KR20220046710A - 광거리 측정 장치, 및 가공 장치 - Google Patents

광거리 측정 장치, 및 가공 장치 Download PDF

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Abstract

광거리 측정 장치(101)는 제 1 광학계(6)가 수광한 제 1 반사광과, 분기부(3)가 분기한 참조광에 근거하여, 제 1 광학계의 출사면으로부터 측정 대상물(107)의 반사면까지의 제 1 광로 길이를 산출하고, 반사부(8)에 의해 반사되고, 제 2 광학계(7)가 수광한 제 2 반사광과, 분기부(3)가 분기한 참조광에 근거하여, 제 2 광학계(7)의 출사면으로부터 반사부(8)의 반사면까지의 제 2 광로 길이를 산출하는 광로 길이 산출부(15)와, 광로 길이 산출부(15)가 측정한 제 2 광로 길이에 근거하여, 공간(108)의 굴절률을 산출하고, 상기 굴절률과, 광로 길이 산출부(15)가 측정한 제 1 광로 길이에 근거하여, 제 1 광학계(6)의 출사면으로부터 측정 대상물(107)의 반사면까지의 거리를 산출하는 거리 산출부(16)를 구비하고 있다.

Description

광거리 측정 장치, 및 가공 장치
본 발명은 주로 광거리 측정 장치에 관한 것이다.
종래, 광원이 출사한 광을 이용하여, 상기 광의 광로에 있어서의 소정의 위치로부터 측정 대상물의 위치까지의 거리를 측정하는 광거리 측정 장치가 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조). 상기 거리를 측정하기 위해서 광거리 측정 장치가 이용하는 방식은, 예를 들면 펄스 전파 방식, 삼각 측거 방식, 공초점 방식, 백색 간섭 방식 또는 파장 주사 간섭 방식 등의 방식이다. 이들 방식 중, 백색 간섭 방식, 및 파장 주사 간섭 방식 등의 방식은, 광의 간섭 현상을 이용하는 간섭 방식이다.
간섭 방식은 광원이 출사한 광을 측정광과 참조광으로 분기하고, 측정광이 측정 대상물에서, 반사된 광인 반사광과, 참조광을 간섭시키는 것에 의해 간섭광을 생성하고, 상기 간섭광에 근거하여, 측정광의 광로에 있어서의 소정의 위치로부터 측정 대상물의 위치까지의 광로 길이를 산출하는 방식이다.
예를 들면, 스펙트럼 도메인 방식 등의 백색 간섭 방식에서는, 광대역의 광을 출사하는 광원이 이용된다. 백색 간섭 방식의 광거리 측정 장치는, 간섭광을 분광기에 의해 분광하는 것에 의해 공간적으로 주파수마다 분리한 간섭광을 생성하고, 상기 간섭광에 근거하여, 측정광의 광로에 있어서의 소정의 위치로부터 측정 대상물의 위치까지의 광로 길이를 산출한다.
또한, 예를 들면 파장 주사 간섭 방식에서는, 시간의 경과에 따라서 파장이 변화하는 파장 스위프 광이 이용된다. 파장 주사 간섭 방식의 광거리 측정 장치는, 파장 스위프 광의 반사광과 파장 스위프 광의 참조광을 간섭시키는 것에 의해 생성한 간섭광에 근거하여, 측정광의 광로에 있어서의 소정의 위치로부터 측정 대상물의 위치까지의 광로 길이를 산출한다.
광로 길이는 굴절률과 실제의 거리의 곱과 동일하다. 그 때문에, 상기와 같은 광거리 측정 장치가 산출한 광로 길이는, 측정광의 광로에 있어서의 소정의 위치로부터 측정 대상물의 위치까지 측정광이 통과하는 물질의 굴절률에 근거하여, 측정광의 광로에 있어서의 소정의 위치로부터 측정 대상물의 위치까지의 거리로 환산될 필요가 있다.
일본 특허 공개 제 2012-2604 호 공보
그러나, 측정광을 측정 대상물에 조사하는 광학 소자로부터 상기 측정광을 반사하는 측정 대상물까지의 사이의 공간의 굴절률이 변화하는 경우, 변화 후의 굴절률과, 광로 길이를 거리로 환산하기 위해 이용된 굴절률이 상이해져 버리기 때문에, 거리의 측정 정밀도가 저하해 버린다는 문제가 있다. 또한, 이하에서는, 상기 공간을 거리 측정 공간이라 호칭한다.
예를 들면, 거리 측정 공간에 있어서의 공기의 굴절률은, 상기 공기의 온도에 따라서 변화한다. 또한, 상기의 공간에 있어서의 공기의 굴절률은 기압의 변화에 따라서 변화한다. 또한, 광거리 측정 장치가 측정 대상물을 가공하는 가공 장치에 설치된 경우, 가공 중에, 거리 측정 공간에 있어서 가공유의 미스트가 비산하여, 거리 측정 공간의 굴절률이 변화한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것이며, 거리 측정 공간의 굴절률이 변화하는 것에 의해, 거리의 측정 정밀도가 저하해 버리는 것을 억제할 수 있는 광거리 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 광거리 측정 장치는, 레이저 광을 측정광과 참조광으로 분기하는 분기부와, 분기부가 분기한 측정광을 제 1 측정광과 제 2 측정광으로 분기하는 측정광 분기부와, 측정광 분기부가 분기한 제 1 측정광을 측정 대상물에 조사하고, 상기 측정 대상물에서 반사된 제 1 반사광을 수광하는 제 1 광학계와, 측정광 분기부가 분기한 제 2 측정광을, 제 1 광학계와 측정 대상물 사이의 공간을 향하여 출사하는 제 2 광학계와, 제 2 광학계가 출사하고, 공간을 통과한 제 2 측정광을, 제 2 광학계를 향하여 반사하는 반사부와, 제 1 광학계가 수광한 제 1 반사광과, 분기부가 분기한 참조광에 근거하여, 제 1 광학계의 출사면으로부터 측정 대상물의 반사면까지의 제 1 광로 길이를 산출하고, 반사부에 의해 반사되며, 제 2 광학계가 수광한 제 2 반사광과, 분기부가 분기한 참조광에 근거하여, 제 2 광학계의 출사면으로부터 상기 반사부의 반사면까지의 제 2 광로 길이를 산출하는 광로 길이 산출부와, 광로 길이 산출부가 측정한 제 2 광로 길이에 근거하여, 공간의 굴절률을 산출하고, 상기 굴절률과, 광로 길이 산출부가 측정한 제 1 광로 길이에 근거하여, 제 1 광학계의 출사면으로부터 상기 측정 대상물의 반사면까지의 거리를 산출하는 거리 산출부를 구비하고 있다.
본 발명에 의하면, 거리 측정 공간의 굴절률이 변화하는 것에 의해 거리의 측정 정밀도가 저하하여 버리는 것을 억제할 수 있다.
도 1은 실시형태 1에 따른 광거리 측정 장치를 구비하고 있는 가공 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 2는 실시형태 1에 따른 광거리 측정 장치의 해석부에 의한 거리 측정 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3a는 해석부의 기능을 실현하는 하드웨어 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3b는 해석부의 기능을 실현하는 소프트웨어를 실행하는 하드웨어 구성을 나타내는 블록도이다.
도 4a는 광 송신부가 출사한 제 1 측정광이 반사부에 의해 반사되고 있는 형태를 도시하는 도면이다.
도 4b는 광 간섭부에 있어서의 간섭 전의 참조광 및 간섭 전의 제 1 반사광의 각 파형을 나타내는 그래프이다.
도 4c는 차주파(difference frequency wave)의 주파수 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 4d는 도 4a에 나타내는 각 경우에 있어서의 차주파의 주파수 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 5는 도 1이 도시하는 광거리 측정 장치에 있어서의 제 1 광학계, 제 2 광학계 및 반사부를 확대한 도면이다.
도 6a는 광거리 측정 장치가 공간적으로 측정광을 제 1 측정광과 제 2 측정광으로 분기하는 광학 소자를 구비한 경우의, 광 간섭부에 있어서의 제 1 간섭광의 주파수 스펙트럼과 제 2 간섭광의 주파수 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 6b는 광거리 측정 장치가 시간적으로 측정광을 제 1 측정광과 제 2 측정광으로 분기하는 광 스위치를 구비한 경우의, 광 간섭부에 있어서의 제 1 간섭광의 주파수 스펙트럼과 제 2 간섭광의 주파수 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 7은 실시형태 2에 따른 광거리 측정 장치를 구비하고 있는 가공 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위해, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대해, 첨부의 도면에 따라서 설명한다.
실시형태 1
도 1은 실시형태 1에 따른 광거리 측정 장치(101)를 구비하고 있는 가공 장치(100)의 구성을 도시하는 도면이다. 또한, 실시형태 1에서는, 광거리 측정 장치(101)가 가공 장치(100)에 설치되어 있는 구성에 대해 설명하지만, 광거리 측정 장치(101)는 가공 장치(100) 이외의 장치에 설치되어도 좋다.
예를 들면, 광거리 측정 장치(101)는, 이용하는 방식이 파장 주사 간섭 방식이며, 의료 용도의 파장 스위프형 광간섭 단층계(SS-OCT: Swept Source-Optical　Coherence　Tomography)에 적용된다(하루나 마사미츠, "광 코히런스 토모그래피(OCT)", [online], 헤이세이 22년, MEDICAL　PHOTONICS, [헤이세이 31년 2월 4일 검색], 인터넷 <URL：http://www.medicalphotonics.jp/pdf/mp0001/0001_029.pdf>).
도 1에 도시하는 바와 같이, 가공 장치(100)는 광거리 측정 장치(101), 가공 제어부(102), 및 가공부(103)를 구비하고 있다. 광거리 측정 장치(101)는 파장 스위프 광 출력부(104), 광 송신부(105), 및 신호 처리부(106)를 구비하고 있다.
우선, 파장 스위프 광 출력부(104)의 구성에 대해 설명한다. 파장 스위프 광 출력부(104)는 레이저 광원(1), 및 스위핑부(2)를 구비하고 있다.
레이저 광원(1)은 연속파의 레이저 광을 출사한다. 레이저 광원(1)이 출사한 레이저 광은 스위핑부(2)에 인도된다. 실시형태 1에 따른 레이저 광원(1)은, 예를 들면 소정의 중심 주파수의 레이저 광을 출사하는 가스 레이저 또는 반도체 레이저 등의 광원이다.
또한, 실시형태 1에서는, 광거리 측정 장치(101)가 레이저 광원(1)을 구비하고 있는 구성에 대해 설명하지만, 광거리 측정 장치(101)는 레이저 광원(1)을 구비하고 있지 않아도 좋다. 그 경우, 광거리 측정 장치(101)는 레이저 광원(1)을 구비하는 외부의 레이저 광 발생 장치가 출사한 레이저 광을 이용한다.
스위핑부(sweeping unit)(2)는 레이저 광원(1)이 출사하는 레이저 광의 광로 상에 설치되어 있다. 스위핑부(2)는 레이저 광원이 출사한 레이저 광을 파장 스위핑하는 것에 의해 스위프 광을 생성한다. 스위핑부(2)가 생성한 스위프 광은, 시간 경과에 따라서 주파수가 변화하는 연속파의 레이저 광이다. 스위핑부(2)가 생성하고, 출사한 스위프 광은 분기부(3)에 인도된다.
또한, 실시형태 1에서는, 광거리 측정 장치(101)가 레이저 광원(1) 및 스위핑부(2)를 포함하는 파장 스위프 광 출력부(104)를 구비하고 있는 구성에 대해 설명하지만, 광거리 측정 장치(101)는, 파장 스위프 광 출력부(104)를 구비하고 있지 않아도 좋다. 그 경우, 광거리 측정 장치(101)는, 레이저 광원(1) 및 스위핑부(2)를 구비하는 외부의 스위프 광 발생 장치가 출사한 스위프 광을 이용하여도 좋다.
