距離計及び距離測定方法並びに光学的三次元形状測定機
【課題】 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および距離測定方法を提供する。
【解決手段】
第１の光源１から出射されて基準面４に照射される基準光Ｓ１と第２の光源２から出射されて測定面６に照射される測定光Ｓ２と干渉光Ｓ３を基準光検出器３により検出して得られる干渉信号と、上記基準面４により反射された基準光Ｓ１’と上記測定面５により反射された測定光Ｓ２’との干渉光Ｓ４を測定光検出器６により検出して得られる干渉信号を信号処理部７に供給して、上記信号処理部７により、上記干渉光Ｓ３を検出した干渉信号と上記干渉光Ｓ４を検出し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までの距離と上記測定面までの距離の差を求める。
【解決手段】
第１の光源１から出射されて基準面４に照射される基準光Ｓ１と第２の光源２から出射されて測定面６に照射される測定光Ｓ２と干渉光Ｓ３を基準光検出器３により検出して得られる干渉信号と、上記基準面４により反射された基準光Ｓ１’と上記測定面５により反射された測定光Ｓ２’との干渉光Ｓ４を測定光検出器６により検出して得られる干渉信号を信号処理部７に供給して、上記信号処理部７により、上記干渉光Ｓ３を検出した干渉信号と上記干渉光Ｓ４を検出し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までの距離と上記測定面までの距離の差を求める。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基準面に照射した基準光の該基準面による反射光と測定面に照射した測定光の該測定面による反射光との干渉光を検出して、上記基準面までの距離と上記測定面までの距離の差を求める距離計及び距離測定方法並びに光学的三次元形状測定機に関する。
【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。レーザ光を用いて対象物体までの距離を測定するレーザ距離計ではレーザ光の発射時刻と、測定対象に当たり反射してきたレーザ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（たとえば特許文献1参照）。また、例えば、半導体レーザ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】
【特許文献１】特開２００１−３４３２３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、一般的なレーザ距離計は、レーザに強度変調を与えて測定対象に向けて出射し、反射してきた光の遅延時間を計測することによって距離計測を行う。通常、レーザに与える電気的な変調信号と光検出器の出力信号の位相比較を行って、レーザに与えた変調信号を基準に遅延時間を計測する。例えば１μｍの距離分解能を得るためには、光が往復で２μｍの距離を進む時間に等しい時間分解能（約７フェムト秒）が必要であるが、これを電気回路で実現するためには周波数帯域を数百ＧＨｚから数ＴＨｚに上げる必要があるため現在の技術では不可能である。
【０００５】
また、レーザ干渉を応用する変位計を用いると、ある基準面からの変位量をナノメートルオーダーの分解能または精度で計測することが可能である。レーザ光の波長は数百ナノメートルから数マイクロメートルの範囲にあるので電気信号の波長よりもはるかに短い。例えば、レーザから発生した干渉性の強い光をビームスプリッタで分けてから参照面と測定面に照射して再び重ね合わせてから光検出器に入力すると、参照面までの距離と測定面までの距離に応じた干渉信号が得られる。干渉信号は、測定面が光の半波長分移動したときに1周期変化するため、光の波長より高い分解能で変位量を得ることが可能である。ただし、変位計を絶対距離測定に応用するためには、原点からの変位量の積算が必要である。
【０００６】
光は波長が短いため数メートルの距離を変位計で測るためには光の波長の数千倍の変位を積算しなければならない。したがって、一度光線が遮断されるとその場で絶対距離測定を再開することが難しく、原点復帰が必要である。したがって、変位計はある基準点からの変化量を高い分解能で計測する応用には向いているが、手元から測定面までの距離を高精度に測定したい場合には向いていない。
【０００７】
従来の絶対距離計では、長い距離を高精度で測れる実用的な絶対距離計を実現することが難しく、高い分解能を得るためにはレーザ変位計のように原点復帰が必要なため絶対距離測定に適さない方法しか手段がなかった。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、上述の如き従来の実情に鑑み、長距離測定を高精度で、しかも短時間に行うことの可能な距離計及び距離測定方法並びに光学的三次元形状測定機を提供することにある。
【０００９】
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】
【００１０】
本発明に係る距離計は、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基準光と測定光を出射する第１及び第２の光源と、上記第１の光源から出射された基準光と上記第２の光源からの出射された測定光との干渉光を検出する基準光検出器と、上記第１の光源から出射された基準光が照射される基準面と、上記第２の光源から出射された測定光が照射される測定面と、上記基準面により反射された基準光と上記測定面により反射された測定光との干渉光を検出する測定光検出器と、上記基準光検出器により検出された干渉信号と上記測定光検出器に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までの距離と上記測定面までの距離の差を求める信号処理部とを備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る距離計において、上記第１及び第２の光源は、例えば、モード周波数間隔が異なる２台の光周波数コム発生器とすることができる。
【００１２】
また、本発明に係る距離計において、上記信号処理部は、例えば、上記基準光検出器により検出された干渉信号を周波数解析して多数の光周波数コムの位相情報を一括して取得するとともに、上記測定光検出器により検出された干渉信号を周波数解析して多数の光周波数コムの位相情報を一括して取得し、それぞれの位相特性の周波数に対する変化率を求め、その傾きの差から上記基準面までの距離と上記測定面までの距離の差を算出する。
【００１３】
また、本発明に係る距離計では、例えば、上記第１及び第２の光源として、それぞれ周期的に強度又は位相が変調されかつキャリア周波数が安定化された２台の光源を使用し、上記信号処理部は、上記基準光検出器と上記測定光検出器による干渉信号の時間差による絶対距離とキャリア周波数成分の位相変位を算出する。
【００１４】
また、本発明に係る距離計では、上記第１及び第２の光源は、例えば、相対位相の同期が高い周波数帯域まで行われ短期的な相対位相変動の少ない２台の対になった発振器により駆動されて、上記互いに変調周期が異なる干渉性のある基準光と測定光を出射する。
【００１５】
また、本発明に係る距離計において、上記信号処理部は、例えば、モード周波数差が同じでない複数の値での距離計測結果に基づいて、測定距離の校正処理を行う。
【００１６】
さらに、本発明に係る距離計において、上記信号処理部は、例えば、変調周波数が同じでない複数の値での距離計測結果に基づいて、マイクロ波の波長以上の距離で絶対距離測定値を算出する。
【００１７】
本発明に係る距離測定方法は、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基準光と測定光を基準面と測定面に照射し、上記基準面と測定面に照射する基準光と測定光との第１の干渉光を検出するとともに、上記基準面により反射された基準光と上記測定面により反射された測定光との第２の干渉光を検出し、上記第１の干渉光を検出した干渉信号と上記第２の干渉光を検出し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までの距離と上記測定面までの距離の差を求めることを特徴とする。
【００１８】
さらに、本発明に係る光学的三次元形状測定機は、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基準光と測定光を出射する第１及び第２の光源と、上記第１の光源から出射された基準光と上記第２の光源からの出射された測定光との干渉光を検出する基準光検出器と、上記第１の光源から出射された基準光が照射される基準面と、上記基準面により反射された基準光と上記対象物体により反射された測定光との干渉光を検出する測定光検出器と、上記基準光検出器により検出された干渉信号と上記測定光検出器に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までの距離と上記対象物体までの距離の差を求める信号処理部とを備える距離計と、上記距離計から出射される測定光で対象物体を走査し、上記対象物体により反射された上記測定光を上記距離計に戻す光学スキャン装置と、上記光学スキャン装置を制御してレーザービームを走査すると同時に上記距離計が計測する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信号処理装置とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明では、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レーザ距離計およびレーサ距離測定方法並びに光学的三次元形状測定機を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
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、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。
【００２１】
本発明に係るレーザ距離計１０は、例えば図１に示すように、基準光Ｓ１を出射する第１の光源１と、測定光Ｓ２を出射する第２の光源２と、上記基準光Ｓ１と上記測定光Ｓ２との干渉光Ｓ３を検出する基準光検出器３と、上記基準光Ｓ１が照射される基準面４と、上記測定光が照射される測定面５と、上記基準面４により反射された基準光Ｓ１’と上記測定面５により反射された測定光Ｓ２’との干渉光Ｓ４を検出する測定光検出器６と、上記基準光検出器３により上記干渉光Ｓ３を検出して得られる干渉信号と上記測定光検出器６により上記干渉光Ｓ４を検出して得られる干渉信号が供給される信号処理部７を備える。
【００２２】
上記第１及び第２の光源１，２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基準光Ｓ１と測定光Ｓ２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基準光Ｓ１と測定光Ｓ２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。
【００２３】
上記第１及び第２の光源１，２から出射された基準光Ｓ１と測定光Ｓ２は、半透鏡又は偏光ビームスプリッタからなる光混合素子１１により混合されて重ね合わされ、半透鏡からなる光分離素子１２により、上記基準光検出器３に向かう光と測定対象に向かう光に分離される。
【００２４】
ここでは、上記第１及び第２の光源１，２から出射された基準光Ｓ１と測定光Ｓ２は、互いに偏光面が直交してものとし、半透鏡からなる光混合素子１１により混合され、その混合光が光分離素子１２により反射されて偏光子１３を介して上記基準光検出器３に入射されるとともに、上記光分離素子１２を通過した混合光が偏光ビームスプリッタ１４により偏光に応じて基準光Ｓ１と測定光Ｓ２に分離されて、上記基準光Ｓ１が基準面４に入射され、また、上記測定光Ｓ２が測定面５に入射されるようになっている。
【００２５】
なお、ここでは、上記第１及び第２の光源１，２から出射された基準光Ｓ１と測定光Ｓ２は、互いに偏光面が直交したものとしたが、上記光混合素子１１として偏光ビームスプリッタを用いて、基準光Ｓ１と測定光Ｓ２の互いに偏光面が直交する成分を混合するようにしてもよい。
【００２６】
さらに、上記基準面４により反射された基準光Ｓ１’と、上記測定面５により反射された測定光Ｓ２’は、上記偏光ビームスプリッタ１４により混合され、その混合光が上記光分離素子１２により反射されて偏光子１５を介して上記測定光検出器６に入射されるようになっている。
【００２７】
そして、上記基準光検出器３は、上記偏光子１３を介して入射される上記基準光Ｓ１と測定光Ｓ２との混合光を受光することより、上記第１及び第２の光源１，２から出射された基準光Ｓ１と測定光Ｓ２の干渉光Ｓ３を検出するようになっている。
【００２８】
