WO2022215152A1 - 光測定装置 - Google Patents

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WO2022215152A1
WO2022215152A1 PCT/JP2021/014590 JP2021014590W WO2022215152A1 WO 2022215152 A1 WO2022215152 A1 WO 2022215152A1 JP 2021014590 W JP2021014590 W JP 2021014590W WO 2022215152 A1 WO2022215152 A1 WO 2022215152A1
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light
optical path
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unit
interference
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PCT/JP2021/014590
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隆典 山内
隼也 西岡
広樹 後藤
巨生 鈴木
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三菱電機株式会社
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    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4818—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements using optical fibres

Definitions

  • the present disclosure relates to a light measurement device.
  • optical ranging methods that measure the distance to an object by methods such as the pulse propagation method, triangulation method, confocal method, white light interference method, or wavelength scanning interference method.
  • the white light interference method, the wavelength scanning interference method, and the like are interference methods using the interference phenomenon of light.
  • the interference method light emitted from a light source is split into measurement light and reference light, and the reflected light, which is the light reflected on the target object, is caused to interfere with the reference light. It measures the distance to an object based on constructive conditions.
  • the optical measuring device described in Patent Document 1 uses the interference phenomenon of light.
  • the frequency-modulated output light of the semiconductor laser is split into two by a beam splitter, one of which is used as a reference light and the other as a probe light.
  • the probe light irradiates the object through the optical circulator.
  • Scattered light from an object is guided to a beam splitter via an optical circulator, and the scattered light and reference light are combined and received by a photodetector. Since there is a time difference according to the distance to the object between the frequency-modulated reference light and the scattered light, a frequency difference occurs.
  • a beat signal corresponding to the frequency difference is generated at the output of the photodetector.
  • the optical measurement device described in Patent Document 1 combines scattered light and reference light to generate a beat signal.
  • the distance to the object fluctuates greatly, the difference in optical path length between the reference light and the scattered light increases, so there is a problem that the beat signal is not generated and the distance cannot be measured.
  • the light measurement device includes a branching unit that branches light into reference light and measurement light, an adjustment unit that branches the reference light into a plurality of reference beams having different optical path lengths, and a measurement light that irradiates and reflects an object. an interference unit for obtaining interference light by combining two of the reflected light and a plurality of reference beams; Calculate the difference.
  • FIG. 2 is a configuration diagram showing an example of distance measurement using the light measuring device 100 according to Embodiment 1.
  • FIG. FIG. 4 is an explanatory diagram regarding frequencies of reference light and measurement light; It is a figure which shows the frequency spectrum of interference light. 4 shows a different example of the adjustment unit according to the first embodiment;
  • FIG. 7 is a configuration diagram showing an example of distance measurement using the light measurement device 101 according to Modification 1 of Embodiment 1;
  • Embodiment 1 The optical measurement 100 according to Embodiment 1 will be described in detail below with reference to the drawings.
  • the following Embodiment 1 shows one specific example. Therefore, the shape, arrangement, material, and the like of each component are examples, and are not intended to be limiting.
  • Each figure is a schematic diagram and is not strictly illustrated. Moreover, in each figure, the same code
  • FIG. 1 is a configuration diagram showing an example of distance measurement using the light measuring device 100 according to the first embodiment.
  • the object 14 is irradiated with light from the light measuring device 100, the reflected light is received, and the distance to the object 14 is measured.
  • the optical measurement device 100 includes a transmitter 1 , an adjuster 9 and a receiver 10 .
  • the light measurement device 100 may include a processing section 13 .
  • the transmission unit 1 has a branch unit 4 .
  • the transmitter 1 may include a light source 2 , a sweeper 3 , a circulator 5 and an illuminator 6 .
  • the transmitter 1 emits light and receives reflected light.
  • the light source 2 emits light.
  • the light source 2 emits laser light, for example.
  • the light source 2 emits continuous light, for example.
