JPWO2021075046A1

JPWO2021075046A1 - 光距離測定装置、及び加工装置

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Publication number: JPWO2021075046A1
Application number: JP2021552075A
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Inventors: 隆典山内; 広樹後藤; 聖史斧原; 巨生鈴木
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Priority date: 2019-10-18
Filing date: 2019-10-18
Publication date: 2021-12-16
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Abstract

光距離測定装置（１０１）は、第１の光学系（６）が受光した第１の反射光と、分岐部（３）が分岐した参照光とに基づいて、第１の光学系の出射面から測定対象物（１０７）の反射面までの第１の光路長を算出し、反射部（８）によって反射され、第２の光学系（７）が受光した第２の反射光と、分岐部（３）が分岐した参照光とに基づいて、第２の光学系（７）の出射面から反射部（８）の反射面までの第２の光路長を算出する光路長算出部（１５）と、光路長算出部（１５）が測定した第２の光路長に基づいて、空間（１０８）の屈折率を算出し、当該屈折率と、光路長算出部（１５）が測定した第１の光路長とに基づいて、第１の光学系（６）の出射面から測定対象物（１０７）の反射面までの距離を算出する距離算出部（１６）と、を備えている。

Description

本発明は、主に、光距離測定装置に関する。

従来、光源が出射した光を用いて、当該光の光路における所定の位置から測定対象物の位置までの距離を測定する光距離測定装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。当該距離を測定するために光距離測定装置が用いる方式は、例えば、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である。これらの方式のうち、白色干渉方式、及び波長走査干渉方式等の方式は、光の干渉現象を用いる干渉方式である。

干渉方式は、光源が出射した光を測定光と参照光とに分岐し、測定光が測定対象物において反射された光である反射光と、参照光とを干渉させることにより干渉光を生成し、当該干渉光に基づいて、測定光の光路における所定の位置から測定対象物の位置までの光路長を算出する方式である。

例えば、スペクトルドメイン方式等の白色干渉方式では、広帯域の光を出射する光源が用いられる。白色干渉方式の光距離測定装置は、干渉光を分光器により分光することによって空間的に周波数毎に分離した干渉光を生成し、当該干渉光に基づいて、測定光の光路における所定の位置から測定対象物の位置までの光路長を算出する。

また、例えば、波長走査干渉方式では、時間の経過に伴って波長が変化する波長掃引光が用いられる。波長走査干渉方式の光距離測定装置は、波長掃引光の反射光と波長掃引光の参照光とを干渉させることにより生成した干渉光に基づいて、測定光の光路における所定の位置から測定対象物の位置までの光路長を算出する。

光路長は、屈折率と実際の距離との積に等しい。そのため、上記のような光距離測定装置が算出した光路長は、測定光の光路における所定の位置から測定対象物の位置までに測定光が通過する物質の屈折率に基づいて、測定光の光路における所定の位置から測定対象物の位置までの距離に換算される必要がある。

特開２０１２−２６０４号公報

しかし、測定光を測定対象物に照射する光学素子から当該測定光を反射する測定対象物までの間の空間の屈折率が変化する場合、変化後の屈折率と、光路長を距離に換算するために用いられた屈折率とが異なってしまうため、距離の測定精度が低下してしまうという問題がある。なお、以下では、当該空間を距離測定空間と呼称する。
例えば、距離測定空間における空気の屈折率は、当該空気の温度に従って変化する。また、上記の空間における空気の屈折率は、気圧の変化に従って変化する。また、光距離測定装置が、測定対象物を加工する加工装置に設置された場合、加工中に、距離測定空間において加工油のミストが飛散し、距離測定空間の屈折率が変化する。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、距離測定空間の屈折率が変化することによって距離の測定精度が低下してしまうことを抑制することができる光距離測定装置を提供することを目的とする。

この発明に係る光距離測定装置は、レーザ光を測定光と参照光とに分岐する分岐部と、分岐部が分岐した測定光を第１の測定光と第２の測定光とに分岐する測定光分岐部と、測定光分岐部が分岐した第１の測定光を測定対象物に照射し、当該測定対象物において反射された第１の反射光を受光する第１の光学系と、測定光分岐部が分岐した第２の測定光を、第１の光学系と測定対象物との間の空間に向けて出射する第２の光学系と、第２の光学系が出射し、空間を通過した第２の測定光を、第２の光学系に向けて反射する反射部と、第１の光学系が受光した第１の反射光と、分岐部が分岐した参照光とに基づいて、第１の光学系の出射面から測定対象物の反射面までの第１の光路長を算出し、反射部によって反射され、第２の光学系が受光した第２の反射光と、分岐部が分岐した参照光とに基づいて、第２の光学系の出射面から前記反射部の反射面までの第２の光路長を算出する光路長算出部と、光路長算出部が測定した第２の光路長に基づいて、空間の屈折率を算出し、当該屈折率と、光路長算出部が測定した第１の光路長とに基づいて、第１の光学系の出射面から前記測定対象物の反射面までの距離を算出する距離算出部と、を備えている。

この発明によれば、距離測定空間の屈折率が変化することによって距離の測定精度が低下してしまうことを抑制することができる。

実施の形態１に係る光距離測定装置を備えている加工装置の構成を示す図である。実施の形態１に係る光距離測定装置の解析部による距離測定方法を示すフローチャートである。図３Ａは、解析部の機能を実現するハードウェア構成を示すブロック図である。図３Ｂは、解析部の機能を実現するソフトウェアを実行するハードウェア構成を示すブロック図である。図４Ａは、光送信部が出射した第１の測定光が反射部によって反射されている様子を示す図である。図４Ｂは、光干渉部における干渉前の参照光及び干渉前の第１の反射光の各波形を示すグラフである。図４Ｃは、差周波の周波数スペクトルを示すグラフである。図４Ｄは、図４Ａに示す各場合における差周波の周波数スペクトルを示すグラフである。図５は、図１が示す光距離測定装置における第１の光学系、第２の光学系及び反射部を拡大した図である。図６Ａは、光距離測定装置が空間的に測定光を第１の測定光と第２の測定光とに分岐する光学素子を備えた場合の、光干渉部における第１の干渉光の周波数スペクトルと第２の干渉光の周波数スペクトルとを示すグラフである。図６Ｂは、光距離測定装置が時間的に測定光を第１の測定光と第２の測定光とに分岐する光スイッチを備えた場合の、光干渉部における第１の干渉光の周波数スペクトルと第２の干渉光の周波数スペクトルとを示すグラフである。実施の形態２に係る光距離測定装置を備えている加工装置の構成を示す図である。

以下、この発明をより詳細に説明するため、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る光距離測定装置１０１を備えている加工装置１００の構成を示す図である。なお、実施の形態１では、光距離測定装置１０１が加工装置１００に設置されている構成について説明するが、光距離測定装置１０１は、加工装置１００以外の装置に設置されてもよい。

例えば、光距離測定装置１０１は、用いる方式が波長走査干渉方式であり、医療用途の波長掃引型光干渉断層計（ＳＳ−ＯＣＴ：ＳｗｅｐｔＳｏｕｒｃｅ − ＯｐｔｉｃａｌＣｏｈｅｒｅｎｃｅＴｏｍｏｇｒａｐｈｙ）に適用される（春名正光、“光コヒーレンストモグラフィ―（ＯＣＴ）”、［online］、平成２２年、ＭＥＤＩＣＡＬＰＨＯＴＯＮＩＣＳ、［平成３１年２月４日検索］、インターネット〈URL：http://www.medicalphotonics.jp/pdf/mp0001/0001_029.pdf〉）。

図１が示すように、加工装置１００は、光距離測定装置１０１、加工制御部１０２、及び加工部１０３を備えている。光距離測定装置１０１は、波長掃引光出力部１０４、光送信部１０５、及び信号処理部１０６を備えている。

まず、波長掃引光出力部１０４の構成について説明する。波長掃引光出力部１０４は、レーザ光源１、及び掃引部２を備えている。
レーザ光源１は、連続波のレーザ光を出射する。レーザ光源１が出射したレーザ光は、掃引部２に導かれる。実施の形態１に係るレーザ光源１は、例えば、所定の中心周波数のレーザ光を出射するガスレーザ又は半導体レーザ等の光源である。

なお、実施の形態１では、光距離測定装置１０１がレーザ光源１を備えている構成について説明するが、光距離測定装置１０１は、レーザ光源１を備えていなくてもよい。その場合、光距離測定装置１０１は、レーザ光源１を備える外部のレーザ光発生装置が出射したレーザ光を用いる。

掃引部２は、レーザ光源１が出射するレーザ光の光路上に設置されている。掃引部２は、レーザ光源が出射したレーザ光を波長掃引することにより掃引光を生成する。掃引部２が生成した掃引光は、時間経過に伴って周波数が変化する連続波のレーザ光である。掃引部２が生成し、出射した掃引光は、分岐部３に導かれる。

