(57)【要約】【課題】長レンジ且つ高精度の距離測定を低コストかつコンパクトな構成で実施することができる距離測定装置及び距離測定方法を提供する。【解決手段】第１繰り返し周波数の測定光を出射する第１光源と、第１繰り返し周波数とは異なる第２繰り返し周波数の参照光を出射する第２光源と、基準面にて反射された測定光の第１反射光と、測定対象物にて反射された測定光の第２反射光と、第２光源から出射された参照光と、の干渉信号を検出する干渉信号検出部と、干渉信号の包絡波形を生成する包絡波形生成部と、包絡波形から、第１反射光及び参照光の第１干渉信号成分に対応する第１ピーク位置と、第２反射光及び参照光の第２干渉信号成分に対応する第２ピーク位置とを検出するピーク位置検出部と、第１ピーク位置及び第２ピーク位置に基づき、基準面を基準とした測定対象物までの距離を決定する距離決定部と、を備える。【選択図】図８
2018169265.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１繰り返し周波数の測定光を出射する第１光源であって、基準面と測定対象物とにそれぞれ入射される前記測定光を出射する第１光源と、
前記第１繰り返し周波数とは異なる第２繰り返し周波数の参照光を出射する第２光源と、
前記基準面にて反射された前記測定光の第１反射光と、前記測定対象物にて反射された前記測定光の第２反射光と、前記第２光源から出射された前記参照光と、の干渉信号を検出する干渉信号検出部と、
前記干渉信号検出部が検出した前記干渉信号の包絡波形を生成する包絡波形生成部と、
前記包絡波形生成部が生成した前記包絡波形から、第１反射光及び前記参照光の第１干渉信号成分に対応する第１ピーク位置と、第２反射光及び前記参照光の第２干渉信号成分に対応する第２ピーク位置とを検出するピーク位置検出部と、
前記ピーク位置検出部が検出した前記第１ピーク位置及び前記第２ピーク位置に基づき、前記基準面を基準とした前記測定対象物までの距離を決定する距離決定部と、
を備える距離測定装置。
【請求項２】
前記包絡波形生成部は、ヒルベルト変換を用いて前記包絡波形を生成する請求項１に記載の距離測定装置。
【請求項３】
前記包絡波形生成部は、前記干渉信号をヒルベルト変換した変換信号と、前記ヒルベルト変換による前記変換信号の遅延に応じて前記干渉信号を遅延させた遅延信号とに基づき、前記包絡波形を生成する請求項２に記載の距離測定装置。
【請求項４】
前記測定光の前記第１繰り返し周波数及び前記参照光の前記第２繰り返し周波数をそれぞれ取得する繰り返し周波数取得部を備え、
前記距離決定部は、前記ピーク位置検出部が検出した前記第１ピーク位置及び第２ピーク位置との差分と、前記繰り返し周波数取得部が取得した前記第１繰り返し周波数及び前記第２繰り返し周波数とに基づき、前記距離の決定を行う請求項１から３のいずれか１項に記載の距離測定装置。
【請求項５】
前記測定光及び前記参照光は、光周波数コムとは異なるモードロックレーザ光である請求項１から４のいずれか１項に記載の距離測定装置。
【請求項６】
前記第１光源から入力された前記測定光の一部を反射する端面を有しており、前記測定光の残りを前記測定対象物に向けて出射し、且つ前記測定対象物にて反射された前記第１反射光が入射する端面反射型のセンサヘッドを備え、
前記基準面は、前記センサヘッドの前記端面である請求項１から５のいずれか１項に記載の距離測定装置。
【請求項７】
第１光源から第１繰り返し周波数の測定光を出射させて、前記測定光を基準面と測定対象物とにそれぞれ入射させる第１出射ステップと、
前記第１繰り返し周波数とは異なる第２繰り返し周波数の参照光を第２光源から出射する第２出射ステップと、
前記基準面にて反射された前記測定光の第１反射光と、前記測定対象物にて反射された前記測定光の第２反射光と、前記第２光源から出射された前記参照光と、の干渉信号を検出する干渉信号検出ステップと、
前記干渉信号検出ステップで検出した前記干渉信号の包絡波形を生成する包絡波形生成ステップと、
前記包絡波形生成ステップで生成した前記包絡波形から、第１反射光及び前記参照光の第１干渉信号成分に対応する第１ピーク位置と、第２反射光及び前記参照光の第２干渉信号成分に対応する第２ピーク位置とを検出するピーク位置検出ステップと、
前記ピーク位置検出ステップで検出した前記第１ピーク位置及び第２ピーク位置に基づき、前記基準面を基準とした前記測定対象物までの距離を決定する距離決定ステップと、
を有する距離測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象物までの距離を測定する距離測定装置及び距離測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
測定対象物までの距離を測定する距離測定装置として、ＴＯＦ（Time-of-Flight）法を用いる装置、光周波数コムを用いる装置、及び多波長干渉計を用いる装置がよく知られている。ＴＯＦ法を用いる距離測定装置は、パルス変調された測定光を測定対象物に向けて出射し、この測定光が測定対象物に反射されて戻ってくるまでの時間を測定した測定結果に基づき測定対象物までの距離を測定する。ＴＯＦ法を用いた場合、装置構成が単純であるため、距離測定装置を比較的低コストで製造することができる。また、ＴＯＦを用いた距離測定装置では、機械的な駆動部が不要になるため、高速測定が可能となる。
【０００３】
光周波数コムを用いる距離測定装置は、測定光として光周波数コムを使用する干渉計を備え、この干渉計で得られた干渉信号の包絡波形（エンベロープ）及び位相に基づき、基準位置から測定対象物までの距離を測定する（例えば特許文献１及び２参照）。例えば、光周波数コムの測定用信号のセルフビート周波数と参照用信号のセルフビート周波数とで位相比較を行うことで、合致法で距離が求められる。このように光周波数コムを用いた場合には、距離測定の精度が１μｍであり、比較的良い精度が得られる。
