(57)【要約】【課題】より高速な測距装置、及び測距方法を提供する。【解決手段】ＦＭＣＷ方式によって距離を測定する測距装置であって、周波数掃引された電磁波を送信波として生成する信号源２と、送信波を対象物６に向けて出射し、対象物６での反射によって得られる反射波と送信波とを干渉させてビート信号を生成する干渉部３と、ビート信号が入射する領域内に配置され、ビート信号の強度を検出する複数の検出器４ａと、複数の検出器４ａから出力されるビート信号の強度を示す複数の検出信号のそれぞれに対して信号処理を施すことで、（１）当該測距装置から、複数の検出器４ａに対応する対象物６の表面における複数の箇所までの距離、及び（２）当該測距装置から複数の箇所までの距離における差分の少なくとも一方を算出する信号処理部５とを備える。【選択図】図１
2017161484.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＦＭＣＷ（Frequency Modulated Continuous Wave）方式によって対象物までの距離を測定する測距装置であって、
周波数が掃引された電磁波を送信波として生成する信号源と、
前記信号源で生成された前記送信波を前記対象物に向けて出射し、前記対象物での反射によって得られる反射波を受信し、前記送信波と前記反射波とを干渉させることでビート信号を生成する干渉部と、
前記干渉部で生成された前記ビート信号が入射する領域内に配置され、入射した前記ビート信号の強度を検出する複数の検出器と、
前記複数の検出器から出力される前記ビート信号の強度を示す複数の検出信号のそれぞれに対して信号処理を施すことで、（１）当該測距装置から前記複数の検出器に対応する前記対象物の表面における複数の箇所までの距離、及び（２）当該測距装置から前記複数の箇所までの距離における差分の少なくとも一方を算出する信号処理部と
を備える測距装置。
【請求項２】
前記信号処理部は、前記複数の検出信号のそれぞれの周波数を特定し、特定した前記周波数に基づいて、当該測距装置から前記複数の箇所までの距離を算出する
請求項１に記載の測距装置。
【請求項３】
前記信号処理部は、前記複数の検出信号における位相差を特定し、特定した前記位相差に基づいて、当該測距装置から前記複数の箇所までの距離における差分を算出する
請求項１に記載の測距装置。
【請求項４】
前記信号処理部は、
前記複数の検出信号のうちの第１検出信号の周波数を特定し、特定した前記周波数に基づいて、当該測距装置から、前記第１検出信号に対応する前記対象物の表面における第１箇所までの距離である第１距離を算出し、
前記複数の検出信号のうちの前記第１検出信号を除く第２検出信号について、前記第１検出信号との位相差を特定し、特定した前記位相差に基づいて、前記第１距離と、前記第２検出信号に対応する前記対象物の表面における第２箇所までの距離である第２距離との差分を算出し、前記第１距離に前記差分を加算することで、前記第２距離を算出する
請求項１に記載の測距装置。
【請求項５】
前記複数の検出器は、前記領域内に直線状に並んで配置されている
請求項１〜４のいずれか１項に記載の測距装置。
【請求項６】
前記電磁波はレーザー光である
請求項１〜５のいずれか１項に記載の測距装置。
【請求項７】
ＦＭＣＷ方式によって対象物までの距離を測定する測距方法であって、
送信波として周波数が掃引された電磁波を生成するステップと、
前記送信波と前記対象物の反射によって得られる反射波とを干渉させることでビート信号を生成するステップと、
生成された前記ビート信号が入射する領域内に配置され、入射した前記ビート信号の強度を検出する複数の検出器を用いて複数の検出信号を生成するステップと、
前記複数の検出信号のそれぞれに対して信号処理を施すことで、（１）測距装置から前記複数の検出器に対応する前記対象物の表面における複数の箇所までの距離、及び（２）前記測距装置から前記複数の箇所までの距離における差分の少なくとも一方を算出するステップと、を含む、
測距方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＦＭＣＷ（Frequency Modulated Continuous Wave）方式によって対象物までの距離を測定する測距装置、及び測距方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、対象物までの距離を測定する方式として、ＦＭＣＷ方式が用いられている。ＦＭＣＷレーダでは、対象物に対し連続的な電波に周波数掃引を加えた送信波を送信し、送信波の一部と、対象物から反射してきた反射波とを干渉させることでビート信号を生成し、このビート信号に対し周波数分析を行い、対象物までの距離を算出している（例えば、特許文献１参照）。特許文献１によると、測定分解能を向上させるために、バンドパスフィルタを用い、バンドパスフィルタの選択度を高く（バンドパスフィルタのバンド幅を狭く）している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−００３８７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１では、複数箇所を測定する場合、それぞれの箇所を別々に測定するので、測定箇所が多いと測定箇所の数だけ測定時間が長くなる。そのため、自動車用の測距装置など高速処理が必要な用途、または、対象物の表面形状を確認するなど測定箇所が多い用途への適用が難しい。
【０００５】