なお、実施の形態１では、光距離測定装置１０１がレーザ光源１及び掃引部２を含む波長掃引光出力部１０４を備えている構成について説明するが、光距離測定装置１０１は、波長掃引光出力部１０４を備えていなくてもよい。その場合、光距離測定装置１０１は、レーザ光源１及び掃引部２を備える外部の掃引光発生装置が出射した掃引光を用いてもよい。

次に、光送信部１０５の構成について説明する。光送信部１０５は、分岐部３、光サーキュレータ４、測定光分岐部５、第１の光学系６、第２の光学系７、反射部８、及び遅延調整部９を備えている。
分岐部３は、掃引部２が出射した掃引光の光路上に設置されている。分岐部３は、掃引部２が波長掃引した掃引光を測定光と参照光とに分岐する。より詳細には、分岐部３は、掃引部２が波長掃引した連続波のレーザ光である掃引光を分岐することにより、それぞれ連続波のレーザ光である測定光及び参照光を生成する。分岐部３が生成した測定光は、光サーキュレータ４に導かれる。また、分岐部３が生成した参照光は、遅延調整部９に導かれる。

分岐部３は、例えば、光カプラである。また、分岐部３が生成した測定光は、後述する測定光分岐部５によって、さらに分岐されることにより複数の測定光となる。当該複数の測定光は、互いに干渉し得る。そのため、分岐部３が生成した測定光の強度は、当該複数の測定光同士の干渉が後述する距離測定空間１０８の距離の測定に影響を与えない程度に、分岐部３が生成した参照光の強度よりも十分に低いことが好ましい。

なお、光距離測定装置１０１は、分岐部３として、レーザ光の光路を高速にスイッチングできる光スイッチを備えていてもよい。その場合、当該光スイッチは、掃引光の光路を、当該光スイッチから光サーキュレータ４までの光路にスイッチングすることにより測定光を光サーキュレータ４に導くか、又は、掃引光の光路を、当該光スイッチから遅延調整部９までの光路にスイッチングすることにより参照光を遅延調整部９に導く。

光サーキュレータ４は、分岐部３が生成した測定光の光路上に設置されている。光サーキュレータ４は、分岐部３が生成した測定光を測定光分岐部５に導く。光サーキュレータ４は、例えば、３ポート光サーキュレータである。

測定光分岐部５は、光サーキュレータ４が出射した測定光の光路上に設置されている。測定光分岐部５は、分岐部３が生成した測定光を第１の測定光と第２の測定光とに分岐する。より詳細には、測定光分岐部５は、分岐部３が生成した連続波のレーザ光である測定光を分岐することにより、それぞれ連続波のレーザ光である第１の測定光と第２の測定光とを生成する。測定光分岐部５が生成した第１の測定光は、第１の光学系６に導かれる。また、測定光分岐部５が生成した第２の測定光は、第２の光学系７に導かれる。

実施の形態１では、後述するように、第２の光学系７は、複数の光学素子１０から構成されている。そこで、実施の形態１では、測定光分岐部５は、分岐部３が生成した測定光を分岐することにより、第１の測定光と、複数の光学素子１０の数と同一の数の第２の測定光とを生成する。

第１の光学系６は、測定光分岐部５が出射した第１の測定光の光路上に設置されている。実施の形態１では、第１の光学系６は、後述する加工部１０３と共に、加工ヘッド部１１０を構成している。加工ヘッド部１１０は、加工部１０３が測定対象物１０７を加工する際に、加工制御部１０２の制御に基づいて、測定対象物１０７に対して相対的に移動する。第１の光学系６は、測定光分岐部５が分岐した第１の測定光を測定対象物１０７に照射し、当該測定対象物１０７において反射された第１の反射光を受光する。

より詳細には、第１の光学系６は、例えば、少なくとも１つ以上のレンズにより構成される。当該レンズの例として、レーザ光を透過及び屈折させる透過レンズ、又はミラーを利用した反射レンズ等が挙げられる。第１の光学系６は、例えば、これらのレンズによって第１の測定光の光束径を広げ、光束径が広がった第１の測定光を測定対象物１０７に照射する。

測定対象物１０７に照射された第１の測定光は、測定対象物１０７において反射される。次に、第１の光学系６は、測定対象物１０７において反射された第１の反射光を受光する。次に、第１の光学系６が受光した第１の反射光は、測定光分岐部５に導かれ、光サーキュレータ４に導かれる。次に、光サーキュレータ４は、測定光分岐部５から導かれた第１の反射光を後述する光干渉部１１に導く。

第２の光学系７は、測定光分岐部５が出射した第２の測定光の光路上に設置されている。第２の光学系７は、測定光分岐部５が分岐した第２の測定光を、第１の光学系６と測定対象物１０７との間の空間である距離測定空間１０８に向けて出射する。

実施の形態１では、第２の光学系７は、複数の光学素子１０から構成されている。複数の光学素子１０は、第１の光学系６の光軸に平行な軸に沿って並んでいる。また、複数の光学素子１０の各光軸は、第１の光学系の光軸と直交する。複数の光学素子１０は、それぞれ、測定光分岐部５が分岐した第２の測定光を距離測定空間１０８に向けて出射する。

より詳細には、光学素子１０は、例えば、レンズであり、第２の光学系７は、例えば、少なくとも１つ以上のレンズにより構成される。当該レンズの例として、レーザ光を透過及び屈折させる透過レンズ、又は鏡を利用した反射レンズ等が挙げられる。第２の光学系７は、例えば、これらのレンズによって第２の測定光の光束径を広げ、光束径が広がった第２の測定光を距離測定空間１０８に向けて出射する。

反射部８は、第２の光学系７が出射した第２の測定光の光路上に設置されている。反射部８は、第２の光学系７が出射し、距離測定空間１０８を通過した第２の測定光を、第２の光学系７に向けて反射する。反射部８は、例えば、ミラーである。

より詳細には、実施の形態１では、反射部８は、反射面が複数の光学素子１０の各光軸に垂直になるように設置されている。よって、反射部８は、光学素子１０が出射し、距離測定空間１０８を通過した第２の測定光を、当該光学素子１０に向けて反射することが可能である。

第２の光学系７は、第２の測定光が反射部８において反射された光である第２の反射光を受光する。実施の形態１では、複数の光学素子１０は、それぞれ、出射した第２の測定光が反射部８において反射された光である第２の反射光を受光する。次に、第２の光学系７が受光した第２の反射光は、測定光分岐部５に導かれ、光サーキュレータ４に導かれる。次に、光サーキュレータ４は、測定光分岐部５から導かれた第２の反射光を光干渉部１１に導く。

遅延調整部９は、分岐部３が出射した参照光の光路上に設置されている。遅延調整部９は、分岐部３から光干渉部１１までの参照光の経路長と、分岐部３から測定対象物１０７又は反射部８を経た光干渉部１１までの測定光の経路長との差を調整する。これにより、遅延調整部９は、光干渉部１１における、参照光と、第１の反射光又は第２の反射光との周波数差を調整する。遅延調整部９が出射した参照光は、光干渉部１１に導かれる。

次に、信号処理部１０６の構成について説明する。信号処理部１０６は、光干渉部１１、光電変換部１２、デジタル変換部１３、及び解析部１０９を備えている。
光干渉部１１は、光サーキュレータ４が出射した第１の反射光及び第２の反射光の各光路と遅延調整部９が出射した参照光の光路とが交わる位置に設置されている。光干渉部１１は、第１の光学系６が受光した第１の反射光と、分岐部３が分岐した参照光とを干渉させることにより第１の干渉光を生成する。実施の形態１では、光干渉部１１は、光サーキュレータ４が出射した第１の反射光と、遅延調整部９が出射した参照光とを干渉させることにより第１の干渉光を生成する。

また、光干渉部１１は、第２の測定光が反射部８において反射され、第２の光学系７が受光した第２の反射光と、分岐部３が分岐した参照光とを干渉させることにより第２の干渉光を生成する。実施の形態１では、光干渉部１１は、光サーキュレータ４が出射した第２の反射光と、遅延調整部９が出射した参照光とを干渉させることにより第２の干渉光を生成する。

光干渉部１１は、例えば、第１の反射光と参照光とを合成することにより第１の干渉光を生成し、第２の反射光と参照光とを合成することにより第２の干渉光を生成する９０度光ハイブリッドである。または、光干渉部１１は、例えば、光カプラである。

光電変換部１２は、光干渉部１１が出射した第１の干渉光及び第２の干渉光の光路上に設置されている。光電変換部１２は、光干渉部１１が生成した第１の干渉光を光電変換することにより、第１の干渉光の波形を示す第１のアナログ信号を生成する。また、光電変換部１２は、光干渉部１１が生成した第２の干渉光を光電変換することにより、第２の干渉光の波形を示す第２のアナログ信号を生成する。

