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(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】
(24)【登録日】2024-05-08
(45)【発行日】2024-05-16
(54)【発明の名称】光干渉計測装置
(51)【国際特許分類】
G01B 9/02 20220101AFI20240509BHJP
G01B 11/00 20060101ALI20240509BHJP
【ＦＩ】
G01B9/02
G01B11/00 G
【請求項の数】
16
(21)【出願番号】P 2020042765
(22)【出願日】2020-03-12
(65)【公開番号】P2021143938
(43)【公開日】2021-09-24
【審査請求日】2023-01-11
(73)【特許権者】
【識別番号】000002945
【氏名又は名称】オムロン株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002860
【氏名又は名称】弁理士法人秀和特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】木村 和哉
(72)【発明者】
【氏名】早川 雅之
(72)【発明者】
【氏名】森野 久康
(72)【発明者】
【氏名】長崎 裕介
【審査官】眞岩 久恵
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２０１５／０１７６９６９（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１９／０１２０６０８（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１６－１４７０４２（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｂ ９／００－１１／３０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
計測光を出力する光源と、前記計測光を照射し、計測対象で反射した戻り光を受光する計測部と、
前記戻り光と参照光との干渉信号を受光して電気信号に変換するディテクタと、
前記電気信号に基づいて、前記計測対象の距離、速度、又は、振動に関する情報を取得する処理部と、を有する光干渉計測装置において、
前記光源と前記計測部の間の光路に、前記光源からの前記計測光を分岐させるファイバカプラが設けられ、
前記計測部は、前記ファイバカプラで分岐した第１計測光が第１光路を介して入力される第１計測ヘッドと、前記ファイバカプラで分岐した第２計測光が第２光路を介して入力される第２計測ヘッドとを有し、
前記第１計測ヘッドで受光した第１戻り光は、前記第１光路及び前記ファイバカプラを介して前記ディテクタに導かれ、
前記第２計測ヘッドで受光した第２戻り光は、前記第２光路及び前記ファイバカプラを介して前記ディテクタに導かれ、
前記ファイバカプラから前記第１計測ヘッドの先端までの光路長Ｄ１、前記ファイバカプラから前記第２計測ヘッドの先端までの光路長Ｄ２、前記第１計測ヘッドの計測範囲の最大光路長Ｒ１ｍａｘ、前記第１戻り光と干渉させる第１参照光の光路長Ｓ１、前記第２戻り光と干渉させる第２参照光の光路長Ｓ２が、
Ｄ１＋Ｒ１ｍａｘ－Ｓ１ ＜ Ｄ２－Ｓ２
の関係を満たすように設定されており、
前記処理部は、
前記干渉信号の周波数スペクトルにおけるピークの周波数に基づいて距離を計算するものであり、
第１の周波数範囲に存在するピークの周波数に基づいて、前記第１計測ヘッドによる計測距離を計算し、
前記第１の周波数範囲とは重ならない第２の周波数範囲に存在するピークの周波数に基づいて、前記第２計測ヘッドによる計測距離を計算し、
前記第２の周波数範囲に２つのピークが存在した場合に、エラーを出力する
ことを特徴とする光干渉計測装置。
【請求項2】
前記第１参照光は、前記第１光路に設けられた第１参照面にて前記第１計測光の一部が反射した光であり、前記第２参照光は、前記第２光路に設けられた第２参照面にて前記第２計測光の一部が反射した光であり、
前記第１参照面から前記第１計測ヘッドの先端までの光路長Ｄ１´、前記第２参照面から前記第２計測ヘッドの先端までの光路長Ｄ２´が、
Ｄ１´＋Ｒ１ｍａｘ ＜ Ｄ２´
の関係を満たすように設定されている
ことを特徴とする請求項１に記載の光干渉計測装置。
【請求項3】
前記第２参照面は、前記第２光路の途中に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の光干渉計測装置。
【請求項4】
前記第２光路は、第１光ファイバと第２光ファイバを連結することにより形成されており、前記第２参照面は、前記第１光ファイバの前記第２光ファイバ側の端面である
ことを特徴とする請求項３に記載の光干渉計測装置。
【請求項5】
前記第１参照光の光路と前記第２参照光の光路が同一であり、前記ファイバカプラから前記第１計測ヘッドの先端までの光路長Ｄ１、前記ファイバカプラから前記第２計測ヘッドの先端までの光路長Ｄ２が、
Ｄ１＋Ｒ１ｍａｘ ＜ Ｄ２
の関係を満たすように設定されている
ことを特徴とする請求項１に記載の光干渉計測装置。
【請求項6】
計測光を出力する光源と、
前記計測光を照射し、計測対象で反射した戻り光を受光する計測部と、
前記戻り光と参照光との干渉信号を受光して電気信号に変換するディテクタと、
前記電気信号に基づいて、前記計測対象の距離、速度、又は、振動に関する情報を取得する処理部と、を有する光干渉計測装置において、
前記光源と前記計測部の間の光路に、前記光源からの前記計測光を分岐させるファイバカプラが設けられ、
前記計測部は、前記ファイバカプラで分岐した第１計測光が第１光路を介して入力される第１計測ヘッドと、前記ファイバカプラで分岐した第２計測光が第２光路を介して入力される第２計測ヘッドとを有し、
前記第１計測ヘッドで受光した第１戻り光は、前記第１光路及び前記ファイバカプラを介して前記ディテクタに導かれ、
前記第２計測ヘッドで受光した第２戻り光は、前記第２光路及び前記ファイバカプラを介して前記ディテクタに導かれ、
前記ファイバカプラから前記第１計測ヘッドの先端までの光路長Ｄ１、前記ファイバカプラから前記第２計測ヘッドの先端までの光路長Ｄ２、前記第１計測ヘッドの計測範囲の最大光路長Ｒ１ｍａｘ、前記第１戻り光と干渉させる第１参照光の光路長Ｓ１、前記第２戻り光と干渉させる第２参照光の光路長Ｓ２が、
Ｄ１＋Ｒ１ｍａｘ－Ｓ１ ＜ Ｄ２－Ｓ２
の関係を満たすように設定されており、
前記第２参照光は、前記第２光路に設けられた第２参照面にて前記第２計測光の一部が反射した光であり、
前記第２光路は、第１光ファイバと第２光ファイバを連結することにより形成されており、
前記第２参照面は、前記第１光ファイバの前記第２光ファイバ側の端面であり、
前記第２参照面の反射率は１０％以下となるように形成されている
ことを特徴とする光干渉計測装置。
【請求項7】
計測光を出力する光源と、
前記計測光を照射し、計測対象で反射した戻り光を受光する計測部と、
前記戻り光と参照光との干渉信号を受光して電気信号に変換するディテクタと、
前記電気信号に基づいて、前記計測対象の距離、速度、又は、振動に関する情報を取得する処理部と、を有する光干渉計測装置において、
前記光源と前記計測部の間の光路に、前記光源からの前記計測光を分岐させるファイバカプラが設けられ、
前記計測部は、前記ファイバカプラで分岐した第１計測光が第１光路を介して入力される第１計測ヘッドと、前記ファイバカプラで分岐した第２計測光が第２光路を介して入力される第２計測ヘッドとを有し、
前記第１計測ヘッドで受光した第１戻り光は、前記第１光路及び前記ファイバカプラを介して前記ディテクタに導かれ、
前記第２計測ヘッドで受光した第２戻り光は、前記第２光路及び前記ファイバカプラを介して前記ディテクタに導かれ、
