WO2024070034A1 - 距離計測方法、距離計測装置、並びに距離計測システム - Google Patents

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WO2024070034A1
WO2024070034A1 PCT/JP2023/018154 JP2023018154W WO2024070034A1 WO 2024070034 A1 WO2024070034 A1 WO 2024070034A1 JP 2023018154 W JP2023018154 W JP 2023018154W WO 2024070034 A1 WO2024070034 A1 WO 2024070034A1
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light
distance
optical system
beat signal
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PCT/JP2023/018154
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達雄 針山
正浩 渡辺
兼治 丸野
弘人 秋山
英彦 神藤
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株式会社日立ハイテク
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    • G01C3/00—Measuring distances in line of sight; Optical rangefinders
    • G01C3/02—Details
    • G01C3/06—Use of electric means to obtain final indication

Definitions

  • the present invention relates to a distance measurement method, a distance measurement device, and a distance measurement system that use light to measure the distance to an object in a non-contact manner.
  • Patent Document 1 describes how to improve robustness against changes in the temperature of the surrounding environment by placing a reference fiber interferometer in an insulated storage box, monitoring the internal temperature, and calculating an accurate distance by correcting changes in the optical path length of the reference fiber due to heat.
  • the present invention therefore aims to provide a distance measurement method, a distance measurement device, and a distance measurement system that can reduce distance errors caused by polarization.
  • the present invention is a distance measurement method that "divides light generated by a laser light source into a reference optical system and a measurement optical system, detects a reference optical path measurement beat signal from the reference light that has passed through the reference optical system, detects a measurement optical path measurement beat signal from the measurement light obtained in the measurement optical system through the object to be measured, and measures the distance to the object to be measured based on the measurement optical path measurement beat signal and the reference optical path measurement beat signal, characterized in that a polarization-induced distance error reduction element is installed in either one or both of the reference optical system and the measurement optical system.”
  • the present invention also provides a distance measurement device that includes "an optical branching section that branches the light generated by a laser light source, a reference optical system that guides one of the branched lights to obtain a reference light that is a reference for distance, a measurement optical system that guides the other branched light to obtain a reflected light after irradiating the measurement object as a measurement light, a first light receiving section that receives the reference light that has passed through the reference optical system and detects a reference light path measurement beat signal, and a second light receiving section that receives the measurement light reflected by the measurement object in the measurement optical system and detects the measurement light path measurement beat signal, and measures the distance to the measurement object based on the measurement light path measurement beat signal and the reference light path measurement beat signal, characterized in that a polarization-induced distance error reduction element is installed in either one or both of the reference optical system and the measurement optical system.”
  • the present invention also provides a distance measurement system that includes "an optical branching section that branches the light generated by a laser light source, a reference optical system that guides one of the branched lights to obtain a reference light that is a reference for distance, a measurement optical system that guides the other branched light to obtain a reflected light after irradiating the measurement object as a measurement light, a first light receiving section that receives the reference light that has passed through the reference optical system and detects a reference light path measurement beat signal, and a second light receiving section that receives the measurement light reflected by the measurement object in the measurement optical system and detects the measurement light path measurement beat signal, and measures the distance to the measurement object based on the measurement light path measurement beat signal and the reference light path measurement beat signal, and is characterized in that a polarization-induced distance error reduction element is installed in either one or both of the reference optical system and the measurement optical system, and a scanning mechanism is provided that scans the irradiation light one-dimensionally, two-dimensionally, or three-dimensionally
  • the present invention it is possible to suppress distance errors caused by polarization even when the ambient temperature of the distance measurement unit changes, making it possible to accurately measure the distance to the target.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of the configuration of a distance measurement device 100 according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing the principle of the FMCW method of the first embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram showing an interference beat signal obtained by a photoreceiver.
  • FIG. 13 is a diagram showing the results obtained by performing FFT on an interference beat signal.
  • FIG. 4 is a diagram showing an interference beat signal obtained by a photoreceiver.
  • FIG. 4 is a diagram showing the results of FFT of a beat signal.
  • 11 is a diagram showing a distance error that occurs when heat is applied to an optical fiber.
  • FIG. 11 is a diagram showing an example of the configuration of a distance measurement device 100 according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram showing an interference beat signal obtained by a photoreceiver.
  • FIG. 4 is a diagram showing the results of FFT of a beat signal.
  • 11 is a diagram showing a distance error that occurs when heat is applied to an optical fiber.
  • FIG. 11 is a diagram showing an example of the configuration of a distance measurement device 100 according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a diagram showing an example of the configuration of a distance measurement device 100 according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a diagram showing the results obtained by performing FFT on an interference beat signal obtained by a photoreceiver.
  • 11 is a diagram showing a distance error that occurs when heat is applied to an optical fiber.
  • FIG. 13 is a diagram showing an example of the configuration of a distance measurement device 100 according to a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a diagram showing an example of the configuration of a distance measurement device 100 according to a sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a diagram showing an example of the configuration of a distance measurement device 100 according to a seventh embodiment of the present invention.
  • FIG. 23 is a diagram showing an example of a configuration in which a polarizer is inserted into the reference optical system of Example 7.
  • FIG. 23 is a diagram showing an example of a configuration in which an interferometer of a reference optical system according to a seventh embodiment is covered with a heat insulating box and has a temperature sensor.
  • FIG. 13 is a diagram showing an example of the configuration of a distance measurement system according to an eighth embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a diagram showing another example of the configuration of the distance measurement system according to the eighth embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a diagram showing an example of the configuration of a distance measurement system according to a ninth embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is a diagram showing an example of the configuration of a distance measurement system according to a tenth embodiment of the present invention.
  • FIG. 17 is a diagram showing an example of the configuration of a distance measurement system according to an eleventh embodiment of the present invention.
  • 13A to 13C are diagrams showing the principle of switching of irradiation directions by polarized light in the eleventh embodiment.
  • FIG. 23 is a diagram showing an example of the configuration of a distance measurement system according to a twelfth embodiment of the present invention.
  • FIG. 23 is a diagram showing an example of the configuration of a distance measurement system according to a twelfth embodiment.
  • 19 is a diagram showing another example of the configuration of the distance measurement system shown in FIG. 18 .
  • FIG. 23 is a diagram showing an FFT result of a detected beat signal obtained by the configuration of FIG. 22 .
  • FIG. 11 is a flowchart showing a process flow of origin correction.
  • FIG. 13 is a diagram showing another example of the polarizer of the first embodiment.
  • FIG. 13 is a diagram showing another example of the polarizer of the first embodiment.
  • FIG. 13 is a diagram showing another form of the polarizing beam splitter/combiner of the fourth embodiment.
  • the processing performed by executing a program may be described.
  • the computer executes the program using a processor (e.g., CPU, GPU), and performs the processing defined by the program using storage resources (e.g., memory) and interface devices (e.g., communication ports). Therefore, the subject of the processing performed by executing the program may be the processor.
  • the subject of the processing performed by executing the program may be a controller, device, system, computer, or node having a processor.
  • the subject of the processing performed by executing the program may be a calculation unit, and may include a dedicated circuit that performs specific processing.
  • the dedicated circuit is, for example, an FPGA (Field Programmable Gate Array), an ASIC (Application Specific Integrated Circuit), or a CPLD (Complex Programmable Logic Device).
  • the program may be installed on the computer from a program source.
  • the program source may be, for example, a program distribution server or a computer-readable storage medium.
  • the program distribution server may include a processor and a storage resource that stores the program to be distributed, and the processor of the program distribution server may distribute the program to be distributed to other computers.
  • two or more programs may be realized as one program, and one program may be realized as two or more programs.
  • the present invention described below provides a polarization-induced distance error reduction element in the optical path to reduce distance errors caused by polarization, and there are two methods for realizing the polarization-induced distance error reduction element: a method using an orthogonal polarization component attenuator element, and a method using an element that generates an optical path difference between polarization components.
  • the former is explained in Examples 1 to 3 using Figures 1 to 7, and the latter is explained in Examples 4 to 8 using Figures 8 to 15.
  • an example of the configuration as a shape measurement system is explained in Examples 9 to 13 using Figures 16 to 24.
  • FIG. 1 shows an example of the configuration of a distance measurement device 100 according to Example 1 of the present invention.
  • the distance measurement method using the optical path difference here is based on the FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) method.
  • a sweep waveform signal is sent from the distance measurement control unit 115 to the oscillator 102.
  • the oscillator 102 injects a triangular wave current into the laser light source 101 and modulates the drive current.
  • the laser light source 101 generates FM (Frequency Modulated) light whose frequency is swept over time at a constant modulation speed.
  • the laser light source 101 may be configured as a semiconductor laser device with an external resonator, and the resonant wavelength of the laser light source 101 may be changed by a triangular wave control signal from the oscillator 102.
  • FM light whose frequency is swept over time is generated from the laser light source 101.
  • optical fiber coupler 103 the generated FM light is split into light L1 and L2 by optical fiber coupler 103.
  • optical fiber couplers 103, 104, 106, 109, and 110 may be beam splitters.
  • One of the split lights, L2 is guided to the reference optical system, and is further split into light L21 and L22 by optical fiber coupler 104.
  • the split lights L21 and L22 are combined by optical fiber coupler 106 and received by optical receiver 107 as light L3. This is configured as a Mach-Zehnder interferometer, and a constant beat signal L3 proportional to the optical path difference is generated in optical receiver 107.
  • the other light L1 split by the optical fiber coupler 103 passes a specific polarized component through the polarizer 108 (orthogonal polarized component attenuation element), and is split into L11 and L12 by the optical fiber coupler 109.
  • One of the lights L11 becomes the reference light and is guided to the optical fiber coupler 110, while the other light L12 passes through the circulator 111 and is emitted into space from the fiber focuser 112 and irradiated onto the measurement object 114.
  • the light L12A reflected by the object 114 passes through the fiber focuser 112 again, passes through another port of the circulator 111, and passes through the optical fiber coupler 110, and the beat signal L4 generated by the interference between the reference light L11 and the measurement light L12A is detected by the photoreceiver 113.
  • the distance measurement control unit 115 uses the reference beat signal L3 received by the optical receiver 107 as a sampling clock to A/D convert the measurement beat signal L4 received by the optical receiver 113.
  • the reference beat signal L3 and the measurement beat signal L4 are sampled at a constant sampling clock.
  • the reference beat signal L3 can be transformed into a signal with a phase shift of 90 degrees by performing a Hilbert transform. Since it is possible to obtain the local phase of the signal from the reference signal before and after the Hilbert transform, the timing at which the reference signal becomes a constant phase can be obtained by interpolating this phase.
  • FIG. 2 shows the principle of the FMCW method.
  • the horizontal axis represents time and the vertical axis represents optical frequency.
  • ⁇ t there is a difference ⁇ t in the time between the arrival at the optical receiver 113 of the reference light 201 (L11) split by the optical fiber coupler 109 in FIG. 1 and received as the reference light, and the measurement light 202 (L12A) reflected by the object 114 and received.
  • the frequency of the light source changes, so a beat signal with a beat frequency f b equal to the resulting frequency difference is detected.
  • the frequency sweep width is ⁇ and the time required for modulation by ⁇ is T, then the relationship shown in formula (1) is satisfied.
  • the distance L to the object to be measured is half the distance that light travels during ⁇ t, it can be calculated as shown in formula (2) using the speed of light c in the atmosphere.
  • Figures 3a and 3b show an example of a detection beat signal and a reflection intensity profile obtained by FFTing that signal.
  • Figure 3a shows the interference beat signal obtained by the receiver.