【０００４】
多波長干渉計を用いる距離測定装置は、波長の異なる複数のレーザ光を用いる多波長干渉計を備えており、複数のレーザ光のビート波長を用いて測定対象物までの距離を測定する（非特許文献１参照）。多波長干渉計を用いた場合には、高い再現性（２σ＝２ｎｍ以下）が実現される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−７５９１号公報
【特許文献２】特開２０１０−１４５４９号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】“多波長干渉法（MWLI）技術”、［online］、［平成29年3月21日検索］、インターネット〈http://www.taylor-hobson.jp/multi-wavelength-interferometry.html〉
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、ＴＯＦ法を用いる場合には、干渉計の構成をとらないため、距離測定の基準位置が不明確になるという問題がある。また、ＴＯＦ法の測定精度は１ｍｍ程度であり、高精度な距離測定には不向きである。
【０００８】
また、光周波数コムを用いる場合、光周波数コムを生成するための構成、すなわちモードロックレーザ光のオフセット周波数及び繰り返し周波数を精度良く制御するための構成が複雑になるので、装置の高コスト化及び大型化という問題が発生する。また、光周波数コムを用いる場合は、位相の測定分解能により距離分解能が制限されるため、超高周波の電気信号（例えば１μｍの分解能を得るためには７５ＧＨｚ）を用いて距離分解能を向上させる必要がある。このため、距離測定装置の電気回路の位相安定性が測定精度に影響を及ぼすという問題がある。
【０００９】
さらに、多波長干渉計を用いる距離測定装置では、波長が安定化されたレーザ光を複数使用する必要があるため、装置の高コスト化及び大型化という問題が発生する。また、多波長干渉計を用いる場合には、複数のレーザ光のビート波長を大きくすることが困難であるため、測定レンジが１ｍｍ〜２ｍｍと非常に短いという問題がある。
【００１０】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、長レンジ且つ高精度の距離測定を低コストかつコンパクトな構成で実施することができる距離測定装置及び距離測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の目的を達成するための距離測定装置は、第１繰り返し周波数の測定光を出射する第１光源であって、基準面と測定対象物とにそれぞれ入射される測定光を出射する第１光源と、第１繰り返し周波数とは異なる第２繰り返し周波数の参照光を出射する第２光源と、基準面にて反射された測定光の第１反射光と、測定対象物にて反射された測定光の第２反射光と、第２光源から出射された参照光と、の干渉信号を検出する干渉信号検出部と、干渉信号検出部が検出した干渉信号の包絡波形を生成する包絡波形生成部と、包絡波形生成部が生成した包絡波形から、第１反射光及び参照光の第１干渉信号成分に対応する第１ピーク位置と、第２反射光及び参照光の第２干渉信号成分に対応する第２ピーク位置とを検出するピーク位置検出部と、ピーク位置検出部が検出した第１ピーク位置及び第２ピーク位置に基づき、基準面を基準とした測定対象物までの距離を決定する距離決定部と、を備える。
【００１２】
この距離測定装置によれば、干渉信号の包絡波形を生成し、この包絡波形から各ピーク位置を検出することで、光周波数コムを用いることなく、基準面を基準とした測定対象物までの距離を測定できる。
【００１３】
本発明の他の態様に係る距離測定装置は、包絡波形生成部は、ヒルベルト変換を用いて包絡波形を生成する。これにより、干渉信号の包絡波形が得られる。
【００１４】
本発明の他の態様に係る距離測定装置は、包絡波形生成部は、干渉信号をヒルベルト変換した変換信号と、ヒルベルト変換による変換信号の遅延に応じて干渉信号を遅延させた遅延信号とに基づき、包絡波形を生成する。
【００１５】
本発明の他の態様に係る距離測定装置は、測定光の第１繰り返し周波数及び参照光の第２繰り返し周波数をそれぞれ取得する繰り返し周波数取得部を備え、距離決定部は、ピーク位置検出部が検出した第１ピーク位置及び第２ピーク位置との差分と、繰り返し周波数取得部が取得した第１繰り返し周波数及び第２繰り返し周波数とに基づき、距離の決定を行う。これにより、基準面を基準とした測定対象物までの距離を測定することができる。
【００１６】
本発明の他の態様に係る距離測定装置は、測定光及び参照光は、光周波数コムとは異なるモードロックレーザ光である。これにより、モードロックレーザ光のオフセット周波数及び繰り返し周波数を精度良く制御するための構成が不要となると共に、光周波数コムを用いる場合のように超高周波の電気信号を扱う必要がなくなるため、距離測定装置が低コスト且つコンパクトな構成になる。
【００１７】
本発明の他の態様に係る距離測定装置は、第１光源から入力された測定光の一部を反射する端面を有しており、測定光の残りを測定対象物に向けて出射し、且つ測定対象物にて反射された第１反射光が入射する端面反射型のセンサヘッドを備え、基準面は、センサヘッドの端面である。これにより、センサヘッドの端面を基準とした測定対象物までの距離を測定することができる。
【００１８】