다음에, 광 송신부(105)의 구성에 대해 설명한다. 광 송신부(105)는 분기부(3), 광 서큘레이터(4), 측정광 분기부(5), 제 1 광학계(6), 제 2 광학계(7), 반사부(8), 및 지연 조정부(9)를 구비하고 있다.
분기부(3)는 스위핑부(2)가 출사한 스위프 광의 광로 상에 설치되어 있다. 분기부(3)는 스위핑부(2)가 파장 스위프한 스위프 광을 측정광과 참조광으로 분기한다. 보다 상세하게는, 분기부(3)는 스위핑부(2)가 파장 스위프한 연속파의 레이저 광인 스위프 광을 분기하는 것에 의해, 각각 연속파의 레이저 광인 측정광 및 참조광을 생성한다. 분기부(3)가 생성한 측정광은, 광 서큘레이터(4)에 인도된다. 또한, 분기부(3)가 생성한 참조광은 지연 조정부(9)에 인도된다.
분기부(3)는, 예를 들면 광 커플러이다. 또한, 분기부(3)가 생성한 측정광은 후술하는 측정광 분기부(5)에 의해, 더욱 분기됨으로써, 복수의 측정광이 된다. 상기 복수의 측정광은 서로 간섭할 수 있다. 그 때문에, 분기부(3)가 생성한 측정광의 강도는, 상기 복수의 측정광끼리의 간섭이 후술하는 거리 측정 공간(108)의 거리의 측정에 영향을 주지 않는 정도로, 분기부(3)가 생성한 참조광의 강도보다 충분히 낮은 것이 바람직하다.
또한, 광거리 측정 장치(101)는 분기부(3)로서, 레이저 광의 광로를 고속으로 스위칭할 수 있는 광 스위치를 구비하고 있어도 좋다. 그 경우, 상기 광 스위치는 스위프 광의 광로를, 상기 광 스위치로부터 광 서큘레이터(4)까지의 광로로 스위칭하는 것에 의해 측정광을 광 서큘레이터(4)에 인도하거나, 또는, 스위프 광의 광로를, 상기 광 스위치로부터 지연 조정부(9)까지의 광로로 스위칭하는 것에 의해 참조광을 지연 조정부(9)에 인도한다.
광 서큘레이터(4)는 분기부(3)가 생성한 측정광의 광로 상에 설치되어 있다. 광 서큘레이터(4)는 분기부(3)가 생성한 측정광을 측정광 분기부(5)에 인도한다. 광 서큘레이터(4)는, 예를 들면 3포트 광 서큘레이터이다.
측정광 분기부(5)는 광 서큘레이터(4)가 출사한 측정광의 광로 상에 설치되어 있다. 측정광 분기부(5)는 분기부(3)가 생성한 측정광을 제 1 측정광과 제 2 측정광으로 분기한다. 보다 상세하게는, 측정광 분기부(5)는, 분기부(3)가 생성한 연속파의 레이저 광인 측정광을 분기하는 것에 의해, 각각 연속파의 레이저 광인 제 1 측정광과 제 2 측정광을 생성한다. 측정광 분기부(5)가 생성한 제 1 측정광은 제 1 광학계(6)에 인도된다. 또한, 측정광 분기부(5)가 생성한 제 2 측정광은 제 2 광학계(7)에 인도된다.
실시형태 1에서는, 후술하는 바와 같이, 제 2 광학계(7)는 복수의 광학 소자(10)로 구성되어 있다. 그래서, 실시형태 1에서는, 측정광 분기부(5)는, 분기부(3)가 생성한 측정광을 분기하는 것에 의해, 제 1 측정광과, 복수의 광학 소자(10)의 수와 동일한 수의 제 2 측정광을 생성한다.
제 1 광학계(6)는 측정광 분기부(5)가 출사한 제 1 측정광의 광로 상에 설치되어 있다. 실시형태 1에서는, 제 1 광학계(6)는 후술하는 가공부(103)와 함께, 가공 헤드부(110)를 구성하고 있다. 가공 헤드부(110)는 가공부(103)가 측정 대상물(107)을 가공할 때에, 가공 제어부(102)의 제어에 근거하여, 측정 대상물(107)에 대해 상대적으로 이동한다. 제 1 광학계(6)는 측정광 분기부(5)가 분기한 제 1 측정광을 측정 대상물(107)에 조사하고, 상기 측정 대상물(107)에서 반사된 제 1 반사광을 수광한다.
보다 상세하게는, 제 1 광학계(6)는, 예를 들면 적어도 1개 이상의 렌즈에 의해 구성된다. 상기 렌즈의 예로서, 레이저 광을 투과 및 굴절시키는 투과 렌즈, 또는 미러를 이용한 반사 렌즈 등을 들 수 있다. 제 1 광학계(6)는, 예를 들면 이들 렌즈에 의해 제 1 측정광의 광속 직경을 넓히고, 광속 직경이 넓어진 제 1 측정광을 측정 대상물(107)에 조사한다.
측정 대상물(107)에 조사된 제 1 측정광은 측정 대상물(107)에서 반사된다. 다음에, 제 1 광학계(6)는 측정 대상물(107)에서 반사된 제 1 반사광을 수광한다. 다음에, 제 1 광학계(6)가 수광한 제 1 반사광은 측정광 분기부(5)에 인도되고, 광 서큘레이터(4)에 인도된다. 다음에, 광 서큘레이터(4)는 측정광 분기부(5)로부터 인도된 제 1 반사광을 후술하는 광 간섭부(11)에 인도한다.
제 2 광학계(7)는 측정광 분기부(5)가 출사한 제 2 측정광의 광로 상에 설치되어 있다. 제 2 광학계(7)는 측정광 분기부(5)가 분기한 제 2 측정광을, 제 1 광학계(6)와 측정 대상물(107) 사이의 공간인 거리 측정 공간(108)을 향하여 출사한다.
실시형태 1에서는, 제 2 광학계(7)는 복수의 광학 소자(10)로 구성되어 있다. 복수의 광학 소자(10)는 제 1 광학계(6)의 광축에 평행한 축을 따라서 나열되어 있다. 또한, 복수의 광학 소자(10)의 각 광축은 제 1 광학계의 광축과 직교한다. 복수의 광학 소자(10)는 각각, 측정광 분기부(5)가 분기한 제 2 측정광을 거리 측정 공간(108)을 향하여 출사한다.
보다 상세하게는, 광학 소자(10)는, 예를 들면 렌즈이며, 제 2 광학계(7)는, 예를 들면 적어도 1개 이상의 렌즈에 의해 구성된다. 상기 렌즈의 예로서, 레이저 광을 투과 및 굴절시키는 투과 렌즈, 또는 거울을 이용한 반사 렌즈 등을 들 수 있다. 제 2 광학계(7)는, 예를 들면 이들 렌즈에 의해 제 2 측정광의 광속 직경을 넓히고, 광속 직경이 넓어진 제 2 측정광을 거리 측정 공간(108)을 향하여 출사한다.
반사부(8)는 제 2 광학계(7)가 출사한 제 2 측정광의 광로 상에 설치되어 있다. 반사부(8)는 제 2 광학계(7)가 출사하고, 거리 측정 공간(108)을 통과한 제 2 측정광을 제 2 광학계(7)를 향하여 반사한다. 반사부(8)는 예를 들면 미러이다.
보다 상세하게는, 실시형태 1에서는, 반사부(8)는 반사면이 복수의 광학 소자(10)의 각 광축에 수직이 되도록 설치되어 있다. 따라서, 반사부(8)는 광학 소자(10)가 출사하고, 거리 측정 공간(108)을 통과한 제 2 측정광을, 상기 광학 소자(10)를 향하여 반사하는 것이 가능하다.
제 2 광학계(7)는, 제 2 측정광이 반사부(8)에서 반사된 광인 제 2 반사광을 수광한다. 실시형태 1에서는, 복수의 광학 소자(10)는 각각, 출사한 제 2 측정광이 반사부(8)에서 반사된 광인 제 2 반사광을 수광한다. 다음에, 제 2 광학계(7)가 수광한 제 2 반사광은, 측정광 분기부(5)에 인도되고, 광 서큘레이터(4)에 인도된다. 다음에, 광 서큘레이터(4)는, 측정광 분기부(5)로부터 인도된 제 2 반사광을 광 간섭부(11)에 인도한다.
지연 조정부(9)는 분기부(3)가 출사한 참조광의 광로 상에 설치되어 있다. 지연 조정부(9)는, 분기부(3)로부터 광 간섭부(11)까지의 참조광의 경로 길이와, 분기부(3)로부터 측정 대상물(107) 또는 반사부(8)를 거친 광 간섭부(11)까지의 측정광의 경로 길이의 차이를 조정한다. 이에 의해, 지연 조정부(9)는, 광 간섭부(11)에 있어서의 참조광과, 제 1 반사광 또는 제 2 반사광의 주파수 차이를 조정한다. 지연 조정부(9)가 출사한 참조광은 광 간섭부(11)에 인도된다.
다음에, 신호 처리부(106)의 구성에 대해 설명한다. 신호 처리부(106)는 광 간섭부(11), 광전 변환부(12), 디지털 변환부(13), 및 해석부(109)를 구비하고 있다.
광 간섭부(11)는 광 서큘레이터(4)가 출사한 제 1 반사광 및 제 2 반사광의 각 광로와 지연 조정부(9)가 출사한 참조광의 광로가 만나는 위치에 설치되어 있다. 광 간섭부(11)는 제 1 광학계(6)가 수광한 제 1 반사광과 분기부(3)가 분기된 참조광을 간섭시키는 것에 의해, 제 1 간섭광을 생성한다. 실시형태 1에서는, 광 간섭부(11)는 광 서큘레이터(4)가 출사한 제 1 반사광과, 지연 조정부(9)가 출사한 참조광을 간섭시키는 것에 의해, 제 1 간섭광을 생성한다.
또한, 광 간섭부(11)는 제 2 측정광이 반사부(8)에서 반사되고, 제 2 광학계(7)가 수광한 제 2 반사광과, 분기부(3)가 분기한 참조광을 간섭시키는 것에 의해, 제 2 간섭광을 생성한다. 실시형태 1에서는, 광 간섭부(11)는 광 서큘레이터(4)가 출사한 제 2 반사광과, 지연 조정부(9)가 출사한 참조광을 간섭시키는 것에 의해, 제 2 간섭광을 생성한다.
광 간섭부(11)는, 예를 들면 제 1 반사광과 참조광을 합성하는 것에 의해, 제 1 간섭광을 생성하고, 제 2 반사광과 참조광을 합성하는 것에 의해, 제 2 간섭광을 생성하는 90도 광 하이브리드이다. 또는, 광 간섭부(11)는, 예를 들면 광 커플러이다.
광전 변환부(12)는, 광 간섭부(11)가 출사한 제 1 간섭광 및 제 2 간섭광의 광로 상에 설치되어 있다. 광전 변환부(12)는, 광 간섭부(11)가 생성한 제 1 간섭광을 광전 변환하는 것에 의해, 제 1 간섭광의 파형을 나타내는 제 1 아날로그 신호를 생성한다. 또한, 광전 변환부(12)는, 광 간섭부(11)가 생성한 제 2 간섭광을 광전 변환하는 것에 의해, 제 2 간섭광의 파형을 나타내는 제 2 아날로그 신호를 생성한다.
실시형태 1에서는, 광거리 측정 장치(101)는, 상기와 같은 광 간섭부(11) 및 광전 변환부(12)를 구비하고 있는 구성에 대해 설명하지만, 상기 구성으로 한정되지 않는다. 예를 들면, 광거리 측정 장치(101)는, 광 간섭부(11) 및 광전 변환부(12) 대신에, 밸런스형 광 수신용 포토 다이오드를 구비하고 있어도 좋다. 상기 밸런스형 광 수신용 포토 다이오드는, 예를 들면 제 1 반사광을 수광하는 것에 의해, 제 1 신호를 생성하는 포토 다이오드와, 참조광을 수광하는 것에 의해, 제 2 신호를 생성하는 포토 다이오드를 구비하고, 상기 제 1 신호와 상기 제 2 신호로 이루어지는, 제 1 반사광과 참조광의 강도의 차이를 나타내는 변위 신호를 생성한다. 또한, 상기 변위 신호를 이용한 거리 측정 방법은 공지된 기술이므로, 상세한 설명은 생략한다.