前記ファイバカプラから前記第１計測ヘッドの先端までの光路長Ｄ１、前記ファイバカプラから前記第２計測ヘッドの先端までの光路長Ｄ２、前記第１計測ヘッドの計測範囲の最大光路長Ｒ１ｍａｘ、前記第１戻り光と干渉させる第１参照光の光路長Ｓ１、前記第２戻り光と干渉させる第２参照光の光路長Ｓ２が、
Ｄ１＋Ｒ１ｍａｘ－Ｓ１ ＜ Ｄ２－Ｓ２
の関係を満たすように設定されており、
前記第２参照光は、前記第２光路に設けられた第２参照面にて前記第２計測光の一部が反射した光であり、
前記第２光路は、第１光ファイバと第２光ファイバを連結することにより形成されており、
前記第２参照面は、前記第１光ファイバの前記第２光ファイバ側の端面に部分反射ミラーを蒸着することにより形成され、または、前記第１光ファイバの前記第２光ファイバ側の端面を光軸に垂直なフラット面とし、前記第１光ファイバと前記第２光ファイバのあいだに空気層もしくは屈折率整合材を充填した領域を形成することにより形成されている
ことを特徴とする光干渉計測装置。
【請求項8】
前記第２参照面の反射率は１０％以下となるように形成されている
ことを特徴とする請求項７に記載の光干渉計測装置。
【請求項9】
前記処理部は、前記干渉信号の周波数スペクトルにおけるピークの周波数に基づいて距離を計算するものであり、第１の周波数範囲に存在するピークの周波数に基づいて、前記第１計測ヘッドによる計測距離を計算し、
前記第１の周波数範囲とは重ならない第２の周波数範囲に存在するピークの周波数に基
づいて、前記第２計測ヘッドによる計測距離を計算する
ことを特徴とする請求項６～８のうちいずれか１項に記載の光干渉計測装置。
【請求項10】
前記処理部は、前記第２の周波数範囲に２つのピークが存在した場合に、エラーを出力することを特徴とする請求項９に記載の光干渉計測装置。
【請求項11】
前記第１参照光は、前記第１光路に設けられた第１参照面にて前記第１計測光の一部が反射した光であり、
前記第１参照面から前記第１計測ヘッドの先端までの光路長Ｄ１´、前記第２参照面から前記第２計測ヘッドの先端までの光路長Ｄ２´が、
Ｄ１´＋Ｒ１ｍａｘ ＜ Ｄ２´
の関係を満たすように設定されている
ことを特徴とする請求項６～１０のうちいずれか１項に記載の光干渉計測装置。
【請求項12】
前記第１参照面は、前記第１光路と前記第１計測ヘッドの接続部に配置されている
ことを特徴とする請求項２～４、１１のうちいずれか１項に記載の光干渉計測装置。
【請求項13】
前記第１参照面は、前記第１光路を形成する光ファイバの前記第１計測ヘッド側の端面である
ことを特徴とする請求項１２に記載の光干渉計測装置。
【請求項14】
前記第１参照面の反射率は１０％以下となるように形成されている
ことを特徴とする請求項１３に記載の光干渉計測装置。
【請求項15】
前記第１参照面は、前記第１光路を形成する光ファイバの端面に部分反射ミラーを蒸着することにより形成され、または、前記第１光路を形成する光ファイバの端面を光軸に垂直なフラット面とし、前記第１光路を形成する光ファイバと前記第１計測ヘッドのあいだに空気層もしくは屈折率整合材を充填した領域を形成することにより形成されている
ことを特徴とする請求項１３または１４に記載の光干渉計測装置。
【請求項16】
前記光源と前記ファイバカプラの間に、前記光源への光の進入を防ぐ光アイソレータが設けられている
ことを特徴とする請求項１～１５のうちいずれか１項に記載の光干渉計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、光干渉を利用した測距技術に関する。
【背景技術】
【0002】
コヒーレントな計測光を計測対象に照射し、その反射光（戻り光）と参照光の干渉信号に基づいて、距離、速度、振動などを計測する技術が知られている。特許文献１では、ＯＣＴ（Optical Coherence Tomography）装置において、１つの光源から出力された計測光をＮ分岐させて、Ｎ個の光学系により並列に計測を行う構成が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０１０－２７６４６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
複数の計測対象を同時に計測可能なマルチチャネルの計測装置に対するニーズが高い。しかし、特許文献１の装置のように、参照光の光学部品、ディテクタ、ＡＤ変換器などをチャネル毎に設ける構成では、部品点数がＮ倍に増えてしまうため、装置の大型化、構造の複雑化、コストの増加などの問題を生じ、実用性に欠ける。
【0005】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであって、装置の大型化を招くことなく、低いコストで、マルチチャネルの光干渉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】
本開示は、計測光を出力する光源と、前記計測光を照射し、計測対象で反射した戻り光を受光する計測部と、前記戻り光と参照光との干渉信号を受光して電気信号に変換するディテクタと、前記電気信号に基づいて、前記計測対象の距離、速度、又は、振動に関する情報を取得する処理部と、を有する光干渉計測装置において、前記光源と前記計測部の間の光路に、前記光源からの前記計測光を分岐させるファイバカプラが設けられ、前記計測部は、前記ファイバカプラで分岐した第１計測光が第１光路を介して入力される第１計測ヘッドと、前記ファイバカプラで分岐した第２計測光が第２光路を介して入力される第２計測ヘッドとを有し、前記第１計測ヘッドで受光した第１戻り光は、前記第１光路及び前記ファイバカプラを介して前記ディテクタに導かれ、前記第２計測ヘッドで受光した第２戻り光は、前記第２光路及び前記ファイバカプラを介して前記ディテクタに導かれ、前記ファイバカプラから前記第１計測ヘッドの先端までの光路長Ｄ１、前記ファイバカプラから前記第２計測ヘッドの先端までの光路長Ｄ２、前記第１計測ヘッドの計測範囲の最大光路長Ｒ１ｍａｘ、前記第１戻り光と干渉させる第１参照光の光路長Ｓ１、前記第２戻り光と干渉させる第２参照光の光路長Ｓ２が、
Ｄ１＋Ｒ１ｍａｘ－Ｓ１ ＜ Ｄ２－Ｓ２
の関係を満たすように設定されていることを特徴とする光干渉計測装置を含む。
Ｄ１＋Ｒ１ｍａｘ－Ｓ１ ＜ Ｄ２－Ｓ２
の関係を満たすように設定されていることを特徴とする光干渉計測装置を含む。
【0007】
この構成により、第１計測ヘッドと第２計測ヘッドが、ファイバカプラの前段の構成（光源、ディテクタ、処理部）を共用することができる。換言すると、一組の光源及び信号処理系によって、複数の計測ヘッドによるマルチチャネルの計測が可能となる。また、第１計測ヘッドの計測系の光路長と第２計測ヘッドの計測系の光路長が上記関係式を満たすように設定したことで、干渉信号の周波数スペクトルにおいて、第１計測ヘッドの計測範囲に対応する第１の周波数範囲と、第２計測ヘッドの計測範囲に対応する第２の周波数範
囲とが完全に分離する。これにより、１つの干渉信号の周波数スペクトルから各計測ヘッドの測距結果を抽出することが容易になる。
囲とが完全に分離する。これにより、１つの干渉信号の周波数スペクトルから各計測ヘッドの測距結果を抽出することが容易になる。
【0008】
前記第１参照光は、前記第１光路に設けられた第１参照面にて前記第１計測光の一部が反射した光であり、前記第２参照光は、前記第２光路に設けられた第２参照面にて前記第２計測光の一部が反射した光であってもよい。このような構成により、参照光と戻り光の光路を同一にできるため、温度変化や振動の影響を相殺でき、頑健性を向上することができる。この構成の場合には、前記第１参照面から前記第１計測ヘッドの先端までの光路長Ｄ１´、前記第２参照面から前記第２計測ヘッドの先端までの光路長Ｄ２´が、
Ｄ１´＋Ｒ１ｍａｘ ＜ Ｄ２´