実施の形態１では、光距離測定装置１０１は、上記のような光干渉部１１及び光電変換部１２を備えている構成について説明するが、当該構成に限定されない。例えば、光距離測定装置１０１は、光干渉部１１及び光電変換部１２の代わりに、バランス型光受信用フォトダイオードを備えていてもよい。当該バランス型光受信用フォトダイオードは、例えば、第１の反射光を受光することにより第１の信号を生成するフォトダイオードと、参照光を受光することにより第２の信号を生成するフォトダイオードとを備え、当該第１の信号と当該第２の信号とから、第１の反射光と参照光との強度の差を示す変位信号を生成する。なお、当該変位信号を用いた距離測定方法は、公知の技術であるため、詳細な説明は省略する。

デジタル変換部１３は、光電変換部１２が生成した第１のアナログ信号をＡ／Ｄ変換することにより、第１の干渉光の波形を示す第１のデジタル信号を生成する。また、デジタル変換部１３は、光電変換部１２が生成した第２のアナログ信号をＡ／Ｄ変換することにより、第２の干渉光の波形を示す第２のデジタル信号を生成する。

解析部１０９は、強度測定部１４、光路長算出部１５、及び距離算出部１６を備えている。強度測定部１４は、デジタル変換部１３が生成した第１のデジタル信号に基づいて、第１の干渉光の周波数毎の強度を測定する。強度測定部１４は、測定した第１の干渉光の周波数毎の強度を光路長算出部１５に出力する。
より詳細には、強度測定部１４は、例えば、デジタル変換部１３が生成した第１のデジタル信号をフーリエ変換することにより、第１の干渉光の周波数毎の強度を測定する。

また、強度測定部１４は、デジタル変換部１３が生成した第２のデジタル信号に基づいて、第２の干渉光の周波数毎の強度を測定する。強度測定部１４は、測定した第２の干渉光の周波数毎の強度を光路長算出部１５に出力する。
より詳細には、強度測定部１４は、例えば、デジタル変換部１３が生成した第２のデジタル信号をフーリエ変換することにより、第２の干渉光の周波数毎の強度を測定する。

光路長算出部１５は、第１の光学系６が受光した第１の反射光と、分岐部３が分岐した参照光とに基づいて、第１の光学系６の出射面から測定対象物１０７の反射面までの第１の光路長を算出する。光路長算出部１５は、算出した第１の光路長を距離算出部１６に出力する。

より詳細には、光路長算出部１５は、光干渉部１１が生成した第１の干渉光に基づいて、第１の光学系６の出射面から測定対象物１０７の反射面までの第１の光路長を算出する。さらに詳細には、実施の形態１では、光路長算出部１５は、強度測定部１４が測定した第１の干渉光の周波数毎の強度に基づいて、第１の光学系６の出射面から測定対象物１０７の反射面までの第１の光路長を算出する。

また、光路長算出部１５は、第２の光学系が受光した第２の反射光と、分岐部３が分岐した参照光とに基づいて、第２の光学系７の出射面から反射部８の反射面までの第２の光路長を算出する。光路長算出部１５は、算出した第２の光路長を距離算出部１６に出力する。

より詳細には、光路長算出部１５は、光干渉部１１が生成した第２の干渉光に基づいて、第２の光学系７の出射面から反射部８の反射面までの第２の光路長を算出する。さらに詳細には、実施の形態１では、光路長算出部１５は、強度測定部１４が測定した第２の干渉光の周波数毎の強度に基づいて、第２の光学系７の出射面から反射部８の反射面までの第２の光路長を算出する。

距離算出部１６は、光路長算出部１５が測定した第２の光路長に基づいて、距離測定空間１０８の屈折率を算出し、当該屈折率と、光路長算出部１５が測定した第１の光路長とに基づいて、第１の光学系６の出射面から測定対象物１０７の反射面までの距離を算出する。距離算出部１６は、算出した距離を加工制御部１０２に出力する。

なお、距離算出部１６は、上記の距離に加えて、分岐部３が出射した測定光の光路上の所定の位置、又は測定光分岐部５が出射した第１の測定光の光路上の所定の位置から、測定対象物１０７の反射面までの距離をさらに算出してもよい。当該所定の位置は、例えば、分岐部３の位置、光サーキュレータ４の位置、又は測定光分岐部５の位置である。

光干渉部１１が生成する第１の干渉光は、分岐部３から測定対象物１０７の反射面までの距離に応じた周波数差に基づいて生じた干渉光を含む。そして、その場合、距離算出部１６は、上述の第２の光路長に基づいて算出した距離測定空間１０８の屈折率と、分岐部３から第１の光学系６の出射面までの屈折率と、光路長算出部１５が当該干渉光に基づいて測定した第１の光路長とに基づいて、第１の光学系６の出射面から測定対象物１０７の反射面までの距離と、分岐部３から第１の光学系６の出射面までの距離とを算出する。距離算出部１６は、算出したこれらの距離の和を求めることにより、分岐部３から測定対象物１０７の反射面までの距離を算出する。

加工制御部１０２は、光距離測定装置１０１が測定した距離に基づいて、加工部１０３が測定対象物１０７を加工するように加工部１０３を制御する。加工部１０３は、加工制御部１０２の制御に基づいて、測定対象物１０７を加工する。実施の形態１では、加工部１０３は、加工制御部１０２の制御に基づいて、測定対象物１０７に対してレーザ光を照射することにより、測定対象物１０７を加工する。しかし、加工部１０３は、当該構成に限定されない。例えば、加工部１０３は、加工制御部１０２の制御に基づいて、測定対象物１０７を研磨又は切削することにより、測定対象物１０７を加工してもよい。

次に、実施の形態１に係る光距離測定装置１０１の解析部１０９による距離測定方法について図面を参照して説明する。図２は、光距離測定装置１０１の解析部１０９による距離測定方法を示すフローチャートである。なお、解析部１０９が図２の距離測定方法を実行する前に、強度測定部１４は、デジタル変換部１３から第１のデジタル信号と第２のデジタル信号とを取得しているものとする。

図２が示すように、強度測定部１４は、デジタル変換部１３が生成した第１のデジタル信号に基づいて、第１の干渉光の周波数毎の強度を測定し、デジタル変換部１３が生成した第２のデジタル信号に基づいて、第２の干渉光の周波数毎の強度を測定する（ステップＳＴ１）。

次に、光路長算出部１５は、強度測定部１４が測定した第１の干渉光の周波数毎の強度に基づいて、第１の光学系６の出射面から測定対象物１０７の反射面までの第１の光路長を算出し、強度測定部１４が測定した第２の干渉光の周波数毎の強度に基づいて、第２の光学系７の出射面から反射部８の反射面までの第２の光路長を算出する（ステップＳＴ２）。
次に、距離算出部１６は、光路長算出部１５が測定した第２の光路長に基づいて、距離測定空間１０８の屈折率を算出する（ステップＳＴ３）。

次に、距離算出部１６は、ステップＳＴ３で算出した屈折率と、光路長算出部１５が測定した第１の光路長とに基づいて、第１の光学系６の出射面から測定対象物１０７の反射面までの距離を算出する（ステップＳＴ４）。
なお、加工制御部１０２は、ステップＳＴ４で距離算出部１６が算出した距離に基づいて、加工部１０３が測定対象物１０７を加工するように加工部１０３を制御する。

解析部１０９における、強度測定部１４、光路長算出部１５及び距離算出部１６のそれぞれの機能は、処理回路により実現される。すなわち、解析部１０９は、図２に示したステップＳＴ１からステップＳＴ４までの処理を実行するための処理回路を備える。この処理回路は、専用のハードウェアであってもよいが、メモリに記憶されたプログラムを実行するＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）であってもよい。

図３Ａは、解析部１０９の機能を実現するハードウェア構成を示すブロック図である。図３Ｂは、解析部１０９の機能を実現するソフトウェアを実行するハードウェア構成を示すブロック図である。
上記処理回路が図３Ａに示す専用のハードウェアの処理回路１１１である場合、処理回路１１１は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＳｐｅｃｉｆｉｃＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−ＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙ）又はこれらを組み合わせたものが該当する。

解析部１０９における、強度測定部１４、光路長算出部１５及び距離算出部１６のそれぞれの機能を別々の処理回路で実現してもよいし、これらの機能をまとめて１つの処理回路で実現してもよい。
上記処理回路が図３Ｂに示すプロセッサ１１２である場合、解析部１０９における、強度測定部１４、光路長算出部１５及び距離算出部１６のそれぞれの機能は、ソフトウェア、ファームウェア又はソフトウェアとファームウェアとの組み合わせによって実現される。
なお、ソフトウェア又はファームウェアは、プログラムとして記述されてメモリ１１３に記憶される。

プロセッサ１１２は、メモリ１１３に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、解析部１０９における、強度測定部１４、光路長算出部１５及び距離算出部１６のそれぞれの機能を実現する。すなわち、解析部１０９は、プロセッサ１１２によって実行されるときに、図２に示したステップＳＴ１からステップＳＴ４までの処理が結果的に実行されるプログラムを記憶するためのメモリ１１３を備える。