  • the frequency of the interference beat signal is proportional to the distance to the target.
  • Figure 3b shows the result obtained by FFTing the interference beat signal. If the horizontal axis of this figure is the FFT frequency axis and the vertical axis is the reflection intensity, the peak area will be discrete data as shown in this figure.
  • the peak width w is calculated with the distance resolution cT/2 ⁇ . Therefore, as shown in the figure, by fitting a function such as a quadratic function or a Gaussian function to three or more points near the peak point 301 and using the peak of the fitted function, it is possible to determine the position of the measurement object with an accuracy higher than the distance resolution.
  • FFT has been given as an example of beat frequency analysis
  • the peak position may be detected with a higher resolution than FFT by using, for example, the maximum entropy method.
  • Figures 3a and 3b show the ideal results obtained when measuring distance using only a specific polarized component.
  • leakage light occurs in optical fibers, whose polarization direction is perpendicular to a specific polarized component. Leakage light occurs, for example, because the optical elements in the optical fiber have a low extinction ratio. Or, when optical fiber connectors are used, leakage light occurs when the extinction ratio drops due to the poor fit between the connectors.
  • Figures 4a, 4b, and 4c show the detected beat signal waveforms obtained when leakage light occurs.
  • Figure 4a shows the interference beat signal obtained by the photoreceiver.
  • 401 shows the beat signal obtained by the polarization component that is originally to be measured.
  • 402 shows the beat signal obtained by the leakage light component perpendicular to it.
  • the amplitude ratio of the beat signals 401 and 402 is approximately the same as the extinction ratio.
  • the beat signal 401 and the beat signal 402 have a distance difference due to passing through the slow axis and the fast axis of the optical fiber, respectively.
  • the interference origin of the FMCW method exists between the fiber focuser 112 and the measurement object 114.
  • the interference origin refers to the position where the distance difference between the reference light 201 and the measurement light 202 shown in Figure 2 is equal.
  • the distance from the optical fiber focuser to the interference origin is 200 mm.
  • FIG. 4b The result of FFT of the beat signal shown in Fig. 4a is shown in Fig. 4b.
  • 403 indicates the peak intensity obtained as a result of FFT of the beat signal component 401 (passing through the slow axis of the optical fiber)
  • 404 indicates the peak intensity obtained as a result of FFT of the beat signal component 402 (passing through the fast axis of the optical fiber).
  • 405 indicates the component obtained by combining 403 and 404.
  • Figure 4c shows the distance error that occurs when heat is applied to the optical fiber.
  • the horizontal axis shows the true distance
  • the vertical axis shows the measured distance.
  • 406 is the measured distance obtained in the ideal case where there is no light leakage to the fast axis. If a temperature change is applied to the fiber, an offset fluctuation in the distance occurs. The amount of offset fluctuation differs depending on the phase state of the fast axis relative to the slow axis, but for example, at a certain phase, the measured distance is larger than the true distance as shown in 407, and at another phase, the measured distance is smaller than the true distance as shown in 408.
  • a polarizer 108 (orthogonal polarization component attenuation element) is inserted in the optical path on the light L1 side, and a specific linear polarization component, for example, only the slow axis is transmitted, and the leakage light of the fast axis is reduced, thereby making it possible to reduce measurement errors due to the temperature of the optical fiber.
  • the polarizer 108 is inserted between the coupler 103 and the coupler 109, but it may be inserted after the coupler 109 or after the circulator 111. It may also be inserted between the coupler 109 and the coupler 110, between the circulator 111 and the coupler 110, or between the coupler 110 and the optical receiver 113.
  • the extinction ratio may decrease depending on the fit, so fusion is preferable for the connection between optical fiber elements.
  • couplers 103 and 109 with a high extinction ratio may be used instead of inserting a polarizer. In that case, fusion is also preferable between the laser 101 and the coupler 103.
  • the laser since the laser is a consumable part, it needs to be replaced periodically. For periodic replacement, a connector connection is preferable. In that case, the polarizer 108 is installed before the coupler 103, and the coupler 103 and the polarizer 108 are fused together.
  • the couplers 103 and 109 may be of a type that blocks the fast axis.
  • FIG. 1 shows an example of the configuration of the distance measurement device 100, but the concept of the device configuration of the first embodiment is, in short, to adopt a distance measurement method in which "light generated by the laser light source 101 is split into a reference optical system and a measurement optical system, a reference optical path measurement beat signal is detected from the reference optical system passed through the reference optical system, a measurement optical path measurement beat signal is detected from the measurement light L4 obtained in the measurement optical system via the measurement object 114, and the distance to the measurement object is measured based on the measurement optical path measurement beat signal and the reference optical path measurement beat signal, characterized in that a polarization-induced distance error reduction element (108 or 801 and 802) that reduces the distance error caused by polarization is installed in either one or both of the reference optical system and the measurement optical system," and a specific realization method showing this processing method is exemplified in FIG. 1. Note that the following embodiments are mainly described in terms of the device configuration, but the method using this configuration can be directly replaced with the method using this method.
  • Figure 5 shows an example of the configuration of a distance measurement device 100 according to the second embodiment of the present invention.
  • a polarizer (element that attenuates orthogonal polarization components) is inserted in the measurement optical system (light L1 side) to suppress measurement errors caused by polarization, but similar measurement errors caused by polarization can also occur in the reference optical system (light L2 side). Therefore, in Figure 5, a polarizer 108 (element that attenuates orthogonal polarization components) is inserted before the optical fiber coupler 104, allowing only a specific polarization component to pass through.
  • Figures 6a, 6b, and 6c show the detected beat signal waveforms obtained when leakage light occurs.
  • Figure 6a shows the interference beat signal obtained by the photoreceiver.
  • 601 shows the beat signal obtained by the polarization component that is originally to be measured.
  • 602 shows the beat signal obtained by the leakage light component of the polarization perpendicular to that.
  • the amplitude ratio of the beat signals 601 and 602 is approximately the same as the extinction ratio.
  • the beat signals 601 and 602 will have a distance difference due to passing through the slow axis and fast axis of the optical fiber, respectively.
  • the length of fiber 106 in Figure 5 is 300 mm.
  • FIG. 6b The result of FFT of the beat signal shown in Fig. 6a is shown in Fig. 6b.
  • Reference numeral 603 denotes the peak intensity obtained as a result of FFT of the beat signal component 601 (passing through the slow axis of the optical fiber), and 604 denotes the peak intensity obtained as a result of FFT of the beat signal component 602 (passing through the fast axis of the optical fiber).
  • Reference numeral 605 denotes the component obtained by combining 603 and 604. When heat is applied to the optical fiber, stress acts on the optical fiber, changing the phase of the fast axis component relative to the slow axis, and therefore the phase of 604 relative to 603. If the peak width (w shown in FIG.
  • Figure 6c shows the distance error that occurs when heat is applied to the optical fiber.
  • the horizontal axis shows the true distance
  • the vertical axis shows the measured distance.
  • the measured distance obtained in an ideal case where there is no light leakage to the fast axis is 606. If the fiber is subjected to a temperature change, the reference beat signal 601 is affected by 602, the timing of resampling is shifted, and distance gain fluctuation occurs.
  • the amount of gain fluctuation differs depending on the phase state of the fast axis relative to the slow axis, but for example, at a certain phase, the gain becomes large as shown in 607, and at a certain phase, the gain becomes small as shown in 608.
  • a polarizer 108 is inserted as shown in Figure 5, which transmits only the slow axis and reduces the leakage light of the fast axis, making it possible to reduce measurement errors due to the temperature of the optical fiber.
  • the extinction ratio may decrease depending on the fit, so fusion is preferable.
  • couplers 103 and 109 with a high extinction ratio may be used instead of inserting a polarizer. In that case, fusion is also preferable between the laser 101 and the coupler 103.
  • the laser since the laser is a consumable part, it needs to be replaced periodically. For periodic replacement, connector connection is preferable. In that case, the polarizer 108 is installed before the coupler 103, and the coupler 103 and the polarizer 108 are fused together.
  • the couplers 103 and 105 may be of a type that blocks the fast axis.
  • FIG. 7 shows an example of the configuration of a distance measurement device 100 according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 shows a configuration in which polarizers are inserted in both the measurement optical system (light L1 side) and the reference optical system (light L2 side).
  • the polarizer may be inserted after the coupler 109 or after the circulator 111. It may also be inserted between the coupler 109 and the coupler 110, between the circulator 111 and the coupler 110, or between the coupler 110 and the optical receiver 113.
  • the polarizer 108A may be inserted before the coupler 103.
  • the polarizer 108B can be omitted because it produces the same effect as the polarizer 108B inserted into the measurement optical system.
  • this is premised on the fact that the coupler 103 maintains the same extinction ratio as the polarizer. Also, fusion is desirable between the optical fiber elements in order to maintain a high extinction ratio.
  • FIG. 8 shows an example of the configuration of a distance measurement device 100 according to the fourth embodiment of the present invention.
  • an orthogonal polarization component attenuation element (polarizer 108) is inserted in the measurement optical system or reference optical system as an element for reducing polarization-induced distance errors, thereby allowing only specific polarization components to pass.
  • the following describes a method of using an element generating an optical path difference between polarization components as a method of realizing an element for reducing polarization-induced distance errors.
  • the configuration of the measurement optical system or reference optical system in the distance measurement device 100 of Example 4 in Figure 8 is basically the same as in Figure 1, a description of it will be omitted here.
  • the only difference is that a configuration is adopted that reduces polarization-induced measurement errors by providing a distance difference between the slow axis and fast axis components of the optical fiber, so the following description will focus mainly on this point.
  • a polarizing beam splitter 801 is provided after the circulator 111 to separate the light L12 into two components (slow axis and fast axis) with orthogonal polarization. After creating an optical path difference by changing the optical fiber length between the two split components, the light is combined again by the polarizing beam combiner 802. The combined light is guided to the optical fiber focuser 112 and irradiated onto the target.
  • the polarizing beam splitter 801 and polarizing beam combiner 802 are inserted after the circulator 111, but they may be inserted before the circulator 111. Furthermore, they may be inserted between the optical fiber couplers 109 and 110, or between the circulator 111 and the optical fiber coupler 110.
  • Fig. 8 shows the installation of an element for generating an optical path difference between polarized components (polarizing beam splitter 801 and polarizing beam combiner 802) as a method for realizing an element for reducing polarization-induced distance errors on the measurement optical system side. It is preferable to fuse the optical fiber elements to maintain a high extinction ratio.
  • Figure 9a shows the result of FFT of the beat signal obtained by the photoreceiver 113.
  • 901 shows the peak intensity of the FFT spectrum obtained by the beat component transmitted through the slow axis
  • 902 shows the peak intensity of the FFT spectrum obtained by the beat component transmitted through the fast axis.
  • the peak positions can be separated by more than the peak width (w in Figure 3b) determined by the optical frequency sweep width. In this case, even if the phase of the leaked light fluctuates and the phase of the peak intensity of 902 changes, it does not affect the peak intensity of 901, so no distance error occurs.
  • the resulting distance error is shown in Figure 9b.
  • the horizontal axis shows the true distance
  • the vertical axis shows the measured distance.
  • the measured distance obtained when there is no leakage light onto the fast axis is designated as 903.
  • an offset error occurs when the phase of the leakage light changes, but in Figures 9a and 9b, no distance offset error occurs even if the phase of the leakage light changes.
  • FIG. 10 shows an example of the configuration of a distance measurement device 100 according to the fifth embodiment of the present invention.