の関係を満たすように設定されているとよい。また、前記第１参照面は、前記第１光路と前記第１計測ヘッドの接続部に配置されていてもよい。また、前記第１参照面は、前記第１光路を形成する光ファイバの前記第１計測ヘッド側の端面であってもよい。また、前記第２参照面は、前記第２光路の途中に配置されていてもよい。例えば、前記第２光路は、第１光ファイバと第２光ファイバを連結することにより形成されており、前記第２参照面は、前記第１光ファイバの前記第２光ファイバ側の端面であってもよい。
Ｄ１´＋Ｒ１ｍａｘ ＜ Ｄ２´
の関係を満たすように設定されているとよい。また、前記第１参照面は、前記第１光路と前記第１計測ヘッドの接続部に配置されていてもよい。また、前記第１参照面は、前記第１光路を形成する光ファイバの前記第１計測ヘッド側の端面であってもよい。また、前記第２参照面は、前記第２光路の途中に配置されていてもよい。例えば、前記第２光路は、第１光ファイバと第２光ファイバを連結することにより形成されており、前記第２参照面は、前記第１光ファイバの前記第２光ファイバ側の端面であってもよい。
【0009】
前記第１参照光の光路と前記第２参照光の光路が同一であってもよい。この構成の場合には、前記ファイバカプラから前記第１計測ヘッドの先端までの光路長Ｄ１、前記ファイバカプラから前記第２計測ヘッドの先端までの光路長Ｄ２が、
Ｄ１＋Ｒ１ｍａｘ ＜ Ｄ２
の関係を満たすように設定されているとよい。
Ｄ１＋Ｒ１ｍａｘ ＜ Ｄ２
の関係を満たすように設定されているとよい。
【0010】
前記光源と前記ファイバカプラの間に、前記光源への光の進入を防ぐ光アイソレータが設けられているとよい。これによりファイバカプラを経由して戻り光や干渉信号が光源に進入することを防止できるため、ノイズの発生を抑制し、計測精度の向上を図ることができる。
【0011】
前記処理部は、前記干渉信号の周波数スペクトルにおけるピークの周波数に基づいて距離を計算するものであり、第１の周波数範囲に存在するピークの周波数に基づいて、前記第１計測ヘッドによる計測距離を計算し、前記第１の周波数範囲とは重ならない第２の周波数範囲に存在するピークの周波数に基づいて、前記第２計測ヘッドによる計測距離を計算してもよい。
【0012】
前記処理部は、前記第２の周波数範囲に２つのピークが存在した場合に、エラーを出力してもよい。これにより、誤った計測結果が出力されることを防止できるため、光干渉計測装置の信頼性を向上することができる。
【0013】
本発明は、上記構成の少なくとも一部を有する光干渉計測装置、距離計測装置、測距センサなどとして捉えることができる。なお、上記手段および処理の各々は可能な限り互いに組み合わせて本発明を構成することができる。
【発明の効果】
【0014】
本発明によれば、装置の大型化を招くことなく、低いコストで、マルチチャネルの光干渉計測装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【発明を実施するための形態】
【0016】
＜適用例＞
図１を参照して、本発明を適用した光干渉計測装置の基本構成と動作の一例を説明する。
図１を参照して、本発明を適用した光干渉計測装置の基本構成と動作の一例を説明する。
【0017】
光干渉計測装置１は、光干渉を利用して計測対象の距離、速度、又は振動を計測するための装置である。光干渉計測装置１は、主な構成として、計測部１０、計測光Ｌ１を出力する計測光源１１、ファイバカプラ１３、光アイソレータ１４、ディテクタ１５、処理部１６、ＡＤ変換器１７、光ファイバＦ１～Ｆ４を有している。計測部１０は、独立して計測（計測光の照射及び戻り光の受光）が可能な複数の計測ヘッドを備えている。図１では、一例として、第１計測ヘッドＨ１と第２計測ヘッドＨ２の２つの計測ヘッドを設けているが、３つ以上の計測ヘッドを設けてもよい。また図１では、一例としてフィゾー型の干渉計を用いているが、マッハツェンダー型やマイケルソン型の干渉計を用いてもよい。
【0018】
計測光源１１から出力された計測光Ｌ１は光ファイバＦ１を介してファイバカプラ（分岐器）１３に入力され、第１計測光Ｌ１１と第２計測光Ｌ１２に分岐される。第１計測光Ｌ１１は、光ファイバ（第１光路）Ｆ２を介して第１計測ヘッドＨ１へと導かれ、第１計測ヘッドＨ１から計測対象Ｏ１に投射される。第２計測光Ｌ１２は、光ファイバ（第２光路）Ｆ３を介して第２計測ヘッドＨ２へと導かれ、第２計測ヘッドＨ２から計測対象Ｏ２に投射される。
【0019】
計測対象Ｏ１で反射し第１計測ヘッドＨ１で受光された光は、第１戻り光Ｌ３１として光ファイバＦ２に導かれる。一方、第１計測光Ｌ１１の一部が、第１参照面ＲＰ１で反射し、第１参照光Ｌ４１として光ファイバＦ２に導かれる。第１戻り光Ｌ３１と第１参照光Ｌ４１は第１参照面ＲＰ１で干渉し、その干渉信号（ビート信号）がファイバカプラ１３に入力される。
【0020】
計測対象Ｏ２で反射し第２計測ヘッドＨ２で受光された光は、第２戻り光Ｌ３２として光ファイバＦ３に導かれる。一方、第２計測光Ｌ１２の一部が、第２参照面ＲＰ２で反射し、第２参照光Ｌ４２として光ファイバＦ３に導かれる。第２戻り光Ｌ３２と第２参照光Ｌ４２は第２参照面ＲＰ２で干渉し、その干渉信号（ビート信号）がファイバカプラ１３に入力される。
【0021】
第１計測ヘッドＨ１側の干渉信号と第２計測ヘッドＨ２側の干渉信号はファイバカプラ１３内で合流し、干渉信号Ｌ５としてディテクタ１５に入力される。この干渉信号Ｌ５は、ディテクタ１５で光電変換された後、ＡＤ変換器１７を介して処理部１６へと入力される。干渉信号Ｌ５は、第１戻り光Ｌ３１と第１参照光Ｌ４１のあいだの光路長差、すなわ
ち計測対象Ｏ１の距離に応じた周波数成分と、第２戻り光Ｌ３２と第２参照光Ｌ４２のあいだの光路長差、すなわち計測対象Ｏ２の距離に応じた周波数成分の両方を含む。図２Ａは、干渉信号Ｌ５の周波数スペクトルの例である（横軸：周波数、縦軸：強度）。計測対象Ｏ１と計測対象Ｏ２のそれぞれの距離に応じた周波数にピークが現れていることがわかる。したがって、処理部１６において干渉信号Ｌ５を周波数解析することによって、計測対象Ｏ１及び計測対象Ｏ２の距離、速度、振動などの情報を得ることができる。
ち計測対象Ｏ１の距離に応じた周波数成分と、第２戻り光Ｌ３２と第２参照光Ｌ４２のあいだの光路長差、すなわち計測対象Ｏ２の距離に応じた周波数成分の両方を含む。図２Ａは、干渉信号Ｌ５の周波数スペクトルの例である（横軸：周波数、縦軸：強度）。計測対象Ｏ１と計測対象Ｏ２のそれぞれの距離に応じた周波数にピークが現れていることがわかる。したがって、処理部１６において干渉信号Ｌ５を周波数解析することによって、計測対象Ｏ１及び計測対象Ｏ２の距離、速度、振動などの情報を得ることができる。
【0022】
（光路長の設定）
ここで、ファイバカプラ１３から第１計測ヘッドＨ１の先端までの光路長をＤ１、ファイバカプラ１３から第２計測ヘッドＨ２の先端までの光路長をＤ２、第１計測ヘッドＨ１の計測範囲の最大光路長をＲ１ｍａｘ、第１参照光Ｌ４１の光路長をＳ１、第２参照光Ｌ４２の光路長をＳ２としたときに、
Ｄ１＋Ｒ１ｍａｘ－Ｓ１ ＜ Ｄ２－Ｓ２ （１）
の関係が満たされるように、各部品の光路長が設定されているとよい。
ここで、ファイバカプラ１３から第１計測ヘッドＨ１の先端までの光路長をＤ１、ファイバカプラ１３から第２計測ヘッドＨ２の先端までの光路長をＤ２、第１計測ヘッドＨ１の計測範囲の最大光路長をＲ１ｍａｘ、第１参照光Ｌ４１の光路長をＳ１、第２参照光Ｌ４２の光路長をＳ２としたときに、
Ｄ１＋Ｒ１ｍａｘ－Ｓ１ ＜ Ｄ２－Ｓ２ （１）
の関係が満たされるように、各部品の光路長が設定されているとよい。
【0023】
なお、「光路長」は、光が実際に進む距離に屈折率をかけたものであり、光学的距離とも呼ばれる。「参照光の光路長」は、参照光が光源から発せられてから戻り光と合流するまでのトータルの光路長をいい、図１の第１参照光Ｌ４１の場合は、計測光源１１から第１参照面ＲＰ１までの光路長が該当し、第２参照光Ｌ４２の場合は、計測光源１１から第２参照面ＲＰ２までの光路長が該当する。また、「戻り光の光路長」は、計測光が光源から発せられてから参照光と合流するまでのトータルの光路長をいう。
