(57)【要約】【課題】光学系を固定したまま参照光の光路長を変更し、測定範囲を広げることができる光干渉センサを提供する。【解決手段】光干渉センサ１は、対象物１００までの距離を測定する第１測定部１１と、第２光路２３に接続され、第２光路２３を通る光を光路長が異なる複数の光路に分岐させ、複数の光路を通った光を合流させて第２光路２３に返す参照光路２５と、反射光及び参照光を合流させた干渉光を分光分析する分析部２６と、第１測定部１１による測定結果に基づいて、複数の光路のうちいずれの光路を通った光が反射光と干渉したかを特定する特定部２７と、特定部２７により特定された光路の長さ及び分析部２６による分析結果に基づいて、対象物１００までの距離を第１測定部１１より高精度で測定する第２測定部２８と、を備える。【選択図】図１
2020101453.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物に第１光を照射する第１光源と、
前記対象物で反射した前記第１光に基づいて、前記対象物までの距離を測定する第１測定部と、
複数の波長の第２光を出射する第２光源と、
前記第２光を第１光路及び第２光路に分岐させるスプリッタと、
前記第１光路を通る光を前記対象物に照射し、前記対象物で反射した反射光を前記第１光路に返すセンサヘッドと、
前記第２光路に接続され、前記第２光路を通る光を光路長が異なる複数の光路に分岐させ、前記複数の光路を通った光を合流させた参照光を前記第２光路に返す参照光路と、
前記反射光及び前記参照光を合流させた干渉光を分光分析する分析部と、
前記第１測定部による測定結果に基づいて、前記複数の光路のうちいずれの光路を通った光が前記反射光と干渉したかを特定する特定部と、
前記特定部により特定された光路の長さ及び前記分析部による分析結果に基づいて、前記対象物までの距離を前記第１測定部より高精度で測定する第２測定部と、
を備える光干渉センサ。
【請求項２】
前記参照光路は、
前記第２光路を通る光を平行光に変換するコリメータレンズと、
前記コリメータレンズの主面からの距離がそれぞれ異なる複数のミラーを含む階段状ミラーと、を有する、
請求項１に記載の光干渉センサ。
【請求項３】
前記参照光路は、
前記第２光路に接続され、長さ及び端部の方向が略等しい複数の導波路と、
前記複数の導波路の端部からの距離がそれぞれ異なる複数のミラーを含む階段状ミラーと、を有する、
請求項１に記載の光干渉センサ。
【請求項４】
前記参照光路は、
前記第２光路に接続され、長さが異なる複数の導波路と、
前記複数の導波路の端部に設けられた複数のミラーと、を有する、
請求項１に記載の光干渉センサ。
【請求項５】
前記参照光路は、
前記第２光路を通る光を、前記第２光路に沿った方向及び前記第２光路に直交する方向に分岐させる複数のハーフミラーと、
前記複数のハーフミラーにより前記第２光路に直交する方向に分岐された光を前記複数のハーフミラーに返すミラーと、を有する、
請求項１に記載の光干渉センサ。
【請求項６】
前記参照光路は、
第１表面及び前記第１表面と対向する第２表面を含む膜を有し、
前記第２光路を通る光は、前記第１表面から前記膜の内部に侵入し、前記第２表面で一部が反射され、一部が前記膜の外に出射される、
請求項１に記載の光干渉センサ。
【請求項７】
前記分析部は、前記干渉光の波長に関する強度をフーリエ変換し、距離に関する強度を算出し、
前記第２測定部は、前記特定部により特定された光路の長さ及び前記距離に関する強度のピークに基づいて、前記対象物までの距離を測定する、
請求項１から６のいずれか一項に記載の光干渉センサ。
【請求項８】
前記参照光路は、
前記第２光路を通る光に対して、光軸方向に沿って色収差を生じさせる回折レンズと、
前記回折レンズから出射された光を反射させ、前記回折レンズに戻す複数の反射面と、を有する、
請求項１に記載の光干渉センサ。
【請求項９】
前記分析部は、前記特定部により特定された光路の長さに対応する波長帯に関する前記干渉光の強度をフーリエ変換し、距離に関する強度を算出し、
前記第２測定部は、前記特定部により特定された光路の長さ及び前記距離に関する強度のピークに基づいて、前記対象物までの距離を測定する、
請求項８に記載の光干渉センサ。
【請求項１０】
前記第１光源は、レーザであり、前記センサヘッドを介して前記第２光と同軸で前記第１光を前記対象物に照射し、
前記第１測定部は、前記対象物で反射し、前記レーザの共振器で干渉した前記第１光に基づいて、前記対象物までの距離を測定する、
請求項１から９のいずれか一項に記載の光干渉センサ。
【請求項１１】
前記第１測定部は、受光部を含み、前記第１光源から出射された前記第１光が、前記対象物で反射されて前記受光部で受光されるまでの時間に基づいて、前記対象物までの距離を測定する、
請求項１から９のいずれか一項に記載の光干渉センサ。
【請求項１２】
前記第１測定部は、受光部を含み、前記第１光源から出射された前記第１光が、前記対象物で反射されて前記受光部で受光される位置に基づいて、前記対象物までの距離を測定する、
請求項１から９のいずれか一項に記載の光干渉センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、光干渉センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光源から出射された光を対象物に向かう光路と参照光路とに分岐させ、対象物からの反射光を参照光と干渉させて、干渉光の波形が対象物までの距離に応じて変化することを利用して、対象物までの距離を測定する光干渉センサが用いられている。