  • a polarizing beam splitter 801 and a polarizing beam combiner 802 are inserted in the measurement optical system to provide a distance difference between orthogonal polarization components, but in the fifth embodiment, a similar method is used in the reference optical system.
  • the optical fiber coupler 103 splits the light into L1 and L2, and the light L1 guided to the reference optical system is separated by the polarizing beam splitter 801 into two components (slow axis and fast axis) with orthogonal polarization. After providing an optical path difference between the two components, the light is combined again by the polarizing beam combiner 802 and guided to the optical coupler 104.
  • the distance difference between the polarizations to be greater than the peak width (w in FIG. 3b) determined by the optical frequency sweep width, it is possible to suppress gain fluctuations caused by polarization.
  • FIG. 11 shows an example of the configuration of a distance measurement device 100 according to a sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 shows a configuration in which a polarizing beam splitter and a polarizing beam combiner are inserted into both the measurement optical system and the reference optical system.
  • Example 4 by inserting a polarizing beam splitter 801B and a polarizing beam combiner 802B into the measurement optical system, it is possible to suppress the offset fluctuation in distance caused by polarization. Furthermore, by inserting a polarizing beam splitter 801A and a polarizing beam combiner 802A into the reference optical system, it is possible to suppress the gain fluctuation in distance caused by polarization.
  • FIG. 12 shows an example of the configuration of a distance measuring device 100 according to a seventh embodiment of the present invention.
  • a polarization switcher 1201 and a polarizing beam splitter 1202 are added to the configuration of FIG. 8 of the fourth embodiment in order to switch the measurement direction.
  • the polarization switcher 1201 can switch the polarization of the light emitted from the laser 101.
  • the light that passes through the fiber coupler 109, the circulator 111, the polarizing beam splitter 801, and the polarizing beam combiner 802 is irradiated into space from the fiber focuser 112.
  • the direction of irradiation of the light irradiated to the polarizing beam splitter 1202 can be switched depending on its polarization state.
  • FIG. 13 shows a configuration in which a polarizer 108 is inserted into the reference optical system to suppress the gain fluctuation with distance caused by polarization. Since the reference optical system does not perform polarization switching, it is sufficient to insert a polarizer 108 and allow only one polarized light to pass through. However, a configuration using the polarizing beam splitter 1001 and polarizing beam combiner 1002 described in FIG. 10 may also be used.
  • FIG. 14 shows a configuration in which the reference fiber interferometer portion (optical couplers 104, 106, optical fiber 105) that serves as the distance standard is covered with an insulating box 1401, the temperature inside the insulating box is measured by a temperature sensor 1402, and the measured value 130 is sent to the distance measurement device 115, thereby correcting the change in optical path length due to heat in the optical fiber.
  • the optical path length difference of the reference optical system that serves as the distance standard can be obtained with high accuracy, enabling highly accurate distance measurement.
  • FIG. 15a shows an example of the configuration of a distance measuring device 100 according to the eighth embodiment of the present invention.
  • a polarization switch 1201 is used to switch the measurement direction, but instead an optical switch 1501 is used.
  • the light L1 irradiated from the laser light source 101 and passing through the optical coupler 103 is split into two optical paths by the optical switch 1501.
  • a polarizer 801A is inserted into one optical path.
  • the light is then guided to a polarization beam combiner 802.
  • a polarizer 801B is also inserted into the other optical path.
  • the fast axis and slow axis of the optical fiber are inverted for the light that has passed through the polarizer 801B, and the optical fiber is fused to the polarization beam combiner 802.
  • the optical switch 1501 has the characteristic of not causing leakage of polarized light because it mechanically switches the optical path. Therefore, a high extinction ratio can be maintained compared to a configuration using a polarization beam combiner.
  • Figure 15b shows a configuration in which the optical switch is inserted at a different position than in Figure 15a.
  • optical switch 1501 is placed after the circulator, so that the measurement object can be irradiated with light at an extinction ratio determined by polarizers 108A and 108B and polarized beam combiner 802, without relying on the extinction ratios of coupler 109 and circulator 111.
  • this configuration only one type of polarization passes through up to optical switch 1501, so by inserting polarizers 108C and 108D into the interferometer, the effects of leaking light can be reduced.
  • FIG. 16 is a diagram showing an example of the configuration of a distance measurement system according to a ninth embodiment of the present invention.
  • Light emitted from the distance measurement device 100 is guided by an optical fiber and emitted into space from an optical fiber focuser 1600.
  • the beam is scanned using beam scanning mechanisms 1601 and 1602, and the target 114 is scanned two-dimensionally.
  • a galvanometer mirror may be used as the beam scanning mechanism to scan the beam.
  • One galvanometer mirror can be used to perform one-dimensional scanning, and two galvanometer mirrors can be used to perform two-dimensional scanning.
  • Other mechanisms capable of deflecting and scanning light such as a MEMS mirror or a polygon mirror, may also be used as the scanning mechanism.
  • FIG. 17 is a diagram showing an example of the configuration of a distance measurement system according to a tenth embodiment of the present invention.
  • Light emitted from the distance measurement device 100 is guided to the measurement head 1700 by an optical fiber 1701.
  • the light guided into the measurement head 1700 is emitted into space from an optical fiber focuser 1702.
  • a probe shaft 1704 is attached to the rotary motor 1703, and a prism 1705 is attached to the tip of the probe shaft.
  • the light reflected by 1705 is irradiated onto the measurement object 1706, and the reflected light is reflected again by the prism 1705 and collected by the optical fiber focuser 1702.
  • the rotation of the rotary motor 1703 rotates the prism 1705 at the tip, making it possible to measure the cross-sectional shape of the object 1706.
  • FIG. 18 is a diagram showing an example of the configuration of a distance measurement system according to an eleventh embodiment of the present invention.
  • Light emitted from the distance measurement device 100 is guided to the measurement head 1700 by an optical fiber 1701, and is emitted into space from an optical fiber focuser 1702.
  • the linearly polarized light guided from the distance measurement device 100 is converted to circularly polarized light by a ⁇ /4 plate 1707, and then passes through a ⁇ /4 plate 1708 attached to a rotary motor 1703, becoming linearly polarized again.
  • the light is reflected or transmitted according to the polarization direction by a polarizing beam splitter 1705 attached to the tip of a probe 1704, and is irradiated onto the measurement object 114, 1141.
  • a polarization switcher 1201 mounted on the distance measurement device 100 in FIG. 4 it is possible to switch the direction between side measurement and depth measurement.
  • Figure 19 explains the principle of switching the measurement direction using polarized light at the tip of the probe.
  • the polarized beam splitter 1705 at the tip of the probe has the property of transmitting light that vibrates parallel to the plane of incidence (P polarized light) and reflecting light that vibrates perpendicular to the plane of incidence (S polarized light). Therefore, by electrically controlling the polarization of the distance measurement laser to be switched between P polarized light and S polarized light using the polarization switcher 1201, the direction of irradiation of the distance measurement laser can be switched between the side direction and the depth direction.
  • two ⁇ /4 plates 1707 and 1708 are used.
  • Linearly polarized light is converted to circularly polarized light by positioning the axis of the first ⁇ /4 plate 1707 at 45 degrees to the polarization direction of the incident light 1901.
  • the second ⁇ /4 plate 1708 and polarizing beam splitter 1705 are attached to a rotating motor and rotate together with the motor.
  • the circularly polarized light is converted back to linearly polarized light, and as the motor rotates, a constant polarized incident direction is always maintained with respect to the polarizing beam splitter 1705, making it possible to rotate the beam directed toward the side.
  • FIG. 20 is a diagram showing an example of the configuration of a distance measurement system according to a twelfth embodiment of the present invention.
  • FIG. 20 shows an example of a configuration including a scanning mechanism that scans a distance measurement head 1700.
  • the measurement head 1700 can be moved up and down.
  • the measurement object 114 is mounted on an X-axis stage 2004 and a Y-axis stage 2005, and it is possible to move the measurement object 114 in the horizontal direction. After positioning the measurement object 114 in the horizontal direction relative to the measurement head 1700, it is possible to measure the three-dimensional shape of the measurement object 114 by moving the measurement head 1700 in the vertical direction.
  • stage controller 2008 is controlled by the control PC 116.
  • the measuring head 1700 of the present invention By holding the measuring head 1700 of the present invention instead of a tool in a three-axis machining center, it is possible to realize on-machine measurement on the machining center. It is also possible to realize a three-dimensional shape measuring device that holds and moves the measuring head 1700 of the present invention with a multi-degree-of-freedom robot and measures the shape of the measurement object 114. Furthermore, if the measurement object range is narrow and the shape can be measured only by movement in the Z-axis direction, the measurement object 114 may be positioned with a jig so that its position is uniquely determined, and only the Z-axis stage may be moved to perform the measurement.
  • FIG. 21 shows an example of the system configuration of the shape measurement device shown in FIG. 20.
  • the measurement head 1700 is controlled by the distance measurement device 100, and the distance to the measurement object is measured.
  • the distance measured by the distance measurement device 100 is input to the distance calculation unit 2101 in the control PC 116, and the distance measurement value is linked to the rotation stage encoder signal, etc.
  • the stage mechanism 2103 also includes the XYZ axis stage shown in FIG. 20, and its position is controlled by a stage controller 2108.
  • the stage coordinates acquired by the stage controller 2108 and the distance measurement results obtained by the distance calculation unit 2101 are processed by a shape calculator 2102, making it possible to measure the three-dimensional shape of the object.
  • the measurement results are displayed on the display unit 117.
  • Figure 22 shows a different embodiment from Figure 18.
  • the light separated by coupler 109 in distance measurement device 100 measures the distance difference between the reflected light from measurement target 114 and the light combined by coupler 110.
  • the optical path to measurement target 114 changes in the optical path length of optical fiber elements, etc. due to the influence of heat, etc., along the way, resulting in measurement errors. Therefore, it is considered to correct the distance origin in order to improve measurement accuracy.
  • a reflective coating 2200 for generating a distance origin is applied to the entrance surface of the polarizing beam splitter 1705.
  • Polarizing beam splitters are generally made of glass, so if no coating is applied, the surface reflectance is about 4%. Although it depends on the sensitivity of the receiver used, if the reflectance is too high and the receiver is saturated, it is necessary to adjust the reflectance to 4% or less by using a surface coating. Furthermore, reflections on the exit surfaces 2201 and 2202 of the polarizing beam splitter are a cause of noise, so they must be suppressed as much as possible. For this reason, an anti-reflection coating is provided. A typical anti-reflection coating has a reflectance of 0.1% or less.
  • Figure 23 shows the FFT result of the detection beat signal obtained with the configuration of Figure 22.
  • the measurement peak of the incident surface of the polarizing beam splitter 1705 used as the distance origin is designated as 2301.
  • the measurement peak from the measurement object 114 after passing through the polarizing beam splitter is designated as 2302.
  • process step S2400 it is determined whether side measurement or depth measurement is to be performed.
  • a beat signal is acquired in process step S2401.
  • an encoder signal of a rotary motor whose acquisition timing is synchronized with that of the beat signal is acquired.
  • the distance to the measurement object and the distance to the origin are calculated.
  • the measurement object distance after origin correction is calculated by subtracting the origin distance from the measurement object distance.
  • the diameter of the object is calculated from the target distance after origin correction and the encoder signal of the rotary motor synchronized therewith. It is possible to calculate not only the diameter but also the circularity. Furthermore, by combining it with the measurement head scanning coordinates described in Figure 20, it is also possible to calculate a three-dimensional shape.
  • a beat signal is acquired in processing step S2405.