これらのプログラムは、解析部１０９における、強度測定部１４、光路長算出部１５及び距離算出部１６の手順又は方法をコンピュータに実行させる。メモリ１１３は、コンピュータを、解析部１０９における、強度測定部１４、光路長算出部１５及び距離算出部１６として機能させるためのプログラムが記憶されたコンピュータ可読記憶媒体であってもよい。

メモリ１１３には、例えば、ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（ＥｒａｓａｂｌｅＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）、ＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ−ＥＰＲＯＭ）などの不揮発性又は揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤなどが該当する。

解析部１０９における、強度測定部１４、光路長算出部１５及び距離算出部１６のそれぞれの機能について一部を専用のハードウェアで実現し、一部をソフトウェア又はファームウェアで実現してもよい。

例えば、強度測定部１４は、専用のハードウェアとしての処理回路で機能を実現する。光路長算出部１５及び距離算出部１６については、プロセッサ１１２がメモリ１１３に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより機能を実現してもよい。
このように、処理回路は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア又はこれらの組み合わせにより上記機能のそれぞれを実現することができる。

次に、実施の形態１に係る光距離測定装置１０１による距離測定方法の第１の具体例について図面を参照して説明する。図４Ａは、光送信部１０５が出射した第１の測定光が測定対象物１０７によって反射されている様子を示す図である。図４Ａは、光送信部１０５から測定対象物１０７までの距離がＸ_１である場合に、光送信部１０５が測定対象物１０７に第１の測定光を照射した第１の例と、光送信部１０５から測定対象物１０７までの距離がＸ_２である場合に、光送信部１０５が測定対象物１０７に第１の測定光を照射した第２の例と、光送信部１０５から測定対象物１０７までの距離がＸ_３である場合に、光送信部１０５が測定対象物１０７に第１の測定光を照射した第３の例とを示す。なお、ここにおける、光送信部１０５から測定対象物１０７までの距離は、分岐部３が出射した測定光の光路上の所定の位置、又は測定光分岐部５が出射した第１の測定光の光路上の所定の位置から、測定対象物１０７の反射面までの距離を意味するものとする。

図４Ｂは、光送信部１０５から測定対象物１０７までの距離が上記のＸ_２である第２の場合の、光干渉部１１における干渉前の参照光及び干渉前の第１の反射光の各波形を示すグラフである。縦軸は、周波数（Ｈｚ）を示し、横軸は経過時間（ｓｅｃ）を示す。

掃引部２がレーザ光を波長掃引することに起因して、光干渉部１１における、参照光及び第１の反射光は、それぞれ、掃引光と同様に、時間経過とともに周波数が変化する。なお、当該第１の具体例では、掃引部２が出射する掃引光における単位時間当たりの周波数変化の値は既知であるものとする。

光干渉部１１における第１の反射光は、光送信部１０５と測定対象物１０７との間の距離に応じて、参照光に対して遅延する。そのため、図４Ｂが示すように、光干渉部１１における第１の反射光は、参照光に対して、時間ΔＴ_２の分遅れている。

上述のステップＳＴ１において、強度測定部１４は、上記のような参照光と第１の反射光とから生成された第１の干渉光の波形を示す第１のデジタル信号に基づいて、第１の干渉光の周波数毎の強度を測定する。例えば、参照光の最大周波数と第１の反射光の最大周波数とは、それぞれ、ＴＨｚのオーダーの高い周波数である。その場合、測定光を受光及び検波する一般的な装置では、このような高い周波数の光を直接検波することは困難である。

そこで、当該第１の具体例では、光干渉部１１は、参照光と第１の反射光とを４光波混合することにより、干渉光として差周波を生成する。図４Ｂが示す例では、当該差周波は、時点Ｔ_１における、参照光の周波数Ｆ_ｒと第１の反射光の周波数Ｆ_２との周波数差ΔＦ_２を中心周波数とする干渉光である。当該ΔＦ_２のオーダーは、数ＭＨｚのオーダーまで抑えられるため、当該ΔＦ_２は、一般的なバランス型光受信用フォトダイオードといった装置によって十分に測定可能である。

図４Ｃは、強度測定部１４が、図４Ｂが示す時点Ｔ_１において、当該差周波の波形を示す第１のデジタル信号に基づいて測定した当該差周波の周波数スペクトルを示すグラフである。縦軸は、強度（ｄＢｍ）を示し、横軸は、周波数を示す。図４Ｃが示すように、差周波の周波数スペクトルは、中心周波数が上述のΔＦ_２である。

そして、当該ΔＦ_２は、図４Ｂが示すように、光干渉部１１における参照光に対する第１の反射光の遅延ΔＴ_２に比例し、当該ΔＴ_２は、光送信部１０５から測定対象物１０７までの距離Ｘ_２に比例する。

そこで、上述のステップＳＴ２において、光路長算出部１５は、強度測定部１４が測定した差周波の周波数毎の強度に基づいて、当該差周波の中心周波数ΔＦ_２を検出し、当該ΔＦ_２と、図４Ｂが示す参照光及び第１の反射光の各グラフの傾きに相当する掃引光の掃引速度とに基づいて、光干渉部１１における参照光に対する第１の反射光の遅延ΔＴ_２を算出する。そして、光路長算出部１５は、当該ΔＴ_２に基づいて、光送信部１０５から測定対象物１０７までの第１の光路長を算出する。そして、上述のステップＳＴ４において、距離算出部１６は、当該第１の光路長に基づいて距離Ｘ_２を算出する。

図４Ｄは、図４Ａに示す各場合において、第１のデジタル信号に基づいて測定した差周波の周波数スペクトルを示すグラフである。縦軸は、強度（ｄＢｍ）を示し、横軸は、周波数（Ｈｚ）を示す。

図４Ａが示すように、光送信部１０５と測定対象物との間の距離がＸ_２より短いＸ_１である場合、図４Ｄが示すように、差周波の中心周波数ΔＦ_１は、光送信部１０５と測定対象物１０７との間の距離がＸ_２である場合における上述の差周波の中心周波数ΔＦ_２よりも低くなる。この場合、光干渉部１１における、参照光に対する第１の反射光の遅延は、光送信部１０５と測定対象物１０７との間の距離がＸ_２である場合における上述の遅延ΔＴ_２よりも小さくなる。

また、図４Ａが示すように、光送信部１０５と測定対象物との間の距離がＸ_２より長いＸ_３である場合、図４Ｄが示すように、差周波の中心周波数ΔＦ_３は、光送信部１０５と測定対象物１０７との間の距離がＸ_２である場合における上述の差周波の中心周波数ΔＦ_２よりも高くなる。この場合、光干渉部１１における、参照光に対する第１の反射光の遅延は、光送信部１０５と測定対象物１０７との間の距離がＸ_２である場合における上述の遅延ΔＴ_２よりも大きくなる。

次に、実施の形態１に係る光距離測定装置１０１による距離測定方法の第２の具体例について図面を参照して説明する。図５は、図１が示す光距離測定装置１０１における第１の光学系６、第２の光学系７及び反射部８を拡大した図である。なお、図５において、第１の光学系６が出射する第１の測定光の光軸に平行な方向をＺ軸方向とし、第２の光学系７が出射する第２の測定光の光軸に平行な方向をＸ軸方向とする。

加工部１０３による測定対象物１０７の加工中では、距離測定空間１０８において、空気の温度変化、又は加工油のミストの飛散等により、Ｚ軸方向に沿って屈折率が異なる屈折率分布が生じる。そこで、当該第２の具体例では、距離算出部１６は、当該屈折率分布を算出する。

図５が示すように、第１の光学系６と測定対象物１０７との間の距離測定空間１０８は、第１の光学系６の光軸に沿って並んだ複数の領域から構成されているものとする。より詳細には、当該第２の具体例では、距離測定空間１０８は、分割後のｍ個の領域が第１の光学系６の光軸に沿って並ぶようにｍ分割されているものとする。なお、ｍは、２以上の正の整数である。

当該第２の具体例では、第２の光学系７は、それぞれ出射する第２の測定光の光軸が上記の複数の領域のうちの対応する領域を通るように設置された複数の光学素子１０から構成されている。複数の光学素子１０は、それぞれ、第２の測定光を、上記の複数の領域のうちの対応する領域に向けて出射し、反射部８によって反射された第２の反射光を受光する。

より詳細には、複数の光学素子１０は、ｍ個の光学素子である。ｍ個の光学素子１０は、それぞれ出射する第２の測定光の光軸がｍ個の領域のうちの対応する領域を通るように設置されている。

また、光干渉部１１は、複数の光学素子１０が受光した領域毎の第２の反射光と、分岐部３が分岐した参照光とを干渉させることにより領域毎の第２の干渉光を生成する。光路長算出部１５は、光干渉部１１が生成した領域毎の第２の干渉光に基づいて、各領域の第２の光路長を算出する。

また、距離算出部１６は、光路長算出部１５が算出した各領域の第２の光路長に基づいて、各領域の屈折率を算出し、当該各領域の屈折率に基づいて距離測定空間１０８の平均屈折率を算出し、当該平均屈折率と、光路長算出部１５が算出した第１の光路長とに基づいて、第１の光学系６の出射面から測定対象物１０７の反射面までの距離を算出する。