【０００３】
下記特許文献１には、参照光の光路長を調整することにより、測定深度方向の第１基準位置を測定範囲の内縁部に設定し、第１基準位置に対して測定深度が所定量異なり測定範囲の外縁部となる第２基準位置を与える光路長が予め設定されており、光路長調整部によって調整された参照光の光路長または反射光の光路長を変更して、第１基準位置と第２基準位置とを切り替える光断層画像化装置が記載されている。
【０００４】
また、下記特許文献２には、基準ミラーおよびカメラを、同時に異なる変位量だけ移動させ、光学測定面を合焦状態に維持しつつ、撮像光学素子の焦点深度よりも大きな距離にわたって光学測定面を走査する装置が記載されている。光学測定面は、検査光を反射して、検査光と基準光との間に光路長差を生じさせる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２４４２０７号公報
【特許文献２】特表２００５−５３０１４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の光干渉センサを用いることで、数ｎｍの分解能で対象物までの距離を測定することができる。しかしながら、従来の光干渉センサの測定範囲は、測定中心の前後１ｍｍ程度の範囲に限られることがある。この点、特許文献１又は２に記載の技術によれば、ミラーやカメラを移動させて光路長を変えることで、光干渉センサの測定範囲を広げることができる。
【０００７】
しかしながら、光学系を機械的に移動させると、移動に時間を要するため高速な測定ができなくなったり、振動によって測定誤差が生じたり、光学系の移動距離を精密に測定する必要が生じたりしてしまう。
【０００８】
そこで、本発明は、光学系を固定したまま参照光の光路長を変更し、測定範囲を広げることができる光干渉センサを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本開示の一態様に係る光干渉センサは、対象物に第１光を照射する第１光源と、対象物で反射した第１光に基づいて、対象物までの距離を測定する第１測定部と、複数の波長の第２光を出射する第２光源と、第２光を第１光路及び第２光路に分岐させるスプリッタと、第１光路を通る光を対象物に照射し、対象物で反射した反射光を第１光路に返すセンサヘッドと、第２光路に接続され、第２光路を通る光を光路長が異なる複数の光路に分岐させ、複数の光路を通った光を合流させた参照光を第２光路に返す参照光路と、反射光及び参照光を合流させた干渉光を分光分析する分析部と、第１測定部による測定結果に基づいて、複数の光路のうちいずれの光路を通った光が反射光と干渉したかを特定する特定部と、特定部により特定された光路の長さ及び分析部による分析結果に基づいて、対象物までの距離を第１測定部より高精度で測定する第２測定部と、を備える。
【００１０】
この態様によれば、参照光路によって複数の光路長を通過した光を生成し、対象物で反射した光と干渉させ、第１測定部により測定した距離に基づいて、複数の光路のうちいずれの光路を通った光が反射光と干渉したかを特定することで、光学系を固定したまま参照光の光路長を実質的に変更することができ、測定範囲を広げることができる。
【００１１】
上記態様において、参照光路は、第２光路を通る光を平行光に変換するコリメータレンズと、コリメータレンズの主面からの距離がそれぞれ異なる複数のミラーを含む階段状ミラーと、を有してもよい。
【００１２】
この態様によれば、階段状ミラーに含まれる複数の鏡面の数と、それぞれの鏡面からコリメータレンズの主面までの距離を適宜設計することで、光路長を任意に変化させることができ、測定範囲を広げることができる。
【００１３】
上記態様において、参照光路は、第２光路に接続され、長さ及び端部の方向が略等しい複数の導波路と、複数の導波路の端部からの距離がそれぞれ異なる複数のミラーを含む階段状ミラーと、を有してもよい。
【００１４】
この態様によれば、階段状ミラーに含まれる複数の鏡面の数と、それぞれの鏡面から導波路の端部までの距離を適宜設計することで、光路長を任意に変化させることができ、測定範囲を広げることができる。
【００１５】
上記態様において、参照光路は、第２光路に接続され、長さが異なる複数の導波路と、複数の導波路の端部に設けられた複数のミラーと、を有してもよい。
【００１６】
この態様によれば、複数の導波路の数と、それぞれの導波路の長さを適宜設計することで、光路長を任意に変化させることができ、測定範囲を広げることができる。
【００１７】
上記態様において、参照光路は、第２光路を通る光を、第２光路に沿った方向及び第２光路に直交する方向に分岐させる複数のハーフミラーと、複数のハーフミラーにより第２光路に直交する方向に分岐された光を複数のハーフミラーに返すミラーと、を有してもよい。
【００１８】
この態様によれば、複数のハーフミラーの数と、複数のハーフミラーの設置間隔及びミラーの設置位置を適宜設計することで、光路長を任意に変化させることができ、測定範囲を広げることができる。
【００１９】
