(57)【要約】【課題】離れた測定対象物までの距離を高い精度にて測定することができる距離測定装置を提供すること。【解決手段】距離測定装置のレーザ光源１１、第１スプリッタ１２、参照ミラー１４、ミラー移動部１５、第１受光素子１６はマイケルソン干渉計を構成し、参照ミラー１４が移動する所定範囲内において第１受光素子１６の入射光量が最大レベルとなる位置を算出する。また、距離測定装置のレーザ光源１１と第２受光素子１７はＴＯＦ方式による距離測定装置を構成し、飛行時間による距離を算出する。そして、マイケルソン干渉計により算出された位置と、飛行時間により算出された距離とに基づいて遠距離にある測定対象物Ｗまでの距離を算出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物までの距離を測定する距離測定装置であって、
パルス光を出射する光源と、
前記パルス光を第１測定光と前記測定対象物に照射される第２測定光とに分岐する第１分岐手段と、
前記第１測定光を同軸方向に反射させる参照ミラーと、
前記参照ミラーを前記同軸方向に沿って所定範囲内移動させる移動手段と、
前記参照ミラーで反射され前記第１分岐手段を通過した前記第１測定光の反射光と、前記第２測定光が前記測定対象物で反射され前記第１分岐手段により前記第１測定光の反射光と同軸状に反射される第３測定光とを受光する第１受光手段と、
前記第２測定光が測定対象物にて反射された第４測定光を受光する第２受光手段と、
前記移動手段により前記参照ミラーを移動させた際の、前記第１受光手段に入射される光が最大レベルとなる位置と、前記パルス光が前記光源から出射されてから前記第２受光手段で受光されるまでの時間により算出される距離とに基づいて、前記測定対象物までの距離を算出する距離算出手段と、
を備えたことを特徴とする距離測定装置。
【請求項２】
請求項１記載の距離測定装置において、
前記第２測定光が前記測定対象物にて反射された反射光を前記第３測定光と前記第４測定光とに分岐し、該第３測定光を前記第１測定光の反射光と同軸状に前記第１受光手段に入射させ、該第４測定光を前記第２受光手段に入射させる第２分岐手段を備えたことを特徴とする距離測定装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の距離測定装置において、
移動手段は前記参照ミラーを往復移動させ、
前記距離算出手段は、前記参照ミラーを往復運動させた際の、複数回の測定結果に基づいて前記測定対象物までの距離を算出する、
ことを特徴とする距離測定装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のうちの何れか一項に記載の距離測定装置において、
前記光源はフェムト秒の超短パルスを出力する超短パルスレーザ光源であることを特徴とする距離測定装置。
【請求項５】
請求項４記載の距離測定装置において、
前記参照ミラーを移動させる前記所定範囲を、前記光源の共振器長以上に設定したことを特徴とする距離測定装置。
【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に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、測定対象物にレーザ光を照射して測定対象物までの距離を測定する距離測定装置として、干渉計を用いた距離測定装置が各種提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、離れた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法を用いた装置が提案されている。この距離測定装置は、測定対象物に対してレーザ光（パルス光）を照射し、測定対象物により反射されたレーザ光を受光し、照射から受光までの経過時間（飛行時間（ＴＯＦ：Time Of Flight））を測定し、その時間から距離を測定する。
【０００３】
レーザ光は、直進性が高く、ビーム径を小さくすることができる。この性質を利用し、距離測定装置は、レーザ光の照射位置を変更することにより、測定対象物の形状計測に利用される。そして、離れた位置から測定対象物の形状を測定するために、上記ＴＯＦ法による距離測定装置の利用が求められている。
【特許文献１】特開２００６−１２６１６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のＴＯＦ法による距離測定装置は、受光素子の応答速度の限界により距離分解能が制限される。このため、例えば分解能より小さな凹凸があるような測定対象物の形状を離れた位置から高い精度にて測定することが難しいという問題があった。
