特開 2024-115237 光路長差計測装置および振動計測装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024115237

(43)【公開日】2024-08-26

(54)【発明の名称】光路長差計測装置および振動計測装置

(51)【国際特許分類】

   G01B 9/02002 20220101AFI20240819BHJP

   G01B 9/02015 20220101ALI20240819BHJP

   G01H 9/00 20060101ALI20240819BHJP

【ＦＩ】

G01B9/02002

G01B9/02015

G01H9/00 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】15

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023020836

(22)【出願日】2023-02-14

(71)【出願人】

【識別番号】000005290

【氏名又は名称】古河電気工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】木村 賢宜

(72)【発明者】

【氏名】水嶋 玲

【テーマコード（参考）】

2F064

2G064

【Ｆターム（参考）】

2F064AA01

2F064FF08

2F064GG12

2F064GG21

2F064GG41

2G064AB01

2G064AB02

2G064BA02

2G064BC06

2G064BD02

2G064CC02

2G064CC41

2G064CC42

2G064DD02

(57)【要約】

【課題】簡易な構成かつ小型の光路長差計測装置を提供する。
【解決手段】距離計測装置は、波長が互いに異なる複数の光が入力され、当該複数の光を測定光と参照光とに分岐する第１光分岐部と、測定光を被測定物に対して出力し、測定光が被測定物で反射された反射光が入力される光入出力部と、参照光を第１参照光と第２参照光とに分岐する第２分岐部と、反射光を第１反射光と第２反射光とに分岐する第３分岐部と、第１参照光と第１反射光とを干渉させ第１干渉光を出力する第１干渉部と、第２参照光および第２反射光のいずれか一方に遅延を与える遅延部と、第２参照光と第２反射光とを干渉させ第２干渉光を出力する第２干渉部と、第１干渉光を分光する第１分光部と、第２干渉光を分光する第２分光部と、を備え、第１干渉光の第１位相情報または第２干渉光の第２位相情報に基づいて光入出力部と被測定物との光路長差を計測する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

波長が互いに異なる複数の光が入力され、当該複数の光を測定光と参照光とに分岐する第１光分岐部と、
前記測定光を被測定物に対して出力するとともに、前記測定光が被測定物で反射された反射光が入力される光入出力部と、
前記参照光を第１参照光と第２参照光とに分岐する第２分岐部と、
前記反射光を第１反射光と第２反射光とに分岐する第３分岐部と、
前記第１参照光と前記第１反射光とを干渉させ、干渉成分を含む第１干渉光を出力する第１干渉部と、
前記第２参照光および前記第２反射光のいずれか一方に６０度以上１２０度以下の位相差だけ遅延を与える遅延部と、
前記遅延部によっていずれか一方が遅延を与えられた前記第２参照光と前記第２反射光とを干渉させ、干渉成分を含む第２干渉光を出力する第２干渉部と、
前記第１干渉光を前記複数の光の波長ごとに分光する第１分光部と、
前記第２干渉光を前記複数の光の波長ごとに分光する第２分光部と、
を備え、
分光された前記第１干渉光の第１位相情報または分光された前記第２干渉光の第２位相情報に基づいて、前記光入出力部と前記被測定物との光路長差を計測する
光路長差計測装置。

【請求項2】

前記複数の光を出力する多波長光源を備え、
前記多波長光源は、波長が互いに異なる光を出力する複数の発光素子を有し、
前記発光素子の少なくとも２つが集積されている
請求項１に記載の光路長差計測装置。

【請求項3】

前記光路長差を計測する演算処理を行う処理部を備える
請求項１に記載の光路長差計測装置。

【請求項4】

前記複数の光の波長から求められる合成波長と、前記複数の光に関する前記第１位相情報および前記第２位相情報から求められる合成位相情報とに基づいて、前記光路長差を計測する
請求項１に記載の光路長差計測装置。

【請求項5】

前記第１位相情報および前記第２位相情報は、前記第１光分岐部、前記第２分岐部、前記第３分岐部、前記第１干渉部、および前記第２干渉部のそれぞれにおける波長ごとの分岐比または合波比に関する比情報に基づいて補正され、補正された前記第１位相情報および前記第２位相情報に基づいて、前記光路長差を計測する
請求項１に記載の光路長差計測装置。

【請求項6】

前記比情報を記憶する記憶部を備える
請求項５に記載の光路長差計測装置。

【請求項7】

前記第１位相情報および前記第２位相情報は、前記遅延部における波長ごとの遅延情報に基づいて補正され、補正された前記第１位相情報および前記第２位相情報に基づいて、前記光路長差を計測する
請求項１に記載の光路長差計測装置。

【請求項8】

前記遅延情報を記憶する記憶部を備える
請求項７に記載の光路長差計測装置。

【請求項9】

前記遅延情報は、前記反射光および前記参照光の少なくとも一方の光路長を既知の量だけ変化させた場合の前記第１位相情報および前記第２位相情報の変化に基づいて決定される
請求項７に記載の光路長差計測装置。

【請求項10】

前記複数の光の波長をモニタする波長モニタ部を備え、
前記波長モニタ部は、光の周波数的に周期的な透過特性を有するフィルタを有しており、前記フィルタの周期は、１ＭＨｚよりも大きく５ＧＨｚよりも小さい
請求項１に記載の光路長差計測装置。

【請求項11】

前記波長モニタ部による波長のモニタ結果に基づいて前記複数の光の波長を制御する制御部を備える
請求項１０に記載の光路長差計測装置。

【請求項12】

異なる時間に取得された複数の前記第１位相情報および複数の前記第２位相情報を平均化処理し、平均化処理によって求められた情報に基づいて前記光路長差を計測する
請求項１に記載の光路長差計測装置。

【請求項13】

前記反射光の強度をモニタする強度モニタ部と、前記強度モニタ部によるモニタ結果に基づいて前記反射光の強度を調整する光強度調整部とを備える
請求項１に記載の光路長差計測装置。