上記態様において、参照光路は、第１表面及び第１表面と対向する第２表面を含む膜を有し、第２光路を通る光は、第１表面から膜の内部に侵入し、第２表面で一部が反射され、一部が膜の外に出射されてもよい。
【００２０】
この態様によれば、膜の厚さと、膜の屈折率を適宜設計することで、光路長を任意に変化させることができ、測定範囲を広げることができる。
【００２１】
上記態様において、分析部は、干渉光の波長に関する強度をフーリエ変換し、距離に関する強度を算出し、第２測定部は、特定部により特定された光路の長さ及び距離に関する強度のピークに基づいて、対象物までの距離を測定してもよい。
【００２２】
この態様によれば、波長に関する干渉光の強度をフーリエ変換によって距離に関する強度に変換し、現れたピークがいずれの光路に対応するものであるかを特定し、適切に距離を算出することができる。
【００２３】
上記態様において、参照光路は、第２光路を通る光に対して、光軸方向に沿って色収差を生じさせる回折レンズと、回折レンズから出射された光を反射させ、回折レンズに戻す複数の反射面と、を有してもよい。
【００２４】
この態様によれば、複数の反射面の数、厚さ及び設置間隔を適宜設計することで、波長毎に任意に光路長を変化させることができ、測定範囲を広げることができる。
【００２５】
上記態様において、分析部は、特定部により特定された光路の長さに対応する波長帯に関する干渉光の強度をフーリエ変換し、距離に関する強度を算出し、第２測定部は、特定部により特定された光路の長さ及び距離に関する強度のピークに基づいて、対象物までの距離を測定してもよい。
【００２６】
この態様によれば、波長に関する干渉光の強度のうち、特定部により特定された光路の長さに対応する波長帯の強度をフーリエ変換によって距離に関する強度に変換し、現れたピークがいずれの光路に対応するものであるかを特定し、適切に距離を算出することができる。
【００２７】
上記態様において、第１光源は、レーザであり、センサヘッドを介して第２光と同軸で第１光を対象物に照射し、第１測定部は、対象物で反射し、レーザの共振器で干渉した第１光に基づいて、対象物までの距離を測定してもよい。
【００２８】
この態様によれば、自己干渉方式によって対象物までの距離を第２光と同軸で測定することができ、より誤差の少ない測定結果を得ることができる。
【００２９】
上記態様において、第１測定部は、受光部を含み、第１光源から出射された第１光が、対象物で反射されて受光部で受光されるまでの時間に基づいて、対象物までの距離を測定してもよい。
【００３０】
この態様によれば、ＴｏＦ（Time of Flight）方式によって対象物までの距離を測定し、複数の光路のうちいずれの光路を通った光が反射光と干渉したかを特定することができる。
【００３１】
上記態様において、第１測定部は、受光部を含み、第１光源から出射された第１光が、対象物で反射されて受光部で受光される位置に基づいて、対象物までの距離を測定してもよい。
【００３２】
この態様によれば、三角測距方式によって対象物までの距離を測定し、複数の光路のうちいずれの光路を通った光が反射光と干渉したかを特定することができる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、光学系を固定したまま参照光の光路長を変更し、測定範囲を広げることができる光干渉センサが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施形態に係る光干渉センサの概要を示す図である。
【図２】本実施形態に係る光干渉センサが備える参照光路の第１例を示す図である。
【図３】本実施形態に係る光干渉センサが備える参照光路の第２例を示す図である。
【図４】本実施形態に係る光干渉センサが備える参照光路の第３例を示す図である。
【図５】本実施形態に係る光干渉センサが備える参照光路の第４例を示す図である。
【図６】本実施形態に係る光干渉センサが備える参照光路の第５例を示す図である。
【図７】本実施形態に係る光干渉センサが備える参照光路の第６例を示す図である。
【図８】本実施形態に係る光干渉センサにより測定された干渉光の強度を示す図である。
【図９】本実施形態に係る光干渉センサにより実行される測定処理のフローチャートである。
【図１０】本実施形態に係る光干渉センサにより実行されるフーリエ変換処理のフローチャートである。
【図１１】本発明の実施形態の変形例に係る光干渉センサの概要を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、本発明の一側面に係る実施の形態（以下、「本実施形態」と表記する。）を、図面に基づいて説明する。なお、各図において、同一の符号を付したものは、同一又は同様の構成を有する。
【００３６】
［構成例］