디지털 변환부(13)는, 광전 변환부(12)가 생성한 제 1 아날로그 신호를 A/D 변환하는 것에 의해, 제 1 간섭광의 파형을 나타내는 제 1 디지털 신호를 생성한다. 또한, 디지털 변환부(13)는, 광전 변환부(12)가 생성한 제 2 아날로그 신호를 A/D 변환하는 것에 의해, 제 2 간섭광의 파형을 나타내는 제 2 디지털 신호를 생성한다.
해석부(109)는 강도 측정부(14), 광로 길이 산출부(15), 및 거리 산출부(16)를 구비하고 있다. 강도 측정부(14)는, 디지털 변환부(13)가 생성한 제 1 디지털 신호에 근거하여, 제 1 간섭광의 주파수마다의 강도를 측정한다. 강도 측정부(14)는, 측정한 제 1 간섭광의 주파수마다의 강도를 광로 길이 산출부(15)로 출력한다.
보다 상세하게는, 강도 측정부(14)는, 예를 들면 디지털 변환부(13)가 생성한 제 1 디지털 신호를 푸리에 변환하는 것에 의해, 제 1 간섭광의 주파수마다의 강도를 측정한다.
또한, 강도 측정부(14)는, 디지털 변환부(13)가 생성한 제 2 디지털 신호에 근거하여, 제 2 간섭광의 주파수마다의 강도를 측정한다. 강도 측정부(14)는, 측정한 제 2 간섭광의 주파수마다의 강도를 광로 길이 산출부(15)로 출력한다.
보다 상세하게는, 강도 측정부(14)는, 예를 들면 디지털 변환부(13)가 생성한 제 2 디지털 신호를 푸리에 변환하는 것에 의해, 제 2 간섭광의 주파수마다의 강도를 측정한다.
광로 길이 산출부(15)는 제 1 광학계(6)가 수광한 제 1 반사광과, 분기부(3)가 분기한 참조광에 근거하여, 제 1 광학계(6)의 출사면으로부터 측정 대상물(107)의 반사면까지의 제 1 광로 길이를 산출한다. 광로 길이 산출부(15)는, 산출한 제 1 광로 길이를 거리 산출부(16)로 출력한다.
보다 상세하게는, 광로 길이 산출부(15)는 광 간섭부(11)가 생성한 제 1 간섭광에 근거하여, 제 1 광학계(6)의 출사면으로부터 측정 대상물(107)의 반사면까지의 제 1 광로 길이를 산출한다. 더욱 상세하게는, 실시형태 1에서는, 광로 길이 산출부(15)는, 강도 측정부(14)가 측정한 제 1 간섭광의 주파수마다의 강도에 근거하여, 제 1 광학계(6)의 출사면으로부터 측정 대상물(107)의 반사면까지의 제 1 광로 길이를 산출한다.
또한, 광로 길이 산출부(15)는 제 2 광학계가 수광한 제 2 반사광과, 분기부(3)가 분기한 참조광에 근거하여, 제 2 광학계(7)의 출사면으로부터 반사부(8)의 반사면까지의 제 2 광로 길이를 산출한다. 광로 길이 산출부(15)는, 산출한 제 2 광로 길이를 거리 산출부(16)로 출력한다.
보다 상세하게는, 광로 길이 산출부(15)는 광 간섭부(11)가 생성한 제 2 간섭광에 근거하여, 제 2 광학계(7)의 출사면으로부터 반사부(8)의 반사면까지의 제 2 광로 길이를 산출한다. 더욱 상세하게는, 실시형태 1에서는, 광로 길이 산출부(15)는, 강도 측정부(14)가 측정한 제 2 간섭광의 주파수마다의 강도에 근거하여, 제 2 광학계(7)의 출사면으로부터 반사부(8)의 반사면까지의 제 2 광로 길이를 산출한다.
거리 산출부(16)는 광로 길이 산출부(15)가 측정한 제 2 광로 길이에 근거하여, 거리 측정 공간(108)의 굴절률을 산출하고, 상기 굴절률과, 광로 길이 산출부(15)가 측정한 제 1 광로 길이에 근거하여, 제 1 광학계(6)의 출사면으로부터 측정 대상물(107)의 반사면까지의 거리를 산출한다. 거리 산출부(16)는, 산출한 거리를 가공 제어부(102)로 출력한다.
또한, 거리 산출부(16)는 상기의 거리에 부가하여, 분기부(3)가 출사한 측정광의 광로 상의 소정의 위치, 또는 측정광 분기부(5)가 출사한 제 1 측정광의 광로 상의 소정의 위치로부터, 측정 대상물(107)의 반사면까지의 거리를 더 산출하여도 좋다. 상기 소정의 위치는, 예를 들면 분기부(3)의 위치, 광 서큘레이터(4)의 위치, 또는 측정광 분기부(5)의 위치이다.
광 간섭부(11)가 생성하는 제 1 간섭광은, 분기부(3)로부터 측정 대상물(107)의 반사면까지의 거리에 따른 주파수 차이에 근거하여 생긴 간섭광을 포함한다. 그리고, 그 경우, 거리 산출부(16)는 상술의 제 2 광로 길이에 근거하여 산출한 거리 측정 공간(108)의 굴절률과, 분기부(3)로부터 제 1 광학계(6)의 출사면까지의 굴절률과, 광로 길이 산출부(15)가 상기 간섭광에 근거하여 측정한 제 1 광로 길이에 근거하여, 제 1 광학계(6)의 출사면으로부터 측정 대상물(107)의 반사면까지의 거리와, 분기부(3)로부터 제 1 광학계(6)의 출사면까지의 거리를 산출한다. 거리 산출부(16)는, 산출한 이들 거리의 합을 구하는 것에 의해, 분기부(3)로부터 측정 대상물(107)의 반사면까지의 거리를 산출한다.
가공 제어부(102)는, 광거리 측정 장치(101)가 측정한 거리에 근거하여, 가공부(103)가 측정 대상물(107)을 가공하도록 가공부(103)를 제어한다. 가공부(103)는 가공 제어부(102)의 제어에 근거하여, 측정 대상물(107)을 가공한다. 실시형태 1에서는, 가공부(103)는 가공 제어부(102)의 제어에 근거하여, 측정 대상물(107)에 대해 레이저 광을 조사하는 것에 의해, 측정 대상물(107)을 가공한다. 그러나, 가공부(103)는 상기 구성으로 한정되지 않는다. 예를 들면, 가공부(103)는 가공 제어부(102)의 제어에 근거하여, 측정 대상물(107)을 연마 또는 절삭하는 것에 의해, 측정 대상물(107)을 가공하여도 좋다.
다음에, 실시형태 1에 따른 광거리 측정 장치(101)의 해석부(109)에 의한 거리 측정 방법에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 도 2는 광거리 측정 장치(101)의 해석부(109)에 의한 거리 측정 방법을 나타내는 흐름도이다. 또한, 해석부(109)가 도 2의 거리 측정 방법을 실행하기 전에, 강도 측정부(14)는, 디지털 변환부(13)로부터 제 1 디지털 신호와 제 2 디지털 신호를 취득하고 있는 것으로 한다.
도 2가 나타내는 바와 같이, 강도 측정부(14)는 디지털 변환부(13)가 생성한 제 1 디지털 신호에 근거하여, 제 1 간섭광의 주파수마다의 강도를 측정하고, 디지털 변환부(13)가 생성한 제 2 디지털 신호에 근거하여, 제 2 간섭광의 주파수마다의 강도를 측정한다(단계 ST1).
다음에, 광로 길이 산출부(15)는 강도 측정부(14)가 측정한 제 1 간섭광의 주파수마다의 강도에 근거하여, 제 1 광학계(6)의 출사면으로부터 측정 대상물(107)의 반사면까지의 제 1 광로 길이를 산출하고, 강도 측정부(14)가 측정한 제 2 간섭광의 주파수마다의 강도에 근거하여, 제 2 광학계(7)의 출사면으로부터 반사부(8)의 반사면까지의 제 2 광로 길이를 산출한다(단계 ST2).
다음에, 거리 산출부(16)는 광로 길이 산출부(15)가 측정한 제 2 광로 길이에 근거하여, 거리 측정 공간(108)의 굴절률을 산출한다(단계 ST3).
다음에, 거리 산출부(16)는 단계 ST3에서 산출한 굴절률과, 광로 길이 산출부(15)가 측정한 제 1 광로 길이에 근거하여, 제 1 광학계(6)의 출사면으로부터 측정 대상물(107)의 반사면까지의 거리를 산출한다(단계 ST4).
또한, 가공 제어부(102)는 단계 ST4에서 거리 산출부(16)가 산출한 거리에 근거하여, 가공부(103)가 측정 대상물(107)을 가공하도록 가공부(103)를 제어한다.
해석부(109)에 있어서의, 강도 측정부(14), 광로 길이 산출부(15) 및 거리 산출부(16)의 각각의 기능은, 처리 회로에 의해 실현된다. 즉, 해석부(109)는, 도 2에 나타낸 단계 ST1 내지 단계 ST4까지의 처리를 실행하기 위한 처리 회로를 구비한다. 이 처리 회로는, 전용 하드웨어여도 좋지만, 메모리에 기억된 프로그램을 실행하는 CPU(Central　Processing　Unit)여도 좋다.
도 3a는 해석부(109)의 기능을 실현하는 하드웨어 구성을 나타내는 블록도이다. 도 3b는 해석부(109)의 기능을 실현하는 소프트웨어를 실행하는 하드웨어 구성을 나타내는 블록도이다.
상기 처리 회로가 도 3a에 나타내는 전용 하드웨어의 처리 회로(111)인 경우, 처리 회로(111)는, 예를 들면 단일 회로, 복합 회로, 프로그램화 한 프로세서, 병렬 프로그램화 한 프로세서, ASIC(Application　Specific　Integrated　Circuit), FPGA(Field-Programmable　Gate　Array) 또는 이들을 조합한 것이 해당된다.
해석부(109)에 있어서의, 강도 측정부(14), 광로 길이 산출부(15) 및 거리 산출부(16)의 각각의 기능을 각각의 처리 회로로 실현하여도 좋으며, 이들 기능을 통합하여 1개의 처리 회로로 실현하여도 좋다.
상기 처리 회로가 도 3b에 도시하는 프로세서(112)인 경우, 해석부(109)에 있어서의, 강도 측정부(14), 광로 길이 산출부(15) 및 거리 산출부(16)의 각각의 기능은, 소프트웨어, 펌웨어 또는 소프트웨어와 펌웨어의 조합에 의해 실현된다.
또한, 소프트웨어 또는 펌웨어는, 프로그램으로서 기술되며 메모리(113)에 기억된다.
프로세서(112)는 메모리(113)에 기억된 프로그램을 판독하고 실행하는 것에 의해, 해석부(109)에 있어서의, 강도 측정부(14), 광로 길이 산출부(15) 및 거리 산출부(16)의 각각의 기능을 실현한다. 즉, 해석부(109)는 프로세서(112)에 의해 실행될 때, 도 2에 나타낸 단계 ST1 내지 단계 ST4까지의 처리가 결과적으로 실행되는 프로그램을 기억하기 위한 메모리(113)를 구비한다.
이들 프로그램은 해석부(109)에 있어서의, 강도 측정부(14), 광로 길이 산출부(15) 및 거리 산출부(16)의 순서 또는 방법을 컴퓨터에 실행시킨다. 메모리(113)는 컴퓨터를, 해석부(109)에 있어서의 강도 측정부(14), 광로 길이 산출부(15) 및 거리 산출부(16)로서 기능시키기 위한 프로그램이 기억된 컴퓨터 가독 기억 매체여도 좋다.
