(57)【要約】      （修正有）【課題】長距離測定を高精度で短時間に行うことの可能な距離計及び距離測定方法並びに光学的三次元形状測定機を提供する。【解決手段】第１の干渉光学系４３に入射される第１の測定光と第１の基準光との光路長差と、測定面に照射される第２の測定光と第２の干渉光学系４４に入射される測定面による第２の測定光の反射光の光路長との光路長和と、第２の干渉光学系に入射される第２の基準光の光路長の光路長差とにより基準点位置からの距離を規定する基準光路を有し、基準光検出器３により検出された干渉信号と測定光検出器６により検出された干渉信号の時間差から、信号処理部により、測定面までの測定距離として、基準点位置からの距離と該基準点位置から測定面による第２の測定光の反射光が第２の干渉光学系に入射されるまでの距離との距離差を求める。【選択図】図１
2020012641.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ周期的に強度又は位相が変調され、互いに変調周期が異なる干渉性のある測定光と基準光と出射する第１及び第２の光源と、
上記第１の光源から出射された測定光を第１の測定光と第２の測定光に分離する第１の分離光学系と、
上記第２の光源から出射された基準光を第１の基準光と第２の基準光に分離する第２の分離光学系と、
上記第１の測定光と上記第１の基準光との干渉光を生成する第１の干渉光学系と、
上記第１の干渉光学系を介して得られる上記第１の基準光と上記第１の測定光との干渉光を検出する基準光検出器と、
上記第２の測定光を測定面に照射して、該測定面により反射された上記第２の測定光の反射光と、上記第２の基準光との干渉光を生成する第２の干渉光学系と、
上記第２の干渉光学系を介して得られる上記測定面により反射された上記第２の測定光の反射光と上記第２の基準光との干渉光を検出する測定光検出器と、
上記第１の干渉光学系に入射される上記第１の測定光が通過する光路長と上記第１の基準光が通過する光路長との光路長差ΔＡと、上記測定面による反射光として上記第２の干渉光学系に入射される上記第２の測定光が通過する光路長と、上記第２の干渉光学系に入射される上記第２の基準光の光路長との光路長差ΔＢとにより、上記第２の測定光が通過する光路上の任意の基準点位置からの距離Ｌ１を規定する基準光路と、
上記基準光検出器により検出された干渉信号と上記測定光検出器により検出された干渉信号の時間差から、上記基準点位置からの距離Ｌ１と該基準点位置から上記測定面による上記第２の測定光の反射光が上記第２の干渉光学系に入射されるまでの距離Ｌ２との距離差（Ｌ２−Ｌ１）を上記測定面までの測定距離Ｄとして求める信号処理部と
を備える距離計。
【請求項２】
上記第１の分離光学系及び第１の干渉光学系として機能する第１の光分離・合波素子を備え、
上記基準光路は、上記光路長差ΔＡに等しい光路長ａ２１を有する第１の基準光路と、上記第１の分離光学系と上記第２の干渉光学系との間の光路長ｂ１２を有する第２の基準光路と、上記第２の分離光学系と上記第２の干渉光学系との間の光路長ｃ２２を有する第３の基準光路とからなることを特徴とする請求項１記載の距離計。
【請求項３】
上記基準光路は、光路長差（ｃ２２−ａ２１＋ｂ１２）を上記距離Ｌ１とすることにより、上記第１の光分離・合波素子の位置に上記基準点位置を規定することを特徴とする請求項２記載の距離計。
【請求項４】
上記基準光路は、光路長差（ｃ２２−ａ２１−ｂ１２）を上記距離Ｌ１とすることにより、上記第２の干渉光学系の位置に上記基準点位置を規定することを特徴とする請求項２記載の距離計。
【請求項５】
上記基準光路は、上記基準点位置からの距離Ｌ１と該基準点位置から上記測定面による上記第２の測定光の反射光が上記第２の干渉光学系に入射されるまでの距離Ｌ２と略等しいことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の距離計。
【請求項６】
上記基準光路は、上記第３の基準光路の光路長ｃ２２を可変する光路長可変手段を備え、規定する基準点位置を可変自在としたことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の距離計。
【請求項７】
上記第１の光源から出射された測定光が入射される上記第１の分離光学系として機能する第１の光カプラと、
上記第２の光源から出射された基準光が入射される上記第２の分離光学系として機能する第２の光カプラと、
上記第１の光カプラにより分離された第１の測定光と上記第２の光カプラにより分離された第１の基準光が入射される上記第１の干渉光学系として機能する第３の光カプラと、
上記第２の基準光と上記測定面により反射された上記第２の測定光とが入射される上記第２の干渉光学系として機能する第４の光カプラと、
上記第１の光カプラにより分離された第２の測定光が入射され、該第２の測定光を透過してコリメータを介して上記測定面に照射し、該測定面により反射された第２の測定光の反射光が上記コリメータを介して入射され、該第２の測定光の反射光を透過して出射する第５の光カプラ又は光サーキュレータとを備え、
上記基準光路は、
上記第１の光カプラにより分離された第１の測定光を上記第３の光カプラに伝搬する光路長ａ１１の第１の光ファイバケーブルと、
上記第２の光カプラにより分離された第１の基準光を上記第３の光カプラに伝搬する光路長ａ２１の第２の光ファイバケーブルと、
上記第１の光カプラにより分離された第２の測定光を上記第５の光カプラに伝搬する光路長ｂ１の第３の光ファイバケーブルと、
上記第２の光カプラにより分離された第２の基準光を上記第４の光カプラに伝搬する光路長ｃ２２の第４の光ファイバケーブルと、
上記第５の光カプラを透過した上記測定面により反射された第２の測定光の反射光を上記第４の光カプラに伝搬する光路長ｂ１２’の第５の光ファイバケーブルとからなり、
上記第５の光カプラを透過した上記測定面により反射された第２の測定光の反射光を上記第４の光カプラに入射させる光路長ｂ１２’の第５の光ファイバケーブルとからなることを特徴とする請求項１記載の距離計。
【請求項８】
上記コリメータと上記測定面の間に１／４波長板又はファラデーローテータを備えることを特徴とする請求項７記載の距離計。
【請求項９】
上記基準光路は、
上記第３の光カプラに入射される上記第１の測定光が通過する光路長ａ１１と上記第１の基準光が通過する光路長ａ２１との光路長差ΔＡ
ΔＡ＝ａ１１−ａ２１
と、
上記測定面による反射光として上記第４の光カプラに入射される上記第２の測定光が通過する光路長（ｂ１＋ｂ１２’）と上記第４の光カプラに入射される上記第２の基準光の光路長ｃ２２との光路長差ΔＢ
ΔＢ＝ｂ１＋ｂ１２’−ｃ２２
との差分の光路長ΔＡ−ΔＢ
ΔＡ−ΔＢ＝（ａ１１−ａ２１）−（ｂ１＋ｂ１２’−ｃ２２）
に基づき、基準点位置からの距離Ｌ１を、
Ｌ１＝−ｂ１＋（ΔＡ−ΔＢ）
とすることにより、上記第１の光カプラの位置に上記基準点位置を規定することを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の距離計。
【請求項１０】
上記基準光路は、
上記第３の光カプラに入射される上記第１の測定光が通過する光路長ａ１１と上記第１の基準光が通過する光路長ａ２１との光路長差ΔＡ
ΔＡ＝ａ１１−ａ２１
と、
上記測定面による反射光として上記第２の干渉光学系に入射される上記第２の測定光が通過する光路長（ｂ１＋ｂ１２’）と上記第２の干渉光学系第４の光カプラに入射される上記第２の基準光の光路長ｃ２２との光路長差ΔＢ
ΔＢ＝ｂ１＋ｂ１２’−ｃ２２
との差分の光路長ΔＡ−ΔＢ
ΔＡ−ΔＢ＝（ａ１１−ａ２１）−（ｂ１＋ｂ１２’−ｃ２２）
に基づき、基準点位置からの距離Ｌ１を、
Ｌ１＝ΔＡ−ΔＢ
とすることにより、上記第５の光カプラの位置に上記基準点位置を規定することを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の距離計。
【請求項１１】
上記基準光路は、上記第２の干渉光学系の位置から測定面までの距離Ｌの２倍の距離２Ｌに略等しい上記光路長差(ΔＡ−ΔＢ)を有することにより、上記測定面の近傍位置に基準点位置を規定することを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の距離計。
【請求項１２】
それぞれ周期的に強度又は位相が変調され、互いに変調周期が異なる干渉性のある測定光と基準光とを発生し、
上記測定光を第１の測定光と第２の測定光に分離するとともに、上記基準光を第１の基準光と第２の基準光に分離し、
第１の干渉光学系により上記第１の測定光と上記第１の基準光との干渉光を生成するとともに、上記第２の測定光を測定面に照射して、該測定面により反射された上記第２の測定光の反射光と上記第２の基準光との干渉光を第２の干渉光学系により生成し、
上記第１の干渉光学系を介して得られる干渉光を基準光検出器により検出するとともに、上記第２の干渉光学系を介して得られる干渉光を測定光検出器により検出し、
基準光路における上記第１の干渉光学系に入射される上記第１の測定光が通過する光路長と上記第１の基準光が通過する光路長との光路長差ΔＡと、上記測定面による反射光として上記第２の干渉光学系に入射される上記第２の測定光通過する光路長と上記第２の干渉光学系に入射される上記第２の基準光の光路長との光路長差ΔＢとにより上記第２の測定光が通過する光路上の任意の基準点位置からの距離Ｌ１を規定し、
上記基準光検出器により検出された干渉信号と上記測定光検出器により検出された干渉信号の時間差から、上記測定面までの測定距離Ｄとして、上記基準点位置からの距離Ｌ１と該基準点位置から上記測定面により反射された第２の測定光の反射光が上記第２の干渉光学系に入射されるまでの距離Ｌ２との距離差（Ｌ２−Ｌ１）を求める
ことを特徴とする距離測定方法。
【請求項１３】
それぞれ周期的に強度又は位相が変調され、互いに変調周期が異なる干渉性のある測定光と基準光と出射する第１及び第２の光源と、上記第１の光源から出射された測定光を第１の測定光と第２の測定光に分離する第１の分離光学系と、上記第２の光源から出射された基準光を第１の基準光と第２の基準光に分離する第２の分離光学系と、上記第１の測定光と上記第１の基準光との干渉光を生成する第１の干渉光学系と、上記第１の干渉光学系を介して得られる上記第１の基準光と上記第１の測定光との干渉光を検出する基準光検出器と、上記第２の測定光を測定面に照射して、該測定面により反射された上記第２の測定光の反射光と、上記第２の基準光との干渉光を生成する第２の干渉光学系と、上記第２の干渉光学系を介して得られる上記測定面により反射された上記第２の測定光の反射光と上記第２の基準光との干渉光を検出する測定光検出器と、上記第１の干渉光学系に入射される上記第１の測定光が通過する光路長と上記第１の基準光が通過する光路長との光路長差ΔＡと、上記測定面による反射光として上記第２の干渉光学系に入射される上記第２の測定光が通過する光路長と、上記第２の干渉光学系に入射される上記第２の基準光の光路長との光路長差ΔＢとにより上記第２の測定光が通過する光路上の任意の基準点位置からの距離Ｌ１を規定する基準光路と、上記基準光検出器により検出された干渉信号と上記測定光検出器により検出された干渉信号の時間差から、上記測定面までの測定距離Ｄとして、上記基準点位置からの距離Ｌ１と該基準点位置から上記測定面による上記第２の測定光の反射光が第２の干渉光学系に入射されるまでの距離Ｌ２との距離差（Ｌ２−Ｌ１）を求める信号処理部とを備える距離計と、
上記距離計から出射される測定光で対象物体を走査し、上記対象物体により反射された上記測定光を上記距離計に戻す光学スキャン装置と、
上記光学スキャン装置を制御してレーザービームを走査すると同時に上記距離計が計測する絶対距離情報を取得して、ビーム照射位置とその場所まで絶対距離を複数の点について蓄積することにより非接触で物体の三次元形状を測定する信号処理装置と