図１は、本発明の実施形態に係る光干渉センサ１の概要を示す図である。光干渉センサ１は、対象物１００に第１光を照射する第１光源１０と、対象物１００で反射した第１光に基づいて、対象物１００までの距離を測定する第１測定部１１と、を備える。本実施形態では、第１光源１０はＬＤ（Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ）であり、第１光はレーザ光である。なお、第１光源１０は、ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting LASER）であってもよい。また、第１測定部１１は、ＰＤ（ＰｈｏｔｏＤｉｏｄｅ）１１ａを含む。第１光源１０から出射されるレーザ光は、第１スプリッタ１２で反射され、対象物１００に照射される。対象物１００で反射したレーザ光は、第１スプリッタ１２で反射され、第２スプリッタ１３を通過して第１光源１０に入射する。すなわち、対象物１００が外部共振器となり、第１光源１０に入射した光が第１光源１０の共振器で共振し、第１光源１０から再び出射される。そして、共振したレーザ光は、第２スプリッタ１３で分岐され、一部が対象物１００に照射され、残りが第１測定部１１のＰＤ１１ａに入射する。第１スプリッタ１２及び第２スプリッタ１３は、ハーフミラーで構成されてよい。
【００３７】
第１測定部１１は、対象物１００で反射し、第１光源１０（ＬＤ）の共振器で干渉した第１光に基づいて、対象物１００までの距離を測定する。第１光源１０の共振器は、特定の波長の光をレーザ発振するものであるが、対象物１００で反射した光を共振器に戻すことで、第１光の光路長、すなわち対象物１００までの距離に応じた干渉周波数が発生する。第１測定部１１は、干渉周波数を測定し、対象物１００までの距離を算出する。一般に、このような測定方式は、自己混合干渉方式と呼ばれており、数ｍの測定範囲において数百μｍの精度で対象物１００までの距離を測定することができる。
【００３８】
光干渉センサ１は、第２光源２０と、スプリッタ２１と、センサヘッド２４と、参照光路２５と、分析部２６と、特定部２７と、第２測定部とを備える。
【００３９】
第２光源２０は、複数の波長の第２光を出射する。第２光は、白色光であってよい。図１では、第２光源２０の上部に、第２光の波長に関する強度の概要を示している。第２光は、例えば、中心波長が８００ｎｍ程度の可視から赤外の光であってよい。
【００４０】
スプリッタ２１は、第２光を第１光路２２及び第２光路２３に分岐させる。スプリッタ２１は、第１光路２２からの戻り光と、第２光路２３からの戻り光とを分析部２６に伝送する。スプリッタ２１は、ハーフミラーで構成されてよい。
【００４１】
センサヘッド２４は、第１光路２２を通る光を対象物１００に照射し、対象物１００で反射した反射光を第１光路２２に返す。センサヘッド２４は、１又は複数のレンズを含んでよい。センサヘッド２４は、対象物１００で反射した反射光を１又は複数のレンズによって集光して第１光路２２に返すものであってもよいし、対象物１００で反射した反射光を１又は複数のレンズによってコリメート光として第１光路２２に返すものであってもよい。
【００４２】
参照光路２５は、第２光路２３に接続され、第２光路２３を通る光を光路長が異なる複数の光路に分岐させ、複数の光路を通った光を合流させた参照光を第２光路２３に返す。参照光路２５の具体例については、図２から７を用いて詳細に説明する。なお、第２光路２３の長さは、例えば１０ｍｍ程度であってよい。
【００４３】
分析部２６は、第１光路２２から導入される反射光及び第２光路２３から導入される参照光を合流させた干渉光を分光分析する。分析部２６は、回折格子２６ａ、レンズ２６ｂ、受光素子２６ｃ、Ａ／Ｄ変換部２６ｄ及びフーリエ変換部２６ｅを含む。分析部２６は、干渉光を回折格子２６ａによって分光し、レンズ２６ｂで集光して受光素子２６ｃによって波長毎の強度を測定する。ここで、波長毎の強度は、例えば、０．０５ｎｍ程度の分解能で測定されてよい。また、分析部２６は、アナログ信号として得られた波長毎の強度をＡ／Ｄ変換部２６ｄによってデジタル信号に変換し、フーリエ変換部２６ｅによって、干渉光強度をフーリエ変換した信号を生成する。フーリエ変換部２６ｅから出力される信号は、距離に対応するものとなる。
【００４４】
特定部２７は、第１測定部１１による測定結果に基づいて、参照光路２５に含まれる複数の光路のうちいずれの光路を通った光が反射光と干渉したかを特定する。ここで、第１測定部１１は、参照光路２５に含まれる複数の光路の光路長の差を識別することができる程度の測定精度を少なくとも有するものとする。
【００４５】
第２測定部２８は、特定部２７により特定された光路の長さ及び分析部２６による分析結果に基づいて、対象物１００までの距離を第１測定部１１より高精度で測定する。分析部２６による分析結果は、対象物１００の位置に応じた信号のピークを含む。しかしながら、参照光路２５には複数の光路が含まれるため、分析部２６による分析結果のみでは、ピークがいずれの光路を通った光によって生じたものか識別することができない。第２測定部２８は、特定部２７による特定結果を用いて、ピークがいずれの光路を通った光によって生じたものか識別し、対象物１００までの距離を測定する。このように、参照光路２５によって複数の光路長を通過した光を生成し、対象物１００で反射した光と干渉させ、第１測定部１１により測定した距離に基づいて、複数の光路のうちいずれの光路を通った光が反射光と干渉したかを特定することで、光学系を固定したまま参照光の光路長を実質的に変更することができ、測定範囲を広げることができる。
【００４６】
第２測定部２８は、典型的には、数ｎｍの分解能で対象物までの距離を測定することができる。また、測定範囲は、参照光路２５に含まれる複数の光路の数を増やすことで任意に広げることができる。
【００４７】