【0024】
図２Ａ、図２Ｂ、図３Ａ、図３Ｂを参照して、上記関係式（１）の意義について説明する。図２Ａは干渉信号Ｌ５の周波数スペクトルの例を示す図であり、図２Ｂは関係式（１）を満たさない場合の干渉信号Ｌ５の周波数スペクトルの例（比較例）を示す図である。図３Ａは第１計測ヘッドＨ１の計測系に関わる光路長を示しており、図３Ｂは第２計測ヘッドＨ２の計測系に関わる光路長を示している。
【0025】
図２Ａ、図２Ｂにおいて斜体で示した記号は下記の周波数を表す。
ｆ１１：第１計測ヘッドＨ１の計測範囲の最小光路長に対応する周波数
ｆ１２：第１計測ヘッドＨ１の計測範囲の最大光路長に対応する周波数
ｆ２１：第２計測ヘッドＨ２の計測範囲の最小光路長に対応する周波数
ｆ２２：第２計測ヘッドＨ２の計測範囲の最大光路長に対応する周波数
ｆ１１：第１計測ヘッドＨ１の計測範囲の最小光路長に対応する周波数
ｆ１２：第１計測ヘッドＨ１の計測範囲の最大光路長に対応する周波数
ｆ２１：第２計測ヘッドＨ２の計測範囲の最小光路長に対応する周波数
ｆ２２：第２計測ヘッドＨ２の計測範囲の最大光路長に対応する周波数
【0026】
図３Ａ、図３Ｂにおいて斜体で示した記号は下記の光路長を表す。
Ｄ１：ファイバカプラ１３から第１計測ヘッドＨ１の先端までの光路長
Ｄ２：ファイバカプラ１３から第２計測ヘッドＨ２の先端までの光路長
Ｓ１：第１参照光Ｌ４１の光路長
Ｓ２：第２参照光Ｌ４２の光路長
Ｄ１´：第１参照面ＲＰ１から第１計測ヘッドＨ１の先端までの光路長
Ｄ２´：第２参照面ＲＰ２から第２計測ヘッドＨ２の先端までの光路長
Ｒ１ｍａｘ：第１計測ヘッドＨ１の計測範囲の最大光路長
Ｒ２ｍａｘ：第２計測ヘッドＨ２の計測範囲の最大光路長
ｄｃ：計測光源１１からファイバカプラ１３までの光路長
ｄＲＰ１：ファイバカプラ１３から第１参照面ＲＰ１までの光路長
ｄＲＰ２：ファイバカプラ１３から第２参照面ＲＰ２までの光路長
ｄＯ１：第１計測ヘッドＨ１の先端から計測対象Ｏ１までの光路長
ｄＯ２：第２計測ヘッドＨ２の先端から計測対象Ｏ２までの光路長
Ｄ１：ファイバカプラ１３から第１計測ヘッドＨ１の先端までの光路長
Ｄ２：ファイバカプラ１３から第２計測ヘッドＨ２の先端までの光路長
Ｓ１：第１参照光Ｌ４１の光路長
Ｓ２：第２参照光Ｌ４２の光路長
Ｄ１´：第１参照面ＲＰ１から第１計測ヘッドＨ１の先端までの光路長
Ｄ２´：第２参照面ＲＰ２から第２計測ヘッドＨ２の先端までの光路長
Ｒ１ｍａｘ：第１計測ヘッドＨ１の計測範囲の最大光路長
Ｒ２ｍａｘ：第２計測ヘッドＨ２の計測範囲の最大光路長
ｄｃ：計測光源１１からファイバカプラ１３までの光路長
ｄＲＰ１：ファイバカプラ１３から第１参照面ＲＰ１までの光路長
ｄＲＰ２：ファイバカプラ１３から第２参照面ＲＰ２までの光路長
ｄＯ１：第１計測ヘッドＨ１の先端から計測対象Ｏ１までの光路長
ｄＯ２：第２計測ヘッドＨ２の先端から計測対象Ｏ２までの光路長
【0027】
図３Ａにおいて、第１戻り光Ｌ３１の光路長Ｍ１は、
Ｍ１＝ｄｃ＋Ｄ１＋ｄＯ１＋ｄＯ１＋（Ｄ１－ｄＲＰ１）
となり、第１参照光Ｌ４１の光路長Ｓ１は、
Ｓ１＝ｄｃ＋ｄＲＰ１
となり、第１戻り光Ｌ３１と第１参照光Ｌ４１の光路長差Δｄ１は、
Δｄ１＝Ｍ１－Ｓ１
＝２×（Ｄ１＋ｄＯ１－ｄＲＰ１）
となる。
Ｍ１＝ｄｃ＋Ｄ１＋ｄＯ１＋ｄＯ１＋（Ｄ１－ｄＲＰ１）
となり、第１参照光Ｌ４１の光路長Ｓ１は、
Ｓ１＝ｄｃ＋ｄＲＰ１
となり、第１戻り光Ｌ３１と第１参照光Ｌ４１の光路長差Δｄ１は、
Δｄ１＝Ｍ１－Ｓ１
＝２×（Ｄ１＋ｄＯ１－ｄＲＰ１）
となる。
【0028】
同じように、図３Ｂにおいて、第２戻り光Ｌ３２の光路長Ｍ２は、
Ｍ２＝ｄｃ＋Ｄ２＋ｄＯ２＋ｄＯ２＋（Ｄ２－ｄＲＰ２）
となり、第２参照光Ｌ４２の光路長Ｓ２は、
Ｓ２＝ｄｃ＋ｄＲＰ２
となり、第２戻り光Ｌ３２と第２参照光Ｌ４２の光路長差Δｄ２は、
Δｄ２＝Ｍ２－Ｓ２
＝２×（Ｄ２＋ｄＯ２－ｄＲＰ２）
となる。
Ｍ２＝ｄｃ＋Ｄ２＋ｄＯ２＋ｄＯ２＋（Ｄ２－ｄＲＰ２）
となり、第２参照光Ｌ４２の光路長Ｓ２は、
Ｓ２＝ｄｃ＋ｄＲＰ２
となり、第２戻り光Ｌ３２と第２参照光Ｌ４２の光路長差Δｄ２は、
Δｄ２＝Ｍ２－Ｓ２
＝２×（Ｄ２＋ｄＯ２－ｄＲＰ２）
となる。
【0029】
第１計測ヘッドＨ１の計測範囲は０～Ｒ１ｍａｘであるため、光路長差Δｄ１の最小値・最大値はそれぞれ、
Δｄ１ｍｉｎ＝２×（Ｄ１－ｄＲＰ１）
Δｄ１ｍａｘ＝２×（Ｄ１＋Ｒ１ｍａｘ－ｄＲＰ１）
となる。
Δｄ１ｍｉｎ＝２×（Ｄ１－ｄＲＰ１）
Δｄ１ｍａｘ＝２×（Ｄ１＋Ｒ１ｍａｘ－ｄＲＰ１）
となる。
【0030】
同様に、光路長差Δｄ２の最小値・最大値はそれぞれ、
Δｄ２ｍｉｎ＝２×（Ｄ２－ｄＲＰ２）
Δｄ２ｍａｘ＝２×（Ｄ２＋Ｒ２ｍａｘ－ｄＲＰ２）
となる。
Δｄ２ｍｉｎ＝２×（Ｄ２－ｄＲＰ２）
Δｄ２ｍａｘ＝２×（Ｄ２＋Ｒ２ｍａｘ－ｄＲＰ２）
となる。
【0031】
干渉信号Ｌ５の周波数（ビート周波数）は、戻り光と参照光の光路長差に比例するため、比例定数をｋとおくと、図２Ａの周波数ｆ１１、ｆ１２、ｆ２１、ｆ２２は以下のように表すことができる。
ｆ１１＝２×ｋ×（Ｄ１－ｄＲＰ１）
ｆ１２＝２×ｋ×（Ｄ１＋Ｒ１ｍａｘ－ｄＲＰ１）
ｆ２１＝２×ｋ×（Ｄ２－ｄＲＰ２）
ｆ２２＝２×ｋ×（Ｄ２＋Ｒ２ｍａｘ－ｄＲＰ２）
ｆ１１＝２×ｋ×（Ｄ１－ｄＲＰ１）
ｆ１２＝２×ｋ×（Ｄ１＋Ｒ１ｍａｘ－ｄＲＰ１）
ｆ２１＝２×ｋ×（Ｄ２－ｄＲＰ２）
ｆ２２＝２×ｋ×（Ｄ２＋Ｒ２ｍａｘ－ｄＲＰ２）
【0032】
ここで、関係式（１）に、
Ｓ１＝ｄｃ＋ｄＲＰ１
Ｓ２＝ｄｃ＋ｄＲＰ２
を代入し、整理すると、
Ｄ１＋Ｒ１ｍａｘ－ｄＲＰ１ ＜ Ｄ２－ｄＲＰ２
となるので、
ｆ１２ ＜ ｆ２１ （２）
が成立することがわかる。
Ｓ１＝ｄｃ＋ｄＲＰ１
Ｓ２＝ｄｃ＋ｄＲＰ２
を代入し、整理すると、
Ｄ１＋Ｒ１ｍａｘ－ｄＲＰ１ ＜ Ｄ２－ｄＲＰ２
となるので、
ｆ１２ ＜ ｆ２１ （２）
が成立することがわかる。
【0033】
式（２）が成立する場合には、図２Ａに示すように、第１計測ヘッドＨ１の計測範囲に対応する第１の周波数範囲ｆ１１～ｆ１２と、第２計測ヘッドＨ２の計測範囲に対応する第２の周波数範囲ｆ２１～ｆ２２とが完全に分離する。したがって、１つの干渉信号Ｌ５
の周波数スペクトルから複数の計測ヘッドＨ１、Ｈ２の測距結果を抽出することが可能である。
の周波数スペクトルから複数の計測ヘッドＨ１、Ｈ２の測距結果を抽出することが可能である。
【0034】
（比較例）
これに対し、もし関係式（１）を満たさない場合には、
ｆ１２ ≧ ｆ２１
となり、図２Ｂの比較例に示すように、第１計測ヘッドＨ１の計測範囲に対応する周波数範囲と第２計測ヘッドＨ２の計測範囲に対応する周波数範囲が重なってしまう。それゆえ、例えば図２Ｂのようにｆ２１～ｆ１２の間にピークが現れた場合には、そのピークがどちらの計測ヘッドの測距結果なのか判別できず、マルチヘッドによる同時計測を実現することができないという問題が生ずる。
これに対し、もし関係式（１）を満たさない場合には、
ｆ１２ ≧ ｆ２１
となり、図２Ｂの比較例に示すように、第１計測ヘッドＨ１の計測範囲に対応する周波数範囲と第２計測ヘッドＨ２の計測範囲に対応する周波数範囲が重なってしまう。それゆえ、例えば図２Ｂのようにｆ２１～ｆ１２の間にピークが現れた場合には、そのピークがどちらの計測ヘッドの測距結果なのか判別できず、マルチヘッドによる同時計測を実現することができないという問題が生ずる。
【0035】
（利点）
以上述べた構成によれば、複数の計測ヘッドＨ１、Ｈ２が、ファイバカプラ１３の前段の構成を共用することができる。換言すると、一組の信号処理系（ディテクタ１５、ＡＤ変換器１７、処理部１６）によって、複数の計測ヘッドＨ１、Ｈ２によるマルチチャネルの計測が可能である。また、光路長の設定を工夫することで各チャネルの信号の周波数分離を容易化したので、信号処理系の構成もシンプルで済む。したがって、チャネル毎に信号処理系が必要であった従来装置に比べて、コンパクト且つ低コストなマルチチャネル型光干渉計測装置を実現することができる。
