特許 7624738 光学式距離計及びその評価方法

(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】2025-01-23

(45)【発行日】2025-01-31

(54)【発明の名称】光学式距離計及びその評価方法

(51)【国際特許分類】

   G01C 3/06 20060101AFI20250124BHJP

【ＦＩ】

G01C3/06 120Q

【請求項の数】 13

(21)【出願番号】P 2022163601

(22)【出願日】2022-10-11

(65)【公開番号】P2024056589

(43)【公開日】2024-04-23

【審査請求日】2023-08-02

(73)【特許権者】

【識別番号】503249810

【氏名又は名称】株式会社ＯｐｔｏＣｏｍｂ

(74)【代理人】

【識別番号】100067736

【弁理士】

【氏名又は名称】小池 晃

(74)【代理人】

【識別番号】100192212

【弁理士】

【氏名又は名称】河野 貴明

(74)【代理人】

【識別番号】100200001

【弁理士】

【氏名又は名称】北原 明彦

(72)【発明者】

【氏名】興梠 元伸

(72)【発明者】

【氏名】今井 一宏

【審査官】國田 正久

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１２－０１３５７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２１－１１０６９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－２６４１７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５３－１０６０７１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｃ ３／０６

Ｇ０１Ｓ １７／３２

Ｇ０１Ｂ ９／０２００１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

強度又は位相が周期的に変調された光を測定光として測定対象物に照射する反射光学系からなる投光部と、
上記投光部を介して上記測定対象物に照射された測定光のうち上記測定対象物により反射された光を強度又は位相が周期的に変調された参照光と重ね合わせる干渉光学系と、
上記投光部から出射される測定光で測定対象物を走査する反射型走査光学系と、
上記干渉光学系により得られる上記測定対象物により反射されて上記反射型走査光学系を介して戻ってきた上記測定光と上記参照光との干渉光を受光する受光部と、
上記受光部による上記干渉光の検出出力として得られる干渉信号である測定信号が入力され、上記測定信号と、測定光または参照光を生成する信号または測定光または参照光によって生成される信号である参照信号との相対関係に基づいて解析することにより、上記測定対象物までの距離を算出し、上記測定対象物の複数の点までの絶対距離を計測して立体像を得る信号処理部と
を備え、
上記干渉光学系は、上記測定対象物により反射されて上記反射型走査光学系を介して戻ってきた上記測定光と上記参照光との干渉光を上記受光部に入射させることを特徴とする光学式距離計。

【請求項2】

上記反射光学系からなる投光部は、光チョッパを介してリトロリフレクタの中心に測定光ビームを照射し、上記リトロリフレクタにより反射されて上記光チョッパを介して戻ってくる上記測定光ビームの断面で群遅延の分布を評価する評価実験系により群遅延分布が評価済であることを特徴とする請求項１に記載の光学式距離計。

【請求項3】

上記投光部に備えられる反射光学系は、光出力端からから空間に放射される変調光を平行光に変換する反射型コリメータであり、
上記光出力端は、光の発生源から空間に光を出力する部分または光の発生源から光導波路で延長された光路の終端部で空間に光を出力する部分であることを特徴とする請求項２に記載の光学式距離計。

【請求項4】

上記反射光学系として、変調光を平行光に変換する反射型コリメータを上記投光部に備えるとともに、上記干渉光学系により得られる干渉光を収束光に変換して受光素子に入射させる反射型フォーカサーを上記受光部に備えることを特徴とする請求項３に記載の光学式距離計。

【請求項5】

上記干渉光学系は、上記光源から上記投光部を介して測定光として出射される変調光を参照光と測定光とに分離し、基準光路を通過させた上記参照光と、測定光を上記測定対象物に照射し、上記測定対象物により反射されて戻ってきた上記測定光とを重ね合わせて干渉光を得ることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の光学式距離計。

【請求項6】

上記光出力端から空間に放射された変調光が分岐されて入射されるそれぞれ反射光学系からなる二つの投光部を備え、上記干渉光学系は、一方の投光部から出射される変調光を測定光として上記測定対象物に照射し、上記測定対象物により反射されて戻ってきた上記測定光と、他方の投光部から出射される変調光を参照光として重ね合わせて干渉光を得ることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の光学式距離計。

【請求項7】

上記光出力端から空間に放射された変調光が分岐されて入射されるそれぞれ反射光学系からなる二つの投光部を備え、上記干渉光学系は、一方の投光部から出射される変調光を測定光として上記測定対象物に照射し、上記測定対象物により反射されて戻ってきた上記測定光と、他方の投光部から出射され上記基準光路を通過させた変調光を参照光として重ね合わせて干渉光を得ることを特徴とする請求項５に記載に記載の光学式距離計。

【請求項8】

互いに可干渉性のある変調光を空間に放射する２台の光源と、上記２台の光源から空間に放射された変調光が入射されるそれぞれ反射光学系からなる二つの投光部を備え、上記干渉光学系は、一方の投光部から出射される変調光を測定光として上記測定対象物に照射し、上記測定対象物により反射されて戻ってきた上記測定光に、他方の投光部から出射される変調光を参照光として重ね合わせて干渉光を得ることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の光学式距離計。

【請求項9】

上記一方の投光部から測定光として出射された変調光と上記他方の投光部から参照光として出射された変調光を重ね合わせた参照干渉光を受光する参照用受光部を備え、上記干渉光学系は、上記測定対象物により反射されて戻ってきた上記測定光に、他方の投光部から出射される変調光を参照光として重ね合わせて測定干渉光を得て上記受光部に入射させるとともに、上記一方の投光部から測定光として出射された変調光と上記他方の投光部から参照光として出射された変調光を重ね合わせた参照干渉光を得て上記参照用受光部に入射させ、上記信号処理部は、上記受光部による上記測定干渉光の検出出力として得られる測定信号と上記参照用受光部による上記参照干渉光の検出出力をとして得られる参照信号との時間差から、上記測定対象物までの距離を算出することを特徴とする請求項８に記載の光学式距離計。

【請求項10】

上記参照用受光部は、上記干渉光学系により得られる参照干渉光を収束光に変換して受光素子に入射させる反射型フォーカサーを上記参照用受光部に備えることを特徴とする請求項９に記載の光学式距離計。

【請求項11】

上記２台の光源は、それぞれ周期的に強度又は位相が変調され、互いに変調周期が異なる測定光と参照光を出力する光コム光源であり、上記干渉光学系は光コム干渉計であることを特徴とする請求項９に記載の光学式距離計。

【請求項12】

上記光コム干渉計はファイバー型光コム干渉計であり、上記ファイバー型光コム干渉計を介して空間に放射される測定光を上記測定対象物に照射して、上記測定対象物により反射されて戻ってきた測定光を上記ファイバー型光コム干渉計に入射させる反射型光学系を備えることを特徴とすることを特徴とする請求項１１に記載の光学式距離計。

【請求項13】

光学式距離計の投光部から出射される測定光の群遅延分布を評価する評価方法であって、光チョッパを介してリトロリフレクタの中心に測定光ビームを照射し、上記リトロリフレクタにより反射されて上記光チョッパを介して戻ってくる上記測定光ビームの断面で群遅延の分布を評価する特徴とする評価方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、投光部から変調光を測定対象物に照射して、該測定対象物により反射されて戻ってきた上記変調光を受光部で検出することにより得られる測定信号の時間遅れから、上記測定対象物までの距離を信号処理部により算出する光学式距離計及びその評価方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来より、精密なポイントの距離計測が可能なアクティブ式距離計測方法として、レーザー光を利用する光学原理による距離計測が知られている。レーザー光を用いて対象物体までの距離を測定するレーザー距離計ではレーザー光の発射時刻と、測定対象に当たり反射してきたレーザー光を受光素子にて検出した時刻との差に基づいて、測定対象物までの距離が算出される。また、例えば、半導体レーザーの駆動電流に三角波等の変調をかけ、対象物での反射光を半導体レーザー素子の中に埋め込まれたフォトダイオードを使用して受光し、フォトダイオード出力電流に現れた鋸歯状波の主波数から距離情報を得ている。

【0003】

本件発明者等は、長い距離を高い精度でしかも短時間に測定することが可能な距離計として、図１２に示すような構成の距離計を先に提案している（例えば、特許文献１参照）。

【0004】

このレーザー距離計２００は、測定光Ｓ１を出射する第１の光源２１０と、参照光Ｓ２を出射する第２の光源２２０と、上記第１の光源２１０から出射された測定光Ｓ_１と上記第２の光源２２０から出射された参照光Ｓ_２が偏波保存コリメータ２１１，２１２を介して入射されるプリズムユニット２３０と、上記第１の光源２１０から出射された測定光Ｓ_１が上記プリズムユニット２３０を介して照射される測定面２５０及び基準面２５５と、上記第１の光源２１０から出射された測定光Ｓ１と上記第２の光源２２０から出射された参照光Ｓ_２が上記プリズムユニット２３０を介して重ね合わされて入射され、上記測定光Ｓ_１と参照光Ｓ_２との干渉光を検出する第１の光検出器２６０と、上記測定面２５０に照射された測定光の上記測定面２５０による反射光と上記基準面２５５に照射された参照光の上記基準面２５５による反射光が上記プリズムユニット２３０を介して重ね合わされて入射され、上記測定光の反射光と上記参照光の反射光との干渉光を検出する第２の光検出器２７０と、上記第１の光検出器２６０により検出された干渉信号と上記第２の光検出器２７０により検出された干渉信号の時間差に基づいて、光速と測定波長における屈折率から上記基準面２５５までの距離と上記測定面２５０までの距離の差を求める信号処理部２８０とを備える。

【0005】

このレーザー距離計２００において、上記プリズムユニット２３０は、第１の台形プリズム２３１、第１の直角プリズム２３２、第２の直角プリズム２３３、第３の直角プリズム２３４ 、第２の台形プリズム２３５、第４の直角プリズム２３６を貼り合わせて一体化した構造の干渉計用プリズムである。

【0006】

上記第１の光検出器２６０は、上記測定光Ｓ１と上記参照光Ｓ２との干渉光を検出するものであって、上記プリズムユニット２３０の第１の台形プリズム２３１に形成されているビームスプリッタ膜２４２Ａにおいて重ね合わされて二つに分岐された測定光Ｓ_１１，Ｓ_１２と参照光Ｓ_２１，Ｓ_２２との各干渉光を二個のフォトディテクタ２６１Ａ，２６１Ｂにより検出し、その差分を差動検出器２６２ により検出するようになっている。