【請求項14】

前記光路長差計測装置は、前記光路長差に基づいて前記被測定物までの距離を計測する測距装置として構成されている
請求項１に記載の光路長差計測装置。

【請求項15】

波長が互いに異なる複数の光が入力され、当該複数の光を測定光と参照光とに分岐する第１光分岐部と、
前記測定光を被測定物に対して出力するとともに、前記測定光が被測定物で反射された反射光が入力される入出力部と、
前記参照光を第１参照光と第２参照光とに分岐する第２分岐部と、
前記反射光を第１反射光と第２反射光とに分岐する第３分岐部と、
前記第１参照光と前記第１反射光とを干渉させ、干渉成分を含む第１干渉光を出力する第１干渉部と、
前記第２参照光および前記第２反射光のいずれか一方に６０度以上１２０度以下の位相差だけ遅延を与える遅延部と、
前記遅延部によっていずれか一方が遅延を与えられた前記第２参照光と前記第２反射光とを干渉させ、干渉成分を含む第２干渉光を出力する第２干渉部と、
前記第１干渉光を前記複数の光の波長ごとに分光する第１分光部と、
前記第２干渉光を前記複数の光の波長ごとに分光する第２分光部と、
を備え、
分光された前記第１干渉光の第１位相情報または分光された前記第２干渉光の第２位相情報に基づいて、前記被測定物の振動の振幅および周波数を計測する
振動計測装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光路長差計測装置および振動計測装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

光の干渉を用いて光路長差を計測する光路長差計測装置、および計測した光路長差により被測定物までの距離を計測する距離計測装置が知られている。距離計測装置において、位相分離干渉回路を用いた技術が開示されている（特許文献１）。このような距離計測装置によれば、たとえば被測定物の位置および移動方向が検出可能とされている。また、距離計測装置において計測できる距離の範囲を広くする技術として、多波長光源を用いる技術が開示されている（特許文献２、３）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第６２０４２７２号公報

【特許文献2】特許第５５８０７１８号公報

【特許文献3】特開２０１４－１７４１２０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、位相分離干渉回路を、多波長光源を用いる光路長差計測装置に適用する場合、波長ごとに位相分離干渉回路を設けると、複数の位相分離干渉回路が必要になる。そのため、光学系が複雑になったり、装置が大型化したりするなどの問題が生じる。

【0005】

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡易な構成かつ小型の光路長差計測装置および振動計測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】

【0006】

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様は、波長が互いに異なる複数の光が入力され、当該複数の光を測定光と参照光とに分岐する第１光分岐部と、前記測定光を被測定物に対して出力するとともに、前記測定光が被測定物で反射された反射光が入力される光入出力部と、前記参照光を第１参照光と第２参照光とに分岐する第２分岐部と、前記反射光を第１反射光と第２反射光とに分岐する第３分岐部と、前記第１参照光と前記第１反射光とを干渉させ、干渉成分を含む第１干渉光を出力する第１干渉部と、前記第２参照光および前記第２反射光のいずれか一方に６０度以上１２０度以下の位相差だけ遅延を与える遅延部と、前記遅延部によっていずれか一方が遅延を与えられた前記第２参照光と前記第２反射光とを干渉させ、干渉成分を含む第２干渉光を出力する第２干渉部と、前記第１干渉光を前記複数の光の波長ごとに分光する第１分光部と、前記第２干渉光を前記複数の光の波長ごとに分光する第２分光部と、を備え、分光された前記第１干渉光の第１位相情報または分光された前記第２干渉光の第２位相情報に基づいて、前記光入出力部と前記被測定物との光路長差を計測する光路長差計測装置である。

【0007】

前記光路長差計測装置は、前記複数の光を出力する多波長光源を備え、前記多波長光源は、波長が互いに異なる光を出力する複数の発光素子を有し、前記発光素子の少なくとも２つが集積されていてもよい。

【0008】

前記光路長差計測装置は、前記光路長差を計測する演算処理を行う処理部を備えてもよい。

【0009】

前記光路長差計測装置は、前記複数の光の波長から求められる合成波長と、前記複数の光に関する前記第１位相情報および前記第２位相情報から求められる合成位相情報とに基づいて、前記光路長差を計測してもよい。

【0010】

前記第１位相情報および前記第２位相情報は、前記第１光分岐部、前記第２分岐部、前記第３分岐部、前記第１干渉部、および前記第２干渉部のそれぞれにおける波長ごとの分岐比または合波比に関する比情報に基づいて補正され、前記光路長差計測装置は、補正された前記第１位相情報および前記第２位相情報に基づいて、前記光路長差を計測してもよい。

【0011】

前記光路長差計測装置は、前記比情報を記憶する記憶部を備えてもよい。

【0012】

前記第１位相情報および前記第２位相情報は、前記遅延部における波長ごとの遅延情報に基づいて補正され、前記光路長差計測装置は、補正された前記第１位相情報および前記第２位相情報に基づいて、前記光路長差を計測してもよい。

【0013】

前記光路長差計測装置は、前記遅延情報を記憶する記憶部を備えてもよい。

【0014】

前記遅延情報は、前記反射光および前記参照光の少なくとも一方の光路長を既知の量だけ変化させた場合の前記第１位相情報および前記第２位相情報の変化に基づいて決定されてもよい。

【0015】

前記光路長差計測装置は、前記複数の光の波長をモニタする波長モニタ部を備え、前記波長モニタ部は、光の周波数的に周期的な透過特性を有するフィルタを有しており、前記フィルタの周期は、１ＭＨｚよりも大きく５ＧＨｚよりも小さくてもよい。

【0016】

前記光路長差計測装置は、前記波長モニタ部による波長のモニタ結果に基づいて前記複数の光の波長を制御する制御部を備えてもよい。

【0017】

前記光路長差計測装置は、異なる時間に取得された複数の前記第１位相情報および複数の前記第２位相情報を平均化処理し、平均化処理によって求められた情報に基づいて前記光路長差を計測してもよい。