を備えることを特徴とする光学的三次元形状測定機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定光の干渉信号と基準光の干渉信号の時間差から距離を測定する距離計及び距離測定方法並びに光学的三次元形状測定機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、精密なポイントの距離計測が可能なアクティブ式距離計測方法として、レーザ光を利用する光学原理による距離計測が知られている。レーザ光を用いて対象物体までの距離を測定するレーザ距離計ではレーザ光の発射時刻と、測定対象に当たり反射してきたレーザ光を受光素子にて検出した時刻との差に基づいて、測定対象物までの距離が算出される（たとえば特許文献1参照）。また、例えば、半導体レーザの駆動電流に三角波等の変調をかけ、対象物での反射光を半導体レーザ素子の中に埋め込まれたフォトダイオードを使用して受光し、フォトダイオード出力電流に現れた鋸歯状波の主波数から距離情報を得ている。
【０００３】
ある点から測定点までの絶対距離を高精度で測定する装置としてレーザ距離計が知られている。たとえば、特許文献１には、測定光の干渉信号と基準光の干渉信号の時間差から距離を測定する距離計が記載されている。
【０００４】
従来の絶対距離計では、長い距離を高精度で測れる実用的な絶対距離計を実現することが難しく、高い分解能を得るためにはレーザ変位計のように原点復帰が必要なため絶対距離測定に適さない方法しか手段がなかった。
【０００５】
本件発明者等は、基準面に照射される基準光と測定面に照射される測定光との干渉光を基準光検出器により検出するとともに、上記基準面により反射された基準光と上記測定面により反射された測定光との干渉光を測定光検出器により検出して、上記基準光検出器と測定光検出器により得られる２つ干渉信号の時間差から、上記基準面までの距離と上記測定面までの距離の差を求めることにより、高精度で、しかも短時間に行うことの可能な距離計及び距離測定方法並びに光学的三次元形状測定機を先に提案している（例えば、特許文献２参照。）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−３４３２３４号公報
【特許文献２】特許第５２３１８８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献２の手法では、基準面に照射される基準光と測定面に照射される測定光との干渉光を基準光検出器により検出するとともに、上記基準面により反射された基準光と上記測定面により反射された測定光との干渉光を測定光検出器により検出するために、基準光を反射する基準面を含む基準光の光路を設ける必要があった。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、上述の如き従来の実情に鑑み、測定面までの距離の基準点位置を、測定光が通過する基準光路の光学的光路長と基準光が通過する基準光路の光学的光路長により規定して、長距離測定を高精度で、しかも短時間に行うことの可能な距離計及び距離測定方法並びに光学的三次元形状測定機を提供することにある。
【０００９】
ここで、明細書において、距離や光路長は、測定光や基準光が伝搬される光路の物理的な距離と媒質の屈折率との積にて表される光学的距離を意味する。
【００１０】
本発明の他の目的、本発明によって得られる具体的な利点は、以下に説明される実施の形態の説明から一層明らかにされる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、距離計であって、それぞれ周期的に強度又は位相が変調され、互いに変調周期が異なる干渉性のある測定光と基準光と出射する第１及び第２の光源と、上記第１の光源から出射された測定光を第１の測定光と第２の測定光に分離する第１の分離光学系と、上記第２の光源から出射された基準光を第１の基準光と第２の基準光に分離する第２の分離光学系と、上記第１の測定光と上記第１の基準光との干渉光を生成する第１の干渉光学系と、上記第１の干渉光学系を介して得られる上記第１の基準光と上記第１の測定光との干渉光を検出する基準光検出器と、上記第２の測定光を測定面に照射して、該測定面により反射された上記第２の測定光の反射光と、上記第２の基準光との干渉光を生成する第２の干渉光学系と、上記第２の干渉光学系を介して得られる上記測定面により反射された上記第２の測定光の反射光と上記第２の基準光との干渉光を検出する測定光検出器と、上記第１の干渉光学系に入射される上記第１の測定光が通過する光路長と上記第１の基準光が通過する光路長との光路長差ΔＡと、上記測定面による反射光として上記第２の干渉光学系に入射される上記第２の測定光が通過する光路長と、上記第２の干渉光学系に入射される上記第２の基準光の光路長との光路長差ΔＢとにより、上記第２の測定光が通過する光路上の任意の基準点位置からの距離Ｌ１を規定する基準光路と、上記基準光検出器により検出された干渉信号と上記測定光検出器により検出された干渉信号の時間差から、上記基準点位置からの距離Ｌ１と該基準点位置から上記測定面による上記第２の測定光の反射光が上記第２の干渉光学系に入射されるまでの距離Ｌ２との距離差（Ｌ２−Ｌ１）を上記測定面までの測定距離Ｄとして求める信号処理部とを備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る距離計は、例えば、上記第１の分離光学系及び第１の干渉光学系として機能する第１の光分離・合波素子を備え、上記基準光路は、上記光路長差ΔＡに等しい光路長ａ２１を有する第１の基準光路と、上記第１の分離光学系と上記第２の干渉光学系との間の光路長ｂ１２を有する第２の基準光路と、上記第２の分離光学系と上記第２の干渉光学系との間の光路長ｃ２２を有する第３の基準光路とからなるものとすることができる。
【００１３】
本発明に係る距離計において、上記基準光路は、例えば、光路長差（ｃ２２−ａ２１＋ｂ１２）を上記距離Ｌ１とすることにより、上記第１の光分離・合波素子の位置に上記基準点位置を規定するものとするこができる。
【００１４】
また、本発明に係る距離計において、上記基準光路は、例えば、光路長差（ｃ２２−ａ２１−ｂ１２）を上記距離Ｌ１とすることにより、上記第２の干渉光学系の位置に上記基準点位置を規定するものとすることができる。
【００１５】
また、本発明に係る距離計において、上記基準光路は、例えば、上記基準点位置からの距離Ｌ１と該基準点位置から上記測定面による上記第２の測定光の反射光が上記第２の干渉光学系に入射されるまでの距離Ｌ２と略等しいものとすることができる。
【００１６】
また、本発明に係る距離計において、上記基準光路は、例えば、上記第３の基準光路の光路長ｃ２２を可変する光路長可変手段を備え、規定する基準点位置を可変自在としたものとすることができる。
【００１７】
また、本発明に係る距離計は、例えば、上記第１の光源から出射された測定光が入射される上記第１の分離光学系として機能する第１の光カプラと、上記第２の光源から出射された基準光が入射される上記第２の分離光学系として機能する第２の光カプラと、上記第１の光カプラにより分離された第１の測定光と上記第２の光カプラにより分離された第１の基準光が入射される上記第１の干渉光学系として機能する第３の光カプラと、上記第２の基準光と上記測定面により反射された上記第２の測定光とが入射される上記第２の干渉光学系として機能する第４の光カプラと、上記第１の光カプラにより分離された第２の測定光が入射され、該第２の測定光を透過してコリメータを介して上記測定面に照射し、該測定面により反射された第２の測定光の反射光が上記コリメータを介して入射され、該第２の測定光の反射光を透過して出射する第５の光カプラ又は光サーキュレータとを備え、上記基準光路は、上記第１の光カプラにより分離された第１の測定光を上記第３の光カプラに入射させる光路長ａ１１の第１の光ファイバケーブルと、上記第２の光カプラにより分離された第１の基準光を上記第３の光カプラに入射させる光路長ａ２１の第２の光ファイバケーブルと、上記第１の光カプラにより分離された第２の測定光を上記第５の光カプラに入射させる光路長ｂ１の第３の光ファイバケーブルと、上記第２の光カプラにより分離された第２の基準光を上記第４の光カプラに入射させる光路長ｃ２２の第４の光ファイバケーブルと、上記第５の光カプラを透過した上記測定面により反射された第２の測定光の反射光を上記第４の光カプラに入射させる光路長ｂ１２’の第５の光ファイバケーブルとからなることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明に係る距離計は、例えば、上記コリメータと上記測定面の間に１／４波長板又はファラデーローテータを備えるものとすることができる。
【００１９】
また、本発明に係る距離計において、上記基準光路は、例えば、上記第３の光カプラに入射される上記第１の測定光が通過する光路長ａ１１と上記第１の基準光が通過する光路長ａ２１との光路長差ΔＡ
ΔＡ＝ａ１１−ａ２１
と、上記測定面による反射光として上記第４の光カプラに入射される上記第２の測定光が通過する光路長（ｂ１＋ｂ１２’）と上記第４の光カプラに入射される上記第２の基準光の光路長ｃ２２との光路長差ΔＢ
ΔＢ＝ｂ１＋ｂ１２’−ｃ２２
との差分の光路長ΔＡ−ΔＢ
ΔＡ−ΔＢ＝（ａ１１−ａ２１）−（ｂ１＋ｂ１２’−ｃ２２）
に基づき、基準点位置からの距離Ｌ１を、
Ｌ１＝−ｂ１＋（ΔＡ−ΔＢ）
とすることにより、上記第１の光カプラの位置に上記基準点位置を規定するものとすることができる。
【００２０】
また、本発明に係る距離計において、上記基準光路は、例えば、上記第３の光カプラ（第１の干渉光学系）に入射される上記第１の測定光が通過する光路長ａ１１と上記第１の基準光が通過する光路長ａ２１との光路長差ΔＡ
ΔＡ＝ａ１１−ａ２１
と、上記測定面による反射光として上記第２の干渉光学系に入射される上記第２の測定光が通過する光路長（ｂ１＋ｂ１２’）と上記第２の干渉光学系第４の光カプラに入射される上記第２の基準光の光路長ｃ２２との光路長差ΔＢ
ΔＢ＝ｂ１＋ｂ１２’−ｃ２２
との差分の光路長ΔＡ−ΔＢ
ΔＡ−ΔＢ＝（ａ１１−ａ２１）−（ｂ１＋ｂ１２’−ｃ２２）
に基づき、基準点位置からの距離Ｌ１を、
Ｌ１＝ΔＡ−ΔＢ
とすることにより、上記第５の光カプラの位置に上記基準点位置を規定するものとすることができる。
【００２１】
さらに、本発明に係る距離計において、上記基準光路は、例えば、上記第２の干渉光学系の位置から測定面までの距離Ｌの２倍の距離２Ｌに略等しい上記光路長差(ΔＡ−ΔＢ)を有することにより、上記測定面の近傍位置に上記基準点位置を規定するものとすることができる。
【００２２】
本発明は、距離測定方法であって、それぞれ周期的に強度又は位相が変調され、互いに変調周期が異なる干渉性のある測定光と基準光とを発生し、上記測定光を第１の測定光と第２の測定光に分離するとともに、上記基準光を第１の基準光と第２の基準光に分離し、第１の干渉光学系により上記第１の測定光と上記第１の基準光との干渉光を生成するとともに、上記第２の測定光を測定面に照射して、該測定面により反射された上記第２の測定光の反射光と上記第２の基準光との干渉光を第２の干渉光学系により生成し、上記第１の干渉光学系を介して得られる干渉光を基準光検出器により検出するとともに、上記第２の干渉光学系を介して得られる干渉光を測定光検出器により検出し、基準光路における上記第１の干渉光学系に入射される上記第１の測定光が通過する光路長と上記第１の基準光が通過する光路長との光路長差ΔＡと、上記測定面による反射光として上記第２の干渉光学系に入射される上記第２の測定光通過する光路長と上記第２の干渉光学系に入射される上記第２の基準光の光路長との光路長差ΔＢとにより上記第２の測定光が通過する光路上の任意の基準点位置からの距離Ｌ１を規定し、上記基準光検出器により検出された干渉信号と上記測定光検出器により検出された干渉信号の時間差から、上記測定面までの測定距離Ｄとして、上記基準点位置からの距離Ｌ１と該基準点位置から上記測定面により反射された第２の測定光の反射光が上記第２の干渉光学系に入射されるまでの距離Ｌ２との距離差（Ｌ２−Ｌ１）を求めることを特徴とする。
【００２３】
