(57)【要約】【課題】計測対象面上の計測点の視認性が良く、水中でも距離計測を行うことができ、計測感度および精度の高い光学式距離計測方法および装置を提供する。【解決手段】距離計測用の低コヒーレンス光に可視光を合成した合成光を計測対象面に照射し反射光を導く計測用光学系（１，２，１６，１７，３，１２，４）と、合成光を分岐伝送し反射光を導く参照用光学系（３，１３，５，６，７）と、計測用光学系（１，２，１６，１７，３，１２，４）の反射光および参照用光学系（３，１３，５，６，７）の反射光の中の低コヒーレンス光成分を検出し低コヒーレンス光成分の干渉を利用して参照用光学系（３，１３，５，６，７）の光路長から計測対象面への距離を求める信号検出演算部（１８，８，９，１０，１１）とを備えている構成とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
距離計測用の低コヒーレンス光に可視光を合成した合成光を計測対象面に照射し反射光を導く計測用光学系と、前記合成光を分岐伝送し反射光を導く参照用光学系と、前記計測用光学系の反射光および前記参照用光学系の反射光の中の低コヒーレンス光成分を検出し前記低コヒーレンス光成分の干渉を利用して前記参照用光学系の光路長から前記計測対象面への距離を求める信号検出演算部とを備えていることを特徴とする光学式距離計測装置。
【請求項２】
距離計測用の低コヒーレンス光を発生する低コヒーレンス光源と、可視光を発生する可視光源と、前記低コヒーレンス光と前記可視光を同一光路に合成する波長合成器と、前記波長合成器に接続され前記同一光路に合成された光を計測用光路と参照用光路に分割する光分配器と、前記計測用光路の末端に接続され計測対象面に対向して設けられる計測ヘッドと、前記参照用光路に順次接続された周期的光路長変化素子および遅延光学系および全反射素子と、前記光分配器に接続され前記計測用光路を戻った光および前記参照用光路を戻った光が合成された光から低コヒーレンス光と可視光を分離する波長分離器と、前記波長分離器に接続され低コヒーレンス光を検出して前記計測用光路からの低コヒーレンス光と前記参照用光路からの低コヒーレンス光の干渉による光強度変化を電気信号に変換する光検出器と、前記光検出器に接続され前記電気信号を電気強度変化信号に変換する信号検出部と、前記信号検出部に接続され前記電気強度変化信号を処理して前記計測用光路の光路長と前記参照用光路の光路長が等しくなるように前記遅延光学系の遅延光路長を制御するとともに前記遅延光学系の遅延光路長から前記計測ヘッドと前記計測対象面の間の距離を求める信号処理制御部と、前記信号処理制御部に接続され前記距離を表示する距離表示部とを備えていることを特徴とする光学式距離計測装置。
【請求項３】
前記低コヒーレンス光源は水中透過率の高い波長の光を発生する光源であり、前記計測ヘッドは水密構造であり、前記信号処理制御部は水の屈折率によって光路長を補正する屈折率補正部を備えていることを特徴とする請求項２記載の光学式距離計測装置。
【請求項４】
前記信号検出部は、前記電気強度変化信号を整流してエンベロープを求める振幅復調部と、信号レベルを高め所定レベルの信号を出力する自動利得制御部とを備えていることを特徴とする請求項２記載の光学式距離計測装置。
【請求項５】
前記信号処理制御部は、前記周期的光路長変化素子の光路長変化周波数を持つ信号で前記信号検出部からの電気強度変化信号を同期検波し、前記電気強度変化信号の周波数成分のうち支配的周波数成分が前記周期的光路長変化素子の周波数の２倍高調波成分となるように前記遅延光学系を制御することを特徴とする請求項２記載の光学式距離計測装置。
【請求項６】
前記光分配器の後段に第２の光分配器を備え、前記計測ヘッドからの反射光と前記計測対象面からの反射光および散乱光との干渉を利用することを特徴とする請求項２記載の光学式距離計測装置。
【請求項７】
前記計測ヘッドから前記計測対象面に照射される計測光を、集束照射型あるいは平行照射型としたことを特徴とする請求項２記載の光学式距離計測装置。
【請求項８】
前記遅延光学系は多重反射素子を備えていることを特徴とする請求項２記載の光学式距離計測装置。
【請求項９】
前記全反射素子は、全反射ミラーと、前記全反射ミラーを光軸の方向に微小振動させる微小振動機構と、前記全反射ミラーを光軸の方向に移動させる移動機構とを備えていることを特徴とする請求項２記載の光学式距離計測装置。
【請求項１０】
前記低コヒーレンス光源は、変調されたレーザ光源あるいはスーパールミネッセントダイオード光源あるいはフラッシュランプ光源あるいはＸ線光源であることを特徴とする請求項２記載の光学式距離計測装置。
【請求項１１】
前記計測用光路は、複数の計測ヘッドと、前記複数の計測ヘッドに光路を切り替える光路切替え器とを備えていることを特徴とする請求項２記載の光学式距離計測装置。
【請求項１２】
前記各光学部品間の光路あるいはその一部が光ファイバーあるいは導波管で構成されていることを特徴とする請求項２記載の光学式距離計測装置。
【請求項１３】
前記光ファイバーのコネクタ端面からの反射光が計測光と参照光の光路差内に存在しないように光路長設定された位置に前記コネクタが設置されていることを特徴とする請求項１２記載の光学式距離計測装置。
【請求項１４】