以上述べた構成によれば、複数の計測ヘッドＨ１、Ｈ２が、ファイバカプラ１３の前段の構成を共用することができる。換言すると、一組の信号処理系（ディテクタ１５、ＡＤ変換器１７、処理部１６）によって、複数の計測ヘッドＨ１、Ｈ２によるマルチチャネルの計測が可能である。また、光路長の設定を工夫することで各チャネルの信号の周波数分離を容易化したので、信号処理系の構成もシンプルで済む。したがって、チャネル毎に信号処理系が必要であった従来装置に比べて、コンパクト且つ低コストなマルチチャネル型光干渉計測装置を実現することができる。
【0036】
なお、チャネル数（ヘッド数）を増やしたい場合は、Ｎ分岐（Ｎ＞２）のファイバカプラ１３を用いるか、ファイバカプラ１３をカスケード接続することによって、光路を３つ以上に分岐させ、計測ヘッドを追加すればよい。この場合に、ｉ番目の計測系に関わる光路長と（ｉ＋１）番目の計測系に関わる光路長が、式（１）の関係（ただし、式（１）における第１計測ヘッドの計測系に関わる変数をｉ番目の計測系のものに読み替え、第２計測ヘッドの計測系に関わる変数を（ｉ＋１）番目の計測系のものに読み替える。）を満たすように設定されていれば、全てのチャネルの周波数を分離することができる。
【0037】
ところで、図１、図３Ａ、図３Ｂに示すように、各計測ヘッドＨ１、Ｈ２に計測光Ｌ１１、Ｌ１２を導くための光路上に参照面ＲＰ１、ＲＰ２が設けられている構成の場合、式（１）は下記式（１´）のように整理できる。
Ｄ１´＋Ｒ１ｍａｘ ＜ Ｄ２´ （１´）
ここで、Ｄ１´は、第１参照面ＲＰ１から第１計測ヘッドＨ１の先端までの光路長であり、Ｄ２´は、第２参照面ＲＰ２から第２計測ヘッドＨ２の先端までの光路長である。
Ｄ１´＋Ｒ１ｍａｘ ＜ Ｄ２´ （１´）
ここで、Ｄ１´は、第１参照面ＲＰ１から第１計測ヘッドＨ１の先端までの光路長であり、Ｄ２´は、第２参照面ＲＰ２から第２計測ヘッドＨ２の先端までの光路長である。
【0038】
以下、光干渉計測装置１の具体的な構成例を示す。各構成例の図面において、図１の基本構成と対応する部分には同じ符号を付すものとする。
【0039】
【0040】
本実施形態の光干渉計測装置１は、コヒーレントＦＭＣＷ（Frequency Modulated Continuous Wave）によって計測対象Ｏ１、Ｏ２の測距を行う装置である。光干渉計測装置１
は、概略、コントローラ（装置本体）２０と複数の計測ヘッドＨ１、Ｈ２を有しており、計測ヘッドＨ１、Ｈ２の先端にて計測光の照射及び反射光の受光を行う。計測ヘッドＨ１
、Ｈ２をまとめて計測部１０と呼ぶ。コントローラ２０は、主な構成として、計測光Ｌ１を出力する計測光源１１、ファイバカプラ１３、光アイソレータ１４、ディテクタ１５、処理部１６、ＡＤ変換器１７、ファイバカプラ３０～３２、差分ディテクタ３３、クロック発生器３４、光ファイバＦ１～Ｆ８を有している。
は、概略、コントローラ（装置本体）２０と複数の計測ヘッドＨ１、Ｈ２を有しており、計測ヘッドＨ１、Ｈ２の先端にて計測光の照射及び反射光の受光を行う。計測ヘッドＨ１
、Ｈ２をまとめて計測部１０と呼ぶ。コントローラ２０は、主な構成として、計測光Ｌ１を出力する計測光源１１、ファイバカプラ１３、光アイソレータ１４、ディテクタ１５、処理部１６、ＡＤ変換器１７、ファイバカプラ３０～３２、差分ディテクタ３３、クロック発生器３４、光ファイバＦ１～Ｆ８を有している。
【0041】
ファイバカプラ１３、計測部１０、及び、光ファイバＦ２～Ｆ３によってフィゾー型の主干渉計ＭＩが構成され、また、ファイバカプラ３１、３２、及び、光ファイバＦ７、Ｆ８によって副干渉計ＳＩが構成されている。主干渉計ＭＩは計測用の干渉計であり、副干渉計ＳＩは計測光源１１の特性を補正するための干渉計である。
【0042】
計測光源１１は、コヒーレントな計測光Ｌ１を出力可能な光源であり、ＦＭＣＷのために計測光Ｌ１の波長を時間的に掃引可能な波長掃引光源が用いられる。波長掃引光源には、例えば、電流変調方式のＶＣＳＥＬ、ＭＥＭＳ駆動方式のＶＣＳＥＬ、ＳＳＧ－ＤＢＲなどがあり、いずれの方式の光源を用いてもよい。本実施形態では、低コストという利点から、電流変調方式のＶＣＳＥＬを用いる。計測光Ｌ１としては、例えば、波長１３１０ｎｍ～１５５０ｎｍ程度の近赤外線レーザーが用いられる。また本実施形態では、三角波による波長掃引を行うが、正弦波、のこぎり波、その他の波形により波長掃引を行ってもよい。
【0043】
光アイソレータ１４は、光を１方向にのみ通す素子である。光アイソレータ１４によって、主干渉計ＭＩから計測光源１１へ光（戻り光や干渉信号）が進入することを防ぐことで、ノイズの発生を抑制し、計測精度の向上を図ることができる。
【0044】
ファイバカプラ３０は、１入力×２出力のシングルモードファイバカプラである。光ファイバＦ１を介して入力された計測光Ｌ１はファイバカプラ３０で分岐され、光ファイバＦ５を介して主干渉計ＭＩへ、光ファイバＦ６を介して副干渉計ＳＩへとそれぞれ導かれる。
【0045】
ファイバカプラ１３は、２入力×２出力、カップリング比５０％のシングルモードファイバカプラである。光ファイバＦ５を介して入力された計測光Ｌ１はファイバカプラ１３で第１計測光Ｌ１１と第２計測光Ｌ１２に分岐され、第１計測光Ｌ１１は光ファイバＦ２を介して第１計測ヘッドＨ１へ導かれ、第２計測光Ｌ１２は光ファイバＦ３を介して第２計測ヘッドＨ２へ導かれる。また、光ファイバＦ２を介して入力される干渉信号と光ファイバＦ３を介して入力される干渉信号がファイバカプラ１３内で合流し、干渉信号Ｌ５が光ファイバＦ４を介してディテクタ１５に導かれる。なお、ファイバカプラの構造上、干渉信号は光ファイバＦ５側へも出力されてしまうが、光アイソレータ１４によって計測光源１１への光の進入が防止されているため特に問題とならない。
【0046】
第１計測ヘッドＨ１は、第１計測光Ｌ１１の計測対象Ｏ１への投射、及び、計測対象Ｏ１で反射した光の受光を行うユニットである。第１計測ヘッドＨ１は、例えば、直径約１．５ｃｍ、長さ約３ｃｍの円筒形又は角型の鏡筒内に光学系Ｈ１ａが設けられた構造を有する。光学系Ｈ１ａは、平行ビームを投射するためのコリメートレンズでもよいし、計測対象Ｏ１上の計測位置にビームを収束させるための集光レンズでもよい。
【0047】
ファイバカプラ１３と第１計測ヘッドＨ１のあいだの光路には第１参照面ＲＰ１が設けられている。本実施形態では、光ファイバＦ２と第１計測ヘッドＨ１の接続部に第１参照面ＲＰ１が形成されている。第１参照面ＲＰ１は、第１計測光Ｌ１１の一部を反射して第１参照光Ｌ４１を形成するための構造である。このような構成により、第１参照光Ｌ４１と第１戻り光Ｌ３１の光路を同じ光ファイバＦ２で構成できるため、温度変化や振動の影響を相殺でき、頑健性を向上することができる。
【0048】
第１参照光Ｌ４１の光量が大きいと、ショットノイズなどのシグナル量と共に増加するノイズが原因により、ＳＮが悪くなる。それゆえ、第１参照面ＲＰ１の反射率は５０％よりも小さい方が好ましく、１０％以下であることがより好ましい。第１参照面ＲＰ１の形成方法は特に限定されない。例えば、光ファイバＦ２の端面に部分反射ミラーを蒸着することによって第１参照面ＲＰ１を形成してもよい。あるいは光ファイバＦ２の端面を光軸に垂直なフラット面とし、光ファイバＦ２と第１計測ヘッドＨ１のあいだに空気層あるいは屈折率整合材を充填した領域を形成し、屈折率の界面で起きるフレネル反射を利用してもよい。あるいは、計測ヘッドＨ１の光学系Ｈ１ａにおけるレンズ表面での反射を利用してもよい。
【0049】
計測対象Ｏ１で反射し第１計測ヘッドＨ１で受光された第１戻り光Ｌ３１と、第１参照面ＲＰ１で反射した第１参照光Ｌ４１とは、第１参照面ＲＰ１から計測対象Ｏ１までの光路長の２倍に対応する位相差をもつ。そのため、第１参照面ＲＰ１で第１戻り光Ｌ３１と第１参照光Ｌ４１とが干渉し、その位相差に応じた周波数成分をもつ干渉信号（ビート信号）が発生する。