さらに、本発明は、光学的三次元形状測定機であって、それぞれ周期的に強度又は位相が変調され、互いに変調周期が異なる干渉性のある測定光と基準光と出射する第１及び第２の光源と、上記第１の光源から出射された測定光を第１の測定光と第２の測定光に分離する第１の分離光学系と、上記第２の光源から出射された基準光を第１の基準光と第２の基準光に分離する第２の分離光学系と、上記第１の測定光と上記第１の基準光との干渉光を生成する第１の干渉光学系と、上記第１の干渉光学系を介して得られる上記第１の基準光と上記第１の測定光との干渉光を検出する基準光検出器と、上記第２の測定光を測定面に照射して、該測定面により反射された上記第２の測定光の反射光と、上記第２の基準光との干渉光を生成する第２の干渉光学系と、上記第２の干渉光学系を介して得られる上記測定面により反射された上記第２の測定光の反射光と上記第２の基準光との干渉光を検出する測定光検出器と、上記第１の干渉光学系に入射される上記第１の測定光が通過する光路長と上記第１の基準光が通過する光路長との光路長差ΔＡと、上記測定面による反射光として上記第２の干渉光学系に入射される上記第２の測定光が通過する光路長と、上記第２の干渉光学系に入射される上記第２の基準光の光路長との光路長差ΔＢとにより上記第２の測定光が通過する光路上の任意の基準点位置からの距離Ｌ１を規定する基準光路と、上記基準光検出器により検出された干渉信号と上記測定光検出器により検出された干渉信号の時間差から、上記測定面までの測定距離Ｄとして、上記基準点位置からの距離Ｌ１と該基準点位置から上記測定面による上記第２の測定光の反射光が第２の干渉光学系に入射されるまでの距離Ｌ２との距離差（Ｌ２−Ｌ１）を求める信号処理部とを備える距離計と、上記距離計から出射される測定光で対象物体を走査し、上記対象物体により反射された上記測定光を上記距離計に戻す光学スキャン装置と、上記光学スキャン装置を制御してレーザービームを走査すると同時に上記距離計が計測する絶対距離情報を取得して、ビーム照射位置とその場所まで絶対距離を複数の点について蓄積することにより非接触で物体の三次元形状を測定する信号処理装置とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明では、測定面までの距離を測定するための基準点位置を、測定光が通過する基準光路の光学的光路長と基準光が通過する基準光路の光学的光路長により規定して、長距離測定を高精度で、しかも短時間に行うことの可能な距離計及び距離測定方法並びに光学的三次元形状測定機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明を適用したレーザ距離計の構成を示すブロック図である。
【図２】上記レーザ距離計における基準光路を構成している各光路の光路長を示したブロック図である。
【図３】測定距離に比例する基準光パルスと測定光パルスの時間の測定を、互いに変調周期の異なる干渉性のある２台のパルス光源の干渉によって行う場合の模式図である。
【図４】光スペクトル及びビート信号スペクトルの模式図である。
【図５】上記レーザ距離計における光源として使用される光周波数コム発生器の構造を模式的に示す断面図である。
【図６】上記光周波数コム発生器の出力を模式的に示す図である。
【図７】上記レーザ距離計において２台の光周波数コム発生器を用いた光源の構成を模式的に示すブロック図である。
【図８】上記光源を構成している２台の光周波数コム発生器の出力を模式的に示す図である。
【図９】上記レーザ距離計における測定距離が付近の干渉波形の例を示す図である。
【図１０】上記レーザ距離計の信号処理部の構成例を示すブロック図である。
【図１１】本発明に係るレーザ距離計の他の構成例を示すブロック図である。
【図１２】上記レーザ距離計における基準光路を構成している各光路の光路長を示したブロック図である。
【図１３】本発明に係るレーザ距離計の他の構成例を示すブロック図である。
【図１４】本発明に係るレーザ距離計の他の構成例を示すブロック図である。
【図１５】上記レーザ距離計における基準光路を構成している各光路の光路長を示したブロック図である。
【図１６】本発明に係るレーザ距離計の他の構成例を示すブロック図である。
【図１７】上記レーザ距離計における基準光路を構成している各光路の光路長を示したブロック図である。
【図１８】本発明に係るレーザ距離計の他の構成例を示すブロック図である。
【図１９】本発明に係るレーザ距離計を用いた光学的三次元形状測定機の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、共通の構成要素については、共通の指示符号を図中に付して説明する。また、本発明は以下の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更可能であることは言うまでもない。
【００２７】
本発明に係るレーザ距離計は、例えば図１のブロック図に示すレーザ距離計１０Ａにように、測定光Ｓ１を出射する第１の光源１と、基準光Ｓ２を出射する第２の光源２と、第１の光源１から出射された測定光Ｓ１を第１の測定光Ｓ１１と第２の測定光Ｓ１２に分離する第１の分離光学系４１と、第２の光源２から出射された基準光Ｓ２を第１の基準光Ｓ２１と第２の基準光Ｓ２２に分離する第２の分離光学系４２と、第１の測定光Ｓ１１と第１の基準光Ｓ２１とを合波して干渉光Ｓ３を生成する第１の干渉光学系４３と、上記干渉光Ｓ３が入射される基準光検出器３と、第２の測定光Ｓ１２を測定対象の測定面５に照射して、該測定面５により反射された上記第２の測定光Ｓ１２の反射光Ｓ１２’と第２の基準光Ｓ２２とを合波して干渉光Ｓ４を生成する第２の干渉光学系４４と、上記第２の干渉光学系４４を介して得られる上記測定面５により反射された上記第２の測定光Ｓ１２の反射光Ｓ１２’と上記第２の基準光Ｓ２２との干渉光Ｓ４を検出する測定光検出器６とを備え、基準光検出器３により検出された干渉信号ｆｂ１と測定光検出器６により検出された干渉信号ｆｂ２が信号処理部７に供給されるようになっている。
【００２８】
上記第１及び第２の光源１，２は、それぞれ周期的に強度又は位相が変調され、互いに変調周期が異なる干渉性のある測定光Ｓ１と基準光Ｓ２を出射するものであって、それぞれ周期的に強度又は位相を変調され、互いに変調周期が異なる干渉性のある測定光Ｓ１と基準光Ｓ２を出射するための光変調器を備える２台の光源、光周波数コムモード間隔が異なる２台の光周波数コム発生器、或いは、光パルス繰り返し周波数が異なる２台のパルス光源からなる。
【００２９】
このレーザ距離計１０Ａにおいて、第１の光源１から出射された測定光Ｓ１は、第１の分離光学系４１により基準光検出器３に向かう第１の測定光Ｓ１１と測定対象に向かう第２の測定光Ｓ１２に分離される。また、第２の光源２から出射された基準光Ｓ２は、基準光検出器３に向かう第１の基準光Ｓ２１と測定光検出器６に向かう第２の基準光Ｓ２２に分離される。
【００３０】
第１の分離光学系４１により分離された第１の測定光Ｓ１１が第１の分離光学系４１が全反射鏡などの第１の全反射光学系４１Ａにより反射されて第１の干渉光学系４３に入射されるとともに、第２の分離光学系４２により分離された第１の基準光Ｓ２１が第１の干渉光学系４３に入射されることにより、第１の干渉光学系４３において第１の測定光Ｓ１１と第１の基準光Ｓ２１とが合波され、第１の測定光Ｓ１１と第１の基準光Ｓ２１との干渉光Ｓ３が第１の干渉光学系４３を介して基準光検出器３に入射されるようになっている。
【００３１】
基準光検出器３は、第１の干渉光学系４３を介して得られる第１の測定光Ｓ１１と第１の基準光Ｓ２１との干渉光Ｓ３を検出する。
【００３２】
また、第１の分離光学系４１により分離された第２の測定光Ｓ１２が第３の分離光学系４５を通過して測定対象の測定面５に照射され、測定面５による第２の測定光Ｓ１２の反射光Ｓ１２’が第３の分離光学系４５に戻される。第２の測定光Ｓ１２の反射光Ｓ１２’は、第３の分離光学系４５により反射され、さらに全反射鏡などの第３の全反射光学系４５Ａにより反射されて第２の干渉光学系４４に入射される。そして、第２の分離光学系４２により分離された第２の基準光Ｓ２２が全反射鏡などの全反射光学系４２Ａにより反射されて第２の干渉光学系４４に入射されることにより、第２の干渉光学系４４において測定面５による第２の測定光Ｓ１２の反射光Ｓ１２’と第２の基準光Ｓ２２とが合波され、第２の測定光Ｓ１２の反射光Ｓ１２’と第２の基準光Ｓ２２との干渉光Ｓ４が第２の干渉光学系４４を介して測定光検出器６に入射されるようになっている。
【００３３】
測定光検出器６は、第２の干渉光学系４４を介して得られる測定面５により反射された第２の測定光Ｓ１２の反射光Ｓ１２’と第２の基準光Ｓ２２との干渉光Ｓ４を検出する。
【００３４】
ここで、このレーザ距離計１０Ａにおける基準光路４Ａを構成している各光路の光路長を図２のブロック図に示す。
【００３５】
このレーザ距離計１０Ａにおいて、基準光検出器３により検出される干渉光Ｓ３に含まれる第１の測定光Ｓ１１と第１の基準光Ｓ２１とが第１，第２の分離光学系４１、４２により分離されて第１の干渉光学系４３に入力されるまでに通過する光路の光路長差ΔＡは、第１の分離光学系４１から第１の全反射光学系４１Ａまでの光路長ａ１１ａと第１の全反射光学系４１Ａから第１の干渉光学系４３までの光路長ａ１１ｂの和で示される第１の測定光Ｓ１１の光路長ａ１１、すなわち、ａ１１＝ａ１１ａ＋ａ１１ｂと、第２の分離光学系４２により分離されて第１の干渉光学系４３に入力されるまでの第１の基準光Ｓ２１の光路長ａ２１との差であり、
ΔＡ＝ａ１１−ａ２１
＝ａ１１ａ＋ａ１１ｂ−ａ２１
となっている。
【００３６】
すなわち、このレーザ距離計１０Ａにおいて、基準光検出器３は、基準光路４Ａにおける光路長差ΔＡ＝ａ１１−ａ２１に対応する時間差ΔＴ１
ΔＴ１＝ΔＡ／ｃ
をもって干渉光学系４３に入力される第１の測定光Ｓ１１と第１の基準光Ｓ２１との干渉光Ｓ３を検出している。
【００３７】
ここで、ｃは真空中の光速である。
【００３８】
このレーザ距離計１０Ａにおいて、基準光検出器３の役割は、遅延時間計測の基準を生成することである。
【００３９】
基準光検出器３によって干渉光Ｓ３から得られる干渉信号ｆｂ１は、キャリア周波数が第１及び第２の光源１、２から出射されて分離された第１の測定光Ｓ１１と第１の基準光Ｓ２１のキャリア光周波数の差であり、上記第１の測定光Ｓ１１と第１の基準光Ｓ２１の光パルス繰り返し周波数の差の周波数で同じ干渉波形が繰り返される。
【００４０】
第１及び第２の光源１、２から出射された測定光Ｓ１と基準光Ｓ２は、繰り返し周波数が等しくないので、光源が動作を開始した時にタイミングがずれていても、少しずつタイミングがずれていき、必ずどこかで第１の測定光Ｓ１１の光パルスと第１の基準光Ｓ２１の光パルスが重なる瞬間が現れる。また、その重なる瞬間は第１の測定光Ｓ１１と第１の基準光Ｓ２１の繰り返し周波数の差の繰り返し周波数で周期的に現れる。この光パルスと光パルスの重なる瞬間が、遅延時間計測の基準となる。
【００４１】
また、このレーザ距離計１０Ａにおいて、第２の干渉光学系４４により合波される第２の測定光Ｓ１２と第２の基準光Ｓ２２は、次のように示される光路長差ΔＣに対応する時間差ΔＴ２
ΔＴ２＝ΔＣ／ｃ
をもって第２の干渉光学系４４に入射される。
【００４２】
すなわち、第１の分離光学系４１により分離された第２の測定光Ｓ１２が、測定面５に照射され、測定面５により反射された反射光Ｓ１２’として第２の干渉光学系４４に入射されるまでに、基準光路４Ａ内で通過する光路の光路長ｂ１２は、第１の分離光学系４１から第３の分離光学系４５までの光路の光路長をｂ１、第３の分離光学系４５から第３の全反射光学系４５Ａまでの光路の光路長をｂ１２ａ’、第３の全反射光学系４５Ａから第２の干渉光学系４４までの光路の光路長ｂ１２ｂ’とすると、
ｂ１２＝ｂ１＋ｂ１２ａ’＋ｂ１２ｂ’
であり、また、第２の干渉光学系４４に入射される第２の基準光Ｓ２２が通過する基準光路４Ａ内の光路の光路長ｃ２２は、第２の分離光学系４２から第２の全反射光学系４２Ａまでの光路長ｃ２２ａと第２の全反射光学系４２Ａから第２の干渉光学系４４までの光路長ｃ２２ｂの和、すなわち、
ｃ２２＝ｃ２２ａ＋ｃ２２ｂ
にて示される。
【００４３】
したがって、測定光検出器６は、第３の分離光学系４５から測定面５までの距離をＬとすると、第２の測定光Ｓ１２が第３の分離光学系４５と測定面５との間を往復する距離２Ｌと第２の測定光Ｓ１２が基準光路４Ａ内で通過する光路の光路長ｂ１２
ｂ１２＝ｂ１＋ｂ１２ａ’＋ｂ１２ｂ’
との和と、第２の基準光Ｓ２２が通過する基準光路４Ａ内の光路の光路長ｃ２２との光路長差ΔＣ、すなわち、
ΔＣ＝ｂ１２＋２Ｌ−ｃ２２
＝２Ｌ＋ｂ１＋ｂ１２ａ’＋ｂ１２ｂ’−ｃ２２ａ−ｃ２２ｂ
に対応する時間差ΔＴ２
ΔＴ２＝（２Ｌ＋ｂ１＋ｂ１２ａ’＋ｂ１２ｂ’−ｃ２２ａ−ｃ２２ｂ）／ｃ