  • the light source 2 emits laser light with a predetermined frequency, for example.
  • the sweep unit 3 continuously changes the wavelength of light.
  • the sweep unit 3 sweeps the wavelength of the input light and outputs it as swept light.
  • the splitter 4 splits the light.
  • the branching unit 4 is composed of, for example, an optical coupler or the like.
  • Circulator 5 limits the direction in which light travels.
  • Circulator 5 is, for example, a 3-port optical circulator.
  • the 3-port optical circulator emits light that has entered port 1 through port 2 and emits light that has entered port 2 through port 3 .
  • the irradiation unit 6 irradiates the object 14 with light.
  • the irradiation section 6 may include a connector 7 and a lens 8 .
  • the connector 7 is, for example, a connector attached to the end of an optical fiber.
  • a lens 8 converges the light.
  • the lens 8 is configured using one or more transmissive lenses, reflective lenses, or the like.
  • the adjuster 9 switches the optical path.
  • the adjustment unit 9 is configured by, for example, an optical switch or a VOA (Variable Optical Attenuator). Details of the adjustment unit 9 will be described later.
  • the adjustment unit 9 since the adjustment unit 9 generates interference light, it is also an interference unit.
  • the receiver 10 receives light.
  • the receiving unit 10 photoelectrically converts light and outputs an electrical signal.
  • the receiver 10 may include a photoelectric converter 11 and a digital converter 12 .
  • the photoelectric conversion unit 11 photoelectrically converts light and outputs an electric signal.
  • the photoelectric conversion unit 11 is, for example, a photoelectric converter.
  • the digital converter 12 A/D converts the analog signal and outputs a digital signal.
  • the digital converter 12 is, for example, an A/D converter.
  • the processing unit 13 calculates the distance from the frequency spectrum of the interference wave.
  • the processing unit 13 includes, for example, a processor and memory.
  • the processing unit 13 is, for example, a PC.
  • optical fiber Between the light source 2 and the sweeping section 3, between the sweeping section 3 and the branching section 4, between the branching section 4 and the circulator 5, between the branching section 4 and the adjusting section 9, between the circulator 5 and the connector 7 , the circulator 5 and the adjustment section 9, and the adjustment section 9 and the photoelectric conversion section 11 are connected by optical fibers, for example. Laser light is guided through an optical fiber.
  • Object 14 is the object whose distance is to be measured. Object 14 may be anything as long as it reflects light.
  • the light emitted from the light source 2 in the transmission section 1 is incident on the sweep section 3 .
  • the light source 2 may be provided outside the light measurement device 100 .
  • the sweep unit 3 sweeps the wavelength of the incident light and outputs it as swept light.
  • the sweep light is, for example, continuous-wave laser light, and the frequency changes continuously. Note that the sweep unit 3 may be provided outside the light measurement device 100 .
  • the sweeping light output from the sweeping section 3 is input to the branching section 4 .
  • the splitter 4 splits the sweep light into two.
  • the two split sweep lights are input to the circulator 5 and the adjusting section 9, respectively.
  • the sweep light input to the circulator 5 is used as measurement light.
  • the sweep light input to the adjustment unit 9 is used as reference light.
  • the circulator 5 outputs the measurement light input from the branching section 4 to the irradiation section 6 .
  • the circulator 5 does not output the measurement light input from the splitter 4 to the adjuster 9 .
  • the irradiation unit 6 emits the measurement light input from the circulator 5 through the connector 7 .
  • the connector 7 may reflect part of the measurement light and output it to the circulator 5 .
  • the lens 8 collimates and condenses the measurement light emitted from the connector 7, and then irradiates the object 14 with the light.
  • the object 14 is directly irradiated with the measurement light emitted from the connector 7 without going through the lens 8 . Therefore, the irradiation unit 6 irradiates the object 14 with the measurement light.
  • the measurement light reflected by the object 14 enters the irradiation unit 6 .