【0050】
第２計測ヘッドＨ２は、第２計測光Ｌ１２の計測対象Ｏ２への投射、及び、計測対象Ｏ２で反射した光の受光を行うユニットである。第２計測ヘッドＨ２は、例えば、直径約１．５ｃｍ、長さ約３ｃｍの円筒形又は角型の鏡筒内に光学系Ｈ２ａが設けられた構造を有する。第２計測ヘッドＨ２の構造は第１計測ヘッドＨ１と同じでもよいし、異なっていてもよい。
【0051】
ファイバカプラ１３と第２計測ヘッドＨ２のあいだの光路の途中に第２参照面ＲＰ２が設けられている。第２参照面ＲＰ２は、第２計測光Ｌ１２の一部を反射して第２参照光Ｌ４２を形成するための構造である。このような構成により、第２参照光Ｌ４２と第２戻り光Ｌ３２の光路を同じ光ファイバＦ３で構成できるため、温度変化や振動の影響を相殺でき、頑健性を向上することができる。
【0052】
計測対象Ｏ２で反射し第２計測ヘッドＨ２で受光された第２戻り光Ｌ３２と、第２参照面ＲＰ２で反射した第２参照光Ｌ４２とは、第２参照面ＲＰ２から計測対象Ｏ２までの光路長の２倍に対応する位相差をもつ。そのため、第２参照面ＲＰ２で第２戻り光Ｌ３２と第２参照光Ｌ４２とが干渉し、その位相差に応じた周波数成分をもつ干渉信号（ビート信号）が発生する。第１計測ヘッドＨ１側の干渉信号と第２計測ヘッドＨ２側の干渉信号はファイバカプラ１３内で合流し、干渉信号Ｌ５としてディテクタ１５へと導かれる。
【0053】
ここで、ファイバカプラ１３から第１計測ヘッドＨ１の先端までの光路長Ｄ１、ファイバカプラ１３から第２計測ヘッドＨ２の先端までの光路長Ｄ２、第１計測ヘッドＨ１の計測範囲の最大光路長Ｒ１ｍａｘ、第１参照光Ｌ４１の光路長Ｓ１、第２参照光Ｌ４２の光路長Ｓ２は、前述した関係式（１）を満たすような値に設定されている。
【0054】
図６を参照して、第２参照面ＲＰ２の構成例を説明する。図６は、第２参照面ＲＰ２が形成されている光ファイバの連結部の断面図である。この例では、ファイバカプラ１３と第２計測ヘッドＨ２のあいだの光路（Ｆ３）を２本の光ファイバを連結した構造とし、その連結部に第２参照面ＲＰ２が形成されている。図６の符号Ｆ３ａ、Ｆ３ｂは光ファイバ、６０はコア、６１はクラッド、６２ａ、６２ｂはファイバコネクタ、６３はアダプタを示している。
【0055】
２本の光ファイバＦ３ａ、Ｆ３ｂは、それぞれの端部に取り付けられたファイバコネクタ６２ａ、６２ｂをアダプタ６３に装着することで連結される。ここで、ファイバカプラ
１３側の第１光ファイバＦ３ａのコア６０の端面には、部分反射ミラーが蒸着されている。これにより、第２計測光Ｌ１２の一部が第１光ファイバＦ３ａの端面で反射し、第２参照光Ｌ４２となる。第２参照光Ｌ４２の光量が大きいと、ショットノイズなどのシグナル量と共に増加するノイズが原因により、ＳＮが悪くなる。それゆえ、第２参照面ＲＰ２の反射率は５０％よりも小さい方が好ましく、１０％以下であることがより好ましい。
１３側の第１光ファイバＦ３ａのコア６０の端面には、部分反射ミラーが蒸着されている。これにより、第２計測光Ｌ１２の一部が第１光ファイバＦ３ａの端面で反射し、第２参照光Ｌ４２となる。第２参照光Ｌ４２の光量が大きいと、ショットノイズなどのシグナル量と共に増加するノイズが原因により、ＳＮが悪くなる。それゆえ、第２参照面ＲＰ２の反射率は５０％よりも小さい方が好ましく、１０％以下であることがより好ましい。
【0056】
第２参照面ＲＰ２の形成方法は特に限定されない。例えば、光ファイバＦ３ａの端面を光軸に垂直なフラット面とし、光ファイバＦ３ａと光ファイバＦ３ｂのあいだに空気層あるいは屈折率整合材を充填した領域を形成し、屈折率の界面で起きるフレネル反射を利用してもよい。
【0057】
ディテクタ１５は、光ファイバＦ４から入力される干渉信号Ｌ５を電気信号に変換する光電変換素子である。ディテクタ１５は、例えば、フォト・ダイオード、Ｉ－Ｖ変換回路、信号増幅器、フィルタ回路などで構成される。ＡＤ変換器１７は、ディテクタ１５で得られた電気信号をデジタル信号に変換する。ＡＤ変換器１７のサンプリングは、クロック発生器３４から与えられるクロック信号に従って行われる。
【0058】
処理部１６は、ＡＤ変換された干渉信号を周波数解析し、計測対象Ｏ１及びＯ２の距離、速度、振動など（以後まとめて距離情報と呼ぶ）を計算するユニットである。処理部１６は、主な機能として、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）部１６０、距離計算部１６１、出力部１６２を有する。ＦＦＴ部１６０は、干渉信号Ｌ５をフーリエ変換して周波数スペクトルを取得する機能であり、距離計算部１６１は、周波数スペクトルのピークの周波数に基づいて距離情報を計算する機能であり、出力部１６２は演算結果を出力する機能である。図示しないが、処理部１６の演算結果である距離、速度、振動などの情報は外部装置（例えばＰＬＣ（programmable logic controller）、ロボット、検査装置、上位のコンピュ
ータなど）に出力され、ＦＡ機器の制御や各種検査などに利用される。
ータなど）に出力され、ＦＡ機器の制御や各種検査などに利用される。
【0059】
処理部１６は、例えば、プロセッサとメモリを備えた演算処理装置によって構成される。プロセッサには、ＣＰＵ（central processing unit）やＭＰＵ（micro processing unit）などの汎用プロセッサを用いてもよいし、ＦＰＧＡ（field-programmable gate array）やＡＳＩＣ（application specific integrated circuit）などの専用プロセッサを用いてもよい。
【0060】
ファイバカプラ３１及び３２はともにカップリング比５０％のシングルモードファイバカプラである。光ファイバＦ７と光ファイバＦ８とのあいだに所定の光路長差を設けることにより、副干渉計ＳＩが構成されている。光ファイバＦ６から副干渉計ＳＩに入力された計測光Ｌ１は、ファイバカプラ３１で分岐した後、ファイバカプラ３２で合流する。このとき光ファイバＦ７経由の光と光ファイバＦ８経由の光がファイバカプラ３２内で干渉し、ファイバカプラ３２の２つの出力ポートから、三角波に互いに逆位相の干渉信号が重畳された信号が出力される。差分ディテクタ３３（バランスフォトディテクタとも呼ばれる）は、副干渉計ＳＩから出力された信号をそれぞれ電気信号に変換し、２つの信号の差分を出力する。この操作により、２つの信号の間の三角波とレーザノイズが相殺され、且つ、干渉信号成分が増幅されるので、ＳＮの良い干渉信号を得ることができる。クロック発生器３４は、差分ディテクタ３３で得られた干渉信号のゼロクロス時間からクロック信号を発生する回路である。
【0061】
計測光源１１で計測光の波長を掃引する際に、時間的な波長の変化（傾き）を線形にすることが理想である。波長掃引が線形でないと、干渉信号のビート周波数が一定でなくなり、測距精度の低下につながるからである。しかし実際は、波長を線形に掃引することは難しい。また、線形からの乖離度合いは、計測光源の個体の特性に依存するため、事前に
補正をかけることも難しい。
補正をかけることも難しい。
【0062】
そこで、本実施形態では、計測光源１１の波長掃引の非線形性を補正するために、上記のように、副干渉計ＳＩを用いてＡＤ変換器１７のサンプリングクロックを生成する。このサンプリングクロックは、計測光源１１から実際に出力された計測光から生成されているため、計測光の波長掃引の傾きに従った不等間隔のクロック信号となる。このサンプリングクロックを用いて主干渉計ＭＩの干渉信号を不等間隔時間でサンプリングすることによって、等間隔位相でサンプリングしたのと等価な結果を得ることができる。これにより、周波数解析の信頼性の向上、並びに、測距精度の向上を図ることができる。
【0063】