【0018】

前記光路長差計測装置は、前記反射光の強度をモニタする強度モニタ部と、前記強度モニタ部によるモニタ結果に基づいて前記反射光の強度を調整する光強度調整部とを備えてもよい。

【0019】

前記光路長差計測装置は、前記光路長差に基づいて前記被測定物までの距離を計測する測距装置として構成されてもよい。

【0020】

本発明の一態様は、波長が互いに異なる複数の光が入力され、当該複数の光を測定光と参照光とに分岐する第１光分岐部と、前記測定光を被測定物に対して出力するとともに、前記測定光が被測定物で反射された反射光が入力される入出力部と、前記参照光を第１参照光と第２参照光とに分岐する第２分岐部と、前記反射光を第１反射光と第２反射光とに分岐する第３分岐部と、前記第１参照光と前記第１反射光とを干渉させ、干渉成分を含む第１干渉光を出力する第１干渉部と、前記第２参照光および前記第２反射光のいずれか一方に６０度以上１２０度以下の位相差だけ遅延を与える遅延部と、前記遅延部によっていずれか一方が遅延を与えられた前記第２参照光と前記第２反射光とを干渉させ、干渉成分を含む第２干渉光を出力する第２干渉部と、前記第１干渉光を前記複数の光の波長ごとに分光する第１分光部と、前記第２干渉光を前記複数の光の波長ごとに分光する第２分光部と、を備え、分光された前記第１干渉光の第１位相情報または分光された前記第２干渉光の第２位相情報に基づいて、前記被測定物の振動の振幅および周波数を計測する振動計測装置である。

【発明の効果】

【0021】

本発明によれば、簡易な構成かつ小型の光路長差計測装置および振動計測装置を実現できるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】図１は、実施形態１に係る距離計測装置の模式的な構成図である。

【図2】図２は、図１に示す多波長光源の模式的な構成図である。

【図3】図３は、ミラーの相対位置と第１電流信号および第２電流信号の電流値との関係の一例を示す図である。

【図4】図４は、実施形態２に係る距離計測装置の模式的な構成図である。

【図5】図５は、フィルタの透過スペクトルの一例を示す図である。

【図6】図６は、実施形態２に係る距離計測装置の模式的な構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下に、図面を参照して実施形態について説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略している。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。

【0024】

（実施形態１）
［距離計測装置の構成］
図１は、実施形態１に係る距離計測装置の模式的な構成図である。距離計測装置１００は、測距装置として構成されている光路長差計測装置の一例であって、被測定物Ｏまでの光路長差を計測するとともに、当該光路長差に基づいて被測定物Ｏまでの距離を計測する。

【0025】

距離計測装置１００は、多波長光源１と、第１光分岐部２と、光サーキュレータ３と、光入出力部４と、第２分岐部５と、第３分岐部６と、第１干渉部７と、遅延部８と、第２干渉部９と、第１分光部１０と、第２分光部１１と、第１位相検出部１２と、第２位相検出部１３と、処理部１４と、を備える。

【0026】

図２は、多波長光源１の模式的な構成図である。多波長光源１は、ｎを２以上の整数とすると、波長が互いに異なる複数の光ｌ１～ｌｎを出力する複数の発光素子１ａ１～１ａｎを有しており、発光素子１ａ１～１ａｎは一つの集積素子１ａとして集積されている。発光素子１ａ１～１ａｎはたとえば半導体レーザ素子である。多波長光源１は、発光素子の少なくとも２つが集積されている多波長光源の一例である。ただし、多波長光源１の形態はこれに限られず、複数の発光素子は集積されていなくてもよい。

【0027】

多波長光源１は、合波部１ｂを有している。合波部１ｂは、入力された複数の光ｌ１～ｌｎを合波して出力する。したがって、光ｌは、複数の光ｌ１～ｌｎを含んでいる。合波部１ｂは、たとえばＡＷＧ（Arrayed Waveguide Gratings）やバルク型の回折格子を有している。

【0028】

図１に戻って、第１光分岐部２は、多波長光源１と光ファイバにて接続されている。第１光分岐部２は、多波長光源１から入力された光ｌを測定光と参照光とに分岐する。第１光分岐部２はたとえば光カプラを含んでいる。

【0029】

光サーキュレータ３は、第１光分岐部２と光ファイバにて接続されている。光サーキュレータ３は、第１光分岐部２から入力された測定光を光入出力部４に出力する。

【0030】

光入出力部４は、光サーキュレータ３と光ファイバにて接続されている。光入出力部４は、レンズを有しており、光サーキュレータ３から入力された測定光ｌｍをレンズによってコリメートして被測定物Ｏに対して出力する。また、光入出力部４は、測定光ｌｍが被測定物Ｏで反射された光である反射光ｌｒが入力される。光入出力部４は、レンズによって反射光ｌｒを集光して光ファイバを経由して光サーキュレータ３に出力する。

【0031】

光サーキュレータ３は、第３分岐部６と光ファイバにて接続されている。光サーキュレータ３は、反射光ｌｒを第３分岐部６に出力する。

【0032】

第３分岐部６は、光サーキュレータ３から入力された反射光を第１反射光と第２反射光とに分岐する。第３分岐部６はたとえば光カプラを含んでいる。

【0033】

第２分岐部５は、第１光分岐部２と光ファイバにて接続されている。第２分岐部５は、第１光分岐部２から入力された参照光を第１参照光と第２参照光とに分岐する。第２分岐部５はたとえば光カプラを含んでいる。

【0034】

第１干渉部７は、第２分岐部５および第３分岐部６と光ファイバにて接続されている。第１干渉部７は、第３分岐部６からの第１反射光と第２分岐部５からの第１参照光とを干渉させ、干渉成分を含む第１干渉光を出力する。第１干渉部７はたとえば光カプラを含んでいる。

