WO2019224982A1

WO2019224982A1 - 光測距装置及び加工装置

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Publication number: WO2019224982A1
Application number: PCT/JP2018/020013
Authority: WO
Inventors: 聖史斧原; 後藤　広樹; 巨生鈴木
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2018-05-24
Filing date: 2018-05-24
Publication date: 2019-11-28
Also published as: CN112204428A; TW202004218A; CN112204428B; US20210010802A1; US11346651B2; DE112018007502B4; JPWO2019224982A1; DE112018007502T5; TWI785103B; JP6765579B2

Abstract

周波数掃引光出力部（１０）は、出力中の周波数掃引光の周波数掃引が完了してから、次の周波数掃引が可能になるまでの期間中、出力中の周波数掃引光と異なる周波数掃引中の周波数掃引光を出力するように、光測距装置（３）を構成した。

Description

光測距装置及び加工装置

　この発明は、測定対象物までの距離を算出する光測距装置と、光測距装置を備える加工装置とに関するものである。

　光を用いて、測定対象物までの距離を測定する方法の１つとして、周波数走査干渉方式がある。
　周波数走査干渉方式を用いる光測距装置は、時間の経過に伴って周波数が変化する周波数掃引光を測定対象物に向けて照射し、測定対象物に反射された周波数掃引光を反射光として受信する。
　光測距装置は、測定対象物に照射する前の周波数掃引光の一部を参照光とし、参照光と反射光との干渉光に基づいて、測定対象物までの距離を測定する。
　以下の特許文献１には、時間の経過に伴って周波数が三角波状又は鋸波状に変化する周波数電気信号を発生する掃引信号源が開示されている。
　鋸波状の周波数電気信号は、時間の経過に伴って周波数が最低周波数ｆ_ｍｉｎから最高周波数ｆ_ｍａｘまで変化する信号である。
　鋸波状の周波数電気信号は、周波数が最高周波数ｆ_ｍａｘに到達すると、一旦、周波数が最低周波数ｆ_ｍｉｎに戻ってから、再度、周波数が最低周波数ｆ_ｍｉｎから最高周波数ｆ_ｍａｘまで変化する。

特開２０１７－１９１８１５号公報

　周波数走査干渉方式を用いる光測距装置は、特許文献１に開示されている掃引信号源を用いることが可能であるとすれば、レーザ光源が、掃引信号源から発生される電気信号の電圧あるいは電流に基づいて、周波数掃引光を繰り返し照射することができる。
　ただし、掃引信号源から発生される電気信号の電圧あるいは電流が最大値から最小値まで急峻に変化するような場合、レーザ光源から出力される周波数掃引光は、電気信号の応答速度に追従できない。したがって、掃引信号源が発生する電気信号が、周波数掃引光の最低周波数ｆ_ｍｉｎに戻り、直ちに、周波数掃引光が変化するように電気信号を出力する場合、周波数掃引光は、発振周波数が最低周波数ｆ_ｍｉｎに戻りきる前に、周波数掃引が再開されてしまうことがある。
　周波数掃引光の周波数が最低周波数ｆ_ｍｉｎに完全に戻ってから、周波数掃引光の周波数掃引が再開されるようにするには、掃引信号源は、周波数掃引光の周波数が最低周波数ｆ_ｍｉｎに戻ったのち、一定時間を経過してから、周波数掃引光の周波数が変化するように電気信号を出力する必要がある。
　レーザ光源は、時間の経過に伴う掃引周波数の変化が、電気信号の電圧あるいは電流の変化と正比例する周波数掃引光を出力するため、周波数掃引光についても、周波数掃引光の周波数が最低周波数ｆ_ｍｉｎに戻ってから、周波数掃引が再開されるまでに一定の時間を要することがある。
　周波数掃引光の周波数が最低周波数ｆ_ｍｉｎに戻ってから、次の周波数掃引が再開されるまでの時間は、周波数掃引光の周波数が変化しないため、光測距装置が、測定対象物までの距離を測定することができないという課題があった。

　この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、測定対象物までの距離を測定できない時間帯を解消することができる光測距装置及び加工装置を得ることを目的とする。

　この発明に係る光測距装置は、時間の経過に伴って周波数が変化する周波数掃引光を繰り返し出力する周波数掃引光出力部と、周波数掃引光出力部から出力された周波数掃引光を参照光として出力するとともに、周波数掃引光を測定対象物に向けて照射し、測定対象物に反射された周波数掃引光を反射光として受信する光送受信部と、反射光と参照光とを干渉させて、反射光と参照光との干渉光を出力する光干渉部と、光干渉部から出力された干渉光に基づいて、反射光の周波数と参照光の周波数との差分を算出し、差分から、測定対象物までの距離を算出する距離算出部とを備え、周波数掃引光出力部が、出力中の周波数掃引光の周波数掃引が完了してから、次の周波数掃引が可能になるまでの期間中、出力中の周波数掃引光と異なる周波数掃引中の周波数掃引光を出力するようにしたものである。

　この発明によれば、周波数掃引光出力部が、出力中の周波数掃引光の周波数掃引が完了してから、次の周波数掃引が可能になるまでの期間中、出力中の周波数掃引光と異なる周波数掃引中の周波数掃引光を出力するように、光測距装置を構成した。したがって、この発明に係る光測距装置は、測定対象物までの距離を測定できない時間帯を解消することができる。

