(57)【要約】【課題】波長や出力強度を安定化させた高価なレーザ光源を備えることなく、非接触にて測定対象物までの距離や変位を測定することを可能にする。【解決手段】被検体１３０からの戻り光により発振周波数が変化するレーザ１１０と、レーザ１１０から出射されたレーザ光を被検体１３０に導くとともに、被検体１３０からの反射光をレーザ１１０へ戻す光学系（１２０，１４０）と、レーザ１１０から出射されるレーザ光の発振周波数に基づき、被検体１３０までの距離を算出する算出手段とを有する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体からの戻り光により発振周波数が変化するレーザと、
前記レーザから出射されたレーザ光を前記被検体に導くとともに、前記被検体からの反射光を前記レーザへ戻す光学系と、
前記レーザから出射されるレーザ光の発振周波数に基づき、前記被検体までの距離を算出する算出手段と
を有することを特徴とする距離検出装置。
【請求項２】
前記レーザから出射されるレーザ光の光強度を検出する検出器と、
前記検出器により検出された光強度に基づき周波数分析を行う周波数分析器と、
前記周波数分析器によって得られた分析結果から発振周波数間隔を抽出する抽出手段とを更に有し、
前記算出手段は、前記抽出手段によって抽出された発振周波数間隔に基づき、前記被検体までの距離を算出することを特徴とする請求項１記載の距離検出装置。
【請求項３】
被検体からの戻り光により発振周波数がそれぞれ変化する第１及び第２のレーザと、
前記第１及び第２のレーザからそれぞれ出射されたレーザ光を第１及び第２の距離をそれぞれ経て前記被検体に導くとともに、前記被検体からの各反射光を前記第１及び第２のレーザへそれぞれ戻す光学系と、
前記第１及び第２のレーザからそれぞれ出射されるレーザ光を合成することによって発生するビート信号に基づき、前記被検体までの距離を算出する算出手段と
を有することを特徴とする距離検出装置。
【請求項４】
前記第１及び第２のレーザは、偏光面が互いに異なるレーザ光を発生し、
前記光学系は、前記被検体からの各反射光を前記第１及び第２のレーザへ個別に戻すための偏光ビームスプリッタを含むことを特徴とする請求項３記載の距離検出装置。
【請求項５】
前記第１及び第２のレーザは、偏光面が互いに異なるレーザ光を発生し、
前記第１及び第２のレーザからそれぞれ出射されるレーザ光の合成光の光強度を検出する検出器と、
前記検出器により検出された光強度に基づき周波数分析を行う周波数分析器と、
前記周波数分析器によって得られた分析結果からビート信号の周波数間隔を抽出する抽出手段とを更に有し、
前記算出手段は、前記抽出手段によって抽出されたビート信号の周波数間隔に基づき、前記被検体までの距離を算出することを特徴とする請求項３記載の距離検出装置。
【請求項６】
第１及び第２の出射口を備え、被検体からの戻り光により発振周波数が変化するレーザと、
前記レーザの前記第１の出射口から出射されたレーザ光を前記被検体に導くとともに、前記被検体からの反射光を前記レーザの前記第１の出射口へ戻す光学系と、
前記レーザの前記第２の出射口から出射されるレーザ光の発振周波数に基づき、前記被検体までの距離を算出する算出手段と
を有することを特徴とする距離検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、距離検出装置に関し、特に、レーザ光を被検体に照射して被検体までの距離を検出する非接触の距離検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
測定対象物までの距離や測定対象物の変位を非接触にて測定する測定装置として、従来、図８に示すような光波干渉を利用した測定装置がある（例えば、特許文献１参照）。この測定装置では、レーザ１から出射された光がビームスプリッタ５を介して参照面（ミラー）２及び被検体４に照射される。そして、参照面２で反射された光と被検体４で反射された光とが、ビームスプリッタ５で合成されて検出器３に入射され、検出器３で干渉強度信号として検出される。この干渉強度信号を基にして位相を算出し、被検体４の距離や変位を測定する。この測定装置では、ナノメートルオーダの計測を実現できる。
【０００３】