  • Reflected light incident on the irradiation unit 6 is output to the circulator 5 via the connector 7 .
  • the irradiation section 6 outputs the reflected light to the circulator 5 .
  • the circulator 5 outputs measurement light (reflected light) reflected by the object 14 input from the irradiation unit 6 to the adjustment unit 9 . That is, the circulator 5 outputs the measurement light from the branching section 4 to the irradiation section 6 and outputs the measurement light from the irradiation section 6 to the adjustment section 9 . In addition, the circulator 5 may also output the measurement light reflected by the connector 7 to the adjustment section 9 as well.
  • the adjusting section 9 can adjust the optical path length of the reference light from the branching section 4 .
  • the adjustment unit 9 can cause the measurement light from the circulator 5 and the reference light from the splitter 4 to interfere with each other and output interference light.
  • the adjustment unit 9 can cause two reference lights with different optical path lengths to interfere with each other and output interference light. A beat signal is generated by interfering light. Therefore, the adjustment section 9 is also an interference section.
  • the adjustment unit 9 includes switching units 20, 21, and 22, for example.
  • the switches of the switching units 20, 21, and 22 select the lower side, the lower side, and both, respectively, so that the adjustment section 9 can cause the reference light and the measurement light to interfere with each other.
  • the switches of the switching units 20, 21, and 22 select the upper side, the upper side, and both, respectively, so that the adjusting section 9 can cause the measurement light and the reference light whose optical path length is changed to interfere with each other.
  • the switches of the switching units 20, 21, and 22 select both, both, and lower, respectively, so that the adjustment unit 9 can cause two reference beams with different optical path lengths to interfere with each other.
  • the receiving section 10 receives the interference wave output from the adjusting section 9 .
  • the photoelectric conversion unit 11 photoelectrically converts the interference light and outputs an analog signal representing the interference light.
  • the digital converter 12 A/D-converts the analog signal from the photoelectric converter 11 and then outputs the received signal as a digital signal.
  • the processing unit 13 calculates the measured distance from the frequency spectrum of the interference light based on the received signal. More specifically, for example, the processing unit 13 measures the frequency spectrum of the interference light by Fourier transforming the received signal. The measurement distance is determined by the optical path length difference between the measurement light and the reference light. When the difference in optical path length between the two from the splitter 4 is 0, the frequency obtained is 0, and the frequency of the interference light increases in proportion to the difference in optical path length. By measuring the frequency of the interference light, the distance of the object to be measured is measured. At this time, the optical path length difference for obtaining the frequency spectrum of the interference light is limited by the coherence length.
  • Optical interference is detected when the optical path lengths of the measurement light and the reference light are within the coherence length of the light source.
  • the coherence length which determines the measurable range in one measurement, varies depending on the specifications of the light source.
  • the coherence length is inversely proportional to the linewidth of the light source.
  • Light sources with narrower linewidths are generally more costly.
  • a mechanism for adjusting the delay length of the reference light is provided to change the optical path length, thereby expanding the substantial measurement range.
  • FIG. 2A to 2C are explanatory diagrams regarding the frequencies of reference light and measurement light.
  • FIG. 2A shows temporal changes in the frequencies of the reference light and the reflected light.
  • FIG. 2B shows temporal changes in intensity of interference light.
  • FIG. 2C shows an example of the frequency spectrum after Fourier transform is applied to the interference light.
  • FIG. 2A shows an example in which the optical path length of the measuring beam S is longer than the optical path lengths of the two types of reference beams R1 and R2. It is assumed that the optical path length from the sweep unit 3 to the adjustment unit 9 is longer in the order of measurement light S>reference light R2>reference light R1.
  • the reference light R1 is, for example, an optical path passing below the switching unit 20 .
  • the reference light R2 is, for example, an optical path passing above the switching section 20 .