距離計測用の低コヒーレンス光に可視光を合成した合成光を計測用光路と参照用光路に分岐し、前記計測用光路を通して前記合成光を計測対象面に照射し、前記照射による反射光および前記参照用光路の反射光から低コヒーレンス光成分を分離し、前記分離された低コヒーレンス光成分の干渉を利用して前記参照用光路の長さから前記計測対象面への距離を求めることを特徴とする光学式距離計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低コヒーレンス光を用いて非接触で距離を計測する光学式距離計測方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、計測用光源として低コヒーレンス光源を用い、計測光と参照光の干渉を利用して計測ヘッドから計測対象面の間の距離を計測する場合、計測用低コヒーレンス光源として赤外光源を用いている（下記非特許文献１参照）。
【非特許文献１】「レーザー研究」第３０巻第１１号Ｐ６４８、「機能的ＯＣＴによる脳機能イメージング」ラジャゴパラン  ウママヘスワリ、谷藤学（２００２年１１月レーザー学会編）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記の従来の光学式距離計測装置においては、一般的に計測用の低コヒーレンス光源の波長が赤外領域であるため計測対象面上の計測点を視認することができない。また、同様に波長領域の観点から計測用低コヒーレンス光源からの光は水中での透過性が悪いため、水中での距離計測が困難である。
【０００４】
本発明はかかる従来の事情に対処してなされたものであり、計測対象面上の計測点の視認性が良く、水中でも距離計測を行うことができ、計測感度および精度の高い光学式距離計測方法および装置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】
【０００５】
請求項１の発明の光学式距離計測装置は、距離計測用の低コヒーレンス光に可視光を合成した合成光を計測対象面に照射し反射光を導く計測用光学系と、前記合成光を分岐伝送し反射光を導く参照用光学系と、前記計測用光学系の反射光および前記参照用光学系の反射光の中の低コヒーレンス光成分を検出し前記低コヒーレンス光成分の干渉を利用して前記参照用光学系の光路長から前記計測対象面への距離を求める信号検出演算部とを備えている構成とする。
【０００６】
請求項２の発明の光学式距離計測装置は、距離計測用の低コヒーレンス光を発生する低コヒーレンス光源と、可視光を発生する可視光源と、前記低コヒーレンス光と前記可視光を同一光路に合成する波長合成器と、前記波長合成器に接続され前記同一光路に合成された光を計測用光路と参照用光路に分割する光分配器と、前記計測用光路の末端に接続され計測対象面に対向して設けられる計測ヘッドと、前記参照用光路に順次接続された周期的光路長変化素子および遅延光学系および全反射素子と、前記光分配器に接続され前記計測用光路を戻った光および前記参照用光路を戻った光が合成された光から低コヒーレンス光と可視光を分離する波長分離器と、前記波長分離器に接続され低コヒーレンス光を検出して前記計測用光路からの低コヒーレンス光と前記参照用光路からの低コヒーレンス光の干渉による光強度変化を電気信号に変換する光検出器と、前記光検出器に接続され前記電気信号を電気強度変化信号に変換する信号検出部と、前記信号検出部に接続され前記電気強度変化信号を処理して前記計測用光路の光路長と前記参照用光路の光路長が等しくなるように前記遅延光学系の遅延光路長を制御するとともに前記遅延光学系の遅延光路長から前記計測ヘッドと前記計測対象面の間の距離を求める信号処理制御部と、前記信号処理制御部に接続され前記距離を表示する距離表示部とを備えている構成とする。
【０００７】
請求項３の発明は、前記低コヒーレンス光源は水中透過率の高い波長の光を発生する光源であり、前記計測ヘッドは水密構造であり、前記信号処理制御部は水の屈折率によって光路長を補正する屈折率補正部を備えている構成とする。
【０００８】
請求項４の発明は、前記信号検出部は、前記電気強度変化信号を整流してエンベロープを求める振幅復調部と、信号レベルを高め所定レベルの信号を出力する自動利得制御部とを備えている構成とする。
【０００９】
請求項５の発明は、前記信号処理制御部は、前記周期的光路長変化素子の光路長変化周波数を持つ信号で前記信号検出部からの電気強度変化信号を同期検波し、前記電気強度変化信号の周波数成分のうち支配的周波数成分が前記周期的光路長変化素子の周波数の２倍高調波成分となるように前記遅延光学系を制御する構成とする。
【００１０】
請求項６の発明は、前記光分配器の後段に第２の光分配器を備え、前記計測ヘッドからの反射光と前記計測対象面からの反射光および散乱光との干渉を利用する構成とする。  
請求項７の発明は、前記計測ヘッドから前記計測対象面に照射される計測光を、集束照射型あるいは平行照射型とした構成とする。
【００１１】
請求項８の発明は、前記遅延光学系は多重反射素子を備えている構成とする。  
請求項９の発明は、前記全反射素子は、全反射ミラーと、前記全反射ミラーを光軸の方向に微小振動させる微小振動機構と、前記全反射ミラーを光軸の方向に移動させる移動機構とを備えている構成とする。
【００１２】
請求項１０の発明は、前記低コヒーレンス光源は、変調されたレーザ光源あるいはスーパールミネッセントダイオード光源あるいはフラッシュランプ光源あるいはＸ線光源である構成とする。  
請求項１１の発明は、前記計測用光路は、複数の計測ヘッドと、前記複数の計測ヘッドに光路を切り替える光路切替え器とを備えている構成とする。
【００１３】
