特許 7526614 測定装置および測定方法

(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】

(24)【登録日】2024-07-24

(45)【発行日】2024-08-01

(54)【発明の名称】測定装置および測定方法

(51)【国際特許分類】

   G01S 17/34 20200101AFI20240725BHJP

   G01B 11/00 20060101ALI20240725BHJP

【ＦＩ】

G01S17/34

G01B11/00 G

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2020140680

(22)【出願日】2020-08-24

(65)【公開番号】P2022036465

(43)【公開日】2022-03-08

【審査請求日】2023-07-12

(73)【特許権者】

【識別番号】000137694

【氏名又は名称】株式会社ミツトヨ

(74)【代理人】

【識別番号】110004222

【氏名又は名称】弁理士法人創光国際特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100166006

【弁理士】

【氏名又は名称】泉 通博

(74)【代理人】

【識別番号】100154070

【弁理士】

【氏名又は名称】久恒 京範

(74)【代理人】

【識別番号】100153280

【弁理士】

【氏名又は名称】寺川 賢祐

(72)【発明者】

【氏名】小松崎 晋路

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 義将

(72)【発明者】

【氏名】▲高▼橋 知隆

【審査官】藤脇 昌也

(56)【参考文献】

【文献】特開平０１－３２０４８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１３／０２０８２５７（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｓ ７／４８ ー ７／５１

１７／００ － １７／９５

Ｇ０１Ｃ ３／００ － ３／３２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

周波数変調レーザ光を出力するレーザ装置と、
前記レーザ装置が出力する前記周波数変調レーザ光の一部を測定光として計測対象物に向けて照射し、前記測定光が前記計測対象物の表面で反射した反射光を受光し、前記周波数変調レーザ光の残りの一部を前記計測対象物に前記測定光を照射する端面で端面反射光として反射する光ヘッド部と、
前記光ヘッド部および前記計測対象物の間に設けられており、前記光ヘッド部と前記計測対象物とを往復する光路を通過する光の偏光方向を前記端面反射光の偏光方向とは異なる方向に変化させる波長板と、
前記光ヘッド部が受光した前記反射光と前記端面反射光とを受光して、前記反射光および前記端面反射光の偏光方向の差に基づいて、受光した光を前記反射光と前記端面反射光とに分割する分割部と、
前記分割部が分割した前記反射光および前記端面反射光のいずれか一方の光路に設けられており、前記反射光および前記端面反射光の偏光方向を一致させるための１／２波長板と、
前記１／２波長板が偏光方向を一致させた前記反射光と前記端面反射光とを混合してビート信号を発生させるビート信号発生部と、
前記ビート信号を周波数解析する周波数解析部と、
前記ビート信号を周波数解析した結果に基づき、前記端面反射光と前記測定光との伝搬距離の差を算出する算出部と
を備える、測定装置。

【請求項2】

前記レーザ装置および前記光ヘッド部の間に設けられている偏光無依存型の分岐部を更に備え、
前記分岐部は、
前記レーザ装置が出力した前記周波数変調レーザ光が入力する第１ポートと、
前記第１ポートから入力した前記周波数変調レーザ光を前記光ヘッド部に出力し、前記光ヘッド部が出力した前記反射光および前記端面反射光が入力する第２ポートと、
前記第２ポートから入力した前記反射光および前記端面反射光を前記分割部に出力する第３ポートと
を有する、請求項１に記載の測定装置。

【請求項3】

周波数変調レーザ光を出力するレーザ装置と、
前記レーザ装置が出力する前記周波数変調レーザ光の一部を測定光として計測対象物に向けて照射し、前記測定光が前記計測対象物の表面で反射した反射光を受光し、前記周波数変調レーザ光の残りの一部を前記計測対象物に前記測定光を照射する端面で端面反射光として反射する光ヘッド部と、
前記レーザ装置および前記光ヘッド部の間に設けられている偏光無依存型の分岐部と、
前記光ヘッド部および前記計測対象物の間に設けられており、前記光ヘッド部と前記計測対象物とを往復する光路を通過する光の偏光方向を前記端面反射光の偏光方向とは異なる方向に変化させる波長板と、
前記光ヘッド部が受光した前記反射光と前記端面反射光とを受光して、前記反射光および前記端面反射光の偏光方向の差に基づいて、受光した光を前記反射光と前記端面反射光とに分割する分割部と、
前記分割部が分割した前記反射光と前記端面反射光とを混合してビート信号を発生させるビート信号発生部と、
前記ビート信号を周波数解析する周波数解析部と、
前記ビート信号を周波数解析した結果に基づき、前記端面反射光と前記測定光との伝搬距離の差を算出する算出部と
を備え、
前記分岐部は、
前記レーザ装置が出力した前記周波数変調レーザ光が入力する第１ポートと、
前記第１ポートから入力した前記周波数変調レーザ光を前記光ヘッド部に出力し、前記光ヘッド部が出力した前記反射光および前記端面反射光が入力する第２ポートと、
前記第２ポートから入力した前記反射光および前記端面反射光を前記分割部に出力する第３ポートと
を有する、
測定装置。

【請求項4】

前記分岐部の前記第２ポートおよび前記光ヘッド部の間の光路と、前記分岐部の前記第３ポートおよび前記分割部の間の光路とのうち少なくとも一部は、偏光方向を保持するための屈折率構造が螺旋状に形成されている構造を有し、前記端面反射光および前記反射光を伝送するスパイラル構造型光ファイバを有する、請求項２又は３に記載の測定装置。

【請求項5】

前記波長板は、前記反射光および前記端面反射光の偏光方向を直交させ、
前記分割部は、直交する偏光方向の光を分割する偏光ビームスプリッタを有する、請求項１から４のいずれか一項に記載の測定装置。

【請求項6】

計測対象物までの距離を測定する測定装置の測定方法であって、
周波数変調レーザ光を出力するステップと、
前記周波数変調レーザ光の一部を測定光として計測対象物に向けて波長板を通過させてから照射し、前記周波数変調レーザ光の残りの一部を前記計測対象物に前記測定光を照射する端面で端面反射光として反射するステップと、
前記測定光が前記計測対象物の表面で反射した反射光を、前記波長板を通過させてから受光するステップと、
受光した前記反射光と前記端面反射光とを受光して、前記反射光および前記端面反射光の偏光方向の差に基づいて、受光した光を前記反射光と前記端面反射光とに分割するステップと、
偏光方向を一致させた前記反射光および前記端面反射光のいずれか一方の光路に設けられた１／２波長板により、前記反射光および前記端面反射光の偏光方向を一致させるステップと、
偏光方向を一致させた前記反射光と前記端面反射光とを混合してビート信号を発生させるステップと、
前記ビート信号を周波数解析するステップと、
前記ビート信号を周波数解析した結果に基づき、前記端面反射光と前記測定光との伝搬距離の差を算出するステップと
を備える、測定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、測定装置および測定方法に関する。