実施の形態１による加工装置２を示す構成図である。実施の形態１による光測距装置３を示す構成図である。実施の形態１による光測距装置３の距離算出部３４を示す構成図である。距離算出部３４のハードウェアを示すハードウェア構成図である。距離算出部３４がソフトウェア又はファームウェアなどで実現される場合のコンピュータのハードウェア構成図である。光干渉部３１及びＯ／Ｅ変換部３２の内部を示す構成図である。光測距装置３による距離の測定処理を示す説明図である。鋸波信号の波形を示す説明図である。第１のレーザ光源１３から出力される第１の周波数掃引光としての参照光及び反射光と、第２のレーザ光源１４から出力される第２の周波数掃引光としての参照光及び反射光とを示す説明図である。第１のレーザ光源１３から出力される第１の周波数掃引光における周波数の変化範囲及び第２のレーザ光源１４から出力される第２の周波数掃引光における周波数の変化範囲を示す説明図である。実施の形態２による光測距装置３を示す構成図である。

　以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。

実施の形態１．
　図１は、実施の形態１による加工装置２を示す構成図である。
　図１において、測定対象物１は、加工装置２によって加工される基板などが該当する。
　測定対象物１は、光測距装置３により距離が測定される対象物であるとともに、加工部４により加工される対象物である。
　加工装置２は、光測距装置３及び加工部４を備えている。
　光測距装置３は、測定対象物１までの距離を測定し、測定した距離を加工部４に出力する装置である。
　加工部４は、光測距装置３から出力された距離に基づいて測定対象物１を加工する。
　加工部４の加工例としては、光測距装置３から出力された距離が設計値と一致するように、測定対象物１を研磨する加工又は測定対象物１を切削する加工などが考えられる。

　図２は、実施の形態１による光測距装置３を示す構成図である。
　図２において、周波数掃引光出力部１０は、掃引電気信号出力部１１、遅延器１２、第１のレーザ光源１３、第２のレーザ光源１４及びセレクタ１５を備えている。
　周波数掃引光出力部１０は、時間の経過に伴って周波数が変化する周波数掃引光を光送受信部２０に繰り返し出力する。
　周波数掃引光出力部１０は、出力中の周波数掃引光の周波数掃引が完了してから、次の周波数掃引が可能になるまでの期間中、出力中の周波数掃引光と異なる周波数掃引中の周波数掃引光を光送受信部２０に出力する。

　掃引電気信号出力部１１は、時間の経過に伴って第１のレーザ光源１３及び第２のレーザ光源１４の周波数を変化させるための掃引電気信号を遅延器１２及び第１のレーザ光源１３に出力する。
　掃引電気信号出力部１１から出力される掃引電気信号としては、鋸波信号のほか、三角波信号などが考えられる。実施の形態１の光測距装置３では、掃引電気信号出力部１１が、掃引電気信号として、鋸波信号を出力するものとする。
　鋸波信号は、時間の経過に伴って第１のレーザ光源１３及び第２のレーザ光源１４の周波数が最低周波数ｆ_ｍｉｎから最高周波数ｆ_ｍａｘまで変化するように、電圧又は電流が変化する信号である。
　周波数掃引光の周波数は、最高周波数ｆ_ｍａｘに到達すると、一旦、最低周波数ｆ_ｍｉｎに戻ってから、再度、最低周波数ｆ_ｍｉｎから最高周波数ｆ_ｍａｘまで変化する。
　また、掃引電気信号出力部１１は、第１の周波数掃引光を選択する旨を示す第１のセレクタ切替信号又第２の周波数掃引光を選択する旨を示す第２のセレクタ切替信号をセレクタ１５に出力する。

　遅延器１２は、掃引電気信号出力部１１から出力された鋸波信号を遅延し、遅延後の鋸波信号を第２のレーザ光源１４及び掃引電気信号出力部１１に出力する。
　第１のレーザ光源１３は、光ファイバを介して、セレクタ１５と接続されている。
　第１のレーザ光源１３は、掃引電気信号出力部１１から出力された鋸波信号に基づいて、時間の経過に伴って周波数が変化する第１の周波数掃引光をセレクタ１５に繰り返し出力する。
　第２のレーザ光源１４は、光ファイバを介して、セレクタ１５と接続されている。
　第２のレーザ光源１４は、遅延器１２から出力された鋸波信号に基づいて、時間の経過に伴って周波数が変化する第２の周波数掃引光をセレクタ１５に繰り返し出力する。

　セレクタ１５は、光ファイバを介して、光送受信部２０の光カプラ２１と接続されている。
　セレクタ１５は、掃引電気信号出力部１１から第１のセレクタ切替信号を受けると、第１の周波数掃引光及び第２の周波数掃引光のうち、第１の周波数掃引光を選択して、第１の周波数掃引光を光カプラ２１に出力する。
　セレクタ１５は、掃引電気信号出力部１１から第２のセレクタ切替信号を受けると、第１の周波数掃引光及び第２の周波数掃引光のうち、第２の周波数掃引光を選択して、第２の周波数掃引光を光カプラ２１に出力する。

　光送受信部２０は、光カプラ２１、サーキュレータ２２及びコリメートレンズ２３を備えている。
　光送受信部２０は、周波数掃引光出力部１０から出力された周波数掃引光（第１の周波数掃引光又は第２の周波数掃引光）を参照光として信号処理部３０に出力する。
　また、光送受信部２０は、周波数掃引光出力部１０から出力された周波数掃引光を照射光として測定対象物１に向けて照射し、測定対象物１に反射された照射光を反射光として受信する。

　光カプラ２１は、光ファイバを介して、サーキュレータ２２と接続され、光ファイバを介して、信号処理部３０の光干渉部３１と接続されている。
　光カプラ２１は、周波数掃引光出力部１０から出力された周波数掃引光を２つに分岐し、分岐後の一方の周波数掃引光をサーキュレータ２２に出力し、分岐後の他方の周波数掃引光を参照光として光干渉部３１に出力する。
　サーキュレータ２２は、光ファイバを介して、コリメートレンズ２３と接続され、光ファイバを介して、光干渉部３１と接続されている。
　サーキュレータ２２は、光カプラ２１から出力された周波数掃引光をコリメートレンズ２３に出力し、コリメートレンズ２３から出力された反射光を光干渉部３１に出力する。