また、上記測定光検出器６は、上記偏光子１５を介して入射される上記基準光Ｓ１’と上記測定光Ｓ２’の混合光を受光することにより、上記基準面４により反射された基準光Ｓ１’と上記測定面５により反射された測定光Ｓ２’の干渉光Ｓ４を検出するようになっている。
【００２９】
このレーザ距離計１０では、図１中に太線で示す上記光混合素子１１から偏光ビームスプリッタ１４までの光路では、基準光Ｓ１と測定光Ｓ２が干渉しないように偏光を直交させてあり、上記偏光ビームスプリッタ１４により上記基準光Ｓ１と測定光Ｓ２を偏光応じて分離して上記基準面４と上記測定面５に入射させる。そして、上記基準面４と上記測定面５で反射された上記基準光Ｓ１’と測定光Ｓ２’を上記偏光ビームスプリッタ１４により混合し、その混合光を上記光分離素子１２により反射して上記測定光検出器６に入射させ、上記基準面４により反射された基準光Ｓ１’と上記測定面５により反射された測定光Ｓ２’の干渉光Ｓ４を上記測定光検出器６により検出する。
【００３０】
ここで、上記光混合素子１１から偏光ビームスプリッタ１４までの光路中に設けられた光分離素子１２を介して基準光検出器３に導かれる混合光に含まれる基準光Ｓ１と測定光Ｓ２は偏光が直交しているため、そのまま上記基準検出器３に入射しても干渉信号が得られないので、偏光子１３を挿入し、上記基準光Ｓ１と測定光Ｓ２の偏光に対して斜めになるように上記偏光子１３の向きを調整しておくことにより、上記偏光子１３の透過成分として上記基準光Ｓ１と測定光Ｓ２の成分が混合された干渉光Ｓ３が基準検出器３に入射されるようにして、上記基準検出器３により干渉信号を得るようにしている。同様に、上記光分離素子１２を介して測定光検出器６に導かれる混合光に含まれる基準光Ｓ１’と測定光Ｓ２’は偏光が直交しているため、そのまま上記測定検出器６に入射しても干渉信号が得られないので、偏光子１５を挿入し、上記基準光Ｓ１’と測定光Ｓ２’の偏光に対して斜めになるように上記偏光子１５の向きを調整しておくことにより、上記偏光子１５の透過成分として上記基準光Ｓ１’と測定光Ｓ２’の成分が混合された干渉光Ｓ４が測定光検出器６に入射されるようにして、上記測定検出器６により干渉信号を得るようにしている。なお、偏光子に替えて半波長板と偏光ビームスプリッタを用いてもよい。
【００３１】
上記基準光検出器３によって得られる干渉信号は、キャリア周波数が上記第１及び第２の光源１，２から出射された基準光Ｓ１と測定光Ｓ２のキャリア光周波数の差であり、上記基準光Ｓ１と測定光Ｓ２の光パルス繰り返し周波数の差の周波数で同じ干渉波形が繰り返される。
【００３２】
このレーザ距離計１０において、上記基準光検出器３の役割は、遅延時間計測の基準を生成することである。上記第１及び第２の光源１，２から出射された基準光Ｓ１と測定光Ｓ２は、繰り返し周波数が等しくないので、光源が動作を開始した時にタイミングがずれていても、少しずつタイミングがずれていき、必ずどこかで基準光Ｓ１の光パルスと測定光Ｓ２の光パルスが重なる瞬間が現れる。また、その重なる瞬間は基準光Ｓ１と測定光Ｓ２の繰り返し周波数の差の繰り返し周波数で周期的に現れる。この光パルスと光パルスの重なる瞬間が、遅延時間計測の基準となる。
【００３３】
また、測定光検出器６によって得られる干渉信号は、上記基準光検出器３によって得られる干渉信号と同じくキャリア周波数が基準光Ｓ１’と測定光Ｓ２’のキャリア光周波数の差であり、上記基準光Ｓ１と測定光Ｓ２の光パルス繰り返し周波数の差と同じ繰り返し周波数を持つ。しかし、上記測定光検出器６に入力される光パルスは、基準反射鏡４までの距離Ｌ１と測定反射鏡５までの距離Ｌ２の距離差の絶対値（Ｌ２−Ｌ１）の分だけ、光パルスのタイミングが遅れるため、光パルスと光パルスの重なる瞬間が上記基準光検出器３によって得られる干渉信号と比較して遅れる。この遅れ時間が上記距離差の絶対値（Ｌ２−Ｌ１）の２倍の距離を光パルスが伝搬することによる遅延時間であり、真空中の光速Ｃをかけて屈折率ｎｇで割ることにより距離が得られる。
【００３４】
このように、周期の異なる２台のパルス光源の干渉によって距離計測を行う場合、時間基準を与える干渉信号の基準光検出器３が不可欠であり、基準光検出器３と測定光検出器６により得られる各干渉信号の時間差を比較することによって初めて距離測定が可能となる。
【００３５】
そこで、レーザ距離計１０において、上記信号処理部７は、上記基準光検出器３により上記干渉光Ｓ３を検出して得られる干渉信号と上記測定光検出器６により上記干渉光Ｓ３を検出して得られる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までの距離Ｌ１と上記測定面までの距離Ｌ２の距離差の絶対値（Ｌ２−Ｌ１）を求める処理を行う。
【００３６】
すなわち、このレーザ距離計１０では、第１及び第２の光源１，２から出射される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基準光Ｓ１と測定光Ｓ２を基準面４と測定面５に照射し、上記基準面４と測定面５に照射する基準光Ｓ１と測定光Ｓ２との干渉光Ｓ３を基準光検出器３により検出するとともに、上記基準面４により反射された基準光Ｓ１’と上記測定面５により反射された測定光Ｓ２’との干渉光Ｓ４を測定光検出器６により検出し、上記信号処理部７により、上記基準光検出器３により干渉光Ｓ３を検出した干渉信号と上記測定光検出器６により干渉光Ｓ４を検出し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までの距離と上記測定面までの距離の差を求める。
【００３７】
ここで、このレーザ距離計１０における距離測定の原理について説明する。
【００３８】
距離測定の原理は、光パルスの時間遅延から距離を求める距離計に準ずる。すなわち、距離（Ｌ２−Ｌ１）を往復する際の時間遅延ΔＴ＝２×ｎｇ×（Ｌ２−Ｌ１）／ｃを計測して、光路の群屈折率ｎｇ、真空中の光速ｃから（Ｌ２−Ｌ１）を計算する。
【００３９】
包絡線波形ｆ（ｔ）、キャリア周波数ω０＝２πｆ０の光パルスは、次のように表わすことができる。
【００４０】
【数１】
この光パルスを基準パルスとすると、基準パルスのフーリエ変換は、包絡線パルスｆ（ｔ）のフーリエ変換Ｆ（ω）を用いて、次の（１）式で表わされる。
【００４１】
【数２】
フーリエ変換の演算をＦＦＴ［ ］で表した。そして、基準パルスが、測定距離の伝搬による遅延の影響を受けたとすると、遅延パルスの波形とそのフーリエ変換は、次の（２）式の形で表わされる。
【００４２】
【数３】
ここで、時間ΔＴは遅延時間である。絶対距離を測るためには時間軸の包絡線の時間波形ｆ（ｔ−ΔＴ）からΔＴを求めるか、（２）式の右辺のＢ項で示される周波数軸の位相特性ｅ−ｊＢを求めればよい。ωは角周波数でありｆを周波数としてω＝２πｆの関係がある。（２）式の左辺のｊＡ項は、キャリア成分の位相シフトを表す。この項は、光の半波長の距離で２πラジアン変化する感度の高い成分であり、変位測定に用いられる。
【００４３】
距離測定の分解能を１μｍより高めるためには、包絡線の時間波形ｆ（ｔ−ΔＴ）又は周波数軸の位相特性ｅ−ｊＢから遅延時間ΔＴを求めるための時間分解能をフェムト秒のオーダーに高めなければならない。電気回路の周波数帯域の上限が数十ＧＨｚであることを考えると困難である。そこで、互いに変調周期が異なる干渉性のある基準光Ｓ１と測定光Ｓ２を発生する２つの光源を用意して干渉させ、電気的に処理が可能な周波数に落として遅延時間ΔＴを計測するのがレーザ距離計１０による距離測定の方法である。
【００４４】
測定距離（Ｌ２−Ｌ１）に比例する基準光パルスＰ１と測定光パルスＰ２の時間ΔＴの測定を、互いに変調周期の異なる干渉性のある２台のパルス光源の干渉によって行う場合の模式図を図２の（Ａ），（Ｂ）に示す。
【００４５】
図２の（Ａ）は基準光検出器３が受光する光パルス列を表す。Ｓ１，Ｓ２は、それぞれ基準光パルスと測定光パルスの包絡線の時間波形である。繰り返し周波数は基準光パルスＳ１がｆｍ＋Δｆｍ、測定光パルスＳ２がｆｍであると仮定する。繰り返し周期はＳ１がＴ’＝１／（ｆｍ＋Δｆｍ）、Ｓ２がＴ＝１／ｆｍである。重なったパルスを基準に計測した時刻をそれぞれの繰り返し周期で規格化した値をＮとすると、Ｓ１とＳ２のパルスはそれぞれのＮが整数の時刻にＮ番目のパルスが検出器に到着することになる。Ｓ１とＳ２のＮ番目のパルスの到着時刻を比較すると、パルス列の周期の違い（Ｔ−Ｔ’）のＮ倍の時間だけ基準光パルスＳ１が先に到着する。パルス到着時間のずれはＮに比例して大きくなり、あるＮ番目のパルスでは、（Ｔ−Ｔ’）Ｎ＝Ｔとなり、Ｎ番目の基準光パルスＳ１がＮ−１番目の測定光パルスＳ２に追い付いて同じ時刻に到着する。
【００４６】
Ｓ１、Ｓ２のタイミングが一致するまでのパルスの個数Ｎは、次の（３）式により求められる。
【００４７】
【数４】
Ｓ１とＳ２の干渉信号は、互いのパルスが重なり合うタイミングで発生する。したがって、干渉信号の周期Ｔｂは、次の（４）式で表され、２つのパルス列の繰り返し周波数差Δｆｍの逆数に等しい。
【００４８】
【数５】
また、Ｓ１，Ｓ２はそれぞれ一定の繰り返し周波数を持つパルス列であるから、干渉信号も一定の周期Ｔｂで同じ波形を繰り返す。繰り返し周波数差Δｆｍが大きすぎると光パルスが重なり合う時間が短くなるため干渉信号がとりにくくなる。それを避けるためΔｆｍ<<ｆｍのように繰り返し周波数差を設定する。
【００４９】
また、図２の（Ｂ）は、測定光検出器６が受光するパルス列を表す。図２の（Ａ）に示すパルスと比較して、測定光パルスＳ２が光路長（Ｌ２−Ｌ１）を往復したことによる時間ΔＴだけ遅れて到着している。この場合、Ｓ１とＳ２のパルスが重なる番号Ｎ’は、Ｎ’に比例して大きくなる周期のずれとΔＴの和が測定光パルスの周期Ｔに一致した瞬間であり、次の（５）式で表わすことができる。
【００５０】
【数６】
したがって、Ｎ’は、次の（６）式で与えられる。
【００５１】
【数７】
ただし、δ＝ΔＴｆｍである。ΔＴが０から測定光パルスの繰り返し周期Ｔまで変化する間にδは０〜１まで直線的に変化する。
【００５２】
測定光検出器の受光パルスＳ１，Ｓ２が重なる時間を基準光検出器が受光するパルスが重なるＮ＝０の時刻を基準に計測するとその時刻は次の（７）式で示されるＮ’Ｔ’で与えられる。
【００５３】
【数８】
δが測定光パルスの１周期の間で０から１まで変化するとＮ’Ｔ’はＴｂ〜０まで直線的に変化する。遅延時間ΔＴがあっても、０〜Ｔｂまでの間に必ず１か所Ｓ１パルスがＳ２パルスを追い越していく時刻が存在するため、０〜Ｔｂの間で必ず干渉信号が得られる。Ｎ＝０の時刻で発生する基準光検出器の干渉信号と遅延時間ΔＴのために遅れて発生する測定光検出器の干渉信号の時刻を比較することによって遅延時間ΔＴが求められる。
【００５４】
例えば、基準光パルスの繰り返し周波数を２５ＧＨｚ＋１００ｋＨｚ、測定光パルスの繰り返し周波数を２５ＧＨｚとすると、ΔＴが０〜４０ｐｓの範囲で変化すると、干渉信号の発生時刻は１０μｓ〜０の間で変化する。４０ｐｓの時間内で起こる変化を１０μｓの時間幅に引き伸ばして計測できる。１フェムト秒の時間差であっても２５０ｐｓとして観測できるため、直接フェムト秒の分解能で時間計測を行うよりもはるかに低い周波数帯域の電気回路で取り扱うことができる。
【００５５】
測定光パルスに与えられる時間遅延の符号とビート信号の時間遅延の符号の関係は、Ｓ１とＳ２の繰り返し周波数とキャリア周波数の大小関係に依存する。
【００５６】
図３の（Ａ）は、光スペクトルの模式図である。Ｓ１は基準光のスペクトル、Ｓ２は測定光のスペクトルを表す。Ｓ１、Ｓ２は光パルスの繰り返し周波数に一致したコム状のモードを持っており、モード間隔はそれぞれＳ１がｆｍ＋Δｆｍ、Ｓ２がｆｍである。図３の（Ａ）では、スペクトル中央のモードを中心にモード番号を付け、Ｎ＝０のモード間の干渉信号の周波数をｆａと仮定している。Ｓ１とＳ２の干渉波形にはさまざまなモード間の差周波数が含まれるが、同じモード番号間の差周波数が最も低い周波数帯に現れるため、適当な周波数帯域の光検出器を使用すると高い差周波数成分は検出信号から除外される。この場合、同じモード番号の干渉波形だけがビート信号として光検出器から取り出される。
【００５７】
また、図３の（Ｂ）は、ビート信号スペクトルの模式図である。周波数ｆａを中心にΔｆｍ間隔のコム状の電気信号スペクトルが得られる。ビート信号の時間波形は各周波数成分を重ね合わせたものである。周波数軸の位相特性ｅ−ｊＢを求めるためには、基準光検出器の出力ビート信号のスペクトルから基準となる位相特性を求め、同時に測定光検出器の出力ビート信号スペクトルから求められる位相特性を求め、それらを比較する。光分離素子１２までの光路差に依存するビート信号スペクトルの位相特性は共通なので、比較によって得られる位相特性の違いは測定距離（Ｌ２−Ｌ１）の伝搬によるものである。測定光スペクトルと基準光スペクトルの各モードの位相差情報が、ビート信号スペクトルの各モード番号の位相に反映される。ビート信号スペクトルのモード番号と位相の関係を測定光スペクトルのモード番号と位相差の関係に置き換えて光周波数と位相差の関係ωΔＴを求め、その直線をωで微分して得られる係数からΔＴを求める。
【００５８】