【背景技術】

【0002】

共振器内に周波数シフタが設けられ、時間の経過とともに発振周波数が線形に変化する複数の縦モードレーザを出力する周波数シフト帰還レーザ（ＦＳＦＬ：Frequency Shifted Feedback Laser）が知られている。また、このような周波数シフト帰還レーザを用いた光学式の距離計が知られている（例えば、特許文献１および非特許文献１を参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特許第３５８３９０６号明細書

【非特許文献】

【0004】

【文献】原武文，「ＦＳＦレーザによる距離センシングとその応用」，オプトニューズ，Ｖｏｌ．７，Ｎｏ．３，２０１２年，ｐｐ．２５－３１

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

光学式距離計は、周波数シフト帰還レーザを参照光と測定光とに分岐させて、測定光を計測対象物に照射して反射された反射光と参照光とを混合してビート信号を発生させていた。そして、光学式距離計は、ビート信号の周波数を特定することにより、当該光学式距離計から計測対象物までの距離を測定していた。このような光学式距離計において、測定光を計測対象物に向けて出射する出射端で反射光が発生してしまうことがあった。出射端の反射光は、計測対象物で反射された測定光と同様に、参照光と混合してビート信号を発生させてしまうことがあり、光学式距離計の測定精度を低減させてしまうことがあった。

【0006】

そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、光学式距離計においてレーザ光の出射端における反射光が生じても、簡便な構成で測定精度の低減を抑制できるようにすることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の第１の態様においては、周波数変調レーザ光を出力するレーザ装置と、前記レーザ装置が出力する前記周波数変調レーザ光の一部を測定光として計測対象物に向けて照射し、前記測定光が前記計測対象物の表面で反射した反射光を受光し、前記周波数変調レーザ光の残りの一部を前記計測対象物に前記測定光を照射する端面で端面反射光として反射する光ヘッド部と、前記光ヘッド部および前記計測対象物の間に設けられており、前記光ヘッド部と前記計測対象物とを往復する光路を通過する光の偏光方向を前記端面反射光の偏光方向とは異なる方向に変化させる波長板と、前記光ヘッド部が受光した前記反射光と前記端面反射光とを受光して、前記反射光および前記端面反射光の偏光方向の差に基づいて受光した光を前記反射光と前記端面反射光とに分割する分割部と、前記分割部が分割した前記反射光と前記端面反射光とを混合してビート信号を発生させるビート信号発生部と、前記ビート信号を周波数解析する周波数解析部と、前記ビート信号を周波数解析した結果に基づき、前記端面反射光と前記測定光との伝搬距離の差を算出する算出部とを備える、測定装置を提供する。

【0008】

前記測定装置は、前記レーザ装置および前記光ヘッド部の間に設けられている偏光無依存型の分岐部を更に備え、前記分岐部は、前記レーザ装置が出力した前記周波数変調レーザ光が入力する第１ポートと、前記第１ポートから入力した前記周波数変調レーザ光を前記光ヘッド部に出力し、前記光ヘッド部が出力した前記反射光および前記端面反射光が入力する第２ポートと、前記第２ポートから入力した前記反射光および前記端面反射光を前記分割部に出力する第３ポートとを有してもよい。

【0009】

前記分岐部の前記第２ポートおよび前記光ヘッド部の間の光路と、前記分岐部の前記第３ポートおよび前記分割部の間の光路とのうち少なくとも一部は、偏光方向を保持するための屈折率構造が螺旋状に形成されている構造を有し、前記端面反射光および前記反射光を伝送するスパイラル構造型光ファイバを有してもよい。

【0010】

前記波長板は、前記反射光および前記端面反射光の偏光方向を直交させ、前記分割部は、直交する偏光方向の光を分割する偏光ビームスプリッタを有してもよい。

【0011】

前記ビート信号発生部は、前記反射光および前記端面反射光を直交検波してもよい。

【0012】

本発明の第２の態様においては、計測対象物までの距離を測定する測定装置の測定方法であって、周波数変調レーザ光を出力するステップと、前記周波数変調レーザ光の一部を測定光として計測対象物に向けて波長板を通過させてから照射し、前記周波数変調レーザ光の残りの一部を前記計測対象物に前記測定光を照射する端面で端面反射光として反射するステップと、前記測定光が前記計測対象物の表面で反射した反射光を、前記波長板を通過させてから受光するステップと、受光した前記反射光と前記端面反射光とを受光して、前記反射光および前記端面反射光の偏光方向の差に基づいて受光した光を前記反射光と前記端面反射光とに分割するステップと、分割した前記反射光と前記端面反射光とを混合してビート信号を発生させるステップと、前記ビート信号を周波数解析するステップと、前記ビート信号を周波数解析した結果に基づき、前記端面反射光と前記測定光との伝搬距離の差を算出するステップとを備える、測定方法を提供する。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、光学式距離計においてレーザ光の出射端における反射光が生じても、簡便な構成で測定精度の低減を抑制できるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本実施形態に係る測定装置１００の構成例を計測対象物１０と共に示す。

【図2】図１に示す測定装置１００の周波数解析部１６０が、ビート信号発生部１５０が発生させたビート信号を周波数変換した周波数信号の一例を示す。

【図3】本実施形態に係る測定装置３００の構成例を計測対象物１０と共に示す。

【図4】図３に示す測定装置３００の周波数解析部１６０が、ビート信号発生部１５０が発生させたビート信号を周波数変換した周波数信号の一例を示す。

【図5】本実施形態に係るレーザ装置１１０の構成例を示す。

【図6】本実施形態に係るレーザ装置１１０が出力するレーザ光の一例を示す。

【図7】本実施形態に係る測定装置３００が検出するビート信号の周波数と、光ヘッド部１４０および計測対象物１０の間の距離ｄとの関係の一例を示す。

【図8】本実施形態に係るビート信号発生部１５０および周波数解析部１６０の構成例を示す。

【図9】本実施形態に係るビート信号発生部１５０および周波数解析部１６０の直交検波の概略の一例を示す。

【図10】本実施形態に係る測定装置３００の変形例を計測対象物１０と共に示す。

【発明を実施するための形態】

【0015】

［測定装置１００の構成例］
図１は、本実施形態に係る測定装置１００の構成例を計測対象物１０と共に示す図である。測定装置１００は、当該測定装置１００および計測対象物１０の間の距離を光学的に測定する。また、測定装置１００は、計測対象物１０に照射するレーザ光の位置を走査して、計測対象物１０の三次元的な形状を計測してもよい。測定装置１００は、レーザ装置１１０と、光カプラ１２０と、光サーキュレータ１３０と、光ヘッド部１４０と、ビート信号発生部１５０と、周波数解析部１６０と、算出部１７０と、表示部１８０と、記憶部１９０とを備える。