  • the frequencies of the measurement light S, the reference light R2, and the reference light R1 inserted by the sweep unit 3 increase with time. Therefore, in the adjustment section 9, the frequency of the measurement light S is the lowest. Moreover, the measurement light S is the slowest light of a certain specific frequency to reach the adjustment unit 9 . In FIG. 2A, the loci of frequencies are shifted to the right in the order of the reference beam R1, the reference beam R2, and the measurement beam S, that is, they are delayed. As the distance from the object 14 increases further, the locus of the frequency of the measurement light S shifts further to the right. Furthermore, the measurement light S has a large frequency difference from the reference lights R1 and R2.
  • FIG. 2B shows the intensity signal X of the interference light with respect to time obtained by combining the reference light R1 and the measurement light S, and the reference light R2 and the measurement light S in the adjustment unit 9.
  • FIG. 2B shows the intensity signal X of the interference light with respect to time obtained by combining the reference light R1 and the measurement light S, and the reference light R2 and the measurement light S in the adjustment unit 9.
  • FIG. 2B shows the intensity signal X of the interference light with respect to time obtained by combining the reference light R1 and the measurement light S, and the reference light R2 and the measurement light S in the adjustment unit 9.
  • FIG. 2C is a diagram showing the frequency spectrum of the interference light in FIG. 2B.
  • the horizontal axis indicates the frequency f
  • the vertical axis indicates the intensity Y of the interference light.
  • the intensity Y of the frequency spectrum decreases as the optical path length difference between the reference light and the measurement light increases.
  • the coherence length is defined as a value that decreases by 3 dB from the maximum value (the value at which the intensity is halved).
  • the coherence length is inversely proportional to the linewidth of the light source, as shown in Equation (1). For example, even if the line width of the light source 2 is small, the coherence length is limited to about several tens of millimeters. A frequency spectrum having a high intensity is obtained for the reference light R2, and a weak frequency spectrum is obtained for the reference light R2. In this way, when the distance is measured from the position of the frequency spectrum using the optical path length difference between the measurement light and the reference light, the reference light with the small optical path length difference between the target measurement light and the reference light provides more accurate measurement. It becomes possible.
  • FIG. 3A to 3C are diagrams showing frequency spectra of interfering light.
  • FIG. 3A shows the frequency spectrum when the measurement range is adjusted around the object 14.
  • FIG. 3B shows the frequency spectrum when the measurement range is adjusted around the connector 7.
  • FIG. 3C shows the frequency spectrum of interfering waves by two reference beams.
  • the adjustment unit 9 according to Embodiment 1 includes switching units 20, 21, and 22. There are two frequency spectra related to the measurement light, one originating from the reflected light from the surface of the object 14 and the other originating from the end surface reflection of the connector 7 . Both spectra according to the first embodiment cannot be accurately measured in a single measurement range limited by the coherence length.
  • the optical path lengths of the reference beams R1 and R2 from the branching portion 4 to the adjustment portion 9 are L R1 and L R2 (L R1 ⁇ L R2 ).
  • LS be the optical path length from the branching portion 4 of the measurement light S to the adjusting portion 9 after being reflected by the object 14 .
  • LF be the optical path length from the branching portion 4 of the measurement light S to the adjusting portion 9 after being reflected by the connector 7 . In this case, L S >L F.
  • FIG. 3A shows an example in which the reference light R2 and the measurement light S reflected by the object 14 are caused to interfere with each other.
  • the switching units 20, 21, and 22 of the adjusting unit 9 select the upper side, the upper side, and both, respectively.
  • the optical path length difference LA between the measurement light S and the reference light is represented by Equation (2).
  • L A L S - L R2 (2)
  • the frequency spectrum of the interference wave occurs at a position LA to the right from the center of the coherence length of the reference beam R2.
  • the frequency spectrum of the interference wave generated to the left from the center originates from the end face reflection of the connector 7 .
  • FIG. 3B shows an example in which the reference light R1 and the measurement light S reflected by the connector 7 are caused to interfere with each other.