そこで、本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、より高速な測距装置、及び測距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】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の一形態に係る測距装置は、ＦＭＣＷ方式によって対象物までの距離を測定する測距装置であって、周波数が掃引された電磁波を送信波として生成する信号源と、信号源で生成された前記送信波を前記対象物に向けて出射し、前記対象物での反射によって得られる反射波を受信し、前記送信波と前記反射波とを干渉させることでビート信号を生成する干渉部と、前記干渉部で生成された前記ビート信号が入射する領域内に配置され、入射した前記ビート信号の強度を検出する複数の検出器と、前記複数の検出器から出力される前記ビート信号の強度を示す複数の検出信号のそれぞれに対して信号処理を施すことで、（１）当該測距装置から、前記複数の検出器に対応する前記対象物の表面における複数の箇所までの距離、及び（２）当該測距装置から前記複数の箇所までの距離における差分の少なくとも一方を算出する信号処理部とを備える。
【０００７】
これにより、ビート信号が入射する領域内に複数の検出器が配置されるので、複数の検出器のそれぞれは、同時にそれぞれの検出器に応じたビート信号を受信する。それにより、複数の検出器に対応した対象物までの距離、あるいは、複数の箇所までの距離の差分が１回の測定で可能となる。よって、測定箇所が複数ある場合でも、対象物までの距離あるいは複数の箇所までの距離の差分の測定を高速に行うことができる。
【０００８】
ここで、前記信号処理部は、前記複数の検出信号のそれぞれの周波数を特定し、特定した前記周波数に基づいて、当該測距装置から前記複数の箇所までの距離を算出してもよい。
【０００９】
これにより、当該測距装置は、ビート周波数を用いて複数の箇所までの距離を算出できる。
【００１０】
また、前記信号処理部は、前記複数の検出信号における位相差を特定し、特定した前記位相差に基づいて、当該測距装置から前記複数の箇所までの距離における差分を算出してもよい。
【００１１】
これにより、複数の箇所までの距離の差分が微少（例えば、信号源の電磁波の１波長以下）であるためにビート周波数を用いて距離を算出することができない場合であっても、位相差を用いることで複数の箇所までの距離における差分を算出でき、測定分解能を向上させることができる。あるいは、顕微鏡のように対象物までの距離ではなく対象物の表面形状を測定したい場合に当該測距装置を使用することができるようになり、従来のＦＭＣＷ方式による測距装置よりも利用できる分野が増える。
【００１２】
また、前記信号処理部は、前記複数の検出信号のうちの第１検出信号の周波数を特定し、特定した前記周波数に基づいて、当該測距装置から、前記第１検出信号に対応する前記対象物の表面における第１箇所までの距離である第１距離を算出し、前記複数の検出信号のうちの前記第１検出信号を除く第２検出信号について、前記第１検出信号との位相差を特定し、特定した前記位相差に基づいて、前記第１距離と、前記第２検出信号に対応する前記対象物の表面における第２箇所までの距離である第２距離との差分を算出し、前記第１距離に前記差分を加算することで、前記第２距離を算出してもよい。
【００１３】
これにより、複数の箇所までの距離の差分が微少な場合であっても、複数の測定箇所それぞれまでの距離を算出することができ、ビート周波数だけを用いて距離を算出する場合に比べ測定分解能を向上させることができる。
【００１４】
また、前記複数の検出器は、前記領域内に直線状に並んで配置されていてもよい。
【００１５】
これにより、対象物の表面形状の測定が容易になる。具体的には、基板など複数の部品が実装されている被検査物がコンベアなどで流れている場合である。コンベアから一定距離の位置に当該測距装置を設置し、コンベア上の被検査物までの複数の距離を連続して測定することにより、対象物の２次元表面形状が測定できるので、部品の実装間違いや実装忘れなどを検査する検査装置として使用することができる。
【００１６】
また、前記電磁波はレーザー光であってもよい。レーザー光は指向性や収束性に優れており、また発生する電磁波の波長を一定に保つことができる特徴がある。
【００１７】
これにより、安定した光を対象物に送信できるので、距離計測を容易に行える。
【００１８】
また、上記目的を達成するために、本発明の一形態に係る測距方法は、ＦＭＣＷ方式によって対象物までの距離を測定する測距方法であって、送信波として周波数が掃引された電磁波を生成するステップと、前記送信波と前記対象物の反射によって得られる反射波とを干渉させ、前記対象物の箇所に対応するビート信号を生成するステップと、生成された前記ビート信号が入射する領域内に配置され、入射した前記ビート信号の強度を検出する複数の検出器を用いて複数の検出信号を生成するステップと、前記複数の検出信号のそれぞれに対して（１）前記複数の検出信号から複数のビート周波数を特定し、特定した前記複数のビート周波数を用いて前記対象物までの複数の距離を算出する、（２）前記複数の検出信号から検出信号間の位相差を特定し、特定した前記位相差を用いて前記対象物までの距離の差分を算出する、の少なくとも一方を用いて距離を算出するステップとを含む。
【００１９】
これにより、ビート信号が入射する領域内に複数の検出器が配置されるので、複数の検出器のそれぞれは、同時にそれぞれの検出器に応じたビート信号を受信する。それにより、複数の検出器に対応する対象物の表面における複数の箇所までの距離、あるいは、複数の箇所までの距離の差分が１回の測定で可能となる。よって、測定箇所が複数ある場合でも、複数の検出器に対応する対象物の表面における複数の箇所までの距離、あるいは複数の箇所までの距離の差分の測定を高速に行うことができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によって、より高速な測距装置、及び測距方法を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】実施の形態に係る測距装置の構成を示す図
【図２】送信波、及び反射波の周波数と時間の関係を示す図
