JP7066075B1 - 光測定装置 - Google Patents

Abstract

本発明の光測定装置（１００）は、光を用いて対象物（１４）までの距離を測定する測距装置であって、光を参照光と測定光とに分岐する分岐部（４）と、参照光を各々光路長の異なる複数の参照光に分岐する調整部（９）と、測定光を対象物（１４）に照射して反射した反射光と複数の参照光との中から２つを合波して干渉光を得る干渉部（９）と、干渉光の周波数より光路長差を算出する処理部（１３）とを備え、複数の参照光の光路長差を算出することで、対象物（１４）までの距離が大きく変動する場合でも対象物（１４）までの距離を測定することができる。

Description

本開示は、光測定装置に関する。

パルス伝播方式、三角測距方式、共焦点方式、白色干渉方式、又は波長走査干渉方式等の方式により、対象物までの距離を測定する光測距方法がある。これらの方式のうち、白色干渉方式、および波長走査干渉方式等は、光の干渉現象を用いる干渉方式である。干渉方式は、光源から出射された光を測定光と参照光とに分岐し、測定光が対象物上で反射した光である反射光と参照光とを干渉させ、反射光と参照光とが強め合う条件に基づいて、対象物までの距離を測定するものである。

例えば、特許文献１に記載の光学的測定装置は、光の干渉現象を用いたものである。周波数変調した半導体レーザの出力光をビームスプリッタにより２分し、一方は参照光とし、他方をプローブ光とする。プローブ光は光サーキュレータを介して、対象物に照射する。対象物からの散乱光を、光サーキュレータを介して、ビームスプリッタに導き、散乱光と参照光とを合波して、光検出器により受光する。周波数変調された参照光と散乱光との間には、対象物までの距離に応じた時間差が存在するため、周波数差を生じる。光検出器の出力には、周波数差に対応したビート信号が発生する。

特開２０２０－８５７２３号公報（第８頁００５３、図１）

特許文献１に記載の光学的測定装置は、散乱光と参照光とを合波してビート信号を発生させている。しかしながら、対象物までの距離が大きく変動する場合に、参照光と散乱光との光路長差が大きくなるため、ビート信号が発生せず、測距できないという課題があった。

上述のような課題を解決するためになされたもので、対象物までの距離が大きく変動する場合でも対象物までの距離を測定できることを目的とする。

光測定装置は、光を参照光と測定光とに分岐する分岐部と、参照光を各々光路長の異なる複数の参照光に分岐する調整部と、測定光が対象物に照射して反射された反射光と、複数の参照光のいずれか２つの参照光のうちの一方とが合波された第１の干渉光と、対象物に照射される前の測定光と２つの参照光のうちの他方とが合波された第２の干渉光と、２つの参照光が合波された第３の干渉光と、を得る干渉部と、第１の干渉光の周波数より、反射光と一方の参照光との光路長差を算出し、かつ第２の干渉光の周波数より、対象物に照射される前の測定光と他方の参照光との光路長差を算出し、かつ第３の干渉光の周波数より、２つの参照光の光路長差を算出する処理部とを備え、処理部により算出された各光路長差に基づいて、対象物までの距離を測定する。

対象物までの距離が大きく変動する場合でも、対象物までの距離を測定できる。

実施の形態１に係る光測定装置１００を用いて測距する場合の一例を示す構成図である。 参照光および測定光の周波数に関する説明図である。 干渉光の周波数スペクトルを示す図である。 実施の形態１に係る調整部の異なる一例を示す。 実施の形態１の変形例１に係る光測定装置１０１を用いて測距する場合の一例を示す構成図である。

実施の形態１．
以下、実施の形態１に係る光測定１００について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の実施の形態１は、一具体例を示すものである。したがって、各構成要素の形状、配置および材料などは一例であり、限定する趣旨はない。また、各図は模式図であり、厳密に図示されたものではない。また、各図において、同じ構成要素については同じ符号を付している。

図１は、実施の形態１に係る光測定装置１００を用いて測距する場合の一例を示す構成図である。光測定装置１００から光を対象物１４に照射し、反射光を受光して、対象物１４までの距離を測定する。

＜光測定装置１００の構成＞
光測定装置１００は、送信部１、調整部９、および受信部１０を備える。光測定装置１００は、処理部１３を備えてもよい。

≪送信部１≫
送信部１は、分岐部４を備える。送信部１は、光源２、掃引部３、サーキュレータ５、および照射部６を備えても良い。送信部１は光を出射し、反射光を受光する。