【0035】

遅延部８は、第２分岐部５と光ファイバにて接続されている。遅延部８は、第２分岐部５からの第２参照光に６０度以上１２０度の位相差だけ遅延を与えて出力する。具体的には、遅延部８は、第２参照光についての第２分岐部５から第２干渉部９までの光路長と、第１参照光についての第２分岐部５から第１干渉部７までの光路長との光路長差が、第２参照光のうちの所定波長の１／４だけ違えるように、第２参照光に６０度以上１２０度の位相差だけ遅延を与えて出力する。なお、第２参照光のうちの所定波長は、たとえば、光ｌ１～ｌｎの波長のうちの中心波長とするのが好ましい。遅延部８は、たとえば光ファイバで構成された遅延線を含んでいる。

【0036】

第２干渉部９は、遅延部８および第３分岐部６と光ファイバにて接続されている。第２干渉部９は、第３分岐部６からの第２反射光と遅延部８からの第２参照光（遅延を与えられた第２参照光）とを干渉させ、干渉成分を含む第２干渉光を出力する。第２干渉部９はたとえば光カプラを含んでいる。

【0037】

第１分光部１０は、第１干渉部７と光ファイバにて接続されている。第１分光部１０は、入力された光を、多波長光源１が出力する複数の光の波長ごとに分光して出力する。第１分光部１０は、多波長光源１が上述した光ｌを出力した場合、第１干渉光を光ｌ１～ｌｎの波長の光に分光して出力する。第１分光部１０はたとえばＡＷＧやバルク型の回折格子を含んでいる。

【0038】

第２分光部１１は、第２干渉部９と光ファイバにて接続されている。第２分光部１１は、入力された光を、多波長光源１が出力する複数の光の波長ごとに分光して出力する。第２分光部１１は、多波長光源１が上述した光ｌを出力した場合、第２干渉光を光ｌ１～ｌｎの波長の光に分光して出力する。第２分光部１１はたとえばＡＷＧやバルク型の回折格子を含んでいる。

【0039】

第１位相検出部１２は、第１分光部１０と光ファイバアレイにて接続されている。第１位相検出部１２は、特許文献３に示されるような、偏光素子と受光素子アレイとを用いる構成などの公知の構成を有している。受光素子アレイには、第１分光部１０が分光した光が入力される。多波長光源１が上述した光ｌを出力した場合、分光した光である第１干渉光は光ｌ１～ｌｎの波長のそれぞれに対応した受光素子に入力される。光が入力された受光素子はその受光強度に応じた電流信号を処理部１４に出力する。受光素子アレイはたとえばフォトダイオードアレイである。

【0040】

第２位相検出部１３は、第２分光部１１と光ファイバアレイにて接続されている。第２位相検出部１３は、特許文献３に示されるような、偏光素子と受光素子アレイとを用いる構成などの公知の構成を有している。受光素子アレイには、第２分光部１１が分光した光が入力される。多波長光源１が上述した光ｌを出力した場合、分光した光である第２干渉光は光ｌ１～ｌｎの波長のそれぞれに対応した受光素子に入力される。光が入力された受光素子はその受光強度に応じた電流信号を処理部１４に出力する。受光素子アレイはたとえばフォトダイオードアレイである。

【0041】

処理部１４は、演算部１４ａと、記憶部１４ｂと、入出力部１４ｃと、表示部１４ｄとを備えている。演算部１４ａは、処理部１４が実行する処理や処理部１４の機能の実現のための各種演算処理を行うものであり、たとえばＣＰＵ（Central Processing Unit）やＤＳＰ（Digital Signal Processor）で構成される。記憶部１４ｂは、演算部１４ａが演算処理を行うために使用する各種プログラムやデータなどが格納される、たとえばＲＯＭ（Read Only Memory）で構成される部分を備えている。また、記憶部１４ｂは、演算部１４ａが演算処理を行う際の作業スペースや演算部１４ａの演算処理の結果などを記憶するなどのために使用される、たとえばＲＡＭ（Random Access Memory）で構成される部分を備えている。入出力部１４ｃは、第１位相検出部１２および第２位相検出部１３からの電流信号や、ユーザの操作に基づく操作信号の入力を受け付け、アナログ／デジタル変換して演算部１４ａ等に出力する。また、入出力部１４ｃは、演算部１４ａからのデジタル信号を受け付けデジタル／アナログ変換し、制御信号として多波長光源１や光入出力部４に出力する。表示部１４ｄは、各種情報を報知するための文字や記号などの表示を行う。

【0042】

［距離計測装置の動作］
つぎに、光入出力部４（より詳しくは、光入出力部４におけるレンズ表面などの光ｌの出射面）と被測定物Ｏとの距離を計測する際の距離計測装置１００の動作の一例について説明する。距離計測装置１００は、たとえばユーザの操作に基づき動作を開始する。

【0043】

まず、多波長光源１は、光ｌ１～ｌｎを含む光ｌを出力する。

【0044】

その後、第１光分岐部２、光サーキュレータ３、光入出力部４、第２分岐部５、第３分岐部６、第１干渉部７、遅延部８、および第２干渉部９の作用によって、第１干渉光と第２干渉光とが生成される。

【0045】

第１分光部１０は第１干渉光を分光して出力する。第１位相検出部１２は、第１分光部１０から入力された第１干渉光のそれぞれの波長成分から、干渉成分の位相を検出する。そして、第１位相検出部１２は、各位相の情報を含む位相情報信号を処理部１４に出力する。第２分光部１１は第２干渉光を分光して出力する。第２位相検出部１３は、第２分光部１１から入力された第２干渉光のそれぞれの波長成分から、干渉成分の位相を検出する。そして、第２位相検出部１３は、各位相の情報を含む位相情報信号を処理部１４に出力する。