分析部２６により分光分析される干渉光の強度Ｉは、以下の数式（１）で表されるものとなる。ここで、Ｉsigは第１光路２２を通って対象物１００で反射した反射光の強度であり、Ｉrefは第２光路２３及び参照光路２５を通った参照光の強度である。また、ｋは光の波数であり、Ｌsigは第１光路２２の光路長（スプリッタ２１から対象物１００までの距離）であり、Ｌrefは第２光路２３の光路長（スプリッタ２１から参照光路２５までの距離と参照光路２５の長さの和）である。
【００４８】
【数１】
2020101453.tif 000003
【００４９】
さらに、Ｖは、以下の数式（２）で表される量である。
【００５０】
【数２】
2020101453.tif 000004
【００５１】
光干渉センサ１の測定範囲を広げる方法の一つは、波数ｋの分解能を向上させること、すなわち回折格子２６ａ、レンズ２６ｂ及び受光素子２６ｃによる分光分解能を上げることである。しかしながら、波数ｋの分解能を向上させることには限界がある。そこで、本実施形態に係る光干渉センサ１では、参照光路２５の光路長を実質的に変化させることでＬrefを変化させ、測定範囲を広げた。
【００５２】
本実施形態において、第１光源１０は、レーザであり、センサヘッド２４を介して第２光と同軸で第１光を対象物１００に照射し、第１測定部１１は、対象物１００で反射し、レーザの共振器で干渉した第１光に基づいて、対象物１００までの距離を測定する。このように、自己干渉方式によれば、対象物１００までの距離を第２光と同軸で測定することができ、より誤差の少ない測定結果を得ることができる。
【００５３】
図２は、本実施形態に係る光干渉センサ１が備える参照光路の第１例２５１を示す図である。本例の参照光路２５１は、第２光路２３を通る光を平行光に変換するコリメータレンズ２５１ａと、コリメータレンズ２５１ａの主面からの距離がそれぞれ異なる複数のミラー２５１ｂ，２５１ｃ，２５１ｄ，２５１ｅ，２５１ｆを含む階段状ミラーと、を有する。
【００５４】
本例の階段状ミラーは、コリメータレンズ２５１ａの主面からの距離がＬ１である第１ミラー２５１ｂと、コリメータレンズ２５１ａの主面からの距離がＬ２である第２ミラー２５１ｃと、コリメータレンズ２５１ａの主面からの距離がＬ３である第３ミラー２５１ｄと、コリメータレンズ２５１ａの主面からの距離がＬ４である第４ミラー２５１ｅと、コリメータレンズ２５１ａの主面からの距離がＬ５である第５ミラー２５１ｆと、を含む。ここで、Ｌ１＞Ｌ２＞Ｌ３＞Ｌ４＞Ｌ５である。また、（Ｌ１−Ｌ２）＝（Ｌ２−Ｌ３）＝（Ｌ３−Ｌ４）＝（Ｌ４−Ｌ５）＝１ｍｍ程度であってよい。もっとも、各ミラーの段差は、それぞれ異なっていてもよい。
【００５５】
例えば、第２光路２３の光路長が唯一である場合、第２測定部２８の測定範囲は、１ｍｍ程度となる。一方、本例のように参照光路２５に複数の光路を設けることで、各ミラーによって異なる測定範囲をカバーすることができ、第２測定部２８の測定範囲は、５ｍｍ程度となる。
【００５６】
このように、階段状ミラーに含まれる複数の鏡面の数と、それぞれの鏡面からコリメータレンズ２５１ａの主面までの距離を適宜設計することで、光路長を任意に変化させることができ、測定範囲を広げることができる。
【００５７】
図３は、本実施形態に係る光干渉センサ１が備える参照光路の第２例２５２を示す図である。本例の参照光路２５２は、第２光路２３に接続され、長さ及び端部の方向が略等しい複数の光ファイバ（複数の導波路）２５２ｃと、複数の光ファイバ２５２ｃの端部からの距離がそれぞれ異なる複数のミラーを含む階段状ミラー２５２ｄと、を有する。
【００５８】
本例では、第２光路２３を通る光は、光ファイバ２５２ａにより参照光路２５２に導入され、光スプリッタ２５２ｂで５つに分岐され、５本の光ファイバ２５２ｃに送られる。５本の光ファイバ２５２ｃは、それぞれ端部が階段状ミラー２５２ｄの異なる鏡面に対向するように配置される。５本の光ファイバ２５２ｃの端部から階段状ミラー２５２ｄの複数のミラーまでの距離は、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４及びＬ５であり、Ｌ１＞Ｌ２＞Ｌ３＞Ｌ４＞Ｌ５である。また、（Ｌ１−Ｌ２）＝（Ｌ２−Ｌ３）＝（Ｌ３−Ｌ４）＝（Ｌ４−Ｌ５）＝１ｍｍ程度であってよい。もっとも、各光ファイバの長さは、それぞれ異なっていてもよい。本例の階段状ミラー２５２ｄは、参照光路の第１例２５１に示すものと同様である。
【００５９】
このように、階段状ミラー２５２ｄに含まれる複数の鏡面の数と、それぞれの鏡面から導波路の端部までの距離を適宜設計することで、光路長を任意に変化させることができ、測定範囲を広げることができる。
【００６０】
図４は、本実施形態に係る光干渉センサ１が備える参照光路の第３例２５３を示す図である。本例の参照光路２５３は、第２光路２３に接続され、長さが異なる複数の導波路２５３ａ，２５３ｂ，２５３ｃ，２５３ｄと、複数の導波路２５３ａ，２５３ｂ，２５３ｃ，２５３ｄの端部に設けられた複数のミラー２５３ｅ，２５３ｆ，２５３ｇ，２５３ｈと、を有する。
【００６１】