本発明の目的を達成するための距離測定方法は、第１光源から第１繰り返し周波数の測定光を出射させて、測定光を基準面と測定対象物とにそれぞれ入射させる第１出射ステップと、第１繰り返し周波数とは異なる第２繰り返し周波数の参照光を第２光源から出射する第２出射ステップと、基準面にて反射された測定光の第１反射光と、測定対象物にて反射された測定光の第２反射光と、第２光源から出射された参照光と、の干渉信号を検出する干渉信号検出ステップと、干渉信号検出ステップで検出した干渉信号の包絡波形を生成する包絡波形生成ステップと、包絡波形生成ステップで生成した包絡波形から、第１反射光及び参照光の第１干渉信号成分に対応する第１ピーク位置と、第２反射光及び参照光の第２干渉信号成分に対応する第２ピーク位置とを検出するピーク位置検出ステップと、ピーク位置検出ステップで検出した第１ピーク位置及び第２ピーク位置に基づき、基準面を基準とした測定対象物までの距離を決定する距離決定ステップと、を有する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の距離測定装置及び距離測定方法は、長レンジ且つ高精度の距離測定を低コストかつコンパクトな構成で実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】モードロックレーザ光の特性を説明するための説明図である。
【図２】モードロックレーザ光の光電変換結果を説明するための説明図である。
【図３】２台のモードロックレーザ光源から出射されたモードロックレーザ光のパルスの可干渉性を説明するための説明図である。
【図４】プリズムで合波される測定光及び参照光の双方の電界強度を同一時間軸上で表したグラフである。
【図５】測定対象物までの絶対距離を測定する距離測定装置の概略図である。
【図６】デジタイザから信号処理部へ出力される干渉信号の一例を示したグラフである。
【図７】信号処理部によるピーク位置の検出を行う際の課題を説明するための説明図である。
【図８】信号処理部の機能を説明するための説明図である。
【図９】包絡波形生成部による包絡波形の生成を説明するための説明図である。
【図１０】包絡波形生成部による包絡波形の生成処理の流れを示すフローチャートである。
【図１１】距離測定装置による測定対象物までの絶対距離の測定処理（本発明の距離測定方法）の流れを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
［モードロックレーザ光の特性］
本実施形態の距離測定装置１０（図５参照）は、２種類のモードロックレーザ光（ＭＬＬ：Mode locked laser）を用いて距離測定を行う。最初にモードロックレーザ光の特性について説明する。
【００２２】
図１は、モードロックレーザ光の特性を説明するための説明図である。図１の符号１Ａ（上段）はモードロックレーザ光の強度を周波数軸で表したグラフであり、図１の符号１Ｂはモードロックレーザ光の電界強度を時間軸で表したグラフである。
【００２３】
図１に示すように、モードロックレーザ光は、位相が同期した複数周波数のレーザ光、換言すると繰り返し周波数ｆｒｅｐが一定のパルスレーザ光である。モードロックレーザ光は、周波数軸（符号１Ａ参照）上では繰り返し周波数ｆｒｅｐ毎に光周波数が並んでおり、時間軸（符号１Ｂ参照）上では光パルスが周波数ｆｒｅｐで繰り返される。なお、モードロックレーザ光では、仮想的な光周波数の開始点（オフセット周波数）をｆｃｅｏ（キャリアエンベロープオフセット）と呼ぶ。
【００２４】
光周波数コムは、繰り返し周波数ｆｒｅｐ及びオフセット周波数ｆｃｅｏが精度良く制御されたモードロックレーザ光である。ここで、本明細書内での「モードロックレーザ光」とは、光周波数コムとは異なるもの、すなわち繰り返し周波数ｆｒｅｐ及びオフセット周波数ｆｃｅｏが精度良く制御されていないモードロックレーザ光を指す。
【００２５】
図２は、モードロックレーザ光の光電変換結果を説明するための説明図である。図２の上段に示すモードロックレーザ光を光電変換器で受光して光電変換（検出）し、この光電変換結果を周波数解析すると、図２の下段に示すように、繰り返し周波数ｆｒｅｐ毎にピーク周波数が観測されるセルフビート信号が得られる。
【００２６】
図３は、２台のモードロックレーザ光源３，４から出射されたモードロックレーザ光のパルスの可干渉性を説明するための説明図である。図３に示すように、モードロックレーザ光源３（図中で「ＭＬＬ１」と表示）は、第１繰り返し周波数ｆｒｅｐ１のモードロックレーザ光を測定光Ｌ１としてプリズム５に向けて出射する。この測定光Ｌ１は、プリズム５を透過した後、測定用コーナキューブプリズム６に入射する。測定用コーナキューブプリズム６に入射した測定光Ｌ１は、測定用コーナキューブプリズム６においてプリズム５に向けて反射される。反射された測定光Ｌ１は、プリズム５に入射した後、プリズム５からプリズム７に向けて反射される。
【００２７】
一方、モードロックレーザ光源４（図中で「ＭＬＬ２」と表示）は、第２繰り返し周波数ｆｒｅｐ２（≠ｆｒｅｐ１）のモードロックレーザ光を参照光Ｌ２としてプリズム７に向けて出射する。これにより、プリズム７において測定光Ｌ１（反射光）と参照光Ｌ２とが合波されて、測定光Ｌ１と参照光Ｌ２との干渉信号が光電変換器８に入射して光電変換される。光電変換器８は、例えばＣＣＤ（Charge Coupled Device）型又はＣＭＯＳ（complementary metal oxide semiconductor）型のイメージセンサ、或いはフォトダイオードが用いられる（後述の差動光電変換器２０、光電変換器２１，２２も同様）。
【００２８】
