JPH05126523A - 遠隔距離測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は遠隔距離測定装置に関し、離れた物
体の位置を測定する操作が簡単で、小型、かつ全方向測
定可能な光学装置の提供を目的とする。 【構成】 離れて位置する物体６の付近にある光ファイ
バ１の終端部７があり、その光ファイバ１に結合する広
域スペクトル光源２と、物体６により反射されるビーム
と光ファイバ１の終端部７でジオプタにより反射される
ビームとの間で干渉を発生させる手段と、光ファイバ１
の終端部７から物体６までの距離の値を測定可能とする
計算装置９と一体となる干渉状態読み取り手段３と、か
ら構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は離れた物体の位置を測定
する遠隔距離測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】干渉計を用いた測定方法により離れた物
体の位置を測定することが可能であることは知られてい
る。これらのいくつかの測定方法によれば、光のビーム
はスプリット（分離）され、スプリットされた一方のビ
ームは物体により反射し、他方のビームは基準位置にあ
る表面に反射する。これら２つの反射したビームは再結
合し、２つの反射したビーム間で発生する位相シフトの
関数としての干渉を発生する。そして、これらの２つの
反射ビームは物体の距離の測定を可能とする。

【０００３】さらに、スペクトルの変調によって測定さ
れるパラメータにより光のビームをコード化する原理に
基づく白色光干渉計測定方法は知られている。スペクト
ルを解読することにより、測定したパラメータの値を得
ることを可能とする。光ファイバの一端で、実質的平行
ビームを発生する照準対象物と、半反射静止基準要素と
を備えた変位測定装置の文献もまた知られている。この
アセンブリは、可動要素の前方に置かれ、基準要素に対
する可動要素の変位が測定される。半反射要素は、物体
の反射表面と結合し干渉計を形成する。ファイバに結合
する光束は干渉計の影響によってコード化された戻りの
光束を発生する。

【０００４】コード化された光のスペクトルのチャンネ
ルの間隔を測定して解読することにより半反射静止要素
と物体自身との間にある距離が得られる。しかしなが
ら、物体の表面が照準出口ビームに垂直であるように取
り付けられることを必要とするという問題がある。

【発明が解決しようとする課題】

【０００５】本発明の目的はそれゆえ、操作が簡単で、
小型、かつ全方向測定可能な、離れた物体の位置を測定
する遠隔距離測定装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成する本発
明の遠隔距離測定装置は、広域スペクトル光源と、物体
の位置の関数として干渉を発生し光束のコード化を発生
する手段と、その干渉手段により発生する光束の干渉状
態を読み取る手段と、前記光源と前記読み取り装置とに
対して干渉を発生する手段に結合する光ファイバと、を
備えることを特徴とする。

【０００７】本発明によれば、光ファイバは単一モード
であり、干渉を発生する手段は物体に面する単一モード
の光ファイバの終端部ジオプタと物体自身の一表面によ
り構成される。如何なる光学装置も、光ファイバの終端
部ジオプタと物体の表面間に必要としない。

【０００８】本発明の好適実施例によれば、光束の干渉
状態を読み取る手段は、コード化された光束を外側に広
げる光ウェッジと、広げられたコード化された光束を受
光するフォトダイオードの直線列と、フォトダイオード
の直線列によって受光された光束を分析することによる
物体の位置を求める計算装置とを備える。

【０００９】

【実施例】図１は、本発明の装置の基本構成図である。
本発明の装置は、一方が光源２に結合され、他方が戻り
の光束の干渉状態を読み取る読み取り手段３に結合され
る単一モード光ファイバ１を有する。光源２と読み取り
装置３は、それら自身公知の手段によって光ファイバ１
に結合する。これらの結合手段は符号で示す半透明板４
であり、図は、光源２により発生した光束は半透明板４
により光ファイバ１に入射され、光ファイバ１によって
伝播されて戻る光束は読み取り手段３に伝播されること
を示す。半透明板４は全ファイバ結合器によって置き換
えできる。

【００１０】単一モード光ファイバ１を出る波は球状で
ある。この波は、前方の波に正接する物体の表面により
反射する。このことは光ファイバ１から円錐形状に放射
される全方向の測定を可能とする。光ファイバ１の他端
で、この装置は単一モード光ファイバ１の終端部７に対
して物体６の位置の関数として干渉を発生する干渉発生
手段５を有する。

【００１１】種々の読み取り手段３を、光ファイバ１を
経由して後方に伝播する光束の干渉の状態を知るために
使用することができることはそれ自身知られている。１
つの簡単な特別な実施例を図５に示す。この実施例は仏
国特許第２，６４１，８６１号公報にさらに詳細に記載
されている。