≪光源２≫
光源２は、光を出射する。光源２は、例えば、レーザ光を出射する。光源２は、例えば、連続光を出射する。光源２は、例えば、所定の周波数のレーザ光を出射する。

≪掃引部３≫
掃引部３は、光の波長を連続的に変化する。掃引部３は、入力された光を波長掃引して、掃引光として出力する。

≪分岐部４≫
分岐部４は、光を分岐する。分岐部４は、例えば、光カプラ等により構成される。

≪サーキュレータ５≫
サーキュレータ５は、光の進む方向を制限する。サーキュレータ５は、例えば、３ポート光サーキュレータである。３ポート光サーキュレータは、ポート１に入射した光をポート２に出射し、ポート２に入射した光をポート３で出射する。

≪照射部６≫
照射部６は、光を対象物１４に照射する。照射部６は、コネクタ７、およびレンズ８を備えてもよい。

≪コネクタ７≫
コネクタ７は、例えば、光ファイバの末端に装着するコネクタである。

≪レンズ８≫
レンズ８は、光を集光する。レンズ８は、透過レンズ、または反射レンズなどを１つ以上用いて構成される。

≪調整部９≫
調整部９は、光経路を切り替える。調整部９は、例えば、光スイッチ、またはＶＯＡ（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｔｔｅｎｕａｔｏｒ）などにより構成される。調整部９の詳細については、後述する。なお、調整部９は干渉光を生成するため、干渉部でもある。

≪受信部１０≫
受信部１０は、光を受光する。受信部１０は、光を光電変換して電気信号を出力する。受信部１０は、光電変換部１１、およびデジタル変換部１２を備えてもよい。

≪光電変換部１１≫
光電変換部１１は、光を光電変換して電気信号を出力する。光電変換部１１は、例えば、光電変換器である。

≪デジタル変換部１２≫
デジタル変換部１２は、アナログ信号をＡ／Ｄ変換して、デジタル信号を出力する。デジタル変換部１２は、例えば、Ａ／Ｄ変換器である。

≪処理部１３≫
処理部１３は、干渉波の周波数スペクトルから距離を算出する。処理部１３は、例えば、プロセッサおよびメモリなどを備える。処理部１３は、例えば、ＰＣである。

≪光ファイバ≫
光源２と掃引部３との間、掃引部３と分岐部４との間、分岐部４とサーキュレータ５との間、分岐部４と調整部９との間、サーキュレータ５とコネクタ７との間、サーキュレータ５と調整部９との間、および調整部９と光電変換部１１との間は、例えば、光ファイバにより接続される。レーザ光は、光ファイバを介して導かれる。

＜その他の構成＞
≪対象物１４≫
対象物１４は、距離を測定する対象である。対象物１４は、光を反射するものであれば、何でもよい。

＜光測定装置１００の動作＞
次に、光測定装置１００の動作について説明する。

送信部１内の光源２より出射された光は、掃引部３に入射される。なお、光源２は光測定装置１００の外部に設けられてもよい。

掃引部３は、入射された光を波長掃引して、掃引光として出力する。掃引光は、例えば、連続波のレーザ光であり、連続的に周波数が変化する。なお、掃引部３は、光測定装置１００の外部に設けられてもよい。

掃引部３から出力された掃引光は、分岐部４へ入力される。分岐部４は、掃引光を２つに分岐する。分岐した２つの掃引光は、それぞれサーキュレータ５と調整部９とへ入力される。サーキュレータ５へ入力される掃引光を測定光とする。調整部９へ入力される掃引光を参照光とする。

サーキュレータ５は、分岐部４から入力された測定光を照射部６へ出力する。サーキュレータ５は、分岐部４から入力された測定光を調整部９へ出力しない。

照射部６は、サーキュレータ５より入力された測定光をコネクタ７より出射する。コネクタ７は、測定光の一部を反射して、サーキュレータ５へ出力してもよい。レンズ８は、コネクタ７より出射された測定光をコリメートして集光したあとで、対象物１４に照射する。または、レンズ８を介さずに、コネクタ７より出射された測定光を対象物１４に直接照射する。そのため、照射部６は、対象物１４に測定光を照射する。

対象物１４で反射した測定光（反射光とする）は、照射部６に入射する。照射部６に入射した反射光は、コネクタ７を介してサーキュレータ５へ出力される。照射部６は、反射光をサーキュレータ５へ出力する。

サーキュレータ５は、照射部６から入力される対象物１４で反射した測定光（反射光）を調整部９へ出力する。つまり、サーキュレータ５は、分岐部４からの測定光を照射部６へ出力し、照射部６からの測定光を調整部９へ出力する。また、サーキュレータ５は、コネクタ７で反射した測定光も合わせて調整部９へ出力してもよい。