図４は、プリズム７で合波される測定光Ｌ１（反射光）及び参照光Ｌ２の双方の電界強度を同一時間軸上で表したグラフである。図４に示すように、測定光Ｌ１の第１繰り返し周波数ｆｒｅｐ１と参照光Ｌ２の第２繰り返し周波数ｆｒｅｐ２とを少しずらすことで、測定光Ｌ１（反射光）の光パルスを参照光Ｌ２の光パルスで走査した場合と同様の効果が得られる。本発明ではこの効果を利用して距離測定を行う。なお、図中の符号「ｑ」は、測定光Ｌ１の光パルスを参照光Ｌ２の光パルスで走査する際の光パルスの１サンプル毎の走査間隔［｜ｃ／ｆｒｅｐ１−ｃ／ｆｒｅｐ２｜、ｃ：光速］である。
【００２９】
［本実施形態の距離測定装置の構成］
図５は、測定対象物９までの絶対距離Ｄを測定する距離測定装置１０の概略図である。図５に示すように、距離測定装置１０は、モードロックレーザ光源１２（図中で「ＭＬＬ１」と表示）と、モードロックレーザ光源１３（図中で「ＭＬＬ２」と表示）と、カプラ１５と、ファイバサーキュレータ１６と、センサヘッド１７と、カプラ１８と、カプラ１９と、差動光電変換器２０と、シングルエンド型の光電変換器２１，２２と、ミキサ２３と、ローパスフィルタ２４（図中で「ＬＰＦ」と表示）と、周波数カウンタ２５と、デジタイザ２６と、信号処理部２７と、表示部２８と、記憶部２９と、を備える。
【００３０】
モードロックレーザ光源１２（本発明の第１光源に相当）は、光ファイバケーブルＦ１を介してカプラ１５に接続している。このモードロックレーザ光源１２は、第１繰り返し周波数ｆｒｅｐ１のモードロックレーザ光を測定光Ｌ１として出射する。この測定光Ｌ１は、光ファイバケーブルＦ１を介してカプラ１５に入力される。
【００３１】
モードロックレーザ光源１３（本発明の第２光源に相当）は、光ファイバケーブルＦ２を介してカプラ１８に接続している。このモードロックレーザ光源１３は、第１繰り返し周波数ｆｒｅｐ１とは異なる第２繰り返し周波数ｆｒｅｐ２のモードロックレーザ光を参照光Ｌ２として出射する。この参照光Ｌ２は、光ファイバケーブルＦ２を介してカプラ１８に入力される。
【００３２】
カプラ１５は、その一端が光ファイバケーブルＦ１を介してモードロックレーザ光源１２に接続し、その他端が光ファイバケーブルＦ３を介してファイバサーキュレータ１６に接続していると共に、光ファイバケーブルＦ４を介して光電変換器２１に接続している。カプラ１５は、光ファイバケーブルＦ１から入力された測定光Ｌ１を２分割し、測定光Ｌ１の一方を、光ファイバケーブルＦ３を介してファイバサーキュレータ１６へ出力すると共に、測定光Ｌ１の他方を、光ファイバケーブルＦ３を介して光電変換器２１へ出力する。
【００３３】
ファイバサーキュレータ１６は、光ファイバケーブルＦ３を介してカプラ１５に接続している他、光ファイバケーブルＦ５を介してセンサヘッド１７に接続していると共に、光ファイバケーブルＦ６を介してカプラ１９に接続している。このファイバサーキュレータ１６は、例えば非往復方式且つ１方向型デバイスであって３つのポートを有しており、光ファイバケーブルＦ３から入力された測定光Ｌ１を、光ファイバケーブルＦ５を介してセンサヘッド１７へ出力する。また、ファイバサーキュレータ１６は、光ファイバケーブルＦ５を介してセンサヘッド１７から入力された後述の第１反射光Ｒ１及び第２反射光Ｒ２を、光ファイバケーブルＦ６を介してカプラ１９へ出力する。
【００３４】
センサヘッド１７は、端面反射型のヘッドであり、光ファイバケーブルＦ５から入力された測定光Ｌ１の一部をファイバサーキュレータ１６に向けて反射し、測定光Ｌ１の残りを測定対象物９に向けて出射する。測定対象物９に向けて出射された測定光Ｌ１は、測定対象物９にて反射され、第１反射光Ｒ１としてセンサヘッド１７に入射する。
【００３５】
センサヘッド１７の測定光Ｌの出射端側（入射端側でも可）の端面は、上述の測定光Ｌ１の一部をファイバサーキュレータ１６に向けて反射する基準面１７ａ（参照面ともいう）として機能する。このため、上述の測定光Ｌ１の一部が基準面１７ａにて反射されて第２反射光Ｒ２となる。これにより、基準面１７ａを基準位置とした測定対象物９までの絶対距離Ｄの測定を行うことができる。そして、第１反射光Ｒ１及び第２反射光Ｒ２がセンサヘッド１７から光ファイバケーブルＦ５を介してファイバサーキュレータ１６に入力され、さらにこのファイバサーキュレータ１６から光ファイバケーブルＦ６を介してカプラ１９に入力される。
【００３６】
カプラ１８は、その一端が光ファイバケーブルＦ２を介してモードロックレーザ光源１３に接続し、その他端が光ファイバケーブルＦ７を介してカプラ１９に接続していると共に、光ファイバケーブルＦ８を介して光電変換器２２に接続している。このカプラ１５は、光ファイバケーブルＦ２から入力された参照光Ｌ２を２分割し、参照光Ｌ２の一方を、光ファイバケーブルＦ７を介してカプラ１９へ出力すると共に、参照光Ｌ２の他方を、光ファイバケーブルＦ８を介して光電変換器２２へ出力する。
【００３７】
カプラ１９の一端には既述の光ファイバケーブルＦ６，Ｆ７が接続され、カプラ１９の他端には２本の光ファイバケーブルＦ９が接続されている。カプラ１９は、光ファイバケーブルＦ６から入力された第１反射光Ｒ１及び第２反射光Ｒ２と、光ファイバケーブルＦ７から入力された参照光Ｌ２とを合波して、第１反射光Ｒ１と第２反射光Ｒ２と参照光Ｌ２との干渉信号ＳＧ（干渉光）を生成する。また、カプラ１９は、生成した干渉信号ＳＧを２分割して２本の光ファイバケーブルＦ９へそれぞれ出力する。ここで、第１反射光Ｒ１と参照光Ｌ２の強度差があるとき、カプラ１９は第１反射光Ｒ１と参照光Ｌ２を非干渉信号として、干渉信号ＳＧと同時に第２反射光Ｒ２と参照光Ｌ２の強度の非干渉信号を２分割して２本の光ファイバケーブルＦ９へ出力する。同様に第２反射光Ｒ２と参照光Ｌ２の強度差があるとき、カプラ１９は第２反射光Ｒ２と参照光Ｌ２を非干渉信号として、干渉信号ＳＧと同時に第２反射光Ｒ２と参照光Ｌ２の強度の非干渉信号を２分割して２本の光ファイバケーブルＦ９へ出力する。このとき、カプラ１９の基本的な性質の一つとして、干渉信号ＳＧは２本の光ファイバケーブルＦ９へ光の強弱が反転した形態で出力し、非干渉信号である第１反射光Ｒ１と第２反射光Ｒ２と参照光Ｌ２は２本の光ファイバケーブルＦ９へ同じ光の強弱となる形態で出力する。光ファイバケーブルＦ９は、カプラ１９から個別に入力された干渉信号ＳＧを差動光電変換器２０に向けて個別に出射する。