메모리(113)에는 예를 들면, RAM(Random　Access　Memory), ROM(Read　Only　Memory), 플래시 메모리, EPROM(Erasable　Programmable　Read　Only　Memory), EEPROM(Electrically-EPROM) 등의 불휘발성 또는 휘발성의 반도체 메모리, 자기 디스크, 플렉시블 디스크, 광 디스크, 콤팩트 디스크, 미니 디스크, DVD 등이 해당한다.
해석부(109)에 있어서의, 강도 측정부(14), 광로 길이 산출부(15) 및 거리 산출부(16)의 각각의 기능에 대해 일부를 전용 하드웨어로 실현하고, 일부를 소프트웨어 또는 펌웨어로 실현하여도 좋다.
예를 들면, 강도 측정부(14)는, 전용 하드웨어로서의 처리 회로로 기능을 실현한다. 광로 길이 산출부(15) 및 거리 산출부(16)에 대해서는, 프로세서(112)가 메모리(113)에 기억된 프로그램을 판독하고 실행하는 것에 의해 기능을 실현하여도 좋다.
이와 같이, 처리 회로는 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어 또는 이들 조합에 의해 상기 기능의 각각을 실현할 수 있다.
다음에, 실시형태 1에 따른 광거리 측정 장치(101)에 의한 거리 측정 방법의 제 1 구체적인 예에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 도 4a는 광 송신부(105)가 출사한 제 1 측정광이 측정 대상물(107)에 의해 반사되고 있는 형태를 도시하는 도면이다. 도 4a는 광 송신부(105)로부터 측정 대상물(107)까지의 거리가 X1인 경우에, 광 송신부(105)가 측정 대상물(107)에 제 1 측정광을 조사한 제 1 예와, 광 송신부(105)로부터 측정 대상물(107)까지의 거리가 X2인 경우에, 광 송신부(105)가 측정 대상물(107)에 제 1 측정광을 조사한 제 2 예와, 광 송신부(105)로부터 측정 대상물(107)까지의 거리가 X3인 경우에, 광 송신부(105)가 측정 대상물(107)에 제 1 측정광을 조사한 제 3 예를 나타낸다. 또한, 여기에 있어서의, 광 송신부(105)로부터 측정 대상물(107)까지의 거리는, 분기부(3)가 출사한 측정광의 광로 상의 소정의 위치, 또는 측정광 분기부(5)가 출사한 제 1 측정광의 광로 상의 소정의 위치로부터, 측정 대상물(107)의 반사면까지의 거리를 의미하는 것으로 한다.
도 4b는 광 송신부(105)로부터 측정 대상물(107)까지의 거리가 상기의 X2인 제 2 경우의, 광 간섭부(11)에 있어서의 간섭 전의 참조광 및 간섭 전의 제 1 반사광의 각 파형을 나타내는 그래프이다. 종축은 주파수(㎐)를 나타내고, 횡축은 경과 시간(sec)을 나타낸다.
스위핑부(2)가 레이저 광을 파장 스위핑하는 것에 기인하여, 광 간섭부(11)에 있어서의, 참조광 및 제 1 반사광은 각각, 스위프 광과 마찬가지로, 시간 경과와 함께 주파수가 변화한다. 또한, 상기 제 1 구체적인 예에서는, 스위핑부(2)가 출사하는 스위프 광에 있어서의 단위 시간 당의 주파수 변화의 값은 이미 알려진 것으로 한다.
광 간섭부(11)에 있어서의 제 1 반사광은, 광 송신부(105)와 측정 대상물(107) 사이의 거리에 따라서, 참조광에 대해 지연된다. 그 때문에, 도 4b가 나타내는 바와 같이, 광 간섭부(11)에 있어서의 제 1 반사광은 참조광에 대해, 시간(ΔT2)의 분 느리다.
상술의 단계 ST1에 있어서, 강도 측정부(14)는 상기와 같은 참조광과 제 1 반사광으로 생성된 제 1 간섭광의 파형을 나타내는 제 1 디지털 신호에 근거하여, 제 1 간섭광의 주파수마다의 강도를 측정한다. 예를 들면, 참조광의 최대 주파수와 제 1 반사광의 최대 주파수는 각각, ㎔의 오더가 높은 주파수이다. 그 경우, 측정광을 수광 및 검파하는 일반적인 장치에서는, 이와 같은 높은 주파수의 광을 직접 검파하는 것은 곤란하다.
그래서, 상기 제 1 구체적인 예에서는, 광 간섭부(11)는 참조광과 제 1 반사광을 4광파 혼합하는 것에 의해, 간섭광으로서 차주파를 생성한다. 도 4b가 나타내는 예에서는, 상기 차주파는, 시점(T1)에 있어서의, 참조광의 주파수(Fr)와 제 1 반사광의 주파수(F2)의 주파수 차이(ΔF2)를 중심 주파수로 하는 간섭광이다. 상기 ΔF2의 오더는, 수 M㎐의 오더까지 억제되기 때문에, 상기 ΔF2는 일반적인 밸런스형 광 수신용 포토 다이오드와 같은 장치에 의해 충분히 측정 가능하다.
도 4c는 강도 측정부(14)가, 도 4b가 나타내는 시점(T1)에서, 상기 차주파의 파형을 나타내는 제 1 디지털 신호에 근거하여 측정한 상기 차주파의 주파수 스펙트럼을 나타내는 그래프이다. 종축은 강도(dBm)를 나타내며, 횡축은 주파수를 나타낸다. 도 4c가 나타내는 바와 같이, 차주파의 주파수 스펙트럼은 중심 주파수가 상술의 ΔF2이다.
그리고, 상기 ΔF2는 도 4b가 나타내는 바와 같이, 광 간섭부(11)에 있어서의 참조광에 대한 제 1 반사광의 지연(ΔT2)에 비례하며, 상기 ΔT2는 광 송신부(105)로부터 측정 대상물(107)까지의 거리(X2)에 비례한다.
그래서, 상술의 단계 ST2에 있어서, 광로 길이 산출부(15)는, 강도 측정부(14)가 측정한 차주파의 주파수마다의 강도에 근거하여, 상기 차주파의 중심 주파수(ΔF2)를 검출하고, 상기 ΔF2와, 도 4b가 나타내는 참조광 및 제 1 반사광의 각 그래프의 경사에 상당하는 스위프 광의 스위프 속도에 근거하여, 광 간섭부(11)에 있어서의 참조광에 대한 제 1 반사광의 지연(ΔT2)을 산출한다. 그리고, 광로 길이 산출부(15)는 상기 ΔT2에 근거하여, 광 송신부(105)로부터 측정 대상물(107)까지의 제 1 광로 길이를 산출한다. 그리고, 상술의 단계 ST4에 있어서, 거리 산출부(16)는, 상기 제 1 광로 길이에 근거하여 거리(X2)를 산출한다.
도 4d는 도 4a에 도시하는 각 경우에 있어서, 제 1 디지털 신호에 근거하여 측정한 차주파의 주파수 스펙트럼을 나타내는 그래프이다. 종축은 강도(dBm)를 나타내며, 횡축은 주파수(㎐)를 나타낸다.
도 4a가 도시하는 바와 같이, 광 송신부(105)와 측정 대상물 사이의 거리가 X2보다 짧은 X1인 경우, 도 4d가 나타내는 바와 같이, 차주파의 중심 주파수(ΔF1)는 광 송신부(105)와 측정 대상물(107) 사이의 거리가 X2인 경우에 있어서의 상술의 차주파의 중심 주파수(ΔF2)보다 낮아진다. 이 경우, 광 간섭부(11)에 있어서의, 참조광에 대한 제 1 반사광의 지연은, 광 송신부(105)와 측정 대상물(107) 사이의 거리가 X2인 경우에 있어서의 상술의 지연(ΔT2)보다 작아진다.
또한, 도 4a가 도시하는 바와 같이, 광 송신부(105)와 측정 대상물 사이의 거리가 X2보다 긴 X3인 경우, 도 4d가 나타내는 바와 같이, 차주파의 중심 주파수(ΔF3)는 광 송신부(105)와 측정 대상물(107) 사이의 거리가 X2인 경우에 있어서의 상술의 차주파의 중심 주파수(ΔF2)보다 높아진다. 이 경우, 광 간섭부(11)에 있어서의, 참조광에 대한 제 1 반사광의 지연은 광 송신부(105)와 측정 대상물(107) 사이의 거리가 X2인 경우에 있어서의 상술의 지연(ΔT2)보다 커진다.
다음에, 실시형태 1에 따른 광거리 측정 장치(101)에 의한 거리 측정 방법의 제 2 구체적인 예에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 도 5는 도 1이 도시하는 광거리 측정 장치(101)에 있어서의 제 1 광학계(6), 제 2 광학계(7) 및 반사부(8)를 확대한 도면이다. 또한, 도 5에 있어서, 제 1 광학계(6)가 출사하는 제 1 측정광의 광축에 평행한 방향을 Z축방향으로 하고, 제 2 광학계(7)가 출사하는 제 2 측정광의 광축에 평행한 방향을 X축방향으로 한다.
가공부(103)에 의한 측정 대상물(107)의 가공 중에서는, 거리 측정 공간(108)에 있어서, 공기의 온도 변화, 또는 가공유의 미스트의 비산 등에 의해, Z축방향을 따라서 굴절률이 상이한 굴절률 분포가 생긴다. 그래서, 상기 제 2 구체적인 예는, 거리 산출부(16)는 상기 굴절률 분포를 산출한다.
도 5가 도시하는 바와 같이, 제 1 광학계(6)와 측정 대상물(107) 사이의 거리 측정 공간(108)은, 제 1 광학계(6)의 광축을 따라서 나열된 복수의 영역으로 구성되어 있는 것으로 한다. 보다 상세하게는, 상기 제 2 구체적인 예에서는, 거리 측정 공간(108)은, 분할 후의 m개의 영역이 제 1 광학계(6)의 광축을 따라서 나열하도록 m분할되어 있는 것으로 한다. 또한, m은 2이상의 정의 정수이다.
상기 제 2 구체적인 예에서는, 제 2 광학계(7)는, 각각 출사하는 제 2 측정광의 광축이 상기의 복수의 영역 중 대응하는 영역을 지나도록 설치된 복수의 광학 소자(10)로 구성되어 있다. 복수의 광학 소자(10)는, 각각, 제 2 측정광을, 상기의 복수의 영역 중 대응하는 영역을 향하여 출사하고, 반사부(8)에 의해 반사된 제 2 반사광을 수광한다.
보다 상세하게는, 복수의 광학 소자(10)는 m개의 광학 소자이다. m개의 광학 소자(10)는 각각 출사하는 제 2 측정광의 광축이 m개의 영역 중 대응하는 영역을 지나도록 설치되어 있다.
또한, 광 간섭부(11)는 복수의 광학 소자(10)가 수광한 영역마다의 제 2 반사광과, 분기부(3)가 분기한 참조광을 간섭시키는 것에 의해, 영역마다의 제 2 간섭광을 생성한다. 광로 길이 산출부(15)는, 광 간섭부(11)가 생성한 영역마다의 제 2 간섭광에 근거하여, 각 영역의 제 2 광로 길이를 산출한다.
또한, 거리 산출부(16)는 광로 길이 산출부(15)가 산출한 각 영역의 제 2 광로 길이에 근거하여, 각 영역의 굴절률을 산출하고, 상기 각 영역의 굴절률에 근거하여 거리 측정 공간(108)의 평균 굴절률을 산출하고, 상기 평균 굴절률과, 광로 길이 산출부(15)가 산출한 제 1 광로 길이에 근거하여, 제 1 광학계(6)의 출사면으로부터 측정 대상물(107)의 반사면까지의 거리를 산출한다.