【図３】実施の形態に係るビート周波数から距離を算出するフローチャート
【図４Ａ】ビート周波数を用いて距離測定を行ったサンプルの外観を示す図
【図４Ｂ】ビート周波数を用いて距離測定を行った結果を示す図
【図４Ｃ】ビート周波数を用いて距離測定を行った検出器ごとの距離測定結果を示す図
【図５】測定に用いた検出器の構成を示す図
【図６Ａ】対象物の表面が平らである場合の測定系を示す図
【図６Ｂ】図６Ａの測定系における位相差の測定結果を示す図
【図７Ａ】対象物の表面に微少な凹凸がある場合の測定系を示す図
【図７Ｂ】図７Ａの測定系における位相差の測定結果を示す図
【図８】実施の形態に係る位相差から距離の差分を算出するフローチャート
【図９】検出器間の位相差を測定した結果を示す図
【図１０】実施の形態に係るビート周波数と位相差から距離を算出するフローチャート
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
【００２３】
図１は、実施の形態に係る測距装置の構成を示す図である。測距装置１は、後述するように、測定箇所が複数ある場合でも、対象物６までの距離あるいは複数の箇所までの距離の差分の測定を高速に行うことができる特徴を有する。
【００２４】
測距装置１は、信号源２、干渉部３、検出部４、及び信号処理部５を備える。
【００２５】
信号源２は、周波数が掃引された電磁波を送信波として生成する。信号源２は、例えば半導体レーザーや電圧制御発振器などである。半導体レーザーは、注入電流を変えることによって容易に発振周波数を変えることができる。具体的には、半導体レーザーの発振周波数の調整方法は、半導体レーザーの注入電流を三角波で変調することにより、周波数掃引を行うなどである。よって、半導体レーザーは、ＦＭＣＷ方式の測距装置に使用する光源として適している。また、電圧制御発振器は、制御電圧により発振周波数を制御する発振器である。電圧制御発振器を使用する場合は、送信用のアンテナが必要となる（図１では省略）。なお、信号源２は、半導体レーザーまたは電圧制御発振器に限定されることはなく、周波数掃引された電磁波を発生させることができるものであればよい。電磁波を発生させる機器と変調信号を発生させる機器を別々に用意し、電磁波、及び変調信号を干渉させることで周波数掃引してもよい。
【００２６】
干渉部３は、信号源２から送信された送信波の出射範囲を調整して対象物６に向けて出射し、また対象物６での反射によって得られる反射波を受信する。そして、干渉部３は、送信波と反射波とを干渉させることでビート信号を生成し、生成したビート信号を検出部４へ送信する。干渉部３は、レンズ３ａ、分配器３ｂ、及び参照鏡３ｃを備える。
【００２７】
レンズ３ａは、信号源２から送信された送信波を、対象物６の測定を行う範囲全てを覆うように出射範囲を調整し、平行光線として出射する役割を持つ。レンズ３ａは、例えばコリメータレンズである。当該測距装置は、レンズ３ａを用いることで複数の測定箇所全てに同時に送信波を出射できる。例えば、対象物６の複数の測定箇所の最外となる２箇所の距離が１．６ｍｍであれば、直径２〜３ｍｍ程度の範囲に出射できるような平行光線となるようレンズ３ａの選定を行う。ここで、複数の測定箇所の最外となる２箇所の距離より出射される平行光線の直径を広くしているのは、より安定している中心付近の平行光線を用い距離測定を行うためである。なお、レンズ３ａは、コリメータレンズに限定されることはなく、信号源２から送信された送信波を、対象物６のそれぞれの測定箇所全てに出射できるような平行光線とすることが出来ればよい。また、レンズは１つに限らず、複数個使用してもよい。また、信号源２から送信された送信波が、対象物６の複数の測定箇所の最外となる２箇所の長さより十分に広い場合、レンズ３ａは送信波を集光させるレンズを使用する、あるいはレンズ３ａを使用しなくてもよい。
【００２８】
分配器３ｂは、レンズ３ａを通過し所定の出射範囲を持った送信波を、対象物６と参照鏡３ｃに分配して出射し、対象物６での反射によって得られる反射波と参照鏡３ｃで反射された送信波とを受信し、反射波と送信波とを干渉させることでビート信号を生成する。そして、分配器３ｂは、生成したビート信号を検出部４へ送信する。また、分配器３ｂは、レンズ３ａと対象物６との間に設置される。
【００２９】
参照鏡３ｃは、分配器３ｂによって分配された送信波が入射する領域に配置され、入射した送信波を分配器３ｂへ反射する役割を持つ。参照鏡３ｃで反射された送信波は、分配器３ｂでビート信号を生成するために用いられる。
【００３０】
検出部４は、干渉部３で生成された複数のビート信号が入射する領域内に配置され、入射した複数のビート信号の強度を検出し、ビート信号の強度を示す複数の検出信号を信号処理部５へ送信する。検出部４は複数の検出器４ａを備える。
【００３１】
検出器４ａは、受光素子であり、干渉部３で生成された複数のビート信号を受信し、受信したビート信号ごとにビート信号の強度を示す検出信号（電気信号）に変換し、信号処理部５へ送信する。検出器４ａは、例えばフォトダイオードである。フォトダイオードは応答速度が速く、連続して測定する場合（対象物６の２次元形状など）に適している。なお、検出器４ａはフォトダイオードに限定されることはない。ビート信号を検出信号に変換できればよいので、イメージセンサや、送信波の波長によってはＣＣＤ（Charge Coupled Device）またはＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）などでもよく、その他の受光素子でもよい。
【００３２】
信号処理部５は、検出部４から出力される複数のビート信号の強度を示す複数の検出信号のそれぞれに対して信号処理を施すことで、（１）測距装置１から、複数の検出器４ａに対応する対象物６の表面における複数の箇所までの距離、及び（２）測距装置１から複数の箇所までの距離における差分の少なくとも一方（本実施の形態では、両方）を算出する。信号処理部５は、Ａ／Ｄ（Analog-to-digital）変換器５ａ、及び演算部５ｂを備える。