【0007】

また、上記第２の光検出器２７０は、上記測定面２５０からの反射光Ｓ_１Ｃ’と上記基準面２５５からの反射光Ｓ_２Ｃ’の干渉光を検出するものであって、上記プリズムユニット２３０の第２の台形プリズム２３５に形成されているビームスプリッタ膜２４２Ｂにおいて重ね合わされてそれぞれ二つに分岐された反射光Ｓ_１１’，Ｓ_１２’と反射光Ｓ_２１’，Ｓ_２２’との各干渉光を二個のフォトディテクタ２７１Ａ，２７１Ｂにより検出し、その差分を差動検出器２７２により検出するようになっている。

【0008】

上記信号処理部２８０は、上記第１の光検出器２６０により上記測定光Ｓ_１と上記参照光Ｓ_２との干渉光を検出して得られる干渉信号の時間差と、上記第２の光検出器２７０ により上記測定面２５０からの反射光Ｓ_１Ｃ’と上記基準面２５５からの反射光Ｓ_２Ｃ’の干渉光を検出して得られる干渉信号の時間差に基づいて、光速と測定波長における屈折率から上記基準面２５５までの距離と上記測定面２５０までの距離の差を求める処理を行う。

【0009】

このレーザー距離計２００では、測定光Ｓ_１と参照光Ｓ_２が第１、２の光検出器２６０、２７０において各干渉光として検出されるまでにプリズムユニット２３０内で経験する光学距離の差はそれぞれ互いに等しく、上記プリズムユニット２３０の温度が変化しても、上記第１、２の光検出器２６０、２７０において検出される各干渉光の相対関係は一定であり、高精度な光干渉観測を行うことができ、第１の光検出器２６０により検出された干渉信号と第２の光検出器２７０により検出された干渉信号から信号処理部２８０により変位、距離又は分布などの計測値を求めることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【文献】特許５５８８７６９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

従来、投光部から変調光を測定対象物に照射して、該測定対象物により反射されて戻ってきた上記変調光を受光部で検出することにより得られる測定信号の時間遅れから、上記測定対象物までの距離を信号処理部により算出する光学式距離計では、光源から空間に出射される変調光を平行光に変換するコリメータや受光部で入射される変調光を収束光に変換するフォーカサーなどの光学系として光学レンズを用いる屈折光学系が採用されていた。

【0012】

本件発明者等は、光学式距離計において、伝搬するレーザー光のビームが屈折光学系を通過するとき経験する群速度光路差距離の差が光学距離測定歪にどの様に影響するかを検討した。

【0013】

具体的には、先に提案した特許文献１に係るレーザー距離計２００の偏波保存コリメータ２１１，２１２を通過するビームが経験する群速度光路差距離の差がビーム内でどのように分布しているかを検討し、それが光学距離測定歪にどの様に影響するかを検討した。

【0014】

図１３に示すように、屈折率ｎ＝１．５７１２、群屈折率ｎｇ＝１．５９０７の硝材で形成されたコリメータレンズについて、焦点位置Ａからビームが平行になる位置Ｂまでの各光線が経験する距離を位相速度と群速度で計算したところ、焦点位置Ａから測った位相速度距離と群速度距離のビーム内分布は、図１４に示すようになり、ビーム断面内で距離が分布しており、中央と比べて周辺部は距離が短い。

【0015】

すなわち、コリメータレンズを通過したビームは、位相速度距離が一定値で、図１５に示すように、平行ビーム内で等位相面平面になる。

【0016】

ここで、波長をλ、周波数をｆとすると、波数ｋはｋ＝２π／λで表され、また、角周波数ωはω＝２πｆで表され、１つの波の位相の等しい点が伝わる速度である位相速度ｖ_ｐはｖ_ｐ＝ω／ｋで表され、二つの波の位相差の等しい点が伝わる速度である群速度ｖ_ｇはｖ_ｇ＝ｄω／ｄｋで表される。真空中では位相速度ｖ_ｐと群速度ｖ_ｇは等しい。また、光コムのパルス波形が伝わる速度は群速度ｖ_ｇである。

【0017】

真空中での光の速度をｃとして、屈折率ｎの媒質中での位相速度ｖ_ｐはｖ_ｐ＝ｃ／ｎで表され、角周波数ωはω＝ｃｋ＝２πｃ／λで表される。また、群速度ｖ_ｇはｖ_ｇ＝ｃ／ｎ_ｇで表される。ｎ_ｇは群屈折率であり、ｎ_ｇ＝ｃ／ｖ_ｇで表される。

【0018】

屈折率ｎ、距離Ｌの媒質中を光が進む場合、位相の等しい点の集まりすなわち等位相面が伝搬する時間は、距離Ｌに屈折率ｎをかけた光学距離ｎＬを光速ｃで割った値τで表される。
τ＝Ｌ／ｖ_ｐ＝ｎＬ／ｃ

【0019】

一方、位相差の等しい点すなわちパルス波形の包絡線が伝搬する時間は、屈折率の波長依存性を含む以下の式でτ_ｇで表される。
τ_ｇ＝Ｌ／ｖ_ｇ＝ｎ_ｇＬ／ｃ＝Ｌ（ｎ－λｄｎ／ｄλ）／ｃ

【0020】

このようにパルス波形の包絡線が伝搬する時間τ_ｇには屈折率の波長依存性の項があるため、等位相面が伝搬する時間τとパルス波形の包絡線が伝搬する時間τ_ｇには時間差がある。

【0021】

群速度ｖ_ｇは位相速度ｖ_ｐよりも１～２％程度遅く、硝材を通過する光路差に応じてレンズ中心よりもレンズ周辺部の方が速くレンズを通過するので、外側の光が先に進むことになり、図１６に示すような構成の評価実験系３００を用いて評価したところ、モードフィールド径（ＭＦＤ）が３．５ｍｍのレーザー光がレンズを通過する場合、レーザー光のビームの中央の位置と、ビーム中心のパワー密度を基準として１／ｅ^２のパワー密度まで減衰する外側の位置とでは、３μｍ程度の距離差がある。

【0022】

評価実験系３００において、距離計ヘッド３０１から測定光ビームを調整ミラー３０２Ａ，３０２Ｂと光チョッパ３０３を介してリトロリフレクタ３０４の中心に照射し、リトロリフレクタ３０４により反射されて距離計ヘッド３０１に戻ってくる測定光ビームは、光チョッパ３０３により往路と復路でそれぞれ片側から遮蔽されることにより、リトロリフレクタ３０４の鏡像の関係で点対象に両側から切られる形になり、図１７に示すように、全てが戻ってくる状態０から徐々に両側から切られてビームの中央が最後まで残り（状態１～状態５）、光チョッパのブレードから外れる際には、ビームの中央からビームが復活する（状態５～状態９）ことを繰り返す。

【0023】

評価実験系３００において、リトロリフレクタ３０４までの距離を繰り返し測定した結果を図１８に示すように、距離計ヘッド３０１に戻ってくる測定光ビームが状態０から状態９まで変化する過程で、下側に凸の距離変動が生じており、計測可能区間の中央ではビーム全体が計測に使用される状態で周辺部のビームを含むことにより距離が短くなっているのに対し、距離が測れなくなる境界付近では測定光ビームの中央だけで距離を測ってる状態なので距離が長くなっている。

【0024】

このように光学式距離計において、測定光ビームの断面で群遅延の分布ができていると、ビームの中央部と周辺部で数μｍの距離差が発生することがあることが判明した。また、ビーム断面の一部分だけ検出された場合、鏡やリトロリフレクタでビームの全部を検出した場合と比べて数μｍの距離誤差が発生する場合があることが判明した。

【0025】

そこで、本発明は、上述の如き従来の問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、光学式距離計において、伝搬するレーザー光のビームが屈折光学系を通過するとき経験する群速度光路差距離の差、すなわち、測定光ビームの断面での群遅延の分布に起因する測定誤差をなくして、高精度に距離を計測できるようにすることにある。

【0026】

また、本発明の他の目的は、ビーム面積の一部を検出してもビーム全体を検出した場合と同じ距離を計測できるようにすることにある。

【0027】

本発明の他の目的、本発明によって得られる具体的な利点は、以下に説明される実施の形態の説明から一層明らかにされる。

【課題を解決するための手段】

【0028】

本発明では、測定光ビームの断面での群遅延の分布をなくすために、屈折光学系に代えて反射型光学系を用いる。

【0029】

すなわち、本発明は、光学式距離計であって、強度又は位相が周期的に変調された光を測定光として測定対象物に照射する反射光学系からなる投光部と、上記投光部から出射される測定光で測定対象物を走査する反射型走査光学系と、上記投光部から上記反射型走査光学系を介して上記測定対象物に照射された測定光のうち上記測定対象物により反射されて上記反射型走査光学系から上記投光部を介して戻ってきた測定光を強度又は位相が周期的に変調された参照光と重ね合わせる干渉光学系と、上記干渉光学系により得られる上記測定対象物により反射されて戻ってきた上記測定光と上記参照光との干渉光を受光する受光部と、上記受光部による上記干渉光の検出出力として得られる干渉信号である測定信号が入力される信号処理部とを備え、上記干渉光学系は、上記投光部から上記反射型走査光学系を介して上記測定対象物に照射された測定光のうち上記測定対象物により反射されて上記反射型走査光学系から上記投光部を介して戻ってきた上記測定光と上記参照光との干渉光を上記受光部に入射させ、上記信号処理部は、上記測定信号と、測定光または参照光を生成する信号または測定光または参照光によって生成される信号である参照信号との相対関係に基づいて解析することにより、上記測定対象物までの距離を算出し、上記測定対象物の複数の点までの絶対距離を計測して立体像を得ることを特徴とする。
本発明に係る光学式距離計において、上記反射光学系からなる投光部は、光チョッパを介してリトロリフレクタの中心に測定光ビームを照射し、上記リトロリフレクタにより反射されて上記光チョッパを介して戻ってくる上記測定光ビームの断面で群遅延の分布を評価する評価実験系により群遅延分布が評価済であるものとすることができる。

【0030】

本発明に係る光学式距離計において、上記投光部に備えられる反射光学系は、光出力端からから空間に放射される変調光を平行光に変換する反射型コリメータであり、上記光出力端は、光の発生源から空間に光を出力する部分または光の発生源から光導波路で延長された光路の終端部で空間に光を出力する部分であるものとすることができる。

【0031】

また、本発明に係る光学式距離計は、上記反射光学系として、変調光を平行光に変換する反射型コリメータを上記投光部に備えるとともに、上記干渉光学系により得られる干渉光を収束光に変換して受光素子に入射させる反射型フォーカサーを上記受光部に備えるものとすることができる。