【0016】

レーザ装置１１０は、レーザ共振器を有し、複数のモードの周波数変調レーザ光を出力する。レーザ装置１１０は、共振器内に周波数シフタが設けられ、時間の経過とともに発振周波数が線形に変化する複数の縦モードレーザを出力する。レーザ装置１１０は、一例として、周波数シフト帰還レーザである。周波数シフト帰還レーザについては後述する。

【0017】

光カプラ１２０は、レーザ装置１１０が出力する周波数変調レーザ光を分岐させて、一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光とする。光カプラ１２０は、一例として、１入力２出力の光ファイバ型の光カプラである。図１の例において、光カプラ１２０は、測定光を光サーキュレータ１３０に供給し、参照光をビート信号発生部１５０に供給する。

【0018】

光サーキュレータ１３０は、複数の入出力ポートを有する。光サーキュレータ１３０は、例えば、一のポートに入力した光を次のポートから出力させ、当該次のポートから入力する光を更に次のポートから出力させる。図１は、光サーキュレータ１３０が３つの入出力ポートを有する例を示す。この場合、光サーキュレータ１３０は、光カプラ１２０から供給される測定光を光ヘッド部１４０に出力する。また、光サーキュレータ１３０は、光ヘッド部１４０から入力する光をビート信号発生部１５０へと出力する。

【0019】

光ヘッド部１４０は、光サーキュレータ１３０から入力する光を計測対象物１０に向けて照射する。光ヘッド部１４０は、一例として、コリメータレンズを有する。この場合、光ヘッド部１４０は、光ファイバを介して光サーキュレータ１３０から入力する光をコリメータレンズでビーム状に調節してから出力する。

【0020】

また、光ヘッド部１４０は、計測対象物１０に照射した測定光の反射光を受光する。光ヘッド部１４０は、受光した反射光をコリメータレンズで光ファイバに集光して光サーキュレータ１３０に供給する。この場合、光ヘッド部１４０は、共通の１つのコリメータレンズを有し、当該コリメータレンズで、測定光を計測対象物１０に照射し、また、計測対象物１０からの反射光を受光してよい。なお、光ヘッド部１４０および計測対象物１０の間の距離をｄとする。

【0021】

これに代えて、光ヘッド部１４０は、集光レンズを有してもよい。この場合、光ヘッド部１４０は、光ファイバを介して光サーキュレータ１３０から入力する光を計測対象物１０の表面に集光する。そして、光ヘッド部１４０は、計測対象物１０の表面で反射した反射光の少なくとも一部を受光する。光ヘッド部１４０は、受光した反射光を集光レンズで光ファイバに集光して光サーキュレータ１３０に供給する。この場合においても、光ヘッド部１４０は、共通の１つの集光レンズを有し、当該集光レンズで、測定光を計測対象物１０に照射し、また、計測対象物１０からの反射光を受光してよい。

【0022】

ビート信号発生部１５０は、測定光を計測対象物１０に照射して反射された反射光を光サーキュレータ１３０から受けとる。また、ビート信号発生部１５０は、光カプラ１２０から参照光を受けとる。ビート信号発生部１５０は、反射光および参照光を混合してビート信号を発生させる。ビート信号発生部１５０は、例えば、光電変換素子を有し、ビート信号を電気信号に変換して出力する。

【0023】

ここで、反射光は、光ヘッド部１４０から計測対象物１０までの距離を往復しているので、参照光と比較して少なくとも距離２ｄに応じた伝搬距離の差が生じることになる。レーザ装置１１０が出力する光は、時間の経過とともに発振周波数が線形に変化するので、参照光および反射光の発振周波数は、当該伝搬距離の差に対応する伝搬遅延に応じた周波数差が生じる。ビート信号発生部１５０は、このような周波数差に対応するビート信号を発生させる。

【0024】

周波数解析部１６０は、ビート信号発生部１５０が発生させたビート信号を周波数解析する。周波数解析部１６０は、例えば、ビート信号をデジタル信号に変換し、変換したデジタル信号を周波数信号に周波数変換する。そして、周波数解析部１６０は、周波数変換した周波数信号を解析してビート信号の周波数を検出する。

【0025】

算出部１７０は、周波数解析部１６０がビート信号を周波数解析した結果に基づき、参照光と測定光との伝搬距離の差を検出する。算出部１７０は、ビート信号の周波数に基づき、光ヘッド部１４０から計測対象物１０までの距離ｄを算出する。周波数解析部１６０および算出部１７０の少なくとも一部は、集積回路等で構成されていることが望ましい。周波数解析部１６０および算出部１７０の少なくとも一部は、例えば、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、および／またはＣＰＵ（Central Processing Unit）を含む。

【0026】

表示部１８０は、算出部１７０の算出結果を表示する。表示部１８０は、ディスプレイ等を有し、算出結果を表示してよい。また、表示部１８０は、記憶部１９０等に算出結果を記憶させてもよい。表示部１８０は、ネットワーク等を介して外部に算出結果を供給してもよい。

【0027】

記憶部１９０は、周波数解析部１６０および算出部１７０が動作の過程で生成する、または動作の過程で利用する、中間データ、算出結果、設定値、閾値、およびパラメータ等を記憶してもよい。記憶部１９０は、測定装置１００内の各部の要求に応じて、記憶したデータを要求元に供給してもよい。

【0028】

記憶部１９０は、ＣＰＵ等が周波数解析部１６０および算出部１７０の少なくとも一部として動作する場合、周波数解析部１６０および算出部１７０として機能するＯＳ（Operating System）、およびプログラムの情報を格納してもよい。また、記憶部１９０は、当該プログラムの実行時に参照されるデータベースを含む種々の情報を格納してもよい。例えば、コンピュータは、記憶部１９０に記憶されたプログラムを実行することによって、周波数解析部１６０および算出部１７０として機能する。

【0029】

記憶部１９０は、例えば、コンピュータ等のＢＩＯＳ（Basic Input Output System）等を格納するＲＯＭ（Read Only Memory）、および作業領域となるＲＡＭ（Random Access Memory）を含む。また、記憶部１９０は、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）および／またはＳＳＤ（Solid State Drive）等の大容量記憶装置を含んでもよい。また、コンピュータは、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等を更に備えてもよい。

