(57)【要約】  本開示は、高精度に対象物体の距離を計測することを可能とするによる距離計測装置について開示する。当該距離計測装置は、波長が異なる複数の光を出射する光源部と、出射された光を計測対象に照射する照射光学素子と、計測対象で反射した光を受光する受光部と、受光素子が検出した信号から光源から計測対象までの距離を算出するプロセッサと、を備える。そして、当該プロセッサは、受光部が検出した信号からそれぞれの波長に対応したピーク周波数を算出する周波数算出処理と、それぞれの波長に対応したピーク周波数から計測対象が振動することで生じるドップラーシフト誤差を低減し、距離を算出する距離算出処理と、を実行する（図５）。
2017187510.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から計測対象までの距離を計測する距離計測装置であって、
波長が異なる複数の出射光を出射する光源部と、
前記出射光を前記計測対象に照射する照射光学素子と、
前記出射光が前記計測対象で反射した反射光を受光する受光部と、
前記受光部が検出した信号を用いて前記光源から前記計測対象までの距離を算出するプロセッサと、を備え、
前記プロセッサは、
前記信号に基づいてそれぞれの波長に対応したピーク周波数を算出する周波数算出処理と、
それぞれの前記ピーク周波数に基づいて前記計測対象が振動することで生じるドップラーシフト誤差を低減し、前記距離を算出する距離算出処理と、
を実行する、距離計測装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記光源部から出射された前記複数の出射光は、出射直後は光軸が異なり、
さらに、前記複数の出射光を合波して同軸光とする合波光学素子を備え、
前記同軸光が前記計測対象に照射される、距離計測装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記合波光学素子は、ＷＤＭカップラ或いはダイクロイックミラーによって構成される、距離計測装置。
【請求項４】
請求項２において、
前記同軸光を分岐させる分岐光学素子と、
参照ミラーと、をさらに備え、
前記分岐光学素子によって分岐された光の一部が、前記参照ミラーに導光され、
前記参照ミラーに導光される光以外の光が、前記照射光学素子に導光される、距離計測装置。
【請求項５】
請求項４において、
前記分岐光学素子は、ファイバカップラであり、
前記照射光学素子は、コリメータレンズである、距離計測装置。
【請求項６】
請求項１において、
前記受光部は、前記計測対象で反射した光を、前記出射光の波長に応じて受光する、距離計測装置。
【請求項７】
請求項１において、
前記光源部は、前記波長が異なる複数の出射光の周波数掃引周期が所定周期ずれるように前記複数の出射光を光周波数掃引して出力する、距離計測装置。
【請求項８】
請求項１において、さらに、
前記光源部における光周波数掃引の非線形性に起因する誤差を低減する校正用干渉計を備える、距離計測装置。
【請求項９】
請求項１において、さらに、
前記光源部から出射された出射光の一部から前記光源部の注入電流を制御するための信号を生成し、当該信号を前記光源部にフィードバックするフィードバック機構を備える、距離計測装置。
【請求項１０】
請求項４において、
前記光源部は、変調周期Ｔで変調され、かつ周波数掃引幅Δνで送信された、波長ν１の第１光と波長ν２の第２光を出射し、
前記参照ミラーは前記第１光と前記第２光のそれぞれについて参照光を生成し、
前記参照光と前記計測対象で反射した光との時間差をΔｔ、前記第１光のドップラーシフト量をΔｆ１、前記第２光のドップラーシフト量をΔｆ２、ビート周波数をｆbeatとすると、
前記プロセッサは、下記式に基づいて、前記ドップラーシフト誤差を低減し、距離Ｌを算出する、距離計測装置。
2017187510.tif 000013
【請求項１１】
請求項１に記載の距離計測装置と、
前記距離計測装置からの光のフォーカスを形状計測対象に合わせるフォーカスレンズと、
前記フォーカスが調整された光を前記形状計測対象の上で走査するためのミラーと、を備え、
前記プロセッサは、前記距離計測装置によって計測された前記光源部から前記形状計測対象までの距離と、前記フォーカスが調整された光の走査角度とを用いて、前記形状計測対象の３次元形状を計測し、３次元形状計測結果を出力する、形状計測装置。
【請求項１２】
光源から計測対象までの距離を計測する距離計測方法であって、
波長の異なる複数の出射光を出射することと、
前記出射光を前記計測対象に照射することと、
前記計測対象で反射した反射光を受光することと、
前記反射光を受光することにより得られる信号に基づいてそれぞれの波長に対応したピーク周波数を算出することと、
それぞれの前記ピーク周波数に基づいて、前記計測対象が振動することで生じるドップラーシフト誤差を低減し、前記距離を算出することと、
を含む距離計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、距離計測装置、距離計測方法、及び形状計測装置に関し、例えば、光源から計測対象までの距離を非接触に測定するための技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
計測対象までの距離を非接触に計測する方法としてＦＭＣＷ(Frequency Modulated Continuous Waves)方式が知られている。ＦＭＣＷ方式を使った距離測定の例として特許文献１或いは２に記載の技術が挙げられる。特許文献１は、測定用の光源から射出された光を２分岐し、光周波数掃引周期を互いに半周期ずらして対象に照射し、計測対象が振動することで生じるドップラーシフトによる距離誤差を低減することを開示している。また、特許文献２は、偏光が互いに直交する光源を２つ設けて、光周波数掃引周期を互いに半周期ずらして対象に照射し、計測対象が振動することで生じるドップラーシフトによる距離誤差を低減することを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−２５７４１５号公報