【0032】

また、本発明に係る光学式距離計は、上記投光部から出射される測定光で上記測定対象物体を走査する反射型走査光学系を備え、上記干渉光学系は、上記測定対象物により反射されて上記走査光学系を介して戻ってきた上記測定光と上記参照光との干渉光を上記受光部に入射させるものとすることができる。

【0033】

また、本発明に係る光学式距離計において、上記干渉光学系は、上記光源から上記投光部を介して測定光として出射される変調光を参照光と測定光とに分離し、基準光路を通過させた上記参照光と、測定光を上記測定対象物に照射し、上記測定対象物により反射されて戻ってきた上記測定光とを重ね合わせて干渉光を得るものとすることができる。

【0034】

また、本発明に係る光学式距離計は、上記光出力端から空間に放射された変調光が分岐されて入射されるそれぞれ反射光学系からなる二つの投光部を備え、上記干渉光学系は、一方の投光部から出射される変調光を測定光として上記測定対象物に照射し、上記測定対象物により反射されて戻ってきた上記測定光と、他方の投光部から出射される変調光を参照光として上記測定光とを重ね合わせて干渉光を得るものとすることができる。

【0035】

また、本発明に係る光学式距離計は、互いに可干渉性のある変調光を空間に放射する２台の光源と、上記２台の光源から空間に放射された変調光が入射されるそれぞれ反射光学系からなる二つの投光部を備え、上記干渉光学系は、一方の投光部から出射される変調光を測定光として上記測定対象物に照射し、上記測定対象物により反射されて戻ってきた上記測定光に、他方の投光部から出射される変調光を参照光として重ね合わせて干渉光を得るものとすることができる。

【0036】

また、本発明に係る光学式距離計は、上記光出力端から空間に放射された変調光が分岐されて入射されるそれぞれ反射光学系からなる二つの投光部を備え、上記干渉光学系は、一方の投光部から出射される変調光を測定光として上記測定対象物に照射し、上記測定対象物により反射されて戻ってきた上記測定光と、他方の投光部から出射され上記基準光路を通過させた変調光を参照光として重ね合わせて干渉光を得るものとすることができる。

【0037】

また、本発明に係る光学式距離計は、上記一方の投光部から測定光として出射された変調光と上記他方の投光部から参照光として出射された変調光を重ね合わせた参照干渉光を受光する参照用受光部を備え、上記干渉光学系は、上記測定対象物により反射されて戻ってきた上記測定光に、他方の投光部から出射される変調光を参照光として重ね合わせて測定干渉光を得て上記受光部に入射させるとともに、上記一方の投光部から測定光として出射された変調光と上記他方の投光部から参照光として出射された変調光を重ね合わせた参照干渉光を得て上記参照用受光部に入射させ、上記信号処理部は、上記受光部による上記測定干渉光の検出出力として得られる測定信号と上記参照用受光部による上記参照干渉光の検出出力をとして得られる参照信号との時間差から、上記測定対象物までの距離を算出するものとすることができる。

【0038】

また、本発明に係る光学式距離計において、上記参照用受光部は、上記干渉光学系により得られる参照干渉光を収束光に変換して受光素子に入射させる反射型フォーカサーを上記参照用受光部に備えるものとすることができる。

【0039】

また、本発明に係る光学式距離計において、上記２台の光源は、それぞれ周期的に強度又は位相が変調され、互いに変調周期が異なる測定光と参照光を出力する光コム光源であり、上記干渉光学系は光コム干渉計であるものとすることができる。

【0040】

さらに、本発明に係る光学式距離計において、上記光コム干渉計はファイバー型光コム干渉計であり、上記ファイバー型光コム干渉計を介して空間に放射される測定光を上記測定対象物に照射して、上記測定対象物により反射されて戻ってきた測定光を上記ファイバー型光コム干渉計に入射させる反射型光学系を備えるものとすることができる。
また、本発明は、光学式距離計の投光部から出射される測定光の群遅延分布を評価する評価方法であって、光チョッパを介してリトロリフレクタの中心に測定光ビームを照射し、上記リトロリフレクタにより反射されて上記光チョッパを介して戻ってくる上記測定光ビームの断面で群遅延の分布を評価する特徴とする。

【発明の効果】

【0041】

本発明に係る光学式距離計では、光学レンズを用いる屈折光学系と異なり、光の経路が分散の少ない空気を通ることにより、ビーム断面で群遅延の分布ができにくい平面、凹面、凸面など反射鏡による反射型光学系を屈折光学系に代えて用いるので、測定光ビームの断面での群遅延の分布に起因する測定誤差をなくして、高精度に距離を計測できる。

【0042】

また、本発明に係る光学式距離計では、測定光ビームの断面での群遅延の分布に起因する測定誤差をなくすことにより、ビーム面積の一部を検出してもビーム全体を検出した場合と同じ距離を計測することができる。

【0043】

すなわち、本発明に係る光学式距離計では、干渉光学系は反射光学系からなる投光部から反射型走査光学系を介して測定対象物に照射された測定光のうち上記測定対象物により反射されて上記反射型走査光学系から上記投光部を介して戻ってきた上記測定光と上記参照光との干渉光を受光部に入射させるので、上記反射光学系からなる投光部において測定光のビーム断面で群遅延の分布ができにくく、また、上記投光部から出射される測定光で測定対象物を走査する反射型走査光学系においても、測定光および反射光のビーム断面で群遅延の分布ができにくく、群速度光路差を伴うことがなく、上記測定対象物の表面までの絶対距離を高精度に計測することができ、ビーム照射位置とその場所まで絶対距離を複数の点について蓄積することにより非接触で物体の三次元形状を測定することができる。
また、本発明に係る光学式距離計の投光部から出射される測定光の群遅延分布を評価する評価方法では、光チョッパを介してリトロリフレクタの中心に測定光ビームを照射し、上記リトロリフレクタにより反射されて上記光チョッパを介して戻ってくる上記測定光ビームの断面で群遅延の分布を評価することで、上記光学式距離計の投光部から出射される測定光の群遅延分布を評価することができる。
したがって、本発明によれば、投光部から出射される測定光の群遅延分布が評価済の光学式距離計として、高品質の光学式距離計を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0044】

【図1】本発明を適用したレーザー距離計の構成を示す模式図である。

【図2】上記レーザー距離計の投光部を構成する反射型コリメータを構造を示す断面図である。

【図3】上記レーザー距離計にえられたプリズムユニットの構成を模式的に示す平面図である。

【図4】本発明を適用した光学式距離計の他の構成例を示す模式図である。

【図5】本発明を適用した光学式距離計の他の構成例を示す模式図である。

【図6】本発明を適用した光学式距離計の他の構成例を示す模式図である。

【図7】本発明を適用した光学式距離計の他の構成例を示す模式図である。

【図8】本発明を適用した光学式距離計の他の構成例を示す模式図である。

【図9】本発明を適用した学式距離計の他の構成例を示す模式図である。

【図10】本発明を適用した光学式距離計のさらに他の構成例を示す模式図である。

【図11】本発明を適用した光学式三次元形状測定装置の構成例を示す模式図である。

【図12】本件発明者等が提案しているレーザー距離計の構成を示す模式図である。

【図13】コリメータレンズの焦点位置から該コリメータレンズを通過して平行になる位置まで各光線の経路を模式的に示す図である。

【図14】上記コリメータレンズの焦点位置から測った位相速度距離と群速度距離のビーム内分布を示す図である。

【図15】上記コリメータレンズを通過したビームの等位相面平面を示す図である。

【図16】硝材を通過する光線の光路差を評価するための評価実験系の構成を示す模式図である。

【図17】上記評価実験系において、光チョッパのブレードにより光線が遮られるビームの状態を示す模式図である。

【図18】上記評価実験系において、リトロリフレクタまでの距離を繰り返し測定した結果を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0045】

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、共通の構成要素については、共通の指示符号を図中に付して説明する。また、本発明は以下の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更可能であることは言うまでもない。

【0046】

本発明は、例えば図１に示すような構成のレーザー距離計１００に適用される。

【0047】

このレーザー距離計１００は、先に提案した特許文献１に係るレーザー距離計に本発明を適用したもので、反射型（偏波保存）コリメータ１１１を介してＳ偏光の測定光Ｓ_１を出射する第１の光源１１０と、反射型（偏波保存）コリメータ１１２を介してＳ偏光の参照光Ｓ_２を出射する第２の光源１２０と、上記Ｓ偏光の測定光Ｓ_１と参照光Ｓ_２が、１／２波長（λ／２）板１１３，１１４を介して偏光方向を調整されて入射されるプリズムユニット１３０を備える。

【0048】

すなわち、このレーザー距離計１００は、測定光Ｓ_１を出射する第１の光源１１０と、参照光Ｓ_２を出射する第２の光源１２０と、上記第１の光源１１０から出射された測定光Ｓ_１と上記第２の光源１２０から出射された参照光Ｓ_２が入射されるプリズムユニット１３０と、上記第１の光源１１０から出射された測定光Ｓ_１が上記プリズムユニット１３０を介して照射される測定面１５０と、上記第２の光源１２０から出射された参照光Ｓ_２が上記プリズムユニット１３０を介して照射される基準面１５５と、上記第１の光源１１０から出射された測定光Ｓ_１と上記第２の光源１２０から出射された参照光Ｓ_２が上記プリズムユニット１３０を介して重ね合わされて入射され、上記測定光Ｓ_１と参照光Ｓ_２との干渉光を検出する第１の光検出器１６０と、上記測定面１５０に照射された測定光の上記測定面１５０による反射光と上記基準面１５５に照射された参照光の上記基準面１５５による反射光が上記プリズムユニット１３０を介して重ね合わされて入射され、上記測定光の反射光と上記参照光の反射光との干渉光を検出する第２の光検出器１７０と、上記第１の光検出器１６０により検出された干渉信号と上記第２の光検出器１７０より検出された干渉信号の時間差から、光速と測定波長における屈折率から上記基準面１５５までの距離と上記測定面１５０までの距離の差を求める信号処理部１８０とを備える。

【0049】

上記第１及び第２の光源１１０，１２０ は、それぞれ周期的に強度又は位相が変調され、互いに変調周期が異なる干渉性のある測定光Ｓ_１と参照光Ｓ_２を出射するものであって、それぞれ周期的に強度又は位相を変調され、互いに変調周期が異なる干渉性のある測定光Ｓ_１と参照光Ｓ_２を出射するための光変調器を備える２台の光源、光周波数コムモード間隔が異なる２台の光周波数コム発生器、或いは、光パルス繰り返し周波数が異なる２台のパルス光源からなる。