【００１２】光ファイバ８を経由して伝播する光束は、
光学装置５０によって照準され、干渉を発生する光ウェ
ッジ５１上に伝えられる。円筒状レンズ５２はフォトダ
イオードのー直線列５３上に広がって焦点づけられる。
計算装置９はフォトダイオードの直線列に対するインタ
ーフェースと、フォトダイオードの直線列により受ける
干渉測定を分析するマイクロコンピュータとから構成さ
れ、干渉発生手段（干渉計）５によって導かれる位相シ
フトを導き、それゆえ以下に判るように、光ファイバ１
の終端部７に対する物体６の位置を表すパラメータｄを
導く。それ自身知られているように、光ウェッジ５１
は、空気ウェッジまたは硝子ウェッジでよい。

【００１３】干渉発生手段５を図２、図３、図４を参照
にして以下に説明する。単一モード光ファイバ１を経由
して伝播する光束２０は、光ファイバ１の終端部７でフ
ァイバ−空気接触面２１により部分的に反射され、単一
モードの案内波２２を発生する。特別な処理なしで、単
一モードの案内波２２によって伝播される反射光束は入
射光束の約４％である。残りの光束は、光ファイバ１か
ら発生し、光束２４を発生する物体６によって反射さ
れ、または拡散される球状に発散する波２３を発生し、
単一モードの案内波２５を成す。この光束の部分を成す
案内波２５は、単一モード光ファイバ１に順次に再結合
され、これまでに判ったように、光ファイバ１の終端部
７における接触面２１によって反射された波２２と干渉
する。光ファイバ１が空間上で単一モードであるので、
空間上の干渉は照準する光学装置がたとえなくても、単
一モードの案内波２２と単一モードの案内波２５との間
の干渉を自動的に確実なものとする。

【００１４】従って、光ファイバ１を経由して戻って伝
播し、読み取り手段３に伝播される光束は、案内波２２
と案内波２５の干渉の結果得られる。この干渉の最大コ
ントラストは、ビーム２２とビーム２５のそれぞれの光
束がほぼ同一大きさの時に得られ、すなわち物体６の反
射が初期の光束の約４％になった後、光束が光ファイバ
１に戻って結合する時に得られる。

【００１５】干渉状態は、案内波２２と案内波２５間の
位相シフトに依存して発生し、それゆえ光ファイバ１の
終端部２１から物体６までの距離に依存する。この距離
は、終端部２１で中心となり物体６に正接する球の半径
によって決定される。このような測定装置は、それゆえ
光ファイバから出る波の発散する円錐形状の制限内の全
方向を測定することで特徴づけられる。

【００１６】本発明による離れた物体の位置を測定する
遠隔距離測定装置は、それゆえ中空でない球によって終
端とされた測定ヘッドにより物体の位置を測定可能とす
る機械的デテクタに類似するように全方向に機能する。
発散する波の前方の球状の面は、機械的デテクターの中
空でない球と同等な機能を有し、測定はここでは非接触
で実行される。

【００１７】所望の測定形式に依存し、光ファイバ１の
ジオプタ２１を経由して出現するビームの間隙をより大
きくまたはより小さく開口することは適切なことであ
る。慣習的な条件下で、単一モードの光ファイバ１使用
中に、出現するビームの間隙角度は、１５°から３０°
の間である。この間隙を増大することが望まれる場合
は、種々の可能性が想像できる。図３に示すように、光
ファイバ１の終端部７は、直径が光ファイバ１のコア３
１の直径より小さいフィルターホール３０を保持する。
次に、このホールが回折される伝播波を発生する時、１
００°より小さい間隙の角度を得ることができる。

【００１８】本発明の他の実施例によれば、図４に示さ
れるように、光ファイバの終端部７はマイクロレンズ４
０を保持する。このマイクロレンズ４０は、光ファイバ
１の終端部７で直接に形成でき、または粘着性接着剤に
より光ファイバ１の終端部７に付加することができる。
満足できる測定結果は、次に広域スペクトル光源２すな
わち白色光源を伴い、かつ単一モードファイバ１を使用
することによって得られる。

【００１９】本発明の装置により得られる測定は、高精
度であり、接近するのが困難な物体の位置を含む３次元
測定を可能ならしめる。実際、発光する頭部は単一モー
ドの光ファイバの一端で単独に構成されるように非常に
小型である。このような装置は、数十マイクロメーター
から数ミリメーターの距離の測定を可能とする。