をもって第２の干渉光学系４４に入射される第２の基準光Ｓ２２と第２の測定光Ｓ１２の反射光Ｓ１２’の干渉光Ｓ４を検出する。
【００４４】
この測定光検出器６によって得られる干渉信号ｆｂ２は、基準光検出器３によって得られる干渉信号ｆｂ１と同じくキャリア周波数が第２の測定光Ｓ１２と第２の基準光Ｓ２２のキャリア光周波数の差であり、第２の測定光Ｓ１２と第２の基準光Ｓ２２の光パルス繰り返し周波数の差と同じ繰り返し周波数を持つ。
【００４５】
ここで、基準光検出器３により検出される第１の干渉光Ｓ３は、基準光路４Ａにおける第１、第２の分離光学系４１、４２と第１の干渉光学系４３との間の光路長差ΔＡ
ΔＡ＝ａ１１−ａ２１
に相当する時間差ΔＴ１が付与された第１の測定光Ｓ１１と第１の基準光Ｓ２１の干渉光であるのに対し、測定光検出器６により検出される第２の干渉光Ｓ４は、基準光路４Ａにおける第１、第２、第３の分離光学系４１、４２、４５と第２の干渉光学系４４との間の光路長差ΔＢ
ΔＢ＝ｂ１２−ｃ２２
に第３の分離光学系４５と測定面５と間を第２の測定光Ｓ１２が往復する距離２Ｌを加えた光路長差ΔＣ
ΔＣ＝ｂ１２＋２Ｌ−ｃ２２
に相当する時間差ΔＴ２が付与された第２の測定光Ｓ１２と第１の基準光Ｓ２２の干渉光である。
【００４６】
演算処理部７では、基準光検出器３により干渉光Ｓ３を検出して得られる干渉信号ｆｂ１に含まれる第１の測定光Ｓ１１と第１の基準光Ｓ２１との時間差ΔＴ１
ΔＴ１＝ΔＡ／ｃ
と、上記測定光検出器６により干渉光Ｓ４を検出して得られる干渉信号ｆｂ２に含まれる第２の測定光Ｓ１２と第２の基準光Ｓ２２との時間差ΔＴ２
ΔＴ２＝ΔＣ／ｃ
から、基準光路４における光路長差ΔＡと光路長差ΔＢの差分に相当する距離ΔＡ−ΔＢ、すなわち、
ΔＡ−ΔＢ＝（ａ１１−ａ２１）−（ｂ１２−ｃ２２）
＝（ａ１１＋ｃ２２）−（ａ２１＋ｂ１２）
に基づき、上記第２の測定光Ｓ１２が通過する光路上の任意の基準点位置Ｐ（例えばＰ１,Ｐ２）からの距離Ｌ１
Ｌ１＝ΔＡ−ΔＢ
を規定して、基地点位置Ｐからの距離Ｌ１と基地点位置Ｐから測定面５による第２の測定光Ｓ１２の反射光Ｓ１２’が第２の干渉光学系４４に入射されるまでの距離Ｌ２の距離差（Ｌ２−Ｌ１）の絶対値を測定面５までの測定距離Ｄとして求める処理を行う。
【００４７】
すなわち、
ΔＴ１＝ΔＡ／ｃ
ΔＴ２＝ΔＣ／ｃ
ΔＴ２−ΔＴ１＝ΔＣ／ｃ−ΔＡ／ｃ
＝（ΔＣ−ΔＡ）／ｃ
＝（２Ｌ＋ΔＢ−ΔＡ）／ｃ
であるから、測定距離Ｄは、
【００４８】
Ｄ＝（ΔＴ２−ΔＴ１）・ｃ
＝２Ｌ−（ΔＡ−ΔＢ）
にて求めることができる。
【００４９】
ここで、このレーザ距離計１０Ａにおける距離測定の原理について説明する。
【００５０】
距離測定の原理は、光パルスの時間遅延から距離を求める距離計に準ずる。
【００５１】
すなわち、時間遅延ΔＴ＝Ｄ／ｃを計測して、真空中の光速ｃから測定距離Ｄを計算する。
【００５２】
包絡線波形ｆ（ｔ）、キャリア周波数ω０＝２πｆ０の光パルスは、次のように表わすことができる。
【数１】
2020012641.tif 000003
【００５３】
この光パルスを基準パルスとすると、基準パルスのフーリエ変換は、包絡線パルスｆ（ｔ）のフーリエ変換Ｆ（ω）を用いて、次の（１）式で表わされる。
【数２】
2020012641.tif 000004
【００５４】
フーリエ変換の演算をＦＦＴ［  ］で表した。そして、基準パルスが、測定距離の伝搬による遅延の影響を受けたとすると、遅延パルスの波形とそのフーリエ変換は、次の（２）式の形で表わされる。
【数３】
2020012641.tif 000005
【００５５】
ここで、時間ΔＴは遅延時間である。絶対距離を測るためには時間軸の包絡線の時間波形ｆ（ｔ−ΔＴ）からΔＴを求めるか、（２）式の右辺のＢ項で示される周波数軸の位相特性ｅ−ｊＢを求めればよい。ωは角周波数でありｆを周波数としてω＝２πｆの関係がある。（２）式の左辺のｊＡ項は、キャリア成分の位相シフトを表す。この項は、光の半波長の距離で２πラジアン変化する感度の高い成分であり、変位測定に用いられる。
【００５６】
距離測定の分解能を１μｍより高めるためには、包絡線の時間波形ｆ（ｔ−ΔＴ）又は周波数軸の位相特性ｅ−ｊＢから遅延時間ΔＴを求めるための時間分解能をフェムト秒のオーダーに高めなければならない。電気回路の周波数帯域の上限が数十ＧＨｚであることを考えると困難である。そこで、互いに変調周期が異なる干渉性のある基準光Ｓ１と測定光Ｓ２を発生する２つの光源を用意して干渉させ、電気的に処理が可能な周波数に落として遅延時間ΔＴを計測するのがレーザ距離計１０Ａによる距離測定の方法である。
【００５７】
測定距離（Ｌ２−Ｌ１）に比例する測定光パルスＰ１と基準光パルスＰ２の時間ΔＴの測定を、互いに変調周期の異なる干渉性のある２台のパルス光源の干渉によって行う場合について、図３の（Ａ），（Ｂ）に示す模式図を参照して説明する。
【００５８】
図３の（Ａ）は基準光検出器３が受光する光パルス列を表す。Ｓ１１，Ｓ２１は、それぞれ測定光パルスと基準光パルスの包絡線の時間波形である。繰り返し周波数は測定光パルスＳ１１がｆｍ、基準光パルスＳ２１がｆｍ＋Δｆｍであると仮定する。繰り返し周期はＳ２１がＴ’＝１／（ｆｍ＋Δｆｍ）、Ｓ１１がＴ＝１／ｆｍである。重なったパルスを基準に計測した時刻をそれぞれの繰り返し周期で規格化した値をＮとすると、Ｓ１１とＳ２１のパルスはそれぞれのＮが整数の時刻にＮ番目のパルスが検出器に到着することになる。Ｓ１１とＳ２１のＮ番目のパルスの到着時刻を比較すると、パルス列の周期の違い（Ｔ−Ｔ’）のＮ倍の時間だけ基準光パルスＳ２１が先に到着する。パルス到着時間のずれはＮに比例して大きくなり、あるＮ番目のパルスでは、（Ｔ−Ｔ’）Ｎ＝Ｔとなり、Ｎ番目の測定光パルスＳ１１がＮ−１番目の測定光パルスＳ１１に追い付いて同じ時刻に到着する。
【００５９】
Ｓ１１、Ｓ２１のタイミングが一致するまでのパルスの個数Ｎは、次の（３）式により求められる。
【数４】
2020012641.tif 000006
【００６０】
Ｓ１１とＳ２１の干渉信号は、互いのパルスが重なり合うタイミングで発生する。したがって、干渉信号の周期Ｔｂは、次の（４）式で表され、２つのパルス列の繰り返し周波数差Δｆｍの逆数に等しい。
【数５】
2020012641.tif 000007
【００６１】
また、Ｓ１１，Ｓ２１はそれぞれ一定の繰り返し周波数を持つパルス列であるから、干渉信号も一定の周期Ｔｂで同じ波形を繰り返す。繰り返し周波数差Δｆｍが大きすぎると光パルスが重なり合う時間が短くなるため干渉信号がとりにくくなる。それを避けるためΔｆｍ<<ｆｍのように繰り返し周波数差を設定する。
【００６２】
また、図３の（Ｂ）は、測定光検出器６が受光するパルス列を表す。図３の（Ａ）に示すパルスと比較して、測定光パルスＳ１２の反射光Ｓ１２’が光路長（Ｌ２−Ｌ１）を通過したことによる時間ΔＴだけ遅れて到着している。この場合、Ｓ１２’とＳ２２のパルスが重なる番号Ｎ’は、Ｎ’に比例して大きくなる周期のずれとΔＴの和が測定光パルスの周期Ｔに一致した瞬間であり、次の（５）式で表わすことができる。
【数６】
2020012641.tif 000008
【数７】
2020012641.tif 000009
【００６３】
したがって、Ｎ’は、次の（６）式で与えられる。
【００６４】
ただし、δ＝ΔＴｆｍである。ΔＴが０から測定光パルスの繰り返し周期Ｔまで変化する間にδは０〜１まで直線的に変化する。
【００６５】
測定光検出器６の受光パルスＳ１２’，Ｓ２２が重なる時間を基準光検出器３が受光するパルスが重なるＮ＝０の時刻を基準に計測するとその時刻は次の（７）式で示されるＮ’Ｔ’で与えられる。
【数８】
2020012641.tif 000010
【００６６】
δが測定光パルスの１周期の間で０から１まで変化するとＮ’Ｔ’はＴｂ〜０まで直線的に変化する。遅延時間ΔＴがあっても、０〜Ｔｂまでの間に必ず１か所Ｓ１２パルスがＳ２２’パルスを追い越していく時刻が存在するため、０〜Ｔｂの間で必ず干渉信号が得られる。Ｎ＝０の時刻で発生する基準光検出器３の干渉信号Ｓ３と遅延時間ΔＴのために遅れて発生する測定光検出器６の干渉信号Ｓ４の時刻を比較することによって遅延時間ΔＴが求められる。
【００６７】
例えば、基準光パルスの繰り返し周波数を２５ＧＨｚ＋１００ｋＨｚ、測定光パルスの繰り返し周波数を２５ＧＨｚとすると、ΔＴが０〜４０ｐｓの範囲で変化すると、干渉信号の発生時刻は１０μｓ〜０の間で変化する。４０ｐｓの時間内で起こる変化を１０μｓの時間幅に引き伸ばして計測できる。１フェムト秒の時間差であっても２５０ｐｓとして観測できるため、直接フェムト秒の分解能で時間計測を行うよりもはるかに低い周波数帯域の電気回路で取り扱うことができる。
【００６８】
測定光パルスに与えられる時間遅延の符号とビート信号の時間遅延の符号の関係は、Ｓ１２とＳ２２の繰り返し周波数とキャリア周波数の大小関係に依存する。
【００６９】
図４の（Ａ）は、光スペクトルの模式図である。Ｓ１２は測定光のスペクトル、Ｓ２２は基準光のスペクトルを表す。Ｓ１２、Ｓ２２は光パルスの繰り返し周波数に一致したコム状のモードを持っており、モード間隔はそれぞれＳ１２がｆｍ、Ｓ２２がｆｍ＋Δｆｍである。図４の（Ａ）では、スペクトル中央のモードを中心にモード番号を付け、Ｎ＝０のモード間の干渉信号の周波数をｆａと仮定している。Ｓ１２とＳ２２の干渉波形にはさまざまなモード間の差周波数が含まれるが、同じモード番号間の差周波数が最も低い周波数帯に現れるため、適当な周波数帯域の光検出器を使用すると高い差周波数成分は検出信号から除外される。この場合、同じモード番号の干渉波形だけがビート信号として光検出器から取り出される。
【００７０】
また、図４の（Ｂ）は、ビート信号スペクトルの模式図である。周波数ｆａを中心にΔｆｍ間隔のコム状の電気信号スペクトルが得られる。ビート信号の時間波形は各周波数成分を重ね合わせたものである。周波数軸の位相特性ｅ−ｊＢを求めるためには、基準光検出器３の出力ビート信号のスペクトルから基準となる位相特性を求め、同時に測定光検出器６の出力ビート信号スペクトルから求められる位相特性を求め、それらを比較する。比較によって得られる位相特性の違いは測定距離（Ｌ２−Ｌ１）の伝搬によるものである。測定光スペクトルと基準光スペクトルの各モードの位相差情報が、ビート信号スペクトルの各モード番号の位相に反映される。ビート信号スペクトルのモード番号と位相の関係を測定光スペクトルのモード番号と位相差の関係に置き換えて光周波数と位相差の関係ωΔＴを求め、その直線をωで微分して得られる係数からΔＴを求める。
【００７１】
光コム干渉による距離測定をビート信号の周波数解析により行うと、光スペクトルが持つ広い帯域をΔｆｍ／ｆｍに圧縮して電気的に解析できるため、光パルスの往復時間を計測する距離計でありながら高い分解能を得ることができる。
【００７２】
計測に必要な時間は、干渉信号の１周期ＴｂであるΔｆを１００ｋＨｚとすると周期Ｔｂは１０μｓであり、短時間に距離を測定することができる。
【００７３】
ここで、上記レーザ距離計１における第１及び第２の光源１０Ａ，１０Ｂとしては、例えば、モード周波数間隔が異なる２台の光周波数コム発生器、あるいは、それぞれ周期的に強度又は位相が変調されかつキャリア周波数が安定化された２台の光源などを用いることができる。
【００７４】
距離計としての性能は、測定光Ｓ１と基準光Ｓ２ほぼ出射する第１及び第２の光源１、２の性能で決定される。距離測定の分解能は光スペクトル幅または光パルス幅に依存しており、光スペクトルの幅が広い、または光パルスの幅が狭いほど距離測定の分解能を高くすることができる。また、絶対距離測定の確度は光コムモードの周波数間隔または光パルスの繰り返し周波数の確度に依存している。マイクロ波の絶対周波数確度が高いほど絶対距離測定の確度を高めることができる。さらに測定値のばらつきはｆｍやｆｍ＋Δｆｍの安定度に依存する。
【００７５】
また、上記レーザ距離計１０Ａでは、２台の光源から出射される光の干渉を使って距離の測定を行うので、上記第１及び第２の光源１、２には、光コムモード間隔または光パルス繰り返し周波数または変調周期が異なりかつ干渉性の良いものが用いられる。
【００７６】
独立に発振するパルスレーザは、通常レーザ発振の中心周波数や繰り返し周波数がばらばらであり、その変動に相関がない。したがって２台の独立したパルスレーザを使用して距離計測を行う場合、精度を高めるためには、発振波長や光位相、パルスの繰り返し周波数を相対的に固定することが重要である。