【0050】

反射型（偏波保存）コリメータ１１１，１１２は、第１、第２の光源１１０，１２０から空間に放射されるＳ偏光の測定光Ｓ_１、参照光Ｓ_２を発散光から平行光に変換する投光部として機能する反射型光学素子であって、例えば図２に示すように、放物面鏡１１１ａ，１１２ａからなり、光学レンズを用いる屈折光学系と異なり、光の経路が分散の少ない空気を通るので、ビーム断面で群遅延の分布ができにくい。

【0051】

このレーザー距離計１００において、第１、第２の光源１１０，１２０から反射型（偏波保存）コリメータ１１１，１１２を介して発散光から平行光に変換されてプリズムユニット１３０に入射されるＳ偏光の測定光Ｓ_１，参照光Ｓ_２は、光の経路が分散の少ない空気を通るので、ビーム断面で群遅延の分布ができにくく、群速度光路差を伴うことなくプリズムユニット１３０に入射される。

【0052】

上記プリズムユニット１３０は、図３に示すように、第１の台形プリズム１３１、第１の直角プリズム１３２、第２の直角プリズム１３３、第３の直角プリズム１３４、第２の台形プリズム１３５、第４の直角プリズム１３６を貼り合わせて一体化した構造の干渉計用プリズムである。

【0053】

このレーザー距離計１００において、上記プリズムユニット１３０は、光路に対して直角をなし互いに直角をなす二つの面１３１ａ，１３１ｂと光路に対して４５°をなし一方の面にビームスプリッタ膜１４２Ａが形成され互いに平行な二つの面１３１ｃ，１３１ｄとを有する第１の台形プリズム１３１と、上記第１の台形プリズム１３１の上記ビームスプリッタ膜１４２Ａが形成された面１３１ｄに、上記ビームスプリッタ膜１４２Ａを挟んで斜面１３２ｃが貼り合わされた第１の直角プリズム１３２と、一方の斜面に偏光ビームスプリッタ膜１４３が形成され、上記偏光ビームスプリッタ膜１４３を挟んで斜面１３３ｃ，１３４ｃが貼り合わされた第２の直角プリズム１３３と第３の直角プリズム１３４と、光路に対して直角をなし互いに直角をなす二つの面１３５ａ，１３５ｂと光路に対して４５°をなし一方の面にビームスプリッタ膜１４２Ｂが形成され互いに平行な二つの面１３５ｃ，１３５ｄとを有する第２の台形プリズム１３５と、上記第２の台形プリズム１３５の上記ビームスプリッタ膜１４２Ｂが形成された面１３５ｄに、上記ビームスプリッタ膜１４２Ｂを挟んで斜面１３６ｃが貼り合わされた第４の直角プリズム１３６とを備える。

【0054】

上記第１の台形プリズム１３１の長辺側の面１３１ｃは全反射面１４１Ａとして機能する。同様に、上記第２の台形プリズム１３５の長辺側の面１３５ｃは全反射面１４１Ｂとして機能する。

【0055】

そして、このプリズムユニット１３０は、上記第１の台形プリズム１３１の光路に対して直角をなす二つの面１３１ａ，１３１ｂの一方の面及び上記第１の直角プリズム１３２の直角をなす二つの面１３２ａ，１３２ｂの一方の面が、上記ビームスプリッタ膜１４２Ａと偏光ビームスプリッタ膜１４３が互いに直角となるように、上記第１の直角プリズム１３２の直角をなす二つの面の一方の面に貼り合わされるとともに、上記第２の台形プリズム１３５の光路に対して直角をなす二つの面１３２ａ，１３２ｂの一方の面及び上記第４の直角プリズム１３６の直角をなす二つの面１３６ａ，１３６ｂの一方の面が、上記ビームスプリッタ膜１４２Ｂと偏光ビームスプリッタ膜１４３が互いに平行となるように、上記第２の直角プリズム１３３の直角をなす二つの面の一方の面に貼り合わされている。

【0056】

上記プリズムユニット１３０は、上記第１の台形プリズム１３１ 、第１の直角プリズム１３２、第２の直角プリズム１３３、第３の直角プリズム１３４、第２の台形プリズム１３５、第４の直角プリズム１３６を貼り合わせて一体化することにより構成した台形プリズムであって、その台形プリズムの上部の面と底部の面に反射防止（ＡＲ）１４４ ，１４５が蒸着されている。

【0057】

そして、このレーザー距離計１００において、上記第１の光源１１０は、反射型（偏波保存）コリメータ１１１を介してＳ偏光の測定光Ｓ_１を出射し、また、上記第２の光源１２０は、反射型（偏波保存）コリメータ１１２を介してＳ偏光の参照光Ｓ_２を出射する。上記Ｓ偏光の測定光Ｓ_１と参照光Ｓ_２は、１／２波長（λ／２）板１１３，１１４を介して偏光方向を調整されて上記プリズムユニット１３０ に入射される。

【0058】

上記プリズムユニット１３０に入射された測定光Ｓ_１と参照光Ｓ_２は、上記第２の直角プリズム１３３の直角をなす二つの面１３３ａ，１３３ｂの一方の面１３３ａを介して上記偏光ビームスプリッタ膜１４３に入射され、上記偏光ビームスプリッタ膜１４３によりそれぞれ二つの測定光Ｓ_１Ｓ，Ｓ_１Ｐと参照光Ｓ_２Ｓ，Ｓ_２Ｐに分岐される。

【0059】

上記偏光ビームスプリッタ膜１４３により反射された一方の偏光の測定光Ｓ_１Ｓは、ビームスプリッタ膜１４２Ａに入射され、このビームスプリッタ膜１４２Ａにより上記一方の偏光の測定光Ｓ_１Ｓが１：１の比率で二つの測定光Ｓ_１１，Ｓ_１２に分岐される。

【0060】

上記ビームスプリッタ膜１４２Ａにより１：１の比率で二つに分岐された測定光Ｓ_１１，Ｓ_１２は、一方の測定光Ｓ_１１が上記第１の直角プリズム１３２の光路に対して直角をなす面１３２ａを介して出射されて第２の光検出器１７０に入射され、また、他方の測定光Ｓ_１２が上記全反射面１４１Ａとして機能する面１３１ｃにより反射されて９０°折り曲げられて上記第１の台形プリズム１３１の光路に対して直角をなす面１３１ａを介して出射されて上記第２の光検出器１７０に入射される。

【0061】

また、上記偏光ビームスプリッタ膜１４３を透過した他方の偏光の測定光Ｓ_１Ｐは、上記第２の直角プリズム１３３の光路に対して直角をなす面１３３ａから出射され、１／４波長（λ／４）板１１５を介して円偏光の測定光Ｓ_１Ｃにされて上記測定面１５０に照射される。

【0062】

上記測定面１５０により垂直に反射された反射光Ｓ_１Ｃ’が、上記１／４波長（λ／４）板１１５を介して上記プリズムユニット１３０の上記偏光ビームスプリッタ膜１４３に戻され、上記偏光ビームスプリッタ膜１４３により反射された一方の偏光の反射光Ｓ_１Ｓ’がビームスプリッタ膜１４２Ｂに入射され、このビームスプリッタ膜１４２Ｂにより上記一方の偏光の反射光Ｓ_１Ｓ’が１：１の比率で二つの反射光Ｓ_１１’，Ｓ_１２’に分岐される。

【0063】

上記ビームスプリッタ膜１４２Ｂにより１：１の比率で二つに分岐された反射光Ｓ_１１’，Ｓ_１２’ は、一方の反射光Ｓ_１１’が上記第４の直角プリズム１３６の光路に対して直角をなす面１３６ａを介して出射されて第１の光検出器１６０に入射され、また、他方の反射光Ｓ_１２’が上記全反射面１４１Ｂ として機能する面１３５ｃにより反射されて９０°折り曲げられて上記第２の台形プリズム１３５の光路に対して直角をなす面１３５ａを介して出射されて上記第１の光検出器１６０に入射される。

【0064】

また、上記偏光ビームスプリッタ膜１４３により反射された一方の偏光の参照光Ｓ_２Ｓは、上記記第２の台形プリズム１３５の上記全反射面１４１Ｂとして機能する面１３５ｃにより反射されて９０°折り曲げられてビームスプリッタ膜１４２Ａに入射され、このビームスプリッタ膜１４２Ａにより上記一方の偏光の参照光Ｓ_２Ｓが１：１の比率で二つの参照光Ｓ_２１，Ｓ_２２に分岐される。

【0065】

上記ビームスプリッタ膜１４２Ａにより１：１の比率で二つに分岐された参照光Ｓ_２１，Ｓ_２２は、一方の参照光Ｓ_２１が上記第１の直角プリズム１３２の光路に対して直角をなす面１３２ａを介して出射されて上記第２の光検出器１７０に入射され、また、他方の参照光Ｓ_２が上記全反射面１４１Ａとして機能する面１３１ｃにより反射されて９０°折り曲げられて上記第１の台形プリズム１３１の光路に対して直角をなす面１３１ａを介して出射されて上記第２の光検出器１７０に入射される。

【0066】

また、上記偏光ビームスプリッタ膜１４３を透過した他方の偏光の参照光Ｓ_２Ｐは、上記第２の直角プリズム１３３の光路に対して直角をなす面１３３ａから出射され、１／４波長（λ／４）板１１６を介して円偏光の測定光Ｓ_２Ｃにされて上記基準面１５５に照射される。

【0067】

上記基準面１５５により垂直に反射された反射光Ｓ_２Ｃ’が、上記１／４波長（λ／４）板１１６を介して上記プリズムユニット１３０の上記偏光ビームスプリッタ膜１４３に戻され、上記偏光ビームスプリッタ膜１４３により反射された一方の偏光の反射光Ｓ_２Ｓ’が上記第２の台形プリズム１３５の上記全反射面１４１Ｂとして機能する面１３５ｃにより反射されて９０°折り曲げられてビームスプリッタ膜１４２Ｂに入射され、このビームスプリッタ膜１４２Ｂにより上記一方の偏光の反射光Ｓ_２Ｓ’が１：１の比率で二つの反射光Ｓ_２１’，Ｓ_２２’に分岐される。

【0068】

上記ビームスプリッタ膜１４２Ｂにより１：１の比率で二つに分岐された反射光Ｓ_２１’，Ｓ_２２’は、一方の反射光Ｓ_２１’が上記第４の直角プリズム１３６の光路に対して直角をなす面１３６ａを介して出射されて第１の光検出器１６０に入射され、また、他方の反射光Ｓ_２２’が上記全反射面１４１Ｂとして機能する面１３５ｃにより反射されて９０°折り曲げられて上記第２の台形プリズム１３５の光路に対して直角をなす面１３５ａを介して出射されて上記第１の光検出器１６０に入射される。