【特許文献２】特表２００８−５３１９９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図１は、ＦＭＣＷ方式の一構成例を示す図である。図１によれば、半導体レーザ１０１に対して発振機（信号発生器）１０２から三角波電流を注入し、駆動電流を変調すると、一定の変調速度で時間的に周波数掃引されたＦＭ光が発生する。そのＦＭ光をビームスプリッター２０２で分割し、出力光の一部を計測対象１１０に照射し、一部を参照ミラー２０１で反射させる。計測対象からの戻り光と参照光の干渉光を受光器２０３にて検出し、検出されるビート信号をＰＣ１１４にて解析し、モニター（画面）１１５に表示させる。
図２は、受光器で観測されるビート信号３０１の例を示す図である。図２において、グラフ横軸は観測されるビート周波数であり、縦軸が信号強度である。【０００５】
図３は、距離計測原理を示す図である。参照光４０１と測定光４０２の受光器における光周波数の時間変化を示しており、グラフ横軸は時間であり、縦軸は光周波数である。ビート周波数ｆｂ、参照光４０１と測定光４０２の受光器への到着時間の差Δｔ、周波数掃引幅Δν、変調周期Ｔには式（１）の関係があることがわかる。【０００６】
【数１】
2017187510.tif 000003
よって、計測対象までの距離Ｌは、大気中の光速度ｃを用いると、式（２）のように表すことができる。【０００７】
【数２】
2017187510.tif 000004
しかしながら、ＦＭＣＷ方式を用いる場合、計測対象が振動し、式（３）で示されるようなドップラーシフトが生じる。【０００８】
【数３】
2017187510.tif 000005
【０００９】
ここで、νは照射レーザの周波数、Ｖは対象の振動速度、ｃは光速、θは照射レーザと対象の振動方向のなす角をそれぞれ示している。対象の振動方向が照射レーザと同一方向のとき、つまりθ＝０のとき、ドップラーシフトによる距離誤差は、式（１）および式（２）から式（４）のようになる。【００１０】
【数４】
2017187510.tif 000006
式（４）によれば、対象の速度に比例した距離誤差が得られる。【００１１】
これに対し、従来からドップラーシフトによる距離誤差を低減する方法が考えられている。図４は、ドップラーシフトによる距離誤差を低減する従来の方法を示す図である。図４に示されるように、周波数掃引の上り領域（時間０〜Ｔ）と下り領域（時間Ｔ〜２Ｔ）でドップラーシフトを受ける向きが逆になる。このため、式（５）のように、上り領域で求めたビート周波数と下り領域で求めたビート周波数からドップラーシフトの影響を排除して正確な距離を求めることが可能となる。【００１２】
【数５】
2017187510.tif 000007
【００１３】
しかしながら、対象の振動周波数がレーザの周波数掃引周期と同等である場合、上り領域と下り領域でドップラーシフト量が等しくならないため、誤差が残ってしまう。このような課題に対して、特許文献１では、測定用の光源から照射された光を２分岐し、周波数掃引周期の位相を半周期ずらした２つの光を同時に対象に照射するようにしている。これにより、周波数掃引の上り領域と下り領域の光が同時に照射され、対象の振動周波数によらずドップラーシフトによる距離誤差を低減している。ところが、通常周波数掃引周期は１ｋＨｚ程度であり、位相を半周期ずらすためには２分岐した光の光路差を１００ｋｍ程度とる必要がある。つまり、光ファイバで光路差を設けるならば、１００ｋｍの長さの光ファイバが必要となる。これでは装置規模が大き過ぎて使い勝手が良くない。【００１４】
また、特許文献２では、周波数掃引周期の位相を半周期ずらした偏光の直交する２つの光源を設け、偏光ビームスプリッターで合波し、計測対象に照射し、計測対象からの散乱光を再び偏光ビームスプリッターで分離して検出し、それぞれのビート周波数から式（５）によりドップラーシフトによる距離誤差を低減する。ところが、対象により偏光が乱された場合、散乱光を検出できない可能性がある。
本開示はこのような状況に鑑みてなされたものであり、高精度に対象物体の距離を計測することを可能とする技術を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するために、例えば請求の範囲に記載の構成を採用する。本開示は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、光源から計測対象までの距離を計測する距離計測装置であって、波長が異なる複数の光を出射する光源部と、出射された光を計測対象に照射する照射光学素子と、計測対象で反射した光を受光する受光部と、受光素子が検出した信号から光源から計測対象までの距離を算出するプロセッサと、を備える。そして、当該プロセッサは、受光部が検出した信号からそれぞれの波長に対応したピーク周波数を算出する周波数算出処理と、それぞれの波長に対応したピーク周波数から計測対象が振動することで生じるドップラーシフト誤差を低減し、距離を算出する距離算出処理と、を実行する。【００１６】
本開示に関連する更なる特徴は、本明細書の記述、添付図面から明らかになるものである。また、本開示の態様は、要素及び多様な要素の組み合わせ及び以降の詳細な記述と添付される請求の範囲の様態により達成され実現される。
本明細書の記述は典型的な例示に過ぎず、本開示の請求の範囲又は適用例を如何なる意味に於いても限定するものではないことを理解する必要がある。
【発明の効果】
【００１７】
本開示の距離計測装置によれば、高精度に対象物体の距離を計測することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】ＦＭＣＷ方式の一構成例を示す図である。
【図２】受光器で観測されるビート信号３０１の例を示す図である。
【図３】距離計測原理を示す図である。
【図４】ドップラーシフトによる距離誤差を低減する従来の方法を示す図である。
【図５】本開示の第１の実施形態による距離計測装置１の概略構成を示す図である。
【図６】第１の実施形態による距離計測装置において検出される信号（検出信号）の例を示す図である。
【図７】検出信号から距離を算出する処理（距離算出処理）を説明するためのフローチャートである。
【図８】第２の実施形態による距離計測装置２の概略構成例を示す図である。
【図９】第３の実施形態による距離計測装置３の概略構成例を示す図である。
【図１０】フィードバック機構９０２の内部構成例を示す図である。
【図１１】第４の実施形態による距離計測装置４の概略構成例を示す図である。