調整部９は、分岐部４からの参照光の光路長を計算することができる。調整部９は、サーキュレータ５からの測定光と分岐部４からの参照光とを干渉させて干渉光を出力することができる。調整部９は、光路長の異なる２つの参照光を干渉させて干渉光を出力することができる。光を干渉させることでビート信号が発生する。そのため、調整部９は干渉部でもある。

調整部９は、例えば、切替部２０，２１，２２を備える。図１において、切替部２０，２１，２２のスイッチが、それぞれ、下側、下側、両方を選択することで、調整部９は参照光と測定光とを干渉させることができる。また、切替部２０，２１，２２のスイッチが、それぞれ、上側、上側、両方を選択することで、調整部９は測定光と光路長を変更した参照光とを干渉させることができる。さらに、切替部２０，２１，２２のスイッチが、それぞれ、両方、両方、下側を選択することで、調整部９は光路長の異なる２つの参照光を干渉させることができる。

受信部１０は、調整部９より出力される干渉波を受け取る。受信部１０において、光電変換部１１は、干渉光を光電変換して、干渉光を示すアナログ信号を出力する。デジタル変換部１２は、光電変換部１１からのアナログ信号をＡ／Ｄ変換してからデジタル信号として受信信号を出力する。

処理部１３は、受信信号に基づいて、干渉光の周波数スペクトルから測定距離を算出する。より具体的には、例えば、処理部１３は、受信信号をフーリエ変換することにより、干渉光の周波数スペクトルを測定する。測定距離は測定光と参照光の光路長差によって決まる。分岐部４からの両者の光路長差が０のとき得られる周波数は０となり、光路長差に比例して干渉光の周波数は大きくなる。干渉光の周波数を測定することで、測定対象の測距を行う。このとき、干渉光の周波数スペクトルが得られる光路長差は、コヒーレンス長によって制限される。

測定光と参照光との光路長が光源のコヒーレンス長以内の範囲にあるときに、光干渉が検出される。一度の測定で測定可能な範囲を決定するコヒーレンス長は光源の仕様によって異なる。式（１）により、コヒーレンス長ｌｃを求めることができる。
ｌｃ＝（ｃ／Δｖ）×（２ｌｎ２／π） （１）このうち、ｃは光速、Δνは光源の線幅を示す。

式（１）より、コヒーレンス長は光源の線幅に反比例する。一般的に狭い線幅を持つ光源ほどコストが高い。低コスト光源で広い測定範囲をもつためには、参照光の遅延長を調整する機構を設け、光路長を変化させることで、実質的な測定範囲を拡大する。

次に、実施の形態１に係る光測定装置１００が対象物１４の位置を測定する方法について説明する。図２Ａ～図２Ｃは、参照光および測定光の周波数に関する説明図である。図２Ａは参照光および反射光の周波数の時間変化を示している。図２Ｂは干渉光の強度の時間変化を示している。図２Ｃは干渉光に対しフーリエ変換を施した後の周波数スペクトルの例を示している。

測定光は、対象物１４との間の距離に応じて、光路長が変化する。図２Ａは、測定光Ｓの光路長が、２種類の参照光Ｒ１，Ｒ２の光路長より長い例を示す。掃引部３から調整部９までの光路長は、測定光Ｓ＞参照光Ｒ２＞参照光Ｒ１の順に長いものとする。参照光Ｒ１は、例えば、切替部２０の下側を通過する光路である。参照光Ｒ２は、例えば、切替部２０の上側を通過する光路である。

測定光Ｓ、参照光Ｒ２、参照光Ｒ１は、掃引部３により挿入される周波数が時間とともに上昇する。そのため、調整部９において、測定光Ｓの周波数が最も低い。また、ある特定の周波数の光が調整部９に到達するのが最も遅いのは、測定光Ｓとなる。図２Ａにおいて、周波数の軌跡は、参照光Ｒ１、参照光Ｒ２、測定光Ｓの順で右側にずれている、つまり遅れている。対象物１４との距離がさらに離れれば、測定光Ｓの周波数の軌跡はさらに右側にずれる。さらに、測定光Ｓは参照光Ｒ１，Ｒ２との周波数差が大きくなる。