【0030】

以上の測定装置１００は、計測対象物１０に照射した測定光の反射光と、参照光との間の周波数差を解析することにより、測定装置１００および計測対象物１０の間の距離ｄを測定可能とする。即ち、測定装置１００は、非接触および非破壊の光学式距離計を構成できる。

【0031】

［端面反射光の影響］
以上の測定装置１００は、光ヘッド部１４０から計測対象物１０に向けて測定光を照射するが、光ヘッド部１４０の測定光を出射する出射端面で反射光が発生してしまうことがある。例えば、測定光を光ファイバから出射している場合、当該ファイバの端面で反射光が生じることがある。また、光ヘッド部１４０がコリメータレンズ、集光レンズ等の光学レンズを用いて測定光を出射している場合、光学レンズの表面で反射光が生じることがある。本実施形態において、このような反射光を端面反射光とする。

【0032】

端面反射光は、測定光が計測対象物１０に照射して反射された測定光と同様に、参照光と混合してビート信号を発生させてしまうことがある。この場合、ビート信号発生部１５０は、測定光および参照光によるビート信号と、端面反射光および参照光によるビート信号との異なる種類の２つのビート信号を発生させることになる。

【0033】

図２は、図１に示す測定装置１００の周波数解析部１６０が、ビート信号発生部１５０が発生させたビート信号を周波数変換した周波数信号の一例を示す。図２は、端面反射光により、ビート信号発生部１５０が２つのビート信号を発生させた例を示す。図２において、横軸が周波数、縦軸が信号レベルを示す。

【0034】

図２に示す周波数信号には、計測対象物１０で反射した測定光に基づくビート信号の周波数スペクトルに、端面反射光に基づくビート信号の周波数スペクトルが重畳している。例えば、測定光に基づくビート信号のピーク周波数をν、端面反射光に基づくビート信号のピーク周波数をν’とする。このように、周波数信号には、端面反射光が発生していることにより、２つの周波数スペクトルが重畳することになる。

【0035】

周波数解析部１６０がこのような周波数信号を解析すると、２つのビート信号のうち、端面反射光に基づくビート信号を解析すべきビート信号として処理してしまうことがある。この場合、算出部１７０が算出する距離は、端面反射光に基づくビート信号の周波数ν’に基づく距離となり、光ヘッド部１４０から計測対象物１０までの距離ｄとは異なってしまう。

【0036】

また、例えば、図２に示すような周波数領域において、２つの周波数スペクトルのピークが分離できない程度に２つのビート信号の周波数が近接してしまうことがある。この場合、周波数解析部１６０がこのようなビート信号を解析しても、測定光に基づくビート信号の周波数νを精度よく出力することができなくなってしまう。

【0037】

そこで、本実施形態に係る測定装置３００は、レーザ光の出射端において端面反射光が発生しても、簡便な構成で測定精度の低減を抑制できるようにする。このような測定装置３００について、次に説明する。

【0038】

［測定装置３００の構成例］
図３は、本実施形態に係る測定装置３００の構成例を計測対象物１０と共に示す。測定装置３００は、端面反射光を参照光として用い、端面反射光に基づくビート信号を解析すべきビート信号にすることで、異なる種類のビート信号が複数発生して測定精度が低減することを抑制する。測定装置３００は、レーザ装置１１０と、光ヘッド部１４０と、ビート信号発生部１５０と、周波数解析部１６０と、算出部１７０と、表示部１８０と、記憶部１９０と、波長板３１０と、分岐部３２０と、分割部３３０とを備える。図３に示す測定装置３００において、図１に示された本実施形態に係る測定装置１００の動作と同様のものには同一の符号を付け、重複する説明を省略する。

【0039】

レーザ装置１１０は、偏光方向が一方向となる偏向光の周波数変調レーザ光を出力する。これに代えて、偏光子を介してレーザ装置１１０から周波数変調レーザ光を出力することで、偏向光の周波数変調レーザ光を出力させてもよい。一例として、周波数変調レーザ光の偏光方向を光軸に垂直な面のＸ方向とする。

【0040】

光ヘッド部１４０は、レーザ装置１１０が出力する周波数変調レーザ光を測定光として受け取る。そして、光ヘッド部１４０は、受け取った周波数変調レーザ光の一部を測定光として計測対象物１０に向けて照射し、測定光が計測対象物１０の表面で反射した反射光を受光する。光ヘッド部１４０が測定光を計測対象物１０へ照射して反射光を受光する動作は、図１に示す測定装置１００と同様なので、ここでは説明を省略する。

【0041】

また、光ヘッド部１４０は、周波数変調レーザ光の残りの一部を計測対象物１０に測定光を照射する端面で端面反射光として反射する。本実施形態の測定装置３００は、このように測定光の出射端で発生する端面反射光を、図１で説明した測定装置１００の参照光として利用する。したがって、測定装置３００は、周波数変調レーザ光から参照光を分岐させるための光カプラ１２０を省くことができる。なお、端面反射光の偏光方向は、レーザ装置１１０が出力する周波数変調レーザ光の偏光方向と略同一のＸ方向である。

【0042】

波長板３１０は、光ヘッド部１４０および計測対象物１０の間に設けられており、光ヘッド部１４０と計測対象物１０とを往復する光路を通過する光の偏光方向を端面反射光の偏光方向とは異なる方向に変化させる。例えば、波長板３１０は、測定光の反射光および端面反射光の偏光方向を直交させる。なお、本実施形態において、計測対象物１０で反射された測定光を、反射光または測定光と呼ぶ。

【0043】

波長板３１０は、一例として、１／４波長板であり、光ヘッド部１４０から計測対象物１０に照射される測定光が通過し、また、計測対象物１０で反射されて光ヘッド部１４０に入射する反射光が通過する。これにより、光ヘッド部１４０が受光した反射光は、光ヘッド部１４０から照射されてから波長板３１０を２回通過することになり、偏光方向が９０度回転する。例えば、反射光の偏光方向は、光軸に垂直な面においてＸ方向に直交するＹ方向である。

【0044】

なお、光ヘッド部１４０から計測対象物１０までの光路と計測対象物１０から光ヘッド部１４０に戻る光路とが異なるように、光ヘッド部１４０は、計測対象物１０に向かう垂直方向に対して角度を有して測定光を照射してもよい。このような光学系の場合、波長板３１０は、光ヘッド部１４０から計測対象物１０までの光路と計測対象物１０から光ヘッド部１４０に戻る光路とのいずれか一方に設けられていてもよい。この場合、光ヘッド部１４０が受光した反射光は、光ヘッド部１４０から照射されてから波長板３１０を１回通過することになるので、波長板３１０は、１／２波長板でよい。