光コム干渉による距離測定をビート信号の周波数解析により行うと、光スペクトルが持つ広い帯域をΔｆｍ／ｆｍに圧縮して電気的に解析できるため、光パルスの往復時間を計測する距離計でありながら高い分解能を得ることができる。
【００５９】
計測に必要な時間は、干渉信号の１周期ＴｂであるΔｆを１００ｋＨｚとすると周期Ｔｂは１０μｓであり、短時間に距離を測定することができる。
【００６０】
したがって、このような構成のレーザ距離計１０では、第１及び第２の光源１，２から出射される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基準光Ｓ１と測定光Ｓ２を基準面４と測定面５に照射し、上記基準面４と測定面５に照射する基準光Ｓ１と測定光Ｓ２との干渉光Ｓ３を基準光検出器３により検出するとともに、上記基準面４により反射された基準光Ｓ１’と上記測定面５により反射された測定光Ｓ２’との干渉光Ｓ４を測定光検出器６により検出し、上記信号処理部７により、上記基準光検出器３により干渉光Ｓ３を検出した干渉信号と上記測定光検出器６により干渉光Ｓ４を検出し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までの距離と上記測定面までの距離の差を求めることにより、長い距離を高い精度でしかも短時間に測定することができる。
【００６１】
ここで、上記レーザ距離計１０における第１及び第２の光源１，２としては、例えば、モード周波数間隔が異なる２台の光周波数コム発生器、あるいは、それぞれ周期的に強度又は位相が変調されかつキャリア周波数が安定化された２台の光源などを用いることができる。
【００６２】
距離計としての性能は、基準光Ｓ１と測定光Ｓ２ほぼ出射する上記第１及び第２の光源１，２の性能で決定される。距離測定の分解能は光スペクトル幅または光パルス幅に依存しており、光スペクトルの幅が広い、または光パルスの幅が狭いほど距離測定の分解能を高くすることができる。また、絶対距離測定の確度は光コムモードの周波数間隔または光パルスの繰り返し周波数の確度に依存している。マイクロ波の絶対周波数確度が高いほど絶対距離測定の確度を高めることができる。さらに測定値のばらつきはｆｍやｆｍ＋Δｆｍの安定度に依存する。
【００６３】
また、上記レーザ距離計１０では、２台の光源１、２から出射される光の干渉を使って距離の測定を行うので、上記第１及び第２の光源１、２は、光コムモード間隔または光パルス繰り返し周波数または変調周期が異なりかつ干渉性の良いものでなければならない。
【００６４】
独立に発振するパルスレーザは、通常レーザ発振の中心周波数や繰り返し周波数がばらばらであり、その変動に相関がない。したがって２台の独立したパルスレーザを使用して距離計測を行う場合、精度を高めるためには、発振波長や光位相、パルスの繰り返し周波数を相対的に固定することが重要である。
【００６５】
外部変調された２台の光源または２台の光周波数コム発生器を使用すると距離計の要求を満たす光源を比較適容易に実現できる。特に、２台の発振器の同期をとった光周波数コム発生器は、互いに干渉性が良い、繰り返し周波数が安定、スペクトルの広がりが大きくパルス幅が短い、といった特徴を持つため、このレーザ距離計１０に最適な光源である。
【００６６】
なお、光周波数コム発生器２０は、例えば、図４に示すように、一対の反射鏡２１Ａ，２１Ｂで構成される光共振器２１の内部に光位相変調器２２を挿入してなるもので、単一周波数の連続波（周波数：ν）の光を入力し、光共振器２１の自由スペクトル域（ＦＳＲ）の整数倍に一致した周波数で光位相変調器２２を駆動すると、光共振器２１内の多重往復の周期と変調信号周期の同期がとれるため共振器のない光位相変調器と比べて極めて効率の良い変調が行われ、サイドバンドの本数は数百から数千本に達し、数テラヘルツのスペクトル広がりを持つ光周波数コムを出力として得ることができる。光周波数コム発生器２０では、時間的にも短いパルスを発生することが可能で、時間幅１ピコ秒以下の光パルスを発生することができる。光周波数コム発生器２０の出力は、中心周波数が入力周波数と等しく周波数間隔が変調周波数に等しいコム（櫛）状の光であり、図５に示すように、時間軸では、繰り返し周波数がｆｍであるパルス列である。変調指数を上げてスペクトルの広がりを大きくするほど時間幅の短いパルスを得ることができる。
【００６７】
ここで、上記レーザ距離計１０における第１、第２の光源１，２として２台の光周波数コム発生器を使用する場合、例えば、図６に示すような構成の光源１００とされる。
【００６８】
すなわち、この光源１００では、１台の単一周波数発振のレーザ光源１０１から出射されるレーザ光がビームスプリッタ１０２により分割されて２台の光周波数コム発生器（ＯＦＣＧ１、ＯＦＣＧ２）２０Ａ，２０Ｂに入力されるようになっている。
【００６９】
２台の光周波数コム発生器２０Ａ，２０Ｂは、互いに異なる周波数ｆｍ＋Δｆｍと周波数ｆｍで発振する発振器１０３Ａ，１０３Ｂにより駆動される。それぞれの発振器１０３Ａ，１０３Ｂは、共通の基準発振器１０４により位相同期されることにより、ｆｍ+Δｆｍとｆｍの相対周波数が安定になる。光周波数コム発生器（ＯＦＣＧ１）２０Ａの前には、音響光学周波数シフタ（ＡＯＦＳ）のような周波数シフタ１０５を設けて、入力されたレーザ光にこの周波数シフタ１０５により周波数ｆａの光周波数シフトを与えるようになっている。これにより、キャリア周波数間のビート周波数が直流信号ではなく周波数ｆａの交流信号になる。その結果、キャリア周波数の高周波側サイドバンドのビート信号と低周波側サイドバンドのビート信号がビート信号のキャリア周波数間のビート周波数ｆａを挟んで相対する周波数領域に発生するため位相比較に都合が良い。
【００７０】
上記光源１００を構成している２台の光周波数コム発生器（ＯＦＣＧ１、ＯＦＣＧ２）２０Ａ，２０Ｂは、図７の（Ａ），（Ｂ）に示すような周波数の光周波数コムを出力する。
【００７１】
すなわち、光周波数コム発生器（ＯＦＣＧ２）２０Ｂの出力は、図７の（Ａ）に示すように、中心にｆｍの周波数間隔でコム状のモードが並ぶ。光周波数コム発生器（ＯＦＣＧ１）２０Ａの出力は、図７の（Ｂ）に示すように、周波数ν＋ｆａを中心にｆｍ+Δｆｍの周波数間隔でコム状のモードが並ぶ。
【００７２】
このような構成の光源１００を上記第１、第２の光源１，２として備えたレーザ距離計１０において、基準光検出器３の入力前で重ね合わされたｎ次モードの電界の振幅ｅｎ（ｔ）は、次の（８）式で表される。
【００７３】
【数９】
ここで、ＥＲｎは、光周波数コム発生器（ＯＦＣＧ１）２０Ａから出射される基準光Ｓ１の電界を表し、ＥＴｎは、光周波数コム発生器（ＯＦＣＧ２）２０Ｂから出射される測定光Ｓ２の電界を表す。次数の異なるモード間の干渉信号は、変調周波数ｆｍとその周辺に現れる。したがって、光検出器の帯域をｆａやΔｆに比べて十分広いがｆｍより小さくとるか、フィルタを使用して高周波成分を取り除くと、同じ次数のモード間のビート周波数だけが残る。θｎはｎ次モードの位相差である。基準光ｎ次モードの位相を基準にした測定光ｎ次モードの相対位相を表している。
【００７４】
また、光検出器の出力電流ｉｎ（ｔ）は、ａを係数として、次の（９）式にて表すことができる。
【００７５】
【数１０】
（９）式のθｎを与える時間遅延は、基準光検出器３の場合、ビームスプリッタ１０２Ａで光を分離してから光分離素子１１で重ね合わせられるまでの光路差や信号ケーブルの長さに依存する。この時間遅延は、基準光検出器３と測定光検出器６に共通であるため、測定光検出器６の出力のθｎから基準光検出器３の出力のθｎを差し引くことにより取り除かれる。光検出器からの出力電流の時間波形は、すべてのｎ次の電流を重ねた結果でありΣｉｎ（ｔ）にて表すことができる。出力電流の波形は、キャリア周波数ｆａの信号がΔｆの周期で変調された波形であり、θｎは包絡線の時刻を決める。時間的には、基準光検出器３の出力のビート信号の発生時刻と測定光検出器６の出力のビート信号の発生時刻を比較することによってθｎの影響を取り除くことができる。測定光検出器６の出力のθｎをθｎ’とすると、基準光検出器３と測定光検出器６による検出として得られる各干渉信号の時間差は、周波数軸では（θｎ’−θｎ）のｎに対する変化率である。したがって、（θｎ’−θｎ）を各モードに対して求めると距離（Ｌ２−Ｌ１）を求めることができる。
【００７６】
ここで、基準光検出器３による検出として得られる干渉信号を波形観測して得られた波形例を図８に示す。ｆｍ＝２５ＧＨｚ、Δｆ＝１００ｋＨｚ、ｆａ＝４０ＭＨｚの光コム発生器（ＯＦＣＧ１、ＯＦＣＧ２）２０Ａ、２０Ｂを使用した場合である。周期Ｔｂが１０μｓｅｃで４０ＭＨｚのキャリアが強度変調された波形の干渉信号となっている。
【００７７】
また、距離（Ｌ２−Ｌ１）を約−３ｍｍから約＋３ｍｍまで約１ｍｍ刻みで変えた場合の干渉波形の変化を図９Ａ〜図９Ｄの（Ａ）〜（Ｇ）に示す。図９Ａ〜図９Ｄにおいて、Ｃｈ１は基準光検出器３により検出出力として得られた干渉信号の波形例を示し、Ｃｈ２は測定光検出器６により検出出力として得られた干渉信号の波形例を示す。Δｆ＝１００ｋＨｚであるため、１０μｓｅｃごとに同じ波形が繰り返されている。図９Ａ〜図９Ｄの（Ａ）〜（Ｇ）に示すように、距離（Ｌ２−Ｌ１）が変化すると、基準光検出器３による検出出力として得られたＣｈ１の干渉信号に対する測定光検出器６による検出出力として得られたＣｈ２の干渉信号のタイミングが変化するので、その時間差を測れば距離（Ｌ２−Ｌ１）を求めることができる。
【００７８】
したがって、このレーザ距離計１０に信号処理部７では、ピーク検出回路を用いて信号のピークの時間差を求めるか、信号を高速フーリエ変換して周波数と位相の関係を求めてもよい。信号の繰り返しが早いので短時間に距離測定を行うことができる。
【００７９】
すなわち、基準光検出器３と測定光検出器６による検出として得られる各干渉信号は、図９Ａ〜図９Ｄの（Ａ）〜（Ｇ）に示すように、上記基準光Ｓ１と測定光Ｓ２のキャリア周波数の差で振動する信号がパルス状に変調された形になっている。パルスの包絡線の時間差が測定距離を表すので、時間的には、包絡線のピークを求め、ピークの時間差から距離を求めることができる。したがって、信号処理部７では、例えば、図１０の（Ａ）に示すように、ダイオードと低域透過フィルタからなる包絡線検波部７１，７２を使用するとキャリア成分の無い包絡線の信号に変換することができる。基準光検出器３による検出として得られる干渉信号と測定光検出器６による検出として得られる干渉信号に対して、それぞれ包絡線検波を行い、さらに、時間差測定部７３において、ピーク検出回路を用いて包絡線がピークになる時間を検出し時間差を求めることにより遅延時間を求めることができ、距離計算部７４において上記時間差から距離を計算することができる。
【００８０】
また、上記信号処理部７では、光周波数コムの周波数的な安定性を利用して周波数軸での解析を行うとより高度な解析を行うようにすることもできる。基準光検出器３に入力される干渉光と測定光検出器６に入力される干渉光を同期させ、それぞれｎ次モードの相対位相θｎを一括して求め、周波数とθｎの関係を基準光検出器３による検出として得られる干渉信号と測定光検出器６による検出として得られる干渉信号で比較することにより遅延時間を求めることができる。
【００８１】
すなわち、上記信号処理部７は、例えば、図１０の（Ｂ）に示すように、上記基準光検出器４により検出された干渉信号をフーリエ変換部７５により周波数解析して多数の光周波数コムの位相情報を一括して取得するとともに、上記測定光検出器６により検出された干渉信号をフーリエ変換部７６により周波数解析して多数の光周波数コムの位相情報を一括して取得し、位相差測定部７７によりそれぞれの位相特性の周波数に対する変化率を求め、距離計算部７８において、その傾きの差から上記基準面までの距離と上記測定面までの距離の差を算出するものとすることができる。
【００８２】
ここで、上記光周波数コム発生器（ＯＦＣＧ１）２０Ｂにより発生される基準光Ｓ１のモードの角周波数をω１、上記光周波数コム発生器（ＯＦＣＧ２）２０Ａにより発生される測定光Ｓ２のモードの角周波数をω２とし、上記周波数シフタの角周波数をωａ、変調信号の角周波数差をΔωとすると、これらの周波数関係は、次の（１０）式にて表わされる。
【００８３】
【数１１】
光分離素子１２を介して、基準検出器３に向かう基準光Ｓ１、測定光Ｓ２の各位相θ１，θ２は時間ｔにおいてそれぞれ、次の（１１）式で表される。
【００８４】
【数１２】
基準光検出器と測定光検出器に共通の時間に依存しない位相項は省略した。その時、上記光分離素子１２を介して、測定光検出器６に向かう基準光Ｓ１’、測定光Ｓ２’の各位相θ１’，θ２’は、次の（１２）式ように表すことができる。
【００８５】
【数１３】
ここで、Ｌ０は上記分離素子１２から偏光ビームスプリッタ１４に至るまでの媒質の長さである。また、Ｎ０１、Ｎ０２は、上記分離素子１２から偏光ビームスプリッタ１４に至るまでの媒質の角周波数ω１と角周波数ω２における屈折率である。
【００８６】
測定光検出器６から出力される干渉信号の位相（θ２’−θ１’）と基準検出器３から出力される干渉信号の位相（θ２−θ１）の差Δθ＝（θ２’−θ１’）−（θ２−θ１）は以下の（１３）式で表わすことができる。
【００８７】
【数１４】