【図１２】受光器１１０９で検出されたビート周波数の例を示す図である。
【図１３】検出信号から距離を算出する処理（距離算出処理）を説明するためのフローチャートである。
【図１４】第５の実施形態による距離計測装置５の概略構成例を示す図である。
【図１５】第６の実施形態による距離計測装置６の概略構成例を示す図である。
【図１６】第７の実施形態による形状測定装置７であって、第１乃至第６の実施形態の何れか距離計測装置を備える装置の概略構成例を示す図である。
【図１７】第７の実施形態による形状計測処理を説明するためのフローチャートである。
【図１８】第８の実施形態による内径計測装置８であって、第１乃至第６の実施形態の何れか距離計測装置を備える装置の概略構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本開示の実施形態は、距離計測装置の規模を小さくし、高精度に対象物体の距離を計測することを可能にする技術について開示する。
【００２０】
本実施形態による距離計測装置は、受光部が検出した信号から光源部が発するそれぞれの波長の光に対応したピーク周波数を算出する周波数算出処理と、それぞれの波長の光に対応したピーク周波数から計測対象が振動することで生じるドップラーシフト誤差を低減し、距離を算出する距離算出処理と、を実行する。
また、距離計測装置の光源部は、波長が異なる複数の光の周波数掃引周期が所定周期ずれるように複数の光を光周波数掃引して出力するように構成されている。
本実施形態では、さらに具体的に、下記式に基づいてドップラーシフト誤差を低減し、距離Ｌを算出することができる。
【００２１】
2017187510.tif 000008
ここで、Ｔは変調周期、Δνは周波数掃引幅、ν１及びν２は波長（２つの光を用いる場合）を表している。また、Δｔは参照光と計測対象で反射した光との時間差、Δｆ１及びΔｆ２は、それぞれの光のドップラーシフト量、ｆbeatはビート周波数を表している。
【００２２】
以下、添付図面を参照して本開示の実施形態について説明する。添付図面では、機能的に同じ要素は同じ番号で表示される場合もある。なお、添付図面は本開示の原理に則った具体的な実施形態と実装例を示しているが、これらは本開示の理解のためのものであり、決して本開示を限定的に解釈するために用いられるものではない。
【００２３】
本実施形態では、当業者が本開示を実施するのに十分詳細にその説明がなされているが、他の実装・形態も可能で、本開示の技術的思想の範囲と精神を逸脱することなく構成・構造の変更や多様な要素の置き換えが可能であることを理解する必要がある。従って、以降の記述をこれに限定して解釈してはならない。
【００２４】
（１）第１の実施形態
＜距離計測装置の構成＞
図５は、本開示の第１の実施形態による距離計測装置１の概略構成を示す図である。距離計測装置１は、半導体レーザ１０１及び１０３と、任意信号発生器１０２及び１０４と、ファイバカップラ１０５と、サーキュレータ１０６と、ファイバカップラ１０７と、参照用ミラー１０８と、コリメータレンズ（例えば、ファイバコリメータ）１０９と、ファイバカップラ１１１と、受光器１１２及び１１３と、コンピュータ（ＰＣ）１１４と、モニター１１５と、を備えている。
【００２５】
ＰＣ１１４は、任意信号発生器１０２に掃引波形信号を送信する。任意信号発生器１０２によって半導体レーザ１０１の駆動電流に変調を掛けることによって、光周波数の掃引を行う。同様に、ＰＣ１１４は、任意信号発生器１０４に掃引波形信号を送信する。任意信号発生器１０４によって半導体レーザ１０３の駆動電流に変調を掛けることによって、光周波数の掃引を行う。ここで、半導体レーザ１０１の周波数をν１とし、半導体レーザ１０３の周波数をν２とし、ν１とν２は周波数が異なる（つまり、レーザ波長が異なる）。
【００２６】
半導体レーザ１０１及び１０３から照射された光は、ファイバカップラ１０５によって合波される。合波された光は、サーキュレータ１０６を通過し、ファイバカップラ１０７によって分岐される。分岐された光の一部は、参照用ミラー１０８によって反射され参照光となる。分岐された光の残りの大部分は、コリメータレンズ１０９により空間に照射され、計測対象（測定対象ともいう）１１０に照射される。計測対象１１０から反射した光は再びコリメータレンズ１０９を通過して、参照用ミラー１０８からの参照光とファイバカップラ１０７部分で合流した後、サーキュレータ１０６によりファイバカップラ１１１まで導かれ、ファイバカップラ１１１により波長分離される。
【００２７】
波長分離された光は、それぞれ半導体レーザ１０１用の受光器１１２と半導体レーザ１０３用の受光器１１３で検出される。受光器１１２及び１１３はそれぞれ、参照光と測定光の干渉によりビート信号を発生する。
【００２８】
＜検出信号例及び距離算出処理＞
図６は、第１の実施形態による距離計測装置において検出される信号（検出信号）の例を示す図である。
【００２９】
図６に示されるように、半導体レーザ１０１の光周波数掃引の位相と半導体レーザ１０３の光周波数掃引の位相とは半周期ずれているため、ドップラーシフトの影響は逆に受ける。そこで、掃引の上り領域と下り領域の信号をそれぞれ用いることでドップラーシフトの影響をキャンセルする。
【００３０】
図７は、検出信号から距離を算出する処理（距離算出処理）を説明するためのフローチャートである。当該距離算出処理は、コンピュータ１１４が備えるプロセッサ（ＣＰＵやＭＰＵ）によって実行される。より具体的には、図７による距離算出処理を実行するためのプログラム（距離算出プログラム）がコンピュータ１１４のメモリ（図示せず）に格納されており、プロセッサが当該メモリから距離算出プログラムを読み込んで実行することになる。以下では、コンピュータ１１４のプロセッサ（以下、単に「プロセッサ」と称する）を動作主体として説明する。
【００３１】
（i）ステップ７０１
プロセッサは、受光器１１２で検出した信号をＡ／Ｄ変換してデジタル信号を取得する。
【００３２】
（ii）ステップ７０２
プロセッサは、デジタル検出信号において、周波数掃引の上り領域の信号の切り出しを行う。
【００３３】
（iii）ステップ７０３
プロセッサは、ステップ７０２で切り出した信号をＦＦＴ処理する。
【００３４】
（iv）ステップ７０４
プロセッサは、ステップ７０３でＦＦＴ処理された信号からピーク周波数を検出する。
【００３５】