  • processing step S2406 the distance to the measurement object and the distance to the origin are calculated.
  • processing step S2407 the measurement object distance after origin correction is calculated by subtracting the origin distance from the measurement object distance. In addition, by combining this with the measurement head scanning coordinates described in Figure 20, it is also possible to calculate a three-dimensional shape.
  • a polarizer is used to transmit only a specific polarized component, but an embodiment using a configuration other than a polarizer is shown in Fig. 25.
  • Light emitted from an optical fiber 2501a is collimated by a lens 2502a and irradiated onto a polarizing beam splitter 2503.
  • the polarizing beam splitter 2503 separates the light according to the polarization direction, transmitting one polarized light and reflecting the other polarized light.
  • the reflected light is absorbed by an absorbent 2506, and the transmitted light is guided to the optical fiber 2501a by a lens 2502b, thereby achieving the same effect as a polarizer.
  • an element having birefringence may be used as an element that separates light according to the polarization direction.
  • Figure 26 shows an example using an element having birefringence.
  • Light emitted from optical fiber 2501a is collimated by lens 2502a and irradiated onto element 2601 having birefringence.
  • the light passing through 2601 has a different refractive index depending on the polarization, so there is a difference in the angle of travel. Therefore, by absorbing one polarized light with absorbent material 2506 and guiding the other polarized light to optical fiber 2501b by lens 2502b, it is possible to achieve an effect equivalent to that of a polarizer.
  • a polarized beam splitter/polarized beam combiner is used to separate/combine polarized light and provide an optical path difference between the polarized components, but a configuration in which light is separated/combined according to the polarization direction using an element having birefringence may also be used.
  • An embodiment in which an element having birefringence is used is shown in FIG. 27.
  • the light emitted from the optical fiber 2501a is collimated by the lens 2502a and irradiated onto the element 2601a having birefringence. Since the refractive index of the light passing through 2601a differs depending on the polarization, a difference occurs in the angle of travel.
  • one polarized light is guided to the optical fiber 2501b by the lens 2502b, and the other polarized light is guided to the optical fiber 2501c by the lens 2502c.
  • the optical fibers 2501b and 2501c have different lengths.
  • the light emitted from the optical fiber 2501b is collimated by the lens 2502d and irradiated onto the element 2601b having birefringence.
  • the light emitted from the optical fiber 2501c is collimated by the lens 2502e and irradiated onto the element 2601b having birefringence. Both lights are combined again onto the same optical path by the element 2601b having birefringence, and are guided to the optical fiber 2501d by the lens 2502f.
  • This configuration has the same function as a polarizing beam splitter/polarizing beam combiner.
  • Examples 1 to 8 a configuration example using optical fibers is shown as one embodiment, but the system may also be one in which an interferometer is configured in space using optical elements that split and combine light in space.
  • a photonic integrated circuit may be used to form a waveguide, coupler, circulator, polarizing element (polarizer, polarizing beam splitter), and detector on a substrate, and a system using a photonic integrated circuit may be formed on the substrate with some or all of the optically necessary elements and functions to realize the embodiments described in Examples 1 to 8.
  • 100 Distance measurement device, 101: Semiconductor laser, 102: Oscillator, 103, 104, 106, 109, 110: Optical fiber coupler, 105: Optical fiber, 107: Photoreceiver, 108: Polarizer, 111: Circulator, 112: Optical fiber focuser, 113: Photoreceiver, 114, 1141: Measurement object, 115: Distance measurement device control unit, 116: Control device, 117: Display unit, 201: Reference light, 202: Measurement light, 301: FFT peak waveform, 401: Beat signal obtained by the polarization component of the main component, 402: Beat signal obtained by the polarization component of the leakage light, 403: FFT intensity profile obtained by the polarization component of the main component, 404: Beat signal obtained by the polarization component of the leakage light 403: FFT intensity profile obtained by the polarization component of the leakage light, 604: FFT intensity profile obtained by the polarization component of the leakage

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Abstract

偏光起因で生じる距離誤差を低減することができる距離計測装置および距離計測方法を提供する。レーザ光源で発生した光を参照光学系と測定光学系に分岐し、参照光学系を通過した参照光から参照光路測定ビート信号を検出し、測定光学系において測定対象物を経由して得られた測定光から測定光路測定ビート信号を検出して、測定光路測定ビート信号，及び参照光路測定ビート信号に基づき、測定対象物までの距離を計測する距離計測方法であって、参照光学系及び前記測定光学系のいずれか一方、または双方の光学系内に偏光起因距離誤差低減要素を設置することを特徴とする距離計測方法。

Description

距離計測方法、距離計測装置、並びに距離計測システム
　本発明は，光を用いて非接触で対象までの距離を計測する距離計測方法、距離計測装置、並びに距離計測システムに関する。
　光を用いて非接触で対象までの距離を計測する手法について，特許文献１では周囲環境温度変化に対するロバスト性向上のために，参照ファイバ干渉計を断熱された格納ボックス内に入れて，内部の温度をモニタし，参照ファイバの熱による光路長変化を補正することで，正確な距離を算出している。
特許第６８３５９１９号
　特許文献１などの、光を用いて非接触で対象までの距離を計測する手法によれば，周囲環境温度が変化し，距離測定部を構成する光ファイバの温度が変わると，光ファイバ内を通過する光の偏光状態が変化し，光干渉信号に距離誤差を生じさせるという課題がある。