【０００５】
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、離れた測定対象物までの距離を高い精度にて測定することができる距離測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、測定対象物までの距離を測定する距離測定装置であって、パルス光を出射する光源と、前記パルス光を第１測定光と前記測定対象物に照射される第２測定光とに分岐する第１分岐手段と、前記第１測定光を同軸方向に反射させる参照ミラーと、前記参照ミラーを前記同軸方向に沿って所定範囲内移動させる移動手段と、前記参照ミラーで反射され前記第１分岐手段を通過した前記第１測定光の反射光と、前記第２測定光が前記測定対象物で反射され前記第１分岐手段により前記第１測定光の反射光と同軸状に反射される前記第３測定光とを受光する第１受光手段と、前記第２測定光が測定対象物にて反射された第４測定光を受光する第２受光手段と、前記移動手段により前記参照ミラーを移動させた際の、前記第１受光手段に入射される光が最大レベルとなる位置と、前記パルス光が前記光源から出射されてから前記第２受光手段で受光されるまでの時間により算出される距離とに基づいて、前記測定対象物までの距離を算出する距離算出手段と、を備えたものである。
【０００７】
この構成によれば、光源、第１分岐手段、参照ミラー、移動手段、第１受光手段は干渉計を構成し、参照ミラーが移動する所定範囲内において第１受光手段の入射光量が最大レベルとなる位置が測定される。また、光源と第２受光手段はＴＯＦ(Time Of Flight)方式による距離測定装置を構成し、飛行時間による距離を算出する。干渉計により測定された位置と、飛行時間により算出された距離とに基づいて遠距離にある測定対象物までの距離を算出することで、遠距離にある測定対象物までの距離を高い精度にて測定することができる。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１記載の距離測定装置において、前記第２測定光が前記測定対象物にて反射された反射光を前記第３測定光と前記第４測定光とに分岐し、該第３測定光を前記第１測定光の反射光と同軸状に前記第１受光手段に入射させ、該第４測定光を前記第２受光手段に入射させる第２分岐手段を備えたものである。この構成によれば、測定対象物から反射された反射光を分岐した第３測定光と第４測定光とにより、所定範囲内における位置と飛行時間による距離とを同時期に算出することができる。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２記載の距離測定装置において、移動手段は前記参照ミラーを往復移動させ、前記距離算出手段は、前記参照ミラーを往復運動させた際の、複数回の測定結果に基づいて前記測定対象物までの距離を算出するようにした。この構成によれば、参照ミラーを往復移動させて複数回測定することで、誤差を低減することができる。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のうちの何れか一項に記載の距離測定装置において、前記光源はフェムト秒の超短パルスを出力する超短パルスレーザ光源である。この構成によれば、超短パルスにはコヒーレント長が長い（ｋｍ単位）ものがあるため、このコヒーレント長が長いものを用いることで短距離（数ｍ）からｋｍ単位までの距離を高い精度にて測定することができる。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、請求項４記載の距離測定装置において、前記参照ミラーを移動させる前記所定範囲を、前記光源の共振器長以上に設定したものである。この構成によれは、第１受光手段の入射光量が最大レベルとなる位置は、パルス光が出射される測定対象物の方向に沿って共振器長毎に現れるため、短距離（数ｍ）からｋｍ単位までの距離を連続的に高い精度にて測定することができる。
【発明の効果】
【００１２】
以上記述したように、本発明によれば、離れた測定対象物までの距離を高い精度にて測定することが可能な距離測定装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、距離測定装置は、光源としてのレーザ光源１１、第１及び第２分岐手段としての第１及び第２スプリッタ１２，１３、参照ミラー１４、移動手段としてのミラー移動部１５、第１及び第２受光手段としての第１及び第２受光素子１６，１７、第１及び第２受光回路１８，１９、及び距離算出手段としての制御部２０を備えている。