　コリメートレンズ２３は、サーキュレータ２２から出力された周波数掃引光が平行光になるように、周波数掃引光のビーム径を調整する。コリメートレンズ２３によりビーム径が調整された周波数掃引光は、照射光として、測定対象物１に向けて空間に放射される。
　コリメートレンズ２３は、測定対象物１に反射された照射光を反射光として集光し、反射光をサーキュレータ２２に出力する。

　信号処理部３０は、光干渉部３１、光電気変換部（以下、「Ｏ／Ｅ変換部」と称する）３２、アナログデジタル変換部（以下、「Ａ／Ｄ変換部」と称する）３３及び距離算出部３４を備えている。
　光干渉部３１は、光ファイバを介して、Ｏ／Ｅ変換部３２と接続されている。
　光干渉部３１は、サーキュレータ２２から出力された反射光と光カプラ２１から出力された参照光とを干渉させて、反射光と参照光との干渉光をＯ／Ｅ変換部３２に出力する。
　Ｏ／Ｅ変換部３２は、光干渉部３１から出力された干渉光を電気信号（以下、「干渉信号」と称する）に変換し、干渉信号をＡ／Ｄ変換部３３に出力する。
　Ａ／Ｄ変換部３３は、Ｏ／Ｅ変換部３２から出力された干渉信号をアナログ信号からデジタル信号に変換し、デジタル信号を距離算出部３４に出力する。

　距離算出部３４は、図３に示すように、フーリエ変換部３５及び距離算出処理部３６を備えている。
　図３は、実施の形態１による光測距装置３の距離算出部３４を示す構成図である。
　図４は、距離算出部３４のハードウェアを示すハードウェア構成図である。
　図３において、フーリエ変換部３５は、図４に示すフーリエ変換回路４１によって実現される。
　フーリエ変換部３５は、Ａ／Ｄ変換部３３から出力されたデジタル信号をフーリエ変換することで、干渉光の周波数スペクトルを算出し、周波数スペクトルを距離算出処理部３６に出力する処理を実施する。
　距離算出処理部３６は、図４に示す距離算出処理回路４２によって実現される。
　距離算出処理部３６は、フーリエ変換部３５から出力された周波数スペクトルに基づいて、反射光の周波数成分に係る周波数と、参照光の周波数成分に係る周波数との差分を算出する処理を実施する。
　また、距離算出処理部３６は、算出した差分から、光測距装置３から測定対象物１までの距離を算出する処理を実施する。

　図３では、距離算出部３４の構成要素であるフーリエ変換部３５及び距離算出処理部３６のそれぞれが、図４に示すような専用のハードウェアで実現されるものを想定している。即ち、距離算出部３４が、フーリエ変換回路４１及び距離算出処理回路４２で実現されるものを想定している。
　フーリエ変換回路４１及び距離算出処理回路４２のそれぞれは、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｓｐｅｃｉｆｉｃ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｇａｔｅ　Ａｒｒａｙ）、又は、これらを組み合わせたものが該当する。

　距離算出部３４の構成要素は、専用のハードウェアで実現されるものに限るものではなく、距離算出部３４が、ソフトウェア、ファームウェア、又は、ソフトウェアとファームウェアとの組み合わせで実現されるものであってもよい。
　ソフトウェア又はファームウェアはプログラムとして、コンピュータのメモリに格納される。コンピュータは、プログラムを実行するハードウェアを意味し、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、あるいは、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）が該当する。
　図５は、距離算出部３４がソフトウェア又はファームウェアなどで実現される場合のコンピュータのハードウェア構成図である。
　距離算出部３４がソフトウェア又はファームウェアなどで実現される場合、フーリエ変換部３５及び距離算出処理部３６の処理手順をコンピュータに実行させるためのプログラムがメモリ５１に格納される。そして、コンピュータのプロセッサ５２がメモリ５１に格納されているプログラムを実行する。

　また、図４では、距離算出部３４の構成要素のそれぞれが専用のハードウェアで実現される例を示し、図５では、距離算出部３４がソフトウェア又はファームウェアなどで実現される例を示しているが、距離算出部３４における一部の構成要素が専用のハードウェアで実現され、残りの構成要素がソフトウェア又はファームウェアなどで実現されるものであってもよい。

　図６は、光干渉部３１及びＯ／Ｅ変換部３２の内部を示す構成図である。
　図６において、光カプラ３１ａは、サーキュレータ２２から出力された反射光と光カプラ２１から出力された参照光とを合波する。
　また、光カプラ３１ａは、反射光と参照光との合波光を２つに分波し、分波後のそれぞれの合波光を干渉光としてピンフォトダイオード３２ａ，３２ｂに出力する。
　ピンフォトダイオード３２ａ，３２ｂは、光カプラ３１ａから出力された干渉光の光強度と正比例する電流が流れる素子である。
　ピンフォトダイオード３２ａとピンフォトダイオード３２ｂの接続点には、干渉光の光強度と正比例する電圧を有する電気信号が現れる。
　増幅器３２ｃは、当該電気信号を増幅し、増幅後の電気信号を干渉信号としてＡ／Ｄ変換部３３に出力する。

　図７は、光測距装置３による距離の測定処理を示す説明図である。
　図７は、光測距装置３が、３つの測定対象物１までの距離を測定する例を示している。
　図７に例示されている３つの測定対象物１は、それぞれ位置Ｘ_１，Ｘ_２，Ｘ_３に存在しており、光測距装置３からの距離がそれぞれＬ_１，Ｌ_２，Ｌ_３である。Ｌ_１＜Ｌ_２＜Ｌ_３である。
　次に、図２に示す光測距装置３の動作について説明する。