　このことから本発明においては、偏光起因で生じる距離誤差を低減することができる距離計測方法、距離計測装置、並びに距離計測システムを提供することを目的とする。
　以上のことから本発明においては、「レーザ光源で発生した光を参照光学系と測定光学系に分岐し、参照光学系を通過した参照光から参照光路測定ビート信号を検出し、測定光学系において測定対象物を経由して得られた測定光から測定光路測定ビート信号を検出して、測定光路測定ビート信号，及び参照光路測定ビート信号に基づき、測定対象物までの距離を計測する距離計測方法であって、参照光学系及び測定光学系のいずれか一方、または双方の光学系内に偏光起因距離誤差低減要素を設置することを特徴とする距離計測方法。」としたものである。
　また本発明においては、「レーザ光源で発生した光を分岐する光分岐部と、分岐した一方の光を導光され距離の基準となる参照光を得る参照光学系と、分岐した他方の光を導光され測定対象物に照射した後の反射光を測定光として得る測定光学系と、参照光学系を通過した参照光を受光して，参照光路測定ビート信号を検出する第１受光部と，測定光学系において測定対象物で反射した測定光を受光して，測定光路測定ビート信号を検出する第２受光部とを有し，測定光路測定ビート信号，及び参照光路測定ビート信号に基づき、測定対象物までの距離を計測する距離計測装置であって、参照光学系及び測定光学系のいずれか一方、または双方の光学系内に偏光起因距離誤差低減要素を設置することを特徴とする距離計測装置」としたものである。
　また本発明においては、「レーザ光源で発生した光を分岐する光分岐部と、分岐した一方の光を導光され距離の基準となる参照光を得る参照光学系と、分岐した他方の光を導光され測定対象物に照射した後の反射光を測定光として得る測定光学系と、参照光学系を通過した参照光を受光して，参照光路測定ビート信号を検出する第１受光部と，測定光学系において測定対象物で反射した測定光を受光して，測定光路測定ビート信号を検出する第２受光部とを有し，測定光路測定ビート信号，及び参照光路測定ビート信号に基づき、測定対象物までの距離を計測する距離計測システムであって、参照光学系及び測定光学系のいずれか一方、または双方の光学系内に偏光起因距離誤差低減要素を設置するとともに、測定光学系において測定対象物に照射光を照射するに際し、照射光を１次元，または２次元，または３次元で走査する走査機構を備えることを特徴とする距離計測システム」としたものである。
　本発明によれば，距離測定部の周囲環境温度が変化した際にも，偏光起因の距離誤差を抑制することが可能となり，対象までの距離を正確に測定することが可能となる。
本発明の実施例１に係る距離計測装置１００の構成例を示す図。 実施例１のＦＭＣＷ方式の原理を示す図。 受光器で得られる干渉ビート信号を示す図。 干渉ビート信号をＦＦＴして得られた結果を示す図。 受光器で得られる干渉ビート信号を示す図。 ビート信号をＦＦＴした結果を示す図。 光ファイバに熱が加わった場合に生じる距離誤差を示す図。 本発明の実施例２に係る距離計測装置１００の構成例を示す図。 受光器で得られる干渉ビート信号を示す図。 ビート信号をＦＦＴした結果を示す図。 光ファイバに熱が加わった場合に生じる距離誤差を示す図。 本発明の実施例３に係る距離計測装置１００の構成例を示す図。 本発明の実施例４に係る距離計測装置１００の構成例を示す図。 受光器で得られる干渉ビート信号をＦＦＴして得られた結果を示す図。 光ファイバに熱が加わった場合に生じる距離誤差を示す図。 本発明の実施例５に係る距離計測装置１００の構成例を示す図。 本発明の実施例６に係る距離計測装置１００の構成例を示す図。 本発明の実施例７に係る距離計測装置１００の構成例を示す図。 実施例７の参照光学系にポラライザを挿入した構成の一例を示す図。 実施例７の参照光学系の干渉計を断熱ボックスで覆い，温度センサを有する構成の一例を示す図。 本発明の実施例８に係る距離計測システムの構成例を示す図。 本発明の実施例８に係る距離計測システムの別の構成例を示す図。 本発明の実施例９に係る距離計測システムの構成例を示す図。 本発明の実施例１０に係る距離計測システムの構成例を示す図。 本発明の実施例１１に係る距離計測システムの構成例を示す図。 実施例１１の偏光による照射方向切替原理を示す図。 本発明の実施例１２に係る距離計測システムの構成例を示す図。 実施例１２の距離計測システムの構成例を示す図。 図１８の距離計測システムの異なる構成例を示す図。 図２２の構成で得られる検出ビート信号のＦＦＴ結果を示す図。 原点補正の処理フローを示す図。 実施例１のポラライザの別形態を示す図。 実施例１のポラライザの別形態を示す図。 実施例４の偏光ビームスプリッタ／コンバイナの別形態を示す図。
　以下，図面を用いて本発明の実施例を説明する。ここで実施例は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略および簡略化がなされている。本発明は、他の種々の形態でも実施することが可能である。特に限定しない限り、各構成要素は単数でも複数でも構わない。
　図面において示す各構成要素の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。
　同一あるいは同様の機能を有する構成要素が複数ある場合には、同一の符号に異なる添字を付して説明する場合がある。また、これらの複数の構成要素を区別する必要がない場合には、添字を省略して説明する場合がある。
　実施例において、プログラムを実行して行う処理について説明する場合がある。ここで、計算機は、プロセッサ（例えばＣＰＵ、ＧＰＵ）によりプログラムを実行し、記憶資源（例えばメモリ）やインターフェースデバイス（例えば通信ポート）等を用いながら、プログラムで定められた処理を行う。そのため、プログラムを実行して行う処理の主体を、プロセッサとしてもよい。同様に、プログラムを実行して行う処理の主体が、プロセッサを有するコントローラ、装置、システム、計算機、ノードであってもよい。プログラムを実行して行う処理の主体は、演算部であれば良く、特定の処理を行う専用回路を含んでいてもよい。ここで、専用回路とは、例えばＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｇａｔｅ　Ａｒｒａｙ）やＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｓｐｅｃｉｆｉｃ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＣＰＬＤ（Ｃｏｍｐｌｅｘ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｌｏｇｉｃ　Ｄｅｖｉｃｅ）等である。
　プログラムは、プログラムソースから計算機にインストールされてもよい。プログラムソースは、例えば、プログラム配布サーバまたは計算機が読み取り可能な記憶メディアであってもよい。プログラムソースがプログラム配布サーバの場合、プログラム配布サーバはプロセッサと配布対象のプログラムを記憶する記憶資源を含み、プログラム配布サーバのプロセッサが配布対象のプログラムを他の計算機に配布してもよい。また、実施例において、２以上のプログラムが１つのプログラムとして実現されてもよいし、１つのプログラムが２以上のプログラムとして実現されてもよい。
　以下に示される本発明は、偏光起因で生じる距離誤差を低減する偏光起因距離誤差低減要素を光路内に設けたものであるが、偏光起因距離誤差低減要素の実現手法として直交偏光成分減衰素子を用いる手法と、偏光成分間光路差生成素子を用いる手法がある。前者について、図１から図７を用いて実施例１から実施例３により説明し、後者について、図８から図１５を用いて実施例４から実施例８により説明する。また形状計測システムとしての構成例について図１６から図２４を用いて実施例９から実施例１３により説明する。
　実施例１から実施例３では直交偏光成分減衰素子を用いる手法について説明する。まず図１は、本発明の実施例１に係る距離計測装置１００の構成例を示している。ここでの光路差を用いる距離計測方式は、ＦＭＣＷ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ　Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　Ｗａｖｅ）方式に基づく。
　ＦＭＣＷ方式の距離計測装置１００では、まず距離計測制御部１１５から，発振器１０２に対して掃引波形信号を送信する。発振器１０２は，レーザ光源１０１に対して三角波電流を注入し，駆動電流を変調する。結果として，レーザ光源１０１は，一定の変調速度で時間的に周波数掃引されたＦＭ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ）光を発生する。なお，レーザ光源１０１を外部共振器付き半導体レーザ装置として構成し，レーザ光源１０１の共振波長を発振器１０２からの三角波状の制御信号により変化させてもよい。その結果，レーザ光源１０１から時間的に周波数掃引されたＦＭ光が発生する。
　次に、発生したＦＭ光を光ファイバカプラ１０３で光Ｌ１とＬ２に分割する。なお，光ファイバカプラ１０３，１０４，１０６，１０９，１１０はビームスプリッタであってもよい。分割された光の一方Ｌ２は参照光学系へと導光され，光ファイバカプラ１０４にてさらに光Ｌ２１とＬ２２に分割される。分割された光Ｌ２１とＬ２２は光ファイバ１０５にて一定の光路差を設けた後，光ファイバカプラ１０６にて合波され，受光器１０７に光Ｌ３として受光される。これは，マッハツェンダ干渉計の構成となっており，受光器１０７では光路差に比例した一定のビート信号Ｌ３が発生する。
　光ファイバカプラ１０３で分割された光の他方Ｌ１は，ポラライザ１０８（直交偏光成分減衰素子）によって特定の偏光成分が通過し，光ファイバカプラ１０９によってＬ１１とＬ１２に分割され，一方の光Ｌ１１は参照光となり，光ファイバカプラ１１０に導光され，他方の光Ｌ１２は，サーキュレータ１１１を通過し，ファイバフォーカサ１１２から空間に出射し，測定対象物１１４に照射される。
　対象物１１４で反射した光Ｌ１２Ａは，ファイバフォーカサ１１２を再度通過し，サーキュレータ１１１の他のポートを通過し，光ファイバカプラ１１０を通過し，参照光Ｌ１１と測定光Ｌ１２Ａとの干渉により発生するビート信号Ｌ４が受光器１１３によって検出される。
　距離計測制御部１１５は，受光器１０７で受光された参照ビート信号Ｌ３をサンプリングクロックとして，受光器１１３で受光された測定ビート信号Ｌ４をＡ／Ｄ変換する。または参照ビート信号Ｌ３と測定ビート信号Ｌ４とを一定のサンプリングクロックでサンプリングする。より具体的には，参照ビート信号Ｌ３は，ヒルベルト変換を行うことにより，９０度位相のずれた信号を作り出すことができる。ヒルベルト変換の前後の参照信号から，信号の局所位相を求めることが可能であるため，この位相を補間することで，参照信号が一定の位相となるタイミングを求めることができる。
　このタイミングに合わせて，測定ビート信号Ｌ４を補間サンプリングすることで，参照信号Ｌ３を基準として測定信号Ｌ４をリサンプリングすることが可能となる。または，距離計測制御部１１５の有するＡＤ／ＤＡ変換機で参照ビート信号Ｌ３をサンプリングクロックとして測定信号Ｌ４をサンプリングしてＡ／Ｄ変換しても，同様の効果を奏する。ビート信号からの距離算出方法の詳細は図２，図３を使って説明するが，距離計測制御部１１５で解析された距離測定データは制御ＰＣ１１６に送信され、表示部１１７に表示される。
　ＦＭＣＷ方式の原理を示す図２を用いてビート信号の解析について説明する。図２は横軸に時間、縦軸に光周波数をとっている。図１の光ファイバカプラ１０９で分割され参照光として受光される参照光２０１（Ｌ１１）と，対象１１４で反射して受光される測定光２０２（Ｌ１２Ａ）との受光器１１３への到達時間には差Δｔがあるが，この間に光源の周波数が変化しているので，これによる周波数差に等しいビート周波数ｆｂのビート信号が検出される。周波数掃引幅をΔνとし，Δνだけ変調するのに要する時間をＴとすると，（１）式の関係がある。さらに、測定対象までの距離Ｌは，Δｔの間に光が進む距離の半分なので，大気中の光速度ｃを用いて，（２）式のように算出できる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　距離Ｌとビート周波数は線形な関係にある。よって受光器１１３で得られた測定信号Ｌ４をＦＦＴ（Ｆｉｒｓｔ　Ｆｏｕｒｉｅｒ　Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ：高速フーリエ変換）して，ピーク位置と大きさを求めると，対象物の反射位置と反射光量が求まる。図３ａ，図３ｂに検出ビート信号と，その信号をＦＦＴして得られる反射強度プロファイルの一例を示す。図３ａは受光器で得られる干渉ビート信号を示す。干渉ビート信号の周波数は対象までの距離に比例する。また図３ｂは干渉ビート信号をＦＦＴして得られた結果を示す。