  • the switching units 20, 21, and 22 of the adjusting unit 9 select the lower side, the lower side, and both, respectively.
  • the optical path length difference LB between the measurement light S and the reference light R1 is expressed as in Equation (3).
  • L B L F ⁇ L R1 (3)
  • the frequency spectrum of the interference wave occurs at a position LB to the right from the center of the coherence length of the reference beam R1.
  • the frequency spectrum of the interference wave generated far left from the center originates from the reflection of the object 14 .
  • a path such as an optical fiber through which laser light propagates varies in its optical path length due to disturbances such as changes in environmental temperature and temperature distribution in the longitudinal direction. Therefore, by obtaining the difference between the distance measurement values of the object 14 and the connector 7, the fluctuation of the optical path length can be suppressed.
  • L R1 L R2 .
  • L R1 and L R2 also have temperature distributions and fluctuations different from those of the other optical paths. Therefore, by also measuring the difference between the two, it is possible to eliminate the influence of the temperature distribution and fluctuations on the measurement.
  • the adjustment unit 9 causes the two reference beams R1 and R2 to interfere with each other, thereby obtaining the optical path length difference LC between the reference beam R1 and the reference beam R2.
  • L C L R2 ⁇ L R1 (5)
  • the obtained measured value L measure2 is represented by Equation (6).
  • the ratio of the measurement frequencies of the optical path difference L A , the optical path difference L B , and the optical path difference L C may be equally set to 1:1:1.
  • the measurement frequency may be made uneven.
  • a sufficient number of times of averaging may be obtained by obtaining a plurality of measurements of reflected light from the object 14 whose frequency spectrum intensity is unknown.
  • the ratio may be actively changed according to the intensity of the frequency spectrum.
  • the distance to the object can be measured by using two reference beams with different optical path lengths. Also, since the optical path length difference between the two reference beams is measured, the optical path length of the optical fiber portion can be offset, and the distance from the connector 7 to the object 14 can be measured. As a result, it is possible to suppress the influence of fluctuations in the optical path length of the optical fiber portion due to temperature changes or the like.
  • FIG. 4 shows another example of the adjustment unit according to the first embodiment.
  • the adjustment section 9A includes switching sections 20A, 21A, and 22 .
  • the switching units 20A and 21A have the number of switching paths increased from two to five. This makes it possible to create five different reference beams with different optical path lengths.
  • Reference beams R1, R2, R3, R4, and R5 are defined in descending order of the optical path lengths of the reference beams, and their optical path lengths are L R1 , L R2 , L R3 , L R4 , and L R5 .
  • the optical path lengths are L R1 to L Rk .
  • An optical path length difference Lcn between the n-th reference beam Rn and the n+1-th reference beam Rn+1 exists within the range of the coherence length of the reference beam Rn.
  • L Csum in Eq. can be calculated.
  • 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)
  • the measurement value can be calculated using the reference lights R1, R2, and R3. .
  • the distance to the object 14 can be measured by changing the number of reference beams used.
  • FIG. 5 is a configuration diagram showing an example of distance measurement using the light measurement device 101 according to Modification 1 of Embodiment 1. As shown in FIG.
  • the light measurement device 101 measures the distance to the object 14 by adjusting the optical path length of the reference light in the same manner as the light measurement device 100 . A description of the same components as in FIG. 1 is omitted.
  • the optical measurement device 101 includes a transmitter 31 , an adjuster 39 and a receiver 40 .
  • the light measurement device 101 may include a processing unit 44 .
  • the transmitter 31 has a beam splitter 34 .
  • the transmitter 31 may include a light source 32 , a condenser 33 , a shutter 35 and an irradiator 36 .
  • the transmitter 31 emits light and receives reflected light.
  • the light source 32 emits light.
  • the light source 32 emits white light, for example.
  • the light source 32 emits continuous light, for example.
  • the light source 32 emits, for example, white light with a predetermined frequency.