【００３８】
干渉信号ＳＧには、第１反射光Ｒ１及び参照光Ｌ２の干渉信号成分である第１干渉信号成分ＳＧ１と、第２反射光Ｒ２及び参照光Ｌ２の干渉信号成分である第２干渉信号成分ＳＧ２と、が含まれる。第１干渉信号成分ＳＧ１は、測定光Ｌ１（第１反射光Ｒ１）の第１繰り返し周波数ｆｒｅｐ１と参照光Ｌ２の第２繰り返し周波数ｆｒｅｐ２との差の周波数［｜ｆｒｅｐ１−ｆｒｅｐ２｜］（Ｈｚ）で、同じ干渉波形（パルス干渉波形）が繰り返される（図６参照）。また、第２干渉信号成分ＳＧ２についても同様に、第１繰り返し周波数ｆｒｅｐ１と第２繰り返し周波数ｆｒｅｐ２との差の周波数［｜ｆｒｅｐ１−ｆｒｅｐ２｜］（Ｈｚ）で、同じ干渉波形（パルス干渉波形）が繰り返される（図６参照）。
【００３９】
差動光電変換器２０は、本発明の干渉信号検出部に相当するものであり、２本の光ファイバケーブルＦ９からそれぞれ出射された干渉信号ＳＧを個別に検出する２つの光検出素子と、２つ光検出素子の出力の差分をとって差動信号を出力する差動出力部と、を有する。なお、差動光電変換器２０については公知技術であるので、詳細な説明は省略する。この差動光電変換器２０は、２本の光ファイバケーブルＦ９から出射された干渉信号ＳＧを電気信号（差動信号）に変換して、デジタイザ２６へ出力する。差動光電変換器２０は２つの入力された光の強度差を出力するため、前述の干渉信号ＳＧを抽出して非干渉信号である第１反射光Ｒ１と第２反射光Ｒ２と参照光Ｌ２を排除することにより、干渉信号ＳＧのノイズを低減させることができる。
【００４０】
光電変換器２１は、光ファイバケーブルＦ４を介してカプラ１５から入力された測定光Ｌ１を光電変換（検出）し、測定光Ｌ１の検出信号ＭＧ１をミキサ２３と周波数カウンタ２５とにそれぞれ出力する。この検出信号ＭＧ１の周波数は、ｆｒｅｐ１（Ｈｚ）である。
【００４１】
光電変換器２２は、光ファイバケーブルＦ８を介してカプラ１８から入力された参照光Ｌ２を光電変換（検出）し、参照光Ｌ２の検出信号ＭＧ２をミキサ２３と周波数カウンタ２５とデジタイザ２６とにそれぞれ出力する。この検出信号ＭＧ２の周波数は、ｆｒｅｐ２（Ｈｚ）である。なお、デジタイザ２６に入力される検出信号ＭＧ２は、デジタイザ２６においてサンプリングクロックとして用いられる。
【００４２】
ミキサ２３は、光電変換器２１から入力された測定光Ｌ１の検出信号ＭＧ１と、光電変換器２２から入力された参照光Ｌ２の検出信号ＭＧ２とに基づき、各々の周波数の和の周波数を有する信号と、差の周波数を有する信号とを生成する。既述の通り、検出信号ＭＧ１の周波数はｆｒｅｐ１（Ｈｚ）であり、検出信号ＭＧ２の周波数はｆｒｅｐ２（Ｈｚ）である。このため、ミキサ２３は、和の周波数［ｆｒｅｐ１＋ｆｒｅｐ２］（Ｈｚ）を有する信号と、差の周波数［｜ｆｒｅｐ１−ｆｒｅｐ２｜］（Ｈｚ）を有する信号とを生成し、両信号をローパスフィルタ２４へ出力する。
【００４３】
ローパスフィルタ２４は、ミキサ２３から入力される信号のうち「和の周波数」を有する信号をカットし、「差の周波数」を有する信号のみをデジタイザ２６に出力する。この差の周波数［｜ｆｒｅｐ１−ｆｒｅｐ２｜］（Ｈｚ）を有する信号は、後述のデジタイザ２６が干渉信号ＳＧの取り込みを行う際の基準となるトリガ信号として用いられる。
【００４４】
周波数カウンタ２５は、本発明の繰り返し周波数取得部として機能する。周波数カウンタ２５は、光電変換器２１から入力された検出信号ＭＧ１に基づき測定光Ｌ１の第１繰り返し周波数ｆｒｅｐ１を検出すると共に、光電変換器２２から入力された検出信号ＭＧ２に基づき参照光Ｌ２の第２繰り返し周波数ｆｒｅｐ２を検出する。そして、周波数カウンタ２５は、第１繰り返し周波数ｆｒｅｐ１及び第２繰り返し周波数ｆｒｅｐ２の検出結果である繰り返し周波数検出結果を信号処理部２７へ出力する。
【００４５】
デジタイザ２６は、差動光電変換器２０から入力される干渉信号ＳＧをサンプリングしてデジタイズ（デジタル化）する。具体的に、デジタイザ２６は、ローパスフィルタ２４から入力されるトリガ信号、すなわち差の周波数で［｜ｆｒｅｐ１−ｆｒｅｐ２｜］（Ｈｚ）で繰り返されるトリガ信号を基準として、サンプリングを開始する。またこの際に、デジタイザ２６は、光電変換器２２から入力される検出信号ＭＧ２の周波数「ｆｒｅｐ２」（Ｈｚ）をサンプリングクロックとしてサンプリングを行う。従って、デジタイザ２６は、新たなトリガの入力に応じて次のトリガまでの間にサンプリングクロックに応じて干渉信号ＳＧのサンプリング及びデジタイズを行う。
【００４６】
ここで、第１干渉信号成分ＳＧ１の干渉波形と、第２干渉信号成分ＳＧ２の干渉波形とはそれぞれ周波数［｜ｆｒｅｐ１−ｆｒｅｐ２｜］（Ｈｚ）で繰り返される（図６参照）。このため、デジタイザ２６に入力するトリガ信号の間隔を既述の差の周波数［｜ｆｒｅｐ１−ｆｒｅｐ２｜］（Ｈｚ）に設定することで、双方の干渉波形のサンプリングを確実に行いつつ、無駄なサンプリングを防止できる。これにより、デジタイザ２６は、トリガ信号が入力される毎に、デジタイズした干渉信号ＳＧを信号処理部２７へ出力する。