　周波数掃引光出力部１０は、時間の経過に伴って周波数が変化する周波数掃引光を光送受信部２０に繰り返し出力する。
　以下、周波数掃引光出力部１０による周波数掃引光の出力動作を具体的に説明する。
　掃引電気信号出力部１１は、時間の経過に伴って周波数が変化する掃引電気信号として、鋸波信号を遅延器１２及び第１のレーザ光源１３に出力する。
　図８は、鋸波信号の波形を示す説明図である。
　鋸波信号は、時間の経過に伴って、第１の周波数掃引光の周波数及び第２の周波数掃引光の周波数を、最低周波数ｆ_ｍｉｎから最高周波数ｆ_ｍａｘまで変化させるために、電圧又は電流が変化する信号である。
　第１及び第２の周波数掃引光の周波数は、周波数が最低周波数ｆ_ｍｉｎに戻ると、一定時間を経過してから、周波数が最低周波数ｆ_ｍｉｎから最高周波数ｆ_ｍａｘまで変化する。
　一定時間を経過してから第１及び第２の周波数掃引光の周波数が変化する理由は、第１及び第２の周波数掃引光の周波数が最高周波数ｆ_ｍａｘから最低周波数ｆ_ｍｉｎに戻る際に、時間を要するためである。

　掃引電気信号出力部１１は、セレクタ１５が第１の周波数掃引光を選択している期間中は、第１のレーザ光源１３に出力している鋸波信号の周波数ｆを監視する。
　掃引電気信号出力部１１は、第１のレーザ光源１３に出力している鋸波信号の周波数ｆが最高周波数ｆ_ｍａｘに到達すると、第２の周波数掃引光を選択する旨を示す第２のセレクタ切替信号をセレクタ１５に出力する。
　掃引電気信号出力部１１は、第１の周波数掃引光から第２の周波数掃引光に切り替えるタイミングとして、第１のレーザ光源１３に出力している鋸波信号の周波数ｆが最高周波数ｆ_ｍａｘに到達するタイミングを検出している。
　また、掃引電気信号出力部１１は、セレクタ１５が第２の周波数掃引光を選択している期間中は、遅延器１２から出力された遅延後の鋸波信号の周波数ｆを監視する。
　掃引電気信号出力部１１は、遅延後の鋸波信号の周波数ｆが最高周波数ｆ_ｍａｘに到達すると、第１の周波数掃引光を選択する旨を示す第１のセレクタ切替信号をセレクタ１５に出力する。
　掃引電気信号出力部１１は、第２の周波数掃引光から第１の周波数掃引光に切り替えるタイミングとして、遅延後の鋸波信号の周波数ｆが最高周波数ｆ_ｍａｘに到達するタイミングを検出している。

　遅延器１２は、掃引電気信号出力部１１から鋸波信号を受けると、鋸波信号を遅延し、遅延後の鋸波信号を第２のレーザ光源１４に出力する。
　遅延器１２による鋸波信号の遅延時間については後述する。
　第１のレーザ光源１３は、掃引電気信号出力部１１から鋸波信号を受けると、時間の経過に伴う周波数の変化が、鋸波信号の変化に同期している第１の周波数掃引光をセレクタ１５に出力する。
　第２のレーザ光源１４は、遅延器１２から出力された鋸波信号を受けると、時間の経過に伴う周波数の変化が、鋸波信号の変化に同期している第２の周波数掃引光をセレクタ１５に出力する。

　図９は、第１のレーザ光源１３から出力される第１の周波数掃引光としての参照光及び反射光と、第２のレーザ光源１４から出力される第２の周波数掃引光としての参照光及び反射光とを示す説明図である。
　第１及び第２の周波数掃引光は、周波数が最高周波数ｆ_ｍａｘに到達すると、一旦、周波数が最低周波数ｆ_ｍｉｎに戻り、その後、周波数掃引が再開される。
　第１及び第２の周波数掃引光は、周波数が最低周波数ｆ_ｍｉｎに戻ると、周波数掃引が再開されるまでに一定の時間を要するため、周波数が最低周波数ｆ_ｍｉｎである状態が一定時間継続する。周波数が最低周波数ｆ_ｍｉｎである状態が継続する時間帯は、距離の測定が不可能な時間帯である。
　ただし、第１の周波数掃引光において、周波数が最低周波数ｆ_ｍｉｎである状態の時間帯と、第２の周波数掃引光において、周波数が最低周波数ｆ_ｍｉｎである状態の時間帯とは、ずれている。
　第１の周波数掃引光の周波数が最低周波数ｆ_ｍｉｎである時間帯では、第２の周波数掃引光の周波数は、最低周波数ｆ_ｍｉｎよりも高い周波数である。
　また、第２の周波数掃引光の周波数が最低周波数ｆ_ｍｉｎである時間帯では、第１の周波数掃引光の周波数は、最低周波数ｆ_ｍｉｎよりも高い周波数である。

　セレクタ１５は、掃引電気信号出力部１１から第１のセレクタ切替信号を受けると、第１の周波数掃引光及び第２の周波数掃引光のうち、第１の周波数掃引光を選択して、第１の周波数掃引光を光カプラ２１に出力する。
　セレクタ１５は、掃引電気信号出力部１１から第２のセレクタ切替信号を受けると、第１の周波数掃引光及び第２の周波数掃引光のうち、第２の周波数掃引光を選択して、第２の周波数掃引光を光カプラ２１に出力する。

　光送受信部２０は、周波数掃引光出力部１０から出力された第１の周波数掃引光又は第２の周波数掃引光を参照光として信号処理部３０に出力する。
　また、光送受信部２０は、周波数掃引光出力部１０から出力された第１の周波数掃引光又は第２の周波数掃引光を照射光として測定対象物１に向けて照射し、測定対象物１に反射された照射光を反射光として受信し、反射光を信号処理部３０に出力する。
　以下、光送受信部２０による照射光の照射動作及び反射光の受信動作を具体的に説明する。