【００７７】
外部変調された２台の光源または２台の光周波数コム発生器を使用すると距離計の要求を満たす光源を比較適容易に実現できる。特に、２台の発振器の同期をとった光周波数コム発生器は、互いに干渉性が良い、繰り返し周波数が安定、スペクトルの広がりが大きくパルス幅が短い、といった特徴を持つため、このレーザ距離計１０Ａに最適な光源である。
【００７８】
なお、光周波数コム発生器２０は、例えば、図５に示すように、一対の反射鏡２１Ａ，２１Ｂで構成される光共振器２１の内部に光位相変調器２２を挿入してなるもので、単一周波数の連続波（周波数：ν）の光を入力し、光共振器２１の自由スペクトル域（ＦＳＲ）の整数倍に一致した周波数で光位相変調器２２を駆動すると、光共振器２１内の多重往復の周期と変調信号周期の同期がとれるため共振器のない光位相変調器と比べて極めて効率の良い変調が行われ、サイドバンドの本数は数百から数千本に達し、数テラヘルツのスペクトル広がりを持つ光周波数コムを出力として得ることができる。光周波数コム発生器２０では、時間的にも短いパルスを発生することが可能で、時間幅１ピコ秒以下の光パルスを発生することができる。光周波数コム発生器２０の出力は、中心周波数が入力周波数と等しく周波数間隔が変調周波数に等しいコム（櫛）状の光であり、図６に示すように、時間軸では、繰り返し周波数がｆｍであるパルス列である。変調指数を上げてスペクトルの広がりを大きくするほど時間幅の短いパルスを得ることができる。
【００７９】
ここで、上記レーザ距離計１０Ａにおける第１、第２の光源１、２として２台の光周波数コム発生器を使用する場合、例えば、図７に示すような構成の光源１００とされる。
【００８０】
すなわち、この光源１００では、１台の単一周波数発振のレーザ光源１０１から出射されるレーザ光がビームスプリッタ１０２により分割されて２台の光周波数コム発生器（ＯＦＣＧ１、ＯＦＣＧ２）２０Ａ，２０Ｂに入力されるようになっている。
【００８１】
２台の光周波数コム発生器２０Ａ，２０Ｂは、互いに異なる周波数ｆｍ＋Δｆｍと周波数ｆｍで発振する発振器１０３Ａ，１０３Ｂにより駆動される。それぞれの発振器１０３Ａ，１０３Ｂは、共通の基準発振器１０４により位相同期されることにより、ｆｍ+Δｆｍとｆｍの相対周波数が安定になる。光周波数コム発生器（ＯＦＣＧ１）２０Ａの前には、音響光学周波数シフタ（ＡＯＦＳ）のような周波数シフタ１０５を設けて、入力されたレーザ光にこの周波数シフタ１０５により周波数ｆａの光周波数シフトを与えるようになっている。これにより、キャリア周波数間のビート周波数が直流信号ではなく周波数ｆａの交流信号になる。その結果、キャリア周波数の高周波側サイドバンドのビート信号と低周波側サイドバンドのビート信号がビート信号のキャリア周波数間のビート周波数ｆａを挟んで相対する周波数領域に発生するため位相比較に都合が良い。
【００８２】
上記光源１００を構成している２台の光周波数コム発生器（ＯＦＣＧ１、ＯＦＣＧ２）２０Ａ，２０Ｂは、図８の（Ａ），（Ｂ）に示すような周波数の光周波数コムを出力する。
【００８３】
すなわち、光周波数コム発生器（ＯＦＣＧ１）２０Ａの出力は、図８の（Ｂ）に示すように、中心にｆｍの周波数間隔でコム状のモードが並ぶ。光周波数コム発生器（ＯＦＣＧ２）２０Ｂの出力は、図８の（Ａ）に示すように、周波数ν＋ｆａを中心にｆｍ+Δｆｍの周波数間隔でコム状のモードが並ぶ。
【００８４】
このような構成の光源１００を上記第１、第２の光源１、２として備えたレーザ距離計１０Ａにおいて、基準光検出器３の入力前で重ね合わされたｎ次モードの電界の振幅ｅｎ（ｔ）は、次の（８）式で表される。
【数９】
2020012641.tif 000011
【００８５】
ここで、ＥＲｎは、光周波数コム発生器（ＯＦＣＧ２）２０Ｂから出射される基準光Ｓ２の電界を表し、ＥＴｎは、光周波数コム発生器（ＯＦＣＧ１）２０Ａから出射される測定光Ｓ１の電界を表す。次数の異なるモード間の干渉信号は、変調周波数ｆｍとその周辺に現れる。したがって、光検出器の帯域をｆａやΔｆに比べて十分広いがｆｍより小さくとるか、フィルタを使用して高周波成分を取り除くと、同じ次数のモード間のビート周波数だけが残る。θｎはｎ次モードの位相差である。基準光ｎ次モードの位相を基準にした測定光ｎ次モードの相対位相を表している。
【００８６】
また、光検出器の出力電流ｉｎ（ｔ）は、ａを係数として、次の（９）式にて表すことができる。
【数１０】
2020012641.tif 000012
【００８７】
（９）式のθｎを与える時間遅延は、基準光検出器３の場合、第１、第２の分離光学系４１，４２で光を分離してから干渉光学系４３で重ね合わせられるまでの光路差や信号ケーブルの長さに依存する。測定光検出器６の出力のθｎから基準光検出器３の出力のθｎを差し引くことにより取り除かれる。光検出器からの出力電流の時間波形は、すべてのｎ次の電流を重ねた結果でありΣｉｎ（ｔ）にて表すことができる。出力電流の波形は、キャリア周波数ｆａの信号がΔｆの周期で変調された波形であり、θｎは包絡線の時刻を決める。時間的には、基準光検出器３の出力のビート信号の発生時刻と測定光検出器６の出力のビート信号の発生時刻を比較することによってθｎの影響を取り除くことができる。測定光検出器６の出力のθｎをθｎ’とすると、基準光検出器３と測定光検出器６による検出として得られる各干渉信号ｆｂ１、ｆｂ２の時間差は、周波数軸では（θｎ’−θｎ）のｎに対する変化率である。したがって、（θｎ’−θｎ）を各モードに対して求めると距離（Ｌ２−Ｌ１）を求めることができる。
【００８８】
ここで、基準光検出器３による検出として得られる干渉信号ｆｂ１を波形観測して得られた波形例を図９に示す。ｆｍ＝２５ＧＨｚ、Δｆ＝１００ｋＨｚ、ｆａ＝４０ＭＨｚの光コム発生器（ＯＦＣＧ１、ＯＦＣＧ２）２０Ａ、２０Ｂを使用した場合である。周期Ｔｂが１０μｓｅｃで４０ＭＨｚのキャリアが強度変調された波形の干渉信号となっている。
【００８９】
このレーザ距離計１０Ａにおいて、距離（Ｌ２−Ｌ１）が変化すると、基準光検出器３による検出出力として得られた干渉信号ｆｂ１に対する測定光検出器６による検出出力として得られた干渉信号ｆｂ２のタイミングが変化するので、その時間差を測れば距離（Ｌ２−Ｌ１）を求めることができる。
【００９０】
したがって、信号処理部７では、ピーク検出回路を用いて信号のピークの時間差を求めるか、信号を高速フーリエ変換して周波数と位相の関係を求めてもよい。信号の繰り返しが早いので短時間に距離測定を行うことができる。
【００９１】
すなわち、基準光検出器３と測定光検出器６による検出として得られる各干渉信号ｆｂ１、ｆｂ２は、上記基準光Ｓ１と測定光Ｓ２のキャリア周波数の差で振動する信号がパルス状に変調された形になっている。パルスの包絡線の時間差が測定距離を表すので、時間的には、包絡線のピークを求め、ピークの時間差から距離を求めることができる。したがって、信号処理部７では、例えば、図１０の（Ａ）に示すように、例えばダイオードと低域透過フィルタにより構成される包絡線検波部７１，７２を使用するとキャリア成分の無い包絡線の信号に変換することができる。基準光検出器３による検出として得られる干渉信号ｆｂ１と測定光検出器６による検出として得られる干渉信号ｆｂ２に対して、それぞれ包絡線検波を行い、さらに、時間差測定部７３において、ピーク検出回路を用いて包絡線がピークになる時間を検出し時間差を求めることにより遅延時間を求めることができ、距離計算部７４において上記時間差から、基準光路４Ａにより規定される基地点位置Ｐからの距離Ｌ１と基地点位置Ｐから測定面５による第２の測定光Ｓ１２の反射光Ｓ１２’が第２の干渉光学系４４に入射されるまでの距離Ｌ２の距離差（Ｌ２−Ｌ１）の絶対値を測定距離Ｄとして求めることができる。
【００９２】
また、上記信号処理部７では、光周波数コムの周波数的な安定性を利用して周波数軸での解析を行うことにより高度な解析を行うようにすることもできる。基準光検出器３に入力される干渉光Ｓ３と測定光検出器６に入力される干渉光Ｓ４を同期させ、それぞれｎ次モードの相対位相θｎを一括して求め、周波数とθｎの関係を基準光検出器３による検出として得られる干渉信号ｆｂ１と測定光検出器６による検出として得られる干渉信号比較することにより遅延時間を求めることができる。
【００９３】
すなわち、上記信号処理部７は、例えば、図１０の（Ｂ）に示すように、上記基準光検出器３により検出された干渉信号をフーリエ変換部７５により周波数解析して多数の光周波数コムの位相情報を一括して取得するとともに、上記測定光検出器６により検出された干渉信号をフーリエ変換部７６により周波数解析して多数の光周波数コムの位相情報を一括して取得し、位相差測定部７７によりそれぞれの位相特性の周波数に対する変化率を求め、距離計算部７８において、その傾きの差から、基準光路４Ａにより規定される基地点位置Ｐからの距離Ｌ１と基地点位置Ｐから測定面５による第２の測定光Ｓ１２の反射光Ｓ１２’が第２の干渉光学系４４に入射されるまでの距離Ｌ２の距離差（Ｌ２−Ｌ１）の絶対値を測定距離Ｄとして求めることができる。
【００９４】
上記レーザ距離計１０Ａでは、基準光路４Ａにおける光路長差ΔＡ
ΔＡ＝ａ１１−ａ２１
に相当する時間差ΔＴ１が付与された第１の測定光Ｓ１１と第１の基準光Ｓ２１の干渉光Ｓ３を基準光検出器３により検出し、基準光路４Ａにおける第１、第２、第３の分離光学系４１、４２、４５と第２の干渉光学系４４との間の光路長差ΔＢ
ΔＢ＝ｂ１２−ｃ２２
に第２の干渉光学系４４と測定面５の間を第２の測定光Ｓ１２が往復する距離２Ｌを加えた光路長差ΔＣ
ΔＣ＝ΔＢ＋２Ｌ
に相当する時間差ΔＴ２が付与された第２の測定光Ｓ１２の反射光Ｓ１２’と第２の基準光Ｓ２２の干渉光Ｓ４を測定光検出器６により検出するので、信号処理部７おいて、基準光検出器３による干渉光Ｓ３の検出出力として得られる干渉信号ｆｂ１に含まれる第１の測定光Ｓ１１と第１の基準光Ｓ２１との時間差ΔＴ１
ΔＴ１＝ΔＡ／ｃ
と、測定光検出器６による干渉光Ｓ４の検出出力として得られるにより検出された干渉信号ｆｂ２の時間差に含まれる第２の測定光Ｓ１２と第２の基準光Ｓ２２との時間差ΔＴ２
ΔＴ２＝ΔＣ／ｃ
から求められる計測距離Ｄは、
Ｄ＝（ΔＴ２−ΔＴ１）・ｃ
＝２Ｌ−（ΔＡ−ΔＢ）
であるから、例えば、第１の分離光学系４１の位置を基準点位置Ｐ１に規定する場合、
Ｄ＝２Ｌ＋ｂ１―ｂ１―（ΔＡ−ΔＢ）
＝２Ｌ＋ｂ１―（２ｂ１＋ΔＡ−ΔＢ）
＝２Ｌ＋ｂ１―（２ｂ１＋ΔＡ−ΔＢ）
＝Ｌ２―Ｌ１
となり、基準点位置Ｐ１からの距離Ｌ１を
Ｌ１＝２ｂ１＋ΔＡ−ΔＢ
＝２ｂ１＋（ａ１１−ａ２１）−（ｂ１２−ｃ２２） 
＝２ｂ１＋（ａ１１−ａ２１）−（ｂ１＋ｂ１２’−ｃ２２） 
＝ａ１１−ａ２１＋ｂ１−ｂ１２’＋ｃ２２
にすることによって、基準点位置Ｐ１からの測定面５までの距離Ｌ２は
Ｌ２＝２Ｌ＋ｂ１
になる。そして、基準光路４Ａにおける光路長差が、
【００９５】
ａ１１−ａ２１−ｂ１２’＋ｃ２２＝ｂ１
であれば、信号処理部７により得られる計測距離Ｄは、
Ｄ＝Ｌ２―Ｌ１
＝２Ｌ
となる。
【００９６】
また、第３の分離光学系４５の位置を基準点位置Ｐ２とする場合、
測定面５までの測定距離Ｄは、
Ｄ＝２Ｌ−（ΔＡ−ΔＢ）
であるから、例えば
基準点位置Ｐ２からの距離Ｌ１を
Ｌ１＝ΔＡ−ΔＢ
とすることにより、基準点位置Ｐ２から測定面５までの距離Ｌ２
と基準点位置Ｐ１からの距離Ｌ１との差分（Ｌ２−Ｌ１）が測定面５までの測定距離Ｄとなる。
【００９７】
すなわち、この場合、基準光路４Ａの光路長が
ΔＡ＝ΔＢ
であれば、信号処理部７により算出される測定面５までの測定距離Ｄは、
Ｄ＝Ｌ２−Ｌ１
＝２Ｌ
となる。
【００９８】
すなわち、このレーザ距離計１０Ａでは、基準光路４Ａにおける光路長差ΔＡと光路長差ΔＢの差分に対応する光路長に相当する基地点位置Ｐからの距離Ｌ１を規定することにより、演算処理部７において、基準光検出器３により干渉光Ｓ３を検出して得られる干渉信号ｆｂ１と測定光検出器６により干渉光Ｓ４を検出して得られる干渉信号ｆｂ２の時間差から、上記測定面５までの測定距離Ｄとして、基地点位置Ｐから測定面５までの距離Ｌ２と基準点位置Ｐからの距離Ｌ１との距離差（Ｌ２−Ｌ１）の絶対値を求める処理を行うことができる。
【００９９】