이하에서, 상기 제 2 구체적인 예에 있어서의 거리 산출부(16)에 의한 거리 산출 방법에 대해, 보다 상세하게 설명한다. 상기 방법에서는, 각 영역의 굴절률을 n1, n2, n3…nm으로 하고, 각 영역의 Z축방향의 길이를, Lz1, Lz2, Lz3…Lzm으로 하고, 각 영역의 X축방향의 길이를, Lx1, Lx2, Lx3…Lxm으로 한다. 또한, 여기에 있어서의 각 영역의 X축방향의 길이는, 각 광학 소자(10)의 출사면으로부터 반사부(8)의 반사면까지의 거리이다. 또한, 여기에 있어서의 "길이"는, 광로 길이가 아닌, 실제 거리이다. 이들 값은, 가공부(103)에 의한 측정 대상물(107)의 가공 전에 미리 측정된다.
보다 상세하게는, 우선, 도 5가 도시하는 바와 같이, 복수의 광학 소자(10)가, 제 1 광학계(6)의 광축에 평행한 축을 따라서 나열되도록, 복수의 광학 소자(10)는 설치되며, 반사부(8)의 반사면이 복수의 광학 소자(10)의 각 광축에 수직이 되도록, 반사부(8)는 설치된다. 다음에, 거리 측정 공간(108)에 있어서의 굴절률이 균일한 상태에 있어서, 광거리 측정 장치(101)는, 상술의 방법과 마찬가지의 방법에 의해, 복수의 광학 소자(10)의 각 출사면으로부터 반사부(8)의 반사면까지의 거리인 각 영역의 X축방향의 길이와, 제 1 광학계(6)의 출사면으로부터 측정 대상물(107)의 조사면까지의 거리를 산출한다.
보다 상세하게는, 상기 처리에서는, 거리 측정 공간(108)에 있어서의 균일의 굴절률은 이미 알려진 것이며, 광거리 측정 장치(101)의 거리 산출부(16)는, 상기 굴절률과, 광로 길이 산출부(15)가 측정한 제 1 광로 길이에 근거하여, 제 1 광학계(6)의 출사면으로부터 측정 대상물(107)의 반사면까지의 거리를 산출한다. 또한, 거리 산출부(16)는 상기 굴절률과, 광로 길이 산출부(15)가 측정한 제 2 광로 길이에 근거하여, 복수의 광학 소자(10)의 각 출사면으로부터 반사부(8)의 반사면까지의 거리인 각 영역의 X축방향의 길이를 산출한다. 또한, 광거리 측정 장치(101)는 산출한, 제 1 광학계(6)의 출사면으로부터 측정 대상물(107)의 조사면까지의 거리에 근거하여, 각 영역의 Z축방향의 길이를 산출한다. 즉, 가공부(103)에 의한 측정 대상물(107)의 가공 전에, 광거리 측정 장치(101)에 의해, 상술의 Lx1, Lx2, Lx3…Lxm와 Lz1, Lz2, Lz3…Lzm를 측정한다. 또한, 복수의 광학 소자(10)의 각 출사면으로부터 반사부(8)의 반사면까지의 거리인 각 영역의 X축방향의 길이는, 기본적으로 변화하지 않기 때문에, 미리 다른 방법으로 산출 또는 측정되어도 좋다.
상기와 같이 교정을 위한 데이터가 측정된 다음, 가공부(103)에 의한 측정 대상물(107)의 가공이 개시된다. 상술한 바와 같이, 가공부(103)에 의한 측정 대상물(107)의 가공 중에서는, 거리 측정 공간(108)에 있어서, Z축방향을 따라서 굴절률이 상이한 굴절률 분포가 생긴다. 거리 측정 공간에 있어서, 이와 같은 굴절률 분포가 생긴 경우, 광거리 측정 장치(101)에 의한 거리의 측정 정밀도는 저하해 버린다. 그래서, 이하에서 설명하는 바와 같은 방법에 의해, 광거리 측정 장치(101)는, 가공부(103)에 의한 측정 대상물(107)의 가공 중에 있어서의, 제 1 광학계(6)의 출사면으로부터 측정 대상물(107)의 반사면까지의 거리를 산출한다.
상술한 바와 같이, 광로 길이는 굴절률과 거리의 곱과 동일하기 때문에, 광로 길이 산출부(15)가 산출하는 제 2 광로 길이는 1 이상, m 이하의 정수 i를 이용하여 하기의 식 (1)과 같이 나타난다.
Figure pct00001
식 (1)에 있어서, Lmeasure, xi는, 광로 길이 산출부(15)가 산출한, 각 영역의 X축방향의 광로 길이를 나타낸다. Lxi는 상술한 바와 같이 미리 측정된, 각 영역의 X축방향의 길이이다. 식 (1)에 의해, 각 영역의 굴절률은, 하기의 식 (2)와 같이 나타난다.
Figure pct00002
식 (2)가 나타내는 바와 같이, 거리 산출부(16)는, 가공부(103)에 의한 측정 대상물(107)의 가공 전에 미리 측정된 Lxi와, 가공부(103)에 의한 측정 대상물(107)의 가공 중에 광로 길이 산출부(15)가 산출한 제 2 광로 길이 Lmeasure, xi의 비율로부터 각 영역의 굴절률을 산출한다. 또한, 각 영역의 Z축방향의 길이의 합계는, 하기의 식 (3)과 같이 나타난다.
Figure pct00003
식 (3)에 있어서, Lzi는 상술한 바와 같이 미리 측정된 각 영역의 Z축방향의 길이를 나타내며, Lz0는 상기 Lzi로부터 산출된, 제 1 광학계(6)의 출사면으로부터 측정 대상물(107)의 반사면까지의 거리를 나타낸다. 거리 측정 공간(108)의 평균 굴절률 nave를, 식 (2)의 각 영역의 굴절률 ni를 상기 각 영역의 Z축방향의 길이 Lzi에 의해 가중치를 부여하여 집계한 평균으로서 정의하면, 하기의 식 (4)가 성립된다.
Figure pct00004
상기의 식 (4)가 나타내는 바와 같이, 거리 산출부(16)는, 산출한 각 영역의 굴절률 ni와, 상술한 바와 같이, 미리 측정된 Lzi에 근거하여, 거리 측정 공간(108)의 평균 굴절률 nave를 산출한다.
또한, 하기의 식 (5)가 나타내는 바와 같이, 각 영역의 Z축방향의 광로 길이의 합계, 즉 제 1 광학계(6)의 출사면으로부터 측정 대상물(107)의 반사면까지의 제 1 광로 길이 Lmeasure, z는 거리 측정 공간(108)의 평균 굴절률 nave와, 제 1 광학계(6)의 출사면으로부터 측정 대상물(107)의 반사면까지의 거리 LZ의 곱과 동일하다.
Figure pct00005
식 (5)를 변형하면, 하기의 식 (6)과 같이 나타난다.
Figure pct00006
상기의 식 (6)이 나타내는 바와 같이, 거리 산출부(16)는 산출한 평균 굴절률 nave과, 광로 길이 산출부(15)가 산출한 제 1 광로 길이 Lmeasure, z에 근거하여, 가공부(103)에 의한 측정 대상물(107)의 가공 중에 있어서의, 제 1 광학계(6)의 출사면으로부터 측정 대상물(107)의 반사면까지의 거리 LZ를 산출한다.
또한, 상기의 제 2 구체적인 예에 있어서, 거리 측정 공간(108)에 있어서의 굴절률 분포가, Z축방향의 위치에 따라서, 연속적으로 변화하고 있다고 예상되는 경우, 거리 산출부(16)는, 각 영역의 굴절률을 피팅 파라미터로서 이용하는 것에 의해, Z축방향의 위치에 따라서, 연속적으로 변화하는 굴절률의 함수를 피팅에 의해 인도하여도 좋다. 그 경우, 거리 산출부(16)는 거리 측정 공간(108)의 평균 굴절률을, 식 (4)와 같이 단순한 가중 평균에 의해서가 아닌, 상기 함수를 적분하는 것에 의해 산출하여도 좋다.
또한, 일반적으로, 광을 이용한 거리 측정에서는, 거리 측정을 개시하고 나서 완료할 때까지, 거리 측정 공간(108)에 있어서의 굴절률이, 온도의 변화, 또는 공기 이외의 물질의 농도의 변화에 의해 변화하는 정도는 매우 작다.
보다 상세하게는, 일반적으로, 파장 스위프 광을 출사하는 광원은, 스위프 속도가 ㎑ 오더 이상의 것이 널리 이용되고 있다. 광거리 측정 장치(101)의 파장 스위프 광 출력부(104)에 이와 같은 광원이 이용된 경우, 광거리 측정 장치(101)는, 1초간에 1000회의 거리 측정을 실행할 수 있다. 광거리 측정 장치(101)가 1회의 거리 측정에 필요로 하는 0.001초의 사이에, 거리 측정 공간(108)에서 온도의 변화, 또는 대류에 의한 굴절률이 변화하는 정도는 매우 작다.
그 때문에, 광거리 측정 장치(101)는 파장 스위프 광 출력부(104), 복수의 광학 소자(10) 및 반사부(8) 등의 광학 부재에 의한 광을 이용한 거리 측정을 실행하는 것에 의해, 거리 측정 공간(108)이 변화하는 굴절률을 일일이 상세하게 측정할 수 있다. 따라서, 광거리 측정 장치(101)는 상기 굴절률에 근거하여, 제 1 광학계(6)의 출사면으로부터 측정 대상물(107)의 반사면까지의 거리를 하나하나 상세하게 측정할 수 있다.
이하에서, 거리 측정 공간(108)에 있어서의 굴절률 변화의 시뮬레이션 결과에 대해 설명한다. 상기 시뮬레이션에서는, 측정 대상물(107)의 반사면이 유막층에 의해 덮여 있으며, 거리 측정 공간(108)은 상기 유막층과, 상기 유막층의 제 1 광학계(6)측의 표면으로부터 제 1 광학계(6)의 출사면까지의 공기층으로 구성되어 있는 것으로 한다.
제 1 광학계(6)의 광축을 따른 방향의 상기 공기층의 두께는 0.8m로 하고, 제 1 광학계(6)의 광축을 따른 방향의 상기 유막층의 두께는 0.001m로 한다. 또한, 공기층의 굴절률의 온도 의존성을 3.7×10＾-6으로 하고, 유막층의 굴절률의 온도 의존성을 3.3×10＾-4로 한다.
광거리 측정 장치(101)가 킬로와트 클래스의 고출력 가공 레이저를 출력하는 경우, 미광에 의해 가공 헤드부(110) 전체가 온도 상승한다. 그래서, 가공부(103)에 의한 측정 대상물(107)의 가공 중에 있어서, 공기층의 온도는 제 1 광학계(6)측의 두께 0.4m의 층의 온도가 80도이며, 측정 대상물(107)측의 두께 0.4m의 층의 온도가 40℃라 가정하고, 유막층의 온도는 40℃라 가정한다. 그 경우에서 측정되는, 제 1 광학계(6)의 출사면으로부터 측정 대상물(107)의 반사면까지의 광로 길이와, 거리 측정 공간(108)의 온도가 상온 25℃인 경우에서 측정되는, 제 1 광학계(6)의 출사면으로부터 측정 대상물(107)의 반사면까지의 광로 길이의 차이는, 108.1um으로 상정된다. 광거리 측정 장치(101)는 상술의 방법에 의해, 이 차분을 보정하는 것이 가능하며, 이에 의해, 가공부(103)에 의한 측정 대상물(107)의 가공중에 있어서의, 제 1 광학계(6)의 출사면으로부터 측정 대상물(107)의 반사면까지의 거리를 정확하게 측정할 수 있다.
또한, 상기의 시뮬레이션에 있어서의 공기의 굴절률의 온도 의존성의 값으로서 Ciddor의 식을 이용했다. 또한, 상기의 시뮬레이션에 있어서의 유막의 굴절률의 온도 의존성의 값으로서, 톨루엔의 물성값을 이용했다. 일반적으로, 톨루엔 그 자체는, 가공유로서 이용되는 일은 없지만, 물성값의 예가 풍부하게 축적되어 있기 때문에 이용했다.