【００３３】
Ａ／Ｄ変換器５ａは、検出部４から送信された複数の検出信号をデジタル信号に変換し、演算部５ｂへ送信する。この際、検出信号の周波数成分の２倍より高い周波数でサンプリングを行い、デジタル信号に変換する必要がある。
【００３４】
演算部５ｂは、Ａ／Ｄ変換器５ａから送信されたデジタル信号に信号処理を施すことで、（１）測距装置１から、複数の検出器４ａに対応する対象物６の表面における複数の箇所までの距離、及び（２）測距装置１から、複数の検出器４ａに対応する対象物６の表面における複数の箇所までの距離における差分の少なくとも一方（本実施の形態では、両方）を算出する。本実施の形態では、使用者による選択指示に応じて、（１）ビート周波数を用いて、測距装置１から対象物６の表面における複数の箇所までの距離測定を行う、（２）位相差を用いて、測距装置１から対象物６の表面における複数の箇所までの距離における差分測定を行う、（３）ビート周波数と位相差の両方を用いて、測距装置１から対象物６の表面における複数の箇所までの距離測定を行う、の測定モードのいずれかを選択的に行う。
【００３５】
また、演算部５ｂは、具体的にはコンピュータ（パーソナルコンピュータなど）であり、記憶部、入力部、制御部及び出力部を備える。記憶部は、Ａ／Ｄ変換器５ａから送信されたデジタル信号、または信号処理後のデータを記憶したり、制御部が実行するプログラムを保持する記憶装置である。記憶部は、ＲＡＭ（Random Access Memory）、及びＲＯＭ（Read Only Memory）により構成されている。なお、本発明の実施の形態では、記憶部は演算部５ｂに内蔵されている例を示したが、それに限らず、記憶部は外付けハードディスクによる記憶装置として構成されていてもよい。入力部は、使用者による測定モードの選択指示などを受け付ける。入力部は、キーボード、マウス、あるいはタッチパネルなどである。制御部は、入力部で入力された測定モードに応じた測定プログラムを記憶部から読み出し、Ａ／Ｄ変換器５ａから送信されたデジタル信号を処理し、測定モードに応じた測定結果を算出する。また、制御部は、入力部より入力された情報などに応じて、各機器の制御を行う。制御部は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などにより構成されている。出力部は、制御部によって算出された複数の箇所までの距離、あるいは複数の箇所までの距離における差分を表示する。出力部は、例えば液晶ディスプレイなどの表示媒体である。
【００３６】
次に、以上のように構成された本実施の形態の測距装置のそれぞれの動作について、説明を行う。
【００３７】
まず、図２を用いて、当該測距装置に用いているＦＭＣＷ方式による距離測定の原理を説明する。図２は、送信波（図２では、破線で示す）、及び反射波（図２では、実線で示す）の周波数と時間の関係を示す図である。対象物６によって反射された反射波は、送信波と比べ、対象物６までの距離の往復に必要な時間だけ、波形が遅れる方向（図２では、右方向）に時間差Ｔ（Ｔ＝２ｎＬ／ｃ）が生じている波である。ここで、ｎは屈折率（空気中であれば、おおよそ１）、Ｌは対象物６までの距離、ｃは光速（おおよそ３×１０８ｍ／ｓ）であり、屈折率ｎと光速ｃは定数である。その時間差Ｔが生じるため、同一時刻で送信波と反射波の周波数を見た場合、その周波数に差が生じている。この周波数の差が、ビート周波数となる。送信波と反射波との時間差Ｔは、対象物６までの距離によって変化する。よって、生成されるビート周波数も対象物６までの距離によって変化する。
【００３８】
周波数掃引の繰り返し周波数をｆｍ、周波数掃引幅の最大値を△Ｆ、ビート周波数をｆｂとすると干渉部３から対象物６までの距離Ｌは、
Ｌ＝ｃ＊ｆｂ／（４＊ｎ＊ｆｍ＊△Ｆ）    ・・・式１
で表される。また、周波数掃引の繰り返し周波数ｆｍ、周波数掃引幅の最大値△Ｆは、使用者が信号源２で設定する送信波条件である。つまり、式１において未知なパラメータはビート周波数のみである。よって、ビート周波数を求め、他の送信波条件と合わせて式１に代入し計算することで、対象物６までの距離が求まる。
【００３９】
一例として、周波数掃引の繰り返し周波数ｆｍが１００Ｈｚ、周波数掃引幅の最大値△Ｆが２００ＭＨｚの信号源、及びビート周波数ｆｂが１０ＫＨｚであった場合、対象物６までの距離は式１より、Ｌ＝３７．５ｍとなる。
【００４０】
また、ビート周波数を用いた場合における測定距離の最大値（以降、最大測定距離）について、説明を行う。最大測定距離は、信号源２の電磁波の可干渉距離、すなわち、スペクトル線幅で決まる。スペクトル線幅を△ｖとすると、最大測定距離Ｌｍａｘは、
Ｌｍａｘ＝ｃ／（２＊ｎ＊π＊△ｖ）    ・・・式２
で表される。ここで、πは円周率であり、定数である。電磁波の往復の伝搬を考慮し、式２の係数は１／２としている。例えば、信号源２に半導体レーザーを使用している場合、半導体レーザーのスペクトル線幅は通常１００ＫＨｚ〜１０ＭＨｚ程度であるので、最大測定距離Ｌｍａｘは５〜５００ｍ程度となる。
【００４１】
次に、本実施の形態の測距装置のそれぞれの測定モードについて、図３〜１０を用いて説明を行う。
【００４２】
[（１）ビート周波数を用いて、複数の箇所までの距離測定を行う方法]
（ビート周波数を用いて距離を求める流れ）