図２Ｂは、参照光Ｒ１と測定光Ｓ、参照光Ｒ２と測定光Ｓとが調整部９で合波することで得られる干渉光の時間に対する強度信号Xを表す。このとき、参照光と測定光の光路長差が小さい場合は、コヒーレンス長に従って強い振幅をもつ干渉光が得られる。一方、参照光と測定光の光路長差が大きい場合は、コヒーレンス長に従って弱い振幅をもつ干渉光が得られる。図２Ｂにおいて、参照光Ｒ１と測定光Ｓとの干渉光が弱い振幅、参照光Ｒ２と測定光Ｓとの干渉光が強い振幅をもつ。

図２Ｃは、図２Ｂの干渉光の周波数スペクトルを示す図である。図２Ｃにおいて、横軸は周波数ｆを、縦軸は干渉光の強度Ｙを示している。周波数スペクトルの強度Ｙは、参照光と測定光との光路長差が大きくなるほど低下する。このとき、最大値に対して３ｄＢ低下する値（強度が１／２になる値）をコヒーレンス長と定義されている。

コヒーレンス長は式（１）に示すように、光源の線幅に反比例する。例えば、光源２の線幅が小さい場合でも、コヒーレンス長は数十ｍｍ程度に限定される。参照光Ｒ２は強い強度を持つ周波数スペクトルが得られ、参照光Ｒ２は弱い周波数スペクトルが得られる。このように、測定光と参照光との光路長差を利用して周波数スペクトルの位置から測距する場合、対象とする測定光と光路長差が小さい参照光の方が、より正確な測定が可能となる。

実施の形態１に係る光測定装置１００における、２つの参照光を用いた測距方法について説明する。図３Ａ～３Ｃは、干渉光の周波数スペクトルを示す図である。図３Ａは対象物１４周辺に測定レンジを調整した場合の周波数スペクトルを示している。図３Ｂはコネクタ７周辺に測定レンジを調整した場合の周波数スペクトルを示している。図３Ｃは２つの参照光による干渉波の周波数スペクトルを示している。

実施の形態１に係る調整部９は、切替部２０，２１，２２を備えている。測定光に係る周波数スペクトルは、対象物１４表面からの反射光に由来するものと、コネクタ７の端面反射に由来するものの二つが存在する。実施の形態１に係る両方のスペクトルはコヒーレンス長で限定される単一の測定範囲では精度よく測定することが出来ないものとする。

図３Ａ～３Ｃにおいて、参照光Ｒ１，Ｒ２の分岐部４から調整部９までの光路長をそれぞれＬ_Ｒ１，Ｌ_Ｒ２とする（Ｌ_Ｒ１＜Ｌ_Ｒ２）。測定光Ｓの分岐部４から対象物１４で反射して調整部９まで至る光路長をＬ_Ｓとする。また、測定光Ｓの分岐部４からコネクタ７で反射して調整部９まで至る光路長をＬ_Ｆとする。この場合、Ｌ_Ｓ＞Ｌ_Ｆとなる。

図３Ａは、参照光Ｒ２と対象物１４で反射した測定光Ｓとを干渉させた例である。このとき、調整部９の切替部２０，２１，２２は、それぞれ、上側、上側、両方を選択している。測定光Ｓと参照光Ｒ２との光路長差Ｌ_Ａは、式（２）のように表される。
Ｌ_Ａ＝Ｌ_Ｓ－Ｌ_Ｒ２ （２）

図３Ａに示すように、干渉波の周波数スペクトルは、参照光Ｒ２のコヒーレンス長の対象となる中心から右へＬ_Ａだけ離れた位置に発生する。同時に中心から左側に発生した干渉波の周波数スペクトルは、コネクタ７の端面反射に由来するものである。

図３Ｂは、参照光Ｒ１とコネクタ７で反射した測定光Ｓとを干渉させた例である。このとき、調整部９の切替部２０，２１，２２は、それぞれ、下側、下側、両方を選択している。測定光Ｓと参照光Ｒ１との光路長差Ｌ_Ｂは、式（３）のように表される。
Ｌ_Ｂ＝Ｌ_Ｆ－Ｌ_Ｒ１ （３）

図３Ｂに示すように、干渉波の周波数スペクトルは、参照光Ｒ１のコヒーレンス長の対象となる中心から右へＬ_Ｂだけ離れた位置に発生する。同時に中心から大きく左側に離れて発生した干渉波の周波数スペクトルは、対象物１４の反射に由来するものである。

上記のように測距の対象とする反射点が二つ存在する場合を考える。レーザ光が伝搬する光ファイバなどの経路は、環境温度の変化や長手方向の温度分布といった外乱によって、その光路長が変動する。そのため、対象物１４とコネクタ７の測距値の差分を得ることで、光路長の変動を抑制できる。