  • the condensing part 33 linearly condenses light.
  • the condensing part 33 is composed of, for example, a lens and a slit.
  • the beam splitter 34 splits the light.
  • the beam splitter 34 splits light at a predetermined splitting ratio.
  • the beam splitter 34 is composed of, for example, a half mirror.
  • the shutter 35 passes or blocks light.
  • the shutter 35 is made of, for example, a member that does not transmit light, and can be opened and closed.
  • the irradiation unit 36 irradiates the object 14 with light.
  • the irradiation section 36 may have a lens 38 .
  • a lens 38 collects the light.
  • the lens 38 is configured using one or more transmissive lenses, reflective lenses, or the like.
  • the adjuster 39 switches the optical path length.
  • the adjustment unit 9 is configured using, for example, two or more mirrors 50 and 51 .
  • Mirrors 50 and 51 are controllable in transmittance and reflectance.
  • the mirrors 50 and 51 may be configured using, for example, optical crystals whose transmittance and reflectance are electrically controllable. Alternatively, the mirrors 50 and 51 may be capable of controlling transmittance and reflectance by mechanically changing their angles.
  • the receiver 40 receives light.
  • the receiving unit 40 photoelectrically converts light and outputs an electrical signal.
  • the receiving unit 40 may include a spectroscopic unit 41 , a photoelectric conversion unit 42 and a digital conversion unit 43 .
  • the spectroscopic unit 41 spatially disperses light at a predetermined wavelength.
  • the spectroscopic section 41 is composed of, for example, a diffraction grating.
  • the photoelectric conversion unit 42 photoelectrically converts light and outputs an electrical signal.
  • the photoelectric conversion unit 42 photoelectrically converts the two-dimensional spectrum and outputs an analog signal representing interference fringes.
  • the photoelectric conversion unit 42 is composed of, for example, a CMOS element.
  • the digital converter 43 A/D-converts the analog signal and outputs a digital signal.
  • the digital converter 43 is, for example, an A/D converter.
  • the processing unit 44 calculates the distance from the frequency spectrum of the interference wave.
  • the processing unit 44 includes, for example, a processor and memory.
  • the processing unit 44 is, for example, a PC.
  • optical stages are designed so that the light propagates through space between the section 41 and between the spectroscopic section 41 and the photoelectric conversion section 42 . White light is thereby guided through space.
  • White light emitted from the light source 32 in the transmission section 31 is incident on the light collection section 33 .
  • the light source 32 may be provided outside the light measuring device 101 .
  • the light collecting unit 33 linearly collects the white light from the light source 32 .
  • the beam splitter 34 splits the white light condensed by the condensing section 33 .
  • the beam splitter 34 splits the white light into measuring light and reference light at a predetermined splitting ratio.
  • the measurement light output from the beam splitter 34 passes through the shutter 35 and enters the irradiation section 36 .
  • the reference light output from the beam splitter 34 enters the adjusting section 39 .
  • the irradiation unit 36 irradiates the object 14 with the measurement light.
  • the irradiating unit 36 collimates the measurement light by a lens 38 to condense it linearly, and irradiates the object 14 with the light. If the beam splitter 34 or the like makes the measurement light linear, the irradiator 36 may not be provided. Alternatively, the irradiation unit 36 may directly irradiate the object 14 with the measurement light output from the beam splitter 34 without the lens 38 .
  • the measurement light reflected by the object 14 is guided from the irradiation section 36 to the beam splitter 34 .
  • the adjustment unit 39 reflects the reference light output from the beam splitter 34 and guides it to the beam splitter 34 again.
  • the adjuster 39 controls transmission or reflection of various mirrors to adjust the optical path length of the reference light.
  • the beam splitter 34 causes the measurement light output from the irradiation unit 36 and the reference light output from the adjustment unit 39 to interfere with each other, and outputs interference light.
