特許 6834116 距離測定装置及び距離測定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6834116

(24)【登録日】2021年2月8日

(45)【発行日】2021年2月24日

(54)【発明の名称】距離測定装置及び距離測定方法

(51)【国際特許分類】

   G01B 9/02 20060101AFI20210215BHJP

   G01B 11/00 20060101ALI20210215BHJP

   G01S 17/32 20200101ALI20210215BHJP

【ＦＩ】

   G01B9/02

   G01B11/00 G

   G01S17/32

【請求項の数】6

【全頁数】31

(21)【出願番号】特願2020-30763(P2020-30763)

(22)【出願日】2020年2月26日

(62)【分割の表示】特願2016-134359(P2016-134359)の分割

【原出願日】2016年7月6日

(65)【公開番号】特開2020-79805(P2020-79805A)

(43)【公開日】2020年5月28日

【審査請求日】2020年2月27日

(73)【特許権者】

【識別番号】000151494

【氏名又は名称】株式会社東京精密

(74)【代理人】

【識別番号】100083116

【弁理士】

【氏名又は名称】松浦 憲三

(74)【代理人】

【識別番号】100170069

【弁理士】

【氏名又は名称】大原 一樹

(74)【代理人】

【識別番号】100128635

【弁理士】

【氏名又は名称】松村 潔

(74)【代理人】

【識別番号】100140992

【弁理士】

【氏名又は名称】松浦 憲政

(72)【発明者】

【氏名】川田 善之

【審査官】 仲野 一秀

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１５−７５４６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−１３７９６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−２７１０２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００８／０２８５０４１（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｂ ９／００−９／１０

Ｇ０１Ｂ １１／００−１１／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

正弦波により正弦波位相変調した光波を生成する光波生成部と、
前記光波生成部が生成した前記光波を、測定光と参照光とに分割する分割部と、
前記分割部により分割された前記測定光の経路に沿って変位する測定対象物へ出射されて前記測定対象物にて反射した前記測定光と、前記分割部により分割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から、第１参照正弦波信号及び第２参照正弦波信号にそれぞれ対応する２相の正弦波信号を検出する正弦波信号検出部と、
前記正弦波信号検出部が検出した前記２相の正弦波信号に基づき、前記測定光と前記参照光との間の光学的距離差を算出する距離差算出部と、
前記距離差算出部が算出した前記光学的距離差に基づき、前記測定光と前記参照光との間の時間遅れを検出する時間遅れ検出部と、
前記時間遅れ検出部の検出結果に基づき、前記第１参照正弦波信号及び前記第２参照正弦波信号の位相を補正し、位相補正後の前記第１参照正弦波信号及び前記第２参照正弦波信号に基づき、前記正弦波信号検出部に前記２相の正弦波信号の検出を実行させる検出制御部と、
を備える距離測定装置。

【請求項2】

前記光学的距離差は、前記測定光及び前記参照光の経路差と、前記測定光及び前記参照光の経路の屈折率との積で表され、
前記経路差をＤとし、前記屈折率をｎとし、光速をＣ_０とした場合、前記時間遅れ検出部は、前記時間遅れτを下記の式、

を用いて求める請求項１に記載の距離測定装置。

【請求項3】

前記正弦波位相変調された前記光波の光周波数の中心周波数をｆ_ｃとし、前記光周波数の交流成分の振幅及び角周波数をそれぞれΔｆ及びω_ｍとし、時間をｔとし、第一種ｋ次ベッセル関数をＪ_ｋ（ｍ）とし、２π×ｆ_ｃ×τをφとした場合、
前記光周波数ｆ（ｔ）と、前記干渉信号の強度Ｉと、前記第１参照正弦波信号Ｒ１（ｔ）及び前記第２参照正弦波信号Ｒ２（ｔ）と、前記２相の正弦波信号Ｓ１（φ），Ｓ２（φ）とは、下記の式、

を用いて表される請求項２に記載の距離測定装置。

【請求項4】

前記正弦波信号検出部は、ロックインアンプである請求項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２相の正弦波信号の位相差は９０°であり、
前記距離差算出部は、楕円のリサージュ波形を形成する前記２相の正弦波信号を、真円のリサージュ波形を形成する２相の補正信号に補正し、前記２相の補正信号に基づき前記光学的距離差を算出する請求項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】

正弦波により正弦波位相変調した光波を生成する光波生成ステップと、
前記光波生成ステップで生成した前記光波を、測定光と参照光とに分割する分割ステップと、
前記分割ステップの後、前記測定光の経路に沿って変位する測定対象物に出射されて前記測定対象物にて反射した前記測定光と、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から、第１参照正弦波信号及び第２参照正弦波信号にそれぞれ対応する２相の正弦波信号を検出する正弦波信号検出ステップと、
前記正弦波信号検出ステップで検出した前記２相の正弦波信号に基づき、前記測定光と前記参照光との間の光学的距離差を算出する距離差算出ステップと、
前記距離差算出ステップで算出した前記光学的距離差に基づき、前記測定光と前記参照光との間の時間遅れを検出する時間遅れ検出ステップと、
前記時間遅れ検出ステップの検出結果に基づき、前記第１参照正弦波信号及び前記第２参照正弦波信号の位相を補正し、位相補正後の前記第１参照正弦波信号及び前記第２参照正弦波信号に基づき、前記正弦波信号検出ステップでの前記２相の正弦波信号の検出を実行させる検出制御ステップと、
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、正弦波位相変調方式を用いた距離測定装置及び距離測定方法に関する。

【背景技術】

【0002】

光の干渉を利用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、正弦波位相変調方式を用いた距離測定装置が知られている（例えば特許文献１参照）。このような距離測定装置は、レーザ光源の直接変調又は電気光学素子［ＥＯ（Electro-optical）素子
］による間接変調により正弦波位相変調した光波を生成し、この光波を測定光と参照光に分割し、測定対象物に投光されて反射した測定光と、参照光路を経た参照光との干渉信号を検出する。次いで、距離測定装置は、検出した干渉信号をロックインアンプに入力して、ロックインアンプにて位相差９０°の２相の正弦波信号を得る。

【0003】

そして、距離測定装置は、ロックインアンプから出力された２相の正弦波信号により形成されるリサージュ波形が真円になるように、２相の正弦波信号に対して所定係数を乗算して補正し、この補正後の２相の補正信号に基づき、予め定めた基準位置から測定対象物までの距離を求める。

【0004】

また、上記特許文献１には、正弦波位相変調方式による距離測定の応用例として、いわゆる２色法による距離測定を行う２波長正弦波位相変調干渉計（距離測定装置）が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１５−０７５４６１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

近年、距離測定装置により、位置が固定されている測定対象物の距離測定だけではなく、測定光の経路（光路）に沿って変位する測定対象物の距離測定が行われている。しかしながら、上記特許文献１を含む従来の正弦波位相変調方式を用いた距離測定装置では、測定対象物の位置が大きく変位する場合、ロックインアンプから出力された２相の正弦波信号により形成されるリサージュ波形のアスクペクト比が変わる。このため、アスペクト比変更後の２相の正弦波信号に対して、アスペクト比変更前の２相の正弦波信号に対応した所定係数を乗算する補正を行ったとしても、２相の補正信号により形成されるリサージュ波形が真円にはならず、距離測定結果に大きな誤差が生じる。特に上述の２色法による距離測定を行った場合には、距離測定結果の誤差が数十倍から百数十倍に拡大される。さらに、２相の正弦波信号の信号強度が弱くなり、距離測定ができなくなるおそれがある。

【0007】

また、従来の正弦波位相変調方式を用いた距離測定装置では、測定対象物の位置が測定光の経路に沿って大きく変位する場合に、ロックインアンプにおける検波信号（干渉信号）と被検波信号（参照信号）との位相がずれるため、ロックインアンプから出力される２相の正弦波信号の信号強度が弱くなり、距離測定ができなくなるおそれがある。

【0008】

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、測定対象物の位置が変位する場合でも距離測定を行う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】

【0009】

本発明の目的を達成するための距離測定装置は、正弦波により正弦波位相変調した光波を生成する光波生成部と、光波生成部が生成した光波を、測定光と参照光とに分割する分割部と、分割部により分割された測定光の経路に沿って変位する測定対象物へ出射されて測定対象物にて反射した測定光と、分割部により分割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から、２相の正弦波信号を検出する正弦波信号検出部と、正弦波信号検出部が検出した２相の正弦波信号に基づき、測定光と参照光との間の光学的距離差を算出する距離差算出部と、距離差算出部が算出した光学的距離差に基づき、光波の光周波数の交流成分の振幅を決定する振幅決定部であって、且つ２相の正弦波信号が形成するリサージュ波形のアスペクト比を決定する変調指数が一定に保たれる振幅を決定する振幅決定部と、振幅決定部の決定結果に基づき、光波生成部が生成する光波の振幅を制御する振幅制御部と、を備える。

【0010】

この距離測定装置によれば、測定対象物の位置が変位した場合でも変調指数が一定に保たれるため、２相の正弦波信号により形成されるリサージュ波形のアスペクト比も一定に保たれる。その結果、リサージュ波形のアスペクト比の補正を行った場合に常に真円のリサージュ波形を形成する２相の補正信号が得られるため、これら２相の補正信号に基づき、測定対象物の位置が変位する場合でも測定光と参照光との経路差を正確に測定できる。また、２相の正弦波信号の信号強度が弱くなり、距離測定（経路差測定）ができなくなることが防止される。

【0011】

本発明の他の態様に係る距離測定装置において、光学的距離差は、測定光及び参照光の経路差と、測定光及び参照光の経路の屈折率との積で表され、測定対象物の変位開始前の経路差である初期経路差を取得する情報取得部を備え、振幅決定部は、情報取得部が取得した初期経路差と、既知の屈折率と、距離差算出部が算出した光学的距離差とに基づき、振幅を決定する。これにより、距離差算出部が算出した光学的距離差に基づき、光波生成部が生成する光波の光周波数の振幅を制御することができる。なお、ここでいう経路差とは、測定光及び参照光の経路の幾何学的距離差である。

【0012】

本発明の他の態様に係る距離測定装置において、光周波数の中心周波数をｆ_ｃとし、振幅をΔｆとし、光周波数の交流成分の角周波数及び周波数をそれぞれω_ｍ及びｆ_ｍとし、時間をｔとし、第一種ｋ次ベッセル関数をＪ_ｋ（ｍ）とし、経路差をＤとし、初期経路差をＤ_０とし、屈折率をｎとし、光速をＣ_０とし、２×ｎ×Ｄ／Ｃ_０をτとし、２π×ｆ_ｃ×τをφとし、変位開始前の屈折率である初期屈折率をｎ_０とし、変位開始前の振幅である初期振幅をΔｆ_０とし、変調指数をｍとした場合、光周波数ｆ（ｔ）と、干渉信号の強度Ｉと、変調指数ｍと、２相の正弦波信号Ｓ１（φ），Ｓ２（φ）と、振幅Δｆとは、下記の式、