図３は、実施の形態に係るビート周波数から距離を算出するフローチャートである。まず、分配器３ｂは、信号源２から送信された送信波と対象物６で反射された反射波とを干渉させ、ビート信号を生成し、検出部４へ送信する。検出部４は、分配器３ｂで生成されたビート信号が入射する領域内に配置されるので、複数の検出器４ａのそれぞれは、同時にそれぞれの検出器４ａに応じたビート信号を受信する（Ｓ１）。反射波は、送信波に比べ対象物６までの往復距離に応じた時間差Ｔ（Ｔ＝２ｎＬ／ｃ）が生じている。その結果、送信波と反射波とから生成されたビート信号も、対象物６までの距離に応じて変化する。検出部４は、受信したビート信号を電気信号である検出信号に変換し（Ｓ２）、その検出信号をＡ／Ｄ変換器５ａへ送信する。Ａ／Ｄ変換器５ａは、検出部４で検出された検出信号を、デジタル信号へ変換する（Ｓ３）。Ａ／Ｄ変換器５ａは、複数の検出器４ａごとに検出信号をデジタル信号へ変換し、変換したデジタル信号を演算部５ｂへ送信する。演算部５ｂは、デジタル信号に対しＦＦＴ（高速フーリエ変換：Fast Fourier Transform）解析を行うことで、ビート周波数を算出する（Ｓ４）。演算部５ｂは、算出したビート周波数と信号源２で設定した送信波条件を式１に代入し計算することで、対象物６までの距離を算出する（Ｓ５）。そして、演算部５ｂは、複数の検出器４ａごとに、ステップＳ３〜Ｓ５を繰り返し、複数の検出器４ａに対応した対象物６までの距離を算出する。出力部は、全ての検出器４ａごとに距離が算出された後、その算出結果を表示する（Ｓ６）。
【００４３】
これにより、本実施の形態の測距装置は、ビート信号が入射する領域内に複数の検出器４ａが配置されているので、複数の検出器４ａのそれぞれは、同時にそれぞれの検出器に応じたビート信号を受信できる。つまり、複数の検出器４ａに対応した対象物６までの距離を１回の測定で算出できる。よって、測定箇所が複数ある場合でも、本実施の形態の測距装置は、対象物６までの距離の測定を高速に行うことができる。
【００４４】
また、当該測距装置は、対象物６の表面の凹凸が比較的大きい場合、隣り合う検出器４ａそれぞれの対象物６までの距離を比較することで、対象物６の表面形状を測定できる。図４Ａ〜Ｃを用いて、表面形状を測定する一例を説明する。
【００４５】
（ビート周波数を用いた距離測定結果）
次に、本実施の形態の測距装置を使用し、ビート周波数を用いて距離を測定した結果を説明する。図４Ａは、ビート周波数を用いて距離測定を行った際に使用した測定サンプル１０の外観を示す図である。測定サンプル１０は、凸部１０ａと平面部１０ｂから成るサンプルである。凸部１０ａの厚みは、平面部１０ｂを基準とし３ｍｍである。つまり、凸部１０ａは平面部１０ｂから３ｍｍ突き出ている。測定に使用した送信波の波長は１３１０ｎｍの近赤外線光、周波数掃引の繰り返し周波数ｆｍは１００Ｈｚである。また、検出部４は１６個の検出器４ａ（ｃｈ０からｃｈ１５の１６個）を直線状に等間隔に配置したものを用いる。図５は、今回の測定に用いた検出部４の構成を示す図（分配器３ｂで生成されたビート信号が入射する方向から見た図）である。また、検出部４は、複数の検出器４ａを備える。本実施の形態では、検出器４ａの幅は８０μｍであり、検出器４ａ間のギャップ４ｂは２０μｍである。なお、図５は検出部４の一例であり、検出器４ａの配置及び個数などは、これに限定されるものではない。
【００４６】
図４Ｂは、検出器４ａごとにビート周波数を用いて距離測定を行った結果を示す図である。図４Ｂの横軸は測定サンプル１０までの距離、縦軸は波形の強度を表している。対象物６までの距離は、図４Ｂの波形のピーク強度（最も高い強度であり、それぞれの検出器４ａごと（ｃｈ０〜ｃｈ１５ごと）のグラフの山の頂部）に対応する距離から求められる。検出器４ａのｃｈ３〜ｃｈ１３までには波形の山が２つあるが、これはｃｈ３〜ｃｈ１３の検出器４ａが対象物６の段差のある箇所（凸部１０ａと平面部１０ｂの境）に対応するビート信号を受信しているからである。演算部５ｂは、検出器４ａのｃｈ３〜ｃｈ１３に対し、波形の強度の大きい方をその検出器４ａに対応する測定サンプル１０までの距離と判断する。
【００４７】
図４Ｃは、図４Ｂの対象物６までの距離を検出器４ａごとに並べた図である。図４Ｃの横軸は検出器４ａごとの識別（ｃｈ０〜ｃｈ１５）を、縦軸は測定サンプル１０までの距離を表している。図４Ｃの結果より、測定サンプル１０の凸部１０ａまでの距離は、ｃｈ０〜ｃｈ６に示されており、およそ３３．５ｍｍである。測定サンプル１０の平面部１０ｂまでの距離はｃｈ７〜ｃｈ１５に示されており、およそ３０．５ｍｍである。よって、凸部１０ａの厚みは平面部１０ｂを基準とし３ｍｍとなり、測定サンプル１０の寸法と一致する。これにより、本実施の形態の測距装置は、測定サンプル１０の表面形状が測定できる。
【００４８】
[（２）位相差を用いて、測距装置１から複数の箇所までの距離における差分測定を行う方法]
（位相差を用いて距離の差分を求める概要）
次に、隣り合う検出器４ａ間のビート信号の位相差から、隣り合う検出器４ａに対応する対象物６の箇所までの距離の差分を算出する原理について説明する。上述では、本実施の形態の測距装置により、ビート周波数を用いて対象物６までの距離の算出を説明したが、対象物６の表面の凹凸が微少である（例えば、信号源２から送信される送信波の１波長以下である）場合には、ビート周波数を用いても距離測定ができない。その理由は、ビート信号の測定時間が周波数掃引の繰り返し周波数で制限される（信号源２から送信される送信波が対称三角波の場合、測定時間は１／（２ｆｍ）である）ので、当該測距装置は、検出器４ａ間のビート周波数の違いを測定できないからである。つまり、ビート周波数の測定分解能は対称三角波の場合は２ｆｍで決まり、当該測距装置は、２ｆｍより小さいビート周波数の差を測定できない。例えば、対象物６の表面の凹凸が信号源２から送信される電磁波の１波長である場合にビート周波数を用いて測定すると、当該測距装置は、複数の検出器４ａ間でのビート周波数の差が測定できないので、複数の検出器４ａに対応する対象物６の箇所までの距離が全て等しい距離であると算出してしまう。そこで、本実施の形態の測距装置は、複数の検出器４ａ間のビート周波数の差を測定できない場合であっても、測定可能であり、かつ対象物６までの距離によって変化する検出器４ａ間のビート信号の位相差を用いて距離の差分の測定を行うことで、後述するように微少な凹凸でも測定ができる。また、ビート信号の位相差は信号源２から送信される送信波の波長に対して周期的である（位相変化２π（ｒａｄ）は送信波の半波長λ／２の長さに相当する）ため、本実施の形態の測距装置は、その波長以下の精度で、対象物６の微少な凹凸の測定ができる。
