参照光路長に基づいて、前記対象物までの距離を計測する
    ことを特徴とする距離計測システム。
  8. 請求項1に記載の距離計測システムであって、
    参照光路長変化率を記憶する情報管理部、
    を備え、
    前記補正部は、校正時の温度、測定された温度、及び前記参照光路長変化率に基づき、
    計測された前記距離を補正する
    ことを特徴とする距離計測システム。
  9. 請求項1に記載の距離計測システムであって、
    前記測定光を前記対象物に向けて照射する光ファイバコリメータと、前記対象物との間に配置、固定した反射体、を備え、
    前記距離計測部は、前記反射体の位置を原点として、前記対象物までの距離を計測する
    ことを特徴とする距離計測システム。
  10. 距離計測システムによる距離計測方法であって、
    分岐した光の一方を測定光として対象物に照射し、前記対象物で反射した光を受光してターゲット測定ビート信号を検出するとともに、前記分岐した光の他方を参照光として距離の基準となる参照光路に導光し、前記参照光路を通過した前記参照光を受光して参照光路測定ビート信号を検出する検出ステップと、
    前記ターゲット測定ビート信号、及び前記参照光路測定ビート信号に基づき、前記対象物までの距離を計測する距離計測ステップと、
    前記参照光路が格納された格納ボックスの内部の温度を前記参照光路の周囲の温度として測定する温度測定ステップと、
    測定された前記温度に基づき、計測された前記距離を補正する補正ステップと、
    を含み、
    前記参照光路としての光ファイバは、前記格納ボックスの内部に形成されたファイバ支持部に対して、前記光ファイバに張力がかからないようにたわみを持たせて巻き付けられている
    ことを特徴とする距離計測方法。
  11. 分岐した光の一方を測定光として対象物に照射し、前記対象物で反射した光を受光してターゲット測定ビート信号を検出する第１受光部と、
    前記分岐した光の他方を参照光として距離の基準となる参照光路に導光し、前記参照光路を通過した前記参照光を受光して参照光路測定ビート信号を検出する第２受光部と、
    前記参照光路を格納する格納ボックスと、
    前記格納ボックスの内部の温度を前記参照光路の周囲の温度として測定する温度センサと、
    校正済みの参照光路長、校正時の温度、及び参照光路長変化率を記憶する情報管理部と、
    前記ターゲット測定ビート信号、前記参照光路測定ビート信号、前記校正済みの参照光路長、前記校正時の温度、及び、測定された前記温度に基づき、前記対象物までの距離を算出する補正部と、
    を備え、
    前記参照光路としての光ファイバは、前記格納ボックスの内部に形成されたファイバ支持部に対して、前記光ファイバに張力がかからないようにたわみを持たせて巻き付けられている
    ことを特徴とする距離計測システム。
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