【００１４】
レーザ光源１１は、フェムト秒の超短パルスを出力する超短パルスレーザ光源（ｆｓレーザ光源）であり、パルス光を測定対象物Ｗに向かって出射する。
レーザ光源１１より出射されたパルス光は、第１スプリッタ１２により第１測定光と第２測定光とに分岐される。第１測定光は参照ミラー１４に照射される。参照ミラー１４は、第１測定光を同軸方向に反射するとともに、ミラー移動部１５により参照光の光軸に沿って所定範囲移動される。従って、第１測定光の光路長が参照ミラー１４及びミラー移動部１５により変更される。
【００１５】
参照ミラー１４により同軸方向に反射された第１測定光（第１反射光）は、第１スプリッタ１２を透過して第１受光素子１６に入射される。第１受光素子１６は、入射光に応じた受光信号を第１受光回路１８に出力し、第１受光回路１８は入力した信号を増幅して制御部２０に出力する。
【００１６】
上記第１スプリッタ１２により前記分岐された第２測定光は第２スプリッタ１３を通過して測定対象物Ｗに照射される。その測定対象物Ｗにより同軸方向に反射された第２測定光（第２反射光）は、第２スプリッタ１３により、該第２測定光と同軸方向の第３測定光と、該第３測定光と異なる方向の第４測定光とに分岐される。
【００１７】
第３測定光は、第１スプリッタ１２により第１反射光と同軸上に反射されて第１受光素子１６に受光される。従って、第１受光素子１６は、第１反射光、つまり参照ミラー１４により光路長が変更される第１測定光と、第２反射光、つまり測定対象物Ｗにより反射された第２測定光（第３測定光）とを受光する。そして、第１受光素子１６は、入射光である第１及び第２反射光に応じた受光信号を出力する。第１受光回路１８は、第１受光素子１６から出力される受光信号を増幅した第１受光信号を出力する。
【００１８】
上記第４測定光は、第２受光素子１７に入射される。第２受光素子１７は、入射光に応じた受光信号を第２受光回路１９に出力し、第２受光回路１９は入力した信号を増幅した第２受光信号を制御部２０に出力する。第２受光素子１７は、該素子１７から第２スプリッタ１３までの距離が、レーザ光源１１から第２スプリッタ１３までの距離と同じとなるように配置されている。つまり、レーザ光源１１から測定対象物Ｗまでの光学的距離（パルス光が進む距離）と、測定対象物Ｗから第２受光素子１７までの光学的距離（第２反射光が進む距離）とが等しくなるように、レーザ光源１１，第２スプリッタ１３及び第２受光素子１７が配置されている。
【００１９】
制御部２０は、レーザ光源１１を制御してパルス光を出射させ、ミラー移動部１５を制御し、参照ミラー１４を移動させるとともに、第１受光回路１８から出力される第１受光信号に基づいて、測定対象物Ｗの相対位置を算出する。また、制御部２０は、タイマ等の経過時間計測機能を有し、レーザ光源１１を制御してパルス光を出射させてから第２受光素子１７に第４測定光（第２反射光）が入射されるまでの経過時間（パルス光の飛行時間）を計測し、該経過時間に基づいて、測定対象物Ｗまでの距離を算出する。
【００２０】
詳述すると、第１受光素子１６には、上記したように、参照ミラー１４により光路長が変更される第１測定光と、測定対象物Ｗにより反射された第２測定光（第３測定光）とが入射される。その第２測定光（第３測定光）は、第１スプリッタ１２により、第１測定光と同軸上に反射される。つまり、第１測定光と第２測定光とが重ね合わされ、第１受光素子１６に干渉光が入射される。そして、第１測定光（第１反射光）は、その光路長が参照ミラー１４及びミラー移動部１５により調整される。このため、第２測定光に対して第１測定光の位相が調整され、第１測定光と第２測定光との干渉状態が変化し、第１受光素子１６に入射される干渉光の強度が変化する。第１受光回路１８は、この干渉光の強度に応じたレベルの第１受光信号を出力する。つまり、レーザ光源１１、第１スプリッタ１２、参照ミラー１４、ミラー移動部１５、第１受光素子１６は、マイケルソン干渉計を構成する。
【００２１】
測定対象物Ｗが、第１スプリッタ１２から参照ミラー１４までの距離と等距離にある場合、参照ミラー１４及びミラー移動部１５により第１測定光の光路長を順次変更し、第１受光回路１８から出力される第１受光信号が最大レベルとなるときの光路長Ｌ１が、第２測定光の光路長となる。従って、第１受光信号が最大レベルとなるときの参照ミラー１４の位置を、基準位置からの距離として得ることで、第１受光信号の光路長Ｌ１を求められ、測定対象物Ｗまでの距離が測定できる。