【0069】

また、上記第１の光検出器１６０は、上記測定面１５０からの反射光Ｓ_１Ｃ’と上記基準面１５５からの反射光Ｓ_２Ｃ’の干渉光を検出するものであって、上記プリズムユニット１３０の第２の台形プリズム１３５に形成されているビームスプリッタ膜１４２Ｂにおいて重ね合わされてそれぞれ二つに分岐された反射光Ｓ_１１’，Ｓ_１２’と反射光Ｓ_２１’，Ｓ_２２’との各干渉光を二個のフォトディテクタ１６１Ａ，１６１Ｂにより検出し、その差分を差動検出器１６２により検出するようになっている。

【0070】

上記第２の光検出器１７０は、上記測定光Ｓ_１と上記参照光Ｓ_２との干渉光を検出するものであって、上記プリズムユニット１３０の第１の台形プリズム１３１に形成されているビームスプリッタ膜１４２Ａにおいて重ね合わされて二つに分岐された測定光Ｓ_１１，Ｓ_１２と参照光Ｓ_２１，Ｓ_２２との各干渉光を二個のフォトディテクタ１７１Ａ，１７１Ｂにより検出し、その差分を差動検出器１７２ により検出するようになっている。

【0071】

上記信号処理部１８０は、上記第２の光検出器１７０により上記測定光Ｓ_１と上記参照光Ｓ_２との干渉光を検出して得られる干渉信号の時間差と、上記第１の光検出器１６０により上記測定面１５０からの反射光Ｓ_１Ｃ’と上記基準面１５５からの反射光Ｓ_２Ｃ’の干渉光を検出して得られる干渉信号の時間差に基づいて、光速と測定波長における屈折率、群屈折率から上記基準面１５５までの距離と上記測定面１５０までの距離の差を求める処理を行う。

【0072】

このレーザー距離計１００では、上記プリズムユニット１３０すなわち台形プリズムの高さをｈとすると、上記第１の光源１１０から出射された測定光Ｓ_１が上記プリズムユニット１３０に入射し、上記第２の光検出器１７０に入射されるまでに上記プリズムユニット１３０内を伝搬する光学距離は、測定光Ｓ_１１が２ｈ 、測定光Ｓ_１２が２．５ｈであり、上記第１の光源１１０から出射された測定光Ｓ_１が上記プリズムユニット１３０に入射し、上記第１の光検出器１６０に入射されるまでに上記プリズムユニット１３０内を伝搬する光学距離は、反射光Ｓ_１１’が３ｈ、反射光Ｓ_１２’が３．５ｈである。

【0073】

これに対し、上記第２の光源１２０から出射された参照光Ｓ_２が上記プリズムユニット１３０に入射し、上記第２の光検出器１７０に入射されるまでに上記プリズムユニット１３０内を伝搬する光学距離は、参照光Ｓ_２１が１．５ｈ、参照光Ｓ_２２が２ｈであり、上記第２の光源１２０から出射された参照光Ｓ_２が上記プリズムユニット１３０に入射し、上記第１の光検出器１６０に入射されるまでに上記プリズムユニット１３０内を伝搬する光学距離は、反射光Ｓ_２１’が２ｈ 、反射光Ｓ_２２’が２．５ｈである。

【0074】

すなわち、このレーザー距離計１００では、上記第１ 、２の光検出器１６０，１７０において干渉光を検出するまでに、上記プリズムユニット１３０内で測定光Ｓ_１と参照光Ｓ_２が経験する光学距離の差はそれぞれ１ｈで互いに等しい。

【0075】

したがって、このレーザー距離計１００では、上述の如く、上記第１、第２の光源１１０，１２０から反射型（偏波保存）コリメータ１１１，１１２を介して発散光から平行光に変換されてプリズムユニット１３０に入射されるＳ偏光の測定光Ｓ_１，参照光Ｓ_２は、光の経路が分散の少ない空気を通るので、ビーム断面で群遅延の分布ができにくく、群速度光路差を伴うことなくプリズムユニット１３０に入射され、上記プリズムユニット１３０の温度が変化しても、上記第１、２の光検出器１６０，１７０において検出される各干渉光の相対関係は一定であり、ゴーストのない高精度な光干渉観測を行うことができる。

【0076】

また、このレーザー距離計１００では、上記基準面１５５までの距離と上記測定面１５０までの距離の差を出力するので、上記測定面１５０と上記基準面１５５を近くに設置することにより、大気の屈折率変化の影響をさらに小さくして測定精度を上げることができる。

【0077】

なお、このレーザー距離計１００において、上記第２の直角プリズム１３３及び第３の直角プリズム１３４の各斜面１３３ｃ，１３４ｃに挟まれた上記偏光ビームスプリッタ膜１４３は、ビームスプリッタ膜に置き換えることができる。この場合、光損失は増えるが上記１／４波長（λ／４）板１１５ ，１１６は不要になる。

【0078】

ここで、上記レーザー距離計１００では、上記第１及び第２の光源１１０，１２０は、それぞれ周期的に強度又は位相が変調され、互いに変調周期が異なる干渉性のある測定光Ｓ_１と参照光Ｓ_２を出射するものとしたが、本発明はレーザー変位計に適用することもでき、この場合には、参照光Ｓ_２に無変調の波長安定化光源を用いることができる。レーザー変位計において、測定光には参照光と同じものを用いるか、参照光から一定の周波数をシフトした光を用いる。

【0079】

この場合でも、上記レーザー距離計１００と同様に干渉計用プリズムを備える干渉計を用いることにより、基準面までの距離と測定面までの距離の差が実際の光路の差であることがメリットになる。

【0080】

すなわち、変位計では距離の変化しか測定しないが、上記干渉計用プリズムを備える干渉計を用いることにより、測定面と基準面を一致させたときの距離を０ と定義することができる。したがって、大気の屈折率変動を補正する際にも、測定面と基準面を一致させたときの距離を０と定義することで、不明な距離（dead path） が生じない。通常の干渉計を変位計に用いても、参照光と測定光が同方向に出ていないので、このようなことはできない。

【0081】

上述の如く、上記第１、第２の光源１１０，１２０から測定光Ｓ_１，参照光Ｓ_２が反射型（偏波保存）コリメータ１１１，１１２を介して発散光から平行光に変換されて入射される上記プリズムユニット１３０を干渉光学計として用いることにより、第１の光検出器１６０により検出された干渉信号と第２の光検出器１７０により検出された干渉信号から信号処理部１８０により変位、距離又は分布などの計測値を求めることができ、測定光と参照光が第１、２の光検出器１６０，１７０において各干渉光として検出されるまでにプリズムユニット１３０内で経験する光学距離の差はそれぞれ互いに等しく、上記プリズムユニット１３０の温度が変化しても、上記第１、２の光検出器において検出される各干渉光の相対関係は一定であり、ゴーストのない高精度な光干渉観測を行うことができる。

【0082】

本発明は、上述の如きレーザー距離計１００以外にも、例えば光コヒーレンストモグラフィ（ＯＣＴ）の干渉計にとしても使用することができる。上記干渉計用プリズムを備える干渉計を用いることにより、ＯＣＴの工業応用における精度を向上することができる。

【0083】

光コヒーレンストモグラフィ（ＯＣＴ）に上記干渉計用プリズムを備える干渉計を用いる際には、Time domain ＯＣＴ、Spectral domain ＯＣＴ、Fourier domain ＯＣＴで様々なコヒーレンス（干渉性）の異なる光源が用いられる。また、Time domain ＯＣＴとSpectral domain ＯＣＴでは参照光に白色光源、測定光に参照光を分岐し相対的な遅延時間を調整した光が用いられる。さらに、Fourier domain ＯＣＴでは参照光にＳＳ光源、測定光に参照光を分岐し相対的な遅延時間を調整した光が用いられる。また、Spectral domain ＯＣＴでは、光検出器に分光器を用いることになる。

【0084】

ここで、１点の距離だけを算出する上記レーザー距離計１００では、第２の光検出器１７０により検出された干渉信号は、基準面を明確にする役割を果たしている。

【0085】

上記干渉計用プリズムを備える干渉計をＯＣＴに適用する場合、二つの光検出器により検出される各干渉信号のちの一方の干渉信号は、基準面を明確にする役割だけでなく別の役割も果たす。

【0086】

すなわち、ＯＣＴの場合には、深さ方向の反射点の分布を示すことが重要な応用であるが、一点から反射してきた光であっても、それを距離に対する反射点の分布に置きなおすと（点像広がり関数）、分布の幅が理論限界より広がることがある。これは干渉するまでに測定光と参照光の経験してきた媒質の分散の違いに起因する。

【0087】

しかしながら、上記干渉計用プリズムを備える干渉計では、第１の光検出器１６０により検出される干渉信号と、第２の光検出器１７０により検出される干渉信号は同じ媒質の分散を経験しているので、上記干渉計用プリズムをＯＣＴに適用することにより、第２の光検出器１７０により検出された干渉信号から測定光と参照光の経験してきた媒質の分散の違いをリアルタイムに算出することが可能になる。

【0088】

さらに、この結果を用いて第１の光検出器１６０により検出された干渉信号の分散をリアルタイムで補正する計算処理が可能になる。

【0089】

これにより、より明瞭度の高いＯＣＴ画像を得ることができる。

【0090】

ここで、上記レーザー距離計１００では、上記プリズムユニット１３０を干渉光学計として用い、上記第１、第２の光源１１０，１２０から反射型（偏波保存）コリメータ１１１，１１２を介して測定光Ｓ_１，参照光Ｓ_２を発散光から平行光に変換して上記プリズムユニット１３０に入射するようにしたが、本発明は、上記レーザー距離計１００のみに限定されるものでなく、投光部から変調光を測定対象物に照射して、該測定対象物により反射されて戻ってきた上記変調光を受光部で検出することにより得られる測定信号の時間遅れから、上記測定対象物までの距離を信号処理部により算出する光学式距離計における測定光ビームの断面での群遅延の分布をなくすために、屈折光学系に代えて反射型光学系を用いるものであって、本発明では、測定対象物に変調光を照射する投光部に反射光学系を備えるものとし、反射型光学系を用いることにより測定光ビームの断面での群遅延の分布をなくして、測定光ビームの断面での群遅延の分布に起因する測定誤差をなくして、上記受光部により得られる測定信号の時間遅れから、上記測定対象物までの距離を信号処理部により高精度に距離を計測する算出する光学式距離計を実現することができる。