【0013】

を用いて表される。これにより、距離差算出部が算出した光学的距離差に基づき、上記各数式を参照して、光波の光周波数の振幅を決定及び制御することができる。

【0014】

本発明の目的を達成するための距離測定装置は、正弦波により正弦波位相変調した光波を生成する光波生成部と、光波生成部が生成した光波を、測定光と参照光とに分割する分割部と、分割部により分割された測定光の経路に沿って変位する測定対象物へ出射されて測定対象物にて反射した測定光と、分割部により分割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から、第１参照正弦波信号及び第２参照正弦波信号にそれぞれ対応する２相の正弦波信号を検出する正弦波信号検出部と、正弦波信号検出部が検出した２相の正弦波信号に基づき、測定光と参照光との間の光学的距離差を算出する距離差算出部と、距離差算出部が算出した光学的距離差に基づき、測定光と参照光との間の時間遅れを検出する時間遅れ検出部と、時間遅れ検出部の検出結果に基づき、第１参照正弦波信号及び第２参照正弦波信号の位相を補正し、位相補正後の第１参照正弦波信号及び第２参照正弦波信号に基づき、正弦波信号検出部に２相の正弦波信号の検出を実行させる検出制御部と、を備える。

【0015】

この距離測定装置によれば、干渉信号と各参照正弦波信号との位相遅れが防止されるので、測定対象物の位置が変位した場合でも２相の正弦波信号の信号強度が弱くなることが防止される。その結果、距離測定（経路差測定）ができなくなることが防止される。

【0016】

本発明の他の態様に係る距離測定装置において、光学的距離差は、測定光及び参照光の経路差と、測定光及び参照光の経路の屈折率との積で表され、経路差をＤとし、屈折率をｎとし、光速をＣ_０とした場合、時間遅れ検出部は、時間遅れτを下記の式、

【0017】

を用いて求める。これにより、距離差算出部が算出した光学的距離差に基づき、第１参照正弦波信号及び第２参照正弦波信号の位相を補正（上述の位相遅れを補正）し、正弦波信号検出部による２相の正弦波信号の検出を制御することができる。

【0018】

本発明の他の態様に係る距離測定装置において、正弦波位相変調された光波の光周波数の中心周波数をｆ_ｃとし、光周波数の交流成分の振幅及び角周波数をそれぞれΔｆ及びω_ｍとし、時間をｔとし、第一種ｋ次ベッセル関数をＪ_ｋ（ｍ）とし、２π×ｆ_ｃ×τをφとした場合、光周波数ｆ（ｔ）と、干渉信号の強度Ｉと、第１参照正弦波信号Ｒ１（ｔ）及び第２参照正弦波信号Ｒ２（ｔ）と、２相の正弦波信号Ｓ１（φ），Ｓ２（φ）とは、下記の式、

【0019】

を用いて表される。これにより、距離差算出部が算出した光学的距離差に基づき、上記各数式を参照して、第１参照正弦波信号及び第２参照正弦波信号の位相を補正し、正弦波信号検出部による２相の正弦波信号の検出を制御することができる。

【0020】

本発明の他の態様に係る距離測定装置において、正弦波信号検出部は、ロックインアンプである。これにより、干渉信号から２相の正弦波信号を検出することができる。

【0021】

本発明の他の態様に係る距離測定装置において、２相の正弦波信号の位相差は９０°であり、距離差算出部は、楕円のリサージュ波形を形成する２相の正弦波信号を、真円のリサージュ波形を形成する２相の補正信号に補正し、２相の補正信号に基づき光学的距離差を算出する。これにより、予め定めた基準位置から測定対象物までの距離を算出することができ、且つ上述の振幅の制御及び２相の正弦波信号の検出制御の少なくとも一方を行うことができる。

【0022】

本発明の目的を達成するための距離測定方法は、正弦波により正弦波位相変調した光波を生成する光波生成ステップと、光波生成ステップで生成した光波を、測定光と参照光とに分割する分割ステップと、分割ステップの後、測定光の経路に沿って変位する測定対象物に出射されて測定対象物にて反射した測定光と、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から、２相の正弦波信号を検出する正弦波信号検出ステップと、正弦波信号検出ステップで検出した２相の正弦波信号に基づき、測定光と参照光との間の光学的距離差を算出する距離差算出ステップと、距離差算出ステップで算出した光学的距離差に基づき、光波の光周波数の交流成分の振幅を決定する振幅決定ステップであって、且つ２相の正弦波信号が形成するリサージュ波形のアスペクト比を決定する変調指数が一定に保たれる振幅を決定する振幅決定ステップと、振幅決定ステップでの決定結果に基づき、光波生成ステップで生成する光波の振幅を制御する振幅制御ステップと、を有する。

【0023】

本発明の目的を達成するための距離測定方法は、正弦波により正弦波位相変調した光波を生成する光波生成ステップと、光波生成ステップで生成した光波を、測定光と参照光とに分割する分割ステップと、分割ステップの後、測定光の経路に沿って変位する測定対象物に出射されて測定対象物にて反射した測定光と、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から、第１参照正弦波信号及び第２参照正弦波信号にそれぞれ対応する２相の正弦波信号を検出する正弦波信号検出ステップと、正弦波信号検出ステップで検出した２相の正弦波信号に基づき、測定光と参照光との間の光学的距離差を算出する距離差算出ステップと、距離差算出ステップで算出した光学的距離差に基づき、測定光と参照光との間の時間遅れを検出する時間遅れ検出ステップと、時間遅れ検出ステップの検出結果に基づき、第１参照正弦波信号及び第２参照正弦波信号の位相を補正し、位相補正後の第１参照正弦波信号及び第２参照正弦波信号に基づき、正弦波信号検出ステップでの２相の正弦波信号の検出を実行させる検出制御ステップと、を有する。

【発明の効果】

【0024】

本発明の距離測定装置及び距離測定方法は、測定対象物の位置が変位する場合でも距離測定を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】第１実施形態の距離測定装置の構成を示す構成図である。

【図2】第１実施形態のコンピュータの機能を示す機能ブロック図である。

【図3】補正部による補正処理を説明するための説明図である。

【図4】初期経路差Ｄ_０の測定処理の流れを示すフローチャートである。

【図5】初期経路差Ｄ_０の測定処理を説明するための説明図である。

【図6】第１実施形態の距離測定装置による距離測定処理の流れを示すフローチャートである。

【図7】第１実施形態の距離測定装置の効果を説明するための説明図である。

【図8】第２実施形態の距離測定装置の構成を示す構成図である。

【図9】第２実施形態のコンピュータの機能を示す機能ブロック図である。

【図10】第２実施形態の距離測定装置による距離測定処理の流れを示すフローチャートである。

【図11】第２実施形態の距離測定装置の効果を説明するための説明図である。

【図12】第３実施形態の距離測定装置の構成を示す構成図である。

【図13】第３実施形態のコンピュータの機能を示す機能ブロック図である。

【図14】第３実施形態の距離測定装置による距離測定処理の流れを示すフローチャートである。

【図15】第４実施形態の距離測定装置の構成を示す構成図である。

【図16】第４実施形態のコンピュータの機能を示す機能ブロック図である。

【図17】第４実施形態の第１補正部及び第２補正部による補正処理を説明するための説明図である。

【図18】第５実施形態の距離測定装置の構成を示す構成図である。

【図19】第６実施形態の距離測定装置による距離測定処理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】

【0026】

［第１実施形態の距離測定装置］
図１は、第１実施形態の距離測定装置１０の構成を示す構成図である。この距離測定装置１０は、正弦波位相変調方式を用いて予め定めた基準位置（例えばビームスプリッタ１３）から本発明の測定対象物に相当する測定光側ミラー１４までの距離を測定する。この距離測定装置１０は、光波生成部１２と、ビームスプリッタ１３と、測定光側ミラー１４と、参照光側ミラー１５と、シフト機構１６と、検出器１７と、第１ロックインアンプ１８と、第２ロックインアンプ１９と、コンピュータ２０と、を備える。

【0027】

光波生成部１２は、発振器２２とレーザ光源２３とを備える。発振器２２は、レーザ光源２３に対して、以下の［数１］式で示す正弦波信号Ｓ０（ｔ）を出射する。ここで、［数１］式中の「Ｉ_０」は正弦波信号Ｓ０（ｔ）の信号強度（振幅）であり、「ω_ｍ」は正弦波信号Ｓ０（ｔ）の角周波数であり、「ｔ」は時間である。

【0028】

【数1】

【0029】

レーザ光源２３は、例えば半導体レーザ光源（ＬＤ：Laser Diode）が用いられ、発振器２２から入力される正弦波信号Ｓ０（ｔ）に基づき駆動される。このレーザ光源２３から出射されるレーザ光Ｌ（本発明の光波に相当）の発振波長は、ＬＤの直接周波数変調特性により正弦波状に偏移する。このため、レーザ光Ｌには正弦波状の位相シフトが生じる。これにより、レーザ光源２３により正弦波位相変調されたレーザ光Ｌが生成され、図示しない光ファイバーケーブルを介してビームスプリッタ１３へ出射される。

【0030】

なお、正弦波位相変調したレーザ光Ｌを生成する方法は、ＬＤの直接周波数変調特性を利用する方法に限定されるものではなく、公知の電気光学素子（ＥＯ素子）による間接変調を利用してもよい。

【0031】

正弦波位相変調されたレーザ光Ｌは、下記［数２］式で表される光周波数ｆ（ｔ）を有する。ここで、［数２］式中の「ｆ_ｃ」は光周波数ｆ（ｔ）の中心周波数であり、「Δｆ」は正弦波位相変調に伴い変化する光周波数ｆ（ｔ）の交流成分［AC（alternating current）成分］の振幅である。また、前述の角周波数「ω_ｍ」は、光周波数ｆ（ｔ）の交流成分の角周波数（変調角周波数）となる。なお、換言すると、「Δｆ」及び「ω_ｍ」は、光周波数ｆ（ｔ）の［正弦波位相］変調の振幅及び角周波数である。

【0032】

【数2】

【0033】

ビームスプリッタ１３は、本発明の分割部に相当するものであり、レーザ光源２３から入射されたレーザ光Ｌを測定光ｍＬと参照光ｒＬとに分割し、測定光ｍＬを測定光側ミラー１４に向けて出射（透過）すると共に、参照光ｒＬを参照光側ミラー１５に向けて反射する。また、ビームスプリッタ１３は、測定光側ミラー１４にて反射された測定光ｍＬを検出器１７に向けて反射すると共に、参照光側ミラー１５にて反射された参照光ｒＬを透過して検出器１７に向けて出射する。