基準光路４Ａは、図２に示すように、第１の干渉光学系４３に入射される第１の測定光Ｓ１１が通過する光路の光路長ａ１１と第１の基準光Ｓ２１が通過する光路の光路長ａ２１との光路長差ΔＡ
ΔＡ＝ａ１１−ａ２１
と、測定面５による反射光Ｓ１２’として第２の干渉光学系４４に入射される第２の測定光Ｓ１２が通過する光路の光路長ｂ１２＝ｂ１＋ｂ１２’と第２の干渉光学系４４に入射される第２の基準光Ｓ２２が通過する光路の光路長ｃ２２の光路長差ΔＢ
ΔＢ＝ｂ１２−ｃ２２
により基準点位置Ｐからの距離Ｌ１を規定する。
【０１００】
基準光路４Ａは、基準点位置Ｐを光路長差ΔＡ
ΔＡ＝ａ１１−ａ２１
と光路長差ΔＢ
ΔＢ＝ｂ１２−ｃ２２
により任意に規定することができる。
【０１０１】
ここで、このレーザ距離計１０Ａにおける第１の分離光学系４１、第１の全反射光学系４１Ａ、及び第１の干渉光学系４３は、１つの光学系により実現することができ、また、第３の分離光学系４５、第３の全反射光学系４５Ａ、及び第２の干渉光学系４４は、１つの光学系により実現することができ、例えば、図１１のブロック図に示すレーザ距離計１０Ｂのように、第１の光分離・合波素子４３Ａにより測定光Ｓ１を第１の測定光Ｓ１１と第２の測定光Ｓ１２に分離するとともに、第１の測定光Ｓ１１と第１の基準光Ｓ２１とを合波し、第２の光分離・合波素子４４Ａにより第２の測定光Ｓ１２は通過させ、測定対象の測定面５により反射された第２の測定光Ｓ１２の反射光Ｓ１２’と第２の基準光Ｓ２２とを合波する構成とすることができる。
【０１０２】
このレーザ距離計１０Ｂでは、レーザ距離計１０Ａにおける第１の分離光学系４１及び第１の干渉光学系４３の機能を１つの光学系（第１の光分離・合波素子４３Ａ）により実現することによって、第１の分離光学系４１と第１の干渉光学系４３との間の光路長は０、すなわち、第２の分離光学系４２に入射される第１の測定光Ｓ１１が基準光路４Ｂを通過する光路長ａ１１は０となる。また、レーザ距離計１０Ａにおける第３の分離光学系４５、第３の全反射光学系４５Ａ、及び第２の干渉光学系４４の機能を１つの光学系（第２の光分離・合波素子４４Ａ）により実現することによって、第３の分離光学系４５と第２の干渉光学系４４との間の光路長は０、すなわち、第２の分離光学系４２に入射される測定面５により反射された第２の測定光Ｓ１２の反射光Ｓ１２’が基準光路４Ｂを通過する光路長は０となる。
【０１０３】
すなわち、このレーザ距離計１０Ｂにおける基準光路４Ｂを構成している各光路の光路長を図１２のブロック図に示すように、第１の光源１から出射された測定光Ｓ１が第１の光分離・合波素子４３Ａにより第１の測定光Ｓ１１と第２の測定光Ｓ１２に分離され、また、第２の光源２から出射された基準光Ｓ２が第２の分離光学系４２により第１の基準光Ｓ２１と第２の基準光Ｓ２２に分離され、第１の光分離・合波素子４３Ａにおいて第１の測定光Ｓ１１と第１の基準光Ｓ２１が合波されるまでの間に、第１の測定光Ｓ１１と第１の基準光Ｓ２１とが通過する基準光路４Ｂにおける各光路間の光路長差ΔＡは、第２の分離光学系４２と第１の光分離・合波素子４３Ａとの間の光路長−ａ２１である。
【０１０４】
また、第１の光分離・合波素子４３Ａにより分離された第２の測定光Ｓ１２が測定面５に照射され、該測定面５により反射された第２の測定光Ｓ１２の反射光Ｓ１２’として第２の光分離・合波素子４４Ａにおいて第２の基準光Ｓ２２と合波されるまでの間に第２の測定光Ｓ１２と第２の基準光Ｓ２２とが通過する光路の光路長差ΔＣは、第２の光分離・合波素子４４Ａから測定面５までの距離をＬとして、
ΔＣ＝ｂ１２＋２Ｌ−ｃ２２
であり、第２の測定光Ｓ１２と第２の基準光Ｓ２２の基準光路４Ｂにおける光路長差ΔＢは、
ΔＢ＝ｂ１２−ｃ２２
ｃ２２＝ｃ２２ａ＋ｃ２２ｂ
である。
【０１０５】
したがって、このレーザ距離計１０Ｂでは、第１の光分離・合波素子４３Ａに入射される第１の測定光Ｓ１１と第１の基準光Ｓ２１との光路長差ΔＡを
ΔＡ＝−ａ２１
とし、第２の光分離・合波素子４４Ａに入射される第２の測定光Ｓ１２の反射光Ｓ１２’と第２の基準光Ｓ２２との光路長差ΔＢをΔＢ＝ｂ１２−ｃ２２とする基準光路４Ｂにより、例えば、第１の光分離・合波素子４３Ａの位置を基準点位置Ｐ１として規定する場合、信号処理部７により算出される測定面５までの測定距離Ｄは、
【０１０６】
Ｄ＝（ΔＣ−ΔＡ）
＝２Ｌ＋(ａ２１＋ｂ１２−ｃ２２）
＝２Ｌ＋ｂ１２＋(ａ２１＋ｂ１２−ｃ２２）−ｂ１２
＝２Ｌ＋ｂ１２−(−ａ２１−ｂ１２＋ｃ２２）−ｂ１２
＝２Ｌ＋ｂ１２−（(ΔＡ−ΔＢ)＋ｂ１２）
＝Ｌ２−Ｌ１
すなわち、基準点位置Ｐ１からの距離Ｌ１と基準点位置Ｐ１から測定面５まで距離Ｌ２は、
Ｌ１＝(ΔＡ−ΔＢ)＋ｂ１２
＝(−ａ２１−ｂ１２＋ｃ２２）＋ｂ１２
＝ｃ２２−ａ２１−ｂ１２＋２ｂ１２
＝ｃ２２−ａ２１＋ｂ１２２
Ｌ２＝２Ｌ＋ｂ１２
となり、
ｃ２２＝ａ２１−ｂ１２
であれば、
Ｌ１＝０
であるから、信号処理部７により算出される測定面５までの測定距離Ｄは、
Ｄ＝Ｌ２−Ｌ１
＝２Ｌ＋ｂ１２
となる。
【０１０７】
そして、基準光路４Ｂに光路長差ｃ２２−ａ２１が、
ｃ２２−ａ２１＝ｂ１２
であれば、信号処理部７により算出される測定面５までの測定距離Ｄは、
Ｄ＝Ｌ２−Ｌ１
となる。
【０１０８】
また、第２の光分離・合波素子４４Ａの位置を基準点位置Ｐ２とする場合、
測定面５までの測定距離Ｄは、
Ｄ＝２Ｌ−（ΔＡ−ΔＢ）
であるから、例えば
基準点位置Ｐ２からの距離Ｌ１を
Ｌ１＝ΔＡ−ΔＢ
とすることにより、基準点位置Ｐ２から測定面５までの距離Ｌ２
Ｌ２＝２Ｌ
と基準点位置Ｐ１からの距離Ｌ１との差分（Ｌ２−Ｌ１）が測定面５までの測定距離Ｄとなる。
【０１０９】
すなわち、この場合、基準光路４Ｂの光路長が
ΔＡ＝ΔＢ
であれば、信号処理部７により算出される測定面５までの測定距離Ｄは、
Ｄ＝Ｌ２−Ｌ１
となる。
【０１１０】
ここで、このレーザ距離計１０Ｂにおいて、第１、第２の光分離・合波素子４３Ａ，４４Ａには、半透鏡又は偏光ビームスプリッタを用いることができる。
【０１１１】
また、レーザ距離計１０Ａ、１０Ｂにおける基準光路４Ａ、４Ｂは、基準点位置Ｐを任意に設定することができ、基準点位置を調整するための基準光路調整器が含まれる場合もある。また、基準光路４Ａ、４Ｂには、不要な干渉信号を発生させないため光の進行を単一方向にするアイソレータを挿入する場合もある。
【０１１２】
例えば、図１３のブロック図に示すレーザ距離計１０Ｃのように、光路長調整器４５を設けた基準光路４Ｃを備えることにより、基準点位置Ｐを可変自在とすることができる。
【０１１３】
このレーザ距離計１０Ｃでは、光路長調整器４５により、第２の分離光学系４２から第２の全反射光学系４２Ａまでの光路の光路長ｃ２２ａを可変して、信号処理部７により算出される測定距離Ｄ＝Ｌ２−Ｌ１における距離Ｌ１、Ｌ２の基準点位置Ｐを任意に設定することができ、第２の基準光Ｓ２２が通過する基準光路４Ｃの光路長ｃ２２
ｃ２２＝ｃ２２ａ＋ｃ２２ｂ
が、例えば、ｃ２２−ａ２１−ｂ１２＝２Ｌとなるように、基準光路４Ｃの光路長ｃ２２ａを調整することにより、基準点位置Ｐを測定対象上に持ってくることができる。
【０１１４】
すなわち、本件発明者等が先に提案した特許文献２の手法では、基準面に照射される基準光と測定面に照射される測定光との干渉光を基準光検出器により検出することにより時間基準を与える干渉信号を得るようにしていたが、このレーザ距離計１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃでは、第１、第２の測定光Ｓ１1、Ｓ１２と第１、第２の基準光Ｓ２１，Ｓ２２が通過する基準光路４Ａ、４Ｂ、４Ｃの光路長差ΔＡ、ΔＢによって基準点位置Ｐからの距離Ｌ１を規定することにより、基準光検出器３による検出する干渉光Ｓ３と測定光検出器６による検出する干渉光Ｓ４の時間差に基づいて、測定面５までの測定距離Ｄとして、基準点位置Ｐから測定面５による第２の測定光Ｓ１２の反射光Ｓ１２’が第２の干渉光学系４４・第２の光分離・合波素子４４Ａに入射されるまでの距離Ｌ２と基準点位置Ｐからの距離Ｌ１との距離差（Ｌ２−Ｌ１）を演算処理部７により求めるようにしている。
【０１１５】
ここで、レーザ距離計１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃでは、第２の測定光Ｓ１２を透過して、測定面５による第２の測定光Ｓ１２の反射光Ｓ１２’が入射される第２の干渉光学系４４を備えるものとしたが、第２の干渉光学系４４を、図１４に示すレーザ距離計１０Ｄのように、第２の測定光Ｓ１２を透過して、測定面５による第２の測定光Ｓ１２の反射光Ｓ１２’を反射する第３の分離光学系４４Ｂと第２の干渉光学系４４にて構成するようにしてもよい。
【０１１６】
このレーザ距離計１０Ｄにおける基準光路４Ｄを構成している各光路の光路長を図１５のブロック図に示すように、このレーザ距離計１０Ｄでは、測定面５による第２の測定光Ｓ１２の反射光Ｓ１２’が第３の分離光学系４４Ｂにより反射されて光路長ｃ１２’の光路を介して第２の干渉光学系４４に入射され、第２の干渉光学系４４には第２の分離光学系４２により分離された第２の基準光Ｓ２２が光路長ｃ２２の光路を介して入射される。
【０１１７】
したがって、第１の光分離・合波素子４３Ａにより分離された第２の測定光Ｓ１２が測定面５に照射され、該測定面５により反射された第２の測定光Ｓ１２の反射光Ｓ１２’として第２の基準光Ｓ２２と第２の干渉光学系４４において合波されるまでの光路間の光路長差ΔＣは、第３の分離光学系４４Ｂから測定面５までの距離をＬ、第３の分離光学系４４Ｂと第２の干渉光学系４４との間の光路の光路長をｂ１２’とすると、第２の干渉光学系４４に入射されるまで第２の測定光Ｓ１２、反射光Ｓ１２’が通過する光路の光路長はｂ１＋２Ｌ＋ｂ１２’であり、第２の基準光Ｓ２２が通過する光路の光路長はｃ２２であるから、
ΔＣ＝ｂ１＋２Ｌ＋ｂ１２’−ｃ２２
となる。
【０１１８】
このレーザ距離計１０Ｄにおける基準光路４Ｄ内での第１の測定光Ｓ１１と第１の基準光Ｓ２１の光路長差ΔＡは、
ΔＡ＝−ａ２１
であり、また、第２の測定光Ｓ１２と第２の基準光Ｓ２２の基準光路４内での光路長差ΔＢは、
ΔＢ＝ｂ１２−ｃ２２
ｂ１２＝ｂ１＋ｂ１２’
となっている。
【０１１９】
例えば、第１の光分離・合波素子４３Ａの位置を基準点位置Ｐ１として規定する場合、信号処理部７により算出される測定面５までの測定距離Ｄは、
Ｄ＝ΔＣ−ΔＡ
＝（ｂ１＋２Ｌ＋ｂ１２’−ｃ２２）−（−ａ２１）
＝Ｌ＋ｂ１＋（ｂ１＋ｂ１２’−ｃ２２＋ａ２１）−ｂ１
＝Ｌ＋ｂ１−(−ｂ１−ｂ１２’＋ｃ２２−ａ２１）−ｂ１
＝Ｌ＋ｂ１−（(ΔＡ−ΔＢ)＋ｂ１２）
＝Ｌ２−Ｌ１
すなわち、基準点位置Ｐ１からの距離Ｌ１と基準点位置Ｐ１から測定面５まで距離Ｌ２は、
【０１２０】
Ｌ１＝(ΔＡ−ΔＢ)＋ｂ１２
＝(−ａ２１−ｂ１２＋ｃ２２＋ｂ１２
＝ｃ２２−ａ２１−ｂ１２＋２ｂ１２
＝ｃ２２−ａ２１＋ｂ１２
Ｌ２＝２Ｌ＋ｂ１２
となり、
ｃ２２＝ａ２１−ｂ１２
であれば、
Ｌ１＝０
であるから、信号処理部７により算出される測定面５までの測定距離Ｄは、
Ｄ＝Ｌ２−Ｌ１
＝２Ｌ＋ｂ１２
となる。
【０１２１】
そして、基準光路４Ｂに光路長差ｃ２２−ａ２１が、
ｃ２２−ａ２１＝ｂ１２
＝ｂ１＋ｂ１２’
であれば、信号処理部７により算出される測定面５までの測定距離Ｄは、
【０１２２】
Ｄ＝Ｌ２−Ｌ１
＝２Ｌ
となる。
【０１２３】
また、例えば、第３の分離光学系４４Ｂの位置を基準点位置Ｐ２として規定する場合、信号処理部７により算出される測定面５までの測定距離Ｄは、
Ｄ＝ΔＣ−ΔＡ
＝（ｂ１＋２Ｌ＋ｂ１２’−ｃ２２）−（−ａ２１）
＝２Ｌ＋（ｂ１＋ｂ１２’−ｃ２２＋ａ２１）
＝２Ｌ−(−ｂ１−ｂ１２’＋ｃ２２−ａ２１）
＝２Ｌ−(ΔＡ−ΔＢ)
＝Ｌ２−Ｌ１
すなわち、基準点位置Ｐ１からの距離Ｌ１と基準点位置Ｐ１から測定面５まで距離Ｌ２は、
Ｌ１＝(ΔＡ−ΔＢ) 
＝−ａ２１−ｂ１２＋ｃ２２
Ｌ２＝Ｌ２
となり、
ΔＡ＝ΔＢ
であれば、
Ｌ１＝０
であるから、信号処理部７により算出される測定面５までの測定距離Ｄは、
Ｄ＝Ｌ２−Ｌ１
＝２Ｌ
となる。
【０１２４】
すなわち、このレーザ距離計１０Ｄにおける基準光路４Ｄは、ΔＡ＝ΔＢとすることにより、第３の分離光系４４Ｂの位置を基準点位置Ｐ２として規定することができる。
【０１２５】