なお、波長掃引の非線形性の補正は他の手法を用いてもよい。例えば、処理部１６が、副干渉計ＳＩの干渉信号に基づいて波長掃引の傾き（非線形性）を推定し、ＡＤ変換器１７で等間隔時間でサンプリングされた主干渉計ＭＩの干渉信号を内挿して、等間隔位相の干渉信号を生成してもよい。あるいは、計測光源１１の波長掃引用の制御信号にあらかじめ逆方向の歪みを与え、光源特性と相殺させることで、計測光源１１から出力される計測光の線形性を担保してもよい。
【0064】
【0065】
ステップＳ７０において、ＦＦＴ部１６０が、干渉信号をフーリエ変換し、周波数スペクトルを得る。図２Ａの例のように、周波数スペクトルには、計測対象Ｏ１と計測対象Ｏ２のそれぞれの距離に応じた周波数にピークが現れる（計測対象が存在しない場合にはピークは現れない）。
【0066】
ステップＳ７１において、距離計算部１６１が、スペクトルのピークを検出し、各ピークの周波数を特定する。例えば、距離計算部１６１は、スペクトルの強度が所定の閾値を超える周波数をピーク周波数として検出してもよい。なお、ピークの検出やピーク周波数の特定にはどのような方法を用いてもよい。
【0067】
ステップＳ７２において、距離計算部１６１は、第１計測ヘッドＨ１の計測範囲に対応する第１の周波数範囲ｆ１１～ｆ１２に含まれるピークの周波数から、計測対象Ｏ１の距離を計算する。また、ステップＳ７３において、距離計算部１６１は、第２計測ヘッドＨ２の計測範囲に対応する第２の周波数範囲ｆ２１～ｆ２２に含まれるピークの周波数から、計測対象Ｏ２の距離を計算する。例えば、距離計算部１６１は、周波数－距離変換のための関数ないしＬＵＴ（ルックアップテーブル）を、第１計測ヘッドＨ１用と第２計測ヘッドＨ２用の２種類もち、ピークが現れた周波数範囲に応じて計算に用いる関数ないしＬＵＴを切り替えるとよい。
【0068】
ステップＳ７４において、出力部１６２が、距離計算部１６１により計算された計測対象Ｏ１、Ｏ２の距離情報を出力する。
【0069】
以上述べた構成によれば、チャネル毎に信号処理系が必要であった従来装置に比べて、コンパクト且つ低コストなマルチチャネル型光干渉計測装置を実現することができる。
【0070】
＜第２実施形態＞
図８に第２実施形態の光干渉計測装置の構成を示す。第２実施形態では主干渉計ＭＩにマッハツェンダー型の干渉計を用いている点が、前述の構成例とは異なる。
図８に第２実施形態の光干渉計測装置の構成を示す。第２実施形態では主干渉計ＭＩにマッハツェンダー型の干渉計を用いている点が、前述の構成例とは異なる。
【0071】
主干渉計ＭＩは、ファイバカプラ７０、１３、７１、光ファイバＦ２、Ｆ３、Ｆ７０～
Ｆ７２、第１計測ヘッドＨ１、第２計測ヘッドＨ２を有している。また、前述の構成例におけるディテクタ１５の代わりに差分ディテクタ７２が設けられている。
Ｆ７２、第１計測ヘッドＨ１、第２計測ヘッドＨ２を有している。また、前述の構成例におけるディテクタ１５の代わりに差分ディテクタ７２が設けられている。
【0072】
光ファイバＦ５を介して入力された計測光Ｌ１は、ファイバカプラ７０（分岐器）で分岐され、光ファイバＦ７０とＦ７１にそれぞれ導かれる。光ファイバＦ７０側に分岐した計測光Ｌ１は、ファイバカプラ１３でさらに分岐し、第１計測ヘッドＨ１と第２計測ヘッドＨ２に導かれ、計測対象Ｏ１、Ｏ２に投射される。計測対象Ｏ１で反射した第１戻り光Ｌ３１と計測対象Ｏ２で反射した第２戻り光Ｌ３２はファイバカプラ１３で合流し、結合した戻り光Ｌ７２が光ファイバＦ７２を介してファイバカプラ７１に入力される。他方、ファイバカプラ７０において光ファイバＦ７１側に分岐した計測光は、参照光Ｌ７１として、ファイバカプラ７１に入力される。そして、戻り光Ｌ７２と参照光Ｌ７１がファイバカプラ７１内で干渉し、ファイバカプラ７１の２つの出力ポートから、三角波に互いに逆位相の干渉信号が重畳された信号Ｌ５が出力される。差分ディテクタ７２では、主干渉計ＭＩから出力された信号Ｌ５をそれぞれ電気信号に変換し、２つの信号の差分を出力する。この操作により、ＳＮの良い干渉信号を得ることができる。
【0073】
本実施形態の構成では、参照光Ｌ７１が、第１戻り光Ｌ３１と干渉させる第１参照光と、第２戻り光Ｌ３２と干渉させる第２参照光を兼ねている。すなわち、第１参照光の光路と第２参照光の光路が同一であるとみなすことができる。したがって、関係式（１）における第１参照光の光路長Ｓ１と第２参照光の光路長Ｓ２は、Ｓ１＝Ｓ２となり、その結果、下記式（１″）のように整理できる。
Ｄ１＋Ｒ１ｍａｘ ＜ Ｄ２ （１″）
Ｄ１＋Ｒ１ｍａｘ ＜ Ｄ２ （１″）
【0074】
ファイバカプラ１３から第１計測ヘッドＨ１の先端までの光路長Ｄ１と、ファイバカプラ１３から第２計測ヘッドＨ２の先端までの光路長Ｄ２とを、式（１″）を満たすように設定することで、マルチチャネルの光干渉計測装置をコンパクト且つ低コストに実現することができる。
【0075】
＜第３実施形態＞
図９に第３実施形態の光干渉計測装置の要部を示す。第３実施形態では主干渉計ＭＩにマイケルソン型の干渉計を用いている点が、前述の構成例とは異なる。
図９に第３実施形態の光干渉計測装置の要部を示す。第３実施形態では主干渉計ＭＩにマイケルソン型の干渉計を用いている点が、前述の構成例とは異なる。
【0076】
この構成例では、計測光Ｌ１がファイバカプラ８０で分岐され、光ファイバＦ８０とＦ８１にそれぞれ導かれる。光ファイバＦ８０側に分岐した計測光Ｌ１は、ファイバカプラ１３でさらに分岐し、第１計測ヘッドＨ１と第２計測ヘッドＨ２に導かれ、計測対象Ｏ１、Ｏ２に投射される。計測対象Ｏ１で反射した第１戻り光Ｌ３１と計測対象Ｏ２で反射した第２戻り光Ｌ３２はファイバカプラ１３で合流し、結合した戻り光が光ファイバＦ８０を介してファイバカプラ８０に入力される。他方、ファイバカプラ８０において光ファイバＦ８１側に分岐した計測光は、リフレクタ８１（参照面ＲＰ）によって反射され、参照光Ｌ８０として、ファイバカプラ８０に入力される。そして、戻り光と参照光Ｌ８０がファイバカプラ８０内で干渉し、干渉信号Ｌ５が光ファイバＦ８２を介してディテクタ１５へと導かれる。以後の処理は前述の構成例と同じである。
【0077】
本実施形態の構成では、参照光Ｌ８０が、第１戻り光Ｌ３１と干渉させる第１参照光と、第２戻り光Ｌ３２と干渉させる第２参照光を兼ねている。すなわち、第１参照光の光路と第２参照光の光路が同一であるとみなすことができる。したがって、本実施形態の場合も、ファイバカプラ１３から第１計測ヘッドＨ１の先端までの光路長Ｄ１と、ファイバカプラ１３から第２計測ヘッドＨ２の先端までの光路長Ｄ２とを、式（１″）を満たすよう
に設定することで、マルチチャネルの光干渉計測装置をコンパクト且つ低コストに実現することができる。
に設定することで、マルチチャネルの光干渉計測装置をコンパクト且つ低コストに実現することができる。
【0078】
＜第４実施形態＞
第１計測ヘッドＨ１の計測範囲を超えた位置に計測対象Ｏ１が存在すると、理論上は、図１０に示すように、計測対象Ｏ１に対応するピークが第２の周波数範囲ｆ２１～ｆ２２のあいだに現れる可能性がある（実際は、計測対象Ｏ１までの距離が長くなると戻り光のＳＮが悪くなるので、閾値を超えるピークにはならず、問題とならないケースも多い。）。もし、第２の周波数範囲ｆ２１～ｆ２２のあいだに２つのピークが存在する場合には、どちらのピークが計測対象Ｏ２のものか判別がつかない。そこで第４実施形態では、第２の周波数範囲ｆ２１～ｆ２２に２つのピークが存在した場合にエラーを出力するという構成を採用する。なお、計測対象Ｏ２に対応するピークが第１の周波数範囲ｆ１１～ｆ１２のあいだに現れる可能性は無いため（物理的な制約から第２計測ヘッドＨ２と計測対象Ｏ２の距離がマイナスになることは無いため）、第１の周波数範囲ｆ１１～ｆ１２に２つのピークが存在するケースは考えなくてよい。