【0034】

測定光側ミラー１４は、ビームスプリッタ１３から入射した測定光ｍＬをビームスプリッタ１３に向けて反射する。この測定光側ミラー１４は、シフト機構１６により、測定光側ミラー１４に入射する測定光ｍＬの経路（光路）に沿って移動（変位）される。これにより、ビームスプリッタ１３と測定光側ミラー１４との間の距離Ｄ_ｍが変更される。

【0035】

シフト機構１６は、測定光側ミラー１４を測定光ｍＬの経路に沿って移動させる移動機構であり、距離Ｄ_ｍを変更可能であればその移動方式（機構）は特に限定されず、さらに長ストロークの移動に対応した機構が用いられる。このシフト機構１６は、距離測定装置１０による距離測定時に、測定光側ミラー１４を測定光ｍＬの経路に沿って測定開始位置（初期位置）からユーザが所望の目標位置（停止位置）まで移動させる。そして、本実施形態では、シフト機構１６により測定開始位置から目標位置まで移動された後、ビームスプリッタ１３及び参照光側ミラー１５の間の距離Ｄ_ｒと、ビームスプリッタ１３及び測定光側ミラー１４の間の距離Ｄ_ｍとの経路差Ｄを測定する。なお、本明細書の各実施形態における「距離測定」とは、経路差Ｄの測定を指す。

【0036】

参照光側ミラー１５は、ビームスプリッタ１３から参照光ｒＬの経路に沿って距離Ｄ_ｒだけ離れた位置に設けられており、ビームスプリッタ１３から入射した参照光ｒＬをビームスプリッタ１３に向けて反射する。

【0037】

なお、光の位相φ（ｔ）の一般形は下記の［数３］式で表されるので、測定光ｍＬの位相φ_ｍ（ｔ）及び参照光ｒＬの位相φ_ｒ（ｔ）は下記の［数４］式で表される。ここで［数３］式及び［数４］式中の「φ_０」は初期位相であり、「ｆ_ｍ」は光周波数ｆ（ｔ）の交流成分の周波数（光周波数ｆ（ｔ）の［正弦波位相］変調の周波数）であり、「ω_ｍ＝２πｆ_ｍ」を満たす。また、［数４］式中の「τ」は、測定光ｍＬと参照光ｒＬとの経路差により生じる測定光ｍＬの時間遅れ（ビームスプリッタ１３で分割された測定光ｍＬと参照光ｒＬとがビームスプリッタ１３に戻る時間差）である。この時間遅れτは、測定光ｍＬ及び参照光ｒＬの経路差（幾何学的距離差）をＤ（Ｄ＝Ｄ_ｍ−Ｄ_ｒ）とし、測定光ｍＬ及び参照光ｒＬに対する双方の経路の屈折率をｎとし、光速をｃ_０とした場合、τ＝２×ｎ×Ｄ／ｃ_０（以下、２ｎＤ／ｃ_０）を満たす。そして、測定光ｍＬの光強度Ｅ_ｍと、参照光ｒＬの光強度Ｅ_ｒは、それぞれ下記［数５］式で表される。ここで、下記の［数５］式において、光強度Ｅ_ｍ，Ｅ_ｒはＥ_ｍ＝Ａｅｘｐ（ｉφ_ｍ（ｔ））、Ｅ_ｒ＝Ｂｅｘｐ（ｉφ_ｒ（ｔ））で表されるが、これらの式中の振幅Ａ，Ｂは以降の説明に影響しないため、省略している。

【0038】

【数3】

【0039】

【数4】

【0040】

【数5】

【0041】

測定光側ミラー１４により反射された測定光ｍＬと、参照光側ミラー１５により反射された参照光ｒＬとはビームスプリッタ１３にて合波される。これにより、測定光ｍＬと参照光ｒＬとの光干渉信号である干渉信号ＩＬが、ビームスプリッタ１３から図示しない光ファイバーケーブルを介して検出器１７へ出射される。

【0042】

検出器１７は、本発明の干渉信号検出部に相当するものであり、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等が用いられる。検出器１７は、ビームスプリッタ１３から入射される干渉信号ＩＬを検出（受光）し、この干渉信号ＩＬを電気信号である干渉信号Ｓｉｇに変換する。そして、検出器１７は、検出した干渉信号Ｓｉｇを、図示しない信号線を介して第１ロックインアンプ１８と第２ロックインアンプ１９とにそれぞれ出力する。

【0043】

ここで干渉信号Ｓｉｇは、干渉信号ＩＬの強度Ｉを示すものであり、下記の［数６］式で表される。なお、［数６］式中の「位相φ」は下記の［数７］式を満たし、［数６］式中の「変調指数ｍ」は下記の［数８］式を満たす。そして、［数６］式を第一種ｋ次ベッセル関数Ｊ_ｋ（ｍ）により級数展開すると、この［数６］式は下記の［数９］式で表される。

【0044】

【数6】

【0045】

【数7】

【0046】

【数8】

【0047】

【数9】

【0048】

第１ロックインアンプ１８及び第２ロックインアンプ１９は、本発明の正弦波信号検出部に相当する。第１ロックインアンプ１８及び第２ロックインアンプ１９は、検出器１７から入力される干渉信号Ｓｉｇ（干渉信号ＩＬの強度Ｉ）から、後述の第１参照正弦波信号Ｒ１（ｔ）及び第２参照正弦波信号Ｒ２（ｔ）にそれぞれ対応する位相差９０°（略９０°を含む）の２相の正弦波信号Ｓ１（φ），Ｓ２（φ）を検出する。

【0049】

第１ロックインアンプ１８は、第１発振器２５と、第１乗算器２６と、図中「ＬＰＦ」（Low-pass filter）で示す第１ローパスフィルタ２７と、を備える。

【0050】

第１発振器２５は、上記［数９］式の第２項の「J_２(m)cos{2ω_ｍ(t-τ/２)}」に対応する第１参照正弦波信号Ｒ１（ｔ）｛下記の［数１０］式参照｝を、第１乗算器２６へ出力する。第１乗算器２６は、検出器１７から入力される干渉信号Ｓｉｇ（強度Ｉ）と、第１発振器２５から入力される第１参照正弦波信号Ｒ１（ｔ）とを乗算し、乗算信号を第１ローパスフィルタ２７へ出力する。

【0051】

第１ローパスフィルタ２７は、第１乗算器２６から入力された乗算信号にローパスフィルタ処理を施す。これにより、干渉信号Ｓｉｇ（強度Ｉ）の中で第１参照正弦波信号Ｒ１（ｔ）の周波数と等しい成分のみが直流となり、この直流成分に相当する第１正弦波信号Ｓ１（φ）が第１ローパスフィルタ２７を通過する。これにより、第１ロックインアンプ１８は、干渉信号Ｓｉｇ（強度Ｉ）から第１参照正弦波信号Ｒ１（ｔ）に対応する周波数成分の第１正弦波信号Ｓ１（φ）｛下記の［数１１］式参照｝を検出する。

【0052】

第２ロックインアンプ１９は、第２発振器２９と、第２乗算器３０と、図中「ＬＰＦ」で示す第２ローパスフィルタ３１と、を備える。

【0053】

第２発振器２９は、上記［数９］式の第３項の「J_３(m)sin{3ω_ｍ(t-τ/２)}」に対応する第２参照正弦波信号Ｒ２（ｔ）｛下記の［数１０］式参照｝を、第２乗算器３０へ出力する。第２乗算器３０は、検出器１７から入力される干渉信号Ｓｉｇ（強度Ｉ）と、第２発振器２９から入力される第２参照正弦波信号Ｒ２（ｔ）とを乗算し、乗算信号を第２ローパスフィルタ３１へ出力する。第２ロックインアンプ１９は、第２乗算器３０から入力された乗算信号にローパスフィルタ処理を施す。これにより、第２ロックインアンプ１９は、干渉信号Ｓｉｇ（強度Ｉ）から第２参照正弦波信号Ｒ２（ｔ）に対応する周波数成分の第２正弦波信号Ｓ２（φ）｛下記の［数１１］式参照｝を検出する。

【0054】

【数10】

【0055】

【数11】

【0056】

このように第１ロックインアンプ１８及び第２ロックインアンプ１９は、干渉信号Ｓｉｇ（強度Ｉ）から位相差９０°の２相の第１正弦波信号Ｓ１（φ）及び第２正弦波信号Ｓ２（φ）［以下、２相の正弦波信号Ｓ１（φ），Ｓ２（φ）と略す］を検出して、これら２相の正弦波信号Ｓ１（φ），Ｓ２（φ）をコンピュータ２０へ出力する。これら２相の正弦波信号Ｓ１（φ），Ｓ２（φ）は、位相差が９０°であるので、後述の楕円形状のリサージュ波形Ｗ１（図３参照）を形成する。

【0057】

なお、２相の正弦波信号Ｓ１（φ），Ｓ２（φ）は、位相差が９０°、すなわち楕円形状のリサージュ波形Ｗ１（図３参照）を形成可能であれば上記［数１１］式に限定はされず、この場合、検出する２相の正弦波信号Ｓ１（φ），Ｓ２（φ）に応じて第１参照正弦波信号Ｒ１（ｔ）及び第２参照正弦波信号Ｒ２（ｔ）を変更する。

【0058】

また、本実施形態では、距離測定装置１０による距離測定開始時、すなわち測定光側ミラー１４が移動開始前（変位開始前）の測定開始位置にある状態において、２相の正弦波信号Ｓ１（φ），Ｓ２（φ）の位相差の誤差（理想値９０°からの誤差）が補正されるように、２相の正弦波信号Ｓ１（φ），Ｓ２（φ）の位相差補正を行っている。この位相差補正は、例えば、シフト機構１６により測定光側ミラー１４を移動させたり（距離Ｄ_ｍを変えたり）、或いは上記［数２］式の中心周波数ｆ_ｃを変えたりすることにより行われる。

【0059】

なお、２相の正弦波信号Ｓ１（φ），Ｓ２（φ）にオフセット誤差が生じる場合、すなわちリサージュ波形Ｗ１（図３参照）の中心が原点からずれる場合には、２相の正弦波信号Ｓ１（φ），Ｓ２（φ）に対してオフセット補正も行われる。ここで、オフセット補正は公知技術であるため、その詳細は説明を省略する。

【0060】

コンピュータ２０は、発振器２２と、第１ローパスフィルタ２７と、第２ローパスフィルタ３１とに有線又は無線接続している。このコンピュータ２０は、詳しくは後述するが、第１ロックインアンプ１８及び第２ロックインアンプ１９から入力される２相の正弦波信号Ｓ１（φ），Ｓ２（φ）に基づき、測定光ｍＬと参照光ｒＬとの光学的距離差ｎＤ（図２参照）を算出する。この光学的距離差ｎＤは、測定光ｍＬと参照光ｒＬとの経路差Ｄ（Ｄ_ｍ−Ｄ_ｒ）と、測定光ｍＬ及び参照光ｒＬの経路の屈折率ｎとの積で表される。そして、コンピュータ２０は、算出した光学的距離差ｎＤに基づき、上記［数２］式中の振幅Δｆを制御する。