請求項１２の発明は、前記各光学部品間の光路あるいはその一部が光ファイバーあるいは導波管で構成されている構成とする。  
請求項１３の発明は、前記光ファイバーのコネクタ端面からの反射光が計測光と参照光の光路差内に存在しないように光路長設定された位置に前記コネクタが設置されている構成とする。
【００１４】
請求項１４の発明は光学式距離計測方法であり、距離計測用の低コヒーレンス光に可視光を合成した合成光を計測用光路と参照用光路に分岐し、前記計測用光路を通して前記合成光を計測対象面に照射し、前記照射による反射光および前記参照用光路の反射光から低コヒーレンス光成分を分離し、前記分離された低コヒーレンス光成分の干渉を利用して前記参照用光路の長さから前記計測対象面への距離を求める方法とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、計測対象面上の計測点の視認性が良く、水中でも距離計測を行うことができ、計測感度および精度の高い光学式距離計測方法および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】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の第１〜第10の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１７】
本発明に係る光学式距離計測装置の第１の実施例を図１，２，３を参照して説明する。
本発明の第１の実施例の光学式距離計測装置は、図１に示すように、低コヒーレンス光源１、アイソレータ２、可視光源１６、波長合成器１７、光分配器３、計測用光路１２、計測ヘッド４、参照用光路１３、周期的光路長変化素子５、遅延光学系６、全反射素子７、波長分離器１８、光検出器８、信号検出部９、信号処理制御部１０および距離表示部１１から構成されている。
【００１８】
低コヒーレンス光源１、アイソレータ２、可視光源１６、波長合成器１７、光分配器３、計測用光路１２および計測ヘッド４が計測用光学系を構成し、光分配器３、参照用光路１３、周期的光路長変化素子５、遅延光学系６および全反射素子７が参照用光学系を構成し、波長分離器１８、光検出器８、信号検出部９、信号処理制御部１０および距離表示部１１が信号検出演算部を構成する。
【００１９】
このように構成された本実施例の光学式距離計測装置において、低コヒーレンス光源１から発せられた光はアイソレータ２を通過した後、波長合成器１７に入射する。また、このとき可視光源１６から発せられた可視光も波長合成器１７に入射し、ここで、低コヒーレンス光と可視光が同一光路に合成される。合成された光は、ハーフミラーなどからなる光分配器３により計測用光路１２と参照用光路１３に分けられる。
【００２０】
計測用光路１２に分けられた光は計測ヘッド４を経て計測対象面１４に照射され、反射および散乱する。反射光および散乱光の一部１５は再び計測ヘッド４に入射し、計測用光路１２を光分配器３の方向に進む。一方、参照用光路１３に分けられた光は周期的光路長変化素子５および遅延光学系６を通過した後、全反射素子７で全反射し、参照用光路１３を光分配器３の方向に進む。
【００２１】
光分配器３に戻ってきた計測用光路１２の光と参照用光路１３の光は光分配器３で再び一つの光に合成され、波長分離器１８に入射する。波長分離器１８に入射した波長の異なる低コヒーレンス光と可視光は、ここで分離され各々異なる光路を進む。可視光側の光路を遮光し、低コヒーレンス光側の光路の後段に光検出器８を設置することで、低コヒーレンス光のみが光検出器８に入射する。
【００２２】
光検出器８に入射した低コヒーレンス光の強度は計測用光路１２と参照用光路１３の光路差により変化し、光路差が計測用低コヒーレンス光源１の持つ波長の１／２の整数倍となったときに最大強度を示す。図１（ｂ）に光検出器８に入射した光の強度変化の一例を示す。
【００２３】
図１（ｂ）のような光強度変化が現れる場合の条件は、計測用光路１２と参照用光路１３の光路長が等しく（光路差がゼロと）なるように遅延光学系６が調整されており、周期的光路長変化素子５により光路差ゼロの点を中心として周期的に光路差を変化させた場合である。また、このとき周期的に変化させた光路差の振幅Ａは計測用低コヒーレンス光源１のコヒーレンス長より大きい場合である。
【００２４】
周期的光路長変化素子５の振幅がゼロとなり、計測用光路１２と参照用光路１３の光路長が等しくなったとき光強度は最大となり、周期的光路長変化素子５の変化にともない光強度は強弱変化する。しかし、周期的光路長変化素子５の振幅が低コヒーレンス光源１のコヒーレンス長に近づくにつれ、計測用光路１２からの光と参照用光路１３からの光の干渉度が小さくなるため光強度変化は徐々に小さくなる。そして、周期的光路長変化素子５の振幅が低コヒーレンス光源１のコヒーレンス長より大きくなると光強度変化は観測されなくなる。
【００２５】
図１（ｃ）は、遅延光学系６により調整された計測用光路１２と参照用光路１３の光路差Ｌが計測用低コヒーレンス光源１のコヒーレンス長より十分に大きい場合の光強度変化の一例である。この場合は、図１（ｂ）と同様に周期的光路長変化素子５を振幅Ａで変化させても光強度変化は観測されない。
【００２６】
したがって、周期的光路長変化素子５で光路長を周期的に変化させながら、遅延光学系６を変化させ、図１（ｂ）に示すような光強度変化信号を探すことで、計測用光路１２と参照用光路１３の光路長が等しい点がわかり、間接的に計測ヘッド４と計測対象面１４の間の距離を計測することができる。