【0046】

処理部１４は、第１位相検出部１２および第２位相検出部１３から入力された位相情報信号に基づき、光入出力部４と被測定物Ｏとの距離を計測する演算処理を行う。

【0047】

処理部１４における距離を計測する演算処理について説明する。まず、処理部１４は、上述した複数の第１干渉光における光強度変化から、第１反射光と第１参照光との位相差である第１位相差を算出する。第１位相差は第１干渉部７における位相差である。第１位相差は第１位相情報の一例である。また、処理部１４は、上述した複数の第２干渉光における光強度変化から、第２反射光と第２参照光との位相差である第２位相差を算出する。第２位相差は第２干渉部９における位相差である。第２位相差は第２位相情報の一例である。

【0048】

処理部１４は、光ｌ１～ｌｎのそれぞれの波長に対する第１位相差および第２位相差を算出する。

【0049】

本実施形態では、処理部１４は、以下に説明するように合成波長および合成位相を用いて距離を計測する。合成波長および合成位相を用いることによって、計測可能な距離範囲を拡張することができる。計測可能な距離範囲はＵＭＲ（Unambiguous Measurement Range）とも呼ばれる。合成位相は合成位相情報の一例である。

【0050】

すなわち、処理部１４は、光ｌ１～ｌｎの各波長から、合成波長を算出する。合成波長は、光ｌ１～ｌｎから複数の光を選択し、選択した光の波長を組み合わせることによって得られることが知られている。ｎが２である場合は、合成波長Λ１２は、以下の式（１）で定義される。
Λ１２＝（λ１・λ２）／（λ２－λ１） ・・・ （１）
ここで、λ１は光ｌ１の波長であり、λ２は光ｌ２の波長である。ただし、λ１＜λ２であるとする。

【0051】

なお、二つの光の合成波長は、ｎが３以上の場合にも、式（１）で定義される。合成波長は、組み合わせる波長よりも長くなる。

【0052】

つぎに、処理部１４は、光ｌ１～ｌｎの波長に対する第１位相差および第２位相差から、各波長の干渉成分の位相差を算出する。第１位相差および第２位相差からの、各波長の干渉成分の位相差の算出については後に詳述する。処理部１４は、算出した位相差から、さらに合成位相を算出する。合成位相は、光ｌ１～ｌｎから複数の光を選択し、選択した光の各波長の干渉成分の位相差を組み合わせることによって得られることが知られている。ｎが２である場合は、合成位相φ１２は、以下の式（２）で定義される。
φ１２＝φ１－φ２ ・・・ （２）
ここで、φ１は光ｌ１の波長の干渉成分の位相差であり、φ２は光ｌ２の波長の干渉成分の位相差である。

【0053】

なお、二つの光の合成位相は、ｎが３以上の場合にも、式（２）のように定義される。

【0054】

つぎに、処理部１４は、合成波長と合成位相とから反射光と参照光との光路長差Ｌ１を算出する。光路長差Ｌ１は第１干渉部７までの光路長差である。Ｌ１はたとえば以下の式（３）を用いて算出できる。
Ｌ１＝（ｍ１＋φ１２／２π）Λ1２ ・・・ （３）
ここで、ｍ１は干渉の次数である。また、Λ1２は合成波長であり、φ１２はΛ1２に対応する合成位相であるが、合成波長が複数ある場合はｍ１がよりゼロに近くなるような合成波長を用いる。なお、ｍ１は数値の丸め処理をして整数としてもよい。

【0055】

処理部１４は、式（３）において、ｍ１をゼロとして、一次計測値としての一次光路長差を算出する。

【0056】

一次光路長差は、合成波長と合成位相とを用いて算出したので、各波長や各位相の誤差を累積的に含む。そこで、処理部１４は、一次光路長差に基づいてより正確な計測値としての二次光路長差を算出する。二次光路長差Ｌは以下の式（４）を用いて算出できる。
Ｌ＝（ｍ＋φｉ／２π）λｉ ・・・ （４）
ここで、ｍは干渉の次数である。ｉは１～ｎまでのいずれかの整数である。したがって、φｉは光ｌ１～ｌｎのうちいずれかの波長の干渉成分の位相差である。λｉは光ｌ１～ｌｎのうちいずれかの波長である。ここで、次数ｍは、Ｌが一次光路長差に最も近い値になるように一意に決定することができる。

【0057】

距離計測装置１００の内部での第１反射光と第１参照光との光路長差（内部光路長差）は既知であり、処理部１４の記憶部１４ｂに記憶されている。そこで、処理部１４は、二次光路長差から内部光路長差を減算して、光入出力部４と被測定物Ｏとの距離の計測値として算出する。処理部１４は、表示部１４ｄに計測値を表示してもよい。

【0058】

以上のように構成された距離計測装置１００によれば、第１干渉光の第１位相情報または第２干渉光の第２位相情報に基づいて、光入出力部４と被測定物Ｏとの距離を計測することができる。特に、距離計測装置１００では、第１位相差および第２位相差から位相差を算出する。仮に、第１位相差をそのまま位相差とする場合、干渉強度を示す正弦波曲線において、同じ干渉強度を取り得る位相差は１波長分（たとえば－π～＋π）の間に２つ存在する。したがって、第１位相差をそのまま位相差とする場合、２つの位相差のうちどちらが正しいかは判別できない。したがって、この場合はＵＭＲが０．５波長分に制限される。これは第２位相差をそのまま位相差とする場合も同様である。これに対して、第１位相差と第２位相差とを用いれば、位相が１／４波長分（すなわちπ／２）だけ異なる２つの正弦波曲線を使用して位相差を特定できるので、１波長分（たとえば－π～＋π）の範囲に対して、正しい位相を判定できる。したがって、ＵＭＲも１波長分に拡張される。なお、正しい位相差を判別する方法としては、測定光または参照光の光路をアクチュエータ等で変動させて、その変動に応じた干渉強度の変動から判別する方法（３（４）点法や３（４）ステップ法とも呼ばれる）もある。距離計測装置１００は、光路変動のために掛かる構成や時間も不要であるため、測距を簡易化・高速化できる。