【0061】

なお、図示は省略するが、コンピュータ２０により、光波生成部１２とシフト機構１６と検出器１７と第１ロックインアンプ１８と第２ロックインアンプ１９とを含む距離測定装置１０の全体の動作を統括制御してもよい。

【0062】

［第１実施形態のコンピュータの構成］
図２は、第１実施形態のコンピュータ２０の機能を示す機能ブロック図である。コンピュータ２０は、各種の演算部及び処理部及び記憶部により構成された演算処理回路（不図示）を有している。図２に示すように、コンピュータ２０は、演算処理回路が不図示のメモリ等から読み出した距離測定プログラム（不図示）を実行することで、信号取得部３４と、補正部３５と、算出部３６と、情報取得部３７と、振幅決定部３８と、振幅制御部３９として機能する。

【0063】

信号取得部３４は、不図示の通信インタフェースを介して、第１ロックインアンプ１８及び第２ロックインアンプ１９から２相の正弦波信号Ｓ１（φ），Ｓ２（φ）を取得し、取得した２相の正弦波信号Ｓ１（φ），Ｓ２（φ）を補正部３５へ出力する。

【0064】

図３は、補正部３５による補正処理を説明するための説明図である。図３に示すように、２相の正弦波信号Ｓ１（φ），Ｓ２（φ）により形成されるリサージュ波形Ｗ１は、２相の正弦波信号Ｓ１（φ），Ｓ２（φ）の係数［Ｊ_２（ｍ）、Ｊ_３（ｍ）］の違いにより、原点を中心とする真円にはならず、原点を中心とする楕円となる。そこで、補正部３５は、２相の正弦波信号Ｓ１（φ），Ｓ２（φ）に対して「所定の係数」を乗算することで、リサージュ波形Ｗ１のアスペクト比を補正、すなわち、原点を中心とする真円のリサージュ波形Ｗ２を形成するような２相の補正信号Ｖ１（φ），Ｖ２（φ）を生成する補正を行う。以下、この補正を振幅補正という。

【0065】

ここで、「所定の係数」は、測定光側ミラー１４が移動開始前の測定開始位置にある状態において、例えば最小二乗法等でリサージュ波形Ｗ１を楕円近似したり、或いは２相の正弦波信号Ｓ１（φ），Ｓ２（φ）の振幅比を検出したり、汎用メジャーで後述の初期経路差Ｄ_０を測定して変調指数ｍを決定した後、係数［Ｊ_２（ｍ）、Ｊ_３（ｍ）］を計算したりするなどの公知の手法で求められる。そして、補正部３５は、測定光側ミラー１４の移動開始前に求めた「所定の係数」を記憶しておき、測定光側ミラー１４が測定開始位置から目標位置に到達するまでの間に得られる２相の正弦波信号Ｓ１（φ），Ｓ２（φ）に対して、先に記憶した所定の係数を乗算して振幅補正を行う。補正部３５により補正された２相の補正信号Ｖ１（φ），Ｖ２（φ）は、算出部３６（図２参照）へ出力される。

【0066】

図２に戻って、算出部３６は、前述の補正部３５と共に本発明の距離差算出部として機能する。算出部３６は、補正部３５から入力される２相の補正信号Ｖ１（φ），Ｖ２（φ）に基づき、既述の図３に示したリサージュ波形Ｗ２を描く点が、測定開始から現時点までに原点周りを回転した回転数（実数）をカウント値として計数する。このカウント値は、上記［数７］式に示した位相差φ（図３参照）の位相変化量の大きさを示す値である。

【0067】

次いで、算出部３６は、計数したカウント値と、既知の中心周波数ｆ_ｃ及び光速Ｃ_０とに基づき、上記［数７］式から光学的距離差ｎＤを算出する。そして、算出部３６は、算出した光学的距離差ｎＤと、既知の屈折率ｎとに基づき、経路差Ｄを算出する。また、算出部３６は、光学的距離差ｎＤの算出結果を振幅決定部３８へ出力する。

【0068】

情報取得部３７は、距離測定開始時、すなわち測定光側ミラー１４が測定開始位置にある状態での経路差Ｄ、屈折率ｎ、及び振幅Δｆにそれぞれ相当する初期経路差Ｄ_０、初期屈折率ｎ_０、及び初期振幅Δｆ_０を取得する。また、情報取得部３７は、角周波数ω_ｍ、中心周波数ｆ_ｃ、及び距離Ｄ_ｒを取得する。ここで、初期屈折率ｎ_０（本実施形態ではｎ＝ｎ_０）はほぼ定数であり、初期振幅Δｆ_０と角周波数ω_ｍと中心周波数ｆ_ｃと距離Ｄ_ｒとは設定値であるので、情報取得部３７は事前にユーザにより入力された各値を取得する。

【0069】

また、初期経路差Ｄ_０（デッドパスともいう）は、汎用メジャーで測定した値、或いは距離測定装置１０で測定した値を取得することができる。以下、距離測定装置１０で初期経路差Ｄ_０を測定（算出）する方法の一例を説明する。ここで、初期経路差Ｄ_０は、上記［数８］式と「ω_ｍ＝２πｆ_ｍ」とに基づき、下記［数１２］式で表される。

【0070】

【数12】

【0071】

上記［数１２］式において、初期屈折率ｎ_０、初期振幅Δｆ_０、及び角周波数ω_ｍは定数又は設定値であるので、変調指数ｍを求めることにより、上記［数１２］式から初期経路差Ｄ_０を求めることができる。

【0072】

図４は、初期経路差Ｄ_０の測定処理の流れを示すフローチャートである。また、図５は、初期経路差Ｄ_０の測定処理を説明するための説明図である。図４及び図５に示すように、情報取得部３７は、リサージュ波形Ｗ１を形成する補正前の２相の正弦波信号Ｓ１（φ），Ｓ２（φ）を信号取得部３４から取得する（ステップＳ１）。

【0073】

次いで、情報取得部３７は、２相の正弦波信号Ｓ１（φ），Ｓ２（φ）により形成される楕円のリサージュ波形Ｗ１に対して、最小二乗法による楕円近似等を行うことにより、下記の［数１３］式を求める（ステップＳ２）。

【0074】

【数13】

【0075】

上記［数１３］式を「ｍ」について解いた式は「ｍ＝Ｆ（ｘ）」で表される。そして、情報取得部３７は、図５中のグラフ４１で示すように、Ｆ（ｘ）に対して例えば９次多項式で多項式近似を行うことにより、変調指数ｍを算出する（ステップＳ３）。

【0076】

次いで、情報取得部３７は、先に取得した初期屈折率ｎ_０、初期振幅Δｆ_０、及び角周波数ω_ｍと、ステップＳ３で算出した変調指数ｍと、既知の光速Ｃ_０と、を上記［数１２］式に代入して初期経路差Ｄ_０を算出する（ステップＳ４）。この方法によれば、変調指数ｍを±０．０２の算出精度で算出することができ、その結果、初期経路差Ｄ_０を±４５０μｍの算出精度で算出することができる。これにより、距離測定装置１０において初期経路差Ｄ_０の測定結果が得られる。

【0077】

図２に戻って、情報取得部３７は、屈折率ｎと中心周波数ｆ_ｃとを含む各種情報を前述の算出部３６へ出力する。これにより、算出部３６は前述の光学的距離差ｎＤを算出することができる。また、情報取得部３７は、取得した初期経路差Ｄ_０と初期屈折率ｎ_０と初期振幅Δｆ_０と角周波数ω_ｍとを含む各種情報を振幅決定部３８へ出力する。

【0078】

振幅決定部３８は、前述の算出部３６から入力された光学的距離差ｎＤと、情報取得部３７から入力された初期経路差Ｄ_０等の各種情報とに基づき、光波生成部１２にて生成されるレーザ光Ｌの光周波数ｆ（ｔ）の振幅Δｆ（上記［数２］式参照）を決定する。この際に振幅決定部３８は、前述の変調指数ｍを一定に保つように振幅Δｆを決定する。換言すると、変調指数ｍは前述の２相の正弦波信号Ｓ１（φ），Ｓ２（φ）が形成するリサージュ波形Ｗ１のアスペクト比［Ｊ_２（ｍ）／Ｊ_３（ｍ）］を決定する値であるため、振幅決定部３８は、リサージュ波形Ｗ１のアスペクト比を一定に保つような振幅Δｆを決定する。

【0079】

具体的に、変調指数ｍを一定に保つ振幅Δｆは、上記［数８］式に基づき、下記の［数１４］式で表される。このため、振幅決定部３８は、光学的距離差ｎＤと、初期経路差Ｄ
_０等の各種情報と、を下記の［数１４］式に代入することで、変調指数ｍを一定に保つ振幅Δｆを決定する。そして、振幅決定部３８は、振幅Δｆの決定結果を振幅制御部３９へ出力する。

【0080】

【数14】

【0081】

振幅制御部３９は、光波生成部１２にて生成されるレーザ光Ｌの光周波数ｆ（ｔ）の振幅Δｆが、振幅決定部３８から入力された振幅Δｆの決定結果と一致するように、発振器２２から出力される正弦波信号Ｓ０（ｔ）の角周波数ω_ｍを制御する。例えば、光周波数ｆ（ｔ）の振幅Δｆと、振幅Δｆが実現される正弦波信号Ｓ０（ｔ）の角周波数ω_ｍとの対応関係を示すデータテーブル又は演算式を予め生成しておく。これにより、振幅制御部３９は、データテーブル又は演算式に基づき、振幅Δｆの決定結果に対応する正弦波信号Ｓ０（ｔ）の角周波数ω_ｍを決定して、発振器２２から出力される正弦波信号Ｓ０（ｔ）の角周波数ω_ｍを制御することができる。

【0082】

［第１実施形態の距離測定装置の作用］
次に、図６を用いて上記構成の距離測定装置１０の作用について説明する。ここで図６は、第１実施形態の距離測定装置１０による距離測定処理（距離測定方法）の流れを示すフローチャートである。なお、ここでは、シフト機構１６により測定開始位置から目標位置まで移動された測定光側ミラー１４の距離測定について説明を行う。