【００２２】
その位置から、測定対象物Ｗをレーザ光源１１から遠ざけていくと、そのレーザ光源１１から出射される一のパルス光（第１のパルス光）とその次に出射されるパルス光（第２のパルス光）との出射間隔（時間）に応じた距離の１／２の距離だけ離れたところで再び第１受光信号が最大レベルとなる。つまり、パルス光の出射間隔に応じた長さの整数倍の距離の位置で、第１受光信号が最大レベルとなる。従って、参照ミラー１４を移動させ、第１受光信号が最大レベルとなるときの参照ミラー１４の位置を、基準位置からの距離として得ることで、参照ミラー１４の移動範囲内において任意の位置に配置された測定対象物Ｗまでの距離を測定することができる。
【００２３】
更に、参照ミラー１４の位置を固定し、測定対象物Ｗをレーザ光源１１から遠ざけていくと、レーザ光源１１の共振器長毎に第１受光信号が最大レベルとなる。従って、参照ミラー１４を共振器長以上に移動させることで、任意の位置に配置された測定対象物Ｗを、その移動範囲における位置として測定することができる。このパルス光の出射方向において第１受光信号が最大レベルとなる間隔をマイケルソン干渉計の測定レンジＲａとする。
【００２４】
従って、この距離測定装置では、参照ミラー１４の移動範囲を測定レンジＲａとし、マイケルソン干渉計により、その測定レンジＲａ内における測定対象物Ｗの相対的な位置が得られる。この測定対象物Ｗの相対位置は、パルス光の出射間隔、参照ミラー１４の移動分解能により、数μｍの分解能Ｌａで測定することができる。
【００２５】
第２受光素子１７には、上記したように、第４測定光（第２測定光）が入射される。制御部２０は、レーザ光源１１を制御してパルス光を出射させてから第２受光素子１７に第４測定光（第２反射光）が入射されるまでの経過時間（パルス光の飛行時間）を計測し、該経過時間に基づいて、測定対象物Ｗまでの距離を算出する。つまり、レーザ光源１１、第２スプリッタ１３、第２受光素子１７、制御部２０は、ＴＯＦ(Time Of Flight)方式による距離測定装置を構成する。ＴＯＦ方式による距離測定は、第２受光素子１７及び第２受光回路１９の応答速度の限界により距離分解能が制限される。本実施形態では、測定レンジＲａがこの応答速度の限界による制限される距離分解能以上となるように、構成されている。
【００２６】
即ち、この距離測定装置は、ＴＯＦ方式により測定対象物Ｗが含まれる測定レンジＲａまでの距離が測定される、つまり測定対象物Ｗが含まれる測定レンジＲａが特定される。そして、マイケルソン干渉計によりその特定された測定レンジＲａ内における測定対象物Ｗの相対位置が算出される。従って、ＴＯＦ方式により測定された距離と、マイケルソン干渉計により測定された距離とに基づいて、測定対象物Ｗまでの距離が算出される。
【００２７】
ＴＯＦ方式による距離測定は、ｋｍ（キロメートル）単位の測定が可能であり、マイケルソン干渉計はμｍ（マイクロメートル）単位の測定が可能である。従って、本実施形態の距離測定装置は、数ｍからｋｍ単位で離れた物体までの距離をμｍ単位の分解能で測定することができる。
【００２８】
以上記述したように、本実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
（１）距離測定装置のレーザ光源１１、第１スプリッタ１２、参照ミラー１４、ミラー移動部１５、第１受光素子１６はマイケルソン干渉計を構成し、参照ミラー１４が移動する所定範囲内において第１受光素子１６の入射光量が最大レベルとなる位置を算出する。また、距離測定装置のレーザ光源１１と第２受光素子１７はＴＯＦ(Time Of Flight)方式による距離測定装置を構成し、飛行時間による距離を算出する。従って、干渉計により算出された位置と、飛行時間により算出された距離とに基づいて遠距離にある測定対象物Ｗまでの距離を算出することで、遠距離にある測定対象物Ｗまでの距離を高い精度にて測定することができる。
【００２９】
（２）第１及び第２スプリッタ１２，１３をレーザ光源１１から出射されるパルス光の光軸に沿って配置し、第１測定光（第１反射光）と第２測定光（第３測定光）とによる干渉光を第１受光素子１６に入射するとともに、第２測定光（第２反射光）を第２受光素子１７に入射するようにした。この構成により、干渉光による所定レンジ内の相対位置と、飛行時間による距離測定とを同時に行うことができ、短時間で離れた測定対象物までの距離を高い精度にて測定することができる。