  • the beam splitter 34 splits the white light from the condenser 33 into reference light reflected by a half mirror and measurement light transmitted through the half mirror.
  • the beam splitter 34 reflects the measurement light from the irradiation unit 36 with a half mirror, and transmits the reference light from the adjustment unit 39 with a half mirror. Thereby, the reference light and the measurement light can be directed in the same direction and interfere with each other.
  • the receiving section 40 receives the interference light output from the beam splitter 34 and outputs it to the spectroscopic section 41 .
  • the spectroscopic unit 41 spatially disperses the interference light at a predetermined wavelength.
  • the photoelectric conversion unit 42 photoelectrically converts the two-dimensional spectrum output from the spectroscopic unit 41 and outputs an analog signal representing interference fringes.
  • the digital converter 43 then A/D converts the analog signal and outputs the digital signal as a received signal. In this way, the receiver 40 receives the interference light output from the beam splitter 34 and outputs a reception signal indicating interference fringes.
  • the processing unit 44 outputs the distance distribution of the object from the frequency spectrum of the interference fringes based on the received signal. Specifically, for example, the processing unit 44 measures the frequency spectrum of each point of the object by Fourier transforming the received signal for each point. The distance distribution of the object is determined by the optical path length difference between the measurement light and the reference light. When the optical path length difference between the reference light and the measurement light after being split by the beam splitter 34 is 0, the frequency obtained is 0, and the frequency increases in proportion to the optical path length difference. By measuring this value, the distance distribution of the measurement target is measured. At this time, the distance at which the frequency spectrum can be obtained is limited by the coherence length.
  • the white light guided from the light source 32 to the beam splitter 34 is linearly formed by the condensing section 33 . Further, the light shape when the object 14 is irradiated and the light shape when interfering on the beam splitter 34 continue to maintain the linear light shape.
  • the measurement light emitted from the irradiation unit 36 is directed rightward.
  • a linear light shape is formed in a direction perpendicular to the right direction, for example, in the vertical direction. Light elongated in the vertical direction causes reflection and interference at each point in the vertical direction. Therefore, the light at each point in the vertical direction has different interference components depending on the distance between the reference light and the reflected light according to the distance distribution of the object.
  • interference fringes are generated according to the distance of each point according to the band of the white light.
  • the interference fringes are received by the two-dimensional light receiving unit, and the interference fringes at each point are digitally converted and then Fourier transformed to obtain a spectrum indicating the distance of each point.
  • the measurable range of the spectrum at each point is limited by the coherence length.
  • the white light according to Modification 1 has a large line width, and the coherence length is limited to several ⁇ m.
  • a method for adjusting the optical path length of the reference light in the light measurement device 101 according to Modification 1 will be described.
  • the functions of the mirrors 50, 51 and the shutter 35 according to Modification 1 correspond to the functions of the switching units 20, 21, 22 of the adjusting unit 9 of the first embodiment.
  • the optical path length of the reference light reflected by the mirror 50 is shorter than the optical path length of the reference light transmitted through the mirror 50 and reflected by the mirror 51 .
  • the beam splitter 34 causes interference between the reference light reflected by the mirror 50 and the measurement light reflected by the object 14 and passed through the shutter 35 opened, so that the reference light R1 of the first embodiment and the object 14 It is possible to obtain the same effect as in the case of causing interference with the measurement light S reflected by . Further, by causing the reference light transmitted through the mirror 50 and reflected by the mirror 51 to interfere with the measurement light reflected by the object 14 and passed through the open shutter 35, the reference light R2 of the first embodiment and It is possible to obtain the same effect as in the example in which the measurement light S reflected by the object 14 is caused to interfere.
  • the mirror 50 transmits and reflects the reference light at a constant ratio
  • the mirror 51 reflects the reference light at a constant ratio
  • the shutter 35 is closed to stop the measurement light from the irradiation unit 36. It is possible to obtain the same effect as the example in which the reference beam R1 and the reference beam R2 of the form 1 are caused to interfere with each other. At this time, it is possible to obtain the same effect as in the first embodiment in which the measurement light S reflected by the connector 7 and the reference lights R1 and R2 are caused to interfere with each other.