ここで、Ｎｇは、上記分離素子１２から偏光ビームスプリッタ１４に至るまでの媒質の群屈折率である。
【００８８】
この（１３）式における第１項が測定対象の距離（Ｌ２−Ｌ１）に比例して変化する位相を表す。測定対象の距離が光の半波長変化すると２πラジアン変化する。第２項は、上記分離素子１２から偏光ビームスプリッタ１４に至るまでの長さＬ０、群屈折率Ｎｇと偏光ビームスプリッタ１４から基準反射鏡４に至るまでの固定された距離Ｌ１に依存する位相のオフセットである。第２項は、モード次数に依存したビート信号の半波長で２πラジアン変化するため、第１項に比べて位相の変化が緩慢である。
【００８９】
計測したい距離Ｌ２−Ｌ１は、位相のモード次数に対する変化率から求められる。
【００９０】
Δθｎ＋１−Δθｎは、次の（１４）式で算出することができる。
【００９１】
【数１５】
ここで、ωｍ＝２πｆｍは変調周波数を表す。上の（１４）式から明らかなように、正しい距離を求めるためにはΔω＝０の時の位相の変化率を求めることが必要である。異なる複数の周波数差Δωにおいて位相の変化率を求め位相特性の変化からΔω＝０での値を求めることが可能である。例えばΔｆ＝Δω／２π＝１００ｋＨｚ、２００ｋＨｚで位相の変化率を求め、外挿によりΔｆ＝０の値をも求めることができる。または、周波数差がΔωと−Δωの場合の位相変化率を計測して、平均化を行ってもよい。
【００９２】
レーザ距離計１０は、周期的に発生する光パルスを用いているため、測定距離（Ｌ２−Ｌ１）を往復する際の時間遅延が光パルスの繰り返し周期を超えると同じ干渉信号が繰り返され、一組のマイクロ波周波数による距離測定だけではパルス数を判別することができない。パルス数の判別を行うためには異なる二組のマイクロ波ωｍで測定を行って（Δθｎ＋１−Δθｎ）を比較する。ωｍとωｍ＋Δωｍの２周波数で同じ距離測定を行ったと仮定すると、周波数ωｍでの位相差（Δθｎ＋１−Δθｎ）は次の（１５）式で表わすことができる。
【００９３】
【数１６】
そして周波数ωｍ＋Δωｍでの位相差（Δθｎ＋１’−Δθｎ’）は次の（１６）式で表わすことができる。
【００９４】
【数１７】
したがって、その差は、次のようにあらわすことができる。
【００９５】
【数１８】
２組の測定の周波数差を１ＭＨｚに設定すると（Ｌ２−Ｌ１）が約１５０ｍまでの範囲で絶対距離を求めることができる。
【００９６】
以上のような構成のレーザ距離計１０では、マイクロ波発振器の周波数安定度と同じ程度の測定精度で距離Ｌ２−Ｌ１を測定することができる。長期的な安定度はマイクロ波発振器の位相同期回路に入力される基準発振器の周波数安定度で決定される。計測時間を短縮するためには短期的なｆｍとｆｍ+Δｆｍの相対位相の安定性が要求される。しかし、同じ基準発振器を用いても、低い周波数の基準信号の周波数をマイクロ波帯の駆動周波数までに上げる際に位相のジッタが累積される可能性があるため短期的には相対位相にジッタが含まれる可能性がある。その場合、短時間で計測した場合の測定精度が低下する。したがって計測時間を短縮するためには、位相同期ループの帯域を広くとった対の発振器が必要である。
【００９７】
なお、ここまでの距離計は、マイクロ波発振器の周波数を基準に距離を計測しているため、光周波数の安定度には無関係である。マイクロ波の波長は長いためナノメートルより高い分解能で測定するためにはコムモードの帯域を数十テラヘルツから数百テラヘルツの帯域が必要であるが広げることは容易ではない。しかし、基準光Ｓ１、測定光Ｓ２の光源として周波数安定化レーザを用いるとナノメートルのレベルで変化する光の位相から高い分解能で変位を求めることができる。コムモードの相対周波数によりマイクロ波の周波数安定度で光波長以下の精度で距離を求め、さらに高い精度は光の波長を基準に距離を決定することできる。通常、光の波長を基準に距離を求める変位計では、絶対距離を求めるために原点復帰が必要であるが、マイクロ波周波数を基準とする測定と光周波数を基準とする測定を併用すると原点復帰をすることなくナノメートルより高い精度で距離を測定することが可能である。
【００９８】
すなわち、上記レーザ距離計１０において、上記信号処理部７は、例えば、変調周波数が同じでない複数の値での距離計測結果に基づいて、マイクロ波の波長以上の距離で絶対距離測定値を算出するものとすることができる。
【００９９】
また、上記レーザ距離計１０において、上記信号処理部７は、例えば、モード周波数差が同じでない複数の値での距離計測結果に基づいて、測定距離の校正処理を行うようにすることもできる。
【０１００】
なお、上記レーザ距離計１０では、偏光ビームスプリッタ１４により基準光Ｓ１と測定光Ｓ２を分離して基準面４と測定面５に照射するようにしたが、図１１に示すレーザ距離計１１０のように、偏光ビームスプリッタ１４に替えて、偏光に関係なく光を部分的に反射する半透鏡１１１と特定の偏光成分のみ透過させる偏光子１１２、１１３を使用することもできる。基準光Ｓ１だけが基準面４に向かうように偏光子１１２の向きを調整し、また、測定光Ｓ２だけが測定面６に向かうように偏光子１１３の向きを調整することにより、このレーザ距離計１１０は、上記レーザ距離計１０と同様に動作する。
【０１０１】
また、本発明に係るレーザ距離計１０を使用して、例えば、図１２に示すような光学的三次元形状測定機２００を構成することができる。
【０１０２】
この光学的三次元形状測定機２００は、上記レーザ距離計１０における測定光Ｓ２で対象物体を走査する光学スキャン装置２２０と、上記レーザ距離計１０の基準光検出器３と測定光検出器６の各検出出力に基づいて、対象物体２５０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２３０を備える。
【０１０３】
この光学的三次元形状測定機２００では、レーザ距離計１０からの測定光Ｓ２が光学スキャン装置２２０から対象物体２５０に向けて照射され、対象物体２５０からの反射光がレーザ距離計１０に戻り、物体表面までの絶対距離が信号処理装置２３０により計測される。信号処理装置２３０は、光学スキャン装置２２０を制御してレーザービームを走査すると同時にレーザ距離計１０が計測する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。
【０１０４】
なお、光学スキャン装置２２０により光ビームを走査する代わりに対象物体２５０を移動させてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】本発明に係るレーザ距離計の基本的な構成を示すブロック図である。
【図２】測定距離に比例する基準光パルスと測定光パルスの時間の測定を、互いに変調周期の異なる干渉性のある２台のパルス光源の干渉によって行う場合の模式図である。
【図３】光スペクトル及びビート信号スペクトルの模式図である。
【図４】上記レーザ距離計における光源として使用される光周波数コム発生器の構造を模式的に示す断面図である。
【図５】上記光周波数コム発生器の出力を模式的に示す図である。
【図６】上記レーザ距離計において２台の光周波数コム発生器を用いた光源の構成を模式的に示すブロック図である。
【図７】上記光源を構成している２台の光周波数コム発生器の出力を模式的に示す図である。
【図８】上記レーザ距離計における測定距離が付近の干渉波形の例を示す図である。
【図９Ａ】上記レーザ距離計における測定距離と検出される干渉信号との関係を模式的に示す図である。
【図９Ｂ】上記レーザ距離計における測定距離と検出される干渉信号との関係を模式的に示す図である。
【図９Ｃ】上記レーザ距離計における測定距離と検出される干渉信号との関係を模式的に示す図である。
【図９Ｄ】上記レーザ距離計における測定距離と検出される干渉信号との関係を模式的に示す図である。
【図１０】上記レーザ距離計の信号処理部の構成例を示すブロック図である。
【図１１】上記レーザ距離計の他の構成例を示すブロック図である。
【図１２】本発明に係るレーザ距離計を用いた光学的三次元形状測定機の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【０１０６】
１、２ レーザ光源、３ 基準光検出器、４ 基準面、５ 測定面、６ 測定光検出器、７ 信号処理部、１１，１２ 光分離素子、１３，１４ 偏光子、１５ 偏光ビームスプリッタ、１０，１１０ レーザ距離計、２０，２０Ａ，２０Ｂ 光周波数コム発生器、２１ 光共振器、２１Ａ，２１Ｂ 反射鏡、２２ 光位相変調器、７１，７２ 包絡線検波部、７３ 時間差測定部、７４ 距離計算部、７５，７６ フーリエ変換部、７７ 位相差測定部、７８ 距離計算部、１００ 光源、１０１ レーザ光源、１０２ ビームスプリッタ、１０３Ａ，１０３Ｂ 発振器、１０４ 基準発振器、１０５ 周波数シフタ、１１１ 半透鏡、１１２，１１３ 偏光子、２００ 光学的三次元形状測定機、２２０ 光学スキャン装置２２０、２３０ 信号処理装置、２５０ 対象物体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基準面に照射した基準光の該基準面による反射光と測定面に照射した測定光の該測定面による反射光との干渉光を検出して、上記基準面までの距離と上記測定面までの距離の差を求める距離計及び距離測定方法並びに光学的三次元形状測定機に関する。
【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。レーザ光を用いて対象物体までの距離を測定するレーザ距離計ではレーザ光の発射時刻と、測定対象に当たり反射してきたレーザ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（たとえば特許文献1参照）。また、例えば、半導体レーザ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】
【特許文献１】特開２００１−３４３２３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、一般的なレーザ距離計は、レーザに強度変調を与えて測定対象に向けて出射し、反射してきた光の遅延時間を計測することによって距離計測を行う。通常、レーザに与える電気的な変調信号と光検出器の出力信号の位相比較を行って、レーザに与えた変調信号を基準に遅延時間を計測する。例えば１μｍの距離分解能を得るためには、光が往復で２μｍの距離を進む時間に等しい時間分解能（約７フェムト秒）が必要であるが、これを電気回路で実現するためには周波数帯域を数百ＧＨｚから数ＴＨｚに上げる必要があるため現在の技術では不可能である。
【０００５】
また、レーザ干渉を応用する変位計を用いると、ある基準面からの変位量をナノメートルオーダーの分解能または精度で計測することが可能である。レーザ光の波長は数百ナノメートルから数マイクロメートルの範囲にあるので電気信号の波長よりもはるかに短い。例えば、レーザから発生した干渉性の強い光をビームスプリッタで分けてから参照面と測定面に照射して再び重ね合わせてから光検出器に入力すると、参照面までの距離と測定面までの距離に応じた干渉信号が得られる。干渉信号は、測定面が光の半波長分移動したときに1周期変化するため、光の波長より高い分解能で変位量を得ることが可能である。ただし、変位計を絶対距離測定に応用するためには、原点からの変位量の積算が必要である。
【０００６】
光は波長が短いため数メートルの距離を変位計で測るためには光の波長の数千倍の変位を積算しなければならない。したがって、一度光線が遮断されるとその場で絶対距離測定を再開することが難しく、原点復帰が必要である。したがって、変位計はある基準点からの変化量を高い分解能で計測する応用には向いているが、手元から測定面までの距離を高精度に測定したい場合には向いていない。
【０００７】
従来の絶対距離計では、長い距離を高精度で測れる実用的な絶対距離計を実現することが難しく、高い分解能を得るためにはレーザ変位計のように原点復帰が必要なため絶対距離測定に適さない方法しか手段がなかった。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、上述の如き従来の実情に鑑み、長距離測定を高精度で、しかも短時間に行うことの可能な距離計及び距離測定方法並びに光学的三次元形状測定機を提供することにある。
【０００９】
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】
【００１０】
本発明に係る距離計は、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基準光と測定光を出射する第１及び第２の光源と、上記第１の光源から出射された基準光と上記第２の光源からの出射された測定光との干渉光を検出する基準光検出器と、上記第１の光源から出射された基準光が照射される基準面と、上記第２の光源から出射された測定光が照射される測定面と、上記基準面により反射された基準光と上記測定面により反射された測定光との干渉光を検出する測定光検出器と、上記基準光検出器により検出された干渉信号と上記測定光検出器に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までの距離と上記測定面までの距離の差を求める信号処理部とを備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る距離計において、上記第１及び第２の光源は、例えば、モード周波数間隔が異なる２台の光周波数コム発生器とすることができる。