【００２７】
計測ヘッド４と計測対象面１４の間の距離を自動で計測し表示するには以下のように行う。図１（ａ）に示した光検出器８は干渉による光強度変化信号を電気信号に変換する。変換された電気信号は信号検出部９により強度変化が検出され、信号処理制御部１０に送られる。信号処理制御部１０では入力された電気強度変化信号を処理し、常に計測用光路１２と参照用光路１３の光路長が等しくなるように遅延光学系６の遅延光路長を自動で制御する。また、遅延光学系６の遅延光路長から計測ヘッド４と計測対象面１４の間の距離を求め、距離表示部１１で距離を表示する。これらの動作により、自動で距離を計測し表示することができる。
【００２８】
本実施例によれば、計測対象面１４に計測用の低コヒーレンス光と可視光が照射され、光検出器８には低コヒーレンス光のみが入射するので、計測対象面１４上の計測点の視認性を確保することができ、可視光を計測ノイズ光とすることなく、計測ヘッド４と計測対象面１４の間の距離を計測することができる。
【００２９】
図２は、本発明に係る光学式距離計測装置の第１の実施例の第１の変形例を示す図である。図２に示すように、本変形例は、低コヒーレンス光源１、アイソレータ２、可視光源１６、波長合成器１７、光分配器３、計測ヘッド４、周期的光路長変化素子５、遅延光学系６、全反射素子７、波長分離器１８および光検出器８を接続する光路が光ファイバーあるいは導波管６２によって構成されている。
【００３０】
このように構成された本変形例においては、低コヒーレンス光および可視光は光ファイバーあるいは導波管６２内を伝送する。そのため、計測ヘッド４を含む各光学素子の配置の自由度が高まる。したがって、自由な装置配置が可能となる他、直線光路では光を照射できないような計測対象面１４の計測を行うことができる。
【００３１】
図３は、本発明に係る光学式距離計測装置の第１の実施例の第２の変形例を示す図である。図３に示すように、本変形例は、低コヒーレンス光源１、アイソレータ２、可視光源１６、波長合成器１７、光分配器３、光路切替え器６０、複数の計測ヘッド６１、周期的光路長変化素子５、遅延光学系６、全反射素子７、波長分離器１８、光検出器８、信号検出部９、信号処理制御部１０および距離表示部１１から構成されている。
【００３２】
このように構成された本変形例においては、光路切替え器６０によって複数の計測ヘッド６１の各々に光路を切り替えるという簡単な操作によって複雑な形状あるいは複数の計測対象面の距離計測を行うことができる。
【実施例２】
【００３３】
次に、本発明の第２の実施例を説明する。本実施例の光学式距離計測装置は、図４に示すように、水中透過率の高い波長の低コヒーレンス光源１９、アイソレータ２、可視光源１６、波長合成器１７、光分配器３、計測用光路１２、水密構造の計測ヘッド２０、参照用光路１３、周期的光路長変化素子５、遅延光学系６、全反射素子７、波長分離器１８、光検出器８、信号検出部９、信号処理制御部１０、信号処理制御部１０および距離表示部１１から構成され、信号処理制御部１０には屈折率補正部２１が備えられている。
【００３４】
低コヒーレンス光源１９、アイソレータ２、可視光源１６、波長合成器１７、光分配器３、計測用光路１２および計測ヘッド２０が計測用光学系を構成し、光分配器３、参照用光路１３、周期的光路長変化素子５、遅延光学系６および全反射素子７が参照用光学系を構成し、波長分離器１８、光検出器８、信号検出部９、信号処理制御部１０および距離表示部１１が信号検出演算部を構成する。
【００３５】
このように構成された本実施例の光学式距離計測装置において、計測対象面１４が水中に設置されている場合、水密構造の計測ヘッド２０を水中に設置することができ、水密構造の計測ヘッド２０から計測対象面１４に照射される光は水中透過率の高い波長を有する低コヒーレンス光であるため、水中を低損失で透過する。
【００３６】
ここで、水中に設置された水密構造の計測ヘッド２０と計測対象面１４の間の距離は、空気中に設置された遅延光学系６での遅延光路長により求められるが、水と空気の屈折率が異なるため、水中での距離を求めるためには屈折率による校正が必要となる。信号処理制御部１０に備えられた屈折率校正部２１は、この屈折率による校正を行い、空気中に設置された遅延光学系６での遅延光路長から水中に設置された水密構造の計測ヘッド２０と計測対象面１４の間の距離を求める。そして距離表示部１１で水中の距離が表示される。
【００３７】
本実施例によれば、水密構造の計測ヘッド２０を水中に設置することができ、水密構造の計測ヘッド２０からの光は低損失で水中を透過して計測対象面１４で反射および散乱し、この反射光および散乱光の一部１５は再び水密構造の計測ヘッド２０に入射する。また、信号処理制御部１０に備えられた屈折率補正部２１において空気の屈折率と水の屈折率との校正をすることができるので、水中に設置された水密構造の計測ヘッド２０と計測対象面１４の間の距離を計測することができる。
【実施例３】
【００３８】
次に本発明に係る光学式距離計測装置の第３の実施例を図５を用いて説明する。  
本実施例の光学式距離計測装置は、図５（ａ）に示すように、水中透過率の高い波長の低コヒーレンス光源１９、アイソレータ２、可視光源１６、波長合成器１７、光分配器３、計測用光路１２、水密構造の計測ヘッド２０、参照用光路１３、周期的光路長変化素子５、遅延光学系６、全反射素子７、波長分離器１８、光検出器８、振幅復調部２２と自動利得制御部２３を備えた信号検出部９、屈折率補正部２１を備えた信号処理制御部１０、および信号処理制御部１０に接続された距離表示部１１から構成されている。