【0083】

ユーザが距離測定装置１０の各部の電源をＯＮすると、光波生成部１２において発振器２２から出力される正弦波信号Ｓ０（ｔ）に基づきレーザ光源２３が駆動され、このレーザ光源２３から光周波数ｆ（ｔ）のレーザ光Ｌが出射される。このレーザ光Ｌは、ビームスプリッタ１３で測定光ｍＬと参照光ｒＬとに分割される。そして、測定光ｍＬは、ビームスプリッタ１３から測定光側ミラー１４へ出射され、測定光側ミラー１４にて反射された後にビームスプリッタ１３に入射する。一方、参照光ｒＬは、ビームスプリッタ１３から参照光側ミラー１５へ出射され、参照光側ミラー１５にて反射された後にビームスプリッタ１３に入射する。

【0084】

ビームスプリッタ１３に入射した測定光ｍＬと参照光ｒＬとの干渉信号ＩＬは、検出器１７に入射して、この検出器１７にて電気信号である干渉信号Ｓｉｇに変換される。この干渉信号ＩＬは、検出器１７から第１ロックインアンプ１８及び第２ロックインアンプ１９にそれぞれ出力される。

【0085】

次いで、第１ロックインアンプ１８及び第２ロックインアンプ１９において、干渉信号Ｓｉｇ（強度Ｉ）から、第１参照正弦波信号Ｒ１（ｔ）及び第２参照正弦波信号Ｒ２（ｔ）にそれぞれ対応する２相の正弦波信号Ｓ１（φ），Ｓ２（φ）が検出され、これら２相の正弦波信号Ｓ１（φ），Ｓ２（φ）がコンピュータ２０へ出力される。以上で距離測定装置１０の起動が完了する（ステップＳ１０）。

【0086】

そして、測定光側ミラー１４が移動開始前の測定開始位置にある状態において、初期経路差Ｄ_０（デッドパス）の測定が開始される。具体的には、汎用メジャーを用いて初期経路差Ｄ_０を測定した測定結果をコンピュータ２０に入力する方法、或いは既述の図４及び図５で説明した距離測定装置１０による初期経路差Ｄ_０の測定方法を選択する。これにより、コンピュータ２０の情報取得部３７が初期経路差Ｄ_０を取得する（ステップＳ１１）。

【0087】

また、ユーザは、初期屈折率ｎ_０（屈折率ｎ）、初期振幅Δｆ_０、角周波数ω_ｍ、中心周波数ｆ_ｃ、及び距離Ｄ_ｒに関する情報をコンピュータ２０（情報取得部３７）に入力する。なお、これらの値は既知であるので事前にコンピュータ２０のメモリ等に入力しておくことで、ユーザによる入力を行うまでもなく、情報取得部３７はこれらの値をメモリ等から取得することができる。これにより、情報取得部３７は、屈折率ｎ及び中心周波数ｆ_ｃに関する各種情報を算出部３６へ出力し、初期経路差Ｄ_０と初期屈折率ｎ_０と初期振幅Δｆ_０と角周波数ω_ｍとに関する各種情報を振幅決定部３８へ出力する。

【0088】

次いで、ユーザがリサージュ波形Ｗ１のアスペクト比の補正開始操作を行うと、補正部３５は、信号取得部３４等を介して第１ロックインアンプ１８及び第２ロックインアンプ１９から取得した２相の正弦波信号Ｓ１（φ），Ｓ２（φ）を解析する。なお、この際に、既述のオフセット補正、及び測定光側ミラー１４の移動又は中心周波数ｆ_ｃの変更によりリサージュ波形Ｗ１を回転させる位相差補正を、必要に応じて実行する。

【0089】

そして、補正部３５は、最小二乗法等でリサージュ波形Ｗ１を楕円近似することで、このリサージュ波形Ｗ１を真円に補正するための所定の係数を求めて記憶すると共に、この所定の係数を２相の正弦波信号Ｓ１（φ），Ｓ２（φ）に乗算する振幅補正を行う。これにより、リサージュ波形Ｗ１のアスペクト比が補正され、真円のリサージュ波形Ｗ２を形成する２相の補正信号Ｖ１（φ），Ｖ２（φ）が補正部３５により生成される（ステップＳ１２）。これら２相の補正信号Ｖ１（φ），Ｖ２（φ）は、補正部３５から算出部３６に入力され、算出部３６にて光学的距離差ｎＤの算出が開始される。以上で測定光側ミラー１４の移動準備が完了する。

【0090】

次いで、ユーザは、振幅Δｆの制御開始操作を行う（ステップＳ１３）。これにより、後述のステップＳ１５からステップＳ２０に示す振幅Δｆの制御が開始される。また、ユーザは、シフト機構１６に対して測定光側ミラー１４の移動操作を行う。これにより、シフト機構１６は、測定光側ミラー１４を測定光ｍＬの経路に沿って測定開始位置から目標位置に向けて移動させる（ステップＳ１４）。

【0091】

この際に、光波生成部１２によるレーザ光Ｌの生成と、ビームスプリッタ１３によるレーザ光Ｌの分割と、検出器１７による干渉信号Ｓｉｇの検出と、第１ロックインアンプ１８及び第２ロックインアンプ１９による２相の正弦波信号Ｓ１（φ），Ｓ２（φ）の検出と、を含む測定処理が実行される（ステップＳ１５）。このステップＳ１５の測定処理は、本発明の光波生成ステップと分割ステップと干渉信号検出ステップと正弦波信号検出ステップとに相当する。

【0092】

コンピュータ２０の信号取得部３４は、第１ロックインアンプ１８及び第２ロックインアンプ１９から２相の正弦波信号Ｓ１（φ），Ｓ２（φ）を取得し、これら２相の正弦波信号Ｓ１（φ），Ｓ２（φ）を補正部３５に入力する（ステップＳ１６）。補正部３５に入力された２相の正弦波信号Ｓ１（φ），Ｓ２（φ）は、補正部３５において先に求めた所定の係数を乗算する振幅補正等が施される（ステップＳ１７）。これにより、振幅補正等された２相の補正信号Ｖ１（φ），Ｖ２（φ）が補正部３５から算出部３６に入力される。

【0093】

２相の補正信号Ｖ１（φ），Ｖ２（φ）の入力を受けた算出部３６は、既述のカウント値を計数して、このカウント値と、情報取得部３７から取得した中心周波数ｆ_ｃと、既知の光速Ｃ_０とに基づき、上記［数７］式から光学的距離差ｎＤを算出する（ステップＳ１８、本発明の距離差算出ステップに相当）。この光学的距離差ｎＤの算出結果は、算出部３６から振幅決定部３８に入力される。また、算出部３６は、光学的距離差ｎＤの算出結果と、情報取得部３７から入力された屈折率ｎの情報に基づき、現在の経路差Ｄ（幾何学的距離差）を算出する。

【0094】

光学的距離差ｎＤの算出結果の入力を受けた振幅決定部３８は、この光学的距離差ｎＤと、先に情報取得部３７から入力された初期経路差Ｄ_０等の各種情報とに基づき、上記［数１４］式を用いて、変調指数ｍを一定に保つ振幅Δｆを決定する（ステップＳ１９、本発明の振幅決定ステップに相当）。この振幅Δｆの決定結果は、振幅決定部３８から振幅制御部３９に入力される。

【0095】

振幅Δｆの決定結果の入力を受けた振幅制御部３９は、既述のデータテーブル又は演算式を用いて、振幅Δｆの決定結果に対応する正弦波信号Ｓ０（ｔ）の角周波数ω_ｍを決定することで、発振器２２から出力される正弦波信号Ｓ０（ｔ）の角周波数ω_ｍを制御する。これにより、振幅Δｆが変調指数ｍを一定に保つように制御される（ステップＳ２０、本発明の振幅制御ステップに相当）。

【0096】

以下、測定光側ミラー１４が目標位置に到達するまで、前述のステップＳ１５からステップＳ２０までの処理が繰り返し実行される（ステップＳ２１でＮＯ）。その結果、前述の振幅Δｆの制御が継続して行われる。

【0097】

測定光側ミラー１４が目標位置に到達すると（ステップＳ２１でＹＥＳ）、シフト機構１６による移動が完了して測定光側ミラー１４が目標位置で停止する。そして、前述のステップＳ１５からステップＳ１８までの処理により、測定光側ミラー１４が目標位置に停止している状態での光学的距離差ｎＤが算出される。次いで、算出部３６が、光学的距離差ｎＤの算出結果と、情報取得部３７から入力された屈折率ｎに関する情報とに基づき、現在の（目標位置での）経路差Ｄ（幾何学的距離差）を算出する（ステップＳ２２）。

【0098】

［第１実施形態の距離測定装置の効果］
図７は、第１実施形態の距離測定装置１０の効果を説明するための説明図である。なお、図中の「Ｊ_２、Ｊ_３」は、リサージュ波形Ｗ１のアスペクト比［Ｊ_２（ｍ）／Ｊ_３（ｍ）］を示す値であり、「距離（ｍ）」はシフト機構１６により移動される測定光側ミラー１４の移動距離である。また、図７中の比較例４４及び実施例４５は、ｆ_ｍ＝１０ＭＨｚ、Δｆ_０＝２００ＭＨｚ、Ｄ_０＝１ｍ、ｎ_０（ｎ）≒１、Ｃ_０を真空中の光速とした条件で得られたものである。

【0099】

図７の上段に示すように、振幅Δｆの制御を実行しない比較例４４では、測定光側ミラー１４の移動に伴い、「Ｊ_２及びＪ_３」、すなわちリサージュ波形Ｗ１のアスペクト比が変化する。このため、リサージュ波形Ｗ１を形成する２相の正弦波信号Ｓ１（φ），Ｓ２（φ）に対して、先に求めた所定の係数を乗算した場合に、真円のリサージュ波形Ｗ２を形成する２相の補正信号Ｖ１（φ），Ｖ２（φ）が得られない。このような２相の補正信号Ｖ１（φ），Ｖ２（φ）に基づき測定光側ミラー１４の経路差Ｄ（幾何学的距離差）を求めたとしても測定誤差が大きくなってしまう。

【0100】

また、測定光側ミラー１４の移動の途中でリサージュ波形Ｗ１の半径値が小さくなる場合、すなわち２相の正弦波信号Ｓ１（φ），Ｓ２（φ）の信号強度が弱くなる場合には、経路差Ｄ（幾何学的距離差）の測定ができないおそれがある。特に、距離測定装置１０による距離測定は相対測定であるため、リサージュ波形Ｗ１の半径値が一旦ゼロになる（すなわちリサージュ波形Ｗ１が一旦無くなると）、以後の測定を行うことができない。