本図の横軸がＦＦＴの周波数軸，縦軸が反射強度とすると，ピーク付近は本図に示すような離散的なデータとなる。ここでピーク幅ｗは，距離分解能ｃＴ／２Δνで計算される。
そこで図に示すようにピーク点３０１付近の３点以上の点を用いて，二次関数またはガウス関数といった関数を当てはめ，当てはめられた関数のピークを用いると，距離分解能以上の精度で測定対象の位置を求めることが可能となる。ビート周波数の解析の一例として，ＦＦＴを挙げたが，例えば，最大エントロピー法を用いることで，ＦＦＴよりも高分解能にピーク位置を検出しても良い。
　図３ａ，図３ｂはある特定の偏光成分のみによって距離測定した場合に得られる理想的な結果を示した。現実には，ある特定の偏光成分に偏光方向が直交する漏れ光が光ファイバ中では発生する。漏れ光は，例えば，光ファイバの光学素子の消光比が低いために発生する。あるいは，光ファイバコネクタを用いた場合に，コネクタ間の勘合具合によって消光比が低下して発生する。
　図４ａ，図４ｂ、図４ｃに漏れ光が発生した場合に得られる検出ビート信号波形を示す。図４ａは受光器で得られる干渉ビート信号を示す。４０１は本来測定したい偏光成分によって得られるビート信号を示す。４０２はそれとは直交する漏れ光成分によって得られるビート信号を示す。４０１と４０２のビート信号の振幅比は消光比と同程度となる。また本来測定したい偏光成分が光ファイバのｓｌｏｗ軸を通過し，それと直交する漏れ光成分が光ファイバのｆａｓｔ軸を通過する場合は，４０１のビート信号と４０２のビート信号はそれぞれ，光ファイバのｓｌｏｗ軸とｆａｓｔ軸を通過する分の距離差が生じる。例えば，図１において，ファイバフォーカサ１１２と測定対象１１４の間にＦＭＣＷ法の干渉原点が存在するとする。ここで，干渉原点とは，図２で示した参照光２０１と測定光２０２の距離差が等しい位置をさす。例えば，光ファイバフォーカサから干渉原点までの距離が２００ｍｍとする。その場合，その長さと等しくなるための参照光路の光ファイバ長は２００ｍｍ×２（往復光路）÷１．５（光ファイバ屈折率）＝３００ｍｍとなる。ここで，測定光の波長を１．５５μｍとし，光ファイバのビート長（ｆａｓｔ軸とｓｌｏｗ軸を通過する光の波長が１周期分ずれる距離）を５ｍｍとすると，ｆａｓｔ軸とｓｌｏｗ軸を通るそれぞれの光の光路差は３００ｍｍ÷５ｍｍ×１．５５μｍ＝９３μｍ生じることになる。
　図４ａで示したビート信号をＦＦＴした結果を図４ｂに示す。４０３は４０１のビート信号成分（光ファイバのｓｌｏｗ軸を通過）をＦＦＴした結果得られるピーク強度を示し，４０４は４０２のビート信号成分（光ファイバのｆａｓｔ軸を透過）をＦＦＴした結果得られるピーク強度を示す。４０５は４０３と４０４が合成されて得られる成分を示す。
ここで光ファイバに熱が加わった際に光ファイバに応力が作用し，ｓｌｏｗ軸に対するｆａｓｔ軸の成分の位相が変化するため，４０３に対する４０４の位相が変化する。このときに光周波数掃引幅で決まるピーク幅（図３ｂで示したｗ）が，９３μｍ（光ファイバのｓｌｏｗ軸とｆａｓｔ軸の光路差）よりも広い場合は，４０３と４０４の裾野が重なり合うため，合成成分４０５のピーク検出位置が変化する。そのため，距離誤差が生じる。
　図４ｃに光ファイバに熱が加わった場合に生じる距離誤差を示す。横軸が真の距離，縦軸が測定距離を示す。Ｆａｓｔ軸への漏れ光がない理想的な場合に得られる測定距離を４０６とする。ここでファイバに温度変化が加わった場合に距離のオフセット変動が生じる。ｓｌｏｗ軸に対するｆａｓｔ軸の位相状態によって，オフセット変動量は異なるが，例えば，ある位相の時には，４０７に示すように真の距離に対して，測定距離が大きくなり，またある位相の時には，４０８に示すように真の距離に対して，測定距離が小さくなる。
　そこで本発明の実施例１では、図１に示すように光Ｌ１側の光路にポラライザ１０８（直交偏光成分減衰素子）を挿入し，特定の直線偏光成分，例えば，ｓｌｏｗ軸のみを透過させ，ｆａｓｔ軸の漏れ光を減少させることで，光ファイバの温度による測定誤差を低減することが可能となる。なお図１では，ポラライザ１０８の挿入位置として，カプラ１０３とカプラ１０９間としたが，カプラ１０９の後や，サーキュレータ１１１の後でも良い。さらにはカプラ１０９とカプラ１１０間、サーキュレータ１１１とカプラ１１０間、あるいはカプラ１１０と受光機１１３の間であってもよい。
　なお、光ファイバ素子間を接続するためにコネクタを用いた場合，その勘合具合により，消光比が落ちる可能性があるため，光ファイバ素子間の接続は融着が望ましい。またポラライザを挿入する代わりに，消光比の高いカプラ１０３，１０９を用いてもよい。その場合は，レーザ１０１とカプラ１０３間も融着が望ましい。しかし，レーザは消耗部品のため定期的な交換が必要である。定期交換のためには，コネクタ接続が望ましい。その場合は，カプラ１０３の前にポラライザ１０８を設置し，カプラ１０３とポラライザ１０８を融着する。そうすることで，レーザとポラライザ間はコネクタを用いて消光比が落ちたとしてもポラライザにて漏れ光成分は減衰させることができるため，高い消光比を保つことが可能となる。またカプラは１０３や１０９として，ｆａｓｔ軸をブロックするタイプを用いてもでもよい。
　以上、図１では距離計測装置１００の構成例を示しているが、実施例１の装置構成の考え方は、要するに「レーザ光源１０１で発生した光を参照光学系と測定光学系に分岐し、参照光学系を通過した参照光Ｌ３から参照光路測定ビート信号を検出し、測定光学系において測定対象物１１４を経由して得られた測定光Ｌ４から測定光路測定ビート信号を検出して、測定光路測定ビート信号，及び参照光路測定ビート信号に基づき、測定対象物までの距離を計測する距離計測方法であって、参照光学系及び測定光学系のいずれか一方、または双方の光学系内に偏光起因で生じる距離誤差を低減する偏光起因距離誤差低減要素（１０８または８０１と８０２」を設置することを特徴とする距離計測方法」を採用したものであり、この処理方法を示す具体的な実現手法が図１に例示されたものである。なお、以下の実施例は主として、装置構成で説明するが、この構成による手法はそのまま方法による手法と置き換えることができる。
　実施例２では直交偏光成分減衰素子を用いる手法について説明する。図５に本発明の実施例２に係る距離計測装置１００の構成例を示している。図１では偏光起因の測定誤差を抑制するために測定光学系（光Ｌ１側）にポラライザ（直交偏光成分減衰素子）を挿入したが，同様の偏光起因の測定誤差は参照光学系（光Ｌ２側）でも生じうる。そこで，図５では光ファイバカプラ１０４の手前にポラライザ１０８（直交偏光成分減衰素子）を挿入することで，ある特定の偏光成分のみを通過させる構成とする。
　図６ａ，図６ｂ、図６ｃに漏れ光が発生した場合に得られる検出ビート信号波形を示す。図６ａは受光器で得られる干渉ビート信号を示す。６０１は本来測定したい偏光成分によって得られるビート信号を示す。６０２はそれとは直交する偏光の漏れ光成分によって得られるビート信号を示す。６０１と６０２のビート信号の振幅比は消光比と同程度となる。また本来測定したい偏光成分が光ファイバのｓｌｏｗ軸を通過し，それと直交する漏れ光成分が光ファイバのｆａｓｔ軸を通過する場合は，６０１のビート信号と６０２のビート信号はそれぞれ，光ファイバのｓｌｏｗ軸とｆａｓｔ軸を通過する分の距離差が生じる。例えば，図５のファイバ１０６の長さが３００ｍｍあったとする。ここで，測定光の波長を１．５５μｍとし，光ファイバのビート長（ｆａｓｔ軸とｓｌｏｗ軸を通過する光の波長が１周期分ずれる距離）を５ｍｍとすると，ｆａｓｔ軸とｓｌｏｗ軸を通るそれぞれの光の光路差は３００ｍｍ÷５ｍｍ×１．５５μｍ＝９３μｍ生じることになる。
　図６ａで示したビート信号をＦＦＴした結果を図６ｂに示す。６０３は６０１のビート信号成分（光ファイバのｓｌｏｗ軸を通過）をＦＦＴした結果得られるピーク強度を示し，６０４は６０２のビート信号成分（光ファイバのｆａｓｔ軸を透過）をＦＦＴした結果得られるピーク強度を示す。６０５は６０３と６０４が合成されて得られる成分を示す。
ここで光ファイバに熱が加わった際に光ファイバに応力が作用し，ｓｌｏｗ軸に対するｆａｓｔ軸の成分の位相が変化するため，６０３に対する６０４の位相が変化する。このときに光周波数掃引幅で決まるピーク幅（図３ｂで示したｗ）が，９３μｍ（光ファイバのｓｌｏｗ軸とｆａｓｔ軸の光路差）よりも広い場合は，６０３と６０４の裾野が重なり合うため，合成成分６０５のピーク検出位置が変化する。そのため，距離誤差が生じる。
　図６ｃに光ファイバに熱が加わった場合に生じる距離誤差を示す。横軸が真の距離，縦軸が測定距離を示す。Ｆａｓｔ軸への漏れ光がない理想的な場合に得られる測定距離を６０６とする。ここでファイバに温度変化が加わった場合に参照ビート信号６０１に６０２の影響が加わり，リサンプリングのタイミングがずれて，距離のゲイン変動が生じる。ｓｌｏｗ軸に対するｆａｓｔ軸の位相状態によって，ゲイン変動量は異なるが，例えば，ある位相の時には，６０７に示すようにゲインが大きくなり，ある位相の時には，６０８に示すようにゲインが小さくなる。またここで着目すべきは，測定光学系で漏れ光が発生した場合は，図４ａ，図４ｂ、図４ｃに示したように距離のオフセット誤差を生じたが，参照光学系で漏れ光が発生した場合は，図６ａ，図６ｂ、図６ｃに示すように距離のゲイン誤差が生じ，誤差の出方が異なることである。
　距離のゲイン変動を抑制するために，図５に示すようにポラライザ１０８を挿入し，ｓｌｏｗ軸のみを透過させ，ｆａｓｔ軸の漏れ光を減少させることで，光ファイバの温度による測定誤差を低減することが可能となる。
　なお光ファイバ素子間を接続するためにコネクタを用いた場合，その勘合具合により，消光比が落ちる可能性があるため，融着が望ましい。またポラライザを挿入する代わりに，消光比の高いカプラ１０３，１０９を用いてもよい。その場合は，レーザ１０１とカプラ１０３間も融着が望ましい。しかし，レーザは消耗部品のため定期的な交換が必要である。定期交換のためには，コネクタ接続が望ましい。その場合は，カプラ１０３の前にポラライザ１０８を設置し，カプラ１０３とポラライザ１０８を融着する。そうすることで，レーザとポラライザ間はコネクタを用いて消光比が落ちたとしてもポラライザにて漏れ光はカットすることができるため，高い消光比を保つことが可能となる。またカプラは１０３や１０５として，ｆａｓｔ軸をブロックするタイプを用いてもでもよい。
　実施例３では直交偏光成分減衰素子を用いる手法について説明する。図７に本発明の実施例３に係る距離計測装置１００の構成例を示す。図７は測定光学系（光Ｌ１側）と参照光学系（光Ｌ２側）の両方にポラライザを挿入する構成である。実施例１で述べたように測定光学系（光Ｌ１側）にポラライザ１０８Ｂを挿入することで，偏光起因で生じる距離のオフセット変動を抑制することができる。ポラライザ挿入位置として，カプラ１０９の後や，サーキュレータ１１１の後でも良い。さらにはカプラ１０９とカプラ１１０間、サーキュレータ１１１とカプラ１１０間、あるいはカプラ１１０と受光機１１３の間であってもよい。
　また実施例２で述べたように参照光学系（光Ｌ２側）にポラライザ１０８Ａを挿入することで，偏光起因で生じる距離のゲイン変動を抑制することができる。ポラライザ１０８Ａの挿入位置として，カプラ１０３の前でも良い。その場合は，測定光学系に挿入したポラライザ１０８Ｂと同様の効果を生むため，ポラライザ１０８Ｂは無くても良い。ただし，カプラ１０３がポラライザと同等の消光比を保持することが前提である。また光ファイバ素子間は高い消光比を維持するために融着が望ましい。
　実施例４以降では、偏光成分間光路差生成素子を用いる手法について説明する。図８に本発明の実施例４に係る距離計測装置１００の構成例を示す。実施例１から実施例３では測定光学系あるいは参照光学系に、偏光起因距離誤差低減要素として直交偏光成分減衰素子（ポラライザ１０８）を挿入することで，特定の偏光成分のみを通過させる構成とした。