다음에, 실시형태 1에 따른 광거리 측정 장치(101)의 변형예에 대해 설명한다. 광 간섭부(11)에 있어서의, 제 1 반사광에 근거한 제 1 간섭광과, 제 2 반사광에 근거한 제 2 간섭광은, 광로 길이 산출부(15)가 각 간섭광의 중심 주파수를 검출할 수 있는 정도로 충분히 분리될 필요가 있다.
그래서, 예를 들면, 광 간섭부(11)에 입사하는 제 1 반사광과 제 2 반사광을 커플러를 이용하여 분기하는 방법을 고려할 수 있다. 상기 방법에서는, 광 간섭부(11)가 제 1 반사광과 제 2 반사광이 간섭하지 않는 정도로 충분히 이격된 위치에서, 제 1 반사광과 참조광의 간섭, 및 제 2 반사광과 참조광의 간섭을 동시에 실행할 수 있도록, 제 1 반사광의 광로의 길이와, 제 2 반사광의 광로의 길이를 조정할 필요가 있다. 그러나, 상기 방법에서는, 제 1 반사광의 광로의 길이를 조정한 만큼, 제 1 반사광의 광로가 길어지는 것에 의해, 광거리 측정 장치(101)가 측정 가능한 거리의 범위가 좁아질 가능성이 있다.
그래서, 상기 변형예에서는, 광거리 측정 장치(101)는 측정광 분기부(5)로서, 측정광의 광로를 고속으로 스위칭할 수 있는 광 스위치를 구비한다. 상기 광 스위치는 측정광의 광로를, 상기 광 스위치로부터 제 1 광학계(6)까지의 광로로 스위칭하는 것에 의해, 제 1 측정광을 제 1 광학계(6)에 인도하거나, 또는, 측정광의 광로를, 상기 광 스위치로부터 제 2 광학계(7)까지의 광로에 스위칭하는 것에 의해, 제 2 측정광을 제 2 광학계(7)에 인도한다. 또한, 상기 광 스위치는, 파장 스위프 광 출력부(104)가 출사하는 스위프 광의 스위프 주파수보다 적은 빈도로 스위칭을 실행한다.
이에 의해, 제 1 반사광과 제 2 반사광은, 공간적이지 않고 시간적으로 분리되며, 광 간섭부(11)는 제 1 반사광과 참조광의 간섭, 및 제 2 반사광과 참조광의 간섭을 각각 상이한 시간에 실행할 수 있어서, 제 1 간섭광과 제 2 간섭광이 시간적으로 분리된다. 따라서, 광로 길이 산출부(15)는, 각 간섭광의 중심 주파수를 정확하게 검출할 수 있다. 따라서, 거리 산출부(16)는, 제 1 광학계(6)의 출사면으로부터 측정 대상물(107)의 반사면까지의 거리를 정확하게 측정할 수 있다.
도 6a는 광거리 측정 장치(101)가, 측정광 분기부(5)로서, 공간적으로 측정광을 제 1 측정광과 제 2 측정광으로 분기하는 광학 소자를 구비한 경우의, 광 간섭부(11)에 있어서의 제 1 간섭광의 주파수 스펙트럼과 제 2 간섭광의 주파수 스펙트럼을 나타내는 그래프이다. 도 6a에 있어서, 종축은 강도를 나타내며, 횡축은 주파수를 나타낸다. 또한, 도 6a에서는 제 2 광학계(7)를 구성하는 복수의 광학 소자(10) 중 2개의 광학 소자(10)에 대응하며, 제 2 간섭광의 주파수 스펙트럼이 2개 나타나 있다.
제 1 간섭광의 주파수 스펙트럼(P)과, 제 2 간섭광의 주파수 스펙트럼(Q)과, 제 2 간섭광의 주파수 스펙트럼(R)은, 광로 길이 산출부(15)가 각 간섭광의 중심 주파수를 검출할 수 있을 정도로 충분히 이격되어 있을 필요가 있다.
도 6b는 광거리 측정 장치(101)가, 측정광 분기부(5)로서, 시간적으로 측정광을 제 1 측정광과 제 2 측정광으로 분기하는 광 스위치를 구비한 경우의, 광 간섭부(11)에 있어서의 제 1 간섭광의 주파수 스펙트럼과 제 2 간섭광의 주파수 스펙트럼을 나타내는 그래프이다. 도 6b에 있어서, 각 그래프의 종축은 강도를 나타내며, 각 그래프의 횡축은 주파수를 나타낸다.
도 6b의 좌측의 그래프는, 광 스위치가, 측정광의 광로를 상기 광 스위치로부터 제 1 광학계(6)까지의 광로로 스위칭하는 것에 의해, 제 1 측정광을 제 1 광학계(6)에 인도한 경우의, 광 간섭부(11)에 있어서의 제 1 간섭광의 주파수 스펙트럼을 나타낸다.
도 6b의 가운데의 그래프는 광 스위치가, 측정광의 광로를, 상기 광 스위치로부터 복수의 광학 소자(10) 중, 제 1 광학 소자까지의 광로로 스위칭하는 것에 의해, 제 2 측정광을 상기 제 1 광학 소자에 인도한 경우의, 광 간섭부(11)에 있어서의 제 2 간섭광의 주파수 스펙트럼을 나타낸다.
도 6b의 오른쪽의 그래프는 광 스위치가, 측정광의 광로를, 상기 광 스위치로부터 복수의 광학 소자(10) 중, 제 2 광학 소자까지의 광로로 스위칭하는 것에 의해, 제 2 측정광을 상기 제 2 광학 소자에 인도한 경우의, 광 간섭부(11)에 있어서의 제 2 간섭광의 주파수 스펙트럼을 나타낸다.
도 6b가 도시하는 바와 같이, 제 1 간섭광과 제 2 간섭광은, 시간적으로 분리된다. 따라서, 광로 길이 산출부(15)는, 각 간섭광의 중심 주파수를 정확하게 검출할 수 있으며, 거리 산출부(16)는, 제 1 광학계(6)의 출사면으로부터 측정 대상물(107)의 반사면까지의 거리를 정확하게 측정할 수 있다.
이상과 같이, 실시형태 1에 따른 광거리 측정 장치(101)는, 레이저 광을 측정광과 참조광으로 분기하는 분기부(3)와, 분기부(3)가 분기된 측정광을 제 1 측정광과 제 2 측정광으로 분기하는 측정광 분기부(5)와, 측정광 분기부(5)가 분기된 제 1 측정광을 측정 대상물에 조사하고, 상기 측정 대상물에서 반사된 제 1 반사광을 수광하는 제 1 광학계(6)와, 측정광 분기부(5)가 분기한 제 2 측정광을, 제 1 광학계(6)와 측정 대상물(107) 사이의 거리 측정 공간(108)을 향하여 출사하는 제 2 광학계(7)와, 제 2 광학계(7)가 출사하고, 거리 측정 공간(108)을 통과한 제 2 측정광을, 제 2 광학계(7)를 향하여 반사하는 반사부(8)와, 제 1 광학계(6)가 수광한 제 1 반사광과, 분기부(3)가 분기한 참조광에 근거하여, 제 1 광학계(6)의 출사면으로부터 측정 대상물(107)의 반사면까지의 제 1 광로 길이를 산출하고, 반사부(8)에 의해 반사되며, 제 2 광학계(7)가 수광한 제 2 반사광과, 분기부(3)가 분기한 참조광에 근거하여, 제 2 광학계(7)의 출사면으로부터 반사부(8)의 반사면까지의 제 2 광로 길이를 산출하는 광로 길이 산출부(15)와, 광로 길이 산출부(15)가 측정한 제 2 광로 길이에 근거하여, 거리 측정 공간(108)의 굴절률을 산출하고, 상기 굴절률과, 광로 길이 산출부(15)가 측정한 제 1 광로 길이에 근거하여, 제 1 광학계(6)의 출사면으로부터 측정 대상물(107)의 반사면까지의 거리를 산출하는 거리 산출부(16)를 구비하고 있다.
상기의 구성에 의하면, 제 2 광학계(7)의 출사면으로부터 반사부(8)의 반사면까지의 제 2 광로 길이에 근거하여, 거리 측정 공간(108)의 굴절률을 산출하고, 상기 굴절률과, 제 1 광학계(6)의 출사면으로부터 측정 대상물(107)의 반사면까지의 제 1 광로 길이에 근거하여, 제 1 광학계(6)의 출사면으로부터 측정 대상물(107)의 반사면까지의 거리를 산출한다. 이에 의해, 거리 측정 공간(108)의 굴절률이 변화하는 경우에, 측정한 거리 측정 공간(108)의 굴절률에 근거하여, 제 1 광학계(6)의 출사면으로부터 측정 대상물(107)의 반사면까지의 거리를 산출할 수 있다. 따라서, 거리 측정 공간(108)의 굴절률이 변화하는 것에 의해, 거리의 측정 정밀도가 저하해 버리는 것을 억제할 수 있다.
또한, 실시형태 1에 따른 광거리 측정 장치(101)는, 제 1 광학계(6)가 수광한 제 1 반사광과, 분기부(3)가 분기한 참조광을 간섭시키는 것에 의해, 제 1 간섭광을 생성하고, 제 2 측정광이 반사부(8)에서 반사되고, 제 2 광학계(7)가 수광한 제 2 반사광과, 분기부(3)가 분기한 참조광을 간섭시키는 것에 의해, 제 2 간섭광을 생성하는 광 간섭부(11)를 더 구비하고, 광로 길이 산출부(15)는, 광 간섭부(11)가 생성한 제 1 간섭광에 근거하여, 제 1 광학계(6)의 출사면으로부터 측정 대상물(107)의 반사면까지의 제 1 광로 길이를 산출하고, 광 간섭부(11)가 생성한 제 2 간섭광에 근거하여, 제 2 광학계(7)의 출사면으로부터 반사부(8)의 반사면까지의 제 2 광로 길이를 산출한다.
상기의 구성에 의하면, 제 1 반사광과 참조광의 제 1 간섭광에 근거하여, 제 1 광로 길이를 바람직하게 산출할 수 있으며, 제 2 반사광과 참조광의 제 2 간섭광에 근거하여, 제 2 광로 길이를 바람직하게 산출할 수 있다. 따라서, 제 1 광학계(6)의 출사면으로부터 측정 대상물(107)의 반사면까지의 거리를 바람직하게 산출할 수 있어서, 거리 측정 공간(108)의 굴절률이 변화하는 것에 의해 거리의 측정 정밀도가 저하해 버리는 것을 억제할 수 있다.
또한, 실시형태 1에 따른 광거리 측정 장치(101)는, 거리 측정 공간(108)은, 제 1 광학계(6)의 광축을 따라서 나열된 복수의 영역으로 구성되며, 제 2 광학계(7)는, 각각 출사하는 제 2 측정광의 광축이 복수의 영역 중 대응하는 영역을 지나도록 설치된 복수의 광학 소자(10)로 구성되며, 복수의 광학 소자(10)는 각각, 제 2 측정광을, 복수의 영역 중 대응하는 영역을 향하여 출사하며, 반사부에 의해 반사된 제 2 반사광을 수광하며, 광 간섭부(11)는, 복수의 광학 소자(10)가 수광한 영역마다의 제 2 반사광과, 참조광을 간섭시키는 것에 의해 영역마다의 제 2 간섭광을 생성하고, 광로 길이 산출부(15)는, 광 간섭부(11)가 생성한 영역마다의 제 2 간섭광에 근거하여, 각 영역의 제 2 광로 길이를 산출하고, 거리 산출부(16)는, 광로 길이 산출부(15)가 산출한 각 영역의 제 2 광로 길이에 근거하여, 각 영역의 굴절률을 산출하고, 상기 각 영역의 굴절률에 근거하여, 거리 측정 공간(108)의 평균 굴절률을 산출하고, 상기 평균 굴절률과 제 1 광로 길이에 근거하여 제 1 광학계(6)의 출사면으로부터 측정 대상물(107)의 반사면까지의 거리를 산출한다.