【0059】

また、距離計測装置１００では、光ｌ１～ｌｎに基づく第２参照光に遅延部８で遅延を与えてから第２干渉光を生成し、この第２干渉光を第２分光部１１にて分光している。この場合、距離計測装置１００では、互いに波長の異なる第２参照光に対して１つの共通の遅延部８で遅延を与えているので、互いに波長の異なる第２参照光に個別の遅延部にて遅延を与える構成に比べて、遅延部の数が少なくてよいので、簡易な構成かつ小型になる。

【0060】

また、距離計測装置１００では、発光素子１ａ１～１ａｎが一つの集積素子１ａに集積されている。これにより、発光素子１ａ１～１ａｎ同士が熱的に接続されるので、波長が互いに異なる複数の光ｌ１～ｌｎの波長の相対的間隔が変化しにくい。その結果、距離計測装置１００は測距精度が高い。

【0061】

（実施形態１の変形例１）
実施形態１に係る距離計測装置１００では、第１光分岐部２における測定光と参照光との分岐比、第２分岐部５における第１参照光と第２参照光との分岐比、第３分岐部６における第１反射光と第２反射光との分岐比、第１干渉部７における第１反射光と第１参照光との合波比、および第２干渉部９における第２反射光と第２参照光との合波比は、いずれも１：１であることが好ましい。しかし、これらの分岐比や合波比は、分岐部や干渉部の個体ばらつきや、分岐比や合波比の波長依存性に応じて、１：１からずれる場合がある。分岐比や合波比の１：１からのずれは、第１位相情報や第２位相情報の誤差となって現れるので、最終的には測距精度の低下の原因となる。

【0062】

そこで、距離計測装置１００の変形例１では、第１光分岐部２、第２分岐部５、第３分岐部６、第１干渉部７、および第２干渉部９における波長ごとの分岐比または合波比に関する比情報を、処理部１４の記憶部１４ｂが記憶していてもよい。処理部１４は、記憶部１４ｂに記憶された比情報に基づいて、第１位相情報および第２位相情報を補正し、補正した第１位相情報および第２位相情報に基づいて、光入出力部４と被測定物Ｏとの距離を計測してもよい。比情報は、距離計測装置１００の製造工程において実験的に取得されたり理論的に算出されたりして、記憶部１４ｂに記憶させることができる。このような距離計測装置１００の変形例１によれば、測距精度がより高くなる。

【0063】

（実施形態１の変形例２）
実施形態１に係る距離計測装置１００では、互いに波長の異なる第２参照光に対して１つの共通の遅延部８で遅延を与えている。遅延部８は、与える遅延が所定の位相になるように構成されている。しかし、遅延部８が与える遅延は、遅延部８の個体ばらつきや、遅延部８の波長依存性に応じて、所定の位相からずれる場合がある。所定の位相からのずれは、第１位相情報や第２位相情報の誤差となって現れるので、最終的には測距精度の低下の原因となる。

【0064】

そこで、距離計測装置１００の変形例２では、遅延部８における波長ごとの遅延量を、処理部１４の記憶部１４ｂが記憶していてもよい。処理部１４は、記憶部１４ｂに記憶された遅延情報に基づいて、第１位相情報および第２位相情報を補正し、補正した第１位相情報および第２位相情報に基づいて、光入出力部４と被測定物Ｏとの距離を計測してもよい。遅延量は、距離計測装置１００の製造工程において実験的に取得されたり理論的に算出されたりして、記憶部１４ｂに記憶させることができる。このような距離計測装置１００の変形例１によれば、測距精度がより高くなる。遅延量は遅延情報の一例である。

【0065】

遅延情報を実験的に取得する方法の例について説明する。第１例としては、被測定物Ｏとして、光入出力部４からの距離を高精度に掃引できるミラーを準備する。そして、ミラーを光ｌの１波長分以上の距離だけ移動させる。そして、処理部１４にて、ミラーの複数の位置において第１位相検出部１２で受光した第１干渉光に基づく電流信号（第１電流信号）および第２位相検出部１３で受光した第２干渉光に基づく電流信号（第２電流信号）を取得する。これを波長ごとに実行する。

【0066】

図３は、ミラーの相対位置と第１電流信号および第２電流信号の電流値との関係の一例を示す図である。図３に示すように、或る波長における第１電流信号の電流値をミラーの相対位置に対してプロットすると、第１干渉光の干渉成分に基づく周期的なカーブＣ１が得られる。同様に第２電流信号の電流値をミラーの相対位置に対してプロットすると、第２干渉光の干渉成分に基づき周期的なカーブＣ２が得られる。

【0067】

遅延部８が与える遅延による位相差が９０度の場合は、カーブＣ１とカーブＣ２との位相差は９０度であるが、９０度以外の場合は、カーブＣ１とカーブＣ２との位相差も９０度からずれる。このような実験から、波長ごとの遅延情報を取得することができる。第１例は、遅延情報が、反射光および参照光の少なくとも一方の光路長を既知の量だけ変化させた場合の第１位相情報および第２位相情報の変化に基づいて決定される例である。

【0068】

なお、遅延部８が与える遅延による位相差が９０度から角度θだけずれている場合の補正係数は、下記の行列式（６）を用いて求めることができる（たとえば米国特許第６９１７０３１号明細書参照）。

【数1】

【0069】

遅延情報を実験的に取得する方法の第２例として、被測定物Ｏとして位置が固定され光入出力部４からの距離が既知のミラーを用いてもよい。この場合、光ｌの波長を変更しながら第１電流信号および第２電流信号を取得することによって、波長ごとの遅延情報を取得することができる。

【0070】

（実施形態１の変形例３）
この種の距離計測装置は、外部環境からの振動や温度変化や気圧変化を受けると測距に影響することが知られている。また、被測定物Ｏが振動している場合も、測距に影響することがある。

【0071】

そこで、距離計測装置１００の変形例３では、異なる時間に取得された複数の第１位相情報および複数の第２位相情報を平均化処理し、平均化処理によって求められた情報に基づいて距離を計測する。これにより、外部環境の変化からの影響または自身や被測定物Ｏの振動の影響による測距精度の低下を抑制できる。