【００１２】
また、本発明に係る距離計において、上記信号処理部は、例えば、上記基準光検出器により検出された干渉信号を周波数解析して多数の光周波数コムの位相情報を一括して取得するとともに、上記測定光検出器により検出された干渉信号を周波数解析して多数の光周波数コムの位相情報を一括して取得し、それぞれの位相特性の周波数に対する変化率を求め、その傾きの差から上記基準面までの距離と上記測定面までの距離の差を算出する。
【００１３】
また、本発明に係る距離計では、例えば、上記第１及び第２の光源として、それぞれ周期的に強度又は位相が変調されかつキャリア周波数が安定化された２台の光源を使用し、上記信号処理部は、上記基準光検出器と上記測定光検出器による干渉信号の時間差による絶対距離とキャリア周波数成分の位相変位を算出する。
【００１４】
また、本発明に係る距離計では、上記第１及び第２の光源は、例えば、相対位相の同期が高い周波数帯域まで行われ短期的な相対位相変動の少ない２台の対になった発振器により駆動されて、上記互いに変調周期が異なる干渉性のある基準光と測定光を出射する。
【００１５】
また、本発明に係る距離計において、上記信号処理部は、例えば、モード周波数差が同じでない複数の値での距離計測結果に基づいて、測定距離の校正処理を行う。
【００１６】
さらに、本発明に係る距離計において、上記信号処理部は、例えば、変調周波数が同じでない複数の値での距離計測結果に基づいて、マイクロ波の波長以上の距離で絶対距離測定値を算出する。
【００１７】
本発明に係る距離測定方法は、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基準光と測定光を基準面と測定面に照射し、上記基準面と測定面に照射する基準光と測定光との第１の干渉光を検出するとともに、上記基準面により反射された基準光と上記測定面により反射された測定光との第２の干渉光を検出し、上記第１の干渉光を検出した干渉信号と上記第２の干渉光を検出し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までの距離と上記測定面までの距離の差を求めることを特徴とする。
【００１８】
さらに、本発明に係る光学的三次元形状測定機は、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基準光と測定光を出射する第１及び第２の光源と、上記第１の光源から出射された基準光と上記第２の光源からの出射された測定光との干渉光を検出する基準光検出器と、上記第１の光源から出射された基準光が照射される基準面と、上記基準面により反射された基準光と上記対象物体により反射された測定光との干渉光を検出する測定光検出器と、上記基準光検出器により検出された干渉信号と上記測定光検出器に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までの距離と上記対象物体までの距離の差を求める信号処理部とを備える距離計と、上記距離計から出射される測定光で対象物体を走査し、上記対象物体により反射された上記測定光を上記距離計に戻す光学スキャン装置と、上記光学スキャン装置を制御してレーザービームを走査すると同時に上記距離計が計測する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信号処理装置とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明では、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レーザ距離計およびレーサ距離測定方法並びに光学的三次元形状測定機を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
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、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。
【００２１】
本発明に係るレーザ距離計１０は、例えば図１に示すように、基準光Ｓ１を出射する第１の光源１と、測定光Ｓ２を出射する第２の光源２と、上記基準光Ｓ１と上記測定光Ｓ２との干渉光Ｓ３を検出する基準光検出器３と、上記基準光Ｓ１が照射される基準面４と、上記測定光が照射される測定面５と、上記基準面４により反射された基準光Ｓ１’と上記測定面５により反射された測定光Ｓ２’との干渉光Ｓ４を検出する測定光検出器６と、上記基準光検出器３により上記干渉光Ｓ３を検出して得られる干渉信号と上記測定光検出器６により上記干渉光Ｓ４を検出して得られる干渉信号が供給される信号処理部７を備える。
【００２２】
上記第１及び第２の光源１，２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基準光Ｓ１と測定光Ｓ２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基準光Ｓ１と測定光Ｓ２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。
【００２３】
上記第１及び第２の光源１，２から出射された基準光Ｓ１と測定光Ｓ２は、半透鏡又は偏光ビームスプリッタからなる光混合素子１１により混合されて重ね合わされ、半透鏡からなる光分離素子１２により、上記基準光検出器３に向かう光と測定対象に向かう光に分離される。
【００２４】
ここでは、上記第１及び第２の光源１，２から出射された基準光Ｓ１と測定光Ｓ２は、互いに偏光面が直交してものとし、半透鏡からなる光混合素子１１により混合され、その混合光が光分離素子１２により反射されて偏光子１３を介して上記基準光検出器３に入射されるとともに、上記光分離素子１２を通過した混合光が偏光ビームスプリッタ１４により偏光に応じて基準光Ｓ１と測定光Ｓ２に分離されて、上記基準光Ｓ１が基準面４に入射され、また、上記測定光Ｓ２が測定面５に入射されるようになっている。
【００２５】
なお、ここでは、上記第１及び第２の光源１，２から出射された基準光Ｓ１と測定光Ｓ２は、互いに偏光面が直交したものとしたが、上記光混合素子１１として偏光ビームスプリッタを用いて、基準光Ｓ１と測定光Ｓ２の互いに偏光面が直交する成分を混合するようにしてもよい。
【００２６】
さらに、上記基準面４により反射された基準光Ｓ１’と、上記測定面５により反射された測定光Ｓ２’は、上記偏光ビームスプリッタ１４により混合され、その混合光が上記光分離素子１２により反射されて偏光子１５を介して上記測定光検出器６に入射されるようになっている。
【００２７】
そして、上記基準光検出器３は、上記偏光子１３を介して入射される上記基準光Ｓ１と測定光Ｓ２との混合光を受光することより、上記第１及び第２の光源１，２から出射された基準光Ｓ１と測定光Ｓ２の干渉光Ｓ３を検出するようになっている。
【００２８】
また、上記測定光検出器６は、上記偏光子１５を介して入射される上記基準光Ｓ１’と上記測定光Ｓ２’の混合光を受光することにより、上記基準面４により反射された基準光Ｓ１’と上記測定面５により反射された測定光Ｓ２’の干渉光Ｓ４を検出するようになっている。
【００２９】
このレーザ距離計１０では、図１中に太線で示す上記光混合素子１１から偏光ビームスプリッタ１４までの光路では、基準光Ｓ１と測定光Ｓ２が干渉しないように偏光を直交させてあり、上記偏光ビームスプリッタ１４により上記基準光Ｓ１と測定光Ｓ２を偏光応じて分離して上記基準面４と上記測定面５に入射させる。そして、上記基準面４と上記測定面５で反射された上記基準光Ｓ１’と測定光Ｓ２’を上記偏光ビームスプリッタ１４により混合し、その混合光を上記光分離素子１２により反射して上記測定光検出器６に入射させ、上記基準面４により反射された基準光Ｓ１’と上記測定面５により反射された測定光Ｓ２’の干渉光Ｓ４を上記測定光検出器６により検出する。
【００３０】
ここで、上記光混合素子１１から偏光ビームスプリッタ１４までの光路中に設けられた光分離素子１２を介して基準光検出器３に導かれる混合光に含まれる基準光Ｓ１と測定光Ｓ２は偏光が直交しているため、そのまま上記基準検出器３に入射しても干渉信号が得られないので、偏光子１３を挿入し、上記基準光Ｓ１と測定光Ｓ２の偏光に対して斜めになるように上記偏光子１３の向きを調整しておくことにより、上記偏光子１３の透過成分として上記基準光Ｓ１と測定光Ｓ２の成分が混合された干渉光Ｓ３が基準検出器３に入射されるようにして、上記基準検出器３により干渉信号を得るようにしている。同様に、上記光分離素子１２を介して測定光検出器６に導かれる混合光に含まれる基準光Ｓ１’と測定光Ｓ２’は偏光が直交しているため、そのまま上記測定検出器６に入射しても干渉信号が得られないので、偏光子１５を挿入し、上記基準光Ｓ１’と測定光Ｓ２’の偏光に対して斜めになるように上記偏光子１５の向きを調整しておくことにより、上記偏光子１５の透過成分として上記基準光Ｓ１’と測定光Ｓ２’の成分が混合された干渉光Ｓ４が測定光検出器６に入射されるようにして、上記測定検出器６により干渉信号を得るようにしている。なお、偏光子に替えて半波長板と偏光ビームスプリッタを用いてもよい。
【００３１】
上記基準光検出器３によって得られる干渉信号は、キャリア周波数が上記第１及び第２の光源１，２から出射された基準光Ｓ１と測定光Ｓ２のキャリア光周波数の差であり、上記基準光Ｓ１と測定光Ｓ２の光パルス繰り返し周波数の差の周波数で同じ干渉波形が繰り返される。
【００３２】
このレーザ距離計１０において、上記基準光検出器３の役割は、遅延時間計測の基準を生成することである。上記第１及び第２の光源１，２から出射された基準光Ｓ１と測定光Ｓ２は、繰り返し周波数が等しくないので、光源が動作を開始した時にタイミングがずれていても、少しずつタイミングがずれていき、必ずどこかで基準光Ｓ１の光パルスと測定光Ｓ２の光パルスが重なる瞬間が現れる。また、その重なる瞬間は基準光Ｓ１と測定光Ｓ２の繰り返し周波数の差の繰り返し周波数で周期的に現れる。この光パルスと光パルスの重なる瞬間が、遅延時間計測の基準となる。
【００３３】
また、測定光検出器６によって得られる干渉信号は、上記基準光検出器３によって得られる干渉信号と同じくキャリア周波数が基準光Ｓ１’と測定光Ｓ２’のキャリア光周波数の差であり、上記基準光Ｓ１と測定光Ｓ２の光パルス繰り返し周波数の差と同じ繰り返し周波数を持つ。しかし、上記測定光検出器６に入力される光パルスは、基準反射鏡４までの距離Ｌ１と測定反射鏡５までの距離Ｌ２の距離差の絶対値（Ｌ２−Ｌ１）の分だけ、光パルスのタイミングが遅れるため、光パルスと光パルスの重なる瞬間が上記基準光検出器３によって得られる干渉信号と比較して遅れる。この遅れ時間が上記距離差の絶対値（Ｌ２−Ｌ１）の２倍の距離を光パルスが伝搬することによる遅延時間であり、真空中の光速Ｃをかけて屈折率ｎｇで割ることにより距離が得られる。
【００３４】
このように、周期の異なる２台のパルス光源の干渉によって距離計測を行う場合、時間基準を与える干渉信号の基準光検出器３が不可欠であり、基準光検出器３と測定光検出器６により得られる各干渉信号の時間差を比較することによって初めて距離測定が可能となる。
【００３５】
そこで、レーザ距離計１０において、上記信号処理部７は、上記基準光検出器３により上記干渉光Ｓ３を検出して得られる干渉信号と上記測定光検出器６により上記干渉光Ｓ３を検出して得られる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までの距離Ｌ１と上記測定面までの距離Ｌ２の距離差の絶対値（Ｌ２−Ｌ１）を求める処理を行う。
【００３６】
すなわち、このレーザ距離計１０では、第１及び第２の光源１，２から出射される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基準光Ｓ１と測定光Ｓ２を基準面４と測定面５に照射し、上記基準面４と測定面５に照射する基準光Ｓ１と測定光Ｓ２との干渉光Ｓ３を基準光検出器３により検出するとともに、上記基準面４により反射された基準光Ｓ１’と上記測定面５により反射された測定光Ｓ２’との干渉光Ｓ４を測定光検出器６により検出し、上記信号処理部７により、上記基準光検出器３により干渉光Ｓ３を検出した干渉信号と上記測定光検出器６により干渉光Ｓ４を検出し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までの距離と上記測定面までの距離の差を求める。
【００３７】
ここで、このレーザ距離計１０における距離測定の原理について説明する。
【００３８】
距離測定の原理は、光パルスの時間遅延から距離を求める距離計に準ずる。すなわち、距離（Ｌ２−Ｌ１）を往復する際の時間遅延ΔＴ＝２×ｎｇ×（Ｌ２−Ｌ１）／ｃを計測して、光路の群屈折率ｎｇ、真空中の光速ｃから（Ｌ２−Ｌ１）を計算する。