【００３９】
低コヒーレンス光源１９、アイソレータ２、可視光源１６、波長合成器１７、光分配器３、計測用光路１２および計測ヘッド２０が計測用光学系を構成し、光分配器３、参照用光路１３、周期的光路長変化素子５、遅延光学系６および全反射素子７が参照用光学系を構成し、波長分離器１８、光検出器８、信号検出部９、信号処理制御部１０および距離表示部１１が信号検出演算部を構成する。
【００４０】
このように構成された本実施例の光学式距離計測装置において、光検出器８において検出され変換された電気信号は、一般に直流成分と強度変化信号成分が合成されたものとなっている。例えば、信号検出部９において、まず、電気信号の中から直流成分を除去すると、図５（ｂ）に示すような強度変化信号が得られる。この強度変化信号はエンベロープを持つ。したがって、このエンベロープを検出することによっても、距離計測が可能となる。
【００４１】
強度変化信号エンベロープを検出するためには、例えば、強度変化信号を全波または半波整流した後、信号検出部９に備えられた振幅復調部２２により、図５（ｃ）に示すように検出することができる。さらに、検出されたエンベロープを信号検出部９に備えられた自動利得制御部２３に通すことで、信号レベルを高くし、かつ一定レベルの検出信号を出力することができる。
【００４２】
本実施例によれば、光検出器８において検出、変換された電気信号の中から、強度変化信号のエンベロープを検出し、さらに高い一定レベルの検出信号を出力することができるので、高感度で安定した水中距離計測を行うことができる。なお、本実施例の光学式距離計測装置における信号検出部９および信号処理制御部１０の構成および動作は気中距離計測においても利用することができる。
【実施例４】
【００４３】
次に本発明に係る光学式距離計測装置の第４の実施例を図６を用いて説明する。  
本実施例の光学式距離計測装置は、図６（ａ）に示すように、水中透過率の高い波長の低コヒーレンス光源１９、アイソレータ２、可視光源１６、波長合成器１７、光分配器３、計測用光路１２、水密構造の計測ヘッド２０、参照用光路１３、周期的光路長変化素子５、遅延光学系６、全反射素子７、波長分離器１８、光検出器８、振幅復調部２２と自動利得制御部２３を備えた信号検出部９、発振器２４と同期検波部２５と演算制御部２６と屈折率補正部２１を備えた信号処理制御部１０、および距離表示部１１から構成されている。
【００４４】
低コヒーレンス光源１９、アイソレータ２、可視光源１６、波長合成器１７、光分配器３、計測用光路１２および計測ヘッド２０が計測用光学系を構成し、光分配器３、参照用光路１３、周期的光路長変化素子５、遅延光学系６および全反射素子７が参照用光学系を構成し、波長分離器１８、光検出器８、信号検出部９、信号処理制御部１０および距離表示部１１が信号検出演算部を構成する。
【００４５】
このように構成された本実施例の光学式距離計測装置において、信号処理制御部１０に備えられた発振器２４は周期的光路長変化素子５と同期検波部２５に周波数ｆの周期的信号を送る。信号検出部９で検出され、出力された信号は信号処理制御部１０に入力され、同期検波部２５において発振器２４から送られてきた周波数ｆの周期的信号により同期検波される。
【００４６】
遅延光学系６により計測用光路１２と参照用光路１３の光路長が等しく（光路差がゼロに）調整されたとき、信号検出部９からの出力信号は、例えば、図６（ｂ）のように周波数２ｆの周期的信号となる。また、計測用光路１２と参照用光路１３の光路差がゼロより大きくなるにつれて、信号検出部９からの出力信号の中の周波数２ｆ成分は減少する。
【００４７】
したがって、信号検出部９からの出力信号を同期検波部２５で同期検波した後、演算制御部２６で検波信号中の周波数２ｆ成分を演算により検知し、周波数２ｆ成分が大きくなるように演算制御部２６が遅延光学系６の遅延光路長を調整制御することによって、水密構造の計測ヘッド２０と計測対象面１４の間の水中距離を自動で精度良く計測することができる。
【００４８】
本実施例によれば、計測用光路１２と参照用光路１３の光路長が常に等しくなるように遅延光学系６での遅延光路長を制御するので、距離を自動で精度良く計測することができる。なお、本実施例の光学式距離計測装置における信号検出部９および信号処理制御部１０の構成および動作は気中距離計測においても利用することができる。
【実施例５】
【００４９】
次に本発明に係る光学式距離計測装置の第５の実施例を説明する。  
本実施例の光学式距離計測装置は、図７に示すように、水中透過率の高い波長の低コヒーレンス光源１９、アイソレータ２、可視光源１６、波長合成器１７、第１の光分配器３ａ、計測用光路１２、水密構造の計測ヘッド２０、第２の光分配器３ｂ、参照用光路１３ａ，１３ｂ、周期的光路長変化素子５、全反射素子付き遅延光学系２９、全反射素子７、波長分離器１８、光検出器８、振幅復調部２２と自動利得制御部２３を備えた信号検出部９、発振器２４と同期検波部２５と演算制御部２６と屈折率補正部２１を備えた信号処理制御部１０、および距離表示部１１から構成されている。ここで、第１の光分配器３ａおよび第２の光分配器３ｂは、前記光分配器３と同様に例えばハーフミラーなどによって構成されている。
【００５０】