また、光ファイバ端面から被測定面に対し光を照射して反射光を受光し、反射光強度を電気信号として検出することで被測定面の微小変位を測定する微小変位測定装置がある（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
また従来、図９に示すような共焦点方式の変位測定装置がある（例えば、特許文献３参照）。この変位測定装置では、レーザ６から出射した光をビームスプリッタ９及びレンズ１０を介して被検体７に照射する。そして、被検体７からの反射光をレンズ１０、ビームスプリッタ９、及びピンホール８を介して検出器１１に入射する。この変位測定装置では共焦点方式を採用しているので、被検体７とレンズ１０とピンホール８とが合焦点位置にあるとき、検出器１１での受光量が最大になる点に着目し、光の幾何学的な性質を利用して被検体７の位置を測定する。
【０００５】
【特許文献１】
特開平６−３４１８０９号公報（図１）
【特許文献２】
特開平７−２０８９２２号公報
【特許文献３】
特開平７−１１３６１７号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の光波干渉を利用した従来の測定装置では、光波干渉に利用するレーザ光の波長を物差しとして長さ測定を行うため、波長の安定したレーザ光源が必要である。
【０００７】
また、上記の光ファイバを用いる従来の微小変位測定装置や共焦点方式の従来の変位測定装置では、レーザ光源の波長の安定性は不要であるが、双方とも受光強度により長さを決定するものであるため、レーザ光源の出力強度に安定性が求められる。
【０００８】
すなわち、上記の従来の各測定装置では、測定精度がレーザ光源の波長や出力強度の安定性に依存していた。そのため、高精度な測定を実現するためには、レーザ光源の波長や出力強度を安定化させた高価なレーザ光源を備えるか、測定結果を、レーザ光源の波長や出力強度の変動に応じて補正するための付加的な機能を備えることが必要であった。
【０００９】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであって、波長や出力強度を安定化させた高価なレーザ光源を備えることなく、非接触にて測定対象物までの距離や変位を測定することを可能にした距離検出装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明によれば、被検体からの戻り光により発振周波数が変化するレーザと、前記レーザから出射されたレーザ光を前記被検体に導くとともに、前記被検体からの反射光を前記レーザへ戻す光学系と、前記レーザから出射されるレーザ光の発振周波数に基づき、前記被検体までの距離を算出する算出手段とを有することを特徴とする距離検出装置が提供される。
【００１１】
また、請求項３記載の発明によれば、被検体からの戻り光により発振周波数がそれぞれ変化する第１及び第２のレーザと、前記第１及び第２のレーザからそれぞれ出射されたレーザ光を第１及び第２の距離をそれぞれ経て前記被検体に導くとともに、前記被検体からの各反射光を前記第１及び第２のレーザへそれぞれ戻す光学系と、前記第１及び第２のレーザからそれぞれ出射されるレーザ光を合成することによって発生するビート信号に基づき、前記被検体までの距離を算出する算出手段とを有することを特徴とする距離検出装置が提供される。
【００１２】
さらに、請求項６記載の発明によれば、第１及び第２の出射口を備え、被検体からの戻り光により発振周波数が変化するレーザと、前記レーザの前記第１の出射口から出射されたレーザ光を前記被検体に導くとともに、前記被検体からの反射光を前記レーザの前記第１の出射口へ戻す光学系と、前記レーザの前記第２の出射口から出射されるレーザ光の発振周波数に基づき、前記被検体までの距離を算出する算出手段とを有することを特徴とする距離検出装置が提供される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
【００１４】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明に係る非接触の距離検出装置の第１の実施の形態の構成を示す図である。
【００１５】