상기의 구성에 의하면, 각 영역의 제 2 광로 길이를 산출한다. 그리고, 각 영역의 제 2 광로 길이에 근거하여, 각 영역의 굴절률을 산출하고, 상기 각 영역의 굴절률과, 제 1 광학계(6)의 출사면으로부터 측정 대상물(107)의 반사면까지의 제 1 광로 길이에 근거하여, 제 1 광학계(6)의 출사면으로부터 측정 대상물(107)의 반사면까지의 거리를 산출한다. 이에 의해, 거리 측정 공간(108)의 굴절률이 변화하고, 거리 측정 공간(108)에서 굴절률 분포가 생기는 경우, 측정한 거리 측정 공간(108)에 있어서의 각 영역의 굴절률에 근거하여, 제 1 광학계(6)의 출사면으로부터 측정 대상물(107)의 반사면까지의 거리를 산출할 수 있다. 따라서, 거리 측정 공간(108)의 굴절률이 변화하고, 거리 측정 공간에서 굴절률 분포가 생기는 것에 의해 거리의 측정 정밀도가 저하해 버리는 것을 억제할 수 있다.
또한, 실시형태 1에 따른 광거리 측정 장치(101)는, 레이저 광은 파장 스위프된 스위프 광이며, 광 간섭부(11)는 제 1 반사광과 참조광을 간섭시키는 것에 의해, 제 1 간섭광으로서 제 1 차주파를 생성하고, 제 2 반사광과 참조광을 간섭시키는 것에 의해, 제 2 간섭광으로서 제 2 차주파를 생성하고, 광로 길이 산출부(15)는, 광 간섭부(11)가 생성한 제 1 차주파에 근거하여, 제 1 광로 길이를 산출하고, 광 간섭부(11)가 생성한 제 2 차주파에 근거하여, 제 2 광로 길이를 산출한다.
상기의 구성에 의하면, 제 1 반사광과 참조광의 제 1 간섭광인 제 1 차주파에 근거하여, 제 1 광로 길이를 바람직하게 산출할 수 있으며, 제 2 반사광과 참조광의 제 2 간섭광인 제 2 차주파에 근거하여, 제 2 광로 길이를 바람직하게 산출할 수 있다. 따라서, 제 1 광학계(6)의 출사면으로부터 측정 대상물(107)의 반사면까지의 거리를 바람직하게 산출할 수 있어서, 거리 측정 공간(108)의 굴절률이 변화하는 것에 의해 거리의 측정 정밀도가 저하해 버리는 것을 억제할 수 있다.
또한, 실시형태 1에 따른 가공 장치(100)는 광거리 측정 장치(101)와, 측정 대상물(107)을 가공하는 가공부(103)와, 광거리 측정 장치(101)가 측정한 거리에 근거하여, 가공부(103)가 측정 대상물(107)을 가공하도록 가공부(103)를 제어하는 가공 제어부(102)를 구비하고 있다.
상기의 구성에 의하면, 거리 측정 공간(108)의 굴절률이 변화한 경우여도, 측정한 거리 측정 공간(108)의 굴절률에 근거하여, 제 1 광학계(6)의 출사면으로부터 측정 대상물(107)의 반사면까지의 거리를 산출하고, 상기 거리에 근거하여 측정 대상물(107)을 가공할 수 있다. 따라서, 거리 측정 공간(108)의 굴절률이 변화하는 것에 의해 거리의 측정 정밀도가 저하해 버리는 것을 억제할 수 있어서, 측정 대상물(107)의 가공 정밀도를 향상할 수 있다.
실시형태 2
실시형태 1에서는, 측정광 및 참조광의 광원으로서, 스위프 광을 출력하는 파장 스위프 광 출력부(104)를 이용하는 구성을 설명했다. 실시형태 2에서는, 측정광 및 참조광의 광원으로서, 백색광을 출력하는 백색 레이저 광원을 이용하는 구성을 설명한다.
이하에서, 실시형태 2에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 실시형태 1에서 설명한 구성과 마찬가지의 기능을 갖는 구성에 대해서는 동일한 부호를 부여하고, 그 설명을 생략한다. 도 7은 실시형태 2에 따른 광거리 측정 장치(121)를 구비하고 있는 가공 장치(120)의 구성을 도시하는 도면이다. 도 7이 도시하는 바와 같이, 실시형태 1에 따른 광거리 측정 장치(101)와 비교하여, 광거리 측정 장치(121)는 파장 스위프 광 출력부(104) 대신에, 백색 레이저 광원(20)을 구비하고, 신호 처리부(122)가 분광부(21)를 더 구비하고 있다.
백색 레이저 광원(20)은 연속파의 레이저 광을 출사한다. 예를 들면, 백색 레이저 광원(20)은 ASE(Amplified　Spontaneous　Emission) 광원 등이다.
또한, 실시형태 2에서는, 광거리 측정 장치(121)가 백색 레이저 광원(20)을 구비하고 있는 구성에 대해 설명하지만, 광거리 측정 장치(121)는 백색 레이저 광원(20)을 구비하지 않아도 좋다. 그 경우, 광거리 측정 장치(121)는 백색 레이저 광원(20)을 구비하는 외부의 레이저 광 발생 장치가 출사한 레이저 광을 이용하여도 좋다.
실시형태 2에서는, 분기부(3)는 백색 레이저 광원(20)이 출사한 레이저 광을 측정광과 참조광으로 분기한다. 즉, 상기 측정광 및 상기 참조광과, 측정광 분기부(5)가 상기 측정광을 분기하는 것에 의해 생성하는 제 1 측정광 및 제 2 측정광과, 제 1 광학계(6)가 측정 대상물(107)에 조사하고, 측정 대상물(107)에서 반사된 제 1 반사광과, 제 2 광학계(7)가 반사부(8)를 향하여 출사하며, 반사부(8)에서 반사된 제 2 반사광은 각각, 연속파의 레이저 광이다.
따라서, 실시형태 2에서는, 광 간섭부(11)는 연속파의 제 1 반사광과, 연속파의 참조광을 간섭시키는 것에 의해 제 1 간섭광을 생성한다. 또한, 광 간섭부(11)는, 연속파의 제 2 반사광과, 연속파의 참조광을 간섭시키는 것에 의해, 제 2 간섭광을 생성한다.
분광부(21)는 광 간섭부(11)가 생성한 제 1 간섭광을 분광한다. 분광부(21)가 분광한 제 1 간섭광은 주파수마다 공간적으로 분리하고 있다. 또한, 분광부(21)는 광 간섭부(11)가 생성한 제 2 간섭광을 분광한다. 분광부(21)가 분광한 제 2 간섭광은, 주파수마다 공간적으로 분리하고 있다. 분광부(21)는 예를 들면 회절 격자 등이다.
보다 상세하게는, 실시형태 2에서는, 광전 변환부(12)는 도시하지 않은 복수의 광전 소자를 갖는다. 상기 복수의 광전 소자는 각각, 분광부(21)가 분광한 제 1 간섭광을 광전 변환하는 것에 의해, 각 광전 소자의 배치가 대응지어진 제 1 간섭광의 강도를 나타내는 제 1 아날로그 신호를 생성한다. 보다 상세하게는, 광전 변환부(12)는, 예를 들면 CCD와 같이 다발형상으로 나열된 복수의 광전 소자를 갖는다. 상기 복수의 광전 소자는 각 배치가, 수광하는 광의 주파수에 대응하고 있다. 상기 복수의 광전 소자는, 공간적으로 주파수마다 분리한 제 1 간섭광을 광전 변환하는 것에 의해, 각 광전 소자의 배치가 대응지어진 제 1 간섭광의 강도를 나타내는 제 1 아날로그 신호를 생성한다.
또한, 실시형태 2에서는, 광전 변환부(12)에 있어서의 상술의 복수의 광전 소자는 각각, 분광부(21)가 분광한 제 2 간섭광을 광전 변환하는 것에 의해, 각 광전 소자의 배치가 대응지어진 제 2 간섭광의 강도를 나타내는 제 2 아날로그 신호를 생성한다. 보다 상세하게는, 상기 복수의 광전 소자는, 공간적으로 주파수마다 분리한 제 2 간섭광을 광전 변환하는 것에 의해, 각 광전 소자의 배치가 대응지어진 제 2 간섭광의 강도를 나타내는 제 2 아날로그 신호를 생성한다.
실시형태 2에서는, 디지털 변환부(13)는, 광전 변환부(12)가 생성한 제 1 아날로그 신호를 A/D 변환하는 것에 의해, 각 광전 소자의 배치가 대응지어진 제 1 간섭광의 강도를 나타내는 제 1 디지털 신호를 생성한다. 또한, 디지털 변환부(13)는, 광전 변환부(12)가 생성한 제 2 아날로그 신호를 A/D 변환하는 것에 의해, 각 광전 소자의 배치가 대응지어진 제 2 간섭광의 강도를 나타내는 제 2 디지털 신호를 생성한다.
실시형태 2에서는, 강도 측정부(14)는 도시하지 않은 기억부로부터, 광전 변환부(12)에 있어서의 각 광전 소자의 배치와 각 광전 소자가 수광하는 광의 주파수의 대응을 나타내는 정보를 취득한다. 강도 측정부(14)는 상기 정보와, 디지털 변환부(13)가 생성한 제 1 디지털 신호에 근거하여, 제 1 간섭광의 주파수마다의 강도를 측정한다. 또한, 실시형태 2에서는, 강도 측정부(14)는 광전 변환부(12)에 있어서의 각 광전 소자의 배치와 각 광전 소자가 수광하는 광의 주파수의 대응을 나타내는 정보 및, 디지털 변환부(13)가 생성한 제 2 디지털 신호에 근거하여, 제 2 간섭광의 주파수마다의 강도를 측정한다.
실시형태 2에서는, 광로 길이 산출부(15)는, 분광부(21)가 분광한 제 1 간섭광에 근거하여, 제 1 광학계(6)의 출사면으로부터 측정 대상물(107)의 반사면까지의 제 1 광로 길이를 산출한다. 또한, 실시형태 2에서는, 광로 길이 산출부(15)는 분광부(21)가 분광한 제 2 간섭광에 근거하여, 제 2 광학계(7)의 출사면으로부터 반사부(8)의 반사면까지의 제 2 광로 길이를 산출한다. 보다 상세하게는, 실시형태 2에서는, 광로 길이 산출부(15)는, 강도 측정부(14)가 측정한 제 1 간섭광의 주파수마다의 강도에 근거하여, 제 1 광학계(6)의 출사면으로부터 측정 대상물(107)의 반사면까지의 제 1 광로 길이를 산출한다. 또한, 광로 길이 산출부(15)는, 강도 측정부(14)가 측정한 제 2 간섭광의 주파수마다의 강도에 근거하여, 제 2 광학계(7)의 출사면으로부터 반사부(8)의 반사면까지의 제 2 광로 길이를 산출한다.
또한, 도면은 생략하지만, 실시형태 2에 따른 광거리 측정 장치(121)의 해석부(109)에 의한 거리 측정 방법은, 실시형태 1에 따른 광거리 측정 장치(101)의 해석부(109)에 의한 거리 측정 방법과 비교하여, 이하의 점이 상이하다. 우선, 실시형태 2에서는, 상술의 단계 ST1에 있어서, 강도 측정부(14)는, 광전 변환부(12)에 있어서의 각 광전 소자의 배치와 각 광전 소자가 수광하는 광의 주파수의 대응을 나타내는 정보와, 디지털 변환부(13)가 생성한 제 1 디지털 신호에 근거하여, 제 1 간섭광의 주파수마다의 강도를 측정한다.