以下で、当該第２の具体例における距離算出部１６による距離算出方法について、より詳細に説明する。当該方法では、各領域の屈折率を、ｎ_１、ｎ_２、ｎ_３・・・ｎ_ｍとし、各領域のＺ軸方向の長さを、Ｌ_ｚ１、Ｌ_ｚ２、Ｌ_ｚ３・・・Ｌ_ｚｍとし、各領域のＸ軸方向の長さを、Ｌ_ｘ１、Ｌ_ｘ２、Ｌ_ｘ３・・・Ｌ_ｘｍとする。なお、ここにおける各領域のＸ軸方向の長さは、各光学素子１０の出射面から反射部８の反射面までの距離である。また、ここにおける「長さ」は、光路長ではなく、実際の距離である。これらの値は、加工部１０３による測定対象物１０７の加工前に予め測定される。

より詳細には、まず、図５が示すように、複数の光学素子１０が、第１の光学系６の光軸に平行な軸に沿って並ぶように、複数の光学素子１０は、設置され、反射部８の反射面が複数の光学素子１０の各光軸に垂直になるように、反射部８は、設置される。次に、距離測定空間１０８における屈折率が均一である状態において、光距離測定装置１０１は、上述の方法と同様の方法により、複数の光学素子１０の各出射面から反射部８の反射面までの距離である各領域のＸ軸方向の長さと、第１の光学系６の出射面から測定対象物１０７の照射面までの距離と、を算出する。

より詳細には、当該処理では、距離測定空間１０８における均一の屈折率は、既知であり、光距離測定装置１０１の距離算出部１６は、当該屈折率と、光路長算出部１５が測定した第１の光路長とに基づいて、第１の光学系６の出射面から測定対象物１０７の反射面までの距離を算出する。また、距離算出部１６は、当該屈折率と、光路長算出部１５が測定した第２の光路長とに基づいて、複数の光学素子１０の各出射面から反射部８の反射面までの距離である各領域のＸ軸方向の長さを算出する。また、光距離測定装置１０１は、算出した、第１の光学系６の出射面から測定対象物１０７の照射面までの距離に基づいて、各領域のＺ軸方向の長さを算出する。つまり、加工部１０３による測定対象物１０７の加工前に、光距離測定装置１０１によって、上述のＬ_ｘ１、Ｌ_ｘ２、Ｌ_ｘ３・・・Ｌ_ｘｍとＬ_ｚ１、Ｌ_ｚ２、Ｌ_ｚ３・・・Ｌ_ｚｍとを測定する。なお、複数の光学素子１０の各出射面から反射部８の反射面までの距離である各領域のＸ軸方向の長さは、基本的に変化しないため、予め別の方法で算出又は測定されてもよい。

上記のように校正のためのデータが測定された上で、加工部１０３による測定対象物１０７の加工が開始される。上述の通り、加工部１０３による測定対象物１０７の加工中では、距離測定空間１０８において、Ｚ軸方向に沿って屈折率が異なる屈折率分布が生じる。距離測定空間において、このような屈折率分布が生じた場合、光距離測定装置１０１による距離の測定精度は低下してしまう。そこで、以下で説明するような方法によって、光距離測定装置１０１は、加工部１０３による測定対象物１０７の加工中における、第１の光学系６の出射面から測定対象物１０７の反射面までの距離を算出する。

上述のように、光路長は、屈折率と距離との積に等しいため、光路長算出部１５が算出する第２の光路長は、１以上、ｍ以下の整数ｉを用いて下記の式（１）のように示される。

式（１）において、Ｌ_{ｍｅａｓｕｒｅ，ｘｉ}は、光路長算出部１５が算出した、各領域のＸ軸方向の光路長を示す。Ｌ_ｘｉは、上述の通り予め測定された、各領域のＸ軸方向の長さである。式（１）より、各領域の屈折率は、下記の式（２）のように表される。

式（２）が示すように、距離算出部１６は、加工部１０３による測定対象物１０７の加工前に予め測定されたＬ_ｘｉと、加工部１０３による測定対象物１０７の加工中に光路長算出部１５が算出した第２の光路長Ｌ_{ｍｅａｓｕｒｅ，ｘｉ}との比率から各領域の屈折率を算出する。また、各領域のＺ軸方向の長さの合計は、下記の式（３）のように示される。

式（３）において、Ｌ_ｚｉは、上述の通り予め測定された各領域のＺ軸方向の長さを示し、Ｌ_ｚ０は、当該Ｌ_ｚｉから算出された、第１の光学系６の出射面から測定対象物１０７の反射面までの距離を示す。距離測定空間１０８の平均屈折率ｎ_ａｖｅを、式（２）の各領域の屈折率ｎ_ｉを当該各領域のＺ軸方向の長さＬ_ｚｉにより重みづけた加重平均として定義すると、下記の式（４）が成り立つ。

上記の式（４）が示すように、距離算出部１６は、算出した各領域の屈折率ｎ_ｉと、上述の通り予め測定されたＬ_ｚｉとに基づいて、距離測定空間１０８の平均屈折率ｎ_ａｖｅを算出する。

また、下記の式（５）が示すように、各領域のＺ軸方向の光路長の合計、つまり第１の光学系６の出射面から測定対象物１０７の反射面までの第１の光路長Ｌ_{ｍｅａｓｕｒｅ，ｚ}は、距離測定空間１０８の平均屈折率ｎ_ａｖｅと、第１の光学系６の出射面から測定対象物１０７の反射面までの距離Ｌ_Ｚとの積と等しい。

式（５）を変形すると、下記の式（６）のように示される。

上記の式（６）が示すように、距離算出部１６は、算出した平均屈折率ｎ_ａｖｅと、光路長算出部１５が算出した第１の光路長Ｌ_{ｍｅａｓｕｒｅ，ｚ}とに基づいて、加工部１０３による測定対象物１０７の加工中における、第１の光学系６の出射面から測定対象物１０７の反射面までの距離Ｌ_Ｚを算出する。

また、上記の第２の具体例において、距離測定空間１０８における屈折率分布が、Ｚ軸方向の位置に応じて連続的に変化していると予想される場合、距離算出部１６は、各領域の屈折率をフィッティングパラメータとして用いることにより、Ｚ軸方向の位置に応じて連続的に変化する屈折率の関数をフィッティングにより導いてもよい。その場合、距離算出部１６は、距離測定空間１０８の平均屈折率を、式（４）のような単純な加重平均によってではなく、当該関数を積分することによって算出してもよい。

なお、一般的に、光を用いた距離測定では、距離測定を開始してから完了するまでの間に、距離測定空間１０８における屈折率が、温度の変化、又は空気以外の物質の濃度の変化によって変化する度合いは、非常に小さい。

より詳細には、一般的に、波長掃引光を出射する光源は、掃引速度がｋＨｚオーダー以上のものが広く用いられている。光距離測定装置１０１の波長掃引光出力部１０４にこのような光源が用いられた場合、光距離測定装置１０１は、１秒間に１０００回の距離測定を行うことができる。光距離測定装置１０１が１回の距離測定に要する０．００１秒の間に、距離測定空間１０８において温度の変化、又は対流による屈折率が変化する度合いは、非常に小さい。

そのため、光距離測定装置１０１は、波長掃引光出力部１０４、複数の光学素子１０及び反射部８等の光学部材による光を用いた距離測定を行うことにより、距離測定空間１０８の変化する屈折率を逐一測定することができる。よって、光距離測定装置１０１は、当該屈折率に基づいて、第１の光学系６の出射面から測定対象物１０７の反射面までの距離を逐一測定することができる。

以下で、距離測定空間１０８における屈折率変化のシミュレーション結果について説明する。当該シミュレーションでは、測定対象物１０７の反射面が油膜層によって覆われており、距離測定空間１０８は、当該油膜層と、当該油膜層の第１の光学系６側の表面から第１の光学系６の出射面までの空気層とから構成されているものとする。

第１の光学系６の光軸に沿った方向の当該空気層の厚さは、０．８ｍとし、第１の光学系６の光軸に沿った方向の当該油膜層の厚さは、０．００１ｍとする。また、空気層の屈折率の温度依存性を３．７×１０＾−６とし、油膜層の屈折率の温度依存性を３．３×１０＾−４とする。

光距離測定装置１０１がキロワットクラスの高出力加工レーザを出力する場合、迷光によって加工ヘッド部１１０全体が温度上昇する。そこで、加工部１０３による測定対象物１０７の加工中において、空気層の温度は、第１の光学系６側の厚さ０．４ｍの層の温度が８０度であり、測定対象物１０７側の厚さ０．４ｍの層の温度が４０℃であると仮定し、油膜層の温度は４０℃であると仮定する。その場合において測定される、第１の光学系６の出射面から測定対象物１０７の反射面までの光路長と、距離測定空間１０８の温度が常温２５℃である場合において測定される、第１の光学系６の出射面から測定対象物１０７の反射面までの光路長との差は、１０８．１ｕｍであると想定される。光距離測定装置１０１は、上述の方法により、この差分を補正することが可能であり、これにより、加工部１０３による測定対象物１０７の加工中における、第１の光学系６の出射面から測定対象物１０７の反射面までの距離を正確に測定することができる。