低コヒーレンス光源１９、アイソレータ２、可視光源１６、波長合成器１７、光分配器３ａ、計測用光路１２および計測ヘッド２０が計測用光学系を構成し、光分配器３ｂ、参照用光路１３ａ，１３ｂ、周期的光路長変化素子５、全反射素子付き遅延光学系２９および全反射素子７が参照用光学系を構成し、波長分離器１８、光検出器８、信号検出部９、信号処理制御部１０および距離表示部１１が信号検出演算部を構成する。
【００５１】
このように構成された本実施例の光学式距離計測装置において、低コヒーレンス光源１９から発せられた光はアイソレータ２を通過した後、波長合成器１７で可視光源１６からの可視光と同一光路に合成され、第１の光分配器３ａに入射する。
【００５２】
第１の光分配器３ａに入射した光は二つの光路に分けられ、計測用光路１２を通って一方は水密構造の計測ヘッド２０へ向かい、もう一方は遮光される。計測ヘッド２０へ向かった光は、計測ヘッド２０の出口に設けられている例えば光学基板でできた窓を通過して計測対象面１４に照射される。また、このとき、光学基板でできている窓を光が通過する際、窓の表面で反射して第１の光分配器３ａへ戻る反射光２８が存在する。
【００５３】
計測対象面１４に照射された光は計測対象面１４の表面で反射および散乱し、反射光および散乱光の一部１５が再び水密構造の計測ヘッド２０に戻り、計測用光路１２を通って第１の光分配器３ａへと進む。つまり反射光２８と反射光および散乱光の一部１５は光路差を持って第１の光分配器３ａを通過し、第２の光分配器３ｂに入射する。
【００５４】
第２の光分配器３ｂに入射した光は参照用光路１３ａと参照用光路１３ｂに分けられ、参照用光路１３ａに分けられた光は全反射素子付き遅延光学系２９を通過して再び第２光分配器３ｂに戻る。他方、参照用光路１３ｂに分けられた光は周期的光路長変化素子５を通過した後、全反射素子７で全反射して再び第２の光分配器３ｂに戻る。参照用光路１３ａからの光と参照用光路１３ｂからの光は光分配器３ｂで再び合成され、波長分離器１８を通過して光検出器８に入射する。
【００５５】
これらの過程において、反射光２８と反射光および散乱光の一部１５が干渉するように全反射素子付き遅延光学系２９の遅延光路長を調整することで、水密構造の計測ヘッド２０と計測対象面１４の間の距離が計測できる。この構成の場合、第１の光分配器３ａから水密構造の計測ヘッド２０までの計測用光路１２の長さは干渉に影響を与えない。例えば、計測用光路１２の長さが極端に長い場合、この長さに合わせた参照用の光路１３ａ，１３ｂを必要としない。
【００５６】
ここで、反射光２８は窓等の部分反射面の反射率が３４％のときに最適となる。すなわち、計測ヘッド２０の部分反射率をRr1、全反射素子７の反射率をRr2、計測対象面１４の反射率をRsとすると、干渉信号強度Sは、
【数１】
2005098835.tif 000003
となる（Aは比例定数）。この式から、Sが最大値をとるときのRr1は３４％となる。
【００５７】
本実施の形態によれば、第１の光分配器３ａから水密構造の計測ヘッド２０までの計測用光路１２の長さが干渉に影響を与えないので、水密構造の計測ヘッド２０の配置構成の自由度が高まる。なお、本実施例の構成および動作は気中距離計測においても利用することができる。
【実施例６】
【００５８】
次に本発明に係る光学式距離計測装置の第６の実施例を図８を用いて説明する。この第６の実施例は計測用の低コヒーレンス光を発生する低コヒーレンス光源１，１９に関する実施例である。
【００５９】
図８（ａ）に示す実施例は、レーザダイオード４８および変調ドライブ用高周波電源４９から構成されている。このように構成された本実施例のコヒーレンス光源において、変調ドライブ用高周波電源４９によりレーザダイオード４８のドライブ電流を高周波で振動させレーザダイオード４８を発振させる。これにより、通常コヒーレンス長の長いレーザダイオードからの光５０は低コヒーレンス光となる。低コヒーレンス光源として使用しやすいレーザダイオードの波長は主に近赤外領域であるので、変調されたレーザ光を低コヒーレンス光源とすることで、近赤外領域の光を用いる距離計測装置が可能となる。
【００６０】
図８（ｂ）に示す実施例は、スーパールミネッセントダイオード５１およびドライブ用電源５２から構成されている。このように構成された本実施例の低コヒーレンス光源において、ドライブ用電源５２によりスーパールミネッセントダイオード５１は発光する。ここで、スーパールミネッセントダイオードからの光５３は通常低コヒーレンス光であるため、このまま計測用光源として使用できる。スーパールミネッセントダイオードは低コヒーレンス光源として可視光端から極近赤外領域の波長もカバーすることができるので、スーパールミネッセントダイオード５１を低コヒーレンス光源とすることで、可視光端から極近赤外領域の光を用いる距離計測装置が可能となる。
【００６１】
図８（ｃ）に示す実施例は、フラッシュランプ５４およびドライブ用パルス電源５５から構成されている。このように構成された本実施例の低コヒーレンス光源において、ドライブ用パルス電源５５によりフラッシュランプ５４は発光する。ここで、フラッシュランプからの光５６は通常低コヒーレンス光であるため、このまま計測用光源として使用できる。フラッシュランプは低コヒーレンス光源として紫外領域の波長もカバーすることができるので、フラッシュランプ５４を低コヒーレンス光源とすることで、紫外領域の光を利用した距離計測装置が可能となる。
【００６２】