【0091】

すなわち、本発明に係る光学式距離計は、強度又は位相が周期的に変調された光を測定光として測定対象物に照射する反射光学系からなる投光部と、上記投光部を介して上記測定対象物に照射された測定光のうち上記測定対象物により反射された光を強度又は位相が周期的に変調された参照光と重ね合わせる干渉光学系と、上記干渉光学系により得られる上記測定対象物により反射されて戻ってきた上記測定光と上記参照光との干渉光を受光する受光部と、上記受光部による上記干渉光の検出出力として得られる干渉信号である測定信号が入力される信号処理部とを備え、上記信号処理部は、上記測定信号と、測定光または参照光を生成する信号または測定光または参照光によって生成される信号である参照信号との相対関係に基づいて解析することにより、上記測定対象物までの距離を算出することを特徴とする。

【0092】

上記投光部に備えられる反射光学系は、光出力端からから空間に放射される変調光を平行光に変換する反射型コリメータであり、上記光出力端は、光の発生源から空間に光を出力する部分または光の発生源から光ファイバーなどの光導波路で延長された光路の終端部で空間に光を出力する部分であるものとすることができる。

【0093】

本発明に係る光学式距離計は、波長掃引型光源、多波長光源、白色光源、光コム光源など１回の距離計測に複数の波長を利用する干渉検出方式の光学式距離計であって、例えば、図４に示す光学式距離計１０のように、光源１１から投光部１２を介して測定光として出射される変調光Sを参照光ＳＲと測定光ＳＳとに分離し、基準光路を通過させた参照光ＳＳ’と、測定光ＳＳを上記測定対象物１に照射し、上記測定対象物１により反射されて戻ってきた上記測定光ＳＳ’とを重ね合わせて干渉光を得るビームスプリッタ１３を干渉光学系として備えるものとすることができる。

【0094】

この光学式距離計１０は、波長掃引型光源、多波長光源、白色光源、光コム光源などの光源１１から空間に放射される複数の波長を含む変調光Ｓを反射型（偏波保存）コリメータからなる投光部１２を介して平行光の変調光Ｓとしてビームスプリッタ１３に入射し、上記平行光の変調光Ｓを上記ビームスプリッタ１３により参照光ＳＲと測定光ＳＳとに分離して、参照光ＳＲを基準面１６に照射するとともに測定光ＳＳを測定対象物１に照射し、上記基準面１６により反射されて戻ってきた上記参照光ＳＲと上記測定対象物１により反射されて戻ってきた上記測定光ＳＳとを上記ビームスプリッタ１３を介して重ね合わせることにより得られる干渉光を受光部１４で受光することにより、干渉信号として測定信号を検出するようにしたものである。

【0095】

この光学式距離計１０おいて、上記基準面１６により反射されて戻ってきた参照光ＳＲ’と上記測定対象物１により反射されて戻ってきた測定光ＳＳ’とを重ね合わせる上記ビームスプリッタ１３は、上記光源１１から上記投光部１２を介して測定光ＳＳとして出射される変調光Ｓを参照光ＳＲと測定光ＳＳとに分離し、上記基準面１６により反射されて戻ってきた参照光ＳＲ’すなわち基準光路として参照光ＳＲを反射する基準面１６を含む往復の光路を通過させた参照光ＳＲ’と、測定光ＳＳを上記測定対象物１に照射し、上記測定対象物１により反射されて戻ってきた測定光ＳＳ’とを重ね合わせて干渉光を得る光学干渉系として機能している。

【0096】

この光学式距離計１０では、光源１１から空間に放射される変調光Ｓを平行光の測定光ＳＳに変換する反射型（偏波保存）コリメータからなる投光部１２において、ビーム断面で群遅延の分布ができにくく、群速度光路差を伴うことがなく、上記信号処理部１５において、上記受光部１４による上記干渉光の検出出力として得られる干渉信号について、上記測定対象物１により反射されて戻ってきた上記測定光ＳＳによる測定信号と、測定光または参照光を生成する信号または測定光または参照光によって生成される信号である参照信号との相対関係に基づいて解析することにより、上記基準面１６により反射されて戻ってきた上記参照光ＳＲと上記測定対象物１により反射されて戻ってきた上記測定光ＳＳとの時間差（位相差）から、上記測定対象物１までの距離を高精度に算出することができる。

【0097】

また、この光学式距離計１０において、図５に示す光学式距離計１０Ａのように、干渉光を受光部１４に照射させる光路中に上記干渉光を平行光から収束光に変換する反射型フォーカサー１７を設けて、上記受光部１４の受光素子により干渉光を高感度に検出できるようにすることができる。

【0098】

なお、この光学式距離計１０Ａにおいて、反射型フォーカサー１７以外の構成要素は、上記光学式距離計１０と同じなので、図中に同一符号を付してその詳細な説明を省略する。

【0099】

ここで、上記投光部１２を構成する反射型コリメータと上記受光部１４に備えられる反射型フォーカサー１７は、入射側と出入射側が互いに逆の同じ光学系のものが用いられる。

【0100】

この光学式距離計１０Ａでは、光源１１から空間に放射される変調光Ｓを平行光の測定光ＳＳに変換する反射型（偏波保存）コリメータからなる投光部１２、上記受光部１４に備えられる反射型フォーカサー１７において、ビーム断面で群遅延の分布ができにくく、群速度光路差を伴うことがなく、上記受光部１４の受光素子により干渉光を高感度に検出して、上記信号処理部１５において、上記受光部１４による上記干渉光の検出出力として得られる干渉信号について、上記測定対象物１により反射されて戻ってきた上記測定光ＳＳによる測定信号と、測定光または参照光を生成する信号または測定光または参照光によって生成される信号である参照信号との相対関係に基づいて解析することにより、上記基準面１６により反射されて戻ってきた上記参照光ＳＲと上記測定対象物１により反射されて戻ってきた上記測定光ＳＳとの時間差（位相差）から、上記測定対象物１までの距離を高精度に算出することができる。

【0101】

また、干渉検出方式の光学式距離計であって、例えば、図６に示す光学式距離計２０のように、光源２１から空間に放射された変調光Ｓが分岐されて入射されるそれぞれ反射光学系からなる二つの投光部２２Ｓ，２２Ｒを備え、干渉光学系２３は、一方の投光部２２Ｓから出射される変調光Ｓを測定光ＳＳとして上記測定対象物１に照射し、上記測定対象物１により反射されて戻ってきた測定光ＳＳ’と、他方の投光部２２Ｒから出射される変調光Ｓを参照光ＳＲとして上記測定光ＳＳ’とを重ね合わせて干渉光を得るものとすることができる。

【0102】

この光学式距離計２０において、上記二つの投光部２２Ｓ，２２Ｒに備えられる反射光学系は、上記光源２１から空間に放射され分岐された変調光Ｓを平行光に変換する反射型コリメータである。

【0103】

この光学式距離計２０における干渉光学系２３は、光源２１から空間に放射される複数の波長を含む変調光Ｓが反射型（偏波保存）コリメータからなる第１の投光部２２Ｓを介して測定光ＳＳとして第１のビームスプリッタ２３Ａに入射されるとともに、上記変調光Ｓの一部が分離されて反射型（偏波保存）コリメータからなる第２の投光部２２Ｒを介して参照光ＳＲとして第２のビームスプリッタ２３Ｂに入射され、上記第１のビームスプリッタ２３Ａを通過した測定光ＳＳが測定対象物１に照射され、上記測定対象物１により反射されて戻ってきた測定光ＳＳ’が上記第１のビームスプリッタ２３Ａにより反射されて上記第２のビームスプリッタ２３Ｂに入射されることにより、上記測定対象物１により反射されて戻ってきた上記測定光ＳＳ’と上記参照光ＳＲが上記第２のビームスプリッタ２３Ｂにおいて重ね合わせることにより干渉光を得て、この干渉光を受光部２４で受光することにより、上記受光部２４による上記干渉光の検出出力として得られる干渉信号を得るようになっている。

【0104】

そして、信号処理部２５は、上記受光部２４による上記干渉光の検出出力として得られる干渉信号について、上記測定対象物１により反射されて戻ってきた上記測定光ＳＳによる測定信号と、測定光または参照光を生成する信号または測定光または参照光によって生成される信号である参照信号との相対関係に基づいて解析することにより、上記参照光ＳＲと上記測定対象物１により反射されて戻ってきた上記測定光ＳＳ’との時間差（位相差）から、上記測定対象物１までの距離を高精度に算出することができる。

【0105】

なお、この光学式距離計２０において、上記受光部２４には検出素子、偏光子など干渉信号を得るために必要な光学素子が含まれる。光を干渉させるためには同一偏光状態であることが求められる。干渉信号を得るためには、測定光と参照光を重ね合わせた後、偏光子で同一偏光成分を切り出して検出するか、偏光ビームスプリッタで直交する二つの偏光成分に分離してそれぞれ独立した光検出器で検出し、二つの信号の差動として干渉信号を得るなど複数の手法がある。また、回折格子のような波長分散素子で光波長を分離して検出するようにしてもよく、受光素子は、１個の検出素子に限定されるものではない。

【0106】

この光学式距離計２０では、光源２１から空間に放射される変調光Ｓを平行光の測定光ＳＳに変換する反射型（偏波保存）コリメータからなる第１の投光部２２Ｓ、上記光源２１から空間に放射される変調光Ｓを平行光の参照光ＳＲに変換する反射型（偏波保存）コリメータからなる第２の投光部２２Ｒにおいて、ビーム断面で群遅延の分布ができにくく、群速度光路差を伴うことがなく、上記信号処理部２５において、上記受光部２４による上記干渉光の検出出力として得られる干渉信号について、上記測定対象物１により反射されて戻ってきた上記測定光ＳＳ’による測定信号と上記光源２１を駆動する信号との相対関係に基づいて解析することにより、上記参照光ＳＲと上記測定対象物１により反射されて戻ってきた上記測定光ＳＳ’との時間差（位相差）から、上記測定対象物１までの距離を高精度に算出することができる。

【0107】

また、上記光学式距離計２０において、図７に示す光学式距離計２０Ａのように、干渉光を受光部２４に照射させる光路中に上記干渉光を平行光から収束光に変換する反射型フォーカサー２７を設けて、上記反射型フォーカサー２７を介して受光部２４の受光素子に入射させるようにしてもよい。