なお、上記のシミュレーションにおける空気の屈折率の温度依存性の値として、Ｃｉｄｄｏｒの式を用いた。また、上記のシミュレーションにおける油膜の屈折率の温度依存性の値として、トルエンの物性値を用いた。一般的に、トルエンそのものは、加工油として用いられることはないが、物性値の例が豊富に蓄積されているため用いた。

次に、実施の形態１に係る光距離測定装置１０１の変形例について説明する。光干渉部１１における、第１の反射光に基づいた第１の干渉光と、第２の反射光に基づいた第２の干渉光とは、光路長算出部１５が各干渉光の中心周波数を検出できる程度に十分に分離される必要がある。

そこで、例えば、光干渉部１１に入射する第１の反射光と第２の反射光とを、カプラを用いて分岐する方法が考えられる。当該方法では、光干渉部１１が、第１の反射光と第２の反射光とが干渉しない程度に十分に離れた位置において、第１の反射光と参照光との干渉、及び第２の反射光と参照光との干渉を同時に行えるように、第１の反射光の光路の長さと、第２の反射光の光路の長さとを調整する必要がある。しかし、当該方法では、第１の反射光の光路の長さを調整した分、第１の反射光の光路が長くなることにより、光距離測定装置１０１が測定可能な距離の範囲が狭くなる可能性がある。

そこで、当該変形例では、光距離測定装置１０１は、測定光分岐部５として、測定光の光路を高速にスイッチングできる光スイッチを備える。当該光スイッチは、測定光の光路を、当該光スイッチから第１の光学系６までの光路にスイッチングすることにより第１の測定光を第１の光学系６に導くか、又は、測定光の光路を、当該光スイッチから第２の光学系７までの光路にスイッチングすることにより第２の測定光を第２の光学系７に導く。なお、当該光スイッチは、波長掃引光出力部１０４が出射する掃引光の掃引周波数よりも少ない頻度でスイッチングを行う。

これにより、第１の反射光と第２の反射光とは、空間的ではなく時間的に分離され、光干渉部１１は、第１の反射光と参照光との干渉、及び第２の反射光と参照光との干渉をそれぞれ異なる時間に行うことができ、第１の干渉光と第２の干渉光とが時間的に分離される。よって、光路長算出部１５は、各干渉光の中心周波数を正確に検出できる。従って、距離算出部１６は、第１の光学系６の出射面から測定対象物１０７の反射面までの距離を正確に測定できる。

図６Ａは、光距離測定装置１０１が、測定光分岐部５として、空間的に測定光を第１の測定光と第２の測定光とに分岐する光学素子を備えた場合の、光干渉部１１における第１の干渉光の周波数スペクトルと第２の干渉光の周波数スペクトルとを示すグラフである。図６Ａにおいて、縦軸は、強度を示し、横軸は、周波数を示す。なお、図６Ａでは、第２の光学系７を構成する複数の光学素子１０のうちの２つの光学素子１０に対応して、第２の干渉光の周波数スペクトルが２つ示されている。

第１の干渉光の周波数スペクトルＰと、第２の干渉光の周波数スペクトルＱと、第２の干渉光の周波数スペクトルＲとは、光路長算出部１５が各干渉光の中心周波数を検出できる程度に十分に離れている必要がある。

図６Ｂは、光距離測定装置１０１が、測定光分岐部５として、時間的に測定光を第１の測定光と第２の測定光とに分岐する光スイッチを備えた場合の、光干渉部１１における第１の干渉光の周波数スペクトルと第２の干渉光の周波数スペクトルとを示すグラフである。図６Ｂにおいて、各グラフの縦軸は、強度を示し、各グラフの横軸は、周波数を示す。

図６Ｂの左のグラフは、光スイッチが、測定光の光路を、当該光スイッチから第１の光学系６までの光路にスイッチングすることにより第１の測定光を第１の光学系６に導いた場合の、光干渉部１１における第１の干渉光の周波数スペクトルを示す。

図６Ｂの真ん中のグラフは、光スイッチが、測定光の光路を、当該光スイッチから複数の光学素子１０のうちの第１の光学素子までの光路にスイッチングすることにより第２の測定光を当該第１の光学素子に導いた場合の、光干渉部１１における第２の干渉光の周波数スペクトルを示す。

図６Ｂの右のグラフは、光スイッチが、測定光の光路を、当該光スイッチから複数の光学素子１０のうちの第２の光学素子までの光路にスイッチングすることにより第２の測定光を当該第２の光学素子に導いた場合の、光干渉部１１における第２の干渉光の周波数スペクトルを示す。

図６Ｂが示すように、第１の干渉光と第２の干渉光とは、時間的に分離される。よって、光路長算出部１５は、各干渉光の中心周波数を正確に検出でき、距離算出部１６は、第１の光学系６の出射面から測定対象物１０７の反射面までの距離を正確に測定できる。

以上のように、実施の形態１に係る光距離測定装置１０１は、レーザ光を測定光と参照光とに分岐する分岐部３と、分岐部３が分岐した測定光を第１の測定光と第２の測定光とに分岐する測定光分岐部５と、測定光分岐部５が分岐した第１の測定光を測定対象物に照射し、当該測定対象物において反射された第１の反射光を受光する第１の光学系６と、測定光分岐部５が分岐した第２の測定光を、第１の光学系６と測定対象物１０７との間の距離測定空間１０８に向けて出射する第２の光学系７と、第２の光学系７が出射し、距離測定空間１０８を通過した第２の測定光を、第２の光学系７に向けて反射する反射部８と、第１の光学系６が受光した第１の反射光と、分岐部３が分岐した参照光とに基づいて、第１の光学系６の出射面から測定対象物１０７の反射面までの第１の光路長を算出し、反射部８によって反射され、第２の光学系７が受光した第２の反射光と、分岐部３が分岐した参照光とに基づいて、第２の光学系７の出射面から反射部８の反射面までの第２の光路長を算出する光路長算出部１５と、光路長算出部１５が測定した第２の光路長に基づいて、距離測定空間１０８の屈折率を算出し、当該屈折率と、光路長算出部１５が測定した第１の光路長とに基づいて、第１の光学系６の出射面から測定対象物１０７の反射面までの距離を算出する距離算出部１６と、を備えている。

上記の構成によれば、第２の光学系７の出射面から反射部８の反射面までの第２の光路長に基づいて距離測定空間１０８の屈折率を算出し、当該屈折率と、第１の光学系６の出射面から測定対象物１０７の反射面までの第１の光路長とに基づいて、第１の光学系６の出射面から測定対象物１０７の反射面までの距離を算出する。これにより、距離測定空間１０８の屈折率が変化する場合に、測定した距離測定空間１０８の屈折率に基づいて、第１の光学系６の出射面から測定対象物１０７の反射面までの距離を算出することができる。よって、距離測定空間１０８の屈折率が変化することによって距離の測定精度が低下してしまうことを抑制することができる。

また、実施の形態１に係る光距離測定装置１０１は、第１の光学系６が受光した第１の反射光と、分岐部３が分岐した参照光とを干渉させることにより第１の干渉光を生成し、第２の測定光が反射部８において反射され、第２の光学系７が受光した第２の反射光と、分岐部３が分岐した参照光とを干渉させることにより第２の干渉光を生成する光干渉部１１をさらに備え、光路長算出部１５は、光干渉部１１が生成した第１の干渉光に基づいて、第１の光学系６の出射面から測定対象物１０７の反射面までの第１の光路長を算出し、光干渉部１１が生成した第２の干渉光に基づいて、第２の光学系７の出射面から反射部８の反射面までの第２の光路長を算出する。

上記の構成によれば、第１の反射光と参照光との第１の干渉光に基づいて、第１の光路長を好適に算出することができ、第２の反射光と参照光との第２の干渉光に基づいて、第２の光路長を好適に算出することができる。よって、第１の光学系６の出射面から測定対象物１０７の反射面までの距離を好適に算出することができ、距離測定空間１０８の屈折率が変化することによって距離の測定精度が低下してしまうことを抑制することができる。

また、実施の形態１に係る光距離測定装置１０１は、距離測定空間１０８は、第１の光学系６の光軸に沿って並んだ複数の領域から構成され、第２の光学系７は、それぞれ出射する第２の測定光の光軸が複数の領域のうちの対応する領域を通るように設置された複数の光学素子１０から構成され、複数の光学素子１０は、それぞれ、第２の測定光を、複数の領域のうちの対応する領域に向けて出射し、反射部によって反射された第２の反射光を受光し、光干渉部１１は、複数の光学素子１０が受光した領域毎の第２の反射光と、参照光とを干渉させることにより領域毎の第２の干渉光を生成し、光路長算出部１５は、光干渉部１１が生成した領域毎の第２の干渉光に基づいて、各領域の第２の光路長を算出し、距離算出部１６は、光路長算出部１５が算出した各領域の第２の光路長に基づいて、各領域の屈折率を算出し、当該各領域の屈折率に基づいて距離測定空間１０８の平均屈折率を算出し、当該平均屈折率と第１の光路長とに基づいて第１の光学系６の出射面から測定対象物１０７の反射面までの距離を算出する。