本例では、第２光路２３を通る光は、第１導波路２５３ａ、第２導波路２５３ｂ、第３導波路２５３ｃ及び第４導波路２５３ｄに分岐される。ここで、第１導波路２５３ａは、第２導波路２５３ｂより短く、第２導波路２５３ｂは、第３導波路２５３ｃより短く、第３導波路２５３ｃは、第４導波路２５３ｄより短い。第１導波路２５３ａの端部には第１ミラー２５３ｅが設けられており、第１導波路２５３ａに導入された光は第１ミラー２５３ｅで反射して第２光路２３に戻される。同様に、第２導波路２５３ｂの端部には第２ミラー２５３ｆが設けられており、第３導波路２５３ｃの端部には第３ミラー２５３ｇが設けられており、第４導波路２５３ｄの端部には第４ミラー２５３ｈが設けられている。隣り合う導波路の光路長差は、例えば１ｍｍ程度であってよい。もっとも、隣り合う導波路の光路長は、組毎に異なっていてもよい。
【００６２】
このように、複数の導波路の数と、それぞれの導波路の長さを適宜設計することで、光路長を任意に変化させることができ、測定範囲を広げることができる。
【００６３】
図５は、本実施形態に係る光干渉センサ１が備える参照光路の第４例２５４を示す図である。本例の参照光路２５４は、第２光路２３を通る光を、第２光路２３に沿った方向及び第２光路２３に直交する方向に分岐させる複数のハーフミラー２５４ａ，２５４ｂ，２５４ｃと、複数のハーフミラー２５４ａ，２５４ｂ，２５４ｃにより第２光路２３に直交する方向に分岐された光を複数のハーフミラー２５４ａ，２５４ｂ，２５４ｃに返す第２ミラー２５４ｅと、を有する。
【００６４】
本例では、第２光路２３を通る光は、第１ハーフミラー２５４ａによって第２光路２３に沿った方向及び第２光路２３に直交する方向に分岐される。第１ハーフミラー２５４ａを通過して第２光路２３に沿った方向に進む光は、第２ハーフミラー２５４ｂによって第２光路２３に沿った方向及び第２光路２３に直交する方向に分岐される。第２ハーフミラー２５４ｂを通過して第２光路２３に沿った方向に進む光は、第３ハーフミラー２５４ｃによって第２光路２３に沿った方向及び第２光路２３に直交する方向に分岐される。第３ハーフミラー２５４ｃを通過して第２光路２３に沿った方向に進む光は、第１ミラー２５４ｄによって第２光路２３に直交する方向に反射される。
【００６５】
複数のハーフミラー２５４ａ，２５４ｂ，２５４ｃ及び第１ミラー２５４ｄによって第２光路２３に直交する方向に反射された光は、反射面が第２光路２３に沿うように配置された第２ミラー２５４ｅによって反射され、複数のハーフミラー２５４ａ，２５４ｂ，２５４ｃ及び第１ミラー２５４ｄに返される。これにより、第１ミラー２５４ｄによって第２光路２３に直交する方向に反射された光の光路長はＬ１となり、第３ハーフミラー２５４ｃによって第２光路２３に直交する方向に反射された光の光路長はＬ２となり、第２ハーフミラー２５４ｂによって第２光路２３に直交する方向に反射された光の光路長はＬ３となり、第１ハーフミラー２５４ａによって第２光路２３に直交する方向に反射された光の光路長はＬ４となる。ここで、Ｌ１＞Ｌ２＞Ｌ３＞Ｌ４である。また、（Ｌ１−Ｌ２）＝（Ｌ２−Ｌ３）＝（Ｌ３−Ｌ４）＝１ｍｍ程度であってよい。もっとも、各光路長は、それぞれ異なっていてもよい。
【００６６】
このように、複数のハーフミラーの数と、複数のハーフミラーの設置間隔及びミラーの設置位置を適宜設計することで、光路長を任意に変化させることができ、測定範囲を広げることができる。
【００６７】
図６は、本実施形態に係る光干渉センサ１が備える参照光路の第５例２５５を示す図である。本例の参照光路２５５は、第１表面Ｓ１及び第１表面Ｓ１と対向する第２表面Ｓ２を含む膜２５５ａを有し、第２光路２３を通る光は、第１表面Ｓ１から膜２５５ａの内部に侵入し、第２表面Ｓ２で一部が反射され、一部が膜２５５ａの外に出射される。
【００６８】
本例では、第２光路２３を通る光は、第１表面Ｓ１から膜２５５ａの内部に侵入し、一部がそのまま膜２５５ａの外に出射されて、光路長がＬ３の光となる。また、第１表面Ｓ１から膜２５５ａの内部に侵入した光のうち一部は第２表面Ｓ２で反射され、さらに第１表面Ｓ１で反射された後、一部が膜２５５ａの外に出射されて、光路長がＬ２の光となる。また、第１表面Ｓ１で反射した光のうち一部は再び第２表面Ｓ２で反射され、さらに第１表面Ｓ１で反射された後、一部が膜２５５ａの外に出射されて、光路長がＬ１の光となる。ここで、Ｌ１＞Ｌ２＞Ｌ３である。また、（Ｌ１−Ｌ２）＝（Ｌ２−Ｌ３）＝１ｍｍ程度であってよい。もっとも、各光路長は、それぞれ異なっていてもよい。
【００６９】
このように、膜の厚さと、膜の屈折率を適宜設計することで、光路長を任意に変化させることができ、測定範囲を広げることができる。
【００７０】
図７は、本実施形態に係る光干渉センサ１が備える参照光路の第６例２５６を示す図である。本例の参照光路２５６は、第２光路２３を通る光に対して、光軸方向に沿って色収差を生じさせる回折レンズ２５６ａと、回折レンズ２５６ａから出射された光を反射させ、回折レンズ２５６ａに戻す複数の反射面（複数のガラス２５６ｂ，２５６ｃ，２５６ｄ，２５６ｅの両面）と、を有する。
【００７１】