なお、本発明を適用したレーザ距離計１０Ａ〜１０Ｄにおいて、基準光検出器３は、測定光Ｓ１を第１、第２の測定光Ｓ１１，Ｓ１２に分離する第１の分離光学系４１や基準光Ｓ２を第１、第２の基準光Ｓ２１，Ｓ２２を分離する第２の分離光学系４２に偏光ビームスプリッタを用いる場合には、同一射影成分を抽出するための偏光子を内蔵する。
【０１２６】
そして、第１の分離光学系４１に偏光ビームスプリッタを用いる場合には透過、反射両方の成分が発生するように第１の光源１の偏光を適切な角度に傾ける。また、第２の分離光学系４２に偏光ビームスプリッタを用いる場合には、透過、反射両方の成分が発生するように第２の光源２の偏光を適切な角度に傾ける。第２の分離光学系４２で反射した光が第１の光分離・合波素子４３Ａを透過するように基準光路に波長板のような偏光を調整する素子（例えば、１／２波長板）を挿入することが好ましい。
【０１２７】
また、測定光検出器６は、第２の干渉光学系４４に偏光ビームスプリッタを使用する場合には、同一射影成分を抽出するための偏光子を内蔵する。またその場合には、第２の干渉光学系４４と測定対象の間に偏光を９０度回転させるための光学素子（１／４波長板やファラデー素子）を挿入する必要がある。
【０１２８】
以上説明したレーザ距離計１０Ａ〜１０Ｄは、第１、第２の光源１、２により発生された測定光Ｓ１と基準光Ｓ２が空間伝播する基準光路４Ａ〜４Ｄを備えるものであるが、本発明に係るレーザ距離計は、例えば、図１６に示すレーザ距離計１０Ｅのように、光ファイバケーブルにより基準光路を構成することもできる。
【０１２９】
図１６に示すレーザ距離計１０Ｅは、第１の光源１から出射された測定光Ｓ１が入射される第１の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ１と、第２の光源２から出射された基準光Ｓ２が入射される第２の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ２と、第１の干渉光Ｓ３を基準光検出器３に出射する第３の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ３と第２の干渉光Ｓ４を測定光検出器６に出射する第４の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ４と、第２の測定光Ｓ１２を測定面５に向けて出射する第５の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ５の５つの光カプラを備える。
【０１３０】
このレーザ距離計１０Ｅにおいて、第１の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ１は、２本の光ファイバケーブルＦＢ１、ＦＢ２を介して第３の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ３と第５の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ３に接続されており、第１の光源１から出射された測定光Ｓ１を第１の測定光Ｓ１１と第２の測定光Ｓ１２に分離して出射する第１の分離光学系として機能する。
【０１３１】
この第１の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ１により分離された第１の測定光Ｓ１１は、光ファイバケーブルＦＢ１を介して第３の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ３に伝搬され、また、第２の測定光Ｓ１２は、光ファイバケーブルＦＢ２を介して第５の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ３に伝搬される。
【０１３２】
また、第２の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ２は、２本の光ファイバケーブルＦＢ３、ＦＢ４を介して第３、第４の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ３、ＦＣ４に接続されており、第２の光源２から出射された基準光Ｓ２を第１の基準光Ｓ２１と第２の基準光Ｓ２２に分離して出射する第２の分離光学系として機能する。
【０１３３】
この第２の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ２により分離された第１の基準光Ｓ２１は、光ファイバケーブルＦＢ３を介して第３の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ３に伝搬され、また、第２の基準光Ｓ２２は、光ファイバケーブルＦＢ４を介して第４の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ４に伝搬される。
【０１３４】
第３の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ３は、２本の光ファイバケーブルＦＢ１、ＦＢ３を介して第１、第２の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ１、ＦＣ２に接続されており、第１の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ１により分離された第１の測定光Ｓ１１と第２の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ２により分離された第１の基準光Ｓ２１とを合波し、第１の測定光Ｓ１１と第１の基準光Ｓ２１とを合波するより得られる第１の干渉光Ｓ３を基準光検出器３に入射させる第１の干渉光学系として機能する。
【０１３５】
第５の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ５は、２本の光ファイバケーブルＦＢ２、ＦＢ５を介して第１、第４の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ１、ＦＣ４に接続されおり、第１の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ１により分離された第２の測定光Ｓ１２を測定面５に向けて出射して、測定面５に照射した第２の測定光Ｓ１２が測定面５により反射された反射光Ｓ１２’として戻されることにより、入射された反射光Ｓ１２’を光ファイバケーブルＦＢ５を介して第４の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ４に入射させる第３の分離光学系として機能する。
【０１３６】
このレーザ距離計１０Ｅでは、第３の分離光学系として機能する第５の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ５と測定対象の測定面５との間にコリメータ８が挿入されており、第５の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ５から出射された第２の測定光Ｓ１２は、コリメータ８を介して測定面５に照射され、測定面５により反射された反射光１２’がコリメータ８を介して第５の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ５に戻されるようになっている。
【０１３７】
なお、第５の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＢ５は、光サーキュレータに置き換えることができる。
【０１３８】
そして、第４の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ４は、２本の光ファイバケーブルＦＢ４、ＦＢ５を介して第２、第５の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ２、ＦＣ５に接続されおり、第２の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ２から光ファイバケーブルＦＢ４を介して入射される第２の基準光Ｓ２２と第５の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ５から光ファイバケーブルＦＢ５を介して入射される第２の測定光Ｓ１２の反射光Ｓ１２’とを合波し、
第２の測定光Ｓ１２の反射光Ｓ１２’と第２の基準光Ｓ２２と合波することにより得られる第２の干渉光Ｓ４を測定光検出器６に入射させる第２の干渉光学系として機能する。
【０１３９】
このレーザ距離計１Ｅにおける基準光路４Ｅを構成している各光路の光路長を図１７のブロック図に示すように、第１の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ１により分岐された第１の測定光Ｓ１１が第１の光ファイバケーブルＦＢ１を介して第２の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ２まで伝搬される光路長ａ１１の光路と、第２の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ２により分岐された第１の基準光Ｓ２１が第２の光ファイバケーブルＦＢ２を介して第３の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ３まで伝搬される光路長ａ２１の光路と、第１の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ１により分岐された第２の測定光Ｓ１２が第３の光ファイバケーブルＦＢ３を介して第５の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ５まで伝搬される光路長ａ１２の光路と、第２の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ２により分岐された第２の基準光Ｓ２２が第４の光ファイバケーブルＦＢ４を介して第４の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ４まで伝搬される光路長ａ２２の光路と、第５の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ５に入射された測定面５による第２の基準光Ｓ２２の反射光Ｓ２２’が第５の光ファイバケーブルＦＢ５を介して第４の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ４まで伝搬される光路長ａ２２’の光路とにより、基準光路４Ｅが構成されている。
【０１４０】
すなわち、このレーザ距離計１０Ｅにおいて、基準光検出器３では、第１の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ１から第１の光ファイバケーブルＦＢ１を介して第２の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ１３に伝搬される第１の測定光Ｓ１１の光路の光路長ａ１１と、第２の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ２から第３の光ファイバケーブルＦＢ３を介して第２の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ２に伝搬される第１の基準光Ｓ２１の光路の光学的光路長ａ２１との光路長差ΔＡ
ΔＡ＝ａ２１−ａ１１
に対応する時間差ΔＴ１
ΔＴ１＝ΔＡ／ｃ
が与えられた第１の測定光Ｓ１１と第１の基準光Ｓ２１の干渉光Ｓ３を検出している。
【０１４１】