レーザ１１０は、半導体レーザから構成され、外部からの戻り光により、発振周波数が変化するタイプのレーザである。レーザ１１０からの放射光は、ビームスプリッタ１４０及びレンズ１２０を介して被検体１３０に照射される。なお、レンズ１２０を介したレーザ１１０と被検体１３０との位置関係は、互いに結像関係に近い位置になるように設置することが望ましい。被検体１３０からの反射光は再びレンズ１２０及びビームスプリッタ１４０を経てレーザ１１０に戻る。
【００１６】
この戻り光を受けたレーザ１１０から出射されるレーザ光の発振周波数は、レーザ１１０の内部共振器長に、レーザ１１０から被検体１３０までの距離を加算して得られた外部共振器長Ｌに依存する。十分な利得が得られ損失をしのぐことができるレーザ１１０においては、レーザ光の発振周波数間隔ν（図３を参照して後述）と外部共振器長Ｌとの間に、下記式（１）で示す関係がある（「光エレクトロニクスの基礎」ＡＭＮＯＮ  ＹＡＲＩＶ著、多田、神谷共訳）。
【００１７】
【数１】
2004361261.tif 000003
【００１８】
なおｃは光速を表す。
【００１９】
検出器１５０は、被検体１３０からの戻り光により変化したレーザ１１０のレーザ光を受光して光強度を検出し、得られた電気信号を周波数分析器１６０へ送る。周波数分析器１６０は、通常のスペクトルアナライザである。検出器１５０は、ビームスプリッタ１４０を介して、レーザ１１０からのレーザ光（戻り光により発振周波数が変化しているレーザ光）を受光し、電気信号を周波数分析器１６０へ送る。周波数分析器１６０は、送られた電気信号に基づき、レーザ光の発光スペクトルを検出する。この検出された発光スペクトルを参照して、図示を省略した情報処理装置が発振周波数間隔νを検出し、上記式（１）に基づき外部共振器長Ｌを算出する。その際、レーザ１１０の内部共振器長や装置光学系の光路長が既知であれば、被検体１３０までの距離を決定することができる。
【００２０】
このように、第１の実施の形態では、発振周波数間隔νに基づき被検体１３０までの距離を決定するものであり、発振周波数間隔νはレーザ光の波長（周波数）や出力強度の変動の影響を理論的に受けないので、安価なレーザ光源であっても、正確な距離測定や変位測定を実現できる。
【００２１】
［第２の実施の形態］
次に第２の実施の形態を説明する。
【００２２】
第１の実施の形態では発振周波数間隔νを検出する必要があるが、発振周波数自体が高周波数であるため、発振周波数間隔νを精度よく検出することが難しい。そのため、第２の実施の形態では、偏光方向の異なる２つのレーザ光を用いてビート信号を得、この低周波数のビート信号を利用して、被検体１３０までの距離を決定するようにする。
【００２３】
図２は、本発明に係る非接触の距離検出装置の第２の実施の形態の構成を示す図である。なお、第２の実施の形態の構成は、基本的に第１の実施の形態の構成と同じであるので、同一構成部分には同一の参照番号を付してその説明を省略する。
【００２４】
第２の実施の形態では、レーザ１７０と偏光ビームスプリッタ１８０とを新たに追加する。レーザ１７０は、レーザ１１０と同種のレーザであり、発光スペクトルが同じ（またはオーバーラップした領域があること）であるとともに、外部からの戻り光によって発振周波数が変化しやすいレーザである。レーザ１７０は、レーザ１１０と同一の材料からなる半導体レーザが好ましい。
【００２５】
レーザ１１０からの出射光の偏光面とレーザ１７０からの出射光の偏光面とが互いに直交するように、レーザ１１０及びレーザ１７０を配置する。また、レーザ１１０とビームスプリッタ１４０との間に、レーザ１１０からの出射光が透過するとともに、レーザ１７０からの出射光が反射する偏光ビームスプリッタ１８０を配置する。さらに、レーザ１１０から偏光ビームスプリッタ１８０までの距離をＡとし、偏光ビームスプリッタ１８０からビームスプリッタ１４０及びレンズ１２０を経て被検体１３０までの距離をＢとしたときに、距離Ａに距離ΔＬを加算した距離Ｃ（＝Ａ＋ΔＬ）の位置にレーザ１７０を配置する。なお、レンズ１２０を介したレーザ１７０と被検体１３０との位置関係は、互いに結像関係に近い位置になるように設置することが望ましい。
【００２６】
レーザ１１０及びレーザ１７０からの各レーザ光が被検体１３０を照射し、反射光が偏光ビームスプリッタ１８０で分離されることにより、対応のレーザ光がレーザ１１０及びレーザ１７０に戻される。これにより、レーザ１１０からは、レーザ１１０の内部共振器長に、レーザ１１０から被検体１３０までの距離を加算して得られた外部共振器長Ｌ（＝Ａ＋Ｂ）に応じて決まる発振周波数間隔ν１を有したレーザ光が放射される。一方、レーザ１７０からは、外部共振器長（Ｌ＋ΔＬ）に応じて決まる周波数間隔ν２を有したレーザ光が放射される。