本例では、第２光路２３を通る光は、回折レンズ２５６ａを通過することで、波長に反比例した距離で焦点を結ぶ。例えば、第１波長λ１の光は、第４ガラス２５６ｅの裏面で反射される。また、第４ガラス２５６ｅの表面では、第１波長λ１より短波長の第２波長λ２の光が反射され、第３ガラス２５６ｄの裏面では、第２波長λ２より短波長の第３波長λ３の光が反射され、第３ガラス２５６ｄの表面では、第３波長λ３より短波長の第４波長λ４の光が反射され、第２ガラス２５６ｃの裏面では、第４波長λ４より短波長の第５波長λ５の光が反射され、第２ガラス２５６ｃの表面では、第５波長λ５より短波長の第６波長λ６の光が反射され、第１ガラス２５６ｂの裏面では、第６波長λ６より短波長の第７波長λ７の光が反射され、第１ガラス２５６ｂの表面では、第７波長λ７より短波長の第８波長λ８の光が反射される。第１波長λ１の光の光路長はＬ１であり、第２波長λ２の光の光路長はＬ２であり、第３波長λ３の光の光路長はＬ３であり、第４波長λ４の光の光路長はＬ４であり、第５波長λ５の光の光路長はＬ５であり、第６波長λ６の光の光路長はＬ６であり、第７波長λ７の光の光路長はＬ７であり、第８波長λ８の光の光路長はＬ８である。ここで、Ｌ１＞Ｌ２＞Ｌ３＞Ｌ４＞Ｌ５＞Ｌ６＞Ｌ７＞Ｌ８である。また、（Ｌ１−Ｌ２）＝（Ｌ２−Ｌ３）＝（Ｌ３−Ｌ４）＝（Ｌ４−Ｌ５）＝（Ｌ５−Ｌ６）＝（Ｌ７−Ｌ６）＝（Ｌ８−Ｌ７）＝１ｍｍ程度であってよい。
【００７２】
このように、複数の反射面の数、厚さ及び設置間隔を適宜設計することで、波長毎に任意に光路長を変化させることができ、測定範囲を広げることができる。
【００７３】
図８は、本実施形態に係る光干渉センサ１により測定された干渉光の強度を示す図である。同図では、対象物１００で反射した反射光と、参照光路２５を通過した参照光を合流させた干渉光を分析部２６によって分析した結果を示している。同図に示すグラフの横軸は、光路長差に相当する無次元量を示し、縦軸は干渉光をフーリエ変換した信号の強度に相当する無次元量を示している。
【００７４】
分析部２６は、干渉光の波長に関する強度をフーリエ変換し、距離に関する強度を算出し、第２測定部２８は、特定部２７により特定された光路の長さ及び距離に関する強度のピークＰに基づいて、対象物１００までの距離を測定する。本実施形態に係る光干渉センサ１によれば、波長に関する干渉光の強度をフーリエ変換によって距離に関する強度に変換し、現れたピークがいずれの光路に対応するものであるかを特定し、適切に距離を算出することができる。
【００７５】
参照光路の第６例２５６を用いる場合、分析部２６は、特定部２７により特定された光路の長さに対応する波長帯に関する干渉光の強度をフーリエ変換し、距離に関する強度を算出し、第２測定部２８は、特定部２７により特定された光路の長さ及び距離に関する強度のピークに基づいて、対象物１００までの距離を測定してよい。すなわち、分析部２６は、波長に関する干渉光の強度のうち、特定部２７により特定された光路に対応する波長帯を抜き出してフーリエ変換し、距離に関する強度を生成する。参照光路の第６例２５６を用いる場合、回折レンズ２５６ａ及び複数のガラス２５６ｂ，２５６ｃ，２５６ｄ，２５６ｅによって波長毎に異なる光路長を通過した参照光が生成される。そのため、干渉に寄与した波長帯の光を特定して、分析部２６による分析を行う。
【００７６】
このように、波長に関する干渉光の強度のうち、特定部２７により特定された光路の長さに対応する波長帯の強度をフーリエ変換によって距離に関する強度に変換し、現れたピークがいずれの光路に対応するものであるかを特定し、適切に距離を算出することができる。
【００７７】
図９は、本実施形態に係る光干渉センサ１により実行される測定処理のフローチャートである。はじめに、光干渉センサ１は、第１光を対象物１００に照射して、第１測定部１１によって対象物１００までの距離を測定する（Ｓ１０）。第１測定部１１による測定は、数百μｍの精度で行われてよい。
【００７８】
次に、光干渉センサ１は、第２光を対象物１００に照射して、反射光と参照光路２５を通った光との干渉光の強度を測定する（Ｓ１１）。そして、光干渉センサ１は、所定の波長範囲についてフーリエ変換を実行する（Ｓ１２）。フーリエ変換を行う処理の詳細は、次図を用いて説明する。
【００７９】
光干渉センサ１は、第１測定部１１による測定結果に基づいて、信号のピークがいずれの光路に起因するか特定する（Ｓ１３）。そして、光干渉センサ１は、特定された光路の長さ及び信号のピークに基づいて、第２測定部２８によって対象物１００までの距離を測定する（Ｓ１４）。第２測定部２８による測定は、数ｎｍの精度で行われてよい。以上により、測定処理が終了する。
【００８０】
図１０は、本実施形態に係る光干渉センサ１により実行されるフーリエ変換処理のフローチャートである。同図では、図９に示すフーリエ変換を行う処理（Ｓ１２）の詳細を示している。
【００８１】
光干渉センサ１は、受光素子２６ｃにより測定された強度信号をＡ／Ｄ変換し（Ｓ１２１）、参照光路２５が共焦点型であるか否かを判定する（Ｓ１２２）。ここで、共焦点型とは、参照光路の第６例２５６のように波長毎に光路長を変化させるタイプを意味する。
【００８２】
参照光路２５が共焦点型でない場合（Ｓ１２２：ＮＯ）、光干渉センサ１は、波長に関する強度信号を全波長範囲にわたってフーリエ変換する（Ｓ１２３）。一方、参照光路２５が共焦点型である場合（Ｓ１２２：ＹＥＳ）、光干渉センサ１は、波長に関する強度信号のうち、特定部２７により特定された光路に対応する波長範囲についてフーリエ変換を実行する（Ｓ１２４）。以上により、フーリエ変換処理が終了する。
【００８３】