【００３０】
（３）レーザ光源１１はフェムト秒の超短パルスを出力する超短パルスレーザ光源である。超短パルスにはコヒーレント長が長い（ｋｍ単位）ものがあるため、このコヒーレント長が長いパルス光を出射する超短パルスレーザ光源を用いることで、短距離（数ｍ）からｋｍ単位までの距離を高い精度にて測定することができる。
【００３１】
（４）参照ミラー１４を移動させる所定範囲を、レーザ光源１１の共振器長以上に設定した。従って、第１受光素子１６の入射光量が最大レベルとなる位置は、パルス光が出射される測定対象物Ｗの方向に沿って共振器長毎に現れるため、短距離（数ｍ）からｋｍ単位までの距離を連続的に高い精度にて測定することができる。
【００３２】
尚、上記各実施の形態は、以下の態様で実施してもよい。
・上記実施形態では、測定対象物Ｗからの反射光を第２スプリッタ１３により分岐して第２受光素子１７に入射し、飛行時間を測定するようにしたが、図２に示すように、測定対象物Ｗからの反射光が第２受光素子１７に直接的に入射するように構成してもよい。このように構成しても、上記実施の形態と同様に、離れた測定対象物までの距離を高い精度にて測定することができる。
【００３３】
・上記各実施の形態では、参照ミラー１４を移動させて第１測定光の光路長を変更するようにしたが、その他の構成により光路長を変更するようにしてもよい。例えば、特開２００６−１２６１６８号公報に開示されているように、偏波保持分散シフトファイバを用いる。この偏波保持分散シフトファイバは、入射光の波長に応じて、入力から出力までの時間（伝搬時間）が変化する。従って、この偏波保持分散シフトファイバに入射するパルス光の波長を変更することにより、伝搬時間、つまり実質的な光路長を変更することができる。尚、パルス光の波長を変更する方法として、パルス光の強度を変更する変調器と、パルス光の強度に応じて波長を変更する細径偏波保持ファイバを用いる方法が一例としてあげられる。
【００３４】
・上記実施の形態において、参照ミラー１４を往復移動させ、複数回の測定結果に基づいて測定対象物Ｗまでの距離を算出するようにしてもよい。複数回の測定結果を平均して測定レンジＲａ内の位置を算出することで、参照ミラー１４の移動やノイズによる測定誤差を低減することができる。また、複数回の測定結果にうち、最大値と最小値を除いた結果を平均して測定レンジＲａ内の位置を算出してもよい。
【００３５】
・上記実施の形態では、第２スプリッタ１３を第１スプリッタ１２に対して測定対象物側に設けたが、第１スプリッタ１２と第１受光素子１６との間に配置するようにしてもよい。この場合、干渉光による距離測定と、飛行時間による距離計測とを異なるタイミングで行うようにする。つまり、第１受光素子１６に入射される第１及び第２測定光（干渉光）により、所定レンジ内の相対位置を計測する。次に、参照ミラー１４により第１測定光が反射されないようにする（参照ミラー１４の角度を変更するか、第１スプリッタ１２と参照ミラー１４との間に反射防止材を挿入する）。その後、レーザ光源１１からパルス光を出射させ、第２受光素子１７にて受光するまでの飛行時間を計測する。このように構成しても、上記実施の形態と同様に、離れた測定対象物までの距離を高い精度にて測定することができる。
【００３６】
・上記実施の形態に対して、レーザ光源１１から測定対象物Ｗまでの光学的距離（パルス光が進む距離）と、測定対象物Ｗから第２受光素子１７までの光学的距離（第２反射光が進む距離）とが等しくない光学系を用い、測定結果を補正することで、同様に、測定対象物Ｗまでの距離を高い精度にて測定することができる。
【００３７】
・上記実施の形態では、第２測定光が第２スプリッタ１３を透過するようにしたが、第２測定光の一部を反射するように第２スプリッタ１３を構成し、その反射光を受光素子にて受光した時間と、第２受光素子１７にて受光した時間とに基づいて飛行時間を算出し、その飛行時間から測定対象物Ｗまでの距離を算出するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】一実施形態の距離測定装置の概略構成図。
【図２】別の距離測定装置の概略構成図。
【符号の説明】
【００３９】
１１…レーザ光源、１２…第１スプリッタ、１３…第２スプリッタ、１４…参照ミラー、１５…ミラー移動部、１６…第１受光素子、１７…第２受光素子、１８…第１受光回路、１９…第２受光回路、２０…制御部、Ｗ…測定対象物。
【図１】
2008008836.tif 000003
【図２】
2008008836.tif 000004