【0101】

このような比較例４４に対して、図７の下段に示すように、振幅Δｆの制御を実行する本実施例４５では、測定光側ミラー１４の移動に関係なく変調指数ｍが一定に保たれることで、「Ｊ_２及びＪ_３」、すなわちリサージュ波形Ｗ１のアスペクト比が一定に保たれ、
リサージュ波形Ｗ１の半径値がゼロになることはない。その結果、測定光側ミラー１４の各位置で取得された２相の正弦波信号Ｓ１（φ），Ｓ２（φ）に対してそれぞれ先に求めた所定の係数を乗算すると、常に真円のリサージュ波形Ｗ２を形成する２相の補正信号Ｖ１（φ），Ｖ２（φ）が得られる。その結果、目標位置に停止後の経路差Ｄ（幾何学的距離差）を精度よく測定することができる。

【0102】

［第２実施形態の距離測定装置］
次に、図８を用いて第２実施形態の距離測定装置１０Ａについて説明を行う。図８は、第２実施形態の距離測定装置１０Ａの構成を示す構成図である。上記第１実施形態の距離測定装置１０では、光学的距離差ｎＤの算出結果等に基づき光周波数ｆ（ｔ）の振幅Δｆの制御を行うが、第２実施形態の距離測定装置１０Ａでは、光学的距離差ｎＤの算出結果等に基づき第１ロックインアンプ１８及び第２ロックインアンプ１９による２相の正弦波信号Ｓ１（φ），Ｓ２（φ）の検出制御を行う。

【0103】

図８に示すように、第２実施形態の距離測定装置１０Ａでは、コンピュータ２０が発振器２２の代わりに第１発振器２５及び第２発振器２９に有線又は無線接続している点を除けば、上記第１実施形態の距離測定装置１０と基本的に同じ構成である。このため、上記第１実施形態と機能又は構成上同一のものについては、同一符号を付してその説明は省略する。

【0104】

図９は、第２実施形態のコンピュータ２０の機能を示す機能ブロック図である。図９に示すように、第２実施形態のコンピュータ２０は、演算処理回路（不図示）が前述の距離測定プログラム（不図示）を実行することで、既述の信号取得部３４、補正部３５、及び算出部３６、及び情報取得部３７の他に、時間遅れ検出部５０と検出制御部５１として機能する。

【0105】

第２実施形態の情報取得部３７は、初期屈折率ｎ_０（屈折率ｎ）及び中心周波数ｆ_ｃ等を取得して、これらの各種情報を算出部３６へ出力する。これにより、第２実施形態の算出部３６は、第１実施形態と同様に上記［数７］式から光学的距離差ｎＤを算出して、この光学的距離差ｎＤの算出結果を時間遅れ検出部５０へ出力する。また、第２実施形態の情報取得部３７は、屈折率ｎに関する情報を時間遅れ検出部５０へ出力する。

【0106】

時間遅れ検出部５０は、算出部３６から入力される光学的距離差ｎＤと、情報取得部３７から入力される屈折率ｎ（既知であれば入力は不要）と、既知の光速Ｃ_０とに基づき、下記の［数１５］式に基づき、前述の時間遅れτを算出する。そして、時間遅れ検出部５０は、時間遅れτの算出結果を検出制御部５１へ出力する。

【0107】

【数15】

【0108】

検出制御部５１は、時間遅れ検出部５０から入力された時間遅れτの算出結果（検出結果）に基づき、第１ロックインアンプ１８の第１発振器２５が出力する第１参照正弦波信号Ｒ１（ｔ）の位相と、第２ロックインアンプ１９の第２発振器２９が出力する第２参照正弦波信号Ｒ２（ｔ）の位相とを補正する（上記［数１０］式参照）。そして、検出制御部５１は、位相補正後の第１参照正弦波信号Ｒ１（ｔ）及び第２参照正弦波信号Ｒ２（ｔ）に基づき、第１ロックインアンプ１８及び第２ロックインアンプ１９に２相の正弦波信号Ｓ１（φ），Ｓ２（φ）を検出させる検出制御を行う。

【0109】

［第２実施形態の距離測定装置の作用］
次に、図１０を用いて上記構成の距離測定装置１０Ａの作用について説明する。ここで図１０は、第２実施形態の距離測定装置１０Ａによる距離測定処理（距離測定方法）の流れを示すフローチャートである。

【0110】

ステップＳ１０からステップＳ１２までの処理は、上記第１実施形態と基本的に同じであるので、ここでは具体的な説明を省略する。そして、ステップＳ１２が完了すると、ユーザは、第１ロックインアンプ１８及び第２ロックインアンプ１９による２相の正弦波信号Ｓ１（φ），Ｓ２（φ）の検出制御を開始する制御開始操作を行う（ステップＳ１３Ａ）。これにより、後述のステップＳ１５からステップＳ２０Ａに示す２相の正弦波信号Ｓ１（φ），Ｓ２（φ）の検出制御が開始される。

【0111】

そして、ユーザは、上記第１実施形態と同様にシフト機構１６により測定光側ミラー１４を測定開始位置から目標位置に向けて移動させる（ステップＳ１４）。

【0112】

この際に、上記第１実施形態と同様にステップＳ１５からステップＳ１８までの処理が実行され、算出部３６が現時点の測定光側ミラー１４の位置に対応した光学的距離差ｎＤを算出して時間遅れ検出部５０に入力する。

【0113】

光学的距離差ｎＤの入力を受けた時間遅れ検出部５０は、この光学的距離差ｎＤと、情報取得部３７から入力される屈折率ｎと、既知の光速Ｃ_０とに基づき、上記［数１５］式を用いて時間遅れτを算出（検出）し、時間遅れτの算出結果を検出制御部５１に入力する（ステップＳ１９Ａ、本発明の時間遅れ検出ステップに相当）。

【0114】

時間遅れτの算出結果の入力を受けた検出制御部５１は、時間遅れτの算出結果に基づき、第１参照正弦波信号Ｒ１（ｔ）及び第２参照正弦波信号Ｒ２（ｔ）の位相を補正し、位相補正後の第１参照正弦波信号Ｒ１（ｔ）及び第２参照正弦波信号Ｒ２（ｔ）を第１発振器２５及び第２発振器２９から出力させる。これにより、第１ロックインアンプ１８及び第２ロックインアンプ１９が、位相補正後の第１参照正弦波信号Ｒ１（ｔ）及び第２参照正弦波信号Ｒ２（ｔ）に基づき、干渉信号Ｓｉｇから２相の正弦波信号Ｓ１（φ），Ｓ２（φ）を検出する検出制御が実行される（ステップＳ２０Ａ、本発明の検出制御ステップに相当）。

【0115】

このような検出制御により、上記［数９］式で示す干渉信号Ｓｉｇ［強度Ｉ］の位相と、上記［数１０］式で示す第１参照正弦波信号Ｒ１（ｔ）及び第２参照正弦波信号Ｒ２（ｔ）の位相との間での位相遅れが補正される。

【0116】

以下、測定光側ミラー１４が目標位置に到達するまで、前述のステップＳ１５からステップＳ２０Ａまでの処理が繰り返し実行される（ステップＳ２１でＮＯ）。これにより、前述の検出制御が継続して行われる。

【0117】

そして、測定光側ミラー１４が目標位置に到達すると（ステップＳ２１でＹＥＳ）、シフト機構１６による移動が完了して測定光側ミラー１４が目標位置で停止する。以下、第１実施形態と同様に、ステップＳ１５からステップＳ１８までの処理を経て、目標位置に停止後の経路差Ｄ（幾何学的距離差）が算出部３６により算出される（ステップＳ２２）。

【0118】

［第２実施形態の距離測定装置の効果］
図１１は、第２実施形態の距離測定装置１０Ａの効果を説明するための説明図である。なお、図中の「ａ_ｘ、ａ_ｙ」は、下記の［数１６］式に含まれる係数である。また、下記の［数１６］式中の「ｘ、ｙ」は位相遅れがない理想的なリサージュ波形Ｗ１のｘ成分及びｙ成分であり、「Ｘ、Ｙ」は位相遅れがある実際のリサージュ波形Ｗ１のＸ成分及びＹ成分である。さらに、図１１中の比較例４４Ａ及び実施例４５Ａは、ｆ_ｍ＝１０ＭＨｚ、Δｆ_０＝２００ＭＨｚ、Ｄ_０＝１ｍ、ｎ_０（ｎ）≒１、Ｃ_０＝真空中の光速とした条件で得られたものである。

【0119】

【数16】

【0120】

図１１の上段に示すように、２相の正弦波信号Ｓ１（φ），Ｓ２（φ）の検出制御、すなわち、干渉信号Ｓｉｇと各参照正弦波信号Ｒ１（ｔ），Ｒ２（ｔ）との位相遅れの補正制御を実行しない比較例４４Ａでは、係数ａ_ｘ，ａ_ｙが正弦波状に変化する。このため、係数ａ_ｘ，ａ_ｙの変化に応じて、２相の正弦波信号Ｓ１（φ），Ｓ２（φ）の信号強度が増減する。その結果、２相の正弦波信号Ｓ１（φ），Ｓ２（φ）の信号強度が弱くなり、経路差Ｄの測定ができなくなる場合がある。

【0121】

このような比較例４４Ａに対して、図１１の下段に示すように、２相の正弦波信号Ｓ１（φ），Ｓ２（φ）の検出制御を行う本実施例４５Ａでは、前述の位相遅れが補正されることにより係数ａ_ｘ，ａ_ｙが一定に保たれる。その結果、比較例４４Ａのように２相の正弦波信号Ｓ１（φ），Ｓ２（φ）の信号強度が弱くなることが防止されるので、目標位置に停止後の経路差Ｄを確実に測定することができる。

【0122】

［第３実施形態の距離測定装置］
次に、図１２及び図１３を用いて、第３実施形態の距離測定装置１０Ｂについて説明を行う。上記第１実施形態では光周波数ｆ（ｔ）の振幅Δｆの制御を行い、上記第２実施形態では２相の正弦波信号Ｓ１（φ），Ｓ２（φ）の検出制御を行う場合について説明したが、第３実施形態の距離測定装置１０Ｂでは、振幅Δｆの制御と、２相の正弦波信号Ｓ１（φ），Ｓ２（φ）の検出制御との双方を行う。

【0123】

図１２は、第３実施形態の距離測定装置１０Ｂの構成を示す構成図である。図１３は、第３実施形態のコンピュータ２０の機能を示す機能ブロック図である。図１２及び図１３に示すように、距離測定装置１０Ｂは、上記第１実施形態の距離測定装置１０と第２実施形態の距離測定装置１０Ａとを組み合わせた装置であるため、上記各実施形態と機能又は構成上同一のものについては、同一符号を付してその説明は省略する。

【0124】

第３実施形態のコンピュータ２０は、発振器２２と、第１発振器２５及び第１ローパスフィルタ２７と、第２発振器２９及び第２ローパスフィルタ３１と、にそれぞれ有線又は無線接続している。そして、第３実施形態のコンピュータ２０は、上記各実施形態のコンピュータ２０の双方の機能を有しているので、前述の光学的距離差ｎＤの算出結果等に基づき、光周波数ｆ（ｔ）の振幅Δｆの制御と、各参照正弦波信号Ｒ１（ｔ），Ｒ２（ｔ）の位相補正、すなわち２相の正弦波信号Ｓ１（φ），Ｓ２（φ）の検出制御と、を行う。