上記の構成によれば、各領域の第２の光路長を算出する。そして、各領域の第２の光路長に基づいて、各領域の屈折率を算出し、当該各領域の屈折率と、第１の光学系６の出射面から測定対象物１０７の反射面までの第１の光路長とに基づいて、第１の光学系６の出射面から測定対象物１０７の反射面までの距離を算出する。これにより、距離測定空間１０８の屈折率が変化し、距離測定空間１０８において屈折率分布が生じる場合、測定した距離測定空間１０８における各領域の屈折率に基づいて、第１の光学系６の出射面から測定対象物１０７の反射面までの距離を算出することができる。よって、距離測定空間１０８の屈折率が変化し、距離測定空間において屈折率分布が生じることによって距離の測定精度が低下してしまうことを抑制することができる。

また、実施の形態１に係る光距離測定装置１０１は、レーザ光は、波長掃引された掃引光であり、光干渉部１１は、第１の反射光と参照光とを干渉させることにより第１の干渉光として第１の差周波を生成し、第２の反射光と参照光とを干渉させることにより第２の干渉光として第２の差周波を生成し、光路長算出部１５は、光干渉部１１が生成した第１の差周波に基づいて、第１の光路長を算出し、光干渉部１１が生成した第２の差周波に基づいて、第２の光路長を算出する。

上記の構成によれば、第１の反射光と参照光との第１の干渉光である第１の差周波に基づいて、第１の光路長を好適に算出することができ、第２の反射光と参照光との第２の干渉光である第２の差周波に基づいて、第２の光路長を好適に算出することができる。よって、第１の光学系６の出射面から測定対象物１０７の反射面までの距離を好適に算出することができ、距離測定空間１０８の屈折率が変化することによって距離の測定精度が低下してしまうことを抑制することができる。

また、実施の形態１に係る加工装置１００は、光距離測定装置１０１と、測定対象物１０７を加工する加工部１０３と、光距離測定装置１０１が測定した距離に基づいて、加工部１０３が測定対象物１０７を加工するように加工部１０３を制御する加工制御部１０２と、を備えている。

上記の構成によれば、距離測定空間１０８の屈折率が変化した場合でも、測定した距離測定空間１０８の屈折率に基づいて、第１の光学系６の出射面から測定対象物１０７の反射面までの距離を算出し、当該距離に基づいて測定対象物１０７を加工することができる。よって、距離測定空間１０８の屈折率が変化することによって距離の測定精度が低下してしまうことを抑制することができ、測定対象物１０７の加工精度を向上することができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、測定光及び参照光の光源として、掃引光を出力する波長掃引光出力部１０４を用いる構成を説明した。実施の形態２では、測定光及び参照光の光源として、白色光を出力する白色レーザ光源を用いる構成を説明する。
以下で、実施の形態２について図面を参照して説明する。なお、実施の形態１で説明した構成と同様の機能を有する構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。図７は、実施の形態２に係る光距離測定装置１２１を備えている加工装置１２０の構成を示す図である。図７が示すように、実施の形態１に係る光距離測定装置１０１と比較して、光距離測定装置１２１は、波長掃引光出力部１０４の代わりに、白色レーザ光源２０を備え、信号処理部１２２が分光部２１をさらに備えている。

白色レーザ光源２０は、連続波のレーザ光を出射する。例えば、白色レーザ光源２０は、ＡＳＥ（ＡｍｐｌｉｆｉｅｄＳｐｏｎｔａｎｅｏｕｓＥｍｉｓｓｉｏｎ）光源等である。
なお、実施の形態２では、光距離測定装置１２１が白色レーザ光源２０を備えている構成について説明するが、光距離測定装置１２１は、白色レーザ光源２０を備えていなくてもよい。その場合、光距離測定装置１２１は、白色レーザ光源２０を備える外部のレーザ光発生装置が出射したレーザ光を用いてもよい。

実施の形態２では、分岐部３は、白色レーザ光源２０が出射したレーザ光を測定光と参照光とに分岐する。つまり、当該測定光及び当該参照光と、測定光分岐部５が当該測定光を分岐することにより生成する第１の測定光及び第２の測定光と、第１の光学系６が測定対象物１０７に照射し、測定対象物１０７において反射された第１の反射光と、第２の光学系７が反射部８に向けて出射し、反射部８において反射された第２の反射光とは、それぞれ、連続波のレーザ光である。

よって、実施の形態２では、光干渉部１１は、連続波の第１の反射光と、連続波の参照光とを干渉させることにより第１の干渉光を生成する。また、光干渉部１１は、連続波の第２の反射光と、連続波の参照光とを干渉させることにより第２の干渉光を生成する。

分光部２１は、光干渉部１１が生成した第１の干渉光を分光する。分光部２１が分光した第１の干渉光は、周波数毎に空間的に分離している。また、分光部２１は、光干渉部１１が生成した第２の干渉光を分光する。分光部２１が分光した第２の干渉光は、周波数毎に空間的に分離している。分光部２１は、例えば、回折格子等である。

より詳細には、実施の形態２では、光電変換部１２は、図示しない複数の光電素子を有する。当該複数の光電素子は、それぞれ、分光部２１が分光した第１の干渉光を光電変換することにより、各光電素子の配置が対応付けられた第１の干渉光の強度を示す第１のアナログ信号を生成する。より詳細には、光電変換部１２は、例えば、ＣＣＤのようにアレイ状に並べられた複数の光電素子を有する。当該複数の光電素子は、各配置が、受光する光の周波数に対応している。当該複数の光電素子は、空間的に周波数毎に分離した第１の干渉光を光電変換することにより、各光電素子の配置が対応付けられた第１の干渉光の強度を示す第１のアナログ信号を生成する。

また、実施の形態２では、光電変換部１２における上述の複数の光電素子は、それぞれ、分光部２１が分光した第２の干渉光を光電変換することにより、各光電素子の配置が対応付けられた第２の干渉光の強度を示す第２のアナログ信号を生成する。より詳細には、当該複数の光電素子は、空間的に周波数毎に分離した第２の干渉光を光電変換することにより、各光電素子の配置が対応付けられた第２の干渉光の強度を示す第２のアナログ信号を生成する。

実施の形態２では、デジタル変換部１３は、光電変換部１２が生成した第１のアナログ信号をＡ／Ｄ変換することにより、各光電素子の配置が対応付けられた第１の干渉光の強度を示す第１のデジタル信号を生成する。また、デジタル変換部１３は、光電変換部１２が生成した第２のアナログ信号をＡ／Ｄ変換することにより、各光電素子の配置が対応付けられた第２の干渉光の強度を示す第２のデジタル信号を生成する。

実施の形態２では、強度測定部１４は、図示しない記憶部から、光電変換部１２における各光電素子の配置と各光電素子が受光する光の周波数との対応を示す情報を取得する。強度測定部１４は、当該情報と、デジタル変換部１３が生成した第１のデジタル信号とに基づいて、第１の干渉光の周波数毎の強度を測定する。また、実施の形態２では、強度測定部１４は、光電変換部１２における各光電素子の配置と各光電素子が受光する光の周波数との対応を示す情報、及び、デジタル変換部１３が生成した第２のデジタル信号とに基づいて、第２の干渉光の周波数毎の強度を測定する。

実施の形態２では、光路長算出部１５は、分光部２１が分光した第１の干渉光に基づいて、第１の光学系６の出射面から測定対象物１０７の反射面までの第１の光路長を算出する。また、実施の形態２では、光路長算出部１５は、分光部２１が分光した第２の干渉光に基づいて、第２の光学系７の出射面から反射部８の反射面までの第２の光路長を算出する。より詳細には、実施の形態２では、光路長算出部１５は、強度測定部１４が測定した第１の干渉光の周波数毎の強度に基づいて、第１の光学系６の出射面から測定対象物１０７の反射面までの第１の光路長を算出する。また、光路長算出部１５は、強度測定部１４が測定した第２の干渉光の周波数毎の強度に基づいて、第２の光学系７の出射面から反射部８の反射面までの第２の光路長を算出する。

なお、図は省略するが、実施の形態２に係る光距離測定装置１２１の解析部１０９による距離測定方法は、実施の形態１に係る光距離測定装置１０１の解析部１０９による距離測定方法と比較して、以下の点が異なる。まず、実施の形態２では、上述のステップＳＴ１において、強度測定部１４は、光電変換部１２における各光電素子の配置と各光電素子が受光する光の周波数との対応を示す情報と、デジタル変換部１３が生成した第１のデジタル信号とに基づいて、第１の干渉光の周波数毎の強度を測定する。