図８（ｄ）に示す本実例は、Ｘ線源５７および電源５８から構成されている。このように構成された本実施例の低コヒーレンス光源において、電源５８によりＸ線源５７中の電子が加速され、この電子の制動放射によりＸ線源５７からＸ線５９が発生する。ここで、Ｘ線源５７からのＸ線５９は通常低コヒーレンス光であるため、このまま計測用光源として使用できる。これにより、Ｘ線領域の光を利用した距離計測装置が可能となる。
【００６３】
以上のように、本発明の第６の実施例によれば、変調されたレーザ光５０では主に近赤外領域、スーパールミネッセントダイオード５１では主に可視光端から極近赤外領域、フラッシュランプ５４では主に紫外領域、Ｘ線源５７ではＸ線領域の光を計測用低コヒーレンス光源１あるいは１９として利用できるので、空気中、水中等の計測雰囲気および各種計測対象面への適用が可能となる。
【実施例７】
【００６４】
次に本発明に係る光学式距離計測装置の第７の実施例を図９を用いて説明する。この第７の実施例は計測ヘッド４あるいは２０に関する実施例である。
【００６５】
９（ａ）に示す実施例は、計測ヘッドカバー３１と集束レンズ３２から構成されている。このように構成された本実施例の計測ヘッドにおいて、計測ヘッド４，２０に入射された光が平行光３３である場合、計測ヘッドカバー３１内に設置された集束レンズ３２によって平行光３３は集束光３４となって計測対象面１４に照射される。こうして高い強度密度を持った光が計測対象面１４に照射されることとなる。  
図９（ｂ）に示す実施例は、計測ヘッドカバー３１、第１のコリメータレンズ３５および第２のコリメータレンズ３６から構成されている。
【００６６】
このように構成された本実施例の計測ヘッドにおいて、計測ヘッド４，２０に入射された光が平行光３３である場合、計測ヘッドカバー３１内に設置された第１のコリメータレンズ３５と第２のコリメータレンズ３６とによって平行光３３は、さらに小さい断面積の平行光３７となって計測対象面１４に照射される。こうして、第２のコリメータレンズ３６と計測対象面１４の距離にかかわらず、すなわち計測ヘッド４，２０の先端と計測対象面１４の距離にかかわらず高い強度密度を持った光が計測対象面１４に照射されることとなる。
【００６７】
本実施例によれば、図９（ａ）の集束照射型の場合は、計測対象面１４に照射される計測光強度の密度が高くなるので、高感度の計測が可能となる。また、図９（ｂ）平行照射型の場合は、計測ヘッド４，２０の先端から計測対象面１４までの距離に関係なく高く一定な光強度密度の計測光を計測対象面１４に照射することができるので、高感度でかつ計測レンジの大きい計測が可能となる。
【実施例８】
【００６８】
次に本発明に係る光学式距離計測装置の第８の実施例を説明する。この実施例は遅延光学系に関する実施例である。  
図１０に示すように、本実施例においては、遅延光学系６が第１の多重反射素子３８、第２の多重反射素子３９および前記第１または第２の多重反射素子３８，３９を保持し移動させる移動ステージ４０から構成されている。
【００６９】
このように構成された本実施例において、遅延光学系６への入射光４１は第１の多重反射素子３８で反射した後、第２の多重反射素子３９に向かい、ここで反射した後、再び第１の多重反射素子３８で反射して遅延光学系６からの放出光４２となる。このとき、例えば第１の多重反射素子３８が移動ステージ４０の上に設置されていると、遅延光路長を変化させることができる。このように遅延光学系６として多重反射素子３８、３９を用いることで、遅延光学系入口から出口までの距離を短くしても長い遅延光路長を確保することができる。また、遅延光路長を変化させるときの移動ステージ４０の移動量を小さくすることができる。
【００７０】
本実施例によれば、遅延光学系６の入口から出口までの距離を短くしても長い遅延光路長を確保することができ、遅延光路長を変化させるときの移動ステージ４０の移動量を小さくすることができるので、遅延光学系６を小型化でき、小型の光学式距離計測装置が可能となる。
【実施例９】
【００７１】
次に本発明に係る光学式距離計測装置の第９の実施例を説明する。この実施例は全反射素子に関する実施例である。  
図１１に示すように、本実施例においては、全反射素子７が全反射ミラー４３と、全反射ミラー４３を周期的に微小振動させる微小振動機構４４と、全反射ミラー４３を移動させる移動機構４５から構成されている。
【００７２】
このように構成された本実施例において、全反射ミラー４３に入射した光４６が微小振動機構４４により周期的に微小振動している全反射ミラー４３により反射されると、反射光４７の光路長は周期的に変化することとなる。すなわち、周期的光路長変化素子５と同等な作用が得られる。また、移動機構４５により全反射ミラー４３の位置を変化させることで反射光４７の光路長は変化することとなる。すなわち、遅延光学系６と同等な作用が得られる。
【００７３】
本実施例によれば、微小振動機構４４により周期的光路長変化素子５と同等な作用が得られ、移動機構４５により遅延光学系６と同等な作用が得られるので、周期的光路長変化素子５と遅延光学系６を全反射素子７内に置き換えることができ、小型の光学式距離計測装置が可能となる。
【実施例１０】
【００７４】
つぎに本発明に係る光学式距離計測装置の第１０の実施例を図１２を用いて説明する。
図１２に示すように、本実施例の光学式距離計測装置は、光分配器３、計測ヘッド４、周期的光路長変化素子５、遅延光学系６、全反射素子７、光ファイバー６３および光ファイバー用コネクタ６４から構成されている。光ファイバー用コネクタ６４にはコネクタ端面６５が存在する。
【００７５】