第１計測ヘッドＨ１の計測範囲を超えた位置に計測対象Ｏ１が存在すると、理論上は、図１０に示すように、計測対象Ｏ１に対応するピークが第２の周波数範囲ｆ２１～ｆ２２のあいだに現れる可能性がある（実際は、計測対象Ｏ１までの距離が長くなると戻り光のＳＮが悪くなるので、閾値を超えるピークにはならず、問題とならないケースも多い。）。もし、第２の周波数範囲ｆ２１～ｆ２２のあいだに２つのピークが存在する場合には、どちらのピークが計測対象Ｏ２のものか判別がつかない。そこで第４実施形態では、第２の周波数範囲ｆ２１～ｆ２２に２つのピークが存在した場合にエラーを出力するという構成を採用する。なお、計測対象Ｏ２に対応するピークが第１の周波数範囲ｆ１１～ｆ１２のあいだに現れる可能性は無いため（物理的な制約から第２計測ヘッドＨ２と計測対象Ｏ２の距離がマイナスになることは無いため）、第１の周波数範囲ｆ１１～ｆ１２に２つのピークが存在するケースは考えなくてよい。
【0079】
図１１は、第４実施形態における処理部１６の演算処理のフローチャートである。図７のフローチャートと共通する処理には同じステップ番号を付している。本実施形態では、ステップＳ７１でピークを検出した後、ステップＳ１１０において、距離計算部１６１が、第２の周波数範囲ｆ２１～ｆ２２のあいだにピークが２つ以上存在するか否かをチェックする。ピークが１つ以下の場合、図７の演算処理と同様、ステップＳ７２～Ｓ７４の処理を実行する。もし、第２の周波数範囲ｆ２１～ｆ２２のあいだに２つ以上のピークが存在していた場合には、出力部１６２が計測エラーを示すアラートを出力し（ステップＳ１１１）、処理を終了する。
【0080】
本実施形態で述べた構成によれば、誤った計測結果が出力されることを防止できるため、光干渉計測装置１の信頼性を向上することができる。
【0081】
＜その他＞
上記実施形態は、本発明の構成例を例示的に説明するものに過ぎない。本発明は上記の具体的な形態には限定されることはなく、その技術的思想の範囲内で種々の変形が可能である。例えば、上述した第１～第４実施形態の構成は、３つ以上の計測ヘッドをもつ構成にも拡張が可能である。
上記実施形態は、本発明の構成例を例示的に説明するものに過ぎない。本発明は上記の具体的な形態には限定されることはなく、その技術的思想の範囲内で種々の変形が可能である。例えば、上述した第１～第４実施形態の構成は、３つ以上の計測ヘッドをもつ構成にも拡張が可能である。
【0082】
＜付記１＞
計測光（Ｌ１）を出力する光源（１１）と、
前記計測光（Ｌ１１，Ｌ１２）を照射し、計測対象（Ｏ１，Ｏ２）で反射した戻り光（Ｌ３１，Ｌ３２）を受光する計測部（１０，Ｈ１，Ｈ２）と、
前記戻り光（Ｌ３１，Ｌ３２，Ｌ７２）と参照光（Ｌ４１，Ｌ４２，Ｌ７１，Ｌ８０）との干渉信号（Ｌ５）を受光して電気信号に変換するディテクタ（１５，７２）と、
前記電気信号に基づいて、前記計測対象（Ｏ１，Ｏ２）の距離、速度、又は、振動に関する情報を取得する処理部（１６）と、を有する光干渉計測装置（１）において、
前記光源（１１）と前記計測部（１０，Ｈ１，Ｈ２）の間の光路に、前記光源（１１）からの前記計測光（Ｌ１）を分岐させるファイバカプラ（１３）が設けられ、
前記計測部（１０）は、前記ファイバカプラ（１３）で分岐した第１計測光（Ｌ１１）が第１光路（Ｆ２）を介して入力される第１計測ヘッド（Ｈ１）と、前記ファイバカプラ（１３）で分岐した第２計測光（Ｌ１２）が第２光路（Ｆ３）を介して入力される第２計測ヘッド（Ｈ２）とを有し、
前記第１計測ヘッド（Ｈ１）で受光した第１戻り光（Ｌ３１）は、前記第１光路（Ｆ２）及び前記ファイバカプラ（１３）を介して前記ディテクタ（１５，７２）に導かれ、
前記第２計測ヘッド（Ｈ２）で受光した第２戻り光（Ｌ３２）は、前記第２光路（Ｆ３）及び前記ファイバカプラ（１３）を介して前記ディテクタ（１５，７２）に導かれ、
前記ファイバカプラ（１３）から前記第１計測ヘッド（Ｈ１）の先端までの光路長Ｄ１、前記ファイバカプラ（１３）から前記第２計測ヘッド（Ｈ２）の先端までの光路長Ｄ２、前記第１計測ヘッド（Ｈ１）の計測範囲の最大光路長Ｒ１ｍａｘ、前記第１戻り光（Ｌ３１）と干渉させる第１参照光（Ｌ４１，Ｌ７１，Ｌ８０）の光路長Ｓ１、前記第２戻り光（Ｌ３２）と干渉させる第２参照光（Ｌ４２，Ｌ７１，Ｌ８０）の光路長Ｓ２が、
Ｄ１＋Ｒ１ｍａｘ－Ｓ１ ＜ Ｄ２－Ｓ２
の関係を満たすように設定されている
ことを特徴とする光干渉計測装置（１）。
計測光（Ｌ１）を出力する光源（１１）と、
前記計測光（Ｌ１１，Ｌ１２）を照射し、計測対象（Ｏ１，Ｏ２）で反射した戻り光（Ｌ３１，Ｌ３２）を受光する計測部（１０，Ｈ１，Ｈ２）と、
前記戻り光（Ｌ３１，Ｌ３２，Ｌ７２）と参照光（Ｌ４１，Ｌ４２，Ｌ７１，Ｌ８０）との干渉信号（Ｌ５）を受光して電気信号に変換するディテクタ（１５，７２）と、
前記電気信号に基づいて、前記計測対象（Ｏ１，Ｏ２）の距離、速度、又は、振動に関する情報を取得する処理部（１６）と、を有する光干渉計測装置（１）において、
前記光源（１１）と前記計測部（１０，Ｈ１，Ｈ２）の間の光路に、前記光源（１１）からの前記計測光（Ｌ１）を分岐させるファイバカプラ（１３）が設けられ、
前記計測部（１０）は、前記ファイバカプラ（１３）で分岐した第１計測光（Ｌ１１）が第１光路（Ｆ２）を介して入力される第１計測ヘッド（Ｈ１）と、前記ファイバカプラ（１３）で分岐した第２計測光（Ｌ１２）が第２光路（Ｆ３）を介して入力される第２計測ヘッド（Ｈ２）とを有し、
前記第１計測ヘッド（Ｈ１）で受光した第１戻り光（Ｌ３１）は、前記第１光路（Ｆ２）及び前記ファイバカプラ（１３）を介して前記ディテクタ（１５，７２）に導かれ、
前記第２計測ヘッド（Ｈ２）で受光した第２戻り光（Ｌ３２）は、前記第２光路（Ｆ３）及び前記ファイバカプラ（１３）を介して前記ディテクタ（１５，７２）に導かれ、
前記ファイバカプラ（１３）から前記第１計測ヘッド（Ｈ１）の先端までの光路長Ｄ１、前記ファイバカプラ（１３）から前記第２計測ヘッド（Ｈ２）の先端までの光路長Ｄ２、前記第１計測ヘッド（Ｈ１）の計測範囲の最大光路長Ｒ１ｍａｘ、前記第１戻り光（Ｌ３１）と干渉させる第１参照光（Ｌ４１，Ｌ７１，Ｌ８０）の光路長Ｓ１、前記第２戻り光（Ｌ３２）と干渉させる第２参照光（Ｌ４２，Ｌ７１，Ｌ８０）の光路長Ｓ２が、
Ｄ１＋Ｒ１ｍａｘ－Ｓ１ ＜ Ｄ２－Ｓ２
の関係を満たすように設定されている
ことを特徴とする光干渉計測装置（１）。
【符号の説明】
【0083】
１：光干渉計測装置
１０：計測部
１１：計測光源
１３，３０，３１，３２，７０，７１，８０：ファイバカプラ
１４：光アイソレータ
１５：ディテクタ
１６：処理部
１７：ＡＤ変換器
２０：コントローラ
３３，７２：差分ディテクタ
３４：クロック発生器
６０：コア
６１：クラッド
６２ａ，６２ｂ：ファイバコネクタ
６３：アダプタ
８１：リフレクタ
Ｆ１～Ｆ８，Ｆ３ａ，Ｆ３ｂ，Ｆ７０～Ｆ７２，Ｆ８０～Ｆ８２：光ファイバ
Ｈ１：第１計測ヘッド
Ｈ２：第２計測ヘッド
Ｈ１ａ，Ｈ２ａ：光学系
Ｌ１：計測光
Ｌ１１：第１計測光
Ｌ１２：第２計測光
Ｌ３１：第１戻り光
Ｌ３２：第２戻り光
Ｌ４１：第１参照光
Ｌ４２：第２参照光
Ｌ５：干渉信号
Ｌ７１：参照光
Ｌ７２：戻り光
Ｌ８０：参照光
ＭＩ：主干渉計
ＳＩ：副干渉計
Ｏ１，Ｏ２：計測対象
ＲＰ１：第１参照面
ＲＰ２：第２参照面
ＲＰ：参照面
１０：計測部
１１：計測光源
１３，３０，３１，３２，７０，７１，８０：ファイバカプラ
１４：光アイソレータ
１５：ディテクタ
１６：処理部
１７：ＡＤ変換器
２０：コントローラ
３３，７２：差分ディテクタ
３４：クロック発生器
６０：コア
６１：クラッド
６２ａ，６２ｂ：ファイバコネクタ
６３：アダプタ
８１：リフレクタ
Ｆ１～Ｆ８，Ｆ３ａ，Ｆ３ｂ，Ｆ７０～Ｆ７２，Ｆ８０～Ｆ８２：光ファイバ
Ｈ１：第１計測ヘッド
Ｈ２：第２計測ヘッド
Ｈ１ａ，Ｈ２ａ：光学系
Ｌ１：計測光
Ｌ１１：第１計測光
Ｌ１２：第２計測光
Ｌ３１：第１戻り光
Ｌ３２：第２戻り光
Ｌ４１：第１参照光
Ｌ４２：第２参照光
Ｌ５：干渉信号
Ｌ７１：参照光
Ｌ７２：戻り光
Ｌ８０：参照光
ＭＩ：主干渉計
ＳＩ：副干渉計
Ｏ１，Ｏ２：計測対象
ＲＰ１：第１参照面
ＲＰ２：第２参照面
ＲＰ：参照面
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】