参照光の光路長が変えられない従来の方法では、Ｌ_Ｒ１＝Ｌ_Ｒ２となる。コネクタ７から対象物１４までの距離を測定値とすると、従来の測定によって得られる測定値Ｌ_{ｍｅａ ｓｕｒｅ１}は、式（４）のように表される。
Ｌ_{ｍｅａｓｕｒｅ１}＝（Ｌ_Ｓ―Ｌ_Ｆ）／２＝（Ｌ_Ａ－Ｌ_Ｂ）／２ （４）

従来の方法では、対象物１４とコネクタ７との二つの反射点間の距離がコヒーレンス長に比べて大きい場合は、十分な強度の周波数スペクトルが得らえない。さらにこのとき、Ｌ_Ｒ１とＬ_Ｒ２も他の光路とは異なる温度分布と変動を持つ。そのため、両者の差分も測定することで、測定に対する温度分布と変動の影響を排除できる。

実施の形態１では、調整部９において、２つの参照光Ｒ１，Ｒ２を干渉させることで、参照光Ｒ１と参照光Ｒ２との光路長差Ｌ_Ｃを得ることができる。
Ｌ_Ｃ＝Ｌ_Ｒ２－Ｌ_Ｒ１ （５）

実施の形態１により、得られる測定値Ｌ_{ｍｅａｓｕｒｅ２}は、式（６）のように表される。
Ｌ_{ｍｅａｓｕｒｅ２}＝（Ｌ_Ｓ―Ｌ_Ｆ）／２＝（Ｌ_Ａ－Ｌ_Ｂ＋Ｌ_Ｃ）／２ （６）

式（６）においては、光路長差Ｌ_Ａ、光路長差Ｌ_Ｂ、光路長差Ｌ_Ｃの３つの計測を行う必要がある。３つの計測を素早く切り替えて行うことで、温度変化などによる光路長の変動を抑制することができる。温度変動による変動速度はｕｍ／ｍｉｎオーダであり、一般的な波長掃引光源の掃引周期は１ｋＨｚを超える。そのため、一回の測定時間は１００ｕｓｅｃ程度と短く、一回の測定ごとに測定対象を切り替えることで、充分に光路長の変動を抑制できる。

このとき、光路長差Ｌ_Ａ、光路長差Ｌ_Ｂ、光路長差Ｌ_Ｃの計測頻度の比率を均等に１：１：１としてもよい。また、計測頻度を不均等にしてもよい。周波数スペクトルの強度が未知である対象物１４からの反射光の計測を複数回得ることで充分な平均化回数を得られるようにしてもよい。また、周波数スペクトルの強度に応じて能動的に比率を変えてもよい。

以上のように、対象物までの距離が大きく変動する場合でも、光路長の異なる２つの参照光を用いることで対象物までの距離を測定できる。また２つの参照光の光路長差を測定するようにしたので、光ファイバ部分の光路長を相殺でき、コネクタ７から対象物１４までの距離を計測できる。これによって、温度変化などによる光ファイバ部分の光路長の変動の影響を抑えることができる。

対象物１４の反射とコネクタ７の端面反射とを用いて距離を測定する例を示したが、レンズ８で反射が発生する場合は、レンズ８の反射と対象物１４の反射を用いて距離を測定してもよい。

次に、光路長の異なる参照光の数を増やした例を示す。図４は、実施の形態１に係る調整部の異なる一例を示す。

調整部９Ａは、切替部２０Ａ，２１Ａ，２２を備える。切替部２０Ａ，２１Ａは、切替部２０，２１と比べて、切替経路が２つから５つに増えたものである。これによって、光路長の異なる５通りの参照光を作り出せる。参照光の光路長の短いものから、参照光Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５とし、それそれの光路長はＬ_Ｒ１，Ｌ_Ｒ２，Ｌ_Ｒ３，Ｌ_Ｒ４，Ｌ_Ｒ５とする。切替経路がｋ種類とする場合には、光路長はＬ_Ｒ１～Ｌ_Ｒｋとなる。ｎ番目の参照光Ｒｎとｎ＋１番目の参照光Ｒｎ＋１との光路長差Ｌｃｎは、参照光Ｒｎのコヒーレンス長の範囲内に存在する。