　光カプラ２１は、セレクタ１５から周波数掃引光（第１の周波数掃引光又は第２の周波数掃引光）を受けると、周波数掃引光を２つに分岐する。
　光カプラ２１は、分岐後の一方の周波数掃引光をサーキュレータ２２に出力し、分岐後の他方の周波数掃引光を参照光として光干渉部３１に出力する。
　サーキュレータ２２は、光カプラ２１から出力された周波数掃引光をコリメートレンズ２３に出力する。

　コリメートレンズ２３は、サーキュレータ２２から周波数掃引光を受けると、周波数掃引光が平行光になるように、周波数掃引光のビーム径を調整する。コリメートレンズ２３によりビーム径が調整された周波数掃引光は、照射光として、測定対象物１に向けて空間に放射される。
　コリメートレンズ２３は、測定対象物１に反射された照射光を反射光として集光し、反射光をサーキュレータ２２に出力する。
　サーキュレータ２２は、コリメートレンズ２３から反射光を受けると、反射光を光干渉部３１に出力する。

　光干渉部３１は、サーキュレータ２２から出力された反射光と光カプラ２１から出力された参照光とを干渉させて、反射光と参照光との干渉光をＯ／Ｅ変換部３２に出力する。
　Ｏ／Ｅ変換部３２は、光干渉部３１から干渉光を受けると、干渉光を干渉信号に変換し、干渉信号をＡ／Ｄ変換部３３に出力する。
　Ａ／Ｄ変換部３３は、Ｏ／Ｅ変換部３２から干渉信号を受けると、干渉信号をアナログ信号からデジタル信号に変換し、デジタル信号を距離算出部３４に出力する。

　距離算出部３４のフーリエ変換部３５は、Ａ／Ｄ変換部３３からデジタル信号を受けると、デジタル信号をフーリエ変換することで、干渉光の周波数スペクトルを算出し、周波数スペクトルを距離算出処理部３６に出力する。
　光干渉部３１に反射光が到達する時刻は、光干渉部３１に参照光が到達する時刻よりも遅れるため、光干渉部３１への反射光の到達時刻と、光干渉部３１への参照光の到達時刻との間に時刻差が生じる。
　周波数スペクトルには、上記の時刻差に対応する周波数差の成分が含まれており、周波数差は、測定対象物１までの距離と正比例する。周波数差は、反射光の周波数と参照光の周波数との差分である。

　図７には、光測距装置３からの距離がＬ_１の測定対象物１と、距離がＬ_２の測定対象物１と、距離がＬ_３の測定対象物１とが例示されている。
　図７の例では、光干渉部３１への反射光が、光測距装置３からの距離がＬ_１の測定対象物１に反射された反射光である場合、反射光の周波数と参照光の周波数との周波数差Δｆは、Δｆ_１である。光測距装置３からの距離がＬ_１の測定対象物１に反射された反射光は、走査（Ｘ_１）が示す時間帯での反射光である。
　光干渉部３１への反射光が、光測距装置３からの距離がＬ_２の測定対象物１に反射された反射光である場合、周波数差Δｆは、Δｆ_２である。光測距装置３からの距離がＬ_２の測定対象物１に反射された反射光は、走査（Ｘ_２）が示す時間帯での反射光である。
　光干渉部３１への反射光が、光測距装置３からの距離がＬ_３の測定対象物１に反射された反射光である場合、周波数差Δｆは、Δｆ_３である。光測距装置３からの距離がＬ_３の測定対象物１に反射された反射光は、走査（Ｘ_３）が示す時間帯での反射光である。Δｆ_１＜Δｆ_２＜Δｆ_３である。

　距離算出処理部３６は、フーリエ変換部３５から周波数スペクトルを受けると、周波数スペクトルに含まれている周波数差Δｆを算出する。
　距離算出処理部３６は、周波数差Δｆから、光測距装置３から測定対象物１までの距離Ｌを算出する。
　周波数差Δｆから距離Ｌを算出する処理自体は、公知の技術であるため、詳細な説明を省略する。

　ここで、遅延器１２による鋸波信号の遅延時間について説明する。
　鋸波信号の遅延時間の初期値は、０である。
　遅延時間が０である場合、第１の周波数掃引光による距離の測定不可時間帯と、第２の周波数掃引光による距離の測定不可時間帯とが一致する。
　距離の測定不可時間帯は、図９に示すように、反射光の周波数と参照光の周波数との周波数差Δｆが零になる時間帯Ｔ_０を含んでいる。
　距離算出処理部３６は、周波数差Δｆが零となる時間帯Ｔ_０を計測する。
　距離算出処理部３６は、周波数掃引光（第１の周波数掃引光、第２の周波数掃引光）の掃引時間がＴ_{ｓｗｅｅｐ}であれば、鋸波信号の遅延時間Ｔ_ｄを以下の式（１）ように設定する。
　Ｔ_０＋α＜Ｔ_ｄ＜Ｔ_{ｓｗｅｅｐ}－（Ｔ_０＋α）　　　　　（１）

　式（１）において、αは、光干渉部３１への反射光の到達時刻と、光干渉部３１への参照光の到達時刻との間の時刻差Ｔ_１，Ｔ_２に対応する係数である。ただし、時刻差Ｔ_１，Ｔ_２は、測定対象物１までの距離に応じて変化するため、係数αは、時刻差Ｔ_１，Ｔ_２の中で、光測距装置３において、測定可能な距離の最大値Ｌ_ｍａｘに対応する時刻差Ｔ_ｍａｘ１，Ｔ_ｍａｘ２に基づいて設定される。
　α＝Ｔ_ｍａｘ１＋Ｔ_ｍａｘ２（２）
　距離算出処理部３６は、鋸波信号の遅延時間Ｔ_ｄを遅延器１２に出力する。遅延器１２の遅延時間は、距離算出処理部３６から出力された遅延時間Ｔ_ｄに設定される。