【0125】

［第３実施形態の距離測定装置の作用］
図１４は、第３実施形態の距離測定装置１０Ｂによる距離測定処理（距離測定方法）の流れを示すフローチャートである。この第３実施形態の距離測定処理の流れは、既述の図６及び図１０に示した上記各実施形態の開始操作（ステップＳ１３，Ｓ１３Ａ）を組み合わせた開始操作（ステップＳ１３Ｂ）を行う点と、第１実施形態で説明した振幅Δｆの制御（ステップＳ１９，Ｓ２０）及び第２実施形態で説明した検出制御（ステップＳ１９Ａ，Ｓ２０Ａ）の双方を並行して行う点とを除けば、上記各実施形態の距離測定処理の流れと基本的に同じである。

【0126】

［第３実施形態の距離測定装置の効果］
以上の通り、第３実施形態の距離測定装置１０Ｂは、第１実施形態で説明した光周波数ｆ（ｔ）の振幅Δｆの制御と、第２実施形態で説明した２相の正弦波信号Ｓ１（φ），Ｓ２（φ）の検出制御との双方を実行するので、上記各実施形態で説明した効果が全て得られる。

【0127】

［第４実施形態の距離測定装置］
次に、図１５を用いて本発明の第４実施形態の距離測定装置１０Ｃについて説明を行う。図１５は、第４実施形態の距離測定装置１０Ｃの構成を示す構成図である。この距離測定装置１０Ｃは、正弦波位相変調方式による距離測定の応用例として、いわゆる２色法による距離測定を行う。なお、上記各実施形態と機能又は構成上同一のものについては、同一符号を付してその説明は省略する。

【0128】

図１５に示すように、第４実施形態の距離測定装置１０Ｃは、光波生成部１２と、分配器６０と、図中「ＳＨＧ」（Second Harmonic Generation）で表示した高調波発生器６１と、合波器６２と、コリメータ６３と、ビームスプリッタ１３と、測定光側ミラー１４と、参照光側ミラー１５と、シフト機構１６と、分波器６４と、検出器１７Ａ，１７Ｂと、第１ロックインアンプ１８Ａ，１８Ｂと、第２ロックインアンプ１９Ａ，１９Ｂと、コンピュータ２０と、を備える。

【0129】

分配器６０（例えばカプラ）は、光波生成部１２から出射されたレーザ光Ｌを、第１レーザ光Ｌ１と第２レーザ光Ｌ２とに分配して、第１レーザ光Ｌ１を合波器６２に向けて出射し、且つ第２レーザ光Ｌ２を高調波発生器６１に向けて出射する。

【0130】

高調波発生器６１は、分配器６０から入射した第２レーザ光Ｌ２を波長変換して、第１レーザ光Ｌ１の２倍の光周波数［２×ｆ（ｔ）］を有する第２レーザ光Ｌ２を生成し、この第２レーザ光Ｌ２を合波器６２へ出射する。

【0131】

合波器６２は、分配器６０から入射した第１レーザ光Ｌ１と、高調波発生器６１から入射した第２レーザ光Ｌ２とを合波し、合波した第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２をコリメータ６３へ出射する。

【0132】

コリメータ６３は、合波器６２から入射した第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２を平行光化してビームスプリッタ１３へ出射する。なお、コリメータ６３の代わりに放物面ミラー等を用いてもよい。

【0133】

第３実施形態のビームスプリッタ１３は、コリメータ６３から入射した第１レーザ光Ｌ１を第１測定光ｍＬ１と第１参照光ｒＬ１とに分割すると共に、第２レーザ光Ｌ２を第２測定光ｍＬ２と第２参照光ｒＬ２とに分割する。そして、ビームスプリッタ１３は、第１測定光ｍＬ１及び第２測定光ｍＬ２を測定光側ミラー１４に向けて出射すると共に、第１参照光ｒＬ１及び第２参照光ｒＬ２を参照光側ミラー１５に向けて出射する。

【0134】

測定光側ミラー１４により反射された第１測定光ｍＬ１と、参照光側ミラー１５により反射された第１参照光ｒＬ１とはビームスプリッタ１３にて合波され、第１測定光ｍＬ１と第１参照光ｒＬ１との第１干渉信号ＩＬ１が分波器６４へ出射される。また、測定光側ミラー１４により反射された第２測定光ｍＬ２と、参照光側ミラー１５により反射された第２参照光ｒＬ２とについても同様にビームスプリッタ１３にて合波され、第２測定光ｍＬ２と第２参照光ｒＬ２との第２干渉信号ＩＬ２が分波器６４へ出射される。

【0135】

分波器６４（例えばダイクロイックミラー）は、第１レーザ光Ｌ１の波長域に対応する光を透過し、第２レーザ光Ｌ２の波長域に対応する光を反射する特性を有する。これにより、分波器６４は、ビームスプリッタ１３から入射した第１干渉信号ＩＬ１を透過し、ビームスプリッタ１３から入射した第２干渉信号ＩＬ２を反射する。そして、ビームスプリッタ１３を透過した第１干渉信号ＩＬ１は検出器１７Ａに入射し、ビームスプリッタ１３にて反射された第２干渉信号ＩＬ２は検出器１７Ｂに入射する。

【0136】

検出器１７Ａ，１７Ｂ（本発明の干渉信号検出部に相当）は、上記各実施形態の検出器１７と同様のものである。検出器１７Ａは、分波器６４から入射された第１干渉信号ＩＬ１を検出して、第１干渉信号Ｓｉｇ１を第１ロックインアンプ１８Ａと第２ロックインアンプ１９Ａとにそれぞれ出力する。一方、検出器１７Ｂは、分波器６４から入射された第２干渉信号ＩＬ２を検出して、第２干渉信号Ｓｉｇ２を第１ロックインアンプ１８Ｂと第２ロックインアンプ１９Ｂとにそれぞれ出力する。

【0137】

第１ロックインアンプ１８Ａ及び第２ロックインアンプ１９Ａと、第１ロックインアンプ１８Ｂ及び第２ロックインアンプ１９Ｂとは、それぞれ上記各実施形態の第１ロックインアンプ１８及び第２ロックインアンプ１９と基本的に同じ構成を有している。

【0138】

第１ロックインアンプ１８Ａ及び第２ロックインアンプ１９Ａは、検出器１７Ａより入力された第１干渉信号Ｓｉｇ１から、下記の［数１７］式で表す位相差９０°の２相の正弦波信号Ｓ１（φ１），Ｓ２（φ１）を検出する。なお、［数１７］式中の位相φ１及び変調指数ｍ１は、測定光ｍＬ１及び参照光ｒＬ１に対応する経路差（幾何学的距離差）をＤ_１とし、測定光ｍＬ１及び参照光ｒＬ１に対する双方の経路の屈折率をｎ_１とした場合、下記の［数１８］式で表される。これら２相の正弦波信号Ｓ１（φ１），Ｓ２（φ１）は、コンピュータ２０に入力される。

【0139】

【数17】

【0140】

【数18】

【0141】

一方、第１ロックインアンプ１８Ｂ及び第２ロックインアンプ１９Ｂは、検出器１７Ｂより入力された第２干渉信号Ｓｉｇ２から、下記の［数１９］式で表す位相差９０°の２相の正弦波信号Ｓ１（φ２），Ｓ２（φ２）を検出する。なお、［数１９］式中の位相φ２及び変調指数ｍ２は、測定光ｍＬ２及び参照光ｒＬ２に対応する経路差（幾何学的距離差）をＤ_２とし、測定光ｍＬ２及び参照光ｒＬ２に対する双方の経路の屈折率をｎ_２とした場合、下記の［数２０］式で表される。これら２相の正弦波信号Ｓ１（φ２），Ｓ２（φ２）についても、コンピュータ２０に入力される。

【0142】

【数19】

【0143】

【数20】

【0144】

第４実施形態のコンピュータ２０は、既述の発振器２２と、第１ロックインアンプ１８Ａ，１８Ｂと、第２ロックインアンプ１９Ａ，１９Ｂと、にそれぞれ有線又は無線接続している。このコンピュータ２０は、光周波数ｆ（ｔ）の振幅Δｆの制御と、２相の正弦波信号Ｓ１（φ１），Ｓ２（φ１）の検出制御及び２相の正弦波信号Ｓ１（φ２），Ｓ２（φ２）の検出制御と、を行う。

【0145】

図１６は、第４実施形態のコンピュータ２０の機能を示す機能ブロック図である。図１６に示すように、第４実施形態のコンピュータ２０は、演算処理回路（不図示）が前述の距離測定プログラム（不図示）を実行することにより、第１信号取得部３４Ａ及び第２信号取得部３４Ｂと、第１補正部３５Ａ及び第２補正部３５Ｂと、第１算出部３６Ａ及び第２算出部３６Ｂと、情報取得部３７と、振幅決定部３８と、振幅制御部３９と、時間遅れ検出部５０と、検出制御部５１と、第３算出部６６として機能する。

【0146】

第１信号取得部３４Ａは、第１ロックインアンプ１８Ａ及び第２ロックインアンプ１９Ａから２相の正弦波信号Ｓ１（φ１），Ｓ２（φ１）を取得し、取得した２相の正弦波信号Ｓ１（φ１），Ｓ２（φ１）を第１補正部３５Ａへ出力する。また、第２信号取得部３４Ｂは、第１ロックインアンプ１８Ｂ及び第２ロックインアンプ１９Ｂから２相の正弦波信号Ｓ１（φ２），Ｓ２（φ２）を取得し、取得した２相の正弦波信号Ｓ１（φ２），Ｓ２（φ２）を第２補正部３５Ｂへ出力する。

【0147】

図１７は、第４実施形態の第１補正部３５Ａ及び第２補正部３５Ｂによる補正処理を説明するための説明図である。図１７に示すように、第１補正部３５Ａは、第１信号取得部３４Ａから入力された２相の正弦波信号Ｓ１（φ１），Ｓ２（φ１）に対して振幅補正等を行い、第２補正部３５Ｂは、第２信号取得部３４Ｂから入力された２相の正弦波信号Ｓ１（φ２），Ｓ２（φ２）に対して振幅補正等を行う。

【0148】

具体的に、第１補正部３５Ａは、楕円のリサージュ波形Ｗ１Ａを形成する２相の正弦波信号Ｓ１（φ１），Ｓ２（φ１）に対して所定の係数を乗算することで、真円のリサージュ波形Ｗ２Ａを形成する２相の補正信号Ｖ１（φ１），Ｖ２（φ１）を生成する。また、第２補正部３５Ｂは、楕円のリサージュ波形Ｗ１Ｂを形成する２相の正弦波信号Ｓ１（φ２），Ｓ２（φ２）に対して所定の係数を乗算することで、真円のリサージュ波形Ｗ２Ｂを形成する２相の補正信号Ｖ１（φ２），Ｖ２（φ２）を生成する。