【００３９】
包絡線波形ｆ（ｔ）、キャリア周波数ω０＝２πｆ０の光パルスは、次のように表わすことができる。
【００４０】
【数１】
この光パルスを基準パルスとすると、基準パルスのフーリエ変換は、包絡線パルスｆ（ｔ）のフーリエ変換Ｆ（ω）を用いて、次の（１）式で表わされる。
【００４１】
【数２】
フーリエ変換の演算をＦＦＴ［ ］で表した。そして、基準パルスが、測定距離の伝搬による遅延の影響を受けたとすると、遅延パルスの波形とそのフーリエ変換は、次の（２）式の形で表わされる。
【００４２】
【数３】
ここで、時間ΔＴは遅延時間である。絶対距離を測るためには時間軸の包絡線の時間波形ｆ（ｔ−ΔＴ）からΔＴを求めるか、（２）式の右辺のＢ項で示される周波数軸の位相特性ｅ−ｊＢを求めればよい。ωは角周波数でありｆを周波数としてω＝２πｆの関係がある。（２）式の左辺のｊＡ項は、キャリア成分の位相シフトを表す。この項は、光の半波長の距離で２πラジアン変化する感度の高い成分であり、変位測定に用いられる。
【００４３】
距離測定の分解能を１μｍより高めるためには、包絡線の時間波形ｆ（ｔ−ΔＴ）又は周波数軸の位相特性ｅ−ｊＢから遅延時間ΔＴを求めるための時間分解能をフェムト秒のオーダーに高めなければならない。電気回路の周波数帯域の上限が数十ＧＨｚであることを考えると困難である。そこで、互いに変調周期が異なる干渉性のある基準光Ｓ１と測定光Ｓ２を発生する２つの光源を用意して干渉させ、電気的に処理が可能な周波数に落として遅延時間ΔＴを計測するのがレーザ距離計１０による距離測定の方法である。
【００４４】
測定距離（Ｌ２−Ｌ１）に比例する基準光パルスＰ１と測定光パルスＰ２の時間ΔＴの測定を、互いに変調周期の異なる干渉性のある２台のパルス光源の干渉によって行う場合の模式図を図２の（Ａ），（Ｂ）に示す。
【００４５】
図２の（Ａ）は基準光検出器３が受光する光パルス列を表す。Ｓ１，Ｓ２は、それぞれ基準光パルスと測定光パルスの包絡線の時間波形である。繰り返し周波数は基準光パルスＳ１がｆｍ＋Δｆｍ、測定光パルスＳ２がｆｍであると仮定する。繰り返し周期はＳ１がＴ’＝１／（ｆｍ＋Δｆｍ）、Ｓ２がＴ＝１／ｆｍである。重なったパルスを基準に計測した時刻をそれぞれの繰り返し周期で規格化した値をＮとすると、Ｓ１とＳ２のパルスはそれぞれのＮが整数の時刻にＮ番目のパルスが検出器に到着することになる。Ｓ１とＳ２のＮ番目のパルスの到着時刻を比較すると、パルス列の周期の違い（Ｔ−Ｔ’）のＮ倍の時間だけ基準光パルスＳ１が先に到着する。パルス到着時間のずれはＮに比例して大きくなり、あるＮ番目のパルスでは、（Ｔ−Ｔ’）Ｎ＝Ｔとなり、Ｎ番目の基準光パルスＳ１がＮ−１番目の測定光パルスＳ２に追い付いて同じ時刻に到着する。
【００４６】
Ｓ１、Ｓ２のタイミングが一致するまでのパルスの個数Ｎは、次の（３）式により求められる。
【００４７】
【数４】
Ｓ１とＳ２の干渉信号は、互いのパルスが重なり合うタイミングで発生する。したがって、干渉信号の周期Ｔｂは、次の（４）式で表され、２つのパルス列の繰り返し周波数差Δｆｍの逆数に等しい。
【００４８】
【数５】
また、Ｓ１，Ｓ２はそれぞれ一定の繰り返し周波数を持つパルス列であるから、干渉信号も一定の周期Ｔｂで同じ波形を繰り返す。繰り返し周波数差Δｆｍが大きすぎると光パルスが重なり合う時間が短くなるため干渉信号がとりにくくなる。それを避けるためΔｆｍ<<ｆｍのように繰り返し周波数差を設定する。
【００４９】
また、図２の（Ｂ）は、測定光検出器６が受光するパルス列を表す。図２の（Ａ）に示すパルスと比較して、測定光パルスＳ２が光路長（Ｌ２−Ｌ１）を往復したことによる時間ΔＴだけ遅れて到着している。この場合、Ｓ１とＳ２のパルスが重なる番号Ｎ’は、Ｎ’に比例して大きくなる周期のずれとΔＴの和が測定光パルスの周期Ｔに一致した瞬間であり、次の（５）式で表わすことができる。
【００５０】
【数６】
したがって、Ｎ’は、次の（６）式で与えられる。
【００５１】
【数７】
ただし、δ＝ΔＴｆｍである。ΔＴが０から測定光パルスの繰り返し周期Ｔまで変化する間にδは０〜１まで直線的に変化する。
【００５２】
測定光検出器の受光パルスＳ１，Ｓ２が重なる時間を基準光検出器が受光するパルスが重なるＮ＝０の時刻を基準に計測するとその時刻は次の（７）式で示されるＮ’Ｔ’で与えられる。
【００５３】
【数８】
δが測定光パルスの１周期の間で０から１まで変化するとＮ’Ｔ’はＴｂ〜０まで直線的に変化する。遅延時間ΔＴがあっても、０〜Ｔｂまでの間に必ず１か所Ｓ１パルスがＳ２パルスを追い越していく時刻が存在するため、０〜Ｔｂの間で必ず干渉信号が得られる。Ｎ＝０の時刻で発生する基準光検出器の干渉信号と遅延時間ΔＴのために遅れて発生する測定光検出器の干渉信号の時刻を比較することによって遅延時間ΔＴが求められる。
【００５４】
例えば、基準光パルスの繰り返し周波数を２５ＧＨｚ＋１００ｋＨｚ、測定光パルスの繰り返し周波数を２５ＧＨｚとすると、ΔＴが０〜４０ｐｓの範囲で変化すると、干渉信号の発生時刻は１０μｓ〜０の間で変化する。４０ｐｓの時間内で起こる変化を１０μｓの時間幅に引き伸ばして計測できる。１フェムト秒の時間差であっても２５０ｐｓとして観測できるため、直接フェムト秒の分解能で時間計測を行うよりもはるかに低い周波数帯域の電気回路で取り扱うことができる。
【００５５】
測定光パルスに与えられる時間遅延の符号とビート信号の時間遅延の符号の関係は、Ｓ１とＳ２の繰り返し周波数とキャリア周波数の大小関係に依存する。
【００５６】
図３の（Ａ）は、光スペクトルの模式図である。Ｓ１は基準光のスペクトル、Ｓ２は測定光のスペクトルを表す。Ｓ１、Ｓ２は光パルスの繰り返し周波数に一致したコム状のモードを持っており、モード間隔はそれぞれＳ１がｆｍ＋Δｆｍ、Ｓ２がｆｍである。図３の（Ａ）では、スペクトル中央のモードを中心にモード番号を付け、Ｎ＝０のモード間の干渉信号の周波数をｆａと仮定している。Ｓ１とＳ２の干渉波形にはさまざまなモード間の差周波数が含まれるが、同じモード番号間の差周波数が最も低い周波数帯に現れるため、適当な周波数帯域の光検出器を使用すると高い差周波数成分は検出信号から除外される。この場合、同じモード番号の干渉波形だけがビート信号として光検出器から取り出される。
【００５７】
また、図３の（Ｂ）は、ビート信号スペクトルの模式図である。周波数ｆａを中心にΔｆｍ間隔のコム状の電気信号スペクトルが得られる。ビート信号の時間波形は各周波数成分を重ね合わせたものである。周波数軸の位相特性ｅ−ｊＢを求めるためには、基準光検出器の出力ビート信号のスペクトルから基準となる位相特性を求め、同時に測定光検出器の出力ビート信号スペクトルから求められる位相特性を求め、それらを比較する。光分離素子１２までの光路差に依存するビート信号スペクトルの位相特性は共通なので、比較によって得られる位相特性の違いは測定距離（Ｌ２−Ｌ１）の伝搬によるものである。測定光スペクトルと基準光スペクトルの各モードの位相差情報が、ビート信号スペクトルの各モード番号の位相に反映される。ビート信号スペクトルのモード番号と位相の関係を測定光スペクトルのモード番号と位相差の関係に置き換えて光周波数と位相差の関係ωΔＴを求め、その直線をωで微分して得られる係数からΔＴを求める。
【００５８】
光コム干渉による距離測定をビート信号の周波数解析により行うと、光スペクトルが持つ広い帯域をΔｆｍ／ｆｍに圧縮して電気的に解析できるため、光パルスの往復時間を計測する距離計でありながら高い分解能を得ることができる。
【００５９】
計測に必要な時間は、干渉信号の１周期ＴｂであるΔｆを１００ｋＨｚとすると周期Ｔｂは１０μｓであり、短時間に距離を測定することができる。
【００６０】
したがって、このような構成のレーザ距離計１０では、第１及び第２の光源１，２から出射される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基準光Ｓ１と測定光Ｓ２を基準面４と測定面５に照射し、上記基準面４と測定面５に照射する基準光Ｓ１と測定光Ｓ２との干渉光Ｓ３を基準光検出器３により検出するとともに、上記基準面４により反射された基準光Ｓ１’と上記測定面５により反射された測定光Ｓ２’との干渉光Ｓ４を測定光検出器６により検出し、上記信号処理部７により、上記基準光検出器３により干渉光Ｓ３を検出した干渉信号と上記測定光検出器６により干渉光Ｓ４を検出し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までの距離と上記測定面までの距離の差を求めることにより、長い距離を高い精度でしかも短時間に測定することができる。
【００６１】
ここで、上記レーザ距離計１０における第１及び第２の光源１，２としては、例えば、モード周波数間隔が異なる２台の光周波数コム発生器、あるいは、それぞれ周期的に強度又は位相が変調されかつキャリア周波数が安定化された２台の光源などを用いることができる。
【００６２】
距離計としての性能は、基準光Ｓ１と測定光Ｓ２ほぼ出射する上記第１及び第２の光源１，２の性能で決定される。距離測定の分解能は光スペクトル幅または光パルス幅に依存しており、光スペクトルの幅が広い、または光パルスの幅が狭いほど距離測定の分解能を高くすることができる。また、絶対距離測定の確度は光コムモードの周波数間隔または光パルスの繰り返し周波数の確度に依存している。マイクロ波の絶対周波数確度が高いほど絶対距離測定の確度を高めることができる。さらに測定値のばらつきはｆｍやｆｍ＋Δｆｍの安定度に依存する。
【００６３】
また、上記レーザ距離計１０では、２台の光源１、２から出射される光の干渉を使って距離の測定を行うので、上記第１及び第２の光源１、２は、光コムモード間隔または光パルス繰り返し周波数または変調周期が異なりかつ干渉性の良いものでなければならない。
【００６４】
独立に発振するパルスレーザは、通常レーザ発振の中心周波数や繰り返し周波数がばらばらであり、その変動に相関がない。したがって２台の独立したパルスレーザを使用して距離計測を行う場合、精度を高めるためには、発振波長や光位相、パルスの繰り返し周波数を相対的に固定することが重要である。
【００６５】
外部変調された２台の光源または２台の光周波数コム発生器を使用すると距離計の要求を満たす光源を比較適容易に実現できる。特に、２台の発振器の同期をとった光周波数コム発生器は、互いに干渉性が良い、繰り返し周波数が安定、スペクトルの広がりが大きくパルス幅が短い、といった特徴を持つため、このレーザ距離計１０に最適な光源である。
【００６６】
なお、光周波数コム発生器２０は、例えば、図４に示すように、一対の反射鏡２１Ａ，２１Ｂで構成される光共振器２１の内部に光位相変調器２２を挿入してなるもので、単一周波数の連続波（周波数：ν）の光を入力し、光共振器２１の自由スペクトル域（ＦＳＲ）の整数倍に一致した周波数で光位相変調器２２を駆動すると、光共振器２１内の多重往復の周期と変調信号周期の同期がとれるため共振器のない光位相変調器と比べて極めて効率の良い変調が行われ、サイドバンドの本数は数百から数千本に達し、数テラヘルツのスペクトル広がりを持つ光周波数コムを出力として得ることができる。光周波数コム発生器２０では、時間的にも短いパルスを発生することが可能で、時間幅１ピコ秒以下の光パルスを発生することができる。光周波数コム発生器２０の出力は、中心周波数が入力周波数と等しく周波数間隔が変調周波数に等しいコム（櫛）状の光であり、図５に示すように、時間軸では、繰り返し周波数がｆｍであるパルス列である。変調指数を上げてスペクトルの広がりを大きくするほど時間幅の短いパルスを得ることができる。
【００６７】
ここで、上記レーザ距離計１０における第１、第２の光源１，２として２台の光周波数コム発生器を使用する場合、例えば、図６に示すような構成の光源１００とされる。
【００６８】
すなわち、この光源１００では、１台の単一周波数発振のレーザ光源１０１から出射されるレーザ光がビームスプリッタ１０２により分割されて２台の光周波数コム発生器（ＯＦＣＧ１、ＯＦＣＧ２）２０Ａ，２０Ｂに入力されるようになっている。
【００６９】
２台の光周波数コム発生器２０Ａ，２０Ｂは、互いに異なる周波数ｆｍ＋Δｆｍと周波数ｆｍで発振する発振器１０３Ａ，１０３Ｂにより駆動される。それぞれの発振器１０３Ａ，１０３Ｂは、共通の基準発振器１０４により位相同期されることにより、ｆｍ+Δｆｍとｆｍの相対周波数が安定になる。光周波数コム発生器（ＯＦＣＧ１）２０Ａの前には、音響光学周波数シフタ（ＡＯＦＳ）のような周波数シフタ１０５を設けて、入力されたレーザ光にこの周波数シフタ１０５により周波数ｆａの光周波数シフトを与えるようになっている。これにより、キャリア周波数間のビート周波数が直流信号ではなく周波数ｆａの交流信号になる。その結果、キャリア周波数の高周波側サイドバンドのビート信号と低周波側サイドバンドのビート信号がビート信号のキャリア周波数間のビート周波数ｆａを挟んで相対する周波数領域に発生するため位相比較に都合が良い。
【００７０】
上記光源１００を構成している２台の光周波数コム発生器（ＯＦＣＧ１、ＯＦＣＧ２）２０Ａ，２０Ｂは、図７の（Ａ），（Ｂ）に示すような周波数の光周波数コムを出力する。
【００７１】