【００４９】
まず、対象物６の表面が平ら（微少な凹凸がない）であり、かつ送信波に対し垂直に配置される場合に、検出器４ａ間のビート信号に位相差は発生しないことを説明する。図６Ａは、対象物６の表面が平らである場合の測定系を示す図であり、分配器３ｂ、検出部４、及び対象物６を表している。対象物６としては、鏡を用いている。鏡は、分配器３ｂから出射された送信波の出射方向に対し、垂直に配置されている。つまり、複数の検出器４ａに対応する対象物６の箇所までの距離は、全て等しくなる。図６Ｂの（ａ）及び（ｂ）は、図６Ａの測定系における２つの検出器４ａ間のビート信号の位相差を示す図である。図６Ｂの（ａ）及び（ｂ）の横軸は時間、縦軸は振幅を表している。図６Ｂの（ａ）及び（ｂ）の結果から、検出器４ａ間でビート信号に位相差が発生していないことがわかる。
【００５０】
次に、対象物６の表面に微少な凹凸がある場合に、検出器４ａ間のビート信号に位相差が生じ、その位相差から検出器４ａに対応する対象物６までの距離における差分が算出できることを説明する。図７Ａは、対象物６の表面に微少な凹凸がある場合の測定系を示す図であり、分配器３ｂ、検出部４、及び対象物６を表している。対象物６としては、鏡を用いている。鏡は、分配器３ｂから出射された送信波の出射方向に対し、わずかに傾けて配置されている。つまり、図７Ａの測定系は、鏡を傾けて配置することで、対象物６の表面に微少な凹凸がある場合を模擬している。なお、図７Ａでは、わかりやすいように鏡の傾き角度を実際の傾き角度より大きく示している。
【００５１】
対象物６である鏡を傾けているため、複数の検出器４ａのそれぞれに対応する対象物６の箇所までの距離は、それぞれ異なり、微少な距離の分だけ距離の差分（光路長の差分であり、図７Ａ中の△Ｌに相当）が生じている。検出器４ａごとに距離の差分があるため、分配器３ｂが受信する反射波には、距離の差分△Ｌに対応する時間差△Ｔ（△Ｔ＝２ｎ△Ｌ／ｃで表され、距離の差分△Ｌだけ長い方の反射波は、その往復に対応する時間差だけ反射波が遅れる。つまり、図２であれば、反射波は距離の差分に応じた時間差だけ、横軸の右方向にシフトする。）が生じている。そのため、分配器３ｂで生成されたビート信号には、この時間差に相当する検出器４ａ間の位相差が生じている。図７Ｂの（ａ）及び（ｂ）は、図７Ａの測定系における２つの検出器４ａ間のビート信号の位相差を示す図である。図７Ｂの（ａ）及び（ｂ）の横軸は時間、縦軸は振幅を表わしている。図７Ｂの（ａ）及び（ｂ）の結果から、距離の差分に対応した位相差（図中の△θ）が生じている。位相差は、距離の差分が大きくなると、つまり時間差が大きくなると、大きくなる。すなわち、位相差は、距離の差分に応じて変化する。そのことから、演算部５ｂは、距離の差分を、ビート信号の位相差を特定することで算出する。信号源２の送信波の波長をλ、隣り合う検出器４ａ間の位相差を△θとすると、検出器４ａごとに対応する対象物６の箇所までの距離の差分△Ｌは、
△Ｌ＝（λ／２）＊（３６０／△θ）    ・・・式３
で表される。また、式３より、距離の差分△Ｌの測定分解能は、信号源２から送信される送信波の波長λを短くすることで、容易に高められることがわかる。
【００５２】
（位相差を用いて距離の差分を求める流れ）
次に、位相差から距離の差分を算出する手順に関し、説明を行う。図８は、本実施の形態に係る位相差から距離の差分を算出するフローチャートである。まず、分配器３ｂは、信号源２から送信された送信波と対象物６で反射された反射波とを干渉させ、ビート信号を生成し、検出部４へ送信する。検出部４は、分配器３ｂで生成されたビート信号が入射する領域内に配置されるので、複数の検出器４ａのそれぞれは、同時にそれぞれの検出器４ａに応じたビート信号を受信する（Ｓ１１）。
【００５３】
検出部４は、受信したビート信号を電気信号である検出信号に変換し（Ｓ１２）、その検出信号をＡ／Ｄ変換器５ａへ送信する。Ａ／Ｄ変換器５ａは、隣り合う検出器４ａの同一期間における検出信号をデジタル信号へ変換する（Ｓ１３）。そして、Ａ／Ｄ変換器５ａは、変換した隣り合う検出器４ａに対応した２つのデジタル信号を演算部５ｂへ送信する。演算部５ｂは、２つのデジタル信号を信号処理し（２つのデジタル信号の位相差を比較し）、隣り合う検出器４ａ間のビート信号の位相差を特定する（Ｓ１４）。演算部５ｂは、特定した位相差と、信号源２から送信される送信波の波長を式３に代入し計算することで、隣り合う検出器４ａに対応する対象物６の箇所までの距離の差分を算出する（Ｓ１５）。そして、演算部５ｂは、複数の検出器４ａごとに、ステップＳ１３〜Ｓ１５を繰り返す。演算部５ｂによって複数の検出器４ａ間ごとの距離の差分が算出されたら、出力部はその算出結果を表示する（Ｓ１６）。
【００５４】
これにより、本実施の形態の測距装置は、ビート信号が入射する領域内に複数の検出器４ａが配置されているので、複数の検出器４ａのそれぞれは、同時にそれぞれの検出器４ａに応じたビート信号を受信できる。つまり、複数の検出器４ａに対応した対象物６までの距離の差分を１回の測定で算出できる。よって、測定箇所が複数ある場合でも、本実施の形態の測距装置は、対象物６までの距離の差分の測定を高速に行うことができる。なお、上記説明では、隣り合う検出器４ａとのビート信号の位相差から距離の差分を算出したが、これに限定されるものではない。例えば、第１検出器を基準とし、その第１検出器と他の検出器とのビート信号の位相差を求め、距離の差分を算出してもよい。また、Ａ／Ｄ変換器５ａは隣り合う検出器４ａ間に対応した検出信号をデジタル信号に変換したが、これに限定されるものではない。例えば、デジタル信号に変換する検出器４ａは隣り合っていなくてもよい。あるいは、２つの検出器４ａだけではなく３つ以上の検出器４ａの検出信号を一度にデジタル信号に変換してもよい。ただし、その場合は、変換する検出信号は、全て同一期間に受信したものである必要がある。