（v）ステップ７０５
同様に、プロセッサは、受光器１１３で検出した信号をＡ／Ｄ変換してデジタル信号を取得する。
【００３６】
（vi）ステップ７０６
プロセッサは、デジタル検出信号において、周波数掃引の上り領域の信号の切り出しを行う。
【００３７】
（vii）ステップ７０７
プロセッサは、ステップ７０６で切り出した信号をＦＦＴ処理する。
【００３８】
（ix）ステップ７０８
プロセッサは、ステップ７０７でＦＦＴ処理された信号からピーク周波数を検出する。
【００３９】
（x）ステップ７０９
プロセッサは、ステップ７０４及び７０８で得られたピーク周波数からドップラーシフトを除去し、正確な距離を算出する。
ステップ７０９の処理詳細は次のようになる。計測対象が振動した場合、半導体レーザ１０１が受けるドップラーシフト量は式（６）で表される。
【００４０】
【数６】
2017187510.tif 000009
また、半導体レーザ１０３が受けるドップラーシフト量は式（７）で表される。
【００４１】
【数７】
2017187510.tif 000010
【００４２】
式（６）と式（７）を比較すると、レーザの波長ν１とν２が異なるため、ドップラーシフト量Δｆ１とΔｆ２も異なる。よって、式（５）をそのまま用いて距離を算出しようとした場合、誤差が生じる。
そこで、式（８）を用いることで誤差なく正確な距離を求めることが可能となる。
【００４３】
【数８】
2017187510.tif 000011
以上のようにして、ドップラーシフトによる距離誤差が除去された、計測対象までの距離を算出することができるようになる。
【００４４】
なお、図７では、ステップ７０１〜７０４の処理とステップ７０５〜７０８の処理は並列で行われているように示されているが、各ステップの実行順序は任意に設定することが可能である。
【００４５】
（２）第２の実施形態
上述の式（２）から距離Ｌを精度良く測定するためには、ビート周波数ｆｂが変調周期Ｔの間、一定である必要がある。しかし、半導体レーザの特性として注入電流の変化量に対して光周波数の変化量は非線形であるため、計測精度が劣化するという課題がある。そこで、第２の実施形態では、一定の光路差を有する参照用の干渉計を用いて補正を行う、距離計測装置について提案する。
【００４６】
＜距離計測装置の構成＞
図８は、第２の実施形態による距離計測装置２の概略構成例を示す図である。図８の距離計測装置２は、図５の距離計測装置１と大部分において同じ構成を有している。相違点は、半導体レーザから照射した光をファイバカップラによって分岐して一部を参照用の干渉計に導光するところである。
【００４７】
半導体レーザ１０１から照射した光は、ファイバカップラ８０１によって分岐される。分岐された光の一方は、ファイバカップラ８０２に導光される。当該光は、ファイバカップラ８０２によって更に２分岐され、光ファイバ８０３によって一定の光路差を設けた後、再びファイバカップラ８０４によって合波され、受光器８０５に受光されるように構成されている。これはマッハツェンダー干渉計の構成となっており、受光器８０５では光路差に比例した一定のビート信号が発生する。このビート信号をサンプリングクロックとして、受光器１１２で検出した光をサンプリングすることで、非線形な影響を抑制することが可能となる。
【００４８】
同様に、半導体レーザ１０３から照射した光は、ファイバカップラ８０６によって分岐される。分岐された光の一方は、ファイバカップラ８０７に導光される。当該光は、ファイバカップラ８０７によって更に２分岐され、光ファイバ８０８によって一定の光路差を設けた後、再びファイバカップラ８０９によって合波され、受光器８１０に受光されるように構成されている。これはマッハツェンダー干渉計の構成となっており、受光器８１０では光路差に比例した一定のビート信号が発生する。このビート信号をサンプリングクロックとして、受光器１１３で検出した光をサンプリングすることで、非線形な影響を抑制することが可能となる。
そして、第１の実施形態で説明した処理と同様の処理をすることにより、高精度に距離を計測することが可能となる。
【００４９】
（３）第３の実施形態
上述の式（２）から距離Ｌを精度良く測定するためには、ビート周波数ｆｂが変調周期Ｔの間、一定である必要がある。しかし、半導体レーザの特性として注入電流の変化量に対して光周波数の変化量は非線形であるため、計測精度が劣化するという課題がある。そこで、第３の実施形態では、半導体レーザの注入電流を制御してビート周波数を一定にする、距離計測装置について提案する。
【００５０】
＜距離計測装置の構成＞
図９は、第３の実施形態による距離計測装置３の概略構成例を示す図である。図９の距離計測装置３は、図５の距離計測装置１と大部分において同じ構成を有している。相違点は、半導体レーザから照射した光をファイバカップラ９０１によって分岐して、一部を半導体レーザ１０１の注入電流を制御するフィードバック機構に導光することである。
半導体レーザ１０１から照射した光は、ファイバカップラ９０１によって分岐される。分岐された光の一方は、フィードバック機構（フィードバック回路）９０２に導光される。
【００５１】
図１０は、フィードバック機構９０２の内部構成例を示す図である。図１０において、ファイバカップラ９０１からの光は、さらにファイバカップラ１００１によって２分岐され、光ファイバ１００２によって一定の光路差を設けた後、再びファイバカップラ１００３によって合波され、受光器１００４に受光されるように構成されている。これは、マッハツェンダー干渉計の構成となっており、受光器１００４では光路差に比例した一定のビート信号が発生する。このビート信号と信号発振器１００５からの信号をミキサー１００６でミキシングし、差周波数ｏｒ差位相に応じた電流信号をコンバイナー９０３によって任意信号発生器１０２からの電流信号に足されることでビート信号が一定となるように制御される。
【００５２】
同様に、半導体レーザ１０３から照射した光は、ファイバカップラ９０４によって分岐される。分岐された光の一方は、フィードバック機構９０５に導光される。フィードバック機構９０５は、フィードバック機構９０２（図１０参照）と同一の構成を有しており、出力される電流信号をコンバイナー９０６によって任意信号発生器１０４からの電流信号に足されることでビート信号が一定となるように制御する。
【００５３】