すなわち、光周波数コム発生器（ＯＦＣＧ２）２０Ｂの出力は、図７の（Ａ）に示すように、中心にｆｍの周波数間隔でコム状のモードが並ぶ。光周波数コム発生器（ＯＦＣＧ１）２０Ａの出力は、図７の（Ｂ）に示すように、周波数ν＋ｆａを中心にｆｍ+Δｆｍの周波数間隔でコム状のモードが並ぶ。
【００７２】
このような構成の光源１００を上記第１、第２の光源１，２として備えたレーザ距離計１０において、基準光検出器３の入力前で重ね合わされたｎ次モードの電界の振幅ｅｎ（ｔ）は、次の（８）式で表される。
【００７３】
【数９】
ここで、ＥＲｎは、光周波数コム発生器（ＯＦＣＧ１）２０Ａから出射される基準光Ｓ１の電界を表し、ＥＴｎは、光周波数コム発生器（ＯＦＣＧ２）２０Ｂから出射される測定光Ｓ２の電界を表す。次数の異なるモード間の干渉信号は、変調周波数ｆｍとその周辺に現れる。したがって、光検出器の帯域をｆａやΔｆに比べて十分広いがｆｍより小さくとるか、フィルタを使用して高周波成分を取り除くと、同じ次数のモード間のビート周波数だけが残る。θｎはｎ次モードの位相差である。基準光ｎ次モードの位相を基準にした測定光ｎ次モードの相対位相を表している。
【００７４】
また、光検出器の出力電流ｉｎ（ｔ）は、ａを係数として、次の（９）式にて表すことができる。
【００７５】
【数１０】
（９）式のθｎを与える時間遅延は、基準光検出器３の場合、ビームスプリッタ１０２Ａで光を分離してから光分離素子１１で重ね合わせられるまでの光路差や信号ケーブルの長さに依存する。この時間遅延は、基準光検出器３と測定光検出器６に共通であるため、測定光検出器６の出力のθｎから基準光検出器３の出力のθｎを差し引くことにより取り除かれる。光検出器からの出力電流の時間波形は、すべてのｎ次の電流を重ねた結果でありΣｉｎ（ｔ）にて表すことができる。出力電流の波形は、キャリア周波数ｆａの信号がΔｆの周期で変調された波形であり、θｎは包絡線の時刻を決める。時間的には、基準光検出器３の出力のビート信号の発生時刻と測定光検出器６の出力のビート信号の発生時刻を比較することによってθｎの影響を取り除くことができる。測定光検出器６の出力のθｎをθｎ’とすると、基準光検出器３と測定光検出器６による検出として得られる各干渉信号の時間差は、周波数軸では（θｎ’−θｎ）のｎに対する変化率である。したがって、（θｎ’−θｎ）を各モードに対して求めると距離（Ｌ２−Ｌ１）を求めることができる。
【００７６】
ここで、基準光検出器３による検出として得られる干渉信号を波形観測して得られた波形例を図８に示す。ｆｍ＝２５ＧＨｚ、Δｆ＝１００ｋＨｚ、ｆａ＝４０ＭＨｚの光コム発生器（ＯＦＣＧ１、ＯＦＣＧ２）２０Ａ、２０Ｂを使用した場合である。周期Ｔｂが１０μｓｅｃで４０ＭＨｚのキャリアが強度変調された波形の干渉信号となっている。
【００７７】
また、距離（Ｌ２−Ｌ１）を約−３ｍｍから約＋３ｍｍまで約１ｍｍ刻みで変えた場合の干渉波形の変化を図９Ａ〜図９Ｄの（Ａ）〜（Ｇ）に示す。図９Ａ〜図９Ｄにおいて、Ｃｈ１は基準光検出器３により検出出力として得られた干渉信号の波形例を示し、Ｃｈ２は測定光検出器６により検出出力として得られた干渉信号の波形例を示す。Δｆ＝１００ｋＨｚであるため、１０μｓｅｃごとに同じ波形が繰り返されている。図９Ａ〜図９Ｄの（Ａ）〜（Ｇ）に示すように、距離（Ｌ２−Ｌ１）が変化すると、基準光検出器３による検出出力として得られたＣｈ１の干渉信号に対する測定光検出器６による検出出力として得られたＣｈ２の干渉信号のタイミングが変化するので、その時間差を測れば距離（Ｌ２−Ｌ１）を求めることができる。
【００７８】
したがって、このレーザ距離計１０に信号処理部７では、ピーク検出回路を用いて信号のピークの時間差を求めるか、信号を高速フーリエ変換して周波数と位相の関係を求めてもよい。信号の繰り返しが早いので短時間に距離測定を行うことができる。
【００７９】
すなわち、基準光検出器３と測定光検出器６による検出として得られる各干渉信号は、図９Ａ〜図９Ｄの（Ａ）〜（Ｇ）に示すように、上記基準光Ｓ１と測定光Ｓ２のキャリア周波数の差で振動する信号がパルス状に変調された形になっている。パルスの包絡線の時間差が測定距離を表すので、時間的には、包絡線のピークを求め、ピークの時間差から距離を求めることができる。したがって、信号処理部７では、例えば、図１０の（Ａ）に示すように、ダイオードと低域透過フィルタからなる包絡線検波部７１，７２を使用するとキャリア成分の無い包絡線の信号に変換することができる。基準光検出器３による検出として得られる干渉信号と測定光検出器６による検出として得られる干渉信号に対して、それぞれ包絡線検波を行い、さらに、時間差測定部７３において、ピーク検出回路を用いて包絡線がピークになる時間を検出し時間差を求めることにより遅延時間を求めることができ、距離計算部７４において上記時間差から距離を計算することができる。
【００８０】
また、上記信号処理部７では、光周波数コムの周波数的な安定性を利用して周波数軸での解析を行うとより高度な解析を行うようにすることもできる。基準光検出器３に入力される干渉光と測定光検出器６に入力される干渉光を同期させ、それぞれｎ次モードの相対位相θｎを一括して求め、周波数とθｎの関係を基準光検出器３による検出として得られる干渉信号と測定光検出器６による検出として得られる干渉信号で比較することにより遅延時間を求めることができる。
【００８１】
すなわち、上記信号処理部７は、例えば、図１０の（Ｂ）に示すように、上記基準光検出器４により検出された干渉信号をフーリエ変換部７５により周波数解析して多数の光周波数コムの位相情報を一括して取得するとともに、上記測定光検出器６により検出された干渉信号をフーリエ変換部７６により周波数解析して多数の光周波数コムの位相情報を一括して取得し、位相差測定部７７によりそれぞれの位相特性の周波数に対する変化率を求め、距離計算部７８において、その傾きの差から上記基準面までの距離と上記測定面までの距離の差を算出するものとすることができる。
【００８２】
ここで、上記光周波数コム発生器（ＯＦＣＧ１）２０Ｂにより発生される基準光Ｓ１のモードの角周波数をω１、上記光周波数コム発生器（ＯＦＣＧ２）２０Ａにより発生される測定光Ｓ２のモードの角周波数をω２とし、上記周波数シフタの角周波数をωａ、変調信号の角周波数差をΔωとすると、これらの周波数関係は、次の（１０）式にて表わされる。
【００８３】
【数１１】
光分離素子１２を介して、基準検出器３に向かう基準光Ｓ１、測定光Ｓ２の各位相θ１，θ２は時間ｔにおいてそれぞれ、次の（１１）式で表される。
【００８４】
【数１２】
基準光検出器と測定光検出器に共通の時間に依存しない位相項は省略した。その時、上記光分離素子１２を介して、測定光検出器６に向かう基準光Ｓ１’、測定光Ｓ２’の各位相θ１’，θ２’は、次の（１２）式ように表すことができる。
【００８５】
【数１３】
ここで、Ｌ０は上記分離素子１２から偏光ビームスプリッタ１４に至るまでの媒質の長さである。また、Ｎ０１、Ｎ０２は、上記分離素子１２から偏光ビームスプリッタ１４に至るまでの媒質の角周波数ω１と角周波数ω２における屈折率である。
【００８６】
測定光検出器６から出力される干渉信号の位相（θ２’−θ１’）と基準検出器３から出力される干渉信号の位相（θ２−θ１）の差Δθ＝（θ２’−θ１’）−（θ２−θ１）は以下の（１３）式で表わすことができる。
【００８７】
【数１４】
ここで、Ｎｇは、上記分離素子１２から偏光ビームスプリッタ１４に至るまでの媒質の群屈折率である。
【００８８】
この（１３）式における第１項が測定対象の距離（Ｌ２−Ｌ１）に比例して変化する位相を表す。測定対象の距離が光の半波長変化すると２πラジアン変化する。第２項は、上記分離素子１２から偏光ビームスプリッタ１４に至るまでの長さＬ０、群屈折率Ｎｇと偏光ビームスプリッタ１４から基準反射鏡４に至るまでの固定された距離Ｌ１に依存する位相のオフセットである。第２項は、モード次数に依存したビート信号の半波長で２πラジアン変化するため、第１項に比べて位相の変化が緩慢である。
【００８９】
計測したい距離Ｌ２−Ｌ１は、位相のモード次数に対する変化率から求められる。
【００９０】
Δθｎ＋１−Δθｎは、次の（１４）式で算出することができる。
【００９１】
【数１５】
ここで、ωｍ＝２πｆｍは変調周波数を表す。上の（１４）式から明らかなように、正しい距離を求めるためにはΔω＝０の時の位相の変化率を求めることが必要である。異なる複数の周波数差Δωにおいて位相の変化率を求め位相特性の変化からΔω＝０での値を求めることが可能である。例えばΔｆ＝Δω／２π＝１００ｋＨｚ、２００ｋＨｚで位相の変化率を求め、外挿によりΔｆ＝０の値をも求めることができる。または、周波数差がΔωと−Δωの場合の位相変化率を計測して、平均化を行ってもよい。
【００９２】
レーザ距離計１０は、周期的に発生する光パルスを用いているため、測定距離（Ｌ２−Ｌ１）を往復する際の時間遅延が光パルスの繰り返し周期を超えると同じ干渉信号が繰り返され、一組のマイクロ波周波数による距離測定だけではパルス数を判別することができない。パルス数の判別を行うためには異なる二組のマイクロ波ωｍで測定を行って（Δθｎ＋１−Δθｎ）を比較する。ωｍとωｍ＋Δωｍの２周波数で同じ距離測定を行ったと仮定すると、周波数ωｍでの位相差（Δθｎ＋１−Δθｎ）は次の（１５）式で表わすことができる。
【００９３】
【数１６】
そして周波数ωｍ＋Δωｍでの位相差（Δθｎ＋１’−Δθｎ’）は次の（１６）式で表わすことができる。
【００９４】
【数１７】
したがって、その差は、次のようにあらわすことができる。
【００９５】
【数１８】
２組の測定の周波数差を１ＭＨｚに設定すると（Ｌ２−Ｌ１）が約１５０ｍまでの範囲で絶対距離を求めることができる。
【００９６】
以上のような構成のレーザ距離計１０では、マイクロ波発振器の周波数安定度と同じ程度の測定精度で距離Ｌ２−Ｌ１を測定することができる。長期的な安定度はマイクロ波発振器の位相同期回路に入力される基準発振器の周波数安定度で決定される。計測時間を短縮するためには短期的なｆｍとｆｍ+Δｆｍの相対位相の安定性が要求される。しかし、同じ基準発振器を用いても、低い周波数の基準信号の周波数をマイクロ波帯の駆動周波数までに上げる際に位相のジッタが累積される可能性があるため短期的には相対位相にジッタが含まれる可能性がある。その場合、短時間で計測した場合の測定精度が低下する。したがって計測時間を短縮するためには、位相同期ループの帯域を広くとった対の発振器が必要である。
【００９７】
なお、ここまでの距離計は、マイクロ波発振器の周波数を基準に距離を計測しているため、光周波数の安定度には無関係である。マイクロ波の波長は長いためナノメートルより高い分解能で測定するためにはコムモードの帯域を数十テラヘルツから数百テラヘルツの帯域が必要であるが広げることは容易ではない。しかし、基準光Ｓ１、測定光Ｓ２の光源として周波数安定化レーザを用いるとナノメートルのレベルで変化する光の位相から高い分解能で変位を求めることができる。コムモードの相対周波数によりマイクロ波の周波数安定度で光波長以下の精度で距離を求め、さらに高い精度は光の波長を基準に距離を決定することできる。通常、光の波長を基準に距離を求める変位計では、絶対距離を求めるために原点復帰が必要であるが、マイクロ波周波数を基準とする測定と光周波数を基準とする測定を併用すると原点復帰をすることなくナノメートルより高い精度で距離を測定することが可能である。
【００９８】
すなわち、上記レーザ距離計１０において、上記信号処理部７は、例えば、変調周波数が同じでない複数の値での距離計測結果に基づいて、マイクロ波の波長以上の距離で絶対距離測定値を算出するものとすることができる。
【００９９】
また、上記レーザ距離計１０において、上記信号処理部７は、例えば、モード周波数差が同じでない複数の値での距離計測結果に基づいて、測定距離の校正処理を行うようにすることもできる。
【０１００】
なお、上記レーザ距離計１０では、偏光ビームスプリッタ１４により基準光Ｓ１と測定光Ｓ２を分離して基準面４と測定面５に照射するようにしたが、図１１に示すレーザ距離計１１０のように、偏光ビームスプリッタ１４に替えて、偏光に関係なく光を部分的に反射する半透鏡１１１と特定の偏光成分のみ透過させる偏光子１１２、１１３を使用することもできる。基準光Ｓ１だけが基準面４に向かうように偏光子１１２の向きを調整し、また、測定光Ｓ２だけが測定面６に向かうように偏光子１１３の向きを調整することにより、このレーザ距離計１１０は、上記レーザ距離計１０と同様に動作する。
【０１０１】
また、本発明に係るレーザ距離計１０を使用して、例えば、図１２に示すような光学的三次元形状測定機２００を構成することができる。
【０１０２】
この光学的三次元形状測定機２００は、上記レーザ距離計１０における測定光Ｓ２で対象物体を走査する光学スキャン装置２２０と、上記レーザ距離計１０の基準光検出器３と測定光検出器６の各検出出力に基づいて、対象物体２５０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２３０を備える。
【０１０３】