또한, 실시형태 2에서는, 상술의 단계 ST1에 있어서, 강도 측정부(14)는, 광전 변환부(12)에 있어서의 각 광전 소자의 배치와 각 광전 소자가 수광하는 광의 주파수의 대응을 나타내는 정보와, 디지털 변환부(13)가 생성한 제 2 디지털 신호에 근거하여, 제 2 간섭광의 주파수마다의 강도를 측정한다.
다음에, 상술의 단계 ST2에 있어서, 광로 길이 산출부(15)는, 강도 측정부(14)가 측정한 제 1 간섭광의 주파수마다의 강도에 근거하여, 제 1 광학계(6)의 출사면으로부터 측정 대상물(107)의 반사면까지의 제 1 광로 길이를 산출하고, 강도 측정부(14)가 측정한 제 2 간섭광의 주파수마다의 강도에 근거하여, 제 2 광학계(7)의 출사면으로부터 반사부(8)의 반사면까지의 제 2 광로 길이를 산출한다.
보다 상세하게는, 실시형태 2에서는, 상술의 단계 ST2에 있어서, 광로 길이 산출부(15)는, 주지 기술인 스펙트럼 도메인 방식의 광간섭 단층계에 이용되는 방법과 마찬가지의 방법에 의해, 강도 측정부(14)가 측정한 제 1 간섭광의 주파수마다의 강도에 근거하여, 제 1 광학계(6)의 출사면으로부터 측정 대상물(107)의 반사면까지의 제 1 광로 길이를 산출한다.
또한, 실시형태 2에서는, 상술의 단계 ST2에 있어서, 광로 길이 산출부(15)는, 주지 기술인 스펙트럼 도메인 방식에 의한 광간섭 단층계에 이용되는 방법과 마찬가지의 방법에 의해, 강도 측정부(14)가 측정한 제 2 간섭광의 주파수마다의 강도에 근거하여, 제 2 광학계(7)의 출사면으로부터 반사부(8)의 반사면까지의 제 2 광로 길이를 산출한다. 또한, 스펙트럼 도메인 방식의 광간섭 단층계에 의한 광로 길이 측정 방법은 공지된 것이므로, 설명을 생략한다.
다음에, 거리 산출부(16)는 상술의 단계 ST3에 있어서, 광로 길이 산출부(15)가 측정한 제 2 광로 길이에 근거하여, 거리 측정 공간(108)의 굴절률을 산출한다. 다음에, 상술의 단계 ST4에 있어서, 거리 산출부(16)는, 단계 ST3에서 산출한 굴절률과, 광로 길이 산출부(15)가 측정한 제 1 광로 길이에 근거하여, 제 1 광학계(6)의 출사면으로부터 측정 대상물(107)의 반사면까지의 거리를 산출한다.
또한, 실시형태 2에 따른 광거리 측정 장치(121)의 해석부(109)에 있어서의, 강도 측정부(14), 광로 길이 산출부(15) 및 거리 산출부(16)의 각각의 기능은, 처리 회로에 의해 실현된다. 즉, 실시형태 2에 따른 광거리 측정 장치(121)의 해석부(109)는 상기에서 설명한 각 단계의 처리를 실행하기 위한 처리 회로를 구비한다. 이 처리 회로는, 전용 하드웨어여도 좋지만, 메모리에 기억된 프로그램을 실행하는 CPU(Central　Processing　Unit)여도 좋다. 실시형태 2에 따른 광거리 측정 장치(121)의 해석부(109)의 기능을 실현하는 하드웨어 구성은, 도 3a가 도시하는 하드웨어 구성과 마찬가지이다. 또한, 실시형태 2에 따른 광거리 측정 장치(121)의 해석부(109)의 기능을 실현하는 소프트웨어를 실행하는 하드웨어 구성은, 도 3b가 도시하는 하드웨어 구성과 동일하다.
이상과 같이, 실시형태 2에 따른 광거리 측정 장치(121)는 레이저 광은 백색 레이저 광이며, 광 간섭부(11)가 생성한 제 1 간섭광을 분광하고, 광 간섭부(11)가 생성한 제 2 간섭광을 분광하는 분광부(21)를 더 구비하며, 광로 길이 산출부(15)는, 분광부(21)가 분광한 제 1 간섭광에 근거하여, 제 1 광학계(6)의 출사면으로부터 측정 대상물(107)의 반사면까지의 제 1 광로 길이를 산출하고, 분광부(21)가 분광한 제 2 간섭광에 근거하여, 제 2 광학계(7)의 출사면으로부터 반사부(8)의 반사면까지의 제 2 광로 길이를 산출한다.
상기의 구성에 의하면, 분광된 제 1 간섭광에 근거하여, 제 1 광로 길이를 바람직하게 산출할 수 있으며, 분광된 제 2 간섭광에 근거하여, 제 2 광로 길이를 바람직하게 산출할 수 있다. 따라서, 제 1 광학계(6)의 출사면으로부터 측정 대상물(107)의 반사면까지의 거리를 바람직하게 산출할 수 있어서, 거리 측정 공간(108)의 굴절률이 변화하는 것에 의해 거리의 측정 정밀도가 저하되어 버리는 것을 억제할 수 있다.
또한, 본원 발명은 그 발명의 범위 내에서, 각 실시형태의 자유로운 조합 혹은 각 실시형태의 임의의 구성 요소의 변형, 혹은 각 실시형태에 있어서, 임의의 구성 요소의 생략이 가능하다.
본 발명에 따른 광거리 측정 장치는, 거리 측정 공간의 굴절률이 변화하는 것에 의해 거리의 측정 정밀도가 저하해 버리는 것을 억제할 수 있기 때문에, 측정 대상물을 가공하는 가공 장치에 이용 가능하다.
1: 레이저 광원 2: 스위핑부
3: 분기부 4: 광 서큘레이터
5: 측정광 분기부 6: 제 1 광학계
7: 제 2 광학계 8: 반사부
9: 지연 조정부 10: 광학 소자
11: 광 간섭부 12: 광전 변환부
13: 디지털 변환부 14: 강도 측정부
15: 광로 길이 산출부 16: 거리 산출
20: 백색 레이저 광원 21: 분광부
100: 가공 장치 101: 광거리 측정 장치
102: 가공 제어부 103: 가공부
104: 파장 스위프 광 출력부 105: 광 송신부
106: 신호 처리부 107: 측정 대상물
108: 거리 측정 공간 109: 해석부
110: 가공 헤드부 111: 처리 회로
112: 프로세서 113: 메모리
120: 가공 장치 121: 광거리 측정 장치
122: 신호 처리부

Claims (6)

  1. 레이저 광을 측정광과 참조광으로 분기하는 분기부와,
    상기 분기부가 분기한 측정광을 제 1 측정광과 제 2 측정광으로 분기하는 측정광 분기부와,
    상기 측정광 분기부가 분기한 제 1 측정광을 측정 대상물에 조사하고, 상기 측정 대상물에서 반사된 제 1 반사광을 수광하는 제 1 광학계와,
    상기 측정광 분기부가 분기한 제 2 측정광을, 상기 제 1 광학계와 상기 측정 대상물 사이의 공간을 향하여 출사하는 제 2 광학계와,
    상기 제 2 광학계가 출사하고, 상기 공간을 통과한 제 2 측정광을, 상기 제 2 광학계를 향하여 반사하는 반사부와,
    상기 제 1 광학계가 수광한 제 1 반사광과, 상기 분기부가 분기한 참조광에 근거하여, 상기 제 1 광학계의 출사면으로부터 상기 측정 대상물의 반사면까지의 제 1 광로 길이를 산출하고, 상기 반사부에 의해 반사되며, 상기 제 2 광학계가 수광한 제 2 반사광과, 상기 분기부가 분기한 참조광에 근거하여, 상기 제 2 광학계의 출사면으로부터 상기 반사부의 반사면까지의 제 2 광로 길이를 산출하는 광로 길이 산출부와,
    상기 광로 길이 산출부가 측정한 제 2 광로 길이에 근거하여, 상기 공간의 굴절률을 산출하고, 상기 굴절률과, 상기 광로 길이 산출부가 측정한 제 1 광로 길이에 근거하여, 상기 제 1 광학계의 출사면으로부터 상기 측정 대상물의 반사면까지의 거리를 산출하는 거리 산출부를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는
    광거리 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 광학계가 수광한 제 1 반사광과, 상기 분기부가 분기한 참조광을 간섭시키는 것에 의해 제 1 간섭광을 생성하고, 상기 제 2 측정광이 상기 반사부에서 반사되고, 상기 제 2 광학계가 수광한 제 2 반사광과, 상기 분기부가 분기한 참조광을 간섭시키는 것에 의해 제 2 간섭광을 생성하는 광 간섭부를 더 구비하고,
    상기 광로 길이 산출부는, 상기 광 간섭부가 생성한 제 1 간섭광에 근거하여, 상기 제 1 광로 길이를 산출하고, 상기 광 간섭부가 생성한 제 2 간섭광에 근거하여, 상기 제 2 광로 길이를 산출하는 것을 특징으로 하는
    광거리 측정 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 공간은 상기 제 1 광학계의 광축을 따라서 나열된 복수의 영역으로 구성되며,
    상기 제 2 광학계는, 각각 출사하는 제 2 측정광의 광축이 상기 복수의 영역 중 대응하는 영역을 지나도록 설치된 복수의 광학 소자로 구성되며,
    상기 복수의 광학 소자는 각각, 상기 제 2 측정광을, 상기 복수의 영역 중 대응하는 영역을 향하여 출사하고, 상기 반사부에 의해 반사된 제 2 반사광을 수광하며,
    상기 광 간섭부는, 상기 복수의 광학 소자가 수광한 영역마다의 제 2 반사광과, 상기 참조광을 간섭시키는 것에 의해 영역마다의 제 2 간섭광을 생성하고,
    상기 광로 길이 산출부는, 상기 광 간섭부가 생성한 영역마다의 제 2 간섭광에 근거하여, 각 영역의 제 2 광로 길이를 산출하고,
    상기 거리 산출부는, 상기 광로 길이 산출부가 산출한 각 영역의 제 2 광로 길이에 근거하여, 각 영역의 굴절률을 산출하고, 상기 각 영역의 굴절률에 근거하여, 상기 공간의 평균 굴절률을 산출하고, 상기 평균 굴절률과 상기 제 1 광로 길이에 근거하여 상기 거리를 산출하는 것을 특징으로 하는
    광거리 측정 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 레이저 광은 파장 스위프된 스위프 광이며,
    상기 광 간섭부는, 상기 제 1 반사광과 상기 참조광을 간섭시키는 것에 의해 상기 제 1 간섭광으로서 제 1 차주파를 생성하고, 상기 제 2 반사광과 상기 참조광을 간섭시키는 것에 의해 상기 제 2 간섭광으로서 제 2 차주파를 생성하고,
    상기 광로 길이 산출부는, 상기 광 간섭부가 생성한 제 1 차주파에 근거하여, 상기 제 1 광로 길이를 산출하고, 상기 광 간섭부가 생성한 제 2 차주파에 근거하여, 상기 제 2 광로 길이를 산출하는 것을 특징으로 하는
    광거리 측정 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 레이저 광은 백색 레이저 광이며,
    상기 광 간섭부가 생성한 제 1 간섭광을 분광하고, 상기 광 간섭부가 생성한 제 2 간섭광을 분광하는 분광부를 더 구비하고,
    상기 광로 길이 산출부는, 상기 분광부가 분광한 제 1 간섭광에 근거하여, 상기 제 1 광로 길이를 산출하고, 상기 분광부가 분광한 제 2 간섭광에 근거하여, 상기 제 2 광로 길이를 산출하는 것을 특징으로 하는
    광거리 측정 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재된 광거리 측정 장치와,
    상기 측정 대상물을 가공하는 가공부와,
    상기 광거리 측정 장치가 측정한 거리에 근거하여, 상기 가공부가 상기 측정 대상물을 가공하도록 상기 가공부를 제어하는 가공 제어부를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는
    가공 장치.
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