　ここでは、距離算出処理部３６が、式（１）及び式（２）に従って鋸波信号の遅延時間Ｔ_ｄを設定している。しかし、これは一例に過ぎず、距離算出処理部３６は、セレクタ１５により第１の周波数掃引光が選択される時間と、セレクタ１５により第２の周波数掃引光が選択される時間とが等しくなる遅延時間Ｔ_ｄを設定するようにしてもよい。また、距離算出処理部３６は、セレクタ１５により第１の周波数掃引光が選択される時間と、セレクタ１５により第２の周波数掃引光が選択される時間との比率が、一定の比率になる遅延時間Ｔ_ｄを設定するようにしてもよい。

　以上の実施の形態１は、周波数掃引光出力部１０が、出力中の周波数掃引光の周波数掃引が完了してから、次の周波数掃引が可能になるまでの期間中、出力中の周波数掃引光と異なる周波数掃引中の周波数掃引光を出力するように、光測距装置３を構成した。したがって、光測距装置３は、測定対象物１までの距離を測定できない時間帯を解消することができる。

　実施の形態１の光測距装置３では、第１の周波数掃引光における周波数の変化範囲が、第２の周波数掃引光における周波数の変化範囲と同じである。
　しかし、これは一例に過ぎず、第１の周波数掃引光における周波数の変化範囲は、第２の周波数掃引光における周波数の変化範囲と異なっていてもよい。
　図１０は、第１のレーザ光源１３から出力される第１の周波数掃引光における周波数の変化範囲及び第２のレーザ光源１４から出力される第２の周波数掃引光における周波数の変化範囲を示す説明図である。
　図１０の例では、第１の周波数掃引光における周波数の変化範囲が、最低周波数ｆ_ｍｉｎ１～最高周波数ｆ_ｍａｘ１の範囲であり、第２の周波数掃引光における周波数の変化範囲が、最低周波数ｆ_ｍｉｎ２～最高周波数ｆ_ｍａｘ２の範囲である。
　図１０の例では、ｆ_ｍａｘ１＝ｆ_ｍｉｎ２である。したがって、周波数掃引光出力部１０から出力される周波数掃引光の変化範囲は、最低周波数ｆ_ｍｉｎ１～最高周波数ｆ_ｍａｘ２の範囲である。

　第１の周波数掃引光における周波数の変化量Ｃ_１は、ｆ_ｍａｘ１－ｆ_ｍｉｎ１であり、第２の周波数掃引光における周波数の変化量Ｃ_２は、ｆ_ｍａｘ２－ｆ_ｍｉｎ２である。
　また、図９に示すように、第１の周波数掃引光における周波数の変化範囲と、第２の周波数掃引光における周波数の変化範囲とが同じである場合の周波数の変化量Ｃ_３は、ｆ_ｍａｘ－ｆ_ｍｉｎである。
　このとき、Ｃ_１＝Ｃ_２＝Ｃ_３であるとすれば、第１の周波数掃引光における周波数の変化範囲と、第２の周波数掃引光における周波数の変化範囲とが異なる場合、同じである場合よりも、光測距装置３は、計測距離のダイナミックレンジを広げることができる。

　実施の形態１の光測距装置３は、周波数掃引光出力部１０が２つのレーザ光源（第１のレーザ光源１３、第２のレーザ光源１４）を備えている。周波数掃引光出力部１０が３つ以上のレーザ光源を備えているものであってもよい。
　周波数掃引光出力部１０が３つ以上のレーザ光源を備える場合、セレクタ１５は、３つ以上の周波数掃引光の中から、１つの周波数掃引光を選択して光送受信部２０に出力する。
　セレクタ１５により選択される周波数掃引光は、周波数が最低周波数ｆ_ｍｉｎの状態ではない周波数掃引光の周波数掃引光である。

実施の形態２．
　実施の形態２の光測距装置３は、周波数掃引光出力部６０が１つのレーザ光源６１を備えている。
　図１１は、実施の形態２による光測距装置３を示す構成図である。
　図１１において、図２と同一符号は同一又は相当部分を示すので説明を省略する。
　周波数掃引光出力部６０は、掃引電気信号出力部１１、レーザ光源６１、光カプラ６２、遅延器６３及びセレクタ６４を備えている。
　周波数掃引光出力部６０は、出力中の周波数掃引光の周波数掃引が完了してから、次の周波数掃引が可能になるまでの期間中、出力中の周波数掃引光と異なる周波数掃引中の周波数掃引光を光送受信部２０に出力する。

　レーザ光源６１は、光ファイバを介して、光カプラ６２と接続されている。
　レーザ光源６１は、掃引電気信号出力部１１から出力された鋸波信号に基づいて、時間の経過に伴って周波数が変化する周波数掃引光を光カプラ６２に繰り返し出力する。
　光カプラ６２は、光ファイバを介して、遅延器６３と接続され、光ファイバを介して、セレクタ６４と接続されている。
　光カプラ６２は、レーザ光源６１から出力された周波数掃引光を２つに分岐し、分岐後の一方の周波数掃引光を第１の周波数掃引光としてセレクタ６４に出力し、分岐後の他方の周波数掃引光を第２の周波数掃引光として遅延器６３に出力する。
　遅延器６３は、光ファイバを介して、セレクタ６４と接続されている。
　遅延器６３は、光カプラ６２から出力された第２の周波数掃引光を遅延し、遅延後の第２の周波数掃引光をセレクタ６４に出力する。