図１１は、本発明の実施形態の変形例に係る光干渉センサ１ａの概要を示す図である。変形例に係る光干渉センサ１ａは、第１測定部１１にＣＣＤ（Charge Coupled Device）１１ｂを含み、第１光源１０及びＣＣＤ１１ｂがセンサヘッド２４に設けられている点で本実施形態に係る光干渉センサ１と相違するが、その他について本実施形態に係る光干渉センサ１と同様の構成を有する。
【００８４】
第１測定部１１は、受光部（ＣＣＤ１１ｂ）を含み、第１光源１０から出射された第１光が、対象物１００で反射されてＣＣＤ１１ｂで受光されるまでの時間に基づいて、対象物１００までの距離を測定してよい。すなわち、第１測定部１１は、ＴｏＦ（Time of Flight）方式によって対象物までの距離を測定してよい。一般に、ＴｏＦ方式では、数百ｍｍの測定範囲において数ｍｍの精度で対象物１００までの距離を測定することができる。
【００８５】
変形例に係る光干渉センサ１ａによれば、ＴｏＦ（Time of Flight）方式によって対象物１００までの距離を測定し、複数の光路のうちいずれの光路を通った光が反射光と干渉したかを特定することができる。
【００８６】
他の例として、第１測定部１１は受光部（ＣＣＤ１１ｂ）を含み、第１光源１０から出射された第１光が、対象物１００で反射されてＣＣＤ１１ｂで受光される位置に基づいて、対象物１００までの距離を測定してもよい。すなわち、第１測定部１１は、三角測距方式によって対象物までの距離を測定してよい。一般に、三角測距方式では、数百ｍｍの測定範囲において数μｍの精度で対象物１００までの距離を測定することができる。
【００８７】
本変形例に係る光干渉センサ１ａによれば、三角測距方式によって対象物１００までの距離を測定し、複数の光路のうちいずれの光路を通った光が反射光と干渉したかを特定することができる。
【００８８】
以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。実施形態が備える各要素並びにその配置、材料、条件、形状及びサイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、異なる実施形態で示した構成同士を部分的に置換し又は組み合わせることが可能である。
【００８９】
［附記１］
対象物（１００）に第１光を照射する第１光源（１０）と、
前記対象物（１００）で反射した前記第１光に基づいて、前記対象物（１００）までの距離を測定する第１測定部（１１）と、
複数の波長の第２光を出射する第２光源（２０）と、
前記第２光を第１光路（２２）及び第２光路（２３）に分岐させるスプリッタ（２１）と、
前記第１光路（２２）を通る光を前記対象物（１００）に照射し、前記対象物（１００）で反射した反射光を前記第１光路（２２）に返すセンサヘッド（２４）と、
前記第２光路（２３）に接続され、前記第２光路（２３）を通る光を光路長が異なる複数の光路に分岐させ、前記複数の光路を通った光を合流させた参照光を前記第２光路（２３）に返す参照光路（２５）と、
前記反射光及び前記参照光を合流させた干渉光を分光分析する分析部（２６）と、
前記第１測定部（１１）による測定結果に基づいて、前記複数の光路のうちいずれの光路を通った光が前記反射光と干渉したかを特定する特定部（２７）と、
前記特定部（２７）により特定された光路の長さ及び前記分析部（２６）による分析結果に基づいて、前記対象物（１００）までの距離を前記第１測定部（１１）より高精度で測定する第２測定部（２８）と、
を備える光干渉センサ（１）。
【符号の説明】
【００９０】
１…光干渉センサ、１ａ…変形例に係る光干渉センサ、１０…第１光源、１１…第１測定部、１１ａ…ＰＤ、１１ｂ…ＣＣＤ、１２…第１スプリッタ、１３…第２スプリッタ、２０…第２光源、２１…スプリッタ、２２…第１光路、２３…第２光路、２４…センサヘッド、２５…参照光路、２６…分析部、２６ａ…回折格子、２６ｂ…レンズ、２６ｃ…受光素子、２６ｄ…Ａ／Ｄ変換部、２６ｅ…フーリエ変換部、２７…特定部、２８…第２測定部、１００…対象物、２５１…参照光路の第１例、２５１ａ…コリメータレンズ、２５１ｂ…第１ミラー、２５１ｃ…第２ミラー、２５１ｄ…第３ミラー、２５１ｅ…第４ミラー、２５１ｆ…第５ミラー、２５２…参照光路の第２例、２５２ａ…光ファイバ、２５２ｂ…光スプリッタ、２５２ｃ…複数の光ファイバ、２５３…参照光路の第３例、２５３ａ…第１導波路、２５３ｂ…第２導波路、２５３ｃ…第３導波路、２５３ｄ…第４導波路、２５３ｅ…第１ミラー、２５３ｆ…第２ミラー、２５３ｇ…第３ミラー、２５３ｈ…第４ミラー、２５４…参照光路の第４例、２５４ａ…第１ハーフミラー、２５４ｂ…第２ハーフミラー、２５４ｃ…第３ハーフミラー、２５４ｄ…第１ミラー、、２５４ｅ…第２ミラー、２５５…参照光路の第５例、２５５ａ…膜、２５６…参照光路の第６例、２５６ａ…回折レンズ、２５６ｂ…第１ガラス、２５６ｃ…第２ガラス、２５６ｄ…第３ガラス、２５６ｅ…第４ガラス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2020101453.tif 000011
【図８】
2020101453.tif 000012
【図９】
2020101453.tif 000013
【図１０】
2020101453.tif 000014
【図１１】
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