【0108】

なお、この光学式距離計２０Ａにおいて、反射型フォーカサー２７以外の構成要素は、上記光学式距離計２０と同じなので、図中に同一符号を付してその詳細な説明を省略する。

【0109】

上記投光部２２を構成する反射型コリメータと上記受光部２４に備えられる反射型フォーカサー２７は、入射側と出入射側が互いに逆の同じ光学系のものが用いられる。

【0110】

この光学式距離計２０Ａでは、光源２１から空間に放射される変調光Ｓを平行光の測定光ＳＳに変換する反射型（偏波保存）コリメータからなる第１の投光部２２Ｓ、上記光源２１から空間に放射される変調光Ｓを平行光の参照光ＳＲに変換する反射型（偏波保存）コリメータからなる第２の投光部２２Ｒ、上記受光部２４に備えられる反射型フォーカサー２７において、ビーム断面で群遅延の分布ができにくく、群速度光路差を伴うことがなく、上記受光部２４の受光素子により干渉光を高感度に検出して、上記信号処理部２５において、上記受光部２４による上記干渉光の検出出力として得られる干渉信号について、上記測定対象物１により反射されて戻ってきた上記測定光ＳＳ’による測定信号と上記光源２１を駆動する信号との相対関係に基づいて解析することにより、上記参照光ＳＲと上記測定対象物１により反射されて戻ってきた上記測定光ＳＳ’との時間差（位相差）から、上記測定対象物１までの距離を高精度に算出することができる。

【0111】

また、干渉検出方式の光学式距離計は、例えば図８に示す光学式距離計３０のように構成することもできる。

【0112】

この光学式距離計３０は、互いに可干渉性のある変調光を空間に放射する２台の光源３１Ｓ、３１Ｒと、上記２台の光源３１Ｓ、３１Ｒから空間に放射された変調光Ｓ_１、Ｓ_２が入射されるそれぞれ反射光学系からなる二つの投光部３２Ｓ、３２Ｒを備え、干渉光学系３３は、一方の投光部３２Ｓから出射される変調光Ｓ_１を測定光ＳＳとして測定対象物１に照射し、上記測定対象物１により反射されて戻ってきた測定光ＳＳ’に、他方の投光部３２Ｒから出射される変調光Ｓ_２を参照光ＳＲとして重ね合わせて干渉光を得るようにしたものである。

【0113】

すなわち、この光学式距離計３０は、それぞれ周期的に強度又は位相が変調され、互いに変調周期が異なる測定光と参照光を出力する２台の光源３１Ｓ、３１Ｒを備え、干渉光学系３３は、第１の光源３１Ｓから空間に放射される複数の波長を含む変調光Ｓ_１が反射型（偏波保存）コリメータからなる第１の投光部３２Ｓを介して測定光Ｓ_１として第１のビームスプリッタ３３Ａに入射されるとともに、第２の光源３１Ｒから空間に放射される複数の波長を含む変調光Ｓ_２が反射型（偏波保存）コリメータからなる第２の投光部３２Ｒを介して参照光ＳＲとして第２のビームスプリッタ３３Ｂに入射され、上記第１のビームスプリッタ３３Ａを通過した測定光ＳＳが測定対象物１に照射され、上記測定対象物１により反射されて戻ってきた測定光ＳＳ’が上記第１のビームスプリッタ３３Ａにより反射されて上記第２のビームスプリッタ３３Ｂに入射されることにより、上記測定対象物１により反射されて戻ってきた上記測定光ＳＳ’と上記参照光ＳＲが上記第２のビームスプリッタ３３Ｂにおいて重ね合わせる干渉光学系３３により干渉光を得て、この干渉光を受光部３４で受光することにより、上記受光部３４による上記干渉光の検出出力として得られる干渉信号を得るようになっている。

【0114】

この光学式距離計３０では、上記第１光源３１Ｓから空間に放射される変調光Ｓ_１を平行光の測定光ＳＳに変換する反射型（偏波保存）コリメータからなる第１の投光部３２Ｓ、上記第２の光源３１Ｒから空間に放射される変調光Ｓ_２を平行光の参照光ＳＲに変換する反射型（偏波保存）コリメータからなる第２の投光部３２Ｒにおいて、ビーム断面で群遅延の分布ができにくく、群速度光路差を伴うことがなく、上記信号処理部３５において、上記受光部３４による上記干渉光の検出出力として得られる干渉信号について、上記測定対象物１により反射されて戻ってきた上記測定光ＳＳによる測定信号と、測定光または参照光を生成する信号または測定光または参照光によって生成される信号である参照信号との相対関係に基づいて解析することにより、上記参照光ＳＲと上記測定対象物１により反射されて戻ってきた上記測定光ＳＳ’との時間差（位相差）から、上記測定対象物１までの距離を高精度に算出することができる。

【0115】

この光学式距離計３０においても、干渉光を受光部３４に照射させる光路中に上記干渉光を平行光から収束光に変換する反射型フォーカサーを設けて、上記受光部３４の受光素子により干渉光を高感度に検出できるようにすることができる。

【0116】

また、干渉検出方式の光学式距離計は、例えば図９に示す光学式距離計４０のように構成することもできる。

【0117】

この光学式距離計４０は、それぞれ周期的に強度又は位相が変調され、互いに変調周期が異なる測定光と参照光を出力する２台の光源４１Ｓ、４１Ｒを備える。

【0118】

この光学式距離計４０における干渉光学系４３は、第１の光源４１Ｓから空間に放射される複数の波長を含む変調光Ｓ_１が反射型（偏波保存）コリメータからなる第１の投光部４２Ｓを介して測定光ＳＳとして第１のビームスプリッタ４３Ａに入射され、この第１のビームスプリッタ４３Ａにより上記測定光ＳＳが二つに分離されて、上記第１のビームスプリッタ４３Ａで反射されて９０°折り曲げられた一方の測定光ＳＳが第２のビームスプリッタ４３Ｂに入射されるととともに、上記第１のビームスプリッタ４３Ａを透過した他方の測定光ＳＳが測定対象物１に照射される。

【0119】

また、第２の光源４１Ｒから空間に放射される複数の波長を含む変調光Ｓ_２が反射型（偏波保存）コリメータからなる第２の投光部４２Ｒを介して参照光ＳＲとして第３のビームスプリッタ４３Ｃに入射され、この第３のビームスプリッタ４３Ｃにより上記参照光ＳＲが二つに分離されて、上記第３のビームスプリッタ４３Ｃを透過した一方の参照光ＳＲが第４のビームスプリッタ４３Ｄに入射されるととともに、上記第３のビームスプリッタ４３Ｃで反射されて９０°折り曲げられた他方の参照光ＳＲが上記第２のビームスプリッタ４３Ｂに入射される。

【0120】

そして、この光学式距離計４０における干渉光学系４３は、上記第２のビームスプリッタ４３Ｂにおいて上記測定光ＳＳと上記参照光ＳＲが重ね合わせることにより参照用干渉光を得て、この参照用干渉光を参照光受光部４４Ｒで受光することにより、上記参照光受光部４４Ｒよる上記参照用干渉光の検出出力として参照用干渉信号を得るようになっている。

【0121】

また、この光学式距離計４０における干渉光学系４３は、上記第１のビームスプリッタ４３Ａを通過した測定光ＳＳが測定対象物１に照射され、上記測定対象物１により反射されて戻ってきた測定光ＳＳ’が上記第１のビームスプリッタ４３Ａにより反射されて上記第４のビームスプリッタ４３Ｄに入射されることにより、上記測定光ＳＳ’と上記参照光ＳＲが上記第４のビームスプリッタ４３Ｄにおいて重ね合わせることにより測定用干渉光を得て、この測定用干渉光を測定光受光部４４Ｓで受光することにより、上記測定光受光部４４Ｓによる上記測定用干渉光の検出出力として測定用干渉信号を得るようになっている。

【0122】

この光学式距離計４０では、上記第１光源４１Ｓから空間に放射される変調光Ｓ１を平行光の測定光ＳＳに変換する反射型（偏波保存）コリメータからなる第１の投光部４２Ｓ、上記第２の光源４１Ｒから空間に放射される変調光Ｓ２を平行光の参照光ＳＲに変換する反射型（偏波保存）コリメータからなる第２の投光部４２Ｒにおいて、ビーム断面で群遅延の分布ができにくく、群速度光路差を伴うことがなく、信号処理部４５において、上記参照光検出部４４Ｒで得られる参照用干渉信号と上記測定光受光部４４Ｓで得られる測定用干渉信号の時間差（位相差）から、上記測定対象物１までの距離を高精度に算出することができる。

【0123】

上記参照光検出部４４Ｒが受光する参照用干渉光を平行光から収束光に変換する反射型フォーカサーや上記測定光検出部４４Ｓが受光する測定用干渉光を平行光から収束光に変換する反射型フォーカサーを設けて、上記参照光検出部４４Ｒの受光素子により参照用干渉光を高感度に検出するとともに、上記測定光受光部４４Ｓの受光素子により測定用干渉光を高感度に検出できるようにすることができる。

【0124】

ここで、この光学式距離計４０において、上記第１のビームスプリッタ４３Ａ乃至第４のビームスプリッタ４３Ｄおよび全反射鏡４３Ｅは干渉光学系４３を構成しており、この干渉光学系４３は、台形プリズムや直角プリズムの面に蒸着により蒸着膜を形成して、貼り合わせて一体化した構造の干渉計用プリズムとすることができる。先に説明した図１に示したレーザー距離計１００は、台形プリズムや直角プリズムの面に蒸着によりビームスプリッタ膜等を形成して、貼り合わせて一体化した構造の干渉計用プリズムを上記プリズムユニット１３０として備える干渉検出方式の光学式距離計の具体例である。

【0125】

また、光源から空間に放射される変調光を平行光に変換する反射型コリメータや平行光を収束光に変換する反射型フォーカサーは、光ファイバーを介して空間に放射されるレーザー光に対しても適用することができる。

【0126】

すなわち、干渉検出方式の光学式距離計は、例えば図１０に示す光学式距離計５０のように構成することもできる。

【0127】

この光学式距離計５０は、それぞれ周期的に強度又は位相が変調され、互いに変調周期が異なる測定光ＳＳと参照光ＳＲを出力する２台の光コム光源５１Ｓ、５１Ｒからなる光源部５１、上記光源部５１の第１の光コム光源５１Ｓから測定光ＳＳが光ファイバーを介して第１の光カップラ５３Ａに入射されるとともに第２の光コム光源５１Ｒから参照光ＳＲが光ファイバーを介して第２の光カップラ５２Ｂに入射される光ファイバー干渉計５２、上記光ファイバー干渉計５２の第４の光カップラ５３Ｄに２本の光ファイバーを介して接続された測定光検出器５４Ｓと、上記光ファイバー干渉計５３の第５の光カップラ５３Ｅに２本の光ファイバーを介して接続された参照光検出器５４Ｒ、上記光ファイバー干渉計５３の第３の光カップラ５３Ｃに光ファイバーを介して接続された反射型光学系５６、上記測定光検出器５４Ｓにより得られる測定信号と上記参照光検出器５４Ｒにより得られる参照信号に基づき、測定対象物１までの距離を算出する演算処理部５５等を備える。