　セレクタ６４は、光ファイバを介して、光送受信部２０の光カプラ２１と接続されている。
　セレクタ６４は、掃引電気信号出力部１１から第１のセレクタ切替信号を受けると、第１の周波数掃引光及び第２の周波数掃引光のうち、第１の周波数掃引光を選択して、第１の周波数掃引光を光カプラ２１に出力する。
　セレクタ１５は、掃引電気信号出力部１１から第２のセレクタ切替信号を受けると、第１の周波数掃引光及び第２の周波数掃引光のうち、第２の周波数掃引光を選択して、第２の周波数掃引光を光カプラ２１に出力する。

　次に、図１１に示す光測距装置３の動作について説明する。
　ただし、周波数掃引光出力部６０以外は、図２に示す光測距装置３と同様であるため、周波数掃引光出力部６０の動作だけを説明する。
　掃引電気信号出力部１１は、時間の経過に伴ってレーザ光源６１から出力される周波数掃引光の周波数をさせるための掃引電気信号として、図８に示す鋸波信号をレーザ光源６１に出力する。
　また、掃引電気信号出力部１１は、距離算出部３４から出力された遅延時間だけ、鋸波信号を遅延する。

　掃引電気信号出力部１１は、セレクタ６４が第１の周波数掃引光を選択している期間中は、レーザ光源６１に出力している鋸波信号の周波数ｆを監視する。
　掃引電気信号出力部１１は、レーザ光源６１に出力している鋸波信号の周波数ｆが最高周波数ｆ_ｍａｘに到達すると、第２の周波数掃引光を選択する旨を示す第２のセレクタ切替信号をセレクタ６４に出力する。
　掃引電気信号出力部１１は、セレクタ６４が第２の周波数掃引光を選択している期間中は、遅延後の鋸波信号の周波数ｆを監視する。
　掃引電気信号出力部１１は、遅延後の鋸波信号の周波数ｆが最高周波数ｆ_ｍａｘに到達すると、第１の周波数掃引光を選択する旨を示す第１のセレクタ切替信号をセレクタ６４に出力する。

　レーザ光源６１は、掃引電気信号出力部１１から鋸波信号を受けると、時間の経過に伴う周波数の変化が、鋸波信号の変化に同期している周波数掃引光を光カプラ６２に出力する。
　光カプラ６２は、レーザ光源６１から周波数掃引光を受けると、周波数掃引光を２つに分岐する。
　光カプラ６２は、分岐後の一方の周波数掃引光を第１の周波数掃引光としてセレクタ６４に出力し、分岐後の他方の周波数掃引光を第２の周波数掃引光として遅延器６３に出力する。

　遅延器６３は、光カプラ６２から第２の周波数掃引光を受けると、第２の周波数掃引光を遅延し、遅延後の第２の周波数掃引光をセレクタ６４に出力する。
　遅延器６３による第２の周波数掃引光の遅延時間は、図２に示す遅延器１２による鋸波信号の遅延時間と同じである。

　セレクタ６４は、掃引電気信号出力部１１から第１のセレクタ切替信号を受けると、第１の周波数掃引光及び第２の周波数掃引光のうち、第１の周波数掃引光を選択して、第１の周波数掃引光を光カプラ２１に出力する。
　セレクタ６４は、掃引電気信号出力部１１から第２のセレクタ切替信号を受けると、第１の周波数掃引光及び第２の周波数掃引光のうち、第２の周波数掃引光を選択して、第２の周波数掃引光を光カプラ２１に出力する。

　実施の形態２の光測距装置３は、周波数掃引光出力部６０が備えるレーザ光源の数が１つであるため、実施の形態１の光測距装置３よりも、小型化を図ることができる。
　実施の形態２の光測距装置３では、周波数掃引光出力部６０が光カプラ６２及び遅延器６３を備える必要があるが、光カプラ６２及び遅延器６３は、レーザ光源と比べて小さい。

　実施の形態２の光測距装置３は、光カプラ６２が第１の周波数掃引光を２つに分岐することで、２つの周波数掃引光をセレクタ６４に出力している。しかし、これは一例に過ぎず、例えば、光カプラ６２を複数個多段に接続することで、３つ以上の周波数掃引光がセレクタ６４に出力されるようにしてもよい。３つ以上の周波数掃引光がセレクタ６４に出力される場合、多段に接続されている光カプラ６２のそれぞれに遅延器６３が接続される。
　セレクタ６４は、３つ以上の周波数掃引光の中から、１つの周波数掃引光を選択して光送受信部２０に出力する。
　セレクタ６４により選択される周波数掃引光は、周波数が最低周波数ｆ_ｍｉｎの状態ではない周波数掃引中の周波数掃引光である。

　なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

　この発明は、測定対象物までの距離を算出する光測距装置に適している。
　また、この発明は、光測距装置を備える加工装置に適している。

　１　測定対象物、２　加工装置、３　光測距装置、４　加工部、１０　周波数掃引光出力部、１１　掃引電気信号出力部、１２　遅延器、１３　第１のレーザ光源、１４　第２のレーザ光源、１５　セレクタ、２０　光送受信部、２１　光カプラ、２２　サーキュレータ、２３　コリメートレンズ、３０　信号処理部、３１　光干渉部、３１ａ　光カプラ、３２　Ｏ／Ｅ変換部、３２ａ，３２ｂ　ピンフォトダイオード、３２ｃ　増幅器、３３　Ａ／Ｄ変換部、３４　距離算出部、３５　フーリエ変換部、３６　距離算出処理部、４１　フーリエ変換回路、４２　距離算出処理回路、５１　メモリ、５２　プロセッサ、６０　周波数掃引光出力部、６１　レーザ光源、６２　光カプラ、６３　遅延器、６４　セレクタ。