【0149】

図１６に戻って、第１補正部３５Ａは、生成した２相の補正信号Ｖ１（φ１），Ｖ２（φ１）を第１算出部３６Ａへ出力する。また、第２補正部３５Ｂは、生成した２相の補正信号Ｖ１（φ２），Ｖ２（φ２）を第２算出部３６Ｂへ出力する。

【0150】

第１算出部３６Ａ及び第２算出部３６Ｂは、前述の第１補正部３５Ａ及び第２補正部３５Ｂと共に、本発明の距離差算出部として機能する。第１算出部３６Ａは、上記各実施形態の算出部３６と同様に、第１補正部３５Ａから入力された２相の補正信号Ｖ１（φ１），Ｖ２（φ１）と、情報取得部３７から取得した中心周波数ｆ_ｃと、既知の光速Ｃ_０とに基づき、上記［数７］式から光学的距離差ｎ_１Ｄ_１を算出する。また、第２算出部３６Ｂは、第２補正部３５Ｂから入力された２相の補正信号Ｖ１（φ２），Ｖ２（φ２）と、前述の中心周波数ｆ_ｃ及び光速Ｃ_０とに基づき、上記［数７］式から光学的距離差ｎ_２Ｄ_２を算出する。

【0151】

そして、第１算出部３６Ａは、算出した光学的距離差ｎ_１Ｄ_１を振幅決定部３８と時間遅れ検出部５０と第３算出部６６とにそれぞれ出力する。また、第２算出部３６Ｂは、算出した光学的距離差ｎ_２Ｄ_２を第３算出部６６へ出力する。

【0152】

振幅決定部３８は、第１算出部３６Ａから入力された光学的距離差ｎ_１Ｄ_１と、先に情報取得部３７から入力された初期経路差Ｄ_０等の各種情報とに基づき、上記第１実施形態と同様に上記［数１４］式を用いて、変調指数ｍを一定に保つ振幅Δｆを決定する。これにより、振幅制御部３９は、振幅決定部３８による振幅Δｆの決定結果に基づき、正弦波信号Ｓ０（ｔ）の角周波数ω_ｍを制御することにより、光周波数ｆ（ｔ）の振幅Δｆを制御する。

【0153】

また、時間遅れ検出部５０は、第１算出部３６Ａから入力された光学的距離差ｎ_１Ｄ_１と、情報取得部３７から入力される屈折率ｎ_１と、既知の光速Ｃ_０とに基づき、上記第２実施形態と同様に上記［数１５］式を用いて、時間遅れτを算出する。そして、検出制御部５１は、時間遅れτの算出結果に基づき、第１ロックインアンプ１８Ａ，１８Ｂの第１発振器２５Ａ，２５Ｂと、第２ロックインアンプ１９Ａ，１９Ｂの第２発振器２９Ａ，２９Ｂとからそれぞれ発振される各参照正弦波信号（不図示）の位相を補正する。これにより、各ロックインアンプ１８Ａ，１８Ｂ，１９Ａ，１９Ｂにおいて、２相の正弦波信号Ｓ１（φ１），Ｓ２（φ１）の検出制御と、２相の正弦波信号Ｓ１（φ２），Ｓ２（φ２）の検出制御とが行われる。

【0154】

第３算出部６６は、第１算出部３６Ａから入力された光学的距離差ｎ_１Ｄ_１と、第２算出部３６Ｂから入力された光学的距離差ｎ_２Ｄ_２とに基づき、公知の２色法原理に基づく下記の［数２１］式を用いて、経路差Ｄ（幾何学的距離差）を算出する。なお、［数２１］式中の「Ａ」は定数である。

【0155】

【数21】

【0156】

以上のように、２色法による距離測定を行う距離測定装置１０Ｃにおいても、光周波数ｆ（ｔ）の振幅Δｆの制御と、２相の正弦波信号Ｓ１（φ１），Ｓ２（φ１）の検出制御及び２相の正弦波信号Ｓ１（φ２），Ｓ２（φ２）の検出制御と、を行うことにより、上記各実施形態と同様の効果が得られる。

【0157】

［第５実施形態の距離測定装置］
次に、図１８を用いて第５実施形態の距離測定装置１０Ｄについて説明を行う。図１８は、第５実施形態の距離測定装置１０Ｄの構成を示す構成図である。なお、距離測定装置１０Ｄは、上記第１実施形態の距離測定装置１０と基本的に同じ構成であるので、上記第１実施形態と機能又は構成上同一のものについては、同一符号を付してその説明は省略する。

【0158】

上記各実施形態の光波生成部１２から出射されるレーザ光Ｌの光周波数ｆ（ｔ）は、その非線形性により、下記の［数２２］式に示すように、第２次高調波及び第３次高調波を有する場合がある。この場合には、レーザ光Ｌの２ω_ｍ及び３ω_ｍの信号が距離測定の誤差要因となる。

【0159】

【数22】

【0160】

そこで、第５実施形態の距離測定装置１０Ｄでは、光周波数ｆ（ｔ）の第２次高調波及び第３次高調波を打ち消すように、発振器２２からレーザ光源２３に対して下記の［数２３］式で表される正弦波信号ＳＤ（ｔ）を適切な強度で出力させる。これにより、光周波数ｆ（ｔ）の第２次高調波及び第３次高調波に起因する距離測定の誤差を低減することができる。

【0161】

【数23】

【0162】

なお、上記第２実施形態から第４実施形態の距離測定装置１０Ａ〜１０Ｃにおいても同様に、発振器２２から正弦波信号ＳＤ（ｔ）を出力させてもよい。

【0163】

［第６実施形態の距離測定装置］
次に、第６実施形態の距離測定装置（不図示）について説明を行う。例えば上記第１実施形態の距離測定装置１０では、既述の図６に示したように、振幅Δｆの制御開始操作（ステップＳ１３）がなされると、測定光側ミラー１４を目標位置に向けて移動させている（ステップＳ１４）。これに対して、第６実施形態の距離測定装置では、ステップＳ１３とステップＳ１４との間においても、リサージュ波形Ｗ１のアスペクト比の補正を行う。

【0164】

なお、第６実施形態の距離測定装置は、上記第１実施形態の距離測定装置１０と基本的に同じ構成であるので、上記第１実施形態と機能又は構成上同一のものについては、同一符号を付してその説明は省略する。

【0165】

図１９は、第６実施形態の距離測定装置による距離測定処理（距離測定方法）、特にステップＳ１３以降のリサージュ波形Ｗ１のアスペクト比の補正の流れを示すフローチャートである。なお、ステップＳ１３までの処理は、既述の図６に示した第１実施形態と同じであるので、ここでは説明を省略する。

【0166】

図１９に示すように、振幅Δｆの制御開始操作後（ステップＳ１３）、補正部３５は、２相の正弦波信号Ｓ１（φ），Ｓ２（φ）に基づき、２相の正弦波信号Ｓ１（φ），Ｓ２（φ）が形成するリサージュ波形Ｗ１を描く点が原点周りを回転した回転数（実数）を、リサージュ波形Ｗ１の回転数としてカウントする（ステップＳＡ１）。

【0167】

そして、補正部３５は、リサージュ波形Ｗ１の回転数が所定回数に到達した場合（ステップＳＡ２）、楕円近似によりリサージュ波形Ｗ１のアスペクト比を補正、すなわち２相の正弦波信号Ｓ１（φ），Ｓ２（φ）に対して楕円近似で決定した係数を乗算する（ステップＳＡ３）。次いで、補正部３５は、リサージュ波形Ｗ１の回転数のカウント値をゼロに戻すカウントリセットを行う（ステップＳＡ４）。

【0168】

以下、測定光側ミラー１４が測定開始位置から目標位置に向けて移動されるまで、上記ステップＳＡ１からステップＳＡ４までの処理が繰り返し実行される（ステップＳＡ５）。なお、これ以降の処理は、図６に示した上記第１実施形態と同じであるので、ここでは説明を省略する。

【0169】

このように第６実施形態の距離測定装置では、ステップＳ１３とステップＳ１４との間においても、リサージュ波形Ｗ１のアスペクト比の補正を行うので、ステップＳ１２におけるアスペクト比の補正が有効でない場合でも、リサージュ波形Ｗ１のアスペクト比の補正を精度よく行うことができる。

【0170】

なお、上記第２実施形態から第５実施形態の距離測定装置１０Ａ〜１０Ｄにおいても第６実施形態と同様のリサージュ波形Ｗ１のアスペクト比の補正を行ってもよい。

【0171】

［その他］
上記各実施形態では、本発明の光波としてレーザ光Ｌを例に挙げて説明しているが、正弦波位相変調方式を用いた距離測定で使用可能な各種光波を用いてよい。

【0172】

上記各実施形態では、本発明の測定対象物として測定光側ミラー１４を例に挙げて説明しているが、測定光ｍＬの少なくとも一部を反射可能な各種の測定対象物の距離測定に本発明を適用することができる。

【0173】

上記各実施形態では、第１ロックインアンプ１８と第２ロックインアンプ１９とが別体に設けられているが、両者が一体化されていてもよい。また、本発明の正弦波信号検出部はロックインアンプに限定されるものではなく、２相の正弦波信号Ｓ１（φ），Ｓ２（φ）を検出可能であれば特に限定されない。

【0174】

上記各実施形態の距離測定装置１０等において、コンピュータ２０は別の場所に設けられていてもよく、この場合にコンピュータ２０は、インターネット等を介して、２相の正弦波信号Ｓ１（φ），Ｓ２（φ）等の取得と、振幅Δｆの制御及び検出制御（又は両制御の一方）とを行う。

【符号の説明】

【0175】

１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ…距離測定装置，１２…光波生成部，１３…ビームスプリッタ，１４…測定光側ミラー，１５…参照光側ミラー，１７，１７Ａ，１７Ｂ…検出器，１８，１８Ａ，１８Ｂ…第１ロックインアンプ，１９，１９Ａ，１９Ｂ…第２ロックインアンプ，２０…コンピュータ，２２…発振器，２３…レーザ光源，２５，２５Ａ，２５Ｂ…第１発振器，２９，２９Ａ，２９Ｂ…第２発振器，３５…補正部，３５Ａ…第１補正部，３５Ｂ…第２補正部，３６…算出部，３６Ａ…第１算出部，３６Ｂ…第２算出部，３７…情報取得部，３８…振幅決定部，３９…振幅制御部，５０…時間遅れ検出部，５１…検出制御部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】