【００５５】
（実施の形態に係る位相差を用いた距離の差分の測定結果）
次に、本実施の形態の測距装置を使用し、位相差を用いて距離の差分を測定した結果を説明する。図９は、検出器４ａ間の位相差を測定した結果を示す図である。図９の縦軸は検出器４ａのｃｈ０を基準（位相差３６０°）とした検出器４ａごとの位相差、横軸は検出器４ａごとの識別（ｃｈ０〜ｃｈ１５）を表している。
【００５６】
対象物６は、分配器３ｂから出射された送信波の出射方向に対し、鏡をわずかに傾けて配置されている（図７Ａの測定系）。検出部４は、１６個の検出器４ａ（ｃｈ０からｃｈ１５の１６個）を直線状に等間隔に配置したもの（図５の検出部４）を用いる。なお、検出器４ａの配置及び個数などは一例であり、これに限定されるものではない。位相差から距離の差分を算出するためには、検出器４ａの配置に制限はなく、検出器４ａの個数は２つ以上あればよい。また、信号源２から送信された送信波の波長λは、１３１０ｎｍとする。なお、送信波の波長λも一例であり、これに限定されるものではなく、電磁波であればよい。
【００５７】
対象物６は表面が平らである鏡をわずかに傾けたものであり、また検出器４ａも等間隔で配置されているので、隣り合う検出器４ａに対応する対象物６までの距離の差分は、全て等しい距離となる。そのため、隣り合う検出器４ａ間のビート信号の位相差は、全て同じ位相差となるはずである。つまり、図９で示すと、検出器４ａ間の位相差を測定した結果は、検出器４ａ間ごとの位相差を結ぶと右下がりの直線となるはずである（図９の破線）。実際の測定結果は、おおよそ右下がりの直線となっている。（図９の実線）そのことから、当該測距装置は、位相差から距離の差分を算出することで、鏡をわずかに傾けたことによる微少な距離の差分を測定できていることがわかる。図９から、位相差はおおよそ５７°である。式３に送信波の波長λに１３１０ｎｍ、位相差△θに５７°を代入すると、△Ｌ＝１０３．７ｎｍとなる。よって、隣り合う検出器４ａに対応する対象物６の箇所の距離の差分は、およそ１０３．７ｎｍである。また、送信波の波長λが１３１０ｎｍであるのに対し、距離の差分の測定結果は１０３．７ｎｍであることから、本実施の形態の測距装置は送信波の波長以下の精度で距離の差分を測定出来ている。このように、位相差を用いて距離の差分を測定する場合には、本実施の形態の測距装置はナノメートルオーダーでの測定ができる。
【００５８】
これにより、顕微鏡などのように対象物６までの距離ではなく対象物６の微少な表面形状を測定したい場合にも当該測距装置を使用することができるようになり、当該測距装置は従来のＦＭＣＷ方式による測距装置よりも利用できる分野が増える。
【００５９】
[（３）ビート周波数と位相差の両方を用いて、複数の箇所までの距離測定を行う方法]
（ビート周波数と位相差の両方を用いて距離を求める流れ）
上述では、微少な距離の差分を算出する方法を説明したが、対象物６の表面形状に微少な凹凸（例えば、信号源２が送信する送信波の１波長以下の距離の凹凸）があり、微少な凹凸の形状と微少な凹凸までの距離の両方を測定したい場合がある。しかし、上述の通り、ビート周波数のみを用いた測定では、検出器４ａ間のビート周波数の差が測定できず、精度のよい距離が算出できない。また位相差のみを用いた測定では微少な凹凸の距離の差分は測定できるが、対象物６までの距離が算出できない。そこで、本実施の形態の測距装置は、ビート周波数と位相差の両方を用いて、検出器４ａが受信するビート信号のビート周波数から距離を算出し、検出器４ａ間のビート信号の位相差から距離の差分を算出し、それぞれを加算することで、対象物６の微少な凹凸の形状と微少な凹凸までの距離を算出する。
【００６０】
図１０は、実施の形態に係るビート周波数と位相差とから距離を算出するフローを示すフローチャートである。まず、干渉部３は、信号源２から送信された送信波と対象物６で反射された反射波とを干渉させ、ビート信号を生成し、検出部４へ送信する。検出部４は、分配器３ｂで生成されたビート信号が入射する領域内に配置されるので、複数の検出器４ａのそれぞれは、同時にそれぞれの検出器４ａに応じたビート信号を受信する（Ｓ２１）。検出部４は、受信したビート信号を電気信号である検出信号に変換し（Ｓ２２）、その検出信号をＡ／Ｄ変換器５ａへ送信する。まず、Ａ／Ｄ変換器５ａは、第１検出器４ａから送信されてきた第１検出信号を第１デジタル信号へ変換し、演算部５ｂへ送信する。そして、演算部５ｂは、第１デジタル信号に対しＦＦＴ解析を行うことで、第１ビート周波数を算出し、算出したビート周波数と信号源２で設定した送信波条件を式１に代入し計算することで、第１検出器４ａに対応した対象物６までの距離である第１距離を算出する（Ｓ２３）。次に、Ａ／Ｄ変換器５ａは、第１検出器４ａを含む２つの検出器４ａ（以降、２つの検出器４ａは、第１検出器４ａと第２検出器４ａとする）の同一期間における検出信号をデジタル信号へ変換し（Ｓ２４）、変換した２つの検出器４ａに対応した２つのデジタル信号を演算部５ｂへ送信する。演算部５ｂは、２つのデジタル信号を信号処理し（２つのデジタル信号の位相差を比較し）、２つの検出器４ａ間のビート信号の位相差を特定する（Ｓ２５）。次に、演算部５ｂは、特定した位相差と、信号源２から送信される送信波の波長を式３に代入し計算することで、２つの検出器４ａに対応する対象物６の箇所までの距離の差分を算出し（Ｓ２６）、第１距離と距離の差分とから、第２検出器４ａに対応した対象物６の箇所までの距離である第２距離を算出する（Ｓ２７）。そして、演算部５ｂは、複数の検出器４ａごとに、ステップＳ２４〜Ｓ２７を繰り返し行うことで、複数ある検出器４ａそれぞれに対応した対象物６の箇所までの距離を算出する。出力部は、演算部５ｂで算出された距離を表示する（Ｓ２８）。