【００４７】
図６は、デジタイザ２６から信号処理部２７へ出力される干渉信号ＳＧの一例を示したグラフである。なお、グラフの横軸は、デジタイザ２６による干渉信号ＳＧのサンプリング数［ｓａｍｐｌｅ（Ｎ）］であり、実質的には時間と等価である。
【００４８】
図６に示すように、干渉信号ＳＧには、既述の通り、第１干渉信号成分ＳＧ１の干渉波形と、第２干渉信号成分ＳＧ２の干渉波形とが、周波数［｜ｆｒｅｐ１−ｆｒｅｐ２｜］（Ｈｚ）毎に繰り返し発生する。そして、第１干渉信号成分ＳＧ１の干渉波形の包絡波形３６（図７参照）のピーク位置に相当する第１ピーク位置Ｐ１と、第２干渉信号成分ＳＧ２の干渉波形の包絡波形３６のピーク位置に相当する第２ピーク位置Ｐ２との間のサンプリング数ΔＮが、既述の基準面１７ａから測定対象物９までの絶対距離Ｄに相当する。このため、信号処理部２７は、両干渉波形の包絡波形３６の各ピーク位置Ｐ１，Ｐ２を個別に検出し、さらに各ピーク位置Ｐ１，Ｐ２間のサンプリング数ΔＮを検出した結果に基づき、絶対距離Ｄを求める。
【００４９】
図７は、信号処理部２７によるピーク位置の検出を行う際の課題を説明するための説明図であって、且つ第１干渉信号成分ＳＧ１（第２干渉信号成分ＳＧ２）の干渉波形を拡大した図である。また、図中の横軸は、サンプリング数［ｓａｍｐｌｅ（Ｎ）］であり、図中の縦軸は干渉信号ＳＧ（第１干渉信号成分ＳＧ１及び第２干渉信号成分ＳＧ２）の信号強度である。
【００５０】
図７の符号３５Ａ（上段）は、測定光Ｌ１及び参照光Ｌ２として、各繰り返し周波数ｆｒｅｐ１，ｆｒｅｐ２及びオフセット周波数ｆｃｅｏが精度良く制御された光周波数コムを用いた場合の干渉波形である。この場合には、第１干渉信号成分ＳＧ１の干渉波形のピーク位置ｕと、第１干渉信号成分ＳＧ１の包絡波形３６の第１ピーク位置Ｐ１との相対位置を安定させ事前に求めることができると共に、第２干渉信号成分ＳＧ２の干渉波形のピーク位置ｕと、第２干渉信号成分ＳＧ２の包絡波形３６の第２ピーク位置Ｐ２との相対位置を安定させ事前に求めることができる。このため、干渉信号ＳＧを解析して２個のピーク位置ｕを検出することで、第１干渉信号成分ＳＧ１の包絡波形３６の第１ピーク位置Ｐ１と、第２干渉信号成分ＳＧ２の包絡波形３６の第２ピーク位置Ｐ２と、を検出できる。
【００５１】
一方、図７の符号３５Ｂ（下段）は、測定光Ｌ１及び参照光Ｌ２として、各繰り返し周波数ｆｒｅｐ１，ｆｒｅｐ２及びオフセット周波数ｆｃｅｏが精度良く制御されていないモードロックレーザ光を用いた場合の干渉波形である。この場合には、第１干渉信号成分ＳＧ１の干渉波形のピーク位置ｕと、第１干渉信号成分ＳＧ１の包絡波形３６の第１ピーク位置Ｐ１との相対位置は安定せず事前に求めることは出来ず、且つ第２干渉信号成分ＳＧ２の干渉波形のピーク位置ｕと、第２干渉信号成分ＳＧ２の包絡波形３６の第２ピーク位置Ｐ２との相対位置は安定せず事前に求めることは出来ない。このため、干渉信号ＳＧを周波数解析して２個のピーク位置ｕを検出したとしても、各ピーク位置Ｐ１，Ｐ２との間には誤差があるため、各ピーク位置ｕから絶対距離Ｄを精度良く求められない。
【００５２】
そこで、信号処理部２７は、干渉信号ＳＧの干渉波形（信号波形）に基づき、干渉信号ＳＧの包絡波形３６を生成する。この包絡波形３６には、第１干渉信号成分ＳＧ１及び第２干渉信号成分ＳＧ２の双方の包絡波形３６が含まれる。そして、信号処理部２７は、生成した包絡波形３６から第１干渉信号成分ＳＧ１に対応する第１ピーク位置Ｐ１と、第２干渉信号成分ＳＧ２に対応する第２ピーク位置Ｐ２とを個別に検出して、絶対距離Ｄを求める。
【００５３】
図８は、信号処理部２７の機能を説明するための説明図である。図８に示すように、信号処理部２７は、包絡波形生成部４１と、ピーク位置検出部４２と、距離決定部４３として機能する。
【００５４】
包絡波形生成部４１は、デジタイザ２６から入力される干渉信号ＳＧに基づき、干渉信号ＳＧの包絡波形３６を生成する。以下、包絡波形３６の生成について詳細に説明する。
【００５５】
図９は、包絡波形生成部４１による包絡波形３６の生成を説明するための説明図である。図１０は、包絡波形生成部４１による包絡波形３６の生成処理の流れを示すフローチャートである。
【００５６】
図９の上段及び図１０に示すように、包絡波形生成部４１は、干渉信号ＳＧをヒルベルト変換して、元の干渉信号ＳＧに対して９０°の位相差を持った変換信号ＳＴを生成する（ステップＳ１）。なお、ヒルベルト変換の具体的な手法については公知技術であるので、ここでは具体的な説明は省略する。
【００５７】
また、包絡波形生成部４１は、ヒルベルト変換による変換信号ＳＴの時間的な遅延に応じて干渉信号ＳＧを遅延させた遅延信号ＳＤを生成する（ステップＳ２）。
【００５８】
そして、包絡波形生成部４１は、生成した変換信号ＳＴ及び遅延信号ＳＤをそれぞれ二乗した後（ステップＳ３及びステップＳ４）、二乗された信号同士を足し合わせる（ステップＳ５）。
【００５９】
次いで、包絡波形生成部４１は、ステップＳ５にて足し合わせた信号の平方根を求める（ステップＳ６）。これにより、図９の下段に示すように、干渉信号ＳＧの包絡波形３６、すなわち第１干渉信号成分ＳＧ１及び第２干渉信号成分ＳＧ２の双方の包絡波形３６が生成される（ステップＳ７）。
【００６０】
図８に戻って、ピーク位置検出部４２は、干渉信号ＳＧ（第１干渉信号成分ＳＧ１及び第２干渉信号成分ＳＧ２）の包絡波形３６から、第１ピーク位置Ｐ１と第２ピーク位置Ｐ２とをそれぞれ検出する。例えば、ピーク位置検出部４２は、包絡波形３６の波形解析を行って包絡波形３６内の２箇所の極大値を検出することにより、第１ピーク位置Ｐ１及び第２ピーク位置Ｐ２を検出する。なお、波形解析により極大値を検出する方法は公知技術であり、公知の各種方法を採用してもよい。