Claims

　時間の経過に伴って周波数が変化する周波数掃引光を繰り返し出力する周波数掃引光出力部と、
　前記周波数掃引光出力部から出力された周波数掃引光を参照光として出力するとともに、前記周波数掃引光を測定対象物に向けて照射し、前記測定対象物に反射された周波数掃引光を反射光として受信する光送受信部と、
　前記反射光と前記参照光とを干渉させて、前記反射光と前記参照光との干渉光を出力する光干渉部と、
　前記光干渉部から出力された干渉光に基づいて、前記反射光の周波数と前記参照光の周波数との差分を算出し、前記差分から、前記測定対象物までの距離を算出する距離算出部とを備え、
　前記周波数掃引光出力部は、出力中の周波数掃引光の周波数掃引が完了してから、次の周波数掃引が可能になるまでの期間中、前記出力中の周波数掃引光と異なる周波数掃引中の周波数掃引光を出力することを特徴とする光測距装置。
　前記周波数掃引光出力部は、
　時間の経過に伴って周波数が変化する掃引電気信号を出力する掃引電気信号出力部と、
　前記掃引電気信号出力部から出力された掃引電気信号を遅延する遅延器と、
　前記掃引電気信号出力部から出力された掃引電気信号に基づいて、時間の経過に伴って周波数が変化する第１の周波数掃引光を繰り返し出力する第１のレーザ光源と、
　前記遅延器により遅延された掃引電気信号に基づいて、時間の経過に伴って周波数が変化する第２の周波数掃引光を繰り返し出力する第２のレーザ光源と、
　前記第１のレーザ光源から出力された第１の周波数掃引光又は前記第２のレーザ光源から出力された第２の周波数掃引光を選択し、選択した周波数掃引光を出力するセレクタとを備え、
　前記掃引電気信号出力部は、前記セレクタが第１の周波数掃引光を選択している期間中は、前記第１のレーザ光源に出力している掃引電気信号の周波数に基づいて、前記第１の周波数掃引光から前記第２の周波数掃引光に切り替えるタイミングを検出し、前記第２の周波数掃引光に切り替えるタイミングを検出したとき、前記第２の周波数掃引光を選択する旨を示す第２のセレクタ切替信号を前記セレクタに出力し、前記セレクタが第２の周波数掃引光を選択している期間中は、前記遅延器により遅延された掃引電気信号の周波数に基づいて、前記第２の周波数掃引光から前記第１の周波数掃引光に切り替えるタイミングを検出し、前記第１の周波数掃引光に切り替えるタイミングを検出したとき、前記第１の周波数掃引光を選択する旨を示す第１のセレクタ切替信号を前記セレクタに出力し、
　前記セレクタは、前記掃引電気信号出力部から第１のセレクタ切替信号を受けると、前記第１の周波数掃引光を選択し、前記掃引電気信号出力部から第２のセレクタ切替信号を受けると、前記第２の周波数掃引光を選択することを特徴とする請求項１記載の光測距装置。
　前記周波数掃引光出力部は、
　時間の経過に伴って周波数が変化する掃引電気信号を出力する掃引電気信号出力部と、
　前記掃引電気信号出力部から出力された掃引電気信号に基づいて、時間の経過に伴って周波数が変化する周波数掃引光を繰り返し出力するレーザ光源と、
　前記レーザ光源から出力された周波数掃引光を２つに分岐し、分岐後の一方の周波数掃引光を第１の周波数掃引光として出力し、分岐後の他方の周波数掃引光を第２の周波数掃引光として出力する光カプラと、
　前記光カプラから出力された第２の周波数掃引光を遅延する遅延器と、
　前記光カプラから出力された第１の周波数掃引光又は前記遅延器により遅延された第２の周波数掃引光を選択し、選択した周波数掃引光を出力するセレクタとを備え、
　前記掃引電気信号出力部は、前記遅延器による第２の周波数掃引光の遅延時間と同じ遅延時間だけ前記掃引電気信号を遅延し、前記セレクタが第１の周波数掃引光を選択している期間中は、前記レーザ光源に出力している掃引電気信号の周波数に基づいて、前記第１の周波数掃引光から前記第２の周波数掃引光に切り替えるタイミングを検出し、前記第２の周波数掃引光に切り替えるタイミングを検出したとき、前記第２の周波数掃引光を選択する旨を示す第２のセレクタ切替信号を前記セレクタに出力し、前記セレクタが第２の周波数掃引光を選択している期間中は、遅延させている掃引電気信号の周波数に基づいて、前記第２の周波数掃引光から前記第１の周波数掃引光に切り替えるタイミングを検出し、前記第１の周波数掃引光に切り替えるタイミングを検出したとき、前記第１の周波数掃引光を選択する旨を示す第１のセレクタ切替信号を前記セレクタに出力し、
　前記セレクタは、前記掃引電気信号出力部から第１のセレクタ切替信号を受けると、前記第１の周波数掃引光を選択し、前記掃引電気信号出力部から第２のセレクタ切替信号を受けると、前記第２の周波数掃引光を選択することを特徴とする請求項１記載の光測距装置。
　測定対象物までの距離を測定する光測距装置と、前記光測距装置により測定された距離に基づいて、前記測定対象物を加工する加工部とを備え、
　前記光測距装置は、
　時間の経過に伴って周波数が変化する周波数掃引光を繰り返し出力する周波数掃引光出力部と、
　前記周波数掃引光出力部から出力された周波数掃引光を参照光として出力するとともに、前記周波数掃引光を測定対象物に向けて照射し、前記測定対象物に反射された周波数掃引光を反射光として受信する光送受信部と、
　前記反射光と前記参照光とを干渉させて、前記反射光と前記参照光との干渉光を出力する光干渉部と、
　前記光干渉部から出力された干渉光に基づいて、前記反射光の周波数と前記参照光の周波数との差分を算出し、前記差分から、前記測定対象物までの距離を算出する距離算出部とを備え、
　前記周波数掃引光出力部は、出力中の周波数掃引光の周波数掃引が完了してから、次の周波数掃引が可能になるまでの期間中、前記出力中の周波数掃引光と異なる周波数掃引中の周波数掃引光を出力することを特徴とする加工装置。