【0045】

分岐部３２０は、レーザ装置１１０および光ヘッド部１４０の間に設けられており、周波数変調レーザ、反射光、および端面反射光を各部に伝播させる。分岐部３２０は、例えば、偏光無依存型の光サーキュレータである。この場合、分岐部３２０の機能は、図１で説明した光サーキュレータ１３０と同様の機能を有する。一例として、分岐部３２０は、第１ポート３２１、第２ポート３２２、および第３ポート３２３を有する。

【0046】

第１ポート３２１は、レーザ装置１１０が出力した周波数変調レーザ光が入力する。第２ポート３２２は、第１ポート３２１から入力した周波数変調レーザ光を光ヘッド部１４０に出力する。また、第２ポート３２２は、光ヘッド部１４０が出力した反射光および端面反射光が入力する。第３ポート３２３は、第２ポート３２２から入力した反射光および端面反射光を分割部３３０に出力する。

【0047】

このように、分岐部３２０は、偏光方向が直交する反射光および端面反射光を分割部３３０に供給する。ここで、反射光および端面反射光は偏光方向が直交するので、光ヘッド部１４０から分割部３３０に至る反射光および端面反射光が通過する光路において、反射光および端面反射光によるビート信号はほとんど発生しない。なお、分岐部３２０を含む光路は、通過する光の偏光方向に影響を及ぼさない程度に、より短い光路長で形成されていることが望ましい。また、分岐部３２０を含む光路は、通過する光の偏光方向に与える影響がより少ない構造を有するファイバ等で形成されていてもよい。

【0048】

例えば、分岐部３２０の第２ポート３２２および光ヘッド部１４０の間の光路と、分岐部３２０の第３ポート３２３および分割部３３０の間の光路とのうち少なくとも一部は、スパイラル構造型光ファイバを有する。スパイラル構造型光ファイバは、偏光方向を保持するための屈折率構造が螺旋状に形成されている構造を有し、端面反射光および反射光の偏光方向を保持して伝送することができるファイバの一例である。なお、偏光方向を保持するための屈折率構造は、偏波保持ファイバを構成できる構造であればよく、例えば、Ｂｏｗ－Ｔｉｅ構造が挙げられる。また、レーザ装置１１０および分岐部３２０の第１ポート３２１の間の光路の少なくとも一部は、偏波保持ファイバを有してもよい。

【0049】

分割部３３０は、光ヘッド部１４０が受光した反射光と端面反射光とを受光して、反射光および端面反射光の偏光方向の差に基づいて受光した光を反射光と端面反射光とに分割する。分割部３３０は、例えば、直交する偏光方向の光を分割する偏光ビームスプリッタである。分割部３３０は、入力した光を偏光方向がＹ方向の反射光と偏光方向がＸ方向の端面反射光との２つの光に分割して出力する。

【0050】

これに代えて、分割部３３０は、例えば、光カプラと偏光子との組み合わせで構成されていてもよい。この場合、分割部３３０は、入力した光を光カプラで２つに分岐させて、分岐させた一方の光をＹ方向の偏光方向の光を通過させる偏光子を介して出力させ、分岐させた他方の光をＸ方向の偏光方向の光を通過させる偏光子を介して出力させる。この場合でも、分割部３３０は、入力した光を偏光方向がＹ方向の反射光と偏光方向がＸ方向の端面反射光との２つの光に分割して出力できる。

【0051】

ビート信号発生部１５０は、分割部３３０が分割した反射光と端面反射光とを混合してビート信号を発生させる。ビート信号発生部１５０は、反射光および端面反射光の偏光方向を略一致させてから、反射光および端面反射光を混合してビート信号を発生させる。ビート信号発生部１５０は、例えば、分割部３３０とビート信号発生部１５０との間に、反射光および端面反射光のいずれか一方を通過させる１／２波長板１５１を有する。図３は、端面反射光の偏光方向をＹ方向にさせるように、分割部３３０とビート信号発生部１５０との間に１／２波長板１５１が設けられている例を示す。

【0052】

これにより、反射光および端面反射光の偏光方向はＹ方向となり、ビート信号発生部１５０が反射光および端面反射光を混合することでビート信号が発生する。ビート信号発生部１５０は、光カプラ等で反射光および端面反射光を混合してもよく、後述するように、光９０度ハイブリッド等で反射光および端面反射光を混合してもよい。ビート信号発生部１５０は、光電変換素子を有し、発生させたビート信号を電気信号に変換して出力する。

【0053】

周波数解析部１６０は、ビート信号発生部１５０が発生させたビート信号を周波数解析する。そして、算出部１７０は、ビート信号を周波数解析した結果に基づき、端面反射光と測定光との伝搬距離の差を算出する。ここで、伝搬距離の差は、光ヘッド部１４０において端面反射光が発生した端面から計測対象物１０において測定光が照射されて当該測定光を反射した位置までの距離である。本実施形態において、このような伝搬距離の差をｄとする。

【0054】

以上の測定装置３００は、計測対象物１０に照射した測定光の反射光と、端面反射光との間の周波数差を解析することにより、測定装置３００および計測対象物１０の間の距離ｄを測定可能とする。測定装置３００は、図１で説明した測定装置１００のように、光カプラ１２０を用いて周波数変調レーザ光の一部を参照光とすることなく、端面反射光を参照光として利用する。これにより、本実施形態に係る測定装置３００は、測定光に基づくビート信号と、端面反射光に基づくビート信号といった異なる種類のビート信号が発生して重畳することを防止できる。

【0055】

図４は、図３に示す測定装置３００の周波数解析部１６０が、ビート信号発生部１５０が発生させたビート信号を周波数変換した周波数信号の一例を示す。図４は、測定光の反射光と端面反射光とにより、ビート信号発生部１５０が１つのビート信号を発生させた例を示す。図４において、横軸が周波数、縦軸が信号レベルを示す。また、ビート信号のピーク周波数をν_Ｂとする。

【0056】

周波数解析部１６０は、図４の例のように１つのビート信号が発生している周波数信号を解析することにより、測定光に基づくビート信号の周波数ν_Ｂを出力することができる。したがって、測定装置３００は、光ヘッド部１４０から計測対象物１０までの距離ｄを簡便な構成で精度よく出力することができる。このような測定装置３００のより詳細な構成について次に説明する。なお、以下の説明において、ビート信号発生部１５０は、反射光および端面反射光を直交検波する例を説明する。

【0057】

［レーザ装置１１０の構成例］
図５は、本実施形態に係るレーザ装置１１０の構成例を示す。図５のレーザ装置１１０は、周波数シフト帰還レーザの一例を示す。レーザ装置１１０は、レーザ共振器を有し、当該レーザ共振器内でレーザ光を発振させる。レーザ装置１１０のレーザ共振器は、周波数シフタ１１２と、増幅媒体１１４と、ＷＤＭカプラ１１６と、ポンプ光源１１７、出力カプラ１１８とを含むレーザ共振器を有する。