このように構成された本実施例において、光分配器３から光ファイバー用コネクタ６４のコネクタ端面６５までの距離Ｌ１と光分配器３から全反射素子７の反射端までの距離は等しい状態に各光学素子が配置されているとする（Ｌ１＝Ｌ２）。また、コネクタ端面６５から計測対象面１４までの距離をｄ、遅延光学系６の遅延光路長をｘとする。この場合、２ｘとｄが等しいとき、計測対象面１４からの反射および散乱光の一部１５と全反射素子７からの反射光が干渉し、計測ヘッド４と計測対象面１４の間の距離が計測できる。しかし、このような光学系配置の場合は、ｘ＝０のときにも、コネクタ端面６５からの反射光と全反射素子７からの反射光が干渉する。したがって、どちらの干渉信号が距離計測のための干渉信号かを判断することが難しくなり、距離計測が困難になる。
【００７６】
一方、光分配器３から光ファイバー用コネクタ６４のコネクタ端面６５までの距離Ｌ１が光分配器３から全反射素子７の反射端までの距離Ｌ２より短い状態に各光学素子が配置されているとき（Ｌ１＜Ｌ２）には、２ｘ＝ｄのときのみ干渉信号が得られることとなり、コネクタ端面６５からの反射光と全反射素子７からの反射光との干渉信号による影響を受けずに距離計測を行うことができる。
【００７７】
なお、光分配器３から光ファイバー用コネクタ６４のコネクタ端面６５までの距離Ｌ１が光分配器３から全反射素子７の反射端までの距離Ｌ２より長い状態に各光学素子が配置されている場合（Ｌ１＞Ｌ２）には、２ｘ＝０と２ｘ＝ｄのときに干渉信号が現れてしまうため、Ｌ１＝Ｌ２の場合と同様に距離計測が困難となる。
【００７８】
本実施例によれば、光分配器３から光ファイバー用コネクタ６４のコネクタ端面６５までの距離Ｌ１が光分配器３から全反射素子７の反射端までの距離Ｌ２より短い状態に各光学素子を配置することによってコネクタ端面６５からの反射光との干渉による光信号を防ぐことができるので、距離計測の信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の第１実施例を示し、（ａ）は光学式距離計測装置のブロック図、（ｂ），（ｃ）は動作を説明するタイムチャート。
【図２】本発明の第１の実施例の第１の変形例の光学式距離計測装置を示すブロック図。
【図３】本発明の第１の実施例の第２の変形例の光学式距離計測装置を示すブロック図。
【図４】本発明の第２の実施例の光学式距離計測装置を示すブロック図。
【図５】本発明の第３の実施例を示し、（ａ）は光学式距離計測装置のブロック図、（ｂ），（ｃ）は動作を説明するタイムチャート。
【図６】本発明の第４の実施例を示し、（ａ）は光学式距離計測装置のブロック図、（ｂ）は動作を説明するタイムチャート。
【図７】本発明の第５の実施例の光学式距離計測装置を示すブロック図。
【図８】本発明の第６の実施例を示し、低コヒーレンス光源を示すブロック図。
【図９】本発明の第７の実施例を示し、計測ヘッドを示す断面図。
【図１０】本発明の第８の実施例を示し、遅延光学系を示す断面図。
【図１１】本発明の第９の実施例を示し、全反射素子を示す断面図。
【図１２】本発明の第１０の実施例の光学式距離計測装置の要部を示すブロック図。
【符号の説明】
【００８０】
１…低コヒーレンス光源、２…アイソレータ、３，３ａ，３ｂ…光分配器、４…計測ヘッド、５…周期的光路長変化素子、６…遅延光学系、７…全反射素子、８…光検出器、９…信号検出部、１０…信号処理制御部、１１…距離表示部、１２…計測用光路、１３，１３ａ，１３ｂ…参照用光路、１４…計測対象面、１５…反射光および散乱光の一部、１６…可視光源、１７…波長合成器、１８…波長分離器、１９…計測用低コヒーレンス光源（水中透過率の高い波長）、２０…水密構造の計測ヘッド、２１…屈折率補正部、２２…振幅復調部、２３…自動利得制御部、２４…発振器、２５…同期検波部、２６…演算制御部、２８…反射光、２９…全反射素子付き遅延光学系、３１…計測ヘッドカバー、３２…集束レンズ、３３…平行光、３４…集束光、３５，３６…コリメータレンズ、３７…小さい断面積の平行光、３８，３９…多重反射素子、４０…移動ステージ、４１…入射光、４２…放出光、４３…全反射ミラー、４４…微小振動機構、４５…移動機構、４６…入射光、４７…反射光、４８…レーザダイオード、４９…変調ドライブ用高周波電源、５０…レーザダイオードからの光、５１…スーパールミネッセントダイオード、５２…ドライブ用電源、５３…スーパールミネッセントダイオードからの光、５４…フラッシュランプ、５５…ドライブ用パルス電源、５６…フラッシュランプからの光、５７…Ｘ線源、５８…電源、５９…Ｘ線、６０…光路切替え器、６１…複数の計測ヘッド、６２…光ファイバーあるいは導波管、６３…光ファイバー、６４…光ファイバー用コネクタ、６５…コネクタ端面。
【図１】
2005098835.tif 000004
【図２】
2005098835.tif 000005
【図３】
2005098835.tif 000006
【図４】
2005098835.tif 000007
【図５】
2005098835.tif 000008
【図６】
2005098835.tif 000009
【図７】
2005098835.tif 000010
【図８】
2005098835.tif 000011
【図９】
2005098835.tif 000012
【図１０】
2005098835.tif 000013
【図１１】
2005098835.tif 000014
【図１２】
2005098835.tif 000015