また、第１の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ１により分離された第２の測定光Ｓ１２が測定面５に照射されて測定面５により反射された反射光Ｓ１２’として第４の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ４に伝搬されるまでの光路の光路長Ｌｓは、第１の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ１から第３の光ファイバケーブルＦＢ３を介して第５の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ５に伝搬される第２の測定光Ｓ１２の光路の光路長ｂ１と、第５の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ５を介して第２の測定光Ｓ１２が測定面５に照射されて測定面５により反射された反射光Ｓ１２’として第５の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ１５に入射されるまでの光路、すなわち、第５の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ５Ａから測定面５までの距離Ｌを往復する光路の光路長２Ｌと、第５の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ５から第５の光ファイバケーブルＦＢ５を介して第４の５分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ４に伝搬される反射光Ｓ１２’の光路の光路長ｂ１２’との和として、
Ｌｓ＝ｂ１＋２Ｌ＋ｂ１２’
にて示される。すなわち、第２の測定光Ｓ１２と反射光Ｓ１２’が基準光路４Ｅ内を通過する光路長ｂ１２は、
ｂ１２＝ｂ１＋ｂ１２’
であり、第２の基準光Ｓ２２が基準光路４Ｅ内を通過する光路長ｃ２２との光路長差ΔＢは、
ΔＢ＝ｂ１２−ｃ２２
である。
【０１４２】
そして、第２の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ２から第４の光ファイバケーブルＦＢ４を介して第４の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ４に伝搬される第２の基準光Ｓ２２の光路の光路長ｃ２２との光路長差ΔＣは、
ΔＣ＝Ｌｓ−ｃ２２
＝ｂ１＋２Ｌ＋ｂ１２’−ｃ２２
＝ｂ１２＋２Ｌ−ｃ２２
となる。
【０１４３】
したがって、測定光検出器６では、光路長差ΔＣ＝ｂ１２＋２Ｌ−ｃ１２に対応する時間差ΔＴ２
ΔＴ２＝ΔＣ／ｃ
が与えられた第２の測定光Ｓ１２’と第２の基準光Ｓ２２の干渉光Ｓ４を検出している。
【０１４４】
そして、このレーザ距離計１０Ｅにおいて、基準光検出器３による干渉光Ｓ３の検出出力として得られる干渉信号ｆｂ１に含まれる第１の測定光Ｓ１１と第１の基準光Ｓ２１との時間差ΔＴ１
ΔＴ１＝ΔＡ／ｃ
と、測定光検出器６による干渉光Ｓ４の検出出力として得られるにより検出された干渉信号ｆｂ２の時間差に含まれる第２の測定光Ｓ１２と第２の基準光Ｓ２２との時間差ΔＴ２
ΔＴ２＝ΔＣ／ｃ
から信号処理部７により求められる計測距離Ｄは、
Ｄ＝（ΔＴ２−ΔＴ１）・ｃ
＝２Ｌ−（ΔＡ−ΔＢ）
であり、基準光路４Ｅは、第１の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ１により分離された第２の測定光Ｓ１２が通過する光路上の任意の基準点位置Ｐ（例えばＰ１，Ｐ２）からの光路長Ｌ１
Ｌ１＝ΔＡ−ΔＢ
を規定することにより、計測距離Ｄとして、基準点位置Ｐから測定面５までの距離Ｌ２と基準点位置Ｐからの距離Ｌ１との差分の距離（Ｌ２−Ｌ１）を得ることができるようにしている。
【０１４５】
すなわち、このレーザ距離計１０Ｅにおいて、基準光路５Ｅは、例えば、第３の光カプラＦＣ３に入射される第１の測定光Ｓ１１が通過する光路長ａ１１と第１の基準光Ｓ２１が通過する光路長ａ２１との光路長差ΔＡ
ΔＡ＝ａ１１−ａ２１
と、測定面５による反射光Ｓ１２’として第４の光カプラＦＣ４に入射される上記第２の測定光Ｓ１２が通過する光路長（ｂ１＋ｂ１２’）と上記第４の光カプラＦＣ４に入射される第２の基準光Ｓ２２が通過する光路長ｃ２２との光路長差ΔＢ
ΔＢ＝ｂ１＋ｂ１２’−ｃ２２
との差分の光路長ΔＡ−ΔＢ
ΔＡ−ΔＢ＝（ａ１１−ａ２１）−（ｂ１＋ｂ１２’−ｃ２２）
に基づき、基準点位置Ｐ１からの距離Ｌ１を、
Ｌ１＝−ｂ１＋（ΔＡ−ΔＢ）
とすることにより、第１の光カプラＦＣ１の位置に上記基準点位置Ｐ１を規定することができる。
【０１４６】
この場合、信号処理部７により算出される測定面５までの測定距離Ｄは、
Ｄ＝（ΔＣ−ΔＡ）
＝（ｂ１＋２Ｌ＋ｂ１２’−ｃ２２）−（−ａ２１））
＝２Ｌ＋ｂ１＋（ｂ１＋ｂ１２’−ｃ２２＋ａ２１）−ｂ１
＝２Ｌ＋ｂ１−(−ｂ１−ｂ１２’＋ｃ２２−ａ２１）−ｂ１
＝２Ｌ＋ｂ１−（(ΔＡ−ΔＢ)＋ｂ１）
＝Ｌ２−Ｌ１
であるから、基準点位置Ｐ１からの距離Ｌ１と基準点位置Ｐ１から測定面５まで距離Ｌ２は、
Ｌ１＝(ΔＡ−ΔＢ)＋ｂ１
＝(−ｂ１−ｂ１２’＋ｃ２２−ａ２１）＋ｂ１
＝−ｂ１−ｂ１２’＋ｃ２２−ａ２１＋２ｂ１
＝ｃ２２＋ｂ１−ｂ１２’−ａ２１
Ｌ２＝２Ｌ＋ｂ１
となる。
【０１４７】
また、信号処理部７により算出される測定面５までの測定距離Ｄは、
Ｄ＝（ΔＣ−ΔＡ）
＝（ｂ１＋２Ｌ＋ｂ１２’−ｃ２２）−（−ａ２１）
＝２Ｌ＋（ｂ１＋ｂ１２’−ｃ２２＋ａ２１）
＝２Ｌ−（ΔＡ−ΔＢ）
＝Ｌ２−Ｌ１
であるから、基準光路４Ｅは、
ΔＡ＝ΔＢ
として、第５の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ５の位置を基準点位置Ｐ２に規定することにより、
Ｌ１＝ΔＡ−ΔＢ
＝０
Ｌ２＝２Ｌ
となる。
【０１４８】
このレーザ距離計１０Ｅでは、コリメータ８までの全てを光ファイバケーブルで構成することで、製造が量産部品のファイバケーブル融着で可能になり、製造コスト削減が可能になる。
【０１４９】
なお、コリメータ８内部の反射が測定に影響することがあるので、第５の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ５に偏光ビームスプリッタを用い、また、コリメータ８の外部に１／４波長板又はファラデーローテータを配設して、コリメータ８への入力の偏光と戻り光の偏光を直交させ、コリメータ８内のレンズ等による内部反射の測定への影響を減少させることが望ましい。
【０１５０】
また、また、このレーザ距離計１０Ｅでは、基準光路４Ｅを構成している光ファイバケーブルＦＣ１〜ＦＣ５の光路長を
ｃ２２−（ａ２１−ａ１１）>ｂ１２
とすることにより、基準点位置Ｐを第５の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ５よりも測定面５側に位置させることができる。
【０１５１】
例えば、図１８に示すレーザ距離計１０Ｆのように、第２の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ２から第２の基準光Ｓ２２を遅延光ファイバケーブルＦＢ４’を介して第４の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ４すなわち第２の干渉光学系に伝搬させるようにして、例えば、基準光路４Ｆの光路長を
ｃ２２−（ａ２１−ａ１１)−ｂ１２＝２Ｌ
とすることにより、基準点位置Ｐを測定対象上に持ってくることができる。
【０１５２】
このレーザ距離計１０Ｆでは、第１の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ１から第３の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ３までの光学距離ａ１１と第２の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ２から第３の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ３までの光学距離ａ２１の距離差ΔＡは、ΔＡ＝ａ１１−ａ２１、であり、第２の測定光Ｓ１２と反射光Ｓ１２’が基準光路４Ｅ内を通過する光路長ｂ１２＝ｂ１＋ｂ１２’と第２の基準光Ｓ２２が基準光路４Ｅ内を通過する光路長ｃ２２との光路長差ΔＢは、ΔＢ＝ｂ１２−ｃ２２であるから、例えば、第５の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ５の位置を基準点位置Ｐ２として基準光路４Ｆにより規定し、基準点位置Ｐ２からの光路長Ｌ１
Ｌ１＝（ΔＡ−ΔＢ）
＝（ａ１１−ａ２１）−（ｂ１２−ｃ２２）
が、第５の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ５の位置を基準点位置Ｐ２として基準点位置Ｐ２からコリメータ８の位置までの光学距離Ｌｃの２倍の光路長２Ｌｃに等しいものとした基準光路４Ｆを有するものとすることにより、
演算処理部７により求める測定距離Ｄ＝Ｌ２−Ｌ１は、
Ｌ１＝２Ｌｃ
Ｌ２＝２Ｌ
であるから、
Ｄ＝２Ｌ−２Ｌｃ
となる。
【０１５３】
すなわち、このレーザ距離計１０Ｆでは、基準点位置Ｐ２からコリメータ８の位置までの光学距離Ｌｃに等しい基準点位置Ｐ２からの光路長Ｌ１の基準光路４Ｅにより、コリメータ８の位置すなわち基準点位置Ｐ２から光路長Ｌ１を規定して、測定面５までの測定距離Ｄを
Ｄ＝Ｌ２−Ｌ１
＝２Ｌ−２Ｌｃ
を演算処理部７により求めることができる。
【０１５４】
なお、測定距離Ｄ＝２Ｌ−２Ｌｃの値は、測定光Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１２’、基準光Ｓ２１、Ｓ２２が基準光路４Ｆを通過する経路の複雑さから、測定対象がコリメータ８の近傍であっても数ｍになることがある。この時、光ファイバケーブルの熱的屈折率変化で距離は変化してしまうが、第２の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ２と第４の２分岐光ファイバケーブルカプラＦＣ４との間を接続している第４の光ファイバケーブルとして遅延光ファイバケーブルＦＢ４’を挿入して、基準点位置Ｐをコリメータ８近傍にすることで、熱的不安定化は最小となる。また、基準光路４Ｅ、４Ｆを構成している光ファイバケーブルＦＢ１〜ＦＢ５，ＦＢ’を熱的結合させることはより安定になる。また基準点位置Ｐを位置測定対象近傍にすることで、第１、第２の光源１、２に線幅の狭いレーザ光源を使用しなくても、ばらつきの少ない計測が可能になる。
【０１５５】
また、本発明に係るレーザ距離計を使用して、例えば、図１９に示すような光学的三次元形状測定機２００を構成することができる。
【０１５６】
この光学的三次元形状測定機２００は、本発明に係るレーザ距離計１０における測定光Ｓ２で対象物体２５０を走査する光学スキャン装置２２０と、レーザ距離計１０の基準光検出器３と測定光検出器６の各検出出力に基づいて、対象物体２５０の複数の点までの絶対距離を計測して立体像を得る信号処理装置２３０を備える。
【０１５７】
この光学的三次元形状測定機２００では、レーザ距離計１１０からの測定光Ｓ２が光学スキャン装置２２０から対象物体２５０に向けて照射され、対象物体２５０からの反射光がレーザ距離計１０に戻り、物体表面までの絶対距離が信号処理装置２３０により計測される。信号処理装置２３０は、光学スキャン装置２２０を制御してレーザービームを走査すると同時にレーザ距離計１１０が計測する絶対距離情報を取得して、ビーム照射位置とその場所まで絶対距離を複数の点について蓄積することにより非接触で物体の三次元形状を測定する。
【０１５８】
なお、光学スキャン装置２２０により光ビームを走査する代わりに対象物体２５０を移動させてもよい。
【符号の説明】
【０１５９】
１  第１の光源、２  第２の光源、３  基準光検出器、４Ａ〜４Ｆ  基準光路、５  測定面、６  測定光検出器、７  信号処理部、４１  第１の分離光学系、４１Ａ  第１の全反射光学系、４２  第２の分離光学系、４２Ａ  第２の全反射光学系、４３  第１の干渉光学系、４３Ａ  第１の光分離・合波素子、４４  第２の干渉光学系、４４Ａ  第２の光分離・合波素子、４４Ｂ  第３の分離光学系、４５  光路長調整器、ＦＣ１〜ＦＣ５  第１乃至第５の光ファイバケーブルカプラ、ＦＢ１〜ＦＢ５  第１乃至第５の光ファイバケーブル、ＦＢ４’  遅延光ファイバケーブル
【図１】
2020012641.tif 000013
【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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