このように、線形に周波数掃引された２つの光源を用い、さらに第１の実施形態で説明した処理と同様の処理をすることにより、高精度に距離を計測することが可能となる。
【００５４】
（４）第４の実施形態
＜距離計測装置４の構成＞
図１１は、第４の実施形態による距離計測装置４の概略構成例を示す図である。距離計測装置４においては受光器が１つである点で、受光器を２つ備える距離計測装置１（図５参照）と異なる。
【００５５】
コンピュータ（ＰＣ）１１４は、任意信号発生器１０２に掃引波形信号を送信する。任意信号発生器１０２は、半導体レーザ１０１の駆動電流に変調を掛けることによって、光周波数の掃引を行う。レーザから射出された光は、サーキュレータ１１０１を通過し、ファイバカップラ１１０２によって分岐され、その一部が参照用ミラー１１０３によって反射され参照光となり、残りの大部分がＷＤＭカップラ１１０４に導光される。
【００５６】
同様に、コンピュータ（ＰＣ）１１４は、任意信号発生器１０４に掃引波形信号を送信する。任意信号発生器１０４は、半導体レーザ１０３の駆動電流に変調をかけることによって、光周波数の掃引を行う。レーザから射出された光は、サーキュレータ１１０５を通過し、ファイバカップラ１１０６によって分岐され、その一部が参照用ミラー１１０７によって反射され参照光となり、残りの大部分がＷＤＭカップラ１１０４に導光される。
【００５７】
ＷＤＭカップラ１１０４で合波された光は、コリメータレンズ（ファイバコリメータ）１０９により空間に照射され、計測対象１１０に照射される。計測対象１１０から反射した光は、再びコリメータレンズ１０９を通過して、ＷＤＭカップラ１１０４まで導かれ、ＷＤＭカップラ１１０４により波長分離される。ＷＤＭカップラ１１０４で波長分離されて得られた一方の光は、再びファイバカップラ１１０２およびサーキュレータ１１０１を通過してＷＤＭカップラ１１０８に導光される。同様に、ＷＤＭカップラ１１０４で波長分離されて得られた他方の光は、再びファイバカップラ１１０６およびサーキュレータ１１０５を通過してＷＤＭカップラ１１０８に導光される。
【００５８】
ＷＤＭカップラ１１０８で合波された光は、受光器１１０９で検出され、参照光と測定光の干渉によりビート信号を発生する。このときファイバカップラ１１０２から参照用ミラー１１０３までの距離とファイバカップラ１１０６から参照用ミラー１１０７までの距離に差を与えることにより、同じ計測対象を測定しても、参照ミラーまでの距離が異なるため、異なる位置にビート信号を発生させることができる。
【００５９】
＜検出信号例及び距離算出処理＞
図１２は、受光器１１０９で検出されたビート周波数の例を示す図である。図１２において、ビート周波数が低いピーク周波数（受光器で検出されるビート信号）１２０１は、計測対象と参照ミラーまでの距離差が小さい半導体レーザ１０１に対応したビート周波数を示す。一方、周波数が高いピーク周波数（受光器で検出されるビート信号）１２０２は、計測対象と参照ミラーまでの距離差が大きい半導体レーザ１０３に対応したビート周波数を示す。これら２つのビート周波数を検出し、上述の式（８）に基づいて計測対象までの距離を正確に求めることができるようになる。
【００６０】
図１３は、検出信号から距離を算出する処理（距離算出処理）を説明するためのフローチャートである。当該距離算出処理は、コンピュータ１１４が備えるプロセッサ（ＣＰＵやＭＰＵ）によって実行される。より具体的には、図７による距離算出処理を実行するためのプログラム（距離算出プログラム）がコンピュータ１１４のメモリ（図示せず）に格納されており、プロセッサが当該メモリから距離算出プログラムを読み込んで実行することになる。以下では、コンピュータ１１４のプロセッサ（以下、単に「プロセッサ」と称する）を動作主体として説明する。
【００６１】
（i）ステップ１３０１
プロセッサは、受光器１１０９で検出した信号をＡ／Ｄ変換してデジタル信号を取得する。
【００６２】
（ii）ステップ１３０２
プロセッサは、ステップ１３０１で得られたデジタル検出信号のうち周波数掃引周期の半周期分の領域の信号の切り出しを行う。
【００６３】
（iii）ステップ１３０３
プロセッサは、ステップ１３０２で切り出した信号をＦＦＴ処理する。
【００６４】
（iv）ステップ１３０４
プロセッサは、ステップ１３０３でＦＦＴ処理された信号から周波数の低い方のピーク周波数を検出する。
【００６５】
（v）ステップ１３０５
プロセッサは、ステップ１３０３でＦＦＴ処理された信号から周波数の高い方のピーク周波数を検出する。なお、ステップ１３０４とステップ１３０５の実行順序は逆であっても良い。
【００６６】
（vi）ステップ１３０６
プロセッサは、ステップ１３０４及びステップ１３０５で検出された２つのピーク周波数から式（８）に基づき、ドップラーシフトを除去することにより、正確な距離を算出することができる。
【００６７】
（５）第５の実施形態
＜距離計測装置の構成＞
図１４は、第５の実施形態による距離計測装置５の概略構成例を示す図である。距離計測装置５では、距離計測装置４と同様に、受光器を１つ備える構成となっている。
【００６８】
コンピュータ（ＰＣ）１１４は、任意信号発生器１０２に掃引波形信号を送信する。任意信号発生器１０２は、半導体レーザ１０１の駆動電流に変調を掛けることによって、光周波数の掃引を行う。
【００６９】
同様に、コンピュータ（ＰＣ）１１４は、任意信号発生器１０４に掃引波形信号を送信する。任意信号発生器１０４は、半導体レーザ１０３の駆動電流に変調を掛けることによって、光周波数の掃引を行う。
【００７０】
半導体レーザ１０１と半導体レーザ１０３から出力された光は、ＷＤＭカップラ１４０１によって合波される。ＷＤＭカップラ１４０１で合波された光は、サーキュレータ１４０２を通過し、ファイバカップラ１４０３によって分岐される。分岐して得られた光の一方は、ＷＤＭカップラ１４０４によってさらに分岐され、半導体レーザ１０１用の参照用ミラー１４０５と半導体レーザ１０３用の参照ミラー１４０６によって反射され参照光となる。
【００７１】
分岐して得られた他方の光（大部分の光）は、コリメータレンズ１０９により空間に照射され、計測対象１１０に照射される。計測対象１１０から反射した光は、再びコリメータレンズ１０９を通過して、参照用ミラー１４０５及び１４０６からの参照光とファイバカップラ１４０３で合波された後、サーキュレータ１４０２を通過する。