参照光Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５を使用することによって、式（５）のＬ_Ｃがコヒーレンス長の範囲外となった場合でも、式（７）のＬ_Ｃｓｕｍを用いて式（６）を算出することができる。
Ｌｃｎ＝Ｌ_Ｒ２－Ｌ_Ｒ１
Ｌｃｎ＝Ｌ_Ｒ３－Ｌ_Ｒ２
Ｌｃｎ＝Ｌ_Ｒ４－Ｌ_Ｒ３
Ｌｃｎ＝Ｌ_Ｒ５－Ｌ_Ｒ４
Ｌ_Ｃｓｕｍ＝Ｌ_Ｒ５－Ｌ_Ｒ１ （７）

このように、光路長の異なる参照光を多数用いることで測定可能な範囲を拡大することができる。

また、対象物１４の反射光を含む測定光の光路長が参照光Ｒ３の光路長よりわずかに長い場合には、参照光Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３を用いることで、測定値を算出することができる。このように、対象物１４までの距離が大きく変動する場合でも、使用する参照光の数を変更することで対象物１４までの距離を測定できる。

≪変形例１≫
ミラーを用いて参照光の光路長を変更する例を示す。図５は、実施の形態１の変形例１に係る光測定装置１０１を用いて測距する場合の一例を示す構成図である。

光測定装置１０１は、光測定装置１００と同様に参照光の光路長を調整して、対象物１４までの距離を測定する。図１と同様の構成要素の説明は省略する。

＜光測定装置１０１の構成＞
光測定装置１０１は、送信部３１、調整部３９、および受信部４０を備える。光測定装置１０１は、処理部４４を備えてもよい。

≪送信部３１≫
送信部３１は、ビームスプリッタ３４を備える。送信部３１は、光源３２、集光部３３、シャッタ３５、および照射部３６を備えても良い。送信部３１は光を出射し、反射光を受光する。

≪光源３２≫
光源３２は、光を出射する。光源３２は、例えば、白色光を出射する。光源３２は、例えば、連続光を出射する。光源３２は、例えば、所定の周波数の白色光を出射する。

≪集光部３３≫
集光部３３は、線状に光を集光する。集光部３３は、例えば、レンズおよびスリットなどにより構成される。

≪ビームスプリッタ３４≫
ビームスプリッタ３４は、光を分岐する。ビームスプリッタ３４は、所定の分岐比で光を分岐する。ビームスプリッタ３４は、例えば、ハーフミラーなどにより構成される。

≪シャッタ３５≫
シャッタ３５は、光を通過もしくは遮断する。シャッタ３５は、例えば、光を透過しない部材で構成され、開閉することができる。

≪照射部３６≫
照射部３６は、光を対象物１４に照射する。照射部３６は、レンズ３８を備えてもよい。

≪レンズ３８≫
レンズ３８は、光を集光する。レンズ３８は、透過レンズ、または反射レンズなどを１つ以上用いて構成される。

≪調整部３９≫
調整部３９は、光路長を切り替える。調整部９は、例えば、二つ以上のミラー５０，５１を用いて構成される。ミラー５０，５１は、透過率と反射率とが制御可能なものである。ミラー５０，５１は、例えば、透過率と反射率が電気的に制御可能な光学結晶を用いて構成されてもよい。もしくは、ミラー５０，５１は、機械的に角度を変化させることで、透過率と反射率と制御できるものでもよい。

≪受信部４０≫
受信部４０は、光を受光する。受信部４０は、光を光電変換して電気信号を出力する。受信部４０は、分光部４１、光電変換部４２、およびデジタル変換部４３を備えてもよい。

≪分光部４１≫
分光部４１は、光を所定の波長で空間に分光する。分光部４１は、例えば、回折格子などにより構成される。

≪光電変換部４２≫
光電変換部４２は、光を光電変換して電気信号を出力する。光電変換部４２は、二次元の分光を光電変換して、干渉縞を示すアナログ信号を出力する。光電変換部４２は、例えば、ＣＭＯＳ素子などで構成される。

≪デジタル変換部４３≫
デジタル変換部４３は、アナログ信号をＡ／Ｄ変換して、デジタル信号を出力する。デジタル変換部４３は、例えば、Ａ／Ｄ変換器である。

≪処理部４４≫
処理部４４は、干渉波の周波数スペクトルから距離を算出する。処理部４４は、例えば、プロセッサおよびメモリなどを備える。処理部４４は、例えば、ＰＣである。

≪その他の構成≫
光源３２と集光部３３との間、集光部３３とビームスプリッタ３４との間、ビームスプリッタ３４と照射部３６との間、ビームスプリッタ３４と調整部９との間、ビームスプリッタ３４と分光部４１との間、および分光部４１と光電変換部４２との間は、例えば、光学ステージ類によって光が空間を伝番するように設計される。これによって、白色光は空間を介して導かれる。