　これに対し、以下においては偏光起因距離誤差低減要素の実現手法として偏光成分間光路差生成素子を用いる手法について説明する。但し、図８の実施例４の距離計測装置１００における測定光学系あるいは参照光学系の構成は基本的に図１と同じであるので、ここでの説明は割愛する。唯一相違する点は、光ファイバのｓｌｏｗ軸とｆａｓｔ軸成分に距離差を設けることで，偏光起因の測定誤差を低減する構成を採用した点であるので、この点を主体に以下の説明を行うものとする。
　具体的には図８において、サーキュレータ１１１の後に，偏光ビームスプリッタ８０１を備えて，光Ｌ１２を偏光が直交する２成分（ｓｌｏｗ軸とｆａｓｔ軸）に分離する。分割した２成分間の光ファイバ長さを変えることで光路差を設けた後に偏光ビームコンバイナ８０２によって，再度光を合波する。合波した光を光ファイバフォーカサ１１２に導光して対象に照射する。
　なお図８ではサーキュレータ１１１の後に偏光ビームスプリッタ８０１と偏光ビームコンバイナ８０２を挿入したが，サーキュレータ１１１の前でも良い。さらには光ファイバカプラ１０９と１１０の間、サーキュレータ１１１と光ファイバカプラ１１０の間でもよい、要するに図８は測定光学系側に偏光起因距離誤差低減要素の実現手法として偏光成分間光路差生成素子（偏光ビームスプリッタ８０１と偏光ビームコンバイナ８０２）を設置したものである。なお光ファイバ素子間は高い消光比を維持するために融着することが望ましい。
　図９ａに受光器１１３で得られるビート信号をＦＦＴした結果を示す。９０１はｓｌｏｗ軸を透過するビート成分によって得られるＦＦＴスペクトルのピーク強度を示し，９０２はｆａｓｔ軸を透過するビート成分によって得られるＦＦＴスペクトルのピーク強度を示す。偏光ビームスプリッタ８０１と偏光ビームコンバイナ８０２によって光路差をつけたため，光周波数掃引幅で決まるピーク幅（図３ｂのｗ）以上にピーク位置を離すことができる。この場合，漏れ光の位相が変動し，９０２のピーク強度の位相が変化しても９０１のピーク強度には影響しないため，距離誤差が生じない。
　図９ｂに生じる距離誤差を示す。横軸が真の距離，縦軸が測定距離を示す。Ｆａｓｔ軸への漏れ光がない場合に得られる測定距離を９０３とする。図４ａ，図４ｂ、図４ｃでは漏れ光の位相が変化した場合にオフセット誤差が生じたが，図９ａ，図９ｂでは漏れ光の位相が変化しても距離のオフセット誤差は生じない。
　図１０に本発明の実施例５に係る距離計測装置１００の構成例を示す。実施例４では測定光学系に偏光ビームスプリッタ８０１と偏光ビームコンバイナ８０２を挿入することで直交する偏光成分間に距離差を設けたが，実施例５では同様の方式を参照光学系に用いている。光ファイバカプラ１０３で光Ｌ１とＬ２に分岐し，参照光学系に導光される光Ｌ１を偏光ビームスプリッタ８０１によって，光を偏光が直交する２成分（ｓｌｏｗ軸とｆａｓｔ軸）に分離する。２成分間に光路差を設けた後に偏光ビームコンバイナ８０２によって，再度光を合波し，光カプラ１０４に導光する。ここで偏光間の距離差を光周波数掃引幅で決まるピーク幅（図３ｂのｗ）以上に離すことによって，偏光起因のゲイン変動を抑制することが可能となる。
　図１１に本発明の実施例６に係る距離計測装置１００の構成例を示す。図１１は測定光学系と参照光学系の両方に偏光ビームスプリッタと偏光ビームコンバイナを挿入する構成である。
　実施例４で述べたように測定光学系に偏光ビームスプリッタ８０１Ｂと偏光ビームコンバイナ８０２Ｂを挿入することで，偏光起因で生じる距離のオフセット変動を抑制することができる。さらに実施例５で述べたように参照光学系に偏光ビームスプリッタ８０１Ａと偏光ビームコンバイナ８０２Ａを挿入することで，偏光起因で生じる距離のゲイン変動を抑制することができる。
　図１２に本発明の実施例７に係る距離計測装置１００の構成例を示す。本構成では実施例４の図８の構成に対して，測定方向の切替えを行うために，偏光切替器１２０１および偏光ビームスプリッタ１２０２を追加した構成である。レーザ１０１から射出する光は，偏光切替器１２０１によって，透過する光の偏光を切り替えることができる。ファイバカプラ１０９，サーキュレータ１１１，偏光ビームスプリッタ８０１，偏光ビームコンバイナ８０２を通過した光は，ファイバフォーカサ１１２から空間に照射される。偏光ビームスプリッタ１２０２に照射された光は，その偏光状態によって，照射方向を切り替えることが可能となる。例えば，偏光ビームスプリッタ１２０２の入射面に平行に振動する光は透過するため，測定対象１１４を照射し，入射面に垂直な方向に振動する光は反射するため，測定対象１１４１を照射する。
　この時，偏光ビームスプリッタ８０１と偏光ビームコンバイナ８０２を用いることで，両方の偏光成分を透過させることが可能となるため，偏光切替器を用いた測定方向の切替えに対応することが可能となる。
　これに対し、実施例１の図１で説明したポラライザ１０８を用いた場合は，一方方向の偏光しか通過しないため，測定方向の切替えを行うことはできない。偏光ビームスプリッタ８０１と偏光ビームコンバイナ８０２を用いることで，偏光起因で生じる距離のオフセットを抑制しつつ，両方の偏光を通すことができるというメリットがある。
　図１３は図１２に対して，偏光起因で生じる距離のゲイン変動を抑制するために，参照光学系にポラライザ１０８を挿入した構成を示す。参照光学系は偏光切替を行わないため，ポラライザ１０８を挿入して一方の偏光のみを通過させる構成で良い。ただし，図１０で説明した偏光ビームスプリッタ１００１と偏光ビームコンバイナ１００２を用いた構成でも良い。
　図１４は図１３に対して，距離の基準となる参照ファイバ干渉計部分（光カプラ１０４，１０６、光ファイバ１０５）を断熱ボックス１４０１で覆い，断熱ボックス内の温度を温度センサ１４０２で測定し，測定値１３０を距離計測装置１１５に送ることで，光ファイバの熱による光路長変化を補正する構成である。本構成によって，距離の基準となる参照光学系の光路長差を精度よく求めることができ，高精度な距離計測が可能となる。
　図１５ａに本発明の実施例８に係る距離計測装置１００の構成例を示す。図１２では測定方向の切替えを行うために偏光切替器１２０１を用いたが，その代わりに光スイッチ１５０１を用いる。レーザ光源１０１から照射され，光カプラ１０３を通過した光Ｌ１を光スイッチ１５０１によって光路を２分岐する。一方の光路中にポラライザ８０１Ａを挿入する。その後，偏光ビームコンバイナ８０２に導光する。もう一方の光路にもポラライザ８０１Ｂを挿入する。ポラライザ８０１Ｂを通過した光に対して，光ファイバのＦａｓｔ軸とｓｌｏｗ軸を反転させて，偏光ビームコンバイナ８０２と融着する。そうすることで，光スイッチ１５０１で２分岐した光に対して，それぞれ偏光の異なる成分に分離することが可能となる。光スイッチ１５０１はメカニカルに光路切替えを行うため，偏光の漏れ光が生じない特徴を有する。そのため偏光ビームコンバイナを用いた構成に対して高い消光比を維持することができる。
　図１５ｂは図１５ａに対して，光スイッチの挿入位置を変えた構成である。図１５ｂではサーキュレータの後に光スイッチ１５０１を配置することで，カプラ１０９やサーキュレータ１１１の消光比に依存せずに，ポラライザ１０８Ａと１０８Ｂと偏光ビームコンバイナ８０２で決まる消光比で測定対象に照射することができる。また本構成では，光スイッチ１５０１までは一方の偏光しか通さないため，ポラライザ１０８Ｃと１０８Ｄを干渉計内に挿入することで，漏れ光の影響を低減することができる。
　次に、形状計測装置としての構成例について図１６から図２４を用いて実施例９から実施例１３により説明する。
　まず図１６は、本発明の実施例９に係る距離計測システムの構成例を示す図である。距離計測装置１００から射出する光を光ファイバで導光し，光ファイバフォーカサ１６００から空間に射出する。ビーム走査機構１６０１および１６０２を用いてビームを走査し，対象１１４に２次元的に走査する。ビーム走査機構として，ガルバノミラーを用いて，ビームを走査しても良い。ガルバノミラーを１つ用いることで，１次元的に走査することが可能であり，２つ用いることで，２次元的に走査することが可能である。また走査機構としてＭＥＭＳミラーやポリゴンミラーなどのように光を偏向し，走査可能な他の機構を用いて走査しても良い。
　図１７は本発明の実施例１０に係る距離計測システムの構成例を示す図である。距離計測装置１００から射出する光を光ファイバ１７０１で計測ヘッド１７００に導光する。計測ヘッド１７００内に導光された光は，光ファイバフォーカサ１７０２から空間に射出する。回転モータ１７０３にはプローブシャフト１７０４が取り付けられており，プローブシャフト先端にはプリズム１７０５が取り付けられている。１７０５で反射した光は測定対象１７０６に照射され，反射した光が再びプリズム１７０５で反射し，光ファイバフォーカサ１７０２によって集光される。回転モータ１７０３が回転することで先端のプリズム１７０５が回転し，対象１７０６の断面形状を測定することが可能となる。
　図１８は本発明の実施例１１に係る距離計測システムの構成例を示す図である。距離計測装置１００から射出する光を光ファイバ１７０１で計測ヘッド１７００に導光し，光ファイバフォーカサ１７０２から空間に射出する。距離計測装置１００から導光される直線偏光の光はλ／４板１７０７で円偏光に変換された後，回転モータ１７０３に取り付けられたλ／４板１７０８を通過することで，再び直線偏光になる。プローブ１７０４先端に取り付けられた偏光ビームスプリッタ１７０５によって，偏光方向に応じて反射あるいは透過し，測定対象１１４，１１４１に照射する。このとき，図４の距離計測装置１００に搭載された偏光切替器１２０１で偏光を切り替えることで，側面測定と奥行き測定の方向切替を行うことが可能となる。
　図１９にプローブ先端にて偏光を用いた測定方向の切替原理を説明する。プローブの先端部の偏光ビームスプリッタ１７０５は，入射面に平行に振動する光（Ｐ偏光）を透過させ，入射面に垂直な方向に振動する光（Ｓ偏光）を反射させる性質を持つ。そのため，偏光切替器１２０１で測距レーザの偏光をＰ偏光，Ｓ偏光に電気的に切り替え制御することで，測距レーザ照射方向を側面方向と奥行方向に切り替えることができる。
　計測ビームを側面方向に向けたまま回転させるには，偏光ビームスプリッタの回転に応じて入射光１９０１の偏光方向を回転させ，偏光ビームスプリッタに対して相対的な偏光状態を一定に保つ必要がある。
　そのため，２枚のλ／４板１７０７，１７０８を用いる。入射光１９０１の偏光方向に対して，１枚目のλ／４板１７０７の軸を４５度に配置することで，直線偏光を円偏光に変換する。２枚目のλ／４板１７０８と偏光ビームスプリッタ１７０５は回転モータに取り付けられており，モータとともに回転する。円偏光の光は２枚目のλ／４板１７０８を通過することで，再び直線偏光に変換され，モータの回転とともに偏光ビームスプリッタ１７０５に対して常に一定の偏光入射方向を維持し，側面方向に向けたビームを回転させることができる。
　図２０は本発明の実施例１２に係る距離計測システムの構成例を示す図である。図２０は距離計測ヘッド１７００を走査する走査機構を含む構成の一例を示す。距離計測ヘッド１７００をＺ軸ステージ２００６に搭載することで計測ヘッド１７００の上下への移動が可能となる。また測定対象１１４はＸ軸ステージ２００４とＹ軸ステージ２００５上に搭載されており，測定対象１１４を水平方向に移動することが可能となる。計測ヘッド１７００に対して計測対象１１４の水平方向の位置決めを行ったうえで，計測ヘッド１７００を上下方向に移動させることで，計測対象１１４の３次元形状を測定することが可能となる。
　またこれら移動ステージは、配線２００７を介してステージコントローラ２００８によって駆動される。ステージコントローラ２００８は制御ＰＣ１１６によって制御される。
　走査機構の一例として，３軸加工機において工具の代わりに本発明の計測ヘッド１７００を把持させることで、加工機上オンマシン測定を実現することが可能となる。また多自由度ロボットで，本発明の計測ヘッド１７００を保持・移動し，測定対象１１４の形状を測定する立体形状測定装置も実現することが可能である。また測定対象範囲が狭く，Ｚ軸方向に対する移動のみで形状が計測できる場合は，測定対象１１４の位置が一意に定まるように冶具で位置決めし，Ｚ軸ステージのみを移動させて，測定しても良い。
　図２１に図２０で示した形状計測装置のシステム構成例を示す。計測ヘッド１７００は距離計測装置１００によって制御され，測定対象までの距離が測定される。距離計測装置１００によって計測された距離は制御ＰＣ１１６内の距離演算部２１０１に入力され，距離計測値と回転ステージエンコーダ信号との紐づけなどが実行される。