【0128】

この光学式距離計５０に備えられた光ファイバー干渉計５３は、光ファイバーを介して接続された５個の光カップラ５３Ａ～５３Ｅからなり、上記測定光ＳＳが入射される上記第１の光カップラ５２Ａはそれぞれ光ファイバーを介して接続され第３の光カップラ５３Ｃと第４の光カップラ５３Ｄに接続され、上記参照光ＳＲが入射される上記第２の光カップラ５２Ｂはそれぞれ光ファイバーを介して第４の光カップラ５３Ｄと第５の光カップラ５３Ｄに接続され、さらに、上記第３の光カップラ５３Ｃが光ファイバーを介し上記第５の光カップラ５３Ｄに接続されている。

【0129】

上記光ファイバー干渉計５３では、上記第１の光カップラ５２Ａに入射された上記測定光ＳＳが上記第３の光カップラ５３Ｃに光ファイバーを介して接続された反射型光学系５６から空間に放射して測定対象物１に照射して、上記測定対象物１により反射されて上記反射型光学系５６に戻ってくる測定光ＳＳ’が上記第３の光カップラ５３Ｃに光ファイバーを介して接続された第５の光カップラ５３Ｅに入射される。

【0130】

上記第５の光カップラ５３Ｅは、上記参照光ＳＲが入射される上記第２の光カップラ５２Ｂに光ファイバーを介して接続されているので、該第５の光カップラ５３Ｅにおいて、上記第２の光カップラ５２Ｂに入射された上記参照光ＳＲが上記記反射型光学系５６を介して戻ってきた測定光ＳＳ’と重ね合わせることにより測定用干渉光が得られる。

【0131】

この第５の光カップラ５３Ｅは、上記参照光ＳＲと上記測定光ＳＳ’とを重ね合わせた測定用干渉光を出力する際に、光カップラの透過側、反射側に配される上記参照光ＳＲと上記測定光ＳＳ’の関係を入れ替て二つに分岐して出力する。

【0132】

上記測定用受光部５４Ｓは、上記第５の光カップラ５３Ｅにより上記参照光ＳＲと上記測定光ＳＳ’の関係が入れ替られた二つの測定用干渉光を受光する二つの光検出器を備える差動検出器であり、二つの検出信号の差から測定用干渉信号を取り出す。

【0133】

この測定用干渉光を測定光受光部５４Ｓで受光することにより、上記測定光受光部５４Ｓによる上記測定用干渉光の検出出力として測定用干渉信号を得ることができる。

【0134】

上記測定用受光部５４Ｓでは、二つの検出信号の差分を計算することによって干渉信号を強調と強度雑音の抑圧が可能になり、測定用干渉信号の信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）を高めることができる。

【0135】

また、上記第４の光カップラ５３Ｄは、上記測定光ＳＳが入射される上記第１の光カップラ５２Ａと上記参照光ＳＲが入射される上記第２の光カップラ５２Ｂにそれぞれ光ファイバーを介して接続されているので、該第４の光カップラ５３Ｄにおいて、上記第１の光カップラ５２Ａに入射された上記測定光ＳＳと上記第２の光カップラ５２Ｂに入射された上記参照光ＳＲとを重ね合わせることにより参照用干渉光が得られる。

【0136】

この第４の光カップラ５３Ｄは、上記測定光ＳＳと上記参照光ＳＲと上記測定光ＳＳとを重ね合わせた参照用干渉光を出力する際に、光カップラの透過側、反射側に配される上記測定光ＳＳと上記参照光ＳＲとの関係を入れ替て二つに分岐して出力する。

【0137】

上記参照用受光部５４Ｒは、上記第４の光カップラ５３Ｄにより上記参照光ＳＲと上記測定光ＳＳの関係が入れ替られた二つ参照用干渉光を受光する二つの光検出器を備える差動検出器であり、二つの検出信号の差から参照用干渉信号を取り出す。

【0138】

この参照用干渉光を参照光受光部５４Ｒで受光することにより、上記参照光受光部５４Ｒによる上記参照用干渉光の検出出力として参照用干渉信号を得ることができる。

【0139】

上記参照用受光部５４Ｓでは、二つの検出信号の差分を計算することによって干渉信号を強調と強度雑音の抑圧が可能になり、参照用干渉信号の信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）を高めることができる。

【0140】

ここで、上記第３の光カップラ５３Ｃに光ファイバーを介して接続された反射型光学系５６上記反射型光学系５６は、測定対象物１に照射する測定光ＳＳを平行光に変換するコリメータまたは測定対象物１に反射されて戻ってくる測定光ＳＳ’を収束光に変換するフォーカサー、あるいは、上記光ファイバー干渉計５３と上記光ファイバー干渉計５３の間に設けられるリレー光学系等の光学素子を反射型光学素子にて構成したものである。

【0141】

反射型光学素子にて構成した反射型光学系５６では、ビーム断面で群遅延の分布ができにくく、群速度光路差を伴うことがなく、上記信号処理部５５において、上記光ファイバー干渉計５３により得られる上記測定用干渉光を受光する上記測定光受光部５４Ｓによる検出出力として得られる測定用干渉信号と、上記参照用干渉光を受光する上記参照光受光部５４Ｒによる検出出力として得られる参照用干渉信号の時間差（位相差）から、上記測定対象物１までの距離を高精度に算出することができる。

【0142】

ここで、上記レーザー距離計１００や各光学式距離計１０～５０は、測定対象物１に測定光を照射して、測定対象物１により反射されて戻ってくる測定光に基づいて、上記測定対象物１までの距離を測定するものであるが、例えば、図１１に示すように、上記測定対象物１に照射する測定光で該測定対象物１を走査する光学スキャン装置８１を設けることにより、上記測定対象物１の三次元形状を非接触での測定する光学式三次元形状測定装置８０として機能する。
ここで、上記レーザー距離計１００や各光学式距離計１０～５０において、測定対象物１に照射する測定光は、図１３に示した評価実験系３００により群遅延分布を評価することができる。
すなわち、上記レーザー距離計１００や各光学式距離計１０～５０において、上記反射光学系からなる投光部は、光チョッパを介してリトロリフレクタの中心に測定光ビームを照射し、上記リトロリフレクタにより反射されて上記光チョッパを介して戻ってくる上記測定光ビームの断面で群遅延の分布を評価する評価実験系により群遅延分布が評価済であるものとすることにより、高品質の光学式距離計を提供することができる。

【0143】

この光学式三次元形状測定装置８０は、例えば図１に示したレーザー距離計１００と、レーザー距離計１００から出射される測定光Ｓ_Ｃ１で測定対象物１を走査する光学スキャン装置８１と、レーザー距離計１００の出力に基づいて、測定対象物１ の複数の点までの絶対距離を計測して立体像を得る信号処理装置８２を備える。

【0144】

レーザー距離計１００は、測定光Ｓ_Ｃ１を空間に出射して、上記光学スキャン装置８１により上記測定光Ｓ_Ｃ１で測定対象物１を走査することにより、上記測定対象物１により反射されて上記光学スキャン装置８１を介して戻ってきた測定光_Ｃ１’に基づいて、上記測定対象物１までの絶対距離を計測する。

【0145】

上記光学スキャン装置８１は、上記レーザー距離計１００から出射される測定光Ｓ_Ｃ１で測定対象物１を走査する反射型走査光学系を備える。

【0146】

すなわち、この光学式三次元形状測定装置８０では、レーザー距離計１００からの出射される測定光Ｓ_Ｃ１が光学スキャン装置８１から測定対象物１に向けて照射され、測定対象物１からの反射光Ｓ_Ｃ１’がレーザー距離計１００に戻り、物体表面までの絶対距離がレーザー距離計１００により計測される。

【0147】

信号処理装置８２は、上記光学スキャン装置８１を制御してレーザービームを走査すると同時に上記レーザー距離計１００が計測する測定対象物１の表面までの絶対距離情報を取得して、ビーム照射位置とその場所まで絶対距離を複数の点について蓄積することにより非接触で物体の三次元形状を測定する。

【0148】

この光学式三次元形状測定装置８０においても、上記光学スキャン装置８１が測定対象物１を走査する反射型走査光学系を備えることにより、反射型走査光学系において測定光Ｓ_Ｃ１および反射光Ｓ_Ｃ１’のビーム断面で群遅延の分布ができにくく、群速度光路差を伴うことがないので、上記レーザー距離計１００により測定対象物１の表面までの絶対距離を高精度に計測することができ、上記信号処理装置８２は、上記レーザー距離計１００が計測する測定対象物１の表面までの絶対距離情報を取得して、ビーム照射位置とその場所まで絶対距離を複数の点について蓄積することにより非接触で物体の三次元形状を測定することができる。

【符号の説明】

【0149】

１ 測定対象物、１０，１０Ａ，２０，２０Ａ，３０，４０，５０ 光学式距離計、１１，２１，３１Ｓ，３１Ｒ，４１Ｓ，４１Ｒ，１１０，１２０ 光源、１２，２２Ｓ，２２Ｒ，３２Ｓ，３２Ｒ，４２Ｓ，４２Ｒ 投光部、１３，２３Ａ，２３Ｂ，３３Ａ，３３Ｂ，４３Ａ～４３Ｄ ビームスプリッタ、１４，２４，３４，４４ 受光部、１５，２５，３５，４５，５５，１８０ 信号処理部、３３，４３ 干渉光学系、１７，２７ 反射型フォーカサー、４４Ｓ 測定光受光部、４４Ｒ 参照光検出部、１６，１５５ 基準面、４３Ｅ 全反射鏡、５１ 光源部、５１Ｓ、５１Ｒ 光コム光源、５２ 光ファイバー干渉計、５３Ａ～５３Ｅ 光カップラ、５４Ｓ 測定光検出器、５４Ｒ 参照光検出器、８０ 光学式三次元形状測定装置、８１ 光学スキャン装置、８２ 信号処理装置、１００ レーザー距離計、１１１，１１２ 反射型コリメータ、１１１ａ，１１２ａ 放物面鏡、１１３，１１４ １／２波長（λ／２）板、１１５，１１６ １／４波長（λ／４）板、１３０ プリズムユニット、１５０ 測定面、１６０，１７０ 光検出器、１６１Ａ，１６１Ｂ，１７１Ａ，１７１Ｂ フォトディテクタ、１６２、１７２ 差動検出器

【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】