＜光測定装置１０１の動作＞
次に、光測定装置１０１の動作について説明する。

送信部３１内の光源３２より出射された白色光は、集光部３３に入射される。なお、光源３２は光測定装置１０１の外部に設けられてもよい。

集光部３３は、光源３２からの白色光を線状に集光する。ビームスプリッタ３４は、集光部３３で集光された白色光を分岐する。ビームスプリッタ３４は、白色光を所定の分岐比で測定光及び参照光として分岐する。ビームスプリッタ３４から出力される測定光は、シャッタ３５を通過して照射部３６に入射する。ビームスプリッタ３４から出力される参照光は、調整部３９に入射する。

照射部３６は、測定光を対象物１４に照射する。例えば、照射部３６は、レンズ３８により測定光をコリメートして線状に集光して、対象物１４に照射する。ビームスプリッタ３４などによって、測定光が線状なっていれば、照射部３６を備えなくてもよい。あるいは、照射部３６はレンズ３８を備えずに、ビームスプリッタ３４から出力される測定光を
対象物１４に直接照射してもよい。対象物１４で反射した測定光は、照射部３６からビームスプリッタ３４へ導かれる。

調整部３９は、ビームスプリッタ３４から出力される参照光を反射し、再びビームスプリッタ３４へ導く。調整部３９は、各種ミラーの透過もしくは反射の制御を行い、参照光の光路長を調整する。

ビームスプリッタ３４は、照射部３６から出力された測定光と、調整部３９から出力された参照光とを干渉させて、干渉光を出力する。ビームスプリッタ３４は、例えば図５のように、集光部３３からの白色光を、ハーフミラーで反射させた参照光とハーフミラーを透過させた測定光に分岐する。そして、ビームスプリッタ３４は、照射部３６からの測定光をハーフミラーで反射させ、調整部３９からの参照光をハーフミラーで透過させる。これによって、参照光と測定光とを同一方向に向け、干渉することができる。

受信部４０は、ビームスプリッタ３４から出力された干渉光を受信し、分光部４１へ出力する。分光部４１は、干渉光を所定の波長で空間に分光する。光電変換部４２は、分光部４１より出力された二次元の分光を光電変換して、干渉縞を示すアナログ信号を出力する。そしてデジタル変換部４３は、アナログ信号をＡ／Ｄ変換して、デジタル信号を受信信号として出力する。このように、受信部４０は、ビームスプリッタ３４から出力された干渉光を受けて、干渉縞を示す受信信号を出力する。

処理部４４は、受信信号に基づいて、干渉縞の周波数スペクトルから対象物の距離分布を出力する。具体的には、例えば、処理部４４は、受信信号を各点ごとにフーリエ変換することにより、対象物の各点の周波数スペクトルを測定する。対象物の距離分布は測定光と参照光の光路長差によって決まる。ビームスプリッタ３４で参照光と測定光とに分岐してからの両者の光路長差が０のとき得られる周波数は０となり、光路長差に比例して周波数は大きくなる。この値を測定することで、測定対象の距離分布の測定を行う。このとき，周波数スペクトルが得られる距離はコヒーレンス長によって制限される。

実施の形態１の変形例１に係る光測定装置１０１が対象物１４の位置を測定する方法について説明する。

光源３２からビームスプリッタ３４に導かれる白色光は、集光部３３によって線状に形成されている。また、対象物１４に照射される際の光形状もビームスプリッタ３４上で干渉する際の光形状も、線状の光形状を維持し続ける。例えば図５において、照射部３６から出射される測定光は、右方向に向かっている。この場合、右方向と垂直な方向、例えば、上下方向に線状の光形状を形成する。上下方向に細長く伸びた光は、上下方向の各点で反射と干渉とが生じる。そのため、上下方向の各点の光は対象物の距離分布に応じて参照光と反射光の距離に応じて異なる干渉成分を持つ。この干渉光を分光部において空間で分光すると、白色光の帯域に応じて各点の距離に応じた異なる干渉縞が生じる。この干渉縞を二次元受光部にて受光し、各点の干渉縞をデジタル変換した後フーリエ変換することで、各点の距離を示すスペクトルを得ることが出来る。

実施の形態1と同様に、各点のスペクトルはコヒーレンス長によって測定可能な範囲が制限される。変形例１に係る白色光は、線幅が大きく、コヒーレンス長は数μｍに限定される。

変形例１に係る光測定装置１０１における参照光の光路長の調整方法について説明する。変形例１に係るミラー５０，５１およびシャッタ３５の機能は、実施の形態１の調整部９の切替部２０，２１，２２の機能に相当する。ミラー５０で反射した参照光の光路長は、ミラー５０を透過してミラー５１で反射した参照光の光路長より短い。