【0058】

周波数シフタ１１２は、入力する光の周波数を略一定の周波数だけシフトする。周波数シフタ１１２は、一例として、音響光学素子を有するＡＯＦＳ（Acousto-Optic Frequency Shifter）である。ここで、周波数シフタ１１２による周波数シフト量を＋ν_ｓとする。即ち、周波数シフタ１１２は、共振器を周回する光の周波数を、１周回毎にν_ｓだけ周波数が増加するようにシフトさせる。

【0059】

増幅媒体１１４は、ポンプ光が供給され、入力光を増幅する。増幅媒体１１４は、一例として、不純物が添加された光ファイバである。不純物は、例えば、エルビウム、ネオジウム、イッテルビウム、テルビウム、ツリウム等の希土類元素である。また、増幅媒体１１４は、ＷＤＭカプラ１１６を介してポンプ光源１１７からポンプ光が供給される。出力カプラ１１８は、共振器内でレーザ発振した光の一部を外部に出力する。

【0060】

即ち、図５に示すレーザ装置１１０は、共振器内に周波数シフタ１１２を有するファイバリングレーザを構成する。レーザ装置１１０は、共振器内にアイソレータを更に有することが望ましい。また、レーザ装置１１０は、予め定められた波長帯域の光を通過させる光バンドパスフィルタを共振器内に有してもよい。このようなレーザ装置１１０が出力するレーザ光の周波数特性について次に説明する。

【0061】

図６は、本実施形態に係るレーザ装置１１０が出力するレーザ光の一例を示す。図６は、時刻ｔ_０においてレーザ装置１１０が出力するレーザ光の光スペクトルを左側に示す。当該光スペクトルにおいては、横軸が光強度、縦軸が光の周波数を示す。また、光スペクトルの複数の縦モードを番号ｑで示す。複数の縦モードの周波数は、略一定の周波数間隔で並ぶ。ここで、光が共振器を１周する時間をτ_ＲＴ（＝１／ν_Ｃ）とすると、複数の縦モードは、次式のように１／τ_ＲＴ（＝ν_Ｃ）間隔で並ぶことになる。なお、ν_０は、時刻ｔ_０における光スペクトルの初期周波数とする。また、ν_Ｃは、レーザ共振器の共振周波数ν_ｃである。

【数1】

【0062】

図６は、レーザ装置１１０が出力する複数の縦モードの時間経過にともなう周波数の変化を右側に示す。図６の右側においては、横軸が時間、縦軸が周波数を示す。即ち、図６は、レーザ装置１１０が出力するレーザ光の周波数の時間的な変化を右側に示し、当該レーザ光の時刻ｔ_０における瞬時周波数を左側に示したものである。

【0063】

レーザ装置１１０は、共振器内の光が共振器を１周する毎に、周波数シフタ１１２が周回する光の周波数をν_ｓだけ増加させる。即ち、時間がτ_ＲＴ経過する毎に、各モードの周波数はν_ｓだけ増加するので、周波数の時間変化ｄν／ｄｔは、ν_ｓ／τ_ＲＴと略等しくなる。したがって、（数１）式で示した複数の縦モードは、時間ｔの経過に伴って、次式のように変化する。

【数2】

【0064】

［距離測定処理の詳細］
本実施形態に係る測定装置３００は、（数２）式で示すような周波数成分を出力するレーザ装置１１０を用いて、光ヘッド部１４０および計測対象物１０の間の距離ｄを測定する。ここで、反射光および端面反射光の間の光路差が、距離ｄを往復した距離２ｄだけであり、距離２ｄに対応する伝搬遅延をΔｔとする。即ち、時刻ｔにおいて、測定光が計測対象物１０から反射して戻ってきた場合、戻ってきた反射光は、時刻ｔよりも時間Δｔだけ過去の周波数と略一致するので、次式で示すことができる。

【数3】

【0065】

一方、時刻ｔにおける端面反射光は、（数２）式と同様に次式で示すことができる。ここで、端面反射光をν_ｑ’（ｔ）とした。

【数4】

【0066】

ビート信号発生部１５０は、このような反射光および端面反射光を重畳させるので、（数３）式の複数の縦モードと（数４）式で示す複数の縦モードとの間の複数のビート信号が発生することになる。このようなビート信号の周波数をν_Ｂ（ｍ，ｄ）とすると、ν_Ｂ（ｍ，ｄ）は、（数３）式および（数４）式より次式で示すことができる。なお、ｍを縦モード番号の間隔（＝ｑ－ｑ’）とし、Δｔ＝２ｄ／ｃとした。

【数5】

【0067】

（数５）式より、距離ｄは、次式のように示される。ここで、１／τ_ＲＴ＝ν_Ｃとした。

【数6】

【0068】

（数６）式より、縦モード番号の間隔ｍを判別すれば、ビート信号の周波数観測結果から距離ｄを算出できることがわかる。なお、間隔ｍは、レーザ装置１１０の周波数シフト量ν_ｓを変化させた場合のビート信号の変化を検出することで、判別することができる。このような間隔ｍの判別方法は、特許文献１等に記載されているように既知であるから、ここでは詳細な説明を省略する。

【0069】

観測されるビート信号は常に正の周波数であるから、計算上、負の周波数側に発生するビート信号は、正側に折り返され、イメージ信号として観測される。このようなイメージ信号の発生について、次に説明する。

【0070】

図７は、本実施形態に係る測定装置３００が検出するビート信号の周波数と、光ヘッド部１４０および計測対象物１０の間の距離ｄとの関係の一例を示す。図７の横軸は距離ｄを示し、縦軸はビート信号の周波数ν_Ｂ（ｍ，ｄ）を示す。図７の実線で示す複数の直線は、（数６）式に示したように、距離ｄに対するビート信号の周波数ν_Ｂ（ｍ，ｄ）の関係を、複数のｍ毎に示したグラフである。

【0071】

図７のように、ｍの値に応じた複数のビート信号が発生する。しかしながら、反射光および端面反射光のそれぞれに含まれる複数の縦モードは、略一定の周波数間隔ν_Ｃで並ぶので、ｍの値が等しい複数のビート信号は周波数軸上では略同一の周波数に重畳されることになる。例えば、周波数０からν_Ｃの間の周波数帯域を観測した場合、複数のビート信号は略同一の周波数に重畳されて、１本の線スペクトルとして観測される。