【００７２】
サーキュレータ１４０２を通過した光は、受光器１４０７で検出され、参照光と測定光の干渉によりビート信号が発生する。このときＷＤＭカップラ１４０４から参照用ミラー１４０５までの距離とＷＤＭカップラ１４０４から参照用ミラー１４０６までの距離に差を与えることにより、同じ計測対象を測定しても、参照ミラーまでの距離が異なるため、異なる位置にビート信号を発生させることができる。
この後の処理内容は第４の実施形態と同様である。
【００７３】
（６）第６の実施形態
上述の式（２）から距離Ｌを精度良く測定するためには、ビート周波数ｆｂが変調周期Ｔの間、一定である必要がある。しかし、半導体レーザの特性として注入電流の変化量に対して光周波数の変化量は非線形であるため、計測精度が劣化するという課題がある。そこで、第６の実施形態では、一定の光路差を有する参照用の干渉計を用いて補正を行う、距離計測装置について提案する。
【００７４】
＜距離計測装置の構成＞
図１５は、第６の実施形態による距離計測装置６の概略構成例を示す図である。図１５の距離計測装置６は、図１１の距離計測装置４と大部分において同じ構成を有している。相違点は、半導体レーザから照射した光をファイバカップラによって分岐して一部を参照用の干渉計に導光することである。
【００７５】
半導体レーザ１０１から出力された光は、ファイバカップラ１５０１によって分岐される。分岐して得られた一方の光は、ファイバカップファイバラ１５０２に導光され、ファイバカップラ１５０２によって更に２分岐される。ファイバカップラ１５０２でさらに分岐された光の一方は、光ファイバ１５０５に導光される。ファイバカップラ１５０２でさらに分岐された光の他方は、ＷＤＭカップラ１５０３を通過し、光ファイバ１５０６に導光され、一定の光路差が設けられる。その後、光ファイバ１５０５を通過した光は、ＷＤＭカップラ１５０８を通過し、ファイバカップラ１５０９によって合波され、受光器１５１０に受光されるように構成されている。これはマッハツェンダー干渉計の構成となっており、受光器１５１０では光ファイバ１５０５と光ファイバ１５０６の光路差に比例した一定のビート信号が発生する。
【００７６】
同様に、半導体レーザ１０３から出力された光は、ファイバカップラ１５００によって分岐される。分岐して得られた一方の光は、ファイバカップラ１５０４に導光され、ファイバカップラ１５０４によって更に２分岐される。ファイバカップラ１５０４でさらに分岐された光の一方は、光ファイバ１５０７に導光される。ファイバカップラ１５０４でさらに分岐された光の他方は、ＷＤＭカップラ１５０３を通過し、光ファイバ１５０６に導光され、一定の光路差が設けられる。その後、光ファイバ１５０７を通過した光は、ＷＤＭカップラ１５０８を通過し、ファイバカップラ１５０９によって合波され、受光器１５１０に受光されるように構成されている。これはマッハツェンダー干渉計の構成となっており、受光器１５１０では光ファイバ１５０６と光ファイバ１５０７の光路差に比例した一定のビート信号が発生する。
【００７７】
図１５においては、光ファイバ１５０５と光ファイバ１５０７との長さが異なるため、２つのビート信号が発生する。このビート信号のうち周波数の低いビート信号をフィルタによって切り出してサンプリングクロックとして、受光器１１０９で検出した光をサンプリングすることで、非線形な影響を抑制することが可能となる。同様に、受光器１５１０で検出されたビート信号のうち周波数の高いビート信号をフィルタによって切り出してサンプリングクロックとして、受光器１１０９で検出した光をサンプリングすることで、非線形な影響を抑制することが可能となる。
その他の処理内容については第４の実施形態と同様である。
【００７８】
（７）第７の実施形態
第７の実施形態は、第１乃至第６の実施形態による距離計測装置１乃至６の何れかを用いて計測対象の形状を測定するための形状測定装置に関するものである。
【００７９】
＜形状測定装置の構成＞
図１６は、第７の実施形態による形状測定装置７であって、第１乃至第６の実施形態の何れか距離計測装置を備える装置の概略構成例を示す図である。
形状測定装置７は、３Ｄ形状計測部１６０１と、コンピュータ（ＰＣ）１１４と、モニター１１５と、を備えている。
【００８０】
３Ｄ形状計測部１６０１は、計測対象１１０の３Ｄ形状を測定するものであって、第１乃至第６の実施形態の何れかによる距離計測部（距離計測装置）１６０２と、１軸ステージ１６０３と、フォーカスレンズ１６０４と、ガルバノミラー１６０５及び１６０６と、を備える。
【００８１】
フォーカスレンズ１６０４を搭載した１軸ステージ１６０３を駆動することにより、距離計測部１６０２のコリメータレンズ１０９から照射されるレーザ光が計測対象１１０にフォーカス調整される。また、ガルバノミラー１６０５及び１６０６を振ることで、計測対象１１０の測定面をレーザ光で２次元に走査し、当該計測対象１１０の形状が計測される。
【００８２】
＜形状計測処理＞
図１７は、第７の実施形態による形状計測処理を説明するためのフローチャートである。当該形状計測処理は、コンピュータ１１４が備えるプロセッサ（ＣＰＵやＭＰＵ）によって実行される。より具体的には、図１７による形状計測処理を実行するためのプログラム（形状計測プログラム）がコンピュータ１１４のメモリ（図示せず）に格納されており、プロセッサが当該メモリから距離算出プログラムを読み込んで実行することになる。以下では、コンピュータ１１４のプロセッサ（以下、単に「プロセッサ」と称する）を動作主体として説明する。
【００８３】
（i）ステップ１７０１
プロセッサは、入力された指定範囲（例えば、ユーザが計測対象１１０の大きさを参考に入力する）内のある１つの座標点の情報に基づいて、距離計測部１６０２から出力されるレーザの走査角度を調整する。
【００８４】
（ii）ステップ１７０２
プロセッサは、１軸ステージ１６０３を軸方向に動かして計測対象１１０にフォーカスを合わせる（フォーカス調整）。
【００８５】
（iii）ステップ１７０３
プロセッサは、第１乃至第６の実施形態による距離計測装置で説明した処理を実行し、計測対象１１０までの距離を計測する。
【００８６】
（iv）ステップ１７０４
プロセッサは、ステップ１７０１で決定したレーザの走査角度とステップ１７０３で計測された距離とから、計測対象１１０の３Ｄ座標を算出する。
【００８７】