【００２０】干渉の状態を読み取る手段３は、同一光フ
ァイバに多重に複合することにより結合する多数のセン
サーに共通であってもよい。少なくとも１つが本発明に
よる物体の位置である種々の種類のパラメータの測定を
可能ならしめるセンサー列を作ることは可能である。本
発明による装置は、数十マイクロメーターから数ミリメ
ーターに及ぶ範囲を有する。

【００２１】以下の数値は例として掲げるものである。
光ファイバ１に入って結合される１００マイクロワット
の光の電力は、出口接触面でフレネル反射による４％の
４マイクロワットの反射電力を発生する。残りの９６マ
イクロワットの電力は、角度において１／４ラジアンの
球状の波に発散する。測定される表面が１ｍｍの距離に
あると仮定すると、反射波は、光ファイバ（発散２×１
ｍｍ×１／４ラジアン）に戻る時０．５ｍｍの直径を有
する。光ファイバのモードは典型的には直径５ミクロ
ン、９６マイクロワットの４×１０^-4、すなわち単に４
０ナノワットであり再結合される。干渉は、Ｐ＝４マイ
クロワットの基準波と１００倍弱い再結合波、すなわち
電力（Ｐ＝４０ナノワット）の結合波間で発生する。

【００２２】しかしながら、干渉のコントラストは、２
つの波の間の増幅度比に依存し、次式で示される電力比
には依存しない。 Ｐ’＝Ｐ＋ｐ＋２（Ｐ／ｐ）^1/2 ｃｏｓΔφ Ｐ’＝Ｐ〔１＋２（ｐ／Ｐ）^1/2 ｃｏｓΔφ〕 電力比は、それゆえ１％であるが、増幅度の比は１０％
である。干渉のコントラストはそれゆえ±２０％であ
り、好条件下で干渉状態を読み取ることを可能ならしめ
ている。

【００２３】距離ｄの関数として再結合される電力は、
１／ｄ² として変化するが、コントラスト自身は、それ
ゆえ１／ｄのみ減少する。５ｍｍにおいてでさえ、コン
トラストは絶えず４％である。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の遠隔距離
測定装置によれば、離れた物体の位置を簡単な操作によ
り、かつ小型な装置によって全方向の測定を可能とす
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の装置の基本構成図である。

【図２】光ファイバ終端部の拡大図である。

【図３】本発明の第２実施例の光ファイバ終端部の拡大
図である。

【図４】本発明の第３実施例の光ファイバ終端部の拡大
図である。

【図５】干渉手段によって発生する光束の干渉状態を読
み取る読み取り手段の概略構成図である。

【符号の説明】

１、８…光ファイバ ２…光源 ３…読み取り装置 ４…半透明板 ５…干渉発生手段（干渉計） ６…物体 ７…終端部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 離れた物体の位置を測定する装置であっ
   て、 広域スペクトル光源（２）と、 前記物体（６）の位置の関数として干渉を発生し、光束
   をコード化する干渉発生手段（５）と、 干渉の状態を読み取る読み取り手段（３）と、 前記光源（２）および前記読み取り手段（３）とに対し
   て干渉を発生する手段（４）に結合する光ファイバ
   （１）と、 を備える離れた物体の位置を測定する遠隔距離測定装置
   において、 前記光ファイバ（１）は単一モードであり、 前記干渉発生手段（５）は、前記物体（６）に面する単
   一モードの前記光ファイバ（１）の終端部ジオプタ
   （７）と、前記物体（６）の１つの表面とから構成され
   ることを特徴とする遠隔距離測定装置。
2. 【請求項２】 前記物体（６）に面する前記光ファイバ
   （１）の前記終端部（７）に置かれ、出口ビームからの
   球状の発散を増大するマイクロレンズ（４０）を備える
   請求項１に記載の遠隔距離測定装置。
3. 【請求項３】 前記物体（６）に面する前記光ファイバ
   （１）の前記終端部（７）に置かれ、出口ビームからの
   球状の発散を増大するフィルタホール（３０）を備える
   請求項１に記載の遠隔距離測定装置。
4. 【請求項４】 スペクトルでコード化された干渉の状態
   を読み取る前記読み取り手段（３）は、 干渉を外側に広げる光ウェッジ（５１）と、 前記コード化された干渉を受けるフォトダイオードの直
   線列と、 前記フォトダイオードの直線列により受け取られる前記
   干渉の分析から前記物体（６）の位置を求める計算装置
   （９）と、 を備える請求項１乃至３の何れか１項に記載の遠隔距離
   測定装置。