【0072】

これに加えて、０よりも小さい負の領域のビート信号の周波数ν_Ｂ（ｍ，ｄ）は、周波数の絶対値がイメージ信号として更に観測される。即ち、図７の縦軸が０よりも小さい領域のグラフは、周波数０を境界として折り返される。図７は、折り返されたイメージ信号を、複数の点線で示す。折り返された複数のイメージ信号は、正負が反転するだけなので、観測される周波数軸上では折り返される前の周波数の絶対値と同一の周波数に重畳される。例えば、周波数０からν_Ｃの間の周波数帯域を観測した場合、このようなビート信号およびイメージ信号は、周波数がそれぞれν_Ｃ／２にならない限り、それぞれ異なる周波数に位置する。

【0073】

このように、周波数０からν_Ｃの間の観測帯域においては、ビート信号ν_Ｂ（ｍ，ｄ）と、ビート信号ν_Ｂ（ｍ，ｄ）とはｍの値が異なるイメージ信号ν_Ｂ（ｍ’，ｄ）の２本の線スペクトルが発生する。ここで、一例として、ｍ’＝ｍ＋１である。この場合、ビート信号発生部１５０が直交検波を用いることで、このようなイメージ信号をキャンセルできる。そこで直交検波を用いたビート信号発生部１５０および周波数解析部１６０について、次に説明する。

【0074】

図８は、本実施形態に係るビート信号発生部１５０および周波数解析部１６０の構成例を示す。ビート信号発生部１５０は、反射光および端面反射光を直交検波する。ビート信号発生部１５０は、光９０度ハイブリッド１５２と、第１光電変換部１５４と、第２光電変換部１５６とを有する。なお、ビート信号発生部１５０には、偏光方向が略一致する反射光および端面反射光が入力するものとする。

【0075】

光９０度ハイブリッド１５２は、入力する反射光および端面反射光をそれぞれ２つに分岐させる。光９０度ハイブリッド１５２は、分岐した一方の反射光と、分岐した一方の端面反射光とを光カプラ等で合波して第１ビート信号を発生させる。また、光９０度ハイブリッド１５２は、分岐した他方の反射光と、分岐した他方の端面反射光とを光カプラ等で合波して第２ビート信号を発生させる。ここで、光９０度ハイブリッド１５２は、分岐した２つの端面反射光の間に９０度の位相差を生じさせてから、ビート信号を発生させる。光９０度ハイブリッド１５２は、例えば、分岐した２つの端面反射光のうちいずれか一方に、π／２波長板を介してから反射光とそれぞれ合波させる。

【0076】

第１光電変換部１５４および第２光電変換部１５６は、合波した反射光および端面反射光を受光して電気信号に変換する。第１光電変換部１５４および第２光電変換部１５６のそれぞれは、フォトダイオード等でよい。第１光電変換部１５４および第２光電変換部１５６のそれぞれは、一例として、バランス型フォトダイオードである。図８において、第１光電変換部１５４が第１ビート信号を発生させ、第２光電変換部１５６が第２ビート信号を発生させるものとする。以上のように、ビート信号発生部１５０は、位相を９０度異ならせた２つの端面反射光と反射光とをそれぞれ合波させて直交検波し、２つのビート信号を周波数解析部１６０に出力する。

【0077】

周波数解析部１６０は、２つのビート信号を周波数解析する。ここでは、周波数解析部１６０が、第１ビート信号をＩ信号とし、第２ビート信号をＱ信号として周波数解析する例を説明する。周波数解析部１６０は、第１フィルタ部１６２、第２フィルタ部１６４、第１ＡＤ変換器２０２、第２ＡＤ変換器２０４、クロック信号供給部２１０、および信号処理部２２０を有する。

【0078】

第１フィルタ部１６２および第２フィルタ部１６４は、ユーザ等が周波数解析したい周波数帯域とは異なる周波数帯域の信号成分を低減させる。ここで、ユーザ等が周波数解析したい周波数帯域を０からν_Ｃとする。第１フィルタ部１６２および第２フィルタ部１６４は、例えば、周波数ν_Ｃ以下の信号成分を通過させるローパスフィルタである。この場合、第１フィルタ部１６２は、周波数ν_Ｃよりも高い周波数の信号成分を低減させた第１ビート信号を第１ＡＤ変換器２０２に供給する。また、第２フィルタ部１６４は、周波数ν_Ｃよりも高い周波数の信号成分を低減させた第２ビート信号を第２ＡＤ変換器２０４に供給する。

【0079】

第１ＡＤ変換器２０２および第２ＡＤ変換器２０４は、入力するアナログ信号をデジタル信号に変換する。例えば、第１ＡＤ変換器２０２は第１ビート信号をデジタル信号に変換し、第２ＡＤ変換器２０４は第２ビート信号をデジタル信号に変換する。クロック信号供給部２１０は、第１ＡＤ変換器２０２および第２ＡＤ変換器２０４にクロック信号を供給する。これにより、第１ＡＤ変換器２０２および第２ＡＤ変換器２０４は、受け取ったクロック信号のクロック周波数と略同一のサンプリングレートでアナログ信号をデジタル信号に変換する。

【0080】

ここで、観測帯域を０からν_Ｃとすると、ビート信号の周波数は、最大でもレーザ共振器の共振器周波数ν_Ｃである。したがって、クロック信号供給部２１０が、レーザ共振器の共振器周波数ν_Ｃの２倍以上の周波数のクロック信号を、第１ＡＤ変換器２０２および第２ＡＤ変換器２０４に供給することで、ビート信号を観測することができる。

【0081】

信号処理部２２０は、第１ビート信号および第２ビート信号を周波数データに変換する。信号処理部２２０は、一例として、第１ビート信号および第２ビート信号をそれぞれデジタルフーリエ変換（ＤＦＴ）する。信号処理部２２０は、周波数データに変換した第１ビート信号を実部、周波数データに変換した第２ビート信号を虚部として加算し、イメージ信号を相殺する。なお、周波数解析部１６０は、ビート信号がデジタル信号に変換された後は、集積回路等で信号処理部２２０を構成してよい。以上のビート信号発生部１５０における直交検波と周波数解析部１６０における周波数解析について、次に述べる。

【0082】

図９は、本実施形態に係るビート信号発生部１５０および周波数解析部１６０の直交検波の概略の一例を示す。図９の横軸はビート信号の周波数、縦軸は信号強度を示す。図９は、Ｉ信号およびＱ信号のいずれか一方の周波数スペクトルを示す。Ｉ信号およびＱ信号のいずれの周波数スペクトルも、図９の上側に示すように、略同一のスペクトル形状となる。Ｉ信号およびＱ信号は、例えば、周波数０からν_Ｃの間の周波数帯域に、ビート信号ν_Ｂ（ｍ，ｄ）およびイメージ信号ν_Ｂ（ｍ＋１，ｄ）が観測される。この場合、Ｉ信号およびＱ信号は、負側の周波数０から－ν_Ｃの間の周波数帯域に、ビート信号－ν_Ｂ（ｍ，ｄ）およびイメージ信号の元のビート信号－ν_Ｂ（ｍ＋１，ｄ）が存在する。