【００２７】
図３は、周波数分析器１６０で得られる、レーザ１１０及びレーザ１７０の各出射光のスペクトル強度を示す図である。図中のａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅは、レーザ１１０の出射光のスペクトルとレーザ１７０の出射光の対応スペクトルとの周波数差である。
【００２８】
この時の発振周波数間隔ν１、ν２はそれぞれ、下記式（２）、（３）にて表される。
【００２９】
【数２】
2004361261.tif 000004
【００３０】
【数３】
2004361261.tif 000005
【００３１】
検出器１５０は、被検体１３０からの反射光を、ビームスプリッタ１４０を介して受光する。検出器１５０が受光する光は、被検体１３０からの戻り光によって発振周波数がそれぞれ変化したレーザ１１０及びレーザ１７０から出射された各レーザ光が合成された光であり、検出器１５０は、レーザ１１０及びレーザ１７０から出射された各レーザ光の発振周波数の差の周波数で強度が変動するビート信号を検出し、周波数分析器１６０へ送る。
【００３２】
図４は、周波数分析器１６０で検出されるビート信号強度のスペクトルを示す図である。
【００３３】
図中、μａ、μｂ、μｃ、μｄ、μｅは、図３中の周波数差ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅにそれぞれ対応するビート信号を表す。μはビート信号の周波数間隔を表す。ビート信号の周波数間隔μは、レーザ１１０からのレーザ光における発振周波数間隔ν１と、レーザ１７０からのレーザ光における発振周波数間隔ν２とに関係しており、下記式（４）で表される。
【００３４】
【数４】
2004361261.tif 000006
【００３５】
この数式（４）から分かるように、ビート信号の周波数間隔μから、算術的に外部共振器長Ｌを求めることができる。検出器１５０で検出されるビート信号の周波数は、レーザ１１０からのレーザ光における発振周波数よりも極めて低く、そのスペクトルは通常の周波数分析器１６０でも容易に検出可能なものである。
【００３６】
よって、外部共振器長Ｌに含まれるレーザ１１０及びレーザ１７０の内部共振器長や装置光学系の光路長が既知であれば、被検体１３０までの距離を決定することが可能となる。
【００３７】
なお、上記式（４）において、外部共振器長Ｌに比べて距離ΔＬが非常に小さい場合、外部共振器長Ｌとビート信号の周波数間隔μとの関係は、近似的に次式（５）で表すことができる（（ΔＬ／Ｌ）２＝０とする）。
【００３８】
【数５】
2004361261.tif 000007
【００３９】
この数式（５）を用いれば、外部共振器長Ｌの算出が簡単になる。
【００４０】
また、外部共振器長Ｌの変化に対するビート信号の周波数間隔μの変化の割合は、下記式（６）にて示される。
【００４１】
【数６】
2004361261.tif 000008
【００４２】
この数式（６）から分かるように、外部共振器長Ｌの検出感度（すなわち、被検体１３０までの距離の検出感度）を距離ΔＬによって設定することが可能である。
【００４３】
なおまた、図２で示したレンズ１２０は、被検体１３０からの反射光を効率よくレーザ１１０やレーザ１７０に戻す役目を担っている。しかし例えば、図５に示すように、被検体１３０を光軸に対して垂直に配置する場合や、図６に示すように、被検体にコーナーキューブ１９０を用いる場合には、敢えてレンズ１２０を使用しなくても、本発明による距離測定を実現することができる。
【００４４】
［第３の実施の形態］
次に第３の実施の形態を説明する。
【００４５】
図７は、本発明に係る非接触の距離検出装置の第３の実施の形態の構成を示す図である。なお、第３の実施の形態の構成は、基本的に第１の実施の形態の構成と同じであるので、同一構成部分には同一の参照番号を付してその説明を省略する。
【００４６】