（v）ステップ１７０５
プロセッサは、入力された指定範囲を全て測定したか判定する。全ての指定範囲（全ての座標点）が測定された場合（ステップ１７０５でＹＥＳの場合）、処理はステップ１７０６に移行する。まだ全ての指定範囲が測定されていない場合（ステップ１７０５でＮＯの場合）、処理はステップ１７０１に移行する。
【００８８】
（vi）ステップ１７０６
プロセッサは、指定範囲の全座標点の３Ｄ形状計測結果を出力する。
【００８９】
（８）第８の実施形態
図１８は、第８の実施形態による内径計測装置８であって、第１乃至第６の実施形態の何れか距離計測置を備える装置の概略構成例を示す図である。
【００９０】
内径計測装置８は、内径計測対象１１６の内径を計測する装置であって、第１乃至第６の実施形態の何れかによる距離計測部（距離計測装置）１８０２と、１軸ステージ１８０３と、フォーカスレンズ１８０４と、反射プリズム１８０５と、回転ステージ１８０６と、コンピュータ（ＰＣ）１１４と、モニター１１５と、を備えている。
【００９１】
フォーカスレンズ１８０４を搭載した１軸ステージ１８０３を駆動することにより、距離計測部１８０２のコリメータレンズ１０９から照射されるレーザ光が内径計測対象１１６の内側側面にフォーカス調整される。また、回転ステージ１８０６に搭載した反射プリズム１８０５を回転させながら、レーザ光を反射プリズム１８０５で直角に反射させることにより、内径計測対象１１６の内径を計測することが可能となる。
【００９２】
（９）まとめ
（i）各実施形態では、２つの光源を設けて波長が異なる光を出射するように構成しているが、１つの光源からは波長が異なる光を出射するようにしても良い。従って、半導体レーザ１０１及び１０３と、任意信号発生器１０２及び１０４とを含む構成を「光源部」と称することが可能である。また、波長が異なる光を２つ用いているが、波長が異なる光を３つ以上用いても良い。この場合、光源を３つ以上用いても良いし、光源部から３つ以上の光を発するようにしても良い。
【００９３】
（ii）本実施形態による距離計測装置は、受光部が検出した信号から光源部が発するそれぞれの波長の光に対応したピーク周波数を算出する周波数算出処理と、それぞれの波長の光に対応したピーク周波数から計測対象が振動することで生じるドップラーシフト誤差を低減し、距離を算出する距離算出処理と、を実行する。このようにすることにより、高精度の距離（光源から計測対象までの距離）を計測することが可能となる。
【００９４】
また、距離計測装置の光源部は、波長が異なる複数の光の周波数掃引周期が所定周期ずれるように複数の光を光周波数掃引して出力するように構成されている。このようにすることにより、光路差を設けるために非常に長い（例えば１００ｋｍの長さ）光ファイバを設ける必要がなくなり、距離計測装置の規模を小さくすることが可能となる。
【００９５】
光源部において複数の光源を用いる場合、出射された複数の光は、出射直後は光軸が異なっている。このため、複数の光を合波して同軸の複数の光とする合波光学素子を設け、同軸の複数の光が計測対象に照射されるようにしている。計測対象の同一箇所に対して波長の異なる複数の光を１回の計測で照射することができ、測定のスループットを向上させることができ、さらに、測定誤差を少なくすることが可能となる。なお、合波光学素子としては、例えば、ＷＤＭカップラ或いはダイクロイックミラーを用いることが可能である。
【００９６】
また、合波光学素子から計測対象に至る光路の途中に、同軸の複数の光を分岐させる分岐光学素子を設けている。そして、分岐光学素子によって分岐された光の一部が参照ミラーに導光される。参照ミラーに導光される光以外の光が、照射光学素子に導光され、計測対象に照射される。なお、ここで、分岐光学素子として例えばファイバカップラ、照射光学素子として例えばコリメータレンズをもちいることができる。
【００９７】
また、受光部は、計測対象で反射した光を、出射された光の波長に応じて受光するように構成される。このようにすることにより、波長が異なる光ごとに、参照光と測定光（計測対象からの反射光）との干渉によるビート信号を発生することができるようになる。
【００９８】
また、本開示の距離計測装置は、光源部における光周波数掃引の非線形性に起因する誤差を低減する校正用干渉計を備えるようにしても良い。このようにすることにより、さらに高精度に距離を計測することが可能となる。
【００９９】
さらに、本開示の距離計測装置は、光源部から出射された光の一部から光源部の注入電流を制御するための信号を生成し、当該信号を光源部にフィードバックするフィードバック機構を備えるようにしても良い。このようにすることにより、さらに高精度に距離を計測することが可能となる。
本実施形態では、さらに具体的に、下記式に基づいてドップラーシフト誤差を低減し、距離Ｌを算出することができる。
【０１００】
2017187510.tif 000012
ここで、Ｔは変調周期、Δνは周波数掃引幅、ν１及びν２は波長（２つの光を用いる場合）を表している。また、Δｔは参照光と計測対象で反射した光との時間差、Δｆ１及びΔｆ２は、それぞれの光のドップラーシフト量、ｆbeatはビート周波数を表している。
【０１０１】
（iii）本実施形態は、上述の距離計測装置を備える形状計測装置や内径計測装置も提供する。形状計測装置は、距離計測装置からの光のフォーカスを形状計測対象に合わせるフォーカスレンズと、フォーカスが調整された光を形状計測対象の上で走査するためのミラーと、を備える。そして、形状計測装置は、距離計測装置によって計測された光源部から形状計測対象までの距離と、フォーカスが調整された光の走査角度とを用いて、形状計測対象の３次元形状を計測し、３次元形状計測結果を出力する。
【０１０２】
内径計測装置は、距離計測装置からの光のフォーカスを形状計測対象に合わせるフォーカスレンズと、回転ステージと、それに搭載した反射プリズムと、を備える。反射プリズムを回転ステージによって回転させながら、フォーカス調整された光を反射プリズムで直角に反射させる。このようにすることにより、内径計測対象の内径を計測することが可能となる。
【０１０３】