この光学的三次元形状測定機２００では、レーザ距離計１０からの測定光Ｓ２が光学スキャン装置２２０から対象物体２５０に向けて照射され、対象物体２５０からの反射光がレーザ距離計１０に戻り、物体表面までの絶対距離が信号処理装置２３０により計測される。信号処理装置２３０は、光学スキャン装置２２０を制御してレーザービームを走査すると同時にレーザ距離計１０が計測する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。
【０１０４】
なお、光学スキャン装置２２０により光ビームを走査する代わりに対象物体２５０を移動させてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】本発明に係るレーザ距離計の基本的な構成を示すブロック図である。
【図２】測定距離に比例する基準光パルスと測定光パルスの時間の測定を、互いに変調周期の異なる干渉性のある２台のパルス光源の干渉によって行う場合の模式図である。
【図３】光スペクトル及びビート信号スペクトルの模式図である。
【図４】上記レーザ距離計における光源として使用される光周波数コム発生器の構造を模式的に示す断面図である。
【図５】上記光周波数コム発生器の出力を模式的に示す図である。
【図６】上記レーザ距離計において２台の光周波数コム発生器を用いた光源の構成を模式的に示すブロック図である。
【図７】上記光源を構成している２台の光周波数コム発生器の出力を模式的に示す図である。
【図８】上記レーザ距離計における測定距離が付近の干渉波形の例を示す図である。
【図９Ａ】上記レーザ距離計における測定距離と検出される干渉信号との関係を模式的に示す図である。
【図９Ｂ】上記レーザ距離計における測定距離と検出される干渉信号との関係を模式的に示す図である。
【図９Ｃ】上記レーザ距離計における測定距離と検出される干渉信号との関係を模式的に示す図である。
【図９Ｄ】上記レーザ距離計における測定距離と検出される干渉信号との関係を模式的に示す図である。
【図１０】上記レーザ距離計の信号処理部の構成例を示すブロック図である。
【図１１】上記レーザ距離計の他の構成例を示すブロック図である。
【図１２】本発明に係るレーザ距離計を用いた光学的三次元形状測定機の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【０１０６】
１、２ レーザ光源、３ 基準光検出器、４ 基準面、５ 測定面、６ 測定光検出器、７ 信号処理部、１１，１２ 光分離素子、１３，１４ 偏光子、１５ 偏光ビームスプリッタ、１０，１１０ レーザ距離計、２０，２０Ａ，２０Ｂ 光周波数コム発生器、２１ 光共振器、２１Ａ，２１Ｂ 反射鏡、２２ 光位相変調器、７１，７２ 包絡線検波部、７３ 時間差測定部、７４ 距離計算部、７５，７６ フーリエ変換部、７７ 位相差測定部、７８ 距離計算部、１００ 光源、１０１ レーザ光源、１０２ ビームスプリッタ、１０３Ａ，１０３Ｂ 発振器、１０４ 基準発振器、１０５ 周波数シフタ、１１１ 半透鏡、１１２，１１３ 偏光子、２００ 光学的三次元形状測定機、２２０ 光学スキャン装置２２０、２３０ 信号処理装置、２５０ 対象物体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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基準光と測定光を出射する第１及び第２の光源と、
上記第１の光源から出射された基準光と上記第２の光源からの出射された測定光との干渉光を検出する基準光検出器と、
上記第１の光源から出射された基準光が照射される基準面と、
上記第２の光源から出射された測定光が照射される測定面と、
上記基準面により反射された基準光と上記測定面により反射された測定光との干渉光を検出する測定光検出器と、
上記基準光検出器により検出された干渉信号と上記測定光検出器に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までの距離と上記測定面までの距離の差を求める信号処理部と
を備える距離計。
【請求項２】
上記第１及び第２の光源は、モード周波数間隔が異なる２台の光周波数コム発生器であることを特徴とする請求項１記載の距離計。
【請求項３】
上記信号処理部は、上記基準光検出器により検出された干渉信号を周波数解析して多数の光周波数コムの位相情報を一括して取得するとともに、上記測定光検出器により検出された干渉信号を周波数解析して多数の光周波数コムの位相情報を一括して取得し、それぞれの位相特性の周波数に対する変化率を求め、その傾きの差から上記基準面までの距離と上記測定面までの距離の差を算出することを特徴とする請求項２記載の距離計。
【請求項４】
上記第１及び第２の光源として、それぞれ周期的に強度又は位相が変調されかつキャリア周波数が安定化された２台の光源を使用し、
上記信号処理部は、上記基準光検出器と上記測定光検出器による干渉信号の時間差による絶対距離とキャリア周波数成分の位相による変位測定を行うことを特徴とする請求項１記載の距離計。
【請求項５】
上記第１及び第２の光源は、相対位相の同期が高い周波数帯域まで行われ短期的な相対位相変動の少ない２台の対になった発振器により駆動されて、上記互いに変調周期が異なる干渉性のある基準光と測定光を出射することを特徴とする請求項１記載の距離計。
【請求項６】
上記信号処理部は、モード周波数差が同じでない複数の値での距離計測結果に基づいて、測定距離の校正処理を行うことを特徴とする請求項１記載の距離計。
【請求項７】
上記信号処理部は、変調周波数が同じでない複数の値での距離計測結果に基づいて、マイクロ波の波長以上の距離で絶対距離測定値を算出することを特徴とする請求項１記載の距離計。
【請求項８】
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基準光と測定光を基準面と測定面に照射し、
上記基準面と測定面に照射する基準光と測定光との第１の干渉光を検出するとともに、上記基準面により反射された基準光と上記測定面により反射された測定光との第２の干渉光を検出し、
上記第１の干渉光を検出した干渉信号と上記第２の干渉光を検出し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までの距離と上記測定面までの距離の差を求める
ことを特徴とする距離測定方法。
【請求項９】
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基準光と測定光を出射する第１及び第２の光源と、上記第１の光源から出射された基準光と上記第２の光源からの出射された測定光との干渉光を検出する基準光検出器と、上記第１の光源から出射された基準光が照射される基準面と、上記基準面により反射された基準光と上記対象物体により反射された測定光との干渉光を検出する測定光検出器と、上記基準光検出器により検出された干渉信号と上記測定光検出器に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までの距離と上記対象物体までの距離の差を求める信号処理部とを備える距離計と、
上記距離計から出射される測定光で対象物体を走査し、上記対象物体により反射された上記測定光を上記距離計に戻す光学スキャン装置と、
上記光学スキャン装置を制御してレーザービームを走査すると同時に上記距離計が計測する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信号処理装置と
を備えることを特徴とする光学的三次元形状測定機。
【請求項１】
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基準光と測定光を出射する第１及び第２の光源と、
上記第１の光源から出射された基準光と上記第２の光源からの出射された測定光との干渉光を検出する基準光検出器と、
上記第１の光源から出射された基準光が照射される基準面と、
上記第２の光源から出射された測定光が照射される測定面と、
上記基準面により反射された基準光と上記測定面により反射された測定光との干渉光を検出する測定光検出器と、
上記基準光検出器により検出された干渉信号と上記測定光検出器に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までの距離と上記測定面までの距離の差を求める信号処理部と
を備える距離計。
【請求項２】
上記第１及び第２の光源は、モード周波数間隔が異なる２台の光周波数コム発生器であることを特徴とする請求項１記載の距離計。
【請求項３】
上記信号処理部は、上記基準光検出器により検出された干渉信号を周波数解析して多数の光周波数コムの位相情報を一括して取得するとともに、上記測定光検出器により検出された干渉信号を周波数解析して多数の光周波数コムの位相情報を一括して取得し、それぞれの位相特性の周波数に対する変化率を求め、その傾きの差から上記基準面までの距離と上記測定面までの距離の差を算出することを特徴とする請求項２記載の距離計。
【請求項４】
上記第１及び第２の光源として、それぞれ周期的に強度又は位相が変調されかつキャリア周波数が安定化された２台の光源を使用し、
上記信号処理部は、上記基準光検出器と上記測定光検出器による干渉信号の時間差による絶対距離とキャリア周波数成分の位相による変位測定を行うことを特徴とする請求項１記載の距離計。
【請求項５】
上記第１及び第２の光源は、相対位相の同期が高い周波数帯域まで行われ短期的な相対位相変動の少ない２台の対になった発振器により駆動されて、上記互いに変調周期が異なる干渉性のある基準光と測定光を出射することを特徴とする請求項１記載の距離計。
【請求項６】
上記信号処理部は、モード周波数差が同じでない複数の値での距離計測結果に基づいて、測定距離の校正処理を行うことを特徴とする請求項１記載の距離計。
【請求項７】
上記信号処理部は、変調周波数が同じでない複数の値での距離計測結果に基づいて、マイクロ波の波長以上の距離で絶対距離測定値を算出することを特徴とする請求項１記載の距離計。
【請求項８】
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基準光と測定光を基準面と測定面に照射し、
上記基準面と測定面に照射する基準光と測定光との第１の干渉光を検出するとともに、上記基準面により反射された基準光と上記測定面により反射された測定光との第２の干渉光を検出し、
上記第１の干渉光を検出した干渉信号と上記第２の干渉光を検出し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までの距離と上記測定面までの距離の差を求める
ことを特徴とする距離測定方法。
【請求項９】
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基準光と測定光を出射する第１及び第２の光源と、上記第１の光源から出射された基準光と上記第２の光源からの出射された測定光との干渉光を検出する基準光検出器と、上記第１の光源から出射された基準光が照射される基準面と、上記基準面により反射された基準光と上記対象物体により反射された測定光との干渉光を検出する測定光検出器と、上記基準光検出器により検出された干渉信号と上記測定光検出器に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までの距離と上記対象物体までの距離の差を求める信号処理部とを備える距離計と、
上記距離計から出射される測定光で対象物体を走査し、上記対象物体により反射された上記測定光を上記距離計に戻す光学スキャン装置と、
上記光学スキャン装置を制御してレーザービームを走査すると同時に上記距離計が計測する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信号処理装置と
を備えることを特徴とする光学的三次元形状測定機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図９Ｃ】
【図９Ｄ】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図９Ｃ】
【図９Ｄ】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１０−１４５４９（Ｐ２０１０−１４５４９Ａ）
【公開日】平成２２年１月２１日（２０１０．１．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１７４８６０（Ｐ２００８−１７４８６０）
【出願日】平成２０年７月３日（２００８．７．３）
【出願人】（５０３２４９８１０）株式会社 光コム (28)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１月２１日（２０１０．１．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年７月３日（２００８．７．３）
【出願人】（５０３２４９８１０）株式会社 光コム (28)
【Ｆターム（参考）】
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