ビームスプリッタ３４は、ミラー５０で反射した参照光と、対象物１４で反射して開放されたシャッタ３５を通過した測定光とを干渉させることで、実施の形態１の参照光Ｒ１と対象物１４で反射した測定光Ｓとを干渉させた例と同様の効果を得ることができる。また、ミラー５０を透過してミラー５１で反射した参照光と、対象物１４で反射して開放されたシャッタ３５を通過した測定光とを干渉させることで、実施の形態１の参照光Ｒ２と対象物１４で反射した測定光Ｓとを干渉させた例と同様の効果を得ることができる。さらに、ミラー５０で一定の比率で参照光を透過と反射し、ミラー５１で一定の比率で参照光を反射し、シャッタ３５を閉鎖して照射部３６からの測定光を止めることで、実施の形態１の参照光Ｒ１と参照光Ｒ２とを干渉させた例と同様の効果を得ることができる。この際、実施の形態１においてコネクタ７で反射する測定光Ｓと参照光Ｒ１，Ｒ２とを干渉させた例と同様の効果も得ることができる。

ビームスプリッタ３４とシャッタ３５は、干渉光を生成するため、干渉部でもある。

実施の形態１で説明した式（１）～式（７）に係る説明は、変形例１においても同様である。さらに、光路長差ＬＡ、光路長差ＬＢ、光路長差ＬＣの計測頻度の比率を均等に１：１：１としてもよい。また、計測頻度を不均等にしてもよい。周波数スペクトルの強度が未知である対象物１４からの反射光の計測を複数回得ることで充分な平均化回数を得られるようにしてもよい。また、周波数スペクトルの強度に応じて能動的に比率を変えてもよい。

なお、上述の各実施の形態において、製造上の公差や組立て上のばらつきなどを考慮した範囲を含んでいる。このため、請求の範囲に部品間の位置関係もしくは部品の形状を示す記載をした場合には、製造上の公差又は組立て上のばらつき等を考慮した範囲を含むことを示している。

また、以上のように本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限るものではない。

１ 送信部、２ 光源、３ 掃引部、４ 分岐部、５ サーキュレータ、６ 照射部、７ コネクタ、８ レンズ、９ 調整部、１０ 受信部、１１ 光電変換部、１２ デジタル変換部、１３ 処理部、１４ 対象物、２０，２１，２２ 切替部、３１ 送信部、３２ 光源、３３ 集光部、３４ ビームスプリッタ、３５ シャッタ、３６ 照射部、３８ レンズ、３９ 調整部、４０ 受信部、４１ 分光部、４２ 光電変換部、４３ デジタル変換部、４４ 処理部、５０，５１ ミラー、１００，１０１ 光測定装置。

Claims (5)

1. 光を参照光と測定光とに分岐する分岐部と、
   前記参照光を各々光路長の異なる複数の参照光に分岐する調整部と、
   前記測定光が対象物に照射して反射された反射光と、前記複数の参照光のいずれか２つの参照光のうちの一方とが合波された第１の干渉光と、前記対象物に照射される前の前記測定光と前記２つの参照光のうちの他方とが合波された第２の干渉光と、前記２つの参照光が合波された第３の干渉光と、を得る干渉部と、
   前記第１の干渉光の周波数より、前記反射光と前記一方の参照光との光路長差を算出し、かつ前記第２の干渉光の周波数より、前記対象物に照射される前の前記測定光と前記他方の参照光との光路長差を算出し、かつ前記第３の干渉光の周波数より、前記２つの参照光の光路長差を算出する処理部と
   を備え、
   前記処理部により算出された各光路長差に基づいて、前記対象物までの距離を測定する光測定装置。
2. 前記複数の参照光を、光路長の短い順に、１以上の整数であるｍ番目の参照光を第ｍの参照光とした場合に、第ｍの参照光と第ｍ＋１の参照光との光路長差はコヒーレンス長の範囲内である請求項１記載の光測定装置。
3. 前記第ｍの参照光の光路長を、第１の参照光の光路長と、前記第１の参照光から前記第ｍの参照光までのそれぞれの光路長差とを用いて算出する請求項２記載の光測定装置。
4. 前記光は、連続的に周波数が変化する光である請求項１から３のいずれか１項に記載の光測定装置。
5. 白色光を線状に集光し、前記分岐部へ出力する集光部を備える請求項１から３のいずれか１項に記載の光測定装置。

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