（iv）本開示において、プロセッサが実行する機能は、ソフトウェアのプログラムコードによっても実現できる。この場合、プログラムコードを記録した記憶媒体をシステム或は装置に提供し、そのシステム或は装置のコンピュータ（又はＣＰＵやＭＰＵ）が記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出す。この場合、記憶媒体から読み出されたプログラムコード自体が前述した実施形態の機能を実現することになり、そのプログラムコード自体、及びそれを記憶した記憶媒体は本開示を構成することになる。このようなプログラムコードを供給するための記憶媒体としては、例えば、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−Ｒ、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ＲＯＭなどが用いられる。
【０１０４】
また、プログラムコードの指示に基づき、コンピュータ上で稼動しているＯＳ（オペレーティングシステム）などが実際の処理の一部又は全部を行い、その処理によって前述した実施の形態の機能が実現されるようにしてもよい。さらに、記憶媒体から読み出されたプログラムコードが、コンピュータ上のメモリに書きこまれた後、そのプログラムコードの指示に基づき、コンピュータのＣＰＵなどが実際の処理の一部又は全部を行い、その処理によって前述した実施の形態の機能が実現されるようにしてもよい。
【０１０５】
さらに、実施の形態の機能を実現するソフトウェアのプログラムコードを、ネットワークを介して配信することにより、それをシステム又は装置のハードディスクやメモリ等の記憶手段又はＣＤ−ＲＷ、ＣＤ−Ｒ等の記憶媒体に格納し、使用時にそのシステム又は装置のコンピュータ（又はＣＰＵやＭＰＵ）が当該記憶手段や当該記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出して実行するようにしても良い。
【０１０６】
最後に、ここで述べたプロセス及び技術は本質的に如何なる特定の装置に関連することはなく、コンポーネントの如何なる相応しい組み合わせによってでも実装できることを理解する必要がある。更に、汎用目的の多様なタイプのデバイスがここで記述した教授に従って使用可能である。ここで述べた方法のステップを実行するのに、専用の装置を構築するのが有益であることが判るかもしれない。また、実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。本開示は、具体例に関連して記述したが、これらは、すべての観点に於いて限定の為ではなく説明の為である。本分野にスキルのある者には、本開示を実施するのに相応しいハードウェア、ソフトウェア、及びファームウエアの多数の組み合わせがあることが解るであろう。例えば、記述したソフトウェアは、アセンブラ、Ｃ／Ｃ＋＋、ｐｅｒｌ、Ｓｈｅｌｌ、ＰＨＰ、Ｊａｖａ（登録商標）等の広範囲のプログラム又はスクリプト言語で実装できる。
【０１０７】
さらに、上述の実施形態において、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。全ての構成が相互に接続されていても良い。
【０１０８】
加えて、本技術分野の通常の知識を有する者とっては、本開示のその他の実装については、ここに開示された本開示の明細書及び実施形態の考察から自明である。記述された実施形態の多様な態様及び／又はコンポーネントは、単独又は如何なる組み合わせでも使用することが出来る。明細書と具体例は典型的なものに過ぎず、本開示の範囲と精神は後続する請求範囲で示される。
【符号の説明】
【０１０９】
１０１、１０３  半導体レーザ
１０２、１０４  信号発生器【０１１０】
１０５、１０７、１１１、８０１、８０２、８０４、８０６、８０７、８０９、９０１、９０４、１００１、１００３、１１０２、１１０６、１４０３、１５００、１５０１、１５０２、１５０４、１５０９  ファイバカップラ
１０６、１１０１、１１０５、１４０２  サーキュレータ
１０８、１１０３、１１０７  参照用ミラー
１０９  コリメータレンズ（ファイバコリメータ）
１１０  計測対象
１１２、１１３、２０３、８０５、８１０、１００４、１１０９、１４０７、１５１０  受光器
１１４  コンピュータ（ＰＣ）
１１５  モニター
１１６  内径計測対象
２０１、１４０５、１４０６  参照用ミラー
２０２  ビームスプリッター
３０１  ビート信号
８０３、８０８、１００２、１５０５、１５０６、１５０７  光ファイバ、
９０２、９０５  フィードバック機構（フィードバック回路）、
９０３、９０６  コンバイナー、
１００５  信号発振器、
１００６  ミキサー、
１１０４、１１０８、１４０１、１４０４、１５０３、１５０８  ＷＤＭカップラ、
１２０１、１２０２  受光器で検出されるビート信号
１６０１  ３Ｄ形状計測部
１６０２、１８０２  距離計測部、
１６０３、１８０３  1軸ステージ、
１６０４、１８０４  フォーカスレンズ、
１６０５、１６０５  ガルバノミラー、
１８０５  反射プリズム、
１８０６  回転ステージ。
【図１】
2017187510.tif 000014
【図２】
2017187510.tif 000015
【図３】
2017187510.tif 000016
【図４】
2017187510.tif 000017
【図５】
2017187510.tif 000018
【図６】
2017187510.tif 000019
【図７】
2017187510.tif 000020
【図８】
2017187510.tif 000021
【図９】
2017187510.tif 000022
【図１０】
2017187510.tif 000023
【図１１】
2017187510.tif 000024
【図１２】
2017187510.tif 000025
【図１３】
2017187510.tif 000026
【図１４】
2017187510.tif 000027
【図１５】
2017187510.tif 000028
【図１６】
2017187510.tif 000029
【図１７】
2017187510.tif 000030
【図１８】
2017187510.tif 000031
【国際調査報告】
2017187510.tif 000032
2017187510.tif 000033
2017187510.tif 000034
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