また、実施の形態２では、上述のステップＳＴ１において、強度測定部１４は、光電変換部１２における各光電素子の配置と各光電素子が受光する光の周波数との対応を示す情報と、デジタル変換部１３が生成した第２のデジタル信号とに基づいて、第２の干渉光の周波数毎の強度を測定する。

次に、上述のステップＳＴ２において、光路長算出部１５は、強度測定部１４が測定した第１の干渉光の周波数毎の強度に基づいて、第１の光学系６の出射面から測定対象物１０７の反射面までの第１の光路長を算出し、強度測定部１４が測定した第２の干渉光の周波数毎の強度に基づいて、第２の光学系７の出射面から反射部８の反射面までの第２の光路長を算出する。

より詳細には、実施の形態２では、上述のステップＳＴ２において、光路長算出部１５は、周知技術であるスペクトルドメイン方式の光干渉断層計に用いられる方法と同様の方法により、強度測定部１４が測定した第１の干渉光の周波数毎の強度に基づいて、第１の光学系６の出射面から測定対象物１０７の反射面までの第１の光路長を算出する。

また、実施の形態２では、上述のステップＳＴ２において、光路長算出部１５は、周知技術であるスペクトルドメイン方式による光干渉断層計に用いられる方法と同様の方法により、強度測定部１４が測定した第２の干渉光の周波数毎の強度に基づいて、第２の光学系７の出射面から反射部８の反射面までの第２の光路長を算出する。なお、スペクトルドメイン方式の光干渉断層計による光路長測定方法は公知であるため、説明を省略する。

次に、距離算出部１６は、上述のステップＳＴ３において、光路長算出部１５が測定した第２の光路長に基づいて、距離測定空間１０８の屈折率を算出する。次に、上述のステップＳＴ４において、距離算出部１６は、ステップＳＴ３で算出した屈折率と、光路長算出部１５が測定した第１の光路長とに基づいて、第１の光学系６の出射面から測定対象物１０７の反射面までの距離を算出する。

なお、実施の形態２に係る光距離測定装置１２１の解析部１０９における、強度測定部１４、光路長算出部１５及び距離算出部１６のそれぞれの機能は、処理回路により実現される。すなわち、実施の形態２に係る光距離測定装置１２１の解析部１０９は、上記で説明した各ステップの処理を実行するための処理回路を備える。この処理回路は、専用のハードウェアであってもよいが、メモリに記憶されたプログラムを実行するＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）であってもよい。実施の形態２に係る光距離測定装置１２１の解析部１０９の機能を実現するハードウェア構成は、図３Ａが示すハードウェア構成と同様である。また、実施の形態２に係る光距離測定装置１２１の解析部１０９の機能を実現するソフトウェアを実行するハードウェア構成は、図３Ｂが示すハードウェア構成と同様である。

以上のように、実施の形態２に係る光距離測定装置１２１は、レーザ光は、白色レーザ光であり、光干渉部１１が生成した第１の干渉光を分光し、光干渉部１１が生成した第２の干渉光を分光する分光部２１をさらに備え、光路長算出部１５は、分光部２１が分光した第１の干渉光に基づいて、第１の光学系６の出射面から測定対象物１０７の反射面までの第１の光路長を算出し、分光部２１が分光した第２の干渉光に基づいて、第２の光学系７の出射面から反射部８の反射面までの第２の光路長を算出する。

上記の構成によれば、分光された第１の干渉光に基づいて、第１の光路長を好適に算出することができ、分光された第２の干渉光に基づいて、第２の光路長を好適に算出することができる。よって、第１の光学系６の出射面から測定対象物１０７の反射面までの距離を好適に算出することができ、距離測定空間１０８の屈折率が変化することによって距離の測定精度が低下してしまうことを抑制することができる。
なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

この発明に係る光距離測定装置は、距離測定空間の屈折率が変化することによって距離の測定精度が低下してしまうことを抑制することができるため、測定対象物を加工する加工装置に利用可能である。

１レーザ光源、２掃引部、３分岐部、４光サーキュレータ、５測定光分岐部、６第１の光学系、７第２の光学系、８反射部、９遅延調整部、１０光学素子、１１光干渉部、１２光電変換部、１３デジタル変換部、１４強度測定部、１５光路長算出部、１６距離算出部、２０白色レーザ光源、２１分光部、１００加工装置、１０１光距離測定装置、１０２加工制御部、１０３加工部、１０４波長掃引光出力部、１０５光送信部、１０６信号処理部、１０７測定対象物、１０８距離測定空間、１０９解析部、１１０加工ヘッド部、１１１処理回路、１１２プロセッサ、１１３メモリ、１２０加工装置、１２１光距離測定装置、１２２信号処理部。

Claims

レーザ光を測定光と参照光とに分岐する分岐部と、
前記分岐部が分岐した測定光を第１の測定光と第２の測定光とに分岐する測定光分岐部と、
前記測定光分岐部が分岐した第１の測定光を測定対象物に照射し、当該測定対象物において反射された第１の反射光を受光する第１の光学系と、
前記測定光分岐部が分岐した第２の測定光を、前記第１の光学系と前記測定対象物との間の空間に向けて出射する第２の光学系と、
前記第２の光学系が出射し、前記空間を通過した第２の測定光を、前記第２の光学系に向けて反射する反射部と、
前記第１の光学系が受光した第１の反射光と、前記分岐部が分岐した参照光とに基づいて、前記第１の光学系の出射面から前記測定対象物の反射面までの第１の光路長を算出し、前記反射部によって反射され、前記第２の光学系が受光した第２の反射光と、前記分岐部が分岐した参照光とに基づいて、前記第２の光学系の出射面から前記反射部の反射面までの第２の光路長を算出する光路長算出部と、
前記光路長算出部が測定した第２の光路長に基づいて、前記空間の屈折率を算出し、当該屈折率と、前記光路長算出部が測定した第１の光路長とに基づいて、前記第１の光学系の出射面から前記測定対象物の反射面までの距離を算出する距離算出部と、を備えていることを特徴とする、光距離測定装置。
前記第１の光学系が受光した第１の反射光と、前記分岐部が分岐した参照光とを干渉させることにより第１の干渉光を生成し、前記第２の測定光が前記反射部において反射され、前記第２の光学系が受光した第２の反射光と、前記分岐部が分岐した参照光とを干渉させることにより第２の干渉光を生成する光干渉部をさらに備え、
前記光路長算出部は、前記光干渉部が生成した第１の干渉光に基づいて、前記第１の光路長を算出し、前記光干渉部が生成した第２の干渉光に基づいて、前記第２の光路長を算出することを特徴とする、請求項１に記載の光距離測定装置。
前記空間は、前記第１の光学系の光軸に沿って並んだ複数の領域から構成され、
前記第２の光学系は、それぞれ出射する第２の測定光の光軸が前記複数の領域のうちの対応する領域を通るように設置された複数の光学素子から構成され、
前記複数の光学素子は、それぞれ、前記第２の測定光を、前記複数の領域のうちの対応する領域に向けて出射し、前記反射部によって反射された第２の反射光を受光し、
前記光干渉部は、前記複数の光学素子が受光した領域毎の第２の反射光と、前記参照光とを干渉させることにより領域毎の第２の干渉光を生成し、
前記光路長算出部は、前記光干渉部が生成した領域毎の第２の干渉光に基づいて、各領域の第２の光路長を算出し、
前記距離算出部は、前記光路長算出部が算出した各領域の第２の光路長に基づいて、各領域の屈折率を算出し、当該各領域の屈折率に基づいて前記空間の平均屈折率を算出し、当該平均屈折率と前記第１の光路長とに基づいて前記距離を算出することを特徴とする、請求項２に記載の光距離測定装置。
前記レーザ光は、波長掃引された掃引光であり、
前記光干渉部は、前記第１の反射光と前記参照光とを干渉させることにより前記第１の干渉光として第１の差周波を生成し、前記第２の反射光と前記参照光とを干渉させることにより前記第２の干渉光として第２の差周波を生成し、
前記光路長算出部は、前記光干渉部が生成した第１の差周波に基づいて、前記第１の光路長を算出し、前記光干渉部が生成した第２の差周波に基づいて、前記第２の光路長を算出することを特徴とする、請求項２に記載の光距離測定装置。
前記レーザ光は、白色レーザ光であり、
前記光干渉部が生成した第１の干渉光を分光し、前記光干渉部が生成した第２の干渉光を分光する分光部をさらに備え、
前記光路長算出部は、前記分光部が分光した第１の干渉光に基づいて、前記第１の光路長を算出し、前記分光部が分光した第２の干渉光に基づいて、前記第２の光路長を算出することを特徴とする、請求項２に記載の光距離測定装置。
請求項１から請求項５の何れか１項に記載の光距離測定装置と、
前記測定対象物を加工する加工部と、
前記光距離測定装置が測定した距離に基づいて、前記加工部が前記測定対象物を加工するように前記加工部を制御する加工制御部と、を備えていることを特徴とする、加工装置。