【００６１】
また、ピーク位置検出部４２は、例えば干渉信号ＳＧのサンプリング間隔が長く設定されている等の理由により、包絡波形３６の各ピーク位置Ｐ１，Ｐ２にそれぞれ対応する部分のデータ（点）の間隔があいている場合、個々のデータの間の値を内挿（補間）してもよい。そして、ピーク位置検出部４２は、各ピーク位置Ｐ１，Ｐ２の検出結果を距離決定部４３へ出力する。
【００６２】
距離決定部４３は、ピーク位置検出部４２から入力された各ピーク位置Ｐ１，Ｐ２の検出結果と、周波数カウンタ２５から入力された繰り返し周波数検出結果（ｆｒｅｐ１，ｆｒｅｐ２）とに基づき、基準面１７ａから測定対象物９までの絶対距離Ｄを決定する。
【００６３】
具体的に距離決定部４３は、ピーク位置検出部４２から入力された各ピーク位置Ｐ１，Ｐ２の検出結果に基づき、第１ピーク位置Ｐ１と第２ピーク位置Ｐ２との間のサンプリング数ΔＮ（図６参照）を求める。このサンプリング数ΔＮは、既述の通り絶対距離Ｄを示す値である。
【００６４】
また、距離決定部４３は、周波数カウンタ２５から入力された繰り返し周波数検出結果に基づき、「サンプリング数」を実際の「距離」に換算するための換算係数［ｃ／ｆｒｅｐ１−ｃ／ｆｒｅｐ２］（m/Sample）を求める。なお、光速ｃは光が通過する媒質の屈折率により変化するため、補正する必要がある。例えば、光波測長機においては気温、気圧、湿度を測定することにより空気の屈折率を求め、光速を補正することにより幾何学的距離に対する測長精度を向上させている。
【００６５】
距離決定部４３は、先に検出したサンプリング数ΔＮを上記換算係数で距離に換算することより、絶対距離Ｄを決定する。以上で絶対距離Ｄの測定が完了する。距離決定部４３は、絶対距離Ｄの測定結果を表示部２８と記憶部２９とにそれぞれ出力する。これにより、表示部２８による絶対距離Ｄの測定結果の表示と、記憶部２９による絶対距離Ｄの測定結果の記憶とが実行される。
【００６６】
［距離測定装置の作用］
図１１は、上記構成の距離測定装置１０による測定対象物９までの絶対距離Ｄの測定処理（本発明の距離測定方法）の流れを示すフローチャートである。
【００６７】
図１１に示すように、ユーザが測定対象物９を距離測定装置１０の所定の位置にセットした後、不図示の操作部にて測定開始操作を行うと、モードロックレーザ光源１２，１３がそれぞれ作動する。これにより、モードロックレーザ光源１２から第１繰り返し周波数ｆｒｅｐ１の測定光Ｌ１が出射されると共に、モードロックレーザ光源１３から第２繰り返し周波数ｆｒｅｐ２の参照光Ｌ２が出射される（ステップＳ１０、本発明の第１出射ステップ及び第２出射ステップに相当）。
【００６８】
モードロックレーザ光源１２から出射された測定光Ｌ１は、カプラ１５にて２分割され、一方がファイバサーキュレータ１６を経てセンサヘッド１７に入力されると共に、他方が光電変換器２１に入力される。
【００６９】
センサヘッド１７に入力された測定光Ｌ１の一部は、基準面１７ａで反射されると共に、測定光Ｌの残りはセンサヘッド１７から測定対象物９に向けて出射され、測定対象物９にて反射されてセンサヘッド１７に入射する。これにより、測定対象物９にて反射された第１反射光Ｒ１と、基準面１７ａにて反射された第２反射光Ｒ２とが、センサヘッド１７からファイバサーキュレータ１６を経てカプラ１９に入力される。
【００７０】
一方、モードロックレーザ光源１３から出射された参照光Ｌ２は、カプラ１８にて２分割され、一方がカプラ１９に入力されると共に、他方が光電変換器２２に入力される。
【００７１】
カプラ１９に入力された第１反射光Ｒ１、第２反射光Ｒ２、及び参照光Ｌ２はカプラ１９にて合波されて干渉信号ＳＧとなる。この干渉信号ＳＧは、カプラ１９にて２分割された後、差動光電変換器２０に向けて出射される。これにより、干渉信号ＳＧが差動光電変換器２０により検出されて電気信号（差動信号）に変換された後、差動光電変換器２０からデジタイザ２６に向けて出力される（ステップＳ１１、本発明の干渉信号検出ステップに相当）。
【００７２】
測定光Ｌ１の入力を受けた光電変換器２１は、測定光Ｌ１を光電変換し、測定光Ｌ１の検出信号ＭＧ１をミキサ２３と周波数カウンタ２５とにそれぞれ出力する。また、参照光Ｌ２の入力を受けた光電変換器２２は、参照光Ｌ２を光電変換し、参照光Ｌ２の検出信号ＭＧ２をミキサ２３と周波数カウンタ２５とデジタイザ２６とにそれぞれ出力する。
【００７３】
検出信号ＭＧ１，ＭＧ２の入力を受けたミキサ２３は、既述の和の周波数を有する信号と、差の周波数を有する信号とを生成して、両信号をローパスフィルタ２４へ出力する。そして、ローパスフィルタ２４からデジタイザ２６に向けて、差の周波数［｜ｆｒｅｐ１−ｆｒｅｐ２｜］（Ｈｚ）を有する信号のみがトリガ信号として出力される。
【００７４】
また、検出信号ＭＧ１，ＭＧ２の入力を受けた周波数カウンタ２５は、検出信号ＭＧ１から測定光Ｌ１の第１繰り返し周波数ｆｒｅｐ１を検出すると共に、検出信号ＭＧ２から参照光Ｌ２の第２繰り返し周波数ｆｒｅｐ２を検出する。そして、周波数カウンタ２５は、繰り返し周波数検出結果を信号処理部２７の距離決定部４３へ出力する。
【００７５】
デジタイザ２６は、ローパスフィルタ２４から入力されるトリガ信号と、光電変換器２２からサンプリングクロックとして入力される検出信号ＭＧ２の周波数「ｆｒｅｐ２」（Ｈｚ）とに基づき、差動光電変換器２０から入力される干渉信号ＳＧのサンプリング及びデジタイズを行う。これにより、デジタイザ２６にトリガ信号が入力される毎に、デジタイザ２６から信号処理部２７に向けてデジタイズされた干渉信号ＳＧが出力される。
【００７６】