第３の実施の形態では、第１の実施の形態におけるレーザ１１０に代わって、光軸上の両端からレーザ光を出射することができるレーザ１１０ａを使用する。そして、戻り光が入射する側と反対側から出射するレーザ１１０ａのレーザ光を検出器１５０に入射する。
【００４７】
第１の実施の形態におけるビームスプリッタ１４０が不要となり、第３の実施の形態では、装置の小型化を図ることができる。
【００４８】
［他の実施の形態］
上記の第１乃至第３の実施の形態では、周波数分析器１６０を市販の通常のスペクトルアナライザで構成するものとしたが、これに代わって、同様の原理で周波数分析を行う専用の周波数分析器を備えるようにしてもよい。
【００４９】
【発明の効果】
以上詳述したように請求項１記載の距離検出装置は、被検体からの戻り光により発振周波数が変化するレーザと、該レーザから出射されたレーザ光を前記被検体に導くとともに、前記被検体からの反射光を前記レーザへ戻す光学系と、前記レーザから出射されるレーザ光の発振周波数に基づき、前記被検体までの距離を算出する算出手段とを有することを特徴とする。
【００５０】
これにより、波長や出力強度を安定化させた高価なレーザ光源を備えることなく、非接触にて測定対象物までの距離や変位を測定することが可能になり、装置の大幅な低価格化が期待できる。
【００５１】
また、請求項３記載の距離検出装置は、被検体からの戻り光により発振周波数がそれぞれ変化する第１及び第２のレーザと、前記第１及び第２のレーザからそれぞれ出射されたレーザ光を第１及び第２の距離をそれぞれ経て前記被検体に導くとともに、前記被検体からの各反射光を前記第１及び第２のレーザへそれぞれ戻す光学系と、前記第１及び第２のレーザからそれぞれ出射されるレーザ光を合成することによって発生するビート信号に基づき、前記被検体までの距離を算出する算出手段とを有することを特徴とする。
【００５２】
ここでは、低周波数のビート信号を扱うため、レーザ光の発振周波数を扱う場合に比べ、距離検出の精度を向上させることが可能になる。
【００５３】
また、請求項６記載の距離検出装置は、第１及び第２の出射口を備え、被検体からの戻り光により発振周波数が変化するレーザと、前記レーザの前記第１の出射口から出射されたレーザ光を前記被検体に導くとともに、前記被検体からの反射光を前記レーザの前記第１の出射口へ戻す光学系と、前記レーザの前記第２の出射口から出射されるレーザ光の発振周波数に基づき、前記被検体までの距離を算出する算出手段とを有することを特徴とする。
【００５４】
ここでは、光学系の構成を簡略化できるので、装置の小型化を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る非接触の距離検出装置の第１の実施の形態の構成を示す図である。
【図２】本発明に係る非接触の距離検出装置の第２の実施の形態の構成を示す図である。
【図３】周波数分析器で得られる２つのレーザの各出射光のスペクトル強度を示す図である。
【図４】周波数分析器で検出されるビート信号強度のスペクトルを示す図である。
【図５】被検体を光軸に対して垂直に配置する場合の非接触の距離検出装置の構成を示す図である。
【図６】被検体にコーナーキューブを用いる場合の非接触の距離検出装置の構成を示す図である。
【図７】本発明に係る非接触の距離検出装置の第３の実施の形態の構成を示す図である。
【図８】光波干渉を利用した従来の測定装置の構成を示す図である。
【図９】共焦点方式を利用した従来の変位測定装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１１０  レーザ（第１のレーザ）
１２０  レンズ（光学系）
１３０  被検体
１４０  ビームスプリッタ（光学系）
１５０  検出器
１６０  周波数分析器
１７０  レーザ（第２のレーザ）
１８０  偏光ビームスプリッタ（光学系）
１９０  コーナーキューブ
【図１】
2004361261.tif 000009
【図２】
2004361261.tif 000010
【図３】
2004361261.tif 000011
【図４】
2004361261.tif 000012
【図５】
2004361261.tif 000013
【図６】
2004361261.tif 000014
【図７】
2004361261.tif 000015
【図８】
2004361261.tif 000016
【図９】
2004361261.tif 000017