【0072】

この場合、平均化処理に用いる複数の第１位相情報および複数の第２位相情報は、変化や振動の周期または変化や振動の持続時間よりも十分長い時間にわたって取得することが好ましい。また、光入出力部４と被測定物Ｏとの距離と振動の振幅とを足し合わせた長さは、合成波長よりも短いことが好ましい。

【0073】

また、平均化処理の手法は特に限定されず、たとえば移動平均や単純平均を用いる手法でもよく、一定期間における中央値を採用する方法でもよい。

【0074】

（実施形態２）
図４は、実施形態２に係る距離計測装置の模式的な構成図である。距離計測装置１００Ａは、図１に示す距離計測装置１００の構成に、光スイッチ２１、波長モニタ部２２、および制御部２３を追加した構成を有する。

【0075】

光入出力部４と被測定物Ｏとの距離を計測する際の距離計測装置１００Ａの動作は、距離計測装置１００の場合と同様なので説明を省略する。以下では、追加された構成の機能について主に説明する。

【0076】

光スイッチ２１は、制御部２３に制御されて、多波長光源１から入力された光ｌ１～ｌｎの一つを選択的に出力する。

【0077】

波長モニタ部２２は、フィルタ部２２ａと受光部２２ｂとを有する。フィルタ部２２ａは、光の周波数的に周期的な透過特性を有する２つのフィルタを備えている。図５は、フィルタの透過スペクトルの一例を示す図である。カーブＣ３、Ｃ４が２つのフィルタのそれぞれの透過スペクトルを示している。２つのフィルタは位相が異なっている。２つのフィルタの位相差は９０度が好ましいが、これには限定されない。

【0078】

フィルタ部２２ａは、光スイッチ２１が出力した光を２分岐し、分岐した光を２つのフィルタのそれぞれに通過させる。フィルタを透過した光は、透過したフィルタの、その光の波長での透過率に応じた強度でフィルタ部２２ａから出力される。したがって、フィルタ部２２ａから出力された光の強度はその光の波長に対応した強度となっている。

【0079】

受光部２２ｂは、フィルタ部２２ａから出力された２つの光を受光し、それぞれの受光強度に応じた電流信号を制御部２３に出力する。受光部２２ｂはたとえばフォトダイオードを有する。この電流信号の値も受光した光の波長に対応している。したがって、電流信号は、波長モニタ部２２による波長のモニタ結果に相当する。

【0080】

制御部２３は、処理部１４と同様に、演算部と、記憶部と、入出力部と、表示部とを備えている。制御部２３は、受光部２２ｂが出力した２つの電流信号を受け付け、それぞれを測定電圧信号に変換する。ここで、制御部２３は、光スイッチ２１が出力した光の波長が目標波長であるときの目標電圧信号の値を記憶している。制御部２３は、いずれか一方の測定電圧信号を採用し、測定電圧信号が目標電圧信号に近づくように、多波長光源１に含まれる発光素子１ａ１～１ａｎのうち光スイッチ２１で選択した光を出力した発光素子をフィードバック制御する。これにより、制御された発光素子が出力する光の波長は目標波長に制御される。このような制御は波長ロック制御とも呼ばれる。

【0081】

制御部２３は、光スイッチ２１を制御して、光スイッチ２１が出力する光の波長を切り換え、切り換えた光に基づいて順次波長ロック制御を実行する。これにより、多波長光源１が出力する光ｌ１～ｌｎの波長が、それぞれの目標波長に制御される。

【0082】

以上のように構成された距離計測装置１００Ａでは、距離計測装置１００と同様の効果が得られる。さらに、距離計測装置１００Ａでは、多波長光源１が出力する光ｌ１～ｌｎの波長が波長ロック制御されることによって、距離計測装置１００Ａはより測距精度が高いものとなる。

【0083】

ここで、制御部２３が採用する測定電圧信号については、波長ロック制御の制御精度の向上のため、その波長において周波数変化に対する透過率変化が大きいフィルタに対応する測定電圧信号が採用される。フィルタにおける周波数変化に対する透過率変化は、ＦＳＲ（Free Spectral Range）が小さい短周期のフィルタを用いることで大きくできる。しかしながら、短周期のフィルタを用いた場合、波長ロック制御できる波長範囲が狭くなる。たとえば、好適に波長ロック制御ができる波長範囲（周波数範囲）はフィルタの１周期分程度である。したがって、多波長光源１の経年変化等によって、出力する波長がフィルタの１周期分以上変化すると、経年的に波長ロック制御ができなくなるおそれがある。このような観点からは、フィルタの周期には適切な範囲があり、たとえば１ＭＨｚよりも大きく５ＧＨｚよりも小さいことが好ましい。

【0084】

なお、上記実施形態では、フィルタ部２２ａは２つのフィルタを有しているが、フィルタの数はこれに限られず、１または３以上でもよい。また、実施形態２の変形例として、制御部２３は測定電圧信号に基づいて波長モニタを行うが波長ロック制御を実行しなくてもよい。この場合、たとえば制御部２３は波長モニタの情報を含む電気信号を処理部１４に出力し、処理部１４が波長モニタの情報に従って、計測の際の計算に用いる波長の数値を補正してもよい。

【0085】

（実施形態３）
図６は、実施形態３に係る距離計測装置の模式的な構成図である。距離計測装置１００Ｂは、図１に示す距離計測装置１００の構成に、第４分岐部３１、光増幅器３２、フィルタ３３、受光部３４、および制御部３５を追加した構成を有する。

【0086】

光入出力部４と被測定物Ｏとの距離を計測する際の距離計測装置１００Ｂの動作は、距離計測装置１００の場合と同様なので説明を省略する。以下では、追加された構成の機能について主に説明する。