デジタイザ２６から干渉信号ＳＧの入力を受けた包絡波形生成部４１は、既述の図９及び図１０のステップＳ１〜Ｓ７で説明したように、ヒルベルト変換を用いて干渉信号ＳＧの包絡波形３６を生成する（ステップＳ１２、本発明の包絡波形生成ステップに相当）。
【００７７】
次いで、ピーク位置検出部４２は、包絡波形３６内の各ピーク位置Ｐ１，Ｐ２にそれぞれ対応する部分において必要に応じて内挿（補間）を行った後（ステップＳ１３，Ｓ１４）、包絡波形３６の波形解析を行って包絡波形３６内の２箇所の極大値を検出する。これにより、ピーク位置検出部４２によって、既述の図６に示した第１ピーク位置Ｐ１及び第２ピーク位置Ｐ２が検出され、各ピーク位置Ｐ１，Ｐ２の検出結果が距離決定部４３へ出力される（ステップＳ１５，Ｓ１６、本発明のピーク位置検出ステップに相当）。
【００７８】
各ピーク位置Ｐ１，Ｐ２の検出結果及び繰り返し周波数検出結果の入力を受けた距離決定部４３は、前者から第１ピーク位置Ｐ１と第２ピーク位置Ｐ２との間のサンプリング数ΔＮ（図６参照）を求め（ステップＳ１７）、後者から既述の換算係数［ｃ／ｆｒｅｐ１−ｃ／ｆｒｅｐ２］（m/Sample）を求める。なお、換算係数については、周波数カウンタ２５から繰り返し周波数検出結果の入力を受けた時点で求めてもよい。
【００７９】
次いで、距離決定部４３は、サンプリング数ΔＮを上記換算係数で距離に換算することで、絶対距離Ｄを決定する（ステップＳ１８，本発明の距離決定ステップに相当）。以上で絶対距離Ｄの測定が完了する。そして、距離決定部４３は、絶対距離Ｄの距離測定結果を表示部２８と記憶部２９とにそれぞれ出力する（ステップＳ１９）。これにより、絶対距離Ｄの測定結果が表示部２８に表示されると共に、記憶部２９に記憶される。
【００８０】
［本実施形態の効果］
以上のように本実施形態の距離測定装置１０は、基準面１７ａにて反射された第１反射光Ｒ１と、測定対象物９にて反射された第２反射光Ｒ２と、参照光Ｌ２との干渉信号の包絡波形３６を生成し、この包絡波形３６から各ピーク位置Ｐ１，Ｐ２を検出することで、基準面１７ａを基準とした測定対象物９までの絶対距離Ｄを測定できる。このため、本実施形態では、光周波数コムを用いることなく、絶対距離Ｄの測定が可能となる。これにより、モードロックレーザ光のオフセット周波数及び繰り返し周波数を精度良く制御するための構成が不要となると共に、光周波数コムを用いる場合のように超高周波の電気信号を扱う必要がなくなるため、距離測定装置１０が低コスト且つコンパクトな構成になる。また、距離測定装置１０は、干渉計の構成を採用しているので、高精度な距離測定が可能となる。さらに、距離測定装置１０は、多波長干渉計の構成を採用する必要がないので、長レンジの測定にも対応できる。その結果、長レンジ且つ高精度の距離測定を低コストかつコンパクトな構成で実施できる。
【００８１】
また、本実施形態では、センサヘッド１７の基準面１７ａで測定光Ｌ１の一部を反射させているので、この基準面１７ａを基準位置とした距離測定が可能になる。これにより、高精度な距離測定が可能となる。
【００８２】
［その他］
上記実施形態では、測定光Ｌ１の一部をセンサヘッド１７の基準面１７ａで反射することにより第２反射光Ｒ２を生成しているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えばカプラ１５から出力された測定光Ｌ１の光路中に測定光Ｌ１を２分割するプリズムを設け、測定光Ｌ１の一方をセンサヘッド１７に向けて出力し、測定光Ｌ１の他方をミラー及びコーナキューブプリズム等の反射体に向けて出射することで、第１反射光Ｒ１及び第２反射光Ｒ２を生成してもよい。
【００８３】
上記実施形態では、光ファイバケーブルＦ１〜Ｆ９を用いた距離測定装置１０を例に挙げて説明したが、他の導光部材を用いる装置或いは導光部材を用いない装置にも本発明を適用することができる。また、距離測定装置１０に設けられているカプラ１５，１８，１９、ファイバサーキュレータ１６、センサヘッド１７、差動光電変換器２０、光電変換器２１，２２、ミキサ２３、ローパスフィルタ２４、周波数カウンタ２５、デジタイザ２６、及び信号処理部２７等についても同等の機能を有するもので置換してもよい。さらに、ミキサ２３、ローパスフィルタ２４、周波数カウンタ２５、デジタイザ２６、及び信号処理部２７のうちの複数が一体化されていてもよい。
【００８４】
上記実施形態では、測定光Ｌ１及び参照光Ｌ２としてモードロックレーザ光を用いているが、光周波数コムを用いた場合であっても同様に距離測定を行うことができる。
【００８５】
本発明は、測定対象物９までの絶対距離Ｄを測定するだけでなく、例えば絶対距離Ｄの測定結果に基づき測定対象物９の形状を測定する形状測定装置などのように、絶対距離Ｄの測定結果に基づき各種測定（計測）を行う装置にも適用可能である。
【符号の説明】
【００８６】
９…測定対象物，１０…距離測定装置，１２，１３…モードロックレーザ光源，１７…センサヘッド，１７ａ…基準面，２０…差動光電変換器，２１，２２…光電変換器，２５…周波数カウンタ，２６…デジタイザ，２７…信号処理部，３６…包絡波形，４１…包絡波形生成部，４２…ピーク位置検出部，４３…距離決定部
【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】
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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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