　またステージ機構２１０３は図２０のＸＹＺ軸ステージを含み，ステージコントローラ２１０８によって位置制御される。ステージコントローラ２１０８で取得されたステージ座標と距離演算部２１０１で得られた距離測定結果を形状算出器２１０２で処理することで，対象の３次元形状を測定することが可能となる。測定結果は表示部１１７に表示される。
　図２２に図１８の異なる実施形態を示す。ＦＭＣＷ距離計測では図１２で説明したように距離計測装置１００内のカプラ１０９で分離した光は，測定対象１１４からの反射光とカプラ１１０で合波するまでの距離差を測定する。ここで、カプラ１０９で分離後に測定対象１１４までの光路は途中，熱の影響などで光ファイバ素子などの光路長が変化するため測定誤差となる。そこで測定精度向上を目的に距離原点の補正を行うことが考えられる。
　距離原点補正の一実施例として，偏光ビームスプリッタ１７０５の入射面に距離原点生成用の反射コーティング２２００を行う。偏光ビームスプリッタの材質は一般的にはガラスであるため，コーティングしない場合，表面反射率は４％程度となる。用いる受光器の感度にもよるが，反射率が強すぎて，受光器が飽和する場合は，表面コーティングによって反射率を４％以下に調整する必要がある。また偏光ビームスプリッタ出射面２２０１および２２０２での反射はノイズの要因となるため，極力抑える必要がある。そこで，反射防止膜を設ける。一般的な反射防止膜は反射率が０．１％以下である。
　図２３は図２２の構成で得られる検出ビート信号のＦＦＴ結果を示す。距離原点として用いる偏光ビームスプリッタ１７０５の入射面の測定ピークを２３０１とする。一方偏光ビームスプリッタを透過して測定対象１１４からの測定ピークを２３０２とする。２３０２のピーク距離から２３０１のピーク距離を差し引くことで，距離原点補正を行うことが可能となる。
　図２４に原点補正の処理フローを示す。処理ステップＳ２４００で側面測定か深さ測定かを判断する。側面測定の場合，処理ステップＳ２４０１にてビート信号を取得する。またビート信号と取得タイミングが同期した回転モータのエンコーダ信号を取得する。処理ステップＳ２４０２にて測定対象までの距離と原点までの距離を算出する。処理ステップＳ２４０３にて測定対象距離から原点距離を引くことで原点補正後の測定対象距離を算出する。さらに処理ステップＳ２４０４で原点補正後のターゲット距離とそれに同期した回転モータのエンコーダ信号から対象の直径を算出する。また直径のみならず真円度も算出することが可能である。また図２０で説明した計測ヘッド走査座標と組み合わせることで，３次元形状を算出することも可能となる。
　深さ測定の場合，処理ステップＳ２４０５にてビート信号を取得する。処理ステップＳ２４０６にて測定対象までの距離と原点までの距離を算出する。処理ステップＳ２４０７にて測定対象距離から原点距離を引くことで原点補正後の測定対象距離を算出する。また図２０で説明した計測ヘッド走査座標と組み合わせることで，３次元形状を算出することも可能となる。
　実施例１の構成では，ポラライザを用いて特定の偏光成分のみを透過させていたが，ポラライザ以外を用いた構成の実施例を図２５に示す。光ファイバ２５０１ａから射出する光をレンズ２５０２ａによって平行光にし，偏光ビームスプリッタ２５０３に照射する。
偏光ビームスプリッタ２５０３では，偏光方向によって光が分離され，一方の偏光を透過し，もう一方の偏光を反射する。反射した光を吸収材２５０６によって吸収し，透過する光をレンズ２５０２ｂによって，光ファイバに２５０１ａに導光することで，ポラライザ同等の効果を有することが可能となる。
　また偏光方向によって光を分離する素子として，複屈折率を有する素子を用いても良い。複屈折率を有する素子を用いた実施例を図２６に示す。光ファイバ２５０１ａから射出する光をレンズ２５０２ａによって平行光にし，複屈折率を有する素子２６０１に照射する。２６０１を通過する光は偏光によって屈折率が異なるため，進行角度に差異が生じる。よって，一方の偏光を吸収材２５０６によって吸収し，もう一方の偏光をレンズ２５０２ｂによって，光ファイバに２５０１ｂに導光することで，ポラライザ同等の効果を有することが可能となる。
　実施例４の構成では，偏光ビームスプリッタ／偏光ビームコンバイナを用いて偏光を分離／合波して偏光成分間の光路差を設けたが，複屈折率を有する素子を用いて偏光方向によって光を分離／合波する構成でも良い。複屈折率を有する素子を用いた場合の実施例を図２７に示す。光ファイバ２５０１ａから射出する光をレンズ２５０２ａによって平行光にし，複屈折率を有する素子２６０１ａに照射する。２６０１ａを通過する光は偏光によって屈折率が異なるため，進行角度に差異が生じる。よって，一方の偏光をレンズ２５０２ｂによって，光ファイバに２５０１ｂに導光し，もう一方の偏光をレンズ２５０２ｃによって，光ファイバ２５０１ｃに導光する。ここで，光ファイバ２５０１ｂと２５０１ｃは長さが異なる。光ファイバ２５０１ｂから射出する光をレンズ２５０２ｄによって平行光にし，複屈折率を有する素子２６０１ｂに照射する。また光ファイバ２５０１ｃから射出する光をレンズ２５０２ｅによって平行光にし，複屈折率を有する素子２６０１ｂに照射する。両者の光は複屈折率を有する素子２６０１ｂによって，再び同一光路に合波され，レンズ２５０２ｆによって，光ファイバ２５０１ｄに導光する。本構成によって偏光ビームスプリッタ／偏光ビームコンバイナ同等の機能を有する。
　実施例１から８では，一実施例として，光ファイバを用いた構成例を示したが，例えば，空間中で光を分岐，合波する光学素子を用いて，空間内で干渉計を構成するシステムであってもよい。
　またフォトニック集積回路を用いて，基板上に導波路，カプラ，サーキュレータ，偏光素子（ポラライザ，偏光ビームスプリッタ），ディテクタを形成し，実施例１から８で説明した実施例を実現する上で光学的に必要な素子や機能の一部ないし全部が基板上に形成されたフォトニック集積回路を用いたシステムであってもよい。
１００：距離計測装置，１０１：半導体レーザ，１０２：発振器，１０３、１０４，１０６，１０９，１１０：光ファイバカプラ，１０５：光ファイバ，１０７：受光器，１０８：ポラライザ，１１１：サーキュレータ，１１２：光ファイバフォーカサ，１１３：受光器，１１４、１１４１：測定対象，１１５：距離計測装置制御部，１１６：制御装置，１１７：表示部，２０１：参照光，２０２：測定光，３０１：ＦＦＴピーク波形，４０１：主成分の偏光成分によって得られるビート信号，４０２：漏れ光の偏光成分によって得られるビート信号，４０３：主成分の偏光成分によって得られるＦＦＴ強度プロファイル，４０４：漏れ光の偏光成分によって得られるＦＦＴ強度プロファイル，４０５：主成分と漏れ光の偏光成分を合波して得られるＦＦＴ強度プロファイル，４０６：熱変動が生じない場合に得られる距離測定値，４０７：熱変動が生じた場合に得られる距離測定値，４０８：熱変動が生じた場合に得られる距離測定値，６０１：主成分の偏光成分によって得られるビート信号，６０２：漏れ光の偏光成分によって得られるビート信号，６０３：主成分の偏光成分によって得られるＦＦＴ強度プロファイル，６０４：漏れ光の偏光成分によって得られるＦＦＴ強度プロファイル，６０５：主成分と漏れ光の偏光成分を合波して得られるＦＦＴ強度プロファイル，６０６：熱変動が生じない場合に得られる距離測定値，６０７：熱変動が生じた場合に得られる距離測定値，６０８：熱変動が生じた場合に得られる距離測定値，８０１：偏光ビームスプリッタ，８０２：偏光ビームコンバイナ，９０１：主成分の偏光成分によって得られるＦＦＴ強度プロファイル，９０２：漏れ光の偏光成分によって得られるＦＦＴ強度プロファイル，９０３：熱変動が生じない場合に得られる距離測定値，１２０１：偏光切替器，１２０２：偏光切ビームスプリッタ，１４０１：断熱ボックス，１４０２：温度センサ，１５０１：光スイッチ，１６００：光ファイバフォーカサ，１６０１：ビームスキャナ，１６０２：ビームスキャナ，１７００：計測ヘッド，１７０１：光ファイバ，１７０２：光ファイバフォーカサ，１７０３：回転モータ，１７０４：シャフト，１７０５：偏光ビームスプリッタ，１７０７：λ／４板，１７０８：λ／４板，１９０１：レーザ光，２００４：Ｘ軸ステージ，２００５：Ｙ軸ステージ，２００６：Ｚ軸ステージ，２００７：配線ケーブル，２００８：ステージコントローラ，２１０１：距離演算部，２１０２：形状算出部，２１０３：ステージ機構，２２００：反射コート，２２０１：反射防止コート，２２０２：反射防止コート，２３０１：距離原点検出ピーク，２３０２：対象検出ピーク，２５０１：光ファイバ，２５０２：レンズ，２５０３：偏光ビームスプリッタ，２５０６：吸収材，２６０１：複屈折率を有する素子

Claims (8)

  1. 　レーザ光源で発生した光を参照光学系と測定光学系に分岐し、前記参照光学系を通過した参照光から参照光路測定ビート信号を検出し、前記測定光学系において測定対象物を経由して得られた測定光から測定光路測定ビート信号を検出して、前記測定光路測定ビート信号，及び前記参照光路測定ビート信号に基づき、前記測定対象物までの距離を計測する距離計測方法であって、
    　前記参照光学系及び前記測定光学系のいずれか一方、または双方の光学系内に偏光起因距離誤差低減要素を設置することを特徴とする距離計測方法。
  2. 　請求項１に記載の距離計測方法であって、
    　前記偏光起因距離誤差低減要素は、レーザ光源で発生した光の特定の直線偏光成分を透過させ，それに直交する偏光成分を減衰させる直交偏光成分減衰素子であることを特徴とする距離計測方法。
  3. 　請求項１に記載の距離計測方法であって、
    　前記偏光起因距離誤差低減要素は、レーザ光源で発生した光の特定の直線偏光成分と，それに直交する偏光成分間に，光路差を設ける素子を有する偏光成分間光路差生成素子であることを特徴とする距離計測方法。
  4. 　請求項３に記載の距離計測方法であって，
    　レーザ光源で発生した光の特定の直線偏光成分と，それに直交する偏光成分間の前記光路差は，前記測定光路測定ビート信号をフーリエ変換して得られるスペクトルのピークの線幅以上とすることを特徴とする距離計測方法。
  5. 　請求項１に記載の距離計測方法であって，
    　前記参照光学系及び前記測定光学系のいずれか一方、または双方の光学系内にレーザ光源で発生した光の偏光の切替えを行う偏光切替素子と，偏光方向に応じて対象への照射方向切替を行う素子とを設置することを特徴とする距離計測方法。
  6. 　請求項１に記載の距離計測方法であって，
    　前記参照光学系の少なくとも一部を格納ボックスに収納し，前記格納ボックスの温度を測定し，前記温度を用いて，前記参照光学系の温度による光路長変化を補正することを特徴とする距離計測方法。
  7. 　レーザ光源で発生した光を分岐する光分岐部と、分岐した一方の光を導光され距離の基準となる参照光を得る参照光学系と、分岐した他方の光を導光され測定対象物に照射した後の反射光を測定光として得る測定光学系と、前記参照光学系を通過した前記参照光を受光して，参照光路測定ビート信号を検出する第１受光部と，前記測定光学系において前記測定対象物で反射した測定光を受光して，測定光路測定ビート信号を検出する第２受光部とを有し，前記測定光路測定ビート信号，及び前記参照光路測定ビート信号に基づき、前記測定対象物までの距離を計測する距離計測装置であって、
    　前記参照光学系及び前記測定光学系のいずれか一方、または双方の光学系内に偏光起因距離誤差低減要素を設置することを特徴とする距離計測装置。
  8. 　レーザ光源で発生した光を分岐する光分岐部と、分岐した一方の光を導光され距離の基準となる参照光を得る参照光学系と、分岐した他方の光を導光され測定対象物に照射した後の反射光を測定光として得る測定光学系と、前記参照光学系を通過した前記参照光を受光して，参照光路測定ビート信号を検出する第１受光部と，前記測定光学系において前記測定対象物で反射した測定光を受光して，測定光路測定ビート信号を検出する第２受光部とを有し，前記測定光路測定ビート信号，及び前記参照光路測定ビート信号に基づき、前記測定対象物までの距離を計測する距離計測システムであって、
    　前記参照光学系及び前記測定光学系のいずれか一方、または双方の光学系内に偏光起因距離誤差低減要素を設置するとともに、
    　前記測定光学系において測定対象物に照射光を照射するに際し、照射光を１次元，または２次元，または３次元で走査する走査機構を備えることを特徴とする距離計測システム。
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