【００６１】
これにより、本実施の形態の測距装置は、ビート信号が入射する領域内に複数の検出器４ａが配置されているので、複数の検出器４ａのそれぞれは、同時にそれぞれの検出器４ａに応じたビート信号を受信できる。つまり、複数の検出器４ａに対応した微少な凹凸を含む対象物６までの距離と距離の差分とを１回の測定で算出できる。よって、測定箇所が複数ある場合でも、本実施の形態の測距装置は、微少な凹凸を含む対象物６までの距離の測定を精度よく、かつ高速に行うことができる。なお、上記説明では、第１距離との距離の差分を算出し、第１距離と距離の差分とを加算することで、対象物６までの距離を算出したが、距離の算出方法はこれに限定されるものではない。例えば、当該測距装置は、第１距離との差分から算出した第２距離を用いて、第３検出信号に対応する第３距離を算出してもよい。具体的には、当該測距装置は、第２検出信号と第３検出信号の位相差を特定し、第２距離と第３距離との差分を算出し、その差分に第２距離を加算し、第３距離を算出してもよい。つまり、検出信号間の位相差を特定し距離を算出する際、一方の検出信号に対する対象物６までの距離がわかっていればよい。また、上記説明では、ビート周波数から第１距離を算出し、第１距離と位相差から算出した距離の差分とを加算することで第２距離を算出したが、これに限定されるものではない。例えば、位相差を用いて隣り合う検出器４ａに対応する対象物６の箇所までの距離の差分を算出してから、ビート周波数により第１距離を算出し、距離の差分と第１距離とを加算することで、対象物６までの距離を算出してもよい。また、Ａ／Ｄ変換器５ａは隣り合う検出器４ａ間に対応した２つの検出信号をデジタル信号に変換したが、これに限定されるものではない。例えば、３つ以上の検出器４ａの検出信号を一度にデジタル信号に変換してもよい。ただし、その場合は、変換する検出信号は、全て同一期間に受信したものである必要がある。
【００６２】
以上、本発明の測距装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明に含まれる。例えば、本実施の形態では、Ａ／Ｄ変換器５ａは１つである場合を示したが、Ａ／Ｄ変換器５ａは複数あってもよい。例えば、複数の検出器４ａと同じ数であってもよい。これにより、複数のビート信号を同時にＡ／Ｄ変換できるので、信号処理部５での信号処理時間を短縮することができる。
【００６３】
また、信号源２は演算部５ｂとＬＡＮ（Local Area Network）などで接続され、演算部５ｂを用いて信号源２の送信波条件を制御してもよい。これにより、演算部５ｂで信号源２の送信波条件と距離測定結果とを関連づけができるので、出力部で測定結果を表示させる際に信号源２の送信波条件も合わせて表示させる、あるいは測定結果を保存する際、合わせて信号源２の送信波条件も保存させることなどができるので、使用者は信号源２の送信波条件の管理がしやすくなる。
【００６４】
また、本実施の形態では、複数の検出器４ａは直線状に配置したが、平面上に複数の検出器４ａを配置してもよい。これにより、１回の測定で対象物６の平面形状の測定ができるので、対象物６の表面形状を測定する場合に、測定時間の短縮ができる。
【００６５】
また、対象物６の表面に微少な凹凸があって、かつ対象物６の第１箇所までの距離である第１距離が既知である場合には、既知である第１距離に対応するビート信号との比較により、他の測定箇所までの距離と第１距離との差分を算出し、距離の差分と第1距離とを加算することで、他の測定箇所までの距離を算出してもよい。これにより、信号処理部５での処理量を減らすことができ、処理時間を短縮できる。
【００６６】
また、ビート周波数を用いて距離を測定する場合、特定されたビート周波数を比較し、検出器４ａ間のビート周波数の差が所定値以下であった場合、自動で測定モードをビート周波数と位相差との両方を用いて距離を算出するモードに切り替えてもよい。これにより、使用者が測定モード指示を誤った場合（対象物６の表面に微少な凹凸があるにも関わらず、ビート周波数のみを用いて距離を算出するモードを選択した場合など）でも、対象物６の形状に合った測定モードに切り替えて測定ができるので、常に精度のよい測定結果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明は、例えば、対象物の形状、及び微少な表面状態を測定する測距装置として利用することができる。あるいは、製造工程などで対象物までの距離を測定することで部品の実装忘れや部品間違いなどを検査する装置として利用することもできる。
【符号の説明】
【００６８】
１    測距装置
２    信号源
３    干渉部
３ａ  レンズ
３ｂ  分配器
３ｃ  参照鏡
４    検出部
４ａ  検出器
４ｂ  ギャップ
５    信号処理部
５ａ  Ａ／Ｄ変換器
５ｂ  演算部
６    対象物
１０    測定サンプル
１０ａ  凸部
１０ｂ  平面部
【図１】
2017161484.tif 000003
【図２】
2017161484.tif 000004
【図３】
2017161484.tif 000005
【図４Ａ】
2017161484.tif 000006
【図４Ｂ】
2017161484.tif 000007
【図４Ｃ】
2017161484.tif 000008
【図５】
2017161484.tif 000009
【図６Ａ】
2017161484.tif 000010
【図６Ｂ】
2017161484.tif 000011
【図７Ａ】
2017161484.tif 000012
【図７Ｂ】
2017161484.tif 000013
【図８】
2017161484.tif 000014
【図９】
2017161484.tif 000015
【図１０】
2017161484.tif 000016