  • the beam splitter 34 and the shutter 35 are also an interference part because they generate interference light.
  • the ratio of the frequency of measurement of the optical path difference LA, the optical path difference LB, and the optical path difference LC may be equally set to 1:1:1.
  • the measurement frequency may be made uneven. A sufficient number of times of averaging may be obtained by obtaining a plurality of measurements of reflected light from the object 14 whose frequency spectrum intensity is unknown. Alternatively, the ratio may be actively changed according to the intensity of the frequency spectrum.
  • each of the above-described embodiments includes a range in consideration of manufacturing tolerances, assembly variations, and the like. For this reason, when a claim indicates the positional relationship between parts or the shape of a part, it indicates that it includes the range in consideration of manufacturing tolerances, assembly variations, and the like.

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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

光測定装置
　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、測定光を対象物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と、干渉光の周波数より光路長差を算出する処理部とを備え、複数の参照光の光路長差を算出する。
　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経能することができる。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ＬＲ１，ＬＲ２とする（ＬＲ１＜ＬＲ２）。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ＬＳ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ＬＦとする。この場合、ＬＳ＞ＬＦ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と参照光との光路長差ＬＡは、式（２）のように表される。
　　ＬＡ＝ＬＳ－ＬＲ２　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（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ＬＡ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ＬＢは、式（３）のように表される。
　　ＬＢ＝ＬＦ－ＬＲ１　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（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ＬＢ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、ＬＲ１＝ＬＲ２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Ｌｍｅａｓｕｒｅ１は、式（４）のように表される。
　　Ｌｍｅａｓｕｒｅ１＝（ＬＳ―ＬＦ）／２＝（ＬＡ－ＬＢ）／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、ＬＲ１とＬＲ２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ＬＣを得ることができる。
　　ＬＣ＝ＬＲ２－ＬＲ１　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（５）
　実施の形態１により、得られる測定値Ｌｍｅａｓｕｒｅ２は、式（６）のように表される。
　　Ｌｍｅａｓｕｒｅ２＝（ＬＳ―ＬＦ）／２＝（ＬＡ－ＬＢ＋ＬＣ）／２　　　（６）
　式（６）においては、光路長差ＬＡ、光路長差ＬＢ、光路長差ＬＣの３つの計測を行う必要がある。３つの計測の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。
　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ＬＲ１，ＬＲ２，ＬＲ３，ＬＲ４，ＬＲ５とする。切替経路がｋ種類とする場合には、光路長はＬＲ１～ＬＲｋ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ＬＣがコヒーレンス長の範囲外となった場合でも、式（７）のＬＣｓｕｍを用いて式（６）を算出することができる。
　　Ｌｃｎ＝ＬＲ２－ＬＲ１
　　Ｌｃｎ＝ＬＲ３－ＬＲ２
　　Ｌｃｎ＝ＬＲ４－ＬＲ３
　　Ｌｃｎ＝ＬＲ５－ＬＲ４
　　ＬＣｓｕｍ＝ＬＲ５－ＬＲ１　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（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 (6)

  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、
    　前記測定光を対象物に照射して反射した反射光と、前記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と、
    前記干渉光の周波数より、光路長差を算出する処理部と
    を備え、
    前記複数の参照光の光路長差を算出する光測定装置。
  2. 　前記干渉部は、前記対象物に照射する前の測定光と、前記反射光と、前記複数の参照光との中から、いずれか２つを合波して干渉光を得る請求項１記載の光測定装置。
  3. 　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または２記載の光測定装置。
  4. 　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３記載の光測定装置。
  5. 　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４のいずれか１項に記載の光測定装置。
  6. 　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４のいずれか１項に記載の光測定装置。
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