【0087】

第４分岐部３１および光増幅器３２は、この順番で光サーキュレータ３と第３分岐部６との間に介挿されている。第４分岐部３１は、光サーキュレータ３と光ファイバにて接続されている。第４分岐部３１は、光サーキュレータ３から入力された反射光の一部をモニタ光として分岐する。第４分岐部３１はたとえば光カプラを含んでいる。

【0088】

光増幅器３２は、第４分岐部３１と光ファイバにて接続されている。光増幅器３２は、第４分岐部３１から入力された反射光を光増幅して第３分岐部６に出力する。光増幅器３２はたとえば半導体光増幅器や光ファイバ増幅器を含んでいる。光増幅器３２は反射光の強度を調整する光強度調整部の一例である。

【0089】

フィルタ３３は、モニタ光の波長（すなわち反射光の波長）の光を透過し、モニタ光の波長以外の波長の光を遮断する。フィルタ３３はたとえば波長可変フィルタを含む。フィルタ３３から出力された光の強度は反射光の強度に対応した強度となっている。

【0090】

受光部３４は、フィルタ３３から出力された光を受光し、その受光強度に応じた電流信号を制御部３５に出力する。受光部３４はたとえばフォトダイオードを有する。この電流信号の値も反射光の強度に対応している。したがって、電流信号は、反射光の強度のモニタ結果に相当する。フィルタ３３および受光部３４は、反射光の強度をモニタする強度モニタ部の一例である。

【0091】

制御部３５は、処理部１４と同様に、演算部と、記憶部と、入出力部と、表示部とを備えている。制御部３５は、受光部３４が出力した電流信号を受け付け、それを測定電圧信号に変換する。ここで、制御部３５は、光増幅器３２が出力する反射光の強度が目標強度であるときの目標電圧信号の値を記憶している。制御部３５は、測定電圧信号が目標電圧信号に近づくように光増幅器３２をフィードバック制御する。これにより、光増幅器３２が出力する反射光の強度が目標強度に制御される。

【0092】

以上のように構成された距離計測装置１００Ｂでは、距離計測装置１００と同様の効果が得られる。さらに、距離計測装置１００Ｂでは、測定光ｌｍが被測定物Ｏで反射された光である反射光ｌｒの強度が弱い場合にも、光増幅器３２が出力して第３分岐部６に入力される反射光の強度が所定の強度に維持される。その結果、距離計測装置１００Ｂは、反射光ｌｒの強度が弱い場合や反射光ｌｒにノイズ光が混入している場合にも測距が可能または測距精度が高いものとなる。また、距離計測装置１００Ｂでは、フィルタ３３がモニタ光の波長以外の波長の光を遮断するので、モニタ光の強度ひいては反射光の強度をより正確にモニタすることができる。

【0093】

なお、距離計測装置１００Ｂでは光増幅器３２が第４分岐部３１と第３分岐部６との間に介挿されているが、光増幅器３２を光サーキュレータ３と第４分岐部３１との間に介挿する構成にしてもよい。このような構成によれば、フィルタ３３および受光部３４に入力されるモニタ光も光増幅器３２によって増幅されるので、たとえば反射光ｌｒにノイズ光が混入しても強度モニタの精度が高くなる。

【0094】

（実施形態４）
つぎに、実施形態４に係る振動計測装置について説明する。実施形態４に係る振動計測装置は、上記実施形態１～３またはその変形例に係る距離計測装置と同様の構成を有する。

【0095】

実施形態４に係る振動計測装置においては、処理部１４が、実施形態１～３に係る距離計測装置と同様の動作によって得られた光入出力部４と被測定物Ｏとの距離および当該距離の時間変化から、被測定物Ｏの振動の振幅および周波数を計測することができる。なお、測定される周波数は、たとえば光入出力部４と被測定物Ｏとの距離のサンプリング周波数よりも十分低いものである。また、測定される振幅は、たとえが合成波長よりも十分短いものである。

【0096】

なお、上記実施形態は、遅延部８が第２参照光に６０度以上１２０度の位相差だけ遅延を与えるように構成されているが、別の実施形態としては、第２反射光に６０度以上１２０度の位相差だけ遅延を与えるように構成してもよい。

【0097】

また、上記実施形態では、合成波長および合成位相を用いて距離計測または振動計測を行っているが、合成波長および合成位相を用いずに距離計測または振動計測を行ってもよい。

【0098】

また、上記実施形態では、光学要素が光ファイバで接続または構成されているが、平面光波回路などの導波路で接続または構成されていてもよい。また、第１光分岐部２、第２分岐部５と、第３分岐部６、第１干渉部７、遅延部８、第２干渉部、第１分光部、および第２分光部の少なくとも２つが平面光波回路で構成されており、集積されていてもよい。

【0099】

また、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。たとえば、実施形態１の変形例１～３の少なくとも一つの構成または機能を実施形態２～４のいずれかに適用してもよい。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

【符号の説明】

【0100】

１ ：多波長光源
１ａ ：集積素子
１ａ１～１ａｎ：発光素子
１ｂ ：合波部
２ ：第１光分岐部
３ ：光サーキュレータ
４ ：光入出力部
５ ：第２分岐部
６ ：第３分岐部
７ ：第１干渉部
８ ：遅延部
９ ：第２干渉部
１０ ：第１分光部
１１ ：第２分光部
１２ ：第１位相検出部
１３ ：第２位相検出部
１４ ：処理部
１４ａ ：演算部
１４ｂ ：記憶部
１４ｃ ：入出力部
１４ｄ ：表示部
２１ ：光スイッチ
２２ ：波長モニタ部
２２ａ ：フィルタ部
２２ｂ、３４：受光部
２３、３５：制御部
３１ ：第４分岐部
３２ ：光増幅器
３３ ：フィルタ
１００、１００Ａ、１００Ｂ：距離計測装置
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４：カーブ
Ｏ ：被測定物
ｌ、ｌ１、ｌ２～ｌｎ：光
ｌｍ ：測定光
ｌｒ ：反射光

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】