【0083】

ここで、Ｉ信号およびＱ信号は、ビート信号発生部１５０が直交検波した信号成分なので、スペクトル形状が同一であっても、異なる位相情報を含む。例えば、正側の周波数０からν_Ｃの間の周波数帯域において、Ｉ信号のイメージ信号ν_Ｂ（ｍ＋１，ｄ）とＱ信号のイメージ信号ν_Ｂ（ｍ＋１，ｄ）とは、互いに位相が反転する。同様に、負側の周波数０から－ν_Ｃの間の周波数帯域において、Ｉ信号のビート信号－ν_Ｂ（ｍ，ｄ）とＱ信号のビート信号－ν_Ｂ（ｍ，ｄ）とは、互いに位相が反転する。

【0084】

したがって、図９の下側に示すように、信号処理部２２０がＩ信号およびＱ信号を用いてＩ＋ｊＱを算出すると、周波数０からν_Ｃの間の周波数帯域において、周波数ν_Ｂ（ｍ，ｄ）のビート信号が強め合い、周波数ν_Ｂ（ｍ＋１，ｄ）のイメージ信号が相殺される。同様に、周波数０から－ν_Ｃの間の周波数帯域において、周波数－ν_Ｂ（ｍ＋１，ｄ）のビート信号が強め合い、周波数－ν_Ｂ（ｍ，ｄ）のビート信号が相殺される。

【0085】

このような信号処理部２２０の周波数解析結果により、周波数０からν_Ｃの間の周波数帯域には１つのビート信号が周波数ν_Ｂ（ｍ，ｄ）に観測されることになる。測定装置１００は、このようにして、イメージ信号をキャンセルできるので、ビート信号の周波数ν_Ｂ（ｍ，ｄ）を検出することができる。例えば、信号処理部２２０は、変換した周波数信号の信号強度が最も高くなる周波数をビート信号の周波数ν_Ｂ（ｍ，ｄ）として出力する。

【0086】

ここで、測定装置１００が測定する距離ｄは、（数６）式で示されている。（数６）式より、ν_Ｃ、ν_ｓ、およびν_Ｂ（ｍ，ｄ）の３つの周波数を用いることで、距離ｄが算出できることがわかる。３つの周波数のうち、ν_Ｂ（ｍ，ｄ）は、以上のように、検出できることがわかる。また、ν_Ｃおよびν_ｓは、レーザ装置１１０の部材によって定まる周波数なので、固定値として取り扱うことができる。したがって、算出部１７０は、周波数解析部１６０が検出したビート信号の周波数ν_Ｂ（ｍ，ｄ）と、予め定められたν_Ｃおよびν_ｓを用いて、距離ｄを算出する。以上のように、測定装置１００は、光ヘッド部１４０から計測対象物１０までの距離ｄを測定することができる。

【0087】

以上の本実施形態に係る測定装置３００は、光ヘッド部１４０の測定光の出射端面で反射した端面反射光を参照光として利用することを説明した。ここで、光ヘッド部１４０の測定光の出射端面は、閾値以上の光強度の端面反射光が発生するように、加工されていてもよい。例えば、光ヘッド部１４０が光ファイバで測定光を出射する場合、光ファイバの出射端面は８度よりも小さい角度で研磨されていることが望ましい。一例として、光ファイバの出射端面は０度研磨（フラット研磨）である。

【0088】

また、光ヘッド部１４０が光学レンズで測定光を出射する場合、光学レンズの表面には入射する光の一部を反射するように多層膜等がコーティングされていてもよい。これにより、光ヘッド部１４０は、予め定められた光強度範囲の端面反射光を発生させて、計測対象物１０からの反射光が入力した場合に、ビート信号発生部１５０からビート信号をより確実に発生させることができる。

【0089】

以上の本実施形態に係る測定装置３００は、分岐部３２０が光サーキュレータである例を説明したが、これに限定されることはない。分岐部３２０は、例えば、光カプラであってもよい。分岐部３２０として光カプラを用いた例を図１１に示す。

【0090】

図１０は、本実施形態に係る測定装置３００の変形例を計測対象物１０と共に示す。図１０に示す測定装置３００において、図３に示された本実施形態に係る測定装置３００の動作と同様のものには同一の符号を付け、重複する説明を省略する。図１０は、分岐部３２０が少なくとも３つのポートを有する光カプラの例を示す。光カプラの３つのポートを第１ポート３２１、第２ポート３２２、および第３ポート３２３とする。光カプラは、例えば、第２ポート３２２から入力した光を第１ポート３２１および第３ポート３２３の２つのポートに１：１に分岐させて出力する１：１カプラである。

【0091】

第１ポート３２１は、レーザ装置１１０が出力した周波数変調レーザ光が入力する。第２ポート３２２は、第１ポート３２１から入力した周波数変調レーザ光の一部を光ヘッド部１４０に出力する。また、第２ポート３２２は、光ヘッド部１４０が出力した反射光および端面反射光が入力する。第３ポート３２３は、第２ポート３２２から入力した反射光および端面反射光の一部を分割部３３０に出力する。このように、光カプラは、偏光方向が直交する反射光および端面反射光を分割部３３０に供給する分岐部３２０として機能できる。

【0092】

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、装置の全部又は一部は、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。また、複数の実施の形態の任意の組み合わせによって生じる新たな実施の形態も、本発明の実施の形態に含まれる。組み合わせによって生じる新たな実施の形態の効果は、もとの実施の形態の効果を併せ持つ。

【符号の説明】

【0093】

１０ 計測対象物
１００ 測定装置
１１０ レーザ装置
１１２ 周波数シフタ
１１４ 増幅媒体
１１６ ＷＤＭカプラ
１１７ ポンプ光源
１１８ 出力カプラ
１２０ 光カプラ
１３０ 光サーキュレータ
１４０ 光ヘッド部
１５０ ビート信号発生部
１５１ １／２波長板
１５２ 光９０度ハイブリッド
１５４ 第１光電変換部
１５６ 第２光電変換部
１６０ 周波数解析部
１６２ 第１フィルタ部
１６４ 第２フィルタ部
１７０ 算出部
１８０ 表示部
１９０ 記憶部
２０２ 第１ＡＤ変換器
２０４ 第２ＡＤ変換器
２１０ クロック信号供給部
２２０ 信号処理部
３００ 測定装置
３１０ 波長板
３２０ 分岐部
３３０ 分割部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】